六氮五铌微测热辐射计太赫兹阵列探测芯片研究

太赫兹技术在安检成像等领域具有重要的应用前景,然而当前太赫兹技术应用面临高灵敏度太赫兹探测器缺乏的困难,因此开发检测灵敏度高、响应速度快、可室温工作、便于集成超大规模阵列的探测芯片具有重要科学意义和实际应用价值。太赫兹波段的微测热辐射计(microbolometer)阵列芯片和红外相机读出电路兼容,是最先实现太赫兹相机的芯片,成为研制太赫兹相机的主流。我们研制的Nb_5N_6 microbolometer阵列器件,由于可常温工作、工艺简单、检测灵敏度高、响应速度快、便于集成超大规模阵列,受到了国际科学界和工业界的关注。就Nb_5N_6 microbolometer太赫兹阵列探测芯片在设计制备过程中遇到的一些关键技术问题,如衬底干涉效应、高效耦合结构设计、低噪声读出电路设计、及焦平面阵列与读出电路的封装集成等,进行介绍和总结,为大规模太赫兹阵列探测芯片的设计与制备提供参考。     

太赫兹肖特基二极管噪声电压的理论研究

在太赫兹焦平面成像等系统中,GaAs肖特基二极管作为太赫兹检测的核心器件,其噪声特性直接影响太赫兹探测系统的灵敏度。讨论了GaAs肖特基二极管在不同直流偏压下加载给负载的热噪声电压、散粒噪声电压、总噪声电压,并给出了相应的解析解。同时,建模模拟了太赫兹混频前端,并利用谐波平衡法对理论公式进行了对比验证。对太赫兹像元与阵列芯片的噪声机理以及提高芯片的噪声性能研究,改善芯片噪声特性,从而提高太赫兹焦平面成像系统灵敏度具有重要意义和作用。     

一种基于CMOS的高集成度太赫兹近场传感器

为了解决太赫兹波段近场传感器分辨率低和成本高的问题,提出了一种高图像分辨率、高集成度的传感器设计方案.该330 GHz传感器基于55 nm互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor,CMOS）工艺仿真实现,由330~336 GHz调谐范围的单端输出环形振荡器、宽带谐振器和功率探测器在单一硅片下集成.仿真结果表明,环形振荡器在偏置电压为2 V时达到峰值输出功率0.9 dBm@330 GHz,即1.23 mW.根据振荡器调谐范围,设计了一个宽带谐振器用于对待测物进行近场感测,通过放置不同介电常数的物体于其顶端表面,再通过探测器读出输出电压,与未放置物体时探测器的输出电压的差值即为该传感器的响应.此单片集成的传感器可以在单片上实现太赫兹照明、探测、传感以及成像功能,在未来太赫兹近场成像领域有较强的应用潜力.     

采用CMOS太赫兹波探测器的成像系统

太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求，设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器（ADC）、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管，探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器（ADC）采集并转换为数字信号，该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板（PCB）上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术，并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。     

基于肖特基二极管的太赫兹准光探测器设计方法与成像性能研究

设计了一款太赫兹准光探测器, 该探测器主要由砷化镓肖特基二极管芯片以及高阻硅透镜组成.为了减小所设计芯片的欧姆损耗, 将天线图案生长在了半绝缘砷化镓层上.在335～350GHz频率范围内, 准光探测器的实测电压响应率为1360～1650V/W, 双边带变频损耗为10.6～12.5dB.对应估算的等效噪声功率为1.65～2pW/Hz1/2.基于所设计的准光探测器进行了成像实验, 该实验分别在直接检波和外差探测两种模式间进行, 成像结果表明所设计的太赫兹准光探测器能够满足太赫兹成像方面应用.     

一种被动式焦平面太赫兹成像系统设计及仿真

为解决现有传统人体安检的弊端,采用太赫兹波成像系统设计方法,设计了一种远距离高分辨的被动式焦平面太赫兹成像系统.系统由太赫兹探测器、准光系统、扫描结构组成,工作频率为110 GHz,物距为6 m,视场大小为2.0 m×0.8 m,分辨力为2.5 cm.在GRASP软件上仿真并通过实验验证,该系统可以实现乘客在无接触、不...     

室温微测辐射热计太赫兹探测阵列技术研究进展(特邀)

在室温太赫兹探测技术领域中,热敏微桥结构的太赫兹探测器具有探测波段宽、阵列规模大、集成度高、实时成像等显著特点。文中对室温太赫兹探测技术、基于热敏材料的太赫兹探测技术国内外发展现状进行了综述,分析了基于氧化钒薄膜微桥结构的非制冷长波红外焦平面探测技术,存在着太赫兹波低吸收探测性能弱的不足,针对太赫兹波探测进行优化设计,同时介绍了电子科技大学在太赫兹探测阵列吸收结构方面的部分研究工作。     

THz主动焦平面成像系统的MRC匹配滤波器模型

太赫兹焦平面成像技术具有成像分辨率高、时间周期短、系统简单,体积小等诸多优点,在安检和工业检测等领域具有广泛的应用前景。由于目前太赫兹焦平面器件灵敏度尚低,大多只能采用主动成像模式,且目前尚没有较公认可测试的THz主动成像系统性性能评价参数及其模型,难以为其系统设计提供理论基础和方法指导。本文结合太赫兹射源及焦平面探测器特性,同时考虑目标-背景特性、大气衰减及器件衰减等影响,研究建立了太赫兹主动成像系统的最小可分辨对比度匹配滤波器模型。并结合文献示例以及实际太赫兹焦平面主动成像系统的测试结果,验证了最小可分辨对比度模型。结果表明：实验测量值和计算值基本一致,误差在合理范围之内,从而表明了本文模型的有效性。     

768×576的红外扫描成像电路设计

文中设计了768×576的红外扫描成像电路,其探测器焦平面阵列为576×6元。成像电路为红外扫描焦平面阵列提供直流偏置电压、积分信号和时钟信号,对探测器的输出进行8路数据采集与排序,然后将排序结果输出给上位机。其主要功能由FPGA和DSP完成,达到了系统结构简化及性能优化的目的。结果表明,该系统工作正常,能够满足使用要求。     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

设计加工了一种太赫兹超材料微流体传感器件,利用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）对其在太赫兹波段的传输、谐振及传感特性进行数值模拟。采用太赫兹时域光谱系统实验研究了偏振方向对传感器灵敏度的影响。实验结果表明,当超材料谐振环开口方向与入射太赫兹波的偏振方向平行和垂直时,折射率传感灵敏度可分别达到39.29 GHz/RIU和74.43 GHz/RIU。通过等效电路模型对该超材料器件的传输和谐振特性做了分析,并进一步明确了其传感机制。该超材料器件可对微量液体（5 l/mm2）实现芯片式的折射率传感,具有较高的传感灵敏度,在化学生物传感器的设计和制造领域具有潜在的应用前景。     

圆周阵列太赫兹干涉成像仿真

太赫兹干涉成像原理简单,需要的探测单元少,数据获取效率高,在太赫兹成像应用中有很大发展潜力。研究了太赫兹干涉成像的原理,并设计了用于仿真成像的原理性方案。通过仿真实验分析了成像频率、圆周阵列半径、阵元数目对成像质量的影响以及成像系统的频率带宽。结果表明:在其他条件不变的情况下,成像频率越高,可有效成像要求的阵列半径越小;增加阵元数目可提高成像质量,但增加到一定数量后,提高不明显;均匀圆形阵列的有效成像带宽较宽。仿真结果所得到的结论为太赫兹干涉成像系统设计和实际应用提供了理论依据和技术支持。     

太赫兹共振隧穿二极管探测器研究进展及应用

太赫兹波独特的性质使其在物理学、生物学、医疗诊断、无损检测、无线通信等领域有着广阔的应用前景。共振隧穿二极管(RTD)是一种基于量子隧穿效应的半导体器件,利用其负微分电阻和直流非线性特性,可以分别实现太赫兹波的产生和探测,近年来获得越来越多的关注。基于RTD的太赫兹探测器具有可室温工作、体积小、易集成、灵敏度高等特点,使其在未来短距离、超高速的太赫兹无线通信及万物互联等场景具备优势。本文将重点介绍太赫兹RTD探测器的研究进展及其应用进展,并对后续技术发展进行展望。     

太赫兹单像素计算成像原理及其应用(特邀)

太赫兹成像技术具有透视性、安全性以及光谱分辨能力等独特优点,有着广泛的应用前景。由于太赫兹面阵探测器的技术成熟度低、价格昂贵,太赫兹成像技术在较长时间内以单点扫描方案为主,存在系统复杂、成像耗时长等问题。近年来,基于计算成像算法的太赫兹单像素成像技术发展迅速,成为了获取太赫兹图像的重要途径之一。文章综述了太赫兹单像素计算成像技术的基本原理、技术实现手段和应用前景,总结了现存的一些关键问题,并展望了一些今后可能的发展方向。     

Terahertz Transmission Imaging with 2.52 THz Continuous Wave

In this article, two terahertz transmission imaging systems are built with a 2.52 THz continuous wave laser and two types of sensors. One is array scanning system using a 124×124 pyro-electric array camera as the detector; the other is a point-wise scanning system utilizing a Golay cell as the detector. The imaging speed and quality is briefly analyzed. Terahertz （THz） imaging results demonstrate that the array scanning system has higher imaging speed with lower resolution. The point-wise scanning system has higher imaging quality with lower speed.     

红外焦平面读出电路成像重影问题的分析

随着红外焦平面探测器广泛的应用,在实际成像中会出现一些新的问题。本文针对某款256×256规格的探测器成像出现重影问题,制定了相应的读出电路成像测试分析方案。从读出电路通道、主时钟频率、目标信号强度等方面全面分析该问题与读出电路的关系,并定位了重影问题的原因。     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

基于面阵式探测器连续太赫兹波三维层析成像

太赫兹波层析成像技术是利用太赫兹波的穿透性对样品进行旋转投影数据采集,通过层析重建算法获得样品的二维横截面图,并实现样品的三维内部结构图的重构。本文介绍了基于面阵式探测器连续太赫兹波层析成像系统。该成像系统的优势在于利用了面阵式探测器记录二维投影数据,相比扫描层析成像系统,提高了投影采集速率。为了获得高精确度的二维投影数据,利用角谱衍射传播算法将二维投影图传播至样品后表面,实现抑制太赫兹波在物体外部衍射效应,最终利用滤波反投影算法重建出高保真的样品三维内部结构图,并进一步探索了基于面阵式探测器的连续太赫兹波层析成像技术在无损检测和安全检测上的可行性。     

太赫兹雷达技术

太赫兹雷达具有带宽大、分辨率高、多普勒敏感、抗干扰等独特优势,是目标探测领域的重要发展方向。该文首先回顾和介绍了电子学和光学太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展,其次对太赫兹雷达目标特性从机理、计算、测量3个方面进行了梳理和概要介绍,同时阐述了太赫兹ISAR、SAR、阵列和孔径编码成像研究状况,简要介绍了太赫兹雷达在预警探测、安检反恐等领域的应用,最后对太赫兹雷达技术的发展方向进行了展望。      

新型量子光电探测器读出与显示

对一种响应近红外的新型量子光电探测器特性进行测试和分析,给出了2×8探测器阵列和读出电路的对接测试结果,设计初步的成像系统采集显示焦平面输出。探测器有一个-0.8V的阈值电压,偏压大于阈值电压后器件响应率远大于1A/W,且响应率随光照功率增大减小。2×8探测器阵列与设计的读出电路通过Si基板对接后在77K条件测试,读出电路的线性度好于99.5%,信噪比达到67dB,探测器偏压为-1.5V,积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求。设计了数据采集卡和成像系统验证了对接样品的实用性。