本申請是申請?zhí)枮?01380012667.7、申請日為2013年2月12日、發(fā)明名稱為“用于輻射或接收電磁波的裝置”的發(fā)明專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種用于輻射或接收電磁波的裝置，尤其涉及一種用于輻射或接收其頻率在太赫茲范圍(即，30ghz到30thz的范圍，下文被稱為“thz范圍”)中的電磁波的裝置，

背景技術(shù)：

通常，用于輻射或接收電磁波的裝置包括通過金屬結(jié)構(gòu)形成的輻射元件以及用于信號處理的電子電路。輻射元件的大小通常與要被接收的或者要被輻射的電磁波的波長相同。當(dāng)電磁波的頻率達(dá)到thz范圍時，輻射元件的大小在亞毫米范圍中，從而輻射元件可直接集成到其上已經(jīng)集成有電子電路的基板上。vlsi制造技術(shù)可被用于制造輻射元件和電子電路兩者。

用于接收電磁波的裝置的輻射元件的電阻需要匹配信號處理電路的電阻，以便獲得高靈敏度。這里，隨著有效頻率能力提高，信號處理電路需要精細(xì)圖案化，導(dǎo)致信號處理電路的電阻增大。作為結(jié)果，輻射元件的電阻需要高以便該裝置以高靈敏度接收高頻電磁波

這里，信號處理電路通常使用vlsi技術(shù)被制造，從而信號處理電路被集成到半導(dǎo)體基板上。在此情況中，簡單的用于制造天線的輻射元件的方法是通過使用相同的vlsi技術(shù)在半導(dǎo)體基板上制造金屬圖案(金屬部)。但是，半導(dǎo)體的相對介電常數(shù)通常大。例如，硅的相對介電常數(shù)是12.1。高的相對介電常數(shù)意味著在此介質(zhì)中比在具有較低相對介電常數(shù)的材料中更容易生成電場。作為結(jié)果，其中輻射元件被放置在具有高的相對介電常數(shù)的半導(dǎo)體上的天線的輻射電阻低于相同元件被置于具有較低相對介電常數(shù)的介質(zhì)之中或之上的天線的輻射電阻。因此，一些發(fā)明已經(jīng)被報告以增大集成電線的輻射效率。

rebiez，etal.的美國專利no.4888597(ptl1)報告了一種用于發(fā)射或接收毫米或亞毫米電磁波的集成天線。如圖12所示，集成天線是通過將兩個基板(35和40)相組合以形成具有棱錐形狀的喇叭(horn)結(jié)構(gòu)的陣列。隔膜45作為這兩個基板之間的連接部在每個喇叭內(nèi)擴(kuò)展。此隔膜電氣透明。隔膜上存在用作天線(輻射元件)54的金屬圖案。處理電路被安裝在基板之間。此裝置的目的在于通過借助于喇叭的棱錐形狀來聚集電磁能量，加強(qiáng)通過天線生成的電磁圖案。

集成天線的第二目的是減小天線之間的電磁耦合。但是，盡管此發(fā)明改進(jìn)了天線的電磁波圖案并且減小了電磁耦合，但是此發(fā)明沒有特別地改進(jìn)天線的輻射阻抗。例如，ptl1沒有論述天線(輻射元件)與處理電路15之間的電連接。根據(jù)ptl1，天線被置于隔膜的中心，并且處理電路被置于這兩個基板之間。結(jié)果，天線和處理電路彼此遠(yuǎn)離。在被置于基板之間的處理電路與輻射元件存在連接部。此連接部特別地在基板內(nèi)部輻射電磁波，從而輻射元件的輻射阻抗偏離其理想值。

此發(fā)明的制造過程復(fù)雜。集成天線使用必須組裝的兩個基板。這可能需要復(fù)雜的技術(shù)，諸如晶片結(jié)合以及晶片對齊。此外，當(dāng)前微制造加工技術(shù)難以準(zhǔn)確地執(zhí)行制造喇叭所需要的大深度的蝕刻。最后，最終的集成天線的形狀是不均勻的(不平坦)。因此，難以集成諸如微透鏡陣列的其它元件。

美國專利no.6061026(ptl2)報告了單片式微波/毫米波天線裝置。該裝置包括基板、連同該基板一起被設(shè)置的電子電路、基板中的開口、位于該開口上方的帶狀線天線、連同該基板一起被設(shè)置的并且與該開口對齊的喇叭、以及在帶狀線天線上方的蓋。在該裝置中，對于喇叭可實現(xiàn)的形狀度。但是，如果該裝置的大小被減小為thz范圍所需要的大小，則預(yù)計裝置的制造將困難。例如，基板中的開口的深度大于被考慮的波長。實際上，在1thz的波長為300μm，但是4英寸晶片的標(biāo)準(zhǔn)厚度為525μm，并且在制造過程中較薄的厚度難以處理。此外，thz范圍中的帶狀線天線的大小小于對于微波的大小，因此預(yù)計帶狀線天線和開口之間的對齊將困難。開口可能需要在沉積了帶狀線天線之后被蝕刻，并且此蝕刻必須從背面執(zhí)行。在此情況中，適當(dāng)?shù)貙R帶狀線天線與在表面上顯現(xiàn)的開口的外部形狀是非常困難的。

日本專利特開no.2006-064679(ptl3)公開了一種用于接收或生成電磁波的裝置。此裝置的一個目的是通過將天線置于遠(yuǎn)離基板的支撐部上來增強(qiáng)天線性能。

引文列表

專利文獻(xiàn)

ptl1美國專利no.4888597

ptl2美國專利no.6061026

ptl3日本專利特開no.2006-064679

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

ptl1能夠提供具有高輻射電阻的輻射元件。但是，在輻射元件的制造過程中，包含若干晶片并且當(dāng)輻射元件適合于thz范圍時輻射元件與開口的對齊不好。此外，基板的表面不平坦，從而制造過程變得復(fù)雜。結(jié)果，難以獲得所希望的輻射元件的輻射電阻，因此除了背景技術(shù)中描述的電連接的問題之外，還難以在輻射元件和信號處理電路之間實現(xiàn)良好的阻抗匹配。

問題的解決方案

本發(fā)明提出了一種用于輻射或接收電磁波的裝置，其中輻射元件的輻射電阻足夠高以匹配信號處理電路的高電阻，并且基板可能具有平坦的表面。此外，本發(fā)明提供了用于輻射或接收電磁波的裝置的制造方法。

因此，作為本發(fā)明的一個方面，用于輻射或接收電磁波的裝置包括包含被反射電磁波的材料涂布的凹部的基板、輻射或接收電磁波的金屬部、以及在基板上連接到金屬部的電子元件。金屬部包括設(shè)置在凹部上方的部分以及位于基板上并且連接到電子元件的部分。

另外，作為本發(fā)明的一個方面，用于輻射或接收電磁波的裝置的制造方法包括形成輻射或接收電磁波的金屬部的步驟，以及如下步驟：在基板中形成被反射電磁波的材料涂布的凹部，使得該金屬部包括設(shè)置在凹部上方的部分以及位于基板上并且連接到電子元件的部分。

由于金屬部部分地被空氣包圍或者部分地置于與半導(dǎo)體基板相比具有低相對介電常數(shù)的材料上，因此與金屬部僅置于半導(dǎo)體基板上的情況相比更難以發(fā)射電磁輻射。結(jié)果，金屬部的輻射電阻高，從而金屬部的阻抗更好地匹配信號處理電阻的高阻抗。因此，如果金屬部被用作傳感器，則金屬部提供高靈敏性，并且如果金屬部被用作輻射元件，則金屬部提供高輻射率。

此外，作為本發(fā)明的另一方面的用于輻射或接收電磁波的裝置的制造方法僅需要一個基板，從而制造方法具有可容易地制造該裝置的優(yōu)點。

參照附圖閱讀示例性實施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。

附圖說明

圖1是示出本發(fā)明的第一實施例的裝置的透視圖。

圖2是根據(jù)第一實施例的裝置的截面圖，該裝置具有凹部，在該凹部中側(cè)面和底面相互垂直。

圖3是根據(jù)第一實施例的裝置的截面圖，該裝置具有凹部，在該凹部中側(cè)面和底面之間的連接部是彎曲的。

圖4是根據(jù)第二實施例的裝置的截面圖，在該裝置中凹部被用與基板的材料不同的材料涂布。

圖5是示出本發(fā)明的第三實施例的裝置的透視圖。

圖6是示出通過hfss仿真的根據(jù)第三實施例的裝置的輻射阻抗的示圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的裝置的九傳感器陣列的透視圖。

圖8是示出通過hfss仿真的根據(jù)第四實施例的裝置的九傳感器陣列的s參數(shù)的示圖。

圖9是示出通過hfss仿真的根據(jù)第四實施例的裝置的二傳感器陣列的s參數(shù)的對于輻射阻抗和凹部深度的依賴性的示圖。

圖10是示出通過hfss仿真的根據(jù)第四實施例的裝置的二傳感器陣列的s參數(shù)的對于輻射阻抗和凹部寬度的依賴性的示圖。

圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的具有環(huán)形(doughnut)凹部的裝置的透視圖。

圖12是示出根據(jù)背景技術(shù)的裝置的示圖。

圖13a和13b是用于解釋第五實施例中描述的裝置的配置的示圖。

圖14a和14b是用于解釋第五實施例中的用于分析的裝置配置的示圖。

圖15a、15b和15c是與第五實施例的裝置的方向性有關(guān)的分析結(jié)果。

圖16是與第五實施例的裝置的輻射阻抗有關(guān)的分析結(jié)果。

圖17a和17b是用于解釋第六實施例的裝置的配置的示圖。

圖18a和18b是用于解釋第七實施例的裝置的配置的示圖。

具體實施方式

第一實施例

圖1示出了裝置的透視圖。該裝置基于基板100被配置，該基板包括作為信號處理電路的電子元件101。例如，基板由半導(dǎo)體晶片形成。晶片可由硅、gaas、inp或另一半導(dǎo)體材料制成。電子元件101可通過使用vlsi技術(shù)將電子元件101集成在半導(dǎo)體基板上而被制造。

電子元件101沒有被設(shè)置在凹部102上而是被設(shè)置在基板上。但是，考慮到與用作輻射元件的金屬部103的位置關(guān)系，希望電子元件101被設(shè)置在接近凹部的位置處。因此，希望在凹部內(nèi)形成基板的凸起部并且在基板的凸起部上形成電子元件101。

被反射電磁波的材料涂布的凹部102被設(shè)置在基板中。例如，當(dāng)基板由硅制造時，凹部102可通過使用來自sf6氣體的等離子體通過干蝕刻被制造，使用koh或tmah通過濕蝕刻被制造或者使用xef2通過化學(xué)蝕刻被制造。另外，凹部102可通過使用噴砂或者激光消融被制造。上述技術(shù)中的一些技術(shù)還可被用于蝕刻由其它材料形成的基板。作為結(jié)果，被反射電磁波的材料涂布的凹部可由各種材料以各種形狀被制造。此時，凹部102在基板中具有如圖1所示的壁，并且形成介電常數(shù)的不連續(xù)表面，從而凹部102具有反射要被輻射或者要被接收的電磁波的表面?？蓛H僅是該基板表面，或者如稍候描述的，可通過用金屬膜覆蓋基板表面來提高反射率。如圖1中所示，典型地用于反射電磁波的整個壁被涂布。但是，原則上，該表面僅必須反射要被激活的電磁波，并且即使當(dāng)存在具有小于或者等于電磁波的波長的1/20的大小(在thz范圍中，數(shù)十微米)的間隙、突出部、孔、網(wǎng)格、布線結(jié)構(gòu)等時，表面在本發(fā)明中仍可被定義為反射表面。在電磁場理論中，通常，大小為λ/20或更小的結(jié)構(gòu)對于反射、折射和散射具有極小的影響，并且該影響在計算機(jī)仿真(諸如有限元方法)中被標(biāo)記為網(wǎng)格大小。這些對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。換句話說，在覆蓋凹部的壁中不存在不反射電磁波并且電磁波可從中通過的孔等。

金屬部103與電子元件101物理和電氣連接。金屬部用作輻射元件或接收元件。金屬部接收或輻射在空氣中傳播的電磁波，并且將電磁波的信號和能量發(fā)送至電子元件。金屬部可通過使用薄膜技術(shù)制造。例如，在基板中形成凹部，然后用材料臨時再填充該凹部。此后，將金屬層沉積在基板上，并且通過光刻和金屬蝕刻來將對金屬層進(jìn)行構(gòu)圖，從而形成金屬部。在形成金屬部之后，填充凹部的材料通過熔融、蝕刻或欠蝕刻被去除。金屬部還可通過使用從載體基板的結(jié)構(gòu)移動或者諸如流體自裝配的自裝配來制造。金屬部包括兩個部分。一個部分104位于基板上并且連接到電子元件101。另一部分105位于凹部102的開口上方。此時，如果電子元件具有兩個電極(附圖中未示出)，則形成輻射元件103的金屬部可具有在電子元件101所處的位置處包括小間隙110的配置。盡管位于基板上的金屬部的部分104需要連接到電子元件101，但是就輻射元件103的特性而言，希望地是部分104的量盡可能小，這是因為部分104的量越小，則輻射元件的不連續(xù)性的影響就越小。在基板上的金屬圖案的部分104的長度典型地是5μm到10μm，并且優(yōu)選地為2μm，但是長度依賴于形成金屬圖案的光刻過程。假定該裝置用作發(fā)射器。作為輻射元件的金屬部103部分地輻射到基板100中并且部分地輻射到填充凹部102的空氣中。如果金屬部僅輻射到基板中，則金屬部的輻射電阻被認(rèn)為小，這是因為基板的相對介電常數(shù)大。金屬部部分地輻射到凹部提供的空氣中，從而金屬部具有更大的輻射電阻，這是因為空氣的相對介電常數(shù)小。由此，金屬部的輻射電阻可匹配電子元件的輻射電阻。

將描述第一實施例的一些修改示例。

為了有助于制造過程并且進(jìn)一步加強(qiáng)位于凹部的開口上方的輻射元件的部分，希望凹部被填充固體材料。例如，凹部可被填充bcb(苯并環(huán)丁烯)。bcb通常用于mems并且是在thz范圍中具有約2.4的低相對介電常數(shù)的介電材料。凹部可通過使用旋涂、噴涂或者微分配被填充適當(dāng)?shù)牟牧?。如果需要，填充凹部的材料的上表面可通過使用化學(xué)或者機(jī)械平坦化技術(shù)被平坦化。在此情況中，填充凹部的材料的上表面的水平可與基板的上表面的水平基本相同。因此，形成輻射元件的金屬部可通過使用金屬沉積以及vlsi技術(shù)(諸如光刻法以及通過金屬蝕刻進(jìn)行構(gòu)圖)而被制造。由于在其上形成金屬部的表面是平的，因此對于光刻法可使用旋涂以及常規(guī)的掩模對準(zhǔn)器。作為上述過程獲得的裝置的表面基本是平的，從而例如，可通過使用vlsi技術(shù)進(jìn)一步集成微透鏡。

在第一實施例的另一修改示例中，凹部的壁是彎曲的。圖2示出作為本發(fā)明的第一實施例的示例的裝置的截面圖，其中，連接凹部的側(cè)面和底面的部分相互垂直。作為另一示例，圖3示出了作為本發(fā)明的第一實施例的示例的裝置的截面圖，其中，凹部的壁是彎曲的。使凹部的壁彎曲具有兩個優(yōu)點。首先，可有助于制造過程。例如，當(dāng)凹部填充材料時，如果在凹部的底面不具有尖銳拐角，則更容易用介電常數(shù)低于基板的介電常數(shù)的材料填充凹部。其次，當(dāng)凹部的壁彎曲時，可防止在凹部中存在駐波，從而輻射元件可容易地向上輻射。如果基板由硅形成，則可通過使用各向同性蝕刻(諸如基于sf6的等離子蝕刻或者xef2蝕刻)容易地在基板中制造凹部的彎曲壁。如果基板由另一種材料形成，則可通過使用激光消融容易地制造凹部的彎曲壁。

在第一實施例的另一修改示例中，凹部的整體形狀是被劃界的。盡管已經(jīng)公開了輻射元件的各種形狀，但是出于設(shè)計的目的，希望選擇包括一個或多個絲狀金屬形狀的輻射元件。更具體而言，輻射圖案是偶極子或線圈。在此情況中，已知通過輻射元件生成的電磁場根據(jù)安培定則圍繞該元件旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，如果凹部的形狀類似于輻射元件的形狀并且凹部的大小大于輻射元件的大小以便包圍輻射元件，則可更有效地輻射電磁波。在此情況中，突出到凹部中以便保持電子元件的基板的一部分被提供，并且電子元件和輻射元件的一部分被置于基板的突出部上。基板上的輻射元件的部分以及位于凹部的開口上方的輻射元件的部分需要相互靠近。

盡管可考慮各種電子元件以處理通過輻射元件生成的信號，但是可使用整流元件，這是因為整流元件可被容易地制造并且可在高于1thz的頻率操作。在整流元件之中，在thz范圍中已經(jīng)對肖特基勢壘二極管進(jìn)行了數(shù)十年的研究，因此希望本發(fā)明的結(jié)構(gòu)被用于使得肖特基勢壘二極管作為接收裝置操作以改進(jìn)其特性。thz范圍是從30ghz到30thz的范圍。特別地，從0.1thz到10thz的頻率范圍是有效的。這里，如在本實施例以及圖1-3中所示的，凹部并不意圖穿透基板。典型地，輻射元件被凹部包圍，該凹部的大小小于工作波長。凹部的具體大小將在以下描述的實施例中被闡明。

第二實施例

在空氣和凹部的界面處，存在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的不連續(xù)性。作為此不連續(xù)性的結(jié)果，從輻射元件輻射的電磁波被部分反射并且部分透射到基板中。依賴于使用情況，透射到基板中的電磁波可能干擾基板上集成的其它組件。例如，當(dāng)在同一基板上以陣列形式形成若干裝置以便感測圖像時，一個裝置接收電磁波，并且在接收期間，由該裝置再次輻射的電磁波被透射到基板中。再次輻射的電磁波被另一裝置接收，并且可能生成假像。

本發(fā)明的第二實施例解決了此問題。圖4示出了根據(jù)第二實施例的裝置的截面圖。金屬層400被設(shè)置在凹部102的壁上。由于存在金屬層400，因此從輻射元件103的位于凹部上方的部分105輻射的放射線被金屬層反射，從而放射線沒有進(jìn)入基板。另一方面，在基板和輻射元件103的位于基板上的部分104之間不存在金屬層，從而電磁波的一部分被透射到基板中。因此，相對于整個輻射元件盡可能地減小輻射元件的位于基板上的部分104以便減小噪聲分量是重要的。盡管依賴于制造方法，但可通過在基板和輻射元件的部分104之間設(shè)置金屬層和絕緣層的結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步減小電磁波在基板中的傳播。在此情況中，絕緣層被插入以使得輻射元件的位于基板上的部分104不與金屬層接觸。

如果凹部102的壁完全被金屬層400覆蓋，則金屬層在輻射元件的部分105和部分104之間的邊界處與輻射元件103接觸。如果金屬層與輻射元件103接觸，則存在輻射元件103的輻射特性改變的風(fēng)險。因此，希望在輻射元件的部分105和部分104之間的邊界附近在凹部102的壁上提供不被金屬層400覆蓋的部分401(或者，在該處基板表面形成凹部結(jié)構(gòu)中的側(cè)壁的部分)。換句話說，希望在基板中的凹部的壁的邊緣與金屬層相互接觸的部分處形成不被金屬層覆蓋的部分。

金屬層400可通過使用通常的金屬沉積技術(shù)和利用光刻法以及金屬蝕刻的構(gòu)圖被制造。如果凹部過深以至于不能使用旋涂進(jìn)行光刻，則可使用噴涂法。不被金屬層覆蓋的部分401可通過正常的光刻、必要情況下的3d光刻或者激光消融被劃界。在此實施例中，已經(jīng)描述了金屬層。但是，如果凹部以電磁波絕不會在其中傳播的導(dǎo)電材料形成，則不必須使用金屬層。這即為例如基板由高摻雜半導(dǎo)體制成的情況。

第三實施例

已知線圈天線可操作以便具有大的輻射電阻。因此將描述如下實施例，其中被設(shè)計為在thz范圍中具有匹配電子處理電路的高電阻的輻射電阻的輻射元件是線圈形狀。這是第三實施例的目的。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的裝置的透視圖。以與第一實施例相同的方式，基板500包括電子元件501。特別地，電子元件501集成在基板上。例如，基板500是硅基板，其中使用肖特基勢壘二極管作為電子元件501。肖特基勢壘二級管集成在基板上并且通過使用vlsi技術(shù)被制造。以與第一實施例相同的方式，金屬部503被提供并且用作輻射元件。金屬圖案具有生成高于具有其它形狀的天線的輻射電阻的輻射電阻的線圈形狀。例如，ti、au等可被用作金屬材料。但是這并不局限于此。凹部502也可被設(shè)置在基板500中。以與第一實施例相同的方式，當(dāng)基板500由硅形成時，凹部502可通過各種技術(shù)(諸如硅蝕刻、噴砂或者激光消融)被制造。金屬部503的一個部分505位于基板500中設(shè)置的凹部502的開口上方，以便進(jìn)一步增加金屬部503的輻射電阻。以與第一實施例相同的方式，凹部502可被其相對介電常數(shù)低于基板500的材料的相對介電常數(shù)的材料填充。例如，凹部502可被填充bcb(苯并環(huán)丁烯)。此材料可提供對于金屬部503的部分505的機(jī)械支撐并且有助于制造過程。金屬部503也包括另一部分504，其位于基板上并且機(jī)械(物理)連接和電連接到電子元件501。

圖6示出通過商用仿真器hfss執(zhí)行的本發(fā)明的第三實施例的示例的計算結(jié)果。圖6示出了作為1thz附近的頻率的函數(shù)的輻射阻抗(實部和虛部)。在此示例中，線圈的半徑為50μm，并且線圈的線的寬度為4μm。凹部的深度為15μm。除了線圈附近的部分之外，凹部如在第二實施例中描述地由薄金屬層涂布以便避免金屬涂層與線圈之間的電接觸。在整個凹部502被填充bcb并且線圈位于凹部502上方的狀態(tài)中執(zhí)行仿真。線圈與凹部的外緣之間的距離為約45μm。基板由硅形成，并且在仿真中用作發(fā)射器的電子元件集成在基板上。仿真指示可在0.9thz附近可實現(xiàn)大于1000ω的輻射電阻。在本實施例中，已經(jīng)描述了輻射元件主要在0.9thz附近操作的示例。放射線的波長為約333μm(自由空間)，并且凹部的大小(深度、外周半徑等)小于波長，從而實現(xiàn)了本發(fā)明預(yù)期的效果。當(dāng)輻射元件以高于本實施例中例示說明的頻率的頻率操作時，凹部可通過使用hfss等以與本實施例中的方式相同的方式被設(shè)計，并且凹部的大小可根據(jù)要被輻射或接收的電磁波的波長改變。

該裝置的結(jié)構(gòu)相對簡單并且僅由一個基板形成。此外，輻射元件、電子電路和凹部可在基板的同一表面上被制造，從而可實現(xiàn)精確對齊。最后，基板的最終表面是平的，從而例如可實現(xiàn)集成微透鏡的制造過程。

這里，將描述基本制造過程的示例。如上所述，通過使用vlsi技術(shù)等在si基板上形成電子元件(這里，肖特基勢壘二級管)。如在圖5中所示的，除了設(shè)置有電子元件的部分之外，通過光刻法以及上述方法將半徑為95μm的圓形凹部結(jié)構(gòu)蝕刻至15μm的深度。此時，電子元件被設(shè)置在該電子元件可在不改變下文描述的圓形(線圈)金屬部的形狀的情況下被連接的位置處。接下來，諸如ti或au的金屬膜被沉積在si基板中形成的凹部的壁上。在此情況中，金屬膜被沉積在整個表面上，并且然后執(zhí)行光刻以便僅在凹部上形成抗蝕劑圖案，并且最終通過蝕刻去除平坦部分上的金屬膜。bcb通過旋涂等被沉積在基板的整個表面上，并且執(zhí)行回蝕刻以便基板的平坦部分被暴露。當(dāng)整個表面被平坦化時，半徑為50μm并且寬度為4μm的圓形金屬部在bcb和包括電子元件的基板之上形成，從而圓形金屬部的圓心對應(yīng)于通過凹部的外緣形成的圓的圓心。此時，金屬部被形成為連接到電子元件的電極。當(dāng)然，被形成為不使得電子元件的電極之間構(gòu)成短路的金屬部包括間隙(圖2中的間隙110)。這里，圓形金屬部的半徑為50μm，從而圓形金屬部的長度為約314μm。從在第一實施例中描述的制造的要求來看，位于基板上的圓形金屬部的長度為約2到10μm，從而具有兩個電極的本實施例中位于基板上的圓形金屬部的長度為4到20μm。換句話說，可以說基板上的金屬部的比率為約10％或更小，優(yōu)選地為1％。

盡管已經(jīng)描述了凹部僅具有外緣的結(jié)構(gòu)，但是，包括內(nèi)緣的環(huán)形凹部可被用作金屬部以希望的距離與凹部的兩側(cè)分離的結(jié)構(gòu)。這將在第四實施例中被描述。

第四實施例

公知的是電磁傳感器的陣列可被用作圖像傳感器的一部分。特別地，圖像傳感器可集成成像光學(xué)系統(tǒng)、快門、信號處理裝置等等。通常，電磁傳感器的陣列放置在成像光學(xué)系統(tǒng)的像面上，并且已知為焦平面陣列。該陣列的每個元件形成圖像傳感器的一個像素。

第四實施例涉及其中以陣列形式設(shè)置多個像素的裝置，每個像素包括凹部上的電子元件和金屬部。特別地，第四實施例可被用作在thz范圍中操作的圖像傳感器中使用的焦平面陣列。thz圖像傳感器預(yù)計被應(yīng)用于制造、醫(yī)學(xué)圖像診斷和安全性。

圖7示出了單個基板700包括多個電子元件701a和701b、多個凹部702a和702b以及多個金屬部703a和703b的情況。圖7示出了9個像素的3×3陣列。陣列與cmos開關(guān)等、成像光學(xué)系統(tǒng)、快門以及其它元件相組合，并且作為圖像傳感器被提供。為了通過圖像傳感器提供準(zhǔn)確的圖像，每個像素必須僅接收針對該像素的信息，而不接收針對其它像素的但是由于電磁波在基板內(nèi)傳播而到達(dá)該像素的電磁波的信息。信息沒有被傳送至應(yīng)接收該信息的像素而傳送至其它像素的現(xiàn)象已知為串?dāng)_。在本實施例中，凹部包括被金屬層覆蓋的壁，從而即使像素被設(shè)置為陣列，仍可提供串?dāng)_被顯著降低的陣列。

圖8示出了在中心像素被用作發(fā)射器時每個像素的相對于中心像素的作為1thz附近的頻率的函數(shù)的s參數(shù)(散射參數(shù))。s參數(shù)是通過使用商用仿真器hfss來計算的。

在圖7中，像素被從左至右并且從上至下賦予數(shù)字1到9。例如，s(5，1)對應(yīng)于像素數(shù)1，并且指示圖7中包括電子元件701b、凹部702b和金屬部703b的像素。s(5，3)對應(yīng)于像素數(shù)3，并且指示圖7中包括電子元件701a、凹部702a和金屬部703a的像素。除了像素s(5，5)之外，s參數(shù)表征了兩個像素之間的串?dāng)_。

s參數(shù)(5，5)評估天線與電子元件之間的阻抗匹配。在此仿真中，電子元件的電阻被設(shè)定為100ω。盡管每個像素的凹部以及放射元件的大小和組成與第三實施例中的那些基本相同，但是每個像素具有環(huán)狀凹部1102。在此情況中，凹部的內(nèi)緣與金屬部1103相距45μm。環(huán)的內(nèi)部部分的半徑被設(shè)定為5μm。環(huán)的寬度w被設(shè)定為90μm。基板由硅形成，并且兩個相鄰像素之間的距離為300μm。此仿真指示，無論接收像素與發(fā)射像素相比的相對位置如何，在約1thz串?dāng)_低于-30db。

此外，s參數(shù)(5，5)指示盡管電子元件為高阻抗，但是在約1thz輻射元件與電子元件之間有良好阻抗匹配。作為結(jié)果，本發(fā)明可對于thz圖像傳感器帶來重要的影響。凹部的大小影響阻抗和串?dāng)_。圖9和10示出了在兩個元件被集成在一個基板上時通過商用仿真器hfss計算的、輻射阻抗與s(1，2)分別對于凹部的深度和寬度的依賴性。如上所述，寬度在這里被定義為當(dāng)單個元件的形狀如圖11所示為環(huán)形(電極位于w的中心)的形狀時的w的大小。凹部的深度越大，則由于輻射的電磁波與被凹部的底部反射的電磁波之間的干擾，輻射阻抗越低。認(rèn)為由于凹部越深，輻射的電磁波相對于凹部的密度越小，因此由s(1，2)表示的串?dāng)_增加。另一方面，當(dāng)凹部的深度減小時，保持高的輻射阻抗。當(dāng)凹部的深度減小時，電磁波集中在基板表面上，從而串?dāng)_減小。但是，如果凹部過淺，則電磁波的能量的大部分被輻射到基板中，從而靈敏度劣化。當(dāng)凹部的寬度減小時，串?dāng)_減小，但是輻射阻抗減小。當(dāng)凹部的寬度增大時，裝置的大小增加。因此，存在對于寬度的限制以使得裝置不變得過大。仿真提供了特定的示例，該示例示出凹部的大小影響操作，即根據(jù)被輻射或者接收的電磁波的頻率(波長)的凹部的大小對于高輻射阻抗以及低串?dāng)_(它們是希望的特性)而言是重要的。

本實施例進(jìn)一步示出了在第三實施例中描述的凹部的壁的希望的位置。具體而言，從圖10可見，已知凹部的寬度希望小于或者等于100μm，即，金屬部與凹部之間的距離希望為50μm或更小。在本示例性實施例中，設(shè)計成使得在0.9thz獲得高效率。對應(yīng)于該頻率的波長為約333μm(自由空間)，并且當(dāng)凹部填充有介電常數(shù)為約2.5的bcb時，有效波長(波長/bcb的折射率)為約333/√2.5≈210μm。因此，可以說從金屬部到凹部的反射壁的希望的距離為有效波長的約1/4。

第五實施例

將描述本發(fā)明的另一實施例。在本實施例中，與上文描述的裝置與外部電路之間的連接有關(guān)的形式將被描述。上文已經(jīng)描述的組件的描述將被省略。

圖13a和13b是用于解釋本實施例中的裝置的配置的示圖。在圖13a中，基板1300、電子元件1301、凹部1302、和金屬部1303與上文所述的那些相同。在基板1300中，支撐位于基板上的并且連接到電子元件的上述部分104的部分在本實施例中被稱為第一支撐部1306。與上文所述的實施例的不同之處在于本實施例的裝置通過連接部1307連接到外部電路1308，該連接部1307連接到金屬部1303。例如，外部電路1308是施加信號以驅(qū)動電子元件1301或者調(diào)整或處理來自電子元件1301的信號的電路。連接部1307是在與金屬部1303相同的過程中形成的金屬線。

如上所述，當(dāng)金屬部1303用作天線時，凹部1302具有調(diào)整電子元件1301與金屬部1303之間的阻抗匹配的作用。當(dāng)外部電路連接到該裝置時，希望裝置的阻抗匹配被保持以便保持該裝置的特性。因此，本實施例的連接部1307連接到在金屬部1303中分布的電磁場的節(jié)點1319。此外，金屬部1303和外部電路1308通過連接部1307相互連接。

這里，電磁場的節(jié)點1319是金屬部1303中分布的電磁場的阻抗可相對于工作波長λ被假定為0的位置。在圖13a中，當(dāng)1.5λ的線圈天線被選作金屬部1303時，電磁場的節(jié)點1319位于距被取作起點的電子元件13011/4λ、3/4λ和5/4λ的位置處。用作金屬部1303的天線的形狀不限于此。連接到電磁場的節(jié)點1319的連接部1307以及外部電路1308被假定為并行連接到阻抗為零的電路的電路。因此，外部電路1308可在電子元件1與金屬部1303之間的阻抗匹配被保持的狀態(tài)中被連接。結(jié)果，外部電路1308可被容易地連接。

圖13a示出了外部電路1308具有兩個端子的示例。這里，金屬部1303包括防止外部電阻1308的端子短路的狹縫1310。許多電路具有兩個或更多個端子，諸如基準(zhǔn)電極和信號線。因此，希望金屬部1303具有電磁場的兩個或更多個節(jié)點1319。

圖13b示出了連接部1307具有分布常數(shù)濾波器的示例。這里，柱腳(stub)1309被用作分布常數(shù)濾波器。柱腳1309是在與金屬部1303和連接部1307相同的過程中形成的金屬線?？赏ㄟ^調(diào)整柱腳1309的形狀以及柱腳1309連接的位置對于連接部1307提供分布常數(shù)濾波器。例如，關(guān)于工作頻率λ，具有1/4λ的長度的柱腳1309被設(shè)置在距電磁場的節(jié)點13191/4λ的位置處，從而可形成波長為λ的陷波濾波器。盡管圖13b示出了矩形柱腳1309的示例，其中金屬線彎曲的各種形狀(諸如扇形和l形)的柱腳可被應(yīng)用。由于分布常數(shù)濾波器被提供，因此包括電子元件1301、金屬部1303和凹部1302的電路以及外部電路1308可容易地相互隔離，從而可容易地保持阻抗匹配狀態(tài)。特別地，如圖13b所示，當(dāng)分布常數(shù)濾波器通過設(shè)置在連接部1307上的柱腳1309被形成時，柱腳1309的形狀可在后端過程中被調(diào)整。因此，可準(zhǔn)確地調(diào)整分布常數(shù)濾波器相對于工作頻率λ的特性，從而裝置的產(chǎn)率提高。

接下來，將描述本實施例的裝置的分析結(jié)果。圖14a和14b示出了分析中使用的模型，并且圖15a、15b、15c以及16示出了分析結(jié)果。圖14a和14b中所示的裝置通過與上述實施例中的裝置的過程相同的過程被制造，從而制造過程的詳細(xì)描述將被省略。

在圖14a和14b中，基板1300是硅基板，并且電子元件1301是肖特基勢壘二級管?；?300中設(shè)置的凹部1302具有150μm的直徑以及10μm的深度。凹部1302的底部和側(cè)壁彼此相交的部分具有半徑為10μm的彎曲表面。如圖14a和14b所示，凹部1302包括沿連接部1307的長度為40μm并且寬度為30μm的凹陷部。凹陷部的深度為10μm，并且底部和側(cè)壁彼此相交的部分具有半徑為10μm的圓形形狀。如圖14a和14b中所示，凹部1302在基板1300中形成，而第一支撐部1406保留。盡管圖13a中所示的第一支撐部1306具有從凹部1302的邊緣延伸出的支架形狀，但是圖14a中所示的第一支撐部1406具有從凹部1302的底部延伸出的柱狀形狀。金屬被涂布在凹部1300的表面上。凹部1302被填充bcb(苯并環(huán)丁烯)，并且金屬部1303被bcb和第一支撐部1306支撐。金屬部1303是內(nèi)徑為80μm并且外徑為100μm的電導(dǎo)體，并且用作1.5λ的線圈天線。電子元件1301連接到金屬部1303的一部分。在圖14a中，假定在金屬部1303中流動的電流在金屬部1303中在順時針方向上流動，并且此方向被定義為正。此時，電磁場的節(jié)點1319(圖14a和14b中未示出)位于在正方向上距被取作起點的電子元件13011/4λ、3/4λ和5/4λ的位置處。在圖14a中，連接部1307被設(shè)置在3/4λ和5/4λ的位置處。連接部1307的線寬度是4μm。連接部1307的線長度為500μm。l形柱腳1409在距金屬部1303和連接部1307之間的交點50μm的位置處形成。l形柱腳1409的線寬度為4μm，并且l形柱腳1409的總長度為50μm。l形柱腳1409在距連接部1307和l形柱腳1409之間的交點4μm的位置處被彎曲，從而l形柱腳1409的端部面對金屬部1303。這里，50μm對應(yīng)于工作波長λ的1/4λ，并且l形柱腳1409用作分布常數(shù)濾波器。連接部1307和l形柱腳1409是金屬導(dǎo)體，并且在與金屬部1303相同的過程中制造。由于附圖中未示出的外部電路1308假定為具有兩個端子的電路，因此狹縫1310在金屬部1303中形成以便將兩個連接部1307相互電氣分離。

圖1sa、15b和15c是與圖14a和14b中所示的裝置的電磁場的方向性有關(guān)的分析結(jié)果。具體而言，僅裝置中包含的金屬部被提取和分析。分析的氣氛在這里是真空。圖1sa是僅包括金屬部1303的裝置的分析結(jié)果，并且不包括連接部1307和l形柱腳1409。圖15b是包括金屬部1303和連接部1307的裝置的分析結(jié)果。圖15c是包括金屬部1303、連接部1307和柱腳1409的裝置的分析結(jié)果。柱腳1409的形狀與圖14a中所示的裝置的形狀相同。由于分析的目的在于檢查天線的方向性，分析是在不使用基板1300和凹部1302的情況下執(zhí)行的。在圖15a、15b和15c中，在連接部1307設(shè)置在金屬部1303上的裝置的天線的方向性中觀察到小的旁瓣和展寬。這是由在連接部1307附近分布的電磁場的影響導(dǎo)致的。連接部1307中分布的電磁場的影響可由用作分布常數(shù)濾波器的柱腳1309控制。特別地，通過對于柱腳1309的形狀的深入研究，發(fā)現(xiàn)圖14a中所示的l形柱腳1409對于連接部1307中分布的電磁場的影響展現(xiàn)出高抑制效果。當(dāng)將圖15a和15c進(jìn)行比較時，已知這兩個天線的方向性彼此相似。其原因如下：l形柱腳1409的端部面對金屬部1303，從而在連接部1307和l形柱腳1409中分布的電流的方向彼此相反。結(jié)果，從連接部1307和l形柱腳1409泄露的電磁場相互抑制?？赏ㄟ^調(diào)整圖14a中的狹縫1310的角度和形狀精細(xì)調(diào)諧金屬部1303內(nèi)部和外部分布的電磁場，從而圖15a、15b和15c中所示的天線的方向性被調(diào)整。

圖16是圖14a和14b中所示的裝置的阻抗的分析結(jié)果。當(dāng)觀察圖16時，已知即使當(dāng)連接部分1307被設(shè)置時，仍可在0.97到0.98thz的工作頻率范圍中獲得約700ω的高阻抗。

第六實施例

將描述本發(fā)明的另一實施例。具體而言，本實施例是與上文所述的用于支撐金屬部的配置有關(guān)的修改示例。與上文所述的組件相同的組件的描述將被省略。

圖17a和17b是用于解釋本實施例的裝置的配置的示圖。與上文所述的裝置的不同之處在于本實施例的裝置包括第二支撐部1706，其用于在金屬部1303中分布的電磁場的節(jié)點1319上支撐金屬部1303。通過在電磁場的節(jié)點1319處支撐金屬部1303來控制由于支撐部導(dǎo)致的裝置的阻抗的變化。圖17a示出了如下的配置示例，其中第二支撐部1706具有與第一支撐部1306相同的支架形狀。這里，上述連接部1307被設(shè)置在第二支撐部1706上。圖17b示出了第二支撐部1706具有柱狀形狀的配置示例。第二支撐部1706被以與第一支撐部1306相同的方式由與基板1300相同的材料形成。

金屬部1303可通過使用第二支撐部1706在空氣中被支撐。結(jié)果，可抑制由于材料導(dǎo)致的損耗，并且提高從該裝置產(chǎn)生的電磁波的效率以及檢測電磁波的效率。

希望在三個點處支撐金屬部1303，以在保持金屬部1303的姿態(tài)的同時可靠地支撐金屬部1303。因此，希望存在兩個或更多個第二支撐部1706。因此，希望金屬部1303具有如下形式，即用作在工作頻率λ包括電磁場的兩個或更多個節(jié)點1319的天線。

第七實施例

將描述本發(fā)明的另一實施例。具體而言，本實施例是與第五實施例中描述的分布常數(shù)濾波器有關(guān)的修改示例。與上文所述的組件相同的組件的描述將被省略。

圖18a和18b是用于解釋本實施例的裝置的配置的示圖。盡管上文所述的分布常數(shù)濾波器通過設(shè)置在連接部1307上的柱腳1309形成，但是本實施例的分布常數(shù)濾波器通過基板1300上設(shè)置的周期性結(jié)構(gòu)形成。具體而言，其周期相對于工作波長λ為1/2λ的結(jié)構(gòu)被沿連接部1307設(shè)置以作為周期性結(jié)構(gòu)。在圖18a中，周期性結(jié)構(gòu)是通過沿連接部1307交替布置由與基板1300相同的材料形成的橋接部1810以及第二凹部1802而實現(xiàn)的。當(dāng)凹部1302具有如圖14a中所示的凹陷部時，周期性結(jié)構(gòu)可具有如圖18b中所示的配置。在圖18b中，周期性結(jié)構(gòu)通過在凹部1302的凹陷部中周期性布置由與基板1300相同的材料形成的柱狀部分1811來實現(xiàn)。根據(jù)上述配置，在連接部307中傳播的電磁波具有周期性折射率變化。結(jié)果，分布常數(shù)濾波器阻隔了工作波長為λ的電磁波。

如上所述，設(shè)置在連接部1307上的分布常數(shù)濾波器通過在基板1300上形成的周期性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，因此無需對新的金屬材料進(jìn)行圖案化。因此，該裝置的安裝空間可小。

雖然已參照示例性實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有這樣的變更方式和等同的結(jié)構(gòu)和功能。

本申請要求2012年3月8日提交的日本專利申請no.2012-051951、2012年9月12日提交的日本專利申請no.2012-200301的優(yōu)先權(quán)，這兩個日本專利申請通過引用全文并入此。

工業(yè)應(yīng)用性

使用根據(jù)本發(fā)明的裝置的圖像傳感器預(yù)期被用作可被用于制造應(yīng)用、醫(yī)療圖像診斷以及安全應(yīng)用的傳感器。

盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，但是本發(fā)明不限于那些實施例，并且可在不背離本發(fā)明的范圍的情況下作出各種修改和改變。