[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

说明书

本发明提供一种主动淬灭型SPAD阵列探测器及其电路仿真模型的建立方法，所述SPAD阵列探测器，包括：封装基板；固定在封装基板上的FPGA芯片；以及置于FPGA芯片上的包含多个SPAD单元的SPAD阵列；各SPAD单元与FPGA芯片之间以及FPGA芯片与封装基板之间通过引线键合实现电气连接；FPGA芯片包括多个双向I/O端口和主动淬灭电路逻辑，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，每个SPAD单元与经一个双向I/O端口连接对应的主动淬灭电路，各主动淬灭电路连接数字逻辑控制单元，主动淬灭电路包括三态门电路，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。

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域，具体涉及一种主动淬灭型SPAD阵列探测器及其电路仿真模型的建立方法。

背景技术

单光子雪崩光电二极管(SPAD，Single Photon Avalanche Diode)是一种工作在盖格模式下能够探测极微弱光信号的光电探测器，与光电倍增管相比，它体积小、功耗低、对磁场不敏感且易于集成，在医疗诊断、TOF成像、光通信等领域有广泛的应用。

快速响应和淬灭直接影响着探测器的整体性能，SPAD阵列探测器每个单元都需要一个单独的淬灭电路。早期的淬灭电路为被动淬灭电路，其恢复时间长，容易造成高计数率饱和。目前SPAD阵列一般采用主动型淬灭电路或主被动混合型淬灭电路，通常将淬灭电路与SPAD单元集成在一起，然后通过硅通孔、背入射倒装或引线键合形式与后端的数字处理电路进行电气连接，后端的数字读出电路一般采用专用集成电路芯片实现。由于淬灭电路与SPAD单元集成在一起，淬灭电路占用了一部分面积，降低了填充因子，从而降低了探测效率。此外，专用集成电路芯片实现的后端数字读出电路研发周期较长，成本较高，且适用性较差。

对于包括SPAD阵列和后端数字读出电路的SPAD阵列探测器(下文可简称SPAD探测器)，通常采用EDA(Electronics Design Automation)仿真模型对器件的关键参数进行测量和提取，并结合一定的物理机制，来较为准确地模拟探测器件的电学特性，有助于大规模SPAD阵列集成的评估和验证，有效降低系统研发的成本和风险。目前针对SPAD探测器的EDA仿真模型多采用Verilog-A语言建立。SPAD阵列探测器一般包含SPAD器件、淬灭电路和数字读出电路三部分，FPGA是一种可编程数字逻辑器件，常常被用于SPAD阵列的数字读出部分，但是现有的仿真模型只能对单个SPAD单元和简单的淬灭逻辑电路进行仿真，尚且没有一种完整的SPAD阵列探测器仿真模型能够较为全面地模拟包含有SPAD器件、淬灭电路和数字读出电路的整个系统，特别是对于系统中包含有FPGA等可编程数字逻辑器件的情况，现有的仿真模型更是不能全面地实现仿真模拟。

发明内容

有鉴于以上现有技术，本发明提供了一种主动淬灭型SPAD阵列探测器及其电路仿真模型的建立方法，以解决上述问题中的至少一个。

根据本发明的一个方面，提供了一种SPAD阵列探测器，该探测器包括：

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；