KR20190140167A - 적외선 감지 센서 모듈 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 - Google Patents

적외선 감지 센서 모듈 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 의한 적외선 감지 센서 모듈은, 하부층; 상기 하부층 상에 복수의 단위 감지셀이 M x N(여기서 M은 2 이상의 정수, N은 1 이상의 정수임) 배열로 배치된 센서 어레이; 상기 센서 어레이 상에 배치된 상부층; 및 상기 센서 어레이와 상기 상부층 사이에 배치된 복수의 지지부를 포함하고, 상기 단위 감지셀은, 적외선 감지부; 상기 적외선 감지부에 연결된 복수의 레그; 및 상기 복수의 레그 각각과 연결되는 복수의 앵커부를 포함하고, 상기 복수의 지지부 각각은, 상기 복수의 앵커 상에 배치되되 수직 방향으로 상기 복수의 앵커부 각각과 서로 중첩될 수 있다.

Description

적외선 감지 센서 모듈 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 {INFRARED DETECTION SENSOR MODULE AND THERMAL IMAGING CAMERA MODULE INCLUDING THE MODULE}
실시 예는 적외선 감지 센서 모듈 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈에 관한 것이다.
적외선은 파장이 가시광선보다 긴 전자파의 일종으로서 사람을 포함한 모든 자연계에 존재하는 물체에서 방사된다. 물체의 온도가 높을수록 방사되는 에너지의 최대 피크 파장이 짧아지고 온도가 낮을수록 방사되는 에너지의 최대 피크 파장이 길어진다. 예컨대, 온도가 높은 태양은 가시광선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사하며, 사람의 경우에는 적외선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사한다.
적외선 센서는 이러한 물체가 방사하고 있는 적외선을 감지하여 그 적외선이 갖는 복사 에너지의 크기를 이용하여 물체의 유무 또는 물체까지의 거리 등을 측정하는 센서이다.
이러한 적외선 센서의 성능을 개선시키고 외부 환경으로부터 소자를 보호하기 위하여 진공 패키징 기술이 사용된다. 적외선 감지 센서는 진공에서 동작할 때 우수한 성능을 보이기 때문에 진공 패키징 기술을 적용하여 적외선 감지 센서가 진공 상태에 놓이도록 한다. 일반적으로 진공 패키징 기술은 웨이퍼 레벨(wafer level) 또는 픽셀 레벨(pixel level)에서 수행되는 것으로 알려져 있으며, 이러한 적외선 감지 센서 모듈의 일 례를 도 1의 (a) 및 (b)를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 1의 (a) 및 (b) 각각은 웨이퍼 레벨 패키징(wafer level packaging) 및 픽셀 레벨 패키징(pixel level packaging)이 각각 적용된 일반적인 적외선 감지 센서 모듈의 단면도이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 일반적인 웨이퍼 레벨 패키징 방식의 적외선 감지 센서 모듈(100a)은 복수의 적외선 감지 센서(110a)가 배치된 소자 웨이퍼(120a), 소자 웨이퍼(120a)와 소정의 간격만큼 이격된 상부 웨이퍼(130a) 및 소자 웨이퍼(120a)와 상부 웨이퍼(130a)를 본딩(bonding)하는 금속 솔더층(140a)으로 구성된다. 이와 같은 일반적인 웨이퍼 레벨 패키징 방식의 적외선 감지 센서 모듈(100a)의 경우, 소자 웨이퍼(120a)와 상부 웨이퍼(130a) 사이의 대면적을 진공 상태에 놓이도록 하기 위해 고가의 고진공 본딩 장비를 필요로 하므로 진공 패키징 비용이 비싸고, 소자의 두께가 두꺼워져 장치를 소형화하는데 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 웨이퍼 레벨이 아닌, 픽셀 레벨에서 개별 진공하는 패키징 기술이 제안되었으나, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 일반적인 픽셀 레벨 패키징 방식의 적외선 감지 센서 모듈(100b)의 경우, 개별 진공을 위한 별도의 격벽(140b) 내지 격벽(140b)을 위한 별도의 공간을 필요로 하므로 필 팩터(fill factor)-예컨대, 전체 소자 면적 대비 액티브 영역(active area)이 차지하는 비중-가 현저히 감소되는 문제점이 있다.
이에 고가의 고진공 본딩 장비를 사용하지 않고도 필 팩터를 향상시킬 수 있는 진공 패키징 기술의 필요성이 대두되고 있다.
실시 예는 고가의 고진공 본딩 장비를 사용하지 않고도 필 팩터를 개선할 수 있는 적외선 감지 센서 모듈 및 이 모듈을 이용한 열화상 카메라를 제공하기 위한 것이다.
실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예는 하부층; 상기 하부층 상에 복수의 단위 감지셀이 M x N(여기서 M은 2 이상의 정수, N은 1 이상의 정수임) 배열로 배치된 센서 어레이; 상기 센서 어레이 상에 배치된 상부층; 및 상기 센서 어레이와 상기 상부층 사이에 배치된 복수의 지지부를 포함하고, 상기 단위 감지셀은, 적외선 감지부; 상기 적외선 감지부에 연결된 복수의 레그; 및 상기 복수의 레그 각각과 연결되는 복수의 앵커부를 포함하고, 상기 복수의 지지부 각각은, 상기 복수의 앵커 위에 배치되되 수직 방향으로 상기 복수의 앵커부 각각과 서로 중첩되는, 적외선 감지 센서 모듈을 제공한다.
이때, 상기 센서 어레이의 외측에 형성되는 측벽을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 측벽은 진공 상태에서 상기 하부층과 상기 상부층 사이를 허메틱 실링(hermetic sealing)할 수 있고, 상기 복수의 지지부와 상기 상부층은 일체로 형성될 수 있다.
그리고 상기 단위 감지셀은, 상기 적외선 감지부 아래에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있으며, 상기 반사층과 상기 적외선 감지부 사이의 제1 간격은 상기 적외선 감지부와 상기 상부층 사이의 제2 간격과 동일할 수 있다.
이때, 상기 상부층은 8㎛ 내지 12 ㎛의 파장(λ) 대역을 갖는 적외선을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 고가의 고진공 본딩 장비를 사용하지 않고도 진공 패키징이 가능하므로 종래 대비 패키징 비용을 크게 절감할 수 있다.
둘째, 개별 진공을 위한 별도의 격벽 내지 격벽을 위한 별도의 공간이 불필요하므로 필 팩터가 향상될 수 있다.
셋째, 웨이퍼(wafer) 본딩(bonding) 공정이 아닌, 증착 공정에 기한 허메틱 실링(hermetic sealing)을 통해 진공 패키징이 수행되므로 소자의 두께가 감소되고 장치의 소형화, 박형화가 가능하다.
본 실시 예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1의 (a) 및 (b) 각각은 웨이퍼 레벨 패키징(wafer level packaging) 및 픽셀 레벨 패키징(pixel level packaging)이 각각 적용된 일반적인 적외선 감지 센서 모듈의 단면도이다.
도 2의 (a) 및 (b) 각각은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 일부에 대한 개략적인 구성을 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 단위 감지셀이 M x N 배열로 배치된 센서 어레이를 포함하는 적외선 감지 센서 모듈을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 4의 (a)은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 지지부 및 상부층을 증착한 단계에서의 사시도, 도 4의 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 측벽을 증착한 단계에서의 사시도를 각각 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 방법을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화상 카메라 모듈의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예를 상세히 설명한다. 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시 예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시 예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시 예에 의한 적외선 감지 센서 모듈을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 2의 (a) 및 (b) 각각은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 일부에 대한 개략적인 구성을 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈은 하부층(210), 단위 감지셀(220), 지지부(230), 상부층(230) 및 측벽(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
하부층(210)은 실리콘 기판을 포함할 수 있고, 상기 실리콘 기판에는 적외선 감지부(220)를 구동하기 위한 판독집적회로(ROIC)가 형성될 수 있으며, 저항값의 변화에 따른 전기적인 신호는 하부층(110)에 내장된 판독집적회로 (ROIC)에 입력될 수 있다. 비록 도시되지는 않았지만, 하부층(110)은 실리콘 기판 위에 후속 공정으로부터 실리콘 기판의 손상을 방지하거나 소자와의 쇼트를 방지하기 위한 보호층으로 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx) 등의 절연층(미도시)을 포함할 수도 있다.
단위 감지셀(220)은 적외선 감지부(222), 복수의 레그(224-1,224-2), 복수의 앵커부(226-1,226-2) 및 반사층(228)을 포함할 수 있다.
적외선 감지부(222)는 상부층(230)을 선택적으로 통과한 특정 파장의 적외선을 수신하여 이를 감지하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 적외선 감지부(222)는 온도에 따라 저항값이 변화하는 소자로서, 온도와 저항값이 반비례하는 NTC(negative temperature coefficient thermistor)와 온도와 저항값이 비례하는 PTC(positive temperature coefficient thermistor) 등이 있고, 본 발명에서는 통상의 기술자에 의해 적절히 선택되어 설계될 수 있다.
예를 들어, 적외선 감지부(222)는 적외선을 흡수할 때 저항값이 감소되는 특성을 가질 수 있다. 흡수된 적외선 에너지에 의해 적외선 감지부(222)의 온도가 상승하고 저항값이 감소되면, 출력 전압이 증가될 수 있다. 이와 같이, 증가된 출력 전압은 레그(224) 및 앵커부(226)를 통해 하부층(210)에 전류를 흐르게 한다. 여기서, 감소되는 전기 저항의 양은 흡수되는 적외선의 양에 따라 변하게 되며, 이러한 특성을 이용하여 적외선 감지부(222)는 적외선을 감지할 수 있게 된다. 다시 말해서, 적외선 감지부(222)에서 흡수한 적외선 에너지 의한 전기 저항값의 변화에 따라 전기적인 신호를 레그(224) 및 앵커부(226)를 통하여 하부층(210)으로 전달할 수 있다.
그리고, 적외선 감지부(222)에 사용되는 물질은 높은 저항 온도 계수(temperature coefficient of resistence, TCR), 낮은 비저항(resistivity), 집적회로(integrated circuit, IC) 공정과의 연계성, 제조공정의 저렴화 및 단순화, 높은 재현성 등이 요구될 수 있다. 특히, 적외선 감지부(222)에는 미세한 온도 변화에도 예민하게 반응하는 반도체, 음(-)의 저항 온도 계수가 높은 물질 또는 흡수되는 적외선의 정도에 따라서 저항값이 가변되는 물질 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 적외선 감지부(222)는 티타늄(Titanium, Ti)과 같은 금속, 비정질 실리콘(a-Si), 금속 산화막의 일종인 산화바나듐(VOx), 산화물 저항 박막 등을 포함할 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 구체적인 적외선 감지부(222)의 물질은 이에 한정되지 아니함은 통상의 기술자에게 자명하다. 여기서, 음(-)의 저항 온도 계수가 높은 산화 바나듐(VOx)은 온도 증가에 따른 저항값의 감소 비율이 커서 피사체의 온도 차이를 쉽게 구별하게 할 수 있다.
복수의 레그(224-1,224-2)는 적외선 감지부(222)에 연결되고, 복수의 앵커부(226-1,226-2)는 복수의 레그(224-1,224-2) 각각과 연결될 수 있다. 상세하게는, 복수의 레그(224-1,224-2)는 적외선 감지부(222)의 양단에 연결되고, 각각의 레그(224-1,224-2)의 종단에 앵커부(226-1,226-2)가 연결될 수 있다. 또는, 적외선 감지부(222), 복수의 레그(224-1,224-2) 및 복수의 앵커부(226-1,226-2)는 일체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 복수의 레그(224-1,224-2)는 적외선 감지부(222)의 양단으로부터 연장되고, 각각의 레그(224-1,224-2)의 종단으로부터 앵커부(226-1,226-2)가 연장되어 형성될 수 있다.
구체적으로, 적외선 감지부(222)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 사각 형상을 가지고, 사각 형상의 대각선 모서리 영역에서 각각의 레그(224-1,224-2)가 돌출되며, 제1 레그(224-1)의 끝단에서 제1 앵커부(226-1)가 연장되고, 제2 레그(224-2)의 끝단에서 제2 앵커부(226-2)가 연장될 수 있다. 다만, 적외선 감지부(222)의 형상은 이에 한정되지 아니하고, 원형, 삼각형, 사다리꼴 등의 모양을 포함할 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
또한, 복수의 레그(224-1,224-2)는 적외선 감지부(222)와 동일 평면상에 존재하고, 앵커부(226-1,226-2)는 적외선 감지부(222)와 복수의 레그(224-1,224-2)에 대해 직교하는 방향으로 연장되어, 하부층(210)과 전기적 및/또는 열적으로 연결될 수 있다.
여기서, 레그(224)는 단면적이 작고, 길게 형성되며 열 전도율이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 그 이유는, 적외선 감지부(222)가 적외선 에너지를 흡수하여 발생되는 열은 수 나노와트(nW) 정도로 매우 작으므로, 상기 열이 효과적으로 전기적 신호로 변환되기 위해 외부로 빠져나가는 열 손실을 최대한 억제할 필요가 있기 때문이다. 다시 말해서, 적외선 감지부(222)는 외부와의 열전도를 최소화하고 열 손실을 억제하기 위한 열 고립 구조가 요구되고, 열 고립 구조의 성능을 향상하기 위하여 적외선 감지부(222)와 하부층(210)을 전기적으로 연결하는 레그(224)의 단면적을 작고, 길게 형성할 수 있다.
한편, 도 2의 (a)의 A-A' 및 B-B'에서 바라본 단면도가 도시된 도 2의 (b)를 참조하면, 앵커부(226)는 레그(224)에서 수직 하방으로 연장될 수 있다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 적외선 감지부(222)와 하부층(210) 사이는 레그(224)와 앵커부 (226)에 의해서 연결되고, 나머지는 진공으로 비어 있어 열전도도가 매우 낮을 수 있다. 즉, 적외선 감지부(222)에 열로 흡수된 적외선 에너지가 레그(224)와 앵커부(226)를 통해 하부층(210)으로 빠져나갈 수 있게 함으로써, 열전도도를 낮게 하여 적외선 신호 크기에 비례하여 온도가 높게 상승할 수 있다. 이때, 적외선 감지부(210)에서 온도 상승에 따른 전기적 저항값 변화를 전기적 신호로 감지하여 적외선 신호를 생성하게 되고, 전기적 신호(또는 전류)가 레그(224)와 앵커부(226)를 통해서 빠져나갈 수 있다.
앵커부(226)는 소정의 전기적 신호를 하부층(210)으로 전달할 수 있고, 지지부(230)와 함께 상부층(230)을 구조적으로 지지하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 앵커부(226)는 하부층(210)의 판독집적회로(ROIC)와 적외선 감지부(222)를 전기적으로 연결하는 플러그로 이용될 수 있고, 소정의 전기적 신호는 하부층(210)에 전달되어 판독집적회로(ROIC)에 전류를 흐르게 한다.
그리고, 하부층(210)의 표면에 적외선 흡수 효율을 높이는데 기여하는 반사층(228)이 배치될 수 있다. 이때, 적외선의 입사로 인해 발생하는 열의 손실을 최소화하기 위하여 반사층(228)과 적외선 감지부(222) 사이에는 일정 거리만큼 이격된 빈 공간(air gap)이 형성될 수 있다.
여기서, 빈 공간(air gap)의 제1 간격(d1)은 반사층(228)과 적외선 감지부(222) 사이의 이격 거리로 정의될 수 있고, λ/4(여기서, λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 바람직하게는 8-12 ㎛임), 즉 2-3 ㎛로 조절될 수 있다. 빈 공간(air gap)의 제1 간격(d1)이 λ/4일 경우, 적외선 감지부(222)을 통과한 적외선의 대부분이 반사층(228)에서 반사된 후 다시 적외선 감지부(222)에 도달할 수 있다. 이러한 빈 공간(air gap)은 적외선이 반사층(228)을 통해서 반사하여 다시 적외선 감지부(122)로 입사되게 함으로써, 적외선 흡수 효율을 높이는데 기여할 수 있다.
상부층(230)은 렌즈부(미도시)에 의해 집광되는 적외선 중에서 선택된 특정 파장을 갖는 적외선만을 통과시키는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 바람직하게는 8~12㎛ 파장의 적외선을 통과시킨다. 예를 들어 사람은 전 파장에 걸쳐 에너지를 방출하지만 8~12㎛ 파장에서 가장 많은 에너지를 방출하기 때문에 해당 파장을 투과시킴으로써 사람의 존재여부 및 움직임 등을 파악할 수 있다. 그러나 상기한 파장은 본 발명의 일 예시이며 이러한 원리를 이용하여 특정 물체를 감지하고자 하는 경우에는 해당 물체가 가장 많은 에너지를 방출하는 파장만을 통과시키는 상부층을 적용함이 바람직하다.
상부층(230)은 저항소자, 열전소자 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 적외선을 투과할 수 있는 실리콘(silicon) 계열의 물질을 포함할 수 있으나, 상부층(230)의 재료는 예시적인 것이며 이에 한정되지 아니함은 통상의 기술자에게 자명하다.
복수의 지지부(240)는 단위 감지셀(220)과 상부층(230) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 후술할 진공 패키징을 위하여 상부층(230)과 적외선 감지부(222) 사이에는 소정의 거리만큼 이격된 빈 공간(air gap)이 형성될 수 있다.
여기서, 빈 공간(air gap)의 제2 간격(d2)은 적외선 감지부(222)와 상부층(230) 사이의 이격 거리로 정의될 수 있고, λ/4(여기서, λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 바람직하게는 8-12 ㎛임), 즉 2-3 ㎛로 조절될 수 있다. 여기서 바람직하게는, 반사층(228)과 적외선 감지부(222) 사이의 제1 간격(d1)과 적외선 감지부(222)와 상부층(230) 사이의 제2 간격(d2)은 동일할 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 본 발명의 다른 실시 예에 의하면 제1 간격(d1)과 제2 간격(d2)은 다르게 형성될 수도 있다.
또한, 복수의 지지부(230) 각각은 복수의 앵커부(226) 위에 배치되되, 수직 방향으로 상기 복수의 앵커부(226) 각각과 서로 중첩될 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 공정에 대해서 후술하겠지만, 복수의 지지부(240)와 상부층(230)은 동일한 물질로 구성될 수 있으며 일체로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 지지부(230)는 적외선을 투과할 수 있는 실리콘(silicon) 계열의 물질을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 지지부(240)와 앵커부(226)가 수직 방향으로 서로 중첩되어 배치되고, 복수의 지지부(240)와 상부층(230)이 일체로 형성될 경우, 도 1의 (a)에 도시된 웨이퍼 레벨(wafer level)의 진공 패키징과 달리 하부층(210)과 상부층(230)을 접합하기 위한 별도의 웨이퍼 본딩 공정이 생략될 수 있고, 고진공 장비를 사용하지 않고도 진공 패키징이 가능하므로 종래 대비 패키징 비용을 50% 이상 절감할 수 있다. 또한, 도 1의 (b)에 도시된 픽셀 레벨(pixel level)의 진공 패키징과 비교하여, 복수의 단위 감지셀(220) 사이에 개별 진공을 위한 별도의 격벽 내지 상기 격벽을 위한 별도의 공간이 불필요하므로 필 팩터(fill factor)-예컨대, 전체 소자 면적 대비 액티브 영역(active area)이 차지하는 비중-가 향상될 수 있다.
설명의 편의를 위하여 비록 도 2에 도시하지는 아니하였지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈은, 진공 패키징을 위하여 복수의 단위 감지셀이 M x N(여기서 M은 2 이상의 정수, N은 1 이상의 정수임) 배열로 배치된 센서 어레이(미도시)의 외측에 형성된 측벽(미도시)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 측벽(미도시)은 센서 어레이(미도시)의 가장자리를 에워싸도록 형성될 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 3을 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 단위 감지셀이 M x N 배열로 배치된 센서 어레이를 포함하는 적외선 감지 센서 모듈을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 공정에 대해서 후술하겠지만, 복수의 지지부(340) 및 상부층(330)은 센서 어레이(320) 상에 적층된 희생층을 식각 및 증착하는 과정을 거쳐 제조되는데, 도 3은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 상기 요소들을 분해하여 도시한 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈(300)은 하부층(310), 센서 어레이(320), 상부층(330), 복수의 지지부(340) 및 센서 어레이(320)의 외측에 형성되는 측벽(350)을 포함할 수 있다. 상술한 실시예들과 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
센서 어레이(320)는 하부층(310) 위에 복수의 단위 감지셀(220)이 M x N(여기서 M은 2 이상의 정수, N은 1 이상의 정수임) 배열로 배치될 수 있고, 복수의 지지부(340)는 센서 어레이(320)의 복수의 앵커부(322) 위에서 상기 복수의 앵커부(322)와 수직 방향으로 서로 중첩되어 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈(300)은 센서 어레이(320)를 기준으로 상부층(330), 복수의 지지부(340) 및 측벽(350)이 도 3에 도시된 화살표 방향으로 결합한 형태일 수 있다.
여기서, 측벽(350)은 센서 어레이(320)의 외측에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 센서 어레이(320)의 가장 자리-예컨대, 4 측면-를 모두 에워싸도록 배치되어 하부층(310)과 상부층(330) 사이를 진공 상태에서 허메틱 실링(기밀 밀봉; hermetic sealing)할 수 있다. 다시 말해서, 측벽(350)에 의해 진공 상태에서 하부층(310)과 상부층(330) 사이가 허메틱 실링(hermetic sealing)됨에 따라, 적외선 감지 센서 모듈(300)의 내부는 대략 0.01mbar의 진공도로 유지될 수 있다.
측벽(350)의 제조 공정에 대하여 간략히 설명하면, 진공 챔버(chamber) 내에서 하부층(310) 중 센서 어레이(320)의 가장 자리 영역 상에 스퍼터링법(Sputtering), 증발법(Evaporation), EIP법(Enhanced Ion-Plating) 등으로 시드층을 형성한 다음, 박막을 증착시켜 하부층(310)과 상부층(330) 사이를 허메틱 실링(기밀 밀봉; hermetic sealing)할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 스퍼터링 공정 외에 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정, PVD(Physical Vapor Deposition) 공정 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정 등 다양한 증착 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 소정의 박막을 증착함에 따라 측벽(350)을 형성할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명은 도 1의 (a)에 도시된 일반적인 적외선 감지 센서 모듈과 달리, 하부층(310)과 상부층(330) 사이를 웨이퍼(wafer) 본딩(bonding) 공정에 의하지 아니하고, 증착 공정에 의하여 허메틱 실링(hermetic sealing)하므로 소자의 두께가 감소되고 적외선 감지 센서 모듈의 소형화, 박형화가 가능하다.
이하에서는 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하여 도 3에 도시된 분해 사시도를 결합한 구성을 설명하기로 한다.
도 4의 (a)은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 지지부 및 상부층을 증착한 단계에서의 사시도, 도 4의 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 측벽을 증착한 단계에서의 사시도를 각각 나타낸다.
도 4에 도시된 구성 요소는 도 3에 도시된 구성 요소와 동일하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 설명의 편의를 위해 도 3에 도시된 실시 예와 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 복수의 지지부(340)는 센서 어레이(320)의 복수의 앵커부(322) 위에서 상기 복수의 앵커부(322)와 수직 방향으로 서로 중첩되어 배치되므로, 인접한 단위 감지셀(320) 사이에 별도의 격벽 내지 격벽을 위한 공간이 생략될 수 있다. 이에 따라, 전체 소자 면적 대비 액티브 영역(active area)이 차지하는 비중, 즉 필 팩터(fill factor)가 향상될 수 있다.
또한, 하부층(310)과 센서 어레이(320) 사이 및 센서 어레이(320)와 상부층(330) 사이 각각에 빈 공간(air gap)이 형성될 수 있으며, 상기 빈 공간(air gap)은 하부층(310)과 상부층(320) 사이가 허메틱 실링(기밀 밀봉; hermetic sealing)됨에 따라 진공 상태가 유지될 수 있다(도 4의 (b) 참조).
도 4의 (b)를 참조하면, 도 4의 (a)에 도시된 센서 어레이(320)의 가장 자리를 에워싸는 측벽(350)에 의하여 하부층(310)과 상부층(330)이 진공 상태에서 허메틱 실링(기밀 밀봉; hermetic sealing)될 수 있다. 여기서, 측벽(350)은 전술한 바와 같이, 진공 증착 공정에 의하여 형성될 수 있으며 별도의 웨이퍼(wafer) 본딩 공정이 생략되므로 고가의 장비를 사용하지 않고도 진공 패키징이 가능하며, 소자의 두께를 감소시킬 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 방법을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 방법을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 먼저 판독집적회로(ROIC)를 포함하는 하부층(510) 위에 패드전극(512)을 형성할 수 있다(도 5의 (a)).
다음으로, 하부층(510) 및 패드전극(512) 위에 소정 두께의 제1 희생층(514)을 형성할 수 있다(도 5의 (b)). 여기서, 제1 희생층(514)은 폴리이미드계 유기물이 주로 사용되며 필요에 따라 실리콘 산화막이나 다결정 실리콘 또는 비결정 실리콘막이 사용될 수도 있다.
제1 희생층(514)을 형성한 이후, 패드전극(512)이 노출되도록 제1 희생층(514)을 식각(etching)하여 제1 관통홀(H1)을 형성하고, 제1 희생층(514)의 전면 및/또는 제1 관통홀(H1)의 내주면 둘레를 따라 버퍼층(516)을 증착할 수 있다(도 5의 (c)).
이후, 버퍼층(516) 위에 적외선 감지부(522)를 형성하고, 노출된 패드전극(512) 위에 앵커부(524)를 증착할 수 있다. 여기서, 상기 앵커부 (524)는 제1 관통홀(H1) 내부에 매립될 수 있다. 그리고, 적외선 감지부(522)의 양단으로부터 앵커부(524)의 종단까지 연장되도록 레그(526)를 형성할 수 있다(도 5의 (d)).
정리하면, 레그(526)는 적외선 감지부(522)와 동일 평면상에 존재하고, 앵커부(524)는 적외선 감지부(522)와 레그(526)에 대해 직교하는 방향으로 연장되어, 하부층(510)과 전기적 및/또는 열적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
앵커부(524) 및 레그(526)를 형성하고 나면, 앵커부(524), 레그(526) 및 적외선 감지부(522)의 전면에 흡수층(518)을 형성할 수 있다(도 5의 (e)). 여기서, 흡수층(518)은 집광된 적외선 중에서 선택적으로 통과한 특정 파장의 적외선을 흡수하는 역할을 수행할 수 있다.
흡수층(518)을 형성한 이후, 노출된 제1 희생층(514) 및 흡수층(518)의 전면에 소정 두께의 제2 희생층(528)을 형성할 수 있다(도 5의 (f)). 여기서, 제2 희생층(528)은 제1 희생층(514)과 동일한 물질로 구성될 수 있으며, 폴리이미드계 유기물이 주로 사용되고 필요에 따라 실리콘 산화막이나 다결정 실리콘 또는 비결정 실리콘막이 사용될 수도 있다.
이어서, 제2 희생층(528) 중 흡수층(518)의 일부가 노출되되, 앵커부(524)와 수직 방향으로 서로 중첩되도록, 제2 희생층(514)을 식각 (etching)하여 복수의 제2 관통홀(H2)을 형성할 수 있다(도 5의 (g)).
복수의 제2 관통홀(H2)을 식각하고 나면, 복수의 제2 관통홀(H2) 각각의 내부에 적외선을 투과할 수 있는 실리콘(silicon) 계열의 물질을 증착하여 지지부(530) 및 소정의 두께를 갖는 상부층(540)을 형성할 수 있다(도 5의 (h)). 여기서, 지지부(530)와 상부층(540)은 일체로 형성될 수 있다.
이후, 제1 및 제2 희생층(514, 528)을 함께 식각하여 제거할 수 있다(도 5의 (i)). 제1 희생층(514)은 적외선 감지부(522)의 변형을 방지하기 위하여, 제2 희생층(528)은 상부층(540)의 변형을 방지하기 위하여 각각 형성하지만(도 5의 (b), (f)), 적외선 복사 에너지를 흡수해서 발생하는 열을 고립시킬 수 있는 공진 구조를 형성하거나 진공 패키징을 수행하기 위한 빈 공간을 형성하기 위하여 제1 및 제2 희생층(514, 528)을 제거하는 공정을 필요로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 공정에 의하면, 동일한 제조 공정을 이용하여 제1 희생층(514)과 제2 희생층(528)을 함께 식각할 수 있기 때문에 높은 수율과 정합성을 얻을 수 있다.
제1 및 제2 희생층(514, 528)을 식각한 이후, 하부층(510)과 상부층(540) 사이를 진공 상태에서 허메틱 실링(기밀 밀봉; hermetic sealing)할 수 있도록 측벽(550)을 형성할 수 있다(도 5의 (j)).
진공 챔버(chamber) 내에서 하부층(510) 중 센서 어레이(미도시)의 가장 자리 영역 상에 스퍼터링법(Sputtering), 증발법(Evaporation), EIP법(Enhanced Ion-Plating) 등으로 시드층을 형성한 다음, 박막을 증착시켜 하부층(510)과 상부층(540) 사이를 허메틱 실링(기밀 밀봉; hermetic sealing)할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 스퍼터링 공정 외에 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정, PVD(Physical Vapor Deposition) 공정 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정 등 다양한 증착 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 소정의 박막을 증착함에 따라 측벽(550)을 형성할 수도 있다.
도 5의 (j)를 참조하면, 측벽(550)에 의해 진공 상태에서 하부층(510)과 상부층(540) 사이가 허메틱 실링(hermetic sealing)됨에 따라, 적외선 감지 센서 모듈의 내부는 대략 0.01mbar의 진공도로 유지될 수 있다.
이하에서는, 도 6를 참조하여 도 3에 도시된 적외선 감지 센서 모듈을 이용한 열화상 카메라 모듈(600)를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화상 카메라 모듈의 개략적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화상 카메라 모듈(600)는 외부에서 방출되는 적외선을 집광하는 렌즈부(610), 렌즈부(610)에 의해 집광된 적외선 중 선택된 특정 파장을 갖는 적외선만을 투과 및 감지하는 적외선 감지 센서 모듈(620), 적외선 감지 센서 모듈(620)를 구동시키는 구동 회로부(630) 및 적외선 감지 센서 모듈(620)에서 감지된 적외선에 따른 감지신호를 처리하는 신호 처리부(640)를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 적외선 감지 센서 모듈(620)은 도 3에 도시된 적외선 감지 센서 모듈에 해당하며, 이들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
렌즈부(610)는 외부로부터 적외선을 집광하는 기능을 수행하는 것으로서 공간상에 존재하는 물체로부터 방출되는 적외선을 수집하여 초점면에 집광시키는 기능을 수행한다. 이러한 렌즈부(610)는 예를 들어 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 볼록 렌즈로 구현될 수 있다. 특히 공간상에서 방출되는 적외선은 렌즈부(610)를 통해 집광되어 적외선 감지 센서 모듈(620)에 입사된다.
적외선 감지 센서 모듈(620)은 렌즈부(610)에 의해 집광되는 적외선 중에서 선택된 특정 파장을 갖는 적외선만을 통과시키고, 선택적으로 통과한 특정 파장의 적외선을 수신하여 이를 감지하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 바람직하게는 8~12㎛ 파장의 적외선을 통과시킨다. 예를 들어 사람은 전 파장에 걸쳐 에너지를 방출하지만 8~12㎛ 파장에서 가장 많은 에너지를 방출하기 때문에 해당 파장을 투과시킴으로써 사람의 존재여부 및 움직임 등을 파악할 수 있다. 그러나 상기한 파장은 본 발명의 일 예시이며 이러한 원리를 이용하여 특정 물체를 감지하고자 하는 경우에는 해당 물체가 가장 많은 에너지를 방출하는 파장만을 통과시키는 적외선 감지 센서를 적용함이 바람직하다.
또한, 적외선 감지 센서 모듈(620)은 적외선 복사 에너지를 전기적 신호로 바꾸어 주는 기능을 수행할 수 있다. 적외선이 적외선 감지 센서 모듈(620)에 포함된 적어도 하나의 적외선 감지부에 입사하게 되면, 상기 적외선 감지부는 적외선이 갖고 있는 복사 에너지를 흡수하게 되어 전기 저항이 작아지게 되며, 이와 같이 변화된 저항값에 대응하는 신호를 구동회로부 (630)에서 처리함으로써 공간상의 물체의 존재 및 움직임을 감지하게 된다.
구동 회로부(630)는 적외선 감지 센서 모듈(620)이 동작할 수 있도록 적외선 감지 센서 모듈(620)을 구동하는 기능을 수행한다. 특히 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 회로부(630)는 적외선 감지 센서 모듈(620)과 전기적으로 연결되어 전원을 공급하고 적외선 감지 센서 모듈(620)에서의 감지신호를 신호 처리부(640)로 전달하도록 제어한다.
이를 위하여, 구동 회로부(630)는 적외선 감지 센서 모듈(620)를 투과한 적외선이 적어도 하나의 적외선 감지부에 입사되면, 변화된 적외선 감지부의 저항값을 감지하고 해당 값에 대응하는 소정의 신호를 생성한다. 이러한 신호는 예를 들어 물체의 유무, 위치, 이동 및 해당 물체의 공간 등을 감지할 수 있는 값으로 출력될 수 있다.
신호 처리부(640)는 적외선 감지 센서 모듈(620)에서 감지한 적외선 감지 신호를 연산 처리하여 그 결과를 출력하는 기능을 수행한다. 특히, 신호 처리부(640)는 적외선 감지신호를 보정하는 기능을 수행한다. 즉 신호 처리부(640)는 적외선 감지 센서 모듈(620)에 포함된 적어도 하나의 적외선 감지부 간 검출신호의 옵셋(offset)값과 이득(gain)값을 보정함으로써, 동일한 물체에 대하여 각 적외선 감지부 간 검출신호의 편차를 줄일 수 있도록 한다. 이러한 옵셋값 및 이득값 조정은 다양한 방법으로 구현할 수 있으며, 이는 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
실시 예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시 예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 전술한 실시 예에 의한 적외선 감지 센서 모듈을 이용하여 광학 기기를 구현할 수 있다. 여기서, 광학 기기는 적외선 감지 신호를 가공하거나 분석할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 광학 기기의 예로는 카메라/비디오 장치, 망원경 장치 등이 있을 수 있다.
또한, 광학 기기는 자동문에서 사람이 다가오는 것을 알고 문을 자동으로 열고 조명등을 자동으로 켜거나 한밤중에 건물 내에 외부인의 침입을 확인하는 보안장치를 비롯하여 화재가 발생하였을 때 연기로 인하여 인명 구조활동이 불가능한 상황에서 열을 감지하여 영상화 시켜주는 열화상 카메라 등의 장치로 구현될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (10)

  1. 하부층;
    상기 하부층 상에 복수의 단위 감지셀이 M x N(여기서 M은 2 이상의 정수, N은 1 이상의 정수임) 배열로 배치된 센서 어레이;
    상기 센서 어레이 상에 배치된 상부층; 및
    상기 센서 어레이와 상기 상부층 사이에 배치된 복수의 지지부를 포함하고,
    상기 단위 감지셀은,
    적외선 감지부;
    상기 적외선 감지부에 연결된 복수의 레그; 및
    상기 복수의 레그 각각과 연결되는 복수의 앵커부를 포함하고,
    상기 복수의 지지부 각각은, 상기 복수의 앵커 상에 배치되되 수직 방향으로 상기 복수의 앵커부 각각과 서로 중첩되는, 적외선 감지 센서 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 센서 어레이의 외측에 형성되는 측벽을 더 포함하는, 적외선 감지 센서 모듈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 측벽은,
    진공 상태에서 상기 하부층과 상기 상부층 사이를 허메틱 실링(hermetic sealing)하는, 적외선 감지 센서 모듈.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 지지부와 상기 상부층은 일체로 형성되는, 적외선 감지 센서 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 감지셀은, 상기 적외선 감지부 아래에 형성된 반사층을 더 포함하는, 적외선 감지 센서 모듈.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 적외선 감지부 사이의 제1 간격은 상기 적외선 감지부와 상기 상부층 사이의 제2 간격과 동일한, 적외선 감지 센서 모듈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 상부층은 8㎛ 내지 12 ㎛의 파장(λ) 대역을 갖는 적외선을 선택적으로 투과시키는, 적외선 감지 센서 모듈.
  8. 물체에서 방출되는 적외선을 집광하는 렌즈부;
    상기 렌즈부를 통해 집광되는 적외선 중 기 설정된 파장 대역을 갖는 적외선을 선택적으로 투과 및 감지하는 적외선 감지 센서 모듈;
    상기 적외선 감지 센서 모듈을 구동하는 구동 회로부; 및
    상기 적외선 감지 센서 모듈에서 감지한 적외선에 대한 감지 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 적외선 감지 센서 모듈은,
    하부층;
    상기 하부층 상에 복수의 단위 감지셀이 M x N(여기서 M은 2 이상의 정수, N은 1 이상의 정수임) 배열로 배치된 센서 어레이;
    상기 센서 어레이 상에 배치된 상부층; 및
    상기 센서 어레이와 상기 상부층 사이에 배치된 복수의 지지부를 포함하고,
    상기 단위 감지셀은,
    적외선 감지부;
    상기 적외선 감지부에 연결된 복수의 레그; 및
    상기 복수의 레그 각각과 연결되는 복수의 앵커부를 포함하고,
    상기 복수의 지지부 각각은, 상기 복수의 앵커 상에 배치되되 수직 방향으로 상기 복수의 앵커부 각각과 서로 중첩되는, 열화상 카메라 모듈.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 적외선 감지 센서 모듈은,
    상기 센서 어레이의 외측에 형성되는 측벽을 더 포함하는, 열화상 카메라 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 측벽은,
    진공 상태에서 상기 하부층과 상기 상부층 사이를 허메틱 실링(hermetic sealing)하는, 열화상 카메라 모듈.
KR1020180066613A 2018-06-11 2018-06-11 적외선 감지 센서 모듈 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 KR20190140167A (ko)

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KR1020180066613A KR20190140167A (ko) 2018-06-11 2018-06-11 적외선 감지 센서 모듈 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈

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CN111879419A (zh) * 2020-08-03 2020-11-03 无锡物联网创新中心有限公司 一种红外热探测器及其制作方法

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CN111879419A (zh) * 2020-08-03 2020-11-03 无锡物联网创新中心有限公司 一种红外热探测器及其制作方法
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