基于超強(qiáng)耦合超構(gòu)原子的CMOS集成太赫茲近場傳感器設(shè)計

近年來，電磁波譜中的太赫茲（THz）部分已被證明是推動大量新研究方向的有利平臺。其中一個例子就是基于超構(gòu)材料（metamaterial）的等離子體領(lǐng)域。它涉及許多新的現(xiàn)象，例如頻譜調(diào)制、波前操控、偏振轉(zhuǎn)換和有源超構(gòu)材料等。太赫茲頻率范圍內(nèi)超構(gòu)材料最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一是生物傳感。

在太赫茲頻率，基于超構(gòu)材料的方法已占據(jù)領(lǐng)先地位，為集成到完整的芯片實驗室（lab-on-chip）器件鋪平了道路。最近的文獻(xiàn)報道表明，用于生物傳感、介電光譜和近場成像功能的全集成電子解決方案正逐步擴(kuò)展到亞太赫茲（sub-THz）和太赫茲頻率范圍。

使用超構(gòu)材料進(jìn)行生物傳感的最常見方法仍然是將介電材料覆蓋在諧振結(jié)構(gòu)的表面，從而改變諧振器的特性并使其諧振頻率發(fā)生偏移。隨后，通過基于遠(yuǎn)場傳感的傳輸實驗（見圖1）來測量頻率偏移。在太赫茲頻率，人們一直在努力提高基于諧振頻移的傳感器的靈敏度水平，以滿足生化診斷領(lǐng)域既定方法的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 基于諧振頻移的生物傳感

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，波蘭科學(xué)院高壓物理研究所（Institute of High Pressure Physics PAS）和立陶宛維爾紐斯大學(xué)（Vilnius University）的研究人員組成的團(tuán)隊提出了一種全電子方法，利用近場耦合電子傳感器實現(xiàn)了最先進(jìn)的靈敏度。所提出的概念能夠有效地實現(xiàn)和探測所謂的超強(qiáng)耦合亞波長超構(gòu)原子（meta-atom）以及單個諧振電路，可使被測材料的體積限制在幾皮升的范圍內(nèi)。該傳感器已單片集成到具有成本效益的硅基CMOS技術(shù)中。本文的研究結(jié)果得到了數(shù)值和分析模型的支持，并通過實驗進(jìn)行了驗證。這些成果為未來的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，勾勒出了太赫茲微流控芯片實驗室介電光譜傳感器的前景。上述成果以“A CMOS-integrated terahertz near-field sensor based on an ultra-strongly coupled meta-atom”為題發(fā)表于Scientific Reports期刊上。

基于太場效應(yīng)晶體管（TeraFET）的近場傳感器設(shè)計

研究人員提出了一種在亞太赫茲頻率下工作的近場傳感器解決方案（圖2）。

圖2 基于近場TeraFET探測器的傳感器概念的示意圖

研究人員設(shè)計了兩種不同的狹縫-偶極子（slot-dipole）天線，并采用臺積電（TSMC）的180 nm硅基CMOS工藝制造。其中一種被設(shè)計為諧振頻率為350 GHz，并在更高頻率處會出現(xiàn)快速衰減（圖2b中的結(jié)構(gòu)A），而另一種的諧振頻率為235 GHz，并在較寬的頻率范圍內(nèi)具有幾乎平坦的響應(yīng)（圖2c中的結(jié)構(gòu)D）。這兩種天線的環(huán)外徑相同，均為452 μm。由于D型天線是為低頻設(shè)計的，因此與A型天線的狹縫（邊長為100 μm、邊緣倒角為25 × 25 μm的正方形孔）相比，它的狹縫更大（直徑為164 μm的圓形）。此外，兩種天線的傳輸線設(shè)計也不同。

得益于多層金屬-介電結(jié)構(gòu)，CMOS技術(shù)為探索太赫茲應(yīng)用中基于超構(gòu)材料的場效應(yīng)晶體管（FET）解決方案提供了充分的自由度。因此，研究人員設(shè)計了一種工作在350 GHz的開口環(huán)諧振器（SRR），其面積為70 × 30 um2，間隙為10 μm，金屬化寬度為5 μm。該SRR具有與350 GHz天線相同的諧振頻率，可與之電磁耦合。

天線位于距離自由空間最近、距離襯底最遠(yuǎn)的金屬層。因此，它對施加到間隙近場的介電負(fù)載非常敏感。單獨的天線/耦合到SRR的天線的阻抗特性的頻譜變化會直接轉(zhuǎn)化為FET整流信號的變化。因此，覆蓋介電材料的天線的TeraFET探測器將給出與未覆蓋介電材料的探測器不同的信號。因此，可通過從襯底側(cè)施加的遠(yuǎn)場太赫茲輻射來探測被測試材料的近場介電特性。特別是，在圖2中，研究人員展示了通過基于耦合諧振器的TeraFET探測器進(jìn)行近場檢測的概念可視化。圖2c和2d顯示了兩種不同方案中的太赫茲檢測機(jī)制：一種基于獨立天線；另一種基于天線耦合到SRR的耦合諧振器。

近場傳感方法的驗證

為了對傳感器的適用性進(jìn)行實驗驗證，研究人員重點研究了基于235 GHz天線的探測器和基于耦合諧振器的探測器（350 GHz諧振天線與SRR耦合）對水和乙醇的響應(yīng)。

傳感器所需的太赫茲源部分可以進(jìn)一步優(yōu)化。圖3展示了研究人員使用內(nèi)部設(shè)計的基于CMOS的太赫茲發(fā)射器進(jìn)行光譜實驗的結(jié)果，該發(fā)射器可在248-261 GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。發(fā)射器采用了針對三次諧波發(fā)射進(jìn)行優(yōu)化的Colpitts振蕩器概念，由臺積電代工廠提供的65 nm CMOS技術(shù)制造。圖3a展示了使用全電子CMOS制造的發(fā)射器-傳感器對的實驗設(shè)置。

圖3 傳感實驗的設(shè)置及結(jié)果

在相同的自由空間準(zhǔn)光學(xué)設(shè)置中，連續(xù)波光混頻器源（太赫茲源三號）被用于探測近場介電特性。基于235 GHz天線的探測器和基于耦合諧振器的探測器在255–260.5 GHz頻率范圍內(nèi)對乙醇和水的響應(yīng)分別如圖3b和3c所示。

最后，研究人員使用基于235 GHz諧振天線的探測器進(jìn)行了一組實驗，以確定水溶液中材料的最低可分辨摩爾濃度的檢測下限（LDL），并與當(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了比較（圖4）。

圖4 水中含乙醇混合物的實驗測量結(jié)果以及與最先進(jìn)技術(shù)的比較

綜上所述，這項研究報道了基于太赫茲近場諧振器的傳感器的設(shè)計和表征結(jié)果，該傳感器采用180 nm CMOS技術(shù)制造，并具有集成天線的場效應(yīng)晶體管。根據(jù)諧振器近場內(nèi)相對介電常數(shù)變化引起的諧振曲線偏移原理，提出的傳感器提供了一種獨特的片上檢測機(jī)制。此外，該傳感器具有當(dāng)前太赫茲傳感技術(shù)前沿的更低檢測極限值，并且無需通過共軛機(jī)制和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等放大靈敏度或特異性的方法，就能以無標(biāo)記的方式對水環(huán)境中的有機(jī)分析物實現(xiàn)檢測。

總之，這項研究成果不僅有助于加深人們當(dāng)前對太赫茲近場傳感的理解，而且還為高頻微流控芯片實驗室介電光譜傳感器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-61971-x