CN103512665B - 用于mems结构中的精确空隙控制和热隔离的纳米尖端间隔物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于MEMS结构中的精确空隙控制和热隔离的纳米尖端间隔物。一种包括垂直天线的THz辐射检测器，该垂直天线被热隔离气隙从悬空平台分离，用于将THz辐射能集中到热传感器元件所位于的悬空MEMS平台。THz光子能经耦合电容器的极板之间的热隔离气隙转换为电能，该极板由确定空隙距离的多个纳米尖端间隔物分离。所述电容器将能量从天线耦合到热传感器。

Description

用于MEMS结构中的精确空隙控制和热隔离的纳米尖端间隔物

技术领域

本发明涉及半导体成像器件的领域，且更具体而言涉及用于微电子机械系统（MEMS）结构中的精确空隙控制和热隔离的纳米尖端间隔物。

背景技术

热辐射仪经常被用作红外或THz频率范围中的检测器。一种类型的热辐射仪是天线耦合的热辐射仪，其中，辐射被天线接收，并且在终端电阻中产生热量。所产生的温度改变表示信号。由耦合到热传感器的天线构成的像素（pixel）被用于在远红外（FIR）或更长的波长中工作的成像器件。但是，需要有效的耦合来保持良好的热隔离（即高热阻率）且同时最小化天线和传感器之间的信号损失。研究努力的活跃领域是开发未冷却的THz传感器，一般在安全、光谱学和医学成像等领域中使用，将考虑它们所期望的巨大影响。于是，需要天线和传感器之间的一种耦合机制。该耦合机制应优选地具有高耦合效率和快速的响应时间。

发明内容

一种THz辐射检测器，包括与具有基于天线和子像素悬空微电子机械系统（MEMS）的热传感器的MSMS混合焦平面阵列（FPA）THz检测器分离的多个天线臂。天线和传感器之间的一种可能的耦合方法是通过电容器。大电容被实现，提供了非常高的耦合效率。但是，电容器的几何尺寸被最小化以保持快速响应时间。

THz辐射检测器组件包括通过气隙从悬空平台分离的多个天线臂，用于实现热隔离。该检测器用于将THz辐射能集中到热传感器元件所位于的较小的悬空MEMS平台（例如膜）。在一个实施例中，通过使用电容耦合的像素化（pixilate）天线，THz光子能被转换为电能，以将聚焦的能量跨热隔离气隙耦合，并耦合到热传感器所在的悬空膜上。电容器由被一个或多个纳米尖端间隔物分隔的两个极板构成，该纳米尖端间隔物确定了极板之间的空隙并提供热隔离。在另一实施例中，THz光子能经导电纳米尖端间隔物而不是通过电容器从天线电耦合到传感器。纳米尖端间隔物还用于在天线和传感器之间提供热隔离。

检测器装置实现了悬空膜的更强的由聚焦THz诱导的加热，从而该热信号变的比检测器温度噪声更强，即使当检测器在室温下运行。然后，该更高的热信号对热噪声比率被热传感器元件转换为相对于电噪声更高的电信号。

由此根据本发明提供了一种太赫兹（THz）检测器组件，包括：第一介电基板；在第一基板上制造的天线，该天线包括第一电容极板部分；在天线上制造的多个纳米尖端间隔物；第二介电基板；在第二介电基板上构造的传感器，其包括第二电容极板部分，传感器操作为感测天线阵列接收并经电容耦合传输到传感器的THz能量；并且其中，在其间形成电容耦合的第一电容极板部分和第二电容极板部分之间的分隔由多个纳米尖端间隔物产生，该多个纳米尖端间隔物操作为在天线和传感器之间提供热隔离。

根据本发明还提供了一种太赫兹（THz）检测器组件，包括：在第一介电基板上制造的天线；在第二介电基板上构造的传感器，该传感器操作为感测天线阵列接收到的THz能量；以及多个导电纳米尖端间隔物，操作为电耦合天线和传感器。

根据本发明还提供了一种太赫兹（THz）检测器部件，包括：第一介电基板；在第一基板上制造的天线，该天线包括第一电容极板部分；第二介电基板；在第二介电基板上构造的传感器阵列，该传感器阵列包括悬空平台，该悬空平台包含第二电容极板部分和热传感器，该传感器阵列操作为将天线阵列接收的THz能量经电容耦合传输到电负载，并将该负载产生的热转换为电信号；以及多个纳米尖端间隔物，其夹在天线阵列和传感器阵列之间，并且操作为确定第一电容极板部分和第二电容极板部分之间的空隙并且在该天线阵列和传感器阵列之间提供热隔离。

根据本发明还提供了一种太赫兹（THz）检测器组件，包括：第一介电基板；在第一基板上制造的天线，该天线包括第一电容极板；多个纳米尖端间隔物；第二介电基板；在第二介电基板上构造的传感器阵列，该传感器阵列包括悬空平台，该悬空平台包含第二电容极板、热传感器以及耦合到第二电容极板的电负载，该悬空平台通过连接到所述第二介电基板的一个或多个支持臂而悬空；其中，耦合电容器是通过将天线阵列垂直接合到传感器阵列而形成的，从而第一电容极板和第二电容极板被空隙分隔，该空隙的距离由多个纳米尖端间隔物决定，并且其中，传感器阵列操作为将天线阵列接收的THz能量经耦合电容器传输到电负载，并将电负载产生的热转换为电信号，其中，电容耦合在天线阵列和传感器阵列之间提供热隔离。

附图说明

这里参考附图通过示例的方式描述了本发明，在附图中：

图1是示出无源THz辐射检测器的示例性实施例的图，该检测器包含耦合到传感器平台的垂直天线；

图2是示出在天线垂直接合到传感器平台之后的单个检测器部件的侧视图的图；

图3是示出在天线垂直接合到传感器平台之后的阵列检测器部件的侧视图的图；

图4是示出耦合效率作为耦合电容和频率的函数的图；

图5是示出重叠面积作为空隙尺寸和耦合电容的函数的图；

图6是示出垂直天线和传感器平台的横截面的图；

图7是示出在检测器被组装之前像素的悬空平台和支持臂的顶视图的图；

图8是更详细地示出在检测器被组装之前的悬空平台的顶视图的图；

图9是示出在检测器被组装之后的像素的顶视图的图；

图10是更详细地示出在检测器被组装之后的像素的顶视图的图；

图11是示出检测器中的电和热耦合的图；以及

图12是示出使用图9的THz辐射检测器的示例性2x2像素矩阵的图。

具体实施方式

THz辐射成像目前是快速发展的研究领域，具有固有的应用例如THz安全成像，其可以从十米或更远的距离显示衣服背后隐藏的武器；或者医学THz成像，其例如可以显示皮肤里面隐藏的皮肤癌肿瘤并进行完全安全的牙齿成像。构造现有技术中的THz检测器是典型的挑战，因为辐射源和辐射检测器都很复杂，难以制造且很昂贵。

THz辐射是非离子化的，因此不像X射线辐射对人类完全安全。用于安全应用的THz成像例如使用无源成像技术，即，远程THz成像的能力，而不用使用任何THz辐射源，由此仅依赖于极低功率的自然THz辐射，根据熟知的黑体辐射物理，该自然THz辐射一般是从任意室温下的物体发射的。无源THz成像需要非常敏感的传感器，以用于该极低功率辐射的远程成像。现有技术的无源THz成像利用超导体单检测器的混合技术，该检测器被冷却到大约4开式度的温度，这导致了极端复杂（例如，在进行任意成像之前，仅温度的调整就需要花费多于12个小时）和昂贵（例如$100,000或更多）的系统。需要一种检测器，可被用于探测THz辐射，并且与现有超导体解决方案相比具有低得多的潜在成本。但是，无源THz成像需要比无源红外（IR）成像大三个量级的敏感性，这是有挑战的鸿沟。

此外，在现有技术的检测器中需要将检测器冷却到低温以降低噪声，对于成像仪这是明显的缺陷，该成像仪将在监督和监视行为中找到自然的应用领域。这样的冷却器件将显著增加系统的成本并使功耗更大，限制了其移动性。有源THz系统可以以较低敏感的像素来操作，因为它依赖于嵌入在系统中的源所发射的辐射的反射；源提供的辐射典型地比目标自然发射的（辐射）要更大。

此外，由于可能的反射干扰了原始光分布，处理从有源成像获取的信号会很复杂。无源成像具有未来的优势，允许隐藏监控并消除公众对任意原因的健康相关的担心。以较低频率来提供成像能力的解决方案受制于有限的空间解析度和缺乏的紧密度。低成本方面也被强调，因为THz摄影机的很多可能的应用，与其可得性相结合，使它们成为大规模商业化的潜在对象。

具有电容耦合的THz天线给设计者带来了同时实现高敏感性（用于使能无源成像）和快速响应时间（允许视频帧速率）的挑战。将信号传输到热传感器的效率非常依赖于电容器尺寸。当极板具有较大面积并且当它们之间的空隙较小时，可获得较大的平行极板电容器。由于敏感性需求，热传感器的热电阻R_th必须很大（我们需要ΔT_ss=P_opt·R_th较大）；但是同时，我们需要时间常数τ=R_thC_th较小。当传感器的质量和比热（specificheat）较小时，可获得较小的热容。因此，我们只能以像素的响应时间为代价来增加电容器面积。另一方面，由于悬空结构的变形，我们受限于空隙尺寸的缩放，由于残留应力的释放该变形在MEMS后续处理之后出现，并导致较大的容差；此外，倾斜和变形将名义电容降低到甚至更小的值。

在一个实施例中，检测器包括用于未冷却的无源THz成像的混合焦平面阵列（FPG）以及电耦合到芯片上的热传感器的THz天线阵列，在一个实施例中，该无源THz成像是用CMOS-SOI芯片来获取并使用MEMS过程来蚀刻的。CMOS-SOI处理层被同时用于制造器件（例如用作热传感器的晶体管或二极管）和用于随后的后续处理的掩模（mask）。在用MEMS处理来热隔离之后，热传感器可以由二氧化硅平台来制造，用一个或多个支持臂来悬空。传感器被一个或多个纳米尖端间隔物从天线分离，该纳米尖端间隔物决定了它们之间的空隙。

在一个实施例中，来自天线的信号经气隙来耦合，该气隙将平行极板电容器的极板分离。该较大的电容器在互相面对的天线和传感器的表面上构造。若干种熟知的处理技术可被用于实现这些结构。但是，目前可用的解决方案由于微机械处理的几何容差而有缺陷。当耦合阻抗|Zc|=1/ωC比负载（和天线）电阻小很多时，可获得良好的电容耦合。电容由C=ε_空隙*面积/t_空隙给出，其中，ε_空隙是空隙（真空或空气）中的材料的电容率。一般使用1μm量级的空隙，需要非常大的电容极板来实现目标电容值。此外，与用于FIR的传感器相比需要更大的热隔离，这需要更长和更薄的MEMS结构，最终导致容差变得更差。如果不解决空隙控制问题，预期像素之间有很大的差异。

在一个实施例中，用于控制空隙的方法基于静电致动。通过替换一对或多对电极，以及通过增加用于电流受控致动的电路，可以获取很大范围的行程（直到整个空隙），用于对t_孔隙进行微调。

但是，上述制造规则（例如固定空隙）的电容耦合对于新一代的用于THz辐射的高敏感性热辐射仪是一种挑战。原因在于几何上较小的电容器具有较大电容的冲突需求。由于涉及非常弱的信号，在长波长下针对无源成像来设计的热传感器必须非常敏感。这可以通过选择非常大的热电阻来实现。但是，由于像素需要视频速率，需要非常微小的传感器尺寸以将响应时间τ_th=R_thC_th保持地足够低。如果极板之间的距离t_间隙很小，可以针对给定的可容忍面积来获取较大的电容密度。因此，以高精度来控制空隙宽度对于限定耦合电容来说很必要。由于在用于制造传感器的MEMS过程之后的变形带来的容差，这是一种挑战。

在利用静电致动的实施例中，同时实现大电容和小面积理论上是可能的，由此允许实际和快速像素的实现。但是，由于该解决方案需要额外的设计工作来偏置（bias）致动器并校准初始状态，在还需要所允许的高级操作（重置、CDS、AM）时，接受该方案将是有利的。

在另一实施例中，用于使天线与传感器接触的物理阻挡器（stopper）可被创建，而在其间保持热隔离。因此，通过在一个电容极板的顶上制造纳米级别的尖端（被称为纳米尖端或纳米尖端间隔物）且随后移动该极板来与另一（极板）接触（直到尖端所提供的距离），可实现用于精确空隙控制的间隔物。该尖端被制造，从而电容极板经过尖端的导热性被最小化。为了实现该目的，使用下列组合：（1）用于尖端体的低导热材料；（2）纳米范围中的尖端表面接触的较小横截面；以及（3）跨不同材料（尖端和电容器表面）之间的边界的高热电阻。

图1示出的图说明了无源THz辐射检测器的示例性实施例，该检测器包括耦合到传感器平台的垂直天线。检测器，一般被引用为50，包括在热传感器55之上对准的垂直天线阵列53，该热传感器被一个或多个纳米尖端间隔物61分离（例如，在所示的示例性实施例中是三个间隔物）。垂直天线阵列53包括介电基板54和天线56。优选地介电基板对THz辐射透明。热传感器55包括介电基板52、悬空平台65、支持臂58、70、线路60、68、电容极板62、电负载电阻器64和热传感晶体管66。

如图1所示，纳米尖端间隔物的长度等于电容极板之间的间隙。该长度被选择，以找到基板之间的良好电容耦合与通过跨越极板之间的空气/真空空隙的辐射而增加的导热性之间的最佳平衡。

图2示出的图说明了在天线垂直接合到传感器平台之后的检测器部件的侧视图。检测器，一般被引用为220，包括第一介电基板222，天线阵列结构224以及一个或多个纳米尖端间隔物228在其上制造。传感器阵列结构在第二介电基板230上形成。悬空的传感器平台包括支持臂232并包括电容极板、电负载、热传感器（晶体管）和RF扼流器（choke）（未示出）。纳米尖端间隔物228设置了天线和传感器之间的空隙距离226。

检测器部件是通过接合两个部件即天线阵列和传感器阵列而形成的，其中，在这两个部件之间形成空隙226。天线阵列被垂直置于传感器阵列之上，从而纳米尖端间隔物接触传感器平台，用于对准并设置天线阵列上的电容极板与传感器阵列上的电容极板之间的空隙。注意到在一个实施例中，检测器部件在真空下封装，以增加传感器的热隔离。

在一个实施例中，用在介电基板222上沉积的对所需的波长透明的金属材料来构造天线。可以根据特定的频率和带宽要求来选择特定的天线设计，并且不限于采用本发明所描述的解决方案。例如，图9中示出了0.5-1.5THz的对数齿形（log-toothed）天线。

其他可能的天线类型包括螺旋形天线、锯齿形天线和凹槽天线。尽管使用哪种类型的天线不是关键的，优选地来自该天线的能量不直接耦合到检测器而是电容耦合以允许热传感器元件的热隔离。

热传感器是由电流强烈依赖于其温度的器件构造的。当天线检测到的辐射以诱导电流的形式传输到容纳该器件的平台时，传感器被加热并检测到信号。为了在天线和位于平台上的负载之间进行耦合，使用了多个电容器（例如四个）。

图3示出的说明了在天线垂直接合到传感器平台之后的检测器部件的侧视图。检测器，一般被引用为30，包括第一介电基板34，天线阵列结构36和多个纳米尖端间隔物44在其上形成。传感器阵列结构在第二介电基板32（CMOS）基板上形成。传感器阵列包括框架38,、一个或多个支持臂40以及悬空平台42。悬空平台包括电容极板、电负载、热传感器（晶体管）和RF扼流器。

检测器组件是通过垂直接合天线阵列和传感器阵列而形成的，其中，在被纳米尖端间隔物的高度所分隔的两个部件之间形成空隙44。空隙是由用作电容极板的天线的一部分和传感器阵列中的电容极板之间的纳米尖端间隔物形成，以形成耦合电容器。天线阵列被垂直置于传感器阵列之上，从而天线阵列上的电容极板可以与传感器阵列上的电容极板对准，留下合适的空隙距离44。

在一个实施例中，本发明用于由天线阵列和热传感器阵列组成的结构，该天线阵列被沉积在提供机械强度的基板上，且该热传感器包括温度感测元件例如热辐射仪或二极管。本发明包括在将天线阵列和传感器阵列装配在一起之前在这两个元件中的任一元件的表面上制造（增长）少量的尖端（例如3个）。

在纳米尖端形成之后，通过推动天线的支撑基板直到与热传感器表面接触，两部分被组合。在它们之间需要精确的侧向对准，以使两个极板互相面对且面积准确重叠。

在一个实施例中，纳米尖端是由氮化硅构造的。可通过模制、蚀刻或其他熟知的半导体处理将该材料制造为尖端形状。氮化硅具有较低的导热率（～10W/K/m）、电绝缘并且机械稳健（robust）。在一个实施例中，纳米尖端是由硅构造的。可以用各向异性蚀刻、热氧化或其他熟知的半导体处理来将它制造为尖端形状。导热率相对较低（～100W/K/m），可以使用薄绝缘体层以掺杂和抵消来控制导电率。或者，可被用于制造纳米尖端的另一材料是氧化硅，其表现处极低的导热性（～1.4W/K/m）。可以用蚀刻处理将它制造为尖端形状。注意到用于纳米尖端的其他材料可以从金刚石、非晶碳、氧化铝或碳化硅中选择。材料的选择依赖于特定的实现。

对于给定的材料，该材料需要考虑的若干个参数包括其机械强度、对纳米尖端的处理方法的顺应性、可能被集成到器件中、纳米尖端的导热率和导电率、以及近场热辐射的量值。

在一个实施例中，纳米尖端使天线与传感器同时热绝缘和电绝缘。进入的辐射所产生的电磁信号被天线收集，并通过电容耦合经空隙传输到电负载。天线负载位于热传感器附近；当RF信号在其中诱导RF电流时，该负载由于焦耳加热而变热。最后，热扩散到位于附近的热传感器。

如果耦合电容器的阻抗是不可忽略的，则信号（即进入的辐射）提供的能量的一部分不会被传输到负载，且因此将会损失。换能效率的降低最终变成对小THz信号的敏感性的损失。电容器的阻抗Z_c=1/jωC依赖于频率，而要处理的最坏情形是较低的频率边缘（产生较大的Z_c）。图4示出了耦合效率作为电容的函数，具有三个典型的频率作为参数（0.5THz作为轨迹244，1.0THz作为轨迹242，1.5THz作为轨迹240）。注意到需要相对高的电容（例如1fF），以实现足够的耦合效率。耦合效率和电容的权衡是图5的图中示出的所需的大平台区域，用于若干种不同的空隙尺寸（轨迹250中的400nm、轨迹252中的300nm、轨迹254中的200nm、轨迹256中的100nm、轨迹258中的50nm）。

耦合效率可如下来建模。AC电源提供在天线终端生成的小信号V。天线表现出电阻抗Z_ant=R_ant+jX_ant（注意到为了简单起见，我们忽略了虚数部分）。两个串联耦合电容器C_cp将负载阻抗RL连接到电源。负载根据在其上耗费（dissipate）的能量来加热。因此，在存在耦合电容器时，耦合效率可被定义为可用功率与实际传递到负载的功率的比率。

假设完美阻抗匹配，我们有RL=R_ant。于是，效率η可被表示为：

依赖于天线感测到的最低频率，将需要相应大的电容，以实现目标耦合效率。为了在小面积中获得大的平行极板，在两个极板之间应留下很小的空隙。该空隙可以用包含纳米级别尖端的间隔物来控制，在两个部分被组装之前，该间隔物可被沉积在一个电极上。

在一个实施例中，尖端的最优数量是三个，但也可以使用多于或少于三个尖端。少于三个尖端可能会降低制造产量并增加高度的容差的重要性。使用多于三个尖端可能会导致其中某几个不能接触对侧的表面，并且将劣化热隔离。

在替代的实施例中，使用尖端作为电导体（但也作为热绝缘体），纳米尖端间隔物被用于天线和热传感器的直接电耦合，由此完全避免电容耦合。由于导热率和导电率紧密关联（特别是在纳米级别），这将同时导致RF信号所看到的寄生电阻和热阻率的妥协，导致较低的温度敏感性。好处是放松对尖端尺寸的需求，带来更为可控和均匀的特征。通过和初始实施例中一样构造绝缘尖端、然后通过硅化（PtSi）来添加导电层，可以获得导电尖端。

在该情形下，效率η可被写为：

其中，n涉及尖端的数量（假设两个尖端或它们的两个阵列总是被用作沿着信号到负载的电路径的接触）。

根据上面的等式(3)我们可以设置下列条件：

例如，当R_尖端<4.2Ω时，对于n=1和R_ant=50Ω可以实现85%的目标效率。

图6中示出的图说明了垂直天线和传感器平台的横截面图。检测器，一般被引用为190，包括用多个纳米尖端间隔物201分隔的垂直天线阵列192和传感器平台192。天线阵列192包括基板193和天线194。传感器平台191包括BOX层204、有源硅层205、二氧化硅层206、多晶硅部分210（热传感器）和金属部分M1212（电容极板）。

THz检测器利用电磁耦合技术，由此光能（即THz能量）首先被天线吸收，该天线用于将光能转换为电能，该电能然后被电容地耦合到热隔离、释放的（released）热传感器元件（例如二极管、晶体管等）。将天线电容耦合到热传感器元件提供了传感器与天线的热隔离。

在一个示例性实施例中，多个检测器被布置为在2D阵列配置下接收THz辐射能，如图12所示。在该情形下，在一个示例性实施例中是几百微米（例如300平方微米）的量级的2D成像阵列的每个像素中接收到的THz辐射能，在1THz量级的频率下集中在每个像素上并到达THz检测器所在的小得多的悬空MEMS平台（量级为几十微米）（从而完全悬空的热隔离MEMS结构具有最小的热质量和导热率）。如上所述，这是通过使用像素化天线将THz光子能转换为电能以及使用电容耦合来实现的，该电容耦合将该聚焦天线能量跨热隔离气隙耦合并耦合到热传感器所在的悬空平台。该方法实现了聚焦THz所诱导的悬挂平台的加热，从而该THz诱导的热信号变得比检测器温度噪声更强，即使是当检测器在室温下运行。然后，该相对于热噪声的更高的热信号被感测有源器件（例如晶体管）转换为具有更高的电信号对噪声比率的信号。换句话说，通过MEMS过程，在天线与相对较小的悬空平台之间建立了导热不连续性（例如电容耦合空隙）。

使用电容耦合将天线能量聚焦到隔离的子像素浮动平台的技术可以和多种片上像素化天线一起使用，例如图9所示的天线。通过天线来聚焦THz能量有助于过滤掉竞争接收的红外辐射，因为天线不会接收红外辐射。

此外，检测器提供了像素化天线和热传感器之间跨耦合电容的阻抗匹配。优选使用具有反应阻抗的天线，其在感兴趣的带宽上抵消了耦合电容。例如，这可以通过使用长度大于半波长的蝴蝶结型双极天线且还可以通过天线的适当设计来实现。大于半波长的天线还提供了几百欧姆的高阻抗，这有助于跨越耦合电容器的给定阻抗以使天线与热传感器元件匹配。

注意到在一个实施例中，由多晶硅制造的十字形电阻器与靠近该电阻器的标准NMOS晶体管配对。注意到在替代的实施例中，该方法被调整为允许分离接收到的THz辐射的两个不同的偏振。这可用于识别例如从平面表面反射得到的偏振辐射。

图7示出的图说明了在检测器被组装之前像素的悬空平台和支持臂的顶视图。在一个实施例中，检测器，一般被引用为80，包括通过支持臂84来悬空的传感器阵列平台82。传感器阵列包括电容极板、电负载和热传感器。注意到天线结构未被示出，有助于说明支持臂和传感器平台的配置。可以理解，依赖于特定的实现，可以使用不同两个的数量的支持臂。

图8示出的图更详细地说明了在检测器被组装之前的悬空平台的顶视图。在一个实施例中，检测器，一般被引用为100，包括多个电容极板94（例如四个）、支持臂92、线路102、电负载电阻器96、热传感器（晶体管98）和RF扼流器100。

注意到天线结构未被示出，有助于说明支持臂和传感器平台的配置。电负载96连接到所有四个电容极板94。天线所聚焦的能量被电容耦合到电负载，作为响应该电负载被加热。热传感器98感测到热并将它转换为电信号。

图9示出的图说明了在检测器被组装之后的顶视图。检测器，一般被引用为110，包括天线阵列112、支持臂114、传感器平台118和耦合电容器116。

图10示出的图更详细地说明了在检测器被组装之后的悬空平台的顶视图。检测器，一般被引用为120，包括天线元件122、支持臂124、线路126、四个下电容极板128（在传感器悬空平台上）、四个上电容极板130（在垂直天线上）、多个纳米尖端间隔物131、电负载136、RF扼流器134以及热传感器132。

在一个实施例中，由于黑体辐射被随机偏振，一组两个的正交天线可被用于增加吸收效率。每组端子被负载终止，该负载的电阻与天线的辐射电阻匹配。在四个天线的端页与下面的平台的第一金属化层（M1）的重叠区域中形成多个（例如四个）电容器。优选地这些电极之间的空隙相对小，以产生大的电容，这转而是实现高耦合效率所需要的。THz辐射携带的电磁能由此被传输到位于平台上的匹配的多晶硅负载。

图11示出的电路图说明了图1中的THz辐射检测器的等效电路。检测器，一般被引用为140，包括多个天线元件142、耦合电容器145、电负载（加热元件例如电阻器）146、以及热耦合到电阻器146的热传感器149。

图12示出的图说明了使用图9中的THz辐射检测器的小2x2像素成像矩阵的说明性例子。注意到使用这里描述的技术，本领域技术人员可以构造几百像素的更大的矩阵，以建立所需的高解析度图像。成像矩阵，一般被引用为150，包括多个检测器152（在该示例性实施例中是四个）、传感器信号线154和读出电路156。每个检测器包括天线臂157、悬空平台160、纳米尖端间隔物，以设置电容极板和支持臂158之间的空隙。位于平台上的传感器的输出是读出电路156的输入，用于显示或进一步的后续处理。注意到在一个实施例中，像素阵列被虚设（dummy）像素行和列包围。虚设行或列被用于针对二维阵列周边的像素来保持相同的MEMS和VLSI制造条件。

为了帮助理解本发明的THz检测器的操作，提供了示例性的计算来量化地说明，利用该检测器在视频速率下的室温无源THz成像是可能的。

在该例子中，假设0.5到1.5THz的预定带宽，其包括300开尔文温度下的I=2.857×10^-5Watt/cm²的黑体功率。在从0.5到1.5THz集成时，在T=300K下，给出每开式度的相应黑体功率温度敏感性：

dI/dT=1.043×10^-7Watt/cm²/°K(5)

考虑到大气损失、透镜损失、小于1的目标发射率、像素填充因子、天线效率以及阻抗匹配损失等，假设给出总体辐射接收效率：

η_total=η_env×η=0.3(6)

其中

η是检测器的效率；

η_env是环境（例如除了检测器以外的任意（物体））的效率。

注意到在该阶段假设0.3的值是合理的。假设像素尺寸为A_D=200×200um²，这是在1.5THz的较高端频率下的波长，且因此是我们在该频率能够实现的最佳解析度极限。注意到在较低频率下若干个像素被一起使用以获得统一的（unified）大像素的较高敏感性。

假设τ=70毫秒的帧时间，其对应于14Hz的视频帧速率，对于人眼来说足够了。更高的帧速率是可能的，但它们降低了信噪比。进一步假设我们使用F_#=1（即焦距F与透镜直径D的比率）的塑料THz透镜。或者，以更大的透镜直径或镜组合等为代价可以使用更好的光学器件。但是，对于该示例性计算，我们假设简单可行的光学器件。现在假设目标中的噪声等效温差（NETD）为NETD=0.5°K，这足够用于高质量热成像。

假设上面规定的值，对于ΔT=NETD=0.5开尔文的目标上的温度改变，每个像素接收的THz信号为Ps=NEP=1.56皮瓦特。注意到这是所接收到目标的每0.5度改变的功率改变，其中，每个像素接收的总目标功率，即背景功率，大约为8.57×10^-10Watt。我们使用如下的已知等式来计算该功率：

$\mathrm{Ps}=\mathrm{dI}/\mathrm{dT}\&times;\mathrm{\&Delta;T}\&times;A_D\&times;\frac{1}{{{4F}_{\#}}^2}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{total}}---\left(7\right)$

其中，对于背景功率的计算，我们将dI/dT×ΔT替换为功率密度I。

现在进行理想的假设，主要的检测器噪声是由平台的有限热容量引起的基本热波动噪声。在开始时这是合适的，因为热波动噪声总是存在的，即使在我们最小化来自热传感器自身的附加电噪声之后。假设这样，我们可以使用仅由于热波动噪声引起的检测器的噪声等效功率（NEP）的已知关系，并使其与上面计算的信号相等，以实现如下的统一信噪比：

$\mathrm{Ps}=\mathrm{NEP}\&times;\mathrm{\&eta;}=\sqrt{\frac{{\mathrm{kT}}^2{G}_{\mathrm{th}}}{\mathrm{\&tau;}}}---\left(8\right)$

假设可以使用从接收天线到热隔离悬空平台的电容耦合来集中该相同的接收功率，当平台的导热率由下列等式给出时，我们可获得想要的统一的阈值信噪比：

$G_{\mathrm{th}}=\frac{{\mathrm{Ps}}^2\mathrm{\&tau;}}{{\mathrm{kT}}^2}---\left(9\right)$

这产生了所需的1.243×10^-7Watt/°K的支持臂导热率，假设检测器温度为315开式度（40摄氏度）。注意到，当检测器被略微冷却并且使用闭环系统维持在比室温略低的固定温度下时，可获得更好的结果。

使用示例性的0.18umSOI半导体处理的材料特性所产生的导热率对应于50微米x50微米的悬空平台并具有Cth=8.70×10^-9焦耳/开尔文的热容量，在于它们都提供70微秒的希望的时间常数。在相同的计算之后，聚焦小于50微米乘50微米的平台上的所有能量，我们获得比这更好的性能（即较低的NEP），这受到设计和释放小平台的能力以及位于该平台上的热传感器元件（例如感测晶体管）的物理上需要的尺寸的限制。

现在考虑传感器元件（例如感测晶体管）的电噪声处理。在考虑附加电噪声时，检测器NEP的表达式为：

$\mathrm{NEP}\&times;\mathrm{\&eta;}=\sqrt{\frac{{\mathrm{kT}}^2{G}_{\mathrm{th}}}{\mathrm{\&tau;}}+\frac{2q{G_{\mathrm{th}}}^{2}B}{{\mathrm{TCC}}^2{I}_D}+\frac{K_f{G_{\mathrm{th}}}^2\ln (f2/f1)}{{\mathrm{TCC}}^2}}---\left(10\right)$

假设晶体管在亚阈值处，这些电噪声包括添加到NEP表达式的两项，即基本散粒噪声（在中心）和依赖于技术的1/f噪声（在右侧）。为了降低散粒噪声的相对影响，我们需要足够大的阈值检测器电流ID，例如大约几个100nA。为了降低1/f噪声，使用更大的晶体管，其对于相同的偏置电流具有更高的TCC，且具有较低的K_f。根据等式6，如果我们进一步降低支持臂导热率，我们还可实现这些附加电噪声的相对影响的显著降低。我们可以以比50微米×50微米更小的平台为目标来这么做，其（原则上）可以低至10微米×10微米，由此将电噪声降低为625分之一并将热波动噪声降低为25分之一。

此处使用的术语仅是为了描述特定实施例，且不旨在限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文另有清楚的规定。还将理解，当在本说明中使用时，术语“包括”和/或“包含”明确说明存在所陈述的特点、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他的特点、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组。

相应的结构、材料、行为和所有方式或步骤的等价物以及权利要求中的功能性元件（如适用），旨在包括任何结构、材料或行为用于结合在权利要求中特意阐明的元件而执行功能。本发明的说明已出于解释和描述的目的被展示，但不限于将本发明限制在公开的形式。许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是明显的，且不脱离本发明的精神和范围。选择并描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，且使得本领域普通技术人员能理解本发明，因为各种实施例具有适用于所构思的特定用途的各种修改。

Claims (24)

1.一种太赫兹检测器组件，包括：

第一介电基板；

在所述第一介电基板上制造的天线，所述天线包括第一电容极板部分；

在所述天线上制造的多个纳米尖端间隔物；

第二介电基板；

在所述第二介电基板上构造的传感器，其包括第二电容极板部分，所述传感器操作为感测由所述天线接收并经电容耦合传输到所述传感器的太赫兹能量；以及

其中，在其间形成电容耦合的所述第一电容极板部分和所述第二电容极板部分之间的分隔由所述多个纳米尖端间隔物产生，所述多个纳米尖端间隔物操作为在所述天线和所述传感器之间提供热隔离。

2.根据权利要求1所述的检测器组件，其中，所述纳米尖端间隔物的导热性小于1E-7瓦特每开尔文。

3.根据权利要求1所述的检测器组件，还包括连接臂，其操作为将所述传感器连接到第三基板，其中，所述连接臂的导热性由其长度确定并且小于1E-8瓦特每开尔文。

4.根据权利要求1所述的检测器组件，其中，所述多个纳米尖端间隔物包括至少三个纳米尖端间隔物。

5.根据权利要求1所述的检测器组件，其中，所述多个纳米尖端间隔物由从Si、SiO₂和SiN构成的组中选择的材料构造。

6.根据权利要求1所述的检测器组件，其中，由所述多个纳米尖端间隔物在所述第一电容极板部分和所述第二电容部分之间产生的所述分隔小于500nm。

7.一种太赫兹检测器组件，包括：

在第一介电基板上制造的天线；

在第二介电基板上构造的传感器，所述传感器操作为感测由所述天线接收到的太赫兹能量；以及

多个导电纳米尖端间隔物，其操作为电耦合所述天线和所述传感器。

8.根据权利要求7所述的检测器组件，其中，所述纳米尖端间隔物最小化所述天线和所述传感器之间的导热性。

9.根据权利要求7所述的检测器组件，其中，所述纳米尖端间隔物具有小于1E-7瓦特每开尔文的导热性。

10.根据权利要求7所述的检测器组件，其中，所述多个导电纳米尖端间隔物包括至少三个纳米尖端间隔物。

11.根据权利要求7所述的检测器组件，其中，所述多个导电纳米尖端间隔物由从Si、SiO₂和SiN构成的组中选择的材料构造。

12.一种太赫兹检测器组件，包括：

第一介电基板；

在所述第一介电基板上制造的天线阵列，所述天线阵列包括第一电容极板部分；

第二介电基板；

在所述第二介电基板上构造的传感器阵列，所述传感器阵列包括悬空平台，所述悬空平台包括第二电容极板部分和热传感器，所述传感器阵列操作为将所述天线阵列接收的太赫兹能量经电容耦合传输到电负载，并将所述负载产生的热转换为电信号；以及

多个纳米尖端间隔物，其夹在所述天线阵列和所述传感器阵列之间，并且操作为确定所述第一电容极板部分和所述第二电容极板部分之间的空隙并且在所述天线阵列和所述传感器阵列之间提供热隔离。

13.根据权利要求12所述的检测器组件，其中，所述检测器组件是通过将所述天线阵列垂直接合到所述传感器阵列来实现的，从而所述多个纳米尖端间隔物接触所述传感器阵列由此确定所述天线阵列和所述传感器阵列之间的空隙。

14.根据权利要求12所述的检测器组件，其中，在所述电负载中诱导的电流使得所述热传感器加热并检测太赫兹接收信号。

15.根据权利要求12所述的检测器组件，其中，多个电容器通过接合所述天线阵列和所述传感器阵列而形成。

16.根据权利要求12所述的检测器组件，其中，所述纳米尖端间隔物的高度确定所述第一电容极板部分和所述第二电容极板部分实现的电容。

17.根据权利要求12所述的检测器组件，其中，所述悬空平台经一个或多个支持臂被连接和固定到所述第二介电基板。

18.一种太赫兹检测器组件，包括：

第一介电基板；

在所述第一介电基板上制造的天线阵列，所述天线阵列包括第一电容极板；

多个纳米尖端间隔物；

第二介电基板；

在所述第二介电基板上构造的传感器阵列，所述传感器阵列包括悬空平台，所述悬空平台包括第二电容极板、热传感器以及耦合到所述第二电容极板的电负载，所述悬空平台通过连接到所述第二介电基板的一个或多个支持臂而悬空；

其中，耦合电容器通过将所述天线阵列垂直接合到所述传感器阵列而形成，从而所述第一电容极板和所述第二电容极板被空隙分隔，所述空隙的距离由所述多个纳米尖端间隔物确定；以及

其中，所述传感器阵列操作为将所述天线阵列接收的太赫兹能量经所述耦合电容器传输到所述电负载，并将所述电负载产生的热转换为电信号，其中，电容耦合在所述天线阵列和所述传感器阵列之间提供热隔离。

19.根据权利要求18所述的检测器组件，其中，所述纳米尖端间隔物的高度确定了所述第一电容极板和所述第二电容极板实现的电容。

20.根据权利要求18所述的检测器组件，其中，所述纳米尖端间隔物的导热性小于1E-7瓦特每开尔文。

21.根据权利要求18所述的检测器组件，其中，所述支持臂的导热性由其长度确定并且小于1E-8瓦特每开尔文。

22.根据权利要求18所述的检测器组件，其中，所述多个纳米尖端间隔物包括至少三个纳米尖端间隔物。

23.根据权利要求18所述的检测器组件，其中，所述多个纳米尖端间隔物由从Si、SiO₂和SiN构成的组中选择的材料构造。

24.根据权利要求18所述的检测器组件，其中，由所述多个纳米尖端间隔物在所述第一电容极板和所述第二电容极板之间产生的所述分隔小于500nm。