KR20200142575A - 판독 회로들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
센서 판독 및 캘리브레이션 방법 및 방법을 수행하기 위한 회로가 개시된다. 일부 실시예에서, 방법은 임의 전압에서 활성 센서를 드라이빙하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 캘리브레이션 센서의 사용을 포함하고, 회로는 캘리브레이션 센서를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 캘리브레이션 전류 소스의 사용을 포함하고, 회로는 캘리브레이션 전류 소스를 포함한다. 일부 실시예에서, 센서 회로는 시그마-델타 ADC를 포함한다. 일부 실시예에서, 센서 컬럼은 동일한 행 시간 동안에 제 1 판독 회로 및 제 2 판독 회로를 이용하여 판독된다.
Description
본 개시는 전반적으로 MEMS 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는 센서 판독 회로, 캘리브레이션 회로 및 회로에 대응하는 방법에 관한 것이다.
<관련 출원들에 대한 상호 참조>
본 출원은 2018년 4월 17일에 출원된 미국 가출원 번호 62/659,048, 2018년 11월 7일에 출원된 미국 가출원 번호 62/757,078 및 2019년 3월 15일에 출원된 미국 가출원 번호 62/819,376의 이익을 주장하며, 이의 전체 개시 내용은 모든 목적을 위하여 본 출원에 참조로 통합된다.
MEMS 센서 어레이는 센서 이미지를 복수의 개개의 픽셀 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 볼로미터(bolometer)에서 볼로미터 픽셀의 어레이는 열 이미지 (예를 들어, 장파장 적외선 범위의 파장 스펙트럼, 이하 "LWIR(Long Wavelength Infrared range)")에 노출된다. 노출에 대한 응답으로, 각각의 볼로미터 픽셀의 2 단자간에 임피던스가 변경되고 변경 사항이 열 이미지를 나타내는 신호로 캡처된다.
MEMS 센서는 간섭과 싸워야 한다. 볼로미터 예에서, 간섭은 압도적일 수 있다. 볼로미터 간섭은 주변 조건의 변화와 저항성 소자 (예를 들어, 회로의 저항기, 볼로미터 픽셀 자체)의 자체 발열로 인해 발생하는 어레이의 모든 픽셀에 공통적인 큰 주변 간섭으로 분명해질 수 있다. 이러한 공통 모드 변경은 전형적으로 주어진 픽셀에서 최소 검출가능한 열 이미지 신호 (예를 들어, 약 0.5mK)에 비해 크다 (예를 들어, 최대 +/- 50K). 즉, 볼로미터 노이즈는 의도된 신호를 수십 배로 우위를 차지한다.
센서 노이즈는 센서 이미지의 선명도에 영향을 미칠 수 있다. 볼로미터 어레이의 노이즈는 시간 및 공간 패턴 노이즈가 모두 포함될 수 있다. 노이즈의 예로는 1/f 노이즈, 열 노이즈 및 프로세스에 따른 변동이 있다. 어레이의 신호가 컬럼과 행에 따라 배열된 회로에 의해 판독될 때 판독의 변화는 가시적인 행간(row-to-row) 및 컬럼간(column-to-column) 스트라이프(stripe)로 이어질 수 있다.
기존 구성에서, 공통 모드(common mode) 변경은 측정을 위해 바람직하지 않게 출력되어 후속 측정 또는 샘플링 스테이지의 동적 범위를 줄인다. 일부 알려진 솔루션은 측정시 원하지 않는 공통 모드 효과를 줄이기 위해 회로부(circuitry)를 추가하지만, 이러한 솔루션은 몇 가지 단점이 있고 적용 가능성 및 반복성이 낮은 환경 범위를 가지고 있으며, 수동 트리밍(trimming) 또는 캘리브레이션이 필요하고, 복잡성, 크기 및 비용을 증가시키고, 더 많은 기생 및 알려지지 않은 항목을 도입하고 더 많은 전력을 소비한다.
본 개시의 예는 여기서 식별된 단점을 극복하는 MEMS 센서 판독 회로 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 센서 판독 회로는 기준 센서, 활성 센서, 전류 소스, 전압 드라이버 및 판독 소자를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 기준 센서에 전류를 제공하는 단계, 활성 센서에 전기적으로 결합된 공통 모드 추적 바이어스 전압을 생성하는 단계, 판독 소자에서 전류 변화를 측정하는 단계를 포함한다.
예시적인 장점으로서, 개시된 회로 및 방법은 추가 회로부의 비용 및 복잡성 없이 공통 모드 효과를 감소시킨다. 본 출원에 제시된 회로는 센서 어레이의 공통 모드 변화를 효율적이고 콤팩트하게 추적할 수 있다. 따라서, 측정된 열 이미지 신호의 정확도가 개선될 수 있으며 후속 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 입력 범위 요건은 보상을 위한 추가 컴포넌트 없이 감소될 수 있다. 바이어스 전압으로 공통 모드 변경을 추적하면 컬럼 전압이 공칭으로 고정 전압에 있고 컬럼 기생 소자의 영향을 받지 않기 때문에 속도 및 정확도가 개선될 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 판독 회로는 판독 소자, 제 1 전류 소스, 제 2 전류 소스, 전압 드라이버, 기준 센서 및 활성 센서를 포함한다. 판독 소자는 입력을 포함한다. 전압 드라이버는 출력을 포함한다. 기준 센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된다. 활성 센서는 제 1 단자와 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합되고 판독 소자의 입력 및 제 2 단자는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된다. 활성 센서는 센서 이미지에 노출되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 일정한 소스이다.
일부 실시예에서, 전압 드라이버는 활성 센서에 대한 바이어스 전압을 생성한다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 추가로 구성된다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 임피던스를 변경하도록 추가로 구성된다.
일부 실시예에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다.
일부 실시예에서, 회로는 제 2 기준 센서, 제 2 활성 센서, 제 1 스위치, 제 2 스위치, 제 3 스위치 및 제 4 스위치를 더 포함한다. 제 2 기준 센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자는 전압 드라이버에 전기적으로 결합된다. 제 2 활성 센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 2 전류를 출력하는 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된다. 제 2 활성 센서는 전류를 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로 변경하도록 구성된다. 제 1 스위치는 기준 센서를 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 2 스위치는 활성 센서를 제 2 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 3 스위치는 제 2 기준 센서를 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 4 스위치는 제 2 활성 센서를 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 회로는 오프셋을 제거하도록 구성된 상관 이중 샘플링 (CDS : correlated double sampling) 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 소자의 전압은 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례한다.
일부 실시예에서, 회로는 기준 센서의 제 2 단자에 전기적으로 결합된 연산 증폭기(op amp)의 출력을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 회로는 기준 센서의 제 1 단자 및 제 2 단자에 전기적으로 결합되는 피드백 소자를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 회로는 제 3 기준 센서 및 제 3 전류 소스를 더 포함한다. 제 3 기준 센서는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함한다. 제 3 전류 소스는 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 전기적으로 결합되고, 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열을 반영한 제 7 전류를 출력하도록 구성된다. 제 2 전류의 값은 제 7 전류에 따라 조정된다.
일부 실시예에서, 회로는 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류 변화를 샘플링하도록 구성된 ADC를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 용량성 트랜스임피던스 증폭기(CTIA : capacitive transimpedance amplifier)를 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 무열(athermal) 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨(Wilson) 전류 미러의 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 판독 회로의 비 센서 소자는 실질적으로 무열이 되도록 디자인되고 및/또는 자체 발열의 영향을 최소화하도록 디자인된다.
일부 실시예에서, 회로는 기준 센서의 제 2 단자로 출력하는 증폭기를 더 포함한다. 기준 센서의 제 1 단자는 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합된다. 제 1 전류 소스는 음의 입력 및 출력에서 전압 강하를 생성하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 LWIR 방사선을 검출하도록 구성된 볼로미터 픽셀이다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA를 포함한다.
일부 실시예에서, 기준 센서는 센서 이미지로부터 차폐된다.
일부 실시예에서, 회로는 전압 드라이버의 출력과 활성 센서의 제 2 단자 사이에 전기적으로 결합된 전압 팔로워(voltage follower)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 회로는 2 개 이상의 전류 버퍼를 더 포함하고, 2 개 이상의 전류 버퍼는 제 1 전류 소스와 기준 센서 사이에 전기적으로 결합된 제 1 전류 버퍼 및 제 2 전류 소스와 활성 센서 사이에 전기적으로 결합된 제 2 전류 버퍼를 포함한다.
일부 실시예에서, 회로는 활성 센서를 전압 드라이버에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 5 스위치를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 판독 방법은 : 기준 센서의 제 1 단자에 제 1 전류를 제공하는 단계; 상기 제 1 전류로부터 상기 기준 센서의 제 2 단자에서 전압을 생성하는 단계; 활성 센서의 제 1 단자에 제 2 전류를 제공하는 단계; 상기 전압에서 상기 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계(driving); 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 및 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 제 3 전류를 측정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 및 제 2 전류는 일정하다.
일부 실시예에서, 전압은 활성 센서에 대한 바이어스 전압이다.
일부 실시예에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 제 3 전류를 변경하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 상기 활성 센서의 임피던스를 변경하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 제 2 기준 센서의 제 1 단자에 제 4 전류를 제공하는 단계; 상기 제 4 전류로부터, 상기 제 2 기준 센서의 제 2 단자에서 제 2 전압을 생성하는 단계; 제 2 활성 센서의 제 1 단자에 제 5 전류를 제공하는 단계; 상기 제 2 전압에서 상기 제 2 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계; 제 2 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 및 제 2 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 제 6 전류를 측정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 기준 센서로부터 제 1 전류를 제공하는 제 1 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하는 단계(uncoupling); 제 4 전류를 제공하는 제 1 전류 소스를 제 2 기준 센서에 결합하는 단계; 제 2 전류를 제공하는 제 2 전류 소스를 활성 센서로부터 전기적으로 결합 해제하는 단계; 및 제 2 활성 센서에 제 5 전류를 제공하는 제 2 전류 소스를 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 판독 소자의 입력에 의해 생성된 오프셋을 결정하는 단계; 및 판독 소자의 입력에 대한 전류를 측정하기 전에 오프셋을 상쇄하는 단계(canceling)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 소자의 출력에서의 전압은 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례한다.
일부 실시예에서, 전압은 연산 증폭기에 의해 드라이빙되고, 기준 센서의 제 1 단자는 연산 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합된다.
일부 실시예에서, 방법은 기준 센서의 제 2 단자로부터 기준 센서의 제 1 단자로 피드백하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 제 7 전류를 제공하는 단계, 제 7 전류는 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열을 반영하는, 상기 제 7 전류를 제공하는 단계; 및 제 7 전류에 따라 제 2 전류의 값을 조정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 판독 소자의 입력에 대한 전류에 의해 생성된 전압을 샘플링하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 및 제 2 전류는 기준 센서 및 활성 센서의 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 크기 및 동일한 방향이다.
일부 실시예에서, 방법은 제 3 전류를 판독 소자의 판독 전압으로 변환하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류를 제공하는 단계 및 제 2 전류를 제공하는 단계는 각각 무열 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨 전류 미러의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 제공하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 활성 센서의 제 2 단자를 전압으로 드라이빙하는 단계는 전압 드라이버의 출력으로부터 기준 센서의 제 2 단자 및 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 제 1 전류로부터 기준 센서를 가로 질러 전압 강하를 야기하는 단계; 상기 기준 센서의 제 2 단자로 출력되는 증폭기를 이용하여 전압을 생성하는 단계; 및 기준 센서의 제 1 단자를 증폭기의 음극 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다.
일부 실시예에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 활성 센서를 LWIR 방사선에 노출시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 기준 센서 및 활성 센서에 공통인 주변 조건에 기준 센서를 노출시키는 단계; 및 센서 이미지로부터 기준 센서를 차폐시키는 단계(shielding)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 활성 센서의 제 2 단자를 전압으로 드라이빙하는 단계는 활성 센서의 제 2 단자와 전압을 제공하는 전압 소스 사이에서 버퍼링하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 제 1 전류를 버퍼링하는 단계; 및 제 2 전류를 버퍼링하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 판독 회로를 제조하는 방법은 입력을 포함하는 판독 소자를 제공하는 단계; 제 1 전류 소스를 제공하는 단계; 제 2 전류 소스를 제공하는 단계; 출력을 포함하는 전압 드라이버를 제공하는 단계; 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 기준 센서를 제공하는 단계; 기준 센서의 제 1 단자를 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 기준 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합하는 단계; 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 활성 센서를 제공하는 단계로서, 상기 활성 센서는 센서 이미지에 노출되도록 구성된, 상기 활성 센서를 제공하는 단계; 활성 센서의 제 1 단자를 제 2 전류 소스 및 판독 소자의 입력에 전기적으로 결합하는 단계; 및 활성 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 제 2 전류 소스는 일정한 전류 소스이다.
일부 실시예에서, 전압 드라이버는 활성 센서에 대한 바이어스 전압을 생성하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 추가로 구성된다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 임피던스를 변경하도록 추가로 구성된다.
일부 실시예에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 : 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 2 기준 센서를 제공하는 단계; 제 2 기준 센서의 제 1 단자를 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 제 2 기준 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버에 전기적으로 결합하는 단계; 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 2 활성 센서를 제공하는 단계로서, 상기 제 2 활성 센서는 상기 센서 이미지에 노출되도록 구성된, 상기 제 2 활성 센서를 제공한 단계; 활성 센서의 제 1 단자를 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 전압 드라이버의 출력에 활성 센서의 제 2 단자를 전기적으로 결합하는 단계로서, 상기 제 2 활성 센서는 상기 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 구성된, 상기 활성 센서의 제 2 단자를 전기적으로 결합하는 단계; 및 기준 센서를 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 1 스위치를 제공하는 단계; 활성 센서를 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 2 스위치를 제공하는 단계; 상기 제 2 기준 센서를 상기 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 3 스위치를 제공하는 단계; 및 제 2 활성 센서를 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 4 스위치를 제공하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 오프셋을 제거하도록 구성된 CDS 회로를 제공하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례하는 전압을 생성하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 연산 증폭기를 제공하는 단계; 및 연산 증폭기의 출력을 기준 센서의 제 2 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 피드백 소자를 제공하는 단계; 및 피드백 소자를 기준 센서의 제 1 단자 및 제 2 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 : 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 3 기준 센서를 제공하는 단계; 제 3 기준 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합하는 단계; 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열을 반영한 제 7 전류를 출력하도록 구성된 제 3 전류 소스를 제공하는 단계로서, 제 2 전류의 값은 제 7 전류에 따라 조정되는, 상기 제 3 전류 소스를 제공하는 단계; 및 제 3 전류 소스를 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류 변화를 샘플링하도록 구성된 ADC를 제공하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 CTIA를 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 무열(athermal) 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨(Wilson) 전류 미러의 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 : 상기 기준 센서의 제 2 단자로 출력되는 증폭기를 제공하는 단계; 및 기준 센서의 제 1 단자를 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합하는 단계로서, 상기 제 1 전류 소스는 음의 입력 및 출력을 가로 질러 전압 강하를 생성하도록 구성된, 상기 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 LWIR 방사선을 검출하도록 구성된 볼로미터 픽셀이다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA를 포함한다.
일부 실시예에서, 기준 센서는 센서 이미지로부터 차폐된다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 전압 팔로워를 제공하는 단계; 및 전압 드라이버의 출력과 활성 센서의 제 2 단자 사이에 전압 팔로워를 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제조 방법은 : 제 1 전류 버퍼 및 제 2 전류 버퍼를 포함하는 2 이상의 전류 버퍼를 제공하는 단계; 제 1 전류 소스와 기준 센서 사이에 제 1 전류 버퍼를 전기적으로 결합하는 단계; 및 제 2 전류 소스와 활성 센서 사이에 제 2 전류 버퍼를 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 캘리브레이션 센서의 전압을 측정하는 단계 및 측정된 캘리브레이션 센서 전압에 기초하여 캘리브레이션된 판독 전압을 계산하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합된 판독 소자의 판독 전압을 측정하는 단계 및 캘리브레이션 전류에 의해 야기되는 판독 전압에 기초하여 출력을 계산하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 셔터가 닫힐 때 및 셔터가 열릴 때 판독 전압을 측정하는 단계 및 판독 전압 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함한다.
일부 사례에서 행간 패턴 노이즈는 바이어스 전압의 노이즈로 인해 발생될 수 있으며, 이는 센서의 행에 대하여 공통일 수 있다. 따라서 바이어스 전압의 노이즈는 센서의 전체 행에서 관측된다. 일부 경우에, 컬럼간 패턴 노이즈는 센서의 특정 컬럼과 관련된 ADC 및 스키밍 전류(skimming current) 의 1/f 노이즈 및 불일치(mismatch)로 인해 발생될 수 있다.
본 개시의 예는 본 출원에서 식별된 단점 (예를 들어, 패턴 노이즈)을 극복하는 MEMS 센서 캘리브레이션 회로 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 센서 캘리브레이션 회로는 캘리브레이션 센서 및 캘리브레이션 판독 소자를 포함한다. 일부 실시예에서, 센서 캘리브레이션 회로는 캘리브레이션 전류 소스를 포함한다. 일부 실시예에서, 셔터가 센서 캘리브레이션 회로에 포함된다.
예시적인 장점으로서, 개시된 회로 및 방법은 축소된 비용으로 노이즈를 제거한다. 본 출원에 제시된 회로는 센서 어레이의 노이즈를 효율적이고 콤팩트하게 제거한다. 따라서 측정된 센서 이미지의 선명도가 개선될 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 : 센서 이미지에 노출되고 바이어스 전압 노드를 공유하는 복수의 활성 센서; 캘리브레이션 판독 소자; 및 센서 이미지로부터 차폐되고, 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합된 제 2 단자를 포함하는 캘리브레이션 센서를 포함한다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서의 임피던스는 복수의 활성 센서의 활성 센서의 임피던스와 동일하고, 캘리브레이션 센서의 전기 캐리어 카운트는 활성 센서의 전기 캐리어 카운트보다 더 크다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 : 복수의 활성 센서의 활성 센서에 대응하고 활성 센서의 판독 전압을 측정하도록 구성된 판독 소자를 더 포함하고, 캘리브레이션 판독 소자는 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 측정하도록 구성되며, 상기 센서 회로는 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 : 활성 센서의 판독 전압을 수신하는 단계; 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 활성 센서의 판독 전압과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 사이의 비율에 의해 가중된 캘리브레이션 센서의 판독 전압 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리에 전기적으로 결합된다.
일부 실시예에서, 비율은 1이다.
일부 실시예에서, 비율은 온도와 무관하다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 : 복수의 활성 센서의 활성 센서에 대응하고 활성 센서의 판독 전압을 측정하도록 구성된 판독 소자를 더 포함하고, 센서 회로는 프로세서 및 프로세서에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서로 하여금 닫힌 셔터에 대응하는 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 열린 셔터에 대응하는 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압과 (2) 제 2 판독 전압 사이의 센서 이미지에 의해 야기된 활성 센서의 임피던스 차이에 비례하는 차이를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리에 전기적으로 결합된다.
일부 실시예에서, 복수의 판독 소자는 복수의 ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서 및 복수의 활성 센서는 동일한 열 저항 계수 (TCR : thermal coefficient of resistance)를 갖는 재료로 만들어진다.
일부 실시예에서, 복수의 활성 센서는 복수의 컬럼의 활성 센서를 포함하고, 회로는 : 복수의 전류 소스, 복수의 전류 소스의 전류 소스는 캘리브레이션 센서의 제 2 단자 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합되고; 및 복수의 판독 소자를 더 포함하고, 복수의 컬럼의 활성 센서의 각각은 : 대응하는 판독 노드에서 복수의 전류 소스의 대응하는 전류 소스 및 대응하는 판독 노드에서 복수의 판독 소자의 대응하는 판독 소자에 전기적으로 결합된다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 소자는 아날로그-디지털 컨버터 (ADC)를 포함한다.
일부 실시예에서, 복수의 활성 센서 및 캘리브레이션 센서는 볼로미터이고, 센서 이미지는 열 이미지이다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 : 캘리브레이션 전류를 제공하는 캘리브레이션 전류 소스; 활성 센서; 판독 소자; 활성 센서를 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 1 스위치; 및 캘리브레이션 전류 소스를 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 2 스위치를 포함한다.
일부 실시예에서, 제 2 스위치는 제 1 스위치가 활성 센서를 판독 소자에 전기적으로 결합할 때 제 1 판독 소자로부터 캘리브레이션 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하도록 구성되고, 제 1 스위치는 제 2 스위치가 캘리브레이션 전류를 판독 소자에 전기적으로 결합할 때 제 1 판독 소자로부터 활성 센서를 전기적으로 결합 해제하도록 구성되고, 센서 회로는 : 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 활성 센서의 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 캘리브레이션 전류에 의해 야기되는 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압 및 (2) 제 2 판독 전압에 기초하여 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 출력을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 : 활성 센서를 포함하는 복수의 활성 센서; 및 제 1 판독 소자 및 제 2 판독 소자를 포함하는 복수의 판독 소자를 더 포함하고, 복수의 판독 소자의 각각은 복수의 활성 센서의 각각의 활성 센서에 전기적으로 결합되고, 상기 방법은 : 복수의 판독 소자의 판독 소자로부터 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 각각의 판독 소자상의 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 개개의 센서의 판독 전압 및 (2) 개개의 판독 소자의 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 개개의 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 개개의 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 제 1 활성 센서와 동일한 컬럼에 속하는 제 2 활성 센서를 더 포함하고, 방법은 : 제 1 출력을 계산한 후 : 제 2 활성 센서의 제 3 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 3 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 제 4 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 제 2 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 동일한 컬럼 상의 제 2 판독 전압의 연속적인 수신 사이의 시간은 캘리브레이션 기간(calibration period)이다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 기간은 1 초이다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 기간은 판독 소자의 드리프트(drift)에 기반된다.
일부 실시예에서, 제 2 판독 전압의 연속적인 수신 동안 상이한 행이 판독된다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 : 제 2 캘리브레이션 전류 소스; 상기 제 1 캘리브레이션 전류 소스를 상기 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 3 스위치; 및 제 2 캘리브레이션 전류 소스를 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 4 스위치를 더 포함하고, 제 3 스위치가 제 1 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제할 때 : 제 4 스위치는 판독 소자를 제 2 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하도록 구성되고, 상기 방법은 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기되는 제 3 판독 전압을 수신하는 단계를 더 포함하고; 출력은 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압에 추가로 기초한다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서로 하여금 닫힌 셔터에 대응하는 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 열린 셔터에 대응하는 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압과 (2) 제 2 판독 전압 사이의 센서 이미지에 의해 야기된 제 1 활성 센서의 임피던스 차이에 비례하는 차이를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리를 포함한다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 열 장면(thermal scene)에 노출된 볼로미터이다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 센서 이미지에 노출되고 바이어스 전압 노드를 복수의 활성 센서와 공유하며, 센서 회로는 : 제 2 판독 소자; 및 센서 이미지로부터 차폐되고 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 제 2 판독 소자에 전기적으로 결합된 제 2 단자를 포함하는 캘리브레이션 센서를 더 포함한다.
일부 실시예는 상기 회로를 제조하는 방법을 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로의 캘리브레이션된 전압을 계산하는 방법은 : 캘리브레이션 센서의 제 1 단자를 복수의 활성 센서에 의해 공유되는 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합하는 단계; 캘리브레이션 센서의 제 2 단자를 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 복수의 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 센서 이미지로부터 캘리브레이션 센서를 차폐시키는 단계; 판독 소자로 복수의 활성 센서의 활성 센서의 판독 전압을 측정하는 단계; 캘리브레이션 판독 소자로 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 활성 센서의 판독 전압과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 사이의 비율에 의해 가중된 캘리브레이션 센서의 판독 전압 사이의 차이로 캘리브레이션된 전압을 계산하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서의 임피던스는 활성 센서의 임피던스와 동일하고, 캘리브레이션 센서의 전기 캐리어 카운트는 활성 센서의 전기 캐리어 카운트보다 더 크다.
일부 실시예에서, 비율은 1이다.
일부 실시예에서, 비율은 온도와 무관하다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서 및 활성 센서는 동일한 TCR을 갖는 재료로 만들어진다.
일부 실시예에서, 방법은 : 복수의 전류 소스의 전류 소스를 캘리브레이션 센서의 제 2 단자 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 복수의 컬럼의 활성 센서의 컬럼을 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계로서, 상기 활성 센서 컬럼은 활성 센서를 포함하는, 상기 컬럼을 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 및 복수의 전류 소스 중 제 2 전류 소스를 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 셔터를 닫는 단계; 판독 소자로 닫힌 셔터에 대응하는 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 및 캘리브레이션 판독 소자로 닫힌 셔터에 대응하는 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 캘리브레이션된 전압을 계산한 후, (1) 캘리브레이션된 전압 간의 제 2 차이 및 (2a) 제 1 판독 전압과 (2b) 비율에 의해 가중된 제 2 판독 전압 간의 차이를 계산하는 단계로서, 상기 제 2 차이는 셔터 캘리브레이션된 전압인, 상기 제 2 차이 및 상기 차이를 계산하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 소자는 ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 복수의 활성 센서 및 캘리브레이션 센서는 볼로미터이고, 센서 이미지는 열 이미지 이다.
일부 실시예에서, 센서 회로에서 출력을 계산하는 방법은 : 판독 소자를 활성 센서에 전기적으로 결합하는 단계; 판독 소자로 활성 센서의 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 활성 센서로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 캘리브레이션 전류를 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 판독 소자로 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압 및 (2) 제 2 판독 전압에 기초하여 출력을 계산하는 단계로서, 상기 출력은 활성 센서의 판독 전류에 비례하는, 상기 계산하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 복수의 활성 센서의 각각의 활성 센서를 복수의 판독 소자의 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 각각의 판독 소자를 사용하여 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 각각의 활성 센서로부터 각각의 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 캘리브레이션 전류를 각각의 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 각각의 판독 소자로, 각각의 판독 소자상의 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 각각의 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 제 1 출력을 계산한 후 : 판독 소자로부터 캘리브레이션 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 판독 소자를 제 2 활성 센서에 전기적으로 결합하는 단계로서, 제 2 활성 센서는 제 1 활성 센서와 동일한 컬럼에 속하는, 상기 결합하는 단계; 판독 소자로, 제 2 활성 센서의 제 3 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 제 3 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 제 2 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 제 2 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 동일한 컬럼 상의 제 2 판독 전압의 연속적인 측정 사이의 시간은 캘리브레이션 기간이다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 기간은 1 초이다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 기간은 판독 소자의 드리프트에 기반된다.
일부 실시예에서, 제 2 판독 전압의 연속적인 측정 동안 상이한 행이 판독된다.
일부 실시예에서, 방법은 : 제 1 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 판독 소자를 제 2 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 및 판독 소자를 이용하여 판독 소자 상의 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압을 측정하는 단계로서, 상기 출력은 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압에 추가로 기초하는, 상기 제 3 판독 전압을 측정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 셔터를 닫는 단계; 닫힌 셔터에 대응하는 출력을 계산하는 단계; 및 (1) 열린 셔터에 대응하는 출력과 (2) 닫힌 셔터에 대응하는 출력 사이의 센서 이미지에 의해 야기된 활성 센서의 임피던스 차이에 비례하는 차이를 계산하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 열 장면에 노출된 볼로미터이다.
일부 실시예에서, 방법은 : 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 제 2 판독 소자를 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 제 2 판독 소자로 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압을 측정하는 단계; 캘리브레이션 전류 소스로부터 제 2 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 캘리브레이션 센서의 제 1 단자를 복수의 활성 센서 및 활성 센서에 의해 공유되는 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합하는 단계; 캘리브레이션 센서의 제 2 단자를 제 2 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 복수의 활성 센서 및 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 센서 이미지로부터 캘리브레이션 센서를 차폐시키는 단계; 제 2 판독 소자로 캘리브레이션 센서의 제 4 판독 전압을 측정하는 단계; 제 3 판독 전압 및 제 4 판독 전압에 기초하여 제 2 출력을 계산하는 단계; 및 (1) 제 1 출력과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 사이의 비율에 의해 가중된 제 2 출력 사이의 차이를 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 예는 본 출원에서 식별된 단점 (예를 들어, 전력 난제, 영역 난제)을 극복하는 센서 회로 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀, 시그마-델타 ADC 및 복수의 스위치를 포함한다. 일부 실시예에서, 센서 회로는 센서의 컬럼을 포함하고, 센서 컬럼의 다른 부분이 동시에 판독된다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 : 각각이 전하를 저장하도록 구성된 복수의 센서 픽셀; 각각의 센서의 전하를 수신하도록 구성된 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC; 및 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 결합하도록 구성된 복수의 스위치로서, 각각의 스위치는 복수의 센서 픽셀의 각각의 픽셀에 대응하는, 상기 복수의 스위치를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치된 CTIA를 포함하지 않는다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서와 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치하는 가변 저항기를 더 포함하고, 복수의 스위치는 복수의 센서 픽셀 각각을 가변 저항기에 순차적으로 결합하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 가변 저항기는 방전 시간 윈도우 동안 선형적으로 감소하는 저항을 갖는다; 가변 저항기는 방전 시간 윈도우 끝에서 최저 저항이다; 및 가변 저항기는 방전 시간 윈도우의 시작과 끝 사이에서의 최저 저항보다 높은 저항을 갖는다.
일부 실시예에서, 가변 저항기는 MOS 트랜지스터이고; MOS 트랜지스터의 초기 저항, 선형 감소 저항, 및 최저 저항은 MOS 트랜지스터에 전기적으로 결합된 제어 전압으로 제어된다.
일부 실시예에서, 방전 시간 윈도우는 10 마이크로 초와 1 밀리 초 사이이다.
일부 실시예에서, 제 1 방전 시간 윈도우 동안, 제 1 스위치는 제 1 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC를 전기적으로 결합하고; 제 2 방전 시간 윈도우 동안, 제 2 스위치는 제 2 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC를 전기적으로 결합하고; 제 1 방전 시간 윈도우 및 제 2 방전 시간 윈도우는 제 1 센서 픽셀 및 제 2 센서 픽셀의 판독 시간에 대응한다.
일부 실시예에서, 방전 시간 윈도우 동안, 가변 저항기의 정전류(constant current)는 가변 저항기의 초기 전압을 초기 저항으로 나눈 값이다.
일부 실시예에서, 스위치는 각각의 방전 시간 윈도우 동안 각각의 센서 픽셀과 가변 저항기를 전기적으로 결합하고, 방전 시간 윈도우는 가변 저항기의 초기 저항을 곱한 센서 픽셀의 커패시턴스와 동일하다.
일부 실시예에서, 가변 저항기는 가중 저항기 뱅크(bank)를 포함하고; 가중된 저항기 뱅크는 병렬 또는 직렬로 선택적으로 전기적으로 결합된 복수의 저항기를 포함하고; 선택적 전기적으로 결합된 저항기의 조합 저항은 방전 시간 윈도우의 시작에서의 초기 저항, 선형적으로 감소하는 저항 및 최저 저항을 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 픽셀은 x-선 센서 포토 다이오드를 포함하고, 전하(charge)는 x-선 센서 포토 다이오드의 x-선 노출을 나타낸다.
일부 실시예에서, 센서 픽셀은 전하를 저장하는 저장 커패시터를 포함하고, 센서 픽셀의 x-선 노출은 저장 커패시터에 저장된 전하를 생성한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 제 2 복수의 센서 픽셀 및 제 2 시그마-델타 ADC를 더 포함하고, 여기서 제 2 복수의 센서 픽셀은 제 2 시그마-델타 ADC에 순차적으로 결합하도록 구성되고, 제 1 복수의 센서 픽셀 및 제 2 복수의 센서 픽셀은 동일한 컬럼에 속한다.
일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 복수의 센서 픽셀의 수는 동일하다.
일부 실시예에서, 제 1 행(row) 시간에, 제 1 복수의 센서 픽셀의 제 1 센서 픽셀과 제 2 복수의 센서 픽셀의 제 2 센서 픽셀이 동시에 판독된다.
일부 실시예에서, 시그마-델타 ADC에 대한 입력 전류는 일정하다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 시그마-델타 ADC로부터 신호를 수신하도록 구성된 디지털 필터를 더 포함한다.
일부 실시예는 상기 회로를 제조하는 방법을 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀, 시그마-델타 ADC 및 복수의 스위치, 각각의 스위치는 복수의 센서 픽셀 각각에 대응하는, 상기 복수의 스위치; 센서 회로의 판독 방법은 : 복수의 센서 픽셀 각각에 각각의 전하를 저장하는 단계; 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계; 및 순차적으로 시그마-델타 ADC에서 각각의 센서 픽셀의 각각의 전하를 수신하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치된 CTIA를 포함하지 않으며, 각각의 센서 픽셀의 각각의 전하는 CTIA에 의해 수신되지 않는다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치되는 가변 저항기를 더 포함하고 상기 방법은 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함하며, 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀을 각각을 가변 저항기에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 방전 시간 윈도우 동안 가변기의 저항을 선형적으로 감소시키는 단계를 더 포함하며; 가변 저항기는 방전 시간 윈도우 끝에서 최저 저항이다; 및 가변 저항기는 방전 시간 윈도우의 시작과 끝 사이에서의 최저 저항보다 높은 저항을 갖는다.
일부 실시예에서, 가변 저항기는 제어 전압에 전기적으로 결합된 MOS 트랜지스터이고, 가변 저항기의 저항을 선형적으로 감소시키는 것은 초기 저항, 선형 감소하는 저항 및 최저 저항을 생성하기 위해 제어 전압으로 MOS 트랜지스터를 드라이빙하는 것을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방전 시간 윈도우는 10 마이크로 초와 1 밀리 초 사이이다.
일부 실시예에서, 복수의 스위치를 사용하여, 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 것은 제 1 방전 시간 윈도우 동안, 제 1 스위치를 제 1 센서 픽셀 및 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합하는 단계; 제 2 방전 시간 윈도우 동안, 제 2 스위치를 제 2 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함하고, 제 1 및 제 2 방전 시간 윈도우는 제 1 및 제 2 센서 픽셀의 판독 시간에 대응한다.
일부 실시예에서, 방전 시간 윈도우 동안, 가변 저항기의 정전류는 가변 저항기의 초기 전압을 초기 저항으로 나눈 값이다.
일부 실시예에서, 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 것은 각각의 방전 시간 윈도우 동안 스위치를 각각의 센서 픽셀 및 가변 저항기에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함하고; 방전 시간 윈도우는 센서 픽셀의 커패시턴스에 가변 저항기의 초기 저항을 곱한 값과 같다.
일부 실시예에서, 가변 저항기는 가중 저항기 뱅크를 포함하고; 가중된 저항기 뱅크는 병렬 또는 직렬로 선택적으로 전기적으로 결합된 복수의 저항기를 포함하고; 상기 방법은 저항기를 선택적으로 전기적으로 결합함으로써 방전 시간 윈도우의 시작에서의 초기 저항에서 방전 시간 윈도우의 끝에서의 최저 저항까지 복수의 저항기의 조합의 저항을 선형적으로 감소시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 픽셀은 x-선 센서 포토 다이오드를 포함하고, 전하는 x-선 센서 포토 다이오드의 x-선 노출을 나타낸다.
일부 실시예에서, 복수의 센서 픽셀 각각에 각각의 전하를 저장하는 단계는, 복수의 센서 픽셀 각각을 x-선에 노출시키고 각각의 전하를 생성하는 단계; 및 상기 복수의 센서 픽셀 각각의 저장 커패시터에 각각의 전하를 저장하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 회로는 제 1 복수의 센서 픽셀과 동일한 컬럼에 속하는 제 2 복수의 센서 픽셀, 제 2 복수의 스위치, 및 제 2 시그마-델타 ADC를 더 포함하고, 상기 방법은 : 제 2 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 제 2 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계; 및 제 2 시그마-델타 ADC에서, 제 2 복수의 센서 픽셀의 각각의 센서 픽셀의 각각의 전하를 순차적으로 수신하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 복수의 센서 픽셀의 수는 동일하다.
일부 실시예에서, 제 1 행 시간에 : 제 1 시그마-델타 ADC는 제 1 복수의 센서 픽셀의 제 1 센서 픽셀의 제 1 개개의 전하를 수신하고; 제 2 시그마-델타 ADC는 제 2 복수의 센서 픽셀의 제 2 센서 픽셀의 제 2 개개의 전하를 수신한다.
일부 실시예에서, 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC는 정전류를 수신한다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 판독 방법을 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 센서 판독 방법을 예시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 전류 조정 방법을 예시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 센서 바이어스 회로를 예시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 센서 판독 시스템을 예시한다.
도 10은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법을 예시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법을 예시한다.
도 15는 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 16은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 17은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법을 예시한다.
도 18a 및 18b는 일 실시예에 따른 예시적인 센서 이미지를 예시한다.
도 19a 및 19b는 일 실시예에 따른 예시적인 센서 회로를 예시한다.
도 20a 및 20b는 일 실시예에 따른 예시적인 센서 회로를 예시한다.
도 21a 내지 21d는 일 실시예에 따른 예시적인 입력을 예시한다.
도 22는 일 실시예에 따른 MEMS 제품을 제조하는 방법을 예시한다.
도 23은 일 실시예에 따른 볼로미터(bolometer)를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 판독 방법을 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 센서 판독 방법을 예시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 전류 조정 방법을 예시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 센서 바이어스 회로를 예시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 센서 판독 시스템을 예시한다.
도 10은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법을 예시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법을 예시한다.
도 15는 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 16은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다.
도 17은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법을 예시한다.
도 18a 및 18b는 일 실시예에 따른 예시적인 센서 이미지를 예시한다.
도 19a 및 19b는 일 실시예에 따른 예시적인 센서 회로를 예시한다.
도 20a 및 20b는 일 실시예에 따른 예시적인 센서 회로를 예시한다.
도 21a 내지 21d는 일 실시예에 따른 예시적인 입력을 예시한다.
도 22는 일 실시예에 따른 MEMS 제품을 제조하는 방법을 예시한다.
도 23은 일 실시예에 따른 볼로미터(bolometer)를 예시한다.
실시예에 대한 이하의 설명에서, 본 출원의 일부를 형성하고 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로 도시한 첨부 도면에 대한 참조가 이루어진다. 다른 실시예가 사용될 수 있고 개시된 실시예의 범위를 벗어나지 않고 구조적 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 개시의 예는 여기서 식별된 단점을 극복하는 MEMS 센서 판독 회로 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 센서 판독 회로는 기준 센서, 활성 센서, 전류 소스, 전압 드라이버 및 판독 소자를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 기준 센서에 전류를 제공하는 단계, 활성 센서에 전기적으로 결합된 공통 모드 추적 바이어스 전압을 생성하는 단계, 판독 소자에서 전류 변화를 측정하는 단계를 포함한다.
예시적인 장점으로서, 개시된 회로 및 방법은 추가 회로부의 비용 및 복잡성 없이 공통 모드 효과를 감소시킨다. 본 출원에 제시된 회로는 센서 어레이의 공통 모드 변화를 효율적이고 콤팩트하게 추적할 수 있다. 따라서, 측정된 열 이미지 신호의 정확도가 개선될 수 있으며 후속 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 입력 범위 요건은 보상을 위한 추가 컴포넌트 없이 감소될 수 있다. 바이어스 전압으로 공통 모드 변경을 추적하면 컬럼 전압이 공칭으로 고정 전압에 있고 컬럼 기생 소자의 영향을받지 않기 때문에 속도 및 정확도가 개선될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로(100)를 예시한다. 센서 판독 회로(100)는 판독 소자(102), 제 1 전류 소스(104), 제 2 전류 소스(106), 전압 드라이버(108), 기준 센서(110) 및 활성 센서(112)를 포함한다. 일부 실시예는 판독 회로(100)를 제조하는 방법을 포함한다.
판독 소자는 입력(103)을 포함한다. 전압 드라이버는 출력(109)을 포함한다. 기준 센서(110)는 제 1 단자(110a) 및 제 2 단자(110b)를 포함하고; 제 1 단자(110a)는 제 1 전류 소스(104)에 전기적으로 결합되고 제 2 단자(110b)는 전압 드라이버(108)의 출력(109)에 전기적으로 결합된다. 활성 센서(112)는 제 1 단자(112a) 및 제 2 단자(112b)를 포함하고; 제 1 단자(112a)는 제 2 전류 소스(106) 및 판독 소자(102)의 입력(103)에 전기적으로 결합되고; 제 2 단자(112b)는 전압 드라이버(108)의 출력(109)에 전기적으로 결합된다. 활성 센서(112)는 센서 이미지에 노출되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 전압 팔로워(미도시)는 출력(109)과 제 2 단자(112b) 사이에 전기적으로 결합될 수 있다. 전압 팔로워는 용량성 부하의 영향으로부터 출력(109)에서 전압을 유리하게 버퍼링할 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이 간략화된 토폴로지는 바이어스 전압을 제공하는 하나의 전압 드라이버를 필요로 한다. 원하지 않는 공통 모드 효과를 줄이기 위해 회로를 추가하지 않고도, 토폴로지는 복잡도, 크기 및 비용을 증가시키지 않고 더 많은 기생 및 알려지지 않은 항목을 도입하지 않고 더 많은 전력을 소비하지 않으며 노이즈를 유발하는 컴포넌트를 추가하지 않고도 원하지 않는 공통 효과를 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 센서(110)는 센서 이미지로부터 차폐된다. 기준 센서(110)는 기준 센서 및 활성 센서에 공통인 주변 조건에 노출될 수 있다. 예를 들어 기준 센서는 주변 온도에 노출되지만 열 장면에는 노출되지 않는 기준 또는 블라인드 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 주변 온도와 열 장면 둘 모두에 노출되는 활성 볼로미터 픽셀이다. 일반적으로 센서는 2 개의 단자를 포함하며 센서 이미지에 따라 2 단자 사이에 가변 임피던스 값을 가질 수 있다. 본 개시에서 센서를 나타내기 위해 저항기 및 가변 저항기 심볼이 사용되지만, 센서 특성 및 컴포넌트는 2 단자 사이의 저항성 소자로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
용어 "볼로미터"가 개시된 센서를 예시하기 위해 사용되지만, 용어 "볼로미터"는 단일 픽셀 또는 단일 디바이스로 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 볼로미터는 노출된 방사선에 반응하여 출력 특성을 변경하도록 구성된 임의의 소자일 수 있다. 일부 예에서, 볼로미터는 하나 이상의 픽셀일 수 있다. 다른 예에서 볼로미터는 하나 이상의 디바이스일 수 있다. 용어 "볼로미터 픽셀"이 개시된 센서를 예시하기 위해 사용되지만, 개시된 센서는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 하나 이상의 볼로미터 픽셀을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
일부 실시예에서, 기준 센서(110)는 주변 조건 및 자체 발열 둘 모두를 추적하는 출력(109)에서 조정 가능한 바이어스 전압을 생성한다. 이러한 예에서, 판독 회로는 다른 판독 회로의 정전압 모드와 비교하여 정전류 모드에서 작동한다. 즉, 제 1 전류 소스(104)에 의해 제공되는 제 1 전류는 일정하다. 제 1 전류 소스와 기준 센서 사이에 다른 분기가 연결되어 있지 않기 때문에 기준 센서를 통과하는 전류도 제 1 전류 값에서 일정하다.
기준 센서는 주변 조건에 노출되기 때문에 노출된 주변 조건을 반영하는 값에 따라 기준 센서의 임피던스가 안정화된다. 센서의 임피던스는 실질적으로 안정된 상태로 고정되어 있지만, 기준 센서의 임피던스는 주변 조건에 따라 달라질 수 있음을 알 수 있다. 제 1 전류 및 기준 센서 임피던스로 인해 제 1 단자(110a)와 제 2 단자(110b) 사이에 전압 강하가 발생한다. 전압 강하로 인해, 제 2 단자(110b)의 전압은 제 1 단자(110a)의 전압과 두 단자의 전압 강하 사이의 차이에 의해 생성된다.
제 2 단자(110b)의 전압은 출력(109)에서 전압 드라이버(108)에 의해 드라이빙된다. 일 실시예에서, 전압 드라이버(108)는 실질적으로 이상적인 전압 소스로서 작용할 수 있다. 즉, 전압 드라이버(108)는 제 2 단자(110b)에서 생성된 전압을 유지하기 위해 출력(109)에서 필요한 전류를 제공(또는 흡수) 할 수 있다.
전압 드라이버(108)를 나타내는 심볼은 예시적인 목적으로만 사용된다. 제 2 단자(110b)에서 전압을 드라이빙하기 위해 상이한 방법 및 회로가 이용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 예시적인 전압 드라이버(108)의 입력이 플로팅으로 도시되어 있지만, 입력은 단지 대표적이며 출력 전압을 유지하기 위해 판독 회로의 적절한 소자에 연결될 수 있다는 것이 이해된다.
제 2 단자(110b)의 전압은 기준 센서(110)에 의해 관측되는 자체 발열 및 주변 조건과 같은 공통 모드 효과를 반영하기 때문에 중요하다. 활성 센서(112)의 제 2 단자(112b)를 드라이빙시키고 이 전압에서 바이어스함으로써, 바이어싱 전압이 공통 모드 조건을 반영하기 때문에 공통 모드 효과(이는 후속 단계의 동적 범위를 불리하게 감소시킬 수 있음)가 효과적으로 보상되었다.
일부 실시예에서, 센서 판독 회로(100)는 대칭적으로 구성된다. 즉, 활성 센서(112)는 기준 센서(110)와 실질적으로 동일하고, 제 2 전류 소스(106)는 제 1 전류 소스(104)과 실질적으로 동일한 전류를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전류 소스에 의해 제공된 전류는 기준 전위(120)를 향해 흐를 수 있다. 일부 실시예에서, 기준 전위(120)는 기준 전압에 있다. 다른 실시예에서, 기준 전위(120)는 접지이다.
일부 예에서, 판독 소자(102)의 입력(103)은 전하 증폭기의 입력과 같은 낮은 입력 저항을 가질 수 있다. 이러한 예에서 기준 및 활성 센서가 실질적으로 동일한 조건에 노출되고 제 1 및 제 2 전류 소스가 실질적으로 동일한 전류를 제공하는 경우, 활성 센서(112)를 통과하는 전류는 제 2 전류 소스(106)에 의해 제공되는 전류와 동일하기 때문에 어떠한 전류도 입력(103)에 들어오거나 나가지 않을 것이다. 이 조건의 예는 노출된 센서 이미지가 주변 조건 자체인 경우이다.
반대로, 기준 센서와 활성 센서가 다른 조건에 노출되면 (즉, 노출된 센서 이미지가 주변 조건과 다름), 활성 센서(112)의 임피던스가 기준 센서(110)의 임피던스와 다르기 때문에 전류가 입력(103)에 들어가거나 나갈 것이고, 제공된 전류의 값은 노출 후에도 동일하게 유지된다. 입력(103)에 들어가거나 나가는 전류 또는 총 전하는 캡처되고 판독 소자(102)에서 측정된다.
자체 발열 및 주변 조건과 같은 공통 모드 효과는 바이어스 전압에 의해 보상되었으므로 측정된 전류 또는 전하는 이러한 공통 모드 컴포넌트와 무관하다. 결과적으로 후속 단계의 동적 범위가 축소될 수 있다.
측정된 전류 또는 전하는 원하지 않는 공통 모드 컴포넌트와 무관하므로, 이러한 공통 모드 컴포넌트는 측정의 일부가 아니다. 예시적인 장점으로서, 개시된 회로 및 방법은 추가 회로부의 비용 및 복잡성 없이 공통 모드 효과를 제거한다. 본 출원에 제시된 회로는 센서 어레이의 공통 모드 변화를 효율적이고 콤팩트하게 추적한다. 따라서, 측정된 열 이미지 신호의 정확도가 개선될 수 있으며 후속 ADC의 입력 범위 요건은 보상을 위한 추가 컴포넌트 없이 감소될 수 있다.
추가로, 개시된 판독 회로 및 방법은 회로 소자의 더 큰 변형을 허용할 수 있다. 예를 들어, 공통 모드 효과가 제거되었기 때문에 트랜지스터와 저항성 컴포넌트의 열 의존성을 무시될 수 있다.
이 메커니즘을 이용하여 활성 센서의 어레이가 측정될 수 있다. 캡처되거나 측정된 전류 또는 전하를 기반으로 센서 이미지가 계산될 수 있다. 측정 및 계산을 수행하는 예시적인 방법 및 회로는 본 개시에서 나중에 논의된다.
일 실시예에서, 활성 센서는 열 장면에 노출된 활성 볼로미터 픽셀이고, 기준 센서는 열 장면이 아닌 주변 온도에 노출된 블라인드 또는 기준 볼로미터 픽셀이다. 일부 실시예에서, 활성 볼로미터 픽셀은 LWIR 방사선에 노출된다. 기준 볼로미터 픽셀은 공통 모드 효과를 보상하는 바이어스 전압을 결정한다. 열 장면의 변화에 응답하여 활성 볼로미터 픽셀의 임피던스가 변경될 수 있으며 결과적인 전류 변화를 측정하거나 캡처하여 열 장면과 관련된 열 이미지를 결정한다. 측정된 전류는 공통 모드 효과에 대해 보상된다.
일부 실시예에서, 전류 소스(104 및 106)에 의해 제공되는 제 1 전류 및 제 2 전류는 일정하다. 예를 들어, 전류 소스는 무열(athermal)이다. 전류 값은 온도에 거의 영향을 받지 않는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전류 소스는 실질적으로 이상적인 전류 소스처럼 작동할 수 있다. 예를 들어, 전류 소스가 제공하는 전류 값은 해당 전류 소스의 출력 전압에 관계없이 고정된다. 본 출원에서 사용되는 "정전류(constant current)"는 다른 파라미터 (예를 들어, 온도, 전류 소스의 출력 전압, 드라이빙 부하, 드라이빙 속도)와 무관한 전류를 의미한다. 당업자는 "정전류"가 항상 동일한 값을 요구하지 않음을 이해할 것이다. 예를 들어, 전류는 판독 시간 동안 제 1 고정 값을 가질 수 있고 판독이 아닌 기간 동안 제 2 고정 값을 가질 수 있다(예를 들어, 캘리브레이션, 절전, 저전력, 전원 끄기). 다른 예에서, 전류는 제 1 판독 시간 동안 제 3 고정 값을 가질 수 있고, 제 2 판독 시간 동안 제 4 고정 값을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 버퍼는 기준 센서와 제 1 전류 소스 사이에 결합되고, 제 2 전류 버퍼는 활성 센서와 판독 소자의 입력 사이에 결합된다. 일부 실시예에서, 전류 버퍼는 기준 및 활성 센서에 의해 생성된 신호로부터 입력 노드에서 원하지 않는 효과(예를 들어, 판독 소자의 입력, 전압 드라이버의 입력)를 차폐한다. 예를 들어, 원하지 않는 전류가 입력 노드에 주입되고 이러한 노드에서 전압을 변조할 수 있다. 전류 버퍼는 신호 전류가 원하지 않는 주입 전류의 영향을 받는 것을 방지한다.
본 개시에서 전류 소스를 예시하기 위해 전류 소스 심볼이 사용되지만, 전류 소스는 정전류 및/또는 무열 전류를 제공할 수 있는 임의의 하나 이상의 회로 소자일 수 있음이 이해된다. 일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 무열(athermal) 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨(Wilson) 전류 미러 중 하나 이상이다.
예시적인 이점으로서, 판독 회로의 전류를 제공하기 위해 일정한 무열 전류 소스를 사용할 수 있기 때문에, 전류 소스의 출력 임피던스가 센서에 비해 높을 수 있다. 따라서, 더 많은 신호 전류가 기준 및 활성 센서에 의해 형성된 저항 분배기로 분할되는 대신 판독 소자에 들어가기 때문에 회로의 효율이 증가한다.
일부 실시예에서, 판독 회로는 캘리브레이션 회로에 전기적으로 결합된다. 캘리브레이션 회로는 하나 이상의 캘리브레이션 전류 소스, 하나 이상의 제 4 기준 센서 및 캘리브레이션 판독 소자를 포함한다. 하나 이상의 캘리브레이션 전류 소스는 하나 이상의 캘리브레이션 전류를 활성 및 기준 센서의 전기적으로 결합된 컬럼과 캘리브레이션 판독 소자에 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 전류 소스는 고정 전류 소스이다. 하나 이상의 제 4 기준 센서는 바이어스 전압 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 소자는 캘리브레이션 ADC이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 제 4 기준 각각은 판독 회로의 기준 센서보다 물리적으로 크고 판독 회로의 기준 센서와 동일한 임피던스를 갖는다. 물리적으로 더 큰 제 4 기준 센서는 판독 회로의 기준 센서보다 노이즈가 적다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 ADC이고; ADC는 활성 또는 기준 센서 컬럼(column)과 관련된다. 이득 불일치, 노이즈 및/또는 ADC의 오프셋과 같은 비 이상성은 캘리브레이션 모드에서 캘리브레이션된다. 일부 예에서, 비 이상성은 원하지 않는 고정 패턴을 유발하여 센서 이미지를 왜곡시킨다. 캘리브레이션 모드에서 각각의 행을 판독하는 동안 전압 드라이버 및 판독 소자 입력의 일부 또는 전체가 판독 회로의 기준 및 활성 센서로부터 개별적으로 전기적으로 결합 해제된다. 하나 이상의 캘리브레이션 전류가 판독 회로 및 캘리브레이션 판독 소자의 기준 및 활성 센서로부터 전기적으로 결합 해제된 판독 소자 입력 및 전압 드라이버에 전기적으로 결합된다. 각각의 행을 판독하는 동안, 캘리브레이션 판독 소자의 측정된 값은 하나 이상의 캘리브레이션 전류에 전기적으로 결합된 판독 소자 입력의 하나 이상의 측정된 값으로부터 차감될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 캘리브레이션 전류는 각각의 행 판독 기간 동안 하나 이상의 상이한 판독 소자 입력에 전기적으로 결합된다.
본 개시에서 판독 회로의 두 소자 사이의 전기적 연결을 설명하기 위해 "전기적으로 결합된(electrically coupled)" 및 "결합된(coupled)"이 사용되었지만, 전기적 연결이 반드시 함께 결합된 컴포넌트의 단자 사이의 직접 연결을 필요로 하는 것은 아니라는 것이 이해된다. 언급된 컴포넌트의 상이한 조합 및 연결은 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 정전류 및 조정 가능한 바이어스 전압 판독 회로를 달성할 수 있다. 예를 들어, 전기 라우팅은 함께 전기적으로 결합되는 컴포넌트의 단자 사이를 연결한다. 다른 예에서, 닫힌 (전도) 스위치는 함께 결합되는 컴포넌트의 단자 사이에 연결된다. 또 다른 예에서, 추가 소자는 회로의 정전류 특성에 영향을 주지 않고 함께 결합되는 컴포넌트의 단자 사이에 연결된다. 예를 들어, 버퍼, 증폭기 및 수동 회로 소자는 판독 회로의 특성에 영향을 주지 않고 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 추가될 수 있다.
일부 실시예에서, 2 개의 전기적으로 결합된 컴포넌트가 토폴로지적으로 결합될 수 있다. 본 출원에서 사용된, 2 개의 컴포넌트는 토폴로지 내에서 또는 토폴로지의 동일한 부분 내에서 서로에 대한 전기적 영향을 제공하는 경우 "토폴로지적으로 결합(topologically coupled)" 된다. 예를 들어, 개시된 판독 회로의 기준 센서 및 제 1 전류 소스는 판독 회로의 동일한 기준 분기 상에 전기적으로 결합된다.
유사하게, 본 개시에서 판독 회로의 두 소자 사이의 전기적 연결 해제(disconnect)를 설명하기 위해 "전기적으로 결합 해제된(electrically uncoupled)"이 사용되었지만, 전기적 연결 해제가 스위칭되는 컴포넌트의 단자 사이에서 반드시 물리적으로 개방될 필요는 없다는 것이 이해된다. "결합 해제된"은 두 소자 사이의 전기 에너지 전달을 방지하는 것을 의미하는 것으로 제한되지 않는다는 것도 이해된다. 예를 들어, 고 임피던스 소자는 결합 해제되는 컴포넌트의 단자 사이에 연결된다. 또 다른 예에서, 개방된 (비전도) 스위치는 결합 해제되는 컴포넌트의 단자 사이에 연결되어 컴포넌트를 효율적으로 결합 해제한다.
도면에 사용된 화살표는 설명을 위한 것이다. 전류 흐름의 방향은 도면에 표시된 방향으로 제한되지 않음을 이해한다. 설명을 위해 "들어가는 것(incoming)" 및 "나가는 것(exiting)"와 같은 용어는 전류 흐름을 설명하는 데 사용된다. 당업자는 전류 흐름의 방향 또는 전압의 극성이 설명되거나 예시된 방향 또는 극성에 제한되지 않음을 인식할 것이다. 일부 실시예에서, 전압 극성은 전류 방향 및 전류가 통과하는 컴포넌트의 유효 임피던스에 의해 결정된다. 다른 실시예에서, 전류 방향은 전압 극성 및 전류가 통과하는 컴포넌트의 유효 임피던스에 의해 결정된다. 또 다른 실시예에서, 전류 방향은 전류 소스에 의해 결정되고 전압 극성은 전압 소스에 의해 결정된다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 판독 방법(200)을 예시한다. 방법(200)은 기준 센서의 제 1 단자에 제 1 전류를 제공하는 단계(단계 202)를 포함한다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 제 1 전류 소스(104)는 기준 센서(110)의 제 1 단자(110a)에 제 1 전류를 제공할 수 있다.
방법(200)은 기준 센서의 제 2 단자에서 전압을 제 1 전류로부터 생성하는 단계(단계 204)를 포함한다. 예를 들어, 기준 센서의 임피던스 및 제 1 전류로 인해, 기준 센서(110)를 가로 질러 전압 강하 및 제 2 단자(110b)에서 전압이 생성된다.
방법(200)은 활성 센서의 제 1 단자에 제 2 전류를 제공하는 단계를 포함한다(단계 206). 예를 들어, 제 2 전류 소스(106)는 활성 센서(112)의 제 1 단자(112a)에 제 2 전류를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 및 제 2 전류는 일정하다. 일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 전류 소스(104) 및 제 2 전류 소스(106)에 의해 제공되는 전류는 기준 전위(120)를 향해 흐를 수 있다. 일부 실시예에서, 기준 전위(120)는 전압 소스에 의해 드라이빙되는 기준 전압이다. 다른 실시예에서, 기준 전위(120)는 접지이다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 무열 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨 전류 미러의 그룹으로부터 선택된다.
방법(200)은 전압에서 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계를 포함한다(단계 208). 예를 들어, 기준 센서(110)의 제 2 단자(110b)는 활성 센서(112)의 제 2 단자(112b)에 전기적으로 결합되고, 이 노드의 전압은 출력(109)에서 전압 드라이버(108)에 의해 드라이빙된다. 일부 실시예에서, 전압은 활성 센서에 대한 바이어스 전압이다. 예를 들어, 앞에서 설명한 것처럼 바이어스 전압은 공통 모드 효과를 반영한다. 전압에서 활성 센서를 바이어스함으로써 이러한 공통 모드 효과가 보상될 수 있다.
일부 실시예에서, 전압 팔로워는 출력(109)과 제 2 단자(112b) 사이에 전기적으로 결합될 수 있다. 전압 팔로워는 용량성 부하의 영향으로부터 출력(109)에서 전압을 유리하게 버퍼링할 수 있다.
방법(200)은 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계를 포함한다(단계 210). 예를 들어, 활성 센서(112)는 센서 이미지에 노출된다. 일부 실시예에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 상기 활성 센서의 임피던스를 변경하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다. 활성 볼로미터 픽셀은 열 장면에 노출된다. 활성 볼로미터 픽셀의 임피던스는 열 장면에 대한 노출에 응답하여 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 활성 센서를 LWIR 방사선에 노출시키는 단계를 포함한다.
방법(200)은 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 제 3 전류를 측정하는 단계를 포함한다(단계 212). 예를 들어, 판독 소자(102)의 입력(103)에 들어가거나 나가는 전류가 측정된다.
일부 실시예에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 제 3 전류를 변경하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다. 활성 볼로미터 픽셀은 열 장면에 노출된다. 열 장면에 대한 노출에 응답하여, 판독 소자(102)의 입력(103)에 들어가거나 나가는 전류가 변경될 수 있다.
일부 실시예에서, 방법(200)은 기준 센서 및 활성 센서에 공통인 주변 조건에 기준 센서를 노출시키는 단계; 및 센서 이미지로부터 기준 센서를 차폐시키는 단계를 포함한다. 일 예에서, 센서는 볼로미터 픽셀이며 공통 조건은 자체 발열 및 주변 온도이다. 기준 볼로미터 픽셀은 공통 조건에 노출되지만 열 장면으로부터 차폐된다.
방법(200)의 일부 실시예에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다. 일 실시예에서, 활성 센서는 열 장면에 노출된 활성 볼로미터 픽셀이고, 기준 센서는 열 장면이 아닌 주변 온도에 노출된 블라인드 또는 기준 볼로미터 픽셀이다. 기준 볼로미터 픽셀은 공통 모드 효과를 보상하는 바이어스 전압을 결정할 수 있다. 열 장면의 변화에 응답하여 활성 볼로미터 픽셀의 임피던스가 변경될 수 있으며 결과적인 전류 변화를 측정하거나 캡처하여 열 장면과 관련된 열 이미지를 결정한다. 측정된 전류는 공통 모드 효과에 대해 보상된다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 버퍼는 기준 센서와 제 1 전류 소스 사이에 결합되고, 제 2 전류 버퍼는 활성 센서와 판독 소자의 입력 사이에 결합된다. 일부 실시예에서, 전류 버퍼는 기준 및 활성 센서에 의해 생성된 신호로부터 입력 노드에서 원하지 않는 효과(예를 들어, 판독 소자의 입력, 전압 드라이버의 입력)를 차폐한다. 예를 들어, 원하지 않는 전류가 입력 노드에 주입되고 이러한 노드에서 전압을 변조할 수 있다. 전류 버퍼는 신호 전류가 원하지 않는 주입 전류의 영향을 받는 것을 방지한다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다. 판독 회로(300)는 도 1에 설명된 것과 실질적으로 유사한 컴포넌트를 포함한다. 도 3의 유사한 컴포넌트는 도 1의 대응하는 컴포넌트(예를 들어, 판독 소자(102) 및 판독 소자(302))와 유사한 번호가 주어진다. 간결함을 위해, 유사한 컴포넌트는 도 3과 관련하여 다시 설명하지 않는다. 일부 실시예는 판독 회로(300)를 제조하는 방법을 포함한다.
회로(300)는 제 2 기준 센서(320), 제 2 활성 센서(322), 제 1 스위치(330), 제 2 스위치(332), 제 3 스위치(334), 제 4 스위치(336) 및 전압 팔로워(318)를 더 포함한다. 제 2 기준 센서(320)는 제 1 단자(320a) 및 제 2 단자(320b)를 포함하고; 제 1 단자(320a)는 제 1 전류 소스(304)에 전기적으로 결합되고 제 2 단자(320b)는 전압 드라이버(308)의 출력(309)에 전기적으로 결합된다. 제 2 활성 센서(322)는 제 1 단자(322a) 및 제 2 단자(322b)를 포함하고; 제 1 단자(322a)는 제 2 전류를 출력하는 제 2 전류 소스(306)에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자(322b)는 전압 팔로워(318)에 전기적으로 결합된다. 제 2 활성 센서(322)는 전류를 제 1 단자(322)로부터 판독 소자(302)의 입력(303)으로 변경하도록 구성된다.
전압 팔로워(318)는 활성 센서(312)의 출력(309)과 제 2 단자(312b) 사이에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 전압 팔로워(318)는 전압 버퍼로 작용한다. 전압 팔로워(318)는 전압 드라이버(308)의 출력 부하를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 활성 컬럼은 하나 이상의 활성 센서를 포함한다(이 구성은 아래에서 논의됨). 일부 실시예에서, 바이어스 전압은 하나 이상의 활성 컬럼에 드라이빙된다. 활성 바이어스 전압 노드에서의 부하(예를 들어, 용량성 부하)는 컬럼의 크기 및/또는 드라이빙되는 컬럼의 수가 증가함에 따라 증가한다. 전압 팔로워(318)는 전압 드라이버(308)의 크기 및 바람직한 활성 바이어스 전압 응답을 유지할 수 있다.
전압 팔로워(318)가 전압 드라이버(308)와 활성 센서(312) 사이에 전기적으로 결합된 것으로 도시되어 있지만, 판독 회로(300)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 어떠한 전압 팔로워(예를 들어, 전압 드라이버(308)는 활성 바이어스 전압을 제공하는 제 2 단자(310b 및 312b) 둘 모두에 전기적으로 결합됨)를 포함하지 않거나 또는 하나 이상의 전압 팔로워(예를 들어, 멀티 스테이지 전압 버퍼, 병렬 전압 팔로워)를 포함할 수 있음을 이해한다.
전압 팔로워(318)를 나타내는 심볼은 예시적인 목적으로만 사용된다. 제 2 단자(312b)에서 전압을 드라이빙하기 위해 상이한 방법 및 회로가 이용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.
제 1 스위치(330)는 기준 센서(310)를 제 1 전류 소스(304)에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 2 스위치(332)는 활성 센서(312)를 제 2 전류 소스(306)에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 3 스위치(334)는 제 2 기준 센서(320)를 제 1 전류 소스(304)에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 4 스위치는 제 2 활성 센서(322)를 제 2 전류 소스(306)에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 스위치는 회로 소자를 선택적으로 전기적으로 결합할 수 있는 임의의 적합한 컴포넌트일 수 있다. 예를 들어, 스위치는 트랜지스터이다. 스위치는 판독 방식에 따라 적절한 스위치를 닫는 컨트롤러에 전기적으로 결합될 수 있다.
회로(300)는 2 개 이상의 행을 포함하는 센서 어레이의 판독 동작을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 기준 센서(310) 및 활성 센서(312)는 센서 어레이의 제 1 행과 관련되고, 제 2 기준 센서(320) 및 제 2 활성 센서(322)는 센서 어레이의 제 2 행과 관련된다. 어레이를 판독하는 동안 제 1 행이 판독을 위해 선택된다. 판독을 위해 제 1 행이 선택될 때, 제 1 스위치(330) 및 제 2 스위치(332)가 닫혀지고 (전도), 기준 센서(310)를 제 1 전류 소스(304)에 결합하고 활성 센서(312)를 제 2 전류 소스(306)에 개별적으로 결합한다. 이 시간 동안, 제 3 스위치(334) 및 제 4 스위치(336)는 개방 (비전도)되어, 제 2 기준 및 활성 센서가 개개의 전류 소스로부터 전기적으로 결합 해제된 상태를 유지한다.
제 1 행이 판독을 위해 제 2 행으로 천이되면, 제 1 스위치(330)와 제 2 스위치(332)는 개방 (비전도)되고, 제 1 전류 소스(304)에 대한 기준 센서(310)를, 제 2 전류 소스(306)에 대한 활성 센서(312)를 개별적으로 전기적으로 결합 해제한다. 이 시간 동안, 제 3 스위치(334) 및 제 4 스위치(336)는 닫혀지고 (전도), 제 2 기준 센서(320)를 제 1 전류 소스(304)에, 제 2 활성 센서(322)를 제 2 전류 소스(306)에 개별적으로 전기적으로 결합한다.
본 개시에 설명된 메커니즘은 전류가 판독 소자(302)의 입력(303)에 들어가거나 나가도록 할 수 있다. 따라서 현재 선택된 활성 센서의 판독 데이터가 후속 처리될 수 있다. 이 프로세스는 전체 센서 어레이가 스캔될 때까지 또는 의도한 행이 스캔될 때까지 후속 행에 대해 반복될 수 있다.
활성 센서 컬럼에 대한 행간 판독 동작이 설명되었지만, 동작이 하나의 컬럼에 제한되지 않음을 이해한다. 동작은 하나 이상의 기준 센서 컬럼을 사용하여 활성 센서의 하나 이상의 컬럼에 대해 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다.
스위치가 도시된 바와 같이 구성되지만, 스위치는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 방식으로 적절하게 연결될 수 있다는 것도 이해된다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 추가 스위치는 제 2 단자와 전압 팔로워 또는 바이어스 전압 노드 사이에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 전압 팔로워는 제 2 단자와 전압 드라이버 사이에 전기적으로 결합된 추가 스위치로 보충되거나 대체될 수 있다. 추가 스위치가 제 2 단자와 전압 드라이버 사이에 결합될 때, 하나 이상의 활성 센서의 제 2 단자는 회로에서 동일한 노드가 아니다 (전압 팔로워 유무에 관계없이). 이들 실시예에서, 선택된 행의 각각의 추가 스위치는 닫혀지는 (전도) 반면, 선택되지 않은 행의 다른 추가 스위치는 개방 (비전도)된다. 이러한 실시예에서, 선택되지 않은 활성 센서의 제 2 단자의 부하가 효과적으로 제거되기 때문에 선택된 활성 센서의 제 2 단자에서의 부하는 감소된다. 이러한 실시예는 다수의 컬럼으로부터 선택된 활성 센서가 동시에 드라이빙되고 다수의 컬럼으로부터 선택된 활성 센서의 제 2 단자에서의 부하가 회로 응답에 영향을 미치는 경우에 특히 유용하다.
일부 실시예에서, 전압 드라이버(308)는 연산 증폭기이다. 연산 증폭기(308)의 출력(309)은 기준 센서의 제 2 단자에 전기적으로 결합된다. 연산 증폭기의 음의 입력은 기준 센서의 제 1 단자에 전기적으로 결합될 수 있다.
선택된 기준 센서와 연산 증폭기는 반전 증폭기를 형성할 수 있다. 증폭기는 기준 센서의 제 2 단자에 바이어스 전압을 출력할 수 있다. 출력 바이어스 전압은 본 개시의 다른 곳에서 설명된 바이어스 전압과 실질적으로 동일할 수 있다. 기준 센서의 제 1 단자는 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합된다. 제 1 전류 소스(304)가 제 1 단자에 제 1 전류를 제공하기 때문에, 음의 입력 및 출력을 가로질러 전압 강하가 생성되고, 전압 강하에 기초하여 증폭기에 의해 적절한 바이어스 전압이 드라이빙된다. 기준 전압은 연산 증폭기의 양극 단자에 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 기준 전압은 정전압 또는 접지 전압이다.
피드백 소자(338)는 기준 센서의 제 1 단자 및 제 2 단자에 전기적으로 결합된다. 즉, 피드백 소자는 연산 증폭기(308)에 대한 추가적인 음의 피드백 경로를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 피드백 소자는 커패시터이다. 다른 실시예에서, 피드백 소자는 기준 센서와 실질적으로 유사한 센서이다. 피드백 소자(338)는 행 천이 동안 전압 드라이버의 피드백 루프를 폐쇄 상태로 유지할 수 있으므로, 전압 드라이버(308)가 개방 루프 상황에서 레일링(railing) 또는 포화(saturating)되는 것을 방지할 수 있다. 출력(309)의 전압이 다음 행의 판독이 시작될 때 원하는 전압이 되도록 적절하게 커패시터는 크기가 조정될 수 있다. 당업자는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 적절한 피드백 소자가 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 버퍼는 기준 센서와 제 1 전류 소스 사이에 결합되고, 제 2 전류 버퍼는 활성 센서와 판독 소자의 입력 사이에 결합된다. 일부 실시예에서, 전류 버퍼는 기준 및 활성 센서에 의해 생성된 신호로부터 입력 노드에서 원하지 않는 효과 (예를 들어, 판독 소자의 입력, 전압 드라이버(308)의 음극 단자)를 차폐한다. 예를 들어, 원하지 않는 전류가 입력 노드에 주입되고 이러한 노드에서 전압을 변조할 수 있다. 전류 버퍼는 신호 전류가 원하지 않는 주입 전류의 영향을 받는 것을 방지한다.
도 4는 일 실시예에 따른 센서 판독 방법(400)을 예시한다. 일부 실시예에서, 방법(400)은 방법(200)과 함께 사용된다. 일부 실시예에서, 방법(400)은 본 개시에서 설명된 판독 회로를 사용하여 수행된다. 방법(400)은 제 2 기준 센서의 제 1 단자에 제 4 전류를 제공하는 단계(단계 402)를 포함한다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 제 1 전류 소스(304)는 제 2 기준 센서(320)의 제 1 단자(320a)에 제 4 전류를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 전류 및 제 4 전류는 동일한 크기를 갖는다.
방법(400)은 제 1 전류를 제공하는 제 1 전류 소스를 기준 센서로부터 전기적으로 결합 해제하는 단계; 및 제 2 기준 센서에 제 4 전류를 제공하는 제 1 전류 소스를 결합하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 제 1 스위치(330)는 개방될 수 있고 (비전도), 제 1 전류 소스(304)에 대한 기준 센서(310)를 전기적으로 결합 해제한다. 제 2 스위치(332)가 닫혀져(전도) 제 2 기준 센서(320)를 제 1 전류 소스(304)에 결합할 수 있다.
방법(400)은 제 4 전류로부터 제 2 기준 센서의 제 2 단자에서 제 2 전압을 생성하는 단계(단계 404)를 포함한다. 예를 들어, 제 4 전류 및 제 2 기준 센서(320)의 임피던스로 인해 기준 센서(320)를 가로질러 전압 강하 및 제 2 단자(320b)의 전압이 생성된다.
방법(400)은 제 2 활성 센서의 제 1 단자에 제 5 전류를 제공하는 단계를 포함한다(단계 406). 예를 들어, 제 2 전류 소스(306)는 제 2 활성 센서(322)의 제 1 단자(322a)에 제 5 전류를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 전류 및 제 5 전류는 동일한 값을 가질 수 있다.
방법(400)은 활성 센서로부터 제 2 전류를 제공하는 제 2 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 및 제 2 활성 센서에 제 5 전류를 제공하는 제 2 전류 소스를 결합하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 제 3 스위치(334)는 개방될 수 있고 (비전도), 제 2 전류 소스(306)에 대한 활성 센서(312)를 전기적으로 결합 해제한다. 제 4 스위치(336)는 닫혀져(전도) 제 2 활성 센서(322)를 제 2 전류 소스(306)에 결합할 수 있다.
일부 실시예에서, 제 4 전류 및 제 5 전류는 일정하다. 일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 전류 소스(304) 및 제 2 전류 소스(306)에 의해 제공되는 전류는 기준 전위(320)를 향해 흐를 수 있다. 일부 실시예에서, 기준 전위(320)는 전압 소스에 의해 드라이빙되는 기준 전압이다. 다른 실시예에서, 기준 전위(320)는 접지이다.
일부 실시예에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 무열 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨 전류 미러의 그룹으로부터 선택된다.
예시적인 이점으로서, 판독 회로의 전류를 제공하기 위해 일정한 무열 전류 소스를 사용할 수 있기 때문에, 전류 소스의 출력 임피던스가 센서에 비해 높을 수 있다. 따라서, 더 많은 신호 전류가 기준 및 활성 센서에 의해 형성된 저항 분배기로 분할되는 대신 판독 소자에 들어가기 때문에 회로의 효율이 증가한다.
방법(400)은 제 2 전압에서 제 2 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계를 포함한다(단계 408). 예를 들어, 제 2 기준 센서(320)의 제 2 단자(320b)는 활성 센서(322)의 제 2 단자(322b)에 전기적으로 결합되고, 이 노드의 제 2 전압은 출력(309)에서 전압 드라이버(308)에 의해 드라이빙된다. 일부 실시예에서, 제 2 전압은 제 2 활성 센서에 대한 바이어스 전압이다. 예를 들어, 앞에서 설명한 것처럼 바이어스 전압은 공통 모드 효과를 반영한다. 전압에서 제 2 활성 센서를 바이어스함으로써 이러한 공통 모드 효과가 보상될 수 있다.
일부 실시예에서, 제 2 전압은 연산 증폭기에 의해 드라이빙되고, 기준 센서의 제 1 단자는 연산 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 방법은 피드백 소자를 사용하여 기준 센서의 제 2 단자로부터 기준 센서의 제 1 단자로 피드백하는 단계를 더 포함한다.
일부 예들에서, 제 4 전류는 제 2 기준 센서를 가로질러 전압 강하를 야기한다; 제 2 전압은 제 2 기준 센서의 제 2 단자로 출력되는 증폭기를 이용하여 생성되고; 제 2 기준 센서의 제 1 단자는 증폭기의 음극 단자에 전기적으로 결합된다.
방법(400)은 제 2 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계를 포함한다(단계 410). 예를 들어, 제 2 활성 센서(322)는 센서 이미지에 노출된다. 일부 실시예에서, 제 2 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 제 2 활성 센서의 임피던스를 변경하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 제 2 활성 센서는 제 2 활성 볼로미터 픽셀이다. 제 2 활성 볼로미터 픽셀은 열 장면에 노출된다. 제 2 활성 볼로미터 픽셀의 임피던스는 열 장면에 대한 노출에 응답하여 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 제 2 활성 센서를 LWIR 방사선에 노출시키는 단계를 포함한다.
방법(400)은 제 2 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 제 6 전류를 측정하는 단계를 포함한다(단계 412). 예를 들어, 판독 소자(302)의 입력(303)에 들어가거나 나가는 전류가 측정된다. 일부 실시예에서, 제 6 전류는 본 개시에 설명된 메커니즘에 의해 발생한다.
따라서 현재 선택된 활성 센서의 판독 데이터가 후속 처리될 수 있다. 이 프로세스는 전체 센서 어레이가 스캔될 때까지 또는 의도한 센서가 스캔될 때까지 후속 행에 대해 반복될 수 있다.
활성 센서 컬럼에 대한 행간 판독 동작이 설명되었지만, 동작이 하나의 컬럼에 제한되지 않음을 이해한다. 동작은 하나 이상의 기준 센서 컬럼을 사용하여 활성 센서의 하나 이상의 컬럼에 대해 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다. 판독 회로(500)는 도 1 및 도 3에 설명된 것과 실질적으로 유사한 컴포넌트를 포함한다. 도 5의 유사한 컴포넌트는 도 1 및 3의 대응하는 컴포넌트와 유사한 번호가 부여된다. 간결함을 위해, 유사한 컴포넌트는 도 5과 관련하여 다시 설명하지 않는다. 일부 실시예에서, 회로(500)의 컴포넌트는 본 개시의 다른 곳에서 설명된 판독 회로와 함께 사용된다. 일부 실시예는 판독 회로(500)를 제조하는 방법을 포함한다.
회로(500)는 본 개시에서 설명된 판독 소자와 실질적으로 유사할 수 있는 판독 소자의 스테이지(530)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 판독 소자의 스테이지는 CTIA이다. 일부 실시예에서, 기준 센서와 활성 센서 분기 사이의 대칭 구성 때문에, 기준 센서(510)와 활성 센서(512)가 동일한 임피던스를 가질 때 입력(503)에서의 전압은 이상적으로 양극 단자(534)의 전압과 같을 수 있다(예를 들어, 센서가 주변 조건에만 둘 모두가 노출되는 경우). 일부 실시예에서, 양극 단자(534)의 전압은 기준 전압이다. 일부 실시예에서, 양극 단자(534)의 전압은 접지 전압이다.
제 1 전류 버퍼(550)는 기준 센서와 제 1 전류 소스(504) 사이에 결합된다. 제 2 전류 버퍼(552)는 활성 센서와 입력(503) 사이에 결합된다. 일부 실시예에서, 전류 버퍼는 기준 및 활성 센서에 의해 생성된 신호로부터 입력 노드(예를 들어, 입력(503), 전압 드라이버(508)의 음극 단자)에서 피드백의 효과를 차폐시킨다. 예를 들어, 원하지 않는 전류가 입력 노드에 주입되고 이러한 노드에서 전압을 변조할 수 있다. 전류 버퍼는 신호 전류가 원하지 않는 주입 전류의 영향을 받는 것을 방지한다.
기준 및 활성 분기에 대한 전류 버퍼가 각각 설명되어 있지만 판독 회로는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 어떠한 전류 버퍼도 포함하지 않을 수 있거나(예를 들어, 전류 소스가 기준 및 활성 센서에 전기적으로 결합됨) 또는 2 이상의 전류 버퍼(예를 들어, 병렬 전류 버퍼, 각각의 분기에 대한 전류 버퍼)를 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
전류 버퍼(550 및 552)를 나타내는 심볼은 설명 목적으로만 사용된다. 이 심볼은 전류 버퍼링이 드라이버 또는 증폭기만 사용하여 수행된다는 것을 의미하지 않는다. 센서와 전류 소스 사이의 전류를 버퍼링하기 위해 상이한 방법 및 회로가 이용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.
일부 실시예에서, CTIA의 출력에서의 전압은 센서의 판독 동안 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례한다. 예를 들어, CTIA 출력(536)의 전압은 V이고, CTIA 입력(503)의 전압은 Vn이고, CTIA 입력의 유효 커패시턴스는 Cp이고, CTIA의 개방 루프 이득은 A이고, CTIA의 피드백 커패시터는 CCTIA 값을 가질 수 있고, 기준 센서(510)의 임피던스는 Zref이고, 활성 센서(512)의 임피던스는 Zactive이고, 활성 센서(512)의 바이어스 전압(즉, 제 2 단자(512b)의 전압)은 Vbias이고, 제 1 전류 소스(504)는 I1의 전류를 제공할 수 있으며, 제 2 전류 소스(506)는 I2의 전류를 제공할 수 있으며, 기준 전위(520)에서의 전압은 Vref이다. 다음 방정식을 사용하여 V를 계산할 수 있다 :
상기 변수의 극성은 회로 파라미터를 풀기 위해서만 표시한 것이다. 회로의 전류는 임의의 방향이 될 수 있으며 회로의 전압은 임의의 극성이 될 수 있다.
위의 방정식을 조합하여 V가 분리될 수 있다 :
ξ 항은 이득 계수이다 :
CTIA는 효율적으로 이상적인 적분기가 될 수 있다. 즉, 개방 루프는 이득 계수의 다른 변수에 비해 상당히 클 수 있다. 이 경우, 변수 A는 효과적으로 무한대에 접근할 수 있다. 일부 예들에서, 개방 루프 이득 A는 20보다 크다. 이와 같이, 이득 계수는 근사될 수 있다 :
CTIA의 유효 통합 커패시턴스는 다음과 같다 :
CTIA의 유효 통합 저항은 다음과 같다 :
CTIA가 효율적으로 이상적인 적분기라고 가정한다 :
따라서, CTIA는 통합 시간을 갖는다 :
CTIA는 효율적으로 이상적인 적분기가 될 수 있으므로 V에 대해 다음과 같은 관계가 유도된다 :
기준 센서(510)와 활성 센서(512)는 구조가 동일하다. 즉, 2 센서는 동일한 조건에 노출될 때 동일한 임피던스를 가질 수 있다. 따라서 V는 추가로 단순화될 수 있다:
여기서 ΔZ는 기준 센서와 활성 센서 간의 임피던스 차이이다. I1 및 ξ 항은 판독 시간 동안 효과적으로 일정하므로, V는 다른 파라미터에 무관하게 ΔZ에 비례한다.
본 개시에 설명된 판독 회로를 사용하여, 센서 이미지는 다른 파라미터에 관계없이 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이만을 기반으로 계산될 수 있다. 측정에서 공통 모드 효과를 제거하는 것 외에도, 개시된 정전류 판독 회로 및 방법은 상기에서 도시된 훌륭한 결과를 또한 산출한다는 것에 유의한다.
상기 유도로부터, 개시된 회로 및 방법의 예시적인 장점은 판독 회로의 출력 전압이 기준 센서와 활성 센서의 임피던스 차이에 실질적으로 비례할 수 있다는 것을 알 수 있다. 정전류 모드에서 판독한 결과, 위의 유도에서 일부 근사 및 취소가 이루어질 수 있다; 센서 이미지는 비례 관계를 기반으로 간단히 계산될 수 있다. 일부 예에서 단순한 비례 관계는 센서 이미지를 더 쉽게 계산할 수 있도록 한다. 결과적으로 더 적은 처리가 요구된다. 다른 예에서 단순 비례 관계는 덜 변하고 알려지지 않은 엘리먼트(방정식 및 회로)를 포함한다. 결과적으로 센서 이미지가 더 정확해진다.
비례라는 용어는 출력 전압과 센서 임피던스 차이 사이의 관계를 설명하는 데 사용되지만, "비례(proportional)"라는 용어는 정확한 선형 관계로 제한되지 않음을 이해한다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않고, 용어 "비례"는 두 수량 사이의 대략적인 선형 관계를 설명하는데 사용될 수 있다. "비례"라는 용어는 스케일링 인자에 의해 다른 두 수량 간의 관계를 설명하는데도 사용될 수 있다.
상기의 근사는 위의 가정으로 이루어졌지만, 상기의 변수는 회로에서 가정이 충족될 때 근사값에 근접할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예상치 못한 결과없이 계산 목적으로 방정식에서 근사값을 대체할 수 있다.
회로(500)는 추가적인 부하를 가질 수 있다. 추가 부하는 스테이지(530)의 입력(532)에서 커패시터(540)에 의해 표현될 수 있다. 대표적인 커패시터(540)는 예시적인 것이며 접지에 전기적으로 결합된 실제 커패시터 또는 용량성 컴포넌트가 아니라는 것이 이해된다. 일부 실시예에서, 대표적인 커패시터(540)는 회로의 비 이상적 커패시턴스(예를 들어, 센서 부하 커패시턴스, 전류 소스 커패시턴스, 불일치, 배선 커패시턴스, 기생)를 나타내는 입력(503) 노드에서의 유효 커패시턴스이다.
원치 않는 추가 부하를 제거하기 위해, 판독 회로는 CDS 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, CDS 회로는 CTIA의 일부로서 포함된다. 추가 부하를 제거하려면 선택한 센서를 판독하기 전에 추가 부하로 인해 회로에 미치는 영향이 결정된다. 예를 들어, 유효 대표 추가 부하(예를 들어, 커패시턴스(540))에 의해 야기된 유효 전하가 샘플링된다. 추가 부하의 영향은 선택한 센서를 판독하기 전에 상쇄된다.
일부 실시예에서, 추가적인 비 이상성은 판독 회로의 소자(심볼로 표현되지 않음)에 의해 야기되는 전압 및 전류 비 이상성을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, CDS 회로는 회로에서 비 이상적인 커패시턴스의 효과뿐만 아니라 추가의 비 이상성을 제거한다.
센서 판독 방법은 판독 소자에 입력된 전류를 판독 소자의 판독 전압으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, CTIA는 전류를 판독 소자의 판독 전압으로 변환할 수 있다. 일부 실시예에서, CTIA의 출력에서의 전압은 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례한다.
판독 회로는 CDS 회로를 더 포함할 수 있다. CDS 회로는 판독 회로에서 오프셋을 제거할 수 있다. 일부 실시예에서, CDS 회로는 CTIA의 일부로서 포함된다.
일부 실시예에서, 방법은 판독 소자의 입력에 의해 생성된 오프셋을 결정하는 단계; 및 판독 소자의 입력에 대한 전류를 측정하기 전에 오프셋을 상쇄하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 회로는 추가적인 비 이상성 예컨대, 판독 회로의 소자(심볼로 표현되지 않음)에 의해 야기되는 전압 및 전류 비 이상성을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, CDS 회로는 회로의 오프셋뿐만 아니라 추가적인 비 이상성을 제거한다.
도 6은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로를 예시한다. 판독 회로(600)는 도 1, 3 및 5에서 설명된 것과 실질적으로 유사한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 간결함을 위해, 유사한 컴포넌트는 도 6과 관련하여 다시 설명하지 않는다. 일부 실시예에서, 회로(600)의 컴포넌트는 본 개시의 다른 곳에서 설명된 판독 회로와 함께 사용된다. 일부 실시예는 판독 회로(600)를 제조하는 방법을 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 회로(600)는 제 3 기준 센서(630) 및 제 3 전류 소스(608)를 포함한다. 제 3 기준 센서(630)는 전압 드라이버(미도시)에 전기적으로 결합된 제 1 단자(630a) 및 제 2 단자(630b)를 포함한다. 제 3 전류 소스(608)는 제 3 기준 센서(630)의 제 1 단자(630a)에 전기적으로 결합되고, 제 3 기준 센서(630)에 의해 생성된 자체 발열을 반영한 제 7 전류를 출력하도록 구성된다. 제 2 전류 소스(606)에 의해 제공되는 제 2 전류의 값은 제 7 전류에 따라 조정된다. 일 예에서, 제 2 전류 소스는 본 개시에서 설명된 제 2 전류와 실질적으로 유사하고, 제 3 기준 센서는 기준 또는 블라인드 볼로미터 픽셀이다.
일 실시예에서, 제 7 전류는 제어된 전류 소스에 의해 제공된다. 제어된 전류 소스는 제 3 기준 센서(630)의 제 1 단자(630a)에서의 전압을 추적하는 피드백 루프(616)를 사용하여 제어되고, 이에 따라 자체 발열된다. 현재 선택된 센서 행에 대해, 제 7 전류는 활성 센서에 의해 경험되는 자체 발열을 반영하는 제 3 기준 센서(630)의 추적된 자체 발열로 인해 변경될 수 있다. 제 1 단자(630a)의 전압은 음의 피드백 구성에서 피드백 루프(616)의 연산 증폭기에 의해 일정하게 홀딩된다. 연산 증폭기의 출력 전압은 자체 발열로 인한 전류 변화를 추적하기 위해 업데이트된다. 제 7 전류는 선택된 활성 센서의 자체 발열을 보상하기 위해 활성 센서(612)에 전기적으로 결합된 제 2 전류 소스(606)에 미러링된다.
음의 피드백 증폭기는 단지 예시적인 목적으로 도시되어있다. 다른 컴포넌트 및 방법은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 전류(606 및 608)를 추적하고 제어할 수 있음이 이해된다. 전압 드라이버가 바이어스 전압을 드라이빙하는 것이 도시되지 않았지만, 전압 드라이버는 본 개시에 설명된 바와 같이 바이어스 전압을 드라이빙하기 위해 기준 센서를 가로 질러 전기적으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다. 하나의 기준 컬럼과 하나의 활성 컬럼이 예시되어 있지만, 하나 이상의 기준 컬럼이 자체 발열을 추적할 수 있고 하나 이상의 활성 컬럼이 자체 발열에 대해 보상될 수 있음이 이해된다.
도 7은 일 실시예에 따른 전류 조정 방법(700)을 예시한다. 예를 들어, 활성 볼로미터 픽셀에 제공되는 전류는 블라인드 볼로미터 픽셀을 추적하여 자체 발열을 보상한다.
방법(700)은 : 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 제 7 전류를 제공하는 단계(단계 702), 제 7 전류는 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열을 반영하는, 상기 제 7 전류를 제공하는 단계; 및 제 7 전류에 따라 제 2 전류의 값을 조정하는 단계(단계 704)를 더 포함한다. 방법(700)은 판독 회로(600) 또는 다른 적절한 자체 발열 보상 컴포넌트를 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 제 7 전류는 제 3 전류 소스(608)에 의해 제공되고 피드백 루프(616)에 의해 추적된다. 추적된 전류는 활성 센서에 제공된 전류(예를 들어, 제 2 전류 소스(606)에 의해 제공된 전류)에 미러링된다.
대안적으로, 일 실시예에서, 기준 센서 양단의 전압은 일정하게 유지된다. 즉, 제 3 기준 센서(630)는 주변 조건에 노출되지 않으며 어떠한 전압 드라이버도 제 3 기준 센서(630)와 병렬로 전기적으로 결합되지 않는다. 이 실시예에서, 제 3 기준 센서는 바이어스 전압을 생성하지 않고 주변 변화를 추적하기 위해 평균 바이어스 전류를 조정한다. 그러나 픽셀 응답에서 일정한 이득을 유지하기 위해 바이어스 전압을 생성하고 주변 조건에 따라 바이어스 전류를 조정해야 한다.
도 8은 일 실시예에 따른 센서 바이어스 회로를 예시한다. 판독 회로(800)는 도 1, 3, 5 및 6에서 설명된 것과 실질적으로 유사한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 간결함을 위해, 유사한 컴포넌트는 도 8과 관련하여 다시 설명하지 않는다. 일부 실시예에서, 회로(800)의 컴포넌트는 본 개시의 다른 곳에서 설명된 판독 회로와 함께 사용된다. 일부 실시예는 회로(800)를 제조하는 방법을 포함한다.
센서 바이어스 회로(800)는 주변 조건을 개별적으로 추적하고 설명된 자체 발열 보상 컴포넌트와는 독립적이다. 회로(800)는 기준 센서(840), 전류 소스(810) 및 전압 드라이버(808)를 포함한다. 예를 들어, 기준 센서(802)는 열적으로 단락된 (블라인드 또는 기준) 볼로미터 픽셀이다. 일부 실시예에서, 전류 소스(810) 및 전압 드라이버(808)는 본 개시에서 설명된 제 1 전류 소스 및 전압 드라이버와 실질적으로 동일하다. 주변 조건을 추적하는 바이어스 전압은 본 개시에서 설명된 것과 실질적으로 동일한 방식으로 생성된다. 바이어스 전압 출력(809)은 활성 센서 바이어스 전류를 생성하기 위해 본 개시에서 설명된 판독 회로의 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합된다.
자체 발열 보상과 주변 조건 추적을 분리함으로써 보다 빠른 자체 발열 보상이 달성될 수 있다. 글로벌 증폭기를 사용하여 바이어스 전압 노드에서 상대적으로 큰 부하를 드라이빙하는 대신, 각각의 개별 컬럼에서 전류 미러를 조정함으로써 보상 응답이 더 빨라질 수 있다. 회로 크기 조정이 바이어스 전압 노드의 부하에 의해 덜 제한되기 때문에, 더 넓은 범위의 픽셀 어레이 크기가 동일한 주변 회로와 호환될 수 있다. 즉, 판독 회로가 더 확장 가능할 수 있다. 하나의 전압 드라이버 및 하나의 바이어스 회로가 도면에 예시되어 있지만, 예시된 컴포넌트 중 하나 이상이 하나 이상의 센서 바이어스 회로를 형성하는 데 사용될 수 있음이 이해된다.
일부 실시예에서, 전압 팔로워는 여기에 설명된 전압 팔로워와 유사한 방식으로 바이어스 전압 노드와 하나 이상의 활성 센서의 제 2 단자 사이에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 전압 팔로워는 전압 버퍼의 역할을 한다. 전압 팔로워는 전압 드라이버(808)의 출력 부하를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 활성 컬럼은 하나 이상의 활성 센서를 포함한다. 일부 실시예에서, 바이어스 전압은 하나 이상의 활성 컬럼에 드라이빙된다. 활성 바이어스 전압 노드에서의 부하(예를 들어, 용량성 부하)는 컬럼의 크기 및/또는 드라이빙되는 컬럼의 수가 증가함에 따라 증가한다. 전압 팔로워는 전압 드라이버(808)의 크기 및 바람직한 활성 바이어스 전압 응답을 유지할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 센서 판독 시스템을 예시한다. 센서 판독 시스템(900)은 센서 판독 회로(902) 및 ADC(904)를 포함한다. 센서 판독 회로(902)는 본 개시에서 설명된 판독 회로일 수 있다. 센서 판독 회로(902)는 ADC(904)에 전기적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예는 회로(900)를 제조하는 방법을 포함한다.
일부 실시예에서, ADC는 본 개시에 설명된 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류 또는 전하를 샘플링할 수 있다. 일부 실시예에서, ADC(904)는 하나 이상의 시그마-델타 ADC를 포함한다. 일부 예에서 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA이다. 이러한 예에서 판독 회로와 ADC 사이의 공통 컴포넌트(예를 들어, CTIA)는 유리하게 공유되어 시스템 면적과 전력을 최적화한다.
일부 실시예에서, 센서 판독 방법은 판독 소자의 입력에 대한 전류 또는 전하에 의해 생성된 전압을 샘플링하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 판독 소자는 시그마-델타 ADC를 포함할 수 있으며 샘플링되는 전압은 CTIA에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 제 1 전류 버퍼는 기준 센서와 제 1 전류 소스 사이에 결합된다. 제 2 전류 버퍼는 활성 센서와 시그마-델타 ADC의 입력 사이에 결합된다. 일부 실시예에서, 전류 버퍼는 기준 및 활성 센서에 의해 생성된 신호로부터 입력 노드(예를 들어, 시그마-델타 ADC의 입력)에서 피드백의 효과를 차폐시킨다. 예를 들어, 원하지 않는 전류가 입력 노드에 주입되고 이러한 노드에서 전압을 변조할 수 있다. 전류 버퍼는 신호 전류에 대한 원하지 않는 주입 전류의 영향을 줄인다.
CTIA의 입력 전류는 열 장면에 노출된 활성 볼로미터 픽셀에 의해 생성되는 차이이다. 일부 예에서, CTIA는 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지이다.
본 개시의 예는 여기서 식별된 단점을 극복하는 MEMS 센서 캘리브레이션 회로 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 센서 캘리브레이션 회로는 캘리브레이션 센서 및 캘리브레이션 판독 소자를 포함한다. 일부 실시예에서, 센서 캘리브레이션 회로는 캘리브레이션 전류 소스를 포함한다. 일부 실시예에서, 셔터가 센서 캘리브레이션 회로에 포함된다.
일부 실시예에서, 방법은 캘리브레이션 센서의 전압을 측정하는 단계 및 측정된 캘리브레이션 센서 전압에 기초하여 캘리브레이션된 판독 전압을 계산하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합된 판독 소자의 판독 전압을 측정하는 단계 및 판독 전압에 기초하여 출력을 계산하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 셔터가 닫힐 때 및 셔터가 열릴 때 판독 전압을 측정하는 단계 및 판독 전압 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함한다.
예시적인 장점으로서, 개시된 회로 및 방법은 축소된 비용으로 노이즈를 제거한다. 본 출원에 제시된 회로는 센서 어레이의 노이즈를 효율적이고 콤팩트하게 제거한다. 따라서 측정된 센서 이미지의 선명도가 개선될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 센서 판독 회로(1000)를 예시한다. 센서 판독 회로(1000)는 판독 소자(1002a 및 1002b), 전류 소스(1004a 내지 1004c), 전압 드라이버(1006), 기준 센서(1008a 및 1008b), 활성 센서(1010a 내지 1010d) 및 스위치(1016a 내지 1016h)를 포함한다. 일부 실시예는 판독 회로(1000)를 제조하는 방법을 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 판독 회로(1000)의 소자는 센서 판독 회로(100)의 소자에 대응한다. 일부 실시예에서, 판독 소자(1002a)는 판독 소자(102)에 대응하고, 전류 소스(1004a)는 제 2 전류 소스(106)에 대응하고, 전류 소스(1004c)는 제 1 전류 소스(104)에 대응하고, 전압 드라이버(1006)는 전압 드라이버(108)에 대응하고, 기준 센서(1008a)는 기준 센서(110)에 대응하고, 활성 센서(1010a)는 활성 센서(112)에 대응한다.
도 10에 예시된 토폴로지는 바이어스 전압을 제공하는 하나의 전압 드라이버를 사용한다. 원하지 않는 공통 모드 효과를 줄이기 위해 회로를 추가하지 않고도, 토폴로지는 복잡도, 크기 및 비용을 증가시키지 않고 더 많은 기생 및 알려지지 않은 소자를 도입하지 않고 더 많은 전력을 소비하지 않으며 노이즈를 유발하는 컴포넌트를 추가하지 않고도 원하지 않는 공통 효과를 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 센서(1008a 및 1008b)는 센서 이미지로부터 차폐되고 활성 센서(1010a 내지 1010d)는 센서 이미지에 노출된다. 기준 센서는 기준 센서 및 활성 센서에 공통인 주변 조건에 노출될 수 있다. 예를 들어 기준 센서는 주변 온도에 노출되지만 열 장면에는 노출되지 않는 기준 또는 블라인드 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 주변 온도와 열 장면 둘 모두에 노출되는 활성 볼로미터 픽셀이다. 일반적으로 센서는 2 개의 단자를 포함하며 센서 이미지에 따라 2 단자 사이에 가변 임피던스 값을 가질 수 있다. 본 개시에서 센서를 나타내기 위해 블록 심볼이 사용되지만, 설명된 센서 특성 및 컴포넌트는 예시적인 것으로 이해된다.
일부 실시예에서, 센서 판독 동안, 각각의 행은 순차적으로 판독된다. 예를 들어, 제 1 행 판독 시간에, 행 제어(1014a)는 해당 행의 스위치(예를 들어, 스위치(1016a) 내지(1016d))를 켜는 전압에 의해 드라이빙되는 반면 행 제어(1014b)는 해당 행의 스위치(예를 들어, 스위치(1016e) 내지 (1016h))를 끄는 전압에 의해 드라이빙된다. 제 2 행 판독 시간에, 행 제어(1014b)는 해당 행의 스위치(예를 들어, 스위치(1016e) 내지(1016h))를 켜는 전압에 의해 드라이빙되는 반면 행 제어(1014a)는 해당 행의 스위치(예를 들어, 스위치(1016a) 내지 (1016d))를 끄는 전압에 의해 드라이빙된다. 해당 행의 스위치가 켜지면 해당 행의 활성 및 기준 센서는 바이어스 전압 노드(1012) 및 해당 전류 소스에 전기적으로 결합되고 한편 다른 행의 센서는 바이어스 전압 노드(1012) 및 해당 전류 소스로부터 전기적으로 결합 해제된다. 설명된 판독 동작은 예시적인 것으로 이해된다.
일부 실시예에서, 선택된 기준 센서는 주변 조건과 자체 발열 둘 모두를 추적하는 바이어스 전압 노드(1012)에서 조정 가능한 바이어스 전압을 생성한다. 이러한 예에서, 판독 회로는 정전류 모드에서 작동한다. 전류 소스(1004c)와 선택된 기준 센서 사이에 다른 분기가 전기적으로 결합되지 않기 때문에, 선택된 기준 센서를 통한 전류는 일정하다.
기준 센서는 주변 조건에 노출되기 때문에 주변 조건을 반영하는 값에 대한 기준 센서의 임피던스가 안정화된다. 센서의 임피던스는 실질적으로 안정된 상태로 고정될 수 있지만, 기준 센서의 임피던스는 주변 조건에 따라 달라질 수 있음을 알 수 있다. 전류 및 기준 센서 임피던스로 인해 기준 센서 양단에 전압 강하가 발생한다. 바이어스 전압 노드(1012)에서의 전압은 전압 강하에 의해 결정된다.
바이어스 전압 노드(1012)에서의 전압은 전압 드라이버(1006)에 의해 드라이빙된다. 일 실시예에서, 전압 드라이버(1006)는 실질적으로 이상적인 전압 소스로서 작용할 수 있다. 즉, 전압 드라이버(1006)는 바이어스 전압 노드(1012)에서 생성된 전압을 유지하기 위해 필요한 전류를 제공 (또는 흡수) 할 수 있다.
전압 드라이버(1006)를 나타내는 심벌은 예시적인 목적으로만 사용된다. 바이어스 전압을 드라이빙하기 위해 상이한 방법 및 회로가 이용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.
바이어스 전압은 기준 센서에 의해 관측되는 자체 발열 및 주변 조건과 같은 공통 모드 효과를 반영하기 때문에 중요할 수 있다. 따라서 선택된 활성 센서는 바이어스 전압에서 바이어스되고, 바이어스 전압이 공통 모드 조건을 반영하기 때문에 공통 모드 효과(후속 단계의 동적 범위를 불리하게 줄일 수 있음)가 효율적으로 보상되었다.
일부 실시예에서, 활성 센서는 기준 센서와 실질적으로 동일하고, 전류 소스(1004a-1004c)는 실질적으로 동일한 전류를 제공한다.
일부 예에서, 판독 소자는 전하 증폭기의 입력과 같이 낮은 입력 저항을 가질 수 있다. 이러한 예에서 기준 및 활성 센서가 실질적으로 동일한 조건에 노출되고 전류 소스가 실질적으로 동일한 전류를 제공하는 경우, 개개의 선택된 활성 센서를 통과하는 전류가 개개의 전류 소스에 의해 제공되는 전류와 동일해야 하기 때문에 어떠한 전류도 판독 소자의 입력에 들어가거나 나가지 않는다. 이 조건의 예는 노출된 센서 이미지가 주변 조건 자체인 경우이다.
반대로, 기준 센서와 활성 센서가 다른 조건에 노출되면(즉, 노출된 센서 이미지가 주변 조건과 다름), 개개의 선택된 활성 센서의 임피던스가 선택된 기준 센서의 임피던스와 다르기 때문에 전류가 판독 소자의 입력에 들어가거나 나갈 것이고, 제공된 전류의 값은 노출 후에도 동일하게 유지된다. 개개의 판독 소자에 들어가거나 나가는 전류 또는 총 전하가 캡처되고 측정된다.
자체 발열 및 주변 조건과 같은 공통 모드 효과는 바이어스 전압에 의해 보상되었으므로 측정된 전류 또는 전하는 이러한 공통 모드 컴포넌트와 무관하다. 결과적으로 후속 단계의 동적 범위가 축소될 수 있다. 측정된 전류 또는 전하는 원하지 않는 공통 모드 컴포넌트와 무관하므로, 이러한 공통 모드 컴포넌트는 측정의 일부가 아니다.
일부 실시예에서, 센서는 유리 기판 상에 위치된다. 일부 실시예에서, 유리 기판은 센서 어레이(예를 들어, 스위치(1016a-1016h))를 위한 스위치로서 사용되는 복수의 TFT를 포함한다. 일부 실시예에서, 어레이에서 끊어진 비 센서 및 비 스위칭 소자(예를 들어, 판독 소자, 전압 드라이버, 전류 소스)는 어레이에서 떨어진 하나 이상의 칩 상에 구현된다.
도 10은 2x2 활성 센서 어레이, 2 개의 기준 센서 및 다른 설명된 소자를 갖는 것으로 센서 판독 회로를 예시하고 있지만, 개시된 센서 판독 회로는 예시적인 것으로 이해된다.
측정된 전류 또는 전하는 공통 모드 효과와 무관하지만 노이즈에 민감하여 이는 센서 이미지 측정의 정확도와 센서 이미지의 선명도에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 볼로미터 노이즈는 압도적일 수 있으며 노이즈로 인해 열 이미지 이미지가 왜곡될 수 있다. 볼로미터 어레이의 노이즈에는 패턴화되지 않은 노이즈와 패턴화된 노이즈가 포함될 수 있다. 패턴화되지 않은 노이즈의 예로는 1/f 노이즈, 열 노이즈 및 픽셀의 프로세스 종속 노이즈가 있다. 패턴화된 노이즈의 예는 행간 패턴과 컬럼간 패턴을 포함한다.
도 11은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다. 일 실시예에서, 센서 캘리브레이션 회로(1100)는 캘리브레이션 센서(1102), 캘리브레이션 판독 소자(1104) 및 전류 소스(1106)를 포함한다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 소자(1104)는 판독 소자(1002a 또는 1002b) 중 하나와 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 전류 소스(1106)는 전류 소스(1004a, 1004b, 또는 1004c) 중 하나와 실질적으로 동일하다. 일부 실시예는 회로(1100)를 제조하는 방법을 포함한다.
캘리브레이션 센서(1102)는 2 개의 단자를 포함할 수 있다 : 센서 판독 회로(1110)의 바이어스 전압 노드(1108)에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 캘리브레이션 판독 소자(1104) 및 전류 소스(1106)에 전기적으로 결합된 제 2 단자.
예를 들어, 센서 판독 회로(1110)는 센서 판독 회로(1000)와 실질적으로 동일하다. 바이어스 전압 노드(1108)는 센서 판독 회로(1110)의 활성 센서에 의해 공유될 수 있다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서는 센서 판독 회로(1110)의 활성 센서 소자에 노출되는 센서 이미지로부터 차폐된다.
다른 예로서, 센서 판독 회로(1110)는 열 이미지를 측정하는 볼로미터 판독 회로이고; 볼로미터 판독 회로는 볼로미터의 전체 어레이와 관련 행 및 컬럼 판독 회로를 포함한다. 이 예에서 볼로미터 판독 회로에 전기적으로 결합된 캘리브레이션 센서는 캘리브레이션 볼로미터이다.
센서 판독 회로(1000)는 단지 예시일 뿐이다. 센서 판독 회로(1110)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 상이한 구성 및 컴포넌트를 가질 수 있다는 것이 이해된다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서(1102)의 임피던스는 캘리브레이션 판독 회로(1110)에서 활성 센서의 공칭 임피던스와 실질적으로 동일하다. 즉, 2 센서의 임피던스 비율은 1이다. 일부 실시예에서, 임피던스 비율은 온도와 무관하다. 일부 실시예에서, 센서의 공칭 임피던스는 센서가 센서 이미지에 노출되지 않을 때 센서의 임피던스이다. 일부 예에서 활성 센서의 공칭 임피던스는 10 킬로 옴에서 100 메가 옴의 범위이다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서(1102)는 캘리브레이션 판독 회로(1110)에서 활성 센서(예를 들어, 활성 센서(1010a 내지 1010d) 중 하나)의 전기 캐리어 카운트보다 더 높은 전기 캐리어 카운트를 갖는다. 예를 들어, 캘리브레이션 센서가 활성 센서에 비해 더 많은 수량의 전기 전도성 재료를 가지고 있다면, 캘리브레이션 센서는 활성 센서의 전기 캐리어 카운트보다 더 높은 전기 캐리어 카운트를 갖는다.
예를 들어, 캘리브레이션 센서와 활성 센서가 동일한 종횡비(예를 들어, 둘 모두 정사각형)를 가질 때 캘리브레이션 센서와 활성 센서는 동일한 임피던스를 가질 수 있지만 캘리브레이션 센서는 더 높은 전기 캐리어 카운트를 가질 수 있다 그러나 캘리브레이션 센서의 물리적 치수가 활성 센서의 치수보다 더 크다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서는 하나 이상의 센서에 의해 형성되고; 센서는 활성 센서와 실질적으로 동일한 총 임피던스를 달성하기 위해 직렬 및 병렬로 연결된다. 캘리브레이션 센서가 더 많은 전기 캐리어 카운트를 갖기 때문에 캘리브레이션 센서는 활성 센서에 비해 1/f 노이즈가 더 적다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서 및 활성 센서는 동일한 저항 온도 계수(TCR)를 갖는 재료로 제조된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서 및 활성 센서는 비정질 실리콘, 산화 바나듐, 백금, 티타늄, 산화 티타늄, 산화 텅스텐 및 몰리브덴 중 하나 이상으로 생성된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서 및 활성 센서는 실질적으로 동일한 재료로 제조된다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 소자는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)이다. 예를 들어, 캘리브레이션 판독 소자는 활성 센서의 컬럼에 전기적으로 결합된 ADC와 실질적으로 동일한 ADC이다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 회로(1100)는 활성 센서의 측정에서 노이즈를 캘리브레이션하기 위해 사용된다. 구체적으로, 캘리브레이션 판독 회로(1100)는 한 행에서 다른 행으로 변하는 노이즈인 행간 패턴 노이즈에 대한 측정을 캘리브레이션하기 위해 사용된다.
예시적인 센서 캘리브레이션에서, 판독 시간 동안, 선택된 활성 센서(예를 들어, 선택된 행의 센서)의 판독 전압 및 캘리브레이션 센서의 판독 전압이 개개의 판독 소자로 측정된다. 설명한 바와 같이, 선택된 활성 센서의 판독 전압은 센서 이미지에 대한 활성 센서의 노출로 인해 발생된 전류에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서의 판독 전압은 캘리브레이션 센서의 제 1 단자와 제 2 단자 사이를 가로지르는 전류에 의해 생성되고 캘리브레이션 판독 소자(1104)에 의해 측정된다. 전류는 전류 소스(1106)로부터 생성된다.
선택된 활성 센서의 판독 전압과 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 측정한 후, i 번째 행을 측정하는 동안 j 번째 컬럼에 대한 캘리브레이션된 판독 전압이 계산될 수 있다 :
인덱스(i, j)는 선택한 센서의 특정 활성 센서와 관련된다. 예를 들어, i 번째 행의 센서가 판독을 위해 선택되고 각각의 선택된 센서는 j 번째 컬럼에 해당한다. 인덱스(i, j)가 예시적인 센서를 설명하는 데 사용되지만, 아래 첨자는 임의의 활성 센서를 설명하는 데 사용될 수 있음을 이해한다.
수량 Acal,ij는 센서 이미지에 대한 센서(i, j)의 노출과 관련된 캘리브레이션된 판독 전압이다. 수량 As,ij는 j 번째 컬럼의 개개의 판독 소자에서 센서(i, j)의 (캘리브레이션되지 않은) 판독 전압이다. 수량 AiM은 바이어스 전압 노드가 i 번째 행의 기준 센서와 관련된 바이어스 전압(예를 들어, i 번째 행의 공통 모드 조건과 관련된 바이어스 전압)으로 드라이빙될 때 캘리브레이션 센서의 판독 전압이다. ZM은 캘리브레이션 센서의 임피던스이고 Zsij는 센서(i,j)의 공칭 임피던스이다(예를 들어, 센서 이미지로부터 차폐된 경우). 일부 실시예에서, 2 개의 임피던스는 실질적으로 동일하므로 인자(ZM/Zsij)는 1이다.
캘리브레이션 센서의 임피던스 및 판독 전압과 같은 간단한 파라미터를 포함함으로써, 방정식(14)은 활성 센서 판독 전압으로부터 바이어스 전압의 노이즈와 같은 원하지 않는 행간 패턴 노이즈를 제거한다. 캘리브레이션 센서, 관련 판독 소자 및 관련 전류 소스를 포함하는 것은 행간 패턴 노이즈가 없는 측정을 유도하는 데 중요 할 수 있다. 이러한 엘리먼트와 방정식(14)이 없으면 바이어스 전압이 직접 측정될 수 없고 바이어스 전압 노이즈의 영향이 정확하게 캡처되지 않을 수 있는데 왜냐하면, 픽셀 자체 발열로 인해, 바이어스 전압은 ADC 변환 시간 동안 시변 전압이기 때문이다. 각각의 행에 대해 원하지 않는 바이어스 전압 효과를 제거할 수 있으므로 스키밍 전류 소스를 캘리브레이션할 필요가 없어 판독 회로의 복잡도가 줄어든다.
예시적인 센서 캘리브레이션은 판독 동안에 선택된 센서 행이 캘리브레이션 센서로 어떻게 캘리브레이션될 수 있는지 보여 주어 바이어스 전압 노이즈와 같은 원하지 않는 행간 패턴 노이즈를 제거한다. 일부 실시예에서, 설명된 방법은 판독 동안 다른 선택된 행에 대해 반복된다. 예를 들어, 선택된 제 1 행의 센서가 제 1 행의 기준 센서(예를 들어, 기준 센서(1008a))에 전기적으로 결합된 캘리브레이션 센서로 캘리브레이션된 후 (즉, 제 1 행의 공통 모드 조건과 관련된 바이어스 전압), 센서의 제 1 행이 선택 취소되고 제 2 센서 행이 판독을 위해 선택된다. 선택된 제 2 행의 센서는 이제 제 2 행의 기준 센서(예를 들어, 기준 센서(1008b))(즉, 제 2 행의 공통 모드 조건과 관련된 바이어스 전압)에 전기적으로 결합된 캘리브레이션 센서로 캘리브레이션된다. 제 2 행과 관련된 바이어스 전압 노이즈와 같은 행간 패턴 노이즈는 설명된 것과 유사한 방식으로 제거될 수 있다.
판독 동안에 하나 이상의 센서 행이 캘리브레이션될 수 있고 판독 동안에 모든 센서 행이 캘리브레이션될 수 있지만 전체 센서 어레이에 대해 캘리브레이션이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어 모든 행의 서브 셋이 캘리브레이션 센서로 캘리브레이션될 수 있다. 캘리브레이션 센서를 사용한 캘리브레이션 빈도는 시스템 또는 환경의 노이즈 특성에 따라 달라질 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법(1200)을 예시한다. 방법(1200)은 캘리브레이션 센서의 제 1 단자를 복수의 활성 센서에 의해 공유되는 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합하는 단계(단계 1202)를 포함한다. 예를 들어, 도 11을 참조하면, 캘리브레이션 센서(1102)는 바이어스 전압 노드(1108)에 전기적으로 결합된다.
방법(1200)은 캘리브레이션 센서의 제 2 단자를 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계(단계 1204)를 포함한다. 예를 들어, 도 11을 참조하면, 캘리브레이션 센서(1102)는 캘리브레이션 판독 소자(1104)에 전기적으로 결합된다.
방법(1200)은 복수의 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계를 포함한다(단계 1206). 예를 들어, 도 11을 참조하면, 센서 판독 회로(1110) 내의 복수의 활성 센서가 센서 이미지에 노출된다.
방법(1200)은 센서 이미지로부터 캘리브레이션 센서를 차폐시키는 단계를 포함한다(단계 1208). 예를 들어, 도 11을 참조하면, 캘리브레이션 센서(1102)는 센서 이미지로부터 차폐된다.
방법(1200)은 판독 소자를 사용하여 복수의 활성 센서의 활성 센서의 판독 전압을 측정하는 단계(단계 1210)를 포함한다. 예를 들어, 도 11을 참조하면, 센서(i, j)의 캘리브레이션되지 않은 판독 전압인 Asij가 측정된다.
방법(1200)은 캘리브레이션 판독 소자를 사용하여 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 측정하는 단계를 포함한다(단계 1212). 예를 들어, 도 11을 참조하면, 캘리브레이션 판독 소자(1104)의 판독 전압이 측정된다.
방법(1200)은 캘리브레이션된 전압을 계산하는 단계(단계 1214)를 포함한다. 예를 들어, 캘리브레이션된 전압은 (1) 활성 센서의 판독 전압과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 간의 비율에 의해 가중된 캘리브레이션 센서의 판독 전압 사이의 차이로 계산된다. 예를 들어, 도 11 및 방정식 (14)를 참조하면, 수량 Acal,ij는 측정된 수량 및 센서 임피던스에 기초하여 계산된다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서의 임피던스는 활성 센서의 임피던스와 동일하고, 캘리브레이션 센서의 전기 캐리어 카운트는 활성 센서의 전기 캐리어 카운트보다 더 크다. 일부 실시예에서, 비율은 1이다. 일부 실시예에서, 비율은 온도와 무관하다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 센서 및 활성 센서는 동일한 TCR을 갖는 재료로 만들어진다.
일부 실시예에서, 방법(1200)은 : 복수의 전류 소스의 전류 소스를 캘리브레이션 센서의 제 2 단자 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 복수의 컬럼의 활성 센서의 컬럼을 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계로서, 상기 활성 센서 컬럼은 활성 센서를 포함하는, 상기 컬럼을 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 및 복수의 전류 소스 중 제 2 전류 소스를 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 10 및 11을 참조하면, 전류 소스(1106)는 캘리브레이션 판독 소자(1104)에 전기적으로 결합되고, 활성 센서의 컬럼은 센서 판독 회로(1000)의 판독 소자에 전기적으로 결합되고, 전류 소스는 센서 판독 회로(1000)의 판독 소자에 전기적으로 결합된다.
일부 실시예에서, 방법(1200)은 : 셔터를 닫는 단계; 판독 소자로 닫힌 셔터에 대응하는 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 및 캘리브레이션 판독 소자로 닫힌 셔터에 대응하는 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 캘리브레이션된 전압을 계산한 후, (1) 캘리브레이션된 전압 간의 제 2 차이 및 (2a) 제 1 판독 전압과 (2b) 비율에 의해 가중된 제 2 판독 전압 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함하되, 상기 제 2 차이는 셔터 캘리브레이션된 전압이다. 이러한 실시예의 예는 방정식 (22) 및 방정식 (23)을 참조하여 후술될 것이다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 소자는 ADC를 포함한다. 일부 실시예에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 복수의 활성 센서 및 캘리브레이션 센서는 볼로미터이고, 센서 이미지는 열 이미지 이다.
도 13은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다. 일 실시예에서, 센서 캘리브레이션 회로(1300)는 캘리브레이션 전류 소스(1302a 및 1302b) 및 스위치(1304a 내지 1304f)를 포함한다. 일부 실시예는 회로(1100)를 제조하는 방법을 포함한다.
센서 캘리브레이션 회로(1300)는 섹션(1310a 및 1310b)을 포함하는 센서 판독 회로(1310)에 전기적으로 결합된다. 일부 예에서, 센서 판독 회로(1310)는 센서 판독 회로(1000)이다.
스위치(1304c 및 1304d)는 활성 센서의 제 1 컬럼(1312a)과 관련된다. 스위치(1304e 및 1304f)는 제 1 컬럼과 다른 활성 센서의 제 2 컬럼(1312b)과 관련된다. 스위치(1304c 및 1304e)는 캘리브레이션 전류 소스 및 컬럼의 판독 소자를 전기적으로 결합하거나 전기적으로 결합 해제할 수 있다. 스위치(1304d 및 1304f)는 각각의 컬럼의 활성 센서 및 컬럼의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자(1002a 및 1002b))를 전기적으로 결합하거나 전기적으로 결합 해제할 수 있다. 일부 실시예에서, 판독 소자는 ADC이다.
센서 판독 회로(1000)는 단지 예시일 뿐이며 임의의 개수의 컬럼 및 임의의 개수의 스위치가 캘리브레이션 전류 소스 또는 활성 센서 및 활성 센서 컬럼을 전기적으로 결합 또는 결합 해제할 수 있음이 이해된다. 센서 컬럼은 센서 판독 회로(1310)를 나타내는 박스에 심볼로 포함되고 캘리브레이션 회로(1310)는 대표 박스 외부에 심볼로 도시되어 있지만, "컬럼(column)"이라는 용어가 반드시 일직선으로 배열되는 것은 아님을 이해해야 한다. 일부 실시예에서, 센서 컬럼은 하나의 판독 소자와 관련된다. 센서 컬럼은 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 임의의 형상 또는 형태가 될 수 있다.
스위치(1304a, 1304b)는 전류 소스(1302a, 1304b)와 캘리브레이션 중인 컬럼을 각각 전기적으로 결합할 수 있다. 일 실시예에서, 스위치(1302a 및 1304b)는 센서 컬럼과 전류 소스 중 하나를 한번에 전기적으로 결합한다.
스위치를 시각적으로 표현하기 위해 트랜지스터 심볼이 사용되지만, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 스위칭 구현이 존재할 수 있음이 이해된다.
도 13은 2 개의 전류 소스 및 2 개의 관련된 스위치를 갖는 것으로 센서 캘리브레이션 회로(1300)를 도시하지만, 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 임의의 개수의 캘리브레이션 전류 소스 및 관련 스위치가 존재할 수 있음이 이해된다. 다른 실시예에서, 센서 캘리브레이션 회로(1300)는 하나의 캘리브레이션 전류 소스 및 하나의 관련된 스위치를 갖는다.
예시적인 센서 캘리브레이션에서, 제 1 컬럼은 캘리브레이션 모드에 있다; 제 1 컬럼의 판독 소자는 캘리브레이션 전류 소스의 제 1 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합된다.
예를 들어, 컬럼(1312a)은 센서의 제 1 행이 판독되는 동안 캘리브레이션 중이다. 스위치(1304c)는 닫히고 (전도) 스위치(1304d)는 열린다 (비전도). 캘리브레이션 전류 소스(예를 들어, 스위치(1304a)를 통한 캘리브레이션 전류 소스(1302a) 또는 스위치(1304b)를 통한 캘리브레이션 전류 소스(1302b))의 제 1 캘리브레이션 전류는 제 1 컬럼의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자(1002a))에 전기적으로 결합된다.
제 1 컬럼이 캘리브레이션 중일 때 캘리브레이션 중이 아닌 컬럼은 판독 모드에 있다. 판독 모드에서 컬럼의 판독 소자는 각각의 컬럼의 선택된 활성 센서에 전기적으로 결합된다.
예를 들어, 컬럼(1312b)은 센서의 제 1 행이 판독되는 동안 판독 모드에 있다. 스위치(1304e)는 열리고 (비전도)되고 스위치(1304f)는 닫힌다(전도). 현재 선택된 활성 센서(예를 들어, 활성 센서(1010b))는 컬럼의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자(1002b))에 전기적으로 결합된다.
컬럼의 판독 전압(즉, 판독 모드의 컬럼 및 캘리브레이션 중인 컬럼)이 측정된다. 제 1 캘리브레이션 전류에 의해 야기되는 판독 전압(예를 들어, 캘리브레이션 전류 소스(1302a) 또는 캘리브레이션 전류 소스(1302b)에 전기적으로 결합된 컬럼의 판독 전압, 판독 소자(1002a)의 판독 전압)는 A1j(t)로 표시될 수 있다.
제 1 행을 판독하는 동안, 제 2 시간에 제 1 컬럼은 여전히 캘리브레이션 상태에 있을 수 있고 다른 컬럼은 여전히 판독 모드에 있을 수 있다. 이때, 제 1 컬럼의 판독 소자는 제 1 캘리브레이션 전류 소스와 전기적으로 결합 해제되고 캘리브레이션 전류 소스의 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합된다.
예를 들어, 이 제 2 시간에, 컬럼(1312a)은 센서의 제 1 행이 판독되는 동안 캘리브레이션 모드에 있다. 스위치(1304c)는 닫히고 (전도) 스위치(1304d)는 열린다 (비전도). 캘리브레이션 전류 소스(예를 들어, 스위치(1304b)를 통한 캘리브레이션 전류 소스(1302b) 또는 스위치(1304a)를 통한 캘리브레이션 전류 소스(1302a))의 제 2 캘리브레이션 전류 소스는 제 1 컬럼의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자(1002a))에 전기적으로 결합된다. (예를 들어, 캘리브레이션 전류 소스(1302a) 또는 캘리브레이션 전류 소스(1302b)로부터) 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 판독 전압은 A2j(t)로 표시될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 캘리브레이션 전류의 값이 알려져 있기 때문에, 값 A1j(t) 및 A2j(t)는 개개의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자 1002a)의 드리프트를 갭처한다.
A1j(t) 및 A2j(t)를 측정하면 캘리브레이션된 컬럼에 있는 임의의 활성 센서의 판독 전압이 캘리브레이션될 수 있다. 활성 센서의 판독 전압은 Asij(t)로 표시될 수 있으며, 여기서, i 번째 행 및 j 번째 컬럼과 관련된 활성 센서가 측정된다.
이 특정 예에서, 이 특정 시간 동안, 캘리브레이션된 컬럼의 선택된 활성 센서(예를 들어, 활성 센서 1010a)가 판독 소자에 전기적으로 결합되지 않기 때문에, 이 센서의 전류 판독 전압이 측정되지 않는다(예를 들어, 활성 센서(1010a)와 관련된 판독 전압). 일부 실시예에서, Asij의 이전 값 또는 인접 센서에 기초한 보간된 값이 Asij(t)에 사용된다.
다른 실시예에서, 전류 판독 전압 Asij(t)는 컬럼이 캘리브레이션될 때에도 측정된다; 캘리브레이션 전류 소스는 판독 소자로부터 전기적으로 결합 해제되고 활성 센서는 판독 소자에 전기적으로 결합되어 활성 센서의 전류 판독 전압이 측정된다.
항 Asij(t), A1j(t) 및 A2j(t)의 측정을 통해, i 번째 행이 측정되는 동안 j 번째 컬럼에 대해 출력 Dsij(t)이 계산될 수 있다:
수량 Dsij(t)는 컬럼 j의 판독 소자에 대한 전류에 선형인 항이다(예를 들어, 설명된 대로 센서 이미지로 인한 전류). 방정식 (15)는 판독 소자의 드리프트를 설명하므로 해당 항은 ADC 이득, 오프셋, 스키밍 전류 및 개개의 판독 소자로의 전류인 I(t)를 제외한 임의의 시간에 따라 변하는 수량과 같은 영향과 무관하다. 일부 실시예에서, 수량 Dsij(t)는 안정화된 디지털 출력이고, 이는 판독 소자(예를 들어, ADC)의 출력의 안정화된 버전이다.
여기서,
I1은 제 1 캘리브레이션 전류이다. I2은 제 2 캘리브레이션 전류이다.
일부 실시예에서, 컬럼이 캘리브레이션되었기 때문에, 후속 행 판독(예를 들어, 판독을 위한 제 2 행의 선택)에서, 컬럼이 다시 캘리브레이션될 때까지 (즉, A1j(t) 및 A2j(t)가 업데이트될 때까지) 수량 A1j(t) 및 A2j(t)는 판독 중인 해당 컬럼의 후속 행에 대응하는 후속 출력을 계산하는 데 사용된다.
예를 들어, 제 2 행(예를 들어, 활성 센서(1010c-1010d))이 판독을 위해 선택되고, 제 1 컬럼이 더 이상 캘리브레이션되지 않는다(제 1 컬럼에 해당하는 수량 A1j(t) 및 A2j(t))이 측정된 이후에). 이 예에서, 컬럼(1312a)은 판독 모드이고 센서의 제 2 행이 판독되고 있다. 스위치(1304c)는 열리고 (비전도)되고, 스위치(1304d)는 닫힌다(전도). 현재 선택된 활성 센서(예를 들어, 활성 센서(1010c))는 컬럼의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자(1002a))에 전기적으로 결합된다. 따라서, 제 2 행 판독 시간 동안, 항 Asij(t)은 활성 센서(1010c)의 판독 전압이다. Asij(t), A1j(t) 및 A2j(t) 항의 측정을 통해, 제 1 컬럼과 제 2 행의 활성 센서에 대해 출력 Dsij(t)이 계산될 수 있다. 일반적으로 수량 A1j(t) 및 A2j(t)가 측정된 후, 출력 Dsij(t)는 개개의 센서가 판독될 때 방정식 (15)을 사용하여 컬럼의 임의의 활성 센서에 대해 계산될 수 있다.
캘리브레이션 전류 소스를 포함하고 컬럼의 판독 전압을 측정함으로써, 출력 Dsij(t)이 계산된다. Dsij(t)의 양은 임의의 다른 시간에 따라 달라 지거나 컬럼에 따라 달라지는 노이즈 파라미터없이 활성 센서 전류(즉, 센서 이미지로 인한 전류)에 선형적으로 비례될 수 있다. 방정식 (15)는 스키밍 전류, ADC 이득 및 ADC 오프셋 간의 불일치와 같은 원치 않는 컬럼간 패턴 노이즈를 제거한다. 또한 이러한 원하지 않는 노이즈는 활성 센서가 판독되는 동안 제거될 수 있다. 즉, 도 4와 관련하여 설명된 구성은 캘리브레이션 및 판독이 병렬로 수행되도록 할 수 있다. 따라서 이 구성에서는 전용 캘리브레이션 시간(즉, 캘리브레이션이 수행되는 동안 판독 없음)이 필요하지 않을 수 있으며 주어진 시간 동안 더 많은 행을 판독할 수 있으므로 판독 회로의 성능과 정확도가 향상된다.
캘리브레이션 전류(예를 들어, 캘리브레이션 전류 소스(1302a 및 1302b)) 및 관련 스위치(예를 들어, 스위치(1304a, 1304b, 1304c 및 1304e))의 포함은 판독이 동시에 수행되는 동안 컬럼간 패턴 노이즈가 없을 수 있는 수량(예를 들어, 출력)을 유도하는 데 사용될 수 있다. 이러한 엘리먼트와 방정식 (15)이 없으면, 스키밍 전류 불일치, ADC 이득 불일치 및 ADC 오프셋 불일치와 같은 컬럼 종속 노이즈가 센서 이미지에 반영되어 센서 이미지의 선명도를 왜곡하거나 이러한 노이즈를 제거하기 위해 전용 캘리브레이션 시간이 필요하여 판독 회로의 성능이 저하될 수 있다.
일부 실시예에서, 2 개의 캘리브레이션 전류 소스 대신에 하나의 캘리브레이션 전류 소스(예를 들어, 캘리브레이션 전류 소스(1302a 또는 1302b))가 캘리브레이션에 사용된다. 이들 실시예에서, 제 1 캘리브레이션 전류 소스와 관련된 단계 만이 수행된다(즉, 하나의 캘리브레이션 전류 소스로, 행 판독 시간의 제 2 시간과 관련된 단계가 수행되지 않음). 예를 들어, 컬럼이 하나의 캘리브레이션 전류 소스로 캘리브레이션 중일 때, 컬럼의 판독 소자는 캘리브레이션 전류 소스 중 단지 하나에 만 전기적으로 결합된다.
예를 들어, 컬럼(1312a)은 센서의 제 1 행이 판독되는 동안 캘리브레이션 모드에 있다. 스위치(1304c)는 닫히고 (전도) 스위치(1304d)는 열린다 (비전도). 캘리브레이션 전류 소스(예를 들어, 스위치(1304a)를 통한 캘리브레이션 전류 소스(1302a) 또는 스위치(1304b)를 통한 캘리브레이션 전류 소스(1302b))의 제 1 캘리브레이션 전류는 제 1 컬럼의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자(1002a))에 전기적으로 결합된다.
해당 컬럼이 캘리브레이션 중일 때 캘리브레이션 모드에 있지 않은 컬럼은 판독 모드에 있다. 판독 모드에서 컬럼의 판독 소자는 각각의 컬럼의 선택된 활성 센서에 전기적으로 결합된다.
예를 들어, 컬럼(1312b)은 센서의 제 1 행이 판독되는 동안 판독 모드에 있다. 스위치(1304e)는 열리고 (비전도)되고 스위치(1304f)는 닫힌다(전도). 현재 선택된 활성 센서(예를 들어, 활성 센서(1010b 또는 1000d))는 컬럼의 판독 소자(예를 들어, 판독 소자(1002b))에 전기적으로 결합된다.
이 시간 동안, 컬럼의 판독 전압(즉, 판독 모드의 컬럼 및 캘리브레이션중인 컬럼)이 측정된다. 캘리브레이션 전류에 의해 야기되는 판독 전압(예를 들어, 캘리브레이션 전류 소스(1302a) 또는 캘리브레이션 전류 소스(1302b)에 전기적으로 결합된 컬럼의 판독 전압, 판독 소자(1002a)의 판독 전압)은 Aj(t)로 표시될 수 있다. Asij(t)는 설명된 것과 동일한 방식으로 측정될 수 있다(즉, 인접 센서로 보간되거나 각각의 컬럼이 캘리브레이션 중일 때 이전 측정으로 추정되거나; 활성 센서 판독 전압은 각각의 컬럼이 판독 모드에 있을 때 측정됨).
하나의 캘리브레이션 전류를 사용하여, Asij(t) 및 Aj(t) 항을 측정하여, i 번째 행이 측정되는 동안 j 번째 컬럼에 대해 출력 Dsij(t)이 계산될 수 있다 :
방정식 (19)와 관련된 방법은 방정식 (15)와 관련된 방법에 비해 더 간단한 방식으로 ADC 불일치의 영향을 제거한다(예를 들어, 더 적은 측정, 더 적은 엘리먼트, 더 간단한 계산).
캘리브레이션 전류를 사용한 위의 캘리브레이션 방법은 판독 중에 센서 판독 회로 전체에서 수행될 수 있다. 다른 컬럼을 캘리브레이션에 넣어 예시적인 방법이 반복될 수 있다.
예를 들어, 판독 시간 동안 판독을 위해 제 1 행이 선택된다. 설명된 대로 제 1 컬럼은 캘리브레이션 모드에 있고 나머지 컬럼은 판독 모드에 있다; 제 1 컬럼과 관련된 수량 A1j(t) 및 A2j(t)가 측정되고 컬럼의 활성 센서와 관련된 출력 D(t)는 설명된 방법을 사용하여 계산될 수 있다.
제 1 행의 판독이 완료된 후 판독을 위해 제 2 행이 선택된다. 제 2 컬럼이 캘리브레이션 중이며, 설명된 대로 제 1 컬럼이 캘리브레이션되는 방식과 유사하다. 나머지 컬럼(예를 들어, 제 2 컬럼 이외의 컬럼)은 판독 모드에 있으며, 이는 설명된 방법과 유사하다.
제 2 컬럼을 캘리브레이션 동안, 제 2 컬럼과 관련된 수량 A1j(t) 및 A2j(t)가 측정되고(예를 들어, 판독 소자(1002b)의 제 1 캘리브레이션 전류 및 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 발생하는 판독 전압) 그리고 제 2 컬럼의 활성 센서와 관련된 출력 D(t)는 설명된 방법을 사용하여 계산될 수 있다(즉, 인접 센서로 보간되거나 각각의 컬럼이 캘리브레이션 중일 때 이전 측정으로 추정되거나; 활성 센서 판독 전압은 각각의 컬럼이 판독 모드에 있을 때 측정됨).
일부 실시예에서, 일반적으로, 컬럼이 캘리브레이션된 후 (즉, 컬럼과 관련된 A1j(t) 및 A2j(t) 수량이 측정됨), 컬럼의 활성 센서와 관련된 출력 D(t)는 설명된 방법을 사용하여 계산될 수 있다(즉, 각각의 활성 센서 판독 전압(예를 들어, Asij(t))이 측정된다; A1j(t) 및 A2j(t)가 캘리브레이션 후에 알려지기 때문에 해당 항은 대응하는 출력 Dsij(t)을 산출할 수 있다).
이 예에서는 후속 행 판독 동안 다른 컬럼이 캘리브레이션된다. 그러나 동일한 컬럼이 반복적으로 캘리브레이션될 수 있음을 이해한다. 또한 모든 행을 판독하는 동안 캘리브레이션이 필요하지 않을 수 있음을 이해한다. 캘리브레이션 모드 활성화의 빈도는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 시스템 요구 사항 또는 노이즈 환경에 의존할 수 있다는 것이 이해된다. 하나의 컬럼이 각각의 행 판독 시간 동안 캘리브레이션되고 있지만, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 하나 이상의 컬럼이 캘리브레이션될 수 있음이 이해된다. 예를 들어, A1j(t) 및 A2j(t) 수량은 행 판독 시간 동안 다수의 컬럼에 대해 측정될 수 있고 다수의 컬럼은 한 행 판독 시간 동안 캘리브레이션된다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 모드는 주기적으로 인에이블(enable)된다. 일부 실시예에서, 특정 컬럼에 대해, 캘리브레이션 기간은 특정 컬럼의 제 1 캘리브레이션과 특정 컬럼의 후속 캘리브레이션 사이의 시간(즉, 특정 컬럼에 대한 A1j 및/또는 A2j의 업데이트 사이의 시간)에 의해 정의된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 기간은 판독 소자의 드리프트에 의해 결정된다. 예를 들어, 판독 소자가 빠르게 드리트프하는 경우, 캘리브레이션 기간이 짧다. 또 다른 예에서 판독 소자가 느리게 드리프트하면 캘리브레이션 기간이 길다.
일부 실시예에서, 특정 컬럼의 연속 캘리브레이션 동안, 서로 다른 행이 판독될 때 컬럼이 캘리브레이션된다. 예를 들어, 제 1 캘리브레이션 시간 동안 제 1 행이 판독될 때 제 1 컬럼이 캘리브레이션된다; 제 2 캘리브레이션 시간 동안, 제 2 행이 판독될 때 제 1 컬럼이 캘리브레이션된다. 이러한 방식으로, 동일한 활성 센서의 실제 판독 전압이 항상 무시되지는 않는다(예를 들어, 항상 이전 값 또는 보간된 값으로 추정되는 것은 아님). 예를 들어, 제 1 컬럼이 항상 제 1 행 판독 시간 동안 캘리브레이션되는 경우, 제 1 컬럼과 제 1 행의 활성 센서의 현재 판독 전압은 항상 인접한 활성 센서로 보간되거나 이전 판독 전압으로 추정된다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 모드는 1초마다 인에이블된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 모드 빈도는 센서 판독 회로의 노이즈 특성에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 모드를 위해 선택된 컬럼은 센서 판독 회로의 노이즈 특성에 기초한다.
도 14는 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법(1400)을 예시한다. 방법(1400)은 판독 소자를 활성 센서에 전기적으로 결합하는 단계(단계 1402)를 포함한다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 센서 판독 회로(410)의 판독 소자는 센서 판독 회로(1310)의 활성 센서에 전기적으로 결합된다.
방법(1400)은 판독 소자를 사용하여 활성 센서의 제 1 판독 전압을 측정하는 단계(단계 1404)를 포함한다. 예를 들어, 도 13 및 방정식 (15) 및 (19)를 참조하면, 제 1 판독 전압(예를 들어, Asij(t))은 판독 소자로 측정된다.
방법(1400)은 활성 센서로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계(단계 1406)를 포함한다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 센서 판독 회로(1310)의 판독 소자는 센서 판독 회로(1310)의 활성 센서로부터 전기적으로 결합 해제된다.
방법(1400)은 캘리브레이션 전류를 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계(단계 1408)를 포함한다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 캘리브레이션 전류(1302a) 또는 캘리브레이션 전류(1302b)는 센서 판독 회로(1310)의 활성 센서에 전기적으로 결합된다.
방법(1400)은 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 판독 소자를 이용하여 측정하는 단계를 포함한다(단계 1410). 예를 들어, 도 13 및 방정식 (15) 및 (19)를 참조하면, 제 2 판독 전압(예를 들어, Aj(t), A1j(t))이 판독 소자로 측정된다.
방법(1400)은 (1) 제 1 판독 전압 및 (2) 제 2 판독 전압에 기초하여 출력을 계산하는 단계(단계 1412)를 포함한다. 일부 예에서 출력은 활성 센서의 판독 전류에 비례한다. 예를 들어, 방정식 (15) 및 (19)를 참조하면 출력 D(t)는 제 1 판독 전압 및 제 2 판독 전압을 기반으로 계산된다.
일부 실시예에서, 방법(1400)은 : 복수의 활성 센서의 각각의 활성 센서를 복수의 판독 소자의 개개의 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 각각의 판독 소자를 사용하여 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 각각의 활성 센서로부터 각각의 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 캘리브레이션 전류를 각각의 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 각각의 판독 소자로, 각각의 판독 소자상의 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 각각의 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 출력을 계산하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 컬럼(1312a)이 캘리브레이션된 후 (즉, 컬럼(1312a)와 관련된 Aj(t)가 측정되고, 컬럼의 드리프트가 측정됨) 컬럼(1312b)이 캘리브레이션된다(즉, 컬럼(1312b)와 관련된 Aj(t)가 측정되고, 컬럼의 드리프트가 측정됨).
일부 실시예에서, 방법(1400)은 : 제 1 출력을 계산한 후 : 판독 소자로부터 캘리브레이션 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 판독 소자를 제 2 활성 센서에 전기적으로 결합하는 단계로서, 제 2 활성 센서는 제 1 활성 센서와 동일한 컬럼에 속하는, 상기 결합하는 단계; 판독 소자로, 제 2 활성 센서의 제 3 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 제 3 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 제 2 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 제 2 출력을 계산하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 출력 D(t)가 컬럼(1312a)의 제 1 행에 대해 계산된 후 (즉, 컬럼의 드리프트가 측정됨) 컬럼(1312a)의 제 2 행과 관련된 출력 D(t)가 Aj(t) 및 제 2 행에 있는 활성 센서의 판독 전압을 기반으로 계산된다.
일부 실시예에서, 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 동일한 컬럼 상의 제 2 판독 전압의 연속적인 측정 사이의 시간은 캘리브레이션 기간이다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 기간은 1 초이다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 기간은 판독 소자의 드리프트에 기반된다.
일부 실시예에서, 제 2 판독 전압의 연속적인 측정 동안 상이한 행이 판독되고 있다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 수량 Aj(t)는 제 1 행이 판독될 때 컬럼(1312a)에 대해 처음으로 측정된다. 후속 시간에, 수량 Aj(t)는 제 1 행과 다른 제 2 행이 판독될 때 컬럼(1312a)에 대해 측정된다.
일부 실시예에서, 방법(1400)은 : 제 1 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 판독 소자를 제 2 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 및 판독 소자를 이용하여 판독 소자 상의 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압을 측정하는 단계로서, 상기 출력은 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압에 추가로 기초하는, 상기 제 3 판독 전압을 측정하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 13 및 방정식 (15)를 참조하면, 양쪽 캘리브레이션 전류(1302a 및 1302b)는 수량 A1j(t) 및 A2j(t)를 측정하는 데 사용되며 출력 D(t)는 수량 A1j(t) 및 A2j(t)에 기초한다.
일부 실시예에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 : 셔터를 닫는 단계; 닫힌 셔터에 대응하는 출력을 계산하는 단계; 및 (1) 열린 셔터에 대응하는 출력과 (2) 닫힌 셔터에 대응하는 출력 사이의 센서 이미지에 의해 야기된 활성 센서의 임피던스 차이에 비례하는 차이를 계산하는 단계를 포함한다. 이러한 실시예의 예는 방정식 (22) 및 방정식 (23)을 참조하여 후술될 것이다.
일부 실시예에서, 제 1 활성 센서는 열 장면에 노출된 볼로미터이다.
도 15는 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다. 캘리브레이션 회로(1500)는 캘리브레이션 센서 회로(1520) 및 캘리브레이션 전류 회로(1530)를 포함한다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 회로(1500)는 설명된 캘리브레이션 방법을 수행하는 조합된 회로이다. 예를 들어, 캘리브레이션 센서 회로(1520)는 센서 캘리브레이션 회로(1100)와 유사할 수 있다. 캘리브레이션 전류 회로(1530)는 캘리브레이션 전류 회로(1300)와 유사할 수 있다. 캘리브레이션 회로(1500)는 센서 판독 회로(1510)에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 센서 판독 회로(1510)는 센서 판독 회로(1000)와 실질적으로 유사할 수 있다. 판독 회로(1510)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 임의의 크기의 센서 어레이 및 대응하는 판독 회로를 포함 할 수 있다는 것이 이해된다. 일부 실시예는 회로(1500)를 제조하는 방법을 포함한다.
도 16은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 회로를 예시한다. 예를 들어, 센서 캘리브레이션 회로(1600)는 센서 캘리브레이션 회로(1500)의 실시예다. 센서 캘리브레이션 회로(1600)는 캘리브레이션 센서 회로(1620) 및 캘리브레이션 전류 회로(1630)를 포함한다. 센서 캘리브레이션(1600)은 도시된 바와 같이 섹션(1610a 및 1610b)을 포함하는 센서 판독 회로(1610)에 전기적으로 결합된다. 도 16은 예시적이며 그 소자는 상징적이라는 것이 이해된다. 센서 캘리브레이션 회로(1600)의 다른 구성 및 센서 캘리브레이션 회로와 센서 판독 회로(1610) 사이의 연결은 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 존재할 수 있다. 일부 실시예는 회로(1600)를 제조하는 방법을 포함한다.
회로의 일부 섹션이 점선 박스로 예시되어 있지만, 점선 박스는 명확성을 위해 추가된 것 일뿐 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 결합된 캘리브레이션 회로(예를 들어, 센서 캘리브레이션 회로(1600))는 동시에 도 11 및 13과 관련된 캘리브레이션 방법을 수행한다. 예를 들어 선택한 센서 행이 판독되는 동안 캘리브레이션 센서는 선택한 행과 관련된 바이어스 전압을 캘리브레이션하는 데 사용되며 캘리브레이션 전류는 특정 컬럼(들)에 대한 ADC 및 스키밍 전류를 캘리브레이션하는 데 사용된다. 캘리브레이션 센서와 캘리브레이션 전류를 사용하는 조합된 캘리브레이션은 설명된 각각의 개별 방법과 실질적으로 동일한 단계를 포함한다. 간결함을 위해 유사한 단계를 여기서 반복하지 않는다.
설명된 것과 실질적으로 동일한 방법을 사용하여, 캘리브레이션 센서와 관련된 출력이 계산된다:
항 AM1(t)는 제 1 캘리브레이션 전류가 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합될 때 캘리브레이션 판독 소자의 판독 전압이고, AM2(t)는 제 2 캘리브레이션 전류가 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합될 때 캘리브레이션 판독 소자의 판독 전압이다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 판독 소자를 캘리브레이션하면 바이어스 전압이 캘리브레이션되는 것을 배제하기 때문에 (즉, 캘리브레이션 센서가 캘리브레이션 판독 소자로부터 전기적으로 결합 해제됨), 빈(blank) 행 판독 시간(예를 들어, 1 행 판독 시간 지연)을 사용하여 개개의 캘리브레이션 전류를 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합 및 결합 해제하여 AM1(t) 및 AM2(t) 측정을 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, AM1(t) 및 AM2(t) 측정을 수행하기 위해 캘리브레이션 센서가 캘리브레이션 판독 소자로부터 전기적으로 결합 해제되기 전에 바이어스 전압이 캘리브레이션된다.
조합된 센서 캘리브레이션 방법에서, 방정식 (15) 및 (20)은 방정식 (14)로 조합될 수 있다. 간결함을 위해 이러한 방정식과 관련된 항은 다시 설명하지 않는다. 다른 실시예에서, 하나의 캘리브레이션 전류가 사용될 때, 방정식 (20)이 방정식 (15)로부터 유도되는 것과 유사한 방식으로 방정식 (20)이 방정식 (19)과 실질적으로 유사하도록 감소된다.
항 Pij는 캘리브레이션 센서와 캘리브레이션 전류 방법을 조합하여 계산되기 때문에, 항 Pij는 행간 및 컬럼간 패턴 노이즈가 없다. 센서 캘리브레이션 회로(1600)는 설명된 바와 같이 센서 캘리브레이션 회로(1100) 및 센서 캘리브레이션 회로(1300)와 관련된 장점을 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 변동 및 1/f 노이즈와 관련된 노이즈를 제거하기 위해 설명된 센서 판독 회로(예를 들어, 센서 판독 회로(1000))를 보충하기 위해 셔터가 추가될 수 있다.
예를 들어, t = 0에서 셔터가 닫히고 센서 이미지로부터 활성 센서를 일시적으로 차폐시킨다. 각각의 컬럼의 판독 전압은 셔터가 닫힐 때 측정된다. 셔터가 닫힌 동안 측정된 판독 전압은 Asij(0)로 표시될 수 있다. 다른 시간(예를 들어, 시간 t)에 셔터가 열리고, 활성 센서가 센서 이미지에 노출된다. 각각의 컬럼의 판독 전압은 셔터가 열릴 때 측정된다. 셔터가 열린 동안 측정된 판독 전압은 Asij(t)로 표시될 수 있다.
Asij(t) 및 Asij(0)를 사용하면 센서 이미지(예를 들어, ΔZij)로 인한 임피던스 변화가 계산될 수 있다 :
여기서, g는 측정과 관련된 판독 소자의 이득이고, Vbiasi는 i 번째 행(즉, 현재 선택된 행)의 기준 센서와 관련된 바이어스 전압이고, Zij(t)는 Asij(t)가 측정될 때 (예를 들어, 셔터가 열려있을 때) 센서(i, j)의 절대 임피던스이다.
셔터 캘리브레이션은 센서 변동으로 인한 노이즈 패턴을 제거하고 센서 및 회로 소자와 관련된 1/f 노이즈를 재설정할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 요건은 셔터의 빈도를 결정한다. 예를 들어 센서 요건은 볼로미터 픽셀 노이즈 등가 온도 차이(NETD)이다.
일부 실시예에서, 설명된 셔터 캘리브레이션 방법은 도 11, 13, 15 및 16 중 임의의 것과 관련된 센서 캘리브레이션 방법과 조합된다. 간결함을 위해, 셔터 캘리브레이션 방법과 도 15 및 16과 관련된 센서 캘리브레이션 방법의 조합이 명시적으로 설명된다. 당업자는 명시적으로 개시되지 않은 캘리브레이션 방법의 조합과 관련된 계산이 개시 내용으로부터 쉽게 도출될 수 있고 개시의 범위 내에 있다는 것을 인식할 것이다.
일부 실시예에서, 셔터가 닫힐 때, 활성 센서(예를 들어, 방정식 (15), Dsij(0)) 및 캘리브레이션 센서(예를 들어, 방정식 (20), DiM (0))와 관련된 캘리브레이션 양이 계산된다. 따라서 방정식 (21)과 (22)가 조합되어 셔터 캘리브레이션, 캘리브레이션 센서 및 캘리브레이션 전류와 관련된 수량 Pij를 계산한다.
방정식 (23)은 센서 이미지의 변화 (즉, 활성 센서 임피던스의 변화, ΔZij)에 실질적으로 비례하는 항 Pij을 산출한다. 예를 들어 센서는 볼로미터이고 센서 이미지는 들어오는 열 방사선이다.
일부 실시예에서, 조합된 셔터 캘리브레이션, 캘리브레이션 센서 및 캘리브레이션 전류 방법은 하나의 캘리브레이션 전류를 이용한다. 이러한 실시예에서, 항 Pij는 다음과 같이 센서 이미지의 변화에 실질적으로 비례한다 :
간결함을 위해 다른 방정식에 설명된 용어는 다시 설명하지 않는다.
도 17은 일 실시예에 따른 센서 캘리브레이션 방법(1700)을 예시한다. 일부 실시예에서, 방법(1700)은 방법(1400)에 포함된다.
방법(1700)은 제 1 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계(단계 1702)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 캘리브레이션 전류 회로(1630)의 캘리브레이션 전류 소스는 센서 판독 회로(1610)의 판독 소자로부터 전기적으로 결합 해제된다.
방법(1700)은 제 2 판독 소자를 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계(단계 1704)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 캘리브레이션 전류 회로(1630)의 캘리브레이션 전류 소스 중 하나는 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합된다.
방법(1700)은 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압을 제 2 판독 소자를 이용하여 측정하는 단계(단계 1706)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 캘리브레이션 전류 소스에 의한 판독 전압이 캘리브레이션 판독 소자로 측정된다.
방법(1700)은 캘리브레이션 전류 소스로부터 제 2 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계(단계 1708)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 캘리브레이션 전류 회로(1630)의 캘리브레이션 전류 소스는 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 판독 소자로부터 전기적으로 결합 해제된다.
방법(1700)은 캘리브레이션 센서의 제 1 단자를 복수의 활성 센서 및 활성 센서에 의해 공유되는 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합하는 단계(단계 1710)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 센서 판독 회로(1610)의 바이어스 전압 노드는 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 센서에 전기적으로 결합된다.
방법(1700)은 캘리브레이션 센서의 제 2 단자를 제 2 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계(단계 1712)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 센서는 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합된다.
방법(1700)은 복수의 활성 센서 및 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계(단계 1714)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 센서 판독 회로(1610) 내의 복수의 활성 센서가 센서 이미지에 노출된다.
방법(1700)은 센서 이미지로부터 캘리브레이션 센서를 차폐시키는 단계(단계 1716)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 센서는 센서 이미지로부터 차폐된다.
방법(1700)은 제 2 판독 소자를 이용하여 캘리브레이션 센서의 제 4 판독 전압을 측정하는 단계(단계 1718)를 포함한다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 센서의 판독 전압은 캘리브레이션 센서 회로(1620)의 캘리브레이션 판독 소자로 측정된다.
방법(1700)은 제 2 출력을 계산하는 단계를 포함한다. 일부 예들에서, 출력은 제 3 판독 전압 및 제 4 판독 전압에 기초한다(단계 1720). 예를 들어, 도 7 및 방정식 (20)을 참조하면, 캘리브레이션 센서 컬럼과 관련된 D(t)는 제 3 및 제 4 판독 전압에 기초하여 계산된다.
방법(1700)은 차이를 계산하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 차이는 (1) 제 1 출력과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 사이의 비율에 의해 가중된 제 2 출력 사이에 있다(단계 1722). 예를 들어, 도 7 및 방정식 (21)을 참조하면, 항 Pij는 출력 Dsij(t) 및 DiM(t)를 기반으로 계산된다.
도 18a는 예시적인 센서 이미지를 도시한다. 패턴 노이즈로 인해, 수평 노이즈 패턴(아티팩트(artifact)가 (1810)으로 표시됨) 및 수직 노이즈 패턴(아티팩트가 (1820)으로 표시됨)이 센서 이미지(1800)에 존재한다.
도 18b는 개시된 캘리브레이션 방법이 사용된 후의 예시적인 센서 이미지를 도시한다. 개시된 캘리브레이션 방법을 사용함으로써, 센서 이미지(1850)는 센서 이미지(1800)에서 관측된 수평 및 수직 노이즈 패턴이 없다.
일부 MEMS 시스템은 판독을 위해 전하를 저장하기 위해 용량성 소자(예를 들어, 센서, 커패시터)를 사용한다. 예를 들어, x-선 이미징 시스템은 (1) x-선 광자를 전자로 직접 변환하거나 (2) 신틸레이터 플레이트(scintillator plate)를 사용하여 x-선 광자를 가시 광자로 변환하고 이는 그런 다음 가시 광선에 민감한 광 검출기에 의해 광전자로 변환하는 센서 픽셀의 2 차원 에러이를 구현할 수 있다. 센서 픽셀에 입사하는 전자 또는 광전자의 양은 등가 커패시터(예를 들어, 포토 다이오드의 접합 커패시턴스, 판독 전에 광 생성 전하를 저장하는 픽셀 커패시터)에 저장된 전하로 나타낼 수 있다.
전형적인 x-선 이미징 시스템에서, 각각의 센서의 전하는 한 번에 한 행씩 판독된다; 센서의 각각의 컬럼은 CTIA에 이어 ADC에 연결된다. 이러한 아키텍처는 원하는 감도와 해상도를 달성하기 위해 큰 칩 면적과 상당한 양의 전력(예를 들어, 채널당 3-5mW)이 필요할 수 있다. 3,000 개 이상의 컬럼이 있는 전형적인 패널에는 동일한 양의 CTIA가 필요할 것이다. 일반적인 x-선 이미징 시스템에서, CTIA는 x-선 픽셀 커패시턴스를 일치시키기 위해 고 이득 연산 증폭기와 상대적으로 큰 커패시터(예를 들어, 1-5pF)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기의 높은 이득 특성은 컬럼 수에 따라 스케일링되는 높은 전력 소산을 초래한다.
본 개시의 예는 비용을 줄이고 신뢰성 및 휴대성을 증가시키면서 전통적인 MEMS 시스템의 칩 크기 및 전력 소산를 감소시키는 MEMS 센서 회로 및 방법에 관한 것이다. 본 출원의 일부 실시예에서, 센서 회로는 각각 전하를 저장하도록 구성된 복수의 센서, 각각의 센서의 전하를 수신하도록 구성된 시그마-델타 ADC, 및 복수의 센서 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 결합하도록 구성된 복수의 스위치(각각의 스위치는 복수의 센서 중 개개의 센서에 대응함)를 포함한다. 일부 실시예에서, 센서 회로는 CTIA를 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치된 CTIA를 포함하지 않는다. 일부 경우에, CTIA 및 ADC를 시그마-델타 ADC로 교체하면 CTIA의 고 이득 연산 증폭기 및 CTIA의 대형 커패시터가 더 이상 회로에 없기 때문에 판독 소자의 전력 및 면적이 감소한다. 시그마-델타 ADC가 모든 센서 컬럼의 CTIA를 대체하는 경우, 전력 및 면적 감소는 센서 컬럼 수에 따라 스케일링될 것이고(상기 참조-일부 경우에, 이미징 시스템은 3,000 개의 컬럼을 포함한다) 이는, 감도, 해상도 또는 노이즈를 손상시키지 않으면서 상당한 전력 및 면적 절감을 제공할 수 있다. 전력과 면적을 줄이면 비용을 줄이고 센서 회로를 포함하는 시스템(예를 들어, x-선 이미징 시스템, CMOS 이미징 시스템, CCD 이미징 시스템)의 신뢰성과 휴대성을 높일 수 있다.
도 19a는 예시적인 센서 회로(1900)를 예시한다. 예시된 바와 같이, 센서 회로(1900)는 센서(1902A-1902D), 스위치(1904A-1904D) 및 ADC(1906)를 포함한다. 일부 실시예에서, ADC(1906)는 선택된 센서의 전하를 캡처하도록 구성된 시그마-델타 ADC이다. 일부 경우에, 센서가 판독을 위해 선택되면, 선택된 센서의 방전 전류는 시간에 따라 변하는 (예를 들어, 지수적으로 감소, 단계적(step)) 신호이다. 일부 실시예에서, 시그마-델타 ADC는 시변 신호를 수신하고 선택된 센서의 총 전하를 실질적으로 캡처하도록 구성된다. 일부 경우에, 시그마-델타 ADC는 시스템의 정확도 요건을 충족하기에 충분한 해상도로 시변 신호로부터 총 전하를 측정할 수 있다. 일부 실시예에서, 스위치는 각각의 센서의 행이 선택될 때 각각의 센서를 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합한다(예를 들어, 스위치(1904A)는 특정 행에 해당하는 센서(1902A)를 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합한다). 일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서와 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치된 CTIA를 포함하지 않는다. 일부 실시예는 회로(1900)를 제조하는 방법을 포함한다.
일부 실시예에서, 도 1-18에 설명된 센서 회로와 관련하여, 센서 회로(1900)는 CTIA 대신 설명된 판독 소자에 포함될 수 있다. 예를 들어, 판독 소자(102 또는 1002)는 ADC(1906)을 포함한다.
센서를 개략적으로 나타내기 위해 사용된 커패시터 심볼은 단지 예시일뿐 제한적이지 않음을 이해해야 한다. 일부 실시예에서, 센서(1902)는 센서 픽셀이다. 일부 실시예에서, 센서(1902)는 방사선(예를 들어, X-선)을 수신하고 방사선을 전하로 변환하는 센서이다. 일부 실시예에서, 센서 픽셀이 감지하는 동안 전하가 센서 픽셀에 저장되고, 커패시터는 센서 픽셀의 전하 저장 동작을 나타낸다. 예를 들어, 센서는 x-선 센서 포토 다이오드이고 센서는 x-선 방사선 노출에 반응하여 전하를 축적한다; 총 누적 전하는 x-선 방사 수준을 나타내며 커패시터 심볼은 전하 저장 동작을 나타내는 데 사용된다. 또 다른 예로, 센서는 x-선 광자를 전자로 직접 변환하는 x-선 센서 픽셀이고 전자는 커패시터(예를 들어, 판독 전에 광 생성 전하를 저장하는 픽셀 커패시터)에 저장된다.
센서 회로(1900)는 단지 예시적인 것으로 이해된다. 일부 실시예에서, 센서 회로(1900)는 센서의 한 컬럼을 나타내고, 컬럼의 각각의 센서는 센서의 행(미도시)에 속한다; 컬럼의 각각의 센서는 다른 행 시간(예를 들어, 다른 방전 시간 윈도우 동안)에서 판독된다. 일부 실시예에서, 컬럼의 제 2 센서는 본 출원에 기재된 동일한 방법을 사용하여 후속 판독 시간에 판독된다. 예를 들어, 제 1 스위치는 제 1 센서를 시그마-델타 ADC로부터 결합 해제하고 제 2 스위치는 제 2 행 시간(예를 들어, 제 2 방전 시간 윈도) 동안 제 2 센서를 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합한다.
일부 경우에, 시그마-델타 ADC는 근사(near)-DC 신호를 수신하는 데 더 적절할 수 있다. 따라서, 센서 회로에 시그마-델타 ADC를 포함할 때 방전 신호를 근사 DC 신호(예를 들어, 정전류)로 변환하는 것이 더 바람직할 것이다. 센서와 시그마-델타 ADC 사이에 CTIA와 샘플-및-홀드(sample-and-hold) 회로가 포함될 수 있어서 시그마-델타 아날로그-디지털 변환을 위한 근사 DC 입력을 생성할 수 있다. 이것은 센서로부터 직접 판독되는 신호가 높은 피크와 빠른 전이를 포함하는 경우 특히 유리할 수 있다. 신호에 날카로운 피처(feature)가 포함된 경우 신호가 시그마-델타 ADC에 의해 적절하게 캡처되지 않을 수 있으므로 ADC 해상도가 손실될 수 있다. 그러나 앞에서 설명한 것처럼 센서 어레이의 각각의 컬럼에 CTIA를 추가하면 판독 전력과 판독 칩의 면적이 증가할 수 있다.
일부 실시예에서, CTIA 및 샘플 및 홀드 회로는 시그마-델타 ADC에 포함되지 않는다. 도 19b는 예시적인 센서 회로(1950)를 예시한다. 예시된 바와 같이, 센서 회로(1950)는 센서(1952A-1952D), 스위치(1954A-1954D), ADC(1956), 가변 저항기(1958) 및 제어 전압(1960)을 포함한다. 일부 실시예에서, ADC(1956)는 선택된 센서의 총 전하를 캡처하도록 구성된 시그마-델타 ADC이다. 일부 경우에, 센서가 판독을 위해 선택되면, 선택된 센서의 방전 전류는 시간에 따라 변하는 (예를 들어, 지수적으로 감소, 단계적) 신호이다. 일부 실시예에서, 가변 저항기는 시변 신호를 수신하고 총 전하를 시그마-델타 ADC로 출력하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 센서 회로는 복수의 센서와 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치된 CTIA를 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 센서(1952A-1952D)는 센서(1902A-1902D)에 대응하고, 스위치(1954A-1954D)는 스위치(1904A-1904D)에 대응하고, ADC(1956)은 ADC(1906)에 대응한다. 간결함을 위해, 도 19a에서 설명된 것과 유사한 소자는 다시 설명되지 않을 것이다. 일부 실시예는 회로(1950)를 제조하는 방법을 포함한다.
일부 실시예에서, 도 1-18에 설명된 센서 회로와 관련하여, 센서 회로(1950)는 CTIA 대신 설명된 판독 소자에 포함될 수 있다. 예를 들어, 판독 소자(102 또는 1002)는 ADC(1956) 및 가변 저항기(1958)를 포함한다. 일부 실시예에서, 가변 저항기(1958)는 센서(110, 112, 1008, 또는 1010)에 전기적으로 결합되고 자체 발열의 시간 변화 영향을 최소화하기 위해 본 출원에 설명된 방법으로 제어된다.
시그마-델타 ADC 앞의 가변 저항기(1958)는 판독 동안에 커패시터의 방전을 제어하여 제어되지 않은 방전 신호의 높은 피크 진폭과 날카로운 피처를 감소시킨다. 예를 들어, 센서 판독 동안에 (예를 들어, x-선 센서 포토 다이오드의 누적 전하가 판독 회로부로 방전되는 경우) 가변 저항기의 저항을 변경하고 방전 시간 윈도우를 판독 동작의 행 시간과 일치시켜 방전 신호를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 행 시간은 센서 행이 판독될 때이다.
일부 실시예에서, 가변 저항기(1958)는 MOS 트랜지스터로 구현된다. 일부 실시예에서, MOS 트랜지스터의 저항은 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 제어하는 제어 전압(1960)으로 제어될 수 있다. 트랜지스터 심볼은 가변 저항기(1958)를 나타내기 위해 사용되며 가변 저항기에 연결된 제어 전압(1960)은 제한되지 않는다는 것이 이해된다; 가변 저항기(1958)의 다른 구현이 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 가변 저항기(1958)는 저항의 이산 레벨이 달성될 수 있는 가중 저항기 뱅크(미도시)로 구현된다(예를 들어, 가중 저항기 뱅크의 저항기 간의 각각의 조합은 고유하다). 예를 들어, 가중 저항기 뱅크는 병렬 또는 직렬로 선택적으로 전기적으로 결합될 수 있는 복수의 저항기 및 복수의 대응하는 스위치를 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 저항은 저항의 모든 상이한 조합이 상이한 총 저항을 초래하도록 고유한 값을 갖는다(예를 들어, 저항기의 값은 단계적으로 높은 것에서 낮은 것까지의 범위에 걸친 기본 값 세트를 형성한다)(예를 들어, 5.05k-ohms에서 5ohms까지 50ohm 씩 증분)).
예를 들어, 가변 저항기(1958)는 MOS 트랜지스터이다. 이 예에서, 방전 시간 윈도우의 시작은 행 시간의 시작과 일치한다. 이 시간 동안(예를 들어, t = 0), 가변 저항기(1958)의 저항은 초기 저항(예를 들어, R0)에 있고, 스위치(1954)는 센서(1952)를 가변 저항기(1958)에 전기적으로 결합한다. 이 방전 시간 윈도우 동안 시간이 경과함에 따라, 가변 저항기(1958)의 저항은 R0으로부터 감소한다. 이 예에서 저항은 방전 시간 윈도우가 끝날 때까지 (예를 들어, t = T) R0에서 0까지 선형적으로 감소한다. 일부 실시예에서, T는 20 마이크로 초이다. 일부 실시예에서, T는 40 마이크로 초이다. 일부 실시예에서, T는 10 마이크로 초와 1 밀리 초 사이이다. 일부 실시예에서, 방전 시간 윈도우는 비교 가능한 MOS 트랜지스터를 켜는 신호의 상승 시간(rise time)보다 몇몇의 크기 더 길다. 따라서, 방전 시간 윈도우에 걸쳐 가변 저항기(1958)의 저항을 줄이는 것은 단순히 트랜지스터를 켜는 것과 다를 수 있다. 예를 들어, 방전 시간 윈도우는 마이크로 초 범위이고 MOS 트랜지스터를 켜는 신호의 상승 시간은 나노 초 범위이다. 가변 저항기(1958)의 저항은 다음과 같이 계산될 수 있다 :
트랜스컨덕턴스를 로우(low)에서 하이(high)로 증가시킨다(즉, 저항은 높음에서 낮음으로 감소) (예를 들어, 게이트 전압을 증가시킴으로써). 상기의 방정식에서 설명한 것처럼 가변 저항기의 저항은 t = 0에서 t = T까지 선형적으로 감소한다; t = 0에서의 저항(예를 들어, R(0))은 R0, 초기 저항이고, t = 0 이후 저항은 방정식에 대해 설명된 대로 선형적으로 감소하고, 저항(예를 들어, R(t))은 t = T에서 실질적으로 0에 근접한다. 일부 실시예에서, 가변 저항기(1958)는 저항의 이산 레벨이 달성될 수 있는 가중 저항기 뱅크(미도시)로 구현된다(예를 들어, 가중 저항기 뱅크의 저항기 간의 각각의 조합은 고유하다). 이러한 실시예에서, R(t)는 가중된 뱅크의 저항기의 단계적 함수로 근사화 될 수 있다.
방정식 (26)은 이상적인 경우 R(t)가 t = T에서 0에 도달한다는 것을 보여 주지만, 가변 저항기(1958)를 구현하는 데 사용되는 컴포넌트가 방전 시간 윈도우 끝에서 정확히 0 저항에 도달하지 못할 수 있음을 이해한다. 일부 실시예에서, 이 저항은 가변 저항기의 최저 저항이다. 예를 들어, 가변 저항기가 MOS 트랜지스터인 경우 최저 저항은 트랜지스터의 컨덕턴스(예를 들어, 트랜지스터의 "온(on)" 저항)에 의해 결정된다. 또 다른 예로, 가변 저항기가 가중 저항기 뱅크인 경우 뱅크의 모든 저항을 병렬로 전기적으로 결합하여 최저 저항이 달성될 수 있다.
센서(1902)의 커패시턴스는 C로 표현될 수 있다. 가변 저항기(1958)로 들어가는 전류는 다음과 같이 계산될 수 있다 :
V(t)를 풀면 가변 저항기(1958) 양단의 전압이 시간 함수로 계산될 수 있다 :
가변 저항기(1958) 양단의 전류 I(t)는 다음과 같이 표현될 수 있다:
방정식 (29)에서 볼 수 있듯이 방전 시간 윈도우 T가 초기 시상수와 같도록 설정되면(예를 들어, T = C x R0), 전류 출력은 실질적으로 일정할 수 있다(예를 들어, I = V(0)/R0). 따라서, 일부 실시예에서, 가변 저항기의 R0은 센서(1902)의 유효 커패시턴스(예를 들어, 1-5pF) 및 방전 시간 윈도우(예를 들어, 행 시간)에 의해 결정된다. 방전 전류를 정전류로 변환하면 상기에서 설명한 더 큰 면적 및 전력 패널티 없이 시그마-델타 ADC(예를 들어, 16 비트 변환(14 개의 유효 비트 수))를 사용하여 더 높은 해상도가 달성될 수 있다. 따라서 행 시간이 알려지거나 결정되고(예를 들어, 시스템 요건에 따라) 센서 커패시턴스가 알려지면, 가변 저항기를 디자인하여 방전 전류를 정전류로 변환할 수 있다. 센서 회로(1950)를 사용하여 정전류로 변환하면 CTIA를 포함하지 않고도 시그마-델타 ADC에 입력되는 높은 피크 및/또는 날카로운 방전 신호로 인한 해상도 저하를 줄일 수 있다. 이 예에서는 "정전류(constant current)" 라는 용어가 사용되었지만, 변환된 전류는 시그마-델타 ADC의 해상도를 실질적으로 감소시키지 않는 변동을 포함할 수 있음을 이해한다.
일부 실시예에서, 방전 시간 윈도우의 끝에서 센서의 전하는 완전히 판독되지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 잔여 전하는 추가 방전 경로를 통해 시그마-델타 ADC로 방전될 수 있다. 일부 실시예에서, ADC 측정에 실질적인 영향을 주지 않고 잔여 전하는 무시될 수 있다.
센서 회로(1950)는 단지 예시적인 것으로 이해된다. 일부 실시예에서, 센서 회로(1950)는 센서의 한 컬럼을 나타내고, 컬럼의 각각의 센서는 센서의 행에 속한다; 컬럼의 각각의 센서는 다른 행 시간(예를 들어, 다른 방전 시간 윈도우에서)에서 판독된다. 일부 실시예에서, 컬럼의 제 2 센서는 본 출원에 기재된 동일한 방법을 사용하여 후속 판독 시간에 판독된다. 예를 들어, 제 2 스위치는 제 2 행 시간(예를 들어, 제 2 방전 시간 윈도우) 동안 제 2 센서를 가변 저항기에 전기적으로 결합하고 제 2 센서의 전류는 본 출원에 설명된 방법을 이용하여 시그마-델타 ADC에 대해 근사-DC로 변환된다.
센서 회로(1950)가 하나의 가변 저항기로 설명되었지만, 센서 컬럼이 하나 이상의 가변 저항기와 관련될 수 있음이 이해된다.
일부 실시예에서, R0은 업데이트된 행 시간 요건에 응답하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 가중 저항 뱅크를 조정하여 다른 초기 저항을 설정할 수 있다. 또 다른 예로, 가변 저항기의 초기 저항은 판독 전에 조정될 수 있다.
상기의 예가 때때로 x-선 센서 포토 다이오드를 참조하여 설명되지만, 다른 유형의 센서가 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 유사한 전류 제어 회로를 사용할 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 설명된 회로는 CMOS 또는 CCD 이미징 시스템에 사용될 수 있다.
도 20a는 예시적인 센서 회로(2000)를 예시한다. 센서 회로는 센서(2002A-2002B) 및 판독 회로(2004A-2004B)를 포함한다. 일부 실시예에서, 판독 회로는 판독 회로(1900 또는 1950)를 포함한다. 센서 회로(2000)는 CTIA를 포함하지 않을 수 있기 때문에, 센서 회로는 본 출원에 설명된 전력, 면적 및 해상도 장점을 누릴 수 있다.
도시된 바와 같이, 센서(2002)는 N 개의 컬럼(2002A 내지 2002N)으로 구조화된다. "N"은 임의의 개수의 컬럼일 수 있음을 이해해야 한다. 도 20a 및 20b와 관련하여 설명된 바와 같이, "센서의 컬럼(column of sensor)"은 어레이의 제 1 차원을 따라 배열되고 어레이의 경계에 의해 경계가 정해진 센서 어레이에 포함된 복수의 센서이다. 복수의 센서의 각각의 센서는 어레이의 제 2 차원을 따라 고유한 행에 속한다. 예를 들어, 도 20a에 도시된 바와 같이, 센서(2002A 및 2002B)는 센서의 수직 컬럼(예를 들어, 컬럼(2002A 내지 2002N))에 의해 공간적으로 배열된다. 다른 예로서, 센서 컬럼은 회로(1900 및 1950)에서 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합된다. 예시된 바와 같이, 판독 회로(2004A)는 센서(2002A)를 판독하도록 구성되고 판독 회로(2004B)는 센서(2002B)를 판독하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 센서는 x-선 센서 포토 다이오드이고, x-선 패널의 일부이다. 일부 실시예에서, 센서는 CMOS 또는 CCD 패널의 일부이다. 일부 실시예에서, 판독 회로는 시그마-델타 ADC를 포함한다. 일부 실시예에서, 판독 회로는 CTIA를 포함하지 않는다.
도 20b는 예시적인 센서 회로(2050)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 센서(2052)는 N 개의 컬럼(2056A 내지 2056N)에 의해 구조화된다. 센서 회로는 센서(2052A-2052D) 및 판독 회로(2054A-2054D)를 포함한다. 일부 실시예에서, 센서는 x-선 센서 포토 다이오드이고, 도 20a에 설명된 패널과 동일한 크기를 갖는 x-선 패널의 일부이다. 일부 실시예에서, 센서는 CMOS 또는 CCD 패널의 일부이다. 일부 실시예에서, 센서는 컬럼으로 배열되고, 각각의 컬럼은 제 1 판독 회로에 연결된 제 1 복수의 센서 및 제 2 판독 회로에 연결된 제 2 복수의 센서를 포함한다. 예를 들어, 센서(2052A)는 제 1 복수의 센서를 포함하고, 센서(2052B)는 제 2 복수의 센서를 포함하고; 센서(2052A 및 2052B)의 조합은 도 20a에 설명된 센서(2002A)에 대응한다. 다른 예로서, 컬럼(2056A)은 제 1 복수의 센서 및 제 2 복수 센서로부터의 센서를 포함한다. 이러한 경우, 패널은 분할된다 - 제 1 복수의 센서는 컬럼 센서의 전반부(first half)를 포함하고(도 20a에 대해 정의됨), 제 2 복수의 센서는 센서 컬럼의 후반부(second half)를 포함한다(예를 들어, 제 1 및 제 2 복수의 센서의 수는 동일함).
도시된 바와 같이, 판독 회로(2004A)는 센서(2002A)를 판독하도록 구성되고, 판독 회로(2004B)는 센서(2002B)를 판독하도록 구성되고, 판독 회로(2004C)는 센서(2002C)를 판독하도록 구성되고, 판독 회로(2004D)는 센서(2004D)를 판독하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 컬럼은 양방향으로 판독된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 복수의 센서는 판독 회로(2004A 및 2004B)를 사용하여 동시에 판독된다.
컬럼의 다른 부분을 동시에 판독함으로써, 판독에 포함된 기생 커패시턴스 및 저항을 줄일 수 있다. 예를 들어, 각각의 판독 회로의 입력에서 컬럼(2056A)의 기생 저항 및 커패시턴스가 각각 절반으로 줄어든다. 컬럼의 기생 RC를 줄임으로써, 판독 지연을 줄일 수 있다. 또한 컬럼을 "분할(breaking up)"하여, 행 어드레싱 복잡성을 줄일 수 있다. 예를 들어, 각각의 판독 ASIC에 대해 판독할 행이 절반이기 때문에(도 20a의 어레이와 비교하여) 전체 행 어드레스가 감소된다.
일부 실시예에서, 각각의 판독 회로는 센서 회로(1900 또는 1950) (간결성을 위해 다시 설명되지 않음) 및 복수의 센서 각각에 대응하는 시그마-델타 ADC를 포함한다. 일부 실시예에서, 판독 회로는 CTIA를 포함하지 않는다. 설명된 예에서, 분할 패널 구성에서 판독 회로의 수가 두 배이지만, 도 20b에 설명된 아키텍처에서 총 판독 회로 면적 및 전력 소산(예를 들어, 시그마-델타 ADC를 포함하는 판독 회로, CTIA를 포함하지 않는 판독 회로)은 컬럼 당 하나의 CTIA를 포함하는 비 분할 컬럼 시스템보다 적을 수 있다.
예를 들어, 3072x3072 센서 어레이의 경우 면적 절감 장점(예를 들어, CTIA 교체, 어드레싱 복잡성 감소, 컬럼 부하 감소)으로 인해, 분할 패널 구성에서 8 개의 칩이 사용될 수 있다(컬럼 당 하나의 CTIA를 포함하는 비 분할 컬럼 시스템에서 12 개의 칩에 비해). 분할 패널 구성에서 센서 회로(1900 또는 1950)를 사용하면 CTIA가 판독에 사용되지 않기 때문에 시스템 전력을 줄일 수도 있다. 예를 들어, 컬럼 당 전력은 컬럼당 3-5mW에서 컬럼당 1mW 미만으로 감소할 수 있다. 각각의 컬럼을 서브 컬럼으로 분할하고 판독 회로에 전기적으로 결합된 기생 RC를 줄임으로써 (이로 인해 기생 영향으로 인한 전파 지연 감소) 시스템 성능이 향상될 수 있다. 예를 들어, 컬럼의 기생 커패시턴스는 50-200pF 범위일 수 있고, 컬럼의 기생 저항 범위는 1 킬로 옴에서 100 킬로 옴 사이일 수 있고, 컬럼이 본 출원에 설명된 대로 절반으로 분할되면 기생 값은 각각 2 배만큼 감소된다.
도 21a-21d 및 표 1은 시그마-델타 ADC의 시뮬레이션 결과를 보여주며, 시간 기간 동안 시변 신호의 변환을 예증한다. 표 1은 오버 샘플링 레이트(OSR : Over Sampling Rate)의 함수로서 유효 비트 수(ENOB : Effective Number of Bits) 및 도 21a-21d와 관련하여 설명된 입력 신호 형상을 보여준다.
도 21a의 곡선은 표 1에 나타낸 ENOB를 생성하는 임의의 이상적인 상수 입력을 보여준다. 도 21b의 곡선은 전류 클램핑 신호를 보여준다; 컬럼의 전류 클램프는 전하가 완전히 고갈될 때까지 ADC에 입력되는 전류를 일정하게 유지하여 펄스 폭 변조 입력을 효과적으로 생성한다. 도 21c의 곡선은 2 개의 RC 시상수의 길이를 갖는 지수적으로 감소하는 신호이다. 일부 실시예에서, 2 개의 시상수 이후에 충전이 아직 완전히 고갈되지 않은 경우, 낮은 저항 스위치를 사용하여 나머지 충전을 ADC로 방전시킨다. 도 21d의 곡선은 5 개의 RC 시상수의 길이를 갖는 지수적으로 감소하는 신호이다. 표 1에서 볼 수 있듯이 신호가 5 개의 시상수 동안 감쇠하도록 허용되면, 2 개의 시상수 신호에 비해 ENOB가 감소된다. 일부 실시예에서, 도 21c 및 21d에 도시된 곡선은 센서 판독 전하 신호를 나타낸다(예를 들어, 센서의 총 전하가 ADC로 방전됨). 곡선은 예시의 목적으로 제시된 것이며 반드시 축척에 맞게 그려지지는 않음을 이해해야 한다.
OSR(OverSampling Rate) 및 입력 신호 형상의 함수로서 ENOB(유효 비트 수).
일부 실시예에서, 시변 입력 신호의 경우, 성능을 개선하기 위해 디지털 필터가 시그마-델타 ADC와 함께 사용된다. 예를 들어, 디지털 필터는 회로(1900 또는 1950)로부터 출력된 디지털 신호를 처리하는 데 사용된다. 일부 실시예에서, 디지털 필터는 FIR(Finite Impulse Response) 필터이다. FIR(Finite Impulse Response) 필터의 계수를 선택하여 양자화 오류를 줄이고 선형성을 높일 수 있다. 예를 들어, 전류 클램프 파형(예를 들어, 도 21b)의 경우 모든 계수(예를 들어, 직사각형 윈도우)에 대해 동일한 값을 갖는 FIR 필터를 사용하여 성능을 향상시킬 수 있다. 다른 예로서, 지수적으로 감소하는 파형(예를 들어, 도 21c, 도 21d, 센서 방전 전류)의 경우, 블랙맨(Blackman) 또는 해밍(Hamming) 윈도우를 FIR 필터에 사용하여 성능을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, CEP(cyclic excitation process) 효과는 비정질 실리콘에 구현된다. 이것은 센서 픽셀의 감도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, x-선 센서 픽셀은 간접 감지를위한 비정질 Si계 닙(nip) (n 형/진성/p 형) 구조 또는 광전자가 처리될 수 있는 전극 구조를 갖는 x-선 민감형 광 전도체(예를 들어, 셀레늄)로 제조될 수 있다. 둘 모두의 경우에, 광 여기 (1 차) 대전된 캐리어에 대한 내부 이득을 생성하면 검출 가능한 신호를 생성하는 데 필요한 x-선 방사 수준을 줄일 수 있다. CEP는 높은 전기장 없이 높은 이득을 생성한다(기존의 애벌런치 증배 효과(avalanche multiplication effect)의 경우처럼). 일부 경우에, CEP 디바이스는 x-선 간접 감지에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, CEP 효과는 셀레늄과 같은 x-선 광 전도체와 함께 하네스(harness)된다.
도 22는 일 실시예에 따른 전기 기계 시스템을 제조하는 방법(2200)을 예시한다. 비 제한적인 예로서, 전기 화학 시스템은 회로(100, 300, 500, 600, 800, 900, 1000, 1100, 1300, 1500, 1600, 1900, 1950, 2000 및 2050) (및 관련 방법)과 관련될 수 있다. 전자 기계 시스템을 제조하기 위해, 방법(2200)의 프로세스 단계의 전부 또는 일부가 다른 순서로 사용되고 사용될 수 있다. 비 제한적인 예로서, 단계(2214)는 단계(2212) 이전에 수행될 수 있다.
방법(2200)은 기판을 제공하는 단계(2202)를 포함한다. 일부 실시예에서, 기판은 유리로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판은 저온 다결정 실리콘이다. 일부 실시예에서, 기판은 속성을 미세 조정하기 위해 추가 엘리먼트를 함유하는 보로실리케이트(borosilicate)이다. 보로실리케이트의 예는 알카라인 토 보로 알루미노실리케이트(붕소, 알루미늄 및 다양한 알칼리토 원소가 함유된 실리케이트)를 생산하는 Corning Eagle™이 있다. 다른 변형예는 Asahi Glass™ 또는 Schott™에서 이용할 수 있다.
일부 실시예에서, 전자 기계 시스템을 제조하기 위해 평면 패널 유리 프로세스가 사용된다. 일부 실시예에서, 액정 디스플레이(LCD) 프로세스가 전자 기계 시스템을 제조하는데 사용된다. 일부 실시예에서, OLED 디스플레이 프로세스 또는 x-선 패널 프로세스가 사용된다. 평면 패널 유리 프로세스를 사용하면 증가된 기판 크기를 가능하게 할 수 있어서 기판 당 더 많은 수의 전기 화학 시스템을 사용할 수 있어 프로세싱 비용이 절감된다. "패널 수준(panel level)"크기는 620mm x 750mm, 680mm x 880mm, 1100mm x 1300mm, 1300mm x 1500mm, 1500mm x 1850mm, 1950mm x 2250mm 및 2200mm x 2500mm를 포함할 수 있다. 또한 패널 레벨 제조의 박막 트랜지스터(TFT)는 비용을 절감할 수 있으므로 예를 들어 LCD-TFT 프로세스가 유용할 수 있다.
방법(2200)은 기판에 MEMS를 추가하는 단계(2204)를 포함한다. 구조의 추가를 설명하기 위해 MEMS가 사용되지만, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 구조가 추가될 수 있음을 이해해야 한다. 패널 레벨 프로세싱을 사용하는 실시예에서, MEMS 구조는 LCD-TFT 프로세스를 사용하여 추가될 수 있다.
단계(2204)에 이어 옵션 단계(2216), 서브 도금(sub-plating)이 이어질 수 있다. 단계(2216)은 기판이 후속 단계에서 사용되는 프로세싱 장비 보다 클 때 사용될 수 있다. 예를 들어, (LCD와 같은) 패널 레벨 프로세스를 사용하는 경우, 일부 실시예는 (단계(2204)에서) 추가 처리를 수행하기 위해 (예를 들어, CMOS 제조 장비를 사용하여) 패널을 웨이퍼 크기로 절단하는 단계를 포함할 것이다. 다른 실시예에서, 동일한 크기의 기판이 방법(2200) 전반에 걸쳐 사용된다(즉, 단계(2216)이 사용되지 않음).
방법(2200)은 기판으로부터 MEMS를 릴리즈하는 단계(2206)를 포함한다.
방법(2200)은 단계(2208), 릴리즈 후 프로세싱(post-release processing)을 포함한다. 이러한 릴리즈 후 프로세싱은 평탄화와 같은 추가 프로세싱 단계를 위해 MEMS 구조를 준비할 수 있다. 웨이퍼 레벨 처리에서, 평탄화는 화학적 기계적 평탄화를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 추가 프로세스 단계는 에칭 백(etch back)을 포함하고, 포토레지스트가 토포그래피(topography) 상에서 회전되어 보다 평평한 표면을 생성한 다음 에칭된다. 에칭 시간을 더 많이 제어하면 더 부드러운 표면 프로파일을 얻을 수 있다. 일부 실시예에서, 추가 프로세스 단계는 "스핀 온 유리(spin on glass)"를 포함하고, 여기서, 유리-로딩된 유기 바인더가 토포그래피 상에 회전되고 그 결과물이 베이킹되어 유기 용매를 제거하여 더 매끄러운 표면을 남긴다.
방법(2200)은 필요한 경우 단계(2210), MEMS 구조의 진공 캡슐화를 포함한다. 진공 캡슐화는 디바이스 수명을 연장하는데 유익할 수 있다.
방법(2200)은 단계(2212), 싱귤레이션(singulation)을 포함한다. 일부 실시예는 센서의 특성을 고려할 수 있는 캘리브레이션 및 칩 프로그래밍을 포함할 수 있다. 본 출원에 설명된 방법은 유리 리소그래피 성능의 균일성이 제한되기 때문에 유리 기판 제조 프로세스에 유리할 수 있다. 또 다른 장점으로 유리는 열 전도율이 낮으므로 유리 기판이 더 나은 단열재가 될 수 있다; 유리 기판으로부터 볼로미터 픽셀을 분리하는 얇은 구조를 제조함으로써, 본 출원의 실시예는 패키징 환경으로부터 유리 볼로미터 픽셀을 열적으로 절연시키는 역할을 더 잘 할 수 있다.
방법(2200)은 단계(2214), 판독 집적 회로(ROIC : readout integrated circuit)의 부착 및 플렉스/PCB 부착을 포함한다. 비 제한적인 예로서, 판독 회로는 회로(100, 300, 500, 600, 800, 900, 1000, 1100, 1300, 1500, 1600, 1900, 1950, 2000 및 2050) (및 관련 방법)과 관련될 수 있다. 본 출원에 설명된 프로세스 및 디바이스는 신호 처리에 필요한 영역이 감지 물리학에 의해 좌우되는 감지 영역보다 훨씬 작을 수 있다는 추가 장점을 가질 수 있다. 일반적으로 센서는 CMOS 회로 최상부에 통합되며 면적 중심 비용은 신호 처리 작업에 최적이 아닌 기술 노드로 이어진다. 본 출원에 설명된 프로세스는 더 적합한 CMOS를 사용하고 신호 처리에 필요한 영역을 줄여 FPD(평면 패널 디스플레이) 제조의 저렴한 비용을 활용하여 센서를 임의의 면적 제약으로부터 해방시킬 수 있다. 일부 실시예에서, ROIC는 특정 전자기 파장(예컨대, X-선, THz, LWIR)을 감지하도록 특별히 디자인된다.
도 23은 예시적인 센서를 예시한다. 일부 실시예에서, 센서(2300)는 방법(2200)을 사용하여 제조된다. 센서(2300)는 유리 기판(2306), 유리 기판(2306)에 결합된 폭이 250nm 미만인 구조(2304), 및 구조(2304)에 결합된 센서 픽셀(2302)을 포함한다. 센서(2300)의 일부 실시예에서, 구조(2304)는 활성 영역을 유리로부터 열적으로 분리하는 힌지(hinge)이다. 일부 실시예에서, 센서(2300)는 입력 전류 또는 전하를 수신하고 수신된 방사선에 기초하여 출력 전류 또는 전하를 출력한다(예를 들어, 센서의 2 단자 사이의 저항은 LWIR 방사선에 대한 노출에 응답하여 변함).
일부 실시예에서, 센서는 유리 기판, 본 출원에 설명된 임의의 방법으로 제조되고 유리 기판에 결합된 구조, 및 구조에 결합된 센서 픽셀을 포함한다.
일부 실시예에서, 센서는 LCD-TFT 제조 프로세스에 의해 제조된 MEMS 또는 NEMS 디바이스 및 본 출원에 설명된 임의의 방법에 의해 제조된 구조를 포함한다.
예로서, 센서는 저항성 센서 및 용량성 센서를 포함할 수 있다. 볼로미터는 다양한 응용분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 장파 적외선(LWIR, 약 8 -14 μm의 파장) 볼로미터는 자동차 및 상업 보안 산업에서 사용될 수 있다. 예를 들어, QVGA, VGA 및 다른 해상도를 가진 LWIR 볼로미터. 테라 헤르츠(THz, 파장 약 1.0-0.1mm) 볼로미터는 보안(예를 들어, 공항 승객 보안 검색) 및 의료(의료 영상)에 사용될 수 있다. 예를 들어, QVGA 해상도 및 다른 해상도를 가진 THz 볼로미터. 일부 전기 화학 시스템은 X-선 센서 또는 카메라 시스템을 포함할 수 있다. 유사하게, LWIR 및 THz 센서는 카메라 시스템에 사용된다. 일부 전자 기계 시스템은 내시경 및 외시경과 같은 의료 영상에 적용된다. X-선 센서는 직접 및 간접 감지 구성을 포함한다.
다른 전자 기계 시스템은 LIDAR(light detection and ranging) 시스템용 스캐너를 포함한다. 예를 들어, 레이저 빔의 공간적 특성이 형성화될 수 있는 광학 스캐너(예를 들어, 빔 포인팅). 전자 기계 시스템은 관성 센서(예를 들어, 입력 자극이 선형 또는 각 운동(angular motion)인 경우)를 포함한다. 일부 시스템은 생체 감지 및 생체 치료 플랫폼(예를 들어, 생화학 에이전트가 검출되는 곳)에 사용될 수 있다.
일 양태에서, 센서 판독 회로는 판독 소자, 제 1 전류 소스, 제 2 전류 소스, 전압 드라이버, 기준 센서 및 활성 센서를 포함한다. 판독 소자는 입력을 포함한다. 전압 드라이버는 출력을 포함한다. 기준 센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된다. 활성 센서는 제 1 단자와 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합되고 판독 소자의 입력 및 제 2 단자는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된다. 활성 센서는 센서 이미지에 노출되도록 구성된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 제 1 전류 및 제 2 전류는 일정하다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 전압 드라이버는 활성 센서에 대한 바이어스 전압을 생성한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 추가로 구성된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 임피던스를 변경하도록 추가로 구성된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 제 2 기준 센서, 제 2 활성 센서, 제 1 스위치, 제 2 스위치, 제 3 스위치 및 제 4 스위치를 더 포함한다. 제 2 기준 센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자는 전압 드라이버에 전기적으로 결합된다. 제 2 활성 센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하고; 제 1 단자는 제 2 전류를 출력하는 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된다. 제 2 활성 센서는 전류를 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로 변경하도록 구성된다. 제 1 스위치는 기준 센서를 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 2 스위치는 활성 센서를 제 2 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 3 스위치는 제 2 기준 센서를 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다. 제 4 스위치는 제 2 활성 센서를 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 오프셋을 제거하도록 구성된 CDS 회로를 더 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 판독 소자의 전압은 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 기준 센서의 제 2 단자에 전기적으로 결합된 연산 증폭기(op amp)의 출력을 더 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 기준 센서의 제 1 단자 및 제 2 단자에 전기적으로 결합되는 피드백 소자를 더 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 제 3 기준 센서 및 제 3 전류 소스를 더 포함한다. 제 3 기준 센서는 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함한다. 제 3 전류 소스는 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 전기적으로 결합되고, 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열을 반영한 제 7 전류를 출력하도록 구성된다. 제 2 전류의 값은 제 7 전류에 따라 조정된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류 변화를 샘플링하도록 구성된 ADC를 더 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 판독 소자는 CTIA를 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 무열(athermal) 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨 전류 미러의 그룹으로부터 선택된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 기준 센서의 제 2 단자로 출력하는 증폭기를 더 포함한다. 기준 센서의 제 1 단자는 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합된다. 제 1 전류 소스는 음의 입력 및 출력에서 전압 강하를 생성하도록 구성된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 LWIR 방사선을 검출하도록 구성된 볼로미터 픽셀이다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 판독 소자는 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC를 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA를 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 기준 센서는 센서 이미지로부터 차폐된다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 전압 드라이버의 출력과 활성 센서의 제 2 단자 사이에 전기적으로 결합된 전압 팔로워(voltage follower)를 더 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 2 개 이상의 전류 버퍼를 더 포함하고, 2 개 이상의 전류 버퍼는 제 1 전류 소스와 기준 센서 사이에 전기적으로 결합된 제 1 전류 버퍼 및 제 2 전류 소스와 활성 센서 사이에 전기적으로 결합된 제 2 전류 버퍼를 포함한다.
각각의 상기 회로의 일부 양태에서, 회로는 활성 센서를 전압 드라이버에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 5 스위치를 더 포함한다.
다른 양태에서, 센서 판독 방법은 : 기준 센서의 제 1 단자에 제 1 전류를 제공하는 단계; 상기 제 1 전류로부터 상기 기준 센서의 제 2 단자에서 전압을 생성하는 단계; 활성 센서의 제 1 단자에 제 2 전류를 제공하는 단계; 상기 전압에서 상기 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계(driving); 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 및 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력까지 제 3 전류를 측정하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 제 1 전류 및 제 2 전류는 일정하다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 전압은 활성 센서에 대한 바이어스 전압이다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 제 3 전류를 변경하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 상기 활성 센서의 임피던스를 변경하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 : 제 2 기준 센서의 제 1 단자에 제 4 전류를 제공하는 단계; 상기 제 4 전류로부터, 상기 제 2 기준 센서의 제 2 단자에서 제 2 전압을 생성하는 단계; 제 2 활성 센서의 제 1 단자에 제 5 전류를 제공하는 단계; 상기 제 2 전압에서 상기 제 2 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계; 제 2 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 및 제 2 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 제 6 전류를 측정하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 : 기준 센서로부터 제 1 전류를 제공하는 제 1 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하는 단계(uncoupling); 제 4 전류를 제공하는 제 1 전류 소스를 제 2 기준 센서에 결합하는 단계; 제 2 전류를 제공하는 제 2 전류 소스를 활성 센서로부터 전기적으로 결합 해제하는 단계; 및 제 2 활성 센서에 제 5 전류를 제공하는 제 2 전류 소스를 결합하는 단계를 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 판독 소자의 입력에 의해 생성된 오프셋을 결정하는 단계; 및 판독 소자의 입력에 대한 전류를 측정하기 전에 오프셋을 상쇄하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 판독 소자의 출력에서의 전압은 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 전압은 연산 증폭기에 의해 드라이빙되고, 기준 센서의 제 1 단자는 연산 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합된다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 피드백 소자를 사용하여 기준 센서의 제 2 단자로부터 기준 센서의 제 1 단자로 피드백하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 : 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 제 7 전류를 제공하는 단계, 제 7 전류는 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열을 반영하는, 상기 제 7 전류를 제공하는 단계; 및 제 7 전류에 따라 제 2 전류의 값을 조정하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 판독 소자의 입력에 대한 전류에 의해 생성된 전압을 샘플링하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 제 1 전류 및 제 2 전류는 기준 센서 및 활성 센서의 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 크기 및 동일한 방향이다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 제 3 전류를 판독 소자의 판독 전압으로 변환하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 제 1 전류 및 제 2 전류는 무열(athermal) 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨 전류 미러의 그룹으로부터 선택된 전류 소스에 의해 각각 제공된다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 활성 센서의 제 2 단자를 전압으로 드라이빙하는 단계는 전압 드라이버의 출력으로부터 기준 센서의 제 2 단자 및 활성 센서의 제 2 단자를 드라이빙하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 제 1 전류로부터 기준 센서를 가로 질러 전압 강하를 야기하는 단계; 상기 기준 센서의 제 2 단자로 출력되는 증폭기를 이용하여 전압을 생성하는 단계; 및 기준 센서의 제 1 단자를 증폭기의 음극 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계는 활성 센서를 LWIR 방사선에 노출시키는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 판독 소자는 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC를 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA를 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 기준 센서 및 활성 센서에 공통인 주변 조건에 기준 센서를 노출시키는 단계; 및 센서 이미지로부터 기준 센서를 차폐시키는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 활성 센서의 제 2 단자를 전압으로 드라이빙하는 단계는 활성 센서의 제 2 단자와 전압을 제공하는 전압 소스 사이에서 버퍼링하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 제 1 전류를 버퍼링하는 단계; 및 제 2 전류를 버퍼링하는 단계를 더 포함한다.
다른 양태에서, 센서 판독 회로를 제조하는 방법은 입력을 포함하는 판독 소자를 제공하는 단계; 제 1 전류 소스를 제공하는 단계; 제 2 전류 소스를 제공하는 단계; 출력을 포함하는 전압 드라이버를 제공하는 단계; 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 기준 센서를 제공하는 단계; 기준 센서의 제 1 단자를 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 기준 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합하는 단계; 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 활성 센서를 제공하는 단계로서, 상기 활성 센서는 센서 이미지에 노출되도록 구성된, 상기 활성 센서를 제공하는 단계; 활성 센서의 제 1 단자를 제 2 전류 소스 및 판독 소자의 입력에 전기적으로 결합하는 단계; 및 활성 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합하는 단계를 포함한다.
상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 정전류 소스이다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 전압 드라이버는 활성 센서에 대한 바이어스 전압을 생성하도록 구성된다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 추가로 구성된다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 활성 센서는 활성 센서가 센서 이미지에 노출될 때 활성 센서의 임피던스를 변경하도록 추가로 구성된다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀이다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 : 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 2 기준 센서를 제공하는 단계; 제 2 기준 센서의 제 1 단자를 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 제 2 기준 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버에 전기적으로 결합하는 단계; 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 2 활성 센서를 제공하는 단계로서, 상기 제 2 활성 센서는 상기 센서 이미지에 노출되도록 구성된, 상기 제 2 활성 센서를 제공한 단계; 활성 센서의 제 1 단자를 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 전압 드라이버의 출력에 활성 센서의 제 2 단자를 전기적으로 결합하는 단계로서, 상기 제 2 활성 센서는 상기 활성 센서의 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 구성된, 상기 활성 센서의 제 2 단자를 전기적으로 결합하는 단계; 및 기준 센서를 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 1 스위치를 제공하는 단계; 활성 센서를 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 2 스위치를 제공하는 단계; 상기 제 2 기준 센서를 상기 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 3 스위치를 제공하는 단계; 및 제 2 활성 센서를 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 4 스위치를 제공하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 오프셋을 제거하도록 구성된 CDS 회로를 제공하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 판독 소자는 기준 센서와 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례하는 전압을 생성하도록 구성된다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 연산 증폭기를 제공하는 단계; 및 연산 증폭기의 출력을 기준 센서의 제 2 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 피드백 소자를 제공하는 단계; 및 피드백 소자를 기준 센서의 제 1 단자 및 제 2 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 : 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 3 기준 센서를 제공하는 단계; 제 3 기준 센서의 제 2 단자를 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합하는 단계; 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열을 반영한 제 7 전류를 출력하도록 구성된 제 3 전류 소스를 제공하는 단계로서, 제 2 전류의 값은 제 7 전류에 따라 조정되는, 상기 제 3 전류 소스를 제공하는 단계; 및 제 3 전류 소스를 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 제 1 단자로부터 판독 소자의 입력으로의 전류 변화를 샘플링하도록 구성된 ADC를 제공하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 판독 소자는 CTIA를 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제 1 전류 소스 및 제 2 전류 소스는 무열 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨 전류 미러의 그룹으로부터 선택된다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 : 상기 기준 센서의 제 2 단자로 출력되는 증폭기를 제공하는 단계; 및 기준 센서의 제 1 단자를 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합하는 단계로서, 상기 제 1 전류 소스는 음의 입력 및 출력을 가로 질러 전압 강하를 생성하도록 구성된, 상기 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀이고, 활성 센서는 LWIR 방사선을 검출하도록 구성된 볼로미터 픽셀이다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 판독 소자는 시그마-델타 ADC를 포함한다.
상기 제조 방법의 일부 양태에서, 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA를 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 기준 센서는 센서 이미지로부터 차폐된다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 전압 팔로워를 제공하는 단계; 및 전압 드라이버의 출력과 활성 센서의 제 2 단자 사이에 전압 팔로워를 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
각각의 상기 제조 방법의 일부 양태에서, 제조 방법은 : 제 1 전류 버퍼 및 제 2 전류 버퍼를 포함하는 2 이상의 전류 버퍼를 제공하는 단계; 제 1 전류 소스와 기준 센서 사이에 제 1 전류 버퍼를 전기적으로 결합하는 단계; 및 제 2 전류 소스와 활성 센서 사이에 제 2 전류 버퍼를 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
일 양태에서, 센서 회로는 : 센서 이미지에 노출되고 바이어스 전압 노드를 공유하는 복수의 활성 센서; 캘리브레이션 판독 소자; 및 센서 이미지로부터 차폐되고, 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합된 제 2 단자를 포함하는 캘리브레이션 센서를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 센서의 임피던스는 복수의 활성 센서의 활성 센서의 임피던스와 동일하고, 캘리브레이션 센서의 전기 캐리어 카운트는 활성 센서의 전기 캐리어 카운트보다 더 크다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 : 복수의 활성 센서의 활성 센서에 대응하고 활성 센서의 판독 전압을 측정하도록 구성된 판독 소자를 더 포함하고, 캘리브레이션 판독 소자는 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 측정하도록 구성되며, 상기 센서 회로는 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 : 활성 센서의 판독 전압을 수신하는 단계; 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 활성 센서의 판독 전압과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 사이의 비율에 의해 가중된 캘리브레이션 센서의 판독 전압 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리에 전기적으로 결합된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 비율은 1이다.
상기 회로의 일부 양태에서, 비율은 온도와 무관하다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 : 복수의 활성 센서의 활성 센서에 대응하고 활성 센서의 판독 전압을 측정하도록 구성된 판독 소자를 더 포함하고, 센서 회로는 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서로 하여금 닫힌 셔터에 대응하는 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 열린 셔터에 대응하는 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압과 (2) 제 2 판독 전압 사이의 센서 이미지에 의해 야기된 활성 센서의 임피던스 차이에 비례하는 차이를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리에 전기적으로 결합된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 복수의 판독 소자는 복수의 ADC를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 센서 및 복수의 활성 센서는 동일한 열 저항 계수(TCR : thermal coefficient of resistance)를 갖는 재료로 만들어진다.
상기 회로의 일부 양태에서, 복수의 활성 센서는 복수의 컬럼의 활성 센서를 포함하고, 회로는 : 복수의 전류 소스, 복수의 전류 소스의 전류 소스는 캘리브레이션 센서의 제 2 단자 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합되고; 및 복수의 판독 소자를 더 포함하고, 복수의 컬럼의 활성 센서의 각각은 : 대응하는 판독 노드에서 복수의 전류 소스의 대응하는 전류 소스 및 대응하는 판독 노드에서 복수의 판독 소자의 대응하는 판독 소자에 전기적으로 결합된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 판독 소자는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 복수의 활성 센서 및 캘리브레이션 센서는 볼로미터이고, 센서 이미지는 열 이미지 이다.
다른 양태에서, 센서 회로는 : 캘리브레이션 전류를 제공하는 캘리브레이션 전류 소스; 활성 센서; 판독 소자; 활성 센서를 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 1 스위치; 및 캘리브레이션 전류 소스를 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 2 스위치를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 제 2 스위치는 제 1 스위치가 활성 센서를 판독 소자에 전기적으로 결합할 때 제 1 판독 소자로부터 캘리브레이션 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하도록 구성되고, 제 1 스위치는 제 2 스위치가 캘리브레이션 전류를 판독 소자에 전기적으로 결합할 때 제 1 판독 소자로부터 활성 센서를 전기적으로 결합 해제하도록 구성되고, 센서 회로는 : 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 활성 센서의 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 캘리브레이션 전류에 의해 야기되는 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압 및 (2) 제 2 판독 전압에 기초하여 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 출력을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 : 활성 센서를 포함하는 복수의 활성 센서; 및 제 1 판독 소자 및 제 2 판독 소자를 포함하는 복수의 판독 소자를 더 포함하고, 복수의 판독 소자의 각각은 복수의 활성 센서의 각각의 활성 센서에 전기적으로 결합되고, 상기 방법은 : 복수의 판독 소자의 판독 소자로부터 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 각각의 판독 소자상의 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 개개의 센서의 판독 전압 및 (2) 개개의 판독 소자의 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 개개의 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 개개의 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 제 1 활성 센서와 동일한 컬럼에 속하는 제 2 활성 센서를 더 포함하고, 방법은 : 제 1 출력을 계산한 후 : 제 2 활성 센서의 제 3 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 3 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 제 4 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 제 2 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 동일한 컬럼 상의 제 2 판독 전압의 연속적인 수신 사이의 시간은 캘리브레이션 기간(calibration period)이다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 기간은 1 초이다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 기간은 판독 소자의 드리프트에 기반된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 제 2 판독 전압의 연속적인 수신 동안 상이한 행이 판독된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 : 제 2 캘리브레이션 전류 소스; 상기 제 1 캘리브레이션 전류 소스를 상기 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 3 스위치; 및 제 2 캘리브레이션 전류 소스를 판독 소자에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 4 스위치를 더 포함하고, 제 3 스위치가 제 1 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제할 때 : 제 4 스위치는 판독 소자를 제 2 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하도록 구성되고, 상기 방법은 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기되는 제 3 판독 전압을 수신하는 단계를 더 포함하고; 출력은 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압에 추가로 기초한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서로 하여금 닫힌 셔터에 대응하는 제 1 판독 전압을 수신하는 단계; 열린 셔터에 대응하는 제 2 판독 전압을 수신하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압과 (2) 제 2 판독 전압 사이의 센서 이미지에 의해 야기된 제 1 활성 센서의 임피던스 차이에 비례하는 차이를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 활성 센서는 열 장면에 노출된 볼로미터이다.
상기 회로의 일부 양태에서, 활성 센서는 센서 이미지에 노출되고 바이어스 전압 노드를 복수의 활성 센서와 공유하며, 센서 회로는 : 제 2 판독 소자; 및 센서 이미지로부터 차폐되고 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 제 2 판독 소자에 전기적으로 결합된 제 2 단자를 포함하는 캘리브레이션 센서를 더 포함한다.
다른 양태에서, 센서 회로의 캘리브레이션된 전압을 계산하는 방법은 : 캘리브레이션 센서의 제 1 단자를 복수의 활성 센서에 의해 공유되는 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합하는 단계; 캘리브레이션 센서의 제 2 단자를 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 복수의 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 센서 이미지로부터 캘리브레이션 센서를 차폐시키는 단계; 판독 소자로 복수의 활성 센서의 활성 센서의 판독 전압을 측정하는 단계; 캘리브레이션 판독 소자로 캘리브레이션 센서의 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 활성 센서의 판독 전압과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 사이의 비율에 의해 가중된 캘리브레이션 센서의 판독 전압 사이의 차이로 캘리브레이션된 전압을 계산하는 단계를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 센서의 임피던스는 활성 센서의 임피던스와 동일하고, 캘리브레이션 센서의 전기 캐리어 카운트는 활성 센서의 전기 캐리어 카운트보다 더 크다.
상기 회로의 일부 양태에서, 비율은 1이다.
상기 회로의 일부 양태에서, 비율은 온도와 무관하다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 센서 및 활성 센서는 동일한 TCR을 갖는 재료로 만들어진다.
상기 회로의 일부 양태에서, 방법은 : 복수의 전류 소스의 전류 소스를 캘리브레이션 센서의 제 2 단자 및 캘리브레이션 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 복수의 컬럼의 활성 센서의 컬럼을 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계로서, 상기 활성 센서 컬럼은 활성 센서를 포함하는, 상기 컬럼을 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 및 복수의 전류 소스 중 제 2 전류 소스를 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 방법은 : 셔터를 닫는 단계; 판독 소자로 닫힌 셔터에 대응하는 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 및 캘리브레이션 판독 소자로 닫힌 셔터에 대응하는 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 캘리브레이션된 전압을 계산한 후, (1) 캘리브레이션된 전압간의 제 2 차이 및 (2a) 제 1 판독 전압과 (2b) 비율에 의해 가중된 제 2 판독 전압 간의 차이를 계산하는 단계로서, 상기 제 2 차이는 셔터 캘리브레이션된 전압인, 상기 제 2 차이 및 상기 차이를 계산하는 단계를 더 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 캘리브레이션 판독 소자는 ADC를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 복수의 활성 센서 및 캘리브레이션 센서는 볼로미터이고, 센서 이미지는 열 이미지 이다.
일부 양태는 상기 회로를 제조하는 방법을 포함한다.
다른 양태에서, 센서 회로에서 출력을 계산하는 방법은 : 판독 소자를 활성 센서에 전기적으로 결합하는 단계; 판독 소자로 활성 센서의 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 활성 센서로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 캘리브레이션 전류를 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 판독 소자로 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 제 1 판독 전압 및 (2) 제 2 판독 전압에 기초하여 출력을 계산하는 단계로서, 상기 출력은 활성 센서의 판독 전류에 비례하는, 상기 계산하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 : 복수의 활성 센서의 각각의 활성 센서를 복수의 판독 소자의 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 각각의 판독 소자를 사용하여 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압을 측정하는 단계; 각각의 활성 센서로부터 각각의 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 캘리브레이션 전류를 각각의 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 각각의 판독 소자로, 각각의 판독 소자상의 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 각각의 활성 센서의 제 1 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 각각의 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 : 제 1 출력을 계산한 후 : 판독 소자로부터 캘리브레이션 전류 소스를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 판독 소자를 제 2 활성 센서에 전기적으로 결합하는 단계로서, 제 2 활성 센서는 제 1 활성 센서와 동일한 컬럼에 속하는, 상기 결합하는 단계; 판독 소자로, 제 2 활성 센서의 제 3 판독 전압을 측정하는 단계; 및 (1) 제 3 판독 전압 및 (2) 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 2 판독 전압에 기초하여 제 2 활성 센서의 판독 전류에 비례하는 제 2 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 동일한 컬럼 상의 제 2 판독 전압의 연속적인 측정 사이의 시간은 캘리브레이션 기간이다.
상기 방법의 일부 양태에서, 캘리브레이션 기간은 1 초이다.
상기 방법의 일부 양태에서, 캘리브레이션 기간은 판독 소자의 드리프트에 기반된다.
상기 방법의 일부 양태에서, 제 2 판독 전압의 연속적인 측정 동안 상이한 행이 판독된다.
상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 : 제 1 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 판독 소자를 제 2 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 및 판독 소자를 이용하여 판독 소자 상의 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압을 측정하는 단계로서, 상기 출력은 제 2 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압에 추가로 기초하는, 상기 제 3 판독 전압을 측정하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 판독 소자는 ADC를 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 : 셔터를 닫는 단계; 닫힌 셔터에 대응하는 출력을 계산하는 단계; 및 (1) 열린 셔터에 대응하는 출력과 (2) 닫힌 셔터에 대응하는 출력 사이의 센서 이미지에 의해 야기된 활성 센서의 임피던스 차이에 비례하는 차이를 계산하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 활성 센서는 열 장면에 노출된 볼로미터이다.
상기 방법의 일부 실시예에서, 방법은 : 캘리브레이션 전류 소스로부터 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 제 2 판독 소자를 캘리브레이션 전류 소스에 전기적으로 결합하는 단계; 제 2 판독 소자로 캘리브레이션 전류에 의해 야기된 제 3 판독 전압을 측정하는 단계; 캘리브레이션 전류 소스로부터 제 2 판독 소자를 전기적으로 결합 해제하는 단계; 캘리브레이션 센서의 제 1 단자를 복수의 활성 센서 및 활성 센서에 의해 공유되는 바이어스 전압 노드에 전기적으로 결합하는 단계; 캘리브레이션 센서의 제 2 단자를 제 2 판독 소자에 전기적으로 결합하는 단계; 복수의 활성 센서 및 활성 센서를 센서 이미지에 노출시키는 단계; 센서 이미지로부터 캘리브레이션 센서를 차폐시키는 단계; 제 2 판독 소자로 캘리브레이션 센서의 제 4 판독 전압을 측정하는 단계; 제 3 판독 전압 및 제 4 판독 전압에 기초하여 제 2 출력을 계산하는 단계; 및 (1) 제 1 출력과 (2) 캘리브레이션 센서의 임피던스와 활성 센서의 임피던스 사이의 비율에 의해 가중된 제 2 출력 사이의 차이를 계산하는 단계를 더 포함한다.
일 양태에서, 센서 회로는 : 각각이 전하를 저장하도록 구성된 복수의 센서 픽셀; 각각의 센서의 전하를 수신하도록 구성된 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC; 및 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 결합하도록 구성된 복수의 스위치로서, 각각의 스위치는 복수의 센서 픽셀의 각각의 픽셀에 대응하는, 상기 복수의 스위치를 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치된 CTIA를 포함하지 않는다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 복수의 센서와 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치하는 가변 저항기를 더 포함하고, 복수의 스위치는 복수의 센서 픽셀 각각을 가변 저항기에 순차적으로 결합하도록 구성된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 가변 저항기는 방전 시간 윈도우 동안 선형적으로 감소하는 저항을 갖는다; 가변 저항기는 방전 시간 윈도우 끝에서 최저 저항이다; 및 가변 저항기는 방전 시간 윈도우의 시작과 끝 사이에서의 최저 저항보다 높은 저항을 갖는다.
상기 회로의 일부 양태에서, 가변 저항기는 MOS 트랜지스터이고; MOS 트랜지스터의 초기 저항, 선형 감소 저항, 및 최저 저항은 MOS 트랜지스터에 전기적으로 결합된 제어 전압으로 제어된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 방전 시간 윈도우는 10 마이크로 초와 1 밀리 초 사이이다.
상기 회로의 일부 양태에서, 제 1 방전 시간 윈도우 동안, 제 1 스위치는 제 1 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC를 전기적으로 결합하고; 제 2 방전 시간 윈도우 동안, 제 2 스위치는 제 2 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC를 전기적으로 결합하고; 제 1 방전 시간 윈도우 및 제 2 방전 시간 윈도우는 제 1 센서 픽셀 및 제 2 센서 픽셀의 판독 시간에 대응한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 방전 시간 윈도우 동안, 가변 저항기의 정전류는 가변 저항기의 초기 전압을 초기 저항으로 나눈 값이다.
상기 회로의 일부 양태에서, 스위치는 각각의 방전 시간 윈도우 동안 각각의 센서 픽셀과 가변 저항기를 전기적으로 결합하고, 방전 시간 윈도우는 가변 저항기의 초기 저항을 곱한 센서 픽셀의 커패시턴스와 동일하다.
상기 회로의 일부 양태에서, 가변 저항기는 가중 저항기 뱅크(bank)를 포함하고; 가중된 저항기 뱅크는 병렬 또는 직렬로 선택적으로 전기적으로 결합된 복수의 저항기를 포함하고; 선택적 전기적으로 결합된 저항기의 조합 저항은 방전 시간 윈도우의 시작에서의 초기 저항, 선형적으로 감소하는 저항 및 최저 저항을 포함한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 픽셀은 x-선 센서 포토 다이오드를 포함하고, 전하는 x-선 센서 포토 다이오드의 x-선 노출을 나타낸다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 픽셀은 전하를 저장하는 저장 커패시터를 포함하고, 센서 픽셀의 x-선 노출은 저장 커패시터에 저장된 전하를 생성한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 제 2 복수의 센서 픽셀 및 제 2 시그마-델타 ADC를 더 포함하고, 여기서 제 2 복수의 센서 픽셀은 제 2 시그마-델타 ADC에 순차적으로 결합하도록 구성되고, 제 1 복수의 센서 픽셀 및 제 2 복수의 센서 픽셀은 동일한 컬럼에 속한다.
상기 회로의 일부 양태에서, 제 1 및 제 2 복수의 센서 픽셀의 수는 동일하다.
상기 회로의 일부 양태에서, 제 1 행(row) 시간에, 제 1 복수의 센서 픽셀의 제 1 센서 픽셀과 제 2 복수의 센서 픽셀의 제 2 센서 픽셀이 동시에 판독된다.
상기 회로의 일부 양태에서, 시그마-델타 ADC에 대한 입력 전류는 일정하다.
상기 회로의 일부 양태에서, 센서 회로는 시그마-델타 ADC로부터 신호를 수신하도록 구성된 디지털 필터를 더 포함한다.
일부 양태는 상기 회로를 제조하는 방법을 포함한다.
일 양태에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀, 시그마-델타 ADC 및 복수의 스위치, 각각의 스위치는 복수의 센서 픽셀 각각에 대응하는, 상기 복수의 스위치; 센서 회로의 판독 방법은 : 복수의 센서 픽셀 각각에 각각의 전하를 저장하는 단계; 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계; 및 순차적으로 시그마-델타 ADC에서 각각의 센서 픽셀의 각각의 전하를 수신하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치된 CTIA를 포함하지 않으며, 각각의 센서 픽셀의 각각의 전하는 CTIA에 의해 수신되지 않는다.
상기 방법의 일부 양태에서, 센서 회로는 복수의 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC 사이에 전기적으로 위치되는 가변 저항기를 더 포함하고 상기 방법은 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함하며, 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀을 각각을 가변 저항기에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 방법은 방전 시간 윈도우 동안 가변기의 저항을 선형적으로 감소시키는 단계를 더 포함하며; 가변 저항기는 방전 시간 윈도우 끝에서 최저 저항이다; 및 가변 저항기는 방전 시간 윈도우의 시작과 끝 사이에서의 최저 저항보다 높은 저항을 갖는다.
상기 방법의 일부 양태에서, 가변 저항기는 제어 전압에 전기적으로 결합된 MOS 트랜지스터이고, 가변 저항기의 저항을 선형적으로 감소시키는 것은 초기 저항, 선형 감소하는 저항 및 최저 저항을 생성하기 위해 제어 전압으로 MOS 트랜지스터를 드라이빙하는 것을 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 방전 시간 윈도우는 10 마이크로 초와 1 밀리 초 사이이다.
상기 방법의 일부 양태에서, 복수의 스위치를 사용하여, 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 것은 제 1 방전 시간 윈도우 동안, 제 1 스위치를 제 1 센서 픽셀 및 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합하는 단계; 제 2 방전 시간 윈도우 동안, 제 2 스위치를 제 2 센서 픽셀과 시그마-델타 ADC에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함하고, 제 1 및 제 2 방전 시간 윈도우는 제 1 및 제 2 센서 픽셀의 판독 시간에 대응한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 방전 시간 윈도우 동안, 가변 저항기의 정전류는 가변 저항기의 초기 전압을 초기 저항으로 나눈 값이다.
상기 방법의 일부 양태에서, 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 것은 각각의 방전 시간 윈도우 동안 스위치를 각각의 센서 픽셀 및 가변 저항기에 전기적으로 결합하는 단계를 더 포함하고; 방전 시간 윈도우는 센서 픽셀의 커패시턴스에 가변 저항기의 초기 저항을 곱한 값과 같다.
상기 방법의 일부 양태에서, 가변 저항기는 가중 저항기 뱅크를 포함하고; 가중된 저항기 뱅크는 병렬 또는 직렬로 선택적으로 전기적으로 결합된 복수의 저항기를 포함하고; 상기 방법은 저항기를 선택적으로 전기적으로 결합함으로써 방전 시간 윈도우의 시작에서의 초기 저항에서 방전 시간 윈도우의 끝에서의 최저 저항까지 복수의 저항기의 조합의 저항을 선형적으로 감소시키는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 센서 픽셀은 x-선 센서 포토 다이오드를 포함하고, 전하는 x-선 센서 포토 다이오드의 x-선 노출을 나타낸다.
상기 방법의 일부 양태에서, 복수의 센서 픽셀 각각에 각각의 전하를 저장하는 단계는, 복수의 센서 픽셀 각각을 x-선에 노출시키고 각각의 전하를 생성하는 단계; 및 상기 복수의 센서 픽셀 각각의 저장 커패시터에 각각의 전하를 저장하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 센서 회로는 제 1 복수의 센서 픽셀과 동일한 컬럼에 속하는 제 2 복수의 센서 픽셀, 제 2 복수의 스위치, 및 제 2 시그마-델타 ADC를 더 포함하고, 상기 방법은 : 제 2 복수의 스위치를 사용하여 복수의 센서 픽셀 각각을 제 2 시그마-델타 ADC에 순차적으로 전기적으로 결합하는 단계; 및 제 2 시그마-델타 ADC에서, 제 2 복수의 센서 픽셀의 각각의 센서 픽셀의 각각의 전하를 순차적으로 수신하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 제 1 및 제 2 복수의 센서 픽셀의 수는 동일하다.
상기 방법의 일부 양태에서, 제 1 행 시간에 : 제 1 시그마-델타 ADC는 제 1 복수의 센서 픽셀의 제 1 센서 픽셀의 제 1 개개의 전하를 수신하고; 제 2 시그마-델타 ADC는 제 2 복수의 센서 픽셀의 제 2 센서 픽셀의 제 2 개개의 전하를 수신한다.
상기 방법의 일부 양태에서, 시그마-델타 ADC는 정전류를 수신한다.
일반적으로, 본 출원에서 사용되는 용어 "실질적으로(substantially)"는 이상적으로 정확한 품질(예를 들어, 고정, 동일, 균일, 같은, 유사, 비례)을 갖는 엘리먼트(들) 또는 정량(들)을 설명하는 데 사용되지만 기능적으로 정확한 품질과 동등한 품질을 실제적으로 갖는다. 예를 들어, 엘리먼트 또는 수량이 실질적으로 고정된 것으로 설명되거나 균일화되어 편차가 시스템의 허용 오차(예를 들어, 정확도 요건 등) 내에 있는 한 고정 또는 균일한 값으로부터 벗어날 수 있다. 다른 예로, 실질적으로 동일한 것으로 설명된 2 엘리먼트 또는 수량은 시스템 동작에 기능적으로 영향을 주지 않는 허용 오차 범위 내에 있는 한 거의 동일할 수 있다.
마찬가지로, 일부 엘리먼트 또는 수량은 "실질적으로"라는 용어없이 절대적인 의미로 설명되지만, 이러한 엘리먼트 및 수량은 절대 설명과 기능적으로 동일한 특성을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 비율은 1 인 것으로 설명된다. 그러나, 비율이 시스템의 허용 오차(예를 들어, 정확도 요건 등) 내에 있는 한 비율은 1보다 크거나 작을 수 있음을 이해한다.
본 출원에서 사용되는, "실질적으로 동일한(substantially the same)" 센서는 주어진 자극에 대해 유사한 반응을 생성한다. 예를 들어, "실질적으로 동일한" 볼로미터는 주어진 온도 변화에 대해 유사한 저항 변화를 생성한다.
개시된 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 완전히 설명되었지만, 다양한 변경 및 수정이 당업자에게 명백할 것이라는 것에 유의해야 한다. 이러한 변경 및 수정은 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 개시된 실시예의 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원의 다양한 설명된 실시예의 설명에 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 목적이며 한정하려는 의도가 아니다. 다양한 설명된 실시예 및 첨부된 청구 범위의 설명에서 사용된, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 달리 명확하게 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도된다. 본 출원에서 사용된 용어 "및/또는"은 하나 이상의 관련된 열거된 항목의 임의 및 모든 가능한 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 또한 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하다(includes)", "포함하는(including)", "포함하는(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급된 피처, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트 및/또는 컴포넌트의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 피처, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 컴포넌트 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다.
Claims (24)
- 센서 판독 회로에 있어서,
입력을 포함하는 판독 소자(readout element);
제 1 전류 소스;
제 2 전류 소스;
출력을 포함하는 전압 드라이버;
제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 기준 센서(reference sensor)로서, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 상기 제 2 단자는 상기 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합되는, 상기 기준 센서; 및
제 1 단자와 제 2 단자를 포함하는 활성 센서(active sensor)로서, 상기 제 1 단자는 상기 판독 소자의 입력 및 상기 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 제 2 단자는 상기 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합되는, 상기 활성 센서
를 포함하되,
상기 활성 센서는 센서 이미지에 노출되도록 구성된, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전류 및 상기 제 2 전류는 일정한, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 전압 드라이버는 상기 활성 센서에 대한 바이어스 전압(bias voltage)을 생성하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성 센서는 상기 활성 센서가 상기 센서 이미지에 노출될 때 상기 활성 센서의 상기 제 1 단자로부터 상기 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 더 구성된, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성 센서는 상기 활성 센서가 상기 센서 이미지에 노출될 때 상기 활성 센서의 임피던스를 변경하도록 더 구성된, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀(reference bolometer pixel)이고,
상기 활성 센서는 활성 볼로미터 픽셀(active bolometer pixel)인, 회로. - 제 1 항에 있어서,
제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 2 기준 센서로서, 상기 제 1 단자는 상기 제 1 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 상기 제 2 단자는 상기 전압 드라이버에 전기적으로 결합된, 상기 제 2 기준 센서;
제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 2 활성 센서로서, 상기 제 1 단자는 상기 제 2 전류를 출력하는 상기 제 2 전류 소스에 전기적으로 결합되고, 상기 제 2 단자는 상기 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합되고, 상기 제 2 활성 센서는 상기 제 1 단자로부터 상기 판독 소자의 입력으로의 전류를 변경하도록 구성된, 상기 제 2 활성 센서; 및
상기 기준 센서를 상기 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 1 스위치;
상기 활성 센서를 상기 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 2 스위치;
상기 제 2 기준 센서를 상기 제 1 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 3 스위치; 및
상기 제 2 활성 센서를 상기 제 2 전류 소스에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 4 스위치
를 더 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
오프셋을 제거하도록 구성된 상관 이중 샘플링(CDS : correlated double sampling) 회로
를 더 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 판독 소자의 전압은 상기 기준 센서와 상기 활성 센서 사이의 임피던스 차이에 비례하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 기준 센서의 상기 제 2 단자에 전기적으로 결합된 연산 증폭기(op amp)의 출력
을 더 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 기준 센서의 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자에 전기적으로 결합된 피드백 소자(feedback element)
를 더 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 전압 드라이버의 출력에 전기적으로 결합된 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 제 3 기준 센서; 및
상기 제 3 기준 센서의 제 1 단자에 전기적으로 결합되고, 상기 제 3 기준 센서에 의해 생성된 자체 발열(self-heating)을 반영한 제 7 전류를 출력하도록 구성된 제 3 전류 소스로서, 상기 제 2 전류 값은 상기 제 7 전류에 따라 조정되는, 상기 제 3 전류 소스
를 더 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단자로부터 상기 판독 소자의 입력으로의 전류 변화를 샘플링하도록 구성된 ADC
를 더 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전류 소스 및 상기 제 2 전류 소스는 개개의 제 1 단자에 대해 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 출력하도록 구성된, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 판독 소자는 용량성 트랜스임피던스 증폭기(CTIA : capacitive transimpedance amplifier)를 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전류 소스 및 상기 제 2 전류 소스는 무열(athermal) 전압 소스 및 저항기, 고 임피던스 무열 트랜지스터 전류 소스 및 윌슨(Wilson) 전류 미러의 그룹으로부터 선택된, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 기준 센서의 제 2 단자로 출력되는 증폭기를 더 포함하되, 상기 기준 센서의 제 1 단자는 상기 증폭기의 음의 입력에 전기적으로 결합되고, 상기 제 1 전류 소스는 상기 음의 입력 및 상기 출력을 가로 질러 전압 강하(voltage drop)를 생성하도록 구성된, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 기준 센서는 기준 볼로미터 픽셀(bolometer pixel)이고, 상기 활성 센서는 LWIR(Long Wavelength Infrared) 방사선을 검출하도록 구성된 볼로미터 픽셀인, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 판독 소자는 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC를 포함하는, 회로. - 제 19 항에 있어서,
상기 시그마-델타 ADC의 제 1 스테이지는 CTIA를 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 기준 센서는 센서 이미지로부터 차폐되는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 전압 드라이버의 출력과 상기 활성 센서의 제 2 단자 사이에 전기적으로 결합된 전압 팔로워(voltage follower)
를 더 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
2 개 이상의 전류 버퍼
를 더 포함하되,
상기 2 개 이상의 전류 버퍼는 상기 제 1 전류 소스와 상기 기준 센서 사이에 전기적으로 결합된 제 1 전류 버퍼 및 상기 제 2 전류 소스와 상기 활성 센서 사이에 전기적으로 결합된 제 2 전류 버퍼를 포함하는, 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성 센서를 상기 전압 드라이버에 선택적으로 전기적으로 결합하도록 구성된 제 5 스위치
를 더 포함하는, 회로.
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