JP4454586B2 - 焦電センサ - Google Patents
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Description
画素化された容量性素子のアレイの形に構成されたある種のクラスのセンサは、強誘電材料およびその焦電効果を利用して温度変化を検出する。このタイプのセンサは、例えば、悪天候条件、夜間視界など、可視性が低い条件での画像化などに広範に応用される。強誘電材料は、自発電気分極が温度に依存する誘電体材料である。各画素は、画像化されるシーンの一部に温度を感知する。この材料は、シーンからの赤外エネルギーが増減することによって強誘電材料の温度が、好ましくは室温である基準温度から上下するように、熱的にバイアスされ、チョッパによって基準が与えられる。こうすると、強誘電材料の分極が変化し、この変化は、画素の温度に応じて、瞬時電流の変化、あるいは基準コンデンサの変化の状態が充電または放電であるときには電圧の変化として感知される。シーンから個々の画素に付与される赤外放射のためにこれらの画素の局所的な分極状態が変化するので、赤外による画像化が可能である。次いで、チョッパが閉じて、画素がシーンから遮断されると、熱的な冷却または加熱によって温度が基準温度にリセットされる。
p=(1/A)[Q1−Q2]/[T1−T2]
で与えられる。
p=[(Vmns/A)](ΔC/ΔT)
で与えられる。
Qs=Pr*A
に等しい電荷Qsが、この外部電力源から供給されることになる。先に参照した特許で教示されているように、給電された電荷の量を、図6の電荷増幅器/積分器48によって測定し、整流し、積分し、増幅すると、あらかじめ設定された時間τについて蓄積される総電荷は(増幅率を除いて)、
Qtotal=(2*Qs)*f*τ
になる。外部電力源の周波数fと時間の積(f*τ)は、切替え数Nに等しい。分極状態は温度によって決まるので、Qtotalは、温度の1次関数である。各画素ごとの出力信号は、基準Qrefと、時間間隔τ後に取得されたQtotalとの差である。ただし、τはチョッパが開いている継続時間である。
p=dPs/dT
で表されるので、感度を向上させるのに必要とされる基準温度は、図1に最もよく示されており、自発分極Psが急激に変化するところ、またはその付近に位置し、その温度範囲は狭い。このような温度は、材料に固有なものであり、キュリー温度Tcとも称する。キュリー温度は慣行的に、温度の関数としての逆誘電率のグラフから得られ、ゼロの逆誘電率に対する高温外挿点であり、これは、非強誘電性から強誘電性への材料中の相転移を表す。従来方式では、基準温度Trefは室温であり、したがってキュリー温度Tcが、室温からいくらか離れている場合、分極の変化を示す図1の線の傾きが小さくなり、そのため感度および焦電係数pが減少し、望ましくない。
能動型焦電センサシステムを対象とする好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例であり、いかなる形でも本発明あるいはその応用例またはその利用法を限定するものではない。
この実効感度の向上により、以前には焦電応用例には考慮されなかった強誘電材料を使用することができる。これらの強誘電材料の多くは、先に述べた好ましい基準温度である室温よりもかなり高いキュリー温度を有する。例えば、強誘電材料としてのSBT(ストロンチウムビスマスタンタル酸化物)の感度pは0.03μC/cm2Kであり、この値は従来方式では低すぎ、SBTのキュリー温度335℃は、基準温度として動作するには高すぎる。この感度をNサイクル倍に増加させると、図1の分極−温度曲線上で基準温度をこのキュリー温度から下方に移すことができる。さらに、好ましい形態のSBTは、SBTの焦電効果が実質的に線形である動作温度の範囲が広い薄膜である。他の好ましい強誘電材料およびSBTのドープは、バリウムビスマスタンタル酸化物およびランタンビスマスタンタル酸化物を含む。SBTの誘導体は、所与の基準温度における分極−時間曲線の傾きを変化させて、信号対雑音比および感度を向上させる効果を有し得る。
τther=t2/K
である。ただし、tは厚さであり、Kは熱拡散率である。t=2μm、二酸化シリコンの密度を87%、熱伝導率を0.155W/m−k、(バルクの二酸化シリコンの)熱容量を44.77J/mol−Kと仮定すると、熱時定数は44μsに等しい。これを、例えば10MHzの画素切換えと比較すると、垂直方向の電気時定数は、熱時定数よりも400倍大きくなる。
Claims (22)
- 所定の周波数で交流電圧を生成する交流電圧源と、
前記交流電圧に応答し、焦電シーン素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記焦電シーン素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置された、焦電シーン素子と、
前記焦電シーン素子からの前記電荷出力に応答して、前記ヒステリシスループ変化出力によって画定される前記ヒステリシスループ内の面積を求め、前記焦電シーン素子からの前記電荷出力を示す信号を生成する電荷積分システムと、
SBT(ストロンチウムビスマスタンタル酸化物)、バリウムビスマスタンタル酸化物、およびランタンビスマスタンタル酸化物からなる群から選択される、前記焦電シーン素子の強誘電層と、を備え、
前記強誘電層は前記焦電シーン素子の第1および第2の容量性プレートの間に配置され、
前記シーン素子に電気的に並列に構成された強誘電基準素子を備え、
前記強誘電基準素子は、前記交流電圧に応答し、前記強誘電基準素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記強誘電基準素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記強誘電基準素子は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記強誘電基準素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置され、
前記電荷積分システムは、前記強誘電基準素子からの前記電荷出力に応答して、前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力内の面積を求め、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を示す信号電圧出力を生成する、
焦電センサシステム。 - 前記システムは、赤外画像化システムであり、前記焦電シーン素子は、シーンから前記焦電シーン素子に向かう赤外放射を吸収する赤外吸収体を有する、請求項1に記載の焦電センサシステム。
- 前記交流電圧は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子内で双極子の分極反転が生じるように前記第1の容量性プレートに印加され、
前記電荷積分システムは、前記焦電シーン素子の前記第2の容量性プレートからの前記電荷出力に応答する、請求項1に記載の焦電センサシステム。 - 熱ヒートシンクとして作用するシリコン基板構造と、
前記第2容量性プレートと前記シリコン基板の間に直接付着した連続熱障壁被覆とを備え、前記連続熱障壁はエアブリッジを含まない、請求項3に記載の焦電センサシステム。 - 前記電荷積分システムは演算増幅器を備え、
前記電荷積分システムの前記信号電圧出力は、前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算したものを示す、請求項1に記載の焦電センサシステム。 - 前記複数の加算される差の数は、シーン測定の所定の時間と前記外部交流信号の周波数の積に等しい、請求項5に記載の焦電センサシステム。
- 前記電荷積分システムは、前記外部交流信号電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から電流を受け取り、前記外部交流信号電圧が負のとき、前記強誘電基準素子に電流を戻して、前記基準分極の積分を行う、請求項6に記載の焦電センサシステム。
- 前記電荷積分システムは、出力コンデンサを備え、
演算増幅器を備え且つ前記出力コンデンサに並列に構成され、前記シーン素子と基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算する加算器として働く前記電荷積分システムと、前記加算された差は前記信号電圧出力を示し、前記焦電センサシステムはさらに、
前記外部交流電圧が正のとき、前記シーン素子から前記電荷積分システムに電流を流して、前記出力コンデンサを充電するシーンダイオード検出器と、
前記外部交流電圧が負のとき、前記電荷積分システムから前記基準素子に電流を流して、前記出力コンデンサを放電させ、前記基準素子の分極を積分する基準ダイオードとを備える、請求項1に記載の焦電センサシステム。 - 所定の周波数で交流電圧を生成する交流電圧源と、
前記交流電圧に応答する焦電シーン素子とを備え、前記焦電シーン素子は、前記焦電シーン素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記焦電シーン素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記焦電シーン素子は、第1の容量性プレートと第2の容量性プレートの間に配設された強誘電層を有し、前記交流電圧は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子内で双極子の分極反転が生じるように前記第1の容量性プレートに印加され、前記焦電センサシステムはさらに、
前記焦電シーン素子の前記第2の容量性プレートからの前記電荷出力に応答する電荷積分システムを備え、前記積分システムは、前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記ヒステリシスループ内の面積を求め、前記焦電シーン素子からの前記電荷出力を示す信号を生成し、
前記焦電シーン素子の前記強誘電層は、SBT(ストロンチウムビスマスタンタル酸化物)、バリウムビスマスタンタル酸化物、およびランタンビスマスタンタル酸化物からなる群から選択され、
前記焦電センサシステムはさらに、
熱ヒートシンクとして作用するシリコン基板構造と、
前記第2容量性プレートと前記シリコン基板の間に直接被覆された連続熱障壁と、を備え、前記熱障壁はエアブリッジを含まない、
前記焦電シーン素子に電気的に並列に構成された強誘電基準素子を備え、
前記強誘電基準素子は、前記交流電圧に応答し、前記強誘電基準素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記強誘電基準素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記強誘電素子は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記強誘電基準素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置され、
前記電荷積分システムは、前記強誘電基準素子からの前記電荷出力に応答して、前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力内の面積を求め、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を示す信号電圧出力を生成する、
焦電センサシステム。 - 前記熱障壁は、SOG(スピン・オン・ガラス)である、請求項9に記載の焦電センサシステム。
- 前記熱障壁は、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)である、請求項9に記載の焦電センサシステム。
- 前記システムは、赤外画像化システムであり、前記焦電シーン素子は、シーンから前記焦電シーン素子に向かう赤外放射を吸収する赤外吸収体を有する、請求項9に記載の焦電センサシステム。
- 前記電荷積分システムは演算増幅器を備え、
前記電荷積分システムの前記信号電圧出力は、前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算したものを示す、請求項9に記載の焦電センサシステム。 - 前記複数の加算される差の数は、シーン測定の所定の時間と前記外部交流信号の周波数の積に等しい、請求項13に記載の焦電センサシステム。
- 前記電荷積分システムは、前記外部交流信号電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から電流を受け取り、前記外部交流信号電圧が負のとき、前記強誘電基準素子に電流を戻して、前記基準分極の積分を行う、請求項14に記載の焦電センサシステム。
- 前記電荷積分システムの出力コンデンサと、
前記出力コンデンサに並列に構成され、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算する加算器として働く、前記電荷積分システムの演算増幅器とを備え、前記加算された差は前記信号電圧出力を示し、前記焦電センサシステムはさらに、
前記外部交流電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から前記電荷積分システムに電流を流して、前記出力コンデンサを充電するシーンダイオード検出器と、
前記外部交流電圧が負のとき、前記電荷積分システムから前記強誘電基準素子に電流を流して、前記出力コンデンサを放電させ、前記強誘電基準素子の分極を積分する基準ダイオードとを備える、請求項9に記載の焦電センサシステム。 - 所定の周波数で交流電圧を生成する交流電圧源と、
焦電シーン素子と、
前記焦電シーン素子に電気的に並列に構成された強誘電基準素子とを備え、
前記焦電シーン素子および強誘電基準素子は、前記交流電圧に応答し、前記それぞれの素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置され、
前記焦電シーン素子および強誘電基準素子の強誘電層は、SBT(ストロンチウムビスマスタンタル酸化物)、バリウムビスマスタンタル酸化物、およびランタンビスマスタンタル酸化物からなる群から選択され、
前記焦電センサシステムはさらに、
前記焦電シーン素子および強誘電基準素子からの前記電荷出力に応答して、前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記ヒステリシスループ内の面積を求め、前記素子の前記ヒステリシスループ出力の差を示す信号電圧出力を生成する電荷積分システムと、
を備える焦電センサシステム。 - 前記電荷積分システムは演算増幅器を備え、
前記電荷積分システムの前記信号電圧出力は、前記ヒステリシスループ出力の複数回加算される差を示す、請求項17に記載の焦電センサシステム。 - 前記複数の加算される差の数は、シーン測定の所定の時間と前記外部交流信号の周波数の積に等しい、請求項18に記載の焦電センサシステム。
- 前記電荷積分システムは、前記外部交流信号電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から電流を受け取り、前記外部交流信号電圧が負のとき、前記強誘電基準素子に電流を戻して、前記基準分極の積分を行う、請求項19に記載の焦電センサシステム。
- 前記電荷積分システムは出力コンデンサを備え、
前記出力コンデンサに並列に構成され、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算する加算器として働く、演算増幅器を備えた前記電荷積分システムと、前記加算された差は前記信号電圧出力を示し、前記焦電センサシステムはさらに、
前記外部交流電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から前記電荷積分システムに電流を流して、前記出力コンデンサを充電するシーンダイオード検出器と、
前記外部交流電圧が負のとき、前記電荷積分システムから前記強誘電基準素子に電流を流して、前記出力コンデンサを放電させ、前記強誘電基準素子の分極を積分する基準ダイオードとを備える、請求項17に記載の焦電センサシステム。 - 前記焦電シーン素子および強誘電基準素子はそれぞれ、第1の容量性プレートと第2の容量性プレートの間に配設された強誘電層を有し、前記交流電圧は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子および強誘電基準素子内で双極子の分極反転が生じるように前記第1の容量性プレートに印加され、前記焦電センサシステムは、
熱ヒートシンクとして作用するシリコン基板構造と、
前記シーン素子の前記第2の容量性プレートと前記シリコン基板の間に直接付着した連続熱障壁被覆とを備え、前記連続熱障壁はエアブリッジを含まない、請求項17に記載の焦電センサシステム。
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