CN111486976A - 一种基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，包括缺陷感应面，在所述缺陷感应面的不同位置处设置电流探测器，所述电流探测器的信号输入端与所述缺陷感应面电连接，多个所述电流探测器的信号输出端与一多路复用器的信号输入端电连接，所述多路复用器将多个电流探测器的输出信号复用为两路输出给运算放大器。缺陷感应面的缺陷结构和多组电流探测器提高了入射太赫兹波的分析精度和频谱测量范围，采用多路复用器可以节省后续电路面积，使得探测器更易于集成于芯片上，实现了在高频谱分辨率与宽频谱测量范围探测器的小型化。
Description
技术领域
本申请涉及探测器技术领域，具体涉及一种基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器。
背景技术
随着各类电子产品的增多，从射频到微波、毫米波的频段资源正在被不断消耗。太赫兹波由于具有丰富的频谱资源和独特的性质而获得了飞速发展，从无创成像、传感到违禁品探测、环境监测和超高速无线通信等领域均具有巨大的应用潜力与市场价值。
如图1所示，现有技术一提供了一种探测器系统框架，包括激光源、时间延迟单元、太赫兹源、太赫兹探测部分、锁相放大器、斩波器等。本实施例中太赫兹波的产生和检测本质上是一个泵浦/探测的检测过程。其中泵浦光束用来产生太赫兹辐射，而探测光束则被用于测量太赫兹信号，利用光学延迟法可以改变泵浦光和探测光的相位从而测量太赫兹信号。该方案系统产生的信号强度一般很弱，因此需要高灵敏度的探测器，同时需要使用锁相放大器来调制和解调太赫兹信号。但是该方案利用复杂的时域光谱系统实现，依赖于包括飞秒激光、非线性光学元件和机械延迟线等等在内的一系列光学元件，导致整个系统体积庞大、价格昂贵、集成度低。
如图2所示，现有技术二提供了一种系统框架，采用经典相干下变频结构，太赫兹信号由宽带天线捕获，通过与本振信号混频将入射谱的不同部分降频转换，从而进行频谱分析。该方案能够在较窄的频段上实现更高的频谱分辨率。但是该方案所能分析的频谱范围受到本振信号带宽的限制，而本振信号的产生需要振荡器、锁相环等等的组合，在太赫兹频率范围和宽带宽的前提下，该方案难以在芯片上实现，集成度较低。
因此，现有的太赫兹探测技术中，多数技术集成度较低，难以集成到芯片上，并且在频谱分辨率与频谱测量范围上仍然存在不足。因此，如何实现具备高频谱分辨率与宽频谱测量范围的小型化太赫兹信号探测是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，包括缺陷感应面，在所述缺陷感应面的不同位置处设置电流探测器，所述电流探测器的信号输入端与所述缺陷感应面电连接，所述电流探测器的信号输出端与多路复用器的信号输入端电连接，所述多路复用器将电流探测器的输出信号复用为两路输出给运算放大器。
采用上述实现方式，缺陷感应面的缺陷结构和多组电流探测器提高了入射太赫兹波的分析精度和频谱测量范围，采用多路复用器可以节省后续电路面积，使得探测器更易于集成于芯片上，实现了在高频谱分辨率与宽频谱测量范围探测器的小型化。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述缺陷感应面的不同形状和不同尺寸的缺陷结构对应不同频率的入射太赫兹波。
结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，根据测量范围的不同，所述缺陷结构的形状、尺寸或缺陷结构阵列单元的数量不同。
结合第一方面或第一方面第一至二种任一可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述缺陷感应面的缺陷结构包括：U形缺陷结构、C形缺陷结构、矩形缺陷结构或螺旋形缺陷结构。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述缺陷感应面设置有金属层，所述缺陷结构刻蚀在所述金属层上。
结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述电流探测器分为多组，每组所述电流探测器对应一个多路复用器。
结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，不同组所述电流探测器分别设置在所述缺陷感应面不同频率的入射太赫兹波所激励的电流密度分布最大处。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述缺陷结构设置在所述缺陷感应面需要测量频率处对应电流分布密集的位置。
结合第一方面，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述电流探测器包括第一MOS管、第二MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一MOS管的栅极分别与所述缺陷感应面和所述第四电阻的第一端电连接，所述第四电阻的第二端与第三电源电连接；所述第一MOS管的漏极分别与所述第一电阻的第一端和多路复用器电连接，所述第一MOS管的源极接地；所述第二MOS管的漏极分别与所述第二电阻的第一端和多路复用器电连接，所述第二MOS管的栅极与所述第三电阻的第一端接地，所述第二MOS管的源极接地；所述第一电阻和所述第二电阻的第二端均与第一电源的正极电连接，所述第三电阻的第二端与第二电源电连接。
结合第一方面，在第一方面第九种可能的实现方式中，所述缺陷感应面产生感应电流分布后，所述电流探测器对信号进行校正，并产生与感应电流密度成比例的响应，所述响应与基准信号进行比较后输出至多路复用器。
附图说明
图1为现有技术一的框架示意图；
图2为现有技术二的框架示意图；
图3为本申请实施例提供的一种基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的设置U形缺陷结构的缺陷感应面示意图；
图5为本申请实施例提供的设置C形缺陷结构的缺陷感应面示意图；
图6为本申请实施例提供的设置矩形缺陷结构的缺陷感应面示意图；
图7为本申请实施例提供的设置螺旋形缺陷结构的缺陷感应面示意图；
图8为本申请实施例提供的设置U形阵列缺陷结构的缺陷感应面示意图。
图9为本申请实施例提供的电流探测器的结构示意图；
图1-9中符号表示为：
1-缺陷感应面，2-电流探测器，3-多路复用器，4-运算放大器，5-金属层，6-缺陷结构，M1-第一MOS管，M2-第二MOS管，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，V1-第一电源，V2-第二电源，V3-第三电源。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实施例进行阐述。
图3为本申请实施例提供的一种基于缺陷感应面1的小型化太赫兹信号探测器的结构示意图，参见图3，本实施例提供的基于缺陷感应面1的小型化太赫兹信号探测器包括：缺陷感应面1，在所述缺陷感应面1的不同位置处设置电流探测器2，所述电流探测器2的信号输入端与所述缺陷感应面1电连接，多组所述电流探测器2的信号输出端与一多路复用器3的信号输入端电连接，所述多路复用器3将多组电流探测器2的输出信号复用为两路输出给运算放大器4。
本实施例利用缺陷感应面1作为太赫兹信号传感器件，首先入射太赫兹波将在该缺陷感应面1激励出一个依赖于太赫兹场频谱的二维电流分布，接着利用电流探测器2可以探测到缺陷感应面1上相应位置处电流密度大小。
为了实现更宽频带范围内的太赫兹信号探测，且由于不同频率入射太赫兹波所激励的二维电流分布不同，本实施例在缺陷感应面1上不同位置设计多组电流探测器2，每组探测器分别位于一个频率的入射太赫兹波所激励的电流密度分布最大处。在电流探测器2探测到电流信号后，每组探测器分别经过一个多路复用器3，将多路电流探测器2的信号复用为两路输出，并输出到运算放大器4进行放大。
多路复用器3的使用可以节省后续电路面积，降低本实施例成本。由于放大器所输出的信号依赖于入射太赫兹波的频谱，本实施例能够利用此信号分析得到入射太赫兹信号的频谱信息。
本实施例中，所述缺陷感应面1设置有金属层5，所述缺陷结构6刻蚀在所述金属层5上。对于整个金属感应表面而言，感应表面的辐射特性和其表面的电流分布有着紧密的对应关系，感应表面在不同频率处的表面电流分布也是不同的。通过设计缺陷结构6，能够破坏掉特定频率处感应表面原来的电流分布。将缺陷结构6设计在需要测量频率处对应电流分布较为密集的位置，能够使感应表面在相应频率处的表面电流处于驻波状态，不易向外辐射电磁波，从而将相应频点对应的电流集中到缺陷结构6周围，更容易检测到该频率所对应的电流分布情况。
缺陷感应面1中不同形状、尺寸的缺陷结构6对应不同频率的入射太赫兹波，每个频率的入射太赫兹波将在对应的缺陷结构6周围激励出密度较大的表面电流分布，因此本实施例中可根据测量频率与测量范围的不同需求，对缺陷结构6的形状、尺寸以及缺陷结构6阵列的单元数量进行不同设计，以实现宽频太赫兹场的检测。
参见图4-图7，本实施例中所述缺陷感应面1的缺陷结构6包括：U形的缺陷结构6、C形的缺陷结构6、矩形的缺陷结构6或螺旋形的缺陷结构6。图8所示为两个U形结构单元的阵列排布形式，两个U形的缺陷结构6分别对应两个不同频率的太赫兹波，将这两个U形结构按如图所示阵列形式排布，可在节省大量芯片面积的前提下，实现较宽带宽范围内的太赫兹波探测。其中缺陷结构6的形状、阵列的排布方式以及阵列的单元数量包括但不限于上述图中所示。
参见图9，所述电流探测器2包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，所述第一MOS管M1的栅极分别与所述缺陷感应面1和所述第四电阻R4的第一端电连接，所述第四电阻R4的第二端与第三电源V3电连接。所述第一MOS管M1的漏极分别与所述第一电阻R1的第一端和多路复用器3电连接，所述第一MOS管M1的源极接地；所述第二MOS管M2的漏极分别与所述第二电阻R2的第一端和多路复用器3电连接，所述第二MOS管M2的栅极与所述第三电阻R3的第一端接地，所述第二MOS管M2的源极接地；所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的第二端均与第一电源V1的正极电连接，所述第三电阻R3的第二端与第二电源V2电连接。
在缺陷感应面1产生感应电流分布后，由电流探测电路对信号进行校正，并产生与感应电流密度成比例的响应。该响应与基准信号进行比较后输出至多路复用器3，多路复用器3可将多路电流探测电路的输出复用为两路输出，随后输出到运算放大器4进行放大，由于放大器所输出的信号依赖于入射太赫兹波的频谱，最后可根据运算放大器4输出的信号分析得到入射太赫兹波的频谱信息。
基于本实施例中的探测器，能够实现小型化的太赫兹场检测系统。利用本实施例中的探测器能够将太赫兹感应表面与后续电路集成于芯片上，使该方案具备良好的实用性。本实施例中的感应表面能够利用缺陷结构6在某个频点处将感应电流分布集中与缺陷结构6周围，从而易于在合适的位置设计相应的探测电路，并利用更高密度的感应电流，提高对入射太赫兹波的分析精度。本实施例中所应用的阵列形式缺陷感应面1结构，能够通过阵列化实现对宽频带范围内入射太赫兹波的测量，因此极大程度地降低了实际芯片面积和制造成本，并具备良好的实用性。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，包括缺陷感应面，在所述缺陷感应面的不同位置处设置电流探测器，所述电流探测器的信号输入端与所述缺陷感应面电连接，所述电流探测器的信号输出端与多路复用器的信号输入端电连接，所述多路复用器将电流探测器的输出信号复用为两路输出给运算放大器。
2.根据权利要求1所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，所述缺陷感应面的不同形状和不同尺寸的缺陷结构对应不同频率的入射太赫兹波。
3.根据权利要求2所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，根据测量范围的不同，所述缺陷结构的形状、尺寸或缺陷结构阵列单元的数量不同。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，所述缺陷感应面的缺陷结构包括：U形缺陷结构、C形缺陷结构、矩形缺陷结构或螺旋形缺陷结构。
5.根据权利要求4所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，所述缺陷感应面设置有金属层，所述缺陷结构刻蚀在所述金属层上。
6.根据权利要求1所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，所述电流探测器分为多组，每组所述电流探测器对应一个多路复用器。
7.根据权利要求6所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，不同组所述电流探测器分别设置在所述缺陷感应面不同频率的入射太赫兹波所激励的电流密度分布最大处。
8.根据权利要求4所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，所述缺陷结构设置在所述缺陷感应面需要测量频率处对应电流分布密集的位置。
9.根据权利要求1所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，所述电流探测器包括第一MOS管、第二MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一MOS管的栅极分别与所述缺陷感应面和所述第四电阻的第一端电连接，所述第四电阻的第二端与第三电源电连接；所述第一MOS管的漏极分别与所述第一电阻的第一端和多路复用器电连接，所述第一MOS管的源极接地；所述第二MOS管的漏极分别与所述第二电阻的第一端和多路复用器电连接，所述第二MOS管的栅极与所述第三电阻的第一端接地，所述第二MOS管的源极接地；所述第一电阻和所述第二电阻的第二端均与第一电源的正极电连接，所述第三电阻的第二端与第二电源电连接。
10.根据权利要求1所述的基于缺陷感应面的小型化太赫兹信号探测器，其特征在于，所述缺陷感应面产生感应电流分布后，所述电流探测器对信号进行校正，并产生与感应电流密度成比例的响应，所述响应与基准信号进行比较后输出至多路复用器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200804 |
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