一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管環(huán)形太赫茲探測器天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管(FET)環(huán)形太赫茲(THz)探測器天線,屬于天線領(lǐng)域。本發(fā)明包括環(huán)形天線,Si基FET,低噪聲放大器;其中環(huán)形天線用于接收THz波,同時(shí)把接收到的THz波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)給FET,F(xiàn)ET把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)給低噪聲放大器,信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器后最終能實(shí)現(xiàn)對THz信號(hào)的探測。本發(fā)明在安保掃描、射電天文、生物遙感、生產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
【專利說明】—種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管環(huán)形太赫茲探測器天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線技術(shù)和太赫茲技術(shù),特別涉及環(huán)形天線技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波是指頻率在0.1THz到IOTHz范圍的電磁波,波長在0.03mm到3mm范圍內(nèi),介于毫米波與紅外之間,即通常所認(rèn)為的電子學(xué)與光學(xué)的交界區(qū)域。但是由于THz波在空氣中較高的損耗,需要高增益的發(fā)射源和足夠靈敏的探測天線,使其無法在通信領(lǐng)域商業(yè)化,制約了技術(shù)的發(fā)展,因此這一頻段是有待開發(fā)的空白頻段,也被稱為THz間隙。
[0003]由THz波具有瞬態(tài)性、寬帶性、高時(shí)間和空間相干性、低能性以及獨(dú)特的傳輸特性等特點(diǎn),使其在安全監(jiān)測、波譜分析、成像與通信、化學(xué)、生物、材料科學(xué)和藥學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。而要實(shí)現(xiàn)以上技術(shù),就必須提供高功率的THz波源或THz發(fā)生器,同時(shí)配備經(jīng)濟(jì)而高質(zhì)量的THz探測器和成像設(shè)備(包括THz照相機(jī))。
[0004]發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)和不足:
[0005]由于THz波處于遠(yuǎn)紅外波段,其熱效應(yīng)很強(qiáng),其探測器基本上可以分為兩類:一類是利用其熱效應(yīng)制成的探測器,如熱功率計(jì)、熱電探測器等;另一類是利用其光波性質(zhì)的探測器,如光電導(dǎo)探測器和肖特基二極管等。這些探測器當(dāng)進(jìn)一步發(fā)展為成像設(shè)備時(shí)往往存在著以下的問題:一是需要添加額外的工藝和設(shè)備,如小型機(jī)械等;二是熱效應(yīng)探測器其熱弛豫時(shí)間常數(shù)限制了成像過程中的視頻速率。而基于Si基場效應(yīng)晶體管(FET)反型層等離子體的THz探測器可以克服以上缺點(diǎn),并從單個(gè)CMOS場效應(yīng)晶體管通過焦平面陣列(FPA)實(shí)現(xiàn)THz成像,具有更大的優(yōu)勢,而目前國內(nèi)對于此方面的研究還處于起步階段。對于此類THz探測器,天線是除FET外最重要的部件,這不僅因?yàn)樘炀€是接收THz輻射的最先前的一個(gè)部件,而且還具有對其它不同頻段的信號(hào)起到隔離和防干擾作用,一個(gè)好的天線可以至少使探測器的靈敏度提高I?2個(gè)數(shù)量級(jí),因此設(shè)計(jì)出高增益和高輻射效率的THz探測器天線具有至關(guān)重要的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了實(shí)現(xiàn)以天線作為THz波接收器件,以Si基FET作為THz探測器件,并與低噪聲放大器相結(jié)合共同構(gòu)成的THz探測器,本發(fā)明實(shí)施提供了一種環(huán)形天線,所述技術(shù)方案如下:
[0007]集成天線的THz探測器,包括:環(huán)形天線,Si基FET,低噪聲放大器。
[0008]整個(gè)天線的設(shè)計(jì)基于65nmCM0S制造工藝,天線設(shè)計(jì)在頂層金屬上,F(xiàn)ET和低噪聲放大器設(shè)計(jì)在底層Si基上,同時(shí)利用倒裝焊技術(shù)將上述器件集成在擴(kuò)展半球Si透鏡上。該環(huán)形天線上同時(shí)引出端口 I和端口 2,分別與對應(yīng)的兩個(gè)FET的柵極相連,同時(shí)在兩個(gè)FET的共源極上加上偏壓V2,以提高探測器的靈敏度;環(huán)形天線外加偏壓VI,以激活FETT作的閾值電壓;THz信號(hào)通過天線接收后,通過FET將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)給低噪聲放大器;FET通過50歐姆的微帶傳輸線(TLl和TL2)與低噪聲放大器相連,這樣易于實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的阻抗匹配;低噪聲放大器將信號(hào)放大,最終能實(shí)現(xiàn)對THz信號(hào)的探測;環(huán)形天線與FET結(jié)合后可以制成焦平面陣列,實(shí)現(xiàn)靈敏度和分辨率更高的THz成像。
[0009]所述天線為環(huán)形天線,其特征是利用擴(kuò)展半球Si透鏡提高天線的增益,進(jìn)而提高探測器的靈敏度,擴(kuò)展半球Si透鏡可以換成橢球型和過半球型Si透鏡。
[0010]所述環(huán)形天線具有高阻抗特性,易于實(shí)現(xiàn)與FET的阻抗匹配,通過改變環(huán)形天線的幾何尺寸,還可以實(shí)現(xiàn)其它工作頻段的阻抗匹配。
[0011]所述環(huán)形天線與FET結(jié)合后還可以制成焦平面陣列,從而實(shí)現(xiàn)靈敏度和分辨率更高的THz成像。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0012]為了更清楚地說明發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造勞動(dòng)性的前提下,還可以根據(jù)附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的環(huán)形天線結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的環(huán)形天線設(shè)計(jì)實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】:
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0017]為了實(shí)現(xiàn)以天線作為THz波接收器件,以Si基FET作為THz探測器件,并與低噪聲放大器相結(jié)合共同構(gòu)成的THz探測器,本發(fā)明實(shí)施提供了一種環(huán)形天線,詳見下文描述:
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的電路結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖1,該環(huán)形天線引出端口 I和端口 2,分別與對應(yīng)的兩個(gè)FET的柵極相連,同時(shí)在兩個(gè)FET的共源極上加上偏壓V2,以提高探測器的靈敏度;THz信號(hào)通過天線接收后,通過FET將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)給低噪聲放大器;FET通過50歐姆的微帶傳輸線(TLl和TL2)與低噪聲放大器相連,這樣易于實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的阻抗匹配;低噪聲放大器經(jīng)過信號(hào)放大,最終能實(shí)現(xiàn)對THz信號(hào)的探測。
[0019]圖2是本發(fā)明的環(huán)形天線結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖2,Si透鏡包括半球部分和擴(kuò)展的圓柱部分,半球部分的半徑為R,擴(kuò)展的圓柱部分的高度為H,環(huán)形天線利用65nm的CMOS制造工藝設(shè)計(jì)在頂層金屬上,中間SiO2的厚度為Hl,探測器和低噪聲放大器設(shè)計(jì)在底層Si介質(zhì)基片上。
[0020]圖3為本發(fā)明的環(huán)形天線設(shè)計(jì)實(shí)例,其包括:擴(kuò)展半球Si透鏡,環(huán)形天線。其幾何尺寸為:R = 1500um, H = 185um, Hl = 6.8um, a = 500um, d = 170um,整個(gè)天線的工作頻率為600GHz,增益為13dB。
[0021]進(jìn)一步地,為了實(shí)現(xiàn)工程的需要,擴(kuò)展半球Si透鏡可以換成橢圓半球Si透鏡和過半球Si透鏡,具體實(shí)現(xiàn)時(shí),本發(fā)明實(shí)施例對此不作限制。
[0022]進(jìn)一步地,通過改變環(huán)形天線的幾何尺寸,可以實(shí)現(xiàn)在其它頻段工作的阻抗匹配,具體實(shí)現(xiàn)時(shí),本發(fā)明實(shí)施例對此不作限制。
[0023]綜上所述,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管環(huán)形THz探測器天線。該發(fā)明在安保掃描、射電天文、生物遙感、生產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
[0024]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例的示意圖,上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述,不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
[0025]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管(FET)環(huán)形太赫茲(THz)探測器天線,其特征是: 該環(huán)形天線和FET集成在Si基上,同時(shí)利用擴(kuò)展半球Si透鏡提高環(huán)形天線的增益;環(huán)形天線阻抗較大,易于實(shí)現(xiàn)與FET的阻抗匹配;環(huán)形天線引出端口 I和端口 2,分別與對應(yīng)的兩個(gè)FET的柵極相連,同時(shí)在兩個(gè)FET的共源極上加上偏壓V2,以提高探測器的靈敏度;環(huán)形天線外加偏壓VI,以激活FET工作的閾值電壓;THz信號(hào)通過天線接收后,通過FET將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)給低噪聲放大器;FET通過50歐姆的微帶傳輸線(TLl和TL2)與低噪聲放大器相連,這樣易于實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的阻抗匹配;低噪聲放大器將信號(hào)放大,最終能實(shí)現(xiàn)對THz信號(hào)的探測;環(huán)形天線與FET結(jié)合后制成焦平面陣列,可以實(shí)現(xiàn)靈敏度和分辨率更高的THz成像。
2.根據(jù)權(quán)利I的要求,該環(huán)形天線利用擴(kuò)展半球Si透鏡提高天線的增益,進(jìn)而提高探測器的靈敏度,擴(kuò)展半球Si透鏡可以換成橢球型和過半球型Si透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利I的要求,所述天線為環(huán)形天線,其特征是利用環(huán)天線的高阻抗特性,易于實(shí)現(xiàn)環(huán)形天線與FET的阻抗匹配,通過改變環(huán)形天線的幾何尺寸,還可以實(shí)現(xiàn)其它工作頻段的阻抗匹配。
4.根據(jù)權(quán)利I的要求,環(huán)形天線與FET結(jié)合后制成焦平面陣列,可以實(shí)現(xiàn)靈敏度和分辨率更高的THz成像。
【文檔編號(hào)】H01Q13/10GK103943964SQ201410134315
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】李建雄, 李運(yùn)祥, 蔣昊林, 陳曉宇, 劉崇, 袁文東 申請人:天津工業(yè)大學(xué)