CN112119289A - 太赫兹近场成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于太赫兹成像系统的传感器，所述传感器包括太赫兹辐射接收器(18)的阵列；以及太赫兹辐射发射器(10)的阵列，其具有所述接收器阵列的间距相同的间距，设置在所述接收器的阵列与位于所述发射器的近场中的分析区域(12)之间，并且被配置为使得每个发射器向所述分析区域和所述接收器阵列的相应接收器两者发射波。

Description

太赫兹近场成像装置
技术领域
本发明涉及近距离成像技术，它特别是使用要与待分析物体接触放置的太赫兹探针。
背景技术
太赫兹(THz)波范围在毫米波与可见辐射之间。一般认为，太赫兹波范围的频率从约300GHz至数个THz。该范围内的波具有射频和光学特性两者，特别是它们可以通过天线来发送和接收，并且通过诸如硅透镜之类的光学系统来聚焦。
THz波具有穿过某些物体的特性，而没有X射线的恶性。在医学成像中，它们用于例如检测癌变组织，因为这种组织在THz范围内具有与健康组织不同的吸收和反射特性。
文章“Use of a handheld terahertz pulsed imaging device todifferentiate benign and malignant breast tissue(使用手持式太赫兹脉冲成像设备来区分良性和恶性乳腺组织)”(Maarten R.Grootendorst等人，第8卷第6期，2017年6月1日，Biomedical Optics express(生物医学光学快报)2932)公开了一种手持式探针，其被设计为在患者的皮肤上移动并且通过波反射对皮肤进行分析，类似于超声波探针。
THz波在探针中经由飞秒激光脉冲实现，这些飞秒激光脉冲在探针外部产生并且被引导通过光纤到达被置于探针内部的光电导发射器/接收器。然后，通过发射器/接收器与存在于探针末端的石英窗之间的振荡镜来引导所产生的0.1至1.8THz的脉冲，以便在15×2mm的区域中以4Hz的频率逐步扫描26个像素。在扫描的每个步骤中，通过对应的像素将反射的THz脉冲返回到接收器。
这种手持式探针使用复杂且昂贵的光学技术。此外，约0.6mm的像素间距提供相对较低的分辨率。该分辨率取决于镜驱动机构的精度和THz波的相对较长的波长。对于所使用的脉冲的最低频率(在此为0.1THz且波长为1.2mm)，0.6mm的像素间距大约对应于空气中的阿贝衍射极限。
因此，这种系统需要笨重并且昂贵的设备来实现仅15×2mm的图像传感器，其中主体的实质部分被用于产生所需激光束的设备所占据。
最近，已使用半导体技术成功实现THz接收器和发射器，其可以通过集成在同一芯片上的电子电路来充分利用。
因此，THz接收器以阵列形式在半导体芯片上进行分组以形成紧凑型图像传感器。例如，论文“A 1 k-Pixel Video Camera for 0.7-1.1 Terahertz Imaging Applicationsin 65-nm CMOS(用于采用65nm CMOS的0.7-1.1太赫兹成像应用的1k像素摄像机)”(Richard Al Hadi、Hani Sherry等人，IEEE固态电路杂志，第47卷第12期，2012年12月)公开了一种图像传感器，其包括完全采用65nm CMOS技术生产的THz接收器。所述接收器能通过使用无源元件和其中晶体管的频率限制更小(共源极连接)的配置来以高于晶体管的工作频率的频率处理信号。特别地，使用功率感测配置—在天线上接收THz波并且对产生的天线信号进行整流，以将电容器充电到信号振荡的峰值。这种接收器(被称为零差接收器)不提供相位信息，而仅提供振幅信息。
还已经可以设计出可集成在半导体技术(尤其是CMOS)中的THz发射器。发射器的一个难题是产生频率高于晶体管的工作频率的THz信号。通过使用所谓的谐波振荡器克服了这一难题。这种振荡器以与该技术兼容的频率工作，并且产生可以在THz范围内使用的谐波。专利US9083324公开了这种振荡器。
有关可集成THz接收器和发射器的更多信息，可以参见2013年Hani Sherry和Richard Al Hadi在伍珀塔尔大学发表的论文。
尽管已证明将THz组件集成在半导体芯片上的可行性，但不可能提供紧凑型反射传感器，该反射传感器可以例如代替在上述《生物医学光学快报》文章中描述的传感器。
专利US 9,464,933公开了一种包括传感器阵列的近场THz成像器。每个传感器包括耦合在振荡器与检测器电路之间的传输线路。振荡器产生一个场，该场因待分析物体的接近而被修改。通过由检测器电路测量的传输线路上的阻抗变化来转换该修改。
发明内容
本发明总体上提供了一种用于近场太赫兹成像系统的传感器，所述传感器包括：太赫兹辐射接收器阵列；以及，太赫兹辐射发射器阵列，其具有与所述接收器阵列的间距(节距)相同的间距，定位在所述接收器阵列与位于所述发射器的所述近场中的分析区域之间，并且被配置为使得每个发射器向所述分析区域和所述接收器阵列的相应接收器两者发射波。
所述传感器还可以包括：对太赫兹辐射透明(可被其穿过)的半导体材料的第一平面基材，其具有有源面，所述接收器半导体技术实现在所述有源面上；以及，由对太赫兹辐射透明的半导体材料制成的第二平面基材，其具有有源面，所述发射器以半导体技术实现在所述有源面上。
所述传感器还可以包括控制电路，其被配置为按顺序激活每个发射器及其相应的接收器。
所述第二基材的有源面可以面对所述分析区域，所述第二基材的背面可以面对所述第一基材。
所述第一基材的有源面可以背对所述第二基材，所述第一基材的背面可以面对所述第二基材。
所述第一基材和所述第二基材可以通过具有比这些基材低的折射率的层彼此分离。
所述阵列的间距可以是所述基材内的辐射的波长的至少一半，每个基材的厚度可以是所述基材内的辐射的波长的至多一半。
所述接收器和所述发射器可以具有六边形构型，并且布置成蜂窝矩阵。
每个接收器和发射器可以包括：形成在所述有源面的金属层级上的环形天线，所述天线的平均周长是所述基材内的太赫兹辐射的波长的至少一半；以及，在接收器或发射器的外围处围绕所述天线的保护环，该保护环由堆叠在多个金属层级上的金属图案(区域，plage)形成。
所述保护环可以包括这样的金属图案，该金属图案构造为形成空腔，所述空腔容纳用于运行所述接收器和所述发射器的导体引线和电子部件。
附图说明
下面将结合附图通过非限制性描述来阐述实施例，在附图中：
图1是紧凑型近场太赫兹图像传感器的实施例的示意性局部横截面图；
图2表示以半导体技术实现的六边形像素的实施例的顶视图；以及
图3是图2的像素的示例性配置的横截面图。
具体实施方式
在下文中，提供了在要施加在待分析物体上的紧凑型成像器设备中组合太赫兹接收器阵列和太赫兹发射器阵列的方法，接收器和发射器中的每一个可以在半导体芯片上实现。发射器和接收器以近场模式使用、即以小于波长的足够短的距离使用，以利用元件之间的磁耦合。
图1示意性地示出了使用该原理的成像器实施例。对太赫兹波透明的基材Tx包括太赫兹发射器阵列10。该基材设计为被施加在分析区域12、例如皮肤上。基材Tx可以与表面12直接接触，或者可以使用支撑元件14被保持在给定距离处。
在该实施例中，发射器像素阵列10位于朝向区域12的基材Tx的正面上。该基材的厚度通常被选择为基材内部的辐射的至多一半波长，这限制了可能干扰相邻像素的内部反射。
在该配置中，发射器像素从基材的两侧发射波。因此，对于基材的每个面，每个发射器都呈现出波瓣，该波瓣表征作为角度的函数的功率发射。使用该配置，正面波瓣小于背面波瓣，这意味着发射器通过背面而更有效(发射器通常被设计为通过背面来使用)。
发射器还具有定义近场边界的波瓣。功率波瓣定义了在0与1之间的因数，而近场波瓣定义近场操作的空间边界。图1示出了近场波瓣NF的示例。这些近场波瓣相对于成像器平面大致对称，并且在空气中的振幅约为一个波长。它们的确切形状—其可以通过复杂的模拟来确定—取决于天线和相邻元件的配置。
事实证明，太赫兹发射器的近场中的元件的性质可以影响波的特征，特别是通过发射器的振荡器来影响。根据情况，振荡器可能发生阻抗、相位、频率或振幅的变化。在从基材的两侧发射的波中一致地反映出这些变化。根据频率，某些变化或给定阈值的过调可能形成在被分析区域中探索的材料或特性—例如皮肤中的癌变组织—的特征签名，这可以通过更高比例的水来区分。
图1的成像器被设计为使用此近场特性。基材Tx与测量区域12之间的距离选择成，使得测量区域12与基材Tx的正面上的近场波瓣NF相交。该距离可以选择成，使得与区域12相交处的波瓣的表面积至多等于发射器像素的表面积。这确保最佳的检测覆盖。
在分析区域中示出了具有特殊特性的物体16，其与第二和第三发射器的近场波瓣接触。物体16影响由这些发射器发射的波，所述波由虚线波瓣表示。
发射器10在背面发射的波由相应的太赫兹接收器18接收，所述接收器以具有与发射器阵列相同的间距的阵列布置。接收器18的阵列可以形成在具有与基材Tx相同的特征的基材Rx的正面上。接收器阵列与发射器阵列之间的距离使得发射器和接收器以近场模式耦合，如果可能的话，使得每个发射器10耦合到单个相应的接收器18。使用该配置，每个接收器18测量并且再现由其相应的发射器10发射的波的特性，包括任何变化。
实际上，如果被分析表面12是固体，则在近场模式下所有发射器将或多或少受到干扰。成像系统通常可以被配置为生成被分析区域的图像，从而以假色来显示波的相位、频率和振幅值，或者针对这些参数中的每一个生成三个单独的灰度图像。所述参数可以组合为具有加权系数的单个变量以强调特征特性。
在图1的示例中，近场波瓣NF具有相当好的特性，因为它们不超过一个像素的宽度。在这种情况下，将距离设置成使测量区域12与正面波瓣的最宽部分相交并且使接收器18定位于背面波瓣的最宽部分中就足够了，这大致对应于图中所示的情况。这提供了最佳的灵敏度。还希望背面波瓣穿过尽可能多的基材厚度，这通过将基材背靠背放置来实现。但是，在基材之间存在具有比基材低的折射率的层(空气、真空或其他)是有利的，因为它允许基材在限制内部反射的厚度约束方面保持独立。
此外，在图1的示例中，接收器之间没有串扰的可能性，因为发射器的背面波瓣从不与数个接收器像素重叠。发射器之间也没有串扰的可能性，因为正面波瓣不会从一个发射器像素溢出到另一个发射器像素。通过该配置，可以将所有发射器和接收器同时用作“全局快门”。
一般而言，特别是如果力求减小像素的间距，则根据发射器与接收器之间的距离，每个背面波瓣可以在数个接收器像素上溢出。对于正面波瓣，可以始终使正面尽可能接近分析区域12，以将波瓣的有用区域限制为像素的表面。
为了避免一般情况下的串扰问题，可以按顺序激活每个发射器及其相应的接收器。因此，即使几个相邻接收器看到激活的发射器波瓣，也仅激活指定的接收器以实现测量。
可以设计一种序列，其中根据每个激活的发射器不干扰与其他激活的发射器相关联的接收器的模式，一次激活数个发射器。
在图1中，每个基材均包括控制电路—用于发射器的控制电路20和用于接收器的控制电路22—以管理阵列，特别是像素激活序列。发射器像素的激活包括开启像素的本地振荡器或将像素连接到共享振荡器信号。接收器像素的激活特别地包括执行测量。
因为发射器和接收器像素是同步控制的，所以可以通过在支承元件14中被引导的链路24而在电路20与22之间传送同步所需的信号。
接收器可以是零差的，具有非常简单的结构，没有振荡器，但是仅能提供振幅测量。如果需要利用相位或频率信息，则可以使用外差接收器。论文“A Fully Integrated320GHz Coherent Imaging Transceiver in 130nm SiGe BiCMOS(采用130nm SiGeBiCMOS的全集成320GHz相干成像收发器)”(Chen Jiang等人，IEEE Journal of Solid-State Circuits(IEEE固态电路杂志)，第51卷第11期，2016年11月)以及上述的HaniSherry的论文描述了采用半导体技术的外差太赫兹接收器的实施。
具有像素和控制电路的基材Rx和Tx可以例如采用CMOS技术被实现为半导体芯片。可以使用已知的芯片到芯片组装技术以期望的间隔来组装两个基材或芯片Rx和Tx。
根据一个实施例，发射器和接收器像素是六边形的并且被布置在蜂窝矩阵中。像素的这种六边形配置特别适合于所考虑的THz发射器和接收器的结构。实际上，这些发射器和接收器可以基于环形天线，如下所述，并且六边形结构比正方形结构更紧凑以包含环形天线。此外，因为矩阵是蜂窝状的，所以对于给定的像素之间的间距，它可以容纳更多数量的像素。这些特征的组合针对给定间距实现比正方矩阵更高的分辨率，并且斜线的渲染效果更好。
图2表示以半导体技术、例如65nm CMOS制造的矩阵中的六边形像素的实施例的局部顶视图。接收器像素矩阵Rx已被表示。发射器像素矩阵类似，因为它受到由天线尺寸定义的相同约束。作为一个示例，该视图中的元件基本上按比例示出以用于被设计为在大约600GHz下工作的成像器。600GHz的频率对应于空气中的0.5mm的波长。像素被集成在硅基材中，在该硅基材中波长以约0.6的倍增因数减小，从而使硅中的波长减小到约0.3mm。此外，仅在一半波长、即0.15mm下工作是可接受的，因为这允许将分辨率提高2倍，并且具有可接受的增益损失。因此，将发射器和接收器的天线的尺寸设计成在该波长下工作。天线50在此是环形的，这意味着它们的平均周长至少等于工作波长、即0.15mm。
这些环例如在该技术的最后金属层中被蚀刻，并且具有10μm的宽度，即外径为64μm并且内径为54μm。
此外，为了防止由于像素之间的电感或电容耦合而引起的电干扰的横向传播，每个像素包括外围保护环52，该外围保护环可以是圆形的，或者在此是六边形的。天线的中心位于主要为无金属的区域，其平均直径大约等于工作波长(0.15mm)。因此，该保护环的内边缘与天线环的外边缘至少相距38μm。保护环的宽度也为30μm，并且构造成满足由该技术推荐的金属/空隙比。因此，像素在六边形的两个相对侧之间具有200μm的宽度，该值对应于沿着三个轴中的每一个在0°、120°和240°的间距。
图3是图2的像素的横截面图。所述像素形成在半导体基材60—在此由硅制成—的有源面上。在最后金属层中蚀刻的天线50与基材的上侧齐平。该上侧通常被覆盖有钝化层(未示出)。如图所示，保护环52可以使用在该技术的所有金属层级—65nm CMOS中的七个层级—中堆叠并经由通孔互连的金属图案来在深度上延伸。所述通孔可以以使屏蔽功能完美的间距围绕每个像素布置。
为了限制内部反射，如前所述，基材60的厚度为0.15mm。
如针对保护环之一的壁所示，金属图案可以构造为形成空腔62。该空腔62可以容纳用于控制像素的导体引线和电子部件。实际上，两个相邻保护环的宽度约为60μm，这在65nm技术中提供了足够的空间来容纳局部利用像素所需的大多数导体和电子部件。该配置将天线周围的空白区域中的金属导体(这将干扰光学特性)减少到严格的最低限度。

Claims (10)

1.一种用于近场太赫兹成像系统的传感器，包括：
太赫兹辐射发射器(10)的阵列，其被配置为使得所述发射器通过近场效应与待分析物体(12)交互，其中，每个发射器均被配置为从所述阵列的两个面发射场；以及
接收器(18)的阵列，其被布置在发射器阵列的与待分析物体(12)相反的一侧上并且包括太赫兹辐射接收器，所述接收器与各个发射器相对，并且位于所述发射器的近场中。
2.根据权利要求1所述的传感器，包括：
对太赫兹辐射透明的半导体材料的第一平面基材(Rx)，其具有有源面，在所述有源面上以半导体技术实现所述接收器(18)；以及
与第一基材不同的第二平面基材(Tx)，其由对太赫兹辐射透明的半导体材料制成并且具有有源面，在所述有源面上以半导体技术实现所述发射器(10)。
3.根据权利要求1所述的传感器，包括控制电路(20，22)，其被配置为按顺序激活每个发射器及其相应的接收器。
4.根据权利要求2所述的传感器，其中，第二基材(Tx)的有源面面对所述待分析物体(12)，并且所述第二基材的背面面对所述第一基材(Rx)。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述第一基材(Rx)的所述有源面背对所述第二基材(Tx)，并且所述第一基材的背面面对所述第二基材。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述第一基材和所述第二基材通过具有比这些基材低的折射率的层彼此分开。
7.根据权利要求2所述的传感器，其中，这些阵列的间距为这些基材内的辐射的波长的至少一半，每个基材的厚度为该基材内的辐射的波长的至多一半。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中，所述接收器和所述发射器具有六边形构型，并且以蜂窝矩阵布置。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中，每个接收器和发射器均包括：
形成在有源面的金属层级上的环形天线(50)，所述天线的平均周长是基材内的太赫兹辐射的波长的至少一半；以及
在接收器或发射器的外围处围绕所述天线的保护环(52)，其由堆叠在数个金属层级中的金属图案形成。
10.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述保护环(52)包括这样的金属图案，该金属图案被构造为形成空腔(62)，所述空腔容纳用于运行所述接收器和发射器的导体引线和电子部件。
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