KR20220075419A - 광전도체 판독 회로 - Google Patents
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Abstract
장치(111)가 제안된다. 장치(111)는,
― 광전도체(114)의 감광 영역(118)의 조명(116)에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(114),
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(112)를 포함하되, 상기 광전도체 판독 회로(112)는 상기 광전도체(114)의 상기 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성되고, 상기 광전도체 판독 회로(112)는 적어도 하나의 변조된 바이어스 전압을 상기 광전도체(114)에 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원(152)을 포함한다.
― 광전도체(114)의 감광 영역(118)의 조명(116)에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(114),
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Description
본 발명은 광전도체 판독 회로, 검출기 및 광전도체 판독을 위한 광전도체 판독 회로의 용도에 관한 것이다. 특히, 광전도체 판독 회로는 황화납 광전도체 센서와 같은 광전도체의 측정 가능한 전압 응답을 결정하는데 사용될 수 있다.
선행 기술
황화납 광전도체와 같은 광전도체는 판독을 위해 저항 측정이 필요하다. 이는 강한 바이어스 전압 및 이러한 전압에 적합한 회로를 필요로 할 수 있다. 측정은 일반적으로 다른 저항기와 비교하여 수행된다. 일반적으로 저항기 또는 광전도체는 휘트스톤 브리지(Wheatstone-bridge)와 같은 회로에서 측정된다. 예를 들어, 전압 분배기 회로는 광전도체를 판독하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 광전도체로부터의 신호를 측정하기 위해 전압 분배기와 함께 전압 증폭기가 사용된다(예컨대, https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/e06_handbook_compound_semiconductor.pdf 참조).
그러나 이 공지된 판독 회로의 경우 저항은, 아마도 전기화학적 프로세스로 인해, 변조되지 않은 바이어스 전압에 대한 응답으로 드리프트(drift)될 수 있다. 광대역 적외선 광원과 조합되면 광원 변조가 문제가 되며 광원 변조는 일반적으로 느려서, 이는 긴 측정 시간으로 인한 높은 f-잡음을 야기한다. 광 변조 주파수와 무관하게 측정 주파수를 조정할 수 있는 보다 저렴하고 신뢰성 있는 판독 전자 장치가 필요하다.
CN 208 077 480은 디지털 전자 기술 분야에 속하는 555 집적 회로 교육용 LED 섬광 주파수 제어 제품을 설명한다. 555 집적 회로를 구성하는 발진 회로는 디지털 전자 기술 과정 교육 중 중점 및 난점이며, 유틸리티 모델(utility model)은 555 집적 회로 설계 구형파 발진 회로를 개시하고, 그 "주파수"는 환경 조도에 의해 제어되고, 그런 다음 조도 제어 LED 점멸 주파수(flicker frequency)의 기능을 구현한다. 디지털 전자 기술 과정 실험의 555 집적 회로를 유틸리티 모델에 적용하고 학생들에게 지식을 전수하는 것은, 실험 교육에 참여하는 학생들의 관심을 북돋아 교육 효과를 향상시킬 수 있다. "555 타이머 IC"는 "555 타이머 IC - Wikipedia" (en.wikipedia.org/w/index.php?title=555 timer IC&oldid=919149415)에 설명되어 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 이러한 유형의 공지된 회로의 단점을 적어도 실질적으로 회피하는 광전도체 판독 회로 및 검출기를 지정하는 것이다. 특히, 개선된, 특히 보다 신뢰성 있고 비용 효율적인, 광전도체의 판독이 바람직할 것이다.
이러한 문제는 독립 특허 청구항의 특징을 갖는 발명에 의해 해결된다. 개별적으로 또는 조합하여 구현될 수 있는 본 발명의 유리한 전개는 종속항 및/또는 후속하는 명세서 및 상세한 실시예에 제시된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "가지다" 및 "포함하다"라는 표현과 이러한 표현의 문법적 변형은 비배타적인 방식으로 사용된다. 따라서, "A는 B를 가진다" 및 "A는 B를 포함한다"라는 표현은, A가 B 이외에 하나 이상의 추가적인 구성요소 및/또는 구성성분을 포함한다는 사실 및, A에는 B 이외의 다른 구성요소, 구성성분 또는 요소가 존재하지 않는 경우를 나타낼 수 있다.
본 발명의 제1 양태에서, 장치가 개시된다. 장치는,
― 광전도체의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체,
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로를 포함하되, 상기 광전도체 판독 회로는 상기 광전도체의 상기 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성되고, 상기 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 변조된 바이어스 전압을 상기 광전도체에 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 포토레지스터(photoresistor)라고도 하는 "광전도체"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 구체적으로, 이 용어는 광전도체의 감광 영역의 조명에 따른 특정 전기 저항 Rphoto를 나타낼 수 있는 감광 소자를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 특히, 전기 저항은 광전도체 재료의 조명에 따라 달라진다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 광전도체는 "광전도성 재료"를 포함하는 감광 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전도체는 감광 검출기 회로에 적용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "조명(illumination)"이라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 가시 스펙트럼 범위, 자외선 스펙트럼 범위 및 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상에 있는 전자기 방사선을 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 여기서, 표준 ISO-21348에 부분적으로 의거하여, 가시 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 380nm 내지 760nm의 스펙트럼 범위를 지칭한다. 적외선(IR: infrared) 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 760nm 내지 1000μm 범위의 전자기 방사선을 지칭하는데, 여기서 760nm 내지 1.4μm 범위는 일반적으로 근적외선(NIR: near infrared) 스펙트럼 범위로 표시되고, 15μm 내지 1000μm의 범위는 원적외선(FIR: far infrared) 스펙트럼 범위로 표시된다. "자외선 스펙트럼 범위"라는 용어는 일반적으로 1nm 내지 380nm 범위, 바람직하게는 100nm 내지 380nm 범위의 전자기 방사선을 지칭한다. 아래에서 "조명"이라는 용어는 "광(light)"으로도 표시된다. 바람직하게는, 본 발명 내에서 사용되는 조명은 가시광선(즉, 가시광선 스펙트럼 범위의 광) 및/또는 적외선(즉, 적외선 스펙트럼 범위의 광)이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "광전도체의 감광 영역"이라는 용어는 일반적으로, (예컨대, 입사광 빔에 의한) 조명에 민감한 광전도체 영역을 지칭한다. 예를 들어, 감광 영역은, 반드시 그런 것은 아니지만 바람직하게는 연속적이며 연속 영역을 형성할 수 있는, 2차원 또는 3차원 영역일 수 있다. 광전도체는 이러한 감광 영역을 하나 또는 여러 개 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "조명에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내기 위해"라는 용어는 일반적으로 광전도체의 전기 저항이 감광 영역의 조명, 특히 조명의 강도에 따라 조정 및/또는 변경되고/되거나 달라지는 것을 지칭한다. 특히, 조명에 응답하여 전기 저항이 조정 및/또는 변경되고/되거나 달라진다. 광전도체를 조명하면 광전도체는 감소된 전기 저항을 나타낼 수 있다. 광전도체는 조명을 받으면 그 저항률을 낮출 수 있다. 구체적으로, 광전도체의 전기 저항은 입사광의 강도가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 암저항(dark resistance)과 명저항(bright resistance) 사이의 변화는 측정되거나 판독될 양이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "암저항"은 일반적으로 조명되지 않은 상태의(즉, 조명이 없는) 광전도체의 전기 저항을 지칭한다. 본 명세서에서 추가로 사용되는 바와 같이, "명저항"이라는 용어는 조명된 상태의 광전도체의 전기 저항을 지칭한다. 측정 및/또는 판독을 위해 일반적으로 비선형 거동을 갖는 전압 분배기 회로가 알려져 있다. 광전도체 저항의 선형 변화는 전압 출력의 비선형 변화를 초래한다. 본 발명은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 선형 거동을 갖는 회로 특징을 제안한다.
광전도체는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함할 수 있다. 전기 저항은 전기 전도도의 역수 값으로 정의되므로, 대안적으로 "포토레지스티브 재료(photoresistive material)"라는 용어도 동일한 종류의 재료를 지칭하는데 사용될 수 있다. 감광 영역은, 황화납(PbS), 셀렌화납(PbSe), 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe), 카드뮴 설파이드(CdS), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 인듐 안티몬화물(InSb), 인듐 비소(InAs), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 외인성 반도체(예: 도핑된 Ge, Si, GaAs), 유기 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함할 수 있다. 그러나 다른 재료도 가능하다. 추가 가능한 광전도성 재료는 예를 들어 WO 2016/120392 A1에 기재되어 있다. 예를 들어, 광전도체는 trinamiX GmbH(D-67056 Ludwigshafen am Rhein, Germany)의 상표명 Hertzstueck™으로 시중에서 구입 가능한 광전도체일 수 있다.
예를 들어, 감광 영역은 적어도 하나의 조명원(illumination source)에 의해 조명될 수 있다. 조명원은 예를 들어 주변 광원이거나 이를 포함할 수 있고/있거나 인공 조명원이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원은 적어도 하나의 적외선 방출기 및/또는 적어도 하나의 가시광 방출기 및/또는 적어도 하나의 자외선 방출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원은 적어도 하나의 발광 다이오드 및/또는 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 조명원은 특히, 레이저(특히, 레이저 다이오드(원칙적으로는, 대안적 또는 추가적으로, 다른 유형의 레이저도 사용할 수 있음)), 발광 다이오드, 백열등, 네온광, 화염원, 유기 광원(특히, 유기 발광 다이오드), 구조화된 광원 중 하나 또는 복수의 조명원을 포함할 수 있다. 대안적 또는 추가적으로, 다른 조명원도 사용될 수 있다. 조명원은 일반적으로 자외선 스펙트럼 범위, 적외선 스펙트럼 범위 중 적어도 하나의 스펙트럼 범위의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 가장 바람직하게는, 적어도 하나의 조명원은 NIR 및 IR 범위, 바람직하게는 800nm 내지 5000nm 범위, 더욱 바람직하게는 1000nm 내지 4000nm 범위의 광을 방출하도록 구성된다.
조명원은 적어도 하나의 비연속 광원을 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명원은 적어도 하나의 연속 광원을 포함할 수 있다. 광원은 감광 검출기의 감광 파장과 중첩되는 적어도 하나의 방사 파장을 갖는 임의의 광원일 수 있다. 예를 들어, 광원은 플랑키안(Planckian) 방사선을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED) 및/또는 적어도 하나의 레이저원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 액체 또는 고체 물질 또는 기체의 산화와 같은 발열 반응에 의해 조명을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원은 형광 효과로부터 조명을 생성하도록 구성될 수 있다. 조명원은 적어도 하나의 변조된 광 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 조명원에 의해 생성된 광 빔은 변조되지 않을 수 있고/있거나 추가 광학 수단에 의해 변조될 수 있다. 조명원은 연속 광원으로부터의 광 빔을 변조하도록 구성된 적어도 하나의 광학 초퍼(chopper) 장치를 포함할 수 있다. 광학 초퍼 장치는 연속 광원으로부터의 광 빔을 주기적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 초퍼 장치는 적어도 하나의 가변 주파수 회전 디스크 초퍼 및/또는 적어도 하나의 고정 주파수 튜닝 포크(tuning fork) 초퍼 및/또는 적어도 하나의 광학 셔터(shutter)일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 제안된 장치는 광 변조 주파수와 무관하게 광전도체의 저항을 측정 및/또는 결정할 수 있다. 따라서 제안된 장치는 변조된 광도(light intensities) 없이 조명원에 대한 광전도체 저항의 측정을 가능하게 한다.
본 명세서에 사용된 "광전도체 판독 회로"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 적어도 하나의 광전도체 및/또는 복수의 광전도체의 판독을 위해 구성된 전자 회로를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.
광전도체 판독 회로는,
― 적어도 하나의 측정 전압 분배기 회로 ― 상기 광전도체는 적어도 하나의 커패시터와 직렬이고, 상기 커패시터는 상기 광전도체에 의해 충전될 수 있음 ―,
― 적어도 하나의 기준 전압 분배기 회로 및 적어도 하나의 비교기를 포함하는 적어도 하나의 비교기 회로 ― 상기 비교기는 적어도 하나의 입력부를 포함하고, 제 1 입력부는 상기 측정 전압 분배기 회로의 출력부와 전기적으로 연결되고, 상기 비교기는 상기 제1 입력부에서의 입력 전압이 적어도 하나의 기준 전압과 동일할 때 2개의 출력 상태 사이에서 변경하도록 구성됨 ―,
― 적어도 하나의 출력 단자 - 상기 광전도체의 상기 전기 저항 Rphoto는 상기 출력 단자에서의 충전-방전 주파수로부터 결정될 수 있음 -를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 전위 분배기라고도 하는 "전압 분배기 회로"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 전압 분배기 회로의 입력 전압 신호의 일부인 출력 전압 신호를 생성하도록 구성된 전자 회로를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 본 명세서에서 사용된 "측정 전압 분배기 회로"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 측정될 적어도 하나의 광전도체를 포함하는 전압 분배기 회로를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 본 명세서에서 사용된"기준 전압 분배기 회로"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 미리 정의된 저항 또는 미리 결정된 저항과 같은 알려진 저항을 각각 갖는 적어도 2개의 기준 저항기를 포함하는 전압 분배기 회로를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 기준 전압 분배기 회로는 각각이 미리 정의된 또는 미리 결정된 저항을 갖는 적어도 2개의 기준 저항기를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "기준 저항기"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 알려진 전기 저항 Ri를 갖는 저항기를 지칭할 수 있으며, 여기서 i는 자연수이고 저항기의 명칭을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 "커패시터"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 전기 에너지, 특히 광전도체로부터 유래하는 전자를 수집 및/또는 저장하도록 구성된 적어도 하나의 구성요소를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 커패시터는 광전도체와 직렬로 배열된다. 커패시터는 광전도체에 의해 충전될 수 있다. 특히, 광전도체의 적어도 하나의 출력부는 커패시터의 적어도 하나의 입력부와 전기적으로 연결될 수 있다. 전기 저항 Rphoto가 작을수록 커패시터 C가 더 빨리 충전된다. 공통 전압 분배기에서 출력 신호의 최대 동적 범위는 두 저항기의 저항 값이 동일할 때 달성된다. 광전도체는 일반적으로 100kΩ보다 큰 저항 값을 가질 수 있다. 큰 저항 값은 회로에서 높은 열 잡음을 유발할 수 있다. 금속 호일 기술을 기반으로 하는 저잡음, 고온 안정성 저항기는 일반적으로 더 낮은 저항 값을 위해 제공되므로 전압 분배기로 적용할 수 없다. 본 발명에 따른 회로에서, 측정 전압 분배기의 저항기는 커패시터로 대체된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "비교기 회로"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 적어도 하나의 입력 전압, 구체적으로 적어도 하나의 측정될 전압을 적어도 하나의 기준 전압, 구체적으로 적어도 하나의 미리 알려진 또는 미리 결정된 기준 전압과 비교하도록 구성된 전자 회로를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 비교기 회로는 비교 결과를 나타내는 출력 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 비교기 회로는 반전 슈미트 트리거(Schmitt trigger)로 구현될 수 있다. 반전 슈미트 트리거는 비교기 및, 전압 분배기 회로(본 발명의 경우, 기준 전압 분배기)에 의해 구현된 비교기의 비반전 입력부에 대한 정귀환을 포함할 수 있다.
비교기 회로는 적어도 하나의 비교기를 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "비교기"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 적어도 하나의 입력 전압을 적어도 하나의 기준 전압과 비교하고 비교 결과를 나타내는 출력 신호를 생성하도록 구성된 전자 소자를 지칭할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 비교기, 특히 전자 비교기 소자는 적어도 하나의 연산 증폭기; 적어도 하나의 슈미트 트리거(Schmitt trigger); 이미터 결합 논리(ECL: emitter coupled logic)에 기반한 적어도 하나의 논리 소자; 적어도 하나의 어드밴스드 쇼트키(ASTTL: advanced Schottky), 적어도 하나의 고속 쇼트키(FAST-Schottky), 적어도 하나의 고속 CMOS 및 적어도 하나의 CMOS와 같은 적어도 하나의 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL: transistor-transistor logic); 및 적어도 하나의 3상태 논리 비교기 중 하나 이상이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교기는 적어도 하나의 연산 증폭기 및/또는 명명된 연산을 수행하도록 구성된 적어도 하나의 추가 전자 소자이거나 이를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "비교"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 입력 전압을 기준 전압으로 나누거나 빼는 것과 같은 적어도 하나의 수학적 연산을 수행하는 것을 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.
기준 전압 분배기 회로의 저항기의 경우 저항기의 비율만 중요할 수 있다. 기준 전압 분배기 회로에서 기준 저항기의 비율은 두 저항기의 저항 값이 동일한 인수로 변경되는 한 동일하게 유지될 수 있으므로, 다양한 범위의 저항 값을 갖는 저항기를 사용할 수 있다.
비교기는 전원 전압에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어 ±0.001V 내지 ±5000V, 바람직하게는 ±1V 내지 ±500V, 더욱 바람직하게는 ±2V 내지 ±50V 범위의, 두 개의 동일한 직류(DC) 전압이 비교기의 전원 입력부에 인가될 수 있다. 비교기는 단일 전원 전압으로 구동될 수 있으며, 여기서 전원 전압은 ±0.001V 내지 ±5000V일 수 있다. 바람직하게는, 전원 전압은 ±0.1V 내지 ±500V일 수 있고, 가장 바람직하게는 전원 전압은 ±1V 내지 ±50V일 수 있다. 대안적으로, 비교기는 이중 전원 전압으로 구동될 수 있으며, 이는 ±0.001V 내지 ±5000V일 수 있다. 바람직하게는, 전원 전압은 ±0.1V 내지 ±500V일 수 있으며, 가장 바람직하게는 전원 전압은 ±1V 내지 ±50V일 수 있다. 비교기 이중 전원 전압은 대칭 또는 비대칭일 수 있다.
비교기는 적어도 하나의 입력부를 포함한다. 예를 들어, 비교기는 2개의 입력 단자와 같은 적어도 2개의 입력부를 포함한다. 비교기는 적어도 제1 입력부 및 적어도 제2 입력부를 포함할 수 있다. 구체적으로, 비교기는 반전 입력부(-) 및 비반전 입력부(+)를 가질 수 있다. 기준 전압 분배기의 출력부는 비교기의 비반전 입력부에 연결될 수 있고 측정 전압 분배기의 출력부는 반전 입력부에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 입력부는 측정 전압 분배기 회로의 출력부와 전기적으로 연결되고 제2 입력부는 기준 전압 분배기 회로의 출력부와 전기적으로 연결된다. 제1 입력부는 반전 입력부일 수 있고 제2 입력부는 비반전 입력부일 수 있다. 기준 전압 분배기는 비교기에 정귀환을 제공하도록 구성될 수 있다. 특히, 기준 전압 분배기는 비교기의 출력 전압의 일부가 비반전 입력부에 나타나도록 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 비교기는 단 하나의 입력부를 포함할 수 있다. 이 경우 비교기는 내부 비교 전압을 포함할 수 있다.
비교기의 출력 신호(출력 전압이라고도 함)는 입력 전압과 기준 전압을 비교한 결과에 따라 달라질 수 있다. 제1 입력부에서의 전압은 본 명세서에서 입력 전압으로, 구체적으로 측정 전압 신호 Vmeas로 표시된다. 상기 비교기의 제2 입력부에서의 전압 또는 (예를 들어 슈미트 트리거의 경우) 상기 비교기의 내부 기준 전압은 기준 전압 Vref 로 표시된다. 비교기는, 제1 입력부에서의 입력 전압이 기준 전압과 동일할 때 두 출력 상태 사이에서 변경하도록 구성된다.
출력 신호는 디지털 신호, 특히 출력 상태로 표시되는 2개의 상태를 갖는 이진 디지털 출력일 수 있다. 출력 상태 Vout은 입력 전압 또는 기준 전압 중 어느 것이 더 큰지에 따라 달라질 수 있다.
측정 전압이 기준 전압보다 낮으면 출력 전압이 "높음"이 된다. "높은" 출력 상태는 양(positive)일 수 있으며, 특히 양의 포화 전압과 동일할 수 있다. (커패시터의 추가 충전으로 인해) 측정 전압이 기준 전압과 같아지면, 비교기는 출력 상태를 "낮음"으로 변경하며, 이는 특히 음의 포화 전압과 같다. 높은 출력 상태에서 낮은 출력 상태로 전환하는 경우, 비교기 출력부에서의 음의 포화 전압의 결과로 비반전 입력부에서 음의 전압이 나타날 수 있다. 따라서 동일한 입력 신호의 경우 출력 신호는 비교기 출력부에서의 전위를 반대 부호로 전환한다. 또한, 반전 슈미트 트리거는 이력 현상(hysteresis)을 나타낼 수 있다. 출력 상태가 변경되는 경우, 비반전 입력부에서의 기준 전압이 변경되어 두 개의 다른 기준 전압 값이 생성되고 따라서 출력 상태를 전환하기 위한 두 개의 다른 값이 생성된다.
광전도체 판독 회로는 비교기 회로의 출력 신호를 증폭하도록 구성된 적어도 하나의 증폭기, 특히 적어도 하나의 임피던스 컨버터를 포함할 수 있다.
장치, 특히 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 평가 장치에 대한 적어도 하나의 커플링을 포함할 수 있다. 광전도체 판독 회로는, 주파수 측정을 위한 적어도 하나의 마이크로컨트롤러와 같은 저전압 평가 시스템에 커플링하기 위한 적어도 하나의 추가 전압 분배기 및 적어도 하나의 정류기를 포함할 수 있다. 커플링은 적어도 하나의 다이오드 및 적어도 하나의 커플링 전압 분배기 회로를 포함할 수 있다. 커플링은 비교기 회로의 출력부에 배치될 수 있다.
광전도체 판독 회로는 광전도체에 적어도 하나의 변조된 바이어스 전압을 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "바이어스 전압원"이라는 용어는 바이어스 전압을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 전압원을 지칭한다. 바이어스 전압은 광전도체 재료 양단에 인가된 전압일 수 있다. 공통 판독 회로는 바이어스 전압의 변동에 민감한 전압 분배기를 기반으로 할 수 있다. 바이어스 전압의 모든 잡음은 전압 분배기의 출력부에서 측정 전압으로 측정될 수 있다. 본 발명에 따른 회로에서, 기준 전압 분배기와 측정 전압 분배기는 비교기의 출력 전압인 동일한 전위에 연결될 수 있다. 이를 통해 변동에 대한 민감성을 제거할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "변조된 바이어스 전압"이라는 용어는 바이어스 전압이 주기적 시간 종속 바이어스 전압 및/또는 교류 바이어스 전압이라는 사실을 지칭한다. 바이어스 전압원은 각각의 충전 및/또는 방전에 따라 바이어스 전압을 변경하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "변조"라는 용어는 광전도체를 통과하는 전하 캐리어의 순 흐름(net flow)이 측정 주기 동안 0이 되는 방식으로 광전도체 상의 바이어스 전압의 분극의 변화를 지칭한다. 구체적으로, 측정 주기 동안 광전도체를 통해 흐르는 총 전류와 같은 전하 캐리어의 적분이 0이 되도록 바이어스 전압이 선택된다. 측정 주기는 상승 에지(edge)(예: 양극 에지)에서 상승 에지로 또는 하강 에지(예: 음극 에지)에서 하강 에지로와 같이, 동일한 방향으로의 바이어스 전압 분극의 2개의 연속적인 전이 사이의 시간일 수 있다. 각각의 충전 또는 방전에 따른 바이어스 전압의 변화는 광전도체를 저항 드리프트(drifts)로부터 보호할 수 있다. 일반적으로, 광전도체는 DC 바이어스 전압으로 측정되는데 이는 광전도체 재료 또는 기판의 이온 드리프트를 유발할 수 있고, 이는 광전도체의 특성을 변경한다. 본 발명에서 제안한 바와 같은 적절한 주파수의 교류 바이어스 전압으로 이온의 드리프트를 상쇄할 수 있다. 교류 바이어스 전압은 플리커 잡음(flicker noise), 1/f 또는 핑크 잡음(pink noise)과 같은 잡음을 줄일 수 있다. F-잡음은 측정의 변조와 더 높은 주파수의 구현으로 인해 상당히 감소될 수 있다. 출력에서 주파수는 적어도 하나의 푸리에 변환(Fourier transformation), 주파수 카운팅(counting), 에지(edge) 검출, 주기 길이 측정 등으로 이루어진 군의 하나 이상의 연산을 사용하여 측정될 수 있다. 바이어스 전압은 ±0.001V 내지 ±5000V일 수 있다. 바람직하게는, 바이어스 전압은 ±0.1V 내지 ±500V일 수 있고, 가장 바람직하게는 바이어스 전압은 ±1V 내지 ±50V일 수 있다. 바이어스 전압은 양과 음 사이에서 스위칭될 수 있다. 광전도체는 양 및 음의 바이어스 전압에 대한 저항 비대칭을 특징으로 할 수 있다. 측정 주기 동안 제안된 회로에서 전하 캐리어의 적분은 0이므로, 비대칭은 저항 측정에 영향을 미치지 않을 수 있다. 인가된 바이어스 전압으로 인한 광전도성 재료 양단의 전계는 약 50V/mm일 수 있다.
광전도체 판독 회로는 복수의 광전도체를 포함할 수 있다. 광전도체는 어레이로 배열될 수 있다. 광전도체 판독 회로는 복수의 광전도체 중 각 광전도체의 전기 저항을 결정하도록 구성될 수 있다. 복수의 광전도체의 판독을 위한 광전도체 판독 회로는 프로그래밍 가능 논리, 예를 들어 적어도 하나의 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA: Field Programmable Gate Array), 단일 또는 다수의 입력 채널을 갖는 집적 회로, 단일 또는 다수의 입력부를 갖는 마이크로프로세서와 같은 적어도 하나의 논리 게이트를 포함할 수 있다. FPGA는 자유 발진 링 발진기(free running ring oscillator)로 구성될 수 있다. 이로 인해 비교기의 출력 주파수 측정에서 매우 높은 시간 분해능을 생성하는 것이 가능할 수 있다.
광전도체 판독 회로는 특히 추가 평가를 위해 출력 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 아날로그-디지털 컨버터(ADC: analog-to-digital converter)를 더 포함할 수 있다.
광전도체 판독 회로는 집적 회로로서 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "집적 회로"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 반도체 기판과 같은 기판 상의 전자 회로를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 예를 들어, 집적 회로는 마이크로칩으로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 장치는 적어도 하나의 제1 전자 회로를 포함할 수 있다. 제1 전자 회로는 적어도 하나의 제1 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 출력 신호의 주파수는 광전도체의 상기 측정 주기의 수학 함수일 수 있다. 광전도체 판독 회로의 출력은 광전도체의 저항에 따른 주파수일 수 있다. 광전도체 판독 회로의 출력으로서 주파수를 측정하기 위한 카운터(counter)가 필요할 수 있다. 1/f 잡음을 줄이기 위해 더 높은 주파수가 필요하므로 카운터는 지터(Jitter)와 같이 높은 정밀도와 낮은 잡음으로 높은 주파수를 샘플링하도록 구성될 수 있다.
장치는 그 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항 Rphoto2를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 제2 광전도체를 포함할 수 있다. 장치는 제2 측정 주기를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제2 전자 회로를 포함할 수 있다. 제2 전자 회로는 적어도 하나의 제2 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 출력 신호의 주파수는 광전도체 및 제2 광전도체의 측정 주기의 수학 함수일 수 있다.
제2 전자 회로는 주파수 믹서일 수 있다. 한 검출기는 하나의 특정 파장에서 광도를 측정하고 다른 검출기는 다른 파장에서 광 강도를 측정하는, 가스 분석을 위한 비분산 적외선 분광법과 같은 듀얼 검출기 적용의 경우, 두 개의 측정된 신호를 비교할 필요가 있다. 다른 예는 방사율 비의존성 온도 측정일 수 있는데, 여기서 측정 대상의 방사속은 2개의 다른 파장에서 측정될 수 있고 신호가 비교된다. 주파수 카운팅을 담당하는 제2 전자 회로는 동일한 정밀도와 저잡음으로 2개의 신호를 샘플링하도록 구성될 수 있다. 이는 주파수 카운터의 요구 사항과 비용을 증가시킬 수도 있다. 대안적으로, 주기 길이 카운터를 사용할 수 있다. 주기 길이 및 주파수 카운터에 대한 요구 사항은 동일하게 유지될 수 있다. 듀얼 애플리케이션을 위한 두 광전도체 판독 회로의 출력 신호는 개별적으로 디지털화될 수 있다. 두 광전도체 판독 회로의 출력 신호가 주파수일 수 있기 때문에 두 주파수 모두 주파수 카운터로 샘플링될 수 있으며, 이는 시간 디지털 컨버터(TDC: Time-to-Digital Converter), FPGA, 마이크로컨트롤러를 갖는 타이머(timers)의 형태로 구현될 수 있다. 이 접근 방식은 마이크로컨트롤러와 FPGA를 위한 두 개의 입력 채널을 필요로 하거나 매우 우수한 시간 분해능을 가진 이러한 카운터 중 2개를 이용할 수 있다. 추가적 또는 대안적으로, 두 광전도체 판독 회로의 주파수는 디지털화 전에 아날로그 레벨에서 주파수 믹서에 의해 믹싱될 수 있다. 주파수 믹서는 인가된 2개의 신호로부터 새로운 주파수를 생성하도록 구성된 비선형 전기 회로이거나 이를 포함할 수 있다. 주파수 믹서는 2개의 인가된 신호를 취하고 발신 주파수의 차이 및 합과 동일한 새로운 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 발신 주파수의 합, 즉 광전도체 판독 회로의 출력 신호는 단순한 저역 통과 필터를 사용하여 필터링될 수 있는 한편, 차이는 샘플링될 수 있다.
예를 들어, f 1 = 10000Hz 및 f 2 = 9960Hz의 두 주파수를 믹싱하여 f Mixed = f 1 - f 2 = 40Hz로 필터링할 수 있으며 이는 일반 주기 또는 주파수 카운터로도 매우 우수한 분해능으로 측정할 수 있다. 이러한 방식으로 요구 사항 및 비용, 특히 카운터의 수는 감소하는 반면 분해능은 증가할 수 있다. 측정 분해능은 헤테로다인(heterodyne) 인자, 특히 비트(beat) 주파수 f Mixed, f 1/f Mixed에 대한 캐리어 f1의 비율만큼 증가될 수 있다. 이 설명된 예에서 헤테로다인 인자는 10000/40=250이다. 따라서, 100 나노초 분해능을 갖는 주기 카운터는 400피코초의 주기 길이의 변화를 분해할 수 있다.
주파수 믹서는 일반적으로 당업자에게 알려져 있다. 특히 다양한 주파수 범위, 잡음 레벨, 패키징 형태에 대해, 집적 회로 또는 개별 소자 등으로서 다양한 주파수 믹서가 이용될 수 있다.
장치는 적어도 하나의 온도 감지 소자를 포함할 수 있다. 온도 감지 소자의 신호는 제1 전자 회로의 제1 출력 신호 또는 제2 출력 신호 중 하나 또는 둘 다를 보정하는데 사용될 수 있다.
장치는 광전도체 및 제2 광전도체와 동일한 온도 의존성을 갖는 조사(irradiation) 비의존성 전기 저항을 나타내기 위한 적어도 하나의 제3 저항기를 포함할 수 있다. 제3 저항기는 조사를 받지 않는 방식으로 어두워진(darkened) 광전도체, 또는 비감광성 저항기일 수 있다. 장치는 제3 주파수를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제3 전자 회로를 포함할 수 있다. 제3 주파수는 기준 주파수의 역할을 수행할 수 있다. 기준 주파수는 적어도 2개의 전자 회로를 이용하여 조명된 광전도체로부터의 주파수의 차이를 생성하는데 사용될 수 있다. 측정된 저항 및 측정된 파장에서의 비검출능(specific detectivity)은 환경 온도 영향, 사용된 열전 냉각기의 불안정성 등과 같은 열 변화로 인해 드리프트(drift)될 수 있다. 따라서 활성 영역이 조사되지 않는 방식으로 가려진 추가의 어두워진(darkened) 광전도체를 사용할 수 있다. 이 검출기의 출력 주파수는 기준 f Ref의 역할을 할 수 있다. 듀얼 믹서 설정을 사용함으로써 f Mixed1 = f 1-f Ref와 f Mixed2 = f 2-f Ref의 차이를 고정밀도로 측정할 수 있다. f Mixed1/f Mixed2의 몫을 계산함으로써 f 1 과 f 2의 온도 의존성을 제거할 수 있다. 예를 들어, 광전도체의 온도 계수가 α인 경우, 온도 T에 대한 몫은 
이므로 온도와 무관하다.
또한, 주파수 출력이 입력 신호의 2의 거듭제곱 정수 나눗셈인 방식으로 주파수 분배기를 사용할 수 있지만 전력은 자유롭게 선택할 수 있다. 5의 거듭제곱에 대해 출력 주파수는 입력 주파수의 1/32이 될 것이다. 부특성 서미스터(NTC: Negative Temperature Coefficient Thermistor)와 같은 저렴한 온도 센서를 구축하여 광전도체의 온도를 측정할 수 있다. 암저항(dark resistance)의 온도 의존성은 공장 보정(factory calibrated)을 거칠 수 있으며 측정 값은 온도 의존성 보정 인자로 보정될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 광전도체 판독 회로를 포함하는 검출기가 개시된다. 검출기는 장치, 특히 광전도체 판독 회로의 적어도 하나의 출력부에서 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 더 포함한다. 평가 장치는 출력 신호를 평가함으로써 광전도체의 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "평가 장치"라는 용어는 일반적으로 전압 출력부에서 적어도 하나의 전압 출력 신호를 결정 및/또는 생성하도록 설계된 임의의 장치를 지칭한다. 예를 들어, 평가 장치는 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASICs: application-specific integrated circuits)와 같은 하나 이상의 집적 회로, 및/또는 하나 이상의 컴퓨터, 바람직하게는 하나 이상의 마이크로컴퓨터 및/또는 마이크로컨트롤러와 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치이거나 이를 포함할 수 있다. 하나 이상의 AD 컨버터 및/또는 하나 이상의 필터와 같은, 전압 신호를 수신 및/또는 사전 처리하기 위한 하나 이상의 장치와 같은, 하나 이상의 사전 처리 장치 및/또는 데이터 수집 장치와 같은 추가의 구성요소가 포함될 수 있다. 또한, 평가 장치는 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치는 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스와 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다. 평가 장치는 특히 적어도 하나의 출력 전압 신호를 결정하도록 설계될 수 있는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 특히 전자 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치는 또한 적어도 하나의 조명원을 완전히 또는 부분적으로 제어하고/하거나 적어도 하나의 전압원을 제어하고/하거나 적어도 하나의 부하 저항기를 조정하도록 설계될 수 있다. 평가 장치는, 하나 이상의 측정 유닛 및/또는 하나 이상의 평가 유닛 및/또는 하나 이상의 제어 유닛과 같은, 하나 이상의 전자 하드웨어 구성요소 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성요소와 같은, 하나 이상의 추가 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 평가 장치는 예컨대 적어도 하나의 전압계와 같은, 적어도 하나의 출력 전압 신호를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 측정 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치는 적어도 하나의 푸리에 변환(Fourier transformation), 주파수 카운팅(counting), 에지(edge) 검출, 주기 길이 측정 등으로 이루어진 군의 하나 이상의 연산을 수행하도록 구성될 수 있다.
검출기는 적어도 하나의 조명원을 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 관한 추가 세부사항, 특히 광전도체 판독 회로, 평가 장치 및 선택적 조명원의 추가 세부사항에 대해서는, 위에서 설명되고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 광전도체 판독 회로의 설명을 참조할 수 있다.
본 발명의 추가 양태에서, 본 발명에 따른 장치의 용도가 적어도 하나의 PbS 센서, 적어도 하나의 PbSe 센서, 또는 복수의 픽셀을 포함하는 적어도 하나의 픽셀화된 센서 어레이 중 하나 이상의 판독을 위한 목적으로 개시되며, 여기서 픽셀의 각각은 적어도 하나의 PbS 또는 PbSe 센서를 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 보통 또는 낮은 바이어스 전압 애플리케이션, 예를 들어 장치(예: 센서 노드, 휴대용 측정 장치, 폭발성 대기의 장치(devices in explosive atmospheres))가 배터리로 작동되거나 저전력으로 실행되어야 하는 애플리케이션에 사용될 수 있어, 신호 대 잡음비 개선과 그로 인한 높은 신호 품질을 가능하게 한다. 예를 들어, 전압 분배기 회로는 분광기, 수분 측정 기기, 두께 측정 기기, 가스 분석 기기 또는 포토레지스터를 센서 소자로 사용하는 임의의 기타 유형의 장비에 사용될 수 있다. 장치는 광학 센서에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전압 분배기 회로는 소위 FiP 효과를 사용하는 광학 센서, 예를 들어 WO 2012/110924 A1, WO 2014/097181 A1 및 WO 2016/120392 A1에 사용될 수 있다. 공지된 전압 분배기 회로는 광 변조 없이는 저항의 변화를 고분해능으로 측정할 수 없으므로 광전도성 검출기를 갖는 분광기는 분산 소자와 다수의 픽셀로만 구현될 수 있다. 단일 픽셀 분광기는 광변조 없이 측정할 수 있는 안정성 때문에 광다이오드 및 InGaS, Si-포토다이오드 등과 같은 기타 전류 생성 검출기를 사용한다. 본 발명에 따른 장치는 광변조 없이 광전도체의 저항 변화를 고정밀도로 측정할 수 있으므로 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometers) 또는 패브리 페로 간섭계(Fabry Perot Interferometer) 등을 기반으로 하는 단일 픽셀 분광기는 광전도성 검출기로도 구현될 수 있다. 언급된 모든 장점을 가진 제안된 장치는 단일 픽셀 분광기를 구축하는데 사용될 수 있다.
요약하면, 본 발명의 맥락에서 하기 실시예가 특히 바람직한 것으로 간주된다.
실시예 1: 장치로서,
― 광전도체의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체,
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로― 상기 광전도체 판독 회로는 상기 광전도체의 상기 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성되고, 상기 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 변조된 바이어스 전압을 상기 광전도체에 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원을 포함함 ―를 포함하는, 장치.
실시예 2: 실시예 1에 있어서, 상기 바이어스 전압은 주기적인 시간 종속 바이어스 전압이고, 상기 바이어스 전압은 측정 주기 동안 상기 광전도체를 통해 흐르는 전하 캐리어의 적분이 0이 되도록 선택되며, 상기 측정 주기는 동일한 방향으로의 바이어스 전압 분극의 2개의 연속적인 전이 사이의 시간으로 정의되는, 장치.
실시예 3: 실시예 1 또는 실시예 2에 있어서, 상기 광전도체 판독 회로는,
― 광전도체의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체 및 상기 광전도체와 직렬로 연결된 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 적어도 하나의 측정 전압 분배기 회로 ― 상기 커패시터는 상기 광전도체에 의해 충전될 수 있음 ―,
― 적어도 하나의 기준 전압 분배기 회로 및 적어도 하나의 비교기를 포함하는 적어도 하나의 비교기 회로 ― 상기 비교기는 적어도 하나의 입력부를 포함하고, 제 1 입력부는 상기 측정 전압 분배기 회로의 출력부와 전기적으로 연결되고, 상기 비교기는 상기 제1 입력부에서의 입력 전압이 적어도 하나의 기준 전압과 동일할 때 2개의 출력 상태 사이에서 변경하도록 구성됨 ―,
― 적어도 하나의 출력 단자 - 상기 광전도체의 상기 전기 저항 Rphoto는 상기 출력 단자에서의 충전-방전 주파수로부터 결정될 수 있음 ―를 포함하는, 장치.
실시예 4: 실시예 3에 있어서, 상기 기준 전압 분배기 회로는 각각이 미리 정의된 또는 미리 결정된 저항을 갖는 적어도 2개의 기준 저항기를 포함하는, 장치.
실시예 5: 실시예 3 또는 실시예4에 있어서, 상기 비교기는 적어도 하나의 연산 증폭기; 적어도 하나의 슈미트 트리거(Schmitt trigger); 이미터 결합 논리(ECL: emitter coupled logic)에 기반한 적어도 하나의 논리 소자; 적어도 하나의 어드밴스드 쇼트키(ASTTL: advanced Schottky), 적어도 하나의 고속 쇼트키(FAST-Schottky), 적어도 하나의 고속 CMOS 및 적어도 하나의 CMOS와 같은 적어도 하나의 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL: transistor-transistor logic); 및 적어도 하나의 3상태 논리 비교기 중 하나 이상이거나 이를 포함하는, 장치.
실시예 6: 실시예 3 내지 실시예5 중 어느 하나에 있어서, 상기 비교기는 상기 입력 전압을 적어도 하나의 기준 전압과 비교하고 상기 비교의 결과를 나타내는 출력 신호를 생성하도록 구성되는, 장치.
실시예 7: 실시예 3 내지 실시예6 중 어느 하나에 있어서, 상기 커패시터의 충방전 속도는 상기 저항 Rphoto에 의존하는, 장치.
실시예 8: 실시예 3 내지 실시예7 중 어느 하나에 있어서, 상기 광전도체 판독 회로는 상기 비교기 회로의 출력 신호를 증폭하도록 구성된 적어도 하나의 증폭기를 포함하는, 장치.
실시예 9: 실시예 1 내지 실시예8 중 어느 하나에 있어서, 상기 장치는 적어도 하나의 평가 장치에 대한 적어도 하나의 커플링을 포함하는, 장치.
실시예 10: 실시예 1 내지 실시예9 중 어느 하나에 있어서, 상기 감광 영역은 황화납(PbS), 셀렌화납(PbSe), 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe), 카드뮴 설파이드(CdS), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 인듐 안티몬화물(InSb), 인듐 비소(InAs), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 외인성 반도체, 유기 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하는, 장치.
실시예 11: 실시예 2에 있어서, 상기 장치는 적어도 하나의 제1 전자 회로를 포함하고, 상기 제1 전자 회로는 적어도 하나의 제1 출력 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 출력 신호의 주파수는 상기 광전도체의 상기 측정 주기의 수학 함수인, 장치.
실시예 12: 실시예 11에 있어서, 상기 장치는 적어도 하나의 온도 감지 소자를 포함하고, 상기 온도 감지 소자의 신호는 상기 제1 전자 회로의 상기 제1 출력 신호를 보정하는데 사용되는, 장치.
실시예 13: 실시예 11 또는 실시예 12에 있어서, 상기 장치는 그 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항 Rphoto2를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 제2 광전도체를 포함하고, 상기 장치는 제2 측정 주기를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제2 전자 회로를 포함하고, 상기 제2 전자 회로는 적어도 하나의 제2 출력 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2 출력 신호의 주파수는 상기 광전도체 및 상기 제2 광전도체의 상기 측정 주기의 수학 함수인, 장치.
실시예 14: 실시예 13에 있어서, 상기 제 2 전자 회로는 주파수 믹서인, 장치.
실시예 15: 실시예 13 또는 실시예 14에 있어서, 상기 장치는 상기 광전도체 및 상기 제2 광전도체와 동일한 온도 의존성을 갖는 조사(irradiation) 비의존성 전기 저항을 나타내기 위한 적어도 하나의 제3 저항기를 포함하고, 상기 제 3 저항기는 조사를 받지 않는 방식으로 어두워진(darkened) 광전도체이거나, 비감광성 저항기이며, 상기 장치는 제 3 주파수를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 전자 회로를 포함하고, 상기 제 3 주파수는 기준 주파수로 작용하고, 상기 기준 주파수는 적어도 2개의 전자 회로를 이용하여 상기 조명된 광전도체로부터의 상기 주파수의 차이를 생성하는데 사용되는, 장치.
실시예 16: 실시예 1 내지 실시예 15 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 장치를 포함하는 검출기로서, 상기 검출기는 상기 장치의 적어도 하나의 출력부에서 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함하고, 상기 평가 장치는 상기 출력 신호를 평가함으로써 상기 광전도체의 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성되는, 검출기.
실시예 17: 실시예 16에 있어서, 상기 평가 장치는 적어도 하나의 푸리에 변환(Fourier transformation), 주파수 카운팅(counting), 에지(edge) 검출, 상기 주기 길이의 측정 등으로 이루어진 군의 하나 이상의 연산을 수행하도록 구성되는, 검출기.
실시예 18: 장치를 언급하는 실시예 1 내지 실시예 17 중 어느 하나에 따른 장치의 용도로서, 상기 용도는 적어도 하나의 PbS 센서, 적어도 하나의 PbSe 센서, 또는 복수의 픽셀을 포함하는 적어도 하나의 픽셀화된 센서 어레이 중 하나 이상의 판독을 위한 것이고, 상기 픽셀 각각은 적어도 하나의 PbS 또는 PbSe 센서를 포함하는, 장치의 용도.
본 발명의 추가적인 선택적 세부사항 및 특징은 종속항과 함께 뒤따르는 바람직한 예시적인 실시예의 설명으로부터 명백하다. 이러한 맥락에서, 특정 특징은 단독으로 구현되거나 특징들과 조합하여 구현될 수 있다. 본 발명은 예시적인 실시예에 제한되지 않는다. 예시적인 실시예는 도면에 개략적으로 도시된다. 개별 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소 또는 동일한 기능을 갖는 구성요소, 또는 그 기능과 관련하여 서로 대응하는 구성요소를 지칭한다.
구체적으로, 도면에서, 도 1은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 검출기의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 광전도체 판독 회로를 포함하는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 장치 및 광전도체 판독 회로의 추가 실시예를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 장치가 복수의 광전도체를 포함하는 실시예를 도시한다.
구체적으로, 도면에서, 도 1은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 검출기의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 광전도체 판독 회로를 포함하는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 장치 및 광전도체 판독 회로의 추가 실시예를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 장치가 복수의 광전도체를 포함하는 실시예를 도시한다.
도 1은 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(112)를 포함하는 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치(111)를 포함하는 검출기(110)의 예시적인 실시예를 매우 개략적인 방식으로 도시한다. 장치(111)는 광전도체(114)의 감광 영역(118)의 조명(116)에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(114)를 포함한다.
전기 저항 Rphoto는 광전도체(114)의 재료의 조명에 의존할 수 있다. 광전도체(114)의 감광 영역(118)은 광전도성 재료를 포함할 수 있다. 감광 영역(118)은, 황화납(PbS), 셀렌화납(PbSe), 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe), 카드뮴 설파이드(CdS), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 인듐 안티몬화물(InSb), 인듐 비소(InAs), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 외인성 반도체(예: 도핑된 Ge, Si, GaAs)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함할 수 있다. 그러나 다른 재료도 가능하다. 추가 가능한 광전도성 재료는 예를 들어 WO 2016/120392 A1에 기재되어 있다. 예를 들어, 광전도체는 trinamiX GmbH(D-67056 Ludwigshafen am Rhein, Germany)의 상표명 Hertzstueck™으로 시중에서 구입 가능한 광전도체일 수 있다.
예를 들어, 감광 영역(118)은 적어도 하나의 조명원(120)에 의해 조명될 수 있다. 조명원(120)은 예를 들어 주변 광원이거나 이를 포함할 수 있고/있거나 인공 조명원이거나 이를 포함할 수 있다. 검출기(110)는 감광 영역(118)을 조명하도록 구성된 적어도 하나의 조명원(120)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원(120)은 적어도 하나의 적외선 방출기 및/또는 적어도 하나의 가시광 방출기 및/또는 적어도 하나의 자외선 방출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원(120)은 적어도 하나의 발광 다이오드 및/또는 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 조명원(120)은 특히, 레이저(특히, 레이저 다이오드(원칙적으로는, 대안적 또는 추가적으로, 다른 유형의 레이저도 사용할 수 있음)), 발광 다이오드, 백열등, 네온광, 화염원, 유기 광원(특히, 유기 발광 다이오드), 구조화된 광원 중 하나 또는 복수의 조명원을 포함할 수 있다. 대안적 또는 추가적으로, 다른 조명원도 사용될 수 있다. 조명원(120)은 일반적으로 자외선 스펙트럼 범위, 적외선 스펙트럼 범위 중 적어도 하나의 스펙트럼 범위의 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
가장 바람직하게는, 적어도 하나의 조명원은 NIR 및 IR 범위, 바람직하게는 800nm 내지 5000nm 범위, 더욱 바람직하게는 1000nm 내지 4000nm 범위의 광을 방출하도록 구성된다. 조명원(120)은 적어도 하나의 연속 광원 또는 적어도 하나의 비연속 광원을 포함할 수 있다.
광전도체 판독 회로(112)는 적어도 하나의 광전도체(114) 및 광전도체(114)와 직렬로 연결된 적어도 하나의 커패시터 C(124)를 포함하는 적어도 하나의 측정 전압 분배기 회로(122)를 포함한다. 커패시터 C(124)는 광전도체(114)에 의해 충전 가능하다. 특히 광전도체(114)의 적어도 하나의 출력부는 커패시터(124)의 적어도 하나의 입력부와 전기적으로 연결될 수 있다. 전기 저항 Rphoto가 작을수록 커패시터(C)가 더 빨리 충전될 것이다. 공통 전압 분배기에서 출력 신호의 최대 동적 범위는 두 저항기의 저항 값이 동일할 때 달성된다. 광전도체는 일반적으로 100kΩ보다 큰 저항 값을 가질 수 있다. 큰 저항 값은 회로에서 높은 열 잡음을 유발할 수 있다. 금속 호일 기술을 기반으로 하는 저잡음, 고온 안정성 저항기는 일반적으로 더 낮은 저항 값을 위해 제공되므로 전압 분배기로 적용할 수 없다. 본 발명에 따른 회로에서, 측정 전압 분배기의 저항기는 커패시터(124)로 대체된다. 커패시터 C(124)는 또한 접지에 연결될 수 있다.
광전도체 판독 회로(112)는 적어도 하나의 기준 전압 분배기 회로(128) 및 적어도 하나의 비교기(130)를 포함하는 적어도 하나의 비교기 회로(126)를 포함한다. 비교기 회로(126)는 적어도 하나의 입력 전압을 적어도 하나의 기준 전압과 비교하고 그 비교 결과를 나타내는 출력 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 비교기 회로(126)는 반전 슈미트 트리거(Schmitt trigger)로서 구현될 수 있다. 반전 슈미트 트리거는 비교기(130), 및 전압 분배기 회로(본 발명의 경우, 기준 전압 분배기(128))에 의해 구현된 비교기의 비반전 입력부에 대한 정귀환을 포함할 수 있다. 기준 전압 분배기 회로(128)는 도 1에서 R2 및 R3으로 표시되는, 적어도 2개의 기준 저항기(132)를 포함할 수 있고, 각각의 기준 저항기는 미리 정의되거나 미리 결정된 저항을 가진다. 저항기 R2는 저항기 R3과 직렬로 연결될 수 있다. 저항기 R2는 비교기(130)의 출력부에 연결될 수 있다. R3은 또한 접지에 연결될 수 있다. 비교기(130)는 적어도 하나의 연산 증폭기; 적어도 하나의 슈미트 트리거(Schmitt trigger); 이미터 결합 논리(ECL: emitter coupled logic)에 기반한 적어도 하나의 논리 소자; 적어도 하나의 어드밴스드 쇼트키(ASTTL: advanced Schottky), 적어도 하나의 고속 쇼트키(FAST-Schottky), 적어도 하나의 고속 CMOS 및 적어도 하나의 CMOS와 같은 적어도 하나의 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL: transistor-transistor logic); 및 적어도 하나의 3상태 논리 비교기 중 하나 이상이거나 이를 포함할 수 있다.
기준 전압 분배기 회로(128)의 저항기의 경우 저항기의 비율만 중요할 수 있다. 기준 전압 분배기 회로에서 기준 저항기의 비율은 두 저항기의 저항 값이 동일한 인수로 변경되는 한 동일하게 유지될 수 있으므로, 다양한 범위의 저항 값을 갖는 저항기를 사용할 수 있다.
비교기(130)는 적어도 하나의 입력부(134), 특히 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 입력 단자를 포함한다. 비교기(130)는 적어도 하나의 제1 입력부(136) 및 적어도 하나의 제2 입력부(138)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 비교기(130)는 비반전 입력부(+) 및 반전 입력부(-)를 가질 수 있다. 기준 전압 분배기(128)의 출력부는 비교기의 비반전 입력부에 연결될 수 있고 측정 전압 분배기(122)의 출력부는 반전 입력부에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 입력부(136)는 측정 전압 분배기 회로(122)의 출력부와 전기적으로 연결되고 제2 입력부는 기준 전압 분배기 회로(128)의 출력부와 전기적으로 연결된다. 제1 입력부(136)는 반전 입력부일 수 있고 제2 입력부는 비반전 입력부일 수 있다. 기준 전압 분배기(128)는 비교기(130)에 정귀환을 제공하도록 구성될 수 있다. 특히, 기준 전압 분배기(128)는 비교기(130)의 출력 전압의 일부가 비반전 입력부에 나타나도록 배열될 수 있다.
비교기(130)의 출력 신호(출력 전압이라고도 함)는 제1 입력부(136)에서의 입력 전압과 적어도 하나의 기준 전압을 비교한 결과에 따라 달라질 수 있다. 도 1의 실시예에서, 기준 전압은 제2 입력부(138)에서의 입력 전압일 수 있다. 본 명세서에서 제1 입력부(136)에서의 전압은 측정 전압 신호 Vmeas로 표시되고 제2 입력부(138)에서의 전압은 기준 전압 신호 Vref로 표시된다. 비교기(130)는 제1 입력부 및 제2 입력부에서의 입력 전압이 동일할 때 2개의 출력 상태 사이에서 변경하도록 구성된다. 출력 신호는 디지털 신호, 특히 출력 상태로 표시되는 2개의 상태를 갖는 이진 디지털 출력일 수 있다. 출력 상태 Vout은 입력 전압 중 어느 것이 더 큰지에 따라 달라질 수 있다.
측정 전압이 기준 전압보다 낮으면 출력 전압이 "높음"이 된다. "높은" 출력 상태는 양(positive)일 수 있으며, 특히 양의 포화 전압과 동일할 수 있다. (커패시터의 추가 충전으로 인해) 측정 전압이 기준 전압과 같아지면, 비교기는 출력 상태를 "낮음"으로 변경하며, 이는 특히 음의 포화 전압과 같다. 높은 출력 상태에서 낮은 출력 상태로 전환하는 경우, 비교기(130) 출력부에서의 음의 포화 전압의 결과로 비반전 입력부에서 음의 전압이 나타날 수 있다. 따라서, 동일한 입력 신호의 경우 출력 신호는 비교기(130) 출력부에서의 전위를 반대 부호로 전환한다. 또한, 반전 슈미트 트리거는 이력 현상(hysteresis)을 나타낼 수 있다. 출력 상태가 변경되는 경우, 비반전 입력부에서의 기준 전압이 변경되어 두 개의 다른 기준 전압 값이 생성되고 따라서 출력 상태를 전환하기 위한 두 개의 다른 값이 생성된다.
검출기(110)는 장치, 특히 광전도체 판독 회로(112)의 적어도 하나의 출력부(140)에서 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(142)를 더 포함한다. 평가 장치(142)는 출력 신호를 평가함으로써 광전도체(114)의 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성된다. 평가 장치(142)는 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASICs: application-specific integrated circuits)와 같은 하나 이상의 집적 회로, 및/또는 하나 이상의 컴퓨터, 바람직하게는 하나 이상의 마이크로컴퓨터 및/또는 마이크로컨트롤러와 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치이거나 이를 포함할 수 있다. 하나 이상의 AD 컨버터 및/또는 하나 이상의 필터와 같은, 전압 신호를 수신 및/또는 사전 처리하기 위한 하나 이상의 장치와 같은, 하나 이상의 사전 처리 장치 및/또는 데이터 수집 장치와 같은 추가의 구성요소가 포함될 수 있다. 또한, 평가 장치(142)는 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치(142)는 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스와 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다. 평가 장치(142)는 특히 적어도 하나의 출력 전압 신호를 결정하도록 설계될 수 있는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 특히 전자 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치(142)는 또한 적어도 하나의 조명원을 완전히 또는 부분적으로 제어하고/하거나 적어도 하나의 전압원을 제어하고/하거나 적어도 하나의 부하 저항기를 조정하도록 설계될 수 있다. 평가 장치(142)는, 하나 이상의 측정 유닛 및/또는 하나 이상의 평가 유닛 및/또는 하나 이상의 제어 유닛과 같은, 하나 이상의 전자 하드웨어 구성요소 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성요소와 같은, 하나 이상의 추가 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 평가 장치(142)는 예컨대 적어도 하나의 전압계와 같은, 적어도 하나의 출력 전압 신호를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 측정 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치(142)는 적어도 하나의 푸리에 변환(Fourier transformation), 주파수 카운팅(counting), 에지(edge) 검출, 주기 길이 측정 등으로 이루어진 군의 하나 이상의 연산을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 2는 장치(111) 및 광전도체 판독 회로(112)의 추가 실시예를 도시한다. 도 1에 도시된 구성요소에 추가하여, 도 2의 실시예에서 광전도체 판독 회로(112)는 적어도 비교기 회로(126)의 출력 신호를 증폭하도록 구성된 적어도 하나의 추가 증폭기(144), 특히 적어도 하나의 임피던스 컨버터를 포함한다. 추가 증폭기(144)는 저항기 R1 및 R4를 포함하는 추가 전압 분배기에 연결될 수 있다. 저항기 R1은 추가 증폭기(144)의 출력부 및 저항기 R4에 연결될 수 있고, 이 때, 저항기 R4는 접지에 연결될 수 있다. 추가 전압 분배기의 출력부는 추가 증폭기(144)의 비반전 입력부에 연결될 수 있다.
도 3은 장치(111) 및 광전도체 판독 회로(112)의 추가 실시예를 도시한다. 도 1에 도시된 구성요소에 추가하여, 도 3의 실시예에서 광전도체 판독 회로(112)는 적어도 하나의 평가 장치(142)에 대한 적어도 하나의 커플링(146)을 포함한다. 광전도체 판독 회로(112)는 주파수 측정을 위한 적어도 하나의 마이크로컨트롤러와 같은 저전압 평가 시스템에 커플링하기 위한 적어도 하나의 추가 전압 분배기(150) 및 적어도 하나의 정류기(148)를 포함할 수 있다. 커플링(146)은 적어도 하나의 다이오드 및 적어도 하나의 커플링 전압 분배기 회로를 포함할 수 있다. 커플링(146)은 비교기 회로(126)의 출력부에 배열될 수 있다.
광전도체 판독 회로(112)는 광전도체(114)에 적어도 하나의 변조된 바이어스 전압을 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원(152)을 포함한다. 공통 판독 회로는 바이어스 전압의 변동에 민감한 전압 분배기를 기반으로 할 수 있다. 바이어스 전압의 모든 잡음은 전압 분배기의 출력부에서 측정 전압으로 측정될 수 있다. 본 발명에 따른 회로에서, 기준 전압 분배기(128)와 측정 전압 분배기(122)는 비교기의 출력 전압인 동일한 전위에 연결될 수 있다. 이를 통해 변동에 대한 민감성을 제거할 수 있다. 변조된 바이어스 전압은 주기적 시간 종속 바이어스 전압 및/또는 교류 바이어스 전압일 수 있다. 바이어스 전압원(152)은 각각의 충전 및/또는 방전에 따라 바이어스 전압을 변경하도록 구성될 수 있다. 변조는 광전도체(114)를 통과하는 전하 캐리어의 순 흐름이 측정 주기 동안 0이 되는 방식으로 광전도체(114) 상의 바이어스 전압의 분극의 변화일 수 있다. 구체적으로, 측정 주기 동안 광전도체(114)를 통해 흐르는 총 전류와 같은 전하 캐리어의 적분이 0이 되도록 바이어스 전압이 선택된다. 측정 주기는 상승 에지(edge)(예: 양극 에지)에서 상승 에지로 또는 하강 에지(예: 음극 에지)에서 하강 에지로와 같이, 동일한 방향으로의 바이어스 전압 분극의 2개의 연속적인 전이 사이의 시간일 수 있다. 각각의 충전 또는 방전에 따른 바이어스 전압의 변화는 광전도체(114)를 저항 드리프트(drifts)로부터 보호할 수 있다. 일반적으로, 광전도체는 DC 바이어스 전압으로 측정되는데 이는 광전도체 재료 또는 기판의 이온 드리프트를 유발할 수 있고, 이는 광전도체의 특성을 변경한다. 본 발명에서 제안한 바와 같은 적절한 주파수의 교류 바이어스 전압으로 이온의 드리프트를 상쇄할 수 있다. 교류 바이어스 전압은 플리커 잡음(flicker noise), 1/f 또는 핑크 잡음(pink noise)과 같은 잡음을 줄일 수 있다. F-잡음은 측정의 변조와 더 높은 주파수의 구현으로 인해 상당히 감소될 수 있다. 출력에서 주파수는 적어도 하나의 푸리에 변환(Fourier transformation), 주파수 카운팅(counting), 에지(edge) 검출 등으로 이루어진 군의 하나 이상의 연산을 사용하여 측정될 수 있다. 바이어스 전압은 ±0.001V 내지 ±5000V일 수 있다. 바람직하게는, 바이어스 전압은 ±0.1V 내지 ±500V일 수 있고, 가장 바람직하게는 바이어스 전압은 ±1V 내지 ±50V일 수 있다. 바이어스 전압은 양과 음 사이에서 스위칭될 수 있다. 광전도체(114)는 양 및 음의 바이어스 전압에 대한 저항 비대칭을 특징으로 할 수 있다. 측정 주기 동안 제안된 회로에서 전하 캐리어의 적분은 0이므로, 비대칭은 저항 측정에 영향을 미치지 않을 수 있다. 인가된 바이어스 전압으로 인한 광전도성 재료 양단의 전계는 약 50V/mm일 수 있다.
비교기(130)는 전원 전압(156)에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어 ±0.001V 내지 ±5000V, 바람직하게는 ±1V 내지 ±500V, 더욱 바람직하게는 ±2V 내지 ±50V 범위의, 두 개의 동일한 직류(DC) 전압이 비교기(130)의 전원 입력부(158)에 인가될 수 있다. 비교기(130)는 단일 전원 전압(156)으로 구동될 수 있으며, 여기서 전원 전압(156)은 ±0.001V 내지 ±5000V일 수 있다. 바람직하게는, 전원 전압(156)은 ±0.1V 내지 ±500V일 수 있고, 가장 바람직하게는 전원 전압(156)은 ±1V 내지 ±50V일 수 있다. 대안적으로, 비교기(130)는 이중 전원 전압으로 구동될 수 있으며, 이는 ±0.001V 내지 ±5000V일 수 있다. 바람직하게는, 전원 전압(156)은 ±0.1V 내지 ±500V일 수 있으며, 가장 바람직하게는 전원 전압(156)은 ±1V 내지 ±50V일 수 있다. 비교기 이중 전원 전압은 대칭 또는 비대칭일 수 있다.
또한, 도 3은 하위 도 1) 내지 4)를 보여준다. 하위 도 1)은 시간(단위: ms)의 함수로서 예시적인 측정 전압 신호 Vmeas(단위: V)를 도시한다. 하위 도 2)는 시간(단위: ms)의 함수로서 예시적인 기준 전압 Vref(단위: V)를 도시한다. 하위 도 3)은 비교기(130)의 예시적인 출력을 도시한다. 하위 도 4)는 평가 장치(142)의 시간(단위: ms)의 함수로서 예시적인 입력 전압(단위: V)을 도시한다.
도 4는 장치(111) 및 광전도체 판독 회로(112)의 추가 실시예를 도시한다. 도 1에 도시된 구성요소에 더하여, 도 4의 실시예에서 광전도체 판독 회로(112)는 광전도체(114)에 적어도 하나의 바이어스 전압을 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원(152)을 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광전도체 판독 회로(112)는 커플링(146)을 포함한다. 도 4에서 커플링(146)은 적어도 하나의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(154)(MOSFET: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 4의 저항기 R2 및 R3은 적어도 하나의 부특성 서미스터(NTC: Negative Temperature Coefficient Thermistor), 또는 적어도 하나의 감온성 다이오드, 또는 적어도 하나의 정특성 서미스터(PTC: Positive Temperature Coefficient Thermistor), 또는 하나 이상의 추가 다크 광전도체(dark photoconductor)와 같은 온도 의존성 저항으로서 추가적 또는 대안적으로 구현될 수 있다. 이는 광전도체(114)의 온도 의존성을 보상하는 것을 허용할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 장치(111) 및 광전도체 판독 회로(112)의 추가 실시예를 도시한다. 도 5a에서, 비교기(130)는 슈미트 트리거(160)로서 구현된다. 판독 회로는 도 1 내지 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이 작동하지만, 비교기(130)는 기준 전압으로 사용되는 내부 비교 전압을 포함한다. 도 5b에서, 비교기(130)는 반전 게이트로서 구현된다. 반전 게이트는 슈미트 트리거처럼 작동할 수 있으며, 이 때, 비교기에서 입력 전압의 임계값은 사용된 회로 기술에 맞게 조정된다. 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL: transistor-transistor logic)의 경우, 임계값은 저 레벨의 경우 Ue<0.8V이고, 고 레벨의 경우 Ue>2V일 수 있다. 대안적으로 CMOS와 같은 다른 디지털 회로 기술이 사용될 수 있다. 도 5c에서, 비교기(130)는 2개의 트랜지스터와 같은 개별 구성요소를 포함하는 반전 회로로서 구현될 수 있다. 집적 구성요소에 대한 대안으로, 회로가 광전도체(114)의 전도도에 따른 주파수를 갖는 진동을 생성하도록 구성된 개별 구성요소로 구성될 수 있는 실시예가 가능할 수 있다.
도 6은 장치(111) 및 광전도체 판독 회로(112)의 추가 실시예를 도시한다. 도 1에 도시된 구성요소에 추가하여, 도 6의 실시예에서 광전도체 판독 회로(112)는 적어도 하나의 추가 비교기(131)를 포함하는 한편, 제1 비교기(130)의 출력부는 추가 비교기(131)의 반전 입력부에 연결된다. 추가 비교기(131) 및 비교기(130)의 비반전 입력부는 동일한 전위에 연결된다. 두 비교기(130, 131)에는 Vsupply의 일정한 DC 전원 전압을 갖는 TTL 전원 또는 배터리 등과 같은 단일 DC 전압원이 공급될 수 있다. 이 실시예에서, 광전도체에 인가된 바이어스 전압은 여전히 변조되어, 광전도체(114)를 통과하는 전하 캐리어의 순 흐름이 측정 주기 동안 0이 되도록 Vsupply와 -Vsupply 사이에서 그 분극을 변경한다. 하위 도 1)은 시간(단위: s)의 함수로서 광전도체(114) 상의 예시적인 바이어스 전압(단위: V)을 도시한다. 하위 도 2)는 시간(단위: s)의 함수로서 비교기(130)의 예시적인 출력을 도시한다. 하위 도 3)은 시간(단위: s)의 함수로서 추가 비교기(131)의 예시적인 출력을 도시한다. 추가 비교기(131)의 출력은 비교기(130)의 출력에 비해 적어도 반 주기의 위상 지연될 수 있다. 대안적으로, 비교기(130) 및 추가 비교기(131)는 단일의 비교기로 대체될 수 있는데, 이 단일의 비교기는 2개의 입력부 및 2개의 출력부를 갖는 한편 출력은 서로 차동이고, 이는 출력 전압이 회로의 공통 모드 동작점을 기준으로 극성이 반대임을 의미한다.
도 7은 장치(111)가 복수의 광전도체를 포함하는 실시예를 도시한다. 도 7a는 장치(111)가 적어도 하나의 제2 전자 회로(162)를 포함하는 실시예를 도시한다. 이 실시예에서 장치(111)는 2개의 광전도체, 즉 광전도체(114) 및 제2 광전도체(164)를 포함한다. 제2 전자 회로(162)는 주파수 믹서가거나 이를 포함할 수 있다. 두 광전도체 판독 회로(112)의 주파수 f1 및 f2는 디지털화 전에 아날로그 레벨에서 주파수 믹서에 의해 믹싱될 수 있다. 주파수 믹서는 인가된 2개의 신호로부터 새로운 주파수를 생성하도록 구성된 비선형 전기 회로이거나 이를 포함할 수 있다. 주파수 믹서는 2개의 인가된 신호를 취하고 발신 주파수의 차이 및 합과 동일한 새로운 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 발신 주파수의 합, 즉 광전도체 판독 회로(112)의 출력 신호는 단순한 저역 통과 필터에 의해 필터링될 수 있는 한편, 차이는 도 7a에 도시된 바와 같이 샘플링될 수 있다. 샘플링된 차이는 적어도 하나의 카운터(164)에 의해 측정될 수 있다.
예를 들어, f 1 = 10000Hz 및 f 2 = 9960Hz의 두 주파수를 믹싱하여 f Mixed = f 1 - f 2 = 40Hz로 필터링할 수 있으며 이는 일반 주기 또는 주파수 카운터로도 매우 우수한 분해능으로 측정할 수 있다. 이러한 방식으로 요구 사항 및 비용, 특히 카운터의 수는 감소하는 반면 분해능은 증가할 수 있다. 측정 분해능은 헤테로다인(heterodyne) 인자, 특히 비트(beat) 주파수 f Mixed, f 1/f Mixed에 대한 캐리어 f1의 비율만큼 증가될 수 있다. 이 설명된 예에서 헤테로다인 인자는 10000/40=250이다. 따라서, 100 나노초 분해능을 갖는 주기 카운터는 400피코초의 주기 길이의 변화를 분해할 수 있다.
주파수 믹서는 일반적으로 당업자에게 알려져 있다. 특히 다양한 주파수 범위, 잡음 레벨, 패키징 형태에 대해, 집적 회로 또는 개별 소자 등으로서 다양한 주파수 믹서가 이용될 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 장치(111)는 광전도체(114) 및 제2 광전도체(164)와 동일한 온도 의존성을 갖는 조사(irradiation) 비의존성 전기 저항을 나타내기 위한 적어도 하나의 제3 저항기(166)를 포함할 수 있다. 제3 저항기(166)는 조사를 받지 않는 방식으로 어두워진(darkened) 광전도체, 또는 비감광성 저항기일 수 있다. 장치(111)는 제3 주파수 fRef를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제3 전자 회로(168)를 포함할 수 있다. 제3 주파수는 기준 주파수의 역할을 수행할 수 있다. 기준 주파수는 적어도 2개의 전자 회로(162,168)를 이용하여 조명된 광전도체로부터의 주파수의 차이를 생성하는데 사용될 수 있다. 측정된 저항 및 측정된 파장에서의 비검출능은 환경 온도 영향, 사용된 열전 냉각기의 불안정성 등과 같은 열 변화로 인해 드리프트(drift)될 수 있다. 따라서 활성 영역이 조사되지 않는 방식으로 가려진 추가의 어두워진(darkened) 광전도체를 사용할 수 있다. 이 검출기의 출력 주파수는 기준 f Ref의 역할을 할 수 있다. 도 7b에 도시된 듀얼 믹서 설정을 사용함으로써 f Mixed1 = f 1-f Ref와 f Mixed2 = f 2-f Ref의 차이를 고정밀도로 측정할 수 있다. f Mixed1/f Mixed2의 몫을 계산함으로써 f 1 과 f 2의 온도 의존성을 제거할 수 있다. 예를 들어, 광전도체의 온도 계수가 α인 경우, 온도 T에 대한 몫은 
이므로 온도와 무관하다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 추가적으로, 주파수 출력이 입력 신호의 2의 거듭제곱 정수 나눗셈인 방식으로 주파수 분배기(170)를 사용할 수 있고, 이 때, 전력은 자유롭게 선택할 수 있다. 5의 거듭제곱에 대해 출력 주파수는 입력 주파수의 1/32이 될 것이다. 부특성 서미스터(NTC: Negative Temperature Coefficient Thermistor)와 같은 저렴한 온도 센서를 구축하여 광전도체의 온도를 측정할 수 있다. 암저항(dark resistance)의 온도 의존성은 공장 보정(factory calibrated)을 거칠 수 있으며 측정 값은 온도 의존성 보정 인자로 보정될 수 있다.
110
검출기
111 장치
112 광전도체 판독 회로
114 광전도체
116 조명
118 감광 영역
120 조명원
122 측정 전압 분배기 회로
124 커패시터
126 비교기 회로
128 기준 전압 분배기 회로
130 비교기
131 비교기
132 기준 저항기
134 입력부
136 제1 입력부
138 제2 입력부
140 출력 단자
142 평가 장치
144 추가 증폭기
146 커플링
148 정류기
150 추가 전압 분배기
152 바이어스 전압원
154 MOSFET
156 전원 전압
158 전원 입력부
160 슈미트 트리거
162 제2 전자 회로
164 카운터
166 제3 저항기
168 제3 전자 회로
170 주파수 분배기
111 장치
112 광전도체 판독 회로
114 광전도체
116 조명
118 감광 영역
120 조명원
122 측정 전압 분배기 회로
124 커패시터
126 비교기 회로
128 기준 전압 분배기 회로
130 비교기
131 비교기
132 기준 저항기
134 입력부
136 제1 입력부
138 제2 입력부
140 출력 단자
142 평가 장치
144 추가 증폭기
146 커플링
148 정류기
150 추가 전압 분배기
152 바이어스 전압원
154 MOSFET
156 전원 전압
158 전원 입력부
160 슈미트 트리거
162 제2 전자 회로
164 카운터
166 제3 저항기
168 제3 전자 회로
170 주파수 분배기
Claims (17)
- 장치(111)로서,
― 광전도체(114)의 감광 영역(118)의 조명(116)에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(114),
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(112) ― 상기 광전도체 판독 회로(112)는 상기 광전도체(114)의 상기 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성되고, 상기 광전도체 판독 회로(112)는 적어도 하나의 변조된 바이어스 전압을 상기 광전도체(114)에 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원(152)을 포함함 ―를 포함하는,
장치(111). - 제1항에 있어서,
상기 바이어스 전압은 주기적인 시간 종속 바이어스 전압이고, 상기 바이어스 전압은 측정 주기 동안 상기 광전도체(114)를 통해 흐르는 전하 캐리어의 적분이 0이 되도록 선택되며, 상기 측정 주기는 동일한 방향으로의 바이어스 전압 분극의 2개의 연속적인 전이 사이의 시간으로 정의되는,
장치(111). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 광전도체 판독 회로(112)는,
― 적어도 하나의 측정 전압 분배기 회로(122) ― 상기 광전도체(114)는 적어도 하나의 커패시터(124)와 직렬이고, 상기 커패시터(124)는 상기 광전도체(114)에 의해 충전될 수 있음 ―,
― 적어도 하나의 기준 전압 분배기 회로(128) 및 적어도 하나의 비교기(130)를 포함하는 적어도 하나의 비교기 회로(126) ― 상기 비교기(130)는 적어도 하나의 입력부(134)를 포함하고, 제 1 입력부(136)는 상기 측정 전압 분배기 회로(122)의 출력부와 전기적으로 연결되고, 상기 비교기(130)는 상기 제1 입력부(136)에서의 입력 전압이 적어도 하나의 기준 전압과 동일할 때 2개의 출력 상태 사이에서 변경하도록 구성됨 ―,
― 적어도 하나의 출력 단자(140) - 상기 광전도체(114)의 상기 전기 저항 Rphoto는 상기 출력 단자(140)에서의 충전-방전 주파수로부터 결정될 수 있음 ―를 포함하는,
장치(111). - 제3항에 있어서,
상기 기준 전압 분배기 회로(128)는 각각이 미리 정의된 또는 미리 결정된 저항을 갖는 적어도 2개의 기준 저항기(132)를 포함하는,
장치(111). - 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 비교기(130)는 적어도 하나의 연산 증폭기; 적어도 하나의 슈미트 트리거(Schmitt trigger); 이미터 결합 논리(ECL: emitter coupled logic)에 기반한 적어도 하나의 논리 소자; 적어도 하나의 어드밴스드 쇼트키(ASTTL: advanced Schottky), 적어도 하나의 고속 쇼트키(FAST-Schottky), 적어도 하나의 고속 CMOS 및 적어도 하나의 CMOS와 같은 적어도 하나의 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL: transistor-transistor logic); 및 적어도 하나의 3상태 논리 비교기 중 하나 이상이거나 이를 포함하고, 상기 비교기(130)는 상기 입력 전압을 적어도 하나의 기준 전압과 비교하고 상기 비교의 결과를 나타내는 출력 신호를 생성하도록 구성되는,
장치(111). - 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커패시터(124)의 충방전 속도는 상기 저항 Rphoto에 의존하는,
장치(111). - 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전도체 판독 회로(112)는 상기 비교기 회로의 출력 신호를 증폭하도록 구성된 적어도 하나의 증폭기(144)를 포함하는,
장치(111). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 적어도 하나의 평가 장치(142)에 대한 적어도 하나의 커플링(146)을 포함하는,
장치(111). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감광 영역(118)은 황화납(PbS), 셀렌화납(PbSe), 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe), 카드뮴 설파이드(CdS), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 인듐 안티몬화물(InSb), 인듐 비소(InAs), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 외인성 반도체, 유기 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하는,
장치(111). - 제2항에 있어서,
상기 장치(111)는 적어도 하나의 제1 전자 회로를 포함하고, 상기 제1 전자 회로는 적어도 하나의 제1 출력 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 출력 신호의 주파수는 상기 광전도체(114)의 상기 측정 주기의 수학 함수인,
장치(111). - 제10항에 있어서,
상기 장치(111)는 적어도 하나의 온도 감지 소자를 포함하고, 상기 온도 감지 소자의 신호는 상기 제1 전자 회로의 상기 제1 출력 신호를 보정하는데 사용되는, 장치(111). - 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 장치(111)는 그 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항 Rphoto2를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 제2 광전도체(164)를 포함하고, 상기 장치(111)는 제2 측정 주기를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제2 전자 회로(162)를 포함하고, 상기 제2 전자 회로는 적어도 하나의 제2 출력 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2 출력 신호의 주파수는 상기 광전도체(114) 및 상기 제2 광전도체(164)의 상기 측정 주기의 수학 함수인,
장치(111). - 제12항에 있어서,
상기 제 2 전자 회로(162)는 주파수 믹서인,
장치(111). - 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 장치(111)는 상기 광전도체(114) 및 상기 제2 광전도체와 동일한 온도 의존성을 갖는 조사(irradiation) 비의존성 전기 저항을 나타내기 위한 적어도 하나의 제3 저항기(166)를 포함하고, 상기 제 3 저항기(166)는 조사를 받지 않는 방식으로 어두워진(darkened) 광전도체이거나, 비감광성 저항기이며, 상기 장치(111)는 제 3 주파수를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 전자 회로(168)를 포함하고, 상기 제 3 주파수는 기준 주파수로 작용하고, 상기 기준 주파수는 적어도 2개의 전자 회로(162, 168)를 이용하여 상기 조명된 광전도체로부터의 상기 주파수의 차이를 생성하는데 사용되는,
장치(111). - 검출기(110)로서,
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 장치(111)를 포함하되,
상기 검출기(110)는 상기 장치(111)의 상기 광전도체 판독 회로(112)의 적어도 하나의 출력부에서 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(142)를 포함하고,
상기 평가 장치(142)는 상기 출력 신호를 평가함으로써 상기 광전도체(114)의 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성되는,
검출기(110). - 제15항에 있어서,
상기 평가 장치(142)는 적어도 하나의 푸리에 변환(Fourier transformation), 주파수 카운팅(counting), 에지(edge) 검출, 상기 주기 길이의 측정으로 이루어진 군의 하나 이상의 연산을 수행하도록 구성되는,
검출기(110). - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 장치(111)의 용도로서,
상기 용도는 적어도 하나의 광전도체의 판독을 위한 것이고,
상기 장치(111)는 광전도체(114)의 감광 영역(118)의 조명(116)에 따른 전기 저항 Rphoto를 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(114), 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(112)를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로(112)는 상기 광전도체(114)의 상기 전기 저항 Rphoto를 결정하도록 구성되고, 상기 광전도체 판독 회로(112)는 적어도 하나의 변조된 바이어스 전압을 상기 광전도체(114)에 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원(152)을 포함하고, 상기 광전도체는 적어도 하나의 PbS 센서, 적어도 하나의 PbSe 센서, 또는 복수의 픽셀을 포함하는 적어도 하나의 픽셀화된 센서 어레이 중 하나 이상을 포함하며, 상기 픽셀 각각은 적어도 하나의 PbS 또는 PbSe 센서를 포함하는,
장치(111)의 용도.
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