2023年9月8日，太赫茲技術趨勢及應用論壇在深圳光博會期間舉辦。論壇活動中，虹科光電事業部部長覃琪淋為大家帶來了以“太赫茲技術與工業成像、測厚及表征應用”為主題的演講。

本次演講的內容主要分為三個部分：以太赫茲技術為切入點，介紹了太赫茲工業應用以及虹科提供的太赫茲解決方案，并針對太赫茲應用領域做了最后的總結與展望。本文將帶您回顧本次論壇演講中的精彩內容。

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太赫茲技術

太赫茲波位于微波和紅外之間，具有對非金屬、非極性材料優異的穿透性，基于太赫茲波的產生和探測技術，我們可以獲取太赫茲信息實現很多功能，比如光譜分析、穿透成像、厚度測量以及參數表征。

針對太赫茲成像技術，基于不同的產生和探測技術，成像系統的構造也有許多差別。此處展示的一種是焦平面陣列探測成像，基于高功率的太赫茲源與太赫茲相機，可以實現實時強度成像，多角度動態圖像有助于實現樣品的3D重建。

另一種是太赫茲FMCW雷達成像技術，基于電子學倍頻器的產生原理，混頻探測得到信號的強度與相位信息，更重要的是可以獲取樣品的深度信息實現斷層掃描圖像。太赫茲的穿透性在成像技術中極具優勢，目前太赫茲安檢儀已經逐步應用于機場、展館等場所。

針對太赫茲光譜技術，主要利用飛秒激光與光電導天線產生和探測太赫茲波，基于探測到的太赫茲時域和頻域信息，我們可以分析獲得樣品的指紋頻譜、厚度以及電學參數。

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太赫茲技術的工業應用&虹科方案

01.穿透成像——NDT Radar

工業生產中對于無損查看樣品內部情況具有迫切需求，而常見的穿透成像技術，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，太赫茲技術則彌補了這些缺陷，能夠實現非接觸式、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雷達基于FMCW雷達原理，由倍頻器產生150G的太赫茲信號，采集反射信息通過混頻器分析獲取中頻信號，從而獲取強度以及深度信息，實現三維切片成像的效果。

工業成像對檢測速度和集成方式要求較高，虹科NDT雷達是收發一體的單體結構，能集成于工業機械臂與位移平臺，同時檢測速率高達7.6KHz，適配工業高速檢測的需求。太赫茲雷達技術在藥品檢測、食品檢測、聚合物與復合材料缺陷檢測、腐蝕檢測以及香煙檢測中都能發揮出穿透成像、多層成像的優勢，查看到樣品內部的缺陷或異物信息，而不會對樣品造成任何損傷，是工業無損檢測應用的新興方案。

02. 厚度測量——Irys系統

汽車行業目前對于涂層質量控制與成本優化要求水漲船高，厚度優化是必不可少的工序。然而傳統的測厚技術，比如磁力測厚儀、渦流測厚儀等只能測單層涂層，對基底有限制，多為接觸式手持式設備不能自動化集成，因此限制了其應用場景。

太赫茲TDS測厚技術具有非接觸式、非破壞性、一次測量得到每一層厚度、優異穿透性等諸多優勢，在汽車涂層測厚應用場景中具有明顯優勢。

虹科提供的太赫茲測厚平臺IRYS系統是針對汽車車身涂層測厚的完整解決方案，其太赫茲探頭適用于任何穿透機械手臂，適用于自動化程度高的汽車產線。同時，結合三角激光定位系統，能夠保持定位的法向誤差小于0.2°。最后，應用專利的測厚算法，可測層數高達7層，能夠實現最薄5um材料的測厚，以及最優1um的測厚精度。

相較于其他傳統的測厚技術，太赫茲技術最大優勢在于其適用基底范圍廣泛，包括金屬、塑料與復合材料基底。此外，非接觸的探測方式易于自動化，一次測量就可以得到每一層厚度的實時數據。最后，沒有電離輻射，安全性得到保證。

太赫茲測厚技術自2020年起第一次落地于大眾西班牙納瓦拉的工廠，經過計算，太赫茲技術的使用有助于在涂裝過程中節省15%的成本，減少材料、能源和缺陷工件的支出，并相應減少對環境的影響。得益于太赫茲技術，汽車的涂裝工藝在噴漆過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16 GWh/年的二氧化碳排放量。

03. 電參數表征——Onyx系統

半導體企業的晶圓生產與質量控制流程中，都需要利用一些表征技術對所用材料的性質與質量做出判斷。

傳統表征方法具有一定缺陷，比如四探針法得到被測樣品的電導率，但必須接觸樣品造成損傷，因此不適用于生產檢測。

而對于納米尺寸的材料而言，常用的拉曼光譜、AFM和TEM方法可以通過非接觸、非破壞性的方式得到分辨率高達nm級別的圖像，然而這需要復雜的樣品制備步驟與較長的掃描時間，僅適用實驗環境使用。

太赫茲技術可以實現實現石墨烯、薄膜和其他2D材料的全區域無損表征的系統。通過反射式采集樣品的多種電參數，包括電導率、電阻率、電荷載流子遷移率、電荷載流子密度、載流子散射時間與均勻性。

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

目前已利用太赫茲電參數表征應用的企業如下：

• CIEMAT已經利用太赫茲技術對各類石墨烯制作的光伏器件做電學參數的表征；
• CIC nanogune利用了太赫茲技術對石墨烯材料與其他表征方法對比，驗證了太赫茲測量電學參數的準確性；
• IHP則利用太赫茲為將先進材料的晶圓集成到微電子元件中提供了一種無損，非接觸式，快速且更可靠的質量控制過程，可以在生產過程的最早階段識別有缺陷的零件。
  

虹科Onxy系統采用了太赫茲技術，相較于其他檢測技術，更滿足工業應用的快速大面積的檢測要求。

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總結與展望

太赫茲技術在無損檢測領域具有明顯優勢，包括成像、測厚以及參數表征，但是由于功率限制以及成本問題，目前主流應用還局限在實驗室研究所環境中。未來，太赫茲技術的發展一方面需要提升技術實力打破技術壁壘實現更高功率的太赫茲源輸出，另一方面在產業化探索中也需要找尋太赫茲技術優勢行業，并開發出適合工業應用的便攜緊湊式設備，更重要的是太赫茲設備的成本能夠進一步降低。我們期待讓太赫茲這項新技術從實驗室成熟推廣到工業生產中，為無損檢測帶來新的技術活力！