一种用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片

本发明涉及亚毫米波天文成像，尤其是涉及一种用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片。

背景技术：

1、亚毫米波为波长1～0.1mm，频率0.3～3thz范围的电磁波。与微波波段相比，亚毫米波段具有更高的空间分辨率和更好的抗干扰性能。与红外波段相比，亚毫米波能够轻松穿透星际中的尘埃云，非常适合遥远天体的观测。因此，亚毫米波天文学的研究对于理解宇宙状态和演化有非常重要的意义，是当前天体物理的最前沿研究领域之一。发展高灵敏度的亚毫米波超导探测器，是推动亚毫米波天文技术发展的重要手段。

2、用于亚毫米波天文成像的技术主要有超导相变边缘探测器(transitionedgesensor，tes)和超导动态电感探测器(kineticinductancedetectors，kids)。tes是一种辐射热探测器，包含一层工作在正常态与超导态之间的一个很窄的温度区间内的超导薄膜。在此温度区间，超导薄膜的电阻具有很高的温度灵敏度，在恒压偏置下吸收光子信号后引起电流的变化，并通过超导量子干涉器件(superconductingquantuminterferencedevices,squid)放大电流读出，实现背景极限的探测。kids是一个由超导薄膜平面电感和平面电容组成的谐振腔。能量大于超导材料能隙的入射光子被超导薄膜吸收，拆散库珀对，产生准粒子，超导薄膜的表面阻抗会随之发生变化，从而导致谐振腔的谐振频率f及品质因子q的变化，通过测量这些微弱变化，可以实现对亚毫米波信号的探测。就目前来说，tes技术相对成熟，且在响应速度方面有一定优势，但是tes阵列中每一个单元的信号都需要由squid单元来放大，随着单元数的提高，读出电路变得越来越复杂，因此tes在大阵列集成方面困难较大。kids由于采用频分复用的读出方式，通常一根馈线就可以读出成百上千个kids单元中的信号，在实现大阵列集成，提高成像分辨率上有着显著优势。同时还具有结构简单、高灵敏度等优点，已成为国际上亚毫米波望远镜探测成像系统的首选。例如，安装于iram30米望远镜上的基于kid技术毫米/亚毫米相机nika2采用双频集总参数型kid，分别为在150ghz的1020个探测器阵列，和两个在260ghz的1140个探测器阵列，超过80％的像素单元可正常工作；sunilr.golwala等人设计了一种多波长毫米波/亚毫米波电感相机music，共有576个像素，每个像素上有4个kids单元，分别可以在0.87mm，1.04mm，1.33mm和1.98mm四个波段上进行成像。此外，kids技术在太赫兹频谱仪、单光子计数、高能离子探测等领域也有广泛的应用。国内对于kids的研究起步较晚，紫金山天文台毫米波与亚毫米波技术实验室率先开展kids的研究，已经成功设计并制备出基于1/4波长共面波导谐振腔结构的kids阵列，像元数已经达到1024。而基于集总参数谐振腔结构的亚毫米波天文成像芯片国内还未见报导。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，包括介质基板和制备在介质基板表面的超导电路，超导电路包括超导谐振腔阵列、屏蔽地、共面波导传输线，超导谐振腔阵列包括若干个超导谐振腔，每一个超导谐振腔耦合到共面波导传输线。

3、优选的，介质基板的材料为高阻硅片或石英片或蓝宝石片，厚度为0.3mm-1mm。

4、优选的，超导动态电感电路的材料为铝或氮化钛薄膜，厚度为20-100nm。

5、优选的，超导谐振腔的尺寸与所观测的亚毫米波波长比例为1:1～2:1。

6、优选的，超导谐振腔为集总参数结构，超导谐振腔包括蜿蜒电感l和叉指电容c，叉指电容c与蜿蜒电感l并联形成lc谐振电路，超导谐振腔的谐振频率为2～8ghz；

7、超导谐振腔的排列方式为沿着共面波导传输线一侧依次排布；

8、超导谐振腔的一端耦合到共面波导传输线，耦合强度由耦合处地线的宽度和超导谐振腔距地线的距离决定，其中宽度和距离为10-50μm；

9、超导谐振腔在工作温度下的品质因子为104-105；

10、优选的，超导谐振腔阵列中的每一个超导谐振腔具有不同的谐振频率，超导谐振腔之间的谐振频率间隔为2-20mhz。

11、优选的，屏蔽地包围设置在超导谐振腔四周，并与共面波导传输线两侧的地相连；相邻超导谐振腔之间的屏蔽地宽度为20-100μm；屏蔽地与超导谐振腔之间的距离为10-100μm。

12、优选的，共面波导传输线的特征阻抗为50欧姆，共面波导传输线的中心线的宽度为10-20μm；

13、共面波导传输线在端口处做尺寸扩展用于焊接外围pcb电路，端口阻抗为50欧姆。

14、优选的，超导动态电感芯片的工作温度不超过100mk。

15、因此，本发明采用上述结构的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，具有以下有益效果：

16、采用平面结构工艺，易于加工；超导谐振腔阵列采用了频分复用的读出方式，可以同时读出阵列中所有超导谐振腔的信号，简化读出电路设计，减少芯片低温工作下由电缆引起的漏热，提高稳定性。

17、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：包括介质基板和制备在介质基板表面的超导电路，超导电路包括超导谐振腔阵列、屏蔽地、共面波导传输线，超导谐振腔阵列包括若干个超导谐振腔，每一个超导谐振腔耦合到共面波导传输线。

2.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：介质基板的材料为高阻硅片或石英片或蓝宝石片，厚度为0.3mm-1mm。

3.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：超导动态电感电路的材料为铝或氮化钛薄膜，厚度为20-100nm。

4.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：超导谐振腔的尺寸与所观测的亚毫米波波长比例为1:1～2:1。

5.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：超导谐振腔为集总参数结构，超导谐振腔包括蜿蜒电感l和叉指电容c，叉指电容c与蜿蜒电感l并联形成lc谐振电路，超导谐振腔的谐振频率为2～8ghz；

6.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：超导谐振腔阵列中的每一个超导谐振腔具有不同的谐振频率，超导谐振腔之间的谐振频率间隔为2-20mhz。

7.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：屏蔽地包围设置在超导谐振腔四周，并与共面波导传输线两侧的地相连；相邻超导谐振腔之间的屏蔽地宽度为20-100μm；屏蔽地与超导谐振腔之间的距离为10-100μm。

8.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：共面波导传输线的特征阻抗为50欧姆，共面波导传输线的中心线的宽度为10-20μm；

9.根据权利要求1所述的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，其特征在于：超导动态电感芯片的工作温度不超过100mk。

技术总结
本发明涉及亚毫米波天文成像技术领域，且公开了一种用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，包括介质基板和制备在介质基板表面的超导电路，超导电路包括超导谐振腔阵列、屏蔽地、共面波导传输线，超导谐振腔阵列包括若干个超导谐振腔，每一个超导谐振腔耦合到共面波导传输线。本发明采用上述结构的用于亚毫米波天文成像的超导动态电感芯片，能够为亚毫米波天文仪器的开发及亚毫米天文观测提供有效帮助。

技术研发人员：杜伟杰,陈叙铮
受保护的技术使用者：上海师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13