KR20180083854A

KR20180083854A - 모놀리식 집적된 신호 처리를 갖는 고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이

Info

Publication number: KR20180083854A
Application number: KR1020187012962A
Authority: KR
Inventors: 보도 포르크; 미하엘 슈노르; 요르크 슈이에페르데커; 카를하인츠 스토크; 마리온 지몬; 빌헬름 레네케
Original assignee: 하이만 센서 게엠베하
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-07-23
Also published as: JP2018531399A; US10578493B2; KR102100228B1; US10948355B2; CN108351252A; EP3359932A1; CN113008385B; US20200124481A1; US20180283958A1; CN113008385A; WO2017059970A1; JP6709285B2; CN108351252B

Abstract

본 발명은 모놀리식 집적된 신호 처리 및 하나 또는 그 초과의 센서칩들 상에 배치된 센서 어레이의 픽셀들로부터의 신호들에 대한 복수의 병렬 신호 처리 채널들을 갖는 고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이, 및 픽셀 신호들의 직렬 출력을 위한 디지털 포트에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 모놀리식 집적된 신호 처리, 및 가장 낮은 전력 손실을 가지면서 높은 집적도를 갖고 동시에 높은 열적 및 기하학적 분해능을 갖는 복수의 병렬 신호 처리 채널들을 갖는 서모파일 적외선 센서 어레이를 명시하는 것이다. 상기 목적은, 각각의 신호 처리 채널(K₁... K_N)이 적어도 하나의 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 포함하고, 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)에는 픽셀들(SE)로부터의 신호들을 저장하기 위한 메모리(RAM) 내의 메모리 영역이 할당되는 점에 있어서 달성된다.

Description

모놀리식 집적된 신호 처리를 갖는 고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이

본 발명은 모놀리식 집적된 신호 처리 및 하나 또는 그 초과의 센서 칩들 상에 배치된 센서 어레이의 픽셀들로부터의 신호들에 대한 복수의 병렬 신호 처리 채널들, 및 또한 픽셀들의 신호들의 직렬 출력을 위한 디지털 포트를 갖는 고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이에 관한 것이다.

고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이를 구성하기 위하여, 개개의 서모파일 구성요소들의 수, 즉 픽셀들의 수는 증가해야 하고 픽셀들 자체의 기하학적 치수들은 감소해야 한다. 원래 상업적으로 이용 가능한 서모파일 센서 어레이들은, 개개의 픽셀들이 매우 큰(예를 들어, 150 ... 300 ㎛ x 150 ... 300 ㎛) 적은 수의 픽셀들(예를 들어, 8 x 8 픽셀들 또는 16 x 16 픽셀들)만 포함하였다. 따라서 서모파일 센서 어레이와 함께 칩 상에 수 개의 증폭기들 또는 저역 통과 필터들을 수용하기 위해 센서 칩(예를 들어, 실리콘으로 구성됨) 상에 충분한 공간이 존재하였다.

보다 많은 수의 픽셀들을 갖는 현재의 관습적인 서모파일 센서 어레이들은 100㎛의 측면 길이, 또는 심지어 25㎛까지의 픽셀들의 치수들의 감소를 필요로 한다. 그러나, 증가하는 집적 밀도로 인한 더 작은 픽셀들은 면적에 비례하여 더 작은(area-proportionally smaller) 신호를 생성하는 단점을 갖는다. 이것은, 절반의 픽셀 크기가 주어지면, 신호 강도의 1/4 만이 추가 처리에 이용 가능한 것을 의미한다.

이와 같이 더 낮고 일반적으로 nV 범위 내지 수 μV인 신호 전압들은 실제 센서 하우징 외부에서 추가 잡음이나 다른 간섭 영향들이 없이 신호들이 더 처리될 수 있도록 더 높은 이득 계수들을 필요로 한다. 그러나, 결과적으로 신호 대 잡음비는 더 낮아진다.

낮은 신호 전압들의 결과로서 요구되는 신호 이득은 신호 전압이 다른 어셈블리들에 전달되어 더 처리될 수 있을 정도로 신호 전압을 증가시키 위해 적어도 수 천, 통상적으로는 심지어 10,000 보다 크다. 신호 증폭을 위해 전통적으로 이용된 고이득 아날로그 증폭기들은 상대적으로 넓은 면적 요구를 갖는 멀티스테이지 증폭기들을 필요로 하며, 게다가 이 증폭기들은 상당한 전류 소비를 갖는다. 이는, 전력 손실 및 따라서 동시에 내재적인 가열이 증가하고 이것이 결국 서모파일 센서 어레이의 측정 오차의 증가로 이어지는 것을 의미한다.

한편, 실리콘 마이크로머시닝에 의해 하나의 칩 상에 제조된 적외선 서모파일 센서 어레이들은 다양한 실시예들에서 공지되어 있다. 이 센서 어레이들에서, 신호 처리의 일부는 칩 상에서 발생하지만, 소수의 전치증폭기들 및 공통 멀티플렉서만 존재하며, 후자는 모든 픽셀들의 신호들을 출력한다. 서모파일들은 점차 소형화되는 적외선 수신 영역 상의 소위 "핫" 컨택트들, 및 각각의 픽셀 단부의 히트 싱크(heat sink) 상의 소위 "콜드" 컨택트들을 갖는다. 서모파일에 의해 생성된 신호 전압은 "핫" 및 "콜드" 컨택트들 간의 성취 가능한 온도차에 직접적으로 의존한다.

예로서, WO 2006/122529 A1에 따른 서모파일 센서 어레이의 경우에, 센서 어레이의 각각의 로우(row)에 대해 각각 하나의 전치증폭기 및 하나의 저역 통과 필터가 칩 상에 집적된다. 그러나, 많은 로우들과 컬럼들을 갖는 고분해능 센서 어레이들에 대해서는 충분하지 않다. 예를 들어, 64 x 64 픽셀들의 어레이의 경우에는 64 개의 전치증폭기들 및 64 개의 저역 통과 필터들만 이용된다. 성취될 수 있는 잡음 대역폭은 필요한 것보다 최대 64 배까지 높을 것이다. 그러나, 잡음 대역폭의 루트(root)에 따라 잡음이 증가하기 때문에, 잡음이 최대 8 배까지 감소되거나 열 분해 능력이 최대 8 배까지 향상될 수 있을 것이다.

그러나, 신호 채널당 신호 증폭을 위한 전류 및 공간 절약 솔루션에 대한 측정들은 명시되어 있지 않다.

또한, JP 2004-170375 A는 단일의 전치증폭기만을 포함하는 서모파일 센서 어레이를 개시한다.

DE 103 22 860 B4는 멀티플렉서의 업스트림에 위치하는 전치증폭기들을 갖는 고분해능 열 센서들로부터 전자 신호들을 판독하기 위한 회로 배열을 기술한다. 병렬로 동작하는 개별 전치증폭기들의 상당한 전력 손실을 줄이기 위하여, 후자는 전력을 절약하기 위해 주기적으로 스위치오프(switched off)된다.

그러나, 원하는 고온 분해능이 성취되지 않는 것은 정확하게 이 측정의 결과인데, 이는, 샘플링된 신호의 잡음 대역폭이 병렬 증폭기 채널들의 수에 비례하여 동시에 감소되는 경우에만 멀티플렉서 상류의 전치증폭기들이 예측된 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 그러나, 이것은, 증폭된 신호가, 전치증폭기들을 통해, 잡음 대역폭 제한을 위한 저역 통과 필터에 의해 연속적으로 "적분"되지 않거나, 예를 들어, 저역 통과 필터를 통해 평탄화되지 않으면, 가능하지 않다.

EP 2 587 234 A1은 대역 제한 또는 개입된 전치증폭기들 없이 개개의 픽셀들의 신호들이 전송되는 신호 처리를 위한 회로를 갖는 서모파일 적외선 센서를 개시한다.

위의 모든 해법들은 서모파일 적외선 센서 어레이들을 설명하지만, 칩 상의 더 높은 집적도와 함께 신호 처리를 위한 대책들을 제안하지 않는다. 특히, 극히 작은 공간 요구사항 및 극히 낮은 전력 손실과 함께 잡음 대역폭을 감소시키기 위한 제안들이 없다.

공지된 해법들은, 단일 또는 매우 적은 수의 전치증폭기 채널들만 센서 칩 상에 집적되어, 높은 잡음 대역폭 및 동시에 불량한 신호/잡음비를 야기시키기 때문에, 부적절한 열 분해 능력을 갖는다.

높은 집적도는 동일한 칩 영역 상에 더 많은 픽셀들을 수용하기 위하여, 픽셀 크기 및 소위 픽셀 피치, 즉 서모파일 픽셀들 사이의 중심 대 중심 거리의 감소가 필요하다. 또한, 높은 기하학적 분해능 이외에, 높은 열 분해능, 즉 높은 신호/잡음비, 및 낮은 잡음 제한 온도 분해능 NETD(Noise Equivalent Temperature Difference)도 바람직하다.

더 작은 수신 영역 및 서모파일 픽셀들의 "핫" 및 "콜드" 컨택트들 간의 결과적인 작은 거리 때문에, 그와 동시에 픽셀 크기의 감소는 또한 서모파일 픽셀에 의해 방출된 센서 신호의 감소를 야기시키고, 이는 더 낮은 신호/잡음비, 더 불량한 열 분해 능력 및 감소된 측정 정확도를 야기시킨다.

원칙적으로, 서모파일 셀들(서모파일 픽셀들)의 크기를 감소시키고 센서 칩 상에 더 많은 수의 픽셀들을 집적할 수 있다. 예로서, 16 x 16, 32 x 32, 64 x 64, 128 x 128 서모파일 픽셀들 또는 그 초과가 하나의 센서 칩 상에 구현된다. 개개의 서모파일 픽셀들의 신호 전압들은 m × n 어드레싱 및 MUX 스위치들에 의해 멀티플렉싱되어야 할 것이다(즉, 어레이 당 하나의 증폭기에 대한 공통의 직렬 신호 라인 상에 또는 로우 또는 컬럼당 공통의 직렬 인터페이스를 통해 전달되어야 할 것이다).

더 감소된 픽셀 치수를 갖는 서모파일 픽셀들로부터 여전히 최소한으로 분해 될 수 있는 신호들은 많은 응용들에서 여전히 nV 범위에 있기 때문에, 신호들은 여전히 충분히 고증폭되고 칩상에서 더 처리되어, 센서 칩의 외부 및 내부의 전기적 간섭 영향들에 의해 영향을 받지 않을 수 있어야 한다.

공지의 해법들의 경우에는, MUX (멀티플렉서) 하류의 센서 신호들이 고속 직렬 아날로그 출력 상의 센서 칩으로부터 출력되거나 센서 칩 상에 또는 센서 칩의 바로 옆에 집적된 고속 AD 변환기에 의해 디지털 신호들로 변환되도록, 그러한 작은 서모파일 픽셀들의 센서 신호들을 수 mV로 증폭하기 위하여 통상적으로 10,000 또는 그 초과의 이득 계수들이 필요하다.

여기에서의 단점은, 복수의 Hz에서 수십 Hz의 이미지 주파수들을 여전히 갖는 많은 연속적으로 샘플링된 서모파일 픽셀들의 센서 신호들을 송신하기 위하여 멀티플렉서의 하류에 있는 이 전치증폭기들의 대역폭이 매우 높아야 한다는 것이다.

이것은 어레이당 하나의 전치증폭기의 경우 프레임 레이트의 적어도 m × n 배, 또는 m 개의 컬럼들을 갖고 컬럼당 각각 하나의 전치증폭기를 갖는 어레이의 경우 프레임 레이트의 m 배를 필요로 한다. 그러나, (잡음) 대역폭의 루트(root)를 이용하면, 동시에 시스템의 잡음이 또한 증가하고 온도 분해능 NETD가 저하된다.

안정적이고 정확하게 동작하는 고이득 증폭기들은 복수의 증폭기 스테이지들을 필요로 하고, 센서 칩 상에 비교적 많은 양의 공간을 필요로 하며, 대응하여 높은 폐열을 가지는 상당한 전류 소비를 추가적으로 가지며, 이는 서모파일 구성요소들의 성취 가능한 신호 전압을 더 감소시킨다.

이러한 이유 때문에, 센서 칩의 제한된 공간 상에 픽셀들과 함께 그러한 대형 증폭기들을 많이 수용할 수 없다.

따라서, 본 발명은 모놀리식 집적된 신호 처리 및 극히 낮은 전력 손실과 함께 높은 집적도를 갖고 동시에 높은 열적 및 기하학적 분해능을 갖는 복수의 병렬 신호 처리 채널들을 갖는 서모파일 적외선 센서 어레이를 명시하는 목적에 기초한다.

도입부에서 언급된 유형의 고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이의 경우, 이는 각각의 신호 처리 채널(K₁... K_N)이 센서 칩(SP)에 배치되거나 그에 인접하여 배치되고 적어도 하나의 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 포함하며 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)에는 아날로그/디지털 변환기들(ADC)의 결과들을 저장하기 위한 메모리(RAM) 내의 메모리 영역이 할당되는 사실에 의해 성취된다.

센서 어레이의 개개의 픽셀들 사이의 중심 대 중심 거리는 300 ㎛ 미만, 바람직하게는 100 ㎛ 미만이다.

본 발명의 바람직한 일 구성에서, 각각의 신호 처리 채널에는 적어도 하나의 픽셀 및 많게는 16 또는 8 개의 픽셀들, 바람직하게는 단지 4, 3 또는 2 개의 픽셀들, 및 특히 바람직하게는 하나의 픽셀이 할당된다.

또한, 각각의 신호 처리 채널에 대하여 신호 처리 채널에 할당되는 센서 어레이의 픽셀들을 선택하기 위한 신호 멀티플렉서가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 구성에서, 각각의 신호 처리 채널의 아날로그/디지털 변환기의 상류에 전치증폭기가 연결된다.

전치증폭기들은 500 미만, 특히 바람직하게는 100 미만의 이득 계수를 갖는다.

아날로그/디지털 변환기는 적어도 10 비트들과 바람직하게는 적어도 16 비트들 사이의 분해능을 가지며, 아날로그/디지털 변환기는 예를 들어 "전하 평형(charge balancing)" 또는 "델타-시그마(delta-sigma)" 방법과 같은 적분 방법(integrating method)에 따라 동작한다.

본 발명의 다른 연속에서, 각각의 신호 처리 채널은 잡음 대역폭을 제한하기 위한 저역 통과 필터를 포함하고, 상기 저역 통과 필터의 차단 주파수는 적어도 서모파일 적외선 센서 어레이의 프레임 레이트와 신호 처리 채널당 픽셀들의 수를 곱한 것이지만 바람직하게는 상기 곱의 절대값의 2 배 또는 3 배보다 높지 않다.

마지막으로, 저역 통과 필터는 적분형 아날로그/디지털 변환기의 일부일 수 있다.

각각의 신호 처리 채널의 잡음 대역폭은 적분형 아날로그/디지털 변환기의 사용에 의한 각각의 프레임 레이트 및 예를 들어 "전하 평형" 방법에 따라 동작하는 아날로그/디지털 변환기의 미리 정의된 변환 속도에 따라 결정된다.

신호 처리 채널들의 일부는 각각의 경우에 픽셀들 사이의 공간, 즉 히트 싱크에 근접하여 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 발생하는 전력 손실의 균일한 분포를 위해서, 신호 처리 채널들의 적어도 일부가 센서 칩의 외측 에지 영역 내의 센서 어레이를 둘러싸는 영역 내의 다른 전자장치들과 함께 배치되면 바람직하다 .

최종적으로, 이를테면 기준 전압, 전압 공급, 리셋 회로, 온도 기준, 기준 데이터 메모리, 클럭 발생기, I/O 디지털 포트 및 또한 디지털 신호 처리(예를 들어, 디지털 컨트롤러)를 위한 추가적인 전자부품들이 신호 처리 채널들 및 신호 멀티플렉서들과 함께 센서 칩에 집적될 수 있다.

EEPROM 또는 플래시 메모리는 기준 데이터 메모리로서 특히 적합하다.

본 발명의 매우 특별한 하나의 구성에서, 신호 처리 채널들의 적어도 일부는 센서 구성요소들을 갖는 센서 칩 아래에 별개의 칩 상에 배치되고, 신호 처리 채널들 또는/및 추가의 전자 부품들에 대한 픽셀들의 전기적 연결은 센서 칩을 통한 비아들(vias) 또는 재분배 배선들(redistribution wirings)과 같은 다른 전기적 연결 수단에 의해 이루어지고, 서모파일 적외선 센서 칩(SP) 및 별개의 칩(ROIC)은 서로에 대하여 고정적으로 연결된다. 센서 칩의 면적 요구사항은 이러한 방식으로 다시 상당히 감소될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예들에 기초하여 이하에 더 상세히 설명된다. 도면들의 관련된 도면들에서,
도 1은 본 발명에 따른 서모파일 적외선 센서 어레이의 기본 구성을 도시하고;
도 2는 저역 통과 필터 및 픽셀당 각각 하나의 신호 처리 채널을 갖는 서모파일 적외선 어레이 센서 칩들을 위한 집적 신호 처리를 위한 본 발명에 따른 회로 배열의 블록도를 도시하고;
도 3은 제 2 실시예에서의 서모파일 적외선 어레이 센서 칩들을 위한 집적 신호 처리를 위한 본 발명에 따른 회로 배열의 블록도를 도시하며, 여기에서 저역 통과 필터 기능은 집적된 ADC(AD converter)에서 구현되고;
도 4는 제 3 실시예에서의 서모파일 적외선 어레이 칩들을 위한 집적 신호 처리를 위한 본 발명에 따른 회로 배열의 블록도를 도시하며, 여기에서 복수의 픽셀들은 신호 처리 채널을 공유하고, 도 4a는 전치증폭기의 하류 측의 저역 통과 필터이고, 도 4b는 저역 통과 필터 기능을 수행하는 적분형 AD 변환기이고;
도 5는 서모파일 적외선 센서 어레이들을 위한 집적 신호 처리를 위한 본 발명에 따른 다른 회로 배열의 블록도를 도시하고, 여기에서 저역 통과 필터 기능은 적분형 AD 변환기에서 구현되고;
도 6a는 비아들을 갖는 센서 칩, 및 그 아래에 배치되고 신호 처리 채널들과 추가적인 메모리 및 신호 처리 전자장치들이 내부에 집적된 별개의 칩의 개략적인 단면도를 도시하며,
도 6b는 도 6a에 따른 배열을 도시하지만, 방사 입구 윈도우(window entrance window) 및 서모파일 적외선 센서 어레이의 동작을 위한 추가의 기능 어셈블리들에의 연결을 위한 본드 배선들과 같은 추가적인 전기 연결 수단을 갖는 캡 웨이퍼에 의해 보충된다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 서모파일 적외선 센서 어레이의 기본 구성을 나타내며, 센서 칩의 중심에 배열되고, m × n 픽셀들 SE 1.1 ... SE 1.n × SE m1.1 ..., SE m, n을 갖는 매트릭스 형태의 서모파일 적외선 센서 어레이(TPA)를 포함하고, 픽셀들(SE) 또는 픽셀 어레이 주위에, 바람직하게는 양측에, m × (n / 2) / 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)이 동일한 센서 칩(SP) 상에 위치되고, 신호 처리 채널들은 개개의 픽셀들(SE)의 신호들을 증폭하고 필터링하여 디지털 신호들로 변환한다. 여기서, 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)은 각각의 수의 픽셀들에 의해 공유된다.

원칙적으로, 모든 신호 처리 채널들은 또한 픽셀 어레이의 일 측에 놓여질 수 있으며, 그러면 서모파일 적외선 센서 어레이는 비대칭 열 분포를 갖는다.

서모파일들의 기능에 필수적인 것은, 이들이 가장 긴 가능한 도전성 트랙들을 통해 서로 연결되는 "핫" 및 "콜드" 컨택트들을 갖는 것, 즉 가능한 한 서로 멀리 떨어져 배치되는 것이며, "핫" 컨택트들은 방사 수신기(radiation receiver)(도시되지 않음) 상에 배열되고, "콜드" 컨택트들은 "핫" 및 "콜드" 컨택트들 사이의 온도차에 따라 평가 가능한 신호 전압을 생성하기 위해 픽셀의 에지에서 히트 싱크 상에 배치된다.

서모파일 적외선 센서 어레이(TPA)의 각각의 픽셀(SE)은 그 자체로 공지된 소형 서모파일 셀을 포함하고, 각각의 서모파일 셀 위에 선택적으로 적합한 광학 유닛을 갖는 방사 입구 윈도우를 포함한다. 개개의 서모파일 셀들은 최대 400 ㎛, 바람직하게는 200㎛ 미만, 특히 바람직하게는 100㎛ 미만의 중심 대 중심 거리 (소위 픽셀 피치)를 갖는다. 픽셀 피치가 작을수록, 전체 서모파일 적외선 센서 어레이 칩이 작아지고, 픽셀(SE) 상의 적외선 방사를 촬상하기 위하여 필요한 광학 유닛의 치수들도 동일한 수의 픽셀들에 대해 감소한다. 칩 및 광학 유닛 치수들의 감소는 또한 일반적으로 제조 비용들을 낮아지게 한다.

선택적으로, 더 높은 선택적인 분해 능력을 성취하기 위하여, 더 작은 피치는 미리 정의된 크기의 센서 칩 상에 더 많은 픽셀들(SE)이 수용되도록 한다.

도 2는 전치증폭기(VV)를 갖는 중앙의 서모파일 적외선 센서 어레이(TPA), 하류측에 연결된 저역 통과 필터(TPF) 및 픽셀(SE)당 센서 어레이(TPA)의 양측의 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)에 대한 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 갖는 미러 반전(mirror-inverted) 구성을 갖는 서모파일 적외선 센서 어레이들(TPA)을 위한 집적 신호 처리에 대한 본 발명에 따른 회로 배열의 블럭도를 도시한다.

아날로그/디지털 변환기들(ADC)의 출력들이 제어 회로(CRTL)를 통해 판독될 수 있는 메모리 어레이(RAM)에 연결되어, 디지털 출력 신호들은 디지털 입력 및 출력 포트(DIO)에서의 추가적인 처리를 위해 이용 가능하다.

또한, 각각의 칩(SP) 상에는 클럭 발생기(CLK)와 같이 동작을 위해 필요하고 필요한 전압 공급(VDD, VSS) 및 더 많은 기준 전압들(VREF 또는 REF/PTAT) 중 하나를 위한 어셈블리들이 배치되며 또한 추가적인 ESD 회로 블럭들이 이용 가능하다.

본 발명에 따르면, 다수의 개별 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)이 동일한 센서 칩(SP) 위에 또는 아래에 집적되며, 여기에서 최대 16 또는 8인 a 개의 픽셀들(SE)이 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)을 공유하지만, 바람직하게는 각각의 경우 a = 4, 3 또는 2개의 픽셀들(SE)만 신호 처리 채널을 공유한다.

대응하는 수 a의 픽셀들(SE)은 멀티플렉서들(MUX) 또는 멀티플렉서(MUX)의 영역들을 통해 각각 할당된 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)에 연결된다(도 4a). 특히 바람직하게는, 각각의 픽셀은 전용 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)을 갖는다(즉, a = 1; 도 3 및 도 4b 참조). 가장 작은 잡음 대역폭 및 따라서 가장 낮은 잡음 및 최적의 온도 분해능이 달성된다. 또한, 그러면, 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)의 상류의 멀티플렉서들을 사용하지 않아도 된다(도 2).

그러나, 더 많은 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)의 결과로서 공간 요구사항 및 전력 손실이 또한 증가하기 때문에, 주로 열 분해능 및 공간 요구사항을 고려한 매우 많은 픽셀들을 갖는 센서 어레이들(TPA)의 경우에 a>1을 선택하는 것이 또한 편리할 수 있다.

가능한 한 많은 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)을 칩 상에 수용하기 위해서는, 칩 크기와 비용들뿐만 아니라 센서 어레이(TPA)의 서모파일 픽셀들(SE) 간의 열적 누화(thermal crosstalk)를 줄이기 위해 개별 채널들의 면적 요구사항 및 전력 손실 모두가 매우 작게 되어야 한다.

이를 달성하기 위해, 각각의 경우에 상대적으로 낮은 이득 계수(즉, 500 배 미만)를 갖는 오직 하나의 소형 저잡음 전치증폭기(VV), 및 높은 분해능을 갖는(즉, 적어도 10 비트들을 갖는) 저속 절전 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 갖는 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)이 이용된다.

바람직하게는, 100 배 미만의 이득 계수를 갖는 전치증폭기들(VV)이 포함되며, 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 분해능은 바람직하게는 16 내지 24 비트이어야한다.

낮은 이득 계수를 갖는 전치증폭기(VV) 및 고분해능을 갖는 저속 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 조합은 낮은 이득 계수로 인해 작은 면적 요구사항을 확실히 한다. 또한, 높은 분해능을 갖지만, 비교적 낮은 송신 속도로 동작하는 아날로그/디지털 변환기(ADC)로 인해 낮은 전류 소비가 확실하게 된다.

또한, 전치증폭기(VV)를 사용하지 않고 고분해능 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 사용하는 것이 고려될 수 있다. 아날로그/디지털 변환기들(ADC)의 양 및 음의 기준 전압 VREF의 작은 차이는 결과적으로 온도 분해능이 증가하기 때문에 바람직하다.

예로써, 낮은 오프셋 전압들 및 오프셋 전압 드리프트들에 의해 구별되는 소위 자동제로(스위치드 초퍼) 증폭기들이 전치증폭기들(VV)로서 적합하다. 이득 계수가 < 100 ... 500으로 주어지면, 초퍼 증폭기는 단일 스테이지로 구성될 수 있으며, 따라서 특히 많은 양의 공간 및 전력을 절약할 수 있다.

예로써, "시그마/델타" 방법 또는 "전하 평형" 방법은 고분해능을 갖는 저속 아날로그/디지털 변환기들(ADC)에 적합하다. 매우 많은 아날로그/디지털 변환기들(ADC)이 센서 칩(SP) 상에서 병렬로 동작하기 때문에, 출력에서 오직 하나의 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 갖는 종래의 서모파일 적외선 센서 어레이들과 비교할 때 낮은 변환 속도가 발생하여, 64 x 64 센서 어레이(TPA)에 기초하여 설명될 수 있는 바와 같이, 필요한 낮은 전력 손실 및 작은 공간 요구사항을 야기시킨다.

"시그마/델타" 방법 또는 "전하 평형" 방법에 따라 동작하는 아날로그/디지털 변환기들은 당업자들 사이에서 일상적이고 공지된 변환기들이다.

종래 기술에 따라 구성되고 15 Hz의 프레임 레이트에서 오직 하나의 아날로그/디지털 변환기 내에 64 x 64 픽셀들을 갖는 센서 어레이는 64 x 64 픽셀들 x 15 Hz = 61.440 Hz의 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 변환 속도를 필요로 한다.

본 발명에 따라 병렬로 동작하는 아날로그/디지털 변환기들(ADC)의 경우, 단지 15Hz(a = 1로 주어진 경우) 또는 60Hz(a = 4로 주어진 경우)의 변환 속도가 요구된다. 이는 매우 작은 전류 및 공간 소비로 고분해능(예를 들어, 16 비트 또는 그 초과)을 갖는 아날로그/디지털 변환기들(ADC)을 실현할 수 있게 한다.

각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)의 디지털화된 신호들은 I/O 디지털 포트(DIO)의 직렬 출력 데이터 스트림으로 중계되기 전에 메모리(RAM)의 메모리 어레이에 버퍼-저장될 수 있다. 결과적으로, 디지털 포트(DIO)를 통해 데이터를 판독하기 위한 시간 체계(time regime)는 프레임의 전체 시간이 픽셀 신호들의 적분 및 저역 통과 필터링을 위해 이용 가능하도록 선택될 수 있다.

신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)의 잡음 대역폭은 바람직하게는 필요한 최소값으로 감소되어야 하며, 이는 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)당 픽셀들(SE)의 수와 센서 어레이(TPA)의 프레임 레이트의 곱으로부터 도출된다.

이는, 예를 들어 전치증폭기(VV)의 일부 또는 추가적인 저역 통과 필터(TPF)로서 가능한 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 상류에 집적되는 저역 통과 필터(TPF)에 의해 간단한 방식으로 실현될 수 있다.

도 3 및 도 4b는 잡음 대역폭의 감소가 특히 바람직한 방식으로 적절한 아날로그/디지털 변환기(ADC), 예를 들어 전하 평형 방법에 따라 동작하는 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 적분기 거동에 의해 달성되는, 특히 공간을 절약하는 변형을 예시한다.

위에서 설명된 신규의 신호 처리로 전반적인 성능의 큰 향상이 성취된다.

백색 잡음의 경우, 알려진 바와 같이, 잡음은 전치증폭기(VV)의 신호 또는 잡음 대역폭의 루트에 따라 증가한다. 종래 기술에 따른 64 × 64 센서 어레이의 이용으로, 잡음 대역폭은 오직 하나의 전치증폭기(VV)의 경우에 프레임 레이트의 64 × 64 배만큼 증가할 것이고, 컬럼당 하나의 신호 증폭기의 경우 여전히 64 배 증가할 것이다 .

결과적으로, 하나의 전치증폭기(VV)를 갖는 64 x 64 센서 어레이의 총 잡음 및 온도 분해능은 64 배만큼 더 높을 것이고, 64 개 컬럼 증폭기들의 경우, 각각의 픽셀이 전용 신호 채널을 갖는 어레이에 비하여, 여전히 약 8 배만큼 더 높을 것이다.

따라서, 예로써, 본 발명에 따른 64 x 64 센서 어레이(TPA)는 종래 기술에 따라 구성된 공지의 센서 어레이들의 경우보다 최대 8배 높은 열 분해 능력을 달성할 수 있다. 고려 중인 동일한 모드를 따라, 이는 본 발명에 따른 16 x 16 센서 어레이(TPA)의 경우 4 배만큼, 32 x 32 센서 어레이(TPA)의 경우 5.5 배만큼, 그리고 128 x 128 센서 어레이(TPA)의 경우 11 배만큼 열 분해 능력의 가능한 향상을 야기시킨다.

만일, 128 x 128 센서 어레이(TPA)의 경우, 신호 처리 채널들의 수가 감소되고, 예를 들어, a = 16 픽셀들이 신호 처리 채널을 공유하였다면, 열 분해 능력의 11 배 향상 대신, 이것은 WO 2006/122529 A1과 비교하여 신호 대 잡음비에 있어서 여전히 3 배의 향상을 달성할 것이고 오직 하나의 신호 송신 채널을 갖는 종래기술의 나머지와 비교하여 32배 만큼을 달성할 것이다.

본 발명에 따라 구성된 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 센서 칩(SP)의 주변 에지 영역의 개별 픽셀들(SE)의 에지 영역에, 즉 픽셀들의 외부에 또는 두 영역들 사이에 분산된 방식으로 배치될 수 있다.

전체 센서 칩(SE)에 걸쳐 양호한 열 평형 및 따라서 균질의 열적 이미지를 달성하기 위해서는, 다양한 어셈블리들의 전력 손실들이 센서 칩(SE)에서 가능한 한 균질적이고 대칭적으로 분산되어야 한다.

실제 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N) 및 멀티플렉서들(MUX)과 함께, 추가의 전자 부품들이 센서 칩 상에 부수적으로 집적될 수 있고 멀티플렉서들(MUX)를 통해 디지털 인터페이스에 연결될 수 있다(도 1 및 도 5 참조). 상기 추가의 전자 부품들은, 예를 들어 추가적인 신호 컨디셔닝(signal conditioning) 또는 온도 계산을 위한 온도 기준들, 전압 기준들, 메모리 수단(예를 들어, 교정 데이터를 저장하기 위한 EEPROM들), 또한 가능하다면 소형의 μ 제어기들일 수 있다.

또한, 드리프트 효과들을 보상하여 측정 정확도를 향상시키기 위해, 직렬 데이터 스트링과 함께 동일한 신호 처리 채널을 통해 삽입된, 예를 들어 이미지 픽셀들 또는 피치 구성요소들로부터의 신호들과 같은 부가 정보 REF/PTAT를 갖는 것이 바람직할 수 있다.

각각의 프레임 레이트에 대한 가장 바람직한 잡음 대역폭의 설정은 내부적으로 생성된 마스터 클럭 및 클럭 체계에 의해 미리 정의된 변환 속도에 의해 적분형 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 사용하는 동안 미리 정의될 수 있다.

완전을 기하기 위해, 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)은 실제 센서 칩(SP)(도 6a 및 6b) 아래에, 별개의 칩(ROIC) 상에 배치될 수도 있는 것이 언급되어야 한다.

도 6a는 비아들(TSV) 및 그 아래에 배치되고 전술된 바와 같이 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N) 및 추가 메모리 및 신호 처리 전자장치들이 내부에 집적된 별개의 칩(ROIC)을 갖는 센서 칩(SP)의 개략적인 단면 예시를 도시한다. 비아들(TSV)은 센서 칩(SP)을 통한 관통 개구들이며, 이들은 도전성 재료로 채워지고, 센서 칩(SP)으로부터 절연되며, 각각의 경우 단부들에서 센서 칩(SP) 및 각각 별개의 칩(RIOC) 상의 도전성 트랙들(도시되지 않음)에 연결된다. 센서 칩(SP)과 별개의 칩(ROIC) 사이에는 기계적으로 고정된 연결도 있어야 한다는 것은 말할 나위도 없다.

도 6b는, 도 6a에서와 동일하지만, 방사 입구 윈도우(SEF)를 갖는 센서 칩(SP) 상의 캡 웨이퍼(CAP)에 의해 보충된 배열을 나타낸다. 캡 웨이퍼(CAP)는 그 전체가 적외선 투과 재료로 구성되거나, 단지 센서 어레이(TPA) 위에 이러한 유형의 영역을 포함할 수 있다. 또한, 서모파일 적외선 센서 어레이(TPA)의 동작에 요구되는 인쇄 회로 기판상의 다른 기능 어셈블리들 등에 센서 칩(SP)을 연결하기위한 본드 배선들(BD)과 같은 추가의 전기적 연결 수단이 제공될 수 있다.

센서 칩(SP)과 별개의 칩(ROIC) 사이의 전기적 연결을 위한 비아들(TSV) 대신, 재분배 배선들도 적절할 수 있으며, 여기에서 도전성 트랙들은 센서 칩(SP)으로부터 별개의 칩(ROIC)까지 측부 에지 주위로 유도된다.

TPA: 센서 어레이
VV: 전치증폭기
TPF: 저역 통과 필터
ADC: 아날로그/디지털 변환기
K₁ ... K_N: 신호 처리 채널
SE: 픽셀
SP: 센서 칩
RAM: 메모리 배열
CRTL: 제어 회로
DIO: 디지털 포트
CLK: 클럭 발생기
VREF: 기준 전압
VDD: 드레인 전압
VSS: 소스 전압
MUX: 멀티플렉서
REF/PTAT: 온도 기준
a: 픽셀들의 수
TSV: 비아
ROIC: 별개의 칩
CAP: 캡 웨이퍼
SEF: 방사 입구 윈도우
BD: 본드 와이어

Claims

모놀리식 집적된 신호 처리 및 센서 어레이의 픽셀들로부터의 신호들에 대한 복수의 병렬 신호 처리 채널들, 및 또한 픽셀들의 신호들의 직렬 출력을 위한 디지털 포트를 갖는 고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이로서,
상기 센서 어레이는 하나 또는 그 초과의 센서 칩들에 위치되고,
각각의 신호 처리 채널(K₁... K_N)이 센서 칩(SP)에 배치되거나 그에 인접하여 배치되고, 적어도 하나의 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 포함하며,
각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)에는 아날로그/디지털 변환기들(ADC)의 결과들을 저장하기 위한 메모리(RAM) 내의 메모리 영역이 할당되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 어레이(TPA)의 개개의 픽셀들(SE) 사이의 중심 대 중심 거리는 300 ㎛ 미만과 100 ㎛ 미만 사이인,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)은 적어도 하나의 픽셀(SE) 및 최대 16인 수(a)의 픽셀들(SE)이 할당되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 3 항에 있어서,
상기 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)에 대해, 상기 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)에 할당되는 상기 센서 어레이(TPA)의 픽셀들(SP)을 선택하기 위한 신호 멀티플렉서(MUX)가 제공되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)의 상기 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 상류에 전치증폭기(VV)가 연결되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 5 항에 있어서,
상기 전치증폭기들(VV)은 500 미만과 100 미만 사이의 이득 계수를 갖는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아날로그/디지털 변환기(ADC)는 적어도 10 비트들과 적어도 16 비트들 사이의 분해능을 갖는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아날로그/디지털 변환기(ADC)는 전하 평형 또는 델타-시그마 방법에 따라 동작하는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)은 잡음 대역폭을 제한하기 위한 저역 통과 필터(TPF)를 포함하고,
상기 저역 통과 필터의 차단 주파수는 적어도 상기 서모파일 적외선 센서 어레이(TPA)의 이미지 레이트와 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)당 픽셀들(SE) 수의 곱에 대응하지만, 최대로 상기 곱의 절대 값의 3 배에 대응하는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 9 항에 있어서,
상기 저역 통과 필터(TPF)는 적분형 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 일부인,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 신호 처리 채널(K₁ ... K_N)의 상기 잡음 대역폭은 적분형 아날로그/디지털 변환기(ADC)에 의해 상기 아날로그/디지털 변환기(ADC)의 외부적으로 미리 정의되거나 내부적으로 생성된 마스터 클럭 및 미리 정해진 변환 속도를 이용하여 상기 각각의 이미지 레이트에 따라 결정되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)의 일부는 각각의 경우에 상기 픽셀들(SE) 사이의 공간 내에 배치되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)의 적어도 일부는 센서 칩(SP)의 외측 에지 영역 내의 상기 센서 어레이(TPA)를 둘러싸는 영역 내의 다른 전자장치들과 함께 배치되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
기준 전압(VREF), 전압 공급(VDD, VSS), 온도 기준, 기준 데이터 메모리(REF/PTAT), 클럭 발생기(CLK), I/O 디지털 포트(DIO) 및 또한 신호 처리를 위한 것과 같은 추가적인 전자부품들이 상기 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N) 및 상기 신호 멀티플렉서들(MUX)과 함께 상기 센서 칩(SP) 상에 집적되며,
상기 서모파일 적외선 센서 칩(SP) 및 상기 별개의 칩(ROIC)은 이어서 서로에 대해 고정적으로 연결되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N)의 적어도 일부는 상기 센서 구성요소들(SE)을 갖는 상기 센서 칩(SP)의 아래에 별개의 칩 상에 배치되고,
상기 신호 처리 채널들(K₁ ... K_N) 또는/및 추가의 전자 부품들에 대한 상기 픽셀들(SE)의 전기적 연결은 상기 센서 칩(SP)을 통한 비아들(VIA) 또는 재분배 배선들(redistribution wirings)과 같은 다른 전기적 연결 수단에 의해 이루어지며,
상기 서모파일 적외선 센서 칩(SP) 및 상기 별개의 칩(ROIC)은 서로에 대하여 고정적으로 연결되는,
고분해능 서모파일 적외선 센서 어레이.