Apd溫度自適應近紅外單光子探測裝置製造方法
2023-06-06 22:30:46
Apd溫度自適應近紅外單光子探測裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置，包括雪崩光電二極體APD、直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊和外殼；直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路與DC-DC高壓模塊輸入端連接；雪崩光電二極體APD的陰極通過電阻R1與DC-DC高壓模塊輸出端連接；雪崩光電二極體APD的陽極與信號放大輸出電路連接；雪崩光電二極體APD的陽極通過負載電阻R2接地；直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊安裝在外殼的內腔；雪崩光電二極體APD嵌入外殼的前端。本實用新型通過直流偏壓溫度跟隨電路，保證溫度變化時APD增益的穩定。
【專利說明】APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及高速量子探測和靈敏光電探測領域，尤其涉及一種APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置。
【背景技術】
[0002]傳統上，進行單光子探測的主要器件是光電倍增管和雪崩光電二極體(APD)。對於紫外和可見光，光電倍增管具有很好的響應度、極高的時間解析度和很小的暗電流，非常適合該波段的單光子探測。但是它對波長超過I微米的光的探測效率很低(小於1% )，這使得它在紅外測量領域幾乎沒有實用價值。雪崩光電二極體APD是一種高增益的光電探測器件，可以應用於近紅外波段的探測。
[0003]雪崩光電二極體APD是一種P-N結型的光檢測二極體，利用載流子的雪崩倍增效應來放大光電信號以提高檢測靈敏度。當雪崩光電二極體Aro加上足夠高的反向偏壓，gp工作在反向擊穿電壓附近時，受到光照就會在吸收層產生光生載流子，這些載流子繼而注入倍增層。光生載流子在倍增層從強電場中獲得足夠的能量，能夠碰撞晶格原子使其電離，產生新的電子空穴對。新的電子空穴對在電場作用下加速並再次與晶格原子發生碰撞產生更多的電子空穴對。這種碰撞電離現象循環發生，像雪崩一樣，使光電流在其內進行倍增，形成可被穩定探測的正比於光照強度的電流。
[0004]雪崩光電二極體APD的內部增益對溫度很敏感，隨著環境溫度發生變化，雪崩光電二極體APD的增益會發生溫度漂移現象，引起測量精度的惡化。當雪崩光電二極體APD溫度升高時，由熱激發所產生的載流子數目也將增加，這部分載流子同樣獲得雪崩增益，但這些載流子將消耗很大一部分場強，使得P-N結上的場強降低，從而使雪崩光電二極體APD的增益降低；反之當雪崩光電二極體APD的溫度降低時，其增益將增加。
[0005]目前通常使用的雪崩光電二極體APD的響應度一般在1A/W以下。而響應度在IA/W以上的雪崩光電二極體APD，單光子測量使用時溫度漂移現象會更加嚴重，由於這種雪崩光電二極體APD是生物發光、大氣探測等超高靈敏探測領域所必須的，因此在使用過程中，需要有技術方法保持雪崩光電二極體APD的增益不變。目前的技術方法一種是利用半導體技術製作恆溫裝置，使雪崩光電二極體Aro在工作時保持溫度不變，這種方法對系統的回饋電路要求很高，且結構複雜，功耗高，體積龐大，不便安裝使用；另一種是通過單片機採集溫度傳感晶片或者熱電阻的數值，經過單片機內部程序計算，進而引腳輸出控制信號，控制高壓晶片調整APD直流偏壓，這種方法不僅需要硬體設計，還需要相應軟體處理，電路複雜，實現困難。
【發明內容】
[0006]本實用新型要解決的技術問題是提供一種APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置，能夠實現近紅外單光子測量，並利用普通二極體前嚮導通電流不變時，導通壓降隨溫度的上升而近似線性降低的特性，修正溫度變化時雪崩光電二極體APD的直流偏壓，實現溫度的自適應，結合機械機構的設計，保證其單光子探測時增益的穩定，溫度適應性好，電路簡單，體積小，便於安裝使用。
[0007]為了解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是:Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置，包括雪崩光電二極體APD、直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊和外殼；
[0008]直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路與DC-DC高壓模塊輸入端連接；
[0009]雪崩光電二極體APD的陰極通過電阻Rl與DC-DC高壓模塊輸出端連接；
[0010]雪崩光電二極體APD的陽極與信號放大輸出電路連接；
[0011]雪崩光電二極體APD的陽極通過負載電阻R2接地；
[0012]外殼包括兩端由端蓋封閉的筒形殼體；
[0013]直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊均安裝在筒形腔體內；
[0014]雪崩光電二極體APD嵌在外殼的端蓋上。
[0015]作為優選，雪崩光電二極體APD的響應度在1A/W及以上。
[0016]作為優選，直流偏壓溫度跟隨電路包括恆流源、二極體Dl、電壓跟隨電路和電壓放大電路；所述恆流源輸出分別連接二極體Dl陽極和電壓跟隨電路，二極體Dl陰極接地；電壓跟隨電路與電壓放大電路連接。
[0017]作為進一步的優選，二極體Dl緊貼雪崩光電二極體APD的後部安裝。
[0018]作為更進一步優選，二極體Dl通過界面導熱材料緊貼雪崩光電二極體Aro的後部安裝。
[0019]作為優選，直流偏壓保護電路包括二極體D2，放大器U3和可調電阻R6 ;所述放大器U3的正輸入端接可調電阻R6的可調端，放大器U3的負輸入端和輸出端連接二極體D2陰極，組成電壓跟隨器。
[0020]作為優選，信號放大輸出電路包括放大電路和比較電路；所述放大電路為兩級放大結構，第一級放大電路使用放大器U4對Aro信號進行初步放大，第二級放大電路使用三極體Ql對APD信號進行進一步的放大；所述比較電路中比較器U5正輸入端連接Rl I可調節端，設定比較電壓閾值，與放大電路輸出的電壓進行比較，最終輸出TTL電平的光子信號。
[0021]作為優選，外殼包括前蓋、後蓋、殼體；所述殼體為兩端開口的筒形件，前蓋封閉安裝在殼體前端開口處，所述雪崩光電二極體APD嵌入在前蓋端面，後蓋封閉安裝在殼體後端開口處。
[0022]作為進一步優選，前蓋的外端面設有散熱溝槽。
[0023]作為優選，外殼和端蓋由導熱性能好的鋁材製成。
[0024]本實用新型的有益效果是:
[0025]利用普通二極體的溫度特性，設計了直流偏壓溫度跟隨電路，保證雪崩光電二極體APD的增益在溫度變化時基本不變，可以很好的應用於各種環境；
[0026]採用了直流偏壓保護電路，可以防止意外情況造成的電壓突然升高，保護探測器電路；
[0027]採用了溫度自適應電路來保證雪崩光電二極體APD的增益穩定，有效減小探測器尺寸，大大降低安裝難度，便於使用。[0028]採用了相應外殼設計，便於探測模塊散熱，儘快達到熱平衡，有效降低熱噪聲。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0030]圖1為本實用新型APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的結構示意圖；
[0031]圖2為本實用新型APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的前蓋結構圖；
[0032]圖3為本實用新型APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的底板結構圖；
[0033]圖4為本實用新型APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的殼體結構圖；
[0034]圖5為本實用新型AH)溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的電路原理框圖；
[0035]圖6為本實用新型AH)溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的直流偏壓溫度跟隨電路的電路原理圖；
[0036]圖7為本實用新型APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的直流偏壓保護電路的電路原理圖；
[0037]圖8為本實用新型AH)溫度自適應近紅外單光子探測裝置實施例的信號放大輸出電路的電路原理圖。
[0038]圖1中，1-前蓋，2-APD，3-二極體Dl，4-底板，5-連接件，6-後蓋7_支柱，8_殼體，9-電路板，10-DC-DC高壓模塊，11-散熱槽，12-條形凹槽。
【具體實施方式】
[0039]一種響應度在1A/W以上的APD近紅外單光子探測器，由雪崩光電二極體APD、直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊和外殼組成。
[0040]其中雪崩光電二極體APD響應度在1A/W以上。
[0041]在圖5中，直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路與DC-DC高壓模塊輸入端連接;
[0042]DC-DC高壓模塊輸出端通過電阻Rl與雪崩光電二極體APD的陰極連接；
[0043]雪崩光電二極體APD的陽極與信號放大輸出電路連接；
[0044]雪崩光電二極體APD的陽極通過負載電阻R2接地；
[0045]直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路安裝在電路板9上，並通過支柱7固定在底板4上，底板4則裝在方筒形外殼的殼體8內腔中。
[0046]DC-DC高壓模塊設置在電路板下方的底板上。
[0047]方筒形外殼的殼體8的前後兩端分別用前蓋1，後蓋6封閉。雪崩光電二極體APD嵌在前蓋I的中央。直流偏壓溫度跟隨電路中二極體Dl緊貼雪崩光電二極體Aro後部安裝，中間接觸部分塗有界面導熱材料，如導熱矽脂，使二極體Dl溫度和雪崩光電二極體APD
溫度保持一致。
[0048]前蓋1，後蓋6，底板4，殼體8，支柱7均用鋁材製作，便於探測器內部熱量散出，儘快達到熱平衡，利於溫度穩定。
[0049]在圖2中，為加快雪崩光電二極體APD散熱，前蓋I前端加工有散熱槽11，散熱槽在APD周圍沒有完全貫通，形成平面。[0050]在圖3中，底板3上挖有對稱的條形凹槽12，在保證散熱前提下可以有效減輕重量。DC-DC高壓模塊安裝在底板4上。電路板9通過支柱7與底板4連接。連接件5為DB9接頭，除了電源接線和信號接線外，還可以引出多根測試線。連接件5通過螺釘固定在後蓋6上，通過導線與DC-DC高壓模塊、雪崩光電二極體APD連接。
[0051]前蓋1、後蓋6與底板4的兩端連接，底板4還用螺釘固定在殼體8側壁上。
[0052]在圖4中，殼體8採用截面為矩形的整體結構，減少了連接件數量，且可有效防止探測器安裝時的應力變形。具體製作可直接選用相應尺寸鋁型材作為殼體。
[0053]圖6中，直流偏壓溫度跟隨電路包括順次連接的恆流源、二極體D1、電壓跟隨電路、電壓放大電路。直流偏壓溫度跟隨電路通過對二極體Dl溫度變化時的導通壓降變化進行差分放大，輸出電壓信號控制DC-DC高壓模塊的直流偏壓輸出，實現DC-DC高壓模塊輸出直流偏壓的溫度跟隨。恆流源輸出端連接二極體Dl陽極和電壓跟隨電路，二極體Dl陰極接地。電壓跟隨電路包括放大器Ul，放大器Ul的輸出端與電壓放大電路的輸入端連接。
[0054]電壓放大電路包括放大器U2,電阻R3和可調電阻R4、R5。放大器U2的正輸入端接可調電阻R4可調端，用於設定標準電壓。電壓放大電路將標準電壓與跟隨電路跟隨的二極體Dl導通壓降進行差分放大。
[0055]如圖7，電壓保護電路包括二極體D2，放大器U3和可調電阻R6。放大器U3正輸入端接可調電阻R6的可調端，負輸入端和輸出端連接二極體D2陰極，組成電壓跟隨器。二極體D2的陽極連接DC-DC高壓模塊輸入端。電壓保護電路設定的保護電壓為R6可調端電壓和二極體D2的正嚮導通電壓相加之和。當電壓放大電路輸出的電壓高於電壓保護電路設定的保護電壓時，二極體D2導通，將輸出電壓維持在保護電壓。
[0056]如圖8，信號放大輸出電路包括放大電路和比較電路。放大電路包括第一級放大電路和第二級放大電路。第一級放大電路包括放大器U4和電阻R8，可調電阻R7，將雪崩光電二極體APD輸出的電壓信號差分放大後輸出給第二級放大電路。第二級放大電路包括三極體Q1，電阻R9，R10，對信號進行進一步的放大，使其信號幅值適合比較器使用。比較電路包括比較器U5，可調電阻Rl I和電容Cl、C2、C3、C4。比較器U5正輸入端連接Rl I可調節端，設定比較電壓閾值，與放大電路輸出的電壓進行比較，最終輸出TTL電平的光子信號，通過連接件6輸出。
[0057]本實施例利用二極體的溫度特性，對雪崩光電二極體APD直流偏壓進行溫度補償，結合機械機構設計，使雪崩光電二極體APD工作在穩定增益條件下進行單光子探測，與傳統的恆溫控制模式探測模塊和單片機控制模式探測模塊相比，使用更加方便且體積減小。本實用新型使用的機械結構設計，便於探測模塊散熱，儘快達到熱平衡，有效降低熱噪聲。
[0058]本實例使用的元器件按如下選擇:
[0059]電阻:R1:10kQ , R2:100 Ω，R3:lkQ , R8:5.1kQ，R9:2.2kΩ , RlO:33 Ω，R4:20kΩ 可調，R5:20kΩ 可調，R6:20kQ 可調，R7:10kQ 可調，Rll:10kQ 可調；
[0060]電容:C1:1 μ F，C2:1OnF，C3:1 μ F，C4:1OnF ；
[0061]二極體:D1:1N4148 ;D2:1N4148 ;
[0062]三極體:Q1:SS9018
[0063]運算放大器:U1、U2、U3、U4:均為 0P07 ；[0064]比較器:U5:MAX913o
[0065]以上所述的本實用新型實施方式，並不構成對本實用新型保護範圍的限定。任何在本實用新型的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的權利要求保護範圍之內。
【權利要求】
1.APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，包括雪崩光電二極體APD、直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊和外殼； 所述直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路與DC-DC高壓模塊輸入端連接； 所述雪崩光電二極體APD的陰極通過電阻Rl與DC-DC高壓模塊輸出端連接； 所述雪崩光電二極體APD的陽極與信號放大輸出電路連接； 所述雪崩光電二極體APD的陽極通過負載電阻R2接地； 所述外殼包括兩端由端蓋封閉的筒形殼體； 所述直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊均安裝在筒形腔體內； 所述雪崩光電二極體APD嵌在外殼的端蓋上。
2.根據權利要求1所述的AH)溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述雪崩光電二極體APD的響應度在1A/W及以上。
3.根據權利要求1所述的Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述直流偏壓溫度跟隨電路包括恆流源、二極體D1、電壓跟隨電路和電壓放大電路；所述恆流源輸出分別連接二極體Dl陽極和電壓跟隨電路，二極體Dl陰極接地；電壓跟隨電路與電壓放大電路連接。
4.根據權利要求3所述的AH)溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述二極體Dl緊貼雪崩光電二極體APD的後部安裝。
5.根據權利要求4所述的APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述二極體Dl通過界面導熱材料緊貼雪崩光電二極體APD的後部安裝。
6.根據權利要求1所述的Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述直流偏壓保護電路包括二極體D2，放大器U3和可調電阻R6 ;所述放大器U3的正輸入端接可調電阻R6的可調端，放大器U3的負輸入端和輸出端連接二極體D2陰極，組成電壓跟隨器。
7.根據權利要求1所述的Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述信號放大輸出電路包括放大電路和比較電路；所述放大電路為兩級放大結構，第一級放大電路使用放大器U4對APD信號進行初步放大，第二級放大電路使用三極體Ql對APD信號進行進一步的放大；所述比較電路中比較器U5正輸入端連接Rll可調節端，設定比較電壓閾值，與放大電路輸出的電壓進行比較，最終輸出TTL電平的光子信號。
8.根據權利要求1所述的Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述外殼包括前蓋、後蓋、殼體；所述殼體為兩端開口的筒形件，前蓋封閉安裝在殼體前端開口處，所述雪崩光電二極體APD嵌入在前蓋端面，後蓋封閉安裝在殼體後端開口處。
9.根據權利要求8所述的APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述前蓋的外端面設有散熱溝槽。
10.根據權利要求1所述的Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置，其特徵在於，所述外殼和端蓋由導熱性能好的鋁材製成。
【文檔編號】G01J11/00GK203732166SQ201320859186
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】張戰盈, 徐赤東, 紀玉峰, 餘東升, 方蔚愷, 張偉麗 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院