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基于0云联惠18μm CMOS工艺的高响应度太赫兹探测器线阵
发布时间:2023-12-24 16:48:25来源:云联惠 浏览次数:1

  基于0.18μm CMOS工艺的高响应度太赫兹探测器线μm CMOS工艺的高响应度太赫兹探测器线ZqY_MEMSensor

  本文将太赫兹自混频功率探测电路、片上电压放大电路和片上天线相结合,采用电磁场与电路联合仿真方法,在不改变制造工艺情况下,通过标准CMOS工艺完成太赫兹线阵的设计。经过设计、仿线探测器线阵。

  太赫兹探测器基本原理和设计考虑M. Dyakonov和M. Shur提出场效应管借助二维电子气沟道的分布效应,能够实现对超出晶体管

  信号进行有效平方率检波,输出与输入功率成比例的响应电流或电压。可利用非准静态模型对太赫兹信号在场效应晶体管中的作用原理进行分析,如图1中金属氧化物半导体

  MOSFET)模型所示。图1 NMOS晶体管的太赫兹辐射分析模型目前,最受追捧的三种自混频功率探测电路结构主要包括:源极驱动电路

  电路(b)和源极差分驱动电路(c)(如图2)。电路(b)原理图中的栅极驱动省略了栅极的偏置电压。其中,源极驱动电路和栅极驱动电路都是从MOSFET的单端输入,在沟道内发生自混频后在漏极输出混频信号。三种电路结构的响应度仿线所示,从仿真结果可知源极差分驱动的配置在同等的条件下获得的电压响应度最高。

  图2 自混频功率探测器电路结构(a)源极驱动;(b)栅极驱动;(c)源极差分驱动

  探测器阵列由3个太赫兹像素线性排列,每个像素由带交叉的源极差分驱动自混频功率探测电路、高增益片上环形

  高精度成像。3个太赫兹像素以80 μm的间距等间隔排列成行,共享同一栅极偏置电压和电源

  片上天线是探测器中的关键模块,需要高增益的天线接收微弱的太赫兹辐射信号。图5所示为基于0.18 μm CMOS工艺的片上天线模型。CMOS工艺包含金属层、介质层和硅衬底等物理层结构,其中金属层嵌入在介质层中。利用HFSS软件对双圆环差分结构的天线进行建模、仿真、优化。天线的辐射面选用顶层厚金属层(M6),开窗处理后的顶层金属有更好的辐射效率,其次,顶层与硅衬底距离最远,可减少信号在衬底中损耗。

  图5 0.18 μm CMOS工艺物理结构和天线为天线反射系数仿真结果,在集总端口

  集成电压放大器对自混频探测电路的输出信号进行放大处理,提高探测系统的响应度,增强系统的驱动能力。低噪声、高输入阻抗是集成电压放大器要具备的性能,因为自混频功率探测电路的输出是微弱的直流信号,低噪声和高输入阻抗才能保证精确捕获输出的电压响应信号。

  放大器的版图采用M1-M3层的金属走线,位置在天线地平面下方,图示中用蓝域标识出其相应物理位置。

  首先将探测器芯片绑定到芯片外围扩展电路板上,然后利用斩波-锁相技术测量探测器阵列。由太赫兹信号源、斩波器、锁相放大器和计算机搭建如图11所示的太赫兹探测器测试环境。测试内容分为静态测试和动态测试。静态测试为寻找自混频功率探测电路的最佳栅极偏置点,保证探测器工作在最大效率状态。然后在最佳状态下进行响应度和噪声等效功率的测试,对探测器的性能进行表征。动态测试为测试探测器对不同材质物体隔挡时的输出响应变化。测试中所使用的太赫兹信号源为某公司所设计的300 GHz的集成太赫兹源。在测试之前使用以色列的手持式Ophir NOVA II功率计结合3A-P-THz探头进行对太赫兹源的功率测试,测试环境如图12所示。

  对于静态测试,首先将太赫兹信号源频率和功率进行固定,使其保持聚焦状态。固定太赫兹信号源与探测器的相对物理位置后,关闭太赫兹信号源的电源,给探测器阵列芯片上电,在锁相放大器上可观察到0.18 V左右的电压输出。此现象可能为芯片内部或PCB

  对于动态测试,保证测试平台维持电压响应度的测试配置,在太赫兹信号源和太赫兹探测器之间加入隔挡物,例如金属薄板、A4纸等,观察输出电压的变化。如图13所示,当放置隔挡物之后由于探测器接收的太赫兹功率降低,所以输出电压会降低,图示清晰的反映了这一过程。通过更换不同的隔挡物,可发现探测器对不同隔挡物的响应程度不同,图14反应了动态测试的结果。

  本文采用0.18 μm CMOS工艺完成高响应度探测器线阵的制备。通过分析对比了几种常用的自混频功率探测结构的性能,选择源极差分驱动结构作为自混频功率探测结构,改进后的带交叉耦合电容的结构增强太赫兹信号在小尺寸晶体管沟道内的强度,提高晶体管漏极和源极间的输出电压,从而提高探测器的响应度。通过结合电磁仿真与

  ,完成高增益片上环形差分天线、源极差分驱动自混频功率探测电路和集成低噪声电压放大器的联合仿真,优化模块间的级联使探测器系统整体性能达到最优。不修改制造工艺情况下,在0.5 mm × 1 mm的面积上实现1 × 3线阵的制备,其中包括焊盘和片上天线。在室温条件下搭建测试平台对探测器阵列芯片进行测试,当栅极偏置电压为0.42 V,晶体管工作在亚阈值区,此时该探测器的最大响应度可达43.8 kV/W,最小NEP为20.5 pW/Hz1/2。探测器阵列芯片的动态测试表明该探测器阵列可区分不同材质的物体。实验测试表明本文提出的探测器可进一步应用到太赫兹探测成像系统中,待完善探测器响应信号数据处理电路和成像

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  为了改变这种模式,加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院和加州纳米系统研究所的研究人员开发了一种独特的

  (THz)波凭借其可以穿透大多数不透光材料的特点,在对材料中隐藏物体和缺陷的无损

  频段是指介于微波和红外光之间的电磁波频段,其频率范围大约在0.1到10

  (THz)之间。这一频段被认为是一种新兴的射频技术,因为它具有许多独特的特性。

  频段(THz频段)又称次毫米波频段,是位于微波和红外光之间的一段电磁波频谱,范围在 0.1 THz ~ 至10 THz之间。在这个频段内,电磁波具有高能量、

  频段是指介于微波和红外线之间的频谱范围,其频率范围在0.1THz至10THz之间,对应的波长范围为 3000~ 30μ

  波段是介于微波和红外波段之间的电磁波频段,其频率范围为约0.1 THz至10 THz,对应的波长范围为约30微米至3毫米。

  频段,也被称为THz频段,指的是在波长为0.1-1毫米,频率为300-3000 GHz之间的电磁波频段。

  。     短波红外在空间通信、机器视觉、工业分选、光谱成像、半导体检测

  。锑化铟(InSb)是一种晶体材料属于III-V族化合物半导体。它具有较高的灵敏

  、低俄歇噪声等优点,其中化学水浴法(chemical bath deposition,CBD)合成的硫化铅薄膜可与

  是红外热成像技术领域的核心器件,其主要用于检测物体发出的红外辐射。按照

  非制冷焦平面micro-bolometer阵列最小像素尺寸15um像素阵列80×80到1920×1080

  时间 工作频率为0.05 - 0.7 THz 无需电源 紧凑尺寸:20x30x7毫米 低COS;   技术参数如下:   审核编辑 黄宇

  波段光子能量较低,无法通过电子激发的方式实现光电转换,且环境的背景噪声容易对检测过程产生影响。因此,传统的

  存在结构复杂、体积庞大、制造成本高等缺点,限制了其自身的广泛应用及集成化。

  。等于1,000,000,000,000Hz,通常用于表示电磁波频率。

  绝对功率计TK100 Absolute Terahertz Power/Energy Meter

  能量计(Absolute Terahertz Power/Energy Meter)是一款近期推出的带

  功率计特点—— 极低噪声和漂移(当测量低功率和低能量时)—— 宽带性,可测连续光和脉冲激光——

  诊断仪器;?天文学和天体物理学应用,包括空间基站应用;?材料研究;?传感

  差距”(Terahertz Gap)正在迅速缩小。并且至今,激光产生的气体和固体密度等离子体产生的相干

  ,采用高可靠性的平面PIN光电二极管,气密封装,不带低噪声RF放大器。具有

  波可以说是接近于光的一种电波,具有穿透物质或被物质吸收的特性。有观点认为,可以利用该特性测量出光吸收类型,并根据光吸收类型,将

  光谱成像技术取得了一定发展,复杂的系统和高昂的成本限制了这些技术的广泛应用。

  的主体结构为三明治结构,发射极和收集极均为重掺杂层,势垒层之间堆叠二维量子点阵列。量子点

  (THz) 辐射通常定义为 100 GHz (3 mm) 至 10 THz (30 μ

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  由于其使用过程无需制冷,对能量10~600 keV内的X/γ射线具有较好的能量以及空间分辨率,且能耗小、集成

  ,并拥有一个由涵盖碲镉汞材料生长、芯片制备、读出电路设计、微杜瓦封装、低温制冷机制造以及组件测试等领域的研发、

  时域光谱仪及各个关键模块进行了研究和开发,先后开发出具有自主知识产权的超快激光

  到的天然金多为小颗专粒金属,甚属至小到零点几克,像这样的金属普通的金属

  (THz)位于电磁波谱的微波和红外区域之间,为医学和生物学应用带来了巨大的希望。随着实验室

  、激光笔以及打印机等技术成为可能。但是光谱的一个关键区域仍然没有被驯服,即红外波与微波之间的

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  和发射源,直到近十几年,随着科研手段的提高,人们在这一领域的研究才有了较大发展。

  系统(如2520INT型积分球)进行校准意味着:对于在具体波长给定的光输入功率,确定

  中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用重点实验室秦华团队与中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室合作,成功获得了高灵敏

  针对室温(293 K)条件下使用要求,采用InAsSb单晶材料加浸没透镜制作成2~9

  科特电子技术有限公司,北京 100102)摘要:本文研究了一种新型的硅光电

  , 比较PET 塑料衬底、多孔二氧化硅衬底、悬空结构以及体硅衬底的热传导对

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