CN109443550A - 基于cmos工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计 - Google Patents
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Abstract
一种基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，包括有采用标准55nmCMOS工艺制成的硅衬底，硅衬底上设置有能够同时接收三个频段的电磁波的多频超材料吸收结构和接收多频超材料吸收结构的输出信号的PTAT温度传感电路，PTAT温度传感电路的输出端构成太赫兹微测辐射热计的输出端。本发明首次实现基于CMOS工艺的多频超材料吸收结构，结合新型PTAT温度传感电路构成太赫兹微测辐射热计，利用多频超材料吸收结构接收不同频率的电磁波，并将电磁能量转化为热量，再通过PTAT温度传感电路将热量转化为输出电信号，从而实现910GHz、2.58THz和4.3THz三个频段的太赫兹信号同时探测，进而获得了一种多频太赫兹热探测的有效方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种室温微测辐射热计。特别是涉及一种基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计。
背景技术
太赫兹波为频段在0.1THz到10THz之间的一种电磁波，位于电磁频谱的红外与微波之间，它有很多优越的特性，主要表现为：(1)具有较低的能量，穿透物体不易发生电离，对人体不造成伤害；(2)许多化学物质经过太赫兹波辐射后，与太赫兹波发生共振，可筛选特殊化学物质；(3)太赫兹成像具有很强的穿透能力，能穿透常见的包装材料，“看见”其中的刀具、枪械等危险物品；(4)在太赫兹频段中，可以开发出许多蕴藏的且未被人类充分利用的信息，太赫兹波的独特特性使其在安全检查、军事侦查、宇宙探测等方面都有很大的发展潜力。太赫兹探测器作为太赫兹成像系统中的重要组成部分，也随之成为研究焦点。
根据探测原理的不同，室温太赫兹探测器主要分为电学探测器和热探测器，其中电学探测器包括光电导型探测器、高电子迁移率晶体管探测器、肖特基二极管型探测器、场效应晶体管型探测器；热探测器包括热释电探测器、热电偶探测器、微测辐射热计等，微测辐射热计根据温度传感器不同，可分为电阻式钒氧化物型微测辐射热计、基于pn结二极管的微测辐射热计、基于无定型硅的微测辐射热计和基于PTAT(Proportional To AbsoluteTemperature)温度传感电路的微测辐射热计。光电导型探测器在太赫兹低频时灵敏度较高，但在高频段灵敏度较低，响应速度较慢；高电子迁移率晶体管探测器具有体积小，探测灵敏度高的优点，但其响应率低；场效应晶体管和肖特基二极管探测器这两种探测器都因为受到MOS管截止频率的限制，导致只可探测较低波段的太赫兹波。热探测器通过测量入射波引起的热敏装置的温度变化来检测入射信号的能量，这种探测器没有晶体管截止频率的限制，可探测任意的太赫兹波段。热释电探测器具有高响应度、高灵敏度、宽光谱响应等优点，但无法与CMOS工艺兼容，不适合量产；热电偶探测器同样无法与CMOS工艺兼容；微测辐射热计成本低、探测频谱宽、制作工艺与CMOS工艺兼容、可以减少太赫兹成像系统的成本和体积，为整个系统实现室温探测、高集成度、小型化、规模化生产、价格低廉提供了可能。由于PTAT电路较为成熟、结构完整、灵敏度和稳定性较高、且易与CMOS工艺集成，所以将PTAT温度传感电路应用于太赫兹探测。
由于在较低的太赫兹频率时，其工作波长较长，所以会要求吸收结构具有较高的谐振腔高度来提高太赫兹信号的接收，但在CMOS集成工艺中，受到工艺限制，顶层金属与底层金属的高度小于15um，远小于四分之一波长的谐振高度，所以考虑应用“完美吸收器”-超材料结构,这种具有特殊结构的超材料结构可以实现谐振高度近1/50波长，并可以实现极化独立、宽角度吸收、多频带或宽频带、动态可调谐吸收和空间独立等，其在太赫兹波段的理论吸收率可达到90％以上，超材料吸收器不仅具有较好的太赫兹吸收特性、更好的选择性，还更容易对太赫兹波响应进行有效调节，即可以通过改变超材料的结构、尺寸、介质层厚度和介电常数等参数，有效改善太赫兹波的响应频率、工作频带和吸收率等性能。
目前太赫兹单频探测器普遍存在检测概率较低，分辨率较低和容易受到环境干扰等问题，从而体现出多频探测器的必要性。应用多频探测器能够有效增强探测和识别场景中物体的概率，更好地辨别物体；也可以提高检测效率和校准能力，从而获得更多的成像信息；同时还可以减少驻波和复杂物体几何形状的散射影响等，提高探测精度。
因此，如何实现基于CMOS工艺下多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计成为了一个迫切的需求和挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可同时工作于三个频段的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计。
本发明所采用的技术方案是：一种基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，包括有采用标准55nm CMOS工艺制成的硅衬底，所述的硅衬底上设置有能够同时接收三个频段的电磁波的多频超材料吸收结构和接收多频超材料吸收结构的输出信号的PTAT温度传感电路，所述PTAT温度传感电路的输出端构成太赫兹微测辐射热计的输出端。
所述的多频超材料吸收结构是由分别形成在CMOS工艺的OI金属层上的第一多频超材料吸收结构和形成在CMOS工艺的EA金属层上的第二多频超材料吸收结构构成，所述第一多频超材料吸收结构和第二多频超材料吸收结构的结构相同，均是由6个结构相同的多频超材料吸收单元按3×2阵列排布构成，每个多频超材料吸收单元均包括有：形成在CMOS工艺的OI金属层或EA金属层上的矩形主体，所述的矩形主体上以中心为圆心由圆心向外依次设置有同心的第一正八边形谐振环、第二正八边形谐振环和第三正八边形谐振环，其中，所述第三正八边形谐振环与第二正八边形谐振环相隔的距离大于第一正八边形谐振环与第二正八边形谐振环相隔的距离。
构成位于CMOS工艺的OI金属层上的第一多频超材料吸收结构的多频超材料吸收单元中，所述第一正八边形谐振环、第二正八边形谐振环和第三正八边形谐振环的内半径分别取值为3.39um、8.12um和18.88um，宽度分别取值为2.1um、2um和4um。
构成位于CMOS工艺的EA金属层上的第二多频超材料吸收结构的多频超材料吸收单元中，所述第一正八边形谐振环、第二正八边形谐振环和第三正八边形谐振环的内半径分别取值为3.63um、7.86um和18.15um，宽度分别取值为2.1um、2.5um和4um。
所述多频超材料吸收结构的工作频率为910GHz、2.58THz和4.3THz。
本发明的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，首次实现基于CMOS工艺的多频超材料吸收结构，结合新型PTAT温度传感电路构成太赫兹微测辐射热计，利用多频超材料吸收结构接收不同频率的电磁波，并将电磁能量转化为热量，再通过PTAT温度传感电路将热量转化为输出电信号，从而实现910GHz、2.58THz和4.3THz三个频段的太赫兹信号同时探测，进而获得了一种多频太赫兹热探测的有效方法，为多频太赫兹探测提供了可能。
附图说明
图1是本发明基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计的构成框图；
图2是本发明中OI金属层上的第一多频超材料吸收结构示意图；
图3是本发明中EA金属层上的第二多频超材料吸收结构示意图；
图4是本发明中OI金属层或EA金属层的多频超材料吸收单元的结构示意图；
图5是本发明中910GHz超材料吸收结构示意图；
图6是本发明中2.58THz超材料吸收结构示意图；
图7是本发明中4.3THz超材料吸收结构示意图；
图8是本发明中PTAT温度传感器电路原理图；
图9是本发明中多频超材料吸收结构的吸收率；
图10是本发明中910GHz超材料吸收结构的吸收率；
图11是本发明中2.58THz超材料吸收结构的吸收率；
图12是本发明中4.3THz超材料吸收结构的吸收率。
图中
1：多频超材料吸收结构 2：PTAT温度传感电路
11：矩形主体 12：第一正八边形谐振环
13：第二正八边形谐振环 14：第三正八边形谐振环
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，包括有采用标准55nm CMOS工艺制成的硅衬底，所述的硅衬底上设置有能够同时接收三个频段f1、f2、f3的电磁波的多频超材料吸收结构1和接收多频超材料吸收结构1的输出信号的PTAT温度传感电路2，所述PTAT温度传感电路2的输出端构成太赫兹微测辐射热计的输出端。所述多频超材料吸收结构1的工作频率为910GHz、2.58THz和4.3THz。
如图2、图3、图4所示，所述的多频超材料吸收结构1是由分别形成在CMOS工艺的OI金属层上的第一多频超材料吸收结构和形成在CMOS工艺的EA金属层上的第二多频超材料吸收结构构成，所述第一多频超材料吸收结构和第二多频超材料吸收结构的结构相同，均是由6个结构相同的多频超材料吸收单元A按3×2阵列排布构成，每个多频超材料吸收单元A均包括有：形成在CMOS工艺的OI金属层或EA金属层上的矩形主体11，所述的矩形主体11上以中心为圆心由圆心向外依次设置有同心的第一正八边形谐振环12、第二正八边形谐振环13和第三正八边形谐振环14，其中，所述第三正八边形谐振环14与第二正八边形谐振环13相隔的距离大于第一正八边形谐振环12与第二正八边形谐振环13相隔的距离。
构成位于CMOS工艺的OI金属层上的第一多频超材料吸收结构的多频超材料吸收单元A中，所述第一正八边形谐振环12、第二正八边形谐振环13和第三正八边形谐振环14的内半径R1、R2、R3分别取值为3.39um、8.12um和18.88um，宽度W1、W2、W3分别取值为2.1um、2um和4um。
构成位于CMOS工艺的EA金属层上的第二多频超材料吸收结构的多频超材料吸收单元A中，所述第一正八边形谐振环12、第二正八边形谐振环13和第三正八边形谐振环14的内半径R1′、R2′、R3′分别取值为3.63um、7.86um和18.15um，宽度W1′、W2′、W3′分别取值为2.1um、2.5um和4um。
如图8所示，所述的PTAT温度传感电路2包括：PMOS晶体管M1、M2、M5和NMOS晶体管M3、M4，晶体管尺寸相同且构成电流镜结构，所以流过BJT(双极结型晶体管)Q0和Q1的电流相同；且Q1与Q0的面积比为n(n取7)。
给出一具体实例如下：
本实例给出了一种基于55nm CMOS工艺，工作频率为910GHz、2.58THz和4.3THz的三频太赫兹超材料吸收结构，同时结合PTAT温度传感电路构成室温太赫兹微测辐射热计。
1、基于55nm CMOS工艺三频超材料吸收器的太赫兹微测辐射热计包括吸收结构和温度传感器电路；
2、第一部分为三频段超材料吸收结构的设计，具体方案为应用55nm CMOS工艺的材料属性和尺寸参数，在HFSS软件中对三频段超材料吸收结构进行设计和建模，提出一种由三个双层正八边形谐振环构成的周期性超材料吸收结构。应用工艺中的OI、EA金属层作为吸收层，第四层金属层作为反射板。单元结构四周设置周期性边界条件，即设置两组主从边界条件；单元结构上方设置Floquet端口作为激励端口，下方设置相同的Floquet端口查看吸收结构的透射率。仿真和优化单元结构中的参数使得超材料吸收结构在910GHz、2.58THz和4.3THz附近发生谐振，并具有较好和较宽的太赫兹吸收，同时满足工艺设计规则。如图2、图3、图4所示，优化吸收结构的参数得到：当吸收单元边长D取值为47.55um，OI金属层对应的吸收结构内半径R1、R2、R3取值分别为18.88um、8.12um和3.39um，宽度W1、W2、W3取值分别为4um、2um和2.1um，EA金属层吸收结构内半径R1'、R2'和R3'取值分别为18.15um、7.86um和3.63um，宽度W1'、W2'、W3'值分别为4um、2.5um和2.1um时，超材料吸收结构在目标频率910GHz、2.58THz和4.3THz附近的吸收率均大于90％，如图9所示。将多频结构分解为三个相应的具有相同参数的双层正八边形谐振环结构，如图图5、图6、图7所示，其中外层正八边形谐振环结构对应910GHz频段的太赫兹吸收，对应的参数为D、R1、W1、R1'和W1'；中间层正八边形谐振环结构对应2.58THz频段的太赫兹波吸收，对应的参数为D、R2、W2、R2'和W2'；内层正八边形谐振环吸收结构对应4.3THz吸收，对应的参数为D、R3、W3、R3'和W3'，三个单频吸收结构的吸收率分别如图10、图11、图12所示，分别在910GHz、2.58THz和4THz附近的吸收率大于90％。
3、第二部分为PTAT温度传感器电路的设计，具体方案为在cadence软件中搭建PTAT电路原理图，如图8所示，包括：PMOS晶体管M1、M2、M5和NMOS晶体管M3、M4，晶体管尺寸相同且构成电流镜结构，所以流过BJT(双极结型晶体管)Q0和Q1的电流相同；且Q1与Q0的面积比为n(n取7)。应用0.18um BiCMOS工艺(55nm CMOS工艺)的有源区设计和搭建PTAT电路，通过三个pad分别接入1.8V直流电压源、接地和测量输出电信号。优化电路结构及组成元件参数，提高电路的电压温度转换效率、降低电路的噪声功率谱密度，最终得到的PTAT电路的电压温度转化效率为3.8mV/K。
4、绘制并优化多频超材料吸收结构和PTAT温度传感电路两部分的版图布局，并将两部分结构进行合理、有效的结合，确保版图满足55nm CMOS工艺加工要求，同时优化探测器的整体版图布局，实现紧凑、合理的探测器版图。
Claims (5)
1.一种基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，包括有采用标准55nm CMOS工艺制成的硅衬底，其特征在于，所述的硅衬底上设置有能够同时接收三个频段(f1、f2、f3)的电磁波的多频超材料吸收结构(1)和接收多频超材料吸收结构(1)的输出信号的PTAT温度传感电路(2)，所述PTAT温度传感电路(2)的输出端构成太赫兹微测辐射热计的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，所述的多频超材料吸收结构(1)是由分别形成在CMOS工艺的OI金属层上的第一多频超材料吸收结构和形成在CMOS工艺的EA金属层上的第二多频超材料吸收结构构成，所述第一多频超材料吸收结构和第二多频超材料吸收结构的结构相同，均是由6个结构相同的多频超材料吸收单元(A)按3×2阵列排布构成，每个多频超材料吸收单元(A)均包括有：形成在CMOS工艺的OI金属层或EA金属层上的矩形主体(11)，所述的矩形主体(11)上以中心为圆心由圆心向外依次设置有同心的第一正八边形谐振环(12)、第二正八边形谐振环(13)和第三正八边形谐振环(14)，其中，所述第三正八边形谐振环(14)与第二正八边形谐振环(13)相隔的距离大于第一正八边形谐振环(12)与第二正八边形谐振环(13)相隔的距离。
3.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，构成位于CMOS工艺的OI金属层上的第一多频超材料吸收结构的多频超材料吸收单元(A)中，所述第一正八边形谐振环(12)、第二正八边形谐振环(13)和第三正八边形谐振环(14)的内半径(R1、R2、R3)分别取值为3.39um、8.12um和18.88um，宽度(W1、W2、W3)分别取值为2.1um、2um和4um。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，构成位于CMOS工艺的EA金属层上的第二多频超材料吸收结构的多频超材料吸收单元(A)中，所述第一正八边形谐振环(12)、第二正八边形谐振环(13)和第三正八边形谐振环(14)的内半径(R1′、R2′、R3′)分别取值为3.63um、7.86um和18.15um，宽度(W1′、W2′、W3′)分别取值为2.1um、2.5um和4um。
5.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，所述多频超材料吸收结构(1)的工作频率为910GHz、2.58THz和4.3THz。
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