基于CMOS工艺的太赫兹微测辐射热计的制作方法

本发明涉及一种室温微测辐射热计。特别是涉及一种基于cmos工艺的太赫兹微测辐射热计。

背景技术：

太赫兹波为频段在0.1thz到10thz之间的一种电磁波，位于电磁频谱的红外光与微波之间，它有很多优越的特性，主要表现为具有较低的能量，穿透物体不易发生电离，对人体不造成伤害；许多化学物质经过太赫兹波辐射后，与太赫兹波发生共振，可筛选特殊化学物质；太赫兹成像具有很强的穿透能力，能穿透常见的包装材料，发现其中的危险物品等。太赫兹波的独特特性使其在安全检查、军事侦查等方面都有很大的发展潜力，太赫兹探测器作为太赫兹成像系统中的重要组成部分，也随之成为研究焦点。

根据探测原理的不同，室温太赫兹探测器主要分为电学探测器和热探测器，其中电学探测器主要包括光电导型探测器、高电子迁移率晶体管型探测器、肖特基二极管型探测器、场效应晶体管型探测器；光电导型探测器在太赫兹低频时灵敏度较高，但在高频段灵敏度较低，响应速度较慢；高电子迁移率晶体管探测器具有体积小，探测灵敏度高的优点，但其响应率低；场效应晶体管和肖特基二极管探测器这两种探测器都因为受到mos管截止频率的限制，导致只可探测较低波段的太赫兹波。热探测器主要包括热释电探测器、热电偶探测器、微测辐射热计等。热探测器通过测量入射波引起的热敏结构的温度变化，并输出相应的电信号来检测入射信号的能量，由于不受到晶体管截止频率的限制，可探测任意的太赫兹波段。其中热释电探测器与热电偶探测器具有高响应度、高灵敏度、宽光谱响应等优点，但无法与cmos工艺兼容，不适合量产；微测辐射热计成本低、探测频谱宽、与cmos工艺兼容，可以减少太赫兹成像系统的成本和体积，为整个系统实现室温探测、高集成度、小型化、规模化生产、价格低廉等提供了可能。与此同时，ptat电路由于具有电路较为成熟，结构完整，有较高的灵敏度和稳定性，且易与cmos工艺集成等优点，成为太赫兹微测辐射热计中的温度传感结构的首选。

然而目前基于标准cmos工艺的太赫兹热探测器的结构模型还不够完善，并且响应度较低，还需要进一步的改善和提高；同时传统的太赫兹热探测器只能验证有无太赫兹信号，不能精准的确定频率，无法实现太赫兹信号的精确测量，所以如何精确探测太赫兹信号亟待解决。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现28.3thz信号的精确测量的基于cmos工艺的太赫兹微测辐射热计。

本发明所采用的技术方案是：一种基于cmos工艺的太赫兹微测辐射热计，是采用0.18umbicmos工艺，在应用标准0.18umbicmos工艺制成的硅衬底上分别设置有宽带频率选择表面结构、窄带频率选择表面结构和ptat温度传感电路，其中，所述的宽带频率选择表面结构和窄带频率选择表面结构均是设置在metal4金属层，所述的宽带频率选择表面结构和窄带频率选择表面结构分别接收外部电磁波f，所述ptat温度传感电路输入端分别接收宽带频率选择表面结构和窄带频率选择表面结构所传递的信号，所述ptat温度传感电路的输出端构成微测辐射热计的输出端，所述宽带频率选择表面结构确定有无太赫兹信号，窄带频率选择表面结构确定信号的精确频率，实现28.3thz信号的准确探测。

所述宽带频率选择表面结构为多谐振缝隙型吸收结构，是由9个结构相同的多谐振缝隙单元按3×3阵列排布，每一个多谐振缝隙单元均包括有：形成在metal4金属层上的第一矩形主体，在所述第一矩形主体的轴线上开有第一缝隙，在第一缝隙的两侧分别开有一个第二缝隙，在每个第二缝隙远离第一缝隙的一侧分别开有第三缝隙，所述第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙相互平行。

所述第三缝隙的长度l3大于第二缝隙的长度l2，第二缝隙的长度l2大于第一缝隙的长度l1；所述第一缝隙的宽度w1与第三缝隙的宽度w3相等且小于第二缝隙的宽度w2；所述第一缝隙与第二缝隙之间的间距d小于第二缝隙与第三缝隙之间的间距d1。

所述的窄带频率选择表面结构为耶路撒冷十字缝隙型吸收结构，是由9个结构相同的耶路撒冷十字缝隙单元按3×3阵列排布，每一个耶路撒冷十字缝隙单元均包括有：形成在metal4金属层上的第二正方形主体，形成在第二正方形主体中部的十字形缝隙，分别与所述的十字形缝隙的四个伸出边相垂直的、形成在十字形缝隙的四个端头上的四个结构相同的末端缝隙。

所述十字形缝隙的长度为m，每个伸出边的宽度为w，所述末端缝隙的长度为p，宽度为q，其中，每个末端缝隙的宽度q小于且临近伸出边的宽度w，末端缝隙的长度p小于且临近二分之一十字形缝隙的长度m。

所述宽带频率选择表面结构和窄带频率选择表面结构的工作频率为28.3thz。

本发明的基于cmos工艺的太赫兹微测辐射热计，首次实现基于cmos工艺、工作频率为28.3thz、可以实现精确的太赫兹信号探测的微测辐射热计。同时利用两种不同结构的宽带和窄带频率选择表面接收特定频率的电磁波，其中宽带探测器确定有无太赫兹信号，窄带探测器确定信号精确的频率，而后将电磁能量转化为热量，再通过位于周期性吸收结构下方的新型ptat温度传感电路将热量转化为输出电信号，从而实现太赫兹信号的准确探测。

附图说明

图1是本发明基于cmos工艺的太赫兹微测辐射热计的构成框图；

图2是本发明中宽带频率选择表面结构的示意图；

图3是本发明中多谐振缝隙单元的示意图；

图4是本发明中窄带频率选择表面结构的示意图；

图5是本发明中耶路撒冷十字缝隙单元的示意图；

图6是本发明中ptat温度传感电路3的电路原理图；

图7是多谐振缝隙型吸收结构的s参数；

图8是多谐振缝隙型吸收结构的吸收率；

图9是耶路撒冷十字缝隙型吸收结构的s参数；

图10是耶路撒冷十字缝隙型吸收结构的吸收率。

图中

1：宽带频率选择表面结构2：窄带频率选择表面结构

3：ptat温度传感电路a：多谐振缝隙单元

b：耶路撒冷十字缝隙单元

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于cmos工艺的太赫兹微测辐射热计做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于cmos工艺的太赫兹微测辐射热计，是采用0.18umbicmos工艺，在应用标准0.18umbicmos工艺制成的硅衬底上分别设置有宽带频率选择表面结构1、窄带频率选择表面结构2和ptat温度传感电路3，其中，所述的宽带频率选择表面结构1和窄带频率选择表面结构2均是设置在metal4金属层，所述的宽带频率选择表面结构1和窄带频率选择表面结构2分别接收外部电磁波f，所述ptat温度传感电路3输入端分别接收宽带频率选择表面结构1和窄带频率选择表面结构2所传递的信号，所述ptat温度传感电路3的输出端构成微测辐射热计的输出端，所述宽带频率选择表面结构1确定有无太赫兹信号，窄带频率选择表面结构2确定信号的精确频率，实现28.3thz信号的准确探测。所述宽带频率选择表面结构1和窄带频率选择表面结构2的工作频率为28.3thz。

如图2所示，所述宽带频率选择表面结构1为多谐振缝隙型吸收结构，是由9个结构相同的多谐振缝隙单元a按3×3阵列排布，每一个多谐振缝隙单元a均包括有：形成在metal4金属层上的第一矩形主体11，在所述第一矩形主体11的轴线上开有第一缝隙12，在第一缝隙12的两侧分别开有一个第二缝隙13，在每个第二缝隙13远离第一缝隙12的一侧分别开有第三缝隙14，所述第一缝隙12、第二缝隙13和第三缝隙14相互平行。

所述第三缝隙14的长度l3大于第二缝隙13的长度l2，第二缝隙13的长度l2大于第一缝隙12的长度l1；所述第一缝隙12的宽度w1与第三缝隙14的宽度w3相等且小于第二缝隙13的宽度w2；所述第一缝隙12与第二缝隙13之间的间距d小于第二缝隙13与第三缝隙14之间的间距d1。

所述的窄带频率选择表面结构2为耶路撒冷十字缝隙型吸收结构，是由9个结构相同的耶路撒冷十字缝隙单元b按3×3阵列排布，每一个耶路撒冷十字缝隙单元b均包括有：形成在metal4金属层上的第二正方形主体21，形成在第二正方形主体21中部的十字形缝隙22，分别与所述的十字形缝隙22的四个伸出边23相垂直的、形成在十字形缝隙22的四个端头上的四个结构相同的末端缝隙24。

所述十字形缝隙22的长度为m，每个伸出边23的宽度为w，所述末端缝隙24的长度为p，宽度为q，其中，每个末端缝隙24的宽度q小于且临近伸出边23的宽度w，末端缝隙24的长度p小于且临近二分之一十字形缝隙22的长度m。

如图6所示，所述的ptat温度传感电路2包括：pmos晶体管m1、m2、m5和nmos晶体管m3、m4，晶体管尺寸相同且构成电流镜结构，所以流过bjt(双极结型晶体管)q0和q1的电流相同；且q1与q0的面积比为n(n取7)。

给出一具体实例如下：

本实例给出的基于0.18umbicmos工艺、工作频率为28.3thz、集成宽带、窄带频率选择表面吸收结构和ptat温度传感电路的室温太赫兹微测辐射热计：

1、包括宽带频率选择表面、窄带频率选择表面吸收结构和ptat温度传感器电路；

2、第一部分为宽带吸收结构的设计，具体方案为应用0.18umbicmos工艺的材料属性和尺寸参数，在hfss软件中对宽带频率选择表面进行设计和建模，提出一种多谐振缝隙型频率选择表面结构，如图2、图3所示，应用工艺中的metal4金属层设计多谐振缝隙型吸收结构，metal3金属层作为反射板结构。单元吸收结构的四周设置为周期性边界条件，即设置两组主从边界条件；吸收结构上方设置floquet端口作为激励端口并查看端口的反射情况，下方的floquet端口的设置相同并查看吸收结构的透射情况；模型中心频率设为28.3thz。仿真和优化单元结构中的参数使得吸收结构在28.3thz附近发生谐振，并具有较好的太赫兹吸收，同时满足工艺设计规则。本实例中：吸收结构的长度l取6.27um，宽度w取6.27um，中心最短的缝隙长度l1取2.8um，宽度w1取0.46um，两侧较短的缝隙长度l2取3.85um，宽度w2取0.53um，较长的缝隙长度l3取5.65um，宽度w3取0.46um，缝隙间的间距d、d1分别取0.44um、0.62um时，吸收结构的s11<-10db对应的带宽为26thz-28.6thz，在该频段内，吸收率均大于90％，如图7、图8所示。

3、第二部分为窄带吸收结构的设计，提出一种中心对称的耶路撒冷十字缝隙型频率选择表面结构，如图4、图5所示，hfss建模和设置与上述多谐振缝隙型频率选择表面结构相类似，优化后的窄带吸收结构的边长d取7.55um，十字形结构的长度m取4.79um，宽度w取1um，四个与十字形吸收结构垂直的末端结构的长度p取2.36um，宽度q取0.92um时，吸收结构在28.3thz频点附近发生谐振，s11<-10db对应的带宽为28.25thz-28.4thz，在该频段内，吸收率均大于90％，如图9、图10所示。

3、第三部分为ptat温度传感器电路的设计，具体方案为在cadence软件中搭建ptat电路原理图，如图6所示，包括：pmos晶体管m1、m2、m5和nmos晶体管m3、m4，晶体管尺寸相同且构成电流镜结构，所以流过bjt(双极结型晶体管)q0和q1的电流相同；且q1与q0的面积比为n(n取7)。应用0.18umbicmos工艺(55nmcmos工艺)的有源区设计和搭建ptat电路，通过三个pad分别接入1.8v直流电压源、接地和测量输出电信号。优化电路结构及组成元件参数，提高电路的电压温度转换效率、降低电路的噪声功率谱密度，最终得到的ptat电路的电压温度转化效率为3.8mv/k。

4、绘制并优化吸收结构和ptat温度传感电路两部分的版图布局，并将两部分结构进行合理、有效的结合，确保版图满足cmos工艺加工要求，同时优化探测器的整体版图布局，实现紧凑、合理的探测器版图。