Design and Analysis of a Sub-THz Resonator-Based High-Resolution Permittivity Sensor

介电常数 太赫兹辐射 谐振器 材料科学 光电子学 光学 分辨率(逻辑) 电介质 电子工程 声学 物理 电气工程 工程类 计算机科学 人工智能
作者
Hai Yu,Xuan Ding,Jingjun Chen,Sajjad Sabbaghi,Qun Jane Gu
出处
期刊:IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques [IEEE Microwave Theory and Techniques Society]
卷期号:72 (5): 2809-2823 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tmtt.2024.3357594
摘要

In this work, we propose a high-resolution CMOS permittivity sensor integrated with a high- $Q$ whispering gallery mode (WGM) resonator at sub-THz frequencies. The system compares the transmission coefficients of a pair of WGM resonator sensors to detect small complex permittivity difference of the sensing and the reference material under test (MUT). A sub-THz voltage-controlled oscillator (VCO) in the transmitter (TX) generates the excitation signal for sensing. The TX noise is suppressed by injection locking the receiver (RX) through the sub-THz local oscillator (LO) feedforward path. The low-frequency noises are suppressed by a BPSK chopping scheme, and the high-frequency noises are reduced by windowed integration. Detailed analog signal processing analysis provides design insights into noise reduction. The WGM sensor is fabricated in house with lithography, and the CMOS transceiver (TRX) is implemented in a 28-nm CMOS technology. The boosted sensitivity by the WGM sensor and the multifold noise reduction enable the sensing system to achieve a record permittivity sensing resolution of 0.05% with an integration time of 14 $\mu$ s and a power consumption of 54 mW.
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