CN104332701A - 一种太赫兹/激光叠层探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹/激光叠层探测器，由微带天线和探测器元件构成，所述微带天线由处于绝缘介质基片上面的导电薄膜贴片和金属馈线，以及处于绝缘介质基片下面的导电薄膜接地板构成，微带天线附有导电薄膜接地板的一面通过粘合剂黏贴在探测器元件的表面，探测器元件通过金属电极进行信号输出。实现了双模叠层探测，并且结构紧凑、体积小，简化了整体结构，为太赫兹/激光双模复合探测的广泛应用奠定基础。

Description

一种太赫兹/激光叠层探测器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹/激光叠层探测器，属于多模、多光谱复合探测中的探测器技术。

背景技术

采用双模或多模探测技术能够更加有效的对目标的特性进行探测，是未来探测技术发展的主流方向之一。由于双模或多模复合探测能够探测同一目标的两种电磁谱段以上的目标特性，因此能够提供更多的信息量，有利于发挥各自优势，解决单一模式所难以解决的问题。

将天线作为光学探测器的窗口可实现双模共孔径探测，但该天线必须透光。透明电子学是近年来十分热门的研究领域，纳米级厚度的石墨烯既具有良好的导电性能，又有宽光谱的高透过率。因此，可以采用石墨烯薄膜替代以往的微带贴片天线中的金属贴片(薄膜)和地板，制备透激光的太赫兹(THz)天线，其与激光探测器的结合可以实现太赫兹/激光复合的叠层探测器。

激光具有高定向性、高单色性或高相干性特点。在激光制导、激光经纬仪等光电跟踪、定位和准直仪器中常用四象限探测器作为光电传感器。目前激光制导主要采用半主动方式，即导引头与激光照射器分开放置，导引头中的核心部件就是四象限探测器。而在四象限探测器中目前广泛应用的是采用1.06微米波段的Si四象限探测器。四象限光电探测器具有电子线路简单、性能稳定可靠等特点。

太赫兹波通常指的是波长在1-0.03毫米之间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间相当宽泛围的电磁辐射区域。物质的THz光谱包含有丰富的物理和化学信息。研究THz不仅在科学上具有重要意义，而且在通信、医学成像等方面也具有重要的应用价值。

将THz探测与半主动激光探测相结合是获取被探测目标更为丰富信息的一种有效的技术途径。在某些应用系统中要求结构紧凑、体积小且同轴共视场。为了满足这种需求，本发明制备出一种结构紧凑、体积小又能实现双模探测的探测器，即太赫兹/激光叠层探测器。

发明内容

本发明的目的是提供一种太赫兹/激光叠层探测器，用以解决某些应用系统中对探测器既要结构紧凑、体积小，又能实现双模探测的需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种太赫兹/激光叠层探测器，由微带天线和探测器元件构成，所述微带天线由处于绝缘介质基片上面的导电薄膜贴片和金属馈线，以及处于绝缘介质基片下面的导电薄膜接地板构成，其特征在于，微带天线附有导电薄膜接地板的一面通过粘合剂黏贴在探测器元件的表面，探测器元件通过金属电极进行信号输出；所述微带天线接收太赫兹波，所述导电薄膜透射激光。

所述探测器元件为四象限激光探测器。

所述导电薄膜贴片至少成2*2阵列，依据探测器的中心对称分布，每个阵列内的导电薄膜贴片都由金属馈线进行馈电。

所述四象限激光探测器为雪崩光电二极管(APD)或PIN型光电二极管。

所述导电薄膜由2-8层石墨烯薄膜制成。

所述绝缘介质基片选取二氧化硅、蓝宝石、氟化镁或者尖晶石。

所述金属馈线由铬/金(Cr/Au)或铜(Cu)制成。

本发明的技术方案提供的叠层探测器中微带天线和探测器元件通过粘合剂粘贴在一起，探测器元件通过金属电极进行信号输出，这使叠层探测器结构紧凑、体积小。

另外，微带天线的导电薄膜使用的石墨烯薄膜，不仅具有良好的导电性，还具有宽光谱的高透过率，当包含有激光和THz的射线射入该双模探测器时，首先经过导电薄膜制备的微带天线，对THz波进行接收，由于该微带天线整体对激光有良好的透过率，因此四象限激光探测器能够接收到大部分入射的激光射线，从而实现了双模叠层探测，并且结构紧凑、体积小，简化了整体结构，为THz/激光双模复合探测的广泛应用奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例1中叠层探测器的俯视图；

图2是本发明实施例1中叠层探测器的侧视图；

图3是本发明实施例2中叠层探测器的俯视图

图中1为绝缘介质基片，2为导电薄膜贴片，3为金属馈线，4为导电薄膜地板，5为四象限激光探测器，6为金属电极，7为透红外的粘合剂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1：

图1、图2所示为实施例1所示的一种太赫兹/激光叠层探测器，该双模叠层探测器由微带天线和四象限激光探测器构成，其中微带天线由处于绝缘介质基片1上面的导电薄膜贴片2和金属馈线3，以及处于绝缘介质基片1下面的导电薄膜接地板4构成，微带天线的导电薄膜接地板4通过一种透红外的粘合剂7粘贴在四象限激光探测器5表面，四象限激光探测器通过金属电极进行信号输出。导电薄膜贴片为2*2阵列，依据探测器的中心对称分布。每个阵列内的导电薄膜贴片都与一条金属馈线连接。其中的导电薄膜是石墨烯薄膜，石墨烯薄膜由三层石墨烯薄膜制成。金属馈线3的材料选择铬/金，绝缘介质基片1选择蓝宝石，厚度为0.2毫米，导电薄膜选用三层石墨烯薄膜。绝缘介质基片1选取二氧化硅、蓝宝石、氟化镁或者尖晶石。

四象限激光探测器为雪崩光电二极管(APD)或PIN型光电二极管；根据所需的激光波段和光学系统，设计出半主动激光探测器的尺寸，采用目前已经成熟的半导体制作工艺，制备出四象限半主动激光探测器5。THz天线附有石墨烯薄膜地板4的一面通过粘合剂7粘贴在四象限激光探测器5的表面。

实施例2：

图3为实施例2所示的一种太赫兹/激光叠层探测器，导电薄膜贴片为4*4阵列，是由4个2*2阵列的导电薄膜贴片构成。

其中微带天线的贴片尺寸和排列关系与所需的THz频率和天线的阵元数有关，根据具体情况进行设置。

实施例2的具体制备过程如下：

1.绝缘介质基片1选择蓝宝石，厚度为0.2毫米，石墨烯薄膜贴片2选择4×4元贴片阵列图形，金属馈线3的材料选择铬/金。根据设计的贴片天线形状制备出光刻版图，包括制备馈线图形用的光刻版和制备天线图形用的光刻版。

2.将单层石墨烯薄膜用化学气相沉积设备生长在铜箔衬底上。

3.将蓝宝石先用三杯丙酮清洗，用甲醇及去离子水冲洗干净。

4.将表面清洗干净的蓝宝石放置到等离子水槽中，再将生长到铜衬底的石墨烯薄膜一同放置注满离子水的水槽中，使单层石墨烯薄膜脱离铜衬底，漂浮至蓝宝石衬底上。重复三次该工艺，将三层石墨烯转移到蓝宝石介质基片上。

5.采用天线图形光刻版对此面进行光刻、显影、后烘等工艺制备出天线图形。通过干法刻蚀去掉图形以外的石墨烯。利用等离子化学反应刻蚀方法，在20℃温度向反应室通入20sccm的氧气(O₂)20sccm，在0.5Pa的压力下用150W的功率刻蚀50秒。取出后，用丙酮去除光刻胶。

6.利用真空热蒸发方法，将蓝宝石衬底装入高真空镀膜机，将铬粒与金丝放入不同蒸发舟内。蒸发铬(Cr)时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，蒸发50nm。蒸发金(Au)时，当真空度小于1.0E-3Pa时开始蒸发，在衬底生长上一层厚度约2微米金电极薄膜，利用馈线光刻版进行光刻、显影、后烘、剥离等工艺制备出金属馈线。

7.重复过程2-4，在蓝宝石衬底的另一面制备三层石墨烯薄膜作为天线的地板。

8.通过晶片切割、测试筛选、引线焊接、封装形成透激光辐射的石墨烯天线。

9.半主动激光探测器采用InGaAs PIN结构，结构为四象限，工作波段为1.06微米，通过金属电极6进行信号输出。THz天线附有石墨烯薄膜地板的一面通过透红外的24#环氧胶与制备好的四象限激光探测器粘贴在一起。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种太赫兹/激光叠层探测器，由微带天线和探测器元件构成，所述微带天线由处于绝缘介质基片上面的导电薄膜贴片和金属馈线，以及处于绝缘介质基片下面的导电薄膜接地板构成，其特征在于，微带天线附有导电薄膜接地板的一面通过粘合剂黏贴在探测器元件的表面，探测器元件通过金属电极进行信号输出；所述微带天线接收太赫兹波，所述导电薄膜透射激光。

2.根据权利要求1所述的太赫兹/激光叠层探测器，其特征在于，所述探测器元件为四象限激光探测器。

3.根据权利要求1所述的太赫兹/激光叠层探测器，其特征在于，所述导电薄膜贴片至少成2*2阵列，依据探测器的中心呈对称分布，每个阵列内的导电薄膜贴片由金属馈线进行馈电。

4.根据权利要求2所述的太赫兹/激光叠层探测器，其特征在于，所述四象限激光探测器为雪崩光电二极管(APD)或PIN型光电二极管。

5.根据权利要求1所述的太赫兹/激光叠层探测器，其特征在于，所述导电薄膜由2-8层石墨烯薄膜制成。

6.根据权利要求1所述的太赫兹/激光叠层探测器，其特征在于，所述绝缘介质基片选取二氧化硅、蓝宝石、氟化镁或者尖晶石。

7.根据权利要求1或3所述的太赫兹/激光叠层探测器，其特征在于，所述金属馈线由铬/金(Cr/Au)或铜(Cu)制成。