一位特工正在和時(shí)間賽跑，他知道炸彈就在周圍。他跑到一個(gè)拐角，發(fā)現(xiàn)小巷內(nèi)堆滿了可疑的紙箱。他急忙掏出手機(jī)，快速地逐個(gè)掃描面前的箱子，包裝內(nèi)的物品一一展現(xiàn)。千鈞一發(fā)之際，手機(jī)屏幕上出現(xiàn)了爆炸裝置的輪廓，形勢(shì)瞬間扭轉(zhuǎn)，待爆炸裝置運(yùn)行中止時(shí)，他才長(zhǎng)出了一口氣。

看起來像是電影情節(jié)？但這一幕卻很有可能成為現(xiàn)實(shí)，而這要得益于美國(guó)加州理工學(xué)院工程師們開發(fā)出的一種低成本的微小硅芯片。這種成像芯片能夠產(chǎn)生并發(fā)射出高頻的電磁波，即太赫茲（THz）波。當(dāng)它處于尚未被完全開發(fā)的電磁光譜區(qū)域，介于微波和遠(yuǎn)紅外輻射之間，能夠滲透多種材料，卻不會(huì)出現(xiàn)X射線的電離損傷。

在掃描和成像領(lǐng)域應(yīng)用潛力大

把這種新型微芯片整合進(jìn)手持設(shè)備中，能夠應(yīng)用于國(guó)家安全、無線通信、醫(yī)療保健甚至非接觸式游戲研發(fā)等多個(gè)方向。未來，這一技術(shù)還有望為非侵入式的癌癥診斷提供幫助。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)表在最新一期的電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）《固態(tài)電路雜志》上。

該校的電氣工程系教授阿力·哈基姆瑞說：“利用與制造現(xiàn)今手機(jī)微芯片同樣成本低廉的集成電路技術(shù)，我們研發(fā)出了比它們運(yùn)行速度快300倍的硅芯片。這些芯片將為制造下一代十分多能的傳感器奠定基礎(chǔ)。”

頻率從0.3THz到3THz的太赫茲波，具有在掃描和成像等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。這些電磁波能輕易滲透包裝材料，使得探測(cè)材料內(nèi)部信息成為可能。例如，陶瓷、硬紙板和塑料制品等對(duì)太赫茲電磁輻射而言就是透明的，因此太赫茲波可以作為X射線的非電離和相干的互補(bǔ)輻射源，用于機(jī)場(chǎng)、車站等地的安全監(jiān)測(cè)，比如探查槍械、生物武器、爆炸物和毒品等隱藏的非法物品。然而現(xiàn)有的太赫茲設(shè)備多為笨重而昂貴的激光裝置，有時(shí)甚至需要處于低溫環(huán)境。而技術(shù)的匱乏，也使太赫茲成像和掃描的發(fā)展停滯不前。

為了實(shí)現(xiàn)太赫茲波在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，哈基姆瑞和考西克·森古普塔使用了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，即通常會(huì)被用于電子設(shè)備芯片制造中的CMOS技術(shù)，來設(shè)計(jì)具有全面集成功能的、可在太赫茲頻率運(yùn)行的硅芯片，而其尺寸只有指尖大小。研究人員表示，這使太赫茲波成像成為了可能。新芯片能夠激發(fā)比現(xiàn)有途徑強(qiáng)勁1000倍的信號(hào)，而發(fā)出的太赫茲信號(hào)能在特定方向被動(dòng)態(tài)程控，使它們成為世界上第一個(gè)集成的太赫茲掃描陣列。借助這種掃描裝置，研究人員能夠發(fā)現(xiàn)藏在塑料制品中的剃須刀片，或者確定動(dòng)物組織中脂肪和肌肉的分布，診斷人體燒傷部位的損傷程度，以及植物葉片組織的水分含量分布等。而太赫茲成像技術(shù)與其他波段的成像技術(shù)相比，所得到探測(cè)圖像的分辨率和景深也均有明顯提高。“這并不是在談這項(xiàng)技術(shù)的潛能，而是切實(shí)地展現(xiàn)出它的實(shí)際效用。第一次看到太赫茲掃描圖像時(shí)，我們都屏住了呼吸。”哈基姆瑞說。

新研究克服了諸多技術(shù)限制

事實(shí)上，研究小組克服了諸多技術(shù)限制，才將CMOS技術(shù)轉(zhuǎn)變成了可運(yùn)行的太赫茲芯片。每個(gè)晶體管都具有一個(gè)截止頻率，在這一頻率之上信號(hào)放大就無法實(shí)現(xiàn)，而標(biāo)準(zhǔn)的晶體管亦不能在太赫茲頻率放大信號(hào)。為了解決截止頻率的難題，科學(xué)家嘗試令多個(gè)晶體管一起工作。在正確的頻率和時(shí)間結(jié)合它們的力量，來促進(jìn)集體信號(hào)的強(qiáng)度提升。借助新的晶體管操作方法，可使晶體管保持在截止頻率之上40%至50%，并能產(chǎn)生較大的功率。“就像一群螞蟻聯(lián)合起來，也能做到大象所能做到的事情，而且不止于此。”森古普塔解釋說。

科研人員還解決了太赫茲信號(hào)的發(fā)射和傳輸。在如此高的頻率下，無法按常理使用導(dǎo)線，而傳統(tǒng)的天線在微芯片尺寸效率也很低下。因此，科學(xué)家將整個(gè)硅芯片當(dāng)作天線，集成了芯片上的金屬部分，在特定的時(shí)間和強(qiáng)度一起發(fā)射信號(hào)。整個(gè)解決方案囊括了集成電路、天線、電磁學(xué)和應(yīng)用科學(xué)等多領(lǐng)域的創(chuàng)新，可謂十分全面。此外，IBM公司亦有助于此次的芯片制造。