KR102069660B1 - 근접 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 제1본딩 패드 영역 및 제2본딩 패드 영역을 구비한 회로기판; 상기 회로기판 상에 서로 이격되어 실장된 발광 소자 및 수광 소자; 상기 발광 소자와 상기 수광 소자 사이에 배치된 광 차단벽; 상기 발광 소자 및 상기 수광 소자 주위를 둘러싸는 몰딩부; 및 상기 몰딩부 상에 배치되어 상기 수광 소자와 에어 갭(air gap)을 형성하는는 투명 기판;을 포함하며, 상기 수광 소자는,
광(光) 센싱 영역과 온도 센싱 영역을 포함하며, 압전물질로 구비된 기판; 상기 광 센싱 영역에 배치되며 제1지연 간격을 사이에 두고 이격되어 배치된 제1입력 전극 및 제1출력 전극; 상기 제1지연 간격과 중첩되어 배치되며, 상기 제1입력 전극 및 상기 제1출력 전극을 적어도 일부 덮는 감지막; 및 상기 온도 센싱 영역에 배치되며 제2지연 간격으로 이격되어 배치된 제2입력 전극 및 제2출력 전극;을 포함하며, 상기 제2지연 간격은 공기에 노출되는, 근접 센서를 개시한다.

Description

근접 센서{Proximity sensor}
본 발명의 실시예들은 근접 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로 표면 탄성파를 이용한 수광 소자를 구비한 근접 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 근접 센서는 이에 근접하는 물체를 인식함으로써, 주로 사용자로부터의 입력 장치로서 기능한다. 사용자의 신체와 물리적인 접촉이 없더라도 근접 센서는 근접한 물체의 크기, 위치, 근접한 물체와의 거리 등을 감지할 수 있다.
일 예로, 근접 센서는 이동 단말기의 디스플레이와 인접한 위치에 장착되어, 근접 센서를 통해 근접한 물체를 인식함으로써, 이동 단말기는 이에 대응하는 데이터를 처리하고, 처리한 데이터에 상응하는 시각적인 정보를 상기 디스플레이 상에 출력할 수 있다.
최근, 이러한 근접 센서는 주로 포토 다이오드를 이용하여 제조되고 있다. 그러나, 포토 다이오드를 이용한 광 센서는 증폭회로를 포함하고 있어, 노이즈에 대해서 취약하다.
한편, 기계적 에너지를 전기적 에너지로, 또는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 원리를 이용한 표면 탄성파 센서 기술은 상대적으로 노이즈에 강할 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서 등으로 표면 탄성파를 이용한 기술이 도입되고 있으나, 이러한 기존의 표면 탄성파 센서는 그 크기가 커서 모바일이나 웨어러블용 센서로 이용되는 것에는 한계가 있었다.
본 발명의 실시예들은 근접 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로 표면 탄성파를 이용한 수광 소자를 구비한 근접 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 제1본딩 패드 영역 및 제2본딩 패드 영역을 구비한 회로기판; 상기 회로기판 상에 서로 이격되어 실장된 발광 소자 및 수광 소자; 상기 발광 소자와 상기 수광 소자 사이에 배치된 광 차단벽; 상기 발광 소자 및 상기 수광 소자 주위를 둘러싸는 몰딩부; 및 상기 몰딩부 상에 배치되어 상기 수광 소자와 에어 갭(air gap)을 형성하는는 투명 기판;을 포함하며, 상기 수광 소자는, 광(光) 센싱 영역과 온도 센싱 영역을 포함하며, 압전물질로 구비된 기판; 상기 광 센싱 영역에 배치되며 제1지연 간격을 사이에 두고 이격되어 배치된 제1입력 전극 및 제1출력 전극; 상기 제1지연 간격과 중첩되어 배치되며, 상기 제1입력 전극 및 상기 제1출력 전극을 적어도 일부 덮는 감지막; 및 상기 온도 센싱 영역에 배치되며 제2지연 간격으로 이격되어 배치된 제2입력 전극 및 제2출력 전극;을 포함하며, 상기 제2지연 간격은 공기에 노출되는, 근접 센서를 개시한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1입력 전극은 제1전기적 신호를 인가받아 상기 제1광 센싱 영역에 제1입력 탄성파를 제공하고, 상기 제1출력 전극은 외부 광(光)에 따라 성질이 변화하는 제1감지막에 의해 변조된 제1출력 탄성파를 출력하며, 상기 제2입력 전극은 제2전기적 신호를 인가받아 상기 온도 센싱 영역에 제2입력 탄성파를 제공하고, 상기 제2출력 전극은 온도에 따라 성질이 변화하는 기판에 의해 변조된 제2출력 탄성파를 출력할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 회로기판 상에는 상기 수광 소자와 연결된 IC(integrated circuit) 칩이 더 실장되며, 상기 IC 칩은 상기 몰딩부에 의해서 몰딩될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 발광 소자는 파장 650nm 내지 780nm를 갖는 LED(light emitting diode)칩이며, 상기 감지막은 CdS 또는 CdSe를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1입력 전극 및 상기 제1출력 전극은 빗살 형태의 복수의 핑거(finger)를 포함하는 IDT(inter digit transducer) 전극이며, 상기 감지막은 상기 복수의 핑거를 모두 커버할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 센싱 영역과 상기 온도 센싱 영역 사이에 배치된 그라운드 전극;을 더 포함하며, 상기 제1입력 전극 및 상기 제2입력 전극은 그라운드 전극을 기준으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 투명 기판 상에는 특정 주파수 대역의 광만 투과할 수 있는 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 근접 센서는 물체의 근접 및 온도를 동시에 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 다른 근접 센서는 표면 탄성파를 이용한 수광 소자를 도입하고 있어 노이즈에 대한 영향을 적게 받을 수 있다. 그리고, 수광 소자의 출력 탄성파는 높은 Q 값을 가지고 있어 작은 사이즈에도 높은 측정 신뢰도를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 센서를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 근접 센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 근접 센서에 포함될 수 있는 수광 소자의 일 예를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3을 I-I'선으로 취한 단면도이다.
도 5는 도 1의 A영역을 발췌한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 설계한 광 센서 소자의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 설계한 광 센서 소자의 주파수 이동 특성을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수광 소자를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수광 소자를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 실시예에 의한 출력 탄성파의 중심주파수가 광량에 따라서 이동하는 양을 측정한 그래프이다.
도 11은 본 실시예에 의한 출력 탄성파의 파형을 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 센서를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 근접 센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 근접 센서(1000)는 회로기판(200), 회로기판(200) 상에 실장된 수광 소자(10) 및 발광 소자(20), 광 차단벽(410), 몰딩부(400), 투명 기판(500)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 근접 센서(1000)는 발광 소자(20)에서 출사된 빛이 인체 등 반사물에 반사된 후, 수광 소자(10)에 의해서 감지되는 것으로 근접한 곳에 반사물의 존재를 확인할 수 있다.
본 실시예에서, 발광 소자(20)는 가시광선 영역 중 가장 긴 파장을 갖는 적색 빛을 방출할 수 있다. 이는 파장이 길수록 반사가 잘 일어나며, 후술할 수광 소자(10)는 가시광선 영역을 검출하는 광 센서로 구비되기 때문이다. 일부 실시예에서, 발광 소자(20)는 650nm 내지 780nm 사이의 파장을 갖는 적색 LED(light emitting diode)로 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 수광 소자(10)는 표면 탄성파를 이용한 광량 및 온도를 측정하는 센서로 구비될 수 있다. 이러한 수광 소자(10)에 대해서는 후술하도록 한다. 발광 소자(20) 및 수광 소자(10)는 회로기판(200) 상에 실장된다.
회로기판(200)은 제1본딩 패드 영역(BA1), 제2본딩 패드 영역(BA2), 및 제3본딩 패드 영역(BA3)을 구비할 수 있다. 제1본딩 패드 영역(BA1)은 복수의 제1본딩 패드들(BP1_1,...BP1_n)이 구비된 영역으로, 상기 제1본딩 패드들은 수광 소자(10)의 전극 패드들과 와이어 본딩 등을 통해서 연결될 수 있다.
제2본딩 패드 영역(BA2)은 복수의 제2본딩 패드들(BP2_1,...BP2_n)이 구비된 영역으로, 상기 제2본딩 패드들은 발광 소자(20)의 전극 패드들과 와이어 본딩 또는 플립칩 본딩 등을 통해서 연결될 수 있다.
제3본딩 패드 영역(BA3)은 복수의 제2본딩 패드들(BP3_1,...BP3_n)이 구비된 영역으로, 상기 제2본딩 패드들은 IC 칩(200)의 단자들과 와이어 본딩 또는 플립칩 본딩 등을 통해서 연결될 수 있다.
상기 복수의 제1본딩 패드들(BP1_1, BP1_2,..., BP1_n)은 수광 소자(10)의 외측에서 일렬로 배열될 수 있다. 상기 복수의 제3본딩 패드들(BP3_1, BP3_2,..., BP3_n)은 IC 칩(300)의 외측에서 일렬로 배열될 수 있다. 제3본딩 패드 영역(BA3)은 회로기판(200)의 가장자리에서 일 변에 대응되도록 배치될 수 있다.
회로기판(200)은 단층 또는 다층으로 구비될 수 있으며, 회로기판(200) 상 또는 내부에서 제3본딩 패드들(BP3_1,..BP3_n)과 제1본딩 패드들(BP1_1,...BP1_n), 및/또는 제3본딩 패드들(BP3_1,..BP3_n)과 제2본딩 패드 영역(BP2_1,...BP2_n)이 서로 연결되는 배선이 형성될 수 있다.
IC 칩(300)은 ROIC(read out integrated circuit)일 수 있으며, 수광 소자(10) 및 발광 소자(20)와 전기적 신호를 주고 받을 수 있다. IC 칩(300)은 수광 소자(10)로 전달하는 전기적 신호을 생성하고, 수광 소자(10)로 부터 전달받은 전기적 신호로 부터 광량 및 온도를 계산할 수 있다.
수광 소자(10)와 발광 소자(20) 사이에는 광을 차단하는 광 차단벽(410)이 배치된다. 이에 따라, 발광 소자(20)로부터 나온 빛이 반사되지 않고 직접적으로 수광 소자(10)로 인가되는 것을 방지할 수 있다. 광 차단벽(410)은 빛이 투과되지 않는 물질로 구비될 수 있다.
수광 소자(10) 및 발광 소자(20)는 회로기판(200)의 중앙부에 배치되며, 회로기판(200)의 가장자리에는 수광 소자(10) 및 발광 소자(20)를 둘러싸도록 몰딩부(400)가 배치될 수 있다. 상기 몰딩부(400)은 IC 칩(300) 및 제3본딩 패드 영역(BA3)을 몰딩하여 외부 노이즈가 IC 칩(300)에 영향을 주는 것을 차단할 수 있다. 상기 광 차단벽(410)은 상기 몰딩부(400)와 일체로 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 몰딩부(400)는 수지로 형성될 수 있으며, 흑색 염료 등을 포함할 수 있다.
수광 소자(10) 및 발광 소자(20) 상부에는 수광 소자(40)와 에어-갭(air-gap)을 형성하는 투명 기판(500)이 구비될 수 있다. 투명 기판(500)은 상기 몰딩부(400) 상부에 배치되며, 몰딩부(400)에 의해서 지지될 수 있다. 투명 기판(500)은 유리 재질로 구비될 수 있다.
투명 기판(500)은 발광 소자(20)의 광을 외부로 투과시켜 그 반사광을 수광 소자(10)가 측정할 수 있도록 하는 동시에, 수광 소자(10) 및 발광 소자(20)를 이물질로부터 보호하는 기능을 할 수 있다.
일 실시예에서, 투명 기판(500) 상에는 특정 주파수 대역의 광만 투과할 수 있는 패턴이 형성될 수 있다. 예컨대, 투명 기판(500) 상에는 IR(infrared)-cutting을 위한 패턴이 구비될 수 있다. 이 경우, 발광 소자(20)에 의한 빛이 아닌 다른 파장을 차단하여 근접센서(1000)의 정확도를 더 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 근접 센서에 포함될 수 있는 수광 소자(11)의 일 예를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3을 I-I'선으로 취한 단면도이며, 도 5는 도 1의 A영역을 발췌한 평면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 수광 소자(11)는 압전물질로 이루어진 하나의 기판(110) 상에 광(光)을 센싱하기 위해 마련된 광 센싱 영역(LS) 및 온도를 측정하기 위해 마련된 온도 센싱 영역(TS)을 포함한다. 상기 광 센싱 영역(LS)에는 제1입력 전극(120), 제1출력 전극(130), 및 감지막(140)이 배치되며, 온도 센싱 영역(TS)에는 제2입력 전극(150) 및 제2출력 전극(160)이 배치된다.
한편, 제1입력 전극(120) 및 제1출력 전극(130)은 제1지연 간격(DG1)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 상기 감지막(140)은 제1입력 전극(120) 및 제1출력 전극(130)을 적어도 일부 덮으며 배치된다. 제2입력 전극(150) 및 제2출력 전극(160)은 제2지연 간격(DG2)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 상기 제2지연 간격(DG2)은 공기에 노출된다.
본 실시예에 의한 수광 소자(11)는 표면 탄성파의 변화를 이용하여 광량 및 온도를 측정할 수 있는 소자일 수 있다. 즉, 제1입력 전극(120)은 제1전기적 신호를 인가받아 상기 광 센싱 영역(LS)에 제1입력 탄성파를 제공하고, 상기 제1출력 전극(130)은 외부 광(光)에 따라 성질이 변화하는 감지막(140)에 의해 변조된 제1출력 탄성파를 출력할 수 있다.
한편, 제2입력 전극(150)은 제2전기적 신호를 인가받아 상기 온도 센싱 영역(TS)에 제2입력 탄성파를 제공하고, 상기 제2출력 전극(160)은 온도에 따라 성질이 변화하는 기판(110)에 의해 변조된 제2출력 탄성파를 출력할 수 있다.
즉, 기판(110)은 전기적 신호를 인가받아 표면 탄성파를 발생시킬 수 있는 압전 물질로 구비될 수 있으며, 압전 물질 중 온도의 변화에 따라서 성질이 변화하는 물질로 선택될 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 LiNbO3(LN) 또는 LiTaO3(LT) 으로 구비될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(110)은 기계에너지를 전기에너지로 전환하는 전환율(K2)가 5% 이상이고, 온도에 따른 변화율(TCD)이 50 ppm/℃인 물성을 갖는 압전물질일 수 있다.
감지막(140)은 가시광선을 감지하는 물질을 포함하며, 상기 물질은 가시광선에 반응하여 자체의 특성이 변화되는 물질일 수 있다. 즉, 감지막(140)은 광을 수신하여 기판(110)을 통해 전파된 탄성파의 전파속도를 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 감지막(140)은 CdS 또는 CdSe를 포함할 수 있다. 감지막(140)은 CdS 또는 CdSe를 증착하여 형성할 수 있으며, 감지막(140)의 두께는 약 50nm ~ 300nm일 수 있다.
제1입력 전극(120)은 외부의 전기적 신호를 수신하여 전기장을 형성할 수 있고, 기판(110)은 형성된 전기장을 통해 기계적 진동인 표면 탄성파를 생성할 수 있다. 이러게 생성된 표면 탄성파는 감지막(140)에 제공된다.
제1출력 전극(130)은 상기 제1입력 전극(120)과 제1지연 간격(DG1)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 상기 감지막(140)에 의해 변화된 표면 탄성파를 전기적 신호로 생성하여 출력할 수 있다. 검출된 광량에 따라서 탄성파의 중심 주파수는 수십 내지 수백 KHz 이동될 수 있다.
제1입력 전극(120) 및 제1출력 전극(130)은 IDT(Inter Digital Transducer) 전극으로 구비될 수 있다. IDT 전극은 빗살 형태의 복수의 IDT 핑거 전극(121, 131) 및 상기 IDT 핑거 전극(121, 131)과 연결된 두 개의 바(bar) 전극(123, 133)을 구비할 수 있다.
제1입력 전극(120)의 바(bar) 전극(123)은 제1입력 패드(IN1a, IN1b)에 연결될 수 있으며, 제1출력 전극(130)의 바(bar) 전극(133)은 제1출력 패드(OUT1a, OUT1b)에 연결될 수 있다. 제1입력 패드(IN1a, IN1b)의 어느 하나 및 제1출력 패드(OUT1a, OUT1b)의 어느 하나는 그라운드 전극 패드로 이용될 수 있다.
제2입력 전극(150)은 외부의 전기적 신호를 수신하여 전기장을 형성할 수 있고, 기판(110)은 형성된 전기장을 통해 기계적 진동인 표면 탄성파를 생성할 수 있다.
제2출력 전극(160)은 상기 제1입력 전극(120)과 제2지연 간격(DG2)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 기판(110)의 표면을 타고 인가된 탄성파를 전기적 신호로 생성하여 출력할 수 있다. 기판(110)은 온도에 따라 그 성질이 변화할 수 있는 바, 온도에 따라 제2출력 전극(160)에 인가되는 탄성파의 특성이 달라질 수 있다.
제2입력 전극(150) 및 제2출력 전극(160)은 IDT(Inter Digital Transducer) 전극으로 구비될 수 있다. IDT 전극은 빗살 형태의 복수의 IDT 핑거 전극(151, 161) 및 상기 IDT 핑거 전극(151, 161)과 연결된 두 개의 바(bar) 전극(153, 163)을 구비할 수 있다.
제2입력 전극(150)의 바(bar) 전극(153)은 제2입력 패드(IN2a, IN2b)에 연결될 수 있으며, 제2출력 전극(160)의 바(bar) 전극(163)은 제2출력 패드(OUT2a, OUT2b)에 연결될 수 있다. 제2입력 패드(IN2a, IN2b)의 어느 하나 및 제2출력 패드(OUT2a, OUT2b)의 어느 하나는 그라운드 전극 패드로 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1입력 전극(120), 제1출력 전극(130), 제2입력 전극(150),및 제2출력 전극(160)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있으며, 제1입력 전극(120), 제1출력 전극(130), 제2입력 전극(150),및 제2출력 전극(160)의 두께는 100nm 내지 300nm로 구비될 수 있다.
제1입력 패드(IN1a, IN1b), 제1출력 패드(OUT1a, OUT1b), 제2입력 패드(IN2a, IN2b) 및 제2출력 패드(OUT2a, OUT2b)는 기판의 일 측에 나란히 배치되어, 제1입력 전극(120)의 바 전극(123)과 제1출력 전극(130)의 바 전극(133)의 길이는 서로 다르게 구비될 수 있으며, 제2입력 전극(150)의 바 전극(153)과 제2출력 전극(160)의 바 전극(163)의 길이는 서로 다르게 구비될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1입력 전극(120)의 바 전극(123)이 제1출력 전극(130)의 바 전극(133)의 길이보다 짧게 구비될 수 있으며, 제2입력 전극(150)의 바 전극(153)이 제2출력 전극(160)의 바 전극(163)의 길이보다 짧게 구비될 수 있다.
이와 같은 전극 패드들(IN1a, IN1b, OUT1a, OUT1b, IN2a, IN2b, OUT2a, OUT2b)의 배치에 의해서, 수광 소자(11)의 전체적인 사이즈가 축소될 수 있으며, 이에 따라 근접 센서(1000)의 전체적인 사이즈를 축소할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 수광 소자(11)는 광 센싱 영역(LS)와 온도 센싱 영역(TS)을 구비하고 있어, 광량과 온도를 동시에 측정할 수 있다. 상기 광량 및 온도는 입력 탄성파와 출력 탄성파의 중심 주파수의 차이값으로 부터 도출될 수 있다. 즉, 상기 광량은 제1입력 탄성파의 중심 주파수(fc_in1)와 상기 제1출력 탄성파의 중심 주파수(fc_out1)의 차이값(△fc1)으로 부터 도출될 수 있으며, 상기 온도는 제2입력 탄성파의 중심 주파수(fc_in2)와 제2출력 탄성파의 중심 주파수(fc_out2)의 차이값(△fc2)으로부터 도출될 수 있다. 이러한, 차이값(△fc1,△fc2)과 광량 및/또는 온도의 관계식 또는 테이블은 수광 소자(11)와 연결되는 제어부 등의 CPU에 저장해 놓음으로써, 차이값(△fc1,△fc2)을 측정하는 것으로부터 광량 및 온도를 도출할 수 있다.
한편, 광량을 측정하는 상기 제1출력 탄성파의 중심 주파수(fc_out1)의 값은 기판(110)의 온도 변화까지 반영한 것인 바, 온도를 측정하는 상기 제2출력 탄성파는 제1출력 탄성파에 대해서 기준값으로 활용될 수 있다. 제2출력 탄성파의 중심 주파수(fc_out2)는 온도를 측정하는 파라메터인 동시에, 온도 성분을 뺀 광량을 측정하는 기준값으로 활용될 수 있다.
본 실시예에 따른 수광 소자(11)는 약 2.5mm X 2.5mm 이하의 매우 작은 사이즈로 구비될 수 있도록 설계되었다. 또한, 수광 소자(11)와 연결되어 탄성파의 주파수 변화를 감지하는 IC 칩(300), 예컨대, ROIC(read out integrated circuit)의 사이즈를 최소화하기 위해서 수광 소자(11)로부터 획득된 탄성파의 Q 값은 매우 높게 설정되었다.
이와 같은 조건을 만족하기 위해서, 광량을 감지하는 감지막(140)은 제1입력 전극(120)의 IDT 핑거(121) 및 제1출력 전극(130)의 IDT 핑거(131)를 모두 커버하도록 배치될 수 있다. 이는 수광 소자(11)의 공간적 한계에 대응하여 감지영역을 최대한 확보하고, 반사에 의해 발생할 수 있는 반사파들을 최대한 억제하기 위함이다. 일 실시예에 있어서, 상기 감지막(140)의 면적은 약 0.5 내지 1.25 mm2 일 수 있다.
한편, 수광 소자(11)로부터 출력되는 탄성파의 중심 주파수는 200MHz 내지 300MHz에서 설정되도록 설계할 수 있다. 주파수가 300MHz이상이 되면 노이즈 발생이 심해지는 바 IC 칩(300)의 설계가 복잡해지거나 그 사이즈가 커질 수 있으며, 주파수가 200MHz 이하인 경우에는 입력 전극 및 출력 전극의 크기가 커지기 때문이다.
수광 소자(11)로부터 출력되는 탄성파의 중심 주파수를 제1피크(peak)라 하면, 제1피크에서의 Q-factor(3dB 대역폭/중심주파수)의 값을 크게 가져가도록 설계할 수 있다. 이렇게 하면, 제1피크의 대역폭을 최소화하여 ROIC에서 주파수의 스위핑(sweeping)을 최소화하고 제1피크 값의 이동을 용이하게 판단할 수 있기 때문이다. 일부 실시예에서, 제1피크에서의 Q-factor는 200 내지 600, 바람직하게는 240 내지 500일 수 있다.
또한, 수광 소자(11)로부터 출력되는 탄성파는 중심 주파수(제1피크) 이외에 그 다음 삽입손실을 갖는 제2피크를 구비할 수 있는 바, 제1피크와 제2피크의 삽입손실의 차이는 3dB 이상이 되도록 설계할 수 있다. 제1피크와 제2피크의 삽입손실의 차이가 많이 날 수록 제1피크를 제2피크와 혼동하지 않을 수 있으며, IC 칩의 설계 용량이 최소화될 수 있다.
본 실시예에 있어서는 상기와 같은 조건, 즉, 2.5mm X 2.5mm 이하의 공간적 한계 및 제1피크와 제2피크의 삽입손실의 차이가 3dB이상이 되고, 제1피크에서의 Q-factor가 200 내지 600 사이의 값을 갖도록 다음과 같은 설계 파라메터를 확보하였다.
먼저, 제1입력 전극(120) 및 제1출력 전극(130)에 포함된 IDT 핑거의 개수는 각각 약 35개 ~ 121개로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 도 5를 참조하면, 제1 핑거(121a)와 그 다음 핑거인 제2 핑거(121b)의 중심 간의 거리는 약 λ/2로 조절될 수 있으며, λ/2 는 약 6.6 um 내지 10 um일 수 있다. 하나의 핑거(121, 131)의 폭은 3.3um 내지 4.1um일 수 있다. 제1지연 간격(DG1)은 15um 내지 600um일 수 있다. 제1입력 전극(120)의 제1 바 전극(123a)에 연결된 제1 핑거(121a)와 제1입력 전극(120)의 제2 바 전극(123b)과 연결된 제2 핑거(121b)가 엇갈려 겹치는 길이인 어퍼쳐(aperture)는 약 30um 내지 650um일 수 있다.
도 6 및 도 7은 상기와 같은 파라메터를 적용하여 설계한 수광 소자의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 6을 참조하면, x축은 주파수를. y축은 삽입 손실(insertion loss)을 나타낸다. 제1피크는 약 255MHz에서 나타나며, 제1피크에서의 Q 값은 약 250으로 매우 sharp한 중심 주파수 특성을 보인다. 또한, 제1피크(f1)과 제2피크(f2)의 삽입 손실의 차이가 약 5 dB 로 제1피크와 제2피크의 구분이 용이할 수 있다.
도 7의 경우, 광이 인가되지 않았을 때(a)와 광이 인가된 경우(b)(예컨대, 자외선)의 탄성파의 주파수 인가 특성을 나타내고 있다. 광이 인가되는 경우, 광량에 비례하여 중심 주파수가 변화되는 바, 광의 인가 여부 및 인가된 량을 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수광 소자(12)를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 8에 있어서, 도 3과 동일한 참조부호는 동일 부재를 나타내는 바, 이들의 중복 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 수광 소자(12)는 광 센싱 영역(LS)과 온도 센싱 영역(TS)를 구비하며, 상기 광 센싱 영역(LS)에는 제1입력 전극(120'), 제1출력 전극(130'), 및 감지막(140)이 배치되며, 온도 센싱 영역(TS)에는 제2입력 전극(150') 및 제2출력 전극(160')이 배치된다.
한편, 제1입력 전극(120') 및 제1출력 전극(130')은 제1지연 간격(DG1)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 상기 감지막(140)은 제1입력 전극(120') 및 제1출력 전극(130')을 적어도 일부 덮으며 배치된다. 제2입력 전극(150') 및 제2출력 전극(160')은 제2지연 간격(DG2)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 상기 제2지연 간격(DG2)은 공기에 노출된다.
본 실시예에 있어서, 상기 광 센싱 영역(LS)과 상기 온도 센싱 영역(TS)의 경계에 그라운드 전극(G)이 배치된다. 상기 그라운드 전극(G)은 그라운드 패드(GP)와 연결될 수 있다.
그라운드 전극(G)은 제1입력 탄성파, 제2입력 탄성파에 대한 공용 그라운드의 기능을 할 수 있다. 이에 따라, 그라운드 전극(G)을 기준으로 제1입력 전극(120') 과 제2입력 전극(150')은 대칭적으로 배치될 수 있다. 즉, 제1입력 탄성파는 제1입력 전극(120') 및 그라운드 전극(G)을 통해서 기판(110) 및 감지막(140)에 전달될 수 있으며, 제2입력 탄성파는 제2입력 전극(150') 및 그라운드 전극(G)을 통해서 기판(110)에 전달될 수 있다.
제1입력 전극(120')은 제1입력 패드(IN1)에 연결되며, 제2입력 전극(150')은 제2입력 패드(IN2)에 연결될 수 있다. 제1출력 전극(130')은 제1출력 패드(OUT1)에, 제2출력 전극(160')은 제2출력 패드(OUT2)에 연결될 수 있다. 그라운드 전극(G)은 그라운드 패드(GP)에 연결될 수 있다.
그라운드 전극(G)이 제1입력 탄성파 및 제2입력 탄성파에 대한 공용 그라운드 기능을 함에 따라, 전극 및 전극 패드의 수가 감소될 수 있어 수광 소자(12)의 전체적인 사이즈가 축소될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수광 소자(13)를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 9에 있어서, 도 3과 동일한 참조부호는 동일 부재를 나타내는 바, 이들의 중복 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 수광 소자(13)는 광 센싱 영역(LS) 및 온도 센싱 영역(TS)을 포함하며, 상기 광 센싱 영역(LS)에는 제1입력 전극(120), 제1출력 전극(130), 및 감지막(140)이 배치되며, 온도 센싱 영역(TS)에는 제2입력 전극(150'') 및 제2출력 전극(160'')이 배치된다.
한편, 제1입력 전극(120) 및 제1출력 전극(130)은 제1지연 간격(DG1)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 상기 감지막(140)은 제1입력 전극(120) 및 제1출력 전극(130)을 적어도 일부 덮으며 배치된다. 제2입력 전극(150'') 및 제2출력 전극(160'')은 제2지연 간격(DG2)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 상기 제2지연 간격(DG2)은 공기에 노출된다.
본 실시예에 있어서, 온도 센싱 영역(TS)가 차지하는 영역은 광 센싱 영역(LS)가 차지하는 영역에 비해서 좁게 구비될 수 있다. 온도 센싱 영역(TS)에는 감지막이 배치되지 않으며, 온도에 따른 기판(110)의 물성 변화 특성 상 온도 센싱 영역(TS)을 광 센싱 영역(LS)에 비해서 좁게 설계할 수 있다.
구체적으로, 제1입력 전극(120)의 IDT 핑거(121) 및 제1출력 전극(130)의 IDT 핑거(131)가 엇갈려 겹치는 제1어퍼처(A1, aperture)의 길이가 제2입력 전극(150'')의 IDT 핑거(151'') 및 제2출력 전극(160'')의 IDT 핑거(161'')가 엇갈려 겹치는 제2어퍼처(A2)의 길이보다 길게 구비될 수 있다. 즉, 제2어퍼처(A2)의 길이는 제1어퍼처(A1)보다 짧게 구비되어, 수광 소자(13)의 전체적인 사이즈가 축소될 수 있다.
또는, 제2입력 전극(150'')의 IDT 핑거(151'')의 길이가 제1입력 전극(120)의 IDT 핑거(121)의 길이에 비해서 짧게 구비될 수 있다. 이에 따라, 수광 소자(13)의 전체적인 사이즈가 축소될 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광 센서 소자의 성능을 측정한 그래프이다. 도 10은 가시광선을 감지하는 광 센서 영역에서 출력되는 탄성파의 중심주파수의 변화(△F)를 광량에 따라 측정한 데이터이다. 상기 △F 값은 온도 센서 영역에서 출력되는 탄성파의 중심주파수의 값을 기준으로 온도에 대한 영향을 제거한 값일 수 있다. 도 10을 참조하면, 가시광선 영역에서 출력되는 탄성파의 중심주파수의 변화는 빛의 세기의 증가에 따라서 선형적으로 증가함을 알 수 있으며, 수백 KHz 변화됨을 알 수 있다.
도 11는 본 발명의 실시예에 따라 출력되는 탄성파의 파형을 측정한 그래프이다. 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 탄성파의 중심 주파수(fc)는 251.1MHz 이며, 3dB 밴드폭은 f''(△3dB)-f'(△3dB) = 251.4 - 250.75 MHz = 0.65 MHz로 측정되었다. 이에 따라서, 탄성파의 Q-factor = 251.1/0.65 = 386.3 임을 알 수 있다.
또한, 상기 탄성파에서 삽입손실이 가장 작은 제1피크(즉, 중심주파수)는 251.1 MHz 이며, 이 때의 삽입손실은 -9.9 dB로 측정되었다. 그 다음 삽입손실 값을 갖는 피크인 제2피크는 249.7 MHz 이며, 이때의 삽입손실은 -16.9 dB로 측정되었다. 이에 따라, 제1피크와 제2피크에서의 삽입손실의 차이는 7.0 dB임을 알 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 근접 센서는 물체의 근접 및 온도를 동시에 측정할 수 있다. 또한, 표면 탄성파를 이용한 수광 소자를 도입하고 있어 노이즈에 대한 영향을 적게 받을 수 있다. 그리고, 수광 소자의 출력 탄성파는 높은 Q 값을 가지고 있어 작은 사이즈에도 높은 측정 신뢰도를 가질 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10, 11, 12, 13: 수광 소자
20: 발광 소자
110: 기판
120: 제1입력 전극
130: 제1출력 전극
140: 감지막
150: 제2입력 전극
160: 제2출력 전극
200: 인쇄회로기판
300: IC 칩
400: 몰딩부
500: 투명 기판
1000: 근접 센서

Claims (7)

  1. 제1본딩 패드 영역 및 제2본딩 패드 영역을 구비한 회로기판;
    상기 회로기판 상에 서로 이격되어 실장된 발광 소자 및 수광 소자;
    상기 발광 소자와 상기 수광 소자 사이에 배치된 광 차단벽;
    상기 발광 소자 및 상기 수광 소자 주위를 둘러싸는 몰딩부; 및
    상기 몰딩부 상에 배치되어 상기 수광 소자와 에어 갭(air gap)을 형성하는 투명 기판;을 포함하며,
    상기 수광 소자는,
    광(光) 센싱 영역과 온도 센싱 영역을 포함하며, 압전물질로 구비된 기판;
    상기 광 센싱 영역에 배치되며 제1지연 간격을 사이에 두고 이격되어 배치된 제1입력 전극 및 제1출력 전극;
    상기 제1지연 간격과 중첩되어 배치되며, 상기 제1입력 전극 및 상기 제1출력 전극을 적어도 일부 덮는 감지막; 및
    상기 온도 센싱 영역에 배치되며 제2지연 간격으로 이격되어 배치된 제2입력 전극 및 제2출력 전극;을 포함하며,
    상기 제2지연 간격은 공기에 노출되고
    상기 투명 기판 상에는 특정 주파수 대역의 광만 투과할 수 있는 패턴이 형성된, 근접 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1입력 전극은 제1전기적 신호를 인가받아 상기 광 센싱 영역에 제1입력 탄성파를 제공하고, 상기 제1출력 전극은 외부 광(光)에 따라 성질이 변화하는 제1감지막에 의해 변조된 제1출력 탄성파를 출력하며,
    상기 제2입력 전극은 제2전기적 신호를 인가받아 상기 온도 센싱 영역에 제2입력 탄성파를 제공하고, 상기 제2출력 전극은 온도에 따라 성질이 변화하는 기판에 의해 변조된 제2출력 탄성파를 출력하는, 근접 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회로기판 상에는 상기 수광 소자와 연결된 IC(integrated circuit) 칩이 더 실장되며,
    상기 IC 칩은 상기 몰딩부에 의해서 몰딩되는, 근접 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는 파장 650nm 내지 780nm를 갖는 LED(light emitting diode)칩이며,
    상기 감지막은 CdS 또는 CdSe를 포함하는, 근접 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1입력 전극 및 상기 제1출력 전극은 빗살 형태의 복수의 핑거(finger)를 포함하는 IDT(inter digit transducer) 전극이며, 상기 감지막은 상기 복수의 핑거를 모두 커버하는, 근접 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 센싱 영역과 상기 온도 센싱 영역 사이에 배치된 그라운드 전극;을 더 포함하며, 상기 제1입력 전극 및 상기 제2입력 전극은 그라운드 전극을 기준으로 대칭적으로 배치된, 근접 센서.
  7. 삭제
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