JP2007181106A - センサ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セル間に存在するゲイントランジスタのしきい値のばらつきによって生じる測定誤差の影響を低減し、正確な測定結果が得られるセンサを実現できるようにする。
【解決手段】センサは、検知した環境状態を電圧に変換して出力する検知素子１と、検知素子１が出力する電圧を増幅するゲイントランジスタ２と、ゲイントランジスタの閾値電圧に応じたバイアス電圧を前記検知素子に印加するバイアス電圧印加手段である閾値設定トランジスタ３とを備えている。検知素子１は、ゲイントランジスタ２のゲートと接続された第１の端子と、閾値設定トランジスタ３と接続された第２の端子とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明はセンサ及びその駆動方法に関し、特に検知素子が出力する電圧を増倍するトランジスタを備えたセンサに関する。

近年、被写体の温度分布を撮像する赤外線エリアセンサが提案されている。例えば、特許文献１には、サーモパイルをトランジスタのゲートに接続した赤外線エリアセンサが開示されている。以下、その構成及び動作を、図面を用いて説明する。

図１３は従来の赤外線エリアセンサの２行２列のセル構成を示したものである。サーモパイル７１の一端が、ゲイントランジスタ７２のゲートと接続され、サーモパイル７１の他端にはバイアス電圧Ｖ_Bが印加されている。ゲイントランジスタ７２のソースは接地され、ドレインには定電流源７３と蓄積容量７４とが接続されている。また、選択トランジスタ７５を介して信号線７６と接続されている。選択トランジスタ７５のゲートは、垂直走査線１００により制御される。このように構成されたセル７７（ａ）〜セル７７（ｄ）が２次元に配置されている。

この赤外線エリアセンサは、赤外線の照射量によってサーモパイル７１が出力する電圧が変化する。サーモパイル７１の出力電圧の変化は、最大で±０．１ｍＶである。出力電圧の変化は、ゲイントランジスタ７２のゲート電圧Ｖｇｓを変調し、ドレイン電流Ｉｄｓを変化させる。

従って、サーモパイル７１に赤外線が照射されていない場合に定電流源７３から流れ込む電流量Ｉ₀と、ゲイントランジスタ７２のドレイン電流Ｉｄｓとが一致するようにバイアス電圧Ｖ_Bを設定することにより、撮像エリアに設けられた各セル７７の出力レベルを合わせ、被写体の温度分布を正確に撮像することが可能となる。

特許文献１の赤外線エリアセンサは、バイアス電圧Ｖ_Bを設定するために、撮像エリアのセル７７と同一の構造を持ち且つ赤外線が照射されないオプチカルブラックセルを備えている。オプチカルブラックセルにおいて、定電流源７３から流れ込む電流量Ｉ₀と、ゲイントランジスタ７２のドレイン電流Ｉｄｓとが一致するようにバイアス電圧Ｖ_Bを決定し、オプチカルブラックセルにおいて決定されたバイアス電圧Ｖ_Bを、撮像エリアの各セル７７等に共通して印加している。
特許２６９９８４７号公報

しかしながら、本願発明者は、前記従来の赤外線エリアセンサの構成では、撮像エリアの各セル７７において、サーモパイル７１に赤外線が照射されていない場合に定電流源７３から流れ込む電流Ｉ₀とゲイントランジスタ７２のドレイン電流Ｉｄｓとを一致させることが不可能であることを見いだした。

図１４はゲイントランジスタ７２のゲート電圧Ｖｇｓとドレイン電流Ｉｄｓとの特性を示している。図１４において実線で示したオプチカルブラックセルにおいて、ドレイン電流が定電流源の出力電流Ｉ₀と一致するようにバイアス電圧Ｖ_Bが設定されている。

電界効果型トランジスタには、製造工程におけるパターン形成のばらつき、ゲート絶縁膜等の膜厚のばらつき及びソースドレインチャネル領域の不純物濃度のばらつき等を原因とする閾値電圧Ｖ_Tのばらつきが必ず存在する。例えば、オプチカルブラックセルのゲイントランジスタの閾値電圧Ｖ_T（ｏ）に対してセル７７（ａ）のゲイントランジスタ７２の閾値電圧Ｖ_T（ａ）がΔＶ_Tだけ高く、セル７７（ｂ）のゲイントランジスタ７２の閾値電圧Ｖ_T（ｂ）がΔＶ_Tだけ低いとする。この場合には、各ゲイントランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性は図１４において破線で示すように、オプチカルブラックセルのゲイントランジスタのＩｄｓ−Ｖｇｓ特性からシフトしてしまう。従って、バイアス電圧ＶＢがゲートに印加された場合のドレイン電流Ｉｄｓは定電流源の出力電流Ｉ₀と一致しない。

トランジスタの閾値電圧Ｖ_Tのばらつきは、トランジスタのゲート面積の平方根に対して逆比例、すなわちゲート長をＬ、ゲート幅をＷとしたとき、１／√ＬＷに比例して増大することが知られている。

実際に我々は、同一のゲートサイズを有する複数のトランジスタをシリコン基板上に接近して配置したものを多数作製し、各トランジスタの閾値電圧Ｖ_Tの値を測定した。図１５は種々のゲートサイズのトランジスタについて測定した閾値電圧のばらつきの分散σを１／√ＬＷに対してプロットしたものである。ゲイントランジスタに使用されるようなゲートサイズがサブミクロンサイズ、例えばゲート幅Ｗが０．５μｍでゲート長Ｌが０．５μｍのトランジスタにおいては、閾値電圧のばらつきの分散σは４０ｍＶもあることが判った。実際のエリアセンサには数万のセルが存在しているため、得られた分散の３倍（１２０ｍＶ）程度のばらつきが存在すると考えられる。これは、前述したサーモパイルの出力電圧の最大値０．１ｍＶをはるかに超えるものである。

従って、図１４に示すように同一照度の赤外線がセル７７（ａ）及び７７（ｂ）に照射され、サーモパイル７１が同一の起電力＋ＶＺを発生して、ゲイントランジスタ７２のゲートに印加された場合に、それぞれのゲイントランジスタのソースとドレインとの間に流れる電流Ｉ₁及び電流Ｉ₂の値は、全く異なる値となる。

このように、ゲイントランジスタの閾値電圧Ｖ_Tのばらつきがサーモパイルの出力電圧の最大値よりも大きいため、従来の赤外線エリアセンサでは、被写体から放出される赤外線を正確に再現したイメージ像を得ることは不可能である。

本発明は前記従来の問題を解決し、セル間に存在するゲイントランジスタの閾値電圧のばらつきによって生じる測定誤差の影響を低減し、より正確な測定結果が得られるセンサを実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明はセンサを、検知素子にゲイントランジスタの閾値電圧に応じたバイアス電圧を印加する構成とする。

具体的に本発明に係るセンサは、検知した環境状態に応じた電圧が第１の端子と第２の端子との間に生じる検知素子と、第１の端子と接続された第１のトランジスタと、第２の端子と接続され、第１のトランジスタの閾値電圧に応じたバイアス電圧を第２の端子に印加するバイアス電圧印加手段とを備えていることを特徴とする。

本発明のセンサは、第１のトランジスタの閾値電圧に応じたバイアス電圧を第２の端子に印加するバイアス電圧印加手段を備えているため、バイアス電圧を第１のトランジスタの閾値電圧の値に応じて調整することが可能となる。従って、複数のセンサを用いてエリアセンサを形成した場合に、各セルにおける第１のトランジスタのゲート電圧とドレイン電流との間の特性を均一化できるので、各セルの出力が第１のトランジスタの閾値電圧の影響を受けることがない。その結果、各セル間における出力のばらつきを小さく抑え、より正確な測定結果を得ることが可能となる。

本発明のセンサにおいて、バイアス電圧は第１のトランジスタがサブスレッショルド領域で動作する電圧であることが好ましい。このような構成とすることにより、従来は閾値電圧のばらつきのために使うことができなかった、ゲート電圧に対してドレイン電流が急峻に変化するサブスレッショルド領域を用いることが可能となり、センサの感度を向上させることができる。

本発明のセンサにおいて、バイアス電圧印加手段は第２の端子と第１のトランジスタのソース又はドレインとの間に接続された第２のトランジスタを含むことが好ましい。

本発明のセンサにおいて環境状態は、温度であることが好ましい。また、照度であってもよく、圧力であってもよい。

本発明のエリアセンサは、本発明のセンサが２次元に配列されていることを特徴とする。

本発明に係るセンサの駆動方法は、検知した環境状態に応じた電圧が第１の端子と第２の端子との間に生じる検知素子と、第１の端子にゲートが接続された第１のトランジスタと、第２の端子にソース又はドレインが接続された第２のトランジスタとを備えるセンサの駆動方法を対象とし、第２のトランジスタをオン状態とし且つ第１のトランジスタのソースとドレインとの間に電流を流すことにより、第２の端子に印加されるバイアス電圧を決定するステップ（ａ）と、第２のトランジスタをオフ状態とし、環境状態の検知を行うステップ（ｂ）とを備えていることを特徴とする。

本発明のセンサの駆動方法は、第２のトランジスタをオン状態とし且つ第１のトランジスタのソースとドレインとの間に電流を流すことにより、第２の端子に印加されるバイアス電圧を決定するステップを備えているため、第１のトランジスタの閾値電圧によってセンサ出力が変動することがない。従って、センサ間における出力のばらつきを小さく抑え、正確な測定結果を得ることができる。

本発明のセンサの駆動法において、ステップ（ａ）は予め定めた標準環境状態で行うことが好ましい。このような構成とすることにより、トランジスタの閾値電圧の影響をより低減することができる。また、バイアス電圧を検知素子の検出感度が高い領域に設定できる

本発明に係るセンサ及び駆動方法によれば、セル間に存在するゲイントランジスタの閾値電圧のばらつきによって生じる測定誤差の影響を低減し、より正確な測定結果が得られるセンサを実現できる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係るエリアセンサの要部の回路構成を示している。図１には２行２列分のセル及び水平駆動回路の一部を示している。図１に示すように１行１列目のセル１１（ａ）は、サーモパイルである検知素子１（ａ）を備えている。検知素子１（ａ）の一方の端子にはゲイントランジスタ２（ａ）のゲートが接続され、他方の端子にはバイアス電圧印加手段である閾値設定トランジスタ３（ａ）のソース及び蓄積容量４（ａ）が接続されている。ゲイントランジスタ２（ａ）のソースは接地され、ドレインには閾値設定トランジスタ３（ａ）のドレイン及び選択トランジスタ５（ａ）のソースと接続されている。

セル１１（ａ）を構成する選択トランジスタ５（ａ）のゲートは、行ごとに設けられた垂直走査線ＨＳＬ１によって制御され、閾値設定トランジスタ３（ａ）のゲートは、行ごとに設けられたバイアス線ＢＳＬ１によって制御される。選択トランジスタ５（ａ）のドレインは列ごとに設けられた信号線ＳＩＧ１と接続されている。信号線ＳＩＧ１の一端には定電流源３３（Ａ）と、セル信号電流を電圧変換する電圧変換回路３４（Ａ）とが接続されている。

本実施形態においては、同様の構成のセル１１（ｂ）、セル１１（ｃ）及びセル１１（ｄ）が２次元に配置され、２行２列のマトリックスが構成されている。セル１１（ｂ）を構成する選択トランジスタ５（ｂ）のゲートは、行ごとに設けられた垂直走査線ＨＳＬ１によって制御され、閾値設定トランジスタ３（ｂ）のゲートは、行ごとに設けられたバイアス線ＢＳＬ１によって制御される。選択トランジスタ５（ｂ）のドレインは列ごとに設けられた信号線ＳＩＧ２と接続されている。信号線ＳＩＧ２の一端には定電流源３３（Ｂ）と、セル信号電流を電圧変換する電圧変換回路３４（Ｂ）とが接続されている。また、セル１１（ｃ）を構成する選択トランジスタ５（ｃ）のゲートは、行ごとに設けられた垂直走査線ＨＳＬ２によって制御され、閾値設定トランジスタ３（ｃ）のゲートは、行ごとに設けられたバイアス線ＢＳＬ２によって制御される。選択トランジスタ５（ｃ）のドレインは列ごとに設けられた信号線ＳＩＧ１と接続されている。また、セル１１（ｄ）を構成する選択トランジスタ５（ｄ）のゲートは、行ごとに設けられた垂直走査線ＨＳＬ２によって制御され、閾値設定トランジスタ３（ｄ）のゲートは、行ごとに設けられたバイアス線ＢＳＬ２によって制御される。選択トランジスタ５（ｄ）のドレインは列ごとに設けられた信号線ＳＩＧ２と接続されている。

電圧変換回路３４（Ａ）は、読み出制御線ＳＴＬによって制御されるイネーブルトランジスタ４４（Ａ）と、インバータ４７（Ａ）を介して制御線ＳＴＬによって制御されるリセットトランジスタ４６（Ａ）とが、容量値がＣａである電圧変換キャパシタ４５（Ａ）と接続されて構成されている。また、電圧変換回路３４（Ｂ）は、読み出制御線ＳＴＬによって制御されるイネーブルトランジスタ４４（Ｂ）と、インバータ４７（Ｂ）を介して制御線ＳＴＬによって制御されるリセットトランジスタ４６（Ｂ）とが、容量値がＣａである電圧変換キャパシタ４５（Ｂ）と接続されて構成されている。

なお、定電流源３３（Ａ）及び定電流源３３（Ｂ）は、トランジスタを用いたカレントミラー回路等を用いればよく、その場合に用いるトランジスタのゲートサイズは、図１５に示した閾値電圧のばらつきが無視できるほど大きいサイズに設計する。

以下に、エリアセンサの各セル１１にそれぞれ設けられたゲイントランジスタ２に存在する閾値電圧Ｖ_Tのばらつきを補償する方法について図面を参照して説明する。エリアセンサを動作させるために、まずエリアセンサの環境を標準状態としてバイアス電圧Ｖ_Bの設定を行う。標準状態とは、あらかじめ設定した状態であり、例えば赤外線エリアセンサであればセンサに赤外線が入射していない状態とすればよい。図２は図１に示した赤外線エリアセンサのバイアス電圧Ｖ_Bを設定する駆動パルスシーケンスを示している。

まず、撮像領域をメカニカルシャッターによりダーク状態として各検知素子１の起電力をゼロにし、読み出制御線ＳＴＬを接地して電圧変換回路３４（Ａ）及び電圧変換回路３４（Ｂ）をディスイネーブルとしておく。

次に、垂直走査線ＨＳＬ１及びバイアスセット線ＢＳＬ１にパルスを印加する。ＨＳＬ１及びＢＳＬ１にハイレベルの電圧が印加されている場合に、定電流源３３（Ａ）及び定電流源３３（Ｂ）から一定の電流Ｉ₀が１行目のセル１１（ａ）のゲイントランジスタ２（ａ）及びセル１１（ｂ）のゲイントランジスタ２（ｂ）にそれぞれ流れ込む。このとき、Ｉ₀とゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）とが一致するように、ゲイントランジスタ２（ａ）のゲート電圧Ｖｇｓは自律的に調整される。同様にして、Ｉ₀とゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）とが一致するように、ゲイントランジスタ２（ｂ）のゲート電圧Ｖｇｓも自律的に調整される。

電界効果型トランジスタのドレイン電流Ｉｄｓはよく知られているように式１のように表されるので、蓄積容量４（ａ）と接続された検知素子１（ａ）の端子及び蓄積容量４（ｂ）と接続された検知素子１（ｂ）の端子には、式２及び式３により表される電圧Ｖ_B（ａ）及びＶ_B（ｂ）がそれぞれ発生する。但し、式１中のβは電流増幅度である。

図３はゲイントランジスタ２（ａ）のＶｇｓ−Ｉｄｓ特性と、ゲイントランジスタ２（ｂ）のＶｇｓ−Ｉｄｓ特性とを示している。ゲイントランジスタ２（ａ）の閾値電圧Ｖ_T（ａ）とゲイントランジスタ２（ｂ）の閾値電圧Ｖ_T（ｂ）とはΔＶ_Tつまり、Ｖ_T（ａ
）とＶ_T（ｂ）との差だけ異なっているため、定電流源３３（Ａ）及び定電流源３３（Ｂ）からの出力電流Ｉ₀に合わせてバイアス電圧Ｖ_B（ａ）及びバイアス電圧Ｖ_B（ｂ）は図２に示すように変化する。

同様に垂直走査線ＨＳＬ２及びバイアスセット線ＢＳＬ２にパルスが印加され、ＨＳＬ２及びＢＳＬ２に印加された電圧がハイレベルとなると、２行目のセル１１（ｃ）の検知素子１（ｃ）及びセル１１（ｄ）の検知素子１（ｄ）の端子には、式４により表されるバイアス電圧Ｖ_B（ｃ）及び式５により表されるバイアス電圧Ｖ_B（ｄ）がそれぞれ発生する。

各検知素子１にそれぞれゲイントランジスタ２の閾値電圧Ｖ_Tに対応したバイアス電圧Ｖ_Bが印加された後、ＨＳＬ１及びＢＳＬ１と、ＨＳＬ２及びＢＳＬ２とに印加する電圧をローレベルとしても、各検知素子１の端子には蓄積容量４がそれぞれ接続されているため、トランジスタのジャンクションリーク等による電圧低下を回避することができる。

各検知素子１の端子に各ゲイントランジスタ２の閾値電圧Ｖ_Tに対応したバイアス電圧Ｖ_Bが印加された後、メカニカルシャッターを開いて、被写体からの赤外線を撮像領域に受光する。この際に、例えば１行目のセル１１（ａ）及びセル１１（ｂ）に同一照度の光が入射して、各検知素子に＋ＶＺの起電力が発生したと仮定して、以下に、１行目のセル１１（ａ）及びセル１１（ｂ）の信号を読み出す動作を説明する。

図４に示すように読み出し制御線ＳＴＬの電圧がローレベルの状態においては、リセットトランジスタ４６（Ａ）及びリセットトランジスタ４６（Ｂ）がオン状態であるため、電圧変換キャパシタ４５（Ａ）及び電圧変換キャパシタ４５（Ｂ）の電位は、リセットトランジスタ４６（Ａ）及びリセットトランジスタ４６（Ｂ）のソースがそれぞれ接続された電源線の電位Ｖ_Rと等しい。

次に、タイミングｔ１において垂直走査線ＨＳＬ１にパルスが印加され、垂直走査線ＨＳＬ１の電圧がハイレベルとなると、ゲイントランジスタ２（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のゲートには、Ｖ_B（ａ）＋ＶＺ及びＶ_B（ｂ）＋ＶＺの電圧がそれぞれ印加される。この場合における、ゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）は、式１にゲイントランジスタ２（ａ）のゲートに印加された電圧Ｖ_B（ａ）＋ＶＺを代入することによって求めることができ、式６のようになる。同様に、ゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）は式７のようになる。

式６及び式７には、閾値電圧Ｖ_Tに関する項が無くなっており、各ゲイントランジスタ２のドレイン電流Ｉｄｓの値は、ゲイントランジスタ２の閾値電圧Ｖ_Tの影響を受けない。従って、ゲイントランジスタ２（ａ）の閾値電圧Ｖ_T（ａ）とゲイントランジスタ２（ｂ）の閾値電圧Ｖ_T（ｂ）との値が異なっていても、ゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）の値は等しくなる。これは、図３からも明らかである。

同時に、読み出制御線ＳＴＬにハイレベルの電圧が印加されると、定電流源３３（Ａ）及び定電流源３３（Ｂ）からの出力電流Ｉ₀とゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）との差分電流Ｉｄｓ（ａ）−Ｉ₀及び出力電流Ｉ₀とゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）との差分電流Ｉｄｓ（ｂ）−Ｉ₀とが、電圧変換キャパシタ４５（Ａ）及び電圧変換キャパシタ４５（Ｂ）に蓄積された電荷量をそれぞれ変化させる。

次に、タイミングｔ２において読み出制御線ＳＴＬ及び垂直走査線ＨＳＬ１に印加されたパルスが立ち下がると、信号線ＳＩＧ１と接続された電圧変換回路３４（Ａ）の電圧変換キャパシタ４５（Ａ）の電圧Ｖ_P（Ａ）及び信号線ＳＩＧ２と接続された電圧変換回路３４（Ｂ）の電圧変換キャパシタ４５（Ｂ）の電圧Ｖ_P（Ｂ）は、それぞれ式８及び式９のようになる。

これを外部から参照することによって、セル１１（ａ）の検知素子１（ａ）及びセル１１（ｂ）の検知素子１（ｂ）に入射した赤外線の照度を得ることができる。同様にして２行目のセル１１（ｃ）及びセル１１（ｄ）に入射した赤外線の照度も得ることができる。

第１の実施形態のエリアセンサによれば、ゲイントランジスタの閾値電圧Ｖ_Tの値に応じてバイアス電圧Ｖ_Bの値を各セルごとに設定することができる。従って、各セルの出力がゲイントランジスタの閾値電圧Ｖ_Tの影響を受けることなく、セルごとに正確な照度の値を得ることが可能となる。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図５は第２の実施形態に係るエリアセンサ要部の回路構成を示している。図５に示すように第２の実施形態のエリアセンサのセル構成及び水平駆動回路は、第１の実施形態のエリアセンサと同一であり、説明を省略する。

本実施形態のエリアセンサは、定電流源３３（Ａ）及び定電流源３３（Ｂ）の出力電流値Ｉ₀の値が、サブスレッショルド領域おいて各ゲイントランジスタ２が動作するように設定されていることを特徴とする。サブスレッショルド領域においては、ゲート電圧Ｖｇｓに対してドレイン電流Ｉｄｓは指数関数の依存性を示す。このため、図６に示すようにゲート電圧Ｖｇｓの変化に対してドレイン電流Ｉｄｓは大きく変化する。なお、図６において縦軸は対数目盛で示している。ゲイントランジスタ２として使用したＦＥＴの特性は、閾値電圧Ｖ_Tが１．０Ｖ、サブスレッショルド領域でドレイン電流が１０倍変化するのに要するゲート電圧変化であるＳ値が１００ｍＶ、電流増幅度βが０．１Ｓであった。

以下に、各ゲイントランジスタ２のサブスレッショルド領域にバイアス電圧Ｖ_Bを設定することによって、感度を向上できることを示す。図７は本実施形態のエリアセンサの駆動パルスシーケンスを示している。

まず、撮像領域をメカニカルシャッターを用いてダーク状態にして検知素子１の起電力をゼロにし、読み出制御線ＳＴＬを接地して読み出回路をディスイネーブルとしておく。この状態で、垂直走査線ＨＳＬ１及びバイアスセット線ＢＳＬ１にパルスを印加する。ＨＳＬ１及びＢＳＬ１がハイ状態にあるとき、定電流源３３（Ａ）及び定電流源３３（Ｂ）から一定の電流Ｉ₀がゲイントランジスタ２（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）に流れ込む。このとき、電流Ｉ₀とゲイントランジスタ２（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓとが一致するように、ゲート電圧Ｖｇｓは自律的に調整される。サブスレッショルド領域にある電界効果型トランジスタのドレイン電流Ｉｄｓは式１０のように表され、Ｓ値を用いて式１１のように表現することもできる。よって、蓄積容量４（ａ）が接続された検知素子１（ａ）の端子には、式１２により表されるバイアス電圧Ｖ_B（ａ）が発生する。また、蓄積容量４（ｂ）が接続された検知素子１（ｂ）の端子には、式１３により表されるバイアス電圧Ｖ_B（ｂ）が発生する。但し、式１０においてｑは素電荷、ηは（Ｃ_o＋Ｃ_D）／Ｃ_o（但し、Ｃ_oは空乏層容量であり、Ｃ_Dはゲート絶縁膜容量である。）、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度であり、式１１においてＩｓは飽和電流である。

同様に、ＨＳＬ２及びＢＳＬ２がハイ状態にあるとき、セル１１（ｃ）及びセル１１（ｄ）には、式１４により表される電圧Ｖ_B（ｃ）及び式１５により表される電圧Ｖ_B（ｄ）がそれぞれ発生する。

各検知素子１にそれぞれゲイントランジスタ２の閾値電圧Ｖ_Tに対応したバイアス電圧Ｖ_Bが印加された後、ＨＳＬ１及びＢＳＬ１と、ＨＳＬ２及びＢＳＬ２とに印加する電圧をローレベルとしても、各検知素子の端子には蓄積容量４が接続されているため、トランジスタのジャンクションリーク等による電圧低下を回避することができる。

各検知素子１の端子に各ゲイントランジスタ２の閾値電圧Ｖ_Tに対応したバイアス電圧Ｖ_Bがそれぞれ印加された後、メカニカルシャッターを開いて、被写体からの赤外線を撮像領域に受光する。この際に、例えば１行目のセル１１（ａ）及びセル１１（ｂ）に同一照度の光が入射して、各検知素子に＋ＶＺの起電力が発生したと仮定して、以下に、１行目のセル１１（ａ）及びセル１１（ｂ）の信号を読み出す動作を説明する。

図８に示すように読み出し制御線ＳＴＬの電圧がローレベルの状態においては、リセットトランジスタ４６（Ａ）及びリセットトランジスタ４６（Ｂ）がオン状態であるため、電圧変換キャパシタ４５（Ａ）及び電圧変換キャパシタ４５（Ｂ）の電位は、リセットトランジスタ４６（Ａ）及びリセットトランジスタ４６（Ｂ）のソースが接続された電源線Ｖ_Rの電位と等しい。

次に、タイミングｔ１において垂直走査線ＨＳＬ１にパルスが印加され、垂直走査線ＨＳＬ１の電圧がハイレベルとなると、ゲイントランジスタ２（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のゲートには、Ｖ_B（ａ）＋ＶＺ及びＶ_B（ｂ）＋ＶＺの電圧がそれぞれ印加される。この場合における、ゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）は、式１２に各ゲイントランジスタのゲートに印加された電圧を代入することによって求めることができ、それぞれ式１６及び式１７のようになる。

式１６及び式１７には、閾値電圧Ｖ_Tに関する項が無くなっており、ゲイントランジスタ２（ａ）の閾値電圧Ｖ_T（ａ）とゲイントランジスタ２（ｂ）の閾値電圧Ｖ_T（ｂ）との値が異なっていても、ゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）の値は等しくなる。

同時に、読み出制御線ＳＴＬにハイレベルの電圧が印加されると、定電流源３３（Ａ）からの出力電流Ｉ₀とゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）との差分電流Ｉｄｓ（ａ）−Ｉ₀が、信号線ＳＩＧ１に接続された電圧変換回路３４（Ａ）の電圧変換キャパシタ４５（Ａ）に蓄積された電荷量を変化させる。同様に、定電流源３３（Ｂ）からの出力電流Ｉ₀とゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）との差分電流Ｉｄｓ（ｂ）−Ｉ₀が、信号線ＳＩＧ２に接続された電圧変換回路３４（Ｂ）の電圧変換キャパシタ４５（Ｂ）に蓄積された電荷量を変化させる。

次に、タイミングｔ２において読み出制御線ＳＴＬ及び垂直走査線ＨＳＬ１に印加されたパルスが立ち下がると、信号線ＳＩＧ１と接続された電圧変換回路３４（Ａ）の電圧変換キャパシタ４５（Ａ）の電圧Ｖ_P（Ａ）及び信号線ＳＩＧ２と接続された電圧変換回路３４（Ｂ）の電圧変換キャパシタ４５（Ｂ）の電圧Ｖ_P（Ｂ）は、それぞれ式１８及び式１９のようになる。これを外部から参照することによって、セル１１（ａ）及びセル１１（ｂ）の照度を得ることができる。同様にして２行目のセル１１（ｃ）及びセル１１（ｄ）の照度も得ることができる。

第２の実施形態においては定電流源３３（Ａ）及び定電流源３３（Ｂ）の出力電流Ｉ₀の値をゲイントランジスタ２のサブスレッショルド領域の範囲内に設定し、これによりバイアス電圧Ｖ_Bを設定している。図９は差分電流Ｉｄｓ−Ｉ₀の出力電流Ｉ₀に対する変化率が検知素子１の起電力によって変化する様子を示している。図９において破線で示した出力電流Ｉ₀が１０ｍＡの場合と比べて、実線で示した出力電流Ｉ₀をゲイントランジスタのサブスレッショルド領域となる１００ｎＡに設定した場合には、差分電流Ｉｄｓ−Ｉ₀の変化率がはるかに大きくなっている。本結果から明らかなように、定電流源の出力電流をゲイントランジスタのサブスレッショルド領域の範囲内に設定することにより、検知素子の起電力ＶＺに対するドレイン電流Ｉｄｓの変化を大きくでき、エリアセンサの感度を向上させることができる。

従来のエリアセンサにおいては、ゲイントランジスタの閾値電圧のばらつきの影響を大きく受けるため、このように急峻な電流変化を示すサブスレッショルド領域で動作させることは困難であった。しかし、本実施形態のエリアセンサは、ゲイントランジスタの閾値電圧のばらつきの影響をほとんど受けないため、定電流源の出力電流をサブスレッショルド領域に設定し、バイアス電圧を設定することが可能であり、赤外線センサの検出感度を高めることができる。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係る赤外線エリアセンサについて、図面を参照して説明する。図１０は第１の実施形態に係るエリアセンサの要部の回路構成を示している。図１０には２行２列分のセル及び水平駆動回路の一部を示している。図１０において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

図１０に示すように本実施形態のエリアセンサは、１行目の蓄積容量４（ａ）及び蓄積容量４（ｂ）の一方の端子がプレート線ＰＬ１と接続され、２行目の蓄積容量４（ｃ）及び蓄積容量４（ｄ）の一方の端子がプレート線ＰＬ２と接続されている。また、水平駆動回路の構成が異なっており、信号線ＳＩＧ１の一端に、切り替えスイッチ５３（Ａ）を介して、抵抗器５１（Ａ）及びキャパシタ５２（Ａ）がそれぞれ接続され、信号線ＳＩＧ２の一端に、切り替えスイッチ５３（Ｂ）を介して、抵抗器５１（Ｂ）及びキャパシタ５２（Ｂ）がそれぞれ接続されている。

以下に、エリアセンサの各セルに設けられたゲイントランジスタ２に存在する閾値電圧Ｖ_Tのばらつきを補償する方法について図面を参照して説明する。図１１は図１０に示した赤外線エリアセンサの駆動パルスシーケンスを示している。

まず、撮像領域をメカニカルシャッターを用いてダーク状態にして検知素子１の起電力をゼロにし、信号線ＳＩＧ１及び信号線ＳＩＧ２を接地電位に設定する（接地電位へのセット手段は図示していない。）。続いて、切り替えスイッチ５３（Ａ）及び切り替えスイッチ５３（Ｂ）を操作することにより、信号線ＳＩＧ１と抵抗器５１（Ａ）及び信号線ＳＩＧ２と抵抗器５１（Ｂ）とをそれぞれ接続する。

次に、垂直走査線ＨＳＬ１及びバイアスセット線ＢＳＬ１にパルスを印加する。ＨＳＬ１及びＢＳＬ１の電圧がハイレベルにあるとき、電源ＶＤＤから抵抗器５１（Ａ）及び抵抗器５１（Ｂ）を介して、電流がゲイントランジスタ２（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）に流れ込む。これにより信号線ＳＩＧ１の電位（ゲイントランジスタ２のゲートと同一電位）は上昇し、閾値電圧Ｖ_T（ａ）と一致したところでゲイントランジスタ２（ａ）がオフ状態となる。同様にして、信号線ＳＩＧ２の電位が閾値電圧Ｖ_T（ｂ）と一致したところでゲイントランジスタ２（ｂ）がオフ状態となる。すなわち、ゲイントランジスタ２（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のゲート電圧Ｖｇｓは自律的に閾値電圧Ｖ_Tへと調整される。

従って、蓄積容量４（ａ）が接続された検知素子１（ａ）の端子には、ゲイントランジスタ２（ａ）の閾値電圧Ｖ_T（ａ）と等しいバイアス電圧Ｖ_B（ａ）が発生する。また、蓄積容量４（ｂ）が接続された検知素子１（ｂ）の端子には、ゲイントランジスタ２（ｂ）の閾値電圧Ｖ_T（ｂ）と等しいバイアス電圧Ｖ_B（ｂ）が発生する。

ＨＳＬ２及びＢＳＬ２がハイ状態にあるときは、セル１１（ｃ）及びセル１１（ｄ）が同様の動作をし、ゲイントランジスタ２（ｃ）及びゲイントランジスタ２（ｄ）のゲート電圧Ｖｇｓが自律的に閾値電圧Ｖ_Tへと調整される。

各検知素子１にそれぞれゲイントランジスタ２の閾値電圧Ｖ_Tに対応したバイアス電圧Ｖ_Bが印加された後、ＨＳＬ１及びＢＳＬ１と、ＨＳＬ２及びＢＳＬ２とに印加する電圧をローレベルとしても、各検知素子１の端子には蓄積容量４がそれぞれ接続されているため、トランジスタのジャンクションリーク等による電圧低下を回避することができる。

各検知素子１の端子に各ゲイントランジスタ２の閾値電圧Ｖ_Tに対応したバイアス電圧Ｖ_Bが印加された後、メカニカルシャッターを開いて、被写体からの赤外線を撮像領域に受光する。この際に、例えば１行目のセル１１（ａ）及びセル１１（ｂ）に同一照度の光が入射して、各検知素子に＋ＶＺの起電力が発生したと仮定して、以下に、１行目のセル１１（ａ）及びセル１１（ｂ）の信号を読み出す動作を説明する。

まず、切り替えスイッチ５３（Ａ）及び切り替えスイッチ５３（Ｂ）を操作して、信号線ＳＩＧ１とキャパシタ５２（Ａ）と及び信号線ＳＩＧ２とキャパシタ５２（Ｂ）とをそれぞれ電気的に接続する。この際に、キャパシタ５２（Ａ）及びキャパシタ５２（Ｂ）は、電位Ｖ_Rにプリチャージしておく。

次に図１２に示すように、タイミングｔ１において垂直走査線ＨＳＬ１にパルスを印加して選択トランジスタ５（ａ）及び選択トランジスタ５（ｂ）をオン状態とする。同時に、プレート線ＰＬ１に電位がＶｃのパルスを印加することにより、蓄積容量４（ａ）が接続された検知素子１（ａ）の端子の電位は、寄生容量分だけ電圧のロスが生じるがＶ_B（ａ）からほぼＶｃだけ増加する。また同様にして、蓄積容量４（ｂ）が接続された検知素子１（ｂ）の端子の電位は、Ｖ_B（ｂ）からほぼＶｃだけ増加する。

その結果、ゲイントランジスタ２（ａ）のゲートには、Ｖ_B（ａ）＋Ｖｃ＋ＶＺの電圧が印加され、ゲイントランジスタ２（ｂ）のゲートには、Ｖ_B（ｂ）＋Ｖｃ＋ＶＺの電圧が印加される。この場合における、ゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）は、式１に各ゲイントランジスタのゲートに印加された電圧を代入することによって求めることができ、それぞれ式２０及び式２１のようになる。

式２０及び２１は、閾値電圧Ｖ_Tに関する項がなく、ゲイントランジスタ２（ａ）の閾値電圧Ｖ_T（ａ）とゲイントランジスタ２（ｂ）の閾値電圧Ｖ_T（ｂ）との値が異なっていても、ゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）及びゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）の値は等しくなる。

ゲイントランジスタ２（ａ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ａ）は信号線ＳＩＧ１と接続されたキャパシタ５２（Ａ）に蓄積された電荷量を変化させ、ゲイントランジスタ２（ｂ）のドレイン電流Ｉｄｓ（ｂ）は信号線ＳＩＧ２と接続されたキャパシタ５２（Ｂ）に蓄積された電荷量を変化させる。その結果、ＨＳＬ１及びＰＬ１に印加されたパルスが時刻ｔ１で立ち上がり、時刻ｔ２で立ち下がる場合に、信号線ＳＩＧ１と接続されたキャパシタ５２（Ａ）の電圧Ｖ_P（Ａ）は、式２２のように変化し、信号線ＳＩＧ２と接続されたキャパシタ５２（Ｂ）の電圧Ｖ_P（Ｂ）は、式２３のように変化する。これを外部から参照することによって、セル１１（ａ）及び１１（ｂ）に入射した赤外線の強度を得ることができる。同様にして２行目のセル１１（ｃ）及びセル１１（ｄ）に入射した赤外線の強度も得ることができる。

第３の実施形態のエリアセンサは、バイアス電圧を閾値電圧Ｖ_Tへと設定完了した段階で自動的に電流が停止するので、消費電力を低減することができる。

各実施形態において検知素子がサーモパイルである例を示したが、検知素子がおかれた環境状態を電圧に変換する素子であればどのようなものでも用いることができる。例えば温度変化を電圧変換する熱電対、照度変化を電圧変換するフォトダイオード、圧力変化を電圧変換する強誘電体等を用いることができる。ここで、圧力変化とは媒質の振動、例えば音波なども含まれる。

また、標準状態は、検出素子の種類及びセンサの用途に応じて適宜設定すればよい。例えば、照度を電圧変換するセンサの場合、撮像領域に光が入射しないメカニカルシャッターを閉じたダーク状態を標準状態とすると、フォトダイオード等からなる検知素子の起電力がゼロとなるので、検知素子におけるばらつきを除外した状態でバイアス電圧を設定することが可能となる。また、メカニカルシャッターを閉じて、ダーク状態と最も照度が高い状態であるホワイト状態との中間照度の光を照射して状態を標準状態として、バイアス電圧を設定することにより、より明瞭に撮像することが可能となる。

本発明は、セル間に存在するゲイントランジスタの閾値電圧のばらつきによって生じる測定誤差の影響を低減し、より正確な測定結果が得られるセンサを実現でき、検知素子が出力する電圧を増倍するトランジスタを備えたセンサ等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係るエリアセンサの要部を示す回路図で 本発明の第１の実施形態に係るエリアセンサのバイアス設定動作の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係るエリアセンサのゲイントランジスタのゲート電圧とドレイン電流との特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るエリアセンサの読み出動作の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るエリアセンサの要部を示す回路図で 本発明の第２の実施形態に係るエリアセンサのゲイントランジスタのゲート電圧とドレイン電流との特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るエリアセンサのバイアス設定動作の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るエリアセンサの読み出動作の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るエリアセンサの検知素子の起電力とドレイン電流の変化率との関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係るエリアセンサの要部を示す回路図で 本発明の第３の実施形態に係るエリアセンサのバイアス設定動作の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係るエリアセンサの読み出動作の駆動方法を示すタイミングチャートである。 従来例に係るエリアセンサのセル構成を示す回路図である。 従来例に係るエリアセンサの読み出値がばらつく原因を説明するためのゲイントランジスタのゲート電圧とドレイン電流との特性を示すグラフである。 トランジスタの閾値電圧のばらつき特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 検知素子
２ ゲイントランジスタ
３ 閾値設定トランジスタ
４ 蓄積容量
５ 選択トランジスタ
１１ セル
３３ 定電流源
３４ 電圧変換回路
４４ イネーブルトランジスタ
４５ 電圧変換キャパシタ
４６ リセットトランジスタ
４７ インバータ
５１ 抵抗器
５２ キャパシタ
５３ 切り替えスイッチ
ＢＳＬ１ バイアスセット線
ＢＳＬ２ バイアスセット線
ＨＳＬ１ 垂直走査線
ＨＳＬ２ 垂直走査線
ＰＬ１ プレート線
ＰＬ２ プレート線
ＳＩＧ１ 信号線
ＳＩＧ２ 信号線
ＳＴＬ 読み出制御線

Claims (9)

1. 検知した環境状態に応じた電圧が第１の端子と第２の端子との間に生じる検知素子と、
   前記第１の端子と接続された第１のトランジスタと、
   前記第２の端子と接続され、前記第１のトランジスタの閾値電圧に応じたバイアス電圧を前記第２の端子に印加するバイアス電圧印加手段とを備えていることを特徴とするセンサ。
2. 前記バイアス電圧は、前記第１のトランジスタがサブスレッショルド領域で動作する電圧であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記バイアス電圧印加手段は、前記第２の端子と前記第１のトランジスタのソース又はドレインとの間に接続された第２のトランジスタを含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 前記環境状態は、温度であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 前記環境状態は、照度であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記環境状態は、圧力であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサを２次元に配列したことを特徴とするエリアセンサ。
8. 検知した環境状態に応じた電圧が第１の端子と第２の端子との間に生じる検知素子と、前記第１の端子にゲートが接続された第１のトランジスタと、前記第２の端子にソース又はドレインが接続された第２のトランジスタとを備えたセンサの駆動方法であって、
   前記第２のトランジスタをオン状態とし且つ前記第１のトランジスタのソースとドレインとの間に電流を流すことにより、前記第２の端子に印加されるバイアス電圧を決定するステップ（ａ）と、
   前記第２のトランジスタをオフ状態とし、環境状態の検知を行うステップ（ｂ）とを備えていることを特徴とするセンサの駆動方法。
9. 前記ステップ（ａ）は、予め定めた標準環境状態で行うことを特徴とする請求項８に記載のセンサの駆動方法。
   

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