Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de circuitos para a deteção de ondas submilimétricas integrados em tecnologia CMOS. Existe um interesse crescente nas tecnologias que utilizam frequências em terahertz (300 GHz - 3 THz) para aplicações em diagnóstico médico por imagem, análise espectral, segurança, radiocomunicação, aplicações médicas e de inspeção. Os sistemas atuais que utilizam tecnologias fotônicas são complexos e consomem muito espaço, além de pouco acessíveis devido ao seu alto custo. Porém, com o advento das tecnologias de silício (eg. CMOS e BiCMOS) é possível desenvolver circuitos nesta faixa de frequência, com baixo custo e alta capacidade de integração, permitindo inclusive o processamento do sinal no próprio chip. Diante deste contexto, as investigações desta tese de doutorado pretendem analisar e contribuir com o desenvolvimento de circuitos de detecção de ondas sub-milimétricas, bem como, propor uma metodologia de projeto que permita a integração destes circuitos e suas antenas em tecnologia CMOS, e com especificações para aplicação em um sistema de identificação por imagem. Este sistema é composto por antena, interface para detecção e processamento do sinal. Alguns detectores com antenas patch acopladas e com variações topológicas foram fabricados em tecnologia CMOS de 180 nanometros e testados para diferentes faixas de frequências, que vão desde 400 GHz até 800 GHz. Também foi desenvolvido um arranjo de detectores com 12 pixels (4x3) para a faixa de 700 GHz a 770 GHz, para aplicação em sistemas de identificação por imagem. A análise, o projeto e os testes destes circuitos, bem como a sua aplicação e a comparação dos mesmos com os apresentados em outros trabalhos, são discutidos ao longo desta tese. Os circuitos foram testados com um setup proposto adaptando-se um sistema de espectroscopia no domínio do tempo, comprovando os resultados através de testes experimentais. / This PhD thesis deal with the development of circuits for submillimeter waves detection integrated in CMOS technology. There is a growing interest in technologies that uses terahertz frequencies (300 GHz to 3 THz) for applications in medical imaging, spectral analysis, security, radiocommunication, medical applications and inspection. The present systems that uses photonic technology are complex and space consuming, and also are very expensives. However, with the advent of silicon technologies (eg. CMOS and BiCMOS) is possible to develop circuits to work in this frequency range, with low cost and high integrability, including the on-chip signal processing. Given this context the investigations of this PhD thesis intends to analyze and to contribute with the development of submillimeter waves detection circuits as well as to propose a design metodology that allows the circuit integration and its antennas in CMOS technology and with specifications for application in imaging system. This system is composed by antenna, detection interface and signal processing. Some detectors with coupled patch antenna and with topological variations were fabricated in 180 nanometers CMOS technology and tested for different frequency ranges, that ranging from 400 GHz until 800 GHz. Also was developed a detector array with 12 pixels (4x3) for the 700 to 770 GHz frequency range (120 GHz bandwidth), for application in imaging systems. The analysis, design and testing of these circuits as well as their application and their comparison with those presented in other works, are discussed throughout this thesis. The circuits were tested using a proposed setup using a terahertz time-domain spectroscopy system confirming the results through experimental tests.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de circuitos para a deteção de ondas submilimétricas integrados em tecnologia CMOS. Existe um interesse crescente nas tecnologias que utilizam frequências em terahertz (300 GHz - 3 THz) para aplicações em diagnóstico médico por imagem, análise espectral, segurança, radiocomunicação, aplicações médicas e de inspeção. Os sistemas atuais que utilizam tecnologias fotônicas são complexos e consomem muito espaço, além de pouco acessíveis devido ao seu alto custo. Porém, com o advento das tecnologias de silício (eg. CMOS e BiCMOS) é possível desenvolver circuitos nesta faixa de frequência, com baixo custo e alta capacidade de integração, permitindo inclusive o processamento do sinal no próprio chip. Diante deste contexto, as investigações desta tese de doutorado pretendem analisar e contribuir com o desenvolvimento de circuitos de detecção de ondas sub-milimétricas, bem como, propor uma metodologia de projeto que permita a integração destes circuitos e suas antenas em tecnologia CMOS, e com especificações para aplicação em um sistema de identificação por imagem. Este sistema é composto por antena, interface para detecção e processamento do sinal. Alguns detectores com antenas patch acopladas e com variações topológicas foram fabricados em tecnologia CMOS de 180 nanometros e testados para diferentes faixas de frequências, que vão desde 400 GHz até 800 GHz. Também foi desenvolvido um arranjo de detectores com 12 pixels (4x3) para a faixa de 700 GHz a 770 GHz, para aplicação em sistemas de identificação por imagem. A análise, o projeto e os testes destes circuitos, bem como a sua aplicação e a comparação dos mesmos com os apresentados em outros trabalhos, são discutidos ao longo desta tese. Os circuitos foram testados com um setup proposto adaptando-se um sistema de espectroscopia no domínio do tempo, comprovando os resultados através de testes experimentais. / This PhD thesis deal with the development of circuits for submillimeter waves detection integrated in CMOS technology. There is a growing interest in technologies that uses terahertz frequencies (300 GHz to 3 THz) for applications in medical imaging, spectral analysis, security, radiocommunication, medical applications and inspection. The present systems that uses photonic technology are complex and space consuming, and also are very expensives. However, with the advent of silicon technologies (eg. CMOS and BiCMOS) is possible to develop circuits to work in this frequency range, with low cost and high integrability, including the on-chip signal processing. Given this context the investigations of this PhD thesis intends to analyze and to contribute with the development of submillimeter waves detection circuits as well as to propose a design metodology that allows the circuit integration and its antennas in CMOS technology and with specifications for application in imaging system. This system is composed by antenna, detection interface and signal processing. Some detectors with coupled patch antenna and with topological variations were fabricated in 180 nanometers CMOS technology and tested for different frequency ranges, that ranging from 400 GHz until 800 GHz. Also was developed a detector array with 12 pixels (4x3) for the 700 to 770 GHz frequency range (120 GHz bandwidth), for application in imaging systems. The analysis, design and testing of these circuits as well as their application and their comparison with those presented in other works, are discussed throughout this thesis. The circuits were tested using a proposed setup using a terahertz time-domain spectroscopy system confirming the results through experimental tests.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:35:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Odilon Moura Guimaraes Junior.pdf: 3129591 bytes, checksum: ed51f5550fa4fa1c61e9e8289b9b9671 (MD5) Previous issue date: 2015-12-10 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims the study of the stochastic characteristics of solar flares with data in the sub millimeter wavelength range, in order to identify the flare evolving mechanisms. We shall apply the wavelet transformation, as a mathematical tool. The wavelet coefficients are squared and normalized by the squared wavelet coefficient mean to get specific indices known as Local Intermittence Measure (LIM). We generate 2D graphics with time and timescale axes to identify episodes that can represent intermittent behavior over the flare development, trying to find participative structures that could be associated to energy release models: either from small structures increasing in number and size resulting in a large explosive region, the so called Avalanche models; or on the other way, when a single energy release fragments into smaller and smaller regions, recognized as a Cascade . In both cases we try to verify whether the flare evolution follows a deterministic behavior rather than simply random episodes. / Este trabalho tem o propósito de estudar características aparentemente estocásticas das explosões solares, a partir de dados observacionais na faixa dos comprimentos de ondas submilimétricos procurando identificar a forma como elas evoluem. Aplicaremos para esse estudo a transformação wavelet como ferramenta matemática. Os coeficientes wavelet são elevados ao quadrado e normalizados para obter índices específicos denominados de Medida de Intermitência Local (LIM = Local Intermittence Measure). Estes geram gráficos em um plano com eixos temporal e escalar, onde podemos identificar episódios durante uma explosão que definitivamente representem comportamentos intermitentes permitindo visualizar ao longo do desenvolvimento da explosão os mecanismos de evolução das explosões solares: seja a partir de pequenas estruturas que aumentando em número e dimensões terminam formando uma grande região explosiva, seguindo um modelo do tipo Avalanche ; ou no caminho inverso, onde uma única explosão segue se fragmentando em regiões cada vez menores seguindo a tendência de um modelo do tipo Cascata . Em ambos os casos procuraremos notar se a evolução das explosões segue comportamentos determinísticos ao invés de simplesmente aleatórios.