CN111006760A - 紫外探测系统及紫外探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外探测系统及紫外探测方法，将紫外探测器与取样电阻和电源串接为紫外探测回路，通过检测取样电阻上的电压信号，基于电压信号获取紫外探测器探测的紫外光强度，无需直接探测紫外探测器自身信号。紫外探测器为光导型器件，相对于传统的PN结结构的光伏型光传感器，光响应度很高。光导型器件的在紫外光照射下，电阻会显著降低，相对于传统的PN结结构的光伏型光传感器，该紫外探测器可以与电源和取样电阻形成探测回路，紫外探测器和取样电阻的总电压为电源的输出电压，在进行紫外探测时，紫外探测器电阻大幅降低会导致取样电阻分压显著提升，从而基于取样电阻的电压信号可以检测紫外光强度。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，更具体的说，涉及一种紫外探测系统及紫外探测方法。
背景技术
紫外探测技术可用于军事通信、导弹尾焰探测、火灾预警、环境监测、生物效应等方面，无论在军事上还是在民用上都有广泛的应用。
目前，己投入商用的紫外探测器主要有硅探测器、光电倍增管和半导体探测器。硅基紫外光电管需要附带滤光片，光电倍增管则需要在高电压下工作，而且体积笨重、效率低、易损坏且成本较高，对于实际应用有一定的局限性。相对硅探测器和光电倍增管来说，由于半导体材料制备的半导体探测器具有携带方便、造价低、响应度高等优点而备受关注。
目前众多课题组已经实现了多个高性能的紫外探测器的制备，但是报道的探测器基本都还只是芯片，只能在实验室进行参数测试，并没有经过封装，而且没有制备成紫外探测系统，这仍然是制约半导体紫外探测器走向实用化的一道障碍。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种紫外探测系统及紫外探测方法，方案如下：
一种紫外探测系统，包括：
紫外探测回路，所述紫外探测回路具有紫外探测器、取样电阻以及电源，所述紫外探测器的一个电极针脚通过所述取样电阻与所述电源的一个电极连接，所述紫外探测器的另一个电极针脚与所述电源的另一个电极连接；
检测电路，所述检测电路用于检测所述取样电阻的电压信号，基于所述电压信号获取所述紫外探测器探测的紫外光强度。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述紫外探测器为感光芯片封装结构，所述感光芯片为MSM结构的半导体紫外探测芯片；
其中，所述封装结构的入光侧设置有光学放大组件。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述光学放大组件包括：
镜筒以及设置在所述镜筒内的至少一个光学透镜。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述半导体紫外探测芯片包括：
衬底；
生长在所述衬底表面的半导体薄膜；
设置在所述半导体薄膜上的第一叉指电极和第二叉指电极，所述第一叉指电极和第二叉指电极均具有多个平行分布的子电极，二者子电极交替平行分布在所述半导体薄膜表面；
所述第一叉指电极和所述第二叉指电极表面分别设置有一铟粒。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述半导体薄膜为ZnO、ZnMgO、 Ga2O3、GaN、AlGaN、SiC以及金刚石中的任一种。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述取样电阻为可变电阻，电阻调节范围是0.1Ω-1×1010Ω。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述检测电路包括：
信号放大电路，所述信号放大电路用于获取所述取样电阻的电压信号，并对所述电压信号进行放大处理；
模数转换电路，所述模数转换电路用于获取放大处理后的所述电压信号，将所述电压信号转换为数字信号；
计算机，所述计算机用于获取所述数字信号。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述信号放大电路放大倍数是1.1-1000 倍。
优选的，在上述紫外探测系统中，所述计算机还用于驱动显示器显示表征所述紫外光强度的图像。
本发明还提了一种紫外探测方法，采用上述任一项所述的紫外探测系统进行紫外光探测。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的一种紫外探测系统及紫外探测方法中，将紫外探测器与取样电阻和电源串接为紫外探测回路，通过检测取样电阻上的电压信号，基于所述电压信号获取所述紫外探测器探测的紫外光强度，无需直接探测紫外探测器自身信号。所述紫外探测器为光导型器件，相对于传统的PN结结构的光伏型光传感器，光响应度很高。而且光导型器件的在紫外光照射下，其电阻会显著降低，相对于传统的PN结结构的光伏型光传感器，本发明紫外探测器可以与电源和取样电阻形成探测回路，紫外探测器和取样电阻的总电压为电源的输出电压，在进行紫外探测时，紫外探测器电阻大幅降低会导致取样电阻分压显著提升，从而基于所述取样电阻的电压信号可以检测紫外光强度，同时紫外光强度越大，紫外探测器的电阻越低，其分压越低，所述取样电阻的分压越高，这样所述分压电阻还可以复用为保护电阻，避免紫外探测器的损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种紫外探测器系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种紫外探测器检测的紫外光信号随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种紫外探测器系统的结构示意图，该紫外探测系统包括：紫外探测回路10，所述紫外探测回路10具有紫外探测器11、取样电阻R以及电源E，所述紫外探测器11的一个电极针脚通过所述取样电阻R与所述电源E的一个连接，所述紫外探测器11的另一个电极针脚与所述电源E的另一个电极连接；检测电路20，所述检测电路用于检测所述取样电阻的电压信号，基于所述电压信号获取所述紫外探测器11探测的紫外光强度。
在探测器响应范围内，紫外光强度越大，其电阻下降越大，取样电阻R 的分压越大，紫外光强度与取样电阻R的电压信号为正比关系，基于所述电压信号可以确定所述紫外探测器探测的紫外光强度。
本发明实施例所述紫外探测系统，将紫外探测器11与取样电阻R和电源E 串接为紫外探测回路，通过检测电路20取检测样电阻E上的电压信号，基于所述电压信号获取所述紫外探测器11探测的紫外光强度，无需直接探测紫外探测器11自身信号。
所述紫外探测器11为光导型器件，相对于传统的PN结结构的光伏型光传感器，光响应度很高。而且光导型器件的在紫外光照射下，其电阻会显著降低，相对于传统的PN结结构的光伏型光传感器，本发明紫外探测器11可以与电源E和取样电阻R形成探测回路，紫外探测器11和取样电阻R的总电压为电源E的输出电压，在进行紫外探测时，紫外探测器11电阻大幅降低会导致取样电阻R分压显著提升，从而基于所述取样电阻R的电压信号可以检测紫外光强度，同时所述取样电阻R还可以复用为保护电阻，避免紫外探测器11的损坏。
如图1所示，所述紫外探测器11为感光芯片封装结构，所述感光芯片为 MSM结构的半导体紫外探测芯片；其中，所述封装结构的入光侧设置有光学放大组件。可选的，所述光学放大组件包括：镜筒12以及设置在所述镜筒12 内的至少一个光学透镜13。所述光学透镜13可以为单片或是多片共光轴的石英玻璃透镜。所述光学放大组件可以和所述紫外探测器11固定连接。
所述半导体紫外探测芯片包括：衬底111；生长在所述衬底111表面的半导体薄膜112；设置在所述半导体薄膜112上的第一叉指电极113和第二叉指电极114，所述第一叉指电极113和第二叉指电极114均具有多个平行分布的子电极110，二者子电极110交替平行分布在所述半导体薄膜112表面；所述第一叉指电极113和所述第二叉指电极114表面分别设置有一铟粒115。所述半导体紫外探测芯片通过封装保护后，两个铟粒115分别连接一个电极针脚引出到封装结构外部。所述衬底可以为蓝宝石衬底或是其他半导体器件常用衬底，本发明实施例对此不做具体限定。
所述半导体薄膜112为ZnO、ZnMgO、Ga2O3、GaN、AlGaN、SiC以及金刚石中的任一种。金刚石为掺杂金刚石半导体材料。所述半导体薄膜112 的生长方法可以是分子束外延(MBE)、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD) 或磁控溅射等。
本发明实施例所述半导体紫外探测器芯片为MSM结构的光导型器件，无需PN结结构，具有较高的光响应度。所述紫外探测器11的制作工艺简单，原料便宜，为器件走向实用化奠定了基础。
所述取样电阻R的为可变电阻，电阻调节范围是0.1Ω-1×1010Ω。在未进行光照下，紫外探测器11的电阻很大，本发明实施例所述紫外探测系统进行紫外光检测时，基于图1所示方式搭建电路图后，在所述紫外探测器11未进行紫外光照射时，需要调节取样电阻R的电阻值，使得其两端电压小于 1mV，进而可以在在进行紫外光检测时，紫外光照射紫外探测器11时，取样电阻R两端电压限制提升，以提高检测精度和灵敏度。所述电源E的输出电压范围可以为0.1V-1000V。
如图1所示，所述检测电路20包括：信号放大电路21，所述信号放大电路21用于获取所述取样电阻R的电压信号，并对所述电压信号进行放大处理；模数转换电路22，所述模数转换电路22用于获取放大处理后的所述电压信号，将所述电压信号转换为数字信号；计算机23，所述计算机23用于获取所述数字信号。所述计算机23可以基于所述数字信号计算紫外光强度，还可以基于数字信号进行图像处理，基于时间以及所述数字信号的强度显示紫外与时间的图像信息，以便于更加直观的展示紫外光强度。所述信号放大电路21放大倍数是1.1-1000倍。所述计算机23还用于驱动显示器显示表征所述紫外光强度的图像。显示器的信号显示频率为1Hz-1×108Hz。图像还可以在特定的显示器或是安装有特定软件的电脑上展示。
下面结合具体紫外探测器11的实现方式对本发明紫外探测系统的效果进行详细说明。
使用分子束外延设备再衬底上生长Ga2O3薄膜材料，并制备MSM结构的半导体紫外探测芯片，将芯片粘贴并密封在金属管壳中，最终得到封装好的紫外探测器11。
将一片石英玻璃凸透镜固定在不锈钢镜筒中，在镜筒的后端用螺丝将镜筒和紫外探测器11固定在一起，调节石英玻璃凸透镜和紫外探测器11的距离，使得紫外光通过石英玻璃凸透镜后可以汇聚到紫外探测器11的芯片上。
将紫外探测器11和1000Ω的取样电阻R串联，并连接到10V供电电源 R的两端。
在取样电阻R的两端引出导线，计入可以将电压信号放大十倍的放大电路21中。
电压放大电路21的输出端引出放大后的电压信号，将其接入可以在 100Hz频率下读取信号的模数转换电路22中，并在电脑中以该频率显示。显示可以直接显示模数转换后的数字信号，或是显示基于数字信号确定的紫外光强度。
如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种紫外探测器检测的紫外光信号随时间变化的曲线，由图2可知，本发实施例所述紫外探测器系统可以很灵敏的探测紫外信号的开光情况。
通过上述描述可知，在紫外探测器11的入光侧设置有光学放大组件，可以在紫外光入射紫外探测器11前进行汇聚，提高探测器灵敏度。紫外探测器 11为MSM结构的半导体紫外探测芯片形成的封装结构，为光导型器件，具有更好的光响应度。紫外探测器11和取样电阻R以及电源E形成串联回路，可以通过取样电阻R两端电压信号检测紫外光强度，将所述电压信号进行放大和模数转换后，可以基于所述模数转换后的数字信号确定紫外光的强度，还可以通过显示屏显示表征所述紫外光强度的图像，更加直观的展示紫外光强度。
本发明另一实施例还提供了一种紫外探测方法，采用上述实施例所述的紫外探测系统进行紫外光探测。所述紫外探测方法采用上述实施例所述紫外探测系统，具有很高的灵敏度，检测方法简单，成本低。
本说明书中各个实施例采用递进、或并行、或并行和递进结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种紫外探测系统，其特征在于，包括：
紫外探测回路，所述紫外探测回路具有紫外探测器、取样电阻以及电源，所述紫外探测器的一个电极针脚通过所述取样电阻与所述电源的一个电极连接，所述紫外探测器的另一个电极针脚与所述电源的另一个电极连接；
检测电路，所述检测电路用于检测所述取样电阻的电压信号，基于所述电压信号获取所述紫外探测器探测的紫外光强度。
2.根据权利要求1所述的紫外探测系统，其特征在于，所述紫外探测器为感光芯片封装结构，所述感光芯片为MSM结构的半导体紫外探测芯片；
其中，所述封装结构的入光侧设置有光学放大组件。
3.根据权利要求2所述的紫外探测系统，其特征在于，所述光学放大组件包括：
镜筒以及设置在所述镜筒内的至少一个光学透镜。
4.根据权利要求2所述的紫外探测系统，其特征在于，所述半导体紫外探测芯片包括：
衬底；
生长在所述衬底表面的半导体薄膜；
设置在所述半导体薄膜上的第一叉指电极和第二叉指电极，所述第一叉指电极和第二叉指电极均具有多个平行分布的子电极，二者子电极交替平行分布在所述半导体薄膜表面；
所述第一叉指电极和所述第二叉指电极表面分别设置有一铟粒。
5.根据权利要求2所述的紫外探测系统，其特征在于，所述半导体薄膜为ZnO、ZnMgO、Ga2O3、GaN、AlGaN、SiC以及金刚石中的任一种。
6.根据权利要求1所述的紫外探测系统，其特征在于，所述取样电阻为可变电阻，电阻调节范围是0.1Ω-1×1010Ω。
7.根据权利要求1-6任一项所述的紫外探测系统，其特征在于，所述检测电路包括：
信号放大电路，所述信号放大电路用于获取所述取样电阻的电压信号，并对所述电压信号进行放大处理；
模数转换电路，所述模数转换电路用于获取放大处理后的所述电压信号，将所述电压信号转换为数字信号；
计算机，所述计算机用于获取所述数字信号。
8.根据权利要求7所述的紫外探测系统，其特征在于，所述信号放大电路放大倍数是1.1-1000倍。
9.根据权利要求7所述的紫外探测系统，其特征在于，所述计算机还用于驱动显示器显示表征所述紫外光强度的图像。
10.一种紫外探测方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的紫外探测系统进行紫外光探测。
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| CN108172663A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-06-15 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种ZnMgO日盲紫外探测器的封装方法及封装结构 |
-
2019
- 2019-12-11 CN CN201911266510.2A patent/CN111006760B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 孙媛媛: "《MgZnO紫外光电探测器研究》", 《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111006760B (zh) | 2021-07-06 |
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