CN102169019A

CN102169019A - 红外线检测电路、传感器装置及电子设备

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Publication number: CN102169019A
Application number: CN2010106060506A
Authority: CN
Inventors: 小出泰纪
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: TWI480526B; EP2343524A1; KR20110074481A; JP2011149932A; EP2343524B1; TW201140009A; CN102169019B; US8373124B2; US20110155910A1; JP5685927B2

Abstract

本发明提供了能以高灵敏度检测红外线的红外线检测电路、传感器装置及电子设备等。红外线检测电路包括：设置在红外线检测元件CF的一端侧的读取节点NR与储能节点NT之间并将来自红外线检测元件CF的电荷转送至储能节点NT的电荷转送用晶体管TTR、控制上述电荷转送用晶体管TTR的栅极的栅极控制电路20以及在通过上述电荷转送用晶体管TTR转送电荷时将储能节点NT设定为负电位的负电位生成电路30。

Description

红外线检测电路、传感器装置及电子设备

技术领域

本发明涉及红外线检测电路、传感器装置及电子设备等。

背景技术

现有技术中已知使用热电元件的红外线检测电路。例如从人体辐射出波长在10μm附近的红外线，通过检测该红外线能非接触地获取人体的存在或温度的信息。因此，通过利用这样的红外线检测电路可以实现入侵检测或物理量测量。并且，利用使用FPA(Focal Plane Array：焦平面阵列)的红外线照相机，可以实现在车辆行驶时检测并显示夜间的人等的身影的夜视设备或用于流感检疫等的热成像设备等。

作为红外线检测电路的现有技术，已知的有例如专利文献1、2、3中公开的技术。

然而，这些现有技术中存在必须使用机械式的断路器、难以高灵敏度地检测红外线等问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭59-142427号公报

专利文献2：日本特开2006-3301号公报

专利文献3：日本特开2008-26249号公报。

发明内容

根据本发明的几种实施方式，可以提供能高灵敏度地检测红外线的红外线检测电路、传感器装置及电子设备等。

本发明的一个实施方式涉及一种红外线检测电路，其包括：电荷转送用晶体管，设置在红外线检测元件的一端侧的读取节点与储能节点之间，并将来自上述红外线检测元件的电荷转送至上述储能节点；栅极控制电路，控制上述电荷转送用晶体管的栅极；以及负电位生成电路，在通过上述电荷转送用晶体管转送电荷时将上述储能节点设定为负电位。

根据本发明的一个实施方式，在红外线检测元件的读取节点与储能节点之间设置电荷转送用晶体管，并通过栅极控制电路控制该电荷转送用晶体管的栅极。而且通过负电位生成电路将储能节点设定为负电位。这样，由于通过电荷转送用晶体管转送电荷时储能节点被设定为负电位，因而可以将来自红外线检测元件的电荷高效地转送至储能节点。并且也能提高对红外线检测元件施加的电压等，从而实现红外线检测的高灵敏度化。

并且，在本发明的一个实施方式中，上述栅极控制电路也可以在将上述电荷转送用晶体管的阈值电压设定为-VTH的情况下将对应于-VTH的栅极控制电压输出至上述电荷转送用晶体管的栅极。

这样，可以将电荷转送用晶体管设定为弱导通状态，从而将来自红外线检测元件的电荷转送至储能节点。

并且，在本发明的一个方式中，也可以包括复位电路，该复位电路设置在上述红外线检测元件的上述读取节点与第一电源节点之间，在复位期间将上述读取节点复位为作为上述第一电源节点的电压电平的第一电压电平。

这样，可以通过复位电路将读取节点复位为第一电压电平，从而做好读取来自红外线检测元件的电荷的准备。

并且，在本发明的一个实施方式中，也可以在上述负电位生成电路将上述储能节点设定为负电位后，上述电荷转送用晶体管导通，当上述电荷转送用晶体管导通后，上述红外线检测元件的另一端侧的电压施加节点从第一电压电平变为第二电压电平。

这样，由于在储能节点被设定为负电位后电荷转送用晶体管导通，之后红外线检测元件的另一端侧的电压施加节点变为第二电压电平，因而可以实现高效地读取来自红外线检测元件的电荷的操作。

并且，在本发明的一个实施方式中，上述负电位生成电路可以包括一端连接至上述储能节点的第一负电位生成用电容器，上述第一负电位生成用电容器被兼用为连接至上述储能节点的槽路电容器。

这样，由于可以将第一负电位生成用电容器同时用作槽路电容器，因而可以实现电路的小规模化等。

并且，在本发明的一个实施方式中，上述负电位生成电路可以包括一端连接至上述储能节点的第二负电位生成用电容器，从上述第二负电位生成用电容器的另一端输出上述储能节点的负电位转换为正电位后的电压。

这样，由于能利用第二负电位生成用电容器来实现电平转换器，因而可以实现电路的小规模化。

并且，在本发明的一个实施方式中，上述负电位生成电路也可以包括一端连接至上述储能节点的第一负电位生成用电容器；一端与上述储能节点相连接、并且电容值比上述第一负电位生成用电容器的电容值大的第二负电位生成用电容器；驱动上述第一负电位生成用电容器的另一端的第一驱动器；以及驱动上述第二负电位生成用电容器的另一端的第二驱动器，在将上述储能节点设定为负电位的情况下，上述第一驱动器使上述第一负电位生成用电容器的另一端从第二电压电平变为第一电压电平，并且上述第二驱动器使上述第二负电位生成用电容器的另一端从上述第二电压电平变为上述第一电压电平，在上述第二负电位生成用电容器的另一端变为上述第一电压电平后，上述第二驱动器将上述第二负电位生成用电容器的另一端设定为高阻抗状态。

这样，通过采用第一、第二驱动器来使第一、第二负电位生成用电容器的另一端从第二电压电平变为第一电压电平，可以将储能节点设定为负电位。而且，随后通过将第二负电位生成用电容器的另一端设定为高阻抗状态，可以从第二负电位生成用电容器的另一端输出储能节点的负电位转换为正电位后的电压。

并且，在本发明的一个实施方式中，也可以包括设置在上述红外线检测元件的上述读取节点与上述电荷转送用晶体管之间的控制晶体管，在上述控制晶体管进行多次导通截止操作后从上述储能节点获取检测电压。

这样，通过多次进行电荷的读取操作，可以实现红外线检测的高灵敏度化。

并且，在本发明的一个实施方式中，也可以包括一端连接至上述储能节点的槽路电容器，在上述控制晶体管进行N次导通截止操作的情况下，上述槽路电容器的电容值是上述红外线检测元件的电容值的N倍以上。

这样，可以防止储能节点的检测电压饱和的情况。

并且，在本发明的一个实施方式中，也可以在上述控制晶体管导通的期间，上述红外线检测元件的另一端侧的电压施加节点从第一电压电平变为第二电压电平，上述电压施加节点变为上述第二电压电平后上述控制晶体管截止，在上述控制晶体管截止的期间，上述电压施加节点从上述第二电压电平变为上述第一电压电平。

这样，可以防止电压施加节点的电压电平的变化对储能节点造成不良影响的情况等。

并且，在本发明的一个实施方式中，也可以在上述控制晶体管截止的期间，上述红外线检测元件的上述读取节点被复位为上述第一电压电平。

这样，可以防止读取节点的电压电平的变化对储能节点造成不良影响的情况等。

并且，在本发明的一个实施方式中，也可以包括将上述电荷转送用晶体管的与上述储能节点不同侧的节点的电位变化进行逆转后输出至上述电荷转送用晶体管的栅极的反馈逆变器电路。

这样，通过采用反馈逆变器电路来控制电荷转送用晶体管的栅极，可以实现放大程度更高的读取操作。

并且，本发明的另一实施方式涉及一种传感器装置，其包括排列有多个传感器单元的传感器阵列；一或多条行线；一或多条列线；连接至上述一或多条行线的行选择电路；以及连接至上述一或多条列线的读取电路，上述多个传感器单元中的各传感器单元包括：红外线检测元件；以及选择晶体管，上述选择晶体管设置在上述红外线检测元件与上述一或多条列线中的相应列线之间，并且上述选择晶体管的栅极通过上述一或多条行线中的相应行线来控制，上述读取电路包括：电荷转送用晶体管，设置在上述一或多条列线中的相应列线的节点与储能节点之间，并将来自上述红外线检测元件的电荷转送至上述储能节点；栅极控制电路，控制上述电荷转送用晶体管的栅极；以及负电位生成电路，在通过上述电荷转送用晶体管转送电荷时将上述储能节点设定为负电位。

根据本发明的另一实施方式，在多个传感器单元的各传感器单元中设置红外线检测元件与选择晶体管，在传感器阵列的读取电路中设置电荷转送用晶体管、栅极控制电路以及负电位生成电路。由于在通过电荷转送用晶体管转送电荷时储能节点被设定为负电位，因而可以将来自红外线检测元件的电荷高效地转送至储能节点。并且可以提高对红外线检测元件施加的电压等，从而实现红外线检测的高灵敏度化。

并且，本发明的另一实施方式涉及一种电子设备，其包括以上任一项所述的红外线检测电路。

并且，本发明的另一实施方式涉及一种电子设备，其包括以上所述的传感器装置。

附图说明

图1(A)、图1(B)、图1(C)是比较例的红外线检测电路的说明图。

图2是本实施方式的红外线检测电路的第一结构例。

图3是栅极控制电路、负电位生成电路、复位电路的具体结构例。

图4是说明第一结构例的操作的信号波形例。

图5是热电元件的磁滞回线的例子。

图6(A)、图6(B)是传感器装置的结构例。

图7(A)是传感器单元的结构例，图7(B)是本实施方式的红外线检测电路的第二结构例。

图8是说明第二结构例的操作的信号波形例。

图9是负电位生成电路的另一具体结构例。

图10是本实施方式的红外线检测电路的第三结构例。

图11是说明第三结构例的操作的信号波形例。

图12是本实施方式的红外线检测电路的第四结构例。

图13是说明第四结构例的操作的信号波形例。

图14是本实施方式的电子设备的结构例。

具体实施方式

下面，详细地说明本发明的优选实施方式。并且，以下说明的本实施方式不是对权利要求书所述的技术方案的不当限定，并且本实施方式中说明的全部结构并不是作为本发明的解决手段所必须的。

1.比较例

图1(A)、图1(B)、图1(C)示出了上述专利文献1、2、3的现有技术的红外线检测电路作为比较例。

图1(A)是专利文献1中公开的红外线检测电路，其使用未图示的断路器，在反复对热电元件1进行红外线的照射和切断的同时从热电元件1读取热电电流。例如在向热电元件1入射红外线从而电介质1a产生温度变化时，自发极化的大小发生变化。此时，由于表面电荷不能像自发极化那样迅速变化，故产生残留的表面电荷。因此，由于与该表面电荷对应的电流流入连接至热电元件1的电极1b、1c的电阻RG，从而电阻RG的两端产生电压。使用由晶体管2及电阻RS组成的电路来检测该电压。

然而，图1(A)的检测电路中，由于断路器是机械式的，因而存在断路频率的稳定性较低、需要取得断路器与FPA的同步、断路器的使用寿命短等问题。

图1(B)是专利文献2中公开的红外线检测电路，其是无需图1(A)中所需的断路器的介电测辐射热计(dielectric bolometer)型检测电路。该检测电路利用了温度随着红外线的照射上升从而电容器10的电容值发生变化的现象。这种情况下，由于不能直接检测电容值，因此将随温度变化的电容器10与不随温度变化的参考用的电容器11串联连接。然后通过读取对串联的电容器10、11的两端的端子13、14施加电压时中间的端子12的电压变化来检测微小的电容值的变化。

然而，在专利文献1、2的任一个的红外线检测电路中，由于热电流的变化或介电常数的变化相对温度变化非常微小，故存在难以高灵敏度地检测红外线的问题。

图1(C)是专利文献3中公开的红外线检测电路，其是实现图1(A)、图1(B)的课题即提高灵敏度的检测电路。该检测电路多次进行电荷的读取以提高灵敏度，包括由运算放大器510、复位用开关SWB、积分用电容器Cint组成的积分电路500。还包括电容值因红外线照射而变化的传感器电容器CS(热电元件)以及开关SW1～SW4。

开关SW1与SW4同步地导通截止，开关SW2与SW3同步地导通截止。而且开关SW1、SW4导通时SW2、SW3截止，SW1、SW4截止时SW2、SW3导通。并且，向端子X2输入固定偏压V1，向端子X3输入与电压V1不同的驱动电压V2。

从积分用电容器Cint中未蓄积电荷的初期状态开始，开关SW2、SW3导通时，端子X3的驱动电压V2与端子X2的固定偏压V1的电压差V2-V1被施加到传感器电容器CS的两端。因此传感器电容器CS中蓄积了QS＝CS··(V2-V1)的电荷。

随后，开关SW2、SW3截止，而开关SW1、SW4导通时，蓄积在传感器电容器CS中的电荷被转送并蓄积在积分用电容器Cint中。此时，从运算放大器510输出与节点X1处蓄积的电荷相对应且正负与其相反的电荷并蓄积在积分用电容器Cint中。因此输出电压VOUT＝QS/Cint+V1。此外为了简化说明，用相同的标号表示电容器的名称及其电容值。

在图1(C)的检测电路中，通过多次重复电荷的读取操作来提高S/N比，实现红外线检测的高灵敏度化。

然而，图1(C)的检测电路中存在以下四个问题。

第一，在充电时对传感器电容器CS施加了V2-V1的电压，但由于读取时只涉及Cint与CS的分压比，因此只向CS施加例如VCC/2左右的电压。因此，传感器电容器CS中蓄积并读取的电荷的量比施加满电压VCC时小。因此，红外线检测的灵敏度比施加满电压VCC时要低。

第二，由于在图1(C)中例如由NMOS晶体管构成的开关SW1～SW4中存在寄生电容(结电容)，故作为参考电容器的积分用电容器Cint的电容值的设置会产生偏差。因此，向传感器电容器CS施加的电压变得更小，红外线检测的灵敏度进一步降低。特别是在FPA的情况下，其结构为一列设置一个积分电路500，并且与行数同等数量的开关SW4挂接(hanging)在节点X1上。在此情况下，由于开关SW4的结电容变得很大，因此在分压比的读取中难以对传感器电容器CS施加最合适的电压。

第三，FPA的传感器阵列的各传感器单元(各像素)中需要配置图1的传感器电容器CS和四个开关SW1～SW4，该结构不利于减小传感器单元的间距即像素间距。

第四，还存在会产生四个开关SW1～SW4引发的开关噪声的不良影响、SW1～SW4的开关定时容易产生偏差等问题。

2.结构

图2示出了能解决上述问题的本实施方式的红外线检测电路的第一结构例。如图2所示，该检测电路包括电荷转送用晶体管TTR、栅极控制电路20以及负电位生成电路30。并且可以包括复位电路40或槽路电容器CTA。本实施方式的检测电路不限于图2的结构，可以进行省略其一部分结构要素(例如复位电路、槽路电容器)或添加其他结构要素等各种变形。

红外线检测元件CF(热电元件、热检测元件)是用于检测红外线的元件，例如通过检测红外线引起的温度变化来检测红外线的能量。该红外线检测元件CF例如由热电体(热电膜)以及夹着热电体地设置在两端的第一、第二电极构成。热电体例如通过PZT(锆钛酸铅)等的铁电体膜形成并产生自发极化。而且，红外线检测元件CF的自发极化的量随温度而变化。例如温度因红外线的照射而变高时，自发极化的量变小。并且红外线检测元件CF的电容值也随温度变化。例如温度因红外线的照射而变高时，红外线检测元件CF的电容值变大。这样，红外线检测元件CF是受热(红外线能量)而改变极化量或电容值的元件(传感器)。

转送用晶体管TTR设置在红外线检测元件CF的一端侧的读取节点NR与储能节点NT(电荷蓄积节点)之间，并将来自红外线检测元件CF的电荷转送至储能节点NT。转送用晶体管TTR例如是P型晶体管(PMOS晶体管)，其源极连接至读取节点NR，漏极连接至储能节点NT，栅极连接至栅极节点NG。并且，其背栅极(基板)例如连接(设定)于GND。

此外，通过未图示的电压施加电路对红外线检测元件CF的另一端侧的电压施加节点NI施加例如0V(广义上的第一电压电平)或VCC(广义上的第二电压电平)的电压VI。

栅极控制电路20(阈值电压生成电路)控制电荷转送用晶体管TTR的栅极。例如在将电荷转送用晶体管TTR的阈值电压设定为-VTH的情况下，栅极控制电路20生成与-VTH对应的栅极控制电压并将该栅极控制电压输出至电荷转送用晶体管TTR的栅极。这里，与-VTH对应的栅极控制电压是与例如和电荷转送用晶体管TTR一样的P型晶体管的阈值电压相等的电压。栅极控制电路20输出的栅极控制电压(-VTH)与电荷转送用晶体管TTR的阈值电压大致相等，但根据制造工艺的变化等，也可以与TTR的阈值电压多少有所不同。

负电位生成电路30(负电位设定电路)是进行储能节点NT的电位控制并将储能节点NT设定为负电位的电路。具体地说，例如通过电荷转送用晶体管TTR转送电荷时，负电位生成电路30将储能节点NT设定为负电位。也就是说，将储能节点NT设定为诸如-VCC的负电位。

复位电路40进行读取节点NR的复位处理。具体地说，复位电路40设置在红外线检测元件CF的读取节点NR与GND节点(广义上的第一电源节点)之间。而且在复位期间，将读取节点NR的电压电平复位(设定)为作为GND节点的电压电平的0V(第一电压电平)。

槽路电容器CTA的一端连接至储能节点NT。并且，槽路电容器CTA的另一端例如与GND节点相连。这里，槽路电容器CTA的电容值例如大于红外线检测元件CF的电容值。并且，在例如如下所述进行N次(N是N≥2的整数)电荷读取操作的情况下，优选槽路电容器CTA的电容值是红外线检测元件CF的电容值的N倍以上。此外，槽路电容器CTA也可用例如设置在负电位生成电路30等其他电路中的电容器来兼用。

而且，在图2的红外线检测电路中，负电位生成电路30将储能节点NT设定为负电位后，电荷转送用晶体管TTR导通。也就是说，栅极控制电路20将电荷转送用晶体管TTR导通。而在电荷转送用晶体管TTR导通之后，红外线检测元件CF的另一端侧的电压施加节点NI的电压电平从0V(广上的第一电压电平)变为VCC(广义上的第二电压电平)。也就是说，未图示的电压施加电路使电压施加节点NI的电平从0V变为VCC。由此可以实现红外线检测灵敏度较高的检测电路。

图3示出了栅极控制电路20、负电位生成电路30及复位电路40的具体结构例。此外，栅极控制电路20、负电位生成电路30及复位电路40的结构不限于图3，可以进行各种变形。

栅极控制电路20包括VTH(阈值电压)生成用晶体管TA以及负电位生成用电容器CA。VTH生成用的P型晶体管TA的源极连接至GND，栅极和漏极连接至栅极节点NG。并且，其背栅极(基板)例如连接(设定)于GND。负电位生成用电容器CA的一端与栅极节点NG相连，另一端上施加有负电位生成用的电压VA。

例如电压VA从VCC(第二电压电平)变为0V(第一电压电平)时，栅极节点NG的电位变为负电位侧。此时，由于栅极节点NG与所谓的二极管连接的P型晶体管TA相连接，因而栅极节点NG被设定为-VTH的电压电平。也就是说，栅极节点NG被设定为与晶体管TA的阈值电压大致相等的电压电平。而且由于P型的晶体管TA与电荷转送用晶体管TTR由相同结构的P型晶体管构成，因此栅极节点NG被设定为与电荷转送用晶体管TTR的阈值电压大致相等的负电位的电压电平。

负电位生成电路30包括负电位生成用电容器CB。负电位生成用电容器CB的一端与储能节点NT相连接，另一端上施加有负电位生成用的电压VB。而且，例如在储能节点NT为高阻抗状态时，电压VB从VCC(第二电压电平)变为0V(第一电压电平)，则储能节点NT的电位变为负电位侧从而被设定为例如-VCC。

复位电路40包括复位用的晶体管TRS。且复位信号RST为H(高)电平(激活状态)时，N型的晶体管TRS导通，读取节点NR被复位至0V。

接下来使用图4的信号波形来说明本实施方式的第一结构例的检测电路的操作。

首先在图4的定时t1，将复位信号RST设定为0V并将读取节点NR设定为浮动状态。并且在定时t1，负电位生成电路30将储能节点NT设定为-VCC附近的负电位。

然后，在定时t2，通过栅极控制电路20将栅极节点NG设定为对应于电荷转送用晶体管TTR的阈值电压的-VTH。因此电荷转送用晶体管TTR变为弱导通状态。

随后在定时t3，电压VI从0V升至VCC。因此从红外线检测元件CF读取与极化量(电容)相应的电荷，从而如图4中的A1所示，读取节点NR的电位上升。而读取节点NR的电位上升时通过弱导通的电荷转送用晶体管TTR向储能节点NT转送电荷。于是如A2所示，储能节点NT的电压VTA与转送的电荷量相对应地上升的同时，读取节点NR的电位下降到0V附近。即从红外线检测元件CF读取的全部电荷都被转送至储能节点NT，储能节点NT的电压VTA根据红外线检测元件CF接受的红外线能量而变化。

随后在定时t6，将复位信号RST设定为VCC并将读取节点复位(放电)至0V(GND)。然后在定时t7将电压VI设定为0V并结束读取操作。

这里，图4中的A3、A4示出了温度比A1、A2的情况高时的读取节点NR、储能节点NT的电位变化。也就是说，向红外线检测元件CF照射红外线从而其温度变高时，CF的自发极化量减少。因此，读取节点NR、储能节点NT的电位变化也随着温度的升高而减小。因此，通过测定节点NT的电压电平，可以测定红外线检测元件CF的温度从而测定红外线的能量。

例如图5示出了红外线检测元件CF(热电元件)的磁滞回线的例子。E1是低温时的磁滞回线，E2是高温时的磁滞回线。如图5所示，高温时的磁滞回线上的自发极化量PR2(剩余极化)比低温时的自发极化量PR1小。

并且，图5中的E3、E4等各电压下的磁滞回线的斜率对应于红外线检测元件CF的电容值(介电常数)的大小。而且如E3、E4所示，高温的磁滞回线的各电压下的斜率比低温的磁滞回线的各电压下的斜率大。也就是说，高温时的红外线检测元件CF的平均电容值的大小比低温时大。

根据上述本实施方式的红外线检测电路，由于可以向作为传感器电容器的红外线检测元件CF施加满电压VCC，因此可以读取更多的电荷。也就是说，在图1(C)的比较例中，由于例如传感器电容器CS上只能施加VCC/2左右的电压，故一次读取操作所读取的电荷量较少。而本实施方式中，由于在电压施加节点NI的电压VI为VCC的情况下读取节点NR是0V，故对红外线检测元件CF施加VCC的满电压，可以如图4中的A1、A3所示地读取电荷。因此，与图1(C)的比较例相比实现了高灵敏度化。

并且在图1(C)的比较例中，由于需要多个开关SW1～SW4，因此构成这些开关SW1～SW4的晶体管的寄生电容导致积分用电容器Cint的设置发生偏差，存在对传感器电容器CS施加的电压变得更低的问题。并且，特别是在FPA的情况下，存在节点X1的寄生电容变大从而在读取分压比中难以得到最适值的问题。并且存在开关SW1～SW4的开关噪声的不良影响或开关定时的偏差大等问题。而在本实施方式中，无需比较例那样多的开关，通过使用电荷转送用晶体管TTR的简单的控制就能实现从红外线检测元件CF读取电荷。因此，解决了图1(C)的比较例中产生的问题。

并且在图1(C)的比较例中，由于需要设置积分电路500，因此存在该积分电路500中流过的固定电流导致耗电量大的问题。而本实施方式中，由于无需设置这样的积分电路从而不存在稳态电流的流通路径，实现了低功耗。

并且在本实施方式中，在图4的定时t1通过复位电路40将读取节点NR设定为0V，并通过负电位生成电路30将储能节点NT设定为负电位后，在定时t2将栅极节点NG设定为-VTH从而电荷转送用晶体管TTR导通。而TTR导通后，在定时t3电压施加节点NI的电压VI从0V变为VCC。

也就是说，通过将读取节点NR设定为0V，可以如上述那样向红外线检测元件CF施加满电压VCC。但是，此时若储能节点NT为正电位，则难以读取红外线检测元件CF的电荷。对此，本实施方式中，由于负电位生成电路30将储能节点NT设定为-VCC的负电位，因此即使读取节点NR是0V，也能将来自红外线检测元件CF的电荷吸引并转送至负电位的储能节点NT侧。

并且，当将读取节点NR设定为0V，并将储能节点NT设定为-VCC时，电荷转送用晶体管TTR的栅极节点NG被设定为-VTH。因此，电荷转送用晶体管TTR被设定为弱导通状态。因此，可以防止读取节点NR被储能节点NT的-VCC的电位拉至0V以下的电位。也就是说，在将读取节点NR的电位维持在0V的同时将储能节点NT的电位维持在-VCC，同时通过电荷转送用晶体管TTR将来自红外线检测元件CF的电荷原原本本地移动至储能节点NT。因此可以实现稳定且准确的电荷读取操作。

3.第二结构例、传感器装置

图6(A)示出了本实施方式的传感器装置的结构例。该传感器装置包括传感器阵列100、行选择电路(行驱动器)110以及读取电路120。并且可以包括A/D转换部130、列扫描电路140及控制电路150。通过使用该传感器装置可以实现例如夜视设备等中所用的红外线照相机等。

传感器阵列100(焦平面阵列)上排列(配置)有多个传感器单元。并且设置有多条行线(字线、扫描线)与多条列线(数据线)。行线或列线的条数可以是一条。例如在行线是一条的情况下，在图6(A)中沿着行线的方向(横方向)排列多个传感器单元。另一方面，在列线是一条的情况下，沿着列线的方向(纵方向)排列多个传感器单元。

如图6(B)所示，传感器阵列100的各传感器单元配置(形成)在对应于各行线与各列线的交差位置的地方。例如图6(B)中的传感器单元配置在对应于行线WL1与列线DL1的交差位置的地方。其他的传感器单元也是同样的。

行选择电路110与一或多条行线相连接，并进行各行线的选择操作。例如以图6(B)所示的QVGA(320×240像素)的传感器阵列100(焦平面阵列)为例，进行依次选择(扫描)行线WL0、WL1、WL2……WL239的操作。也就是说，将选择这些行线的信号(字选择信号)输出至传感器阵列100。并且，行选择电路110的行驱动器对与行线对应设置的驱动线输出驱动信号。

读取电路120(前置放大器)与一或多条列线相连接，并进行各列线的读取操作。以QVGA的传感器阵列100为例，进行从列线DL0、DL1、DL2……DL319读取检测电荷的操作。

A/D转换部130进行将读取电路120中获取的检测电压(测定电压、到达电压)进行A/D转换为数字数据的处理。然后输出A/D转换后的数字数据DOUT。具体地说，A/D转换部130中与多条列线的各列线相对应地设置各A/D转换器。各A/D转换器进行读取电路120在相应列线中获取的检测电压的A/D转换处理。并且，也可以与多条列线对应地设置一个A/D转换器，使用这一个A/D转换器分时地对多条列线的检测电压进行A/D转换。

列扫描电路140向A/D转换部130输出列扫描信号。由此从A/D转换部130输出串行的数字数据DOUT。此外也可以进行不设置列扫描电路140的变形。

控制电路150(定时生成电路)生成各种控制信号并将其输出至行选择电路110、读取电路120、A/D转换部130和列扫描电路140。例如生成并输出用于电荷读取操作或电压检测的各种定时控制信号或各电路的控制信号。

图7(A)示出了传感器阵列的各传感器单元的结构，图7(B)示出了适用于这种传感器装置的情况下的本实施方式的红外线检测电路的第二结构例。

如图7(A)所示，多个传感器单元的各传感器单元包括红外线检测元件CF和选择晶体管TSEL(行选择开关)。也就是说，在QVGA(320×240像素)的情况下，包括红外线检测元件CF与选择晶体管TSEL的传感器单元(像素)被排列成240行、320列。

如图7(A)所示，选择晶体管TSEL设置在红外线检测元件CF的一端侧的节点NS与一或多条列线中的相应列线DL之间。而且选择晶体管TSEL的栅极通过一或多条行线中的相应行线WL来控制。也就是说，相应的行线WL为H电平(激活状态)时，N型的选择晶体管TSEL导通，红外线检测元件CF的一端侧的节点NS与相应的列线DL相连接。

图7(B)的红外线检测电路设置在图6(A)的读取电路120中。也就是说，读取电路120中与一或多条列线中的各列线对应地设置图7(B)的结构的红外线检测电路。该红外线检测电路包括电荷转送用晶体管TTR、栅极控制电路20和负电位生成电路30。还可以包括复位电路40、电平转换器50和槽路电容器CTA。此外还可以进行省略这些结构要素中的一部分或增加其他结构要素等的各种变形。

电荷转送用晶体管TTR设置在一或多条列线中的相应列线DL的节点(读取节点NR)与储能节点NT之间。而且将来自图7(A)中的传感器单元的红外线检测元件CF的电荷转送至储能节点NT。栅极控制电路20控制电荷转送用晶体管TTR的栅极，负电位生成电路30在通过TTR转送电荷时将储能节点NT设定为负电位。

并且，复位电路40将作为DL的节点的读取节点NR复位为0V。电平转换器50将储能节点NT的检测电压VTA从负电位转换为正电位。转换为正电位的电压COLQ被输出至图6(A)中的A/D转换部130。通过如此采用电平转换器50将储能节点NT的检测电压VTA转换为正电位，可以简化A/D转换部130中的A/D转换。

接下来使用图8的信号波形来说明本实施方式的第二结构例的检测电路的操作。

首先在定时t1，行选择电路110将行线WL从0V设定为VCC。由此图7(A)中的选择晶体管TSEL导通，相应的传感器单元被选择。例如行线WL0变为VCC时，连接至行线WL0的所有传感器单元的选择晶体管TSEL导通，该传感器单元中包括的红外线检测元件CF的一端侧的节点NS与相应的列线电连接。

并且在定时t1，图7(A)的检测电路(读取电路)的负电位生成电路30将储能节点NT设定为-VCC的负电位。然后在定时t2栅极控制电路20将TTR的栅极节点NG设定为-VTH。

随后在定时t3，行选择电路110的行驱动器将驱动线RDR从0V(第一电压电平)设定为VCC(第二电压电平)。由此来自图7(A)中的红外线检测元件CF的电荷通过导通的选择晶体管TSEL读出至列线DL(读取节点NR)。

然后如图8中的B1所示，读取的电荷通过弱导通的电荷转送用晶体管TTR被转送至储能节点NT。因此如B2所示，储能节点NT的电位从VCC开始上升。然后电平转换器50将储能节点NT的正电位转换为负电位，如B3所示，转换为正电位的电压COLQ被输出至A/D转换部130。A/D转换部130进行该电压COLQ的A/D转换并输出通过A/D转换取得的数字数据DOUT。

例如在图1(C)的比较例中，由于需要对各传感器单元设置传感器电容器CS和多个开关SW1～SW4，因此难以实现传感器单元的间距即像素间距的窄小化。而根据本实施方式，由于各传感器单元(各像素)例如由一个红外线检测元件CF和一个选择晶体管TSEL构成，因此可以实现像素间距的窄小化。

4.负电位生成电路

图9示出了本实施方式的红外线检测电路所包括的负电位生成电路30的另一结构例。

图9中的负电位生成电路30包括一端与储能节点NT连接的第一负电位生成用电容器CB1。而且该负电位生成用电容器CB1被兼用为与储能节点NT连接的槽路电容器。也就是说，CB1同时具有作为负电位生成用电容器的功能(作用)与作为槽路电容器的功能。

并且，负电位生成电路30包括一端与储能节点NT连接的第二负电位生成用电容器CB2。该负电位生成用电容器CB2的电容值比负电位生成用电容器CB1大。而且在图9中，从负电位生成用电容器CB2的另一端的节点NB2输出储能节点NT的负电位转换为正电位后的电压COLQ。也就是说，利用负电位生成电路30中设置的负电位生成用电容器CB2来实现图7(B)中的电平转换器50的功能。

并且，图9中的负电位生成电路30包括第一驱动器BF1和第二驱动器BF2。驱动器BF1驱动负电位生成用电容器CB1的另一端的节点NB1。驱动器BF2驱动负电位生成用电容器CB2的另一端的节点NB2。

具体地说，在将储能节点NT设定为负电位的情况下，驱动器BF1使负电位生成用电容器CB1的另一端从VCC(第二电压电平)变为0V(第一电压电平)。而驱动器BF2使负电位生成用电容器CB2的另一端从VCC变为0V。

也就是说，负电位生成用的电压VB及控制电压VCT从0V变为VCC时，作为逆变器的驱动器BF1使负电位生成用电容器CB1的另一端的节点NB1从VCC变为0V，驱动器BF2使负电位生成用电容器CB2的另一端的节点NB2从VCC变为0V。因此，CB1、CB2用作负电位生成用电容器，储能节点NT的电位被设定为负电位-VCC。

负电位生成用电容器CB2的另一端的节点NB2的电压电平变为0V(第一电压电平)后，驱动器BF2将负电位生成用电容器CB2的另一端的节点NB2设定为高阻抗状态。也就是说，通过控制电压VCT从VCC变为0V，N型的晶体管TB2截止从而将驱动器BF2的输出设定为高阻抗状态。因此，CB2用作电平转换器用电容器，如图8中的B3那样，从负电位变为正电位的电压COLQ从节点NB2输出。

如上所述，根据图9中的结构，可以通过一个负电位生成电路30来实现将储能节点NT设定为负电位的功能、槽路电容器CTA的功能以及电平转换器50的功能。因此，可以实现电路的小型化并缩小布局面积等。

此外在图9中，电容器CB2的电容值比CB1的电容值大。例如将储能节点NT设定为负电位时，优选负电位生成用的电容器的电容值尽可能大。对此，图9中，由于CB1与CB2都起着负电位生成用的电容器的功能，因此是优选的结构。

而且，由于这样将储能节点NT设定为负电位后，电容器CB2的另一端的节点NB2被设定为高阻抗状态，因此只有电容器CB1起着槽路电容器的功能。这样可以简化槽路电容器的电容值的设定。

此外，通过将节点NB2设定为高阻抗状态，可以使电容器CB2用作电平转换器用电容器，从而可以从节点NB2输出电平转换为负电位后的电压COLQ。

5.第三结构例

图10示出了本实施方式的红外线检测电路的第三结构例。图10的第三结构例与图7(B)中的第二结构例的不同点在于图10中还设置了控制晶体管TC。而且该第三结构例中通过多次(N次)进行电荷的读取操作实现了高灵敏度读取。

控制晶体管TC设置在列线DL的节点(读取节点NR)与电荷转送用晶体管TTR之间。而且该控制晶体管TC的导通截止通过控制信号HS来控制。也就是说，由未图示的控制电路进行对控制晶体管TC的导通截止控制。而且，控制晶体管TC进行多次(N次)导通截止操作后，从储能节点NT获取检测电压VTA。也就是说，由A/D转换部130等图像获取电路获取检测电压VTA。例如，储能节点NT的检测电压VTA被电平转换器50转换为正电位，被A/D转换部130采样并转换为数字数据DOUT。

这样控制晶体管TC进行N次导通截止操作的情况下，优选槽路电容器CTA的电容值是红外线检测元件CF的电容值的N倍以上。也就是说，CTA的电容值是CF的电容值的读取次数倍以上的电容值。这样可以防止储能节点NT的检测电压饱和的情况。此外，该槽路电容器CTA也可以是如图9所示的设置在负电位生成电路30等其他电路中的电容器。

下面使用图11的信号波形对本实施方式的第三结构例的检测电路的操作进行说明。

图11中，到定时t1、t2为止的操作与图8的第二结构例的操作大致相同。然后在定时t3驱动线RDR从0V变为VCC时，控制晶体管TC的控制信号HS变为VCC，控制晶体管TC导通。因此，如图11中的D1所示从传感器单元读取至列线DL的电荷如D2所示通过控制晶体管TC及电荷转送用晶体管TTR被转送到储能节点NT。因此储能节点NT的电位从-VCC开始上升，实现了第一次电荷读取操作。

然后在定时t5，在驱动线RDR保持VCC的状态下，控制信号HS从VCC变为0V从而控制晶体管TC截止。此时，复位信号RST也从0V变为VCC，DL的节点被复位为0V。

随后在定时t6中，在控制晶体管TC截止的状态下，驱动线RDR从VCC变为0V。然后在定时t7，在驱动线RDR为0V的状态下，控制信号HS从0V变为VCC从而控制晶体管TC导通。

随后在定时t8，在控制晶体管TC维持导通的状态下，驱动线RDR从0V变为VCC。因此，如D3所示从传感器单元读取至列线DL的电荷如D4所示通过控制晶体管TC及电荷转送用晶体管TTR被转送至储能节点NT。因此储能节点NT的电位进一步上升，实现了第二次电荷读取操作。同样地实现D5、D6所示的第三次电荷读取操作。

进行多次(N次)上述的读取操作，将最终获得的储能节点NT的检测电压VTA转换为正电位后的电压COLQ被输出至A/D转换部130，从而获取最终的数字数据。这样，即使在通过一次读取操作从红外线检测元件CF读取的电荷量较少的情况下，也能提高检测电压的分辨率并提高红外线检测的灵敏度。

并且，当读取次数为N次时，通过使槽路电容器CTA的电容值为红外线检测元件CF的电容值的N倍以上，如图11的D7所示，可以防止检测电压VTA饱和而超过适当的电压范围的情况。

并且在图11中，在控制晶体管TC导通的期间(例如t2～t4)，驱动线RDR的电压电平(红外线检测元件的另一端侧的电压施加节点的电压电平)从0V(第一电压电平)变为VCC(第二电压电平)(t3)。也就是说，行驱动器110使驱动线PDR的电压电平从0V变为VCC。在驱动线RDR变为VCC后控制晶体管TC截止(t5)，在TC截止的期间(t5～t7)，驱动线RDR(电压施加节点)的电压电平从VCC变为0V(t6)。

而且在图11中，在控制晶体管TC截止的期间(t5～t7)中，列线DL的节点(读取节点NR)被复位为0V。

这样在控制晶体管TC导通的期间内，通过使驱动线RDR变为VCC(t3)，可以将来自红外线检测元件CF的电荷恰当地转送至储能节点NT。而在控制晶体管TC截止的期间，通过使驱动线RDR从VCC变为0V(t6)，可以防止RDR的电压电平的变化对储能节点NT带来不良影响而产生检测误差等的情况。

并且通过在控制晶体管TC截止的期间(t5～t7)用复位电路40将DL的节点(读取节点NR)复位为0V，可以做好下一次电荷读取操作的准备。并且可以防止DL的电压电平的变化对储能节点NT造成不良影响而产生检测误差等的情况。

6.第四结构例

图12示出了本实施方式的红外线检测电路的第四结构例。图12的第四结构例与图10的第三结构例不同点在于：图12中还设置了反馈逆变器电路60。而且该第四结构例中也通过多次进行电荷的读取操作实现了高灵敏度读取。

图12中的反馈逆变器电路60是将电荷转送用晶体管TTR的与储能节点NT不同侧的节点NH的电位变化逆转后输出至电荷转送用晶体管TTR的栅极节点NG的电路。

反馈逆变器电路60包括逆变器INV、反馈用的开关SW以及AC耦合用的电容器CC1、CC2。开关SW的一端与逆变器INV的输入相连接，SW的另一端与逆变器INV的输出相连接。通过使开关SW导通来将逆变器INV的输出反馈至输入，从而逆变器INV起着放大中间电位的电路的功能。并且电容器CC1的一端与节点NH相连接，另一端与逆变器INV的输入相连接。而电容器CC2的一端与栅极节点NG相连接，另一端与逆变器INV的输出相连接。

通过采用这种反馈逆变器电路60放大电位变化并控制电荷转送用晶体管TTR的栅极，可以实现放大程度更高的读取操作。

图13示出了说明本实施方式的第四结构例的检测电路的操作的信号波形。

在图13的定时t2，通过使开关SW的控制信号SSW变为0V，开关SW导通，反馈逆变器电路60的逆变器INV的输入与输出相连接，从而逆变器INV用作放大电路。然后如图13中的F1、F2、F3所示，列线DL的节点向正电位侧变化时，通过反馈逆变器电路60进行控制，以使栅极节点NG如F4、F5、F6所示向负电位侧变化。因此如F7、F8、F9所示，储能节点NT的检测电压的电位被放大，从而可以实现放大程度比图11中的D2、D4、D6更高的读取操作。通过这样地利用反馈逆变器电路60提高放大程度，可以进一步实现红外线检测的高灵敏度化。

7.电子设备

图14示出了包括本实施方式的传感器装置或红外线检测电路的电子设备的结构例。该电子设备包括光学系统200、传感器装置210(红外线检测电路)、图像处理部220、处理部230、存储部240、操作部250以及显示部260。本实施方式的电子设备不限于图14中的结构，可以进行省略其一部分结构要素(例如光学系统、操作部、显示部等)或增加其他结构要素等的各种变形。

光学系统200例如包括一或多个镜头及驱动这些镜头的驱动部等，并对传感器装置210进行物体图像的成像等。并且，必要时还可以进行焦点调整等。

传感器装置210是在图6(A)等中说明过的装置，用于进行物体图像的摄像处理。图像处理部220根据来自传感器装置210的数字图像数据(像素数据)进行图像校正处理等各种图像处理。并且也可使用红外线检测电路来代替作为图像传感器的传感器装置210。

处理部230对整个电子设备进行控制或对电子设备内的各模块进行控制。该处理部230例如通过CPU等来实现。存储部240是存储各种信息的部件，例如用作处理部230或图像处理部220的工作区。操作部250是使用户操作电子设备的界面，例如通过各种按钮或GUI(Graphical UserInterface；图形用户界面)画面等来实现。显示部260例如显示由传感器装置210获取的图像或GUI画面等，通过液晶显示器或有机EL显示器等各种显示器来实现。

并且，本实施方式可以适用于例如拍摄夜间的物体图像的夜视设备、获取物体的温度分布的热成像设备、检测人的入侵的入侵检测设备、进行物体的物理信息分析(测定)的分析设备(测定设备)、检测火或发热的安全设备、以及工厂等处设置的FA(Factory Automation；工厂自动化)设备等的各种电子设备。

以上详细地说明了本实施方式，但本领域技术人员容易理解，可以进行实质不脱离本发明的新内容及效果的多种变形。因此，这些变形例全部包含在本发明的范围中。例如，可以在说明书或附图的任何位置将说明书或附图中至少一次与更广义或同义的另一术语(第一电源节点、第二电源节点、第一电压电平、第二电压电平等等)同时记载的术语替换为该另一术语。此外，红外线检测电路、传感器装置、电子设备的结构与操作也不限于本实施方式所说明的情况，可以进行各种变形。

符号说明

CF 红外线检测元件 TTR 电荷转送用晶体管

NI 电压施加节点 NR 读取节点

NT 储能节点 CTA 槽路电容器

20 栅极控制电路 30 负电位生成电路

40 复位电路 50 电平转换器

60 反馈逆变器电路 100 传感器阵列

110 行选择电路 120 读取电路

130 A/D转换部 140 列扫描电路

150 控制电路

Claims

1.一种红外线检测电路，其特征在于，包括：

电荷转送用晶体管，设置在储能节点与红外线检测元件的一端侧的读取节点之间，并将来自所述红外线检测元件的电荷转送至所述储能节点；

栅极控制电路，控制所述电荷转送用晶体管的栅极；以及负电位生成电路，在通过所述电荷转送用晶体管转送电荷时将所述储能节点设定为负电位。

2.根据权利要求1所述的红外线检测电路，其特征在于，

在将所述电荷转送用晶体管的阈值电压设定为-VTH的情况下，所述栅极控制电路将对应于-VTH的栅极控制电压输出至所述电荷转送用晶体管的栅极。

3.根据权利要求1或2所述的红外线检测电路，其特征在于，

还包括复位电路，所述复位电路设置在第一电源节点与所述红外线检测元件的所述读取节点之间，在复位期间将所述读取节点复位为作为所述第一电源节点的电压电平的第一电压电平。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的红外线检测电路，其特征在于，

在所述负电位生成电路将所述储能节点设定为负电位后，所述电荷转送用晶体管导通，当所述电荷转送用晶体管导通后，所述红外线检测元件的另一端侧的电压施加节点从第一电压电平变为第二电压电平。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的红外线检测电路，其特征在于，

所述负电位生成电路包括一端连接至所述储能节点的第一负电位生成用电容器，所述第一负电位生成用电容器被兼用为连接至所述储能节点的槽路电容器。

6.根据权利要求5所述的红外线检测电路，其特征在于，

所述负电位生成电路包括一端连接至所述储能节点的第二负电位生成用电容器，从所述第二负电位生成用电容器的另一端输出所述储能节点的负电位转换为正电位后的电压。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的红外线检测电路，其特征在于，

所述负电位生成电路包括：

一端连接至所述储能节点的第一负电位生成用电容器；

一端与所述储能节点相连接、并且电容值比所述第一负电位生成用电容器的电容值大的第二负电位生成用电容器；

驱动所述第一负电位生成用电容器的另一端的第一驱动器；以及

驱动所述第二负电位生成用电容器的另一端的第二驱动器，

在将所述储能节点设定为负电位的情况下，所述第一驱动器使所述第一负电位生成用电容器的另一端从第二电压电平变为第一电压电平，并且所述第二驱动器使所述第二负电位生成用电容器的另一端从所述第二电压电平变为所述第一电压电平，

在所述第二负电位生成用电容器的另一端变为所述第一电压电平后，所述第二驱动器将所述第二负电位生成用电容器的另一端设定为高阻抗状态。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的红外线检测电路，其特征在于，

还包括设置在所述红外线检测元件的所述读取节点与所述电荷转送用晶体管之间的控制晶体管，

在所述控制晶体管进行多次导通截止操作后从所述储能节点获取检测电压。

9.根据权利要求8所述的红外线检测电路，其特征在于，

还包括一端连接至所述储能节点的槽路电容器，

在所述控制晶体管进行N次导通截止操作的情况下，所述槽路电容器的电容值是所述红外线检测元件的电容值的N倍以上。

10.根据权利要求8或9所述的红外线检测电路，其特征在于，

在所述控制晶体管导通的期间，所述红外线检测元件的另一端侧的电压施加节点从第一电压电平变为第二电压电平，所述电压施加节点变为所述第二电压电平后所述控制晶体管截止，在所述控制晶体管截止的期间，所述电压施加节点从所述第二电压电平变为所述第一电压电平。

11.根据权利要求10所述的红外线检测电路，其特征在于，

在所述控制晶体管截止的期间，所述红外线检测元件的所述读取节点被复位为所述第一电压电平。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的红外线检测电路，其特征在于，

还包括将所述电荷转送用晶体管的与所述储能节点不同侧的节点的电位变化进行逆转后输出至所述电荷转送用晶体管的栅极的反馈逆变器电路。

13.一种传感器装置，其特征在于，包括：

排列有多个传感器单元的传感器阵列；

一或多条行线；

一或多条列线；

连接至所述一或多条行线的行选择电路；以及

连接至所述一或多条列线的读取电路，

所述多个传感器单元中的各传感器单元包括：

红外线检测元件；以及

选择晶体管，所述选择晶体管设置在所述红外线检测元件与所述一或多条列线中的相应列线之间，并且所述选择晶体管的栅极通过所述一或多条行线中的相应行线来控制，所述读取电路包括：

电荷转送用晶体管，设置在储能节点与所述一或多条列线中的相应列线的节点之间，并将来自所述红外线检测元件的电荷转送至所述储能节点；

14.一种电子设备，其特征在于，

包括权利要求1至12中任一项所述的红外线检测电路。

15.一种电子设备，其特征在于，

包括权利要求13所述的传感器装置。