本專利涉及一種太赫茲線列探測裝置，更具體的說，涉及一種基于碲鎘汞太赫茲探測器的線列太赫茲探測裝置。

背景技術(shù)：

太赫茲(Terahertz/THz)波是指頻率在0.1-10THz(波長30-3000μm)范圍內(nèi)的電磁波，具有低能性、相干性、寬帶性和穿透性等特性。因為這些獨特性質(zhì)，太赫茲波在通信、天文、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測和安保等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點[1-3]。太赫茲技術(shù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容之一是太赫茲探測技術(shù)，發(fā)展工作靈敏度高、使用方便、成本合理的太赫茲探測器，將在生物醫(yī)學(xué)及化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、天文學(xué)和遙感、通信技術(shù)、安全檢查等領(lǐng)域發(fā)揮巨大效用，具有重大的應(yīng)用意義[4-6]。

2013年以來，專利人所在課題組發(fā)展了基于碲鎘汞材料的金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)結(jié)構(gòu)新型高靈敏度室溫太赫茲探測器[8-10]，并在理論上提出了一種新穎的解釋。Sizov等人(2015)在實驗上也報道了MSM結(jié)構(gòu)碲鎘汞器件對0.14THz信號的高靈敏度響應(yīng)[11]。課題組通過構(gòu)建合適的MSM結(jié)構(gòu)，觀察到碲鎘汞材料(MCT)對太赫茲波的室溫光電導(dǎo)現(xiàn)象，并基于太赫茲電磁輻射誘導(dǎo)勢阱(EIW)束縛載流子的物理模型對探測機理進行了解釋。基于碲鎘汞材料的新型太赫茲探測器實現(xiàn)了較好性能。但是現(xiàn)有的碲鎘汞器件存在以下問題：1、室溫工作響應(yīng)時間常數(shù)在數(shù)百微秒[9]，2、敏感元尺寸小，僅為幾十微米見方的量級[10]，耦合能量弱。

以上所涉及的參考文獻如下：

[1]Bowlan,P.,et al.,Terahertz radiative coupling and damping in multilayer graphene.New J.Phys.16(2014)013027.

[2]Sizov,F.and A.Rogalski,THz detectors.Prog.Quant.Electron.,2010.34(5):p.278-347.

[3]Tonouchi,M.,Cutting-edge terahertz technology.Nature Photon.,2007.1(2):p.97-105.

[4]Tang,L.,et al.,Nanometre-scale germanium photodetector enhanced by a near-infrared dipole antenna.Nature Photon.,2008.2(4):p.226-229.

[5]Rogalski,A.,J.Antoszewski,and L.Faraone,Third-generation infrared photodetector arrays.J.Appl.Phys.,2009.105(9)091101.

[6]Horiuchi,N.,Terahertz Technology Endless Applications.Nature Photon.,2010.4(3):p.140-140.

[7]Padman,R.,et al.,A Dual-Polarization InSb Receiver for 461/492GHz.Int.J.Infrared Milli.,1992.13(10):p.1487-1513.

[8]Z.M.Huang,J.C.Tong,et al.,Room-Temperature Photoconductivity Far Below the Semiconductor Bandgap,Adv.Mater.,2014,26(38):6594-6598.

[9]Zhiming Huang,Wei Zhou,et al.,Directly tailoring photon-electron coupling for sensitive photoconductance,Sci.Rep.,2016,6,22938.

[10]Zhiming Huang,Wei Zhou,et al.,Extreme Sensitivity of Room-Temperature Photoelectric Effect for Terahertz Detection,Adv.Mater.,2016,28(1),112-117.

[11]F.Sizov,et al.,Two-color detector:Mercury-cadmium-telluride as a terahertz and infrared detector,Appl.Phys.Lett.,2015,106(8):814-3526.

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本專利的目的是公開一種太赫茲線列探測裝置，解決了碲鎘汞單元探測器敏感元小(尺寸遠小于波長)、耦合能量弱、響應(yīng)速度較慢(τ～0.1ms)的問題，可滿足近室溫或液氮制冷條件下(77K-250K)高靈敏度太赫茲線列探測的應(yīng)用需求。

本專利一種太赫茲線列探測裝置包括八元線列探測器件1、組合聚焦裝置2、可控溫杜瓦單元3、前置放大器及讀出電路；

所述的八元線列式探測器件1由氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1，碲鎘汞探測器件1-2和襯底表面的轉(zhuǎn)接電極1-3組成；

所述的組合聚焦裝置2由八元線列角錐2-1和聚四氟乙烯聚焦透鏡2-2組成；線列角錐2-1高度為25mm，分為八個單元，各單元的高寬比為2:1，聚四氟乙烯聚焦鏡2-2的焦距為角錐長度的長度3倍，角錐長度L和器件到聚焦鏡中心的距離D的比值為0.30-0.33；

所述的可控溫杜瓦單元3為側(cè)罩杜瓦3-1，防輻射導(dǎo)熱屏蔽罩3-2，液氮3-3，冷指3-4，鉑金測溫電阻3-5，加熱片3-6，PE窗口片3-7組成；

所述的前置放大器及讀出電路4由前放電路PCB板4-1，輸出引線4-2，25針輸出端子4-3組成；

所述的可控杜瓦單元3的冷指3-4中空部分正中心的內(nèi)側(cè)為鉑金測溫電阻3-5，外側(cè)依次固定八元線列探測器件1和組合聚焦裝置2，在冷指3-4外側(cè)，依次為預(yù)設(shè)了對準(zhǔn)標(biāo)記的氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1、鎘汞探測器件1-2、元線列角錐2-1和聚四氟乙烯聚焦透鏡2-2；

所述的探測器件1-2為碲鋅鎘襯底的碲鎘汞探測器件，包括碲鎘汞敏感元1-2-1和耦合天線1-2-2，各探測單元位于氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1的上方，通過預(yù)設(shè)在氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1表面的轉(zhuǎn)接電極1-3將電信號引出，通過前置放大器及讀出電路4的選擇芯片使線列器件各單元器件的信號逐個讀出。

本專利具有如下優(yōu)點：

1、器件靈敏度高，響應(yīng)速度快(τ≤0.01ms)。

2、器件耦合天線和組合聚焦裝置使得探測器對太赫茲波耦合能量強，響

應(yīng)信號大。

3、探測裝置為線列掃描方式工作，探測效率高。

附圖說明：

圖1為本專利的結(jié)構(gòu)框架圖。

圖2為本專利探測裝置的側(cè)視圖。

圖3為本專利探測裝置的俯視圖。

圖4為本專利探測裝置的主視圖。

圖5為本專利線列角錐的三視圖，(a)為角錐剖面圖，(b)為線列角錐圖，(c)為線列角錐剖面圖。

圖6為本專利氧化鋁轉(zhuǎn)接電極片的示意圖。

具體實施方式

為使本專利的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖描述本專利的示例性實施例的技術(shù)方案。

附圖1為本探測裝置結(jié)構(gòu)示意簡圖。八元銅光錐和聚四氟乙烯透鏡組成的聚焦裝置會聚入射的太赫茲波；通過平面耦合型碲鎘汞探測器件接收太赫茲波并將其轉(zhuǎn)換為電信號，并由前置放大器及讀出電路放大并讀出；可控溫杜瓦單元用于提供合適的工作溫度。實現(xiàn)線列探測裝置對太赫茲波信號的檢測。

依照附圖1所示的結(jié)構(gòu)，制作了三種類型實施例探測器件。

依照上述結(jié)構(gòu)，制作了3個實施例探測裝置：

實施例探測裝置1：在冷指3-4外側(cè)，依次為預(yù)設(shè)了對準(zhǔn)標(biāo)記的氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1，線列器件各探測單元1-2，八元線列角錐2-1和聚四氟乙烯聚焦透鏡2-2。線列角錐2-1高度為25mm，分為八個單元，各單元的高寬比為2:1，聚焦鏡為具有對稱的雙凸圓弧面的柱體，焦距為角錐長度的3倍，線列器件到聚焦鏡中心的距離D為75mm。線列角錐各單元內(nèi)側(cè)開口尺寸為1.2mm×2.4mm。

線列器件各探測單元1-2為碲鋅鎘襯底的碲鎘汞探測器件，包括碲鎘汞敏感元1-2-1和耦合天線1-2-2，各探測單元位于氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1的上方，通過預(yù)設(shè)在氧化鋁轉(zhuǎn)接電極片1-1表面的轉(zhuǎn)接電極1-3將電信號引出。通過讀出電路4的八選一選擇芯片，依次選通線列器件各個單元的輸出信號引線，使各單元逐個讀出器件信號。

實施例探測裝置2：在冷指3-4外側(cè)，依次為預(yù)設(shè)了對準(zhǔn)標(biāo)記的氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1，線列器件各探測單元1-2，八元線列角錐2-1和聚四氟乙烯聚焦透鏡2-2。線列角錐2-1高度為25mm，分為八個單元，各單元的高寬比為2:1，聚焦鏡為具有對稱的雙凸圓弧面的柱體，焦距為角錐長度的3倍，線列器件到聚焦鏡中心的距離D為80mm。線列角錐各單元內(nèi)側(cè)開口尺寸為1.2mm×2.4mm。

線列器件各探測單元1-2為碲鋅鎘襯底的碲鎘汞探測器件，包括碲鎘汞敏感元1-2-1和耦合天線1-2-2，各探測單元位于氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1的上方，通過預(yù)設(shè)在氧化鋁轉(zhuǎn)接電極片1-1表面的轉(zhuǎn)接電極1-3將電信號引出。通過讀出電路4的八選一選擇芯片，依次選通線列器件各個單元的輸出信號引線，使各單元逐個讀出器件信號。

實施例探測裝置3：在冷指3-4外側(cè)，依次為預(yù)設(shè)了對準(zhǔn)標(biāo)記的氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1，線列器件各探測單元1-2，八元線列角錐2-1和聚四氟乙烯聚焦透鏡2-2。線列角錐2-1高度為25mm，分為八個單元，各單元的高寬比為2:1，聚焦鏡為具有對稱的雙凸圓弧面的柱體，焦距為角錐長度的3倍，線列器件到聚焦鏡中心的距離D為83mm。線列角錐各單元內(nèi)側(cè)開口尺寸為1.2mm×2.4mm。

線列器件各探測單元1-2為碲鋅鎘襯底的碲鎘汞探測器件，包括碲鎘汞敏感元1-2-1和耦合天線1-2-2，各探測單元位于氧化鋁襯底轉(zhuǎn)接電極片1-1的上方，通過預(yù)設(shè)在氧化鋁轉(zhuǎn)接電極片1-1表面的轉(zhuǎn)接電極1-3將電信號引出。通過讀出電路4的八選一選擇芯片，依次選通線列器件各個單元的輸出信號引線，使各單元逐個讀出器件信號。

4.顯然所描述的實施例只是本專利的一部分實施例，而不是全部的實施例。所描述的實施例僅用于圖示說明，而不是對本專利范圍的限制。基于本專利的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本專利保護的范圍。