JP5834412B2 - 赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー - Google Patents
赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー Download PDFInfo
- Publication number
- JP5834412B2 JP5834412B2 JP2011008163A JP2011008163A JP5834412B2 JP 5834412 B2 JP5834412 B2 JP 5834412B2 JP 2011008163 A JP2011008163 A JP 2011008163A JP 2011008163 A JP2011008163 A JP 2011008163A JP 5834412 B2 JP5834412 B2 JP 5834412B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mosfet
- sensor
- current source
- current
- gate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J5/22—Electrical features thereof
- G01J5/24—Use of specially adapted circuits, e.g. bridge circuits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J2005/0077—Imaging
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Description
図11は従来の熱型赤外線センサーの構造を説明するための回路図である。
赤外線センサーは、センサーMOSFET101と定電流源103で構成されている。センサーMOSFET101は定電流源103によって与えられる電流Idで定電流駆動され、サブスレッショルド領域で動作しており、センサー出力電圧Voutを出力している。
断熱構造体はメンブレン部105を二本の梁107で支持した構造となっており、基板109とメンブレン部105との間に空間111が形成されている。図12で示した断熱構造以外にも様々な形状の断熱構造体があり、断熱構造体はこの構造に限定されるものではない。
メンブレン部105に赤外線が入射すると、メンブレン部105の温度が上昇し、それに伴い、メンブレン部105に形成されたセンサーMOSFET101の温度も上昇する。センサーMOSFET101に温度変化が生じると、MOSFET101のしきい値電圧が変化し、その変化がセンサー出力電圧Voutの変化として取り出される。つまり、熱型赤外線センサーは、センサーMOSFET101を温度センサーとして利用し、赤外線入射による微小な温度変化を捉えて、赤外線を検出している。
このような構成でも、N型のMOSFETで構成されたセンサーMOSFET101とP型のMOSFETで構成された電流源MOSFET113の温度特性が異なるため、図11に示した構成の場合と同様に、周囲温度の変化によって、センサー出力電圧VoutのDCレベルが変化する。
図14は、参照センサーを備えた赤外線センサーを説明するための回路図である。
図11に示したセンサーMOSFET101と定電流源103に加えて、参照用センサーMOSFET115と定電流源117が設けられている。参照用センサーMOSFET115はセンサーMOSFET101と同じ構造で形成され、定電流源117は定電流源103と同じ構造で形成されている。参照用センサーMOSFET115は断熱構造体とは異なる位置に形成されている。参照用センサーMOSFET115は定電流源117によって与えられる電流Idで定電流駆動され、サブスレッショルド領域で動作しており、センサー出力電圧Vout2を出力している。センサーMOSFET101のセンサー出力電圧Vout1と参照用センサーMOSFET115のセンサー出力電圧Vout2の差をとることにより、周囲温度の変化に起因する影響を排除できる。
さらに、参照センサーを用いる必要がないので、参照センサーを用いる場合に比べて、赤外線センサーの小型化及び回路構成の単純化を図ることができる。
さらに、センサーMOSFET及び電流源MOSFETは一般的なCMOSプロセスを用いて作製できるので、増幅回路や制御回路と同一基板上に形成するのが容易である。
これに対し、本発明の赤外線センサーでは、センサーMOSFETと電流源MOSFETはともにサブスレッショルド領域で動作されるので、センサー出力電圧DCレベルを小さくすることができ、センサーMOSFETを多段接続構成として、感度を増大させることが容易となり、かつ低電圧動作が可能となる。
この態様において、電流源MOSFETとセンサーMOSFETは同一構造のペアトランジスタであるようにすれば、電流源MOSFETとセンサーMOSFETは同じ温度特性をもつようになるので、周囲温度の変化によるセンサー出力電圧のDCレベル変化をより効果的に小さくすることができる。
また、電流源MOSFETとセンサーMOSFETは、チャネル不純物濃度以外が同一構造のトランジスタであるか、ゲート不純物濃度以外が同一構造のトランジスタであるようにすれば、センサーMOSFETと電流源MOSFETのしきい値電圧差ΔVth、すなわちセンサー出力電圧のDCレベルを所望の値に制御することができる。例えば、より小さなしきい値電圧差ΔVthを得ることにより、センサーMOSFETをより多段にして高感度の赤外線センサーを形成することができる。また、センサーMOSFETのしきい値を温度感度が高くなる値へ調整することによって高感度の赤外線センサーを形成することができる。
本実施例の赤外線センサーは、断熱構造体1(図12参照。)上に形成されたセンサーMOSFET3と、断熱構造体1の外部に形成された電流源MOSFET5から構成される。センサーMOSFET3及び電流源MOSFET5は、サブスレッショルド領域で動作している同じ導電型のMOSFETであり、例えばN型のMOSFETで構成されている。
上記のように結線されたセンサーMOSFET3と電流源MOSFET5は、電源VddとグランドGNDの間に直列に接続されている。センサーMOSFET3と電流源MOSFET5の接続ノードの電圧がセンサー出力電圧Voutとして用いられる。
この実施例では、センサーMOSFET3がN段直列に接続されている。図1で示した1段構成の場合と同様に、N段のセンサーMOSFET3は全て断熱構造体1上に形成されている。この実施例のように、センサーMOSFET3をN段に接続することによって、赤外線センサーの感度をN倍にすることが可能である。
図11に示した従来の赤外線センサーにおいて、電流源103が温度依存性を持たないように設計されている場合、電流Idは周囲温度に依存せずに一定となる。一方で、センサーMOSFET101は周囲温度が25℃と60℃の場合で、図4のように特性が変化する。周囲温度25℃の場合、センサー出力電圧Vout25は約0.096Vであるのに対し、周囲温度が60℃の場合にはセンサー出力電圧Vout60は約0.044Vとなり、約0.052Vの変化が生じている。これは、図11で示したような1段構成の場合はわずかな変化量であるが、図3で示したような多段構成の場合は影響が大きくなる。例えば、多段構成でN=50段とすると、周囲温度が25℃の場合、センサー出力電圧Voutは約4.8Vとなり、60℃の場合、センサー出力電圧Voutは約2.2Vまで低下する。
上述のように、従来技術は、このような周囲温度の変化によるVoutの変化を抑制するために、ペルチェ素子等の冷却素子を用いてセンサーMOSFETの温度を常に一定になるように制御していた。
周囲温度25℃の場合、電流源MOSFET5が流す電流Id25とセンサーMOSFET3の特性との関係から出力電圧Vout25は約0.080Vである。周囲温度60℃の場合、電流源MOSFET5が流す電流Id60とセンサーMOSFET3の特性との関係から出力電圧Vout2は約0.082Vである。このように、周囲温度が25〜60℃の場合に、センサー出力電圧Voutの変化量は約0.002Vとなり、図11及び図4を参照して説明した従来のセンサーと比較すると、センサー出力電圧Voutの変化量は約1/26に抑制されている。
また、センサーMOSFET3と電流源MOSFET5は全く同じ構造のMOSFETであるため、プロセスばらつきの少ない非常に安定したセンサー出力電圧Voutを作り出すことが可能である。
図7は、さらに他の実施例を説明するための回路図である。
この実施例は断熱構造体1上に形成されたN段のセンサーMOSFET7と、断熱構造体1の外部に形成された電流源MOSFET9から構成される。センサーMOSFET7及び電流源MOSFET9は、サブスレッショルド領域で動作しているP型のMOSFETで構成されている。
この実施例でも、図3に示したN型のセンサーMOSFET3及び電流源MOSFET5を備えたセンサーと同様の作用及び効果を得ることができる。
この実施例はN段のセンサーMOSFET7を備えているが、センサーMOSFET7は1段であってもよい。
この実施例では、定電流源が電流源MOSFET5と第2電流源MOSFET11の二つのMOSFETで構成されている。第2電流源MOSFET11は電源電圧Vddの変化による電流Idの変化を抑制するためのものである。第2電流源MOSFET11は、電源Vddと電流源MOSFET5の間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、バックゲートはセンサー出力電圧Voutに接続されている。
この実施例は、P型MOSFETで構成された図7のセンサーに対して、P型の第3電流源MOSFET13をさらに備えている。第3電流源MOSFET13は、センサーMOSFET7と電流源MOSFET9の間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、バックゲートは電源Vddに接続されている。
アレイセンサーはL×M個の画素S11〜Slm、定電流源D1〜Dm、列選択スイッチSWa1〜SWam、行選択スイッチSWb1〜SWblから構成されており、出力センサー出力電圧Vout0〜センサー出力電圧VoutM−1が出力される。なお、L=1のラインセンサーの場合には、行選択スイッチ、列選択スイッチは不要である。
定電流源は列の数、あるいは行の数だけ形成し、行選択スイッチ、列選択スイッチによって選択された画素に、定電流を供給する。各定電流源D1〜Dmは、電流源MOSFET一つからなる構成を示しているが、図8及び図9を参照して説明したように、電流源MOSFET2つからなる構成としてもよい。
このような赤外線アレイセンサーでは、特に小型化や低消費電力化が望まれているため、本発明を適用すれば、ペルチェ素子等の電気的な冷却素子が不要となり、低電圧動作も可能となることから、大幅なシステムの小型化、簡易化、低コスト化、低消費電力化が可能となる。
例えば、上記実施例では、電流源MOSFET5,9,11,13はゲートとソースが短絡されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電流源MOSFETのゲートに所定の電圧を印加して電流源MOSFETを動作させてもよい。
また、上記実施例では、センサーMOSFETを構成するMOSFET3,7はゲートとドレインが短絡されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、センサーMOSFETを構成するMOSFETのゲートに所定の電圧を印加してセンサーMOSFETを動作させてもよい。
3 N型のセンサーMOSFET
5 N型の電流源MOSFET
7 P型のセンサーMOSFET
9 P型の電流源MOSFET
11 第2電流源MOSFET
13 第3電流源MOSFET
Claims (7)
- センサーMOSFETと、前記センサーMOSFETに直列接続され、前記センサーMOSFETを定電流駆動させるための定電流源を構成する電流源MOSFETを備え、
前記センサーMOSFETと前記電流源MOSFETの間の端子がセンサー出力端子を構成し、
前記センサーMOSFETは断熱構造体上に配置され、
前記電流源MOSFETは前記断熱構造体の外部に配置されており、
前記センサーMOSFET及び前記電流源MOSFETは同じ導電型のMOSFETからなり、かつサブスレッショルド領域で動作され、
前記センサーMOSFETはゲートとドレインが短絡され、前記電流源MOSFETはゲートとソースが短絡されており、
前記センサーMOSFETと前記電流源MOSFETでゲート−ソース間電圧が同一である場合に前記センサーMOSFETのサブスレッショルド領域電流が前記電流源MOSFETのサブスレッショルド領域電流よりも小さくなるように設定されており、
前記センサーMOSFET及び前記電流源MOSFETはN型であり、
前記定電流源は、前記断熱構造体の外部に配置され、サブスレッショルド領域で前記電流源MOSFETが流す電流以上の電流を流すことができるN型の第2電流源MOSFETをさらに備え、
前記第2電流源MOSFETは、前記電流源MOSFETの電源側に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートが前記センサー出力端子に接続されている赤外線センサー。 - センサーMOSFETと、前記センサーMOSFETに直列接続され、前記センサーMOSFETを定電流駆動させるための定電流源を構成する電流源MOSFETを備え、
前記センサーMOSFETと前記電流源MOSFETの間の端子がセンサー出力端子を構成し、
前記センサーMOSFETは断熱構造体上に配置され、
前記電流源MOSFETは前記断熱構造体の外部に配置されており、
前記センサーMOSFET及び前記電流源MOSFETは同じ導電型のMOSFETからなり、かつサブスレッショルド領域で動作され、
前記センサーMOSFETはゲートとドレインが短絡され、前記電流源MOSFETはゲートとソースが短絡されており、
前記センサーMOSFETと前記電流源MOSFETでゲート−ソース間電圧が同一である場合に前記センサーMOSFETのサブスレッショルド領域電流が前記電流源MOSFETのサブスレッショルド領域電流よりも小さくなるように設定されており、
前記センサーMOSFET及び前記電流源MOSFETはP型であり、
前記定電流源は前記断熱構造体の外部に配置され、サブスレッショルド領域で前記電流源MOSFETが流す電流以上の電流を流すことができるP型の第3電流源MOSFETをさらに備え、
前記第3電流源MOSFETは、前記電流源MOSFETと前記センサーMOSFETの間に直列に接続され、ゲートとソースが短絡され、かつバックゲートが前記電流源MOSFETの電源側の端子に接続されている赤外線センサー。 - 前記センサーMOSFETは複数段直列に接続されている請求項1又は2に記載の赤外線センサー。
- 前記電流源MOSFETと前記センサーMOSFETは同一構造のペアトランジスタである請求項1から3のいずれか一項に記載の赤外線センサー。
- 前記電流源MOSFETと前記センサーMOSFETはチャネル不純物濃度以外が同一構造のトランジスタである請求項1から3のいずれか一項に記載の赤外線センサー。
- 前記電流源MOSFETと前記センサーMOSFETはゲート不純物濃度以外が同一構造のトランジスタである請求項1から3のいずれか一項に記載の赤外線センサー。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の赤外線センサーがアレイ状に配置され、
画素選択を行なうための複数のスイッチを有し、
前記定電流源は、アレイ状に配置された前記センサーMOSFETに対して、同じ行又は列に配列された複数の前記センサーMOSFETごとに設けられていることを特徴とする赤外線アレイセンサー。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011008163A JP5834412B2 (ja) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | 赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー |
US13/350,875 US8759772B2 (en) | 2011-01-18 | 2012-01-16 | Infrared sensor and infrared array sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011008163A JP5834412B2 (ja) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | 赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012149964A JP2012149964A (ja) | 2012-08-09 |
JP5834412B2 true JP5834412B2 (ja) | 2015-12-24 |
Family
ID=46490066
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011008163A Expired - Fee Related JP5834412B2 (ja) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | 赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8759772B2 (ja) |
JP (1) | JP5834412B2 (ja) |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9360373B2 (en) | 2013-03-12 | 2016-06-07 | Ricoh Company, Ltd. | Infrared sensor of rear surface irradiation type |
JP6263914B2 (ja) | 2013-09-10 | 2018-01-24 | 株式会社リコー | 撮像装置、撮像装置の駆動方法、および、カメラ |
JP6225582B2 (ja) | 2013-09-13 | 2017-11-08 | 株式会社リコー | 熱型赤外線センサー |
JP6387743B2 (ja) | 2013-12-16 | 2018-09-12 | 株式会社リコー | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
JP6281297B2 (ja) | 2014-01-27 | 2018-02-21 | 株式会社リコー | フォトトランジスタ、及び半導体装置 |
JP6354221B2 (ja) | 2014-03-12 | 2018-07-11 | 株式会社リコー | 撮像装置及び電子機器 |
JP2016025261A (ja) | 2014-07-23 | 2016-02-08 | 株式会社リコー | 撮像装置、撮像装置の制御方法、画素構造 |
JP2016092178A (ja) | 2014-11-04 | 2016-05-23 | 株式会社リコー | 固体撮像素子 |
US9985071B2 (en) * | 2016-04-15 | 2018-05-29 | Qualcomm Incorporated | Active area selection for LIDAR receivers |
WO2019204515A1 (en) | 2018-04-17 | 2019-10-24 | Obsidian Sensors, Inc. | Readout circuits and methods |
JP7024624B2 (ja) | 2018-06-25 | 2022-02-24 | 株式会社リコー | 支持枠、分光器、分光分析ユニット、及び画像形成装置 |
FR3086405B1 (fr) * | 2018-09-24 | 2020-12-25 | St Microelectronics Sa | Dispositif electronique capable de former un capteur de temperature ou une source de courant delivrant un courant independant de la temperature. |
US11867570B2 (en) | 2020-03-06 | 2024-01-09 | Stmicroelectronics Sa | Thermal sensor circuit |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002296121A (ja) | 2001-04-02 | 2002-10-09 | Mitsuteru Kimura | 温度測定装置 |
US20030109142A1 (en) * | 2001-06-22 | 2003-06-12 | Cable James S. | Integrated photodetector for VCSEL feedback control |
JP2006258562A (ja) | 2005-03-16 | 2006-09-28 | Hokkaido Univ | 遠赤外線センサ |
JP2007101213A (ja) | 2005-09-30 | 2007-04-19 | Ricoh Co Ltd | 半導体装置、赤外線センサ、及び半導体装置の製造方法 |
-
2011
- 2011-01-18 JP JP2011008163A patent/JP5834412B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2012
- 2012-01-16 US US13/350,875 patent/US8759772B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US8759772B2 (en) | 2014-06-24 |
JP2012149964A (ja) | 2012-08-09 |
US20120181430A1 (en) | 2012-07-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5834412B2 (ja) | 赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー | |
JP3156664B2 (ja) | 基準電圧発生回路 | |
US10539470B2 (en) | Sub-threshold-based semiconductor temperature sensor | |
US8552357B2 (en) | Photoelectric conversion apparatus | |
US9035252B2 (en) | Detection circuit, sensor device, and electronic apparatus | |
JP2010014445A (ja) | 半導体温度センサ | |
JP2012117847A5 (ja) | ||
JP5425127B2 (ja) | 固体撮像素子 | |
JP5517411B2 (ja) | 赤外線センサ、及び赤外線固体撮像装置 | |
JP2004165911A (ja) | トランジスタの駆動方法 | |
JP5121587B2 (ja) | 基準電圧回路 | |
US9007049B2 (en) | Current source circuit with temperature compensation | |
US20130099769A1 (en) | Current source circuit with high order temperature compensation and current source system thereof | |
TW201339793A (zh) | 基準電流產生電路及基準電壓產生電路 | |
US8692589B2 (en) | Semiconductor element driving circuit and semiconductor device | |
US20150015326A1 (en) | Bulk-modulated current source | |
US7190205B2 (en) | Variable resistance circuit | |
US20110279106A1 (en) | Threshold voltage generating circuit | |
US20120049958A1 (en) | Amplifier circuit | |
WO2021161675A1 (ja) | 赤外線検出素子 | |
WO2011033663A1 (ja) | 赤外線撮像素子 | |
EP1777812A4 (en) | FIELD EFFECT TRANSISTOR POLARIZATION CIRCUIT | |
JP4543193B2 (ja) | 半導体装置 | |
WO2010086949A1 (ja) | 半導体装置 | |
JP5738954B2 (ja) | 固体撮像素子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131202 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140820 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140930 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141112 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150414 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150511 |
|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20150522 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20150522 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20151006 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20151019 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5834412 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |