JP6026585B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、赤外線撮像装置に関する。

赤外線は、暗闇中でも熱源から輻射され、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、昼夜にかかわらず可能である。また、赤外線撮像は、被写体の温度情報をも得ることができるので、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラのように広い応用範囲を有する。

近年、冷却機構を必要としない「非冷却型赤外線撮像装置」の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型の赤外線撮像装置は、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なんらかの熱電変換手段により電気信号に変換する。非冷却型の赤外線撮像装置は、この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報を得る。

例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線センサが知られている。この赤外線センサは、半導体基板としてＳＯＩ(Silicon on Insulator）基板を用いることによって、シリコンＬＳＩ製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、熱電変換手段であるシリコンｐｎ接合の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルに構成できるという特長もある。

赤外線センサの性能を表す指標のひとつは、赤外線センサの温度分解能を表現するＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference（等価雑音温度差））である。ＮＥＴＤを小さくすること、すなわち、雑音に相当する赤外線センサの温度差を小さくすることが重要である。そのためには信号の感度を高くすること、および雑音を低減することが必要である。

また、熱電変換素子は入射赤外線による温度上昇以外の温度成分、すなわち半導体基板の温度や通電時の自己加熱温度にも敏感であるため、これら「オフセット温度」を補正するために参照画素が導入されている。

従来の参照画素は、赤外線検出画素と同じように半導体基板温度の影響を反映するが、赤外線検出画素とは自己加熱温度が異なっている。この自己加熱温度の差異は入射赤外線による信号よりも遥かに大きいため、これを補正する必要がある。

特開２０１０−３２４１０号公報

本実施形態は、赤外線検出画素と参照画素における自己加熱温度差の影響を小さくすることのできる赤外線撮像装置を提供する。

本実施形態による赤外線撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面の一部に設けられ、第１凹部を有する参照画素と、前記半導体基板の表面の一部に設けられ、第２凹部を有し赤外線を検出する赤外線検出画素と、を備え、前記参照画素は、前記第１凹部が設けられていない前記半導体基板の一部の領域と直接接続され、かつ前記第１凹部内に設けられ熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子を含む第１熱電変換部を含み、前記赤外線検出画素は、前記第２凹部内に設けられ第２熱電変換素子を含む第２熱電変換部を含む。

一実施形態による非冷却型赤外線撮像装置の回路図。 図２（ａ）、２（ｂ）は、一実施形態に係る赤外線検出画素を示す平面図および断面図。 図３（ａ）、３（ｂ）は、一実施形態に係る参照画素を示す平面図および断面図。 図４（ａ）、４（ｂ）は、赤外線検出画素および参照画素それぞれにおける自己加熱量を示すグラフ。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

一実施形態による非冷却型赤外線撮像装置（以下、赤外線センサともいう）を図１に示す。本実施形態の赤外線センサは、半導体基板上に設けられた撮像領域を備えている。この撮像領域には、例えば１行２列に配列された２個の参照画素１１_１、１１_２と、２行２列に配列された赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１、２）とが設けられている。なお、撮像領域は通常、より多くの画素を備えているが、ここでは、便宜的に３行２列の画素、すなわち参照画素および赤外線検出画素を備えているとする。各画素は熱電変換素子となるｐｎ接合（ダイオード）を含むが、詳細な構造は後述する。

参照画素１１_１、１１_２のそれぞれの第１端子（ｐｎ接合のアノード側の端子）は行選択線４５_０に接続される。また、参照画素１１_１、１１_２の第２端子（ｐｎ接合のカソード側の端子）はそれぞれ、垂直信号線（以下単に、信号線ともいう）４４_１、４４_２に接続される。第１行の赤外線検出画素１２_１１、１２_１２のそれぞれの第１端子（ｐｎ接合のアノード側の端子）は行選択線４５_１に接続される。そして、赤外線検出画素１２_１１、１２_１２の第２端子（ｐｎ接合のカソード側の端子）はそれぞれ、垂直信号線４４_１、４４_２に接続される。第２行の赤外線検出画素１２_２１、１２_２２のそれぞれの第１端子（ｐｎ接合のアノード側の端子）は行選択線４５_２に接続される。そして、赤外線検出画素１２_２１、１２_２２の第２端子（ｐｎ接合のカソード側の端子）はそれぞれ、垂直信号線４４_１、４４_２に接続される。

行選択線４５_０、４５_１、４５_２はそれぞれ行選択回路５に接続され、この行選択回路５によって１行ずつ順番に選択されてバイアス電圧Ｖｄが印加される。信号線４４_ｉ（ｉ＝１、２）の一端子が負荷トランジスタ４１_ｉを介して電源Ｖｓｓに接続され、他の端子が結合容量２２_ｉを介して差動増幅器２０_ｉの正側入力端子に接続される。負荷トランジスタ４１_１、４１_２は、飽和領域で動作し、それらのゲートに印加されるゲート電圧ＧＬ１に応じて、選択されている行の画素に定電流を供給する。即ち、負荷トランジスタ４１は、定電流源として作用する。負荷トランジスタ４１_１、４１_２のソース電圧をＶｄ０とする。

差動増幅器２０_ｉ（ｉ＝１、２）は、負側入力端子に電圧Ｖ２が印加され、出力端子が読み出しトランジスタ３２_ｉを介して読み出し線３３に接続される。読み出しトランジスタ３２_ｉ（ｉ＝１、２）は、ゲートに列選択回路６からの選択信号を受けることによりオンする。

また、差動増幅器２０_ｉ（ｉ＝１、２）の正側入力端子と出力端子との間にフィードバックスイッチ２３_ｉとフィードバック容量２４_ｉが並列に接続される。そして、結合容量２２_ｉ（ｉ＝１、２）、差動増幅器２０_ｉ、フィードバックスイッチ２３_ｉ、およびフィードバック容量２４_ｉが差動クランプ回路を構成する。後述するように、この差動クランプ回路は、対応する信号線に接続された参照画素から出力される信号をホールドし、上記対応する信号線に接続された赤外線検出画素を選択した際に、差分信号を増幅する。

行選択回路５がバイアス電圧Ｖｄを選択した行に印加すると、選択した行に接続された参照画素または赤外線検出画素のｐｎ接合に直列電圧Ｖｄ―Ｖｄ０が印加されることになる。例えば、行選択線４５_０が選択されれば参照画素１１_１、１１_２のｐｎ接合に直列電圧Ｖｄ―Ｖｄ０が印加され、行選択線４５_１が選択されれば赤外線検出画素１２_１１、１２_１２のｐｎ接合に直列電圧Ｖｄ―Ｖｄ０が印加され、行選択線４５_２が選択されれば赤外線検出画素１２_２１、１２_２２のｐｎ接合に直列電圧Ｖｄ―Ｖｄ０が印加される。非選択行の画素のｐｎ接合は、すべて逆バイアスされているので、非選択の行選択線は信号線４４_１、４４_２から分離されている。即ち、ｐｎ接合は、画素選択機能を担っているといってもよい。

赤外線非受光時の垂直信号線４４_１、４４_２の電位をＶｓｌと定義する。赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）は、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、垂直信号線４４_１、４４_２の電位はＶｓｌよりも高くなる。例えば、被写体温度が１Ｋ（ケルビン）変化すると、赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）の温度は約５ｍＫ変化する。熱電変換効率を１０ｍＶ／Ｋとすると、垂直信号線４４_１、４４_２の電位は約５０μＶだけ上昇する。これは、バイアス電圧Ｖｄに比べて非常に小さい。

赤外線を受光すると、垂直信号線４４_１、４４_２の電位はＶｄ−（Ｖｆ０−Ｖｓｉｇ−Ｖｓｈ）となる。ここで、Ｖｆ０は赤外線を全く受光していないときのｐｎ接合の順方向電圧、Ｖｓｉｇは赤外線を赤外線検出画素の後述する熱電変換部の温度上昇に基づく電圧信号である。Ｖｓｈはｐｎ接合に電流を流した際に発生するジュール熱による電圧変化である。自己加熱量は以下式（１）で表される。

ここで、Ｉ_ｆは負荷トランジスタ４１_１、４１_２の動作点できまる電流量、Ｖ_ｆはｐｎ接合の順方向電圧、ｔは電流が流れ始めてからの経過時間、Ｃ_ｔｈおよびＧ_ｔｈはそれぞれ赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）の熱容量、熱コンダクタンスである。これらについては後述する。ｔがＣ_ｔｈ／Ｇ_ｔｈであらわされる値よりも十分に小さい場合、式（１）は下記の式（２）で近似され、時間に比例して温度が上昇することになる。

図２（ａ）に赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１、２）の平面図を示す。図２（ｂ）に、図２（ａ）の切断線Ａ−Ａ線に沿って切断した赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１、２）の断面図を示す。赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１、２）は、ＳＯＩ基板に形成されるセル１６０を備えている。ＳＯＩ基板は、支持基板１８１と、埋め込み絶縁層（ＢＯＸ層）１８２と、シリコン単結晶からなるＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）層と、を有し、表面部分に凹部１８５が形成されている。凹部１８５は、支持基板１８１の一部を除去することによって形成される。

セル１６０は、熱電変換部１６１と、この熱電変換部１６１を凹部１８５の上方に支持する支持構造部１６７ａ、１６７ｂとを備えている。熱電変換部１６１は、直列に接続された複数の（図２（ａ）では２個）ダイオード１６２と、これらのダイオード１６２を接続する配線１６３と、これらのダイオード１６２および配線１６３を覆うように形成された赤外線吸収膜１６４とを備えている。

支持構造部１６７ａは、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１６８ａと、この接続配線１６８ａを覆う絶縁膜１６９ａとを備えている。他方の支持構造部１６７ｂは、一端が対応する行選択線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１６８ｂと、この接続配線１６８ｂを覆う絶縁膜１６９ｂとを備えている。

赤外線吸収膜１６４は入射された赤外線によって発熱する。ダイオード１６２は、赤外線吸収膜１６４で発生した熱を電気信号へ変換する。支持構造１６７ａ、１６７ｂは、熱電変換部１６１の周囲を取り巻くように細長く形成されている。これにより、熱電変換部１６１は、ＳＯＩ基板からほぼ断熱された状態でＳＯＩ基板上に支持される。

このような構造を有することにより、赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１、２）は、入射赤外線に応じて発生した熱を蓄熱し、この熱に基づいた電圧を信号線４４_１または４４_２に出力することができる。行選択線４５_１または４５_２からのバイアス電圧Ｖｄは、配線１６８ｂを介して熱電変換部１６１へ伝達される。熱電変換部１６１を通過した信号は、配線１６８ａを介して垂直信号線４４_１または４４_２に伝達される。

図３（ａ）に参照画素１１_ｉ（ｉ＝１、２）の平面図を示す。図３（ｂ）に、図３（ａ）の切断線Ａ−Ａ線に沿って切断した参照画素１１_ｉ（ｉ＝１、２）の断面図を示す。参照画素１１_ｉ（ｉ＝１、２）は、ＳＯＩ基板に形成されるセル１６０ａを備えている。ＳＯＩ基板は、支持基板１８１と、埋め込み絶縁層（ＢＯＸ層）１８２と、シリコン単結晶からなるＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）層と、を有し、表面部分に凹部１８５ａが形成されている。凹部１８５ａは、支持基板１８１の一部を除去することによって形成される。

セル１６０ａは、埋め込み絶縁層１８２上に形成された熱電変換部１６１ａを備えている。熱電変換部１６１ａは、直列に接続された複数の（図２（ａ）では２個）ダイオード１６２ａと、これらのダイオード１６２ａを接続する配線１６３ａと、これらのダイオード１６２ａおよび配線１６３ａを覆うように形成された赤外線吸収膜１６４ａとを備えている。直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端は配線１６５ａを介して垂直信号線に接続され、上記直列回路の他端は配線１６５ｂを介して行選択線に接続される。

配線１６５ａ、１６５ｂは、ともに凹部１８５ａが形成されていない領域に形成される。

熱電変換部１６１ａの下方に凹部１８５ａが設けられているが、この熱電変換部１６１ａは埋め込み絶縁層１８２を介して凹部１８５ａが形成された領域以外の埋め込み絶縁層１８２およびその上に形成された絶縁膜１６４に接続している。このため、熱電変換部１６１ａは、赤外線検出画素の熱電変換部１６１と異なり、細長い支持構造部によって凹部１８５ａの上方に支持する必要がない。すなわち、赤外線検出画素の熱電変換部１６１と異なり、細長い支持構造部によって断熱されていない。このため、赤外線による発熱は、赤外線検出画素に比べて何桁も小さく、無視できる。すなわち、参照画素においては、断熱性の指標である熱コンダクタンスＧ_ｔｈが、赤外線検出画素よりも遥かに大きく、熱が逃げやすいことになる。

熱コンダクタンスＧ_ｔｈは、温度が１Ｋ異なる２つの熱浴の間に熱伝導体がある場合に、何Ｗのエネルギーが移動するかを表すため、単位はＷ／Ｋである。熱コンダクタンスＧ_ｔｈは熱伝導を担う材料、すなわち支持構造１６７ａ、１６７ｂを構成する接続配線１６８ａ、１６８ｂおよび絶縁膜１６９ａ、１６９ｂの熱伝導率κ（Ｗ／（Ｋ・ｍ））と、断面積Ｓ（ｍ^２）、ならびに長さＬ（ｍ）を用いて、Ｇ_ｔｈ＝κＳ／Ｌ（Ｗ／Ｋ）と表される。すなわち、断面積が大きく、短い構造ほど、熱コンダクタンスが大きくなる。

一方、熱容量Ｃ_ｔｈは、ある物体を１Ｋ温めるために何Ｊのエネルギーが必要であるかを表す指標であり、単位はＪ／Ｋである。熱容量Ｃ_ｔｈは材料の比熱ｃ（Ｊ／ｋｇ）と、材料の体積Ｖ（ｍ^３）と、材料の密度ｄ（ｋｇ／ｍ^３）から、Ｃ_ｔｈ＝ｃ・ｄ・Ｖと表される。

赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）の熱コンダクタンスＧ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}および熱容量Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}は、
Ｇ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}＝κ_２・Ｓ／Ｌ
Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}＝ｃ_２・ｄ_２・Ｌｃ・Ｗｃ・Ｈｃ （３） と表される。ここで、Ｓは支持構造部１６７ａ、１６７ｂの断面積を表し、Ｌは支持構造部１６７ａ、１６７ｂの長さを表し、Ｌｃ、Ｗｃはそれぞれ熱電変換部１６１の長さおよび幅を表し、Ｈｃは熱電変換部１６１の高さを表し埋め込み絶縁膜１８２の厚さを含んでいる。なお、κ_２、ｃ_２、ｄ_２はそれぞれ、支持構造部１６７ａ、１６７ｂの熱伝導率、比熱、密度を表す。

参照画素１１_ｉ（ｉ＝１，２）の熱コンダクタンスＧ_{ｔｈ＿ＴＢ}および熱容量Ｃ_{ｔｈ＿ＴＢ}は、
Ｇ_{ｔｈ＿ＴＢ}＝κ_１・Ｓ_ＴＢ／Ｌ_ＴＢ
Ｃ_{ｔｈ＿ＴＢ}＝ｃ_１・ｄ_１・Ｌｃ・Ｗｃ_ＴＢ・Ｈｃ （４）と表される。ここで、Ｓ_ＴＢ、Ｌ_ＴＢはそれぞれ、熱電変換部１６１ａと配線１６５ａ、１６５ｂとの接続部１６６の断面積および長さを表し、Ｌｃ、Ｗｃ_ＴＢはそれぞれ熱電変換部１６１ａの長さおよび幅を表し、Ｈｃは熱電変換部１６１ａの高さを表し埋め込み絶縁膜１８２の厚さを含んでいる。なお、κ_１、ｃ_１、ｄ_１はそれぞれ、熱電変換部１６１ａと配線１６５ａ、１６５ｂとの接続部１６６の熱伝導率、比熱、密度を表す。

参照画素１１_ｉ（ｉ＝１，２）においては、熱電変換部１６１ａの幅ＷｃＴＢが赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）の熱電変換部１６１の幅Ｗｃに比べて小さくなるように、凹部１８５ａの平面パターンが設計されている。

したがって、参照画素の熱コンダクタンスは赤外線検出画素の熱コンダクタンスに比べて小さく、熱容量も赤外線検出画素の熱容量に比べて小さくなる。すなわち以下の不等式を満たす。

Ｇ_{ｔｈ＿ＴＢ}＜Ｇ_{ｔｈ＿ＩＲ}
Ｃ_{ｔｈ＿ＴＢ}＜Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}
図４（ａ）、４（ｂ）に、赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）と、参照画素１１_ｉ（ｉ＝１，２）それぞれにおける、自己加熱量のグラフを示す。図４（ａ）は、参照画素１１_ｉ（ｉ＝１，２）の熱容量Ｃ_{ｔｈ＿ＴＢ}が赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）の熱容量Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}と等しい場合、すなわちセル１６０、１６０ａの面積が等しくなるように設計された場合の自己加熱を示している。通電が始まってから、各画素の温度は式（１）に従って上昇する。赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）に関しては熱コンダクタンスＧ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}が非常に小さく、Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}／Ｇ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}で表される比が大きいため、熱時定数が大きく、短時間の通電では式（２）に従って温度が上昇する。これに対して、参照画素１１_ｉ（ｉ＝１，２）に関しては熱コンダクタンスＧ_{ｔｈ＿ＴＢ}が赤外線検出画素の熱コンダクタンスに比べて大きいため、式（１）に示すように、時間の経過に従って温度上昇率は緩やかになる。この場合、通電が終了した時刻において、両画素の自己加熱温度上昇は異なっている。この差分は、例えば１μＡの電流を印加している場合１００ｍＫ程度のオーダーになり、被写体温度変化に対する信号よりも２桁程度大きくなる。

しかし、参照画素１１_ｉ（ｉ＝１，２）の熱容量Ｃ_{ｔｈ＿ＴＢ}を赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）の熱容量Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}よりも小さく設計された場合、すなわち本実施形態のように、セル１６０ａの面積がセル１６０の面積より小さく設計された場合、図４（ｂ）に示すように、自己加熱温度を通電終了時間で一致させることができる。このとき各画素の設計パラメータは以下式を満たしていれば良い。

赤外線検出画素１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）および参照画素１１_ｉ（ｉ＝１，２）は同じ電流、電圧条件で動作させるため、Ｉ_ｆ、Ｖ_ｆは等しい。したがって以下の式が成り立てばよい。

Ｇ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}およびＧ_{ｔｈ＿ＴＢ}はそれぞれ赤外線検出画素および参照画素の熱コンダクタンスを示し、Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}およびＣ_{ｔｈ＿ＴＢ}はそれぞれ赤外線検出画素および参照画素のセルの熱容量を示し、ｔｓｅｌは画素通電時間であり、前述の式（３）（４）に従う。熱容量Ｃ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}およびＣ_{ｔｈ＿ＴＢ}はそれぞれのセルの体積に比例するため、厚みが同じであれば面積比を調整することによって、任意の熱容量Ｃ_ｔｈ比に設計することができる。なお、式（５）を満たすように設計した場合でも製造プロセスなどの精度により式（５）の等式からずれが生じることがある。この場合でも、式（５）の左辺および右辺のうちの一方の値が、他方の値の０．９〜１．１倍の範囲にあれば、おなじような効果を得ることができる。

次に、赤外線信号の読み出し方法を説明する
本実施形態においては、図１に示すように、赤外線検出画素の一つの列の信号線に１個の参照画素が接続され、参照画素と赤外線検出画素は別の行に存在している。そして参照画素の行と、赤外線検出画素の行は、別の時間にバイアス電圧が印加されるため、信号を同時に比較することができない。そのため、参照画素から出力された信号をホールドし、赤外線検出画素を選択する際に差分信号のみを増幅する差動クランプ回路が用いられている。この差動クランプ回路は、結合容量２２_ｉ（ｉ＝１、２）、差動増幅器２０_ｉ（ｉ＝１、２）、フィードバックスイッチ２３_ｉ（ｉ＝１、２）、およびフィードバック容量２４_ｉ（ｉ＝１、２）を備えている。

まず、第一の期間に、参照画素１１_１、１１_２が接続された行選択線４５_０に、バイアス電圧Ｖｄを印加すると、垂直信号線４４_１、４４_２の電位はＶｄ−Ｖｆ０となる。この電圧値を、ここでは例えば１．０Ｖとする。

このとき、フィードバックスイッチ２３_１、２３_２をオン（短絡）とすると、ボルテージ・フォロワ接続となって差動増幅器２０_１、２０_２の入力電圧Ｖ１１と出力電圧Ｖｏ１１が、ＤＣ電圧Ｖ２と等しくなる。ここでＶ２は全列の差動増幅器に与えられる任意の一定電圧であり、例えば１．５Ｖとする。このとき、結合容量２２_１、２２_２の垂直信号線４４_１、４４_２側の電圧は１．０Ｖ、差動増幅器２０_１、２０_２側の電圧は１．５Ｖとなる。

続いて、フィードバックスイッチ２３_１、２３_２をオフ（開放）すると、上記の電位関係は保たれたまま、差動増幅器２０_１、２０_２の入力電圧Ｖ１１と出力電圧Ｖｏ１１が切り離される。フィードバックスイッチ２３_１、２３_２をオンしてからオフするまでの期間に参照画素１１_１、１１_２は通電されるが、この通電時間が式（５）の時間ｔｓｅｌとなることが重要である。

次に第二の期間に、赤外線検出画素１２_１１、１２_１２が接続された行選択線４５_１に、バイアス電圧Ｖｄを印加すると、垂直信号線４４_１、４４_２の電位はＶｄ−（Ｖｆ０−Ｖｓｉｇ）となる。この電圧値を、ここでは例えば１．００１Ｖとする。すると、結合容量２２_１、２２_２の両端電位差はホールドされているため、第一の期間よりも垂直信号線４４_１、４４_２側の電位が０．００１Ｖ高い分だけ、Ｖ１１の電位が高くなり、１．５０１Ｖとなる。そのとき、差動増幅器２０_１、２０_２のゲインが十分に高いとすると、結合容量２２_１、２２_２、差動増幅器アンプ２０_１、２０_２、フィードバック容量２４_１、２４_２で構成される回路は積分回路となり、結合容量２２_１、２２_２の容量値をＣｃ、フィードバック容量２４_１、２４_２の容量値をＣｆｂとすると、Ｖｏ１１＝Ｃｃ／Ｃｆｂ×Ｖｓｉｇと記述される。例えばＣｃ＝５ｐＦ、Ｃｆｂ＝０．５ｐＦとすると、Ｖｏ１１＝１０×０．００１＝０．０１（Ｖ）となり、赤外線信号Ｖｓｉｇが１０倍増幅される結果となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、赤外線検出画素と参照画素における自己加熱温度差の影響を小さくすることのできる非冷却型赤外線撮像装置を提供することができる。

なお、上記実施形態では、赤外線検出画素および参照画素の熱電変換素子として、直列に接続されたダイオードを用いたが、直列に接続された抵抗体を用いても同様の効果を得ることができる。

一実施形態による非冷却型赤外線撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられ、複数の画素がマトリクス状に配列された撮像領域であって、前記複数の画素は、少なくとも１行に配列される複数の参照画素と、残りの行に配列され入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素とを有し、各参照画素は前記半導体基板の表面部分に形成された第１凹部の上方に設けられた第１セルを有し、前記第１セルは入射赤外線を吸収して熱に変換する第１赤外線吸収膜と、前記第１赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子とを有する第１熱電変換部を備え、各赤外線検出画素は前記半導体基板の表面部分に形成された第２凹部の上方に設けられた第２セルを有し、前記第２セルは、前記第２凹部の上方に設けられた第２熱電変換部と、前記第２熱電変換部を前記第２凹部の上方に支持する第１および第２支持構造部とを備え、前記第２熱電変換部は、前記入射赤外線を吸収して熱に変換する第２赤外線吸収膜と、前記第２赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第２熱電変換素子と、を有し、前記赤外線の入射する方向からみたときの前記第１熱電変換部の面積が前記第２熱電変換部の面積よりも小さい、撮像領域と、前記撮像領域内に前記複数の画素の行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の画素を選択する、複数の行選択線と、前記撮像領域内に前記複数の画素の列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の画素からの電気信号を読み出すための複数の信号線と、を備え、前記第１セルの第１熱電変換部は第１および第２端子を有し、前記第１端子は第１配線を介して対応する行の行選択線に接続され、前記第２端子は第２配線を介して対応する列の信号線に接続され、前記第１および第２配線は前記第１凹部が形成されている領域には形成されず、前記第２セルの第２熱電変換部は第３および第４端子を有し、前記第３端子は前記第１支持構造部内に形成される第３配線を介して対応する行の行選択線に接続され、前記第４端子は前記第２支持構造部内に形成される４配線を介して対応する列の信号線に接続される。

また、前記赤外線検出画素の熱コンダクタンスをＧ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}、前記第２セルの熱容量をＣ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}、前記参照画素の熱コンダクタンスをＧ_{ｔｈ＿ＴＢ}、前記第１セルの熱容量をＣ_{ｔｈ＿ＴＢ}、前記赤外線検出画素および前記参照画素の通電時間をｔｓｅｌとすると、

で表される式の左辺および右辺のうちの一方の値が、他方の値の０．９〜１．１倍の範囲であってもよい。

また、各信号線に対応して設けられた複数の差動クランプ回路を更に備え、前記差動クランプ回路は、一端子が対応する信号線に接続された結合容量と、前記結合容量の他の端子に正側入力端子が接続された差動増幅器と、前記差動増幅器の前記正側入力端子と前記差動増幅器の出力端子との間に設けられたフィードバック容量と、前記フィードバック容量と並列に接続されたフィードバックスイッチと、を備えていてもよい。

また、各信号線に対応して設けられた複数の読み出しトランジスタを更に備え、各読み出しトランジスタは、ソース／ドレインの一方が前記差動増幅器の出力端子に接続され、ソース／ドレインの他方が読み出し線に接続され、ゲートが列選択回路からの選択信号を受けてもよい。

また、前記赤外線検出画素と前記参照画素から得られた信号電圧の差分を増幅する差動増幅器を備えていてもよい。

また、前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続されたダイオードであってもよい。

また、前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続された抵抗体であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

５ 行選択回路
６ 列選択回路
１１_１、１１_２ 参照画素
１２_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２） 赤外線検出画素
２０_１、２０_２ 差動増幅器
２２_１、２２_２ 結合容量
２３_１、２３_２ フィードバックスイッチ、
２４_１、２４_２ フィードバック容量
３２_１、３２_２ 読み出しトランジスタ
３３ 読み出し線
４１_１、４１_２ 負荷トランジスタ
４４_１、４４_２ 垂直信号線（信号線）
４５_０〜４５_２ 行選択線
１６０ 赤外線検出画素のセル
１６０ａ 参照画素のセル
１６１ 赤外線検出画素の熱電変換部
１６１ａ 参照画素の熱電変換部
１６２ ダイオード
１６２ａ ダイオード
１６３ 配線
１６３ａ 配線
１６４ 赤外線吸収膜
１６４ａ 赤外線吸収膜
１６５ａ、１６５ｂ 接続配線
１６６ 接続部
１６７ａ、１６７ｂ 支持構造部
１６８ａ、１６８ｂ 接続配線
１６９ａ、１６９ｂ 絶縁膜
１８１ 支持基板
１８２ 埋め込み絶縁膜
１８５ 凹部
１８５ａ 凹部

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面の一部に設けられた第１凹部と、前記第１凹部内に設けられ熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子を含む第１熱電変換部と、を有する参照画素と、
   前記半導体基板の表面の一部に設けられた第２凹部と、前記第２凹部内に設けられ熱を電気信号に変換する第２熱電変換素子を含む第２熱電変換部と、前記第２熱電変換部を前記第２凹部の上方に支持する第１および第２支持部と、を有し赤外線を検出する赤外線検出画素と、
   それぞれが第１方向に沿って設けられた第１および第２選択線と、
   前記第１方向と交差する第２方向に沿って設けられ信号線と、
   を備え、
   前記第１熱電変換部は第１および第２端子を有し、前記第１端子は第１配線を介して前記第１選択線に接続され、前記第２端子は第２配線を介して前記信号線に接続され、前記第１および第２配線は前記第１凹部が設けられた領域には配置されず、
   前記第２熱電変換部は第３および第４端子を有し、前記第３端子は第３配線を介して前記第２選択線に接続され、前記第４端子は第４配線を介して前記信号線に接続される赤外線撮像装置。
2. 前記第１熱電変換部の体積は前記第２熱電変換部の体積よりも小さい請求項１記載の赤外線撮像装置。
3. 前記第２選択線は複数であって前記第２方向に配列され、
   前記信号線は複数であって前記第１方向に配列され、
   前記参照画素は複数であって前記複数の信号線に対応して前記第１方向に配列され、各参照画素の前記第１熱電変換部は前記第１端子および前記第１配線を介して前記第１選択線に接続されかつ前記第２端子および第２配線を介して対応する信号線に接続され、
   前記赤外線検出画素は複数であって前記複数の第２選択線に対応して前記第１方向に配列されるとともに前記複数の信号線に対応して前記第２方向に配列され、各赤外線検出画素の前記第２熱電変換部は前記第３端子および前記第３配線を介して対応する前記第２選択線に接続されかつ前記第４端子および前記第４配線を介して対応する信号線に接続される請求項１または２記載の赤外線撮像装置。
4. 前記赤外線検出画素の熱コンダクタンスをＧ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}、前記第２熱電変換部の熱容量をＣ_{ｔｈ＿ＩＭＧ}、前記参照画素の熱コンダクタンスをＧ_{ｔｈ＿ＴＢ}、前記第１熱電変換部の熱容量をＣ_{ｔｈ＿ＴＢ}、前記赤外線検出画素および前記参照画素の通電時間をｔｓｅｌとすると、
   

   

   で表される式の左辺および右辺のうちの一方の値が、他方の値の０．９〜１．１倍の範囲である請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線撮像装置。
5. 各信号線に対応して設けられた複数の差動クランプ回路を更に備え、前記差動クランプ回路は、
   一端子が対応する信号線に接続された結合容量と、
   前記結合容量の他の端子に正側入力端子が接続された差動増幅器と、
   前記差動増幅器の前記正側入力端子と前記差動増幅器の出力端子との間に設けられたフィードバック容量と、
   前記フィードバック容量と並列に接続されたフィードバックスイッチと、
   を備えている請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線撮像装置。
6. 各信号線に対応して設けられた複数の読み出しトランジスタを更に備え、各読み出しトランジスタは、ソース／ドレインの一方が前記差動増幅器の出力端子に接続され、ソース／ドレインの他方が読み出し線に接続され、ゲートが列選択回路からの選択信号を受ける請求項５記載の赤外線撮像装置。
7. 前記赤外線検出画素と前記参照画素から得られた信号電圧の差分を増幅する差動増幅器を備えている請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線撮像装置。
8. 前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続されたダイオードである請求項１乃至７のいずれかに記載の赤外線撮像装置。
9. 前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続された抵抗体である請求項１乃至７のいずれかに記載の赤外線撮像装置。

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