JP4530997B2

JP4530997B2 - 赤外線センサ

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Publication number: JP4530997B2
Application number: JP2006018756A
Authority: JP
Inventors: 泰昭太田; 雅史上野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2026-01-27
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Description

この発明は、ＰＮ接合ダイオードを感熱センサに用いた赤外線センサに関するものである。

従来の赤外線センサでは直列に複数個接続したＰＮ接合ダイオードを赤外線検出画素としてそのまま用いていた。このような構成を有する赤外線センサが、たとえば特開２００４−３６４２４１号公報（特許文献１）に開示されている。
特開２００４−３６４２４１号公報

上述の構成を有することによって従来の赤外線センサには以下の種々の問題が存在する。たとえばＰＮ接合ダイオードの微分抵抗が大きくなると検出時の雑音電圧（すなわちノイズ）が大きくなるという問題がある。

また、非選択時の画素においてＰＮ接合ダイオードには逆バイアス電圧が印加される。この場合にはダイオードにわずかながら逆方向電流が生じる。赤外線センサに含まれる画素の数が多くなると逆方向電流に起因した電力損失が大きくなりやすい。

またＰＮ接合ダイオードの特性（電流−電圧特性）は画素ごとにばらつきやすい。このためアレイ状に配置された複数の画素からの出力に分布が生じやすい。

本発明の目的は、従来よりも赤外線の検出性能を高めることが可能な赤外線センサを提供することである。

本発明は要約すれば、赤外線センサであって、赤外線を検出する複数の検出器を備える。複数の検出器の各々は、少なくとも１つのダイオードと、定電流源と、差動増幅器とを含む。少なくとも１つのダイオードは、第１のノードから第２のノードへの向きが順方向となるように第１および第２のノードの間に電気的に接続されて、赤外線の入射に応じて順方向電圧を変化させる。定電流源は、第２のノードから定電流を引き抜く。差動増幅器は、定電位と第２のノードから出力される信号電位との電位差に応じて定まる電位を第１のノードに与える。

本発明の赤外線センサによれば、従来よりも赤外線の検出性能を高めることが可能になる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の赤外線センサの概略構成を示す斜視図である。

図１を参照して、赤外線センサ３００は赤外線撮像を行なう熱型赤外線固体撮像装置で
ある。赤外線センサ３００はたとえば監視カメラや火災検知カメラ等に搭載される。このようなカメラでは赤外線撮像を行なうことで昼夜に拘らず撮像が可能になるとともに可視光よりも煙や霧に対する透過性を高めることが可能になる。

赤外線センサ３００は、シリコン等の半導体を材料とする基板３０１に形成される。赤外線センサ３００は、検出器アレイ３０２と、複数の駆動線３０３と、複数の信号線３０４と、信号処理回路３０５とを備える。

検出器アレイ３０２は、行列状に配列された複数の検出器５００を含む。図１では検出器アレイ３０２の構成例として６つの検出器５００が２行３列に配列された構成を示す。これらの検出器５００の各々は赤外線を検出する。検出器５００による赤外線の検出原理については後述する。

複数の駆動線３０３は複数の検出器５００の各行に対応してそれぞれ配置される。複数の信号線３０４は複数の検出器５００の各列に対応してそれぞれ配置される。

信号処理回路３０５は垂直走査回路３０６と、水平走査回路３０７とを含む。垂直走査回路３０６は複数の駆動線３０３を順次選択する。垂直走査回路３０６は選択した駆動線に電源電位を印加して検出器５００を動作させる。水平走査回路３０７は複数の信号線３０４を順次選択する。水平走査回路３０７は選択した信号線の電位変化（すなわち検出器５００の出力電位の変化）を読み出して、その結果を外部に出力する。これによって赤外線センサ３００は赤外線撮像を行なうことができる。なお、水平走査回路３０７は上述の処理に加えてたとえば信号線の電位変化を増幅する等の処理を行なってもよい。

図２は、図１の検出器５００の平面図である。
図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向の断面図である。

図２および図３を参照して、検出器５００は、金属配線５０１と、検出部５０４と、支持脚５０５と、凹部５０６と、傘構造５０７と、保護膜５０９とを含む。なお図２では検出器５００の構成の理解を容易にするために傘構造５０７および保護膜５０９は示されていない。

検出部５０４は支持脚５０５によって凹部５０６上に中空状態で設けられる。凹部５０６はエッチング処理により形成される。エッチング孔５０８はエッチング用の気体または液体を基板３０１に導入するために形成される。傘構造５０７は検出部５０４上に接して設けられる。

検出部５０４には金属配線５０１と検知膜５１０とが設置される。支持脚５０５にも金属配線５０１が設けられる。金属配線５０１の上方には保護膜５０９が設けられる。検知膜５１０は金属配線５０１によって図１の垂直走査回路３０６または水平走査回路３０７に電気的に接続される。検知膜５１０にはＰＮ接合ダイオードが形成される。

次に、検出器５００による赤外線の検出原理について述べる。赤外線センサ３００の撮像対象となる被写体が発した赤外線が検出器５００に入射すると主に傘構造５０７が赤外線を吸収する。これにより検出部５０４の温度が上昇する。検出部５０４の温度変化に応じて検知膜５１０の電気特性（具体的にはダイオードの順方向電圧）が変化する。

複数の検出器５００の各々における電気特性の変化は図１の水平走査回路３０７によって読み取られる。水平走査回路３０７は検出器５００の電気特性の変化を示す信号を外部に出力する。この信号を適切に処理することで被写体の熱画像が得られる。

基板３０１と検出部５０４とは支持脚５０５によって接続している。支持脚５０５の熱コンダクタンスが小さいほど検出部５０４の温度変化が大きくなる。これにより検出器５００は敏感に赤外線を検出できる。

続いて上記の赤外線検出動作をより詳細に説明する。
図４は、従来の赤外線センサに含まれる検出器の等価回路図である。

図４を参照して、検出器５００ＡはノードＮ１とノードＮ２との間に直列接続される複数のＰＮ接合ダイオード６０１と、ノードＮ２と接地ノードとの間に接続される定電流源６０２とを備える。ノードＮ１は駆動線３０３に接続される。ノードＮ１には定電位（電源電位Ｖｃｃ）が与えられる。ノードＮ２は信号線３０４に接続される。

図５は、ダイオードの電圧−電流特性の温度依存性を一般的に示す図である。
図５を参照して、ある大きさの順方向電流Ｉｆに対応する順方向電圧Ｖｆはダイオードの温度に依存する。たとえば順方向電圧Ｖｆの大きさは高温時にはＶ１であり低温時ではＶ２（ただしＶ１＜Ｖ２）である。

再び図４を参照しながら説明する。定電流源６０２はノードＮ２から温度によらず一定の定電流を引き抜く。これによって温度によらず一定の順方向電流ＩｆがＰＮ接合ダイオード６０１に流れる。検出器５００Ａに温度変化が生じた場合には順方向電圧Ｖｆ（すなわちノードＮ１とノードＮ２との間の電圧）が変化するためにノードＮ２の電位が変化する。

図６は、図１から図３の検出器５００の等価回路図である。
図６および図４を参照して、検出器５００は図４の検出器５００Ａに、さらに差動増幅器６０３と、遅延回路ＤＬとを備えて構成される点で検出器５００Ａと異なる。検出器５００の他の部分の構成は検出器５００Ａの構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

図６では、複数のＰＮ接合ダイオード６０１が示される。検出器５００は複数のダイオードを含むことで微小な温度変化を検出できる。これら複数のＰＮ接合ダイオード６０１はノードＮ１からノードＮ２の方向が順方向になるように、ノードＮ１およびノードＮ２の間に電気的に接続される。ただし本実施の形態では少なくとも１つのＰＮ接合ダイオード６０１がノードＮ１とノードＮ２とに電気的に接続されていればよい。

差動増幅器６０３には回路動作のための電源電位Ｖ＋，Ｖ−が印加される。差動増幅器６０３の非反転入力端子（記号「＋」で示す）は駆動線３０３に接続される。駆動線３０３には定電位である電源電位Ｖｃｃが印加される。これにより差動増幅器６０３の非反転入力端子は電源電位Ｖｃｃに結合される。差動増幅器６０３の反転入力端子（記号「−」で示す）にはノードＮ２の電位Ｖｏｕｔが帰還して与えられる。差動増幅器６０３は電位Ｖｏｕｔと電源電位Ｖｃｃとの電位差を増幅した電位ＶＡをノードＮ１に与える。

遅延回路ＤＬは抵抗器６０４と、容量６０５とを含む。抵抗器６０４はノードＮ２と差動増幅器６０３の反転入力端子との間に接続される。容量６０５はノードＮ２と接地ノードとの間に接続される。

検出器５００では、図４の検出器５００Ａと同様にノードＮ１からノードＮ２に向けて順方向電流Ｉｆが流れる。定電流源６０２によって順方向電流Ｉｆは温度によらず一定に保たれる。よってノードＮ１とノードＮ２との間の順方向電圧Ｖｆが温度変化に応じて変
化する。

また、検出器５００では直列接続された複数のＰＮ接合ダイオード６０１が差動増幅器６０３の帰還ループ内に挿入される。これによって検出器５００は理想ダイオード回路、すなわち順方向電圧Ｖｆが０Ｖになるダイオードとして動作する。

図７は、理想ダイオードおよび通常のダイオードの電圧−電流特性を一般的に示す図である。

図７を参照して、理想ダイオードでは順方向の抵抗（電圧／電流）はほぼ０となり、逆方向の抵抗は極めて大きくなる。よって理想ダイオードでは逆方向電流はごくわずかしか流れない。一方、通常のダイオードの場合、順方向電圧に対しては電圧−電流曲線は傾きを有し、逆方向電圧に対してはある大きさの逆方向電流が発生する。

図８は、理想ダイオードの入力電位の波形と出力電位の波形との関係を一般的に示す図である。

図８を参照して、理想ダイオードのアノードに入力される電位Ｖｉｎの正側の波形がカソードに出力される電位Ｖｏの波形としてそのまま現われる。よって電位Ｖｉｎが０から電位Ｖｐまで変化すれば電位Ｖｏも０から電位Ｖｐまで変化する。また電位Ｖｉｎが負の場合には電位Ｖｏは０Ｖである。

次に図６の検出器５００の動作を説明する。理解を容易にするために、まず検出器５００において遅延回路ＤＬが設けられず、差動増幅器６０３の反転入力端子がノードＮ２に直接接続されている場合について説明する。

この場合には非反転入力端子の電位Ｖｉｎが０のときにはノードＮ１の電位ＶＡも０になる。よって複数のＰＮ接合ダイオード６０１は非導通状態になる。このときノードＮ２から差動増幅器６０３の反転入力端子への負帰還ループはオープン状態になる。

電位Ｖｉｎが正側にわずかに変化すると差動増幅器６０３の増幅作用により電位ＶＡは大きく変化する。複数のＰＮ接合ダイオード６０１が導通するのに伴って差動増幅器６０３はボルテージフォロワとして動作する。よってノードＮ２の電位Ｖｏｕｔは電位Ｖｉｎに等しくなる。電位Ｖｉｎが負であれば複数のＰＮ接合ダイオード６０１は非導通状態になるので差動増幅器６０３の負帰還ループがオープンになる。つまり図６の検出器５００は理想ダイオード回路、すなわち順方向電圧が０Ｖであり、かつ、逆方向の抵抗が無限大であるダイオードとみなすことができる。

理想ダイオード回路では、順方向の抵抗が極めて小さくなる。よって図１の赤外線センサ３００は雑音電圧を低減できるので検出感度を高めることができる。雑音電圧が下がる理由は（雑音電圧）＝（雑音電流）×（抵抗）の関係が成り立つためである。雑音電圧の種類としてはたとえば「ショット雑音電圧」（ＰＮ接合ダイオードの空乏領域を通過したキャリアが不規則にＰ型領域あるいはＮ型領域に注入されることにより生じる雑音）や「フリッカ雑音電圧」などがある。

また、非選択行に属する検出器５００においては図１の垂直走査回路３０６によってＰＮ接合ダイオード６０１が逆バイアスされる。理想ダイオード回路では逆方向の抵抗が極めて大きい。よって検出器５００では逆方向電流（漏れ電流）が小さくなるので図１の赤外線センサ３００は電力損失を低減することができる。

また、電位Ｖｏｕｔが非反転入力端子の電位Ｖｉｎ（すなわち電源電位Ｖｃｃ）に等しくなるように差動増幅器６０３では負帰還ループが構成される。よって複数の検出器５００の特性ばらつきを低減できる。これにより図１の赤外線センサ３００は強度分布を小さくすることができる。なお、当然ながら直列に複数個接続されるＰＮ接合ダイオード６０１が導通するように差動増幅器６０３の電源電位Ｖ＋，Ｖ−を設定する必要がある。

図６の検出器５００に遅延回路ＤＬが設けられていない場合には電位Ｖｏｕｔは一旦変化してもすぐに電位Ｖｃｃに戻る。よってＰＮ接合ダイオード６０１の順方向電圧が変化した（すなわち電位Ｖｏｕｔが変化した）ことを図１の水平走査回路３０７は検出できない。このため図６の検出器５００において理想ダイオード回路の負帰還ループに遅延回路ＤＬが設けられる。

遅延回路ＤＬは赤外線の入射に応じて変化したダイオードの順方向電圧が所定期間保たれるように差動増幅器の反転入力端子の電位を調整する役割を果たす。この遅延回路ＤＬは電位Ｖｏｕｔの変化を（抵抗器６０４の抵抗値Ｒ）×（容量６０５の容量値Ｃ）により定まる期間（すなわち所定期間ＲＣ）だけ遅延させて差動増幅器６０３の反転入力端子に伝達する。

具体的に説明すると、まずダイオードの順方向電圧が変化する。次に水平走査回路３０７は検出器５００ごとにノードＮ２の電位Ｖｏｕｔの変化を読み取り外部に信号を出力する。このときノードＮ２の電位変化は遅延回路ＤＬには伝達されるものの、差動増幅器６０３の反転入力端子には伝達していない。そして差動増幅器６０３の反転入力端子に、（抵抗値Ｒ）×（容量値Ｃ）により定まる期間ＲＣだけ遅延してノードＮ２の電位変化が伝達する。

このとき差動増幅器６０３の非反転入力端子と反転入力端子との間の電位差がなくなるように差動増幅器６０３の出力電位（電位ＶＡ）が変化する。よって、ノードＮ２の電位Ｖｏｕｔは元の状態、すなわち電源電位Ｖｃｃに等しくなる。

以上のように遅延回路ＤＬによって、図１の水平走査回路３０７が電位Ｖｏｕｔの変化を検出した後に電位Ｖｏｕｔが電源電位Ｖｃｃと等しくなるようにノードＮ１，Ｎ２の電位変化を調整することができる。そのためには遅延回路ＤＬにおける遅延時間が検出器アレイ３０２中の全画素を１スキャンする時間と等しくなることが望ましい。抵抗値Ｒと容量値Ｃとの積を適切に定めることでこのような調整が可能になる。

続いて、図９から図１５を示しながら、実施の形態１に係る赤外線センサの製造方法の一例を説明する。

図９から図１５は、検出器５００の第１の製造工程から第７の製造工程をそれぞれ示す図である。

まず、図９に示すように、基板３０１上にシリコン酸化膜層８０１、シリコン層８０２を順次積層した、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が準備される。次に、図１０に示すようにＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）分離法もしくはトレンチ分離法によって、所定の位置に分離酸化膜８０５を形成する。

続いて図１１に示すように、基板３０１あるいはシリコン層８０２にダイオード、トランジスタ、抵抗、容量等の回路素子を形成する。これによりシリコン層８０２には図２の検知膜５１０（図６のＰＮ接合ダイオード６０１）や図６の差動増幅器６０３、抵抗器６０４、容量６０５等が形成される。このようにシリコン層８０２には様々な素子が形成さ
れるが、説明の便宜のために図１２から図１５の説明においてはシリコン層８０２には検知膜５１０が形成されるものとして示す。

続いて図１２に示すように、分離酸化膜８０５および検知膜５１０の全面を覆うように絶縁膜８０６を堆積する。シリコン酸化膜層８０１、分離酸化膜８０５および絶縁膜８０６からなる絶縁膜を図１３から図１５では絶縁膜８０７と示す。図１３に示すように絶縁膜８０７に金属配線５０１を形成する。次に金属配線５０１上に保護膜５０９を形成する。

続いて図１４に示すように、絶縁膜８０７の所定の位置にエッチング孔５０８を開口する。これにより絶縁膜８０７の一部が支持脚５０５として形成される。このときエッチング孔５０８は図２に示すように点対称に形成される。次にシリコンから成る犠牲層８０８を堆積して、犠牲層８０８の上に傘構造５０７を形成する。

続いて図１５に示すように、エッチング孔５０８から例えばフッ化キセノンなどのエッチャントを導入して犠牲層８０８を除去するとともに基板３０１の内部に凹部５０６を形成する。保護膜５０９は犠牲層８０８を除去する際のエッチング処理時あるいは検出器５００の完成後に周囲環境から受けるストレス（たとえば湿度や何らかの物理的接触）からダイオードや抵抗器等の素子等を保護する働きをする。このようにして検出器５００を搭載した図１の赤外線センサ３００が完成する。検出器５００は、絶縁膜から成る支持脚５０５によって中空に浮いた状態で保持される検出部５０４および傘構造５０７を備える。

以上のように実施の形態１によれば、直列に複数個接続したＰＮ接合ダイオードを差動増幅器に接続した理想ダイオード回路を検出器内に構成する。これにより、順方向の抵抗が無限小に近くなるので雑音電圧を従来よりも小さくできる。

また、実施の形態１によれば逆方向の抵抗が無限大に近くなるので、逆方向電流による電力損失を小さくすることができる。

また、実施の形態１によれば、差動増幅器の非反転入力電位と、理想ダイオード回路の出力電位とが等しくなるので検出器アレイの出力分布を小さくすることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の赤外線センサの構成は図１に示す赤外線センサ３００の構成と同じである。また、実施の形態２の赤外線センサが備える検出器の平面図および断面図は、図２および図３とそれぞれ同じである。よって実施の形態２の赤外線センサの構成について以後の説明は繰り返さない。

また、実施の形態２の赤外線センサにおける赤外線の検出原理は、実施の形態１と同じであるので以後の説明は繰り返さない。

図１６は、実施の形態２の赤外線センサに含まれる検出器の回路図である。
図１６および図６を参照して、検出器５００Ｂは、抵抗器６０４および容量６０５に代えて、差動増幅器６０３の出力端子とノードＮ１との間に設けられるサンプルホールド回路ＳＨを含む点で検出器５００と異なる。検出器５００Ｂの他の部分は検出器５００と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

サンプルホールド回路ＳＨは、スイッチ６０６と、バッファアンプ６０７と、容量６０８とを含む。スイッチ６０６は、差動増幅器６０３の出力端子とノードＮ３との間に設けられる。スイッチ６０６はたとえばトランジスタからなる。バッファアンプ６０７は入力
端子がノードＮ３に接続されて出力端子がノードＮ１に接続される。容量６０８はノードＮ３と接地ノードとの間に接続される。

図１７は、サンプルホールド回路の入力電位の波形と出力電位の波形とを示す一般的な図である。

図１７を参照して、出力電位（電位Ｖｏ）は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、時刻ｔ１における入力電位（電位Ｖｉｎ）に等しいまま保たれる。時刻ｔ２〜ｔ８におけるサンプルホールド回路の動作も時刻ｔ１，ｔ２における動作と同様である。

実施の形態１と同様に、実施の形態２において検出器５００Ｂは理想ダイオード回路を構成する。よって実施の形態２の赤外線センサは雑音電圧を従来よりも小さくできる。また実施の形態２の赤外線センサは、逆方向電流による電力損失を小さくすることができる。また実施の形態２の赤外線センサは、検出器アレイの出力分布を小さくすることができる。

図１８は、図１６の検出器５００Ｂの動作の具体例を示す図である。
図１８を参照して、ノードＮ２の電位Ｖｏｕｔと、ノードＮ１の電位ＶＡと、スイッチ６０６に入力されるサンプルパルスとの各々についての時間変化を示す。期間Ｔ１，Ｔ２は図１６のスイッチ６０６がそれぞれ導通状態、非導通状態である期間を示す。期間Ｔ１，Ｔ２はそれぞれサンプリング期間およびホールド期間を意味する。また、電位Ｖｏｕｔは差動増幅器６０３の反転入力端子の電位に等しい。

サンプルホールド回路ＳＨは赤外線の入射に応じて変化したダイオードの順方向電圧が所定期間保たれるようにノードＮ１の電位を調整する役割を果たす。なお図１８の期間Ｔ２がこの「所定期間」に対応する。

実施の形態２においてサンプルホールド回路ＳＨが設けられていないとして、温度変化が生じたと仮定する。このときノードＮ２の電位Ｖｏｕｔが変化しても、即時に、電位Ｖｏｕｔは電源電位Ｖｃｃと等しくなる。このため図１の水平走査回路３０７はダイオードの順方向電圧の変化、すなわち電位Ｖｏｕｔの変化を読み出すことができない。

しかし本実施の形態においては差動増幅器６０３と、直列に複数個接続したＰＮ接合ダイオード６０１との間にサンプルホールド回路ＳＨが設けられる。サンプルホールド回路はある瞬間におけるアナログ信号の値を採取して、その値をそのまましばらく保持する、という機能を持つ。よって実施の形態２によれば図１の水平走査回路３０７が電位Ｖｏｕｔの変化を検出した後に、電位Ｖｏｕｔが電源電位Ｖｃｃと等しくなるようにノードＮ１，Ｎ２の電位変化を調整することができる。具体的にはサンプルホールド回路ＳＨにおけるサンプルパルスの時間間隔（図１８の期間Ｔ２）が、図１の検出器アレイ３０２中の全画素を１スキャンする時間と等しくなるように設定すればよい。

実施の形態１では必要となる遅延時間を実現するための抵抗器６０４の抵抗値Ｒと容量６０５の容量値Ｃとを調節する必要がある。しかし実施の形態２においては抵抗器６０４が不要になるため容量値Ｃを調節するだけで済む。またスイッチ６０６を用いるのでタイミングの調節が容易である。

なお実施の形態２の赤外線センサの製造方法は、図９〜１５に示す製造方法と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

以上のように実施の形態２によれば、理想ダイオード回路（検出器）にサンプルホール
ド回路を追加することにより、ダイオードの順方向電圧の変化の読み出しが完了するまで、その順方向電圧を保つことが可能になる。

［実施の形態３］
実施の形態３の赤外線センサの構成は図１に示す赤外線センサ３００の構成と同じである。また、実施の形態３の赤外線センサの検出器の平面図および断面図は、図２および図３とそれぞれ同じである。よって、実施の形態３の赤外線センサの構成について以後の説明は繰り返さない。また、実施の形態３の赤外線センサの検出器が赤外線を検出する基本原理は、実施の形態１と同じであるので以後の説明は繰り返さない。

図１９は、実施の形態３の赤外線センサに含まれる検出器の回路図である。
図１９および図６を参照して、検出器５００Ｃは、抵抗器６０４に代えてスイッチ６０６を含む点で検出器５００と異なるが他の部分は検出器５００と同様であるので以後の説明は繰り返さない。スイッチ６０６は差動増幅器６０３の反転入力端子とノードＮ２との間に設けられる。容量６０５は差動増幅器６０３の反転入力端子と接地ノードとの間に設けられる。なお、容量６０５と、スイッチ６０６とは本発明における「調整回路」を構成する。また、差動増幅器６０３と、容量６０５と、スイッチ６０６とはサンプルホールド回路を構成する。

実施の形態１と同様に、実施の形態３において検出器５００Ｃは理想ダイオード回路を構成する。このため実施の形態３の赤外線センサは、雑音電圧を従来よりも小さくできる。また、実施の形態３の赤外線センサは、逆方向電流による電力損失を小さくすることができる。また、実施の形態３の赤外線センサは、検出器アレイの出力分布を小さくすることができる。

検出器５００Ｃは、差動増幅器６０３の負帰還ループに容量６０５およびスイッチ６０６が設けられたサンプルホールド回路を有する点で図１６の検出器５００Ｂと異なる。検出器５００Ｃにおけるサンプルホールド回路の作用および効果は図１６のサンプルホールド回路ＳＨと同様である。また、検出器５００Ｃの動作波形は図１８に示す動作波形と同様になるので以後の説明は繰り返さない。なお実施の形態２と同様に期間Ｔ２は本発明における「所定期間」に対応する。

実施の形態３においても、実施の形態２と同様に、サンプルホールド回路ＳＨにおけるサンプルパルスの時間間隔（図１８の期間Ｔ２）が図１の検出器アレイ３０２中の全画素を１スキャンする時間と等しくなるように設定する。これにより、実施の形態３においても、図１の水平走査回路３０７がノードＮ２の電位Ｖｏｕｔの変化を読み取った後で、電位Ｖｏｕｔを電位Ｖｃｃと等しくなるように調節することができる。

実施の形態２では、スイッチ６０６がオフしてからオンするまでの期間に、直列に接続した複数のＰＮ接合ダイオード６０１間の電圧を保持できる程度の容量値が容量６０８に求められる。しかし、差動増幅器６０３の入力インピーダンスが無限大であることから、図１９の容量６０５の容量値は図１８の容量６０８の容量値より小さくすることができる。これにより、たとえば容量６０５の面積を小さくすることができるので、図１の赤外線センサ３００を高集積化できる。

また、実施の形態３の赤外線センサの製造方法は、図９〜１５に示す製造方法と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

以上のように、実施の形態３によれば、理想ダイオード回路（検出器）にサンプルホールド回路を追加することにより、ダイオードの順方向電圧の変化の読み出しが完了するま
で、その順方向電圧を保つことが可能になる。

なお、本発明の赤外線センサにおいて、複数の検出器の配置は図１に示す行列状であるとは限定されるものではない。

図２０は、複数の検出器の配置の別例を示す図である。
図２０を参照して、複数の検出器５００は１次元に配置される。なお複数の検出器５００の配置は図１や図２０に示す配置以外にも様々な配置が可能である。

また、本発明の赤外線センサは赤外線撮像を行なうという用途に限定されるものではなく、たとえば一般的な赤外線センサとしても適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の赤外線センサの概略構成を示す斜視図である。図１の検出器５００の平面図である。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向の断面図である。従来の赤外線センサに含まれる検出器の等価回路図である。ダイオードの電圧−電流特性の温度依存性を一般的に示す図である。図１から図３の検出器５００の等価回路図である。理想ダイオードおよび通常のダイオードの電圧−電流特性を一般的に示す図である。理想ダイオードの入力電位の波形と出力電位の波形との関係を一般的に示す図である。検出器５００の第１の製造工程を示す図である。検出器５００の第２の製造工程を示す図である。検出器５００の第３の製造工程を示す図である。検出器５００の第４の製造工程を示す図である。検出器５００の第５の製造工程を示す図である。検出器５００の第６の製造工程を示す図である。検出器５００の第７の製造工程を示す図である。実施の形態２の赤外線センサに含まれる検出器の回路図である。サンプルホールド回路の入力電位の波形と出力電位の波形とを示す一般的な図である。図１６の検出器５００Ｂの動作の具体例を示す図である。実施の形態３の赤外線センサに含まれる検出器の回路図である。複数の検出器の配置の別例を示す図である。

符号の説明

３００赤外線センサ、３０１基板、３０２検出器アレイ、３０３駆動線、３０４信号線、３０５信号処理回路、３０６垂直走査回路、３０７水平走査回路、５００，５００Ａ〜５００Ｃ検出器、５０１金属配線、５０４検出部、５０５支持脚、５０６凹部、５０７傘構造、５０８エッチング孔、５０９保護膜、５１０検知膜、６０１ＰＮ接合ダイオード、６０２定電流源、６０３差動増幅器、６０４
抵抗器、６０５，６０８容量、６０６スイッチ、６０７バッファアンプ、８０１
シリコン酸化膜層、８０２シリコン層、８０５分離酸化膜、８０６，８０７絶縁
膜、８０８犠牲層、ＤＬ遅延回路、Ｎ１〜Ｎ３ノード、ＳＨサンプルホールド回路。

Claims

赤外線センサであって、
赤外線を検出する複数の検出器を備え、
前記複数の検出器の各々は、
第１のノードから第２のノードへの向きが順方向となるように前記第１および第２のノードの間に電気的に接続されて、前記赤外線の入射に応じて順方向電圧を変化させる、少なくとも１つのダイオードと、
前記第２のノードから定電流を引き抜く定電流源と、
定電位と前記第２のノードから出力される信号電位との電位差に応じて定まる電位を前記第１のノードに与える差動増幅器とを含み、
前記差動増幅器は、
前記定電位が結合される第１の入力端子と、
前記信号電位が帰還して与えられる第２の入力端子とを有し、
前記赤外線センサは、
前記赤外線の入射に応じて変化した前記順方向電圧が所定期間保たれるように、前記第１のノードの電位または前記第２の入力端子の電位を調整する調整回路をさらに備え、
前記調整回路は、前記差動増幅器の出力端子と前記第１のノードとの間に設けられて、前記所定期間が経過するまで、前記第１のノードの電位を、前記順方向電圧の変化開始時のままに保つサンプルホールド回路である、赤外線センサ。
赤外線センサであって、
赤外線を検出する複数の検出器を備え、
前記複数の検出器の各々は、
第１のノードから第２のノードへの向きが順方向となるように前記第１および第２のノードの間に電気的に接続されて、前記赤外線の入射に応じて順方向電圧を変化させる、少なくとも１つのダイオードと、
前記第２のノードから定電流を引き抜く定電流源と、
定電位と前記第２のノードから出力される信号電位との電位差に応じて定まる電位を前記第１のノードに与える差動増幅器とを含み、
前記差動増幅器は、
前記定電位が結合される第１の入力端子と、
前記信号電位が帰還して与えられる第２の入力端子とを有し、
前記赤外線センサは、
前記赤外線の入射に応じて変化した前記順方向電圧が所定期間保たれるように、前記第１のノードの電位または前記第２の入力端子の電位を調整する調整回路をさらに備え、
前記調整回路は、
前記第２のノードと前記第２の入力端子との間に設けられるスイッチと、
前記第２の入力端子に一方端が接続され、接地ノードに他方端が接続される容量とを含む、赤外線センサ。
前記複数の検出器は、行列状に配置され、
前記赤外線センサは、
前記複数の検出器の各行に対応してそれぞれ配置されて、対応する行において、複数の前記第１の入力端子が共通に接続される、複数の駆動線と、
前記複数の検出器の各列に対応して配置されて、対応する列において複数の前記第２のノードが共通に接続される、複数の信号線と、
前記複数の駆動線を順次選択して、選択した駆動線に前記定電位を印加する垂直走査回路と、
前記複数の信号線を順次選択して、選択した信号線における前記信号電位の変化を読み取る水平走査回路とをさらに備える、請求項１または２に記載の赤外線センサ。