JP2022511262A - ピクセルごとの暗基準ボロメータ - Google Patents
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Abstract
マイクロボロメータアレイは、不均一性補正のためにピクセルごとの暗基準構造を組み込む。一例では、サーマルイメージングデバイスは、デバイス基板と、デバイス基板に配置され、２次元配列で配置された複数の検出器要素を含むマイクロボロメータアレイとを含み、各検出器要素が、イメージングマイクロボロメータ及び基準マイクロボロメータを含み、イメージングマイクロボロメータが、見られているシーンから電磁放射を受け、電磁放射を受けたことに応答してイメージ信号を生成するよう構成され、イメージ信号が、各々の検出器要素における熱雑音に起因して生じた成分を含み、基準マイクロボロメータが、電磁放射を受けることから保護され、熱雑音を示す基準信号を生成するよう構成される。サーマルイメージングデバイスは、複数の検出器要素からのイメージ信号及び基準信号の組み合わせに基づいて、見られているシーンのイメージを生成するよう構成される。
Description
様々なタイプの赤外線センサが開発されており、多種多様なサーマルイメージングアプリケーションのために使用されている。ＭＥＭＳに基づくマイクロボロメータは、一般に、焦点面アレイ（Focal Plane Array；ＦＰＡ）が載置された基板を含み、ＦＰＡは、センサによって生成されたイメージ内の各々のピクセルに夫々対応する複数の検出器要素を含む。従って、個々の検出器要素は、一般に、ピクセルとここでは呼ばれることがある。ＭＥＭＳに基づくマイクロボロメータが動作することができる真空環境を設けるように、赤外線を通すカバー、又はリッド構造が、ＦＰＡを覆って置かれ、基板へ取り付けられる。このようなリッドは、反射特性を弱め、リッドの赤外線透過特性を高めるように、反射防止コーティングでしばしばコーティングされる。基板は、検出器要素へ電気的に結合される集積回路を含み、集積回路は、リードオンリー集積回路（Read Only Integrated Circuit；ＲＯＩＣ）として広く知られており、各ピクセルからの信号を積分し、適切な信号調整及び処理によりチップからの信号を多重化するために使用される。各ピクセルは、熱絶縁を容易にするために、基板の上表面の上に間隔をあけて配置された位置に浮いている膜を含む。膜は、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）又は酸化バナジウム（ＶＯｘ）などの熱感知材を含む。膜はまた、２つの電極を含み、電極は夫々、熱感知材へ結合され、更には、基板内のＲＯＩＣへも結合される。熱感知材の温度が変化するにつれて、熱感知材の抵抗も変化し、基板内のＲＯＩＣは、ピクセルの対応する抵抗変化を検知することによって、そのピクセルで受け取られた熱エネルギの量を決定することができる。
マイクロボロメータが、入来する電磁放射に対してより敏感になるにつれて、それらはまた、自己発熱の影響にも敏感になる。これは、アレイのピクセルからの強度出力の変化を引き起こす。強度出力の変化は、アレイの多くの検出器要素にわたって非一様である傾向があり、同じ入力放射を受け取る異なるピクセルに異なる出力を生成させ、画像における雑音に寄与する。
無冷却マイクロボロメータアレイにおける不均一性補正（Non-Uniformity Correction；ＮＵＣ）に対する１つのアプローチは、画像の不均一性補正が計算されることを可能にするように数秒間ＦＰＡを周期的に閉じる（又は入射電磁放射の焦点をＦＰＡ上に合わせるレンズを閉じる）ことである。能動的な温度安定化の使用なしで周囲温度で動作するいくつかの従来の無冷却赤外線マイクロボロメータは、ＮＵＣのために使用され得る基準測定を提供するよう入射赤外線放射を吸収しない赤外線光遮断基準ピクセルを使用する。これらの赤外線光遮断基準ピクセルは、焦点面アレイの動作温度に対する焦点面アレイの較正に必要とされる焦点面の周囲温度を決定するために使用される。これは、例えば、イメージング焦点面アレイにおいて、周囲温度ドリフト効果について画像を補正するために、アクティブな検出器要素へのいずれかの所与の温度（基準ピクセルによって検知される。）でのゲイン及びオフセット補正アルゴリズムの実装を伴う。基準ピクセルは、一般に、行ごと又は列ごとの不均一性を連続的に正規化することによって不均一性を補償するようＦＰＡの行又は列の両側に置かれる。しかし、不均一性は、行及び列の中でも起こり、シャッターを用いて画像を補正する必要がある。不均一性補正の他の方法は、シーンに基づくＮＵＣとして知られており、これは、見られているシーンを変更する必要があり、複雑な画像処理を伴う場合がある。
無冷却マイクロボロメータアレイに存在する実質的な不均一性は、アレイによって生成される信号からローカルノイズを取り除くことを難しくする。上述されたように、様々な不均一性補正（ＮＵＣ）アプローチは、アレイの行の端又は列の端のどちらかに位置付けられた基準ピクセルを使用してきた。更に、ＮＵＣアプローチは、アレイ又はその部分にわたって分散している基準ピクセルを使用してきた。しかし、従来のアプローチは、限界があり、特定のアプリケーションにとって望ましいノイズ改善性能を必ずしももたらさない。従って、態様及び実施形態は、ピクセル後に実装可能なＮＵＣを対象とし、従って、従来のアプローチに対して改善された性能及び／又は他の利点（例えば、可動シャッターの必要性を取り除くこと）をもたらし得る。
一実施形態に従って、サーマルイメージングデバイスは、リードオンリー集積回路（ＲＯＩＣ）基板と、ＲＯＩＣ基板に配置され、２次元配列で並べられた複数の検出器要素を含むマイクロボロメータアレイとを有する。各検出器要素は、イメージングマイクロボロメータ及び基準マイクロボロメータを含み、イメージングマイクロボロメータは、見られているシーンから電磁放射を受け、電磁放射を受けことに応答してイメージ信号を生成するよう構成され、イメージ信号は、各々の検出器要素における熱雑音に起因して生じた成分を含み、基準マイクロボロメータは、電磁放射を受けることから保護され、熱雑音を示す基準信号を生成するよう構成される。サーマルイメージングデバイスは、複数の検出器要素からのイメージ信号及び基準信号の組み合わせに基づいて、見られているシーンのイメージを生成するよう構成される。
一例では、各検出器要素のイメージングマイクロボロメータは、ＲＯＩＣ基板の上に浮かされた熱感知材の層を含み、各検出器要素の基準マイクロボロメータは、熱感知材から作られた基準抵抗を含む。熱感知材は、例えば、酸化バナジウム又はアモルファスシリコンであってよい。一例では、基準マイクロボロメータは、イメージングマイクロボロメータのジオメトリを模倣するジオメトリで構成される。他の例では、基準抵抗は、ＲＯＩＣ基板に配置され、各検出器要素は、基準抵抗の上に配置され、電磁放射を受けることから基準マイクロボロメータを保護するよう構成された赤外線反射材の層を更に含む。他の例では、各検出器要素は、基準信号をイメージ信号から減じて補正イメージ信号を生成するよう構成された回路を更に含み、サーマルイメージングデバイスは、各検出器要素からの補正イメージ信号から、見られているシーンのイメージを生成するよう構成される。一例では、回路は、基準マイクロボロメータとイメージングマイクロボロメータとの間に直列に接続された相補型トランジスタの対を含む。一例では、電磁放射は、８から１２マイクロメートルの範囲にある波長を有する赤外線放射である。サーマルイメージングデバイスは、ＲＯＩＣ基板に実装され、マイクロボロメータアレイへ結合されたＲＯＩＣを更に有してよく、ＲＯＩＣは、見られているシーンのイメージを生成するように、複数の検出器要素からのイメージ信号及び基準信号を処理するよう構成される。
他の実施形態は、サーマルイメージング方法を対象とする。サーマルイメージング方法は、マイクロボロメータアレイの複数の検出器要素の夫々のイメージングマイクロボロメータで、見られているシーンから電磁放射を受ける動作と、複数の検出器要素の夫々に含まれているイメージングマイクロボロメータにより、受け取られた赤外線放射と各々の検出器要素における熱雑音との組み合わせからイメージ信号を生成する動作と、複数の検出器要素の夫々に含まれており、電磁放射を受け取ることから保護されている基準マイクロボロメータにより、熱雑音に基づいて基準信号を生成する動作と、各検出器要素について、基準信号をイメージ信号から減じて補正イメージ信号を生成する動作と、複数の検出器要素からの補正イメージ信号に基づいて、見られているシーンのイメージを生成する動作とを有してよい。
方法の一例では、見られているシーンから電磁放射を受けることは、８から１２マイクロメートルの範囲にある波長を有する赤外線放射を受けることを含む。
他の実施形態に従って、サーマルイメージングデバイスは、リードオンリー集積回路（ＲＯＩＣ）基板と、ＲＯＩＣ基板に配置され、検出器要素の２次元配列を含むマイクロボロメータアレイとを有する。各検出器要素は、ＲＯＩＣ基板の第１表面に形成され、熱感知材から形成され、検出器要素における熱雑音を表す基準信号を生成するよう構成される基準抵抗と、基準抵抗及びＲＯＩＣ基板の第１表面の上に配置され、赤外線反射材から形成され、マイクロボロメータアレイによって見られているシーンから電磁放射を受けることから基準抵抗を保護するよう構成される反射体と、反射体の上に浮かされ、熱絶縁レッグの対によってＲＯＩＣ基板から熱的に分離されており、支持層によって支持された前記熱感知材の層を含み、見られているシーンから電磁放射を受け、受けた赤外線放射及び検出器要素における熱雑音に基づいてイメージ信号を生成するよう構成されるイメージングマイクロボロメータとを含む。サーマルイメージングデバイスは、ＲＯＩＣ基板に形成され、マイクロボロメータアレイへ結合され、各検出器要素について基準信号をイメージ信号から減じて補正イメージ信号を生成し、複数の検出器要素からの補正イメージ信号に基づいて、見られているシーンのイメージを生成するよう構成される回路を更に含む。
一例では、熱感知材は、酸化バナジウムである。他の例では、サーマルイメージングデバイスは、ＲＯＩＣ基板へ結合され、マイクロボロメータアレイを覆って空洞を設けるよう構成されたリッドウェハを更に有する。リッドウェハは、電磁放射がマイクロボロメータアレイで受け取られることを可能にするよう電磁放射に対して光学的に透過である領域を含んでよい。一例では、電磁放射は、８から１２マイクロメートルの範囲にある波長を有する赤外線放射である。他の例では、赤外線反射材は、アルミニウムである。
これらの例となる態様及び実施形態の更なる他の態様、実施形態、及び利点は、以下で詳細に説明される。本明細書で開示されている実施形態は、本明細書で開示されている原理の少なくとも１つと一致する如何なる様態でも他の実施形態と組み合わされてよく、「実施形態」、「いくつかの実施形態」、「代替の実施形態」、「様々な実施形態」、「一実施形態」などとの言及は、必ずしも相互排他的ではなく、記載されている特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを示すよう意図される。本明細書中のそのような用語の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態に言及しているわけではない。
少なくとも１つの実施形態の様々な態様は、実寸通りであるよう意図されない添付の図を参照して、以下で説明される。図は、本明細書で開示されている様々な態様及び実施形態の実例及び更なる理解をもたらすために含まれており、本明細書に組み込まれてその部分を構成するが、本発明の限定の定義として意図されない。図中、様々な図で表されている各同じ又は略同じコンポーネントは、同じ番号によって示される。明りょうさのために、あらゆるコンポーネントがあらゆる図でラベルを付されているわけではないことがある。
上述されたように、実質的な不均一性が、無冷却マイクロボロメータアレイに存在する。このような不均一性は、アレイによって生成された関心のある信号からローカルノイズを取り除くことを相当に難しくする可能性がある。ピクセル応答における不均一性を補償する様々な方法があるが、多くのアプローチは、それらを特定のアプリケーションで望ましくないものとするか、又はそれらの有効性を制限する付随した欠点を有している。例えば、アレイの個々のピクセルごとに連続的なバイアス電圧を印加することを伴う能動的な不均一性補正（ＮＵＣ）は、多くのアプリケーションで過度な電力を必要とする場合がある。上述されたように、ＮＵＣに対するいくつかの従来アプローチは、アレイの列または行の端に置かれた光遮断基準ピクセルを使用するが、これらは、個々のピクセル抵抗の変化を十分に追跡しない。各ピクセルを構成するために使用される熱感知材の抵抗又は性能は、アレイにわたってピクセルごとに、ウェハにわたって（ダイごとの変動）、ウェハごとに、及びウェハロットごとに大きく変化する可能性があり、この変動は、追跡するのが困難である場合がある。態様及び実施形態は、ピクセル応答におけるシーンに基づかない不均一性（すなわち、ノイズ）がピクセルごとに測定され得る方法及び装置を提供し、それによって、マイクロボロメータアレイのイメージング性能の実質的な改善をもたらす。
以下で詳細に説明されるように、特定の実施形態に従って、アレイ内の各ピクセルは、イメージング検出器要素及び光遮断基準要素の両方を含む。基準要素は、それらがシーン画像を“見ない”ように、それらを覆う物理的なシールドを備えており、従って、それらの出力が熱雑音にのみ応答するので、基準としての役割を果たすことができる。基準要素は、対応するイメージング検出器要素と同じ熱感知材から構成され、かつ、同じ又は極めて類似した寸法を有することができ、それにより、それらの抵抗値は、対応する検出器要素のそれと基本的に同じであり、受け取られた熱雑音に対するそれらの応答は、従って、対応するイメージング検出器要素の応答と極めて類似している。このようにして、基準要素は、温度及び抵抗の両方の変化に局所的に良好な一致を提供し、行ごと又は列ごとだけでなくピクセルごとに局所的な影響を画像から除くことを可能にする。
当然ながら、本明細書で説明されている方法及び装置の実施形態は、以下の記載で説明されているか又は添付の図面に表されているコンポーネントの構成及び配置の詳細に本願において限定されない。方法及び装置は、他の実施形態での実施、及び様々な方法で実施又は実行されることが可能である。具体的な実施の例は、もっぱら実例のために本明細書で与えられており、限定であるよう意図されない。また、本明細書で使用されている表現及び用語は、説明のためであって、限定として見なされるべきではない。「含む」（including）、「有する」（comprising）、「持っている」（having）、「含む」（containing）、「伴う」（involving）及びそれらの変形の本明細書中の使用は、その前に挙げられているアイテム及びその同等物並びに追加のアイテムを包含するよう意図される。「又は」（or）への言及は、「又は」を用いて記載されている如何なる項目も、記載されている項目の１つ、１つよりも多く、及び全てのいずれかを示し得る。前（front）及び後ろ（back）、左（left）及び右（right）、上（top）及び下（bottom）、上方（upper）及び下方（lower）、並びに垂直（vertical）及び水平（horizontal）への如何なる言及も、記載の便宜上であって、本システム及び方法又はそれらのコンポーネントを如何なる１つの位置的又は空間的姿勢に限定しないよう意図される。
図１は、赤外線センサ１００の一例の略断面ブロック図であり、赤外線センサ１００は、マイクロボロメータアレイを含み、熱エネルギを検出し、その検出された熱エネルギの２次元イメージを表す電気信号を出力するために使用され得る。表されている例では、赤外線センサ１００は、リードオンリー集積回路（ＲＯＩＣ）ウェハ又は基板１２０に配置された焦点面アレイ（ＦＰＡ）１１０を含む。ＲＯＩＣ１７０は、統御者によって理解されるように様々な電子部品を含んでよく、ＲＯＩＣ基板１２０に実装されている。図２に示されるように、ＦＰＡ１１０は、複数の熱センサ又は検出器要素１１２を含んでよい。検出器要素１１２は、２次元（ｎ×ｍ）配列で並べられており、各検出器要素１１２は、赤外線センサ１００によって生成された各イメージ内の各々ピクセルに対応する。図２は、約１４０個の検出器要素１１２しか図式的に表さないが、当業者に明らかなように、ＦＰＡ１１０における検出器要素１１２の総数は、より多くても又はより小さくてもよい。いくつかの実施で、ＦＰＡ１１０は、熱赤外線スペクトル領域の少なくとも一部において電磁放射を受け検出するよう構成された無冷却マイクロボロメータアレイである。例えば、長波赤外線スペクトル帯域にあるか、又はＦＰＡ１１０は、約８から１２μｍの範囲にある波長を有している電磁放射を検知可能であってよい。
図１を参照すると、ＦＰＡ１１０は、見られているシーンから、光透過リッドウェハ又は窓１４０を介して、電磁放射１３０を受ける。リッドウェハ１４０は、ＲＯＩＣ基板１２０とリッドウェハ１４０との間に空洞１６０が形成されるように、支持構造体１５０によってＦＰＡ１１０の上に浮かされてＲＯＩＣ基板１２０へ結合されている。特定の実施形態では、空洞１６０は、ＦＰＡ１１０が動作し得る真空環境を提供可能である。ＲＯＩＣ基板１２０は、シリコンから成り、真空の又は密閉された囲いのために、次いで、密封ボンドが、ＲＯＩＣ基板１２０と支持構造体１５０との間に形成される。更に、密封ボンドは、支持構造体１５０と窓１４０との間に形成されてもよい。光透過シリコンウェハがリッドウェハ１４０に用いられてよいが、如何なる他の適切な赤外線透過リッドウェハ材（例えば、ゲルマニウム、セレン亜鉛、又は硫酸亜鉛、など）も代替的に使用されてよい。特定の例では、リッドウェハ１４０は、その高い屈折率及び分散によりゲルマニウムから成る。
ＦＰＡ１１０は、見られているシーンから電磁放射１３０を受け、それからイメージを生成する。特に、各検出器要素１１２は、それが受ける電磁放射を、処理のためにＲＯＩＣ１７０へ出力される電気信号に変換する。ＲＯＩＣ１７０は、焦点面アレイ１１０内の各検出器要素（ピクセル）１１２からの熱的に誘導された電気信号を積分し、適切な信号調整及び処理によりアレイから信号を多重化する。図１に示される例では、ＲＯＩＣ１７０は、ＲＯＩＣ基板１２０に含まれる。特定の例では、ヒートシンクなどの熱管理部品が、ＲＯＩＣ基板１２０と一体化されてよく、あるいは、ＲＯＩＣ基板１２０へ結合された基板１７５又は他の構造体において設けられてよい。
ＦＰＡ１１０の検出器要素１１２は、電磁放射１３０を検知可能である（すなわち、見られているシーンのイメージを生成するために使用される電磁放射１３０を受けることに応答して信号を生成する）が、上述されたように、他の場所から受け取られた熱放射も検知可能であり、イメージにおいてノイズを生じさせることがある。例えば、ＲＯＩＣ１７０のコンポーネント、又は行及び／若しくは列増幅器などの、検出器要素１１２に関連した電気コンポーネントは、動作中に加熱して、検出器要素１１２によって受け取られる更なる熱放射を引き起こす可能性がある。上述されたように、検出器要素１１２は、より良いサーマルイメージング性能を可能にするようますます感度を高くされるので、それらは、ノイズ、特に、自己発熱によって引き起こされたノイズにもより敏感になる。検出器要素１１２は、それら自体の熱に非常に敏感であり、いくつかの設計では、それらが入射電磁放射１３０を測定するよりも何倍もそれら自体の温度を測定する場合がある。更に、温度の極めて小さい変化、例えば、ほんのミリケルビンの熱放射が、検出器要素１１２のイメージング性能に大きな影響を及ぼすことがある。ＦＰＡ１１０によって生成されたイメージの信号対雑音比に大きな影響を及ぼすこの問題に加えて、アレイ内の全ての検出器要素１１２が同じ熱雑音放射を受け取り、同じ速度で加熱し、及び／又はそれら自体の温度を同じ精度で測定するわけではない、という事実がある。よって、見られているシーンからの受け取られた入射電磁放射１３０に無関係である検出器要素１１２の光応答の不均一性がある。
従って、態様及び実施形態は、熱雑音がピクセルごとに検出及び軽減され得るように各ピクセル１１２がイメージング検出器要素及び参照要素の両方を含むサーマルイメージングデバイスのためのピクセル構造を提供する。ノイズ応答を検出し、各個別のピクセル１１２の出力から減じることによって、ＦＰＡ１１０のイメージング性能に対するノイズ応答の不均一性の影響は、ＮＵＣがピクセルのいくつかの集合体に対して行われる従来の設計と比較して大幅に低減される。
図３及び４を参照すると、埋め込まれた基準要素（図４に図示）を含むピクセル１１２の例が表されている。図３は、ピクセル１１２のイメージングコンポーネントを示す。一実施形態に従って、ピクセル１１２のイメージング検出器要素は、比較的に長い熱絶縁レッグによって浮かされてＲＯＩＣ基板１２０から熱的に分離された赤外線吸収検出器要素を備えた低熱質量マイクロボロメータアレイを含む。浮かされているイメージングマイクロボロメータは、支持層２２０によって支持されている熱感知材２１０を含んでよい。支持層２２０は、例えば、窒化ケイ素から作られてよい。特定の例では、支持層２２０は、支持層の熱質量を低減するよう複数の小さい穴２２２を含む。穴２２２は、それらがイメージングマイクロボロメータのイメージング性能に影響を及ぼさないように、関心のある電磁放射１３０の波長よりもずっと小さいサイズにされる。例えば、長波赤外線スペクトル帯域（Long-Wave InfraRed spectral band；ＬＷＩＲ）（約８から１２μｍの波長）で撮像するよう構成されたＦＰＡ１１０の場合に、長さＬ及び幅Ｗは、夫々約１２０μｍであってよく、よって、穴２２２は、１μｍほどの寸法（長さ及び幅）を有してよい。熱感知材２１０は、例えば、酸化バナジウム（ＶＯｘ）又はアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）であってよい。
図４に及び部分的に図３に示されるように、基板１２０は、その上面に、間隔をあけられた２つの電気接点２３０を備えてよい。電気接点２３０は、上述されたようにＲＯＩＣ基板１７５及び／又はＲＯＩＣ基板１２０内に実装され得るＲＯＩＣ１７０へ電気的に結合されている（図示せず）。ＲＯＩＣ基板１２０の上面は、関心のあるスペクトル帯域に少なくともある赤外線放射を反射する材料の層（反射体２４０）を載置されている。イメージングマイクロボロメータは、支持体２５０及び熱絶縁レッグ２５５によって反射体２４０の上に浮いており、それにより、支持層２２０と反射体２４０との間に空間又はギャップがある。特定の例では、支持層２２０と反射体２４０との間の距離は、関心のある放射１３０が熱感知材２１０によって吸収可能であるまで放射１３０を電気的にトラップする共振空洞を形成するように、関心のある放射１３０の波長の約４分の１であるよう選択される。他の例では、支持層２２０と反射体２４０との間の距離は、関心のある電磁放射１３０の波長の４分の１の奇数倍におおよそ等しいといったように、何らかの他の適切な距離である。反射体２４０は、例えば、アルミニウムなどの如何なる赤外線反射材からも作られてよい。
イメージングマイクロボロメータはまた、支持体２５０及び熱絶縁レッグ２５５を介して電気接点２３０へ電気的に接続されている。よって、電磁放射１３０を受けたことに応答してイメージングマイクロボロメータによって生成された信号は、処理のためにＲＯＩＣ１７０へ運ばれ得る。支持体２５０は、例えば、チタニウム、アルミニウム又はチタニウム－タングステン（ＴｉＷ）などの如何なる適切な導電材料から作られてもよい。図３に示されるように、特定の実施形態では、熱絶縁レッグ２５５は、比較的に小さい面積／体積で長い長さを達成するよう蛇行又は類似した形状を有する。特定の例では、熱絶縁レッグ２５５の長さは、例えば、１２μｍ又は１２μよりも長いレッグ長さなど、検出器要素１１２の１つ以上の辺長さ（例えば、Ｌ又はＷ）におおよそ等しいか又はそれよりも長い。一般に、より長いレッグ２５５は、更なる熱絶縁、ひいては、ＦＰＡ１１０のより良い感度をもたらす。特定の例では、Ｌ又はＷの２から３倍である熱絶縁レッグ２５５は、検出器要素１１２の感度を改善するために使用されてよい。
特定の実施形態に従って、遮蔽された（光遮断）マイクロボロメータが各検出器要素１１２に含まれており、それにより、各検出器要素１１２は、イメージングマイクロボロメータ（イメージングピクセル）及び基準要素／ピクセルの両方を含む。図４を参照すると、一実施形態において、基準要素は、同じ熱感知材２１０から作られている基準抵抗２６０を含む。基準抵抗２６０は、反射体２４０の下で覆い隠されており、ＲＯＩＣ基板１２０に熱を吸収される。基準抵抗２６０は、シーンからの入来電磁放射１３０から反射体２４０によって保護されている。よって、図３及び４を参照すると、基準抵抗２６０は、反射体２４０とＲＯＩＣ基板１２０との間に“挟まれている”。基準抵抗２６０は、熱感知材２１０の層のそれと基本的に等しい抵抗値を有するよう設計され得る。この構造は、シーン応答がない（すなわち、電磁放射１３０に応答して生じる信号がない）が、ＲＯＩＣ基板１２０及び検出器要素１１２の温度が変化するにつれて基準抵抗２６０の抵抗の変化が熱感知材２１０の層の抵抗の変化を追跡する基準ピクセルを提供する。基準抵抗２６０のジオメトリは、ピクセル構造の非遮蔽（イメージング）部分におけるジオメトリを模倣するよう構成され得る。これは、温度及び抵抗の両方の変化に局所的によりずっと良い一致があるピクセル１１２を提供し得る。
特定の例では、基準抵抗２６０は、それが熱感知材の層の真下に位置付けられ、ＲＯＩＣ基板１２０でおおよそ同じ“フットプリント”を有するように、熱感知材２１０の層と整列され得る。図４に示されるように、２つのパッド２７０が基準抵抗２６０へ結合される。これらのパッド２７０は、導電性であって、ＲＯＩＣ１７０へ電気的に結合されてよく、それにより、基準抵抗２６０によって生成された基準信号は、イメージングマイクロボロメータからの信号とともに、処理のためにＲＯＩＣ１７０へ供給され得る。特定の例では、パッド２７０は、支持体２５０と位置合わせされてもよいが、他の例では、異なる幾何配置が実装されてもよい。基準抵抗２６０及び関連するコンポーネント（例えば、パッド２７０）の厳密なジオメトリは、ジオメトリ及び材料が、基準抵抗２６０がイメージングマイクロボロメータと同じではないにしても非常に類似した抵抗を有し、かつ、イメージングマイクロボロメータと同じでないにしても非常に類似した温度変化に対する応答を有するようなものであるという条件で、検出器要素１１２の設計にとって重要でない場合がある。特に、同じ熱感知材２１０（例えば、酸化バナジウム）から基準抵抗２６０を形成することは、熱雑音による抵抗の変化に正確に適合させることにとって重要であり得る。ピクセルごとのＮＵＣを提供しようと試みるいくつかの設計は、イメージングピクセルに関連付けられた固定抵抗を一次参照として利用することがあるが、このアプローチは、ピクセルにおける熱雑音の変化を十分に追跡しない。酸化バナジウムなどの熱感知材の抵抗は、温度とともに大きく変化し得るので、固定基準抵抗値はあまり有用でない。
上述されたように、基準抵抗／マイクロボロメータによって生成された基準信号は、各検出器要素１１２においてイメージングマイクロボロメータによって生成された信号から熱雑音成分を除くために使用され得る。図５から７は、この機能を実行するよう構成され得る回路の様々な例の回路図である。
図５を参照すると、サーマルイメージングデバイス３００は、回路３２０へ結合された熱センサ３１０を含む。サーマルイメージングデバイス３００は、ＦＰＡ１１０にける各検出器要素１１２に対応する。熱センサ３１０は、イメージングマイクロボロメータ３１２（図３及び４を参照して上述されたイメージング構造に対応）と、基準マイクロボロメータ３１４（図３及び４を参照して上述された少なくとも基準抵抗２６０に対応）とを含む。上述されたように、イメージングマイクロボロメータ３１２及び基準マイクロボロメータ３１４は、それらの抵抗値Ｒｂｏｌｏ，ｓｉｇ及びＲｂｏｌｏ，ｄａｒｋが夫々基本的に同じであるように構成され得る。更に、上述されたように、イメージングマイクロボロメータ３１２は、見られているシーンから入射電磁放射１３０を受ける。基準マイクロボロメータ３１４は、電磁放射１３０を受けることから、反射体２４０によって保護されている。基準マイクロボロメータ３１４は、電圧源Ｖｄｄへ接続されており、検出器要素１１２における熱雑音を表す信号Ｉｄａｒｋを生成する。イメージングマイクロボロメータ３１２は、シーン応答を表す成分、すなわち、関心のある信号（Ｉｓｉｇ）、及び熱雑音に起因する成分（Ｉｄａｒｋ）の両方を含む信号Ｉｓｉｇ＋Ｉｄａｒｋを生成する。上述されたように、イメージングマイクロボロメータ３１２及び基準マイクロボロメータ３１４は、ノイズ応答（Ｉｄａｒｋ）が両方のデバイスから基本的に同じであるように構成される。図５に示される例では、回路３２０は、一緒に接続されたトランジスタ３２２、３２４の対を含む。表されている例では、第１トランジスタ３２２は、そのソースで印加されている電圧Ｖｄｄ－Ｖｂｉａｓを有するｐチャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、第２トランジスタ３２４は、そのソースで電圧Ｖｂｉａｓを有するｎチャネルＦＥＴである。しかし、当業者には容易に理解されるように、回路３２０は、第１トランジスタ３２２がｎチャネルＦＥＴであり、第２トランジスタ３２４がｐチャネルＦＥＴであるように、あるいは、他のタイプ及び／又は構成のトランジスタが使用されるように、変更されてもよい。第１トランジスタ３２２は、基準マイクロボロメータ３１４から基準信号Ｉｄａｒｋを受信し、第２トランジスタ３２４は、イメージングマイクロボロメータ３１２から複合信号Ｉｓｉｇ＋Ｉｄａｒｋを受信する。トランジスタ３２２、３２４は、基準信号Ｉｄａｒｋが複合信号Ｉｓｉｇ＋Ｉｄａｒｋから減じられるように接続され、関心のある信号（シーン応答）Ｉｓｉｇが出力接点３２６で供給される。出力接点３２６からは、関心のある信号Ｉｓｉｇが、ＲＯＩＣ１７０のコンポーネント又は外部デバイスへ供給され得る。回路３２０は、検出器要素１１２の部分として、ＲＯＩＣ基板１２０において、ＲＯＩＣ１７０の部分として、又はそれらの組み合わせで実装されてよい。
図６を参照すると、サーマルイメージングデバイスの他の例３００ａが表されている。この例では、サーマルイメージングデバイス３００ａは、回路３３０へ結合されている熱センサの変形３１０ａを含む。熱センサ３１０ａでは、イメージングマイクロボロメータ３１２が、信号線３１６と接地との間に接続され、基準マイクロボロメータ３１４が、電圧源Ｖｄｄと信号線３１６との間に接続されている。上述されたように、イメージングマイクロボロメータ３１２及び基準マイクロボロメータ３１４は、それらの抵抗値Ｒｂｏｌｏ，ｓｉｇ及びＲｂｏｌｏ，ｄａｒｋが夫々基本的に同じであるように構成され得る。従って、信号線３１６での電圧は、約Ｖｄｄ／２であることができる。図６に示される例では、回路３３０は、示されるように、信号線３１６へ接続された１つの端子を備えるコンパレータ３３２を含む。よって、関心のある信号Ｉｓｉｇは、コンパレータ３３２へ供給される。コンパレータ３３２は、その他の端子で、集約基準デバイス３４０から集約基準信号を受信し、関心のある信号Ｉｓｉｇと集約基準信号との間の差に対応する出力を出力接点３３８で供給する。一例では、集約基準デバイス３４０は、ＦＰＡ１１０のための行ごとの抵抗であるが、他の例では、集約基準デバイス３４０は、ＦＰＡ１１０のための列ごとの基準であってもよい。集約基準デバイス３４０は、熱センサ３１０ａで見られるように、Ｖｄｄと接地との間に直列に接続されているイメージングマイクロボロメータ３１２及び基準マイクロボロメータ３１４を含む。
図６に示される例では、回路３３０は、信号線３１６と出力接点３３８との間でコンパレータ３３２にわたって接続された積分キャパシタ３３４を更に含む。スイッチ３３６が、積分キャパシタ３３４と並列に接続され、制御接点３５２を介して受信された制御信号によって制御される（開状態と閉状態との間で切り替えられる）。積分キャパシタ３３４は、検出器要素１１２の積分サイクル中に信号線３１６で受け取られた電荷（関心のある信号Ｉｓｉｇに対応）を積分し、スイッチ３３６が開いているときに出力接点３３８で積分信号を出力してよい。図５を参照して説明された回路３２０の場合と同様に、回路３３０は、検出器要素１１２の部分として、ＲＯＩＣ基板１２０において、ＲＯＩＣ１７０の部分として、又はそれらの組み合わせで実装されてよい。特定の例では、回路３３０は、ＦＰＡ１１０における検出器要素１１２ごとに繰り返されるが、集約基準デバイス３４０は、複数の検出器要素の間で共有される。
図７は、サーマルイメージングデバイスの他の変形３００ｂを表す。この例では、熱センサ３１０ｂは、図６の熱センサ３１０ａと同じであり、回路３６０は、図６に示される回路３３０の構成と類似しているが、信号線３１６（及びコンパレータ３３２の端子）へ及び基準マイクロボロメータ３１４へ接続されたトランジスタ３６２を更に含む。基準信号Ｉｄａｒｋは、先と同じく、イメージングマイクロボロメータ３１２からの複合応答（Ｉｓｉｇ＋Ｉｄａｒｋ）から減じられ、結果として得られる関心のある信号Ｉｓｉｇは、コンパレータ３３２へ供給される。サーマルイメージングデバイス３００ｂの動作は、他の点では、図６に示されるサーマルイメージングデバイス３００ａを参照して説明された通りである。
よって、態様及び実施形態は、ピクセルごとのＮＵＣを組み込む無冷却赤外線イメージングセンサアーキテクチャ及び実施を提供する。上述されたように、態様及び実施形態は、アレイの各ピクセルが、見られているシーンから電磁放射を受けるイメージングマイクロボロメータと、シーンエネルギから保護される基準要素との両方を含むマイクロボロメータアレイを含む。従って、これらの基準要素からの如何なる出力も、如何なる入射電磁放射からでもなく、イメージングシステムの内在的なノイズ（例えば、ピクセルの自己発熱からの熱雑音）によってのみ生成されるので、ＮＵＣ信号を生成するために使用され得る。特定の実施形態に従って、基準要素は、ピクセルのイメージングコンポーネントで使用されるトランスデューサ材料と同じトランスデューサ（熱感知）材料、例えば、酸化バナジウム又はアモルファスシリコンから作られる。更に、基準要素のジオメトリは、イメージングコンポーネントのジオメトリを模倣するよう構成されてよい。上述されたように、基準要素は、反射層によってシーンエネルギから保護されかつＲＯＩＣ基板に熱を吸収される熱感知材の層を含んでよい。これらの特徴は、基準マイクロボロメータがシーン応答を生成しないピクセルを提供し得るが、基準マイクロボロメータからの熱雑音に対する応答は、イメージングマイクロボロメータからの熱雑音に対する応答を密に追跡するので、温度及び抵抗の両方の変化に局所的に優れた一致をもたらす。これは、列又は行ごとよりもむしろピクセルごとに、極めて局所的な影響が補償されることを可能にし、マイクロボロメータアレイの改善された性能（例えば、改善された信号対雑音比）を提供する。
少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様について上述されているが、当然ながら、様々な変更、修正、及び改善が当業者に容易に想到可能である。そのような変更、修正、及び改善は、本開示の部分であるよう意図され、本発明の範囲内にあるよう意図される。従って、上記の説明及び図面は、単なる一例であって、発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等の適切な構成から決定されるべきである。
Claims (24)
- リードオンリー集積回路（ＲＯＩＣ）基板と、
前記ＲＯＩＣ基板に配置され、２次元配列で並べられた複数の検出器要素を含み、各検出器要素が、
見られているシーンから８から１２マイクロメートルの範囲にある波長を有する赤外線放射を受け、該赤外線放射を受けことに応答して、各々の検出器要素における熱雑音に起因して生じた成分を含むイメージ信号を生成するよう構成されるイメージングマイクロボロメータであり、前記ＲＯＩＣ基板の上に浮かされた熱感知材の層を含む前記イメージングマイクロボロメータと、
前記赤外線放射を受けることから保護され、前記熱雑音を示す基準信号を生成するよう構成される基準マイクロボロメータであり、前記熱感知材から作られた基準抵抗を含み、前記イメージングマイクロボロメータの前記熱感知材の層の下にそれと位置合わせされて置かれた前記ＲＯＩＣ基板の表面に配置されている前記基準マイクロボロメータと
を含む、マイクロボロメータアレイと、
前記ＲＯＩＣ基板に形成され、前記マイクロボロメータアレイへ結合され、各検出器要素について前記基準信号を前記イメージ信号から減じて補正イメージ信号を生成し、前記複数の検出器要素からの前記補正イメージ信号に基づいて、前記見られているシーンのイメージを生成するよう構成される回路と
を有するサーマルイメージングデバイス。 - 前記熱感知材は、酸化バナジウムである、
請求項１に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記基準マイクロボロメータは、前記イメージングマイクロボロメータのジオメトリを模倣するジオメトリで構成される、
請求項１に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記基準抵抗は、前記イメージングマイクロボロメータの前記熱感知材の層の抵抗値に等しい抵抗値を有する、
請求項１に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 各検出器要素は、前記基準抵抗の上に配置され、前記赤外線放射を受けることから前記基準マイクロボロメータを保護するよう構成された赤外線反射材の層を更に含む、
請求項１に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記赤外線反射材は、アルミニウムである、
請求項５に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記回路は、各検出器要素について、前記基準マイクロボロメータと前記イメージングマイクロボロメータとの間に直列に接続された相補型トランジスタの対を含む、
請求項１に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 各イメージングマイクロボロメータは、前記熱感知材の層を支持する支持層を含み、該支持層は、前記イメージングマイクロボロメータのイメージング性能に影響を及ぼさないようなサイズの複数の穴を含む、
請求項１に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記支持層は、窒化ケイ素である、
請求項８に記載のサーマルイメージングデバイス。 - リードオンリー集積回路（ＲＯＩＣ）基板と、
前記ＲＯＩＣ基板に配置され、複数の検出器要素の２次元配列を含むマイクロボロメータアレイであり、各検出器要素が、
前記ＲＯＩＣ基板の第１表面に形成され、熱感知材から形成され、前記検出器要素における熱雑音を表す基準信号を生成するよう構成される基準抵抗と、
前記基準抵抗及び前記ＲＯＩＣ基板の前記第１表面の上に配置され、赤外線反射材から形成され、前記マイクロボロメータアレイによって見られているシーンから赤外線放射を受けることから前記基準抵抗を保護するよう構成される反射体と、
前記反射体の上に浮かされ、熱絶縁レッグの対によって前記ＲＯＩＣ基板から熱的に分離されているイメージングマイクロボロメータであり、支持層によって支持された前記熱感知材の層を含み、前記見られているシーンから８から１２マイクロメートルの範囲を有する前記赤外線放射を受け、該受けた赤外線放射及び前記検出器要素における熱雑音に基づいてイメージ信号を生成するよう構成される前記イメージングマイクロボロメータと
を含む、前記マイクロボロメータアレイと、
前記ＲＯＩＣ基板に形成され、前記マイクロボロメータアレイへ結合され、各検出器要素について前記基準信号を前記イメージ信号から減じて補正イメージ信号を生成し、前記複数の検出器要素からの前記補正イメージ信号に基づいて、前記見られているシーンのイメージを生成するよう構成される回路と
を有するサーマルイメージングデバイス。 - 前記熱感知材は、酸化バナジウムである、
請求項１０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記基準抵抗は、前記イメージングマイクロボロメータにおける前記熱感知材の前記層の抵抗値に等しい抵抗値を有する、
請求項１０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記支持層は、窒化ケイ素である、
請求項１０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記ＲＯＩＣ基板へ結合され、前記マイクロボロメータアレイを覆って空洞を設けるよう構成されるリッドウェハを更に有し、該リッドウェハは、赤外線放射が前記マイクロボロメータアレイで受け取られることを可能にするよう前記赤外線放射に対して光学的に透過である領域を含む、
請求項１０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記赤外線反射材は、アルミニウムである、
請求項１０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記支持層は、複数の穴を含む、
請求項１０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記回路は、各検出器要素について、前記基準抵抗と前記イメージングマイクロボロメータとの間に直列に接続された相補型トランジスタの対を含む、
請求項１０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - マイクロボロメータアレイの複数の検出器要素の夫々のイメージングマイクロボロメータで、見られているシーンから８から１２マイクロメートルの範囲にある波長を有する赤外線放射を受けることと、
前記複数の検出器要素の夫々に含まれている前記イメージングマイクロボロメータにより、前記受け取られた赤外線放射と各々の検出器要素における熱雑音との組み合わせからイメージ信号を生成することと、
前記複数の検出器要素の夫々に含まれており、前記赤外線放射を受け取ることから保護されている基準マイクロボロメータにより、前記熱雑音に基づいて基準信号を生成することと、
各検出器要素について、前記基準信号を前記イメージ信号から減じて補正イメージ信号を生成することと、
前記複数の検出器要素からの前記補正イメージ信号に基づいて、前記見られているシーンのイメージを生成することと
を有するサーマルイメージング方法。 - サーマルイメージングデバイスであって、
リードオンリー集積回路（ＲＯＩＣ）基板と、
前記ＲＯＩＣ基板に配置され、２次元配列で並べられた複数の検出器要素を含み、各検出器要素が、イメージングマイクロボロメータ及び基準マイクロボロメータを含み、前記イメージングマイクロボロメータが、見られているシーンから電磁放射を受け、該電磁放射を受けたことに応答してイメージ信号を生成するよう構成され、前記イメージ信号が、各々の検出器要素における熱雑音に起因して生じた成分を含み、前記基準マイクロボロメータが、前記電磁放射を受けることから保護され、前記熱雑音を示す基準信号を生成するよう構成され、各検出器要素が、基準信号を前記イメージ信号から減じて補正イメージ信号を生成するよう構成される回路を更に含み、前記回路が、前記基準マイクロボロメータと前記イメージングマイクロボロメータとの間に直列に接続された相補型トランジスタの対を含む、マイクロボロメータアレイと
を有し、
当該サーマルイメージングデバイスは、前記複数の検出器要素からの前記補正イメージ信号から、前記見られているシーンのイメージを生成するよう構成される、
サーマルイメージングデバイス。 - 各検出器要素の前記イメージングマイクロボロメータは、前記ＲＯＩＣ基板の上に浮かされた熱感知材の層を含み、各検出器要素の前記基準マイクロボロメータは、前記熱感知材から作られた基準抵抗を含む、
請求項１９に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記熱感知材は、酸化バナジウムである、
請求項２０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記基準抵抗は、前記熱感知材の層の抵抗値に等しい抵抗値で構成される、
請求項２０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記基準抵抗は、前記ＲＯＩＣ基板に配置され、各検出器要素は、前記基準抵抗の上に配置され、前記電磁放射を受けることから前記基準マイクロボロメータを保護するよう構成された赤外線反射材の層を更に含む、
請求項２０に記載のサーマルイメージングデバイス。 - 前記ＲＯＩＣ基板に実装され、前記マイクロボロメータアレイへ結合されたＲＯＩＣを更に有し、該ＲＯＩＣは、前記見られているシーンの前記イメージを生成するように、前記複数の検出器要素からの前記イメージ信号及び前記基準信号を処理するよう構成される、
請求項１９に記載のサーマルイメージングデバイス。
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