CN109521496A - 基于介质谐振天线的nmosfet太赫兹探测器和方法 - Google Patents

基于介质谐振天线的nmosfet太赫兹探测器和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，包括片上介质谐振太赫兹天线，片上介质谐振太赫兹天线与匹配网络相连，匹配网络与NMOSFET的源极相连，NMOSFET的栅极依次与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，第一偏置电阻与栅极之间相连有第三传输线，NMOSFET的漏极与第一隔直电容相连，第一隔直电容的另一端与低噪声前置放大器相连，第一隔直电容与低噪声前置放大器之间还并联有第二偏置电阻以及第二偏置电压，低噪声前置放大器还设有电压反馈回路，本发明还公开了一种关于片上介质谐振太赫兹天线的设计方法。相对现有技术，本发明技术方案有效降低片上太赫兹天线损耗以及提高片上太赫兹天线增益和辐射效率。

Description

基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器和方法
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别涉及基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器和方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)通常是指频率在0.1～10THz(波长为0.03～3mm)的电磁波，其长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其发展主要依靠电子学科学技术，而其短波段与红外线相重合，其发展主要依靠光子学科学技术，可见太赫兹波是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，因此在电磁波频谱中占据较为特殊的位置，但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分研究和应用，从而被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THz gap)”。
近年来，基于NMOSFET进行太赫兹探测已经被证明是非常切实可行，但由于CMOS工艺限制，太赫兹探测器中传统的片上偶极子和patch等太赫兹天线的损耗较大，导致传统的片上偶极子和patch等太赫兹天线的增益和辐射效率大幅度降低，极大地影响了NMOSFET太赫兹探测器的探测效率和探测灵敏度。
目前太赫兹探测器中片上太赫兹天线是朝着低损耗、高增益和高辐射效率趋势进行发展，因此发展基于CMOS兼容工艺的新型片上太赫兹天线以能够实现低损耗、高增益和高辐射效率是当前的研究热点。与此同时，传统的片上偶极子和patch等太赫兹天线与片上太赫兹介质谐振天线最大的区别就是片上太赫兹介质谐振天线中的介质谐振块具有低损特性，因此可有效改善片上太赫兹天线损耗大的问题。另外目前介质谐振天线已被证实可用于片上太赫兹天线设计，空间中的电磁能量可通过片上结构耦合至具有低损特性的介质谐振块，这样可有效改善片上太赫兹天线损耗大的问题，大大提升片上太赫兹天线的辐射效率和增益。
本发明创新地将片上太赫兹介质谐振天线引入到基于NMOSFET的太赫兹探测器中，相比于传统基于片上偶极子和patch等太赫兹天线的NMOSFET太赫兹探测器，实现了更低的片上太赫兹天线损耗、更高的片上太赫兹天线增益和辐射效率。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器和方法，旨在降低片上太赫兹天线损耗以及提高片上太赫兹天线增益和辐射效率，提高NMOSFET太赫兹探测器的探测效率和探测灵敏度。
为实现上述目的，本发明提出的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，包括片上介质谐振太赫兹天线，所述片上介质谐振太赫兹天线与匹配网络相连，所述匹配网络与NMOSFET的源极相连，所述NMOSFET的栅极依次与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，所述第一偏置电阻与所述栅极之间相连有第三传输线，所述NMOSFET的漏极与第一隔直电容相连，所述第一隔直电容的另一端与低噪声前置放大器相连，所述第一隔直电容与所述低噪声前置放大器之间还并联有第二偏置电阻以及第二偏置电压，所述低噪声前置放大器还设有电压反馈回路。
优选地，所述片上介质谐振太赫兹天线包括片上H形缝隙结构以及通过绝缘胶层相连于所述片上H形缝隙结构表面的矩形介质谐振块。
优选地，所述片上H形缝隙结构形成于集成工艺顶层金属表面且位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属和集成工艺底层金属以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔内。
优选地，所述片上H形缝隙结构包括有两条平行设置的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和所述右垂直缝隙相对的一侧分别与呈倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙相连。
优选地，所述左侧缝隙的水平部分连接在所述左垂直缝隙中部，所述右侧缝隙的水平部分连接在所述右垂直缝隙中部，所述左侧缝隙和所述右侧缝隙中的竖直部分相互平行并构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
优选地，所述匹配网络包括两端分别与所述片上介质谐振太赫兹天线以及所述源极相连的第一传输线，所述第一传输线的中部与第二传输线一端相连，所述第二传输线的另一端接地。
优选地，所述电压反馈回路包括与所述低噪声前置放大器两端相连的第一电阻，所述第一电阻与所述低噪声前置放大器负极相连的左端部还依次相连第二电阻、第二隔直电容以及接地，所述第一电阻右端还依次相连第三隔直电容以及接地。
本发明还提出一种关于所述片上介质谐振太赫兹天线的设计方法，包括以下步骤：
S1：谐振模式为在TEm,δ,n模式下，通过求解超越方程以计算所述矩形介质谐振块的三维尺寸，所述超越方程为：
式中的c为光速，fmn为此模式下矩形介质谐振块的工作频率；
S2：片上激励结构设计过程中选用顶层金属Metal6设计该缝隙结构，同时选用底层金属Metal1作为金属底板，将中间金属层及金属过孔堆叠形成金属屏蔽腔围于所述H形缝隙结构周围；
S3：选用合适的所述绝缘胶层将矩形介质谐振块和所述片上H形缝隙结构结合；
S4：利用高频结构仿真分析软件仿真所述片上介质谐振太赫兹天线。
优选地，所述S1中矩形介质谐振块谐振模式选用高阶谐振模式TE1,δ,3模，通过数学软件Matlab编程求解所述超越方程，得到300GHz频率处矩形介质谐振块的三维尺寸分别为WDR＝250μm,LDR＝250μm,HDR＝400μm；所述S2中，所述H形缝隙结构各尺寸为l1＝70μm,l2＝220μm,ws＝9.5μm,w1＝15μm,w2＝10μm,w3＝10μm；所述绝缘胶层选用相对介电常数为2.4且厚度为10μm的热稳定性绝缘胶；所述高频结构仿真分析软件为HFSS。
优选地，所述S1的所述超越方程中，
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明技术方案需要解决的技术问题是，现有太赫兹探测器中存在的片上太赫兹天线损耗大、增益和辐射效率低等。本发明技术方案通过将具有低损耗特性的高阶模式TE1,δ,3模的矩形介质谐振块与片上缝隙馈电结构相结合，从而有效克服片上太赫兹天线设计时存在的增益和辐射效率低、损耗大等技术问题，相比于传统基于片上偶极子和patch等太赫兹天线的NMOSFET太赫兹探测器，本发明所提出的基于片上介质谐振太赫兹天线的NMOSFET太赫兹探测器实现了更低的片上太赫兹天线损耗、更高的片上太赫兹天线增益和辐射效率，从而有效地提高了NMOSFET太赫兹探测器的探测效率和探测灵敏度。
另外，本发明技术方案输出电压信号为直流电压信号，该直流电压信号的大小与太赫兹信号的辐射强度成正比，因此可根据太赫兹探测器输出电压信号的大小方便地得到入射太赫兹信号的强度信息，最终实现太赫兹精准的探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器的结构示意图；
图2为本发明片上介质谐振太赫兹天线的结构示意图；
图3为本发明矩形介质谐振块的结构示意图；
图4为本发明片上H形缝隙结构的结构示意图；
图5为本发明片上介质谐振太赫兹天线的回波损耗S11随频率的变化关系图；
图6为本发明片上介质谐振太赫兹天线的增益随频率的变化关系图；
图7为本发明片上介质谐振太赫兹天线的辐射方向图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器和关于片上介质谐振太赫兹天线的设计方法。
请参见图1，本发明实施例中，基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器包括片上介质谐振太赫兹天线4，片上介质谐振太赫兹天线4与匹配网络5相连，另外匹配网络5与NMOSFET 3的源极31相连，NMOSFET 3的栅极33依次与第一偏置电阻2和第一偏置电压1相连，栅极33与第一偏置电阻2之间相连有开路的四分之一波长的第三传输线15，NMOSFET3的漏极32与第一隔直电容6相连，第一隔直电容6的另一端与低噪声前置放大器9相连，第一隔直电容6与低噪声前置放大器9之间相连有第二偏置电阻8相连，第二偏置电阻8另一端与第一偏置电压7相连，从而为低噪声前置放大器9提供直流电源，另外低噪声前置放大器9还相连电压反馈回路。
请参见图2至图4，具体地，本实施例的片上介质谐振太赫兹天线4，包括片上H形缝隙结构41以及矩形介质谐振块43，并且矩形介质谐振块43通过绝缘胶层42设置于片上H形缝隙结构41表面。本实施例的片上H形缝隙结构41是形成在集成工艺顶层金属44表面且位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属44和集成工艺底层金属416以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔415内。
请参见图4，更具体地，本实施例的片上H形缝隙结构41包括有两条平行设置的左垂直缝隙411和右垂直缝隙412，左垂直缝隙411和右垂直缝隙412相对的一侧分别与呈倒L型的左侧缝隙413和右侧缝隙414相连，左侧缝隙413的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙411中部，而右侧缝隙414的水平部分连接在所对应的右垂直缝隙412中部，另外左侧缝隙413和右侧缝隙414中的竖直部分相互平行并构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
优选地，本实施例片上H形缝隙结构41选用硅基工艺设计加工，以激励覆盖其上方的矩形介质谐振块43及优化阻抗匹配效果。另外绝缘胶层42具有良好的热稳定性，用以将矩形介质谐振块43固定于片上激励结构表面。
更优选地，本实施例的矩形介质谐振块43选用相对介电常数较大，例如相对介电常数＞5，这样使绝缘材料加工成特定尺寸，以耦合并向空间辐射电磁场，另外本实施例的矩形介质谐振模式为TE1,δ,3模。本实施例片上介质谐振太赫兹天线4设计的中心频率为300GHz，选用相对介电常数为9.65的氧化镁作为矩形介质谐振块材料，选用0.18mGeSiBiCMOS工艺(Towerjazz SBC18H3)参数设计片上结构，该工艺中有六层金属Metal1-Metal6以及五层金属过孔Via1-Via5。
本实施例的匹配网络5由第一传输线51和第二传输线52两条微带传输线构成，匹配网络5主要用于提高天线和晶体管之间的功率传输效率，并为晶体管的源极(S)提供一个直流地。微带第一传输线51的左端与片上介质谐振太赫兹天线4相连接，微带第一传输线51的右端与NMOSFET 3的源极31相连接。
本实施例的NMOSFET 3的栅极33上加载有固定的第一偏置电压1和第一偏置电阻2，并在NMOSFET的栅极33与第一偏置电阻2之间连接有开路的四分之一波长的第三传输线53，开路的四分之一波长的第三传输线53主要用于消除栅极直流偏置对天线和晶体管之间阻抗匹配影响。
本实施例的NMOSFET 3的漏极32与低噪声前置放大器9的正向输入端之间连接有第一隔直电容6、第二偏置电压7和第二偏置电阻8，其中第二偏置电压7和第二偏置电阻8用于给低噪声前置放大器9供电。
本实施例的匹低噪声前置放大器9的电压反馈回路主要由第一电阻10、第二电阻11、第二隔直电容12和第三隔直电容14组成，其中通过改变第一电阻10和第一电阻11的阻值可以实现低噪声前置放大器9增益的调节。
请参见图1至图7，本发明实施例关于片上介质谐振太赫兹天线设计具体包括设计步骤如下：
1、矩形介质谐振块43设计。谐振模式为在TEm,δ,n模式下，如图3所示的矩形介质谐振块43，其尺寸可通过求解超越方程(1)计算求解：
其中公式(2)为公式(1)参数解释说明，c为光速，fmn为此模式下矩形介质谐振块43的工作频率，本实施例中矩形介质谐振块43谐振模选用高阶谐振模式TE1,δ,3模，相比于基模具有更高增益。通过数学软件Matlab编程求解超越方程(1)，得到300GHz频率处矩形介质谐振块43的尺寸分别为：WDR＝250μm,LDR＝250μm,HDR＝400μm。
2、片上激励结构设计。片上H形缝隙结构41如图4所示，设计过程中选用顶层金属Metal6设计该缝隙结构，同时选用底层金属Metal1作为金属底板以抑制电磁波向高损耗的硅基衬底传播，将中间金属层及金属过孔堆叠形成金属屏蔽腔围于H形缝隙结构周围以抑制电磁泄露，减小损耗。
H形缝隙结构各尺寸参数分别为：
l1＝70μm,l2＝220μm,ws＝9.5μm,w1＝15μm,w2＝10μm,w3＝10μm
3、绝缘胶层42的选取。绝缘胶层42选用相对介电常数为2.4且厚度为10μm的热稳定性绝缘胶，用于将矩形介质谐振块43和片上H形缝隙结构41结合。
4、利用高频结构仿真分析软件(HFSS)仿真片上介质谐振太赫兹天线。图5是片上介质谐振太赫兹天线4的回波损耗S11随频率的变化关系，其中片上介质谐振太赫兹天线在-10dB阻抗匹配带宽为15.2％(273～318GHz)。图6是片上介质谐振太赫兹天线4的增益随频率的变化关系，其中片上介质谐振太赫兹天线4的峰值增益为5.77dBi且3dB增益带宽为13.7％(270～310GHz)，该片上介质谐振太赫兹天线的辐射方向图如图7所示，其中介质谐振天线的辐射效率为71％。
本发明技术方案的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器的输出电压信号为直流电压信号，该直流电压信号的大小与太赫兹信号的辐射强度成正比，根据太赫兹探测器输出电压信号的大小可以得到入射太赫兹信号的强度信息，从而实现太赫兹探测。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，其特征在于，包括片上介质谐振太赫兹天线，所述片上介质谐振太赫兹天线与匹配网络相连，所述匹配网络与NMOSFET的源极相连，所述NMOSFET的栅极依次与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，所述第一偏置电阻与所述栅极之间相连有第三传输线，所述NMOSFET的漏极与第一隔直电容相连，所述第一隔直电容的另一端与低噪声前置放大器相连，所述第一隔直电容与所述低噪声前置放大器之间还并联有第二偏置电阻以及第二偏置电压，所述低噪声前置放大器还设有电压反馈回路。
2.如权利要求1所述的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，其特征在于，所述片上介质谐振太赫兹天线包括片上H形缝隙结构以及通过绝缘胶层相连于所述片上H形缝隙结构表面的矩形介质谐振块。
3.如权利要求2所述的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，其特征在于，所述片上H形缝隙结构形成于集成工艺顶层金属表面且位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属和集成工艺底层金属以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔内。
4.如权利要求3所述的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，其特征在于，所述片上H形缝隙结构包括有两条平行设置的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和所述右垂直缝隙相对的一侧分别与呈倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙相连。
5.如权利要求4所述的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，其特征在于，所述左侧缝隙的水平部分连接在所述左垂直缝隙中部，所述右侧缝隙的水平部分连接在所述右垂直缝隙中部，所述左侧缝隙和所述右侧缝隙中的竖直部分相互平行并构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
6.如权利要求1所述的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，其特征在于，所述匹配网络包括两端分别与所述片上介质谐振太赫兹天线以及所述源极相连的第一传输线，所述第一传输线的中部与第二传输线一端相连，所述第二传输线的另一端接地。
7.如权利要求1所述的基于介质谐振天线的NMOSFET太赫兹探测器，其特征在于，所述电压反馈回路包括与所述低噪声前置放大器两端相连的第一电阻，所述第一电阻与所述低噪声前置放大器负极相连的左端部还依次相连第二电阻、第二隔直电容以及接地，所述第一电阻右端还依次相连第三隔直电容以及接地。
8.一种关于如权利要求5所述片上介质谐振太赫兹天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：谐振模式为在TEm,δ,n模式下，通过求解超越方程以计算所述矩形介质谐振块的三维尺寸，所述超越方程为：
式中的c为光速，fmn为此模式下矩形介质谐振块的工作频率；
S2：片上激励结构设计过程中选用顶层金属Metal6设计该缝隙结构，同时选用底层金属Metal1作为金属底板，将中间金属层及金属过孔堆叠形成金属屏蔽腔围于所述H形缝隙结构周围；
S3：选用合适的所述绝缘胶层将矩形介质谐振块和所述片上H形缝隙结构结合；
S4：利用高频结构仿真分析软件仿真所述片上介质谐振太赫兹天线。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S1中矩形介质谐振块谐振模式选用高阶谐振模式TE1,δ,3模，通过数学软件Matlab编程求解所述超越方程，得到300GHz频率处矩形介质谐振块的三维尺寸分别为WDR＝250μm,LDR＝250μm,HDR＝400μm；所述S2中，所述H形缝隙结构各尺寸为l1＝70μm,l2＝220μm,ws＝9.5μm,w1＝15μm,w2＝10μm,w3＝10μm；所述绝缘胶层选用相对介电常数为2.4且厚度为10μm的热稳定性绝缘胶；所述高频结构仿真分析软件为HFSS。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S1的所述超越方程中，
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