THz sensor processor array development characterization and application

A modern képalkotás egyre szélesebb tartományát alkalmazza az elektromágneses spektrumnak. Az utóbbi évek kihívása a THz-es tartomány meghódítása. Ennek alkalmazása számos nehézsége ütközik, mivel ez a hullámhossz a rádió és az infravörös hullámok közé esik, azaz itt még rövid a hullámhossz az antennáknak, de már kicsi az energiája a fotonoknak a fotodiódán illetve bolométeren alapuló detektáláshoz. Ráadásul THz-es fényforrások ára is nagyon magas, teljesítményük pedig a frekvencia növekedésével drasztikusan csökken.

A nehézségekért cserébe ez a tartomány sok hasznos dolgot kínál. Ezen a hullámhosszon átlátni a ruhákon, a táskákon. Ugyanakkor a THz-es hullámok visszaverődnek a fém tárgyakról, a víz pedig elnyeli őket. Azaz biztonságtechnikai eszközökben kiválóan lehet alkalmazni az ebben a tartományban működő eszközöket. Ráadásul a nagymolekulás szerves vegyületek spektrális képe ebben a hullámhossztartományban nagyon különbözik, így kémiai vizsgálatok elvégzésére szintén jól alkalmazható. Harmadik fontos alkalmazási területe a gyógyászat. Itt mind a diagnosztikában, mind a terápiában alkalmazható, elsősorban bőrbetegségek azonosítására illetve kezelésére.

A mai THz-es képalkotók tipikusan egyetlen, esetleg néhány szenzoron alapulnak, amely előtt a látványt mozgatják, vagy a megvilágítással pásztáznak. Ennek az az oka, hogy a szenzor kimenetén a jel kicsi és ennek megfelelően zajjal erősen terhelt. Ezért ahhoz, hogy a kép mégis használható legyen, komoly digitális zajszűrést kell alkalmazni minden egyes szenzor pozícióban már a mérés ideje alatt. Erre a célra tipikusan lock-in erősítőket használnak a mai rendszerekben, amelyek oszcillátor méretű asztali műszerek.

Mi egy új THz-es érzékelőt tervezünk kifejleszteni, amelynek az az újdonsága, hogy nem csak néhány szenzoron alapul, hanem egy szenzorprocesszor tömbön. Így minden egyes szenzor mögé kerül egy on-chip processzor, amely csatornánként elvégzi a zajszűrést, kiváltva ezzel a lock-in erősítőt. Így egyszerre néhány pont helyett több tucat, később több száz pixel pozícióban is mérhetünk, amely jelentősen felgyorsítja a képalkotást, és az eddigi statikus THz-es képek helyett akár mozgó kép előállítására is alkalmassá válik. Mindezt a nemrég megjelent nagy érzékenységű THz-es CMOS kompatibilis érzékelők (lásd. 2.1 fejezet) valamint a sokprocesszoros technológiánk továbbfejlesztésével tervezzük elérni oly módon, hogy felhasználjuk az akadémia számára csak nemrég elérhetővé vált 90nm-es technológiát. Az antenna geometriáján keresztül hangolható, keskeny sávura tervezhető antenna ráadásul még a multi-spektrális (színes) THz érzékelő építését is lehetővé fogja tenni. A tervezett kutatás-fejlesztésben a következő új elemek jelennek meg:

• Az irodalomban eddig csak 180nm-en szereplő CMOS kompatibilis THz detektor 90nm-re áttevése.
• A megépített CMOS kompatibilis THz detektor pontos kalibrálása.
• A korábban tervezett és épített processzor tömbünk testre szabása, áttevése 90nm-es technológiára, és az antenna jelének fogadására képes mixed-signal interface kidolgozása szintén 90nm-es technológián.
• A CMOS kompatibilis THz detektor összeintegrálása a processzortömbünkkel.
• Multispektrális THz-es szenzorprocesszor detektorok és tömbök építése.