JP2710228B2 - ボロメータ型赤外線検知素子、その駆動方法、および検出用積分回路 - Google Patents
ボロメータ型赤外線検知素子、その駆動方法、および検出用積分回路Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
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- G01J5/22—Electrical features thereof
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、防犯，監視，誘導，医
療，工業計測等に広く応用される赤外線検知素子に関
し、さらに詳細には熱を電気信号に変換する熱電変換素
子を持ち、単素子、または１次元または２次元に配列さ
れた画素を持つボロメータ型赤外線検知素子、駆動方法
および検出用の積分回路に関する。
療，工業計測等に広く応用される赤外線検知素子に関
し、さらに詳細には熱を電気信号に変換する熱電変換素
子を持ち、単素子、または１次元または２次元に配列さ
れた画素を持つボロメータ型赤外線検知素子、駆動方法
および検出用の積分回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】被写体の温度分布をリアルタイムで撮像
したいという要求が高まる中で、２次元の赤外線検知素
子の需要が高まっている。それに伴い、安価で高性能な
熱型赤外線検知素子の開発が望まれている。
したいという要求が高まる中で、２次元の赤外線検知素
子の需要が高まっている。それに伴い、安価で高性能な
熱型赤外線検知素子の開発が望まれている。
【０００３】従来の熱型赤外線検知素子の第１の例で
は、図６に示すように、熱電変換素子としてサーモパイ
ル（熱電対）１００を持ち、ＭＯＳＦＥＴ１０１と、電
荷蓄積用のコンデンサ１０２と、垂直スイッチ１０３
と、水平スイッチ１０４と、垂直信号線１０５と、出力
ライン１０６と、各画素の信号を読み出すための走査回
路である垂直シフトレジスタ１０７，水平シフトレジス
タ１０８とを備えている。
は、図６に示すように、熱電変換素子としてサーモパイ
ル（熱電対）１００を持ち、ＭＯＳＦＥＴ１０１と、電
荷蓄積用のコンデンサ１０２と、垂直スイッチ１０３
と、水平スイッチ１０４と、垂直信号線１０５と、出力
ライン１０６と、各画素の信号を読み出すための走査回
路である垂直シフトレジスタ１０７，水平シフトレジス
タ１０８とを備えている。
【０００４】サーモパイル１００は、ダイヤフラムと呼
ばれる熱の逃げを防いだ熱分離構造の上に温接点を、通
常の基板の上に冷接点を形成している。各画素に入射し
た赤外線はダイヤフラムの温度上昇を引き起こし、温接
点と冷接点の間に温度差を生じ、サーモパイルに起電圧
が発生する。ダイアフラムの温度上昇は、温度差１℃の
対象物を見たとき０．００２℃程度であり、サーモパイ
ルに発生する起電圧は非常にわずかなものである。この
起電圧はＭＯＳＦＥＴ１０１に流れるバイアス電流を変
調し、この変調されたバイアス電流はコンデンサ１０２
に蓄積される。一定期間この蓄積が行われた後、各画素
のスイッチ素子が順次開いて、この蓄積された電荷が出
力に読み出される。積分時間は長いほどノイズが低減で
きるため、コンデンサは各画素に配置してある（例えば
特開平４−３３３２９２号公報等を参照）。
ばれる熱の逃げを防いだ熱分離構造の上に温接点を、通
常の基板の上に冷接点を形成している。各画素に入射し
た赤外線はダイヤフラムの温度上昇を引き起こし、温接
点と冷接点の間に温度差を生じ、サーモパイルに起電圧
が発生する。ダイアフラムの温度上昇は、温度差１℃の
対象物を見たとき０．００２℃程度であり、サーモパイ
ルに発生する起電圧は非常にわずかなものである。この
起電圧はＭＯＳＦＥＴ１０１に流れるバイアス電流を変
調し、この変調されたバイアス電流はコンデンサ１０２
に蓄積される。一定期間この蓄積が行われた後、各画素
のスイッチ素子が順次開いて、この蓄積された電荷が出
力に読み出される。積分時間は長いほどノイズが低減で
きるため、コンデンサは各画素に配置してある（例えば
特開平４−３３３２９２号公報等を参照）。
【０００５】従来の熱型赤外線検知素子の第２の例で
は、図７（ａ）に示すように、ダイヤフラム上に熱電変
換素子として温度によって抵抗値が変化するボロメータ
１１０を持ち、図７（ｂ）のようにボロメータ１１０を
選択するのにバイポーラトランジスタ１１１を接続して
いる。画素に電荷蓄積用のコンデンサを持たず、第１の
例に比べてノイズの帯域が広くなってしまうという欠点
はあるが、バイアス電流をＩ、ボロメータの温度係数を
α、ダイアフラムの温度上昇をΔＴとして、信号電圧は
Ｉ・α・ΔＴとなり、バイアス電流を大きくすれば信号
電圧を上げることができる（例えばＢｒｕｇｅｓｓ
Ｒ．Ｊｈｏｎｓｏｎらの「ＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｓ
ｏｆｔｗａｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍ
ｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ Ｉｎｆｒｒｅｄ Ａｒｒ
ａｙｓ」（ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２０２０ Ｉｎｆｒａｒ
ｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＸＩＸ １９９３年）等
を参照）。
は、図７（ａ）に示すように、ダイヤフラム上に熱電変
換素子として温度によって抵抗値が変化するボロメータ
１１０を持ち、図７（ｂ）のようにボロメータ１１０を
選択するのにバイポーラトランジスタ１１１を接続して
いる。画素に電荷蓄積用のコンデンサを持たず、第１の
例に比べてノイズの帯域が広くなってしまうという欠点
はあるが、バイアス電流をＩ、ボロメータの温度係数を
α、ダイアフラムの温度上昇をΔＴとして、信号電圧は
Ｉ・α・ΔＴとなり、バイアス電流を大きくすれば信号
電圧を上げることができる（例えばＢｒｕｇｅｓｓ
Ｒ．Ｊｈｏｎｓｏｎらの「ＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｓ
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ｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ Ｉｎｆｒｒｅｄ Ａｒｒ
ａｙｓ」（ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２０２０ Ｉｎｆｒａｒ
ｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＸＩＸ １９９３年）等
を参照）。
【０００６】また、これら検知素子に用いられる熱電変
換素子としては、白金、ニッケル、金などの金属、サー
ミスタ、超伝導体、誘電体が用いられてきた（例えば、
岩波書店発行 理化学辞典第３版、第１２９５頁）。
換素子としては、白金、ニッケル、金などの金属、サー
ミスタ、超伝導体、誘電体が用いられてきた（例えば、
岩波書店発行 理化学辞典第３版、第１２９５頁）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の赤外線検知素子
の第１の例の場合、熱電変換素子であるサーモパイルの
熱起電力がそれほど大きくないため、たとえノイズの帯
域を狭めてノイズの影響を減らしても、Ｓ／Ｎを改善す
るには限界がある。
の第１の例の場合、熱電変換素子であるサーモパイルの
熱起電力がそれほど大きくないため、たとえノイズの帯
域を狭めてノイズの影響を減らしても、Ｓ／Ｎを改善す
るには限界がある。
【０００８】第２の例の場合、バイアス電流を大きくす
ることで信号電圧を大きくすることができるが、いくつ
かの問題がある。まず、各画素のボロメータを選択する
のにバイポーラトランジスタのスイッチを用いている
が、一般にバイポーラトランジスタはオン抵抗は下げら
れるが、シフトレジスタなどの論理回路を組んだとき消
費電力が大きくなる問題がある。また、多数の画素を配
置した場合、各画素を選択するために必ずシフトレジス
タなどの論理回路を必要とする。消費電力の増大は素子
の発熱を招き、ダイヤフラムの温度を上昇させ出力をド
リフトさせる。これは多数の画素を高密度に集積したと
き、特に問題になってくる。一方、消費電力の増大を避
けるため、第１の例と同じようにＭＯＳＦＥＴを使用し
た場合、次のような問題がある。すなわち、ボロメータ
は信号電圧を大きくできる反面、その分大きなバイアス
電流を流す必要がある。ＭＯＳＦＥＴはその原理上、１
／ｆノイズを持ち、しかもオン抵抗を下げにくい特徴が
ある。１／ｆノイズはバイアス電流に比例するため、信
号電圧を大きくしようとすると１／ｆノイズが目立って
くる。さらに１／ｆノイズは抵抗値の揺らぎとみなせる
ため、ボロメータの抵抗値に対するＭＯＳＦＥＴの抵抗
値が大きくなると、１／ｆノイズの影響は甚だ大きいも
のとなる。
ることで信号電圧を大きくすることができるが、いくつ
かの問題がある。まず、各画素のボロメータを選択する
のにバイポーラトランジスタのスイッチを用いている
が、一般にバイポーラトランジスタはオン抵抗は下げら
れるが、シフトレジスタなどの論理回路を組んだとき消
費電力が大きくなる問題がある。また、多数の画素を配
置した場合、各画素を選択するために必ずシフトレジス
タなどの論理回路を必要とする。消費電力の増大は素子
の発熱を招き、ダイヤフラムの温度を上昇させ出力をド
リフトさせる。これは多数の画素を高密度に集積したと
き、特に問題になってくる。一方、消費電力の増大を避
けるため、第１の例と同じようにＭＯＳＦＥＴを使用し
た場合、次のような問題がある。すなわち、ボロメータ
は信号電圧を大きくできる反面、その分大きなバイアス
電流を流す必要がある。ＭＯＳＦＥＴはその原理上、１
／ｆノイズを持ち、しかもオン抵抗を下げにくい特徴が
ある。１／ｆノイズはバイアス電流に比例するため、信
号電圧を大きくしようとすると１／ｆノイズが目立って
くる。さらに１／ｆノイズは抵抗値の揺らぎとみなせる
ため、ボロメータの抵抗値に対するＭＯＳＦＥＴの抵抗
値が大きくなると、１／ｆノイズの影響は甚だ大きいも
のとなる。
【０００９】また、従来熱電変換素子として用いられて
きた材料は、サーミスタや半導体では単位温度当たりの
電気抵抗変化は大きいという長所があるものの、電流量
を大きくすると１／ｆノイズが増加するという欠点があ
るために、電流に比例して感度が良くなるボロメータに
適当ではなかった。また、比抵抗が大きいために、熱電
変換素子としての抵抗が大きくなり、この抵抗による熱
雑音が問題となっていた。超伝導体は冷却の必要がある
という欠点があり、誘電体は比抵抗が非常に大きく、熱
雑音が問題になる。白金、ニッケル、金は単位温度当た
りの電気抵抗変化が小さく、また、熱伝導率が大きいた
めに、熱分離が十分にできず、感度が低下するという欠
点があった。
きた材料は、サーミスタや半導体では単位温度当たりの
電気抵抗変化は大きいという長所があるものの、電流量
を大きくすると１／ｆノイズが増加するという欠点があ
るために、電流に比例して感度が良くなるボロメータに
適当ではなかった。また、比抵抗が大きいために、熱電
変換素子としての抵抗が大きくなり、この抵抗による熱
雑音が問題となっていた。超伝導体は冷却の必要がある
という欠点があり、誘電体は比抵抗が非常に大きく、熱
雑音が問題になる。白金、ニッケル、金は単位温度当た
りの電気抵抗変化が小さく、また、熱伝導率が大きいた
めに、熱分離が十分にできず、感度が低下するという欠
点があった。
【００１０】本発明の目的は、熱電変換素子としてボロ
メータを使用した熱型赤外線検知素子に最適な熱電変換
素子を提供すること、および従来のデバイス構造の欠点
を解消できる、消費電力の小さいＭＯＳＦＥＴを用い、
ＭＯＳＦＥＴの欠点である１／ｆノイズ、固定パターン
ノイズの影響を抑え、また、感度のよい高性能で安価な
ボロメータ型赤外線検知素子を提供すること、およびこ
のようなボロメータ型赤外線検知素子の駆動方法、信号
を検出する検出用積分回路を提供することにある。
メータを使用した熱型赤外線検知素子に最適な熱電変換
素子を提供すること、および従来のデバイス構造の欠点
を解消できる、消費電力の小さいＭＯＳＦＥＴを用い、
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ノイズの影響を抑え、また、感度のよい高性能で安価な
ボロメータ型赤外線検知素子を提供すること、およびこ
のようなボロメータ型赤外線検知素子の駆動方法、信号
を検出する検出用積分回路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明のボロメータ型赤
外線検知素子は、半導体基板上に１次元または２次元に
配列され、入射赤外線を電気信号に変換する熱電変換素
子と、各画素に配置され、ドレインを前記熱電変換素子
の一方の端子に接続し、ソースを電源に接続した一導電
型ＭＯＳＦＥＴと、複数画素に１個の割合で配置され、
一導電型ＭＯＳＦＥＴと反対導電型ＭＯＳＦＥＴのドレ
イン同士、ソース同士を接続した複数のトランスファー
ゲートとを有し、前記熱電変換素子の他方の端子を複数
個接続し、前記トランスファーゲートのソースに接続
し、前記複数のトランスファーゲートの接続されたドレ
イン同士を外部へ出力することを特徴としている。この
デバイス構造においても熱電変換素子としてチタンを用
いることが好ましく、加えて各画素に配置された一導電
型ＭＯＳＦＥＴのソースは、アルミニウムを主成分とす
る材料で配線を行い、前記各画素に配置された一導電型
ＭＯＳＦＥＴのゲートはシリコンを主成分とする材料で
配線を行うことが好適である。
外線検知素子は、半導体基板上に１次元または２次元に
配列され、入射赤外線を電気信号に変換する熱電変換素
子と、各画素に配置され、ドレインを前記熱電変換素子
の一方の端子に接続し、ソースを電源に接続した一導電
型ＭＯＳＦＥＴと、複数画素に１個の割合で配置され、
一導電型ＭＯＳＦＥＴと反対導電型ＭＯＳＦＥＴのドレ
イン同士、ソース同士を接続した複数のトランスファー
ゲートとを有し、前記熱電変換素子の他方の端子を複数
個接続し、前記トランスファーゲートのソースに接続
し、前記複数のトランスファーゲートの接続されたドレ
イン同士を外部へ出力することを特徴としている。この
デバイス構造においても熱電変換素子としてチタンを用
いることが好ましく、加えて各画素に配置された一導電
型ＭＯＳＦＥＴのソースは、アルミニウムを主成分とす
る材料で配線を行い、前記各画素に配置された一導電型
ＭＯＳＦＥＴのゲートはシリコンを主成分とする材料で
配線を行うことが好適である。
【００１２】また、本発明の第２のボロメータ型赤外線
検知素子は、少なくとも基板上に設けられた熱分離構造
と、この熱分離構造に設けられた熱電変換素子とを有す
るボロメータ型赤外線検知素子において、熱電変換素子
としてチタンを主成分とする金属を用いることを特徴と
している。
検知素子は、少なくとも基板上に設けられた熱分離構造
と、この熱分離構造に設けられた熱電変換素子とを有す
るボロメータ型赤外線検知素子において、熱電変換素子
としてチタンを主成分とする金属を用いることを特徴と
している。
【００１３】本発明のボロメータ型赤外線検知素子の駆
動方法は、前記各画素に配置された一導電型ＭＯＳＦＥ
Ｔのゲートに印加されるパルスを変化させた後のブラン
キング時間を前記ゲートが接続された配線の充放電時定
数より長くすることを特徴とする。ここで、前記熱電変
換素子に流す電流パルスの幅は、前記外部へ出力する端
子毎に１つのスイッチ素子によって決めるのが好適であ
る。
動方法は、前記各画素に配置された一導電型ＭＯＳＦＥ
Ｔのゲートに印加されるパルスを変化させた後のブラン
キング時間を前記ゲートが接続された配線の充放電時定
数より長くすることを特徴とする。ここで、前記熱電変
換素子に流す電流パルスの幅は、前記外部へ出力する端
子毎に１つのスイッチ素子によって決めるのが好適であ
る。
【００１４】さらに本発明の検出用積分回路は、熱電変
換素子の一方が基準電位に接続され、他方がバイポーラ
トランジスタのエミッタに接続され、このバイポーラト
ランジスタのベースに前記熱電変換素子に電流パルスを
印加する期間をコントロールするパルスが印加され、前
記バイポーラトランジスタのコレクタに積分用容量とこ
の積分容量の電位を所定電位にリセットするためのリセ
ットトランジスタとを有することを特徴としている。
換素子の一方が基準電位に接続され、他方がバイポーラ
トランジスタのエミッタに接続され、このバイポーラト
ランジスタのベースに前記熱電変換素子に電流パルスを
印加する期間をコントロールするパルスが印加され、前
記バイポーラトランジスタのコレクタに積分用容量とこ
の積分容量の電位を所定電位にリセットするためのリセ
ットトランジスタとを有することを特徴としている。
【００１５】
【作用】本発明による赤外線検知素子によれば、熱電変
換素子をドレインに接続すればオン抵抗を小さくでき、
１／ｆノイズを最小限にすることができる。熱電変換素
子に流す電流は必要とする信号量によって変わってくる
ため、熱電変換素子にかかる電圧も変わり、トランスフ
ァーゲートの動作点も変わってくる。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
のスイッチは、電圧が低いほど抵抗が低く、電圧が高い
ほど抵抗が高い。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのスイッチはその逆
である。この両者を並列につなぐことによって、どの動
作点でも低い抵抗値が得られ、上述した１／ｆノイズの
影響を最小限にすることができる。
換素子をドレインに接続すればオン抵抗を小さくでき、
１／ｆノイズを最小限にすることができる。熱電変換素
子に流す電流は必要とする信号量によって変わってくる
ため、熱電変換素子にかかる電圧も変わり、トランスフ
ァーゲートの動作点も変わってくる。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
のスイッチは、電圧が低いほど抵抗が低く、電圧が高い
ほど抵抗が高い。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのスイッチはその逆
である。この両者を並列につなぐことによって、どの動
作点でも低い抵抗値が得られ、上述した１／ｆノイズの
影響を最小限にすることができる。
【００１６】また、各画素に配置された一導電型のＭＯ
ＳＦＥＴゲートにシリコンを主成分とした材料を用いた
場合、抵抗が高くなる。また、垂直選択線にはたくさん
の画素スイッチのゲート容量がぶら下がっているため、
抵抗が高いとパルスの立ち上がり、立ち下がりが遅くな
る。そのため本発明では、パルスの変化後の水平ブラン
キングを十分に長くし、十分にパルスが各画素に到達す
るようにしている。
ＳＦＥＴゲートにシリコンを主成分とした材料を用いた
場合、抵抗が高くなる。また、垂直選択線にはたくさん
の画素スイッチのゲート容量がぶら下がっているため、
抵抗が高いとパルスの立ち上がり、立ち下がりが遅くな
る。そのため本発明では、パルスの変化後の水平ブラン
キングを十分に長くし、十分にパルスが各画素に到達す
るようにしている。
【００１７】また本発明では、熱電変換素子に流す電流
パルスの幅を、外部へ出力する端子毎に１つのスイッチ
素子によって決めることにより、各画素の熱電変換素子
の自己発熱のばらつきや検出時間のばらつきによる信号
ばらつきを防止している。
パルスの幅を、外部へ出力する端子毎に１つのスイッチ
素子によって決めることにより、各画素の熱電変換素子
の自己発熱のばらつきや検出時間のばらつきによる信号
ばらつきを防止している。
【００１８】さらに、構成の簡単な信号検出用積分回路
によって、小さい回路ノイズの下に信号検出が行え、ま
た、積分時間を長くとることで熱電変換素子の熱雑音を
低減でき、ボロメータ型赤外線検知素子の性能を引き出
すことができる。
によって、小さい回路ノイズの下に信号検出が行え、ま
た、積分時間を長くとることで熱電変換素子の熱雑音を
低減でき、ボロメータ型赤外線検知素子の性能を引き出
すことができる。
【００１９】また、ボロメータ型赤外線検知素子の熱電
変換素子としてチタン、またはチタンを主成分とする金
属を使うことによって、従来の材料の欠点を解消するこ
とができる。第１に、超伝導材料のように冷却する必要
がない。
変換素子としてチタン、またはチタンを主成分とする金
属を使うことによって、従来の材料の欠点を解消するこ
とができる。第１に、超伝導材料のように冷却する必要
がない。
【００２０】第２に半導体やサーミスタ材料と比較する
と、金属であるチタンは電流を流した時の１／ｆノイズ
の発生が小さく、また、比抵抗が小さく電気抵抗による
熱雑音が小さい。すなわち、半導体材料の中でもっとも
ボロメータ熱電変換素子の材料に適していると言われる
酸化バナジウムの単位温度当たりの電気抵抗の変化は２
％／度であり、チタンは０．３％／度であり、約７分の
１であるが、電流を流したときの１／ｆノイズの発生が
７分の１以下であるために、信号対ノイズ比を考慮した
感度はチタンの方が優れている。加えて、酸化バナジウ
ムは、バナジウムと酸素との比率がいろいろな場合の化
合物が存在し、安定ではない欠点がある。
と、金属であるチタンは電流を流した時の１／ｆノイズ
の発生が小さく、また、比抵抗が小さく電気抵抗による
熱雑音が小さい。すなわち、半導体材料の中でもっとも
ボロメータ熱電変換素子の材料に適していると言われる
酸化バナジウムの単位温度当たりの電気抵抗の変化は２
％／度であり、チタンは０．３％／度であり、約７分の
１であるが、電流を流したときの１／ｆノイズの発生が
７分の１以下であるために、信号対ノイズ比を考慮した
感度はチタンの方が優れている。加えて、酸化バナジウ
ムは、バナジウムと酸素との比率がいろいろな場合の化
合物が存在し、安定ではない欠点がある。
【００２１】第３に、金属同士での比較を示す。従来、
ボロメータの熱電変換素子の材料として使われてきた白
金、ニッケル、金の単位温度当たりの電気抵抗変化は
０．０４％／度、０．０４％／度、０．０１％／度であ
り、チタンの０．３％／度に比較して小さく感度が小さ
くなる。比抵抗は１０μオームcm、７μオームcm、２μ
オームcmであり、チタンの４７μオームcmと比較して小
さい。しかし、ボロメータの熱電変換素子の電気抵抗は
配線抵抗や熱分離構造の足の部分の抵抗や画素スイッチ
２のオン抵抗やトランスファーゲート４のオン抵抗より
十分大きくする必要があり、比抵抗が１００μオームcm
以下の金属では比抵抗がより小さくても熱雑音が小さく
なるというメリットは得られない。さらに、熱伝導率は
白金が０．７５Ｗ／cm度、ニッケルが０．９１Ｗ／cm
度、金が３．２Ｗ／cm度であり、チタンの０．２２Ｗ／
cm度に比較して大きく熱分離構造の熱伝導度を小さくす
る上で不利である。
ボロメータの熱電変換素子の材料として使われてきた白
金、ニッケル、金の単位温度当たりの電気抵抗変化は
０．０４％／度、０．０４％／度、０．０１％／度であ
り、チタンの０．３％／度に比較して小さく感度が小さ
くなる。比抵抗は１０μオームcm、７μオームcm、２μ
オームcmであり、チタンの４７μオームcmと比較して小
さい。しかし、ボロメータの熱電変換素子の電気抵抗は
配線抵抗や熱分離構造の足の部分の抵抗や画素スイッチ
２のオン抵抗やトランスファーゲート４のオン抵抗より
十分大きくする必要があり、比抵抗が１００μオームcm
以下の金属では比抵抗がより小さくても熱雑音が小さく
なるというメリットは得られない。さらに、熱伝導率は
白金が０．７５Ｗ／cm度、ニッケルが０．９１Ｗ／cm
度、金が３．２Ｗ／cm度であり、チタンの０．２２Ｗ／
cm度に比較して大きく熱分離構造の熱伝導度を小さくす
る上で不利である。
【００２２】以上のように、チタンは冷却の必要がな
く、比抵抗が十分低く熱雑音が小さく、単位温度当たり
の電気抵抗の変化が大きく、また、熱伝導率が小さく熱
分離をよくするために感度がよくなり、また、電流を多
く流しても１／ｆノイズの発生が小さくなるため、ボロ
メータの熱電変換素子の材料として大変優れている。
く、比抵抗が十分低く熱雑音が小さく、単位温度当たり
の電気抵抗の変化が大きく、また、熱伝導率が小さく熱
分離をよくするために感度がよくなり、また、電流を多
く流しても１／ｆノイズの発生が小さくなるため、ボロ
メータの熱電変換素子の材料として大変優れている。
【００２３】なお、特開平５−２０６５２６号公報、お
よび、特開平２−１９６９２９号公報においてチタンを
用いたボロメータ型赤外線検知素子の例が示されてい
る。しかし、いずれもチタンを赤外線吸収層として用い
ているのであって、熱電変換素子としての抵抗体として
は用いられていない。これらの例では熱電変換素子とし
て不定形シリコンが用いられている。本発明のように、
チタンを熱電変換素子として用いた場合、この熱電変換
素子としてのチタンを赤外線吸収層と兼ねて使用するこ
とは可能である。
よび、特開平２−１９６９２９号公報においてチタンを
用いたボロメータ型赤外線検知素子の例が示されてい
る。しかし、いずれもチタンを赤外線吸収層として用い
ているのであって、熱電変換素子としての抵抗体として
は用いられていない。これらの例では熱電変換素子とし
て不定形シリコンが用いられている。本発明のように、
チタンを熱電変換素子として用いた場合、この熱電変換
素子としてのチタンを赤外線吸収層と兼ねて使用するこ
とは可能である。
【００２４】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。
説明する。
【００２５】（実施例１）図１は本発明の一実施例のボ
ロメータ型赤外線検知素子の回路図である。熱電変換素
子であるボロメータ１と、スイッチ素子であるＮ型ＭＯ
ＳＦＥＴ２とを各画素に配置し、これを２次元にマトリ
クス状に並べている。ＭＯＳＦＥＴ２はソースを共通ソ
ースライン６を経て基準電位である接地電位に、ドレイ
ンをボロメータ１の一方の端子に接続している。
ロメータ型赤外線検知素子の回路図である。熱電変換素
子であるボロメータ１と、スイッチ素子であるＮ型ＭＯ
ＳＦＥＴ２とを各画素に配置し、これを２次元にマトリ
クス状に並べている。ＭＯＳＦＥＴ２はソースを共通ソ
ースライン６を経て基準電位である接地電位に、ドレイ
ンをボロメータ１の一方の端子に接続している。
【００２６】ボロメータをソースと接地電位の間に接続
すると、ＦＥＴがオンした時にボロメータでの電圧降下
によりソースの電位が上がり、ＦＥＴのオン抵抗が上昇
してしまう。通常ＦＥＴは大きな１／ｆノイズを持つ
が、ボロメータの抵抗が電流を決めていれば、ＦＥＴの
１／ｆノイズは見えてこない。ボロメータを本実施例の
ようにドレインに接続すればオン抵抗を十分小さくで
き、１／ｆノイズを最小限にすることができる。ボロメ
ータの他方の端子は、垂直信号線７を経てＮ型ＭＯＳＦ
ＥＴ，Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのドレイン同士、ソース同士を
接続したトランスファーゲート４に接続する。すなわ
ち、ボロメータ１の他方の端子はトランスファーゲート
４のソースに接続され、トランスファ−ゲート４のドレ
インは外部へ接続される。
すると、ＦＥＴがオンした時にボロメータでの電圧降下
によりソースの電位が上がり、ＦＥＴのオン抵抗が上昇
してしまう。通常ＦＥＴは大きな１／ｆノイズを持つ
が、ボロメータの抵抗が電流を決めていれば、ＦＥＴの
１／ｆノイズは見えてこない。ボロメータを本実施例の
ようにドレインに接続すればオン抵抗を十分小さくで
き、１／ｆノイズを最小限にすることができる。ボロメ
ータの他方の端子は、垂直信号線７を経てＮ型ＭＯＳＦ
ＥＴ，Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのドレイン同士、ソース同士を
接続したトランスファーゲート４に接続する。すなわ
ち、ボロメータ１の他方の端子はトランスファーゲート
４のソースに接続され、トランスファ−ゲート４のドレ
インは外部へ接続される。
【００２７】ボロメータ１に流す電流は必要とする信号
量によって変わってくるため、ボロメータにかかる電圧
も変わり、トランスファーゲート４の動作点も変わって
くる。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴのスイッチは、電圧が低いほど
抵抗が低く、電圧が高いほど抵抗が高い。Ｐ型ＭＯＳＦ
ＥＴのスイッチは、その逆である。この両者を並列につ
なぐことによって、どの動作点でも低い抵抗値が得ら
れ、上述した１／ｆノイズの影響を最小限にすることが
できる。
量によって変わってくるため、ボロメータにかかる電圧
も変わり、トランスファーゲート４の動作点も変わって
くる。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴのスイッチは、電圧が低いほど
抵抗が低く、電圧が高いほど抵抗が高い。Ｐ型ＭＯＳＦ
ＥＴのスイッチは、その逆である。この両者を並列につ
なぐことによって、どの動作点でも低い抵抗値が得ら
れ、上述した１／ｆノイズの影響を最小限にすることが
できる。
【００２８】各画素のＭＯＳＦＥＴ２のゲートは、垂直
選択線および垂直ＡＮＤ３を経て、垂直シフトレジスタ
９に接続されている。各トランスファーゲート４の制御
端子は水平ＡＮＤ５およびラッチ１０を経て水平シフト
レジスタ１１に接続されている。一連のトランスファー
ゲート４は、２本の水平信号線８に交互に接続され、こ
れら水平信号線は２つの第１および第２の出力１２，１
３にそれぞれ接続されている。
選択線および垂直ＡＮＤ３を経て、垂直シフトレジスタ
９に接続されている。各トランスファーゲート４の制御
端子は水平ＡＮＤ５およびラッチ１０を経て水平シフト
レジスタ１１に接続されている。一連のトランスファー
ゲート４は、２本の水平信号線８に交互に接続され、こ
れら水平信号線は２つの第１および第２の出力１２，１
３にそれぞれ接続されている。
【００２９】第１の出力１２は、ボロメータ型赤外線検
知素子の外でトランジスタＴＲ1 を有する第１の積分回
路１４に接続され、第２の出力１３は、トランジスタＴ
Ｒ2を有する第２の積分回路１５に接続されている。積
分回路１４において、熱電変換素子の一方の端子は接地
電位に接続され、他方の端子が積分回路１４の中のバイ
ポーラトランジスタＴＲ1 １６のエミッタに接続されて
いる。このバイポーラトランジスタＴＲ1 １６のベース
には熱電変換素子に電流パルスを印加する期間をコント
ロールするパルスφB が印加される。バイポーラトラン
ジスタＴＲ1 １６のコレクタには積分用の容量Ｃ1 １８
が接続されている。さらに、この積分容量Ｃ1 １８の電
位を所定電位ＶＲにリセットするためのリセットトラン
ジスタ６１がバイポーラトランジスタＴＲ1 １６のコレ
クタに接続されている。積分出力はバイポーラトランジ
スタＴＲ1 １６のコレクタから出力される。積分回路１
５は積分回路１４と同様の構成である。
知素子の外でトランジスタＴＲ1 を有する第１の積分回
路１４に接続され、第２の出力１３は、トランジスタＴ
Ｒ2を有する第２の積分回路１５に接続されている。積
分回路１４において、熱電変換素子の一方の端子は接地
電位に接続され、他方の端子が積分回路１４の中のバイ
ポーラトランジスタＴＲ1 １６のエミッタに接続されて
いる。このバイポーラトランジスタＴＲ1 １６のベース
には熱電変換素子に電流パルスを印加する期間をコント
ロールするパルスφB が印加される。バイポーラトラン
ジスタＴＲ1 １６のコレクタには積分用の容量Ｃ1 １８
が接続されている。さらに、この積分容量Ｃ1 １８の電
位を所定電位ＶＲにリセットするためのリセットトラン
ジスタ６１がバイポーラトランジスタＴＲ1 １６のコレ
クタに接続されている。積分出力はバイポーラトランジ
スタＴＲ1 １６のコレクタから出力される。積分回路１
５は積分回路１４と同様の構成である。
【００３０】画素部分の断面図を図２に、平面図を図３
に示す。半導体基板２０上にスイッチ素子やシフトレジ
スタとなる走査回路２１を形成し、その上に厚いシリコ
ン酸化膜２２を形成して、その一部に空洞２３を形成す
る。空洞は、空洞となる部分に多結晶シリコンを形成
し、それを最後にエッチングして取り除くことによって
形成する。酸化膜２２の上に図１の共通ソースライン
６，垂直信号線７となるアルミニウム２４，２５を形成
する。ソースライン６，垂直信号線７はボロメータ１に
直列につながるため、１／ｆノイズ、固定パターンを低
減するために、特に低抵抗にする必要がある。
に示す。半導体基板２０上にスイッチ素子やシフトレジ
スタとなる走査回路２１を形成し、その上に厚いシリコ
ン酸化膜２２を形成して、その一部に空洞２３を形成す
る。空洞は、空洞となる部分に多結晶シリコンを形成
し、それを最後にエッチングして取り除くことによって
形成する。酸化膜２２の上に図１の共通ソースライン
６，垂直信号線７となるアルミニウム２４，２５を形成
する。ソースライン６，垂直信号線７はボロメータ１に
直列につながるため、１／ｆノイズ、固定パターンを低
減するために、特に低抵抗にする必要がある。
【００３１】アルミニウムは、一般のＬＳＩ製造工程の
中で低抵抗な材料であるが、マイグレーション、その他
の理由により他の材料を混ぜることは可能である。空洞
２３の上には図３のようにスリット２６を作り、長い足
を持った受光面（ダイヤフラム）を形成し、熱分離特性
を向上させている。この受光面は、ボロメータであるチ
タン２７と、その上のシリコン酸化膜２８と、窒化チタ
ン２９からなっている。このチタン２７，酸化膜２８，
窒化チタン２９は、赤外線吸収層を形成しており、チタ
ン２７で反射された赤外線は干渉効果により窒化チタン
２９に吸収される。酸化膜２８の厚さは、吸収を行いた
い赤外線の波長をλ、酸化膜の屈折率をｎとして、λ／
（４ｎ）に設定し、窒化チタン２９の厚さは数百オング
ストロームに設定する。ボロメータ（チタン）２７は有
効に反射を行うように、ダイヤフラム上で密に形成す
る。
中で低抵抗な材料であるが、マイグレーション、その他
の理由により他の材料を混ぜることは可能である。空洞
２３の上には図３のようにスリット２６を作り、長い足
を持った受光面（ダイヤフラム）を形成し、熱分離特性
を向上させている。この受光面は、ボロメータであるチ
タン２７と、その上のシリコン酸化膜２８と、窒化チタ
ン２９からなっている。このチタン２７，酸化膜２８，
窒化チタン２９は、赤外線吸収層を形成しており、チタ
ン２７で反射された赤外線は干渉効果により窒化チタン
２９に吸収される。酸化膜２８の厚さは、吸収を行いた
い赤外線の波長をλ、酸化膜の屈折率をｎとして、λ／
（４ｎ）に設定し、窒化チタン２９の厚さは数百オング
ストロームに設定する。ボロメータ（チタン）２７は有
効に反射を行うように、ダイヤフラム上で密に形成す
る。
【００３２】図１の垂直選択線φＶ1 〜φＶn は、各画
素のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続されているが、この線
は、共通ソースライン６，垂直信号線７と交差すること
になる。アルミニウム配線をもう一層形成することは、
プロセスが複雑になると共に、ダイヤフラムの周辺の凹
凸が急峻になる。そこで本発明では走査回路２１のＭＯ
ＳＦＥＴのゲートに使用している多結晶シリコンを使用
する。図２および図３において、３０はこのような垂直
選択線を示している。通常、多結晶シリコンは抵抗が高
く、また、垂直選択線にはたくさんの画素スイッチのゲ
ート容量がぶら下がっているため、抵抗が高いとパルス
の立ち上がり、立ち下がりが遅くなる。垂直選択線の充
放電時の時定数は垂直選択線の容量と抵抗の積で決ま
る。そのため本発明では、後述するように、パルスの変
化後水平ブランキングを垂直選択線の充放電時定数より
十分長くしている。
素のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続されているが、この線
は、共通ソースライン６，垂直信号線７と交差すること
になる。アルミニウム配線をもう一層形成することは、
プロセスが複雑になると共に、ダイヤフラムの周辺の凹
凸が急峻になる。そこで本発明では走査回路２１のＭＯ
ＳＦＥＴのゲートに使用している多結晶シリコンを使用
する。図２および図３において、３０はこのような垂直
選択線を示している。通常、多結晶シリコンは抵抗が高
く、また、垂直選択線にはたくさんの画素スイッチのゲ
ート容量がぶら下がっているため、抵抗が高いとパルス
の立ち上がり、立ち下がりが遅くなる。垂直選択線の充
放電時の時定数は垂直選択線の容量と抵抗の積で決ま
る。そのため本発明では、後述するように、パルスの変
化後水平ブランキングを垂直選択線の充放電時定数より
十分長くしている。
【００３３】次に本実施例の動作について説明する。図
２において上から入射した赤外線は赤外線吸収層で形成
され、長い足を持った受光面の温度を変化させ、ボロメ
ータの抵抗値を変化させる。足の部分はあまり温度変化
しないため、足の部分の抵抗値はあまり変化しない。従
ってボロメータは受光部で図３のようにつづら折りにし
て、受光部での長さをかせいでいる。
２において上から入射した赤外線は赤外線吸収層で形成
され、長い足を持った受光面の温度を変化させ、ボロメ
ータの抵抗値を変化させる。足の部分はあまり温度変化
しないため、足の部分の抵抗値はあまり変化しない。従
ってボロメータは受光部で図３のようにつづら折りにし
て、受光部での長さをかせいでいる。
【００３４】この結果、受光部である熱分離が行われた
ダイヤフラム上のボロメータ（チタン）２７の抵抗値
は、足の部分の抵抗値、配線抵抗、ＭＯＳＦＥＴ２のオ
ン抵抗、トランスファーゲート４のオン抵抗のいずれよ
りも十分大きくなる。
ダイヤフラム上のボロメータ（チタン）２７の抵抗値
は、足の部分の抵抗値、配線抵抗、ＭＯＳＦＥＴ２のオ
ン抵抗、トランスファーゲート４のオン抵抗のいずれよ
りも十分大きくなる。
【００３５】各画素の抵抗値の変化は、垂直シフトレジ
スタ９、水平シフトレジスタ１１にデータを入力して、
各画素を順次アクセスすることで読み出す。図１の例で
は、２つの出力１２，１３を持つことで、１度に２つの
画素を読み出せる。これによって１出力の場合に対し
て、積分時間をほぼ２倍にできる。出力は、２つに限ら
ず増やすことは可能である。
スタ９、水平シフトレジスタ１１にデータを入力して、
各画素を順次アクセスすることで読み出す。図１の例で
は、２つの出力１２，１３を持つことで、１度に２つの
画素を読み出せる。これによって１出力の場合に対し
て、積分時間をほぼ２倍にできる。出力は、２つに限ら
ず増やすことは可能である。
【００３６】図４に素子を駆動するためのタイミングチ
ャートを示す。図４において、Ｖsy ncは垂直同期信号、
Ｈsyncは水平同期信号、φＶ1 〜φＶn は垂直選択信
号、ＣＬＯＣＫはクロック信号、φＨ1 〜φＨm は水平
選択信号、φB は積分時間決定パルス、φR はリセット
パルスである。
ャートを示す。図４において、Ｖsy ncは垂直同期信号、
Ｈsyncは水平同期信号、φＶ1 〜φＶn は垂直選択信
号、ＣＬＯＣＫはクロック信号、φＨ1 〜φＨm は水平
選択信号、φB は積分時間決定パルス、φR はリセット
パルスである。
【００３７】まず垂直シフトレジスタ９にデータを送
り、φＶ1 の列の画素スイッチのみオンさせる。前述し
たように、垂直選択線は抵抗が高いため、ゲート容量を
充電するための水平ブランキング時間をとる。この後、
水平シフトレジスタ１１にデータを送って、φＨ1 とφ
Ｈ2 につながるトランスファーゲート４をオンさせる。
バイポーラトランジスタＴＲ1 １６，ＴＲ2 １７で構成
される積分回路１４，１５に積分時間を決めるパルスφ
B を与えることで積分が行われ、第１および第２の積分
出力が得られる。積分完了後、φR パルスによってリセ
ットが行われる。
り、φＶ1 の列の画素スイッチのみオンさせる。前述し
たように、垂直選択線は抵抗が高いため、ゲート容量を
充電するための水平ブランキング時間をとる。この後、
水平シフトレジスタ１１にデータを送って、φＨ1 とφ
Ｈ2 につながるトランスファーゲート４をオンさせる。
バイポーラトランジスタＴＲ1 １６，ＴＲ2 １７で構成
される積分回路１４，１５に積分時間を決めるパルスφ
B を与えることで積分が行われ、第１および第２の積分
出力が得られる。積分完了後、φR パルスによってリセ
ットが行われる。
【００３８】積分期間中流している電流によって、ボロ
メータ１は自己発熱を起こす。従ってこの積分時間が画
素によってばらつくと、自己発熱にばらつきが生じ、ラ
ンダムノイズや固定パターンノイズとなってしまう。水
平シフトレジスタ１１の出力パルスで積分時間を決める
と、複数のＦＥＴ間のばらつきが積分時間に揺らぎを与
え、この問題が起きてしまう。本発明は、積分時間を出
力毎に１つのパルスφB 、および、１つのスイッチ素子
バイポーラトランジスタＴＲ1 １６（またはＴＲ2 １
７）によって決める。この結果、パルス間ばらつきやス
イッチ素子間ばらつきの問題を解決している。
メータ１は自己発熱を起こす。従ってこの積分時間が画
素によってばらつくと、自己発熱にばらつきが生じ、ラ
ンダムノイズや固定パターンノイズとなってしまう。水
平シフトレジスタ１１の出力パルスで積分時間を決める
と、複数のＦＥＴ間のばらつきが積分時間に揺らぎを与
え、この問題が起きてしまう。本発明は、積分時間を出
力毎に１つのパルスφB 、および、１つのスイッチ素子
バイポーラトランジスタＴＲ1 １６（またはＴＲ2 １
７）によって決める。この結果、パルス間ばらつきやス
イッチ素子間ばらつきの問題を解決している。
【００３９】このようにして最初の２画素を読み出した
後、水平シフトレジスタ１１を動かしてφＨm までを順
次読み出す。これによってφＶ1 の行が読み出され、垂
直シフトレジスタ９を動かして同様にφＶn までを読み
出す。
後、水平シフトレジスタ１１を動かしてφＨm までを順
次読み出す。これによってφＶ1 の行が読み出され、垂
直シフトレジスタ９を動かして同様にφＶn までを読み
出す。
【００４０】本発明の検出用積分回路では、熱電変換素
子に印加される電圧はエミッタと接地間の電位、すなわ
ち、ベースと接地間の電圧からビルトイン電圧を引いた
電圧で与えられ、積分容量の電位とは分離されている。
このために、積分時間を長くして雑音を低減したり、熱
電変換素子に流す電流を大きくして感度を大きくすると
きには、積分される電荷量が大きくなるが、熱電変換素
子に印加される電圧とは独立に積分容量のリセット電位
を設定することができる。この結果、単純な構成でボロ
メータ型赤外線検知素子の特性を十分に引き出すことが
できる。
子に印加される電圧はエミッタと接地間の電位、すなわ
ち、ベースと接地間の電圧からビルトイン電圧を引いた
電圧で与えられ、積分容量の電位とは分離されている。
このために、積分時間を長くして雑音を低減したり、熱
電変換素子に流す電流を大きくして感度を大きくすると
きには、積分される電荷量が大きくなるが、熱電変換素
子に印加される電圧とは独立に積分容量のリセット電位
を設定することができる。この結果、単純な構成でボロ
メータ型赤外線検知素子の特性を十分に引き出すことが
できる。
【００４１】図１の実施例では、積分回路を素子外に置
いたが、素子内に入れることも当然可能である。
いたが、素子内に入れることも当然可能である。
【００４２】図５は本発明のボロメータ型赤外線検知素
子を駆動して信号を読み出す、赤外線検知装置の一例の
ブロックダイヤグラムである。この赤外線検知装置は、
装置全体を制御するＣＰＵとＲＯＭ４０と、ボロメータ
型赤外線検知素子４１に図４のタイミングを印加する駆
動回路４２と、信号を読み出すための積分回路４３，４
４と、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）４５，４６と、Ａ／
Ｄコンバータ４７，４８と、画像データを蓄えるＲＡＭ
４９と、ＮＴＳＣ等のアナログ信号に変換するためのＤ
／Ａコンバータ５０とを備えている。さらに必要に応じ
て、各画素の固定パターン量を記憶して補正するための
ＲＡＭまたはＲＯＭ５１、素子温度を一定に保つペルチ
ェ素子５２などを設ける。
子を駆動して信号を読み出す、赤外線検知装置の一例の
ブロックダイヤグラムである。この赤外線検知装置は、
装置全体を制御するＣＰＵとＲＯＭ４０と、ボロメータ
型赤外線検知素子４１に図４のタイミングを印加する駆
動回路４２と、信号を読み出すための積分回路４３，４
４と、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）４５，４６と、Ａ／
Ｄコンバータ４７，４８と、画像データを蓄えるＲＡＭ
４９と、ＮＴＳＣ等のアナログ信号に変換するためのＤ
／Ａコンバータ５０とを備えている。さらに必要に応じ
て、各画素の固定パターン量を記憶して補正するための
ＲＡＭまたはＲＯＭ５１、素子温度を一定に保つペルチ
ェ素子５２などを設ける。
【００４３】５０μm 角程度の画素を考えた場合、温度
差１Ｋの対象物を見たとき、ダイヤフラムの温度上昇Δ
Ｔは０．００２℃程度であり、チタンの抵抗値Ｒを１０
ＫΩ、温度係数αを０．５％／Ｋ程度、バイアス電流Ｉ
を１ｍＡ程度とすると、信号電圧ＶS は、ＶS ＝ＩR α
ΔＴ≒１００μＶとなる。一方、ノイズはジョンソンノ
イズのみ考えれば良いため、積分時間ＴS を２μＳとし
てノイズ電圧Ｖn は、Ｖn ＝√４ＫＴＲ／（２ＴS ）≒
６．４μＶとなる。温度分解能ＮＥＴＤは、ＮＥＴＤ＝
Ｖn ／ＶS ≒０．０６Ｋとなる。
差１Ｋの対象物を見たとき、ダイヤフラムの温度上昇Δ
Ｔは０．００２℃程度であり、チタンの抵抗値Ｒを１０
ＫΩ、温度係数αを０．５％／Ｋ程度、バイアス電流Ｉ
を１ｍＡ程度とすると、信号電圧ＶS は、ＶS ＝ＩR α
ΔＴ≒１００μＶとなる。一方、ノイズはジョンソンノ
イズのみ考えれば良いため、積分時間ＴS を２μＳとし
てノイズ電圧Ｖn は、Ｖn ＝√４ＫＴＲ／（２ＴS ）≒
６．４μＶとなる。温度分解能ＮＥＴＤは、ＮＥＴＤ＝
Ｖn ／ＶS ≒０．０６Ｋとなる。
【００４４】（実施例２）図８は本発明の一実施例のボ
ロメータ型赤外線検知素子の模式図である。シリコン基
板７１上に熱分離構造として、窒化シリコン膜や酸化シ
リコン膜のダイヤフラム７２が形成されている。ダイヤ
フラム７２は熱分離構造としての熱伝導度を小さくする
ために、２本の細い脚７３によってシリコン基板７１に
固定されている。すなわち、ダイヤフラム７２はシリコ
ン基板７１からは離れて、宙に浮いた構造になってい
る。このダイヤフラム７２にチタンの熱電変換素子７４
が設けられている。ボロメータ型の熱電変換素子とは抵
抗体である。シリコン基板７１上に熱電変換素子７４の
端子７５を取り出すために、脚７３上にもチタンの抵抗
体が形成されている。ダイヤフラム７２上のチタンの熱
電変換素子７４の抵抗値が脚の部分の抵抗値やその他の
寄生抵抗の値に比較して十分大きくなるように、ダイヤ
フラム７２上のチタンの熱電変換素子７４はつづら折り
にパターニングされている。図示されていないが、赤外
線を吸収するための赤外線吸収層がダイヤフラム７１に
は形成されている。
ロメータ型赤外線検知素子の模式図である。シリコン基
板７１上に熱分離構造として、窒化シリコン膜や酸化シ
リコン膜のダイヤフラム７２が形成されている。ダイヤ
フラム７２は熱分離構造としての熱伝導度を小さくする
ために、２本の細い脚７３によってシリコン基板７１に
固定されている。すなわち、ダイヤフラム７２はシリコ
ン基板７１からは離れて、宙に浮いた構造になってい
る。このダイヤフラム７２にチタンの熱電変換素子７４
が設けられている。ボロメータ型の熱電変換素子とは抵
抗体である。シリコン基板７１上に熱電変換素子７４の
端子７５を取り出すために、脚７３上にもチタンの抵抗
体が形成されている。ダイヤフラム７２上のチタンの熱
電変換素子７４の抵抗値が脚の部分の抵抗値やその他の
寄生抵抗の値に比較して十分大きくなるように、ダイヤ
フラム７２上のチタンの熱電変換素子７４はつづら折り
にパターニングされている。図示されていないが、赤外
線を吸収するための赤外線吸収層がダイヤフラム７１に
は形成されている。
【００４５】図８のボロメータ型赤外線検知素子では、
入射した赤外線によって熱分離されたダイヤフラム７２
の温度が上昇する。温度が上昇した結果、熱電変換素子
７４の電気抵抗値に変化が生じる。端子７５から電流を
熱電変換素子７４に流すことによって、熱電変換素子７
４の抵抗値変化を検出する。この結果、入射してきた赤
外線の大きさを検出する。
入射した赤外線によって熱分離されたダイヤフラム７２
の温度が上昇する。温度が上昇した結果、熱電変換素子
７４の電気抵抗値に変化が生じる。端子７５から電流を
熱電変換素子７４に流すことによって、熱電変換素子７
４の抵抗値変化を検出する。この結果、入射してきた赤
外線の大きさを検出する。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように本発明はボロメータ
型赤外線検出素子において、ボロメータ材料として用い
たチタンは、近年のＬＳＩ製造プロセスにおいてシリサ
イドやバリヤメタルとして使われており、既存のライン
で製造可能である。
型赤外線検出素子において、ボロメータ材料として用い
たチタンは、近年のＬＳＩ製造プロセスにおいてシリサ
イドやバリヤメタルとして使われており、既存のライン
で製造可能である。
【００４７】また１／ｆノイズの増大や、プロセスの追
加なしに、走査回路にＭＯＳＦＥＴを用いることがで
き、ＭＯＳＦＥＴの特徴である低消費電力で、安価な素
子が構成できる。また、固定パターンノイズの影響を抑
え、また、感度を高めることができ、防犯，監視，誘
導，医療，工業計測等に十分な性能を持つ、安価なボロ
メータ型赤外線検知素子が実現できる。
加なしに、走査回路にＭＯＳＦＥＴを用いることがで
き、ＭＯＳＦＥＴの特徴である低消費電力で、安価な素
子が構成できる。また、固定パターンノイズの影響を抑
え、また、感度を高めることができ、防犯，監視，誘
導，医療，工業計測等に十分な性能を持つ、安価なボロ
メータ型赤外線検知素子が実現できる。
【図１】本発明のボロメータ型赤外線検知素子の一実施
例を示す回路図である。
例を示す回路図である。
【図２】図１のボロメータ型赤外線検知素子の画素を示
す断面図である。
す断面図である。
【図３】図１のボロメータ型赤外線検知素子の画素を示
す平面図である。
す平面図である。
【図４】本発明の一実施例の動作を説明するタイミング
チャートである。
チャートである。
【図５】本発明のボロメータ型赤外線検知素子を用いた
赤外線検知装置のブロックダイヤグラムである。
赤外線検知装置のブロックダイヤグラムである。
【図６】従来の赤外線検知素子の回路図である。
【図７】従来の画素の回路図である。
【図８】本発明の一実施例のボロメータ型赤外線検知素
子の模式図である。
子の模式図である。
１ ボロメータ ２ 画素スイッチ（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ） ３ 垂直ＡＮＤ ４ トランスファーゲート ５ 水平ＡＮＤ ６ 共通ソースライン ７ 垂直信号線 ８ 水平信号線 ９ 垂直シフトレジスタ １０ ラッチ １１ 水平シフトレジスタ １２ 第１の出力 １３ 第２の出力 １４ 第１の積分回路 １５ 第２の積分回路 １６ バイポーラトランジスタＴＲ1 １７ バイポーラトランジスタＴＲ2 １８ 積分容量Ｃ1 １９ 積分容量Ｃ2 ２０ 半導体基板 ２１ 走査回路 ２２ シリコン酸化膜 ２３ 空洞 ２４，２５ アルミニウム ２６ スリット ２７ ボロメータ（チタン） ２８ シリコン酸化膜 ２９ 窒化チタン ３０ 垂直選択線 ６１，６２ リセットトランジスタ ７１ シリコン基板 ７２，７３ 熱分離構造（７２ ダイヤフラム，７３
脚） ７４ 熱電変換素子
脚） ７４ 熱電変換素子
Claims (6)
- 【請求項１】半導体基板上に１次元または２次元に配列
され、入射赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子
と、 各画素に配置され、ドレインを前記熱電変換素子の一方
の端子に接続し、ソースを電源に接続した一導電型ＭＯ
ＳＦＥＴと、 複数画素に１個の割合で配置され、一導電型ＭＯＳＦＥ
Ｔと反対導電型ＭＯＳＦＥＴのドレイン同士、ソース同
士を接続した複数のトランスファーゲートとを有し、 前記熱電変換素子の他方の端子を複数個接続し、前記ト
ランスファーゲートのソースに接続し、前記複数のトラ
ンスファーゲートの接続されたドレイン同士を外部へ出
力することを特徴とするボロメータ型赤外線検知素子。 - 【請求項２】熱電変換素子としてチタンを主成分とした
材料を用い、各画素に配置された一導電型ＭＯＳＦＥＴ
のソースは、アルミニウムを主成分とする材料で配線を
行い、各画素に配置された一導電型ＭＯＳＦＥＴのゲー
トはシリコンを主成分とする材料で配線を行うことを特
徴とする請求項２記載のボロメータ型赤外線検知素子。 - 【請求項３】少なくとも基板上に設けられた熱分離構造
と、この熱分離構造に設けられたチタンを主成分とする
金属よりなる熱電変換素子とを有することを特徴とする
ボロメータ型赤外線検知素子。 - 【請求項４】各画素に配置された一導電型ＭＯＳＦＥＴ
のゲートに印加されるパルスを変化させた後のブランキ
ング時間を前記ゲートが接続された配線の充放電時定数
より長くすることを特徴とする請求項１ないし３記載の
ボロメータ型赤外線検知素子の駆動方法。 - 【請求項５】熱電変換素子に流す電流パルスの幅が、前
記外部へ出力する端子毎に１つのスイッチ素子によって
決定されることを特徴とする請求項４記載のボロメータ
型赤外線検知素子の駆動方法。 - 【請求項６】熱電変換素子の一方が基準電位に接続さ
れ、他方がバイポーラトランジスタのエミッタに接続さ
れ、このバイポーラトランジスタのベースに前記熱電変
換素子に電流パルスを印加する期間をコントロールする
パルスが印加され、前記バイポーラトランジスタのコレ
クタに積分用容量とこの積分容量の電位を所定電位にリ
セットするためのリセットトランジスタとを有すること
を特徴とする請求項１ないし３記載のボロメータ型赤外
線検知素子の検出用積分回路。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7075264A JP2710228B2 (ja) | 1994-08-11 | 1995-03-31 | ボロメータ型赤外線検知素子、その駆動方法、および検出用積分回路 |
| US08/514,256 US5698852A (en) | 1994-08-11 | 1995-08-11 | Titanium bolometer-type infrared detecting apparatus |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18914494 | 1994-08-11 | ||
| JP6-189144 | 1994-08-11 | ||
| JP7075264A JP2710228B2 (ja) | 1994-08-11 | 1995-03-31 | ボロメータ型赤外線検知素子、その駆動方法、および検出用積分回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08105794A JPH08105794A (ja) | 1996-04-23 |
| JP2710228B2 true JP2710228B2 (ja) | 1998-02-10 |
Family
ID=26416413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7075264A Expired - Fee Related JP2710228B2 (ja) | 1994-08-11 | 1995-03-31 | ボロメータ型赤外線検知素子、その駆動方法、および検出用積分回路 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5698852A (ja) |
| JP (1) | JP2710228B2 (ja) |
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-
1995
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- 1995-08-11 US US08/514,256 patent/US5698852A/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010048645A (ja) * | 2008-08-21 | 2010-03-04 | Yazaki Corp | 濃度測定装置 |
| JP2012225829A (ja) * | 2011-04-21 | 2012-11-15 | Panasonic Corp | 赤外線放射素子、赤外線光源 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08105794A (ja) | 1996-04-23 |
| US5698852A (en) | 1997-12-16 |
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