專利名稱：一種太赫茲波探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及太赫茲波探測技術領域，更具體地，涉及基于超導材料的太赫茲波探測器。
背景技術：
太赫茲(THz)輻射是從0. ITHz到IOTHz (光子能量從0. 4ImeV到41. 4meV,波長從30 μ m到3mm)的電磁輻射，它介于紅外和微波輻射之間，是光子學技術與電子學技術、 宏觀與微觀的過渡區域。THz波段是一個非常具有科學價值但尚未開發利用的電磁輻射區域，其研究涉及物理學、光電子學及材料科學等，在成像、醫學診斷、環境科學、信息、國家安全及基礎物理研究領域有著廣闊的應用前景和應用價值。在太赫茲波段的開發和利用中， 對太赫茲信號的檢測是一項非常重要的工作。與較短波長的光學波段電磁波相比，太赫茲波光子能量低，背景噪聲通常占據顯著地位，因此不斷提高接收靈敏度則成為必然的要求。目前，已有利用超導材料來進行太赫茲波的探測，例如基于超導材料隧道結結構、 超導材料微橋結構、超導材料偶極天線結構的探測方案。但是，這些方案結構復雜、制造成本較高。

發明內容
本發明的一個目的在于提供一種新的基于超導材料的太赫茲波探測器。本發明的另一目的在于提供一種靈敏度及信噪比高、噪聲等效功率低的太赫茲波探測器。本發明的再一目的在于提供一種結構簡單、穩定性好的太赫茲波探測器。本發明的又一目的在于提供一種特別適合探測低功率、束斑大的太赫茲波輻射源的太赫茲波探測器。本發明是通過以下方案實現的一種太赫茲波探測器，用于探測來自太赫茲波輻射源的太赫茲波，所述太赫茲波探測器包括襯底；和附著在所述襯底上的超導材料薄膜；其中，所述超導材料薄膜為單條以曲折且緊湊的方式在所述襯底上延伸的長程線條型結構；所述超導材料薄膜在工作過程中處于其超導轉變溫區內并接受待探測太赫茲波的直接照射，并且通過所述超導材料薄膜吸收太赫茲波的熱輻射而使電阻發生顯著變化來探測所述太赫茲波。優選地，所述超導材料薄膜的材料為鈮。優選地，所述超導材料薄膜的厚度在1 20nm之間。優選地，所述超導材料薄膜的線條寬度可以在1 30μπι之間。在一種實施方式中，在所述襯底的設置有超導材料薄膜的區域的至少一部分中， 單位平方毫米面積上所述超導材料薄膜的線條長度大于20mm。在一種實施方式中，在所述襯底的設置有超導材料薄膜的區域的至少一部分中， 單位面積上超導材料薄膜所占面積大于40%。在一種實施方式中，本發明的太赫茲波探測器還包括低溫恒溫器，其容納所述襯底和超導材料薄膜并能夠提供使得所述超導材料薄膜處于超導轉變溫區的溫度；其中，所述低溫恒溫器設有窗口，待探測的太赫茲波能夠穿過所述窗口直接照射到所述超導材料薄膜上。當所述超導材料薄膜的材料為鈮時，所述低溫恒溫器提供的溫度為4 10K。在一種實施方式中，所述待探測的太赫茲波經調制后照射在探測器的超導材料薄膜上；所述待探測的太赫茲波的調制頻率為13 1333Hz。在一種實施方式中，本發明的太赫茲波探測器還包括探測電路，所述探測電路連接在所述長程線條型結構的超導材料薄膜的兩端；其中，所述探測電路向所述超導材料薄膜提供直流偏置電流使超導材料薄膜處于超導轉變溫區，并探測超導材料薄膜兩端的電壓。當所述超導材料薄膜的材料為鈮時，所述探測電路提供大小為10 200 μ A的直流偏置電流。本發明的太赫茲波探測器采用超導材料作為太赫茲輻射的直接熱吸收體，具有靈敏度及信噪比高、噪聲等效功率低，結構簡單、成本低，穩定性好的優點；特別適合探測低功率、束斑大的太赫茲波輻射源。


圖1為按照本發明一個實施例的太赫茲波探測器的結構示意圖。圖2為按照本發明一個實施例的太赫茲波探測器的超導材料薄膜長程線條型結構示意圖。圖3為圖2中的超導材料薄膜長程線條型結構的局部放大圖。圖4為按照本發明一個實施例的鈮薄膜長程線條型結構的電阻溫度曲線。
具體實施例方式下面結合附圖來詳細說明本發明。本發明的太赫茲波探測器用于探測來自太赫茲波輻射源的太赫茲波。圖1示出了本發明太赫茲波探測器的一個實施例的結構示意圖。在圖1中，該太赫茲波探測器包括襯底4和附著在襯底4上的超導材料薄膜3。襯底4和超導材料薄膜3可以設置在低溫恒溫器2中，其中，低溫恒溫器2用于提供足夠低的溫度，從而能夠使得超導材料薄膜3處于其超導轉變溫區。在圖1中，低溫恒溫器2設有窗口 1，來自太赫茲波輻射源(未示出)的待探測太赫茲波輻射能夠透過窗口 1直接照射到超導材料薄膜3上。在其它實施例中，也可以采取其它的裝置或者措施來向超導材料薄膜3提供低溫。本發明的太赫茲波探測器還可以包括探測電路。在圖1的實施例中，該探測電路可以包括直流電流源5和鎖相放大器6，其中，直流電流源5用于向超導材料薄膜3提供直流偏置電流Ib，鎖相放大器6用于探測超導材料薄膜3的輸出電壓信號。圖1所示的太赫茲波探測器在工作時，用低溫恒溫器2使得超導材料薄膜3處于其超導轉變溫區，此時，超導材料薄膜3的電阻對溫度的變化異常敏感。然后，直流電流源 5向超導材料薄膜3通一恒定的直流偏置電流Ib，該電流Ib應小于或略小于超導材料薄膜 3的超導臨界電流。這樣，當來自太赫茲波輻射源的太赫茲輻射直接照射到超導材料薄膜3 上時，由于太赫茲輻射的熱效應，且超導材料薄膜3作為直接的熱吸收體，其溫度將會發生微弱變化。超導材料薄膜3的溫度的微弱變化將導致其電阻發生顯著變化。在通有直流偏置電流Ib的情況下，超導材料薄膜3電阻的顯著變化將表現為其兩端的輸出電壓發生顯著變化，并由探測電路(例如其中的鎖相放大器6)探測到該電壓變化，從而達到探測太赫茲波的目的。圖2示出了超導材料薄膜3的一個實施例的具體結構，該超導材料薄膜3為單條以曲折且緊湊的方式延伸的長程線條型結構。在該線條型超導材料薄膜3的兩端設置有接線電極7和8，分別用于與直流電流源5和鎖相放大器6進行連接。總體上講，超導材料薄膜3的曲折且緊湊的長程線條型結構可以有效地實現對探測信號的累積和放大，從而有效提高探測靈敏度及探測效率。超導材料薄膜3的長程線條型結構，可以等效于一個串聯電路，輸出的電壓信號正比于探測器上所加的電流和探測器上電阻的相對變化；在電流一定的情況下，電阻的相對變化越大，輸出的電壓信號越大。電阻的相對變化大，則意味著線條的長度要更長。所以，對于超導材料薄膜3的線條長度，在一定區域內越長越好，可以有效地實現對探測信號的累積。可以用襯底單位面積上超導材料薄膜3的線條長度和/或所占面積來表征其線條的密集程度。在一個實施例中，在襯底2的設置有超導材料薄膜的區域的至少一部分中，單位平方毫米面積上超導材料薄膜3的線條長度大于20mm。在一個實施例中，在襯底2的設置有超導材料薄膜的區域的至少一部分中，單位面積上超導材料薄膜3所占面積大于40%。超導材料薄膜3可以根據待探測的太赫茲波在探測面上形成的光斑的形狀來選擇相適合的曲折延伸方式，換句話說，可以根據光斑的形狀來定制。在圖2所示的超導材料薄膜3的這個具體實施例中，其線條呈現為周期性的曲折結構。圖3是圖2中虛框所示部分的放大圖，其中，a為線條寬度，b為間隙寬度，c為曲折的周期長度。在一個實施例中，線條寬度a的取值范圍可以在1 30 μ m之間，間隙寬度b的取值范圍可以在1 30 μ m之間。超導材料薄膜3的厚度對于太赫茲波探測器的性能也有一定的影響。由于探測器的靈敏度表現為宏觀的溫度升高與電阻值隨之變化，顯然超導材料薄膜厚度要合適薄膜太薄，超導轉變區會增寬，甚至薄膜會不超導，不利于提高探測器的靈敏度；薄膜太厚，太赫茲輻射熱不足以影響整個膜厚，導致信號太小，甚至沒有信號。在一個實施例中，超導材料薄膜3的厚度優選在1 20nm之間。在一個實施例中，超導材料薄膜3是由超導材料鈮形成。可以采用高真空鍍膜工藝在襯底2上鍍制一層鈮膜，再通過微加工光刻手段將鈮膜加工成所需的長程線條型結構。襯底2的選取沒有特定要求，常規的襯底材料如硅，藍寶石或氧化鎂等均可。鈮屬于低溫超導材料，相比于其它高溫超導材料，其溫度電阻曲線在超導轉變溫區中更陡峭，因此受熱輻射而引起的電阻變化也更靈敏。而且，鈮薄膜自身性質穩定不易氧化，而且硬度高不易損壞。在一個更具體的實施例中，選擇硅為襯底2，鈮薄膜為超導材料薄膜3且采用與圖 2相同的周期曲折結構。鈮薄膜的整體尺寸為8mm女8mm,線條寬度a為15 μ m，間隙寬度b 為15 μ m，周期長度c為60 μ m，線條厚度為lOnm。鈮薄膜的線條總長度約2140mm，在硅襯底的單位平方毫米面積上鈮薄膜的線條長度為33. 4mm ；鈮薄膜的面積為襯底面積的二分之一。這樣形成的鈮薄膜電阻溫度曲線如圖4所示，表明溫度低于6. 4 時，該鈮薄膜處于超導態。且從圖可以看出該鈮薄膜的轉變溫區窄，有利于得到靈敏度高的太赫茲波探測器。 在本實施例中，所用低溫恒溫器2為Cryomech公司的PT407型脈沖管制冷機；所用太赫茲波輻射源為美國emcore公司生產的連續太赫茲光譜PB7100系統；用于調制太赫茲波的鎖相放大器(未示出)以及探測鈮薄膜輸出電壓所用的鎖相放大器6為日本NF公司生產的 Li5640型鎖相放大器；所用直流電流源5為KeithleyMOO電流源表。在本實施例中，低溫恒溫器提供的溫度為4 IOK ；直流電流源提供大小為10 200 μ A的直流偏置電流。待探測的太赫茲波經鎖相放大器(未示出)調制后入射到太赫茲波探測器中，其調制頻率為 13 1333Hz。經實驗測定，這樣形成的鈮薄膜太赫茲波探測器的優選工作條件為恒溫狀態T = 6. 405K，直流偏置電流= 100 μ Α，調制頻率為83Hz。在該優選工作條件及其附近條件下，該鈮薄膜太赫茲波探測器的響應度可以達到56V/W，信噪比可以達到48dB，噪聲等效功率可以達到8. 3 * 10_15W/Hz"2，體現出了優異的性能。 本領域技術人員應當理解，本發明的實施例僅用于解釋本發明而非用于對其作出任何限制。凡在本發明的精神內做出的改變，均在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種太赫茲波探測器，用于探測來自太赫茲波輻射源的太赫茲波，所述太赫茲波探測器包括襯底；和附著在所述襯底上的超導材料薄膜；其中，所述超導材料薄膜為單條以曲折且緊湊的方式在所述襯底上延伸的長程線條型結構；所述超導材料薄膜在工作過程中處于其超導轉變溫區內并接受待探測太赫茲波的直接照射，并且通過所述超導材料薄膜吸收太赫茲波的熱輻射而使電阻發生顯著變化來探測所述太赫茲波。
2.根據權利要求1所述的太赫茲波探測器，其特征在于，所述超導材料薄膜的材料為鈮。
3.根據權利要求1或2所述的太赫茲波探測器，其特征在于，所述超導材料薄膜的厚度在1 20nm之間。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的太赫茲波探測器，其特征在于，所述超導材料薄膜的線條寬度在1 30 μ m之間。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的太赫茲波探測器，其特征在于，在所述襯底的設置有超導材料薄膜的區域的至少一部分中，單位平方毫米面積上所述超導材料薄膜的線條長度大于20mm。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的太赫茲波探測器，其特征在于，在所述襯底的設置有超導材料薄膜的區域的至少一部分中，單位面積上超導材料薄膜所占面積大于 40%。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的太赫茲波探測器，其特征在于，還包括低溫恒溫器，其容納所述襯底和超導材料薄膜并能夠提供使得所述超導材料薄膜處于超導轉變溫區的溫度；其中，所述低溫恒溫器設有窗口，待探測的太赫茲波能夠穿過所述窗口直接照射到所述超導材料薄膜上。
8.根據權利要求7所述的太赫茲波探測器，其特征在于，當所述超導材料薄膜的材料為鈮時，所述低溫恒溫器提供的溫度為4 10K。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的太赫茲波探測器，其特征在于，還包括探測電路， 所述探測電路連接在所述長程線條型結構的超導材料薄膜的兩端；其中，所述探測電路向所述超導材料薄膜提供直流偏置電流使超導材料薄膜處于超導轉變溫區，并探測超導材料薄膜兩端的電壓；
10.根據權利要求9所述的太赫茲波探測器，其特征在于，當所述超導材料薄膜的材料為鈮時，所述探測電路提供大小為10 200 μ A的直流偏置電流。
11.根據權利要求1-10中任一項所述的太赫茲波探測器，其特征在于，所述待探測的太赫茲波經調制后照射在探測器的超導材料薄膜上；所述調制頻率為13 1333Hz。
全文摘要
本發明公開了一種太赫茲波探測器，用于探測來自太赫茲波輻射源的太赫茲波，所述太赫茲波探測器包括襯底；和附著在所述襯底上的超導材料薄膜；其中，所述超導材料薄膜為單條以曲折且緊湊的方式在所述襯底上延伸的長程線條型結構；所述超導材料薄膜在工作過程中處于其超導轉變溫區內并接受待探測太赫茲波的直接照射，并且通過所述超導材料薄膜吸收太赫茲波的熱輻射而使電阻發生顯著變化來探測所述太赫茲波。本發明的太赫茲波探測器靈敏度及信噪比高、噪聲等效功率低，結構簡單、穩定性好；特別適合探測低功率、束斑大的太赫茲波輻射源。
文檔編號G01N21/17GK102539339SQ20121000349
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者劉瑞元, 宋小會, 王云平 申請人:中國科學院物理研究所