基于标准集成电路工艺的低噪声SiPM探测芯片及其系统

本发明涉及的是一种基于标准集成电路工艺的低噪声sipm探测芯片及其系统，可用于提升硅光电倍增管的工作稳定性和可靠性，属于光电探测。

背景技术：

1、硅光电倍增管（silicon photomultiplier，sipm）是由大量带有淬灭电阻的单光子雪崩二极管（single photon avalanche diode，spad）像素并联组成的光电探测设备，各淬灭电阻与spad构成若干像素单元，各像素单元相互独立，最终输出的信号是多个像素单元输出信号的叠加。sipm具有高增益、高灵敏度、偏置电压低、不受磁场干扰等特点，被广泛应用于医学成像、激光雷达测距、高能粒子探测等领域。

2、sipm的增益与过偏压成正比，过偏压是指其偏压与击穿电压之间差值，因此sipm的偏压对器件性能至关重要。提高过偏压能直接增大信号幅度，但同时所有主要噪声源也会随之上升，包括像素中spad的暗计数率、后脉冲概率以及像素间的光学串扰概率。因此sipm最优工作偏置点的选取，需要在光子探测效率和相关噪声的变化之间进行折衷优化，通常引入信噪比或能量分辨率作为综合评价指标。

3、sipm的击穿电压对温度具有敏感性，本质是击穿电压对本征温度的依赖。具体体现为，在固定偏压条件下，温度升高致使晶格散射增强，载流子碰撞电离所需的临界场强上升，击穿电压随之增大，进而导致过偏压减小，增益呈下降趋势；另一方面，sipm工作过程中产生的电流在雪崩倍增层内耗散功率，也会带来温度上升，在强辐射环境或高背景光等条件下，自加热效应引起的温升同样会导致击穿电压漂移，增益下降。因此在实际应用中，sipm的增益容易受到多种因素的影响。

4、为解决上述问题，2013年美国西弗吉尼亚大学放射学与先进成像中心alexanderv. stolin等人提出了基于sipm的冷却和温度稳定系统，通过冷却装置控制sipm的温度来实现增益稳定（a. v. stolin, s. majewski and r. r. raylman, "novel method oftemperature stabilization for sipm-based detectors," in ieee transactions onnuclear science, vol. 60, no. 5, pp. 3181-3187, oct. 2013）。

5、此外，2013年意大利巴里理工大学francesco licciulli等人提出了一种对于sipm增益的温度补偿方案，基于偏压反馈系统和感光与不感光的sipm，对于不感光sipm的输出进行检测，利用其输出信号的峰值，再通过运算放大器构成负反馈对两个sipm的偏压进行调节，使检测到的峰值稳定在目标值附近，从而实现对感光sipm增益的温度补偿（f.licciulli, i. indiveri and c. marzocca, "a novel technique for thestabilization of sipm gain against temperature variations," in ieeetransactions on nuclear science, vol. 60, no. 2, pp. 606-611, april 2013）。2014年中国科学院高能物理研究所李正伟等人公开了一种硅光电倍增管的增益控制装置，基于模拟前馈式线性高压稳压器结构，利用可控电压源、分压电阻和稳压二极管，在稳压二极管的阴极处得到sipm的偏置电压，约为可控电压源的输出电压加稳压二极管的击穿电压，再利用击穿状态下稳压二极管击穿电压的温度特性，并通过选取与sipm击穿电压温度特性一致的稳压二极管，使sipm上过偏压的温度特性被抵消，从而实现增益稳定（中国专利：专利号201410797762.9）。2019年挪威卑尔根大学g. eigen等人采用自适应电压源使sipm的增益稳定，利用温度传感器得到sipm温度，并对sipm击穿电压的温度特性进行测试和标定，设计自适应电压源使其可以随温度变化自动调节输出电压，实现sipm的增益稳定控制（g. eigen, j. cvach, j. kvasnicka, et al., "gain stabilization of sipmswith an adaptive power supply," journal of instrumentation, vol. 14, pp.p05006, may 2019）。2020年美国onsemi公司brian p. mcgarvey和stephen j. bellis公开了一种用于sipm的温度与非均匀性补偿电路，其核心方案是在同一芯片上设置交错分布的暗参考微单元，并利用恒定电流源驱动，使其充当随温度和工艺漂移而变化的温度依赖性电压源，通过检测该电压来调整反偏电压，实现对sipm全局温度和工艺偏差的补偿（美国专利：专利号10834345）。2022年中国科学院高能物理研究所张大力等人设计了sipm偏压动态补偿方案，通过实时检测sipm温度，利用温度检测芯片和高精度数模转换器，配合标定的温度补偿系数查找表，动态调整偏置电压，实现自适应调节（zhang dali, et al., "gainstabilization and consistency correction approach for multiple sipm-basedgamma-ray detectors on gecam," nuclear instruments & methods in physicsresearch section a-accelerators spectrometers detectors and associatedequipment, vol. 1027, march 2022）。

6、但以上述基于温度检测的增益控制系统为例，在现有偏压控制方案中，温度传感器不能直接与sipm接触，无法得到sipm器件内部的温度，仅能对环境或系统温度进行补偿，在一定程度上实现增益稳定。并且这些方案通常仅关注整体暗电流或暗计数的平均水平，未能充分考虑到sipm阵列内部不同像素之间由于工艺差异、温度梯度等因素导致的性能不一致性问题。以张大力等人所设计的针对空间科学卫星中伽马射线探测器（gamma-raydetector, grd）内的sipm增益温度补偿方案而言，其每个grd包含64个通道的sipm，这些sipm共用同一颗位于读出电路板背面的温度检测芯片，其只能检测到所在位置的温度，无法得到位置较远的sipm的温度。另外，每个通道接收的伽马射线强度不完全一致，其输出电流差异会由于自加热效应而导致温度差异，并且单个通道sipm内部不同像素之间也会存在温度差异，这主要源于芯片自身发热不均以及中心与边缘区域散热条件的天然不同。这种局域温差会直接导致各像素击穿电压发生偏移，因此在固定偏压下改变sipm整体的过偏压，从而引起增益的不一致性，最终影响探测器的整体性能。

7、本发明公开了一种基于标准集成电路工艺的低噪声sipm探测芯片及其系统。可用于提升硅光电倍增管的工作稳定性和可靠性，可广泛用于医学成像、激光雷达测距、高能粒子探测、荧光检测等领域。它针对sipm阵列内部的像素性能不一致性问题，在现有制造工艺基础上用金属层对部分像素进行遮挡形成暗像素。所述暗像素被划分为数量相同且具有独立输出端的多个组，通过跨阻放大器阵列得到每组暗像素输出，根据暗像素输出的最大值和最小值反馈控制偏置电压。与现有技术相比，由于暗像素在sipm内是均匀空间分布的，可以同时监测暗电流的空间分布和增益的空间分布，精确感知sipm阵列内部不同区域像素的性能和温度差异，能够实现精确的偏压控制，提升sipm的增益稳定性，同时无需额外的温度传感器，能够根据暗像素输出来补偿温度变化、器件老化、工艺不一致性及辐射损伤带来的非均匀效应，并且结构实现简单，可与sipm芯片工艺兼容，适用于高可靠性的探测系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种结构实现简单、现有工艺兼容的基于标准集成电路工艺的低噪声sipm探测芯片及其系统。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、该sipm探测芯片及其系统是由带有暗像素的硅光电倍增管(1)、明像素处理通道(2)、暗像素处理通道(3)、最值检测电路(4)、可控电压源(5)和多路偏压控制模块(6)组成。所述系统中带有暗像素的硅光电倍增管(1)内按位置分为多个区块，每个区块包含一组暗像素和其周围的明像素，并且具有独立偏压输入和暗像素输出，每区块的独立偏压由多路偏压控制模块(6)提供，明、暗像素输出分别与明像素处理通道(2)、暗像素处理通道(3)相连。暗像素处理通道(3)对多组暗像素输出进行处理，结果给到明像素处理通道(2)作为暗电流参考，同时对多组暗像素输出进行峰值采样，采样结果给到最值检测电路(4)，明像素处理通道(2)根据暗电流参考进行补偿，得到降噪输出。最值检测电路(4)得到多组暗像素输出峰值中的最大值和最小值，可控电压源(5)根据最大值和最小值改变输出电压，使多路偏压控制模块(6)提供的多路偏置电压整体变化，对硅光电倍增管偏压进行整体调节。多路偏压控制模块(6)再根据最大值和最小值之差，在可控电压源(5)的输出电压基础上周期性调节其每一路输出偏压，减小sipm内部像素的性能不一致性。

4、为了精确感知sipm内不同位置像素的性能和温度差异，本发明设计了带有暗像素的硅光电倍增管，电路结构如图2所示。该硅光电倍增管具有多个偏压输入端(17)、明像素信号输出端(16)和多组暗像素信号输出端(15)，其中的一部分像素上覆盖有金属遮光层以构成暗像素(13)，其余为明像素(14)，暗像素均匀分布在整个sipm内部。

5、所述暗像素被均分为多个暗像素组，每组内的暗像素相互并联且连接至一个独立的输出节点。整个sipm根据布局位置被分为多个区块，每个区块由一组暗像素和其周围的明像素组成。由于每个暗像素不接收光信号只输出暗电流，其输出信号仅与过偏压和周围明像素的串扰噪声相关。并且同一区块内的像素之间距离很近，由布局依赖效应和寄生效应导致的性能差异可以忽略，因此在同一偏压下，每组暗像素的输出可以反应其增益，进而反应出其对应区块中明像素的性能。

6、为了能够对明像素输出的暗电流进行补偿，本发明所设计的明像素处理通道(2)和暗像素处理通道(3)如图3所示。由于同一区块内的像素具有几乎相同的暗计数率和增益，可以根据暗像素输出进行电流补偿。明像素处理通道(2)根据暗像素处理通道(3)中跨阻放大器（trans-impedance amplifier, tia）阵列的输出信号，产生直流补偿电流，通过电流减法电路对明像素的输出进行暗电流补偿，实现降噪输出。

7、当每组暗像素的数量较少时，暗像素输出为脉冲形式，tia输出一边经过峰值采样电路得到暗脉冲峰值，另一边通过整形后采用脉冲计数方式得到其暗计数率（darkcount rate, dcr），将进行比例放大，利用dcr控制比例放大的放大系数，比例放大后的电压用于产生补偿电流源，由于与增益成正比，而暗电流与增益和dcr的乘积相关，因此这样得到的的温度系数与明像素暗电流的温度系数基本一致，再经过电流放大后用作补偿电流；当暗像素数量较多时，暗像素输出为直流形式，可以直接将每组暗像素输出进行放大，再经过求和后作为补偿电流，放大倍数与明、暗像素数量比相等。对于具有个区块，明暗像素数量比为的sipm，补偿电流为：

8、

9、为了能够对sipm中不同位置像素的性能和温度差异进行补偿，本发明所设计的sipm中的每个区块都具有独立的偏压输入，可以针对不同区块像素的偏压进行调控，准确调节某一部分像素的偏压。

10、为了能够实时检测所有暗像素组的输出，并选取其中的最大最小值，本发明所采用的最值检测电路(4)结构如图4所示。由于二极管具有单向导通特性，将多路输入信号分别接入多个二极管，二极管另一端并联使用时，仅有输入信号最大或最小的一路可以导通。结合运算放大器在负反馈时的输入端虚短特性，将二极管接入运算放大器输出端，并接为单位增益负反馈结构，得到与输入相等的最大值或最小值信号，减小二极管压降影响。

11、为了能补偿sipm中不同区块间的像素性能和温度差异，本发明所设计的多路偏压控制模块(6)如图5所示，分压网络(61)根据可控电压源(5)提供的电压产生n个档位的可选偏置电压，逻辑控制电路(62)根据多个暗像素组输出中的最大值和最小值控制开关选通阵列(63)，调节每路偏压输出的档位，初始状态下每路输出偏压接到分压网络(61)的默认档位：

12、

13、式中为相邻两个档位间的电压差值，根据器件性能设计。在m个区块的sipm中，每组暗像素输出峰值分别为、、…、，跨阻放大器阵列对应的输出电压为、、…、。当最值检测电路(4)得到的最大值和最小值之间的差值超过一定阈值时，即存在不同区块的暗像素组输出相差较大，通过逻辑控制电路(62)改变开关选通阵列(63)的状态，形成逐次逼近寄存器架构来改变多路偏压输出：系统上电后，从第一路偏压开始周期性地依次将每路偏压输出接到更高一档，同时复位峰值采样电路(32)来重新获取每组暗像素的输出峰值，直到差值发生变化，若减小，则进一步调高对应通道的偏置电压，反之则接到更低电压档。调节后的第i路偏压输出满足如下关系：

14、

15、

16、式中n为对应偏置电压档位调节次数，为跨阻放大器增益。通过调节sipm中每个区块的偏置电压，使每组暗像素输出趋于一致，从而减小不同位置像素间的性能差异，理想情况下偏压调节后不同区块像素间的增益差变为：

17、

18、式中为第i个区块中像素的总结电容，为调节前的固有增益差。由于偏置电压档位的分辨率有限，补偿后的绝对残余增益差受限于，其取值范围为：

19、