專利名稱：包括電容耦合天線的太赫茲檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體成像器件的領(lǐng)域，尤其涉及單片無源THz (太赫茲)檢測器。
背景技術(shù)：
THz輻射成像是目前以指數(shù)速度發(fā)展的研究領(lǐng)域，它具有像THz安全成像或醫(yī)學(xué) THz成像之類的固有應(yīng)用，THz安全成像可以從十米開外的距離掲示隱藏在衣服下面的武器，而醫(yī)學(xué)THz成像可以掲示例如隱藏在皮膚下面的皮膚癌腫瘤以及進行完全安全的牙科成像。構(gòu)建現(xiàn)有技術(shù)的THz檢測器通常是ー項具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為輻射源和輻射檢測器兩者制造起來都很復(fù)雜、困難和昂貴。THz輻射是非電離的，因此，與X射線輻射不同，它對人類來說是完全安全的。用于安全應(yīng)用的THz成像使用例如無源成像技木，即，無需使用任何THz輻射源，因而僅僅依靠按照眾所周知的黑體輻射物理學(xué)，通常會從任何室溫體發(fā)出的很低功率的天然THz輻射來進行遠程THz成像的能力。無源THz成像需要極為靈敏的傳感器來對這種很低功率的輻射進行遠程成像?，F(xiàn)有技術(shù)的無源THz成像利用被冷卻到大約4開氏度的溫度的超導(dǎo)單檢測器的混合技術(shù)，這使系統(tǒng)變得極其復(fù)雜(例如，在可以進行任何成像之前，僅僅調(diào)溫度就要花費12小時以上)和昂貴(例如，10萬美元或以上)?？梢杂糜跈z測THz輻射并且與現(xiàn)有超導(dǎo)解決方案相比具有低得多的潛在成本的檢測器是人們所希望的。但是，無源THz成像與無源紅外(IR)成像相比需要高三個數(shù)量級的靈敏度，這是一道具有挑戰(zhàn)性的鴻溝。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個實施例中，THz輻射檢測器包括以隔熱氣隙與懸浮平臺分開的多條天線臂。該檢測器用于將THz輻射能量集中到熱傳感器元件所在的較小懸浮MEMS平臺 (例如，膜)中。借助于奇特天線(pixilated antenna)將THz光子能量轉(zhuǎn)換成電能，使用電容耦合以將該聚集的能量跨過隔熱氣隙耦合到熱傳感器所在的懸浮膜上。該檢測器機制實現(xiàn)了懸浮膜的強得多的聚集THz誘導(dǎo)發(fā)熱，從而即使檢測器在室溫下工作，這種熱信號也變得比檢測器溫度噪聲強得多。然后，通過熱傳感器元件將這種比熱噪聲高得多的熱信號轉(zhuǎn)換成比電噪聲高得多的電信號。因此，依照本發(fā)明，提供了ー種太赫茲(THz)檢測器，其包括電介質(zhì)基板，制造在該基板上的天線，以及包括熱傳感器的懸浮平臺，其中該熱傳感器用于經(jīng)由電容耦合接收該天線聚集的THz輻射并且用于將所接收的THz輻射轉(zhuǎn)換成電信號，其中該電容耦合提供該天線與該熱傳感器之間的熱隔離。依照本發(fā)明，還提供了ー種太赫茲(THz)檢測器，其包括電介質(zhì)基板，制造在該基板上并且用于接收THz輻射的天線，與該天線電容耦合的負載電阻器，以及包括熱傳感器的懸浮平臺，其中該熱傳感器與該天線熱隔離并與該電阻器熱耦合，并且用于將該天線聚集的THz輻射轉(zhuǎn)換成電信號。依照本發(fā)明，進ー步提供了一種檢測太赫茲(THz)輻射的方法，該方法包括提供制造在電介質(zhì)基板上并用于接收THz輻射能量的天線，將該天線接收的THz輻射能量耦合到電阻器，將該電阻器產(chǎn)生的熱量熱耦合到包括與該天線熱隔離并與該電阻器熱耦合的熱傳感器的懸浮平臺，以及將入射在該熱傳感器上的THz輻射轉(zhuǎn)換成電信號。


這里參考附圖僅通過舉例的方式對本發(fā)明加以描述，在附圖中圖1是例示無源THz輻射檢測器的一個示例性實施例的圖；圖2是例示圖1的THz輻射檢測器的等效電路的電路圖；圖3是例示檢測器的寬帶寬反射器結(jié)構(gòu)的金屬圖案層的圖；圖4是例示檢測器的寬帶寬反射器結(jié)構(gòu)的多個層的圖；圖5是例示圖1的THz輻射檢測器的側(cè)視圖的圖；圖6是THz檢測器的熱傳感器的第一示例性實施例的電路圖；圖7是THz檢測器的熱傳感器的第二示例性實施例的電路圖；圖8是THz檢測器的熱傳感器的第三示例性實施例的電路圖；圖9是THz檢測器的熱傳感器的第四示例性實施例的電路圖；圖10是例示無源THz檢測器的第二示例性實施例的圖；圖11是例示使用圖10的THz檢測器的示例性2X 2像素矩陣的圖；圖12是例示包括支撐臂結(jié)構(gòu)和懸浮熱傳感器的示例性THz檢測器的放大圖的圖；圖13是例示圖10的THz輻射檢測器的側(cè)視圖的圖；以及圖14是例示THz輻射檢測器的支撐臂部分的側(cè)視圖的圖。
具體實施例方式在圖1中示出了例示無源THz輻射檢測器的一個示例性實施例的圖。整體標記為 10的該THz輻射檢測器實施例包括天線條12、電容耦合間隙18、懸浮平臺16、電阻器22、熱傳感元件對、支撐臂14和基板觀。由四表示的刻蝕區(qū)域提供與周圍其它檢測器的隔離。THz檢測器10利用電磁耦合技木，從而首先通過天線12 (在這個具體示例中包括交叉偶極蝴蝶結(jié)型天線)吸收光能(即，THz能量)，其中天線12用于將光能轉(zhuǎn)換成電能， 然后電能被電容耦合到熱隔離的、釋放的熱傳感器元件(例如，ニ極管、晶體管等)。將天線與熱傳感器元件電容耦合提供了傳感器與天線的熱隔離。在一個示例性實施例中，將多個檢測器布置成以2D陣列配置接收THz輻射能量。 在這種情況下，在一個示例性實施例中其尺寸為幾百微米量級(例如，300微米見方)的2D 成像陣列每個像素中接收并以ITHz量級的頻率集中在每個像素處的輻射能量進入到THz 檢測器所在的小得多的懸浮MEMS平臺(幾十微米的量級)中(從而，完全懸浮且熱隔離的 MEMS結(jié)構(gòu)具有最小熱質(zhì)(thermal mass)和熱導(dǎo)率)。如上所述，這是通過使用奇特天線將 THz光子能量轉(zhuǎn)換成電能，并通過使用電容耦合將該聚集的天線能量跨過隔熱氣隙耦合到熱傳感器所在的懸浮平臺中而實現(xiàn)的。這種方法實現(xiàn)了懸浮平臺的聚集THz誘導(dǎo)發(fā)熱，從而即使檢測器在室溫下工作，這種THz誘導(dǎo)的熱信號也變得比檢測器溫度噪聲強得多。然后，通過傳感有源器件(例如，晶體管)將這種比熱噪聲高的熱信號轉(zhuǎn)換成具有較大的電信
5噪比的信號。換句話說，通過MEMSエ藝在天線與相對較小的懸浮平臺之間形成熱傳導(dǎo)不連續(xù)性(例如，電容耦合間隙18)。使用電容耦合將天線能量聚集到隔離的亞像素浮置平臺16上的技術(shù)可以與多種片上奇特天線(諸如圖10中示出的具有較高帶寬的天線)一起使用。經(jīng)由天線12聚集THz 能量有助于過濾掉進行競爭的所接收的紅外輻射，因為未被天線接收的紅外輻射被尺寸顯著小于像素尺寸的小懸浮平臺16吸收。注意，可以通過組合幾個硅エ藝后段制程(BEOL) 金屬層來形成電容器以及通過使用交指型(interdigitizedM即，梳狀)結(jié)構(gòu)來増加電容器面積，以加強電容耦合。另外，檢測器提供奇特天線12與熱傳感器之間跨耦合電容的阻抗匹配。優(yōu)選的是使用在感興趣帶寬上具有抵消耦合電容的電抗性阻抗的天線。這可以例如通過使用長度大于半波長的蝴蝶結(jié)偶極電線12來實現(xiàn)，也可以由圖10中示出的天線的適當(dāng)設(shè)計來實現(xiàn)。大于半波長天線還提供幾百歐姆的高阻杭，其有助于使天線與熱傳感器元件跨耦合電容器的給定阻抗而匹配。通過將信號電容耦合到優(yōu)選由多晶硅制成的匹配電阻器來實現(xiàn)天線與熱傳感器元件之間的阻抗匹配。注意，優(yōu)選的是使用與處在電阻器附近的標準NMOS晶體管配對的由多晶硅制成的十字形電阻器。注意，在一個可替代實施例中，將這種手段修改成允許將接收的THz輻射的兩種不同偏振分開。這可用于識別諸如從平坦表面的反射中獲得的偏振輻射。圖1中示出的十字蝴蝶結(jié)型天線包括兩個正交的蝴蝶結(jié)天線12，它們的形狀和長度被設(shè)計成在所希望的THz成像頻譜上形成少量電抗性阻杭。然后，將來自天線的能量電容耦合到在刻蝕エ藝之后保留下來的亞像素懸浮平臺16?？蛇x的是，較強的電容耦合可以通過使用由天線和平臺的邊緣處的密集通孔(未示出)連接的幾個硅エ藝BEOL金屬層來實現(xiàn)。注意，平臺16包括其上有熱傳感元件(例如，晶體管、ニ極管等)的懸浮的熱隔離平臺。該平臺被設(shè)計成具有現(xiàn)有紅外檢測器的典型尺度。該平臺通過支撐臂14連接到硅基板觀。支撐臂定義了ー熱阻，該熱阻與平臺熱容一起將平臺調(diào)節(jié)成具有所希望的適合視頻成像的熱時間常數(shù)(即，大約70毫秒或更小)。應(yīng)該懂得，圖1中示出的檢測器是通過MEMSエ藝實現(xiàn)天線與微小平臺之間的熱流不連續(xù)性的一個示例性實施例。例如，圖1的檢測器例示了讓支撐臂在蝴蝶結(jié)梯形之一內(nèi)延伸的選項。應(yīng)該懂得，其它布置也是可以的，諸如讓支撐臂在天線之外沿對角延伸?？商娲氖?，支撐臂可以在圍繞天線的大圓圈中延伸，直到到達硅基板，這使得支撐臂具有低得多的熱導(dǎo)率。其它可能的天線類型包括螺旋形天線、齒形天線和開槽天線。盡管使用哪種天線類型并不是關(guān)鍵，但優(yōu)選的是來自天線的能量不是直接耦合而是電容耦合到檢測器，以使熱傳感器元件被熱隔離。如果增加懸浮的熱隔離平臺與天線臂相互平行的長度，則可以顯著增強它們之間的電容耦合。為了達到這個目的，可以將處于平臺邊緣的耦合電容器構(gòu)造成具有鋸齒(即， 梳狀)邊緣結(jié)構(gòu)，并且將天線條的形狀適配成具有互補的鋸齒邊緣結(jié)構(gòu)，從而該結(jié)構(gòu)變成交指型電容器結(jié)構(gòu)。這使耦合電容器與天線之間的耦合表面顯著増大，但不會使電容器面積增加很多(即，不會增加耦合電容器的熱容)。如果用幾個BEOL金屬層來形成耦合電容器，可以使用該相同技木。上述耦合電容可以通過使天線與平臺之間的平行間距變小來增大。但是，這取決于使用的MEMSエ藝的質(zhì)量。較好的MEMSエ藝可以減小該間距而不引起天線與平臺中的耦合電容金屬之間電短路的風(fēng)險。圖2中示出了例示圖1的THz輻射檢測器的等效電路的電路圖。整體標記為50的檢測器包括多根天線條52 (例如，十字偶極蝴蝶結(jié)型天線)、耦合電容器M、發(fā)熱元件(例如，電阻器)56和與電阻器56熱耦合的熱傳感器58。在一個實施例中，電阻器包括多晶硅電阻器，熱傳感器元件包括位于懸浮平臺 16(圖1)上的SOI晶體管。在一個實施例中，標記為M的區(qū)域包括這個晶體管的擴散區(qū)。 在另ー個實施例中，使晶體管的尺寸相對較小以便位于十字形多晶硅線之間的ー個角上。標記為觀的部分包括用干支承的硅晶圓基板。在一個實施例中，蝴蝶結(jié)天線直接位于硅晶圓上，例如MEMS后處理只用于從下面和從上面釋放小懸浮平臺的情況。但是，由于硅的高介電常數(shù)和相關(guān)聯(lián)的損耗，在天線附近可能發(fā)生ー些不希望的THz能量反射。為了防止這種現(xiàn)象，在一個可替代實施例中，使用其中將SOI硅エ藝的埋入氧化層(BOX)用作刻蝕停止層的深度反應(yīng)離子刻蝕(DRffi)來從天線下面回刻硅晶圓，以便形成大開ロ。因此，優(yōu)選的是使蝴蝶結(jié)天線條被構(gòu)造為位于純氧化硅區(qū)內(nèi)并且下面沒有任何硅。然后，天線仍然位于未與周圍的硅晶圓分開的上述氧化和埋入氧化層內(nèi)。注意，在一個實施例中，使用眾所周知的深度反應(yīng)離子刻蝕(DRffi)技術(shù)來刻蝕ニ維有源像素陣列下面的整個區(qū)域。然后，從正面應(yīng)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，以便只完全釋放懸浮平臺16和它的支撐臂14?，F(xiàn)有的硅エ藝BEOL金屬層用作RIE刻蝕掩摸。當(dāng)形成諸如圖1中示出的2D像素陣列(例如，天線被電容耦合到熱隔離的測輻射熱計)吋，希望減小像素之間的電串?dāng)_。在一個實施例中，這可以通過將每個像素天線相對于鄰近像素的相鄰天線旋轉(zhuǎn)45度來實現(xiàn)，從而形成十字形天線是直的或傾斜45度的棋盤狀結(jié)構(gòu)。這種棋盤狀結(jié)構(gòu)具有另ー個好處，其在于，它可提供更多的空間以將天線臂構(gòu)建得更長一點，這有助于變得更靈活和在希望的THz頻率帶寬上提供所希望的大電抗性阻杭。 注意，上述技術(shù)可以用于前述的寬帶寬反射器，即，可以旋轉(zhuǎn)反射器的金屬十字形，以形成十字形是直的或傾斜45°的上述棋盤狀2D陣列結(jié)構(gòu)。為了進一歩改善THz檢測器的靈敏度和譜選擇性兩者，將高帶寬背面反射器面加入奇特天線晶圓中。這個背面反射器位干與THz檢測器芯片平行但使用專用隔離物與THz 檢測器芯片背面相隔特定距離的第二板上。如果金屬性背面被放置成與天線具有給定的間隔距離，則它用作在該間隔距離等于波長(在天線與反射金屬面之間的電介質(zhì)中計算) 的四分之一的一個相應(yīng)頻率處的有效反射器。如果希望擁有在給定頻率處的良好窄帶反射器，這就足夠了。但是，對于高帶寬應(yīng)用(即，頻率比約為1 1.5或甚至大于1 2或 1 3)，需要的是在整個頻帶內(nèi)的有效反射器。為了獲得這種高帶寬，要構(gòu)建包括幾個金屬層的背反射器，每ー層都被圖案化為如圖3所示的金屬十字形的陣列，其中所有層都在相同背景介電常數(shù)的封裝材料內(nèi)被構(gòu)建。圖3例示了高帶寬反射器結(jié)構(gòu)的單個金屬圖案化層的頂視圖。這種十字形的2D有序陣列用作將半波長小于十字條長度的輻射反射回去而允許波長較長的輻射通過的濾波器。這類似于用在八木aagi-Uda)天線中的形狀。取決于其相對于偶極天線元件本身的半波長的長度，八木天線的任一棒形元件可以作為反射器或引向器工作。因此，八木天線的背反射器稍長于半波長，而前引向器短于半波長。在本發(fā)明的檢測器的一個實施例中，組合具有如圖3所示的圖案類型的多個平行的層來形成如圖4所示的疊層，其中離奇特天線晶圓平面越遠的層其十字臂長度就越長。這些圖案化層的每一個與奇特天線平面的間隔距離等于四分之一波長，其中在該圖案化層中的十字臂長度被調(diào)整成稍大于該波長的一半。這種經(jīng)驗法則用作在電磁(EM)解算分析應(yīng)用中調(diào)整和優(yōu)化這種結(jié)構(gòu)的指南，然后，對圖案化層設(shè)計稍作修改，以考慮到不同長度的元件之間存在的相互作用。值得推薦的是在諸如多層氧化鋁封裝技術(shù)之類的任何高質(zhì)量電介質(zhì)材料內(nèi)實現(xiàn)這種分層結(jié)構(gòu)。盡管應(yīng)該對用在THz頻率上的電介質(zhì)材料的質(zhì)量給予關(guān)注，但可以容忍ー 些損耗。可替代的是，將幾個像素的讀出電路電組合在一起，這在較低THz頻率中產(chǎn)生較高靈敏度(即，較高信噪比)，但以在較高THz頻率中的分辨率降低為代價。這種技術(shù)可以通過及時地在兩個選項之間快速切換而動態(tài)地實現(xiàn)，或者與兩個圖像選項之間的較慢切換一起使用。由于使用的視頻速率具有約15Hz的相對較低幀速率(以便在每個傳感器件中具有最大可能積分時間來實現(xiàn)最大可能信噪比)，幀之間的可用“死”時間可以用于交替顯示像素尺寸小(即，分辨率較高)的圖像和像素尺寸大(即，靈敏度較高和衣服穿透能力較高)的圖像兩者。這兩種圖像在觀看圖像的用戶的眼睛中組合，形成既具有較高分辨率又具有較高穿透力/靈敏度的較高質(zhì)量圖像。這可以無需提高實際檢測器采樣速率而實現(xiàn)， 因此不會増加任何噪聲。通過在傳感器積分時間期間顯示許多圖像幀，其中一些圖像具有小像素而另外一些圖像具有組合的較大像素，這種技術(shù)可以用于形成在大小像素尺寸的兩個極端之間的連續(xù)函數(shù)。通過改變以較大像素顯示的圖像幀的比率，可以通過移動或旋轉(zhuǎn)相機或其它圖像檢測設(shè)備中的旋鈕，在分辨率和靈敏度/穿透カ之間交替，從而進行掃描。在圖5中示出了例示圖1的THz輻射檢測器的側(cè)視圖的圖。整體標記為100的檢測器包括蝴蝶結(jié)天線條126、懸浮平臺128、硅基板102和反射器120。蝴蝶結(jié)(或任何其它類型)天線條1 構(gòu)建在硅基板102上，并且包括氧化硅電介質(zhì)(BOX) 112上的金屬104 (例如，鋁或銅)。懸浮平臺1 結(jié)構(gòu)包括氧化硅電介質(zhì)層114、硅熱傳感器元件(例如，傳感晶體管體或塊晶圓(bulk wafer))層114、多晶硅層118、氧化硅電介質(zhì)(BOX) 108和金屬(例如，鋁或銅)106。高帶寬反射器120包括電介質(zhì)層122和具有金屬網(wǎng)格圖案的多個層124。 在一個實施例中，使用眾所周知的深度反應(yīng)離子刻蝕(DRffi)技術(shù)來構(gòu)建天線和懸浮平臺下的開ロ。依照本發(fā)明，懸浮平臺和天線條由電容耦合間隙110分隔開。在圖6中示出了 THz檢測器的熱傳感器的第一示例性實施例的電路圖。在這個第一示例性實施例中，熱傳感器元件60包括工作在亞閾值區(qū)中的MOS晶體管62。從電阻器 56(圖2、熱耦合的熱能量使晶體管中生成電信號，然后該電信號被讀出電路放大和處理。在圖7中示出了 THz檢測器的熱傳感器的第二示例性實施例的電路圖。在這個第 ニ示例性實施例中，熱傳感器元件70包括正向偏置ニ極管72。從電阻器56(圖幻熱耦合的熱能量使ニ極管中生成電信號，然后該電信號被讀出電路放大和處理。在圖8中示出了 THz檢測器的熱傳感器的第三示例性實施例的電路圖。在這個第三示例性實施例中，熱傳感器元件80包括正向偏置雙極晶體管結(jié)82。從電阻器56(圖2)熱耦合的熱能量使雙極晶體管中生成電信號，然后該電信號被讀出電路放大和處理。在圖9中示出了 THz檢測器的熱傳感器的第四示例性實施例的電路圖。在這個第四示例性實施例中，熱傳感器元件90包括電阻式測輻射熱計92。從電阻器56(圖幻熱耦合的熱能量使該測輻射熱計中生成電信號，然后該電信號被讀出電路放大和處理。在圖10中示出了例示無源THz輻射檢測器的第二示例性實施例的圖。圖10中示出的檢測器與圖1的檢測器類似，主要差異在于使用的片上天線的類型。在圖10中，天線具有方齒形。整體標記為130的檢測器包括多條天線臂132(在本例中為四條)、天線130 周圍的硅基板144、懸浮平臺136、支撐臂138、傳感器信號142和讀出電路140。在工作吋， 近似等于懸浮平臺長度的天線突出部134將天線聚集的熱能跨過圍繞懸浮平臺的隔離間隙而電容耦合到懸浮平臺上的相應(yīng)耦合電容器(未示出)?？邕^間隙所耦合的能量加熱電阻器，這由構(gòu)建在懸浮平臺上的熱傳感器(未示出)感測。傳感器的輸出由讀出電路140 處理以供顯示或進ー步的后處理。在圖11中示出了例示使用圖10的THz檢測器的小的2X2像素成像矩陣的例示性例子的圖。注意，使用本文所述的技木，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以構(gòu)建具有幾百個像素的大得多的矩陣，以便形成所需的高分辨率圖像。整體標記為150的成像矩陣包括多個檢測器 152(在這個示例性實施例中為四個)、傳感器信號線IM和讀出電路156。每個檢測器包括天線臂157、懸浮平臺160和支撐臂158。位于平臺上的傳感器的輸出被輸入到讀出電路 156中以供顯示或進ー步的后處理。注意，在一個實施例中，像素陣列被啞(dummy)像素行和列圍繞。啞像素行和列用于為位于ニ維陣列外圍的像素保持同樣的MEMS和VLSI制造條件。在圖12中示出了例示包括支撐臂結(jié)構(gòu)和懸浮熱傳感器的示例性THz檢測器的放大圖的圖。整體標記為170的示例性檢測器包括多根天線條172(在本例中為四根)、懸浮平臺174和支撐臂186。懸浮平臺174包括沿著平臺的四個邊緣的耦合電容器178，其中這些電容器由圍繞平臺的隔熱氣隙176、加熱整個平臺的十字形多晶硅電阻器180和熱傳感器182形成。支撐臂186附連到硅基板188以用于支持懸浮平臺。傳感器輸出信號184從熱傳感器沿著支撐臂被傳送到讀出電路(未示出)。在圖13中示出了例示圖10的THz輻射檢測器的側(cè)視圖的圖。整體標記為190的檢測器包括天線臂191和懸浮平臺193。天線臂包括BOX層204、ニ氧化硅層200和196、多晶硅部分208、金屬部分212、金屬層194和氧化層192。懸浮平臺包括BOX層206、ニ氧化硅層202、多晶硅層218、ニ氧化硅層198和金屬部分212。在圖14中示出了例示THz輻射檢測器的支撐臂部分的側(cè)視圖的圖。整體標記為 220的支撐臂包括BOX層224、ニ氧化硅層225、氮化硅層227、多晶硅傳感器信號線228、氮化硅層2 和ニ氧化硅層222。為了幫助理解本發(fā)明的THz檢測器的操作，下面提供定量示出可以利用檢測器以視頻速率進行室溫?zé)o源THz成像的示例性計算。在本例中，假設(shè)預(yù)定帶寬為0. 5到1. 5THz,其包含在300開氏度的溫度處I = 2. 857X 10_5W/Cm2的黑體功率。當(dāng)從0. 5到1. 5THz積分吋，在T = 300開氏度處，每開氏度的相應(yīng)黑體功率溫度靈敏度如下式給出dl/dT = 1.043X10-7 ffatt/cm2/° K (1)
讓我們假設(shè)，考慮到大氣損耗、透鏡損耗、小于1的目標發(fā)射率、像素填充因子、天線效率和阻抗匹配損耗等，總輻射接收效率如下式給出ntotal = nenvx η = 0.3⑵其中，η是檢測器的效率；Ilenv是環(huán)境(S卩，除了檢測器之外的任何東西)的效率。注意，在這個階段中假設(shè)0.3的值是合理的。讓我們假設(shè)像素尺寸是Ad = 200X 200 μ m2，這是在1. 5THz的較高端頻率處的波長，因此是我們可以在這個頻率達到的最佳分辨率極限。注意，在較低頻率中，幾個像素被一起使用來獲得成為一體的較大像素的較高靈敏度。讓我們假設(shè)τ = 70ms的幀時間，這對應(yīng)于14Hz的視頻幀速率，對于人眼來說足夠了。更高幀速率也是可以的，但它們會降低信噪比。讓我們進ー步假設(shè)我們正在使用Fs =1(即，焦距F與透鏡直徑D之比)的塑料THz透鏡。可替代的是，可以以大透鏡直徑或反射鏡組合等為代價，使用更好的光學(xué)器件。但是，對于這種示例性計算，我們假設(shè)簡單可行的光學(xué)器件?，F(xiàn)在讓我們假設(shè)目標中的噪聲等效溫差(NETD)為NETD = 0. 5° K，這對于高質(zhì)量熱成像來說足夠了。假設(shè)上述數(shù)值，則目標的溫度變化為ΔΤ = NETD = 0. 5開氏度吋，每個像素接收到的THz信號是= NEP = 1. 56皮瓦。注意，這是目標每0. 5度變化時的接收功率變化， 其中每個像素接收的總目標功率，即背景功率，近似為8. 57X lO^W。這是使用如下的眾所周知的方程計算出來的
權(quán)利要求
1.ー種太赫茲(THz)檢測器，包括電介質(zhì)基板；制造在所述基板上的天線；包括熱傳感器的懸浮平臺，其中所述熱傳感器用于經(jīng)由電容耦合接收所述天線聚集的 THz輻射并且用于將所接收的THz輻射轉(zhuǎn)換成電信號；以及其中所述電容耦合提供所述天線與所述熱傳感器之間的熱隔離。
2.ー種太赫茲(THz)檢測器，包括電介質(zhì)基板；制造在所述基板上并且用于接收THz輻射的天線；與所述天線電容耦合的負載電阻器；以及包括熱傳感器的懸浮平臺，其中所述熱傳感器與所述天線熱隔離并與所述電阻器熱耦合，并且用于將所述天線聚集的THz輻射轉(zhuǎn)換成電信號。
3.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的檢測器，進ー步包括與所述基板平行并且與所述基板相隔預(yù)定距離的反射器，所述反射器用于反射半波長小于所述天線的長度的輻射， 由此改善所述檢測器的靈敏度和選擇性。
4.按照權(quán)利要求3所述的檢測器，其中所述反射器包括多個金屬層，每ー個金屬層都被圖案化為金屬十字形的陣列。
5.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的檢測器，其中所述天線用于聚集所述懸浮的熱傳感器的THz誘導(dǎo)發(fā)熱，從而得到的熱信號顯著大于熱傳感器溫度噪聲。
6.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的檢測器，其中所述天線包括十字偶極蝴蝶結(jié)型天線。
7.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的檢測器，其中所述天線包括方齒型天線。
8.按照權(quán)利要求6所述的檢測器，其中所述熱傳感器包括ー對獨立的熱檢測器，所述 ー對獨立的熱檢測器用于獨立地感測由所述十字偶極蝴蝶結(jié)型天線接收的THz輻射的兩個正交偏振，并且，所述熱檢測器是從包括以下項的組中選擇的M0S晶體管、正向偏置ニ 極管、雙極晶體管、一起用作熱檢測器的多個有源器件。
9.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的檢測器，其中所述天線呈現(xiàn)用于在所希望的帶寬上抵消耦合電容的電抗性阻杭。
10.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的檢測器，其中所述天線聚集THz輻射以便衰減和過濾掉進行競爭的接收的紅外輻射。
11.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的檢測器，其中所述懸浮平臺經(jīng)由支撐臂連接并固定到所述基板。
12.按照權(quán)利要求11所述的檢測器，其中所述支撐臂用于確定所述懸浮平臺的熱阻， 其中所述熱阻用于將所述懸浮平臺調(diào)節(jié)成具有所希望的熱時間常數(shù)。
13.按照權(quán)利要求2所述的檢測器，其中所述電阻器的電阻被配置成與所述天線的阻抗匹配。
14.一種檢測太赫茲(THz)輻射的方法，該方法包括提供制造在電介質(zhì)基板上并用于接收THz輻射能量的天線；將所述天線接收的THz輻射能量電容耦合到電阻器；將所述電阻器產(chǎn)生的熱量熱耦合到包括熱傳感器的懸浮平臺，所述熱傳感器與所述天線熱隔離并且與所述電阻器熱耦合；以及將入射在所述熱傳感器上的THz輻射轉(zhuǎn)換成電信號。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其中所述懸浮平臺經(jīng)由支撐臂連接并固定到所述基板，所述支撐臂用于確定所述懸浮平臺的熱阻，其中所述熱阻用于將所述懸浮平臺調(diào)節(jié)成具有所希望的熱時間常數(shù)。
16.按照權(quán)利要求14所述的方法，其中所述熱傳感器包括ー對獨立的熱檢測器，所述 ー對獨立的熱檢測器用于獨立地感測由所述十字偶極蝴蝶結(jié)型天線接收的THz輻射的兩個正交偏振，并且，所述熱檢測器是從包括以下項的組中選擇的M0S晶體管、正向偏置ニ 極管、雙極晶體管、一起用作熱檢測器的多個有源器件。
全文摘要
THz輻射檢測器(10)包括由隔熱氣隙(18)與懸浮平臺(16)分開的多條天線臂(12)。該檢測器用于將THz輻射能量集中到熱傳感元件(24)所在的較小的懸浮MEMS平臺(例如，膜)上。借助于奇特天線將THz光子能量轉(zhuǎn)換成電能，使用電容耦合以將該聚集的能量跨過隔熱氣隙耦合到熱傳感器所在的懸浮膜上。
文檔編號G01J5/08GK102575961SQ201080047398
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者D·伊拉德, D·高恩, I·博格, T·莫爾弗 申請人:國際商業(yè)機器公司