ES2924043T3 - Generador de imágenes de campo cercano de terahercios - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sensor para un sistema de imágenes de terahercios, que comprende una matriz de receptores de radiación de terahercios (18); y una matriz de emisores de radiación de terahercios (10) que tiene el mismo paso que la matriz receptora, está dispuesta entre la matriz receptora y una zona de análisis (12) situada en el campo cercano de los emisores, y está configurada de tal forma que cada emisor emite una onda en la dirección tanto del área de análisis como de un receptor respectivo de la matriz receptora. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Generador de imágenes de campo cercano de terahercios

Campo técnico

La invención se refiere a técnicas de formación de imágenes de proximidad, utilizando en particular sondas de terahercios que se ponen en contacto con un objeto a analizar.

Antecedentes de la invención

El rango de onda de los terahercios (THz) se encuentra entre las ondas milimétricas y la radiación visible. Se acepta que el rango de onda de los terahercios se extiende en frecuencia de aproximadamente 300 GHz hasta unos pocos THz. Las ondas en este rango tienen propiedades ópticas y de radiofrecuencia; en particular, pueden ser transmitidas y recibidas por antenas y enfocadas por sistemas ópticos como lentes de silicio.

Las ondas THz tienen la propiedad de atravesar ciertos objetos sin la malignidad de los rayos X. En imágenes médicas, se utilizan, por ejemplo, para detectar tejido canceroso, ya que tal tejido tiene diferentes propiedades de absorción y reflexión que los tejidos sanos en el rango de THz.

El artículo ["Use of a handheld terahertz pulsed imaging device to differentiate benign and malignant breast tissue", Maarten R. Grootendorst y otros, vol. 8, núm. 6, 1 de junio de 2017, Biomedical Optics Express 2932] describe una sonda de mano diseñada para moverse sobre la piel de un paciente y analizarla por reflexión de ondas, similar a una sonda de ultrasonido.

Las ondas de THz se implementan en la sonda a través de pulsos de láser de femtosegundos generados fuera de la sonda y guiados a través de fibras ópticas hasta un transmisor/receptor fotoconductor colocado dentro de la sonda. Los pulsos resultantes de 0,1 a 1,8 THz luego son guiados por un espejo oscilante entre el transmisor/receptor y una ventana de cuarzo presente al final de la sonda, para escanear 26 píxeles paso a paso, en un área de 15x2 mm a una frecuencia de 4 Hz. En cada paso del escaneo, los pulsos de THz reflejados son devueltos por el píxel correspondiente al receptor.

Tal sonda de mano utiliza tecnologías ópticas complejas y costosas. Además, la distancia entre píxeles de aproximadamente 0,6 mm proporciona una resolución relativamente baja. Esta resolución depende de la precisión del mecanismo de accionamiento del espejo y de la longitud de onda relativamente larga de las ondas THz. La distancia entre píxeles de 0,6 mm corresponde aproximadamente al límite de difracción de Abbe en el aire para la frecuencia más baja de los pulsos usados, aquí 0,1 THz y una longitud de onda de 1,2 mm.

Un sistema de este tipo requiere por lo tanto un equipo engorroso y costoso para implementar un sensor de imagen de sólo 15x2 mm, ocupando la esencia del volumen el equipo para producir los rayos láser requeridos.

Recientemente, los receptores y transmisores de THz se han realizado con éxito mediante el uso de tecnologías de semiconductores, que son totalmente aprovechables por circuitos electrónicos integrados en los mismos chips. Por lo tanto, los receptores de THz se agrupan en una matriz en un chip semiconductor para formar un sensor de imagen compacto. Por ejemplo, el artículo [“A 1k-Pixel Video Camera for 0.7-1.1 Terahertz Imaging Applications in 65-nm CMOS”, Richard Al Hadi, Hani Sherry, y otros, IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 47, núm. 12 de diciembre de 2012] describe un sensor de imagen que incluye receptores THz fabricados íntegramente en tecnología CMOS de 65 nm. Los receptores pueden procesar señales a frecuencias superiores a la frecuencia de funcionamiento de los transistores mediante el uso de elementos pasivos y configuraciones en las que los transistores tienen una frecuencia menos limitada (conexiones de fuente común). En particular, se usa una configuración de detección de potencia: las ondas de THz se reciben en una antena y la señal de la antena resultante se rectifica para cargar un capacitor al valor máximo de las oscilaciones de la señal. Tales receptores, conocidos como receptores homodinos, no proporcionan información de fase, sino solo información de amplitud. También ha sido posible diseñar transmisores de THz integrables en tecnología de semiconductores, especialmente CMOS. Una dificultad para los transmisores era producir señales de THz con una frecuencia superior a la frecuencia de funcionamiento de los transistores. Esta dificultad se superó mediante el uso de los llamados osciladores armónicos. Tal oscilador opera a una frecuencia compatible con la tecnología y produce armónicos que pueden usarse en el rango de THz. La patente US9083324 describe un oscilador de este tipo.

Se puede encontrar más información sobre receptores y transmisores de THz integrables en la tesis de Hani Sherry y Richard Al Hadi presentada en la Universidad de Wuppertal en 2013.

A pesar de la viabilidad demostrada de integrar componentes de THz en chips semiconductores, no ha sido posible ofrecer sensores de reflexión compactos que pudieran, por ejemplo, reemplazar al descrito en el artículo mencionado anteriormente de Biomedical Optics Express.

La patente estadounidense 9,464,933 describe un generador de imágenes de THz de campo cercano que incluye una matriz de sensores. Cada sensor comprende una línea de transmisión acoplada entre un oscilador y un circuito detector. El oscilador genera un campo que se modifica por la proximidad de un objeto a analizar. La modificación se traduce por variaciones de impedancia en la línea de transmisión, medidas por el circuito detector.

Resumen

Generalmente se proporciona un sensor para un sistema de formación de imágenes de terahercios de campo cercano, que comprende una matriz de receptores de radiación de terahercios; y una matriz de transmisores de radiación de terahercios que tiene la misma distancia que la matriz de receptores, ubicada entre la matriz de receptores y una zona de análisis ubicada en el campo cercano de los transmisores, y configurada de manera que cada transmisor emite una onda hacia la zona de análisis y un receptor respectivo de la matriz de receptores.

El sensor puede comprender además un primer sustrato plano de material semiconductor transparente a la radiación de terahercios, que tiene una cara activa en la que los receptores están realizados en tecnología de semiconductores; y un segundo sustrato plano hecho de material semiconductor transparente a la radiación de terahercios, que tiene una cara activa en la que los transmisores están realizados en tecnología de semiconductores.

El sensor puede comprender además un circuito de control configurado para activar en secuencia cada transmisor con su respectivo receptor.

La cara activa del segundo sustrato puede orientarse hacia la zona de análisis, y una cara posterior del segundo sustrato puede orientarse hacia el primer sustrato.

La cara activa del primer sustrato puede orientarse hacia afuera del segundo sustrato, y una cara posterior del primer sustrato puede orientarse hacia el segundo sustrato.

El primer y segundo sustratos pueden estar separados entre sí por una capa que tiene un índice de refracción más bajo que los sustratos.

La distancia de las matrices puede ser al menos la mitad de la longitud de onda de la radiación dentro de los sustratos y cada sustrato puede tener un grosor de como máximo la mitad de la longitud de onda de la radiación dentro del sustrato.

Los receptores y transmisores pueden tener una configuración hexagonal y estar dispuestos en matrices de panal. Cada receptor y transmisor puede comprender una antena anular formada en un nivel de metal de la cara activa, la circunferencia promedio de la antena que es al menos la mitad de la longitud de onda de la radiación de terahercios dentro del sustrato; y un anillo protector que rodea la antena en la periferia del receptor o transmisor, formado por patrones de metal apilados a través de varios niveles de metal.

El anillo protector puede comprender patrones metálicos estructurados para formar una cavidad que aloja pistas conductoras y componentes electrónicos para operar los receptores y transmisores.

Breve descripción de los dibujos

Las modalidades se expondrán en la siguiente descripción no limitativa, en relación con los dibujos adjuntos, entre los que:

■ la Figura 1 es una vista en sección transversal parcial esquemática de una modalidad de un sensor de imagen de terahercios de campo cercano compacto;

■ la Figura 2 representa una vista superior de una modalidad de píxeles hexagonales realizada en una tecnología de semiconductores; y

■ la Figura 3 es una vista en sección transversal de una configuración ilustrativa de los píxeles de la Figura 2. Descripción de las modalidades

A continuación se prevé combinar una matriz de receptores de terahercios y una matriz de transmisores de terahercios, cada una de las cuales puede realizarse en un chip semiconductor, en un dispositivo generador de imágenes compacto para aplicarlo contra un objeto a analizar. Los transmisores y receptores se usan en modo de campo cercano, es decir, a una distancia suficientemente corta, inferior a la longitud de onda, para aprovechar el acoplamiento magnético entre elementos.

La Figura 1 muestra esquemáticamente una modalidad de generador de imágenes que usa este principio. Un sustrato Tx transparente a las ondas de terahercios comprende una matriz de transmisores de terahercios 10. El sustrato está diseñado para ser aplicado contra un área de análisis 12, por ejemplo, la piel. El sustrato Tx puede estar en contacto directo con la superficie 12 o mantenerse a una distancia determinada mediante el uso de un elemento de soporte 14.

En esta modalidad, la matriz de píxeles transmisores 10 está ubicada en una cara frontal del sustrato Tx, que está girada hacia la zona 12. El grosor del sustrato generalmente se elige para que sea como máximo la mitad de la longitud de onda de la radiación dentro del sustrato, lo que limita los reflejos internos que pueden perturbar a los píxeles vecinos.

Los píxeles del transmisor en esta configuración emiten ondas desde ambos lados del sustrato. Así, cada transmisor presenta, para cada cara del sustrato, un lóbulo que caracteriza la emisión de potencia en función del ángulo. El lóbulo frontal es más pequeño que el lóbulo posterior con esta configuración, lo que significa que el transmisor es más eficiente a través de la cara posterior (el transmisor normalmente está diseñado para usarse a través de la cara posterior).

Los transmisores también tienen lóbulos que definen los límites del campo cercano. Un lóbulo de potencia define un factor entre 0 y 1, mientras que un lóbulo de campo cercano define el límite espacial de la operación de campo cercano. La Figura 1 muestra un ejemplo de lóbulos de campo cercano NF. Estos lóbulos de campo cercano son aproximadamente simétricos con respecto al plano del generador de imágenes y tienen una amplitud del orden de una longitud de onda en el aire. Su forma exacta, que puede determinarse mediante simulaciones complejas, depende de la configuración de las antenas y los elementos vecinos.

Resulta que la naturaleza de los elementos en el campo cercano de un transmisor de terahercios puede afectar las características de la onda, especialmente a través del oscilador del transmisor. En dependencia de las circunstancias, el oscilador puede estar sujeto a un cambio de impedancia, fase, frecuencia o amplitud. Estas alteraciones se reflejan uniformemente en la onda emitida por ambos lados del sustrato. En dependencia de la frecuencia, ciertas alteraciones o la superación de umbrales dados pueden formar una firma característica de materiales o propiedades buscadas en el área analizada, por ejemplo, tejido canceroso en la piel, que puede ser discriminado por una mayor proporción de agua.

El generador de imágenes de la Figura 1 está diseñado para usar esta propiedad de campo cercano. La distancia entre el sustrato Tx y el área de medición 12 se elige de modo que el área de medición 12 se cruce con los lóbulos de campo cercano NF en la cara frontal del sustrato Tx. La distancia puede elegirse de modo que el área superficial de los lóbulos en la intersección con la zona 12 sea como máximo igual al área superficial de los píxeles del transmisor. Esto asegura la mejor cobertura de detección.

Un objeto 16 con propiedades especiales se muestra en la zona de análisis en contacto con los lóbulos de campo cercano del segundo y tercer transmisor. El objeto 16 afecta la onda emitida por estos transmisores, que está representada por lóbulos punteados.

Las ondas emitidas en la parte posterior por los transmisores 10 se reciben por los respectivos receptores de terahercios 18 dispuestos en una matriz con la misma distancia que la matriz de transmisores. La matriz de receptores 18 puede estar formada sobre la cara frontal de un sustrato Rx que tenga las mismas características que el sustrato Tx. La distancia entre la matriz de receptores y la matriz de transmisores es tal que los transmisores y los receptores están acoplados en modo de campo cercano, si es posible de tal manera que cada transmisor 10 esté acoplado a un único receptor 18 respectivo. Con esta configuración, cada receptor 18 mide y reproduce las propiedades de la onda emitida por su respectivo transmisor 10, que incluye cualquier alteración.

En la práctica, si la superficie analizada 12 es sólida, todos los emisores estarán más o menos perturbados en modo de campo cercano. El sistema de formación de imágenes puede configurarse genéricamente para generar una imagen del área analizada, mostrando los valores de fase, frecuencia y amplitud de las ondas en colores falsos, o para generar tres imágenes separadas en escala de grises para cada uno de estos parámetros. Los parámetros pueden combinarse en una sola variable con coeficientes de ponderación para enfatizar las propiedades características.

En el ejemplo de la Figura 1, los lóbulos de campo cercano NF tienen propiedades bastante buenas ya que no exceden el ancho de un píxel. En tal situación, es suficiente establecer las distancias de modo que el área de medición 12 cruce las porciones más anchas de los lóbulos frontales, y los receptores 18 estén ubicados en las porciones más anchas de los lóbulos posteriores, lo que corresponde aproximadamente a lo que se muestra. Esto proporciona la mejor sensibilidad. También es deseable que los lóbulos posteriores atraviesen la mayor parte posible del grosor del sustrato, lo que se logra colocando los sustratos espalda con espalda. Sin embargo, la presencia entre los sustratos de una capa que tenga un índice de refracción inferior al de los sustratos (aire, vacío u otro) es beneficiosa, porque permite que los sustratos permanezcan independientes en cuanto a las restricciones de grosor que limitan las reflexiones internas.

Además, en el ejemplo de la Figura 1, no hay posibilidad de diafonía entre receptores, porque el lóbulo posterior de un transmisor nunca se superpone a varios píxeles del receptor. Tampoco hay posibilidad de diafonía entre transmisores, porque el lóbulo frontal no se derrama de un píxel del transmisor a otro. Con esta configuración es posible utilizar todos los transmisores y receptores simultáneamente como un "obturador global".

En general, especialmente si se busca reducir la distancia de los píxeles, cada lóbulo posterior puede derramar varios píxeles del receptor, en dependencia de la distancia entre los transmisores y los receptores. Para los lóbulos frontales, la cara frontal siempre se puede acercar tanto como se desee a la zona de análisis 12 para limitar el área útil de los lóbulos a la superficie de los píxeles.

Para evitar problemas de diafonía en una situación general, cada transmisor puede activarse en secuencia con su respectivo receptor. Por lo tanto, incluso si varios receptores vecinos ven un lóbulo transmisor activado, solo el receptor designado se activa para lograr la medición.

Puede diseñarse una secuencia en la que se activen varios transmisores a la vez de acuerdo con un patrón en el que cada transmisor activado no interfiera con los receptores asociados con los otros transmisores activados.

En la Figura 1, cada sustrato incluye un circuito de control, 20 para los transmisores y 22 para los receptores, para gestionar la matriz, en particular las secuencias de activación de píxeles. La activación de un píxel transmisor incluye, entre otras cosas, encender un oscilador local del píxel o conectar el píxel a una señal de oscilador compartida. La activación de un píxel receptor incluye, en particular, realizar una medición.

Dado que los píxeles del transmisor y del receptor se controlan en sincronismo, las señales necesarias para la sincronización pueden transmitirse entre los circuitos 20 y 22 a través de un enlace 24 guiado en el elemento de soporte 14.

Los receptores pueden ser homodinos, de estructura muy simple, sin oscilador, pero sólo capaces de proporcionar una medida de amplitud. Si se desea explotar la información de fase o frecuencia, se pueden usar receptores heterodinos. El artículo ["A Fully Integrated 320 GHz Coherent Imaging Transceiver in 130 nm SiGe BiCMOS", Chen Jiang y otros, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 51, núm. 11, noviembre de 2016], así como la tesis mencionada anteriormente de Hani Sherry, describen implementaciones de receptores de terahercios heterodinos en tecnología de semiconductores.

Los sustratos Rx y Tx con sus píxeles y circuitos de control pueden realizarse como chips semiconductores, por ejemplo, en tecnología CMOS. Se pueden usar técnicas conocidas de ensamblaje de chip a chip para ensamblar los dos sustratos o chips Rx y Tx con la separación deseada.

De acuerdo con una modalidad, los píxeles del transmisor y del receptor son hexagonales y están dispuestos en una matriz de panal. Esta configuración hexagonal de los píxeles se adapta particularmente bien a la estructura de los transmisores y receptores de THz considerados. De hecho, estos pueden basarse en una antena de anillo, como veremos a continuación, y la estructura hexagonal es más compacta que una estructura cuadrada para contener una antena de anillo. Además, debido a que la matriz tiene forma de panal, puede acomodar una mayor cantidad de píxeles para una distancia dada entre píxeles. Estas características combinadas dan como resultado una resolución significativamente más alta para una distancia dada que una matriz cuadrada y una mejor representación de líneas oblicuas.

La Figura 2 representa una vista superior parcial de una modalidad de píxeles hexagonales en una matriz fabricada con una tecnología de semiconductores, por ejemplo, CMOS de 65 nm. Se ha representado la matriz de píxeles del receptor Rx. La matriz de píxeles del transmisor es similar, ya que está sujeta a las mismas restricciones, definidas por las dimensiones de las antenas. Los elementos de esta vista se representan sustancialmente a escala para un generador de imágenes diseñado para funcionar a aproximadamente 600 GHz, como ejemplo. La frecuencia de 600 GHz corresponde a una longitud de onda de 0,5 mm en el aire. Los píxeles están integrados en un sustrato de silicio, donde la longitud de onda disminuye por un factor de multiplicación de aproximadamente 0,6, reduciendo la longitud de onda a aproximadamente 0,3 mm en silicio. Además, es aceptable trabajar sólo a la mitad de la longitud de onda, es decir, 0,15 mm, ya que esto permite aumentar la resolución por un factor de 2 con una pérdida de ganancia aceptable. Así, las antenas de los transmisores y receptores están dimensionadas para trabajar en esta longitud de onda. Las antenas 50 aquí son anulares, lo que implica que su circunferencia media es al menos igual a la longitud de onda de trabajo, es decir, 0,15 mm.

Los anillos están grabados, por ejemplo, en la última capa de metal de la tecnología y tienen un ancho de 10 pm, es decir, un diámetro externo de 64 pm y un diámetro interno de 54 pm.

Además, para evitar la propagación transversal de perturbaciones eléctricas por acoplamiento inductivo o capacitivo entre píxeles, cada píxel incluye un anillo protector periférico 52, que puede ser circular o, aquí, hexagonal. La antena está centrada en un área predominantemente libre de metales con un diámetro promedio aproximadamente igual a la longitud de onda de trabajo (0,15 mm). Por lo tanto, el borde interior del anillo protector está al menos a 38 |jm del borde exterior del anillo de la antena. El anillo protector también tiene 30 jm de ancho y está estructurado para cumplir con la relación metal/vacío recomendada por la tecnología. El píxel tiene así un ancho de 200 jm entre dos lados opuestos del hexágono, un valor correspondiente a la distancia a lo largo de cada uno de los tres ejes a 0°, 120° y 240°.

La Figura 3 es una vista en sección transversal de los píxeles de la Figura 2. Los píxeles se forman sobre la cara activa de un sustrato semiconductor 60, aquí de silicio. Las antenas 50, grabadas en el último nivel de metal, están al ras con el lado superior del sustrato. Este lado superior normalmente está cubierto con una capa de pasivación, no mostrada. Los anillos protectores 52, como se muestra, pueden extenderse en profundidad mediante el uso de patrones de metal apilados en todos los niveles de metal de la tecnología, siete en CMOS de 65 nm, interconectados por vías. Las vías pueden disponerse alrededor de cada píxel a una distancia que perfeccione la función de apantallamiento.

Para limitar los reflejos internos, como se mencionó anteriormente, el grosor del sustrato 60 es de 0,15 mm.

Como se muestra para una pared de uno de los anillos protectores, los patrones de metal se pueden estructurar para formar una cavidad 62. La cavidad 62 puede acomodar pistas conductoras y componentes electrónicos para controlar los píxeles. De hecho, el ancho de dos anillos protectores adyacentes es del orden de 60 jm, lo que, en tecnología de 65 nm, proporciona espacio suficiente para acomodar la mayoría de los conductores y componentes electrónicos necesarios para explotar localmente los píxeles. Esta configuración reduce al mínimo estricto los conductores metálicos en las áreas vacías alrededor de las antenas, lo que perturbaría las propiedades ópticas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un sensor para un sistema de formación de imágenes de terahercios de campo cercano, que comprende: una matriz de transmisores de radiación de terahercios (10) configurada de manera que los transmisores interactúen con un objeto a analizar (12) por efecto de campo cercano;

en donde cada transmisor está configurado para emitir un campo desde dos caras de la matriz; y el sensor comprende además:

una matriz de receptores (18) dispuesta en el lado opuesto de la matriz de transmisores del objeto a analizar (12), que incluye un receptor de radiación de terahercios opuesto a cada transmisor, ubicado en el campo cercano del transmisor.

2. El sensor de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

un primer sustrato plano (Rx) de material semiconductor transparente a la radiación de terahercios, que tiene una cara activa en la que los receptores (18) están realizados en tecnología de semiconductores; y un segundo sustrato plano (Tx) distinto del primer sustrato, hecho de material semiconductor transparente a la radiación de terahercios, que tiene una cara activa en la que los transmisores (10) están realizados en tecnología de semiconductores.

3. El sensor de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un circuito de control (20, 22) configurado para activar en secuencia cada transmisor con su respectivo receptor.

4. El sensor de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la cara activa del segundo sustrato (Tx) se orienta hacia el objeto a analizar (12), y una cara posterior del segundo sustrato se orienta hacia el primer sustrato (Rx).

5. El sensor de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la cara activa del primer sustrato (Rx) se orienta en dirección contraria al segundo sustrato (Tx), y la cara posterior del primer sustrato se orienta hacia el segundo sustrato.

6. El sensor de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el primer y segundo sustratos están separados entre sí por una capa que tiene un índice de refracción más bajo que los sustratos.

7. El sensor de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la distancia de las matrices es al menos la mitad de la longitud de onda de la radiación dentro de los sustratos y cada sustrato tiene un grosor de como máximo la mitad de la longitud de onda de la radiación dentro del sustrato.

8. El sensor de acuerdo con la reivindicación 7, en donde los receptores y transmisores tienen una configuración hexagonal y están dispuestos en matrices de panal.

9. El sensor de acuerdo con la reivindicación 8, en donde cada receptor y transmisor comprende:

una antena anular (50) formada en un nivel de metal de la cara activa, siendo la circunferencia promedio de la antena al menos la mitad de la longitud de onda de la radiación de terahercios dentro del sustrato; y un anillo protector (52) que rodea la antena en la periferia del receptor o transmisor, formado por patrones de metal apilados a través de varios niveles de metal.

10. El sensor de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el anillo protector (52) comprende patrones de metal estructurados para formar una cavidad (62) que aloja pistas conductoras y componentes electrónicos para operar los receptores y transmisores.