近場太赫茲成像器的制造方法
【專利摘要】本公開涉及近場太赫茲成像器。本公開涉及一種高頻成像器，包括像素矩陣，每個像素包括高頻振蕩器；在距所述成像器小于所述成像器的操作波長的距離處的傳輸線，所述傳輸線的第一端耦合到所述振蕩器；以及耦合到所述傳輸線第二端的讀取電路。
【專利說明】
近場太赫茲成像器
技術領域
[0001]本公開涉及由像素矩陣形成的高頻成像器，例如，太赫茲成像器。
【背景技術】
[0002]太赫茲成像器是適配于基于太赫茲波(即，具有例如在0.3到3THz之間的頻率的波)來捕獲場景的圖像的設備。諸如在
【申請人】的美國專利申請公開第2014/070103號中所公開的常規(guī)成像器包括用于照射待成像場景的太赫茲波發(fā)射器和從該場景接收太赫茲波的由像素矩陣構成的傳感器。太赫茲成像器被用于大量應用中，其中希望看穿場景的一些材料。實際上，太赫茲波穿透大量介電材料和非極性液體、被水吸收、并且?guī)缀跬耆唤饘俜瓷?。太赫茲成像器尤其被用于機場中的安全掃描儀，用于看穿人的衣物或行李，從而例如檢測金屬物體。
[0003]圖1是美國專利申請公開第2014/070103號的圖1的復制件。傳感器I包括適配于捕獲太赫茲波的像素5的矩陣3。行解碼器7接收行選擇信號9，該行選擇信號指示要讀取哪一行并向矩陣3的行提供對應的控制信號11。像素矩陣3為矩陣的每列提供輸出信號
13。輸出信號13被耦合到選擇并控制每列的輸出塊15。列的讀取由被耦合到輸出塊15的列解碼器17控制，并且在該示例中，列被一個接一個地讀取。輸出塊15提供表示所選的行和列的像素5的值的輸出信號19。輸出信號19被放大并耦合到模擬到數(shù)字轉換器21。
[0004]為了分析接收到的信號，該信號與由振蕩器23提供的參考太赫茲信號組合。振蕩器23被布置在矩陣3的外部并向傳感器I的大量像素或全部像素提供相同的太赫茲信號。該振蕩器23優(yōu)選地與太赫茲發(fā)射器(未示出)耦合以照射要被分析的場景。
[0005]圖2是美國專利申請公開第2014/070103號的圖3的復制件，并且圖示了傳感器I的一個像素5的示例。在該示例中，像素5包括由兩個N-MOS晶體管29形成的檢測天線25和檢測電路27，晶體管的柵極被偏置處于電勢Vgate。天線被耦合到圖1所示的振蕩器23和檢測電路27。檢測電路27的輸出被耦合到行和列選擇電路31。選擇電路31通過由傳感器I的行解碼器7提供的信號Rsa并且通過由傳感器I的列解碼器17提供的信號CI控制。表示像素5的值的模擬輸出信號19能夠在耦合到傳感器I的轉換器21 (圖1)的節(jié)點C0L.處獲得。
[0006]圖3是美國專利申請公開第2014/070103號的圖5的復制件，表示了太赫茲成像器的頻率振蕩電路33的示例。電路33包括由奇數(shù)N個反相器構成的環(huán)形振蕩器，N在該示例中為三個。每個反相器包括NMOS晶體管35，NMOS晶體管35的漏極被耦合到節(jié)點37，并且NMOS晶體管35的源極被耦合到接地。每個節(jié)點37穿過電感器39被耦合到下一晶體管35的柵極，電感器39具有相同的電感值。每個節(jié)點37經過電感器43而被進一步耦合到相加節(jié)點41，全部電感器43具有相同的電感值。相加節(jié)點41經由電感器47被親合到DC電壓源45，并且經由電感器51被耦合到發(fā)射器33的輸出節(jié)點49。如圖所示，輸出節(jié)點49例如可以通過電阻器53而被接地。
[0007]在操作中，由環(huán)形振蕩器生成的信號具有頻率F的基波正弦分量和其中之一具有頻率N*F的諧波正弦分量。每個電感器43的值被選擇以實現(xiàn)中心頻率為N*F的帶通濾波器，并且具有等于N*F的頻率4。的輸出信號能夠在被耦合到太赫茲發(fā)射天線的發(fā)射器33的輸出節(jié)點49處獲得。
[0008]圖4是美國專利申請公開第2014/070103號的圖8的部分復制件，其示意性地圖示了如結合圖3所公開的頻率振蕩電路33的示例實施方式，但是具有5個反相器而不是3個反相器。在該不例中，每個電感器39、43、51被實施為傳輸線。
[0009]結合圖1至圖4公開的太赫茲成像器是被提供用于看穿大宗物體的一些材料的遠場成像器，在距物體的遠距離處觀察，物體具有大于1cm的尺寸，優(yōu)選大于I米。利用遠場成像器得到的圖像的分辨率最佳為大約成像器的操作波長，即，在300GHz頻率下為1_并且在3THz頻率下為0.lnm。為了提高遠場成像器的空間分辨率，可以增加成像器的操作頻率。然而，這引起了各種問題。因此，遠場太赫茲成像器并不適配于獲得具有十分之幾微米數(shù)量級分辨率的圖像。
[0010]近場太赫茲成像器提供要分析的物體的具有十分之幾微米數(shù)量級分辨率的圖像。然而，特別是由于這些成像器使用諸如相干同步加速輻射之類的太赫茲發(fā)射源以及諸如橢圓鏡之類的光學系統(tǒng)，使得這些成像器實施起來很復雜。Shade等人于2005年發(fā)表在 Ultrafast Phenomena in Semiconductors and Nanostructure Materials IX, 46中的文章 “THz near-field imaging of b1logical tissues employing synchrotronradiat1n”中公開了這樣的近場成像器的示例。
[0011]因此，將期望提供盡可能簡單的近場太赫茲成像器且該近場太赫茲成像器提供具有十分之幾微米數(shù)量級的分辨率的圖像。

【發(fā)明內容】

[0012]因此，實施例提供了包括像素矩陣的高頻成像器，每個像素包括:高頻振蕩器；定位在距該成像器的激活(active)表面小于振蕩器的操作波長的距離處的傳輸線，傳輸線的第一端耦合到振蕩器；以及耦合到傳輸線的第二端的讀取電路。
[0013]根據實施例，每個像素的讀取電路提供表示傳輸線的阻抗的信號。
[0014]根據實施例，每個像素的振蕩器包括第二傳輸線。
[0015]根據實施例，適配于阻止高頻波傳播的層至少覆蓋第二傳輸線。
[0016]根據實施例，像素的讀取電路提供表示像素的振蕩器的頻率的信號。
[0017]根據實施例，傳輸線是微帶類型的。
[0018]根據實施例，成像器被適配于以選自0.3至3THz范圍內的頻率操作。
【附圖說明】
[0019]本公開的前述和其他特征、方面和優(yōu)點將通過參考附圖并通過說明性而非限定性的方式給出的、下面對實施例的詳細描述而變得顯而易見。
[0020]圖1 (如上所述)是美國專利申請公開第2014/070103號的圖1的復制件，其示意性表示了太赫茲成像器傳感器的示例；
[0021]圖2(如上所述)是美國專利申請公開第2014/070103號的圖3的復制件，其示意性圖示了圖1的傳感器的像素的示例；
[0022]圖3(如上所述)是美國專利申請公開第2014/070103號的圖5的復制件，其示意性圖示了太赫茲頻率振蕩器電路的示例；
[0023]圖4(如上所述)是美國專利申請公開第2014/070103號的圖8的復制件，其示例性表示了圖3的電路的實施方式的示例；
[0024]圖5是表示了根據本公開的實施例的太赫茲成像器的像素的一部分的示意性平面圖；
[0025]圖6是圖5的平面AA的截面圖并且表示了成像器的傳輸線；以及
[0026]圖7是圖5的平面BB的截面圖并且表示了成像器的被屏蔽的傳輸線。
【具體實施方式】
[0027]在各種附圖中，相同的元素由相同的附圖標記指代，并且附加地，附圖不是按比例繪制。在下面描述中，術語“在…之上”和“比…高”在相應的附圖中指代相關元素的定向。除非特別指出，否則，表述“大約”和“以…的數(shù)量級”表示在所述值的10 %以內，或優(yōu)選地在5%以內。
[0028]圖5是太赫茲成像器的實施例的示意性頂視圖，在該圖中僅示出了該成像器的一部分。成像器包括像素63的矩陣61，在圖5中示出矩陣61的列的3個像素。每個像素包括振蕩器(例如，如結合圖3和圖4公開的)、讀取電路65和傳輸線67。傳輸線67的一端耦合到振蕩器33的節(jié)點41，且另一端耦合到讀取電路65。每個像素的讀取電路適配于提供表示線67的阻抗值的信號。每個像素的讀取電路耦合到由線解碼器和列解碼器(未示出)控制的線和列選擇電路(未示出)。在該實施例中，每個像素63的振蕩器33和(在一些實施例中)檢測電路65由屏蔽層71(例如，金屬層)屏蔽，阻止了高頻波的傳播。
[0029]在操作中，每個像素的振蕩器33由例如通過像素的檢測電路65耦合到傳輸線67的DC電壓源偏置。因此，振蕩器33向傳輸線67提供具有頻率f和波長λ的太赫茲信號。
[0030]圖6和圖7分別是圖5的平面AA中的截面圖和圖5的平面BB中的截面圖。
[0031]圖6示出圖5的成像器的三個像素63的三個傳輸線67。傳輸線67形成在掩埋在位于半導體支撐物75上的絕緣層73中的金屬化層中。每個傳輸線包括形成接地平面的導電帶79之上的微帶77。每個傳輸線67的微帶77由具有小于λ且優(yōu)選小于0.1 λ的厚度的絕緣層覆蓋，其中λ是耦合到傳輸線的振蕩器的信號的波長。
[0032]要被分析的物體81被布置在抵靠成像器的像素矩陣的頂面或激活面。物體可以包括具有不同介電常數(shù)并且呈現(xiàn)非均質的有效介電常數(shù)的多種材料。
[0033]如由圖6的右手邊像素的虛線所示，當頻率f和波長λ的太赫茲信號被施加到傳輸線67時，太赫茲場從微帶77向接地平面79輻射，并且場的一部分泄露到成像器元件之夕卜。這些太赫茲場穿透要分析的物體81的表面層。術語“分析深度”指代這些太赫茲波穿透的物體的表面層的厚度。分析深度具有若干波長λ的數(shù)量級，例如，在3 λ范圍內，SP，在頻率f等于3THz的情況下，是0.1mm到0.3mm,且在頻率f等于300GHz的情況下，是Imm到 3mm ο
[0034]傳輸線67的阻抗取決于成像器元件的有效介電常數(shù)和位于該傳輸線之上的物體81的材料的有效介電常數(shù)，因此對于布置在圖6中右側的(被定位在非均質83之下的)兩個像素和對于布置在圖6的左側的像素將是不同的。因此，從成像器的像素的輸出信號集合中獲得物體81的頂層的材料的介電常數(shù)的圖像。成像器的分辨率因此對應于其像素的尺寸。例如，在具有5個反相器的振蕩器33以600GHz提供信號的情況下，每個像素可以具有20至50 μm的橫向尺寸。
[0035]上面公開的像素的特性在于，每個像素的傳輸線67用作用于照射要被分析的物體的一部分的太赫茲波的發(fā)射器，并且也被用作用于捕獲與該部分的有效介電常數(shù)相關聯(lián)的信號的檢測器。
[0036]作為示例，半導體支撐物75是塊狀硅襯底或SOI類型(“絕緣體上硅”)襯底，成像器的電子部件(特別是像素的晶體管)在其中形成。該支撐物由在半導體支撐物中形成的電子部件的互連結構的金屬化層覆蓋。傳輸線67的微帶77和接地平面79形成在這些金屬化層中。
[0037]在示例應用中，由圖5的成像器分析的物體81是人的皮膚，這種情況下人們希望定位癌細胞。例如，如果癌細胞比健康細胞包含更多的水份，則它們的介電常數(shù)與健康細胞的介電常數(shù)是不同的，并且可以檢測并定位介電常數(shù)的這種非均質性。
[0038]在另一示例中，要被分析物體是液體，例如血液，這種情況下人們希望知道具有不同于液體的介電常數(shù)的懸浮固體元素的濃度和/或運動。
[0039]圖7是圖5的平面BB中的截面圖，并且示出了被屏蔽的傳輸線，例如，傳輸線39。傳輸線39和屏蔽層71形成在金屬化層中。屏蔽層71的存在意味著傳輸線的功能并不取決于要被分析物體的表面層的材料。
[0040]在一個變形例中，傳輸線39和43是沒有被屏蔽的。因此，每個像素的傳輸線39、43的阻抗取決于由該像素看到的物體，并且振蕩器的頻率f因此變化?？梢詼y量頻率f和/或成像器的像素的變化的輸出電壓或電流以重構要被分析的物體的表面層的材料的圖像。實際上，可以修改傳輸線和振蕩器的設計以對特定介電常數(shù)范圍或對寬帶敏感。
[0041]已經公開了特定實施例。將對本領域技術人員呈現(xiàn)出變形和修改。特別地，可以使用與上述公開的傳輸線不同的傳輸線，例如，共面?zhèn)鬏斁€。
[0042]包含在每個像素中的振蕩器可以由任意其他振蕩器代替，例如，在Y.M.Tousi 等人發(fā)表在 Solid-state Circuits Conference Digest of TechnicalPapers (ISSCC)，2012IEEE Internat1nal,第 258-260 頁中的文章“A 283-to_296GHz VCOwith 0.76mff Peak Output Power in 65nm CMOS” 中所公開的。
[0043]實際上，成像器的像素63不是被同時讀取的。例如，像素被逐一順序讀取。因此，例如可以通過不將沒有正在被讀取的像素的振蕩器偏置的方式來將這些像素關閉。
[0044]在一些實施例中，成像器矩陣61在多個分析深度處分析表面層。例如，一些像素63組的傳輸線由比其他像素組的傳輸線更厚的絕緣層覆蓋。附加地或備選地，一些像素組的振蕩器在與其他像素組的振蕩器的頻率不同的頻率下操作。
[0045]雖然上面已經公開了太赫茲成像器，但應當注意到說明書適用于任意近場高頻成像器，其中高頻表示1GHz或更高的頻率。
[0046]已經公開了各種實施例和變化。本領域技術人員應當清楚，各種實施例中的各種元素可以在沒有獨創(chuàng)性的情況下以任意組合方式進行組合。
[0047]可以將上述各種實施例組合來提供另外的實施例。在本說明書中引用的和/或在申請資料表中列出的美國專利、美國專利申請公開、美國專利申請、國外專利、國外專利申請和非專利出版物被以參考的方式整體并入本文。如果需要，可以修改實施例的方面以采用各種專利、申請和公開的概念來提供另外的實施例。
[0048] 可以鑒于上述詳細描述來對實施例做出這些和其他改變。通常，在隨附的權利要求書中，使用的術語不應當被解釋為將權利要求書限定到本說明書和權利要求書中公開的特定的實施例，而是應當被解釋為包括所有可能的實施例，連同該權利要求書被賦予到的等同方案的全部范圍。因此，權利要求書并不由本公開所限定。
【主權項】
1.一種高頻成像器，包括: 像素矩陣，每個像素包括: 尚頻振蕩器； 傳輸線，被定位在距所述成像器的激活表面的如下距離處，該距離小于所述振蕩器的操作波長，所述傳輸線的第一端耦合到所述振蕩器；以及讀取電路，耦合到所述傳輸線的第二端。2.根據權利要求1所述的成像器，其中每個像素的所述讀取電路提供表示所述傳輸線的阻抗的信號。3.根據權利要求1所述的成像器，其中每個像素的所述振蕩器包括第二傳輸線。4.根據權利要求3所述的成像器，其中適配于阻止高頻波的傳播的層至少覆蓋所述第二傳輸線。5.根據權利要求3所述的成像器，其中像素的所述讀取電路提供表示所述像素的所述振蕩器的頻率的信號。6.根據權利要求1所述的成像器，其中所述傳輸線是微帶類型的。7.根據權利要求1所述的成像器，適配于以選自0.3至3THz的范圍內的頻率操作。8.一種成像電路，包括: 半導體支撐物； 絕緣層，形成在所述半導體支撐物上，所述絕緣層具有激活表面； 像素矩陣，形成在所述半導體支撐物和所述絕緣層中，所述像素矩陣包括多個像素，每個像素包括， 振蕩器電路，具有操作波長； 讀取電路；以及 第一傳輸線，耦合在所述振蕩器電路和所述讀取電路之間，所述第一傳輸線形成在所述絕緣層中、距所述激活表面的如下距離處，該距離小于所述振蕩器電路的所述操作波長。9.根據權利要求8所述的成像電路，其中每個像素的所述第一傳輸線包括共面?zhèn)鬏斁€。10.根據權利要求8所述的成像電路，其中每個像素的所述第一傳輸線包括微帶傳輸線，所述微帶傳輸線包括微帶部分和導電帶部分，所述微帶部分形成在所述絕緣層中、在距所述激活表面所述距離處，并且所述導電帶部分形成在所述半導體支撐物的表面上。11.根據權利要求10所述的成像電路，其中每個像素的所述振蕩器電路包括多個第二傳輸線。12.根據權利要求11所述的成像電路，其中所述多個第二傳輸線中的每個第二傳輸線包括形成在所述絕緣層中的微帶傳輸。13.根據權利要求12所述的成像電路，其中所述多個第二傳輸線中的每個第二傳輸線還包括形成在所述絕緣層的所述激活表面上的屏蔽層。14.根據權利要求13所述的成像電路，其中所述屏蔽層形成所述激活表面上、在所述振蕩器電路之上并且在所述讀取電路之上但沒有覆蓋所述第一傳輸線。15.根據權利要求14所述的成像電路，其中所述第二傳輸線中的每個第二傳輸線形成所述振蕩器電路的電感部件。16.根據權利要求15所述的成像電路，其中每個振蕩器電路包括包含N個反相器的環(huán)形振蕩器電路，N為奇整數(shù)，并且其中所述第二傳輸線與所述N個反相器互連。17.根據權利要求8所述的成像電路，其中所述半導體支撐物包括塊狀硅襯底和絕緣體上硅襯底中的一種。18.—種方法，包括: 生成多個電磁信號； 將所述多個電磁信號中的每個電磁信號施加到傳輸線陣列中對應的傳輸線； 針對所述陣列中的每個傳輸線生成輸出信號，每個傳輸線的所述輸出信號具有取決于所述傳輸線的阻抗的值，其中所述阻抗隨所述傳輸線的有效介電常數(shù)變化，所述有效介電常數(shù)基于被定位成鄰近所述傳輸線的物體的特性。19.根據權利要求18所述的方法，其中生成的所述多個電磁信號中的每個電磁信號的頻率取決于被定位成鄰近對應的所述傳輸線的所述物體的所述特性。20.根據權利要求19所述的方法，其中所述物體的所述特性包括所述物體的至少一個介電常數(shù)。
【文檔編號】H04N5/335GK106067950SQ201510813139
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年11月20日 公開號201510813139.2, CN 106067950 A, CN 106067950A, CN 201510813139, CN-A-106067950, CN106067950 A, CN106067950A, CN201510813139, CN201510813139.2
【發(fā)明人】H·謝里
【申請人】意法半導體有限公司