KR20000071693A - 고속반응이 가능한 열형기능 장치 및 그 구동방법 - Google Patents

고속반응이 가능한 열형기능 장치 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

더 빠른 열적 반응속도를 가능하게 하기 위한 열형기능 장치가 개시된다. 열을 전기적인 신호로 변환시키는 열전변환소자(thermoelectric element), 및 열전변환소자에 인접하여 전기적신호를 열로 변환하는 전열변환소자(electrothermic element)가 열형기능 장치의 다이어프램에서 배치된다. 바람직한 실시에로서, 참조용 열전변환소자가 다이어프램(diaphragm) 외부에 배치되고 기준신호를 출력한다. 열전변환소자의 이 기준신호 및 출력신호가 비교되고, 두 신호간의 차이를 보상하는 보상신호가 전열변환소자에 제공된다. 열적에너지가 다이어프램으로 인가되어 열전변환소자의 출력신호를 변화시키고, 출력신호와 기준신호 사이의 차이에 있어서 동반하는 변화에 대응하는 보상신호가 전열변환소자로 제공된다. 보상신호의 제공을 받는, 전열변환소자는 다이어프램으로 인가되는 열적 에너지를 오프셋(offset)하기 위해서 구동되는 한 편, 다이어프램은 고정된 온도에서 유지된다.

Description

고속반응이 가능한 열형기능 장치 및 그 구동방법{THERMAL FUNCTIONAL DEVICE CAPABLE OF HIGH-SPEED RESPONSE AND A METHOD OF DRIVING THE DEVICE}
본 발명은 열형기능 장치, 특히 열전변환을 이용하여 에너지의 입사를 검출하기 위한 열형 적외선센서같은 열형기능 장치, 그러한 장치의 구동방법, 및 장치가 응용되는 에너지 검출장치에 관한 것이다.
종래기술의 열형기능 장치의 한 예로서, 일본 특개평 9-315455호 공보는 열형 적외선 촬상장치를 개시한다. 도 1 는 열형 적외선 촬상장치의 단면도이고, 도 2 는 회로도이다.
이 적외선 촬상장치에서, 2차원의 적외선영상을 얻기 위해서 매트릭스 형상의 복수의 픽셀(pixel)이 집적화된다. 도 1 에서 도시된 것처럼 회로(102)는 반도체기판(101)면에 형성되고, 이 회로 위에 매트릭스형상으로 적외선광검출기(infrared photodetector)(픽셀)가 배치된다. 각 픽셀은 캐비티(cavity)(103) 위에 제공된 박막 다이어프렘(diaphragm)(104), 이 다이어프렘(104) 위에 제공된 적외선을 흡수하기 위한 적외선흡수층(105), 및 열을 전기적 신호로 변환하기 위한 열전변환소자 (106)를 포함한다. 열전변환소자(106)로서, 예를 들면, 티타늄을 검출재료로서 이용하는 볼로미터(bolometer, 106)가 이용된다.
도 2 에서 도시된 것처럼, 각 열전변환소자(106)는, 픽셀을 선택하기 위한 픽셀스위치(107), 신호를 판독하기 위한 판독회로(108), 각 픽셀의 저항변화를 보정하기 위한 FPN(Fixed Pattern Noise) 보정회로(109), 및 각 판독회로(108)로부터 신호를 순차적으로 선택하기 위한 멀티플렉서(110)에 접속된다. 또한, 각 멀티플렉서 (110)를 제어하기 위한 수평시프트 레지스터(111), 및 각 픽셀스위치(107)를 순차적으로 선택하기 위한 수직시프트 레지스터(112)가 더 제공된다.
각 픽셀로 입사되는 적외선이 열전변환소자(106)에 의한 저항변화로 변환되고, 이 저항변화는 그리고 나서 판독회로(108)에 의해서 전압변화로 변환되고 증폭된다. 하나의 판독회로(108)가 각 열마다 형성된다. 각 판독회로(108)의 출력은 멀티플렉서(110)에 의해서 순차적으로 선택되고 반도체기판(101) 외부에 출력된다. 한 편, 수직시프트 레지스터(112)는 순차적으로 각 행의 픽셀스위치(107)를 선택하고 전체 배열의 열전변환소자(106)의 출력신호를 판독한다.
각 픽셀의 열전변환소자(106)의 저항치에서 변화가 발생하고, 판독회로(108)에서 신호의 증폭도가 높을 때 이 변화가 적외선검출의 결과에 영향을 미치므로, 증폭은 크게 증가될 수 없다. 그러므로, 각 픽셀의 저항변화에 따라서 전류를 변화시킴으로써 저항변화를 보정하는 FPN 보정회로(109)가 제공된다. 비록 도면에 도시되지는 않지만, 더욱 정확하게 FPN 을 제고하는 디지털 FPN 보정회로, 각 픽셀의 감도변화를 보정하는 감도보정회로, 결함픽셀에 인접하는 픽셀의 데이터로부터 추정함으로써 보정하는 결함픽셀 보정회로, 이 회로들에 의해서 보정을 수행하기 위한 A/D 변환회로 및 D/A 변환회로, 및 프레임 메모리가 더 제공된다.
종래기술의 이 제 1 실시예는 매트릭스 형상으로 배열된 많은 수의 픽셀들 뿐만 아니라, 다양한 형태의 보정회로 및 각 열에 대하여 판독회로(108)과 FPN 보정회로(109)를 필요로 하기 때문에, 비용과 크기가 높다.
대조적으로, 일본 특개평3-187582호 공보에서 개시된 적외선검출기는, 복수의 초전형(pyroelectric) 적외선 검출소자가 행으로 배열되는 선형배열센서 및 수평방향으로 상기 선형배열센서를 스캔하는 회전가능한 스테이트(state)를 포함한다. 픽셀들이 매트릭스 형상으로 형성된 종래기술의 제 1 실시예와 비교하여, 센서부는 크기가 감소되고 각 픽셀에 할당된 영역이 증가되어 감도를 높일 수 있다. 그러나, 센서부의 크기가 감소되더라도, 회전가능한 스테이트 구조가 복잡해져서 더 크기가 커질 수 있다.
일본 특개평8-122689호 공보에 개시된 광센서에서는, 반도체기판상에 단일의 광검출기 및 광스캐너가 형성된다. 광스캐너의 미러(mirror)로 입사되는 광은 반사되어 대상물로 투사되며, 대상물의 반사광은 광스캐너와 동일한 기판상의 광검출기로 향한다. 대상물로 조사되는 광은 광스캐너의 미러를 움직임으로써 선형적으로 스캔될 수 있다. 일본 특개평8-240782호 공보에서 개시된 광센서는 이 기술을 더욱 발전시켜서 광스캐너의 미러를 움직임으로써 대상물에 조사된 광을 2차원적으로 스캐닝하는 것을 가능케 한다. 또한, 일본 특개평4-319880호 공보에 개시된 X선 촬상장치는 개별적으로 구동가능한 마이크로미러군 및 광검출기 유닛을 포함한다. 마이크로미러군에서 입사광으로부터 상이 형성되고, 각 마이크로미러를 구동함으로써 이 입사광은 순차적으로 광검출기 유닛으로 유도되어 2차원 상의 검출을 가능케 한다. 이 구성은 광센서의 현저한 소형화를 가능하게 한다.
일본 특개평2-206733호 공보는 열형 적외선센서를 개시한다. 이 적외선센서는 다이어프렘상에 열전변환소자와 하나 이상의 펠티어소자(Peltier element) 및 가열소자가 제공된다. 열전변환소자는 다이어프렘상으로의 적외선의 입사에 동반하는 온도변화를 검출하여, 적외선의 검출을 가능하게 한다. 열전변환소자가 적외선의 입사에 의해 유발된 온도변화 뿐만 아니라 주위온도의 상승으로 인한 기판온도의 변화에 반응하여 오동작할 위험이 있으므로, 장치는 펠티어소자나 가열소자를 이용하여 고정된 온도에서 다이어프렘을 유지하도록 구성된다.
열형 적외선검출기는 일반적으로 열전변환소자를 이용하여 다이어프렘상의 온도변화를 검출하므로, 입사적외선에 대한 열형 적외선검출기의 반응속도는 다이어프렘이 적외선에 반응하여 열을 생성하는 속도에 의해서 결정된다. 다이어프렘이 적외선에 열적으로 반응하는데 필요한 시간은 열시정수(thermal time constant)에 의해서 표시된다. 이 특성은 예를 들면, 다이어프렘의 크기에 의해서 결정되는데, 50㎛ ×50㎛ 인 다이어프렘은 통상적으로 대략 10ms 의 반응시간을 갖는다.
상술된 센서의 소형화는 고밀도 패킹(higher-density packing)을 가능하게 하며, 더 높은 검출속도가 추구되고 있다. 10ms의 열시정수에서, 느린 열적반응속도는 문제를 일으킨다. 종래기술의 상술된 광스캐너에서 100픽셀 ×100픽셀의 영역을 스캐닝할 때, 예를 들면 각 픽셀에 대한 10ms의 시간간격은 결과적으로 전부 100ms ×100 ×100 = 100 s 가 된다.
어떤 종래기술도 열형 적외선검출기에서 입사적외선의 검출속도를 높이는 방법을 개시하지 않는다. 일본 특개평2-206733호 공보는 다이어프렘상에 펠티어소자나 가열소자가 배치되어, 다이어프렘온도가 일정한 수준으로 유지되는 것을 가능케 하는 구성을 설명하지만, 고속검출을 위한 방법을 개시하지는 않는다.
본 발명의 목적은 더 빠른 열적응답이 가능한 열형기능 장치, 그러한 장치를 이용하는 에너지 검출기, 및 열형기능 장치를 구동하는 방법을 제시하는 것이다.
도 1 는 종래기술의 열형 적외선검출기의 요부를 도시하는 단면도.
도 2 는 도 1 에서 도시된 열형 적외선 검출기의 회로도.
도 3 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열형 적외선검출기의 요부에 대한 투시도.
도 4 는 도 3 에서 도시된 열형 적외선검출기의 요부를 도시한 단면도.
도 5 는 도 3 에서 도시된 열형 적외선검출기의 요부를 도시하는 또 다른 단면도.
도 6 는 도 3 에서 도시된 열형 적외선검출기의 회로도.
도 7 는 도 3 에서 도시된 열형 적외선검출기의 구동방법을 도시하는 흐름도.
도 8a 는 도 3 에서 도시된 열형 적외선검출기의 입사파워를 도시하는 그래프.
도 8b 는 열전변환소자의 출력신호를 도시하는 그래프.
도 8c 는 다이어프램의 온도를 도시하는 그래프.
도 9 는 또 다른 열형 적외선검출기의 회로도.
도 10 는 또 다른 열형 적외선검출기의 회로도.
도 11 는 도 10 에서 도시된 열형 적외선검출기의 구동방법을 도시하는 흐름도.
도 12 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전체 열형 적외선검출기를 도시하는 개략투시도.
도 13 는 도 12 에서 도시된 열형 적외선검출기의 개략단면도.
도 14 는 도 12 에서 도시된 열형 적외선검출기의 구동방법을 도시하는 차임차트.
도 15a-15d 는 마이크로미러의 동작을 설명하는 도면.
도 16 는 도 15a-15d 에서 도시된 마이크로미러를 구동할 때 전압펄스를 도시하는 타임차트.
도 17 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고정된 미러를 배치하는 방법을 설명하는 개략투시도.
도 18 는 고정된 미러를 배치하는 또 다른 방법을 설명하는 개략투시도.
도 19 는 제백(Seebeck)계수와 불순물농도의 관계를 도시하는 그래프.
도 20 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열형 적외선검출기의 등가회로도.
도 21 는 또 다른 열형 적외선검출기의 개략단면도.
도 22 는 또 다른 열형 적외선검출기의 개략단면도.
도 23 는 또 다른 열형 적외선검출기의 개략단면도.
도 24 는 또 다른 열형 적외선검출기의 개략단면도.
도 25 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전체 열형 적외선검출기를 도시하는 개략투시도.
도 26 는 도 25 에서 도시된 열형 적외선검출기의 개략단면도.
도 27 는 도 25 에서 도시된 열형 적외선검출기의 회로도.
도 28 는 본 발명의 제 2 실시예의 변형회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 기판 2: 다이어프램
3: 전열변환소자 4: 열전변환소자
8, 14: 절연층 9: 슬릿
15: 실리콘산화막 18: 정전류원
19: 연산증폭기 20: 노이즈필터
31: 대물렌즈 36: 고정미러
50: 알루미늄층 71: 측정기
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 열형기능 장치는, 가요성 다이어프렘, 열을 전기적 신호로 변환하는 열전변환소자, 전기적 신호를 열로 변환하는 전열변환소자, 및 기준신호 생성수단을 포함한다.열전변환소자는 다이어프렘상에 배치되고, 전열변환소자는 열전변환소자에 인접한 다이어프렘상에 배치된다. 기준신호 생성수단은 전열변환소자의 구동을 제어하기 위하여 열전변환소자의 출력신호와 비교되는 기준신호를 제공한다. 기준신호 생성수단으로부터의 기준신호와 열전변환소자의 출력신호를 비교하고, 양자의 차이를 보상하기 위한 보상신호를 전열변환소자로 제공함으로써 전열변환소자를 구동하는 비교수단이 더 제공된다.
이러한 구성으로, 다이어프렘의 열적반응보다 더 빠르게 열전변환소자에 의해서 검출되는 에너지를 오프셋(offset)하기 위해서 전열변환소자가 제어되어, 다이어프렘에서의 온도변화를 제거한다. 다이어프렘의 열시정수의 영향이 없이, 입사 적외선에 관한 반응속도가 크게 향상되고, 열전변환의 선형성이 향상될 수 있다. 더우기, 다이어프렘에서는 온도변화가 발생하지 않으므로, 다른 검출기, 예를 들면 군사적 목적을 위한 나이트비젼(night vision) 장치나 가이딩(guiding)장치가 이 열형기능 장치를 검출하기는 어렵다.
다이어프렘이 기판에 제공된 캐비티(cavity) 위에 배치되고 비교수단이 기판에 배치되는 구성도 가능하다. 그런 경우에서는, 열형기능 장치의 구성은 소형화를 위하여 단순하고 쉽게 다룰 수 있다.
열형기능 장치는 또한 외부로부터 발생한 전자기파를 열전변환소자로 가이드하는 미러수단을 구비하는 구조로 되어 매우 저렴하고, 컴팩트하며 빠른 반응을 할 수 있는 열형기능 장치를 실현할 수 있다.
기준신호생성수단이 정전압원이고, 열형기능 장치는, 참조용열전변환소자, 참조용열전변환소자에 인접하여 배치되는 부가적인 열전변환소자, 및 참조용 열전조사의 출력신호와 기준전압의 차이를 비교신호호서 출력하는 비교수단을 더 포함하며, 보상신호와 비교신호 사이의 차이에 기초하여 열전변환소자로의 에너지입사를 검출하는 검출수단을 더 포함하는 구성도 가능하다. 적외선의 입사와 같은 에너지의 입사는 따라서 더욱 정확하게 검출될 수 있다.
본 발명의 에너지검출기에서, 임의의 상술된 구성의 열형기능 장치의 복수의 열전변환소자는 일렬로 배치된다. 단일의 열형기능 장치로 구성되는 에너지검출기는 픽셀의 감도에 있어서 변화를 보이지 않고 드리프트(drift)를 생성하지 않는다. 대조적으로, 일렬로 배치된 복수의 열형기능 장치를 이용하는 장치는 노이즈 주파수대역을 좁히고 노이즈를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 열형기능 장치를 구동하는 방법은, 기준신호 생성수단으로부터 공급된 기준신호를 갖는 다이어프렘상에 배치된 열전변환소자의 출력을 비교하는 단계, 열전변환소자 근방의 다이어프렘상에 배치된 전열변환소자로, 상기 비교결과에 기초한 두 신호 사이의 차이를 보상하는 보상신호를 제공하는 단계, 및 전열변환소자를 구동하는 단계를 포함한다.
이 방법을 이용하여, 온도변화가 다이어프렘에서 발생치 않으며 열전변환소자는 항상 최적온도에서 동작할 수 있고, 열형기능 장치는 양호한 정확도를 가지고 구동될 수 있다.
본 발명은 적외선검출기를 포함하여, 모든 열형기능 장치에 광범위하게 적용될 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 및 장점은 본 발명의 실시예를 도시하는 도면을 참조하는 다음의 설명으로부터 자명해질 것이다.
이제 도 3 을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열형기능 장치가 도시되는데, 이것은 기판(1), 다이어프렘(2), 전열변환소자(3), 열전변환소자(4), 및 참조용열전변환소자(5)를 포함하는 열형 적외선검출기이다. 후술되는 제어회로(37)는 기판(1)상에 형성된다. 절연층(6)은 기판(1)상에 형성된다. 캐비티(7)가 이 절연층(6)에 에칭에 의해서 형성되고, 절연층(8)이 이 캐비티(7) 위에 더 형성된다. 캐비티(7) 위에 위치된 이 절연층(8)부는 다이어프렘(2)이다. 슬릿(9)이 절연층(8)에 형성되고, 다이어프렘(2)는 가늘고 구부러진 빔(10)에 의해서 지지된다.
전기적 신호를 열로 변환하는 전열변환소자(3)는 이 다이어프렘(2)상에 탑재된다. 전열변환소자(3)로서, p형반도체(11)와 n형반도체(12)를 접속하여 구성된 펠티어소자가 이용되어, 컨택트(13)을 제공한다. 열을 전기적신호로 변환하는 열전변환소자(4)도 다이어프렘(2)상에 탑재된다. 본 실시예의 열전변환소자(4)는 볼로미터(bolometer)이고 전열변환소자(3)에 인접하거나 부분적으로 겹치게 배치된다. 그럼에도 불구하고, 절연층(14)이 두 소자들 사이에 존재하여 전열변환소자(3)와 열전변환소자(4) 사이의 직접적인 접촉을 방지한다.
더우기, 굴절율 n 과 두께/4n 를 갖는 산화실리콘층(15)이 다이어프렘(2)상에 형성되고, 적어도 열전변환소자(4)를 커버하기 위해서 이 산화실리콘층(15)상에 금속박막(16)이 형성된다. 따라서 금속박막(16)이 형성되는 다이어프렘(2)부가 적외선 흡수층으로서 작용한다. 파장의 적외선이 입사하면, 산화실리콘층(15)에는 정상파가 발생하고 적외선이 금속박막(16)에서 흡수된다. 만일 금속박막(16)의 시트저항(sheet resistance)이 진공에서 377 Ω/ㅁ (단위면적당 저항)인 것으로 설정되면 거의 100% 의 흡수율이 얻어진다.
다이어프렘(2)은 따라서 넓은 수광면적(photoreceptive area)에 걸쳐서 입사된 적외선을 효율적으로 흡수할 수 있고, 또한, 긴 빔(10)에 의해서 열이 달아나는 것을 막기 위해서 낮은 열컨덕턴스(heat conductance)를 갖는 것으로 형성된다.
기준신호 생성수단인 참조용 열전변환소자(5)가 다이어프렘(2) 외부의 위치에서 기판(1)상에 배치된다. 이 참조용 열전변환소자(5)는 또한 열전변환소자(4)와 유사한 볼로미터이다.
열전변환소자(4), 전열변환소자(3), 및 참조용 열전변환소자(5)를 접속하는 제어회로(37)는 그리고 나서 기판(1)에서 구성된다. 이 제어회로(37)는 연산증폭기(19), 노이즈필터(20), 및 측정장치(21)에 의해서 구성된다. 정전류원(18A) 및 열전변환소자(4)는 연산증폭기(19)의 하나의 터미널에 접속되고, 정전류원(18B)과 참조용 열전변환소자(5)는 다른 입력 터미널에 접속된다. 연산증폭기(19)의 출력은 노이즈필터(20)를 통하여 측정장치(검출수단)와 열전변환소자(3)로 접속된다. 열전변환소자(4)는 정전류원(18A 및 18B)으로부터 고정된 전류가 제공되고 저항변화를 전압변화로 변환한다. 본 실시예에서, 열전변환소자(4)로서 양의 저항온도계수를 갖는 티타늄으로 구성된 볼로미터가 이용된다. 그러한 경우, 전열변환소자(펠티어소자)(3)의 p형반도체(11)이 연산증폭기(19)의 출력에 접속되고, 열전변환소자(4)가 연산증폭기(19)의 반전(inverse)입력으로 접속되어, 후술하는 바와 같이, 다이어프렘(2)을 고정된 온도에서 제어하는 것이 가능해진다. 한 편, 전열변환소자(3)의 n형 반도체(12)는 연산증폭기(19)의 출력으로 접속되고 열전변환소자(4)는 연산증폭기(19)의 비반전(non-inverse)입력단자로 접속된다. 그러나, 폴리실리콘 볼로미터나 금속산화물 반도체 볼로미터같은, 음의 저항온도계수를 갖는 열전변환소자(4)를 이용할 때, 전열변환소자(3)의 n형 반도체(12)는 연산증폭기(19)의 출력으로 접속되고 열전변환소자(4)는 연산증폭기(19)의 반전입력단자로 접속된다. 또한, 전열변환소자(3)의 p형반도체(11)은 연산증폭기(19)의 출력으로 접속되고 열전변환소자(4)는 연산증폭기(19)의 비반전 입력단자로 접속된다. 마지막으로, 측정장치(21)는 예를 들면, 동일한 칩상의 연산증폭기같은 신호처리회로나 칩외부의 카메라(camera)회로의 제 1 단 연산증폭기 또는 신호처리회로일 수 있다.
이제 도 7 를 참조하여, 본 열형 적외선검출기의 적외선 검출동작에 관한 설명이 제시된다.
단계(201)에서, 다이어프렘(2)을 향하여 적외선이 조사되고 적외선은 금속박막(16)에 의해 흡수되며, 열을 생성하기 위한 에너지는 금속박막(16)으로 전달되고, 열전변환소자(4)가 이 에너지를 감지하여 출력을 증가시킨다. 반대로, 참조용 열전변환소자(5)는 다이어프렘(2) 외부의 기판에 위치되고 그러므로 적외선에 의한 조사(irradiation)를 받지 않고 열적에너지의 증가도 겪지 않는다. 따라서 참조용 열전변환소자(5)의 출력신호(기준신호)는 변화하지 않는다. 연산증폭기(19)에서, 열전변환소자(4)의 출력 및 참조용 열전변환소자(5)는 단계(202)에서 비교되고 그 출력들 사이의 차이가 검출된다. 단계(203)에서, 이 차이는 증폭되고 보상신호로서 출력된다. 노이즈필터(20)에 의해 노이즈가 커트(cut)된 후, 보상신호는 측정장치(21)로 제공된다. 측정장치(21)는 이 보상신호로부터 다이어프렘(2)으로 가해진 발열에너지량 밝히고, 이 발열에너지량에 기초하여 적외선 조사량을 계산한다.
보상신호는 전열변환소자(3)로 제공되어 이 소자를 구동한다. 본 실시예의 전열변환소자(3)는 펠티어소자이고, 단계(204)에서 보상신호가 제공될 때 냉각효과를 발휘한다. 보상신호는, 적외선의 조사를 받는 열전변환소자(4)의 출력과 적외선조사를 받지 않는 참조용 열전변환소자(5)의 출력 사이의 차이를 캔슬(cancel)하는 기능을 한다. 즉, 전열변환소자(3)는 보상신호를 제공받으면, 적외선에 의한 조사가 없는 상태와 동일한 온도를 유지하고 적외선조사에 의해서 다이어프렘(2)으로 인가된 열적에너지를 캔슬한다.
보상신호는 그 후 상술된 바와 같이 적외선에 의한 조사가 지속되는한 연산증폭기(19)로부터 계속적으로 출력되고, 측정장치(21)는 적외선조사량을 계속하여 구하고 다이어프렘(2)을 고정된 온도에서 유지하기 위하여 전열변환소자(3)를 계속 구동한다. 따라서, 적외선에 의한 조사로 인해 다이어프렘(2)로 열적 에너지가 가해지더라도, 전열변환소자(3)는, 다이어프렘의 온도가 실질적으로 증가하기 전에 이 열적 에너지를 오프셋(offset)시키고, 다이어프렘(2)은 고정된 온도로 유지될 수 있다.
종래기술에서는, 다이어프렘의 온도가 적외선의 조사에 따라 계속해서 상승하고 이러한 온도의 증가가 열전변환소자의 동작에 영향을 미칠 수 있다는 위험이 존재했다. 그러나, 본 발명에서 다이어프렘(2)은 적외선에 의한 조사에도 불구하고 고정된 온도에서 유지되어 열전변환소자(4)가 최적온도에서 사용되고 소자특성을 최대로 이용하는 것을 가능케 할 수 있다.
적외선에 의한 조사동안 이 조사량이 증가할 때, 열전변환소자(4)의 출력은 증가하고 이 출력과 참조용 열전변환소자(5)의 출력과의 차이가 역시 증가하여, 보상신호의 증가를 야기시킨다. 따라서 전열변환소자(3)은 더 큰 냉각효과를 생성하도록 구동되고, 다이어프렘(2)은 그러므로 일정온도에서 유지된다. 반대로, 만일 적외선에 의한 조사량이 감소하면, 열전변환소자(4)의 출력은 감소하고, 이 출력과 참조용 열전변환소자(5)의 출력의 차이가 감소하며, 보상신호 역시 감소한다. 따라서 전열변환소자(3)는 열을 생성하도록 구동되어, 다이어프렘(2)를 고정된 온도에서 유지한다. 만일 적외선에 의한 조사가 중단되면, 열전변환소자 (4)의 출력은 참조용 열전변환소자(5)의 출력과 동일한 수준으로 감소한다. 따라서 연산증폭기(19)는 두 출력이 동일한 것으로 감지하여 보상신호의 출력을 중지한다. 측정장치(21)는 보상신호를 공급받는 것을 중지하고 따라서 적외선조사가 중지된 것으로 감지한다. 최종적으로, 전열변환소자(3)는 더 이상 보상신호에 의해서 구동되지 않으므로 동작을 중지한다.
도 8 는 입사된 적외선에 대응하는 열전변환소자(4)의 출력전압과 다이어프렘(2)의 온도 사이의 관계를 도시한다. 도 8a 는 입사적외선에 의한 조사량(입사파워)의 시간변화를 도시한다. 즉, 촬상장치에 있어서, 상온을 중심으로 온도가 상승 또는 하강하는 피사체를 촬상할 때 피사체로부터 방사된 적외선의 입사파워를 나타낸다. 도 8b 는 도 8a 에 도시된 적외선 조사에 대응하는 연산증폭기(19)의 출력전압을 나타낸다. 본 연산증폭기(19)의 출력전압은 측정장치(21)로 공급되고 또한 전열변환소자(3)를 구동하기 위하여 전열변환소자(3)로 공급되는 보상신호다. 피사체가 고온인 동안, 열전변환소자(4)의 출력전압은 전열변환소자(3)가 흡열성(endothermic)이 되도록 야기시키는 보상신호를 생성하기 위하여 변한다. 한 편, 피사체가 저온인 동안, 열전변환소자(4)의 출력전압은 전열변환소자 (3)가 발열성(exothermic)이 되도록 야기시키는 보상신호를 생성하기 위하여 변한다. 따라서 연산증폭기(19)에 의해서 연산 및 증폭되어, 다이어프렘(2)이 항상 고정된 온도가 되도록 보상신호가 발생되고 다이어프렘(2)은 도 8c 와 같이 고정된 온도를 유지한다. 열전변환소자(4)를 최적온도에서 이전에 설명한 것처럼 이용하기 위해서는, 본 열형 적외선검출기가 항온실에서 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 항온실 외부에서 사용하는 경우, 다이어프렘(2)의 온도는 적외선에 의한 조사 이외의 원인, 즉 주위온도 상승으로 인해 상승할 수 있다. 그러한 경우, 열전변환소자(4)의 출력은 참조용 열전변환소자(5)의 출력이 유사하게 증가하는 것과 동시에 증가하고, 두 출력은 연산증폭기(19)에서 동일한 것으로 검출되며, 보상신호는 송신되지 않는다. 측정장치(21)는 따라서 적외선의 조사가 없는 것으로 감지한다.
연산증폭기(19)에서 수정없이 계산된 보상신호의 출력은 넓은 대역폭의 노이즈를 생성하고, 노이즈 주파수 대역폭은 그러므로 로우패스필터같은 노이즈필터(20)를 이용하여 좁히는 것이 바람직하다. 각 픽셀의 신호를 판독하기 위해서, 노이즈필터(20)의 컷오프 주파수는 픽셀 클럭주파수(clock frequency)의 수 배, 예를 들면, 클럭주파수의 2-10 배 정도가 바람직하다. 만일 픽셀수가 64 ×64 이고 프레임주파수가 30 Hz 라면, 픽셀 클럭주파수는 123 kHz 이고 컷오프 주파수는 250-600 kHz 가 바람직하다. 한 편, 연산증폭기(19) 자체의 주파수 대역폭이 제한되고 노이즈필터(20)이 생략될 수 있다.
상술한 바와 같이, 적외선 흡수층은, 반사층으로서 기능하는 열전변환소자(4), 굴절율 n 을 갖는 산화실리콘층(15), 및 다이어프렘(2)상에 형성된 금속박막(16)으로 구성된다. 금속박막(16)은 티타늄 또는 질화티타늄으로 구성되는 것이 바람직하다. 본 실시예의 열전변환소자(4)는 저항치를 최적으로 하기 위하여 굴곡된 형태로 형성되지만, 적외선파장에 대한 비형성부분의 존재는 무시될 수 있고, 이 열전변환소자(4)는 반사층으로서 기능한다.
또한, 도면에서 도시되지는 않지만, 반사층은 캐비티(7)의 바닥에 형성되고 캐비티(7)는 굴절율 n 의 층으로서 이용될 수 있다. 이 경우, 다이어프렘(2)상의 전열변환소자(3) 및 열전변환소자(4)는 가능한한 많은 적외선이 투과하도록 구성되는 것이 바람직하다.
종래에 이용된 적외선흡수층의 금속막(16)으로서 이용될 수 있는 재료는 저진공도중에서 금을 증착시킴으로써 형성된 골드블랙(gold-black) 또는 니켈-크롬막을 포함한다.
열전변환소자(4)는, 온도에 대한 저항의 의존성을 이용하는 볼로미터, 두 종류의 재료 사이의 열기전력을 이용하는 열전쌍(thermocouple(thermopile)), pn접합 다이오드전류의 온도의존성을 이용하는 소자, 또는 자발분극(spontanous polarization)의 온도의존성을 이용하는 초전형(pyroelectric) 재료를 이용할 수 있다. 볼로미터, 열전대, 및 pn접합 다이오드는 재료에 대한 모놀리식 증착(monolithic deposition)을 허용하는 이점이 있다.
볼로미터는 높은 감도능력을 특징으로 한다. 볼로미터의 재료로서는 저항온도계수(TCR)이 높고 1/f 노이즈가 낮은 것이 바람직하다. 산화바나디움 (Vanadium oxide), 산화티타늄, 이러한 합성물에 불순물이 첨가되는 재료는 2%/K 정도의 TCR, 및 낮은 1/f 노이즈를 갖으므로, 이러한 재료들은 사용에 적절하다. 한 편, 0.2-2 %/K 정도의 TCR을 특징으로 하고 공지된 실리콘처리로 쉽게 형성될 수 있는 티타늄, 폴리실리콘, 아몰퍼스 실리콘, 및 실리콘-게르마늄도 사용에 적합하다. 재료들 가운데, 티타늄은 0.2-0.5 %/K 정도의 높은 TCR 을 갖는다. 재료들 가운데 티타늄은 약 0.1 W/cm 정도의 낮은 열컨덕턴스를 갖고 다이어프렘의 열컨덕턴스를 감소시킬 수 있다. 또한, 일반적인 재료들의 특성에도 불구하고, 티타늄은 또한 많은 수의 캐리어들을 갖음로 극히 낮은 1/f 노이즈를 갖는다. 한 편, 폴리실리콘을 이용하는 볼로미터는, 후술되는 폴리실리콘을 이용하는 펠티어소자(전열변환소자(3))와 동시에 형성될 수 있으므로, 제조공정을 간략화하는 장점이 있다.
다이어프렘(2)상에 형성된 하나의 콘택트 및 다이어프렘(2) 외부의 기판(1)상에 형성된 다른 콘택트를 구비한 열전대는 다이어프렘(2)의 에너지변화를 감지한다. 열전대는 기판온도를 기준으로 이용하여 다이어프렘(2)의 온도차를 구하므로, 열전대는 예를 들면, 참조용 열전변환소자(5)의 기능을 수행하고, 참조용 열전변환소자(5)가 생략된 구성을 가능케 한다. 높은 제벡계수를 갖는 재료가 열전대의 재료로서 바람직하다. 붕소, 인, 및 비소같은 불순물들로 도핑된 폴리실리콘 또는 아몰퍼스실리콘은 약 0.5mV/K 의 높은 제벡계수를 갖고 반도체제조라인에서 쉽게 생산될 수 있다. 붕소로 도핑된 p형 폴리실리콘 및 인이나 비소로 도핑된 n형 폴리실리콘은 서로 극성이 다른 제벡계수를 갖고, 이들을 열전대의 두 재료로서 사용함으로써 큰 열기전력이 구해질 수 있다. 두 재료의 컨택트는 알루미늄같은 재료로부터 형성되고, 열전대는 후술할 펠티어소자(열전변환소자(3))와 동일한 구성을 하므로, 둘은 동시에 형성될 수 있다. 열전대는, 온도변화에 따라서 열기전력의 변화를 야기시키는 소자이다. 열전대에 접속된 회로저항이 높을 때, 열전대로 전류가 흐르지 않고 열전대에서 생성된 전기적 파워가 거의 영이다. 그러므로, 열전대는 다이어프렘상에 발열을 야기시키지 않는 장점이 있다.
pn접합 다이오드는 예를 들면, p형 폴리실리콘 및 n형 폴리실리콘으로 구성되고, 열전변환소자(4)는 순방향 또는 역방향 전류의 온도의존성을 이용함으로써 구성될 수 있다. 한 편, 열전변환소자(4)는, pn접합 다이오드 대신에 반도체 및 금속에 의해 구성된 소트키 다이오드(Schottky)를 이용하고, 그 후 순방향 또는 역방향 전류의 온도의존성을 이용함으로써 구성될 수 있다.
본 실시예에서 펠티어소자는 전열변환소자(3)로서 사용된다. 펠티어소자(3)는 열전대와 동일한 구성을하고, 도 4 에 도시된것처럼, p형 반도체(11), n형 반도체(12), 및 알루미늄으로 만들어진 컨택트(13)를 포함한다. 펠티어소자는 전류가 p형 반도체(11)로부터 n형 반도체(12)로 흐를 때 열을 생성하고, 그 반대방향으로 전류가 흐를 때 열을 흡수한다. 펠티어소자의 재료로서, 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3)나 안티모니 텔루라이드(Sb2Te3)같은 합금 및, 붕소, 인, 또는 비소로 도핑된 아몰포스 실리콘이나 폴리시리콘이 이용될 수 있다.
전열변환소자(3)는 펠티어소자이외의 다른 구성요소를 이용할 수 있다. 상술된 바와 같이, 피사체가 고온일 경우 열을 흡수하고 피사체가 저온일 경우 열을 생성하는 기능을 하기 위해 열을 생성 및 흡수할 수 있는 전열변환소자(3)을 이용하는 것이 바람직하다.
만일 펠티어계수가 Π이고 전류가 I 이면, 펠티어소자(3)에서의 시간당 발열 또는 흡열량(W)은 수학식 1 에 의해서 표시된다.
만일 절대온도가 T 라면, 펠티어계수 Π및 제벡계수는 수학식 2 에 의해서 표시된다.
전술한 바와 같이, p형 폴리실리콘(11) 및 n형 폴리실리콘(12)가 결합되어 있는 펠티어소자(3)는 제벡계수를 1mV/K (0.5mV/K ×2)정도로 만들 수 있고, 그러한 경우, 펠티어계수 Π는 약 300 mJ/C 이다. 다이어프렘(2)상의 에너지변화량이 ΔW 이고 열컨덕턴스가 Gth 라면, 다이어프렘(2)의 온도변화량 ΔT 은 수학식 3 에 의해 도시된다.
보통 열컨덕턴스 Gth 를 0.01 ㎼/K 정도로 하는 것은 가능하다. 만일 다이어프렘의 온도가 예를 들면, ±10 ℃ 로 상승 및 하강하는 경우, 수학식 1 및 3 에 기초하여. 약 ±0.33 ㎂ 의 전류가 펠티어소자(3)을 통하여 흐르게 된다.
피사체의 온도가 1 ℃ 변화하면 출력전압의 변화가 다음으로 구해진다.
피사체에서 1 ℃ 의 온도변화의 결과가 픽셀당 입사 적외선의 열량 ΔP 으로 된다. 이 열량 ΔP 은 약 6 ×10-10[W]이고, 수학식 1 에 따라서, 펠티어소자(3)을 통하여 흐르는 전류 ΔI 는 ΔI = ΔP / Π= 2nA 이다. 만일 펠티어소자(3)의 저항이 R 라면, 출력전압 ΔV 는 수학식 4 에 의해서 표시된다. 예를 들어, R = 500 kΩ인 경우, ΔV = 1mV 이다.
펠티어소자(3)에는 존슨노이즈(Johnson noise)가 존재하므로, 수학식 5 에 의해 도시되는 노이즈전압 vn 은 출력전압에 포함된다. Δf 는 상술된 노이즈필터(20)의 주파수대역이고, 예를 들면 250 kHz 일 수 있다. 그런 경우, 만일 R 이 500 kΩ이면 vn 은 45 ㎶ 이다.
적외선 검출기의 한 성능지수는 노이즈 등가온도차(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)이다. 이 지수는 출력노이즈와 신호를 비교하고 양자가 일치할 때 피사체의 온도차를 가리키며, 온도분해능에 상당한다. 펠티어소자(3)의 존슨노이즈로부터 발생하는 NETDPJ는 수학식 5 에 의해서 나타내어지는 노이즈전압(노이즈)비이고 수학식 4 의 출력전압(신호)이며, 수학식 6 에 의해서 표현된다.
통상의 적외선검출기는, NETD 가 0.2 ℃ 정도 이하이면 다양한 용도에 적용될 수 있다. 예로서 이 값까지 선택된 각 숫자들이 수학식 6 에 대입되면, 펠티어소자(3)의 존슨노이즈에 기인한 NETDPJ는 45 m℃ 정도가 되어, 소자가 실제 사용하는데 적합한 것을 나타낸다.
상술된 계산은 펠티어소자(3)의 존슨노이즈에 관한 것이지만, 펠티어소자(3)의 1/f 노이즈, 열전변환소자의 존슨노이즈 및 1/f 노이즈, 및 다이어프렘(2)의 온도변동같은 인자들을 적절히 고려하는 동안, 이러한 값들을 최소화하기 위하여 소자에 대한 설계가 수행되어야 한다.
1/f 노이즈는 컨택트(13)의 저항을 감소시키고 재료의 선정시 주의를 기울여 증착조건을 조정함으로써 충분히 감소될 수 있다.
다이어프렘(2)의 온도변동은 열전도에서의 변동에 기초하고, 이 영향은, 열컨덕턴스를 감소시켜 Δf 를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 온도변동에 기인한 NETDTF는 수학식 7 에 의해서 표현될 수 있다.
Gth = 0.01 ㎼/K 를 대입하면, 온도변동에 기인한 NETDTF는 0.18 ℃ 가 된다.
전체 NETD 는 각 NETD 성분의 제곱에 대한 합으로써 표현된다. 본 실시예에서, 전체 NETD 는 185 m℃ 정도로 압축될 수 있으므로, 이 적외선 검출기는 충분히 높은 성능을 나타낸다.
도 3-6 에 도시된 구성에서, 다이어프렘(2)은 통상의 온도에서 유지되지만, 어떤 재료들은 열전변환소자(4)에 따라서 통상온도외의 온도에서 유지되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 반도체인 YBA2Cu3O7의 TCR 은, 액체질소(77K)온도 근처에서 증가한다. 이런 종류의 재료는 이렇게 낮은 온도에서 사용되는 것이 바람직하다. 더우기, 강유전체(ferroelectric)재료인 티탄산 바륨(barium titanate)은 130 ℃ 부근의 고온영역에서 상유전체(paraelectric)로의 전이온도를 갖는다. 이런 형태의 재료는 이 범위의 고온에서 사용될 때 높은 TCR 을 갖는다.
도 9 는 다이어프렘의 온도를 통상온도외의 온도에 용이하게 설정하는 구성을 도시한다. 도 6 에 도시된 구성과 비교하면, 기준신호 생성수단이 상이한 구성을 갖는 것을 알 수 있다. 도 6 에 도시된 구성과 동일한 부분은 동일한 참조번호로 실별되고 설명은 여기서 생략한다. 이 구성에서, 정전압원(22)이 참조용 열전변환소자(5)를 대신하여 제공된다. 예를 들면, 항온실내에 배치된 적외선검출기에서, 다이어프렘(2)을 소정의 온도로 유지하기 위하여 전열변환소자(3)로 공급되는 기준전압(기준신호)은 미리 조사(investigate)되고, 이 정전압원(22)은 이 기준전압을 연산증폭기(19)로 공급한다. 이런 식으로, 다이어프렘(2)은 참조용 전열변환소자를 이용하지 않고 소정의 온도에서 유지될 수 있다. 더우기, 정전압원(22)은 항상 고정된 전위에서 유지된다면 특정의 전기부품일 필요는 없다.
도 10 는 다이어프렘(2)의 온도를 매우 정확하게 통상온도외의 온도로 용이하게 설정하는 구성을 도시한다. 도 6 에서 도시된 구성과 동일한 부분은 동일한 참조번호가 부여되고 설명은 여기서 생략된다. 이 구성에서, 다이어프렘(2) 및 부가적인 다이어프렘(25)이 제공되고, 본 다이어프렘(25)상에 참조용 열전변환소자(예를 들면, 볼로미터)(5) 및 부가적인 전열변환소자(예를 들면, 펠티어소자)(26)가 제공된다. 또한, 부가적인 연산증폭기(27), 정전압원(기준신호 생성수단)(28), 및 노이즈필터(72)가 제공된다.
이러한 제어회로에서, 열전변환소자(4)는 정전류원(18)과 연산증폭기(19)의 반전입력 단자로 접속되고, 정전압원(28)이 연산증폭기(19)의 비반전 입력단자로 접속된다. 연산증폭기(19)의 출력은 노이즈필터(20)을 통하여 측정장치(71) 및 전열변환소자(3)로 접속된다. 참조용 열전변환소자(5)는 정전류원(18)과 부가적인 연산증폭기 (27)의 반전입력 단자로 접속된다. 부가적인 연산증폭기(27)의 비반전입력 단자는 정전압원(28)로 접속된다. 마지막으로, 부가적인 연산증폭기(27)의 출력은 노이즈필터(72)를 통해서 측정장치(71) 및 부가적인 전열변환소자(26)로 접속된다. 따라서, 연산증폭기(19)는, 열전변환소자(4)의 출력전압과 정전압원(28)으로부터 제공된 기준전압(기준신호)의 차이(신호전압 Vs)를 측정장치(71)로 출력한다. 부가적인 연산증폭기(27)는 참조용 열전변환소자(5)의 출력전압과 정전압원(28)으로부터 제공된 기준전압(기준신호)의 차이(OB 신호 VOB)를 측정장치(71)로 출력한다. 측정장치 (71)는 신호전압 Vs 과 OB 전압 VOB를 비교하여 차이가 있으면 다이어프렘(2)으로 에너지가 인가된 것으로 결정한다. 도 6 에서 도시된 제어회로와 본질적으로 동일한 소자들에 관한 상세한 설명은 여기서는 생략된다.
도 11 에서는, 본 제어회로 제어하의 적외선검출동작에 관한 설명이 제시된다.
단계(205)에서, 적외선이 다이어프렘(2)으로 조사되고 적외선이 금속박막(16)에 의해서 흡수될 때, 열적 에너지는 금속박막(16)으로 가해진다. 다이어프렘(2)상의 열전변환소자(4)는 이 에너지를 감지하고 출력을 증가시킨다. 더우기, 기준전압(기준신호)가 정전압원(28)으로부터 출력된다. 단계(206)에서, 연산증폭기(19)는 열전변환소자(4)의 출력과 기준전압을 비교한다. 단계(207)에서는, 차이가 검출되고, 이 차이는 보상신호로서 증폭 및 출력된다. 보상신호(신호전압 Vs)는 전열변환소자(3)로 제공되고 이 소자를 구동한다. 단계(208)에서, 전열변환소자(3)는 적외선에 의해서 조사된 열전변환소자(4)의 출력과 기준전압과의 차이, 즉 보상신호를 오프셋하도록 동작한다. 즉, 전열변환소자(3)는 적외선의 조사에 의해 다이어프렘(2)으로 가해지는 열적 에너지를 오프셋시키고 적외선이 조사되기전 상태와 동일한 온도를 유지하는 기능을 한다. 단계(209)에서, 본 보상신호(신호전압 Vs)의 노이즈가 노이즈필터(20)에 의해 커트(cut)된 후, 신호는 측정장치(71)로 제공된다.
부가적인 다이어프렘(25)상의 참조용 열전변환소자(5)는, 도 21 에서 도시된 광차폐(61)같은 차폐부재에 의해서 커버되므로 적외선조사를 수신하지 않는다. 그러나, 주위온도의 변동으로 인하여 참조용 열전변환소자(5)의 출력이 변동하는 경우가 있다. 단계(210)에서 정전압원(28)으로부터 기준전압(기준신호)가 출력된다. 단계(211)에서, 참조용 열전변환소자(5)의 출력과 기준전압(기준신호)은 연산증폭기(27)에서 비교된다. 두 출력 사이에서 차이가 검출될 때, 이 차이는 단계(212)에서 또 다른 보상신호(비교된 신호 VOB)로서 증폭되고 출력된다. 이 다른 보상신호는 부가적인 전열변환소자(26)로 제공되고 이 소자를 구동한다. 단계(213)에서, 부가적인 전열변환소자(26)는 참조용 열전변환소자(5)의 출력과 기준전압의 차이(부가적인 보상신호)를 오프셋시키는 동작을 한다. 즉, 부가적인 전열변환소자(26)는 환경의 변화에 기인하여 다이어프렘(25)으로 가해진 열적 에너지를 오프셋시키고 전술된 온도를 유지하도록 동작한다. 단계(214)에서, 노이즈가 노이즈필터(71)에 의해서 부가적인 보상신호(OB 전압 VOB)로부터 커트된 후, 신호는 측정장치(71)로 제공된다.
측정장치는 그리고 나서 연산증폭기(19)로부터 신호전압 Vs 를 제공받고 연산증폭기(27)로부터 OB 전압 VOB를 제공받는다. 단계(215)에서, 측정장치(71)는 신호전압과 OB 전압 사이의 차이(Vs-VOB)를 구한다. 측정장치(71)는 신호전압과 OB전압(Vs-VOB) 사이의 이러한 차이에 기초하여 다이어프렘(2)로 가해진 열적 에너지량을 구하고 열적 에너지량에 기초하여 적외선 조사량을 계산한다.
본 구성에 따라서, 부가적인 전열변환소자(26)는 정전압원(28)에 의해 설정된 고정된 온도에서 다이어프렘(25)의 온도를 유지하도록 동작한다. 실질적으로 적외선조사의 검출을 수행하는 열전변환소자(4)가 제공되는 다이어프렘(2)은 정전압원(28)에 의해서 결정된 온도에서 전열변환소자(3)에 의해 유사하게 유지된다. 열전변환소자(4)가 최적으로 동작할 수 있도록 하는 온도를 유지하기 위해서, 정전압원(28)의 전압을 설정함으로써 적외선검출기는 항온실내에 배치되지 않은 경우에도 항상 최적으로 동작한다.
적외선조사같은 에너지입사가 없는 경우에는, 주위온도가 변화해도 신호전압 Vs 와 OB전압 VOB은 동일한 방식으로 변동하고 양자의 차이(Vs-VOB)는 0 으로 유지되므로, 적외선조사가 없는 것으로 판단한다. 만일 주위온도가 변화하고, 또한 다이어프렘(2)이 적외선에 의해서 조사되면, OB 전압 VOB는 주위온도 변화에 따라 변동한다. 주위온도 변화에 수반하는 변동외에, 신호전압 Vs 는 또한 적외선조사에 의해서 유발된 열에너지의 인가에 따라 변동하므로, 신호전압 Vs 은 OB 전압 VOB과 다른 값을 갖는다. 따라서, 두 전압의 차이(Vs-VOB)는 오로지 적외선조사에만 기인하는 열전변환소자(4)의 출력변동을 가리킨다. 열전변환소자(4 및 5)의 출력과 기준전압의 차이는 연산증폭기(19 및 27)에서 구해지므로, 적외선조사량은 정확히 측정될 수 있다.
도 10 에서 도시된 구성에서, 다이어프렘(2)의 온도는 77 K 또는 150 ℃ 로 설정될 수 있다. 온도가 이런식으로 극히 낮고 극히 높게 설정될 때, 펠티어계수Π의 온도의존성이 문제가 된다. 펠티어계수의 온도의존성은 수학식 8 에 의해서 나타낸다.
여기서,C 는 전도대(conduction band)의 바닥에서의 에너지를 나타내고,F 는 페르미준위를 나타내고, k 는 볼츠만상수를 나타내며, e 는 단위전하를 나타낸다. 수학식 8 으로부터, 펠티어계수 Π는 절대온도에 대하여 단조증가하는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 펠티어계수 Π는 통상온도에서 높으므로, 77 k 부근에서 이 수준의 절반으로 떨어지는 것은 특별한 문제는 아니다. 높은 온도에서, 펠티어계수는 통상온도의 이 수준 이상으로 증가하지만, 폴리실리콘의 경우 펠티어계수는 200 ℃ 이상의 온도에서 진성영역(intrinsic range)로 들어가므로 급격히 감소한다. 따라서 폴리실리콘은 200 ℃ 이하에서 사용되어야 한다(Inuish Yoshio, et. al. "Semiconductor properties 1" Asakura Shoten. p. 223) 도 10 에 도시된 구성에 따라서, 다이어프렘(2)의 온도는 고온 및 저온의 경우 자동적으로 설정온도에 수속하므로, 복잡한 설정은 필요치 않다.
이전의 설명에서 제시된 회로구성을 포함하는 적외선검출기의 실례는 도 12 및 13 에서 도시된다. 이 장치는 열형 적외선 촬상장치이고, 입사광을 집광하기 위한 대물렌즈(31), 집광된 광을 평행광으로 변환하기 위한 콜리메이터 렌즈(collimator lens, 32), x 방향(수평방향) 및 y 방향(수직방향) 에서 입사광을 스캔하기 위한 마이크로미러(가동미러)(33 및 34), 마이크로미러(33 및 34)에 의해 반사된 광을 기판으로 되돌려 보내기 위한 고정미러(35, 36), 및 전술된 열전변환소자(4) 및 참조용 열전변환소자(5)를 포함한다.
마이크로미터(33 및 34)는 빔(38 및 39)에 의해서 지지되는 다이어프렘(40 및 41)상에 형성된다. 빔(38 및 39)은 기판(1)에 접속되고 마이크로미러(33, 34)의 한 변의 중앙부와 대향하는 변의 중앙부와의 사이에 형성된다. 마이크로미터(33)의 빔(38)의 방향은 마이크로미터(34)의 빔(39)의 방향에 대하여 90°회전된다. 빔(38)의 길이, 폭, 및 두께는 마이크로미러(33)이 수직동기주파수에서 공진점을 갖도록 설정된다. 빔(39)의 길이, 폭, 및 두께는 마이크로미러(34)가 수직동기주파수에서 공진점을 갖도록 유사하게 설정된다. 마이크로미터 (33 및 34)가 빔(38 및 39)을 축으로 하여 왕복운동을 하도록 빔을 갖지 않는 미러(33 및 34)의 두 개의 변의 비스듬히 위에 전극(42 및 43)이 형성된다. 도면에서 도시되지는 않지만, 마이크로미러(33)이 인터포즈(interpose)되도록 전극(42)의 반대측에도 하나의 전극이 형성된다. 수직동기주파수의 펄스는 전극(42)으로 인가되고, 수평동기주파수의 펄스는 전극(43)으로 인가된다.
이제 도 13 및 14 를 참조하여, 본 발명의 전체적인 동작에 관한 간략한 설명이 제시된다. 먼제, 적외선이 입사하면, 광은 대물렌즈(31)에 의해서 집광되고 콜리메이터렌즈(32)에 의해서 평행광으로 변환된다. 평행광선은 수평동기 마이크로미러(33)로 향한다. 이 때, 도 14 에 도시된 전압펄스(Vp 및 Vp')가 전극(42)으로 인가된다. 펄스(Vp 및 Vp')는 수직동기신호 Vsync 를 트리거(trigger)로 하여 그 한 주기동안 두 번 출력된다. 후술된 바와 같이, 수직동기 마이크로미러 (33)는 도 16에서 도시된 이 펄스(Vp 및 Vp')의 출력과 동기하여 그 위치를 변경하고 평행광선을 y방향으로(수직방향) 스캔한다. 수직동기 마이크로미터(33)에 의해서 스캔된 평행광선은 고정미러(35)에 의해서 반사되어 수평동기 마이크로미러(34)로 향한다. 이 번에는, 도 14 에서 도시된 전압펄스(Hp 및 Hp')가 전극(43)으로 인가된다. 펄스(Hp 및 Hp')는 수평동기 Hsync 를 트리거로 하여 그 출력의 한 주기동안 두 번 출력된다. 후술되는 바와 같이, 수평동기 마이크로미러(34)는 수평동기 마이크로미터의 위치가 도 16 에 도시된 펄스(Vp 및 Vp')에 따라서 변하는 것과 동일한 방식으로 펄스(Hp 및 Hp')에 따라서 그 위치를 변화시키고 평행광선을 x방향(수평방향)으로 스캔한다. 수평동기 마이크로미터 (34)에 의해서 스캔된 평행광선은 고정미러(36)에 의해서 반사되고, 열전변환소자(4)로 향하며, 전기신호로 변환된다. 그리고 나서, 전술한 바와 같이, 적외선의 입사는 도 6 에서 도시된 측정장치(21)에 의해 감지되고 다이어프렘(2)은 참조용 열전변환소자(5) 및 전열변환소자(3)에 의해서 고정된 온도에서 유지된다.
도 12-14 에 도시된 바와 같이, 촬상범위가 64행 ×64열의 픽셀로 분할되고, 이들이 V1행 내지 V64 행과 H1열 내지 H64 열로서 식별되는 경우, 수직동기 마이크로미러(33)가 예를 들면 V1행을 선택할 때, 수평동기미러(34)는 H1열로부터 H64열까지 스캔하고 각 열의 픽셀신호들이 출력된다. 모든 픽셀들의 신호는 V1행부터 V64행까지 각 행에 대하여 본 공정을 수행함으로써 판독될 수 있다.
각각의 마이크로미러(33 및 34)는 한 주기내에서 왕복운동을 하므로, 도 14 에서 도시된, 하나의 수직동기기간에는 유효기간과 복귀기간이 있다. 유효기간에서, 신호들은 V1행으로부터 V64행의 방향으로 출력되고, 복귀기간에서, 신호들은 V64행으로부터 V1행의 방향으로 출력된다. 복귀기간동안의 스캐닝은 유효기간의 역방향이므로, 픽셀판독을 위하여 출력된 신호를 수정하지 않고 사용하기는 어렵다. 따라서 복귀기간의 신호를 사용하지 않고 유효기간의 신호만을 이용함으로써 구성이 간략화될 수 있다.
그러나, S/N비가 가능한한 향상되거나 프레임주파수가 상승될 필요가 있는 경우에, 복귀기간의 신호도 픽셀판독을 위하여 이용될 수 있다. 복귀기간의 신호를 사용하는 것은 동일한 픽셀의 신호들이 프레임당 두 번 판독되는 것을 허용하고, 그리고 나서 신호들을 가산함으로써 S/N비가 향상될 수 있다. 또한, 프레임주파수는 하나의 수직동기신호내에서 두 프레임을 판독함으로써 상승될 수 있다. 그러나, 픽셀판독을 위하여 복귀기간의 신호를 이용하기 위해서는, 역방향으로 판독된 신호를 재정렬하기 위하여 메모리 및 제어회로가 필요하다.
수평동기기간에서도, 복귀기간 신호들이 픽셀판독을 위하여 사용되는 방법이나 신호들이 이용되지 않는 방법을 선택될 수 있다.
실리콘같은 반도체기판이 기판(1)으로서 사용될 수 있다. 또한, 절연체상에 실리콘을 형성하는 기술(SOI[Silicon-on-Insulator] 기술)을 이용하여 사파이어같은 절연기판상에 실리콘 단결정이 형성되는 구성이 가능하다.
종래기술의 적외선촬상장치에서와 같이, 대물렌즈(31)는 복수의 렌즈(예를 들면, 3개의 렌즈)로 구성되어 F-수(F-number) 또는 수차(aberration)를 향상시킬 수 있거나, 단일의 렌즈로 구성되어 비용을 절감할 수 있다.
렌즈(31 및 32)가 모두 예를 들면 파장이 10 미크론 부근인 적외선에 대하여 높은 투과율을 갖는 게르마늄으로 형성되는 한편, 감도와 해상도(MTF: 변조전달함수)에 관하여 높은 성능이 얻어질 수 있다. 반사광학계 및 회절광학계도 이용될 수 있다. 한 편, 동일한 기판(1)상에 굴절, 반사, 회절 마이크로렌즈들이 배치되어 비용을 절감할 수 있다.
마이크로미러(33 및 34)의 구동방법은 본 출원인에 의해서 출원된 일본 특원평 9-205707 에서 상세히 설명된다. 간략한 설명이 이하 계속된다.
도 15 는 마이크로미러(33)의 동작을 도시하고, 도 16 는 인가된 펄스의 타이밍을 도시한다. 도 15a 에 도시된 상태에서, 마이크로미러(33)는 수평위치에 있다. 본 수평위치에서, 마이크로미러(33)는 전극(42a 및 42b) 아래에 위치된다. 전압펄스가 전극(42a)으로 인가될 때, 접지전위인 마이크로미러(33)과 전극(42a) 사이에서 수학식 9 에 의해서 표현될 수 있는 정전인력이 작용되고, 마이크로미러 (33)는 변위를 개시한다.
수학식 9 에서, ΔS 는 면적, ΔF 는 그 영역에 작용하는 힘,은 유전율, 및 ΔE 는 그 영역에 존재하는 전계를 나타낸다.
마이크로미러(33)가 전극(42a)의 높이에 도달할 만큼 충분히 변위되면 전극(42a)로의 전압인가가 중지된다. 전압의 인가가 중지된 후에도, 마이크로미러(33)에는 관성력이 작용하고, 미이크로미러는 도 15b 에 도시된 것처럼 전극을 지나서 변위한다. 변위가 피크를 초과하면(도 15c), 전압은 다시 전극(42a)으로 인가되고, 복귀방향으로 마이크로미러(33)의 회전이 가속된다. 마이크로미러(33)가 수평위치에 도달한 후에 전극(42a)에 대한 것과 동일한 동작이 전극(42b)로 전압을 인가함으로써 수행될 수 있다. 도 16 는 전술된 동작의 한 주기동안의 전압펄스를 도시한다. 전극(43)으로 전압을 제공함으로써 마이크로미러(34)에 대하여 동일한 동작이 수행될 수 있다.
마이크로미러(33 및 34)의 면적을 증가시키는 것은 칩(다이어프렘(40 및 41))사이즈가 지나치게 증대되는 문제가 있는 한편, 마이크로미러의 면적을 줄이는 것은 광축의 할당을 곤란하게 하고 검출유닛(이 용어는 적외선흡수층, 열전변환소자(4), 및 전열변환소자(3), 을 포함하지만, 참조용 열전변환소자(5)는 포함하지 않음)의 실효면적이 감소된다. 현상의 30 mm ×30 mm 정도의 스테퍼(stepper) 노광면적을 고려하여, 하나의 칩상에 하나의 마이크로미러(33 및 34)를 형성할 때는 하나의 마이크로미러(33)의 최대면적은 30 mm ×30 mm 정도이지만, 웨이퍼수율을 증가시키기 위해서, 하나의 마이ㅡ로미러(33 및 34)의 면적은 20 mm ×20 mm 이하인 것이 바람직하다. 동일한 칩상에 두 개의 마이크로미러(33 및 34)를 형성하기 위해서, 하나의 마이크로미러(33 및 34)의 최대면적은 15 mm ×15 mm 이고, 10 mm ×10 mm 이하가 바람직하다.
또한, 검출유닛의 실효면적이 약 25㎛ ×25㎛ 정도 이하이므로, 유도장치에서 사용되는 것과 같이 픽셀수가 100행 ×100열 정도인 경우에 하나의 마이크로미러(33 및 34)의 최소면적(실효면적 ×픽셀수)은 2.5 mm ×2.5 mm 가 된다. 픽셀수가, 물체에 대한 대략적인 인식만이 가능한 32행 ×32열 정도인 경우에, 하나의 마이크로미러(33 및 34)의 최소면적은 대략 0.8 mm ×0.8 mm 이다.
마이크로미러(33 및 34)의 공진주파수(f)는 수학식 10 내지 13 을 이용하여 계산될 수 있다.
여기서, K 는 스프링정수, I 는 관성모멘트, G 는 빔의 횡단강성율(modulus of transverse elasticity), d 는 빔의 직경, L은 빔의 길이, M 은 마이크로미러 (33 및 34)의 무게, a 는 마이크로미러(33 및 34) 길이의 절반, b 는 마이크로미러(33 및 34)의 폭의 절반, 그리고 t 는 마이크로미러(33 및 34)의 두께를 나타낸다.
바람직한 것으로 생각되는 실질적인 값을 대입함으로써 수직동기주파수에서 공진하는 마이크로미러(33) 및 빔(38)의 구성이 고려된다. 만일 픽셀수가 64행 ×64열이고 검출유닛의 실효면적이 100 ㎛ 이라면, 마이크로미러(33)의 면적은 6.4 mm ×6.4 mm(a = b = 3.2 mm)로 될 것이다. 빔(38)에 대한 재료로서는 큰 전단파괴응력(shear fracture stress)을 갖는 실리콘 단결정이 사용되는 것이 바람직하고, 빔과 동일한 재료가 마이크로미러(33)에 대한 재료로서 이용되면 상기 제조공정은 단순화될 수 있다. 실리콘 단결정은 적외선을 투과시키므로, 마이크로미러(33)상에는 예를 들면 알루미늄(49)같은 반사막이 형성된다. 마이크로미러(33)의 두께(t)를 빔(38)의 직경과 동일하게 하여 제조공정을 간단하게 할 수 있다. 빔(3)상의 응력은 빔(38)의 길이(L)를 빔(38)의 직경(d)보다 길게 하여 감소될 수 있다. 만일 마이크로미러(33)의 뒤틀린 각이 10°정도라면, L/d 는 25 이상인 것이 바람직하다. 실리콘단결정의 밀도는 대략 2 ×103kg/m3, 횡단강성율 G 는 대략 9 ×1010N/m2, 그리고 수직동기주파수 f 는 30 Hz 이다. 상기 값들을 고려하여, d 와 t 를 5㎛ 이상으로 함으로써 L/d 〉25 가 만족될 수 있다. 그러나, d 및 t 가 증가하면, L 이 또한 증가하고, d 및 t 가 20㎛ 이면 L 은 대략 7mm가 된다. 변수 d 및 t 는 5㎛ 이상이어야 하고 20㎛ 를 초과해서는 안된다.
수평동기주파수에서 공진하는 마이크로미러(34) 및 빔(39)의 구성은 동일한 방식으로 설계될 수 있다. 그러나, 수평동기주파수가 보통 높은 주파수이므로, L/d 의 값을 높게 증가시키는데 종종 어려움이 있다. 이런 경우, L/d 는, 마이크로미러(34)의 두께(t)를 d보다 얇게 만들고 마이크로미러(34)의 면적을 가능한한 적게 함으로써 증가될 수 있다. 도 12 및 13 에서 도시되느 바와 같이, 구성요소들은, 렌즈(31 및 32), 수직동기 마이크로미러(33), 및 수평동기 마이크로미러(34)의 순서로 배치되는 것이 바람직한 한편, 광학설계상, 수평동기 마이크로미러(34)의 면적은 감소되고 L/d 는 증가될 수 있다.
고정미러(35 및 36)가 기판(1)상에 배치된다. 배치의 한 예로서, 도 17 에 도시되는 것처럼, 스페이서(spacer 45)가 기판(1)상에 배치되고 고정미러(35 및 36)이 이 스페이서(45)상에 배치된다. 또한, 도 18 에서 도시되는 바와 같이, 스페이서(45)는 기판(1)보다는 패키지(46)상에 배치될 수 있다. 적외선검출기가 배치되는 패키지(46)상에 고정미러(35 및 36)를 형성하는 경우에는, 패키지(46)상에 적외선을 투과하는 게르마늄으로 구성된 투과부분(44)을 필요로 한다. 기판(1)과 고정미러(35 및 36) 사이의 거리가 크면, 마이크로미러(33 및 34)의 변위각도가 작게 될 수 있다. 또한, 패키지(46)의 내부는 다이어프렘(2)의 열컨덕턴스를 감소시키기 위하여 진공으로 된다. 마지막으로, 고정미러(35 및 36)는 도 17 및 18 에 도시된 것처럼 단일유닛이거나 분리되어 형성될 수 있다.
본 열형 적외선검출기(촬상장치)를 제조하는 방법에 관한 설명이 다음에 제시된다. 제어회로(37)을 포함하는 다양한 회로가 통상의 LSI 제조방법을 이용하여 반도체기판(1)에서 형성된다. 도면에서는 도시되지 않을지라도, 이 회로들은 CMOS 트랜지스터, 바이폴라 트랜지스터, 확산저항, 및 커패시터를 포함한다. 연산증폭기(19)에서 바이폴라 트랜지스터를 사용하는 것은 S/N비와 오프셋전압을 향상시키고 드리프트를 막는 장점이 있다. CMOS 트랜지스터에 기초한 아날로그회로도 사용될 수 있고, 이것은 제조공정수를 줄이고 제조비용을 줄일 수 있게 한다.
마이크로미러(33 및 34)와 빔(38 및 39)의 재료로서 실리콘 단결정이 사용되는 것이 바람직하므로, 후속하는 이방성에칭에서 이 부분이 남도록 고농도 n형 반도체층이 형성된다. 고농도 n형 반도체층은 이방성에칭에서 쓰이는 알칼리 용액에 의한 에칭에 저항하는 특성을 갖는다. 본 실시예는 p형 반도체기판(1)을 이용한다.
다음에, 실리콘산화물층으로 구성된 절연층(6)이 형성된다. 붕소와 인으로 도핑된 붕소-인-실리케이트 유리(Boron-phosphorus-silicate glass)가, 단차피복성 (covering of change in level)이 양호하므로, 절연층(6)의 재료로서 특히 적합하다. 실리콘산화물층(6)은 2 층으로 형성되어 다이어프렘(2) 아래에 캐비티(7)를 형성한다. 구체적으로는, 실리콘산화물층(6a)가 기판(1)상에 예를 들면 두께 1㎛ 로 형성된 후, 캐비티(7)가 될 부분에 두께 1㎛로 폴리실리콘이 형성되고 패턴되고 나서, 실리콘산화물층(6b)가 두께 1㎛로 형성된다.
또 다른 실리콘산화물층(8)이 그리고 나서 실리콘산화물층(6b)상에 형성되고, 펠티어소자(3)가 될 폴리실리콘이 두께 0.1㎛로 형성된다. 폴리실리콘의 일부분에는 이온주입법같은 방법에 의해서 붕소로 도핑되는 p형 반도체(11)이 형성된다. 인이나 비소로 도핑된 N형바도체(12)가 그리고 나서 폴리실리콘의 나머지 부분에서 형성된다. 만일 폴리실리콘에서의 불순물농도가 1020[cm-3]보다 높다면, 도 19 에서 도시된 것ㅊ럼 제벡계수나 펠티어계수는 감소한다. 만일 불순물농도가 1018[cm-3]보다 낮다면, 비저항은 매우 크게 되므로, 불순물농도는 1018-1020[cm-3]의 범위내에서 설정된다. p형 반도체(11) 및 n형 반도체(12)는 함께 펠티어소자(3)를 구성한다.
실리콘산화물층(14)이 펠티어소자(3)상에 0.2㎛의 두께로 형성되고, 컨택트홀(48)이 형성된 후, 회로배선이나 펠티어소자(3)이 접촉할 알루미늄층(13)이 1㎛로 형성된다. 열전변환소자(볼로미터)(4)가 될 티타늄이 그리고나서 알루미늄층 (13)상에 0.1㎛로 형성된다. 이 구성에서, 실리콘산화물층은 알루미늄층(13)과 티타늄 볼로미터(4) 사이에서 형성되지 않고, 두 층은 직접 접촉한다. 마이크로미러(33 및 34) 상부의 실리콘산화물층(6, 8, 14)이 제거된 후, 알루미늄층(49)은 또한 이 부분에 형성되어 마이크로미러(33 및 34)의 반사층 기능을 한다. 전극(42 및 43)이 될 부분에서는 알루미늄층(50)이 유사하게 형성된다. 알루미늄층(13,49,50)은 모두 동시에 형성된다.
실리콘산화물층(15)은 1㎛로 형성되고 티타늄질화물(금속박막)(16)은 티타늄상에 10nm로 형성되어, 적외선흡수층이 된다. 식/(4n) 에 기초하여, 파장이 10㎛ 인 적외선은, 만일 실리콘산화물층(15)의 굴절율이 2.5이고 그 두께가 1㎛ 라면 흡수될 수 있다. 만일 티타늄질화물(16)이 0.1nm 두께로 만들어진다면 377 Ω/ㅁ 의 시트저항(sheet resistance)이 구해진다.
최종적으로 마이크로미러(33 및 34) 아래에 캐비티(cavity)(7) 및 컨캐비티 (concavities)(51)가 이방성에칭에 의해서 형성된다. KOH, 테트라메틸 암모니움 하이드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH), 히드라진(hydrazine)은 종래기술에서 처럼, 에칭액으로서 사용될 수 있다. 폴리실리콘과 마이크로미러 하방의 실리콘단결정으로 에칭을 한정하기 위해서, 폴리실리콘에 도달하는 슬릿(9)이 에칭전에 제공되고, 마이크로미러 하방의 실리콘산화물층만이 노출되도록 기판(1)의 아래측에 실리콘산화물층이 형성된다. 마이크로미러 아래의 실리콘 단결정이 제거되면, 에칭이 끝난다. 이런 식으로, 기판(1)의 캐비티(7)와 기판후면의 컨캐비티가 동시에 형성된다.
본 실시예에서 큰 변위를 보이는 마이크로미러가 위치하는 컨캐비티(51)를 기판(1)상에 형성하는 방법으로서, 가속도센서 제조를 위한 종래의 기술에서 이용되는 벌크 마이크로머시닝법(bulk micromachining method)이 사용된다. 최근에 예를 들어 적외선빔 센서를 제조할 때 이용되는 표면 마이크로머시닝법이, 기판의 표면에 캐비티를 형성하는 방법으로서 이용된다. 그러나, 표면 마이크로머시닝법을 이용하여 캐비티(7) 및 컨캐비티(51)를 형성함으로써 제조방법이 간단해질 수 있다. 또한, 벌크 마이크로머시닝법이 캐비티(7)나 컨캐비티(51)를 제조하기 위하여 이용될 수 있다.
열적 피드백을 이용하여 다이어프렘(2)을 고정된 온도에서 유지함으로써, 본 실시예는 다이어프렘(2)의 열시정수에 의한 영향을 피하고, 입사적외선에 대한 반응속도를 크게 향상시키는 장점이 있다. 보통의 열형 적외선검출기에서, 다이어프렘(2)의 열시정수의 영향은 입사적외선에 대한 반응시간이 수 십 ms 인 것을 나타낸다. 그러나, 고정된 온도에서 다이어프렘(2)을 유지하는 것은 반응시간의 현저한 감소를 가능하게 한다. 또한, 열전변환소자(4)는 적외선조사에 의해 유발된 열적에너지를 감지하고 전열변환소자(3)는 다이어프렘(2)의 온도가 실질적으로 상승하기 전에 열적에너지를 오프셋시키는 기능을 하여, 고속반응 및 고정온도의 유지를 가능하게 한다.
입사된 적외선은 측정장치(21)에서 판독보상신호에 의해 검출되고, 이 보상신호들은 전열변환소자(3)를 구동하여 다이어프렘(2)을 고정된 온도에서 유지한다. 이 구성은 전술된 열현상을 도 20 에 도시된 전기회로로 대체함으로써 쉽게 이해될 수 있다. 도 20 에서, 입사적외선은 전류원(52)로, 다이어프렘(2)의 열적커패시티는 커패시터(53)로, 다이어프렘의 열저항은 저항(54)으로, 전열변환소자(3)는 전압제어전류원(55)으로 대체될 수 있다. 이 전기회로가 회로시뮬레이터(예를 들면, 스탠포드 대학에서 개발된 SPICE(Simulation Program Integrated Circuit Emphasis))에 의해서 시뮬레이션되면, 연산증폭기(19)의 출력에서 전류원(52)의 전류변화에 비례하는 신호가 얻어진다.
본 실시예에서, 반응시간의 제한은 연산증폭기(19)의 반응시간, 배선에 내재된 저항, 및 커패시턴스의 시정수같은 인자들에 의해서 결정된다. 보통, 이러한 인자들의 시간은 다이어프렘(2)의 열시정수와 비교하기에는 너무 작다. 본 실시예에서 다이어프렘(2)의 열시정수는 무시할만 하므로, 본 실시예는 매우 유리하다.
본 실시예는 또한 열전변환의 선형성을 향상시킬 수 있기 때문에 유리하다. 종래의 적외선검출기에서, 다이어프렘(2)의 온도는 적외선의 입사에 기인하여 변화하고, 다이어프렘(2)의 온도는 매우 높은 또는 낮은 온도의 피사체를 촬상하는 경우에는 특히 많이 변화된다. 열전변환소자(4)의 저항온도계수(TCR)는 온도에 기인하여 종종 변화하므로, 다이어프렘(2)의 온도변화는 선형성의 저하를 유발한다. 본 실시예에서, 다이어프렘(2)의 온도변화는 억제되므로 선형성이 매우 향상된다.
본 실시예의 또 다른 장점으로서, 다이어프렘(2)의 온도변화의 부족은 본 실시예의 장치가 다른 검출기에 의해 검출되는 것이 어렵게 하고, 이점은 군사용 나이트비전(night vision)장치나 가이딩(uiding)장치에서 특히 유리하다. 종래의 적외선검출기에서,열전변환소자(4)는 예를 들면, 열전변환소자(4)에 흐르는 전류에 기인한 열을 생성하고, 다이어프렘(2)는 온도상승을 나타냈다. 이 온도상승은 수십 ℃ 정도로 높았고, 이로 인해 다른 적외선검출기에 의한 검출확률을 높혔다. 본 발명은 이 문제에 대한 해결을 가능케 한다.
본 실시예의 또 다른 장점으로서, 고속반응이 가능한 검출유닛을 구비한 마이크로미러(33 및 34)의 조합은 제조를 매우 저렴하게 하고 컴팩트한 열형 적외선검출기를 가능케 한다. 이차원 적외선상을 얻기 위하여 종래기술에 이용된 방법은 2차원 배열로 배치된 많은 검출 유닛에 의한 픽업(pickup)이나, 하나의 검출유닛이나 일렬로 배치된 복수의 검출유닛과 광학 스캐너를 조합한 픽업을 포함했다. 복수의 검출유닛을 사용할 때, 통상의 적외선 검출유닛간의 높은 변화의 정도로 인해 변화를 보정하기 위한 회로가 필요하게 되었다. 이 변화는 dc 레벨에서의 변화인 오프셋과, 감도의 변화를 포함한다. 변화보상회로는 검출유닛의 변화를 유지하기 위한 메모리, A/D 변환기, 및 D/A 변환기로 구성되므로, 큰규모의 회로가 감도의 변화와 오프셋을 보상하기 위하여 필요하다. 변화를 보정하는 것은 입사적외선의 1차적인 차폐를 위하여 초퍼(chopper)나 셔터(shutter)같은 기계적 부품이 더 필요하다. 감도를 보상하기 위하여, 제품출하시에 조정할 때 상이한 온도의 적외광원을 이용하여 각 화소의 감도테이블이 작성되어야 한다. 종래의 기술에서, 하나의 검출유닛이나 한 열의 검출유닛과 광학스캐너가 조합된 구성에서 검출유닛으로서, 인듐-안티모니(indium-antimony) 또는 수은-카드뮴-텔루리움(mercury-cadmium-tellurium)같은 고속반응이 가능한 양자검출유닛이 이용되었다.
많은 수의 픽셀을 얻기 위하여 적은 수의 검출유닛이 시분할(time-sharing)로 이용될 때, 고속반응이 검출유닛에 요구된다. 그러나, 전술한 바대로, 종래기술의 열형 적외선검출기는 본 발명에서 달성된 고속반응을 할 수 없었으므로, 양자검출유닛이 최대로 가능한 속도를 얻기 위해서 사용되었다. 원칙적으로 양자검출유닛은 사용하기 위해서는 낮은 온도로 냉각되어야 하고, 이 냉각장치는 매우 비싸고 대형이다.
대조적으로, 본 실시예의 열형 적외선검출기는 단일검출유닛에 의해 구성되어 부품수나 조정공정수를 감소시키는 것이 가능하다. 본 실시예의 열형 적외선검출기는 또한 변화를 보상할 필요가 없고, 고속반응이 가능하므로, 양자형의 검출유닛이 필요치 않게 되어, 매우 저렴하고 컴팩트한 장치를 가능케 한다. 본 실시예의 또 다른 장점은 종래기술의 열형 적외선검출기의 문제인 드리프트를 실질적으로 향상시키는 것이다. 드리프트는 장치의 온도변화에 기인하여 픽셀간의 오프셋(DC 레벨)에서 변화가 발생하는 현상이다. 드리프트의 가장 큰 요인은 검출유닛간의 감도변화이다. 검출유닛은 기판온도에 민감하고, 장치의 온도가 변하면, DC 레벨도 변한다. 검출유닛간의 감도의 변화는 픽셀에 의한 DC레벨의 변화량에서 차이를 발생시킨다. 본 실시예의 열형 적외선 검출기는 단일 검출유닛에 의해 구성되어 픽셀간 감도변화를 없애고 이런 문제의 발생을 막는다.
본 실시예의 변형이 다음에 설명된다. 화면의 해상도를 높이기 위하여, 즉, 한 화면에서 픽셀수를 증가시키기 위하여, 다이어프렘(2)의 면적이 축소되어야 한다. 이것은 평행광의 면적이 한 스크린의 면적이고 다이어프렘(2)의 면적이 한 픽셀의 면적이기 때문이다. 그러나 열전변환소자(4) 및 전열변환소자(3)은 다이어프렘 (2)상에 형성되므로, 필요하 미세가공은 다이어프렘(2)의 면적을 축소하는데 제한을 가한다.
이 문제를 해결하기 위한, 도 21 에서 도시된 변형은 다이어프렘(2) 상방에 입사적외선의 차폐하기 위한 차폐판(61)이 제공되고, 홀(62)이 차폐판(61)에 뚫린 경우이다. 홀(62)은 투과된 적외선이 다이어프렘(2)으로 향하는 위치에서 형성된다. 홀(62)의 면적(실효검출면적)은 다이어프렘(2)의 면적보다 작고 요구되는 해상도에 의해 결정된다. 그러나, 비록 해상도는 홀(62)의 면적이 감소하고 감도가 떨어짐에 따라 향상되지만, 두 인자는 홀(62)의 면적을 결정하는데 모두 고려되어야 한다. 이런 접근으로, 실효면적은, 다이어프렘(2)의 면적이 각 변에서 수 백 ㎛ 일지라도, 각 변에서 수 십 ㎛ (예를 들면, 25㎛ ×25㎛)로 만들어져서, 가공정밀도를 더욱 완화시키는 것이 가능하다.
도 22 는 다이어프렘(2)상의 한 부분에서만 적외선흡수층(63)이 형성되는 경우를 도시한다. 적외선흡수층(63)이 형성되는 면적은 실효면적이 되므로, 비록 다이어프렘(2)의 면적 자체가 크더라도 실효면적은 작게 만들어질 수 있다. 이 경우, 적외선흡수층(63)이 형성되는 부분외의 다이어프렘(2)의 영역상에 알루미늄이나 티타늄의 반사층을 형성하는 것은 해상도지수인 MTF를 더욱 향상시킬 수 있다. 평행광의 면적을 증가시킴으로써 또한 해상도를 향상시킬 수 있다.도 23 에서 도시된 것처럼 평행광을 확산하기 위하여 고정미러로서 볼록미러(64)를 이용하여 다이어프렘(2)의 면적이 크더라도 해상도를 향상시키고, 다이어프렘(2)의 면적을 축소시키는 것과 동일한 장점을 갖는다.
도 24 에 도시된 것처럼 평행광을 확산하기 위하여 고정미러(36)과 다이어프렘(2) 사이에 오목렌즈(65)를 설치하는 것은 도 23 에서 도시된 구성과 같이 해상도를 향상시키는 장점이 있다.
도 25-27 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기능적인 장치인 열형 적외선검출기를 도시한다. 본 장치는 하나의 마이크로미러(34)와 일렬로 배치된 복수의 검출유닛(67)을 이용하는 구성이다. 제 1 실시예와 동일한 구성에는 동일한 참조번호가 부여되고 설명은 생략한다.
본 발명의 열형 적외선검출기는, 입사광을 집광하기 위한 대물렌즈(31), 지광된 광선을 평행광으로 변환하기 위한 콜리메이터 렌즈(32), 입사광을 기판(1)에서 y방향(수직방향)으로 스캐닝하기 위한 마이크로미러(34), 마이크로미러(34)에 의해서 반사된 광을 기판(1)으로 되돌리기 위한 고정미러(66), 기판(1)에서 일렬로 배치된 복수의 검출유닛(67), 및 마이크로미러(34)를 구동하고 검출유닛(67)을 제어하기 위한 회로를 포함한다.
본 발명의 열형 적외선검출기는 제 1 실시예의 구성으로부터 수직동기 마이크로미러(33)을 제거하고, 대신, 수평방향에서 픽셀을 판독하기 위하여 복수의 검출유닛(67)이 일렬로 배치되는 구성을 한다. 예를 들어, 면적(25㎛ ×25㎛)을 갖는 320 열형 검출유닛(67) x방향으로(수평방향)배치된다.
각 검출유닛(67)에 대한 제어회로는 본질적으로 도 10 에서 도시된 구성과 동일하다. 특히, 도 27 에서 도시된 것과 같이 각 검출유닛(67)에 있어서 전열변환소자(3), 열전변환소자(4), 정전류원(18), 연산증폭기(19), 및 노이즈필터(20)의 구성은 본질적으로 도 10 에서 도시된 구성과 동일하다. 각 검출유닛(67)으로부터 출력된 신호전압(보상신호)(Vs)는 시프트레지스터(shift register, 70) 저장된다. 또한, 레퍼런스 유닛(reference unit, 68)을 구성하는 참조용 열전변환소자(5), 정전압원(28), 및 부가적인 전열변환소자(26)은 본질적으로 도 10 에서 도시된 구성과 동일하다. 이 레퍼런스 유닛(68)은 참조용 열전변환소자(5)와 전열변환소자(26)가 도시되지 않은 차광부재에 의해서 적외선조사의 영향을 받지 않는 다이어프렘(25)상에 배치되는 구성을 한다.
본 실시예에서, 각 검출유닛(67)으로부터 출력되고 시프트 레지스터(70)에 저장된 각 검출유닛(67)의 신호전압(보상신호)(Vs)는 측정장치(71)에서 단일의 레퍼런스 유닛(68)로부터 출력된 OB 전압(비교신호)과 순차적으로 비교된다. 만일 임의의 검출유닛(67)으로부터의 신호전압(Vs)이 OB전압 VOB와 다른다면, 측정장치(71)는 본 신호전압과 OB전압간의 차이(Vs - VOB)를 구하고나서 적외선조사량에 기초하여 상기 검출유닛(67)의 다이어프렘(2)으로 인가된 열형 에너지량을 구함으로써 적외선조사량을 계산한다. 동시에, 각 검출유닛(67)의 다이어프렘(2)은 제 1 실시예와 같이 고정온도로 제어된다.
본 실시예에서, 노이즈는 일렬로 배치된 복수의 검출유닛(67)을 이용함으로써 감소될 수 있다. 각각의 열에 대하여(H1열-H320열) 각 검출유닛(67)이 제공되고, 검출유닛의 출력은 순차적으로 판독된다. 결과적으로, 로우패스 필터의 컷오프 주파수는 수배의(2-10배) 수평동기주파수(예를 들면, 15kHz)로 설정되어 노이즈 주파수밴드를 좁히고 노이즈를 감소시킬 수 있다. 이런 식으로, 노이즈는 수평동기주파수가 높은 하이-데피니션(high-definition)의 용도로도충분히 억제될 수 있다. 따라서 본 발명은 예를 들면 320 ×240 픽셀을 갖는 낮은 노이즈 적외선 촬상장치를 쉽게 실현하도록 한다.
본 실시예의 적외선검출기는 액체질소 온도같이 낮은 온도나 130℃의 고온을 포함하여, 다이어프렘상의 열전변환소자의 특성에 적합한 온도로 설정되도록 한다. 또한, 다이어프렘(2)의 열시정수는 실질적으로 0 으로 설정될 수 있고, 다이어프렘으로 향하거나 그곳에서 생성되는 에너지는 매우 빨리 오프셋될 수 있다.
도 28 는 본 실시예의 변형을 도시한다. 본 변형에서 각 검출유닛(67)의 신호전압(보상신호) Vs 뿐만 아니라, 레퍼런스 유닛(68)의 OB 전압(비교신호) VOB는 시프트레지스터(73)로 출력된다. 시프트레지스터(73)는 그리고 나서 클램프회로(74)로 접속된다. 클램프회로(74)의 스위치(75)는 OB 전압 VOB가 입력되는 순간에 턴온되는 한편, 클램프회로(74)를 경유하는 출력은 신호전압과 OB 전압 사이의 차이(Vs - VOB)가 된다. 또한, 클램프회로(74)를 사용하지 않고 레퍼런스 유닛(68)의 OB 전압 VOB를 포함하는 모든 픽셀로부터의 신호를 연속적으로 A/D 변환시키고, 메모리로 신호들을 넣고, 디지털값을 빼냄으로써 차이(Vs - VOB)가 구해질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 특정의 용어를 사용하여 설명되었지만, 그러한 설명은 단지 예시적인 목적이고, 다음의 청구항의 범위 또는 취지로부터 벗어나지 않은 변형이나 변화가 가능하다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 다이어프렘의 열시정수의 영향을 받지 않고 입사적외선에 대하여 응답속도를 큰폭으로 향상시킨다. 한편, 다이어프렘의 온도변화가 없기 때문에 열전변환의 선성성을 개선할 수 있다. 따라서, 다이어프렘의 온도변화가 일어나지 않으므로, 특히 군사용의 나이트비젼 장치나 유도장치에 있어서, 본 장치는 다른 검출장치에 의해서 검출되는 않는 장점이 있다.
마이크로미러를 포함하는 고속응답이 가능한 적외선검출장치를 구성하고 매우 낮은 가격과 소형의 열형 적외선검출장치를 실현할 수 있다.
단일의 열형기능 장치로 구성되는 에너지검출기는 픽셀의 감도에 있어서 변화를 보이지 않고 드리프트(drift)를 생성하지 않는다.
일렬로 배치된 복수의 열형기능 장치를 이용하는 장치는 노이즈 주파수대역을 좁히고 노이즈를 감소시킬 수 있다.

Claims (22)

  1. 다이어프렘,
    열을 전기신호로 변환하기 위하여 상기 다이어프렘상에 배치되는 열전변환소자,
    전기신호를 열로 변환하기 위하여 상기 열전변환소자에 인접한 상기 다이어프렘상에 배치된 전열변환소자,
    상기 전열변환소자의 구동을 제어하기 위하여 상기 열전변환소자의 출력신호와 비교하기 위한 기준신호를 제공하기 위한 기준신호 생성수단, 및
    상기 기준신호 생성수단으로부터의 상기 기준신호와 상기 열전변환소자의 출력신호를 비교하고, 상기 기준신호와 상기 열전변환소자의 출력신호의 차이를 보상하는 보상신호를 상기 전열변환소자로 제공하여 상기 전열변환소자를 구동하기 위한 비교수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다이어프렘은 기판에 배치된 캐비티 위에 배치되고 상기 비교수단은 상기 기판에 배치되는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기준신호 생성수단은 정전압원인 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기준신호 생성수단은 참조용 열전변환소자인 것을 특징으로 하는 열형기능장치
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비교수단으로부터 상기 보상신호를 제공받고 상기 보상신호에 기초하여 상기 열전변환소자로의 에너지의 입사를 검출하기 위한 검출수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기준신호 생성수단은 정전압원이고,
    참조용 열전변환소자, 상기 참조용 열전변환소자 부근에 배치된 부가적인 전열변환소자, 상기 참조용 열전변환소자의 출력신호와 상기 정전압원으로부터의 기준전압의 차이를 비교신호로서 출력하기 위한 부가적인 비교수단 및 상기 보상신호와 상기 비교신호 사이의 차이에 기초하여 상기 열전변환소자로 입사되는 에너지를 검출하기 위한 검출수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 열전변환소자로 입사되는 에너지를 검출하기 위한 검출수단을 더 포함하고,
    상기 참조용 열전변환소자는 상기 에너지에 대하여 비응답상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 참조용 열전변환소자로 입사되는 에너지를 차단하기 위한 차폐부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 에너지는 전자기파의 입사에너지인 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전자기파는 적외선인 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    외부로부터 상기 열전변환소자로 입사되는 상기 전자기파를 검출하기 위한 미러수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 미러수단은 각각 실질적으로 서로 직교하는 방향으로 각도변화를 할 수 있는 한쌍의 가동미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 미러수단은 상기 가동미러에 의해서 반사된 상기 전자기파를 반사하기 위하여 상기 다이어프렘에 대하여 고정된 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 열전변환소자는 주요 성분으로서 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  15. 제 6 항에 있어서, 상기 열전변환소자 및 상기 참조용 열전변환소자는 모두 주요 성분으로서 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 열전변환소자는 주요 성분으로서 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  17. 제 6 항에 있어서, 상기 열전변환소자 및 상기 참조용 열전변환소자 모두 주요 성분으로서 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 실리콘은 농도가 1018- 1020[cm-3] 인 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치.
  19. 일렬로 배치된 제 1 항에 따른 열형기능장치의 복수의 상기 열전변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지검출기.
  20. 다이어프렘상에 배치된 열전변환소자의 출력과 기준신호 생성수단으로부터 제공된 기준신호를 비교하는 단계, 및
    상기 전열변환소자를 구동하기 위하여 상기 열전변환소자 부근의 상기 다이어프렘상의 전열변환소자로, 보상신호를 제공하여 상기 비교수단으로부터의 비교결과에 기초하여 상기 두 신호간의 차이를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열형기능장치를 구동하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 보상신호에 기초하여 상기 열전변환소자로 입사된 에너지를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치를 구동하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 기준신호 생성수단은 정전압원이고,
    참조용 열전변환소자의 출력신호와 상기 정전압원으로부터의 기준전압의 차이를 비교신호로서 출력하는 단계, 및
    상기 보상신호와 상기 비교신호 사이의 차이에 기초하여 상기 열전변환소자로 입사된 에너지를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열형기능장치를 구동하는 방법.
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