一种CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器，通过结合CMOS频率梳波谱芯片和FP腔体，能够进行并行化的FP腔体谐振模式激励和傅里叶变换波谱检测，可实现波谱检测速度一个数量级的提升；而且，具有多普勒受限检测模式和压强展宽检测模式两种工作模式，能够实现低气体压强(＝<102Pa)的精细谱线识别和高气体压强(102～105Pa)下的大带宽谱线搜寻，从而拓展了波谱检测动态范围。拓展了波谱检测动态范围。拓展了波谱检测动态范围。

【技术实现步骤摘要】
一种CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器


[0001]本专利技术涉及微电子
，特别涉及一种CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器。

技术介绍

[0002]腔体傅里叶变换旋转波谱(Cavity Fourier
‑
transform rotational spectroscopy,Cavity
‑
FTRS)一方面依靠高Q值Fabry
‑
Perot腔体的谐振模式极大增加了波谱探测的有效光学路径，因而实现了旋转波谱探测的小型化；另一方面，通过对气体分子样品进行脉冲激励和相干自发辐射傅里叶分析，降低了唐氏噪声的影响，实现了探测灵敏度的提升；因而，腔体傅里叶变换旋转波谱Cavity
‑
FTRS仍然是目前具备最高分辨率和灵敏度的旋转波谱探测技术，也最符合机器嗅觉传感器的小型化要求。
[0003]不过，腔体傅里叶变换旋转波谱Cavity
‑
FTRS仍面临着两大难题：其一，虽然高Q值FP腔体提升了光学路径长度，但其机械扫描严重限制了检测速度；其二，为了避免压强展宽(由分子间碰撞导致)，旋转谱线只能在<102Pa气体压强下进行测量，依赖真空系统，限制进一步小型化的可能性。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器，通过结合CMOS频率梳波谱芯片和FP腔体(Fabry
‑
Perot腔体)，能够在较大的压强范围内实现快速并行波谱检测，可对数百种气体分子组成的复杂组分气体进行精确无模糊分辨，达到ppb级灵敏度。
[0005]本专利技术提供的一种CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器，其包括：FP腔体、参考信号源、CMOS频率梳波谱芯片以及波谱分析模块；其中，
[0006]所述CMOS频率梳波谱芯片包括：频梳信号处理单元、片上天线阵列以及基带信号处理单元；
[0007]而且，所述频梳信号处理单元用于根据所述参考信号源提供的参考信号，生成频梳信号，并对生成的一路频梳信号加载调制信号而得到探测信号；所述片上天线阵列用于将所述探测信号辐射至所述FP腔体中，并接收所述探测信号与所述FP腔体中的极性气体分子作用后所得到的探测响应信号；所述频梳信号处理单元用于将生成的一路频梳信号与所述探测响应信号解调而得到基带信号；所述基带信号处理单元用于对所述基带信号进行信号放大和傅里叶变换，得到基带处理信号；所述波谱分析模块用于根据所述基带处理信号，得到波谱探测结果。
[0008]在一种具体的实施方式中，所述频梳信号处理单元用于对所述参考信号源提供的参考信号进行倍频及上混频或下混频，得到所述频梳信号；而且，所述频梳信号表达式为：f
O
＝N*f
ref
±
P*f
D
；其中，N为倍频数，P在零至频梳齿数之间变化，f
D
为频梳两齿频率间距，f
O
的最大值与最小值的频率范围决定可测量的频率范围。
[0009]在一种具体的实施方式中，所述FP腔体的上下表面均为由压电驱动器驱动的可调
反射面；而且，压电驱动器受控于压电控制模块，以实现对所述FP腔体谐振峰的调谐；所述CMOS频率梳波谱芯片安装在所述FP腔体的下表面。
[0010]在一种具体的实施方式中，所述FP腔体的上表面与下表面之间的间距为频梳信号提供的激励脉冲半波长的整数倍，以实现频梳信号提供的激励脉冲电场增强。
[0011]在一种具体的实施方式中，所述FP腔体的品质因子典型值为102～105。
[0012]在一种具体的实施方式中，在气体工作压强为小于或等于102Pa且旋转谱线线宽低于FP腔谐振峰半高宽时，所述频梳信号处理单元通过片上频率源调整所述频梳信号的频率，所述FP腔体通过所述压电控制模块调整FP腔谐振频率，使得频梳信号和FP腔同时进行频率步进扫描，且频梳两齿频率间距等于FP腔谐振峰的频率间距的整数倍；
[0013]当频梳信号提供的激励脉冲和FP腔谐振峰与分子谱线重叠时，受激的分子产生相干自发辐射；所述基带信号处理单元被配置为用于提取所述基带信号对应的频率色散曲线，以得到所述基带处理信号；所述波谱分析模块用于根据所述基带信号对应的频率色散曲线，得到波谱探测结果。
[0014]在一种具体的实施方式中，在气体工作压强为102Pa～105Pa且压强展宽谱线高于FP腔谐振峰半高宽时，所述基带信号处理单元被配置为用于检测所述基带信号在不同频率下的接收功率或用于检测所述基带信号接收功率的时域衰减，以得到所述基带处理信号；
[0015]所述波谱分析模块用于所述基带信号在不同频率下的接收功率或接收功率的时域衰减，确定谱线吸收带来的FP腔谐振峰品质因子的变化，以测量谱线吸收率，进而得到波谱探测结果。
[0016]在一种具体的实施方式中，所述参考信号源为高频锁相环电路。
[0017]如此，本专利技术实施例中提供的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器，通过结合CMOS频率梳波谱芯片和FP腔体，能够实现并行化的谐振模式激励和傅里叶变换波谱检测，使波谱检测速度产生一个数量级的提升；同时，由于采用高品质因子的FP腔体增加了有效光学路径长度，可实现气体检测灵敏度至ppb量级。
[0018]同时，本专利技术实施例中提供的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器具有多普勒受限检测模式和压强展宽检测模式两种工作模式，能够实现低气体压强(＝<102Pa)的精细谱线识别和高气体压强(102～105Pa)下的大带宽谱线搜寻，从而拓展了波谱检测动态范围。
附图说明：
[0019]图1为本专利技术实施例中提供的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术实施例中提供的FP腔体与CMOS频率梳芯片装配结构示意图；
[0021]图3为本专利技术实施例中提供的CMOS频率梳芯片内部信号链路的示意图；
[0022]图4为本专利技术实施例中提供的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器工作在多普勒受限检测模式的测试结果图；
[0023]图5为本专利技术实施例中提供的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器工作在压强展宽检测模式的测试结果图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均属于本专利技术的范围。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，提供如图1所示的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器(Frequency comb Fourier
‑
transform rotational spectroscopy,FC
‑
FTRS)，其包括：FP腔体1、参考信号源2、CMOS频率梳波谱芯片3以及波谱分析模块4；
[0026]其中，所述CMOS频率梳波谱芯片3包括：频梳信号处理单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器，其特征在于，包括：FP腔体、参考信号源、CMOS频率梳波谱芯片以及波谱分析模块；其中，所述CMOS频率梳波谱芯片包括：频梳信号处理单元、片上天线阵列以及基带信号处理单元；而且，所述频梳信号处理单元用于根据所述参考信号源提供的参考信号，生成频梳信号，并对生成的一路频梳信号加载调制信号而得到探测信号；所述片上天线阵列用于将所述探测信号辐射至所述FP腔体中，并接收所述探测信号与所述FP腔体中的极性气体分子作用后所得到的探测响应信号；所述频梳信号处理单元用于将生成的一路频梳信号与所述探测响应信号解调而得到基带信号；所述基带信号处理单元用于对所述基带信号进行信号放大和傅里叶变换，得到基带处理信号；所述波谱分析模块用于根据所述基带处理信号，得到波谱探测结果。2.如权利要求1所述的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器，其特征在于，所述频梳信号处理单元用于对所述参考信号源提供的参考信号进行倍频及上混频或下混频，生成所述频梳信号；而且，所述频梳信号表达式为：f
O
＝N*f
ref
±
P*f
D
；其中，N为倍频数，P在零至频梳齿数之间变化，f
D
为频梳两齿频率间距，f
O
的最大值与最小值的频率范围决定可测量的频率范围。3.如权利要求2所述的CMOS频梳傅里叶变换旋转波谱探测器，其特征在于，所述FP腔体的上下表面均为由压电驱动器驱动的可调反射面；而且，压电驱动器受控于压电控制模块，以实现对所述FP腔体谐振峰的调谐；所述CMOS频率梳波谱芯片安装在所述FP腔体的下表面。4.如权利要求3所述的一种CM...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成，沈芳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：