基于SPAD的设备的动态范围扩展的制作方法

基于spad的设备的动态范围扩展
技术领域
1.本公开属于用于需要大动态范围的测量(诸如护理点测试、电子鼻应用和环境辐射感测)的基于spad的设备的领域。


背景技术：

2.在发光和荧光辐射传感器领域中需要检测具有大动态范围(dr)的辐射发射。这种传感器可以例如用于护理点(poc)测试或电子鼻(e-nose)类型的应用或环境辐射传感器应用。
3.在poc应用中，流体或空气中生物或化学物质的存在可以通过它们与互补物质的相互作用来检测，这可能导致化学发光或荧光辐射发射。发射的辐射的水平可以在极低水平和极高水平之间动态地变化。为了实现完整的信号捕获，适用于这种应用的辐射传感器必须表现出非常高的动态范围。
4.基于单光子雪崩二极管(spad)的光子计数器通过对各个光子进行计数来提供检测非常低水平的辐射的能力。可检测信号的最低水平可能由于暗计数率(dcr)而受到噪声的限制。可检测信号的最高水平可能受到spad二极管本身的速度、与spad相关联的计数器的容量和/或相关电路的能力的限制。在一些应用中，这可限制基于spad的传感器的动态范围。
5.一些传感器实施方式可包括大量spad以便改善低辐射水平下的信噪比。然而，这样大量的spad可能导致相关联电路的增加，从而潜在地进一步限制可实现的动态范围。
6.在其他现有技术的传感器实施方式中，可在单个设备内与一个或多个针孔(pinhole)组合地使用不同的spad区域，以便调整入射在不同spad区域上的辐射强度。例如，可以实现在黑色介质中具有移位孔的堆叠针孔以降低入射辐射的强度。实施这种解决方案的传感器可能很大，可能需要附加组件，并且可能表现出相对差的信噪比。
7.因此，期望提供一种适合于poc测试或电子鼻应用的具有大动态范围的辐射传感器，而不损害信噪比，或者不需要附加组件或不需要显著增加设备尺寸。
8.因此，本公开的至少一个方面的至少一个实施例的目的是消除或至少减轻现有技术的上述缺点中的至少一个。


技术实现要素：

9.本公开属于基于spad的设备领域，并且具体地涉及具有适用于护理点测试、电子鼻应用和环境辐射感测应用的大动态范围的基于spad的设备。
10.根据本公开的第一实施例，提供了一种辐射敏感设备，包括：多个spad；以及处理电路，被配置为使用多个spad中的至少一个spad来确定入射辐射的强度，其中用于确定入射辐射的强度的spad的量相关于入射辐射的强度而变化。
11.有利地，可以增加辐射敏感设备的动态范围，因为用于检测入射辐射的spad的量可以朝向入射辐射的总强度调整，而不会在低入射辐射强度水平下损害所需的信噪比，并
且不会招致与使所有可用spad能够用于低强度入射辐射和高强度入射辐射两者相关联的大晶粒(die)尺寸。
12.例如，在非常低的入射辐射强度水平下，可能需要大量spad以确保足够的信噪比。然而，由于非常低的入射辐射强度水平，每个spad可能仅需要有限量的相关联电路来对spad事件(例如，入射光子)进行计数。相比之下，在相对高的入射辐射强度水平下，已经认识到，可以使用较低数量的spad来实现所需的信噪比。因此，只有可用spad的子集将需要能够在相对高的入射辐射强度水平下对spad事件进行计数的相关电路。
13.用于确定入射辐射的强度的spad的数量可以与入射辐射的强度的平方成反比地变化。
14.也就是说，大多数spad可用于确定低入射辐射强度水平下的入射辐射的强度，并且减少的较少数的可用spad可用于确定增加的强度水平下的入射辐射的强度。所使用的spad的减少的较少数可以通过与入射辐射的强度的逆二次关系来定义。因此，有利地，仅较少数的可用spad需要与spad相关联的电路来测量相对高强度的入射辐射，从而减小总体尺寸、成本和功耗，同时仍然提供足够的信噪比。
15.相对于当强度低时可用于确定入射辐射的强度的大量spad，当强度高时可使用少量spad来确定入射辐射的强度。
16.有利地，如果对于高强度的入射辐射仅需要少量的spad，则仅那些spad需要相关联的电路来对这种高强度水平下的光子事件进行计数。因此，可以使电路的总量最小化。
17.辐射敏感设备可以包括多个计数器。每个计数器可被配置为存储入射到多个spad中的相关联spad上的光子撞击的计数。
18.有利地，提供与每个spad相关联的计数器意味着计数器的尺寸可以限定每个spad可以测量的最大辐射强度，而不是由公共读出速率限定的最大可测量辐射强度。有益地，可选择此类计数器的尺寸以限定每个spad可测量的最大辐射强度。此外，通过在具有不同尺寸的相关联计数器的单个设备中实现具有多个spad的辐射敏感设备，该设备可以被配置用于特定的期望动态范围。
19.每个计数器可以包括基本数量的位。每第2
2n
个计数器可以包括基本数量的位加上至少n个位。
20.也就是说，在一些实施例中，所有计数器可以具有至少两个位。每第四个计数器可以具有至少3个位。每第十六个计数器可以具有至少四个位。每第六十四个计数器可以具有至少5个位，依此类推。继续该示例，对于需要具有五个位的计数器的辐射强度水平，可能仅需要每第六十四个spad设备来执行测量。此外，如果辐射强度使得需要五位计数器，则仅使用六十四个spad中的一个就足以实现所需的信噪比。
21.处理电路可以被配置为使用以下来确定入射辐射的强度：
[0022]-用于高于阈值的辐射强度水平的计数器的第一子集；以及
[0023]-用于低于阈值的辐射强度水平的计数器的第一子集和第二子集。
[0024]
第一子集可以包括具有基本数量的位加m个位的所有计数器。第二子集可以包括具有基本数量的位加上m-1个位的计数器。
[0025]
例如，第一子集可以包括每四个计数器中的一个。因此。在该示例中，对于高于阈值的辐射强度水平，每四个spad中仅需要一个spad。第二子集可以包括所有其他计数器，例
如，四个计数器中的每其他三个计数器。因此，所有spad将用于低于阈值的辐射强度水平。
[0026]
阈值可以由计数器的第二子集中的至少一个溢出来定义。
[0027]
继续以上示例，如果计数器的第二子集中的每四个计数器中的三个计数器中的一个或多个溢出，则这可以指示入射辐射的强度充足，使得仅计数器的第一子集就足够大以用于测量入射辐射的强度。因此，入射辐射的强度的后续测量可以仅利用计数器的第一子集。
[0028]
处理电路可以被配置为使用用于高于阈值/该阈值的辐射强度水平的计数器的子集来确定入射辐射的强度。
[0029]
阈值可以由计数器的子集/该子集中的位的数量来定义；
[0030]
阈值可以是计数器的一部分，例如，如果计数器达到最大计数的25％、50％、75％等。
[0031]
阈值可以附加地或替代地被定义为用户可编程值。例如，设备可以具有用于定义一个或多个阈值的一个或多个可编程寄存器。
[0032]
至少一个计数器可包括充足的位，使得最大计数由相关联spad的死区时间(dead time)定义。
[0033]
有利地，可通过使至少一个计数器的尺寸最大化来实现最大可实现动态范围，使得辐射强度的上限由相关联spad的死区时间而不是计数器中的位的量来定义。
[0034]
辐射敏感设备可以被配置为具有用于确定入射在多个spad中的每个spad上的光子撞击的计数的公共读出时间间隔。
[0035]
根据本公开的第二方面，提供一种确定入射在基于spad的设备上的辐射的强度的方法，该方法包括相关于入射辐射的强度改变用于确定入射辐射的强度的spad的量。
[0036]
有利地，该方法的应用使得设备能够实现大的动态范围，而不需要大量的附加电路，并且在低入射辐射强度水平下不损害所需的信噪比。
[0037]
该方法可以包括以下步骤：相对于当强度低时用于确定入射辐射的强度的大量spad，当强度高时选择少量spad以确定入射辐射的强度。
[0038]
当至少一个计数器溢出时和/或当计数器超过预定阈值时，强度可以被确定为高。
[0039]
根据本公开的第三方面，提供了一种根据第一方面的辐射敏感设备在护理点测试或诊断应用或电子鼻应用中的使用，以确定来自样本的发光和/或荧光的强度。
[0040]
在这种护理点测试或诊断应用或电子鼻应用中特别需要检测具有非常大动态范围的光发射，因为通过生物或化学物质与互补物质之间的相互作用发射的化学发光或荧光辐射的水平可以在极低和极高水平之间动态变化。
[0041]
根据本公开的第四方面，提供了一种电子鼻或护理点装置，包括根据第一方面的辐射敏感设备，其中辐射敏感设备被配置为确定来自样本的发光和/或荧光的强度。
[0042]
根据本公开的第五方面，提供了根据第一方面的辐射敏感设备在环境光感测应用中的使用。
[0043]
以上发明内容旨在仅仅是示例性的而非限制性的。本公开包括单独或以各种组合的一个或多个对应的方面、实施例或特征，无论是否以该组合或单独具体陈述(包括要求保护)。应当理解，根据本公开的任何方面的在上面定义的特征或下面涉及本公开的任何具体实施例的特征可以在任何其他方面或实施例中单独地或与任何其他定义的特征组合地使
用，或者形成本公开的另一方面或实施例。
附图说明
[0044]
现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的这些和其他方面，附图中：
[0045]
图1描绘根据本公开的实施例的基于spad的传感器架构；
[0046]
图2描绘根据本公开的实施例的另一基于spad的传感器架构；
[0047]
图3描绘根据本公开的实施例的用于基于spad的传感器架构的每个计数器的尺寸与每个计数器尺寸的数量之间的关系；以及
[0048]
图4描绘了根据本发明的实施例的辐射敏感设备。
具体实施方式
[0049]
已经认识到，在一些应用中，为了增加基于spad的设备中的信噪比(snr)，例如，为了准确地检测非常低的光水平，实现大量spad可能是有益的。也就是说，这样的设备可以实现包括数百或甚至数千个spad的spad阵列，以便以充足的snr准确地测量入射辐射的强度。
[0050]
然而，可由给定spad阵列测量的最大辐射强度可由其饱和水平确定。
[0051]
当光子速率达到spad设备本身可以执行检测的速率的极限时，可能发生饱和。例如，基于spad的设备可以对光子撞击事件进行计数的最快速率由光子撞击事件与spad的“恢复时间”之间的时间确定。“恢复时间”是给定spad恢复并再次准备好所需的时间。这在本领域中被称为“死区时间”。根据所实现的特定淬灭(quenching)电路，该恢复时间可以在几十纳秒或更长的范围内。例如，对于100纳秒的死区时间，每个spad的最大理论光子计数将是每秒107个。
[0052]
饱和可另外或替代地在与spad相关联的电路(例如，附接到每个spad的读取和计数电路)达到极限时发生。
[0053]
在一些示例中，每个单个spad具有专用硬件，例如计数器，用于记录光子撞击事件。这导致对给定架构的最大可测量信号的物理限制。例如，可通过此类计数器和相关联电路的能力来设置对基于spad的设备的最大可测量辐射水平的限制。具体地，任何给定计数器必须聚合光子撞击事件计数的时间量(在本领域中称为读出间隔)可以定义与spad相关联的计数器的尺寸。
[0054]
如上所述，随着阵列中spad的数量增加以改善snr，保持spad测量的计数所需的电路也相应地增加。然而，冲突的要求是使基于spad的设备尽可能小，因此这驱动了使计数器尽可能小的对应需求。
[0055]
图1描绘了根据本发明的实施例的包括spad和相关联的计数器的基于spad的传感器架构100的示例。图1的基于spad的传感器架构100提供本公开的示例，即确定入射辐射的强度，其中用于进行确定的spad的量相关于入射辐射的强度而变化。
[0056]
应当理解，图1仅是示例实施例，并且被提供用于解释本公开的原理的目的。例如，其他实施例可包括实质上更大的spad阵列和相关联的计数器。例如，一些实施例可以包括具有数百或甚至数千个spad的阵列。此外，体现本公开的示例性设备，诸如适用于poc或电子鼻应用的传感器，可包括多个spad阵列。此外，与每个spad相关联的位的数量(诸如位的基本数量或位的最大数量)与该示例相比可以变化。
[0057]
图1的基于spad的传感器架构100包括多个spad 105-0至105-n。图1的每个spad具有相关联的计数器110-0至110-n。
[0058]
计数器110-0至110-n可耦合到处理电路，如参考图4更详细地描述。这种处理电路可被配置为使用多个spad 105-0至105-n中的至少一个来确定入射辐射的强度，其中用于确定入射辐射的强度的spad 105-0至105-n的量相关于入射辐射的强度而变化。
[0059]
本公开的实施例基于以下原理：当多个spad一起用于测量光强度时，(统计)信噪比与以下两个参数的平方根成比例：(1)测量中使用的spad的数量，以及(2)进行测量的时间窗口。
[0060]
因此，本公开的实施例有效地折衷了在高辐射水平下过多的snr以用于动态范围，如下面更详细地描述的。
[0061]
已经认识到，随着被测量的辐射强度(即，信号水平)增加，测量具有所需snr的该信号所需的spad的数量减少。
[0062]
因而，且如图1的示例基于spad的传感器架构100中所体现，具有大尺寸计数器110-n的spad 105-n的数量可远小于具有小计数器105-0的spad 105-0的数量。事实上，对于测量两倍信号的计数器尺寸的每个添加位，可能需要少四倍的spad，如下所述。
[0063]
如果“num
sp”表示在最小辐射强度下实现所需snr所需的spad 105-n的数量，则当辐射强度水平加倍时，使来自多个spad的数据等于num
sp
/22就足够了。
[0064]
因此，图1的示例实施例表示基于spad的传感器架构100，其已被设计成使得用于测量辐射强度的spad的数量与辐射水平本身的量值呈逆二次关系而减小。
[0065]
继续上述示例，基于spad的传感器架构100实现所需snr而所需的spad 105-n的总数为“num
sp”。基于spad的传感器架构100可被配置为具有用于确定入射在多个spad中的每个spad 105-n上的光子撞击的计数的公共读出时间间隔。也就是说，可能需要固定的读出时间间隔“t
read”来单独地从所有spad 105-n读出数据。在一些示例实施例中，间隔t
read
可以被定义为使电路能够识别和消除来自一个或多个故障spad的数据。所有spad 105-n需要足够大(例如，具有足够位)的相关联计数器110-n以保持此信息而不会溢出。表示为“nbits
base”的位的数量与光子撞击计数相关，如下：
[0066][0067]
其中：
[0068]nphoton,min
是最低信号水平处的光子撞击计数；以及
[0069]
dcr是在间隔“t
read”的时间上的暗计数率。
[0070]
举例来说，如图1中所描绘，spad 105-0具有相关联计数器110-0，其中计数器110-0包括两个位110-0a、110-0b。两个位110-0a、110-0b表示nbits
base
。使用两个位，可以实现总共四个二进制计数。也就是说，spad 105-0可以在饱和和可能的溢出之前计数总共三个光子撞击事件，例如，丢失光子撞击事件或翻转，这取决于所选择的实施方式。
[0071]
如果信号水平由于入射在spad阵列上的辐射强度增加而增加，那么此类两位计数器110-0将开始饱和或溢出。因此，可能需要更多的位来防止饱和或溢出。然而，如上所述，已经认识到，在较高的入射辐射强度水平下，可以使用较低数量的spad来实现所需的信噪比。也就是说，可能需要更少的spad 110-n来检测具有所需snr的增加的信号。
[0072]
例如，如果信号加倍，则测量信号所需的spad 105-n的数量减少四倍，例如22倍。
[0073]
为了利用减少数量的spad测量增加的信号，与每个spad 105-n相关联的计数器110-n的尺寸必须相应地增加。通过将计数器增加一个位，则最大计数加倍。也就是说，通过将计数器增加一个位，对应于测量信号和任何暗计数贡献的总计数被加倍。
[0074]
例如，在图1中可以看出，每四个spad 105-3、105-7、105-11、105-15具有包括三个位的相关联计数器。例如，第四spad 105-3具有包括三个位110-3a、110-3b、110-3c的相关联计数器110-3。因此，第四spad 105-3可以在饱和或溢出之前计数总共七个光子撞击事件，例如2
3-1。
[0075]
也就是说，在噪声水平没有变化的情况下，通过添加附加位，计数器110在其处饱和的信号水平至少加倍。因此，每当将位添加到与spad 105-n相关联的计数器110-n时，测量入射辐射的强度所需的spad的数量就减少4倍。
[0076]
因此，所描述的架构要求所需位的基本数量nbits
base
，例如所有num
sp
个spad的最小计数器尺寸，足以支持最小信号水平的两倍。这可以通过等
[0077]
式2来描述，其中：
[0078][0079]
也就是说，在本公开的实施例中，四个spad 105-n中的每一个将需要相关联计数器110-n中的一个额外位。
[0080]
再次转到图1的示例实施例，可看出所有spad 105-0至105-n具有相关联计数器110-0至110-n，其中“nbits
base”作为位的基本数量。
[0081]
只有四分之一的spad(例如，spad 105-3、105-7、105-11、105-15)在其相关联的计数器110-3、110-7、110-11、110-15中包括一个额外位。也就是说，计数器110-3、110-7、110-11、110-15中的每一个包括至少三个位。
[0082]
十六分之一的spad(例如，spad 110-15)将具有两个额外位。也就是说，spad 110-15包括至少四个位。
[0083]
为了简单起见，图1的基于spad的传感器架构100被描绘为仅具有16个spad 105-0至105-n，每个spad具有相关联的计数器110-0至110-n。应当理解，对于较大的spad阵列，上述序列将继续。也就是说，spad 105-0至105-n中的六十四分之一将具有三个额外位，例如总共5个位，等等。
[0084]
因此，根据图1的实施例实现的基于spad的传感器架构100可以在入射辐射的强度增加并且使用逐渐减少的spad时满足snr要求。
[0085]
因此，这种基于spad的传感器架构的有效动态范围在由尺寸和功率限制施加的约束内增加。也就是说，所公开的基于spad的传感器架构100使可实现的动态范围最大化，同时保持足够的snr，而不超过晶粒尺寸和/或功率约束。
[0086]
图2描绘根据本公开的实施例的另一基于spad的传感器架构200。图2的基于spad的传感器架构200共享许多与图1的基于spad的传感器架构100相同的特征，因此出于简洁的目的未详细描述此类特征。然而，出于示例的目的，示出了六十四个spad 205-0至205-n的阵列和相关联的计数器210-0至210-n。实施上文所描述的原理，其中：所有计数器的位的基本数量是两个位，每第四个spad具有包括一个附加位的相关联计数器，每第十六个spad具有包括两个附加位(例如总共四个位)的相关联计数器。
[0087]
当所需spad的数量变为一个或更少时，可以推断出高于该水平的所有辐射强度仅
需要一个spad来具有可靠的信号读出，例如足够的信噪比。因此，在一些实施例中，该最终spad可具有相关联的计数器，该计数器具有支持可能的最大动态范围所需的尽可能大的容量。在这种情况下，可以使计数器尺寸足够大，使得最大计数瓶颈成为spad二极管本身的速度，即上述死区时间。
[0088]
再次参考图2的示例实施例，可以看出，第六十四个spad 205-63具有相关联的计数器210-63，该计数器210-63具有：
[0089]-位210-63a、210-63b的基本数量为2
[0090]-根据上述序列的四个附加位210-63c、210-63d、210-63e、210-63f
[0091]-示例两个附加位210-63g、210-63h用于最大化基于spad的传感器架构200的动态范围。
[0092]
图3描绘根据本发明的实施例的另一基于spad的传感器架构的每个计数器的尺寸与每个计数器的数量之间的关系。在所描述的示例实施例中，该另一基于spad的传感器架构包括256个spad的阵列和相关联的计数器。位的基本数量nbits
base
(例如，足以支持最小信号水平的两倍的所有spad的最小计数器尺寸)是二。可以看出，所有256个计数器包括至少两个位。利用两个位，每个计数器可以计数总共3个光子撞击事件。
[0093]
256个计数器中的四分之一包括一个附加位，因此计数器中的六十四个可以计数总共7个光子撞击事件。
[0094]
256个计数器中的十六分之一包括两个附加位，因此计数器中的十六个可以计数总共15个光子撞击事件。
[0095]
256个计数器中的六十四分之一包括三个附加位，因此计数器中的四个可以计数总共31个光子撞击事件。
[0096]
也就是说，每第2
2n
个计数器包括基本数量的位加上n个位。
[0097]
计数器中的一个具有最少四个附加位，因此计数器中的该一个可以计数总共63个光子撞击事件。如上文参考图2所描述，当所需spad的数量变为一个或更少时，在一些实施例中，该最终spad可具有相关联计数器，该计数器具有支持可能的最大动态范围所需的尽可能大的容量。
[0098]
图3中的曲线图(其在两个轴上具有对数标度)描绘了计数器的数量与每个计数器包括的位的数量之间的关系，其中计数器的数量对应于所使用的spad的数量。该图示出了例如所有256个计数器如何包括能够计数到4的2位，而仅4个计数器包括能够计数多达15个光子撞击事件的多达4位。也就是说，在一些实施例中，用于确定入射辐射的强度的spad的数量与入射辐射的强度成逆二次关系变化。因此，大多数spad可用于确定在低入射辐射强度水平下的入射辐射的强度，并且减少的较少数的可用spad可用于确定在增加的强度水平下的入射辐射的强度。
[0099]
图4描绘了根据本发明的实施例的包括辐射敏感设备420的装置400。在一些示例实施例中，装置400可以是用于护理点(poc)测试或电子鼻(e-nose)类型的应用或环境辐射传感器应用的装置。
[0100]
辐射敏感设备420包括多个spad 405。多个spad 405可被布置为spad405的一个或多个阵列。
[0101]
辐射敏感设备420还包括多个计数器410。多个计数器410中的每个计数器与多个
spad 405中的spad相关联，如上文参考图1和图2所描述。spad 405和相关联的计数器410可根据图1和图2的基于spad的传感器架构100、200来布置，例如，其中每第2
2n
个计数器410包括基本数量的位加上n个位。
[0102]
辐射敏感设备420还包括处理电路415。在一些实施例中，处理电路415可被配置为控制多个spad 405。例如，在一些实施例中，处理电路415可以被配置为控制spad 405的淬灭，和/或重置或启用spad 405中的一个或多个。处理电路415还可被配置为检测一个或多个故障spad 405。
[0103]
在一些实施例中，处理电路415可以被配置为读取计数器410。在一些实施例中，处理电路415还可以被配置为根据需要重置计数器410。处理电路415可以包括以下各项中的至少一项：cpu、微控制器、状态机、组合逻辑等。
[0104]
在一些实施例中，处理电路415可被配置为使用多个spad 405中的至少一个来确定入射辐射的强度，其中用于确定入射辐射的强度的spad的量相关于入射辐射的强度而变化。
[0105]
在一些实施例中，孔、透镜、光学盖、光栅或一个或多个其他光学设备可设置在spad 405与辐射源之间。这样的设备可以例如被配置为聚焦和/或漫射入射在spad 405上的辐射。在一些实施例中，可以堆叠一个或多个孔以形成移位孔或针孔的堆叠。这种堆叠可以设置在spad 405上或紧邻spad405。在这样的实施例中，spad 405中的至少一些可以比辐射敏感设备420的其他spad经受更低强度的入射辐射。通过使用这种移位孔，结合任何上述技术，可以进一步增加辐射敏感设备420的动态范围。
[0106]
尽管已经根据如上所述的特定实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。本领域技术人员将能够鉴于本公开进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以结合在任何实施例中，无论是单独地还是以与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。
[0107]
附图标记列表
[0108]
100基于spad的传感器架构
[0109]
105-0至105-nspad
[0110]
110-0至110-n计数器
[0111]
200基于spad的传感器架构
[0112]
205-0至205-nspad
[0113]
210-0至205-n计数器
[0114]
400装置
[0115]
405spad
[0116]
410计数器
[0117]
415处理电路
[0118]
420辐射敏感设备