KR101804860B1

KR101804860B1 - 적외선 검출기

Info

Publication number: KR101804860B1
Application number: KR1020170002858A
Authority: KR
Inventors: 이귀로; 박승현; 조태의; 이학용
Original assignee: ㈜시리우스
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2037-01-09

Abstract

본 발명에 따른 적외선을 감지하여 감지 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 셀이 어레이 형태로 배열된 적외선 검출기는 적어도 2개의 열이 그룹화된 그룹을 포함하는 마이크로 볼로미터 어레이; 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 연결되며, 상기 감지 신호의 백그라운드 성분을 제거하는 스키밍 신호를 발생시키는 스키밍 셀; 및 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 연결되며, 상기 감지 신호와 상기 스키밍 신호의 차이를 검출하는 검출회로;를 포함한다.

Description

적외선 검출기 {Infrared Detector}

본 발명은 적외선 검출기에 관한 것이다.

적외선 검출기는 일반적으로 원적외선 복사에 응답하는 광기반 검출기와 열기반 검출기로 나뉜다. 열기반 검출기는 열감지 센서 어레이를 이용하여 대상 물체의 온도 이미지를 생성한다. 이와 같이 피사체에서 방출되는 흑체 복사 에너지를 모아 온도 이미지를 획득하는 장치를 원적외선 열영상 시스템(Far-Infrared Thermal Imaging System)이라 한다.

열기반 검출기는 볼로미터(bolometer), 마이크로 볼로미터(microbolometer), 초전기 및 열전대열을 포함하는 것으로 알려져 있다. 모든 물체에서 흑체 복사하는 8~14μm 대역의 원적외선을 렌즈로 마이크로 볼로미터 상에 집속하면, 마이크로 볼로미터의 온도가 상승/하강하게 되고, 이에 따라 마이크로 볼로미터의 전기적 저항이 변화하게 된다. 따라서, 마이크로 볼로미터 셀의 어레이, 즉, 마이크로 볼로미터 어레이(microbolometer array)를 이용함으로써 대상 장면의 온도 분포를 원격으로 이미징할 수 있게 된다.

이러한 마이크로볼로미터 어레이는 통상 0.1% 이하의 열상에 의한 저항 변화에 따른 신호 크기를 갖는 것에 비해, 기판온도 1도(degree)마다 2~3%의 기판온도 의존성, 그리고 수 %의 공정 비균일성 및 수 %의 회로 미스매치(mismatch)에 따른 신호 변화를 나타낸다.

이와 더불어 전기적 저항체의 온도 변화 특성을 위해서는 바이어스 전압을 인가한 후 전기적 저항체에 흐르는 전류를 측정하거나, 전류 바이어스를 인가한 후 저항체 양단에 걸리는 전압을 측정해야 한다. 이때, 줄열(joule-heating)에 의하여 전기적 저항체의 온도가 상승하게 된다. 이러한 현상을 자체 가열(self-heating)이라 지칭하며, 이는 검출하고자 하는 원적외선 복사와는 무관한 값으로서 반드시 보정되어야 한다.

결국, 마이크로 볼로미터 어레이는 공정/기판온도/자체가열 변화(PTS: process/temperature/self-heating variation)에 의한 FPN(Fixed Pattern Noise) 특성을 갖게 된다.

따라서, 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기에서 FPN 특성을 줄여 적외선 검출 성능을 향상시킬 수 있는 기법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 검출회로를 공유함으로써 FPN 특성을 줄여 적외선 검출 성능을 향상시킬 수 있는 적외선 검출기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 검출회로를 공유함으로써 전력소모를 줄이는 적외선 검출기를 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른, 적외선을 감지하여 감지 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 셀이 어레이 형태로 배열된 적외선 검출기는 적어도 2개의 열이 그룹화된 그룹을 포함하는 마이크로 볼로미터 어레이; 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 연결되며, 상기 감지 신호의 백그라운드 성분을 제거하는 스키밍 신호를 발생시키는 스키밍 셀; 및 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 연결되며, 상기 감지 신호와 상기 스키밍 신호의 차이를 검출하는 검출회로;를 포함한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따른, 적외선을 감지하여 감지 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 셀이 어레이 형태로 배열된 적외선 검출기는 적어도 2개의 행이 그룹화된 그룹을 포함하는 마이크로 볼로미터 어레이; 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 연결되며, 상기 감지 신호의 백그라운드 성분을 제거하는 스키밍 신호를 발생시키는 스키밍 셀; 및 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 연결되며, 상기 감지 신호와 상기 스키밍 신호의 차이를 검출하는 검출회로;를 포함한다.상기 적외선 검출기는 상기 그룹에 포함된 상기 마이크로 볼로미터 셀을 구동하는 구동 신호를 생성하여 제공하는 구동 신호 발생기를 더 포함할 수 있다.

상기 구동 신호 발생기는 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들을 상기 어레이의 열들을 따라 차례로 구동시키는 구동 신호를 생성할 수 있다.

상기 구동 신호 발생기는 상기 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들을 상기 어레이의 행들을 따라 차례로 구동시키는 구동 신호를 생성할 수 있다.

상기 스키밍 셀은 단일 셀 또는 복수개의 셀들의 어레이로 구성될 수 있다.

상기 스키밍 셀은 웜셀 또는 콜드셀을 포함할 수 있다.

상기 검출회로는 용량성 트랜스-임피던스 증폭기(CTIA: capacitive trans-impedance amplifier)를 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 검출기에 따르면, 마이크로 볼로미터 어레이를 복수개의 그룹으로 분할하고 복수개의 그룹 각각에 속한 마이크로 볼로미터 셀들이 하나의 스키밍 셀과 하나의 검출회로를 공유하도록 구성함으로써 적외선 검출기의 면적이 작아지며, 그에 따른 전력 소모도 작아진다.

구체적으로, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 검출기에 따르면, 검출회로를 공유함으로써 FPN(Fixed Pattern Noise)을 줄일 수 있으며 또한, 검출회로의 면적을 감소시키고, 검출회로의 전력소모를 감소시킬 수 있으며, 스키밍 셀을 공유함으로써 스키밍 셀의 비균일도를 감소시키고, 스키밍 셀에서 발생하는 저주파 잡음을 감소시킬 수 있다.

또한, 마이크로 볼로미터 어레이의 각 그룹 내의 마이크로 볼로미터 셀들은 검출회로 및 스키밍-셀에 의한 고정패턴 잡음이 동일하게 발생하기 때문에 비균일도 보정(NUC, Non-uniformity correction) 과정에서 소용되는 시간과 비용이 감소한다. 또한, 적외선 검출기의 해상도가 다를 경우에도 기 설계된 검출회로의 재사용이 가능해진다.

즉, H-by-V 해상도에서 단일 행(또는 열)이 공유하는 검출회로와 H/n-by-H/n 해상도에서 n개의 행(또는 열)이 공유하는 검출회로는 전기적 검출 특성이 동일하므로, 적외선 검출기의 오류 검출 및 보정이 용이해진다.

도 1은 마이크로 볼로미터 기반 적외선 검출기의 신호 검출 회로(ROIC)의 기본 구성도이다.
도 2는 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다.
도 6은 도 5의 적외선 검출기의 회로도의 일 예를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 볼로미터 셀들의 판독 순서를 나타낸 도면이다.

본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하기에 충분하도록 상세히 설명된다. 특정 실시예 이외의 다른 실시예는 서로 상이하지만 상호배타적일 필요는 없다. 아울러, 후술의 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아님을 이해해야 한다.

첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대한 상세한 설명은, 그에 수반하는 도면들과 연관하여 읽히게 되며, 도면은 전체 발명의 설명에 대한 일부로 간주된다. 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도를 갖지 않는다.

구체적으로, "아래, 위, 수평, 수직, 상측, 하측, 상향, 하향, 상부, 하부" 등의 위치를 나타내는 용어나, 이들의 파생어(예를 들어, "수평으로, 아래쪽으로, 위쪽으로" 등)는, 설명되고 있는 도면과 관련 설명을 모두 참조하여 이해되어야 한다. 특히, 이러한 상대어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 장치가 특정 방향으로 구성되거나 동작해야 함을 요구하지는 않는다.

또한, "장착된, 부착된, 연결된, 이어진, 상호 연결된" 등의 구성 간의 상호 결합 관계를 나타내는 용어는, 별도의 언급이 없는 한, 개별 구성들이 직접적 혹은 간접적으로 부착 혹은 연결되거나 고정된 상태를 의미할 수 있고, 이는 이동 가능하게 부착, 연결, 고정된 상태뿐만 아니라, 이동 불가능한 상태까지 아우르는 용어로 이해되어야 한다.

도 1은 마이크로 볼로미터 기반 적외선 검출기의 신호 검출 회로(ROIC)의 기본 구성도이다. 마이크로 볼로미터 기반 적외선 검출기는 마이크로 볼로미터 셀(10), 스키밍 셀(20) 및 검출회로(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 검출회로(30)는 적분기를 포함할 수 있다. 이하의 설명에서, 검출회로(30)는 적분기(30)라고도 칭할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 마이크로 볼로미터 셀(10)은 제1소스팔로워(11) 마이크로 볼로미터(12) 및 제1스위치(13)를 포함하여 구성될 수 있다. 마찬가지로 스키밍 셀(20) 또한 제2소스팔로워(21)와 기준 마이크로 볼로미터(22)를 포함하여 구성될 수 있다. 제2 마이크로 볼로미터(22)는 원격의 온도 신호에 반응하지 않으며 제2 마이크로 볼로미터(22)에 흐르는 전류(Ir)는 원격 온도 신호와 무관한 고정된 값을 가질 수 있다. 또한, 스키밍 셀(20)은 마이크로 볼로미터 어레이의 동일한 행 또는 열에 위치하는 셀들이 서로 공유할 수 있다.

도 1에서 적분기(30)는 용량성 트랜스-임피던스 증폭기(CTIA: capacitive trans-impedance amplifier)일 수 있다. 이와 같은 적분기(30)를 통해, 적분기(30)에 입력되는 전류 신호가 전압 신호로 변환 및 증폭되어 Vout으로 출력될 수 있다. 적분기(30)에 입력되는 신호에 대해서는 아래에서 살펴본다. 캐패시터(31)는 적분기(30)의 입출력 사이, 즉 궤환 경로에 결합된다. 캐패시터(31)의 사이즈에 따라 적분기(30) 출력의 이득이 제어될 수 있다. 적분기(30)는 캐패시터(31) 상에 전하를 축적함으로써 전류-전압 변환을 수행한다. 적분기(30)는 리셋 스위치(미도시)를 더 포함하여 적분기(30)에 의해 수행되는 전류에서 전압으로의 변환을 리셋(reset)하도록 제공될 수 있다.

비록, 도 1에는 도시되지 않았지만, 적분기(30)에서 출력되는 신호는 증폭기, 다중화기 및/또는 ADC(analog to digital converter)에 전달되어 처리된 후 최종적으로 적외선 피사체의 이미지를 디스플레이할 수 있는 전기 신호가 출력될 수 있다. 이때, 적분기(30) 후단의 ADC를 포함한 회로들의 동적 범위(dynamic range)를 줄이기 위해서 적분기(30)에 불필요한 DC 신호가 제거되어 입력될 수 있다.

즉, 마이크로 볼로미터 셀(10)에 흐르는 전류(Ia)와, 스키밍 셀(20)에 흐르는 전류(Ir)의 차이 신호(Ir-Ia)만이 적분기(30)로 입력될 수 있다. 바람직하게, 상기 차이 신호(Ir-Ia)는 마이크로 볼로미터 셀(10)에서 적외선 피사체에 의한 신호 변화량을 나타낼 수 있다. 따라서, 마이크로 볼로미터 셀(10)과 스키밍 셀(20)은 전기적 특성 등이 동일하도록 설계될 수 있다.

도 1의 A 지점에서의 신호(Iout)은 아래와 같이 표현될 수 있다.

Iout=Ia-Ir=Va/Ra-Vr/Rr 수학식 (1)

여기서, Ra 및 Rr은 각각 마이크로 볼로미터(12)와 기준 마이크로 볼로미터(22)의 전기적 저항값이며, Va=Vfid-Vgsn로서 마이크로 볼로미터(12)의 양단에 걸리는 전압이고, Vr=Vskim-Vgsk-Vgsp로서 기준 마이크로 볼로미터(22)의 양단에 걸리는 전압이다.

이때, Vfid는 마이크로 볼로미터 셀(10)의 제1 소스팔로워(11)에 공통으로 인가되는 DC 전압이고, Vskim-Vgsk는 스키밍 셀(20)의 제2 소스팔로워(21)에 공통으로 인가되는 DC 전압이다.

도 1에서 제1소스팔로워(11)로 NMOS 트랜지스터 그리고 제2소스팔로워(21)로 PMOS 트랜지스터가 예시된다. Vgsn은 NMOS 트랜지스터(11)의 게이트와 소스 사이에 걸리는 전압, 그리고 Vgsp는 PMOS 트랜지스터(21)의 게이트와 소스 사이에 걸리는 전압을 나타낸다.

수학식(1)과 같이 직류 바이어스(DC Bias)를 제거함으로써 불필요하게 소모되는 동적 범위를 줄여 나가는 것을 스키밍(Skimming)이라 한다. 이외에도 마이크로 볼로미터와 기준 마이크로 볼로미터간의 부정합(Mismatch)으로 인한 교정(Calibration)이 필요하며, 이는 VFID, VEB 그리고 VSKIM을 조정함으로써 교정(Calibration)을 수행할 수 있다.

또한, 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 기판온도 변화에 다른 FPN을 줄이기 위하여, 통상적으로 열전냉각기(TEC: Thermo Electric Cooler)를 사용하여 기판의 온도를 일정한 값으로 고정시킬 수 있다. 하지만, 이러한 열전 냉각기는 적외선 검출기를 제조함에 있어 원가 상승 요인이면서 온도 조절을 위해 많은 전력을 소모하게 된다.

마이크로 볼로미터는 저항성 적외선 검출 소자로서 적외선 검출 과정 동안에 가해진 전기적인 에너지가 저항에서 소모되어 열 에너지로 변환되게 된다. 즉, 적외선 검출 과정 동안에 마이크로 볼로미터의 온도가 자체적으로 상승하는 현상이 발생하며 이를 자체 가열(self-heating)이라고 지칭한다.

따라서, 마이크로 볼로미터는 적외선 검출 과정 이후 상승된 온도를 냉각시키기 위한 시간이 필요하므로 하드웨어의 효율성을 높이기 위해 여러 개의 마이크로 볼로미터 셀이 하나의 ROIC(Read-Out Integrated Circuit)를 공유할 수 있다. 전술한 구성의 적외선 검출기를 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다.

구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 볼로미터 어레이에서 복수개의 열의 각각에 하나의 검출회로(300)가 대응하여 연결되어 있다. 다시 말해, 각 열의 마이크로 볼로미터들은 하나의 검출회로(300)를 공유하고 있다. 또한, 각 열의 마이크로 볼로미터들은 하나의 스키밍 셀(200)을 공유할 수 있다.

이러한 구성의 적외선 검출기는 각 열마다 검출회로(300)와 스키밍 셀(200)을 구비해야 하므로, 회로 면적이 커지고 전력 소모가 크다. 따라서, 적외선 검출기의 원가 상승의 요인이 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기는 적외선을 감지하여 전류 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 셀이 N개의 열 및 M개의 행 (N X M, 여기서 N 및 M은 2 이상의 정수) 형태로 배열된 마이크로 볼로미터 어레이(N X M 어레이)를 포함한다. 예컨대, 적외선 검출기는 복수의 열/행으로 구성된 마이크로 볼로미터 초점면 배열(FPA, Focal Plane Array)을 포함할 수 있다.

이러한 마이크로 볼로미터 어레이는 각각 적어도 2개의 열을 갖는 그룹들(400-1, 400-2, …, 400-I)로 그룹화되어 있다. 도 3에서는 복수개의 그룹들(400-1, 400-2, …, 400-I)은 각각 2개의 열을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 각 그룹은 적외선 검출기의 설계 조건 및 용도에 따라 정해진 개수의 열들을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 복수개의 그룹들은 각각 적어도 2개의 행들을 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다.

도 4를 참조하면, 마이크로 볼로미터 어레이는 각각 적어도 2개의 행을 갖는 그룹들(500-1, 500-2, …, 500-J)로 그룹화되어 있다. 도 4에서는 복수개의 그룹들(500-1, 500-2, …, 500-J)은 각각 2개의 행을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 각 그룹은 적외선 검출기의 설계 조건 및 용도에 따라 정해진 개수의 행들을 포함할 수 있다.또한, 적외선 검출기는 상기 하나 이상의 그룹들 각각에 대응하며, 상기 각 그룹으로부터의 감지 신호의 백그라운드 성분을 제거하기 위한 스키밍 신호를 발생시키는 스키밍 셀(200) 및, 상기 하나 이상의 그룹들 각각에 대응하며, 상기 각 그룹의 모든 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 연결되고 상기 감지 신호와 상기 스키밍 신호의 차이를 검출하는 하나 이상의 검출회로(300)를 포함한다.

구체적으로 설명하면, 적외선 검출기는 각 그룹별로 스키밍 셀(200) 및 검출회로(300)를 구비한다. 다시 말해, 하나의 그룹에 속한 마이크로 블로미터 셀들은 하나의 스키밍 셀(200) 및 하나의 검출회로(300)를 공유한다. 스키밍 셀(200)은 각 그룹에 포함된 모든 마이크로 볼로미터 셀들(100)에 연결되어 있다. 스키밍 셀(200)은 마이크로 볼로미터 셀로부터 발생하는 감지 신호의 백그라운드 성분을 제거하기 위하여 스키밍 신호를 발생시킨다.

스키밍 셀(200)로서는 통상 자기 가열 효과가 없는 콜드셀(cold cell) 또는 자기가열 상쇄가 가능한 웜셀(warm cell)을 사용할 수 있다.

콜드셀은 거의 무한대의 열전도도를 갖는 자기 가열이 거의 없는 셀로서, 자기 가열이 있는 감지셀과의 열적 부정합성이 존재하지만 웜셀을 이용하면 이와 같은 문제점을 해소할 수 있다.

웜셀은 감지셀과 동일한 공정을 이용하여 제조되며, 감지셀과 동일한 바디부를 갖고 동일한 전기적 특성을 가지나, 레그부에 추가적 열전달 경로를 만들어 줌으로써 열전도도의 임의적 조절이 가능하도록 만들어진 스키밍셀의 일종이다. 웜셀을 사용하면 감지 시간 동안 자기 가열된 감지셀의 평균 온도 상승을 정상상태의 웜셀 온도상승과 상쇄가 가능하다. 이러한 자기 가열 상쇄가 가능한 웜셀은 아래와 같은 특성을 갖는다.

(1) 전기적 저항값 및 전류 흐름에 대한 마이크로 볼로미터 셀(100)과의 전기적 정합성이 우수하다.

(2) 바디부 내에서의 열 흐름에 대한 마이크로 볼로미터 셀(100)과의 열적 정합성이 우수하다.

(3) 1/f 잡음이 작고, 적외선에 대한 반응도가 낮다.

(4) 소정 범위의 열전도도를 조절하여, 자기 가열량을 임의로 조정함으로써 마이크로 볼로미터 셀(100)과의 자기 가열 효과를 상쇄시킬 수 있다.

또한, 검출회로(300)는 각 그룹에 포함된 모든 마이크로 볼로미터 셀들(100)에 연결된다. 각 그룹의 마이크로 볼로미터 셀(100)들이 연결된 검출회로(300)를 통해서 읽기, 즉 감지되어 적분된다. 예컨대, 제1시간 구간에서 각 그룹의 마이크로 볼로미터 셀들(100)중 하나가 검출회로(300)를 통해서 판독되고, 이어지는 제2시간 구간 동안에 각 그룹의 마이크로 볼로미터 셀들(100)중 그 다음 마이크로 볼로미터(100)가 검출회로(300)를 통해서 판독될 수 있다. 이러한 방식으로 복수개의 그룹에 속한 마이크로 볼로미터 셀들(100)이 순차적으로 판독된다. 즉, 하나의 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들(100)은 한번에 하나씩 판독될 수 있다.

도 3 및 도 4에는 각 그룹에 속한 마이크로 볼로미터 셀들이 하나의 스키밍 셀을 공유하는 것으로 도시되었지만, 2개 이상의 스키밍 셀을 공유할 수도 있다. 예컨대, 스키밍 셀은 단일 셀 도는 복수개의 셀들의 어레이로 구성될 수 있다. 또한, 스키밍 셀(300)에 사용되는 셀들의 종류은 웜셀 또는 콜드셀을 포함할 수 있다.

또한, 도 3 및 도 4에 도시되지 않았지만, 적외선 검출기는 상기 하나 이상의 그룹들 각각에 상기 마이크로 볼로미터 셀을 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 제공하는 구동 신호 발생기를 더 포함할 수 있다.

이와 같이, 마이크로 볼로미터 어레이를 복수개의 그룹으로 분할하고 복수개의 그룹 각각에 속한 마이크로 볼로미터 셀들이 하나의 스키밍 셀(200)과 하나의 검출회로(300)를 공유하도록 구성함으로써 적외선 검출기의 면적이 작아지며, 그에 따른 전력 소모도 작아진다.

또한, 적외선 검출기의 면적이 작아짐에 따라, 공정/기판온도/자체가열 변화(PTS: process/temperature/self-heating variation)에 의한 FPN(Fixed Pattern Noise)가 작아지는 효과가 있다.

한편, 상기 복수개의 그룹의 각각은 상기 각 그룹에 연결된 상기 스키밍 셀 및 상기 검출회로를 포함하여 모듈화될 수 있다. 그에 따라, 어레이 사이즈가 작은 적외선 검출기는 마이크로 볼로미셀 셀들의 하나의 그룹을 하나의 검출 구성요소로서 사용하면 되고, 어레이 사이즈가 큰 적외선 검출기는 복수개의 그룹을 하나의 검출 구성요소로서 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 검출기를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기는 적외선을 감지하여 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 셀이 N개의 열 및 M개의 행 (N X M, 여기서 N 및 M은 2 이상의 정수) 형태로 배열된 마이크로 볼로미터 어레이(N X M 어레이)를 포함한다. 본 실시예에서는 N X M 의 마이크로 볼로미터 어레이에 대해 하나의 스키밍 셀(200) 및 하나의 검출회로(300)를 포함하고 있다. 즉, 도 5의 적외선 검출기는 하나의 그룹으로 그룹화된 마이크로 볼로미터 셀들의 어레이와 상기 하나의 그룹에 연결된 하나의 스키밍 셀(200) 및 하나의 검출회로(300)를 포함한다. 도 5의 적외선 검출기의 구체적인 구성은 도 6에 도시되어 있다.

도 6은 도 5의 적외선 검출기의 회로도의 일 예를 도시한다.

도 6을 참조하면, 마이크로 볼로미터 어레이의 복수개의 열은 하나의 스키밍 셀(200) 및 하나의 검출회로(300)을 공유하고 있다. 이와 같이, 마이크로 볼로미터 어레이의 마이크로 볼로미터 셀들(100)은 하나의 스키밍 셀(200) 및 하나의 검출회로(300)을 공유하고 있기 때문에, 순차적으로 판독되어야 한다. 마이크로 볼로미터 어레이의 마이크로 볼로미터 셀들(100)은 열 스위칭 신호(CSEL)와 행 스위칭 신호(RSEL)를 포함하는 구동 신호에 의해 구동된다. 이를 위해, 도 5 및 도 6에는 도시하지 않았지만, 적외선 검출기는 구동 신호를 발생시키는 구동 신호 발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 구동 신호는 도시되지 않은 논리 회로나 논리 구성요소를 통해 각 마이크로 볼로미터 셀에 제공될 수 있다.

구동 신호 발생기는 각 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들(100)을 순차적으로 판독하기 위한 구동 신호를 발생시킨다. 만약 마이크로 볼로미터 어레이(400)의 복수개의 열들이 하나가 아닌 복수개의 그룹으로 그룹화되어 있으면, 각각의 그룹을 위한 구동 신호들을 동시에 생성할 수 있다.

구동 신호 발생기는 각 그룹에 속한 마이크로 볼로미터 셀들(100)을 구동시키는 순서에 기초하여 구동 신호를 생성할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 볼로미터 셀들의 판독 순서를 나타낸 도면이다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따라 제1 열에 속한 마이크로 볼로미터 셀들이 먼저 판독되고 제2열의 마이크로 셀들이 판독되는 방식으로 마이크로 볼로미터 어레이를 판독한다. 따라서, 제1열 및 제1행의 마이크로 볼로미터 셀이 가장 먼저 판독되고, 제1열 및 제2행의 마이크로 볼로미터 셀이 판독된다.

이 경우, 구동 신호 발생기는 상기 각 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들을 상기 어레이의 열들에 따라 차례로 구동시키는 구동 신호를 생성하여 각 그룹에 제공한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따라, 제1행에 속한 마이크로 볼로미터 셀들이 먼저 판독되고 제2행의 마이크로 셀들이 판독되는 방식으로 마이크로 볼로미터 어레이를 판독한다. 따라서, 제1열 및 제1행의 마이크로 볼로미터 셀이 가장 먼저 판독되고, 제2열 및 제1행의 마이크로 볼로미터 셀이 판독된다. 상기 구동 신호 발생기는 상기 각 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들을 행들에 따라 차례로 구동시키는 구동 신호를 생성하여 각 그룹에 제공한다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 검출기에 의하면, 마이크로 볼로미터 어레이를 복수개의 그룹으로 분할하고 복수개의 그룹 각각에 속한 마이크로 볼로미터 셀들이 하나의 스키밍 셀(200)과 하나의 검출회로(300)를 공유하도록 구성함으로써 적외선 검출기의 면적이 작아지며, 그에 따른 전력 소모도 작아진다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 검출기에 의하면, 검출회로를 공유함으로써 검출회로의 면적을 감소시키고, 검출회로의 전력소모를 감소시킬 수 있으며, 스키밍 셀을 공유함으로써 스키밍 셀의 비균일도를 감소시키고, 스키밍 셀에서 발생하는 저주파 잡음을 감소시킬 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 마이크로 볼로미터 셀
200: 스키밍 셀
300: 검출회로
400: 마이크로 볼로미터 어레이

Claims

적외선을 감지하여 감지 신호를 출력하는 마이크로 볼로미터 셀이 어레이 형태로 배열된 적외선 검출기에 있어서,
동일한 열에 배치된 적어도 2개의 마이크로 볼로미터 셀과 동일한 행에 배치된 적어도 2개의 마이크로 볼로미터 셀을 각각 포함하는 복수개의 그룹을 포함하는 마이크로 볼로미터 어레이;
상기 복수개의 그룹마다 하나씩 구비되며, 상기 복수개의 그룹의 각 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 병렬 연결되며, 상기 감지 신호의 백그라운드 성분을 제거하는 스키밍 신호를 발생시키는 복수개의 스키밍 셀;
상기 복수개의 그룹마다 하나씩 구비되며, 상기 복수개의 그룹의 각 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들에 모두 병렬 연결되며, 상기 감지 신호와 상기 스키밍 신호의 차이를 검출하는 복수개의 검출회로; 및
상기 복수개의 그룹의 각 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들을 순차적으로 구동시키기 위한 구동 신호들을 생성하는 구동 신호 발생기;를 포함하며,
상기 각 그룹의 마이크로 볼로미터 셀들은 서로 연결되며, 동일한 열 또는 행에 배치된 모든 마이크로 볼로미터 셀이 서로 병렬로 연결되고,
상기 각 그룹에서 서로 병렬로 연결된 마이크로 볼로미터 셀들의 열들 또는 행들이 병렬로 연결되고, 상기 복수개의 스키밍 셀들 중 하나 및 상기 복수개의 검출회로들 중 하나에 연결되며,
상기 구동 신호 발생기는 상기 각 그룹에 포함된 마이크로 볼로미터 셀들을 상기 각 그룹의 적어도 2개의 열 또는 행을 따라 순차적으로 구동시키기 위한 구동 신호들을 생성하며,
상기 구동 신호는 열 스위칭 신호 및 행 스위칭 신호를 포함하는 적외선 검출기.
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제1항에 있어서,
상기 스키밍 셀은 단일 셀 또는 복수개의 셀들의 어레이로 구성되는 적외선 검출기.
제1항에 있어서,
상기 스키밍 셀은 웜셀 또는 콜드셀을 포함하는 적외선 검출기.
제1항에 있어서,
상기 검출회로는 용량성 트랜스-임피던스 증폭기(CTIA: capacitive trans-impedance amplifier)를 포함하는 적외선 검출기.