CN1726618A - 亚毫米波长摄像机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于毫米和/或亚毫米辐射的成像设备，它包括至少一对基片，其中至少一个基片在至少一个表面上被以限定至少一个辐射检测器的图案而形成图案，每个辐射检测器包括：一个适于接收毫米和/或亚毫米电磁辐射的天线；一个与所述天线耦合的、与一个延伸穿过一个基片连接到一个信号输出端上的通路进行通信的混频器信道，一个包括一些滤波器的混频器安装在这个混频器信道内，用来根据所述天线所接收的所述辐射提取一个中频信号；以及一个与所述混频器耦合的、具有一个与一个本机振荡器连接的信号输入端的波导结构。

Description

亚毫米波长摄像机

技术领域

本发明涉及亚毫米波长成像设备，特别然而并非只涉及使用单个或多个外差式检测器的环境温度摄像机。

背景技术

兆兆赫电磁波频谱包括无线电波和光波的频率范围，因此对兆兆赫辐射的检测用到了光波和无线电波的混合技术。

由于对在兆兆赫频率成像所需的各个部件的尺寸的限制，兆兆赫成像系统的成本通常过高。

然而，由于许多在可见光谱区不透明的物质对于兆兆赫波就成为透明的，兆兆赫频率长时间地被认为对于成像可能是非常有用的频率。特别是，兆兆赫频率的成像器适合于对地球表面的成像，因为诸如雾之类的大多数气象条件对于兆兆赫波是透明的。这还使兆兆赫成像器成为一个例如在恶劣天气中驾驶飞机或陆地车辆时可能有用的成像设备。许多物质对兆兆赫频率透明还被认为保安的有用工具。大多数值得注意的衣物在这些频率成为透明的，这使藏在衣物下的武器可以看得很清楚和确定在卡车和货车的篷内人的位置。此外，由于人体在这些频率上辐射，因此兆兆赫辐射还被认为例如在早期的皮肤癌检测中的潜在有力诊断工具。此外，兆兆赫成像也已应用于化学和食品工业，例如检测一个或多个各在这些频率具有不同的辐射/反射特性的成分。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能检测小功率无源兆兆赫辐射和在环境温度下工作在亚毫米(即兆兆赫)和/或毫米波段的成像设备。

因此，本发明提供了一种用于毫米和/或亚毫米辐射的成像设备，它包括至少一对基片，其中至少一个基片在至少一个表面上被以限定至少一个辐射检测器的图案而形成图案，每个辐射检测器包括：一个适于接收毫米和/或亚毫米电磁辐射的天线；一个与所述天线耦合的、与一个延伸穿过一个基片连接到一个信号输出端上的通路进行通信的混频器信道，一个包括一些滤波器的混频器安装在这个混频器信道内，用来根据所述天线所接收的所述辐射提取一个中频信号；以及一个与所述混频器耦合的、具有一个与一个本机振荡器连接的信号输入端的波导结构。

在一个优选实施例中，这对基片具有将多个天线与各自的混频信道和本机振荡器波导结构组合在一起的图案。此外，这对基片中的一个基片可以在相背的两个表面上形成图案，而这种成像设备可以还包括一个第三基片，在它的一个表面上形成图案，使得这三个基片一起通过它们的图案给定两行天线以及各自的混频信道和本机振荡器波导结构。

在另一个优选实施例中，在这些基片上形成使混频信道与本机振荡器波导结构以锐角相交的图案。

在一个优选实施例中，成像设备具有多个成像像素，用来增大成像的分辨率和能产生多色图像。

本发明还提供了一种在一个基片上制造一个三维结构的方法，这种方法包括将多个形成有不同图案的掩模加到基片的一个表面上，相互直接重叠，此后，通过一个掩模蚀刻后除去这个掩模，再对每个剩下的掩模重复这个过程。为了实现这种方法，本发明提出了一种制造用于成像设备的基片的过程，这个过程包括下列步骤：

在一个基片的一个表面上提供一个第一图案掩模、一个第二图案掩模和一个第三图案掩模，所述第一掩模具有一个与每个辐射检测器的一个具有最深蚀深的第一区域相应的第一图案，所述第二掩模具有一个与所述第一区域和每个辐射检测器的一个具有中间蚀深的第二区域相应的第二图案，而所述第三掩模具有一个与所述第一和第二区域和每个辐射检测器的一个具有最浅蚀深的第三区域相应的图案；

执行一个第一蚀刻，通过第一掩模的第一图案刻到基本上等于最深蚀深与中间蚀深之差的第一深度；

除去所述第一掩模；

执行一个第二蚀刻，通过第二掩模的第二图案刻到基本上等于中间蚀深与最浅蚀深之差的第二深度；

除去所述第二掩模；以及

执行一个第三蚀刻，通过第三掩模的第三图案刻到基本上等于最浅蚀深的一个蚀深。

附图说明

下面将结合附图举例说明本发明的一个实施例，在这些附图中：

图1为一个按照本发明设计的一个两色兆兆赫摄像机的原理图；

图2为图1的兆兆赫摄像机的检测器的放大视图；

图3为用于图1的兆兆赫摄像机的波导结构的照相平面视图；

图4为图2的波导结构的照相透视图，例示了波导结构的双侧蚀刻情况；

图5为图2的波导结构的线路图；以及

图6a、6b、6c和6d例示了制造图2和3的波导结构的制造步骤。

具体实施方式

图1的兆兆赫摄像机1包括一个X-Y平台2，在上面安装有扫描光学系统3、兆兆赫检测器4和处理器5。扫描光学系统3的配置是传统的，包括多个镜子6、7，例如为平面、抛物面或双曲面的。每个镜子6、7可移动地安装在彼此正交轨道8、9上，配置成将来自在固定的样品支架(未示出)上的一个样品的入射辐射引向兆兆赫检测器4。这两个镜子6、7在它们的轨道上相对运动，从而使样品受到正交方向的扫描。这扫描也可以用别的方式实现，例如通过转动或翻动镜子。

当然，可以理解，镜子6、7应该对特定的辐射呈现为高反射性的，以便使损耗最小，特别是在对一个样品的无源辐射进行成像的情况，因为这样的辐射的功率可能约为10^-12W。

在图1所示的兆兆赫摄像机的实施例中，两个镜子6、7的运动分别受直线电机10、11控制，这直线电机可以是步进马达，以保证镜子在X-Y平面上精确定位。马达10、11各包括一个连接到处理器5上的数据端口12，用来馈送镜子瞬时位置的数据和接收来自计算机的控制信号。如前面所述，也可以用翻动镜子来进行扫描。

兆兆赫检测器4通过中频IF电子电路28与基带电子电路29连接，基带电子电路29有一个与控制器5通信的输出数据端口13。控制器5，优选的是一个传统的桌面或便携式计算机，接收和同步来自检测器4的图像数据和来自马达10、11的驱动器的位置数据，根据数据生成受扫描的样品的图像。为此，可以用一个常用的数据采集软件。这个图像可以在一个屏幕上显示和/或输出给一个打印机，也可以存储为一个常规文件。在图2中，详细地示出了兆兆赫检测器4。它的各个部件制造或安装在一个半导体例如硅结构上，一个例子如图3和4所示。或者，也可以用一个金属结构。检测器4的这些部件包括一个喇叭天线14、波导15、混频器16和本机振荡器馈源17。天线有选择地接收预定频率的电磁辐射(“输入信号”)，波导15连接到混频器16上，混频器16还连接到一个本机振荡器馈电件17，它包括一个波导结构和具有一个用来连接到本机振荡器上的信号输入端。混频器16对本机振荡器输入和信号输入进行外差混频，产生一个中频(“IF”)输出。也就是说，在这个实施例中，IF信号是在检测器内产生的，而不是如图1那样在检测器外产生的。混频器16在一个微带上有一个用来将本机振荡器输入与波导15隔离的第一带通滤波器18和一个起着只允许预先选择的IF输出通过的后挡作用的第二带通滤波器19。

由图可见，混频器16配置成基本上与波导15正交。然而，混频器16的轴与本机振荡器馈电件17的轴不是正交的，而是成锐角。这种本机振荡器馈电件17与混频器16成锐角的配置在较宽的带宽上缩小了后部短路长度(back short length)，与较常用的90°配置相比，改善了混频器的混频带宽。此外，这种本机振荡器输入17与混频器16的配置特别为在这些频率上的成像系统提供了一个附加效益。它缩小了每个检测器占用的空间，因此可以将这些检测器靠得更近些，从而可以用更多的检测器来改善摄像机的分辨率。

所例示的检测器4包括例如十六个独立的喇叭天线，提供一个2色8像素阵列。在兆兆赫频率产生图像所需的检测器4的孔径的尺寸在所示这个例子是使得各个喇叭天线之间的间距限制在大致2.5mm。这个间距对于混频器与本机振荡器馈电件成90°的较为常用的配置是不足的，检测器孔径限制了天线的数目。然而，通过将本机振荡器输入馈电件17的轴排列成基本上与天线喇叭14的轴对准和使混频器的轴与本机振荡器馈电件17的轴以45°相交，可以在同样的面积内配置更多的检测器，从而改善了检测器的分辨率。

当然，可以理解，虽然所例示的混频器16和本机振荡器馈电件17的配置是优选的，特别是对于为了提高分辨率检测器包括一个天线阵的情况，但是在这里对兆兆赫成像系统的说明也包括更为常用的混频器和本机振荡器馈电件的配置。

如早先提到的那样，检测器用一个半导体例如硅结构制造，它包括顶层23、中间层20和下层24三个独立的蚀刻层，如图1所示。图3和4示出了上表面21和下表面22都受蚀刻的中间层20。上层23和下层24各只在一侧受到蚀刻，蚀刻的图案在每个情况下分别是中间层20的上表面21和下表面22的蚀刻图案的镜像。因此，虽然对于硅的每个层来说，蚀刻图案是开放的，但在这三层合在一起时，它们表面的蚀刻图案匹配成沿这些表面的交界面延伸的波导结构。在每个层的表面还提供了一些配合的定位孔和销25，以保证各层的相互精确定位。

来看图3和4所示的中间层20，如图所示，在中间层20的上表面21上有8个独立的喇叭天线。在图4中，还可以看到在中间层20的下表面22上第二行8个喇叭天线的轮廓。每个喇叭天线14逐个接到各自的波导15和混频器16。各个本机振荡器馈电件17与各自的混频器16连接，但是它们本身在从混频器到单个公共的本机振荡器输入端26的上游相互连接。因此，有两个独立的本机振荡器输入端26，中间层20的每个表面一个(用于每组的8个天线)，优选的是这两个输入端26形成在中间层20的边缘的不同位置处，以便于与本机振荡器源(未示出)连接。

给定波导结构的蚀刻图案的尺寸对于检测器4的工作是很重要的，这些尺寸可用常用的建模技术确定。图中所示的检测器是一个2色检测器，具有一组用来检测第一兆兆赫频率的8个天线和平行的第二组用来检测与第一兆兆赫频率不同的第二兆兆赫频率的8个天线。从而，这又要求两组天线的蚀刻图案的尺寸根据输入信号和本机振荡器信号的频率稍有不同。此外，为了使结构强度最大化，从图4可见，每行喇叭天线相互偏离。下表就图5所示列出了一些有代表性的尺寸作为例示。

单元结构	天线行1(mm)	天线行2(mm)
			a-层厚度	2.4	2.4
b-层宽度	25	25
			c-层长度	29	29
d-喇叭锥角	23.5°	27.7°
			e-喇叭孔径宽度	0.78	1.04
f-信号输入调谐电路宽度	0.1	3
			g-本机振荡器馈电件的第一分支离边缘的距离	12.74	11.62
h-本机振荡器馈电件的第二分支离边缘的距离	7.86	6.62
			i-本机振荡器馈电件的第三分支离边缘的距离	5.36	4.42
j-本机振荡器馈电件在与混频器相邻处的宽度	0.39	0.43

表1

在混频器16的下游，每个天线的IF输出沿一段通过各自的通路27延伸的线传送到硅分层结构的外表面上。因此，8个IF输出通路贯穿顶硅层23的本体，而相应的8个IF输出通路贯穿底硅层24的本体。这些IF输出从那里通过常用的2级放大器28接到一个集成检测器29上，再接到处理器5数据输入端口上。

对于检测250GHz的无源辐射的情况，例如可以用例如一个245GHz的本机振荡器信号，以得到5GHz的IF信号。可以理解，以上引用的频率只是例示而已，可以用常用的外差理论来识别其他适合的本机振荡频率和IF频率。

采用以上所说明的检测器，可以在室温下检测兆兆赫频率无源辐射，通过利用外差式接收可以获得一个对特定频谱敏感的检测器。虽然说明的是一个2色8像素阵列，但可以以上面所说明的方式实现只包括2层有图案的硅的单天线兆兆赫摄像机。此外，可以附加另一些有图案的硅层，在所有情况下公共的本机振荡器输入端26设置在沿这些硅层的外周的不同位置。然而，在提供多于两行的天线的情况下，IF输出通路必须通过中间硅层，避开这层的波导结构，因此不同的天线行的天线图案应该相互偏离。

当然，一行内的天线的数目可以不同于8个，在一行内可以有多于8个的天线。

此外，可以设想，不是用金属化的本征硅或金属制造各个波导结构，而是可以用光子带隙材料制造天线。这可以防止相邻天线之间的信号泄漏，而且为混频器和为传导信号输入、本机振荡器LO信号和中频IF输出提供了另一种结构。

上面所说明的波导结构需要蚀刻各个硅层，以下将说明一种制造这些结构的新颖方法。来看图6a，所示出的是一个硅基片30，在它的上表面上加了三个掩模31、32和33，每个掩模放置在下一个掩模上面，与相邻的掩模直接接触。按从顶上起的次序，最上面的第一掩模31是一个正抗蚀剂或金属掩膜。第一掩模下面是一个诸如SU8或其他合适的氨基化合物掩模材料的负抗蚀剂的第二掩模32。第二掩模下面是一个第三掩模33，优选的是二氧化硅或氮化铝掩模。第一掩模31给定了基片内的最深结构，防止其他区域早期被蚀刻。第二掩模除了暴露最深蚀刻区域之外还暴露了中间深度蚀刻区域，而保护基片的需要最浅蚀刻的那些区域。第三也就是最后这个掩模暴露所有前面受到蚀刻的领域和需要最浅蚀刻的那些区域。值得注意的是，这些掩模不一定要一个放在下一个的顶上，也可以是一个个分开放上去的。

就以上所说明的波导结构来说，最深的蚀刻是为了形成喇叭天线14和波导15的图案，中间蚀深是大部分本机振荡器波导结构所需要的，而最浅的蚀刻是混频器信道所需要的。一旦所有的各个掩模都已加上，就用正抗蚀剂掩模31进行第一蚀刻。这个蚀刻一直蚀刻到蚀深等于所希望的最深结构的最终深度与中间结构的最终深度之差。然后用普通的诸如胺型之类的不影响下面的负抗蚀剂掩模32的去除剂除去正抗蚀剂掩模31(图6b)。然后，执行下一个蚀刻阶段，通过SU8掩模32蚀刻到深度等于所希望的中间结构与最浅结构的最终深度之差。由于第一蚀刻阶段蚀刻的图案仍然是暴露的，因此这个图案再次受到蚀刻，从而使这个图案更深入基片。一旦第二蚀刻完成，就除去第二掩模32(图6c)，这并不影响下面的第三掩模33，然后可以执行第三也就是最终蚀刻阶段，在此期间蚀刻图案的最浅外形，而所存在的图案再次受到蚀刻，更深入基片30，直到最终深度。然后，除去第三掩模33(图6d)。这个程序与常用的程序不同，因为它涉及使用多个不同的掩模，每个掩模直接叠在一个相邻的掩模上，而在各蚀刻步骤之间并没有新的掩模加到晶片的表面上。

然后，将硅在所希望的区域(波导和通路)金属化。

虽然在这里就使用一个常用的X-Y平台通过一个静止的兆兆赫摄像机和移动的扫描光学系统对样品进行扫描作了说明，但显而易见的是可以设想也可以用其他替代方案来替代这个方案。例如，可以将样品安装在一个X-Y平台上移动，使得样品的不同区域依次受到扫描。

或者，也可以是通过调整本机振荡器输入的相位使扫描完全以电子方式执行。在这方面，可以在各个本机振荡器馈电件17内各引入一个移相器。如所知的那样，这种移相器包括一个波导，在这个波导的一个内壁上装有一个高电阻率的本征硅板条。这个硅板条受到入射光照射后，硅就呈现电阻和/或金属的特性。入射光的功率确定了透入硅的深度，从而改变了波导的尺寸，也就改变了它的色散特性。

在这里所说明的成像设备适合于检测无源毫米和亚毫米电磁辐射，由于它结构紧凑、轻便和可以在室温下工作因此特别方便。因此，可以设想这种成像设备可以直接用于空中和陆地交通工具、安全防范系统、化学和食品工业、医疗诊断。然而，使用范围还不局限于以上所述的这些方面，因为这种成像系统只需要很小的功率，因此特别适合于例如空间成像。

当然，显而易见的是，可以使用不背离如在所附权利要求书所给定的本发明的专利保护范围的其他可替代的部件和制造技术。

Claims (14)

1.一种用于毫米和/或亚毫米辐射的成像设备，它包括至少一对基片，其中至少一个基片在至少一个表面上被以限定至少一个辐射检测器的图案而形成图案，每个辐射检测器包括：

一个适于接收毫米和/或亚毫米电磁辐射的天线；

一个与所述天线耦合的、与一个延伸穿过一个基片连接到一个信号输出端上的通路进行通信的混频器信道，一个包括一些滤波器的混频器安装在这个混频器信道内，用来根据所述天线所接收的所述辐射提取一个中频信号；以及

一个与所述混频器耦合的、具有一个与一个本机振荡器连接的信号输入端的波导结构。

2.如在权利要求1中所述的成像设备，其中所述这对基片的每个基片在至少一个表面上以可组合在一起限定所述辐射检测器的图案形成图案。

3.如在权利要求1或2中所述的成像设备，其中所述图案限定了多个辐射检测器。

4.如在权利要求1至3的任何一个权利要求中所述的成像设备，所述成像设备还包括至少一个第三基片，所述三个基片限定了两行辐射检测器。

5.如在权利要求1至4的任何一个权利要求中所述的成像设备，其中所述混频信道与本机振荡器波导以锐角相交。

6.如在权利要求1至5的任何一个权利要求中所述的成像设备，其中所述天线包括一个喇叭天线(14)和一个与所述喇叭天线(14)耦合而且与混频信道以90°的角相交的天线波导(15)。

7.如在权利要求6中所述的成像设备，其中所述天线波导偏离喇叭天线轴一个锐角。

8.如在权利要求7所述的成像设备，其中所述本机振荡器波导与喇叭天线轴平行。

9.一种用于制造一个用于按照以上任何一个权利要求所述的成像设备的基片的方法，所述方法包括下列步骤：

在一个基片的一个表面上提供一个第一图案掩模(31)、一个第二图案掩模(32)和一个第三图案掩模(33)，所述第一掩模(31)具有一个与每个辐射检测器的一个具有最深蚀深的第一区域相应的第一图案，所述第二掩模(32)具有一个与所述第一区域和每个辐射检测器的一个具有中间蚀深的第二区域相应的第二图案，而所述第三掩模(33)具有一个与所述第一和第二区域和每个辐射检测器的一个具有最浅蚀深的第三区域相应的图案；

执行一个第一蚀刻，通过第一掩模(31)的第一图案刻到基本上等于最深蚀深与中间蚀深之差的第一深度；

除去所述第一掩模(31)；

执行一个第二蚀刻，通过第二掩模(32)的第二图案刻到基本上等于中间蚀深与最浅蚀深之差的第二深度；

除去所述第二掩模(32)；

执行一个第三蚀刻，通过第三掩模(33)的第三图案刻到基本上等于最浅蚀深的一个蚀深。

10.一种如在权利要求9中所述的方法，其中所述第一掩模(31)、第二掩模(32)和第三掩模(33)各放在下一个掩模的顶上，直接与相邻的掩模接触。

11.一种如在权利要求10中所述的方法，其中所述掩模(31，32，33)中的一个掩模是一个正抗蚀剂或金属掩膜，另一个掩模是一个负抗蚀剂掩模或胺基掩模，而又一个掩模是二氧化硅或氮化铝掩模。

12.一种如在权利要求10或11中所述的方法，其中所述第一区域与所述天线相应。

13.一种如在权利要求10至12的任何一个权利要求中所述的方法，其中所述第二区域与所述波导结构的至少部分结构相应。

14.一种如在权利要求10至13的任何一个权利要求中所述的方法，其中所述第三区域与所述混频器信道相应。

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