[发明专利]一种具备电荷富集的光电二极管电流检测装置及方法

说明书

本发明提供一种具备电荷富集的光电二极管电流检测装置及方法，能实现强弱信号实时采集检测。强信号时，可以直接获取实时光电流信号；弱信号时，利用光电二极管结电容作为电荷存储器件，让光电二极管暴露在弱光下一段时间，光电流将在结电容上积分累积，获得更强的累积信号后，再进行测量，从而实现微弱信号检测。将此检测装置及方法应用于化学发光反应原理检测NO气体，使用电荷富集模式检测低浓度NO气体，能获得高信噪比的信号，提高灵敏度。使用直接测量模式检测高浓度NO气体，不影响NO检测的高浓度上限。两种操作模式结合，极大提高了小型化NO检测仪的检测性能和浓度范围。

技术领域

本发明涉及化学发光反应的光电检测的技术领域，具体而言，尤其涉及一种具备电荷富集的光电二极管电流检测装置及方法。

背景技术

光电二极管是一种利用光电效应原理将接收到的光信号转换成光电流的器件，光电转化效率受光电二极管的结构和光波长的影响。光电二极管的种类很多有APD、PN、PIN等，广泛应用于光通信、精密光电检测等领域。

目前NO的测量方法主要有电化学法、化学发光反应法等，但灵敏度尚不能令人满意。化学发光反应法检测NO气体原理是NO与O₃反应生成NO₂，其中有约10％为激发态的NO₂^*，1纳秒时间内NO₂^*跃迁回基态放出光子，产生波长在600-3000nm之间发射光，光强与NO浓度成正比，使用光电转换器作为探测器，吸收光子产生光电流，光电流强度与NO浓度成线性，利用光电流强度判定NO浓度。NO气体检测的光电转换器大多数采用光电倍增管，主要因为化学发光原理检测NO产生的光强太微弱，尤其是100ppb以下的低浓度NO气体。光电倍增管可以实现光子的倍增，从而能实现超低浓度(1-0.1ppb)的NO检测。但是光电倍增管具有体积大，系统复杂，不适合小型仪器使用。光电二极管具有体积小，暗电流低等特点，可以替代光电倍增管作为光电转换器，实现小型化NO检测(CN109283172A)。由于光电二极管感光面积比较小，响应信号弱，因此检测NO的灵敏度比光电倍增管低一个数量级以上。在微型化仪器中使用光电二极管作为光电转换器，检测超低浓度的NO，必须通过提高响应信号强度实现，如果将光电二极管产生的光电流进行储存富集实现电荷富集能提高响应信号强度。

光电二极管是一种具有PN结的半导体感光器件，当有光照时，光电二极管内的载流子会定向流动形成光电流，光电流与光强呈正比例关系。因此光电二极管的输出端看成电流源对其进行电流-电压转换能极大地提高其能效和特性，使用运算放大器的电流-电压转换器成为基本的光电二极管放大器(CN109283172A、CN202111527785.4)，见图1，可以将光电二极管和信号电压隔离开。这种放大电路结构简单，它在光电二极管的应用过程中存在诸多限制。光电二极管的输出电流很小pA到μA量级不等，为了增加其输出的幅度，就需要感光面积较大的二极管和很大阻值的反馈电阻，而这会带来高偏移、低带宽、稳定性差和噪声高等诸多问题。尤其在NO检测应用中，利用此电路，低浓度NO产生的10pA以下的电流信号很难检测不到。

根据光电二极管的特性可以等效为电流源I_p、分流电阻R_D和结电容C_D，如图2所示，分流电阻R_D一般比较大，一般在几十M欧以上，可以忽略其对电流源I_p的分流作用。本专利提出一种低浓度NO弱光检测装置及方法，利用结电容C_D作为电荷存储器件，检测时让光电二极管暴露在弱光下一段时间，电流I_p将在结电容C_D上积分累积，获得更强的累积信号后，再进行测量。不断重复上述过程可以实现信号的连续测量。平均累积信号后与待测光强度呈线性，能够实现NO浓度的检测，在积分累积的过程能极大抑制噪声，提高信噪比，此种检测方法特别适合极微弱信号检测。

发明内容