KR101692837B1 - 고 신호 전압 및 고 신호／잡음비를 갖는 적외선 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적외선 검출기(1)를 위한 적외선 센서에 관한 것으로, 상기 적외선 센서는 기판 멤브레인 섹션(2) 및 적어도 두 개의 센서 칩들(7 내지 10)을 포함하고, 상기 적어도 두 개의 센서 칩들(7 내지 10)은 기판 멤브레인 섹션(2) 상에서 서로 나란히 놓여 고정되고 각각은 층 엘리먼트(11)를 가지며, 상기 층 엘리먼트(11)는 초전적으로 민감한 재료로부터 생성되고 베이스 전극(12) 및 헤드 전극(13)에 의해 전기적으로 접촉되며 층 엘리먼트들(11)에 적외선이 조사될 때 각각의 층 엘리먼트(11)의 헤드 전극(13) 및 베이스 전극(12) 사이에 각각의 경우에 전압차가 존재하도록 배열되고, 상기 적외선 센서는 두 개의 인접하게 배열된 센서 칩들(7 내지 10)을 위해 각각의 경우에 커플링 라인(14 내지 16)을 포함하고, 상기 커플링 라인을 통해, 하나의 센서 칩(7 내지 9)의 헤드 전극(13) 및 다른 센서 칩(8 내지 10)의 베이스 전극(12)이 전기 전도적으로 서로 커플링되어, 센서 칩들(7 내지 10)의 층 엘리먼트들(11)이 직렬 회로로 연결되며, 상기 직렬 회로는 자신의 한쪽 단부에서 베이스 전극들 중 하나(17) 그리고 자신의 다른 한쪽 단부에서 헤드 전극들 중 하나(18)를 갖고, 상기 단부들에서 상기 직렬 회로의 총 전압차가 층 엘리먼트들(11)의 개별 전압차들의 합으로서 탭핑될 수 있다.
Description
본 발명은 고 신호 전압 및 고 신호-대-잡음비를 갖는 적외선 센서, 그리고 상기 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기에 관한 것이다.
열 방사를 검출하기 위한 적외선 검출기는, 예컨대, 박막 설계의 초전형 적외선 센서를 갖고, 상기 초전형 적외선 센서는 두 개의 전극층들과 상기 전극층들 사이에 배열되는 초전적으로 민감한 재료로 이루어진 초전층을 갖는다. 이 재료는 강유전체 PZT(lead-zirconate-titanate)이다. 전극층들은 열 방사를 흡수하는 백금 또는 크롬-니켈 합금을 포함한다. 상기 층들에는 기상(vapor) 증착 방법이 적용된다. 적외선 센서는 실리콘으로 생성되는 기판 멤브레인(membrane) 상에 장착된다. 열 방사로 인해 적외선 센서에 의해 생성된 전기 신호를 판독하고, 증폭시키고, 프로세싱하고 그리고/또는 전달하기 위해 전자적 판독 컴포넌트가 적외선 검출기 내에 제공된다. 전자적 판독 컴포넌트는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 기술, ASIC들 또는 이산 컴포넌트들을 통해 구현된다.
전자적 판독 컴포넌트는 종래에 "전압 모드"로 동작되고, 여기서 전자적 판독 컴포넌트는 고 임피던스를 갖는다. "전압 모드" 동작에서, 적외선 센서의 신호는 원칙적으로 초전층의 영역 크기(areal extent)와 무관하다. 적외선 센서의 초전층의 상대적 유전율은 높고, 이로써 적외선 센서의 커패시턴스는 또한 높다.
본 발명의 목적은 고 신호 전압 및 고 신호-대-잡음비를 갖는 적외선 센서, 그리고 상기 적외선 센서를 포함하는 적외선 검출기를 달성하는 것이다.
적외선 검출기를 위한 본 발명에 따른 적외선 센서는 기판 멤브레인 세그먼트, 그리고 상기 기판 멤브레인 세그먼트 상에서 서로에 대하여 나란히 부착되고 초전적으로 민감한 재료로 생성된 층 엘리먼트를 각각 갖는 적어도 두 개의 센서 칩들 ― 상기 층 엘리먼트는 베이스 전극 및 헤드 전극에 의해 전기적으로 접촉되고, 각각의 층 엘리먼트의 헤드 전극 및 베이스 전극 사이에, 상기 층 엘리먼트들이 적외선에 노출될 때, 개별 전압차가 존재하도록 셋업됨 ―; 및 두 개의 인접하게 배열된 센서 칩들을 위한 개별 커플링 라인을 갖고, 상기 커플링 라인을 이용하여, 하나의 센서 칩의 헤드 전극 및 다른 센서 칩의 베이스 전극이 전기 전도적인 방식으로 서로 커플링되어, 자신의 한쪽 단부에서 베이스 전극들 중 하나의 베이스 전극을 갖고 자신의 다른 한쪽 단부에서 헤드 전극들 중 하나의 헤드 전극을 갖는 직렬 회로로 센서 칩들의 층 엘리먼트들이 연결되며, 상기 전극들에서, 상기 직렬 회로의 총 전압차는 상기 층 엘리먼트들의 개별 전압차들의 합으로서 탭핑(tapping)될 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 검출기는 상기 적외선 센서들 중 적어도 하나 ― 여기서, 적외선 검출기의 기판 멤브레인은 상기 기판 멤브레인 세그먼트에 의해 형성됨 ―, 그리고 각각의 적외선 센서를 위한 전자적 판독 컴포넌트 ― 상기 각각의 적외선 센서의 총 전압차 값은 상기 전자적 판독 컴포넌트를 이용하여 탭핑될 수 있음 ― 를 갖는다.
본 발명에 따르면, 적외선 센서는 센서 칩들의 직렬 회로에 의해 형성되어, 적외선 센서의 총 커패시턴스는 센서 칩들의 상호 개별 커패시턴스들의 상호 합이다. 따라서, 적외선 센서의 총 커패시턴스는 개별 센서 칩들의 커패시턴스들 미만이고, 그럼에도 불구하고 전자적 판독 컴포넌트와 유용하게 상호작용하기 위해 충분히 높다. 적외선 센서의 총 전압차는 또한 센서 칩들의 개별 전압차들, 즉 층 엘리먼트들의 개별 전압차들의 합보다 더 높아서, 적외선 센서의 감소된 총 커패시턴스가 주어질 때, 상기 높은 총 전압차가 전자적 판독 컴포넌트를 이용하여 낮은 잡음으로 유리하게 판독될 수 있다.
센서 칩들 각각의 "전압 모드" 동작에서의 전압차의 강도는 개별 센서 칩의 층 엘리먼트의 영역 크기와 근본적으로 무관하다. 이로써, 센서 칩들은 각자의 영역 크기에 있어서 유리하게 작은 설계를 가질 수 있어서, 예컨대 센서 칩들의 층 엘리먼트들의 표면 영역들의 합은 종래 적외선 센서 내에서 단일 센서 칩으로서 제공되는 종래 센서 칩의 층 엘리먼트의 표면 영역을 산출한다. 이로써, 본 발명에 따른 센서 칩의 소형화된 설계는, 본 발명에 따른 적외선 검출기의 범위가 종래 적외선 검출기와 비교할 때 더 커질 필요가 없도록, 유리하게 가능하게 된다. 적외선 센서의 총 전압차 및 총 커패시턴스는 또한 유리하게, 적외선 센서 내에서 미리결정된 개수의 센서 칩들의 대응하는 제공을 통해 특정하게 설계될 수 있다.
초전적으로 민감한 재료는 바람직하게 PZT(lead-zirconate-titanate)이다. 층 엘리먼트는 또한 바람직하게 박막이다. 박막은 바람직하게, 특히 PVD(physical vapor deposition) 및/또는 CVD(chemical vapor deposition)의 그룹으로부터의 기상 증착 방법을 이용하여 생성된다. 예컨대, 기상화(vaporization) 방법 또는 스퍼터링이 PVD 방법들로서 고려된다. 이로써, 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 초전적으로 활성인 PZT(lead-zirconate-titanate)가 층 엘리먼트들 내에 형성된다.
센서 칩들은 바람직하게, 기판 멤브레인 세그먼트 및 커플링 라인들을 통해 열 전도적 방식으로 서로 연결된다. 이로써, 센서 칩들 사이의 열적 간섭(cross-talk)이 높고, 이에 의해 센서 칩들은 적외선 노출시 균일하게 반응하여, 센서 칩들의 전압차들이 최적으로 본질적으로 동일하다. 또한, 직렬 회로의 총 커패시턴스 값이 전자적 판독 컴포넌트의 입력 커패시턴스 값의 적어도 세 배에 대응하는 것이 바람직하다. 이로써, 전자적 판독 컴포넌트의 입력 커패시턴스에 의해 유발되는 신호 손실들은 유리하게 낮은 레벨로 유리하게 유지된다.
적외선 센서들은 바람직하게 적외선 검출기의 기판 멤브레인 상에서 그리드 배열로 배열된다. 이로써, 적외선 센서들은 열적으로 서로 절연되도록 바람직하게 배열된다. 따라서, 적외선 센서들 중 하나의 센서로부터 적외선 센서들 중 다른 센서로의 열적 간섭이 낮고, 이로써 적외선 검출기는 높은 측정 정확도를 갖는다.
본 발명에 따르면, 적외선 검출기는 열화상 카메라(thermal imaging camera), 인체감지 센서(presence sensor), 모션 센서(motion sensor), 가스 검출기, 분광기 및/또는 테라헤르쯔 검출기로서 사용된다. 예컨대, 열화상 카메라의 경우, 적외선 검출기는, 상기 적외선 검출기가 그리드 배열 내에 240×320 적외선 센서들을 갖도록 복수의 적외선 센서들을 갖춘다.
아래에서는, 본 발명에 따른 적외선 검출기의 바람직한 예시적 실시예가 첨부된 개략도들을 이용하여 설명된다.
도 1은 적외선 검출기의 예시적 실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1로부터의 세부사항 A이다.
도 2는 도 1로부터의 세부사항 A이다.
도 1 및 도 2로부터 명백한 바와 같이, 적외선 검출기(1)는 지지 프레임(3)에 의해 걸쳐지는(spanning) 기판 멤브레인(2)을 갖는다. 제1 적외선 센서(4), 제2 적외선 센서(5) 및 제3 적외선 센서(6)가 기판 멤브레인(2) 상에 장착된다. 적외선 센서들(4 내지 6)은 적외선을 검출하도록 적응되고, 여기서 전자적 판독 컴포넌트(미도시)에 의해 프로세싱될 수 있는 신호가 적외선 및 적외선 센서들(4 내지 6)의 구성에 따라 상기 적외선 센서들(4 내지 6)에 존재한다. 전자적 판독 컴포넌트는 개별 적외선 센서의 신호를 증폭시키기 위한 증폭기를 갖고, 적외선 검출기에 통합된다.
아래에서는, 제2 적외선 센서(5)가 설명되고, 여기서 동일한 내용이 제1 적외선 센서(4) 및 제3 적외선 센서(6)에 적용된다. 제2 적외선 센서(5)는 제1 센서 칩(7), 제2 센서 칩(8), 제3 센서 칩(9) 및 제4 센서 칩(10)을 갖는다. 센서 칩들(7 내지 10) 각각은 초전적으로 민감한 재료, 예컨대 PZT(lead-zirconate-titanate)로부터 형성되는 초전층 엘리먼트(11)에 의해 형성된다. 각각의 센서 칩(7 내지 10)은 또한 기판 멤브레인(2)에 부착되는 베이스 전극(12)을 갖는다. 층 엘리먼트(11)는 베이스 전극(12) 상에 배열되어, 상기 층 엘리먼트(11)는 상기 베이스 전극(11)과 접촉한다. 헤드 전극(13)이 층 엘리먼트(11)와 접촉되도록 상기 층 엘리먼트(11) 상에 장착된다. 센서 칩들(7 내지 10)은 기판 멤브레인(2) 상의 허직선(imaginary straight line)으로 서로에 대하여 나란히 배열된다.
각각의 센서 칩들(7 내지 10)의 베이스 전극(12)은, 상기 베이스 전극(12)이 층 엘리먼트(11)로부터의 일 측(도 1 및 도 2에서 좌측)으로 돌출되어, 상기 베이스 전극(12)이 센서 칩들(7 내지 10) 외측으로부터 접촉될 수 있도록 설계된다. 제1 커플링 라인(14)이 제1 센서 칩(7) 및 제2 센서 칩(8) 사이에 제공된다; 제2 커플링 라인(15)이 제2 센서 칩(8) 및 제3 센서 칩(9) 사이에 제공된다; 그리고 제3 커플링 라인(16)이 제3 센서 칩(9) 및 제4 센서 칩(10) 사이에 제공된다. 커플링 라인들(14 내지 16)은 서로 교환가능하게 설계되고, 아래에서는 제1 커플링 라인(14)이 커플링 라인들(15, 16)을 대표하여 설명된다.
제1 커플링 라인(14)은 제1 센서 칩(7)의 헤드 전극(13)과 접촉하고, 여기서 커플링 라인(14)은 상기 헤드 전극(13)에 부착된다. 커플링 라인(14)은 층 엘리먼트(11) 및 베이스 전극(12)을 지나서 기판 멤브레인(2)으로 지향되고, 여기서 상기 커플링 라인(14)은 상기 층 엘리먼트(11)와 접촉하지도 않고 상기 베이스 전극(12)과 접촉하지도 않는다. 기판 멤브레인(2)에서, 커플링 라인(14)은 제2 센서 칩(8)의 베이스 전극까지 지향되어, 제2 센서 칩(8)의 베이스 전극은 상기 커플링 라인(14)에 의해 접촉된다. 이로써, 커플링 라인(14)에 의해 제1 센서 칩(7)의 헤드 전극(13) 및 제2 센서 칩(8)의 베이스 전극 사이에 전기 전도성 연결이 설정된다. 따라서, 제1 센서 칩(7)의 헤드 전극(13)은 제1 커플링 라인(14)에 의해 제2 센서 칩(8)의 베이스 전극과 전기 전도적으로 연결된다. 이와 유사하게, 제2 센서 칩(8)의 헤드 전극은 제2 커플링 라인(15)에 의해 제3 센서 칩(9)의 베이스 전극과 전기 전도적으로 연결되고, 제3 센서 칩(9)의 헤드 전극은 제3 커플링 라인(16)에 의해 제4 센서 칩(10)의 베이스 전극과 전기 전도적으로 연결된다. 이로써, 센서 칩들(7 내지 10)은 커플링 라인들(14 내지 16)에 의해 직렬로 연결된다. 상기 직렬 회로의 한 단부는 제1 센서 칩(7)의 베이스 전극(12)에 의해 형성되고, 상기 직렬 회로의 다른 단부는 제4 센서 칩(10)의 헤드 전극에 의해 형성된다. 상기 직렬 회로를 접촉시키기 위해, 제1 종단점(17)이 제1 센서 칩(7)의 베이스 전극에 제공되고 제2 종단점(18)이 제4 센서 칩(10)의 헤드 전극에 제공된다.
제2 적외선 센서(5)의 센서 칩들(7 내지 9)이 적외선 검출기(1)의 동작 동안 적외선에 노출된다면, 초전 효과 때문에, 센서 칩들(7 내지 10) 각각의 헤드 전극(13) 및 베이스 전극(12) 사이의 층 엘리먼트들(11) 내에 전압차가 존재한다. 센서 칩들(7 내지 10)이 커플링 라인들(14 내지 16)에 의해 직렬로 상기 센서 칩들(7 내지 10)의 베이스 전극들(12) 및 헤드 전극들(13)과 연결되므로, 센서 칩들(7 내지 10)의 개별 전압차들의 합으로서 제1 종단점(17) 및 제2 종단점(18) 사이에 총 전압차가 존재한다. 총 전압차는 제1 종단점(17) 및 제2 종단점(18)에서 전자적 판독 컴포넌트에 의해 탭핑되고, 추가로 프로세싱된다. 커플링 라인들(14 내지 16)을 이용한 센서 칩들(7 내지 10)의 직렬 회로 때문에, 적외선 센서들(4 내지 6)의 총 커패시턴스는 또한 센서 칩들(7 내지 9)의 개별 커패시턴스들보다 더 낮다. 따라서, 적외선 센서들(4 내지 6)의 낮은 총 커패시턴스가 주어질 때, 대응하는 적외선 센서들(4 내지 6)과 연관되는 각각의 전자적 판독 컴포넌트에는 높은 총 전압차가 제공되고, 이로써 적외선 센서(4 내지 6)의 신호-대-잡음비가 증가된다.
1 적외선 검출기
2 기판 멤브레인
3 지지 프레임
4 제1 적외선 센서
5 제2 적외선 센서
6 제3 적외선 센서
7 제1 센서 칩
8 제2 센서 칩
9 제3 센서 칩
10 제4 센서 칩
11 초전층 엘리먼트
12 베이스 전극
13 헤드 전극
14 제1 커플링 라인
15 제2 커플링 라인
16 제3 커플링 라인
17 제1 종단점
18 제2 종단점
2 기판 멤브레인
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4 제1 적외선 센서
5 제2 적외선 센서
6 제3 적외선 센서
7 제1 센서 칩
8 제2 센서 칩
9 제3 센서 칩
10 제4 센서 칩
11 초전층 엘리먼트
12 베이스 전극
13 헤드 전극
14 제1 커플링 라인
15 제2 커플링 라인
16 제3 커플링 라인
17 제1 종단점
18 제2 종단점
Claims (10)
- 적어도 하나의 적외선 센서(4 내지 6)를 갖는 적외선 검출기로서,
기판 멤브레인(membrane) 세그먼트(2), 그리고 상기 기판 멤브레인 세그먼트(2) 상에서 서로에 대하여 나란히 부착되고 초전성(pyroelectric) 재료로부터 생성되는 층 엘리먼트(11)를 각각 갖는 적어도 두 개의 센서 칩들(7 내지 10) ― 상기 층 엘리먼트(11)는, 베이스 전극(12) 및 헤드 전극(13)에 의해 전기적으로 접촉되고, 그리고 상기 층 엘리먼트들(11)이 적외선에 노출될 때 각각의 층 엘리먼트(11)의 헤드 전극(13)과 베이스 전극(12) 사이에 개별 전압차가 존재하도록 셋업됨 ―; 및
두 개의 인접하게 배열된 센서 칩들(7 내지 10)을 위한 개별 커플링 라인(14 내지 16) ― 상기 커플링 라인(14 내지 16)을 이용하여, 하나의 센서 칩(7 내지 9)의 헤드 전극(13) 및 다른 센서 칩(8 내지 10)의 베이스 전극(12)이 전기 전도적으로 서로 커플링되어, 상기 센서 칩들(7 내지 10)의 상기 층 엘리먼트들(11)이 직렬 회로로 연결되고, 상기 직렬 회로는 자신의 한쪽 단부에서 베이스 전극들 중 하나의 베이스 전극(17) 및 자신의 다른 한쪽 단부에서 헤드 전극들 중 하나의 헤드 전극(18)을 갖고, 상기 전극들에서, 상기 직렬 회로의 총 전압차는 상기 층 엘리먼트들(11)의 개별 전압차들의 합으로서 나타내질 수 있음 ―
을 포함하고,
상기 적외선 검출기(1)의 기판 멤브레인(2)은 상기 기판 멤브레인 세그먼트 및 각각의 적외선 센서(4 내지 6)를 위한 전자적 판독 컴포넌트 ― 상기 각각의 적외선 센서(4 내지 6)의 총 전압차 값은 상기 전자적 판독 컴포넌트를 이용하여 나타내질 수 있음 ―에 의해 형성되며, 상기 적외선 센서(4 내지 6)는 상기 직렬 회로에 복수의 센서 칩들(7 내지 10)을 포함하고, 상기 직렬 회로의 총 커패시턴스 값은 상기 전자적 판독 컴포넌트의 입력 커패시턴스 값의 적어도 세 배에 대응하는,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 초전성 재료는 lead-zirconate-titanate인,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 층 엘리먼트(11)는 박막인,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 3 항에 있어서,
상기 박막은 기상 증착 방법을 이용하여 생성되는,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 센서 칩들은 상기 기판 멤브레인 세그먼트(2) 및 상기 커플링 라인(14 내지 16)을 통해 열 전도적 방식으로 서로 연결되는,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적외선 센서들(4 내지 6)은 상기 기판 멤브레인(2) 상에서 그리드 배열(grid arrangement)로 배열되는,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적외선 센서들(4 내지 6)은 서로 열적으로 절연되도록 배열되는,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적외선 검출기는 열화상 카메라(thermal imaging camera), 인체감지 센서(presence sensor), 모션 센서(motion sensor), 가스 검출기, 분광기 및/또는 테라헤르쯔 검출기로서 이용되는,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 제 4 항에 있어서,
상기 기상 증착 방법은 PVD 및/또는 CVD의 그룹으로부터의 기상 증착 방법인,
적어도 하나의 적외선 센서를 갖는 적외선 검출기. - 삭제
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