本文選題：Nb_5N_6 + microbolometer�。� 參考：《南京大學》2014年碩士論文

【摘要】：高靈敏檢測是太赫茲科學與技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。天線耦合太赫茲檢測器作為太赫茲探測器的一種類型已被廣泛地使用與研究。Nb5N6 microbolometer陣列器件正是采用天線耦合方式的太赫茲檢測器,具有工藝簡單、檢測靈敏度高,響應(yīng)時間快,便于集成大規(guī)模陣列等優(yōu)點。然而,在太赫茲波段芯片襯底的厚度與信號的波長相當,受襯底干涉影響,天線耦合探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能表征都存在困難。為了能夠表征出天線耦合NbsN6 microbolometer的本征特性,規(guī)范器件的性能參數(shù),本論文主要針對基于microbolometer的天線耦合太赫茲檢測器的設(shè)計與表征展開研究,主要內(nèi)容包括：第一,設(shè)計了基于microbolometer的天線耦合檢測器的太赫茲天線。太赫茲天線的作用是提高檢測器的信號耦合能力,從而幫助提升器件的檢測性能。天線設(shè)計中主要考慮的問題之一是天線和負載之間的阻抗匹配,阻抗匹配的程度決定了器件的檢測性能,如電壓響應(yīng)率。microbolometer的核心部分是基于NbsN6薄膜材料制成的微橋,其室溫電阻在0.6K-3K歐姆的范圍內(nèi),通常自互補平面天線的特征輸入阻抗只有60π歐姆,無法滿足Mb5N6 microbolometer的結(jié)區(qū)高阻抗匹配要求。我們仿真設(shè)計了一種高阻抗半偶極子天線,頻率設(shè)計在0.2 THz頻段,并計算了天線的輸入阻抗,反射系數(shù)S11,電流分布等天線特性。同時,我們還研究了天線諧振吸波結(jié)構(gòu)對天線頻率以及耦合效果的影響,根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果研制的0.2 TH頻段的天線耦合NbsN6 microbolometerz陣列芯片,實驗測試結(jié)果證實該器件在0.22 THz到0.33 THz都有優(yōu)秀的電壓響應(yīng)。第二,在太赫茲波段,器件結(jié)構(gòu)的映射小于被測量的入射光束的尺寸。天線耦合太赫茲檢測器的有效響應(yīng)特性能夠反應(yīng)天線實際接收的能量。我們提出一種實驗方法——去卷積法(Deconvolution method)來測量天線耦合檢測器的有效接收面積。用這種方法,表征了天線耦合NbsN6 microbolometer檢測器的性能,研究結(jié)果顯示,microbolometer的有效接收面積,是器件物理尺寸(主要是天線尺寸)的7.4倍,有效電壓響應(yīng)約為直流電壓響應(yīng)的63%。一個偏置在0.19mA,直流電壓響應(yīng)為-760 V/W的microbolometer檢測器,實驗測得的有效電壓響應(yīng)率為480 V/W。,本實驗方法比較客觀的反應(yīng)了器件在實際光學系統(tǒng)中的可利用性能,為太赫茲波段檢測器的表征提供了一個有效方法,也為天線陣列單元尺寸設(shè)置提供了參考依據(jù)。
[Abstract]:High sensitive detection is a key technology in the development and application of terahertz science and technology.As a type of terahertz detector, antenna coupled terahertz detector has been widely used and studied. Nb5N6 microbolometer array device is a terahertz detector with antenna coupling mode. It has the advantages of simple technology, high detection sensitivity and fast response time.Easy to integrate large-scale arrays and other advantages.However, the thickness of the substrate in the terahertz band is the same as the wavelength of the signal. Due to the influence of substrate interference, the structure design and performance characterization of the antenna coupled detector are difficult.In order to characterize the intrinsic characteristics of antenna coupled NbsN6 microbolometer and standardize the performance parameters of the device, this paper mainly focuses on the design and characterization of antenna coupled terahertz detector based on microbolometer. The main contents are as follows: 1.A terahertz antenna based on microbolometer antenna coupling detector is designed.The function of THz antenna is to improve the signal coupling ability of the detector, thus helping to improve the detection performance of the device.One of the main considerations in antenna design is the impedance matching between the antenna and the load. The degree of impedance matching determines the detection performance of the device. For example, the core part of the voltage responsivity .microbolometer is a microbridge based on NbsN6 thin film material.In the range of 0.6K-3K ohm, the characteristic input impedance of the self-complementary planar antenna is only 60 蟺 ohms, which can not meet the high impedance matching requirements of the Mb5N6 microbolometer junction region.A high impedance half-dipole antenna is designed and simulated. The frequency is designed in the frequency range of 0.2 THz. The antenna characteristics such as input impedance, reflection coefficient S11 and current distribution are calculated.At the same time, we also study the effect of antenna resonant absorbing structure on antenna frequency and coupling effect. A 0.2 th band antenna coupled NbsN6 microbolometerz array chip is developed based on the optimized design results.The experimental results show that the device has excellent voltage response from 0. 22 THz to 0. 33 THz.Second, in terahertz band, the structure mapping of the device is smaller than the size of the measured incident beam.The effective response characteristics of the antenna coupled terahertz detector can reflect the actual received energy of the antenna.An experimental method, Deconvolution method, is proposed to measure the effective receiving area of antenna coupled detectors.The performance of the antenna coupled NbsN6 microbolometer detector is characterized by this method. The results show that the effective receiving area of the microbolometer is 7.4 times of the physical dimension of the device (mainly the antenna size), and the effective voltage response is about 63 times of the DC voltage response.A microbolometer detector with a bias of 0.19 Ma and a DC voltage response of -760 V / W is obtained. The effective voltage response rate measured in the experiment is 480 V / W. this experimental method objectively reflects the availability of the device in the practical optical system.It provides an effective method for the characterization of terahertz band detector, and also provides a reference for the antenna array unit size setting.
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN820

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本文編號：1736884