JP4071122B2 - Thermal infrared solid-state image sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、入射赤外線による温度変化を2次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関し、特に、半導体センサからの電気信号を信号処理回路にて積分処理した後に出力する熱型赤外線固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱構造を有する画素を2次元に配列し、入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサには、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素や酸化バナジウム等のボロメータの他、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子を用いたものが知られている。ダイオード等の半導体素子は、電気特性や温度依存性のバラツキが固体間で非常に小さいため、各画素の特性を均一にする上で有利である。
【0003】
ダイオードを画素に用いた熱型赤外線固体撮像素子では、画素は2次元に配列されており、行ごとに駆動線によって接続され、列ごとに信号線によって接続されている。垂直走査回路とスイッチにより各駆動線が順番に選択され、選択された駆動線を介して電源から画素に通電される。画素の出力は信号線を介して積分回路に伝えられ、積分回路で積分及び増幅され、水平走査回路とスイッチによって順次出力端子へ出力される(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
【非特許文献1】
石川等、「従来のシリコンICプロセスを用いた低コスト320×240非冷却IRFPA」、Part of the SPIE Conference on infrared Technology and Applications XXV、1999年4月発行、Vol.3698、p.556頁から564頁
【0005】
【解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の熱型赤外線固体撮像素子では以下のような問題があった。
まず、画素のレスポンスには赤外光のレスポンス以外に素子温度変化によるレスポンスも含まれるため、素子温度制御を精密に行わないと、画像信号が素子温度変化とともにドリフトする現象が現れ、安定した画像取得ができない問題がある。即ち、画素を完全に断熱して赤外線による温度変化だけを検出することが理想であるが、実際には、基板の温度変化に伴って画素温度もある程度変化してしまう。このため、検出動作を行っているときに、赤外線撮像装置の環境温度が変化すると、その影響によって画素から読み取られる電圧も変化する。この環境温度の変化による出力信号の変動は、入射赤外線による変化と区別がつかないため、赤外線の測定精度が低下し、安定した画像取得ができない、という問題が生じる。
【0006】
また、素子の最終的な出力信号が画素を駆動する電源の電圧変動の影響を直接受けるため、出力信号が不安定となり易い。例えば、画素を定電流駆動させて画素の両端電圧の変化を信号として積分回路に読み出す場合、画素を駆動している電源自身の電圧が変動すると読み出される電圧も同じだけ変動するため、最終的に出力される信号の大きさも変動してしまう。
【0007】
一方、これらの温度ドリフトや電源ドリフトを防止するために、電源の回路構成の変更、画素構造の改良、信号読出し回路への補正回路の追加等、種々の手段をとることが考えられる。しかし、回路構成や画素構造が複雑になると、熱型赤外線固体撮像素子の小型化、高集積化が困難となり、製造コストも増加する。
【0008】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な回路構成を有しながら、電源電圧変動や素子温度変動による出力変動が少なく、安定した画像取得が可能な熱型赤外線固体撮像素子提供することも目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
1個のダイオード又は複数の直列接続されたダイオードを有すると共に断熱構造と赤外線吸収構造を備えた画素が、2次元状に配列されて成る画素エリアと、前記画素の陽極を行毎に共通接続した複数の駆動線と、前記画素の陰極を列毎に共通接続すると共に、列毎の終端に第1の定電流化手段を備えた複数の信号線と、前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線に画素用電源を接続する垂直走査回路と、前記第1定電流化手段を備えた前記信号線の終端がゲートに接続されたMOSトランジスタと前記MOSトランジスタのドレインに接続されて周期的にリセットされる容量とから形成されるゲート変調積分回路と、前記ゲート変調積分回路の出力に接続されたサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路の出力を順次選択して外部に出力する水平駆動回路と、を備えた熱型赤外線固体撮像素子であって、
前記ゲート変調積分回路内にある前記MOSトランジスタは、バイアス線によってソースが列間で共通接続されており、前記バイアス線に、素子全体の温度に応じて変化する参照信号を出力可能な参照信号出力回路が接続され、
前記参照信号出力回路と前記バイアス線の間に低域通過フィルタを備えたことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子の回路構成を示す回路図である。複数個が直列接続されたダイオードを有し、赤外線吸収構造と断熱構造を備えた画素1が、2次元状に配列されて画素エリアを構成している。画素1の各行ごとに駆動線3が共通して接続されている。また、画素1の各列ごとに信号線12が共通して接続され、各信号線12の終端には定電流源2(=第1の定電流化手段)が接続されている。垂直走査回路4とスイッチ5によって、各行の駆動線3に順次電圧が印加され、画素1が各行毎に順次駆動される。そして、1行分の画素1が駆動されている間に、水平駆動回路8とスイッチ9によって各列の画素が順次選択され、画素1の出力が各列毎に設けられた積分回路7を介して出力端子10に順次読み出される。
【0011】
画素1への通電は選択された駆動線3を介して電源6によって行われる。画素1の陰極側に接続された信号線12の終端には定電流源2が備えられているため、画素1は定電流駆動となる。定電流電源2の両端電圧は、電源6の電圧から画素1の両端の電圧と配線中での電圧降下を引いた値となる。従って、定電流源2の両端電圧を、積分回路7で積分、増幅して出力として読み出すことにより、画素1の両端電圧の変化、即ち、画素1に入射した赤外線量の変化を検出することができる。
【0012】
図2に、積分回路7の回路構成を示す。MOSトランジスタ13は、積分トランジスタでゲートが入力端子になる。積分容量14は、トランジスタ15に接続されており、周期的にトランジスタ15によりリセットされる。バイアス線11からは積分トランジスタ13の動作点をきめるバイアス電圧が与えられる。積分トランジスタ13には、ゲートに入力された定電流源2の両端電圧に応じた電流が流れ、その電流により、トランジスタ15によって決められた積分時間の間、積分容量14が充電される。即ち、MOSトランジスタ13と積分容量14とで、ゲート変調積分回路が構成されている。この積分回路の出力は、サンプルホールド(S/H)回路16でサンプリングされ、バッファアンプ17を介して出力される。
【0013】
しかし、図2に示す積分回路7によって、定電流源2の両端電圧を単純に積分、増幅すると、素子温度変化や電源電圧の変動とともに画像信号がドリフトする現象が現れ、安定した画像取得ができなくなる。何故なら、画素1の両端電圧の変化には、入射した赤外線量の変化による変化分の他に、素子全体の温度変化による変化分と電源6の電圧変動による変化分が含まれており、これらのドリフト成分も同時に積分、増幅されるからである。
【0014】
そこで、本実施の形態では、ゲート変調積分回路7を構成する積分トランジスタ13のソースをバイアス線11によって共通接続すると共に、バイアス線11に、バイアス電源回路21を介して参照信号出力回路18を接続している。
【0015】
参照信号出力回路18は、参照画素19とその陰極側に直列接続された定電流源20(=第2の定電流化手段)から成り、素子全体の温度に応じて変化する参照信号を出力することができるよう構成されている。参照画素19は、断熱構造と赤外線吸収構造の少なくとも一方を有しないことを除いて画素1と実質的に同一の構造を有し、素子温度の変化のみを検出できるようになっている。また、定電流源20は、定電流源2と実質的に等しい電流が流れるように構成されている。この参照信号出力回路によって、素子全体の温度変動によるドリフト分を校正するための基準信号を出力することができる。即ち、素子全体の温度変動によって画素と定電流源2の接続点に現れる電圧変動は、参照画素19と定電流源20の接続点における電圧変動と略同一となる。
【0016】
また、バイアス電源回路21は、レベルシフト回路、低域通過フィルタ、バッファアンプを備えており、参照画素19の雑音成分を参照信号出力回路18の出力から除去すると共に、積分トランジスタ13に適切なバイアス電圧となるように参照信号出力回路18の出力電圧のレベルを調整する。
【0017】
こうして、積分トランジスタ13のソースに接続したバイアス線11には、素子全体の温度変動によるドリフト分を校正するための基準信号となり、かつ、積分トランジスタ13の動作点が適切となるような電圧レベルを持ったバイアスが入力される。従って、素子温度変動による画素両端電圧のドリフト分は、積分トランジスタ13のゲートとソースの両方に入力されることになり、積分トランジスタ13を流れる電流から、素子温度の変動によるドリフト分を除去することができる。
【0018】
また、本実施の形態では、参照信号出力回路18が、画素1を駆動する電源6によって駆動されている。即ち、参照信号出力回路18中の参照画素19の陽極が画素1を駆動する電源6に接続されている。このため、バイアス線11への入力は、電源電圧の変動によるドリフト分を校正するための基準信号ともなる。従って、電源6の電圧変動によるドリフト分も、積分トランジスタ13のゲートとソースの両方に入力されることになり、積分トランジスタ13を流れる電流から、電源電圧の変動によるドリフト分も除去することができる。
【0019】
このように、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子によれば、積分回路7のバイアス線11を共通接続し、参照信号出力回路18とバイアス電源回路21を設けただけの極めて簡易な回路構成により、素子温度と電源電圧の変動によるドリフト成分を除去し、安定した画像取得を行うことができる。
【0020】
以下、本実施の形態に係る熱型赤外線撮像素子の各構成部分について詳細に説明する。
〔画素1〕
図3(a)及び(b)は、画素構造の一例を模式的に示す断面図及び斜視図である。温度センサとなるPN接合ダイオード902は、2本の長い支持脚1101によってシリコン基板1102に設けられた中空部1103の上に支持されており、ダイオード902の電極配線1104が支持脚1101に埋め込まれている。中空部1103は、ダイオード902とシリコン基板1102との間の熱抵抗を高めて、断熱構造を形成している。
【0021】
ダイオード902は、基板1102と独立した層にする必要があるので、SOI基板を用いてSOI層上に形成されており、SOI層下の埋め込み酸化膜は中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造1106が、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、支持脚1101の上方に張り出した構造となっている。尚、図3(b)では下部の構造を判りやすくするため、図の前方の部分での赤外線吸収構造を除いて描いてある。
【0022】
画素1に赤外線が入射すると、赤外線吸収構造1106を含めた画素1の全体によって吸収され、その吸収によって生じた熱がPN接合ダイオード902に伝わる。PN接合ダイオード902の電流電圧特性は温度によって変化するため、PN接合ダイオードを定電流駆動して両端電圧をモニタすることにより、赤外線吸収量に応じた出力を得ることができる。熱型赤外線固体撮像素子では、画素1が2次元に多数配列されており、それらを順にアクセスしていく構造となっている。
【0023】
このような素子では画素間の特性均一性が重要である。ダイオードの順方向電圧やその温度依存性は固体間のバラツキが非常に小さく、熱型赤外線撮像素子にとって温度センサにダイオードをもちいることは特性均一性を図る上で特に有効である。PN接合ダイオードは、感度を高めるために複数個が直列に接続することが好ましい。また、PN接合ダイオードにボロメータ膜等の適当な感温性の抵抗体を接続することによって感度を高めても良い。
【0024】
〔参照信号出力回路〕
図1に示すように、参照信号出力回路18は、画素エリア外に設けられた参照画素19とそれに定電流を流す定電流源20が直列接続された構成となっており、定電流源20の両端電圧の差が出力される。参照画素19は、赤外線が入射する画素エリアの外であって、画素エリアと実質的に同一基板上に形成されていることが好ましい。また、参照画素19は、入射する赤外線に関係無く環境等による素子の温度変化だけを検出することができるように赤外線吸収構造あるいは断熱構造の何れか一方または両方を除いた構造となっている。断熱構造を有しない画素を形成するには、例えば、図3(a)及び(b)に示した検出器の構造において、基板1102に中空部1103を形成しないか、あるいは支持脚1101の長さを画素1に比べ充分短くすれば良い。また、赤外線吸収構造を有しない画素を形成するには、例えば、図3(a)及び(b)の画素1において赤外線吸収構造1106の形成を省略すれば良い。また、定電流源20の電流は画素1に対する定電流源2と実質等しい電流とすることが好ましい。参照信号出力回路18からは、赤外線吸収によらない素子の温度ドリフトを校正するための基準信号を出力することができる。
【0025】
〔バイアス電源回路〕
参照信号出力回路18の出力は、バイアス電源回路21を介して、バイアス線11に入力される。図4に、バイアス電源回路21の構成例を示す。図4の例において、バイアス電源回路21は、レベルシフト回路27、第1の低域通過フィルタ28a、バッファアンプ29、及び第2の低域通過フィルタ28bからなる。このバッファ電源回路21によって、参照信号出力回路18の出力は、レベルシフト回路27で適切な電圧レベルに変換された後、低域通過フィルタ28aで雑音除去され、バッファ29で電流駆動能力を上げ、再び低域通過フィルタ28bで雑音除去されたのち、バイアス線11に与えられる。
【0026】
レベルシフト回路27は、参照信号出力回路18の出力電圧を、積分トランジスタ13のバイアス電圧として適切な電圧レベルに変換するためのものである。レベルシフト回路27の一例を、図5に示す。図5はいわゆるソースフォロワアンプである。図5において、ドライバトランジスタ32のゲートが入力、ソースが出力になる。電流源33の電流値によりドライバトランジスタ32のゲート・ソース間電圧、すなわち入出力間のレベルシフト電圧を決めることが出来る。
【0027】
2つの低域通過フィルタ28a及び28bは、参照画素19と定電流源20の雑音をカットし温度ドリフト成分のみを抽出するためのものである。即ち、低域通過フィルタは、参照信号出力回路18を設けることによる雑音の増大を防止する役割を果たしている。一般に、高S/Nを目指す赤外線検出器では、電源系の雑音は電源回路で充分低減されており、検出部からの雑音が装置の雑音主成分となる。従って、同一構成の画素1と参照画素19の出力を積分回路7に入力すると、両者の雑音は無相関であるので、雑音は従来の√2倍になる。一方、環境温度変化による検出部出力変化や、環境温度変化に伴う電源回路特性変動による電源電圧の変化は、その変動が一般に秒オーダ以上の緩やかなものである。したがって、それをモニタするバイアス電圧出力回路の帯域は、赤外線を検出する信号ラインに必要な帯域にくらべて充分狭くてもよい。そこで、参照信号出力回路18の出力と積分トランジスタ13の入力端子の間に低域通過フィルタ28a及び28bを入れ、環境温度や電源回路のドリフト等による電圧変動のみを通過するようにすれば、参照信号出力回路18による雑音増加を抑制することができる。
【0028】
尚、このような赤外線固体撮像素子の画素にとっての雑音帯域幅の代表的な値は数KHzであるので、その1/100以下にカットオフ周波数をきめておけば良い。電源電圧変動及び温度変動の観点からは、その変動周期は早くて秒オーダであるから数Hzの帯域があれば十分である。また、本実施の形態では低域通過フィルタをバッファ29の前後に挿入しているが、何れか一方だけでもよい。
【0029】
低域通過フィルタ28a及び28bの回路構成例を、図6(a)及び(b)に示す。以下に示す構成は、バッファアンプ29の前後いずれの低域通過フィルタにも用いることができる。図6(a)の低域通過フィルタは、受動素子を用いたもので、抵抗もしくはリアクタンス30と容量31から成る。バッファアンプ29の後側に挿入する低域通過フィルタ28bとしては直流電圧降下がないリアクタンスの方が望ましい。一方、バッファアンプ29の手前側に設ける低域通過フィルタ28aとしては、フィルタとしての特性が得られ易い抵抗を用いる方が望ましい。また、抵抗30は、電源回路6の内部抵抗あるいはバッファアンプ29の内部抵抗で代用してもよい。
【0030】
図6(b)の低域通過フィルタは、能動素子である演算増幅器29を用いた積分回路であり、この回路構成も低域通過フィルタとして一般的であるので詳細な説明は省略する。
【0031】
本発明における低域通過フィルタ28a及び28bは、図6(a)及び(b)に例示するものに限定されるものではなく、他のフィルタ(例えば、スイッチトキャパシタ回路)を用いることもできる。また、低域通過フィルタは、バッファアンプ29の前後いずれか一方だけに設けても良いが、その場合はバッファアンプ29の前側のフィルタ(=フィルタ28a)を残すことが好ましい。バッファアンプ29の後側には大きな電流が流れるため、フィルタでの電圧降下がバイアス電圧の変動の原因となるからである。
【0032】
実施の形態2.
本実施の形態では、参照信号出力回路18として、図7に示す構成を用いる他は、実施の形態1と同様にして熱型赤外線固体撮像素子を構成する。図7は、参照画素19を複数個並列にし、その個数分だけ電流をました定電流源22を直列接続したものである。即ち、N個の参照画素19を並列に配置した場合には、定電流源2のN倍の電流を定電流源22によって流すようにする。熱型赤外線固体撮像素子の温度は、有限の大きさをもつ素子領域内で分布をもつことがあるので、複数の参照画素19を素子領域内に適当に分布設置すれば、その平均温度に反映した出力をとりだすことができる。
【0033】
実施の形態3.
また、実施の形態2と同様の目的は、参照信号出力回路18として、図8に示す構成を用いても実現できる。図8では、参照画素19と定電流源20が直列接続されたものを一組として、その組み合わせた構成そのものを素子領域内に適当に分布設置し、各々の出力を平均化回路23で平均化するものである。尚、定電流源20は、定電流源2と実質的に同一の電流を流すことが好ましい。平均化回路23は、演算増幅器を用いた周知の回路である加算回路と除算回路の組み合わせで実現できる。
【0034】
実施の形態4.
本実施の形態では、参照信号出力回路18として、図9又は図10に示す構成を用いる他は、実施の形態1から3と同様にして熱型赤外線固体撮像素子を構成する。図9の参照信号出力回路18は、参照画素19の代わりに、温度により抵抗が変化するサーミスタ24を定電流源25で定電流駆動させた例である。この構成では、バイアス電源回路21内のバッファアンプ29の出力電圧が実施の形態1の場合と同様になるように、サーミスタ24の抵抗、定電流源25の電流、又はレベルシフト回路27の電圧値を設定することが好ましい。
【0035】
また、図10の参照信号出力回路18は、図9の構成で定電流源25の代わりに負荷抵抗26を用い、サーミスタ24を定電流駆動させた例である。この例でも、バイアス電源回路21内のバッファアンプ29の出力電圧が実施の形態1の場合と同様になるように、サーミスタ24の抵抗、定電流源25の電流、又はレベルシフト回路27の電圧値を設定することが好ましい。
【0036】
実施の形態5.
図11は、本発明に係る熱型赤外線固体撮像素子の他の実施形態である。定電流源2及び20に代えて、負荷抵抗34及び35を用いた点を除けば、実施の形態1と同様である。負荷抵抗34及び35の抵抗を実質的に同じにしておけば、実施の形態1の場合と同様の効果を得ることができる。
【0037】
【発明の効果】
本発明の熱型赤外線固体撮像素子によれば、積分トランジスタのソースをバイアス線によって共通接続し、そのバイアス線に素子全体の温度に応じて変化する参照信号を入力するため、簡易な回路構成で素子温度ドリフト成分を除去することができ、安定した画像取得が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図2】 図2は、本発明の実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子の積分回路を示す回路図である。
【図3】 図3(a)及び(b)は、本発明の実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素構造を示す断面図及び斜視図である。
【図4】 図4は、参照信号出力回路に接続されたバイアス電源回路の一例を示す回路図である。
【図5】 図5は、レベルシフト回路の一例を示す回路図である。
【図6】 図6(a)及び(b)は、低域通過フィルタの例を示す回路図である。
【図7】 図7は、実施の形態2で用いる参照信号出力回路を示す回路図である。
【図8】 図8は、実施の形態3で用いる参照信号出力回路を示す回路図である。
【図9】 図9は、実施の形態4で用いる参照信号出力回路を示す回路図である。
【図10】 図10は、実施の形態4で用いる参照信号出力回路の別の例を示す回路図である。
【図11】 本発明の実施の形態5に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【符号の説明】
1 画素、2、20 定電流源、3 駆動線、4 垂直走査回路、6 電源、7積分回路、8 水平走査回路、9 スイッチ、10 出力端子、11 バイアス線、12 信号線、19 参照画素、21 バイアス電源回路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal infrared solid-state imaging device that detects a temperature change caused by incident infrared rays using a two-dimensionally arranged semiconductor sensor, and more particularly, a thermal type that outputs an electrical signal from a semiconductor sensor after integration processing by a signal processing circuit. The present invention relates to an infrared solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
In a general thermal infrared solid-state imaging device, pixels having a heat insulating structure are two-dimensionally arranged, and an infrared image is captured by utilizing the fact that the temperature of the pixel changes due to incident infrared rays. In the case of an uncooled thermal infrared solid-state image sensor, the temperature sensor that constitutes the pixel uses a semiconductor element such as a diode or transistor in addition to a bolometer such as polysilicon, amorphous silicon, silicon carbide, or vanadium oxide. It has been known. A semiconductor element such as a diode is advantageous in making the characteristics of each pixel uniform because variations in electrical characteristics and temperature dependence are very small between solids.
[0003]
In a thermal infrared solid-state imaging device using a diode as a pixel, the pixels are two-dimensionally arranged, connected by a drive line for each row, and connected by a signal line for each column. Each drive line is selected in turn by the vertical scanning circuit and the switch, and the pixel is energized from the power source through the selected drive line. The output of the pixel is transmitted to the integration circuit via the signal line, integrated and amplified by the integration circuit, and sequentially output to the output terminal by the horizontal scanning circuit and the switch (for example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
[Non-Patent Document 1]
Ishikawa et al., “Low cost 320 × 240 uncooled IRFPA using conventional silicon IC process”, Part of the SPIE Conference on infrared Technology and Applications XXV, April 1999, Vol. 3698, pages 556 to 564 Page [0005]
[Problems to be solved]
However, the conventional thermal infrared solid-state imaging device has the following problems.
First, since the response of the pixel includes a response due to a change in element temperature in addition to the response of infrared light, if the element temperature control is not performed precisely, a phenomenon that the image signal drifts with the change in the element temperature appears and a stable image There is a problem that cannot be obtained. In other words, it is ideal to completely insulate the pixel and detect only a temperature change due to infrared rays, but in reality, the pixel temperature also changes to some extent with the temperature change of the substrate. For this reason, when the environmental temperature of the infrared imaging device changes during the detection operation, the voltage read from the pixel also changes due to the influence. The change in the output signal due to the change in the environmental temperature is indistinguishable from the change due to the incident infrared ray, so that there is a problem that the measurement accuracy of the infrared ray is lowered and stable image acquisition cannot be performed.
[0006]
In addition, since the final output signal of the element is directly affected by the voltage fluctuation of the power source that drives the pixel, the output signal tends to be unstable. For example, when the pixel is driven with a constant current and the change in the voltage across the pixel is read as a signal to the integration circuit, the voltage read out also changes as the voltage of the power source driving the pixel changes. The magnitude of the output signal will also vary.
[0007]
On the other hand, in order to prevent such temperature drift and power supply drift, various measures such as changing the circuit configuration of the power supply, improving the pixel structure, and adding a correction circuit to the signal readout circuit can be considered. However, when the circuit configuration and the pixel structure become complicated, it is difficult to reduce the size and increase the integration of the thermal infrared solid-state imaging device, and the manufacturing cost also increases.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has a simple circuit configuration, has little output fluctuation due to power supply voltage fluctuation and element temperature fluctuation, and is a thermal infrared solid-state imaging device capable of stable image acquisition. It is also intended to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A pixel area having one diode or a plurality of diodes connected in series and having a heat insulation structure and an infrared absorption structure is arranged in a two-dimensional manner, and an anode of the pixel is commonly connected for each row. A plurality of drive lines and cathodes of the pixels are commonly connected for each column, and a plurality of signal lines including a first constant current means at the end of each column and the drive lines are sequentially selected and selected. A vertical scanning circuit for connecting a pixel power supply to a drive line, and a terminal of the signal line provided with the first constant current means is connected to a gate connected to a gate and a drain of the MOS transistor and periodically The gate modulation integration circuit formed from the capacitor to be reset, the sample hold circuit connected to the output of the gate modulation integration circuit, and the output of the sample hold circuit are sequentially selected and removed. A thermal-type infrared solid-state imaging device and a horizontal driving circuit for outputting a,
The MOS transistor in the gate modulation integration circuit has a source connected in common between columns by a bias line, and a reference signal output capable of outputting a reference signal that changes according to the temperature of the entire element to the bias line The circuit is connected,
A low-pass filter is provided between the reference signal output circuit and the bias line .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal infrared solid-state imaging device according to
[0011]
Energization of the
[0012]
FIG. 2 shows a circuit configuration of the integrating circuit 7. The
[0013]
However, when the voltage across the constant
[0014]
Therefore, in the present embodiment, the sources of the integrating
[0015]
The reference
[0016]
The bias
[0017]
In this way, the
[0018]
In the present embodiment, the reference
[0019]
As described above, according to the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, the
[0020]
Hereinafter, each component of the thermal infrared imaging device according to the present embodiment will be described in detail.
[Pixel 1]
3A and 3B are a cross-sectional view and a perspective view schematically showing an example of the pixel structure. A
[0021]
Since the
[0022]
When infrared rays are incident on the
[0023]
In such an element, characteristic uniformity between pixels is important. The forward voltage of the diode and its temperature dependence have very little variation between solids, and using a diode as a temperature sensor for a thermal infrared imaging device is particularly effective for achieving uniform characteristics. A plurality of PN junction diodes are preferably connected in series in order to increase sensitivity. The sensitivity may be increased by connecting an appropriate temperature-sensitive resistor such as a bolometer film to the PN junction diode.
[0024]
[Reference signal output circuit]
As shown in FIG. 1, the reference
[0025]
[Bias power supply circuit]
The output of the reference
[0026]
The
[0027]
The two low-
[0028]
Note that a typical value of the noise bandwidth for the pixel of such an infrared solid-state imaging device is several KHz, and therefore, the cut-off frequency may be set to 1/100 or less. From the viewpoint of power supply voltage fluctuations and temperature fluctuations, the fluctuation period is fast and on the order of seconds, so a band of several Hz is sufficient. In this embodiment, the low-pass filter is inserted before and after the
[0029]
An example of the circuit configuration of the low-
[0030]
The low-pass filter in FIG. 6B is an integrating circuit using an
[0031]
The low-
[0032]
In the present embodiment, a thermal infrared solid-state imaging device is configured in the same manner as in the first embodiment except that the configuration shown in FIG. 7 is used as the reference
[0033]
The same object as that of the second embodiment can also be realized by using the configuration shown in FIG. 8 as the reference
[0034]
In the present embodiment, a thermal infrared solid-state imaging device is configured in the same manner as in the first to third embodiments except that the configuration shown in FIG. 9 or 10 is used as the reference
[0035]
Further, the reference
[0036]
FIG. 11 shows another embodiment of a thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention. The present embodiment is the same as the first embodiment except that
[0037]
【The invention's effect】
According to the thermal infrared solid-state imaging device of the present invention, the sources of the integration transistors are connected in common by a bias line, and a reference signal that changes according to the temperature of the entire device is input to the bias line. The element temperature drift component can be removed, and stable image acquisition is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to
FIG. 2 is a circuit diagram showing an integration circuit of the thermal infrared solid-state imaging device according to
FIGS. 3A and 3B are a cross-sectional view and a perspective view showing a pixel structure of a thermal infrared solid-state imaging device according to
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a bias power supply circuit connected to a reference signal output circuit.
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an example of a level shift circuit.
6A and 6B are circuit diagrams showing examples of low-pass filters. FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a reference signal output circuit used in the second embodiment.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a reference signal output circuit used in the third embodiment.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a reference signal output circuit used in the fourth embodiment.
FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of a reference signal output circuit used in the fourth embodiment.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 pixel, 2 and 20 constant current source, 3 drive line, 4 vertical scanning circuit, 6 power supply, 7 integration circuit, 8 horizontal scanning circuit, 9 switch, 10 output terminal, 11 bias line, 12 signal line, 19 reference pixel, 21 Bias power supply circuit.
Claims (7)
前記ゲート変調積分回路内にある前記MOSトランジスタは、バイアス線によってソースが列間で共通接続されており、前記バイアス線に、素子全体の温度に応じて変化する参照信号を出力可能な参照信号出力回路が接続され、
前記参照信号出力回路と前記バイアス線の間に低域通過フィルタを備えたことを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。A pixel area having one diode or a plurality of diodes connected in series and having a heat insulation structure and an infrared absorption structure is arranged in a two-dimensional manner, and an anode of the pixel is commonly connected for each row. A plurality of drive lines and cathodes of the pixels are commonly connected for each column, and a plurality of signal lines including a first constant current means at the end of each column and the drive lines are sequentially selected and selected. A vertical scanning circuit for connecting a pixel power supply to a drive line, and a terminal of the signal line provided with the first constant current means is connected to a gate connected to a gate and a drain of the MOS transistor and periodically The gate modulation integration circuit formed from the capacitor to be reset, the sample hold circuit connected to the output of the gate modulation integration circuit, and the output of the sample hold circuit are sequentially selected and removed. A thermal-type infrared solid-state imaging device and a horizontal driving circuit for outputting a,
The MOS transistor in the gate modulation integration circuit has a source connected in common between columns by a bias line, and a reference signal output capable of outputting a reference signal that changes according to the temperature of the entire element to the bias line The circuit is connected,
A thermal infrared solid-state imaging device comprising a low-pass filter between the reference signal output circuit and the bias line .
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