JP3147856B2 - リニア型赤外線検出素子 - Google Patents
リニア型赤外線検出素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はリニア型赤外線検出
素子に係わり、特に、オフセットを除去すると共に温度
ドリフトの影響をなくし、以って、赤外線の精度良い検
出を可能にした赤外線カメラに好適なリニア型赤外線検
出素子に関する。
素子に係わり、特に、オフセットを除去すると共に温度
ドリフトの影響をなくし、以って、赤外線の精度良い検
出を可能にした赤外線カメラに好適なリニア型赤外線検
出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ボロメータ素子は温度変化に応じてその
抵抗値が変化し、その特性を生かし赤外線の検出に広く
用いられている。その応用例であるボロメータ素子を用
いた従来のリニア型赤外線検出素子の動作のしくみを図
４を用いて説明する。ボロメータ素子３２を含むユニッ
トセル３１がリニアアレイ状に配列され、ユニットセル
３１内のボロメータ素子３２はユニットセル選択用トラ
ンジスタ３３を介してグランド端子３４に接続されてい
る。ここで、ユニットセル選択用トランジスタ３３のゲ
ート電極は図の左から順番に投入するようにシフトレジ
スタ３５によって制御される。これにより、出力端子３
６には、いずれか一つのユニットセル３１のボロメータ
素子３２が選択的に接続される。ボロメータ素子３２の
受光部は、基板と高い熱的絶縁状態にあり、これにより
赤外輻射による熱エネルギーが、一時的にボロメータ素
子３２に貯えられる。その結果、ボロメータ素子３２の
温度が上昇し、それに応じた抵抗変化が生じる。この抵
抗変化を出力端子３６から外部に読み出すことにより、
被写体の温度情報を得ることができる。
抵抗値が変化し、その特性を生かし赤外線の検出に広く
用いられている。その応用例であるボロメータ素子を用
いた従来のリニア型赤外線検出素子の動作のしくみを図
４を用いて説明する。ボロメータ素子３２を含むユニッ
トセル３１がリニアアレイ状に配列され、ユニットセル
３１内のボロメータ素子３２はユニットセル選択用トラ
ンジスタ３３を介してグランド端子３４に接続されてい
る。ここで、ユニットセル選択用トランジスタ３３のゲ
ート電極は図の左から順番に投入するようにシフトレジ
スタ３５によって制御される。これにより、出力端子３
６には、いずれか一つのユニットセル３１のボロメータ
素子３２が選択的に接続される。ボロメータ素子３２の
受光部は、基板と高い熱的絶縁状態にあり、これにより
赤外輻射による熱エネルギーが、一時的にボロメータ素
子３２に貯えられる。その結果、ボロメータ素子３２の
温度が上昇し、それに応じた抵抗変化が生じる。この抵
抗変化を出力端子３６から外部に読み出すことにより、
被写体の温度情報を得ることができる。
【０００３】読み出し回路として、例えば、積分回路３
７が用いられる。これはボロメータ素子に一定時間、定
電圧を印加し、この時の電流を積分用キャパシタ３９で
積分する。実際には、ボロメータ素子３２と直列に接続
した積分用キャパシタ３９を予め一定電圧に充電し、一
定時間、定電圧で通電した後、積分用キャパシタの残電
圧を読み出す。この残電圧は積分期間中のボロメータ素
子３２の抵抗値に依存し、被写体から受けた熱輻射量に
関する情報を含んでいる。
７が用いられる。これはボロメータ素子に一定時間、定
電圧を印加し、この時の電流を積分用キャパシタ３９で
積分する。実際には、ボロメータ素子３２と直列に接続
した積分用キャパシタ３９を予め一定電圧に充電し、一
定時間、定電圧で通電した後、積分用キャパシタの残電
圧を読み出す。この残電圧は積分期間中のボロメータ素
子３２の抵抗値に依存し、被写体から受けた熱輻射量に
関する情報を含んでいる。
【０００４】このようにして、赤外輻射量の情報を電気
的に読み出すことができる。しかし、上記したボロメー
タ素子を用いたリニア型赤外線検出素子では、信号のオ
フセット成分が大きく、十分大きなゲインが得られない
ことが問題となっていた。この信号のオフセット成分の
主たる部分は、積分期間中のボロメータ素子の自己加熱
による温度上昇でボロメータ抵抗が大きく変化すること
により発生する。このオフセット成分は出力信号の大半
を占めるが、被写体の温度情報を全く含まない。このた
めアンプのダイナミックレンジを有効に使えず、信号ゲ
インが上げられない。又、積分時間を延ばすとそれだけ
温度分解能が向上するが、このオフセット量も同時に大
きくなるため、十分な積分時間を確保することができな
かった。
的に読み出すことができる。しかし、上記したボロメー
タ素子を用いたリニア型赤外線検出素子では、信号のオ
フセット成分が大きく、十分大きなゲインが得られない
ことが問題となっていた。この信号のオフセット成分の
主たる部分は、積分期間中のボロメータ素子の自己加熱
による温度上昇でボロメータ抵抗が大きく変化すること
により発生する。このオフセット成分は出力信号の大半
を占めるが、被写体の温度情報を全く含まない。このた
めアンプのダイナミックレンジを有効に使えず、信号ゲ
インが上げられない。又、積分時間を延ばすとそれだけ
温度分解能が向上するが、このオフセット量も同時に大
きくなるため、十分な積分時間を確保することができな
かった。
【０００５】更に、大きな問題として温度ドリフトがあ
る。ボロメータ素子は基板から熱的に分離されているも
のの、実際には信号読み出し配線を介し僅かながら基板
との熱交換が存在する。このため環境温度が変化し基板
温度が変化すると、長い時定数でボロメータの素子温度
が変化する。これが温度ドリフトの原因となる。これを
防ぐために、動作中に頻繁にＦＰＮ（固定パターンノイ
ズ）補正をかけなければならず、赤外線カメラとしての
操作性を著しく損ねていた。
る。ボロメータ素子は基板から熱的に分離されているも
のの、実際には信号読み出し配線を介し僅かながら基板
との熱交換が存在する。このため環境温度が変化し基板
温度が変化すると、長い時定数でボロメータの素子温度
が変化する。これが温度ドリフトの原因となる。これを
防ぐために、動作中に頻繁にＦＰＮ（固定パターンノイ
ズ）補正をかけなければならず、赤外線カメラとしての
操作性を著しく損ねていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、オフセットを除去
すると共に温度ドリフトの影響をなくし、以って、赤外
線の検出精度を向上させた新規なリニア型赤外線検出素
子を提供するものである。
した従来技術の欠点を改良し、特に、オフセットを除去
すると共に温度ドリフトの影響をなくし、以って、赤外
線の検出精度を向上させた新規なリニア型赤外線検出素
子を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わるリ
ニア型赤外線検出素子の第１態様は、基板上に複数のボ
ロメータ素子がアレイ状に形成されて配置され、これら
のボロメータ素子を順に選択することで赤外線を検出す
るようにしたリニア型赤外線検出素子において、基板と
この基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的に遮断
された熱分離構造を有し、赤外線を直接受光する複数の
第１のボロメータ素子と、基板とこの基板上に形成され
たボロメータ素子とが熱的に遮断された熱分離構造を有
し、赤外線を受光しないように、前記第１のボロメータ
素子にそれぞれ対応して設けられた複数の第２のボロメ
ータ素子と、前記基板上に設けられ、赤外線を受光しな
いように構成され、前記基板と熱的に一体的に構成され
ると共に、前記複数の第２のボロメータ素子に対応して
設けられる一つの第３のボロメータ素子と、前記基板上
に設けられ、赤外線を受光しないように構成され、前記
基板と熱的に一体的に構成されると共に、前記複数の第
１のボロメータ素子に対応して設けられる一つの第４の
ボロメータ素子とからなり、第１の電源と第２の電源と
の間に前記第３のボロメータ素子と第２のボロメータ素
子とを直列に接続し、前記第１の電源と第２の電源との
間に前記第４のボロメータ素子と第１のボロメータ素子
とを直列に接続し、前記第３のボロメータ素子と第２の
ボロメータ素子との第１の接続点及び前記第４のボロメ
ータ素子と第１のボロメータ素子との第２の接続点をそ
れぞれ差動アンプの入力端子に接続し、前記第１の接続
点と第２の接続点との電位差を検出するように構成した
ことを特徴とするものであり、又、第２態様は、基板上
に複数のボロメータ素子がアレイ状に形成されて配置さ
れ、これらのボロメータ素子を順に選択することで赤外
線を検出するようにしたリニア型赤外線検出素子におい
て、基板とこの基板上に形成されたボロメータ素子とが
熱的に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を直接受光
する複数の第１のボロメータ素子と、前記基板上に設け
られ、赤外線を受光しないように構成され、前記基板と
熱的に一体的に構成されると共に、前記第１のボロメー
タ素子にそれぞれ対応して設けられた複数の第２のボロ
メータ素子と、前記基板上に設けられ、赤外線を受光し
ないように構成され、前記基板と熱的に一体的に構成さ
れると共に、前記複数の第２のボロメータ素子に対応し
て設けられる一つの第３のボロメータ素子と、基板とこ
の基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的に遮断さ
れた熱分離構造を有し、赤外線を受光しないように、前
記複数の第１のボロメータ素子に対応して設けられる一
つの第４のボロメータ素子とからなり、第１の電源と第
２の電源との間に前記第３のボロメータ素子と第２のボ
ロメータ素子とを直列に接続し、前記第１の電源と第２
の電源との間に前記第４のボロメータ素子と第１のボロ
メータ素子とを直列に接続し、前記第３のボロメータ素
子と第２のボロメータ素子との第１の接続点及び前記第
４のボロメータ素子と第１のボロメータ素子との第２の
接続点をそれぞれ差動アンプの入力端子に接続し、前記
第１の接続点と第２の接続点との電位差を検出するよう
に構成したことを特徴とするものである。
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わるリ
ニア型赤外線検出素子の第１態様は、基板上に複数のボ
ロメータ素子がアレイ状に形成されて配置され、これら
のボロメータ素子を順に選択することで赤外線を検出す
るようにしたリニア型赤外線検出素子において、基板と
この基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的に遮断
された熱分離構造を有し、赤外線を直接受光する複数の
第１のボロメータ素子と、基板とこの基板上に形成され
たボロメータ素子とが熱的に遮断された熱分離構造を有
し、赤外線を受光しないように、前記第１のボロメータ
素子にそれぞれ対応して設けられた複数の第２のボロメ
ータ素子と、前記基板上に設けられ、赤外線を受光しな
いように構成され、前記基板と熱的に一体的に構成され
ると共に、前記複数の第２のボロメータ素子に対応して
設けられる一つの第３のボロメータ素子と、前記基板上
に設けられ、赤外線を受光しないように構成され、前記
基板と熱的に一体的に構成されると共に、前記複数の第
１のボロメータ素子に対応して設けられる一つの第４の
ボロメータ素子とからなり、第１の電源と第２の電源と
の間に前記第３のボロメータ素子と第２のボロメータ素
子とを直列に接続し、前記第１の電源と第２の電源との
間に前記第４のボロメータ素子と第１のボロメータ素子
とを直列に接続し、前記第３のボロメータ素子と第２の
ボロメータ素子との第１の接続点及び前記第４のボロメ
ータ素子と第１のボロメータ素子との第２の接続点をそ
れぞれ差動アンプの入力端子に接続し、前記第１の接続
点と第２の接続点との電位差を検出するように構成した
ことを特徴とするものであり、又、第２態様は、基板上
に複数のボロメータ素子がアレイ状に形成されて配置さ
れ、これらのボロメータ素子を順に選択することで赤外
線を検出するようにしたリニア型赤外線検出素子におい
て、基板とこの基板上に形成されたボロメータ素子とが
熱的に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を直接受光
する複数の第１のボロメータ素子と、前記基板上に設け
られ、赤外線を受光しないように構成され、前記基板と
熱的に一体的に構成されると共に、前記第１のボロメー
タ素子にそれぞれ対応して設けられた複数の第２のボロ
メータ素子と、前記基板上に設けられ、赤外線を受光し
ないように構成され、前記基板と熱的に一体的に構成さ
れると共に、前記複数の第２のボロメータ素子に対応し
て設けられる一つの第３のボロメータ素子と、基板とこ
の基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的に遮断さ
れた熱分離構造を有し、赤外線を受光しないように、前
記複数の第１のボロメータ素子に対応して設けられる一
つの第４のボロメータ素子とからなり、第１の電源と第
２の電源との間に前記第３のボロメータ素子と第２のボ
ロメータ素子とを直列に接続し、前記第１の電源と第２
の電源との間に前記第４のボロメータ素子と第１のボロ
メータ素子とを直列に接続し、前記第３のボロメータ素
子と第２のボロメータ素子との第１の接続点及び前記第
４のボロメータ素子と第１のボロメータ素子との第２の
接続点をそれぞれ差動アンプの入力端子に接続し、前記
第１の接続点と第２の接続点との電位差を検出するよう
に構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明のリニア型ボロメータ素子
は、任意時間にシフトレジスタでアドレスされたボロメ
ータ素子が常にブリッジ回路を構成し、かつそのブリッ
ジ回路は赤外線信号以外のオフセット成分を除去するよ
うに構成されている。前記ブリッジ回路は受光素子であ
るボロメータ素子と、これに遮光板を設けたボロメータ
素子と、熱分離構造を有さないボロメータ素子で構成さ
れ、いずれのボロメータ素子も、電極端子の一方が差動
増幅器の入力に、他方がユニットセル選択用トランジス
タに接続する。電源、グランド間には、いずれの動作タ
イミングにおいても同一電気特性を備えた２つのボロメ
ータ素子が直列に接続されて、その中点電位が差動アン
プの入力となるよう構成されている（図２参照）。
は、任意時間にシフトレジスタでアドレスされたボロメ
ータ素子が常にブリッジ回路を構成し、かつそのブリッ
ジ回路は赤外線信号以外のオフセット成分を除去するよ
うに構成されている。前記ブリッジ回路は受光素子であ
るボロメータ素子と、これに遮光板を設けたボロメータ
素子と、熱分離構造を有さないボロメータ素子で構成さ
れ、いずれのボロメータ素子も、電極端子の一方が差動
増幅器の入力に、他方がユニットセル選択用トランジス
タに接続する。電源、グランド間には、いずれの動作タ
イミングにおいても同一電気特性を備えた２つのボロメ
ータ素子が直列に接続されて、その中点電位が差動アン
プの入力となるよう構成されている（図２参照）。
【００１０】各ボロメータ素子は同一条件、同一プロセ
スで形成されるから同じ抵抗温度係数を有し、ブリッジ
回路からは背景輻射および自己発熱によるオフセット成
分が除去された正味の赤外線信号のみが取り出される。
このため、温度ドリフトが低減される。
スで形成されるから同じ抵抗温度係数を有し、ブリッジ
回路からは背景輻射および自己発熱によるオフセット成
分が除去された正味の赤外線信号のみが取り出される。
このため、温度ドリフトが低減される。
【００１１】以下に、本発明に係わるリニア型赤外線検
出素子の具体例を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係わるリニア型赤外線検出素子の具体
例の構造を示す図であって、これらの図には、基板２０
上に複数のボロメータ素子１が形成されて配列され、こ
れらのボロメータ素子１を順に選択することで赤外線を
検出するようにしたリニア型赤外線検出素子において、
基板２０とこの基板上に形成されたボロメータ素子１と
が熱的に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を直接受
光する複数の第１のボロメータ素子１ｄと、基板２０と
この基板上に形成されたボロメータ素子１とが熱的に遮
断された熱分離構造を有し、赤外線を受光しないように
した第２のボロメータ素子１ｃとで構成したことを特徴
とするリニア型赤外線検出素子が示され、又、赤外線を
受光しないようにした同一構造の第３及び第４のボロメ
ータ素子１ａ、１ｂを設け、第１の電源６と第２の電源
５との間に前記第３のボロメータ素子１ａと第２のボロ
メータ素子１ｃとを直列に接続すると共に前記第３のボ
ロメータ素子１ａを前記第１の電源６側に接続し、第１
の電源６と第２の電源５との間に前記第４のボロメータ
素子１ｂと第１のボロメータ素子１ｄとを直列に接続す
ると共に前記第４のボロメータ素子１ｂを前記第１の電
源６側に接続し、夫々のボロメータ素子の接続点Ｃ１、
Ｃ２の電圧の差を検出するように構成したことを特徴と
するリニア型赤外線検出素子が示され、又、前記第１の
ボロメータ素子１ｄが整列して配置される第１の列Ａ
と、前記第１のボロメータ素子１ｄに対応して、前記第
２のボロメータ素子１ｃが整列して配置される第２の列
Ｂとを備えたことを特徴とするリニア型赤外線検出素子
が示されている。
出素子の具体例を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係わるリニア型赤外線検出素子の具体
例の構造を示す図であって、これらの図には、基板２０
上に複数のボロメータ素子１が形成されて配列され、こ
れらのボロメータ素子１を順に選択することで赤外線を
検出するようにしたリニア型赤外線検出素子において、
基板２０とこの基板上に形成されたボロメータ素子１と
が熱的に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を直接受
光する複数の第１のボロメータ素子１ｄと、基板２０と
この基板上に形成されたボロメータ素子１とが熱的に遮
断された熱分離構造を有し、赤外線を受光しないように
した第２のボロメータ素子１ｃとで構成したことを特徴
とするリニア型赤外線検出素子が示され、又、赤外線を
受光しないようにした同一構造の第３及び第４のボロメ
ータ素子１ａ、１ｂを設け、第１の電源６と第２の電源
５との間に前記第３のボロメータ素子１ａと第２のボロ
メータ素子１ｃとを直列に接続すると共に前記第３のボ
ロメータ素子１ａを前記第１の電源６側に接続し、第１
の電源６と第２の電源５との間に前記第４のボロメータ
素子１ｂと第１のボロメータ素子１ｄとを直列に接続す
ると共に前記第４のボロメータ素子１ｂを前記第１の電
源６側に接続し、夫々のボロメータ素子の接続点Ｃ１、
Ｃ２の電圧の差を検出するように構成したことを特徴と
するリニア型赤外線検出素子が示され、又、前記第１の
ボロメータ素子１ｄが整列して配置される第１の列Ａ
と、前記第１のボロメータ素子１ｄに対応して、前記第
２のボロメータ素子１ｃが整列して配置される第２の列
Ｂとを備えたことを特徴とするリニア型赤外線検出素子
が示されている。
【００１２】以下に、本発明を更に詳細に説明する。本
発明のリニア型赤外線検出素子の第１の具体例を図１に
示す。この具体例では赤外線検出素子としてボロメータ
素子を用いている。この例では、上下Ａ、Ｂ２列に配列
したユニットセル３と差動アンプ８とシフトレジスタ９
とで構成される。
発明のリニア型赤外線検出素子の第１の具体例を図１に
示す。この具体例では赤外線検出素子としてボロメータ
素子を用いている。この例では、上下Ａ、Ｂ２列に配列
したユニットセル３と差動アンプ８とシフトレジスタ９
とで構成される。
【００１３】ユニットセル３はボロメータ素子１とユニ
ットセル選択用トランジスタ４とグランド端子５と電源
６とで構成される。いずれのボロメータ素子１も、端子
の一方が差動アンプ８の入力に、他方がユニットセル選
択用トランジスタ４に接続される。本具体例ではデバイ
ス面積を小さくするため、ユニットセル選択用トランジ
スタ４とボロメータ素子１とを同一セル中に二階建て構
造に設計しているが、別の領域に並べて作成しても特に
問題ない。
ットセル選択用トランジスタ４とグランド端子５と電源
６とで構成される。いずれのボロメータ素子１も、端子
の一方が差動アンプ８の入力に、他方がユニットセル選
択用トランジスタ４に接続される。本具体例ではデバイ
ス面積を小さくするため、ユニットセル選択用トランジ
スタ４とボロメータ素子１とを同一セル中に二階建て構
造に設計しているが、別の領域に並べて作成しても特に
問題ない。
【００１４】ユニットセル３に含まれるボロメータ素子
には２種類あり、第１のタイプは基板と熱分離構造を有
するボロメータ素子１Ａであり、他のタイプは熱分離構
造を有さないボロメータ素子１Ｂである。詳しい構造の
違いは、図３を用いて後述する。本具体例では、リニア
アレイの左端上下２つのユニットセル３Ａ、３Ｂのみ
が、熱分離構造でないボロメータ素子であり、他のユニ
ットセル３Ｃ、３Ｄはすべて熱分離構造を備えたボロメ
ータ素子である。また、ユニットセルのアレイの上側の
横一列のユニットセル３Ｃは、赤外線入射面に赤外線の
入射を阻止するための遮光板７が備えられている。
には２種類あり、第１のタイプは基板と熱分離構造を有
するボロメータ素子１Ａであり、他のタイプは熱分離構
造を有さないボロメータ素子１Ｂである。詳しい構造の
違いは、図３を用いて後述する。本具体例では、リニア
アレイの左端上下２つのユニットセル３Ａ、３Ｂのみ
が、熱分離構造でないボロメータ素子であり、他のユニ
ットセル３Ｃ、３Ｄはすべて熱分離構造を備えたボロメ
ータ素子である。また、ユニットセルのアレイの上側の
横一列のユニットセル３Ｃは、赤外線入射面に赤外線の
入射を阻止するための遮光板７が備えられている。
【００１５】ユニットセル選択用トランジスタ４は、上
下に隣接する２つのユニットセルを一対として、左から
順に走査されるように、シフトレジスタ９で制御され
る。このようにして、任意のタイミングで、左端の２つ
のユニットセル３Ａ、３Ｂとその時点で選択されている
上下一対のユニットセル３Ｃ、３Ｄの計４つのボロメー
タ素子１が図１（ｂ）のブリッジ回路を構成する。
下に隣接する２つのユニットセルを一対として、左から
順に走査されるように、シフトレジスタ９で制御され
る。このようにして、任意のタイミングで、左端の２つ
のユニットセル３Ａ、３Ｂとその時点で選択されている
上下一対のユニットセル３Ｃ、３Ｄの計４つのボロメー
タ素子１が図１（ｂ）のブリッジ回路を構成する。
【００１６】任意のタイミングにおいて構成するこのブ
リッジ回路を、図１（ｂ）に基づき説明する。２つのボ
ロメータ素子１ａ、１ｂと、２つのボロメータ素子１
ｃ、１ｄの計４つのボロメータ素子が、電源（第１の電
源）６とグランド（第２の電源）５との間に設けられて
ブリッジ回路を構成し、２つの中点電位、即ち、中点Ｃ
１、Ｃ２が差動アンプ８の入力となり、２つの中点Ｃ
１、Ｃ２の電位の差が差動アンプ８を経て、出力端子１
０に出力される。この構成により、図１（ｂ）の右下の
ボロメータ素子１ｄに入射した赤外線Ｓ入射光による熱
エネルギーのみがブリッジ回路の平衡点からのズレを生
じさせる原因となり、有効な赤外線信号のみが外部に読
み出される。また、基板の温度が変化しても、２つの中
点電位、即ち、中点Ｃ１、Ｃ２の電圧は同一の方向に同
一の値だけ変化するから、出力端子１０には温度ドリフ
トが生じない。
リッジ回路を、図１（ｂ）に基づき説明する。２つのボ
ロメータ素子１ａ、１ｂと、２つのボロメータ素子１
ｃ、１ｄの計４つのボロメータ素子が、電源（第１の電
源）６とグランド（第２の電源）５との間に設けられて
ブリッジ回路を構成し、２つの中点電位、即ち、中点Ｃ
１、Ｃ２が差動アンプ８の入力となり、２つの中点Ｃ
１、Ｃ２の電位の差が差動アンプ８を経て、出力端子１
０に出力される。この構成により、図１（ｂ）の右下の
ボロメータ素子１ｄに入射した赤外線Ｓ入射光による熱
エネルギーのみがブリッジ回路の平衡点からのズレを生
じさせる原因となり、有効な赤外線信号のみが外部に読
み出される。また、基板の温度が変化しても、２つの中
点電位、即ち、中点Ｃ１、Ｃ２の電圧は同一の方向に同
一の値だけ変化するから、出力端子１０には温度ドリフ
トが生じない。
【００１７】次に、図３を用いて本発明の各ボロメータ
素子の構造を説明する。図３（ａ）ではボロメータ材料
１３を基板２０から熱的に分離するために、キャビティ
１６を設け、このキャビティ１６を真空にして、更に基
板２０との熱的分離を確実にするために、ボロメータ材
料１３上の赤外線Ｓ入射光側に赤外線吸収膜１２を設け
ると共に、基板２０上に赤外線反射膜１５を設け、これ
らの膜１２、１５の干渉により基板２０との熱的分離を
より確実なものにしている、従って、図３（ａ）のユニ
ットセルでは、赤外線吸収膜１２と赤外線反射膜１５の
光学的干渉により、赤外入射光Ｓの熱エネルギーは赤外
線吸収膜１２に有効に吸収され、その熱は、保護膜１４
で覆われたボロメータ材料１３に伝わり、その結果温度
変化が生じボロメータ材料の抵抗値が変化する。
素子の構造を説明する。図３（ａ）ではボロメータ材料
１３を基板２０から熱的に分離するために、キャビティ
１６を設け、このキャビティ１６を真空にして、更に基
板２０との熱的分離を確実にするために、ボロメータ材
料１３上の赤外線Ｓ入射光側に赤外線吸収膜１２を設け
ると共に、基板２０上に赤外線反射膜１５を設け、これ
らの膜１２、１５の干渉により基板２０との熱的分離を
より確実なものにしている、従って、図３（ａ）のユニ
ットセルでは、赤外線吸収膜１２と赤外線反射膜１５の
光学的干渉により、赤外入射光Ｓの熱エネルギーは赤外
線吸収膜１２に有効に吸収され、その熱は、保護膜１４
で覆われたボロメータ材料１３に伝わり、その結果温度
変化が生じボロメータ材料の抵抗値が変化する。
【００１８】従って、このタイプのユニットセルは、ユ
ニットセル３Ｄ用に用いられる。次に図３（ｂ）はユニ
ットセル３Ａ、３Ｂのボロメータ素子１ａ、１ｂを示し
ている。図１（ａ）のボロメータ素子との違いは、キャ
ビティーが存在しないことである。このため、入射赤外
光の熱エネルギーは速やかに基板２０に拡散し、ボロメ
ータ材料の温度変化は殆ど生じない。なお、抵抗値、温
度係数は前記図３（ａ）のボロメータ素子と同じ電気特
性であるから、ブリッジの基準電位Ｃ１、Ｃ２を得るの
に好都合である。
ニットセル３Ｄ用に用いられる。次に図３（ｂ）はユニ
ットセル３Ａ、３Ｂのボロメータ素子１ａ、１ｂを示し
ている。図１（ａ）のボロメータ素子との違いは、キャ
ビティーが存在しないことである。このため、入射赤外
光の熱エネルギーは速やかに基板２０に拡散し、ボロメ
ータ材料の温度変化は殆ど生じない。なお、抵抗値、温
度係数は前記図３（ａ）のボロメータ素子と同じ電気特
性であるから、ブリッジの基準電位Ｃ１、Ｃ２を得るの
に好都合である。
【００１９】図３（ｃ）、（ｄ）は赤外入射光の熱エネ
ルギーをボロメータ素子に与えないように、図３（ａ）
の構造を一部変えたものであり、このため、赤外光入射
面に遮光板７を設置している。また、図３（ｃ）は、ボ
ロメータ材料１３の上方に赤外線反射膜１２を設けた例
である。従って、図３（ｃ）、（ｄ）の構造のボロメー
タ素子は、ユニットセル３Ｃとして利用する。
ルギーをボロメータ素子に与えないように、図３（ａ）
の構造を一部変えたものであり、このため、赤外光入射
面に遮光板７を設置している。また、図３（ｃ）は、ボ
ロメータ材料１３の上方に赤外線反射膜１２を設けた例
である。従って、図３（ｃ）、（ｄ）の構造のボロメー
タ素子は、ユニットセル３Ｃとして利用する。
【００２０】図２は、本発明の他の具体例であり、ユニ
ットセル１３Ａに熱分離構造を有する遮光板７付きのボ
ロメータ素子１Ａ（図３（ｄ））を用い、ユニットセル
１３Ｃに熱分離構造を有するボロメータ素子（図３
（ａ））を用い、ユニットセル１３Ｂ、１３Ｄに基板２
０と熱的に一体的に構成した熱分離構造を有しないボロ
メータ素子１Ｂ（図３（ｂ））を用いて構成したもので
ある。
ットセル１３Ａに熱分離構造を有する遮光板７付きのボ
ロメータ素子１Ａ（図３（ｄ））を用い、ユニットセル
１３Ｃに熱分離構造を有するボロメータ素子（図３
（ａ））を用い、ユニットセル１３Ｂ、１３Ｄに基板２
０と熱的に一体的に構成した熱分離構造を有しないボロ
メータ素子１Ｂ（図３（ｂ））を用いて構成したもので
ある。
【００２１】この回路の場合も、ユニットセル選択用ト
ランジスタ４は、上下に隣接する２つのユニットセルを
一対として、左から順に走査されるように、シフトレジ
スタ９で制御される。このようにして、任意のタイミン
グで、左端の２つのユニットセル１３Ａ、１３Ｂとその
時点で選択されている上下一対のユニットセル１３Ｃ、
１３Ｄの計４つのボロメータ素子１が図２（ｂ）のブリ
ッジ回路を構成する。
ランジスタ４は、上下に隣接する２つのユニットセルを
一対として、左から順に走査されるように、シフトレジ
スタ９で制御される。このようにして、任意のタイミン
グで、左端の２つのユニットセル１３Ａ、１３Ｂとその
時点で選択されている上下一対のユニットセル１３Ｃ、
１３Ｄの計４つのボロメータ素子１が図２（ｂ）のブリ
ッジ回路を構成する。
【００２２】任意のタイミングにおいて構成するこのブ
リッジ回路を、図２（ｂ）に基づき説明する。ボロメー
タ素子１１ａ〜１１ｄが、電源（第１の電源）６とグラ
ンド（第２の電源）５との間に設けられてブリッジ回路
を構成し、２つの中点電位、即ち、中点Ｃ１、Ｃ２が差
動アンプ８の入力となり、２つの中点Ｃ１、Ｃ２の電位
の差が差動アンプ８を経て、出力端子１０に出力される
この構成により、図２（ｂ）の右下のボロメータ素子１
１ｄに入射した赤外線Ｓ入射光による熱エネルギーのみ
がブリッジ回路の平衡点からのズレを生じさせる原因と
なり、有効な赤外線信号のみが外部に読み出される。ま
た、基板の温度が変化しても、２つの中点電位、即ち、
中点Ｃ１、Ｃ２の電位は一定であるから、出力端子１０
には温度ドリフトが生じなく、所定の検出出力のみが取
り出せる。
リッジ回路を、図２（ｂ）に基づき説明する。ボロメー
タ素子１１ａ〜１１ｄが、電源（第１の電源）６とグラ
ンド（第２の電源）５との間に設けられてブリッジ回路
を構成し、２つの中点電位、即ち、中点Ｃ１、Ｃ２が差
動アンプ８の入力となり、２つの中点Ｃ１、Ｃ２の電位
の差が差動アンプ８を経て、出力端子１０に出力される
この構成により、図２（ｂ）の右下のボロメータ素子１
１ｄに入射した赤外線Ｓ入射光による熱エネルギーのみ
がブリッジ回路の平衡点からのズレを生じさせる原因と
なり、有効な赤外線信号のみが外部に読み出される。ま
た、基板の温度が変化しても、２つの中点電位、即ち、
中点Ｃ１、Ｃ２の電位は一定であるから、出力端子１０
には温度ドリフトが生じなく、所定の検出出力のみが取
り出せる。
【００２３】従って、この回路では、ブリッジ回路は、
赤外線を受光しないようにした同一構造の第３及び第４
のボロメータ素子１１ａ、１１ｂを設け、第１の電源６
と第２の電源５との間に前記第３のボロメータ素子１１
ａと第２のボロメータ素子１１ｂとを直列に接続し、第
１の電源６と第２の電源５との間に前記第１のボロメー
タ素子１１ｄと第４のボロメータ素子１１ｃとを直列に
接続し、夫々のボロメータ素子の接続点Ｃ１、Ｃ２の電
圧の差を検出するように構成している。
赤外線を受光しないようにした同一構造の第３及び第４
のボロメータ素子１１ａ、１１ｂを設け、第１の電源６
と第２の電源５との間に前記第３のボロメータ素子１１
ａと第２のボロメータ素子１１ｂとを直列に接続し、第
１の電源６と第２の電源５との間に前記第１のボロメー
タ素子１１ｄと第４のボロメータ素子１１ｃとを直列に
接続し、夫々のボロメータ素子の接続点Ｃ１、Ｃ２の電
圧の差を検出するように構成している。
【００２４】なお、本発明に係るリニア型赤外線検出素
子の製造方法は、基板２０に前記ボロメータ素子を選択
するためのスイッチングトランジスタ４を形成する第１
の工程と、基板２０上に犠牲層（図示していない）を形
成する第２の工程と、前記犠牲層上にボロメータ材料か
らなる膜１３とこの膜１３を挟むように保護膜１４を形
成する第３の工程と、前記ボロメータ材料からなる膜１
３を所定の形状にエッチングすると共に前記膜１３を保
護膜１４で被覆する第４の工程と、前記ボロメータ材料
上に赤外線吸収膜又は赤外線反射膜を形成し、所定の形
状にパターニングする第５の工程と、前記犠牲層を除去
して空間部（キャビティ）を形成する第６の工程と、前
記空間部を略真空状態にする第７の工程と、を含むもの
であり、この場合、前記ボロメータ素子は、同一材料を
用い、且つ、同一プロセスで製造される必要がある。
子の製造方法は、基板２０に前記ボロメータ素子を選択
するためのスイッチングトランジスタ４を形成する第１
の工程と、基板２０上に犠牲層（図示していない）を形
成する第２の工程と、前記犠牲層上にボロメータ材料か
らなる膜１３とこの膜１３を挟むように保護膜１４を形
成する第３の工程と、前記ボロメータ材料からなる膜１
３を所定の形状にエッチングすると共に前記膜１３を保
護膜１４で被覆する第４の工程と、前記ボロメータ材料
上に赤外線吸収膜又は赤外線反射膜を形成し、所定の形
状にパターニングする第５の工程と、前記犠牲層を除去
して空間部（キャビティ）を形成する第６の工程と、前
記空間部を略真空状態にする第７の工程と、を含むもの
であり、この場合、前記ボロメータ素子は、同一材料を
用い、且つ、同一プロセスで製造される必要がある。
【００２５】
【発明の効果】本発明に係るリニア赤外線検出素子は上
述のように構成したので、以下のような効果を奏する。
第１の効果は、オフセット成分の除去である。背景輻射
および自己発熱によるオフセット成分が除去された正味
の信号のみが取り出されることにより、信号検出後のゲ
インを十分大きく取れることである。
述のように構成したので、以下のような効果を奏する。
第１の効果は、オフセット成分の除去である。背景輻射
および自己発熱によるオフセット成分が除去された正味
の信号のみが取り出されることにより、信号検出後のゲ
インを十分大きく取れることである。
【００２６】第２の効果は、温度ドリフトの低減であ
る。これにより、従来のように動作中に頻繁にＦＰＮ補
正を行う必要がなくなり、赤外線カメラの操作性が向上
する。
る。これにより、従来のように動作中に頻繁にＦＰＮ補
正を行う必要がなくなり、赤外線カメラの操作性が向上
する。
【図１】（ａ）は、本発明に係るリニア型赤外線検出素
子の回路図、（ｂ）は、本発明の測定原理を説明するた
めの図である。
子の回路図、（ｂ）は、本発明の測定原理を説明するた
めの図である。
【図２】本発明に係る他の具体例のリニア型赤外線検出
素子を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）はその等価回路図
である。
素子を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）はその等価回路図
である。
【図３】本発明のユニットセル構造を示す図である。
【図４】従来のリニア型赤外線検出素子の回路図であ
る。
る。
１、１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄ ボロメータ素子 ３、３Ａ〜３Ｄ、１３Ａ〜１３Ｄ ユニットセル ４ ユニットセル選択トランジスタ ５ グランド端子 ６ 電源 ７ 遮光板 ８ 差動アンプ ９ シフトレジスタ １０ 出力端子 １２ 赤外線吸収膜 １３ ボロメータ材料 １４ 保護膜 １５ 赤外線反射膜 １６ キャビティ ２０ 基板 Ｓ 赤外線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 1/02 G01J 5/10 G01J 5/24
Claims (2)
- 【請求項１】 基板上に複数のボロメータ素子がアレイ
状に形成されて配置され、これらのボロメータ素子を順
に選択することで赤外線を検出するようにしたリニア型
赤外線検出素子において、 基板とこの基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的
に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を直接受光する
複数の第１のボロメータ素子と、 基板とこの基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的
に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を受光しないよ
うに、前記第１のボロメータ素子にそれぞれ対応して設
けられた複数の第２のボロメータ素子と、 前記基板上に設けられ、赤外線を受光しないように構成
され、前記基板と熱的に一体的に構成されると共に、前
記複数の第２のボロメータ素子に対応して設けられる一
つの第３のボロメータ素子と、 前記基板上に設けられ、赤外線を受光しないように構成
され、前記基板と熱的に一体的に構成されると共に、前
記複数の第１のボロメータ素子に対応して設けられる一
つの第４のボロメータ素子とからなり、第１の電源と第２の電源との間に前記第３のボロメータ
素子と第２のボロメータ素子とを直列に接続し、前記第
１の電源と第２の電源との間に前記第４のボロメータ素
子と第１のボロメータ素子とを直列に接続し、前記第３
のボロメータ素子と第２のボロメータ素子との第１の接
続点及び前記第４のボロメータ素子と第１のボロメータ
素子との第２の接続点をそれぞれ差動アンプの入力端子
に接続し、前記第１の接続点と第２の接続点との電位差
を検出するように構成した ことを特徴とするリニア型赤
外線検出素子。 - 【請求項２】 基板上に複数のボロメータ素子がアレイ
状に形成されて配置され、これらのボロメータ素子を順
に選択することで赤外線を検出するようにしたリニア型
赤外線検出素子において、 基板とこの基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的
に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を直接受光する
複数の第１のボロメータ素子と、 前記基板上に設けられ、赤外線を受光しないように構成
され、前記基板と熱的に一体的に構成されると共に、前
記第１のボロメータ素子にそれぞれ対応して設けられた
複数の第２のボロメータ素子と、 前記基板上に設けられ、赤外線を受光しないように構成
され、前記基板と熱的に一体的に構成されると共に、前
記複数の第２のボロメータ素子に対応して設けられる一
つの第３のボロメータ素子と、 基板とこの基板上に形成されたボロメータ素子とが熱的
に遮断された熱分離構造を有し、赤外線を受光しないよ
うに、前記複数の第１のボロメータ素子に対応して設け
られる一つの第４のボロメータ素子とからなり、第１の電源と第２の電源との間に前記第３のボロメータ
素子と第２のボロメータ素子とを直列に接続し、前記第
１の電源と第２の電源との間に前記第４のボロメータ素
子と第１のボロメータ素子とを直列に接続し、前記第３
のボロメータ素子と第２のボロメータ素子との第１の接
続点及び前記第４のボロメータ素子と第１のボロメータ
素子との第２の接続点をそれぞれ差動アンプの入力端子
に接続し、前記第１の接続点と第２の接続点との電位差
を検出するように構成した ことを特徴とするリニア型赤
外線検出素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15273398A JP3147856B2 (ja) | 1998-06-02 | 1998-06-02 | リニア型赤外線検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15273398A JP3147856B2 (ja) | 1998-06-02 | 1998-06-02 | リニア型赤外線検出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11344375A JPH11344375A (ja) | 1999-12-14 |
| JP3147856B2 true JP3147856B2 (ja) | 2001-03-19 |
Family
ID=15546981
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15273398A Expired - Fee Related JP3147856B2 (ja) | 1998-06-02 | 1998-06-02 | リニア型赤外線検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3147856B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010092770A (ko) | 1999-11-01 | 2001-10-26 | 모리시타 요이찌 | 반도체 장치 및 그 제조방법 |
| US8487260B2 (en) * | 2005-01-26 | 2013-07-16 | Analog Devices, Inc. | Sensor |
| FR2966595B1 (fr) * | 2010-10-26 | 2013-01-25 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique. |
-
1998
- 1998-06-02 JP JP15273398A patent/JP3147856B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11344375A (ja) | 1999-12-14 |
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