[发明专利]一种半导体制冷型SPAD单光子探测器

说明书

本发明提供了一种半导体制冷型SPAD单光子探测器：数字温度传感器向单片机模块实时上传制冷模块的实际温度，并使用单片机内部写入的算法根据由交互模块设置的目标工作温度与实际温度的差值进行计算，得到使能信号控制继电器开合，控制TEC制冷模块的工作时间，以此达到温控的功能，同时单片机模块输出脉冲控制探测模块的淬灭和恢复，使温控与淬灭电路成为整体，防止雪崩温度过高影响SPAD性能，该方案可以通过软件实现对参数进行调整，更加方便快捷，同时无需TEC驱动芯片，通过单片机和其他电子元件实现控制探测电路和温度控制，简化了电路结构，降低了制造和维护成本。

技术领域

本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种半导体制冷型SPAD单光子探测器。

背景技术

单光子探测技术在国防、工业和民用生活等领域具有广阔的应用前景，比如:荧光寿命成像、雷达测距、三维视觉系统和量子密钥学等。单光子雪崩二极管(single photonavalanche photodiode,简称SPAD)作为单光子探测的一类核心器件，愈加受到研究人员的关注和重视。盖革模式下的单光子雪崩二极管是一种能探测极微弱光信号的探测器，它具有内部增益大、灵敏度高、响应速度快、探测效率高、噪声低、体积小、结构坚固以及易于集成等优点。随着单光子探测应用领域的不断扩展，对SPAD性能要求也越来越高，SPAD在常温环境下存在较高的暗计数等噪声，需要将SPAD置于低温的环境温度中进行工作，目前大都采用半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，简称TEC)对SPAD制冷，以提高其工作性能，并需要使用主动淬灭电路控制SPAD的阳极电位从而减小死时间，提高单光子探测器的计数上限。

为了提高单光子探测器的效率，专利201510585608.X使用温度电桥、比例积分微分算法(Proportion Integral Differential简称PID)运算模块和D类音频功放模块输出控制信号以控制单光子探测器的温度，让TEC既可工作在制冷状态又可工作在制热状态。专利201921307621.9通过控制数模转换模块给TEC驱动芯片提供一个控制电压来改变输出电压的大小和方向来实现对TEC制冷片的无极调节。现有的单光子探测器淬灭电路主要包括了被动淬灭模块、脉冲甄别整形模块以及淬灭恢复模块，通过触发器将探测到的信号转换为两路脉冲控制SPAD的两端偏压。

以上单光子探测器能够获得较高的探测效率，但也存在以下的缺点：

1.频繁改变电流方向会对半导体制冷片产生损害，难以保证长时间的正常工作，甚至引起SPAD的损坏。

2.TEC驱动芯片无法负载较大的电流，会限制制冷效果，同时无极调节功率的消耗也更大。

3.单光子探测器的制冷电路与淬灭电路彼此独立，当制冷模块意外停止时，SPAD暗计数率将剧烈升高，影响其信噪比

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种半导体制冷型SPAD单光子探测器。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种半导体制冷型SPAD单光子探测器，包括单片机模块、继电器模块、TEC制冷模块、交互模块、数字温度传感器电路、探测模块、比较器模块和开关模块，所述交互模块包括显示屏电路与按键电路，所述数字温度传感器电路信号引脚与所述单片机模块数据接收引脚连接，所述单片机模块信号输出引脚和所述继电器模块输入端以及所述开关模块相连。

上述的一种半导体制冷型SPAD单光子探测器，所述数字温度传感器电路向所述单片机模块实时上传所述制冷模块的实际温度，并使用单片机内部写入的算法根据单光子雪崩二极管的目标工作温度与实际温度的差值进行计算，得到使能信号并传输至继电器模块运行。

上述的一种半导体制冷型SPAD单光子探测器，所述单片机模块输出使能信号控制继电器的导通与断开，所述的继电器模块开关两端分别与电源正极以及所述的TEC制冷模块正极连接。