JP2734226B2 - Infrared sensor - Google Patents

Infrared sensor

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JP2734226B2
JP2734226B2 JP3102284A JP10228491A JP2734226B2 JP 2734226 B2 JP2734226 B2 JP 2734226B2 JP 3102284 A JP3102284 A JP 3102284A JP 10228491 A JP10228491 A JP 10228491A JP 2734226 B2 JP2734226 B2 JP 2734226B2
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thermopile
diaphragm
ccd
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vertical ccd
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信一 寺西
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermopile infrared sensor.

【0002】[0002]

【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)48
6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.H
erwaardenの「InfraredDetect
or Based on an Integrated
Silicon ThermoPile」(Proc
eedings 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「Fa
r Infrared Sensor with Th
ermoPile Structure」(Proce
eding of the 1stSensor Sy
mPosium 1981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。
2. Description of the Related Art Thermopile infrared sensors use two types of thermoelectric materials. Conventionally, the Dictionary of Physical and Chemical Sciences (4th edition) 48
According to page 6, combinations of bismuth and antimony, chromel and constantan, and iron and constantan have been used. Also, P.I. M. Sarro and A. W. V. H
erwaarden 「InfraredDetect
or Based on an Integrated
Silicon ThermoPile ”(Proc
According to the teachings of SPIE 807, pp. 113-118), p-type silicon and aluminum are used. C.I. Shibata,
C. Kimura and K.M. Mikami 「Fa
r Infrared Sensor with Th
thermoPile Structure "(Proce
eding of the 1stSensor Sy
According to mPosium 1981, pp. 211-255), tellurium and indium antimony are used.

【0003】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。図2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(図2(a))と
断面図(図2(b))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
る膜をダイヤフラム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上の接点の
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。このスリット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。
[0003] Japanese Patent Application No. 1-40769 filed by the present applicant discloses the use of p-type and n-type semiconductors as thermoelectric materials. In particular, when p-type and n-type silicon are used, a silicon IC manufacturing technique can be advantageously used. FIG. 2 is a plan view (FIG. 2A) and a cross-sectional view (FIG. 2B) of a thermopile infrared sensor using p-type and n-type silicon as a thermoelectric material. A silicon nitride film 2 formed by a CVD method or a plasma CVD method is formed on a silicon substrate 1 having a plane orientation of (100), and a silicon substrate below a central portion of the nitride film 2 is etched into a truncated pyramid shape. , A cavity 3 is formed. 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 hot contact of the contact on the diaphragm 4 and a contact provided on the silicon substrate outside the diaphragm region 4 are called a cold contact. 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.

【0004】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.Ch
oiとK.D.Wiseの「A Silicon−Th
ermoyile−Based Infrared S
ensing Arrayfor Use in Au
tomated Manufacturing」(IE
EE Transactions on Electr
on 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、いず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。
An example in which thermopiles are arranged one-dimensionally or two-dimensionally to constitute an infrared image sensor is disclosed in I.I. H. Ch
oi and K. D. Wise's "A Silicon-Th"
erotic-Based Infrared S
sensing Arrayfor Use in Au
tomated Manufacturing "(IE
EE Transactions on Electr
on Devices ED-33, 1986, 72-
79 pages) with 8 × 1 pixels and 16 × 2 pixels. However, each of them has a disadvantage that the configuration is not suitable when the number of pixels is small and the number of pixels is large.
Therefore, a configuration suitable for a case where the number of pixels is large has been required.

【0005】本出願人の特願平2−83480号ではサ
ーモパイルの起電圧をMOSFETのゲートに入力し、
MOSFETのドレイン電流を起電圧によって変調す
る。ドレイン電流を蓄積する容量を設けることによって
蓄積動作を行なっている。サーモパイルとMOSFET
と容量とを有する単位画素が配列されている。各容量か
らの信号電荷の読み出しはCCDイメージセンサやMO
S型イメージセンサと同様に行なわれる。この方式は画
素数が大きい場合にも適した構成である。
In Japanese Patent Application No. 2-83480 filed by the present applicant, an electromotive voltage of a thermopile is input to the gate of a MOSFET.
The drain current of the MOSFET is modulated by the electromotive voltage. The storage operation is performed by providing a capacitor for storing the drain current. Thermopile and MOSFET
And a unit pixel having a capacitor. The reading of signal charges from each capacitor is performed by using a CCD image sensor or MO
This is performed in the same manner as the S-type image sensor. This method is suitable for a case where the number of pixels is large.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、サーモパイル
型赤外線センサは量子型赤外線センサに比較して感度が
低い。このため、画素数が大きい場合にも適用でき、か
つ、感度の大きい構成が必要とされてきた。
However, the thermopile infrared sensor has lower sensitivity than the quantum infrared sensor. Therefore, a configuration that can be applied even when the number of pixels is large and has high sensitivity has been required.

【0007】[0007]

【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;そのソースが前記サーモパイルの他端の接
続され、ゲートが第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。
SUMMARY OF THE INVENTION There are three infrared sensors of the present invention. One is a plurality of diaphragm regions provided on the main surface of the semiconductor substrate; the diaphragm region has one contact group; the other has a contact group outside the diaphragm region; A MOS type transistor having a source connected to the other end of the thermopile, a gate connected to the second voltage source, and a drain serving as a charge storage unit; And a charge readout unit provided correspondingly to the infrared sensor.

【0008】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;前記多数のダイヤフラム領域に対応して設け
られたCCDと;ソースがサーモパイルの他端と接続さ
れ、そのゲートが第2の電圧源に接続され、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。
[0008] The second is a plurality of diaphragm regions provided on the main surface of the semiconductor substrate; one contact group in the diaphragm region, the other contact group outside the diaphragm region, one end A thermopile connected to a first voltage source; a CCD provided corresponding to the plurality of diaphragm areas; a source connected to the other end of the thermopile, and a gate connected to the second voltage source; An infrared sensor having a configuration in which a drain has a MOS transistor serving as a channel of the CCD.

【0009】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;前記多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;そのソースがサー
モパイルの他端と接続され、そのゲートが第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CC
Dと接続されていない端部に対応して設けられた水平C
CD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。
Third, a plurality of diaphragm regions arranged two-dimensionally 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 to a first voltage source; a first vertical CCD provided corresponding to the plurality of diaphragm areas; a source connected to the other end of the thermopile, and a gate connected to the other end. A MOS transistor connected to the second voltage source, the drain of which is the channel of the first vertical CCD; and 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; the first vertical CC of the second vertical CCD
Horizontal C provided corresponding to the end not connected to D
An infrared sensor having a configuration including a CD and an output unit provided at an end of a horizontal CCD in a transfer direction.

【0010】[0010]

【実施例】次に、この本発明について図面を参照して説
明する。
Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

【0011】図1はこの発明の第1の実施例の平面模式
図である。第1の実施例は図2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の熱接点はダイヤフラム上に形
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。各サーモパイル10に
対応してそれぞれ1つづつ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のソースに接続されている。MOS
型トランジスタ14のゲートは第2の電圧源15に共通
接続されている。第1の電圧源12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、
各画素にはそれぞれ電荷蓄積部16が設けられてる。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やトレンチ
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。このトランスファ
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CC
D18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C
CD18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 a diaphragm. One end 11 of the thermopile 10 is commonly connected to a first voltage source 12. One MOS transistor 14 is formed corresponding to each thermopile 10. The other end 13 of the thermopile 10 is MOS
It is connected to the source of the type transistor 14. MOS
The gates of the type transistors 14 are commonly connected to a second voltage source 15. The first voltage source 12 can be set to the potential of the silicon substrate, that is, the ground. further,
Each pixel is provided with a charge storage section 16. As the charge storage section 16, a MOS capacitance, a junction capacitance, a stack capacitance or a trench 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. Also, vertical CC
A part of one electrode of D18 may be a surface type channel and also serve as the transfer gate 17. Vertical C
A horizontal CCD 19 is provided at the end of the CD 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.

【0012】この赤外線センサでは、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。サーモパイル10の一端
11を基準としたサーモパイルの他端13に発生する起
電圧の正負は接続を入れ替えることによってどちらにで
も選べる。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のソースに印加され、ドレイ
ン電流を変化させる。MOS型トランジスタ14がnチ
ャネル型の場合、サーモパイルの他端13の電圧が負の
方向に変化するとドレイン電流は増加し、正の方向に変
化する。
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. The polarity of the electromotive voltage generated at the other end 13 of the thermopile with respect to the one end 11 of the thermopile 10 can be selected by switching the connection. This electromotive voltage is added to the first voltage source 12 and applied to the source of the MOS transistor 14 to change the drain current. When the MOS transistor 14 is of an n-channel type, when the voltage at the other end 13 of the thermopile changes in the negative direction, the drain current increases and changes in the positive direction.

【0013】サーモパイル10は二種類の熱電材料から
なっており、それぞれ電気抵抗を持ち、その電気抵抗は
温度特性を持つ。一般に半導体は温度が上昇すると電気
抵抗が小さくなり、金属は逆である。図1から明らかな
ように、サーモパイル10の電気抵抗はMOS型トラン
ジスタ14のソースに加わる寄生抵抗分と見なせる。サ
ーモパイル10の電気抵抗が大きくなるとドレイン電流
は減少することになる。
The thermopile 10 is made of two kinds of thermoelectric materials, each having an electric resistance, and the electric resistance has a temperature characteristic. Generally, as the temperature rises, the electrical resistance of a semiconductor decreases, and the opposite is true for a metal. As apparent from FIG. 1, the electric resistance of the thermopile 10 can be regarded as a parasitic resistance added to the source of the MOS transistor 14. As the electric resistance of the thermopile 10 increases, the drain current decreases.

【0014】サーモパイル10の熱起電圧と電気抵抗の
温度変化とによってMOS型トランジスタ14のドレイ
ン電流が変化するのであるから、両者の作用を同じ方向
にしてやることが重要である。すなわち、ダイヤフラム
の温度が上昇し、サーモパイル10の電気抵抗が大きく
なる場合、MOS型トランジスタ14がnチャネル型の
ときサーモパイルの他端13の起電圧が正、MOS型ト
ランジスタ14がp型チャネル型のときサーモパイルの
他端13の起電力が負になるように接続する。逆に、ダ
イヤフラムの温度が上昇し、サーモパイル10の電気抵
抗が小さくなる場合、MOS型トランジスタ14がnチ
ャネルのときサーモパイルの他端13の起電圧が負、M
OS型トランジスタ14がpチャネル型のときサーモパ
イルの他端13の起電圧が正になるように接続する。
Since the drain current of the MOS transistor 14 changes due to the thermoelectromotive voltage of the thermopile 10 and the temperature change of the electric resistance, it is important to make the actions of the two in the same direction. That is, when the temperature of the diaphragm rises and the electric resistance of the thermopile 10 increases, when the MOS transistor 14 is an n-channel type, the electromotive voltage at the other end 13 of the thermopile is positive and the MOS transistor 14 is a p-channel type. At this time, the thermopile is connected so that the electromotive force at the other end 13 becomes negative. Conversely, when the temperature of the diaphragm rises and the electric resistance of the thermopile 10 decreases, when the MOS transistor 14 is an n-channel, the electromotive voltage at the other end 13 of the thermopile is negative and M
The connection is made so that the electromotive voltage at the other end 13 of the thermopile becomes positive when the OS type transistor 14 is a p-channel type.

【0015】このドレイン電流は蓄積期間電荷蓄積部1
6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をオン状態にし、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16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CCD31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。
This drain current is stored in the charge storage section 1 during the storage period.
6 and becomes signal charges. When the accumulation period ends,
The transfer gate 17 is turned on, the stored signal charges are transferred from the charge storage unit 16 to the vertical CCD 18, and the potential of the charge storage unit 16 is reset to the channel potential of the transfer gate 17. The transfer gate 17 is turned off, and the next accumulation period starts. During the accumulation period, the signal charges transferred to the vertical CCD 31 are sequentially transferred to the output unit 20 by the operation of the vertical CCD 18 and the horizontal CCD 19, and the signal is extracted to the outside.

【0016】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
1 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クローンである。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を設定する必要がある。
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 clone. It is necessary to set the charge storage unit 16, the vertical CCD 18, and the horizontal CCD 19 so that the charge amount can be stored and transferred.

【0017】図3はこの発明の第2の実施例の平面模式
図である。この実施例では図2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。図1と同一記号で示したものは同一構
成要素を示す。図1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。
FIG. 3 is a schematic plan view of a second embodiment of the present invention. In this embodiment, a large number of thermopiles are arranged two-dimensionally as shown in FIG.
This is an infrared sensor in which a scanning circuit called a mold is 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 shown in FIG. 1 lies in the method of reading out the signal charges stored in the charge storage unit 16.
Explain it.

【0018】電荷蓄積部16に対応して垂直スイッチ2
1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2
3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23,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。
The vertical switch 2 corresponding to the charge storage section 16
1 is formed. The vertical switch 21 is formed by a MOS transistor. The source is connected to the charge storage unit 16, and the gate is commonly connected to the tap of the vertical shift register 22 that generates a pulse delayed in a horizontal period for each row. The drains of the vertical switches 21 are commonly connected to a vertical signal line 23 for each column. Vertical signal line 2
3 corresponds to a horizontal switch 24 of a MOS transistor.
Are formed. 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. The vertical switch 21, the vertical shift register 22, the vertical signal line 23, the horizontal switch 24, the horizontal shift register 25, and the output line 26 form a reading section.

【0019】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 charge is
When a certain tap of the vertical shift register 22 is turned on, the vertical switches 21 in the row connected to this tap are turned on, and the signal charges are respectively stored in the corresponding vertical signal lines 23.
Is read out. 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 unit 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 unit 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 of the charge storage unit 16 is reset, the next storage period starts after the vertical switch 21 is turned off.

【0020】図4はこの発明の第3の実施例の平面模式
図である。この実施例では図2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。図1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のゲートは第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CCD1
9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. This embodiment is an infrared sensor in which a large number of thermopiles as shown in FIG. 2 are two-dimensionally arranged, and a vertical CCD for both charge accumulation and transfer is integrated on a 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 large number of thermopiles 10 are two-dimensionally arranged. 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. The other end 13 of the thermopile 10 is MOS
It is connected to the gate of the type transistor 14. MOS
The gates of the type transistors 14 are commonly connected to a second voltage source 15. The second voltage source 15 can be set to the potential of the silicon substrate, that is, the ground. further,
An embedded 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 1 is provided at the end of the vertical CCD 27 in the transfer direction.
9 are provided. Further, a floating diffusion layer type output section 20 is formed at an end of the horizontal CCD 19 in the transfer direction.

【0021】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のソースに印加され、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CCD
19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14
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M
OS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CCD27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 first and second embodiments, the function of accumulating the signal charge performed by the charge storage section 16 is replaced by the vertical CCD 27 in the infrared sensor of the third embodiment.
Has done. The temperature of the diaphragm rises in response to the amount of incident infrared radiation, thereby generating an electromotive voltage in the thermopile 10. This electromotive voltage is added to the first voltage source 12 and applied to the source of the MOS transistor 14 to change the drain current. This drain current is accumulated in the vertical CCD 27 corresponding to the accumulation period and becomes a signal charge. When the accumulation period ends, the signal charges are transferred to the vertical CCD 27 and the horizontal CCD.
By the function of 19, the signal is sequentially transferred to the output unit 20, and the signal is taken out to the outside. The first voltage source 12 is pulse-driven, that is, during the accumulation period, the MOS transistor 14
During the period in which signal charges are transferred to a voltage at which the signal charges are operated in a weak inversion state or a saturation region.
The voltage of the first voltage source is set to a voltage at which the OS transistor 14 enters a cutoff state. Then, the signal charges do not mix with the signal charges of other pixels during transfer through the vertical CCD 27.

【0022】図5はこの発明の第4の実施例の平面模式
図である。この実施例では図2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。図1,図4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CC
D27と水平CCD19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、MO
S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CCD28の他に第1垂直CCD
28の転送方向に直列に第2垂直CCD29が設けられ
ている。第2垂直CCD29の転送段数は第1垂直CC
D28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CCD1
9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 a first vertical CCD serving as a charge storage and a transfer and a second vertical CCD serving as a frame memory are provided on a silicon main surface. It is an integrated infrared sensor. The configuration is close to that of a frame transfer type image sensor for visible light. 1 and 4 denote the same components. Vertical CC of the third embodiment
The difference from the third embodiment is that a frame memory is provided between D27 and the horizontal CCD 19. That is, MO
The first vertical CCD 28 serves as a drain of the S-type transistor 14 and stores signal charges, in addition to the first vertical CCD 28.
A second vertical CCD 29 is provided in series in the transfer direction of. The number of transfer stages of the second vertical CCD 29 is the first vertical CC.
The number is set to be equal to or slightly larger than the number of transfer stages of D28.
The horizontal CCD 1 is located at the end of the second vertical CCD 29 in the transfer direction.
9 are provided.

【0023】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から垂直CCD19へ
一行ずつ信号電荷が転送され、さらに水平CCD19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 accumulated in the first vertical CCD 28 are transferred to the second vertical CCD 29 by frame. Thereafter, accumulation of the next signal charge is started in the first vertical CCD 28. Further, signal charges are transferred from the second vertical CCD 29 to the vertical CCD 19 line by line, and are sequentially transferred to the output unit 20 by the operation of the horizontal CCD 19, and the signals are 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.

【0024】[0024]

【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、さら
に、サーモパイルの熱起電圧の効果と電気抵抗の温度特
性の両方を利用し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。
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 operates in a storage mode. The sensitivity is very good because both the temperature characteristics of the electric resistance and the electric resistance are used. Further, the present invention can be applied to a one-dimensional or two-dimensional image sensor having a large number of pixels.

【0025】この発明による赤外線センサはp型チャネ
ル,n型チャネルいずれでも実現可能である。
The infrared sensor according to the present invention can be realized with either a p-type channel or an n-type channel.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の第1の実施例の赤外線センサの模式
的平面図である。
FIG. 1 is a schematic plan view of an infrared sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】(a),(b)はそれぞれサーモパイルの平面
図と断面図である。
FIGS. 2A and 2B are a plan view and a sectional view of a thermopile, respectively.

【図3】この発明の第2の実施例の赤外線センサの模式
的平面図である。
FIG. 3 is a schematic plan view of an infrared sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図4】この発明の第3の実施例の赤外線センサの模式
的平面図である。
FIG. 4 is a schematic plan view of an infrared sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図5】この発明の第4の実施例の赤外線センサの模式
的平面図である。
FIG. 5 is a schematic plan view of an infrared sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 4 Diaphragm area 7 Contact 10 Thermopile 11 One end of thermopile 12 First voltage source 13 The other end of thermopile 14 MOS transistor 15 Second voltage source 16 Charge storage unit 17 Transfer gate 18, 27 Vertical CCD 19 Horizontal CCD Reference Signs List 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)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 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;ソースがサーモパイルの他端の接続され、ゲートが
第2の電圧源に接続され、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。
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 MOS type transistor having a source connected to the other end of the thermopile, a gate connected to the second voltage source, and a drain serving as a charge storage unit; An infrared sensor comprising: a charge readout unit provided in the sensor.
【請求項2】 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;前記多数のダイヤフラム領域に対応して設けられた
CCDと;ソースがサーモパイルの他端と接続され、ゲ
ートが第2の電圧源に接続され、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 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 to a plurality of diaphragm areas; a CCD connected to the other end of the thermopile; a gate connected to a second voltage source; and a drain connected to the CCD.
And a MOS transistor as a channel of the infrared sensor.
【請求項3】 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;前記多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;ソースがサーモパイルの他
端と接続され、ゲートが第2の電圧源に接続され、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C
CD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 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; A thermopile connected to a first voltage source; a first vertical CCD provided corresponding to the plurality of diaphragm areas; a source connected to the other end of the thermopile, and a gate connected to the second voltage source. A MOS transistor connected to the drain of the first vertical CCD and having a drain connected in series with the first vertical CCD;
The second vertical CCD having the number of transfer stages equal to or greater than the number of transfer stages of CD
A horizontal CCD provided corresponding to an end of the second vertical CCD that is not connected to the first vertical CCD;
And an output unit provided at an end in the transfer direction.
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