KR101282302B1 - Sensing device having multi beam antenna array - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 빔 안테나 어레이를 갖는 감지 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치는 복수의 안테나를 갖는 안테나 어레이; 각각의 안테나에 연결되며, 상기 각각의 안테나로부터 수신된 무선 주파수 신호를 증폭하기 위한 복수의 저잡음 증폭기; 복수의 지연 라인을 가지며, 각각의 지연 라인은 상기 복수의 저잡음 증폭기의 증폭된 신호를 소정 시간(τ) 동안 지연시키는 지연 라인 박스; 및 상기 지연 라인 박스의 출력 신호를 검출하기 위한 검출기를 포함한다.The present invention relates to a sensing device having a multiple beam antenna array. Sensing apparatus according to an embodiment of the present invention includes an antenna array having a plurality of antennas; A plurality of low noise amplifiers connected to each antenna for amplifying radio frequency signals received from each antenna; A delay line box having a plurality of delay lines, each delay line delaying amplified signals of the plurality of low noise amplifiers for a predetermined time? And a detector for detecting an output signal of the delay line box.
Three dimensional stack, through silicon via, interposer, multibeam, side lobe, microantenna arrays, solder bump Three dimensional stack, through silicon via, interposer, multibeam, side lobe, microantenna arrays, solder bump
Description
본 발명은 감지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 빔 안테나 어레이를 갖는 감지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a sensing device, and more particularly to a sensing device having a multi-beam antenna array.
감지 장치(sensing device)는 렌즈 또는 안테나 등을 이용하여 물체의 형상을 감지하고 영상 등으로 표현하기 위한 장치이다. 감지 장치는 은닉 물체를 검색하거나, 연기 속에서 발화점의 위치를 찾거나, 안개나 흐린 기후 조건에서 비행 물체가 장애물을 피해가는 데 사용될 수 있다. 이러한 감지 장치에는 광학 카메라나 RF 카메라 등이 있다. A sensing device is a device for detecting a shape of an object using a lens or an antenna and expressing the image as an image. The sensing device can be used to search for hidden objects, to locate the firing point in smoke, or to allow flying objects to avoid obstacles in fog or cloudy weather conditions. Such sensing devices include optical cameras and RF cameras.
도 1은 광학 카메라(optical camera)를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 광학 카메라(10)는 광 빔(light beam)(11)이 광학 렌즈(12)를 통과한 후, 광 센서(light sensor, 13)에 의해 감지된다. 1 is a conceptual diagram illustrating an optical camera by way of example. Referring to FIG. 1, the
도 2는 RF 카메라를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, RF 카메라(20)는 전자기 빔(electromagnetic beam, 21)이 안테나 어레이(antenna array, 22)와 마이크로파 렌즈(microwave lens, 23)를 통과한 후, 검출기 어레이(detector array, 24)에 의해 감지된다. RF 카메라(20)는 광학적으로 빛을 통하지 않는 장애물에 대해서도, 대상 물체의 이미지를 검출할 수 있다.2 is a conceptual diagram illustrating an RF camera by way of example. Referring to FIG. 2, in the
종래의 안테나 어레이 및 그것을 포함하는 감지 장치는 안테나 설계 및 제조 과정이 복잡하고, 비용이 많이 드는 문제점이 있다. Conventional antenna arrays and sensing devices comprising the same have complicated and costly antenna design and manufacturing processes.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 안테나 설계 및 제조 과정을 단순하게 할 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있는 다중 빔 안테나 어레이를 갖는 감지 장치를 제공하는 데 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a sensing device having a multi-beam antenna array that can simplify the antenna design and manufacturing process, and can reduce the manufacturing cost. .
본 발명의 실시 예에 따른 다중 빔 안테나 어레이를 갖는 감지 장치는 복수의 안테나를 갖는 안테나 어레이; 각각의 안테나에 연결되며, 상기 각각의 안테나로부터 수신된 무선 주파수 신호를 증폭하기 위한 복수의 저잡음 증폭기; 복수의 지연 라인을 가지며, 각각의 지연 라인은 상기 복수의 저잡음 증폭기의 증폭된 신호를 소정 시간(τ) 동안 지연시키는 지연 라인 박스; 및 상기 지연 라인 박스의 출력 신호를 검출하기 위한 검출기를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a sensing apparatus having a multi-beam antenna array includes an antenna array having a plurality of antennas; A plurality of low noise amplifiers connected to each antenna for amplifying radio frequency signals received from each antenna; A delay line box having a plurality of delay lines, each delay line delaying amplified signals of the plurality of low noise amplifiers for a predetermined time? And a detector for detecting an output signal of the delay line box.
실시 예로서, 상기 안테나 어레이는 MEMS 공정으로 제조된다. 상기 안테나 어레이는 시간 배열형(timed array)이다. 상기 안테나 어레이는 해밍 안테나 어레이 방식으로 사용될 수 있다.In an embodiment, the antenna array is manufactured by a MEMS process. The antenna array is a timed array. The antenna array may be used in a hamming antenna array scheme.
다른 실시 예로서, 상기 지연 라인 박스는 상기 복수의 지연 라인의 양쪽 끝과 접지 단자 사이 연결되는 로드 저항을 포함할 수 있다. 상기 검출기는 다이오드로 구현될 수 있다. 상기 다이오드는 millimeter wave zero bias GaAs Schottky Diode 또는 tunnel diode일 수 있다. In another embodiment, the delay line box may include a load resistor connected between both ends of the plurality of delay lines and a ground terminal. The detector may be implemented with a diode. The diode may be a millimeter wave zero bias GaAs Schottky Diode or a tunnel diode.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 빔 안테나 어레이를 갖는 감지 장치의 다른 일면은 상부 웨이퍼; 및 상기 상부 웨이퍼와 본딩 결합하는 하부 웨이퍼로 제조되는 안테나를 포함하되, 상기 안테나는 상기 상부 웨이퍼와 상기 하부 웨이퍼 사이에 에어 캐버티(air cavity)가 형성된다.Another aspect of the sensing device having a multi-beam antenna array according to an embodiment of the present invention is an upper wafer; And an antenna made of a lower wafer bonded to the upper wafer, wherein the antenna has an air cavity formed between the upper wafer and the lower wafer.
실시 예로서, 상기 하부 웨이퍼의 본딩 결합부에는 슬롯 패턴(slot pattern)이 형성된다. 상기 상부 웨이퍼에는 패치(patch)가 형성되고, 상기 하부 웨이퍼에는 피드 라인(feed line)이 형성된다. In an embodiment, a slot pattern is formed on the bonding joint of the lower wafer. Patches are formed on the upper wafer, and feed lines are formed on the lower wafer.
다른 실시 예로서, 상기 감지 장치는 기판; 및 상기 안테나와 상기 기판 사이에 형성되는 인터포져를 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 실리콘, GaAs, LTCC, 또는 세라믹으로 제조될 수 있다.In another embodiment, the sensing device comprises a substrate; And an interposer formed between the antenna and the substrate. The substrate may be made of silicon, GaAs, LTCC, or ceramic.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 빔 안테나 어레이를 갖는 감지 장치에 의하면, 안테나 설계 및 제조 과정을 단순하게 할 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있다. According to the sensing device having the multi-beam antenna array according to the embodiment of the present invention, the antenna design and manufacturing process can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.
일반적으로 하나의 안테나가 사용되면, 단일 빔 패턴(single beam pattern)이 만들어진다. 그러나 하나의 안테나로는 원하는 빔 폭(beam width)과 안테나 이득(antenna gain) 등을 얻기 어려울 수 있다. 그래서 여러 개의 안테나를 특정한 룰에 따라 배열하는 다중 빔 안테나 어레이(multi beam antenna array)가 사용되고 있다.In general, when one antenna is used, a single beam pattern is produced. However, it may be difficult to obtain a desired beam width and antenna gain with one antenna. Therefore, a multi beam antenna array is used which arranges multiple antennas according to specific rules.
다중 빔 안테나 어레이(multi beam antenna array)는 시간 배열형(timed array)과 위상 배열형(phased array)으로 나눌 수 있다. 시간 배열형(timed array)은 순간적 대역폭이 크고, 그룹 지연(group delay)이 일정하다. 반면에, 위상 배열형(phased array)은 순간적 대역폭은 작지만, 위상 전이(phased shift)가 일정하다. 시간 배열형(timed array)에는 스캐닝 안테나 어레이(scanning antenna array) 방식과 다중 빔 비주사형 어레이(multi beam staring array) 방식이 있다. A multi beam antenna array may be divided into a timed array and a phased array. A timed array has a large instantaneous bandwidth and a constant group delay. On the other hand, a phased array has a small instantaneous bandwidth but a constant phased shift. The timed array includes a scanning antenna array method and a multi beam staring array method.
도 3은 스캐닝 안테나 어레이 방식을 사용하는 감지 장치를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 도 3을 참조하면, 감지 장치(100)는 안테나 어레이(120), 복수의 시간 가변기(130), 그리고 결합기(combiner, 140)를 포함한다. 도 3에 도시된 감지 장치(100)는 안테나 어레이(120) 및 복수의 시간 가변기(130)를 이용하여, 한 개의 빔(110)의 무선 주파수 신호들(RFin1~RFin4)을 시간 가변 방식으로 스캐닝한다. 결합기(140)는 시간 가변 방식으로 수신된 신호들을 결합하여, 하나의 전기적 신호(RFout)로 출력한다. 3 is a conceptual diagram illustrating a sensing device using a scanning antenna array scheme by way of example. Referring to FIG. 3, the
도 4는 다중 빔 비주사형 어레이 방식을 사용하는 감지 장치를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 감지 장치(200)는 안테나 어레이(220) 및 다중 빔 메트릭스(230)를 포함한다. 도 4에 도시된 감지 장치(200)는 다중 빔(210)의 무선 주파수 신호(RFin1~RF4)를 4개의 안테나(220)를 통해 수신한다. 4 is a conceptual diagram illustrating a sensing device using a multi-beam non-scanning array scheme by way of example. Referring to FIG. 4, the
다중 빔 메트릭스(230)는 수신된 신호를 이용하여, 복수의 전기적 신호(RFout1~RFout5)를 출력한다. 여기에서, 출력된 전기적 신호의 개수는 다중 빔 의 개수와 동일하다. 다중 빔 비주사형 어레이 방식을 사용하는 감지 장치(200)는 이미지 캡춰 시간(image capture time)을 줄일 수 있다. The
다중 빔 메트릭스(230)에는 마이크로파 렌즈(microwave lens), 시간 지연기(timed delay)를 사용하는 회로, 지연 라인(delay line)을 사용하는 회로 등이 있다. 다중 빔 메트릭스(230)는 2개의 안테나에 연결된 1D 구조와 4개의 안테나에 연결된 2D 구조로 나눌 수 있다. 이하에서는 다중 빔 안테나 어레이 및 다중 빔 메트릭스를 갖는 다양한 감지 장치들이 설명될 것이다.The
도 5 및 도 6은 마이크로파 렌즈를 다중 빔 메트릭스로 사용하는 감지 장치를 보여준다. 도 5는 마이크로파 렌즈의 다중 빔 메트릭스 1D 구조를 보여준다. 그리고 도 6은 마이크로파 렌즈의 다중 빔 메트릭스 2D 구조를 보여준다. 5 and 6 show a sensing device using a microwave lens as a multi-beam matrix. 5 shows a multiple beam matrix 1D structure of a microwave lens. 6 shows a
도 5를 참조하면, 감지 장치(300)는 2개의 안테나(320), RF 케이블(330), 외부 렌즈(outer lens, 340), 그리고 내부 렌즈(inner lens, 350)를 포함한다. 도 5에 도시된 감지 장치(300)는 2개의 안테나(320) 및 RF 케이블(330)을 통하여 다중 빔(310)의 무선 주파수 신호를 수신한다. 수신된 신호는 외부 렌즈(340) 및 내부 렌즈(350)를 지나며, 입출력 단자(I/01, I/O2, I/O3)를 통해 출력된다. Referring to FIG. 5, the
도 6을 참조하면, 감지 장치(400)는 4개의 안테나(420), 그리고 5개의 마이크로파 렌즈를 포함하는 다중 빔 메트릭스(430)를 포함한다. 각각의 마이크로파 렌즈의 내부 구성은 도 5에 도시된 것과 동일하다. 도 6에 도시된 감지 장치(400)는 4개의 안테나(420)를 통하여 3x3 방향성(directions)을 갖는 다중 빔(410)의 무선 주파수 신호를 수신한다. 수신된 신호는 다중 빔 메트릭스(430)를 지나며, 9개의 입출력 단자를 통해, 3x3 검출기 어레이(detector array, 도시되지 않음)로 출력된다. Referring to FIG. 6, the
도 7 및 도 8은 시간 지연기를 포함하는 회로를 다중 빔 메트릭스로 사용하는 감지 장치를 보여준다. 도 7은 다중 빔 메트릭스 1D 구조를 보여주고, 도 8은 다중 빔 메트릭스 2D 구조를 보여준다. 7 and 8 show a sensing device using a circuit comprising a time delay with multiple beam metrics. 7 shows a multi-beam matrix 1D structure, and FIG. 8 shows a
도 7을 참조하면, 감지 장치(500)는 2개의 안테나(520), 2개의 분배기(530), 6개의 시간 지연기(540), 3개의 결합기(550), 그리고 3개의 입출력 단자(560)를 포함한다. 도 7에 도시된 감지 장치(500)는 2개의 안테나(520)를 통하여 다중 빔(510)의 무선 주파수 신호를 수신한다. 분배기(530)는 수신된 신호를 3개의 신호로 분배한다. 시간 지연기(540)는 분배된 신호를 미리 설정된 지연 시간에 따라 지연시킨다. 결합기(550)는 해당 시간 지연기에서 출력되는 신호를 결합한다. 입출력 단자(560)는 결합된 신호를 출력한다.Referring to FIG. 7, the
도 8을 참조하면, 감지 장치(600)는 4개의 안테나(620) 및 다중 빔 메트릭스(630)를 포함한다. 다중 빔 메트릭스(630)는 도 7에 도시된 5개의 메트릭스로 구성된다. 각각의 메트릭스의 내부 구성은 도 7에 도시된 것과 동일하다. 도 8에 도시된 감지 장치(600)는 4개의 안테나(620)를 통하여 3x3 방향성(directions)을 갖는 다중 빔(610)의 무선 주파수 신호를 수신한다. 수신된 신호는 다중 빔 메트릭스(630)를 지나며, 9개의 입출력 단자(640)를 통해, 3x3 검출기 어레이(detector array, 도시되지 않음)로 출력된다. Referring to FIG. 8, the sensing device 600 includes four
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치를 보여준다. 도 9 및 도 10에 도시된 감지 장치(700, 800)의 다중 빔 메트릭스는 지연 라인(delay line) 이나 다이오드(diode) 등과 같이 비교적 가볍고 간단한 소자를 사용한다. 9 and 10 show a sensing device according to an embodiment of the present invention. The multiple beam metrics of the
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 빔 메트릭스 1D 구조를 갖는 감지 장치(700)를 보여준다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치(700)는 2개의 안테나(720), 2개의 저잡음 증폭기(LNA, 730), 2개의 로드 저항(RL, 740), 복수의 지연 라인(DL; Delay Line, 750), 그리고 3개의 검출기(760)를 포함한다. 여기에서, 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치(700)는 도 9에 도시된 것보다 더 많은 수의 지연 라인(750) 또는 검출기(760)를 포함할 수 있다.9 illustrates a
도 9에 도시된 감지 장치(700)는 2개의 안테나(720)를 통하여 다중 빔(710)의 무선 주파수 신호를 수신한다. 저잡음 증폭기(LNA, 730)는 안테나(720)를 통해 수신된 미약한 신호를 증폭한다. 로드 저항(RL, 740)은 접지 단자에 연결된다. 2개의 로드 저항(740) 사이에는 복수의 지연 라인(DL, 750)이 직렬로 연결된다. 각각의 지연 라인은 단위 지연 셀(unit delay cell)로서, 동일한 지연 시간을 갖도록 구현될 수 있다.The
저잡음 증폭기(LNA, 730)에서 증폭된 신호는 하나 또는 그 이상의 지연 라인(750)을 거쳐, 검출기(760)로 전달된다. 검출기(760)는 전압 민감도(voltage sensitivity)가 좋은 소자를 이용하여 구현되며, 검출된 전기적 신호를 출력 단자(I/O1, I/O2, I/O3)를 통해 출력한다. 예로서, 검출기(760)는 전압 민감도(voltage sensitivity)가 좋은 millimeter wave zero bias GaAs Schottky Diode 또는 tunnel diode 등으로 구현될 수 있다.The signal amplified by the low noise amplifier (LNA) 730 is passed to the
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 빔 메트릭스 2D 구조를 갖는 감지 장치(800)를 보여준다. 도 10을 참조하면, 감지 장치(800)는 4개의 안테나(ANT1~ANT4, 820), 4개의 저잡음 증폭기(LAN, 830), 복수의 로드 저항(RL, 840), 복수의 트랜스컨덕턴스 증폭기(transconductance amplifier, 845), 복수의 지연 라인(DL, 850), 9개의 검출기(860), 그리고 3x3 검출기 어레이(detector array, 870)를 포함한다.10 illustrates a
도 10에 도시된 감지 장치(800)는 4개의 안테나(ANT1~ANT4, 820)를 통하여 3x3 방향성(directions)을 갖는 다중 빔(810)의 무선 주파수 신호를 수신한다. 저잡음 증폭기(LNA, 830)에서 증폭된 신호는 하나 또는 그 이상의 지연 라인(DL) 및트랜스컨덕턴스 증폭기(845)를 거쳐, 전압 민감도(voltage sensitivity)가 좋은 9개의 검출기(860)로 전달된다. 각각의 검출된 전기적 신호는 출력 단자를 통해 3x3 검출기 어레이The
(870)로 출력된다. Is output to 870.
검출기(860)로 사용되는 다이오드(diode)의 전류 민감도(current sensitivity)는 다음과 같은 [수학식1]로 나타낼 수 있다.The current sensitivity of the diode used as the
여기에서, T는 Kelvin 온도이고, n, q, k는 상수이다.Where T is the Kelvin temperature and n, q, and k are constants.
다이오드의 접합 저항(junction resistance)은 다음과 같은 [수학식2]로 나 타낼 수 있다.Junction resistance of the diode can be represented by the following [Equation 2].
여기에서, T는 Kelvin 온도이고, I는 바이어스 전류이며, n,q 그리고 k는 상수이다Where T is the Kelvin temperature, I is the bias current, and n, q and k are constants
다이오드 저항(diode resistance)이 로드 저항보다 클 때, 전압 민감도(voltage sensitivity)는 전류 민감도(current sensitivity)와 접합 저항(juction resistance)의 곱으로 나타내며, 온도에 대하여 독립적이다. 아래 [수학식3]은 다이오드의 전압 민감도(voltage sensitivity)를 나타낸다.When diode resistance is greater than the load resistance, voltage sensitivity is expressed as the product of current sensitivity and junction resistance and is independent of temperature.
특별한 경우에, 전압 민감도(voltage sensitivity)는 다이오드의 접합 커패시턴스(junction capacitance)와 직렬 저항(series resistance)에 의해 줄어들 수 있다. 아래 [수학식 4]는 특별한 경우의 다이오드의 전압 민감도(voltage sensitivity)를 나타낸다.In a special case, the voltage sensitivity can be reduced by the junction capacitance and series resistance of the diode.
[수학식4]를 참조하면, 다이오드의 전압 민감도(voltage sensitivity)는 접합 저항(junction resistance, Rj)으로 인해 온도 의존성을 갖는다. 예를 들어, I=0.02mA, RB= 25Ω, Cj=0.1pF, 그리고 f=10GHz라고 가정하자. 이때 다이오드의 전압 민감도(voltage sensitivity)는 아래 [수학식5]와 같이 된다.Referring to
[수학식 5]에 의하면, 다이오드의 전압 민감도(voltage sensitivity)는 온도의 영향을 거의 받지 않는 독립적인 특성이 있음을 알 수 있다. 따라서 도 9 및 도 10에 도시된 감지 장치(700, 800)는 외부 환경의 온도 영향을 적게 받는다.According to [Equation 5], it can be seen that the voltage sensitivity of the diode has an independent characteristic which is hardly influenced by temperature. Therefore, the
또한, 도 9 및 도 10에 도시된 감지 장치(700, 800)는 적은 수의 소자를 필요로 하며, 가벼운 소자(예를 들면, 지연 라인 또는 다이오드)를 사용하기 때문에, 가볍고 적은 비용으로 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치(700, 800)는 회로 구성이 비교적 간단하기 때문에, 디자인 설계가 용이하며 집적화에도 유리하다.In addition, since the
도 11은 도 10에 도시된 안테나(ANT1~ANT4, 820), 저잡음 증폭기(LNA, 830), 그리고 지연 라인 박스(delay line box, 850)를 보여주는 회로도이다. 도 11을 참조하면, 4개의 안테나(ANT1~ANT4, 820)를 통해 입력된 무선 주파수 신호는 4개의 저잡음 증폭기(LAN1~LNA4, 830)에 의해 증폭된다. 증폭된 신호는 지연 라인 박스(850)로 입력된다. 지연 라인 박스(850)는 4개의 입력 단자(IN1~IN4)와 9개의 출력 단자(OUT1~OUT9)를 갖는다. 지연 라인 박스(850)는 소정의 시간이 지연된 신호를 출력한다.FIG. 11 is a circuit diagram illustrating the antennas ANT1 to ANT4 and 820, the low
도 12는 도 11에 도시된 지연 라인 박스(850)를 평면적으로 보여주는 회로도이다. 도 12를 참조하면, 지연 라인 박스(850)는 4개의 입력 단자(IN1~IN4), 4개의 로드 저항(RL), 복수의 지연 라인(DL), 그리고 9개의 출력 단자(OUT1~OUT9)를 포함한다. 각각의 지연 라인(DL)은 단위 지연 셀(unit delay cell)로, 신호를 소정의 시간(τ) 지연할 수 있다. 지연 라인 박스(850)는 4개의 입력 단자(IN1~IN4)로 입력된 신호들을 단위 지연 셀의 정수 배만큼 지연한 다음에, 9개의 출력 단자(OUT1~OUT9)로 출력한다. 지연 라인 박스(850)는 출력 신호를 검출기(도 10 참조, 860)로 보낸다.FIG. 12 is a circuit diagram of a
도 13은 도 12에 도시된 지연 라인 박스(850)에서 출력된 신호(OUT1~OUT9)의 처리 과정을 보여주는 블록도이다. 도 13을 참조하면, 지연 라인 박스(850)의 출력 신호(OUT1~OUT9)는 검출기(860), 저역 통과 필터(LPF; Low Pass Filter, 871), 적분기(intergrator, 872), 커패시터(873), 그리고 멀티플렉서(MUX, 874)를 통과하게 된다. FIG. 13 is a block diagram illustrating a process of processing signals OUT1 to OUT9 output from the
저역 통과 필터(871)는 주어진 차단 주파수보다 낮은 주파수 대역의 신호는 통과시키고, 이보다 높은 주파수 대역의 신호는 차단한다. 즉, 저역 통과 필터(871)는 검출기(860)를 통과한 신호 중에서 낮은 주파수 대역의 신호만을 필터링한다. 저역 통과 필터(871)를 통과한 신호는 적분기(872)로 제공된다. 적분기(872)는 저역 통과 필터(871)를 통과한 신호를 시간에 대한 적분값으로 출력 한다. 적분기(872)를 통과한 신호는 커패시터(873)에 저장된 다음에, 멀티플렉서(874)로 제공된다. 멀티플렉서(874)는 입력된 9개의 신호 중에서 하나를 선택하고, 선택된 신호를 클록 신호(CLK)에 따라 출력한다.The
멀티플렉서(874)의 출력 신호는 무선 TSV(wireless Through Silicon Via, 880)을 거쳐, 아날로그-디지털 변환기(ADC; Analog to Digital Convertor, 891)로 제공된다. 무선 TSV(880)는 인덕턴스 커플링(inductance coupling, 881)을 이용하여, TSV(through silicon via) 없이 웨이퍼 간에 신호를 전송할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 무선 TSV(880)의 전기적 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 변환된 디지털 신호는 디지털 신호 처리 유닛(892)으로 제공된다.The output signal of the
도 14는 도 13에 도시된 디지털 신호 처리 유닛(892)의 신호 처리 과정을 보여주는 순서도이다. 디지털 신호 처리 유닛(892)은 2D image low data(S110)로부터 검출기 어레이(도 10 참조, 870)의 각 픽셀(pixel)의 거리 정보를 얻기 위하여 2D depth image을 한다(S120). 디지털 신호 처리 유닛(892)은 2D depth image를 이용하여, 3D 이미지를 구한다. FIG. 14 is a flowchart illustrating a signal processing process of the digital
디지털 신호 처리 유닛(892)은 고해상도의 3D 이미지를 얻기 위하여 3D Cartesian integration(S130), 3D image visualization(S140), 그리고 3D image processing(S150)을 순차적으로 수행한다. 여기에서, 3D Cartesian integration(S130)은 특정 부피를 가지는 정육면체 픽셀(pixel)을 잘 나타내는 Volumetric Pixel 방식을 사용한다. 디지털 신호 처리 유닛(892)은 디스플레이되는 이미지의 depth 정보에 따라, 3D image cropping(S160) 하거나 뚜렷한 영상을 얻기 위해 3D image deconvolution(S170)을 수행한다. 3D image deconvolution(S170)은 검출기(860)의 timing responses, noise, range tail 등을 보상하기 위해서 수행된다.The digital
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 안테나 제조 방법을 보여주는 순서도이다. 도 15에서, (a) 과정은 상부 웨이퍼(top wafer)의 공정 단계를 보여주고, (b) 과정은 하부 웨이퍼(bottom wafer)의 공정 단계를 보여준다. 그리고 (c) 과정은 상부 웨이퍼와 하부 웨이퍼의 결합 및 안테나 제조 단계를 보여준다.15 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an antenna of a sensing device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 15, process (a) shows a process step of a top wafer, and process (b) shows a process step of a bottom wafer. And (c) shows the step of combining the upper wafer and the lower wafer and manufacturing the antenna.
도 15(a)를 참조하면, S210 단계에서는 상부 웨이퍼(31)를 세척한 후, DRIE(deep reactive-ion etching)을 하기 위해 마스킹(masking) 작업을 하고, DRIE(deep reactive-ion etching)을 약 150um 정도로 한다. S215 단계에서는 상부 웨이퍼(31)의 윗면(32)에 CMP(chemical mechanical polishing)을 하여 상부 웨이퍼(31)의 두께가 약 200um가 되도록 한다. 그리고 하부 웨이퍼와의 결합을 위해, Au/Ti을 이용하여 약 500A~30000A 두께의 본딩 패턴(bonding pattern, 33)을 형성한다. Referring to FIG. 15A, in step S210, after cleaning the
도 15(b)를 참조하면, S220 단계에서는 약 650um~700um의 하부 웨이퍼(41)를 세척한다. S225 단계에서는 상부 웨이퍼(31)와의 결합을 위해 Au/Ti을 이용하여 500A~30000A 두께의 본딩 패턴(bonding pattern, 43)를 증착한다. 그 다음에, 슬롯 패턴(slot pattern, 45)을 위한 마스킹(masking) 작업을 수행하고, 드라이 에칭(dry etching)을 한다. Referring to FIG. 15B, in step S220, the
도 15(c)를 참조하면, S230 단계에서는 상부 웨이퍼(31)와 하부 웨이퍼(41)를 본딩 결합한다. 그리고 상부 웨이퍼(31)의 윗면에 약 500A~10000A 두께의 Au/Ti을 증착하고, 패치 패턴(patch pattern, 51)을 위한 마스킹(masking) 및 드라이 에칭(dry etching) 작업을 한다. S240 단계에서는 하부 웨이퍼(41)의 아랫면을 CMP하여, 상부 웨이퍼(31)와 하부 웨이퍼(41)의 전체 두께를 약 300um 정도로 한다. S250 단계에서는 하부 웨이퍼(41)의 아랫면에 마이크로스트립 라인 패턴(microstrip line pattern)을 마스킹 작업을 한 후, 드라이 에칭(dry etching) 하여, 피드 라인(feed line, 52)을 형성한다. Referring to FIG. 15C, in operation S230, the
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 구조를 보여주는 단면도이다. 도 16에서, 패치(901), 상부 웨이퍼(902), air cavity(903), slot(904), 하부 웨이퍼(905), 그리고 피드 라인(906)으로 구성된 안테나(도 10 참조, 820)는 도 15에서 설명한 과정으로 제조된다.16 is a cross-sectional view illustrating a structure of a sensing device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 16, an antenna consisting of a
안테나와 PCB(910) 사이에는 인터포져(interposer, 908)가 위치한다. 안테나와 인터포져(interposer, 908)는 금속간 화합물로 채워진 TSV(907)로 연결된다. 그리고 인터포져(interposer, 908)와 PCB(910)는 sold ball(909)를 통해 연결된다. 여기에서, PCB 기판(910)은 실리콘, GaAs, LTCC, 또는 세라믹 등으로 제조될 수 있다. 인터포져(908)에는 검출기(예를 들면, millimeter wave zero bias GaAs Schottky Diode)(도 10 참조, 860) 이외에 프로세서(processor, 도시되지 않음)와 같은 칩들이 2차원적으로 실장될 수 있다. 안테나와 인터포져(908) 사이 또는 인터포져(908) 내에서는, 웨이퍼 사이 또는 칩 사이에서, 전기적 신호 또는 데이터가 무선 TSV(wireless TSV) 방식으로 전달될 수 있다.An
도 17은 도 16에 도시된 인터포져(908)의 인덕턴스 커플링(inductance coupling)의 일 실시 예를 보여준다. 도 17(a)는 인던턴스 커플링을 입체적으로 보여주며, 도 17(b)는 단면적으로 보여준다.FIG. 17 shows an embodiment of inductance coupling of the
도 17(a) 및 도 17(b)를 참조하면, 3개의 웨이퍼(1001) 상에 인덕터(inductor, 1002)가 형성되어 있다. 인덕터(inductor, 1002)와 인덕터(inductor, 1003) 사이에서는 자기장(magnetic field)에 의한 인덕턱스 커플링(inductance coupling, 1005)이 형성될 수 있다. 2개의 웨이퍼는 인덕턴스 커플링으로 인해 무선 TSV로 연결될 수 있다. RDL층은 폴리머 혹은 산화층으로 만들어진 유전체와 금속 배선으로 구성될 수 있다. 금속 배선의 수직 연결은 유전체 내에 via를 형성하여 연결될 수 있다. 인터포져(interposer, 1004)는 실리콘 상에 고밀도 시스템 혹은 서브 시스템을 제작하고 이를 PCB상에 실장 시키기 위한 매개체로 사용될 수 있다. Referring to FIGS. 17A and 17B, an
도 18은 도 16에 도시된 인터포져(908)의 인덕턴스 커플링(inductance coupling)의 다른 실시 예를 보여준다. 도 18(a) 및 도 18(b)를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(1101)에 인덕터(1102) 대 인덕터(1103)로 자기장(magnetic field)에 의한 인덕턴스 커플링(inductance coupling, 1104)으로 wireless TSV로 연결한다. RDL 층을 폴리머 혹은 산화층으로 만들어진 유전체와 금속 배선으로 구성한다. 금속 배선의 수직 연결은 유전체 내에 via를 형성하여 연결한다. wireless TSV는 실리콘 상에 고밀도 시스템 혹은 서브 시스템을 제작하고 이를 PCB상에 실장 시키기 위한 매개체로 사용될 수 있다. FIG. 18 shows another embodiment of inductance coupling of the
본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치는 TSV를 대신하여, 인덕턴스 커플링을 이용한 wireless TSV 방식을 사용함으로, 3D 적층 레이어(3D stacked layer)를 단순하고 간단한 공정으로 구현할 수 있다. The sensing apparatus according to the embodiment of the present invention can implement a 3D stacked layer in a simple and simple process by using a wireless TSV method using inductance coupling instead of the TSV.
도 19 및 도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 안테나 어레이(antenna array)의 빔 패턴(beam pattern, 도 19)과 리턴 손실(return loss, 도 20)를 보여주는 그래프이다. 도 19 및 도 20은 4x4 안테나 어레이를 갖는 노말 안테나 어레이 방식과 해밍 안테나 어레이 방식의 차이를 보여준다. 19 and 20 are graphs illustrating a beam pattern (refer to FIG. 19) and a return loss of FIG. 19 of an antenna array of a sensing apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention. 19 and 20 show a difference between a normal antenna array method having a 4x4 antenna array and a hamming antenna array method.
도 19를 참조하면, 노말 안테나 어레이 방식은 메인 로브(main lobe)와 부옆 로브(side lobe) 사이에서는 약 13~15dBi 차이가 난다. 반면에, 해밍 안테나 어레이 방식은 메인 로브(main lobe)와 부옆 로브(side lobe) 사이에서는 약 18~19dBi 차이가 난다. 도 20을 참조하면, 노말 안테나 어레이 방식과 해밍 안테나 어레이 방식의 return loss 차이는 미묘함을 알 수 있다. Referring to FIG. 19, the normal antenna array method has a difference of about 13 to 15 dBi between the main lobe and the side lobe. On the other hand, the Hamming antenna array method has a difference of about 18 to 19 dBi between the main lobe and the side lobe. Referring to FIG. 20, it can be seen that the return loss difference between the normal antenna array method and the hamming antenna array method is subtle.
도 21 내지 26은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 안테나 어레이의 빔 패턴(beam pattern)과 각 픽셀의 최대 민감도(maximum intensity)를 보여주는 그래프이다. 21 to 26 are graphs showing a beam pattern of a antenna array and a maximum intensity of each pixel of a sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 21을 참조하면, 8x2 해밍 안테나 어레이 방식은 메인 로브(main lobe)와 부옆 로브(side lobe) 사이에서 약 25dBi 이상의 차이가 난다. 도 22를 참조하면, 8x8 해밍 안테나 어레이의 최대 민감도(maximum intensity)는 픽셀 64인 것을 알 수 있다. 도 23을 참조하면, 16x2 해밍 안테나 어레이 방식은 메인 로브(main lobe)와 부옆 로브(side lobe) 사이에서 약 20dBi 이상의 차이가 난다. 도 24를 참조하면, 16x16 해밍 안테나 어레이의 최대 민감도(maximum intensity)는 픽셀 254인 것을 알 수 있다. 도 25를 참조하면, 32x2 해밍 안테나 어레이 방식은 메인 로브(main lobe)와 부옆 로브(side lobe) 사이에서 약 25dBi 이상의 차이가 난다. 도 26을 참조하면, 32x32 해밍 안테나 어레이의 최대 민감도(maximum intensity)는 픽셀 1024인 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 21, the 8x2 hamming antenna array scheme has a difference of about 25 dBi or more between the main lobe and the side lobe. Referring to FIG. 22, it can be seen that the maximum intensity of the 8 × 8 Hamming antenna array is pixel 64. Referring to FIG. 23, the 16 × 2 hamming antenna array scheme has a difference of about 20 dBi or more between the main lobe and the side lobe. Referring to FIG. 24, it can be seen that the maximum intensity of the 16 × 16 Hamming antenna array is the pixel 254. Referring to FIG. 25, the 32 × 2 hamming antenna array scheme has a difference of about 25 dBi or more between the main lobe and the side lobe. Referring to FIG. 26, it can be seen that the maximum intensity of the 32x32 hamming antenna array is pixel 1024.
본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치는 다중 빔 안테나 어레이(multi beam antenna array)를 사용한다. 다중 빔 안테나 어레이는 narrowband 및 broad band 양쪽 모두 통신 시스템과 이미지 시스템에서 매력적이다. electronically scanned antenna array와 비교할 때, 다중 빔 통신 시스템이 다중 사용자 안에서는 보다 더 적합하다. 이미지 시스템에서는 multi beam 시스템은 실시간 환경에서 가득 찬 전체 공간해상도 범위를 얻을 수 있다. 더욱이 multi beam 시스템은 산란 환경에서 이미지의 정보를 보다 더 정확하게 제공할 수 있다. The sensing device according to an embodiment of the present invention uses a multi beam antenna array. Multibeam antenna arrays are attractive in both communications and imaging systems, both narrowband and broadband. Compared with electronically scanned antenna arrays, multi-beam communication systems are more suitable in multi-user. In an imaging system, a multi-beam system can achieve full spatial resolution coverage in a real-time environment. Moreover, the multi beam system can provide more accurate information of the image in the scattering environment.
본 발명에 실시 예에 따른 감지 장치는 안개와 흐린 기후 조건에서도 무인 비행체 혹은 헬리콥터가 장애물을 피해가거나 착륙시 도움을 줄 수 있고, 연기 속에서 발화점을 위치를 찾을 수 있고, 은익 무기를 검출할 수 있으며, 먼지나 연기 속에서 미사일 유도 등에 사용될 수 있다. Sensing device according to an embodiment of the present invention can help the unmanned vehicle or helicopter to avoid obstacles or landing even in foggy and cloudy weather conditions, can find the location of the ignition point in the smoke, detect the hidden weapons It can be used to guide missiles in dust or smoke.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치는 경량, 저가격, 소형, 단순, 저전력 소모, rugged 그리고 낮은 주파수의 video rate을 가질 수 있다. 그래서 본 발명은 image sensing microantenna arrays system에 적용될 수 있으며, 작은 시간 내에 많은 이미지 정보를 얻을 수 있다. In addition, the sensing device according to the embodiment of the present invention may have a light rate, low cost, small size, simple, low power consumption, rugged and low frequency video rate. Therefore, the present invention can be applied to an image sensing microantenna arrays system, and a lot of image information can be obtained within a small time.
본 발명에 따른 감지 장치는 저가격을 위하여 zero bias schottky diode나 tunnel diode를 사용하여 이미지 검출을 할 수 있고, 저가격을 위해 silicon CMOS 공정으로 구현할 수 있다. 또한, 본 발명은 소형, 경량 그리고 단순화를 위하여 3D stacked layer 공정을 사용할 수 있다. The sensing device according to the present invention can detect an image using a zero bias schottky diode or a tunnel diode for low cost, and can be implemented by a silicon CMOS process for low cost. In addition, the present invention can use a 3D stacked layer process for small size, light weight and simplicity.
한편, 최근 시스템의 클록 속도가 빨라지면서 소자와 소자 사이의 interconnection에 의한 delay, noise, 전력 소모가 시스템의 성능을 향상시키는데 문제가 되고 있다. 이에 따라, interconnection을 최소화할 필요성이 제기되고 있다. 본 발명에 따른 감지 장치 및 그것의 제조 방법에 의하면, 3D stacked layer은 interconnection의 길이를 짧게 할 수 있어서 delay, noise을 줄이고, high bandwidth을 가지며, 전력 소모도 줄일 수 있다. On the other hand, as the clock speed of a system increases recently, delay, noise, and power consumption due to the interconnection between elements become a problem to improve the performance of the system. Accordingly, there is a need for minimizing interconnection. According to the sensing device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the 3D stacked layer can shorten the length of the interconnection, thereby reducing delay, noise, high bandwidth, and power consumption.
TSV을 이용한 실리콘 칩의 3D stacked layer 기술은 집적도 향상, interconnection 길이 최소화, routing의 자유도 부여 측면에서 각광을 받고 있다. 그러나 종래의 stacked layer 기술은 공정 비용이 비싸기 때문에, 기술 확산에는 어려움이 있다. 특히, TSV를 메우는 기술인 filling technology 및 칩을 bonding 하는 기술은 비용이 많이 들고 신뢰성이 낮다는 문제점이 있어왔다. 그러나 본 발명에 따른 제조 방법에 의하면, inductance coupling 방식을 사용하기 때문에 비용을 줄이고 신뢰성을 높일 수 있다. The 3D stacked layer technology of silicon chips using TSV has been in the spotlight in terms of improving integration, minimizing interconnection length and giving freedom of routing. However, since the conventional stacked layer technology is expensive in process, it is difficult to spread the technology. In particular, the filling technology and the bonding technology of the chip, which fills the TSV, have a problem of high cost and low reliability. However, according to the manufacturing method according to the present invention, since the inductance coupling method is used, the cost can be reduced and the reliability can be increased.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물 론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. On the other hand, in the detailed description of the present invention has been described with respect to specific embodiments, of course, various modifications are possible without departing from the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims of the present invention as well as the claims of the following.
도 1은 광학 카메라(optical camera)를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating an optical camera by way of example.
도 2는 RF 카메라를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 2 is a conceptual diagram illustrating an RF camera by way of example.
도 3은 스캐닝 안테나 어레이 방식을 사용하는 감지 장치를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 3 is a conceptual diagram illustrating a sensing device using a scanning antenna array scheme by way of example.
도 4는 다중 빔 비주사형 어레이 방식을 사용하는 감지 장치를 예시적으로 보여주는 개념도이다. 4 is a conceptual diagram illustrating a sensing device using a multi-beam non-scanning array scheme by way of example.
도 5 및 도 6은 마이크로파 렌즈를 다중 빔 메트릭스로 사용하는 감지 장치를 보여준다. 5 and 6 show a sensing device using a microwave lens as a multi-beam matrix.
도 7 및 도 8은 시간 지연기를 포함하는 회로를 다중 빔 메트릭스로 사용하는 감지 장치를 보여준다. 7 and 8 show a sensing device using a circuit comprising a time delay with multiple beam metrics.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 빔 메트릭스 1D 구조를 갖는 감지 장치를 보여준다. 9 illustrates a sensing device having a multi-beam matrix 1D structure according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 빔 메트릭스 2D 구조를 갖는 감지 장치를 보여준다. 10 illustrates a sensing device having a
도 11은 도 10에 도시된 안테나, 저잡음 증폭기, 그리고 지연 라인 박스를 보여주는 회로도이다. FIG. 11 is a circuit diagram illustrating an antenna, a low noise amplifier, and a delay line box shown in FIG. 10.
도 12는 도 11에 도시된 지연 라인 박스를 평면적으로 보여주는 회로도이다. FIG. 12 is a circuit diagram schematically illustrating a delay line box of FIG. 11.
도 13은 도 12에 도시된 지연 라인 박스에서 출력된 신호(OUT1~OUT9)의 처리 과정을 보여주는 블록도이다. FIG. 13 is a block diagram illustrating a process of processing signals OUT1 to OUT9 output from the delay line box illustrated in FIG. 12.
도 14는 도 13에 도시된 디지털 신호 처리 유닛의 신호 처리 과정을 보여주는 순서도이다. FIG. 14 is a flowchart illustrating a signal processing procedure of the digital signal processing unit illustrated in FIG. 13.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 안테나 제조 방법을 보여주는 순서도이다. 15 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an antenna of a sensing device according to an embodiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 구조를 보여주는 단면도이다. 16 is a cross-sectional view illustrating a structure of a sensing device according to an embodiment of the present invention.
도 17은 도 16에 도시된 인터포져(interposer)의 인덕턴스 커플링(inductance coupling)의 일 실시 예를 보여준다. FIG. 17 illustrates an embodiment of inductance coupling of the interposer illustrated in FIG. 16.
도 18은 도 16에 도시된 인터포져(interposer)의 인덕턴스 커플링(inductance coupling)의 다른 실시 예를 보여준다. FIG. 18 shows another embodiment of inductance coupling of the interposer shown in FIG. 16.
도 19 및 도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 안테나 어레이( antenna array)의 빔 패턴(beam pattern, 도 19)과 리턴 손실(return loss, 도 20)를 보여주는 그래프이다. 19 and 20 are graphs showing a beam pattern (refer to FIG. 19) and a return loss (refer to FIG. 20) of an antenna array of a sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 21 내지 26은 본 발명의 실시 예에 따른 감지 장치의 안테나 어레이의 빔 패턴(beam pattern)과 각 픽셀의 최대 민감도(maximum intensity)를 보여주는 그래프이다. 21 to 26 are graphs showing a beam pattern of a antenna array and a maximum intensity of each pixel of a sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
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