JP2012149964A - 赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度が変化した場合でも、ペルチェ素子等の電気的な冷却素子を使用することなく、熱型赤外線センサーの出力電圧のＤＣレベル変化を小さくする。
【解決手段】電源ＶｄｄとグランドＧＮＤの間にセンサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５が直列に接続されている。センサーＭＯＳＦＥＴ３は断熱構造体１上に配置され、電流源ＭＯＳＦＥＴ５は断熱構造体１の外部に配置されている。センサーＭＯＳＦＥＴ３及び電流源ＭＯＳＦＥＴ５は同じ導電型のＭＯＳＦＥＴからなり、かつサブスレッショルド領域で動作される。センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５の間の端子がセンサー出力端子Ｖｏｕｔを構成する。センサーＭＯＳＦＥＴ３及び電流源ＭＯＳＦＥＴ５は周囲温度変化に対して特性がほぼ等しく変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサー及び赤外線アレイセンサーに関し、特に、サブスレッショルド領域で動作するセンサーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を備えた熱型赤外線センサー及び赤外線アレイセンサーに関する。

熱型赤外線センサーとして、温度検知部をサブスレッショルド領域で動作させるＭＯＳＦＥＴで構成したものがある（例えば特許文献１を参照。）。
図１１は従来の熱型赤外線センサーの構造を説明するための回路図である。
赤外線センサーは、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１と定電流源１０３で構成されている。センサーＭＯＳＦＥＴ１０１は定電流源１０３によって与えられる電流Ｉｄで定電流駆動され、サブスレッショルド領域で動作しており、センサー出力電圧Ｖｏｕｔを出力している。

センサーＭＯＳＦＥＴ１は、赤外線入射に対する感度向上のため断熱構造体上に形成されている。ここで、断熱構造体とは、センサーＭＯＳＦＥＴを基板に対して熱的に分離された構造体であり、一般的には、センサーＭＯＳＦＥＴ１が形成された薄膜状のメンブレン部を複数本の梁で中空状態に支持する構造となっている。

図１２は、断熱構造体の一例を説明するための概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’位置での断面図である。
断熱構造体はメンブレン部１０５を二本の梁１０７で支持した構造となっており、基板１０９とメンブレン部１０５との間に空間１１１が形成されている。図１２で示した断熱構造以外にも様々な形状の断熱構造体があり、断熱構造体はこの構造に限定されるものではない。

センサーＭＯＳＦＥＴ１０１はメンブレン１０５中に形成されており、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１は基板１０９から熱的に分離されている。
メンブレン部１０５に赤外線が入射すると、メンブレン部１０５の温度が上昇し、それに伴い、メンブレン部１０５に形成されたセンサーＭＯＳＦＥＴ１０１の温度も上昇する。センサーＭＯＳＦＥＴ１０１に温度変化が生じると、ＭＯＳＦＥＴ１０１のしきい値電圧が変化し、その変化がセンサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化として取り出される。つまり、熱型赤外線センサーは、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１を温度センサーとして利用し、赤外線入射による微小な温度変化を捉えて、赤外線を検出している。

ところが、熱型赤外線センサーには、温度検知部をサブスレッショルド領域で動作させるＭＯＳＦＥＴで構成した熱型赤外線センサーに限らず、周囲温度の影響によってセンサーの出力電圧のＤＣ（直流電圧）レベルが変化するという問題があった。すなわち、熱型赤外線センサーの基本原理は温度センサーであるため、赤外線入射時以外でも、周囲温度の変化によって、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１自体の温度が変化するとセンサー出力電圧Ｖｏｕｔが変化してしまうという問題があった。また、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１は、赤外線に対する感度向上のためにしきい値電圧の温度係数を大きくする必要があるが、しきい値電圧の温度係数を大きくすると、周囲温度の影響によるセンサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化も大きくなるという問題があった。

図１３は、従来の熱型赤外線センサーの一つで定電流源をＰ型のＭＯＳＦＥＴ１１３で構成した例を説明するための回路図である。
このような構成でも、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴで構成されたセンサーＭＯＳＦＥＴ１０１とＰ型のＭＯＳＦＥＴで構成された電流源ＭＯＳＦＥＴ１１３の温度特性が異なるため、図１１に示した構成の場合と同様に、周囲温度の変化によって、センサー出力電圧ＶｏｕｔのＤＣレベルが変化する。

この問題の解決策の一つとして、赤外線センサーをペルチェ素子等の電気的な冷却素子によって常に一定の温度に制御する方法がある。しかし、この方法では、冷却素子や温度制御機能を付加することにより、センサー部の構造が複雑化及び大型化し、製造コストが増大するという問題があった。さらに、ペルチェ素子やそれを制御するシステムの消費電力が大きく、システム全体としての消費電力が大きくなるという問題があった。

別の解決策として、参照センサーを配置する方法がある。
図１４は、参照センサーを備えた赤外線センサーを説明するための回路図である。
図１１に示したセンサーＭＯＳＦＥＴ１０１と定電流源１０３に加えて、参照用センサーＭＯＳＦＥＴ１１５と定電流源１１７が設けられている。参照用センサーＭＯＳＦＥＴ１１５はセンサーＭＯＳＦＥＴ１０１と同じ構造で形成され、定電流源１１７は定電流源１０３と同じ構造で形成されている。参照用センサーＭＯＳＦＥＴ１１５は断熱構造体とは異なる位置に形成されている。参照用センサーＭＯＳＦＥＴ１１５は定電流源１１７によって与えられる電流Ｉｄで定電流駆動され、サブスレッショルド領域で動作しており、センサー出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力している。センサーＭＯＳＦＥＴ１０１のセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ１と参照用センサーＭＯＳＦＥＴ１１５のセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ２の差をとることにより、周囲温度の変化に起因する影響を排除できる。

この方法を用いれば、冷却素子等を使用する必要はない。しかし、センサー出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２のＤＣレベルは周囲温度の変化にともなって変化する。特に、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１，１１５の温度感度が大きく、周囲温度の変化が大きい場所で当該赤外線センサーを使用する場合には、温度変化に起因するセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２のＤＣレベル変化を考慮して、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１，１１５やセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の差をとる後段回路に与える電源電圧を高くする必要がある。このように、この方法は、センサーの使用環境温度範囲が広くなるにしたがって、センサー出力信号と参照温度センサー出力信号のＤＣレベル変化が大きくなるため、次段の回路の電源電圧を高くする必要があり、低電圧動作に限界があるという問題があった。また、センサー素子の感度が高くなるほど、センサー出力信号のＤＣレベル変化が大きくなるため、次段の回路の電源電圧をより高くする必要があり、高感度でかつ低電圧動作させることが難しいという問題があった。

本発明は、周囲温度が変化した場合でも、ペルチェ素子等の電気的な冷却素子を使用することなく、熱型赤外線センサーの出力電圧のＤＣレベル変化を小さくすることを目的とする。

本発明にかかる赤外線センサーは、センサーＭＯＳＦＥＴと、上記センサーＭＯＳＦＥＴに直列接続され、上記センサーＭＯＳＦＥＴを定電流駆動させるための定電流源を構成する電流源ＭＯＳＦＥＴを備え、上記センサーＭＯＳＦＥＴと上記電流源ＭＯＳＦＥＴの間の端子がセンサー出力端子を構成している。上記センサーＭＯＳＦＥＴは断熱構造体上に配置され、上記電流源ＭＯＳＦＥＴは上記断熱構造体の外部に配置されている。上記センサーＭＯＳＦＥＴ及び上記電流源ＭＯＳＦＥＴは同じ導電型のＭＯＳＦＥＴからなり、かつサブスレッショルド領域で動作される。

周囲温度が変化した場合、本発明の赤外線センサー全体の温度が変化する。センサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴ２は同じ導電型のＭＯＳＦＥＴで形成されているので、温度変化に対して両ＭＯＳＦＥＴの特性がほぼ等しく変化する。一方、赤外線が入射した場合には、断熱構造体部分のみに温度変化が生じるため、断熱構造体上に形成されたセンサーＭＯＳＦＥＴのみの特性が変化し、赤外線を検知することが可能である。

本発明にかかる赤外線センサーにおいて、上記センサーＭＯＳＦＥＴは複数段直列に接続されているようにしてもよい。

また、上記センサーＭＯＳＦＥＴはゲートとドレインが短絡され、上記電流源ＭＯＳＦＥＴはゲートとソースが短絡されているようにしてもよい。この態様において、上記センサーＭＯＳＦＥＴと上記電流源ＭＯＳＦＥＴでゲート−ソース間電圧が同一である場合に上記センサーＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド領域電流が上記電流源ＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド領域電流よりも小さくなるように設定される。

上記センサーＭＯＳＦＥＴはゲートとドレインが短絡され、上記電流源ＭＯＳＦＥＴはゲートとソースが短絡されている態様において、上記電流源ＭＯＳＦＥＴと上記センサーＭＯＳＦＥＴは、同一構造のペアトランジスタであるか、チャネル不純物濃度以外が同一構造のトランジスタであるか、ゲート不純物濃度以外が同一構造のトランジスタである例を挙げることができる。ただし、本発明において、電流源ＭＯＳＦＥＴとセンサーＭＯＳＦＥＴの構造はこれらの例に限定されない。

本発明の赤外線センサーにおいて、上記定電流源は、上記断熱構造体の外部に配置され、サブスレッショルド領域で上記電流源ＭＯＳＦＥＴが流す電流以上の電流を流すことができるＮ型の第２電流源ＭＯＳＦＥＴ又はＰ型の第３電流源ＭＯＳＦＥＴをさらに備えているようにしてもよい。上記第２電流源ＭＯＳＦＥＴが配置される場合、上記センサーＭＯＳＦＥＴ及び上記電流源ＭＯＳＦＥＴはＮ型で構成され、上記第２電流源ＭＯＳＦＥＴは、上記電流源ＭＯＳＦＥＴの電源側に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートが上記センサー出力端子に接続される。また、上記第３電流源ＭＯＳＦＥＴが配置される場合、上記センサーＭＯＳＦＥＴ及び上記電流源ＭＯＳＦＥＴはＰ型で構成され、上記第３電流源ＭＯＳＦＥＴは、上記電流源ＭＯＳＦＥＴと上記センサーＭＯＳＦＥＴの間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートが上記電流源ＭＯＳＦＥＴの電源側の端子に接続される。

本発明にかかる赤外線アレイセンサーは、本発明の赤外線センサーがアレイ状に配置され、画素選択を行なうための複数のスイッチを有し、上記定電流源は、アレイ状に配置された上記センサー用ＭＯＳＦＥＴに対して、同じ行又は列に配列された複数の上記センサー用ＭＯＳＦＥＴごとに設けられているものである。

本発明の赤外線センサーは、センサーＭＯＳＦＥＴと、センサーＭＯＳＦＥＴに直列接続され、センサーＭＯＳＦＥＴを定電流駆動させるための定電流源を構成する電流源ＭＯＳＦＥＴを備え、センサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴの間の端子がセンサー出力端子を構成し、センサーＭＯＳＦＥＴは断熱構造体上に配置され、電流源ＭＯＳＦＥＴは断熱構造体の外部に配置され、センサーＭＯＳＦＥＴ及び電流源ＭＯＳＦＥＴは同じ導電型のＭＯＳＦＥＴからなり、かつサブスレッショルド領域で動作されるようにしたので、周囲温度変化に対して、センサーＭＯＳＦＥＴ及び電流源ＭＯＳＦＥＴの特性がほぼ等しく変化し、センサー出力電圧のＤＣレベル変化を小さくすることができる。
さらに、参照センサーを用いる必要がないので、参照センサーを用いる場合に比べて、赤外線センサーの小型化及び回路構成の単純化を図ることができる。
さらに、センサーＭＯＳＦＥＴ及び電流源ＭＯＳＦＥＴは一般的なＣＭＯＳプロセスを用いて作製できるので、増幅回路や制御回路と同一基板上に形成するのが容易である。

また、従来の赤外線センサーにおいて、サーモパイルのようにセンサー素子を多段接続構成にして感度を増大する場合に、センサーＭＯＳＦＥＴ１個あたりの出力電圧を小さくしなければセンサー出力電圧が大きくなり、低電圧動作が難しくなるという問題があった。
これに対し、本発明の赤外線センサーでは、センサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴはともにサブスレッショルド領域で動作されるので、センサー出力電圧ＤＣレベルを小さくすることができ、センサーＭＯＳＦＥＴを多段接続構成として、感度を増大させることが容易となり、かつ低電圧動作が可能となる。

また、センサーＭＯＳＦＥＴはゲートとドレインが短絡され、電流源ＭＯＳＦＥＴはゲートとソースが短絡されているようにし、センサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴでゲート−ソース間電圧が同一である場合にセンサーＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド領域電流が電流源ＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド領域電流よりも小さくなるように設定すれば、センサーＭＯＳＦＥＴのゲート及び電流源ＭＯＳＦＥＴのゲートに電圧を別途供給しなくても、センサーＭＯＳＦＥＴ及び電流源ＭＯＳＦＥＴを動作させることができる。
この態様において、電流源ＭＯＳＦＥＴとセンサーＭＯＳＦＥＴは同一構造のペアトランジスタであるようにすれば、電流源ＭＯＳＦＥＴとセンサーＭＯＳＦＥＴは同じ温度特性をもつようになるので、周囲温度の変化によるセンサー出力電圧のＤＣレベル変化をより効果的に小さくすることができる。
また、電流源ＭＯＳＦＥＴとセンサーＭＯＳＦＥＴは、チャネル不純物濃度以外が同一構造のトランジスタであるか、ゲート不純物濃度以外が同一構造のトランジスタであるようにすれば、センサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧差ΔＶｔｈ、すなわちセンサー出力電圧のＤＣレベルを所望の値に制御することができる。例えば、より小さなしきい値電圧差ΔＶｔｈを得ることにより、センサーＭＯＳＦＥＴをより多段にして高感度の赤外線センサーを形成することができる。また、センサーＭＯＳＦＥＴのしきい値を温度感度が高くなる値へ調整することによって高感度の赤外線センサーを形成することができる。

本発明の赤外線センサーにおいて、センサーＭＯＳＦＥＴ及び電流源ＭＯＳＦＥＴはＮ型であり、定電流源は、断熱構造体の外部に配置され、サブスレッショルド領域で電流源ＭＯＳＦＥＴが流す電流以上の電流を流すことができるＮ型の第２電流源ＭＯＳＦＥＴをさらに備え、第２電流源ＭＯＳＦＥＴは、電流源ＭＯＳＦＥＴの電源側に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートがセンサー出力端子に接続されているようにすれば、電源電圧の変化が変化しても、センサー出力電圧の変化として第２電流源ＭＯＳＦＥＴのバックゲートへとフィードバックが掛かり、定電流源の電流の変化が抑制される。

また、センサーＭＯＳＦＥＴ及び電流源ＭＯＳＦＥＴはＰ型であり、定電流源は断熱構造体の外部に配置され、サブスレッショルド領域で電流源ＭＯＳＦＥＴが流す電流以上の電流を流すことができるＰ型の第３電流源ＭＯＳＦＥＴをさらに備え、第３電流源ＭＯＳＦＥＴは、電流源ＭＯＳＦＥＴとセンサーＭＯＳＦＥＴの間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートが電流源ＭＯＳＦＥＴの電源側の端子に接続されているようにすれば、電源電圧が変化しても、第３電流源ＭＯＳＦＥＴのバックゲートへとフィードバックが掛かり、定電流源の電流の変化が抑制される。

本発明の赤外線アレイセンサーは、本発明の赤外線センサーがアレイ状に配置され、画素選択を行なうための複数のスイッチを有し、定電流源は、アレイ状に配置されたセンサー用ＭＯＳＦＥＴに対して、同じ行又は列に配列された複数のセンサー用ＭＯＳＦＥＴごとに設けられているようにしたので、ペルチェ素子等の電気的な冷却素子が不要となり、低電圧動作も可能となることから、大幅なシステムの小型化、簡易化、低コスト化、低消費電力化を図ることができる。

一実施例を説明するための回路図である。 ＭＯＳＦＥＴのＶｇｓ−Ｉｄ特性を示す図であり、波形Ａはしきい値電圧がＶｔｈａのＭＯＳＦＥＴをダイオード接続した場合のＶｇｓ−Ｉｄ特性を示し、波形Ｂはしきい値電圧がＶｔｈｂのＭＯＳＦＥＴの一定Ｖｄｓ（ソース−ドレイン間電圧）時のＶｇｓ−Ｉｄ特性を示す。 他の実施例を説明するための回路図である。 センサーＭＯＳＦＥＴのＩｄ−Ｖｇｓ特性の一例を示す図である。 図１に示した赤外線センサーを構成するセンサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴのＩｄ−Ｖｇｓ特性の一例を示す図である。 図１に示した赤外線センサーを構成するセンサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴをペアトランジスタで構成した場合の両ＭＯＳＦＥＴのＩｄ−Ｖｇｓ特性の一例を示す図である。 さらに他の実施例を説明するための回路図である。 さらに他の実施例を説明するための回路図である。 さらに他の実施例を説明するための回路図である。 さらに他の実施例を説明するための回路図であり、本発明を適用した赤外線アレイセンサーの一例を示した図である。 従来の熱型赤外線センサーの構造を説明するための回路図である。 断熱構造体の一例を説明するための概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’位置での断面図である。 従来の熱型赤外線センサーの一つで定電流源をＰ型のＭＯＳＦＥＴ１１３で構成した例を説明するための回路図である。 参照センサーを備えた赤外線センサーを説明するための回路図である。

図１は、一実施例を説明するための回路図である。
本実施例の赤外線センサーは、断熱構造体１（図１２参照。）上に形成されたセンサーＭＯＳＦＥＴ３と、断熱構造体１の外部に形成された電流源ＭＯＳＦＥＴ５から構成される。センサーＭＯＳＦＥＴ３及び電流源ＭＯＳＦＥＴ５は、サブスレッショルド領域で動作している同じ導電型のＭＯＳＦＥＴであり、例えばＮ型のＭＯＳＦＥＴで構成されている。

センサーＭＯＳＦＥＴ３はゲートとドレインが短絡されたダイオード接続となっている。電流源ＭＯＳＦＥＴ５はゲートとソースが短絡されている。電流源ＭＯＳＦＥＴ５は、ゲートとソースが短絡されていることで、特別なバイアス電圧を必要とせずに、安定した定電流源を作ることが可能である。
上記のように結線されたセンサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５は、電源ＶｄｄとグランドＧＮＤの間に直列に接続されている。センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５の接続ノードの電圧がセンサー出力電圧Ｖｏｕｔとして用いられる。

図２は、ＭＯＳＦＥＴのＶｇｓ−Ｉｄ特性を示す図であり、波形Ａはしきい値電圧がＶｔｈａのＭＯＳＦＥＴをダイオード接続した場合のＶｇｓ−Ｉｄ特性を示し、波形Ｂはしきい値電圧がＶｔｈｂのＭＯＳＦＥＴの一定Ｖｄｓ（ソース−ドレイン間電圧）時のＶｇｓ−Ｉｄ特性を示す。また、図２中の一点鎖線の左側の領域がおおよそのサブスレッショルド領域である。

例えば、図１のセンサーＭＯＳＦＥＴ３を図２の波形Ａの特性とし、図１の電流源ＭＯＳＦＥＴ５を図２の波形Ｂの特性とすれば、波形ＢのＶｇｓ＝０の点が電流源電流Ｉｄとなり、電流源電流Ｉｄと波形Ａの特性から決まる電圧がセンサー出力電圧Ｖｏｕｔとなる。このとき、センサー出力電圧ＶｏｕｔはＭＯＳＦＥＴ３，５のしきい値電圧差ΔＶｔｈとほぼ等しくなる。

また、後述する多段接続構成においては、低電圧動作を可能とするために図１のセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ、つまりしきい値電圧差ΔＶｔｈを小さくする必要がある。例えば、センサー出力電圧Ｖｏｕｔ≒しきい値電圧差ΔＶｔｈ＝５０ｍＶを出力させる場合、図１のＭＯＳＦＥＴ３，５を飽和領域で動作させると、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５で互いにＶｄｓが異なるため、このＶｄｓ差によってセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ＞しきい値電圧差ΔＶｔｈとなり、目的とする微小なしきい値電圧差ΔＶｔｈを出力することができない。

本発明においては、図１のセンサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５を共にサブスレッショルド領域で動作させることにより、微小なセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ≒しきい値電圧差ΔＶｔｈを出力することが可能である。これは、サブスレッショルド領域でＭＯＳＦＥＴに流れる電流は、ソース−ドレイン間電圧Ｖｄｓにほとんど依存しないためである。

また、本発明のセンサーにおいては、同一ゲートバイアス（同一Ｖｇｓ）時のセンサーＭＯＳＦＥＴ３のサブスレッショルド領域電流が電流源ＭＯＳＦＥＴ５のサブスレッショルド領域電流以下となるように設計されなければならない。このように設計することにより、図１に示した構成のセンサーにおいて、微小なセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ≒しきい値電圧差ΔＶｔｈを出力することが可能である。

図３は、他の実施例を説明するための回路図である。
この実施例では、センサーＭＯＳＦＥＴ３がＮ段直列に接続されている。図１で示した１段構成の場合と同様に、Ｎ段のセンサーＭＯＳＦＥＴ３は全て断熱構造体１上に形成されている。この実施例のように、センサーＭＯＳＦＥＴ３をＮ段に接続することによって、赤外線センサーの感度をＮ倍にすることが可能である。

また、このとき、センサー出力電圧ＶｏｕｔのＤＣレベルも１段の場合と比較してＮ倍となるため、センサーＭＯＳＦＥＴ３１段あたりのＶｇｓを小さくする必要がある。前述のように、センサーＭＯＳＦＥＴ３及び電流源ＭＯＳＦＥＴ５をサブスレッショルド領域で動作させ、センサーＭＯＳＦＥＴ３のしきい値電圧と電流源ＭＯＳＦＥＴ５のしきい値電圧の差ΔＶｔｈを小さくすることにより、ＭＯＳＦＥＴ３１段あたりのＶｇｓ（図１におけるＶｏｕｔ）を小さくすることが可能となる。

例えば、ＭＯＳＦＥＴ３１段あたりのＶｇｓが５０ｍＶ、直列の段数が５０段の場合、図３のＶｏｕｔは２.５Ｖとなり、電源電圧３Ｖで駆動が可能である。このとき、感度はＭＯＳＦＥＴ３１段の場合と比較して、５０倍となる。

図４は、センサーＭＯＳＦＥＴのＩｄ−Ｖｇｓ特性の一例を示す図である。
図１１に示した従来の赤外線センサーにおいて、電流源１０３が温度依存性を持たないように設計されている場合、電流Ｉｄは周囲温度に依存せずに一定となる。一方で、センサーＭＯＳＦＥＴ１０１は周囲温度が２５℃と６０℃の場合で、図４のように特性が変化する。周囲温度２５℃の場合、センサー出力電圧Ｖｏｕｔ２５は約０.０９６Ｖであるのに対し、周囲温度が６０℃の場合にはセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ６０は約０.０４４Ｖとなり、約０.０５２Ｖの変化が生じている。これは、図１１で示したような１段構成の場合はわずかな変化量であるが、図３で示したような多段構成の場合は影響が大きくなる。例えば、多段構成でＮ＝５０段とすると、周囲温度が２５℃の場合、センサー出力電圧Ｖｏｕｔは約４.８Ｖとなり、６０℃の場合、センサー出力電圧Ｖｏｕｔは約２.２Ｖまで低下する。

また、周囲温度が低くなれば、反対にセンサー出力電圧Ｖｏｕｔは４.８Ｖより高くなる方向へとシフトする。また、赤外線センサーの使用温度範囲を０〜８０℃とすればセンサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化幅は５Ｖ近くになる。また、赤外線センサーの感度向上のために、センサーＭＯＳＦＥＴ３の温度係数を高く設計すれば、周囲温度の変化によるセンサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化量はさらに大きくなる。
上述のように、従来技術は、このような周囲温度の変化によるＶｏｕｔの変化を抑制するために、ペルチェ素子等の冷却素子を用いてセンサーＭＯＳＦＥＴの温度を常に一定になるように制御していた。

図５は、図１に示した赤外線センサーを構成するセンサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５のＩｄ−Ｖｇｓ特性の一例を示す図である。
周囲温度２５℃の場合、電流源ＭＯＳＦＥＴ５が流す電流Ｉｄ２５とセンサーＭＯＳＦＥＴ３の特性との関係から出力電圧Ｖｏｕｔ２５は約０.０８０Ｖである。周囲温度６０℃の場合、電流源ＭＯＳＦＥＴ５が流す電流Ｉｄ６０とセンサーＭＯＳＦＥＴ３の特性との関係から出力電圧Ｖｏｕｔ２は約０.０８２Ｖである。このように、周囲温度が２５〜６０℃の場合に、センサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化量は約０.００２Ｖとなり、図１１及び図４を参照して説明した従来のセンサーと比較すると、センサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化量は約１／２６に抑制されている。

また、図３に示した多段構成でＮ＝５０段の場合を考えると、周囲温度が２５℃のときはセンサー出力電圧Ｖｏｕｔは約４.０Ｖ、周囲温度６０℃のときはセンサー出力電圧Ｖｏｕｔは約４.１Ｖとなり、周囲温度変化に対してセンサー出力電圧ＶｏｕｔのＤＣレベル変化が小さく多段構成の赤外線センサーを実現できる。

本発明の特徴は、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５を同じ導電型のＭＯＳＦＥＴで構成し、ともにサブスレッショルド領域で動作させることにより、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５がほとんど同じ温度特性を持つようにしたことである。これにより、周囲温度が変化した場合においても、ペルチェ素子等の冷却素子を使用することなく、センサー出力電圧Ｖｏｕｔをほぼ一定に保つことが可能となる。また、センサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化が抑制されることにより、電源電圧を低く設定することができ、低電圧動作、低消費電力動作が可能となる。

ところで、周囲温度の変化によるセンサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化をさらに精度良く抑制するためには、よりセンサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５の温度特性を合わせることが好ましい。このためには、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５を同じ導電型のＭＯＳＦＥＴで構成することに加えて、構造も同じにする方法がある。つまり、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５のサイズ（ゲート長、ゲート幅）を同じにすることにより、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５の温度特性がより近くなり、周囲温度の変化によるセンサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化をさらに精度良く抑制することが可能となる。

また、周囲温度の変化によるセンサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化をさらに精度良く抑制するためには、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５のチャネル不純物濃度とプロファイルを同じにする方法がある。つまり、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５は、導電型、構造、しきい値電圧が等しい、全く同じ構造のＭＯＳＦＥＴで構成される（このような条件の二つのトランジスタをペアトランジスタと呼ぶ）。ただし、結線は図１又は図３に示した状態にする。

図６は図１に示した赤外線センサーを構成するセンサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５をペアトランジスタで構成した場合のセンサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５のＩｄ−Ｖｇｓ特性の一例を示す図である。

図６に示すように、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５を全く同じ構造のペアトランジスタで構成した場合、結線の違いによってセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ２５は約２５ｍＶという非常に小さな電圧が出力される。このことから、図３に示した多段構成にすることが非常に容易となる。
また、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５は全く同じ構造のＭＯＳＦＥＴであるため、プロセスばらつきの少ない非常に安定したセンサー出力電圧Ｖｏｕｔを作り出すことが可能である。

前記のように、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５を全く同じ構造のペアトランジスタで構成すれば容易に安定したセンサー出力電圧Ｖｏｕｔを作り出すことができるが、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５がペアトランジスタでない構成においても本発明のセンサーを実現可能である。例えば、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５はチャネル不純物濃度以外は同一構造のトランジスタであってもよい。また、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５はゲート不純物濃度以外は同一構造のトランジスタであるようにしてもよい。ただし、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５でゲート−ソース間電圧が同一である場合にセンサーＭＯＳＦＥＴ３のサブスレッショルド領域電流が電流源ＭＯＳＦＥＴ５のサブスレッショルド領域電流以下になるように設定される。

チャネル不純物濃度やゲート不純物濃度が互いに異なる２つのＭＯＳＦＥＴは、しきい値電圧も互いに異なる。すなわち、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５で、チャネル不純物濃度やゲート不純物濃度を互いに異ならせることにより、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５のしきい値電圧差ΔＶｔｈを所望の値に制御することができ、より小さなしきい値電圧差ΔＶｔｈを得ることができる。これにより、センサーＭＯＳＦＥＴ３をさらに多段にして高感度の赤外線センサーを形成することができる。また、センサーＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧によってセンサーＭＯＳＦＥＴの温度感度が異なるので、センサーＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧を温度感度が高くなる値へ調整することによって高感度の赤外線センサーを形成することができる。

ここまで、センサーＭＯＳＦＥＴ３と電流源ＭＯＳＦＥＴ５はＮ型のＭＯＳＦＥＴの構成で説明してきたが、センサーＭＯＳＦＥＴと電流源ＭＯＳＦＥＴをＰ型のＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。
図７は、さらに他の実施例を説明するための回路図である。
この実施例は断熱構造体１上に形成されたＮ段のセンサーＭＯＳＦＥＴ７と、断熱構造体１の外部に形成された電流源ＭＯＳＦＥＴ９から構成される。センサーＭＯＳＦＥＴ７及び電流源ＭＯＳＦＥＴ９は、サブスレッショルド領域で動作しているＰ型のＭＯＳＦＥＴで構成されている。

各センサーＭＯＳＦＥＴ７はゲートとドレインが短絡されたダイオード接続となっている。電流源ＭＯＳＦＥＴ９はゲートとソースが短絡されている。センサーＭＯＳＦＥＴ７と電流源ＭＯＳＦＥＴ９の接続ノードの電圧がセンサー出力電圧Ｖｏｕｔとして用いられる。
この実施例でも、図３に示したＮ型のセンサーＭＯＳＦＥＴ３及び電流源ＭＯＳＦＥＴ５を備えたセンサーと同様の作用及び効果を得ることができる。
この実施例はＮ段のセンサーＭＯＳＦＥＴ７を備えているが、センサーＭＯＳＦＥＴ７は１段であってもよい。

図８は、さらに他の実施例を説明するための回路図である。
この実施例では、定電流源が電流源ＭＯＳＦＥＴ５と第２電流源ＭＯＳＦＥＴ１１の二つのＭＯＳＦＥＴで構成されている。第２電流源ＭＯＳＦＥＴ１１は電源電圧Ｖｄｄの変化による電流Ｉｄの変化を抑制するためのものである。第２電流源ＭＯＳＦＥＴ１１は、電源Ｖｄｄと電流源ＭＯＳＦＥＴ５の間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、バックゲートはセンサー出力電圧Ｖｏｕｔに接続されている。

このように第２電流源ＭＯＳＦＥＴ１１を接続することにより、電源電圧Ｖｄｄの変化により電流Ｉｄが変化しても、センサー出力電圧Ｖｏｕｔの変化として第２電流源ＭＯＳＦＥＴ１１のバックゲートへとフィードバックが掛かり、電流Ｉｄの変化が抑制される。第２電流源ＭＯＳＦＥＴ１１は、電流源ＭＯＳＦＥＴ５と全く同じ構成のＭＯＳＦＥＴとするか、第２電流源ＭＯＳＦＥＴ１１で電流Ｉｄが制限されてしまわないように電流源ＭＯＳＦＥＴ５よりも電流が多く流れるように設計されている。

図９は、さらに他の実施例を説明するための回路図である。
この実施例は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成された図７のセンサーに対して、Ｐ型の第３電流源ＭＯＳＦＥＴ１３をさらに備えている。第３電流源ＭＯＳＦＥＴ１３は、センサーＭＯＳＦＥＴ７と電流源ＭＯＳＦＥＴ９の間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、バックゲートは電源Ｖｄｄに接続されている。

このように第３電流源ＭＯＳＦＥＴ１３を接続することにより、電源電圧Ｖｄｄが変化しても、Ｖｏｕｔと第３電流源ＭＯＳＦＥＴ１３のバックゲート間電圧へとフィードバックが掛かり、電流Ｉｄの変化が抑制される。第３電流源ＭＯＳＦＥＴ１３は、電流源ＭＯＳＦＥＴ９と全く同じ構成のＭＯＳＦＥＴとするか、電流源ＭＯＳＦＥＴ１１で電流Ｉｄが制限されてしまわないように電流源ＭＯＳＦＥＴ５よりも電流が多く流れるように設計されている。

図１０は、さらに他の実施例を説明するための回路図であり、本発明を適用した赤外線アレイセンサーの一例を示した図である。
アレイセンサーはＬ×Ｍ個の画素Ｓ１１〜Ｓｌｍ、定電流源Ｄ１〜Ｄｍ、列選択スイッチＳＷａ１〜ＳＷａｍ、行選択スイッチＳＷｂ１〜ＳＷｂｌから構成されており、出力センサー出力電圧Ｖｏｕｔ０〜センサー出力電圧ＶｏｕｔＭ−１が出力される。なお、Ｌ＝１のラインセンサーの場合には、行選択スイッチ、列選択スイッチは不要である。

各画素Ｓ１１〜Ｓｌｍは、上記の実施例で説明したように、断熱構造体とセンサーＭＯＳＦＥＴから構成されている。図１０では、各画素Ｓ１１〜ＳｌｍでセンサーＭＯＳＦＥＴが１段の構成を示しているが、各画素Ｓ１１〜ＳｌｍにおいてセンサーＭＯＳＦＥＴは多段であってもよい。例えば、断熱構造体上に形成できる数又は電源電圧で決まる数だけセンサーＭＯＳＦＥＴを多段に接続した構成であってもよい。
定電流源は列の数、あるいは行の数だけ形成し、行選択スイッチ、列選択スイッチによって選択された画素に、定電流を供給する。各定電流源Ｄ１〜Ｄｍは、電流源ＭＯＳＦＥＴ一つからなる構成を示しているが、図８及び図９を参照して説明したように、電流源ＭＯＳＦＥＴ２つからなる構成としてもよい。

各画素から得られたセンサー出力電圧Ｖｏｕｔ０〜ＶｏｕｔＭ−１は順次アンプ等の後段回路に送られる。
このような赤外線アレイセンサーでは、特に小型化や低消費電力化が望まれているため、本発明を適用すれば、ペルチェ素子等の電気的な冷却素子が不要となり、低電圧動作も可能となることから、大幅なシステムの小型化、簡易化、低コスト化、低消費電力化が可能となる。

以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例における回路構成等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例では、電流源ＭＯＳＦＥＴ５，９，１１，１３はゲートとソースが短絡されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電流源ＭＯＳＦＥＴのゲートに所定の電圧を印加して電流源ＭＯＳＦＥＴを動作させてもよい。
また、上記実施例では、センサーＭＯＳＦＥＴを構成するＭＯＳＦＥＴ３，７はゲートとドレインが短絡されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、センサーＭＯＳＦＥＴを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに所定の電圧を印加してセンサーＭＯＳＦＥＴを動作させてもよい。

本発明は、例えば生体検知センサーや赤外線カメラ等、赤外線を受光又は放出することで発生する熱によって特性が変化する赤外線センサーを備えた機器に応用される。

１ 断熱構造体
３ Ｎ型のセンサーＭＯＳＦＥＴ
５ Ｎ型の電流源ＭＯＳＦＥＴ
７ Ｐ型のセンサーＭＯＳＦＥＴ
９ Ｐ型の電流源ＭＯＳＦＥＴ
１１ 第２電流源ＭＯＳＦＥＴ
１３ 第３電流源ＭＯＳＦＥＴ

特開２００６−２５８５６２号公報

Claims (9)

1. センサーＭＯＳＦＥＴと、前記センサーＭＯＳＦＥＴに直列接続され、前記センサーＭＯＳＦＥＴを定電流駆動させるための定電流源を構成する電流源ＭＯＳＦＥＴを備え、
   前記センサーＭＯＳＦＥＴと前記電流源ＭＯＳＦＥＴの間の端子がセンサー出力端子を構成し、
   前記センサーＭＯＳＦＥＴは断熱構造体上に配置され、
   前記電流源ＭＯＳＦＥＴは前記断熱構造体の外部に配置されており、
   前記センサーＭＯＳＦＥＴ及び前記電流源ＭＯＳＦＥＴは同じ導電型のＭＯＳＦＥＴからなり、かつサブスレッショルド領域で動作される赤外線センサー。
2. 前記センサーＭＯＳＦＥＴは複数段直列に接続されている請求項１に記載の赤外線センサー。
3. 前記センサーＭＯＳＦＥＴはゲートとドレインが短絡され、前記電流源ＭＯＳＦＥＴはゲートとソースが短絡されており、
   前記センサーＭＯＳＦＥＴと前記電流源ＭＯＳＦＥＴでゲート−ソース間電圧が同一である場合に前記センサーＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド領域電流が前記電流源ＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド領域電流よりも小さくなるように設定されている請求項１又は２に記載の赤外線センサー。
4. 前記電流源ＭＯＳＦＥＴと前記センサーＭＯＳＦＥＴは同一構造のペアトランジスタである請求項３に記載の赤外線センサー。
5. 前記電流源ＭＯＳＦＥＴと前記センサーＭＯＳＦＥＴはチャネル不純物濃度以外が同一構造のトランジスタである請求項３に記載の赤外線センサー。
6. 前記電流源ＭＯＳＦＥＴと前記センサーＭＯＳＦＥＴはゲート不純物濃度以外が同一構造のトランジスタである請求項３に記載の赤外線センサー。
7. 前記センサーＭＯＳＦＥＴ及び前記電流源ＭＯＳＦＥＴはＮ型であり、
   前記定電流源は、前記断熱構造体の外部に配置され、サブスレッショルド領域で前記電流源ＭＯＳＦＥＴが流す電流以上の電流を流すことができるＮ型の第２電流源ＭＯＳＦＥＴをさらに備え、
   前記第２電流源ＭＯＳＦＥＴは、前記電流源ＭＯＳＦＥＴの電源側に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートが前記センサー出力端子に接続されている請求項３から６のいずれか一項に記載の赤外線センサー。
8. 前記センサーＭＯＳＦＥＴ及び前記電流源ＭＯＳＦＥＴはＰ型であり、
   前記定電流源は前記断熱構造体の外部に配置され、サブスレッショルド領域で前記電流源ＭＯＳＦＥＴが流す電流以上の電流を流すことができるＰ型の第３電流源ＭＯＳＦＥＴをさらに備え、
   前記第３電流源ＭＯＳＦＥＴは、前記電流源ＭＯＳＦＥＴと前記センサーＭＯＳＦＥＴの間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートが前記電流源ＭＯＳＦＥＴの電源側の端子に接続されている請求項３から６のいずれか一項に記載の赤外線センサー。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の赤外線センサーがアレイ状に配置され、
   画素選択を行なうための複数のスイッチを有し、
   前記定電流源は、アレイ状に配置された前記センサー用ＭＯＳＦＥＴに対して、同じ行又は列に配列された複数の前記センサー用ＭＯＳＦＥＴごとに設けられていることを特徴とする赤外線アレイセンサー。

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