太赫兹光谱芯片的制作方法

本发明涉及太赫兹波探测技术领域，尤其涉及一种太赫兹光谱芯片。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1thz～10thz范围内的电磁波，其波段位于毫米波和红外光之间。太赫兹波具有许多独特的性质，在安全检查、生物医学成像、质量监控及无损探测等领域具有巨大的应用前景，目前基于热感应的探测器虽然探测带宽很宽，但是噪声影响较大，响应速度较慢，探测器昂贵且笨重，并且需要外部设备进行读出，系统较为复杂，基于单频点天线的太赫兹探测器由于天线的探测带宽较窄不能进行宽带宽检测。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提出了一种太赫兹光谱芯片以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种太赫兹光谱芯片，其包括：

多个探测单元，用于探测并接收太赫兹波信号，且至少部分探测单元之间接收的太赫兹波信号的频段不同；

数字控制模块，用于选中需要响应的探测单元；

读出电路，用于将所述探测单元的模拟输出信号转换为数字信号。

在进一步的实施方案中，所述探测单元包括：片上天线，用于接收太赫兹波信号，且至少部分所述探测单元的天线的中心频点不同。

在进一步的实施方案中，所述的太赫兹光谱芯片，所述探测单元还包括：场效应晶体管，包括源极、栅极和漏极，其中，所述场效应晶体管的源极用于输入所述片上天线接收到的太赫兹波信号，且在所述片上天线与所述场效应晶体管的源极之间设置有一匹配网络；所述场效应晶体管的栅极上配置为加载一偏置电压，用于为场效应晶体管提供偏置电压；所述场效应晶体管的漏极用于输出信号。

在进一步的实施方案中，所述探测单元还包括行选择管，用于选中处在光谱芯片中的同一行探测单元；列选择管，用于选通处在光谱芯片中的同一列探测单元的输出列总线。

在进一步的实施方案中，所述片上天线为贴片天线、蝶形天线、环形天线或偶极子天线。

在进一步的实施方案中，所述数字控制模块用于选中需要响应的探测单元，为依次选中低频到高频响应的探测单元。

在进一步的实施方案中，所述读出电路包括放大器，与所述探测单元相连接；模数转换器，与所述放大器相连接。。

在进一步的实施方案中，所述放大器为斩波放大器；所述模数转换器为过采样型模数转换器。

在进一步的实施方案中，所述行选择管和列选择管由n型场效应晶体管构成。

(三)有益效果

本发明太赫兹光谱芯片具有以下有益效果：

(1)本发明提供的太赫兹光谱芯片通过将不同响应频段的具有片上天线的探测单元集成在同一cmos硅片上，通过数字逻辑控制模块依次选择不同频点的天线可实现超宽带宽探测；

(2)本发明提供的太赫兹光谱芯片通过使用天线作为光谱检测能有效减小环境噪声的干扰；

(3)本发明提供的太赫兹光谱芯片，体积较小，系统简单，价格低廉。

附图说明

图1为本发明实施例太赫兹光谱芯片整体结构示意图；

图2为本发明实施例太赫兹光谱芯片750ghz到1030ghz的带宽中三个探测单元示意图；

图3为本发明实施例太赫兹光谱芯片750ghz到1030ghz的带宽探测工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

根据本发明的一个实施例，提供一种太赫兹光谱芯片，所述芯片包括：

多个探测单元，用于探测并接收太赫兹波信号，且至少部分探测单元之间接收的太赫兹波信号的频段不同；数字控制模块，用于选中需要响应的探测单元；读出电路，用于将所述探测单元的模拟输出信号转换为数字信号。

其中，探测单元的个数可以根据需要探测的频谱范围变化，每个探测单元探测和接收的太赫兹波信号频段可以相同或不同，但是至少部分探测单元之间接收的太赫兹波信号的频段不同，当需要探测的频谱范围较大时适当增加探测单元的个数，以扩大接收更多频段的太赫兹波信号，反之减少探测单元阵列的个数，能够满足需求即可。优选的，所述数字控制模块依次选中低频到高频响应的探测单元能覆盖超宽频带的太赫兹波实现超宽带宽探测。

在本实施例中，所述探测单元包括：天线，用于接收太赫兹波信号，且至少部分所述探测单元的天线的中心频点不同。每个频点的天线带宽不一样，位于低频段的天线带宽比高频段的天线带宽窄，设计时需要仔细设计每个天线的带宽，且不同探测频点的天线尺寸不一样，所以天线的阻抗也不一样。通常工作在太赫兹波频率下的天线，其带宽比较窄，不适合进行光谱探测。而在本实施例中，通过上述设计所述天线可探测并接收不同频段的太赫兹波信号。优选地，所述片上天线为贴片天线、蝶形天线、环形天线或偶极子天线。

在本实施例中，所述探测单元还包括：场效应晶体管，用于探测太赫兹波，其包括源极、漏极和栅极；所述场效应晶体管的源极与天线相连，用于输入所述片上天线接收到的太赫兹波信号，在所述场效应晶体管的栅极加载一合适的偏置电压，用于使场效应晶体管工作在最大响应区；所述场效应晶体管的漏极与行选开关相连，用于输出信号。

在本实施例中，所述探测单元还包括：匹配网络，设置于所述天线与所述场效应晶体管的源极之间，用于将所述天线接收到的太赫兹波信号功率最大化传输给场所述效应晶体管。

本实施例中，所述探测单元包括：行选择管和列选择管；其中，所述行选择管，用于选中处在光谱芯片中的同一行探测单元；所述列选择管，用于选通处在光谱芯片中的同一列探测单元的输出列总线。优选的，所述行选择管和列选择管为n型场效应晶体管，行选择管和列选择管同时使用能选中光谱芯片中的单个探测单元进行太赫兹探测。通过数字逻辑控制部分控制行选开关和列选关选中需要响应的探测单元。

其中，所述读出电路将所述探测单元的模拟输出信号进行放大并转换为数字信号，可方便后期存储及处理。

在本实施例中，所述读出电路包括放大器，其输入端与所述数字逻辑控制模块的相连接；模数转换器adc，与所述放大器的输出端相连接。探测单元输出的信号经过放大器将模拟信号进行放大后再经过adc将模拟输出信号转换为数字信号。优选的，放大器为斩波放大器，模数转换器adc为过采样型模数转换器adc。

接下来，以工作在300-3000ghz频率下的光谱芯片为一示例性实施例，对本发明进一步详细说明。

在本示例性实施例挣，太赫兹光谱芯片包括：

多个探测单元，各探测单元包括：片上天线、匹配网络、场效应晶体管、行选开关、列选开关和偏置电压；

数字逻辑控制模块，依次选中低频到高频响应的探测单元；

读出电路，包括：斩波放大器和高精度∑δadc。

图1为本发明实施例太赫兹光谱芯片的整体结构示意图，如图1所示，本发明通过片上天线接收太赫兹波信号，片上天线将接收到的太赫兹波信号传输到场效应晶体管的源极，为了使得天线接收到的太赫兹波信号功率最大化传输给场效应晶体管，在天线与场效应晶体管的源极之间增加一匹配网络，探测器的输出信号在场效应晶体管的漏极输出，通过数字逻辑控制部分控制行选开关和列选关选中该探测器，使其输出连接到读出电路进行处理，经过斩波放大器将模拟信号进行放大后再经过∑δadc将模拟输出信号转换为数字信号。

图2为本发明实施例太赫兹光谱芯片750ghz到1030ghz的带宽中三个探测单元示意图；图3为本发明实施例太赫兹光谱芯片750ghz到1030ghz的带宽探测工作示意图。如图2和图3所示，为太赫兹光谱芯片某一行的其中三个探测单元，探测波段依次为750-780ghz、780-810ghz和1000-1030ghz，其中数字逻辑控制模块已经将这一行的行选择管导通了，且首先使图中750-780ghz的列选择管导通，读出电路只接受到第一行的探测单元输出的模拟信号，依次打开其他探测频段的列选择管且每次只保证单个列选择管处于打开状态，其他的处于关闭状态，如图所示这一行的探测单元能实现750ghz到1030ghz的带宽探测，图二下图是随频率升高整个光谱芯片的输出，由于每个片上天线的输出带宽设计得比较小，片上天线中心频点附近的输出都比较好，所以在如图所示的750ghz到1030ghz频率范围内的芯片理论输出都比较好，非常适合做光谱检测。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明太赫兹波探测器有了清楚的认识。本发明将响应不同频段的多个具有太赫兹天线的探测单元集成在同一cmos硅片上来实现超宽带宽探测的太赫兹光谱芯片，能进行光谱检测、有效减小了环境噪声的干扰、并且体积较小，系统简单，价格低廉。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

行选列选信号可由fpga给出；

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明提供一种将响应不同频段的多个太赫兹天线集成在同一cmos硅片上来实现超宽带宽探测的太赫兹光谱芯片，能进行光谱检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。