CN207895147U - 一种光辐照悬空电容的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光辐照悬空电容的装置，包括：用于承载悬空电容样品的无氧铜腔体；用于承载所述无氧铜腔体的支撑装置；光纤移动装置；其中，所述无氧铜腔体固定在支撑装置上，无氧铜腔体内部安放悬空电容样品；所述支撑装置固定在CCD平台的基座上；所述光纤移动装置固定在CCD平台的移动平台上，且位于无氧铜腔体的下方。本实用新型还公开了一种光辐照悬空电容的方法。本实用新型很方便地实现了将平行光束对准微尺度的悬空电容。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光辐照悬空电容的装置和方法，应用领域涉及光、微波与微机械振子的耦合研究，适用于研究量子信息处理等。
背景技术
量子信息处理是目前科学研究的热点，随着微加工制备工艺的进步与量子信息处理的研究需求，促使了越来越多的研究人员开始关注微机械振子的应用。微机械振子由于具有较高的共振频率、极小的质量和耗散，已被广泛用于量子机理的研究中，随着微加工工艺制备的精细度不断提高，实验室中已经可以制作出微纳尺寸的机械振子，其足够小的尺寸使得它可以与多种固体系统耦合，例如超导量子比特、光腔和微波腔等，形成耦合量子系统，实现不同频率量子系统的相互作用。为了能够研究微机械振子与光的耦合机理，需要用光束辐照微机械振子，传统的方式是利用位移平台来承载微机械振子样品，通过移动位移平台带动微机械振子的移动，来实现微机械振子样品或者光纤的相对位移，从而达到对准的目地，但是这样的方式也存在不足，当样品所需的对准精度已经超过了传统位移平台的精度极限时，传统的对准方式就不能满足需求，并且当一个样品中出现多个目标需要对准的目标时，光照对准后的光源固定位置也难以确定，单纯地采用螺孔固定光源的方式无法实现对光目标的可选择性。
实用新型内容
实用新型目的：
在于克服现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种原理简单、容易实现并且具有实际应用价值的光辐照悬空电容的装置和方法，将硅基片上的极小尺寸的悬空电容看作微机械振子，利用本装置和方法很方便地实现了将平行光束对准微尺度的悬空电容。
技术方案：
为达到上述目的，本实用新型提供的第一种技术方案是提供一种光辐照悬空电容的装置，包括：用于承载悬空电容样品的无氧铜腔体；用于承载所述无氧铜腔体的支撑装置；光纤移动装置；
其中，所述无氧铜腔体固定在支撑装置上，无氧铜腔体的内部安放悬空电容样品；所述的支撑装置固定在CCD平台的基座上；所述光纤移动装置固定在CCD 平台的移动平台上，且位于无氧铜腔体的下方。
进一步的，所述无氧铜腔体包括第一无氧铜腔体、第二无氧铜腔体、SMA 接头、PCB板、带聚焦准直器的光纤、光纤的夹具和用于固定夹具的压条，所述第二无氧铜腔体与第一无氧铜腔体组合在一起，构成封闭的空间，用于承载悬空电容样品，所述PCB板固定在第一无氧铜腔体的内部，所述SMA接头分别固定在第一无氧铜腔体的两侧，SMA接头的第一中心导体与PCB板的第二中心导体通过焊锡连接，所述夹具在对光过程中固定在光纤移动装置中上，对光结束后，所述夹具通过压条固定在第一无氧铜腔体表面上，所述带聚焦准直器的光纤被夹在夹具的中间。
进一步的，所述第一无氧铜腔体和第二无氧铜腔体的底部分别开有第一通光孔和第二通光孔。
进一步的，所述承载无氧铜腔体的支撑装置包括基座固定架和横梁，所述基座固定架固定在CCD平台的基座上，所述横梁与基座固定架用螺丝衔接在一起，构成承载无氧铜腔体的支撑装置，横梁用于固定第一无氧铜腔体。
进一步的，所述光纤移动装置包括第一支撑架和第二支撑架，所述第一支撑架固定在CCD平台的移动平台上，所述第二支撑架与第一支撑架用螺丝衔接在一起，第二支撑架用于承载夹具。
进一步的，所述悬空电容样品为微加工工艺制作的微尺度的电容样品，包括硅基底、铝膜接地面、共面波导传输线以及LC谐振电路；所述硅基底是整个悬空电容样品的载体，所述LC谐振电路、铝膜接地面和共面波导传输线均制作在硅基底上，所述共面波导传输线位于硅基底的正中间，所述铝膜接地面位于共面波导传输线的两侧，铝膜接地面与共面波导传输线之间有沟道隔开。
进一步的，所述LC谐振电路包括上极板、下极板和螺旋电感，所述LC谐振电路的数量是8个，均匀分布在所述共面波导传输线的两侧，所述上极板和下极板均位于每个LC谐振电路的正中间，上极板与下极板上下正对，构成平面电容器，所述螺旋电感呈螺旋状围绕着上极板和下极板，因此上极板、下极板和螺旋电感共同构成LC谐振回路。
本实用新型提供的第二种技术方案为一种光辐照悬空电容的方法，包括以下步骤：
(1)、水平调节CCD平台的检测透镜，使得CCD平台的检测透镜位于第一无氧铜腔体的第一通光孔的正上方，然后在竖直方向调节CCD平台的检测透镜，使CCD平台的检测透镜聚焦于第一无氧铜腔体内悬空电容样品的底面，使得CCD平台的检测透镜可以接收到从悬空电容样品透射出的光束，在CCD平台的显示屏上观测聚焦图样，分辨透光的硅材料区域和不透光的铝材料区域。
(2)、根据所述步骤(1)得到的聚焦图样，在竖直方向调整第二无氧铜腔体下方的CCD平台的移动平台，带动光纤移动装置在竖直方向做运动，直到夹具的上表面距第二无氧铜腔体表面约3mm，在水平方向调整CCD平台的移动平台，带动光纤移动装置在水平方向做运动，使得夹具中间夹住的带聚焦准直器的光纤近似对准第二无氧铜腔体的第二通光孔区域。
3、根据所述步骤(2)得到的对准位置，打开激光源，产生1550nm波段的光束，光束通过带聚焦准直器的光纤传播，在光纤的聚焦准直器处产生平行度高的聚焦光束。聚焦光束从第二无氧铜腔体的第二通光孔射入，照射在悬空电容样品上，由于悬空电容样品上存在透光的硅材料区域和不透光的铝材料区域，照射在硅区域的光束会透射过去，被CCD平台的检测透镜接收，在CCD平台的显示屏上形成亮图案，而照射在铝区域的光束会被反射，在CCD平台的显示屏上形参暗图案。
4、根据所述步骤(3)得到的明暗图案，观查CCD平台的显示屏，通过明暗的图样分辨铝材料区域和硅材料区域，并在水平方向调节CCD平台的移动平台，带动光纤对准装置产生微小的水平位移，使得光束照在悬空电容样品上的不同位置，根据明暗图样找出完整的LC谐振电路阴影部分，再将光束集中对准在LC谐振电路中间位置，即上极板和下极板构成的平行板电容器位置。
5、根据所述步骤(4)得到的对准位置，在光束对准平行板电容器后，在竖直方向上调节CCD平台的移动平台，使得夹具的上表面与第二无氧铜腔体的表面紧贴，然后使用压条将夹具固定在第二无氧铜腔体上。
6、将夹具与第二支撑架的连接部分取下，完成整个悬空电容样品的对光步骤。
与现有的技术相比，本实用新型具有下述优点：
1、借助CCD平台的对光方式可以更好地保持对光的精准度；
2、所提供的对光装置结构简单，制造成本低；
3、对光后的无氧铜腔体在后续的应用过程中便于移动，稳定性好。
附图说明
图1为光辐照悬空电容的无氧铜腔体的示意图(左视图)；
图2为光辐照悬空电容的无氧铜腔体的示意图(正视图)；
图3为光辐照悬空电容装置的结构示意图；
图4为悬空电容样品的对光示意图；
图5为悬空电容样品的结构示意图；
图6为LC谐振电路的结构示意图；
图7为第二无氧铜腔体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步阐述：
如图1、图2、图3、图4以及图7所示，光辐照悬空电容的无氧铜腔体308 主要包含第一无氧铜腔体101、第二无氧铜腔体102、SMA接头103、PCB板401、带聚焦准直器的光纤203、夹具202和用于固定夹具202的压条201。所述第一无氧铜腔体101和第二无氧铜腔体102的材料均是高纯度的无氧铜(铜纯度>99.99％)，两个腔体组合在一起构成密闭的空间，用来承载悬空电容样品402，第一无氧铜腔体101和第二无氧铜腔体102的底部分别开有第一通光孔105和第二通光孔701，目的是让聚焦光束从第二无氧铜腔体102的第二通光孔701射入，进入腔体内部，到达悬空电容样品402，并穿透悬空电容样品402，透射的光束接着从第一无氧铜腔体101的第一通光孔105射出，出射光被CCD平台的检测透镜接收，并以图样的形式显示在CCD平台的显示屏上。第一无氧铜腔体101 的底部开有4个第一螺孔104，能够通过螺丝将第一无氧铜腔体101固定在后续的测量系统稀释制冷机中，第一无氧铜腔体101的纵向两侧开有圆孔，目的是在第一无氧铜腔体101的两侧分别固定两个SMA接头103，并允许SMA接头103 的第一中心导体404进入第一无氧铜腔体内部，第一无氧铜腔体101的横向两侧分别开有2个第二螺孔106，共4个，第二螺孔106能够通过螺丝将第一无氧铜腔体101固定在支撑装置309的横梁307上。所述PCB板401通过螺孔固定在第一无氧铜腔体101的内部，第一无氧铜腔体101的中心凹槽处可放置悬空电容样品402，PCB板401的第二中心导体403与SMA接头103的第一中心导体404 通过焊锡焊接在一起，同时PCB板401的第二中心导体403与悬空电容样品402 的共面波导传输线502通过铝线点焊在一起，使得微波可以从SMA接头103的第一中心导体404和PCB板401的第二中心导体403进入，通过悬空电容样品 402的共面波导传输线502耦合进LC谐振电路503。由于需要对光的目标几何尺寸很小，边长为50微米，为了使得光束尽可能集中在目标上，使用了带有聚焦准直镜器的光纤203，它采用聚焦准直器，使得出射光束有很高的平行度，避免了由于出射光发散而导致的光斑面积过大的问题，带聚焦准直器的光纤203 为单模光纤，可以传播1550nm波段的光束。由于在对光完成后不能让光斑与对光的目标发生相对移动，所以需要将带聚焦准直器的光纤203固定在第二无氧铜腔体102上。如果直接采用螺孔的方式将带聚焦准直器的光纤203固定在第二无氧铜腔体102的表面上，会导致无法灵活地移动光纤，也无法针对悬空电容样品 402上不同位置的目标进行对光。所以我们设计了采用夹具202和压条201的形式来固定带聚焦准直器的光纤203，所述夹具202用来将带聚焦准直器的光纤203 夹在中间，对光过程中，夹具202可以随着光纤移动装置310移动来将光束照射到不同的对光目标上，当确定对准目标时，再使用压条201将夹具202压在第二无氧铜腔体102底部的第三螺孔702上，这样的方式既增加了光辐照悬空电容操作的灵活性，也在后续的应用过程中很好地排除外界扰动产生的对光偏差，在实际的测量中取得了良好的效果。
如图3所示，所述用于承载无氧铜腔体308的支撑装置309包括基座固定架 301和横梁307。由于横梁307连接着装有悬空电容样品402的无氧铜腔体308，在对光的过程中，需要尽可能保证悬空电容样品402不受到外界的扰动，所以需要将基座固定架301通过两侧的第四螺孔302固定到CCD平台的基座上。为了使对光的过程简洁方便，将第一无氧铜腔体101的固定方式设置成了可调节的模式，在横梁307上开两道平行的凹槽303，这使得固定第一无氧铜腔体101时可以在横梁307上选择恰当的位置，并能够进行微调来使得第一无氧铜腔体101 和第二无氧铜腔体102的第二通光孔701正对CCD平台的检测透镜。所述光纤移动装置310包括第一支撑架304和第二支撑架305，所述第一支撑架304通过第五螺孔306固定在CCD平台的移动平台上，所述第二支撑架305与第一支撑架304用螺丝衔接在一起，同时第二支撑架305用于承载夹具202，在调节CCD 平台的移动平台过程中，会带动光纤移动装置310的移动，而夹具202此时固定在光纤移动装置310的第二支撑架305上，夹具202同时夹住带有聚焦准直器的光纤203，这样就使光斑的移动精度与CCD平台的移动平台保持一致。
如图5所示，这是本实用新型的一个悬空电容样品402，主要包含硅基底501、共面波导传输线502、LC谐振电路503和铝膜接地面504。由于悬空电容的整个制备流程与半导体工艺相兼容，所以采用硅做基底，工艺流程涉及到匀胶、光刻、显影、长膜、湿法刻蚀等微加工工艺。所述硅基底501是整个悬空电容样品的载体，所述LC谐振电路503、铝膜接地面504和共面波导传输线502均制作在硅基底501上，所述共面波导传输线502位于硅基底501的正中间，所述铝膜接地面504位于共面波导传输线502的两侧，铝膜接地面504与共面波导传输线502 不接触，两者之间有沟道隔开，共面波导传输线502与铝膜接地面504材料均为铝，其中，共面波导传输线502负责微波的输入并将能量耦合进LC谐振电路503，所以共面波导传输线502与PCB板401的第二中心导体403相连接，铝膜接地面504也需与PCB板401的接地面用铝丝点焊在一起。所述LC谐振电路503 一共有8个，均匀分布在所述共面波导传输线502的两侧。
如图6所示，这是本实用新型的LC谐振电路503的示意图，主要包括螺旋电感601、上极板602、下极板603。上极板602与下极板603上下正对，中间有80nm的真空层，构成微尺度上的平行板电容器，其边长仅50微米，总厚度约400nm，下极板603与铝膜接地面504的引脚605连接。所述螺旋电感601 呈螺旋状围绕着上极板602和下极板603，其作用一方面从共面波导传输线502 耦合进微波能量，另一方面与平行板电容器构成LC谐振电路503。螺旋电感601 的桥区部分604横跨下极板603，两者之间形成悬空的结构，不接触。由于平行板电容器的几何尺寸小，上极板602的韧性好并且质量小，所以平行板电容器的上极板602本身也可以做幅度微小的高频率的机械振动。在对光的过程中，铝对 1550nm波段的光束反射率较大，透射率小，而硅基底501对1550nm波段的光束存在较大程度的透射，所以通过CCD平台的检测透镜，可以接收到穿透硅层的光束，而照射到铝膜上的光束则不会穿透，这样CCD平台的显示器上显示出明暗不同的图样，就可以分辨出透光区域的硅以及不透光区域的铝。
本实用新型装置的安装步骤如下：
1、将PCB板401安装在第一无氧铜腔体101的内部，将SMA接头103安装在第一无氧铜腔体101的两侧，并且使得SMA接头103的第一中心导体404 通过第一无氧铜腔体101侧面的圆孔进入腔体内部，然后使用电焊将SMA接头 103的第一中心导体404与PCB板401的第二中心导体403通过焊锡丝焊接在一起；
2、安装悬空电容样品402，首先，用丙酮擦拭PCB板401，来去除PCB板 401表面的油污和点焊残留物，然后将悬空电容样品402通过低温胶粘附在第一无氧铜腔体101内侧的凹槽中，使用点焊机将悬空电容样品402的共面波导传输线502与PCB板401的第二中心导体403通过银线相连接，并且将悬空电容样品402的铝膜接地面504与PCB板401的接地面相接，之后将第二无氧铜腔体 102与第一无氧铜腔体101组装起来，以确保悬空电容样品402的完好；
3、组装对光装置，首先将基座固定架301通过螺钉安装在CCD平台的基座上，目的是确保悬空电容样品402相对于CCD平台是相对稳定的，不易受外界的扰动而产生位置上的偏移；然后将第一无氧铜腔体101固定在支撑装置309 的横梁307上，并调节到适当的位置，接着将第一支撑架304和第二支撑架305 固定在CCD平台的移动平台上；最后将两个夹具202安装在第二支撑架305上；
4、将带聚焦准直器的光纤203的输入端FC/PC接头连接在激光源上，将带聚焦准直器的光纤203的输出端用夹具202夹紧，调节夹具202确保带聚焦准直器的光纤203对准第二无氧铜腔体102的第二通光孔701；然后调整CCD平台的检测透镜，使得检测透镜、第一无氧铜腔体101的第一通光孔105、第二无氧铜腔体102的第二通光孔701、带聚焦准直器的光纤203尽可能位于一条直线上，至此对光装置安装完毕。
本实用新型实施例提供的上述装置的具体对光操作步骤如下：
1、水平调节CCD平台的检测透镜，使得CCD平台的检测透镜位于第一无氧铜腔体101的第一通光孔105的正上方，然后在竖直方向调节CCD平台的检测透镜，使CCD平台的检测透镜聚焦于第一无氧铜腔体101内悬空电容样品402 的底面，使得CCD平台的检测透镜可以接收到从悬空电容样品402透射出的光束，在CCD平台的显示屏上观测聚焦图样，分辨透光的硅材料区域和不透光的铝材料区域。
2、根据所述步骤1得到的聚焦图样，在竖直方向调节第二无氧铜腔体102 下方的CCD平台的移动平台，带动光纤移动装置310在竖直方向做运动，直到夹具202的上表面距第二无氧铜腔体102表面约3mm，使夹具202与第二无氧铜腔体102表面存在一定距离的原因是，确保后续水平移动的过程中，夹具202 与第二无氧铜腔体102之间不会产生磨损。在水平方向调整CCD平台的移动平台，带动光纤移动装置310在水平方向做运动，使得夹具202中间夹住的带聚焦准直器的光纤203近似对准第二无氧铜腔体102的第二通光孔701区域。
3、根据所述步骤2得到的对准位置，开启激光源，产生1550nm波段的光束，光束通过带聚焦准直器的光纤203传播，在光纤的聚焦准直器处产生平行度高的聚焦光束。聚焦光束从第二无氧铜腔体102的第二通光孔701射入，照射在悬空电容样品402上，由于悬空电容样品402上存在透光的硅材料区域和不透光的铝材料区域，照射在硅区域的光束会透射过去，被CCD平台的检测透镜接收，在 CCD平台的显示屏上形成亮图样，而照射在铝区域的光束会被反射，在CCD平台的显示屏上形成暗图案，通过观测CCD平台的显示屏可以分辨透光和不透光的区域，而上极板602和下极板603构成的平行板电容器材料是铝，所以所在位置会出现暗图样。
4、根据所述步骤3得到的明暗图案，观察CCD平台的显示屏，通过明暗的图样分辨铝材料区域和硅材料区域，并在水平方向调节CCD平台的移动平台，带动光纤移动装置310产生微小的水平位移，使得光束照在悬空电容样品402 上的不同位置。根据明暗图样找出完整的LC谐振电路503的阴影部分，再将光束集中对准在LC谐振电路503的中间位置，即上极板602和下极板603构成的平行板电容器位置。
5、根据所述步骤4得到的对准位置，在光束对准平行板电容器后，在竖直方向上调节CCD平台的移动平台，使得夹具202的表面与第二无氧铜腔体102 的表面紧贴。然后使用压条201将夹具202固定在第二无氧铜腔体102上。
6、将夹具202与第二支撑架305的连接部分取下，完成整个悬空电容样品402的对光步骤。
Claims (7)
1.一种光辐照悬空电容的装置，其特征在于，包括：
用于承载悬空电容样品(402)的无氧铜腔体(308)；用于承载所述无氧铜腔体(308)的支撑装置(309)；光纤移动装置(310)；
其中，所述无氧铜腔体(308)固定在支撑装置(309)上，无氧铜腔体(308)的内部安放悬空电容样品(402)；所述支撑装置(309)固定在CCD平台的基座上；所述光纤移动装置(310)固定在CCD平台的移动平台上，且位于无氧铜腔体(308)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种光辐照悬空电容的装置，其特征在于：所述无氧铜腔体(308)包括第一无氧铜腔体(101)、第二无氧铜腔体(102)、SMA接头(103)、PCB板(401)、带聚焦准直器的光纤(203)、用于固定带聚焦准直器的光纤(203)的夹具(202)和用于固定夹具(202)的压条(201)，所述第二无氧铜腔体(102)与第一无氧铜腔体(101)组合在一起，构成封闭的空间，用于承载悬空电容样品(402)；所述PCB板(401)固定在第一无氧铜腔体(101)的内部，所述SMA接头(103)分别固定在第一无氧铜腔体(101)的两侧，SMA接头(103)的第一中心导体(404)与PCB板(401)的第二中心导体(403)通过焊锡连接；所述夹具(202)在对光过程中固定光纤移动装置(310)中上，对光结束后，所述夹具(202)通过压条(201)固定在第一无氧铜腔体(101)的表面上，所述带聚焦准直器的光纤(203)位于夹具(202)的中间。
3.根据权利要求2所述的一种光辐照悬空电容的装置，其特征在于：所述第一无氧铜腔体(101)和第二无氧铜腔体(102)的底部分别开有第一通光孔(105)和第二通光孔(701)。
4.根据权利要求1所述的一种光辐照悬空电容的装置，其特征在于：所述承载无氧铜腔体(308)的支撑装置(309)包括基座固定架(301)和横梁(307)，所述基座固定架(301)固定在CCD平台的基座上，所述横梁(307)与基座固定架(301)用螺丝衔接在一起，构成承载无氧铜腔体(308)的支撑装置(309)，横梁(307)用于固定第一无氧铜腔体(101)。
5.根据权利要求2所述的一种光辐照悬空电容的装置，其特征在于：所述光纤移动装置(310)包括第一支撑架(304)和第二支撑架(305)，所述第一支撑架(304)固定在CCD平台的移动平台上，所述第二支撑架(305)与第一支撑架(304)用螺丝衔接在一起，第二支撑架(305)用于承载夹具(202)。
6.根据权利要求1所述的一种光辐照悬空电容的装置，其特征在于：所述悬空电容样品(402)为微加工工艺制作的微尺度的电容样品，包括硅基底(501)、铝膜接地面(504)、共面波导传输线(502)以及LC谐振电路(503)；所述硅基底(501)是整个悬空电容样品(402)的载体，所述LC谐振电路(503)、铝膜接地面(504)和共面波导传输线(502)均制作在硅基底(501)上，所述共面波导传输线(502)位于硅基底(501)的正中间，所述铝膜接地面(504)位于共面波导传输线(502)的两侧，铝膜接地面(504)与共面波导传输线(502)之间有沟道隔开。
7.根据权利要求6所述的一种光辐照悬空电容的装置，其特征在于：所述LC谐振电路(503)包括上极板(602)、下极板(603)和螺旋电感(601)，所述LC谐振电路(503)的数量是8个，均匀分布在所述共面波导传输线(502)的两侧，所述上极板(602)和下极板(603)均位于每个LC谐振电路(503)的正中间，上极板(602)与下极板(603)上下正对，构成平面电容器，所述螺旋电感(601)呈螺旋状围绕着上极板(602)和下极板(603)。
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| CN201820201312.2U CN207895147U (zh) | 2018-02-06 | 2018-02-06 | 一种光辐照悬空电容的装置 |
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2018
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