太赫兹器件与传感器-物联网与传感器技术

1.太赫兹器件

（1）分离库柏对型探测器

当工作温度远低于跃迁温度时，利用超导探测器即分离库柏对型探测器可进行光子探测。当大多数电子都束缚成库柏对（超导体电子），且光子能大于库柏对的束缚能时，通过超导体对光子的吸收，可以把这些库柏对“分离”开来，从而释放出单电子，（准确地说应该是准粒子）。这个过程和半导体光电探测器中产生电子空穴对的过程非常类似。配对瓦解型探测器的关键优势在于：由于热准粒子的产生是随机的，而且它们还会随机重组，因而热噪声会随时间以指数形式下降。相比之下，测辐射热计探测器则是把入射辐射转化为热能，而非激发准粒子。而它们的灵敏度都与温度成幂律关系。但是，由于光生准粒子处于库柏对的“海洋”之中，所以需要利用某种方式来探测光生准粒子的存在，或是把它分离出来。

（2）超导隧道结探测器

由于分离库柏对型探测器中用到了隧道结，所以可以将它们统称为超导隧道结探测器。隧道结的作用就是把库柏对过滤掉，只让准粒子通过。单个高能粒子或光子都会把大量的库柏对分离成准粒子，从而产生一个流经隧道结的电流脉冲。其中，用电流振幅来表示其能量。当超导体吸收一定通量的太赫兹光子后，在隧道结则就会产生一个直流电流。

（3）动感探测器

通过测量超导体的交流表面阻抗，可以检测到由分离库柏对的光子所产生的准粒子。在特定频率条件下，超导体的表面阻抗不为零，而且其电感作用还非常强。即使在温度极低（远低于跃迁温度）的条件下，动感效应还是与库柏对的动能有关，超导体的表面阻抗也是与准粒子数的变化有关，由此可做成动感探测器。这种探测器结构极其简单，它是由高品质因数值的薄膜微波共振腔及共面波导传输线等组成。超导体对光子的吸收能够改变探测器的共振频率，因此也就可以利用太赫兹输出系统对其进行高度的监控。利用这种探测器可以对X射线的单光子进行探测，它的主要优点是可以很容易地应用于大型的探测器阵列，最吸引人的是，它可以在常温下工作，无需使用制冷器。

（4）超导量子干涉器件动感探测器

利用直流超导量子干涉器件也能读出动感的变化。人们最初目的是想在测辐射热计中使用动感温度计。它可以把射线转化为热能，但同时得保证超导体的温度接近于跃迁温度值。这是因为在这个温度范围，动感随温度变化而变化的幅度很大。

（5）超导体-绝缘体-超导体结（SIS）型光子探测器

通过光子辅助隧道的处理过程，超导隧道结可以直接将太赫兹光子转化为电流信号。这种探测器的灵敏度很高，它能对每个光子所产生的电子作出响应，而且目前这种探测器已经广泛应用于外差混频中，然而，它们多数是用来进行直接探测的。探测器的灵敏度是由泄放电流所决定的，这样可以使低阻隧道结的灵敏度极高，从而使其能够与天线有很好的匹配。

（6）SIN结微型测辐射热计

超导体-绝缘体-常导金属结（SIN）型隧道结不同于SIS型隧道结，因为前者的一个电极是由常态金属做成的。当电子能量达到费米能级时，它就可以由常态金属隧穿进入超导体中。根据结电流就可以得到常态金属中电子的费米分布，其中，结电流与电子温度之间呈指数关系。因此，SIN型隧道结是一种性能不错的用于测量常态金属中电子温度的温度计。据此性质，可以做出热电微型测辐射热计。这种探测器能在吸收射线之后，对常态金属中的电子进行加热，而电子温度的增量可以通过SIN型隧道结测量出来。由于隧穿电子能够将热能从常态金属中带走，所以SIN结微型测辐射热计可以产生负反馈效应。

2.太赫兹传感器

（1）隧道结混频器

STJ混频器以及SIS混频器都是基于超导体-绝缘体-超导体（SIS）的夹层结构隧道结。对于SIS混频器的混频过程，则须用量子力学来处理，例如，SIS混频器的输出电流可以认为是电子的光子辅助隧穿的结果。超导体中电子态密度的能隙能够阻止电子隧穿过隧道结，只有当所加的偏压达到某一值时，隧穿电子得到了足够的能量，它才能克服这个能隙，穿过隧道结。但是，当所用的太赫兹场的频率达到某个确定值后，才会有光子辅助隧穿的出现。

SIS结的工作原理非常类似于光学或红外光敏二极管，其输出电流由每个光子吸收所产生的电子组成。它最大的优点是，量子效率η＜1，η表示由SIS结吸收的入射光子产生隧穿电子的总概率。如果精细设计耦合结构、注意阻抗与SIS结的匹配问题，则可能会实现理想极限值η→1。

典型隧道结的大小约为1μm，远远小于接收波长，这就需要用天线和相关的耦合电路将射线引到隧道结。能达此目的的方法有两种：波导耦合与准光学耦合。微波工程学传统的处理办法是波导耦合。先用天线把射线收集到单模波导内，典型代表就是矩形波导，而后利用转换导管或“探针”连接从SIS芯片上的平版薄膜传输线路中所发出的射线，如图6-36所示，它的工作频段在0.2～0.3THz。目前使用这种波导技术的主要困难是，混频器芯片必须很窄，同时还必须得安装在超薄的衬底上。

SIS混频器的主要设计难题是，两个平行板结构电极被一个仅有1mm厚的绝缘材料隔开，因而需要假设一个阻抗等于高电容的隧道结。隧道结的准确电容值为60～100fF·μm^-2，而这个电容值与所用材料、电流密度等有关。对于1μm^-2准光学耦合的方法如图6-37所示。这种方法可以省去收集射线到波导这个中间步骤，并且在SIS芯片上改用了平板天线。这种混频器的制作过程相对于前者十分简单，而且还能在较厚的衬底上制作。首个此类SIS混频器采用了弓形结状天线。它是宽波段的，但受非理想射线的干扰很大。后经实验和理论证明，如果使用质量最好的天线和透镜，混频器的耦合效率可高达90%。双偏振的设计方案同样也有可能实现。而利用严格的力矩法（Mo-mentMethod）技术可以做出平面天线。当其工作频率为0.5THz时，其阻抗为4Ω，远远低于电路所要求的50Ω阻抗。此时混频器芯片则需要一个电感调谐电路来补偿隧道结电容。调谐感应器可以是平行元件，也可以是连续元件，还可以将它放在两个SIS结中间，如图6-38所示。调谐线圈只是薄膜超导微波传输带电路的一小部分。总体来说，混频器的射频（RF）带宽Δv主要是受SIS结的RC输出限制。仪器使用A1N势垒时，Δv约为300GHz，Nb（铌）/氧化铝/Nb（铌）结的Δv约为100GHz。如果将来分布电路技术有所改进的话，可能解决整个带宽限制问题。

图6-36 波导SIS混频器芯片(www.xing528.com)

图6-37 准光学耦合“反向显微镜”

图6-38 双槽缝天线的准光学SIS混频器

太赫兹SIS混频器如此灵敏的原因之一是调谐线圈的损耗很小。但是当频率超过0.7THz时，常用的超导体（铌）所做的调谐感应器会开始有损耗。这是因为光子有足够的能量分开库柏对，而混频器的性能也会随之有很明显的下降。目前，SIS混频器能够在高达1.25THz的情况下稳定工作。

（2）HEB混频器

半导体所作的HEB型混频器在早期的太赫兹波天文研究中占有相当重要的位置，只是它在20世纪90年代早期逐渐被SIS混频器所取代。然而，超导混频器的发展产生了一大批灵敏度很高的HEB混频器。它们的工作频率都已达到了太赫兹量级。

HEB混频器的原理与TES测辐射热计非常相似。在超导转换导管附近有一个偏置薄膜，所以辐射吸收所导致的小范围的温度波动对电阻的影响十分明显。HEB混频器和普通的测辐射热计的主要区别在于它们的响应速度：HEB混频器对吉赫量级的输出带宽有足够快的响应速度，辐射功率可以由超导体中的电子直接吸收。而普通的测辐射热计则是利用隔离辐射吸收器及声子将辐射能量传给超导TES。当金属吸收一个光子时，单电子最初所接收到只是光子能（hv），而且这个能量会很快又传给了其他的电子，使电子温度有少许的增加。

HEB混频器就是基于上述效应制作的，芯片如图6-39所示。当温度接近于跃迁温度时，超导体的电阻对于电子温度会有很强的灵敏度。如果材料的电声作用（电子-声子相互作用）很强的话，就可以加快电子的热弛豫时间。如果应用超薄薄膜技术，声子就能在被电子再次吸收之前“逃入”衬底。另外，利用电子的外扩散效应也可以加快电子的热弛豫时间。

太赫兹波段有着巨大的科学探索空间，通过它可以探索行星、恒星、星系的形成，甚至可以研究大约10^-38s宇宙本身的成因。改进升级现有的太赫兹超导探测和超导混频器更会有助于研究这个问题的本质。

（3）应用

太赫兹传感器探测缺陷已被应用，太赫兹脉冲成像技术被应用于航天飞机隔离层泡沫材料中缺陷的探测。通过逐点扫描的方法得到各个点的时域波形。然后分析波形的变化来判断缺陷的大小、形状、位置和种类。太赫兹脉冲成像技术有微波成像系统的优点：对非金属的穿透能力强，其衰减系数比超声波小2～3个数量级；有极宽的频谱可供使用，可根据被测对象的特点选择不同的测试频率；能检测X射线难以检测的平面型缺陷（如裂纹、分层、脱粘等）；无需使用耦合剂，避免了耦合剂对特殊构件的污染和相互作用；检测效率高，易于实现实时监控；被测量是电信号，无需进行非电量的转换，从而简化了传感器与处理器的接口；在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高低温环境中对非金属进行检测。

图6-39 波导上漫射冷却的HEB混频器芯片

图6-40 太赫兹波成像的太赫兹 频段的吸收率和折射率

太赫兹波成像被美国宇航局选为未来探测发射中缺陷的4种技术之一。这4种技术包括：太赫兹成像，X光成像，超声波成像和激光剪切力成像。已经证明：泡沫塑料材料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率。因此，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。图6-40所示是美国在航天飞机上使用的泡沫绝缘材料在太赫兹频段的吸收率和折射率曲线。传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点上太赫兹脉冲的整个时域波形，从而提供了多维信息。举例来说，记录各个交界层反射的太赫兹脉冲后，利用太赫兹成像就能看到不同层中存在的缺陷。

通过测量一系列预先存在缺陷的泡沫材料样品，可以来研究太赫兹成像技术在检测泡沫材料缺陷方面的应用。这些样品均是由航天飞机燃料箱的制造商洛克希德-马丁公司按照真实航天飞机泡沫隔离材料的规格制造的。

太赫兹脉冲的产生采用飞秒激光照射大孔径GaAs天线的方法，并通过1.3cm焦距的抛物面镜聚焦在样品上。反射的太赫兹射线经由一个平面镜反射后，被另一个抛物面镜会聚，并聚焦到探测晶体上。最终，利用电光晶体（＜110＞晶向的ZnTe晶体）通过电光取样的方式记录下太赫兹脉冲的时域波形。在太赫兹波扫描样品的过程中，如果太赫兹脉冲在某一位置经过了缺陷，则此处的反射脉冲波形与临近的正常点波形会有所不同。具体来说，如果通过的缺陷是空洞，那么这个脉冲所经过的光程比临近点要小，波形的变化具体体现在脉冲峰值的时间延迟和强度变化上。如果通过的缺陷是脱胶，则由于缺陷上下表面反射脉冲的相互叠加，波形的变化一般体现在波包的展宽（频率变化）等细微变化上。将每个像素点用一个波形特征值表示，样品中的缺陷就会在特征值的二位图中显现出来。概括而言，图像处理过程主要用到的太赫兹波特征信息有3种：峰值到达时间、峰值强度和形状变化。