基于正交极化外差混频的CMOS太赫兹探测芯片研究

Multi-information, high sensitivity and full integrated CMOS Terahertz(THz) detect chip is the requirement for the development of accurate and portable detection. To break through the limitation of the single information detection and low sensitivity for the traditional CMOS direct mixing detector, the polarity decomposition of the electromagnetic wave is introduced in the heterodyne mixing to build THz detector, which can detect the signal amplitude, phase and polarization at the same time. On CMOS silicon based substrate, the difficult points for realizing the proposed THz detector are the generation, converting, polarization control and the coupling suppression for THz wave. Concerning of the key problems of the system design, we propose the heterodyne mixing structure based on the space quadrature linear polarization on-chip antenna, exploring on the polarization forming mechanism for THz wave on silicon based substrate, researching on the structure of quadrature linear polarization on-chip antenna and array with high quality, moreover, the circuit theory and the design methods of THz heterodyne mixer and the oscillator are studied; The transmission and coupling characteristics of THz wave in the silicon substrate will be revealed, the design method for silicon based THz on-chip antenna and circuits will be concluded; Finally, the test platform for the detection system will be established, the system measurement errors are analyzed and the detection theory will be verified by the experiments for grain quality detection. The research of this project will expand the functionality and the application range of the CMOS THz detector, providing the key theory and new methods for the development of multi-information and high accuracy of CMOS THz detector.

多信息、高灵敏、全集成的CMOS太赫兹探测芯片是精准便携化无损探测的发展要求。本项目旨在突破传统CMOS直接混频探测信息单一和灵敏度低的局限，提出将电磁波的极化分解融入外差混频方式构建太赫兹探测器的新思路，实现同时获取信号幅值、相位与极化信息的高灵敏探测。在CMOS硅基衬底上，太赫兹波的产生、变换、极化控制及耦合抑制是系统实现难点。本项目基于空间正交线极化片上天线的外差混频结构，探索太赫兹波在硅基衬底上的极化形成规律，重点研究高品质正交线极化片上天线及阵列结构、太赫兹外差混频器与振荡器电路理论，揭示太赫兹波在硅衬底和器件中的传输与耦合特性，归纳硅基工艺太赫兹片上天线与电路设计方法；构建系统测试平台，分析系统测量误差，基于谷物品质探测实验，验证探测方法的有效性。本项目的研究扩展了CMOS硅基太赫兹探测器的功能与应用范围，为CMOS太赫兹探测器在多信息与高灵敏方向发展提供关键理论与新方法。

作为新兴的无损探测技术，太赫兹探测广泛应用于生物医学成像、安全检查、品质探测等领域，而其在农作物与食品质量监测领域的探测效果和频谱特质，使其成为极具应用前景和关系到国计民生的探测手段。.本研究针对谷物品质探测器小型化、多参数的要求，根据谷物太赫兹波谱特征，基于CMOS集成电路研究太赫兹波探测芯片。本研究围绕太赫兹探测系统的关键部分——振荡器和混频器电路，以及谷物太赫兹光谱分析三部分开展。基于CMOS固态电路双推振荡器和超外差混频原理，建立能显著改善灵敏度的IQ混频全相位探测机制和方法，探索有源分布式多相正交耦合变压器理论及设计方法，构建高灵敏度单片集成探测系统，并针对辐射环、正交耦合变压器、混频器、振荡器等关键电路模块在CMOS芯片实现中的传输损耗特性、品质因数和模型优化等问题展开研究；采用太赫兹时域光谱仪对大米、玉米、小米、小麦粉和黑米等谷物进行太赫兹光谱分析，获取其特征谱，并进一步应用于小麦粉中掺杂滑石粉的检测，实现有效算法。.研究工作的主要结果：.（1）采用片上多路探测器方式实现多频段探测效果，突破了CMOS太赫兹探测器单一频段的限制。设计了正交外差探测器电路，构建了太赫兹探测系统平台。.（2）设计了太赫兹宽带振荡器和改进型的Push-Push振荡器，通过增加栅极互连电感增大的幅值，使得电路的电压摆幅增大，可以得到更高的输出功率。.（3）采用曲流技术对片上天线进行开槽设计，改变天线表面的电流路径，增大电流密度，天线的等效长度增大，从而缩小了天线的尺寸实现小型化，并能改善天线的带宽和增益。.（4）利用THz-TDS技术完成了玉米、大米、小米和黑米常见谷物的THz光谱测量实验，提取各谷物在有效频段范围内的吸收指纹谱，丰富当前谷物指纹谱信息库。为探测器频段的选择提供了依据。.（5）基于THz技术以面粉掺杂滑石粉为研究对象，以混合样品中滑石粉高精度的定量检测为研究目标，利用PLS与四种特征谱区筛选算法筛选最佳子区间构建滑石粉定量检测模型。