[发明专利]主动淬灭型SPAD阵列探测器及其电路仿真模型的建立方法

权利要求书

1.一种主动淬灭型SPAD阵列探测器，其特征在于，该SPAD阵列探测器包括：

封装基板；

固定在所述封装基板上的FPGA芯片；以及

置于所述FPGA芯片上的SPAD器件，SPAD器件上包含多个SPAD单元组成的SPAD阵列；

其中，所述SPAD器件各单元与所述FPGA芯片之间以及所述FPGA芯片与所述封装基板之间通过引线键合实现电气连接；

所述FPGA芯片包括多个双向I/O端口和主动淬灭电路逻辑，所述主动淬灭电路逻辑包括多个主动淬灭电路和数字逻辑控制单元，所述SPAD器件上的每个SPAD单元与经所述FPGA芯片的一个双向I/O端口连接对应的主动淬灭电路，各主动淬灭电路连接所述数字逻辑控制单元，所述主动淬灭电路包括三态门电路，所述数字逻辑控制单元用于控制各SPAD单元的事件检测状态，使得所述事件检测状态至少包括四个状态：稳态检测状态、主动淬灭状态、保持关断状态和主动复位状态；其中：

在稳态检测状态下，如果在特定稳态持续时间内有光子到达SPAD单元，则对应的淬灭电路感应到光子触发后进入SPAD单元的主动淬灭状态，通过控制对应的双向I/O端口的电平改变SPAD单元的偏压来主动淬灭SPAD单元，并在主动淬灭SPAD单元后控制各SPAD单元进入所述保持关断状态；

在SPAD单元在保持关断状态达到第一预定时间后，所述数字逻辑控制单元控制SPAD单元进入所述主动复位状态。

2.根据权利要求1所述的SPAD阵列探测器，其特征在于，

如果在所述特定稳态持续时间内没有光子到达SPAD单元，所述主动淬灭电路周期性地通过对应的双向I/O端口输出一调节电平来调节SPAD器件与FPGA芯片连接点处的电位，以消除SPAD单元和FPGA芯片间寄生电容电荷共享。

3.根据权利要求1或2所述的SPAD阵列探测器，其特征在于，

在保持关断状态下，若所述FPGA芯片从外部接收到特定SPAD单元对应的掩蔽指令，则经由主动淬灭电路逻辑控制该特定SPAD单元继续保持关断状态达第二预定时间，在达到所述第二预定时间后，该特定SPAD单元进入所述主动复位状态；若所述FPGA芯片从外部接收到特定SPAD单元对应的使能指令，则经由主动淬灭电路逻辑控制该特定SPAD单元提前结束保持关断状态而进入所述主动复位状态；

所述第二预定时间与所述第一预定时间相同或不同。

4.根据权利要求1或2所述的SPAD阵列探测器，其特征在于，所述事件检测状态还包括：电位检测状态，在所述主动复位状态保持第三预定时间后，进入所述电位检测状态，以在SPAD单元和相应主动淬灭电路连接点处的电位，在所述连接点处的电位稳定后进一步进入所述稳态检测状态。

5.根据权利要求1所述的SPAD阵列探测器，其特征在于，集成在一起的封装基板、FPGA芯片和SPAD阵列由透明的环氧树脂所封装，或者利用不透明的塑封胶结合透明玻璃窗口进行封装，以将透明玻璃窗口作为光探测区域进行光子探测。

6.根据权利要求1所述的SPAD阵列探测器，其特征在于，

所述数字逻辑控制单元通过输入至所述主动淬灭电路的多个状态控制信号来控制主动淬灭电路内部的反馈逻辑，以改变所述主动淬灭电路的双向I/O端口和同步数字逻辑信号输出端口的输出状态，由此控制各SPAD单元的光子检测。

7.根据权利要求5所述的SPAD阵列探测器，其特征在于，

各I/O端口之间以及所述FPGA芯片的各I/O端口和配置引脚对应的焊盘与所述封装基板上的焊盘通过引线键合方式电气连接。

8.根据权利要求7所述的SPAD阵列探测器，其特征在于，

FPGA芯片放置在封装基板正面中心，SPAD器件叠放在FPGA芯片上，SPAD器件的各SPAD单元的焊盘与FPGA芯片的各I/O端口的焊盘通过引线键合方式连接，与FPGA芯片和SPAD器件的相应焊盘对应的金丝压焊第二焊盘位于封装基板正面，金丝压焊第二焊盘通过封装基板上的过孔连接到封装基板背面的引脚焊盘上；封装基板正面正中央为接地焊盘。