Study on sensor integrated circuits using terahertz evanescent waves

太赫兹倏逝波传感器集成电路研究

基本信息

批准号：
21K04183
负责人：
高野恭弥
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、テラヘルツエバネッセント波を発生し、その電力強度と位相の両方を検出可能とした集積回路を実現し、生体関連物質のリアルタイム計測の可能性を示すことを目的とする。原理検証のために、生体関連物質であるシスチンの吸収スペクトルのピークが存在する712.2 GHzをターゲット周波数とする。集積回路を用いたテラヘルツ信号源は信号電力が小さく、検出器の感度も低いため、低損失でかつ高感度なテラヘルツセンサ回路の実現が課題である。それを解決するために、集積回路半導体チップを実装する低誘電体基板上に誘電体共振器を形成したテラヘルツセンサ回路を提案した。提案する共振器は、低誘電体基板を用いてマイクロストリップラインを形成し、信号線の両脇に高誘電体を用いた四角柱を配置することにより、誘電体共振器を構成している。誘電体共振器の共振周波数を700 GHzとするために、基板の厚さを700 GHzで実効波長の4分の1となる厚さにしている。低誘電体基板には、シリコン部分を削って厚さ16 μmとしたSiGe BiCMOSチップをフリップして貼り付け、テラヘルツ波の生成と検出を行う。測定試料はSiGe BiCMOSチップのシリコン側に接するように配置する。測定試料によって誘電体共振器の実効誘電率が変化するため、共振周波数、及び透過特性が変化する。その変化量を測定することにより、測定試料の物質の特定が可能となる。この方式はテラヘルツ波を直接測定試料に透過させるわけではないため、信号減衰量を小さくすることが可能である。さらに、測定試料による712.2 GHzの信号の位相変化を検出するために、712.2 GHz位相検出器を提案し、0.13 μm SiGe BiCMOSプロセスを用いて設計、試作を実施した。

这项研究的目的是创建一种可以产生太赫兹倏逝波并检测其功率强度和相位的集成电路，并展示实时测量生物相关物质的可能性。为了验证原理，目标频率为712.2 GHz，该频率存在生物物质胱氨酸的吸收光谱峰。由于使用集成电路的太赫兹信号源信号功率低且探测器灵敏度低，因此面临的挑战是实现低损耗和高灵敏度的太赫兹传感器电路。为了解决这个问题，我们提出了一种太赫兹传感器电路，其中在安装有集成电路半导体芯片的低介电基板上形成介电谐振器。所提出的谐振器通过使用低介电基板形成微带线并在信号线的两侧布置由高介电材料制成的方柱来构造介电谐振器。为了将介质谐振器的谐振频率设定为700GHz，将基板的厚度设定为700GHz下的有效波长的四分之一。通过将硅部分翻转至 16 μm 的厚度，将 SiGe BiCMOS 芯片附着在低介电基板上，以产生和检测太赫兹波。测量样品与 SiGe BiCMOS 芯片的硅侧接触。由于介质谐振器的有效介电常数根据测量样品而变化，因此谐振频率和传输特性会发生变化。通过测量变化量，可以识别测量样品的物质。由于该方法不直接将太赫兹波传输到测量样本，因此可以减少信号衰减量。此外，为了检测由于测量样本引起的712.2 GHz信号的相位变化，我们提出了一种712.2 GHz相位检测器，并使用0.13 μm SiGe BiCMOS工艺对其进行设计和原型制作。