УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2023 года по МПК G01J1/08 G01J1/44 H01L27/146 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к бесконтактным методам формирования изображений, в которых используются, в частности, датчики терагерцового диапазона для осуществления контакта с объектом, подлежащим изучению.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Диапазон терагерцовых (ТГц) волн находится между миллиметровыми волнами и видимым световым излучением. Принято считать, что диапазон терагерцовых волн распространяется в частотной области от около 300 ГГц до единиц ТГц. Волны в этом диапазоне обладают как радиочастотными, так и оптическими свойствами, в частности они могут передаваться и приниматься антеннами и фокусироваться c помощью оптических систем, например кремниевых линз.

Терагерцовые волны имеют свойство проходить через определенные объекты, не оказывая злокачественного воздействия, присущего рентгеновским лучам. В медицинской визуализации они используются, например, для обнаружения раковой ткани, поскольку свойства поглощения и отражения в такой ткани отличаются от таковых для здоровых тканей в терагерцовом диапазоне.

В статье [«Use of a handheld terahertz pulsed imaging device to differentiate benign and malignant breast tissue», Maarten R. Grootendorst et al, Vol.8, No. 6, от 1 июня 2017 г., Biomedical Optics Express 2932] описывается переносной датчик, выполненный с возможностью перемещения по коже пациента и анализа его состояния по коэффициенту отражения волны, аналогично ультразвуковому датчику.

Терагерцовые волны создаются в датчике с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, генерируемых вне датчика и направляемых по оптическим волокнам на фотопроводящее приемопередающее устройство, размещенное внутри датчика. Результирующие импульсы частотой от 0,1 ТГц до 1,8 ТГц затем направляются с помощью колеблющегося зеркала между приемопередающим устройством и кварцевым окном, имеющимся на конце датчика, для последовательного сканирования в области 15 мм x 2 мм с шагом 26 пикселей и частотой 4 Гц. На каждом шаге сканирования отраженные терагерцовые импульсы возвращаются соответствующим пикселем в приемник.

В таком переносном датчике используются сложные и дорогостоящие оптические технологии. Кроме того, межпиксельное расстояние около 0,6 мм предоставляет относительно низкую разрешающую способность. Значение разрешающей способности зависит от точности механизма привода зеркала и относительно большой длины терагерцовых волн. Межпиксельное расстояние около 0,6 мм соответствует дифракционному пределу Аббе в воздухе для наиболее низкой частоты используемых импульсов, в данном случае равной 0,1 ТГц и длины волны 1,2 мм.

В результате для создания устройства формирования изображения размером всего 15 мм × 2 мм такая система потребует объемного и дорогостоящего оборудования, причем основную массу пространства займет оборудование для получения требуемых лазерных лучей.

В последнее время были успешно созданы приемники и передатчики терагерцового диапазона с применением полупроводниковых технологий, которые полностью пригодны к использованию в электронных схемах, сформированных внутри одной микросхемы.

В таком случае приемники терагерцового диапазона сгруппированы в виде массива на полупроводниковом кристалле с возможностью образования компактного устройства формирования изображения. Например, в статье [«A 1 k-Pixel Video Camera for 0.7-1.1 Terahertz Imaging Applications in 65-nm CMOS», Richard Al Hadi, Hani Sherry, et al, IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 47, NO. 12, декабрь 2012 г.] описывается устройство формирования изображения, содержащее приемники терагерцового диапазона, полностью изготовленные по 65 нм технологии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Приемники выполнены с возможностью обработки сигналов на частотах более высоких, чем рабочая частота транзисторов, за счет использования пассивных элементов и конфигураций, в которых транзисторы менее ограничены по частоте (соединения с общим истоком). В частности, используется конфигурация измерения мощности: терагерцовые волны принимаются антенной, а полученный антенный сигнал преобразуется в постоянный сигнал для зарядки конденсатора до пикового значения колебаний сигнала. Такие приемники, известные как гомодинные приемники, не предоставляют фазовых данных, а только данные об амплитуде.

Также была показана возможность разработки терагерцовых передатчиков с возможностью их интеграции в полупроводниковой технологии, особенно в КМОП. При создании передатчиков одна из сложностей заключалась в необходимости генерации сигналов терагерцового диапазона с частотой более высокой, чем рабочая частота транзисторов. Эту технологическую сложность удалось преодолеть за счет использования так называемых гармонических генераторов. Такой генератор работает на частоте, совместимой с указанной технологией, и генерирует гармонические составляющие сигнала, которые можно использовать в терагерцовом диапазоне. Такой генератор описывается в патенте US9083324.

Другую информацию об интегрируемых приемниках и передатчиках терагерцового диапазона можно найти в диссертации Хани Шерри (Hani Sherry) и Ричарда Аль Хади (Richard Al Hadi), представленной в Университете Вупперталя в 2013 году.

Несмотря на продемонстрированную техническую возможность интеграции компонентов терагерцового диапазона в полупроводниковых микросхемах, авторам не удалось предложить компактные датчики отражения, которые могли бы, например, заменить собой датчик, описанный в вышеупомянутой статье в Biomedical Optics Express.

В патенте США 9,464,933 описывается устройство формирования изображения ближнего поля терагерцового диапазона, содержащее массив датчиков. Каждый датчик содержит линию передачи, сопряженную с генератором и детекторной электрической схемой. Генератор создает поле, которое изменяется в зависимости от близости изучаемого объекта. Изменения передаются в виде изменений величины импеданса линии передачи, измеряемой с помощью детекторной электрической схемы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В целом предлагается датчик для системы формирования изображения ближнего поля терагерцового диапазона, содержащий массив приемников терагерцового излучения; и массив передатчиков терагерцового излучения, имеющий шаг, аналогичный массиву приемников, и расположенный между массивом приемников и изучаемой областью, которая находится в области действия ближнего поля передатчиков, и выполненный таким образом, что каждый передатчик излучает волну в направлении как изучаемой области, так и соответствующего приемника из массива приемников.

Датчик может также содержать первую плоскую подложку из полупроводникового материала, прозрачного для терагерцового излучения, имеющую активную поверхность, на которой по полупроводниковой технологии сформированы приемники; и вторую плоскую подложку из полупроводникового материала, прозрачного для терагерцового излучения, имеющую активную поверхность, на которой по полупроводниковой технологии сформированы передатчики.

Датчик может также содержать электрическую цепь управления, выполненную с возможностью последовательной активации каждого передатчика с его соответствующим приемником.

Активная поверхность второй подложки может быть обращена к изучаемой области, а тыльная поверхность второй подложки может быть обращена к первой подложке.

Активная поверхность первой подложки может быть обращена в сторону, противоположную второй подложке, а тыльная поверхность первой подложки может быть обращена ко второй подложке.

Первая и вторая подложки могут быть отделены друг от друга слоем, имеющим более низкий показатель преломления, чем подложки.

Шаг в массивах может составлять по меньшей мере половину длины волны излучения внутри подложек, и каждая подложка может иметь толщину, равную не более половины длины волны излучения внутри подложки.

Приемники и передатчики могут иметь гексагональное пространственное расположение и устанавливаться в сотоподобные матрицы.

Каждый приемник и передатчик может содержать кольцевую антенну, сформированную в металлическом слое активной поверхности, причем средняя длина контура антенны составляет по меньшей мере половину длины волны терагерцового излучения внутри подложки; и защитное кольцо, окружающее антенну на границе приемника или передатчика, образованное металлическими структурами, установленными последовательно в нескольких металлических слоях.

Защитное кольцо может содержать металлические структуры, сформированные с образованием полости, вмещающей токопроводящие дорожки и электронные компоненты для управления приемниками и передатчиками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Варианты реализации изобретения изложены в нижеследующем неограничивающем описании совместно с прилагаемыми графическими материалами, в которых:

фиг. 1 представляет собой схематическое изображение в частичном поперечном разрезе варианта реализации компактного устройства формирования изображения ближнего поля терагерцового диапазона;

фиг. 2 представляет собой вид сверху варианта реализации гексагональных пикселей, выполненных по полупроводниковой технологии, и

фиг. 3 представляет собой изображение в поперечном разрезе типового пространственного расположения пикселей по фиг.2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее в данном документе предлагается объединить массив приемников терагерцового диапазона и массив передатчиков терагерцового диапазона, каждый из которых может быть создан на полупроводниковом кристалле, в компактном устройстве формирования изображения с возможностью прикладывания его к изучаемому объекту. Передатчики и приемники используются в режиме ближней радиосвязи, то есть на достаточно коротком расстоянии, меньшем длины волны, с возможностью использования магнитной связи между компонентами.

На фиг.1 схематически представлен вариант реализации устройства формирования изображения, использующий этот принцип. Подложка Tx, прозрачная для терагерцовых волн, содержит массив передатчиков 10 терагерцового диапазона. Подложка выполнена с возможностью прикладывания к изучаемой области 12, например к коже. Подложка Тх может находиться в непосредственном контакте с поверхностью 12 или удерживаться на заданном расстоянии с помощью опорного элемента 14.

В данном варианте реализации изобретения массив пикселей передатчика 10 расположен на лицевой поверхности подложки Tx, которая направлена в сторону области 12. Толщина подложки обычно выбирается не более половины длины волны излучения внутри подложки, что ограничивает внутренние отражения, которые могут воздействовать на соседние пиксели.

В таком пространственном расположении пиксели передатчика излучают волны с обеих сторон подложки. В результате для каждой поверхности подложки каждый передатчик формирует лепесток, характеризующий угловую зависимость излучаемой мощности. В таком пространственном расположении лепесток для лицевой поверхности меньше, чем лепесток для тыльной поверхности, что означает, что передача через тыльную поверхность более эффективна (передатчик обычно выполнен с возможностью работы через тыльную поверхность).

Передатчики также имеют лепестки, определяющие границы ближнего поля. Лепесток мощности определяет коэффициент с размерностью от 0 до 1, а лепесток ближнего поля определяет пространственную границу работы в ближнем поле. На фиг.1 показан пример лепестков NF ближнего поля. Такие лепестки ближнего поля приблизительно симметричны относительно плоскости устройства формирования изображения и имеют амплитуду порядка одной длины волны в воздухе. Их точная форма, которую можно определить путем сложного моделирования, зависит от пространственного расположения антенн и расположенных вблизи элементов.

Оказывается, природа элементов в зоне действия ближнего поля передатчика терагерцового диапазона может влиять на характеристики волны, особенно за счет генератора передатчика. В зависимости от обстоятельств в генераторе может происходить смещение величин импеданса, фазы, частоты или амплитуды. Эти изменения равномерно отражаются в волне, излучаемой с обеих сторон подложки. В зависимости от частоты определенные изменения или превышение заданных пороговых значений могут формировать характерную сигнатуру материалов или свойств, предполагаемых в изучаемой области, например, раковой ткани в коже, которая может быть определена по более высокому содержанию воды.

Устройство формирования изображения по фиг.1 выполнено с возможностью использования такого свойства ближнего поля. Расстояние между подложкой Tx и областью 12 измерения выбирается таким образом, чтобы область 12 измерения пересекала лепестки NF ближнего поля на лицевой поверхности подложки Tx. Расстояние может быть выбрано таким образом, чтобы площадь поверхности лепестков на пересечении с зоной 12 не превышала площади поверхности пикселей передатчика. Это обеспечивает максимальную зону действия датчика.

Объект 16 с особыми свойствами показан в изучаемой области в контакте с лепестками ближнего поля второго и третьего передатчиков. Объект 16 влияет на волну, излучаемую этими передатчиками, которая представлена лепестками, выполненными пунктирной линией.

Волны, излучаемые с тыльной стороны передатчиками 10, принимаются соответствующими приемниками 18 терагерцового диапазона, расположенными в массиве с шагом, аналогичным массиву передатчиков. Массив приемников 18 может быть сформирован на лицевой поверхности подложки Rx, имеющей характеристики, которые аналогичны подложке Tx. Расстояние между массивом приемников и массивом передатчиков выбрано таким образом, что передатчики и приемники сопряжены в режиме ближнего поля, при возможности так, что каждый передатчик 10 сопряжен с единственным соответствующим приемником 18. В таком пространственном расположении каждый приемник 18 определяет и воспроизводит параметры волны, излучаемой его соответствующим передатчиком 10, включая любые ее изменения.

В действительности, если изучаемая поверхность 12 сплошная, то возмущение всех излучателей более или менее соответствует режиму ближнего поля. Система формирования изображения может быть изначально выполнена с возможностью создания изображения изучаемой области, представляющего значения фазы, частоты и амплитуды волн в искусственном цвете, либо создания трех отдельных изображений в градациях серого цвета для каждого из этих параметров. Параметры могут быть объединены в одну переменную с весовыми коэффициентами для выделения характерных свойств.

В примере на фиг.1 лепестки NF ближнего поля обладают довольно хорошими свойствами, так как не превышают ширину одного пикселя. В такой ситуации достаточно установить такие расстояния, чтобы область 12 измерения пересекала наиболее широкие части передних лепестков, а приемники 18 были размещены в наиболее широкой части задних лепестков, что приблизительно соответствует изображенному. Это обеспечивает наиболее высокую чувствительность. Также необходимо, чтобы лепестки тыльной стороны проходили через как можно большую часть толщины подложки, что достигается за счет размещения подложек тыльными сторонами друг к другу. Однако наличие между подложками слоя (воздушного, вакуумного или другого), имеющего более низкий показатель преломления, чем у подложек, обеспечивает преимущество, которое заключается в устранении условий, ограничивающих толщину подложек, связанных с ограничением внутренних отражений.

Кроме того, в примере по фиг.1 отсутствует возможность возникновения перекрестных помех между приемниками, поскольку лепесток тыльной стороны передатчика никогда не перекрывает нескольких пикселей приемника. Также отсутствует возможность возникновения перекрестных помех между передатчиками, поскольку лепесток лицевой поверхности не переходит от одного пикселя передатчика к другому. При таком пространственном расположении можно использовать все передатчики и приемники одновременно в качестве «глобального затвора».

В общем случае, особенно если предполагается уменьшать шаг пикселей, в зависимости от расстояния между передатчиками и приемниками каждый лепесток тыльной поверхности может перекрывать несколько пикселей приемника. Что касается лепестков лицевой поверхности, лицевую поверхность всегда можно расположить наиболее близко к изучаемой области 12, при этом ограничивая полезную площадь лепестков поверхностью пикселей.

В общем случае для решения проблем с перекрестными помехами каждый передатчик может быть активирован последовательно с его соответствующим приемником. В результате, даже если несколько соседних приемников перекрыты лепестком активированного передатчика, только предварительно выделенный приемник активируется для получения результата измерения.

Может быть разработана последовательность, в которой несколько передатчиков одновременно активируются согласно шаблону, в котором каждый активированный передатчик не создает помех для приемников, связанных с другими активированными передатчиками.

На фиг.1 каждая подложка содержит электрическую цепь 20 управления для передатчиков и цепь 22 для приемников для регулировки работы массива, в частности последовательности активации пикселей. Активация пикселя передатчика включает, среди прочего, включение отдельного генератора пикселя или подключение пикселя к общему сигналу генератора. Активация пикселя приемника включает, в частности, выполнение измерения.

Поскольку пиксели передатчика и приемника управляются синхронно, сигналы, необходимые для синхронизации, могут передаваться между цепями 20 и 22 через канал 24, выполненный в опорном элементе 14.

Приемники могут представлять собой гомодины очень простой конструкции без генератора, выполненные с возможностью определения только амплитуды. Если требуется использовать фазовые либо частотные данные, могут применяться гетеродинные приемники. В статье [«A Fully Integrated 320 GHz Coherent Imaging Transceiver in 130 nm SiGe BiCMOS», Chen Jiang et al, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.51, No. 11, ноябрь 2016], а также в упомянутой выше диссертации Хани Шерри описываются возможности исполнения гетеродинных приемников терагерцового диапазона по полупроводниковой технологии.

Подложки Rx и Tx с их пикселями и электрическими цепями управления могут быть созданы в виде полупроводниковых микросхем, например, по технологии КМОП. Для получения сборки двух подложек или микросхем Rx и Tx с необходимым интервалом могут использоваться известные методы сборки микросхем.

Согласно варианту реализации изобретения пиксели передатчика и приемника являются гексагональными и расположены в сотоподобной матрице. Такое гексагональное пространственное расположение пикселей особенно хорошо применимо к конструкции рассматриваемых передатчиков и приемников терагерцового диапазона. Действительно, они могут быть основаны на кольцевой антенне, как показано ниже, а в случае кольцевой антенны гексагональная структура более компактна по сравнению с квадратной структурой. Кроме того, для заданного межпиксельного шага сотоподобная матрица может вместить большее количество пикселей. В совокупности данные особенности приводят к значительно более высокому разрешению для заданного шага по сравнению с квадратной матрицей и лучшей степени обработки наклонных линий.

Фиг. 2 представляет собой частичное изображение горизонтальной проекции варианта реализации гексагональных пикселей, в матрице, выполненной по полупроводниковой технологии, изготовленной по полупроводниковой технологии, например 65 нм КМОП. Представлена матрица пикселей приемника Rx. Матрица пикселей передатчика аналогична, поскольку на нее действуют аналогичные ограничения, которые определяются размерами антенн. Элементы на данном изображении показаны в целом в масштабе для устройства формирования изображения, выполненного в качестве примера с возможностью работы на частоте около 600 ГГц. Частота 600 ГГц соответствует длине волны 0,5 мм в воздухе. Пиксели интегрированы на кремниевой подложке, для которой длина волны уменьшается с коэффициентом умножения около 0,6, что приводит к уменьшению длины волны в кремнии до около 0,3 мм. Кроме того, допустимо работать только на половине длины волны, то есть 0,15 мм, поскольку это позволяет увеличить разрешение в 2 раза с приемлемой потерей усиления. В результате размеры антенн передатчиков и приемников выполнены для работы на этой длине волны. В данном варианте реализации антенны 50 являются кольцевыми, что означает, что их средняя окружность по меньшей мере равна рабочей длине волны, т.е. 0,15 мм.

Кольца выполнены травлением, например, в последнем металлическом слое конструкции и имеют ширину 10 мкм, то есть их внешний диаметр составляет 64 мкм, а внутренний диаметр составляет 54 мкм.

Кроме того, для предотвращения распространения электрических помех в поперечном направлении за счет индуктивной или емкостной связи между пикселями, каждый пиксель по периметру содержит защитное кольцо 52, которое может быть круглым или, в данном случае, шестиугольным. Антенна центрируется в области с преимущественным отсутствием металла со средним диаметром, приблизительно равным рабочей длине волны (0,15 мм). В результате внутренний край защитного кольца находится по меньшей мере на расстоянии 38 мкм от внешнего края антенного кольца. Защитное кольцо также имеет ширину 30 мкм и его конструкция выполнена в соответствии с рекомендованным для данной технологии соотношением металл/пустота. В результате пиксель имеет ширину 200 мкм между двумя противоположными сторонами шестиугольника, что соответствует шагу вдоль каждой из трех осей при 0°, 120° и 240°.

Фиг. 3 представляет собой изображение в поперечном разрезе пикселей по фиг.2. Пиксели сформированы на активной поверхности полупроводниковой подложки 60, в данном варианте реализации выполненной из кремния. Антенны 50, выполненные травлением в последнем металлическом слое, находятся вровень с верхней стороной подложки. Эта верхняя сторона, как правило, покрыта пассивирующим слоем, который не показан. Защитные кольца 52, как показано, могут быть углублены с использованием металлических структур, установленных последовательно на всех металлических слоях, которых всего семь в случае технологии 65 нм КМОП, соединенных между собой перемычками. Перемычки могут быть установлены вокруг каждого пикселя с шагом, улучшающим функцию экранирования.

Для ограничения внутренних отражений, как упоминалось ранее, толщина подложки 60 составляет 0,15 мм.

Как показано для стенки одного из защитных колец, металлические структуры могут быть сформированы с образованием полости 62. Полость 62 может вмещать токопроводящие дорожки и электронные компоненты для управления пикселями. Практически ширина двух соседних защитных колец составляет порядка 60 мкм, что в технологии 65 нм обеспечивает достаточное пространство для размещения большинства проводников и электронных компонентов, необходимых для управления отдельными пикселями. Такое пространственное расположение сводит к минимуму количество металлических проводников в незаполненных областях вокруг антенн, которые могут ухудшать оптические свойства.

Изобретение относится к области формирования изображений и касается датчика для устройства формирования изображения ближнего поля терагерцового диапазона. Датчик содержит первую плоскую подложку из полупроводникового материала, имеющую активную поверхность, на которой создан массив передатчиков терагерцового излучения по полупроводниковой технологии, и вторую плоскую подложку, расположенную на расстоянии от первой подложки, выполненную из полупроводникового материала, имеющую активную поверхность, на которой создан массив приемников терагерцового излучения по полупроводниковой технологии. Каждый приемник расположен в области действия ближнего поля соответствующего передатчика первой подложки. Шаг в массивах составляет по меньшей мере половину длины волны излучения внутри указанных подложек, и каждая подложка имеет толщину, равную не более половины длины волны излучения внутри подложки. Технический результат заключается в повышении чувствительности и разрешающей способности датчика. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик для устройства формирования изображения ближнего поля терагерцового диапазона, содержащий:

первую плоскую подложку (Tx) из полупроводникового материала, имеющую активную поверхность, на которой создан массив передатчиков (10) терагерцового излучения по полупроводниковой технологии; и

вторую плоскую подложку (Rx), расположенную на расстоянии от указанной первой подложки, выполненную из полупроводникового материала, имеющую активную поверхность, на которой создан массив приемников (18) терагерцового излучения по полупроводниковой технологии, при этом каждый приемник расположен в области действия ближнего поля соответствующего передатчика указанной первой подложки;

при этом шаг в массивах составляет по меньшей мере половину длины волны излучения внутри указанных подложек, и каждая подложка имеет толщину, равную не более половины длины волны излучения внутри указанной подложки.

2. Датчик по п. 1, содержащий электрическую цепь (20, 22) управления, выполненную с возможностью последовательной активации каждого передатчика с его соответствующим приемником.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что активная поверхность первой подложки (Tx) обращена к изучаемой области (12), а тыльная поверхность указанной первой подложки обращена ко второй подложке (Rx).

4. Датчик по п. 3, отличающийся тем, что активная поверхность второй подложки (Rx) обращена в сторону, противоположную первой подложке (Tx), а тыльная поверхность указанной второй подложки обращена к указанной первой подложке.

5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что указанные первая и вторая подложки отделены друг от друга слоем, имеющим более низкий показатель преломления, чем указанные подложки.

6. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что указанные приемники и передатчики имеют гексагональное пространственное расположение и установлены в сотоподобные матрицы.

7. Датчик по п. 6, отличающийся тем, что каждый приемник и передатчик содержит:

кольцевую антенну (50), сформированную в металлическом слое активной поверхности, причем средняя длина контура антенны составляет, по меньшей мере, половину длины волны терагерцового излучения внутри указанной подложки; и

защитное кольцо (52), окружающее антенну на границе приемника или передатчика, образованное металлическими структурами, установленными в нескольких металлических слоях.

8. Датчик по п. 7, отличающийся тем, что защитное кольцо (52) содержит металлические структуры, сформированные с образованием полости (62), вмещающей токопроводящие дорожки и электронные компоненты для управления приемниками и передатчиками.