JP5264418B2 - Thermal infrared detector - Google Patents
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Abstract
Description
本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検出素子(または「熱型赤外線撮像素子」ともいう。)に関し、特に、ダイオードを温度センサに用いた熱型赤外線検出素子に関する。 The present invention relates to a thermal infrared detection element (or also referred to as a “thermal infrared imaging element”) that detects a temperature change caused by incident infrared radiation with a two-dimensionally arranged semiconductor sensor, and in particular, a thermal type using a diode as a temperature sensor. The present invention relates to an infrared detection element.
従来より、入射赤外線による温度変化をアレイ状に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て種々の技術が開発されている。 Conventionally, various techniques have been developed for thermal infrared solid-state imaging devices that detect temperature changes caused by incident infrared rays using semiconductor sensors arranged in an array.
例えば、特許文献1は、ダイオードに一定の順方向電圧を与え、ダイオードに流れる電流の温度依存性を利用した熱型赤外線検出素子を開示する。このようなダイオードに一定の順方向電圧を与えて駆動する定電圧駆動方式により、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。すなわち、ダイオードの順方向電流は電圧に対して指数関数的に増加するので、一定の順方向電流を与えたときの順方向電圧変化を検出するよりも、一定の順方向電圧を与えたときの順方向電流を検出する方が、より大きな変化率が得られるため、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。同様な考え方の熱型赤外線検出素子は特許文献2〜4にも開示されている。
For example,
従来の熱型赤外線検出素子において、温度センサとして複数のダイオードがアレイ状に配置され、各ダイオードは行選択線と信号線とに接続され、行選択線と信号線により1つの画素から検出結果が読み出される。 In a conventional thermal infrared detection element, a plurality of diodes are arranged in an array as a temperature sensor, each diode is connected to a row selection line and a signal line, and a detection result is obtained from one pixel by the row selection line and the signal line. Read out.
ダイオードを定電圧駆動する上で重要な点はいかにダイオードに所定のバイアスを与えるかである。 An important point in driving the diode at a constant voltage is how to give the diode a predetermined bias.
通常、ダイオードを用いた熱型赤外線検出素子は、熱電変換部を細長い2本の断熱支持脚で支持する中空断熱構造を持つ。熱電変換部にダイオードが組み込まれ、断熱支持脚中にはダイオードへの配線が埋め込まれている。さらに熱電変換部の上面には赤外線吸収部が設けられている。この赤外線吸収部への入射赤外線が変化すると、赤外線吸収部により吸収される赤外線エネルギーが変化し、その変化が断熱構造により熱電変換部の温度変化に変換される。その温度変化を熱電変換部に組み込まれたダイオードを流れる電流の変化で読み出す。このような構成において検出感度を高くするためには、断熱支持脚の熱抵抗を高くする必要がある。さらには、断熱支持脚中に埋め込まれた配線を形成する金属も薄膜化し、細くかつ長くすることが好ましい。このようにすると、配線の電気抵抗が大きくなり、通常数Kから10数KΩにもなる。 Usually, a thermal infrared detecting element using a diode has a hollow heat insulating structure in which a thermoelectric conversion portion is supported by two elongated heat insulating support legs. A diode is incorporated in the thermoelectric converter, and wiring to the diode is embedded in the heat insulating support leg. Furthermore, an infrared ray absorbing portion is provided on the upper surface of the thermoelectric conversion portion. When the incident infrared ray to the infrared absorbing portion changes, the infrared energy absorbed by the infrared absorbing portion changes, and the change is converted into a temperature change of the thermoelectric conversion portion by the heat insulating structure. The temperature change is read by the change in the current flowing through the diode incorporated in the thermoelectric converter. In order to increase the detection sensitivity in such a configuration, it is necessary to increase the thermal resistance of the heat insulating support legs. Furthermore, it is preferable that the metal forming the wiring embedded in the heat-insulating support legs is also thinned and made thin and long. In this way, the electrical resistance of the wiring increases, usually from several K to several ten KΩ.
以上のような高い配線の電気抵抗の下でダイオードへ所定のバイアスを印加した場合以下の問題がある。 When a predetermined bias is applied to the diode under the electrical resistance of the high wiring as described above, there are the following problems.
支持脚内の配線と行選択線と信号線の接続点との間に、外部回路から所定のバイアス電圧を与えた場合、熱電変換部の温度が上昇し、ダイオードの電流が増加すると、支持脚内の配線での電圧降下が増加する。このため、ダイオードの順方向電圧が減少し、ダイオードを流れる電流を減少させるように作用する。逆に、熱電変換部の温度が下降し、ダイオードの電流が減少すると、支持脚内の配線での電圧降下が減少する。このため、ダイオードの順方向電圧が増加し、ダイオードの電流を増加させるように作用する。このように、配線抵抗による電圧降下の影響により、ダイオードの電流変化が抑制されるという現象が生じる。すなわち、ダイオードの温度が変化し、ダイオードを流れる電流が変動すると、ダイオードや配線の抵抗に起因する電圧降下の変動によりダイオードにかかる実効的なバイアス電圧が変動し、温度変化に伴うダイオード電流の変化が抑制され、温度検知感度が低下する。以下、このような配線抵抗によりダイオードの電流変化が抑制される効果を「負帰還効果」という。この負帰還効果は、電圧を一定に与えるところからダイオードまでの抵抗に起因するものであり、その抵抗の主因は支持脚内の配線抵抗であるが、行選択線と信号線の抵抗も少なからず寄与している。この負帰還効果により、定電圧駆動方式の特徴である高感度という特性を十分に発揮できないという問題がある。 When a predetermined bias voltage is applied from the external circuit between the wiring in the support leg and the connection point of the row selection line and the signal line, the temperature of the thermoelectric converter rises and the current of the diode increases. The voltage drop in the wiring inside increases. For this reason, the forward voltage of the diode is reduced, and the current flowing through the diode is reduced. On the contrary, when the temperature of the thermoelectric conversion unit decreases and the current of the diode decreases, the voltage drop in the wiring in the support leg decreases. For this reason, the forward voltage of the diode increases and acts to increase the current of the diode. As described above, a phenomenon occurs in which a change in the current of the diode is suppressed due to the influence of the voltage drop due to the wiring resistance. That is, when the diode temperature changes and the current flowing through the diode fluctuates, the effective bias voltage applied to the diode fluctuates due to fluctuations in the voltage drop caused by the resistance of the diode and wiring, and the change in the diode current accompanying the temperature change Is suppressed, and the temperature detection sensitivity decreases. Hereinafter, the effect of suppressing a change in the current of the diode by such wiring resistance is referred to as a “negative feedback effect”. This negative feedback effect is caused by the resistance from the constant voltage supply to the diode, and the main cause of the resistance is the wiring resistance in the support leg, but the resistance of the row selection line and the signal line is not small. Has contributed. Due to this negative feedback effect, there is a problem that the characteristic of high sensitivity, which is a feature of the constant voltage driving method, cannot be fully exhibited.
特許文献1は負帰還効果について、ダイオードの電流を読み出すために電圧に変換する手段、例えば負荷抵抗または容量を接続したときの、その抵抗または容量での電圧変動がダイオードのバイアスに影響を与えることを記載している(特許文献1の[0021]参照)。特許文献1ではその解決方法として、電圧変換手段を用いて、信号線と電圧変換手段であるカラムトランジスタ群の接続点の電圧を常に一定にする方法を開示している。しかし、この方法では、電圧変換手段であるカラムトランジスタ群までの信号線、選択線、画素内の配線の抵抗による負帰還効果についてはなんら解決できない。
特許文献2は、ダイオードの順方向特性の温度依存性を利用した赤外線検出素子を開示し、具体的には、環境温度が変化したときの電流変化(ドリフト電流)を抑制するようにダイオードのバイアスを可変電圧源にて変化させることを開示する(特許文献2の[0012]、[0024]、[0026]参照)。特許文献2はダイオードのバイアスの変化方法について詳細を開示していないが、例えば環境温度が高くなり、ダイオード電流が増加すると、出力を一定にするためにダイオードバイアスを下げて電流を減少させるものと理解できる。しかし、このような方法では、赤外線光入射時に発生する配線抵抗による負帰還効果は解消されないのは明らかであり、そもそも、負帰還効果に関する課題を認識していない。
特許文献3は、ダイオードの接合面積を広くする構造に関し、読み出し回路については特許文献2と同様の構成を開示する(特許文献3の[0030]参照)。よって、特許文献3は、特許文献2と同様、赤外線光入射時に発生する配線抵抗による負帰還効果の課題を解消しておらず、また、そもそも負帰還効果に関する課題を認識していない。 Patent Document 3 discloses a structure in which the junction area of the diode is widened, and the readout circuit has a configuration similar to that of Patent Document 2 (see [0030] of Patent Document 3). Therefore, Patent Document 3 does not solve the problem of the negative feedback effect due to the wiring resistance generated when infrared light is incident, and does not recognize the problem related to the negative feedback effect in the first place.
特許文献4は、特許文献2と同様、ダイオードに直列にバイアス電圧回路を挿入して、その回路を経由して順方向電流を読み取る温度測定装置もしくは熱型の赤外線イメージセンサを開示する。特許文献4では抵抗による負帰還効果を説明しているが、特許文献4の発明者は電流読出し時に抵抗を接続して出力を上げる抵抗を増加させると、負帰還効果が問題になると指摘している(特許文献4の[0009]参照)。そして、特許文献1と同じ課題認識で電流読出し部の抵抗にかかわらず正確なバイアスをダイオードに与えるとしている(特許文献4の[0011])。特許文献4では、熱型赤外センサへ適用するため、ダイオードの断熱構造を適用すると、バイアス回路は通常、断熱構造がない基板上に形成される。よって断熱構造における支持脚内の配線からバイアス回路まで配線が必要となり、そのバイアス回路までの配線により負帰還効果が生じる。
Patent Document 4 discloses a temperature measuring device or a thermal infrared image sensor in which a bias voltage circuit is inserted in series with a diode and a forward current is read via the circuit, as in
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、配線抵抗による負帰還効果を抑制して高感度な熱型赤外線検出素子を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a high-sensitivity thermal infrared detection element by suppressing the negative feedback effect due to wiring resistance.
上記課題を解決するため、本発明では、熱型赤外線検出素子において、断熱構造と赤外線吸収部を有するダイオードに流れる電流によらず、ダイオード両端に印加するバイアス電圧を一定値に制御する。これにより、ダイオードの温度が変化し、ダイオード電流が変化してもダイオードにかかる電圧は常に一定値となるため、配線抵抗による負帰還効果を削減できる。具体的には本発明に係る熱型赤外線検出素子は以下の構成を有する。 In order to solve the above problems, in the present invention, in the thermal infrared detector, the bias voltage applied to both ends of the diode is controlled to a constant value regardless of the current flowing through the diode having the heat insulating structure and the infrared absorbing portion. As a result, even if the temperature of the diode changes and the diode current changes, the voltage applied to the diode always becomes a constant value, so that the negative feedback effect due to the wiring resistance can be reduced. Specifically, the thermal infrared detection element according to the present invention has the following configuration.
本発明に係る熱型赤外線検出素子は、熱電変換部として、1個または複数個直列接続されたダイオードと、熱電変換部を2個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱をダイオードに伝導する赤外線吸収部と、ダイオードの陽極側に、断熱支持脚の一方である第1の配線を介して、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、ダイオードの陰極側に、断熱支持脚の他方である第2の配線を介して、電圧設定回路の入力端子に接続される。電圧設定回路では、入力されたダイオードに流れる電流は、第1の電流と第2の電流に、分割、または、複製され、第1の電流は電圧設定回路の出力端子に出力され、第2の電流を用いて、第1の配線の抵抗と第2の配線の抵抗とダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、第2の配線と電圧設定回路の接続点である、電圧設定回路の入力端子の電圧が、所定のバイアス電圧から、抽出された電圧降下を減算した電圧に制御される。電圧設定回路の出力端子には、第1の電流を読み取る電流読み取り回路が接続される。
The thermal infrared detection element according to the present invention includes one or more diodes connected in series as a thermoelectric conversion part, a hollow heat insulation structure that supports the thermoelectric conversion part with two heat insulation support legs, and absorbs infrared rays. An infrared absorption part that conducts heat corresponding to the absorbed infrared rays to the diode, and a power source that supplies a constant power supply voltage are connected to the anode side of the diode via the first wiring that is one of the heat insulating support legs. The cathode side of the diode is connected to the input terminal of the voltage setting circuit via the second wiring which is the other of the heat insulating support legs. In the voltage setting circuit, the current flowing through the input diode is divided or duplicated into a first current and a second current, and the first current is output to the output terminal of the voltage setting circuit, Using the current, a voltage drop caused by the resistance of the first wiring, the resistance of the second wiring, and the current of the diode is extracted, and the input of the voltage setting circuit, which is a connection point between the second wiring and the voltage setting circuit The terminal voltage is controlled to a voltage obtained by subtracting the extracted voltage drop from a predetermined bias voltage. A current reading circuit for reading the first current is connected to the output terminal of the voltage setting circuit.
本発明によれば、ダイオードの温度が変化し、電流が変化してもダイオードにかかる電圧は常に、電源電圧から所定のバイアス電圧を引いた値となるため、配線抵抗による負帰還効果がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。 According to the present invention, even if the temperature of the diode changes and the current changes, the voltage applied to the diode is always a value obtained by subtracting a predetermined bias voltage from the power supply voltage. A highly sensitive thermal infrared detector can be realized.
以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
(1.熱型赤外線検出素子の全体構成)
図1に、本発明の実施の形態1における熱型赤外線検出素子の構成を示す。熱型赤外線検出素子は赤外線検出用のダイオード101を備える。赤外線検出用のダイオード101の陽極は抵抗102を介して電源端子104に接続され、陰極は抵抗103及び端子105を経由して電圧設定回路106に接続される。ダイオード101を流れる電流Ifは、電圧設定回路106と端子107を経由して電流読み取り回路108に流れ、端子109を介して検出される。なお、端子105、107は説明の便宜上端子として表現しているが、電気的に接続されていれば端子の形態でなくてもよい。
(1. Overall configuration of thermal infrared detector)
FIG. 1 shows the configuration of a thermal infrared detection element according to
電圧設定回路106は、端子105の電位を制御し、ダイオード101の両端にかかる電圧を一定になるよう制御する回路である。電圧設定回路106は、ダイオード101の両端電圧を一定値に制御するため、端子105の電位をダイオード101に流れる電流Ifに応じて制御する。電圧設定回路106のより詳細な動作については後述する。
The
電流読み取り回路108は、入力される電流を電圧に変換するもので周知の技術で実現できる。一例として図2に示した構成が考えられる。図2(a)は、トランスインピーダンスアンプで実現した例を示し、オペアンプ201の出力から反転入力端子に負荷抵抗RLで帰還を施した構成であり、電流に抵抗RLを乗じた値の出力が得られる。または、図2(b)で示したようなオペアンプ301の出力から反転入力端子に容量Ciで帰還し、容量Ciの両端にリセットスイッチ302を設けた積分器でもよい。この構成では、リセットスイッチ302のリセット動作周期を積分時間Tiとし、電流に積分時間Tiを乗じた値を積分容量Ciで除算した値の出力が得られる。図2(b)の例では、積分動作が行われるので雑音の減少効果もある。
The
ダイオード101は図3に示すように断熱構造と赤外線吸収構造を有する。このような構成は周知のものである。図3において、ダイオード101の主要部が含まれる赤外線吸収構造(熱電変換部)は、2つの細長い断熱支持脚401と402により、基板に設けられた中空部分403上で支持される。断熱支持脚401と402にはダイオード101への接続配線(図示せず)が埋め込まれている。断熱支持脚401と402は陽極側の電源配線404と陰極側の信号線405にそれぞれ接続されている。またダイオード101が存在する部分には赤外線吸収膜406が形成されている。なお、抵抗102と103は断熱支持脚401と402内の配線抵抗に相当する。
The
(2.電圧設定回路)
電圧設定回路106の動作について説明する。電圧設定回路106は端子105の電圧Vrefを以下のように制御する。
Vref = Vc - If・Rc (1.1)
Rcは抵抗102と103の合成抵抗、Ifはダイオード101を流れる電流、Vcは所定のバイアス電圧である。
(2. Voltage setting circuit)
The operation of the
Vref = Vc-If ・ Rc (1.1)
Rc is a combined resistance of the
一方、端子104に与えられる電源電圧をVddとすると、ダイオード101に印加されるダイオード101の順方向バイアス電圧Vfは次式で得られる。
Vf = Vdd - If・Rc - Vref (1.2)
On the other hand, assuming that the power supply voltage applied to the terminal 104 is Vdd, the forward bias voltage Vf of the
Vf = Vdd-If ・ Rc-Vref (1.2)
式(1.1)、(1.2)より順方向バイアス電圧Vfは次式のようになる。
Vf = Vdd - Vc (2)
From the expressions (1.1) and (1.2), the forward bias voltage Vf is as follows.
Vf = Vdd-Vc (2)
即ち、順方向バイアス電圧Vfは電流Ifに係わらず一定電圧となる。よって、従来技術で問題となった負帰還効果による感度低下がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子が実現できる。 That is, the forward bias voltage Vf becomes a constant voltage regardless of the current If. Therefore, the sensitivity reduction due to the negative feedback effect, which has been a problem in the prior art, is eliminated, and a highly sensitive thermal infrared detector can be realized.
図4に、このような働きをする電圧設定回路106の構成例を示す。電圧設定回路106の入力端子105と出力端子107に流れる電流を2個の同一サイズのPMOSトランジスタ501と502に分流する。一方のPMOSトランジスタ501のドレインは出力端子107に接続され、他方のトランジスタ502のドレインはNチャネルトランジスタ503と504で構成されるカレントミラー回路に接続される。カレントミラー回路において、分流された電流If/2の2倍の電流Ifをトランジスタ504で形成する。すなわち、トランジスタ504のW/L比はトランジスタ503のW/L比の2倍に設定されている。トランジスタ504のドレインは抵抗Rcを介して所定のバイアス電圧Vcに接続されている。抵抗Rcの抵抗値は、赤外線検出部の抵抗102と103の抵抗値の合成値に一致するようになっている。具体的には、図3に示した構成でダイオード部を抵抗の小さい太い配線でショートするのが一例として考えられる。これによりトランジスタ504のドレインには(Vc - If・Rc)の電圧が印加される。この電圧をオペアンプ507の非反転端子に入力し、反転端子に端子105の電圧を入力する。オペアンプ507の出力はトランジスタ501と502のゲートに入力する。オペアンプ507の働きにより反転入力端子、即ち電圧設定回路106の入力端子105の電圧が常に非反転入力端子の電圧(Vc - If・Rc)になるように帰還動作が働く。
FIG. 4 shows a configuration example of the
電流Ifが増加し、抵抗102と103での電圧降下が上昇し、端子105の電圧が低下した場合の動作を検討する。この場合、オペアンプ507の反転入力端子の電圧が低下するので、オペアンプ507の出力が上昇し、PMOSトランジスタ501と502のゲート電圧を持ち上げPMOSトランジスタ501と502の電流が減少する。ダイオード101からの電流はPMOSトランジスタ501と502以外には流れないので、余剰なダイオード電流IfはPMOSトランジスタ501と502のソース電圧ノードを充電していく。これにより、PMOSトランジスタ501と502のソース電圧とオペアンプ507の反転入力端子の電圧は上昇し、PMOSトランジスタ501と502のゲート電圧を下げる。そうすると、PMOSトランジスタ501と502に流れる電流は増加し、ついにはダイオード101に流れる電流を超える。こうなると、上記と逆の現象がおき、PMOSトランジスタ501と502のソース電圧ノードを放電していき、PMOSトランジスタ501と502のソース電圧とオペアンプ507の反転入力端子の電圧も下がる。以後は、前述と同様の動作が繰り返され、最終的にPMOSトランジスタ501と502のソース電圧がオペアンプ507の非反転入力端子の電圧(Vc - If・Rc)に一致したところで安定する。
Consider the operation when the current If increases, the voltage drop across the
上記のような電圧設定回路106の動作により端子105の電圧が電圧(Vc - If・Rc)に制御され、これにより、ダイオード101両端にかかる電圧を(Vdd - Vc)に制御でき、ダイオード101に対して電流Ifによらない一定のバイアスを印加できる。すなわち、ダイオード101の温度が変化し、電流Ifが変化してもダイオード101にかかる電圧は常に、電源電圧Vddから一定のバイアス電圧Vcを減算した値となるため、配線抵抗による負帰還効果がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。
Due to the operation of the
本実施形態では、1つの画素を含む熱型赤外線検出素子の構成について説明したが、複数の画素をアレイ状に配置した熱型赤外線検出素子についても、本実施形態の思想を適用できることは言うまでもない(以下の実施形態においても同じ)。 In the present embodiment, the configuration of the thermal infrared detection element including one pixel has been described. Needless to say, the idea of the present embodiment can be applied to a thermal infrared detection element in which a plurality of pixels are arranged in an array. (The same applies to the following embodiments).
実施の形態2.
図5に、本発明の実施の形態2における熱型赤外線検出素子の構成を示す。実施の形態1と異なる点は、端子107に電流源601を接続している点である。本発明の動作を説明するために、図6に示す等価回路を用いる。図6では、抵抗102と抵抗103をまとめて抵抗701とし、ダイオード101と抵抗701が端子702を介して接続され、端子702の電圧をVxとしている。また、実施の形態1と同じく端子105の電圧をVref、抵抗701の値をRcとする。
FIG. 5 shows the configuration of the thermal infrared detection element according to the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that a
図7に、図6に示す回路の電圧電流特性を示す。図7では、横軸に電圧Vx、縦軸に電流Ifをとっている。ダイオード101の特性は、電圧Vxが電源電圧Vddに等しいときに0バイアスとなり、電圧Vxが電源電圧Vddより下がると周知の順方向特性となり、温度が上昇すると電流が増加する特性となる。一方、抵抗701に流れる電流はオームの法則より(Vx - Vref) /Rcとなる。ダイオード101に流れる電流と抵抗701に流れる電流は等しいからこの2つの特性曲線の交点が動作点となる。
FIG. 7 shows the voltage-current characteristics of the circuit shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis represents voltage Vx, and the vertical axis represents current If. The characteristic of the
一般にダイオードの順方向電流は数μA以上であるが、ダイオードの電流の温度変化率は1度Cあたり6%程度である。また赤外線検出素子としてみた場合、光学系や断熱特性の設定にもよるが、画素サイズを40μm、断熱支持脚の熱コンダクタンスを100nW/K、赤外線吸収率を80%、光学系F値を1とすると、被写体の温度変化1度Cあたりダイオード101の温度は5ミリ度C程度変化する。仮に、被写体の撮像温度範囲を室温±30度C程度とした場合でも、ダイオード101の温度変化は高々0.3度Cp-pである。即ちダイオード101の電流変化は1.8%p-p(≒6%×0.3)程度の変化であり、数μAの電流を流していても、その一部しか信号電流にならないことがわかる。よって実施の形態1のようにダイオード電流Ifの全てを電流読み取り回路に送る必要はなく、ダイオード電流Ifの一部のみを電流読み取り回路108に送ればよい。このようにすることで、電流読み取り回路108のダイナミックレンジを有効に活用できる設計が可能となり、ダイナミックレンジの大きい高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。電流源601のバイアス電流Ibはそれを実現するためのものであり、図6に示すように電流Ifから電流Ibを除いた部分を信号電流Iiとして電流取り出し部108に流入させる。電流源601の電流Ibの値は上記のように撮像温度範囲や画素の特性に応じて設定すればよい。周囲温度変化でダイオード電流が大きく変化する場合は、周囲温度に応じて電流Ibを変化させてもよい。
In general, the forward current of the diode is several μA or more, but the temperature change rate of the diode current is about 6% per C. When viewed as an infrared detector, the pixel size is 40 μm, the thermal conductance of the heat insulating support leg is 100 nW / K, the infrared absorptivity is 80%, and the optical system F value is 1, although it depends on the setting of the optical system and the heat insulation characteristics. Then, the temperature of the
実施の形態3.
図8に本発明の実施の形態3における熱型赤外線検出素子の構成を示す。本実施の形態では、実施の形態2の構成における電流源601(トランジスタ907、908で構成されるカレントミラー回路に相当)の電流を周囲温度に応じて自動的に変化させることを可能とする構成を説明する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 shows the configuration of a thermal infrared detection element according to Embodiment 3 of the present invention. In the present embodiment, a configuration capable of automatically changing the current of the current source 601 (corresponding to a current mirror
このために赤外線吸収構造及び/または断熱構造を有しないダイオード(以下「参照ダイオード」という。)901を設け、このダイオード901に対して直列に赤外線検出用のダイオード101に対するものと同じ回路要素を接続する。
For this purpose, a diode (hereinafter referred to as “reference diode”) 901 having no infrared absorption structure and / or heat insulation structure is provided, and the same circuit element as that for the
参照ダイオード901の陽極は抵抗902を介して電源端子904に接続される。電源端子904には通常は電源端子104と同じ電源電圧が与えられる。参照ダイオード901の陰極は抵抗903及び端子905を介して電圧設定回路906に接続される。抵抗902、903及び電圧設定回路906はそれぞれ抵抗102、103及び電圧設定回路106と同じものである。参照ダイオード901は赤外線吸収構造及び/または断熱構造を有しないため、赤外線には反応せず、周囲温度変化に応じた電流が流れる。この電流はNMOSトランジスタ907と908で構成されるカレントミラー回路で複製され、ダイオード101に流れる電流Ifから減算され、残りの電流が電流読み取り回路108に流れ込む。このように、電流読み取り回路108に流入する電流は、検出素子の温度に応じた電流が差し引かれたものとなる。すなわち、参照ダイオード901に対応する出力が常に一定の電圧となるように、ダイオード101の電流Ifから除かれるバイアス電流Ibが制御される。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。
The anode of the
実施の形態4.
図9に本発明の実施の形態4における熱型赤外線検出素子の構成を示す。図9に示した例では、参照ダイオード901に流れる電流からNMOSトランジスタ907で決まる電流を減算し、その減算により得られた電流値が、電流読み取り回路108と同様の構成を有する電流読み取り回路1001により電圧に変換される。電流読み取り回路108、1001の出力は、入力される電流の増加に応じて出力電圧が増加するような極性を有する。参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧をオペアンプ1003の非反転入力に入力し、反転入力端子1002に基準電圧を入力し、オペアンプ1003の出力をNMOSトランジスタ907と908のゲート電圧に入力する。このようにして電流読み取り回路1001の出力を基準電圧(端子1002の入力電圧)に一致させるための帰還ループが形成される。こうすることで、参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧が基準電圧に一致するように、NMOSトランジスタ907と908のゲート電圧、即ち、ダイオード電流Ifから減算される電流Ibの値が決まる。もし、電流読み取り回路108、1001の出力の極性が逆の場合は、オペアンプ1003の入力の極性を逆にすればよい。本実施の形態の構成によれば、回路906、907、108、1001の温度ドリフトを含めて補正され、参照ダイオード901に相当する出力が常に所定の基準電圧に等しくなり、実施の形態3に比べてより高精度な温度ドリフト抑制が可能になる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 shows the configuration of a thermal infrared detection element according to Embodiment 4 of the present invention. In the example shown in FIG. 9, the current determined by the
実施の形態5.
実施の形態4では、一つのダイオード101を含む熱型赤外線検出素子について説明したが、前述の技術思想はダイオード101を2次元アレイ状に配置した熱型赤外線撮像素子にも適用可能である。図10に、ダイオード101をアレイ状に配置した場合の構成を示す。図10は、実施の形態4で開示した回路を、ダイオードをアレイ状に配置した熱型赤外線撮像素子の構成に適用した例を示すが、他の実施の形態において開示した思想も同様にして、ダイオードをアレイ状に配置した熱型赤外線撮像素子の構成に適用できることは言うまでもない。
Embodiment 5 FIG.
In the fourth embodiment, the thermal infrared detection element including one
図10において、ダイオード101はアレイ状に配置され、1つの画素Pが1つのダイオード101を含み、3×3画素の撮像素子が構成されている。このようにアレイ状に配置された複数の画素Pは画素アレイを構成する。各行の右端には参照ダイオード901が配置されている。ダイオード101、901の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路1102が接続され、参照ダイオード901の陰極には電圧設定回路906が接続される。電圧設定回路1102、906の出力は、電流源1103、907及び電流読み取り回路1104、1001に接続される。
In FIG. 10, the
電流読み取り回路1104、1001の出力は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、1001の出力を出力端子1107に導く。
Outputs of the
サンプルホールド回路1108は、参照ダイオード901に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には端子1002から基準電圧が入力される。参照ダイオード901は行単位で設けられているので、その出力が基準電圧に一致するように電流源1103、907を流れる電流が制御される。なお、オペアンプ1003の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより参照ダイオード901からの出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線撮像素子が実現できる。
When an output corresponding to the
ダイオード101、901の陽極を共通接続する配線である駆動線1109の抵抗寄与は行内の左端と右端の画素で異なり、ダイオード101の陰極を共通接続する配線である信号線1110の抵抗寄与は列内の上端と下端の画素で異なる。このため、ダイオード101に設けられている断熱支持脚の抵抗に対して、これら配線の抵抗を十分に小さくすることが好ましい。
The resistance contribution of the
電圧設定回路1102、906は、信号線1110と電圧設定回路1102、906の接続点の電圧を、所定のバイアス電圧から、断熱支持脚の抵抗(第1及び第2の配線抵抗)と、信号線1110及び駆動線1109の抵抗と、ダイオード101、901の電流Ifとにより生じる電圧降下を減算した電圧に制御する。
The
配線抵抗の影響をできるだけ回避するためには、電圧設定回路1102、906に設けている抵抗(図4の抵抗505)を行単位で段階的に変化させ、さらに、電源端子104から垂直走査回路1101内を縦に走る電源線(破線で図示)の抵抗を、ダイオード101、901の陰極を共通接続する各配線1110の抵抗の1/(水平画素数)に設定すればよい。ここで、前記比率を1/(水平画素数)とする理由は次のとおりである。垂直走査回路1101内を縦に走る電源線には水平画素数分の電流が流れるため、垂直走査回路1101内を縦に走る電源線が、見かけ上、ダイオードの陰極を共通接続する配線の抵抗の水平画素数倍の抵抗として寄与するからである。
In order to avoid the influence of the wiring resistance as much as possible, the resistance (
実施の形態6.
実施の形態5において、行単位でダイオードの陽極を共通接続する配線の抵抗及び列単位でダイオードの陰極を共通接続する配線の抵抗の寄与が、断熱支持脚の抵抗に比べ無視できなくなると、画素間での抵抗差補正が難しくなるばかりでなく、以下の問題が生じるおそれがある。一つの画素に強い赤外線が入射したとき、その一つの画素のダイオードの電流が増加する。ダイオードの陽極側は共通接続されているため、その共通接続配線上での電圧降下が、一つの画素の電流変化の影響を受けて変化する。その一つの画素と同一行にある他の画素のダイオードの陽極電圧を変化させ、「偽信号」を生じることがある。特に画素サイズが小さくなると配線幅を縮小せざるを得ず、この効果は顕著になる。以下にこの問題を解決するための構成を説明する。
Embodiment 6 FIG.
In the fifth embodiment, if the contribution of the resistance of the wiring that commonly connects the anodes of the diodes in units of rows and the resistance of the wiring that commonly connects the cathodes of the diodes in columns is not negligible compared to the resistance of the heat insulating support legs, Not only is it difficult to correct the resistance difference between them, but the following problems may occur. When strong infrared light is incident on one pixel, the current of the diode of that one pixel increases. Since the anode sides of the diodes are connected in common, the voltage drop on the common connection wiring changes under the influence of the current change of one pixel. The anode voltage of the diodes of other pixels in the same row as the one pixel may be changed to generate a “false signal”. In particular, when the pixel size is reduced, the wiring width must be reduced, and this effect becomes remarkable. A configuration for solving this problem will be described below.
図11に、本発明の実施の形態6における熱型赤外線検出素子の構成を示す。画素Pは、直列接続されたダイオード101と選択MOSスイッチ1201を含む。ダイオード101の陰極は選択MOSスイッチ1201の一方の端子に接続される。各選択MOSスイッチ1201のゲートは行単位で選択線1202により共通接続され、垂直走査回路1101から順に行選択信号が印加される。ダイオード101の陽極は電源線1203により列単位で共通接続され、選択MOSスイッチ1201の他方の端子は信号線1204により列単位で共通接続される。電源線1203は共通電源線1205により列間で共通接続され電源端子104に接続される。ここで共通電源線1205は画素アレイの外にあるので、画素サイズが縮小されても配線幅を十分広く設定し、抵抗寄与を無視できるようにすることが可能である。電圧設定回路1102、906は、信号線1204と電圧設定回路1102、906の接続点の電圧を、所定のバイアス電圧から、ダイオードの断熱支持脚の抵抗(第1、第2の配線抵抗)と、MOSトランジスタ1201のオン抵抗と、信号線1204および電源線1203の抵抗と、ダイオードの電流Ifとにより生じる電圧降下を減算した電圧に制御する。
FIG. 11 shows the configuration of a thermal infrared detection element according to the sixth embodiment of the present invention. The pixel P includes a
画素P内でみると、行の選択は選択MOSスイッチ1201により行われるので実施の形態5のように画素内で行方向に流れる電流成分がなくなる。ここで、電源線1203と信号線1204の配線の幅を同一にしておくと両者の抵抗は同じになる。よって、図12に示すように、いずれの行を選択しても、ダイオード101に接続される抵抗は、図示されていない断熱支持脚(第1の配線)の抵抗に加えて、一本の信号線の抵抗(電源線抵抗)と、選択MOSスイッチ1201のオン抵抗になる。これはどの画素列についても同じである。よって抵抗が全ての画素で同じになるばかりでなく、画素内の電源線や信号線には、選択されているダイオードの電流しか流れないため、前述の偽信号は発生しない。これにより、図10に示したようなダイオードアレイに起因した画素間の抵抗差がないため偽信号の発生もなく、高感度、高ダイナミックレンジ、かつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線撮像素子が実現できる。
In the pixel P, since the selection of the row is performed by the
実施の形態7.
上述の実施の形態ではダイオードの陰極側に電圧設定回路を設けていたが、陽極側に設けることも可能である。図13に、この場合の熱型赤外線検出素子の構成例を示す。図13において、電圧設定回路1401は、電源端子104と、ダイオード101の陽極側に接続された抵抗102との間に設けられている。電圧設定回路1401は端子1402の電圧Vrefを以下のように制御する。
Vref = Vc + If・Rc (3.1)
Rcは抵抗102と抵抗103の合成抵抗値、Ifはダイオード101を流れる電流、Vcは所定のバイアス電圧である。
Embodiment 7 FIG.
In the above-described embodiment, the voltage setting circuit is provided on the cathode side of the diode, but it may be provided on the anode side. FIG. 13 shows a configuration example of the thermal infrared detection element in this case. In FIG. 13, the
Vref = Vc + If ・ Rc (3.1)
Rc is a combined resistance value of the
一方、ダイオード101に印加される順方向バイアス電圧Vfは次式で得られる。
Vf = Vref - If・Rc (3.2)
On the other hand, the forward bias voltage Vf applied to the
Vf = Vref-If ・ Rc (3.2)
式(3.1)、(3.2)より順方向バイアス電圧Vfは次式のようになる。
Vf = Vc (4)
From the equations (3.1) and (3.2), the forward bias voltage Vf is as follows.
Vf = Vc (4)
即ち、順方向バイアス電圧Vfは電流Ifに係わらず一定電圧となる。よって、従来技術で問題となった負帰還効果による感度低下がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子が実現できる。 That is, the forward bias voltage Vf becomes a constant voltage regardless of the current If. Therefore, the sensitivity reduction due to the negative feedback effect, which has been a problem in the prior art, is eliminated, and a highly sensitive thermal infrared detector can be realized.
図14に電圧設定回路1401の構成を示す。図14に示す電圧設定回路1401の構成は、図4に示す構成において、トランジスタの極性を反転し、電源と接地の関係を逆にしたものである。すなわち、ダイオード101の電流Ifはソースを共通接続したNMOSトランジスタ1501と1502により供給される。NMOSトランジスタ1501と1502のゲート電位は、オペアンプ507により、NMOSトランジスタ1501と1502のソース電位が(Vc + If・Rc)になるように制御される。オペアンプ507の反転入力端子はNMOSトランジスタ1501と1502のソースに接続され、非反転入力端子はPMOSトランジスタ1504のドレインに接続される。
FIG. 14 shows the configuration of the
NMOSトランジスタ1502に直列に接続された、PMOSトランジスタ1503と1504からなるカレントミラー回路はダイオード電流Ifを複製する。複製された電流Ifと、配線抵抗102と103の合成抵抗値と等しい抵抗値を持つ抵抗505とを用いて作成された(Vc + If・Rc)の電位がオペアンプ507の非反転入力端子に入力される。
A current mirror circuit composed of
本実施の形態の電圧設定回路1401の基本動作は図4に示したものと同じであるが、順方向電流Ifを図4のものと同じとすると、電流読み取り回路108へ流入する電流は図4の場合はIf/2であるのに対し、図14の場合はIfとなる。このため、図14の構成により、より感度が大きい熱型赤外線検出素子を実現できる。ただし、端子506は固定バイアスVCに固定されるが、電流が端子506側に流れ込むため、固定バイアスVCをつくる電源として、流入電流に対して電圧変化が少ない電源を用意する必要がある。なお、本実施の形態では、ダイオードの陽極の電位が制御されるので、陰極の端子107の電位は常に一定である必要がある。従って、電流読み取り回路108として、入力電位が常に一定となる図2(a)に示す回路を適用するのが好ましい。なお、本実施形態においても、実施の形態2の技術思想を適用し、ダイオード電流Ifから一定電流Ibを減算した残りの電流を電流読み取り回路108に流入させるようにしてもよい。
The basic operation of the
実施の形態8.
実施の形態7で述べたように、実施の形態1(図4)ではダイオードを流れる電流をIfとすると、電流読み出し回路108に流れる電流は半分になり感度が低下する。本実施の形態及び実施の形態9では、この問題を解消する実施の形態を説明する。
Embodiment 8 FIG.
As described in the seventh embodiment, in the first embodiment (FIG. 4), if the current flowing through the diode is If, the current flowing through the
図15は本実施の形態に係る電圧設定回路の構成を示した図である。電圧設定回路以外は図1に示す構成と同じである。本実施の形態では、図4の場合と異なり、PMOSトランジスタ1601とPMOSトランジスタ1602のW/L比率を同じとせずに、PMOSトランジスタ1601のW/L比率をPMOSトランジスタ1602のn倍(n>1)としている。これにともない、電流を複製するカレントミラー回路のNMOSトランジスタ1604とNMOSトランジスタ1603のW/Lの比率を(n+1):1としている。これにより電流読み取り回路へ流入する電流は図4の場合に比べ2n/(n+1)倍に増加し、感度もその比率だけ増加する。
FIG. 15 is a diagram showing the configuration of the voltage setting circuit according to the present embodiment. Except for the voltage setting circuit, the configuration is the same as that shown in FIG. In the present embodiment, unlike the case of FIG. 4, the W / L ratio of the
実施の形態9.
図16は本発明の実施の形態9における電圧設定回路の構成図である。電圧設定回路以外は図1の構成と同じである。本実施形態では図4の場合と異なり、ソース電位がオペアンプ507で(Vc - If・Rc)に制御されるPMOSトランジスタ501のドレインにゲート・ドレイン間を接続したNMOSトランジスタ1701を接続し、そこに流れる電流IfをNMOSトランジスタ1702、1703で複製する。NMOSトランジスタ1702のドレインとバイアス電圧Vcとの間に、配線抵抗102と103の合成抵抗の値に一致する抵抗値Rcを持つ抵抗505接続する。これにより、NMOSトランジスタ1702のドレインの電圧を(Vc - If・Rc)に制御する。この電圧をオペアンプ507の非反転入力端子に入力する。また、NMOSトランジスタ1703に流れる電流Ifは、端子107を介して電流読み取り回路108に入力され、出力信号として読み出される。本実施の形態では、ダイオード101に流れる電流Ifを直接読み出すことにはならないが、それと同じ大きさの電流を取り出すことができる。すなわち、電流読み取り回路108にはダイオード101の電流Ifと同じ大きさの電流が流れる。このため、図4に示す回路構成で問題となる感度低下は生じない。
Embodiment 9 FIG.
FIG. 16 is a configuration diagram of a voltage setting circuit according to the ninth embodiment of the present invention. Except for the voltage setting circuit, the configuration is the same as that of FIG. In this embodiment, unlike the case of FIG. 4, an
実施の形態10.
図17に電圧設定回路の別の構成を示す。本実施の形態の電圧設定回路によっても、図5で示したように、バイアス電流Ibを除去して電流読み取り回路108に差分電流のみを供給することが可能である。図17において、NMOSトランジスタ1703に直列にバイアス電流源1801が接続されている。なお、バイアス電流Ibの設定方法は図5に示した場合と全く同じである。また図8、図9に示すように、バイアス電流の値を参照ダイオード901を用いて決めてもよい。本実施形態の電圧設定回路によっても、電流読み取り回路108にはダイオードの電流Ifからバイアス電流Ibを除いた電流と同じ大きさの電流が流れるため、より高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。
Embodiment 10 FIG.
FIG. 17 shows another configuration of the voltage setting circuit. Also with the voltage setting circuit of this embodiment, as shown in FIG. 5, it is possible to remove the bias current Ib and supply only the differential current to the
実施の形態11.
図18に、本発明の実施の形態11における熱型赤外線検出素子の構成を示す。図18に示す例では、参照ダイオード901の電流に対しても、NMOSトランジスタ907で決まる電流を減算した後、電流読み取り回路108と同様の電流読み取り回路1001で電圧に変換する。NMOSトランジスタ907、908のゲートには所定のバイアス電圧1300が印加される。このとき、電流読み取り回路108と1001の出力の極性は、入力される電流が増せば出力電圧が増加するような極性とする。オペアンプ1003の非反転入力に参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧を入力し、反転入力端子1002に基準電圧を入力する。オペアンプ1003の出力を、第2の電圧設定回路906の電圧VC入力端子(図4の電圧入力端子506に相当)及び電圧設定回路106の電圧VC入力端子に入力する。このようにして電流読み取り回路1001の出力を基準電圧(端子1002の入力電圧)に一致させるための帰還ループが形成される。こうすることで、参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧が基準電圧に一致するように、第2の電圧設定回路906のVC入力電圧と電圧設定回路106のVC入力電圧とが決まる。電流読み取り回路108、1001の極性が逆の場合は、オペアンプ1003の入力の極性を逆にすればよい。ここでは、NMOSトランジスタ907、908による電流源を用いて電流Ifの減算を行う例を説明したが、実施の形態1のように電流源による減算を行わない構成としてもよい。
Embodiment 11 FIG.
FIG. 18 shows the configuration of a thermal infrared detection element according to the eleventh embodiment of the present invention. In the example shown in FIG. 18, the current determined by the
本実施形態では回路906、907、108、1001の温度ドリフトを含めて補正され、参照ダイオード901に相当する出力が常に一定の基準電圧に等しくなるだけでなく、参照ダイオード901に流れる電流量も常に一定の電流量に制御できるようになる。これにより実施の形態4に比べてより高精度な温度ドリフト抑制が可能になる。
In this embodiment, the temperature drift of the
実施の形態12.
本実施の形態では、実施の形態11に示す構成を、ダイオードを2次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例である。図19にその構成を示す。他の実施の形態においても同様に適用可能であることは言うまでもない。
Embodiment 12 FIG.
In this embodiment, the configuration shown in Embodiment 11 is applied to the configuration of a thermal infrared detection element in which diodes are arranged in a two-dimensional array. FIG. 19 shows the configuration. Needless to say, the present invention can be similarly applied to other embodiments.
図19において、ダイオード101はアレイ状に配置され、3×3画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。各行の右端には参照ダイオード901が配置されている。ダイオード101、901の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路1102が接続され、参照ダイオード901の陰極には電圧設定回路906が接続される。電圧設定回路1102、906の出力は、電流源1103、907及び電流読み取り回路1104、1001に接続される。
In FIG. 19, the
電流源1103と907のゲートには所定のバイアス電圧1300が入力され、一定電流が流れる。電流読み取り回路1104、1001の出力は水平選択スイッチ1005に接続される。水平選択スイッチ1005は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、1001の出力を出力端子1107に導く。
A
サンプルホールド回路1108は、参照ダイオード901に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には端子1002から基準電圧が入力される。参照ダイオード901は行単位で設けられているので、参照ダイオード901からの出力が基準電圧に一致するように、電圧設定回路1102および電圧設定回路906のVCに対する入力電圧が制御される。なお、オペアンプの1003の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより、参照ダイオード901からの出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。
When an output corresponding to the
画素P内で、ダイオード101と選択MOSスイッチ1201が直列接続される。すなわち、ダイオード101の陰極と選択MOSスイッチ1201の一方の端子が接続される。各選択MOSスイッチ1201のゲートは行単位で選択線1202により共通接続され、垂直走査回路1101から順に行選択信号が印加される。ダイオード101の陽極は電源線1203により列単位で共通接続され、選択MOSスイッチ1201の他方の端子は信号線1204により列単位で共通接続される。電源線1203は共通電源線1205により列間で共通接続され電源端子104に接続される。ここで共通電源線1205は画素アレイの外にあるので、画素サイズが縮小されても配線幅を十分広く設定し、抵抗寄与を無視できるようにすることが可能である。画素P内でみると、行の選択は選択MOSスイッチ1201により行われるので実施の形態5のように画素内で行方向に流れる電流成分がなくなる。ここで、電源線1203と信号線1204の配線の幅を同一にしておくと両者の抵抗は同じになる。よって、いずれの行を選択しても、ダイオード101に接続される抵抗は、図示されていない断熱支持脚の抵抗に加えて、一本の信号線の抵抗(電源線抵抗)と選択MOSスイッチ1201のオン抵抗になる。これはどの画素列についても同じである。よって抵抗が全ての画素で同じになるばかりでなく画素内の電源線や信号線には選択されているダイオードの電流しか流れないため、前述の偽信号は発生しない。これにより、ダイオードアレイに起因した画素間の抵抗差がないため偽信号もなく、高感度、高ダイナミックレンジ、かつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。
Within the pixel P, a
また、実施の形態5に示されるような、画素P内において選択MOSスイッチ1201を形成しないアレイ構成でももちろん構わない。
Of course, an array configuration in which the
本実施形態では、参照ダイオード901に関連する出力が常に所定の基準電圧に等しくなるだけでなく、参照ダイオード901に流れる電流量も常に一定の電流量に制御できる。これにより、実施の形態5、6に比べてより高精度な温度ドリフト抑制が可能になる。
In the present embodiment, not only the output related to the
実施の形態13.
図20に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。同図に示すように、本実施の形態の電圧設定回路は、実施の形態10(図17)に示す構成において、バイアス電流源1801として、参照ダイオード(赤外線吸収構造及び/または断熱構造を有しないダイオード)であって、かつ、支持脚構造を持たないダイオード(以下「支持脚構造を持たない参照ダイオード」という。)2000を用いている。なお、本実施形態の熱型赤外線検出素子は、電圧設定回路以外は図1の構成と同じ構成を有する。電流読み取り回路108には、例えば、図2(b)に示すリセット積分器を使用でき、電流読み取り回路108の入力端子107の電圧は、図2(b)に示すオペアンプ301の非反転入力端子の電圧VBと等しい電圧となる。
Embodiment 13 FIG.
FIG. 20 shows the configuration of the voltage setting circuit of the thermal infrared detection element of this embodiment. As shown in the figure, the voltage setting circuit of the present embodiment does not have a reference diode (infrared absorption structure and / or heat insulation structure) as the bias
端子2001の電圧と端子107の電圧が、支持脚構造を持たない参照ダイオード2000の両端に印加され、バイアス電流Ibが流れ、後段の電流読み取り回路108に端子107を介して差分電流(Ib−If)のみを供給することが可能である。
The voltage of the terminal 2001 and the voltage of the terminal 107 are applied to both ends of the
また、参照ダイオードの面積、個数を画素ダイオードの面積・個数と同一にして形成し、画素ダイオードに印加される電圧(Vdd−Vc)(式(2)参照)と等しい電圧が、支持脚構造を持たない参照ダイオード2000に印加されるように、端子2001の電圧と端子107の電圧が設定されてもよい。これにより、赤外線に反応して増大した電流のみを、電流読み取り回路108に入力する差分電流(Ib−If)として取り出すことが可能となる。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。また、飽和動作による高い微分抵抗を有するNMOSトランジスタ1703に、微分抵抗の小さいダイオードが並列に付加される構造となり、後段の電流読み取り回路の入力端子に低インピーダンスにて接続が可能となる。これにより、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現できる。ここで、支持脚構造を持たない参照ダイオード2000については、支持脚構造を持つ参照ダイオードであっても構わない。
Further, the area and the number of the reference diodes are formed to be the same as the area and the number of the pixel diodes, and a voltage equal to the voltage (Vdd−Vc) applied to the pixel diode (see Expression (2)) The voltage of the terminal 2001 and the voltage of the terminal 107 may be set so as to be applied to the
実施の形態14.
図21に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。同図に示すように、本実施の形態の電圧設定回路は、実施の形態10(図17)に示す構成において、バイアス電流源1801として、抵抗素子2002を用いている。なお、本実施形態の熱型赤外線検出素子は、電圧設定回路以外は図1の構成と同じ構成を有する。電流読み取り回路108には、例えば、図2(b)に示すリセット積分器を使用でき、電流読み取り回路108の入力端子107の電圧は、図2(b)に示すオペアンプ301の非反転入力端子の電圧VBと等しい電圧となる。
Embodiment 14 FIG.
FIG. 21 shows the configuration of the voltage setting circuit of the thermal infrared detection element of this embodiment. As shown in the figure, the voltage setting circuit according to the present embodiment uses a
端子2003の電圧と端子107の電圧が、抵抗素子2002の両端に印加され、バイアス電流Ibが流れ、後段の電流読み取り回路108に差分電流(Ib−If)のみを供給することが可能である。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。また、抵抗素子2002は、飽和動作をするために高くなるNMOSトランジスタ1703の微分抵抗値よりも小さい抵抗値を有する。これにより、後段の電流読み取り回路108の入力端子107に低インピーダンスにて接続が可能となるため、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現できる。
The voltage of the terminal 2003 and the voltage of the terminal 107 are applied to both ends of the
実施の形態15.
図22に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。なお、本実施形態の熱型赤外線検出素子は、電圧設定回路以外は図1の構成と同じ構成を有する。
Embodiment 15 FIG.
FIG. 22 shows the configuration of the voltage setting circuit of the thermal infrared detection element of this embodiment. The thermal infrared detection element of this embodiment has the same configuration as that of FIG. 1 except for the voltage setting circuit.
本実施形態では、オペアンプ507によりソース電位が(Vc-If・Rc)に制御されるPMOSトランジスタ501のドレインにゲート・ドレイン間を接続したNMOSトランジスタ1701を接続し、そこに流れる電流IfをNMOSトランジスタ1702で複製する。NMOSトランジスタ1702のドレインと端子107との間に、配線抵抗102と103の合成抵抗の値に一致する抵抗値Rcを持つ抵抗505を接続する。
In this embodiment, an
電流読み取り回路108には、例えば、図2(b)に示すリセット積分器を使用できるため、電流読み取り回路108の入力端子となる端子107の電圧は、図2(b)に示すオペアンプ301の非反転入力端子の電圧(図2(b)ではVBと記載されているが、図22ではVCと記載)と等しい電圧となる。これにより、NMOSトランジスタ1702のドレインの電圧を(Vc - If・Rc)に制御する。この電圧をオペアンプ507の非反転入力端子に入力する。NMOSトランジスタ1702に流れる電流Ifは、端子107を介して電流読み取り回路108に入力され、出力信号として読み出される。
Since the reset integrator shown in FIG. 2B can be used for the
本実施の形態では、ダイオード101に流れる電流Ifを直接読み出すことにはならないが、それと同じ大きさの電流を取り出すことができる。すなわち、電流読み取り回路108にはダイオード101の電流Ifと同じ大きさの電流が流れる。このため、図4に示す回路構成で問題となる感度低下は生じない。さらに、実施の形態10の構成のようにNMOSトランジスタ1703を要しないため、実施の形態10に比して、回路面積が縮小され、熱型赤外線検出素子のチップ面積が縮小され、コストが低減される。
In the present embodiment, the current If flowing in the
実施の形態16.
図23に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。同図に示す本実施形態の電圧設定回路は、図22に示す構成において、バイアス電流源2005を付加し、バイアス電流源2005により流れる電流Ibと電流Ifの差分電流を、端子107に供給して読み出しを行うものである。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。
Embodiment 16 FIG.
FIG. 23 shows the configuration of the voltage setting circuit of the thermal infrared detection element of this embodiment. The voltage setting circuit of the present embodiment shown in the figure has a bias
なお、バイアス電流源2005として、MOSトランジスタを用いたカレントミラー電流源を使用できる。または、バイアス電流源2005として、実施の形態13で示した支持脚構造を持たない参照ダイオード(図24参照)や、実施の形態14で示した抵抗素子(図25参照)を用いることもできる。
As the bias
実施の形態17.
本実施の形態では、実施の形態13(図20)に示した電圧設定回路を、ダイオードを2次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例を説明する。図26にその構成を示す。
Embodiment 17. FIG.
In this embodiment, an example in which the voltage setting circuit shown in Embodiment 13 (FIG. 20) is applied to a configuration of a thermal infrared detection element in which diodes are arranged in a two-dimensional array will be described. FIG. 26 shows the configuration.
図26に示す構成において、ダイオード101はアレイ状に配置され、3×3画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。ダイオード101の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101に接続される。垂直走査回路1101によって、電源端子104から電源電圧Vddがダイオード101に行単位で順に供給される。ダイオード101の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路3000が接続される。電圧設定回路3000は実施の形態13にて示した構成を有する。列毎に設けられた電圧設定回路3000の右端には、参照回路4000が付加される。参照回路4000は画素アレイには接続されていない。図27に参照回路4000の具体的な構成を示す。参照回路4000は、差分電流発生用の支持脚構造を持たない参照ダイオード2000bと、電流If_refを引き込む電流源2010とを含む。
In the configuration shown in FIG. 26, the
電圧設定回路3000は図20に示す構成を有する。この場合、電圧設定回路3000の端子105は画素ダイオードの陰極に接続され、端子107は電流読み取り回路1104に接続され、端子506はオペアンプ1003の出力に接続され、端子2001は電源電圧Vddを与える端子104に接続される。
The
電圧設定回路3000及び参照回路4000の出力は、電流読み取り回路1104及び電流読み取り回路4001にそれぞれ接続される。電流読み取り回路1104、4001の出力は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、4001の出力を出力端子1107に導く。本実施形態では、電流読み取り回路1104、4001は図2(b)に示す構成を有する。
Outputs of the
サンプルホールド回路1108は、参照回路4000に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には、オペアンプ1003の出力電圧4003が入力される。オペアンプ1003の出力電圧4003は、電圧VCとして、電圧設定回路3000のVC電圧(図20の端子506)に入力される。さらに、オペアンプ1003の出力電圧4003は、電流読み取り回路1104および4001それぞれのオペアンプ(図2(b)のオペアンプ301)の非反転入力端子(図2(b)でVBと記載されている端子)に入力される。参照回路4000における差分電流発生用の支持脚構造を持たない参照ダイオード2000bの陽極端子2008は端子104の電源電圧Vddに接続される。
When an output corresponding to the
以上の構成により、参照回路4000における参照ダイオード2000bに流れる電流が参照回路4000の基準電流源2010の電流If_refと等しくなり(すわなち、参照回路4000から出力端子2009を介して電流読み取り回路4001に入力される電流がゼロとなる)、電流読み取り回路4001の出力が、電流読み取り回路4001のオペアンプ(例えば、図2(b)に示すオペアンプ301)の非反転入力端子の電圧VCと等しくなるように、オペアンプ1003の出力電圧4003(すなわちバイアス電圧VC)が制御される。
With the above configuration, the current flowing through the
本実施形態では、周囲温度が変化しても、参照回路4000において参照ダイオード2000bに流れる電流が基準電流源2010の電流If_refと常に等しくなるように、バイアス電圧VCを制御する。参照ダイオード2000、2000bに印加される電圧はVdd−VCであり、これは画素ダイオード101に印加される電圧と等しくなる。以上のようなバイアス電圧VCを設定することで、周囲温度にかかわらず赤外線の入射がゼロのときに画素ダイオード101に流れる電流がIf_refとなる。よって、周囲温度にかかわらず、画素ダイオードの電流を、電流If_refを基準として測定することが可能となる。よって、最終的に、周囲温度にかかわらず一定の基準で測定された画素ダイオードの電流において赤外線の入射により増大した電流分のみを、電流読み取り回路1104で読み取ることが可能となる。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。
In the present embodiment, even if the ambient temperature changes, the bias voltage VC is controlled so that the current flowing through the
なお、ここでは、電圧Vddを一定電圧の印加とし、電圧VCをフィードバック制御したが、電圧VCを一定電圧の印加とし、電圧Vddをフィードバック制御した構成でも構わない。また、ここでは、実施の形態13に示す構成を適用したが、実施の形態16にて図24にて示す構成を適用しても構わない。 Here, the voltage Vdd is applied with a constant voltage and the voltage VC is feedback controlled. However, the voltage VC may be applied with a constant voltage and the voltage Vdd may be feedback controlled. Here, the configuration shown in Embodiment 13 is applied, but the configuration shown in FIG. 24 in Embodiment 16 may be applied.
また、オペアンプ1003の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより、参照回路4000からの出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。よって、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。
Further, a low-pass filter may be inserted into the output of the
実施の形態18.
本実施形態では、実施の形態10に示した構成においてバイアス電流源1801として、PMOSトランジスタによるカレントミラー電流源を用いた電圧設定回路を、ダイオードを2次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例を説明する。図28にその構成を示す。
Embodiment 18 FIG.
In the present embodiment, a voltage setting circuit using a current mirror current source using a PMOS transistor as the bias
同図において、ダイオード101はアレイ状に配置され、3×3画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。各行の右端には赤外線吸収構造及び/または断熱構造を有しないダイオード(参照ダイオード)901が2列形成されている。ダイオード101、901の陽極は行単位で共通接続される。ダイオード101、901の陽極には、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧Vddが供給される。ダイオード101、901の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101、901の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路5000が接続される。
In the figure,
電圧設定回路5000は実施の形態10に示す構成(図17)において、バイアス電流源1801を、PMOSトランジスタ5001によるカレントミラー電流源で構成したものである。図29に電圧設定回路5000の構成を示す。図29において、端子105は画素ダイオードに接続され、端子107は電流読み取り回路1104に接続され、端子506はオペアンプ1003の出力に接続される。端子5003は他のPMOSトランジスタ5001のゲート、および、PMOSトランジスタ5006のゲートに接続される。
The
参照画素に接続する、右端から2列目の電圧設定回路5200も図29に示す構成と同様の構成を有する。参照画素に接続する、右端から2列目の電圧設定回路5200において、PMOSトランジスタ5006のゲート電極とドレイン電極が接続されている。このため、このPMOSトランジスタ5006と、PMOSトランジスタ5001とでカレントミラー動作が行われる。よって、右端から2列目の参照ダイオード901に流れる電流と等しい電流が、電流Ib1として、画素アレイの各列に接続する電圧設定回路5000におけるPMOSトランジスタ5001に流れる。電圧設定回路5000において、画素アレイの各列の画素ダイオード101に流れる電流Ifと参照ダイオード901に流れる電流(Ib1)の差電流が、次段の電流読み取り回路1104に供給される。これにより、赤外線の入射により増大した画素ダイオードの電流の増大分のみを電流読み取り回路1104で読み取ることが実現できる。
The
電流読み取り回路1104、5007の出力は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、5007の出力を出力端子1107に導く。サンプルホールド回路1108は、列右端の参照ダイオードに対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には、オペアンプ1003の出力電圧4003が入力される。このオペアンプ1003の出力電圧4003は、電圧VCとして、電圧設定回路5000のVC電圧(図29の506端子)に入力される。さらに、オペアンプ1003の出力電圧4003は、電流読み取り回路1104および5007のオペアンプの非反転入力端子(図2(b)でVBと記載されている端子)に入力される。
Outputs of the
右端の列の参照ダイオードに対応する電圧設定回路5100には、PMOSトランジスタ5001や5006ではなく、基準電流Ibを流すバイアス電流源5005が接続されている。電圧設定回路5100における回路5110は図29に示す回路5010と同様の構成を有する。画素ダイオード101の各列に対応する電圧設定回路5000の出力は、電流読み取り回路1104に接続される。右端から2列目の参照ダイオードに対応する電圧設定回路5200の出力は電流読み取り回路1104には接続されていない。右端の参照ダイオードに対応する電圧設定回路5100の出力は電流読み取り回路5007に接続されている。この構成によって、右端の列の参照ダイオードに流れる電流を、基準電流バイアス電流源5005の電流Ibと等しくし(すわなち、電流読み取り回路5007に入力される電流をゼロとし)、電流読み取り回路5007に対応する出力を電流読み取り回路5007のオペアンプの非反転入力端子の電圧VCと等しくするように、オペアンプ1003の出力電圧4003が制御される。
A bias
なお、オペアンプ1003の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより、電流読み取り回路5007に対応する出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。
Note that a low-pass filter may be inserted into the output of the
本実施形態では、周囲温度が変化しても、右端の参照ダイオードに流れる電流が、基準電流バイアス電流源5005の電流Ibと常に等しくなる。さらに、前述のように、赤外線の入射により増大した画素ダイオードの電流の増大分のみの寄与が出力される。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。
In the present embodiment, even if the ambient temperature changes, the current flowing through the rightmost reference diode is always equal to the current Ib of the reference current bias
101 ダイオード、102 第1の配線抵抗、103 第2の配線抵抗、106 電圧設定回路、108 電流読み取り回路、401 断熱支持脚、402 断熱支持脚、406 赤外線吸収膜、601 バイアス電流源、901 参照ダイオード、902 第3の配線抵抗、903 第4の配線抵抗、906 第2の電圧設定回路、1001 第2の電流読み取り回路、1101 垂直走査回路、1106 水平走査回路、1201 MOSスイッチ、1202 選択線、1203 電源線、1204 信号線、1205 共通電源線、2000 差分電流生成用の支持脚構造を持たない参照ダイオード、2001 支持脚構造を持たない参照ダイオードの陽極に電圧を印加する端子、2002 差分電流生成用の抵抗素子、2003 差分電流生成用の抵抗素子に電圧を印加する端子、2004 差分電流生成用のバイアス電流源の陽極端子、2005 差分電流生成用のバイアス電流源、2008 支持脚構造を持たない参照ダイオードの陽極に電圧を印加する端子、2009 参照回路の出力端子、2010 参照回路に用いるバイアス電流源、3000 電圧設定回路、4000 参照回路、4001 参照回路に対応する電流読み取り回路、4003 VC電圧制御用オペアンプ出力端子、5000 電圧設定回路、5001 カレントミラーを形成するPMOSトランジスタ、5002 カレントミラーを形成するPMOSトランジスタの電源端子、5003 カレントミラーを形成するPMOSトランジスタのゲート電極端子、5004 カレントミラーを形成するPMOSトランジスタの電源供給端子、5005 基準電流用バイアス電流源、5006 カレントミラーを形成するPMOSトランジスタ、5007 右端の参照ダイオードに対応した電流読み取り回路、 P 画素。 101 diode, 102 1st wiring resistance, 103 2nd wiring resistance, 106 voltage setting circuit, 108 current reading circuit, 401 insulation support leg, 402 insulation support leg, 406 infrared absorption film, 601 bias current source, 901 reference diode 902, third wiring resistance, 903 fourth wiring resistance, 906 second voltage setting circuit, 1001 second current reading circuit, 1101 vertical scanning circuit, 1106 horizontal scanning circuit, 1201 MOS switch, 1202 selection line, 1203 Power line, 1204 signal line, 1205 common power line, 2000 Reference diode without support leg structure for generating differential current, 2001 Terminal for applying voltage to the anode of reference diode without support leg structure, 2002 For generating differential current Resistor element, 2003 terminal for applying voltage to the differential current generating resistor element, 2004 anode terminal of the bias current source for differential current generation, 2005 bias current source for generating differential current, 2008 support leg structure Terminal that applies voltage to the anode of the reference diode that does not have, Output terminal of 2009 reference circuit, Bias current source used for 2010 reference circuit, 3000 Voltage setting circuit, 4000 reference circuit, Current reading circuit corresponding to 4001 reference circuit, 4003 VC Op-amp output terminal for voltage control, 5000 voltage setting circuit, 5001 PMOS transistor forming current mirror, 5002 PMOS transistor power supply terminal forming current mirror, 5003 PMOS transistor gate electrode terminal forming current mirror, 5004 current mirror A power supply terminal of a PMOS transistor to be formed, a bias current source for a 5005 reference current, a PMOS transistor to form a current mirror, 5007, a current reading circuit corresponding to a reference diode on the right end, P pixel.
Claims (12)
前記熱電変換部を2個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、A hollow heat insulating structure for supporting the thermoelectric conversion part with two heat insulating support legs;
赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、An infrared absorption part that absorbs infrared rays and conducts heat corresponding to the absorbed infrared rays to the diode;
前記ダイオードの陽極側に、前記断熱支持脚の一方である第1の配線を介して、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、A power supply for supplying a constant power supply voltage is connected to the anode side of the diode via the first wiring that is one of the heat insulating support legs,
前記ダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第2の配線を介して、電圧設定回路の入力端子が接続され、An input terminal of a voltage setting circuit is connected to the cathode side of the diode via a second wiring that is the other of the heat insulating support legs,
前記電圧設定回路では、In the voltage setting circuit,
入力された前記ダイオードに流れる電流は、第1の電流と第2の電流とに、分割、または、複製され、 The input current flowing in the diode is divided or replicated into a first current and a second current,
前記第1の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力され、The first current is output to an output terminal of the voltage setting circuit;
前記第2の電流を用いて、前記第1の配線の抵抗と前記第2の配線の抵抗と前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、Using the second current, a voltage drop caused by the resistance of the first wiring, the resistance of the second wiring, and the current of the diode is extracted,
前記第2の配線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、The voltage at the input terminal of the voltage setting circuit, which is a connection point between the second wiring and the voltage setting circuit, is controlled to a voltage obtained by subtracting the extracted voltage drop from a predetermined bias voltage,
前記電圧設定回路の出力端子には、前記第1の電流を読み取る電流読み取り回路が接続されるA current reading circuit for reading the first current is connected to an output terminal of the voltage setting circuit.
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。A thermal infrared detecting element.
前記熱電変換部を2個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、A hollow heat insulating structure for supporting the thermoelectric conversion part with two heat insulating support legs;
赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、An infrared absorption part that absorbs infrared rays and conducts heat corresponding to the absorbed infrared rays to the diode;
電圧設定回路の入力端子に、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、A power supply that supplies a constant power supply voltage is connected to the input terminal of the voltage setting circuit,
前記電圧設定回路の出力端子に、前記断熱支持脚の一方である第1の配線を介して、前記ダイオードの陽極が接続され、The anode of the diode is connected to the output terminal of the voltage setting circuit via the first wiring that is one of the heat insulating support legs,
前記ダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第2の配線を介して、電流読み取り回路が接続され、A current reading circuit is connected to the cathode side of the diode via a second wiring that is the other of the heat insulating support legs,
前記電圧設定回路では、In the voltage setting circuit,
入力された前記ダイオードに流れる電流は、第1の電流と第2の電流とに、分割、または、複製され、The input current flowing in the diode is divided or replicated into a first current and a second current,
前記第1の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力され、 The first current is output to an output terminal of the voltage setting circuit;
前記第2の電流を用いて、前記第1の配線の抵抗と前記第2の配線の抵抗と前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、Using the second current, a voltage drop caused by the resistance of the first wiring, the resistance of the second wiring, and the current of the diode is extracted,
前記電圧設定回路の出力端子である、前記電圧設定回路と前記第1の配線との接続点の電圧は、所定のバイアス電圧に、前記抽出された電圧降下を加算した電圧に制御され、The voltage at the connection point between the voltage setting circuit and the first wiring, which is an output terminal of the voltage setting circuit, is controlled to a voltage obtained by adding the extracted voltage drop to a predetermined bias voltage,
前記電流読み取り回路は前記第1の電流を読み取るThe current reading circuit reads the first current.
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。A thermal infrared detecting element.
前記熱電変換部を2個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、A hollow heat insulating structure for supporting the thermoelectric conversion part with two heat insulating support legs;
赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、An infrared absorption part that absorbs infrared rays and conducts heat corresponding to the absorbed infrared rays to the diode;
前記ダイオードの陽極側に、前記断熱支持脚の一方である第1の配線を介して、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、A power supply for supplying a constant power supply voltage is connected to the anode side of the diode via the first wiring that is one of the heat insulating support legs,
前記ダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第2の配線を介して、電圧設定回路の入力端子が接続され、An input terminal of a voltage setting circuit is connected to the cathode side of the diode via a second wiring that is the other of the heat insulating support legs,
前記電圧設定回路では、In the voltage setting circuit,
入力された前記ダイオードに流れる電流は第1の電流に複製され、The input current flowing through the diode is replicated in the first current,
前記第1の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力されるとともに、The first current is output to the output terminal of the voltage setting circuit,
前記第1の電流を用いて、前記第1の配線の抵抗と前記第2の配線の抵抗と前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、Using the first current, a voltage drop caused by the resistance of the first wiring, the resistance of the second wiring, and the current of the diode is extracted,
前記第2の配線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧が、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、The voltage at the input terminal of the voltage setting circuit, which is a connection point between the second wiring and the voltage setting circuit, is controlled to a voltage obtained by subtracting the extracted voltage drop from a predetermined bias voltage,
前記電圧設定回路の出力端子には、前記第1の電流を読み取る電流読み取り回路が接続されるA current reading circuit for reading the first current is connected to an output terminal of the voltage setting circuit.
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。A thermal infrared detecting element.
前記手段によって減算された残りの電流を前記電流読み取り回路に入力することを特徴とする、The remaining current subtracted by the means is input to the current reading circuit,
請求項1から3のいずれかに記載の熱型赤外線検出素子。The thermal infrared detection element according to any one of claims 1 to 3.
前記熱電変換部を2個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、A hollow heat insulating structure for supporting the thermoelectric conversion part with two heat insulating support legs;
赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記第1のダイオードに伝導する赤外線吸収部と、An infrared absorber that absorbs infrared rays and conducts heat corresponding to the absorbed infrared rays to the first diode;
前記中空断熱構造及び/または前記赤外線吸収部を有しない第2のダイオードと、A second diode that does not have the hollow heat insulating structure and / or the infrared absorbing portion;
前記第2のダイオードを支持する2個の別の断熱支持脚と、Two separate thermal support legs supporting the second diode;
を備え、With
前記第1のダイオードの陽極側に、前記断熱支持脚の一方である第1の配線を介して、一定の電源電圧を供給する第1の電源が接続され、A first power supply for supplying a constant power supply voltage is connected to the anode side of the first diode via a first wiring that is one of the heat insulating support legs,
前記第1のダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第2の配線を介して、第1の電圧設定回路の入力端子が接続され、The input terminal of the first voltage setting circuit is connected to the cathode side of the first diode via the second wiring which is the other of the heat insulating support legs.
前記第1の電圧設定回路では、In the first voltage setting circuit,
入力された前記第1のダイオードに流れる電流は、第1の電流と第2の電流とに、分割、または、複製され、The input current flowing through the first diode is divided or replicated into a first current and a second current,
前記第1の電流は前記第1の電圧設定回路の出力端子に出力され、The first current is output to an output terminal of the first voltage setting circuit;
前記第2の電流を用いて、前記第1の配線の抵抗と前記第2の配線の抵抗と前記第1のダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、Using the second current, a voltage drop caused by the resistance of the first wiring, the resistance of the second wiring, and the current of the first diode is extracted,
前記第2の配線と前記第1の電圧設定回路の接続点である、前記第1の電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、The voltage at the input terminal of the first voltage setting circuit, which is a connection point between the second wiring and the first voltage setting circuit, is a voltage obtained by subtracting the extracted voltage drop from a predetermined bias voltage. Controlled,
前記第1の電圧設定回路の出力端子には、前記第1の電流を読み取る第1の電流読み取り回路が接続され、A first current reading circuit for reading the first current is connected to an output terminal of the first voltage setting circuit,
前記第2のダイオードの陽極側に、前記別の断熱支持脚の一方である第3の配線を介して、一定の電源電圧を供給する第2の電源が接続され、A second power supply for supplying a constant power supply voltage is connected to the anode side of the second diode via a third wiring that is one of the other heat insulating support legs,
前記第2のダイオードの陰極側に、前記別の断熱支持脚の他方である第4の配線を介して、第2の電圧設定回路の入力端子が接続され、The input terminal of the second voltage setting circuit is connected to the cathode side of the second diode via a fourth wiring which is the other of the other heat insulating support legs,
前記第2の電圧設定回路では、In the second voltage setting circuit,
入力された前記第2のダイオードに流れる電流は、第3の電流と第4の電流とに、分割、または、複製され、The current that flows through the input second diode is divided or replicated into a third current and a fourth current,
前記第3の電流は前記第2の電圧設定回路の出力端子に出力され、The third current is output to an output terminal of the second voltage setting circuit;
前記第4の電流を用いて、前記第3の配線の抵抗と前記第4の配線の抵抗と前記第2のダイオードの電流とにより生じる別の電圧降下が抽出され、Using the fourth current, another voltage drop caused by the resistance of the third wiring, the resistance of the fourth wiring, and the current of the second diode is extracted,
前記第4の配線と前記第2の電圧設定回路の接続点である、前記第2の電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記別の電圧降下を減算した電圧に制御され、The voltage at the input terminal of the second voltage setting circuit, which is a connection point between the fourth wiring and the second voltage setting circuit, is controlled to a voltage obtained by subtracting the other voltage drop from a predetermined bias voltage. And
前記第2の電圧設定回路の出力端子には、前記第3の電流を読み取る第2の電流読み取り回路が接続され、A second current reading circuit for reading the third current is connected to an output terminal of the second voltage setting circuit,
前記第2の電流読み取り回路の出力を基準電圧と比較して、その差に応じて、前記第1及び第3の電流から各々減算される一定の電流である第1及び第2のバイアス電流を決定するバイアス電流決定手段をさらに備え、The output of the second current reading circuit is compared with a reference voltage, and the first and second bias currents, which are constant currents subtracted from the first and third currents, respectively, according to the difference are obtained. A bias current determining means for determining;
前記バイアス電流決定手段により、前記第2の電流読み取り回路の出力を前記基準電圧The bias current determining means converts the output of the second current reading circuit to the reference voltage.
に一致させるための帰還ループが形成される、A feedback loop is formed to match
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。A thermal infrared detecting element.
ソースが共通接続され、一方のPMOSトランジスタのドレインが前記電圧設定回路の出力The source is connected in common, and the drain of one PMOS transistor is the output of the voltage setting circuit
端子に接続された一対のPMOSトランジスタと、A pair of PMOS transistors connected to the terminals;
他方のPMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製するカレA current collector connected to the drain of the other PMOS transistor and replicates the current of the diode.
ントミラー回路と、Mirror circuit,
前記複製された電流を用いて、一定のバイアス電圧から前記電圧降下を減算した電圧をUsing the replicated current, a voltage obtained by subtracting the voltage drop from a constant bias voltage.
作成する手段と、Means to create,
前記作成した電圧と、前記一対のPMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき前記一対のPMOSトランジスタのゲート電圧を制御する手段とMeans for controlling a gate voltage of the pair of PMOS transistors based on a voltage difference between the created voltage and a source voltage of the pair of PMOS transistors;
を含む、including,
ことを特徴とする請求項1記載の熱型赤外線検出素子。The thermal infrared detection element according to claim 1.
ソースが共通接続され、一方のPMOSトランジスタのドレインが前記電圧設定回路の出力The source is connected in common, and the drain of one PMOS transistor is the output of the voltage setting circuit
端子に接続された一対のPMOSトランジスタと、A pair of PMOS transistors connected to the terminals;
他方のPMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製するカレA current collector connected to the drain of the other PMOS transistor and replicates the current of the diode.
ントミラー回路と、Mirror circuit,
前記複製された電流を用いて、一定のバイアス電圧から前記電圧降下を減算した電圧をUsing the replicated current, a voltage obtained by subtracting the voltage drop from a constant bias voltage.
作成する手段と、Means to create,
前記作成した電圧と、前記一対のPMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき前記一対のPMOSトランジスタのゲート電圧を制御する手段とMeans for controlling a gate voltage of the pair of PMOS transistors based on a voltage difference between the created voltage and a source voltage of the pair of PMOS transistors;
を含む、including,
ことを特徴とする請求項5記載の熱型赤外線検出素子。The thermal infrared detection element according to claim 5.
ソースが共通接続され、一方のNMOSトランジスタのドレインが前記電圧設定回路の入力The source is connected in common, and the drain of one NMOS transistor is the input of the voltage setting circuit
端子に接続された一対のNMOSトランジスタと、A pair of NMOS transistors connected to the terminals;
他方のNMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製するカレA current collector connected to the drain of the other NMOS transistor and replicates the current of the diode.
ントミラー回路と、Mirror circuit,
前記複製された電流を用いて、一定のバイアス電圧に前記第1及び第2の配線の抵抗により生じる電圧降下を加算した電圧を作成する手段と、Means for generating a voltage obtained by adding a voltage drop caused by the resistance of the first and second wirings to a constant bias voltage using the replicated current;
前記作成した電圧と、前記NMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき、前記一Based on the difference voltage between the created voltage and the source voltage of the NMOS transistor, the one
対のNMOSトランジスタのゲート電圧を制御する手段とMeans for controlling the gate voltage of a pair of NMOS transistors;
を含む、including,
ことを特徴とする請求項2記載の熱型赤外線検出素子。The thermal infrared detection element according to claim 2.
ソースが前記電圧設定回路の入力端子に接続されたPMOSトランジスタと、A PMOS transistor whose source is connected to the input terminal of the voltage setting circuit;
前記PMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製し、2つのConnected to the drain of the PMOS transistor to replicate the current of the diode,
出力端子をもつカレントミラー回路と、A current mirror circuit having an output terminal;
前記出力端子の一方を介して提供される複製された電流を用いて、前記所定のバイアスUsing the replicated current provided through one of the output terminals, the predetermined bias
電圧から前記電圧降下を減算した電圧を作成する手段と、Means for creating a voltage by subtracting the voltage drop from the voltage;
前記作成した電圧と前記PMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき、前記PMOSBased on the voltage difference between the created voltage and the source voltage of the PMOS transistor, the PMOS
トランジスタのゲート電圧を制御する手段とを含み、Means for controlling the gate voltage of the transistor,
前記出力端子の他方を前記電圧設定回路の出力端子とするThe other of the output terminals is used as the output terminal of the voltage setting circuit.
ことを特徴とする請求項1または3記載の熱型赤外線検出素子。The thermal infrared detection element according to claim 1 or 3,
ソースが前記電圧設定回路の入力端子に接続されたPMOSトランジスタと、A PMOS transistor whose source is connected to the input terminal of the voltage setting circuit;
前記PMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製し、2つのConnected to the drain of the PMOS transistor to replicate the current of the diode,
出力端子をもつカレントミラー回路と、A current mirror circuit having an output terminal;
前記出力端子の一方を介して提供される複製された電流を用いて、前記所定のバイアスUsing the replicated current provided through one of the output terminals, the predetermined bias
電圧から前記電圧降下を減算した電圧を作成する手段と、Means for creating a voltage by subtracting the voltage drop from the voltage;
前記作成した電圧と前記PMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき、前記PMOSBased on the voltage difference between the created voltage and the source voltage of the PMOS transistor, the PMOS
トランジスタのゲート電圧を制御する手段とMeans for controlling the gate voltage of the transistor;
を含み、Including
前記出力端子の他方を前記電圧設定回路の出力端子とするThe other of the output terminals is used as the output terminal of the voltage setting circuit.
ことを特徴とする請求項5記載の熱型赤外線検出素子。The thermal infrared detection element according to claim 5.
各行内のダイオードの陽極は前記断熱支持脚の一方である第1の配線を介して、共通接続する複数の駆動線に接続され、The anodes of the diodes in each row are connected to a plurality of commonly connected drive lines via a first wiring that is one of the heat insulating support legs,
各列内のダイオードの陰極は前記断熱支持脚の他方である第2の配線を介して、共通接続する複数の信号線に接続され、The cathodes of the diodes in each column are connected to a plurality of signal lines that are commonly connected via the second wiring that is the other of the heat insulating support legs,
前記各駆動線に対して順に電源電圧を印加する垂直走査回路が前記各駆動線に接続され、A vertical scanning circuit for sequentially applying a power supply voltage to each drive line is connected to each drive line,
前記各信号線の端に、電圧設定回路を介して電流読み取り回路が接続され、A current reading circuit is connected to the end of each signal line via a voltage setting circuit,
前記電流読み取り回路の出力を順に読み出す水平走査回路が前記電流読み取り回路の出力端子に接続され、A horizontal scanning circuit for sequentially reading the output of the current reading circuit is connected to the output terminal of the current reading circuit,
前記電圧設定回路では、In the voltage setting circuit,
前記ダイオード群のうち、入力された読み出し時に選択されたダイオードに流れる電流は、第1の電流と第2の電流とに、分割、または、複製され、Of the diode group, the current flowing through the selected diode at the time of reading is divided or duplicated into a first current and a second current,
前記第1の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力され、The first current is output to an output terminal of the voltage setting circuit;
前記第2の電流を用いて、前記第1の配線の抵抗と前記第2の配線の抵抗と、前記信号線及び駆動線の抵抗と、前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、Using the second current, a voltage drop caused by the resistance of the first wiring, the resistance of the second wiring, the resistance of the signal line and the driving line, and the current of the diode is extracted,
前記信号線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、The voltage at the input terminal of the voltage setting circuit, which is a connection point between the signal line and the voltage setting circuit, is controlled to a voltage obtained by subtracting the extracted voltage drop from a predetermined bias voltage,
前記電圧設定回路の出力端子には、前記第1の電流を読み取る電流読み取り回路が接続されるA current reading circuit for reading the first current is connected to an output terminal of the voltage setting circuit.
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。A thermal infrared detecting element.
前記画素は、The pixel is
熱電変換部として、1個または複数個直列接続されたダイオードと、As the thermoelectric converter, one or a plurality of diodes connected in series,
前記熱電変換部を2個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、A hollow heat insulating structure for supporting the thermoelectric conversion part with two heat insulating support legs;
赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、An infrared absorption part that absorbs infrared rays and conducts heat corresponding to the absorbed infrared rays to the diode;
前記ダイオードに直列に接続されたMOSトランジスタとA MOS transistor connected in series to the diode;
を含み、Including
前記ダイオードの陰極は前記断熱支持脚の一方である第1の配線抵抗を介して前記MOSトランジスタのドレインに接続され、The cathode of the diode is connected to the drain of the MOS transistor through a first wiring resistance which is one of the heat insulating support legs,
各列内のダイオードの陽極を前記断熱支持脚の他方である第2の配線抵抗を介して共通接続する複数の電源線と、A plurality of power supply lines commonly connecting the anodes of the diodes in each row via a second wiring resistance which is the other of the heat insulating support legs;
各行内のMOSトランジスタのゲートを共通接続する複数の選択線と、A plurality of select lines commonly connecting the gates of the MOS transistors in each row;
各列内のMOSトランジスタのソースを共通接続する複数の信号線と、A plurality of signal lines commonly connecting the sources of the MOS transistors in each column;
前記画素アレイ外で前記電源線を共通接続して電源端子に接続する共通電源線と、A common power supply line connected to the power supply terminal by commonly connecting the power supply line outside the pixel array;
前記各選択線に順に選択パルスを印加する垂直走査回路と、A vertical scanning circuit for sequentially applying a selection pulse to each of the selection lines;
前記ダイオードとMOSトランジスタの直列回路の両端にかかる電圧を設定する電圧設定回路と、A voltage setting circuit for setting a voltage applied to both ends of the series circuit of the diode and the MOS transistor;
前記信号線の端に電圧設定回路を介して接続された電流読み取り回路と、A current reading circuit connected to the end of the signal line via a voltage setting circuit;
前記電流読み取り回路の出力を順に読み出す水平選択回路とA horizontal selection circuit for sequentially reading the outputs of the current reading circuit;
をさらに備え、Further comprising
前記電源線と前記信号線は実質的に同一の抵抗値を有し、The power line and the signal line have substantially the same resistance value,
前記電圧設定回路は、The voltage setting circuit includes:
入力された前記ダイオードの電流を、第1の電流と第2の電流とに、分割、または、複製し、Dividing or replicating the input current of the diode into a first current and a second current;
前記第1の電流を前記電圧設定回路の出力端子に出力し、Outputting the first current to an output terminal of the voltage setting circuit;
前記第2の電流を用いて、前記第1の配線の抵抗と前記第2の配線の抵抗と、前記信号線及び駆動線の抵抗と、前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下を抽出し、Using the second current, extract a voltage drop caused by the resistance of the first wiring, the resistance of the second wiring, the resistance of the signal line and the driving line, and the current of the diode,
前記信号線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧を、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御するThe voltage at the input terminal of the voltage setting circuit, which is a connection point between the signal line and the voltage setting circuit, is controlled to a voltage obtained by subtracting the extracted voltage drop from a predetermined bias voltage.
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。A thermal infrared detecting element.
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