[发明专利]基于集成电路工艺的太赫兹多频探测器及其探测方法

说明书

本发明提出了一种基于集成电路工艺的太赫兹多频探测器及其探测方法。其探测器包括多频表面等离子体共振天线和晶体管；多频表面等离子体共振天线由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括扇形环嵌套接收面和水平振子，扇形环嵌套接收面包括同心设置的内半圆和外扇形环，水平振子与内半圆在圆心处垂直连接；晶体管设置在两个天线单元的水平振子之间且垂直于天线单元所在的平面；晶体管的栅极与多频表面等离子体共振天线位于同一多晶硅层。该探测器可以采用标准集成电路工艺技术，在单个探测器上实现一芯多频的功能，具有体积小、重量轻、高精度、高可靠、低功耗和低成本等突出优势，有利于实现太赫兹多频探测的微型化与小型化。

技术领域

本发明涉及太赫兹波探测技术领域，更涉及一种利用多频天线作为信号接收部件的探测器结构及其探测方法。

背景技术

太赫兹波通常指的是频率在0.1THz～3THz之间的电磁波，其波段介于微波和红外光之间。目前太赫兹技术主要围绕太赫兹源、太赫兹探测和应用领域等进行展开。太赫兹光谱包含了丰富的物理和化学信息，能够提供分子的基本结构信息，通过利用多频探测器可以实现物质的太赫兹光谱分析；同时由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以比X射线相比更具有优势。因此，太赫兹探测技术在安全检查、无损检测、生物医学、化学分析、通信与国防等领域有着广泛应用前景。如何获得信噪比高、灵敏度好、宽频响应的室温太赫兹探测器是太赫兹技术应用发展的关键。基于集成电路制造工艺的CMOS太赫兹探测器，由片上太赫兹天线和晶体管组成，具有室温工作，低成本，高成像能力等突出优势，是未来太赫兹技术实用化的可能途径，目前受到国际各大研究机构的广泛关注。

片上太赫兹天线是收发信号保证多频段探测的重要元件。为了探测多频太赫兹信号，目前大都使用多频矩形金属贴片天线，此类天线主要基于传统矩形贴片微带单频天线改进而来。如在设计双频天线时，KR Jha等人(Dual-band rectangular microstrip patchantenna at terahertz frequency for surveillance system[J].Journal ofComputational Electronics,2010,9(1):31-41.)提出了一种可同时工作在0.6THz和0.8THz的贴片天线，设计天线辐射贴片的长度对应一个频率谐振，而贴片宽度对应另一个频率谐振。这样既保留了传统天线的优点，又具有微带天线的低轮廓、重量轻、制作方便等特点。但由这种结构的天线单元组阵的双频段天线尺寸大，不利于实现天线的小型化且响应频段少，损耗大。另一方面，利用半导体材料制作的光学天线体积较小，但往往只能对应单个频率。为了达到多频探测目的，可通过阵列排布的方式在同一块芯片上集成不同频段的天线实现多频太赫兹探测。如B.Benakaprasad等人(Terahertz Monolithic IntegratedCircuits(TMICs)Array Antenna Technology On GaN-on-Low Resistivity SiliconSubstrates[C]//International Conference on Infrared.IEEE,2016.)制作了一种响应在0.22THz-0.325THz的天线阵列。这种方式虽然扩宽了太赫兹探测波段，但是天线单元组阵的天线截面大，且不同探测单元之间存在严重的串扰，使得探测效率低下、结构复杂，不适合未来太赫兹系统中探测器微小化要求。

发明内容

对于现有太赫兹多频段探测技术存在的无法同时满足多频段探测和体积微小化问题，本发明提出了一种基于集成电路工艺的硅基太赫兹多频探测器及其探测方法，能实现多个频段的同时响应。

本发明的探测器所采用的技术方案如下：

基于集成电路工艺的太赫兹多频探测器，包括多频表面等离子体共振天线和晶体管；所述多频表面等离子体共振天线由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括扇形环嵌套接收面和水平振子，扇形环嵌套接收面包括同心设置的内半圆和多个外扇形环，水平振子与内半圆在圆心处垂直连接；所述晶体管设置在两个天线单元的水平振子之间且垂直于天线单元所在的平面；所述晶体管的栅极与多频表面等离子体共振天线位于同一多晶硅层。