KR20100084565A - 특히 이미징 고온계를 위한 광과 온도 의존 신호 생성용 회로 배열 - Google Patents

특히 이미징 고온계를 위한 광과 온도 의존 신호 생성용 회로 배열 Download PDF

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KR20100084565A
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요아킴 엔. 버그하르츠
자버 후터 프란쯔
다니엘 브로쉬
하인츠-게르하르트 그라프
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인스티투트 퓌어 미크로엘렉트로닉 슈투트가르트
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Abstract

본 발명은 광과 온도 의존 신호를 생성하는 회로 배열에 관한 것으로서, 복수의 제1 및 제2전기 신호를 수신된 전자기 방사선의 함수로서 생성하는 복수의 제1 및 제2센서부를 포함한다. 제1센서부는 가시광선의 적어도 큰 부분을 포함하는 제1파장 영역(62)으로부터의 전자기 방사선의 함수로서 제1전 기신호를 생성하도록 지정된다. 제2센서부는 주로 적외선 방사선을 포함하는 제2파장 영역(64)으로부터의 전자기 방사선의 함수로서 제2전기 신호를 생성하도록 지정된다. 본 발명의 일 면에 따르면, 제1파장 영역(62)은 제2파장 영역(64)과 중첩하고, 따라서 적외선 방사선도 포함한다. 새로운 회로 배열은 이미징 고온계를 위해 바람직하게 사용된다.

Description

특히 이미징 고온계를 위한 광과 온도 의존 신호 생성용 회로 배열{CIRCUIT ARRAGEMENT FOR CREATING LIGHT AND TEMPERATURE DEPENDANT SIGNALS, PARTICULARLY FOR AN IMAGING PYROMETER}
본 발명은 광과 온도 의존 신호를 생성하는 회로 배열에 관한 것으로서, 이는 장면의 특성을 나타내고, 입사하는 전자기 방사선에 의존하는 다수의 제1 및 제2전기 신호를 생성하는 다수의 제1 및 제2센서를 포함하며, 상기 제1센서부는 가시광선의 적어도 큰 부분을 포함하는 제1파장 영역으로부터 전자기 방사선에 의존하는 방식으로 상기 제1전기 신호를 생성하도록 디자인되고, 상기 제2센서부는 주로 적외선 방사선을 포함하는 제2파장 영역으로부터 전자기 방사선에 의존하는 방식으로 제2전기 신호를 생성하도록 디자인된다.
상기 회로 배열은 EP 1 134 565 B1에 의해 개시된다.
EP 1 134 565 B1은 관찰된 장면에서 물체의 표면 온도 분포를 결정하는데 사용될 수 있는 이미징 고온계(imaging pyrometer)를 설명한다. 또한, 상기 알려진 고온계는 장면의 "정상(normal)" 광학 이미지를 제공한다. 이는 본 문서에서는 픽셀로 칭하는, 복수의 센서부를 포함하는 광전 센서를 가지는 공지의 고온계 덕분에 달성된다. 광전 센서는 세가지 상이한 형태의 센서부를 가지고, 이는 대체 형태로 센서의 표면 상에 배열된다. 센서부의 제1형태는 1.06μm 주변의 매우 협대역 파장 영역으로부터 기원하는 전자기 방사선(radiation)에 의존하는 전기 신호를 생성하도록 디자인된다. 두번째 형태의 센서부는 0.99μm 주변의 제2 협대역 파장 영역으로부터 기원하는 전자기 방사선에 의존하는 전기 신호를 생성하도록 디자인된다. 두 협대역 파장 영역은 각각 적외선 스펙트럼의 작은 부분을 포함한다. 세번째 형태의 센서부는 단지 가시광선만을 실질적으로 포함하는 상대적으로 광대역 파장 영역으로부터의 전자기 방사선에 의존하는 전기 신호를 생성하도록 디자인된다. 두 적외선 영역으로부터의 전기 신호는 예를 들어 US 4,413,324에 설명된 것과 같은 알고리즘에 따라 온도를 결정하는데 사용된다. 이는 지수(quotient) 방법과 연관되며, 여기서 두 협대역 적외선 영역으로부터의 신호의 지수는 온도가 결정된 표면의 방사 특성을 제거하기 위해 형성된다. 상기 관찰된 장면의 단지 "정상" 광학 이미지는 가시광선의 파장 영역으로부터의 제3전기 신호에 의해 생성된다.
따라서 공지된 센서는 세가지 상이한 형태의 센서부를 가지고, 이는 적어도 부분적으로 상이한 프로세스 단계로 생성되어야 하며, 센서의 표면 상에 분포되어야 한다. 결과적으로 공지된 센서의 생산은 다소 복잡하고 비싸다. 다른 한 편으로, 공지된 센서의 해상도는 상이한 센서부가 나란히 센서의 표면 상에 배열되므로, 가시 이미지에 대해 그리고 온도 분포에 대해 제한되어, 동일 형태의 두 센서부 사이에 상이한 형태의 센서부에 의해 점유되는 "틈(gap)"이 각각의 경우에 존재한다. 예를 들어 광학 이미지를 기초로 기록된 물체의 기하학적 특성을 결정하고자 한다면 제한된 해상도는 불리하다. 마지막으로 센서부의 동적 범위는 공지된 센서의 경우로 또한 한정되어, 여러 상이한 노출 시간이 관찰된 장면의 온도 및 방사선 강도에 따라 요구될 수 있다. 결과적으로 이미지 기록이 방해가 될 수 있다.
US 4,413,324는 이미 언급된 바와 같이, 각 경우에 협대역인 두 개의 상이한 파장 영역에서 전자기 방사선을 기록하는 복수의 센서부를 포함하는 지수 고온계를 개시한다. 공지된 고온계는 온도 분포를 결정하는 것을 허용하지만, 관찰된 장면의 "정상" 광학 이미지를 기록하는 것은 허용하지 않는다.
또한, 지수 고온계는 다양한 문서로부터 오랫동안 알려져 왔다. 예를 들어 DE 12 37 804 A1을 참조하면, 먼저 측정된 값의 대수(logarithm)을 결정하고 그 다음 대수 사이의 차를 계산하며, 상기 차이는 지수의 대수에 대응하는 것을 제안한다. 상기 문서는 레드와 블루 파장 영역으로부터 전자기 방사선을 기록할 것을 제안한다. 유사한 제안이 DE 867 453에서 발견되며, 이는 레드와 그린 파장 영역으로부터의 전자기 방사선을 기록한다.
DE 24 27 892 A1은 지수 고온계를 개시하며, 장면의 실제 온도는 분리 온도 방사체에 의해 결정되며, 이는 온도 결정을 위한 참조값을 제공한다.
DE 11 36 135 A는 지수 고온계를 개시하며, 여기서 실리콘으로 만들어진 광소자는 방사선 방향으로 게르마늄 다이오드의 상류에 배열된다. 실리콘은 필터 소자로서 작동하고 1.2μm 보다 큰 파장을 가지는 광선만을 주로 통과하는 것을 허용한다. 게르마늄 다이오드는 1.5μm 주변의 파장 영역에서 최대 감광성을 가진다. 실리콘 광소자의 최대 감광성은 대략 0.9μm 이다. 관찰된 장면의 온도는 두 센서부의 신호로부터 결정된다.
DE 33 17 108 A1은 예를 들어 태양 전지로서 사용되는 박막 반도체 성분을 개시한다. 박막 반도체 성분은 반도체 기판 상에 층의 형태로 설계된다.
DE 196 50 705 A1은 적층 방식으로 하나가 다른 하나 위에 배열되는 복수의 센서부를 포함하는 카메라를 개시한다. 예를 들어, 컬러 매트릭스 센서와 블랙-앤-화이트(black-and-white) 매트릭스 센서는 하나가 다른 하나 위에 수직으로 배열되고 서로 픽셀 간 픽셀로 배열된다. 센서의 pn 접합은 파장의 길이가 길수록 광학 파장이 더 깊게 물질을 투과하므로, 깊이로 적층되어 상이한 파장에 대해 반응한다.
마지막으로 DE 42 09 536 A1은 이미지 기록 칩에 대한 이미지 셀을 개시하고, 포토다이오드와 MOS 트랜지스터는 포토다이오드에서 생성되는 전하 캐리어가 MOS 트랜지스터의 채널을 통해 흐르는 방식으로 서로에 대해 연결된다. MOS 트랜지스터는 서브-문턱값 영역으로 불리는 영역에서 작동하고, 이미지 셀의 전기 출력 신호가 입사하는 방사선의 강도에 대수적으로 의존하는 결과를 가진다. 공지된 이미지 셀은 따라서 매우 동적인 광 신호를 기록하는 것을 허용한다. 상기 기술을 가지는 이미지 기록 칩은 상표명 HDRC
Figure pct00001
로 본 출원인에 의해 상업적으로 제공된다.
배경기술과 반대로, 본 발명의 목적은 광과 온도 의존 신호를 생성하는 회로 배열을 제공하는 것이며, 회로 배열은 높은 정확성과 경비 효율성을 가지고 장면 내 물체의 특징 또는 상이한 특성을 결정하는데 사용될 수 있으며, 상기 특징 또는 특성은 방사선 의존 특성을 포함한다. 특히, 본 발명의 목적은 경비 효율적으로 이미징 고온계를 설계하는 것을 가능하게 하는 회로 배열을 제공하는 것이다.
본 발명의 일면에 따르면, 상기 목적은 도입에 설명된 형태의 회로 배열에 의해 달성되고, 제1파장 영역은 제2파장 영역과 중첩되므로 적외선 방사선도 포함한다.
새로운 회로 배열은 지금까지 공지된 개념, 즉 두 개의 상이한 파장 영역으로부터의 전자기 방사선을 기록하는 것에 기초한다. 관찰된 장면의 물체의 표면 온도는 지수를 평가함으로써 결정될 수 있다. 표면의 방사 특성은 지수 형성에 의해 제거된다. 선행기술의 많은 회로 배열과 반대로, 새로운 회로 배열은 하지만 적외선 방사선 영역에서 중첩하는 두 개의 광대역 파장 영역을 사용한다. 또한, 제1파장 영역은 또한 가시광선의 큰 부분을 포함한다. 놀랍게도 판명된 바와 같이, 적외선 영역의 파장 영역의 중첩에도 불구하고, 높은 정확성을 가지는 공지된 지수 방법에 따라 온도를 결정하는 것이 가능하다. 또한, 새로운 회로 배열도 가시광선 파장 영역에 신호를 제공한다. 따라서, 새로운 회로 배열은 온도가 결정되도록 할 뿐만 아니라, 또한 관찰된 장면의 광학 이미지(종래 카메라 이미지)를 생성하도록 신호를 제공한다.
도입에 언급된 EP1 134 565 B1의 회로 배열과 반대로, 새로운 회로 배열은 두 가지 상이한 형태의 센서부를 관리한다. 결과적으로 이는 실현하기에 더 간단하고 더 경비 효율적이다. 바람직한 예시적 실시예에서, 제1센서부는 특정 필터 없이 실현되고, 이는 이것들이 사용되는 물질로 일반적으로 검출될 수 있는 실질적으로 전체 파장 영역으로부터 전자기 방사선을 기록하는 것을 의미한다. 다른 말로는 특정 필터는 바람직하게 제1센서부의 경우에 함께 제조되고, 이는 특히 간단하고 경비 효율적 디자인을 허용한다.
단지 두 가지 상이한 형태의 센서부가 요구되기 때문에, 동일 형태의 센서부는 매트릭스 유사 이미지 센서의 표면 상에 서로서로 나란히 더 밀집되어 배열될 수 있고, 이는 더 높은 해상도를 허용한다. 결과적으로, 관찰된 물체의 기하학적 특성은 더 높은 정확성을 가지고 기록된 이미지로부터 결정될 수 있다. 이론적으로, 하지만 새로운 회로 배열은 매트릭스 유사 이미지 센서의 경우뿐만 아니라 두 개의 센서부 또는 작은 수의 제1 및 제2센서부 만을 가지는 고온계의 경우에도 사용될 수 있다.
지수 방법에 따른 온도를 결정하기 위해, 새로운 회로 배열은 제1 및 제2센서부에 의해 기록된 제1 및 제2 파장 영역이 서로 상이하다는 사실을 이용한다. 결과적으로, 제1 및 제2센서부는 비록 그것들이 관찰된 장면의 하나의 동일 포인트를 향하더라도 상이한 전기 신호를 공급한다. 상이한 신호는 비록 제1 및 제2 파장 영역이 적외선 방사선의 범위에서 중첩되더라도 지수 방법에 따라 온도를 결정하는 것을 허용한다.
상기 목적은 따라서 전체로서 달성된다.
바람직한 배치에서, 새로운 회로 배열은 제1 및 제2 신호에 의존하는 방식으로 장면의 온도를 결정하게 디자인된 회로부를 가진다.
상기 배치에서, 회로부는 제1 및 제2 전기 신호를 수신하고, 관찰된 장면의 표면의 방사 특성을 제거하기 위해 지수 형성을 실행한다. 표면을 방사하는 온도를 결정하기 위한 종래의 방법인 상기 방법은 새로운 회로 배열에서 매우 간단하고 경비 효율적으로 인식될 수 있다. 바람직한 배치에서, 온도를 결정하는 회로부는 새로운 회로 배열의 일부이다. 이것에 대체로서, 하지만 새로운 회로 배열은 예를 들어 가시 이미지와 적외선 이미지를 동시에 기록하기 위해 회로부로부터 분리되어 사용될 수 있다.
다른 배치에서, 새로운 회로 배열은 반도체 기판을 포함하고, 복수의 제1 및 제2센서부가 나란히 배열된다.
바람직하게, 제1 및 제2센서부는 매트릭스 유사 형식으로 나란히 배열된다. 이들은 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 형성한다. 제1 및 제2센서부는 반도체 기판의 표면 상에 체커보드(checkerboard) 방식으로 대체적으로 배열될 수 있다. 다른 예시적 실시예에서, 제1 및 제2센서부는 선 또는 열이 나란히 교차된다. 상기 배치는 가시광선 영역과 적외선 영역 모두에서 관찰된 장면의 실제 이미지의 신속하고 순간적인 동시 기록을 허용한다. 서로 상이한 이미지의 양호한 할당이 동시 기록의 결과로서 가능하다.
다른 배치에서, 제1 및 제2센서부는 하나가 다른 하나 위에 배열된다.
상기 배치는 상기 선행한 배치와 조합되어 매우 유리하게 사용될 수 있으나, 선행 배치없이도 사용될 수 있다. 후자의 경우, 새로운 회로 배열은 단지 하나 또는 소수의 제1 및 제2센서부를 가지며, 이는 예를 들어 장면에서 스폿-유사, 선택적 배열에 사용될 수 있다. 전자의 경우, 적층 형태로 하나가 다른 하나 위헤 배열되는 제 1 및 제2센서부는, 매트릭스-유사 방식으로 나란히 배열되는 복수의 상기 적층 쌍의 제1 및 제2센서부를 가진다. 상기의 경우 제1 및 제2센서부의 각 쌍은 매트릭스 센서 픽셀을 형성하고, 이는 고 해상도를 가능하게 한다. 각 적층의 정상 센서부를 형성하는 물질층은 이미 바닥 센서부에 도달하는 방사선에 대해 필터 효과를 가진다. 또한, 모든 센서부는 공통 프로세스 단계로 생성될 수 있고, 이는 새로운 회로 배열을 전체 생산을 단순화시킨다. 하지만, 비록 새로운 회로 배열이 매트릭스 센서에 사용되지 않더라도, 상기 배열은 아주 작은 센서를 가능하게 하고, 여기서 제1 및 제2센서부는 관찰된 장면에서 똑같이 측정된 포인트에서 배향될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2센서부는 각각 포토다이오드(photodiode)와 게이트 터미널, 두 개의 다른 터미널 및 채널을 가지는 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 포함하고, 여기서 상기 포토다이오드는 포토다이오드에서 생성된 전하 캐리어가 채널로 빠지도록 MOS 트랜지스터와 연결되며, 상기 게이트 터미널은 두 개의 다른 터미널의 하나와 도전적으로 연결된다.
상기 배치에서, 제1 및 제2센서부는 도입에서 언급된 DE 42 09 536 A1 에서 설명된 HDRC
Figure pct00002
과 일치하여 바람직하게 설계된다. MOS 트랜지스터는 센서부 각각이 대수 특성 곡선을 가지도록 서브문턱값 영역에서 유리하게 작동한다. 상기 배치는 다수의 장점을 가진다. 첫째, 지수 형성을 대치하는 것이 가능하고, 이는 대수화된 신호 사이의 차가 신호의 지수 대수에 대응하기 대문에 상이한 형성에 의해 온도를 결정하는 것에 유리하다. 차이 형성은 "순수한(genuine)" 지수 형성보다 더 간단하게 그리고 더 빠르게 실현될 수 있다. 또한, 상기 배치는 제1 및 제2센서부가 120dB에 이르는 매우 큰 입력 동적 영역을 가지는 장점을 가진다. 달리 말하면, 제1 및 제2센서부는 매우 낮은 강도를 가지는 전자기 방사선과 매우 높은 강도를 가지는 전자기 방사선도 검출하고 처리할 수 있다. 이는 고신호 동적 영역이 어둡고 낮은 방사선 물체 또는 영역에 바로 근접한 매우 밝고 방사선이 강한 물체를 기록하는 것을 가능하게 하기 때문에 이미징 고온계에 특히 유리하다. 새로운 회로 배열이 제1 및 제2센서부가 또한 실현되는 동일 반도체 칩 상에 제1 및 제2신호의 주로 신호 처리도 포함한다면 특히 유리하다. 주된 신호 처리는 유리하게, 디지털 제1 및 제2신호가 다른 처리를 위한 센서의 출력에도 이용가능하도록, 아날로그-디지털 변환을 포함한다. 전체적으로, 상기 배치는 매우 큰 동적 영역에 걸쳐 매우 정확한 이미지 기록과 온도 측정을 가능하게 한다.
다른 배치에서, 제1 파장 영역은 제2파장 영역에 실질적으로 완전히 중첩한다.
상기 배치에서, 제2파장 영역은 제1파장 영역의 서브 영역이다. 상기 배치는, 두 센서부가 이론상 동일하게 설계될 수 있고 제2센서부에 대해 하나 또는 그 이상의 부가 필터 덕분으로 서로가 상이하기 때문에, 제1 및 제2센서부가 매우 간단하고 경비 효율적이게 실현되는 것을 가능하게 한다.
다른 배치에서, 제2센서부는 컷-오프(cut-off) 필터를 포함하고, 이는 제2파장 영역의 하부 제한을 정의한다. 바람직한 예시적 실시예에서, 상기 하부 제한은 대략 660nm 와 대략 740nm 사이에 위치하며, 바람직하게는 대략 680nm 와 대략 720 nm 사이에, 그리고 더욱 바람직하게는 대략 700nm 영역 내 위치한다.
상기 배치의 목적을 위한 컷오프 필터는 제2파장 영역의 하부 제한을 정의하는 전이 점프(transmission jump)를 초래하는 필터이다. 특정된 파장과 파장 영역은 한편으로 경비효율적이고 다른 한편으로 온도 결정에 특히 양호한 측정 결과를 산출하기 때문에 선호된다. 컷오프 필터의 사용은 제1센서부가 배열되는 동일 반도체 기판 상에 제2센서부의 매우 간단하고 경비 효율적인 실현을 가능하게 한다.
다른 배치에서, 컷오프 필터는 하나가 다른 하나 위에 배열되는 복수의 물질층을 가지는 유전체 간섭 필터이고, 상기 물질층은 실리콘과 질화규소(silicon nitride)로부터 실질적으로 형성된다. 다른 바람직한 예시적 실시예에서, 간섭 필터는 사이에 실리콘 층이 배열된 두 개의 질화규소층으로 이루어진다.
상기 배치은 반도체 기판 상의 제1 및 제2센서부를 생성하는데 또한 사용되는 처리 서열 내 간섭 필터의 매우 간단하고 경비 효율적인 생산을 가능하게 한다. 질화규소와 실리콘을 포함하는 특정 층 서열을 가지는 컷오프 필터는 매우 간단하고 경비 효율적으로 생산될 수 있고, 본 발명의 예시적 실시예에서 매우 양호한 측정 결과를 가능하게 하였다.
다른 배치에서, 하부 제한은 제1파장 영역에 대해 실질적으로 중앙에 위치한다.
상기 배치는 또한 새로운 회로 배열의 간단하고 경비 효율적인 생산에 기여한다. 또한, 매우 양호한 측정 결과가 상기 배치에 달성될 수 있다. 여기서 두 파장 영역 내 형성된 에너지 분포는 검출가능한 광자 플럭스가 더 높은 파장에서 증가하기 때문에 지수 형성에 매우 적합하다는 장점이 있다.
다른 배치에서, 새로운 회로 배열은 적어도 하나의 다른 온도 감응 센서부를 가지고, 이는 제1 및 제2 파장 영역으로부터 전자기 방사선이 차폐된다.
바람직한 예시적 실시예에서, 다른 온도 감응 센서부는 측정 전류가 흐르는 다이오드이다. 상기 다이오드의 온도 감응 행동은 온도에 대해 제1 및 제2신호를 계산함으로써 제1 및 제2센서부의 온도 의존 드리프트(drift)를 교정하는 것을 가능하게 한다. 이미지 센서의 에지 영역 내 소위 처리 제어 구조로서 종종 나타나는 하나 또는 그 이상의 다이오드의 도움으로 다른 온도 감응 센서부가 실현되는 것이 특히 유리하다. 상기 프로세스 제어 구조 상에 물질층을 배열하는 것이 충분하며, 물질층은, 예를 들어 금속층과 같이, 제1 및 제2 파장 영역으로부터 전자기 방사선을 차폐한다. 바람직한 예시적 실시예에서, 제1 및 제2신호의 온도 보상은 나란히 매트릭스 유사 배열된 복수의 센서부를 포함하는 이미지 센서의 경우 FPN(fixed pattern noise) 보정으로서 동일하게 실행된다. 상기 배치는 온도 측정 동안 매우 높은 측정 정확성을 가능하게 한다.
상술한 특징과 후술할 내용은 각각 특정된 조합에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 또한 다른 조합 또는 그 자체로 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것은 당연하다.
본 발명의 일 실시예는 매우 간단하고 경비 효율적으로 생산될 수 있고, 본 발명의 예시적 실시예에서 매우 양호한 측정 결과를 가능하게 하였다.
본 발명의 예시적 실시예는 도면에 도시되고 후술하는 설명에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 새로운 회로 배열의 예시적 실시예의 개략적 도면을 보인다,
도 2는 새로운 회로 배열의 바람직한 예시적 실시예를 도시하는 스펙트럼 다이어그램을 보인다
도 3은 제1 및 제2센서부의 실현을 위한 제1예시 실시예를 보인다.
도 4는 제1 및 제2센서부의 실현을 위한 다른 예시 실시예를 보인다. 그리고,
도 5는 제1 및 제2센서부의 실현을 위한 또 다른 예시 실시예를 보인다.
도 1에서 새로운 회로 배열의 예시적 실시예는 전체적으로 참조부호 10으로 지정된다.
회로 배열(10)은 제1센서부(12)와 제2센서부(14)와 함께 도시된다. 상기 센서부의 각각은 포토다이오드(16)과 MOS 트랜지스터(18)을 가진다. MOS 트랜지스터(18)는 게이트(20)와 두 개의 다른 터미널(22, 24)를 가지고, 이는 일반적으로 소스 및 드레인으로서 지정된다. 다른 예시적 실시예에서, 게이트 터미널(20)과 드레인 터미널(24)은 단락회로이다. 소스 터미널(22)은 포토다이오드(16)의 음극에 연결된다. 상기 배열 때문에, 입사하는 전자기 방사선(28, 30)의 결과로서 포토다이오드(16)의 pn 접합 영역에서 생성되는 전하 캐리어는 MOS 트랜지스터(18)의 채널(26)을 통해 그리고 이를 향해 빠져나가고, MOS 트랜지스터(18)는 전자기 방사선의 세기에 대수적으로 의존하는 크기를 가지는 출력 전압을 생성한다.
센서부(12, 14)는 여기에 간단하게 도시된다. 다른 유리한 상세는 DE 42 09 536 A1 에 설명되고, 이는 지정 HDRC
Figure pct00003
의 지정 하에 본 발명의 출원인에 의해 출시된 대수(logarithmic) 이미지 셀의 기초 원리를 개시한다. 본 발명의 바람직한 예시 실시예에서, 모든 센서부는 상기 HDRC
Figure pct00004
원리에 따라 설계되었다. 하지만, 센서부는 이론적으로 상이한 방식으로, 예를 들어 선형의 CMOS 이미지 셀 또는 CCD 이미지 셀로서 실현될 수 있다.
오직 두 개의 센서부(12, 14)가 도 1에 도시된다. 바람직한 예시적 실시예에서, 하지만 새로운 회로 배열(10)은 복수의 제1 및 제2센서부(12, 14)를 가지고, 이는 간단하게 표현하기 위해 도 1에 도시되지 않는다. 바람직한 예시적 실시예에서, 복수의 센서부(12, 14)는 도 2 내지 4를 참조로 후술하는 바와 같이, 반도체 기판 상에 배열된다.
도 1의 예시적 실시예에서, 임피던스 컨버터(impedance converter)(32)는 각 센서부(12, 14)의 출력에서 배열되며, 상기 임피던스 컨버터의 출력은 멀티플렉서(34)에 연결된다. 멀티플렉서(34)의 도움으로 복수의 전기 신호를 공통 신호 처리 회로에 공급하는 것이 가능하다. 도 1에 도시된, 바람직한 예시적 실시예에서, 제2 멀티플렉서가 제2센서부(14)의 전기 신호를 결합하는데 사용되는 반면, 제1멀티 플렉서(34)가 제1센서부(12)의 전기 신호를 결합하는데 사용된다. 바람직한 예시적 실시예에서, 새로운 회로 배열(10)은 두 개의 평행 신호 처리 채널을 가지고, 여기서 하나의 신호 처리 채널은 제1센서부(12)의 전기신호를 처리하는 반면, 다른 신호 처리 채널은 센서부(14)의 전기 신호를 처리한다. 두 신호 처리 채널은 바람직하게 똑같이 설계되며, 이 때문에 제1센서부(12)에 대한 신호 처리 채널만 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
멀티플렉서(34)의 출력은 가산기(36)에 연결된다. 가산기(36)는 D/A 컨버터(38)로부터 다른 전기 신호를 수신하고, 고정 패턴 노이즈의 보정을 위한 상기 신호의 작용은 공지된 바와 같다. 고정 패턴 노이즈는 개별적인 센서의 전기 특성이 제조 허용한계 때문에 변하므로 복수의 센서부를 포함하는 이미지 센서의 경우에 일어날 수 있는 이미지 불균형(inhomogeneity)(노이즈)를 의미한다. 고정 패턴 노이즈는 개별 센서부의 전기 신호에 부가된 각각의 개별 보정 신호에 의해 보정될 수 있다. 보정 신호는 개별 센서부의 전기 특성이 서로 매치되도록 선택된다. 상기 보정 신호를 생성하는 보정 계수는 상기의 경우 D/A 컨버터(38)에 연결된 메모리(40) 내 저장된다. D/A 컨버터(38)는 메모리(40)로부터 보정 계수의 기초 상에 각 센서부를 위한 보정 신호를 생성한다.
가산기(36)의 출력은 증폭기(42)를 거쳐 A/D 컨버터(44)에 연결되고, 이는 개별적 센서부의 보정된 아날로그 신호를 대응하는 디지털 신호(45)로 변환한다. 디지털 신호(45)는 마이크로제어기(46)에 공급된다. 마이크로제어기 대신, ASIC, FPGA 또는 다른 몇 개의 신호 처리 회로를 사용하는 것도 가능하다. 마이크로제어기(46)는 상기의 경우 메모리(40)에 대한 FPN 보정용 보정 계수를 기록한다.
마이크로제어기(46)는 상기의 경우 인터페이스(47)를 경유하여 프로세서(48)에 연결된다. 프로세서(48)는 모든 제1 및 제2센서부(12, 14)의 전기 신호(45)를 수신하고, 그로부터 특히 그중에서 공지된 지수 방법에 따른 온도값을 계산한다. 출력(50)에서, 프로세서(48)는 스크린(52) 상에 디스플레이를 위한 디지털 신호를 제공한다. 바람직한 예시적 실시예에서, 스크린(52)은 가시광선 파장 영역 내 관찰된 장면의 광학 이미지를 디스플레이한다. 출력(54)에서, 프로세서(48)는 계산된 온도를 나타내는 신호를 제공한다. 출력(54)은 다른 디스플레이(56)와 연결될 수 있다. 대체로서, 이미지 데이터와 온도값이 교대로 또는 연결되어 스크린(52) 상에 디스플레이될 수 있다.
참조부호(58)는 다른 온도-감광 센서부를 지정하고, 이는 바람직한 예시적 실시예에서 전자기 방사선(28, 30)으로부터 차폐된다. 제1 및 제2센서부(12, 14)가 매트릭스 이미지 센서의 이미지 셀(픽셀)인 경우, 다른 센서부(58)가 센서의 감광 영역의 에지 영역 내 배열되는 하나 또는 그 이상의 다이오드 형태로 실현되는 것이 선호된다. 다른 센서부(58)는 센서의 내재적 온도를 대표하는 온도 정보를 생성한다. 새로운 회로 배열의 바람직한 예시적 실시예에서, 상기 온도 정보는 개별적 센서부의 온도 드리프트로 인한 신호 변화가 보상되도록 개별적 센서부(12, 14)의 전기 신호를 계산하여 보정하기 위해 제어기(46)에 의해 사용된다.
이미징 고온계를 위한 새로운 회로 배열의 바람직한 사용과 일치하여, 제1 및 제2센서부(12, 14)는 상이한 파장 영역으로부터 전자기 방사선(28, 30)를 기록하도록 지정된다. 바람직한 예시적 실시예에서, 제1센서부(12)는 그것들이 제1파장 영역(62)로부터 전자기 방사선(28)을 기록하는 방식으로 지정되며, 이는 도 2의 다이어그램 중 연속선(solid line)으로 표시된다. 바람직한 예시적 실시예에서, 제1파장 영역(62)은 대략 280nm 로부터 대략 1000nm 까지의 파장을 포함한다. 상기 제1파장 영역의 최대 전송은 대략 680nm 이다. 제1센서부(12)의 포토다이오드(16)가 실리콘 반도체 물질에서 근접-평면 pn 접합으로서 실현된다면, 제1센서부의 상기 전송 특성이 일어난다. 하지만, 상기 제한은 정확히 정의되지 않고, 오히려 물질과 사용된 프로세스 조건에 의존한다. 새로운 회로 배열의 바람직한 예시적 실시예에서, 제1파장 영역(62)은 상세 필터 없이 실리콘 포토다이오드의 스펙트럼 감광성에 의해 일어나는 파장 영역이다.
제2센서부(14)는 제2파장 영역(64)으로부터 전자기 방사선(30)을 기록하도록 지정되고, 이는 제1파장 영역(62)과 상이하다. 바람직한 예시적 실시예에서, 제2파장 영역은 제1파장 영역(62)의 "상부 절반(upper half)"이다. 바람직한 예시적 실시예에서, 제2파장 영역(64)은 제2센서부(14)의 포토다이오드에 부가 컷오프 필터가 제공된다는 사실로부터 초래되고, 그 전송 특성은 도 2의 점선(66)으로 표시된다.
전송 점프(컷온; cut on)은 여기서 대략 680nm 이다. 680nm 이하의 파장을 가지는 전자기 방사선은 컷오프 필터에 의해 억제된다. 대략 680nm 이상의 파장을 가지는 전자기 방사선만이 제2센서부(14)의 포토다이오드에 도달한다.
도 3은 제2센서부(12, 14)의 실현을 위한 예시적 실시예를 보인다. 동일 참조부호는 상술한 바와 같이 동일 구성요소를 지정한다.
도 3은 반도체 기판(70)으로부터의 인용을 보이며, 이는 단면으로 도시된다. 예를 들면, 반도체 기판(70)은 상기의 경우 p 도핑된 실리콘 기판 또는 반도체 기판 내 p 도핑된 우물(p-doped well)이다. n 도핑된 아일랜드(72)는 p 도핑된 기판(70)내에 배열된다. 다른 p 도핑된 층(74)은 각 아일랜드(72)의 정상 면에서 배열된다. 결과적으로, 두 개의 pn 접합(76, 78)이 형성되고, pn 접합(76)은 pn 접합(78) 상에 위치한다. pn 접합(76)은 제1센서부(12)의 포토다이오드(16)를 형성하는 반면, pn 접합(78)은 제2센서부(14)의 포토다이오드(16)를 형성한다. 더 긴 파장 방사선(30)은 반도체 물질을 더 깊게 투과하고 따라서 더 깊게 pn 접합(78)에 도달하는 반면, 더 짧은 파장 방사선(28)은 단지 pn 접합(76)의 상부만 도달한다. 상기 예시적 실시예에서, 상부 pn 접합(76)의 층은 하부 pn 접합(78)을 위한 필터를 형성한다. pn 접합(76, 78)의 위치는 검출된 방사선의 투과 깊이에 의존하여 여기에서 선택된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하나가 다른 하나에 적층된 상기 복수의 포토다이오드는 반도체 기판(70) 내에 나란히 배열된다. 상기 예시적 실시예에서, 센서부(12, 14)는 각각의 경우 매트릭스 센서의 개별 픽셀을 연결하여 형성한다. 각 픽셀이 부가적으로 MOS 트랜지스터와 바람직한 실시예에서 예를 들어 임피던스 컨버터(32)와 같은 다른 성분을 포함하는 것은 당연하다. 상기 다른 성분은 단순화를 위해 여기에 도시되지 않았다.
도 4는 하나가 다른 하나 위에 적층된 제1 및 제2센서부(12, 14)가 실현되는 방식을 보이는 다른 예시적 실시예를 보인다. 상기 예시적 실시예에서, 센서부(12, 14)는 예를 들어 n 도핑된 기판(70') 상에 실현된다. n 도핑된 기판(70') 내에 복수의 내재적으로 도전(결핍 모드)층(80)이 배열되며, p 도핑된 층(82)이 후자 위에 배열된다. 이런 식으로, 복수의 핀(pin) 다이오드(84)가 형성되며, 이는 제2센서부(14)를 위한 포토다이오드로 기능한다. 이산화규소로 이루어진 연속 절연층(85)은 핀 다이오드(84) 상에 배열된다. n 도핑된 실리콘(86), 내재적으로 도전성 실리콘(88) 및 p 도핑된 실리콘(90)의 층 서열을 가지는 복수의 다른 핀 다이오드는 절연층(85) 상에 배열된다. 층 서열(86, 88, 90)을 가지는 핀 다이오드는 제1센서부(12)를 형성한다. 바람직하게, 층(86, 88, 90)은 CVD 방법의 도움으로 생성된다. 도 4의 예시적 실시예와 일치된 실현은 센서부(12, 14)의 포토다이오드가 하나가 다른 하나 위에 적층되는 장점을 가지지만, 절연층(85)에 의해 서로서로 전기적으로 격리된다. 두 센서부(12, 14)의 포토다이오드는 절연체의 결과로서 전위-자유(potential-free)이고, 따라서 기대된 방식으로 연결된다. 반대로 도 3의 예시적 실시예의 아일랜드(72)는 센서부(12, 14)를 위한 두 개의 포토다이오드의 공통 음극 터미널을 형성한다.
도 5는 다른 예시적 실시예를 보이고, 여기서 센서부(12, 14)의 포토다이오드는 하나가 다른 하나 위에 수직으로 배열되지 않지만, 오히려 수평으로 나란히 배열된다. 상기의 경우, 센서부(12, 14)의 포토다이오드는 실질적으로 동일하게 설계된다. 예시적 실시예는 다시 n 도핑된 실리콘 기판(70") 내에 배열된 층(80, 82)를 가지는 핀 포토다이오드와 연관된다. 상이한 스펨트럼 감광성을 달성하기 위해, 각 필터(92)는 제2센서부(14)를 위한 포토다이오드 상에 배열되며, 상기 필터의 필터 특성은 도 2의 점선(66)에 대응한다. 바람직한 실시예에서, 필터(92)는 유전 간섭 필터로서 실현되고, 이것은 질화규소로 이루어진 상부층(92), 실리콘으로 이루어진 중간층(96) 및 질화규소로 이루어진 하부층(98)을 가진다. 층(94 내지 98)은 또한 CVD 방법의 도움으로 생산될 수 있다.
도 5에 따른 예시적 실시예에서, 센서부(12, 14)는 선 또는 열로 나란히 교차되게 또는 체크 패턴으로 반도체 기판(70')에 배열될 수 있다.도 3 또는 4의 예시적 실시예에 따른 센서와 비교하여, 해상도는 더 낮아진다. 각 센서부(12, 14)는 여기서 매트릭스 센서의 지정된 픽셀을 형성한다. 다른 한편으로, 센서부(12, 14)는 공통 프로세스 단계로 생산될 수 있다. 프로세스 서열을 결론짓기 위해, 제2센서부(14)의 포토다이오드를 층(94 내지 98)로 커버하는 것이 충분하다.
10 회로 배열
12 제1센서부
14 제2센서부
16 포토다이오드
18 MOS 트랜지스터
20 게이트 터미널
22 소스 터미널
24 드레인 터미널
26 채널
28, 30 전자기 방사선
45a 제1 전기 신호
45b 제2 전기 신호
62 제1파장 영역
64 제2파장 영역

Claims (11)

  1. 장면의 특성을 나타내는 광과 온도 의존 신호(45)를 생성하는 회로 배열로서, 제1 및 제2센서부(12, 14)를 포함하고, 이는 입사하는 전자기 방사선(28, 30)에 의존하는 많은 제1 및 제2전기 신호(45a, 45b)를 생성하며, 상기 제1센서부(12)는 가시광선의 적어도 큰 부분을 포함하는 제1파장 영역(62)로부터 전자기 방사선(28)에 의존하는 방식으로 상기 제1전기 신호(45a)를 생성하도록 디자인되고, 상기 제2센서부(14)는 적외선 방사선을 주로 포함하는 제2파장 영역(64)으로부터 전자기 방사선(30)에 의존하는 방식으로 제2전기 신호(45b)를 생성하도록 디자인되며,
    상기 제1파장 영역(62)은 상기 제2파장 영역(64)과 중첩되어서 적외선 방사선도 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2신호(45a, 45b)에 의존하는 방식으로 장면의 온도를 결정하도록 디자인된 회로 부분(48)을 특징으로 하는 회로 배열.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 제1 및 제2센서부(12, 14)가 나란히 배열되는 반도체 기판(70)을 특징으로 하는 회로 배열.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2센서부(12, 14)는 하나가 다른 하나 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2센서부(12, 14) 각각은 포토다이오드(16) 및 게이트 터미널(20), 두 개의 다른 터미널(22, 24)과 채널(26)을 가지는 적어도 하나의 MOS 트랜지스터(18)를 포함하고, 상기 포토다이오드(16)에서 생성되는 전하 캐리어가 채널(26)로 빠지도록 상기 포토다이오드(16)가 상기 MOS 트랜지스터(18)와 연결되며, 상기 게이트 터미널(20)은 두 개의 다른 터미널(24) 중 하나에 도전성있게 연결되는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1파장 영역(62)은 상기 제2파장 영역(64)과 실질적으로 완전히 중첩되는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2센서부(14)는 상기 제2파장 영역(64)의 하부 제한(66)을 정의하는 컷-오프 필터(92)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컷-오프 필터(92)는 하나가 다른 하나 위에 배열되는 복수의 물질층(94-98)을 가지는 유전체 계면 필터이고, 상기 물질층(94-98)은 실리콘 및 질화규소로부터 실질적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 하부 제한(66)은 상기 제1파장 영역(62)에 대해 실질적으로 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 다른 온도-감응 센서부(58)가 상기 제1 및 제2파장 영역(62, 64)로부터 전자기 방사선이 차폐되는 것을 특징으로 하는 회로 배열.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 회로 배열을 고온계로 사용하며, 특히 이미징 고온계로서 사용하는 방법.



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