太赫兹技术趋势及应用论坛虹科光电精彩演讲

2023年9月8日，太赫兹技术趋势及应用论坛在深圳光博会期间举办。论坛活动中，虹科光电事业部部长覃琪淋为大家带来了以“太赫兹技术与工业成像、测厚及表征应用”为主题的演讲。

本次演讲的内容主要分为三个部分：以太赫兹技术为切入点，介绍了太赫兹工业应用以及虹科提供的太赫兹解决方案，并针对太赫兹应用领域做了最后的总结与展望。本文将带您回顾本次论坛演讲中的精彩内容。

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太赫兹技术

太赫兹波位于微波和红外之间，具有对非金属、非极性材料优异的穿透性，基于太赫兹波的产生和探测技术，我们可以获取太赫兹信息实现很多功能，比如光谱分析、穿透成像、厚度测量以及参数表征。

 

针对太赫兹成像技术，基于不同的产生和探测技术，成像系统的构造也有许多差别。此处展示的一种是焦平面阵列探测成像，基于高功率的太赫兹源与太赫兹相机，可以实现实时强度成像，多角度动态图像有助于实现样品的3D重建。

另一种是太赫兹FMCW雷达成像技术，基于电子学倍频器的产生原理，混频探测得到信号的强度与相位信息，更重要的是可以获取样品的深度信息实现断层扫描图像。太赫兹的穿透性在成像技术中极具优势，目前太赫兹安检仪已经逐步应用于机场、展馆等场所。

针对太赫兹光谱技术，主要利用飞秒激光与光电导天线产生和探测太赫兹波，基于探测到的太赫兹时域和频域信息，我们可以分析获得样品的指纹频谱、厚度以及电学参数。

 

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太赫兹技术的工业应用&虹科方案

 

01. 穿透成像——NDT Radar

工业生产中对于无损查看样品内部情况具有迫切需求，而常见的穿透成像技术，比如射线具有电离辐射，超声需要接触表面与耦合剂等局限性，太赫兹技术则弥补了这些缺陷，能够实现非接触式、非破坏性、良好穿透性与空间分辨率的成像功能。

 

虹科提供的NDT雷达基于FMCW雷达原理，由倍频器产生150G的太赫兹信号，采集反射信息通过混频器分析获取中频信号，从而获取强度以及深度信息，实现三维切片成像的效果。

工业成像对检测速度和集成方式要求较高，虹科NDT雷达是收发一体的单体结构，能集成于工业机械臂与位移平台，同时检测速率高达7.6KHz，适配工业高速检测的需求。太赫兹雷达技术在药品检测、食品检测、聚合物与复合材料缺陷检测、腐蚀检测以及香烟检测中都能发挥出穿透成像、多层成像的优势，查看到样品内部的缺陷或异物信息，而不会对样品造成任何损伤，是工业无损检测应用的新兴方案。
 

02. 厚度测量——Irys系统

汽车行业目前对于涂层质量控制与成本优化要求水涨船高，厚度优化是必不可少的工序。然而传统的测厚技术，比如磁力测厚仪、涡流测厚仪等只能测单层涂层，对基底有限制，多为接触式手持式设备不能自动化集成，因此限制了其应用场景。

太赫兹TDS测厚技术具有非接触式、非破坏性、一次测量得到每一层厚度、优异穿透性等诸多优势，在汽车涂层测厚应用场景中具有明显优势。

虹科提供的太赫兹测厚平台IRYS系统是针对汽车车身涂层测厚的完整解决方案，其太赫兹探头适用于任何穿透机械手臂，适用于自动化程度高的汽车产线。同时，结合三角激光定位系统，能够保持定位的法向误差小于0.2°。最后，应用专利的测厚算法，可测层数高达7层，能够实现最薄5um材料的测厚，以及最优1um的测厚精度。

相较于其他传统的测厚技术，太赫兹技术最大优势在于其适用基底范围广泛，包括金属、塑料与复合材料基底。此外，非接触的探测方式易于自动化，一次测量就可以得到每一层厚度的实时数据。最后，没有电离辐射，安全性得到保证。

 

太赫兹测厚技术自2020年起第一次落地于大众西班牙纳瓦拉的工厂，经过计算，太赫兹技术的使用有助于在涂装过程中节省15%的成本，减少材料、能源和缺陷工件的支出，并相应减少对环境的影响。得益于太赫兹技术，汽车的涂装工艺在喷漆过程中可以减少二氧化碳排放量50kWh/辆，这意味着每年可减少超过16 GWh/年的二氧化碳排放量。

03. 电参数表征——Onyx系统

半导体企业的晶圆生产与质量控制流程中，都需要利用一些表征技术对所用材料的性质与质量做出判断。

传统表征方法具有一定缺陷，比如四探针法得到被测样品的电导率，但必须接触样品造成损伤，因此不适用于生产检测。

而对于纳米尺寸的材料而言，常用的拉曼光谱、AFM和TEM方法可以通过非接触、非破坏性的方式得到分辨率高达nm级别的图像，然而这需要复杂的样品制备步骤与较长的扫描时间，仅适用实验环境使用。

太赫兹技术可以实现实现石墨烯、薄膜和其他2D材料的全区域无损表征的系统。通过反射式采集样品的多种电参数，包括电导率、电阻率、电荷载流子迁移率、电荷载流子密度、载流子散射时间与均匀性。

虹科Onyx系统填补了宏观和纳米尺度表征工具之间的空白，同时具有快速表征（12cm²/min）和高分辨率（50um），并且探测面积可从0.5 mm²到更大面积(m²)，促进了材料研究领域的工业化。

目前已利用太赫兹电参数表征应用的企业如下：

• CIEMAT已经利用太赫兹技术对各类石墨烯制作的光伏器件做电学参数的表征；
• CIC nanogune利用了太赫兹技术对石墨烯材料与其他表征方法对比，验证了太赫兹测量电学参数的准确性；
• IHP则利用太赫兹为将先进材料的晶圆集成到微电子元件中提供了一种无损，非接触式，快速且更可靠的质量控制过程，可以在生产过程的最早阶段识别有缺陷的零件。
   

虹科Onxy系统采用了太赫兹技术，相较于其他检测技术，更满足工业应用的快速大面积的检测要求。

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总结与展望

太赫兹技术在无损检测领域具有明显优势，包括成像、测厚以及参数表征，但是由于功率限制以及成本问题，目前主流应用还局限在实验室研究所环境中。未来，太赫兹技术的发展一方面需要提升技术实力打破技术壁垒实现更高功率的太赫兹源输出，另一方面在产业化探索中也需要找寻太赫兹技术优势行业，并开发出适合工业应用的便携紧凑式设备，更重要的是太赫兹设备的成本能够进一步降低。我们期待让太赫兹这项新技术从实验室成熟推广到工业生产中，为无损检测带来新的技术活力！