KR20220054580A - 스냅샷 적외선 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 행과 열로 병치된 픽셀(11)의 세트를 포함하는 적외선 센서에 관한 것이고, 각각의 픽셀은 이미징 마이크로볼로미터(R_ac) 및 적분기 어셈블리를 통합하고, 상기 적분기 어셈블리는: 증폭기로서 조립된 트랜지스터(N4); 및 상기 적분 노드(Ne)와 상기 출력 노드(No) 사이에 상기 트랜지스터에 대한 피드백으로 조립된 커패시터(C_int)를 포함하고, 상기 적분 노드는 상기 픽셀 외부에서 오프셋된 스키밍 제어 트랜지스터와 함께 전류 미러로서 동작하는 스키밍 트랜지스터(P1)에 연결되고, 상기 스키밍 제어 트랜지스터를 통해 흐르는 스키밍 전류(I_cm)는 적어도 하나의 열화된 마이크로볼로미터의 온도에 따라 제어되고, 상기 전류 미러 어셈블리는 스키밍 제어 트랜지스터를 통해 흐르는 스키밍 전류를 적분 노드 상으로 전달할 수 있도록 하여, 상기 커패시터는 상기 이미징 마이크로볼로미터를 통해 흐르는 상기 전류(I_cm)와 상기 스키밍 전류 사이의 차를 적분한다.

Description

스냅샷 적외선 센서

본 발명은 소위 "비냉각" 적외선 이미징 분야의 적외선 센서에 관한 것이다. 이 센서는 적외선 이미지의 픽셀을 형성하는 볼로메트릭 감지기 어셈블리를 적분한다. 본 발명은 보다 정확하게는 각 픽셀에 적분된 판독 회로에 의해 픽셀을 순간적으로 포착할 수 있는 스냅샷 적외선 센서에 관한 것이다.

본 발명은 적외선 센서의 주파수 분해능을 증가시키거나 항력 효과를 억제하는 데 특히 유리하게 적용된다.

매우 낮은 온도, 통상적으로 액체 질소의 온도에서 동작을 필요로 하는 "퀀텀 검출기"로 불리는 검출 디바이스와 달리, 소위 "비냉각(uncooled)" 적외선 검출기 분야에서, 주위 온도에서 동작할 수 있는, 즉 매우 낮은 온도로 냉각을 필요로 하지 않는, 적외선 방사선에 민감한 단방향 또는 양방향 요소 어레이를 사용하는 것이 알려져 있다.

비냉각 적외선 검출기는, 종래에는, 그 온도에 따라 소위 "써모메트릭" 또는 "볼로메트릭"으로 불리는 적절한 소재의 물리량의 변경을 사용한다. 가장 공통적으로, 이 물리량은 이 소재의 전기 고유저항이며, 이것은 온도에 따라 상당히 변한다. 검출기의 민감 단위 요소 또는 "마이크로볼로미터"는 보통, 써모메트릭 소재의 층을 각각 포함하는 멤브레인 형태이며, 높은 열적 저항을 가진 지지 아암을 통해, 일반적으로 실리콘으로 만드는 기판 위에서 현가되며, 현가된 멤브레인의 어레이를 보통 "레티나"라고 부른다.

그러한 멤브레인은 특히 입사 방사선의 흡수 펑션, 흡수된 방사선의 파워의 열적 파워로의 전환 펑션, 및 생성된 열적 파워의 써모메트릭 소재의 고유저항의 변경으로의 전환의 써모메트릭 펑션을 구현하며, 그러한 펑션은 하나 또는 다수의 구별된 요소에 의해 구현될 수 있다. 또한, 멤브레인의 지지 아암은 또한 전기 전도성이며, 그 써모메트릭 층에 연결된다.

멤브레인의 써모메트릭 요소를 순차적으로 어드레싱하며 바이어싱하기 위한 수단과, 비디오 포맷에서 사용할 수 있는 전기 신호를 형성하기 위한 수단이 보통 그 위에 현가되는 멤브레인을 가진 기판에 형성된다. 기판 및 통합된 수단을 보통 "독출 회로"라고 부른다.

검출기의 온도 드리프트를 보상하기 위해, 일반적으로 구현되는 해법은, 이미징 마이크로볼로미터 - 이들은 입사 전자기 방사선에 민감하므로 이렇게 부름 - 의 온도와 관련하여 신호를 형성하기 위한 전자 회로에서, 그 자체가 볼로메트릭인, 즉 기판 온도에 따르지만, 방사선에는 본래 둔감하게 남아 있는 그 전기 거동을 갖는 초점면 온도(FPT: Foal Plane Temperature) 보상 요소를 배치하는 것이다.

이 결과는 예컨대 기판을 향해 낮은 열적 저항이, 구성에 의해, 제공되는 볼로메트릭 구조에 의해 및/또는 열적 방사선에 불투명한 차폐물 뒤에서 이들 구조를 차단함으로써 획득한다. 그러한 보상 요소의 구현은 또한 이미징 또는 "능동" 마이크로볼로미터로부터 유래한 소위 공통-모드 전류 대부분을 제거하는 장점을 갖는다.

도 1은, 공통-모드 보상 구조를 포함하는, 종래기술의, 온도 조절부가 없는 볼로메트릭 검출기(10), 즉 "TECless" 검출기의 전기도이다. 도 2는, 공통-모드 보상 검출기의 마이크로볼로미터의 판독 신호를 형성하도록 구성되는 회로의 전기도이다. 그러한 검출기는 예컨대, 문헌: "Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25μm pixel pitch achievement"; E. Mottin 등, 적외선 기술 및 응용 XXVIII, SPIE, vol. 4820E.에 기재되어 있다.

검출기(10)는, 앞서 기재한 바와 같이, 전기 저항(R _ac )을 갖는, 기판 위에 현가된 멤브레인 형태의 민감성 저항 마이크로볼로미터(16)를 각각 포함하는 동일한 단위 볼로메트릭 검출 요소(14) 또는 "픽셀"의 양차원(bidimensional) 어레이(12)를 포함한다.

각각의 마이크로볼로미터(16)는 그 단자 중 하나에 의해 정전압(VDET), 특히 검출기(10)의 접지에, 및 그 다른 단자에 의해 포화된 상태로 동작하는 MOS 바이어싱 트랜지스터(18), 예컨대 NMOS 트랜지스터에 연결하여, 마이크로볼로미터(16)의 양단의 전압(V _ac )을 게이트 제어 전압(GAC)에 의해 설정한다.

A가 MOS(18)의 소스에 대응하는 노드를 나타내며, VA가, 게이트 전압(GAC)에 의존하는, 이 노드에서의 전압이라면, 전압(V _ac )은 V _ac =VA- VDET와 같다. 픽셀(14)은, MOS 트랜지스터(18)와 어레이(12)의 각 열에 제공되는 노드(S) 사이에 연결되며, 되며 제어 신호(선택)에 의해 구동되는 선택 스위치(20)를 포함하여, 볼로미터(16)의 판독을 위해 볼로미터를 선택할 수 있게 한다. 트랜지스터(18)와 스위치(20)는 보통 마이크로볼로미터(16)의 멤브레인의 영향하에서 기판에 형성된다. 요소(16 및 18)는 소위 검출 분기를 형성한다.

구체적으로, 픽셀은 동일하며 한편으로는 전압(VDET)과 다른 한편으로는 전압(GAC)이 모든 픽셀에 대해 동일하므로, 볼로미터(16)는 동일한 전압(V _ac ) 하에서 전압-바이어싱된다. 또한, 게이트 전압(GAC)이 일정하다면, 전압(V _ac )도 일정하다.

검출기(10)는, 어레이(12)의 각 열의 풋에서, 또한 보통 "스키밍" 구조로 불리는 보상 구조(22)를 포함한다. 앞서 기재한 바와 같이, 검출 마이크로볼로미터(16)의 전기 저항 값은 주로 기판 온도에 의해 좌우된다. 검출 마이크로볼로미터(16)를 통해 흐르는 전류는 그에 따라, 기판 온도에 의존하며 관찰된 신으로부터 독립적인 상당한 부분을 포함한다. 보상 구조(22)는 이 부분의 부분 또는 전체 보상을 목적으로 전류를 전달하는 펑션을 갖는다.

보상 구조(22)는, 관찰되는 신으로부터 유래한 입사 방사선에 둔감하게 되는, 전기 저항(R _cm )의 보상 마이크로볼로미터(24)를 포함한다. 마이크로볼로미터(24)는 마이크로볼로미터(16)와 동일한 써모메트릭 소재로 형성되지만, 기판을 향해 매우 낮은 열적 저항을 갖는다. 예컨대:

■ 보상 마이크로볼로미터(24)의 저항 요소는 기판과 접촉하도록 바로 형성되거나,

■ 보상 마이크로볼로미터(24)는, 매우 낮은 열적 저항을 갖는 구조에 의해 기판 위에 현가되는 검출 마이크로볼로미터(16)의 멤브레인과 유사한 멤브레인을 포함하거나, 또한

■ 보상 마이크로볼로미터(24)는, 검출 마이크로볼로미터(16)의 지지 아암과 실질적으로 동일한 지지 아암과 멤브레인과, 마이크로볼로미터(24)의 멤브레인과 기판 사이의 공간을 채우는 우수한 열적 도체인 소재를 포함한다.

마이크로볼로미터(24)의 전기 저항은 그에 따라 기판 온도에 의해 본래 좌우되며, 마이크로볼로미터(24)는 그리하여 기판에 "열화된다(thermalize)"고 한다.

통상적으로, 이러한 열화된 마이크로볼로미터(24)는 복수의 마이크로볼로미터(24)에 대해 상호화되며 어레이(12)의 각 열의 헤드 또는 풋에 배치된다.

마이크로볼로미터(24)는 그 단자 중 하나에 의해 양의 정전압(VSK)에 연결되며, 보상 구조(22)는, 예컨대 PMOS 트랜지스터와 같은 검출 픽셀(14)의 트랜지스터(18)의 극성과 반대인 극성을 가지며, 게이트 제어 전압(GCM)에 의해 마이크로볼로미터(24) 양단의 전압(V _cm )을 설정하며, 보상 마이크로볼로미터(24)의 타 단자와 노드(S) 사이에 연결되는, 포화된 상태로 동작하는 MOS 바이어싱 트랜지스터(26)를 더 포함한다.

MOS 트랜지스터(26)의 드레인에 대응하는 노드를 B라고 부르며, 이 노드에서의 전압을 VB라고 부르면, 전압(V _cm )은 V _cm =VSK-VB이다. 요소(24 및 26)는 각 열에 공통인 소위 보상 분기를 형성한다. 공통-모드 보상 전류의 값은 마이크로볼로미터(24)의 저항(R _cm )과 그 바이어싱 파라미터의 값에 의해 규정된다.

검출기(10)는, 각각의 어레이(12) 열의 풋에서, CTIA("Capacitive TransImpedance Amplifier") 타입인 적분기(28)를 또한 포함하며, 이러한 적분기는 연산 증폭기(30)의 반전 입력과 출력 사이에 연결되는 고정 커패시턴스(C _int )의 단일 커패시터(32)와 연산 증폭기(30)를 포함한다. 증폭기의 반전 입력과 비반전 입력은 또한 각각 노드(S)와 양의 정전압(VBUS)에 연결된다. 전압(VBUS)은 그에 따라 출력 신호에 대한 기준을 형성하며, VDET와 VSK 사이이다.

신호(리셋)에 의해 구동되는 스위치(34)가, 그 방전을 위해 또한 커패시터(32)와 평행하게 형성된다. CTIA(28)의 출력은, 하나 또는 다수의 직렬 출력 증폭기(들)(40)를 향해 멀티플렉서(38)에 의해 다중화된 방식으로 CTIA의 전압(V _out )의 전달을 위해 예컨대 각각의 샘플 및 홀드 회로(36)에 연결된다. 이것은 또한 약어 "ADC"로도 알려진 아날로그-디지털 변환기에 의한 디지털화 수단의 출력에서 또한 적분될 수 도 있다.

검출기(10)는 마지막으로 상이하게 앞서 기재한 스위치를 제어하는 시퀀싱 유닛(42)을 포함한다. 동작 시, 어레이(12)는 행 단위로부터 판독된다. 어레이(12)의 행으로부터 판독하기 위해, 픽셀 행(14)의 스위치(20)가 턴 온되며, 다른 행의 스위치(20)는 턴 오프된다. 어레이(12)의 모든 행들로부터의 연속적인 판독이 프레임을 형성한다.

판독을 위해 선택되는 어레이(12)의 행의 마이크로볼로미터(16)로부터의 판독을 위해, 신호(리셋)에 의한 스위치(34)의 턴 온, 이후 그 턴 오프에 의해 달성되는, 열의 풋에서의 CTIA의 커패시터의 방전 페이즈 이후, 도 2에 도시한 것과 같은 회로가 판독 중인 행에서의 각 픽셀에 대해 획득된다.

전류(I _ac )가 MOS 트랜지스터(18)에 의한 바이어싱된 전압의 영향 하에서 픽셀의 검출 마이크로볼로미터(16)를 통해 흐르며, 전류(I _cm )가 MOS 트랜지스터(26)에 의한 바이어싱된 전압의 영향 하에서 보상 구조의 보상 마이크로볼로미터(24)를 통해 흐른다. 이들 전류는 노드(S)에서 서로로부터 감산되며, 결과적인 전류차가 미리 결정된 적분 기간(T _int ) 동안 CTIA(28)에 의해 적분된다. CTIA(28)의 출력 전압(V _out )은 그에 따라 검출될 입사 방사선에 의해 야기되는 검출 마이크로볼로미터(16)의 저항의 변경의 측정치이며, 이는 기판 온도에 의존하는 전류(I _ac )의 비유용 부분이 이 비 유용 부분을 재현(copy)하도록 특히 생성되는 전류(I _cm )에 의해 적어도 부분적으로 보상되기 때문이다.

능동 마이크로볼로미터(16)와 보상 마이크로볼로미터(24)의 전기 저항이 자체-가열 현상에 의해 그 바이어싱 시에 상당히 변경되지 않으며, CTIA(28)가 포화하지 않는다고 가정하면, 적분 시간(T _int )의 끝에서 적분기의 출력 전압(V _out )은 수학식으로 표현할 수 있다:

그 자체로 알려져 있는 바와 같이, CTIA는 고정된 전기 출력 동적 범위나 "독출" 동적 범위를 갖는다. 입력으로서 수신된 제1 전하량 미만에서, CTIA는 "저포화 전압"(V _satL )이라고 불리는 낮은 고정 전압을 공급한다. 유사하게, 입력으로서 수신된 제2 전하량 초과에서, CTIA는 "고포화 전압"(V _satH )으로 불리는 높은 고정 전압을 공급한다.

상기 언급된 식 (1)은, CTIA가 제1 전하량보다 크며, 제2 전하량보다 작은 전하량을 수신할 때, CTIA의 선형 거동을 나타낸다. 독출 동적 범위는 본래 커패시터(32)의 커패시턴스(C _int ) 값에 의해 본질적으로 결정된다. 구체적으로, 이 커패시턴스가 고정될 때, 즉 시간에 따라 일정할 때, CTIA의 독출 동적 범위 또한 고정된다.

종래에, 본 발명의 환경에서, 저포화 및 고포화 전압(V _satL 및 V _satH )은, 그 사이에서 CTIA가 선형으로 간주되는 출력을 전달하는 한계치이지만, 일반적으로 이들 한계치보다 낮거나 높은 전압을 전달할 수 있다.

또한, 적분 커패시터의 커패시턴스는 또한 감도, 더욱 구체적으로는 검출기의 반응도를 결정한다. 검출기의 반응도는, 입력 신호(신 온도(T _scene ))의 변경에 관한 출력 신호(V _out )의 변경, 즉 dV _out /dT _scene 에 의해 한정된다.

이 반응도는 마이크로볼로미터 제조 기술, 판독 회로의 특성, 적분 시간 및 마이크로볼로미터의 표면적에 따라 다르다. 감지기의 출력 신호에 존재하는 노이즈와 이 반응도의 비율을 기반으로 mK로 표시되는 "노이즈 등가 온도 차이"에 대한 약어 "NETD"로 알려진 감지기 성능을 규정할 수 있다. 보다 정확하게는 검출기의 출력 신호에 존재하는 노이즈를 제한하고 반응도를 최대화하여 NETD를 최소화하는 것이 바람직하다. 반응도를 최대화하기 위해, 판독 회로를 처리하기 위한 회로를 형성하는 구성요소를 마이크로볼로미터 아래에 배열함으로써 마이크로볼로미터를 형성하기 위해 각 픽셀의 가능한 가장 큰 표면적을 사용하는 것이 일반적이다.

따라서 현재 행 또는 열에 대해 64-㎲ 적분 시간으로 50mK보다 작은 NETD를 얻을 수 있다.

적분 시간은 반응성 및 NETD에 직접 연결되어 있으므로, 새로운 제조 기술이 감소된 시간 상수를 갖는 마이크로볼로미터를 얻을 수 있게 되더라도 NETD를 저하시키지 않고 이 적분 시간을 줄이는 것은 불가능하다. 결과적으로 현재 볼로미터는 판독 회로가 이미지를 형성하기 위해 행 또는 열을 스캔해야 하고 적분 시간을 줄일 수 없기 때문에 적외선 이미지를 빠르게 포착할 수 없다.

가시광선 또는 냉각 적외선 영역에는 각 픽셀이 측정 회로를 적분하여 센서의 모든 픽셀 상태를 동시에 포착하는 스냅샷 센서가 있다.

그러나 비냉각 적외선 분야에서 볼로메트릭 브리지와 연결된 열 풋(column foot) CTIA가 있는 적분기 어셈블리에는 픽셀 표면에 적분할 수 없는 전자 회로가 필요하다. 실제로, 판독 회로의 적분기 어셈블리는 적분 전류의 스키밍을 수행하고 기판의 온도 변화를 보상하기 위해 열화된 마이크로볼로미터를 사용해야 한다.

이제 각 픽셀의 이미징 마이크로볼로미터 옆에 기판에 열화된 마이크로볼로미터를 배치하면 이미징 마이크로볼로미터와 열화 마이크로볼로미터가 기판 위에 현가 상태로 형성되어야 하기 때문에 이미징 마이크로볼로미터의 표면적을 반드시 감소시킬 것이다. 따라서 이미징 마이크로볼로미터의 표면적을 줄임으로써 NETD도 감소한다.

본 발명의 기술적 과제는 50mK 이하의 NETD인 적외선 센서의 현재 성능을 유지하면서 적외선 이미지의 획득 속도를 향상시키는 것을 포함한다.

이러한 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 각 픽셀의 판독 회로를 몇 개의 구성요소를 포함하는 적분기 어셈블리와 통합하는 것을 제공한다. 이 판독 회로를 통합하기 위해, 본 발명은 또한 각 픽셀 외부에서 열화된 마이크로볼로미터를 오프셋할 수 있는 어셈블리를 제공한다. 따라서, 열화된 마이크로볼로미터 또는 열화된 마이크로볼로미터의 어셈블리를 사용하여 적외선 센서의 복수의 또는 심지어 전체 픽셀의 전류 스키밍을 수행할 수 있다.

이러한 목적을 위해, 본 발명은 행과 열로 병치된 픽셀의 어셈블리를 포함하는 적외선 센서에 관한 것이고, 각각의 픽셀은 이미징 마이크로볼로미터 양단의 전압을 설정할 수 있는, 게이트 전압을 갖는 주입 트랜지스터를 통해 기준 전압과 적분 노드 사이에 연결된 이미징 마이크로볼로미터를 통합하여, 적외선 방사로 인한 이미징 마이크로볼로미터의 저항 변동이 상기 이미징 마이크로볼로미터를 통해 흐르는 전류의 변동을 유발한다.

본 발명은, 상기 적외선 센서가 각각의 픽셀의 표면 아래에 적분기 어셈블리를 포함하고, 상기 적분기 어셈블리는:

- 상기 적분 노드와 출력 노드 사이에 증폭기로서 조립된 트랜지스터; 및

- 상기 적분 노드와 상기 출력 노드 사이에 상기 트랜지스터에 대한 피드백으로 조립된 커패시터를 포함하고,

상기 적분 노드는 상기 픽셀 외부에서 오프셋된 스키밍 제어 트랜지스터와 함께 전류 미러로서 동작하는 스키밍 트랜지스터에 연결되고, 상기 스키밍 제어 트랜지스터를 통해 흐르는 스키밍 전류는 적어도 하나의 열화된 마이크로볼로미터의 온도에 따라 제어되고, 상기 전류 미러 어셈블리는 스키밍 제어 트랜지스터를 통해 흐르는 스키밍 전류를 적분 노드 상으로 전달할 수 있도록 하여, 상기 커패시터는 상기 이미징 마이크로볼로미터를 통해 흐르는 상기 전류와 상기 스키밍 전류 사이의 차를 적분하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 적외선 센서의 픽셀로부터 동시 판독을 수행하기 위해 판독 회로를 각 픽셀에 적분할 수 있다. 이 스냅샷 포착으로, 본 발명은 프레임 시간과 동일한 적분 시간으로 작동하는 적외선 검출기를 얻을 수 있다. 후자는 유리하게 개선될 수 있고 50mK 이하의 NETD로 초당 최대 500개의 이미지를 획득할 수 있다.

최신 기술에서 50mK 이하의 NETD를 얻기 위해 행 시간은 초당 약 64개 이미지인 반면 이미징 마이크로볼로미터의 바이어싱 전류는 대략 수 마이크로암페어이다.

이 바이어스 전류는 이미징 마이크로볼로미터에 부과된 전압과 이미징 마이크로볼로미터의 구성으로 얻은 저항의 함수이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이미징 마이크로볼로미터는 30℃ 온도에 대해 40㏁부터 60㏁까지의 범위의 저항을 갖는다. 최신 기술에서, 이미징 마이크로볼로미터는 통상적으로 주위 온도에서 1MΩ과 실질적으로 동일한 저항을 포함한다. 이 훨씬 높은 저항을 사용하면 동작점, 특히 이미징 마이크로볼로미터 바이어스 전류를 바꿀 수 있다.

최신 기술에서 몇 마이크로암페어의 전류는 이미징 마이크로볼로미터의 자체 발열을 유발한다. 각 픽셀에 적분된 판독 회로를 사용하면 수십 초에서 수 밀리초까지 가변 적분 시간을 사용할 수 있으며 검출기 바이어싱 포인트는 NETD를 50mK 이하로 유지하기 위해 크게 감소할 수 있다.

이를 위해 이미징 마이크로볼로미터를 열 폭주(thermal runaway) 영역으로 가져오지 않는 최신 기술보다 50배 더 작은 바이어스 전류를 사용할 수 있다.

작동 지점을 바꾸면 사전 충전 단계를 사용하지 않고 "연속" 작동 모드를 얻을 수 있다. 따라서 적외선 센서의 작동은 비냉각식 검출기의 최신 기술이 판독 단계 및 사전 충전 단계를 사용하여 이미징 마이크로볼로미터의 열 폭주를 제한하는 "펄스형" 작동을 구현하기 때문에 완전히 수정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 스키밍 전류는 50 내지 200 나노암페어 범위이다. 수십 나노암페어로 바이어싱을 감소시킨다는 사실은 이 실시예에서 사용된 CMOS 기술이 각 픽셀의 레벨에서 적분 회로를 방해할 가능성이 있는 CMOS 트랜지스터의 누설 전류를 도입해서는 안 된다는 것을 의미한다. 특정 CMOS 기술은, 트랜지스터가 전기적으로 꺼져 있더라도 수 나노암페어의 트랜지스터의 누설 전류를 갖기 때문에 기술의 선택이 매우 중요하다. 바람직하게는 CMOS 기술은 1nA보다 작은 누설 전류를 갖는 트랜지스터를 얻을 수 있어야 한다.

또한, 매우 낮은 바이어스 전류를 사용하면 판독 회로의 전력 소비를 제한할 수 있으므로 적외선 감지기의 일반적인 전력 소비를 제한할 수 있다. 실제로, 판독 회로가 적외선 감지기의 각 열에 대해 배열되는 기존 장치와 반대로 픽셀당 하나의 판독 회로를 사용하면 적외선 감지기의 전력 소비가 증가할 위험이 있다. 이 실시예는 종래 기술보다 훨씬 낮은 바이어스 전류를 사용함으로써 적외선 검출기의 전력 소모를 제어할 수 있다.

판독 회로에 의해 수행되는 이러한 바이어싱 및 증폭은 가시 범위의 각 픽셀에 적분된 기존 판독 회로와 본 발명 사이의 두 가지 구별되는 요소이다. 실제로 가시광선 영역에서는 각 픽셀의 값을 읽기 위해 전압 바이어싱이나 증폭을 적용할 필요가 없으므로 각 픽셀에 판독 회로를 적분하는 것이 훨씬 간단하다.

스키밍 전류는 적어도 하나의 열화된 마이크로볼로미터를 포함하는 오프셋 부분을 갖는 전류 미러 어셈블리에 의해 얻어진다. 이 오프셋 부분은 모든 픽셀에 대해 공통인 것이 바람직하다. 단일 열화된 마이크로볼로미터를 사용하여 스키밍 전류를 형성할 수 있다.

변형으로서, 스키밍 전류의 정확도를 향상시키기 위해 오프셋 부분의 레벨에서 복수의 열화된 마이크로볼로미터가 병렬로 조립될 수 있다.

예를 들어, 5개의 열화된 마이크로볼로미터는 동일한 행의 동시 적분을 수행하기 위해 모든 열에 복제되어야 하기 때문에 단일 열화된 마이크로볼로미터를 사용하는 최신 기술과는 반대로 쉽게 적분될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 주입 트랜지스터의 게이트 전압은 적어도 하나의 열화된 마이크로볼로미터의 온도에 따라 상기 픽셀 외부에서 오프셋된 바이어스 제어 트랜지스터에 따라 제어된다.

따라서 스키밍 전류와 같은 방식으로 주입 트랜지스터의 게이트 전압은 병렬로 조립된 5개의 열화된 마이크로볼로미터에 의해 얻어질 수 있다. 이 실시예는 기판 온도와 관련된 변동을 종래 기술보다 더 효율적으로 억제하는 것을 가능하게 한다.

바람직하게는, 증폭기-조립된 트랜지스터의 바이어싱은 상기 출력 노드에 결합된 것과 반대인 상기 증폭기-조립된 트랜지스터의 단자 레벨에서 기준 전압의 인가에 의해 수행된다.

기준 전압은 다이오드 조립 트랜지스터에 의해 인가되는 것이 바람직하다. 이 실시예는 판독 회로의 벌크를 제한할 수 있다. 순방향 조립 다이오드 양단의 전압은 사용된 CMOS 기술에 따라 대략 0.7V다. 이 전압은 매우 낮은 수준의 적외선 플럭스 수신에 해당하는 CTIA의 낮은 포화 수준 값을 설정할 수 있다. 이 어셈블리는 전체 어레이에 분배되어야 하는 기준 전압으로 솔루션을 유리하게 대체한다.

적분 노드의 바이어싱에 추가하여, 상기 출력 노드는 바람직하게는 0.5 내지 2 마이크로암페어 범위의 전류 인가에 의해 바이어싱된다.

또한, 출력 노드는 바람직하게는 스위치 및 커패시터로 형성된 스위치드-커패시터 필터에 결합된다. 이 실시예는 잡음의 대역폭이 커패시터의 커패시턴스의 값과 적분 주파수에 의존하기 때문에 잡음의 대역폭을 감소시키는 것을 가능하게 한다.

스위치드-커패시터 필터의 출력에서, 어셈블리는 바람직하게는 적분 후에 충전되도록 의도된 판독 커패시터를 포함하여 다른 적분을 수행하는 동안 판독 회로의 결과 전압을 판독할 수 있도록 한다. 바람직하게는, 스위치드-커패시터 필터를 형성하고 판독 커패시터로의 전하 전송에 필요한 스위치는 스위칭 모드에서 동작하는 트랜지스터로 형성된다.

또한, 판독 회로의 출력은 전압 팔로워로 조립된 트랜지스터로 형성될 수 있다. 이 실시예는 출력 신호 임피던스 매칭을 용이하게 한다.

바람직하게는, 적외선 센서의 각 픽셀의 피치는 25 마이크로미터 이하이다.

본 발명은 동반하는 도면과 관련하여 오직 예시로서 제공되는 이하의 상세한 설명을 읽으면 잘 이해될 것이며, 동반 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 지정한다.
도 1은 칼럼 풋에 배열된 판독 및 스키밍 회로를 갖는 최신 기술의 적외선 센서를 도시한다.
도 2는 도 1의 이미징 마이크로볼로미터로부터 판독의 동일한 전기 다이어그램을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서의 픽셀 아래에 통합된 판독 회로를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 판독 회로에 연결되도록 의도된 오프셋 스키밍 제어 회로를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 판독 회로에 연결되도록 의도된 오프셋 바이어스 제어 회로를 도시한다.

도 3은 적외선 센서의 각 픽셀의 표면 아래에 통합된 이미징 마이크로볼로미터의 판독 회로(11)를 도시한다. 이미징 마이크로볼로미터의 구조는 최신 기술에 설명된 것과 유사하고, 즉, 이 멤브레인에 의해 포착된 적외선 방사에 따라 저항이 변하는 적외선 방사에 민감한 멤브레인을 적분한다. 이 멤브레인은 도 3에 도시된 판독 회로(11)에 적어도 2개의 패드에 의해 결합된다.

이 판독 회로(11) 내에서, 패드와 멤브레인에 의해 형성된 조립은 볼로메트릭 저항기(R_ac)에 의해 도식화되며, 이는 각 픽셀의 이미징 마이크로볼로미터의 가변 저항에 해당한다. 최신 기술의 멤브레인과 달리, 이미징 마이크로볼로미터의 멤브레인은 주변 온도에서 이미징 마이크로볼로미터의 저항이 40㏁ 내지 60㏁ 범위에 있도록 형성된다. 일반적으로 30℃의 온도에서 50㏁의 저항을 갖도록 멤브레인을 형성할 수 있다. 이 비저항(specific resistance)은 통상적으로 멤브레인을 형성하는 재료의 두께 및/또는 멤브레인의 디자인, 예를 들어 지지대 및 방열 암의 길이를 조정함으로써 도달할 수 있다.

이미징 마이크로볼로미터 아래에서, 기판은 도 3의 판독 회로(11)에 예시된 모든 다른 구성요소를 포함하는 CMOS 스테이지를 적분한다. 이러한 판독 회로(11)는 바람직하게는 1nA보다 작은 누설 전류를 나타내는 트랜지스터로 형성된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 판독 회로(11)는 게이트 전압(GAC)에 의해 이미징 마이크로볼로미터 양단의 전압(V_ac)을 설정할 수 있게 하는 주입 트랜지스터(N2)를 포함한다. 따라서, 이미징 마이크로볼로미터 양단의 전압(V_ac)은 고정되고 도 5의 어셈블리에 의해 게이트 전압(GAC)를 통해 부과된다. 또한, 이미징 마이크로볼로미터는 전압 소스(VDET), 바람직하게는 판독 회로(11)의 접지에도 연결된다. 도 3에서, 이미징 마이크로볼로미터는 NMOS형 주입 트랜지스터(N2)에 의해 판독 회로(11)의 바닥에 연결된다. 변형으로서, 회로의 왼쪽 부분은 거꾸로 뒤집힐 수 있고 이미징 마이크로볼로미터는 본 발명을 변경하지 않고 PMOS 트랜지스터를 통해 판독 회로의 상단에 연결될 수 있다.

이미징 마이크로볼로미터에 연결된 소스에 추가하여, 주입 트랜지스터(N2)의 드레인은 적분 노드(Ne)에 연결된다. 이 적분 노드(Ne)는 PMOS형 스키밍 트랜지스터(P1)에도 연결된다. 스키밍 트랜지스터(P1)는 정전압원(VSK)에 연결된다. 이 스키밍 트랜지스터(P1)의 게이트 전압(GCM)은 스키밍 제어 신호를 상이한 픽셀의 모든 판독 회로(11)에 전송할 수 있게 하는 오프셋 회로(19)(도 4)에 연결된다. 변형으로서, 복수의 오프셋 회로(19)는 본 발명을 변경하지 않고 상이한 픽셀 아래에 통합된 상이한 판독 회로를 위해 사용될 수 있다. 또한, 회로의 좌측 부분을 뒤집어 스키밍 트랜지스터(P1)는 본 발명을 변경하지 않고 NMOS 트랜지스터에 의해 형성될 수 있다.

적분 노드(Ne)는 또한 증폭기로서 조립된 트랜지스터(N4)의 게이트에 결합되어 출력 노드(No)와 적분 노드(Ne) 사이의 피드백에서 조립된 커패시터(C_int)와 함께 CTIA 유형 어셈블리를 형성한다. 따라서, 트랜지스터(N4)의 드레인은 출력 노드(No)에 연결되고, 이 트랜지스터(N4)의 게이트는 적분 노드(Ne)에 연결된다. 출력 노드(No)는 또한 적분을 리셋하기 위해 커패시터(C_int)를 단락시킬 수 있는 스위치(RAZ)에 연결된다.

CTIA형 적분기의 낮은 포화 임계값과 동일한 정전압을 얻기 위해 트랜지스터(N4)의 소스는 다이오드(D1)를 통해 정전압(VDET)에 연결된다. 바람직하게는, 이 다이오드(D1)는 다이오드 조립 트랜지스터에 의해 형성된다.

또한, 출력 노드는 또한 트랜지스터(N4)의 드레인에 고정 전류, 예를 들어 1㎂를 인가하고 후자를 바이어스하기 위해 정전압 VSK와 출력 노드(No) 사이에 연결된 전류 소스에 연결된다.

예를 들어, 주입 트랜지스터(N2)는 100nA 정도의 전류(I_cm)로 바이어스된다.

볼로메트릭 저항(R_ac)을 통해 흐르는 전류(I_Ac)는 바이어스 전류(I_cm)에 볼로메트릭 저항(R_ac)의 저항 변동으로 인한 전류 변동을 더한 값에 해당한다. 적분 노드(Ne)의 레벨에서는 전류(I_Ac)에 바이어스 전류(I_cm)을 빼서 볼로메트릭 저항(R_ac)의 저항 변화에 따른 전류 변화만을 커패시터(C_int)에 적분한다.

출력 노드(No)의 레벨에서, 판독 회로(11)는 또한 스위치(PART)와, 스위치(PART)와 정전압(VDET) 사이에 연결된 커패시터(C_part)를 포함하는 스위치 커패시터 필터를 포함한다. 스위치(PART)가 켜지면 적분 커패시터(C_int)에 존재하는 전하는 저장 커패시터(C_part)로 전달된다. 그런 다음, 스위치(PART)가 꺼지고 스위치(RAZ)가 몇 마이크로초 동안 켜진 후 새로운 적분이 수행될 수 있다.

유사하게, 커패시터(C_part)에 존재하는 전하는, 스위치(SH)가 턴온될 때 스위치(SH)와 정전압(VDET) 사이에 연결된 판독 커패시터(C_lec)로 전달될 수 있다. 이 커패시터(C_lec)로부터의 판독은 전압(VSK)에 연결된 드레인을 갖는 NMOS형 출력 트랜지스터(SF)에 의해 얻어지며 소스는 스위치(LEC(i,j))를 통해 출력 신호(VOUT)에 결합된다.

적외선 센서가 도 3의 판독 회로에 해당하는 픽셀의 판독을 요구할 때, 어레이에 있는 픽셀의 i 및 j 좌표는 스위치(LEC(i,j))를 제어하고 커패시터(C_lec) 양단의 전압 값을 얻는 데 사용된다.

각 픽셀의 레벨에 존재하는 이러한 요소에 더하여, 도 4 및 도 5에 예시된 회로는 바람직하게는 트랜지스터(N2 및 P1)의 GAC 및 GCM의 게이트 전압을 전달하기 위해 모든 픽셀에 대해 상호화된다.

도 4는 병렬로 조립된 등가 저항(R_cm)의 5개의 열화된 마이크로볼로미터를 적분하는 회로(19)에 의한 게이트 전압(GCM)의 생성을 예시한다. 바람직하게는, 이러한 열화된 마이크로볼로미터는 픽셀의 이미징 마이크로볼로미터와 동일한 방식으로 형성되고 동일한 저항을 갖는다. 그러나 이러한 열화된 마이크로볼로미터는 보호 실드로 관찰된 장면과 격리되어 이미지 초점면의 온도 변화에 해당하는 기판의 온도 변화만 포착한다.

최신 기술에서는 열화된 마이크로볼로미터가 각 열의 각 판독 회로 수준에서 사용되고: 따라서 어레이의 열만큼 많은 열화된 마이크로볼로미터가 있다. 본 발명에서, 이들 5개의 열화된 마이크로볼로미터는 모든 게이트 전압(GCM)을 전달하기에 충분하며, 복수의 열화된 마이크로볼로미터를 통해 흐르는 전류를 평균화하여 스키밍 전류(I_cm)의 정확도를 개선하면서 이러한 열화된 마이크로볼로미터를 형성하기 위해 픽셀 주변에 사용되는 표면적을 상당히 감소시킨다.

회로(19)에서, 도시되지 않은 디지털-아날로그 변환기로부터 발생하는 전압(V_av)은 게이트 전압(GCM), 보다 구체적으로 트랜지스터(P1)와 각 판독 회로(11)의 적분 노드(Ne) 사이에 흐르도록 의도된 전류(I_cm)를 조정할 수 있게 한다. 이를 위해 5개의 열화된 마이크로볼로미터가 정전압(VDET)와 NMOS형 트랜지스터(N1)의 소스 사이에 연결된다.

이 트랜지스터(N1)의 게이트는 양의 입력이 전압(V_av)에 연결되고 음의 입력이 이 트랜지스터(N1)의 소스에 연결된 연산 증폭기의 출력에 연결된다. 트랜지스터(N1)의 드레인은 PMOS형 트랜지스터(P1b)의 드레인에 접속된다. 이 트랜지스터(P1b)의 소스는 정전압(VSK)에 연결되고 이 트랜지스터(P1b)의 게이트 전압은 전압(GCM)을 전달할 수 있게 한다.

또한, 이 트랜지스터(P1b)는 드레인에 연결된 게이트와 피드백으로 조립되어, 트랜지스터(P1)와 함께, 열화된 마이크로볼로미터에 의해 얻은 전류(I_cm)가 트랜지스터(P1)와 적분 노드(Ne) 사이에 복사되는 전류 미러를 형성한다. 도 3의 판독 회로(11)의 좌측 어셈블리가 거꾸로 뒤집혀 있으면 이 회로(19)도 뒤집어져야 한다.

도 5의 어셈블리는 게이트 전압(GAC)이 PMOS 트랜지스터(P2)의 게이트 레벨에서 추출되지 않고 NMOS 트랜지스터(N2b)의 게이트 레벨에서 추출된다는 차이점을 갖고 도 4의 어셈블리와 유사하다. 연산 증폭기의 입력에 부과된 전압(Vac)은 트랜지스터(N2와 N2b) 사이의 전류 미러 동작에 의해 이미징 마이크로볼로미터 양단의 전압을 설정할 수 있게 한다.

유사하게, 전류(Icm2)는 도 3의 트랜지스터 N2와 도 5의 회로(21)의 N2b 사이의 전류 미러 어셈블리에 의해 복사된다. 그러나 볼로메트릭 저항(Rac)을 통해 흐르는 전류(Iac)는 적외선 플럭스로 인한 이미징 마이크로볼로미터의 가열에 의존하기 때문에 I_cm2와 직접적으로 동등하지 않다.

따라서, 이러한 극소수의 구성요소로 본 발명은 적외선 센서의 모든 픽셀에 대한 매우 정확한 판독값을 얻을 수 있다.

또한, 도 3의 판독 회로(11)의 요소는 적외선 이미지의 모든 픽셀의 동시 판독을 얻기 위해 각 픽셀의 표면 아래에 적분될 수 있다. 따라서 적외선 이미지 획득 속도는 특히 고해상도(예를 들어, 1280 x 1024 픽셀)에 대해 크게 최적화된다.

Claims (11)

1. 행과 열로 병치된 픽셀(11)의 어셈블리를 포함하는 적외선 센서로서, 각각의 픽셀(11)은 이미징 마이크로볼로미터(R_ac) 양단의 전압(V_ac)을 설정할 수 있는, 게이트 전압(GAC)을 갖는 주입 트랜지스터(N2)를 통해 기준 전압(VDET)과 적분 노드(Ne) 사이에 연결된 이미징 마이크로볼로미터(Rac)를 통합하여, 적외선 방사로 인한 이미징 마이크로볼로미터(R_ac)의 저항 변동이 상기 이미징 마이크로볼로미터(R_ac)를 통해 흐르는 전류(I_ac)의 변동을 유발하고,
   상기 적외선 센서는 각각의 픽셀(11)의 표면 아래에 적분기 어셈블리를 포함하고, 상기 적분기 어셈블리는:
   

   

   상기 적분 노드(Ne)와 출력 노드(No) 사이에 증폭기로서 조립된 트랜지스터(N4); 및
   

   

   상기 적분 노드(Ne)와 상기 출력 노드(No) 사이에 상기 트랜지스터(N4)에 대한 피드백으로 조립된 커패시터(C_int)를 포함하고,
   상기 적분 노드(Ne)는 상기 픽셀(11) 외부에서 오프셋된 스키밍 제어 트랜지스터(P1b)와 함께 전류 미러로서 동작하는 스키밍 트랜지스터(P1)에 연결되고, 상기 스키밍 제어 트랜지스터(P1b)를 통해 흐르는 스키밍 전류(I_cm)는 적어도 하나의 열화된 마이크로볼로미터(R_cm)의 온도에 따라 제어되고, 상기 전류 미러 어셈블리는 스키밍 제어 트랜지스터(P1b)를 통해 흐르는 스키밍 전류(I_cm)를 적분 노드(Ne) 상으로 전달할 수 있도록 하여, 상기 커패시터(C_int)는 상기 이미징 마이크로볼로미터(R_ac)를 통해 흐르는 상기 전류(I_ac)와 상기 스키밍 전류(I_cm) 사이의 차를 적분하는, 적외선 센서.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 주입 트랜지스터(N2)의 상기 게이트 전압(GAC)은 적어도 하나의 열화 마이크로볼로미터(R_cm)의 온도에 따라 픽셀(11)의 외부에서 오프셋된 바이어스 제어 트랜지스터(N2b)에 따라 제어되는, 적외선 센서.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 스키밍 전류(I_cm)는 50 나노암페어부터 200 나노암페어(nA)까지의 범위인, 적외선 센서.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선 센서는 1nA보다 작은 누설 전류를 갖는 트랜지스터(N1, N2, N2b, N4, P1, P1b, P2, SF)를 포함하는, 적외선 센서.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미징 마이크로볼로미터(R_ac)는 30℃ 온도에 대해 40㏁부터 60㏁까지의 범위의 저항을 갖는, 적외선 센서.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 증폭기-조립 트랜지스터(N4)의 바이어싱은 상기 출력 노드(No)에 결합된 단자의 반대편에 있는 상기 증폭기-조립 트랜지스터(N4)의 단자의 레벨에서 기준 전압(VBUS)의 인가에 의해 수행되는, 적외선 센서.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 기준 전압(VBUS)은 다이오드 조립 트랜지스터(D1)에 의해 인가되는, 적외선 센서.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 노드(No)는 0.5 마이크로암페어부터 내지 2 마이크로암페어까지의 범위의 바이어스 전류(I_po)의 인가에 의해 바이어스되는, 적외선 센서.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 노드(No)는 스위치(PART) 및 커패시터(C_part)로 형성된 스위치드-커패시터 필터에 결합되는, 적외선 센서.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 스위치드-커패시터 필터는 적분 후에 충전되도록 의도된 판독 커패시터(C_lec)에 결합되어 다른 적분을 수행하는 동안 전압의 판독을 허용하는, 적외선 센서.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 노드(No)는 전압 팔로워로서 조립된 트랜지스터(SF)에 결합되는, 적외선 센서.

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