Circuitos integrados para detecção de ondas submilimétricas em sistemas de identificação...

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Circuitos Integrados para Detec¸

c˜

ao de

Ondas Submilim´

etricas em Sistemas de

Identifica¸

c˜

ao por Imagem

Texto apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obten¸cão do T´ıtulo de Doutor em

Enge-nharia .

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Circuitos Integrados para Detec¸

c˜

ao de

Ondas Submilim´

etricas em Sistemas de

Identifica¸

c˜

ao por Imagem

Texto apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obten¸cão do T´ıtulo de Doutor em

Enge-nharia .

´

Area de concentra¸c˜ao: Microeletrˆonica

Orientador:

Dr.

Luiz Monteiro da Franca

Neto

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Brito Filho, Francisco

Circuitos Integrados para Detecção de Ondas Submilimétricas em Sistemas de Identificação por Imagem / F. Brito Filho -- São Paulo, 2015. 92 p.

Tese (Doutorado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos.

1.Circuitos Integrados 2.Antenas Integradas 3.Detectores 4.Terahertz 5.Imageamento I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica.

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Aos meus pais Francisco de Assis Brito e Vilma Solano Benevides Brito, que sempre acreditaram em mim e me apoiaram ao longo de toda a minha vida profissional e acadˆemica.

A minha irm˜a Mˆonica, pela sua companhia durante muitos anos e pelo seu carinho e amor incondicional.

A minha tia Antˆonia, pelo carinho e receptividade que sempre teve.

A Nadja, que esteve ao meu lado compartilhando bons e maus momentos, em grande parte desta jornada.

Ao meu amigo Weykmy, que me apresentou o mundo do radioamadorismo quando estavamos na s´etima s´erie.

Ao meu orientador, Luiz Monteiro da Franca Neto, que me propˆos um tema

fantástico para esta tese de doutorado, com desafios enormes, porém muito grati-ficantes. Agrade¸co os ensinamentos passados durante este per´ıodo, que serão de grande valia para o meu futuro profissional.

Ao Professor Fernando Rangel de Sousa, que foi o primeiro que apostou em mim e me deu a chance trabalhar com pesquisa e desenvolvimento, desde a gra-dua¸cão até o mestrado, na área que eu sempre quis desde os tempos de crian¸ca:

circuitos para comunica¸c˜ao.

Ao Professor Wilhelmus, que sempre esteve disposto a ajudar e a contribuir com o que precisei durante este trabalho.

Aos Professores José Vieira e João Navarro, pelas contribui¸cões que fizeram no exame de qualifica¸cão, para que eu pudesse melhorar este trabalho.

Aos meus colegas de trabalho no LSITEC.

Aos meus colegas de trabalho da UFERSA.

Ao meu amigo, companheiro de trabalho e de doutorado Hugo Daniel, sempre disposto a ajudar e a compartilhar bons e maus momentos.

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A Francisco e Cristiane, que me auxiliaram nos testes experimentais com o sistema THz-TDS na UNICAMP.

A FAPESP, pelo apoio financeiro.

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Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de circuitos para a deteçcão de ondas submilimétricas integrados em tecnologia CMOS.

Existe um interesse crescente nas tecnologias que utilizam frequências em te-rahertz (300 GHz - 3 THz) para aplica¸cões em diagnóstico médico por imagem, análise espectral, seguran¸ca, radiocomunica¸cão, aplica¸cões médicas e de inspe¸cão. Os sistemas atuais que utilizam tecnologias fotônicas são complexos e consomem muito espa¸co, além de pouco acess´ıveis devido ao seu alto custo. Porém, com o advento das tecnologias de sil´ıcio (eg. CMOS e BiCMOS) é poss´ıvel desen-volver circuitos nesta faixa de frequência, com baixo custo e alta capacidade de integra¸cão, permitindo inclusive o processamento do sinal no próprio chip.

Diante deste contexto, as investiga¸cões desta tese de doutorado pretendem analisar e contribuir com o desenvolvimento de circuitos de deteçcão de ondas sub-milimétricas, bem como, propor uma metodologia de projeto que permita a integra¸cão destes circuitos e suas antenas em tecnologia CMOS, e com especi-fica¸cões para aplica¸cão em um sistema de identifica¸cão por imagem. Este sistema é composto por antena, interface para deteçcão e processamento do sinal. Alguns detectores com antenas patch acopladas e com varia¸cões topológicas foram fabri-cados em tecnologia CMOS de 180 nanometros e testados para diferentes faixas de frequências, que vão desde 400 GHz até 800 GHz. Também foi desenvolvido um arranjo de detectores com 12 pixels (4x3) para a faixa de 700 GHz a 770 GHz, para aplica¸cão em sistemas de identifica¸cão por imagem. A análise, o projeto e os testes destes circuitos, bem como a sua aplica¸cão e a compara¸cão dos mesmos com os apresentados em outros trabalhos, são discutidos ao longo desta tese. Os circuitos foram testados com um setup proposto adaptando-se um sistema de es-pectroscopia no dom´ınio do tempo, comprovando os resultados através de testes experimentais.

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This PhD thesis deal with the development of circuits for submillimeter waves detection integrated in CMOS technology.

There is a growing interest in technologies that uses terahertz frequencies (300 GHz to 3 THz) for applications in medical imaging, spectral analysis, security, radiocommunication, medical applications and inspection. The present systems that uses photonic technology are complex and space consuming, and also are very expensives. However, with the advent of silicon technologies (eg. CMOS and BiCMOS) is possible to develop circuits to work in this frequency range, with low cost and high integrability, including the on-chip signal processing.

Given this context the investigations of this PhD thesis intends to analyze and to contribute with the development of submillimeter waves detection circuits as well as to propose a design metodology that allows the circuit integration and its antennas in CMOS technology and with specifications for application in imag-ing system. This system is composed by antenna, detection interface and signal processing. Some detectors with coupled patch antenna and with topological variations were fabricated in 180 nanometers CMOS technology and tested for different frequency ranges, that ranging from 400 GHz until 800 GHz. Also was developed a detector array with 12 pixels (4x3) for the 700 to 770 GHz frequency range (120 GHz bandwidth), for application in imaging systems. The analysis, design and testing of these circuits as well as their application and their compar-ison with those presented in other works, are discussed throughout this thesis. The circuits were tested using a proposed setup using a terahertz time-domain spectroscopy system confirming the results through experimental tests.

(10)

Lista de Figuras

Lista de Tabelas

Lista de Abreviaturas e Siglas

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Terahertz no Espectro Eletromagn´etico . . . 2

1.2 Aplica¸c˜oes em Terahertz . . . 4

1.2.1 Caracteriza¸c˜ao de Materiais . . . 4

1.2.2 Comunica¸c˜ao . . . 7

1.2.3 Sistema de Identifica¸c˜ao por Imagem . . . 9

1.3 Fontes e Detectores . . . 11

1.3.1 Fontes . . . 11

1.3.2 Detectores . . . 16

1.4 Objetivos e Contribui¸c˜oes . . . 16

1.5 Estrutura do Texto . . . 18

2 Considera¸c˜oes e Metodologia de Projeto 19 2.1 Considera¸c˜oes de Arquitetura . . . 19

2.2 Considera¸c˜oes Tecnol´ogicas . . . 20

2.3 Metodologia de Projeto . . . 23

3 Circuito para Deteçcão de Ondas Submilimétricas 26 3.1 Detectores a MOSFET . . . 26

(11)

3.4 Projeto dos Circuitos e Arranjo de Detectores . . . 32

3.5 Simula¸c˜oes de Responsividade do Detector . . . 33

3.6 Simula¸c˜ao da NEP . . . 34

4 Antenas 36 4.1 Antena Patch de Microfita . . . 36

4.1.1 Teoria . . . 37

4.1.2 Equa¸c˜oes de Projeto . . . 38

4.2 Antenas Patch para Terahertz . . . 39

4.2.1 Projeto das antenas . . . 39

4.2.2 Simula¸c˜oes Eletromagn´eticas das Antenas . . . 42

4.2.3 Resumo dos resultados de simula¸c˜ao eletromagn´etica das antenas . . . 46

5 Resultados 47 5.1 Chip fabricado para testes . . . 47

5.2 Metodologia de Testes . . . 50

5.3 Descri¸c˜ao do Sistema THz-TDS . . . 51

5.4 Calibra¸c˜ao da fonte . . . 55

5.5 Responsividade e NEP dos Detectores . . . 56

5.5.1 Detector de 400 GHz . . . 57

5.5.2 Detector de 500 GHz . . . 59

5.5.3 Detector de 600 GHz . . . 60

5.5.4 Detector de 700 GHz . . . 61

5.5.5 Resumo dos resultados de medi¸c˜ao dos detectores . . . 62

5.6 Diagramas de radia¸c˜ao das antenas . . . 63

5.6.1 Antena de 400 GHz . . . 63

(12)

5.6.4 Antena de 700 GHz . . . 65

5.6.5 Resumo comparativo dos diagramas de radia¸c˜ao . . . 65

5.7 Arranjo de detectores 3x4 . . . 66

5.8 Comparativos . . . 67

6 Conclus˜oes e Trabalhos Futuros 68 6.1 Contribui¸c˜oes . . . 69

6.2 Trabalhos Futuros . . . 70

(13)

1.1 A faixa de terahertz no espectro eletromagn´etico. . . 3

1.2 Assinaturas de explosivos como resposta a radia¸c˜ao em terahertz.

(a) TNT. (b) 4-amino-DNT. [22]. . . 5

1.3 Diagrama de blocos de um sistema de espectroscopia no dom´ınio do tempo no modo transmiss˜ao. . . 6

1.4 Diagrama de blocos de um sistema de espectroscopia no dom´ınio do tempo no modo reflex˜ao. . . 6

1.5 Diagrama de blocos de um sistema de espectroscopia no dom´ınio da frequˆencia. . . 7

1.6 Formas de onda amostradas em sistemas de espectroscopia: (a) no dom´ınio do tempo; e (b) no dom´ınio da frequˆencia.[26] . . . 8

1.7 Atenua¸c˜ao na atmosfera para frequˆencias entre 100 e 1000 GHz. [28] 9

1.8 Imagem ilustrativa de aplica¸c˜ao em seguran¸ca [29]. . . 10

1.9 Imagem ilustrativa de aplica¸cão em diagnóstico médico por imagem [30]. . . 10

1.10 Diagrama de blocos de um sistema para detec¸c˜ao por imagem. . . 10

1.11 Diagrama de blocos b´asico de um upconverter. . . 12

1.12 Foto de uma fonte baseada em diodo IMPATT [32]. . . 12

1.13 Foto de uma fonte baseada em cadeias multiplicativas [31] . . . . 13

1.14 Microfotografia de um chip de arranjo de osciladores para gera¸c˜ao de sinais em frequˆencia de terahertz [33] . . . 13

1.15 Foto de um BWO. . . 14

1.16 Corte transversal de um QCL [34]. . . 15

1.17 Fotomisturador aplicado em um sistema de espectroscopia no dom´ınio

(14)

2.1 Diagrama ilustrativo de um detector hom´odino. . . 20

2.2 Diagrama ilustrativo de um detector heter´odino. . . 20

2.3 Corte transversal em um processo CMOS do tipo n-well contendo transistores NMOS e PMOS. . . 21

2.4 Corte transversal em um processo CMOS do tipo p-well contendo transistores NMOS e PMOS. . . 21

2.5 Corte transversal em um processo CMOS do tipo twin-well con-tendo transistores NMOS e PMOS. . . 21

2.6 Corte transversal em um processo CMOS do tipo triple-well con-tendo transistores NMOS e PMOS. . . 21

2.7 Corte transversal em um processo CMOS-SOI. . . 22

2.8 Corte transversal em um processo CMOS do tipo n-well destacando as camadas de metais superiores para o projeto das antenas do tipo patch. . . 23

2.9 Fluxograma base para a metodologia de projeto de detectores com antena integrada. . . 24

3.1 Transistor MOS em configura¸c˜ao de detector quadr´atico. . . 26

3.2 Modelo n˜ao-quasi-est´atico do transistor da figura 3.1. . . 28

3.3 Arquitetura do detector. . . 32

3.4 Esquematico do detector. . . 32

3.5 Banco de teste para extra¸c˜ao da responsividade do detector. . . . 33

3.6 Responsividade P in/V out em fun¸c˜ao da polariza¸c˜ao do detector. . 33

3.7 Responsividade V out/P in em fun¸c˜ao da resistˆencia. . . 34

3.8 NEP do detector. . . 35

4.1 Antena Patch Retangular com orienta¸c˜ao dos campos. . . 38

4.2 Corte transversal de uma antena patch. . . 38

4.3 Diagrama de um pixel. . . 39

4.4 Layout da antena para simula¸c˜ao eletromagn´etica. . . 40

(15)

4.7 Diretividade da antena de 400 GHz. . . 42

4.8 s11 da antena de 500 GHz. . . 43

4.10 s11 da antena de 600 GHz. . . 44

4.12 s11 da antena de 700 GHz. . . 45

5.1 Layout do chip enviado para fabrica¸c˜ao. . . 47

5.2 Microfotografia do chip fabricado. . . 48

5.3 Parte da microfotografia do chip fabricado deste trabalho. . . 49

5.4 Montagem do chip na PCI. . . 49

5.5 Zoom no chip microssoldado na PCI. . . 50

5.6 Fluxograma de teste dos detectores. . . 51

5.7 Diagrama detalhado do sistema HASSP-THz [24]. Linhas verdes e vermelhas indicam caminhos ´oticos e linhas pretas pontilhadas indicam caminhos de sinal el´etrico. . . 53

5.8 Foto dos m´odulos que abrigam os lasers. . . 54

5.9 Fotoemissor Tera-SED. . . 55

5.10 Fotodetector PR130. . . 55

5.11 Placa de amostragem. . . 56

5.12 Foto do ambiente de testes com setup para medi¸c˜ao da responsi-vidade e NEP dos detectores. . . 57

5.13 Resultado de medi¸cão da responsividade para o detector de 400 GHz e compara¸cão com a simula¸cão pós-layout (fonte -10dBm). . 58

5.14 Resultado da NEP para o detector de 400 GHz. . . 58

5.15 Resultado de medi¸c˜ao da responsividade para o detector de 500 GHz. . . 59

(16)

GHz. . . 60

5.19 Resultado de medi¸c˜ao da responsividade para o detector de 700

GHz. . . 61

5.21 Resultados de medi¸c˜ao da responsividade para todos os detectores. 62

5.22 Diagrama de radia¸c˜ao normalizado para a antena de 400 GHz. . . 63

5.26 Diagramas de radia¸c˜ao normalizado para as antenas medidas. . . 65

(17)

1.1 Caracter´ısticas da faixa de terahertz. . . 4

2.1 Alguns tipos de detectores. . . 19

4.1 Parˆametros para projeto. . . 40

4.2 Dimens˜oes das antenas projetadas. . . 41

4.3 Resumo dos resultados obtidos. . . 46

5.1 Caracter´ısticas dolaser e oscilador de femtosegundos utilizados no sistema HASSP-THz. . . 52

5.2 Resumo dos resultados obtidos. . . 62

(18)

ASOPS Asynchronous Optical Sampling

BiCMOS Bipolar CMOS

BWO Backward Wave Oscillator

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

COB Chip On Board

CW Continuous Wave

EM Eletromagn´etica

FAPESP Funda¸c˜ao de Apoio a Pesquisa do Estado de S˜ao Paulo

FDS Frequency Domain Spectroscopy

GaAs Galium Arsenide

HASSP High Speed Asynchronous Sampling THz Transmission Spectroscopy System

HEB Hot Electron Bolometer

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

InP Indium Phosphide

IR Infra Red

JPL Jet Propulsion Lab

MOS Metal Oxide Semiconductor

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MPW Multi Project Wafer

NASA National Aeronautics and Space Administration

NEP Noise Equivalent Power

NMOS N-type MOSFET

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QCL Quantum Cascade Laser

ROIC Readout Integrated Circuits

SiGe Sil´ıcio Germˆanio

SIS Superconductor Insulator Superconduction

SoC System On Chip

TDS Time Domain Spectroscopy

UNICAMP Universidade Estadual de Campinas

(20)

1 Introdu¸

c˜

ao

A faixa de frequˆencias de terahertz ou de comprimento de ondas

submi-limétricas é a última fronteira a se conquistar no espectro eletromagnético [1]. Trata-se da faixa onde o desenvolvimento tecnológico de duas grandes áreas con-solidadas do conhecimento se encontram: a eletrônica e a fotônica.

Nos últimos anos, um interesse crescente têm sido dado à tecnologias que uti-lizam frequências em terahertz (300 GHz - 3 THz) para aplica¸cões em diagnóstico médico por imagem, análise espectral, seguran¸ca, radiocomunica¸cão, aplica¸cões

médicas e de inspe¸cão [1]. Os sistemas atuais que utilizam tecnologias fotônicas são complexos e consomem muito espa¸co [2], além de pouco acess´ıveis devido ao seu alto custo [3]. O rápido desenvolvimento de tecnologias baseadas em sil´ıcio (eg. CMOS e BiCMOS) tem possibilitado o desenvolvimento de aplica¸cões em

ondas milimétricas e submilimétricas [2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Com isto, está ha-vendo um aumento do interesse em dispositivos eletrônicos para frequências em terahertz, que tem potencial para substituir algumas das técnicas tradicionais baseadas em dispositivos fotônicos [11].

Ondas eletromagnéticas nestas frequências fornecem uma resolu¸cão milimétrica

dos objetos [12], o que as tornam ideais para aplica¸cões de identifica¸cão por ima-gem, especialmente nas áreas médicas e de seguran¸ca. Várias implementa¸cões têm sido feitas com o propósito de diagnóstico médico por imagem [13, 14, 15], sendo esta uma das principais aplica¸cões com potencial comercial [16, 17], tendo

a vantagem do quanta em terahertz ser muito menos energético do que os raios-x, não apresentando perigo de ioniza¸cão para o tecido biológico [18]. Além disso, estas frequências podem ser atraentes para aplica¸cões de radiocomunica¸cão en-tre satélites e de links aéreos na estratosfera [3], possibilitando altas taxas de

transferˆencia de dados.

Os componentes desenvolvidos para aplica¸c˜oes em terahertz podem ser

(21)

sa´ıda [11]. Para o caso dos detectores, trabalhos tem reportado o seu

desenvolvi-mento utilizando processos de sil´ıcio [2, 19]. Estes detectores foram inseridos em sistemas de identifica¸cão por imagem com sucesso, tornando vis´ıvel os benef´ıcios das tecnologias de sil´ıcio para este tipo de aplica¸cão, que são: baixo custo, alta ca-pacidade de integra¸cão de circuitos, incluindo o processamento do sinal no mesmo

chip [2].

No âmbito deste trabalho, pretende-se conceber um sistema de deteçcão de

ondas submilimétricas integrado em tecnologia CMOS e com especifica¸cões que permitam a sua aplica¸cão em um sistema de identifica¸cão por imagem. Este sistema será composto por antena, interface para deteçcão e processamento do sinal para reconstru¸cão da imagem. Também será analisada a possibilidade da

utiliza¸cão deste sistema para aplica¸cão em radiocomunica¸cão.

A se¸cão a seguir apresenta de forma resumida um sistema de identifica¸cão por imagem e em seguidas o objetivo e as contribui¸cões deste doutorado. Ao final deste cap´ıtulo é apresentada a estrutura de organiza¸cão deste documento.

1.1 Terahertz no Espectro Eletromagn´

etico

A faixa de ondas submilim´etricas possui um lugar especial no espectro

ele-tromagnético, trata-se do ponto onde duas grandes áreas do conhecimento, a eletrônica e a fotônica, se encontram. É nesta faixa de frequências onde o de-senvolvimento destas áreas buscam superar os seus limites tecnológicos de modo a fornecer solu¸cões práticas para as inúmeras aplica¸cões vislumbradas para as

ondas submilim´etricas [1].

A figura 1.1 apresenta o espectro eletromagn´etico e em destaque a faixa de

terahertz.

O espectro eletromagnético como é conhecido nos dias atuais, organiza todas as formas de radia¸cão eletromagnética em uma faixa de frequências, comprimen-tos de onda e energia do fóton. Anteriormente ao eletromagnetismo, somente a luz vis´ıvel era tida como uma radia¸cão eletromagnética. Com o desenvolvimento

das equa¸cões de Maxwell foi poss´ıvel prever a existência de um espectro onde haveria radia¸cão eletromagnética proveniente de oscila¸cões muito pequenas até oscila¸cões muito altas, e que estas ondas eletromagnéticas se propagavam com uma velocidade constante, a velocidade da luz. Esta descoberta mudou a forma

(22)

Figura 1.1: A faixa de terahertz no espectro eletromagn´etico.

que os nossos olhos vêem é muito pouco do que o universo nos mostra. Para com-plementar o entendimento do espéctro eletromagnético, surgiu também a teoria quântica, que relacionou a energia dosquanta com a frequência das oscila¸cões das ondas eletromagnéticas.

Desde a descoberta do espectro eletromagn´etico, buscou-se desenvolver tec-nologia para sentir e gerar ondas eletromagn´eticas diferentes da luz vis´ıvel.

In-fravermelho e ultravioleta foram descobertos ainda no final do século XVIII e in´ıcio do século XIX. As ondas de rádio e as microondas no final do século XIX, assim como os raios-X. Para completar, os raios-gama foram descobertos ainda no in´ıcio do século XX, como sendo a última por¸cão do espectro eletromagnético

a ser preenchida.

(23)

era uma parte intermedi´aria, compreendida entre as ondas de r´adio com

compri-mento de milimetros e a radia¸cão infravermelha. Esta por¸cão do espectro ficou conhecida como terahertz gap e por muito tempo ficou carente de tecnologias que permitissem a deteçcão e a gera¸cão de ondas eletromagnéticas nesta faixa de frequências, compreendida entre 300 GHz e 3 THz [20]. Para a eletrônica,

era dif´ıcil obter circuitos que oscilassem em frequências tão elevadas, a partir da multiplica¸cão de frequências menores, como as de rádio ou microondas. Já para a fotônica, era dif´ıcil obter luz com comprimentos de onda tão grandes, a partir de lasers.

Não obstante esta por¸cão do espectro eletromagnetico ser de dificil acesso tecnológico, o seu potencial era bem conhecido, pois são inúmeras as intera¸cões

do ponto de vista da matéria que ocorrem nesta faixa de frequências, o que a torna bastante interessante para aplica¸cões, que serão detalhadas em breve na se¸cão 1.2, como a caracteriza¸cão de materiais e o imageamento. Além disso, a possibilidade de se obter uma alta largura de banda para a transmissão e recep¸cão

de sinais, torna-a tamb´em atrativa para fins de comunica¸c˜ao.

A tabela 1.1 apresenta algumas caracter´ısticas da faixa de terahertz.

Frequˆencia 300 GHz - 3 THz Comprimento de onda 1 mm - 100 µm

Energia do f´oton 1.24 - 12.4 meV Atenua¸c˜ao no espa¸co livre 0.3 - 20000 db/km*

Tabela 1.1: Caracter´ısticas da faixa de terahertz.

A seguir s˜ao detalhadas algumas das principais aplica¸c˜oes para a faixa de terahertz.

1.2 Aplica¸

c˜

oes em Terahertz

As aplica¸cões da radia¸cão eletromagnética em terahertz podem ser divididas em três grandes grupos: caracteriza¸cão de materiais, comunica¸cão e imageamento. A seguir, serão apresentadas estas aplica¸cões.

1.2.1 Caracteriza¸

c˜

ao de Materiais

Grande quantidade de materiais exibe uma assinatura ´unica em resposta a

(24)

Figura 1.2: Assinaturas de explosivos como resposta a radia¸c˜ao em terahertz. (a) TNT. (b) 4-amino-DNT. [22].

explosivos, permite que v´arias propriedades destes materiais possam ser analisa-das e identificaanalisa-das em tempo real.

A figura 1.2 apresenta exemplos de assinaturas de materiais pr´e-caracterizados na faixa de terahertz.

Sistemas que realizam este tipo de análise são conhecidos como sistemas de epectroscopia, e podem extrair informa¸cões utilizando fontes CW (do inglês

(25)

obten¸c˜ao de resposta em uma banda mais larga, no dom´ınio do tempo.

A seguir são apresentadas estas duas técnicas de caracteriza¸cão de materiais, que também podem ser utilizadas para a obten¸cão de imagens em terahertz.

1.2.1.1 Espectroscopia no Dom´ınio do Tempo

A técnica mais utilizada de espectroscopia em terahertz é através do uso de

fontes pulsadas com uma resposta no dom´ınio do tempo [?], abreviada como

THz-TDS.

Algumas empresas [17, 23, 24] comercializam sistemas THz-TDS com setups

baseados em componentes óticos ou quasi-óticos. Estes setups podem ser confi-gurados para espectroscopia no modo transmissão ou reflexão. O primeiro modo detecta a radia¸cão em terahertz que é transmitida através de uma amostra,

en-quanto que o segundo modo detecta a radia¸cão em terahertz refletida da mesma. O diagrama de blocos da figura 1.3 apresenta um setup t´ıpico de um sistema THz-TDS em modo transmissão e a figura 1.4 apresenta um setup t´ıpico de um sistema THz-TDS em modo reflexão.

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Figura 1.3: Diagrama de blocos de um sistema de espectroscopia no dom´ınio do tempo no modo transmiss˜ao.

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Figura 1.4: Diagrama de blocos de um sistema de espectroscopia no dom´ınio do tempo no modo reflex˜ao.

Estes sistemas são compostos normalmente por uma fonte, espelhos, fotoe-missor e fotodetector. A fonte do sinal em um sistema ótico é dotada de um

(26)

e focar a onda eletromagn´etica nas amostras a serem analisadas, bem como, no

fotoemissor e no fotodetector. O primeiro é responsável por receber o pulso ótico e transformar em radia¸cão na faixa de terahertz, enquanto o segundo detecta a potência transmitida ou refletida desta radia¸cão.

Um sistema THz-TDS foi adaptado para realizar as medi¸c˜oes experimentais deste trabalho, e ser´a melhor detalhado no cap´ıtulo 5.

1.2.1.2 Espectroscopia no Dom´ınio da Frequˆencia

Recentemente, sistemas de espectroscopia baseados em fontes de onda cont´ınua (CW, do inglˆes continuous wave) tem ganho mais aten¸c˜ao [25]. Este tipo de

sis-tema elimina a necessidade que a espectroscopia THz-TDS tem de realizar uma transformada de fourier para se obter a resposta em frequˆencia do sinal pulsado gerado no dom´ınio do tempo e de suas respostas. A figura 1.5 apresenta umsetup

t´ıpico de um sistema de espectroscopia no dom´ınio da frequˆencia.

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Figura 1.5: Diagrama de blocos de um sistema de espectroscopia no dom´ınio da frequˆencia.

Note que, o setup ´e semelhante ao utilizado em um sistema THz-TDS, por´em,

o sinal gerado é uma onda eletromagnética com frequência e largura de banda definidos, o que faz com que, possa ser necessário o uso de mecanismos de var-redura para se obter uma amostra com boa resolu¸cão, ou seja, que cubra uma maior parte do espectro de terahertz. Estes mecanismos de varredura podem ser

obtidos através do uso de fontes sintonizadas em diferentes frequências, e cha-veadas temporalmente. A figura 1.6 apresenta uma compara¸cão entre os sinais amostrados em sistemas de espectroscopia no dom´ınio do tempo e no dom´ınio da frequência.

1.2.2 Comunica¸

c˜

ao

(27)

Figura 1.6: Formas de onda amostradas em sistemas de espectroscopia: (a) no dom´ınio do tempo; e (b) no dom´ınio da frequˆencia.[26]

assim permitir taxas de transmiss˜ao da ordem de terabit/s [27].

O teorema de Shannon ´e expresso pela seguinte equa¸c˜ao

C =B.log2(1 +

S

N) (1.1)

ondeC ´e a capacidade do canal em bit por segundo (bit/s), B ´e a largura de banda e S

N ´e a rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo.

Logo, ´e poss´ıvel observar que, somente na faixa de terahertz ´e poss´ıvel se

obter taxas de transmiss˜ao acima de 1 Tb/s.

No entanto, como pode ser visto na figura 1.7 a atenua¸c˜ao no ar para frequˆencias

na faixa de terahertz é bastante elevada, o que torna necessário o uso de fontes de maior potência e antenas de alta diretividade, para se transmitir esta informa¸cão para além de alguns metros de distância.

(28)

Figura 1.7: Atenua¸c˜ao na atmosfera para frequˆencias entre 100 e 1000 GHz. [28]

bem menor do que na atmosfera terrestre [3].

1.2.3 Sistema de Identifica¸

c˜

ao por Imagem

Na faixa de frequências de terahertz é poss´ıvel utilizar ondas eletromagnéticas para a obten¸cão de informa¸cões de objetos, através de técnicas de deteçcão por imagem, com resolu¸cão milimétrica. Como mencionado anteriormente, estas

técnicas podem ser aplicadas em diagnóstico médico por imagem, seguran¸ca e algumas aplica¸cões de inspe¸cão industrial [1]. As figuras 1.8 e 1.9 apresentam exemplos de imagens em aplica¸cões de seguran¸ca e diagnóstico médico por ima-gem, respectivamente.

O sistema proposto para aquisi¸cão de imagens em frequências em terahertz pode ser visto na figura 1.10. O foco deste trabalho se concentra na recep¸cão,

com a implementa¸cão da parte de down-conversion através do uso de detectores de potência e pré-processamento do sinal.

(29)

Figura 1.8: Imagem ilustrativa de aplica¸c˜ao em seguran¸ca [29].

Figura 1.9: Imagem ilustrativa de aplica¸cão em diagnóstico médico por imagem [30].

✁ ✂ ✄

☎✆ ✝✞✟ ✟ ✠✡ ✞ ☛☞✆ ✂ ✌

✍ ✌☞

✠ ✎ ✂✁

✄ Up−converter

Down−converter

✁✂

Down−converter

..

_.

..

.

✏✑✒ ✞☞✆

(30)

1.3 Fontes e Detectores

Como foi visto na se¸cão anterior, as aplica¸cões para a faixa de terahertz são vastas e bastante promissoras, porém, a tecnologia dispon´ıvel para tornar estas aplica¸cões acess´ıveis não é tão abundante [20].

Nesta se¸c˜ao s˜ao apresentadas as tecnologias e tipos de fontes e detectores

dispon´ıveis para a faixa de teraherz.

1.3.1 Fontes

O componente mais dif´ıcil de se implementar na faixa de terahertz é a fonte do sinal [20]. Do ponto de vista da eletrônica, o comprimento de onda é muito pequeno para permitir o uso das tecnologias bem estabelecidas baseadas em se-micondutores. Já do ponto de vista da fotônica, o comprimento de onda é muito

grande para que se possa atingir a partir das tecnologias para gera¸c˜ao de sinais de infra-vermelho.

O grande desafio para o desenvolvimento de fontes de sinal com frequência em terahertz gerados a partir de dispositivos eletrônicos está em incrementar a sua eficiência e a potência de sa´ıda [11]. Os processos de fabrica¸cão do estado da

arte baseados em semicondutores possuem frequências de transi¸cão (fT) no limite da faixa de ondas milimétricas, o que torna as reatâncias parasitas e as perdas resistivas dominantes quando se projeta circuitos tradicionais para transmissão de sinais na faixa de terahertz, como osciladores e amplificadores.

Algumas técnicas de conversão de frequência podem ser utilizadas de modo a se obter a gera¸cão de sinais na faixa de terahertz. Da parte da eletrônica,

multiplicando-se frequências de ondas milimétricas, e da parte da fotônica, abaixando-se a frequência do sinal ótico.

As subse¸cões a seguir apresentam estas técnicas e os componentes utilizados para se obter a gera¸cão de sinais na faixa de terahertz.

1.3.1.1 Conversão baseada na multiplica¸cão da frequência do sinal eletrônico

´

(31)

Figura 1.11: Diagrama de blocos b´asico de um upconverter.

Como mencionado anteriormente, o grande desafio para o uso deste tipo de

técnica na gera¸cão de sinais em terahertz, é a obten¸cão de sinais com potência adequada para aplica¸cões práticas, da ordem de alguns mW.

Alguns dispositivos utilizados para gera¸cão de sinais em ondas milimétricas, como os diodos Gunn e IMPATT, não conseguem obter uma potência adequada em ondas submilimétricas [20]. No entanto, cadeias multiplicativas Schottky

fabricadas em processo de arseneto de g´alio (AsGa) conseguiram atingir potˆencias da ordem de algumas dezenas de microwatts [31].

As figuras 1.12 e 1.13 apresentam, respectivamente fontes baseadas em diodos Gunn e IMPATT, e fonte terahertz baseada em cadeias multiplicativas desenvol-vida pelo JPL-NASA.

Figura 1.12: Foto de uma fonte baseada em diodo IMPATT [32].

Recentemente, tecnologias baseadas em sil´ıcio tem sido utilizadas para a gera¸cão de sinais em frequências de terahertz. Dois tipos de fontes estão sendo exploradas: cadeias multiplicadoras e osciladores harmônicos [20]. A primeira

(32)

Figura 1.13: Foto de uma fonte baseada em cadeias multiplicativas [31]

em arranjos de osciladores [33], de modo a se aumentar a potência final, uma vez que a potência das frequências harmônicas, ac´ıma da frequência de transi¸cão da tecnologia, são somente da ordem de alguns poucos microwatts. A figura 1.14 apresenta a microfotografia de um arranjo de osciladores para gera¸cão de sinais

em frequˆencias de terahertz.

(33)

1.3.1.2 Convers˜ao baseada no abaixamento da frequˆencia do sinal ´

otico

A técnica mais utilizada para gera¸cão de sinais em terahertz é através de

lasers de infra-vermelho (conhecidos como IR-pumped gas lasers, em inglês) [20]. Estas fontes são produzidas comercialmente e as mesmas utilizamlaser bombeado com CO2 de alta potência, injetado em cavidades de gás em baixa pressão, de

modo a se obter frequˆencias na faixa de terahertz. Estas fontes conseguem gerar

sinais com n´ıveis de potˆencia de alguns miliwatts.

Outros dois dispositivos óticos ou quaóticos utilizados para gera¸cão de si-nais na faixa de terahertz com potência adequada são os dispositivos baseados em tubos, como os BWO (do inglês, backward wave oscillator) e os lasers de estado sólido, como os QCLs (do inglês, quantum cascade lasers.

As figuras 1.15 e 1.16 apresentam, respectivamente, fontes do tipo BWO e QCL.

Figura 1.15: Foto de um BWO.

Além destes, duas outras técnicas de gera¸cão de sinal em terahertz têm ganho espa¸co. A primeira através do uso dephotomixers, ou fotomisturadores, de modo a se reduzir a frequência doslasers com técnica de modula¸cão do sinal através de fontes de sinal cont´ınuo. A segunda, e atualmente muito utilizada em sistemas

(34)

Figura 1.16: Corte transversal de um QCL [34].

para os testes experimentais deste trabalho.

As figuras 1.17 e 1.18 apresentam, respectivamente, fontes baseadas em foto-misturadores e em laser Ti:sapphire.

Figura 1.17: Fotomisturador aplicado em um sistema de espectroscopia no dom´ınio da frequˆencia [23].

(35)

1.3.2 Detectores

Os detectores de sinais em terahertz, os quais são objeto deste trabalho, tive-ram um progresso mais rápido do que as fontes [20]. Hoje em dia existem diversos tipos de detectores dispon´ıveis para a faixa de frequências de terahertz.

Diferen-temente dos dispositivos utilizados para deteçcão de sinais de infra-vermelho, em terahertz a energia do fóton é pequena, da ordem de 1-10 meV, o que implica em áreas maiores para os disposivos fotodetectores, o que faz com que o ru´ıdo térmico de fundo seja maior, levando a necessidade do uso de resfriamento do

detector através de técnicas de criogenia. Estes detectores podem ser do tipo coerentes ou não-coerentes. Estas diferen¸cas serão explicados com maiores de-talhes no cap´ıtulo 2. Apesar das limita¸cões dos dispositivos óticos de deteçcão em terahertz, os mesmos têm sido aplicados com êxito através de técnicas que

permitem a deteçcão coerente do sinal e com o resfriamento criogênico, como as jun¸cões SIS (do inglês,Superconductor-Insulator-Superconductor) e com mistura-dores do tipo HEB (do inglês,Hot Electron Bolometer. Detectores não-coerentes também são utilizados em algumas aplica¸cões, como os diodos schottky e

ou-tros dispositivos não-lineares. Atualmente, transistores de efeito de campo estão sendo utilizados como detectores, e por se tratarem do tipo de detector utilizado neste trabalho, serão melhor analisados no cap´ıtulo 3.

1.4 Objetivos e Contribui¸

c˜

oes

O objetivo principal deste trabalho foi investigar sistemas e topologias de cir-cuitos integrados para deteçcão de sinais com comprimento de onda sub-milimétrica

em tecnologiaCMOS. Estes circuitos serão aplicados em sistemas de identifica¸cão por imagem. Foi dado enfoque ao estudo, a metodologia e ao projeto, bem como à avalia¸cão de detectores, de antenas e de um arranjo de detectores para sua aplica¸cão em um sistema para a reconstru¸cão da imagem, utilizando tecnologia

CMOS.

Após extensa pesquisa bibliográfica em publica¸cões do estado da arte, as seguintes possibilidades de contribui¸cão foram examinadas e desenvolvidas no decorrer desta pesquisa:

Utiliza¸cão de circuitos baseados em transistores MOS para deteçcão de si-nais com comprimento de onda sub-milimétrica;

(36)

responsivi-dade dos detectores;

Utiliza¸c˜ao de antenas integradas para aumento da responsividade dos de-tectores;

Análise e simula¸cões eletromagnéticas das antenas;

Desenvolvimento e testes experimentais de detectores com antenas acopla-das em tecnologia CMOS de 180 nanometros;

Desenvolvimento e testes experimentais de um arranjo de detectores proje-tados em tecnologia CMOS de 180 nanometros, para poss´ıvel aplica¸c˜ao em um sistema de identifica¸c˜ao por imagem.

Sendo a área de terahertz um campo de pesquisa multidisciplinar, onde mui-tas das novas descobermui-tas têm se dado recentemente, e com inúmeras possibi-lidades de pesquisas a serem desenvolvidas, especialmente no campo da

micro-eletrônica, cabe ressaltar a importância deste trabalho no Brasil, unindo áreas como a fotônica e a microeletrônica, na tentativa de contribuir para a diminui¸cão do ”terahertz gap” e possibilitar que novos trabalhos possam ser estimulados na área. Ao final, destaca-se as seguintes contribui¸cões:

Proposta de uma metodologia de projeto para o desenvolvimento de detec-tores e arranjo de detecdetec-tores com antena acoplada e integrada para a faixa de frequˆencias em terahertz;

Concep¸cão e teste de detectores de ondas submilimétricas integrado em tec-nologia CMOS de 180 nanometros e validado para aplica¸cão em frequências de terahertz;

Concep¸c˜ao de antenas integradas em tecnologia CMOS de 180 nanometros, para aumento da responsividade dos detectores de onda sub-milim´etrica;

Concep¸cão e teste de um arranjo de detectores para aplica¸cão em um sistema de identifica¸cão por imagem;

Análises, simula¸cões e testes comparativos de circuitos e antenas para de-teçcão de onda sub-milimétrica, em chip;

(37)

1.5 Estrutura do Texto

Neste Cap´ıtulo foi feita uma introdu¸cão e uma breve revisão sobre as ondas submilimétricas e o seu posicionamento dentro do espectro eletromagnético. Fo-ram apresentados os sistemas e componentes utilizados para gera¸cão e deteçcão

de sinais na faixa de terahertz, bem como, suas aplica¸c˜oes. Ainda, foram apre-sentados os objetivos deste trabalho e as suas contribui¸c˜oes.

O Cap´ıtulo 2 apresenta considera¸c˜oes de projeto do ponto de vista de circuitos e sistemas e de tecnologias para a sua fabrica¸c˜ao, bem como, a proposta de uma metologia de projeto para o desenvolvimento de detectores com antena acoplada

para a faixa de frequˆencias em terahertz.

O Cap´ıtulo 3 apresenta uma an´alise dos circuitos utilizando MOSFET para

deteçcão de sinais em terahertz e os circuitos detectores e arranjos de detectores desenvolvidos, bem como, resultados de simula¸cão pós-layout dos mesmos.

O Cap´ıtulo 4 faz um breve resumo de antenaspatch, seguido de considera¸cões para o seu projeto em terahertz, bem como, apresenta o projeto de antenas uti-lizado neste trabalho e resultados de simula¸cão eletromagnética.

O Cap´ıtulo 5 apresenta o chip fabricado e a metodologia utilizada para os

testes utilizando um setup THz-TDS. Os resultados experimentais obtidos s˜ao compilados e apresentados para discuss˜ao.

(38)

2 Considera¸

c˜

oes e Metodologia

de Projeto

Este cap´ıtulo apresenta considera¸cões sobre o projeto dos circuitos integrados para deteçcão de sinais nas frequências de terahertz. Inicialmente são apresenta-das considera¸cões de arquiteturas e tecnologias a serem utilizaapresenta-das para em seguida

ser proposta uma metodologia de projeto.

2.1 Considera¸

c˜

oes de Arquitetura

Esta se¸cão apresenta uma classifica¸cão quanto aos tipos e as arquiteturas para detectores utilizados na faixa de frequências de terahertz.

Os detectores de sinais em terahertz, os quais são objeto deste trabalho, tiveram um progresso mais rápido do que as fontes [20]. Hoje em dia existem diversos tipos de detectores dispon´ıveis para a faixa de frequências de terahertz.

Uma poss´ıvel classifica¸cão pode ser feita quanto a sua natureza: semicondutor ou supercondutor; ou ainda, se possui uma varia¸cão térmica ou elétrica, em fun¸cão da varia¸cão de energia em terahertz. A tabela 2.1 apresenta os tipos de detectores

quanto a sua classifica¸c˜ao.

Semicondutor Supercondutor T´ermico

Diodo Zero-Bias [35, 36, 37] SET [38] Bolométrico [39, 40] MOSFET [41, 42] Fotocondutor [43] Piroelétrico [44, 45] Diodo Schottky [46] Jun¸cão SIS [47] Termistor [48]

Tabela 2.1: Alguns tipos de detectores.

Os detectores também podem ser diferenciados quanto a sua arquitetura: deteçcão direta ou heteródina. As figuras 2.1 e 2.2 apresentam estas arquiteturas.

A caracter´ıstica de deteçcão apresentada na figura 2.1 também é conhecida

(39)

Figura 2.1: Diagrama ilustrativo de um detector hom´odino.

Figura 2.2: Diagrama ilustrativo de um detector heter´odino.

coerente, da figura 2.2.

Neste trabalho, são utilizados transistores MOSFET para a deteçcão direta do sinal. O cap´ıtulo 3 apresenta estes detectores em maiores detalhes.

A se¸cão a seguir apresenta considera¸cões tecnológicas.

2.2 Considera¸

c˜

oes Tecnol´

ogicas

Como o foco deste trabalho s˜ao os detectores baseados em transistores MOS voltados para aplica¸c˜oes de imageamento, pode se considerar que os processos

de fabrica¸cão ou tecnologias mais adequadas para o desenvolvimento destes são os processos CMOS. No cap´ıtulo de introdu¸cão foram citadas vantagens deste processo quanto ao custo, tamanho dos dispositivos, integrabilidade dos circuitos e a possibilidade de processamento das imagens no mesmo chip.

No entanto, transistores de efeito de campo tˆem sido implementados em ou-tros tipos de processos de fabrica¸c˜ao, como BiCMOS, SiGe, GaAs e InP [20].

Estes processos são normalmente mais caros do que os processos de fabrica¸cão CMOS convencionais, considerando um mesmo comprimento de canal, porém, podem apresentar vantagens quanto a velocidade, para o caso de se integrar fon-tes no mesmo chip, uma vez que possuem uma maior frequência de transi¸cão

fT.

(40)

dopado tipo p. As figuras 2.3, 2.4, 2.5 e 2.6 apresentam cortes transversais que

mostram a estrutura planar destes processos, com transistores NMOS e PMOS.

Figura 2.3: Corte transversal em um processo CMOS do tipo n-well contendo transistores NMOS e PMOS.

Figura 2.4: Corte transversal em um processo CMOS do tipo p-well contendo transistores NMOS e PMOS.

Figura 2.5: Corte transversal em um processo CMOS do tipo twin-well contendo transistores NMOS e PMOS.

(41)

Al´em destes, o processo CMOS pode ser feito em um material isolante,

co-nhecido como processo CMOS-SOI (do inglˆes, Silicon On Insulator), o qual o corte transversal ´e apresentado na figura 2.7

Figura 2.7: Corte transversal em um processo CMOS-SOI.

Note que nos processos CMOS-SOI os po¸cos p e n s˜ao isolados do substrato de sil´ıcio, o que implica em menores perdas devido a elementos parasitas.

Ao se escolher uma tecnologia espec´ıfica para o projeto de circuitos

integra-dos de detectores, faz-se necess´ario avaliar a estrutura planar do mesmo, pois a eficiˆencia das antenas depende diretamente dela.

Como será visto no cap´ıtulo 4, a permissividade e as espessuras do dielétrico e do condutor são variáveis importantes no projeto das antenas integradas. Nos processos CMOS convencionais, o dielétrico é o óxido de sil´ıcio, o que implica em não variar a sua permissividade, ou constante dielétrica, de um processo para

o outro. Porém, a espessura do dielétrico e dos condutores variam, o que pode determinar antenas menores e com maior eficiência.

Outro ponto a ser destacado é a quantidade de camadas de metais no pro-cesso, pois normalmente um processo com mais camadas, pode se ter uma espes-sura maior do dielétrico entre os condutores. Porém, como foi analisado neste

trabalho, os requisitos m´ınimos de ocupa¸c˜ao de metal nas camadas, exigidos pe-los fabricantes, faz com que estruturas necessitem ser colocadas aleatoriamente (dummy fill), o que, para o caso de antenas do tipo patch, utilizadas neste traba-lho, pode alterar totalmente as suas caracter´ısticas projetadas, como frequˆencia,

largura de banda e diretividade. Logo, neste trabalho se recomenda utilizar, para o projeto de antenas do tipo patch, camadas de metais subsequentes, para que se possa garantir as especifica¸cões de projeto na prática. Além disso, camadas mais elevadas de metais garantem menores perdas no substrato de sil´ıcio do processo

(42)

A figura 2.8 apresenta um corte transversal em um processo CMOS do tipo

n-well, destacando-se as camadas superiores para o projeto da antena tipo patch.

Figura 2.8: Corte transversal em um processo CMOS do tipo n-well destacando as camadas de metais superiores para o projeto das antenas do tipo

patch.

A seguir, é proposta uma metodologia de projeto para o desenvolvimento conjunto dos circuitos de deteçcão e de suas antenas para a faixa de terahertz.

2.3 Metodologia de Projeto

Neste trabalho ´e proposta uma metodologia de projeto deco-design detector-antena, de modo a permitir a otimiza¸c˜ao da performance do detector.

A figura 2.9 apresenta um fluxograma com a metodologia de projeto proposta.

Inicialmente faz-se necess´aria a escolha da tecnologia, considerando os fatores mencionados na se¸c˜ao 2.2.

Após a defini¸cão da tecnologia, é escolhida a arquitetura do detector, que pode ser de deteçcão direta ou heteródina, como mencionado na se¸cão 2.1. Como os detectores heteródinos precisam de uma fonte sintonizada, não são adequados

a processos com fT baixa. Logo, se a tecnologia escolhida anteriormente não for adequada, a deteçcão direta é a melhor escolha do ponto de vista da arquitetura.

(43)

pro-✁✂✄☎ ✆ ✝✞✝ ✟ ✠✂✡✄☎✄☛☞✝ ✌ ✠✍☞ ✡☞✎ ✏✄✞✝ ✁✝✑✒✓☞✟ ✠✟✓✑✝ ✔ ✑✄ ✕✠✟✄✠✁☞✖ ✓☎✝✎ ✏✄✞✄ ✁ ✂☞✑✂✓☞✟ ✄✁✞✠✟✠✂✟✄✑✠✁✗ ✘✟✑✝ ✎✏ ✄✞✝ ☞✖ ✙✠✞ ✚ ✡✂☞✝✛✟☞✖✝ ✔ ✑✄ ✕✠✟✄ ✠✁☞ ✖✓ ☎✝ ✎✏ ✄ ✜ ✞ ✝✝✡✟ ✠✡✝✗ ✢ ✟✠✡✞✠✝ ✁ ✠✁✙✠✂☞✍☞✂✝ ✎ ✣ ✠✁ ✤ ✝ ✥✄✓✟✠ ✙✛ ✁✦ ☎✝ ✥✄✓✟✁☞ ✖✁✗ ✧ ✝✙✠✦✄✓✟ ★ ✩

Figura 2.9: Fluxograma base para a metodologia de projeto de detectores com antena integrada.

cesso de fabrica¸cão CMOS convencional para deteçcão direta do sinal. Esta esco-lha é adequada para a aplica¸cão objeto deste projeto, que é a deteçcão por ima-gem, ou imageamento, pois permite que todos os circuitos de deteçcão, aquisi¸cão, pré-processamento, conversão analógico-digital e processamento digital das

ima-gens, possam ser integrados no mesmo chip. Al´em disso, o menor custo do pro-cesso CMOS pode permitir maior apro-cesso a este tipo de aplica¸c˜ao.

Com a arquitetura definida, inicia-se o projeto dos detectores com ferramenta EDA, considerando o fluxo de projeto de circuitos integrados e utilizando mode-los de transistores que considerem o seu modelo distribu´ıdo, que ser´a melhor

(44)

O ponto chave e mais importante desta metodologia de projeto ´e a

consi-dera¸cão acerca da extra¸cão de uma impedância ótima de entrada do detector em fun¸cão da antena. Considerando o projeto realizado no passo anterior, faz-se ne-cessária a extra¸cão de uma curva de responsividade (uma das figuras de mérito que define a performance do detector, e que será melhor explicada no cap´ıtulo

3) em fun¸cão da impedância de entrada do detector, para que se possa projetar a antena. A extra¸cão desta curva depende antes da defini¸cão da polariza¸cão do detector, logo, uma outra curva precisa ser extra´ıda, que é a da responsividade do detector em fun¸cão da tensão de polariza¸cão. Definida a polariza¸cão do detector,

extrai-se a curva que servirá para encontrar o ponto ótimo de impedância, ou seja, a impedância que a antena deverá ser projetada.

Com a impedância ótima definida, parte-se para o projeto da antena, utili-zando ferramenta de simula¸cão eletromagnética (EM).

Ap´os o projeto da antena, avalia-se os resultados conjuntos do detector e da antena, e caso os mesmos atendam as necessidades de resposta do detector (que podem depender de uma determinada aplica¸c˜ao, como a responsividade do

detector e a largura de banda da antena), parte-se para a fase de layout dos circuitos, simula¸cões pós-layout e finaliza¸cão do chip para fabrica¸cão (tape-out).

Esta metodologia de projeto pode servir como base para projetos comerciais que se utilizam atualmente de ferramentas EDA e EM com um fluxo de projeto de circuitos integrados de r´adiofrequˆencia e microondas.

(45)

3 Circuito para Detec¸

c˜

ao de

Ondas Submilim´

etricas

Este cap´ıtulo apresenta os circuitos utilizados para deteçcão de sinais nas frequências de terahertz. Inicialmente é apresentada uma breve introdu¸cão aos circuitos utilizados e uma análise teórica, para em seguida ser mostrado o projeto

dos detectores e do arranjo de detectores desenvolvido.

3.1 Detectores a MOSFET

Os detectores aMOSFET utilizados para operar nas frequências em terahertz são detectores de potência que operam no modo resistivo não-quasi-estático [49]. Este princ´ıpio de deteçcão funciona em frequências muito além da frequência de transi¸câo fT do processo CMOS.

A figura 3.1 apresenta um transistor MOSFET na configura¸c˜ao de detector,

com gate acoplado ao sinal de terahertz.

Figura 3.1: Transistor MOS em configura¸c˜ao de detector quadr´atico.

Note que, com este princ´ıpio de funcionamento, o mesmo sinal é aplicado a porta e ao dreno do transistor, o que o torna um detector direto, homódino ou não-coerente.

Neste tipo de detector, a condutˆancia de dreno-fonte Gds do transistor ´e

(46)

aplicando-se um aplicando-segundo sinal Vds e extra´ındo-se a corrente de dreno ID. Como a corrente

de dreno (dependente do tempo) em triodo pode ser escrita como

id(t) =vds(t)Gds(t) (3.1)

a mistura dos sinais ´e obtida com uma multiplica¸c˜ao direta dos mesmos.

A condutˆancia do canal pode ser aproximada por

Gds = W

LµCox(vgs−Vth−vds/2) (3.2)

onde W e L são a largura e o comprimento do canal, respectivamente, Cox é a capacitância do óxido, µ é a mobilidade, e Vth é a tensão de threshold do transistor.

Neste caso do detector direto, com o sinal vRF = VRFsin(ωt) aplicado, do

gate pro dreno do dispositivo, temos

vgs−Vg =vRF =vds (3.3)

logo, a corrente detectadaID ´e dada pela equa¸c˜ao 3.4

ID = W

LµCox V2

RF

4 (3.4)

Esta conclusão, dada pela equa¸cão 3.4, é baseada na análise em regime quasi-estático, que é válida para frequências inferiores a frequência de transi¸cão fT do

processo de fabrica¸cão. No regime quasi-estático, com uma análise em fun¸cão da frequência, a correnteID tenderia a cair apósfT, devido ao aumento da influência das reatâncias parasitas e resistências. Porém, a análise no regime não-quasi-estático mostra que a deteçcão do sinalID neste tipo de detector é poss´ıvel, mesmo

em frequˆencias bem ac´ıma de fT, como nas frequˆencias na faixa de terahertz.

Uma an´alise mais detalhada do funcionamento deste detector em frequˆencias

de terahertz ´e feita na se¸c˜ao seguinte.

3.2 An´

alise Te´

orica

(47)

de pequenos misturadores operados por segmentos de condutˆancia, como mostra

a figura 3.2.

Figura 3.2: Modelo n˜ao-quasi-est´atico do transistor da figura 3.1.

Este modelo é analisado no regime não-quasi-estático, para mostrar que o mesmo opera de modo a detectar a corrente ID mesmo em frequências acima de fT.

O modelo distribu´ıdo é um caso particular da solu¸cão geral dada por Dyako-nov e Shur [50, 51], que foram os primeiros a analisar o mecanismo de deteçcão

de sinais por transistores em terahertz, considerando um modelo bi-dimensional onde os elétrons fluem como ondas em plasma. As ondas de plasma, na verdade, são uma analogia a forma com que ocorrem as oscila¸cões de densidades de eletrons em altas frequências, onde as colisões entre eletrons causam um atraso entre o

deslocamento dos mesmos em fun¸cão da tensão de controle de seu fluxo em um canal por onde flui uma corrente. Neste caso, o canal de um transistor por onde fluem os eletrons pode ser visto como uma cavidade ressonante para as ondas de plasma [52]. A analogia utilizada por eles permitiu analisar o efeito da gera¸cão

destas ondas de plasma atrav´es do comportamento hidrodinˆamico dos eletrons no canal do transistor.

A solu¸cão geral é baseada na equa¸cão de Euler para o movimento de fluidos e na da continuidade, dadas respectivamente pelas equa¸cões 3.5 e 3.6:

∂v ∂t +v

∂v ∂x =−

e m

∂U

∂x (3.5)

∂U ∂t +

∂(U v)

∂x = 0 (3.6)

onde∂U/∂xé o campo elétrico longitudinal no canal do transistor, vemsão,

respectivamente, a velocidade e a massa efetiva do eletron.

Na equa¸c˜ao da continuidade, o termo ∂(nv)/∂x´e o gradiente do produto da

(48)

na porta do transistor e, em resposta ao campo el´etrico∂U/∂x ao longo do canal

do transistor, é responsável pela multiplica¸cão de dois termos periódicos, ou seja, pela deteçcão do sinal em terahertz.

A solu¸cão destas equa¸cões permitiu isolar casos particulares, que são os re-gimes oscilatório e não-oscilatório (ou superamostecido) [?]. No primeiro caso, é considerada uma alta densidade de eletrons, de modo que a inercia entre eles gere as ondas de plasma oscilatórias. No segundo caso, onde ainda ocorrem colisões

entre eletrons, estas ondas de plasma são amortecidas, cessando-se as oscila¸cões em algum instante. Para uma mesma frequência em terahertz, o que definirá estes regimes são a intensidade do campo elétrico e o comprimento do canal, pois são as variáveis que determinam a densidade dos eletrons que fluem ou ficam parados no

canal do transistor. No segundo caso, o tratamento do comportamento das ondas de plasma pode ser simplificado, de modo que o equacionamento é equivalente a análise do transistor no regime não-quasi-estático [53].

Considerando que o regime não-quasi-estático de um transistor MOSFET é um caso particular da solu¸cão dada por Dyakonov e Shur, pode-se analisar o

mecanismo de oscila¸c˜ao do fluxo de eletrons pelo modelo distribu´ıdo de circuito apresentado na figura 3.2.

Para esta análise, deve-se modelar as condutâncias e as capacitâncias, res-pectivamente, gn(v) e Cn, ao longo do canal, ou seja, em fun¸cão de sua posi¸cão x.

Uma vez que o canal é composto por componentes de condutância controladas em fun¸cão da tensão gn(v), com uma condutividade que depende da posi¸cão no

canal, G(v(nδx, t)). Logo,gn(v) é dado em fun¸cão de δx, pela equa¸cão 3.7.

gn(v) = G(v(nδx, t))

δx (3.7)

De forma similar, Cn, em fun¸cão deδx, é dada pela equa¸cão 3.8.

Cn=W Coxδx (3.8)

Analisando o circuito distribu´ıdo, temos que:

(49)

gn−1(vn−1−vn)−gn(vn−vn+1) = Cn

d(vn)

dt (3.10)

logo, a rela¸cão de condutividade e capacitância ao longo do canal é dada por:

∂

∂x[G(v(x, t))

∂v(x, t)

∂x ] =CoxW

∂v(x, t)

∂t (3.11)

onde,

G(v(x, t)) =µCoxW(v(x, t)−VT H) (3.12)

logo, a tensão em fun¸cão do tempo e da posi¸cão no canal, é dada por:

∂

∂x[µ(v(x, t)−VT H)

∂v(x, t) ∂x ] =

∂v(x, t)

∂t (3.13)

A solu¸cão numérica desta equa¸cão diferencial parcial é apresentada por Oje-fors e Pfeiffer [54], indicando a deteçcão do sinal em terahertz.

As se¸c˜oes a seguir apresentam as figuras de m´erito utilizadas para a

carac-teriza¸c˜ao de detectores em terahertez e o projeto destes circuitos deectores a MOSFET desenvolvido neste trabalho.

3.3 Figuras de M´

erito em Detectores para

Te-rahertz

Antes de seguir adiante no projeto dos circuitos detectores, faz-se necess´ario apresentar quais as principais figuras de m´erito para se analisar a performance dos detectores e de arranjos de detectores.

Duas figuras de mérito são importantes na análise dos detectores em terahertz,

a primeira refere-se a resposta do detector em fun¸cão da radia¸cão terahertz inci-dente, conhecida comoresponsividade, e a segunda diz respeito a performance quanto ao ru´ıdo, conhecida como NEP(do inglês, Noise Equivalent Power), ou potência equivalente do ru´ıdo.

A responsividade de um detector pode ser dada em fun¸cão da corrente detec-tada ou da tensão detecdetec-tada, em fun¸cão da potência incidente, e são dadas pelas

(50)

RI = Iout Pin

(3.14)

RI = Vout

(3.15)

A responsividade é expressa em A/W em fun¸cão da corrente detectada ou em V /W quando o sinal medido é uma tensão de sa´ıda.

A NEP de um detector pode ser expressa em fun¸cão da responsividade de corrente ou de tensão, expressa pelas equa¸cões 3.16 e 3.17.

N EPI = In RI

(3.16)

N EPV = Vn RV

(3.17)

dada em W/√Hz.

O ru´ıdo em um detector pode ser dado pelo seu ru´ıdo flicker e o seu ru´ıdo térmico. Em aplica¸cões práticas, como o imageamento, técnicas de chopping são utilizadas para se modular o sinal em uma baixa frequência, de modo a eliminar a influência do ru´ıdo flicker na deteçcão. Logo, o ru´ıdo do detector pode ser

aproximado como sendo dominado pelo seu ru´ıdo t´ermico em uma largura de banda de 1 Hz, dado pela equa¸c˜ao 3.18.

Vn=

p

4kT Rds (3.18)

onde k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura e Rds é a resistência

do canal do transistor em triodo, dada por:

Rds =

1

µnCoxW_L(VGS−VT H)

(3.19)

Neste trabalho, os detectores foram projetados de modo que o sinal medido

(51)

3.4 Projeto dos Circuitos e Arranjo de

Detec-tores

Foram projetados alguns circuitos e um arranjo de detectores para frequˆencia em terahertz. A metodologia de projeto descrita no cap´ıtulo 2 foi utilizada para definir a arquitetura e as impedˆancias ideais dos detectores, de modo conjunto

com o projeto da antena.

A arquitetura escolhida foi a detec¸c˜ao direta com transistor MOS de efeito

de campo, que pode ser vista na figura 3.3.

Figura 3.3: Arquitetura do detector.

Note que a sa´ıda é um sinal de tensão VDC após um filtro passa-baixas, e o transistor é projetado com comprimento m´ınimo de canal, de modo a permitir uma maior responsividade em altas frequências [51].

A figura 3.4 apresenta o esquemático core do detector para simula¸cão no cadence virtuoso [55]. Foram feitas altera¸cões nas netlists de modo a se ter o

modelo distribu´ıdo da figura 3.2 levado em considera¸c˜ao pelo simulador.

(52)

Este core foi utilizado em um banco de teste para se extrair a

responsivi-dade do detector e a impedˆancia ´otima, de acordo com a metodologia de projeto proposta no cap´ıtulo 2.

3.5 Simula¸

c˜

oes de Responsividade do Detector

A partir do circuito apresentado na se¸c˜ao anterior, foi elaborado um banco de teste para se extrair a responsividade do detector V out/P in. Este banco de teste ´e apresentado na figura 3.5.

Figura 3.5: Banco de teste para extra¸c˜ao da responsividade do detector.

O resultado ´e apresentado na figura 3.6 para uma frequˆencia injetada de 400 GHz.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Responsividade (V/W)

Vg (V)

(53)

O gráfico da figura 3.6 mostra a responsividade em fun¸cão da polariza¸cão do

transistor, onde podemos ver a maior responsividade em torno de uma polariza¸cão de 400mV, que é próxima do Vth da tecnologia, e está em acordo com a teoria [51].

A outra simula¸cão realizada foi para encontrar a resistência ótima da antena para acoplamento ao detector, este resultado é apresentado na figura 3.7.

500 1000 1500 2000 2500 3000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Responsividade (V/W)

Resistencia (Ohms)

Figura 3.7: Responsividade V out/P inem fun¸c˜ao da resistˆencia.

Note que, a resistência ótima fica em torno de 300Ohms, o que é uma faixa bastante adequada para utiliza¸cão de antenas do tipo patch, a escolhida para ser

utilizada neste trabalho.

De acordo com a metodologia proposta no cap´ıtulo 2, a extra¸cão da responsi-vidade do detector em fun¸cão da resistência da antena é a base para a otimiza¸cão da performance do detector, e a mesma será utilizada no projeto das antenas.

3.6 Simula¸

c˜

ao da NEP

Como visto na se¸c˜ao 3.3, o ru´ıdo do detector ´e diretamente proporcional

a resistência do canal do transistor Rds. Nesta se¸cão, a NEP é estimada com extra¸cão da curva de resistência do canal por simula¸cão de sua caracter´ıstica I-V.

(54)

0 5e-19 1e-18 1.5e-18 2e-18 2.5e-18

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

NEP (W/sqrt(Hz))

Vg (V)

Figura 3.8: NEP do detector.

(55)

4 Antenas

Antenas Patch de Microfita s˜ao compat´ıveis com processos de fabrica¸c˜ao pla-nar, tais como o de placas de circuito impresso e de circuitos integrados, po-dendo ser implementadas com baixo custo e relativa simplicidade de projeto, em

frequências que vão desde centenas de megahertz até centenas de gigahertz [56].

Como citado anteriormente, ondas eletromagnéticas em terahertz (300 GHz -3 THz) fornecem uma resolu¸cão milimétrica dos objetos, o que as tornam ideais para aplica¸cões de identifica¸cão por imagem, especialmente nas áreas médicas e de seguran¸ca [1], sendo uma radia¸cão não-ionizante, o que a torna mais segura.

Solu¸cões integradas em processos de fabrica¸cão planar do tipoCMOS para estas frequências, trazem como benef´ıcios a sua maior acessibilidade, com baixo custo e baixa complexidade, pois os sistemas atuais baseados em tecnologias fotônicas são grandes, complexos e muito caros [2, 3].

Este cap´ıtulo apresenta o desenvolvimento de antenas patch retangulares in-tegradas para detectores em terahertz, de acordo com a metodologia apresentada

no cap´ıtulo 2. As antenas foram implementadas em processo de fabrica¸c˜aoCMOS

de 180 nanometros. Será apresentado o projeto de uma antena, no entanto, várias outras foram projetadas para frequências diferentes visando os testes. Os resul-tados de simula¸cão eletromagnética são apresenresul-tados para todas as antenas

pro-jetadas. Estas antenas foram acopladas aos detectores apresentados no cap´ıtulo anterior, para funcionar na faixa de terahertz.

Inicialmente será apresentada uma breve introdu¸cão sobre as antenas patch, sua teoria e equa¸cões de projeto. Em seguida é mostrado o projeto e os resultados de simula¸cão eletromagnética para as antenas projetadas.

4.1 Antena Patch de Microfita

Nesta se¸cão é apresentada uma breve descri¸cão das antenas patch de microfita,

(56)

antena apresentada na se¸c˜ao 4.2 .

4.1.1 Teoria

As antenas patch de microfita foram propostas em 1953, por Deschamps [56],

porém só come¸caram a ser utilizadas na década de 70, em substratos de baixa perda.

Algumas vantagens da antena patch s˜ao:

Baixo custo;

Compatibilidade com processos de fabrica¸c˜ao planar;

Projeto/simula¸c˜ao relativamente simples;

Facilidade para formar arranjos;

Leve.

Podem ser citadas como desvantagens de uma antena patch:

Pouca largura de banda (mas em alguns casos uma maior seletividade pode ser desejada);

Baixa potˆencia;

N˜ao adequada para frequˆencias abaixo de 100 MHz.

A antena patch ´e apresentada nas figuras 4.1 e 4.2, tipicamente implementada

de forma retangular, com Lde meio comprimento de onda.

A figura 4.1 apresenta um patch retangular e as orienta¸cões de campos elétrico e magnético no plano, bem como, as suas dimensões L e W. Já na figura 4.2 é poss´ıvel ver um corte transversal do patch com o plano de terra, destacando as variáveis relativas a espessura e a constante dielétrica do material.

Para as antenas integradas, a constante dielétrica e as espessuras são dados fornecidos pelo fabricante, nas suas informa¸cões sobre o processo de fabrica¸cão.

(57)

Figura 4.1: Antena Patch Retangular com orienta¸c˜ao dos campos.

Figura 4.2: Corte transversal de uma antena patch.

4.1.2 Equa¸

c˜

oes de Projeto

Nesta subse¸cão são apresentadas as equa¸cões de projeto para dimensionar os parâmetros de uma antena patch retangular [57].

W = c 2fr

µ

εr+ 1 2

¶−1₂

(4.1)

εef f =

εr+ 1

2 +

εr−1 2

µ

1 + 12H W

¶−1₂

(4.2)

∆L= 0.412h

µ

εef f + 0.3 εef f −0.258

¶

(W/H) + 0.264

(58)

fr =

c

2√εef fL+ 2∆L

(4.4)

L+ 2∆L= λg 2 =

λ0

2√εef f

(4.5)

onde,εr é a constante dielétrica do substrato,fr a frequência da antena, εef f é a constante dielétrica efetiva do substrato ehé a espessura do dielétrico.

Estas equa¸c˜oes foram utilizadas para o projeto das antenas apresentadas na se¸c˜ao seguinte.

4.2 Antenas Patch para Terahertz

Nesta se¸c˜ao ´e apresentada em maiores detalhes o projeto das antenas patch

desenvolvidas e os resultados de simula¸cão eletromagnética. Foram projetadas quatro antenas patch, com o objetivo de cobrir a faixa desde 400 até 800 GHz. O projeto das antenas é apresentado a seguir.

4.2.1 Projeto das antenas

Em detalhes, na figura 4.3, é apresentado o diagrama básico de um pixel, no qual é poss´ıvel ver a posi¸cão da antena patch no mesmo.

(59)

Figura 4.4: Layout da antena para simula¸c˜ao eletromagn´etica.

A primeira antena projetada foi a de 400 GHz, que pode ser vista na figura 4.4, com uma ponta de prova em um banco de teste utilizando ferramenta de

simula¸c˜ao magn´etica.

O projeto da antena foi baseado nas equa¸c˜oes apresentadas na subse¸c˜ao 4.1.2

e assistido pela ferramenta Momentum[58] de simula¸c˜ao eletromagn´etica.

Os parâmetros do processo de fabrica¸cão tomados como base para o projeto são apresentados na tabela 4.1. De acordo com a metodologia apresentada no cap´ıtulo 2, utilizou-se as duas camadas de metal superiores, de modo a eliminar o problema com dummyfill.

Parˆametro Valor Unidade Frequˆencia 400 GHz

H 4 um

εr 3.9 cte.

(60)

Usando as equa¸c˜oes apresentadas na subse¸c˜ao 4.1.2 se chegou aos valores de

W = 234um, L = 184um, Wplano−terra = 256um e Lplano−terra = 204um, onde

Wplano−terra = 6H+W e Lplano−terra = 6H+L.

A tabela 4.2 apresenta as dimens˜oes das antenas projetadas.

400 GHz 500 GHz 600 GHz 700 GHz

W 234 µm 187 µm 134 µm 117 µm

L 184 µm 147 µm 105 µm 91 µm

Wpt 259 µm 212 µm 169 µm 142 µm Lpt 208 µm 172 µm 137 µm 116 µm