KR20210054369A

KR20210054369A - 센싱 모듈 및 이를 포함하는 생체 신호 측정 장치

Info

Publication number: KR20210054369A
Application number: KR1020190140446A
Authority: KR
Inventors: 임정욱; 정승기
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-05-13
Also published as: US20210131864A1; US11619546B2

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 센싱 모듈은, 광 신호를 출력하는 광원, 복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되고, 상기 광 신호를 감지하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 광원이 비활성화된 상태에서 상기 복수의 단위 픽셀들로부터 생성되는 픽셀 신호의 크기를 소정의 제1 기준 전압과 비교함으로써, 소정의 임계치 이상의 누설 전류(leakage current)가 발생한 단위 픽셀을 검출하는 누설 전류 검출기, 및 상기 광원이 활성화된 상태에서 상기 검출된 단위 픽셀을 비활성화시키는 픽셀 구동 회로를 포함할 수 있다.

Description

센싱 모듈 및 이를 포함하는 생체 신호 측정 장치{SENSING MODULE AND VITAL SIGNAL MEASURING DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 센싱 모듈 및 이를 포함하는 생체 신호 측정 장치에 관한 것이다.

최근 헬스케어 기능을 탑재한 전자 장치에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있다. 이에 따라, 사용자의 심박수나 혈중 산소 포화도(SpO2) 등 다양한 생체 신호들을 측정할 수 있는 생체 신호 측정 장치가 각광받고 있다. 생체 신호 측정 장치는 전자 장치로서 사이즈 및 전력 소모를 최소화할 것이 요구된다. 이를 충족시키기 위해, 이미지 센서를 이용하여 생체 신호를 측정하는 장치 및 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 소정의 단위로 비활성화할 수 있는 센싱 모듈 및 이를 포함하는 생체 정보 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 센싱 모듈은, 광 신호를 출력하는 광원, 복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되고, 상기 광 신호를 감지하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 광원이 비활성화된 상태에서 상기 복수의 단위 픽셀들로부터 생성되는 픽셀 신호의 크기를 소정의 제1 기준 전압과 비교함으로써, 소정의 임계치 이상의 누설 전류(leakage current)가 발생한 단위 픽셀을 검출하는 누설 전류 검출기, 및 상기 광원이 활성화된 상태에서 상기 검출된 단위 픽셀을 비활성화시키는 픽셀 구동 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 센싱 모듈은, 복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되고, 소정의 단위로 그룹핑되어 적어도 하나의 픽셀 그룹을 구성하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 적어도 하나의 픽셀 그룹의 출력 노드에 각각 연결되고, 상기 적어도 하나의 픽셀 그룹에서 생성되는 픽셀 신호를 소정의 기준 전압과 비교함으로써, 소정의 임계치 이상의 누설 전류(leakage current)가 발생한 픽셀 그룹을 검출하는 제1 누설 전류 검출기, 상기 복수의 단위 픽셀들을 로우 라인 단위로 활성화시키는 제2 누설 전류 검출기를 포함하고, 상기 제1 누설 전류 검출기는, 상기 제2 누설 전류 검출기에 의해 활성화된 각각의 단위 픽셀에서 생성되는 픽셀 신호를 상기 기준 전압과 비교함으로서, 상기 픽셀 그룹 중 상기 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 검출하고, 상기 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 광원이 턴-온된 상태에서 비활성화시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 생체 신호 측정 장치는, 광 신호를 출력하는 적어도 하나의 광원, 상기 광 신호 중 피사체(object)로부터 반사된 반사 광 신호를 감지하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 및 상기 픽셀 신호로부터 상기 피사체의 생체 신호를 생성하는 픽셀 구동 회로를 포함하는 센싱 모듈, 및 상기 적어도 하나의 광원 및 상기 센싱 모듈을 서로 분리시키는 광 차폐막을 포함하고, 상기 센싱 모듈은, 상기 복수의 단위 픽셀들 중에서 누설 전류(leakage current)가 발생한 단위 픽셀을 검출하고, 소정의 값을 갖는 제어 신호를 인가함으로써 상기 검출된 단위 픽셀을 비활성화시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 센싱 모듈은, 누설 전류가 발생된 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 그룹을 비활성화시킴으로써, 전력 소모를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 센싱 모듈은, 누설 전류가 발생된 단위 픽셀을 비활성화시킴으로써, 센싱 정확도를 높일 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점 및 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치의 구조를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타낸 도면들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 단위 픽셀의 구조를 나타낸 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 전류 검출기를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 단위 픽셀의 구조를 나타낸 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 전류 검출기를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10a 및 도 10b는 도 9의 동작 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13은 도 12의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 도 1 내지 도 13를 참조하여 설명한 센싱 모듈에 적용될 수 있는 리드아웃 회로의 구성을 나타낸 도면들이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 생체 신호 측정 장치를 포함하는 전자 기기의 구성을 간단하게 나타낸 도면이다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 생체 신호 측정 장치를 포함하는 전자 기기를 예시적으로 나타낸 도면들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치의 구조를 간단하게 나타낸 도면들이다. 도 1은 기판에 평행한 방향(예컨대, XY 평면)에서 바라 본 생체 신호 측정 장치를 나타내고, 도 2는 기판에 수직한 방향(예컨대, YZ 평면)에서 바라 본 생체 신호 측정 장치를 나타낸다.

먼저 도 1을 참조하면, 생체 신호 측정 장치(1)는 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 광원(10), 센싱 모듈(20), 및 광원(10)과 센싱 모듈(20)을 기판에 평행한 방향으로 서로 분리시키는 광 차폐막(30)을 포함할 수 있다.

생체 신호 측정 장치(1)는, 사용자로부터 생체 신호 측정 요청을 수신한 경우, 광원(10)을 턴-온시켜 광 신호를 출력할 수 있다.

광원(10)은 적어도 하나의 개별 광원(10_1-10_3)을 포함할 수 있다. 도 1에서는 광원(10)이 3개의 개별 광원들(10_1-10_3)을 포함하는 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것이므로 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.

개별 광원(10_1-10_3)은 적어도 하나의 발광소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 개별 광원(10_1-10_3)은 LED(Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(laser diode), VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 또는 형광체 등을 포함할 수 있다. 개별 광원(10_1-10_3)에 포함되는 복수의 발광소자들은 어레이(array) 형태로 배치될 수 있다.

센싱 모듈(20)은 피사체(object)의 생체 조직(예컨대, 혈관)에 의해 산란되거나 반사되는 광 신호를 감지하고, 감지된 광 신호로부터 피사체의 생체 신호를 생성할 수 있다.

센싱 모듈(20)은, 광 신호를 감지하고 감지된 광 신호로부터 전기 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 및 복수의 단위 픽셀들이 생성한 전기 신호를 이용하여 피사체의 생체 신호를 생성하는 픽셀 구동회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 피사체의 생체 신호는 맥파 신호(Photoplethysmogram, PPG), 심전도(Electorcardiography, ECG) 신호, 또는 근전도(Electormygraphy, EMG) 신호 등을 포함할 수 있다. 피사체는 생체 신호 측정 장치(1)에 접촉하거나 인접한 사용자의 신체 영역으로서, 생체 신호의 생성이 용이한 신체 부위일 수 있다. 예컨대, 생체 신호 측정 장치(1)를 이용하여 맥파 신호(PPG)를 측정하는 경우, 피사체는 상대적으로 피부 조직의 두께가 얇고 혈관 밀도가 높은 사용자의 신체 부위인 손목 또는 귀 등일 수 있다.

한편, 광원(10)이 턴-오프된 상태에서, 센싱 모듈(20)의 픽셀 어레이에는 누설 전류(leakage current)가 발생할 수 있으며, 소정의 임계치를 초과하는 누설 전류는 생체 신호 측정 장치(1)의 센싱 정확도를 크게 감소시킬 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈(20)은 누설 전류가 발생된 단위 픽셀을 비활성화시킴으로써, 생체 신호 측정 장치(10)의 센싱 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 센싱 모듈(20)은 누설 전류가 발생된 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 그룹을 비활성화시킴으로써, 생체 신호 측정 장치(10)의 전력 소모를 최소화할 수 있다.

도 2를 참조하면, 광원(10) 및 센싱 모듈(20)은 기판(SUB) 상에 배치되고, 광 차폐막(30)에 의해 기판(SUB)에 평행한 방향(예컨대, Y축 방향)으로 서로 이격될 수 있다.

생체 신호 측정 장치(1)는 기판(SUB)에 수직한 방향(예컨대, Z축 방향)으로 광원(10) 및 센싱 모듈(20)의 상부에 배치되는 투광판(GLA)을 더 포함할 수 있다. 투광판(GLA)은 기판(SUB) 상에 배치된 복수의 지지부들(P1, P2)에 의해 지지되며, 복수의 지지부들(P1, P2)과 함께 생체 신호 측정 장치(10)의 외관을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 투광판(GLA)은 투명 재료, 예컨대 아크릴 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등을 포함할 수 있다.

광원(10)에서 출력된 광 신호는 투광판(GLA)을 통해 생체 신호 측정 장치(1)의 외부로 방출될 수 있다. 또한, 피사체로부터 반사된 광 신호는 투광판(GLA)을 통해 생체 신호 측정 장치(1)의 내부로 재입사될 수 있다. 생체 신호 측정 장치(1)의 내부로 재입사된 광 신호는 센싱 모듈(20)에 의해 검출되어 피사체의 생체 신호를 측정하는 데 이용될 수 있다.

광 차폐막(30)은 광원(10)에서 출력된 광 신호가 투광판(GLA)을 거치지 않고 센싱 모듈(20)로 직접 전달되는 것을 방지함으로써, 생체 신호에 포함되는 노이즈 성분을 제거하고 센싱 정확도를 높일 수 있다. 일 실시예에서, 광 차폐막(30)은 불투명 물질, 예컨대 산화 실리콘 또는 금속 재료 등을 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 생체 신호 측정 장치(1)에 포함되는 센싱 모듈(20)에 대해, 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈(20a)을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 센싱 모듈(20a)은 픽셀 어레이(100) 및 픽셀 구동회로(300)를 포함할 수 있다.

픽셀 어레이(100)는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX)이 매트릭스 형태로 배치되는 경우, 단위 픽셀들(PX)은 복수의 로우 라인들과 복수의 칼럼 라인들이 교차하는 지점들에 각각 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)의 일 예들은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같다.

도 4a 및 도 4b를 함께 참조하면, 픽셀 어레이(200, 300)는 복수의 단위 픽셀들(PX) 및 누설 전류 검출기(210, 310)를 포함할 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(PX)은 어레이 형태로 배치될 수 있으며, 복수의 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m]) 및 복수의 칼럼 라인들(COL[1]-COL[n])에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들(PX)은 생체 신호를 획득하는 데 적합한 특정 파장의 광 신호에만 반응하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 예컨대, 복수의 단위 픽셀들(PX)은 피부 조직 또는 혈관에 의해 반사된 근적외선에만 반응하는 픽셀들을 포함할 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(PX)은 아날로그 비닝 기법에 의해 적어도 하나의 픽셀 그룹으로 그룹핑될 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들(PX)은, 픽셀 신호의 출력 노드를 공유하는 방식으로, 칼럼 라인 단위로 그룹핑될 수 있다. 예컨대, 도 4a에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(200)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)은 각각의 칼럼 라인(COL[1]-COL[n]) 별로 서로 다른 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n])을 구성할 수 있다. 즉, 제1 칼럼 라인(COL[1])에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 제1 픽셀 그룹(PXG[1])을 구성하고, 제2 칼럼 라인(COL[2])에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 제2 픽셀 그룹(PXG[2])을 구성할 수 있다. 마찬가지로, 제n 칼럼 라인(COL[n])에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 제n 픽셀 그룹(PXG[n])을 구성할 수 있다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(300)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)은 2개의 칼럼 라인들(COL[1]과 COL[2], COL[3]와 COL[4] 등) 마다 서로 다른 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[k])을 구성할 수도 있다. 즉, 제1 칼럼 라인(COL[1]) 또는 제2 칼럼 라인(COL[2])에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 제1 픽셀 그룹(PXG[1])을 구성하고, 제3 칼럼 라인(COL[3]) 또는 제4 칼럼 라인(COL[4])에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 제2 픽셀 그룹(PXG[2])을 구성할 수 있다. 마찬가지로, 제n-1 칼럼 라인(COL[n-1]) 또는 제n 칼럼 라인(COL[n])에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 제k 픽셀 그룹(PXG[k])을 구성할 수 있다.

일 실시예에서, 픽셀 어레이(200, 300)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)은, 픽셀 신호의 출력 제어 신호를 공유하는 방식으로, 로우 라인 단위로 그룹핑될 수 있다. 예컨대, 제1 로우 라인(ROW[1])과 제2 로우 라인(ROW[2])에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)은, 동기화된 선택 제어 신호(SEL)에 따라 픽셀 신호를 출력함으로써, 하나의 픽셀 그룹을 구성할 수 있다.

픽셀 어레이(200, 300)에 포함되는 적어도 하나의 픽셀 그룹은 다양한 형태 및 크기를 가질 수 있으며, 도 4a 및 도 4b에 도시된 복수의 픽셀 그룹들은 예시적인 것임에 유의하여야 한다. 예컨대, 픽셀 어레이(200, 300)에 포함되는 모든 단위 픽셀들(PX)이 그룹핑되어 하나의 픽셀 그룹을 구성할 수도 있다

누설 전류 검출기(210, 310)는 적어도 하나의 픽셀 그룹 각각의 출력 노드에 연결되어, 복수의 단위 픽셀들(PX)에 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생하는지 여부를 검출할 수 있다. 예컨대, 도 4a에 도시된 바와 같이, 누설 전류 검출기(210)는 제1 내지 제n 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n])의 출력 노드들에 각각 연결되는 제1 내지 제n 누설 전류 검출기들(210_1-210_n)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제n 누설 전류 검출기들(210_1-210_n)은 제1 내지 제n 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n]) 각각에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)에서 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생하는지 여부를 검출할 수 있다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 누설 전류 검출기(310)는 제1 내지 제k 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[k])의 출력 노드들에 각각 연결되는 제1 내지 제k 누설 전류 검출기들(310_1-310_k)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제k 누설 전류 검출기들(310_1-310_k)은 제1 내지 제k 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[k]) 각각에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)에서 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생하는지 여부를 검출할 수 있다.

누설 전류 검출기(210, 310)는, 광원이 턴-오프(turn-off)된 상태에서 적어도 하나의 픽셀 그룹 각각의 출력 노드를 통해 수신되는 픽셀 신호가 소정의 임계치를 초과하는 지 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 해당 픽셀 신호의 출력 여부를 제어할 수 있다. 예컨대, 제1 픽셀 그룹(PXG[1])의 출력 노드를 통해 수신되는 픽셀 신호가 소정의 임계치 미만인 경우, 누설 전류 검출기(210, 310)는 해당 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 반대로, 제1 픽셀 그룹(PXG[1])의 출력 노드를 통해 수신되는 픽셀 신호가 소정의 임계치 이상인 경우, 누설 전류 검출기(210, 310)는 해당 픽셀 신호를 출력하지 않을 수 있다.

센싱 모듈(20a)은, 광원이 턴-오프된 상태에서 누설 전류 검출기(210, 310)로부터 픽셀 신호가 출력되는지 여부에 기초하여, 광원이 턴-온된 상태에서 적어도 하나의 픽셀 그룹의 활성화 여부를 제어할 수 있다. 예컨대, 광원이 턴-오프된 상태에서 누설 전류 검출기(210, 310)로부터 픽셀 신호가 출력되는 경우, 센싱 모듈(20a)은 해당 픽셀 신호를 생성하는 픽셀 그룹을 광원이 턴-온된 상태에서 활성화시킬 수 있다. 반대로, 누설 전류 검출기(210, 310)로부터 픽셀 신호가 출력되지 않는 경우, 센싱 모듈(20a)은 해당 픽셀 신호를 생성하는 픽셀 그룹을 광원이 턴-온된 상태에서 비활성화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 센싱 모듈(20a)은 소정의 픽셀 그룹에 속하는 복수의 단위 픽셀들(PX)에 인가되는 제어 신호의 값을 제어함으로써 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다. 예컨대, 센싱 모듈(20a)은 제1 픽셀 그룹(PXG[1])에서 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 검출된 경우, 해당 제1 픽셀 그룹(PXG[1])에 속하는 복수의 단위 픽셀들(PX)에 로직 로우값(또는, '0' 값)을 갖는 선택 제어 신호(SEL)를 인가함으로써, 제1 픽셀 그룹(PXG[1])을 비활성화시킬 수 있다. 또한, 센싱 모듈(20a)은 제1 픽셀 그룹(PXG[1])에서 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 검출된 경우, 해당 제1 픽셀 그룹(PXG[1])에 속하는 복수의 단위 픽셀들(PX)에 로직 로우값(또는, '0' 값)을 갖는 전송 제어 신호(TG)를 인가함으로써, 제1 픽셀 그룹(PXG[1])을 비활성화시킬 수 있다.

설명의 편의를 위해 도 3을 다시 참조하면, 로우 드라이버(210)는 픽셀 어레이(100)를 로우 라인 단위로 구동할 수 있다. 예컨대, 로우 드라이버(210)는 단위 픽셀(PX)의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 로우 라인 단위로 생성할 수 있다.

리드아웃 회로(230)는 픽셀 어레이(100)에 포함된 단위 픽셀들(PX)로부터 출력되는 픽셀 신호를 검출하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.

컨트롤 로직(250)은 센싱 모듈(20)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 로직(250)은 픽셀 어레이(100)에 포함되는 적어도 하나의 픽셀 그룹으로부터 픽셀 신호가 출력되는지 여부에 기초하여, 복수의 단위 픽셀들의 활성화 여부를 제어할 수 있다.

이하, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이에 포함될 수 있는 단위 픽셀(PX)의 구조를 상세하게 설명하기로 한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 단위 픽셀의 구조를 나타낸 도면들이다.

먼저 도 5a를 참조하면, 단위 픽셀(PXa)은 칼럼 라인(COL)에 연결된 적어도 하나의 포토 다이오드(PD)를 포함할 수 있다. 광원이 출력한 광 신호가 피사체로부터 반사되어 단위 픽셀(PXa)로 입사되는 경우, 포토 다이오드(PD)는 입사된 광 신호에 반응하여 전하를 생성할 수 있다.

포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하는 칼럼 라인(COL)을 통해 전달되어 픽셀 신호(I_OUT)로서 출력될 수 있다. 이 경우, 픽셀 신호(I_OUT)는 전류 신호일 수 있다.

도 5b를 참조하면, 단위 픽셀(PXb)은 적어도 하나의 포토 다이오드(PD), 및 전송 트랜지스터(TX)를 포함할 수 있다.

전송 트랜지스터(TX)는 포토 다이오드(PD)의 출력 노드에 연결되어, 포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하가 칼럼 라인(COL)에 전달되는 것을 제어할 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 게이트로 입력되는 전송 제어 신호(TG)에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다.

단위 픽셀(PXb)을 포함하는 센싱 모듈은, 전송 제어 신호(TG)를 이용하여 전송 트랜지스터(TX)의 스위칭 동작을 제어함으로써, 센싱 타임을 조절할 수 있다.

한편, 도 5a 및 도 5b의 단위 픽셀들(PXa, PXb)은 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하를 칼럼 라인(COL)으로 그대로 전달하므로, 픽셀 신호들(I_OUT)의 크기가 다른 구조의 단위 픽셀들에 비해 상대적으로 미약할 수 있다. 이에, 단위 픽셀들(PXa, PXb) 각각에 포함되는 포토 다이오드(PD)의 개수를 증가시킴으로써, 픽셀 신호(I_OUT)의 크기를 증가시킬 수 있다. 또한, 다른 구조의 단위 픽셀들이 적용된 경우와 비교하여, 픽셀 신호(I_OUT)의 증폭비를 보다 증가시킴으로써, 픽셀 신호(I_OUT)의 크기를 증가시킬 수 있다.

도 5a 및 도 5b의 단위 픽셀들(PXa, PXb)을 포함하는 픽셀 어레이에 적용될 수 있는 누설 전류 검출기의 일 예는 도 6에 도시된 바와 같다.

도 6을 참조하면, 누설 전류 검출기(410)는 전류-전압 변환기(TIA), 비교기(COMP), 및 스위치(SW)를 포함할 수 있다.

전류-전압 변환기(TIA)는 픽셀 그룹의 출력 노드를 통해 수신되는 픽셀 신호(I_OUT)를 전압 신호(V_OUT)로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, 전류-전압 변환기(TIA)는 픽셀 신호(I_OUT)를 입력 받고, 입력된 픽셀 신호(I_OUT)를 전압 신호(V_OUT)로 변환하여 출력하는 트랜스 임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전류-전압 변환기(TIA)는 픽셀 신호(I_OUT) 및 소정의 제1 기준 전압(Vref1)을 각각 입력 받고, 입력된 픽셀 신호(I_OUT)를 전압 신호(V_OUT)로 변환하여 출력하는 전하 증폭기(charge amplifier)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 기준 전압(Vref1)의 크기는 센싱 모듈의 전력 소모량을 최소화할 수 있는 적절한 값으로 미리 설정될 수 있다. 예컨대, 제1 기준 전압(Vref1)의 크기(amplitude)는 0.1 V 이상이고 0.5 V 이하일 수 있다.

비교기(COMP)는 전압 신호로 변환된 픽셀 신호(V_OUT)를 소정의 제2 기준 전압(Vref2)과 비교하고, 그 비교 결과에 상응하는 비교 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 픽셀 신호(V_OUT)가 제2 기준 전압(Vref2) 이상인 경우, 비교기(COMP)는 로직 하이 값(또는, '1' 값)을 갖는 비교 신호를 출력할 수 있다. 또한, 픽셀 신호(V_OUT)가 제2 기준 전압(Vref2) 미만인 경우, 비교기(COMP)는 로직 로우 값(또는, '0' 값)을 갖는 비교 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 기준 전압(Vref2)의 크기는 시스템 요구 사항 등에 따라 미리 설정되는 누설 전류에 대한 민감도(sensitivity)에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 누설 전류에 대한 민감도가 상대적으로 높게 설정되는 경우, 제2 기준 전압(Vref2)의 크기는 상술한 제1 기준 전압(Vref1)의 크기의 2 배 보다 작을 수 있다. 또한, 누설 전류에 대한 민감도가 상대적으로 낮게 설정되는 경우, 제2 기준 전압(Vref2)의 크기는 상술한 제1 기준 전압(Vref1)의 크기의 2 배 보다 크거나 같을 수 있다.

스위치(SW)는 비교기(COMP)의 제어 하에 스위칭 동작을 수행하여, 전압 신호로 변환된 픽셀 신호(V_OUT)의 출력 여부를 제어할 수 있다. 예컨대, 비교기(COMP)로부터 출력되는 비교 신호가 로직 로우 값을 갖는 경우, 누설 전류 검출기(410)가 픽셀 신호(V_OUT)를 출력하도록 스위치(SW)는 턴-온될 수 있다. 이 경우, 해당 픽셀 신호(V_OUT)를 생성하는 픽셀 그룹에 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 것으로 간주할 수 있다.

또한, 비교기(COMP)로부터 출력되는 비교 신호가 로직 하이 값을 갖는 경우, 누설 전류 검출기(410)가 픽셀 신호(V_OUT)를 출력하도록 스위치(SW)는 턴-오프될 수 있다. 이 경우, 해당 픽셀 신호(V_OUT)를 생성하는 픽셀 그룹에 소정의 임계치 미만의 누설 전류가 발생한 것으로 간주할 수 있다.

일 실시예에서, 스위치(SW)는 비교기(COMP)로부터 출력되는 비교 신호를 수신하는 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함할 수 있다.

누설 전류 검출기(410)를 포함하는 센싱 모듈은, 누설 전류 검출기(410)로부터 픽셀 신호(V_OUT)가 출력되는지 여부에 기초하여, 해당 픽셀 신호(V_OUT)를 생성하는 픽셀 그룹의 광원 턴-온 상태에서의 활성화 여부를 제어할 수 있다. 예컨대, 누설 전류 검출기(410)가 픽셀 신호(V_OUT)를 출력하는 경우, 센싱 모듈은 해당 픽셀 신호(V_OUT)를 생성하는 픽셀 그룹을 광원의 턴-온 상태에서 활성화시킬 수 있다. 또한, 누설 전류 검출기(410)가 픽셀 신호(V_OUT)를 출력하지 않는 경우, 센싱 모듈은 해당 픽셀 신호(V_OUT)를 생성하는 픽셀 그룹을 광원의 턴-온 상태에서 비활성화시킬 수 있다.

일 실시예에서, 센싱 모듈은, 광원의 턴-온 상태에서, 픽셀 그룹에 대한 픽셀 신호 검출 동작을 스킵(skip)함으로써, 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다. 또한, 도 5b의 단위 픽셀(PXb)이 적용된 경우, 센싱 모듈은, 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PXb)에 소정의 값을 갖는 제어 신호, 예컨대 로직 로우 값을 갖는 전송 제어 신호(TG)를 인가함으로써, 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다. 이하, 도 7a 및 도 7b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이에 포함될 수 있는 단위 픽셀(PX)의 다른 구조를 상세하게 설명하기로 한다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 단위 픽셀의 구조를 나타낸 도면들이다. 도 7a는 3T 구조를 갖는 단위 픽셀(PXc)의 일 예를 나타내고, 도 7b는 4T 구조를 갖는 단위 픽셀(PXd)의 일 예를 나타낸다.

먼저 도 7a를 참조하면, 단위 픽셀(PXc)은 적어도 하나의 포토 다이오드(PD) 및 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 플로팅 디퓨전(Floating Diffusion: FD), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.

광원이 출력한 광 신호가 피사체로부터 반사되어 단위 픽셀(PXc)로 입사되면, 포토 다이오드(PD)는 입사된 광 신호에 반응하여 전하를 생성할 수 있다. 포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하는 플로팅 디퓨전(FD)에 축적될 수 있다.

리셋 트랜지스터(RX)가 리셋 제어 신호(RG)에 의해 턴-온되면, 플로팅 디퓨전(FD)의 전압은 전원 전압(VDD)으로 리셋될 수 있다.

플로팅 디퓨전(FD)의 전압이 리셋된 후 전송 트랜지스터(TX)가 전송 제어 신호(TG)에 의해 턴-온되면, 포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하는 플로팅 디퓨전(FD)으로 이동할 수 있다.

구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전(FD)의 전압을 증폭하는 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 선택 제어 신호(SEL)에 의해 턴-온되면, 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하량에 대응하는 전압 신호인 픽셀 신호(V_OUT)가 픽셀 노드(PN)를 통해 칼럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다.

도 7b를 참조하면, 단위 픽셀(PXd)은 적어도 하나의 포토 다이오드(PD) 및 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 플로팅 디퓨전(Floating Diffusion: FD), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 또한, 도 7a의 경우와 달리, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터(TX)를 더 포함할 수 있다.

전송 트랜지스터(TX)는 전송 제어 신호(TG)에 따라 스위칭 동작을 수행하여, 포토 다이오드(PD)에 생성된 전하가 플로팅 디퓨전(FD)으로 전달되는 것을 제어할 수 있다. 예컨대, 전송 트랜지스터(TX)가 전송 제어 신호(TX)에 의해 턴-온되면, 포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하는 플로팅 디퓨전(FD)으로 이동할 수 있다. 또한, 전송 트랜지스터(TX)가 전송 제어 신호(TX)에 의해 턴-오프되면, 포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하는 플로팅 디퓨전(FD)으로 이동하지 않을 수 있다.

도 7a 및 도 7b의 단위 픽셀들(PXc, PXd)을 포함하는 픽셀 어레이에 적용될 수 있는 누설 전류 검출기의 일 예는 도 8에 도시된 바와 같다.

도 8을 참조하면, 누설 전류 검출기(510)는 비교기(COMP) 및 스위치(SW)를 포함할 수 있다.

비교기(COMP)는 픽셀 그룹의 출력 노드를 통해 수신되는 픽셀 신호(V_OUT)를 소정의 기준 전압(Vref)과 비교하고, 그 비교 결과에 상응하는 비교 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 픽셀 신호(V_OUT)가 기준 전압(Vref) 이상인 경우, 비교기(COMP)는 로직 하이 값(또는, '1' 값)을 갖는 비교 신호를 출력할 수 있다. 또한, 픽셀 신호(V_OUT)가 기준 전압(Vref) 미만인 경우, 비교기(COMP)는 로직 로우 값(또는, '0' 값)을 갖는 비교 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 기준 전압(Vref)의 크기는 시스템 요구 사항 등에 따라 미리 설정되는 누설 전류에 대한 민감도에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 누설 전류에 대한 민감도가 상대적으로 높게 설정되는 경우, 기준 전압(Vref)의 크기는 1.0 V 미만일 수 있다. 또한, 누설 전류에 대한 민감도가 상대적으로 낮게 설정되는 경우, 기준 전압(Vref)의 크기는 1.0 V 이상일 수 있다. 이하, 도 9 내지 도 12b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈의 동작 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈은 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을, 각각의 픽셀 그룹 별로 검출할 수 있다.

단계 S10에서, 각각의 픽셀 그룹의 출력 노드에 연결되는 누설 전류 검출기는, 각각의 픽셀 그룹으로부터 생성되는 픽셀 신호를 소정의 기준 전압과 비교하고, 그 비교 결과에 상응하는 비교 신호를 출력할 수 있다. 누설 전류 검출기는, 광원의 턴-오프 상태에서, 비교 신호에 기초하여 픽셀 신호의 출력 여부를 제어할 수 있다. 센싱 모듈은, 누설 전류 검출기로부터 픽셀 신호가 출력되는지 여부에 따라, 누설 전류의 발생 여부를 각각의 픽셀 그룹 별로 검출할 수 있다.

단계 S20에서, 누설 전류 검출기로부터 픽셀 신호가 출력되는 경우('예'), 해당 픽셀 신호를 생성한 픽셀 그룹에 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 것으로 간주하고, 단계 S30으로 진행할 수 있다.

단계 S20에서, 누설 전류 검출기로부터 픽셀 신호가 출력되지 않는 경우('아니오'), 해당 픽셀 신호를 생성한 픽셀 그룹에 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생하지 않은 것으로 간주하고, 단계 S40으로 진행할 수 있다.

단계 S30에서, 센싱 모듈은, 누설 전류가 발생한 것으로 간주된 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 단위 픽셀들을 비활성화할 수 있다. 일 실시예에서, 센싱 모듈은, 광원의 턴-온 상태에서, 픽셀 그룹에 대한 픽셀 신호 검출 동작을 스킵(skip)함으로써, 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 센싱 모듈은, 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 단위 픽셀들에 소정의 값을 갖는 제어 신호, 예컨대 로직 로우 값을 갖는 전송 제어 신호(TG)를 인가함으로써, 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다.

센싱 모듈은, 모든 픽셀 그룹들에 대해 누설 전류의 발생 여부를 판별할 수 있다.

단계 S40에서, 모든 픽셀 그룹들에 대해 누설 전류의 발생 여부를 판별하지 않은 경우('아니오'), S10으로 돌아가 나머지 픽셀 그룹들에 대한 누설 전류의 발생 여부를 계속하여 판별할 수 있다.

단계 S40에서, 모든 픽셀 그룹들에 대해 누설 전류의 발생 여부를 판별한 경우('예'), 센싱 모듈은 광원이 턴-온된 상태에서 비활성화되지 않은 적어도 하나의 픽셀 그룹을 이용하여 센싱 동작을 수행할 수 있다(S50).

도 9의 동작 방법을 픽셀 어레이 상에서 구체적으로 나타내면 도 10a 및 도 10b에 도시한 바와 같다.

먼저 도 10a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(600)는 각각의 칼럼 라인(COL[1]-COL[n]) 마다 구성되는 복수의 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n])을 포함할 수 있다.

광원이 턴-오프된 상태에서, 센싱 모듈의 누설 전류 감지기(610)는 복수의 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n])에 대해 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생했는지 여부를 스캔할 수 있다.

스캔 결과 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 픽셀 그룹이 검출된 경우, 센싱 모듈은 광원이 턴-온된 상태에서 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다.

일 실시예에서, 센싱 모듈은, 광원의 턴-온 상태에서, 픽셀 그룹에 대한 픽셀 신호 검출 동작을 스킵(skip)함으로써, 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 센싱 모듈은, 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 단위 픽셀들에 소정의 값을 갖는 제어 신호, 예컨대 로직 로우 값을 갖는 전송 제어 신호(TG) 또는 선택 제어 신호(SEL)를 인가함으로써, 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다.

도 10b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(700)는 2개의 칼럼 라인들(예컨대, COL[1]과 COL[2], COL[3]과 COL[4] 등) 마다 구성되는 복수의 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[k])을 포함할 수 있다.

광원이 턴-오프된 상태에서, 센싱 모듈의 누설 전류 감지기(710)는 복수의 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[k])에 대해 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생했는지 여부를 스캔할 수 있다.

스캔 결과 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 픽셀 그룹이 검출된 경우, 센싱 모듈은 광원이 턴-온된 상태에서 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다. 도 10b의 경우, 각각의 픽셀 그룹(PXG[1]-PXG[k])에 포함되는 단위 픽셀들(PX)의 개수가 도 10a의 경우 보다 2배 많으므로, 동일한 조건(예컨대, 제2 로우 라인(ROW[2]) 및 제3 칼럼 라인(COL[3])의 교차점에 배치되는 단위 픽셀(PX)에 누설 전류가 발생한 경우) 하에서, 비활성화되는 단위 픽셀(PX)의 개수가 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 이에, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센싱 모듈은 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을, 픽셀 단위로 보다 정확하게 검출하여 비활성화시킴으로, 센싱 정확도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 이하, 도 11a 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센싱 모듈에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈에 적용될 수 있는 픽셀 어레이를 나타낸 도면들이다.

도 11a 및 도 11b를 함께 참조하면, 픽셀 어레이(800, 900)는 복수의 단위 픽셀들(PX), 제1 누설 전류 검출기(810), 및 제2 누설 전류 검출기(830)를 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX)이 매트릭스 형태로 배치되는 경우, 단위 픽셀들(PX)은 복수의 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m])과 복수의 칼럼 라인들(ROW[1]-ROW[m])이 교차하는 지점들에 각각 배치될 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(PX)은 아날로그 비닝 기법에 의해 적어도 하나의 픽셀 그룹으로 그룹핑될 수 있다. 예컨대, 도 11a에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(800)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)은 각각의 칼럼 라인(COL[1]-COL[n]) 별로 서로 다른 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n])을 구성할 수 있다. 또한, 도 11b에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(900)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)은 2개의 칼럼 라인들(예컨대, COL[1]과 COL[2], COL[3]과 COL[4] 등) 마다 픽셀 그룹(PXG[1]-PXG[k])을 구성할 수도 있다. 다만 이는 설명의 편의를 위한 예시일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 픽셀 어레이(800)에 포함되는 모든 단위 픽셀들(PX)이 그룹핑되어 하나의 픽셀 그룹을 구성할 수도 있다

제1 누설 전류 검출기(810, 910)는 적어도 하나의 픽셀 그룹 각각의 출력 노드에 연결되어, 복수의 단위 픽셀들(PX)에 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생하는지 여부를 픽셀 그룹 단위로 검출할 수 있다. 제1 누설 전류 검출기(810, 910)의 구성은 도 6 및 도 8을 참조하여 전술한 바와 같다.

제2 누설 전류 검출기(830, 930)는 복수의 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m])에 각각 연결된 복수의 스위치들(SW_R1-SW_Rm)을 포함할 수 있다. 제2 누설 전류 검출기(830, 930)는, 복수의 스위치들(SW_R1-SW_Rm)의 스위칭 동작을 통해 소정의 제어 신호, 예컨대 전송 제어 신호(TG)를 복수의 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m])에 각각 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 인가함으로써, 복수의 단위 픽셀들(PX)을 로우 라인 단위로 활성화시킬 수 있다. 이 경우, 제1 누설 전류 검출기(810, 910)는 제2 누설 전류 검출기(830, 930)에 의해 활성화된 복수의 단위 픽셀들의 픽셀 신호를 각각 검출함으로써, 누설 전류가 발생한 단위 픽셀(PX)을 검출할 수 있다. 이 경우, 검출된 단위 픽셀(PX)의 개수는 픽셀 그룹에 연결되는 칼럼 라인의 개수에 비례할 수 있다. 예컨대, 도 11a의 경우, 센싱 모듈은 실제로 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 단위 픽셀(제2 로우 라인(ROW[2]) 및 제2 칼럼 라인(COL[2])에 연결된 단위 픽셀) 만을 검출할 수 있다. 도 11b의 경우, 센싱 모듈은 실제로 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 단위 픽셀(제2 로우 라인(ROW[2]) 및 제3 칼럼 라인(COL[3])에 연결된 단위 픽셀), 및 해당 단위 픽셀과 동일한 로우 라인(제2 로우 라인(ROW[2])에서 그룹핑된 단위 픽셀(제2 로우 라인(ROW[2]) 및 제4 칼럼 라인(COL[4])에 연결된 단위 픽셀)을 누설 전류가 발생한 단위 픽셀로서 검출할 수 있다.

상술한 동작들은, 제1 누설 전류 검출기(810, 910)에 의해 누설 전류가 발생한 픽셀 그룹을 특정하고, 특정된 픽셀 그룹에 대해 제2 누설 전류 검출기(830, 930)를 통해 소정의 제어 신호를 로우 라인 별로 인가한 후, 제1 누설 전류 검출기(810, 910)가 활성화된 단위 픽셀들(PX)로부터 생성되는 픽셀 신호를 검출함으로써 실행될 수 있다.

또한, 상술한 동작들은, 제2 누설 전류 검출기(830, 930)를 통해 소정의 제어 신호를 로우 라인 별로 인가하여 해당 로우 라인에 연결된 복수의 단위 픽셀들(PX)을 활성화하고, 제1 누설 전류 검출기(810, 910)가 활성화된 단위 픽셀들(PX)로부터 생성되는 픽셀 신호를 픽셀 그룹별로 검출함으로써 실행될 수도 있다.

픽셀 어레이(800, 900)에 포함될 수 있는 단위 픽셀(PX)의 구조는, 도 5a, 도 5b, 도 7a, 및 도 7b를 참조하여 전술한 바와 같다.

이하, 도 12 및 도 13을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈의 동작 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈은, 도 9 내지 도 10b를 참조하여 전술한 센싱 모듈과 달리, 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을, 픽셀 단위로 보다 정확하게 검출할 수 있다. 또한, 센싱 모듈은, 광원의 턴-온 상태에서 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 픽셀 단위로 비활성화시킴으로써, 센싱 정확도를 높일 수 있다.

단계 S70에서, 센싱 모듈은 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 소정의 픽셀 단위로 검출할 수 있다. 센싱 모듈은 제1 누설 전류 감지기에 의해 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 픽셀 그룹별로 검출할 수 있다(S71). 또한, 센싱 모듈은 제2 누설 전류 감지기에 의해 복수의 단위 픽셀들을 로우 라인 단위로 활성화시켜가며 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 로우 라인 단위로 검출할 수 있다(S73).

단계 S80에서, 센싱 모듈은, 누설 전류가 발생한 것으로 검출된 적어도 하나의 단위 픽셀을, 광원이 턴-온 상태에서 비활성화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 센싱 모듈은, 해당 단위 픽셀들에 소정의 값을 갖는 제어 신호, 예컨대 로직 로우 값을 갖는 전송 제어 신호(TG) 또는 선택 제어 신호(SEL)를 인가함으로써, 해당 픽셀 그룹을 비활성화시킬 수 있다.

센싱 모듈은, 모든 단위 픽셀들에 대해 누설 전류의 발생 여부를 판별할 수 있다.

단계 S90에서, 모든 단위 픽셀들에 대해 누설 전류의 발생 여부를 판별하지 않은 경우('아니오'), S70으로 돌아가 나머지 단위 픽셀들에 대한 누설 전류의 발생 여부를 계속하여 판별할 수 있다.

단계 S90에서, 모든 픽셀 그룹들에 대해 누설 전류의 발생 여부를 판별한 경우('예'), 센싱 모듈은 광원이 턴-온된 상태에서 비활성화되지 않은 적어도 하나의 단위 픽셀을 이용하여 센싱 동작을 수행할 수 있다(S100).

도 12의 동작 방법을 픽셀 어레이 상에서 구체적으로 나타내면 도 13에 도시한 바와 같다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(1000)는 각각의 칼럼 라인(COL[1]-COL[n]) 마다 구성되는 복수의 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n])을 포함할 수 있다.

광원이 턴-오프된 상태에서, 센싱 모듈의 제1 누설 전류 감지기(1010)는 복수의 픽셀 그룹들(PXG[1]-PXG[n])에 대해 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생했는지 여부를 스캔할 수 있다.

스캔 결과 소정의 임계치 이상의 누설 전류가 발생한 픽셀 그룹이 검출된 경우, 제2 누설 전류 감지기(1030)는 해당 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 로우 라인 단위로 활성화시킬 수 있다. 제1 누설 전류 감지기(1010)는 해당 픽셀 그룹에서 활성화된 단위 픽셀(PX)로부터 출력되는 픽셀 신호를 소정의 기준 전압과 비교함으로써, 소정의 임계치를 초과하는 누설 전류가 발생한 단위 픽셀(PX)을 검출할 수 있다.

센싱 모듈은, 검출된 단위 픽셀(PX)을 광원이 턴-온된 상태에서 비활성화시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 센싱 모듈에 포함될 수 있는 리드아웃 회로의 일 예는 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같다.

도 14a를 참조하면, 리드아웃 회로(1130)는 증폭기(1131), 아날로그-디지털 컨버터(1133), 및 버퍼(1135)를 포함할 수 있다.

증폭기(1131)는 각각의 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 소정의 증폭비로 증폭할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(1133)는 증폭기(1131)가 증폭한 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 디지털 신호로 변환된 픽셀 신호는 버퍼(1135)에 저장될 수 있다.

도 14b를 참조하면, 리드아웃 회로(1230)는, 도 14a의 경우와 달리, S&H 회로(1233)를 더 포함할 수 있다. S&H 회로(1233)는 각각의 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 저장할 수 있다. 일 실시예에서, S&H 회로(1233)는 상관 이중 샘플러(CDS)를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 모듈이 모놀리식으로 형성된 적층 구조를 갖는 경우, 리드 아웃 회로(1130, 1230)는 디지털 신호로 변환된 픽셀 신호에 대해 비닝 동작을 수행하기 위한 디지털 비닝부를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 디지털 비닝부는 버퍼(1135, 1137)에 저장된 복수의 픽셀 신호들에 대해 소정의 가중치를 적용한 후 누적 평균함으로써, 디지털 비닝 동작을 수행할 수 있다.

도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 생체 신호 측정 장치를 포함하는 전자기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.

도 15를 참조하면, 전자기기(1300)는 생체 신호 측정 장치(1310), 입출력 장치(1320), 메모리(1330), 프로세서(1340), 및 통신 모듈(1350)을 포함할 수 있다. 전자기기(1300)는 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 웨어러블 장치 등을 모두 포괄하는 개념일 수 있다.

생체 신호 측정 장치(1310)는 도 1 내지 도 14를 참조하여 전술한 바와 같으며, 패키지 기판 등에 실장되어 버스(1360) 또는 다른 통신 수단을 통해 프로세서(1340)와 연결될 수 있다.

입출력 장치(1320)는 사용자에게 제공되는 키보드, 마우스, 터치스크린 등과 같은 입력 장치 및 디스플레이, 오디오 출력부 등과 같은 출력 장치를 포함할 수 있다.

메모리(1330)는 전자기기(1300)의 동작에 필요한 데이터, 또는 멀티미디어 데이터 등을 저장하는 저장 매체일 수 있다. 메모리(1330)는 휘발성 메모리, 또는 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(1330)는 저장장치로서 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 하드 디스크 드라이브(HDD), 및 광학 드라이브(ODD) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.

프로세서(1340)는 특정 연산이나 명령어 및 태스크 등을 수행할 수 있다. 프로세서(1340)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로프로세서 유닛(MCU), 시스템 온 칩(SoC) 등일 수 있으며, 버스(1360)를 통해 생체 신호 측정 장치(1310), 입출력 장치(1320), 메모리(1330)는 물론, 통신 모듈(1350)을 통해 연결된 다른 장치들과 통신할 수 있다.

도 16 내지 도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 생체 신호 측정 장치를 포함하는 전자기기를 예시적으로 나타낸 도면들이다.

먼저 도 16을 참조하면, 전자기기(1400)는 시계 타입의 웨어러블 장치로 구현될 수 있다.

전자기기(1400)는 본체와 손목 스트랩을 포함할 수 있다. 본체의 전면에는 디스플레이가 마련되어, 시간 정보, 수신 메시지 정보 등을 포함하는 다양한 어플리케이션 화면이 표시될 수 있다. 사용자는 스트랩을 이용하여 전자기기(1400)를 손목에 착용할 수 있다.

본체의 후면에는 생체 신호 측정 장치(1410)가 배치될 수 있다. 생체 신호 측정 장치(1410)는 사용자의 손목 등과 같이 본체의 후면과 접촉하는 신체 영역에 광 신호를 출력하고, 그로부터 반사된 반사광을 감지하여 생체 신호를 측정할 수 있다. 전자기기(1400)는 생체 신호 측정 장치(1410)에 의해 측정된 생체 신호를 분석하여, 혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 대동맥압 파형, 및 스트레스 지수 등과 같은 사용자의 생체 정보를 획득할 수 있다.

도 17을 참조하면, 전자기기(1500)는 스마트 폰(smart phone)과 같은 모바일 장치로 구현될 수 있다.

전자기기(1500)는 하우징 및 디스플레이 패널을 포함할 수 있다.

하우징은 전자기기(1500)의 외관을 형성할 수 있다. 하우징은 제1 면, 제1 면에 대향하는 제2 면, 및 제1 면과 제2 면 사이의 공간을 둘러싸는 측면을 포함할 수 있다.

하우징의 제1 면에는 디스플레이 패널 및 커버 글래스(cover glass)가 차례로 배치될 수 있다. 디스플레이 패널은 커버 글래스를 통해 외부로 노출될 수 있다.

하우징의 제2 면에는 생체 신호 측정 장치(1510), 카메라 모듈, 및 적외선 센서 등이 배치될 수 있다.

사용자가 전자기기(1500)에 탑재된 어플리케이션 등을 실행하여 생체 정보를 요청하는 경우, 생체 신호 측정 장치(1510)는 사용자의 신체 일부로부터 획득된 반사광을 감지하여 생체 신호를 측정할 수 있다. 전자기기(1500)는 생체 신호 측정 장치(1510)에 의해 측정된 생체 신호를 분석하여 사용자의 생체 정보를 획득할 수 있다.

도 18를 참조하면, 전자기기(1600)는 이어(ear) 웨어러블 장치로도 구현될 수 있다.

전자기기(1600)는 본체와 이어 스트랩(ear strap)을 포함할 수 있다.

사용자는 이어 스트랩을 귓바퀴에 걸어 전자기기(1600)를 착용할 수 있다. 사용자가 전자기기(1600)를 착용한 상태에서, 본체는 사용자의 외이도(external auditory meatus)에 삽입될 수 있다.

본체에는 생체 신호 측정 장치가 탑재될 수 있다. 생체 신호 측정 장치는 사용자의 외이도 벽면과 같이 본체와 접촉하는 신체 영역에 광 신호를 출력하고, 그로부터 반사된 반사광을 감지하여 생체 신호를 측정할 수 있다. 사용자의 외이도 벽면은 신체의 다른 영역에 비해 피부가 얇아 혈류 등의 생체 신호를 측정하기 용이할 수 있다. 전자기기(1600)는 생체 신호 측정 장치에 의해 측정된 생체 신호를 분석하여 사용자의 생체 정보를 획득할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims

광 신호를 출력하는 광원;
복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되고, 상기 광 신호를 감지하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들;
상기 광원이 비활성화된 상태에서 상기 복수의 단위 픽셀들로부터 생성되는 픽셀 신호의 크기를 소정의 제1 기준 전압과 비교함으로써, 소정의 임계치 이상의 누설 전류(leakage current)가 발생한 단위 픽셀을 검출하는 누설 전류 검출기; 및
상기 광원이 활성화된 상태에서 상기 검출된 단위 픽셀을 비활성화시키는 픽셀 구동 회로;를 포함하는,
센싱 모듈.
제1항에 있어서,
상기 복수의 단위 픽셀들은 소정의 단위로 그룹핑되어 적어도 하나의 픽셀 그룹을 제공하는,
센싱 모듈.
제2항에 있어서,
상기 누설 전류 검출기는 상기 적어도 하나의 픽셀 그룹마다 구비되는,
센싱 모듈.
제1항에 있어서,
상기 누설 전류 검출기는,
상기 픽셀 신호와 상기 제1 기준 전압의 비교 결과에 상응하는 비교 신호를 출력하는 비교기; 및
상기 비교 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여, 상기 픽셀 신호의 출력 여부를 제어하는 스위치;를 포함하는,
센싱 모듈.
제4항에 있어서,
상기 누설 전류 검출기는,
상기 픽셀 신호를 전압 신호로 변환하여 상기 비교기로 출력하는 전류-전압 변환기를 더 포함하는,
센싱 모듈.
복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되고, 소정의 단위로 그룹핑되어 적어도 하나의 픽셀 그룹을 구성하는 복수의 단위 픽셀들;
상기 적어도 하나의 픽셀 그룹의 출력 노드에 각각 연결되고, 상기 적어도 하나의 픽셀 그룹에서 생성되는 픽셀 신호를 소정의 기준 전압과 비교함으로써, 소정의 임계치 이상의 누설 전류(leakage current)가 발생한 픽셀 그룹을 검출하는 제1 누설 전류 검출기;
상기 복수의 단위 픽셀들을 로우 라인 단위로 활성화시키는 제2 누설 전류 검출기;를 포함하고,
상기 제1 누설 전류 검출기는, 상기 제2 누설 전류 검출기에 의해 활성화된 각각의 단위 픽셀에서 생성되는 픽셀 신호를 상기 기준 전압과 비교함으로서, 상기 픽셀 그룹 중 상기 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 검출하고,
상기 누설 전류가 발생한 단위 픽셀을 광원이 턴-온된 상태에서 비활성화시키는,
센싱 모듈.
제6항에 있어서,
상기 제1 누설 전류 검출기는,
상기 픽셀 신호와 상기 기준 전압의 비교 결과에 상응하는 비교 신호를 출력하는 비교기; 및
상기 비교 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여, 상기 픽셀 신호의 출력 여부를 제어하는 스위치;를 포함하는,
센싱 모듈.
제6항에 있어서,
상기 제2 누설 전류 검출기는,
상기 복수의 로우 라인들 각각에 연결된 복수의 단위 픽셀들에 동기화된 전송 제어 신호를 인가함으로써, 상기 복수의 단위 픽셀들을 로우 라인 단위로 활성화시키는,
센싱 모듈.
제6항에 있어서,
상기 센싱 모듈은,
상기 복수의 단위 픽셀들 중에서, 상기 광원이 턴-온된 상태에서 활성화된 단위 픽셀로부터 픽셀 신호를 획득하고, 상기 획득된 픽셀 신호를 디지털 변환하여 센싱 신호를 생성하는,
센싱 모듈.
광 신호를 출력하는 적어도 하나의 광원;
상기 광 신호 중 피사체(object)로부터 반사된 반사 광 신호를 감지하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 및 상기 픽셀 신호로부터 상기 피사체의 생체 신호를 생성하는 픽셀 구동 회로를 포함하는 센싱 모듈; 및
상기 적어도 하나의 광원 및 상기 센싱 모듈을 서로 분리시키는 광 차폐막;을 포함하고,
상기 센싱 모듈은,
상기 복수의 단위 픽셀들 중에서 누설 전류(leakage current)가 발생한 단위 픽셀을 검출하고, 소정의 값을 갖는 제어 신호를 인가함으로써 상기 검출된 단위 픽셀을 비활성화시키는,
생체 신호 측정 장치.