JP2012132874A - 検出装置、センサーデバイス及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】焦電素子の分極方向を個別に設定して、検出感度を高くすることができる検出装置、センサーデバイス及び電子機器等を提供すること。
【解決手段】検出装置は、検出ノードＮＤと第１の電源ノードＶＳＳとの間に直列に設けられる第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎと、検出ノードＮＤに接続される検出回路２０と、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの分極方向を個別に設定するポーリング処理を行うポーリング回路３０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置、センサーデバイス及び電子機器等に関する。

従来より、焦電素子を用いた赤外線の検出装置が知られている。例えば人体からは、波長が１０μｍ付近の赤外線が輻射されており、これを検出することで人体の存在や温度の情報を非接触で取得できる。従って、このような赤外線の検出回路を利用することで、侵入検知や物理量計測を実現できる。

赤外線の検出装置の従来技術としては、例えば特許文献１に開示される技術が知られている。特許文献１の従来技術では、チョッパーを用いて、焦電素子への赤外線の照射・遮断を繰り返しながら、焦電素子の温度を変化させて焦電流を発生させ、この焦電流を焦電素子自身に充電させることで電圧信号として検出する。

しかしながら、この従来技術では、焦電素子に用いられる強誘電体の比誘電率が非常に高いために、必然的に焦電素子の電気容量が大きくなり、大きな電圧信号を取り出すことができない。その結果、検出装置の感度を高くすることが難しいという問題がある。

特開昭５９−１４２４２７号公報

本発明の幾つかの態様によれば、焦電素子の分極方向を個別に設定して、検出感度を高くすることができる検出装置、センサーデバイス及び電子機器等を提供できる。

本発明の一態様は、検出ノードと第１の電源ノードとの間に直列に設けられる第１の焦電素子〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の焦電素子と、前記検出ノードに接続される検出回路と、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子の分極方向を個別に設定するポーリング処理を行うポーリング回路とを含む検出装置に関係する。

本発明の一態様によれば、ポーリング回路によりｎ個の焦電素子の分極方向を個別に設定することができる。その結果、例えば工場出荷時や使用開始前にポーリング処理を行って、ｎ個の焦電素子の分極方向をそれぞれ所望の方向に設定することができる。その結果、検出装置の感度を高めたり、検出精度を向上させることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記ポーリング回路は、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を同じ方向に設定する前記ポーリング処理を行ってもよい。

このようにすれば、ｎ個の焦電素子のうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を同じ方向に設定することで、１個の焦電素子から得られる出力信号より大きな出力信号を得ることができる。例えばｎ個の焦電素子の分極方向を同一方向に設定することで、１個の焦電素子から得られる出力信号のｎ倍の出力信号を得ることができる。その結果、例えば焦電素子の材料や膜厚を変更することなしに、検出装置の感度を高めることができ、また検出精度を向上させることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記ポーリング回路は、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を第１の分極方向に設定し、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの、前記第１の分極方向に分極方向が設定された前記少なくとも２つの焦電素子を除く焦電素子の分極方向を、前記第１の分極方向とは反対の方向である第２の分極方向に設定してもよい。

このようにすれば、外乱や環境温度の変化があった場合には、第２の分極方向に設定された焦電素子から反対向きの焦電流が生じることで、外乱や環境温度の変化による影響を低減することができる。その結果、外乱や環境温度の影響を受けずに、安定でより精度の高い赤外線検出などが可能になる。

また本発明の一態様では、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの第ｉの焦電素子〜第ｊの焦電素子の分極方向を第１の分極方向に設定する場合には、前記ポーリング回路は、前記第ｉの焦電素子の一端側のノードである第ｉの接続ノードに対してポーリング用電圧を印加し、前記第ｊの焦電素子の他端側のノードである第ｊ＋１の接続ノードを第１の電源電圧に設定してもよい。

このようにすれば、第ｉの焦電素子〜第ｊの焦電素子の各焦電素子に分極方向を設定するための電圧が印加されるから、第ｉの焦電素子〜第ｊの焦電素子の分極方向を第１の分極方向に設定することができる。

また本発明の一態様では、前記ポーリング回路は、第１のスイッチ回路と、第２のスイッチ回路とを含み、前記第１のスイッチ回路は、前記第ｉの接続ノードに対して前記ポーリング用電圧を印加し、前記第２のスイッチ回路は、前記第ｊ＋１の接続ノードを前記第１の電源電圧に設定してもよい。

このようにすれば、第１のスイッチ回路により選択された第ｉの接続ノードと第２のスイッチ回路により選択された第ｊ＋１の接続ノードとの間に設けられる１又は複数の焦電素子の分極方向を第１の分極方向に設定することができる。

また本発明の一態様では、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの第ｐの焦電素子〜第ｑの焦電素子の分極方向を前記第１の分極方向の反対方向である第２の分極方向に設定する場合には、前記ポーリング回路は、前記第ｐの焦電素子の一端側のノードである第ｐの接続ノードを前記第１の電源電圧に設定し、前記第ｑの焦電素子の他端側のノードである第ｑ＋１の接続ノードに対して前記ポーリング用電圧を印加してもよい。

このようにすれば、第ｐの焦電素子〜第ｑの焦電素子の各焦電素子に分極方向を第２の分極方向に設定するための電圧が印加されるから、第ｐの焦電素子〜第ｑの焦電素子の分極方向を第２の分極方向に設定することができる。

また本発明の一態様では、前記ポーリング回路は、第１のスイッチ回路と、第２のスイッチ回路とを含み、前記第１のスイッチ回路は、前記第ｑ＋１の接続ノードに対して前記ポーリング用電圧を印加し、前記第２のスイッチ回路は、前記第ｐの接続ノードを前記第１の電源電圧に設定してもよい。

このようにすれば、第１のスイッチ回路により選択された第ｑ＋１の接続ノードと第２のスイッチ回路により選択された第ｐの接続ノードとの間に設けられる１又は複数の焦電素子の分極方向を第２の分極方向に設定することができる。

また本発明の一態様では、前記ポーリング回路は、前記第１の焦電素子の一端側のノードである第１の接続ノードと前記検出ノードとの間に設けられる検出用スイッチ素子を含み、前記ポーリング回路は、検出期間では、前記検出用スイッチ素子をオン状態に設定し、前記ポーリング処理の期間では、前記検出用スイッチ素子をオフ状態に設定してもよい。

このようにすれば、検出期間では、ｎ個の焦電素子にポーリング電圧が印加されない状態で、焦電素子からの電圧信号を検出回路に入力することができる。一方、ポーリング処理の期間では、検出回路にポーリング電圧が入力されない状態で、焦電素子のポーリング処理を行うことができる。

また本発明の一態様では、前記ポーリング回路は、前記ポーリング処理が正常に行われたかどうかをモニターするポーリングモニター回路を含んでもよい。

このようにすれば、ポーリング処理が正常に行われなかった場合に、再度ポーリング処理を行うことができるから、信頼性の高い赤外線検出などが可能になる。

また本発明の一態様では、前記ポーリングモニター回路は、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子の各焦電素子の一端側の接続ノードを前記検出ノードに接続し、前記検出回路の検出結果に基づいて前記各焦電素子の分極をモニターしてもよい。

このようにすれば、ポーリングモニター回路は、各焦電素子の分極を個別にモニターすることができるから、各焦電素子に対して確実にポーリング処理を行うことができる。その結果、信頼性の高い赤外線検出などが可能になる。

また本発明の一態様では、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子を支持する共通支持部材を含み、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子は、前記共通支持部材上に形成されてもよい。

このようにすれば、共通支持部材上にｎ個の焦電素子を設けることができるから、１個のセンサーの面積を小さくすることができる。その結果、複数のセンサーセルをアレイ状に配置したセンサーアレイにおいて、センサーセルを高密度に配置することなどが可能になる。

また本発明の一態様では、共通空洞領域を含み、前記共通空洞領域は、前記共通支持部材の下方に設けられてもよい。

このようにすれば、ｎ個の焦電素子及び共通支持部材を基板から熱的に分離することができる。その結果、赤外線検出の感度を高めることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子を支持する第１の支持部材〜第ｎの支持部材を含み、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子は、対応する前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材上にそれぞれ形成されてもよい。

このようにすれば、ｎ個の支持部材の各支持部材の面積を小さくすることができるから、焦電素子の熱容量を低減することが可能になる。その結果、赤外線検出の感度を高めることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材の各々を接続する複数の接続部を含み、前記ポーリング回路は、前記複数の接続部に設けられる配線を介して、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子にポーリング用電圧を供給してもよい。

このようにすれば、ポーリング回路は、接続部に設けられた配線を介して各焦電素子にポーリング用電圧を印加することができるから、各焦電素子の分極方向を個別に設定することができる。

また本発明の一態様では、前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材に共通の共通空洞領域を含み、前記共通空洞領域は、前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材の下方に設けられてもよい。

このようにすれば、ｎ個の焦電素子及びｎ個の支持部材を基板から熱的に分離することができる。その結果、赤外線検出の感度を高めることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材に対応する第１の空洞領域〜第ｎの空洞領域を含み、前記第１の空洞領域〜前記第ｎの空洞領域は、対応する前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材の下方にそれぞれ設けられてもよい。

このようにすれば、各焦電素子及び各支持部材を基板から熱的に分離することができる。その結果、赤外線検出の感度を高めることなどが可能になる。

本発明の他の態様は、上記いずれかに記載の検出装置を含むセンサーデバイスに関係する。

本発明の他の態様は、複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、１又は複数の行線と、１又は複数の列線と、前記１又は複数の行線に接続される行選択回路と、前記１又は複数の列線に接続される読み出し回路とを含み、前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、検出ノードと第１の電源ノードとの間に直列に設けられる第１の焦電素子〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の焦電素子と、前記検出ノードに接続される検出回路と、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子の分極方向を個別に設定するポーリング処理を行うポーリング回路とを含むセンサーデバイスに関係する。

本発明の他の態様によれば、センサーセルのｎ個の焦電素子の分極方向を個別に設定することができるから、例えばｎ個の焦電素子の分極方向を同一方向に設定することで、センサーデバイスの検出感度を高めることができる。また、例えばｎ個の焦電素子のうちの少なくとも１個の焦電素子の分極方向を他の焦電素子の分極方向と反対の方向に設定することで、外乱や環境温度の影響を低減することができる。その結果、例えば高感度で精度の高い赤外線カメラ等を実現することが可能になる。

本発明の他の態様は、上記いずれかに記載のセンサーデバイスを含む電子機器に関係する。

検出装置の基本的な構成例。 ポーリング処理を説明する図。 ポーリング処理を説明する別の図。 図４（Ａ）は、焦電素子の分極方向を同一方向に設定した場合。図４（Ｂ）は、焦電素子の分極方向を異なる方向に設定した場合。 入射赤外線のパワーと出力信号（電圧信号）との関係を示すグラフ。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、焦電素子の第１の構成例。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、焦電素子の第２及び第３の構成例。 図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、検出回路の第１及び第２の構成例。 図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、センサーデバイスの構成例。 センサーアレイの詳細な構成例。 センサーアレイの変形例。 センサーデバイスを含む電子機器の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．焦電素子
本実施形態の検出装置では、赤外線等を検出する素子として焦電素子（熱センサー素子、赤外線検出素子、熱型光検出素子、強誘電体素子）を用いる。焦電素子は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体を用いた素子であって、焦電素子の温度変化により発生する焦電流を利用して赤外線を検出する。

具体的には、チョッパー等により焦電素子に照射される赤外線を周期的に遮断することで、焦電素子の温度を変化させて焦電流を発生させ、この焦電流を焦電素子自身に充電させることで電圧信号として検出する。この電圧信号が大きいほど、検出装置の感度が高くなり、また検出精度を高めることも可能になる。以下では、検出される電圧信号を大きくするための条件について説明する。

焦電流によって焦電素子に充電される総電荷量をＱとし、焦電素子の電気容量（キャパシタンス）をＣとすると、検出される電圧信号ΔＶは以下の式で与えられる。

ΔＶ＝Ｑ／Ｃ （１）
総電荷量Ｑは、焦電素子の温度変化をΔＴ、焦電係数をｐ、焦電素子の面積をＳとすると、次式で与えられる。

Ｑ＝ｐ×Ｓ×ΔＴ （２）
また、焦電素子の電気容量Ｃは、強誘電体（焦電体）の比誘電率をε、真空誘電率をε０、強誘電体の膜厚をdとすると、次式で与えられる。

Ｃ＝ε×ε０×Ｓ／ｄ （３）
式（１）〜（３）より、電圧信号ΔＶは以下のようになる。

ΔＶ＝ｐ×ΔＴ×ｄ／（ε×ε０） （４）
式（４）から分かるように、電圧信号ΔＶを大きくするためには、焦電係数ｐ、温度変化ΔＴ及び強誘電体の膜厚dを大きくし、強誘電体の比誘電率εを小さくする必要がある。

焦電係数ｐは、温度変化に対する焦電体の自発分極の変化量に相当し、焦電係数ｐの大きさは材料に依存し、キュリー点より低い温度であればほぼ一定である。例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の場合では、焦電係数ｐは５０ｎＣ／Ｋ／ｃｍ^２という優れた値である。

温度変化ΔＴは、赤外線受光前後の焦電素子の温度差である。温度変化ΔＴを大きくするためには、焦電素子の温度が上昇しやすくなるよう、焦電素子を含めたセンサー全体の熱容量を小さくし、且つ、センサーとその周囲との間の熱伝導を抑える必要がある。例えば、熱容量を小さくするために薄膜（１００ｎｍ程度）のＰＺＴを成膜し、ＭＥＭＳ技術によって焦電素子を含むセンサーを熱的に分離する構造を用いている。

強誘電体の膜厚dについては、式（４）から分かるように、電圧信号ΔＶを大きくするためには膜厚ｄを大きくする方が望ましい。しかし、膜厚ｄを大きくすると、焦電素子を含めたセンサー全体の熱容量が大きくなってしまうという課題がある。

強誘電体の比誘電率εは材料によって決まるが、例えばＰＺＴの場合では、１０００程度もあるために電気容量Ｃが大きくなってしまうという課題がある。

このように、温度変化ΔＴを大きくするために、熱容量を小さくしようとして膜厚dを薄くすれば、電気容量Ｃが大きくなってしまう。電気容量Ｃが大きくなるから、結果的には電圧信号ΔＶを大きくすることができない。反対に、電気容量Ｃを小さくしようとして膜厚dを厚くすれば、熱容量が大きくなり、温度変化ΔＴが小さくなって、結果的には電圧信号ΔＶを大きくすることができない。

比誘電率εを小さくすることは、例えばＰＺＴの場合では、材料の組成比の変更、成膜プロセスの最適化などで比誘電率を下げることは可能であるが、著しく下げることは難しい。また、ＰＺＴ以外の比誘電率の低い強誘電体材料として、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの有機強誘電体などが挙げられるが、材料の信頼性に課題があること、焦電係数がＰＺＴに比べて1桁以上低いことなどから、十分な性能が期待できないなどの問題がある。

２．検出装置
図１に本実施形態の検出装置の基本的な構成例を示す。本実施形態の検出装置は、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎと、検出回路２０と、ポーリング回路３０とを含む。なお、本実施形態の検出装置は図１の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎは、検出ノードＮＤと第１の電源ノードＶＳＳ（低電位側電源ノード）との間に直列に設けられる。そして、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎは、ポーリング回路３０によって分極方向が個別に設定される。

分極方向が個別に設定されるとは、ｎ個の焦電素子の分極方向が一括して設定されるのではなく、少なくとも１つの焦電素子の分極方向が別々に設定されるということである。例えば４個の焦電素子の場合には、１個ずつ設定してもよいし、或いは２個ずつ設定してもよいし、或いは１個を設定してから、次に３個を設定してもよい。

第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎである整数）の焦電素子ＰＹｉの一端側のノードを第ｉの接続ノードＮｉとし、第ｉの焦電素子ＰＹｉの他端側のノードを第ｉ＋１の接続ノードＮｉ＋１とする。例えば、図１に示すように、第３の焦電素子ＰＹ３の一端側のノードは第３の接続ノードＮ３であり、他端側のノードは第４の接続ノードＮ４である。

検出回路２０は、検出ノードＮＤに接続され、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの焦電流に基づく電圧信号を検出して、検出信号ＶＤＥＴを出力する。なお、検出回路２０の具体的な構成については、後述する。

ポーリング回路３０は、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの分極方向を個別に設定するポーリング処理を行う。具体的には、ポーリング回路３０は第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を同じ方向に設定するポーリング処理を行うことができる。そしてその他の焦電素子の分極方向を異なる方向に設定することができる。

より具体的には、ポーリング回路３０は、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を第１の分極方向に設定する。そして、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの、第１の分極方向に分極が設定された少なくとも２つの焦電素子を除く焦電素子の分極方向を、第１の分極方向とは反対の分極方向である第２の分極方向に設定する。

ここで第１の分極方向とは、各焦電素子の検出ノードＮＤ側の電極を上部電極とし、第１の電源ノードＶＳＳ側の電極を下部電極とした場合に、上部電極側に負（−）の分極電荷が生じ、下部電極側に正（＋）の分極電荷が生じる分極方向をいう。また、第２の分極方向とは、上部電極側に正（＋）の分極電荷が生じ、下部電極側に負（−）の分極電荷が生じる分極方向をいう。

ポーリング回路３０は、第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２を含む。第１のスイッチ回路ＳＷ１は、第１〜第ｎ＋１の接続ノードＮ１〜Ｎｎ＋１のうちのいずれか１つの接続ノードを選択し、選択された接続ノードにポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加する。第２のスイッチ回路ＳＷ２は、第１〜第ｎ＋１の接続ノードＮ１〜Ｎｎ＋１のうちのいずれか１つの接続ノードを選択し、選択された接続ノードを第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。こうすることで、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの分極方向を個別に設定することができる。

すなわち、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの第ｉ〜第ｊの焦電素子ＰＹｉ〜ＰＹｊの分極方向を第１の分極方向に設定する場合には、ポーリング回路３０は、第ｉの焦電素子ＰＹｉの一端側のノードである第ｉの接続ノードＮｉに対してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加し、第ｊの焦電素子ＰＹｊの他端側のノードである第ｊ＋１の接続ノードＮｊ＋１を第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。

この場合には、第１のスイッチ回路ＳＷ１は、第ｉの接続ノードＮｉに対してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加し、第２のスイッチ回路ＳＷ２は、第ｊ＋１の接続ノードＮｊ＋１を第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。

なお、第ｉ〜第ｊの焦電素子ＰＹｉ〜ＰＹｊの個数ｊ−ｉ＋１はｎより小さい。例えば、４個の焦電素子の場合（ｎ＝４）では、第ｉ〜第ｊの焦電素子ＰＹｉ〜ＰＹｊは、１個か２個か３個の焦電素子であって、４個の焦電素子ではない。

一方、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの第ｐ〜第ｑの焦電素子ＰＹｐ〜ＰＹｑの分極方向を第１の分極方向の反対方向である第２の分極方向に設定する場合には、ポーリング回路３０は、第ｐの焦電素子ＰＹｐの一端側のノードである第ｐの接続ノードＮｐを第１の電源電圧ＶＳＳに設定し、第ｑの焦電素子ＰＹｑの他端側のノードである第ｑ＋１の接続ノードＮｑ＋１に対してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加する。

この場合には、第１のスイッチ回路ＳＷ１は、第ｑ＋１の接続ノードＮｑ＋１に対してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加し、第２のスイッチ回路ＳＷ２は、第ｐの接続ノードＮｐを第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。

なお、第ｐ〜第ｑの焦電素子ＰＹｐ〜ＰＹｑの個数ｑ−ｐ＋１はｎより小さい。例えば、４個の焦電素子の場合（ｎ＝４）では、第ｐ〜第ｑの焦電素子ＰＹｐ〜ＰＹｑは、１個か２個か３個の焦電素子であって、４個の焦電素子ではない。

なお、ポーリング回路３０によるポーリング処理については、後で具体的に説明する。

第１のスイッチ回路ＳＷ１は、第１〜第ｎ＋１のスイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ１ｎ＋１を含み、第１〜第ｎ＋１のスイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ１ｎ＋１のいずれか１つがオン状態に設定されることで、第１〜第ｎ＋１の接続ノードＮ１〜Ｎｎ＋１のうちの選択された１つの接続ノードに対してポーリング用電圧ＶＰＯＬが印加される。

第２のスイッチ回路ＳＷ２は、第１〜第ｎ＋１のスイッチ素子Ｓ２１〜Ｓ２ｎ＋１を含み、第１〜第ｎ＋１のスイッチ素子Ｓ２１〜Ｓ２ｎ＋１のいずれか１つがオン状態に設定されることで、第１〜第ｎ＋１の接続ノードＮ１〜Ｎｎ＋１のうちの選択された１つの接続ノードが第１の電源電圧ＶＳＳに設定される。

ポーリング回路３０は、検出用スイッチ素子ＳＷＡ、第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢ、ポーリング用スイッチ素子ＳＷＰ及びポーリングモニター用スイッチ素子ＳＷＭをさらに含む。また、ポーリング回路３０は、スイッチ制御回路ＳＷＣＬをさらに含む。スイッチ制御回路ＳＷＣＬは、第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２の各スイッチ素子及び他のスイッチ素子ＳＷＡ、ＳＷＢ、ＳＷＰ、ＳＷＭのオン・オフを制御するスイッチ制御信号ＳＳＷを出力する。なお、スイッチ制御信号ＳＳＷを各スイッチ素子に供給するための配線は図示していない。

検出用スイッチ素子ＳＷＡは、第１の焦電素子ＰＹ１の一端側のノードである第１の接続ノードＮ１と検出ノードＮＤとの間に設けられる。第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢは、第ｎ＋１の接続ノードＮｎ＋１と第１の電源ノードＶＳＳとの間に設けられる。ポーリング用スイッチ素子ＳＷＰは、第１のスイッチ回路ＳＷ１とポーリング用電圧供給ノードＶＰＯＬとの間に設けられる。また、ポーリングモニター用スイッチ素子ＳＷＭは、第１のスイッチ回路ＳＷ１と検出ノードＮＤとの間に設けられる。

赤外線を検出する期間である検出期間では、ポーリング回路３０は、検出用スイッチ素子ＳＷＡと第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢとをオン状態に設定し、第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２の各スイッチ素子、ポーリング用スイッチ素子ＳＷＰ及びポーリングモニター用スイッチ素子ＳＷＭをオフ状態に設定する。こうすることで、検出期間では、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの焦電流に基づく電圧信号が、検出用スイッチ素子ＳＷＡを介して、検出回路２０に入力される。

また、ポーリング処理の期間では、ポーリング回路３０は、検出用スイッチ素子ＳＷＡと第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢとポーリングモニター用スイッチ素子ＳＷＭとをオフ状態に設定し、ポーリング用スイッチ素子ＳＷＰをオン状態に設定する。そして第１のスイッチ回路ＳＷ１のいずれか１つのスイッチ素子をオン状態に設定し、第２のスイッチ回路ＳＷ２のいずれか１つのスイッチ素子をオン状態に設定する。こうすることで第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの少なくとも１つの焦電素子に対してポーリング用電圧ＶＰＯＬが印加される。ポーリング処理は、各焦電素子ごとに１個ずつ行ってもよいし、直列に接続された複数の焦電素子をまとめて同時に行ってもよい。

このポーリング処理は、例えば工場出荷時に行ってもよいし、或いはユーザーが使用を開始する前に行ってもよい。

また、ポーリング回路３０は、ポーリングモニター回路ＰＭＴを含んでもよい。このポーリングモニター回路ＰＭＴは、ポーリング処理が正常に行われたか否かをモニターする。具体的には、ポーリングモニター期間では、ポーリング回路３０は、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの各焦電素子の一端側の接続ノードを検出ノードＮＤに接続し、他端側の接続ノードを第１の電源ノードＶＳＳに接続する。さらに、ポーリングモニター用スイッチ素子ＳＷＭをオン状態に設定し、他のスイッチ素子ＳＷＡ、ＳＷＢ、ＳＷＰをオフ状態に設定する。そして、ポーリングモニター回路ＰＭＴは、検出回路２０の検出結果に基づいて、各焦電素子のポーリング処理が正常に行われたか否かをモニターする。すなわち、検出回路２０からの検出信号ＶＤＥＴが所定の電圧になっているか否かを判断することで、ポーリング処理が正常に行われたか否かをモニターする。ポーリング処理が正常に行われなかった場合には、再度ポーリング処理を行うことができる。

図２は、本実施形態の検出装置におけるポーリング処理を説明する図である。図２には、４個の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４を含む検出装置において、１個の焦電素子（例えばＰＹ１）に対するポーリング処理を示す。

図２に示すように、ポーリング回路３０は、検出用スイッチ素子ＳＷＡと第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢとポーリングモニター用スイッチ素子ＳＷＭとをオフ状態に設定し、ポーリング用スイッチ素子ＳＷＰをオン状態に設定する。そして第１のスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ素子Ｓ１１をオン状態に設定し、第２のスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ素子Ｓ２２をオン状態に設定する。こうすることで、第１の焦電素子ＰＹ１の分極方向を設定することができる。なお、図２では第１の焦電素子ＰＹ１の分極方向を矢印で表している。

具体的には、第１の焦電素子ＰＹ１の第１の接続ノードＮ１側の電極を上部電極とし、第２の接続ノードＮ２側の電極を下部電極とした場合に、下部電極側に第１の電源電圧ＶＳＳが印加されることで正（＋）の分極電荷が生じ、上部電極側にポーリング用電圧ＶＰＯＬが印加されることで負（−）の分極電荷が生じ、その結果第１の焦電素子ＰＹ１の分極方向が図２に示すように設定される。

また、図示していないが、第１のスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ素子Ｓ１２をオン状態に設定し、第２のスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ素子Ｓ２３をオン状態に設定することで、第２の焦電素子ＰＹ２の分極方向を設定することができる。

すなわち、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎである整数）の焦電素子ＰＹｉの分極方向を設定する場合には、第１のスイッチ回路ＳＷ１が第ｉの接続ノードＮｉを選択してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加し、第２のスイッチ回路ＳＷ２が第ｉ＋１の接続ノードＮｉ＋１を選択して第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。

本実施形態の検出装置によれば、各焦電素子を上記と反対の分極方向に設定することができる。例えば、第１のスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ素子Ｓ１２をオン状態に設定し、第２のスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態に設定することで、第１の焦電素子ＰＹ１の分極方向を反対の方向に設定することができる。

具体的には、第１の焦電素子ＰＹ１の上部電極側に第１の電源電圧ＶＳＳが印加されることで正（＋）の分極電荷が生じ、下部電極側にポーリング用電圧ＶＰＯＬが印加されることで負（−）の分極電荷が生じ、その結果第１の焦電素子ＰＹ１の分極方向が反転する。

すなわち、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの第ｉの焦電素子ＰＹｉの分極方向を反対方向に設定する場合には、第１のスイッチ回路ＳＷ１が第ｉ＋１の接続ノードＮｉ＋１を選択してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加し、第２のスイッチ回路ＳＷ２が第ｉの接続ノードＮｉを選択して第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。

図３は、本実施形態の検出装置におけるポーリング処理を説明する別の図である。図３には、４個の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４を含む検出装置において、３個の焦電素子（例えばＰＹ１〜ＰＹ３）をまとめて同時にポーリング処理する場合を示す。

図３に示すように、ポーリング回路３０は、検出用スイッチ素子ＳＷＡと第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢとポーリングモニター用スイッチ素子ＳＷＭとをオフ状態に設定し、ポーリング用スイッチ素子ＳＷＰをオン状態に設定する。そして第１のスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ素子Ｓ１１をオン状態に設定し、第２のスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ素子Ｓ２４をオン状態に設定する。こうすることで、第１〜第３の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ３の分極方向を同時に設定することができる。

すなわち、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの第ｉの焦電素子ＰＹｉ〜第ｊの焦電素子ＰＹｊの分極方向を設定する場合には、第１のスイッチ回路ＳＷ１が第ｉの接続ノードＮｉを選択してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加し、第２のスイッチ回路ＳＷ２が第ｊ＋１の接続ノードＮｊ＋１を選択して第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。

また、図示していないが、第１のスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態に設定し、第２のスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態に設定することで、第１〜第３の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ３の分極方向を上記と反対方向に同時に設定することができる。

すなわち、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎのうちの第ｐの焦電素子ＰＹｐ〜第ｑの焦電素子ＰＹｑの分極方向を反対方向に設定する場合には、第１のスイッチ回路ＳＷ１が第ｑ＋１の接続ノードＮｑ＋１を選択してポーリング用電圧ＶＰＯＬを印加し、第２のスイッチ回路ＳＷ２が第ｐの接続ノードＮｐを選択して第１の電源電圧ＶＳＳに設定する。

直列に接続されたｎ個の焦電素子を同時に分極させるためには、１個の焦電素子を分極させるために必要な電圧のｎ倍の電圧を印加する必要がある。本実施形態の検出装置によれば、同時に分極させる焦電素子の個数を任意に設定することができるから、焦電素子の特性や他の回路の特性（例えば耐圧など）に応じて、適切なポーリング処理を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の検出装置によれば、直列に設けられた第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの各焦電素子の分極方向を個別に設定することができる。こうすることで、ｎ個の焦電素子の分極方向を同一方向に設定することができる。或いは、ｎ個の焦電素子のうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を同じ方向に設定し、それ以外の焦電素子の分極方向を反対方向に設定することができる。

図４（Ａ）に、４個の焦電素子を含む検出装置において、４個の焦電素子の分極方向を同一方向に設定した場合を示す。なお、図４（Ａ）では、ポーリング回路３０のポーリング処理に関係する部分（例えば第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２など）については省略してある。

第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの分極方向を同一方向に設定した場合の全体の電気容量Ｃｔｏｔは、次式で与えられる。

Ｃｔｏｔ＝Ｃ／ｎ （５）
ここで、Ｃは１個の焦電素子の電気容量である。

従って、ｎ個の焦電素子を直列に接続した場合の電圧信号ΔＶｔｏｔは、以下のようになる。

ΔＶｔｏｔ＝ｎ×（ｐ×ΔＴ×ｄ／（ε×ε０））
＝ｎ×ΔＶ （６）
このように、分極方向が同一のｎ個の焦電素子を直列に接続することで、１個の焦電素子から得られる電圧信号ΔＶのｎ倍の電圧信号を得ることができる。

図５は、入射赤外線のパワーと出力信号（電圧信号）との関係を示すグラフである。図５には、１０個の焦電素子を直列に接続した場合と１個の焦電素子の場合とを示す。図５から分かるように、１０個の焦電素子を直列に接続した場合の出力信号は、１個の場合の約１０倍に増加している。

このように、本実施形態の検出装置によれば、直列に接続されたｎ個の焦電素子の分極方向を同一の方向に設定することで、１個の焦電素子から得られる出力信号のｎ倍の出力信号を得ることができる。その結果、焦電体（強誘電体）材料や膜厚を変更することなしに、検出装置の感度を高くすることができ、また検出精度を向上させることも可能になる。

図４（Ｂ）に、４個の焦電素子を含む検出装置において、２個の焦電素子の分極方向を同一方向に設定し、他の２個の焦電素子の分極方向を反対方向に設定した場合を示す。図４（Ｂ）では、第１、第２の焦電素子ＰＹ１、ＰＹ２の分極方向を第１の分極方向に設定し、第３、第４の焦電素子ＰＹ３、ＰＹ４の分極方向を第２の分極方向に設定している。

ここで第１の分極方向とは、各焦電素子の検出ノードＮＤ側の電極を上部電極とし、第１の電源ノードＶＳＳ側の電極を下部電極とした場合に、上部電極側に負（−）の分極電荷が生じ、下部電極側に正（＋）の分極電荷が生じる分極方向をいう。また、第２の分極方向とは、上部電極側に正（＋）の分極電荷が生じ、下部電極側に負（−）の分極電荷が生じる分極方向をいう。

第２の分極方向に設定された第３、第４の焦電素子ＰＹ３、ＰＹ４は、外乱や環境温度の変化を補償するためのものであって、これらの焦電素子ＰＹ３、ＰＹ４には赤外線が入射されないように構成される。赤外線検出は第１、第２の焦電素子ＰＹ１、ＰＹ２により行われるが、外乱や環境温度の変化があった場合には、第３、第４の焦電素子ＰＹ３、ＰＹ４から反対向きの焦電流が生じることで、外乱や環境温度の変化による影響を低減することができる。

図４（Ｂ）に示すように、外乱や環境温度の変化があった場合には、第３、第４の焦電素子ＰＹ３、ＰＹ４から反対向きの焦電流が生じて、その結果、−２×ΔＶｔの電圧信号が生じる。ここでΔＶｔは、外乱や環境温度の変化により１個の焦電素子から生じる電圧信号である。従って、全体の電圧信号ΔＶｔｏｔは、次式で与えられる。

ΔＶｔｏｔ＝ｎ×ΔＶ−ｎ×ΔＶｔ （７）
すなわち、外乱や環境温度の変化による焦電流の影響を差し引くことができる。

図４（Ｂ）では、第３、第４の焦電素子ＰＹ３、ＰＹ４を反対方向（第２の分極方向）に分極させているが、例えば第１、第２の焦電素子ＰＹ１、ＰＹ２を反対方向に分極させてもよい。或いは、第１、第３の焦電素子ＰＹ１、ＰＹ３を反対方向に分極させてもよい。また、第１の分極方向に分極した焦電素子の個数と第２の分極方向に分極した焦電素子の個数が同数でなくてもよい。例えば、第１〜第３の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ３を第１の分極方向に分極させ、第４の焦電素子ＰＹ４を第２の分極方向に分極させてもよい。この場合でも、外乱や環境温度の影響をある程度低減することができる。

このように、本実施形態の検出装置によれば、ｎ個の焦電素子のうちの少なくとも１個の焦電素子の分極方向を他の焦電素子の分極方向と反対の方向に設定することで、外乱や環境温度の影響を低減することができる。その結果、外乱や環境温度の影響を受けずに、安定でより精度の高い赤外線検出が可能になる。

３．焦電素子の構成
図６（Ａ）、図６（Ｂ）に、本実施形態の検出装置に用いられる焦電素子の第１の構成例を示す。図６（Ａ）は、直列接続された４個の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４を上方から見た平面図である。ここで上方とは、基板に対して垂直な方向であって、焦電素子、トランジスター等が形成される側（回路が形成される側）の方向をいう。また、下方とは、上方の反対方向をいう。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）の第１の構成例は、第１〜第４（広義には第ｎ）の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４、第１〜第４（広義には第ｎ）のメンブレン（広義には支持部材）ＭＢ１〜ＭＢ４、第１〜第４（広義には第ｎ）の空洞領域（空洞部）ＣＡ１〜ＣＡ４、配線ＬＡ１〜ＬＡ５、複数のポスト部（広義には接続部）ＰＳ１〜ＰＳ５を含む。このように、以下では、焦電素子を支持する部材（支持部材）を本実施形態ではメンブレンと呼ぶ。また、各メンブレンを接続する接続部を本実施形態ではポスト部と呼ぶ。

焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４は、それぞれ上部電極ＥＡ、強誘電体（焦電体）ＦＥ、下部電極ＥＢを含む。強誘電体（焦電体）ＦＥは、上部電極ＥＡと下部電極ＥＢとの間に設けられる。焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４は、対応する第１〜第４のメンブレン（支持部材）ＭＢ１〜ＭＢ４上にそれぞれ形成される。

第１〜第４のメンブレン（支持部材）ＭＢ１〜ＭＢ４は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）であって、焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４を支持するためのものである。

第１〜第４の空洞領域ＣＡ１〜ＣＡ４は、対応する第１〜第４のメンブレンＭＢ１〜ＭＢ４の下方にそれぞれ設けられる領域であって、焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４を基板（シリコン基板）ＳＵＢから熱的に分離するためのものである。

ポスト部ＰＳ１〜ＰＳ５は、第１〜第４のメンブレンＭＢ１〜ＭＢ４の各々を接続するためのものである。これらのポスト部ＰＳ１〜ＰＳ５には、配線ＬＡ１〜ＬＡ５がそれぞれ設けられる。ポーリング回路３０は、これらの配線ＬＡ１〜ＬＡ５を介して、第１〜第４の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４にポーリング電圧ＶＰＯＬを供給する。

具体的には、例えばポスト部ＰＳ１には配線ＬＡ１が設けられ、配線ＬＡ１は焦電素子ＰＹ１とポーリング回路３０（第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２など）とを電気的に接続する。また、ポスト部ＰＳ２には配線ＬＡ２が設けられ、配線ＬＡ２は焦電素子ＰＹ１と焦電素子ＰＹ２とを電気的に接続し、さらにポーリング回路３０に電気的に接続する。

図６（Ｂ）には、図６（Ａ）のＡ１〜Ａ５の経路に沿った断面を示す。図６（Ｂ）に示すように、配線ＬＡ１〜ＬＡ５は、第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２の各スイッチ素子に接続される。例えば、配線ＬＡ１は、第１のスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ素子Ｓ１１及び第２のスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ素子Ｓ２１に接続される（図６（Ｂ）のＡ１）。また、配線ＬＡ２は、第１のスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ素子Ｓ１２及び第２のスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ素子Ｓ２２に接続される（図６（Ｂ）のＡ２）。同様に、配線ＬＡ３〜ＬＡ５は、第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２の対応するスイッチ素子にそれぞれ接続される（図６（Ｂ）のＡ３〜Ａ５）。これらのスイッチ素子は、例えばシリコン基板上に形成されたＭＯＳトランジスターなどで構成することができる。

また、図示していないが、配線ＬＡ１はさらに検出用スイッチ素子ＳＷＡに接続され、配線ＬＡ５はさらに第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢに接続される。

図７（Ａ）に、本実施形態の検出装置に用いられる焦電素子の第２の構成例を示す。第２の構成例は、第１〜第４（広義には第ｎ）の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４、第１〜第４（広義には第ｎ）のメンブレン（広義には支持部材）ＭＢ１〜ＭＢ４、共通空洞領域ＣＡ、配線ＬＡ１〜ＬＡ５、ポスト部ＰＳ１〜ＰＳ５を含む。

第１〜第４の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４は、対応する第１〜第４のメンブレンＭＢ１〜ＭＢ４上にそれぞれ形成される。そして第１〜第４のメンブレンＭＢ１〜ＭＢ４の下方に、共通空洞領域ＣＡが設けられる。

第２の構成例においても、第１の構成例と同様に、ポスト部ＰＳ１〜ＰＳ５に、配線ＬＡ１〜ＬＡ５がそれぞれ設けられ、配線ＬＡ１〜ＬＡ５は、第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２の各スイッチ素子に接続される。また、配線ＬＡ１はさらに検出用スイッチ素子ＳＷＡに接続され、配線ＬＡ５はさらに第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢに接続される。

図７（Ｂ）に、本実施形態の検出装置に用いられる焦電素子の第３の構成例を示す。第３の構成例は、第１〜第４（広義には第ｎ）の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４、共通メンブレン（広義には共通支持部材）ＭＢ、共通空洞領域ＣＡ、配線ＬＡ１〜ＬＡ５、ポスト部ＰＳ１〜ＰＳ５を含む。

第１〜第４の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹ４は、共通メンブレンＭＢ上に形成される。そして共通メンブレンＭＢの下方に共通空洞領域ＣＡが設けられる。

第３の構成例においても、第１、第２の構成例と同様に、ポスト部ＰＳ１〜ＰＳ５に、配線ＬＡ１〜ＬＡ５がそれぞれ設けられ、配線ＬＡ１〜ＬＡ５は、第１、第２のスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２の各スイッチ素子に接続される。また、配線ＬＡ１はさらに検出用スイッチ素子ＳＷＡに接続され、配線ＬＡ５はさらに第１の電源用スイッチ素子ＳＷＢに接続される。

第１、第２の構成例では、第３の構成例と比較してメンブレンの面積を小さくすることができるため、熱容量を低減することが可能になる。その結果、検出装置の感度をさらに高くすることができ、また検出精度をさらに向上させることなどが可能になる。

一方、第３の構成例では、１つのメンブレン上に複数の焦電素子を設けることができるから、１個のセンサー（センサーセル）の面積を小さくすることができる。その結果、複数のセンサーセルをアレイ状に配置したセンサーアレイにおいて、センサーセルを高密度に配置することなどが可能になる。

４．検出回路
図８（Ａ）、図８（Ｂ）に、本実施形態の検出装置に用いられる検出回路２０の第１及び第２の構成例を示す。なお、本実施形態の検出回路２０は図８（Ａ）、図８（Ｂ）の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

図８（Ａ）に示す第１の構成例は、Ｎ型のデプレッション・トランジスターＴＮと、抵抗Ｒを含む。Ｎ型のデプレッション・トランジスターＴＮと抵抗Ｒは、第２の電源ノードＶＣＣ（高電位側電源ノード）と第１の電源ノードＶＳＳ（低電位側電源ノード）の間に直列に設けられ、ソースフォロワー回路が構成されている。

Ｎ型トランジスターＴＮのゲート（検出ノードＮＤ）には、焦電素子からの電圧信号ΔＶが入力され、Ｎ型トランジスターＴＮのソースは、抵抗Ｒの一端に接続される。これらのトランジスターＴＮと抵抗Ｒによりソースフォロワー回路が構成され、そのゲインはほぼ１になる。そしてＮ型トランジスターＴＮのソースに対応する出力ノードＮＱから、電圧信号ΔＶに伴い変化する検出信号ＶＤＥＴ（出力電圧）が出力される。

第１の構成例の検出回路は、製造ばらつきの影響を受けやすいという欠点がある。製造ばらつきとしては、例えば、トランジスターＴＮの電流供給能力のばらつき、しきい値のばらつき、形状のばらつき、抵抗Ｒのシート抵抗値のばらつき、抵抗Ｒの形状のばらつきなどがある。そして、一般にＩＣ基板上に製造される抵抗の特性ばらつきは、トランジスターの特性ばらつきに比べて変動が大きい。また製造条件の変動に依存した抵抗の特性変動とトランジスターの特性変動とは、連動しない。このため、第１の構成例の検出回路の出力電圧ＶＤＥＴのばらつきは大きくなる。

図８（Ｂ）に示す第２の構成例の検出回路は、第２の電源ノードＶＣＣと第１の電源ノードＶＳＳの間に直列に設けられた第１のＰ型トランジスターＴＰ１と第２のＰ型トランジスターＴＰ２を含む。これらの第１、第２のＰ型トランジスターＴＰ１、ＴＰ２によりソースフォロワー回路が構成される。即ち焦電素子からの電圧信号ΔＶの小信号振幅変化に対して、ゲインがほぼ１となる振幅の電圧が検出信号ＶＤＥＴ（出力電圧）として出力される。

第１のＰ型トランジスターＴＰ１（Ｐ型ＭＯＳトランジスター）は、検出回路の出力ノードＮＱと第１の電源ノードＶＳＳ（低電位側電源ノード）との間に設けられる。例えば図８（Ｂ）ではＴＰ１のソースが出力ノードＮＱに接続され、ドレインが第１の電源ノードＶＳＳに接続され、焦電素子からの電圧信号ΔＶがゲートに入力される。

第２のＰ型トランジスターＴＰ２（Ｐ型ＭＯＳトランジスター）は、第２の電源ノードＶＣＣ（高電位側電源ノード）と出力ノードＮＱとの間に設けられる。例えば図８（Ｂ）ではＴＰ２のソースが第２の電源ノードＶＣＣに接続され、ドレインが出力ノードＮＱに接続され、ゲートが基準電圧ＶＲ＝Ｖｃｃ−Ｖｃｏｎｓｔに設定される。ここでＶｃｃは、高電位側電源ＶＣＣの電圧を表し、Ｖｃｏｎｓｔは定電圧（固定電圧）である。

また、Ｐ型トランジスターＴＰ１の基板電位はＴＰ１のソースの電位に設定される。例えば図８（Ｂ）ではＴＰ１の基板電位は出力ノードＮＱに接続される。またＰ型トランジスターＴＰ２の基板電位はＴＰ２のソースの電位に設定される。例えば図８（Ｂ）ではＴＰ２の基板電位は第２の電源ノードＶＣＣに接続される。このようにＰ型トランジスターＴＰ１、ＴＰ２の基板電位をそのソース電位に設定することで、基板バイアス効果によるＴＰ１、ＴＰ２のしきい値電圧の変動を防止できるため、ＴＰ１とＴＰ２のしきい値電圧を、より近づけることが可能になる。なおＰ型トランジスターＴＰ１、ＴＰ２の基板電位を共にＶＣＣの電位に設定する変形実施も可能である。

またＰ型トランジスターＴＰ１とＴＰ２とは、そのゲート長及びゲート幅の少なくとも一方が同一になっている。さらに望ましくはＴＰ１とＴＰ２は、そのゲート長及びゲート幅の両方が同一になっている。このようにすれば、Ｐ型トランジスターＴＰ１、ＴＰ２のしきい値電圧等の素子特性を近づけることが可能になり、製造プロセス変動等に起因する検出信号ＶＤＥＴ（出力電圧）の変動を抑制できる。

次に第２の構成例の検出回路の動作についてさらに詳細に説明する。図８（Ｂ）に示すようにトランジスターＴＰ２のゲートは基準電圧ＶＲ＝Ｖｃｃ−Ｖｃｏｎｓｔに設定されている。従って、トランジスターＴＰ２のゲート・ソース間電圧はＶｃｏｎｓｔであり、ＴＰ２は飽和領域で動作するため、ＴＰ２には、ほとんどゲート・ソース間電圧Ｖｃｏｎｓｔとしきい値電圧だけで決まる電流Ｉ１が流れる。

一方、トランジスターＴＰ１はトランジスターＴＰ２に直列接続されているため、ＴＰ１には同じ電流Ｉ１が流れる。そしてトランジスターＴＰ１の基板電位は、トランジスターＴＰ２と同様にソース電位に設定されている。従って、トランジスターＴＰ１のしきい値電圧とトランジスターＴＰ２のしきい値電圧を等しくできる。さらにトランジスターＴＰ１は飽和領域で動作し、トランジスターＴＰ１とＴＰ２が同一のトランジスターサイズ（ゲート幅、ゲート長が同一）であるとすると、ＴＰ１のゲート・ソース間電圧は、ＴＰ２のゲート・ソース間電圧であるＶｃｏｎｓｔとほぼ同じ電圧になる。また、トランジスターＴＰ１のゲートは焦電素子に接続され、ＴＰ１のゲートの検出ノードＮＤとＶＳＳの間には焦電素子の抵抗が存在するため、検出ノードＮＤは定常的には０Ｖ（ＶＳＳレベル）に設定される。従って、トランジスターＴＰ１のソースノードである検出回路の出力ノードＮＱの電圧ＶＤＥＴは、定常的にはＶｃｏｎｓｔとほぼ同じ電圧に設定される。

この状態で焦電素子に赤外線が照射されて焦電素子の温度が変化すると、発生した焦電流によりトランジスターＴＰ１のゲート（ゲート容量）が過渡的に充電され、電圧がΔＶだけ変動する。このとき、トランジスターＴＰ１には、トランジスターＴＰ２からの電流Ｉ１が流れるため、ＴＰ１のソース電圧であるＶＤＥＴは、ＶＤＥＴ＝Ｖｃｏｎｓｔ＋ΔＶとなる。即ち、トランジスターＴＰ１、ＴＰ２からなる回路はゲイン＝１のソースフォロワー回路として動作する。

以上のように第２の構成例の検出回路では、高電位側電源電圧としてＶｃｃが供給される場合に、Ｐ型トランジスターＴＰ２のゲートは、基準電圧ＶＲ＝Ｖｃｃ−Ｖｃｏｎｓｔに設定される。そしてＰ型トランジスターＴＰ１は、Ｖｃｏｎｓｔに対応する設定電圧を基準として、焦電素子からの電圧信号ΔＶに伴い変化する電圧を、そのソースに出力する。例えば、焦電素子の温度が変化して焦電素子からの電圧が０ＶからΔＶだけ変化すると、出力電圧ＶＤＥＴも、Ｖｃｏｎｓｔに対応する設定電圧を基準としてΔＶだけ変化する。ここでＶｃｏｎｓｔに対応する設定電圧は、Ｖｃｏｎｓｔそのものであってもよいし、Ｖｃｏｎｓｔと若干だけ異なる電圧であってもよい。

またＰ型トランジスターＴＰ２（ＴＰ１）のしきい値電圧をＶｔｈとした場合に、Ｖｔｈ≦Ｖｃｏｎｓｔ≦Ｖｃｃ−Ｖｔｈとなるように、電圧Ｖｃｏｎｓｔを設定することが望ましい。即ち、このような関係が成り立つ基準電圧ＶＲ＝Ｖｃｃ−Ｖｃｏｎｓｔを、Ｐ型トランジスターＴＰ２のゲートに入力する。このようにすれば、トランジスターＴＰ１、ＴＰ２を飽和領域で動作させることが可能になる。また出力電圧ＶＤＥＴの設定電圧となるＶｃｏｎｓｔがしきい値電圧Ｖｔｈ以上になるため、後段の増幅回路やＡ／Ｄ変換器に対して、しきい値電圧Ｖｔｈ以上の電圧を定常的に入力できるようになる。従って、後段の増幅回路やＡ／Ｄ変換器の設計を容易化でき、増幅回路やＡ／Ｄ変換器としてコンパクトで簡素な回路を使用することも可能になる。

５．センサーデバイス
図９（Ａ）に本実施形態のセンサーデバイスの構成例を示す。このセンサーデバイスは、センサーアレイ１００と、行選択回路（行ドライバー）１１０と、読み出し回路１２０とを含む。またＡ／Ｄ変換部１３０、カラム走査回路１４０、制御回路１５０を含むことができる。このセンサーデバイスを用いることで、例えばナイトビジョン機器などに用いられる赤外線カメラなどを実現できる。

センサーアレイ１００（焦点面アレイ）には、複数のセンサーセルが配列（配置）される。また複数の行線（ワード線、走査線）と複数の列線（データ線）が設けられる。なお行線及び列線の一方の本数が１本であってもよい。例えば行線が１本である場合には、図９（Ａ）において行線に沿った方向（横方向）に複数のセンサーセルが配列される。一方、列線が１本である場合には、列線に沿った方向（縦方向）に複数のセンサーセルが配列される。

図９（Ｂ）に示すように、センサーアレイ１００の各センサーセルは、各行線と各列線の交差位置に対応する場所に配置（形成）される。例えば図９（Ｂ）のセンサーセルは、行線ＷＬ１と列線ＤＬ１の交差位置に対応する場所に配置されている。他のセンサーセルも同様である。

行選択回路１１０は、１又は複数の行線に接続される。そして各行線の選択動作を行う。例えば図９（Ｂ）のようなＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）のセンサーアレイ１００（焦点面アレイ）を例にとれば、行線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２・・・・ＷＬ２３９を順次選択（走査）する動作を行う。即ちこれらの行線を選択する信号（ワード選択信号）をセンサーアレイ１００に出力する。

読み出し回路１２０は、１又は複数の列線に接続される。そして各列線の読み出し動作を行う。ＱＶＧＡのセンサーアレイ１００を例にとれば、列線ＤＬ０、ＤＬ１、ＤＬ２・・・・ＤＬ３１９からの検出信号（検出電流、検出電荷）を読み出す動作を行う。

Ａ／Ｄ変換部１３０は、読み出し回路１２０において取得された検出電圧（測定電圧、到達電圧）をデジタルデータにＡ／Ｄ変換する処理を行う。そしてＡ／Ｄ変換後のデジタルデータＤＯＵＴを出力する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部１３０には、複数の列線の各列線に対応して各Ａ／Ｄ変換器が設けられる。そして、各Ａ／Ｄ変換器は、対応する列線において読み出し回路１２０により取得された検出電圧のＡ／Ｄ変換処理を行う。なお、複数の列線に対応して１つのＡ／Ｄ変換器を設け、この１つのＡ／Ｄ変換器を用いて、複数の列線の検出電圧を時分割にＡ／Ｄ変換してもよい。

カラム走査回路１４０は、各カラム（列）を順次選択（走査）して、各カラムのＡ／Ｄ変換後のデジタルデータを時系列データとして出力するための動作を行う。なお、カラム走査回路１４０を設けずに、各カラムのデジタルデータを並行して（パラレルに）出力してもよい。

制御回路１５０（タイミング生成回路）は、各種の制御信号を生成して、行選択回路１１０、読み出し回路１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、カラム走査回路１４０に出力する。例えば充電や放電（リセット）の制御信号を生成して出力する。或いは、各回路のタイミングを制御する信号を生成して出力する。

図１０に、センサーアレイ１００の詳細な構成例を示す。

各センサーセルは、検出ノードＮＤと第１の電源ノードＶＳＳとの間に直列に設けられる第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎと、検出ノードＮＤに接続される検出回路２０と、第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎの分極方向を同じ方向に設定するポーリング処理を行うポーリング回路３０とを含む。第１〜第ｎの焦電素子ＰＹ１〜ＰＹｎは、分極方向が同じ方向に設定されている。

各センサーセルからの検出信号の読み出しは以下のように行われる。例えば行線ＷＬ０が選択される場合には、行線ＷＬ０にゲートが接続されるトランジスターＴＷがオン状態になる。そして行線ＷＬ０に対応する１又は複数のセンサーセルが、それぞれ対応する列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）に電気的に接続される。この時、行線ＷＬ０以外の行線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ２３９）は非選択である。

このようにして、行線ＷＬ０に対応する１又は複数のセンサーセルからの検出信号が列（カラム）毎に読み出される。その後、他の行線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ２３９）が順次選択され、上記と同様にして各センサーセルから検出信号が読み出される。

図１１に、センサーアレイ１００の変形例を示す。図１１の変形例では、ポーリングモニター回路ＰＭＴ及びスイッチ制御回路ＳＷＣＬは、センサーセル毎に設けられるのではなく、カラム（列）毎に設けられる。こうすることで、センサーセルの面積を小さくすることができるから、センサーセルをより高密度に配置することなどが可能になる。

本実施形態のセンサーデバイスによれば、直列に設けられたｎ個の焦電素子の分極方向を個別に設定することができる。例えば、ｎ個の焦電素子の分極方向を同一方向に設定することで、１個の焦電素子から得られる検出信号のｎ倍の電圧レベルの検出信号を得ることができる。その結果、焦電体（強誘電体）材料や膜厚を変更することなしに、センサーデバイスの検出感度を高めることができるから、例えば高感度の赤外線カメラ等を実現することが可能になる。また、例えばｎ個の焦電素子のうちの少なくとも１個の焦電素子の分極方向を他の焦電素子の分極方向と反対の方向に設定することで、外乱や環境温度の変化の影響を低減することができる。その結果、外乱や環境温度の影響を受けずに、安定でより精度の高い赤外線カメラ等を実現することが可能になる。

６．電子機器
図１２に本実施形態のセンサーデバイスを含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、例えば赤外線カメラであって、光学系２００、センサーデバイス２１０、画像処理部２２０、処理部２３０、記憶部２４０、操作部２５０、表示部２６０を含む。なお本実施形態の電子機器は図１２の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば光学系、操作部、表示部等）を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

光学系２００は、例えば１又は複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そしてセンサーデバイス２１０への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。

センサーデバイス２１０は、図９（Ａ）等で説明したものであり、物体像の撮像処理を行う。画像処理部２２０は、センサーデバイス２１０からのデジタルの画像データ（画素データ）に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。

処理部２３０は、電子機器の全体の制御を行ったり、電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部２３０は、例えばＣＰＵ等により実現される。記憶部２４０は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部２３０や画像処理部２２０のワーク領域として機能する。操作部２５０は、ユーザーが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやＧＵＩ（Graphical User Interface）画面などにより実現される。表示部２６０は、例えばセンサーデバイス２１０により取得された画像やＧＵＩ画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの各種ディスプレイや投射型表示装置などにより実現される。

なお本実施形態は、ＦＰＡ（Focal Plane Array：焦点面アレイ）を用いた赤外線カメラや赤外線カメラを用いた電子機器に適用できる。赤外線カメラを適用した電子機器としては、例えば夜間の物体像を撮像するナイトビジョン機器、物体の温度分布を取得するサーモグラフィー機器、人の侵入を検知する侵入検知機器、物体の物理情報の解析（測定）を行う解析機器（測定機器）、火や発熱を検知するセキュリティー機器、工場などに設けられるＦＡ（Factory Automation）機器などが想定できる。ナイトビジョン機器を車載機器に適用すれば、車の走行時に夜間の人等の姿を検知して表示することができる。またサーモグラフィー機器に適用すれば、インフルエンザ検疫等に利用することができる。

なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語（支持部材、接続部等）と共に記載された用語（メンブレン、ポスト部等）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また検出装置、センサーデバイス及び電子機器の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

２０ 検出回路、３０ ポーリング回路、１００ センサーアレイ、
１１０ 行選択回路（行ドライバー）、１２０ 読み出し回路、
１３０ Ａ／Ｄ変換部、１４０ カラム走査回路、１５０ 制御回路、
２００ 光学系、２１０ センサーデバイス、２２０ 画像処理部、
２３０ 処理部（ＣＰＵ）、２４０ 記憶部、２５０ 操作部、２６０ 表示部、
ＰＹ１〜ＰＹｎ 焦電素子、ＰＭＴ ポーリングモニター回路、
ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ回路、ＳＷＣＬ スイッチ制御回路、
ＳＷＡ 検出用スイッチ素子、ＳＷＢ 第１の電源用スイッチ素子、
ＳＷＰ ポーリング用スイッチ素子、ＳＷＭ ポーリングモニター用スイッチ素子、
ＮＤ 検出ノード、ＶＳＳ 第１の電源ノード

Claims (19)

1. 検出ノードと第１の電源ノードとの間に直列に設けられる第１の焦電素子〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の焦電素子と、
   前記検出ノードに接続される検出回路と、
   前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子の分極方向を個別に設定するポーリング処理を行うポーリング回路とを含むことを特徴とする検出装置。
2. 請求項１において、
   前記ポーリング回路は、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を同じ方向に設定する前記ポーリング処理を行うことを特徴とする検出装置。
3. 請求項２において、
   前記ポーリング回路は、
   前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの少なくとも２つの焦電素子の分極方向を第１の分極方向に設定し、
   前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの、前記第１の分極方向に分極方向が設定された前記少なくとも２つの焦電素子を除く焦電素子の分極方向を、前記第１の分極方向とは反対の方向である第２の分極方向に設定することを特徴とする検出装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの第ｉの焦電素子〜第ｊの焦電素子の分極方向を第１の分極方向に設定する場合には、
   前記ポーリング回路は、前記第ｉの焦電素子の一端側のノードである第ｉの接続ノードに対してポーリング用電圧を印加し、前記第ｊの焦電素子の他端側のノードである第ｊ＋１の接続ノードを第１の電源電圧に設定することを特徴とする検出装置。
5. 請求項４において、
   前記ポーリング回路は、
   第１のスイッチ回路と、
   第２のスイッチ回路とを含み、
   前記第１のスイッチ回路は、前記第ｉの接続ノードに対して前記ポーリング用電圧を印加し、
   前記第２のスイッチ回路は、前記第ｊ＋１の接続ノードを前記第１の電源電圧に設定することを特徴とする検出装置。
6. 請求項４において、
   前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子のうちの第ｐの焦電素子〜第ｑの焦電素子の分極方向を前記第１の分極方向の反対方向である第２の分極方向に設定する場合には、
   前記ポーリング回路は、前記第ｐの焦電素子の一端側のノードである第ｐの接続ノードを前記第１の電源電圧に設定し、前記第ｑの焦電素子の他端側のノードである第ｑ＋１の接続ノードに対して前記ポーリング用電圧を印加することを特徴とする検出装置。
7. 請求項６において、
   前記ポーリング回路は、
   第１のスイッチ回路と、
   第２のスイッチ回路とを含み、
   前記第１のスイッチ回路は、前記第ｑ＋１の接続ノードに対して前記ポーリング用電圧を印加し、
   前記第２のスイッチ回路は、前記第ｐの接続ノードを前記第１の電源電圧に設定することを特徴とする検出装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、
   前記ポーリング回路は、
   前記第１の焦電素子の一端側のノードである第１の接続ノードと前記検出ノードとの間に設けられる検出用スイッチ素子を含み、
   前記ポーリング回路は、
   検出期間では、前記検出用スイッチ素子をオン状態に設定し、
   前記ポーリング処理の期間では、前記検出用スイッチ素子をオフ状態に設定することを特徴とする検出装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかにおいて、
   前記ポーリング回路は、
   前記ポーリング処理が正常に行われたかどうかをモニターするポーリングモニター回路を含むことを特徴とする検出装置。
10. 請求項９において、
    前記ポーリングモニター回路は、
    前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子の各焦電素子の一端側の接続ノードを前記検出ノードに接続し、前記検出回路の検出結果に基づいて前記各焦電素子の分極をモニターすることを特徴とする検出装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
    前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子を支持する共通支持部材を含み、
    前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子は、前記共通支持部材上に形成されることを特徴とする検出装置。
12. 請求項１１において、
    共通空洞領域を含み、
    前記共通空洞領域は、前記共通支持部材の下方に設けられることを特徴とする検出装置。
13. 請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
    前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子を支持する第１の支持部材〜第ｎの支持部材を含み、
    前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子は、対応する前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材上にそれぞれ形成されることを特徴とする検出装置。
14. 請求項１３において、
    前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材の各々を接続する複数の接続部を含み、
    前記ポーリング回路は、前記複数の接続部に設けられる配線を介して、前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子にポーリング用電圧を供給することを特徴とする検出装置。
15. 請求項１３又は１４において、
    前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材に共通の共通空洞領域を含み、
    前記共通空洞領域は、前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材の下方に設けられることを特徴とする検出装置。
16. 請求項１３又は１４において、
    前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材に対応する第１の空洞領域〜第ｎの空洞領域を含み、
    前記第１の空洞領域〜前記第ｎの空洞領域は、対応する前記第１の支持部材〜前記第ｎの支持部材の下方にそれぞれ設けられることを特徴とする検出装置。
17. 請求項１乃至１６のいずれかに記載の検出装置を含むことを特徴とするセンサーデバイス。
18. 複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、
    １又は複数の行線と、
    １又は複数の列線と、
    前記１又は複数の行線に接続される行選択回路と、
    前記１又は複数の列線に接続される読み出し回路とを含み、
    前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、
    検出ノードと第１の電源ノードとの間に直列に設けられる第１の焦電素子〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の焦電素子と、
    前記検出ノードに接続される検出回路と、
    前記第１の焦電素子〜前記第ｎの焦電素子の分極方向を個別に設定するポーリング処理を行うポーリング回路とを含むことを特徴とするセンサーデバイス。
19. 請求項１７又は１８に記載のセンサーデバイスを含むことを特徴とする電子機器。

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