KR100656420B1 - 선형 위치 센서 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 위치 센서 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것으로, 트랜지스터를 스위칭하는 게이트 라인과; 저장 커패시터에 저장된 전하량을 뽑아내는 데이터 라인과; 포토 컨덕터에 전압을 인가하는 전원전압 라인과; 상기 트랜지스터가 오프 상태에서 동작하도록 전압을 인가하는 공통전극 라인과; 상기 포토 컨덕터에서 나오는 전하를 저장하는 저장 커패시터와; 상기 게이트 라인에 의해 스위칭되는 트랜지스터와; 상기 전원전압 라인을 통해 전압을 인가받고, 빛이 들어오면 전기적인 에너지로 변환시키는 포토 컨덕터;를 포함하여 구성함으로서, 영상 감지 소자, 지문인식기, 스캐너 등에 사용할 수 있는 이미지 센서를 이용한 선형 위치 센서를 개발할 수 있게 되는 것이다.

선형 위치 센서, 비정질 실리콘 박막 트랜지스터, 포토 컨덕터, 저장 커패시터, 영상 감지 소자, 지문인식기, 스캐너

Description

선형 위치 센서 및 그 제어방법{Apparatus and control method for linear position sensor}

도 1은 일반적인 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 형 이미지 센서의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 선형 위치 센서의 단면도이다.

도 3은 도 2에서 선형 위치 센서를 포함한 장치의 블록구성도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 선형 위치 센서의 제어방법을 보인 개념도이다.

도 5는 도 2의 선형 위치 센서에서 광원 중심으로부터의 거리에 따른 광 감도를 보인 그래프이다.

도 6은 광원의 위치에 따라 도 2의 선형 위치 센서에 광이 조사되는 모습을 보인 개념도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 이미지 센서 11 : 게이트 라인

12 : 데이터 라인 13 : 전원전압 라인

14 ; 공통전극 라인 15 : 저장 커패시터

16 : 트랜지스터 17 : 포토 컨덕터

20 : 출력부 30 : 아날로그-디지털 변환부

40 : 추출부

본 발명은 선형 위치 센서(Linear position sensor) 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 영상 감지 소자, 지문인식기, 스캐너 등에 사용할 수 있는 이미지 센서를 이용한 선형 위치 센서를 개발하기에 적당하도록 한 선형 위치 센서 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 이미지 센서는 영상을 인식하는 센서로서, 웹 카메라, 디지털 카메라, 카메라 폰 등의 영상 감지 소자에 사용되거나, 지문인식기, 스캐너 등에 사용된다.

도 1은 일반적인 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 형 이미지 센서의 단면도이다.

이러한 비정질 실리콘 박막 트랜지스터는 유리 기판(1), 게이트 전극(2a), 게이트 절연막(3), 반도체층(4), n+(5), 소오스 및 드레인 전극(6), 보호 절연막(7), 차광막(8)으로 형성되어 있다.

또한 광센서 부는 차광막(8)을 제외하고, 스위칭 박막 트랜지스터와 같은 구조를 이루고 있으며, 광센서의 게이트 전극(2b)은 공통전극(9)으로 연결되어 있다.

이러한 광센서의 드레인 전극(6)과 공통전극(9) 사이에 저장 전기 용량이 형 성되어 있다.

그래서 동작 시에는 광센서의 게이트 전극(2b)에 부의 전압이 가해져서 광센서의 암 누설전류를 최소화하게 된다.

그러나 이러한 종래기술은 10V 이상의 높은 전압에서는 광센서의 암 누설전류가 증가하여 높은 전압에서의 구동이 어려운 문제점이 있었다.

그리고 종래에는 이미지 센서를 이용한 선형 위치 센서가 아직 개발되고 있지 못한 실정이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 영상 감지 소자, 지문인식기, 스캐너 등에 사용할 수 있는 이미지 센서를 이용한 선형 위치 센서를 개발할 수 있는 선형 위치 센서 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 선형 위치 센서는,

트랜지스터를 스위칭하는 게이트 라인과; 저장 커패시터에 저장된 전하량을 뽑아내는 데이터 라인과; 포토 컨덕터에 전압을 인가하는 전원전압 라인과; 상기 트랜지스터가 오프 상태에서 동작하도록 전압을 인가하는 공통전극 라인과; 상기 포토 컨덕터에서 나오는 전하를 저장하는 저장 커패시터와; 상기 게이트 라인에 의해 스위칭되는 트랜지스터와; 상기 전원전압 라인을 통해 전압을 인가받고, 빛이 들어오면 전기적인 에너지로 변환시키는 포토 컨덕터;를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 선형 위치 센서의 제어방법은,

이미지 센서를 이용하여 이미지를 감지하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 감지된 이미지의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 변환된 디지털 신호에 따라 광원의 위치를 추출하는 제 3 단계;를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명, 선형 위치 센서 및 그 제어방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 선형 위치 센서의 단면도이고, 도 3은 도 2에서 선형 위치 센서를 포함한 장치의 블록구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(T, Transistor)(16)를 스위칭하는 게이트 라인(11)과; 저장 커패시터(Cst, storage capacitor)(15)에 저장된 전하량을 뽑아내는 데이터 라인(12)과; 포토 컨덕터(Photoconductor)(17)에 전압을 인가하는 전원전압(VDD) 라인(13)과; 상기 트랜지스터(16)가 오프(OFF) 상태에서 동작하도록 전압을 인가하는 공통전극(C0M) 라인(14)과; 상기 포토 컨덕터(17)에서 나오는 전하를 저장하는 저장 커패시터(15)와; 상기 게이트 라인(11)에 의해 스위칭되는 트랜지스터(16)와; 상기 전원전압 라인(13)을 통해 전압을 인가받고, 빛이 들어오면 전기적인 에너지로 변환시키는 포토 컨덕터(17);를 포함하여 이미지를 감지하는 이 미지 센서(10)를 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기 게이트 라인(11)은, 하이 전압(High voltage)을 인가하면 상기 트랜지스터(16)를 온(ON) 시키고, 로우 전압(Low voltage)을 인가하면 상기 트랜지스터(16)를 오프(OFF) 시키는 것을 특징으로 한다.

상기 공통전극 라인(14)은, 상기 트랜지스터(16)가 오프 상태에서 동작할 수 있도록 마이너스(-) 전압을 상기 트랜지스터(16)에 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 저장 커패시터(15)는, 일단은 상기 트랜지스터(16)와 상기 포토 컨덕터(17)의 연결 부분에 연결되고, 다른 일단은 상기 공통전극 라인(14)에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 트랜지스터(16)는, 게이트 전극이 상기 게이트 라인(11)과 연결되고, 소오스 및 드레인 전극이 데이터 라인(12)과 포토 컨덕터(17)에 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 트랜지스터(16)는, 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 또는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 또는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 및 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 혼합형성된 박막 트랜지스터 중에서 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 포토 컨덕터(17)는, 일단은 상기 전원전압 라인(13)과 연결되고, 다른 일단은 상기 저장 커패시터(15)와 상기 트랜지스터(16)의 연결 부분에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 선형 위치 센서는, 상기 이미지 센서(10)에서 감지된 광 누설전류값을 출력하는 출력부(20);를 더욱 포함하여 구성된다.

상기 선형 위치 센서는, 상기 출력부(20)에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부(30);를 더욱 포함하여 구성된다.

상기 선형 위치 센서는, 상기 아날로그-디지털 변환부(30)에서 출력된 디지털 신호에 따라 광원의 위치를 추출하는 추출부(40);를 더욱 포함하여 구성된다.

상기 추출부(40)는, 복수개의 상기 이미지 센서(10)로 구성된 복수개의 픽셀에서, N 번째 픽셀의 빛의 세기가 가장 센 경우에 좌우 양옆 픽셀의 빛의 세기를 측정하여 N+1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기가 N-1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기보다 더 밝을 경우 N 번째 픽셀의 이븐(Even) 영역에 광원의 위치가 감지된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 선형 위치 센서의 제어방법을 보인 개념도이다.

이에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(10)를 이용하여 이미지를 감지하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 감지된 이미지의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 변환된 디지털 신호에 따라 광원의 위치를 추출하는 제 3 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 3 단계는, 복수개의 상기 이미지 센서(10)로 구성된 복수개의 픽셀에서, N 번째 픽셀의 빛의 세기가 가장 센 경우에 좌우 양옆 픽셀의 빛의 세기를 측정하여 N+1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기가 N-1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기보다 더 밝을 경우 N 번째 픽셀의 이븐 영역에 광원의 위치가 감지된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 선형 위치 센서 및 그 제어방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 영상 감지 소자, 지문인식기, 스캐너 등에 사용할 수 있는 이미지 센서를 이용한 선형 위치 센서를 개발하고자 한 것이다.

그래서 이미지 센서(10)를 도 2에서와 같이 구성한다. 이러한 이미지 센서(10)는 게이트 라인(11), 데이터 라인(12), 전원전압 라인(13), 공통전극 라인(14), 저장 커패시터(15), 트랜지스터(16), 포토 컨덕터(17)로 구성할 수 있다.

그리고 게이트 라인(11)은 트랜지스터(16)를 스위칭하는 역할을 수행하게 된다. 즉, 게이트 라인(11)은 트랜지스터(16)의 게이트 전극과 연결되고, 트랜지스터(16)의 게이트 전극에 하이 전압을 인가하면 트랜지스터(16)를 온(ON) 시키고, 트랜지스터(16)의 게이트 전극에 로우 전압을 인가하면 트랜지스터(16)를 오프(OFF) 시키게 된다.

여기서 선형(Linear)이란 게이트 라인(11)이 한 줄이란 의미이다. 만약 병렬(Parallel)로 구성할 경우에는 게이트 라인을 여러 줄로 구성해야 하는데, 이와 같이 병렬로 구성할 경우에는 게이트 라인의 구동을 위한 게이트 드라이버가 필요하게 된다. 그래서 선형으로 위치 센서를 구성할 경우에는 게이트 라인(11)이 한 줄이기 때문에 게이트 드라이버가 필요없게 되며, 단가 측면에서 가격이 저렴하게 된다. 그리고 병렬로 구성할 경우에는 선형 위치 센서 자체의 의미가 없어지게 된다.

또한 데이터 라인(12)은 저장 커패시터(15)에 저장된 전하량을 뽑아내는 역 할을 하게 된다.

또한 전원전압 라인(13)은 포토 컨덕터(17)에 연결되어 포토 컨덕터(17)에 높은 전압을 인가함으로써 포토 컨덕터(17)가 빛을 받을 때 전하를 축적하게 한다.

또한 공통전극 라인(14)은 트랜지스터(16)가 오프 상태에서 동작할 수 있도록 마이너스(-) 전압을 트랜지스터(16)에 인가한다.

또한 저장 커패시터(15)는 포토 컨덕터(17)에서 나오는 전하를 저장하는 역할을 수행한다. 즉, 저장 커패시터(15)는 포토 컨덕터(17)에 연결되는 데, 포토 컨덕터(17)에서 순간적으로 나오는 전하를 저장하게 된다.

또한 트랜지스터(16)는 게이트 라인(11)에 의해 스위칭되어 동작한다. 이러한 트랜지스터(16)는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 또는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 또는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 및 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 혼합형성된 박막 트랜지스터 중에서 어느 하나로 구성할 수 있다. 바람직하게는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터로 구성할 수 있다.

또한 포토 컨덕터(17)는 전원전압 라인(13)을 통해 전압을 인가받고, 빛이 들어오면 전기적인 에너지로 변환시키게 된다.

한편 선형 위치 센서는, 도 3에서와 같이, 이미지 센서(10) 뿐만 아니라 출력부(20), 아날로그-디지털 변환부(30) 또는 추출부(40) 등을 더욱 포함하여 구성할 수 있다.

그래서 출력부(20)에서는 이미지 센서(10)에서 감지된 광 누설전류값을 출력하여 아날로그-디지털 변환부(30) 등으로 보낼 수 있다.

또한 아날로그-디지털 변환부(30)는 출력부(20)에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키게 된다.

또한 추출부(40)는 아날로그-디지털 변환부(30)에서 출력된 디지털 신호에 따라 광원의 위치를 추출하게 된다. 즉, 추출부(40)는 복수개의 이미지 센서(10)로 구성된 복수개의 픽셀에서, N 번째 픽셀의 빛의 세기가 가장 센 경우에 좌우 양옆 픽셀의 빛의 세기를 측정하여 N+1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기가 N-1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기보다 더 밝을 경우 N 번째 픽셀의 이븐 영역에 광원의 위치가 감지된 것으로 판단하게 된다.

이에 따라 게이트 라인(11)에 하이 전압이 인가되면, 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 등으로 이루어진 트랜지스터(16)가 온 된다. 그러면 포토 컨덕터(17)에서 빛을 감지하게 되면, 감지한 빛의 세기에 따라 광 누설전류가 발생한다. 이때 발생한 광 누설전류를 데이터 라인(12)을 통해 뽑아내게 된 후 출력부(20)가 이미지 센서(10)의 척 번째 픽셀부터 마지막 픽셀까지 광 누설전류를 순차적으로 뽑아내게 된다. 그 후 아날로그-디지털 변환부(30)를 이용해서 각 픽셀마다 뽑아낸 광 누설전류값을 디지털 값으로 변환하고, 추출부(40)에서 광원의 위치를 추출하게 된다.

도 5는 도 2의 선형 위치 센서에서 광원 중심으로부터의 거리에 따른 광 감도를 보인 그래프이고, 도 6은 광원의 위치에 따라 도 2의 선형 위치 센서에 광이 조사되는 모습을 보인 개념도이다.

이러한 도 5 및 도 6을 참조하여 픽셀의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.

먼저 이미지 센서(10)로 구성한 픽셀의 피치(pitch)가 50 마이크로미터(픽셀 의 피치는 설계변경에 따라 증감될 수 있다)라고 할 때, 이분 영역으로 구분하게 되면 각각의 영역은 25 마이크로 피치가 된다.

그래서 N 번째 픽셀의 1024 그레이 스케일(gray scale)로 구분하면, 25 마이크로미터 / 1024 = 0.0244 마이크로미터 = 24 나노미터(nm) 의 값을 구할 수 있다. 여기서 1024 그레이 스케일은 변경될 수 있다. 또한 1024는 한 픽셀에서 나오는 빛의 양을 디지털 값으로 변환시킬 때 0에서부터 1023까지의 디지털 값으로 변환시킨다는 것을 의미한다. 실제 센서의 크기는 전체 픽셀의 개수로 결정된다.

그리고 도 5에서와 같이, 광원(Light source)의 거리에 따라 빛의 세기가 달라지는 것을 볼 수 있다.

그러면 도 6에서와 같이, N 번째 픽셀에서 빛의 세기가 가장 센 경우에, 좌우 양옆 픽셀의 빛의 세기를 측정해서 N+1 번째 픽셀(오른쪽 픽셀)의 빛의 세기가 N-1 번째 픽셀(왼쪽 픽셀)의 빛의 세기보다 더 밝을 경우 N 번째 픽셀의 중앙을 기준으로 오른쪽 부분에 빛이 감지되고 있음을 알 수 있다. 즉, N 번째 픽셀의 이븐 영역에 광원(빛 소스)의 위치가 감지됨을 알 수 있다. 따라서 한 픽셀 50 마이크로미터 피치에서 둘로 나눈 25 마이크로미터 간격으로 빛 소스의 위치를 알 수 있게 된다. 즉, 한 픽셀의 사이즈가 50 마이크로미터일 때 좌우 픽셀의 빛의 값을 비교함으로써 25 마이크로미터 간격의 빛 소스의 위치를 감지할 수 있게 된다.

이처럼 본 발명은 영상 감지 소자, 지문인식기, 스캐너 등에 사용할 수 있는 이미지 센서를 이용한 선형 위치 센서를 개발하게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 선형 위치 센서 및 그 제어방법은 영상 감지 소자, 지문인식기, 스캐너 등에 사용할 수 있는 이미지 센서를 이용한 선형 위치 센서를 개발할 수 있는 효과가 있게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

Claims (13)

1. 트랜지스터를 스위칭하는 게이트 라인과;

   저장 커패시터에 저장된 전하량을 뽑아내는 데이터 라인과;

   포토 컨덕터에 전압을 인가하는 전원전압 라인과;

   상기 트랜지스터가 오프 상태에서 동작하도록 전압을 인가하는 공통전극 라인과;

   상기 포토 컨덕터에서 나오는 전하를 저장하는 저장 커패시터와;

   상기 게이트 라인에 의해 스위칭되는 트랜지스터와;

   상기 전원전압 라인을 통해 전압을 인가받고, 빛이 들어오면 전기적인 에너지로 변환시키는 포토 컨덕터;

   를 포함하여 이미지를 감지하는 이미지 센서를 구성하는 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 게이트 라인은,

   하이(High)전압을 인가하면 상기 트랜지스터를 온 시키고, 로우(Low)전압을 인가하면 상기 트랜지스터를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 공통전극 라인은,

   상기 트랜지스터가 오프 상태에서 동작할 수 있도록 마이너스 전압을 상기 트랜지스터에 인가하는 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 저장 커패시터는,

   일단은 상기 트랜지스터와 상기 포토 컨덕터의 연결 부분에 연결되고, 다른 일단은 상기 공통전극 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 트랜지스터는,

   게이트 전극이 상기 게이트 라인과 연결되고, 소오스 및 드레인 전극이 데이터 라인과 포토 컨덕터에 연결된 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 트랜지스터는,

   비정질 실리콘 박막 트랜지스터 또는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 또는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 및 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 혼합형성된 박막 트랜지스터 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 포토 컨덕터는,

   일단은 상기 전원전압 라인과 연결되고, 다른 일단은 상기 저장 커패시터와 상기 트랜지스터의 연결 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선형 위치 센서는,

   상기 이미지 센서에서 감지된 광 누설전류값을 출력하는 출력부;

   를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 선형 위치 센서는,

   상기 출력부에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부;

   를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 선형 위치 센서는,

    상기 아날로그-디지털 변환부에서 출력된 디지털 신호에 따라 광원의 위치를 추출하는 추출부;

    를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 추출부는,

    복수개의 상기 이미지 센서로 구성된 복수개의 픽셀에서, N 번째 픽셀의 빛의 세기가 가장 센 경우에 좌우 양옆 픽셀의 빛의 세기를 측정하여 N+1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기가 N-1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기보다 더 밝을 경우 N 번째 픽셀의 이븐 영역에 광원의 위치가 감지된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서.
12. 삭제
13. 이미지 센서를 이용하여 이미지를 감지하는 제 1 단계와;

    상기 제 1 단계에서 감지된 이미지의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제 2 단계와;

    상기 제 2 단계에서 변환된 디지털 신호에 따라 광원의 위치를 추출하는 제 3 단계;

    를 포함하여 수행하고, 상기 제 3 단계는,

    복수개의 상기 이미지 센서로 구성된 복수개의 픽셀에서, N 번째 픽셀의 빛의 세기가 가장 센 경우에 좌우 양옆 픽셀의 빛의 세기를 측정하여 N+1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기가 N-1 번째 픽셀에서 감지한 빛의 세기보다 더 밝을 경우 N 번째 픽셀의 이븐 영역에 광원의 위치가 감지된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 선형 위치 센서의 제어방법.

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