CN106067950B - 近场太赫兹成像器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及近场太赫兹成像器。本公开涉及一种高频成像器，包括像素矩阵，每个像素包括高频振荡器；在距所述成像器小于所述成像器的操作波长的距离处的传输线，所述传输线的第一端耦合到所述振荡器；以及耦合到所述传输线第二端的读取电路。

Description

近场太赫兹成像器
技术领域
本公开涉及由像素矩阵形成的高频成像器，例如，太赫兹成像器。
背景技术
太赫兹成像器是适配于基于太赫兹波(即，具有例如在0.3到3THz之间的频率的波)来捕获场景的图像的设备。诸如在申请人的美国专利申请公开第2014/070103号中所公开的常规成像器包括用于照射待成像场景的太赫兹波发射器和从该场景接收太赫兹波的由像素矩阵构成的传感器。太赫兹成像器被用于大量应用中，其中希望看穿场景的一些材料。实际上，太赫兹波穿透大量介电材料和非极性液体、被水吸收、并且几乎完全被金属反射。太赫兹成像器尤其被用于机场中的安全扫描仪，用于看穿人的衣物或行李，从而例如检测金属物体。
图1是美国专利申请公开第2014/070103号的图1的复制件。传感器1包括适配于捕获太赫兹波的像素5的矩阵3。行解码器7接收行选择信号9，该行选择信号指示要读取哪一行并向矩阵3的行提供对应的控制信号11。像素矩阵3为矩阵的每列提供输出信号13。输出信号13被耦合到选择并控制每列的输出块15。列的读取由被耦合到输出块15的列解码器17控制，并且在该示例中，列被一个接一个地读取。输出块15提供表示所选的行和列的像素5的值的输出信号19。输出信号19被放大并耦合到模拟到数字转换器21。
为了分析接收到的信号，该信号与由振荡器23提供的参考太赫兹信号组合。振荡器23被布置在矩阵3的外部并向传感器1的大量像素或全部像素提供相同的太赫兹信号。该振荡器23优选地与太赫兹发射器(未示出)耦合以照射要被分析的场景。
图2是美国专利申请公开第2014/070103号的图3的复制件，并且图示了传感器1的一个像素5的示例。在该示例中，像素5包括由两个N-MOS晶体管29形成的检测天线25和检测电路27，晶体管的栅极被偏置处于电势Vgate。天线被耦合到图1所示的振荡器23和检测电路27。检测电路27的输出被耦合到行和列选择电路31。选择电路31通过由传感器1的行解码器7提供的信号RSEL并且通过由传感器1的列解码器17提供的信号CSEL控制。表示像素5的值的模拟输出信号19能够在耦合到传感器1的转换器21(图1)的节点COLOUT处获得。
图3是美国专利申请公开第2014/070103号的图5的复制件，表示了太赫兹成像器的频率振荡电路33的示例。电路33包括由奇数N个反相器构成的环形振荡器，N在该示例中为三个。每个反相器包括NMOS晶体管35，NMOS晶体管35的漏极被耦合到节点37，并且NMOS晶体管35的源极被耦合到接地。每个节点37穿过电感器39被耦合到下一晶体管35的栅极，电感器39具有相同的电感值。每个节点37经过电感器43而被进一步耦合到相加节点41，全部电感器43具有相同的电感值。相加节点41经由电感器47被耦合到DC电压源45，并且经由电感器51被耦合到发射器33的输出节点49。如图所示，输出节点49例如可以通过电阻器53而被接地。
在操作中，由环形振荡器生成的信号具有频率F的基波正弦分量和其中之一具有频率N*F的谐波正弦分量。每个电感器43的值被选择以实现中心频率为N*F的带通滤波器，并且具有等于N*F的频率fL0的输出信号能够在被耦合到太赫兹发射天线的发射器33的输出节点49处获得。
图4是美国专利申请公开第2014/070103号的图8的部分复制件，其示意性地图示了如结合图3所公开的频率振荡电路33的示例实施方式，但是具有5个反相器而不是3个反相器。在该示例中，每个电感器39、43、51被实施为传输线。
结合图1至图4公开的太赫兹成像器是被提供用于看穿大宗物体的一些材料的远场成像器，在距物体的远距离处观察，物体具有大于10cm的尺寸，优选大于1米。利用远场成像器得到的图像的分辨率最佳为大约成像器的操作波长，即，在300GHz频率下为1mm并且在3THz频率下为0.1nm。为了提高远场成像器的空间分辨率，可以增加成像器的操作频率。然而，这引起了各种问题。因此，远场太赫兹成像器并不适配于获得具有十分之几微米数量级分辨率的图像。
近场太赫兹成像器提供要分析的物体的具有十分之几微米数量级分辨率的图像。然而，特别是由于这些成像器使用诸如相干同步加速辐射之类的太赫兹发射源以及诸如椭圆镜之类的光学系统，使得这些成像器实施起来很复杂。Shade等人于2005年发表在Ultrafast Phenomena in Semiconductors and Nanostructure Materials IX,46中的文章“THz near-field imaging of biological tissues employing synchrotronradiation”中公开了这样的近场成像器的示例。
因此，将期望提供尽可能简单的近场太赫兹成像器且该近场太赫兹成像器提供具有十分之几微米数量级的分辨率的图像。
发明内容
因此，实施例提供了包括像素矩阵的高频成像器，每个像素包括：高频振荡器；定位在距该成像器的激活(active)表面小于振荡器的操作波长的距离处的传输线，传输线的第一端耦合到振荡器；以及耦合到传输线的第二端的读取电路。
根据实施例，每个像素的读取电路提供表示传输线的阻抗的信号。
根据实施例，每个像素的振荡器包括第二传输线。
根据实施例，适配于阻止高频波传播的层至少覆盖第二传输线。
根据实施例，像素的读取电路提供表示像素的振荡器的频率的信号。
根据实施例，传输线是微带类型的。
根据实施例，成像器被适配于以选自0.3至3THz范围内的频率操作。
附图说明
本公开的前述和其他特征、方面和优点将通过参考附图并通过说明性而非限定性的方式给出的、下面对实施例的详细描述而变得显而易见。
图1(如上所述)是美国专利申请公开第2014/070103号的图1的复制件，其示意性表示了太赫兹成像器传感器的示例；
图2(如上所述)是美国专利申请公开第2014/070103号的图3的复制件，其示意性图示了图1的传感器的像素的示例；
图3(如上所述)是美国专利申请公开第2014/070103号的图5的复制件，其示意性图示了太赫兹频率振荡器电路的示例；
图4(如上所述)是美国专利申请公开第2014/070103号的图8的复制件，其示例性表示了图3的电路的实施方式的示例；
图5是表示了根据本公开的实施例的太赫兹成像器的像素的一部分的示意性平面图；
图6是图5的平面AA的截面图并且表示了成像器的传输线；以及
图7是图5的平面BB的截面图并且表示了成像器的被屏蔽的传输线。
具体实施方式
在各种附图中，相同的元素由相同的附图标记指代，并且附加地，附图不是按比例绘制。在下面描述中，术语“在…之上”和“比…高”在相应的附图中指代相关元素的定向。除非特别指出，否则，表述“大约”和“以…的数量级”表示在所述值的10％以内，或优选地在5％以内。
图5是太赫兹成像器的实施例的示意性顶视图，在该图中仅示出了该成像器的一部分。成像器包括像素63的矩阵61，在图5中示出矩阵61的列的3个像素。每个像素包括振荡器(例如，如结合图3和图4公开的)、读取电路65和传输线67。传输线67的一端耦合到振荡器33的节点41，且另一端耦合到读取电路65。每个像素的读取电路适配于提供表示线67的阻抗值的信号。每个像素的读取电路耦合到由线解码器和列解码器(未示出)控制的线和列选择电路(未示出)。在该实施例中，每个像素63的振荡器33和(在一些实施例中)检测电路65由屏蔽层71(例如，金属层)屏蔽，阻止了高频波的传播。
在操作中，每个像素的振荡器33由例如通过像素的检测电路65耦合到传输线67的DC电压源偏置。因此，振荡器33向传输线67提供具有频率f和波长λ的太赫兹信号。
图6和图7分别是图5的平面AA中的截面图和图5的平面BB中的截面图。
图6示出图5的成像器的三个像素63的三个传输线67。传输线67形成在掩埋在位于半导体支撑物75上的绝缘层73中的金属化层中。每个传输线包括形成接地平面的导电带79之上的微带77。每个传输线67的微带77由具有小于λ且优选小于0.1λ的厚度的绝缘层覆盖，其中λ是耦合到传输线的振荡器的信号的波长。
要被分析的物体81被布置在抵靠成像器的像素矩阵的顶面或激活面。物体可以包括具有不同介电常数并且呈现非均质的有效介电常数的多种材料。
如由图6的右手边像素的虚线所示，当频率f和波长λ的太赫兹信号被施加到传输线67时，太赫兹场从微带77向接地平面79辐射，并且场的一部分泄露到成像器元件之外。这些太赫兹场穿透要分析的物体81的表面层。术语“分析深度”指代这些太赫兹波穿透的物体的表面层的厚度。分析深度具有若干波长λ的数量级，例如，在3λ范围内，即，在频率f等于3THz的情况下，是0.1mm到0.3mm，且在频率f等于300GHz的情况下，是1mm到3mm。
传输线67的阻抗取决于成像器元件的有效介电常数和位于该传输线之上的物体81的材料的有效介电常数，因此对于布置在图6中右侧的(被定位在非均质83之下的)两个像素和对于布置在图6的左侧的像素将是不同的。因此，从成像器的像素的输出信号集合中获得物体81的顶层的材料的介电常数的图像。成像器的分辨率因此对应于其像素的尺寸。例如，在具有5个反相器的振荡器33以600GHz提供信号的情况下，每个像素可以具有20至50μm的横向尺寸。
上面公开的像素的特性在于，每个像素的传输线67用作用于照射要被分析的物体的一部分的太赫兹波的发射器，并且也被用作用于捕获与该部分的有效介电常数相关联的信号的检测器。
作为示例，半导体支撑物75是块状硅衬底或SOI类型(“绝缘体上硅”)衬底，成像器的电子部件(特别是像素的晶体管)在其中形成。该支撑物由在半导体支撑物中形成的电子部件的互连结构的金属化层覆盖。传输线67的微带77和接地平面79形成在这些金属化层中。
在示例应用中，由图5的成像器分析的物体81是人的皮肤，这种情况下人们希望定位癌细胞。例如，如果癌细胞比健康细胞包含更多的水份，则它们的介电常数与健康细胞的介电常数是不同的，并且可以检测并定位介电常数的这种非均质性。
在另一示例中，要被分析物体是液体，例如血液，这种情况下人们希望知道具有不同于液体的介电常数的悬浮固体元素的浓度和/或运动。
图7是图5的平面BB中的截面图，并且示出了被屏蔽的传输线，例如，传输线39。传输线39和屏蔽层71形成在金属化层中。屏蔽层71的存在意味着传输线的功能并不取决于要被分析物体的表面层的材料。
在一个变形例中，传输线39和43是没有被屏蔽的。因此，每个像素的传输线39、43的阻抗取决于由该像素看到的物体，并且振荡器的频率f因此变化。可以测量频率f和/或成像器的像素的变化的输出电压或电流以重构要被分析的物体的表面层的材料的图像。实际上，可以修改传输线和振荡器的设计以对特定介电常数范围或对宽带敏感。
已经公开了特定实施例。将对本领域技术人员呈现出变形和修改。特别地，可以使用与上述公开的传输线不同的传输线，例如，共面传输线。
包含在每个像素中的振荡器可以由任意其他振荡器代替，例如，在Y.M.Tousi等人发表在Solid-state Circuits Conference Digest of Technical Papers(ISSCC),2012IEEE International,第258-260页中的文章“A 283-to-296GHz VCO with 0.76mWPeak Output Power in 65nm CMOS”中所公开的。
实际上，成像器的像素63不是被同时读取的。例如，像素被逐一顺序读取。因此，例如可以通过不将没有正在被读取的像素的振荡器偏置的方式来将这些像素关闭。
在一些实施例中，成像器矩阵61在多个分析深度处分析表面层。例如，一些像素63组的传输线由比其他像素组的传输线更厚的绝缘层覆盖。附加地或备选地，一些像素组的振荡器在与其他像素组的振荡器的频率不同的频率下操作。
虽然上面已经公开了太赫兹成像器，但应当注意到说明书适用于任意近场高频成像器，其中高频表示10GHz或更高的频率。
已经公开了各种实施例和变化。本领域技术人员应当清楚，各种实施例中的各种元素可以在没有独创性的情况下以任意组合方式进行组合。
可以将上述各种实施例组合来提供另外的实施例。在本说明书中引用的和/或在申请资料表中列出的美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利出版物被以参考的方式整体并入本文。如果需要，可以修改实施例的方面以采用各种专利、申请和公开的概念来提供另外的实施例。
可以鉴于上述详细描述来对实施例做出这些和其他改变。通常，在随附的权利要求书中，使用的术语不应当被解释为将权利要求书限定到本说明书和权利要求书中公开的特定的实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例，连同该权利要求书被赋予到的等同方案的全部范围。因此，权利要求书并不由本公开所限定。

Claims (17)

1.一种高频成像器，包括：
像素矩阵，每个像素包括：
高频振荡器；
传输线，被定位在距所述成像器的激活表面的如下距离处，该距离小于所述振荡器的操作波长，所述传输线的第一端耦合到所述振荡器；以及
读取电路，耦合到所述传输线的第二端。
2.根据权利要求1所述的成像器，其中每个像素的所述读取电路提供表示所述传输线的阻抗的信号。
3.根据权利要求1所述的成像器，其中每个像素的所述振荡器包括第二传输线。
4.根据权利要求3所述的成像器，其中适配于阻止高频波的传播的层至少覆盖所述第二传输线。
5.根据权利要求3所述的成像器，其中像素的所述读取电路提供表示所述像素的所述振荡器的频率的信号。
6.根据权利要求1所述的成像器，其中所述传输线是微带类型的。
7.根据权利要求1所述的成像器，适配于以选自0.3至3THz的范围内的频率操作。
8.一种成像电路，包括：
半导体支撑物；
绝缘层，形成在所述半导体支撑物上，所述绝缘层具有激活表面；
像素矩阵，形成在所述半导体支撑物和所述绝缘层中，所述像素矩阵包括多个像素，每个像素包括，
振荡器电路，具有操作波长；
读取电路；以及
第一传输线，耦合在所述振荡器电路和所述读取电路之间，所述第一传输线形成在所述绝缘层中、距所述激活表面的如下距离处，该距离小于所述振荡器电路的所述操作波长。
9.根据权利要求8所述的成像电路，其中每个像素的所述第一传输线包括共面传输线。
10.根据权利要求8所述的成像电路，其中每个像素的所述第一传输线包括微带传输线，所述微带传输线包括微带部分和导电带部分，所述微带部分形成在所述绝缘层中、在距所述激活表面所述距离处，并且所述导电带部分形成在所述半导体支撑物的表面上。
11.根据权利要求10所述的成像电路，其中每个像素的所述振荡器电路包括多个第二传输线。
12.根据权利要求11所述的成像电路，其中所述多个第二传输线中的每个第二传输线包括形成在所述绝缘层中的微带传输。
13.根据权利要求12所述的成像电路，其中所述多个第二传输线中的每个第二传输线还包括形成在所述绝缘层的所述激活表面上的屏蔽层。
14.根据权利要求13所述的成像电路，其中所述屏蔽层形成所述激活表面上、在所述振荡器电路之上并且在所述读取电路之上但没有覆盖所述第一传输线。
15.根据权利要求14所述的成像电路，其中所述第二传输线中的每个第二传输线形成所述振荡器电路的电感部件。
16.根据权利要求15所述的成像电路，其中每个振荡器电路包括包含N个反相器的环形振荡器电路，N为奇整数，并且其中所述第二传输线与所述N个反相器互连。
17.根据权利要求8所述的成像电路，其中所述半导体支撑物包括块状硅衬底和绝缘体上硅衬底中的一种。
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