KR20180042237A - 좁은 각도 응답을 갖는 광학 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CMOS 기술에 기반한 광학 센서에 관한 것으로, 광학 센서는 반도체 기판(21, 31); 각각이 상기 반도체 기판(21, 31)에 형성되며 상기 반도체 기판(21, 31)의 소정의 평평한 표면(13) 상에 노출된 각각의 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)을 포함하고, 각각의 광전지(2, 3)가 상기 각각의 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 충돌하는 입사광에 관련된 각각의 출력 전기 신호를 제공하도록 설계된, 광전지(2, 3) 어레이; 금속 및 유전체층을 포함하며, 상기 반도체 기판(21, 31)의 상기 소정의 평평한 표면(13) 상에 형성된 다층 구조체(23, 33); 및 상기 다층 구조체(23, 33) 내에 또는 상에 형성되며 충돌하는 입사광을 반사 및/또는 흡수하는 하나 이상의 물질로 구성된 차광 수단(14, 15, 24, 35);을 포함하며, 상기 각각의 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)은 상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)을 통해 연장되며 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 도달하는 소정의 방향 범위 내에 속하는 입사 방향을 갖는 입사광을 허용하도록 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 332) 쪽을 향하는 대응되는 광 경로(26, 36)와 연관된다. 상기 광학 센서는, 모든 광전지(2, 3)가 모든 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 충돌하는 입사광에 관련된 전체 출력 전기 신호를 제공하도록 병렬로 연결; 및 모든 상기 광 경로(26, 36)는, 모든 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 소정의 방향에 평행한 입사 방향을 갖는 입사광이 도달되도록, 상기 소정의 방향에 평행한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 광학 센서 분야와 관련되며, 더욱 상세하게는 좁은 각도 응답을 갖는 광학 센서에 관한 것이다. 특히, 웨어러블 생체측정 모니터링 장치와 같은 측정 장치에 적용될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.
광학 센서의 소형화 및 검출 정확도의 최근 발전에 의해 많은 분야에서 이러한 장치가 사용되어왔다.
예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2007/0290284호는 측정 장비(예를 들어, 광학 엔코더 시스템) 또는 다른 광학 시스템에서 사용되는 광학 감지 장치의 구성 요소들의 정렬을 조정 또는 보상하는 데 사용되는 입사광 각도 검출기를 개시한다. 특히, 상기 검출기는 감광 장치에 입사되는 조명 방향을 결정한다. 다중 마스크층은 방사선이 이를 통해 광검출기에 도달하는 층간 광 경로를 형성하는 개구를 포함한다. 층간 광 경로는 선택된 최대 신호 각도를 제공하고, 검출기는 상기 각도에서 또는 각도 부근에서 방사선이 수신될 때 감지를 한다.
또한, 광학 센서는 현재 심박수 및 혈액 산화와 같은 생체측정 매개변수를 비침습적 방식으로 모니터링하기 위한 웨어러블 장치로 사용된다. 특히, 시계, 암밴드 및 헤드셋과 같은 웨어러블 장치는 다음을 포함할 수 있다.
예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2007/0290284호는 웨어러블 심박수 모니터링 장치, 심박 파형 센서, 및 제어 로직을 착용한 사용자에 의한 운동에 대응하는 출력을 제공하도록 구성된 동작 센서를 포함하는 웨어러블 심박수 모니터링 장치를 개시한다. 제어 로직은, (a)사용자의 심박수에 대한 정보를 제공하는 심박 파형 센서로부터의 출력 데이터 및 심박 이외의 사용자의 주기적 신체 움직임에 대한 정보를 제공하는 동작 검출 센서로부터의 출력 데이터를 동시에 수집; (b)동작 검출 센서로부터 출력 데이터의 주기적 성분을 결정; (c)심박 파형 센서로부터의 출력 데이터로부터 대응되는 주기적 성분을 제거하기 위해 동작 검출 센서로부터의 출력 데이터의 주기적 성분을 사용; (d)사용자의 심박수를 결정; 및 (e)사용자의 심박수를 표시한다.
특히, 심박 파형 센서는 하나 이상의 광원 (예를 들어, LED 또는 레이저 기반 광원), 사용자의 피부와 상호 작용한 후에 광원(들)에 의해 방출된 광을 수신하도록 배치된 광검출기, 및 상기 광검출기의 출력으로부터 사용자의 심박수를 결정하는 회로를 포함한다.
(미국 특허 출원 공개 제2014/0276119와 같은) 웨어러블 생체측정 모니터링 장치와 같이, 광학 센서가 사용자의 피부에 완벽하게 부착되지 않는다면, 주변광이 광학 센서에 의해 수행되는 검출에 영향을 줄 수 있음에 주목해야 한다. 실제로, 광학 센서와 사용자의 피부 사이의 비완전 접촉으로 인해, 그 사이의 갭이 삽입되어 측광이 검출기에 도달하여 사용자 신체의 목표 체적으로부터의 광을 간섭하여 신호 대 잡음비(SNR), 특히 이를 감소시키는 데에 영향을 미치게 된다.
미국 특허 출원 공개 제2014/0276119은 기술적 문제에 대한 잠재적 해결법, 즉 광투과 구조체 (특히, 광검출기 및 광원 상에 형성된 인-몰드-라벨링(IML; In-Mould-Labeling) 필름을 통해 생성된 구조체)의 사용을 제시하며, 상기 광투과 구조체는 광원(들) 및/또는 검출기 중 하나, 일부 또는 전부의 개구를 제한하는 불투명 재료로 구성된 마스크를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 광투과 구조체는 광이 내부로 방출 및/또는 검출되는 사용자의 신체의 우선적인 체적을 선택적으로 "정의"할 수 있다.
본 발명의 일반적 목적은 측광 간섭으로 인한 웨어러블 생체측정 모니터링 장치의 상술한 기술적 문제를 극복하는 것이다.
또한, 본 발명의 특정 목적은 측광 간섭을 최소화하도록 좁은 각도 응답은 갖는 광학 센서를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적은 첨부된 청구범위에 정의된 광학 센서와 관련된 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명은 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 기술에 기반한 광학 센서에 관한 것으로,
- 상기 반도체 기판에 형성되며 상기 반도체 기판의 소정의 평면 상에 노출된 각각의 광검출기 활성 영역을 포함, 및
- 상기 각각의 광검출기 활성 영역에 충돌하는 입사광에 관련된 각각의 출력 전기 신호를 제공하도록 설계됨;
상기 각각의 광검출기 활성 영역은 상기 차광 수단을 통해 연장되며 상기 광검출기 활성 영역에 도달하는 소정의 방향 범위 내에 속하는 입사 방향을 갖는 입사광을 허용하도록 상기 광검출기 활성 영역 쪽을 향하는 대응되는 광 경로와 연관된다.
본 발명에 따른 광학 센서는 다음을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광 경로는 상기 반도체 기판의 상기 소정의 평면에 수직이다.
바람직하게, 각각의 광 경로(26, 36)는 상기 차광 수단에 형성된 하나 이상의 각각의 동축 개구에 의해 정의되며 상기 소정의 방향에 평행한 각각의 축 상에 중심이 위치된다.
바람직하게, 상기 광검출기 활성 영역은 상기 반도체 기판의 상기 소정의 평면 상에 하나의 동일한 소정의 평면 크기를 갖고; 상기 광 경로는 하나의 동일한 소정의 높이 및 하나의 동일한 소정의 폭을 가지며, 상기 소정의 높이 및 폭은 상기 소정의 평면 크기에 관련되며; 상기 소정의 평면 크기, 높이, 폭, 및 대응되는 상기 광 경로에 대한 각각의 광검출기 활성 영역의 상대적 위치는:
- 상기 소정의 방향에 평행, 또는
- 상기 소정의 각도 범위에 속하는 상기 소정의 방향에 대한 입사각이 정의된다.
본 발명은 측광 간섭으로 인한 웨어러블 생체측정 모니터링 장치의 상술한 기술적 문제를 극복할 수 있다.
또한, 본 발명은 측광 간섭을 최소화하도록 좁은 각도 응답은 갖는 광학 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 제한적으로 해석되지 않으며 오로지 예시로서 의도된 바람직한 실시예들이 첨부된 (스케일되지 않은) 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 차광 수단의 작동 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 차광 수단이 통합된 광전지의 예를 나타낸다.
도 3 내지 도 9는 도 2의 광전지를 제조하는 단계들의 예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 차광 수단이 통합된 광전지의 예를 나타낸다.
도 11은 종래의 광학 센서와 본 발명에 따른 광학 센서 각각의 각도 응답을 비교하여 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 차광 수단의 작동 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 차광 수단이 통합된 광전지의 예를 나타낸다.
도 3 내지 도 9는 도 2의 광전지를 제조하는 단계들의 예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 차광 수단이 통합된 광전지의 예를 나타낸다.
도 11은 종래의 광학 센서와 본 발명에 따른 광학 센서 각각의 각도 응답을 비교하여 나타낸다.
이하의 논의는 통상의 기술자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있도록 제시된다. 실시예에 대한 다양한 변형은 청구된 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 실시예들에 한정되도록 의도된 것이 아니라, 본 명세서에 개시되고 첨부된 청구 범위에서 정의된 원리들 및 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른다.
본 발명은 CMOS 기술에 기반한 광학 센서에 소정의 입사 방향 주위의 각도를 한정하고 정의된 각도 범위를 벗어난 입사각을 갖는 입사광을 억제하도록 설계된 차광 수단을 통합한 본 출원인의 아이디어로부터 유래한다. 바람직하게는, 차광 수단을 구비한 상기 광학 센서는 판독 회로, 아날로그 신호 처리기(ASP), 디지털 신호 처리기(DSP), 아날로그-디지털 변환기(ADC) 등과 함께 시스템-온-칩(SoC)로 집적될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 차광 수단의 작동 원리를 개략적으로 나타낸다.
특히, CMOS 기술로 구현되는 광학 센서는 일반적으로 단일 감광 유닛 또는 광전지를 포함하고, 단일 감광 유닛 또는 광전지는 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 기판(미도시)의 전방 측 (평탄한) 표면(13) 상에 형성된 각각의 광검출기 활성 영역을 포함한다.
편리하게, 광검출기 활성 영역(11, 12)은 포토다이오드, 포토트랜지스터, 또는 포토레지스터 활성 영역으로 구현될 수 있다.
예를 들어, CMOS 기반 포토다이오드 활성 영역은 n (또는 p) 영역이 (전자/정공 쌍과 같은) 전하 캐리어가 결핍되도록 구성된 p-n (또는 n-p) 접합과 같은 가장 단순한 형태로 구현되며, 입사 광자는 포토다이오드의 결핍(depletion) 영역에 의해 수집된 전자/정공 쌍을 생성한다. 공지된 바와 같이, ("핀드 포토다이오드(pinned photodiodes)"라고 일컬어지는 pnp (또는 npn) 접합이 편리하게 사용될 수 있다.
따라서, 광검출기 활성 영역(11, 12)에 충돌하는 광자는 입사광의 강도에 비례하는 출력 전기 신호를 생성하는 전하 캐리어로 변환되는 반면, 광검출기 활성 영역 외측의 반도체 기판의 전방 측 표면(13)에 입사되는 광자는 전하 캐리어로 변환되지만 광검출기에 의해 수집되지 않으며 출력 전기 신호에 기여하지 않는다.
본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 차광 수단은 각각의 광전지에 대해 다음과 같이 구성된 몇몇 금속층을 포함한다.
이와 관련하여, 도 1은 플레이트 형태의 2개의 금속층(14, 15)을 차광 수단으로 사용한 예를 나타낸다. 특히, 금속 플레이트(14, 15)는 광검출기 활성 영역(11) 상의 제1동축 개구(16) 및 광검출 활성 영역(12) 상의 제2동축 개구(17)를 포함하여, 일련의 개구(16, 17)의 종횡비에 의해 정의된 임계값보다 큰 입사각을 갖는 광자는 차단(금속층(14, 15)에 의해 부분적으로 반사 및 부분적으로 흡수)되며, 반면에 상기 임계값보다 작은 입사각을 갖는 광자는 (광검출기 활성 영역(11, 12) 외측의 반도체 기판의 전방측 표면(13)에 충돌하는 광자를 제외하고) 광검출기 활성 영역(11, 12)에 도달한다.
상기 개구(16, 17)는 원형, 정사각형, 직사각형 또는 다각형일 수 있다.
편리하게, 반사를 최소화하고 광 흡수를 최대화하여 광검출기 활성 영역(11, 12) 쪽으로 진행하는 가짜 광선을 유발하는 다중 반사를 방지하기 위해 반사 방지 코팅이 금속층(14, 15) 상에 증착될 수 있다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 도 2는 상기 바람직한 제1실시예에 따른 통합된 차광 수단을 갖는 (전체가 2로 표시된) 광전지의 예를 나타낸다. 특히, 도 2는 이하의 구성들을 포함하는 광전지(2)의 단면도를 나타낸다.
도 3 내지 도 9는 광전지(2)를 제조하는 단계들의 예를 나타낸다.
특히, 도 3은 반도체 기판(21) 상에 형성되고, 광검출기 활성 영역(22)을 구현하기 위한 하나 이상의 후속 이온 주입 공정에서 상기 반도체 기판(21)의 일부를 (윈도우(26a)를 통해) 노출시키기 위한 포토리소그래피 공정에 의해 패터닝된 포토레지스트 마스크(27)를 나타낸다.
도 4는 광검출기 활성 영역(22)이 구현된 반도체 기판을 나타낸다.
도 5는 반도체 기판(21) 상에 (예를 들어, 화학 기상 증착(CVD)에 의해) 증착된 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS; Tetraethyl orthosilicate) 및 또는 보로포스포실리케이트 글래스(BPSG; Borophosphosilicate glass)로 구성된 제1 ILD절연층(25)을 나타낸다.
도 6은 제1 ILD절연층(25) 상에 (예를 들어, CVD 또는 물리적 기상 증착(PVD)에 의해) 증착된 (예를 들어, Ti, TiN 및 AlCu와 같은 3개의 금속 물질로 구성된) 제1금속층(24)을 나타낸다.
도 7은 광 경로(26)를 구현하기 위해 노출된 부분을 제거하는 후속 에칭 공정을 위해 (광검출기 활성 영역(22) 상에 있는) 제1금속층(24)의 일부를 (윈도우(28a)를 통해) 노출시키기 위한 포토리소그래피 공정에 의해 패턴된 포토레지스트 마스크(28)를 나타낸다.
도 8은 광검출기 활성 영역(22) 상에 광 경로(26)를 갖도록 에칭 공정 이후 패터닝된 제1금속층(24)을 나타낸다. 예를 들어, 제1금속층(24) 하부의 제1 ILD절연층(25)에서 정지하는 드라이 에칭이 편리하게 사용될 수 있다.
도 9는 제1금속층(24) 상에 광 경로(26)를 채우도록 증착된 제2 ILD절연층(25)(예를 들어, 저압 CVD(LPCVD)에 의해 증착된 SiO2)을 나타낸다. 상세하게, 도 9는 화학적 기계적 연마(CMP)에 기반한 평탄화 공정 후의 제2 ILD절연층(25)을 나타낸다.
따라서, 상기 제조 공정(특히, 도 6에 도시된 공정으로부터 도 9에 도시된 공정까지)을 반복함으로써, 다층 구조체(23)를 제조할 수 있다.
상기 제조 공정은 알루미늄-구리(AlCu) 합금을 기반으로 한 금속층이 사용되도록 의도된다. 또는, 구리를 기반으로 한 금속층을 사용하는 경우, 다마신(damascene) 방식에 기초한 제조 공정이 편리하게 사용되며 ILD 절연층(25) 상에 그루프 패턴이 생성된 다음 전기 도금 공정에 의해 구리가 채워지며 CMP 공정이 수행된다.
광전지(2)의 각도 응답은 광 경로(26)의 크기 (특히, 폭 및 높이), 광검출기 활성 영역(22)의 크기 (특히 광검출기 활성 영역(22)이 노출된 반도체 기판(21)의 상부 평면 상의 광검출기 활성 영역(22)의 평면 크기), 광 경로(26)에 대한 상기 광검출기 활성 영역(22)의 상대적 위치 (예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 개구(26)의 폭(W1) 및 높이(H1)와 광검출기 활성 영역(22, 26)의 폭(W2))를 적절히 조정함으로써 조정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 광학 센서는 도 2에 도시된 광전지 어레이를 포함한다. (특히, 도 2에 도시된 구조체는 어레이의 각각의 단일 광전지에 대해 복제된다.) 구체적으로, 어레이의 모든 광전지(2)는 모든 광검출기 활성 영역(22)에 충돌하는 입사광과 관련된 전체 출력 전기 신호를 제공하도록 병렬로 연결된다. (실제로, 광학 센서의 전체 출력 전기 신호가 모든 광전지(2)의 출력 전기 신호의 합에 의해 주어진다.)
또한, 모든 광 경로(26)는 하나의 동일한 소정의 방향에 평행 (즉, 광학 센서 내의 모든 광 경로(26)의 축(d)은 평행)하며, 따라서 상기 소정의 방향에 평행한 입사 방향을 갖는 입사광이 모든 광전지 활성 영역에 도달하게 한다. 편리하게, 광 경로(26)는 광검출기 활성 영역(22)이 노출되는 반도체 기판(21)의 상부 평면에 수직(즉, 광학 센서 내의 광 경로(26)의 축(d)이 수직)이다.
따라서, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 광학 센서는 병렬로 전기적으로 연결되며 소정의 방향에 평행한 입사 방향을 갖는 입사광을 수신하는 광검출기 활성 영역(22)을 갖는 광전지(2)의 어레이를 포함하며, 따라서 복수의 작은 장치를 이용하여 단일의 큰 장치의 동작을 시뮬레이션할 수 있다.
바람직하게, 차광 효과를 최대화하기 위해, 광검출기 활성 영역(22)은 광검출기 활성 영역(22)이 노출된 반도체 기판(21)의 상부 평면 상에 하나의 동일한 소정의 평면 크기를 가지고; 또한, 광 경로(26)는 하나의 동일한 소정의 높이(H1) 및 하나의 동일한 폭(W1)을 가지며, 소정의 높이(H1) 및 소정의 폭(W1)은 광검출기 활성 영역(22)의 크기 (특히 광검출기 활성 영역(22)의 소정의 평면 크기)와 적어도 비교할 수 있다.
추가적으로, 다시 도 2를 참조하면, 상기 소정의 평면 크기, 높이(H1) 및 폭(W1), 및 대응하는 광 경로(26)에 대한 각각의 광검출기 활성 영역(22)의 상대 위치는:
- 축(d)에 평행 (또는, 더 일반적으로 상기 소정의 방향에 평행한)한 방향, 또는
- 상기 축(d)에 대해 (또는, 더 일반적으로 상기 주어진 방향에 대해) 상기 소정의 각도 범위에 속하는 입사각(α)을 정의한다.
이와 관련하여, 광 경로(26)의 주어진 높이(H1)가 광검출기 활성 영역(22)의 소정의 평면 크기에 의존하기 때문에, 하나 이상의 더 큰 광검출기 활성 영역(22) 대신 더 작은 광검출기 활성 영역(22)의 어레이를 사용하여 두께가 크게 감소된 광학 센서를 만들 수 있다는 사실은 주목할 가치가 있다. 또한, 더 작은 광 경로의 광 필터링 기능은 더 큰 광 경로의 광 필터링 기능보다 우수하다.
편리하게, 차광 수단은 광전지 어레이의 다층 구조체(보다 편리하게는 광학 스택)에 통합되며 금속 루트 및/또는 금속 플레이트 또는 이들의 결합으로 편리하게 형성될 수 있는 금속층을 포함한다.
공지된 바와 같이, 이미지 센서는 픽셀 어레이를 포함하고 적분, 리셋 및 판독 동작을 위해 어레이의 모든 단일 픽셀을 어드레싱할 것을 요구한다. 그러므로, 적어도 두 개의 금속 상호 연결 루트가 이러한 작업을 위해 필요하다.
반대로, 전체로서 더 큰 단일 장치로서 동작하는 병렬 연결된 작은 광전지를 포함하는 상기의 광학 센서는, 광전지 어레이의 행 및 열을 어드레싱할 필요가 없다. 따라서, 차광 수단으로서 작용하는 (예를 들어, 금속 플레이트의 형태인) 금속층 중 하나가 모든 광전지를 어드레싱하는 데 사용될 수 있으므로, 금속 상호 연결 루트에 대한 필요성을 피할 수 있다. 이는 광학 센서 제조 시 시간 및 비용 최적화를 야기할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 차광 수단을 갖는 (전체가 3으로 표시된) 광전지의 예를 나타낸다. 특히, 도 10은 이하의 구성들을 포함하는 광전지(3)의 단면도를 나타낸다.
차광 효과는 광 경로(36)의 높이(H2) 및 폭(W3), 광검출기 활성 영역(32)의 폭(W2), 및 광검출기 활성 영역(32)에 대한 광 경로(36)의 상대적 위치를 적절히 조정함으로써 조정될 수 있다. 특히, 이러한 방식으로 입사광의 (축(d)에 대한) 입사 방향(d i )의 입사각(α)에 대한 허용 가능한 각도 범위를 정의하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 광학 센서는 도 10에 도시된 광전지 어레이를 포함한다. (특히, 도 10에 도시된 구조체가 어레이의 각각의 단일 광전지에 대해 복제된다.) 구체적으로, 어레이의 모든 광전지(2)는 모든 광검출기 활성 영역(32)에 충돌하는 입사광과 관련된 전체 출력 전기 신호를 제공하도록 병렬로 연결된다. (실제로, 광학 센서의 전체 출력 전기 신호가 모든 광전지(3)의 출력 전기 신호의 합에 의해 주어진다.)
본 발명의 이점은 상술한 내용으로부터 명백하다. 특히, 본 발명의 차광 구조가 광학 센서의 각도 응답을 제한, 특히 좁히는 것을 가능하게 함으로써 측광 간섭으로 인한 웨어러블 생체측정 모니터링 장치의 기술적인 문제를 최소화한다는 사실은 매우 중요하다.
이와 관련하여, 도 11은 각각 종래의 광학 센서 및 본 발명에 따른 광학 센서의 (입사광의 각도에 대한) 상대적인 신호 응답을 비교하여 나타낸다. 특히, 도 11에서 각각의 상대 신호 응답은 최대값에 대하여 정규화된 신호 출력을 나타낸다. 도 11에 명확히 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 센서는 더 좁은 광학 신호 응답을 특징으로 한다.
마지막으로, 미국 특허 출원 공개 제2007/0290284호는 측정 장비 (예를 들어, 광학 엔코더 시스템) 또는 다른 광학 시스템에서 사용되는 광학 감지 장치의 구성요소들의 정렬을 조정 또는 보상하기 위해 장치에 입사되는 방사선의 조사 방향을 감지하는 감광 장치를 개시한다. 즉, 본 발명과 달리, 미국 특허 출원 공개 제2007/0290284호에 따른 장치는, 측정 목적을 위한 입사광의 조명 방향을 검출하기 위해, (각각의 광검출기 활성 영역에 각각 결합된) 비-병렬 광 경로 및 병렬로 연결되지 않은 광전지 어레이를 이용한다. 따라서, 미국 특허 출원 공개 제2007/0290284호에 따른 장치는 본 발명과 (특징 및 목적에 대해) 완전히 상이하며, 따라서 각각의 기술적 이점을 갖지 않는다.
더욱이, 미국 특허 출원 공개 제2007/0290284호에서 제안된 웨어러블 생체측정 모니터링 장치의 측광 문제에 대한 해결책은 광투과 구조체 (특히, 광검출기 및 광원 상에 형성된 인-몰드-라벨링(IML; In-Mould-Labeling) 필름을 통해 생성된 구조체)의 사용에 의해 제한되며, 여기서, 상기 광투과 구조체는 상기 광원(들) 및/또는 검출기 중 하나, 일부 또는 전부의 개구를 제한하는 불투명 재료로 구성된 마스크를 포함할 수 있다. 따라서, 미국 특허 출원 공개 제2007/0290284호는 본 발명의 특징을 예상하지 않으며, 각각의 기술적 이점을 갖지 않는다.
결론적으로, 첨부된 청구 범위에서 정의된 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 예를 들어, 도 2 및 도 11에서 설명되고 도시된 두 가지의 실시예들의 조합 또한 고려될 수 있다.
2, 3: 광전지
11, 12, 22, 32: 광검출기 활성 영역
14, 15, 24, 35: 차광 수단
21, 31: 반도체 기판
23, 33: 다층 구조체
26, 36: 광 경로
11, 12, 22, 32: 광검출기 활성 영역
14, 15, 24, 35: 차광 수단
21, 31: 반도체 기판
23, 33: 다층 구조체
26, 36: 광 경로
Claims (10)
- CMOS 기술에 기반한 광학 센서에 있어서,
반도체 기판(21, 31);
각각이, 상기 반도체 기판(21, 31)에 형성되며 상기 반도체 기판(21, 31)의 소정의 평탄한 표면(13) 상에 노출된 각각의 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)을 포함하고, 상기 각각의 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 충돌하는 입사광에 관련된 각각의 출력 전기 신호를 제공하도록 된, 광전지(2, 3) 어레이;
금속 및 유전체층을 포함하며, 상기 반도체 기판(21, 31)의 상기 소정의 평탄한 표면(13) 상에 형성된 다층 구조체(23, 33); 및
상기 다층 구조체(23, 33) 내에 또는 상에 형성되고, 충돌하는 입사광을 반사 및/또는 흡수하는 하나 이상의 재료로 구성된 차광 수단(14, 15, 24, 35);을 포함하며,
상기 각각의 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)은 상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)을 통해 연장되며 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 도달하는 소정의 방향 범위 내에 속하는 입사 방향을 갖는 입사광을 허용하도록 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32) 쪽을 향하는 대응되는 광 경로(26, 36)와 연관되며,
모든 상기 광전지(2, 3)는 모든 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 충돌하는 입사광에 관련된 전체 출력 전기 신호를 제공하도록 병렬로 연결되며,
모든 상기 광 경로(26, 36)는, 모든 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 소정의 방향에 평행한 입사 방향을 갖는 입사광이 도달되도록, 상기 소정의 방향에 평행한 것을 특징으로 하는, 광학 센서. - 제1항에 있어서,
상기 광 경로(26, 36)는 상기 반도체 기판(21, 31)의 상기 소정의 평탄한 표면(13)에 수직인, 광학 센서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
각각의 광 경로(26, 36)는 상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)에 형성된 하나 이상의 각각의 동축 개구(16, 17)에 의해 정의되며 상기 소정의 방향에 평행한 각각의 축 상에 중심이 위치되는, 광학 센서. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)은 상기 반도체 기판(21, 31)의 상기 소정의 평탄한 표면(13) 상에 하나의 동일한 소정의 평면 크기를 갖고;
상기 광 경로(26, 36)는 하나의 동일한 소정의 높이 및 하나의 동일한 소정의 폭을 가지며, 상기 소정의 높이 및 폭은 상기 소정의 평면 크기에 관련되며;
상기 소정의 평면 크기, 높이, 폭, 및 대응되는 상기 광 경로(26, 36)에 대한 각각의 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)의 상대 위치는,
- 모든 상기 광검출기 활성 영역(11, 12, 22, 32)에 대한 하나의 동일한 소정의 각도 범위를 정의하고,
- 상기 광검출기 활성 영역(22)이 오직 상기 소정의 방향에 평행, 또는 상기 소정의 각도 범위에 속하는 상기 소정의 방향에 대한 입사각이 정의된 입사 방향을 갖는 입사광에 의해 도달되는, 광학 센서. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)는 하나 이상의 금속 물질로 형성된, 광학 센서. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)은 하나 이상의 금속층(24) 및/또는 상기 다층 구조체(23, 33) 내의 금속 상호 연결로 형성된, 광학 센서. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)은 불투명 폴리머로 형성된, 광학 센서. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)은 블랙 포토레지스트로 형성된, 광학 센서. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 차광 수단(14, 15, 24, 35)은 다층 구조체(23, 33)로 형성된, 광학 센서. - 제1 내지 제9항 중 어느 한 항의 광학 센서를 포함하는 웨어러블 생체측정 매개변수 모니터링 장치.
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