JP3657885B2 - Infrared sensor device and driving method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は赤外線センサ装置およびその駆動方法に係わるものであり、特に熱型の赤外線センサの信号読み出し回路およびその駆動方法に係わる。低雑音・高感度・広ダイナミックレンジの熱型赤外線センサおよびその駆動方法を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
赤外線撮像は、昼夜にかかわらず撮像可能であるとともに、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長があり、さらに被写体の温度情報をも得ることができることから、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【0003】
近年、従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大の欠点である、低温動作のための冷却機構を必要としない非冷却の熱型赤外線固体撮像素子の開発が盛んになってきている。熱型の赤外線固体撮像素子においては、波長10μm程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を何らかの熱電変換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【0004】
熱型の赤外線固体撮像素子としては、一定の順方向電流により温度変化を電圧変化に変換するシリコンpn接合をSOI領域に形成した素子が報告されている(Tomohiro Ishikawa, et al., Proc. SPIE Vol.3698, p.556, 1999)。
【0005】
SOI基板を用いたシリコンpn接合型の素子は、シリコンLSI製造工程のみによる製造が可能であるという特長があり、したがって量産性に優れた素子である。
【0006】
また、シリコンpn接合型素子には、熱電変換手段であるpn接合が、pn接合の整流特性を利用した画素選択機能を有していることから、画素の内部構造を単純化できるという特長もある。
【0007】
ところで、熱型の赤外線固体撮像素子における画素部の温度変化は、赤外線吸収層の吸収率や光学系にもよるが、一般的には被写体の温度変化の5×10−3倍程度であり、被写体温度が1[K]変化すれば画素温度は5[mK]変化する。
【0008】
一つの画素素子にシリコンpn接合を8個直列接続して構成した場合の、熱電変換効率は10[mV/K]程度であるので、被写体温度が1[K]変化した場合には画素部に50[μV]の信号電圧が発生する。
【0009】
実際には、被写体の温度変化として0.1[K]程度を識別することが要求されることが多いので、その場合に発生する5[μV]程度の信号電圧を読み出すことが必要となる。
【0010】
このように、非常に微弱な信号電圧を読み出す方法として、発生した信号電圧をMOS増幅トランジスタのゲート電圧として電流増幅し、増幅された信号電流を蓄積容量で時間積分するという回路構成が知られている。
【0011】
この回路構成は、ゲート変調積分回路と呼ばれる回路であり、この回路構成をマトリクスの各列ごとにカラム増幅回路として配置して、1行分の電流増幅を並列処理することで、信号帯域を制限し、ランダム雑音を低減できるという効果がある。
【0012】
ゲート変調積分回路における電圧ゲイン:Gは、増幅トランジスタの相互コンダクタンス:gm=δId/δVg、積分時間:ti、そして蓄積容量:Ciにより決まり、G=(ti×gm)/Ciで表現される。
積分時間:tiおよび蓄積容量:Ciが与えられたとき、上記のゲインは増幅トランジスタの相互コンダクタンス:gmにより支配され、n型のMOSトランジスタが飽和領域で動作する場合のgmは、(1)式により近似表現される。
gm=(W/L)・(εox/Tox)・μn・(Vgs−Vth)…(1)
ただし、W:チャネル幅、L:チャネル長、εox:ゲート酸化膜の誘電率、Tox:ゲート酸化膜厚、μn:電子移動度、Vgs:ゲート・ソース間電圧、Vth:トランジスタの閾値電圧。
【0013】
すでに述べたように、被写体の温度差として0.1[K]程度を認識することが要求されるので、そのときに画素部に発生する5[μV]程度の信号を読み出すことが必要であるが、この信号電圧レベルは、一般の可視光を撮像するセンサであるCMOSセンサと比較して、非常に低い電圧である。たとえば、中村・松長、「高感度CMOSイメージセンサ」、映像情報メディア学会誌Vol.54、No.2、p.216、2000によれば、雑音電圧は約0.4[mV]=400[μV]であり、これと比較すれば、上記の赤外線センサの雑音レベルは、CMOSセンサの約1/80という低電圧であり、取り扱う信号電圧も同じく約1/80という低電圧になる。
【0014】
したがって、センサ出力を一般的な撮像素子であるCMOSセンサと同様の回路によって処理することを考えれば、約80倍のゲインを有するゲート変調積分回路によるカラム増幅回路が必要となる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、熱型赤外線センサは、熱電変換部の温度情報を電気信号として読み出すために、熱電変換部に電流を流さなければならない場合が多い。この温度情報読み出しのためのバイアス電流あるいはバイアス電圧により、熱電変換部にジュール熱が発生し、このジュール熱による熱電変換部の加熱が発生してしまうという、いわゆる自己加熱問題がある。
【0016】
たとえば、熱電変換画素を半導体基板に組込んだ場合、半導体基板との間の熱コンダクタンスを、一般的な値である10−7[W/K]としたpn接合型の熱電変換部での自己加熱の影響は、pn接合数を8個、バイアス電流200[μA]、そして信号読み出しのための画素選択期間を25[μs]、フレームレートを60[fps]として計算すると、約30[K]もの温度上昇になる。この温度上昇を、前述の赤外線入射による温度上昇量である5[mK]と比較すると非常に大きく、この自己加熱問題の解決が非常に重要であることがわかる。
【0017】
自己加熱による画素の温度変化(電圧:Vsig換算)の一例を図11に示した。図からも明らかなように、行選択期間の画素選択により画素温度は急激に上昇し、画素選択パルスがオフされた以降に、熱電変換部の熱時定数により緩やかに冷却される。
【0018】
自己加熱による温度変化は上述の計算によれば、30[K]であり、わずか5[mK]程度の赤外線入射による温度信号は、図11における曲線の太さよりも低いレベルである。その結果、信号線に接続した一般的なカラム増幅回路では、画素選択の初期には微弱な電流が流れ、画素選択中の自己加熱により、時間の経過とともにその信号電流量が増加していくという動作になっており、また、その電流成分のほとんどが自己加熱に起因する温度情報電流、すなわち雑音電流である。
【0019】
カラム増幅回路の出力側の蓄積容量において積分、蓄積された電荷の概要を、蓄積容量のポテンシャルウェル図として模式的に図12に示した。図からも明らかなように、蓄積された電荷の大部分は自己加熱による電荷QSHであり、信号電荷Qsigはわずかである。
【0020】
図には、自己加熱による温度変化の結果、画素選択期間の後半の電流が大きく、その結果、画素選択期間の後半から終盤の情報が重み付けされてしまっている様子も、示している。この結果、実効的なサンプリング時間の短縮が起きてしまい、信号帯域が拡大することにより、ランダム雑音の増加の原因にもなってしまう。
【0021】
電気抵抗値の温度変化を動作原理としたボロメータを用いた場合には、ブリッジ回路を構成することで、上記の自己加熱問題を回避する方法をX. Gu, et al. が報告している(X. Gu, et al. , Sensors and Actuators A, Vol.69, p.92, 1998)。
【0022】
彼らは、熱容量が同一で、熱抵抗が低いリファレンス無感度画素をカラムごとに配置し、ブリッジ回路を構成し、差分増幅している。
【0023】
これは、熱時定数に対して、非常に短い時間である画素選択期間における自己加熱による温度上昇が、主に熱容量に支配されることを利用した方法である。
【0024】
しかしながら、この方法では、自己加熱の影響を低減する効果はあっても、自己加熱問題への近似的な解決手段であり、完全に自己加熱問題が解決されたとは言えない。
【0025】
厳密な自己加熱問題の解決のためには、リファレンス無感度画素を、各有感度画素に対して、一対一に配置することが必要となるので、画素が二次元的にレイアウトされるイメージセンサにおける現実解は、存在していない。
【0026】
なぜなら、ブリッジ回路を構成するリファレンス無感度画素を各画素に配置することは、画素サイズが同一であれば、感度が1/2以下に低下するというデメリットが発生することを意味しており、自己加熱問題解決による効果との利害得失から、ブリッジ回路による自己加熱キャンセルは、有効とはいえない。
【0027】
また、本発明の技術分野にかかわるカラム増幅回路を用いた熱電変換画素例えばpn接合型の赤外線センサにおいて、この自己加熱問題は解決していない。本発明はこのような問題点を解決することを目的とする。
【0028】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1は、複数の行および列のマトリクス状に配列され、入射赤外線光を吸収することで発生した熱を熱電変換し抵抗値の変化として取出す複数個の熱電変換画素と、
前記熱電変換画素の各行または各列のいずれか一方にそれぞれ接続される複数の選択線と、
前記熱電変換画素の各行または各列の他方にそれぞれ接続される複数の信号線と、
前記各選択線に接続され前記熱電変換画素に選択線ごとに選択的に読み出し電圧を付与して前記信号線に電圧出力信号を発生させる画素選択手段と、
第1の入力手段と第2の入力手段を有し、前記各信号線に前記第1の入力手段が接続されて前記熱電変換画素からの電圧出力信号を増幅する出力信号増幅手段と、
前記出力信号増幅手段の第2の入力手段に接続され、前記熱電変換画素に前記読み出し電流によって発生する自己加熱に伴う抵抗変化成分による前記電圧信号に含まれる電圧成分を打消しまたは低減する波形の電圧を、前記読み出し電圧に同期して印加する補償電圧付与手段と
を具備してなる赤外線センサ装置にある。
【0029】
本発明の第2は、半導体基板上に二次元配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有する熱電変換画素と、
前記熱電変換画素に接続され、この熱電変換画素からの信号を読み出すための、前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、
この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を読み出す画素信号読み出し手段と、
画素信号読み出し手段により読み出された前記信号を出力するための出力手段と、
を有する赤外線センサ装置であって、
前記画素読み出し手段は、前記熱電変換画素からの信号を増幅する増幅回路を含み、この増幅回路はMOSトランジスタを有し、少なくとも前記熱電変換画素からの信号が電圧信号として、前記MOSトランジスタのゲートに入力され、
前記MOSトランジスタのソースに、前記画素選択手段の画素選択タイミングと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を前記電圧信号の増加を抑えるように印加する手段とを具備することを特徴とする赤外線センサ装置にある。
【0030】
本発明によれば、熱型赤外線センサにおける、画素選択にともない発生するジュール熱による熱電変換部の自己加熱問題を解決するために、熱電変換部からの電圧信号がゲートに入力される増幅回路の増幅用MOSトランジスタのソースに、画素選択パルスと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を印加している。この結果、増幅トランジスタのゲート・ソース電圧:Vgsから自己加熱成分電圧を除去可能となり、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【0031】
さらに、本発明によれば、1行または複数行の画素選択ごとに複数個の電圧発生器を交互に動作させて上記MOSトランジスタのソースに適当に長い時定数をもったパルス波形電圧を印加することで、ランプ波形電圧を印加するのと同様に増幅トランジスタのゲート・ソース電圧:Vgsから、自己加熱成分電圧を除去可能となり、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサ装置を得ることができる。
【0032】
また、本発明によれば、熱分離無感度画素を各行に一つ以上配置した無感度画素列を有しており、この無感度画素列からの出力電圧を基準とした電圧を上記の増幅トランジスタのソースに印加することでランプ波形電圧を印加するのと同様に増幅トランジスタのゲート・ソース電圧:Vgsから、自己加熱成分電圧を除去可能となり、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサ装置を得ることができる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。図1は本発明の第1実施形態の赤外線センサ装置の全体構成図であり、m行n列のm×n画素の2次元マトリクス構成を示している(m、nは2以上の自然数)。
【0034】
入射赤外線光を電気信号に変換する赤外線検出用熱電変換画素1が半導体基板2上に2次元的に配置され撮像領域3を構成している。撮像領域3内部には、行選択線4(4−1,4−2…)と垂直方向の列信号線5(5−1,5−2…)が配されている。画素選択のために、行選択回路40と列選択回路70が撮像領域3の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択線4と列選択線7と各々接続されている。
【0035】
画素出力電圧を得るための定電流源80として、各列の列信号線5には、負荷MOSトランジスタ8−1,8−2…が接続されている。
【0036】
図1では、負荷MOSトランジスタのソースには基板電圧:Vsが印加されているが、必要に応じて、そのソース電圧を調整することも可能であり、より好ましい。
【0037】
行選択回路40により選択された行では行選択線4例えば4−1には電源電圧:Vdが印加され、行選択回路40により選択されない行選択線にはVsが印加される。その結果、選択された行4−1の熱電変換画素1内部のpn接合領域115、…が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のpn接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の列信号線5−1,5−2に画素信号出力電圧が発生する。このとき、選択回路40によって選択されない画素のpn接合領域115a、…は逆バイアスとなる。すなわち、画素内部のpn接合は画素選択の機能を持っている。
【0038】
列信号線5に発生する電圧は、きわめて低電圧であり、被写体の温度変化:dTsと画素温度変化:dTdとの比として5×10−3を仮定し、この値と画素のpn接合が8個のpn接合を直列接続した場合の熱電変換感度:dV/dTd=10[mV/K]とにより、dTs=0.1[K]のときには、わずかに5[μV]であることがわかる。
【0039】
したがって、この被写体温度差を認識するためには、列信号線に発生する雑音を5[μV]以下にすることが必要になる。この雑音の値は、MOS型の可視光イメージセンサであるCMOSセンサの雑音の約1/80と非常に低い。
各信号線5−1,5−2と列選択トランジスタ群60間にはカラム増幅回路9が接続されており、増幅回路の増幅用MOSトランジスタ10のゲート10gに各信号線が接続される。このMOSトランジスタ10のドレイン10d側には、電流増幅した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量12が接続されている。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路40により行選択線4に印加される行選択パルスにより決定される。
【0040】
蓄積容量12には、蓄積容量の電圧をリセットするためのリセットトランジスタ14が接続され、列選択トランジスタ6による信号電圧の読み出しが完了した後にリセット動作を行う。端子24は出力端子である。
【0041】
図2は、本実施形態の赤外線検出用熱電変換画素1の構造を説明するもので、(a)は平面図、(b)は断面図である。熱電変換のためのpn接合領域115を含む熱電変換画素1は単結晶シリコン半導体基板106内部に形成された中空構造107の上に、赤外線吸収部118、120と、熱電変換のために形成されたSOI層108内部のpn接合領域115、これらを接続する配線117、このSOI層108を支持している埋め込みシリコン酸化膜層114の熱電変換部110とから成る。図では説明上、pn接合領域を2個配置したダイオード構造を示す。さらに画素1を中空構造である中空底部107、中空側部119を介して支持するとともに画素1からの電気信号を出力するための支持部111と、この画素1と列信号線5および行選択線4とを接続する接続部(図示しない)からなっている。画素1および支持部111が中空構造107上に設けられることにより、画素の熱放散が緩慢となり入射赤外線による素子1の温度の変調を効率良く行う構造になっている。
【0042】
このような構造を実現するための製造方法については、本発明者等の発明に係わる先特許出願たとえば、特願2000−298277,特願2000−095678等に詳細に説明されている。
【0043】
本発明の第1実施形態は、図1に示すように電圧発生器300を半導体基板上に搭載したものであり、電圧発生器300は、行選択回路40に端子21で接続され行選択パルスが入力されることにより、行選択パルスと同期した図3に示すようなランプ波形電圧を行選択期間に発生し、カラム増幅回路9内の増幅トランジスタ10のソース10sのソース電圧を入力として供給するものである。
すでに説明した、画素の自己加熱による温度上昇は図11に示しているが、この温度上昇の熱時定数は、熱電変換画素1の熱分離により決まり、概ね[ms]オーダーである。
【0044】
一方、図11に示すように行選択期間は[μs]オーダーであるので、前記の熱時定数に比して非常に短く、事実上、この行選択期間においては直線近似が十分可能である。したがって、増幅トランジスタ10のゲート10gに印加される、列信号線5に発生する自己加熱成分の電圧は、上記のランプ波形電圧を増幅トランジスタ10のソース10sに印加することで打消し相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【0045】
その結果、増幅トランジスタ10の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能で、また、帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【0046】
本発明の第2実施形態は、図1において、ステップ波形電圧を発生する電圧発生器300を半導体基板上に搭載したものであり、電圧発生器300は、行選択回路40からの行選択パルスを入力することにより、行選択パルスと同期したステップ波形電圧を図4に示すように発生し、第2の入力としてカラム増幅回路9内の増幅トランジスタ10のソース電圧として供給するものである。
【0047】
ステップ波形電圧を発生するためには、たとえばD/A変換回路を用いることが可能であり、そのビット数を適当に設定することで、事実上ランプ波形電圧を印加した場合と同等の効果を得ることができる。しかも波形ラインを微細に調整することができる利点がある。
【0048】
したがって、第1実施形態と同様に、増幅トランジスタ10のゲートに第1の入力として印加される、列信号線5に発生する自己加熱成分の電圧は、その増加を抑える方向に差動的に上記のステップ波形電圧を増幅トランジスタ10のソースに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【0049】
その結果、増幅トランジスタ10の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【0050】
さらに、上記第1および第2実施形態の変形例として、電圧発生器300を半導体基板外部に搭載することができる。電圧発生器300は、行選択回路40からの行選択パルスを行選択パルス出力部21からの入力により、行選択パルスと同期したランプ波形またはステップ波形電圧を図3、図4に示すように発生し、配線23を介して、半導体基板上の増幅トランジスタソース電圧入力部22に、カラム増幅回路9内の増幅トランジスタ10のソース電圧として供給する。
【0051】
したがって、第1および2実施形態と同様に、増幅トランジスタ10のゲートに印加される、列信号線5に発生する自己加熱成分の電圧は、上記のステップ波形電圧を増幅トランジスタ10のソース10sに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【0052】
その結果、増幅トランジスタ10の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。
【0053】
次に本発明の第3実施形態を図5および図6に示す。図1と同符号の部分は同一部分を示す。本実施形態は電圧発生器301に矩形波電圧を発生する発生器とし、増幅トランジスタのソース電圧入力端22間に積分回路302を配置した以外は図1に示す構成と同様である。この電圧発生器301を半導体基板内部に搭載し行選択回路40からの行選択パルスを行選択パルス出力部21からの入力により、行選択パルスと同期した矩形波電圧V1(図6(a))を発生する。
【0054】
本実施形態においては、電圧発生器301と半導体基板上の増幅トランジスタソース電圧入力部22との間の配線23に、電気容量303を含む積分回路302を設ける。図6(a)に示すように行選択パルスと同期した矩形波電圧パルスV1が積分回路302に入力されると、積分回路302から図6(b)に示した積分波形電圧V2となり、センサチップ上の増幅トランジスタソース電圧入力部22に、カラム増幅回路9内の増幅トランジスタ10のソース電圧として供給される。この積分ランプ波形は増幅トランジスタの入力信号に含まれる自己加熱成分の電圧に近似させることが可能であり、したがって、第1、2実施形態と同様に、増幅トランジスタ10のゲート10gに印加される、列信号線5に発生する自己加熱成分の電圧は、上記の積分波形電圧を増幅トランジスタ10のソースに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【0055】
その結果、増幅トランジスタ10の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。
【0056】
上記第3実施形態の変形例として、電圧発生器301および積分回路302をセンサチップ外部に搭載することもできる。
【0057】
図7および図8に第4の実施形態を示す。なお図1と同符号の部分は同一部分を示す。この実施形態は、画素を1行おきにまとめて2群とし、例えば奇数行と偶数行の2群に分け、第1群の電圧発生器304と第2群の電圧発生器305を交互に作動させるものである。本実施形態はランダム雑音を低減する目的で1H期間のサンプリングホールド(S/H)回路を付加して、図8のように1H期間中の大部分を行選択期間すなわち画素選択期間として駆動する。
【0058】
あるいは、カラム増幅動作により蓄積した信号電荷を、付加したサンプルホールド回路に移動し、一行遅れたタイミングで、出力する回路構成、および駆動方法も可能であり、この場合は、すべての行が同一の回路により処理されることで、いわゆる一行おきの横縞のような固定パターン雑音の発生を抑制できるので、より好ましい。
【0059】
このような駆動の場合、付加容量により設定した時定数によっては、連続した2行の画素選択パルスの非選択期間t1が短いために、図8(b)に示すように、半導体基板上の増幅トランジスタソース電圧入力部の電圧Vs'がVs"のようには十分に低下せず、正常に動作しなくなってしまう。
【0060】
そのため、その場合には、2群に対応する複数個の電圧発生器304,305を設けるととも、複数個の増幅トランジスタソース電圧入力部22を設け、一行おきにスイッチングする構成を付加する。これにより、2個の電圧発生器304,305を設けた場合には、一行おきに図8(b)、(c)に示される波形の電圧Vsが交互に出力されるとともに、センサチップ内部でも一行おきに図8(b)、(c)に示した電圧Vs、Vsがカラム増幅回路90内の増幅トランジスタのソース電圧として供給されることになる。
【0061】
したがって、第1乃至3実施形態と同様に、増幅トランジスタ10のゲート10gに印加される、列信号線5に発生する自己加熱成分の電圧は、上記のステップ波形電圧を増幅トランジスタ10のソース10sに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【0062】
その結果、増幅トランジスタ10の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【0063】
本発明の第5実施形態を、図9および図10を用いて説明する。熱電変換画素1は図2で説明したpn接合領域の中空支持構造と同一であり、また、負荷トランジスタを用いた定電流源80や、行選択回路40、行選択線4、列選択回路70、列信号線5、列選択トランジスタ群60、カラム増幅回路群90等は、図1と同一であるので、この部分の説明を省略する。
【0064】
本実施形態においては、図9に示すように画素マトリクスの最終列を熱分離無感度画素列500として設け、各行にそれぞれ熱分離無感度画素501を配分して設けている。熱分離無感度画素501の構造は、図10に示すように図2の画素構造とほとんど同一であるが、唯一、赤外線吸収層部118上にアルミニウムなどの金属膜の赤外線反射層130が設けられていることが異なっている。
【0065】
この熱分離無感度画素501においては、入射赤外線は赤外線反射層130により反射され、赤外線入射による温度変化が発生せず、画素選択による自己加熱信号のみを列信号線502に出力することになる。
【0066】
この熱分離無感度画素列500からの列信号線出力を、たとえば、図9に示すようにソースフォロア−回路400を介して、カラム増幅回路90内の増幅トランジスタ10(図1参照)のソース電圧として供給することが可能となる。
【0067】
動作点の調整についても、ソースフォロア回路の端子401、402の電圧を適当に調整することで、最適化が可能であるのは言うまでもない。したがって、第1乃至第4実施形態と同様に、増幅トランジスタ10のゲートに印加される、出力信号中の列信号線5に発生する自己加熱成分の電圧は、上記の列信号線の波形電圧を増幅トランジスタ10のソース入力部22に印加することで精度よく相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。無感度画素を同一半導体基板に搭載することにより自己加熱成分はほとんど同じ傾向をもつ電圧として出力されるので、得られる波形をそのまま適用することができる。
【0068】
その結果、増幅トランジスタ10の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【0069】
なお、図9では、一段のソースフォロア回路400を設けた場合を説明したが、必要に応じて、複数段のソースフォロア回路に変更することも可能である。
【0070】
また回路400はソースフォロア回路に限定するものではなく、熱分離無感度画素列信号線出力電圧に影響を及ぼさない回路であれば、適宜変更することが可能である。
【0071】
以上本発明を実施形態により出力信号増幅器として、第1入力をゲートとし、第2入力をソースとする単一増幅MOSトランジスタで構成するカラム増幅回路で説明した。この増幅回路は簡単な構成のため、製造上好ましいものである。しかし、2入力を持つものであれば、他の増幅回路例えば差動増幅器を用いることができる。
【0072】
また、熱電変換画素についても、本実施形態においてはpn接合を用いて説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、たとえば酸化バナジウム等のボロメータを用いた熱電変換画素からなる赤外線センサ装置にも適用可能である。
【0073】
その場合には、各画素内に画素選択のための選択トランジスタが必要となることは言うまでも無い。
【0074】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形実施可能である。
【0075】
【発明の効果】
本発明によれば、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの熱型赤外線センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1および第2実施形態の全体構成図。
【図2】第1および第2実施形態の熱電変換画素を説明するもので、(a)は平面図、(b)は(a)のA-A線にそう断面図。
【図3】(a),(b)は第1実施形態を説明する波形図。
【図4】(a),(b)は第2実施形態を説明する波形図。
【図5】本発明の第3実施形態の構成図。
【図6】(a),(b)は本発明の第3実施形態を説明する波形図。
【図7】本発明の第4実施形態の構成図。
【図8】(a),(b),(c)は本発明の第4実施形態を説明する波形図。
【図9】本発明の第5実施形態の概略構成図。
【図10】第5実施形態の熱電変換画素を説明するもので、(a)は平面図、(b)は(a)のA-A線にそう断面図。
【図11】行選択期間における自己加熱により、画素温度Tdおよび出力信号電圧Vsigが急激に変化し、画素温度が1フレーム期間をかけて元に戻る様子を説明するための図。
【図12】カラム増幅回路内部の蓄積容量に、信号電荷Qsigと自己過熱に起因する雑音電荷QSHとが、画素選択期間中に蓄積される様子を模式的に示したポテンシャルウエル図。
【符号の説明】
1…熱電変換画素
2…半導体基板
3…撮像領域
4…行選択線
5…列信号線
6…列選択トランジスタ
7…列選択線
8…負荷トランジスタ
9…カラム増幅回路
10…MOS増幅トランジスタ
12…蓄積容量
14…リセットトランジスタ
21…画素選択パルス出力部
22…増幅トランジスタのソース電圧入力部
23…配線
24…信号出力部
40…行選択回路
60…列選択トランジスタ群
70…列選択回路
80…定電流回路
90…カラムトランジスタ群
106…半導体基板
107…中空底部
108…SOI層
110…熱電変換部
111…支持脚
114…埋め込み酸化膜
115…pn接合領域
117…配線
118…赤外線吸収部
119…中空側部
120…赤外線吸収部
130…赤外線反射層
300…電圧発生器
400…ソースフォロア回路
401…ソースフォロア回路端子
402…ソースフォロア回路端子
500…熱分離無感度画素列
501…熱分離無感度画素
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an infrared sensor device and a driving method thereof, and more particularly to a signal readout circuit of a thermal infrared sensor and a driving method thereof. A low-noise, high-sensitivity, wide dynamic range thermal infrared sensor and a driving method thereof are provided.
[0002]
[Prior art]
Infrared imaging has the advantage of being able to capture images regardless of day and night, and has a higher permeability to smoke and fog than visible light. In addition, it can obtain temperature information on the subject. Wide application range as surveillance camera and fire detection camera.
[0003]
In recent years, the development of uncooled thermal infrared solid-state imaging devices that do not require a cooling mechanism for low-temperature operation, which is the biggest drawback of conventional quantum-type infrared solid-state imaging devices, has become active. . In a thermal infrared solid-state imaging device, an incident infrared ray having a wavelength of about 10 μm is converted into heat by an absorption structure, and the temperature change of the heat-sensitive part caused by the weak heat is converted into an electrical signal by some thermoelectric conversion means. The infrared image information is obtained by reading out the electrical signal.
[0004]
As a thermal infrared solid-state imaging device, a device in which a silicon pn junction that converts a temperature change into a voltage change by a constant forward current is formed in an SOI region has been reported (Tomohiro Ishikawa, et al., Proc. SPIE). Vol.3698, p.556, 1999).
[0005]
A silicon pn junction type element using an SOI substrate has a feature that it can be manufactured only by a silicon LSI manufacturing process, and is therefore an element excellent in mass productivity.
[0006]
Further, the silicon pn junction type element has a feature that the internal structure of the pixel can be simplified because the pn junction which is a thermoelectric conversion means has a pixel selection function utilizing the rectification characteristic of the pn junction. .
[0007]
By the way, although the temperature change of the pixel part in a thermal type infrared solid-state image sensor depends on the absorptivity of the infrared absorption layer and the optical system, it is generally 5 × 10 of the temperature change of the subject. -3 If the subject temperature changes by 1 [K], the pixel temperature changes by 5 [mK].
[0008]
When eight silicon pn junctions are connected in series to one pixel element, the thermoelectric conversion efficiency is about 10 [mV / K], so when the subject temperature changes by 1 [K], the pixel portion A signal voltage of 50 [μV] is generated.
[0009]
Actually, since it is often required to identify about 0.1 [K] as the temperature change of the subject, it is necessary to read a signal voltage of about 5 [μV] generated in that case.
[0010]
As described above, as a method for reading out a very weak signal voltage, a circuit configuration in which the generated signal voltage is current-amplified as a gate voltage of a MOS amplification transistor, and the amplified signal current is time-integrated with a storage capacitor is known. Yes.
[0011]
This circuit configuration is a circuit called a gate modulation integration circuit. This circuit configuration is arranged as a column amplifier circuit for each column of the matrix, and current amplification for one row is processed in parallel to limit the signal band. In addition, there is an effect that random noise can be reduced.
[0012]
The voltage gain G in the gate modulation integration circuit is determined by the mutual conductance of the amplification transistor: gm = δId / δVg, the integration time: ti, and the storage capacity: Ci, and is expressed by G = (ti × gm) / Ci.
When the integration time: ti and the storage capacity: Ci are given, the above gain is governed by the mutual conductance: gm of the amplification transistor, and gm when the n-type MOS transistor operates in the saturation region is expressed by the following equation (1). Is approximated by
gm = (W / L) · (εox / Tox) · μn · (Vgs−Vth) (1)
Where W: channel width, L: channel length, εox: gate oxide dielectric constant, Tox: gate oxide film thickness, μn: electron mobility, Vgs: gate-source voltage, Vth: transistor threshold voltage.
[0013]
As already described, since it is required to recognize about 0.1 [K] as the temperature difference of the subject, it is necessary to read out a signal of about 5 [μV] generated in the pixel portion at that time. However, this signal voltage level is a very low voltage as compared with a CMOS sensor which is a sensor for imaging general visible light. For example, Nakamura and Matsunaga, “High Sensitivity CMOS Image Sensor”, Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers Vol. 54, no. 2, p. 216 and 2000, the noise voltage is about 0.4 [mV] = 400 [μV]. Compared with this, the noise level of the infrared sensor is as low as about 1/80 that of the CMOS sensor. The signal voltage to be handled is also a low voltage of about 1/80.
[0014]
Therefore, considering that the sensor output is processed by a circuit similar to a CMOS sensor that is a general image sensor, a column amplification circuit using a gate modulation integration circuit having a gain of about 80 times is required.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to read out the temperature information of the thermoelectric conversion part as an electric signal, the thermal infrared sensor often has to pass a current through the thermoelectric conversion part. There is a so-called self-heating problem that Joule heat is generated in the thermoelectric converter due to the bias current or bias voltage for reading the temperature information, and the thermoelectric converter is heated by the Joule heat.
[0016]
For example, when a thermoelectric conversion pixel is incorporated in a semiconductor substrate, the thermal conductance with the semiconductor substrate is a typical value of 10 -7 [W / K] The effect of self-heating in the pn junction type thermoelectric converter is that the number of pn junctions is 8, the bias current is 200 [μA], and the pixel selection period for signal readout is 25 [μs]. When the frame rate is calculated as 60 [fps], the temperature rises by about 30 [K]. This temperature rise is very large when compared with the above-mentioned temperature rise of 5 [mK] due to the incidence of infrared rays, and it can be seen that the solution of this self-heating problem is very important.
[0017]
An example of pixel temperature change (voltage: Vsig conversion) due to self-heating is shown in FIG. As is apparent from the figure, the pixel temperature rapidly rises due to the pixel selection in the row selection period, and after the pixel selection pulse is turned off, it is gradually cooled by the thermal time constant of the thermoelectric conversion unit.
[0018]
According to the above calculation, the temperature change due to self-heating is 30 [K], and the temperature signal due to infrared incidence of only about 5 [mK] is at a level lower than the thickness of the curve in FIG. As a result, in a general column amplifier circuit connected to a signal line, a weak current flows at the initial stage of pixel selection, and the amount of signal current increases with time due to self-heating during pixel selection. In addition, most of the current component is a temperature information current caused by self-heating, that is, a noise current.
[0019]
An outline of the charges integrated and accumulated in the storage capacitor on the output side of the column amplifier circuit is schematically shown in FIG. 12 as a potential well diagram of the storage capacitor. As is apparent from the figure, most of the accumulated charge is charge Q due to self-heating. SH The signal charge Qsig is slight.
[0020]
The figure also shows that as a result of the temperature change due to self-heating, the current in the second half of the pixel selection period is large, and as a result, information from the latter half of the pixel selection period is weighted. As a result, the effective sampling time is shortened, and the signal band is expanded, thereby causing an increase in random noise.
[0021]
X. Gu, et al. Have reported a method for avoiding the above-mentioned self-heating problem by constructing a bridge circuit when using a bolometer based on the temperature change of electrical resistance. X. Gu, et al., Sensors and Actuators A, Vol.69, p.92, 1998).
[0022]
They arrange reference insensitive pixels with the same heat capacity and low thermal resistance for each column, construct a bridge circuit, and perform differential amplification.
[0023]
This is a method utilizing the fact that the temperature rise due to self-heating in the pixel selection period, which is a very short time with respect to the thermal time constant, is mainly governed by the heat capacity.
[0024]
However, although this method has an effect of reducing the influence of self-heating, it is an approximate solution to the self-heating problem, and it cannot be said that the self-heating problem has been completely solved.
[0025]
In order to solve the strict self-heating problem, it is necessary to arrange the reference insensitive pixels one-to-one with respect to each sensitive pixel. Therefore, in an image sensor in which the pixels are laid out two-dimensionally. There is no real solution.
[0026]
This is because disposing the reference insensitive pixels constituting the bridge circuit in each pixel means that if the pixel size is the same, the demerit that the sensitivity is reduced to 1/2 or less occurs. Self-heating cancellation by a bridge circuit is not effective because of the advantages and disadvantages of the effects of solving the heating problem.
[0027]
In addition, this self-heating problem is not solved in a thermoelectric conversion pixel using a column amplifier circuit related to the technical field of the present invention, for example, a pn junction type infrared sensor. An object of the present invention is to solve such problems.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
The first of the present invention is arranged in a matrix of a plurality of rows and columns, and a plurality of thermoelectric conversion pixels that take out heat generated by absorbing incident infrared light as thermoelectric conversion and change in resistance value;
A plurality of selection lines respectively connected to either one of each row or each column of the thermoelectric conversion pixels;
A plurality of signal lines respectively connected to the other of each row or each column of the thermoelectric conversion pixels;
Pixel selection means for generating a voltage output signal on the signal line by selectively applying a read voltage to the thermoelectric conversion pixel for each selection line connected to each of the selection lines;
An output signal amplifying means having a first input means and a second input means, wherein the first input means is connected to each signal line to amplify a voltage output signal from the thermoelectric conversion pixel;
A waveform connected to the second input means of the output signal amplifying means to cancel or reduce a voltage component included in the voltage signal due to a resistance change component accompanying self-heating generated by the read current in the thermoelectric conversion pixel. Compensation voltage applying means for applying a voltage in synchronization with the read voltage;
In an infrared sensor device comprising:
[0029]
The second of the present invention is a two-dimensional array on a semiconductor substrate, for absorbing incident infrared light and converting it into heat, and for converting a temperature change caused by heat generated in the absorption part into an electrical signal. A thermoelectric conversion pixel having thermoelectric conversion means;
A pixel selecting unit that is connected to the thermoelectric conversion pixel and selects the thermoelectric conversion pixel for reading a signal from the thermoelectric conversion pixel;
Pixel signal readout means for reading out signals from the thermoelectric conversion pixels selected by the pixel selection means;
Output means for outputting the signal read by the pixel signal reading means;
An infrared sensor device comprising:
The pixel readout means includes an amplifier circuit that amplifies a signal from the thermoelectric conversion pixel, the amplifier circuit has a MOS transistor, and at least the signal from the thermoelectric conversion pixel is applied to the gate of the MOS transistor as a voltage signal. Entered,
An infrared sensor device comprising: means for applying a ramp waveform voltage or a step waveform voltage synchronized with a pixel selection timing of the pixel selection means to a source of the MOS transistor so as to suppress an increase in the voltage signal It is in.
[0030]
According to the present invention, in the thermal infrared sensor, in order to solve the self-heating problem of the thermoelectric conversion unit due to Joule heat generated with pixel selection, the voltage signal from the thermoelectric conversion unit is input to the gate. A ramp waveform voltage or a step waveform voltage synchronized with the pixel selection pulse is applied to the source of the amplifying MOS transistor. As a result, the self-heating component voltage can be removed from the gate-source voltage Vgs of the amplification transistor, and an infrared sensor with high sensitivity, low noise, and wide dynamic range can be obtained.
[0031]
Furthermore, according to the present invention, a plurality of voltage generators are alternately operated every time one or more rows of pixels are selected, and a pulse waveform voltage having an appropriately long time constant is applied to the source of the MOS transistor. Thus, it is possible to remove the self-heating component voltage from the gate-source voltage: Vgs of the amplification transistor in the same manner as the ramp waveform voltage is applied, and an infrared sensor device with high sensitivity, low noise, and wide dynamic range can be obtained. it can.
[0032]
Further, according to the present invention, the insensitive pixel column having one or more thermally separated insensitive pixels arranged in each row is provided, and a voltage based on the output voltage from the insensitive pixel column is used as the amplification transistor. The self-heating component voltage can be removed from the gate-source voltage: Vgs of the amplification transistor in the same manner as the ramp waveform voltage is applied to the source of the high-sensitivity, low noise, wide dynamic range infrared sensor device Can be obtained.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of an infrared sensor device according to a first embodiment of the present invention, and shows a two-dimensional matrix configuration of m × n pixels of m rows and n columns (m and n are natural numbers of 2 or more).
[0034]
An infrared detection thermoelectric conversion pixel 1 that converts incident infrared light into an electrical signal is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate 2 to form an imaging region 3. Inside the imaging region 3, row selection lines 4 (4-1, 4-2...) And vertical column signal lines 5 (5-1, 5-2...) Are arranged. For pixel selection, a row selection circuit 40 and a column selection circuit 70 are arranged adjacent to each other in the row direction and the column direction of the imaging region 3, and are connected to the row selection line 4 and the column selection line 7, respectively.
[0035]
As the constant current source 80 for obtaining the pixel output voltage, load MOS transistors 8-1, 8-2... Are connected to the column signal line 5 of each column.
[0036]
In FIG. 1, the substrate voltage: Vs is applied to the source of the load MOS transistor. However, the source voltage can be adjusted as necessary, which is more preferable.
[0037]
In the row selected by the row selection circuit 40, the power supply voltage Vd is applied to the row selection line 4-4, for example, 4-1, and Vs is applied to the row selection line not selected by the row selection circuit 40. As a result, the pn junction region 115 inside the thermoelectric conversion pixel 1 in the selected row 4-1 becomes a forward bias and a bias current flows, and the operating point is determined by the temperature of the pn junction inside the pixel and the forward bias current, A pixel signal output voltage is generated on the column signal lines 5-1 and 5-2 of each column. At this time, the pn junction regions 115a of the pixels not selected by the selection circuit 40 are reverse-biased. That is, the pn junction inside the pixel has a pixel selection function.
[0038]
The voltage generated in the column signal line 5 is extremely low, and the ratio of the subject temperature change: dTs to the pixel temperature change: dTd is 5 × 10. -3 Assuming that this value and the pn junction of the pixel are 8 pn junctions connected in series, the thermoelectric conversion sensitivity: dV / dTd = 10 [mV / K], and when dTs = 0.1 [K] It can be seen that it is only 5 [μV].
[0039]
Therefore, in order to recognize this subject temperature difference, it is necessary to reduce the noise generated in the column signal line to 5 [μV] or less. The value of this noise is as low as about 1/80 of the noise of a CMOS sensor which is a MOS type visible light image sensor.
A column amplifier circuit 9 is connected between the signal lines 5-1 and 5-2 and the column selection transistor group 60, and each signal line is connected to the gate 10 g of the amplification MOS transistor 10 of the amplifier circuit. A storage capacitor 12 for integrating and storing the signal current amplified is connected to the drain 10d side of the MOS transistor 10. The accumulation time for integrating the signal current is determined by the row selection pulse applied to the row selection line 4 by the row selection circuit 40.
[0040]
The storage capacitor 12 is connected to a reset transistor 14 for resetting the voltage of the storage capacitor, and the reset operation is performed after the signal voltage is read by the column selection transistor 6. Terminal 24 is an output terminal.
[0041]
2A and 2B illustrate the structure of the infrared detection thermoelectric conversion pixel 1 according to the present embodiment. FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a cross-sectional view. The thermoelectric conversion pixel 1 including the pn junction region 115 for thermoelectric conversion is formed on the hollow structure 107 formed inside the single crystal silicon semiconductor substrate 106 and the infrared absorption portions 118 and 120 and for thermoelectric conversion. It comprises a pn junction region 115 inside the SOI layer 108, a wiring 117 connecting them, and a thermoelectric conversion part 110 of a buried silicon oxide film layer 114 that supports the SOI layer 108. In the figure, a diode structure in which two pn junction regions are arranged is shown for explanation. Further, the support unit 111 for supporting the pixel 1 via the hollow bottom portion 107 and the hollow side portion 119 having a hollow structure and outputting an electric signal from the pixel 1, the pixel 1, the column signal line 5, and the row selection line. 4 comprises a connecting portion (not shown) for connecting to 4. By providing the pixel 1 and the support portion 111 on the hollow structure 107, the heat dissipation of the pixel is slow, and the temperature of the element 1 is efficiently modulated by incident infrared rays.
[0042]
A manufacturing method for realizing such a structure is described in detail in prior patent applications relating to the inventors' invention, such as Japanese Patent Application No. 2000-298277 and Japanese Patent Application No. 2000-095678.
[0043]
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a voltage generator 300 is mounted on a semiconductor substrate. The voltage generator 300 is connected to a row selection circuit 40 at a terminal 21 and a row selection pulse is received. When input, a ramp waveform voltage as shown in FIG. 3 synchronized with the row selection pulse is generated in the row selection period, and the source voltage of the source 10s of the amplification transistor 10 in the column amplifier circuit 9 is supplied as an input. It is.
The temperature increase due to the self-heating of the pixel already described is shown in FIG. 11, and the thermal time constant of this temperature increase is determined by the thermal separation of the thermoelectric conversion pixel 1 and is generally on the order of [ms].
[0044]
On the other hand, as shown in FIG. 11, since the row selection period is on the order of [μs], it is very short compared to the thermal time constant, and in fact, linear approximation is sufficiently possible in this row selection period. Therefore, the voltage of the self-heating component generated in the column signal line 5 applied to the gate 10g of the amplification transistor 10 is canceled and canceled by applying the above ramp waveform voltage to the source 10s of the amplification transistor 10, so that Only the signal of the temperature change component due to the incident can be amplified.
[0045]
As a result, the operating point of the amplifying transistor 10 is optimized, current amplification of only the signal component having no self-heating component is possible, gain can be improved, and random noise due to band expansion increases. There is no end to it. Therefore, an infrared sensor having high sensitivity, low noise, and a wide dynamic range can be obtained.
[0046]
In the second embodiment of the present invention, a voltage generator 300 for generating a step waveform voltage in FIG. 1 is mounted on a semiconductor substrate. The voltage generator 300 receives a row selection pulse from the row selection circuit 40. By inputting, a step waveform voltage synchronized with the row selection pulse is generated as shown in FIG. 4 and supplied as the source voltage of the amplification transistor 10 in the column amplifier circuit 9 as the second input.
[0047]
In order to generate the step waveform voltage, for example, a D / A conversion circuit can be used. By setting the number of bits appropriately, an effect substantially equivalent to the case where the ramp waveform voltage is applied is obtained. be able to. In addition, there is an advantage that the waveform line can be finely adjusted.
[0048]
Therefore, as in the first embodiment, the voltage of the self-heating component applied to the gate of the amplification transistor 10 as the first input and generated in the column signal line 5 is differentially described in a direction to suppress the increase. Is applied to the source of the amplifying transistor 10, and only the signal of the temperature change component due to the incidence of infrared light can be amplified.
[0049]
As a result, the operating point of the amplifying transistor 10 is optimized, current amplification of only the signal component without the self-heating component is possible, gain can be improved, and random noise due to the aforementioned band expansion increases. There is no end to it. Therefore, an infrared sensor having high sensitivity, low noise, and a wide dynamic range can be obtained.
[0050]
Furthermore, as a modification of the first and second embodiments, the voltage generator 300 can be mounted outside the semiconductor substrate. The voltage generator 300 generates a ramp waveform or a step waveform voltage synchronized with the row selection pulse as shown in FIGS. 3 and 4 by inputting the row selection pulse from the row selection circuit 40 from the row selection pulse output unit 21. Then, the source voltage of the amplification transistor 10 in the column amplifier circuit 9 is supplied to the amplification transistor source voltage input unit 22 on the semiconductor substrate via the wiring 23.
[0051]
Therefore, as in the first and second embodiments, the voltage of the self-heating component generated in the column signal line 5 applied to the gate of the amplification transistor 10 applies the above step waveform voltage to the source 10 s of the amplification transistor 10. By doing so, it becomes possible to amplify only the signal of the temperature change component due to the incidence of infrared rays.
[0052]
As a result, the operating point of the amplifying transistor 10 is optimized, current amplification of only the signal component without the self-heating component is possible, gain can be improved, and random noise due to the aforementioned band expansion increases. There is no end to it.
[0053]
Next, a third embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1 denote the same parts. This embodiment is the same as the configuration shown in FIG. 1 except that the voltage generator 301 generates a rectangular wave voltage and an integration circuit 302 is disposed between the source voltage input terminals 22 of the amplification transistors. This voltage generator 301 is mounted inside the semiconductor substrate, and the rectangular wave voltage V1 synchronized with the row selection pulse by inputting the row selection pulse from the row selection circuit 40 from the row selection pulse output unit 21 (FIG. 6A). Is generated.
[0054]
In the present embodiment, an integration circuit 302 including an electric capacitance 303 is provided on the wiring 23 between the voltage generator 301 and the amplification transistor source voltage input unit 22 on the semiconductor substrate. As shown in FIG. 6A, when a rectangular wave voltage pulse V1 synchronized with the row selection pulse is input to the integrating circuit 302, the integrating circuit 302 becomes the integrated waveform voltage V2 shown in FIG. The source voltage of the amplification transistor 10 in the column amplifier circuit 9 is supplied to the upper amplification transistor source voltage input unit 22. This integral ramp waveform can be approximated to the voltage of the self-heating component included in the input signal of the amplification transistor, and therefore is applied to the gate 10g of the amplification transistor 10 as in the first and second embodiments. The voltage of the self-heating component generated in the column signal line 5 is canceled by applying the above integrated waveform voltage to the source of the amplification transistor 10, and only the signal of the temperature change component due to the incidence of infrared light can be amplified. .
[0055]
As a result, the operating point of the amplifying transistor 10 is optimized, current amplification of only the signal component without the self-heating component is possible, gain can be improved, and random noise due to the aforementioned band expansion increases. There is no end to it.
[0056]
As a modification of the third embodiment, the voltage generator 301 and the integration circuit 302 can be mounted outside the sensor chip.
[0057]
7 and 8 show a fourth embodiment. 1 denote the same parts. In this embodiment, the pixels are grouped every other row into two groups, for example, divided into two groups of odd rows and even rows, and the first group of voltage generators 304 and the second group of voltage generators 305 are operated alternately. It is something to be made. In this embodiment, a sampling hold (S / H) circuit for 1H period is added for the purpose of reducing random noise, and most of the 1H period is driven as a row selection period, that is, a pixel selection period as shown in FIG.
[0058]
Alternatively, a circuit configuration in which the signal charge accumulated by the column amplification operation is moved to the added sample and hold circuit and output at a timing delayed by one row is also possible. In this case, all rows are the same. Processing by the circuit is more preferable because generation of fixed pattern noise such as so-called horizontal stripes every other line can be suppressed.
[0059]
In the case of such driving, depending on the time constant set by the additional capacitance, the non-selection period t1 of the pixel selection pulses in two consecutive rows is short, so that amplification on the semiconductor substrate is performed as shown in FIG. The voltage Vs ′ at the transistor source voltage input section is not sufficiently lowered as Vs ″, and the transistor does not operate normally.
[0060]
Therefore, in that case, a plurality of voltage generators 304 and 305 corresponding to the two groups are provided, and a plurality of amplification transistor source voltage input units 22 are provided to perform switching every other row. As a result, when two voltage generators 304 and 305 are provided, the voltage Vs having the waveform shown in FIGS. 8B and 8C is alternately output every other row, and also inside the sensor chip. The voltages Vs and Vs shown in FIGS. 8B and 8C are supplied as the source voltage of the amplification transistor in the column amplifier circuit 90 every other row.
[0061]
Therefore, as in the first to third embodiments, the voltage of the self-heating component generated in the column signal line 5 applied to the gate 10g of the amplification transistor 10 is the above step waveform voltage applied to the source 10s of the amplification transistor 10. It is canceled out by the application, and it becomes possible to amplify only the signal of the temperature change component due to the incident infrared rays.
[0062]
As a result, the operating point of the amplifying transistor 10 is optimized, current amplification of only the signal component without the self-heating component is possible, gain can be improved, and random noise due to the aforementioned band expansion increases. There is no end to it. Therefore, an infrared sensor having high sensitivity, low noise, and a wide dynamic range can be obtained.
[0063]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10. The thermoelectric conversion pixel 1 is the same as the hollow support structure of the pn junction region described in FIG. 2, and also includes a constant current source 80 using a load transistor, a row selection circuit 40, a row selection line 4, a column selection circuit 70, Since the column signal line 5, the column selection transistor group 60, the column amplifier circuit group 90, and the like are the same as those in FIG. 1, the description thereof is omitted.
[0064]
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the last column of the pixel matrix is provided as a thermal separation insensitive pixel column 500, and the thermal separation insensitive pixels 501 are distributed and provided in each row. The structure of the thermal separation insensitive pixel 501 is almost the same as the pixel structure of FIG. 2 as shown in FIG. 10, but the infrared reflection layer 130 of a metal film such as aluminum is provided on the infrared absorption layer 118 only. Is different.
[0065]
In this heat-separated insensitive pixel 501, the incident infrared light is reflected by the infrared reflection layer 130, and a temperature change due to the incidence of infrared light does not occur, and only a self-heating signal based on pixel selection is output to the column signal line 502.
[0066]
The column signal line output from the thermal separation insensitive pixel column 500 is converted into the source voltage of the amplification transistor 10 (see FIG. 1) in the column amplification circuit 90 via the source follower circuit 400 as shown in FIG. It becomes possible to supply as.
[0067]
Needless to say, the operating point can be optimized by appropriately adjusting the voltages at the terminals 401 and 402 of the source follower circuit. Therefore, as in the first to fourth embodiments, the voltage of the self-heating component generated in the column signal line 5 in the output signal applied to the gate of the amplification transistor 10 is the waveform voltage of the column signal line. Application to the source input section 22 of the amplifying transistor 10 cancels out with high accuracy, and it becomes possible to amplify only a signal of a temperature change component due to infrared incidence. By mounting insensitive pixels on the same semiconductor substrate, the self-heating component is output as a voltage having almost the same tendency, so that the obtained waveform can be applied as it is.
[0068]
As a result, the operating point of the amplifying transistor 10 is optimized, current amplification of only the signal component without the self-heating component is possible, gain can be improved, and random noise due to the aforementioned band expansion increases. There is no end to it. Therefore, an infrared sensor having high sensitivity, low noise, and a wide dynamic range can be obtained.
[0069]
Note that although FIG. 9 illustrates the case where the one-stage source follower circuit 400 is provided, it can be changed to a plurality of stages of source follower circuits as necessary.
[0070]
Further, the circuit 400 is not limited to the source follower circuit, and can be appropriately changed as long as it does not affect the thermal separation insensitive pixel column signal line output voltage.
[0071]
As described above, the present invention has been described by using the column amplifier circuit configured as a single amplifier MOS transistor having the first input as the gate and the second input as the source as the output signal amplifier according to the embodiment. Since this amplifier circuit has a simple configuration, it is preferable for manufacturing. However, other amplifier circuits such as a differential amplifier can be used as long as they have two inputs.
[0072]
Further, the thermoelectric conversion pixel has been described using a pn junction in the present embodiment, but the present invention is not limited thereto, and an infrared sensor device including a thermoelectric conversion pixel using a bolometer such as vanadium oxide, for example. It is also applicable to.
[0073]
In that case, it goes without saying that a selection transistor for pixel selection is required in each pixel.
[0074]
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0075]
【The invention's effect】
According to the present invention, a thermal infrared sensor having high sensitivity, low noise, and a wide dynamic range can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of first and second embodiments of the present invention.
FIGS. 2A and 2B illustrate a thermoelectric conversion pixel according to first and second embodiments, in which FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIGS. 3A and 3B are waveform diagrams illustrating the first embodiment. FIG.
FIGS. 4A and 4B are waveform diagrams illustrating a second embodiment.
FIG. 5 is a configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
FIGS. 6A and 6B are waveform diagrams illustrating a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIGS. 8A, 8B, and 8C are waveform diagrams illustrating a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a fifth embodiment of the present invention.
FIGS. 10A and 10B illustrate a thermoelectric conversion pixel according to a fifth embodiment, in which FIG. 10A is a plan view and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 11 is a diagram for explaining how the pixel temperature Td and the output signal voltage Vsig change suddenly due to self-heating in the row selection period, and the pixel temperature returns to the original state over one frame period.
FIG. 12 shows a signal charge Qsig and noise charge Q caused by self-heating in the storage capacitor in the column amplifier circuit. SH Is a potential well diagram schematically showing a state of being accumulated during the pixel selection period.
[Explanation of symbols]
1 ... Thermoelectric conversion pixel
2 ... Semiconductor substrate
3 ... Imaging area
4 ... Row selection line
5 ... Column signal line
6 ... Column selection transistor
7 ... Column selection line
8 ... Load transistor
9 ... Column amplification circuit
10 ... MOS amplification transistor
12 ... Storage capacity
14 ... Reset transistor
21 ... Pixel selection pulse output section
22 ... Source voltage input section of amplification transistor
23 ... Wiring
24 ... Signal output section
40. Row selection circuit
60: Column selection transistor group
70 ... Column selection circuit
80 ... Constant current circuit
90 ... column transistor group
106: Semiconductor substrate
107: hollow bottom
108 ... SOI layer
110 ... thermoelectric conversion part
111 ... Support legs
114 ... buried oxide film
115 ... pn junction region
117 ... Wiring
118 ... Infrared absorbing part
119: Hollow side part
120: Infrared absorber
130: Infrared reflective layer
300 ... Voltage generator
400: Source follower circuit
401: Source follower circuit terminal
402: Source follower circuit terminal
500 ... Thermal separation insensitive pixel array
501 ... Thermal separation insensitive pixel

Claims (9)

半導体基板上に二次元配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有する熱電変換画素と、前記熱電変換画素に接続され、この熱電変換画素からの信号を読み出すための、A thermoelectric device that is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and has an infrared absorber for absorbing incident infrared light and converting it into heat, and thermoelectric conversion means for converting a temperature change caused by the heat generated in the absorber into an electrical signal. A conversion pixel, connected to the thermoelectric conversion pixel, for reading a signal from the thermoelectric conversion pixel, 前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を読み出す画素信号読み出し手段と、画素信号読み出し手段により読み出された前記信号を出力するための出力手段と、を有する赤外線センサ装置であって、前記画素信号読み出し手段は、前記熱電変換画素からの信号を増幅する増幅回路を含み、この増幅回路はMOSトランジスタを有し、少なくとも前記熱電変換画素からの出力信号が電圧信号として、前記MOSトランジスタのゲートに入力され、前記MOSトランジスタのソースに、前記画素選択手段の画素選択タイミングと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を前記電圧信号の増加を抑えるように印加する手段とを具備することを特徴とする赤外線センサ装置。Pixel selection means for selecting the thermoelectric conversion pixel, pixel signal reading means for reading a signal from the thermoelectric conversion pixel selected by the pixel selection means, and outputting the signal read by the pixel signal reading means Output means, wherein the pixel signal readout means includes an amplifier circuit for amplifying a signal from the thermoelectric conversion pixel, the amplifier circuit having a MOS transistor, and at least the thermoelectric conversion An output signal from the pixel is input as a voltage signal to the gate of the MOS transistor, and a ramp waveform voltage or a step waveform voltage synchronized with the pixel selection timing of the pixel selection means is added to the source of the MOS transistor. And an infrared sensor device characterized by comprising: . 前記ランプ波形電圧またはステップ波形電圧を印加する手段として、前記画素選択手段からの画素選択パルスと同期してランプ波形電圧またはステップ波形電圧を発生する電圧発生器が、前記半導体基板上に形成されてなることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサ装置。As a means for applying the ramp waveform voltage or the step waveform voltage, a voltage generator for generating a ramp waveform voltage or a step waveform voltage in synchronization with a pixel selection pulse from the pixel selection means is formed on the semiconductor substrate. The infrared sensor device according to claim 1, wherein 前記ランプ電圧またはステップ波形電圧を印加する手段として、前記画素選択手段からの画素選択パルスと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を発生する電圧発生器を、前記半導体基板外に具備してなることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサ装置。As means for applying the ramp voltage or step waveform voltage, a voltage generator for generating a ramp waveform voltage or step waveform voltage synchronized with a pixel selection pulse from the pixel selection means is provided outside the semiconductor substrate. The infrared sensor device according to claim 1. 前記画素選択手段は画素選択パルス出力端子を備え、そのパルス出力に同期して矩形波電圧を発生する電圧発生器を半導体基板外に具備してなり、この電圧発生器から出力される矩形波電圧を前記ソースに入力し、前記電圧発生器の出力端子と前記ソース間の電流経路には、少なくとも一つの電気容量を含む積分回路が付加されてなることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサ装置。The pixel selection means includes a pixel selection pulse output terminal, and a voltage generator that generates a rectangular wave voltage in synchronization with the pulse output is provided outside the semiconductor substrate. A rectangular wave voltage output from the voltage generator is provided. 2. The infrared sensor according to claim 1, wherein an integrating circuit including at least one electric capacitance is added to a current path between the output terminal of the voltage generator and the source. apparatus. 前記電圧発生器を複数個有することを特徴とする請求項4記載の赤外線センサ装置。The infrared sensor device according to claim 4, comprising a plurality of the voltage generators. 半導体基板上に複数行および複数列の二次元的に配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有し、前記赤外線吸収部と前記熱電変換部とを前記半導体基板内部に形成される中空構造上に支持するための支持構造を有する熱電変換画素を備え、前記支持構造には、少なくとも前記熱電変換部からの信号を読み出すための配線が含まれており、この配線は行選択線と列信号線に接続され、前記熱電変換画素からの信号を読み出すための画素選択パルスを各前記行選択線に印加して前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を各前記列信号線から読み出すための画素信号読み出し手段と、この読み出し手段により読み出された前記熱電変換画素からの信号を出力するための出力手段と、を有する赤外線センサ装置であって、前記画素読み出し手段は前記熱電変換画素からの信号を増幅するMOSトランジスタ増幅回路を含み、この増幅回路は少なくとも前記熱電変換画素からの信号を電圧信号として、前記MOSトランジスタのゲートに与えることで電流変調をおこなう回路を含み、光学的に赤外線感度の無く、かつ前記中空構造上に前記支持脚により支持されている熱分離無感度画素を前記半導体基板上で各行に少なくともひとつ具備してなり、この熱分離無感度画素は無感度画素列として配置され、この無感度画素列の前記列信号線に発生する無感度列信号線電圧を基準とした電圧を、前記MOSトランジスタのソースに入力する手段を具備してなることを特徴とした赤外線センサ装置。Two-dimensionally arranged in multiple rows and columns on a semiconductor substrate to absorb incident infrared light and convert it into heat, and to convert temperature changes due to heat generated in this absorption portion into electrical signals A thermoelectric conversion pixel, and a thermoelectric conversion pixel having a support structure for supporting the infrared absorption part and the thermoelectric conversion part on a hollow structure formed inside the semiconductor substrate. Includes at least a wiring for reading a signal from the thermoelectric conversion unit, and the wiring is connected to a row selection line and a column signal line, and a pixel selection pulse for reading a signal from the thermoelectric conversion pixel is received. Pixel selection means for selecting the thermoelectric conversion pixels by applying to each row selection line, and pixels for reading signals from the thermoelectric conversion pixels selected by the pixel selection means from the column signal lines An infrared sensor device comprising: a signal reading means; and an output means for outputting a signal from the thermoelectric conversion pixel read by the reading means, wherein the pixel reading means is a signal from the thermoelectric conversion pixel. A circuit for performing current modulation by applying at least a signal from the thermoelectric conversion pixel as a voltage signal to the gate of the MOS transistor, and optically infrared-sensitive. In addition, at least one thermal separation insensitive pixel supported by the support leg on the hollow structure is provided in each row on the semiconductor substrate, and the thermal separation insensitive pixel is arranged as an insensitive pixel column. A voltage based on the insensitive column signal line voltage generated in the column signal line of the insensitive pixel column Infrared sensor device characterized by comprising comprises a means for inputting the source of register. 前記熱分離無感度画素から発生した基準電圧を入力とする、すくなくとも一段のソースフォロアー回路を具備してなり、このソースフォロア−回路出力を前記MOSトランジスタのソースに入力することを特徴とする請求項6記載の赤外線センサ装置。2. A source follower circuit having at least one stage of a reference voltage generated from the thermal separation insensitive pixel as an input, and an output of the source follower circuit being input to a source of the MOS transistor. 6. The infrared sensor device according to 6. 前記熱分離無感度画素は前記熱電変換画素内部の赤外線吸収部の表面に赤The thermal separation insensitive pixel is red on the surface of the infrared absorption part inside the thermoelectric conversion pixel. 外線反射層を形成してなることを特徴とする請求項6記載の赤外線センサ装置。The infrared sensor device according to claim 6, further comprising an external reflection layer. 半導体基板上に二次元的に配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換部とを有し、前記熱電変換部を前記半導体基板内部に形成される中空構造上に支持するための支持構造を有する熱電変換画素を備え、前記支持構造には、少なくとも前記熱電変換部からの信号を読み出すための配線が含まれており、前記熱電変換画素からの信号を読み出すための、前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を読み出すための画素信号読み出し手段と、この読み出し手段により読み出された前記熱電変換画素からの信号を出力するための出力手段と、を具備してなり、前記画素読み出し手段は、前記熱電変換画素からの信号を増幅するMOSトランジスタ増幅回路を含み、この増幅回路は、少なくとも前記熱電変換画素からの信号を電圧信号として、MOSトランジスタのゲートに与えることで、電流変調をおこなう回路を含む回路である赤外線センサの駆動方法であって、前記MOSトランジスタのソースに前記熱電変換画素の選択パルスと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を印加することを特徴とする赤外線センサ装置の駆動方法。An infrared absorption part arranged two-dimensionally on a semiconductor substrate for absorbing incident infrared light and converting it into heat, and a thermoelectric conversion part for converting a temperature change caused by heat generated in the absorption part into an electrical signal A thermoelectric conversion pixel having a support structure for supporting the thermoelectric conversion unit on a hollow structure formed inside the semiconductor substrate, and reading at least signals from the thermoelectric conversion unit to the support structure Wiring for including a pixel selection means for selecting the thermoelectric conversion pixel for reading a signal from the thermoelectric conversion pixel, and reading a signal from the thermoelectric conversion pixel selected by the pixel selection means A pixel signal reading means for outputting the pixel signal, and an output means for outputting a signal from the thermoelectric conversion pixel read by the reading means. The means includes a MOS transistor amplifying circuit for amplifying a signal from the thermoelectric conversion pixel, and the amplifying circuit performs current modulation by applying at least a signal from the thermoelectric conversion pixel as a voltage signal to the gate of the MOS transistor. A method of driving an infrared sensor which is a circuit including a circuit for performing an infrared sensor, wherein a ramp waveform voltage or a step waveform voltage synchronized with a selection pulse of the thermoelectric conversion pixel is applied to a source of the MOS transistor. Driving method.
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