KR101505990B1 - 변조 광 감응형 포토센서 모듈 - Google Patents

변조 광 감응형 포토센서 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체의 감지를 위한 특정의 변조 광주파수만 수신하고 햇빛이나 조명 등과 같은 각종 외란 광은 차단시켜 외란 광에 의한 오동작을 최소화한 변조 광 감응형 포토센서 모듈에 관한 것으로, 내부에 수용공간이 형성된 하우징; 상기 하우징 내에 결합되고 작동에 필요한 전원을 공급하며 입출력되는 신호를 변환 및 증폭하고 작동을 위한 제어신호를 출력하는 구동회로부; 상기 하우징 내에 결합되고 구동회로부의 제어신호로 발진하여 변조 광을 출력하고 외부의 변조 광을 수신하여 구동회로부로 전송하며 작동 상태를 가시적으로 표시하는 구동기판부, 및 상기 하우징 상단에 일체 결합되고 상단에 일정 간격으로 렌즈가 결합되며 가시광은 차단시키고 일정 주파수의 변조 광을 투과시키는 렌즈 일체형 가시광 차단창을 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 특정의 변조 광주파수에 감응하는 포토센서 모듈에 의하여 외란 광에 의한 오동작을 최소화하고, 포토센서 모듈의 초소형 및 초경량화를 구현하며, 수입 대치품목으로서 호환성이 용이하고, 이를 활용한 응용상품의 다양한 개발로 고정밀 위치 제어용, 원거리 물체감지용, 고성능 인터럽터(Interrupter) 등의 소자별 용도와, 톨게이트의 차량 종류 선별 센서, 골프 연습장의 볼 속도 및 방향각 센서, 각종 설비의 고속회전 분할 각도감지 센서, 기타 자동제어 및 로봇 등 각종 센서로 활용 등 모듈별 용도에 적용이 가능하고, 포토센서 모듈의 제조에 따른 공정개선 및 향상된 품질개선으로 포토센서 모듈 및 응용제품의 신뢰성을 향상시킨 이점이 있다.

Description

변조 광 감응형 포토센서 모듈{Photo Sensor Module of Sensitized Type Modulated Light}
본 발명은 변조 광에 감응하는 포토센서 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물체의 감지를 위한 특정의 변조 광주파수만 수신하고 햇빛이나 조명 등과 같은 각종 외란 광은 차단시켜 외란 광에 의한 오동작을 최소화한 변조 광 감응형 포토센서 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 로봇이나 자동화 설비에서 정밀제어나 복잡한 동작의 수행 등의 요구에 따라 센서의 종류와 수가 증가한다. 센서 수의 증가에 따라 물리적인 중량의 증가로 이를 구동하는 하드웨어의 크기가 증가되어 물리적인 한계에 도달하게 된다. 로봇이나 자동화 설비에서 센서의 부피 감소와 중량 감소는 매우 중요한 요소이다.
센서와 센서 시스템은 센서구조, 제조 기술, 신호처리 알고리즘이 서로 맞물린 상호 작용을 통해서 각각의 기능을 수행하는데, 결과적으로 센서기술의 발전도 이 분야들의 기술적 진보에 기초를 두고 있다.
반도체 기술의 급격한 발전에 힘입어 반도체 산업에서 구축된 인프라가 센서산업에 그대로 활용되어 센서기술의 비약적인 발전을 가져왔다. 특히 실리콘 반도체 기술이 센서에 도입되면서 센서의 소형화, 박막화, 저전력화 등을 주도하고 있고, 초기에 순수한 실리콘만 사용하다가 이후 실리콘과 새로운 물질의 결합으로 변화하고 있다.
또한, 생체인식재료를 이용한 바이오센서 개발이 활발히 진행되고, 현재 혈당센서 등이 실용화되어 널리 보급되고 있으며, 그 시장은 점점 커지고 있다. 최근에 나노소재를 이용한 센서의 연구개발이 활발히 진행되고 있으나 아직 실용화 단계에 이르지 못하고 있다. 특히 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세전자기계시스템) 구조물과 주변회로의 원 칩(One Chip)화가 용이하여 가격절감이 이루어지고 있으나, 표면적만으로 구조물을 형성하기 때문에 형상과 크기에 제약을 받게 되고, 충격이나 진동에 대한 내구성이 문제될 수 있다. 미국이나 대만 회사들이 SM(Surface Micromachining) 기술을 적용하는 경향이 강하고, 가속도센서가 대표적인 SM 기술을 이용한 제품이다. 현재 MEMS 기술은 여러 센서분야에 성공적으로 적용되고 있고, 이 기술을 적용함으로써 종전에 없었던 새로운 센서의 제조가 가능해졌으며, 기존 제품의 성능을 대폭 향상시킬 수 있고, 몇 개의 기능을 하나로 통합하여 초소형화, 저가격화의 실현이 가능해졌다.
센서 구조는 소형화(Miniaturization)와 고집적화(Integration)에 따라 크기는 더욱 더 초소형(Micro) 경량화 되고, 더 많은 기능과 특징이 하나의 칩에 집적화 되며, 센서의 어레이화가 이루어지고 있다. 그리고 고성능화 및 감지(Sensing) 영역의 확대로 인하여 극한으로의 검출범위 확대, 검출정도 향상, 높은 신뢰성이 실현되고, 마이크로센서는 역학센서 위주에서 온도, 광, 가스, 바이오 등 다른 에너지 영역으로 확대되고 있다. 또한, 셀프 테스트(Self-Test), 셀프 캘리브레이션(Self-Calibration)과 같은 셀프 모니터링(Self-Monitoring) 기능이 추가되고, 초소형, 고성능, 집적화에 수반되어 소비전력이 점점 작아지며, 연구중심에서 저가격화를 실현하기 위한 센서기술 개발이 중요해지고 있다.
또한, 센서 시스템 및 네트워크 기술은 아날로그 신호보다 전송이 용이하고 재현성이 우수하며, 신뢰성이 더 높고 정확한 경우가 많아 디지털 센서의 비중이 점점 증가하는 추세이다. 단순 센서에서 여러 기능이 복합된 마이크로시스템으로 초점이 이동하고 있으며, 센서의 스마트화, 초소형화, 저전력화가 가능해짐으로써 무선센서 네트워크가 개발되어 실용화되기 시작하였다.
국외, 특히 미국의 경우, 정부 주도하에 1990년도부터 센서기술을 핵심기술로 선정하여 그 개발을 강력하게 추진하고 있으며, 이론적 고찰을 기반으로 국방 및 우주개발과 의학용 센서에 센서기술을 집중적으로 활용하고 있다. 미국은 센서관련 업체만 1,000여 개 이상인 것으로 나타났으며, 세계에서 가장 다양한 시장을 보유하고 있어 세계 유명 센서 업체들이 미국에 지사를 두고 있는 실정이다. 2000년대 중반 이후 집적회로 기술과 접목하여 센서와 신호처리 회로가 동일 칩 상에 집적화된 압력센서, 가속도센서가 양산되기 시작했는데, 이외 백금온도센서와 유속 및 유량 센서 등이 몇몇 기업에서 양산되고 있다.
근래의 국내 산업자동화 센서시장은 지속적으로 성장하고 있고, 산업자동화용 센서로는 근접센서, 포토센서, 광센서 등의 판매비중이 가장 높은 것으로 조사되고 있다. 국내 업체들에서 생산되는 센서는 외산제품에 비해 가격적인 장점이 높은 것으로 평가되고 있다. 안전센서 시장을 크게 보면 자동차 산업, 전자 산업 등이 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 국내 법규가 강제성을 띄지 않아서 아직까지 매출 비중은 크지 않은 형편이다. 또한, 근접센서와 광전센서는 향후 연간 가장 많은 매출 비중을 차지할 것으로 보고 있고, 여전히 근접센서는 고성능 제품에 많이 적용되고, 광전센서는 범용 제품에 적용되고 있다.
최근 센서의 크기가 줄어들면서 성능은 극대화되고 있다. 또한, 보다 강력한 통신기능을 접목하는 것과 무선통신에 대한 요구가 증가되고 있다. 이러한 추세는 계속해서 시장을 주도할 것으로 보인다. 따라서 기존에 출시한 제품을 새롭게 업그레이드한 제품이 지속적으로 출시되고 있다.
무선 센서장치의 세계 시장은 산업 설비, 주거 자동화, 에너지 관리, 의약, 유통 물류, 생태학과 건축, 보안 감시 등 대략 6가지 분야로 나뉜다. 산업 설비에 적용되는 무선 센서장치는 대략 절반을 차지하고, 그 다음으로 주거 자동화와 에너지 관리 분야로 전체 시장의 1/4를 차지하며 연간 성장률을 증가 추세이다.
종래에 포토다이오드와 집적회로(IC)가 집적화된 패키지 형태의 포토센서는 PCB 기판에 커패시터, 저항 등의 수동소자가 추가 적용된다. 이러한 포토센서는 감지 거리가 짧거나 외란 광에 의한 오동작이 잦은 문제가 있었다. 더욱이 종래에 공개된 기술로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1248878호의 "일체형 광센서 패키지"(이하 특허문헌1), 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0084261호의 "적외선 검출 장치"(이하 특허문헌2)가 개시되어 있으며, 상술한 특허문헌1과 특허문헌2는 그 구조가 복잡하거나 오동작 등의 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 원거리에 위치한 물체의 감지를 위한 특정의 변조 광주파수만 수신하고 햇빛이나 조명 등과 같은 각종 외란 광은 차단시켜 외란 광에 의한 오동작을 최소화하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 기판(PCB) 상에 복수의 베어 칩(Bare Chip)을 집적화시키는 칩 온 보드(Chip On Board, COB) 기술을 활용과 더불어 렌즈의 적용, 마이크로프로세서 제어 및 모듈 회로설계 기술의 융합으로 적외선 변조 광에 감응하는 원거리 고성능의 물체감지와 초경량의 센서 모듈을 제공하기 위한 것이 다른 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 변조 광 감응형 포토센서 모듈에 있어서, 내부에 수용공간이 형성된 하우징; 상기 하우징 내에 결합되고 작동에 필요한 전원을 공급하며 입출력되는 신호를 변환 및 증폭하고 작동을 위한 제어신호를 출력하는 구동회로부; 상기 하우징 내에 결합되고 구동회로부의 제어신호로 발진하여 변조 광을 출력하고 외부의 변조 광을 수신하여 구동회로부로 전송하며 작동 상태를 가시적으로 표시하는 구동기판부; 및 상기 하우징 상단에 일체 결합되고 상단에 일정 간격으로 렌즈가 결합되며 가시광은 차단시키고 일정 주파수의 변조 광을 투과시키는 렌즈 일체형 가시광 차단창;을 포함하여 이루어지며, 상기 구동기판부는 변조 광을 발생시키는 복수의 발진램프소자와, 변조 광을 수신하는 복수의 수광소자, 및 출력 상태를 표시하는 표시램프가 장착되되, 상기 발진램프소자와 수광소자는 변조 광 차단막을 사이에 두고 분리되어 번갈아 장착되며, 상기 표시램프는 구동기판부 일측에 차단막으로 분리되어 장착되며, 상기 렌즈 일체형 가시광 차단창에 결합된 렌즈는 구동기판부에 결합된 차단막 사이에 위치되어 배열되고, 렌즈는 반구면 또는 비구면으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 본 발명에서, 상기 발진램프소자는 850nm의 파장을 갖는 적외선 변조 광을 출력하고, 수광소자는 적외선 변조 광을 수광하여 구동회로부에서 증폭할 수 있다.
삭제
본 발명에 따르면, 특정의 변조 광주파수에 감응하는 포토센서 모듈에 의하여 외란 광에 의한 오동작을 최소화하고, 포토센서 모듈의 초소형 및 초경량화를 구현하며, 수입 대치품목으로서 호환성이 용이하고, 이를 활용한 응용상품의 다양한 개발로 고정밀 위치 제어용, 원거리 물체감지용, 고성능 인터럽터(Interrupter) 등의 소자별 용도와, 톨게이트의 차량 종류 선별 센서, 골프 연습장의 볼 속도 및 방향각 센서, 각종 설비의 고속회전 분할 각도감지 센서, 기타 자동제어 및 로봇 등 각종 센서로 활용 등 모듈별 용도에 적용이 가능하고, 포토센서 모듈의 제조에 따른 공정개선 및 향상된 품질개선으로 포토센서 모듈 및 응용제품의 신뢰성을 향상시킨 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 변조 광 감응형 포토센서 모듈
도 2는 본 발명에 따른 변조 광 감응형 포토센서 모듈을 나타낸 분리사시도.
도 3은 본 발명에서 포토 IC를 나타낸 설계도 및 사진.
도 4는 본 발명에서 포토 IC의 적용 사양을 나타낸 도표.
도 5는 본 발명에서 발진램프소자의 광전 특성을 나타낸 도표.
도 6은 본 발명에서 발진램프소자의 스펙트럼 분석 및 방사 다이어그램을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에서 포토 IC의 패키지를 나타낸 사진.
도 8은 본 발명에서 변조 광 감응형 포토센서 모듈을 나타낸 사진.
도 9a 내지 9e는 본 발명에서 포토 IC의 제작공정을 나타내는 예시도.
이하, 본 발명에 따른 변조 광 감응형 포토센서 모듈에 관한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에서, 포토센서 모듈(10)은 내부에 수용공간이 형성된 하우징(12)에 일체 결합된다. 그리고 하우징(12)에는 구동회로부(14), 구동기판부(20) 및 가시광 차단창(30)이 결합된다.
구동회로부(14)는 하우징(12) 내에 결합된다. 구동회로부(14)는 외부에서 인가된 전원을 정전압으로 변환하여 포토센서 모듈(10)의 구동에 필요한 전원을 공급한다. 또한 구동회로부(14)는 내장된 마이콤이나 마이크로프로세서의 제어로 발진, 발광, 표시를 위한 신호를 출력한다.
구동기판부(20)는 하우징 내에 결합된다. 구동기판부(20)는 구동회로부(14)의 제어신호로 발진하여 변조 광을 출력하고 외부의 변조 광을 수신하여 구동회로부(14)로 전송하며 작동 상태를 가시적으로 표시하는 것이다. 구동기판부(20)에는 특정의 변조 광, 즉 적외선을 발생시키는 복수의 발진램프소자(22)가 장착된다. 구동기판부(20)에는 반사된 변조 광을 수신하는 복수의 수광소자(24)가 장착된다. 그리고 포토센서 모듈(10)의 출력 상태를 표시하는 표시램프(26)가 장착된다. 이때, 발진램프소자(22)와 수광소자(24)는 변조 광 차단막(21)을 사이에 두고 분리되어 번갈아 장착된다. 구동기판부(20) 일측에는 차단막(21)으로 분리되어 표시램프(26)가 장착된다. 변조 광 차단막(21)은 발진램프소자(22)에서 발진되어 출력되는 변조 광신호가 수광소자(24)로 직접 수신되지 않도록 차단하는 것이다. 변조 광 차단막(21)은 인접하는 발진램프소자(22)와 수광소자(24) 사이를 완전히 차단할 수 있는 어떠한 구조나 형상 또는 모양이어도 좋다.
상기 발진램프소자(22)는 대략 850nm의 파장을 갖는 적외선 변조 광을 출력한다. 수광소자(24)는 적외선 변조 광을 수광하여 구동회로부(14)에서 증폭된다. 구동회로부(14)에는 수신된 변조 광신호를 증폭하는 로직회로가 포함되어 있다.
렌즈 일체형 가시광 차단창(30)는 하우징(12) 상단에 일체 결합된다. 차단창(30) 상단에는 일정 간격으로 렌즈가 결합된다. 렌즈는 구동기판부(20)에 장착된 발진램프소자(22)에 대응하는 차단창(30)에 발광부 렌즈(32)가 결합되고, 구동기판부(20)에 장착된 수광소자(24)에 대응하는 차단창(30)에 수광부 렌즈(34)가 결합된다. 차단창(30)은 가시광은 차단시키고 일정 주파수의 변조 광을 투과시킨다. 따라서 차단창(30)은 대략 850nm의 파장을 갖는 적외선 변조 광 이외의 외란광을 차단시켜 포토센서 모듈의 오동작을 방지할 수 있도록 한 것이다.
또한, 렌즈 일체형 가시광 차단창(30)에 결합된 발광부 렌즈(32)와 수광부 렌즈(34)는 각각 구동기판부(20)에 결합된 차단막(21) 사이에 위치되어 배열된다. 발광부 렌즈(32)와 수광부 렌즈(34)는 각각 반구면이거나 또는 비구면으로 형성되는 것이 좋다.
본 발명에서 포토센서 모듈(10)은 적외선 변조 광을 감응하는 감지거리는 대략 10m 내외인 것이 좋지만, 필요에 따라 더욱 향상된 거리의 물체를 감지하는 성능을 발휘할 수 있도록 설계될 수 있을 것이다.
도 3에서, 포토 IC를 나타낸 것으로, 집적화 기술에 의한 포토에칭, 확산 등의 IC 프로세스를 구현함으로써 신호의 검출부와 동일 기판 내에 신호의 증폭, 처리 기능을 갖게 한 회로를 설계하여 집적화, 다기능화한 센서를 제작한다. 그리고 여기에 증폭기능이 포함된 회로를 일체화시킨다. 도 4의 도표에는 포토 IC의 전기적 특성을 나타낸 것이다. 그리고 도 5에서, 발진램프소자(22)의 광전 특성에 따르면 대략 850nm 파장의 적외선 변조 광을 출력한다. 이는 도 6에서 스펙트럼 분석 및 방사 다이어그램에서도 알 수 있다. 여기에서도 대략 850nm 파장의 적외선 변조 광이 피크치를 이루고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 7에서 본 발명에 의하여 제조된 포토 IC와, 도 8의 제작이 완료된 변조 광 감응형 포토센서 모듈을 참조할 수 있다.
특히 도 9a에서, 포토 IC의 제작은 PCB 기판에 포토 IC를 올려놓고 다이 본딩(Die Bonding) 공정을 수행하고, 도 9b에서, 다시 기판과의 와이어 본딩(Wire Bonding) 공정을 거쳐 도 9c에서, 플라즈마 효과를 이용한 플라즈마 크리닝(Plasma Cleaning) 공정을 수행한다. 그리고 도 9d에서, 봉지제로 봉합하는 몰드 프레스(Mold Press) 공정을 거쳐 도 9e에서, 절단(Dicing Saw) 공정을 거쳐 포토 IC 패키지를 제작한다.
따라서 본 발명은 하이브리드 직접화 기술과 COB공정 기술을 접목한 초경량화 칩 스케일의 트랜스퍼 몰드 패키지 기술로부터 변조 광 감응형 포토센서 모듈을 제작할 수 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10: 포토센서 모듈 12: 하우징
14: 구동회로부 20: 구동기판부
21: 차단막 22: 발진램프소자
24: 수광소자 26: 표시램프
30: 가시광 차단창 32: 발광부 렌즈
34: 수광부 렌즈

Claims (4)

  1. 변조 광 감응형 포토센서 모듈에 있어서,
    내부에 수용공간이 형성된 하우징(12); 상기 하우징 내에 결합되고 작동에 필요한 전원을 공급하며 입출력되는 신호를 변환 및 증폭하고 작동을 위한 제어신호를 출력하는 구동회로부(14); 상기 하우징 내에 결합되고 구동회로부의 제어신호로 발진하여 변조 광을 출력하고 외부의 변조 광을 수신하여 구동회로부로 전송하며 작동 상태를 가시적으로 표시하는 구동기판부(20); 및 상기 하우징 상단에 일체 결합되고 상단에 일정 간격으로 렌즈가 결합되며 가시광은 차단시키고 일정 주파수의 변조 광을 투과시키는 렌즈 일체형 가시광 차단창(30);을 포함하여 이루어지며,
    상기 구동기판부(20)는 변조 광을 발생시키는 복수의 발진램프소자(22)와, 변조 광을 수신하는 복수의 수광소자(24), 및 출력 상태를 표시하는 표시램프(26)가 장착되되,
    상기 발진램프소자(22)와 수광소자(24)는 변조 광 차단막(21)을 사이에 두고 분리되어 번갈아 장착되며, 상기 표시램프(26)는 구동기판부 일측에 차단막으로 분리되어 장착되며,
    상기 렌즈 일체형 가시광 차단창에 결합된 렌즈(34)는 구동기판부에 결합된 차단막 사이에 위치되어 배열되고, 렌즈는 반구면 또는 비구면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 변조 광 감응형 포토센서 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 발진램프소자는 850nm의 파장을 갖는 적외선 변조 광을 출력하고, 수광소자는 적외선 변조 광을 수광하여 구동회로부에서 증폭하는 것을 특징으로 하는 변조 광 감응형 포토센서 모듈.

  4. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0616324Y2 (ja) * 1991-07-16 1994-04-27 陽光技研株式会社 照度検出器付降雪センサ
JPH08204653A (ja) * 1995-01-30 1996-08-09 Sharp Corp 受光装置

Patent Citations (2)

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