CN107505281A - 一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器 - Google Patents
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Abstract
一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，包括单晶硅基底，单晶硅基底上生长一层二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上设有单晶硅结构层，单晶硅结构层上附着有太赫兹吸收材料结构；单晶硅结构层包括检测谐振子，检测谐振子周围均布了四个固定端，固定端上附着有金属电极层，固定端末端连接的电容极板与检测谐振子形成电容，通过电容对检测谐振子进行激振和检测；与固定端呈45°夹角分布有四个支撑端与检测谐振子相连，其上也附着有金属电极层；太赫兹波照射检测器时检测谐振子的谐振频率发生变化，通过检测到的谐振频率的变化，即可反演出检测器的温度以及太赫兹波的照射功率；本发明具有精度高、检测功率范围广、响应速度快、工作温度要求低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波检测器技术领域，特别涉及一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器。
背景技术
目前技术较为成熟的太赫兹探测器主要有以下三类：光电探测器、混频探测器和测热探测器。光电探测器利用太赫兹波中光子的能量与材料中电子的相互作用，例如GaAs、GeBe、InSb之类的掺杂半导体探测器。这类太赫兹探测器的工作带宽受到半导体材料性质的限制往往较小，且为了避免热致电离，探测器往往很低的工作温度。THz量子阱检测器(THzQWP)是一种基于半导体低维结构的光子型探测器,为了抑制由于热激发等因素产生的暗电流，其工作温度要求低于液氮温度，最高工作温度约为30K，并要求量子阱中载流子掺杂浓度很低，导致器件的吸收效率和光增益降低，进而降低了器件的响应率。
混频探测器通过将信号与一个本振混频而达到检测的目的，常用的几种混频探测方法有：1)肖特基二极管混频法：利用了金属-半导体二极管的非线性电流电压特性进行混频。工作频率范围宽，可以工作在室温下，但当工作频率升高时,噪声温度增大；2)超导体-绝缘体-超导体(SIS)混频器：基于光子辅助隧穿原理，其优点为噪声低，本振功率要求较低，但工作频率较低，上限为1.2THZ；3)热电子测辐射热仪混频器(HEBs)：它最大的优点是不受限制于超导体能隙所决定的上限频率，因为它仅仅吸收功率，但其中频带宽小，相干检测技术灵敏度高，且具有很高的频谱分辨率，是目前高灵敏度检测常用的手段；但相干检测技术结构复杂，成本昂贵，并需要高频率稳定度和一定输出功率的本振信号源，这在THz波段是有较大难度的，从而也使其应用范围受到较大的限制。
测热探测器也是一类十分重要的太赫兹探测器，常见的测热探测器有：1)高莱探测器：利用光学结构测量稀有气体吸收太赫兹波后体积的变化产生的微小位移，灵敏度高且对红外和太赫兹波段的吸收率稳定，但其结构复杂，探测器的气室单元和光学系统非常脆弱极易损坏，必须隔绝一切机械振动。2)半导体测热辐射计：通过测量掺杂半导体(常用Si或Ge)的阻抗变化测得太赫兹波的热辐射，这类探测器工作带宽广响应时间快且易于阵列化，掺杂工艺复杂，灵敏度不高，工作频率范围也有一定的限制。南京大学开展了对此类太赫兹检测器的研究，他们开发出一种新的薄膜材料Nb5N6。在Si基底上形成Nb5N6薄膜微桥，并利用Al制的偶极天线有效吸收THz信号，在薄膜上感应的THz电流加热微桥，使其温度升高，从而改变Nb5N6薄膜阻值，达到检测太赫兹信号的目的。该探测器工作频率范围大约在0.1到0.6THz。3)超材料测热探测器。土耳其科学家HabibBilgin在聚对二甲苯-C上镀有厚度200nm的钛形成双弹簧结构，在吸收太赫兹辐射时双弹簧结构温度升高，利用两种材料的热膨胀系数不同产生机械位移。这个检测器可以工作在1-5THz的范围。美国科学家利用SiOx和Al的超材料结构制作出了对于3.5THz吸收率特别高的检测器。这一类的探测器探测灵敏度较低，而且容易受到环境辐射的影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，具有精度高、检测功率范围广、响应速度快、对工作温度要求较低的优点，易于实现阵列化，是一种理想的太赫兹波功率检测器。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，包括单晶硅基底1，单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2上设有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3上附着有太赫兹吸收材料结构4；
所述的单晶硅结构层3包括检测谐振子3-1，检测谐振子3-1周围均布了第一固定端3-2、第二固定端3-3、第三固定端3-4、第四固定端3-5，四个固定端上分别附着有第一金属电极层3-6、第二金属电极层3-7、第三金属电极层3-8、第四金属电极层3-9，四个固定端末端连接着第一电容极板3-10、第二电容极板3-11、第三电容极板3-12、第四电容极板3-13，电容极板分别与检测谐振子3-1形成电容；与四个固定端呈45°夹角分布有第一支撑端3-14、第二支撑端3-15、第三支撑端3-16、第四支撑端3-17，四个支撑端与检测谐振子3-1相连，其上分别附着有第五金属电极层3-18、第六金属电极层3-19、第七金属电极层3-20、第八金属电极层3-21，金属电极层与外部电路连接，通过电容对检测谐振子3-1进行激振和检测。
所述的单晶硅基底1厚度范围为400um-1000um。
所述的二氧化硅绝缘层2生长厚度范围为2-3um。
所述的单晶硅结构层3厚度范围为10-25um。
所述的第一固定端3-2、第二固定端3-3、第三固定端3-4、第四固定端3-5为矩形，其长边边长0.3-0.5mm，短边边长0.2-0.35mm；第一金属电极层3-6、第二金属电极层3-7、第三金属电极层3-8、第四金属电极层3-9都是边长略小于固定端边长的矩形，其长边边长为：0.1-0.2mm，短边边长为0.1-0.15mm；电容极板与检测谐振子3-1形成电容的电容间距为0.5-3μm。
所述的检测谐振子3-1被置于检测硅微谐振器频率的开环电路中，四个支撑端中任意一端接直流电压偏置，任意相对的两个固定端接入外部激励装置5-1，在与这两个相对固定端垂直的任意一个固定端用开环频率检测装置6-2进行谐检测谐振子3-1的频率检测。
所述的检测谐振子3-1被置于检测硅微谐振器频率的闭环振荡电路中，电路中形成自激振荡；检测谐振子3-1的四个支撑端中任意一端接直流电压偏置，任意相对的两个固定端连入外部振荡电路；外部振荡电路包括依次连接的放大器6-1、带通滤波器6-2、移相电路6-3、比较器6-4和幅值调节电路6-5，在相应的电路参数下，检测谐振子3-1与外部振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为检测谐振子3-1的固有频率，该频率通过闭环频率检测装置6-6读取。
所述的检测谐振子3-1形状包括但不限于圆盘、方盘和六边形。
所述的太赫兹吸收材料结构4包括但不限于超薄金属材料结构、碳系材料结构、半导体材料结构和超材料结构，不同的结构决定太赫兹波检测器检测的太赫兹波的频率范围。
一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器的检测方法，在测试中，被测太赫兹源垂直照射于检测谐振子3-1上，检测谐振子3-1表面的太赫兹波吸收材料结构4吸收照射在其表面的太赫兹波产生的热并传递给检测谐振子3-1，检测谐振子3-1温度升高，从而其谐振频率发生改变；在外界环境不变的情况下，检测谐振子3-1的温度仅与太赫兹波的功率有关，通过检测谐振子3-1谐振频率的漂移，即测得此时的太赫兹波功率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明采用光热转换的原理，通过改变检测谐振子3-1表面的太赫兹波吸收材料结构4，可以检测不同频率的太赫兹波的功率，以满足不同太赫兹检测的应用场景。(2)基于硅微谐振器的太赫兹检测器体积小、易于集成，可以阵列化用于太赫兹成像系统。(3)基于硅微谐振器的太赫兹检测器对工作环境温度要求较低。对检测器的工作环境温度进行补偿，检测器可以适用的工作环境温度较广。(4)谐振频率随温度的变化响应速度快(5)基于谐振器自激振荡的频率检测方法可以实现更低的本底噪声和更高的频率稳定性，检测器的检测精度可达μW级甚至更低。因此，以此方法设计的太赫兹波功率检测器精度高、检测功率范围广、响应速度快、对工作温度要求较低、易于实现阵列化，是一种理想的太赫兹波功率检测器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明单晶硅结构层的俯视图。
图3为本发明开环测量电路原理图。
图4为本发明闭环测量电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述。
参照图1，一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，包括单晶硅基底1，单晶硅基底1厚度范围为400um-1000um，单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2生长厚度范围为2-3um，二氧化硅绝缘层2上设有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3厚度范围为10-25um，单晶硅结构层3上附着有太赫兹吸收材料结构4。
参照图2，所述的单晶硅结构层3是传感器的核心部分，包括检测谐振子3-1，检测谐振子3-1周围均布了第一固定端3-2、第二固定端3-3、第三固定端3-4、第四固定端3-5，四个固定端上分别附着有第一金属电极层3-6、第二金属电极层3-7、第三金属电极层3-8、第四金属电极层3-9，四个固定端末端连接着第一电容极板3-10、第二电容极板3-11、第三电容极板3-12、第四电容极板3-13，电容极板分别与检测谐振子3-1形成电容；与四个固定端呈45°夹角分布有第一支撑端3-14、第二支撑端3-15、第三支撑端3-16、第四支撑端3-17，四个支撑端与检测谐振子3-1相连，其上分别附着有第五金属电极层3-18、第六金属电极层3-19、第七金属电极层3-20、第八金属电极层3-21，金属电极层与外部电路连接，通过电容对检测谐振子3-1进行激振和检测。
参照图2，所述的第一固定端3-2、第二固定端3-3、第三固定端3-4、第四固定端3-5为矩形，其长边边长0.3-0.5mm，短边边长0.2-0.35mm；第一金属电极层3-6、第二金属电极层3-7、第三金属电极层3-8、第四金属电极层3-9都是边长略小于固定端边长的矩形，其长边边长为：0.1-0.2mm，短边边长为0.1-0.15mm；电容极板与检测谐振子3-1形成电容的电容间距为0.5-3μm。
参照图3，所述的检测谐振子3-1被置于检测硅微谐振器频率的开环电路中，四个支撑端中任意一端接直流电压偏置，任意相对的两个固定端接入外部激励装置5-1，在与这两个相对固定端垂直的任意一个固定端用开环频率检测装置6-2进行谐检测谐振子3-1的频率检测。
参照图4，所述的检测谐振子3-1被置于检测硅微谐振器频率的闭环振荡电路中，电路中形成自激振荡；检测谐振子3-1的四个支撑端中任意一端接直流电压偏置，任意相对的两个固定端连入外部振荡电路；外部振荡电路包括依次连接的放大器6-1、带通滤波器6-2、移相电路6-3、比较器6-4和幅值调节电路6-5，在相应的电路参数下，检测谐振子3-1与外部振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为检测谐振子3-1的固有频率，该频率通过闭环频率检测装置6-6读取。
一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器的检测方法，在测试中，被测太赫兹源垂直照射于检测谐振子3-1上，检测谐振子3-1表面的太赫兹波吸收材料结构4吸收照射在其表面的太赫兹波产生的热并传递给检测谐振子3-1，检测谐振子3-1温度升高，从而其谐振频率发生改变；在外界环境不变的情况下，检测谐振子3-1的温度仅与太赫兹波的功率有关，通过检测谐振子3-1谐振频率的漂移，即测得此时的太赫兹波功率。
实际应用中，本发明被置于开环或闭环测试电路中，太赫兹光源垂直照射于检测谐振子3-1上，通过光热效应改变了检测谐振子3-1的温度，进而改变其刚度与谐振频率；检测谐振子3-1的谐振频率变化量与太赫兹光源的功率密切相关，通过外部电路测得的频率变化值即可反演出光功率值。
开环检测中，检测谐振子3-1置于开环检测电路中，通过外部激励使检测谐振子3-1产生振荡；当检测谐振子3-1受到太赫兹波照射时，温度上升，谐振频率发生变化；通过检测谐振子3-1的谐振频率及其变化，即可反演出检测器的温度以及太赫兹波的照射功率。
闭环检测中，检测谐振子3-1置于具有自动增益控制的同步振荡电路中，形成自激振荡；当检测谐振子3-1受到太赫兹波照射时，温度上升，谐振频率发生变化；通过检测自激振荡电路的振荡频率及其变化，即可反演出检测器的温度以及太赫兹波的照射功率。
两种检测方法中，开环检测方法电路简单，但精度不高，适用于对太赫兹波功率精度要求不高的检测场合；闭环检测方法电路复杂但精度高，适用于对太赫兹波功率精度要求较高的检测场合。
本发明设计的太赫兹波检测器工作前需要用已知波长的不同功率太赫兹波对检测器进行标定。在不同功率太赫兹波照射检测器时，可以得到与太赫兹波功率对应的谐振频率。实际工作中根据开环频率检测装置5-2或闭环频率检测装置6-6检测到的频率，得到与之对应的太赫兹波功率。
Claims (10)
1.一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，包括单晶硅基底(1)，其特征在于：单晶硅基底(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)上设有单晶硅结构层(3)，单晶硅结构层(3)上附着有太赫兹吸收材料结构(4)；
所述的单晶硅结构层(3)包括检测谐振子(3-1)，检测谐振子(3-1)周围均布了第一固定端(3-2)、第二固定端(3-3)、第三固定端(3-4)、第四固定端(3-5)，四个固定端上分别附着有第一金属电极层(3-6)、第二金属电极层(3-7)、第三金属电极层(3-8)、第四金属电极层(3-9)，四个固定端末端连接着第一电容极板(3-10)、第二电容极板(3-11)、第三电容极板(3-12)、第四电容极板(3-13)，电容极板分别与检测谐振子(3-1)形成电容；与四个固定端呈45°夹角分布有第一支撑端(3-14)、第二支撑端(3-15)、第三支撑端(3-16)、第四支撑端(3-17)，四个支撑端与检测谐振子(3-1)相连，其上分别附着有第五金属电极层(3-18)、第六金属电极层(3-19)、第七金属电极层(3-20)、第八金属电极层(3-21)，金属电极层与外部电路连接，通过电容对检测谐振子(3-1)进行激振和检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的单晶硅基底(1)厚度范围为400um-1000um。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的二氧化硅绝缘层(2)生长厚度范围为2-3um。
4.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的单晶硅结构层(3)厚度范围为10-25um。
5.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的第一固定端(3-2)、第二固定端(3-3)、第三固定端(3-4)、第四固定端(3-5)为矩形，其长边边长0.3-0.5mm，短边边长0.2-0.35mm；第一金属电极层(3-6)、第二金属电极层(3-7)、第三金属电极层(3-8)、第四金属电极层(3-9)都是边长略小于固定端边长的矩形，其长边边长为：0.1-0.2mm，短边边长为0.1-0.15mm；电容极板与检测谐振子(3-1)形成电容的电容间距为0.5-3μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的检测谐振子(3-1)被置于检测硅微谐振器频率的开环电路中，四个支撑端中任意一端接直流电压偏置，任意相对的两个固定端接入外部激励装置(5-1)，在与这两个相对固定端垂直的任意一个固定端用开环频率检测装置(6-2)进行谐检测谐振子(3-1)的频率检测。
7.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的检测谐振子(3-1)被置于检测硅微谐振器频率的闭环振荡电路中，电路中形成自激振荡；检测谐振子(3-1)的四个支撑端中任意一端接直流电压偏置，任意相对的两个固定端连入外部振荡电路；外部振荡电路包括依次连接的放大器(6-1)、带通滤波器(6-2)、移相电路(6-3)、比较器(6-4)和幅值调节电路(6-5)，在相应的电路参数下，检测谐振子(3-1)与外部振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为检测谐振子(3-1)的固有频率，该频率通过闭环频率检测装置(6-6)读取。
8.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的检测谐振子(3-1)形状包括但不限于圆盘、方盘和六边形。
9.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器，其特征在于：所述的太赫兹吸收材料结构(4)包括但不限于超薄金属材料结构、碳系材料结构、半导体材料结构和超材料结构，不同的结构决定太赫兹波检测器检测的太赫兹波的频率范围。
10.根据权利要求1所述的一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器的检测方法，其特征在于：在测试中，被测太赫兹源垂直照射于检测谐振子(3-1)上，检测谐振子(3-1)表面的太赫兹波吸收材料结构(4)吸收照射在其表面的太赫兹波产生的热并传递给检测谐振子(3-1)，检测谐振子(3-1)温度升高，从而其谐振频率发生改变；在外界环境不变的情况下，检测谐振子(3-1)的温度仅与太赫兹波的功率有关，通过检测谐振子(3-1)谐振频率的漂移，即测得此时的太赫兹波功率。
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| CN201710613067.6A CN107505281A (zh) | 2017-07-25 | 2017-07-25 | 一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112557761A (zh) * | 2019-09-25 | 2021-03-26 | 天津大学 | 一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元 |
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- 2017-07-25 CN CN201710613067.6A patent/CN107505281A/zh active Pending
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