CN103943964A - 一种基于CMOS制造工艺的Si基场效应晶体管环形太赫兹探测器天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CMOS制造工艺的Si基场效应晶体管(FET)环形太赫兹(THz)探测器天线，属于天线领域。本发明包括环形天线，Si基FET，低噪声放大器；其中环形天线用于接收THz波，同时把接收到的THz波转化为电信号给FET，FET把高频信号转化为低频信号给低噪声放大器，信号经过低噪声放大器后最终能实现对THz信号的探测。本发明在安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域具有重要应用。

Description

一种基于CMOS制造工艺的Si基场效应晶体管环形太赫兹探测器天线

技术领域

本发明涉及天线技术和太赫兹技术，特别涉及环形天线技术。 

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长在0.03mm到3mm范围内，介于毫米波与红外之间，即通常所认为的电子学与光学的交界区域。但是由于THz波在空气中较高的损耗，需要高增益的发射源和足够灵敏的探测天线，使其无法在通信领域商业化，制约了技术的发展，因此这一频段是有待开发的空白频段，也被称为THz间隙。 

由THz波具有瞬态性、宽带性、高时间和空间相干性、低能性以及独特的传输特性等特点，使其在安全监测、波谱分析、成像与通信、化学、生物、材料科学和药学等领域展现出广泛的应用前景。而要实现以上技术，就必须提供高功率的THz波源或THz发生器，同时配备经济而高质量的THz探测器和成像设备(包括THz照相机)。 

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下缺点和不足： 

由于THz波处于远红外波段，其热效应很强，其探测器基本上可以分为两类：一类是利用其热效应制成的探测器，如热功率计、热电探测器等；另一类是利用其光波性质的探测器，如光电导探测器和肖特基二极管等。这些探测器当进一步发展为成像设备时往往存在着以下的问题：一是需要添加额外的工艺和设备，如小型机械等；二是热效应探测器其热弛豫时间常数限制了成像过程中的视频速率。而基于Si基场效应晶体管(FET)反型层等离子体的THz探测器可以克服以上 缺点，并从单个CMOS场效应晶体管通过焦平面阵列(FPA)实现THz成像，具有更大的优势，而目前国内对于此方面的研究还处于起步阶段。对于此类THz探测器，天线是除FET外最重要的部件，这不仅因为天线是接收THz辐射的最先前的一个部件，而且还具有对其它不同频段的信号起到隔离和防干扰作用，一个好的天线可以至少使探测器的灵敏度提高1～2个数量级，因此设计出高增益和高辐射效率的THz探测器天线具有至关重要的意义。 

发明内容

为了实现以天线作为THz波接收器件，以Si基FET作为THz探测器件，并与低噪声放大器相结合共同构成的THz探测器，本发明实施提供了一种环形天线，所述技术方案如下： 

集成天线的THz探测器，包括：环形天线，Si基FET，低噪声放大器。 

整个天线的设计基于65nmCMOS制造工艺，天线设计在顶层金属上，FET和低噪声放大器设计在底层Si基上，同时利用倒装焊技术将上述器件集成在扩展半球Si透镜上。该环形天线上同时引出端口1和端口2，分别与对应的两个FET的栅极相连，同时在两个FET的共源极上加上偏压V2，以提高探测器的灵敏度；环形天线外加偏压V1，以激活FETT作的阈值电压；THz信号通过天线接收后，通过FET将高频信号转换为低频信号给低噪声放大器；FET通过50欧姆的微带传输线(TL1和TL2)与低噪声放大器相连，这样易于实现输入输出端口的阻抗匹配；低噪声放大器将信号放大，最终能实现对THz信号的探测；环形天线与FET结合后可以制成焦平面阵列，实现灵敏度和分辨率更高的THz成像。 

所述天线为环形天线，其特征是利用扩展半球Si透镜提高天线的增益，进而提高探测器的灵敏度，扩展半球Si透镜可以换成椭球型和过半球型Si透镜。 

所述环形天线具有高阻抗特性，易于实现与FET的阻抗匹配，通过改变环形天线的几何尺寸，还可以实现其它工作频段的阻抗匹配。 

所述环形天线与FET结合后还可以制成焦平面阵列，从而实现灵敏度和分辨率更高的THz成像。 

附图说明：

为了更清楚地说明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，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。 

图1是本发明实施例提供的电路结构示意图。 

图2是本发明的环形天线结构示意图。 

图3是本发明的环形天线设计实例。 

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

为了实现以天线作为THz波接收器件，以Si基FET作为THz探测器件，并与低噪声放大器相结合共同构成的THz探测器，本发明实施提供了一种环形天线，详见下文描述： 

图1是本发明实施例提供的电路结构示意图。参照图1，该环形天线引出端口1和端口2，分别与对应的两个FET的栅极相连，同时在两个FET的共源极上加上偏压V2，以提高探测器的灵敏度；THz信号通过天线接收后，通过FET将高频信号转换为低频信号给低噪声放大器；FET通过50欧姆的微带传输线(TL1和TL2)与低噪声放大器相连，这样易于实现输入输出端口的阻抗匹配；低噪声放大器经过信号放大，最终能实现对THz信号的探测。 

图2是本发明的环形天线结构示意图。参照图2，Si透镜包括半球部分和扩展的圆柱部分，半球部分的半径为R，扩展的圆柱部分的高度为H，环形天线利用65nm的CMOS制造工艺设计在顶层金属上，中间SiO₂的厚度为H1，探测器和低噪声放大器设计在底层Si介质基片上。 

图3为本发明的环形天线设计实例，其包括：扩展半球Si透镜，环形天线。其几何尺寸为：R＝1500um，H＝185um，H1＝6.8um，a＝500um，d＝170um，整个天线的工作频率为600GHz，增益为13dB。 

进一步地，为了实现工程的需要，扩展半球Si透镜可以换成椭圆 半球Si透镜和过半球Si透镜，具体实现时，本发明实施例对此不作限制。 

进一步地，通过改变环形天线的几何尺寸，可以实现在其它频段工作的阻抗匹配，具体实现时，本发明实施例对此不作限制。 

综上所述，本发明实施例提供了一种基于CMOS制造工艺的Si基场效应晶体管环形THz探测器天线。该发明在安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域具有重要应用。 

本领域技术人员可以理解附图只是一个优先实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种基于CMOS制造工艺的Si基场效应晶体管(FET)环形太赫兹(THz)探测器天线，其特征是：

该环形天线和FET集成在Si基上，同时利用扩展半球Si透镜提高环形天线的增益；环形天线阻抗较大，易于实现与FET的阻抗匹配；环形天线引出端口1和端口2，分别与对应的两个FET的栅极相连，同时在两个FET的共源极上加上偏压V2，以提高探测器的灵敏度；环形天线外加偏压V1，以激活FET工作的阈值电压；THz信号通过天线接收后，通过FET将高频信号转换为低频信号给低噪声放大器；FET通过50欧姆的微带传输线(TL1和TL2)与低噪声放大器相连，这样易于实现输入输出端口的阻抗匹配；低噪声放大器将信号放大，最终能实现对THz信号的探测；环形天线与FET结合后制成焦平面阵列，可以实现灵敏度和分辨率更高的THz成像。

2.根据权利1的要求，该环形天线利用扩展半球Si透镜提高天线的增益，进而提高探测器的灵敏度，扩展半球Si透镜可以换成椭球型和过半球型Si透镜。

3.根据权利1的要求，所述天线为环形天线，其特征是利用环天线的高阻抗特性，易于实现环形天线与FET的阻抗匹配，通过改变环形天线的几何尺寸，还可以实现其它工作频段的阻抗匹配。

4.根据权利1的要求，环形天线与FET结合后制成焦平面阵列，可以实现灵敏度和分辨率更高的THz成像。