Apd溫度自適應近紅外單光子探測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置,包括雪崩光電二極管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;雪崩光電二極管APD的陰極通過電阻R1與DC-DC高壓模塊輸出端連接;雪崩光電二極管APD的陽極與信號放大輸出電路連接;雪崩光電二極管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;雪崩光電二極管APD嵌入外殼的前端。本發(fā)明通過直流偏壓溫度跟隨電路,保證溫度變化時APD增益的穩(wěn)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]本發(fā)明涉及高速量子探測和靈敏光電探測領域,尤其涉及一種Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)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管(APD)。對于紫外和可見光,光電倍增管具有很好的響應度、極高的時間分辨率和很小的暗電流,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(小于1% ),這使得它在紅外測量領域幾乎沒有實用價值。雪崩光電二極管APD是一種高增益的光電探測器件,可以應用于近紅外波段的探測。
[0003]雪崩光電二極管APD是一種P-N結型的光檢測二極管,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。當雪崩光電二極管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并再次與晶格原子發(fā)生碰撞產生更多的電子空穴對。這種碰撞電離現象循環(huán)發(fā)生,像雪崩一樣,使光電流在其內進行倍增,形成可被穩(wěn)定探測的正比于光照強度的電流。
[0004]雪崩光電二極管APD的內部增益對溫度很敏感,隨著環(huán)境溫度發(fā)生變化,雪崩光電二極管APD的增益會發(fā)生溫度漂移現象,引起測量精度的惡化。當雪崩光電二極管APD溫度升高時,由熱激發(fā)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管APD的增益降低;反之當雪崩光電二極管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管APD的響應度一般在IA / W以下。而響應度在IA / W以上的雪崩光電二極管APD,單光子測量使用時溫度漂移現象會更加嚴重,由于這種雪崩光電二極管Aro是生物發(fā)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管APD的增益不變。目前的技術方法一種是利用半導體技術制作恒溫裝置,使雪崩光電二極管Aro在工作時保持溫度不變,這種方法對系統(tǒng)的回饋電路要求很高,且結構復雜,功耗高,體積龐大,不便安裝使用;另一種是通過單片機采集溫度傳感芯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,控制高壓芯片調整APD直流偏壓,這種方法不僅需要硬件設計,還需要相應軟件處理,電路復雜,實現困難。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明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,并利用普通二極管前向導通電流不變時,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管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(wěn)定,溫度適應性好,電路簡單,體積小,便于安裝使用。
[0007]為了解決上述技術問題,本發(fā)明采用的技術方案是:Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置,包括雪崩光電二極管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]雪崩光電二極管APD的陰極通過電阻Rl與DC-DC高壓模塊輸出端連接;
[0010]雪崩光電二極管APD的陽極與信號放大輸出電路連接;
[0011]雪崩光電二極管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]雪崩光電二極管APD嵌在外殼的端蓋上。
[0015]作為優(yōu)選,雪崩光電二極管APD的響應度在IA / W及以上。
[0016]作為優(yōu)選,直流偏壓溫度跟隨電路包括恒流源、二極管Dl、電壓跟隨電路和電壓放大電路;恒流源輸出分別連接二極管Dl陽極和電壓跟隨電路,二極管Dl陰極接地;電壓跟隨電路與電壓放大電路連接。
[0017]作為優(yōu)選,電壓保護電路包括二極管D2,放大器U3和可調電阻R6 ;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管D2陰極,組成電壓跟隨器。
[0018]作為優(yōu)選,信號放大輸出電路包括放大電路和比較電路;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管Ql對AH)信號進行進一步的放大;比較電路中比較器U5正輸入端連接Rll可調節(jié)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。
[0019]作為優(yōu)選,外殼包括前蓋、后蓋、殼體;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,雪崩光電二極管APD嵌入在前蓋端面,后蓋封閉安裝在殼體后端開口處。
[0020]作為優(yōu)選,前蓋的外端面設有散熱溝槽。
[0021]作為優(yōu)選,二極管Dl緊貼雪崩光電二極管APD的后部安裝。
[0022]作為優(yōu)選,二極管Dl通過界面導熱材料緊貼雪崩光電二極管APD的后部安裝。
[0023]作為優(yōu)選,外殼和端蓋由導熱性能好的鋁材制成。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:
[0025]利用普通二極管的溫度特性,設計了直流偏壓溫度跟隨電路,保證雪崩光電二極管APD的增益在溫度變化時基本不變,可以很好的應用于各種環(huán)境;
[0026]采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]采用了溫度自適應電路來保證雪崩光電二極管APD的增益穩(wěn)定,有效減小探測器尺寸,大大降低安裝難度,便于使用。
[0028]采用了相應外殼設計,便于探測模塊散熱,盡快達到熱平衡,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】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0030]圖1為本發(fā)明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為本發(fā)明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為本發(fā)明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為本發(fā)明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為本發(fā)明APD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為本發(fā)明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為本發(fā)明AH)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為本發(fā)明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_ 二極管Dl,4_底板,5-連接件,6-后蓋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IA / W以上的APD近紅外單光子探測器,由雪崩光電二極管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]其中雪崩光電二極管APD響應度在IA / 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與雪崩光電二極管APD的陰極連接;
[0043]雪崩光電二極管APD的陽極與信號放大輸出電路連接;
[0044]雪崩光電二極管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,并通過支柱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的前后兩端分別用前蓋1,后蓋6封閉。雪崩光電二極管APD嵌在前蓋I的中央。直流偏壓溫度跟隨電路中二極管Dl緊貼雪崩光電二極管Aro后部安裝,中間接觸部分涂有界面導熱材料,如導熱硅脂,使二極管Dl溫度和雪崩光電二極管APD
溫度保持一致。
[0048]前蓋I,后蓋6,底板4,殼體8,支柱7均用鋁材制作,便于探測器內部熱量散出,盡快達到熱平衡,利于溫度穩(wěn)定。
[0049]在圖2中,為加快雪崩光電二極管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通過螺釘固定在后蓋6上,通過導線與DC-DC高壓模塊、雪崩光電二極管APD連接。
[0051]前蓋1、后蓋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采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。具體制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恒流源、二極管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管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。恒流源輸出端連接二極管Dl陽極和電壓跟隨電路,二極管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,用于設定標準電壓。電壓放大電路將標準電壓與跟隨電路跟隨的二極管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管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管D2陰極,組成電壓跟隨器。二極管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可調端電壓和二極管D2的正向導通電壓相加之和。當電壓放大電路輸出的電壓高于電壓保護電路設定的保護電壓時,二極管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,將雪崩光電二極管APD輸出的電壓信號差分放大后輸出給第二級放大電路。第二級放大電路包括三極管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Rll和電容C1、C2、C3、C4。比較器U5正輸入端連接Rll可調節(jié)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]本實施例利用二極管的溫度特性,對雪崩光電二極管APD直流偏壓進行溫度補償,結合機械機構設計,使雪崩光電二極管APD工作在穩(wěn)定增益條件下進行單光子探測,與傳統(tǒng)的恒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。本發(fā)明使用的機械結構設計,便于探測模塊散熱,盡快達到熱平衡,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]二極管:D1:1N4148 ;D2:1N4148 ;
[0062]三極管:Q1:SS9018
[0063]運算放大器:U1、U2、U3、U4:均為 0P07 ;
[0064]比較器:U5:MAX913o
[0065]以上所述的本發(fā)明實施方式,并不構成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等,均應包含在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。
【權利要求】
1.APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置,其特征在于,包括雪崩光電二極管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; 所述雪崩光電二極管APD的陰極通過電阻Rl與DC-DC高壓模塊輸出端連接; 所述雪崩光電二極管APD的陽極與信號放大輸出電路連接; 所述雪崩光電二極管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; 所述雪崩光電二極管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,其特征在于,所述雪崩光電二極管APD的響應度在IA / 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,其特征在于,所述直流偏壓溫度跟隨電路包括恒流源、二極管D1、電壓跟隨電路和電壓放大電路;所述恒流源輸出分別連接二極管Dl陽極和電壓跟隨電路,二極管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1所述的Aro溫度自適應近紅外單光子探測裝置,其特征在于,所述電壓保護電路包括二極管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管D2陰極,組成電壓跟隨器。
5.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,其特征在于,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管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(jié)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。
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,其特征在于,所述外殼包括前蓋、后蓋、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,所述雪崩光電二極管APD嵌入在前蓋端面,后蓋封閉安裝在殼體后端開口處。
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,其特征在于,所述前蓋的外端面設有散熱溝槽。
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,其特征在于,所述二極管Dl緊貼雪崩光電二極管APD的后部安裝。
9.根據權利要求7所述的APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置,其特征在于,所述二極管Dl通過界面導熱材料緊貼雪崩光電二極管APD的后部安裝。
10.根據權利要求1所述的APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置,其特征在于,所述外殼和端蓋由導熱性能好的鋁材制成。
【文檔編號】G01J11/00GK103728030SQ201310722451
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權日:2013年12月20日
【發(fā)明者】張戰(zhàn)盈, 徐赤東, 紀玉峰, 余東升, 方蔚愷, 張偉麗 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院