CN112557762A - 一种高精度太赫兹近场成像阵列单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，包括一个辅振荡器、三个主振荡器、三个开关电路以及三个时间数字转换(TDC)电路组成，通过三个TDC的数字输出来表征每个像素单元上方介电常数的值。本发明的优势在于，成像阵列结构简单和成像精度高。仅需要一个额外的辅振荡器就能实现三个甚至更多主振荡器的相位同步功能，减小多像素之间由于起振初始相位不同而引起的误差，提高了成像精度。

Description

一种高精度太赫兹近场成像阵列单元
技术领域
本发明涉及近场成像技术领域，尤其涉及一种高精度太赫兹近场成像阵列单元。
背景技术
太赫兹波成像是太赫兹科学技术最重要的应用之一，在生物医学成像、食品药品质检、材料无损检测等领域具有重要意义。不过，传统太赫兹波长成像受长波长对应的衍射极限的影响，分辨率只有几百微米数量级，远大于微纳结构材料尺寸，无法满足高精度观测需求。近场成像是突破衍射极限，获得亚波长分辨率的重要方法。当光照在物体的微细结构上时会产生倏逝波，倏逝波分量反映物体的细节信息，通过恢复物体的倏逝波分量可以实现物体的亚波长成像。倏逝波只能存在于界面附近的几个波长的范围以内，并且不像传统的电场和磁场相位相互关联的电磁波，倏逝波是谐振电场或谐振磁场，不携带或传播能量，无净能流穿过。近场成像正是利用倏逝波来实现对物体表面很近的地方的精细结构的探测。
为达到近场成像的目的，传统的NSOM(近场扫描光学显微法)通常使用亚波长大小的孔径或者针尖来对倏逝波进行获取、利用和探测。这种太赫兹超分辨率成像器仅限于单个扫描像素，电磁波发射和检测路径远离近场感应区域。由此产生的动态范围非常差，对探测器以及高功率的源有很严苛的需求。并且这种方案由于光学透镜、探针台等装置的使用，使得整个系统的体积很大，不利于集成。
针对传统的NSOM的缺点，当今兴起一类电学成像方法。即将待测物放到传输线或者谐振器等传感结构的上方，通过倏逝场实现介电常数的探测，进而实现近场成像。使用哪种电学量来表征待测物质介电常数的不同，需要根据具体的应用环境而定。针对精细结构的观察、粘稠混合体空间分布研究等应用场景，迫切需要一种高精度的太赫兹近场成像阵列单元。
发明内容
基于上述需求，本发明提出一个基于初始相位同步的成像阵列结构。每个成像单元是一个振荡性质受上方待测物介电常数影响的太赫兹振荡器。在减小单像素所占面积的基础上，提高成像系统的成像精度，即提高对于待测物介电常数变化的识别能力。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种高精度太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，包括一个辅振荡器、三个主振荡器、三个开关电路以及三个时间数字转换(TDC)电路组成，通过三个TDC的数字输出来表征每个像素单元上方介电常数的值，
辅振荡器在周期电压控制下先起振再停止振荡，在辅振荡器的振荡信号较微弱时，同时打开三个开关以及三个主振荡器，把微弱的残余振荡信号引入三个主振荡器中，所述三个主振荡器会以相同的相位来起振。
其中，所述主振荡器包含一个受周期电压控制的振荡器，一个传感元件作为谐振器应用到所述振荡器中，所述主振荡器还包括一个SR锁存器以及一个包络检测器；
时钟信号输入到锁存器S端，时钟信号高电平到来时Q端输出高电平给主振荡器的尾电流源，此时主振荡器开始起振，当振幅达到某一阈值电压时，包络探测器给锁存器的R端输入高电平，此时Q端输出低电平使得主振荡器停止振荡；Q端电压控制了主振荡器的起振，Q非端输出信号的高电平时间宽度表征了待测物的介电常数，这一时间宽度的测量通过后续TDC电路精确测量。
其中，所述谐振器为一个螺旋形谐振器，其使用九层金属工艺，在第八层第九层反向堆叠两层螺旋形金属结构。
与现有技术相比，本发明的优势在于，成像阵列结构简单和成像精度高。仅需要一个额外的辅振荡器就能实现三个甚至更多主振荡器的相位同步功能，减小多像素之间由于起振初始相位不同而引起的误差，提高了成像精度；
另外，对于每个主振荡器采用片上集成TDC电路的方式来测量起振时间脉宽，极大减小了对于芯片外部测试仪器的依赖，大大缩减了整个成像系统所占用的空间，并且能够实现对于起振时间的高精度测量。
附图说明
图1所示为本申请成像阵列单元整体框图；
图2所示为本申请螺旋形谐振器三维结构图；
图3所示为本申请中主振荡器结构图；
图4所示为本申请中辅振荡器的控制时序图；
图5所示为本申请中开关的控制时序图；
图6所示为本申请中主振荡器的控制时序图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明不需要外部的信号源照射，同时使用能够随探测物品介电常数变化而改变等效电容电感值的谐振器。待测物介电常数的改变，将引起谐振器S参数的改变。将此谐振器用到振荡器电路结构中，待测物介电常数的改变将引起振荡器多个电学参量的变化，包括振荡频率、起振时间等。本发明使用起振时间不同来表征像素上方待测物介电常数的不同，这一表征方式的优势前面已经阐述过。如若使用振荡频率的不同来表征像素上方待测物介电常数的不同，将面临着由于振荡频率过高，振荡频率难以测量的困难：如果要测量的话需要使用下变频或者分频的方法，但这种测量方式需要占用较大的电路模块来实现功能，单位像素面积的增大必然导致成像分辨率的降低。
本发明整个电路结构如图1所示，由一个辅振荡器、三个主振荡器、三个开关电路以及三个TDC(时间数字转换)电路组成。通过三个TDC的数字输出来表征每个像素单元上方介电常数的值。能够实现该成像阵列结构的核心是一个辅助振荡器的相位同步功能。辅助振荡器在周期电压控制下先起振再停止振荡，在辅助振荡器的振荡信号较微弱时，同时打开三个开关以及三个主振荡器，把微弱的残余振荡信号引入三个主振荡器中。
对于三个主振荡器来说，由于受到相同的外部信号激励，且该外部信号的激励作用远远大于振荡器内部自身噪声对于振荡器起振的激励作用，所以三个振荡器会以相同的相位来起振。这样的设置，能够消除由于三个像素点之间起振相位不同，而导致的起振时间的测量误差。
对待测物的感测元件如图2所示，是一个螺旋形谐振器，使用九层金属工艺，在第八层第九层反向堆叠两层螺旋形金属结构，能够使得在较小的谐振器尺寸下设计出满足振荡频率需求的振荡器。缩小谐振器尺寸预示着单像素的面积缩小，有助于提高探测精度，但是谐振器尺寸的缩小使得谐振频率升高，如果谐振频率过高，甚至超过振荡器中晶体管的fmax/2，就会使晶体管增益变得很小，振荡器的输出功率很低，无法进行后续的检测。所以本发明中螺旋形谐振器的创新点在于采用了反向堆叠的结构，从而能够将尺寸较小的谐振器应用到振荡器中，并维持振荡器的持续振荡，输出可测信号。
当某一介电常数的物质放到谐振器上方时，该待测物的存在使得谐振器的等效电容电感值发生变化，振荡器由于谐振单元的变化，它的各种指标包括稳定时的振幅、起振所需时间以及振荡频率等都会发生一定的变化，如果某一个指标能够随着所探测物质的介电常数的改变而线性变化，并且在后期容易测量，那么就可以用该指标的变化来表征所探测物质介电常数的改变。
每一个主振荡器部分具体的电路如图3所示，包含一个受周期电压控制的振荡器(图2所示的传感元件将作为一个谐振器应用到振荡器中)，一个SR锁存器以及一个包络检测器。clk信号输入到锁存器S端，clk信号高电平到来时Q端输出高电平给主振荡器的尾电流源，此时主振荡器开始起振，当振幅达到某一阈值电压时，包络探测器给锁存器的R端输入高电平，此时Q端输出低电平使得主振荡器停止振荡。Q端电压控制了主振荡器的起振，Q非端输出信号的高电平时间宽度表征了待测物的介电常数，这一时间宽度的测量可以通过后续TDC电路精确测量。谐振器上方不同介电常数的物质会在Q非端产生不同时间宽度的信号，而且经仿真验证该时间宽度随待测物质介电常数而近似线性单调变化。TDC电路的引入替代了使用示波器来测量时间脉宽的方法，能够达到ps级别的时间精度，并且大大缩减了整个系统所占用的空间体积。
辅助振荡器，开关以及主振荡器分别受到如图4-图6所示的周期信号的控制。工作原理如下：辅助振荡器的尾电流源受到周期变化的电压Vc1控制：Vc1取高电平时，辅振荡器开始振荡；Vc1取低电平时，辅振荡器逐步停止振荡。开关的打开和关断受到周期变化的电压Vc2控制：Vc2取低电平时，开关打开；Vc2取高电平时，开关关断。主振荡器的尾电流源受到SR锁存器的Q端控制：Q端取高电平时，主振荡器开始振荡；Q端取低电平时，主振荡器逐步停止振荡。
初始时，Vc1置于高电平，辅助振荡器开始振荡；待辅助振荡器在3ns振荡稳定时将Vc1置于低电平，辅助振荡器逐步停止振荡；在4ns时辅助振荡器的振荡信号较微弱，同时打开三个开关以及三个主振荡器，把微弱的残余振荡信号引入三个主振荡器中。
激活主振荡器需要将clk信号输入到SR锁存器的S端。在4ns时高电平到来，Q端输出高电平给主振荡器的尾电流源，此时主振荡器开始起振。当振幅达到某一阈值电压时，包络探测器给锁存器的R端输入高电平，此时Q端输出低电平使得主振荡器停止振荡。Q端电压控制了主振荡器的起振，Q非端输出信号的高电平时间宽度表征了待测物的介电常数大小，这一时间宽度的测量可以通过后续TDC电路精确测量。经过仿真发现，谐振器上方不同介电常数的物质会在Q非端产生不同时间宽度的信号，而且该时间宽度随待测物质介电常数而近似线性单调变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高精度太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，包括一个辅振荡器、三个主振荡器、三个开关电路以及三个时间数字转换(TDC)电路组成，通过三个TDC的数字输出来表征每个像素单元上方介电常数的值，
辅振荡器在周期电压控制下先起振再停止振荡，在辅振荡器的振荡信号较微弱时，同时打开三个开关以及三个主振荡器，把微弱的残余振荡信号引入三个主振荡器中，所述三个主振荡器会以相同的相位来起振。
2.根据权利要求1所述的额一种高精度太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，所述主振荡器包含一个受周期电压控制的振荡器，一个传感元件作为谐振器应用到所述振荡器中，所述主振荡器还包括一个SR锁存器以及一个包络检测器；
时钟信号输入到锁存器S端，时钟信号高电平到来时Q端输出高电平给主振荡器的尾电流源，此时主振荡器开始起振，当振幅达到某一阈值电压时，包络探测器给锁存器的R端输入高电平，此时Q端输出低电平使得主振荡器停止振荡；Q端电压控制了主振荡器的起振，Q非端输出信号的高电平时间宽度表征了待测物的介电常数，这一时间宽度的测量通过后续TDC电路精确测量。
3.根据权利要求2所述的额一种高精度太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，所述谐振器为一个螺旋形谐振器，其使用九层金属工艺，在第八层第九层反向堆叠两层螺旋形金属结构。
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