本文介绍了一种基于商用CMOS技术在室温下工作的未冷却THz热探测器。该探测器利用一种频率选择性偶极子天线和PTAT（比例到绝对温度）温度传感器进行建模和设计，能在整个THz范围内选择性地探测特定频率的电磁波。
一、探测器工作原理
THz电磁波被芯片上的λ/4偶极子天线选择性吸收，该天线在金属化层中实现。吸收的波能量通过一个多晶硅电阻器转换成焦耳热能。随后，这种热能产生的温度升高由PTAT温度传感器检测。通过这种方式，探测器能够感应到不同频率的THz波。
二、探测器设计和模拟
该探测器在标准的0.18-μm CMOS技术中设计了在1 THz、2.9 THz和28.3 THz三个典型THz频率下的探测器。在后仿真过程中，探测器的频率选择性在整个THz范围内的能力得到了展示。
模拟结果显示，在1 THz时探测器的电压响应度为18.0 V/W，在2.9 THz时为18.9 V/W，在28.3 THz时为18.6 V/W。三个频率下的噪声等效功率(NEP)为1.7μW/√Hz。
三、探测器的关键技术和组件
1、CMOS技术：CMOS技术是构建集成电路和传感器的常用技术，因其高集成度、低功耗和低成本等特点，适用于制造上述热探测器。
2、未冷却THz探测器：与需要冷却以降低噪声和提高灵敏度的传统THz探测器不同，这种探测器可以在没有冷却设备的室温环境下运行，大幅降低了成本和复杂性。
3、频率选择性：利用特定设计的偶极子天线实现对特定频率的THz波的选择性吸收。这种特性对于探测特定波段的辐射特别重要。
4、偶极子天线：偶极子天线是一个简单的天线结构，通常由两条等长的金属线构成，用于电磁波的接收和发射。在本探测器中，偶极子天线由芯片上的金属层实现。
5、多晶硅电阻器：在CMOS制造过程中，多晶硅是常用的电阻材料。探测器使用它来将吸收的电磁波能量转换为热能。
6、PTAT温度传感器：PTAT传感器根据温度变化输出与绝对温度成比例的电压信号，是用于监测和测量热相关变化的敏感元件。
四、THz频段的应用和重要性
THz波位于毫米波和远红外波之间的独特光谱位置。THz辐射是非电离的，因此对人体无害，且具有穿透非导电材料如衣物、纸张和塑料的能力。因此，THz波在安全筛查、天文观测等领域具有潜在的应用价值。例如，Herschel空间天文台就是专门用于在THz区域观测宇宙辐射信息的设备。
总结来说，本文提出了一种基于CMOS技术的未冷却THz热探测器的设计方案，并详细介绍了其工作原理和性能模拟结果。该探测器在没有冷却需求的室温环境下能够实现对特定THz频率的选择性探测，具有重要的应用前景和研究价值。
