为太赫兹传感器铺平道路

鲁汶大学的研究人员最近演示了如何在标准半导体技术中实现太赫兹成像，为紧凑且经济高效的太赫兹传感器铺平了道路。这项创新为他们赢得了著名的贝尔实验室奖。

为了实现高水平的自动驾驶，车辆目前依靠摄像头和雷达的组合来导航复杂的道路。从物理学的角度来说，它们利用电磁频谱的两个独立部分。雷达在 24 至 77 GHz 左右的频段运行，而相机对 400 至 750 太赫兹之间的频率敏感。这意味着这些系统目前未使用电磁频谱的很大一部分。

想象一下，车辆也能够使用太赫兹范围内的广阔频谱。这种先进的传感器融合将产生大量数据，使自主系统更加智能。太赫兹成像可以为其他应用领域带来类似的好处，例如医学成像、安全和食品安全。

不幸的是，现有的太赫兹成像系统体积庞大、复杂且昂贵，使得它们在大批量应用中的使用不可行。这可能很快就会改变。鲁汶大学的研究人员最近演示了如何在标准半导体技术中实现太赫兹成像，为紧凑且经济高效的太赫兹传感器铺平了道路。

如今，CMOS 技术已成为几乎所有芯片的标准制造技术。它能够以低成本实现高度集成、低功耗、高性能的芯片。当科学家找到一种使用该技术来创建图像传感器的方法时，制造紧凑型数码相机，当然还有拍照手机成为可能。如果鲁汶大学开发的技术可以扩展到所需的分辨率和灵敏度，我们可能会看到与太赫兹成像相同的场景。

鲁汶大学研究人员做的第一件事就是提出 CMOS 基本问题的解决方案。即使是最先进的技术版本也无法应对太赫兹频率。在这些速度下，没有足够的时间对内部电路节点进行充电和放电。信号放大变得不可能。限制在 300 GHz 左右。因此，要使用 CMOS 芯片检测和放大太赫兹信号，需要做一些新的事情。

这就是模拟电路设计的用武之地。与使用执行某种二进制运算的标准晶体管块的数字电路相比，模拟电路设计需要仔细调整各个晶体管的尺寸和布局，以将输入信号转换为所需的输出信号。鲁汶大学的 MICAS 研究部门以其模拟和混合信号电路设计方面的专业知识而闻名。在 MICAS 攻读博士学位期间，Ariane De Vroede 研究了如何利用模拟电路设计的可能性，使 CMOS 在太赫兹频率下工作。并取得成功。

在 Patrick Reynaert 教授的指导下，De Vroede 提出了以下解决方案。该电路的核心是一个振荡器，它工作在非常高但仍然舒适的频率下，例如 200 GHz。输入的太赫兹信号（在本例中频率为 600 GHz）通过直接连接到振荡器的天线耦合到电路中。由于输入信号的频率是振荡器频率的倍数，谐波效应将在太赫兹信号和振荡器输出之间建立关系。通过仔细选择天线和电路晶体管的布局，可以使输出与输入太赫兹信号的功率成比例。换句话说，我们有一个 CMOS 集成的太赫兹传感器。

De Vroede 使用的原理称为注入锁定。这在解调电路中很常见，但它是第一次用于检测太赫兹频率的功率。由于谐波效应至关重要，因此使用术语谐波注入锁定。

接下来，德弗罗德用她的太赫兹传感器作为像素构建了一个四乘四的阵列。更大的成像仪意味着对物体的机械扫描更少，并且结果更快、更可靠。同样，所有东西都是作为一个 CMOS 芯片制造的。一个很大的优势是，除了核心太赫兹传感器的模拟电路之外，还可以免费集成额外的电子模块。它们可以执行像素选择、校准和模数转换等功能。这个小阵列充当了各种成像应用的演示器。例如，隐藏多个物体的信封的太赫兹图像揭示了其内容。

该研究被授予贝尔实验室奖，该奖项旨在表彰解决人类面临的关键挑战的创新。De Vroede 和她的发起人 Reynaert 教授从来自 25 个不同国家的 107 件参赛作品中脱颖而出，获得一等奖。他们在新泽西州默里山贝尔实验室总部举行的颁奖典礼上获得了该奖项和 10 万美元奖金。

尽管仍需要大量研发工作才能实现真正的产品，但鲁汶的研究人员已经清楚地表明，CMOS 技术中的太赫兹成像是可行的。这是广泛采用的一个突破，因为 CMOS 使紧凑且低成本的太赫兹传感器阵列成为可能。MICAS 计划继续在这一领域进行研究。使用人工智能增强太赫兹图像是一种有前途的方法的例子，也是下一个创新周期的一个有趣的主题。

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