JP4153861B2 - 赤外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサに係わり、特に特にバイアス回路及び信号読み出し回路の改良をはかった非冷却型の熱型赤外線センサに関する。

赤外線撮像は、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、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。

近年、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の開発が盛んになってきている。熱型赤外線センサにおいては、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。

熱型赤外線センサを構成する赤外線検出画素としては、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（例えば、非特許文献１参照）。ＳＯＩ基板を用いたシリコンｐｎ接合型の素子は、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、従って量産性に優れた素子である。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。

熱型赤外線センサ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。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。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。

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。この回路構成は、ゲート変調積分回路（ＧＭＩ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毎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（例えば、特許文献１，２参照）。

ところで、上述したシリコンｐｎ接合型の熱型赤外線センサは、定電流バイアス・電圧読み出し方式と呼ばれる回路構成であるが、この電圧読み出し方式の赤外線センサにおいては、幾つかの課題がある。

第一の課題は、熱電変換感度を高めるために、画素内部に複数のシリコンｐｎ接合を直列接続する必要があり、これによって画素構造が複雑となり、画素の微細化が困難になることである。

第二の課題は、第一の課題に起因するものであるが、画素内部に複数のシリコンｐｎ接合を直列接続している回路構成であることから、赤外線センサの最適動作のために、通常のＣＭＯＳデバイスの電源電圧である１〜３［Ｖ］よりも遙かに高い電圧を必要とすることである。例えば、ｐｎ接合数が８個の場合には１０［Ｖ］近い高電圧が必要となるので、そのために行選択回路等の周辺回路の設計及び製造工程は、標準ＣＭＯＳデバイスでは必要のない、高耐圧化のための付加的な構造及び付加的な製造工程が必要である。

第三の課題は、熱電変換感度である。シリコンｐｎ接合型の熱型赤外線センサの動作原理から考えて、定電流バイアス・電圧読み出し方式の熱電変換感度は、定電圧バイアス・電流読み出し方式の熱電変換感度より低い。即ち、同一のバイアスにおいては、電圧読み出し方式と比較して、電流読み出し方式の方が高感度である。

さらに、第四の重要な課題として、自己加熱問題がある。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或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。

例えば、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。この温度上昇は、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、従ってこの自己加熱問題の解決が非常に重要であることが分かる。

画素温度は、行選択期間の行選択パルス電圧印加に伴うジュール熱の発生により急激に上昇し、行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。この自己加熱による温度上昇は３０［Ｋ］にも及ぶが、上述したように赤外線入射による温度変化は、僅か５［ｍＫ］程度に過ぎず、極めて微小な信号である。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、時間の経過と共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殆どが自己加熱に起因する温度情報電流、即ち雑音電流である。

この自己加熱問題については、複数のｐｎ接合を必要としない電流読み出し方式が相対的に有利である。即ち、同じ電流を流したとき画素部で発生するジュール熱はｐｎ接合数に比例するので、電流読み出し方式の方が画素部の自己加熱による温度上昇が低減できることになる。

以上述べてきたように、電流読み出し方式は電圧読み出し方式と比較して優れた方式である。しかし、電流読み出し方式においては新たに顕在化する問題がある。それは、行選択線における電圧降下の問題である。即ち、行選択回路により信号を読み出す行を選択するのだが、その際に各画素に流れるバイアス電流が行選択線に集中し有限の抵抗値を持つ行選択線内部に電圧降下が発生し、電圧分布が発生してしまう。厳密には、電圧読み出し方式においてもこの現象の影響は無視できない。

電圧読み出し方式における行選択線の電圧降下の影響としては、出力信号電圧が列方向に分布を持つ現象、いわゆるシェーディングが発生する。さらに、電流読み出しにおいてはその影響は、より深刻である。即ち、行選択線内部の電圧降下によって行選択線の電位は列毎に異なってしまい、電流読み出し方式の前提である定電圧バイアスを与えることができなくなってしまうためである。
特開２００２−３００４７５ 特開２００２−２８６５５２ Tomohiro Ishikawa, et al., Proc. SPIE Vol.3698, p.556, 1999

このように、従来の熱型赤外線センサにおいては、電流読み出し方式と電圧読み出し方式の何れにおいても、行選択線の電圧降下によりバイアス不良やシェーディング発生などが生じ、その結果として、感度特性が低下する問題があった。

本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、行選択線の電圧降下に起因するバイアス不良やシェーディング発生などを防止することができ、感度の向上をはかり得る熱型赤外線センサを提供することにある。

また、本発明の更なる目的は、画素からの信号を読み出すための信号読み出し回路における消費電力を低減することができ、より低消費電力の熱型赤外線センサを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち本発明は、非冷却型の熱型赤外線センサにおいて、半導体基板上に、入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した電気信号を読み出すために各列にそれぞれ配置された信号読み出し回路と、前記複数の行選択線を駆動するための行選択回路と、前記撮像領域外に前記行選択線と平行に配置された基準電圧供給線と、前記信号線に対して各列毎に異なる基準電圧を与えるために、前記基準電圧供給線に対し各列に対応する位置にそれぞれ接続され、同じ列の赤外線検出画素のｐｎ接合に流れるバイアス電流と同等の電流を流す基準電圧設定用定電流源と、前記信号読み出し回路からの出力信号を出力するための出力回路と、を具備してなることを特徴とする。

また本発明は、非冷却型の熱型赤外線センサにおいて、半導体基板上に、入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、これらの行選択線を順次駆動するための行選択回路と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した電気信号を読み出すために各列にそれぞれ配置された複数の信号読み出し回路と、これらの信号読み出し回路を前記行選択線の駆動に同期して駆動する駆動回路と、前記撮像領域外に前記行選択線と平行に配置された基準電圧供給線と、前記信号線に対して各列毎に異なる基準電圧を与えるために、前記基準電圧供給線に対し各列に対応する位置にそれぞれ接続され、同じ列の赤外線検出画素のｐｎ接合に流れるバイアス電流と同等の電流を流す基準電圧設定用定電流源と、前記信号読み出し回路からの出力信号を出力するための出力回路と、を具備してなることを特徴とする。

本発明によれば、行選択線の電圧降下に起因する、定電圧バイアス不良、シェーディングという問題を回避することができ、熱型赤外線センサの感度向上をはかることができる。また、ダイナミックレンジを制限してしまうバイアス電流や自己加熱成分電流をも除去可能となり、高感度でワイドダイナミックレンジな赤外線センサを得ることが可能となる。従って、低コストでありながら、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジ特性を有する高性能な非冷却赤外線センサを実現することができる。

また、信号読み出し回路において電力を消費するオペアンプ回路を動作時にのみ駆動することができるので、デバイスの消費電力を大幅に低減することができる。

発明の実施形態を説明する前に、本発明の望ましい実施態様及び作用効果について述べておく。前記した（課題を解決するための手段）の項に記した発明の構成に対して、望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。

(1) 信号読み出し回路は、該回路が対応する列毎に、信号入力端が信号線に接続され、基準入力端が基準電圧供給線に接続されたオペアンプを有する電流電圧変換器を備えてなること。

(2) (1) において、電流電圧変換器は、反転入力端に信号線が接続され、非反転入力端に基準電圧供給線が接続されたオペアンプと、このオペアンプの反転入力端と出力端との間に接続された帰還抵抗とから構成されること。

(3) (1) において、信号読み出し回路は、該回路が対応する列毎に、電流電圧変換器の出力電圧と基準電圧供給線から供給される各列毎に異なる電圧との差分を増幅して出力する第１の差動増幅器を更に備えていること。

(4) (1) において、撮像領域の画素の１列又は複数列は入射赤外線を検出しない光学的無感度画素であり、信号読み出し回路は、無感度画素列以外の有効感度画素列における電流電圧変換器の各出力電圧と、無感度画素列における電流電圧変換器の出力電圧との差分をそれぞれ増幅して出力する差動増幅器を更に備えていること。

(5) 信号読み出し回路は、該回路が対応する列毎に、一方の入力端が信号線、他方の入力端が基準電圧供給線に接続された第１の差動増幅器と、信号線毎に接続された電圧読み出し用定電流源とを有してなること。さらに、差動増幅器は、オペアンプにより構成されること。

(6) (3)又は(5)において、撮像領域の画素の１列又は複数列は入射赤外線を検出しない光学的無感度画素であり、信号読み出し回路は、無感度画素列以外の有効感度画素列における第１の差動増幅器の各出力電圧と、無感度画素列における第１の差動増幅器の出力電圧との差分をそれぞれ増幅して出力する第２の差動増幅器を更に備えていること。

(7) 半導体基板はＳＯＩ基板であること、
(8) 赤外線検出画素は、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、赤外線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こと。

(9) (7) において、熱電変換手段は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ領域に形成されたｐｎ接合を有する熱電変換部と、この熱電変換部を半導体基板に形成される中空構造上に支持するための支持構造とを含んでなること。

(10) (9)において、支持構造は熱電変換手段からの出力を読み出すための配線を含む構造であり、この配線が行選択線及び前記信号線に接続されていること。

(11) 赤外線検出画素において、熱電変換部として、単一のｐｎ接合が形成されていること。

(12) (4)又は(6) において、光学的無感度画素は、有効画素と同一構造の赤外線吸収構造上に、遮光構造を形成することで無感度化してなるものであること。

(13) 出力回路は、一水平期間の信号保持機能を有していること。

上記のような構成であれば、電流読み出し方式において、バイアス電流が行選択線を流れることにより発生する電圧降下、及びその結果である行選択線内部の列方向電位分布と同等の電位分布を有する基準電圧供給線を設けているので、各列毎に信号線と行選択線との間の電圧を一定とすることが可能となる。従って、電流読み出し方式本来の高感度特性を得ることができる。

また、電圧読み出し方式において、行選択線内部の電位分布と同等の電位分布を有する基準電圧供給線を設け、行選択線内部の電位分布の影響を受けて各列毎に分布を有する信号線電位と基準電圧供給線に与えられる列毎に異なる基準電位との差分を発生し出力することが可能となるので、電圧読み出し方式においても、列方向のシェーディングを起こすことなく良好な特性を得ることができる。

さらに、各行に配置された光学的無感度画素から得られるバイアス電流と自己加熱電流に起因する信号成分を、有効画素信号から減算することで、信号成分よりも遙かに高レベルに存在するバイアス電流や自己加熱電流成分を除去することができる。従って、電圧読み出し方式並びに本質的に高感度である電流読み出し方式をさらに高感度化した赤外線センサを得ることが可能となる。

また、信号読み出し回路を行選択線の駆動に同期して駆動する駆動回路を設けることにより、信号読み出し回路を常に駆動するのではなく、信号読み出し時にのみに駆動することができ、これにより消費電力を低減することが可能となる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図である。この実施形態は、電流読み出し方式であり、４行４列の１６画素からなる構成のうち一列が光学的無感度画素となった場合を示している。なお、図では４×４の画素配列を示しているが、実際にはより多数の画素が配列されている。

図示しない半導体基板上の撮像領域に、赤外線を検出する赤外線検出画素１がマトリクス配置されている。撮像領域には、行方向に複数本の行選択線２が配置され、列方向に複数本の信号線３が配置されている。赤外線検出画素１はｐｎ接合を熱電変換に用いたものであり、各画素は行選択線と信号線との間の交差部に対応する位置に配置されている。また、撮像領域の外には、１本の基準電圧供給線５が行方向に沿って配置されている。

行選択線２は行選択回路２０により駆動され、各行毎に順次行選択パルスが印加される。信号線３の一端は信号読み出し回路としての電流電圧変換器３０に接続され、各列毎の検出信号が電圧信号として読み出されるようになっている。電流電圧変換器３０で読み出された電圧信号は出力回路４０に一時記憶され、順次出力されるようになっている。

電流電圧変換器３０は、非反転入力端に基準電圧供給線５が接続され、反転入力端に信号線３が接続されたオペアンプ３１と、このオペアンプ３１の出力端と反転入力端との間に挿入された帰還抵抗３２から構成されている。そして、オペアンプ３１により、基準電圧供給線５の電位が信号線３に与えられるものとなっている。基準電圧供給線５は行選択線２と同一材料、同一構造からなり、行選択回路２０の近傍から直流電圧或いは行選択パルスの論理和パルスが印加されている。但し、上記の直流電圧、或いは行選択パルスの論理和パルスの電圧は、行選択パルス電圧よりも低く設定されている。

出力回路４０には、少なくとも一水平期間信号を保持する保持機能と、保持した信号を順次出力する出力機能が含まれている。また、信号線３に発生する信号は極めて微弱であるので、出力回路４０の内部には増幅回路を設けることが一般的である。

ここまでの構成は従来装置と同様であり、本実施形態ではこれに加えて、基準電圧信号線５に対し、各列毎に基準電圧設定用の定電流源６をそれぞれ接続している。これらの定電流源６は、例えばゲート制御のＭＯＳトランジスタを用いて形成され、画素部の同じ列のｐｎ接合に流れるバイアス電流と同じ電流を流すように制御される。ここで、赤外線検出画素の各ｐｎ接合にそれぞれ流すバイアス電流は基本的には共通であるので、定電流源６は画素のｐｎ接合に流すべき共通のバイアス電流と同等の電流を流すように制御されると見なすことができる。

図２は、図１に示した熱型赤外線センサにおける赤外線検出画素１の構造を示すもので、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

熱電変換のためのｐｎ接合領域１１５を含む熱電変換部１０１は単結晶シリコン基板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とから成る。図では説明上、ｐｎ接合が１個の場合の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共に熱電変換部１０１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。熱電変換部１０１及び支持部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画素１内部での温度の変調を効率良く行う構造になっている。

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、例えば特開２００２−１０７２２４号公報，特開２００１−２８１０６５号公報等に詳細に説明されている。また、光学的無感度画素１Ｂの構造は、図２に示した画素１の構造と基本的には同一であり、光入射側（図２（ｂ）の上側）に遮光膜としてアルミニウム等の金属薄膜層を形成することで光学的な感度を失わせている。

このように構成された本装置においては、行選択回路２０から行選択線２−１、２−２，２−３、そして２−４という順番で行選択パルスが印加される。この行選択パルスが印加された行に配置された赤外線検出画素１の内部のｐｎ接合は順バイアスされ、画素の温度情報を含んだ順バイアス電流が全ての信号線３に流れる。そして、各列毎の電流はオペアンプ３１及び帰還抵抗３２から成る電流電圧変換器により電圧信号に変換され、出力回路４０の内部に一時記憶され、順次出力される。そして、一行分の信号出力が完了したら次の行選択を行い、同様に順次出力するという動作を繰り返すことで二次元イメージを得ることになる。

ここで、行の選択により信号線３に流れる電流は１本の行選択線２から供給されるので、選択された行選択線２の内部にはバイアス電流による電圧降下が発生し、行選択線２には行方向に電位分布が現れてしまう。従来装置のように定電流源６が接続されていないと仮定すると、各列毎の電流電圧変換器の基準入力端の電圧は全て等しくなり、信号線３の電位は基準入力端の電位と等しくなるため、全ての信号線３の電位は等しいものとなる。一方、行選択線２は行方向に電位分布を有しており、従って行方向に対して各画素１に加わる電圧が異なることになる。

つまり、図１に示した電流読み出し方式においては、選択された行選択線２に接続されたｐｎ接合が全て順バイアスとなり、全ての列の信号線３からバイアス電流が流れることになるが、この電流は一つの行選択線２から供給されているので、選択された行選択線２の内部にはバイアス電流による電圧降下が発生し、行選択線２には列方向に電位分布が現れてしまう。

行選択線内部の電圧降下の様子を、図３に示す。図３は、行選択線２の抵抗値を一列当たり０．５５Ωと仮定して、行選択線２を片側から３Ｖで駆動する構造での、横軸が列、縦軸が行選択線電位である。パラメータとして、バイアス電流を１μＡから２０μＡとし、列に関しては３２０列のデバイスを想定している。

図３に示すように、バイアス電流が１μＡにおいても３０ｍＶ程度の電圧降下が発生し、バイアス電流が１０μＡでは２８０ｍＶ，２０μＡでは５７０ｍＶもの電圧降下が発生してしまう。

このような電圧分布が発生した場合には、電流読み出し方式においては、一定電圧のバイアスを行うという動作の前提が崩れてしまい、順バイアスのバイアス電流は大きく変動し、正常な動作ができなくなってしまう。また、後述する電圧読み出し方式においては列方向で信号出力が傾きを持つ、いわゆるシェーディングが発生し、或いは出力回路４０の内部で飽和してしまい出力が得られなくなることもある。

そこで本実施形態では、基準電圧供給線５に対し、各列において基準電圧設定用の定電流源６を接続し、画素部のｐｎ接合に流れるバイアス電流と同じ電流を流すよう制御している。このような設定により、基準電圧供給線５の電位分布を行選択線２と同じ電圧分布とすることが可能になる。

その結果、各列の信号線３の電位は、行選択線２と同一の電位分布を持つ基準電圧供給線５の電位と等しくなる。従って、行選択線２と基準電圧供給線５の各々の電位分布は相殺され、各々の列の選択画素には一定のバイアス電圧を印加することが可能となる。

このバイアス電圧は、行選択パルスの電圧と、上記の基準電圧供給線５をドライブする電圧との差によって決定できるので、所望の動作電圧を与えることが可能である。例えば、行選択パルス電圧を３Ｖとして、画素ｐｎ接合に０．８Ｖのバイアス電圧を印加したい場合には、基準電圧供給線５のドライブパルスとして３−０．８＝２．２［Ｖ］の電圧を与えればよいことになる。

このとき、バイアス電流が１０μＡとすれば、行選択回路２０から最も離れた列が３２０列目だとした場合、行選択線２の電位は２．７２Ｖに低下してしまうが、同時に基準電圧供給線５の電位も１．９２Ｖに低下しているので、画素のｐｎ接合の順バイアス電圧は所望の０．８Ｖのままである。なお、信号線３を流れるバイアス電流は、各列において並列に流れているのでその電圧降下は十分に低く無視できる。

また、厳密には各画素を流れる電流には各画素の温度情報が含まれているので同一のバイアス電圧を印加したとしても同一の電流が流れるわけでなく、当然信号成分の電流変動が発生している。しかし、画素部の温度上昇は被写体温度変化が１［Ｋ］に対して５［ｍＫ］程度と極めて微弱であり、自己加熱と比較して十分に無視ができるレベルであるので、各列に配置した定電流源６の電流を画素部のｐｎ接合を流れる順バイアス電流に設定することは実際上難しくはない。

なお、図１の構成において、各列からの出力電圧は、電流電圧変換によって得られた信号電圧に、基準電圧供給線５の電位分布が加算されたものとなる。このため、出力画像が列方向に輝度の傾きを持ってしまう、いわゆるシェーディングが発生してしまう場合がある。このシェーディングが問題となる場合は、外部回路によりシェーディング補正を行うようにすればよい。

このように本実施形態によれば、電流読み出し方式の熱型赤外線センサにおいて、基準電圧供給線５に対して、各列毎に対応する位置に定電流源６をそれぞれ接続することにより、バイアス電流が行選択線２を流れることにより発生する電圧降下、及びその結果である行選択線内部の列方向電位分布と同等の電位分布を与えるようにしているので、各列毎に信号線３と行選択線２との間の電圧を一定とすることが可能となる。従って、電流読み出し方式本来の高感度特性を得ることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態は、電流読み出し方式におけるシェーディング補正のための構成である。図１に示した定電圧バイアス化した電流読み出し回路にシェーディング補正回路として、オペアンプ３１からの信号電圧から基準電圧供給線５の電圧を減算するための差動増幅回路５０を付加したものである。差動増幅回路５０については、オペアンプと抵抗とを組み合わせることで容易に実現可能であり、ここではその詳細については説明を省略する。

このように本実施形態によれば、行選択線２の各列における電流に依存するオペアンプ３１の信号出力から、基準電圧供給線５に現れている電圧を減算処理することで、電流読み出し方式において発生するシェーディングを除去することができる。しかも、このシェーディング補正をオンチップでアナログ領域において行うことが可能となるため、シェーディング補正のための外部回路等も不要となる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図である。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態では、シェーディング補正を行う電流読み出し回路を備えた図４の構成に差動増幅器６０を付加した構成になっている。即ち、有効感度画素列に対応して差動増幅器６０がそれぞれ設けられ、各列の差動増幅器６０の−入力端には有効感度画素列の差動増幅器５０の出力端が接続され、＋入力端には無感度画素列の差動増幅器５０の出力端が接続されている。

本実施形態においては、行選択線２の内部の電圧降下の影響は、各列に配置された定電流回路６と基準電圧供給線５により排除され、さらに基準電圧供給線５の電位分布に起因するシェーディングも差動増幅回路５０により除去される。これに加えて、無感度画素１Ｂからなる無感度画素列からの信号を除去するための差動増幅器６０を設けることにより、無感度画素列から得られるバイアス電流成分及び自己加熱電流成分を除去することが可能となる。

バイアス電流が１０μＡ程度の場合、被写体温度差が１［Ｋ］の場合、信号電流は３ｎＡ程度と非常に微弱である。従って、バイアス電流成分を減算処理することにより真の信号出力のみを抽出することは後段での信号処理を容易にすることができる。その結果、行選択線２の電圧降下に起因する問題は解決され、さらに雑音成分であるバイアス電流成分、自己加熱電流成分も除去された、真の信号出力のみを出力回路４０から出力することが可能となる。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図である。この実施形態は、電圧読み出し方式であり、４行４列の１６画素からなる構成のうち一列が光学的無感度画素となった場合を示している。なお、図では４×４の画素配列を示しているが、実際にはより多数の画素が配列されている。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

赤外線検出画素１，行選択線２，信号線３，基準電圧供給線５，基準電圧設定用定電流源６，行選択回路２０，及び出力回路４０は、図１の構成と同じである。信号線３の一端側には、電圧読み出し用の定電流源４が接続されている。信号線３の他端側には、電流電圧変換器ではなく、差動増幅器７０から成る読み出し回路が接続されている。即ち、列毎に差動増幅器７０が設けられ、差動増幅器７０の一方の入力端には信号線３が接続され、他方の入力端には基準電圧供給線５が接続されている。

行選択動作については、基本的に図１に示した電流読み出し方式と同じであり、行選択回路４０から行選択線２−１，２−１，２−３，２−４という順番で行選択パルスが印加される。この行選択パルスが印加された行に配置された赤外線検出画素１の内部のｐｎ接合は順バイアスされ、行選択動作がなされる。定電流源４により供給される定電流は、信号線３，画素１，行選択線２，行選択回路２０の電流パスを流れ、画素１の内部のｐｎ接合の温度情報に応じて電圧情報が各列の信号線３に発生する。

信号線に発生した電圧情報は、差動増幅器により基準電圧供給線の電圧と減算され、この減算出力が出力回路に一時記憶され、順次出力される。そして、一行分の信号出力が完了したら、次の行選択を行い、同様に順次出力するという動作を繰り返すことで二次元イメージを得ることになる。

本実施形態では、従来構造の電圧読み出し方式である構成に、各列に配置された定電流源６と、行選択線２と同一材料、同一構造で形成された基準電圧供給線５及びその駆動部が付加され、更に信号線３からの信号電圧から基準電圧供給線５の電圧を減算するための差動増幅回路７０が付加されている。差動増幅回路７０については、オペアンプと抵抗とを組み合わせることで容易に実現可能であり、ここではその詳細については説明を省略する。

本実施形態においては、基準電圧供給線５に対し列毎に定電流源６を接続することにより、基準電圧供給線５の電圧降下分布は行選択線２の電圧降下分布と等しくなるように設定が可能である。従って、行選択線２の各列における電位に依存する各列信号線３からの信号出力から、基準電圧供給線５に現れている電圧を減算処理することで、電圧読み出し方式において発生するシェーディングをオンチップでアナログ領域において除去することが可能となる。

（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

この実施形態は、電圧読み出し方式の図６の構成に差動増幅器８０を付加した構成になっている。即ち、有効感度画素列に対応して差動増幅器８０がそれぞれ設けられ、各列の差動増幅器８０の＋入力端には有効感度画素列の差動増幅器７０の出力端が接続され、−入力端には無感度画素列の差動増幅器７０の出力端が接続されている。

本実施形態においては、行選択線２内部の電圧降下の影響は、各列に配置された定電流回路６と基準電圧供給線５により排除され、さらに行選択線２の電位分布に起因するシェーディングは差動増幅回路７０により除去される。これに加えて、無感度画素１Ｂからなる無感度画素列からの信号を除去するための差動増幅器８０を設けることにより、無感度画素列から得られるバイアス電流成分、及び自己加熱電流成分を除去することが可能となる。従って、第３の実施形態と同様の効果が得られる。

（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図である。なお、図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

前述した第１〜第５の実施形態により、行選択線の電圧降下に起因するバイアス不良やシェーディング発生などを防止することができる。一方で、読み出し回路にオペアンプを用いることによる消費電力の増大が発生する。特に、前記図５のように各列にオペアンプ回路を３個有する電流読み出し回路の場合には、電源電圧として±３Ｖを供給するＣＭＯＳオペアンプ回路を用い、オペアンプのバイアス電流を１００μＡまで絞った状態でも、ＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）程度の画素規模では、３２０列の読み出し回路が常時動作することを考えると、読み出し回路だけの消費電力が６００ｍＷにもなってしまう。そして、画素規模が大規模化することでその影響はさらに加速する。

そこで本実施形態は、図８に示すように、先の第３の実施形態（図５）の構成に加え、基準パルス発生器３０１からの基準パルスを受けてＶｄ駆動パルスを発生する駆動パルス発生器３０２を設けている。基準パルス発生器３０１は、行選択回路２０に基準パルスを与え、行選択線２を順番に駆動するためのものであり、第１〜第５の実施形態においても設けられている。駆動パルス発生器３０２は、基準パルスを基に駆動パルスＶＢを発生するものであり、この駆動パルスＶＢが信号読み出し回路（３０，５０，６０）を構成する各オペアンプ（３１，５１，６１）に供給されている。

行選択回路２０の構成としては、シフトレジスタ回路と基準パルス発生器３０１の両出力の論理積を出力する回路構成を用いることが可能である。基準パルス発生器３０１及び駆動パルス発生器３０２は、赤外線センサチップ外部に設けることも、チップ上に形成することも可能である。

オペアンプ３１，５１，６１は、いずれもＣＭＯＳオペアンプであり、その回路構成は図９に示すようなものであり、外部からのＶＢ入力によりバイアス電流を制御する構成となっている。即ち、差動増幅回路を構成するＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ４と、その出力を受けるバッファ回路を構成するＭＯＳトランジスタＱ５と、スイッチング素子として機能するＭＯＳトランジスタＱ６，Ｑ７で構成されている。

オペアンプのバイアス入力端ＶＢがＶｂであれば、Ｑ６，Ｑ７はオンし、このオペアンプは動作する。バイアス入力端ＶＢが−Ｖddであれば、Ｑ６，Ｑ７はオフするため、このオペアンプは動作しない、即ち電流が流れない。なお、図８においては、図９に示したＣＭＯＳオペアンプ回路を図１０のように表記した回路として表現している。

図８に示されるように、オペアンプ３１，５１，６１のバイアス入力端ＶＢは共通になっており、基準パルス発生器３０１からのパルスによりＶｂと−Ｖｄｄのパルスを生成する駆動パルス発生器３０２からＶＢ線３０３にパルス電圧が印加され、行選択パルスと同期してオペアンプ３１，５１，６１は間欠駆動されることになる。

このように本実施形態によれば、カラム読み出し回路を構成するオペアンプ３１，５１，６１は、読み出し動作を行う期間だけ動作することになり、その消費電力を大幅に低減することが可能となる。例えば、画素規模としてＱＶＧＡ（３２０列×２４０行）の素子を６０フレーム／秒のフレームレートで駆動する場合を考える。

マスタークロックとして３２．７６ＭＨｚのクロックを用いるとすれば、基準パルス幅：Δｔは３０．５ｎｓ、１フレーム期間は５４６０００Δｔ＝１６．７ｍｓとなる。１水平期間×（２４０行＋α）により１フレームが構成されるので、１水平期間を２０００Δｔ＝６０μｓとする。

１水平期間中の信号読み出しパルス幅を２Δｔとして、一列の読み出しにかかる時間は４Δｔとなる。３２０列＋αの読み出しを行うので、α＝４０として読み出し期間は１４４０Δｔとなる。従って、水平ブランキング期間は５６０Δｔ＝１７μｓ。この期間にリセット動作と行選択動作を行うので、各々５μｓと１０μｓになる。

オペアンプ回路を上記の行選択期間のみ動作させることにすれば、１水平期間：６０μｓのうち、行選択期間：１０μｓのみの間欠動作になり、オペアンプの消費電力は１／６に低減される。

従って、図１０に示したＣＭＯＳオペアンプの合計バイアス電流を１００μＡ、電源電圧を±３Ｖとした場合、ＱＶＧＡ規模のデバイスではオペアンプ部分のみの消費電力は６００ｍＷから１００ｍＷに大幅に低減されることになる。

このように本実施形態によれば、先の第３の実施形態の構成に加え、信号読み出し回路（３０，５０，６０）を行選択線２の駆動に同期して駆動する駆動パルス発生器３０２を設けたことにより、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、信号読み出し回路を構成するオペアンプの消費電力を大幅に低減することができる。

また、以上の説明においては、信号読み出し回路を構成する電流電圧変換器、差動増幅器としてオペアンプを用いた回路として説明してきたが、それ以外の回路構成によっても同様な効果を得ることが可能である。また、図８の構成以外による電流読み出し、及び電圧読み出しデバイスにおいて、本実施形態の考えを適用することによっても同様の効果を得ることができる。即ち、第３の実施形態以外に、第１，第２及び第４，第５の実施形態にも、信号読み出し回路の選択駆動を行う考えを同様に適用することが可能である。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。読み出し回路としての電流電圧変換器や差動増幅器の構成は、オペアンプや抵抗に限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。また、赤外線検出画素は図２に示す構成に限るものではなく、赤外線吸収構造と熱電変換手段を有するものであればよい。さらに、無感度画素列は必ずしも１列に限るものではなく、複数列にしてもよい。無感度画素列を複数にした場合、無感度画素列における信号の平均値を参照信号として用いればよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図。 図１の赤外線センサにおける赤外線検出画素の構造を示す平面図と断面図。 バイアス電流に起因して発生する行選択線内部の電圧降下を示す図。 第２の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図。 第３の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図。 第４の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図。 第５の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図。 第６の実施形態に係わる非冷却型の熱型赤外線センサを示す概略構成図。 第６の実施形態に用いたＣＭＯＳオペアンプ回路の例を示す図。 図９に示すＣＭＯＳオペアンプ回路の略式表記の例を示す図。

符号の説明

１…赤外線検出画素
２…行選択線
３…信号線
４…電圧読み出し用定電流源
５…基準電圧供給線
６…基準電圧設定用定電流源
１０…撮像領域
２０…行選択回路
３０…電流電圧変換器（信号読み出し回路）
３１…オペアンプ
３２…抵抗
４０…出力回路
５０，６０，７０，８０…差動増幅器
３０１…基準パルス発生器
３０２…駆動パルス発生器
３０３…ＶＢ線

Claims (9)

1. 半導体基板上に、入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、
   この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、
   前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、
   これらの信号線に発生した電気信号を読み出すために各列にそれぞれ配置された信号読み出し回路と、
   前記複数の行選択線を駆動するための行選択回路と、
   前記撮像領域外に前記行選択線と平行に配置された基準電圧供給線と、
   前記基準電圧供給線に直流電圧又はパルス電圧を直接印加する手段と、
   前記信号線に対して各列毎に異なる基準電圧を与えるために、前記基準電圧供給線に対し各列に対応する位置にそれぞれ接続され、同じ列の赤外線検出画素のｐｎ接合に流れるバイアス電流と同等の電流を流す基準電圧設定用定電流源と、
   前記信号読み出し回路からの出力信号を出力するための出力回路と、
   を具備してなることを特徴とする赤外線センサ。
2. 半導体基板上に、入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、
   この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、
   これらの行選択線を順次駆動するための行選択回路と、
   前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、
   これらの信号線に発生した電気信号を読み出すために各列にそれぞれ配置された複数の信号読み出し回路と、
   これらの信号読み出し回路を前記行選択線の駆動に同期して駆動する駆動回路と、
   前記撮像領域外に前記行選択線と平行に配置された基準電圧供給線と、
   前記信号線に対して各列毎に異なる基準電圧を与えるために、前記基準電圧供給線に対し各列に対応する位置にそれぞれ接続され、同じ列の赤外線検出画素のｐｎ接合に流れるバイアス電流と同等の電流を流す基準電圧設定用定電流源と、
   前記信号読み出し回路からの出力信号を出力するための出力回路と、
   を具備してなることを特徴とする赤外線センサ。
3. 前記信号読み出し回路は、該回路が対応する列毎に、信号入力端が前記信号線に接続され、基準入力端が前記基準電圧供給線に接続されたオペアンプを有する電流電圧変換器を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線センサ。
4. 前記信号読み出し回路は、該回路が対応する列毎に、前記電流電圧変換器の出力電圧と前記基準電圧供給線から供給される各列毎に異なる電圧との差分を増幅して出力する第１の差動増幅器を更に備えていることを特徴とする請求項３記載の赤外線センサ。
5. 前記撮像領域の画素の１列又は複数列は入射赤外線を検出しない光学的無感度画素であり、
   前記信号読み出し回路は、前記無感度画素列以外の有効感度画素列における前記電流電圧変換器の各出力電圧と、前記無感度画素列における前記電流電圧変換器の出力電圧との差分をそれぞれ増幅して出力する差動増幅器を更に備えていることを特徴とする請求項３記載の赤外線センサ。
6. 前記信号読み出し回路は、該回路が対応する列毎に、一方の入力端が前記信号線、他方の入力端が前記基準電圧供給線に接続された第１の差動増幅器と、前記信号線毎に接続された電圧読み出し用定電流源とを有してなることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線センサ。
7. 前記撮像領域の画素の１列又は複数列は入射赤外線を検出しない光学的無感度画素であり、
   前記信号読み出し回路は、前記無感度画素列以外の有効感度画素列における第１の差動増幅器の各出力電圧と、前記無感度画素列における第１の差動増幅器の出力電圧との差分をそれぞれ増幅して出力する第２の差動増幅器を更に備えていることを特徴とする請求項４又は６記載の赤外線センサ。
8. 前記駆動回路は前記信号読み出し回路を間欠的に駆動するものであり、該駆動回路の駆動パルスは、少なくとも前記行選択回路で前記行選択線を駆動するために発生する行選択パルスの論理和パルスを含んでなることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
9. 前記信号読み出し回路は、該回路が対応する列毎に、信号入力端が前記信号線に接続され、基準入力端が前記基準電圧供給線に接続されたオペアンプを含み、
   該オペアンプは、外部入力電圧によりそのバイアス電流を制御することが可能な構成をとっており、
   前記駆動回路は、前記外部入力電圧としてパルス状の電圧を前記オペアンプに与えることで前記信号読み出し回路をオンオフすること、
   を特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。

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