JP6142593B2 - センサー - Google Patents

Description

本発明は、センサーに関する。

赤外線センサー又はテラヘルツセンサーは、その検出原理によって量子型と熱型とに大別される。このうち熱型は、ノイズ対策のための冷却が不要であることから注目を集めている。例えば、熱型の一つである焦電型の赤外線センサーは、人感センサー等で普及しており、人体から輻射される波長１０μｍ付近の赤外線を検出することで、人体の存在や温度の情報を非接触で取得できる。このような焦電型の赤外線センサーは、熱電変換素子（以下、焦電素子と称することがある）を具備する。

焦電素子は、赤外線の熱エネルギーを吸収して温度変化を生じ、この温度変化に応じた電荷を誘起する性質を有している。焦電素子を構成する材料として、例えば組成式Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３で表されるチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと略記する）が比較的大きな焦電係数が得られることが知られている。

しかしながら、近年、高感度化や高応答性等の観点から、赤外線センサーにおける焦電材料の一画素の大きさが非常に小さくなり、バルクからの製造が困難となる。そこで、スピンコート法により製造したＰＺＴを焦電材料とする焦電センサーが提案されている（特許文献１参照）。

特表２００３−５３０５３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような薄膜化したＰＺＴを用いた場合、赤外線センサーの良好な感度を実現することが困難であるという問題があった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、薄膜化しても赤外線センサーの感度を向上させることができるセンサーを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられ、強誘電体からなる強誘電体膜を具備する強誘電体素子と、前記強誘電体素子に発生した電荷を読み出す検出手段とを備え、前記検出手段は、前記強誘電体膜の分極方向を揃える第１の電圧と、分極方向が揃えられた強誘電体膜の少なくとも一部の分極を反転させる第２の電圧とを印加して読み出しを行うことを特徴とするセンサーにある。
かかる態様では、強誘電体膜の分極方向を揃える第１の電圧と、分極方向が揃えられた強誘電体膜の少なくとも一部の分極を反転させる第２の電圧とを印加して読み出しを行うことで、温度変化による抗電圧の変化に基づく反転分極量により温度を検出でき、センサーの感度を向上させることができる。

ここで、前記第２の電圧は、前記強誘電体膜の抗電圧の０．５倍以上、１．５倍以下であることが好ましい。これによれば、分極が揃った状態の一部を反転することができ、温度変化による抗電圧の変化に基づく反転分極量により温度をより再現性よく検出できる。

また、前記第１の電圧は、前記強誘電体膜の抗電圧の５倍以上であることが好ましい。これによれば、強誘電体膜の分極を揃えることができ、温度変化による抗電圧の変化に基づく反転分極量により温度をより再現性よく検出できる。

また、前記強誘電体膜として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴＮ）を用いるのが好ましい。これによれば、温度変化による抗電圧の変化に基づく反転分極量により温度をより確実に検出でき、センサーの感度を向上させることができる。

また、前記強誘電体膜として、非鉛であって、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いるのが好ましい。これによれば、非鉛のセンサーが実現され、温度変化による抗電圧の変化に基づく反転分極量により温度をより確実に検出でき、センサーの感度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る赤外線センサーの概略構成を示す図である。 本発明の赤外線センサーの読み出し原理を説明する図である。 本発明の実施形態に係る電圧印加の例を示す図である。 本発明の実施形態に係るセンサーデバイスの構成例を示す図である。 センサーデバイスを含む電子機器の構成例を示す図である。 実施例１で読み出しに使用したパルスを示す図である。 実施例１の検出結果を示す図である。 実施例２で読み出しに使用したパルスを示す図である。 実施例２の検出結果を示す図である。

以下、図１から図５に基づいて、本発明の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。尚、図１から図５の構成部材で同一の部材には同一符号を付してあり、適宜説明が省略されている。

図１は、本発明の実施形態に係るセンサーの一例である赤外線センサーの概略構成を示す図である。
図に示すように、赤外線センサー１は、強誘電体素子１０と、検出手段２０とを具備する。強誘電体素子１０は、第１電極１１と、第２電極１２と、これらの間に設けられた強誘電体膜１３とを具備する。また、検出手段２０は、第１電極１１に接続される行線ＷＬと、第２電極１２に接続される列線ＤＬと、列線ＤＬに接続される検出回路２１とを具備する。

本発明の赤外線センサー１は、構成上は従来の焦電センサーに類似するが、検出原理、検出手段が全く異なる新規なものである。

従来の焦電センサーでは、焦電膜（強誘電体膜）の分極量の温度により変化量を検出して温度の変化を測定するものであるのに対し、本発明の赤外線センサー１は、強誘電体膜１３の抗電圧Ｖｃが温度により変化することに着目し、強誘電体膜１３の分極方向を揃える第１の電圧と、分極方向が揃えられた強誘電体膜１３の少なくとも一部の分極を反転させる第２の電圧とを印加して読み出しを行うことにより、温度によって抗電圧Ｖｃが変化し、第２の電圧の印加による反転する分極量の変化（Δp）を温度の変化として検出するものである。

この原理を図２に示す。図２に示すように、強誘電体膜１３は、ヒステリシス曲線を有するが、第１の電圧Ｖ１を印加すると、強誘電体膜１３はヒステリシス曲線上において分極が一方向に飽和する。続いて、第２の電圧Ｖ２を印加すると、ヒステリシス曲線上で分極の一部が変転する。この様子について温度Ｔ１の場合と、Ｔ１より高い温度である温度Ｔ２の場合を図示している。温度Ｔ１の場合の抗電圧Ｖｃ１と比較して温度Ｔ２の場合の抗電圧Ｖｃ２は電圧ゼロに近づき、これにより分極の反転は、温度Ｔ１と比較して温度Ｔ２のときに大きくなる。したがって、第１の電圧Ｖ１のときの分極量を基準として、第２の電圧Ｖ２のときの分極量を発生する電荷量の違いとして読み出すと、温度の変化が検出できる。この時の分極量の温度による変化量は、詳細は後述するが、強誘電体膜１３として、ＰＺＴを用いた場合、従来の焦電センサーの場合と比較して１８０倍に登ることが確認された。

このように本発明の赤外線センサー１は、検出原理を変更することにより、従来の焦電センサーより著しく感度の向上したものとなる。

ここで、本発明の検出手段２０により印加される第１の電圧Ｖ１は、待機時に常に印加するようにしてもよいし、第２の電圧Ｖ２を印加する直前に印加してもよい。第１の電圧Ｖ１の電圧、印加時間は、強誘電体膜１３の分極を揃えることができれば特に限定されないが、抗電圧Ｖｃの５倍以上の電圧であり、印加時間は、検出手段２０の全体の容量に依存するので一概には規定できないが、容量が十分に小さければナノ秒オーダーも可能である。また、第２の電圧Ｖ２は、例えば、強誘電体膜１３の抗電圧の０．５倍から１．５倍程度の電圧でよいが、印加時間は、検出手段２０の全体の容量に依存するので一概には規定できないが、容量が十分に小さければやはりナノ秒オーダー〜マイクロ秒オーダーも可能であり、またミリ秒〜秒オーダーの比較的長い印加時間でも安定な現象であり問題ない。

図３には、第１の電圧Ｖ１及び第２の電圧Ｖ２の印加のタイミングチャートの例を示す。
図３（ａ）は、列線ＤＬに第１の電圧Ｖ１をパルス波形で印加し、行線ＷＬに第２の電圧Ｖ２を第１の電圧Ｖ１の印加が終了する前に重ねてパルス波形で印加するものである。
図３（ｂ）は、列線ＤＬに第１の電圧Ｖ１をパルス波形で印加し、その後、行線ＷＬに第２の電圧Ｖ２をパルス波形で印加する例である。

なお、図３は、列線ＤＬを介して第２電極１２に第１の電圧Ｖ１を印加し、行線ＷＬを介して第１電極１１に第２の電圧Ｖ２を印加するように表したが、第１電極１１又は第２電極１２のいずれかに第１の電圧Ｖ１及び第２の電圧Ｖ２の両者を合わせたパルス波形を印加するようにしてもよい。

第１電極１１及び第２電極１２は、導電性を有する材料を用いることができ、具体的にはＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ等を用いることができる。このような第１電極１１及び第２電極１２は、層状又は薄膜状である。尚、これらの形状、材料、厚さ等は、本発明の要旨を変更しない限りにおいて変更することができる。

ここで、本発明の実施形態において、第１電極１１及び第２電極１２の間に設けられた強誘電体膜１３は、強誘電体材料からなるものであれば、特に限定されない。例えば、従来技術となる焦電センサーに用いられているチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴＮ）を用いることができる。また、非鉛系の強誘電体、例えば、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物などを用いることができる。

このような強誘電体膜１３は、例えば有機金属化合物を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる焦電材料を得る、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、焦電膜の製造方法は、ＭＯＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法などを用いてもよい。

次に、図４を用いて、強誘電体素子１０を用いたセンサーデバイスについて説明する。図４は、センサーデバイス３０の構成例を示している。なお、センサーデバイスは図４の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略、他の構成要素に置換、他の構成要素を追加する等の種々の変形実施が可能である。

図４に示すように、センサーデバイス３０は、センサーアレイ３１と、行選択回路（行ドライバー）３２と、読み出し回路３３とを備えている。また、センサーデバイス３０は、Ａ／Ｄ変換部３４及び制御回路３５を含むことができる。このセンサーデバイス３０を用いることで、例えばナイトビジョン機器などに用いられる赤外線カメラなどを実現できる。

センサーアレイ３１には、複数のセンサーセルが配列（配置）される。また複数の行線（ワード線、走査線）ＷＬと複数の列線（データ線）ＤＬが設けられる。尚、列線ＤＬの本数が１本であってもよい。例えば行線ＷＬが１本である場合には、図４（ａ）において行線に沿った方向（横方向）に複数のセンサーセルが配列される。一方、列線ＤＬが１本である場合には、列線ＤＬに沿った方向（縦方向）に複数のセンサーセルが配列される。

センサーアレイ３１の各センサーセルは、各行線と各列線の交差位置に対応する場所に配置（形成）される。例えば図４（ｂ）のセンサーセルＳは、行線ＷＬ１と列線ＤＬ１の交差位置に対応する場所に配置されている。他のセンサーセルも同様である。図４においては図示が省略されているが、このセンサーセルＳに、上記の強誘電体素子が設けられている。

行選択回路３２は、１又は複数の行線に接続される。そして各行線の選択動作を行う。例えば図４（ｂ）のようなＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）のセンサーアレイ３１を例にとれば、行線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２・・・・ＷＬ２３９を順次選択（走査）する動作を行う。すなわち、これらの行線を選択する信号（ワード選択信号）をセンサーアレイ３１に出力する。

読み出し回路３３は、複数の列線に接続される。そして各列線の読み出し動作を行う。ＱＶＧＡ（３２０×２４０ピクセル）のセンサーアレイを例にとれば、列線ＤＬ０、ＤＬ１、ＤＬ２・・・・ＤＬ３１９からの検出信号を読み出す動作を行う。例えば読み出し回路３３には、図示は省略するが、複数の列線の各列線に対応して各増幅回路が設けられる。そして、各増幅回路は、対応する列線の信号の増幅処理を行う。

Ａ／Ｄ変換部３４は、読み出し回路３３において取得された検出電圧をデジタルデータにＡ／Ｄ変換する処理を行う。そしてＡ／Ｄ変換後のデジタルデータＤＯＵＴを出力する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部３４には、複数の列線の各列線に対応して各Ａ／Ｄ変換器が設けられる。そして、各Ａ／Ｄ変換器は、対応する列線において読み出し回路３３により取得された検出電圧のＡ／Ｄ変換処理を行う。尚、複数の列線に対応して１つのＡ／Ｄ変換器を設け、この１つのＡ／Ｄ変換器を用いて、複数の列線の検出電圧を時分割にＡ／Ｄ変換してもよい。また読み出し回路３３の増幅回路を設けないで、各列線の信号を直接にＡ／Ｄ変換部３４の各Ａ／Ｄ変換器に入力するようにしてもよい。

制御回路３５は、各種の制御信号を生成して、行選択回路３２、読み出し回路３３、Ａ／Ｄ変換部３４に出力する。例えば、各回路のタイミングを制御する信号などを生成して出力する。

以上説明した強誘電体素子１０を用いたセンサーデバイスによれば、センサーアレイ３１に配置された強誘電体素子１０毎の温度変化を測定できるので、例えばナイトビジョン機器などに用いられる赤外線カメラなどを実現できる。

図５に本実施形態のセンサーデバイスを含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、例えば赤外線カメラであって、光学系２００、センサーデバイス２１０、画像処理部２２０、処理部２３０、記憶部２４０、操作部２５０、表示部２６０を含む。なお本実施形態の電子機器は図５の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば光学系、操作部、表示部等）を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

光学系２００は、例えば１又は複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そしてセンサーデバイス２１０への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。

センサーデバイス２１０は、図４等で説明したものであり、物体像の撮像処理を行う。画像処理部２２０は、センサーデバイス２１０からのデジタルの画像データ（画素データ）に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。

処理部２３０は、電子機器の全体の制御を行ったり、電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部２３０は、例えばＣＰＵ等により実現される。記憶部２４０は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部２３０や画像処理部２２０のワーク領域として機能する。操作部２５０は、ユーザーが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやＧＵＩ（Graphical User Interface）画面などにより実現される。表示部２６０は、例えばセンサーデバイス２１０により取得された画像やＧＵＩ画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの各種ディスプレイや投射型表示装置などにより実現される。

なお本実施形態は、ＦＰＡ（Focal Plane Array：焦点面アレイ）を用いた赤外線カメラや赤外線カメラを用いた電子機器に適用できる。赤外線カメラを適用した電子機器としては、例えば夜間の物体像を撮像するナイトビジョン機器、物体の温度分布を取得するサーモグラフィー機器、人の侵入を検知する侵入検知機器、物体の物理情報の解析（測定）を行う解析機器（測定機器）、火や発熱を検知するセキュリティー機器、工場などに設けられるＦＡ（Factory Automation）機器などが想定できる。ナイトビジョン機器を車載機器に適用すれば、車の走行時に夜間の人等の姿を検知して表示することができる。またサーモグラフィー機器に適用すれば、インフルエンザ検疫等に利用することができる。

なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また検出装置、センサーデバイス及び電子機器の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

以下、実施例を示すが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
（実施例１）
強誘電体膜として、膜厚１１０ｎｍのＳｒＢｉ_２Ｔａ_１．６Ｎｂ_０．４Ｏ_９（以下ＳＢＴＮとする）薄膜を用いた強誘電体素子の読み出し分極量を、図６に示すパルスで測定した。測定温度は２６℃、２９℃、３２℃の３水準を用いた。なお、本測定で用いた強誘電体膜のマイナス側の抗電圧は約−０．５５Ｖである。

結果を図７に示す。従来技術の使用方法に近い、Ｖ２＝０Ｖでの測定結果はｄＰ／ｄＴ＝１５ｎＣ／ｃｍ^２／Ｋであるのに対し、Ｖ２＝−０．５Ｖにすると、ｄＰ／ｄＴ＝１３８ｎＣ／ｃｍ^２／Ｋという大きな温度変化が得られた。

（実施例２）
強誘電体膜として、膜厚１５０ｎｍのＰｂＺｒ_０．４Ｔｉ_０．６Ｏ_３（以下ＰＺＴとする）膜を用いた強誘電体素子の読み出し分極量を、図８に示すパルスで測定した。測定温度は２６℃、２９℃、３２℃の３水準を用いた。なお、本測定で用いた薄膜のマイナス側の抗電圧は約−０．８０Ｖである。

結果を図９に示す。従来技術の使用方法に近い、Ｖ２＝０Ｖでの測定結果はｄＰ／ｄＴ＝２３ｎＣ／ｃｍ^２／Ｋであるが、Ｖ２＝−０．８Ｖにすると、ｄＰ／ｄＴ＝３７４７ｎＣ／ｃｍ^２／Ｋという極めて大きな温度変化が得られることが確認された。

以上、実施例で示したように、本発明のセンサーによれば、強誘電体素子の読み出し分極量の温度係数を極めて大きくすることができる。このことにより、強誘電体素子についてより大きなＳ／Ｎ比を稼ぐことができ、強誘電体素子の高性能化、小型化等につなぐことができる。

本発明は、温度センサー、赤外線センサー他各種光センサー等、従来の焦電素子を用いる各種用途に用いることができる。

１ 赤外線センサー、 １０ 強誘電体素子、 １１ 第１電極、 １２ 第２電極、 １３ 強誘電体膜、 ２０ 検出手段、 ２１ 検出回路

Claims (5)

1. 第１電極、第２電極、及び前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられ、強誘電体か
   らなる強誘電体膜を具備する強誘電体素子と、前記強誘電体素子に発生した電荷を読み出
   す検出手段とを備え、
   前記検出手段は、前記強誘電体膜の分極方向を揃える第１の電圧と、分極方向が揃えら
   れた強誘電体膜の少なくとも一部の分極を反転させる第２の電圧とを印加して読み出しを
   行い、前記第２の電圧は、前記強誘電体膜の抗電圧の０．５倍以上、１．５倍以下であることを特徴とするセンサー。
2. 第１電極、第２電極、及び前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられ、強誘電体か
   らなる強誘電体膜を具備する強誘電体素子と、前記強誘電体素子に発生した電荷を読み出
   す検出手段とを備え、
   前記検出手段は、前記強誘電体膜の分極方向を揃える第１の電圧と、分極方向が揃えら
   れた強誘電体膜の少なくとも一部の分極を反転させる第２の電圧とを印加して読み出しを
   行い、前記第１の電圧は、前記強誘電体膜の抗電圧の５倍以上であることを特徴とするセンサー。
3. 第１電極、第２電極、及び前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられ、強誘電体か
   らなる強誘電体膜を具備する強誘電体素子と、前記強誘電体素子に発生した電荷を読み出
   す検出手段とを備え、
   前記検出手段は、前記強誘電体膜の分極方向を揃える第１の電圧と、分極方向が揃えら
   れた強誘電体膜の少なくとも一部の分極を反転させる第２の電圧とを印加して読み出しを
   行い、前記第１の電圧は、前記強誘電体膜の抗電圧の５倍以上であり、前記第２の電圧は、前記強誘電体膜の抗電圧の０．５倍以上、１．５倍以下であることを特徴とするセンサー。
4. 前記強誘電体膜として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ニオブ酸ストロ
   ンチウムビスマス（ＳＢＴＮ）を用いた請求項１〜３の何れか一項に記載のセンサー。
5. 前記強誘電体膜として、非鉛であって、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロ
   ブスカイト構造の複合酸化物を用いた請求項１〜３の何れか一項に記載のセンサー。