CN110390127B - N×m基于dra的nmosfet太赫兹阵列探测器和天线设计方法 - Google Patents

N×m基于dra的nmosfet太赫兹阵列探测器和天线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器，N×M太赫兹探测器阵列与第一隔直电容一端相连，第一隔直电容另一端与第二偏置电阻一端相连，第二偏置电阻另一端与第二偏置电压相连，第二偏置电阻还与低噪声前置放大器的正极相连，第一电阻两端分别与低噪声前置放大器的负极以及输出极相连，第一电阻的一端还与第二电阻一端相连，第二电阻另一端与第二隔直电容一端相连，第二隔直电容另一端接地，第一电阻的另一端与第三隔直电容一端相连，第三隔直电容另一端接地，本发明还提出一种天线设计方法。相对现有技术，本发明技术方案有效地提高太赫兹探测器的成像分辨率。

Description

N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器和天线设计方法
技术领域
本发明涉及太赫兹探测器技术领域，特别涉及N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器和天线设计方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波通常是指频率在0.1～10THz(波长为0.03～3mm)的电磁波，太赫兹波介于微波和红外线之间，也叫T射线。在很长一段时间内，由于缺乏高发射功率的太赫兹辐射源和高性能的太赫兹探测器，导致太赫兹技术的研究进展相对滞后，因而被称作“太赫兹空隙”。
近年来，由于毫米波技术和红外光技术迅速发展，太赫兹技术也引起了越来越广泛地关注和研究，目前太赫兹技术及其应用已成为科学界的研究热点。太赫兹波有着许多独特的特性，如高穿透性、高空间分辨率、高安全性、可承载信息量大等，使其能够在宽带通信、生物医疗、安防检测、射电天文等领域有着巨大的研究价值和广泛的应用前景。
其中太赫兹技术延伸的一个重要应用领域为太赫兹成像技术，而太赫兹波的产生和检测对于太赫兹成像必不可少，因此太赫兹成像技术研究与应用开发是当前研究热点。
近年来，基于NMOSFET进行太赫兹探测和成像已经被证明是非常切实可行，但由于传统的片上patch等太赫兹天线存在增益和辐射效率较低、单像素NMOSFET太赫兹探测器成像分辨率较低等问题，使得目前基于NMOSFET探测的灵敏度和成像分辨率难以满足实际应用需求，如何解决基于NMOSFET探测和成像过程中实际存在的上述技术问题，提高基于NMOSFET探测的探测灵敏度和成像分辨率是当前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种独立工作、互不干扰、检测灵敏以及高分辨率的N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器，本发明还提出一种天线设计方法，旨在有效地提高太赫兹探测器的成像分辨率。
为实现上述目的，本发明提出的一种N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器，包括N×M太赫兹探测器阵列，N×M太赫兹探测器阵列与第一隔直电容一端相连，第一隔直电容另一端与第二偏置电阻一端相连，第二偏置电阻另一端与第二偏置电压相连，第二偏置电阻还与低噪声前置放大器的正极相连，第一电阻两端分别与低噪声前置放大器的负极以及输出极相连，第一电阻的一端还与第二电阻一端相连，第二电阻另一端与第二隔直电容一端相连，第二隔直电容另一端接地，第一电阻的另一端与第三隔直电容一端相连，第三隔直电容另一端接地。
优选地，所述N×M太赫兹探测器阵列包括有N×M个探测器单元，每个探测器单元同时相连的第三偏置电阻相连，第三偏置电阻与第三偏置电压相连。
优选地，所述探测器单元包括基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器和与之相连的NMOSFET，基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器具体包括依次相连的片上太赫兹DRA介质谐振天线、匹配网络MN、第一NMOSFET，第一NMOSFET还同时与第一偏置电阻以及开路的四分之一波长的第三微带传输线相连，第一偏置电阻还与第一偏置电压相连，NMOSFET则与SEL端口以及Vout端口相连。
优选地，所述匹配网络MN由第一微带传输线和第二微带传输线构成，第一微带传输线左端与所述介质谐振天线相连，第一微带传输线另一端与所述第一NMOSFET的晶体管源极M1相连，第一微带传输线还与第二微带传输线一端相连，第二微带传输线另一端接地。
优选地，所述介质谐振天线包括有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层设置在片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，片上H形缝隙结构形成在集成工艺顶层金属上。
优选地，所述片上H形缝隙结构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中，片上H形缝隙结构包括有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙中部，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
优选地，所述片上H形缝隙结构选用硅基工艺设计加工，所述绝缘胶层将所述矩形介质谐振块固定于片上激励结构，矩形介质谐振块选用相对介电常数绝缘材料加工成特定尺寸并以耦合并向空间辐射电磁场。
优选地，所述矩形介质谐振模选为TEδ,1,3模，介质谐振天线设计的中心频率为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的材料，选用0.18mGeSiBiCMOS工艺(Towerjazz SBC18H3)参数设计片上结构。
本发明还提出一种关于所述N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器的介质谐振片上太赫兹天线设计方法，包括以下步骤：
步骤S1：矩形介质谐振块设计，谐振模式为在TEδ,1,3模式下，所述矩形介质谐振块其尺寸可通过求解超越方程(1)计算求解：
Figure BDA0002085475670000031
Figure BDA0002085475670000032
上述公式(2)为公式(1)参数解释说明，其中c为光速，fmn为此模式下矩形介质谐振块的工作频率，通过矩形介质谐振块谐振模选用高阶谐振模式TEδ,1,3模，然后通过数学软件Matlab编程求解超越方程(1)，得到矩形介质谐振块尺寸；
步骤S2：片上激励结构设计，设计过程中选用顶层金属Metal6设计缝隙结构，同时选用底层金属Metal1作为金属地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和减小损耗，最终确定H形缝隙结构各尺寸参数；
步骤S3：薄绝缘胶的选取，绝缘胶选用相对介电常数热稳定性绝缘胶，用于将矩形介质谐振块和片上H形缝隙结构结合；
步骤S4：利用高频结构仿真分析软件仿真片上太赫兹DRA。
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明技术方案通过将具有低损耗特性的高阶模式TEδ,1,3模的矩形介质谐振块与片上缝隙馈电结构相结合，从而有效解决了片上太赫兹天线设计时存在的增益和辐射效率低的技术问题，相比于传统基于片上patch等太赫兹天线的NMOSFET太赫兹探测器，能够实现更高的片上太赫兹天线增益和辐射效率以及提高了太赫兹探测器的探测灵敏度。
另外本发明技术方案以单像素的基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器的基础上，提出N×M的基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器阵列，通过行的选控制开关和列的选控制开关实现实际工作像素单元数量的精确控制且每个像素单元保持独立工作且互不干扰，最终有效提高太赫兹探测器的成像分辨率。与此同时，本发明技术方案的基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器中，NMOSFET的宽长比W/L可以相同也可以不相同，因此单个探测器单元中NMOSFET开关功能。
本发明技术方案片上太赫兹DRA与传统的片上patch等太赫兹天线相比，本发明技术方案的片上太赫兹DRA中的介质谐振块具有低损特性，可有效改善片上太赫兹天线损耗大的问题。通过使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，从而有效改善片上太赫兹天线损耗大问题，提升片上太赫兹天线的辐射效率和增益，最终提高基于NMOSFET探测的探测灵敏度。因此本发明技术方案将片上太赫兹DRA和太赫兹探测器阵列引入到基于NMOSFET的太赫兹探测和成像，相比于传统基于patch等太赫兹天线的NMOSFET太赫兹探测器，实现了更高的片上太赫兹天线增益和辐射效率，提高了太赫兹探测器的探测灵敏度；相比于单像素NMOSFET太赫兹探测器，N×M像素的NMOSFET太赫兹探测器可实现更高的成像分辨率。
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为本发明的N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器的结构示意图；
图2为本发明的N×M太赫兹探测器阵列的结构示意图；
图3为本发明的片上太赫兹DRA的结构示意图；
图4为本发明的矩形介质谐振块的立体结构示意图；
图5为本发明的片上H形缝隙结构的结构示意图；
图6为本发明的片上太赫兹DRA的回波损耗S11随频率的变化关系图；
图7为本发明的片上太赫兹DRA的增益随频率的变化关系图；
图8为本发明的片上太赫兹DRA的辐射方向图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 片上H形缝隙结构 12 右垂直缝隙
2 绝缘胶层 13 左侧缝隙
3 矩形介质谐振块 14 右侧缝隙
4 集成工艺顶层金属 15 金属腔
11 左垂直缝隙 101 集成工艺底层金属
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。
本发明提出一种N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器。
请参见图1，本发明实施例的N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器包括N×M太赫兹探测器阵列、第一隔直电容C1、第二偏置电阻Rb2、第二偏置电压Vb2以及低噪声前置放大器的电压反馈回路。其中N×M太赫兹探测器阵列与第一隔直电容C1一端相连，第一隔直电容C1另一端与第二偏置电阻Rb2一端相连，第二偏置电阻Rb2另一端与第二偏置电压Vb2相连，第二偏置电阻Rb2还与低噪声前置放大器的正极相连，第一电阻Rf两端分别与低噪声前置放大器的负极以及输出极相连，第一电阻Rf的一端还与第二电阻Rg一端相连，第二电阻Rg另一端与第二隔直电容C2一端相连，第二隔直电容C2另一端接地，第一电阻Rf的另一端与第三隔直电容C3一端相连，第三隔直电容C3另一端接地。
请参见图2，本实施例的N×M太赫兹探测器阵列包括N×M个探测器单元(D11、D12、D13……DNM)、与每个探测器单元同时相连的第三偏置电阻Rb3以及与第三偏置电阻Rb3电连接的第三偏置电压Vb3。N×M个探测器单元包括N个行选控制开关(Row1、Row2、Row3……RowN)以及M个列选控制开关(Column1、Column2、Column3……ColumnM)。优选地，本实施例的每个探测器单元都包括基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器和NMOSFET，而基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器具体包括依次相连的片上太赫兹DRA介质谐振天线、匹配网络MN、第一NMOSFET，其中第一NMOSFET还同时与第一偏置电阻Rb1以及开路的四分之一波长的第三微带传输线TL3相连，第一偏置电阻Rb1还与第一偏置电压Vb1相连，其中开路的四分之一波长的第三微带传输线TL3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的影响，而NMOSFET则与SEL端口以及Vout端口相连。更为具体地，本实施例的匹配网络MN由TL1和TL2两条微带传输线构成，第一微带传输线TL1左端与基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器的介质谐振天线相连，第一微带传输线TL1另一端与第一NMOSFET的晶体管源极M1相连，第一微带传输线TL1还与第二微带传输线TL2一端相连，第二微带传输线TL2另一端接地，匹配网络MN主要用于提高天线和晶体管之间的功率传输效率，并为第一NMOSFET的晶体管源极的源极M1提供一个直流地。
如图3、图4和图5所示，本发明提出的片上太赫兹DRA的介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构1和通过绝缘胶层2设置在片上H形缝隙结构1上的矩形介质谐振块3，片上H形缝隙结构1形成在集成工艺顶层金属4上。具体地，片上H形缝隙结构1位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属4和集成工艺底层金属101以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔15中，并且片上H形缝隙结构1包括有两条平行形成的左垂直缝隙11和右垂直缝隙12，左垂直缝隙11和右垂直缝隙12相对应侧分别形成有一个倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14，倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙11和右垂直缝隙12的中部，倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。优选地，本实施例的片上H形缝隙结构1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及优化阻抗匹配效果，而绝缘胶层2则具有良好热稳定性并可将矩形介质谐振块固定于片上激励结构，矩形介质谐振块3选用相对介电常数较大(更优选地，相对介电常数＞5)的绝缘材料加工成特定尺寸并以耦合并向空间辐射电磁场，本发明中矩形介质谐振模选为TEδ,1,3模。
另外本发明实施例的介质谐振天线设计的中心频率为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的材料，选用0.18mGeSi BiCMOS工艺(TowerjazzSBC18H3)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。
本发明还提出一种对于介质谐振片上太赫兹天线设计方法，具体包括以下设计步骤：
步骤1：矩形介质谐振块设计，谐振模式为在TEδ,1,3模式下，如图3所示的矩形介质谐振块其尺寸可通过求解超越方程(1)计算求解：
Figure BDA0002085475670000071
Figure BDA0002085475670000072
上述公式(2)为公式(1)参数解释说明，其中c为光速，fmn为此模式下矩形介质谐振块的工作频率，通过矩形介质谐振块谐振模选用高阶谐振模式TEδ,1,3模，能够相比于基模其具有更高增益。然后通过数学软件Matlab编程求解超越方程(1)，得到300GHz频率处矩形介质谐振块尺寸分别为：WDR＝250μm,LDR＝250μm,HDR＝400μm。
步骤2：片上激励结构设计，片上H形缝隙结构如图5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作为金属地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和减小损耗，最终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。
步骤3：薄绝缘胶的选取，绝缘胶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和片上H形缝隙结构结合。
步骤4：利用高频结构仿真分析软件(HFSS)仿真片上太赫兹DRA，如图6所示片上太赫兹DRA的回波损耗S11随频率的变化关系，其中片上太赫兹DRA-10dB阻抗匹配带宽为15.2％(273—318GHz)，图7是片上太赫兹DRA的增益随频率的变化关系，其中片上太赫兹DRA的峰值增益为5.77dBi且3dB增益带宽为13.7％(270—310GHz)，该片上太赫兹DRA的辐射方向图如图8所示，其中片上太赫兹DRA的辐射效率为71％。
由于本发明技术方案的N×M太赫兹探测器阵列的输出端Vout(阵列)与低噪声前置放大器的正向输入端之间连接有第一隔直电容C1、第二偏置电压Vb2和第二偏置电阻Rb2，其中第二偏置电阻Rb2和第二偏置电压Vb2用于给低噪声前置放大器供电，低噪声前置放大器的电压反馈回路主要由第一电阻Rf、电阻Rg、第二隔直电容C2和第三隔直电容C3组成，其中通过改变第一电阻Rf和第二电阻Rg的阻值可以实现低噪声前置放大器增益的调节。本发明技术方案的N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器阵列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 (8)

1.一种N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹阵列探测器，其特征在于，包括N×M太赫兹探测器阵列，N×M太赫兹探测器阵列与第一隔直电容一端相连，第一隔直电容另一端与第二偏置电阻一端相连，第二偏置电阻另一端与第二偏置电压相连，第二偏置电阻还与低噪声前置放大器的正极相连，第一电阻两端分别与低噪声前置放大器的负极以及输出极相连，第一电阻的一端还与第二电阻一端相连，第二电阻另一端与第二隔直电容一端相连，第二隔直电容另一端接地，第一电阻的另一端与第三隔直电容一端相连，第三隔直电容另一端接地，其中所述N×M太赫兹探测器阵列包括有N×M个探测器单元，每个探测器单元同时与第三偏置电阻相连，第三偏置电阻与第三偏置电压相连，其中所述N×M太赫兹探测器阵列通过行的选控制开关和列的选控制开关实现控制。
2.如权利要求1所述的太赫兹阵列探测器，其特征在于，所述探测器单元包括基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器和与之相连的NMOSFET，基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器具体包括依次相连的片上太赫兹DRA介质谐振天线、匹配网络MN、第一NMOSFET，第一NMOSFET还同时与第一偏置电阻以及开路的四分之一波长的第三微带传输线相连，第一偏置电阻还与第一偏置电压相连，NMOSFET则与SEL端口以及Vout端口相连。
3.如权利要求2所述的太赫兹阵列探测器，其特征在于，所述匹配网络MN由第一微带传输线和第二微带传输线构成，第一微带传输线左端与所述介质谐振天线相连，第一微带传输线另一端与所述第一NMOSFET的晶体管源极M1相连，第一微带传输线还与第二微带传输线一端相连，第二微带传输线另一端接地。
4.如权利要求3所述的太赫兹阵列探测器，其特征在于，所述介质谐振天线包括有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层设置在片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，片上H形缝隙结构形成在集成工艺顶层金属上。
5.如权利要求4所述的太赫兹阵列探测器，其特征在于，所述片上H形缝隙结构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中，片上H形缝隙结构包括有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙中部，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
6.如权利要求5所述的太赫兹阵列探测器，其特征在于，所述片上H形缝隙结构选用硅基工艺设计加工，所述绝缘胶层将所述矩形介质谐振块固定于片上激励结构，矩形介质谐振块选用相对介电常数绝缘材料加工成特定尺寸并以耦合并向空间辐射电磁场。
7.如权利要求6所述的太赫兹阵列探测器，其特征在于，矩形介质谐振模选为TEδ,1,3模，介质谐振天线设计的中心频率为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的材料，选用0.18mGeSiBiCMOS工艺参数设计片上结构。
8.一种关于如权利要求6所述N×M基于DRA的NMOSFET太赫兹探测器的介质谐振片上太赫兹天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：矩形介质谐振块设计，谐振模式为在TEδ,1,3模式下，所述矩形介质谐振块其尺寸可通过求解超越方程(1)计算求解：
Figure FDA0004103146100000021
Figure FDA0004103146100000022
上述公式(2)为公式(1)参数解释说明，其中c为光速，fmn为此模式下矩形介质谐振块的工作频率，通过矩形介质谐振块谐振模选用高阶谐振模式TEδ,1,3模，然后通过数学软件Matlab编程求解超越方程(1)，得到矩形介质谐振块尺寸；
步骤S2：片上激励结构设计，设计过程中选用顶层金属Metal6设计缝隙结构，同时选用底层金属Metal1作为金属地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和减小损耗，最终确定H形缝隙结构各尺寸参数；
步骤S3：薄绝缘胶的选取，绝缘胶选用相对介电常数热稳定性绝缘胶，用于将矩形介质谐振块和片上H形缝隙结构结合；
步骤S4：利用高频结构仿真分析软件仿真片上太赫兹DRA。
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