JP3409848B2 - 熱型赤外線検出器 - Google Patents
熱型赤外線検出器Info
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- H04N5/00—Details of television systems
- H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
- H04N5/33—Transforming infrared radiation
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱分離構造で形成
された感熱抵抗体で赤外線を検出する熱型赤外線検出器
に関する。
された感熱抵抗体で赤外線を検出する熱型赤外線検出器
に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱型の赤外線検出器は、一般に、物体か
ら放射された赤外線を光学的共振構造の赤外線吸収膜で
吸収して熱に変換し、マイクロブリッジ構造のダイアフ
ラムを構成するボロメータ薄膜等の感熱抵抗体の温度を
上昇させて抵抗を変化させ、その抵抗変化から対象物の
温度を測定するものである。このような熱分離構造を有
する熱型赤外線検出器は、ボロメータ薄膜自身の温度変
化により赤外線を検出するものであるため、環境温度等
が変動するとそれに起因して検出器の出力にドリフトが
生じ、正確に赤外線を検出することができなくなる。
ら放射された赤外線を光学的共振構造の赤外線吸収膜で
吸収して熱に変換し、マイクロブリッジ構造のダイアフ
ラムを構成するボロメータ薄膜等の感熱抵抗体の温度を
上昇させて抵抗を変化させ、その抵抗変化から対象物の
温度を測定するものである。このような熱分離構造を有
する熱型赤外線検出器は、ボロメータ薄膜自身の温度変
化により赤外線を検出するものであるため、環境温度等
が変動するとそれに起因して検出器の出力にドリフトが
生じ、正確に赤外線を検出することができなくなる。
【０００３】このような環境温度変動による検出器出力
のドリフトを抑制するには、温度制御器で検出器の温度
を制御すればよいが、この方法では温度制御器を別途設
けなければならず、装置の価格上昇を招いてしまう。そ
こで、温度制御器を使用せずに検出器出力のドリフトを
抑制する方法が、特開平１１−２４８５３０号公報、特
開平１０−２２７６８９号公報等に記載されている。
のドリフトを抑制するには、温度制御器で検出器の温度
を制御すればよいが、この方法では温度制御器を別途設
けなければならず、装置の価格上昇を招いてしまう。そ
こで、温度制御器を使用せずに検出器出力のドリフトを
抑制する方法が、特開平１１−２４８５３０号公報、特
開平１０−２２７６８９号公報等に記載されている。
【０００４】まず、特開平１１−２４８５３０号公報記
載の技術（第１の従来例）について、図１３及び図１４
を参照して説明する。図１３は、第１の従来例に係る赤
外線検出器の１画素の構造を模式的に示す斜視図であ
り、図１４は、信号を増幅する回路を示す図である。図
１３に示すように、第１の従来例の赤外線検出器は、１
画素内に金属ボロメ−タ80と、同ボロメ−タと同一金属
で構成され、基板82に埋め込まれた抵抗体83とが形成さ
れている。ここで、金属ボロメ−タ80は２本の支柱81に
より宙に浮かせた熱分離構造上に形成されているため、
入射赤外線により温度変化が生じやすく抵抗値も変化す
るが、一方、基板82に埋め込まれた抵抗体83は、赤外線
が入射しても基板82と熱的に分離されていないため、入
射赤外線による温度変化が生じ難い。
載の技術（第１の従来例）について、図１３及び図１４
を参照して説明する。図１３は、第１の従来例に係る赤
外線検出器の１画素の構造を模式的に示す斜視図であ
り、図１４は、信号を増幅する回路を示す図である。図
１３に示すように、第１の従来例の赤外線検出器は、１
画素内に金属ボロメ−タ80と、同ボロメ−タと同一金属
で構成され、基板82に埋め込まれた抵抗体83とが形成さ
れている。ここで、金属ボロメ−タ80は２本の支柱81に
より宙に浮かせた熱分離構造上に形成されているため、
入射赤外線により温度変化が生じやすく抵抗値も変化す
るが、一方、基板82に埋め込まれた抵抗体83は、赤外線
が入射しても基板82と熱的に分離されていないため、入
射赤外線による温度変化が生じ難い。
【０００５】この金属ボロメ−タ80と抵抗体83とを、図
１４に示すように、オペアンプ84の帰還抵抗Ｒf（80）
と入力抵抗Ｒs（83）として反転増幅器を構成すること
により、金属ボロメ−タ80と抵抗体83の抵抗値の比を電
圧の形で取り出すことができ、抵抗体83の出力を参照す
ることにより環境温度の変動を相殺し、温度制御を必要
としない赤外線撮像素子を実現することができる。更
に、同実施例において、金属ボロメ−タ80及び抵抗体83
を薄膜形成技術で同時成膜することにより、両者の物性
値の固有差を低減させ、赤外線撮像の精度を向上させて
いる。
１４に示すように、オペアンプ84の帰還抵抗Ｒf（80）
と入力抵抗Ｒs（83）として反転増幅器を構成すること
により、金属ボロメ−タ80と抵抗体83の抵抗値の比を電
圧の形で取り出すことができ、抵抗体83の出力を参照す
ることにより環境温度の変動を相殺し、温度制御を必要
としない赤外線撮像素子を実現することができる。更
に、同実施例において、金属ボロメ−タ80及び抵抗体83
を薄膜形成技術で同時成膜することにより、両者の物性
値の固有差を低減させ、赤外線撮像の精度を向上させて
いる。
【０００６】次に、特開平１０−２２７６８９号公報記
載の技術（第２の従来例）について、図１５及び図１６
を参照して説明する。図１５は、第２の従来例に係る赤
外線検出器の信号読み出し回路図であり、図１６は、赤
外線検出器の１画素の構造を模式的に示す断面図であ
る。
載の技術（第２の従来例）について、図１５及び図１６
を参照して説明する。図１５は、第２の従来例に係る赤
外線検出器の信号読み出し回路図であり、図１６は、赤
外線検出器の１画素の構造を模式的に示す断面図であ
る。
【０００７】図１５には、赤外線検出器と同検出器の出
力信号の増幅器としてのチョッパ−型増幅器とから成る
信号読出回路が示されており、101は第１感熱抵抗体、1
02はダミ−抵抗体である第２感熱抵抗体、103はカレン
トミラ−回路、104aはトランジスタから成る第１スイッ
チ、104bはトランジスタから成る第２スイッチ、104cは
トランジスタから成る第３スイッチ、105aは第１ノ−
ド、105bは第２ノ−ド、105cは第３ノ−ド、106は容
量、107はインバ−タを示している。赤外線検出器は、
第１感熱抵抗体101およびダミ−抵抗体102として示され
ており、アレイ検出器の場合、１つの画素内に設けられ
ている。また、増幅器は、第１スイッチ104a、第２スイ
ッチ104b、第３スイッチ104c、容量106およびインバ−
タ107で構成されている。
力信号の増幅器としてのチョッパ−型増幅器とから成る
信号読出回路が示されており、101は第１感熱抵抗体、1
02はダミ−抵抗体である第２感熱抵抗体、103はカレン
トミラ−回路、104aはトランジスタから成る第１スイッ
チ、104bはトランジスタから成る第２スイッチ、104cは
トランジスタから成る第３スイッチ、105aは第１ノ−
ド、105bは第２ノ−ド、105cは第３ノ−ド、106は容
量、107はインバ−タを示している。赤外線検出器は、
第１感熱抵抗体101およびダミ−抵抗体102として示され
ており、アレイ検出器の場合、１つの画素内に設けられ
ている。また、増幅器は、第１スイッチ104a、第２スイ
ッチ104b、第３スイッチ104c、容量106およびインバ−
タ107で構成されている。
【０００８】このような構成の赤外線検出器の動作につ
いて説明すると、第１感熱抵抗体101とダミ−抵抗体102
とはカレントミラ−回路103に接続されており、第１感
熱抵抗体101とダミ−抵抗体102には同じ電流が流れる。
ここで、両抵抗体に電流を流し、同時にクロック信号を
第１スイッチ104aに与えると、同スイッチがオン状態に
なり第１ノ−ド105aに出力された電気信号は容量106に
伝わる。同容量の、第１スイッチ104aが接続された側と
反対側の端子は、インバ−タ107の入力部に接続されて
いる。また、同容量に電気信号が伝わると同時に第２ス
イッチ104bにクロック信号を与えると、同インバ−タの
入力部と出力部が短絡され、増幅器の動作点を決めるこ
とができる。
いて説明すると、第１感熱抵抗体101とダミ−抵抗体102
とはカレントミラ−回路103に接続されており、第１感
熱抵抗体101とダミ−抵抗体102には同じ電流が流れる。
ここで、両抵抗体に電流を流し、同時にクロック信号を
第１スイッチ104aに与えると、同スイッチがオン状態に
なり第１ノ−ド105aに出力された電気信号は容量106に
伝わる。同容量の、第１スイッチ104aが接続された側と
反対側の端子は、インバ−タ107の入力部に接続されて
いる。また、同容量に電気信号が伝わると同時に第２ス
イッチ104bにクロック信号を与えると、同インバ−タの
入力部と出力部が短絡され、増幅器の動作点を決めるこ
とができる。
【０００９】更に、第１スイッチ104aと第２スイッチ10
4bをオフ状態にし、クロック信号を第３スイッチ104cに
与えると、同スイッチがオン状態になり、第２ノ−ド10
5bに出力された電気信号が容量106に伝わる。第３ノ−
ド105cに出力される電気信号は、第１ノ−ド105aと第２
ノ−ド105bとの電位差分に等しい電位を第３ノ−ド105c
にもたらす。この第１ノ−ド105aと第２ノ−ド105bの電
位差は、赤外線の入射量に対応する温度上昇分に応じて
生じる。そして、第３ノ−ド105cに出力される電気信号
はインバ−タ107を介して増幅器から出力される。
4bをオフ状態にし、クロック信号を第３スイッチ104cに
与えると、同スイッチがオン状態になり、第２ノ−ド10
5bに出力された電気信号が容量106に伝わる。第３ノ−
ド105cに出力される電気信号は、第１ノ−ド105aと第２
ノ−ド105bとの電位差分に等しい電位を第３ノ−ド105c
にもたらす。この第１ノ−ド105aと第２ノ−ド105bの電
位差は、赤外線の入射量に対応する温度上昇分に応じて
生じる。そして、第３ノ−ド105cに出力される電気信号
はインバ−タ107を介して増幅器から出力される。
【００１０】次に、図１６を参照して第２の従来例の赤
外線検出器の構造について説明する。図１６の（ａ）及
び（ｂ）は、各々１画素の断面構造を表しており、図の
左側が赤外線検出部、右側がダミー抵抗部を示してい
る。第１感熱抵抗体121の第１ボロメ−タ薄膜131は、マ
イクロマシ−ニング技術を応用して、シリコン基板123
から熱分離され、支持台124と同基板123との間には空洞
部126が形成されており、第１感熱抵抗体121は入射赤外
線によって容易に温度変化が生じるような構造になって
いる。一方、第２ボロメ−タ薄膜132は、第１ボロメ−
タ薄膜131と同じ形状、即ち薄膜状のものであり、支持
台124を介してシリコン基板123上に形成される。
外線検出器の構造について説明する。図１６の（ａ）及
び（ｂ）は、各々１画素の断面構造を表しており、図の
左側が赤外線検出部、右側がダミー抵抗部を示してい
る。第１感熱抵抗体121の第１ボロメ−タ薄膜131は、マ
イクロマシ−ニング技術を応用して、シリコン基板123
から熱分離され、支持台124と同基板123との間には空洞
部126が形成されており、第１感熱抵抗体121は入射赤外
線によって容易に温度変化が生じるような構造になって
いる。一方、第２ボロメ−タ薄膜132は、第１ボロメ−
タ薄膜131と同じ形状、即ち薄膜状のものであり、支持
台124を介してシリコン基板123上に形成される。
【００１１】ここで、環境温度変動によって赤外線検出
器の出力が変化しないように、第１ボロメ−タ薄膜131
と第２ボロメ−タ薄膜132の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は
同程度の値としている。また、第２ボロメ−タ薄膜132
下部の支持台124の厚さは、図１６（ａ）に示すように
薄く形成したり、また、図１６（ｂ）に示すように厚く
形成することもできる。
器の出力が変化しないように、第１ボロメ−タ薄膜131
と第２ボロメ−タ薄膜132の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は
同程度の値としている。また、第２ボロメ−タ薄膜132
下部の支持台124の厚さは、図１６（ａ）に示すように
薄く形成したり、また、図１６（ｂ）に示すように厚く
形成することもできる。
【００１２】このような構造の赤外線検出器では、第２
ボロメ−タ薄膜132に赤外線が入射しても、赤外線によ
る温度変化はヒ−トシンクであるシリコン基板123に容
易に伝わり、第２感熱抵抗体122の抵抗値が入射赤外線
により変化することはない。すなわち、第２感熱抵抗体
122の抵抗値は赤外線検出器を取り巻く環境温度変動に
よってのみ変わるが、第１感熱抵抗体121の抵抗値は、
入射赤外線および環境温度変動の双方によって変わる。
このような構成の赤外線検出器と図１４の信号読出回路
とを組み合わせることにより、直流的な出力電圧を環境
温度に依らず一定にし、入射赤外線により生じた信号分
を上乗せさせることが可能になる。
ボロメ−タ薄膜132に赤外線が入射しても、赤外線によ
る温度変化はヒ−トシンクであるシリコン基板123に容
易に伝わり、第２感熱抵抗体122の抵抗値が入射赤外線
により変化することはない。すなわち、第２感熱抵抗体
122の抵抗値は赤外線検出器を取り巻く環境温度変動に
よってのみ変わるが、第１感熱抵抗体121の抵抗値は、
入射赤外線および環境温度変動の双方によって変わる。
このような構成の赤外線検出器と図１４の信号読出回路
とを組み合わせることにより、直流的な出力電圧を環境
温度に依らず一定にし、入射赤外線により生じた信号分
を上乗せさせることが可能になる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た第１の従来例及び第２の従来例の熱型赤外線検出器で
は、１画素において、金属ボロメータ80や第１ボロメ−
タ薄膜131が基板82や123から宙に浮く熱分離構造で形成
されているのに対して、抵抗体83や第２ボロメ−タ薄膜
132はヒートシンクである同基板上に直に成膜されてい
るため、両者の出力信号を比較演算して環境温度変化の
影響は取り除くことができるが、ボロメータの出力がバ
イアスに起因する自己発熱によって大きく変動してしま
うという問題を回避することはできない。この問題につ
いて、以下に詳述する。
た第１の従来例及び第２の従来例の熱型赤外線検出器で
は、１画素において、金属ボロメータ80や第１ボロメ−
タ薄膜131が基板82や123から宙に浮く熱分離構造で形成
されているのに対して、抵抗体83や第２ボロメ−タ薄膜
132はヒートシンクである同基板上に直に成膜されてい
るため、両者の出力信号を比較演算して環境温度変化の
影響は取り除くことができるが、ボロメータの出力がバ
イアスに起因する自己発熱によって大きく変動してしま
うという問題を回避することはできない。この問題につ
いて、以下に詳述する。
【００１４】通常、このような画素を２次元に並べて、
基板中のオンチップ読出回路により信号電圧として読み
出す場合、パルス状のバイアス電流を流す必要がある
（田中等，The 8th International Conference on Soli
d-State Sensors and Actuators, and Eurosensors I
X．June 25-29, 1995参照）。熱分離構造を有する熱型
赤外線検出器にパルスバイアス電流を流すとジュ−ル熱
によりボロメ−タ自体の温度が急激に上昇し（自己発
熱）、パルスバイアス電流をオフにすると元の温度に向
かって冷えるが、この温度差は、田中等（SPIE vol.306
1, 1997, pp198-209）の場合、数十℃にもなる。一方、
周囲温度からの温度差が0.1℃程度の被写体をF/1の光学
系を有する赤外撮像装置で検知する場合、ボロメ−タの
温度は、0.2m℃程度しか変化しない。従って、パルスバ
イアス駆動のボロメ−タ型赤外線撮像素子の信号は、自
己発熱成分の上に非常に小さい信号成分が重畳された構
成となっている。
基板中のオンチップ読出回路により信号電圧として読み
出す場合、パルス状のバイアス電流を流す必要がある
（田中等，The 8th International Conference on Soli
d-State Sensors and Actuators, and Eurosensors I
X．June 25-29, 1995参照）。熱分離構造を有する熱型
赤外線検出器にパルスバイアス電流を流すとジュ−ル熱
によりボロメ−タ自体の温度が急激に上昇し（自己発
熱）、パルスバイアス電流をオフにすると元の温度に向
かって冷えるが、この温度差は、田中等（SPIE vol.306
1, 1997, pp198-209）の場合、数十℃にもなる。一方、
周囲温度からの温度差が0.1℃程度の被写体をF/1の光学
系を有する赤外撮像装置で検知する場合、ボロメ−タの
温度は、0.2m℃程度しか変化しない。従って、パルスバ
イアス駆動のボロメ−タ型赤外線撮像素子の信号は、自
己発熱成分の上に非常に小さい信号成分が重畳された構
成となっている。
【００１５】さて、ボロメ−タが赤外線輻射を受けると
その温度が変化し、それに伴い抵抗値が変化する。ここ
では、第１の従来例（特開平１１−２４８５３０号公
報）を引用して説明すると、金属の抵抗の温度依存性
は、式１で表される。
その温度が変化し、それに伴い抵抗値が変化する。ここ
では、第１の従来例（特開平１１−２４８５３０号公
報）を引用して説明すると、金属の抵抗の温度依存性
は、式１で表される。
【００１６】
【００１７】ここで、Ｒ0はボロメ−タ形状で決まる定
数、κMは抵抗温度係数であり、金属の場合、種類によ
って一定である。このことを考慮すると、図１３におい
て基板82の温度ＴAが変動した場合に熱分離構造上に形
成されたボロメ−タ80（抵抗値ＲB）と基板上に直に形
成された抵抗83（抵抗値ＲR）の各々の温度ＴBとＴRが
どのように変動するかは次式で表される。
数、κMは抵抗温度係数であり、金属の場合、種類によ
って一定である。このことを考慮すると、図１３におい
て基板82の温度ＴAが変動した場合に熱分離構造上に形
成されたボロメ−タ80（抵抗値ＲB）と基板上に直に形
成された抵抗83（抵抗値ＲR）の各々の温度ＴBとＴRが
どのように変動するかは次式で表される。
【００１８】
【００１９】ここで、ΔＴAiは周期ｔiの環境温度変
動、τthは熱分離構造のボロメ−タの熱時定数、ΔＴ
OBJは被写体の熱輻射Ｉin(W)による熱分離構造上のボロ
メ−タの温度変化、ΔＴJはジュ−ル熱による熱分離構
造上のボロメ−タの温度上昇、ＶBはバイアス電圧、Ｇ
thは熱分離構造の熱コンダクタンス、τroはバイアスパ
ルスの時間、τfはフレ−ム時間である。田中等の文献
（The 8th International Conference on Solid-State
Sensors and Actuators, and Eurosensors IX．June 25
-29, 1995）では、τro≪τthであるので、ΔＴJは次の
ように近似される。
動、τthは熱分離構造のボロメ−タの熱時定数、ΔＴ
OBJは被写体の熱輻射Ｉin(W)による熱分離構造上のボロ
メ−タの温度変化、ΔＴJはジュ−ル熱による熱分離構
造上のボロメ−タの温度上昇、ＶBはバイアス電圧、Ｇ
thは熱分離構造の熱コンダクタンス、τroはバイアスパ
ルスの時間、τfはフレ−ム時間である。田中等の文献
（The 8th International Conference on Solid-State
Sensors and Actuators, and Eurosensors IX．June 25
-29, 1995）では、τro≪τthであるので、ΔＴJは次の
ように近似される。
【００２０】
【００２１】ここで、Ｃthは、図１３の熱分離構造にお
いて、金属ボロメ−タ80を含む温度検出部（80と同じ部
分）の熱容量である。金属抵抗の温度依存性が式１で表
されるので、図１４の増幅方法の場合、出力信号Ｖout
は次のようになる。
いて、金属ボロメ−タ80を含む温度検出部（80と同じ部
分）の熱容量である。金属抵抗の温度依存性が式１で表
されるので、図１４の増幅方法の場合、出力信号Ｖout
は次のようになる。
【００２２】
【００２３】ここで、抵抗温度係数が等しい理想的な場
合（κB＝κR）、出力信号Ｖoutは
合（κB＝κR）、出力信号Ｖoutは
【００２４】
【００２５】となる。式２と式３において、第２項の環
境温度のドリフトの変動周期ｔiは、一般に熱時定数τ
thより遥かに大きいので、
境温度のドリフトの変動周期ｔiは、一般に熱時定数τ
thより遥かに大きいので、
【００２６】
【００２７】となる。更に、前述したように、被写体の
熱輻射による金属ボロメ−タ80の温度変化（ΔＴOBJ）
は、ジュ−ル熱による温度上昇（ΔＴJ）に比べ遥かに
小さいため、式９は次式のようになる。
熱輻射による金属ボロメ−タ80の温度変化（ΔＴOBJ）
は、ジュ−ル熱による温度上昇（ΔＴJ）に比べ遥かに
小さいため、式９は次式のようになる。
【００２８】
【００２９】式８と式１０とより出力信号Ｖoutはバイ
アス電圧ＶBに強く依存することがわかる。このバイア
ス電圧ＶBは回路の温度変動によって変わりやすいた
め、図１３の回路構成を採用した場合であっても、金属
ボロメ−タ80が熱分離構造の上に形成され、一方、抵抗
体83が基板82上に直に成膜されている限り、式１０のＴ
B−ＴRはＶB 2に比例して変化し、出力信号Ｖoutは大き
く変動してしまう。この問題は、第２の従来例（特開平
１０−２２７６８９号公報）の場合でも同様に発生す
る。
アス電圧ＶBに強く依存することがわかる。このバイア
ス電圧ＶBは回路の温度変動によって変わりやすいた
め、図１３の回路構成を採用した場合であっても、金属
ボロメ−タ80が熱分離構造の上に形成され、一方、抵抗
体83が基板82上に直に成膜されている限り、式１０のＴ
B−ＴRはＶB 2に比例して変化し、出力信号Ｖoutは大き
く変動してしまう。この問題は、第２の従来例（特開平
１０−２２７６８９号公報）の場合でも同様に発生す
る。
【００３０】また、第１及び第２の従来例は、共に１画
素内に赤外線を感知する素子と感知しない素子を設け、
赤外線を感知しない素子に入射する赤外線は信号出力に
寄与しないため、開口率が小さくなり、感度が下がって
しまうという問題が生じる。
素内に赤外線を感知する素子と感知しない素子を設け、
赤外線を感知しない素子に入射する赤外線は信号出力に
寄与しないため、開口率が小さくなり、感度が下がって
しまうという問題が生じる。
【００３１】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであって、その主たる目的は、ペルチェ素子のような
温度制御器を用いることなく、環境温度や検出器内の素
子の自己発熱等に起因する検出器出力のドリフトを抑制
することができ、更に、開口率を増加させて感度を上げ
ることができる熱型赤外線検出器を提供することにあ
る。
のであって、その主たる目的は、ペルチェ素子のような
温度制御器を用いることなく、環境温度や検出器内の素
子の自己発熱等に起因する検出器出力のドリフトを抑制
することができ、更に、開口率を増加させて感度を上げ
ることができる熱型赤外線検出器を提供することにあ
る。
【００３２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、感熱抵抗体で赤外線を検出する熱型赤外
線検出器において、第１の温度検出部と第２の温度検出
部とを有し、前記第１の温度検出部には、基板から熱的
に分離された第１の感熱抵抗体が配設され、前記第２の
温度検出部には、前記基板から熱的に分離された第２の
感熱抵抗体が前記第１の感熱抵抗体と略同一形状で配設
され、前記第２の温度検出部上部には、前記第２の感熱
抵抗体の少なくとも一部を空間を隔てて覆い、その一側
端部が前記第１の感熱抵抗体に熱的に接続される構造体
からなる赤外線吸収手段を備えるものである。
め、本発明は、感熱抵抗体で赤外線を検出する熱型赤外
線検出器において、第１の温度検出部と第２の温度検出
部とを有し、前記第１の温度検出部には、基板から熱的
に分離された第１の感熱抵抗体が配設され、前記第２の
温度検出部には、前記基板から熱的に分離された第２の
感熱抵抗体が前記第１の感熱抵抗体と略同一形状で配設
され、前記第２の温度検出部上部には、前記第２の感熱
抵抗体の少なくとも一部を空間を隔てて覆い、その一側
端部が前記第１の感熱抵抗体に熱的に接続される構造体
からなる赤外線吸収手段を備えるものである。
【００３３】また、本発明は、アレイ状の感熱抵抗体で
赤外線を検出する熱型赤外線検出器において、前記アレ
イを構成する各々の画素に、第１の温度検出部と第２の
温度検出部とを有し、前記第１の温度検出部には、基板
から熱的に分離された第１の感熱抵抗体が配設され、前
記第２の温度検出部には、前記基板から熱的に分離され
た第２の感熱抵抗体が前記第１の感熱抵抗体と略同一形
状で配設され、前記第２の温度検出部上部には、前記第
２の感熱抵抗体の少なくとも一部を空間を隔てて覆い、
その一側端部が前記第１の感熱抵抗体に熱的に接続され
る構造体からなる赤外線吸収手段を備え、前記第１の感
熱抵抗体及び前記第２の感熱抵抗体の温度変化に基づく
出力信号の差分が、前記基板内に形成された読出回路で
検出されるものである。
赤外線を検出する熱型赤外線検出器において、前記アレ
イを構成する各々の画素に、第１の温度検出部と第２の
温度検出部とを有し、前記第１の温度検出部には、基板
から熱的に分離された第１の感熱抵抗体が配設され、前
記第２の温度検出部には、前記基板から熱的に分離され
た第２の感熱抵抗体が前記第１の感熱抵抗体と略同一形
状で配設され、前記第２の温度検出部上部には、前記第
２の感熱抵抗体の少なくとも一部を空間を隔てて覆い、
その一側端部が前記第１の感熱抵抗体に熱的に接続され
る構造体からなる赤外線吸収手段を備え、前記第１の感
熱抵抗体及び前記第２の感熱抵抗体の温度変化に基づく
出力信号の差分が、前記基板内に形成された読出回路で
検出されるものである。
【００３４】本発明においては、前記構造体が、前記第
２の感熱抵抗体を挟んでその両側に形成される前記第１
の感熱抵抗体の内側端部から、各々、前記第２の感熱抵
抗体の中央に向かって迫り出す庇状に形成されている構
成とすることができる。
２の感熱抵抗体を挟んでその両側に形成される前記第１
の感熱抵抗体の内側端部から、各々、前記第２の感熱抵
抗体の中央に向かって迫り出す庇状に形成されている構
成とすることができる。
【００３５】また、本発明においては、前記第２の感熱
抵抗体上部に、該第２の感熱抵抗体に入射する赤外線を
反射する赤外線反射手段を備え、前記第１の温度検出部
及び前記第２の温度検出部の熱容量が所定の範囲で一致
するように、前記赤外線反射手段又は前記赤外線吸収手
段の熱容量が設定されることが好ましい。
抵抗体上部に、該第２の感熱抵抗体に入射する赤外線を
反射する赤外線反射手段を備え、前記第１の温度検出部
及び前記第２の温度検出部の熱容量が所定の範囲で一致
するように、前記赤外線反射手段又は前記赤外線吸収手
段の熱容量が設定されることが好ましい。
【００３６】また、本発明においては、前記赤外線反射
手段の熱容量と前記赤外線吸収手段の熱容量とが略等し
い構成とすることもできる。
手段の熱容量と前記赤外線吸収手段の熱容量とが略等し
い構成とすることもできる。
【００３７】
【００３８】
【００３９】本発明は、上記構成により、第１の温度検
出部及び第２の温度検出部の双方の感熱抵抗体にバイア
ス電流を流すと、共にジュ−ル熱が発生して温度が上昇
し、抵抗の変化による電圧変化が同様に生じる。一方、
赤外線を感知しない第２の温度検出部には赤外線を遮断
する手段が設けられているため、赤外線は第２の温度検
出部に吸収されず、第２の感熱抵抗体の抵抗は変化しな
い。従って、両者の差分を検出することによって、環境
温度の変動のみならず、バイアス電流の自己発熱をもキ
ャンセルすることができ、入射赤外線によって生じる電
圧変化のみを検出することができる。更に、赤外線を感
知しない第２の温度検出部上部に設けた赤外線吸収手段
に入射した赤外線も第１の温度検出部で検出されるた
め、開口率及び感度を向上させることができる。
出部及び第２の温度検出部の双方の感熱抵抗体にバイア
ス電流を流すと、共にジュ−ル熱が発生して温度が上昇
し、抵抗の変化による電圧変化が同様に生じる。一方、
赤外線を感知しない第２の温度検出部には赤外線を遮断
する手段が設けられているため、赤外線は第２の温度検
出部に吸収されず、第２の感熱抵抗体の抵抗は変化しな
い。従って、両者の差分を検出することによって、環境
温度の変動のみならず、バイアス電流の自己発熱をもキ
ャンセルすることができ、入射赤外線によって生じる電
圧変化のみを検出することができる。更に、赤外線を感
知しない第２の温度検出部上部に設けた赤外線吸収手段
に入射した赤外線も第１の温度検出部で検出されるた
め、開口率及び感度を向上させることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】本発明に係る熱型赤外線検出器
は、その好ましい一実施の形態において、アレイを構成
する各々の画素に、第１の温度検出部5aと第２の温度検
出部5bとを設け、双方の温度検出部5a、5bが基板から熱
的に分離するようにボロメータ薄膜7を梁6で浮かせて形
成し、第１の温度検出部5aには、その端部から梁6及び
第２の温度検出部5bに触れないように両外側に向かって
延びる庇4を設け、第２の温度検出部5b上層には赤外線
反射膜12を形成し、庇4と赤外線反射膜12の熱容量を略
等しくすることにより、双方の温度検出部5a、5bにおけ
る環境温度及び自己発熱による温度変化の影響をキャン
セルし、第１の温度検出部5a又は庇4に入射した赤外線
による信号のみを取り出すことができる。
は、その好ましい一実施の形態において、アレイを構成
する各々の画素に、第１の温度検出部5aと第２の温度検
出部5bとを設け、双方の温度検出部5a、5bが基板から熱
的に分離するようにボロメータ薄膜7を梁6で浮かせて形
成し、第１の温度検出部5aには、その端部から梁6及び
第２の温度検出部5bに触れないように両外側に向かって
延びる庇4を設け、第２の温度検出部5b上層には赤外線
反射膜12を形成し、庇4と赤外線反射膜12の熱容量を略
等しくすることにより、双方の温度検出部5a、5bにおけ
る環境温度及び自己発熱による温度変化の影響をキャン
セルし、第１の温度検出部5a又は庇4に入射した赤外線
による信号のみを取り出すことができる。
【００４１】
【実施例】上記した本発明の実施の形態についてさらに
詳細に説明すべく、本発明の実施例について図１乃至図
１１を参照して説明する。図１乃至図７は、第１の実施
例に係る熱型赤外線検出器の構造を模式的に示す図であ
り、図１は2×2画素の平面図、図２は図１の庇4を取り
除いた平面図、図３乃至図５は、各々図１のX-X’、Y-
Y’及びZ-Z’線における断面図である。図６は、図２に
おいて入射赤外線を感知する感熱抵抗体を含む温度検出
部の断面を電流経路A-A’線に沿って描いたものであ
り、図７は、図２において入射赤外線では温度変化が生
じない感熱抵抗体を含む温度検出部の断面を電流経路B-
B’線に沿って描いたものである。また、図８は、本実
施例の効果を示す図であり、図１１及び図１２は熱型赤
外線検出器の他の構造を模式的に示す断面図である。
詳細に説明すべく、本発明の実施例について図１乃至図
１１を参照して説明する。図１乃至図７は、第１の実施
例に係る熱型赤外線検出器の構造を模式的に示す図であ
り、図１は2×2画素の平面図、図２は図１の庇4を取り
除いた平面図、図３乃至図５は、各々図１のX-X’、Y-
Y’及びZ-Z’線における断面図である。図６は、図２に
おいて入射赤外線を感知する感熱抵抗体を含む温度検出
部の断面を電流経路A-A’線に沿って描いたものであ
り、図７は、図２において入射赤外線では温度変化が生
じない感熱抵抗体を含む温度検出部の断面を電流経路B-
B’線に沿って描いたものである。また、図８は、本実
施例の効果を示す図であり、図１１及び図１２は熱型赤
外線検出器の他の構造を模式的に示す断面図である。
【００４２】まず、本実施例の熱型赤外線検出器の構造
について説明すると、図１に示すように、１つの画素1
に入射赤外線を感知する素子2と入射赤外線を感知しな
い素子3の２つの素子が形成されており、入射赤外線を
感知する素子2には赤外線を吸収する庇4が設けられて開
口率を増加させる工夫がされている。また、庇4を取り
除いた図２及び図３に示すように、素子2及び素子3は、
温度検出部5a、5bと同検出部を支える複数の梁６とで構
成されている。また、素子3の温度検出部5bの最上層に
は赤外線反射膜12が成膜され、赤外線が温度検出部5bに
吸収されないように工夫されている。
について説明すると、図１に示すように、１つの画素1
に入射赤外線を感知する素子2と入射赤外線を感知しな
い素子3の２つの素子が形成されており、入射赤外線を
感知する素子2には赤外線を吸収する庇4が設けられて開
口率を増加させる工夫がされている。また、庇4を取り
除いた図２及び図３に示すように、素子2及び素子3は、
温度検出部5a、5bと同検出部を支える複数の梁６とで構
成されている。また、素子3の温度検出部5bの最上層に
は赤外線反射膜12が成膜され、赤外線が温度検出部5bに
吸収されないように工夫されている。
【００４３】より具体的には、基板13はシリコンウェハ
−等からなり、その内部にCMOSプロセスにより読出回路
17が作り込まれている（図６及び図７参照）。基板13上
には、例えば、200nm厚のAlからなる赤外線反射膜14が
形成され、その上層に200nm厚のシリコン酸化膜等の保
護膜15が形成されている。なお、赤外線反射膜14の材料
としては、Alの代わりに、Ti、W等の他の金属やそれら
のシリサイド膜等の赤外線反射部材を用いることもで
き、また、保護膜15としては、シリコン酸化膜の代わり
に、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜等を用いること
もできる。
−等からなり、その内部にCMOSプロセスにより読出回路
17が作り込まれている（図６及び図７参照）。基板13上
には、例えば、200nm厚のAlからなる赤外線反射膜14が
形成され、その上層に200nm厚のシリコン酸化膜等の保
護膜15が形成されている。なお、赤外線反射膜14の材料
としては、Alの代わりに、Ti、W等の他の金属やそれら
のシリサイド膜等の赤外線反射部材を用いることもで
き、また、保護膜15としては、シリコン酸化膜の代わり
に、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜等を用いること
もできる。
【００４４】空洞部16は、デバイス製造の最初の工程で
はパタ−ニングされた感光性ポリイミドで埋められてお
り、デバイス製造の最終工程で酸素プラズマのアッシン
グ等により除去される。この空洞部16を埋めている層
は、一般的に犠牲層と呼ばれ、この犠牲層の上に熱型赤
外線検出器アレイが形成され、１つの画素1の大きさは
例えば37×37μmで、温度検出部5a、5bの大きさはそれ
ぞれ11.5×35μm程度、梁6は幅2μm、長さ29μm程度で
ある。
はパタ−ニングされた感光性ポリイミドで埋められてお
り、デバイス製造の最終工程で酸素プラズマのアッシン
グ等により除去される。この空洞部16を埋めている層
は、一般的に犠牲層と呼ばれ、この犠牲層の上に熱型赤
外線検出器アレイが形成され、１つの画素1の大きさは
例えば37×37μmで、温度検出部5a、5bの大きさはそれ
ぞれ11.5×35μm程度、梁6は幅2μm、長さ29μm程度で
ある。
【００４５】温度検出部5a、5bは、例えば、波長8〜12
μm付近の赤外線を吸収する500nm厚程度のシリコン窒化
膜等からなる保護膜8、同保護膜で取り囲まれた100nm厚
でB定数が3000程度のNiMnCo酸化物ボロメ−タ材料薄膜
7、および100nm厚のNiCr電極10で構成されている。ま
た、梁6は、例えば500nm厚のシリコン窒化膜の保護膜8
と同保護膜で囲まれた100nm厚のNiCr配線9から成り、基
板13から空洞部16を介して温度検出部5a、5bを宙に浮か
せるように支持し、熱分離構造を実現している。配線9
はボロメ−タ材料薄膜7の電極10と基板上のコンタクト1
1を電気的に接続し、同コンタクト11は読出回路17に電
気的に接続されている。
μm付近の赤外線を吸収する500nm厚程度のシリコン窒化
膜等からなる保護膜8、同保護膜で取り囲まれた100nm厚
でB定数が3000程度のNiMnCo酸化物ボロメ−タ材料薄膜
7、および100nm厚のNiCr電極10で構成されている。ま
た、梁6は、例えば500nm厚のシリコン窒化膜の保護膜8
と同保護膜で囲まれた100nm厚のNiCr配線9から成り、基
板13から空洞部16を介して温度検出部5a、5bを宙に浮か
せるように支持し、熱分離構造を実現している。配線9
はボロメ−タ材料薄膜7の電極10と基板上のコンタクト1
1を電気的に接続し、同コンタクト11は読出回路17に電
気的に接続されている。
【００４６】なお、ボロメ−タ材料として、NiMnCo酸化
物以外に、Ti金属薄膜、多結晶シリコン薄膜、非晶質シ
リコン薄膜、非晶質ゲルマニウム薄膜、非晶質シコンゲ
ルマニウム薄膜、（La,Sr）MnO3薄膜、YBaCuO薄膜、酸
化バナジウム薄膜等でもよい。また、保護膜8は赤外線
を吸収する材料であればよく、シリコン窒化膜以外に、
シリコン酸化膜、シリコン炭化膜、シリコン酸窒化膜お
よびこれらの積層膜等で形成することもできる。配線9
や電極10の材料としては、熱伝導率が小さければよく、
NiCr以外にTiやTi合金でもよい。なお、多結晶シリコン
や非晶質シリコンをボロメ−タ材料に使う場合には、配
線9と電極10の代わりに、シリコンにボロンや砒素を高
濃度に注入・拡散したものを使うことにより、製造工程
を簡略化することができる。
物以外に、Ti金属薄膜、多結晶シリコン薄膜、非晶質シ
リコン薄膜、非晶質ゲルマニウム薄膜、非晶質シコンゲ
ルマニウム薄膜、（La,Sr）MnO3薄膜、YBaCuO薄膜、酸
化バナジウム薄膜等でもよい。また、保護膜8は赤外線
を吸収する材料であればよく、シリコン窒化膜以外に、
シリコン酸化膜、シリコン炭化膜、シリコン酸窒化膜お
よびこれらの積層膜等で形成することもできる。配線9
や電極10の材料としては、熱伝導率が小さければよく、
NiCr以外にTiやTi合金でもよい。なお、多結晶シリコン
や非晶質シリコンをボロメ−タ材料に使う場合には、配
線9と電極10の代わりに、シリコンにボロンや砒素を高
濃度に注入・拡散したものを使うことにより、製造工程
を簡略化することができる。
【００４７】入射赤外線を感知する素子2には、更に、
波長8〜12μm付近の赤外線を吸収する500nm厚のシリコ
ン窒化膜等からなる庇4が温度検出部5aの端部から外側
の素子に向かって伸び、赤外線を感知しない素子3と梁6
を空間を隔てて覆っている。この庇4により、素子3に入
射した赤外線は庇4により吸収され、それにより発生し
た熱は隣接する温度検出部5aのボロメータ薄膜7に流入
するため、赤外線を感知しない素子3のスペースも赤外
線の検出に有効に利用することができ、開口率を向上さ
せることができる。具体的には、庇4同士の隙間を2μm
とすると、庇4の大きさは35×35μmとなり、開口率は8
9.5%と高くすることができる。なお、庇4の材料として
は、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜、シリコン
炭化膜、シリコン酸窒化膜およびこれらの積層膜等を用
いることもできる。
波長8〜12μm付近の赤外線を吸収する500nm厚のシリコ
ン窒化膜等からなる庇4が温度検出部5aの端部から外側
の素子に向かって伸び、赤外線を感知しない素子3と梁6
を空間を隔てて覆っている。この庇4により、素子3に入
射した赤外線は庇4により吸収され、それにより発生し
た熱は隣接する温度検出部5aのボロメータ薄膜7に流入
するため、赤外線を感知しない素子3のスペースも赤外
線の検出に有効に利用することができ、開口率を向上さ
せることができる。具体的には、庇4同士の隙間を2μm
とすると、庇4の大きさは35×35μmとなり、開口率は8
9.5%と高くすることができる。なお、庇4の材料として
は、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜、シリコン
炭化膜、シリコン酸窒化膜およびこれらの積層膜等を用
いることもできる。
【００４８】一方、赤外線を感知しない素子3の最上層
には720nm厚程度のAlの赤外線反射膜12が形成されてお
り、庇4同士の隙間から入射した赤外線を完全に反射
し、温度検出部5bの赤外線による温度変動を抑制する役
割を果たしている。この赤外線反射膜12と庇4とは光学
的共振構造を構成するように間隔を設定することによ
り、庇4の赤外線吸収率を高めることができる。ここ
で、赤外線反射膜12の材料は、赤外線反射膜14と同様
に、Alに代えてTi、W等の他の金属やそれらのシリサイ
ド膜等でも良く、その厚さを、庇4及び赤外線反射膜12
の各々の熱容量が所定の範囲で一致し、好ましくは略等
しくなるように設定することにより、温度検出部5a、5b
の熱時定数、熱コンダクタンス等の温度特性を同等にす
ることができる。
には720nm厚程度のAlの赤外線反射膜12が形成されてお
り、庇4同士の隙間から入射した赤外線を完全に反射
し、温度検出部5bの赤外線による温度変動を抑制する役
割を果たしている。この赤外線反射膜12と庇4とは光学
的共振構造を構成するように間隔を設定することによ
り、庇4の赤外線吸収率を高めることができる。ここ
で、赤外線反射膜12の材料は、赤外線反射膜14と同様
に、Alに代えてTi、W等の他の金属やそれらのシリサイ
ド膜等でも良く、その厚さを、庇4及び赤外線反射膜12
の各々の熱容量が所定の範囲で一致し、好ましくは略等
しくなるように設定することにより、温度検出部5a、5b
の熱時定数、熱コンダクタンス等の温度特性を同等にす
ることができる。
【００４９】上記構成で形成した320×240画素のボロメ
−タ型の熱型赤外線検出器では、感熱抵抗体の平均的な
抵抗値は40kΩ、15mm□のアレイ内で抵抗ばらつきは10%
P-P、１画素内の素子2と素子3との抵抗値の差は約500Ω
であった。この差は、主にコンタクト抵抗に起因するも
のである。また、熱分離構造を有する素子の熱コンダク
タンスの平均値はアレイ内で1.5×10-7W/K、温度検出部
の熱容量の平均値はアレイ内で1.0×10-9J/Kであり、１
画素内の２素子に対して、これらの値は2%以内の差であ
った。なお、これらの素子に印加するバイアス電圧は5V
で、バイアスパルスの間隔は30μsecである。
−タ型の熱型赤外線検出器では、感熱抵抗体の平均的な
抵抗値は40kΩ、15mm□のアレイ内で抵抗ばらつきは10%
P-P、１画素内の素子2と素子3との抵抗値の差は約500Ω
であった。この差は、主にコンタクト抵抗に起因するも
のである。また、熱分離構造を有する素子の熱コンダク
タンスの平均値はアレイ内で1.5×10-7W/K、温度検出部
の熱容量の平均値はアレイ内で1.0×10-9J/Kであり、１
画素内の２素子に対して、これらの値は2%以内の差であ
った。なお、これらの素子に印加するバイアス電圧は5V
で、バイアスパルスの間隔は30μsecである。
【００５０】次に、本実施例の熱型赤外線検出器の動作
について述べる。前述したように、１つの画素1の中に
は赤外線を感知する素子2と赤外線を感知しない素子3が
形成され、入射赤外線は素子2の保護膜8及びボロメ−タ
材料薄膜7、庇4によって一部吸収され、残りは透過して
赤外線反射膜12と14により反射され、各々庇4や素子2の
温度検出部5aに再入射し、もう一度吸収される。
について述べる。前述したように、１つの画素1の中に
は赤外線を感知する素子2と赤外線を感知しない素子3が
形成され、入射赤外線は素子2の保護膜8及びボロメ−タ
材料薄膜7、庇4によって一部吸収され、残りは透過して
赤外線反射膜12と14により反射され、各々庇4や素子2の
温度検出部5aに再入射し、もう一度吸収される。
【００５１】吸収された赤外線は、温度検出部5aを暖
め、同検出部内のボロメ−タ材料薄膜7（感熱抵抗体）
の抵抗を変化させる。この抵抗変化は、オンチップ回路
17からバイアス電流を供給することにより電圧変化とし
て読み出される。ここで、前述したように、感熱抵抗体
にバイアス電流を流すとジュ−ル熱が発生し、温度検出
部5aの温度が上昇して抵抗が変化し、電圧変化として読
み出される。
め、同検出部内のボロメ−タ材料薄膜7（感熱抵抗体）
の抵抗を変化させる。この抵抗変化は、オンチップ回路
17からバイアス電流を供給することにより電圧変化とし
て読み出される。ここで、前述したように、感熱抵抗体
にバイアス電流を流すとジュ−ル熱が発生し、温度検出
部5aの温度が上昇して抵抗が変化し、電圧変化として読
み出される。
【００５２】一方、赤外線を感知しない素子3の温度検
出部5bの最上層には赤外線反射膜12が成膜されているた
め、赤外線は温度検出部5bに吸収されず、入射赤外線に
よって感熱抵抗体の抵抗は変化しない。従って、バイア
ス電流を供給してもジュ−ル熱しか発生せず、入射赤外
線による信号電圧は読み出されない。以上のことを次に
定式化すると、本実施例の熱型赤外線検出器では、１つ
の画素内の２素子が熱分離されているので、両感熱抵抗
体（抵抗値ＲBとＲR）の各々の温度ＴBとＴRは、以下の
ように表現される。
出部5bの最上層には赤外線反射膜12が成膜されているた
め、赤外線は温度検出部5bに吸収されず、入射赤外線に
よって感熱抵抗体の抵抗は変化しない。従って、バイア
ス電流を供給してもジュ−ル熱しか発生せず、入射赤外
線による信号電圧は読み出されない。以上のことを次に
定式化すると、本実施例の熱型赤外線検出器では、１つ
の画素内の２素子が熱分離されているので、両感熱抵抗
体（抵抗値ＲBとＲR）の各々の温度ＴBとＴRは、以下の
ように表現される。
【００５３】
【００５４】ここで、τth Rとτth Bは、各々赤外線を感
知しない素子3と感知する素子2の熱時定数、ΔＴJ RとΔ
ＴJ Bは、各々赤外線を感知しない素子3と感知する素子2
のジュ−ル熱による温度上昇である。式１１と式１２に
おいて、環境温度のドリフトの変動周期ｔiは、一般に
熱時定数τth Rとτth Bに比べて遥かに大きい。
知しない素子3と感知する素子2の熱時定数、ΔＴJ RとΔ
ＴJ Bは、各々赤外線を感知しない素子3と感知する素子2
のジュ−ル熱による温度上昇である。式１１と式１２に
おいて、環境温度のドリフトの変動周期ｔiは、一般に
熱時定数τth Rとτth Bに比べて遥かに大きい。
【００５５】感熱抵抗体が金属で抵抗温度係数が等しい
理想的な場合（κB＝κR）、図１３の回路構成を用いる
と、出力信号は式８で表される。赤外線を感知しない素
子3と感知する素子2の抵抗、熱時定数、熱コンダクタン
スが等しくなるように素子を製造することにより、式１
１及び式１２のτth及びΔＴJの項を相殺することがで
き、出力信号は次式のようになり、被写体だけの信号を
抽出することができる。
理想的な場合（κB＝κR）、図１３の回路構成を用いる
と、出力信号は式８で表される。赤外線を感知しない素
子3と感知する素子2の抵抗、熱時定数、熱コンダクタン
スが等しくなるように素子を製造することにより、式１
１及び式１２のτth及びΔＴJの項を相殺することがで
き、出力信号は次式のようになり、被写体だけの信号を
抽出することができる。
【００５６】
【００５７】一方、半導体的な振舞いをする感熱抵抗体
の場合、抵抗の温度依存性は次式で表現される。
の場合、抵抗の温度依存性は次式で表現される。
【００５８】
【００５９】ここで、Ｂはサ−ミスタ−ボロメ−タのB
定数である。赤外線を感知しない素子3と感知する素子2
の感熱抵抗体のB定数が等しい場合、図１３の回路構成
を用いると、出力信号Voutは、
定数である。赤外線を感知しない素子3と感知する素子2
の感熱抵抗体のB定数が等しい場合、図１３の回路構成
を用いると、出力信号Voutは、
【００６０】
【００６１】となり、式１４の金属の場合より複雑であ
るが、環境温度の変動やジュ−ル熱の影響が相殺される
という点で、効果として酷似している。
るが、環境温度の変動やジュ−ル熱の影響が相殺される
という点で、効果として酷似している。
【００６２】このように、本実施例の熱型赤外線検出器
の構成によれば、１画素内に赤外線を吸収する素子2と
赤外線を吸収しない素子3とを設け、素子2と素子3とに
共に熱分離構造のボロメータ材料薄膜7等の感熱抵抗体
を形成し、更に素子3の上部には、温度検出部5aのボロ
メータ材料薄膜7に接続され、空間を隔てて温度検出部5
bを覆う庇4を設けると共に、温度検出部5bのボロメータ
材料薄膜7表面に赤外線反射膜12を形成して温度検出部5
bに赤外線が入射しないようにし、更に、赤外線反射膜1
2と庇4の熱容量を略等しくすることにより、環境温度や
バイアス電流による発熱の影響を温度検出部5aと温度検
出部5bとで相殺し、赤外線入射による温度変化分のみを
検出することができる。
の構成によれば、１画素内に赤外線を吸収する素子2と
赤外線を吸収しない素子3とを設け、素子2と素子3とに
共に熱分離構造のボロメータ材料薄膜7等の感熱抵抗体
を形成し、更に素子3の上部には、温度検出部5aのボロ
メータ材料薄膜7に接続され、空間を隔てて温度検出部5
bを覆う庇4を設けると共に、温度検出部5bのボロメータ
材料薄膜7表面に赤外線反射膜12を形成して温度検出部5
bに赤外線が入射しないようにし、更に、赤外線反射膜1
2と庇4の熱容量を略等しくすることにより、環境温度や
バイアス電流による発熱の影響を温度検出部5aと温度検
出部5bとで相殺し、赤外線入射による温度変化分のみを
検出することができる。
【００６３】上記効果を、第１及び第２の温度検出部5
a、5bの熱容量差ΔＣth／Ｃthが2%以下である上記構成
の320×240画素の熱型赤外線検出器を用いて実験した結
果について図８を参照して説明する。図８は、実験結果
を示すグラフであり、横軸は時間を、縦軸は相対出力電
圧を示している。本実験において、温度変動幅2℃，周
期1時間の環境下に置いた。この時、バイアス電圧の変
動幅は1mVで、周期は約1時間であった。上記条件のもと
典型的な画素信号の相対出力電圧は、図８の◆印で示す
デ−タになり、環境温度、バイアス電流の影響による電
圧の変動は0.04%P -Pと非常に小さいことが分かる。
a、5bの熱容量差ΔＣth／Ｃthが2%以下である上記構成
の320×240画素の熱型赤外線検出器を用いて実験した結
果について図８を参照して説明する。図８は、実験結果
を示すグラフであり、横軸は時間を、縦軸は相対出力電
圧を示している。本実験において、温度変動幅2℃，周
期1時間の環境下に置いた。この時、バイアス電圧の変
動幅は1mVで、周期は約1時間であった。上記条件のもと
典型的な画素信号の相対出力電圧は、図８の◆印で示す
デ−タになり、環境温度、バイアス電流の影響による電
圧の変動は0.04%P -Pと非常に小さいことが分かる。
【００６４】参考のため、図１３の第１の従来例に対応
した320×240画素の熱型赤外線検出器を試作して、温度
変動に対して同様の測定を行った。なお、この従来型の
熱型赤外線検出器の構造は、赤外線を感知しない素子3
が基板13のシリコン酸化膜15の上に直に形成されている
こと以外は、全て本実施例の熱型赤外線検出器と同じで
ある。実験の結果、従来型検出器の典型的な画素信号の
相対出力電圧は、図８の◇印で示すデ−タになり、電圧
の変動は1.44%P-Pであった。図８の２つのデ−タを比べ
ると、１画素内に設けた赤外線を感知する素子2と感知
しない素子3の両方が熱分離構造を有する本実施例の構
造の方が、環境温度変動に対する変化は1桁以上改善さ
れていることが分かる。
した320×240画素の熱型赤外線検出器を試作して、温度
変動に対して同様の測定を行った。なお、この従来型の
熱型赤外線検出器の構造は、赤外線を感知しない素子3
が基板13のシリコン酸化膜15の上に直に形成されている
こと以外は、全て本実施例の熱型赤外線検出器と同じで
ある。実験の結果、従来型検出器の典型的な画素信号の
相対出力電圧は、図８の◇印で示すデ−タになり、電圧
の変動は1.44%P-Pであった。図８の２つのデ−タを比べ
ると、１画素内に設けた赤外線を感知する素子2と感知
しない素子3の両方が熱分離構造を有する本実施例の構
造の方が、環境温度変動に対する変化は1桁以上改善さ
れていることが分かる。
【００６５】また、第１及び第２の温度検出部5a、5bの
熱容量差ΔＣth／Ｃthが10%以下、20%以下の熱型赤外線
検出器を用いて同様の実験を行ったところ、図９及び図
１０に示すように、環境温度、バイアス電流の影響によ
る電圧の変動は、それぞれ0.14%P-P、0.244%P-Pとな
り、熱容量差の増加に伴い電圧の変動も大きくなった。
この温度検出部5a、5bの熱容量差の許容範囲は、赤外線
検出器の製造条件、光学系、電気系を含めた赤外線検出
器の総合的な特性を勘案して決定されるものであるが、
本願発明者の実験によれば、電圧変動のレベルは◇印で
示す従来構造の１／５以下であれば実質的に問題ないこ
とを確認しており、第１及び第２の温度検出部5a、5bの
熱容量差としては±10%以下の範囲であることが好まし
いと考えられる。
熱容量差ΔＣth／Ｃthが10%以下、20%以下の熱型赤外線
検出器を用いて同様の実験を行ったところ、図９及び図
１０に示すように、環境温度、バイアス電流の影響によ
る電圧の変動は、それぞれ0.14%P-P、0.244%P-Pとな
り、熱容量差の増加に伴い電圧の変動も大きくなった。
この温度検出部5a、5bの熱容量差の許容範囲は、赤外線
検出器の製造条件、光学系、電気系を含めた赤外線検出
器の総合的な特性を勘案して決定されるものであるが、
本願発明者の実験によれば、電圧変動のレベルは◇印で
示す従来構造の１／５以下であれば実質的に問題ないこ
とを確認しており、第１及び第２の温度検出部5a、5bの
熱容量差としては±10%以下の範囲であることが好まし
いと考えられる。
【００６６】以上は、半導体的な振舞いをする感熱抵抗
体を用いた熱型赤外線検出器アレイの実施例であった
が、感熱抵抗体のみをチタン金属薄膜に替えて320×240
画素の熱型赤外線検出器を試作し、同様に温度変動に対
する画素信号の相対出力電圧を測定した。チタンは蛇行
形状で抵抗は5kΩ、抵抗温度係数は0.25%/Kであり、そ
れ以外のパラメ−タは同じである。実験の結果は図示し
ないが、1画素内に設けた赤外線を感知する素子2と感知
しない素子3の両方が熱分離構造を有する方が、環境温
度変動に対する変化は１桁以上改善されることを確認し
ている。
体を用いた熱型赤外線検出器アレイの実施例であった
が、感熱抵抗体のみをチタン金属薄膜に替えて320×240
画素の熱型赤外線検出器を試作し、同様に温度変動に対
する画素信号の相対出力電圧を測定した。チタンは蛇行
形状で抵抗は5kΩ、抵抗温度係数は0.25%/Kであり、そ
れ以外のパラメ−タは同じである。実験の結果は図示し
ないが、1画素内に設けた赤外線を感知する素子2と感知
しない素子3の両方が熱分離構造を有する方が、環境温
度変動に対する変化は１桁以上改善されることを確認し
ている。
【００６７】なお、本実施例では、図１４の回路を適用
した例について説明したが、第２の従来例（特開平１０
−２２７６８９号公報）に記載されている図１５の読出
回路を用いても結果は本質的に同じである。簡単に説明
すると、入射赤外線を感知する素子と感知しない素子を
直列接続してバイアス電圧を印加し、その中点を信号出
力とするものである。この場合も同様に信号出力Vout
は、表式は異なるが、２つの素子の抵抗の比で表され
る。
した例について説明したが、第２の従来例（特開平１０
−２２７６８９号公報）に記載されている図１５の読出
回路を用いても結果は本質的に同じである。簡単に説明
すると、入射赤外線を感知する素子と感知しない素子を
直列接続してバイアス電圧を印加し、その中点を信号出
力とするものである。この場合も同様に信号出力Vout
は、表式は異なるが、２つの素子の抵抗の比で表され
る。
【００６８】また、本実施例では、第２の温度検出部5b
の上部に赤外線反射膜12を設け、更に空間を隔てて赤外
線を吸収する庇4を設ける例について記載したが、この
庇4がない場合には開口率の向上は図れないが、環境温
度の変動やバイアス電流による自己発熱の影響をキャン
セルすることはできる。この場合、図１１（ａ）に示す
ように、温度検出部5a、5bの熱時定数、熱コンダクタン
ス等の温度特性を同等にするために、温度検出部5aのボ
ロメータ薄膜7を囲む保護膜8を厚く形成したり、その上
に赤外線を透過する他の材料18を形成することが好まし
い。
の上部に赤外線反射膜12を設け、更に空間を隔てて赤外
線を吸収する庇4を設ける例について記載したが、この
庇4がない場合には開口率の向上は図れないが、環境温
度の変動やバイアス電流による自己発熱の影響をキャン
セルすることはできる。この場合、図１１（ａ）に示す
ように、温度検出部5a、5bの熱時定数、熱コンダクタン
ス等の温度特性を同等にするために、温度検出部5aのボ
ロメータ薄膜7を囲む保護膜8を厚く形成したり、その上
に赤外線を透過する他の材料18を形成することが好まし
い。
【００６９】更に、上記説明では、庇4をシリコン酸化
膜等の絶縁膜で形成し、温度検出部5b中央で分断するよ
うにしたが、本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、例えば、図１１（ｂ）、（ｃ）に示すように、光
学的共振構造を形成して赤外線吸収率を高めたり、熱伝
導性や機械的強度を高めるために庇4をボロメータ材料1
9や赤外線を透過する膜厚で形成された金属薄膜20を内
部に含む構造体で形成したり、庇4の上部に金属薄膜20
を形成することもできる。また、図１２（ａ）に示すよ
うに、温度検出部5aの一端から隣接する温度検出部5b全
面を覆うように庇4を形成することもできる。この
（ａ）の構造の庇4下部に赤外線を遮断する膜厚で形成
された金属膜21を形成することもでき（図１２（ｂ）参
照）、この場合には庇4によって温度検出部5bに入射す
る赤外線を完全に遮断することができるため、温度検出
部5bに赤外線反射膜12を形成しなくてもよく、構造を簡
略化することができる。
膜等の絶縁膜で形成し、温度検出部5b中央で分断するよ
うにしたが、本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、例えば、図１１（ｂ）、（ｃ）に示すように、光
学的共振構造を形成して赤外線吸収率を高めたり、熱伝
導性や機械的強度を高めるために庇4をボロメータ材料1
9や赤外線を透過する膜厚で形成された金属薄膜20を内
部に含む構造体で形成したり、庇4の上部に金属薄膜20
を形成することもできる。また、図１２（ａ）に示すよ
うに、温度検出部5aの一端から隣接する温度検出部5b全
面を覆うように庇4を形成することもできる。この
（ａ）の構造の庇4下部に赤外線を遮断する膜厚で形成
された金属膜21を形成することもでき（図１２（ｂ）参
照）、この場合には庇4によって温度検出部5bに入射す
る赤外線を完全に遮断することができるため、温度検出
部5bに赤外線反射膜12を形成しなくてもよく、構造を簡
略化することができる。
【００７０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱型赤外
線検出器によれば、下記記載の効果を奏する。
線検出器によれば、下記記載の効果を奏する。
【００７１】本発明の第１の効果は、環境温度変動やジ
ュ−ル熱による素子の自己発熱の影響を受けず、ペルチ
ェ素子のような温度制御器を必要としない熱型赤外線検
出器を提供することができるということである。
ュ−ル熱による素子の自己発熱の影響を受けず、ペルチ
ェ素子のような温度制御器を必要としない熱型赤外線検
出器を提供することができるということである。
【００７２】その理由は、本発明の熱型赤外線検出器で
は、１画素内に赤外線を感知する素子と感知しない素子
を設け、両素子に同形状の感熱抵抗体を共に熱分離構造
で形成し、更に、赤外線を感知しない素子の感熱抵抗体
上部に赤外線反射膜を設けることによって、環境温度変
動やジュ−ル熱による素子の自己発熱の影響を相殺し、
入射赤外線の出力のみを検出することができからであ
る。
は、１画素内に赤外線を感知する素子と感知しない素子
を設け、両素子に同形状の感熱抵抗体を共に熱分離構造
で形成し、更に、赤外線を感知しない素子の感熱抵抗体
上部に赤外線反射膜を設けることによって、環境温度変
動やジュ−ル熱による素子の自己発熱の影響を相殺し、
入射赤外線の出力のみを検出することができからであ
る。
【００７３】また、本発明の第２の効果は、開口率、感
度を向上させることができるということである。
度を向上させることができるということである。
【００７４】その理由は、赤外線を感知する素子には感
熱抵抗体端部から梁及び赤外線を感知しない素子を覆う
庇を設け、赤外線を感知しない素子に入射する赤外線も
有効に利用することができるからである。
熱抵抗体端部から梁及び赤外線を感知しない素子を覆う
庇を設け、赤外線を感知しない素子に入射する赤外線も
有効に利用することができるからである。
【図１】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の構
成を示す、2×2画素の平面図である。
成を示す、2×2画素の平面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の構
成を示す、2×2画素の平面図であり、図1の庇を取り除
いた平面図である。
成を示す、2×2画素の平面図であり、図1の庇を取り除
いた平面図である。
【図３】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の構
成を示す図であり、図1のX−X’線における断面図であ
る。
成を示す図であり、図1のX−X’線における断面図であ
る。
【図４】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の構
成を示す図であり、図1のY−Y’線における断面図であ
る。
成を示す図であり、図1のY−Y’線における断面図であ
る。
【図５】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の構
成を示す図であり、図1のZ−Z’線における断面図であ
る。
成を示す図であり、図1のZ−Z’線における断面図であ
る。
【図６】入射赤外線を感知する感熱抵抗体を含む温度検
出部を、図1の電流経路A-A’に沿って描いた断面図であ
る。
出部を、図1の電流経路A-A’に沿って描いた断面図であ
る。
【図７】入射赤外線では感知しない感熱抵抗体を含む温
度検出部を、図1の電流経路B-B’に沿って描いた断面図
である。
度検出部を、図1の電流経路B-B’に沿って描いた断面図
である。
【図８】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の効
果を示す図である。
果を示す図である。
【図９】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の効
果を示す図である。
果を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の
効果を示す図である。
効果を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の
他の構成を示す断面図である。
他の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出器の
他の構成を示す断面図である。
他の構成を示す断面図である。
【図１３】従来の熱型赤外線撮像素子の構成を示す斜視
図である。
図である。
【図１４】従来の熱型赤外線撮像素子からの信号を増幅
する回路を示す図である。
する回路を示す図である。
【図１５】従来の信号読出回路を示す図である。
【図１６】従来の熱型赤外線検出器の構成を示す断面図
である。
である。
１ １画素
２ 赤外線を感知する素子
３ 赤外線を感知しない素子
４ 庇
５ａ 第１の温度検出部
５ｂ 第２の温度検出部
６ 梁
７ ボロメ−タ材料薄膜
８ 保護膜
９ 配線
１０ 電極
１１ コンタクト
１２ 赤外線反射膜
１３ 基板
１４ 赤外線反射膜
１５ 保護膜
１６ 空洞部
１７ 読出回路
１８ 赤外線透過材料
１９ ボロメータ材料
２０ 金属薄膜
２１ 金属膜
８０ 金属ボロメ−タ
８１ 支柱
８２ 基板
８３ 抵抗体
８４ オペアンプ
１０１ 第１感熱抵抗体
１０２ ダミ−抵抗体である第２感熱抵抗体
１０３ カレントミラ−回路
１０４ａ 第１スイッチ
１０４ｂ 第２スイッチ
１０４ｃ 第３スイッチ
１０５ａ 第１ノ−ド
１０５ｂ 第２ノ−ド
１０５ｃ 第３ノ−ド
１０６ 容量
１０７ インバ−タ
１２１ 第１感熱抵抗体
１２２ 第２感熱抵抗体
１２３ シリコン基板
１２４ 支持台
１２５ 保護部材
１２６ 空洞部
１３１ 第１ボロメ−タ薄膜
１３２ 第２ボロメ−タ薄膜
Claims (5)
- 【請求項１】感熱抵抗体で赤外線を検出する熱型赤外線
検出器において、 第１の温度検出部と第２の温度検出部とを有し、前記第
１の温度検出部には、基板から熱的に分離された第１の
感熱抵抗体が配設され、前記第２の温度検出部には、前
記基板から熱的に分離された第２の感熱抵抗体が前記第
１の感熱抵抗体と略同一形状で配設され、前記第２の温
度検出部上部には、前記第２の感熱抵抗体の少なくとも
一部を空間を隔てて覆い、その一側端部が前記第１の感
熱抵抗体に熱的に接続される構造体からなる赤外線吸収
手段を備えることを特徴とする熱型赤外線検出器。 - 【請求項２】アレイ状の感熱抵抗体で赤外線を検出する
熱型赤外線検出器において、 前記アレイを構成する各々の画素に、第１の温度検出部
と第２の温度検出部とを有し、前記第１の温度検出部に
は、基板から熱的に分離された第１の感熱抵抗体が配設
され、前記第２の温度検出部には、前記基板から熱的に
分離された第２の感熱抵抗体が前記第１の感熱抵抗体と
略同一形状で配設され、前記第２の温度検出部上部に
は、前記第２の感熱抵抗体の少なくとも一部を空間を隔
てて覆い、その一側端部が前記第１の感熱抵抗体に熱的
に接続される構造体からなる赤外線吸収手段を備え、前
記第１の感熱抵抗体及び前記第２の感熱抵抗体の温度変
化に基づく出力信号の差分が、前記基板内に形成された
読出回路で検出されることを特徴とする熱型赤外線検出
器。 - 【請求項３】前記構造体が、前記第２の感熱抵抗体を挟
んでその両側に形成される前記第１の感熱抵抗体の内側
端部から、各々、前記第２の感熱抵抗体の中央に向かっ
て迫り出す庇状に形成されていることを特徴とする請求
項１又は２に記載の熱型赤外線検出器。 - 【請求項４】前記第２の感熱抵抗体上部に、該第２の感
熱抵抗体に入射する赤外線を反射する赤外線反射手段を
備え、前記第１の温度検出部及び前記第２の温度検出部
の熱容量が所定の範囲で一致するように、前記赤外線反
射手段又は前記赤外線吸収手段の熱容量が設定されるこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の熱
型赤外線検出器。 - 【請求項５】前記赤外線反射手段の熱容量と前記赤外線
吸収手段の熱容量とが略等しいことを特徴とする請求項
４記載の熱型赤外線検出器。
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