KR102449352B1

KR102449352B1 - 적외선 이미지 센서

Info

Publication number: KR102449352B1
Application number: KR1020200183637A
Authority: KR
Inventors: 이창석; 임준형; 김지환
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2022-09-30
Also published as: KR20220092151A; CN114679536A; US20220210346A1; US11595593B2

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서는, 복수의 볼로미터 셀(cell)에 복수의 기준 아날로그 값을 각각 제공하는 복수의 레퍼런스 회로와, 복수의 볼로미터 셀에 제공된 복수의 기준 아날로그 값에 따른 복수의 출력 아날로그 값을 수집하는 아날로그 프론트-엔드 회로와, 복수의 볼로미터 셀과 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계를 단위 주기마다 스위칭(switching)하는 노이즈 억압 회로를 포함할 수 있다.

Description

적외선 이미지 센서{Infrared light image sensor}

본 발명은 적외선 이미지 센서에 관한 것이다.

물체가 방사하는 적외선을 이용하여 빛이 없는 환경에서도 사물을 볼 수 있도록 하는 적외선 이미지 센서는 현 재 군사용, 의료용 및 산업용으로 널리 사용되고 있다. 과거의 적외선 영상 시스템은 주로 군수분야를 중심으로 발전해왔으나, 최근 들어 자동차 시야 보조 장치 및 보안 카메라와 같은 민수분야를 중심으로 시장이 급속 하게 확대되고 있다. 최근 모바일, 웨어어블용으로 사용하기 위해 연구 개발이 진행되고 있으며 이에 따라 적외선 이미지 센서를 포함하는 적외선 카메라에 대한 필요성이 증가하고 있다.

일본 등록특허공보 특허제2970586호

본 발명은 적외선 이미지 센서를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서는, 복수의 볼로미터 셀(cell)에 복수의 기준 아날로그 값을 각각 제공하는 복수의 레퍼런스 회로; 상기 복수의 볼로미터 셀에 제공된 복수의 기준 아날로그 값에 따른 복수의 출력 아날로그 값을 수집하는 아날로그 프론트-엔드 회로; 및 상기 복수의 볼로미터 셀과 상기 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계를 단위 주기마다 스위칭(switching)하는 노이즈 억압 회로; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서는, 각각 복수의 볼로미터 픽셀(pixel)을 포함하는 복수의 볼로미터 셀(cell)에 복수의 기준 아날로그 값을 각각 제공하는 복수의 레퍼런스 회로; 및 상기 복수의 볼로미터 셀에 제공된 복수의 기준 아날로그 값에 따른 복수의 출력 아날로그 값을 수집하는 아날로그 프론트-엔드 회로; 를 포함하고, 상기 복수의 볼로미터 셀은 각각 적어도 2개의 볼로미터 셀을 포함하는 복수의 셀 그룹으로 구성되고, 상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 셀 그룹에 일대일 대응되어 대응되는 적어도 2개의 출력 아날로그 값을 함께 적분하는 복수의 적분기를 포함할 수 있다.

본 발명의 적외선 이미지 센서는, 적외선 이미지를 획득하는 과정에서 유입될 수 있는 잡음을 사용하지 않는 주파수 영역으로 이동시키거나 분담 또는 평균화함으로써 잡음을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 노이즈 억압 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 노이즈 억압 회로의 복수의 스위치에 입력되는 스위칭 신호를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 아날로그 프론트-엔드 회로를 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 복수의 셀 그룹을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5a 및 도 5b에 도시된 아날로그 프론트-엔드 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 외형을 예시한 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서(100a)는, 노이즈 억압 회로(110a), 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m) 및 아날로그 프론트-엔드 회로(120a)를 포함할 수 있으며, 볼로미터(10)를 통해 적외선 이미지를 획득할 수 있다.

볼로미터(10)는 복수의 볼로미터 픽셀(11)이 2차원적으로 배열된 구조를 가질 수 있으며, 복수의 볼로미터 픽셀(11) 각각은 유입되는 적외선의 에너지에 기반한 저항값을 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 볼로미터 픽셀(11)은 산화바나듐(VOx) 및/또는 비정질실리콘을 포함할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼 공정을 통해 구현될 수 있다.

복수의 볼로미터 픽셀(11) 각각에 기준 전압이 제공될 경우, 복수의 볼로미터 픽셀(11) 각각의 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm)는 복수의 볼로미터 픽셀(11) 각각의 저항값과 기준 전압에 기반하여 결정될 수 있다. 복수의 볼로미터 픽셀(11) 각각에 기준 전류가 제공될 경우, 복수의 볼로미터 픽셀(11) 각각의 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)은 복수의 볼로미터 픽셀(11) 각각의 저항값과 기준 전류에 기반하여 결정될 수 있다. 적외선 이미지 센서(100a)는 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)에 기반하여 복수의 볼로미터 픽셀(11)의 각 위치 별 적외선 에너지의 크기를 알 수 있다.

예를 들어, 볼로미터(10)는 복수의 볼로미터 픽셀(11)과 적외선 이미지 센서(100a) 사이에 전기적으로 연결된 복수의 행렬 제어 스위치(12)를 포함할 수 있다.

적외선 이미지 센서(100a)에 포함될 수 있는 행렬 제어기(160)는 복수의 행렬 제어 스위치(12) 각각의 양단 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭(switching)할 수 있다. 예를 들어, 행렬 제어기(160)는 복수의 행렬 제어 스위치(12) 중 제1 행의 행렬 제어 스위치의 양단 사이를 전기적으로 연결시키고 나머지 행의 행렬 제어 스위치의 양단 사이를 차단시킬 수 있다. 이후, 행렬 제어기(160)는 복수의 행렬 제어 스위치(12) 중 제1 행의 행렬 제어 스위치의 양단 사이를 차단시키고 제2 행의 행렬 제어 스위치의 양단 사이를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 위의 과정은 복수의 행렬 제어 스위치(12) 중 마지막 행의 행렬 제어 스위치까지 순차적으로 수행될 수 있으며, 제1 행부터 마지막 행까지의 행렬 제어 스위치의 온/오프 패턴은 반복될 수 있다.

적외선 이미지 센서(100a)는 복수의 행렬 제어 스위치(12) 중 온 상태의 행렬 제어 스위치에 인접한 복수의 볼로미터 픽셀(11)의 저항값과 기준 전압/전류에 기반한 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)을 순차적으로 수집할 수 있다.

적외선 이미지 센서(100a)는 행렬 제어기(160)를 통해 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)의 수집 시점과 수집 대상의 행 순번 간의 대응관계를 알 수 있으므로, 복수의 볼로미터 픽셀(11) 중 열 순번이 서로 동일한 볼로미터 픽셀에 대해 동일한 기준 전압/전류를 사용할 수 있고 동일한 출력 전류/전압 경로를 사용할 수 있다.

따라서, 볼로미터(10)는 복수의 볼로미터 픽셀(11)의 열 순번(또는 행 순번)에 따라 제1 볼로미터 셀(cell1)부터 제m 볼로미터 셀(cellm)까지 복수의 볼로미터 셀(cell1, cell2, cellm)로 구성될 수 있다.

아날로그 프론트-엔드 회로(120a)는 볼로미터(10)의 복수의 볼로미터 셀(cell1, cell2, cellm)에 제공된 복수의 기준 아날로그 값에 따른 복수의 출력 아날로그 값을 수집할 수 있다. 복수의 출력 아날로그 값은 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)일 수 있다.

레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m)는 볼로미터(10)의 복수의 볼로미터 셀(cell1, cell2, cellm)에 복수의 기준 아날로그 값(예: 기준 전압 또는 기준 전류)을 각각 제공할 수 있다. 예를 들어, 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m)는 밴드갭 레퍼런스(bandgap reference) 회로와 같이 외부 환경이나 공정편차에 대해 강건하게 기준 전압 또는 기준 전류를 생성하는 회로를 포함할 수 있다.

레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m)는 제1 레퍼런스 회로(115-1), 제2 레퍼런스 회로(115-2) 및 제m 레퍼런스 회로(115-m)를 포함할 수 있다. 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m)의 개수는 볼로미터(10)의 복수의 볼로미터 셀(cell1, cell2, cellm)의 개수와 동일할 수 있다.

제1 레퍼런스 회로(115-1)와 제2 레퍼런스 회로(115-2)와 제m 레퍼런스 회로(115-m)는 볼로미터 공정(예: 실리콘 웨이퍼 공정)의 공정 오차에 따른 영향을 받을 수 있으며, 상기 공정 오차에 따른 영향에 기반하여 열 잡음, 플리커(flicker) 잡음 중 적어도 하나는 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)에 유입될 수 있다.

노이즈 억압 회로(110a)는 볼로미터(10)의 복수의 볼로미터 셀(cell1, cell2, cellm)과 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m)의 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계를 단위 주기마다 스위칭(switching)할 수 있다. 예를 들어, 노이즈 억압 회로(110a)는 스위칭 신호(Fns)를 제공받거나 생성할 수 있으며, 스위칭 신호(Fns)에 기반하여 스위칭 동작을 수행할 수 있다.

이에 따라, 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)에 유입된 잡음은 분담 또는 평균화될 수 있으므로, 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)의 전반적인 잡음의 크기는 감소할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서(100a)는 획득하는 적외선 이미지의 잡음을 줄일 수 있다.

아날로그 프론트-엔드 회로(120a)는 볼로미터(10)의 복수의 볼로미터 셀(cell1, cell2, cellm)과 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m)의 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계가 스위칭되기 전의 복수의 출력 아날로그 값과 스위칭된 이후의 복수의 출력 아날로그 값이 함께 적용된 복수의 적외선 이미지 값을 출력할 수 있다. 이에 따라, 복수의 적외선 이미지 값은 잡음이 분담 또는 평균화된 출력 전류(Iout1, Iout2, Ioutm) 또는 출력 전압(Vout1, Vout2, Voutm)에 대응될 수 있다.

적외선 이미지 센서(100a)에 포함될 수 있는 멀티플렉서(130)는 아날로그 프론트-엔드 회로(120a)로부터 복수의 입력 경로를 통해 복수의 적외선 이미지 값을 제공받고 상기 복수의 입력 경로보다 적은 개수의 출력 경로를 통해 상기 복수의 적외선 이미지 값을 AD변환기(140)로 제공할 수 있다.

AD변환기(140)는 상기 복수의 적외선 이미지 값을 디지털 값으로 변환할 수 있다. 상기 디지털 값은 ISP(Image Signal Processor)의 이미지 처리를 통해 최종적인 적외선 이미지로 변환될 수 있다.

한편, 적외선 이미지 센서(100a)에 포함될 수 있는 오프셋 상쇄기(170)는 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-m)의 복수의 기준 아날로그 값 간의 불균형 요소를 상쇄시키도록 아날로그적으로 처리(예: 오프셋 상쇄 전압 또는 오프셋 상쇄 전류가 특정 열 순번의 볼로미터 셀에 인가)할 수 있다. 오프셋 상쇄기(170)의 동작에 따라 미세하게 발생할 수 있는 잡음은 노이즈 억압 회로(110a)의 스위칭 동작을 통해 사용하지 않는 주파수 영역으로 이동시키거나 분담 또는 평균화될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 노이즈 억압 회로를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 노이즈 억압 회로의 복수의 스위치에 입력되는 스위칭 신호를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 노이즈 억압 회로(110b)는 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-3, 115-m)와 볼로미터 사이에 전기적으로 연결된 복수의 스위치(111-11, 111-12, 111-13, 111-1m, 111-n1, 111-n2, 111-n3, 111-nm)를 포함할 수 있다.

노이즈 억압 회로(110b)는 단위 주기보다 더 긴 이미지 주기마다 복수의 볼로미터 셀의 복수의 출력 아날로그 값(예: Vout1, Vout2, Vout3, Voutm)과 레퍼런스 회로(115-1, 115-2, 115-3, 115-m)의 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계가 반복되도록 스위칭을 수행할 수 있다.

노이즈 억압 회로(110b)는 상기 이미지 주기 동안에 제1 레퍼런스 회로(115-1)부터 제m 레퍼런스 회로(115-m)까지 각각이 제1 볼로미터 셀부터 제m 볼로미터 셀까지의 복수의 출력 아날로그 값(예: Vout1, Vout2, Vout3, Voutm) 각각에 적어도 1번씩 대응되도록 스위칭을 수행할 수 있다.

단위 주기는 t0 시점부터 t1 시점까지의 제1 단위 주기, t1 시점부터 t2 시점까지의 제2 단위 주기, t2 시점부터 t3 시점까지의 제3 단위 주기, t3 시점부터 t4 시점까지의 제4 단위 주기, t4 시점부터 t5 시점까지의 제5 단위 주기, t5 시점부터 t6 시점까지의 제6 단위 주기, t6 시점부터 t7 시점까지의 제7 단위 주기, t7 시점부터 t8 시점까지의 제8 단위 주기 중 하나일 수 있으며, 이미지 주기는 t0 시점부터 t4 시점까지의 제1 이미지 주기, t4 시점부터 t8 시점까지의 제2 이미지 주기 중 하나일 수 있다.

예를 들어, 도 2 및 도 3을 참조하면, 제11 스위치(111-11)의 온/오프 여부는 제11 스위칭 신호(Fns11)에 기반하여 결정될 수 있고, 제12 스위치(111-12)의 온/오프 여부는 제12 스위칭 신호(Fns12)에 기반하여 결정될 수 있고, 제13 스위치(111-13)의 온/오프 여부는 제13 스위칭 신호(Fns13)에 기반하여 결정될 수 있고, 제14 스위치(111-14)의 온/오프 여부는 제14 스위칭 신호(Fns14)에 기반하여 결정될 수 있고, 제n1 스위치(111-n1)의 온/오프 여부는 제21 스위칭 신호(Fns21)에 기반하여 결정될 수 있고, 제n2 스위치(111-n2)의 온/오프 여부는 제22 스위칭 신호(Fns22)에 기반하여 결정될 수 있고, 제n3 스위치(111-n3)의 온/오프 여부는 제23 스위칭 신호(Fns23)에 기반하여 결정될 수 있고, 제n4 스위치(111-n4)의 온/오프 여부는 제24 스위칭 신호(Fns24)에 기반하여 결정될 수 있다.

제1 단위 주기(t0 내지 t1) 또는 제5 단위 주기(t4 내지 t5) 동안, 제11 스위치(111-11)와 제n4 스위치(111-n4)는 온 상태일 수 있으며, 제1 레퍼런스 회로(115-1)는 제1 출력 아날로그 값(예: Vout1)에 대응될 수 있고, 제m 레퍼런스 회로(115-m)는 제m 출력 아날로그 값(예: Voutm)에 대응될 수 있다.

제2 단위 주기(t1 내지 t2) 또는 제6 단위 주기(t5 내지 t6) 동안, 제12 스위치(111-12)와 제n1 스위치(111-n1)는 온 상태일 수 있으며, 제1 레퍼런스 회로(115-1)는 제2 출력 아날로그 값(예: Vout2)에 대응될 수 있고, 제m 레퍼런스 회로(115-m)는 제1 출력 아날로그 값(예: Vout1)에 대응될 수 있다.

제3 단위 주기(t2 내지 t3) 또는 제7 단위 주기(t6 내지 t7) 동안, 제13 스위치(111-13)와 제n2 스위치(111-n2)는 온 상태일 수 있으며, 제1 레퍼런스 회로(115-1)는 제3 출력 아날로그 값(예: Vout3)에 대응될 수 있고, 제m 레퍼런스 회로(115-m)는 제2 출력 아날로그 값(예: Vout2)에 대응될 수 있다.

제4 단위 주기(t3 내지 t4) 또는 제8 단위 주기(t7 내지 t8) 동안, 제14 스위치(111-14)와 제n3 스위치(111-n3)는 온 상태일 수 있으며, 제1 레퍼런스 회로(115-1)는 제4 출력 아날로그 값(예: Vout4)에 대응될 수 있고, 제m 레퍼런스 회로(115-m)는 제3 출력 아날로그 값(예: Vout3)에 대응될 수 있다.

설계에 따라, 노이즈 억압 회로(110b)는 클럭 생성기(112) 및 스위칭 신호 디바이더(113)를 더 포함할 수 있다. 스위칭 신호 디바이더(113)는 스위칭 신호(Fns)를 복수의 스위칭 신호로 분할할 수 있으며, 클럭 생성기(112)는 복수의 스위칭 신호를 클럭(clock)으로 만들 수 있으며, 복수의 스위칭 신호를 동기화할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 아날로그 프론트-엔드 회로를 나타낸 도면이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 아날로그 프론트-엔드 회로(120b, 120c)는, 볼로미터의 복수의 볼로미터 셀 마다 대응되는 복수의 적분기(Itg)를 포함할 수 있으며, 복수의 적분기(Itg) 각각은 제2 증폭기(126) 및 캐패시터(C)를 포함할 수 있다.

상기 복수의 적분기(Itg) 각각은 복수의 출력 아날로그 값(예: Voutn, Ioutn)과 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계가 스위칭되기 전과 후의 복수의 출력 아날로그 값(예: Voutn, Ioutn)을 순차적으로 적분할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 복수의 셀 그룹을 나타낸 도면이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 볼로미터(10)는 복수의 셀 그룹(10a, 10b)을 포함하고, 복수의 셀 그룹(10a, 10b) 각각은 적어도 2개의 볼로미터 셀(cell1a, cell2a, cellma, cell1b, cell2b, cellmb)을 포함하고, 적어도 2개의 볼로미터 셀(cell1a, cell2a, cellma, cell1b, cell2b, cellmb) 각각은 복수의 볼로미터 픽셀(11a, 11b)를 포함할 수 있고, 복수의 볼로미터 픽셀(11a, 11b)의 적외선 이미지 센서(100b, 100c)에 대한 전기적 연결 여부는 복수의 행렬 제어 스위치(12a, 12b)에 의해 제어될 수 있다.

레퍼런스 회로의 제1 그룹(115a-1, 115a-2, 115a-m)은 복수의 셀 그룹(10a, 10b) 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있고, 레퍼런스 회로의 제2 그룹(115b-1, 115b-2, 115b-m)은 복수의 셀 그룹(10a, 10b) 중 다른 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 복수의 셀 그룹(10a, 10b) 중 하나와 레퍼런스 회로의 제1 그룹(115a-1, 115a-2, 115a-m)은 제1 클러스터(Uca)로 정의될 수 있고, 복수의 셀 그룹(10a, 10b) 중 다른 하나와 레퍼런스 회로의 제2 그룹(115b-1, 115b-2, 115b-m)은 제2 클러스터(Ucb)로 정의될 수 있다.

제1 클러스터(Uca)는 출력 전류의 제1 그룹(Iout1a, Iout2a, Ioutma) 또는 출력 전압의 제1 그룹(Vout1a, Vout2a, Voutma)을 아날로그 프론트-엔드 회로(120a)로 전달할 수 있으며, 제2 클러스터(Ucb)는 출력 전류의 제2 그룹(Iout1b, Iout2b, Ioutmb) 또는 출력 전압의 제2 그룹(Vout1b, Vout2b, Voutmb)을 아날로그 프론트-엔드 회로(120a)로 전달할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 도 5a 및 도 5b에 도시된 아날로그 프론트-엔드 회로를 나타낸 도면이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 복수의 셀 그룹(10a, 10b)에 일대일 대응되어 대응되는 적어도 2개의 출력 아날로그 값을 함께 적분하는 복수의 아날로그 처리 회로(121a, 121b, 121n, 122a, 122b, 122n)를 포함할 수 있다. 복수의 아날로그 처리 회로(121a, 121b, 121n, 122a, 122b, 122n)는 복수의 제2 증폭기(126a, 126b, 126n)와 복수의 캐패시터(Ca, Cb, Cn)가 조합된 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1 아날로그 처리 회로(121a, 122a)는 복수의 셀 그룹 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있으며, 출력 아날로그 값의 제1 그룹(Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)에 대해 적분할 수 있다. 예를 들어, 제2 아날로그 처리 회로(121b, 122b)는 복수의 셀 그룹 중 다른 하나에 전기적으로 연결될 수 있으며, 출력 아날로그 값의 제2 그룹(Vout1b, Vout2b, Voutnb, Iout1b, Iout2b, Ioutnb)에 대해 적분할 수 있다.

이에 따라, 출력 아날로그 값의 제1 그룹(Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)에 유입된 잡음은 분담 또는 평균화될 수 있으며, 출력 아날로그 값의 제1 그룹(Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)의 전반적인 잡음의 크기는 감소할 수 있다. 또한, 출력 아날로그 값의 제2 그룹(Vout1b, Vout2b, Voutnb, Iout1b, Iout2b, Ioutnb)에 유입된 잡음은 분담 또는 평균화될 수 있으며, 출력 아날로그 값의 제2 그룹(Vout1b, Vout2b, Voutnb, Iout1b, Iout2b, Ioutnb)의 전반적인 잡음의 크기는 감소할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서는 획득하는 적외선 이미지의 잡음을 줄일 수 있다.

예를 들어, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)는 복수의 셀 그룹과 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn) 사이에서 각각 적어도 2개의 출력 아날로그 값(예: Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)의 전달경로를 서로 전기적으로 연결시키는 복수의 분기 노드(125a, 125b, 125n)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)는 복수의 셀 그룹과 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn) 사이에서 복수의 출력 아날로그 값(예: Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)의 전달경로 각각에 전기적으로 연결된 복수의 제1 증폭기(124a, 124b, 124n)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)는 복수의 셀 그룹과 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn) 사이에서 복수의 출력 아날로그 값(예: Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)의 전달경로 각각에 전기적으로 연결된 복수의 제1 초퍼 회로(123a, 123b, 123n)를 포함할 수 있다. 복수의 제1 초퍼 회로(123a, 123b, 123n)는 복수의 출력 아날로그 값(예: Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)를 변조(modulation)할 수 있다.

예를 들어, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)는 복수의 분기 노드(125a, 125b, 125n)와 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn) 사이에 전기적으로 연결된 복수의 제2 초퍼 회로(128a, 128b, 128n)를 포함할 수 있다. 복수의 제2 초퍼 회로(128a, 128b, 128n)는 복수의 제1 초퍼 회로(123a, 123b, 123n)에 의해 변조된 값을 복조(demodulation)할 수 있다.

복수의 분기 노드(125a, 125b, 125n) 및/또는 복수의 제1 증폭기(124a, 124b, 124n)가 복수의 제1 초퍼 회로(123a, 123b, 123n)와 복수의 제2 초퍼 회로(128a, 128b, 128n)의 사이에 전기적으로 연결되므로, 출력 아날로그 값의 제1 그룹(Vout1a, Vout2a, Voutna, Iout1a, Iout2a, Ioutna)과 출력 아날로그 값의 제2 그룹(Vout1b, Vout2b, Voutnb, Iout1a, Iout2a, Ioutna)에 유입된 잡음 및/또는 오프셋(offset)이 복수의 제2 증폭기(126a, 126b, 126n)의 증폭이나 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn)의 적분에 주는 영향을 줄일 수 있다. 상기 잡음 및/또는 오프셋은 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)의 출력단에 전기적으로 연결된 회로요소(예: 샘플-홀드 회로, 로우 패스 필터, 멀티플렉서, AD변환기)에 의해 제거될 수 있다.

예를 들어, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)는 각각 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn) 중 대응되는 적분기의 출력에서부터 입력까지의 복수의 피드백 경로에 배치된 복수의 제3 초퍼 회로(129a, 129b, 129n)를 포함할 수 있다.

복수의 제1 초퍼 회로(123a, 123b, 123n), 복수의 제2 초퍼 회로(128a, 128b, 128n) 및 제3 초퍼 회로(129a, 129b, 129n)는 복수의 아날로그 처리 회로(121a, 121b, 121n, 122a, 122b, 122n) 간의 불균형 요소(예: offset)를 상쇄시킬 수 있으며, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e) 내의 플리커(flicker) 잡음을 줄일 수 있다.

예를 들어, 아날로그 프론트-엔드 회로(120d, 120e)는 각각 복수의 적분기(Itga, Itga, Itgn) 중 대응되는 적분기의 출력에서부터 입력까지의 복수의 피드백 경로에 배치된 복수의 제3 증폭기(127a, 127b, 127n)를 포함할 수 있다.

설계에 따라, 복수의 제1 증폭기(124a, 124b, 124n), 복수의 제2 증폭기(126a, 126b, 126n) 및 복수의 제3 증폭기(127a, 127b, 127n) 각각의 이득(gm)은 1일 수도 있으며, 입력 임피던스가 출력 임피던스보다 큰 버퍼 회로로 동작할 수 있다. 복수의 아날로그 처리 회로(121a, 121b, 121n, 122a, 122b, 122n) 1개 당 복수의 볼로미터 셀에 대응되므로, 복수의 아날로그 처리 회로(121a, 121b, 121n, 122a, 122b, 122n)의 평균 이득(gm)은 1개 당 대응되는 복수의 볼로미터 셀의 개수만큼 낮아질 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서의 외형을 예시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 적외선 이미지 센서 패키지(200)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 이미지 센서(100d)를 포함할 수 있고, 적외선 이미지 센서(100d)는 IC(Integrated Circuit)로 구현될 수 있으며, 인쇄회로기판과 같은 기판(55) 상에 솔더볼(45)과 같은 전기연결구조체를 통해 실장될 수 있다.

볼로미터(10)는 적외선 이미지 센서(100d)의 상측에 배치될 수 있으며, 렌즈를 통과한 적외선(IR)이 볼로미터(10)를 향하도록 배치될 수 있다.

반사층(15)은 적외선 이미지 센서(100d)와 볼로미터(10)의 사이에 배치될 수 있으며, 적외선(IR)을 반사할 수 있다. 적외선 이미지 센서(100d)의 상면은 반사층(15)의 배치공간으로 사용될 수 있다. 반사층(15)과 볼로미터(10) 사이의 이격 거리는 적외선(IR)의 파장의 1/4배에 대응될 수 있다.

비아(20)는 적외선 이미지 센서(100d)와 볼로미터(10)의 사이를 전기적으로 연결시킬 수 있으며, 볼로미터(10)의 출력 아날로그 값의 전송경로로 사용될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

10: 볼로미터
100a, 100b, 100c: 적외선 이미지 센서
110a: 노이즈 억압 회로
115-1: 제1 레퍼런스 회로
115-2: 제2 레퍼런스 회로
115-m: 제m 레퍼런스 회로
120a: 아날로그 프론트-엔드 회로
123a, 123b, 123n: 복수의 제1 초퍼 회로
124a, 124b, 124n: 복수의 제1 증폭기
125a, 125b, 125n: 복수의 분기 노드
Itga, Itgb, Itgn: 복수의 적분기
126a, 126b, 126n: 복수의 제2 증폭기
127a, 127b, 127n: 복수의 제3 증폭기
128a, 128b, 128n: 복수의 제2 초퍼 회로
129a, 129b, 129n: 복수의 제3 초퍼 회로
130: 멀티플렉서
140: AD변환기
cell1, cell2, cellm: 복수의 볼로미터 셀

Claims

복수의 볼로미터 셀(cell)에 복수의 기준 아날로그 값을 각각 제공하는 복수의 레퍼런스 회로;
상기 복수의 볼로미터 셀에 제공된 복수의 기준 아날로그 값에 따른 복수의 출력 아날로그 값을 수집하는 아날로그 프론트-엔드 회로; 및
상기 복수의 볼로미터 셀과 상기 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계를 단위 주기마다 스위칭(switching)하는 노이즈 억압 회로; 를 포함하는 적외선 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 노이즈 억압 회로는 상기 단위 주기보다 더 긴 이미지 주기마다 상기 복수의 볼로미터 셀과 상기 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계가 반복되도록 스위칭을 수행하는 적외선 이미지 센서.
제2항에 있어서,
상기 복수의 레퍼런스 회로는 제1 레퍼런스 회로부터 제m 레퍼런스 회로까지 포함하고,
상기 복수의 볼로미터 셀은 제1 볼로미터 셀부터 제m 볼로미터 셀까지 포함하고,
상기 노이즈 억압 회로는 상기 이미지 주기 동안에 상기 제1 레퍼런스 회로부터 제m 레퍼런스 회로까지 각각이 상기 제1 볼로미터 셀부터 제m 볼로미터 셀까지 각각에 적어도 1번씩 대응되도록 스위칭을 수행하는 적외선 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 볼로미터 셀과 상기 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계가 스위칭되기 전의 복수의 출력 아날로그 값과 스위칭된 이후의 복수의 출력 아날로그 값이 함께 적용된 복수의 적외선 이미지 값을 출력하는 적외선 이미지 센서.
제4항에 있어서,
복수의 입력 경로를 통해 상기 복수의 적외선 이미지 값을 제공받고 상기 복수의 입력 경로보다 적은 개수의 출력 경로를 통해 상기 복수의 적외선 이미지 값을 AD변환기로 제공하는 멀티플렉서를 더 포함하는 적외선 이미지 센서.
제4항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 복수의 적분기를 포함하고,
상기 복수의 적분기 각각은 상기 복수의 볼로미터 셀과 상기 복수의 기준 아날로그 값의 대응관계가 스위칭되기 전과 후의 복수의 출력 아날로그 값을 순차적으로 적분하는 적외선 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 복수의 볼로미터 셀은 각각 적어도 2개의 볼로미터 셀을 포함하는 복수의 셀 그룹으로 구성되고,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 셀 그룹에 일대일 대응되어 대응되는 적어도 2개의 출력 아날로그 값을 함께 적분하는 복수의 적분기를 포함하는 적외선 이미지 센서.
제7항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 셀 그룹과 상기 복수의 적분기 사이에서 각각 적어도 2개의 출력 아날로그 값의 전달경로를 서로 전기적으로 연결시키는 복수의 분기 노드를 더 포함하는 적외선 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 복수의 볼로미터 셀 각각은 복수의 볼로미터 픽셀(pixel)을 포함하는 적외선 이미지 센서.
각각 복수의 볼로미터 픽셀(pixel)을 포함하는 복수의 볼로미터 셀(cell)에 복수의 기준 아날로그 값을 각각 제공하는 복수의 레퍼런스 회로; 및
상기 복수의 볼로미터 셀에 제공된 복수의 기준 아날로그 값에 따른 복수의 출력 아날로그 값을 수집하는 아날로그 프론트-엔드 회로; 를 포함하고,
상기 복수의 볼로미터 셀은 각각 적어도 2개의 볼로미터 셀을 포함하는 복수의 셀 그룹으로 구성되고,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 셀 그룹에 일대일 대응되어 대응되는 적어도 2개의 출력 아날로그 값을 함께 적분하는 복수의 적분기를 포함하는 적외선 이미지 센서.
제10항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 셀 그룹과 상기 복수의 적분기 사이에서 상기 복수의 출력 아날로그 값의 전달경로 각각에 전기적으로 연결된 복수의 제1 증폭기를 더 포함하는 적외선 이미지 센서.
제10항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 셀 그룹과 상기 복수의 적분기 사이에서 상기 복수의 출력 아날로그 값의 전달경로 각각에 전기적으로 연결된 복수의 제1 초퍼 회로를 더 포함하는 적외선 이미지 센서.
제10항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 셀 그룹과 상기 복수의 적분기 사이에서 각각 적어도 2개의 출력 아날로그 값의 전달경로를 서로 전기적으로 연결시키는 복수의 분기 노드를 더 포함하는 적외선 이미지 센서.
제13항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 상기 복수의 분기 노드와 상기 복수의 적분기 사이에 전기적으로 연결된 복수의 제2 초퍼(chopper) 회로를 더 포함하는 적외선 이미지 센서.
제10항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 각각 상기 복수의 적분기 중 대응되는 적분기의 출력에서부터 입력까지의 복수의 피드백 경로에 배치된 복수의 제3 초퍼(chopper) 회로를 더 포함하는 적외선 이미지 센서.
제10항에 있어서,
상기 아날로그 프론트-엔드 회로는 각각 상기 복수의 적분기 중 대응되는 적분기의 출력에서부터 입력까지의 복수의 피드백 경로에 배치된 복수의 제3 증폭기를 더 포함하고,
상기 복수의 적분기 각각은,
제2 증폭기; 및
상기 제2 증폭기에 전기적으로 병렬 연결된 캐패시터; 를 포함하는 적외선 이미지 센서.