太赫兹微测辐射热计单元仿真与性能测试

摘要

太赫兹波处于电子学向光子学过渡的过渡区,其独特的性质引起了科学界愈发浓厚的兴趣。太赫兹探测成像是太赫兹技术应用的重要方向,太赫兹微测辐射热计探测是太赫兹探测成像的一项重要组成,其具有低成本、轻便、可靠及宽频带的特性。
　　本文将微测辐射热计由红外领域推向太赫兹领域,对微测辐射热计的结构进行了改进,使其适宜探测太赫兹波。设计的太赫兹微测辐射热计探测元尺寸为75μm×75μm,采用L型桥腿。探测器顶部增加薄膜金属作太赫兹吸收层,底部加电学连通层以方便外围读出电路读出信号。
　　太赫兹吸收层采用薄膜金属,忽略介质的影响,根据电磁理论,吸收率最大可以达到50％。实际制备太赫兹吸收层时对工艺进行了改进,用氟离子轰击金属薄膜表面使其粗糙黑化,提高对太赫兹波的吸收,一定程度上解决了因工艺限制金属薄膜厚度不能达到理论吸收最大值的要求所带来的金属薄膜对太赫兹波反射大的问题。实际制备的金属薄膜太赫兹吸收层对太赫兹波的吸收率可以达到20％以上。
　　对所设计的太赫兹微测辐射热计进行了仿真分析。增宽桥腿可以增加探测器的力学稳定性,降低热响应时间,但会降低其温度变化值,2.2微米宽的桥腿较为适宜。增加桥面保护层的厚度对探测器力学稳定性的改善更强于增宽桥腿,但温度变化值会降低,同时其热响应时间也会增大,450nm是一个较为适宜的桥面保护层厚度。
　　设计了一种适用于太赫兹微测辐射热计的折射型光学镜头,并利用 Tracepro软件对其进行了仿真,优化后得到了较好的尺寸参数。所设计的光学镜头视场角为16.3°,分辨率为20lp/mm,可以满足所设计的太赫兹微测辐射热计的成像要求。
　　完成了微测辐射热计的制备及探测元的性能测试。探测元的响应率随着斩波频率的增加而逐渐变小,各频率下的NEP均优于300pW/Hz1/2,平均热响应时间为10.93ms。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 太赫兹波

1.2 太赫兹成像探测技术

1.3 本论文的工作意义及结构安排

第二章 太赫兹微测辐射热计基础

2.1 微测辐射热计热学基础

2.2微测辐射热计力学基础

2.3 太赫兹波的透过与吸收

2.4 自热效应

2.5 本章小结

第三章 太赫兹微测辐射热计结构设计与性能仿真

3.1 太赫兹吸收结构

3.2 太赫兹微测辐射热计初步结构设计

3.3 太赫兹微测辐射热计的热学仿真与力学仿真

3.4 本章小结

第四章 太赫兹微测辐射热计的光学镜头设计

4.1 Tracepro软件简介

4.2 光学设计基础

4.3 光学镜头初始设计

4.4 光学镜头仿真与优化

4.5本章小结

第五章 太赫兹微测辐射热计的制备与测试

5.1太赫兹微测辐射热计的制备

5.2太赫兹微测辐射热计的性能测试

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果