CN112834180B - 用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置，包括安装底板、探测器芯片底板、微透镜压片、微调移动平台和位置调整平台；所述探测器芯片底板跟随安装底板移动，使超导微波动态电感探测器阵列芯片的外轮廓水平边和测量显微镜中的水平参考线重合；微透镜阵列跟随微调移动平台移动，使微透镜阵列四个角上的透镜圆心的坐标值与超导微波动态电感探测器阵列芯片四个角上的平面天线中心点的坐标值一致。本发明能够以探测器芯片和微透镜外围轮廓为参考，对探测器芯片中耦合天线的中心点和微透镜的圆心进行精确坐标定位，并通过相应的坐标定位法将耦合天线的中心点和微透镜的圆心进行精确定位安装。

Description

用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置和定位方法

技术领域

本发明涉及超导微波动态电感探测器阵列芯片与微透镜阵列的安装技术领域，具体而言涉及一种用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置和定位方法。

背景技术

太赫兹(THz)频段是现代天文学最后一个有待全面研究的电磁波频段，是继红外和毫米波频段之后21世纪人类探测宇宙最新发展的、其它频段不可替代的观测窗口。在天文学领域，太赫兹频段占有微波背景辐射(CMB)以后宇宙近一半的光子能量，特别适合观测研究第一代恒星的形成、星系形成和演化、恒星和行星系统的形成和早期演化、地外行星系统大气的物理化学特性、以及宇宙生命起源等现代天文学中最重要的前沿科学问题。太赫兹频段天文观测在天体物理与宇宙学研究中具有不可替代的作用，对于理解宇宙状态和演化有非常重要的意义。

太赫兹频段天文观测所需设备可分为相干探测器和非相干探测器两类，太赫兹相干探测器主要针对天体目标开展高分辨率频谱观测，太赫兹非相干探测器主要应用于宽带连续谱探测和中低频谱分辨率探测。对于非相干探测器，基于低温超导器件的太赫兹频段高灵敏度非相干探测器主要有超导隧道结探测器(STJ)、超导微波动态电感探测器(MKIDs)和超导相变边缘探测器(TES)。其中，超导隧道结探测器受隧道结漏电流和读出技术的限制，发展较为缓慢。超导微波动态电感探测器由于采用了较简单读出复用技术得到了快速发展，但其灵敏度不仅与工作环境温度相关，还受准粒子产生与复合噪声限制，目前所测最低灵敏度约为1x10-18W/Hz0.5，已成为太赫兹望远镜研制超高灵敏度宽带连续谱阵列探测器首选。

超导微波动态电感探测器为了能耦合空间中的电磁波信号，一般在探测器上设计有耦合天线并配合硅透镜，耦合天线与透镜中心的对准情况将影响电磁波信号的耦合效率，最终决定了探测器的灵敏度。通常的定位对准技术可以采用红外线显微镜进行，但是超导微波动态电感探测器阵列芯片与微透镜阵列的厚度远超过红外线可以穿透的厚度，无法采用红外线显微镜进行定位安装。因此，为了能够提高探测器的灵敏度，目前亟需一种能够完成超导微波动态电感探测器阵列芯片与微透镜阵列精准定位的安装装置和安装方法。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置和定位方法，能够以探测器芯片和微透镜外围轮廓为参考，对探测器芯片中耦合天线的中心点和微透镜的圆心进行精确坐标定位，并通过相应的坐标定位法将耦合天线的中心点和微透镜的圆心进行精确定位安装。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置，所述安装装置包括安装底板、探测器芯片底板、微透镜压片、微调移动平台和位置调整平台；

所述位置调整平台通过安装底板安装在测量显微镜的平台上，位置调整平台上设置有竖直方向的第一通孔；

所述微调移动平台通过微调平台安装板固定在位置调整平台上，跟随位置调整平台执行包括水平X轴移动、水平Y轴移动和水平旋转3个自由度的位置调整，微调平台安装板与位置调整平台对应的位置上设置有竖直方向的第二通孔；

所述探测器芯片底板竖直固定在安装底板上表面上，依次竖直穿过第一通孔和第二通孔延伸至位置调整平台上方；所述探测器芯片底板的上表面设置有连接真空泵的真空吸附孔，用于将超导微波动态电感探测器阵列芯片吸附在探测器芯片底板上表面；所述探测器芯片底板跟随安装底板移动，使超导微波动态电感探测器阵列芯片的外轮廓水平边和测量显微镜中的水平参考线重合；

所述微透镜压片与微调移动平台连接，跟随微调移动平台水平移动至探测器芯片底板正上方，再竖直移动以压住放置在超导微波动态电感探测器阵列芯片之上的微透镜阵列，微透镜阵列跟随微调移动平台移动，使微透镜阵列四个角上的透镜圆心的坐标值与超导微波动态电感探测器阵列芯片四个角上的平面天线中心点的坐标值一致。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述位置调整平台包括XY移动平台、旋转移动平台和旋转平台安装板；

所述旋转平台安装板放置在安装底板上方，包括依次连接呈台阶状的第一连接板、第二连接板和第三连接板，所述第一连接板和第三连接板均与安装底板平行，所述第一连接板相对于第三连接板更临近安装底板上表面，所述第三连接板与安装底板之间构成一矩形容纳腔；

所述XY移动平台安装在矩形容纳腔内，固定在安装底板上；XY移动平台的调节旋钮延伸至矩形容纳腔外侧，在外力作用下旋转并驱使旋转平台安装板相对安装底板沿水平X轴和水平Y轴移动；

所述旋转移动平台安装在第一连接板上表面上，微调移动平台固定在旋转移动平台上表面上，跟随旋转移动平台自转。

进一步地，所述安装装置包括两个对称设置在微透镜阵列两侧的微透镜压片。

进一步地，所述探测器芯片底板包括圆柱形支架和圆形平台；

所述圆柱形支架竖直安装在安装底板上，依次穿过第一通孔和第二通孔延伸至微调平台安装板上方；所述圆形平台与安装底板平行，连接在圆柱形支架顶部。

基于前述安装装置，本发明还提及一种用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

S1，将超导微波动态电感探测器阵列芯片放置在探测器芯片底板上，打开真空泵吸附住探测器芯片，调节安装底板，使得超导微波动态电感探测器阵列芯片的外轮廓水平边与测量显微镜中的水平参考线重合，确认并调整探测器芯片的外轮廓垂直边与测量显微镜中的垂直参考线重合；

S2，移动测量显微镜的平台，以超导微波动态电感探测器阵列芯片轮廓上的任意一个顶点为原点，将测量显微镜的坐标值归零，测量超导微波动态电感探测器阵列芯片上四个角上的平面天线中心点的坐标轴，并记录；

S3，将微透镜阵列放置在超导微波动态电感探测器阵列芯片上，调节微调移动平台的水平位置和高度值，将微透镜压片压在微透镜阵列上表面，使微透镜阵列跟随微调移动平台同步移动；

S4，调节旋转移动平台，使微透镜阵列的外轮廓水平边与测量显微镜中的水平参考线重合，确认并调整微透镜的外轮廓垂直边与测量显微镜中的垂直参考线重合；

S5，移动测量显微镜的平台，测量微透镜阵列四个角上的透镜圆心的坐标值，并记录；

S6，调节XY移动平台和微调移动平台，使微透镜阵列四个角上的透镜圆心的坐标值与步骤S2中超导微波动态电感探测器阵列芯片上四个角上的平面天线中心点的坐标值一致；

S7，重复步骤S6中坐标值的一致性，完成定位安装。

本发明的有益效果是：

(1)能够以探测器芯片和微透镜外围轮廓为参考，对探测器芯片中耦合天线的中心点和微透镜的圆心进行精确坐标定位，并通过相应的坐标定位法将耦合天线的中心点和微透镜的圆心进行精确定位安装，安装精度可达1微米。

(2)通过合理设置旋转平台安装板的形状和对应器件的安装方法，有效利用测量显微镜空间，提高安装装置的适用性。

附图说明

图1是本发明的用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置的结构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结合图1，本发明提及一种用于探测器阵列芯片和微透镜阵列10的安装装置，所述安装装置包括安装底板1、探测器芯片底板5、微透镜压片9、微调移动平台8和位置调整平台。

所述位置调整平台通过安装底板1安装在测量显微镜的平台上，位置调整平台上设置有竖直方向的第一通孔。

所述微调移动平台8通过微调平台安装板4固定在位置调整平台上，跟随位置调整平台执行包括水平X轴移动、水平Y轴移动和水平旋转3个自由度的位置调整，微调平台安装板4与位置调整平台对应的位置上设置有竖直方向的第二通孔。

所述探测器芯片底板5竖直固定在安装底板1上表面上，依次竖直穿过第一通孔和第二通孔延伸至位置调整平台上方；所述探测器芯片底板5的上表面设置有连接真空泵的真空吸附孔，用于将超导微波动态电感探测器阵列芯片11吸附在探测器芯片底板5上表面；所述探测器芯片底板5跟随安装底板1移动，使超导微波动态电感探测器阵列芯片11的外轮廓水平边和测量显微镜中的水平参考线重合。

优选的，所述探测器芯片底板5包括圆柱形支架和圆形平台；所述圆柱形支架竖直安装在安装底板1上，依次穿过第一通孔和第二通孔延伸至微调平台安装板4上方；所述圆形平台与安装底板1平行，连接在圆柱形支架顶部。

所述微透镜压片9与微调移动平台8连接，跟随微调移动平台8水平移动至探测器芯片底板5正上方，再竖直移动以压住放置在超导微波动态电感探测器阵列芯片11之上的微透镜阵列10，微透镜阵列10跟随微调移动平台8移动，使微透镜阵列10四个角上的透镜圆心的坐标值与超导微波动态电感探测器阵列芯片11四个角上的平面天线中心点的坐标值一致。

优选的，所述安装装置包括两个对称设置在微透镜阵列10两侧的微透镜压片9，以便于稳定固定微透镜阵列10。

本发明利用高精密光学移动平台自主研制的装置，将超导微波动态电感探测器阵列芯片11通过真空吸附在芯片基座上固定不动，微透镜阵列10通过安装装置可实现水平X轴、水平Y轴和水平旋转3个自由度的调整，安装装置安装在测量显微镜的平台上，采用配套的坐标定位法，可实现超导微波动态电感探测器阵列芯片11与微透镜阵列10的精确定位安装，安装精度可达1微米。具体的，安装底板1安装在测量显微镜上作为整个安装结构的支撑平台，探测器芯片底板5直接与安装底板1安装，探测器芯片底板5上有真空吸附孔，通过真空吸附接口6连接真空泵，用于吸附探测器芯片，使其在微透镜移动时不会跟随其一起移动；XY移动平台2，旋转移动平台7和微调移动平台8相互安装成为一体，这些移动平台的移动都会调节微透镜在芯片上的位置，通过测量显微镜可以确定超导微波动态电感探测器阵列芯片11与微透镜阵列10的相对位置，调节相应的移动旋钮，改变探测器芯片与微透镜阵列10的相对位置，最终通过坐标定位法实现探测器芯片上平面天线的中心点与微透镜圆心的准确定位安装。

探测器芯片和微透镜为高精度加工部件，它们的外围轮廓一般为矩形或正方形，为了便于说明，下面仅以探测器芯片和微透镜外围轮廓均为矩形对探测器芯片中耦合天线的中心点和微透镜的圆心之间精确坐标定位的过程进行说明。应当理解，当探测器芯片和微透镜尺寸和形状改变时，只需要根据外围轮廓重新选取相应的对准点即可。

本发明通过坐标定位法将耦合天线的中心点和微透镜的圆心进行精确定位安装。本发明的坐标定位法利用已切割完成的超导微波动态电感探测器阵列芯片11的两个边为基准(X,Y轴)，测量记录芯片上探测器阵列中四个角上的探测器单元的中心点坐标，再将微透镜阵列10放置于探测器芯片上，通过安装装置的调节，使得微透镜阵列10中四个角上透镜的圆心坐标与探测器单元的中心坐标一致，实现高精度的定位安装。

具体的，所述定位方法包括以下步骤：

S1，将超导微波动态电感探测器阵列芯片11放置在探测器芯片底板5上，打开真空泵吸附住探测器芯片，调节安装底板1，使得超导微波动态电感探测器阵列芯片11的外轮廓水平边与测量显微镜中的水平参考线重合，确认并调整探测器芯片的外轮廓垂直边与测量显微镜中的垂直参考线重合。

S2，移动测量显微镜的平台，以超导微波动态电感探测器阵列芯片11轮廓上的任意一个顶点为原点，将测量显微镜的坐标值归零，测量超导微波动态电感探测器阵列芯片11上四个角上的平面天线中心点的坐标轴，并记录。

S3，将微透镜阵列10放置在超导微波动态电感探测器阵列芯片11上，调节微调移动平台8的水平位置和高度值，将微透镜压片9压在微透镜阵列10上表面，使微透镜阵列10跟随微调移动平台8同步移动。

S4，调节旋转移动平台7，使微透镜阵列10的外轮廓水平边与测量显微镜中的水平参考线重合，确认并调整微透镜的外轮廓垂直边与测量显微镜中的垂直参考线重合。

S5，移动测量显微镜的平台，测量微透镜阵列10四个角上的透镜圆心的坐标值，并记录。

S6，调节XY移动平台2和微调移动平台8，使微透镜阵列10四个角上的透镜圆心的坐标值与步骤S2中超导微波动态电感探测器阵列芯片11上四个角上的平面天线中心点的坐标值一致；

S7，重复步骤S6中坐标值的一致性，完成定位安装。

在一些例子中，所述位置调整平台包括XY移动平台2、旋转移动平台7和旋转平台安装板3。

所述旋转平台安装板3放置在安装底板1上方，包括依次连接呈台阶状的第一连接板、第二连接板和第三连接板，所述第一连接板和第三连接板均与安装底板1平行，所述第一连接板相对于第三连接板更临近安装底板1上表面，所述第三连接板与安装底板1之间构成一矩形容纳腔。

所述XY移动平台2安装在矩形容纳腔内，固定在安装底板1上；XY移动平台2的调节旋钮延伸至矩形容纳腔外侧，在外力作用下旋转并驱使旋转平台安装板3相对安装底板1沿水平X轴和水平Y轴移动。

所述旋转移动平台7安装在第一连接板上表面上，微调移动平台8固定在旋转移动平台7上表面上，跟随旋转移动平台7自转。

在实际应用中，第一连接板位于测量显微镜镜头正下方，便于测量探测器芯片和微透镜阵列10对应定位点的坐标值，而第三连接板位于测量显微镜平台外侧，其下表面与安装底板1之间构成一矩形容纳腔，用于收纳体积较大的XY移动平台2，避免过多地占用测量显微镜镜头下方的观测空间。通过合理设置旋转平台安装板3的形状和对应器件的安装方法，有效利用测量显微镜空间，提高安装装置的适用性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置，其特征在于，所述安装装置包括安装底板、探测器芯片底板、微透镜压片、微调移动平台和位置调整平台；

所述位置调整平台通过安装底板安装在测量显微镜的平台上，位置调整平台上设置有竖直方向的第一通孔；

所述微调移动平台通过微调平台安装板固定在位置调整平台上，跟随位置调整平台执行包括水平X轴移动、水平Y轴移动和水平旋转3个自由度的位置调整，微调平台安装板与位置调整平台对应的位置上设置有竖直方向的第二通孔；

所述探测器芯片底板竖直固定在安装底板上表面上，依次竖直穿过第一通孔和第二通孔延伸至位置调整平台上方；所述探测器芯片底板的上表面设置有连接真空泵的真空吸附孔，用于将超导微波动态电感探测器阵列芯片吸附在探测器芯片底板上表面；所述探测器芯片底板跟随安装底板移动，使超导微波动态电感探测器阵列芯片的外轮廓水平边和测量显微镜中的水平参考线重合；

所述微透镜压片与微调移动平台连接，跟随微调移动平台水平移动至探测器芯片底板正上方，再竖直移动以压住放置在超导微波动态电感探测器阵列芯片之上的微透镜阵列，微透镜阵列跟随微调移动平台移动，使微透镜阵列四个角上的透镜圆心的坐标值与超导微波动态电感探测器阵列芯片四个角上的平面天线中心点的坐标值一致。

2.根据权利要求1所述的用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置，其特征在于，所述位置调整平台包括XY移动平台、旋转移动平台和旋转平台安装板；

所述旋转平台安装板放置在安装底板上方，包括依次连接呈台阶状的第一连接板、第二连接板和第三连接板，所述第一连接板和第三连接板均与安装底板平行，所述第一连接板相对于第三连接板更临近安装底板上表面，所述第三连接板与安装底板之间构成一矩形容纳腔；

所述XY移动平台安装在矩形容纳腔内，固定在安装底板上；XY移动平台的调节旋钮延伸至矩形容纳腔外侧，在外力作用下旋转并驱使旋转平台安装板相对安装底板沿水平X轴和水平Y轴移动；

所述旋转移动平台安装在第一连接板上表面上，微调移动平台固定在旋转移动平台上表面上，跟随旋转移动平台自转。

3.根据权利要求1所述的用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置，其特征在于，所述安装装置包括两个对称设置在微透镜阵列两侧的微透镜压片。

4.根据权利要求1所述的用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的安装装置，其特征在于，所述探测器芯片底板包括圆柱形支架和圆形平台；

所述圆柱形支架竖直安装在安装底板上，依次穿过第一通孔和第二通孔延伸至微调平台安装板上方；所述圆形平台与安装底板平行，连接在圆柱形支架顶部。

5.一种基于权利要求1所述安装装置的用于探测器阵列芯片和微透镜阵列的定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

S1，将超导微波动态电感探测器阵列芯片放置在探测器芯片底板上，打开真空泵吸附住探测器芯片，调节安装底板，使得超导微波动态电感探测器阵列芯片的外轮廓水平边与测量显微镜中的水平参考线重合，确认并调整探测器芯片的外轮廓垂直边与测量显微镜中的垂直参考线重合；

S2，移动测量显微镜的平台，以超导微波动态电感探测器阵列芯片轮廓上的任意一个顶点为原点，将测量显微镜的坐标值归零，测量超导微波动态电感探测器阵列芯片上四个角上的平面天线中心点的坐标轴，并记录；

S3，将微透镜阵列放置在超导微波动态电感探测器阵列芯片上，调节微调移动平台的水平位置和高度值，将微透镜压片压在微透镜阵列上表面，使微透镜阵列跟随微调移动平台同步移动；

S4，调节旋转移动平台，使微透镜阵列的外轮廓水平边与测量显微镜中的水平参考线重合，确认并调整微透镜的外轮廓垂直边与测量显微镜中的垂直参考线重合；

S5，移动测量显微镜的平台，测量微透镜阵列四个角上的透镜圆心的坐标值，并记录；

S6，调节XY移动平台和微调移动平台，使微透镜阵列四个角上的透镜圆心的坐标值与步骤S2中超导微波动态电感探测器阵列芯片上四个角上的平面天线中心点的坐标值一致；

S7，重复步骤S6中坐标值的一致性，完成定位安装。

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