太赫茲技術(shù)趨勢(shì)及應(yīng)用論壇虹科光電精彩演講

2023年9月8日，太赫茲技術(shù)趨勢(shì)及應(yīng)用論壇在深圳光博會(huì)期間舉辦。論壇活動(dòng)中，虹科光電事業(yè)部部長(zhǎng)覃琪淋為大家?guī)?lái)了以“太赫茲技術(shù)與工業(yè)成像、測(cè)厚及表征應(yīng)用”為主題的演講。

本次演講的內(nèi)容主要分為三個(gè)部分：以太赫茲技術(shù)為切入點(diǎn)，介紹了太赫茲工業(yè)應(yīng)用以及虹科提供的太赫茲解決方案，并針對(duì)太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域做了最后的總結(jié)與展望。本文將帶您回顧本次論壇演講中的精彩內(nèi)容。

01

太赫茲技術(shù)

太赫茲波位于微波和紅外之間，具有對(duì)非金屬、非極性材料優(yōu)異的穿透性，基于太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)，我們可以獲取太赫茲信息實(shí)現(xiàn)很多功能，比如光譜分析、穿透成像、厚度測(cè)量以及參數(shù)表征。

針對(duì)太赫茲成像技術(shù)，基于不同的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)，成像系統(tǒng)的構(gòu)造也有許多差別。此處展示的一種是焦平面陣列探測(cè)成像，基于高功率的太赫茲源與太赫茲相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)強(qiáng)度成像，多角度動(dòng)態(tài)圖像有助于實(shí)現(xiàn)樣品的3D重建。

另一種是太赫茲FMCW雷達(dá)成像技術(shù)，基于電子學(xué)倍頻器的產(chǎn)生原理，混頻探測(cè)得到信號(hào)的強(qiáng)度與相位信息，更重要的是可以獲取樣品的深度信息實(shí)現(xiàn)斷層掃描圖像。太赫茲的穿透性在成像技術(shù)中極具優(yōu)勢(shì)，目前太赫茲安檢儀已經(jīng)逐步應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、展館等場(chǎng)所。

針對(duì)太赫茲光譜技術(shù)，主要利用飛秒激光與光電導(dǎo)天線產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲波，基于探測(cè)到的太赫茲時(shí)域和頻域信息，我們可以分析獲得樣品的指紋頻譜、厚度以及電學(xué)參數(shù)。

02

太赫茲技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用&虹科方案

01.穿透成像——NDT Radar

工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于無(wú)損查看樣品內(nèi)部情況具有迫切需求，而常見(jiàn)的穿透成像技術(shù)，比如射線具有電離輻射，超聲需要接觸表面與耦合劑等局限性，太赫茲技術(shù)則彌補(bǔ)了這些缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式、非破壞性、良好穿透性與空間分辨率的成像功能。

虹科提供的NDT雷達(dá)基于FMCW雷達(dá)原理，由倍頻器產(chǎn)生150G的太赫茲信號(hào)，采集反射信息通過(guò)混頻器分析獲取中頻信號(hào)，從而獲取強(qiáng)度以及深度信息，實(shí)現(xiàn)三維切片成像的效果。

工業(yè)成像對(duì)檢測(cè)速度和集成方式要求較高，虹科NDT雷達(dá)是收發(fā)一體的單體結(jié)構(gòu)，能集成于工業(yè)機(jī)械臂與位移平臺(tái)，同時(shí)檢測(cè)速率高達(dá)7.6KHz，適配工業(yè)高速檢測(cè)的需求。太赫茲雷達(dá)技術(shù)在藥品檢測(cè)、食品檢測(cè)、聚合物與復(fù)合材料缺陷檢測(cè)、腐蝕檢測(cè)以及香煙檢測(cè)中都能發(fā)揮出穿透成像、多層成像的優(yōu)勢(shì)，查看到樣品內(nèi)部的缺陷或異物信息，而不會(huì)對(duì)樣品造成任何損傷，是工業(yè)無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用的新興方案。

02. 厚度測(cè)量——Irys系統(tǒng)

汽車行業(yè)目前對(duì)于涂層質(zhì)量控制與成本優(yōu)化要求水漲船高，厚度優(yōu)化是必不可少的工序。然而傳統(tǒng)的測(cè)厚技術(shù)，比如磁力測(cè)厚儀、渦流測(cè)厚儀等只能測(cè)單層涂層，對(duì)基底有限制，多為接觸式手持式設(shè)備不能自動(dòng)化集成，因此限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。

太赫茲TDS測(cè)厚技術(shù)具有非接觸式、非破壞性、一次測(cè)量得到每一層厚度、優(yōu)異穿透性等諸多優(yōu)勢(shì)，在汽車涂層測(cè)厚應(yīng)用場(chǎng)景中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

虹科提供的太赫茲測(cè)厚平臺(tái)IRYS系統(tǒng)是針對(duì)汽車車身涂層測(cè)厚的完整解決方案，其太赫茲探頭適用于任何穿透機(jī)械手臂，適用于自動(dòng)化程度高的汽車產(chǎn)線。同時(shí)，結(jié)合三角激光定位系統(tǒng)，能夠保持定位的法向誤差小于0.2°。最后，應(yīng)用專利的測(cè)厚算法，可測(cè)層數(shù)高達(dá)7層，能夠?qū)崿F(xiàn)最薄5um材料的測(cè)厚，以及最優(yōu)1um的測(cè)厚精度。

相較于其他傳統(tǒng)的測(cè)厚技術(shù)，太赫茲技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于其適用基底范圍廣泛，包括金屬、塑料與復(fù)合材料基底。此外，非接觸的探測(cè)方式易于自動(dòng)化，一次測(cè)量就可以得到每一層厚度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。最后，沒(méi)有電離輻射，安全性得到保證。

太赫茲測(cè)厚技術(shù)自2020年起第一次落地于大眾西班牙納瓦拉的工廠，經(jīng)過(guò)計(jì)算，太赫茲技術(shù)的使用有助于在涂裝過(guò)程中節(jié)省15%的成本，減少材料、能源和缺陷工件的支出，并相應(yīng)減少對(duì)環(huán)境的影響。得益于太赫茲技術(shù)，汽車的涂裝工藝在噴漆過(guò)程中可以減少二氧化碳排放量50kWh/輛，這意味著每年可減少超過(guò)16 GWh/年的二氧化碳排放量。

03. 電參數(shù)表征——Onyx系統(tǒng)

半導(dǎo)體企業(yè)的晶圓生產(chǎn)與質(zhì)量控制流程中，都需要利用一些表征技術(shù)對(duì)所用材料的性質(zhì)與質(zhì)量做出判斷。

傳統(tǒng)表征方法具有一定缺陷，比如四探針?lè)ǖ玫奖粶y(cè)樣品的電導(dǎo)率，但必須接觸樣品造成損傷，因此不適用于生產(chǎn)檢測(cè)。

而對(duì)于納米尺寸的材料而言，常用的拉曼光譜、AFM和TEM方法可以通過(guò)非接觸、非破壞性的方式得到分辨率高達(dá)nm級(jí)別的圖像，然而這需要復(fù)雜的樣品制備步驟與較長(zhǎng)的掃描時(shí)間，僅適用實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用。

太赫茲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)石墨烯、薄膜和其他2D材料的全區(qū)域無(wú)損表征的系統(tǒng)。通過(guò)反射式采集樣品的多種電參數(shù)，包括電導(dǎo)率、電阻率、電荷載流子遷移率、電荷載流子密度、載流子散射時(shí)間與均勻性。

虹科Onyx系統(tǒng)填補(bǔ)了宏觀和納米尺度表征工具之間的空白，同時(shí)具有快速表征（12cm2/min）和高分辨率（50um），并且探測(cè)面積可從0.5 mm2到更大面積(m2)，促進(jìn)了材料研究領(lǐng)域的工業(yè)化。

目前已利用太赫茲電參數(shù)表征應(yīng)用的企業(yè)如下：

• CIEMAT已經(jīng)利用太赫茲技術(shù)對(duì)各類石墨烯制作的光伏器件做電學(xué)參數(shù)的表征；
• CIC nanogune利用了太赫茲技術(shù)對(duì)石墨烯材料與其他表征方法對(duì)比，驗(yàn)證了太赫茲測(cè)量電學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性；
• IHP則利用太赫茲為將先進(jìn)材料的晶圓集成到微電子元件中提供了一種無(wú)損，非接觸式，快速且更可靠的質(zhì)量控制過(guò)程，可以在生產(chǎn)過(guò)程的最早階段識(shí)別有缺陷的零件。
  

虹科Onxy系統(tǒng)采用了太赫茲技術(shù)，相較于其他檢測(cè)技術(shù)，更滿足工業(yè)應(yīng)用的快速大面積的檢測(cè)要求。

03

總結(jié)與展望

太赫茲技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)，包括成像、測(cè)厚以及參數(shù)表征，但是由于功率限制以及成本問(wèn)題，目前主流應(yīng)用還局限在實(shí)驗(yàn)室研究所環(huán)境中。未來(lái)，太赫茲技術(shù)的發(fā)展一方面需要提升技術(shù)實(shí)力打破技術(shù)壁壘實(shí)現(xiàn)更高功率的太赫茲源輸出，另一方面在產(chǎn)業(yè)化探索中也需要找尋太赫茲技術(shù)優(yōu)勢(shì)行業(yè)，并開發(fā)出適合工業(yè)應(yīng)用的便攜緊湊式設(shè)備，更重要的是太赫茲設(shè)備的成本能夠進(jìn)一步降低。我們期待讓太赫茲這項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室成熟推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，為無(wú)損檢測(cè)帶來(lái)新的技術(shù)活力！