KR101780489B1 - 양단 출력을 이용한 단일 증폭기 실리콘 광증배 센서 어레이 모듈 - Google Patents

양단 출력을 이용한 단일 증폭기 실리콘 광증배 센서 어레이 모듈 Download PDF

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김형택
조민식
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Abstract

본 발명에서는 실리콘 광증배 센서의 양단 출력을 이용하여 하나의 광 검출기 어레이를 단일 증폭기로 구동하는 기술을 제공하고자 한다.

Description

양단 출력을 이용한 단일 증폭기 실리콘 광증배 센서 어레이 모듈{Silicon photomultiplier array module driven by single amplifier using the positive terminal output}
본 발명은 어레이형 실리콘 광증배 센서 모듈의 구조에 관한 것이다.
실리콘 광전자 증배센서(또는 실리콘 광증배 센서)(Silicon photomultiplier, SiPM)는 저조도용 광 검출 센서의 하나로서, 기존 진공관 기반의 광증배관을 대체할 수 있는 소자이다. 이 소자는 수 천 개의 가이거 모드 아발란치 포토다이오드(Geiger mode avalanche photodiode, 이하 GAPD)로 이루어져 있으며, 입사된 광자를 각 포토다이오드에서 하나씩 측정하게 된다.
실리콘 광전자 증배센서에는 검출 면적을 키우기 위해 여러 개의 센서가 어레이(array) 형태로 배치되어 있는데, 모든 센서에는 각각의 전치 증폭기(pre-amplifier)가 필요하다. 이때, 증폭기는 전력을 많이 소비하며 열이 발생한다. 이에 따라, 증폭기에서 발생한 열의 영향을 받는 실리콘 광전자 증배센서 간의 동작특성의 편차가 발생할 수 있다.
따라서 증폭기가 센서 개수에 비례하여 이로 인한 높은 전류, 온도, 부피 등이 문제가 된다. 특히 온도는 센서의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중에 하나이므로 증폭기의 개수를 줄임으로써 상술한 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명에서는 실리콘 광전자 증배센서의 부피를 줄이고 동작 시 온도를 낮출 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 관점에 따른 광 검출 어레이 장치는, 각각 제1극 및 제2극을 가지며 광을 검출하도록 되어 있는 N개의 광 검출기들로서, 상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제1극들은 제1노드에서 서로 연결되어 있는, N개의 광 검출기들; 상기 제1노드에 연결되어 상기 N개의 광 검출기들을 통해 흐르는 전류의 총 합을 측정하는 전류측정부; 상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제2극에 연결된 N개의 전류비교기들; 및 상기 N개의 전류비교기들의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 N개의 전류비교기들의 출력값을 기초로 상기 N개의 광 검출기들 중 광을 검출한 검출기를 식별하도록 되어 있는 위치 디코더를 포함할 수 있다.
이때, 상기 각각의 전류비교기는 상기 광 검출기들의 상기 제2극에 연결되는 제1입력단자 및 기준값에 연결되는 제2입력단자를 포함하며, 상기 각각의 전류비교기는 상기 제1입력단자에 입력된 전류가 상기 기준값보다 큰지 여부에 따라 서로 다른 출력값을 출력하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 전류측정부는, 상기 제1노드에 연결되어, 상기 복수 개의 광 검출기들을 통해 흐르는 전류를 출력하는 전류측정기; 및 상기 전류측정기가 출력한 신호를 증폭하는 한 개의 증폭기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1극 및 상기 제2극은 상기 광 검출기의 양극 및 음극이거나 또는 상기 광 검출기의 음극 및 양극일 수 있다.
이때, 상기 광 검출기는 실리콘 광전자 증배센서일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 관점에 따른 광 검출 방법을 수행하도록 되어 있는 광 검출 어레이 장치는, 각각 제1극 및 제2극을 가지며 광을 검출하도록 되어 있는 N개의 광 검출기들로서, 상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제1극들은 제1노드에서 서로 연결되어 있는, N개의 광 검출기들; 상기 제1노드에 연결되어 상기 N개의 광 검출기들을 통해 흐르는 전류의 총 합을 측정하는 전류측정부; 상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제2극에 연결된 N개의 전류비교기들; 상기 N개의 전류비교기들의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 N개의 전류비교기들의 출력값을 기초로 상기 N개의 광 검출기들 중 광을 검출한 광 검출기를 식별하도록 되어 있는 위치 디코더; 및 처리부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 광 검출 방법은, 상기 처리부가, 상기 전류측정부에서 출력한 상기 전류의 총 합이 미리 결정된 임계값 이상인지 확인하는 단계; 및 상기 처리부가, 상기 전류의 총 합이 미리 결정된 임계값 이상인 경우, 상기 위치 디코더에서 출력한 신호를 기초로 광이 검출된 광 검출기를 식별하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 양단 출력 방식을 이용하여 다수의 센서를 이용하더라도 단일 증폭기만을 사용하는 구성을 도입함으로써, 실리콘 광전자 증배센서의 부피를 줄이고 동작 시 온도를 낮출 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 4x4 어레이형 실리콘 광전자 증배센서의 외관을 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 종래 기술에 따른 일반적인 광 검출기의 구조를 나타낸 도면이며, 도 2의 (b)는 종래 기술에 따른 일반적인 광 검출 어레이 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 증폭기의 개수를 감소시킨 구조를 갖는 광 검출 어레이 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 어레이 장치에 포함된 전류 비교기의 구조 및 출력값에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 비교기의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
도 1은 일반적인 4x4 어레이형 실리콘 광전자 증배센서의 외관을 나타낸 도면이다.
실리콘 광전자 증배센서는 저조도용 광 검출 센서의 하나로서 기존 진공관 기반의 광증배관을 대체할 수 있는 소자이다. 기존 광증배관과 동일한 증폭률을 가지면서도 낮은 가격, 낮은 동작전압, 소형화 등의 장점을 가지고 있으며, 자기장에 민감하지 않아 다양한 적용이 가능하다.
실리콘 광전자 증배센서는 예컨대, 1mm x 1mm 혹은 3mm x 3mm 의 크기를 가지고 있으며, 내부에는 병렬로 연결되어 있으며 각각 가이거 모드로 동작하는 수 천 개의 GAPD로 이루어진 부분이 있다. 동작 시 각 GAPD에는 항복전압(Breakdown voltage) 보다 살짝 더 높은 전압을 인가하게 되고, 각 GAPD들은 상기 실리콘 광전자 증배센서에 입사된 빛에 의해 발생한 전하에 의해 아발란치 브레이크다운(Avalanche Breakdown)을 일으킨다. 이때의 증폭률은 약 100만 배이다.
한편, 상기 아발란치 브레이크다운을 발생시키기 위해, 소자 내부에는 강한 전기장을 형성하는 높은 농도의 p, n 층이 사용될 수 있다. 이때, 정션(junction) 가장자리 부분에서 발생하는 높은 전기장에 의한 에지 브레이크다운(edge breakdown)을 막기 위해 가드링(guard ring)이 사용된다. 이후, 전류는 퀀칭(Quenching) 저항에 의해 소멸되어 상기 에지 브레이크다운은 멈추게 되고 다시 충전(recharging) 되어 다음 신호를 출력하게 된다. 이런 동작을 통해 광 신호의 크기는 상기 아발란치 브레이크다운이 발생한 하위 셀의 총 개수에 비례하게 된다.
실리콘 광증배 센서는 양전자방출단층촬영기(PET)나 감마 카메라 등과 같은 시스템에서 사용되기도 하는데 해당 시스템에서는 넓은 검출 면적이 요구되므로 수 만개의 실리콘 광증배 센서가 사용된다. 그러므로 검출기의 간소화를 위해 단일 센서를 사용하기보다는 4x4, 6x6 등의 어레이형 실리콘 광증배 센서가 기본 단위로 사용된다. 예컨대 NxN 어레이형 실리콘 광증배 센서에는 NxN개의 실리콘 광증배 센서가 행렬형태로 배치되어 있을 수 있다(단, N은 1≤N을 만족하는 자연수).
도 2의 (a)는 종래 기술에 따른 일반적인 광 검출기(photo detection device)(10)의 구조를 나타낸 도면이며, 도 2의 (b)는 종래 기술에 따른 일반적인 광 검출 어레이 장치(photo detection array device)(100)의 구조를 나타낸 도면이다.
일반적인 광 검출 어레이 장치(100)는 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, N개의 광 검출기(10)들을 포함하는 광 검출기 어레이(photo detection array)(110) 및 N개의 광 검출기(10)들의 제1단(ex: 양극)에 각각 연결되어 있는 N개의 증폭기(20)들을 포함할 수 있다(단, N은 1≤N을 만족하는 자연수). 이때, N개의 광 검출기(10)들의 제2단(ex: 음극)들은 제1노드(70)에서 서로 연결되어 있을 수 있다.
이때, 본 명세서에서 "광 검출기"는 예컨대, "실리콘 광전자 증배센서" 또는 "실리콘 광증배 센서"라는 용어로 지칭될 수도 있다. 그리고 "광 검출기 어레이"는 예컨대, "어레이 실리콘 광증배 센서" 또는 "어레이 실리콘 광전자 증배센서"라는 용어로 지칭될 수도 있다.
이때, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 광 검출기(10)는 일반적인 PN 다이오드와 동일하게 음극(cathode)과 양극(anode)의 두 전극으로 이루어져 있을 수 있다.
이때, 예컨대, 일 실시예에서는 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제1단은 양극일 수 있으며 상기 제2단은 음극일 수 있다. 또는 이와 달리 다른 실시예에서는, 상기 제1단은 음극일 수 있으며 상기 제2단은 양극일 수도 있다.
이때, 역전압이 걸리게 하기 위해, N개의 광 검출기(10) 각각의 음극은 제1노드(70)를 통해 서로 연결되며, 제1노드(70)에는 미리 결정된 양전압이 인가될 수 있다. 이때, N개의 광 검출기(10) 각각에서 발생하여 상기 양극을 통해 흐르는 전류는 각 광 검출기(10)에 대응하는 증폭기(20)에 의해 증폭되어 출력될 수 있다.
상술한 바와 같이, 광 검출기(10)의 개수와 동일한 증폭기(20)가 사용되는데, 다수의 증폭기(20)로 인해 광 검출 어레이 장치(100)의 부피가 증가하고 증폭기(20)에 발생하는 열로 인해 광 검출 어레이 장치(100)의 온도가 상승하며, 광 검출 어레이 장치(100)의 사용전류량이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 즉, 광 검출기(10)의 개수에 비례하여 광 검출 어레이 장치(100)의 부피, 온도, 및 사용전류량이 상승하는 것을 의미한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 광 검출기(10)의 양단 출력을 이용하여 하나의 광 검출기 어레이(110)의 출력을 단일 증폭기(40)로 추출(출력)하는 기술을 제공하고자 한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라, 증폭기의 개수를 감소시킨 구조를 갖는 광 검출 어레이 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 어레이 장치(200)에 포함된 전류 비교기(50)의 구조 및 출력값에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 전류 비교기(50)의 구조를 나타낸 도면이며, 도 4의 (b)는 전류 비교기(50)의 입력값에 따른 출력값을 나타낸 그래프이다. 이때, 도 4의 (b)의 상단 그래프에서 가로축은 시간을 나타내며 세로축은 전류의 크기를 나타낸다. 그리고 도 4의 (b)의 하단 그래프에서 가로축은 시간을 나타내며 세로축은 전압의 크기를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 비교기(50)의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (a)는 전류 비교기(50)의 제1입력단자(51) 및 제2입력단자(52)를 통해 입력되는 값이 전류값일 경우를 나타내며, 도 5의 (b)는 전류 비교기(50)의 제1입력단자(51)를 통해 입력되는 값이 전류값이고 제2입력단자(52)를 통해 입력되는 값이 전압값일 경우를 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 어레이 장치(200)는 광을 검출하도록 되어 있는 N개의 광 검출기(10)들을 포함하는 광 검출기 어레이(110), 전류 측정부(120), N개의 전류 비교기(50)들, 및 위치 디코더(또는 위치 판별회로)(60)를 포함할 수 있다.
N개의 광 검출기(10)들은 각각 제1극 및 제2극을 갖도록 되어 있으며, N개의 상기 제1극들은 제1노드(70)에서 서로 연결되어 있을 수 있다. 이때, 상기 제1극 및 상기 제2극은 광 검출기(10)의 양극(anode) 및 음극(cathode)이거나 또는 광 검출기(10)의 음극 및 양극일 수 있다. 도 3에 예시한 도면에서는, 상기 제1극은 광 검출기(10)의 양극이고 상기 제2극은 광 검출기(10)의 음극인 예를 도시한 것이다.
이때, 상기 제2극(음극)에서 나오는 신호는 전류측정기(30)로 연결되고 상기 제1극(양극)에서 연결되는 신호는 전류 비교기(50)에 연결되어 위치판별에 사용된다. 경우에 따라 위치판별은 하지 않아도 되는 응용분야에서는 음극의 출력만 사용할 수도 있으나 일반적으로는 양단의 출력을 서로 다른 목적으로 이용할 수도 있다.
전류 측정부(120)는 제1노드(70)에 연결되어 있으며, N개의 광 검출기(10)들을 통해 출력되는 출력신호의 합을 측정하도록 되어 있을 수 있다. 이때, 전류 측정부(120)는 제1노드(70)에 연결되어 N개의 광 검출기(10)들을 통해 흐르는 전류를 출력하는 전류측정기(30) 및 전류측정기(30)로부터 출력된 신호를 증폭하도록 되어 있는 한 개의 증폭기(40)를 포함할 수 있다. 이때, 전류 측정기(30)에는 양전압(High voltage)이 인가될 수 있다.
N개의 전류 비교기(50)들은 도 4에 도시한 바와 같이, N개의 광 검출기(10)들의 N개의 상기 제2극들에 연결되어 있는 제1입력단자(51) 및 기준값에 연결되는 제2입력단자(52)를 포함할 수 있다. 이때, 각각의 전류 비교기(50)는 제1입력단자(51)에 입력된 값(전류)이 상기 기준값(기준전류)보다 큰지 여부에 따라 서로 다른 출력값(논리 '1' 또는 '0'에 해당하는 전압)을 출력하도록 되어 있을 수 있다. 예컨대, 제1입력단자(51)에 입력된 값(전류)이 상기 기준값(기준전류)보다 크거나 같으면 제1출력값(논리 '1'에 해당하는 전압)을 출력하도록 되어 있으며, 제1입력단자(51)에 입력된 값(전류)이 상기 기준값(기준전류)보다 작으면 제2출력값(논리 '0'에 해당하는 전압)을 출력하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 전류 비교기(50)의 제1입력단자(51)를 통해 입력되는 값은 전류값이며, 제2입력단자(52)를 통해 입력되는 기준값은 전류값 또는 전압값일 수 있다. 즉, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1입력단자(51) 및 제2입력단자(52)를 통해 전류값을 입력받는 경우 전류 비교기(50)는 제1입력단자(51) 및 제2입력단자(52) 각각에 내부 저항(53, 54)이 연결되어 있을 수 있다. 이때, 내부 저항(53, 54)을 통해 제1입력단자(51) 및 제2입력단자(52)를 통해 입력된 전류를 전압으로 바꾸고 전압을 비교하며, 출력은 전압 형태로 출력된다. 그리고 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1입력단자(51)를 통해 전류값을 입력받고 제2입력단자(52)를 통해 전압을 입력받는 경우 제2입력단자(52)에 연결되어 있는 내부 저항(54)은 생략된다. 이때, 제1입력단자(51)를 통해 입력된 전류값만 내부 저항(53)을 통해 전압으로 바꾼 후 전압을 비교하도록 되어 있다. 이때, 일 실시예에서, 내부 저항(53, 54)은 수동소자(저항)으로 구성될 수도 있으나 능동소자(트랜지스터)로 구성될 수도 있다.
위치 디코더(60)는 N개의 전류 비교기(50)들의 출력단(80)에 연결되어 있으며, N개의 전류 비교기(50)들의 출력단(80)에서 출력되는 출력값들을 기초로 하여 N개의 광 검출기(10)들 중 광을 검출한 광 검출기(10)를 식별하도록 되어 있을 수 있다.
즉, 전류 비교기(50)를 통해 출력된 상기 출력값을 통해 전류 비교기(50) 각각에 연결된 광 검출기(10)에서 빛이 검출되었는지 아닌지만을 구별할 수 있다. 즉, 위치 디코더(60)는 광 검출기 어레이(110)에 포함된 N개의 광 검출기(10)들 중 광을 검출한 광 검출기(10)를 식별할 수 있다.
이때, 도 2와 도 3을 비교하여 설명하면, 도 2에 도시한 일반적인 광 검출 어레이 장치(100)에서는, 광 검출기 어레이(110)에 포함되어 있는 N개의 광 검출기(10)의 제1극(ex: 양극)에 각각 증폭기(20)가 연결되어 있는 구성을 가질 수 있다. 반면, 도 3에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 증폭기(40)로 구동하는 광 검출 어레이 장치(200)에서는, 광 검출기 어레이(110)에 포함되어 있는 N개의 광 검출기(10)의 제2극(ex: 음극)에서 발생되는 신호, 즉, 각 광 검출기(10)들의 출력을 합한 전체 신호에 1개의 증폭기(40)가 연결되어 있는 구성을 가질 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류 비교기(50) 및 위치 디코더(60)는 증폭기에 비해 부피가 크지 않고 전류소모가 작으며, 동작 중 온도 상승의 문제도 작다. 이때, 전류 비교기(50)의 경우, 기준 전류를 설정할 수 있기 때문에 기준 전류값을 적절히 조정하여 입력 신호의 잡음을 제거 할 수 있다.
또한, 상술한 실시예로부터 일부 구성이 변형된 실시예로서, 전류 측정부(120)에 음전압(Minus voltage)이 인가되는 경우에도 도 3에서 설명한 광 검출 어레이 장치(200)와 동일한 구성 및 동작이 가능할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.

Claims (6)

  1. 각각 제1극 및 제2극을 가지며 광을 검출하도록 되어 있는 N개의 광 검출기들로서, 상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제1극들은 제1노드에서 서로 연결되어 있는, N개의 광 검출기들;
    상기 제1노드에 연결되어 상기 N개의 광 검출기들을 통해 흐르는 전류의 총 합을 측정하는 전류측정부;
    상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제2극에 각각 연결되어, 대응하는 상기 광 검출기를 통해 흐르는 전류에 관한 값을 미리 결정된 기준값과 비교하는 N개의 비교기들; 및
    상기 N개의 비교기들의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 N개의 비교기들의 출력값을 기초로 상기 N개의 광 검출기들 중 광을 검출한 검출기를 식별하도록 되어 있는 위치 디코더;
    를 포함하는,
    광 검출 어레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 비교기는 상기 광 검출기들의 상기 제2극에 연결되는 제1입력단자 및 상기 미리 결정된 기준값을 제공하는 단자에 연결되는 제2입력단자를 포함하며,
    상기 각각의 비교기는 상기 제1입력단자를 통해 흐르는 전류가 미리 결정된 전류값보다 큰지 여부에 따라 서로 다른 출력값을 출력하도록 되어 있는,
    광 검출 어레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류측정부는,
    상기 제1노드에 연결되어, 상기 N개의 광 검출기들을 통해 흐르는 전류를 출력하는 전류측정기; 및
    상기 전류측정기가 출력한 신호를 증폭하는 한 개의 증폭기;
    를 포함하는,
    광 검출 어레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1극 및 상기 제2극은 상기 광 검출기의 양극 및 음극이거나 또는 상기 광 검출기의 음극 및 양극인,
    광 검출 어레이 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광 검출기는 실리콘 광전자 증배센서인, 광 검출 어레이 장치.
  6. 각각 제1극 및 제2극을 가지며 광을 검출하도록 되어 있는 N개의 광 검출기들로서, 상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제1극들은 제1노드에서 서로 연결되어 있는, N개의 광 검출기들;
    상기 제1노드에 연결되어 상기 N개의 광 검출기들을 통해 흐르는 전류의 총 합을 측정하는 전류측정부;
    상기 N개의 광 검출기들의 N개의 상기 제2극에 연결된 N개의 비교기들;
    상기 N개의 비교기들의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 N개의 비교기들의 출력값을 기초로 상기 N개의 광 검출기들 중 광을 검출한 광 검출기를 식별하도록 되어 있는 위치 디코더; 및
    처리부;
    를 포함하는 광 검출 어레이 장치를 이용하여 광을 검출하는 광 검출 방법으로서,
    상기 처리부가, 상기 전류측정부에서 출력한 상기 전류의 총 합이 미리 결정된 임계값 이상인지 확인하는 단계; 및
    상기 처리부가, 상기 전류의 총 합이 미리 결정된 임계값 이상인 경우, 상기 위치 디코더에서 출력한 신호를 기초로 광이 검출된 광 검출기를 식별하는 단계
    를 포함하는,
    광 검출 방법.
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JP2014134431A (ja) 2013-01-09 2014-07-24 Toshiba Corp 放射線検出システムおよびその校正方法

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