KR20210002555A - 픽셀 당 다크 기준 볼로미터 - Google Patents
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Abstract
마이크로볼로미터 어레이는 불균일 보정을 위해 픽셀 당 다크 기준 구조(per-pixel dark reference structures)를 포함한다. 일 예에서, 열 이미저(thermal imager)는 장치 기판(device substrate), 상기 장치 기판 상에 배치되고, 2 차원 어레이로 배열된 복수의 검출기 엘리먼트를 포함하는 마이크로볼로미터를 포함하고, 각각의 검출기 엘리먼트는 이미징 마이크로볼로미터 및 기준 마이크로볼로미터를 포함하고, 상기 이미징 마이크로볼로미터는 관찰된 장면으로부터 전자기 방사를 수신하고, 상기 전자기 방사를 수신하는 것에 응답하여 이미지 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 이미지 신호는 상기 각각의 검출기 엘리먼트에서 열 노이즈로 인해 생성된 컴포넌트를 포함하고, 상기 기준 마이크로볼로미터는 상기 전자기 방사를 수신하는 것으로부터 차폐되고 상기 열 노이즈를 나타내는 기준 신호를 생성하도록 구성되며, 상기 열 이미징 장치는, 상기 복수의 검출기 엘리먼트들로부터 상기 이미지 신호 및 상기 기준 신호의 조합에 기초하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된다.
Description
본 발명은 픽셀 당 다크 기준 볼로미터(PER-PIXEL DARK REFERENCE BOLOMETER)에 관한 것이다.
다양한 유형의 적외선 센서가 개발되었으며, 다양한 열 이미징 애플리케이션에 사용되고 있다. MEMS-기반 마이크로볼로미터는 일반적으로 그 위에 초점면 어레이(FPA: Focal Plane Array)를 갖는 기판을 포함하며, FPA는 센서에 의해 생성된 이미지 내의 각각의 픽셀에 각각 대응하는 복수의 검출기 엘리먼트를 포함한다. 따라서, 개별 검출기 엘리먼트는 본 명세서에서 일반적으로 픽셀로 지칭될 수 있다. 적외선-투명 커버 또는 리드 구조는, FPA 위에 배치되고, 기판에 부착되어 MEMS-기반 마이크로볼로미터가 동작할 수 있는 진공 환경을 제공한다. 이러한 리드(lids)는 종종 반사 특성을 감소시키고 리드의 적외선 전송 특성(infrared transmission properties)을 증가시키기 위해 반사 방지 코팅으로 코팅된다. 상기 기판은 검출기 엘리먼트에 전기적으로 연결된 집적 회로를 포함하며, 이는 통상적으로 판독 집적 회로(ROIC: Read Out Integrated Circuit)로 알려져 있고, 각 픽셀로부터 신호를 통합하고 적절한 신호 조절 및 처리를 이용하여 신호를 칩에서 멀티플렉싱하는데(multiplex) 사용된다. 각각의 픽셀은 열적 격리를 용이하게 하기 위해 기판의 상부 표면 위로 이격된 위치에 매달려 있는 멤브레인을 포함한다. 상기 멤브레인은, 비결정성 실리콘(a-Si: amorphous Silicon) 또는 산화 바나듐(VOx: Vanadium Oxide)과 같은 열 민감성 재료를 포함한다. 또한, 상기 멤브레인은, 2 개의 전극을 포함하며, 이들은 각각 열 민감성 재료에 연결되고, 또한 상기 기판 내의 ROIC에 연결된다. 열 민감성 재료의 온도가 변함에 따라, 열 민감성 재료의 저항이 또한 변하고, 상기 기판 내의 ROIC는 해당 픽셀의 대응하는 저항 변화를 감지함으로써 픽셀에서 수신된 열 에너지의 양을 결정할 수 있다.
마이크로볼로미터가 들어오는 전자기 방사에 대해 더욱 민감해지기 때문에, 이들은 또한 자기-가열의 효과에 더욱 민감해지고, 이는 어레이의 픽셀들로부터의 강도 출력에서의 변화를 야기한다. 강도 출력에서의 변화는 어레이의 많은 검출기 엘리먼트에 걸쳐 불균일하게 되는 경향이 있어, 동일한 입력 방사를 수신하는 상이한 픽셀이 상이한 출력을 생성하게 하고, 이미지에서의 노이즈에 기여한다.
비냉각(uncooled) 마이크로볼로미터 어레이에서의 불균일 보정(NUC: Non-Uniformity Correction)에 대한 하나의 접근법은, FPA를 주기적으로 몇 초동안 셔터를 닫아서(shutter)(또는 FPA 상으로 입사하는 전자기 방사를 포커싱하는(focuses) 렌즈의 셔터를 닫아서), 이미지의 불균일 보정이 계산되게 하는 것이다. 활성 온도 안정화를 사용하지 않고 주변 온도로 동작하는 일부 종래의 비냉각 적외선 마이크로볼로미터는, NUC에 사용될 수 있는 기준 측정을 제공하기 위해 입사하는 적외선 방사를 흡수하지 않는 적외선 광학 블라인드 기준 픽셀(infrared optically blind reference pixels)을 사용한다. 이들 적외선 광학 블라인드 기준 픽셀은, 초점면 어레이의 동작 온도에 걸쳐 초점면 어레이의 교정에 요구되는 초점면의 주변 온도를 결정하는데 사용된다. 이는, 예를 들어 이미징 초점면 어레이(imaging focal plane array)에서, 주변 온도 드리프트 효과에 대한 이미지를 정정하기 위해, 활성 검출기 엘리먼트(active detector elements)에 대해 임의의 주어진 온도(기준 픽셀에 의해 감지됨)에서의 이득(gain) 및 오프셋 보정 알고리즘의 구현을 포함한다. 기준 픽셀들은 일반적으로 행-대-행(row-to-row) 또는 열-대-열(column-to-column) 불균일성을 연속적으로 노멀라이징(normalizing)함으로써 불균일성을 보상하기 위해 FPA 의 행들 또는 열들의 측면들 상에 배치된다. 그러나, 불균일성은 또한 행 및 열 내에서 발생하여, 셔터(shutter)를 사용하여 이미지가 보정될 것을 요구한다. 불균일성 보정의 다른 방법은, 장면-기반 NUC로서 알려져 있으며, 이는 관찰된 장면이 변화하는 것을 요구하며 복잡한 이미지 처리(complex image processing)를 포함할 수 있다.
비냉각 마이크로볼로미터 어레이에 걸쳐 존재하는 실질적인 불균일성은, 어레이에 의해 생성된 신호로부터 로컬 노이즈를 감산하는 데 어려움을 야기한다. 전술한 바와 같이, 다양한 불균일 보정(NUC: Non-Uniformity Correction) 접근법은 어레이의 행의 끝 또는 열의 끝에 위치된 기준 픽셀을 사용하였다. 또한, 일부 NUC 접근법은 어레이 또는 이의 일부에 걸쳐 분산된 기준 픽셀을 사용하였다. 그러나, 종래의 접근법들은 제한들을 가지며, 특정 애플리케이션들에 요구되는 노이즈 개선 성능을 제공할 필요는 없다. 따라서, 측면들 및 실시예들은 픽셀당 기반으로 구현될 수 있는 NUC에 관한 것이고, 따라서 종래의 접근법들에 비해 개선된 성능 및/또는 다른 이익들(예를 들어, 이동가능한 셔터에 대한 필요성을 제거하는 것)을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 열 이미징 장치(thermal imaging device)는, 판독 집적 회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 기판; 상기 ROIC 기판 상에 배치되고, 2 차원 어레이로 배열된 복수의 검출기 엘리먼트를 포함하는 마이크로볼로미터 어레이(microbolometer array)를 포함한다. 상기 각각의 검출기 엘리먼트는, 이미징 마이크로볼로미터(imaging microbolometer) 및 기준 마이크로볼로미터(reference microbolometer)를 포함하고, 상기 이미징 마이크로볼로미터는, 관찰된 장면으로부터 전자기 방사를 수신하고, 상기 전자기 방사를 수신하는 것에 응답하여 이미지 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 이미지 신호는 상기 각각의 검출기 엘리먼트에서 열 노이즈로 인해 생성된 컴포넌트를 포함하고, 상기 기준 마이크로볼로미터는 상기 전자기 방사를 수신하는 것으로부터 차폐되고(shielded) 상기 열 노이즈를 나타내는 기준 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 열 이미징 장치는, 상기 복수의 검출기 엘리먼트들로부터의 상기 이미지 신호들 및 상기 기준 신호들의 조합에 기초하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된다.
일 예에서, 상기 각각의 검출기 엘리먼트의 상기 이미징 마이크로볼로미터는, 상기 ROIC 기판 위에 매달린(suspended) 열 민감성 재료(thermally sensitive material)의 층(layer)을 포함한다. 상기 열 민감성 재료는 예를 들어 산화 바나듐(vanadium oxide) 또는 비결정성 실리콘(amorphous silicon)일 수 있다. 일 예에서, 상기 기준 볼로미터는, 상기 이미징 마이크로볼로미터의 기하학적 구조(geometry)를 모방하는 기하학적 구조로 구성된다. 다른 예에서, 상기 기준 저항기는, 상기 ROIC 기판 상에 배치되고, 상기 각각의 검출기 엘리먼트는, 상기 기준 저항기 위에 배치되고, 상기 기준 마이크로볼로미터를 상기 전자기 방사를 수신하는 것으로부터 차폐하도록 구성된 적외선 반사 재료의 층을 더 포함한다. 다른 예에서, 각각의 검출기 엘리먼트는, 보정된 이미지 신호를 생성하기 위해 상기 이미지 신호에서 상기 기준 신호를 감산하도록 구성된 회로를 더 포함하고, 상기 열 이미징 장치는, 상기 각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 상기 보정된 이미지 신호로부터 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된다. 일 예에서, 상기 회로는, 상기 기준 마이크로볼로미터와 상기 이미징 마이크로볼로미터 사이에 직렬로 연결된 한 쌍의 상보형 트랜지스터(complementary transistors)를 포함한다. 일 예에서, 상기 전자기 방사는, 8 - 12 마이크로미터의 범위의 파장을 갖는 적외선 방사이다. 상기 열 이미징 장치는, 마이크로볼로미터 어레이에 연결되고 ROIC 기판에 구현된 ROIC를 더 포함할 수 있고, 상기 ROIC는, 상기 복수의 검출기 엘리먼트로부터의 상기 기준 신호 및 상기 이미지 신호를 처리하여, 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된다.
다른 실시예는 열 이미징 방법(thermal imaging method)에 관한 것이다. 상기 열 이미징 방법은, 마이크로볼로미터 어레이의 복수의 검출기 엘리먼트 각각에 대한 이미징 마이크로볼로미터에서 관찰된 장면으로부터 전자기 방사를 수신하는 단계; 상기 복수의 검출기 엘리먼트 각각에 포함된 상기 이미징 마이크로볼로미터로부터, 상기 각각의 검출기 엘리먼트에서 상기 수신된 적외선 방사 및 열 노이즈의 조합으로부터의 이미지 신호를 생성하는 단계; 상기 복수의 검출기 엘리먼트 각각에 포함된 기준 마이크로볼로미터로부터, 상기 열 노이즈에 기초하여 기준 신호를 생성하는 단계 - 상기 기준 마이크로볼로미터는 상기 전자기 방사를 수신하는 것으로부터 차폐됨 - ; 상기 각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 보정된 이미지 신호를 생성하도록, 상기 이미지 신호에서 상기 기준 신호를 감산하는 단계; 및 상기 복수의 검출기 엘리먼트로부터 상기 보정된 이미지 신호에 기초하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하는 단계의 동작을 포함할 수 있다.
상기 방법의 일 예에서, 상기 관찰된 장면으로부터 전자기 방사를 수신하는 단계는, 8 - 12 마이크로미터의 범위의 파장을 갖는 적외선 방사를 수신하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 열 이미징 장치(thermal imaging device)는, 판독 집적 회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 기판; 및 상기 ROIC 기판 상에 배치되고, 검출기 엘리먼트의 2 차원 어레이를 포함하는 마이크로볼로미터 어레이(microbolometer array)를 포함한다. 상기 각각의 검출기 엘리먼트는, 상기 ROIC 기판의 제1 표면 상에 형성된 기준 저항기 - 상기 기준 저항기는 열 민감성 재료로 형성되고, 상기 검출기 엘리먼트에서 열 노이즈를 나타내는 기준 신호를 생성하도록 구성됨 - ; 상기 기준 저항기와 상기 ROIC 기판의 상기 제1 표면 위에 배치된 반사기 - 상기 반사기는, 적외선 반사 재료로 형성되고, 상기 마이크로볼로미터 어레이로 관찰된 장면으로부터 전자기 방사를 수신하는 것으로부터 상기 기준 저항기를 차폐하도록 구성됨 - ; 및 한 쌍의 열 격리 레그(thermal isolation legs)에 의해 상기 ROIC 기판으로부터 열적으로 격리되고, 상기 반사기 위에 매달린 이미징 마이크로볼로미터(imaging microbolometer) - 상기 이미징 마이크로볼로미터는, 지지층으로 지지되는 상기 열 민감성 재료의 층을 포함하고, 상기 관찰된 장면으로부터 상기 전자기 방사를 수신하고, 상기 검출기 엘리먼트에서의 상기 열 노이즈 및 상기 수신된 전자기 방사에 기초하여 이미지 신호를 생성하도록 구성됨 - 을 포함한다. 상기 열 이미징 장치는, 상기 마이크로볼로미터 어레이에 연결되고 상기 ROIC 기판에 형성된 회로를 더 포함하고, 상기 회로는, 상기 각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 보정된 이미지 신호를 생성하기 위해 상기 이미지 신호에서 상기 기준 신호를 감산하고, 상기 복수의 검출기 엘리먼트들로부터의 상기 보정된 이미지 신호들에 기초하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된다.
일 예에서, 상기 열 민감성 재료(thermally sensitive material)는 산화 바나듐(vanadium oxide)이다. 다른 예에서, 상기 열 이미징 장치는, 상기 ROIC 기판에 연결되고 상기 마이크로볼로미터 어레이 위에 캐비티(cavity)를 제공하도록 구성된 리드 웨이퍼(lid wafer)를 더 포함한다. 상기 리드 웨이퍼는, 상기 전자기 방사가 상기 마이크로볼로미터 어레이에서 수신되도록(received) 상기 전자기 방사에 대해 광학적으로 투명한(transparent) 영역(region)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 상기 전자기 방사는, 8 - 12 마이크로미터의 범위의 파장을 가지는 적외선 방사이다. 다른 예에서, 적외선 반사 재료는 알루미늄이다.
이들 예시적인 측면들 및 실시예들의 또 다른 측면들, 실시예들, 및 이점들은 이하에서 상세히 논의된다. 본 명세서에 개시된 실시예들은, 본 명세서에 개시된 원리들 중 적어도 하나와 일치하는 임의의 방식으로 다른 실시예들과 조합될 수 있고, "실시예", "일부 실시예들", "대안적인 실시예", "다양한 실시예들", "하나의 실시예" 등에 대한 참조들은 반드시 상호 배타적인 것이 아니며, 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 나타내도록 의도된다. 본 명세서에서 이러한 용어들의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
적어도 하나의 실시예의 다양한 측면들이 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 논의되며, 이는 스케일로 도시되도록 의도된 것은 아니다. 도면들은 본 명세서에 개시된 다양한 측면들 및 실시예들의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부에 포함되어 구성하지만, 본 발명의 제한들의 정의로서 의도되지는 않는다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 각각의 동일하거나 또는 거의 동일한 구성요소는 같은 숫자로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에서 라벨링될(labeled) 수 있는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 측면들에 따른 마이크로볼로미터의 일 예의 단순화된 단면 블록 다이어그램(cross-sectional block diagram)이다.
도 2는 특정 측면들에 따른 도 1의 마이크로볼로미터를 포함할 수 있는 마이크로볼로미터 어레이의 일 예의 단순화된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 측면들에 따른 도 2의 마이크로볼로미터 어레이에 포함될 수도 있는 검출기 엘리먼트의 일 예의 도면이다.
도 4는 본 발명의 측면에 따른 기준 저항기를 도시하는 도 3의 검출기 엘리먼트의 일부의 도면이다.
도 5는 본 발명의 측면들에 따른 열 이미징 장치의 일 예의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 측면들에 따른 열 이미징 장치의 다른 예의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 측면들에 따른 열 이미징 장치의 다른 예의 회로도이다.
도 2는 특정 측면들에 따른 도 1의 마이크로볼로미터를 포함할 수 있는 마이크로볼로미터 어레이의 일 예의 단순화된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 측면들에 따른 도 2의 마이크로볼로미터 어레이에 포함될 수도 있는 검출기 엘리먼트의 일 예의 도면이다.
도 4는 본 발명의 측면에 따른 기준 저항기를 도시하는 도 3의 검출기 엘리먼트의 일부의 도면이다.
도 5는 본 발명의 측면들에 따른 열 이미징 장치의 일 예의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 측면들에 따른 열 이미징 장치의 다른 예의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 측면들에 따른 열 이미징 장치의 다른 예의 회로도이다.
전술한 바와 같이, 비냉각 마이크로볼로미터 어레이에 걸쳐 실질적인 불균일성이 존재한다. 이러한 불균일성은 어레이에 의해 생성된 관심 신호(signal of interest)로부터 로컬 노이즈(local noise)를 감산하는데 상당한 어려움을 발생시킬 수 있다. 픽셀 응답에서 불균일성을 보상하기 위한 다양한 방법이 있지만, 많은 접근법은 특정 애플리케이션에서 바람직하지 않게 만들거나 또는 이들의 유효성을 제한하도록 하는 연관된 단점을 갖는다. 예를 들어, 어레이의 각각의 개별 픽셀에 대해 연속적인 바이어스 전압을 인가하는 것을 포함하는 활성(active) 불균일 보정(NUC)은, 많은 애플리케이션들에 대해 너무 많은 전력을 필요로 할 수 있다. 전술한 바와 같이, NUC에 대한 일부 종래의 접근법은 어레이의 열 또는 행의 끝에 위치된 광학 블라인드 기준 픽셀(optically blind reference pixels)을 사용하지만, 이들은 개별 픽셀 저항의 변화를 아주 잘 추적하지는(track) 않는다. 각각의 픽셀을 제조하는데 사용되는 열 민감성 재료의 저항 또는 성능은, 어레이를 가로질러 픽셀에서 픽셀로, 웨이퍼를 가로질러서(다이-투-다이 변동(die to die variation)), 웨이퍼에서 웨이퍼로, 그리고 웨이퍼 로트(wafer lot)에서 웨이퍼 로트로 실질적으로 변할 수 있고, 이러한 변동은 추적하기 어려울 수 있다. 측면들 및 실시예들은, 픽셀 응답에서 비-장면 기반(non-scene-based) 불균일성(즉, 노이즈)이 픽셀 당 기반(per-pixel basis)으로 측정될 수 있는 방법 및 장치를 제공하며, 이에 의해 마이크로볼로미터 어레이의 이미징 성능에서 실질적인 개선을 제공한다.
아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 특정 실시예들에 따르면, 어레이 내의 각각의 픽셀은 이미징 검출기 엘리먼트 및 광학 블라인드 기준 엘리먼트 모두를 포함한다. 기준 엘리먼트들은 그들이 장면 이미지(scene imagery)를 보지 않도록 그들 위에 물리적 실드(physical shield)를 가지며, 따라서 그들의 출력들이 열 노이즈에 단독으로 응답하기 때문에 기준으로서 동작할 수 있다. 기준 엘리먼트들은 대응하는 이미징 검출기 엘리먼트들과 동일한 열 민감성 재료로부터 구성될 수 있고, 동일한 또는 매우 유사한 디멘전들(dimensions)을 가져서, 그들의 저항값이 대응하는 이미징 검출기 엘리먼트의 응답과 본질적으로 동일하며, 따라서 수신된 열 노이즈에 대한 그들의 응답은 대응하는 이미징 검출기 엘리먼트의 응답과 매우 유사하다. 따라서, 기준 엘리먼트는 온도 및 저항 변화 모두에 대해 국부적으로 양호한 정합(match)을 제공할 수 있고, 행 당(per-row) 또는 열 당(per-column) 기반으로만 보다는 픽셀 당 기반으로 국부적인 충격이 제거될 수 있게 한다.
본 명세서에서 논의된 방법들 및 장치들의 실시예들은 다음의 설명에 기술되거나 첨부 도면들에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열의 세부사항들에 대한 적용으로 제한되지는 않는다는 것을 이해해야 한다. 방법들 및 장치들은 다른 실시예들에서 구현될 수 있고, 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다. 특정 구현들의 예들은 단지 예시적인 목적들을 위해 본 명세서에 제공되며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. "포함하는", "포함한다", "구비한다", "내포한다", "포함하여" 및 이들의 변형의 사용은 이후 열거된 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가의 항목을 포함하는 것을 의미한다. "또는"에 대한 참조는, "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어가 기재된 용어 중 하나, 하나 이상, 및 모두 중 임의의 것을 나타낼 수 있도록 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 전방 및 후방, 좌측 및 우측, 상단 및 하단, 상부 및 하부, 및 수직 및 수평에 대한 임의의 참조는 설명의 편의를 위해 의도된 것이며, 본 시스템 및 방법 또는 이들의 구성요소를 임의의 하나의 위치 또는 공간 배향으로 제한하지 않는다.
도 1은 마이크로볼로미터 어레이를 포함하는 적외선 센서(100)의 일 예의 개략적인 단순화된 단면 블록 다이어그램(cross-sectional block-diagram)이며, 이는 열 에너지를 검출하고 검출된 열 에너지의 2 차원 이미지를 나타내는 전기 신호를 출력하는데 사용될 수 있다. 도시된 예에서, 적외선 센서(100)는 판독 집적 회로(ROIC) 웨이퍼 또는 기판(120) 상에 배치된 초점 평면 어레이(FPA: Focal Plane Array)(110)를 포함한다. 당업자가 이해할 수 있는 다양한 전자 컴포넌트를 포함할 수 있는 ROIC(170)가 ROIC 기판(120)에 구현된다. 도 2에 도시된 바와 같이, FPA(110)는 복수의 열 센서 또는 검출기 엘리먼트(112)를 포함할 수 있다. 검출기 엘리먼트(112)는 2 차원(nxm) 어레이로 배열되고, 각각의 검출기 엘리먼트(112)는 적외선 센서(100)에 의해 생성된 각각의 이미지에서의 각각의 픽셀에 대응한다. 도 2가 단지 약 140 개의 검출기 엘리먼트(112)만을 개략적으로 도시하지만, FPA(110) 내의 검출기 엘리먼트(112)의 총 수는 더 크거나 또는 더 작을 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 일부 구현들에서, FPA(110)는 열 적외선 스펙트럼 영역의 적어도 일부에서 전자기 방사를 수신 및 검출하도록 구성된 비냉각 마이크로볼로미터 어레이이다. 예를 들어, FPA(110)는 장파장 적외선 스펙트럼 대역에서의 전자기 방사에 민감할 수 있거나, 또는 약 8 - 12 μm 범위의 파장을 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, FPA(110)는 광학적으로 투명한 리드 웨이퍼(optically transparent lid wafer) 또는 윈도우(window)(140)를 통해 관찰된 장면으로부터 전자기 방사(130)를 수신한다. 리드 웨이퍼(140)는 ROIC 기판(120)에 연결되고, 지지 구조(150)에 의해 FPA(110) 위에 매달려서, 캐비티(160)가 ROIC 기판(120)과 리드 웨이퍼(140) 사이에 형성된다. 특정 실시예에서, 캐비티(160)는 FPA(110)가 동작할 수 있는 진공 환경을 제공할 수 있다. ROIC 기판(120)은 실리콘으로 구성될 수 있고, 진공 또는 밀봉된 인클로저(enclosure)를 위해, ROIC 기판(120)과 지지 구조(150) 사이에 기밀 결합(hermetic bond)이 형성된다. 부가적으로, 지지 구조(150)와 윈도우(140) 사이에 기밀 결합이 형성될 수 있다. 임의의 다른 적절한 적외선 투명 리드 웨이퍼 재료(예를 들어, 게르마늄, 셀렌화 아연, 또는 황화아연 등)가 대안적으로 사용될 수 있지만, 광학적으로 투명한 실리콘 웨이퍼가 리드 웨이퍼(140)에 대해 이용될 수 있다. 특정 예에서, 리드 웨이퍼(140)는 높은 굴절률 및 산란율(index of refraction and dispersion)으로 인해 게르마늄으로 구성된다.
FPA(110)는 관찰된 장면으로부터 전자기 방사(130)를 수신하고 그로부터 이미지를 생성한다. 특히, 각각의 검출기 엘리먼트(112)는, 처리를 위해, 수신하는 전자기 방사선을 ROIC(170)로 출력되는 전기 신호로 변환한다. ROIC(170)는 초점면 어레이(110) 내의 각 검출기 엘리먼트(픽셀)(112)로부터의 열적으로 유도된 전기 신호를 통합하고(integrates), 적절한 신호 조절 및 처리로 어레이로부터 신호를 멀티플렉싱한다(multiplexes). 도 1에 도시된 예에서, ROIC(170)는 ROIC 기판(120)에 포함된다. 특정 예들에서, 열 싱크(heat sink)와 같은 열 관리 컴포넌트들은, ROIC 기판(120)과 통합될 수 있거나, 또는 ROIC 기판(120)에 연결된 기판(175) 또는 다른 구조에 제공될 수 있다.
FPA(110)의 검출기 엘리먼트들(112)은, 전자기 방사(130)에 민감하지만(즉, 관찰된 장면의 이미지를 생성하는데 사용되는 전자기 방사(130)를 수신하는 것에 응답하여 신호들을 생성하지만), 위에서 논의된 바와 같이, 다른 곳으로부터 수신된 열 방사에 민감할 수도 있고, 이미지에서 노이즈를 초래한다. 예를 들어, ROIC(170)의 컴포넌트, 또는 행 및/또는 열 증폭기와 같은 검출기 엘리먼트(112)와 관련된 전기 컴포넌트는, 동작 시 가열될 수 있고, 검출기 엘리먼트(112)에 의해 추가적인 열 방사가 수신되게 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 검출기 엘리먼트(112)가 더욱 더 민감해져 보다 양호한 열 이미징 성능을 허용할 수 있기 때문에, 또한 노이즈에 더 민감해지며, 특히 상기 노이즈는 자기 가열(self-heating)로 야기된 노이즈이다. 상기 검출기 엘리먼트(112)는, 그들 자신의 열에 대해 매우 민감할 수 있으며, 일부 설계에서 입사 전자기 복사(130)를 측정하는 것보다 그 자신의 온도를 더 양호하게 많이 측정한다. 또한, 온도에서의 작은 변화, 예를 들어, 열 방사의 밀리-켈빈(milli-Kelvin)만이 검출기 엘리먼트(112)의 이미징 성능에 상당히 영향을 줄 수 있다. FPA(110)에 의해 생성된 이미지에서 신호 대 잡음비에 상당히 영향을 미치는 이러한 문제에 더하여, 어레이 내의 모든 검출기 엘리먼트(112)가 동일한 열 노이즈 방사를 수신하고, 동일한 속도(rate)로 가열하며, 그리고/또는 동일한 정밀도로 그들 자신의 온도를 측정하는 것은 아니다는 점이다. 따라서, 관찰된 장면으로부터 수신된 입사 전자기 방사(130)와 관련되지 않은 검출기 엘리먼트(112)의 광-응답(photo-response)에서 불균일성이 있다.
따라서, 측면들 및 실시예들은, 각각의 픽셀(112)이 이미징 검출기 엘리먼트 및 기준 엘리먼트 둘 모두를 포함하는 열 이미징 어레이들에 대한 픽셀 구조를 제공하여, 열 노이즈는 픽셀 당 기반(per-pixel basis)으로 검출 및 완화될(mitigated) 수 있다. 각각의 개별 픽셀(112)의 출력으로부터 노이즈 응답을 검출 및 감산함으로써, FPA(110)의 이미징 성능에 대한 노이즈 응답에서의 불균일성의 영향은, (예를 들어, 행 또는 열로) 픽셀들의 일부 집합(aggregate) 상에서 NUC가 수행되는 종래의 설계들에 비해 상당히 감소된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 내장된 기준 엘리먼트(도 4에 도시됨)를 포함하는 픽셀(112)의 예가 도시된다. 도 3은 픽셀(112)의 이미징 컴포넌트를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 픽셀(112)의 이미징 검출기 엘리먼트는 비교적 긴 열 격리 레그(thermal isolation legs)에 의해 ROIC 기판(120)으로부터 열적으로 격리되고 매달린 적외선 흡수 검출기 엘리먼트를 갖는 저 열 질량 마이크로볼로미터(low thermal mass microbolometer)를 포함한다. 매달린 이미징 마이크로볼로미터는 지지층(220)에 의해 지지되는 열 민감성 재료(210)를 포함할 수 있다. 지지층(220)은 예를 들어 질화 규소(silicon nitride)로 제조될 수 있다. 특정 예에서, 지지층(220)은 지지층의 열 질량을 감소시키기 위해 복수의 작은 홀(222)을 포함한다. 홀(222)은 관심있는 전자기 방사(130)의 파장보다 훨씬 작도록 크기가 정해져, 이미징 마이크로볼로미터의 이미징 성능에 영향을 미치지 않는다. 예를 들어, 장파장 적외선 스펙트럼 대역(long-wave infrared spectral band)(LWIR; 대략 8 - 12 μm 파장)에서 이미징하도록(image) 구성된 FPA(110)에 대해, 길이(L) 및 폭(W)은 각각 대략 12 μm일 수 있고, 이에 따라, 홀(222)은 1 μm 정도로 디멘전(길이 및 폭)를 가질 수 있다. 예를 들어, 열 민감성 재료(210)는 예를 들어 산화 바나듐(VOx) 또는 비결정성 실리콘(a-Si)일 수 있다.
도 4에, 부분적으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(120)은 그 상부 표면에 ROIC(170)에 전기적으로 연결된(미도시) 2 개의 이격된 전기 접촉부(electrical contacts)(230)를 가질 수 있으며, 상술된 바와 같이, ROIC 기판(175) 및/또는 ROIC 기판(120) 내에서 구현될 수 있다. ROIC 기판(120)의 상부 표면은, ROIC 기판(175) 및/또는 ROIC 기판(120) 내에 구현될 수 있다. ROIC 기판(120)의 상부 표면은 그 위에 적어도 관심 스펙트럼 대역에서 적외선 방사를 반사하는 물질의 층(반사기(240))을 갖는다. 지지층(220)과 반사기(240) 사이에 공간 또는 갭(gap)이 존재하도록, 이미징 마이크로 볼로미터는 지지대(250) 및 열 격리 다리(255)에 의해 반사기(240) 위에 매달린다. 특정 예에서, 지지층(220)과 반사기(240) 사이의 거리는 관심 전자기 방사(130)의 파장의 대략 1/4이 되도록 선택되어, 열 민감성 재료(210)에 의해 흡수될 수 있을 때까지 관심 방사(130)를 효과적으로 트랩하는(traps) 공진 캐비티(resonant cavity)를 생성한다. 다른 예들에서, 지지층(220)과 반사기(240) 사이의 거리는 관심 전자기 방사(130)의 파장의 1/4의 홀수 배와 거의 같은 일부의 다른 적절한 거리이다. 반사기(240)는 예를 들어 알루미늄과 같은 임의의 적외선 반사 재료로 제조될 수 있다.
이미징 마이크로볼로미터는 또한 지지부(250) 및 열 격리 레그(255)를 통해 전기 접촉부(230)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 전자기 방사(130)를 수신하는 것에 응답하여 이미징 마이크로볼로미터에 의해 생성된 신호는 처리를 위해 ROIC(170)로 전달될(conveyed) 수 있다. 지지부(250)는 예를 들어 티타늄, 알루미늄 또는 티타늄-텅스텐(titanium-tungsten)(TiW)과 같은 임의의 적절한 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 실시예에서, 열 격리 레그(255)는 비교적 작은 영역/볼륨(volume)에서 긴 길이를 달성하기 위한 구불구불하거나(serpentine) 유사한 형상을 갖는다. 특정 예에서, 열 격리 레그(255)의 길이는 예를 들어 12μm 픽셀에 대해 더 크거나 또는 12 μm의 레그 길이와 같이 검출기 엘리먼트(112)의 하나 이상의 측면 길이(예를 들어, L 또는 W)와 대략 동일하거나 더 길다. 일반적으로, 더 긴 레그(255)는 더 많은 열 격리를 제공하고, 이에 따라 FPA(110)에 대해 더 양호한 민감도를 제공한다. 특정 예에서, 2 - 3 배의 L 또는 W인 열 격리 레그(255)는 검출기 엘리먼트(112)의 민감도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 차폐된(광학 블라인드(optically blind)) 마이크로볼로미터는 각각의 검출기 엘리먼트(112) 내에 포함되어, 각각의 검출기 엘리먼트(112)는 이미징 마이크로볼로미터(이미징 픽셀) 및 기준 엘리먼트/픽셀을 모두 포함한다. 도 4를 참조하면, 일 실시예에서, 기준 엘리먼트는 동일한 열 민감성 재료(210)로 만들어진 기준 저항기(260)를 포함한다. 기준 저항기(260)는 반사기(240) 아래에 매립되고(buried) ROIC 기판(120)에 히트 싱크된다(heat sunk). 기준 저항기(260)는 반사기(240)에 의해 장면으로부터 들어오는 전자기 방사(130)로부터 차폐된다. 따라서, 도 3 및 4를 참조하면, 기준 저항기(260)는 반사기(240)와 ROIC 기판(120) 사이에 "샌드위치된다(sandwiched)". 기준 저항기(260)는 열 민감성 재료(210)의 층의 저항값(resistance)과 본질적으로 동일한 저항값을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구조는 장면 응답이 없는(즉, 전자기 방사선(130)에 응답하여 신호가 생성되지 않음) 기준 픽셀(reference pixel)을 제공하지만, 기준 저항기(260)의 저항에서의 변화는 ROIC 기판(120) 및 검출기 엘리먼트(112)의 온도가 변함에 따라, 열 민감성 재료(210)의 층의 저항의 변화를 추적한다. 기준 저항기(260)의 기하학적 구조는 픽셀 구조의 비차폐(non-shielded)(이미징(imaging)) 부분에서 기하학적 구조를 모방하도록 구성될 수 있다. 이는 온도 및 저항 변화 모두에 국부적으로 더 나은 매칭(match)이 있는 픽셀(112)을 제공할 수 있다.
어떤 예에서, 기준 저항기(260)는 열 민감성 재료의 층(210)과 정렬될 수 있어서, 열 민감성 재료의 층 아래에 위치되고 ROIC 기판(120) 상에 대략적으로 동일한 "풋프린트(footprint)"를 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 2 개의 패드(270)가 기준 저항기(260)에 연결된다. 이들 패드(270)는, 기준 저항기(260)에 의해 생성된 기준 신호가 이미징 마이크로볼로미터(imaging microbolometer)로부터의 신호에 따라 처리하기 위해 ROIC(170)에 제공될 수 있도록 ROIC(170)에 전기적으로 연결되고 전기 전도성을 가질 수 있다. 어떤 예에서, 패드(270)는 지지부(250)와 정렬될 수 있지만, 다른 예에서, 상이한 기하학적 배열이 구현될 수 있다. 기준 저항기(260)가 이미징 마이크로볼로미터와 동일하지는 않더라도 매우 유사한 저항값(resistance) 및 온도 변화에 대한 응답을 갖도록 하는 기하학적 구조 및 재료라면, 기준 저항기(260)의 정확한 기하학적 구조(geometry) 및 관련된 컴포넌트(패드들(270)과 같은)은 검출기 엘리먼트(112)의 설계에 크리티컬하지 않을 수 있다, 특히, 동일한 열 감지 재료(210)(예를 들어, 산화 바나듐)로부터 기준 저항기(260)를 형성하는 것은, 열 노이즈로 인한 저항에서의 변화를 정확하게 매칭시키는데 중요할 수 있다. 픽셀 당 NUC를 제공하려고 시도하는 일부 설계들은 제1 차 기준(first order reference)으로서 이미징 픽셀들과 연관된 고정 저항기(fixed resistor)를 이용할 수 있지만, 이러한 접근법은 픽셀들 내의 변화하는 열 노이즈를 잘 추적하지는 않는다. 산화 바나듐과 같은 열 민감성 재료의 저항은, 실질적으로 온도에 따라 변할 수 있고, 따라서 고정된 기준 저항값은 매우 유용하지는 않다.
전술한 바와 같이, 기준 저항기/마이크로볼로미터에 의해 생성된 기준 신호는, 각각의 검출기 엘리먼트(112) 내의 이미징 마이크로볼로미터에 의해 생성된 신호로부터 열 노이즈 컴포넌트를 제거하는데 사용될 수 있다. 도 5 내지 도 7은 이러한 기능을 수행하도록 구성될 수 있는 회로의 다양한 예의 회로도이다.
도 5를 참조하면, 열 이미징 장치(300)는 회로(320)에 연결된 열 센서(310)를 포함한다. 열 이미징 장치(300)는 FPA(110) 내의 각각의 검출기 엘리먼트(112)에 대응한다. 열 센서(310)는 (도 3 및 도 4 를 참조하여 상술된 이미징 구조에 대응하는) 이미징 마이크로볼로미터(312) 및 (도 3 및 도 4를 참조하여 상술된 적어도 기준 저항기(260)에 대응하는) 기준 마이크로볼로미터(314)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 이미징 마이크로볼로미터(312) 및 기준 마이크로볼로미터(314)는 그들의 저항값(R bolo,sig 및 R bolo,dark )이 각각 본질적으로 동일하도록 구성될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 이미징 마이크로볼로미터(312)는 관찰된 장면으로부터 입사 전자기 방사(130)를 수신한다. 기준 마이크로볼로미터(314)는 반사기(240)에 의해 전자기 방사(130)를 수신하는 것으로부터 차폐된다. 기준 마이크로볼로미터(314)는 전압 소스(V dd )에 연결되고 검출기 엘리먼트(112) 내의 열 노이즈를 나타내는 신호(I dark )를 생성한다. 이미징 마이크로볼로미터(312)는 장면 응답을 나타내는 컴포넌트, 즉 관심 신호(signal of interest)(I sig ), 및 열 노이즈(I dark )에 기인한 컴포넌트를 모두 포함하는 신호(I sig + I dark )를 생성한다. 전술한 바와 같이, 이미징 마이크로볼로미터(312) 및 기준 마이크로볼로미터(314)는 노이즈 응답(I dark )이 두 장치 모두로부터 본질적으로 동일하도록 구성된다. 도 5에 도시된 예에서, 회로(320)는 함께 연결된 한 쌍의 트랜지스터(transistors)(322, 324)를 포함한다. 도시된 예에서, 제1 트랜지스터(322)는 그 소스(source)에 인가된 전압(V dd - V bias )을 갖는 p-채널(p-channel) 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)이고, 제2 트랜지스터(324)는 그 소스에 전압(V bias )을 갖는 n-채널 FET이다. 그러나, 당업자는 제1 트랜지스터(322)가 n-채널 FET이고 제2 트랜지스터가 p-채널 FET이 되도록, 또는 트랜지스터의 다른 유형 및/또는 구성이 사용되도록, 회로(320)가 수정될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 제1 트랜지스터(322)는 기준 마이크로볼로미터(314) 및 제2 트랜지스터(324)로부터 기준 신호(I dark )를 수신하고, 제2 트랜지스터(324)는 이미징 마이크로볼로미터(312)로부터 결합된(combined) 신호(I sig + I dark )를 수신한다. 트랜지스터(322, 324)는 기준 신호(I dark )가 결합된 신호(I sig + I dark )에서 감산되도록 연결되고, 관심 신호(장면 응답)(I sig )는 출력 접촉부(output contact)(326)에서 제공된다. 출력 접촉부(326)로부터, 관심 신호(I sig )는 외부 장치 또는 ROIC(170)의 컴포넌트에 제공될 수 있다. 회로(320)는 ROIC 기판(120) 내의 검출기 엘리먼트(112)의 일부로서, ROIC(170)의 일부로서, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
도 6을 참조하면, 열 이미징 장치의 다른 예(300a)가 도시된다. 이 예에서, 열 이미징 장치(300a)는 회로(330)에 연결된 열 센서의 변형(310a)을 포함한다. 열 센서(310a)에서, 이미징 마이크로볼로미터(312)는 신호 라인(316)과 접지(ground) 사이에 연결되고, 기준 마이크로볼로미터(314)는 전압 소스(V dd )와 신호 라인(316) 사이에 연결된다. 전술한 바와 같이, 이미징 마이크로볼로미터(312) 및 기준 마이크로볼로미터(314)는 그들의 저항값(R bolo,sig 및 R bolo,dark )이 각각 본질적으로 동일하도록 구성될 수 있다. 따라서, 신호 라인(316) 상의 전압은 대략 V dd /2일 수 있다. 도 6에 도시된 예에서, 회로(330)는 도시된 바와 같이 신호 라인(316)에 연결된 하나의 단자(terminal)를 갖는 비교기(332)를 포함한다. 따라서, 관심 신호(I sig )는 비교기(332)에 공급된다. 비교기(332)는 집합 기준 장치(aggregate reference device)(340)로부터 다른 단자에서 집합 기준 신호(aggregate reference signal)를 수신하고, 출력 접촉부(338)에서 관심 신호(I sig ) 및 집합 기준 신호 사이의 차(difference)에 대응하는 출력을 공급한다. 일 예에서, 집합 기준 장치(340)는 FPA(110)에 대한 행 당(per-row) 기준이지만, 다른 예들에서, 집합 기준 장치(340)는 FPA(110)에 대한 열 당(per-column) 기준일 수 있다. 집합 기준 장치(340)는 열 센서(310a)에서와 같이 V dd 와 접지 사이에 직렬로 연결된 기준 마이크로볼로미터(314) 및 이미징 마이크로볼로미터(312)를 포함한다.
도 6에 도시된 예에서, 회로(330)는 신호 라인(316)과 출력 접촉부(338) 사이의 비교기(332)에 걸쳐 연결된 집적 커패시터(integration capacitor)(334)를 더 포함한다. 스위치(336)는 집적 커패시터(334)와 병렬로 연결되고, 제어 접촉부(control contact)(352)를 통해 수신된 제어 신호로 제어된다(개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 스위칭된다(switched)). 집적 커패시터(334)는 검출기 엘리먼트(112)의 집적 사이클(integration cycle) 동안 (관심 신호(I sig )에 대응하는) 신호 라인(316) 상에 수신된 전하를 집적할 수 있고, 그리고 스위치(336)가 개방될 때 출력 접촉부(338)에서 집적된 신호를 출력할 수 있다. 도 5를 참조하여 논의된 회로(320)의 경우에서와 같이, 회로(330)는 ROIC 기판(120)내의 검출기 엘리먼트(112)의 일부로서, ROIC(170)의 일부로서, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 특정 예에서, 회로(330)는 FPA(110) 내의 각각의 검출기 엘리먼트(112)에 대해 반복되지만, 집합 기준 장치(340)는 복수의 검출기 엘리먼트(112) 사이에서 공유된다.
도 7은 열 이미징 장치의 다른 변형예(300b)을 도시한다. 이 예에서, 열 센서(310b)는 도 6의 열 센서(310a)와 동일하고, 회로(360)는 도 6에 도시된 회로(330)의 구성과 유사하지만, 또한 신호 라인(316)(및 비교기(332)의 단자) 및 기준 마이크로볼로미터(314)에 연결된 트랜지스터(362)를 포함한다. 기준 신호(I dark )는 이미징 마이크로볼로미터(312)로부터 결합된 응답(I sig + I dark )으로부터 다시 감산되고, 관심 신호(I sig )는 비교기(332)에 제공된다. 그렇지 않으면, 열 이미징 장치(300b)의 동작은 도 6에 도시된 열 이미징 장치(300a)를 참조하여 위에서 논의된 바와 같다.
따라서, 측면 및 실시예는 픽셀 당 NUC를 포함하는 비냉각 적외선 이미징 센서 구조(uncooled infrared imaging sensors architecture) 및 구현을 제공한다. 전술한 바와 같이, 측면 및 실시예는 마이크로볼로미터 어레이(microbolometer array)를 포함하며, 상기 마이크로볼로미터 어레이의 각각의 픽셀은, 관찰된 장면으로부터의 전자기 방사를 수신하는 이미징 마이크로볼로미터(imaging microbolometer) 및 장면 에너지(scene energy)로부터 차폐되는 기준 엘리먼트(reference element) 둘 모두를 포함한다. 따라서, 이들 기준 엘리먼트로부터의 임의의 출력은, 임의의 입사 전자기 방사로부터가 아니라 이미징 시스템 내부의 노이즈(예를 들어, 픽셀의 자기 가열로부터의 열 노이즈)에 의해서만 생성되고, 따라서 NUC 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 기준 엘리먼트는 픽셀의 이미징 컴포넌트에 사용되는 트랜스듀서 재료(transducer material)(예를 들어, 산화 바나듐 또는 비결정성 실리콘)와 동일한 트랜스듀서(열 민감성) 재료로 제조된다. 또한, 기준 엘리먼트의 기하학적 구조는 이미징 컴포넌트의 기하학적 구조를 모방하도록 구성될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 기준 엘리먼트는 반사 층으로 장면 에너지로부터 차폐되고 ROIC 기판에 열 싱크되는 열 민감성 재료의 층을 포함할 수 있다. 이들 특징은 기준 마이크로볼로미터가 장면 응답을 생성하지 않는 픽셀을 제공할 수 있지만, 기준 마이크로볼로미터로부터의 열 노이즈에 대한 응답은 이미징 마이크로볼로미터로부터의 열 노이즈에 대한 응답을 밀접하게 추적하며, 이에 따라 온도 및 저항 변화 모두에 대해 국부적으로 우수한 매칭을 제공한다. 이는 열 또는 행 기반으로 보다는 픽셀 당 기반으로 매우 국부적인 영향이 보상되게(compensated) 하고, 마이크로볼로미터 어레이에 대한 개선된 성능(예를 들어, 개선된 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio))을 제공한다.
적어도 하나의 실시예의 여러 측면을 상술하였으며, 다양한 변경, 수정 및 개선이 용이하게 일어날 수 있을 것이다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다. 이러한 변경, 수정, 및 개선은 본 개시의 일부인 것으로 의도되며, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 적절한 구성, 및 그 등가물로부터 결정되어야 한다.
Claims (24)
- 열 이미징 장치(thermal imaging device)로서,
판독 집적 회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 기판;
상기 ROIC 기판 상에 배치되고, 2 차원 어레이로 배열된 복수의 검출기 엘리먼트를 포함하는 마이크로볼로미터 어레이(microbolometer array); 및
상기 마이크로볼로미터 어레이에 연결되고 상기 ROIC 기판에 형성된 회로
를 포함하고,
상기 각각의 검출기 엘리먼트는,
관찰된 장면으로부터 8 - 12 마이크로미터의 범위의 파장을 갖는 적외선 방사를 수신하고, 상기 적외선 방사를 수신하는 것에 응답하여 이미지 신호를 생성하도록 구성된 이미징 마이크로볼로미터(imaging microbolometer) - 상기 이미지 신호는 상기 각각의 검출기 엘리먼트에서 열 노이즈로 인해 생성된 컴포넌트를 포함하고, 상기 이미징 마이크로볼로미터는 상기 ROIC 기판 위에 매달린(suspended) 열 민감성(thermally sensitive) 재료의 층을 포함함 - ; 및
상기 적외선 방사를 수신하는 것으로부터 차폐되고 상기 열 노이즈를 나타내는 기준 신호를 생성하도록 구성된 기준 마이크로볼로미터(reference microbolometer) - 상기 기준 마이크로볼로미터는, 상기 열 민감성 재료로 만들어진 기준 저항기를 포함하고, 상기 이미징 마이크로볼로미터의 상기 열 민감성 재료의 층과 정렬되고 아래에 배치된 상기 ROIC 기판의 표면 상에 배치됨 -
을 포함하고,
상기 회로는,
상기 각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 보정된 이미지 신호를 생성하기 위해 상기 이미지 신호로부터 상기 기준 신호를 감산하고, 상기 복수의 검출기 엘리먼트들로부터의 상기 보정된 이미지 신호들에 기초하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된,
열 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 열 민감성 재료는,
산화 바나듐(vanadium oxide)인, 열 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 기준 볼로미터는,
상기 이미징 마이크로볼로미터의 기하학적 구조(geometry)를 모방하는 기하학적 구조로 구성된,
열 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 기준 저항기는,
상기 이미징 마이크로볼로미터의 상기 열 민감성 재료의 층의 저항값과 동일한 저항값을 갖는,
열 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 각각의 검출기 엘리먼트는,
상기 기준 저항기 위에 배치되고 상기 기준 마이크로볼로미터를 상기 적외선 방사를 수신하는 것으로부터 차폐하도록 구성된 적외선 반사 재료의 층
을 더 포함하는 열 이미징 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 적외선 반사 재료는 알루미늄인, 열 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 회로는,
각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 상기 기준 마이크로볼로미터와 상기 이미징 마이크로볼로미터 사이에 직렬로 연결된 한 쌍의 상보형 트랜지스터(complementary transistors)
를 포함하는 열 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 각각의 이미징 마이크로볼로미터는,
상기 열 민감성 재료의 층을 지지하는 지지층
을 포함하고,
상기 지지층은,
상기 이미징 마이크로볼로미터의 이미징 성능에 영향을 미치지 않도록 크기가 정해진 복수의 홀(hole)을 포함하는, 열 이미징 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 지지층은,
질화 규소(silicon nitride)인, 열 이미징 장치.
- 열 이미징 장치(thermal imaging device)로서,
판독 집적 회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 기판;
상기 ROIC 기판 상에 배치되고, 검출기 엘리먼트의 2 차원 어레이를 포함하는 마이크로볼로미터 어레이(microbolometer array); 및
상기 마이크로볼로미터 어레이에 연결되고 상기 ROIC 기판에 형성된 회로
를 포함하고,
상기 각각의 검출기 엘리먼트는,
상기 ROIC 기판의 제1 표면 상에 형성된 기준 저항기 - 상기 기준 저항기는 열 민감성 재료로 형성되고, 상기 검출기 엘리먼트에서 열 노이즈를 나타내는 기준 신호를 생성하도록 구성됨 - ;
상기 기준 저항기와 상기 ROIC 기판의 상기 제1 표면 위에 배치된 반사기 - 상기 반사기는, 적외선 반사 재료로 형성되고, 상기 마이크로볼로미터 어레이로 관찰된 장면으로부터 적외선 방사를 수신하는 것으로부터 상기 기준 저항기를 차폐하도록 구성됨 - ; 및
한 쌍의 열 격리 레그(thermal isolation legs)에 의해 상기 ROIC 기판으로부터 열적으로 격리되고, 상기 반사기 위에 매달린 이미징 마이크로볼로미터(imaging microbolometer) - 상기 이미징 마이크로볼로미터는, 지지층으로 지지되는 상기 열 민감성 재료의 층을 포함하고, 상기 관찰된 장면으로부터 상기 적외선 방사를 수신하고, 상기 검출기 엘리먼트에서의 상기 열 노이즈 및 상기 수신된 적외선 방사에 기초하여 이미지 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 수신된 적외선 방사는 8 - 12 마이크로미터의 범위의 파장을 가짐 -
을 포함하고,
상기 회로는,
상기 각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 보정된 이미지 신호를 생성하기 위해 상기 이미지 신호에서 상기 기준 신호를 감산하고, 상기 복수의 검출기 엘리먼트들로부터의 상기 보정된 이미지 신호들에 기초하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된,
열 이미징 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 열 민감성 재료는,
산화 바나듐인, 열 이미징 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 기준 저항기는,
상기 이미징 마이크로볼로미터의 상기 열 민감성 재료의 층의 저항값과 동일한 저항값을 갖는,
열 이미징 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 지지층은,
질화 규소인, 열 이미징 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 ROIC 기판에 연결되고 상기 마이크로볼로미터 어레이 위에 캐비티(cavity)를 제공하도록 구성된 리드 웨이퍼(lid wafer)
를 더 포함하고,
상기 리드 웨이퍼는,
상기 전자기 방사가 상기 마이크로볼로미터 어레이에서 수신되도록 상기 전자기 방사에 대해 광학적으로 투명한 영역을 포함하는,
열 이미징 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 적외선 반사 재료는 알루미늄인,
열 이미징 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 지지층은,
복수의 홀을 포함하는, 열 이미징 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 회로는,
상기 각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 상기 기준 마이크로볼로미터와 상기 이미징 마이크로볼로미터 사이에 직렬로 연결된 한 쌍의 상보형 트랜지스터(complementary transistors)
를 포함하는 열 이미징 장치.
- 열 이미징 방법(thermal imaging method)에 있어서,
마이크로볼로미터 어레이의 복수의 검출기 엘리먼트 각각에 대한 이미징 마이크로볼로미터에서 관찰된 장면으로부터 8 - 12 마이크로미터의 범위의 파장을 갖는 적외선 방사를 수신하는 단계;
상기 복수의 검출기 엘리먼트 각각에 포함된 상기 이미징 마이크로볼로미터로부터, 상기 각각의 검출기 엘리먼트에서 상기 수신된 적외선 방사 및 열 노이즈의 조합으로부터의 이미지 신호를 생성하는 단계;
상기 복수의 검출기 엘리먼트 각각에 포함된 기준 마이크로볼로미터로부터, 상기 열 노이즈에 기초하여 기준 신호를 생성하는 단계 - 상기 기준 마이크로볼로미터는 상기 적외선 방사를 수신하는 것으로부터 차폐됨 - ;
상기 각각의 검출기 엘리먼트에 대해, 보정된 이미지 신호를 생성하도록, 상기 이미지 신호에서 상기 기준 신호를 감산하는 단계; 및
상기 복수의 검출기 엘리먼트로부터 상기 보정된 이미지 신호에 기초하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하는 단계
를 포함하는 방법.
- 열 이미징 장치(thermal imaging device)로서,
판독 집적 회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 기판; 및
상기 ROIC 기판 상에 배치되고, 2 차원 어레이로 배열된 복수의 검출기 엘리먼트를 포함하는 마이크로볼로미터 어레이(microbolometer array)
를 포함하고,
상기 각각의 검출기 엘리먼트는,
이미징 마이크로볼로미터(imaging microbolometer); 및
기준 마이크로볼로미터(reference microbolometer)
를 포함하고,
상기 이미징 마이크로볼로미터는,
관찰된 장면으로부터 전자기 방사를 수신하고, 상기 전자기 방사를 수신하는 것에 응답하여 이미지 신호를 생성하도록 구성되고,
상기 이미지 신호는,
상기 각각의 검출기 엘리먼트에서 열 노이즈로 인해 생성된 컴포넌트를 포함하고,
상기 기준 마이크로볼로미터는,
상기 전자기 방사를 수신하는 것으로부터 차폐되고, 상기 열 노이즈를 나타내는 기준 신호를 생성하도록 구성되고,
상기 각각의 검출기 엘리먼트는,
보정된 이미지 신호를 생성하기 위해 상기 이미지 신호로부터 상기 기준 신호를 감산하도록 구성된 회로
를 더 포함하고,
상기 회로는,
상기 기준 마이크로볼로미터 및 상기 이미징 마이크로볼로미터 사이에 직렬로 연결된 한 쌍의 상보형 트랜지스터(complementary transistors)
를 포함하고,
상기 열 이미징 장치는,
상기 복수의 검출기 엘리먼트들로부터 상기 보정된 이미지 신호들로부터의 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된,
열 이미징 장치.
- 제19항에 있어서,
상기 각각의 검출기 엘리먼트의 상기 이미징 마이크로볼로미터는,
상기 ROIC 기판 위에 매달린 열 민감성 재료의 층
을 포함하고,
각각의 검출기 엘리먼트의 상기 기준 마이크로볼로미터는,
상기 열 민감성 재료로 만들어진 기준 저항기
를 포함하는 열 이미징 장치.
- 제20항에 있어서,
상기 열 민감성 재료는,
산화 바나듐인, 열 이미징 장치.
- 제20항에 있어서,
상기 기준 볼로미터는,
상기 열 민감성 재료의 층의 저항값과 동일한 저항값을 갖도록 구성된,
열 이미징 장치.
- 제20항에 있어서,
상기 기준 저항기는,
상기 ROIC 기판 상에 배치되고,
상기 각각의 검출기 엘리먼트는,
상기 기준 저항기 위에 배치되고, 상기 기준 마이크로볼로미터를 상기 전자기 방사를 수신하는 것으로부터 차폐하도록 구성된 적외선 반사 재료의 층
을 더 포함하는 열 이미징 장치.
- 제19항에 있어서,
상기 ROIC 기판에 구현되고, 상기 마이크로볼로미터 어레이에 연결된 ROIC
를 더 포함하고,
상기 ROIC는,
상기 복수의 검출기 엘리먼트로부터의 상기 기준 신호 및 상기 이미지 신호를 처리하여, 상기 관찰된 장면의 이미지를 생성하도록 구성된,
열 이미징 장치.
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