KR101402838B1 - 조도 및 근접도 센서 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 적외선, 및 녹색광을 감지하고, 감지된 결과에 상응하는 제1 감지 신호를 출력하는 제1 센싱부, 가시광선을 차단하고 적외선을 감지하며, 감지된 결과에 상응하는 제2 감지 신호를 출력하는 제2 센싱부, 및 상기 제1 감지 신호로부터 상기 제2 감지 신호를 뺀 결과인 제1 차이 값을 이용하여 조도를 산출하고, 상기 제2 감지 신호로부터 상기 제1 차이 값을 뺀 결과인 제2 차이 값을 이용하여 근접도를 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

조도 및 근접도 센서{AN APPARATUS FOR SENSING AN INTENSITY OF ILLUMINATION AND A PROXIMITY}
실시 예는 조도 센싱 및 근접도 센싱을 구현할 수 있는 근접 조도 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변화시키는 반도체 소자이며, 그 종류에는 CCD(Charge Coupled Device) 방식의 소자 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 방식의 소자가 있다.
이미지 센서는 카메라가 장착되는 기기, 예컨대, 모바일 폰(mobile phone) 등에 사용될 수 있다. 이러한 기기에서는 일반적으로 이미지 센서뿐만 아니라 피사체(subject)가 기기로부터 얼마나 떨어져 있는가를 측정하는 근접 센서, 및 외부의 광의 밝기를 측정하는 조도 센서를 별도로 구비한다.
예를 들어, 근접 센서에 의하여 측정된 근접 정도에 따라 모바일 폰의 백라이트 유닛의 전력 소모를 조절하거나, 터치 센서(touch sensor)의 작동 여부를 결정하여 오동작을 방지할 수 있다. 또한 조도 센서에 의하여 측정된 외부 광의 밝기에 따라 모바일 폰의 표시 장치의 밝기를 조절하여 전력 소모를 줄일 수 있다.
그런데 일반적으로 조도 센서는 적외선(Infrared Rays, IR)을 제거하는 적외선 차단 필터(IR cutoff filter)가 필요하고, 근접 센서는 적외선만을 통과시키는 적외선 통과 필터(IR pass filter)가 필요하기 때문에 단일 칩으로 조도 센싱, 및 근접 센싱을 구현하는 것이 쉽지 않다.
실시 예는 1개의 칩으로 구현 가능하고, 칩 사이즈를 감소시킬 수 있고, 제조 비용을 감소시켜 가격 경쟁력을 높일 수 있는 조도 및 근접도 센서를 제공한다.
실시 예는 적외선, 및 녹색광을 감지하고, 감지된 결과에 상응하는 제1 감지 신호를 출력하는 제1 센싱부, 가시광선을 차단하고 적외선을 감지하며, 감지된 결과에 상응하는 제2 감지 신호를 출력하는 제2 센싱부, 및 상기 제1 감지 신호로부터 상기 제2 감지 신호를 뺀 결과인 제1 차이 값을 이용하여 조도를 산출하고, 상기 제2 감지 신호로부터 상기 제1 차이 값을 뺀 결과인 제2 차이 값을 이용하여 근접도를 산출하는 제어부를 포함한다.
상기 제1 센싱부는 제1 렌즈; 상기 제1 렌즈 아래에 위치하고, 녹색광 및 적외선만을 통과시키는 제1 필터; 상기 제1 필터 아래에 위치하고, 상기 제1 필터를 통과한 녹색광을 감지하는 제1 픽셀; 및 상기 제1 픽셀 아래에 위치하고, 상기 제1 필터를 통과한 적외선을 감지하는 제1 적외선 픽셀을 포함할 수 있다.
제2 센싱부는 제2 렌즈; 상기 제2 렌즈 아래에 위치하고, 가시광선을 차단하고 적외선을 통과시키는 제2 필터; 상기 제2 필터 아래에 위치하고, 상기 제2 필터를 통과한 상기 적외선을 감지하는 제2 적외선 픽셀을 포함할 수 있다.
상기 제2 필터는 블루 칼라 필터 위에 레드 칼라 필터가 적층된 구조일 수 있다.
상기 제2 센싱부는 상기 제2 필터와 상기 제2 적외선 픽셀 사이에 위치하는 제2 픽셀을 더 포함할 수 있다.
실시 예는 1개의 칩으로 구현 가능하고, 칩 사이즈를 감소시킬 수 있고, 제조 비용을 감소시켜 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 조도 및 근접도 센서를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 및 제2 센싱부들의 구조를 나타낸다.
도 3은 파장에 따른 흡수율 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 센싱부들의 구조를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 조도 및 근접도 센서를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 조도 및 근접도 센서(100)를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 제1 및 제2 센싱부들(110, 120)의 구조를 나타낸다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 조도 및 근접도 센서(100)는 센싱부(107), 및 제어부(140)를 포함한다.
센싱부(107)는 조도 및 근접도를 측정할 수 있으며, 제1 센싱부(110), 및 제2 센싱부(120)를 구비할 수 있다.
제1 센싱부(110)는 적외선, 및 특정 파장 영역을 갖는 제1 가시 광선을 감지하고, 감지된 결과에 상응하는 제1 감지 신호(SR1)를 출력한다. 예컨대, 감지하는 적외선의 파장은 800nm ~ 1100nm일 수 있고, 제1 가시 광선의 파장은 500nm ~ 600nm일 수 있다. 제1 센싱부(110)로 유입되는 적외선은 피사체(10)에 의해 반사된 것일 수 있다.
제1 센싱부(110)는 제1 렌즈(151)와, 제1 렌즈(151) 아래에 위치하는 제1 필터(116)와, 제1 필터(116) 아래에 위치하는 제1 픽셀(112)과, 제1 픽셀(112) 아래에 위치하는 제1 적외선 픽셀(112)을 구비할 수 있다.
제1 렌즈(151)는 빛을 집광할 수 있고, 제1 필터(116)는 녹색광, 및 적외선만을 통과시킬 수 있다.
제1 픽셀(114)은 제1 필터(116)를 통과한 녹색광을 감지(또는 흡수)할 수 있고, 제1 적외선 픽셀(112)은 제1 필터(116)를 통과한 적외선을 감지(또는 흡수)할 수 있다. 제1 적외선 픽셀(112) 및 제1 픽셀(114)은 제1 도전형(예컨대, P형) 반도체 기판(미도시)에 제1 도전형 불순물(예컨대, N형 불순물)이 주입되어 형성되는 PN 접합의 포토다이오드(photodiode)로 구현될 수 있다.
제1 필터(116)은 그린 칼라 필터(green color filter)일 수 있다.
제1 센싱부(110)가 감지하는 광을 제1 감지 광(sensing light)이라 할 때, 제1 감지 광은 적외선 및 녹색광일 수 있으며, 제1 감지 신호(SR1)는 제1 센싱부(110)가 제1 감지 광을 감지하고, 감지된 결과에 따라 출력하는 신호일 수 있다.
제1 감지 신호(SR1)는 제1 적외선 픽셀(112)에 의한 적외선의 감지(또는 흡수)에 상응하여 발생하는 신호와 제1 픽셀(114)에 의한 제1 가시 광선의 감지(또는 흡수)에 상응하여 발생하는 제2 신호를 합한 것일 수 있다.
제2 센싱부(120)는 가시광선을 차단하고 적외선을 감지하며, 감지된 결과에 상응하는 제2 감지 신호(SR2)를 출력한다. 제2 센싱부(120)로 유입되는 적외선은 피사체(10)에 의해 반사된 것일 수 있다.
제2 센싱부(120)는 제2 렌즈(152)와, 제2 렌즈(152) 아래에 위치하는 제2 필터(129)와, 제2 필터(129) 아래에 위치하는 제2 픽셀(124)과, 제2 픽셀(124) 아래에 위치하는 제2 적외선 픽셀(122)을 구비할 수 있다.
제2 렌즈(152)는 빛을 집광할 수 있다. 제2 필터(129)는 가시광선을 차단하고 적외선만을 통과시킬 수 있다. 제2 적외선 픽셀(122)은 제2 필터(129)를 통과한 적외선을 감지할 수 있다.
제2 필터(129)는 청색광만을 통과시키는 블루 칼라 필터(126) 위에 적색광만을 통과시키는 레드 칼라 필터(128)가 적층된 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것을 아니며, 가시광선을 차단하는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 다른 실시 예에서 제2 필터(129)는 블루 칼라 필터, 레드 칼라 필터, 및 녹색 칼라 필터가 수직 적층된 구조일 수도 있다.
제2 센싱부(120)가 감지하는 광을 제2 감지 광이라 할 때, 제2 감지 광은 적외선일 수 있으며, 제2 감지 신호(SR2)는 제2 센싱부(120)가 제2 감지 광을 감지하고, 감지된 결과에 따라 출력하는 신호일 수 있다.
제2 감지 신호(SR2)는 제2 적외선 픽셀(122)에 의한 적외선 감지(또는 흡수)에 상응하여 발생하는 제3 신호(S3)일 수 있다.
제2 적외선 픽셀(122) 및 제2 픽셀(124)은 제1 도전형(예컨대, P형) 반도체 기판(미도시)에 제1 도전형 불순물(예컨대, N형 불순물)이 주입되어 형성되는 PN 접합의 포토다이오드(photodiode)로 구현될 수 있다.
제2 픽셀(124)이 감지하는 광은 거의 미비하지만, 제1 픽셀(114)과 제2 픽셀(124)을 구현하기 위한 각각의 포토다이오드는 동일한 공정 조건(예컨대, 동일한 마스크, 동일한 불순물 농도 등)으로 형성될 수 있다.
제1 픽셀(114)과 제1 적외선 픽셀(112)은 제1 필터(116)에 수직 정렬될 수 있고, 제2 픽셀(124)과 제2 적외선 픽셀(122)은 제2 필터(129)에 수직 정렬될 수 있다.
도 3은 파장에 따른 흡수율 스펙트럼을 나타낸다.
도 3을 참조하면, g1은 제1 센싱부(110)가 흡수하는 광(제1 감지 광)의 흡수율 스펙트럼(또는 분광 특성)에서 제2 센싱부(120)가 흡수하는 광(제2 감지 광)의 흡수율 스펙트럼을 뺀 결과를 나타낸다.
g1은 조도를 인식할 수 있는 500nm ~ 600nm 파장에서 피크 값을 갖는 흡수율 스펙트럼을 가질 수 있다. 즉 g1은 조도 센서가 되기 위한 분광 특성을 가질 수 있기 때문에, g1을 이용하여 조도 센서의 구현이 가능할 수 있다.
제어부(140)는 제1 센싱부(110)가 출력하는 제1 감지 신호(SR1) 및 제2 센싱부(120)가 출력하는 제2 감지 신호(SR2)의 차를 이용하여, 외부로부터 유입되는 빛의 밝기인 조도(intensity of illumination)를 산출할 수 있다.
예컨대, 제어부(140)는 제1 감지 신호(SR1)에서 제2 감지 신호(SR2)를 뺀 결과인 제1 차이 값(SR1-SR2)에 기초하여, 조도(L)를 측정할 수 있다. 제1 센싱부(110) 및 제2 센싱부(120)가 복수 개일 경우에는 산출된 복수의 조도들의 평균값을 조도로 이용할 수 있다.
g2는 제2 센싱부(120)가 흡수하는 광(제2 감지 광)의 흡수율 스펙트럼을 나타낸다. 제2 센싱부(120)가 적외선만을 센싱하기 위해서는 제2 감지 광에는 가시 광선이 포함되지 않고, 적외선만 포함되어야 한다. 그런데 g2를 참조하면, 500nm, 600nm, 700nm ~ 800nm의 파장에서 흡수율 스펙트럼 값(이하 "노이즈(noise)"라 함)이 존재할 수 있다. 이는 블루 칼라 필터(126) 위에 레드 칼라 필터(128)가 적층된 구조를 갖는 제2 필터(129)가 완벽하게 가시광선 영역의 빛을 차단하지 못하기 때문일 수 있다. 실시 예는 이러한 노이즈를 제거하기 위하여 g2에서 g1을 뺀다.
g3는 g2에서 g1을 뺀 결과(g2-g1)를 나타낸다. 예컨대, g3는 g2에서 g1을 뺀 결과(g2-g1)에서 (-) 부분을 0으로 변경한 결과일 수 있다. 이는 적외선 영역 이외의 영역은 흡수율을 강제로 0으로 만들기 위함이다.
g3는 대략 750nm 이상의 적외선 파장에서만 흡수 스펙트럼을 갖기 때문에 g3를 이용하여 근접도를 측정할 수 있다.
제어부(140)는 g3의 분광 특성을 이용하여 피사체(10)의 근접도(P)를 산출할 수 있다. 제어부(140)는 제2 감지 신호(SR2), 및 제1 감지 신호(SR1)와 제2 감지 신호(SR1)의 제1 차이 값(SR1-SR2)을 이용하여, 피사체(10)의 근접도(P)를 산출할 수 있다.
예컨대, 제어부(140)는 제2 감지 신호(SR2)에서 제1 차이 값(SR1-SR2)을 뺀 결과인 제2 차이 값(SR2-(SR1-SR2))에 따라 근접도(P)를 산출할 수 있다. 피사체(10)와의 근접도에 따라 결과(SR2-(SR1-SR2))가 달라질 수 있다. 상술한 바와 같이 노이즈가 제거되기 때문에 블루 칼라 필터(126) 위에 레드 칼라 필터(128)가 적층된 구조를 갖는 제2 필터(129)를 사용하더라도 실시 예는 정확한 근접도 측정이 가능할 수 있다.
실시 예는 제1 센싱부(110) 및 제2 센싱부(120)에 의하여 조도 및 근접도를 모두 측정할 수 있기 때문에, 1개의 칩으로 조도 센서 및 근접도 센서를 동시에 구현할 수 있으며, 칩 사이즈를 감소시킬 수 있고, 제조 비용을 감소시켜 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
또한 실시 예는 제1 센싱부(110) 및 제2 센싱부(120)에서 가시광선용 제1 및 제2 픽셀(114, 124))과 제1 및 제2 적외선 픽셀(112, 122)이 수직 연쇄적으로 배치되는 구조를 갖기 때문에, 개별적인 이온 주입 마스크를 사용하지 않고 동일한 이온 주입 마스크를 사용하여 제1 및 제2 픽셀(114, 124))과 제1 및 제2 적외선 픽셀(112, 122)을 동시에 형성할 수 있다.
도 4는 실시 예에 따른 이미지 센서(200)를 나타내고, 도 5는 도 4에 도시된 센싱부들의 구조를 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이미지 센서(200)는 센싱부(107-1) 및 제어부(140)를 포함하며, 센싱부(107-1)는 도 1에 도시된 센싱부(107)에 제3 센싱부(130)를 더 포함할 수 있다.
제3 센싱부(130)는 피시체(10)의 이미지를 감지할 수 있다. 제3 센싱부(130)는 빛을 집광하는 제3 내지 제5 렌즈들(153, 154, 155)과, 적색광만을 통과시키는 레드 컬러 필터(137)와, 녹색광만을 통과시키는 그린 컬러 필터(138)와, 청색광만을 통과시키는 블루 컬러 필터(139)와, 레드 컬러 필터(137)로부터 방출되는 적색광을 감지하는 레드 픽셀(132)과, 그린 컬러 필터(138)로부터 방출되는 녹색광을 감지하는 그린 픽셀(134)과, 블루 컬러 필터(139)로부터 방출되는 청색광을 감지하는 블루 픽셀(136)을 포함할 수 있다. 예컨대, 녹색광의 파장은 500nm ~ 600nm일 수 있고, 적색광의 파장은 610nm ~ 660nm일 수 있고, 청색광의 파장은 350nm ~ 450nm일 수 있다.
제3 센싱부(130)는 레드 픽셀(132), 그린 픽셀(134), 및 블루 픽셀(136) 각각에 의하여 감지된 결과에 따른 이미지 신호(IS)를 출력할 수 있다.
제어부(140)는 제3 센싱부(130)로부터 출력되는 이미지 신호(IS)에 기초하여 피사체(10)의 이미지 정보를 획득할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
107: 센싱부 110: 제1 센싱부
112: 제1 적외선 픽셀 114: 제1 픽셀
122: 제2 적외선 픽셀 124: 제2 픽셀
116: 제1 필터 120: 제2 센싱부
126: 블루 칼라 필터 128: 레드 칼라 필터
129: 제2 필터 130: 제3 센싱부
132: 레드 픽셀 134: 그린 픽셀
136: 블루 픽셀 137: 레드 칼라 필터
138: 그린 칼라 필터 139: 블루 칼라 필터
140: 제어부 151 내지 155: 렌즈들

Claims (5)

  1. 제1 렌즈, 상기 제1 렌즈 아래에 위치하고 녹색광 및 적외선만을 통과시키는 제1 필터, 상기 제1 필터 아래에 위치하고 상기 제1 필터를 통과한 녹색광을 감지하는 제1 픽셀, 및 상기 제1 픽셀 아래에 위치하고 상기 제1 필터를 통과한 적외선을 감지하는 제1 적외선 픽셀을 포함하고, 상기 제1 픽셀 및 상기 제1 적외선 필터에 의하여 감지된 결과에 상응하는 제1 감지 신호를 출력하는 제1 센싱부;
    제2 렌즈, 상기 제2 렌즈 아래에 위치하고 가시광선을 차단하고 적외선을 통과시키는 제2 필터, 및 상기 제2 필터 아래에 위치하는 제2 적외선 픽셀을 포함하고, 상기 제2 적외선 픽셀에 의하여 감지된 결과에 상응하는 제2 감지 신호를 출력하는 제2 센싱부; 및
    상기 제1 감지 신호로부터 상기 제2 감지 신호를 뺀 결과를 이용하여 조도를 산출하고, 상기 제2 감지 신호로부터 제1 차이 값을 뺀 결과인 제2 차이 값을 이용하여 근접도를 산출하는 제어부를 포함하며,
    상기 제1 차이 값은 상기 제1 감지 신호의 흡수율 스펙트럼에서 상기 제2 감지 신호의 흡수율 스펙트럼을 뺀 결과에서 음의 부분을 0(zero)으로 변경한 것인 조도 및 근접도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 픽셀과 상기 제1 적외선 픽셀은 상기 제1 필터에 수직 정렬되는 조도 및 근접도 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터는,
    블루 칼라 필터, 레드 칼라 필터, 및 녹색 칼라 필터가 수직 적층된 구조인 조도 및 근접도 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터는,
    블루 칼라 필터 위에 레드 칼라 필터가 적층된 구조인 조도 및 근접도 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 센싱부는,
    상기 제2 필터와 상기 제2 적외선 픽셀 사이에 위치하는 제2 픽셀을 더 포함하며,
    상기 제2 픽셀과 상기 제2 적외선 픽셀은 상기 제2 필터에 수직 정렬되는 조도 및 근접도 센서.
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