KR20070113751A - 자외선 센서, 자외선 센서용 독출 회로 및 자외선 센서를포함하는 이미지 센서 - Google Patents

자외선 센서, 자외선 센서용 독출 회로 및 자외선 센서를포함하는 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자외선 센서, 자외선 센서용 독출 회로 및 자외선 센서를 포함하는 이미지 센서에 관한 발명으로써, 보다 구체적으로 이미지 정보뿐만 아니라 자외선의 세기까지 출력할 수 있는 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있고 실리콘 공정을 이용하는 자외선 센서 및 자외선 센서용 독출 회로에 관한 발명이다.
본 발명은 조광영역 내부에 위치하며, 입사되는 가시광선에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 화소 어레이; 상기 조광영역 내부에 위치하며, 입사되는 자외선의 세기에 대응하는 자외선 신호를 출력하는 자외선 센서; 및 상기 화소 어레이를 제어하며, 상기 이미지 신호 및 상기 자외선 신호를 처리하여 출력하는 주변회로부를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

Description

자외선 센서, 자외선 센서용 독출 회로 및 자외선 센서를 포함하는 이미지 센서{ULTRAVIOLET SENSOR, READOUT CIRCUIT FOR ULTRAVILET SENSOR AND IMAGE SENSOR INCLUDING ULTRAVIOLET SENSOR}
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서를 나타내는 도면으로서, 특히 이미지 센서용 화소의 어레이와 자외선 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서의 구체적 배선의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 이미지 센서에 채용된 자외선 센서 및 독출 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 자외선 센서 및 독출 회로의 동작을 설명하기 위한 신호도이다.
도 5는 도 3에 표현된 자외선 센서의 일례인 다결정 실리콘 저항형 자외선 센서의 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 이미지 센서의 구체적 배선의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6의 이미지 센서에 채용된 자외선 센서 및 독출 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 부호의 설명*
10 : 조광영역 20 : 화소 어레이
30 : 자외선 센서 31 : 제1 다결정 실리콘 저항
32 : 제2 다결정 실리콘 저항 33 : 자외선 차단 필터
34 : 기판 35 : 절연막
40 : 주변 회로부 41 : 제1 시프트 레지스터
42, 42` : 샘플 및 홀더 43, 43` : 제2 시프트 레지스터
44, 44` : 독출 회로
본 발명은 자외선 센서, 자외선 센서용 독출 회로 및 자외선 센서를 포함하는 이미지 센서에 관한 발명으로써, 보다 구체적으로 이미지 정보뿐만 아니라 자외선의 세기까지 출력할 수 있는 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있고 실리콘 공정을 이용하는 자외선 센서 및 자외선 센서용 독출 회로에 관한 발명이다.
근래에 들어서, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 이들의 기능을 포함하는 휴대폰 등이 널리 보급됨에 따라, 이미지 센서가 급속히 발전하고 있다. 이미지 센 서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 크게 CCD(charge coupled device, 전하 결합 소자)형 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체)형 이미지 센서로 나눌 수 있다. 이들 중 CCD형 이미지 센서는 광에 의하여 발생된 전자를 그대로 CCD를 이용하여 출력부까지 이동시키며, CMOS형 이미지 센서는 광에 의하여 발생된 전자를 화소 내에서 전압으로 변환한 후 출력부까지 이동시킨다. 이로 인하여, CCD형 이미지 센서는 화질이 우수하고, 감도가 높아 고품질 영상 기기에 주로 사용되지만, CMOS 회로와의 단일 칩화가 용이하지 아니하고, 소비 전력이 높다는 문제점이 있다. 이에 반하여, CMOS형 이미지 센서는 잡음이 많이 발생하고, 감도가 낮으나, CMOS 회로와 단일 칩화가 용이하며, 소비 전력이 낮고, 일반적인 CMOS 공정을 사용하여 제조할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 태양광선 등에 포함된 자외선은 피부 표면을 침투하여 화상을 입히고 피부암과 백내장의 발생빈도를 높이는 등 건강에 나쁜 영향을 일으킬 수 있으므로, 자외선의 세기가 측정될 필요성이 있다. 이러한 자외선 센서와 관련된 종래기술로는 한국공개특허공보 제10-2005-0026728호(발명의 명칭: 이동통신 단말기의 자외선 노출 경고 방법)가 있다. 이 문헌에는 이동통신 단말기에 장착된 자외선 센서 및 자외선 센서에서 출력되는 아날로그 측정값을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, 이하 간략히 ADC라 함)를 이용하여 자외선의 세기를 측정하는 기술이 공개되어 있다. 그러나, 이러한 종래기술에 의하는 경우, 이동통신 단말기는 이미지 센서와는 별도로 장착된 자외선 센서 및 ADC를 구비하여야 하므로, 추가적인 부품 비용, 장착 비용 및 전력 소모가 발생한다는 문제점이 있다. 또한, 최근의 소형화된 이동통신 단말기의 내부에 자외선 센서 및 ADC를 추가할 공간을 확보하기 용이하지 아니하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 이미지 정보뿐만 아니라, 자외선의 세기까지 출력할 수 있는 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있는 자외선 센서 및 자외선 센서용 독출 회로를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 GaN 계열의 화합물 반도체를 이용하여 주로 제작되어 실리콘에 집적하기 용이하지 아니한 자외선 센서가 아닌 실리콘 이미지 센서의 공정과 호환성이 있으므로, 제작 비용이 절감될 수 있는 자외선 센서와 자외선 센서용 독출 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이미지 센서와 자외선 센서가 함께 집적됨으로써, 이미지에 해당하는 광을 입력받는 영역과 자외선에 해당하는 광을 입력받는 영역을 별도로 구비할 필요가 없으므로, 공간 활용도 측면에서 효율적인 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있는 자외선 센서 및 자외선 센서용 독출 회로를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이미지 센서와 자외선 센서가 함께 집적됨으로써, 저렴하고, 소형화가 가능하고, 전력 소모가 낮은 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있는 자외선 센서 및 자외선 센서용 독출 회로를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 지폐의 도안뿐만 아니라, 자외선까지 감지할 수 있으므로, 위폐 감별기 등에 쉽게 적용될 수 있는 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있는 자외선 센서 및 자외선 센서용 독출 회로를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 귀선 시간(blanking time)을 이용함으로써, 자외선 세기의 출력을 위한 별도의 배선을 필요로 하지 않는 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있는 자외선 센서용 독출 회로를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 간단히 구현할 수 있는 자외선 센서용 독출 회로를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 조광영역 내부에 위치하며, 입사되는 가시광선에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 화소 어레이; 상기 조광영역 내부에 위치하며, 입사되는 자외선의 세기에 대응하는 자외선 신호를 출력하는 자외선 센서; 및 상기 화소 어레이를 제어하며, 상기 이미 지 신호 및 상기 자외선 신호를 처리하여 출력하는 주변회로부를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 제2 측면은 입사되는 광에서 자외선을 차단하는 자외선 차단 필터; 자외선이 포함된 광을 입력받는 제1 다결정 실리콘 저항; 및 상기 자외선 차단 필터를 통과한 자외선이 제거된 광을 입력받는 제2 다결정 실리콘 저항을 포함하는 자외선 센서를 제공한다.
본 발명의 제3 측면은 자외선 센서로부터 자외선을 포함하는 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제1 노드를 제어 신호에 따라 리셋하는 제1 트랜지스터; 상기 자외선 센서로부터 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제2 노드를 상기 제어 신호에 따라 리셋하는 제2 트랜지스터; 상기 제1 노드의 전압을 기준 전압과 비교한 결과를 출력하는 제1 비교기; 상기 제2 노드의 전압을 상기 기준 전압과 비교한 결과를 출력하는 제2 비교기; 상기 제1 비교기의 출력에 따라 리셋 또는 카운팅을 수행하는 카운터; 및 상기 제2 비교기의 출력에 따라 상기 카운터의 값을 래치하여 자외선의 세기에 대응하는 디지털 신호로서 출력하는 레지스터를 포함하는 독출 회로를 제공한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서를 나타내는 도면으로서, 특히 이미지 센서용 화소의 어레이와 자외선 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서는 이미지 센서용 화소 어레이(20), 자외선 센서(30) 및 주변 회로부(40)를 포함한다.
이들 중 화소 어레이(20) 및 자외선 센서(30)는 광학계(optical system, 미도시)를 통과한 빛을 받는 영역 즉 조광 영역(10)의 내부에 위치한다. 주변 회로부(40)는 광학계를 통과한 빛을 받을 필요가 없으므로 조광 영역(10)의 내부에 위치하여도 되며, 조광 영역(10)의 외부에 위치하여도 되며, 도면과 같이 조광 영역(10)의 내부 및 외부에 걸쳐서 위치하여도 무방하다.
본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서는 도면에 표현된 바와 같이, 조광 영역(10) 중 화소 어레이(20)가 배치되지 아니한 영역을 활용하여 자외선 센서(30)를 배치함으로써, 자외선을 입력받는 조광영역을 별도로 구비할 필요가 없으므로, 공간 활용도가 개선된다는 장점을 가진다. 또한, 화소 어레이(20)와 자외선 센서(30)는 동일 광학계를 통과한 빛을 받으므로, 별도의 광학계를 구비할 필요가 없다는 장점이 있다.
도 2는 도 1의 이미지 센서의 구체적 배선의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 화소 어레이(20)는 입사되는 가시광선에 대응하는 이미지 신호를 출력한다. 화소 어레이(20)는 CCD형 이미지 센서용 화소 어레이일 수도 있으나, 주변 회로부(40)와 단일 칩화가 용이한 CMOS형 이미지 센서용 화소 어레이인 것이 바람직하다.
자외선 센서(30)는 입사되는 자외선에 대응하는 자외선 신호를 출력한다. 자외선 센서(30)는 기존의 GaN 계열의 화합물 반도체를 이용한 자외선 센서 및 다른 어떤 종류의 자외선 센서여도 무방하나, 실리콘 이미지 센서의 공정과 호환성이 있는 이후에 설명될 다결정 실리콘(polycrystalline silicon) 저항형 자외선 센서인 것이 바람직하다. 자외선 신호는 일례로 자외선을 포함한 광의 세기에 대응하는 전류 및 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 포함할 수 있다.
주변 회로부(40)는 제1 시프트 레지스터(41), 샘플 및 홀더(42), 제2 시프트 레지스터(43) 및 독출 회로(44)를 포함한다. 제1 시프트 레지스터(41), 샘플 및 홀더(42) 및 제2 시프트 레지스터(43)는 이미 많이 개발되어 잘 알려져 있으며, 제1 시프트 레지스터(41), 샘플 및 홀더(42) 및 제2 시프트 레지스터(43)로서 어떠한 회로들이 사용되어도 무방하다.
제1 시프트 레지스터(41)는 행 디코더(row decoder) 또는 행 구동부(row driver)라고도 호칭되며, 화소 어레이(20)에 포함된 복수의 행들 중 샘플 및 홀더(42)로 이미지 신호를 출력할 행을 순차적으로 선택하는 기능을 수행한다. 선택된 행에 포함된 화소(미도시)들은 이미지 신호를 샘플 및 홀더(42)로 출력한다.
샘플 및 홀더(42)는 화소 어레이(20)에서 출력되는 이미지 신호를 샘플링한 후, 샘플링된 이미지 신호를 제2 시프트 레지스터(43)에 의한 선택에 따라 순차적으로 출력한다. 샘플 및 홀더(42)는 샘플링된 아날로그 이미지 신호를 그대로 출력할 수도 있고, 디지털 신호로 변환하여 출력할 수도 있다. 샘플 및 홀더(42)는 상호연관 이중 샘플링 회로(correlated double sampling circuit, 이하 간략히 CDS 회로라 함, 미도시)를 구비할 수도 있다. 샘플 및 홀더(42)는 한 화소에 대응하는 이미지 신호 단위로 출력할 수도 있고, 복수의 화소에 대응하는 이미지 신호 단위로 출력할 수도 있다.
제2 시프트 레지스터(43)는 열 디코더(column decoder) 또는 열 구동부(column driver)라고도 호칭되며, 샘플 및 홀더(42)에 의하여 샘플링된 이미지 신호들이 순차적으로 출력되도록 샘플 및 홀더(42)를 제어하는 기능을 수행한다.
독출 회로(44)는 자외선 센서(30)에서 출력되는 자외선 신호를 증폭하여 출력하거나, 자외선 센서(30)에서 출력되는 자외선 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 기능을 수행한다.
도면에 표현된 이미지 센서는, 자외선 센서(30) 및 독출 회로(44)가 종래의 이미지 센서(20, 41, 42, 43)와 독립적으로 구현됨으로써, 자외선 세기만 감지하고 싶은 경우에는 자외선 센서(30) 및 독출 회로(44)만 구동하고 나머지(20, 41, 42, 43)는 구동하지 아니하여도 되므로, 전력 소모 측면에서 효율적이다는 장점이 있다. 또한, 종래의 이미지 센서(20, 41, 42, 43)에 자외선 센서(30) 및 독출 회로(44)만을 추가하여 자외선의 세기도 감지할 수 있는 이미지 센서를 구현함으로써, 종래의 이미지 센서(20, 41, 42, 43)의 설계 변경이 필요 없고, 빨리 구현 가 능하다는 장점이 있다.
도 3은 도 2의 이미지 센서에 채용된 자외선 센서 및 독출 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 자외선 센서(30)는 제1 다결정 실리콘 저항(31), 제2 다결정 실리콘 저항(32) 및 자외선 차단 필터(33)를 포함한다.
제1 및 제2 다결정 실리콘 저항(31, 32)은 입사되는 빛의 세기가 강해지면 그 저항값이 낮아지고, 입사되는 빛의 세기가 약해지면 그 저항값이 높아진다. 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항(31, 32)은 빛이 입사되지 않을 때 높은 저항값을 가져야 하므로, 바람직하게 도핑되지 아니한(undoped) 다결정 실리콘을 사용한 저항이다.
자외선 차단 필터(33)는 입사되는 광 중에서 자외선을 차단하는 필터이다. 자외선 차단 필터(33)로서 일례로 실리콘 공정에 적합한 질화막(Si3N4)이 사용될 수 있다. 자외선을 차단하기 위하여, 질화막의 굴절률(refractive index)은 2.0 이상인 것이 바람직하다. 또한, 자외선 차단 필터(33)로서 자외선 차단 능력이 있는 PMMA(polymethylmethacrylate)가 사용될 수 있다. 이 경우, PMMA는 제1 다결정 실리콘 저항(31)에는 자외선이 입사되고 제2 다결정 실리콘 저항(32)에는 자외선이 입사되지 아니하도록 광학계(미도시)에 위치할 수도 있다.
자외선 센서(30)에 있어서, 제1 다결정 실리콘 저항(31)은 자외선이 포함된 광이 입사되고, 제2 다결정 실리콘 저항(32)은 자외선이 제거된 광이 입사되므로, 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항(31, 32)에 있어서 저항 차가 발생한다. 이러한 저항 차는 자외선의 세기에 대응하는 값이므로, 독출 회로(44)에 의하여 저항 차가 검출되고 디지털 변환되어 출력된다.
독출 회로(44)는 제1 및 제2 트랜지스터(M1, M2), 제1 및 제2 비교기(CMP1, CMP2), 카운터(CNT) 및 레지스터(REG)를 포함한다. 독출 회로(44)는 제1 및 제2 증폭기(AMP1, AMP2)를 더 포함할 수도 있다.
제1 트랜지스터(M1)는 제1 노드(N1)를 제어 신호(VRS)에 따라 전원전압(VDD)으로 리셋하며, 제2 트랜지스터(M2)는 제2 노드(N2)를 제어 신호(VRS)에 따라 전원전압(VDD)으로 리셋한다. 제1 노드(N1)는 자외선 센서(30)로부터 자외선을 포함하는 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 노드이며, 제2 노드(N2)는 자외선 센서(30)로부터 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 노드이다.
제1 및 제2 증폭기(AMP1, AMP2)는 각각 제1 및 제2 노드(N1, N2)의 전압을 증폭하는 기능을 수행한다.
제1 및 제2 비교기(CMP1, CMP2)는 각각 기준 전압(VREF)과 제1 및 제2 증폭기(AMP1, AMP2)의 출력 전압(VR, VS)을 비교한 결과(ROUT, SOUT)를 출력하는 기능을 수행한다. 만일 제1 및 제2 증폭기(AMP1, AMP2)가 사용되지 아니하는 경우에는, 제1 및 제2 비교기(CMP1, CMP2)는 기준 전압(VREF)과 제1 및 제2 노드(N1, N2)의 전압을 각각 비교한다.
카운터(CNT)는 제1 비교기(CMP1)의 출력(ROUT)을 리셋 단자로 입력받아, 제1 비교기(CMP1)의 출력(ROUT)에 따라 리셋 또는 카운팅을 수행한다. 도면에 표현된 예의 경우, 카운터(CNT)는 제1 증폭기(AMP1)의 출력 전압(VR)이 기준 전압(VREF)보다 큰 기간에 리셋 상태를 유지하고 있다가, 제1 증폭기(AMP1)의 출력 전압(VR)이 기준 전압(VREF)보다 작은 기간에 카운팅을 수행한다.
레지스터(REG)는 제2 비교기(CMP2)의 출력(SOUT)에 따라 카운터의 출력을 래치하여 출력하는 기능을 수행한다. 도면에 표현된 예의 경우, 레지스터(REG)는 제2 증폭기(AMP2)의 출력 전압(VS)이 기준 전압(VREF)보다 작게 변화하는 순간에 카운터(CNT) 출력 값을 래치하여 출력한다. 레지스터(REG)의 출력이 자외선의 세기에 대응하는 디지털 신호이다.
독출 회로(44)는 도면에 처리된 바와 같이, 간단한 회로만으로, 자외선 센서(30)에서 출력되는 자외선 신호를 입력받아, 자외선의 세기에 대응하는 디지털 신호를 출력할 수 있다.
도 4는 도 3의 자외선 센서 및 독출 회로의 동작을 설명하기 위한 신호도이다.
도 3 및 4를 참조하면, 먼저 제1 및 제2 트랜지스터(M1, M2)의 게이트에 인가되는 제어 신호(VRS)에 의해 제1 및 제2 노드(N1, N2)의 전압이 전원 전압(VDD)으로 리셋된다.
그 후, 제1 및 제2 노드(N1, N2)는 각각 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항(31, 32)에 흐르는 전류에 의하여 그 전압 레벨이 낮아진다. 제1 다결정 실리콘 저 항(31)에는 자외선을 포함한 광이 입사되어, 그 저항값이 낮으므로, 제1 노드(N1)의 전압 레벨은 상대적으로 빨리 낮아진다. 이에 반하여, 제2 다결정 실리콘 저항(32)에는 자외선이 제거된 광이 입사되어, 그 저항값이 높으므로, 제2 노드(N2)의 전압 레벨은 상대적으로 천천히 낮아진다.
따라서, 제1 증폭기(AMP1)의 출력 전압(VR)은 빨리 기준전압(VREF)보다 낮아지고, 제2 증폭기(AMP2)의 출력 전압(VS)은 천천히 기준전압(VREF)보다 낮아져, 제1 비교기(CMP1)의 출력(ROUT)이 제2 비교기(CMP2)의 출력(SOUT)보다 먼저 하이 레벨(high level)로 변경된다. 제1 비교기(CMP1)의 출력(ROUT)과 제2 비교기(CMP2)의 출력(SOUT)이 하이 레벨로 변경되는 시간의 차는 자외선의 세기에 대응하는 값을 가진다. 보다 구체적으로, 자외선의 세기가 약한 경우에는 제1 증폭기(AMP1)의 출력 전압(VR)과 제2 증폭기(AMP2)의 출력 전압(VS)이 비슷하게 낮아지므로 시간 차가 작을 것이며, 자외선의 세기가 강한 경우에는 제1 증폭기의 출력 전압(VR)이 제2 증폭기의 출력 전압(VS)보다 훨씬 빠르게 낮아지므로 시간 차가 클 것이다. 따라서, 시간 차는 자외선의 세기에 대응하는 값을 가진다.
이러한 시간 차는 제1 및 제2 비교기(CMP1, CMP2)의 출력(ROUT, SOUR)을 입력받는 카운터(CNT) 및 레지스터(REG)에 의하여 계산되어 출력된다.
도면에 표현된 독출 회로(44)는 이와 같이 동작하여 자외선의 세기에 대응하는 디지털 신호를 출력한다.
도 5는 도 3에 표현된 자외선 센서의 일례인 다결정 실리콘 저항형 자외선 센서의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 자외선 센서는 기판(34) 위에 형성된 절연막(35), 절연막(35) 위에 형성된 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항(31, 32), 및 제2 다결정 실리콘 저항(32) 위에 형성된 자외선 차단 필터(33)를 포함한다.
기판(34)은 바람직하게 실리콘 기판이다. 절연막(35)은 일례로 산화막(SiO2)일 수 있다. 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항(31, 32)은 바람직하게 도핑되지 아니한 다결정 실리콘으로 이루어진다. 자외선 차단 필터(33)는 바람직하게 질화막(SI3N4)이다.
제1 다결정 실리콘 저항(31)에는 가시광선(RGB) 및 자외선(UV)이 입사되나, 제2 다결정 실리콘 저항(32)에는 가시광선(RGB)만이 입사된다. 따라서, 제1 다결정 실리콘 저항(31)과 제2 다결정 실리콘 저항(32)의 저항값의 차는 자외선의 세기에 대응하는 값을 가지므로, 도면에 표현된 소자는 자외선 센서로서 동작한다.
도면에 표현된 절연막(35), 다결정 실리콘 저항(31, 32) 및 자외선 차단 필터(33)는 일반적인 실리콘 공정을 이용하여 쉽게 제작될 수 있으므로, 도면에 표현된 자외선 센서는 실리콘 공정 및 CMOS형 이미지 센서와 호환성을 가진다는 장점이 있다.
도 6은 도 1의 이미지 센서의 구체적 배선의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 있어서, 화소 어레이(20), 자외선 센서(30) 및 제1 시프트 레지스터(41)는 도 2의 화소 어레이(20), 자외선 센서(30) 및 제1 시프트 레지스터(41)와 다르지 않으므로, 설명의 편의상 이에 대한 설명은 생략한다. 화소 어레이(20)는 복수의 화소(21)들을 포함한다.
독출 회로(44`)는 제1 시프트 레지스터(41)에서 출력되는 신호에 따라 동작하며, 자외선 센서(30)로부터 자외선 신호를 입력받아, 자외선을 포함한 광의 세기에 대응하는 전압인 제1 전압 및 자외선이 제거된 광에 대응하는 전압인 제2 전압을 샘플 및 홀더(42`)로 출력한다. 독출 회로(44`)는 도면과 같이 제1 시프트 레지스터(41)로부터 화소 어레이(20)중 어느 한 행으로 전달되는 신호를 입력받을 수도 있으며, 도면과 달리 화소 어레이(20)로 전달되지 않는 별도의 신호를 제1 시프트 레지스터(41)로부터 입력받을 수도 있다.
샘플 및 홀더(42`)는 도 2에 표현된 샘플 및 홀더(42)와 마찬가지로 화소 어레이(20)에서 출력되는 이미지 신호를 샘플링한 후, 샘플링된 이미지 신호에 대응하는 신호를 제2 시프트 레지스터(43`)의 선택에 따라 순차적으로 출력한다. 또한, 샘플 및 홀더(42`)는 독출 회로(44`)에서 출력되는 제1 및 제2 전압을 샘플링하여, 샘플링된 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호를 제2 시프트 레지스터(43`)의 선택에 따라 출력한다. 샘플링된 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호는 일례로 제1 및 제2 전압의 차에 해당하는 신호일 수 있다.
제2 시프트 레지스터(43`)는 도 2에 표현된 제2 시프트 레지스터(43)와 마찬가지로 샘플링된 이미지 신호에 대응하는 신호가 순차적으로 출력되도록 샘플 및 홀더(42`)를 제어하는 기능을 수행한다. 또한, 제2 시프트 레지스터(43`)는 샘플링된 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호가 출력되도록 샘플 및 홀더(42`)를 제어하는 기능을 수행한다. 이때, 샘플 및 홀더(42`)가 동일한 배선을 사용하여 샘플링된 이미지 신호에 대응하는 신호뿐만 아니라 샘플링된 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호도 출력할 수 있도록, 제2 시프트 레지스터(43`)는 샘플링된 이미지 신호에 대응하는 신호가 출력되지 아니하는 기간에 샘플링된 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호가 출력되도록 샘플 및 홀더(42`)를 제어할 수 있다. 즉 제2 시프트 레지스터(43`)는 샘플링된 이미지 신호에 대응하는 신호 및 샘플링된 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호가 다중화되어 출력되도록 샘플 및 홀더(43`)를 제어할 수 있다. 일례로, 제2 시프트 레지스터(43`)는 샘플링된 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호가 수직 귀선 시간(vertical blanking time)에 출력되도록 샘플 및 홀더(42`)를 제어할 수 있다.
도면에 표현된 이미지 센서는, 종래의 이미지 신호가 출력되는 배선을 이용하여 자외선의 세기에 대응하는 신호도 출력하므로, 자외선 세기에 대응하는 신호를 출력하기 위한 별도의 배선을 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다.
도 7은 도 6의 이미지 센서에 채용된 자외선 센서 및 독출 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7에 있어서, 자외선 센서(30)는 도 3의 자외선 센서(30)와 다르지 않으므로, 설명의 편의상 이에 대한 설명은 생략한다.
독출 회로(44`)는 자외선 센서(30)의 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항(31, 32)에 접속되며, 제1 시프트 레지스터(41)로부터 제1 및 제2 제어 신호(CR, CX)를 입력받으며, 샘플 및 홀더(42`)로 자외선을 포함한 광의 세기에 대응하는 제1 전압(VR) 및 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 제2 전압(VS)을 출력한다. 독출 회로(44`)는 제1 내지 제6 트랜지스터(M1 내지 M6)를 포함한다.
제1 트랜지스터(M1)는 제1 노드(N1)를 제1 제어 신호(CR)에 따라 전원전압(VDD)으로 리셋하며, 제2 트랜지스터(M2)는 제2 노드(N2)를 제1 제어 신호(CR)에 따라 전원전압(VDD)으로 리셋한다. 제1 노드(N1)는 자외선 센서(30)로부터 자외선을 포함하는 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 노드이며, 제2 노드(N2)는 자외선 센서(30)로부터 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 노드이다.
제3 및 제4 트랜지스터(M3, M4)는 각각 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 수행하여 제1 및 제2 노드(N1, N2)의 전압을 증폭하여 출력하는 기능을 수행한다. 소스 팔로워 버퍼 증폭기의 특성상 제3 및 제4 트랜지스터(M3, M4)의 전압 이득은 1일 수 있다.
제5 및 제6 트랜지스터(M5, M6)는 각각 제3 및 제4 트랜지스터(M3, M4)에서 출력되는 전압을 제2 제어신호(CX)에 따라 샘플 및 홀더(42`)로 출력하는 기능을 수행한다. 제5 및 제6 트랜지스터(M5, M6)에서 샘플 및 홀더(42`)로 출력되는 전압이 각각 자외선을 포함한 광의 세기에 대응하는 제1 전압(VR) 및 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 제2 전압(VS)이다.
독출 회로(44`)는 도면에 도시된 바와 같이, 간단한 회로만으로, 자외선 센 서(30)에서 출력되는 신호를 입력받아, 자외선을 포함한 광에 대응하는 제1 전압(VR) 및 자외선이 제거된 광에 대응하는 제2 전압(VS)을 샘플 및 홀더(42`)로 출력할 수 있다.
도면을 검토하면 쉽게 알 수 있듯이, 제1 다결정 실리콘 저항(31)에 연결된 제1, 제3 및 제5 트랜지스터(M1, M3, M5)는 일반적인 CMOS형 이미지 센서의 화소 회로와 동일하므로 그 동작은 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이므로, 그 동작에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 일반적인 CMOS형 이미지 센서의 화소 회로가 다양하게 변형될 수 있듯이, 독출 회로(44`) 중 제1 다결정 실리콘 저항(31)에 연결된 부분 또한 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 제2 다결정 실리콘 저항(32)에 연결된 제2, 제4 및 제6 트랜지스터(M2, M4, M6)도 제1 다결정 실리콘 저항(31)에 연결된 제1, 제3 및 제5 트랜지스터(M1, M3, M5)와 다를 바 없으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 의한 이미지 센서는 이미지 정보뿐만 아니라, 자외선의 세기까지 출력할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 이미지 센서와 이러한 이미지 센서에 사용될 수 있는 자외선 센서 및 독출 회로는 실리콘 이미지 센서의 공정과 호환성이 있으므로, 그 제작 비용이 절감될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 이미지 센서는 일반적인 이미지 센서와 자외선 센서가 함께 집적됨으로써, 이미지에 해당하는 광을 입력받는 영역과 자외선에 해당하는 광을 입력받는 영역을 별도로 구비할 필요가 없으므로, 공간 활용도 측면에서 효율적이라는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 이미지 센서는 일반적인 이미지 센서와 자외선 센서가 함께 집적됨으로써, 저렴하고, 소형화가 가능하고, 전력 소모가 낮다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 이미지 센서는 지폐의 도안뿐만 아니라, 자외선까지 감지할 수 있으므로, 위폐 감별기 등에 쉽게 적용될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 이미지 센서는 귀선 시간(blanking time)을 이용함으로써, 자외선 세기에 대응하는 신호를 출력하기 위한 별도의 배선을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 독출 회로는 간단히 구현될 수 있다는 장점이 있다.

Claims (19)

  1. 조광영역 내부에 위치하며, 입사되는 가시광선에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 화소 어레이;
    상기 조광영역 내부에 위치하며, 입사되는 자외선의 세기에 대응하는 자외선 신호를 출력하는 자외선 센서; 및
    상기 화소 어레이를 제어하며, 상기 이미지 신호 및 상기 자외선 신호를 처리하여 출력하는 주변회로부를 포함하는 이미지 센서
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 조광영역은 동일한 광학계를 통과한 빛을 받는 영역인 이미지 센서
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 자외선 신호는
    자외선을 포함한 광의 세기에 대응하는 전류; 및
    자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 포함하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 자외선 센서는
    입사되는 광에서 자외선을 차단하는 자외선 차단 필터;
    자외선이 포함된 광을 입력받는 제1 다결정 실리콘 저항; 및
    상기 자외선 차단 필터를 통과한 자외선이 제거된 광을 입력받는 제2 다결정 실리콘 저항을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 자외선 차단 필터는 PMMA 또는 질화막으로 이루어진 이미지 센서
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항은 도핑되지 아니한 다결정 실리콘으로 이루어진 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 주변회로부는
    상기 화소 어레이에 포함된 행들을 순차적으로 선택하는 제1 시프트 레지스터;
    상기 제1 시프트 레지스터에 의하여 선택된 행으로부터 출력되는 상기 이미지 신호를 샘플링한 후에 샘플링된 상기 이미지 신호에 대응하는 신호를 출력하는 샘플 및 홀더;
    상기 샘플링된 상기 이미지 신호에 대응하는 신호들이 순차적으로 출력되도록 상기 샘플 및 홀더를 제어하는 제2 시프트 레지스터; 및
    상기 자외선 신호를 입력받아 자외선의 세기에 대응하는 디지털 신호를 출력하는 독출 회로를 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 독출 회로는
    상기 자외선 센서로부터 자외선을 포함하는 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제1 노드를 제어 신호에 따라 리셋하는 제1 트랜지스터;
    상기 자외선 센서로부터 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제2 노드를 상기 제어 신호에 따라 리셋하는 제2 트랜지스터;
    상기 제1 노드의 전압을 기준 전압과 비교한 결과를 출력하는 제1 비교기;
    상기 제2 노드의 전압을 상기 기준 전압과 비교한 결과를 출력하는 제2 비교기;
    상기 제1 비교기의 출력에 따라 리셋 또는 카운팅을 수행하는 카운터; 및
    상기 제2 비교기의 출력에 따라 상기 카운터의 값을 래치하여 상기 자외선의 세기에 대응하는 디지털 신호로서 출력하는 레지스터를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 주변회로부는
    상기 화소 어레이에 포함된 행들을 순차적으로 선택하는 제1 시프트 레지스터;
    상기 제1 시프트 레지스터에 의하여 제어되며, 상기 자외선 신호를 입력받아, 자외선을 포함한 광의 세기에 대응하는 제1 전압 및 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 제2 전압을 출력하는 독출 회로;
    상기 제1 시프트 레지스터에 의하여 선택된 행으로부터 출력되는 상기 이미지 신호, 상기 제1 및 제2 전압을 샘플링한 후에 샘플링된 상기 이미지 신호에 대응하는 신호 및 샘플링된 상기 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호를 출력하는 샘플 및 홀더; 및
    상기 샘플링된 상기 이미지 신호에 대응하는 신호, 상기 샘플링된 상기 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호가 다중화되어 출력되도록 상기 샘플 및 홀더를 제어하는 제2 시프트 레지스터를 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 시프트 레지스터는 상기 샘플링된 상기 제1 및 제2 전압에 대응하는 신호가 수직 귀선 시간에 출력되도록 상기 샘플 및 홀더를 제어하는 이미지 센서.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 독출 회로는
    상기 자외선 센서로부터 자외선을 포함하는 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제1 노드를 제1 제어 신호에 따라 리셋하는 제1 트랜지스터;
    상기 자외선 센서로부터 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제2 노드를 상기 제1 제어 신호에 따라 리셋하는 제2 트랜지스터;
    상기 제1 노드의 전압을 증폭하는 제3 트랜지스터;
    상기 제2 노드의 전압을 증폭하는 제4 트랜지스터;
    증폭된 상기 제1 노드의 전압을 제2 제어 신호에 따라 상기 제1 전압으로서 출력하는 제5 트랜지스터; 및
    증폭된 상기 제2 노드의 전압을 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 제2 전압으로서 출력하는 제6 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 트랜지스터는 소스 팔로워 버퍼 증폭기로서 동작하는 이미지 센서.
  13. 입사되는 광에서 자외선을 차단하는 자외선 차단 필터;
    자외선이 포함된 광을 입력받는 제1 다결정 실리콘 저항; 및
    상기 자외선 차단 필터를 통과한 자외선이 제거된 광을 입력받는 제2 다결정 실리콘 저항을 포함하는 자외선 센서.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 자외선 차단 필터는 PMMA 또는 질화막으로 이루어진 자외선 센서.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항은 도핑되지 아니한 다결정 실리콘으로 이루어진 자외선 센서.
  16. 제13 항에 있어서,
    기판 위에 형성된 절연막을 더 포함하며,
    상기 제1 및 제2 다결정 실리콘 저항은 상기 절연막 위에 형성되며,
    상기 자외선 차단 필터는 상기 제2 다결정 실리콘 저항 위에 형성된 자외선 센서.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판이며,
    상기 절연막은 산화막인 자외선 센서.
  18. 자외선 센서로부터 자외선을 포함하는 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제1 노드를 제어 신호에 따라 리셋하는 제1 트랜지스터;
    상기 자외선 센서로부터 자외선이 제거된 광의 세기에 대응하는 전류를 입력받는 제2 노드를 상기 제어 신호에 따라 리셋하는 제2 트랜지스터;
    상기 제1 노드의 전압을 기준 전압과 비교한 결과를 출력하는 제1 비교기;
    상기 제2 노드의 전압을 상기 기준 전압과 비교한 결과를 출력하는 제2 비교기;
    상기 제1 비교기의 출력에 따라 리셋 또는 카운팅을 수행하는 카운터; 및
    상기 제2 비교기의 출력에 따라 상기 카운터의 값을 래치하여 자외선의 세기에 대응하는 디지털 신호로서 출력하는 레지스터를 포함하는 독출 회로.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 노드의 전압을 증폭하여 상기 제1 비교기로 출력하는 제1 증폭기; 및
    상기 제2 노드의 전압을 증폭하여 상기 제2 비교기로 출력하는 제2 증폭기를 더 포함하며,
    상기 제1 비교기는 증폭된 상기 제1 노드의 전압을 상기 기준 전압과 비교한 결과를 출력하며,
    상기 제2 비교기는 증폭된 상기 제2 노드의 전압을 상기 기준 전압과 비교한 결과를 출력하는 독출 회로.
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