KR20220075421A - 광전도체 판독 회로 - Google Patents
광전도체 판독 회로 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220075421A KR20220075421A KR1020227015263A KR20227015263A KR20220075421A KR 20220075421 A KR20220075421 A KR 20220075421A KR 1020227015263 A KR1020227015263 A KR 1020227015263A KR 20227015263 A KR20227015263 A KR 20227015263A KR 20220075421 A KR20220075421 A KR 20220075421A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- photoconductor
- dark
- circuit
- voltage
- capacitor
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 75
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 64
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 13
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 13
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 9
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 claims description 8
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- MCMSPRNYOJJPIZ-UHFFFAOYSA-N cadmium;mercury;tellurium Chemical compound [Cd]=[Te]=[Hg] MCMSPRNYOJJPIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XCAUINMIESBTBL-UHFFFAOYSA-N lead(ii) sulfide Chemical compound [Pb]=S XCAUINMIESBTBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N selanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Se] GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- AQCDIIAORKRFCD-UHFFFAOYSA-N cadmium selenide Chemical compound [Cd]=[Se] AQCDIIAORKRFCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims 11
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 230000004044 response Effects 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 4
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 229910052981 lead sulfide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229940056932 lead sulfide Drugs 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);selenium(2-) Chemical compound [Se-2].[Cd+2] UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 2
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 2
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/4228—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J5/22—Electrical features thereof
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/444—Compensating; Calibrating, e.g. dark current, temperature drift, noise reduction or baseline correction; Adjusting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/4453—PMT
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/448—Array [CCD]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
장치가 제안된다. 장치(110)는,
― 광전도체(112)의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항을 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(112),
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(116)를 포함하되, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 전압 분배기 회로(118)를 포함하고, 상기 전압 분배기 회로(118)는 상기 광전도체(112)와 직렬로 배열되는 적어도 하나의 기준 저항기 Rref(120)를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 증폭 장치(128)를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 상기 증폭 장치(128)의 입력부와 상기 전압 분배기 회로(118)의 출력부 사이에 배치된 적어도 하나의 커패시터(126)를 포함한다.
― 광전도체(112)의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항을 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(112),
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(116)를 포함하되, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 전압 분배기 회로(118)를 포함하고, 상기 전압 분배기 회로(118)는 상기 광전도체(112)와 직렬로 배열되는 적어도 하나의 기준 저항기 Rref(120)를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 증폭 장치(128)를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 상기 증폭 장치(128)의 입력부와 상기 전압 분배기 회로(118)의 출력부 사이에 배치된 적어도 하나의 커패시터(126)를 포함한다.
Description
본 발명은 장치, 저항성 트랜스듀서 및 광전도체 판독을 위한 장치의 용도에 관한 것이다. 특히, 장치는 황화납 광전도체 센서와 같은 광전도체의 측정 가능한 전압 응답을 결정하는데 사용될 수 있다.
선행 기술
황화납 광전도체와 같은 광전도체는 판독을 위해 저항 측정이 필요하다. 광전도체, 특히 황화납 광전도체는 광전도체의 조명 이력에 대한 암저항(dark resistance)의 강한 의존성을 보인다. 또한, 온도, 습도 및 오염 물질에 대한 노출과 같은 외부 매개 변수는 시간이 지남에 따라 광전도체의 암저항 및 신호 저항을 크게 변경할 수 있다. 결과적으로, 특정 조도(illumination intensity)에 대한 저항의 변화로서 결정되는 광전도체의 신호 강도는 강한 드리프트(drift) 거동을 나타내는데, 이는 외부 영향에 대한 검출기의 노출을 제한함으로써 정기적으로 보정되거나 최소화되어야 한다.
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 구성은 암저항의 변화와 함께 신호의 강한 드리프트(drift)를 초래할 수 있다. 공지된 연산 증폭 회로는 암 직류 전압(dark DC voltage)을 걸러낸다. 암저항 변화는 DC 필터링에 거의 영향을 미치지 않는다. 그러나, 신호는 환경 변화에 대한 응답도 및 검출능의 변화로 인해 드리프트(drift)된다.
분광계에는 전자기 스펙트럼의 상이한 파장에서 전자기 흡수를 검출하는 센서가 필요하다. 한 가지 접근 방식은 어레이의 각 픽셀이 상이한 파장의 전자기 에너지에 반응하는 센서 어레이를 사용하는 것이다. 그러나, 다양한 유형의 포토레지스티브(photoresistive) 센서는 큰 암전류(dark current)를 나타낸다. 예를 들어, 광전도체는 일반적으로 직류(DC) 전압으로 바이어스되는데 이는 장치를 통해 흐르는 암전류를 초래한다. 외부 전자기 조명원(illumination source)이 광전도체의 감광 영역을 조명할 때 광전도체의 전기 저항이 변경되어 변조된 조명원에 비례하는 변화 전류를 유도한다. 변화 전류는 일반적으로 센서를 통해 흐르는 암전류에 비해 작다.
이러한 센서 어레이를 사용할 때, 각 픽셀에는 암전류를 제거하고 작은 변화 전류를 증폭하는 관련 회로가 있어야 한다. 공지된 회로가 이 작업을 수행하지만 구성요소의 수는 픽셀 수에 따라 선형으로 확장된다. 구성요소의 수가 많을수록 비용과 복잡성이 증가할 뿐만 아니라 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board)이 커진다. 또한 저항기는 증폭된 변화 전류의 신호 대 잡음비에 영향을 미치는 열 또는 전류 잡음과 같은 전기적 잡음원이다.
따라서, 회로의 복잡성을 줄이고 센서의 품질을 결정하는 요소인 신호 대 잡음비를 개선할 필요가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 이러한 유형의 공지된 회로의 단점을 적어도 실질적으로 회피하는 장치 및 저항성 트랜스듀서를 지정하는 것이다. 특히, 특히 암저항과 무관한, 광전도체의 개선된 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 저항을 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체,
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로를 포함하되, 상기 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 전압 분배기 회로를 포함하고, 상기 전압 분배기 회로는 상기 광전도체와 직렬로 배열되는 적어도 하나의 기준 저항기 Rref를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 증폭 장치를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로는 상기 증폭 장치의 입력부와 상기 전압 분배기 회로의 출력부 사이에 배열된 적어도 하나의 커패시터를 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. 장치는 복수의 광전도체를 포함할 수 있다. 광전도체는 어레이로 배열될 수 있다. 어레이의 광전도체는, 특히 그 감광 영역 및/또는 광전도성 재료의 크기 및/또는 형상과 관련하여, 동일하게 설계될 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 저항을 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 양이며, 광전도체의 출력 전류로 표시될 수 있다. 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. 일반적으로, 표준 연산 증폭 회로에는 어느 정도의 비선형성이 있는데, 이는 대부분 PbS 센서와 같은 광전도체의 비선형성에 기인한다. 회로 자체는 적절하게 설계되었을 때 상대적으로 선형적이다. 본 발명에 따른 회로도 적절하게 설계되었을 때 선형적으로 동작한다. 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 광전도체의 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. 불연속 조명으로 인해 출력 전류는 변조 전류라고도 하는 변화하는 전류 신호일 수 있다. 변조된 전류는 광전도체의 암전류에 비해 작을 수 있다.
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 전압 분배기 회로를 포함한다. 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.
전압 분배기 회로는 광전도체와 직렬로 배열되는 적어도 하나의 기준 저항기 Rref를 포함한다. 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 Rref를 갖는 저항기를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 기준 저항기는 전압 변화를 결정할 수 있도록 구성된 임의의 저항기일 수 있다. 기준 저항기는 광전도체의 저항Rphoto를 결정 및/또는 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 기준 저항기는 광전도체와 직렬로 배열된다.
광전도체는 암저항 Rdark를 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "암저항"은 일반적으로 조명되지 않은 상태의(즉, 조명이 없는) 광전도체의 전기 저항을 지칭한다. 기준 저항기의 저항과 암저항의 비 Rref/Rdark는 0.01 ≤ Rref/Rdark ≤10일 수 있다. 바람직하게, 비 Rref/Rdark는 약 0.1일 수 있다. 광전도체의 암저항은 50Ω ≤ Rdark ≤ 500MΩ일 수 있다. 실온에서 암저항은 50Ω ≤ Rdark ≤ 50MΩ일 수 있다. 더 낮은 온도에서 암저항은 더 높을 수 있는데, 예컨대 -40°C에서 약 10배 더 높을 수 있다. 예를 들어, 광전도체 어레이의 암저항은 10MΩ일 수 있다. 기준 저항기는 조정 가능하다. 기준 저항기의 저항 값은 수동 및/또는 자동으로 조정될 수 있다. 특히, 기준 저항기는 전압 입력 신호 및 광전도체 특성(예: 잡음 지수)에 대해 조정될 수 있다.
기준 저항기는 다크 광전도체(dark photoconductor)일 수 있다. 본 명세서에서 "다크 광전도체"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 조명되지 않은 상태의(즉, 조명이 없는) 광전도체를 지칭할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다. 광전도체와 다크 광전도체는 서로 동일하거나 다르게 설계될 수 있다. 구체적으로, 다크 광전도체는 다크 PbS 센서일 수 있다. 예를 들어, 기준 저항기는 적어도 하나의 불투명 마스크로 덮인 광전도체를 포함할 수 있는데, 여기서 불투명 마스크는 가려진 광전도체의 감광 영역으로 광이 통과할 수 있는 것을 방지한다. 위에서 약술한 바와 같이, 장치는 어레이로 배열된 복수의 광전도체를 포함할 수 있다. 조명된 각 픽셀에 대해 다크 픽셀(dark pixel)이 기준 저항기로서 사용될 수 있다. 암저항을 조정, 특히 최적화하기 위해 다크 픽셀의 크기가 조정될 수 있다. 예를 들어, 제조 공정에서 모든 픽셀이 동일한 재료로 코팅될 수 있으므로, 픽셀 크기를 변경하는 것이 픽셀 저항을 조정하는 가장 쉬운 방법일 수 있다.
광전도체 판독 회로는 광전도체에 적어도 하나의 바이어스 전압 Ubias를 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원을 포함할 수 있다. 광전도체는 바이어스 전압원과 전기적으로 연결될 수 있다. 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. 바이어스 전압은 직류(DC) 전압일 수 있다. 바이어스 전압 Ubias는 0.001V ≥ Ubias ≤ 5000V, 바람직하게는 1V ≥ Ubias ≤ 500V, 가장 바람직하게는 2V ≥ Ubias ≤ 50V이다. 광전도체는 상술한 바와 같이 직렬로 배열된 기준 저항기와 전기적으로 연결될 수 있다. 기준 저항기는 접지될 수 있다. 광전도체를 조명하면 광전도체는 감소된 전기 저항을 나타낼 수 있다. 광전도체를 통과한 전류는 기준 저항기를 통과할 수 있으며, 기준 저항기는 광전도체의 전기 저항 Rphoto에 따라 달라지는 출력 신호 Uα를 생성할 수 있다. 다크 광전도체를 기준 저항기로 사용하면 광전도체의 암저항에 대한 출력 신호의 강한 의존성을 제거할 수 있다. 또한, 다크 광전도체를 기준 저항기로 사용하면 광전도체의 온도 의존성에 관한 온도 보상을 포함할 수 있다. 그러나, 전압 Uα는 여전히 Ubias/2의 99%보다 크게 구성되어 광전도체의 감광 영역의 조명에 의해 도입되는 관심 신호가 1% 미만이다.
광전도체 판독 회로는 아래에서 커패시터 Cb로 표시되는 적어도 하나의 커패시터를 포함한다. 커패시터는 0.05nF 내지 500nF의 용량을 가질 수 있다. 커패시터 Cb의 용량은 예를 들어 10nF일 수 있다. 커패시터 Cb는 증폭 장치의 입력부와 전압 분배기 회로의 출력부 사이에 배열된다. 본 명세서에서 사용된 "커패시터"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로, 특히 전압 분배기 회로의 출력으로부터 발생하는, 전기 에너지를 수집 및/또는 저장하도록 구성된 적어도 하나의 구성요소를 지칭할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 커패시터는 필터링 커패시터일 수 있다. 커패시터 Cb는 광전도체의 암전류를 차단하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 커패시터 Cb는 전압 분배기 회로의 출력 신호로부터 암 직류 전류(dark DC current)를 필터링하도록 구성될 수 있다. 커패시터 Cb는 교류(AC) 신호 성분을 필터링하도록 구성된다. 커패시터는 AC 신호 성분을 통과시키도록 구성될 수 있다. AC 신호 성분에는 직류(DC) 성분이 없을 수 있다. AC 신호 성분은 관심 신호로만 구성될 수 있다. 공지된 광전도체 판독 회로에서 커패시터는 본 발명에서 제안된 것과 다르게 사용된다. 예를 들어, 공지된 전압 증폭기에서 커패시터는 RC-고역 통과 필터로 사용되어 DC 성분을 제거하고 AC 성분을 증폭한다. 또한 필터는 CHP 및 RHP와 같은 추가 구성요소를 필요로 한다. 예를 들어, 공지된 회로에서 일반적으로 사용되는 비반전 증폭 회로는 적어도 하나의 광전도체, 하나의 기준 저항기, 하나의 필터 커패시터 및 하나의 필터 저항기를 포함한다. 이와 대조적으로, 본 발명은 고역 통과 필터로서 커패시터 Cb를 사용하지만, 추가로 AC 전류가 증폭 장치에 제공된다. 본 발명에 따른 전하 증폭기 및 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기는 종래 기술에 비해 저항기가 하나 적다. 광전도체, 기준 저항기 및 커패시터가 필터를 구성하므로 구성요소가 더 적게 필요하다. 또한, 일반적으로 사용되는 비반전 증폭기는 비반전 입력에서 증폭을 위해 2개의 저항기를 갖는다. 본 발명에 따른 전하 증폭기 및 트랜스임피던스 증폭기는 하나의 구성요소만을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 전하 증폭기 및 트랜스임피던스 증폭기는 종래 기술에 비해 더 적은 구성요소를 갖는다. 더욱이, 종종 광전도체 어레이는 잠재적으로 수백 개의 센서와 함께 사용되기 때문에 구성요소를 줄이는 것이 매우 유리하다.
광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 증폭 장치를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 "증폭 장치"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 전하 또는 전류 증폭을 위해 구성된 적어도 하나의 전자 장치를 지칭할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 증폭 장치는 전압 분배기 회로의 적어도 하나의 출력 신호, 특히 커패시터를 통과한 AC 신호 성분 Uα,AC를 증폭하도록 구성될 수 있다. 증폭 장치는 적어도 하나의 전하 증폭기 또는 적어도 하나의 트랜스임피던스 증폭기일 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "전하 증폭기"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 높은 입력 임피던스를 갖는 적분기로서 구성된 전자 장치를 지칭할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 전하 증폭기는 전하를 전압으로 변환하도록 구성될 수 있다. 높은 입력 임피던스는 누설 손실을 방지할 수 있다. 전하 증폭기는 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 전하 증폭기는 피드백 경로에 적어도 하나의 커패시터 CF를 포함할 수 있다. 피드백 경로의 커패시터는 시간이 지남에 따라 전류를 축적하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "트랜스임피던스 증폭기"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 적어도 하나의 연산 증폭기 및 피드백 경로의 저항기를 포함하는 전자 장치를 지칭할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다. 트랜스임피던스 증폭기는 입력 전류를 피드백 경로에 있는 저항기의 저항 RF와 곱하도록 구성될 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기는 입력을 증가시키고 입력 전류를 전압으로 변환하도록 구성될 수 있다.
전하 증폭기 및 트랜스임피던스 증폭기는 전하 및 전류를 측정하는데 사용되는 공지된 회로이다. 광전도체의 암전류가 크기 때문에 광전도체를 전하 증폭기 또는 트랜스임피던스 증폭기에 직접 연결할 수 없다. 증폭기의 동적 범위는 암전류에 대한 광전도체의 출력 전류 비율이 작기 때문에 심각하게 제한된다. 결과적으로, 이러한 회로를 광전도체와 함께 사용하는 것이 고려되지 않았다. 본 발명에 따른 광전도체 판독 회로는 전하 증폭기 및 트랜스임피던스 증폭기가 큰 암전류를 나타내는 센서, 특히 광전도체와 함께 사용될 수 있도록 한다. 상술한 바와 같이, 커패시터는 증폭기 입력부와 전압 분배기 출력부 사이에 배치될 수 있다. 커패시터는 암전류를 차단하고 광전도체의 작은 출력 전류를 증폭 장치로 분류(shunt)하는 역할을 할 수 있다.
이론에 얽매이지 않고, 전하 증폭기 또는 트랜스임피던스 증폭기의 출력 전압 vo는 다음과 같이 결정될 수 있다. 커패시터와 함께 사용될 때, 전하 증폭기와 트랜스임피던스 증폭기는 전압 장치로 간주될 수 있으며 푸리에(Fourier) 정상 상태가 가정된다. 전하 증폭기의 전달 함수는 다음과 같을 수 있다.
여기서, va는 전하 증폭기의 입력 전압, τ는 전하 증폭기의 적분 시간, ω는 조명의 변조 주파수다. 유사하게, 트랜스임피던스 증폭기의 출력 전압 vo와 트랜스임피던스 증폭기의 입력 전압 va 사이의 관계는 다음에 의해 결정될 수 있다.
광전도체 판독 회로는 커패시터 CB와 증폭 장치 사이에 배열된 적어도 하나의 다이오드를 포함할 수 있다. 다이오드는 전압 피크로부터 증폭을 보호하는 보호 다이오드로 구성될 수 있다. 다이오드의 캐소드(cathode)는 접지에 연결되고 애노드(anode)는 커패시터 CB에 연결될 수 있다. 다이오드는 전류를 접지로 전도하고 다른 방향의 전류 흐름을 보호하도록 구성될 수 있다. 다이오드를 사용하면 시작 시 과도 발진 시간을 크게 가속화할 수 있다. 다이오드는 TVS 다이오드일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 다이오드는 과도 전압을 억제하도록 구성될 수 있다. 다이오드는 기능적으로 회로에 영향을 미치지 않도록 설계될 수 있다. 다이오드는 과도 전압의 발생 시 회로가 손상되지 않도록 보호하는데 사용될 수 있다. TVS ESD 다이오드와 같은 보호 다이오드는 일반적으로 판독 집적 회로의 일부이거나 추가 보호를 위해 포함된 별도의 다이오드이다. 다른 다이오드 유형 또는 보호 회로도 가능하다. 특히. 입력을 보호하는 다른 메커니즘이 가능하다.
상술한 바와 같이, 장치는, 예컨대 어레이로 배열된, 복수의 광전도체를 포함할 수 있다. 광전도체 판독 회로는 복수의 광전도체 중 각 광전도체의 전기 저항을 결정하도록 구성될 수 있다. 장치는 적어도 하나의 샘플/홀드 회로(sample and hold circuit)와 적어도 하나의 멀티플렉서(multiplexer)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "샘플/홀드 회로"라는 용어는 광의의 용어이고, 이는 당업자에게 통상적이고 관례적인 의미를 부여해야 하며 특별하거나 맞춤화된 의미로 제한되어서는 안 된다. 이 용어는 구체적으로 전압을 샘플링하고 일정 시간 동안 일정한 레벨로 전압 값을 유지하도록 구성된 전자 장치를 지칭할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 샘플/홀드 회로는 전하를 저장하도록 구성된 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 샘플/홀드 회로는 회로를 방전시키기 위해 증폭 장치와 병렬인 스위치를 포함할 수 있다. 스위치가 폐쇄되면, 커패시터가 증폭 장치를 통해 충전될 수 있다. 스위치가 개방되면, 커패시터는 스위치의 개방 전에 존재했던 일정한 값으로 전압을 유지할 수 있다. 원칙적으로, 보호 다이오드와 병렬인 저항기를 통해 방전을 수행하는 것이 가능할 수 있다. 그러나 샘플/홀드 회로를 통한 방전은 저항기를 통한 것보다 훨씬 빠를 수 있다.
장치는 특히 추가 평가를 위해 광전도체 판독 회로의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 아날로그-디지털 컨버터(ADC: analog-to-digital converter)를 더 포함할 수 있다. 장치가 복수의 광전도체 및 대응하는 기준 저항기를 포함하는 경우, 장치는 광전도체 및 대응하는 기준 저항기의 각 쌍에 대해 적어도 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 그러나 다른 구성도 가능하다.
장치는 적어도 하나의 판독 집적 회로(ROIC: read-out integrated circuit)를 포함할 수 있다. 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 집적 회로로서 설계될 수 있다. 기준 저항기 Rref 및 커패시터 CB는 공간 제약으로 인해 ROIC의 일부를 형성하지 않을 수 있다. 특히, 대형 커패시터 및 저항기는 집적 회로에서 넓은 면적을 필요로 하고 매우 비쌀 수 있다. ROIC는 ADC, 멀티플렉서, 샘플/홀드 회로와 같은 특정 기술 블록을 포함할 수 있다. 샘플/홀드 회로와 멀티플렉서는 ROIC 아키텍처의 일부일 수 있다. 많은 다른 아키텍처가 가능한데 이들 중 일부는 샘플/홀드 회로 및/또는 멀티플렉서, ADC 등이 없다. ROIC는 암신호(dark signal) 제거, 특히 필터링을 위한 수단, 증폭단(amplification stage) 및 각 입력의 출력 신호에 액세스하는 수단을 포함할 수 있다. 집적 회로는 증폭 장치 및/또는 샘플/홀드 회로 및/또는 멀티플렉서를 포함할 수 있다. 집적 회로는 다이오드를 더 포함할 수 있다. 집적 회로는 적어도 하나의 ADC를 더 포함할 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.
장치는 프로그램 가능 논리, 예를 들어 적어도 하나의 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA: Field Programmable Gate Array)와 같은 적어도 하나의 논리 게이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치를 포함하는 저항성 트랜스듀서(transducer)가 개시된다. 저항성 트랜스듀서는 또한 광전도체 판독 회로의 적어도 하나의 전압 출력부에서 전압 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
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. 또한, 전술한 바와 같이, 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.
저항성 트랜스듀서는 위의 장치와 관련하여 설명된 적어도 하나의 조명원과 같은 적어도 하나의 조명원을 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 관한 추가 세부사항에 대해서는, 위에서 설명되고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 장치의 설명을 참조할 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에서, 본 발명에 따른 장치의 용도는, 적어도 하나의 PbS 센서, 적어도 하나의 PbSe 센서, 또는 복수의 픽셀을 포함하는 적어도 하나의 픽셀화된 센서 어레이 중 하나 이상의 판독을 목적으로 개시되는데, 이 때, 픽셀의 각각은 적어도 하나의 PbS 또는 PbSe 센서를 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 보통 또는 낮은 바이어스 전압 애플리케이션(예를 들어 장치가 배터리로 작동되거나 저전력으로 실행되어야 하는 애플리케이션(예: 센서 노드, 휴대용 측정 장치, 폭발성 대기의 장치))에 사용될 수 있어, 신호 대 잡음비 개선과 그로 인한 높은 신호 품질을 가능하게 한다. 예를 들어, 장치는 분광기, 수분 측정 기기, 두께 측정 기기, 가스 분석 기기 또는 광전도체를 센서 소자로 사용하는 임의의 기타 유형의 장비에 사용될 수 있다. 장치는 광학 센서에 사용될 수 있다. 예를 들어, 장치는 소위 FiP 효과를 사용하는 광학 센서, 예를 들어 WO 2012/110924 A1, WO 2014/097181 A1 및 WO 2016/120392 A1에 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 광전도체의 판독을 위한 공지의 판독 회로는 고역 통과 필터링된 신호 전압의 전압 증폭에 의존한다. 본 발명은 암전류를 차단하고 전하 증폭기 또는 트랜스임피던스 증폭기를 사용하여 변조된 전류를 증폭하는 다른 접근법을 이용한다. 이 접근법의 주요 이점은 두 가지이다. 첫째, 구성요소의 수가 종래 기술에 비해 현저히 적다. 둘째, 시판되는 ROIC는 소프트웨어 제어된 아날로그 신호 이득을 허용한다. 저항기의 수는 종래 기술에 비해 4개에서 1개로 감소된다. 또한, 다중 연산 증폭기와 피드백 저항기 또는 커패시터를 통합하는 다중 픽셀 솔루션을 위해 고도로 집적된 시판되는 판독 집적 회로(ROIC)를 이용할 수 있다. 또한, 이러한 ROIC는 ADC 및 기타 기능을 통합한다. 이러한 이유로, 이러한 유형의 솔루션은 더 적은 비용, 더 적은 수의 구성요소 및 더 높은 밀도의 다중 픽셀 판독 회로를 허용한다. 외부 커패시터와 저항기를 줄이면 잡음원도 제거되어 측정을 위한 신호 대 잡음 비가 향상된다. ROIC는 일반적으로 동적 범위의 소프트웨어 제어를 가능하게 하는 소프트웨어를 통해 이득 조정을 허용한다. 이는 더 약하거나 더 강한 전자기 변조 신호가 존재할 때 증폭된 출력 전압을 조정할 수 있음을 의미한다.
요약하면, 본 발명의 맥락에서 하기 실시예가 특히 바람직한 것으로 간주된다.
실시예 1: 장치로서,
― 광전도체의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항을 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체,
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로를 포함하되, 상기 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 전압 분배기 회로를 포함하고, 상기 전압 분배기 회로는 상기 광전도체와 직렬로 배열되는 적어도 하나의 기준 저항기 Rref를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 증폭 장치를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로는 상기 증폭 장치의 입력부와 상기 전압 분배기 회로의 출력부 사이에 배열된 적어도 하나의 커패시터를 포함하는, 장치.
실시예 2: 실시예 1에 있어서, 상기 증폭 장치는 적어도 하나의 전하 증폭기 또는 적어도 하나의 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기인, 장치.
실시예 3: 실시예 1 또는 실시예 2에 있어서, 상기 증폭 장치는 전압 분배기 회로의 적어도 하나의 출력 신호를 증폭하도록 구성되는, 장치.
실시예 4: 실시예 1 내지 실시예 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 커패시터는 상기 광전도체의 암전류(dark current)를 차단하도록 구성되고, 상기 커패시터는 상기 전압 분배기 회로의 상기 적어도 하나의 출력 신호로부터 암 직류 전류(dark DC current)를 필터링하도록 구성되는, 장치.
실시예 5: 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 기준 저항기는 다크(dark) 광전도체인, 장치.
실시예 6: 실시예 1 내지 실시예 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 광전도체는 암저항 Rdark를 갖고, 상기 기준 저항기의 저항과 상기 암저항의 비 Rref/Rdark는 0.01 ≤ Rref/Rdark ≤ 10인, 장치.
실시예 7: 실시예 6에 있어서, 상기 광전도체의 상기 암저항은 50Ω ≤ Rdark ≤ 500MΩ인, 장치.
실시예 8: 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 기준 저항기는 조정 가능한, 전압 분배기 회로.
실시예 9: 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 광전도체 판독 회로는 상기 커패시터와 상기 증폭 장치 사이에 배열된 적어도 하나의 다이오드를 포함하는, 장치.
실시예 10: 실시예 7 내지 실시예 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 장치는 적어도 하나의 판독 집적 회로를 포함하는, 장치.
실시예 11: 실시예 1 내지 실시예 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 광전도체 판독 회로는 적어도 하나의 바이어스 전압을 상기 광전도체에 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원을 포함하는, 장치.
실시예 12: 실시예 11에 있어서, 상기 바이어스 전압 Ubias는 0.001V ≥ Ubias ≤ 5000V, 바람직하게는 1V ≥ Ubias ≤ 500V, 가장 바람직하게는 2V ≥ Ubias ≤ 50V 인, 장치.
실시예 13: 실시예 1 내지 실시예 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 장치는 복수의 광전도체를 포함하고, 상기 광전도체는 어레이로 배열되는, 장치.
실시예 14: 실시예 13에 있어서, 상기 광전도체 판독 회로는 상기 복수의 광전도체 중 각각의 광전도체의 전기 저항을 결정하도록 구성되고, 상기 장치는 적어도 하나의 샘플/홀드 회로(sample and hold circuit) 및 적어도 하나의 멀티플렉서(multiplexer)를 포함하는, 장치.
실시예 15: 실시예 1 내지 실시예 14 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 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하는, 장치.
실시예 16: 실시예 1 내지 실시예 15 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 장치를 포함하는 저항성 트랜스듀서로서, 상기 저항성 트랜스듀서는 상기 광전도체 판독 회로의 적어도 하나의 전압 출력부에서 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함하는, 저항성 트랜스듀서.
실시예 17: 장치를 언급하는 실시예 1 내지 실시예 16 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 장치의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 저항성 트랜스듀서의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 저항성 트랜스듀서의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 알려진 강도의 변조된 전자기 신호에 대한 응답으로 증폭된 출력 전압의 실험 결과를 도시한다.
도 6은 광전도체 어레이에 대한 ROIC의 출력 전압 응답에 대한 실험 결과를 도시한다.
구체적으로, 도면에서, 도 1은 본 발명에 따른 장치의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 장치의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 저항성 트랜스듀서의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 저항성 트랜스듀서의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 알려진 강도의 변조된 전자기 신호에 대한 응답으로 증폭된 출력 전압의 실험 결과를 도시한다.
도 6은 광전도체 어레이에 대한 ROIC의 출력 전압 응답에 대한 실험 결과를 도시한다.
도 1은 장치(110)의 예시적인 실시예를 매우 개략적인 방식으로 도시한다. 장치(110)는 광전도체(112)의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항을 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(112)를 포함한다. 광전도체(112)는 광전도체(112)의 감광 영역의 조명에 따른 특정 전기 저항 Rphoto를 나타낼 수 있는 감광 소자일 수 있다. 구체적으로, 전기 저항은 광전도체(112) 재료의 조명에 의존한다. 광전도체(112)는 광전도성 재료를 포함하는 감광 영역을 포함할 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)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, 광전도체(112)는 trinamiX GmbH(D-67056 Ludwigshafen am Rhein, Germany)의 상표명 Hertzstueck™으로 시중에서 구입 가능한 광전도체일 수 있다. 광전도체(112)는 예를 들어 감광 검출기 회로에 적용될 수 있다. 장치(100)는 복수의 광전도체(112)를 포함할 수 있다. 광전도체는 어레이로 배열될 수 있다. 어레이의 광전도체(112)는, 특히 그 감광 영역 및/또는 광전도성 재료의 크기 및/또는 형상과 관련하여, 동일하게 설계될 수 있다.
예를 들어, 감광 영역은 적어도 하나의 조명원(114)에 의해 조명될 수 있다. 조명원(114)은 예를 들어 주변 광원이거나 이를 포함할 수 있고/있거나 인공 조명원이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원(114)은 적어도 하나의 적외선 방출기 및/또는 적어도 하나의 가시광 방출기 및/또는 적어도 하나의 자외선 방출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원(114)은 적어도 하나의 발광 다이오드 및/또는 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 조명원(114)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(114)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(114)은 적어도 하나의 비연속 광원을 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명원(114)은 적어도 하나의 연속 광원을 포함할 수 있다. 광원은 광전도체(112)의 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. 조명원(114)은 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. 조명원(114)은 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. 불연속 조명으로 인해 출력 전류는 변조 전류라고도 하는 변화하는 전류 신호일 수 있다. 변조된 전류는 광전도체(112)의 암전류에 비해 작을 수 있다.
예를 들어, 감광 영역은, 반드시 그런 것은 아니지만 바람직하게는 연속적이며 연속 영역을 형성할 수 있는, 2차원 또는 3차원 영역일 수 있다. 광전도체(112)는 이러한 감광 영역을 하나 또는 여러 개 가질 수 있다. 조명에 응답하여 광전도체(112)의 전기 저항이 조정 및/또는 변경되고/되거나 달라진다. 광전도체(112)를 조명하면 광전도체(112)는 감소된 전기 저항을 나타낼 수 있다. 광전도체(112)는 조명을 받으면 그 저항률을 낮출 수 있다. 구체적으로, 광전도체(112)의 전기 저항은 입사광의 강도가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 암저항과 명저항 사이의 변화는 측정되거나 판독될 양이며, 광전도체의 출력 전류로 표시될 수 있다.
장치(110)는 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(116)를 포함한다. 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 전압 분배기 회로(118)를 포함한다. 전압 분배기 회로(118)는 광전도체(112)와 직렬로 배열되는 적어도 하나의 기준 저항기(120)를 포함한다. 기준 저항기(120)는 알려진 전기 저항 Rref를 갖는 저항기일 수 있다. 기준 저항기(120)는 전압 변화를 결정할 수 있도록 구성된 임의의 저항기일 수 있다. 기준 저항기(120)는 광전도체(112)의 저항 Rphoto를 결정 및/또는 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.
광전도체(112)는 암저항 Rdark를 가질 수 있다. 기준 저항기(120)의 저항과 암저항의 비 Rref/Rdark는 0.01 ≤ Rref/Rdark ≤ 10일 수 있다. 바람직하게, 비 Rref/Rdark는 약 0.1일 수 있다. 광전도체의 암저항은 50Ω ≤ Rdark ≤ 500MΩ일 수 있다. 예를 들어, 광전도체(112) 어레이의 암저항은 10MΩ일 수 있다. 기준 저항기(120)는 조정 가능하다. 기준 저항기(120)의 저항 값은 수동 및/또는 자동으로 조정될 수 있다. 특히, 기준 저항기(120)는 전압 입력 신호 및 광전도체 특성(예: 잡음 지수)에 대해 조정될 수 있다.
기준 저항기(120)는 다크 광전도체(122)일 수 있다. 광전도체(120)와 다크 광전도체(122)는 서로 동일하거나 다르게 설계될 수 있다. 구체적으로, 다크 광전도체(122)는 다크 PbS 센서일 수 있다. 예를 들어, 기준 저항기(120)는 적어도 하나의 불투명 마스크로 덮인 광전도체를 포함할 수 있는데, 여기서 불투명 마스크는 가려진 광전도체의 감광 영역으로 광이 통과할 수 있는 것을 방지한다. 위에서 약술한 바와 같이, 장치(110)는 어레이로 배열된 복수의 광전도체(112)를 포함할 수 있다. 조명된 각 픽셀에 대해 다크 픽셀(dark pixel)이 기준 저항기(120)로서 사용될 수 있다. 암저항을 조정, 특히 최적화하기 위해 다크 픽셀의 크기가 조정될 수 있다. 예를 들어, 제조 공정에서 모든 픽셀이 동일한 재료로 코팅될 수 있으므로, 픽셀 크기를 변경하는 것이 픽셀 저항을 조정하는 가장 쉬운 방법일 수 있다.
광전도체 판독 회로(116)는 광전도체(112)에 적어도 하나의 바이어스 전압 Ubias를 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원(124)을 포함할 수 있다. 도 1에는 공통 컬렉터(common collector) Vcc에서의 전압이 예시적으로 도시된다. 광전도체(112)는 바이어스 전압원(124)과 전기적으로 연결될 수 있다. 바이어스 전압은 광전도체 재료 양단에 인가된 전압일 수 있다. 바이어스 전압은 직류(DC) 전압일 수 있다. 바이어스 전압 Ubias는 0.001V ≥ Ubias ≤ 5000V, 바람직하게는 1V ≥ Ubias ≤ 500V, 가장 바람직하게는 2V ≥ Ubias ≤ 50V이다. 광전도체(112)는 상술한 바와 같이 직렬로 배열된 기준 저항기(120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 기준 저항기(120)는 접지될 수 있다. 광전도체(112)를 조명하면 광전도체(112)는 감소된 전기 저항을 나타낼 수 있다. 광전도체(112)를 통과한 전류는 기준 저항기(120)를 통과할 수 있으며, 기준 저항기(120)는 광전도체(112)의 전기 저항 Rphoto에 따라 달라지는 출력 신호 Uα를 생성할 수 있다. 다크 광전도체(122)를 사용하면 광전도체(112)의 암저항에 대한 출력 신호의 강한 의존성을 제거할 수 있다. 또한, 다크 광전도체(122)를 사용하면 광전도체(112)의 온도 의존성에 관한 온도 보상을 포함할 수 있다. 그러나, 전압 Uα는 여전히 Ubias/2의 99% 보다 크게 구성되어 광전도체(112)의 감광 영역의 조명에 의해 도입되는 관심 신호가 1% 미만이다.
광전도체 판독 회로(116)는 아래에서 커패시터 Cb로 표시되는 적어도 하나의 커패시터(126)를 포함한다. 커패시터(126)는 0.05nF 내지 500nF의 용량을 가질 수 있다. 커패시터 Cb의 용량은 예를 들어 10nF일 수 있다. 커패시터 Cb는 증폭 장치의 입력부와 전압 분배기 회로의 출력부 사이에 배열된다. 커패시터(126)는 필터링 커패시터일 수 있다. 커패시터 Cb는 광전도체(112)의 암전류를 차단하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 커패시터 Cb는 전압 분배기 회로의 출력 신호로부터 암 직류 전류(dark DC current)를 필터링하도록 구성될 수 있다. 커패시터 Cb는 전압 분배기 회로(118)의 적어도 하나의 출력 신호의 교류(AC) 신호 성분을 필터링하도록 구성된다. 커패시터(126)는 AC 신호 성분을 통과시키도록 구성될 수 있다. AC 신호 성분에는 직류(DC) 성분이 없을 수 있다. AC 신호 성분은 관심 신호로만 구성될 수 있다. 공지된 광전도체 판독 회로에서 커패시터는 본 발명에서 제안된 것과 다르게 사용된다. 예를 들어, 공지된 전압 증폭기에서 커패시터는 RC-고역 통과 필터로 사용되어 DC 성분을 제거하고 AC 성분을 증폭한다. 또한 필터는 CHP 및 RHP와 같은 추가 구성요소를 필요로 한다. 예를 들어, 공지된 회로에서 일반적으로 사용되는 비반전 증폭 회로는 적어도 하나의 광전도체, 하나의 기준 저항기, 하나의 필터 커패시터 및 하나의 필터 저항기를 포함한다. 이와 대조적으로, 본 발명은 고역 통과 필터로서 커패시터 Cb를 사용하지만, 추가로 AC 전류가 적어도 하나의 증폭 장치에 제공된다. 본 발명에 따른 전하 증폭기 및 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기는 종래 기술에 비해 저항기가 하나 적다. 광전도체(112), 기준 저항기(120) 및 커패시터(126)가 필터를 구성하므로 구성요소가 더 적게 필요하다. 또한, 일반적으로 사용되는 비반전 증폭기는 비반전 입력에서 증폭을 위해 2개의 저항기를 갖는다. 본 발명에 따른 전하 증폭기 및 트랜스임피던스 증폭기는 하나의 구성요소만을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 전하 증폭기 및 트랜스임피던스 증폭기는 종래 기술에 비해 더 적은 구성요소를 갖는다. 더욱이, 종종 광전도체 어레이는 잠재적으로 수백 개의 센서와 함께 사용되기 때문에 구성요소를 줄이는 것이 매우 유리하다.
광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 증폭 장치(128)를 포함한다. 증폭 장치(128)는 전압 분배기 회로(118)의 적어도 하나의 출력 신호, 특히 커패시터(126)를 통과한 AC 신호 성분을 증폭하도록 구성될 수 있다. 증폭 장치(128)는 도 1에 도시된 바와 같은 적어도 하나의 전하 증폭기(130), 또는 도 2에 도시된 바와 같은 적어도 하나의 트랜스임피던스 증폭기(132)일 수 있다. 전하 증폭기(130)는 높은 입력 임피던스를 갖는 적분기로서 구성된 전자 장치일 수 있다. 전하 증폭기(130)는 전하를 전압으로 변환하도록 구성될 수 있다. 높은 입력 임피던스는 누설 손실을 방지할 수 있다. 전하 증폭기는 연산 증폭기(134)를 포함할 수 있다. 전하 증폭기(130)는 피드백 경로에서 적어도 하나의 커패시터 CF를 포함할 수 있다. 피드백 경로의 커패시터 CF는 시간이 지남에 따라 전류를 축적하도록 구성될 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기(132)는 적어도 하나의 연산 증폭기(134) 및 피드백 경로의 저항기 RF를 포함하는 전자 장치일 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기(132)는 입력 전류를 저항 RF와 곱하도록 구성될 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기(132)는 입력을 증가시키고 입력 전류를 전압으로 변환하도록 구성될 수 있다.
전하 증폭기(130) 및 트랜스임피던스 증폭기(132)는 전하 및 전류를 측정하는데 사용되는 공지된 회로이다. 광전도체(112)의 암전류가 크기 때문에 광전도체(112)를 전하 증폭기(130) 또는 트랜스임피던스 증폭기(132)에 직접 연결할 수 없다. 증폭기의 동적 범위는 암전류에 대한 광전도체의 출력 전류 비율이 작기 때문에 심각하게 제한된다. 결과적으로, 이러한 회로를 광전도체와 함께 사용하는 것이 고려되지 않았다. 본 발명에 따른 광전도체 판독 회로(116)는 전하 증폭기(130) 및 트랜스임피던스 증폭기(132)가 큰 암전류를 나타내는 센서, 특히 광전도체(112)와 함께 사용될 수 있도록 한다. 상술한 바와 같이, 커패시터(126)는 증폭기 입력부와 전압 분배기 출력부 사이에 배치될 수 있다. 커패시터(126)는 암전류를 차단하고 광전도체(112)의 작은 출력 전류를 증폭 장치(128)로 분류(shunt)하는 역할을 할 수 있다.
이론에 얽매이지 않고, 전하 증폭기(130) 또는 트랜스임피던스 증폭기(132)의 출력 전압 vo는 다음과 같이 결정될 수 있다. 커패시터(126)와 함께 사용될 때, 전하 증폭기(130)와 트랜스임피던스 증폭기(132)는 전압 장치로 간주될 수 있으며 푸리에(Fourier) 정상 상태가 가정된다. 전하 증폭기의 전달 함수는 다음과 같을 수 있다.
여기서, va는 전하 증폭기(130)의 입력 전압, τ는 전하 증폭기(130)의 적분 시간, ω는 조명의 변조 주파수다. 유사하게, 트랜스임피던스 증폭기(132)의 출력 전압 vo와 트랜스임피던스 증폭기(132)의 입력 전압 va 사이의 관계는 다음에 의해 결정될 수 있다.
도 3은, 도 1 및 도2와 관련하여 설명된 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치(110)를 포함하는 저항성 트랜스듀서(136)의 실시예를 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 더하여, 광전도체 판독 회로(116)는 커패시터 CB와 증폭 장치(128) 사이에 배열된 적어도 하나의 다이오드(138)를 포함할 수 있다. 다이오드(138)는 전압 피크로부터 증폭을 보호하는 보호 다이오드로 구성될 수 있다. 다이오드(138)의 캐소드(cathode)는 접지에 연결되고 애노드(anode)는 커패시터 CB에 연결될 수 있다. 다이오드(138)는 전류를 접지로 전도하고 다른 방향의 전류 흐름을 보호하도록 구성될 수 있다. 다이오드(138)를 사용하면 시작 시 과도 발진 시간을 크게 가속화할 수 있다. 다이오드(138)는 TVS 다이오드일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 다이오드(138)는 과도 전압을 억제하도록 구성될 수 있다. 다이오드(138)는 기능적으로 회로에 영향을 미치지 않도록 설계될 수 있다. 다이오드(138)는 과도 전압의 발생 시 회로가 손상되지 않도록 보호하는데 사용될 수 있다. TVS ESD 다이오드와 같은 보호 다이오드는 일반적으로 판독 집적 회로의 일부이거나 추가 보호를 위해 포함된 별도의 다이오드이다. 입력을 보호하는 다른 메커니즘도 가능하다.
상술한 바와 같이, 장치(110)는, 예컨대 어레이로 배열된, 복수의 광전도체(112)를 포함할 수 있다. 광전도체 판독 회로(116)는 복수의 광전도체(112) 중 각 광전도체(112)의 전기 저항을 결정하도록 구성될 수 있다. 장치(110)는 적어도 하나의 샘플/홀드 회로(sample and hold circuit)(139)와 적어도 하나의 멀티플렉서(multiplexer)(140)를 포함할 수 있다. 샘플/홀드 회로(139)는 전압을 샘플링하고 일정 시간 동안 일정한 레벨로 전압 값을 유지하도록 구성될 수 있다. 샘플/홀드 회로(139)는 전하를 저장하도록 구성된 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 샘플/홀드 회로(139)는 회로를 방전시키기 위해 증폭 장치(128)와 병렬인 스위치(142)를 포함할 수 있다. 스위치(142)가 폐쇄되면, 커패시터가 증폭 장치(128)를 통해 충전될 수 있다. 스위치(142)가 개방되면, 커패시터는 스위치의 개방 전에 존재했던 일정한 값으로 전압을 유지할 수 있다. 원칙적으로, 보호 다이오드와 병렬인 저항기를 통해 방전을 수행하는 것이 가능할 수 있다. 그러나 샘플/홀드 회로를 통한 방전은 저항기를 통한 것보다 훨씬 빠를 수 있다.
장치(110)는 특히 추가 평가를 위해 광전도체 판독 회로(116)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 아날로그-디지털 컨버터(ADC: analog-to-digital converter)(144)를 더 포함할 수 있다. 장치(110)가 복수의 광전도체(112) 및 대응하는 기준 저항기(120)를 포함하는 경우, 장치(110)는 광전도체(112) 및 대응하는 기준 저항기(120)의 각 쌍에 대해 적어도 하나의 ADC(144)를 포함할 수 있다. 그러나 다른 구성도 가능하다.
저항성 트랜스듀서(136)는 광전도체 판독 회로(116)의 적어도 하나의 전압 출력부에서 전압 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(146)를 더 포함한다. 평가 장치(146)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(146)는 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 평가 장치(146)는 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스와 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다. 평가 장치(146)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(146)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(146)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.
도 4에 도시된 바와 같이, 장치(110)는 적어도 하나의 판독 집적 회로(ROIC: read-out integrated circuit)(148)를 포함할 수 있다. 기준 저항기 Rref 및 커패시터 CB는 공간 제약으로 인해 ROIC(148)의 일부를 형성하지 않을 수 있다. 특히, 대형 커패시터 및 저항기는 집적 회로에서 넓은 면적을 필요로 하고 매우 비쌀 수 있다. ROIC(148)는 ADC, 멀티플렉서, 샘플/홀드 회로와 같은 특정 기술 블록을 포함할 수 있다. ROIC(148)는 암신호(dark signal) 제거, 특히 필터링을 위한 수단, 증폭단(amplification stage) 및 각 입력의 출력 신호에 액세스하는 수단을 포함할 수 있다. 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 집적 회로로서 설계될 수 있다. 집적 회로는 증폭 장치(128) 및/또는 샘플/홀드 회로(139) 및/또는 멀티플렉서(140)를 포함할 수 있다. 집적 회로는 다이오드(138)를 더 포함할 수 있다. 집적 회로는 적어도 하나의 ADC를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 집적 회로는 마이크로칩으로 구현될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는, 샘플 N의 함수로서 알려진 강도의 변조된 전자기 신호에 대한 응답으로ADC 출력(단위: V)으로 표시되는 증폭된 출력 전압의 실험 결과를 보여주는데, 이 때, N은 ADC로부터의 샘플 수이다. 정해진 수의 샘플 N은 각 샘플 사이에 고정된 시간 간격으로 ADC로부터 판독되었다. 실험 설정을 위해 Pd = 10.1μW/cm²의 전력 밀도를 갖는 광원이 사용되었다. 전하 증폭기(130)를 포함하는 광전도체 판독 회로(116)는 다양한 조건하에서 여러 개의 시판되는 집적 회로(IC)로 테스트되었다. 다양한 커패시터 CB, 기준 저항기 Rref, 적분 시간 τ 및 피드백 커패시터 CF는 시스템의 최적 신호 대 잡음비 및 동적 신호 응답을 구하기 위해 테스트되었다. 도 5a는 CB = 3.3nF, Rref = 1.2MΩ 및 CF = 3.0pF에 대한 실험 결과를 보여준다. 도 5b는 CB = 3.3nF, Rref = 2.4MΩ 및 CF = 3.0pF에 대한 실험 결과를 보여준다. 두 도면 모두에서 변조된 전자기 신호의 주파수는 60Hz이고, 적분 시간 τ는 640μs이었다.
도 6은 다양한 CB 및 Rref 값에 기초한 본 발명에 따른 광전도체 어레이에 대한 ADC 출력(단위: V)으로 표시되는 ROIC의 출력 전압 응답의 실험 결과를 보여준다. Rdark/Rref의 함수로서 ADC 출력이 플로팅(plotted)되었다. 특히, 암저항이 15MΩ인 380μm x 38μm의 PbS 어레이를 사용하였다. 실험 설정을 위해 Pd = 20μW/cm²의 전력 밀도를 갖는 광원이 사용되었다. 도 6에서 변조된 전자기 신호의 주파수는 16Hz이고, 적분 시간 τ는 1000μs이었다. 바이어스 전압은 10V였고, CF는 25.0pF였다. 곡선(150)은 CB =(10.0 RdarkRref)/(Rdark + Rref)에 대한 ADC 출력을 보여준다. 곡선(152)은 CB =(1.0 RdarkRref)/(Rdark + Rref)에 대한 ADC 출력을 보여준다. 곡선(154)은 CB =(0.1 RdarkRref)/(Rdark + Rref)에 대한 ADC 출력을 보여준다.
110
장치
112 광전도체
114 조명원
116 광전도체 판독 회로
118 전압 분배기 회로
120 기준 저항기
122 다크 기준 저항기
124 바이어스 전압원
126 커패시터
128 증폭 장치
130 전하 증폭기
132 트랜스임피던스 증폭기
134 연산 증폭기
136 저항성 트랜스듀서
138 다이오드
139 샘플/홀드 회로
140 멀티플렉서
142 스위치
144 아날로그-디지털 컨버터
146 평가 장치
148 판독 집적 회로
150 곡선
152 곡선
154 곡선
112 광전도체
114 조명원
116 광전도체 판독 회로
118 전압 분배기 회로
120 기준 저항기
122 다크 기준 저항기
124 바이어스 전압원
126 커패시터
128 증폭 장치
130 전하 증폭기
132 트랜스임피던스 증폭기
134 연산 증폭기
136 저항성 트랜스듀서
138 다이오드
139 샘플/홀드 회로
140 멀티플렉서
142 스위치
144 아날로그-디지털 컨버터
146 평가 장치
148 판독 집적 회로
150 곡선
152 곡선
154 곡선
Claims (15)
- 장치(110)로서,
― 광전도체(112)의 감광 영역의 조명에 따른 전기 저항을 나타내도록 구성된 적어도 하나의 광전도체(112),
― 적어도 하나의 광전도체 판독 회로(116)를 포함하되, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 전압 분배기 회로(118)를 포함하고, 상기 전압 분배기 회로(118)는 상기 광전도체(112)와 직렬로 배열되는 적어도 하나의 기준 저항기 Rref(120)를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 증폭 장치(128)를 포함하고, 상기 광전도체 판독 회로(116)는 상기 증폭 장치(128)의 입력부와 상기 전압 분배기 회로(118)의 출력부 사이에 배열된 적어도 하나의 커패시터(126)를 포함하는,
장치(110). - 제1항에 있어서,
상기 증폭 장치(128)는 적어도 하나의 전하 증폭기(130) 또는 적어도 하나의 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기(132)인,
장치(110). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 증폭 장치(128)는 전압 분배기 회로(118)의 적어도 하나의 출력 신호를 증폭하도록 구성되는,
장치(110). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커패시터(126)는 상기 광전도체(112)의 암전류(dark current)를 차단하도록 구성되고, 상기 커패시터(126)는 상기 전압 분배기 회로(118)의 상기 적어도 하나의 출력 신호로부터 암 직류 전류(dark DC current)를 필터링하도록 구성되는,
장치(110). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 저항기(120)는 다크(dark) 광전도체(122)인,
장치(110). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전도체(112)는 암저항 Rdark를 갖고, 상기 기준 저항기(120)의 저항과 상기 암저항의 비 Rref/Rdark는 0.01 ≤ Rref/Rdark ≤ 10인,
장치(110). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전도체 판독 회로(116)는 상기 커패시터(126)와 상기 증폭 장치(128) 사이에 배열된 적어도 하나의 다이오드(138)를 포함하는,
장치(110). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치(110)는 적어도 하나의 판독 집적 회로(148)를 포함하는,
장치(110). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전도체 판독 회로(116)는 적어도 하나의 바이어스 전압을 상기 광전도체(112)에 인가하도록 구성된 적어도 하나의 바이어스 전압원(124)을 포함하는,
장치(110). - 제9항에 있어서,
상기 바이어스 전압 Ubias는 0.001V ≥ Ubias ≤ 5000V, 바람직하게는 1V ≥ Ubias ≤ 500V, 가장 바람직하게는 2V ≥ Ubias ≤ 50V 인,
장치(110). - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치(110)는 복수의 광전도체(112)를 포함하고, 상기 광전도체(112)는 어레이로 배열되는,
장치(110). - 제11항에 있어서,
상기 광전도체 판독 회로(116)는 상기 복수의 광전도체(112) 중 각각의 광전도체(112)의 전기 저항을 결정하도록 구성되고, 상기 장치(110)는 적어도 하나의 샘플/홀드 회로(sample and hold circuit)(139) 및 적어도 하나의 멀티플렉서(multiplexer)(140)를 포함하는,
장치(110). - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 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 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 광전도성 재료를 포함하는,
장치(110). - 저항성 트랜스듀서(136)로서,
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 장치(110)를 포함하되,
상기 저항성 트랜스듀서(136)는 상기 광전도체 판독 회로(116)의 적어도 하나의 전압 출력부에서 출력 신호를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(146)를 포함하는,
저항성 트랜스듀서(136). - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 장치(110)의 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,
장치(110)의 용도.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP19202133.5 | 2019-10-09 | ||
| EP19202133 | 2019-10-09 | ||
| PCT/EP2020/078213 WO2021069547A1 (en) | 2019-10-09 | 2020-10-08 | Photoconductor readout circuit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220075421A true KR20220075421A (ko) | 2022-06-08 |
Family
ID=68242418
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020227015263A KR20220075421A (ko) | 2019-10-09 | 2020-10-08 | 광전도체 판독 회로 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11754443B2 (ko) |
| EP (1) | EP4042117A1 (ko) |
| JP (1) | JP2022551699A (ko) |
| KR (1) | KR20220075421A (ko) |
| CN (1) | CN114556060A (ko) |
| WO (1) | WO2021069547A1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11747197B2 (en) * | 2021-09-15 | 2023-09-05 | Endress+Hauser Conducta, Inc. | Photometer and method of performing photometric measurements with a photometer |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3510834A (en) * | 1966-12-27 | 1970-05-05 | Systems Technology Inc | Optical landing system |
| US3495515A (en) * | 1967-04-28 | 1970-02-17 | Pentacon Dresden Veb | Photoelectric measuring devices |
| US6310346B1 (en) * | 1997-05-30 | 2001-10-30 | University Of Central Florida | Wavelength-tunable coupled antenna uncooled infrared (IR) sensor |
| KR101839641B1 (ko) | 2011-02-15 | 2018-03-16 | 바스프 에스이 | 적어도 하나의 물체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기 |
| WO2014097181A1 (en) | 2012-12-19 | 2014-06-26 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
| JP6841769B2 (ja) | 2015-01-30 | 2021-03-10 | トリナミクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 少なくとも１個の物体を光学的に検出する検出器 |
-
2020
- 2020-10-08 WO PCT/EP2020/078213 patent/WO2021069547A1/en unknown
- 2020-10-08 KR KR1020227015263A patent/KR20220075421A/ko unknown
- 2020-10-08 EP EP20801159.3A patent/EP4042117A1/en active Pending
- 2020-10-08 US US17/754,457 patent/US11754443B2/en active Active
- 2020-10-08 JP JP2022521655A patent/JP2022551699A/ja active Pending
- 2020-10-08 CN CN202080071598.7A patent/CN114556060A/zh active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11754443B2 (en) | 2023-09-12 |
| JP2022551699A (ja) | 2022-12-13 |
| US20220397454A1 (en) | 2022-12-15 |
| EP4042117A1 (en) | 2022-08-17 |
| CN114556060A (zh) | 2022-05-27 |
| WO2021069547A1 (en) | 2021-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5410145A (en) | Light detector using reverse biased photodiodes with dark current compensation | |
| US11988552B2 (en) | Photoconductor readout device and method of using same for determining responsivity and detectivity | |
| US7773134B2 (en) | System and method for canceling dark photocurrent in a color sensor circuit | |
| KR102098397B1 (ko) | 개선된 조명 범위를 갖는 방사선 검출 디바이스 | |
| KR20220075421A (ko) | 광전도체 판독 회로 | |
| US11791424B2 (en) | Device including photoconductor readout circuit for measuring differential voltages of a photoconductor | |
| JP3155191B2 (ja) | 微弱光測定装置 | |
| US20220326075A1 (en) | Photoconductor Readout Circuit | |
| US20230068316A1 (en) | Temperature Detection Through Differential Dual Detectors | |
| EP3875929B1 (en) | Method and electronic processing unit for measuring and processing optical signals for temperature measurement | |
| KK | Si photodiodes | |
| Liu et al. | A CMOS 128-APS linear array integrated with a LVOF for highsensitivity and high-resolution micro-spectrophotometry | |
| Bergbauer et al. | A new photometric detector in the visible spectral range based on a silicon photodiode | |
| US7732749B2 (en) | System and method for measuring the output of a photodetector and for reducing sensitivity to temperature variations | |
| CN116545390A (zh) | 一种运算放大电路及光电检测系统 | |
| KR20190038343A (ko) | 반도체 광 검출 장치 및 특정 파장의 광 검출 방법 | |
| WO2010084280A1 (fr) | Structure d'amplification et chaîne de détection et de mesure comportant une telle structure |