JP3215864B2 - Thermal infrared sensor - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、サーモパイル又は
ボロメータを二次元的に配列した熱型赤外線センサに関
する。The present invention relates to a thermal infrared sensor in which thermopiles or bolometers are two-dimensionally arranged.
【0002】[0002]
【従来の技術】熱型赤外線センサには、サーモパイル型
とボロメータ型がある。2. Description of the Related Art Thermal type infrared sensors include a thermopile type and a bolometer type.
【0003】従来、受光素子を二次元に配列したサーモ
パイル型赤外線センサは、図3に示すようにサーモパイ
ル1(熱電対を複数個組み合わせたもの)を弱反転状態
で動作させたMOS型トランジスタ2のゲートに直接接
続して信号を読み出している。ここでは、一つの画素は
サーモパイル1、MOS型トランジスタ2、電荷蓄積部
3とで構成されており、サーモパイルの一端4はMOS
型トランジスタ2のゲートに接続されており、サーモパ
イルの他端5は第2の電圧源6に接続されている。ま
た、MOS型トランジスタ2のソースは第3の電圧源7
に接続され、ドレインは電荷蓄積部3と電荷読み出し部
8の構成要素の一つであるトランスファゲート9に接続
されている。Conventionally, a thermopile type infrared sensor in which light receiving elements are arranged two-dimensionally is a MOS type transistor 2 in which a thermopile 1 (combination of a plurality of thermocouples) is operated in a weak inversion state as shown in FIG. The signal is read out by connecting directly to the gate. Here, one pixel is composed of a thermopile 1, a MOS transistor 2, and a charge storage unit 3, and one end 4 of the thermopile is a MOS transistor.
The other end 5 of the thermopile is connected to a second voltage source 6. The source of the MOS transistor 2 is a third voltage source 7
, And the drain is connected to the transfer gate 9 which is one of the components of the charge storage unit 3 and the charge readout unit 8.
【0004】図4は画素を2次元に配列し、かつ電荷読
み出し部8の構成内容を示した赤外線センサ全体の構成
図である。図において、電荷蓄積部3の一端は各画素に
対応して配置してあるトランスファゲート9に接続され
ており、トランスファゲート9に対応して垂直CCD1
0が設けられている。垂直CCD10の転送方向の端部
には水平CCD11が設けられており、水平CCD11
の転送方向の端部には出力部12が形成されている。ト
ランスファゲート9、垂直CCD10、水平CCD1
1、出力部12とで電荷読み出し部8が構成されてい
る。なお、サーモパイル1、MOS型トランジスタ2、
電荷蓄積部3とで構成されている各画素及び電荷読み出
し部8は同一のシリコン基板(半導体基板)に形成され
ている。FIG. 4 is an overall configuration diagram of an infrared sensor in which pixels are two-dimensionally arranged and the configuration of a charge reading section 8 is shown. In the figure, one end of a charge storage section 3 is connected to a transfer gate 9 arranged corresponding to each pixel, and a vertical CCD 1 is provided corresponding to the transfer gate 9.
0 is provided. A horizontal CCD 11 is provided at an end of the vertical CCD 10 in the transfer direction.
An output section 12 is formed at the end in the transfer direction. Transfer gate 9, vertical CCD 10, horizontal CCD 1
1, the output section 12 constitutes the charge reading section 8. The thermopile 1, the MOS transistor 2,
Each pixel and the charge readout unit 8 configured by the charge storage unit 3 are formed on the same silicon substrate (semiconductor substrate).
【0005】この赤外線センサの動作について図3及び
図4を用いて説明する。図3において、入射赤外線量に
応じてサーモパイル1の接点部の温度が上昇し、それに
よってサーモパイル1に起電圧を生ずる。この起電圧
は、第2の電圧源6に相加されてMOS型トランジスタ
2のゲートに印加されて、ドレイン電流を変化させる。
このドレイン電流は、電荷蓄積部3に一定時間蓄積され
る。蓄積時間が終了するとトランスファゲート9をオン
状態にし、蓄積された電荷は電荷蓄積部3からCCD型
といわれる走査回路を用いた電荷読み出し部8へ転送さ
れる。図4に示すように、電荷読み出し部8ではトラン
スファゲート9をオン状態にすると信号電荷は垂直CC
D10に移されると同時に、電荷蓄積部3の電位はトラ
ンスファゲート9のチャネル電位にリセットされる。そ
の後、トランスファゲート9をオフ状態にして、次の蓄
積が開始する。蓄積期間において、垂直CCD10と水
平CCD11との働きによって、垂直CCD10に移さ
れた信号電荷は順次出力部12に転送され、信号は外部
に取り出される。電荷読み出し部8はトランスファゲー
ト9、垂直CCD10、水平CCD11、出力部12と
で構成されている。The operation of the infrared sensor will be described with reference to FIGS. In FIG. 3, the temperature of the contact portion of the thermopile 1 increases in accordance with the amount of incident infrared rays, thereby generating an electromotive voltage in the thermopile 1. This electromotive voltage is added to the second voltage source 6 and applied to the gate of the MOS transistor 2 to change the drain current.
This drain current is stored in the charge storage unit 3 for a certain period of time. When the accumulation time ends, the transfer gate 9 is turned on, and the accumulated charges are transferred from the charge accumulation unit 3 to the charge readout unit 8 using a scanning circuit called a CCD type. As shown in FIG. 4, in the charge reading section 8, when the transfer gate 9 is turned on, the signal charge is changed to the vertical CC.
At the same time as the transfer to D10, the potential of the charge storage section 3 is reset to the channel potential of the transfer gate 9. Thereafter, the transfer gate 9 is turned off, and the next accumulation starts. In the accumulation period, the signal charges transferred to the vertical CCD 10 are sequentially transferred to the output unit 12 by the action of the vertical CCD 10 and the horizontal CCD 11, and the signal is taken out. The charge reading section 8 includes a transfer gate 9, a vertical CCD 10, a horizontal CCD 11, and an output section 12.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】従来の技術のように、
サーモパイルの起電圧を直接MOS型トランジスタのゲ
ートに接続した場合、電荷蓄積部に流入する電流はMO
S型トランジスタを動作させるために印加するバイアス
電圧による部分が大きく、サーモパイルの起電圧による
信号電流の割合が少ないという問題点があった。そのた
め、信号の出力電圧が低く電荷の蓄積容量で決まるショ
ット雑音が相対的に高くなり高感度が得られなかった。
また、外部からの誘導雑音を拾い易く、感度を劣化させ
る欠点があった。SUMMARY OF THE INVENTION As in the prior art,
When the electromotive voltage of the thermopile is directly connected to the gate of the MOS transistor, the current flowing into the charge storage unit is MO
There is a problem that the portion due to the bias voltage applied to operate the S-type transistor is large, and the ratio of the signal current due to the electromotive voltage of the thermopile is small. Therefore, the output voltage of the signal is low and the shot noise determined by the charge storage capacity is relatively high, and high sensitivity cannot be obtained.
Further, there is a drawback that external induction noise is easily picked up and sensitivity is deteriorated.
【0007】さらに、従来の方法では、MOS型トラン
ジスタのしきい値電圧のばらつきの影響を受け易く、同
一の強さの赤外線入射に対する各画素の出力電圧にでこ
ぼこが生じて、固定パターン雑音が大きかった。このた
め、赤外線の画像を得る場合、非常に画質を劣化させる
という問題点があった。Further, in the conventional method, the output voltage of each pixel is apt to be affected by the variation of the threshold voltage of the MOS type transistor with respect to the incidence of infrared rays having the same intensity, and the fixed pattern noise is large. Was. For this reason, when an infrared image is obtained, there is a problem that the image quality is significantly deteriorated.
【0008】以上、サーモパイル型赤外線センサについ
て述べたが、ボロメータ型赤外線センサについても状況
は同様である。Although the thermopile type infrared sensor has been described above, the situation is the same for the bolometer type infrared sensor.
【0009】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、信号の出力電圧を高くし、か
つMOS型トランジスタのしきい値電圧のばらつきによ
る影響を少なくして、高感度でかつ良好な画質の熱型赤
外線センサを提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is intended to increase the output voltage of a signal and reduce the influence of variations in the threshold voltage of a MOS transistor. An object of the present invention is to provide a thermal infrared sensor having high sensitivity and good image quality.
【0010】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。[0010] Other objects and novel features of the present invention will be clarified in embodiments described later.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る第1の熱型赤外線センサは、基板の主
面に二次元的に配列された複数のサーモパイルと、それ
ぞれのサーモパイルに対応して前記基板に設けられたバ
イポーラトランジスタと、それぞれのバイポーラトラン
ジスタに対応して前記基板に設けられたMOS型トラン
ジスタと、それぞれのMOS型トランジスタに対応して
前記基板に設けられた電荷蓄積部と、それぞれの電荷蓄
積部に対応して前記基板に設けられた電荷読み出し部と
を備えた熱型赤外線センサであって、 前記バイポーラト
ランジスタのエミッタが前記サーモパイルの一端に接続
され、前記バイポーラトランジスタのベースが第1の電
圧源に接続され、前記バイポーラトランジスタのコレク
タが前記MOS型トランジスタのソースに接続され、前
記MOS型トランジスタのドレインが前記電荷蓄積部に
接続され、前記第1の電圧源により前記バイポーラトラ
ンジスタのコレクタ接合が逆バイアスされていることを
特徴としている。In order to achieve the above object, a first thermal infrared sensor according to the present invention comprises a plurality of thermopiles arranged two-dimensionally on a main surface of a substrate, and a plurality of thermopiles. A bar provided on the substrate corresponding to
Bipolar transistors and their respective bipolar transistors
A MOS transistor provided in the substrate corresponding to the register, and each of the MOS-type transistor charge storage part provided on the substrate in correspondence with, provided on the substrate corresponding to each of the charge storage portion a thermal type infrared sensor comprising a charge readout portions, said bipolar DOO
An emitter of the transistor is connected to one end of the thermopile, a base of the bipolar transistor is connected to a first voltage source, and a collector of the bipolar transistor is connected to a source of the MOS transistor ;
The drain of the MOS transistor is connected to the charge storage section.
Connected to the bipolar transformer by the first voltage source.
The collector junction of the transistor is reverse-biased .
【0012】本発明に係る第2の熱型赤外線センサは、
基板の主面に二次元的に配列された複数のボロメータ
と、それぞれのボロメータに直列に接続され、かつ前記
基板に設けられた抵抗と、それぞれのボロメータに対応
してその後段に接続され、かつ前記基板に設けられたバ
イポーラトランジスタと、それぞれのバイポーラトラン
ジスタに対応して前記基板に設けられたMOS型トラン
ジスタと、それぞれのMOS型トランジスタに対応して
前記基板に設けられた電荷蓄積部と、それぞれの電荷蓄
積部に対応して前記基板に設けられた電荷読み出し部と
を備えた熱型赤外線センサであって、 前記バイポーラト
ランジスタのエミッタが前記ボロメータの一端に接続さ
れ、前記バイポーラトランジスタのベースが第1の電圧
源に接続され、前記バイポーラトランジスタのコレクタ
が前記MOS型トランジスタのソースに接続され、前記
MOS型トランジスタのドレインが前記電荷蓄積部に接
続され、前記第1の電圧源により前記バイポーラトラン
ジスタのコレクタ接合が逆バイアスされていることを特
徴としている。A second thermal type infrared sensor according to the present invention comprises:
A plurality of bolometers two-dimensionally arranged on the main surface of the substrate, connected in series to each bolometer, and a resistor provided on the substrate, connected to a subsequent stage corresponding to each bolometer, and A bar provided on the substrate
Bipolar transistors and their respective bipolar transistors
A MOS transistor provided in the substrate corresponding to the register, and each of the MOS-type transistor charge storage part provided on the substrate in correspondence with, provided on the substrate corresponding to each of the charge storage portion a thermal type infrared sensor comprising a charge readout portions, said bipolar DOO
An emitter of the transistor is connected to one end of the bolometer, a base of the bipolar transistor is connected to a first voltage source, a collector of the bipolar transistor is connected to a source of the MOS transistor ,
The drain of the MOS transistor is in contact with the charge storage section.
Connected to the bipolar transistor by the first voltage source.
It is characterized in that the collector junction of the transistor is reverse-biased .
【0013】[0013]
【0014】[0014]
【0015】[0015]
【作用】本発明で、信号の出力電圧が高くなること及び
MOS型トランジスタのしきい値電圧のばらつきによる
出力電圧のばらつきを低減できることについて、図5を
用いて詳細に説明する。The effect of the present invention that the output voltage of a signal is increased and that the variation in the output voltage due to the variation in the threshold voltage of the MOS transistor can be reduced will be described in detail with reference to FIG.
【0016】図5において、一つの画素はサーモパイル
13、バイポーラトランジスタ14、MOS型トランジ
スタ15、電荷蓄積部16とで構成されている。説明上
ここで用いるバイポーラトランジスタ14はPNP型と
する。画素の各構成要素は次のように接続する。すなわ
ち、サーモパイルの一端17はバイポーラトランジスタ
14のエミッタ領域18に接続し、サーモパイルの他端
19は第2の電圧源20に接続する。第2の電圧源20
は、バイポーラトランジスタ14のエミッタ接合21に
対して、順方向バイアスになるように印加する。バイポ
ーラトランジスタ14のベース領域22は第1の電圧源
23に接続する。第1の電圧源23は、コレクタ接合2
4に対して逆方向バイアスになるように印加する。コレ
クタ領域25はMOS型トランジスタ15のソースに接
続する。MOS型トランジスタ15のドレインは電荷蓄
積部16と電荷読み出し部26に接続し、ゲートは第3
の電圧源27に接続する。In FIG. 5, one pixel includes a thermopile 13, a bipolar transistor 14, a MOS transistor 15, and a charge storage section 16. For explanation purposes, the bipolar transistor 14 used here is a PNP type. The components of the pixel are connected as follows. That is, one end 17 of the thermopile is connected to the emitter region 18 of the bipolar transistor 14, and the other end 19 of the thermopile is connected to the second voltage source 20. Second voltage source 20
Is applied to the emitter junction 21 of the bipolar transistor 14 so as to be forward biased. The base region 22 of the bipolar transistor 14 is connected to a first voltage source 23. The first voltage source 23 is connected to the collector junction 2
4 is applied so as to have a reverse bias. Collector region 25 is connected to the source of MOS transistor 15. The drain of the MOS transistor 15 is connected to the charge storage unit 16 and the charge readout unit 26, and the gate is connected to the third
Is connected to the voltage source 27.
【0017】赤外線センサにおける信号の出力電圧は、
制限された蓄積電荷量のうちサーモパイルの起電圧であ
る信号電圧による部分が多いほど高くなる。電荷蓄積部
16に蓄積される電荷はほとんどがエミッタ電流IEに
よるものであり、IEは第2の電圧源20による電流分
と信号電圧による電流分との和である。本発明に用いる
バイポーラトランジスタ14におけるエミッタ接合21
の逆方向飽和電流I01は10-8アンペア以上と比較的大
きめに製作する。このようにすると、動作時におけるエ
ミッタ接合21の微分抵抗が低くなり、同じ信号電圧に
対する信号電流は多くなる。なお、第2の電圧源20に
よる電流は電圧を調節することにより適切な量に調整で
きる。なお、バイポーラトランジスタ14のベース電流
IBはエミッタ電流IEに相加されて電荷蓄積部16へ流
入するので、IEによる蓄積電荷量を多くするためIBは
小さくする必要がある。そのために、IBの大きさを決
めるコレクタ接合24の逆方向飽和電流I02を小さくし
ておく必要があり、実用的には10-9アンペア以下が適
切である。The output voltage of the signal in the infrared sensor is
The higher the portion of the limited accumulated charge amount due to the signal voltage which is the electromotive voltage of the thermopile, the higher the amount. Most of the electric charge accumulated in the electric charge accumulating unit 16 is due to the emitter current IE , and IE is the sum of the electric current by the second voltage source 20 and the electric current by the signal voltage. Emitter junction 21 in bipolar transistor 14 used in the present invention
The reverse saturation current I 01 is relatively large at 10 −8 amperes or more. By doing so, the differential resistance of the emitter junction 21 during operation decreases, and the signal current for the same signal voltage increases. Note that the current from the second voltage source 20 can be adjusted to an appropriate amount by adjusting the voltage. The base current I B of the bipolar transistor 14 so flows to the charge storage unit 16 is additive to the emitter current I E, I B to increase the amount of stored charge by I E must be reduced. Therefore, there is a need to reduce the reverse saturation current I 02 of the collector junction 24 which determines the magnitude of the I B, the practical 10-9 amperes is appropriate.
【0018】本発明はI01−IB>0、したがっておお
よそI01>I02であれば、従来の方式に比べて電荷蓄積
部16に蓄積される信号電荷量が多くなり、信号の出力
電圧が高くなる。このような条件は、バイポーラトラン
ジスタ14の各領域の不純物ドープ量とか接合の面積を
調節すること及びSi上のGe接合のようなヘテロ接合
を利用すること等により実現できる。According to the present invention, if I 01 -I B > 0, and therefore approximately I 01 > I 02 , the amount of signal charges stored in the charge storage unit 16 is larger than in the conventional method, and the signal output voltage is higher. Will be higher. Such a condition can be realized by adjusting the amount of impurity doping or the area of the junction in each region of the bipolar transistor 14 and utilizing a hetero junction such as a Ge junction on Si.
【0019】次にMOS型トランジスタ15のしきい値
電圧のばらつきによる出力信号のばらつきを低減できる
ことについて説明する。図5において、バイポーラトラ
ンジスタ14のコレクタ接合24が逆方向飽和電流領域
になるように第2の電圧源23及び第3の電圧源27を
調節しておく。このような状態では、バイポーラトラン
ジスタ14のベース電流IBは、ベース−コレクタ間の
電圧が変化してもほとんど変わらない。MOS型トラン
ジスタ15のしきい値電圧のばらつきは、バイポーラト
ランジスタ14のベース−コレクタ間の印加電圧に影響
を及ぼすが、上述の理由によりベース電流IBしたがっ
て電荷蓄積部16の蓄積電荷量はMOS型トランジスタ
15のしきい値電圧のばらつきにはほとんど影響を受け
ない。Next, a description will be given of how the variation in the output signal due to the variation in the threshold voltage of the MOS transistor 15 can be reduced. In FIG. 5, the second voltage source 23 and the third voltage source 27 are adjusted so that the collector junction 24 of the bipolar transistor 14 is in the reverse saturation current region. In this state, the base current I B of the bipolar transistor 14, the base - the voltage between the collector hardly changes vary. Variation in the threshold voltage of the MOS transistor 15, the base of the bipolar transistor 14 - affects the voltage applied between the collector, the amount of charges stored in the base current I B thus charge accumulation portion 16 the reasons aforementioned MOS type It is hardly affected by variations in the threshold voltage of the transistor 15.
【0020】なお、図5はPNP型のバイポーラトラン
ジスタを用いた場合について説明したが、NPN型のバ
イポーラトランジスタを用いても状況は同様である。Although FIG. 5 shows the case where a PNP type bipolar transistor is used, the situation is the same even when an NPN type bipolar transistor is used.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る熱型赤外線セ
ンサの実施の形態を図面に従って説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a thermal infrared sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0022】図1及び図2はこの発明の第1の実施の形
態である。図1はこの熱型赤外線センサにおける一つの
画素の構成要素を示しており、図2は2次元に配列され
た画素と各画素の信号を読み出す電荷読み出し部とを示
した熱型赤外線センサ全体の構成図である。図1におい
て、図5と同一記号で示したものは同一構成要素を示
す。また、電荷読み出し部には二つの種類があり、CC
D型といわれる走査回路を用いた第1の電荷読み出し部
とMOS型といわれる走査回路を用いた第2の電荷読み
出し部とがある。本発明における画素の構成要素は図1
に示すように、サーモパイル13、バイポーラトランジ
スタ14、MOS型トランジスタ15、電荷蓄積部16
とで構成されており次のように接続する。すなわち、サ
ーモパイルの一端17はバイポーラトランジスタ14の
エミッタに接続し、サーモパイルの他端19は第2の電
圧源20に接続する。第2の電圧源20は、バイポーラ
トランジスタ14のエミッタ接合に対して順方向バイア
スになるように印加する。バイポーラトランジスタ14
のベースは第1の電圧源23に接続する。第1の電圧源
23はコレクタ接合に対して逆方向バイアスになるよう
に印加する。コレクタはMOS型トランジスタ15のソ
ースに接続する。第1の電圧源23または第2の電圧源
20は接地することも可能である。MOS型トランジス
タ15のゲートは第3の電圧源27に接続し、ドレイン
は電荷蓄積部16と第1の電荷読み出し部29の構成要
素の一つであるトランスファーゲート28のソースに接
続する。第1の電圧源23、第2の電圧源20、第3の
電圧源27はいずれも各画素に共通接続する。また、電
荷蓄積部16としてはMOS型容量や接合容量やダイナ
ミックRAMで用いられているスタック容量を用いる。FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows the components of one pixel in the thermal infrared sensor, and FIG. 2 shows the entire thermal infrared sensor showing two-dimensionally arranged pixels and a charge readout unit for reading out the signal of each pixel. It is a block diagram. In FIG. 1, components denoted by the same symbols as those in FIG. 5 indicate the same components. In addition, there are two types of charge readout units, CC
There is a first charge readout unit using a D-type scanning circuit and a second charge readout unit using a MOS-type scanning circuit. The components of the pixel in the present invention are shown in FIG.
As shown in FIG. 3, a thermopile 13, a bipolar transistor 14, a MOS transistor 15, a charge storage section 16
And are connected as follows. That is, one end 17 of the thermopile is connected to the emitter of the bipolar transistor 14, and the other end 19 of the thermopile is connected to the second voltage source 20. The second voltage source 20 applies a forward bias to the emitter junction of the bipolar transistor 14. Bipolar transistor 14
Are connected to a first voltage source 23. The first voltage source 23 applies a reverse bias to the collector junction. The collector is connected to the source of the MOS transistor 15. The first voltage source 23 or the second voltage source 20 can be grounded. The gate of the MOS transistor 15 is connected to the third voltage source 27, and the drain is connected to the source of the transfer gate 28 which is one of the components of the charge storage unit 16 and the first charge readout unit 29. The first voltage source 23, the second voltage source 20, and the third voltage source 27 are commonly connected to each pixel. In addition, as the charge storage unit 16, a MOS capacitor, a junction capacitor, or a stack capacitor used in a dynamic RAM is used.
【0023】図2は画素を2次元に配列し、かつCCD
型といわれる第1の電荷読み出し部29の構成内容を示
した熱型赤外線センサ全体の構成図である。図におい
て、電荷蓄積部16の一端は各画素に対応して配置して
あるトランスファーゲート28のソースに接続されてお
り、トランスファーゲート28に対応して埋め込み型の
垂直CCD30が設けられている。垂直CCD30のチ
ャネルはトランスファーゲート28のドレインを兼ねて
いる。垂直CCD30の転送方向の端部には水平CCD
31を設ける。さらに、水平CCD31の転送方向の端
部には浮遊拡散層型の出力部32を形成する。トランス
ファーゲート28、垂直CCD30、水平CCD31、
出力部32とで第1の電荷読み出し部29が構成されて
いる。FIG. 2 shows a two-dimensional array of pixels and a CCD.
FIG. 2 is a configuration diagram of the entire thermal infrared sensor showing the configuration of a first charge readout unit 29 called a mold. In the figure, one end of the charge storage section 16 is connected to the source of a transfer gate 28 arranged corresponding to each pixel, and an embedded vertical CCD 30 is provided corresponding to the transfer gate 28. The channel of the vertical CCD 30 also serves as the drain of the transfer gate 28. A horizontal CCD is provided at the end of the vertical CCD 30 in the transfer direction.
31 are provided. Further, a floating diffusion layer type output section 32 is formed at an end of the horizontal CCD 31 in the transfer direction. Transfer gate 28, vertical CCD 30, horizontal CCD 31,
The output unit 32 constitutes a first charge readout unit 29.
【0024】この熱型赤外線センサでは、サーモパイル
13、バイポーラトランジスタ14、MOS型トランジ
スタ15、電荷蓄積部16とで構成されている各画素及
び第1の電荷読み出し部29は同一のシリコン基板(半
導体基板)に形成されている。In this thermal infrared sensor, each pixel constituted by the thermopile 13, the bipolar transistor 14, the MOS transistor 15, and the charge storage section 16 and the first charge readout section 29 have the same silicon substrate (semiconductor substrate). ) Is formed.
【0025】この熱型赤外線センサの動作について図1
及び図2を用いて詳細に説明する。図1において、入射
赤外線量に応じてサーモパイル13の接点部の温度が上
昇し、それによって、サーモパイル13に起電圧が生ず
る。この起電圧は第2の電圧源20に相加されて、バイ
ポーラトランジスタ14のエミッタ電流を変化させる。
このエミッタ電流とベース電流IBとの和がバイポーラ
トランジスタ14のコレクタ電流IAとなり、オン状態
のMOS型トランジスタ15を経て電荷蓄積部16に流
入する。この電流が蓄積期間の間電荷蓄積部16に蓄積
されて信号電荷となる。なお、この際MOS型トランジ
スタ15は第3の電圧源27の電圧を調節することによ
り電荷蓄積部16に流入する電流のオン−オフに用いる
が、場合によっては電流量の調節にも用いる。蓄積期間
が終了すると、MOS型トランジスタ15をオフ状態に
すると共にトランスファーゲート28をオン状態にし
て、蓄積された信号電荷は電荷蓄積部16から第1の電
荷読み出し部29へ転送される。図2に示すように、ト
ランスファーゲート28をオン状態にすると信号電荷は
垂直CCD30に移されると同時に、電荷蓄積部16の
電位はトランスファーゲート28のチャネル電位にリセ
ットされる。その後、トランスファーゲート28をオフ
状態にして、次の蓄積が開始する。蓄積期間において、
垂直CCD30と水平CCD31との働きによって、垂
直CCD30に移された信号電荷は順次出力部32に転
送され、信号は外部に取り出される。FIG. 1 shows the operation of this thermal infrared sensor.
This will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 1, the temperature of the contact portion of the thermopile 13 rises in accordance with the amount of incident infrared rays, thereby generating an electromotive voltage in the thermopile 13. This electromotive voltage is added to the second voltage source 20 to change the emitter current of the bipolar transistor 14.
The sum of the emitter current and base current I B flows to the collector current I A, and the charge storage portion 16 through the MOS transistor 15 in the ON state of the bipolar transistor 14. This current is accumulated in the charge accumulation section 16 during the accumulation period, and becomes a signal charge. At this time, the MOS transistor 15 is used for turning on and off the current flowing into the charge storage section 16 by adjusting the voltage of the third voltage source 27, but may also be used for adjusting the amount of current in some cases. When the accumulation period ends, the MOS transistor 15 is turned off and the transfer gate 28 is turned on, and the accumulated signal charges are transferred from the charge accumulation unit 16 to the first charge readout unit 29. As shown in FIG. 2, when the transfer gate 28 is turned on, the signal charges are transferred to the vertical CCD 30 and at the same time, the potential of the charge storage section 16 is reset to the channel potential of the transfer gate 28. After that, the transfer gate 28 is turned off, and the next accumulation starts. During the accumulation period,
By the operation of the vertical CCD 30 and the horizontal CCD 31, the signal charges transferred to the vertical CCD 30 are sequentially transferred to the output unit 32, and the signal is extracted to the outside.
【0026】図6及び図7はこの発明の第2の実施の形
態の説明図である。図1と同一記号で示したものは同一
構成要素を示す。この実施の形態では、図6に示すよう
に、画素は図1に示した第1の実施の形態と同様にサー
モパイル13、バイポーラトランジスタ14、MOS型
トランジスタ15、電荷蓄積部16とで構成されてお
り、電荷読み出しにはMOS型といわれる第2の電荷読
み出し部33を用いた熱型赤外線センサである。第1の
実施の形態に示した熱型赤外線センサとの違いは電荷蓄
積部16に蓄積された信号電荷の読み出し方にあるの
で、それを説明する。図7において、電荷蓄積部16に
対応して垂直スイッチ34が形成されている。垂直スイ
ッチ34はMOS型トランジスタで形成されている。ソ
ースは電荷蓄積部16に接続され、ゲートは水平期間遅
延したパルスを発生する垂直シフトレジスタ35のタッ
プに1行毎に共通接続されている。また、垂直スイッチ
34のドレインは1列毎に垂直信号線36に共通接続さ
れている。垂直信号線36に対応して水平スイッチ37
が形成されている。水平スイッチ37はMOS型トラン
ジスタであり、そのソースは垂直信号線36に接続さ
れ、ゲートは水平シフトレジスタ38の各タップに接続
されている。ドレインは出力ライン39に共通接続され
ている。この実施の形態では、垂直スイッチ34、垂直
シフトレジスタ35、垂直信号線36、水平スイッチ3
7、水平シフトレジスタ38、出力ライン39とで第2
の電荷読み出し部33を構成している。FIGS. 6 and 7 are explanatory diagrams of a second embodiment of the present invention. Those indicated by the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same components. In this embodiment, as shown in FIG. 6, the pixel is composed of a thermopile 13, a bipolar transistor 14, a MOS transistor 15, and a charge storage section 16, as in the first embodiment shown in FIG. This is a thermal infrared sensor using a second charge readout unit 33 called a MOS type for charge readout. The difference from the thermal infrared sensor shown in the first embodiment lies in the method of reading out the signal charges stored in the charge storage unit 16, which will be described. In FIG. 7, a vertical switch 34 is formed corresponding to the charge storage unit 16. The vertical switch 34 is formed by a MOS transistor. The source is connected to the charge storage unit 16, and the gate is commonly connected to the tap of the vertical shift register 35 that generates a pulse delayed in a horizontal period for each row. The drains of the vertical switches 34 are commonly connected to a vertical signal line 36 for each column. The horizontal switch 37 corresponding to the vertical signal line 36
Are formed. The horizontal switch 37 is a MOS transistor. The source is connected to the vertical signal line 36, and the gate is connected to each tap of the horizontal shift register 38. The drain is commonly connected to the output line 39. In this embodiment, a vertical switch 34, a vertical shift register 35, a vertical signal line 36, a horizontal switch 3
7, the horizontal shift register 38 and the output line 39
Of the charge readout unit 33.
【0027】サーモパイル13、バイポーラトランジス
タ14、MOS型トランジスタ15、電荷蓄積部16と
で構成されている各画素及び第2の電荷読み出し部33
は同一のシリコン基板(半導体基板)に形成されてい
る。Each pixel comprising a thermopile 13, a bipolar transistor 14, a MOS transistor 15, and a charge storage section 16, and a second charge read section 33
Are formed on the same silicon substrate (semiconductor substrate).
【0028】この熱型赤外線センサにおける画素の動作
は第1の実施の形態と同様であり、違いは電荷蓄積部1
6に蓄積された電荷の読み出し方法にあるので、それを
説明する。図7において、電荷蓄積部16に蓄積された
信号電荷は、垂直シフトレジスタ35のあるタップがオ
ン状態になるとこのタップに接続された行の垂直スイッ
チ34が導通状態となり信号電荷はそれぞれ対応する垂
直信号線36に読み出される。この信号電荷は、水平シ
フトレジスタ38からの各タップ出力により水平スイッ
チ37を介して順次出力ライン39へ読み出される。こ
のように垂直シフトレジスタ35のあるタップに対応す
る電荷蓄積部16の信号がすべて読み出されたら、垂直
シフトレジスタ35は1行進んで次のタップがオン状態
となり、同時にそのタップに対応する行の電荷蓄積部1
6の信号電荷が対応する垂直信号線36に読み出され
る。以下同様な動作を繰り返すことにより、電荷蓄積部
16に蓄えられた信号電荷を1行毎に読み出すことがで
きる。信号電荷が垂直信号線36に転送され、電位がリ
セットされた電荷蓄積部16では垂直スイッチ34がオ
フ状態になった後から次の蓄積期間が開始される。The operation of the pixel in this thermal infrared sensor is the same as that of the first embodiment.
The method for reading out the electric charge accumulated in No. 6 will be described. 7, when a certain tap of the vertical shift register 35 is turned on, the vertical switch 34 in the row connected to this tap is turned on, and the signal charge is stored in the corresponding vertical charge register. The signal is read out to the signal line 36. This signal charge is sequentially read out to the output line 39 via the horizontal switch 37 by each tap output from the horizontal shift register 38. When all the signals of the charge storage section 16 corresponding to a certain tap of the vertical shift register 35 are read out, the vertical shift register 35 advances by one row to turn on the next tap, and at the same time, the row of the row corresponding to that tap is turned on. Charge storage unit 1
6 are read out to the corresponding vertical signal lines 36. Thereafter, by repeating the same operation, the signal charges stored in the charge storage unit 16 can be read for each row. After the signal charge is transferred to the vertical signal line 36 and the potential of the charge storage unit 16 is reset, the next storage period starts after the vertical switch 34 is turned off.
【0029】この熱型赤外線センサでは、各画素の動作
等は第1の実施の形態と同様であり、かつ信号読み出し
部も同様な機能をもつので、信号の出力電圧の大きさ及
びMOS型トランジスタ15のしきい値電圧のばらつき
の影響に対する効果は、第1の実施の形態の場合と同様
である。In this thermal infrared sensor, the operation of each pixel is the same as in the first embodiment, and the signal readout section has the same function. Therefore, the magnitude of the output voltage of the signal and the MOS transistor The effect on the effect of the variation in the threshold voltage of No. 15 is the same as that of the first embodiment.
【0030】図8はこの発明の第3の実施の形態であ
る。図1と同一記号で示したものは同一構成要素を示
す。この実施の形態における熱型赤外線センサの一つの
画素は、バイポーラトランジスタ14、MOS型トラン
ジスタ15、電荷蓄積部16、ボロメータ40、抵抗4
1で構成され、これらの各画素が2次元に配列されてい
る。そして、各画素の信号読み出しには第1の実施の形
態に示した第1の電荷読み出し部29を用いた赤外線セ
ンサである。第1の実施の形態に示した赤外線センサと
の違いは、画素の構成要素とその動作にあるので、それ
について説明する。画素の各構成要素は図8に示すよう
に、ボロメータの一端42はバイポーラトランジスタ1
4のエミッタに接続し、ボロメータの他端43は第4の
電圧源44に接続する。第4の電圧源は、バイポーラト
ランジスタ14のエミッタ接合に対して順方向バイアス
になるように印加する。また、ボロメータの一端42に
はほぼボロメータ40に等しい抵抗値をもつ抵抗41を
接続し、この抵抗の他端は第5の電圧源45に接続す
る。バイポーラトランジスタ14のベースは第1の電圧
源23に接続する。第1の電圧源は、バイポーラトラン
ジスタ14のコレクタ接合に対して逆方向バイアスにな
るように印加する。バイポーラトランジスタ14のコレ
クタはMOS型トランジスタ15のソースに接続し、M
OS型トランジスタ15のドレインは電荷蓄積部16と
トランスファゲート28のドレインに接続し、ゲートは
第3の電圧源27に接続する。第1の電圧源23、第3
の電圧源27、第4の電圧源44及び第5の電圧源45
は各画素に共通接続する。また、電荷読み出しには、第
1の実施の形態に示したCCD型の走査回路を用いた第
1の電荷読み出し部29を用いる。FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention. Those indicated by the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same components. One pixel of the thermal infrared sensor in this embodiment includes a bipolar transistor 14, a MOS transistor 15, a charge storage unit 16, a bolometer 40, and a resistor 4.
1 and these pixels are two-dimensionally arranged. An infrared sensor using the first charge readout unit 29 described in the first embodiment for reading out signals from each pixel. The difference from the infrared sensor shown in the first embodiment lies in the components of the pixel and the operation thereof. As shown in FIG. 8, each component of the pixel is connected to one end 42 of the bolometer by the bipolar transistor 1.
4 and the other end 43 of the bolometer is connected to a fourth voltage source 44. The fourth voltage source applies a forward bias to the emitter junction of the bipolar transistor 14. A resistor 41 having a resistance substantially equal to that of the bolometer 40 is connected to one end 42 of the bolometer, and the other end of the resistor is connected to a fifth voltage source 45. The base of the bipolar transistor 14 is connected to the first voltage source 23. The first voltage source applies a reverse bias to the collector junction of the bipolar transistor 14. The collector of the bipolar transistor 14 is connected to the source of the MOS transistor 15,
The drain of the OS-type transistor 15 is connected to the charge storage section 16 and the drain of the transfer gate 28, and the gate is connected to the third voltage source 27. First voltage source 23, third voltage source
Voltage source 27, fourth voltage source 44 and fifth voltage source 45
Is commonly connected to each pixel. For charge reading, the first charge reading unit 29 using the CCD-type scanning circuit described in the first embodiment is used.
【0031】この熱型赤外線センサでは、バイポーラト
ランジスタ14、MOS型トランジスタ15、電荷蓄積
部16、ボロメータ40、抵抗41で構成されている各
画素及び第1の電荷読み出し部29は同一のシリコン基
板(半導体基板)に形成されている。In this thermal infrared sensor, each pixel including the bipolar transistor 14, the MOS transistor 15, the charge storage section 16, the bolometer 40, and the resistor 41, and the first charge readout section 29 have the same silicon substrate ( Semiconductor substrate).
【0032】この熱型赤外線センサは次のように動作す
る。入射赤外線量に応じてボロメータ40の温度が上昇
し、それによって、ボロメータ40の抵抗値が変化す
る。この抵抗変化はボロメータ40及び抵抗41を流れ
る電流を変化させ、結局バイポーラトランジスタ14の
エミッタの電位を変化させる。この電位変化は、第1の
実施の形態におけるサーモパイル13の起電圧と同様
に、バイポーラトランジスタ14に作用し、同様にMO
S型トランジスタ15と電荷蓄積部16と第1の電荷読
み出し部29とに作用する。したがって、信号の出力電
圧の大きさ及びMOS型トランジスタ15のしきい値電
圧のばらつきの影響に対する効果は、第1の実施の形態
の場合と同様である。This thermal infrared sensor operates as follows. The temperature of the bolometer 40 rises according to the amount of incident infrared rays, thereby changing the resistance value of the bolometer 40. This change in resistance changes the current flowing through the bolometer 40 and the resistor 41, and eventually changes the potential of the emitter of the bipolar transistor 14. This potential change acts on the bipolar transistor 14 in the same manner as the electromotive voltage of the thermopile 13 in the first embodiment.
It acts on the S-type transistor 15, the charge storage section 16, and the first charge readout section 29. Therefore, the effect of the magnitude of the output voltage of the signal and the influence of the variation in the threshold voltage of the MOS transistor 15 are the same as those in the first embodiment.
【0033】なお、この熱型赤外線センサでは、バイポ
ーラトランジスタ14のベース電位をエミッタ電位より
わずかに低くなるように、第1の電圧源23及び第5の
電圧源45を調節しておく。これにより、エミッタ電流
の暗電流成分が少なくなるので、赤外線の入射に起因す
るエミッタ電位の上昇による信号電流成分が多くなり、
より感度が高くなる。In this thermal infrared sensor, the first voltage source 23 and the fifth voltage source 45 are adjusted so that the base potential of the bipolar transistor 14 becomes slightly lower than the emitter potential. As a result, the dark current component of the emitter current decreases, so that the signal current component increases due to a rise in the emitter potential due to the incidence of infrared rays.
Higher sensitivity.
【0034】この実施の形態では、電荷の読み出しにC
CD型の走査回路を用いた第1の電荷読み出し部29を
用いたが、MOS型の走査回路を用いた第2の電荷読み
出し部33を用いても同様な効果がある。In this embodiment, the charge is read out using C
Although the first charge readout unit 29 using the CD type scan circuit is used, the same effect can be obtained by using the second charge readout unit 33 using the MOS type scan circuit.
【0035】[0035]
【0036】本発明は、サーモパイル等の赤外線受光素
子を二次元に配列した場合について述べているが、1素
子または一次元に配列した赤外線センサについても、信
号読み出し部を変更することにより、二次元配列の場合
と同様な効果がある。Although the present invention has been described with respect to the case where infrared light receiving elements such as thermopiles are two-dimensionally arranged, one-element or one-dimensionally arranged infrared sensors can be two-dimensionally arranged by changing the signal reading section. The effect is similar to that of the array.
【0037】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。Although the embodiments of the present invention have been described above, it is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the embodiments and that various modifications and changes can be made within the scope of the claims. There will be.
【0038】[0038]
【発明の効果】本発明による熱型赤外線センサは、従来
の画素構成に新たにバイポーラトランジスタを加えるこ
とにより、従来の方法と比較して信号の出力電圧を10
0倍程度大きくすることができる。そのため、電荷の蓄
積容量で決まるショット雑音を相対的に小さくすること
ができ、感度が高くなるという利点がある。また、外部
からの誘導雑音に対して影響を少なくできる利点があ
る。According to the thermal infrared sensor of the present invention, by adding a new bipolar transistor to the conventional pixel configuration, the output voltage of the signal can be reduced by 10 compared with the conventional method.
It can be increased by about 0 times. Therefore, there is an advantage that the shot noise determined by the charge storage capacity can be relatively reduced, and the sensitivity is increased. Further, there is an advantage that the influence on external induction noise can be reduced.
【0039】さらに、従来の方法では、MOS型トラン
ジスタのしきい値電圧のばらつきによる固定パターン雑
音の発生が問題であったが、本発明によればこの影響を
大幅に低減できる利点があり、良好な画質の画像を得る
ことができる。Further, in the conventional method, there is a problem of generation of fixed pattern noise due to variation in threshold voltage of the MOS transistor. However, according to the present invention, there is an advantage that this effect can be greatly reduced. It is possible to obtain a high quality image.
【図1】本発明の第1の実施の形態の熱型赤外線センサ
の画素の模式的平面図である。FIG. 1 is a schematic plan view of a pixel of a thermal infrared sensor according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施の形態の熱型赤外線センサ
の電荷読み出し部の模式的平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of a charge reading unit of the thermal infrared sensor according to the first embodiment of the present invention.
【図3】従来の熱型赤外線センサの画素の模式的平面図
である。FIG. 3 is a schematic plan view of a pixel of a conventional thermal infrared sensor.
【図4】従来の熱型赤外線センサの電荷読み出し部の模
式的平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view of a charge reading section of a conventional thermal infrared sensor.
【図5】本発明の第1の実施の形態の画素の模式的平面
図である。FIG. 5 is a schematic plan view of a pixel according to the first embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第2の実施の形態の熱型赤外線センサ
の画素の模式的平面図である。FIG. 6 is a schematic plan view of a pixel of a thermal infrared sensor according to a second embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第2の実施の形態の熱型赤外線センサ
の電荷読み出し部の模式的平面図である。FIG. 7 is a schematic plan view of a charge reading section of a thermal infrared sensor according to a second embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第3の実施の形態の熱型赤外線センサ
の模式的平面図である。FIG. 8 is a schematic plan view of a thermal infrared sensor according to a third embodiment of the present invention.
13 サーモパイル 14 バイポーラトランジスタ 15 MOS型トランジスタ 16 電荷蓄積部 17 サーモパイルの一端 19 サーモパイルの他端 20 第2の電圧源 23 第1の電圧源 26 電荷読み出し部 29 第1の電荷読み出し部 33 第2の電荷読み出し部 40 ボロメータ 41 抵抗 42 ボロメータの一端 43 ボロメータの他端 DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 thermopile 14 bipolar transistor 15 MOS transistor 16 charge accumulation part 17 one end of thermopile 19 the other end of thermopile 20 second voltage source 23 first voltage source 26 charge readout part 29 first charge readout part 33 second charge Readout unit 40 Bolometer 41 Resistance 42 One end of Bolometer 43 The other end of Bolometer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G01J 5/24 G01J 5/24 5/48 5/48 D ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI G01J 5/24 G01J 5/24 5/48 5/48 D
Claims (2)
のサーモパイルと、それぞれのサーモパイルに対応して
前記基板に設けられたバイポーラトランジスタと、それ
ぞれのバイポーラトランジスタに対応して前記基板に設
けられたMOS型トランジスタと、それぞれのMOS型
トランジスタに対応して前記基板に設けられた電荷蓄積
部と、それぞれの電荷蓄積部に対応して前記基板に設け
られた電荷読み出し部とを備えた熱型赤外線センサであ
って、 前記バイポーラトランジスタの エミッタが前記サーモパ
イルの一端に接続され、前記バイポーラトランジスタの
ベースが第1の電圧源に接続され、前記バイポーラトラ
ンジスタのコレクタが前記MOS型トランジスタのソー
スに接続され、前記MOS型トランジスタのドレインが
前記電荷蓄積部に接続され、前記第1の電圧源により前
記バイポーラトランジスタのコレクタ接合が逆バイアス
されていることを特徴とする熱型赤外線センサ。A plurality of thermopiles arranged two-dimensionally on a main surface of a substrate; a bipolar transistor provided on the substrate corresponding to each of the thermopiles ;
It is installed on the substrate corresponding to each bipolar transistor.
Comprising: a MOS type transistor kicked, a charge storage part provided in the substrate in correspondence to each of the MOS transistors, and a charge reading section provided on the substrate corresponding to each of the charge storage portion thermal infrared sensor der
I, the emitter of the bipolar transistor is connected to one end of the thermopile, <br/> base of the bipolar transistor is connected to a first voltage source, the bipolar tiger
The collector of the transistor is connected to the source of the MOS transistor, and the drain of the MOS transistor is
The first voltage source is connected to the charge storage unit,
The collector junction of the bipolar transistor is reverse biased
Thermal infrared sensor, characterized in that it is.
のボロメータと、それぞれのボロメータに直列に接続さ
れ、かつ前記基板に設けられた抵抗と、それぞれのボロ
メータに対応してその後段に接続され、かつ前記基板に
設けられたバイポーラトランジスタと、それぞれのバイ
ポーラトランジスタに対応して前記基板に設けられたM
OS型トランジスタと、それぞれのMOS型トランジス
タに対応して前記基板に設けられた電荷蓄積部と、それ
ぞれの電荷蓄積部に対応して前記基板に設けられた電荷
読み出し部とを備えた熱型赤外線センサであって、 前記バイポーラトランジスタの エミッタが前記ボロメー
タの一端に接続され、前記バイポーラトランジスタのベ
ースが第1の電圧源に接続され、前記バイポーラトラン
ジスタのコレクタが前記MOS型トランジスタのソース
に接続され、前記MOS型トランジスタのドレインが前
記電荷蓄積部に接続され、前記第1の電圧源により前記
バイポーラトランジスタのコレクタ接合が逆バイアスさ
れていることを特徴とする熱型赤外線センサ。2. A plurality of bolometers two-dimensionally arranged on a main surface of a substrate, a resistor connected to each bolometer in series and provided on the substrate, and a subsequent stage corresponding to each bolometer. And a bipolar transistor connected to the substrate and provided on the substrate.
M provided on the substrate corresponding to the polar transistor
A thermal infrared ray comprising: an OS transistor; a charge storage unit provided on the substrate corresponding to each MOS transistor; and a charge readout unit provided on the substrate corresponding to each charge storage unit. a sensor, the emitter of the bipolar transistor is connected to one end of the bolometer, base <br/> chromatography scan of the bipolar transistor is connected to a first voltage source, the bipolar Trang
The collector of the transistor is connected to the source of the MOS transistor, and the drain of the MOS transistor is connected to the front.
The first voltage source is connected to the charge storage unit.
Bipolar transistor collector junction is reverse biased
Thermal infrared sensor, characterized by being.
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-
1997
- 1997-03-26 JP JP09165397A patent/JP3215864B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
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| JPH10267752A (en) | 1998-10-09 |
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