KR20070086063A

KR20070086063A - 적외선 검출기

Info

Publication number: KR20070086063A
Application number: KR1020077013188A
Authority: KR
Inventors: 파울 앤토니 맨닝
Original assignee: 키네티큐 리미티드
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-08-27
Also published as: EP1809994A1; US20070290868A1; JP2008519972A; US8373561B2; WO2006051308A1; JP5398142B2; CN101057127A; GB0424934D0

Abstract

적외선 검출기(2)는 복수의 볼로미터 검출기들(4), 상기 볼로미터 검출기들에 바이어스를 인가하기 위한 수단, 및 네트워크를 형성하기 위해 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 수단을 포함하고, 상기 볼로미터 검출기들(4)은 실질적으로 대기압의 환경에 배치된다. 환경을 통해 볼로미터 검출기들(4)로부터의 열 에너지의 전도에 기인한 적외선 검출기(2)의 감도 감소를 적어도 부분적으로 보상하기 위해서 실질적으로 대기압의 환경에 배치된 복수의 볼로미터 검출기들(4)을 구비한 적외선 검출기(2)의 감도를 향상시키는 방법으로서 직렬 및 병렬 중 적어도 하나로 볼로미터 검출기들(4)을 연결하는 단계와 볼로미터 검출기들(4)을 DC 바이어스 전류로 동작시키는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.

적외선, 열, 환경, 대기압, 검출기

Description

적외선 검출기{INFRARED DETECTOR}

본 발명은 적외선 검출기에 관한 것으로, 특히 수동 적외선(PIR) 검출기에 관한 것이다. 이러한 적외선 검출기들은 침입자 검출 시스템들 및 화재 경보기에 적용될 수 있다.

본 발명의 배경에 의해서, 종래의 수동 적외선(PIR) 검출기들은 통상적으로 납 기반 세라믹 물질, 예를 들면 지르콘산염(PZT)을 포함하는 초전기(pyroelectric) 검출기 요소들을 이용한다. 검출기 요소 내 사용되는 납 기반 세라믹 물질은 가공하기가 비교적 용이하여 연관된 제조 기술은 발달해 있다. 수천만 개의 PIR 검출기들이 매년 검출기 요소당 약 미국 1달러의 통상적인 비용을 들여 만들어진다.

전술한 바에도 불구하고, 종래 납 기반 PIR 검출기들은 몇가지 잠재적 문제점을 안고 있다.

종래의 PIR 센서들은 통상적으로 PIR 검출기 요소를 포함하는 여러 개의 개별적 성분들을 구비한 서브-연결을 포함한다. PIR 검출기 요소는 압축된 세라믹 물질로부터 잘려서 여러 가공 단계들을 거쳐 두께가 감소되고 검출기가 연마된다. 이어서 검출기 요소는 패키징 내 실장되고 판독 트랜지스터와 연결된다. 통상적으로 적외선(IR) 투명창 또는 렌즈가 PIR센서에 연결된다. PIR 서브-연결 내의 다양한 구성요소들의 가공 및 조립은 긴 시간이 필요하고 벌크로 검출기의 별도의 제조와, 검출기 자체의 제조와, 증폭기 칩에 검출기의 조립을 요구한다. 그러므로, PIR 검출기 요소를 가공, 패키징 및 연결하는 것에 연관된 개별적 제조 단계들은 PIR 서브-연결의 전체 비용을 증가시키는데 일조한다.

기술적 수행에 관하여, 종래의 PIR 검출기들에 대한 동작 파라미터들은 주로, 검출기 요소를 만드는 PZT 물질의 특성들, 및 기판으로부터 열적으로 분리된 정도에 의해 결정된다. 물질 PZT의 조성의 변화성은 검출기 성능에 영향을 미칠 수 있고, 예를 들면 시정수 등, 동작 파라미터들이 정하기가 어렵고 가변적이게 된다.

PIR 검출기의 성능은 제조시 고정되는 검출기 요소의 설계의 함수이다. 따라서, 종래의 PIR 검출기들에 대한 주요 동작 파라미터들(예를 들면 시야)는 제조 후에 변경될 수도 없고 최종 사용자의 특정의 요구조건을 충족시키기 위해 쉽게 맞출 수도 없다.

종래의 납 기반 PIR 검출기들의 계속된 사용에 영향을 미칠 수 있는 또 다른 요인은 전기 및 전자장치로부터 중금속들을 제거하려는 현 요구이다. 사실, 전기 및 전자장치에서 어떤 위험한 물질들(RoHS)의 사용의 제약에 관한 유럽공동체 지침서 2002/95/EC는 2006년 7월 1일부터 유럽공통체(EU) 전역에 걸쳐 시행될 것이다. 이에 따라 종래의 납 기반 PIR 검출기들의 제조업자들은 현존의 PIR 검출기 시장들에 공급하기 위해 납을 포함하지 않는 검출기의 대안적 형태를 찾아야 할 것이다.

종래의 납 기반 PIR 검출기들에 대한 몇가지 대안들이 존재하나 이러한 대안 들은 종래의 PIR 검출기들에 서로 다른 적용들을 목표한 것이다. 예를 들면, 리튬 탄탈레이트는 PIR 검출기 내 대안적 물질로서 사용될 수 있다. 그러나, 리튬 탄탈레이트는 통상적으로 고성능을 요하는 적용들에 사용되고 따라서 고가의 물질 때문에 고품질의 긴 범위의 검출 시스템들에서 사용하게 되고 이 또한 비용이 더 높다.

볼로미터 검출기들은 적외선 검출기들의 또 다른 대안적 부류를 제공한다. 볼로미터 검출기들은 통상적으로 중간 내지 고 성능의 민간 및 군용 적외선 이미징 애플리케이션들을 목표한 것으로 통상적으로 2차원 포컬 플레인 배열(FPA)에 구성된다. 이러한 볼로미터 배열은 통상적으로 밀폐되게 밀봉된 밀봉체 내 진공에서 동작한다. 밀폐 밀봉체의 장기간 밀봉을 제공하는 기술은 고가이다. 또한, 배열은 온도에 있어서 안정화될 필요가 있고 적절한 수행을 보장하기 위해서 절대온도가 주의깊게 제어되어야 한다. 이러한 유형의 검출기로부터의 다중화된 출력을 디코딩하고 배열 내 검출기 요소들로부터의 출력들에 있어 비균일성을 정정하기 위해 통상적으로 복잡한 신호 처리 전자장치들이 요구된다.

전술한 바를 염두에 두고, 볼로미터 검출기들은 견줄 바 없는 기술적 수행 및 비용의 이유로 종래의 PZT PIR 검출기들에 대한 확실한 대안으로서 간주되지 않는다.

본 발명의 목적은 대안적 적외선 검출기를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 위에 기술한 종래의 PIR 검출기들의 문제점들의 적어도 일부를 완화시키는 적외선 검출기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 면에 따라서, 복수의 볼로미터 검출기들, 상기 볼로미터 검출기들에 바이어스를 인가하기 위한 수단, 및 네트워크를 형성하기 위해 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 수단을 포함하고, 상기 볼로미터 검출기들은 실질적으로 대기압 환경에서 배치되고, 사용시 상기 바이어스 수단은 실질적으로 일정한 바이어스 온도에서 상기 볼로미터 검출기들을 동작시키도록 배치되는, 적외선 검출기가 제안된다.

위에 적외선 검출기는 적절한 감도 및 성능을 유지하면서도 볼로미터 검출기들이 통상적으로 동작되는 진공 환경을 제거하는 점에서 잇점이 있다. 종래의 볼로미터 검출기들에 대해 진공 환경을 만들고 유지하는데 요구되는 기술은 비교적 고가이다. 따라서, 본 적외선 검출기는 종래의 볼로미터 검출기들에 비해 현저한 비용절약을 제공한다.

명료성을 위해서, 표준 대기압은 제곱 인치당 760mm 수소 또는 14.7 파운드(1.01325 x 10⁵ Pascals)에 해당하는 압력단위로서 통상적으로 정의된다. 그러나, 이들 숫자들은 해수면, 0℃ 및 표준중력 하에서의 표준 대기압을 말한다. 여기에서 대기압이라는 것은 주변 압력을 지칭하는 것으로 취해질 것이고 위의 절대 수치에 의해 한정되지 않을 것이다. 당업자는 대기압은 일정하지 않고 위치(예를 들면, 고도, 온도, 중력) 및 기상조건들 등을 포함한 몇가지 파라미터들의 함수로서 변함을 쉽게 알 것이다.

바람직한 실시예에서, 사용시 네트워크 내 직렬 및 병렬 중 적어도 하나로 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하기 위한 연결 수단이 배치된다. 이러한 식으로 볼로미터 검출기들을 함께 연결함으로써 적외선 검출기의 전체 감도가 증가될 수 있게 된다. 감도 개선은 네트워크 내 함께 연결되는 검출기 수의 제곱근과 같다. 감도 개선은 열 에너지의 전도에 기인한 볼로미터 검출기들의 수행 저하를 적어도 부분적으로 보상한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 바이어스 수단은 사용시 상기 네트워크 내 상기 볼로미터 검출기 요소들에 DC 바이어스 전류를 제공하도록 배치된다.

본 볼로미터 검출기들이 동작되는 비-진공 환경은 지금까지는 실현되지 않은 잇점으로서 비-진공 환경에 따른 더 높은 열 전도성이 볼로미터 검출기들 내 소정의 온도상승을 위해 보다 큰 바이어스 전류(DC 바이어스)가 사용될 수 있게 함을 제공한다. 볼로미터로부터의 신호 전류는 바이어스 전류에 비례(1차 근사화로)하기 때문에, 본 방식으로 바이어스 전류를 증가시키는 것은 적외선 검출기의 전체 감도를 증가시킨다. 상술한 바와 같이, 감도개선은 환경을 통해 증가된 열 전도에 기인하여 볼로미터 검출기들의 성승 저하를 적어도 부분적으로 보상한다. 위와는 반대로, 검출기 요소들의 피로 및 손상을 일으킬 수 있는 검출기들의 과열 및 열 순환이 일어나지 않도록 진공 볼로미터 검출기들에 통상적으로 AC 바이어스가 사용된다.

따라서, 본 적외선 검출기는 비-진공 환경에 의해 야기되는 성능저하를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 비-진공 환경의 증가된 열적 전도율을 활용함으로써 예상하지 않은 잇점을 제공한다.

바람직하게, 적외선 검출기는 상기 볼로미터 검출기들, 상기 바이어스 수단, 및 상기 연결 수단이 집적된 기판을 포함한다. 판독 및 신호 처리 회로가 동일 기판 상에 집적될 수도 있다. 집적된 적외선 검출기는 제조를 용이하게 하며 따라서 개별 요소들에 비해 제조 비용을 줄인다.

따라서, 적외선 검출기는 모놀리식(monolithic) 집적 회로 및 특히 실리콘 모놀리식 집적 회로를 포함할 수 있다. 모놀리식 집적 회로는 n-채널 MOSFET(NMOS) 집적 회로, p-채널 MOSFET(PMOS) 집적 회로 및 상보 MOSFET(CMOS) 집적 회로 중 하나일 수 있다. 그러므로, 적외선 검출기는 표준 실리콘 IC 제조라인에서 볼 수 있는 기술들을 사용하여 제조될 수 있다.

편리하게, 사용시, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 50℃ 높은 범위에 있다. 바람직하게, 상기 바이어스 온도는 사용시 주변보다 1℃ 내지 20℃ 높은 범위에 있다. 보다 바람직하게, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 10℃ 높은 범위에 있다.

한 실시예에서, 연결 수단은 네트워크 내 볼로미터 검출기들 사이에 형성된 복수의 배선 연결들을 포함한다.

다른 실시예에서, 연결 수단은 네트워크 내 볼로미터 검출기들을 복수의 구성들로 재구성할 수 있다. 유리하게, 연결 수단은 네트워크 내 볼로미터 검출기들을 실시간으로 재구성할 수 있다. 볼로미터 검출기들을 재구성하는 능력은 적외선 검출기의 시야를 최종 사용자의 개인적 요구조건에 맞게 맞출 수 있게 한다. 볼로미터들의 블록들은 복합 PIR 검출기 요소의 외양을 동적으로 변경하기 위해서 적외선 검출기 내에 또는 외부로 스위칭될 수 있다.

예를 들면, 시야는 입구, 출구 또는 창에 대응하게 배열될 수 있다. 또한, 문제가 되는 적외선 소스들(예를 들면 스페이스 히터들, 라디에이터들, 등)은 시야로부터 제외될 수 있고, 그럼으로써 오 경보들을 줄인다. 실시간으로 재구성할 수 있는 것은 적외선 검출기에 지능도를 부여하여 적외선 검출기가 입사되는 적외선 복사파의 변화 또는 패턴들에 대한 응답에 적응하도록 사용될 수 있다.

바람직하게, 상기 볼로미터 검출기들은 적어도 하나의 저항 볼로미터를 포함한다. 구체적으로, 상기 볼로미터 검출기들은 적어도 하나의 마이크로-브리지 볼로미터를 포함할 수 있다.

편리하게, 상기 볼로미터 검출기들은 행 및 열들로 배치된다.

유리하게, 상기 볼로미터 검출기의 개수는 10-1000 범위에 있다. 통상적으로, 0.5mm² 내지 1mm²의 영역이 있는 PIR 검출기를 대치하는 것은 40 내지 200개의 볼로미터 검출기들, 통상적으로 75㎛제곱이 사용될 것을 요구할 것이다.

바람직하게, 볼로미터 검출기들은 3㎛ - 14㎛ 범위의 파장을 갖는 복사파를 검출하도록 적응된다. 특정 애플리케이션들을 위해, 예를 들면 햇빛에 기인한 오 경보들을 제거하기 위해 8㎛ - 14㎛ 서브-대역들 또는 섬광 검출을 위해 약 4.2㎛의 협대역이 선택될 수도 있다.

볼로미터 검출기들이 배치되는 환경은 공기, 질소, 및 고분자량 기체(예를 들면, 크세논, 황 헥사플루오라이드) 중 적어도 하나를 포함한다. 전력 절약 또는 증가된 성능은 공기에 비해 낮은 열 전도율에 기인해 고분자량 기체를 사용함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 제 2 면에 따라서, 적외선 검출기의 감도를 향상시키는 방법으로서, 유체를 통해 볼로미터 검출기들로부터의 열 에너지의 전도에 기인한 상기 적외선 검출기의 감도 감소를 적어도 부분적으로 보상하기 위해서, 상기 유체와 접촉하여 동작하도록 배치된 복수의 볼로미터 검출기들을 구비한, 상기 적외선 검출기의 감도 향상 방법에 있어서,

(i) 직렬 및 병렬 중 적어도 하나로 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 단계,

(ii) DC 바이어스 전류로 상기 볼로미터 검출기들을 동작시키는 단계, 및

(iii) 실질적으로 일정한 바이어스 온도로 상기 볼로미터 검출기들을 동작시키는 단계를 포함하는, 적외선 검출기의 감도 향상 방법이 제공된다.

바람직하게, 유체는 실질적으로 대기압에 있으며 공기, 질소, 및 고분자량 기체(예를 들면, 크세논) 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 제 3 면에 따라서, 적외선 검출기를 동작시키기 위한 방법으로서, 상기 적외선 검출기는 복수의 볼로미터 검출기들, 상기 볼로미터 검출기들에 바이어스를 인가하기 위한 수단, 및 네트워크를 형성하기 위해 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 수단을 포함하는, 상기 적외선 검출기 동작 방법에 있어서, 실질적으로 대기압의 환경에서 상기 볼로미터 검출기들을 배치하는 단계 및 실질적으로 일정한 바이어스 온도에서 상기 볼로미터 검출기들을 동작시키는 단계를 포함하는, 적외선 검출기 동작 방법이 제공된다.

유리하게, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 50℃ 높은 범위에 있다. 바람직하게, 상기 바이어스 온도는 사용시 주변보다 1℃ 내지 20℃ 높은 범위에 있다. 보다 바람직하게, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 10℃ 높은 범위에 있다.

발명의 제 3 면에 따른 방법 및 이에 관계된 실시예들을 참조하여, 환경은 바람직하게는 공기, 질소, 및 고분자량 기체(예를 들면, 크세논) 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 제 4 면에 따라서, 수동 적외선(PIR) 경보기로서, 현장으로부터 전자기 복사파를 수신하도록 적응된 복수의 볼로미터 검출기들, 상기 볼로미터 검출기들에 바이어스를 인가하기 위한 수단, 네트워크를 형성하기 위해 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 수단, 및 상기 볼로미터 검출기들의 상기 네트워크로부터의 출력 신호에 응하는 신호 처리 수단이 집적된 기판을 포함하는, 수동 적외선(PIR) 경보기에 있어서,

상기 신호 처리 수단은 볼로미터 검출기의 상기 네트워크에 입사되는 전자기 복사파의 변화들에 기인한 상기 출력 신호의 변화를 식별하고 상기 현장에서의 이벤트를 나타내는 출력을 제공하도록 구성된, 수동 적외선(PIR) 경보기를 제공한다.

구체적으로, 출력은 예를 들면 적외선 경보기의 시야 내에 적외선 소스의 출현 또는 움직임에 의해 일어나는, 볼로미터 검출기들에 입사되는 적외선 복사파의 공간 및 시간적 변화들 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다.

바람직하게, 볼로미터 검출기들은 실질적으로 대기압의 환경에서 배열된다.

편리하게, 상기 환경은 공기, 질소 및 고분자량 기체 중 적어도 하나를 포함한다.

바이어스 수단은 바람직하게는 실질적으로 일정한 바이어스 온도로 볼로미터 검출기들을 동작시키도록 배치된다.

편리하게, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 50℃ 높은 범위에 있다. 바람직하게, 상기 바이어스 온도는 사용시 주변보다 1℃ 내지 20℃ 높은 범위에 있다. 보다 바람직하게, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 10℃ 높은 범위에 있다.

바람직하게, 수동 적외선(PIR) 경보기는 볼로미터 검출기들, 바이어스 수단, 연결 수단, 및 신호 처리 수단이 집적된 단일 기판을 포함한다. 집적된 PIR 경보기는 제조를 용이하게 하므로 개별 요소들에 비해 제조 비용을 감소시킨다. 따라서, 수동 적외선(PIR) 경보기는 모놀리식 집적 회로, 특히 실리콘 모놀리식 집적 회로를 포함할 수 있다. 모놀리식 집적 회로는 n-채널 MOSFET(NMOS) 집적 회로, p-채널 MOSFET(PMOS) 집적 회로 및 상보 MOSFET(CMOS) 집적 회로 중 하나일 수 있다.

실리콘 기반의 방식을 사용하여, 검출기들 자체들과 동일 칩에 완전한 PIR 검출 시스템(예를 들면, 증폭, 검출 임계, 타이밍 기능들)을 집적시키는 것이 가능하고, 따라서 훨씬 더 소형이고 저렴한 PIR 검출모듈들이 제조될 수 있게 한다. 정밀 리소그래피의 사용은 볼로미터 기반의 PIR 검출기가 매우 정밀하게 정의된 크기, 위치 및 형상을 가질 수 있음을 의미한다.

또한, PIR 서브-시스템들의 모든 기능을 검출기 칩에 집적시켜 낮은 전체 비용을 제공하는 것이 가능하다.

바람직한 실시예에서, 수동 적외선(PIR) 경보기는 침입자 경보기로서 동작하도록 구성된다.

또 다른 바람직한 실시예에서 수동 적외선(PIR) 경보기는 화재 경보기로서 동작하도록 구성된다.

발명을 첨부한 도면을 참조하여 예로서만 기술한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 적외선 검출기의 개략적 평면도이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라 구성된 볼로미터 검출기들의 개략적 회로도이다. 이 도면은 직렬/병렬 구성으로 연결된 볼로미터들의 네트워크를 도시한 것이다.

도 3은 열 흐름에 대한 볼로미터 검출기들로부터 출력들이 어떻게 보상되는가를 도시한 것이다. 구체적으로 도 3a는 일정한 전류로 동작되는 볼로미터를 도시한 것이고 도 3b는 열 드리프트를 보상하기 위한 2중(더미) 볼로미터의 사용을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 집적된 PIR 경보 시스템의 개략적 블록도이다.

도 5는 각각 크세논 및 공기를 포함하는 환경들에서 동작되는 본 발명에 따른 볼로미터 검출기에 대한 바이어스 온도(℃)에 대한 잡음-등가 온도차(감도; ℃) 의 그래프이다.

도 6는 각각 크세논 및 공기를 포함하는 환경들에서 동작되는 본 발명의 따른 볼로미터 검출기에 대한 전력(와트)에 대한 잡음-등가 온도차(감도; ℃)의 그래프이다.

종래의 볼로미터 검출기들은 견줄 바 없는 기술적 수행 및 비용의 이유로 종래의 PZT PIR 검출기들에 대한 확실한 대안으로서 간주되지 않는다. 주된 비용 드라이버 중 하나는 볼로미터 검출기(들) 주위에 진공되고 밀폐되도록 밀봉된 밀봉체를 제공하기 위해 요구되는 패키징 기술이다. 본 적외선 검출기에서, 볼로미터 검출기들은 실질적으로 대기압 환경(예를 들면 공기)에 동작되며, 이에 따라 고가의 진공 패키징을 제거한다. 볼로미터 검출기로부터 이격된 열 에너지의 전도는 진공에서보다 공기에서 더 커서, 적외선 검출기의 감도가 감소된다. 그러나, 본 발명에서, 감소 감소는 네트워크로 복수의 볼로미터 검출기들을 함께 연결하고/하거나 높은 바이어스 전력/전류에서 볼로미터 검출기들을 동작시킴으로써 적어도 부분적으로 보상된다.

이제 본 발명의 제 1 실시예를 참조하면, 도 1은 복수의 볼로미터 검출기들(4) 및 기판(8) 상에 배치된 연관된 전자장치(6)를 포함하는 적외선 검출기(2)를 도시한다.

볼로미터 검출기들은 직렬/병렬로 연결된 블록으로서 구성된다.

이러한 식으로 함께 연결된 복수의 검출기들을 동작시키는 것은 검출기들의 수의 제곱근과 동일한 감도 개선을 제공한다. 예를 들면 0.25mm x 1.0mm 크기의 종래의 PIR 검출기는 한 그룹의 14x3 볼로미터 검출기들로 대치될 수도 있을 것이며(현재 포컬 플레인 배열들에서 볼 수 있는 바와 유사한 밀도의 볼로미터 검출기들이라고 할 때) 단일 볼로미터 검출기보다 6.5x 이상 민감할 것이다.

개개의 볼로미터 검출기들(4)은 전기적으로 직렬로, 또는 병렬로, 또는 직렬/병렬 조합으로 연결되어 사용가능한 전자장치(6)에 매칭되는 손쉬운 총 전기저항을 제공한다. 예를 들면, 고전압 잡음을 가진 증폭기와 매칭시키기 위해서 직렬조합이 사용될 수도 있다.

도 2는 직렬/병렬 구성으로 연결된 본 발명에 따른 볼로미터 검출기 네트워크(4)를 도시한 것이다.

도 2에서, 총 저항은 개개의 볼로미터 검출기(5)의 값의 5/4가 될 것이다. 적어도 어떤 병렬 연결을 사용하는 부가적 잇점은 개개의 볼로미터 검출기(4)가 손상되어 개방회로로 된 경우, 센서의 전체 활성 영역에서 단지 부분적 손실만이 있다는 것이다.

큰 그룹들(10)의 볼로미터 검출기들(4)의 사용은 외부 전자장치를 크게 단순화시켜, 볼로미터 검출기들의 그룹(10) 당 단일 출력을 제공한다(통상적으로 적외선 검출기당 1 또는 2그룹(10)의 볼로미터 검출기들(4)).

도 3b를 참조하면, 주변온도 변화에 의해 일어나는 신호들에 대한 보상은 들어오는 복사파로부터 차폐되거나 기판(8)으로부터 열적으로 분리되지 않는 2중 장치(더미; 20)를 사용하여, PIR 검출기들에서 현재 널리 사용되는 방법과 유사한 방 식으로 수행될 수 있다. 대안적으로, 도 3a를 참조하면, 2중 장치(더미; 20) 대신에 정전류원(constant current source; 22)이 사용된다.

PIR 검출기들에서 현재 사용되는 초전기 검출기들은 원래 들어오는 복사파에 AC 연결된다(즉, 이들은 복사파의 변화에만 응답한다). 이에 대해 낮은 시정수는 일반적으로 잘 정의되지 않는다. 침입자 검출기의 경우, 이것은 경보기를 동작시키지 않고 검출기에 어떻게 서서히 접근되는가를 설정하는 파라미터이다. 도 3에 도시한 실시예들에서 침입자 경보기에서는 외부 AC 연결 커패시터(24)가 사용되고, 이것은 필요하다면 시정수가 정밀하도록 제어될 수 있게 하여준다.

발명의 한 실시예에 따른 집적된 수동 적외선(PIR) 경보 시스템(30)을 도 4에 도시하였다. PIR 경보기(30)는 2 그룹(32, 42)의 볼로미터 검출기들을 포함하며, 각각은 연관된 증폭기(34, 44)와 연결된다. 검출기들의 두 그룹(32, 42) 각각으로부터의 출력은 증폭되고(34, 44), 대역통과 필터들(36, 46)에 의해 필터링되고 비교기들(38, 48)에 의해 레벨 임계값들에 비교된다. 이어서 경보 출력(60)을 제공하기 위해 경보 프로세서(50)에 의해 논리 처리가 수행된다. 침입자 경보기로서 동작되도록 하였을 때, 논리 처리는 침입자의 유무 및 침입자가 움직이고 있는 방향에 대해 판단한다. 또 다른 실시예에서, 논리 처리는 경보 출력(60)을 일으키기 전에 주어진 기간 내 복수의 이벤트들을 요구한다.

볼로미터 검출기들(4)이 제조되는 공정은 종래의 CMOS 가공 기술과 호환된다. 따라서, 발명의 또 다른 실시예에서, 적외선 검출기는 내장된 마이크로프로세서 및 볼로미터 검출기들과 동일한 칩에 집적되는 복잡한 디지털 전자장치를 포함 하여, 사용자가 특정 애플리케이션들을 위한 특정의 기능들을 프로그래밍할 수 있게 한다.

각 볼로미터 검출기(4)는 WO/GB00/03243에 기술된 바와 같이 제조될 수 있다. 이러한 디바이스에서 마이크로-볼로미터는 예를 들면 티타늄 층이 얇은 레그들에 의해 기판 표면으로부터 약 1 내지 4㎛, 통상적으로 2.5㎛ 이격된 마이크로-브리지로서 형성된다. 통상적으로, 티타늄은 1.5 내지 6Ω/sq 범위에서 약 3.3Ω/sq의 시트 저항을 갖고 0.05 내지 0.3μm의 범위에서 약 0.1 내지 0.25μm 두께이다. 티타늄 볼로미터 검출기의 마이크로-브리지는 약 λ/4의 두께를 갖는 산화실리콘층 밑에 지지되고, 여기서 λ는 검출되는 복사파의 파장이다. 이러한 티타늄 검출기는 3 내지 14㎛의 적외선 복사파 대역의 파장들을 포함하는 여러 파장들을 검출하도록 적응될 수 있다. 검출기에 입사되는 적외선 에너지는 마이크로-브리지(티타늄)와 산화 실리콘층들의 조합에 의해 흡수되며, 연이은 온도 변화에 의해 티타늄의 저항이 변하게 된다. 그러므로 검출기 저항의 측정은 입사되는 복사파의 진폭의 값을 제공한다.

종래의 열 이미저들에 있어서는 진공으로 패키징하지 않으면 볼로미터 검출기들(4)을 둘러싼 공기를 통해 발생하게 될 열전도를 줄이기 위해서 진공으로 패키징하는 것이 필요하다. 진공은 이러한 열전도가 감소될 수 있게 하므로 장치의 지지 레그들을 통한 전도보다 적게 전도하게 된다.

대기압의 공기는 전형적인 레그 전도성의 약 100x의 전도율을 가지므로, 이미징의 경우에 감도는 진공보다 공기를 사용하는 것이 약 100x 더 나쁘게 될 것이 다. 본 발명의 볼로미터 검출기들을 둘러싼 공기(또는 기체)의 더 높은 열 전도도가 볼로미터 검출기들의 소정의 온도 상승으로 인한 더 큰 바이어스 전류 사용을 허용하기 때문에 DC에서 볼로미터 검출기들을 동작시키는 것은 이러한 성능의 일부 손실을 회복하도록 한다. DC 동작 경우에 볼로미터를 통한 바이어스 전류에 제한은 볼로미터 자체의 온도상승이고, 10℃이거나 그 이상의 온도가 전형적인 값이 될 것이다.

보다 큰 열 전도를 갖는 것은 신호를 감소시키므로 다음과 같이 되며(1차 근사를 사용하여)

여기서 Isig=신호전류, α=온도계수, Psig = 신호 전력, Tbias = DC 전류에 기인한 바이어스 온도, R = 전기 저항, G=열 전도도이다. 1차의 현재 잡음은 1/√R에 비례하므로 성능은 다음 식에 의해 주어진다.

종래의 이미징 배열들에 기초하여 값들을 사용하면, 공기를 포함하는 환경에 배치된 1mm x 0.25mm 화소의 성능은 바이어스 온도 및 전력 소비(도 5 및 도 6 참조)의 함수로서 예측되었다. 예측들은 100Hz 대역폭, 및 50% 효율의 복사파 흡수를 가정한다.

0.1℃의 잡음-등가 온도차(NETD)는 본 발명에 따라 공기로 패키징된 볼로미터 검출기로 달성될 수 있고, 따라서 진공 패키징하는 고비용의 단계를 제거한다.

공기보다 낮은 전도율을 갖는(2.5배) 크세논과 같은 고분자(또는 원자)량의 기체를 포함하는 환경에서 볼로미터 검출기들을 패키징함으로써 상당한 파워 절약이 달성될 수 있다. 크세논의 큰 원자량은 공기보다는 패키징 밀봉을 통해 덜 확산할 것이므로 예를 들면 반도체업계에서 통상적으로 수행되는 공정으로서 부식 및 응축을 방지하기 위해 건 질소에서 밀봉하는 것보다 밀봉을 더 이상 어렵게 하지 않음을 의미한다.

예에서 사용되는 100Hz 대역폭은 고급 군용 PIR 시스템에서 전형이며 민용 PIR 시스템에 대해 거의 확실히 10배만큼(3x 더 나은 감도와 같음) 감소될 수도 있을 것임에 유의한다.

Claims

적외선 검출기(2)에 있어서, 복수의 볼로미터(bolometer) 검출기들(4), 상기 볼로미터 검출기들에 바이어스를 인가하기 위한 수단, 및 네트워크를 형성하기 위해 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 수단을 포함하고, 상기 볼로미터 검출기들(4)은 실질적으로 대기압 환경에서 배치되고, 사용시 상기 바이어스 수단은 실질적으로 일정한 바이어스 온도에서 상기 볼로미터 검출기들(4)을 동작시키도록 배치되는, 적외선 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 연결 수단은 사용시 상기 네트워크 내 직렬 및 병렬 중 적어도 하나로 상기 볼로미터 검출기들(4)을 함께 연결하도록 배치되는, 적외선 검출기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 바이어스 수단은 사용시 상기 네트워크 내 상기 볼로미터 검출기 요소들(4)에 DC 바이어스 전류를 제공하도록 배치되는, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼로미터 검출기들(4), 상기 바이어스 수단, 및 상기 연결 수단이 집적된 기판(8)을 포함하는, 적외선 검출기.
제 4 항에 있어서, 모놀리식(monolithic) 집적 회로를 포함하는, 적외선 검출기.
제 5 항에 있어서, 실리콘 모놀리식 집적 회로인, 적외선 검출기.
제 6 항에 있어서, 상기 모놀리식 집적 회로는 n-채널 MOSFET(NMOS) 집적 회로, p-채널 MOSFET(PMOS) 집적 회로 및 상보 MOSFET(CMOS) 집적 회로 중 하나인, 적외선 검출기.
제 1 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 50℃ 높은 범위에 있는, 적외선 검출기.
제 8 항에 있어서, 사용시 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 20℃ 높은 범위에 있는, 적외선 검출기.
제 9 항에 있어서, 사용시 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 10℃ 높은 범위에 있는, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 수단은 상기 네 트워크 내 상기 볼로미터 검출기들(4)을 복수의 구성들로 재구성할 수 있는, 적외선 검출기.
제 11 항에 있어서, 상기 연결 수단이 실시간으로 상기 네트워크 내 상기 볼로미터 검출기들(4)을 재구성할 수 있는, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼로미터 검출기들(4)은 적어도 하나의 저항 볼로미터를 포함하는, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼로미터 검출기들(4)은 적어도 하나의 마이크로-브리지 볼로미터를 포함하는, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼로미터 검출기들(4)은 행들 및 열들로 배치된, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼로미터 검출기들(4)의 수는 10 내지 1000 범위에 있고, 바람직하게는 40 내지 200 범위에 있는, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼로미터 검출기들(4) 은 3㎛ 내지 14㎛ 범위의 파장을 갖는 복사파를 검출하도록 적응된, 적외선 검출기.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환경은 공기, 질소, 및 고분자량 기체 중 적어도 하나를 포함하는, 적외선 검출기.
적외선 검출기(2)의 감도를 향상시키는 방법으로서, 유체를 통해 볼로미터 검출기들(4)로부터의 열 에너지의 전도에 기인한 상기 적외선 검출기의 감도 감소를 적어도 부분적으로 보상하기 위해서, 상기 유체와 접촉하여 동작하도록 배치된 복수의 볼로미터 검출기들(4)을 구비한, 상기 적외선 검출기(2)의 감도 향상 방법에 있어서,

(i) 직렬 및 병렬 중 적어도 하나로 상기 볼로미터 검출기들(4)을 함께 연결하는 단계,

(ii) DC 바이어스 전류로 상기 볼로미터 검출기들(4)을 동작시키는 단계, 및

(iii) 실질적으로 일정한 바이어스 온도로 상기 볼로미터 검출기들(4)을 동작시키는 단계를 포함하는, 적외선 검출기의 감도 향상 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 유체는 실질적으로 대기압에 있는, 적외선 검출기의 감도 향상 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 상기 유체는 공기, 질소, 및 고분자량 기체 중 적어도 하나를 포함하는, 적외선 검출기의 감도 향상 방법.
적외선 검출기(2)를 동작시키기 위한 방법으로서, 상기 적외선 검출기는 복수의 볼로미터 검출기들(4), 상기 볼로미터 검출기들에 바이어스를 인가하기 위한 수단, 및 네트워크를 형성하기 위해 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 수단을 포함하는, 상기 적외선 검출기(2) 동작 방법에 있어서, 실질적으로 대기압의 환경에서 상기 볼로미터 검출기들(4)을 배치하는 단계 및 실질적으로 일정한 바이어스 온도에서 상기 볼로미터 검출기들을 동작시키는 단계를 포함하는, 적외선 검출기 동작 방법.
제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 50℃ 높은 범위로 유지되는, 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 20℃ 높은 범위로 유지되는, 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 10℃ 높은 범위로 유지되는, 방법.
제 22 항 또는 제 22 항에 직접 또는 간접적으로 종속되는 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환경은 공기, 질소, 및 고분자량 기체 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
수동 적외선(PIR) 경보기로서, 현장으로부터 전자기 복사파를 수신하도록 적응된 복수의 볼로미터 검출기들(32, 42), 상기 볼로미터 검출기들에 바이어스를 인가하기 위한 수단, 네트워크를 형성하기 위해 상기 볼로미터 검출기들을 함께 연결하는 수단, 및 상기 볼로미터 검출기들의 상기 네트워크로부터의 출력 신호에 응하는 신호 처리 수단(34, 36, 38, 44, 46, 48, 50)이 집적된 기판(8)을 포함하는, 수동 적외선(PIR) 경보기에 있어서,

상기 신호 처리 수단(34, 36, 38, 44, 46, 48, 50)은 볼로미터 검출기(4)의 상기 네트워크에 입사되는 전자기 복사파의 변화들에 기인한 상기 출력 신호의 변화를 식별하고 상기 현장에서의 이벤트를 나타내는 출력(60)을 제공하도록 구성된, 수동 적외선(PIR) 경보기.
제 27 항에 있어서, 상기 볼로미터 검출기들(32, 42)은 실질적으로 대기압의 환경에서 배치되는, 수동 적외선(PIR) 경보기.
제 28 항에 있어서, 상기 환경은 공기, 질소, 및 고분자량 기체 중 적어도 하나를 포함하는, 수동 적외선(PIR) 경보기.
제 27 내지 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시 상기 바이어스 수단은 실질적으로 일정한 바이어스 온도에서 상기 볼로미터 검출기들(32, 42)을 동작하도록 배치된, 수동 적외선(PIR) 경보기.
제 30 항에 따른 적외선 검출기에 있어서, 사용시 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 50℃ 높은 범위에 있는, 적외선 검출기.
제 31 항에 있어서, 사용시 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 20℃ 높은 범위에 있는, 적외선 검출기.
제 32 항에 있어서, 사용시 상기 바이어스 온도는 주변보다 1℃ 내지 10℃ 높은 범위에 있는, 적외선 검출기.
제 31 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 따른 침입자 경보기로서 동작하도록 적응된 수동 적외선(PIR) 경보기.
제 27 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 따른 화재 경보기로서 동작하도록 적응된 수동 적외선(PIR) 경보기.