一种室温高灵敏SOS衬底器件太赫兹直接检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种室温高灵敏SOS衬底器件太赫兹直接检测系统，该系统包括：太赫兹源、一组（2个）抛物面反射镜、TTL控制信号线、硅基SOS衬底太赫兹检测器、直流偏置电压源、低噪声放大器及锁相放大器。在室温条件下，用直接检测的方法，对硅基SOS衬底太赫兹检测器进行了太赫兹信号检测。对310 GHz的接收信号，偏置电流5mA,测量系统的电压响应率约为3375V/W,斩波频率为1 kHz以上时，系统的噪声电压为6 nV/ Hz

【技术实现步骤摘要】
一种室温高灵敏SOS衬底器件太赫兹直接检测系统
本专利技术涉及太赫兹信号检测和太赫兹成像领域，尤其涉及一种可室温工作的太赫兹信号直接检测系统。
技术介绍
太赫兹技术是一个非常重要的交叉领域，有其新颖而独特的性质，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了广阔的前景。太赫兹检测是太赫兹技术中的极为重要的一项关键技术，是太赫兹技术运用到实际科研和生产当中的关键环节。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测尤为重要。太赫兹探测方法很多，从太赫兹辐射的形式不同可以分为太赫兹脉冲辐射探测和太赫兹连续辐射探测，按照检测机制的不同可以分为直接检测(非相干检测)和外差混频检测(相干检测)。直接检测一般检测宽频带信号，具有操作简单的优点。其原理是高频信号通过斩波进入检波器后，在检波器输出端产生一个直流信号，该信号的幅度正比于输入高频信号的功率。由于这种测量无法得到信号的相位信息，因此称为非相干检测。外差混频中，射频和本振信号输入至混频器中产生中频信号，并经过低噪声放大器和滤波器后，通过频谱分析仪显示中频频谱，这种方法可以得到非常高的频谱分辨率，由于中频信号的相位等于射频信号的相位加一个常数，故能够还原出射频信号的幅度和相位信息，因此称之为相干检测。对于非相干接收器，探测器通常是射频前端电路中的第一个设备，并直接连接着天线。而对于相干接收器，探测器通常是电路中中频电路中的一个设备，位于射频前端电路的后方，它可以用混频器把射频信号从太赫兹波段变换到频率较低的中频基带。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，这在太赫兹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。直接检测技术是将被测信号直接转化为直流电流或电压信号，因无需本振信号源和中频放大器等器件，从而使系统结构简单，动态范围宽，便于小型化，但它只能得到信号的幅度信息，因此这种检测技术比较适用于阵列多像元成像检测系统。
技术实现思路
为了在室温下实现对于太赫兹信号的高灵敏性检测，制备高灵敏太赫兹成像设备，本专利技术的目的提出了一种室温高灵敏太赫兹直接检测系统，该系统的太赫兹信号检测灵敏度高，响应时间快，系统简单，测试方便，通用性强。实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种室温高灵敏SOS衬底器件太赫兹直接检测系统，该系统包括：太赫兹源、一组(2个)抛物面反射镜、TTL控制信号线、硅基SOS衬底太赫兹检测器、直流偏置电压源、低噪声放大器及锁相放大器，所述太赫兹源的聚焦透镜前方10-20cm处设置第一抛物面反射镜，在垂直第一抛物面反射镜反射的太赫兹信号传输方向上设置第二抛物面反射镜，第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜反射中心间距20-40cm，在第二抛物面反射镜反射太赫兹波方向距离第二抛物面反射镜的10-20cm处设置硅基SOS衬底太赫兹检测器；直流偏置电压源连接硅基SOS衬底太赫兹检测器，低噪声放大器连接硅基SOS衬底太赫兹检测器的输出端，TTL控制信号线连接太赫兹源和锁相放大器，低噪声放大器输出端连接锁相放大器，锁相放大器直接读出输出电压；其中：太赫兹源输出口、抛物面反射镜中心和硅基SOS衬底太赫兹检测器在同一高度；所述硅基SOS衬底太赫兹检测器是以硅基SOS基片作为检测器的衬底，在衬底上反应离子刻蚀硅探测微桥，所述硅探测微桥两端连接金电极。所述硅基SOS衬底太赫兹检测器的衬底顶层硅为N型掺杂中阻硅，其电阻率2.5-10ohm.cm；所述硅探测微桥的厚度为100nm至200nm；所述金薄膜电极的引线走向与检测信号的极化方向一致；检测有效面积为5um×320um或20um×600um。所述的太赫兹源提供检测太赫兹信号，输出信号频率范围为0.1THz-1THz,输出信号的功率至少0.05mW。所述的控制信号线实现对于太赫兹信号的调制，调制频率在0.1-20kHz内设置，通过锁相放大器读出输出电压。所述的太赫兹聚焦透镜实现太赫兹信号的平行输出，并通过一组抛物面反射镜实现太赫兹信号能够平行入射到硅基SOS衬底太赫兹检测器上。所述的低噪声放大器的噪声电压3nV/Hz1/2-4nV/Hz1/2，实现对检测信号的低噪声放大，放大倍数选择为1000倍。所述的锁相放大器实现对于检测信号的锁相，直接读出输出电压。所述直流偏置电压源，提供至少5V的直流偏置电压给硅基SOS衬底太赫兹检测器。本专利技术是在室温条件下，用直接检测的方法，对制备的硅基SOS衬底太赫兹探测器进行了太赫兹信号检测。对310GHz的接收信号，偏置电流5mA,测量系统的电压响应率约为3375V/W,斩波频率为1kHz以上时，系统的噪声电压为6nV/Hz1/2,测量系统的NEP约为1.8×10-12W/Hz1/2。对648GHz的接收信号，偏置电流5mA,测量系统的电压响应率约为1175V/W,斩波频率为1kHz以上时，系统的噪声电压为6nV/Hz1/2测量系统的NEP约为5.2×10-12W/Hz1/2。本专利技术的有益效果：本专利技术提出的一种室温高灵敏太赫兹直接检测系统，采用通用检测设备搭建太赫兹信号直接检测系统，具有系统搭建简单，便于集成，检测灵敏度高，检测频带宽，响应时间快等优势，在太赫兹功率探测和成像等方面具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术检测器实物图，检测器的接收面积为5um×320um；图3为本专利技术检测器的结构示意图；图4为本专利技术检测器I-V测试曲线图，器件的接收面积为5um×320um；图5为本专利技术检测器电压响应测试图，信号调制频率1kHz，器件的接收面积为5um×320um；图6为5um×320um器件响应时间测试图，上升时间7us，下降时间8us；图7为20um×600um器件响应时间测试图，上升时间8us，下降时间8us。具体实施方式结合以下具体实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明。实施本专利技术的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本专利技术没有特别限制内容。本专利技术系统的搭建，包括以下步骤：第一步，将测试仪器均放置于水平稳固的测试平台上，如图1，首先放置太赫兹源1，在太赫兹源1输出喇叭口前方10-20cm处放置抛物面反射镜2，在垂直抛物面反射镜2反射的太赫兹信号传输方向上放置抛物面反射镜3，抛物面反射镜2和抛物面反射镜3反射中心间距20-40cm，在抛物面反射镜3反射太赫兹波方向距离抛物面反射镜3约10-20cm处放置硅基SOS衬底太赫兹检测器5。放置过程中，使得太赫兹源1输出喇叭口中心、抛物面反射镜2和抛物面反射镜3反射中心和硅基SOS衬底太赫兹检测器5器件单元中心在同一高度上。通过直流偏置电压源4给检测器5提供5V偏置电压，通过低噪声放大器7对检测的信号进行低噪放大，通过高通滤波器8连接锁相放大器9，通过控制信号线6连接太赫兹源1和锁相放大器9，通过电压读出单元10实现电压输出。第二步，在太赫兹源1输出喇叭口处，放置红色激光源，多次调整太赫兹源中心和抛物面反射镜2和3反射中心的高度，使得输出太赫兹波平行的入射到检测器5器件单元中心上。第三步，将硅基SOS衬底太赫兹检测器5，放置于测试基板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种室温高灵敏SOS衬底器件太赫兹直接检测系统，其特征在于，该系统包括：太赫兹源、一组即2个抛物面反射镜、TTL控制信号线、硅基SOS衬底太赫兹检测器、直流偏置电压源、低噪声放大器及锁相放大器，所述太赫兹源的聚焦透镜前方10‑20cm处设置第一抛物面反射镜，在垂直第一抛物面反射镜反射的太赫兹信号传输方向上设置第二抛物面反射镜，第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜反射中心间距20‑40cm，在第二抛物面反射镜反射太赫兹波方向距离第二抛物面反射镜的10‑20cm处设置硅基SOS衬底太赫兹检测器；直流偏置电压源连接硅基SOS衬底太赫兹检测器，低噪声放大器连接硅基SOS衬底太赫兹检测器的输出端，TTL控制信号线连接太赫兹源和锁相放大器，低噪声放大器输出端连接锁相放大器，锁相放大器直接读出输出电压；其中：太赫兹源输出口、抛物面反射镜中心和硅基SOS衬底太赫兹检测器在同一高度；所述硅基SOS衬底太赫兹检测器是以硅基SOS基片作为检测器的衬底，在衬底上反应离子刻蚀硅探测微桥，所述硅探测微桥两端连接金电极。

【技术特征摘要】
1.一种室温高灵敏SOS衬底器件太赫兹直接检测系统，其特征在于，该系统包括：太赫兹源、一组即2个抛物面反射镜、TTL控制信号线、硅基SOS衬底太赫兹检测器、直流偏置电压源、低噪声放大器及锁相放大器，所述太赫兹源的聚焦透镜前方10-20cm处设置第一抛物面反射镜，在垂直第一抛物面反射镜反射的太赫兹信号传输方向上设置第二抛物面反射镜，第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜反射中心间距20-40cm，在第二抛物面反射镜反射太赫兹波方向距离第二抛物面反射镜的10-20cm处设置硅基SOS衬底太赫兹检测器；直流偏置电压源连接硅基SOS衬底太赫兹检测器，低噪声放大器连接硅基SOS衬底太赫兹检测器的输出端，TTL控制信号线连接太赫兹源和锁相放大器，低噪声放大器输出端连接锁相放大器，锁相放大器直接读出输出电压；其中：太赫兹源输出口、抛物面反射镜中心和硅基SOS衬底太赫兹检测器在同一高度；所述硅基SOS衬底太赫兹检测器是以硅基SOS基片作为检测器的衬底，在衬底上反应离子刻蚀硅探测微桥，所述硅探测微桥两端连接金电极。2.根据权利要求1所述的室温高灵敏SOS衬底器件太赫兹直接检测系统，其特征在于，所述硅基SOS衬底太赫兹检测器的衬底中顶层硅为N型掺杂中阻硅，其电阻率2.5-10ohm.cm；所述硅探测微桥的厚度为100nm至200nm；所述金...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁学会，褚君浩，王连卫，敬承斌，胡志高，姜凯，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31