JP2576259B2 - Infrared sensor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、サーモパイル型赤外線センサに関する。The present invention relates to a thermopile infrared sensor.
（従来の技術） サーモパイル型赤外線センサでは２種類の熱電材料を
用いる。従来、理化学辞典（第４版）486ページによる
と、ビスマスとアンチモン、クロメルとコンスタンタ
ン、鉄とコンスタンタンの組合せが用いられてきた。ま
た、P.M.SarroとA.W.V.Herwaardenの「Infrared Detect
or Based on an Integrated Silicon ThermoPile」（Pr
oceedings of SPIE807巻113ページから118ページ）によ
ると、ｐ型シリコンと、アルミニウムが使われている。
またC.Shibata、C.Kimura and K.Mikamiの「Far Infrar
ed Sensor with ThermoPile Structure」（Proceeding
of the 1st Sensor SymPosium1981年211ページから255
ページ）によると、テルルとインジウムアンチモンが使
われている。(Prior Art) Two types of thermoelectric materials are used in a thermopile infrared sensor. According to the Physics and Chemical Dictionary (4th edition), page 486, combinations of bismuth and antimony, chromel and constantan, and iron and constantan have been used. In addition, PMSarro and AWV Herwaarden's "Infrared Detect
or Based on an Integrated Silicon ThermoPile ”(Pr
According to the oceedings of SPIE 807, pp. 113-118), p-type silicon and aluminum are used.
Also, C. Shibata, C. Kimura and K. Mikami's `` Far Infrar
ed Sensor with ThermoPile Structure ”(Proceeding
of the 1st Sensor SymPosium 1981 p. 211-255
According to page, tellurium and indium antimony are used.
また、本出願人の特願平１−40769号では熱電材料と
してｐ型とｎ型の半導体を用いることが示されている。
特にｐ型とｎ型のシリコンを用いる場合にはシリコンIC
の製造技術を用いることができ有利である。第２図はｐ
型とｎ型のシリコンを熱電材料に用いたサーモパイル型
赤外線センサの平面図と断面図である。面方位（100）
のシリコン基板１上にCVD法やプラズマCVD法で作成され
たシリコン窒化膜２が形成されており、窒化膜２の中央
部分の下のシリコン基板が４角錐台状にエッチングさ
れ、空洞３が形成されている。空洞３の上面を被ってい
る膜をダイマフラム４と呼ぶ。窒化膜２の上に熱電材料
としてのｎ型シリコン膜５とｐ型シリコン膜６とが形成
されている。接点部７はアルミニウムなどの金属層を有
しており、ｎ型シリコン膜５と接点部７、ｐ型シリコン
膜６と接点部７とはそれぞれオーミックコンタクトをな
している。サーモパイルではダイヤフラム４上の接点を
温接点、ダイヤフラム領域４外部のシリコン基板上に設
けられた接点を冷接点と呼んでいる。これらの接点を多
くするとサーモパイルの感度は向上するので、図のよう
なつづら折り状のパターンになっている。ｎ型シリコン
膜５とｐ型シリコン膜６と接点部７を保護する目的でシ
リコン窒化膜やシリコン酸化膜の保護膜８が形成されて
いる。保護膜８と窒化膜２にはスリット９が形成されて
いる。スリット９はダイヤフラム領域４の対角線に位置
している。スリット９より異方性エッチング液を用いて
空洞３を形成する。保護膜８や窒化膜２は異方性エッチ
ング液からｎ型シリコン膜５とｐ型シリコン膜６と接点
部７を保護する目的がある。Further, Japanese Patent Application No. 1-40769 of the present applicant discloses that p-type and n-type semiconductors are used as thermoelectric materials.
Especially when using p-type and n-type silicon, silicon IC
It is advantageous that the manufacturing technique described above can be used. FIG. 2 shows p
FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of a thermopile infrared sensor using a type and n-type silicon as a thermoelectric material. Plane orientation (100)
A silicon nitride film 2 formed by a CVD method or a plasma CVD method is formed on a silicon substrate 1 of FIG. 1, and a silicon substrate below a central portion of the nitride film 2 is etched into a truncated pyramid shape to form a cavity 3. Have been. The film covering the upper surface of the cavity 3 is called a diaphragm 4. An n-type silicon film 5 and a p-type silicon film 6 as thermoelectric materials are formed on nitride film 2. The contact portion 7 has a metal layer such as aluminum, and the n-type silicon film 5 and the contact portion 7 form an ohmic contact with the p-type silicon film 6 and the contact portion 7, respectively. In the thermopile, a contact on the diaphragm 4 is called a hot junction, and a contact provided on a silicon substrate outside the diaphragm region 4 is called a cold junction. Increasing the number of these contacts increases the sensitivity of the thermopile, so that the pattern has a serpentine pattern as shown in the figure. In order to protect the n-type silicon film 5, the p-type silicon film 6, and the contact portion 7, a protection film 8 of a silicon nitride film or a silicon oxide film is formed. A slit 9 is formed in the protective film 8 and the nitride film 2. The slit 9 is located on a diagonal line of the diaphragm area 4. The cavity 3 is formed from the slit 9 using an anisotropic etching solution. The protective film 8 and the nitride film 2 have the purpose of protecting the n-type silicon film 5, the p-type silicon film 6, and the contact portion 7 from the anisotropic etching solution.
（発明が解決しようとする課題） サーモパイルを一次元または二次元に配列し、赤外線
イメージセンサを構成した例はI.H.ChoiとK.D.Waseの
「A Slilcon−Thermoyile−Based Infrared Sensing Ar
ray for Use in Automated Manufacturing」（IEEE Tra
nsactions on Electron Devices ED−33巻1986年72〜79
ページ）に８×１画素と16×２画素のものがある。しか
し、いすれも画素数が小さく、また、画素数が大きい場
合に適した構成ではないという欠点があった。このた
め、画素数が大きい場合にも適した構成が必要とされて
きた。(Problems to be Solved by the Invention) An example in which thermopiles are arranged one-dimensionally or two-dimensionally to constitute an infrared image sensor is described in "A Slilcon-Thermoyile-Based Infrared Sensing Arge" of IHChoi and KDWase.
ray for Use in Automated Manufacturing ”(IEEE Tra
nsactions on Electron Devices ED-33 1986 72-79
Page) has 8 × 1 pixels and 16 × 2 pixels. However, in any case, the number of pixels is small, and the configuration is not suitable for the case where the number of pixels is large. Therefore, a configuration suitable for a case where the number of pixels is large has been required.
（課題を解決するための手段） この発明の赤外線センサは３つある。その１つは、半
導体基板の主面に設けられた複数のダイヤフラム領域
と、このダイヤフラム領域に一方の接点群を有し、ダイ
ヤフラム領域の外に他方の接点群を有し、その一端は第
１の電圧源に接続されたサーモパイルと、そのゲートが
前記サーモパイルの他端と接続され、そのソースが第２
の電圧源に接続され、そのドレインが電荷蓄積部である
MOS型トランジスタと、この電荷蓄積部に対応して設け
られた電荷読み出し部とを有することを特徴とする構成
の赤外線センサである。(Means for Solving the Problems) There are three infrared sensors of the present invention. One of them has a plurality of diaphragm regions provided on the main surface of the semiconductor substrate, one contact group in the diaphragm region, and another contact group outside the diaphragm region, and one end of the first contact group has a first contact group. A thermopile connected to a voltage source, a gate connected to the other end of the thermopile, and a source connected to the second
And the drain is the charge storage section
An infrared sensor having a configuration including a MOS transistor and a charge reading unit provided corresponding to the charge storage unit.
２つ目は、半導体基板の主面に設けられた複数のダイ
ヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に一方の接点群
を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点群を有し、
その一端は第１の電圧源に接続されたサーモパイルと、
前記複数のダイヤフラム領域に対応して設けられたCCD
と、そのゲートがサーモパイルの他端と接続され、その
ソースが第２の電圧源に接続され、そのドレインが前記
CCDのチャネルであるMOSトランジスタとを有することを
特徴とする構成の赤外線センサである。The second has a plurality of diaphragm regions provided on the main surface of the semiconductor substrate, one contact group in the diaphragm region, and the other contact group outside the diaphragm region,
A thermopile connected at one end to a first voltage source;
CCD provided corresponding to the plurality of diaphragm areas
And its gate is connected to the other end of the thermopile, its source is connected to a second voltage source, and its drain is
An infrared sensor having a configuration including a MOS transistor serving as a channel of a CCD.
３つ目は、半導体基板の主面に二次元的に配列された
複数のダイヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に一
方の接点群を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点
群を有し、その一端は第１の電圧源に接続されたサーモ
パイルと、前記複数のダイヤフラム領域に対応して設け
られた第１の垂直CCDと、そのゲートがサーモパイルの
他端と接続され、そのソースが第２の電圧源に接続さ
れ、そのドレインが第１の垂直CCDのチャネルであるMOS
型トランジスタと、第１の垂直CCDに直列接続され、第
１の垂直CCDの転送段数以上の転送段数を持つ第２の垂
直CCDと、第２の垂直CCDの第１の垂直CCDと接続されて
いない端部に対応して設けられた水平CCDと、水平CCDの
転送方向端部に設けられた出力部とを有することを特徴
とする構成の赤外線センサである。The third has a plurality of diaphragm regions two-dimensionally arranged on the main surface of the semiconductor substrate, one contact group in the diaphragm region, and the other contact group outside the diaphragm region. One end has a thermopile connected to a first voltage source, a first vertical CCD provided corresponding to the plurality of diaphragm regions, a gate connected to the other end of the thermopile, and a source connected to the second. A MOS connected to a voltage source, the drain of which is the channel of the first vertical CCD
Type transistor, a second vertical CCD connected in series to the first vertical CCD, and having a number of transfer stages equal to or greater than the number of transfer stages of the first vertical CCD, and connected to a first vertical CCD of the second vertical CCD. An infrared sensor having a configuration including: a horizontal CCD provided corresponding to an end that is not provided; and an output unit provided at an end in a transfer direction of the horizontal CCD.
（実施例） 次に、この発明について図面を参照して説明する。Embodiment Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図はこの発明の第１の実施例の平面模式図であ
る。第１の実施例は第２図のようなサーモパイルが二次
元に多数配列され、かつ、電荷蓄積部と走査回路がシリ
コン主面上に集積された赤外線センサである。図におい
て、多数のサーモパイル10が２次元に配列されている。
サーモパイル10の熱接点はダイマフラム上に形成されて
いる。サーモパイル10の一端11は第１の電圧源12に共通
接続されている。サーモパイル10に対応してMOS型トラ
ンジスタ14か形成されている。サーモパイル10の他端13
はMOS型トランジスタ14のゲートに接続されている。MOS
型トランジスタ14のソースは第２の電圧源15に共通接続
されている。第２の電圧源15はシリコン基板の電位、す
なわち、接地とすることも可能である。さらに、各画素
には電荷蓄積部16が設けられている。電荷蓄積部16とし
てはMOS型容量や接合容量やダイナミックRAMで用いられ
ているスタック容量を用いる。MOS型トランジスタ14の
ドレインは電荷蓄積部16と各画素に設けられたトランシ
スファゲート17のソースに接続されている。このトラン
シファゲート17に対応して埋め込み型の垂直CCD18が設
けられている。垂直CCD18のチャネルはトランスファゲ
ート17のドレインを兼ねている。また、垂直CCD18の一
つの電極の一部を表面型チャネルとし、トランスファゲ
ート17と兼ねさせることもできる。垂直CCD18の転送方
向の端部には水平CCD19を設ける。さらに、水平CCD19の
転送方向の端部には浮遊拡散層型の出力部20を形成す
る。トランジスタゲート17、垂直CCD18、水平CCD19、出
力部20とで読み出し部を形成している。FIG. 1 is a schematic plan view of a first embodiment of the present invention. The first embodiment is an infrared sensor in which a large number of thermopiles as shown in FIG. 2 are two-dimensionally arranged, and a charge storage section and a scanning circuit are integrated on a silicon main surface. In the figure, a large number of thermopiles 10 are two-dimensionally arranged.
The thermal contacts of the thermopile 10 are formed on the diaphragm. One end 11 of the thermopile 10 is commonly connected to a first voltage source 12. A MOS transistor 14 is formed corresponding to the thermopile 10. Other end 13 of thermopile 10
Is connected to the gate of the MOS transistor 14. MOS
The sources of the type transistors 14 are commonly connected to a second voltage source 15. The second voltage source 15 can be at the potential of the silicon substrate, that is, at the ground. Further, each pixel is provided with a charge storage section 16. As the charge storage unit 16, a MOS capacitance, a junction capacitance, or a stack capacitance used in a dynamic RAM is used. The drain of the MOS transistor 14 is connected to the charge storage section 16 and the source of a transistor gate 17 provided in each pixel. An embedded vertical CCD 18 is provided corresponding to the transfer gate 17. The channel of the vertical CCD 18 also serves as the drain of the transfer gate 17. In addition, a part of one electrode of the vertical CCD 18 may be a surface type channel, and may also serve as the transfer gate 17. A horizontal CCD 19 is provided at an end of the vertical CCD 18 in the transfer direction. Further, a floating diffusion layer type output section 20 is formed at an end of the horizontal CCD 19 in the transfer direction. The transistor gate 17, the vertical CCD 18, the horizontal CCD 19, and the output unit 20 form a read unit.
この赤外線センサでは、入射赤外線量に応じてダイマ
フラムの温度が上昇し、それによってサーモパイル10に
起電圧が生ずる。この起電圧は第１の電圧源12に相加さ
れてMOS型トランジスタ14のゲートに印加され、ドレイ
ン電流を変化させる。このドレイン電流は蓄積期間電荷
蓄積部16に蓄積され信号電荷となる。蓄積期間が終了す
ると、トランスファゲート17のオン状態にし、蓄積され
た信号電荷は電荷蓄積部16から垂直CCD18に移されると
同時に、電荷蓄積部26の電位はトランスファゲート17の
チャネル電位にリセットされる。トランスファゲート17
をオフ状態にし、次の蓄積期間が開始する。蓄積期間に
おいて、垂直CCD18と水平CCD19の働きによって、垂直CC
D18に移された信号電荷は順次出力部20に転送され、信
号は外部に採り出される。In this infrared sensor, the temperature of the diaphragm rises in accordance with the amount of incident infrared rays, thereby generating an electromotive voltage in the thermopile 10. This electromotive voltage is added to the first voltage source 12 and applied to the gate of the MOS transistor 14 to change the drain current. This drain current is stored in the charge storage unit 16 during the storage period and becomes signal charge. When the accumulation period ends, the transfer gate 17 is turned on, the accumulated signal charges are transferred from the charge accumulation unit 16 to the vertical CCD 18, and the potential of the charge accumulation unit 26 is reset to the channel potential of the transfer gate 17 at the same time. . Transfer gate 17
Is turned off, and the next accumulation period starts. During the accumulation period, the vertical CCD 18 and the horizontal CCD 19 work to
The signal charge transferred to D18 is sequentially transferred to the output unit 20, and the signal is taken out.
MOS型トランジスタ14は弱反転状態ないしは飽和領域
で動作させる。ドレイン電流の最大値をI1アンペア、蓄
積期間をＴ秒とすると、最大蓄積電荷量はI1×Ｔクーロ
ンである。この電荷量を蓄積および転送できるように電
荷蓄積部16、垂直CCD18、水平CCD19を設計する必要があ
る。The MOS transistor 14 is operated in a weak inversion state or a saturation region. Assuming that the maximum value of the drain current is I 1 ampere and the accumulation period is T seconds, the maximum accumulated charge amount is I 1 × T coulomb. It is necessary to design the charge storage unit 16, the vertical CCD 18, and the horizontal CCD 19 so that the charge amount can be stored and transferred.
第３図はこの発明の第２の実施例の平面模式図であ
る。この実施例では第２図のようなサーモパイルを二次
元に多数配列し、かつ電荷蓄積部といわゆるMOS型と呼
ばれる走査回路をシリコン主面上に集積した赤外線セン
サである。第１図と同一記号で示したものは同一構成要
素を示す。第１図の赤外線センサとの違いは電荷蓄積部
16に蓄積された信号電荷の読み出し方にあるので、それ
を説明する。電荷蓄積部16に対応して垂直スイッチ21が
形成されている。垂直スイッチ21はMOS型トランジスタ
で形成されている。ソースは電荷蓄積部16と接続され、
ゲートは水平期間遅延したパルスを発生する垂直シフト
レジスタ22のタップに１行毎に共通接続されている。ま
た、垂直スイッチ21のドレインは１列毎に垂直信号線23
に共通接続されている。垂直信号線23に対応してMOS型
トランジスタの水平スイッチ24が形成されている。水平
スイッチ24のソースは垂直信号線23に接続されている。
ゲートは水平シフトレジスタ25の各タップに接続されて
いる。ドレインは出力ライン26に共通接続されている。
垂直スイッチ21、垂直シフトレジスタ22、垂直信号線2
3、水平スイッチ24、水平シフトレジスタ25、出力ライ
ン26とで読み出し部を形成している。FIG. 3 is a schematic plan view of a second embodiment of the present invention. This embodiment is an infrared sensor in which a large number of thermopiles as shown in FIG. 2 are two-dimensionally arranged, and a charge accumulation section and a so-called MOS type scanning circuit are integrated on a silicon main surface. Those indicated by the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same components. The difference from the infrared sensor of Fig. 1 is that
The method for reading out the signal charges stored in 16 will be described. A vertical switch 21 is formed corresponding to the charge storage section 16. The vertical switch 21 is formed by a MOS transistor. The source is connected to the charge storage unit 16,
The gates are commonly connected to the taps of the vertical shift register 22 that generates a pulse delayed by a horizontal period for each row. The drain of the vertical switch 21 is connected to the vertical signal line 23 for each column.
Connected in common. A horizontal switch 24 of a MOS transistor is formed corresponding to the vertical signal line 23. The source of the horizontal switch 24 is connected to the vertical signal line 23.
The gate is connected to each tap of the horizontal shift register 25. The drain is commonly connected to the output line 26.
Vertical switch 21, vertical shift register 22, vertical signal line 2
3. The horizontal switch 24, the horizontal shift register 25, and the output line 26 form a reading section.
この赤外線センサでは、第１の実施例の赤外線センサ
と同様にして、蓄積期間において電荷蓄積部16に信号電
荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は、垂直シフトレ
ジスタ22のあるタップがオン状態になるとこのタップに
接続された行の垂直スイッチ21が導通状態となり信号電
荷はそれぞれ対応する垂直信号線23に読み出される。こ
の信号電荷は、水平シフトレジスタ25からの各タップ出
力により水平スイッチ24を介して順次出力ライン26へ読
み出される。このように垂直シフトレジスタ22のあるタ
ップに対応する電荷蓄積部16の信号がすべて読み出され
たら、垂直シフトレジスタ22は１行進んで次のタップが
オン状態となり、同時にそのタップに対応する行の電荷
蓄積部16の信号電荷が対応する垂直信号線23に読み出さ
れる。以下同様な動作を繰り返すことにより、電荷蓄積
部16に蓄えられた信号電荷を１行毎に読み出すことがで
きる。信号電荷が垂直信号線23に転送され、電位がリセ
ットされた電荷蓄積部16では垂直スイッチ21がオフ状態
になった後から次の蓄積期間が開始される。In this infrared sensor, signal charges are stored in the charge storage section 16 during the storage period, similarly to the infrared sensor of the first embodiment. The accumulated signal charges are turned on when a certain tap of the vertical shift register 22 is turned on, and the vertical switches 21 in the row connected to this tap are turned on, and the signal charges are read out to the corresponding vertical signal lines 23, respectively. This signal charge is sequentially read out to the output line 26 via the horizontal switch 24 by each tap output from the horizontal shift register 25. When all the signals of the charge storage section 16 corresponding to a certain tap of the vertical shift register 22 are read out, the vertical shift register 22 advances by one row to turn on the next tap, and at the same time, the row of the row corresponding to that tap is turned on. The signal charges in the charge storage section 16 are read out to the corresponding vertical signal lines 23. Thereafter, by repeating the same operation, the signal charges stored in the charge storage unit 16 can be read for each row. After the signal charge is transferred to the vertical signal line 23 and the potential is reset, the charge storage unit 16 starts the next storage period after the vertical switch 21 is turned off.
第４図はこの発明の第３の実施例の平面模式図であ
る。この実施例では第２図のようなサーモパイルを二次
元に多数配列し、かつ、電荷蓄積と転送とを兼ねた垂直
CCDをシリコン主面上に集積した赤外線センサである。
可視光用イメージセンサで言うところのフルフレーム型
に近い構成である。第１図と同一記号で示したものは同
一構成要素を示す。図において、多数のサーモパイル10
が２次元に配列されている。サーモパイル10の一端11は
第１の電圧源12に共通接続されている。サーモパイル10
に対応してMOS型トランジスタ14が形成されている。サ
ーモパイル10の他端13はMOS型トランジスタ14のゲート
に接続されている。MOS型トランジスタ14のソースは第
２の電圧源15に共通接続されている。第２の電圧源15は
シリコン基板の電位、すなわち、接地とすることも可能
である。さらに、MOS型トランジスタ14に対応して埋め
込み型の垂直CCD27が設けられている。垂直CCD27のチャ
ネルはMOS型トランジスタ14のドレインを兼ねている。
垂直CCD27の転送方向の端部には水平CCD19が設けられて
いる。さらに、水平CCD19の転送方向の端部には浮遊拡
散層型の出力部20が形成されている。FIG. 4 is a schematic plan view of a third embodiment of the present invention. In this embodiment, a large number of thermopiles as shown in FIG. 2 are two-dimensionally arranged, and a vertical
An infrared sensor with a CCD integrated on the silicon main surface.
The configuration is close to that of a full frame type image sensor for visible light. Those indicated by the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same components. In the figure, a number of thermopiles 10
Are two-dimensionally arranged. One end 11 of the thermopile 10 is commonly connected to a first voltage source 12. Thermopile 10
A MOS transistor 14 is formed corresponding to. The other end 13 of the thermopile 10 is connected to the gate of the MOS transistor 14. The sources of the MOS transistors 14 are commonly connected to a second voltage source 15. The second voltage source 15 can be at the potential of the silicon substrate, that is, at the ground. Further, a buried vertical CCD 27 is provided corresponding to the MOS transistor 14. The channel of the vertical CCD 27 also serves as the drain of the MOS transistor 14.
A horizontal CCD 19 is provided at an end of the vertical CCD 27 in the transfer direction. Further, a floating diffusion layer type output section 20 is formed at an end of the horizontal CCD 19 in the transfer direction.
第１、第２の実施例の赤外線センサにおいて電荷蓄積
部16が行なっていた信号電荷の蓄積の役割をこの第３の
実施例の赤外線センサでは垂直CCD27が行なっている。
入射赤外線量に応じてダイヤフラムの温度が上昇し、そ
れによってサーモパイル10に起電圧が生ずる。この起電
圧は第１の電圧源12に相加されてMOS型トランジスタ14
のゲートに印加され、ドレイン電流を変化させる。この
ドレイン電流は蓄積期間対応する垂直CCD27に蓄積され
信号電荷となる。蓄積期間が終了すると信号電荷は垂直
CCD27と水平CCD19の働きによって順次出力部20に転送さ
れ、信号は外部に取り出される。第１の電圧源12をパル
ス駆動し、すなわち、蓄積期間にはMOS型トランジスタ1
4が弱反転状態ないしは飽和領域で動作するような電圧
に、垂直CCD27を信号電荷が転送される期間にはMOS型ト
ランジスタ14がカットオフ状態になるような電圧に第１
の電圧源の電圧を設定する。すると、信号電荷が垂直CC
D27を転送中に他の画素の信号電荷と混じることがな
い。In the infrared sensor of the third embodiment, the vertical CCD 27 performs the role of accumulating signal charges, which was performed by the charge storage unit 16 in the infrared sensors of the first and second embodiments.
The temperature of the diaphragm rises in response to the amount of incident infrared rays, thereby generating an electromotive voltage in the thermopile 10. This electromotive voltage is added to the first voltage source 12 to generate the MOS transistor 14.
To change the drain current. This drain current is stored in the vertical CCD 27 corresponding to the storage period and becomes signal charge. When the accumulation period ends, the signal charge becomes vertical
The signals are sequentially transferred to the output unit 20 by the action of the CCD 27 and the horizontal CCD 19, and the signal is extracted to the outside. The first voltage source 12 is pulse-driven, that is, during the accumulation period, the MOS transistor 1
4 is set to a voltage at which the MOS transistor 14 operates in a weak inversion state or a saturation region, and the first voltage is set to a voltage at which the MOS transistor 14 is cut off during a period in which signal charges are transferred through the vertical CCD 27.
Set the voltage of the voltage source. Then, the signal charge becomes vertical CC
During transfer of D27, it does not mix with signal charges of other pixels.
第５図はこの発明の第４の実施例の平面模式図であ
る。この実施例では第２図のようなサーモパイルを二次
元に多数配列し、かつ、電荷蓄積と転送とを兼ねた第１
垂直CCDとフレームメモリの役割をする第２垂直CCDとが
シリコン主面上に集積された赤外線センサである。可視
光用イメージセンサで言うところのフレーム転送型に近
い構成である。第１、第４図と同一記号で示したものは
同一構成要素を示す。第３の実施例の垂直CCD27と水平C
CD19との間にフレームメモリを設けたことが第３の実施
例との違いである。すなわち、MOS型トランジスタ14の
ドレインの役割をし、信号電荷の蓄積を行う第１垂直CC
D28の他に第１垂直CCD28の転送方向に直列に第２垂直CC
D29が設けられている。第２垂直CCD29の転送段数は第１
垂直CCDの転送段数に等しいかやや多く設定されてい
る。第２垂直CCD29の転送方向の端部には水平CCD19が設
けられている。FIG. 5 is a schematic plan view of a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, a large number of thermopiles as shown in FIG. 2 are two-dimensionally arranged and the first thermopile is used for both charge storage and transfer.
A vertical CCD and a second vertical CCD serving as a frame memory are infrared sensors integrated on a silicon main surface. The configuration is close to that of a frame transfer type image sensor for visible light. 1 and 4 denote the same components. Vertical CCD 27 and horizontal C of the third embodiment
The difference from the third embodiment is that a frame memory is provided between the third embodiment. In other words, the first vertical CC serves as a drain of the MOS transistor 14 and stores signal charges.
In addition to D28, the second vertical CC is connected in series with the transfer direction of the first vertical CCD28.
D29 is provided. The number of transfer stages of the second vertical CCD 29 is the first
The number is set equal to or slightly larger than the number of transfer stages of the vertical CCD. A horizontal CCD 19 is provided at an end of the second vertical CCD 29 in the transfer direction.
この実施例の赤外線センサでは、信号電荷の蓄積は第
１垂直CCD28が行なっている。蓄積期間が終了すると、
第１垂直CCD28に蓄積された信号電荷は第２垂直CCD29に
フレーム転送される。その後、第１垂直CCD28では次の
信号電荷の蓄積が開始される。また第２垂直CCD29から
水平CCD19へ一行ずつ信号電荷が転送され、さらに水平C
CD19の働きで出力部20へ順次転送され、信号は外部へ取
り出される。第３の実施例と同様に、第１垂直CCD28が
転送動作中は第１の電圧源12の電圧をMOS型トランジス
タ14がカットオフ状態になるように設定すると信号の混
入がなく良好な出力信号が得られる。In the infrared sensor of this embodiment, the first vertical CCD 28 stores signal charges. When the accumulation period ends,
The signal charges stored in the first vertical CCD 28 are frame-transferred to the second vertical CCD 29. Thereafter, accumulation of the next signal charge is started in the first vertical CCD. Also, signal charges are transferred from the second vertical CCD 29 to the horizontal CCD 19 line by line,
The data is sequentially transferred to the output unit 20 by the action of the CD 19, and the signal is taken out to the outside. As in the third embodiment, when the voltage of the first voltage source 12 is set so that the MOS transistor 14 is in the cutoff state during the transfer operation of the first vertical CCD 28, a good output signal without mixing of signals is obtained. Is obtained.
（発明の効果） この発明によるサーモパイル型赤外線センサは焦電型
に比較してチョッパが不要であるという利点がある上
に、蓄積モードで動作させているために大変感度がよ
い。また大画素数の一次元や二次元のイメージセンサに
も適用できる。(Effects of the Invention) The thermopile type infrared sensor according to the present invention has an advantage that a chopper is not required as compared with a pyroelectric type sensor, and has a very high sensitivity because it operates in an accumulation mode. Further, the present invention can be applied to a one-dimensional or two-dimensional image sensor having a large number of pixels.
この発明により赤外線センサはｐ型チャネル、ｎ型チ
ャネルいずれでも実現可能である。According to the present invention, the infrared sensor can be realized with either the p-type channel or the n-type channel.
第１図、第３図、第４図、第５図はそれぞれこの発明の
第１、第２、第３、第４の実施例の赤外線センサの模式
的平面図、第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれサーモパイ
ルの平面図と断面図である。 １……シリコン基板、４……ダイヤフラム領域、７……
接点、10……サーモパイル、11……サーモパイルの一
端、12……第１の電圧源、13……サーモパイルの他端、
14……MOS型トランジスタ、15……第２の電圧源、16…
…電荷蓄積部、17……トランスファゲート、18、27……
垂直CCD、19……水平CCD、20……出力部、21……垂直ス
イッチ、22……垂直シフトレジスタ、23……垂直信号
線、24……水平スイッチ、25……水平シフトレジスタ、
26……出力ライン、28……第１垂直CCD、29……第２垂
直CCD。FIGS. 1, 3, 4, and 5 are schematic plan views of infrared sensors according to first, second, third, and fourth embodiments of the present invention, respectively, and FIGS. (B) is the top view and sectional drawing of a thermopile, respectively. 1 ... silicon substrate, 4 ... diaphragm area, 7 ...
Contacts, 10 thermopile, 11 one end of the thermopile, 12 first voltage source, 13 the other end of the thermopile,
14 ... MOS transistor, 15 ... second voltage source, 16 ...
... Charge storage unit, 17 ... Transfer gate, 18, 27 ...
Vertical CCD, 19 ... Horizontal CCD, 20 ... Output unit, 21 ... Vertical switch, 22 ... Vertical shift register, 23 ... Vertical signal line, 24 ... Horizontal switch, 25 ... Horizontal shift register,
26 ... output line, 28 ... first vertical CCD, 29 ... second vertical CCD.
Claims (3)
ヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に一方の接点群
を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点群を有し、
その一端は第１の電圧源に接続されたサーモパイルと、
そのゲートがサーモパイルの他端と接続され、そのソー
スが第２の電圧源に接続され、そのドレインが電荷蓄積
部であるMOS型トランジスタと、この電荷蓄積部に対応
して設けられた電荷読み出し部とを有することを特徴と
する赤外線センサ。1. A semiconductor device comprising: a plurality of diaphragm regions provided on a main surface of a semiconductor substrate; one contact group in the diaphragm region; and another contact group outside the diaphragm region.
A thermopile connected at one end to a first voltage source;
A MOS transistor whose gate is connected to the other end of the thermopile, whose source is connected to the second voltage source and whose drain is a charge storage section, and a charge reading section provided corresponding to the charge storage section And an infrared sensor comprising:
ヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に一方の接点群
を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点群を有し、
その一端は第１の電圧源に接続されたサーモパイルと、
前記複数のダイヤフラム領域に対応して設けられたCCD
と、そのゲートがサーモパイルの他端と接続され、その
ソースが第２の電圧源に接続され、そのドレインが前記
CCDのチャネルであるMOS型トランジスタとを有すること
を特徴とする赤外線センサ。2. A semiconductor device comprising: a plurality of diaphragm regions provided on a main surface of a semiconductor substrate; one contact group in the diaphragm region; and another contact group outside the diaphragm region.
A thermopile connected at one end to a first voltage source;
CCD provided corresponding to the plurality of diaphragm areas
And its gate is connected to the other end of the thermopile, its source is connected to a second voltage source, and its drain is
An infrared sensor comprising a MOS transistor serving as a CCD channel.
複数のダイヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に一
方の接点群を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点
群を有し、その一端は第１の電圧源に接続されたサーモ
パイルと、前記複数のダイヤフラム領域に対応して設け
られた第１垂直CCDと、そのゲートがサーモパイルの他
端と接続され、そのソースが第２の電圧源に接続され、
そのドレインが第１垂直CCDのチャネルであるMOS型トラ
ンジスタと、第１垂直CCDに直列接続され、第１垂直CCD
の転送段数以上の転送段数を持つ第２垂直CCDと、第２
垂直CCDの第１垂直CCDと接続されていない端部に対応し
て設けられた水平CCDと、水平CCDの転送方向端部に設け
られた出力部とを有することを特徴とする赤外線セン
サ。3. A semiconductor device comprising: a plurality of diaphragm regions two-dimensionally arranged on a main surface of a semiconductor substrate; one contact group in the diaphragm region; and another contact group outside the diaphragm region. One end has a thermopile connected to a first voltage source, a first vertical CCD provided corresponding to the plurality of diaphragm areas, a gate connected to the other end of the thermopile, and a source connected to the second voltage source. Connected to the source
A MOS transistor whose drain is the channel of the first vertical CCD, and a drain connected in series with the first vertical CCD;
A second vertical CCD having a number of transfer stages equal to or greater than
An infrared sensor comprising: a horizontal CCD provided corresponding to an end of the vertical CCD that is not connected to the first vertical CCD; and an output unit provided at an end of the horizontal CCD in a transfer direction.
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| JP2083480A JP2576259B2 (en) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | Infrared sensor |
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| JPH03283579A JPH03283579A (en) | 1991-12-13 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010035739A1 (en) | 2008-09-25 | 2010-04-01 | パナソニック電工株式会社 | Infrared sensor |
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-
1990
- 1990-03-30 JP JP2083480A patent/JP2576259B2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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| JPH03283579A (en) | 1991-12-13 |
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