JP6962502B1 - 赤外線センサ装置 - Google Patents

Abstract

赤外線を検出する画素部（８）を有するセンサチップ（４）が絶縁基板（２）に接合材（３）により接合されている。発熱機構（１１）がセンサチップ（４）に集積されている。制御部（１４）が絶縁基板（２）に設けられ、発熱機構（１１）に供給する電流量を制御する。

Description

本開示は、赤外線センサ装置に関する。

従来の赤外線センサ装置では、測定精度を向上させるためにペルチェ素子によりセンサ全体を一定温度に制御していた（例えば、特許文献１参照）。

日本特開２０１２−２２５７１７号公報

しかし、ペルチェ素子はセンサチップとは別部材であり、センサチップに外部から取り付けられていた。このため、センサチップの温度を精密に制御することはできず、測定精度を十分に向上させることができなかった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は測定精度を十分に向上させることができる赤外線センサ装置を得るものである。

本開示に係る赤外線センサ装置は、赤外線を検出する画素部を有するセンサチップと、前記センサチップに集積された発熱機構と、前記発熱機構に供給する電流量を制御する制御部とを備え、前記発熱機構はダイオードであり、前記センサチップの面内において前記画素部の周囲に前記発熱機構が複数配置され、前記制御部は、複数の前記発熱機構にそれぞれ供給する電流量を個別に制御し、赤外線センサ装置の立ち上げ時に、前記制御部は、前記制御部の近くに配置された発熱機構に供給する電流量よりも、前記制御部の遠くに配置された発熱機構に供給する電流量を大きくすることを特徴とする。

本開示では、センサチップに発熱機構を集積している。この発熱機構に供給する電流量を制御することにより、センサチップの温度を精密に制御することができる。この結果、測定精度を十分に向上させることができる。

実施の形態１に係る赤外線センサ装置を示す図である。 実施の形態１に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 画素部を示す図である。 画素を示す断面図である。 発熱機構の一例を示す断面図である。 発熱機構の他の例を示す断面図である。 実施の形態１に係るセンサチップの温度変化を示す図である。 実施の形態２に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 実施の形態３に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 実施の形態４に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 実施の形態５に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 実施の形態６に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 実施の形態６に係るセンサチップの一例を示す回路図である。 実施の形態６に係るセンサチップの他の例を示す回路図である。 実施の形態７に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 実施の形態７に係る発熱機構の電流量又は発熱量を示す図である。 実施の形態７に係るセンサチップの温度変化を示す図である。 実施の形態８に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。 実施の形態８に係る画素部を示す図である。

実施の形態に係る赤外線センサ装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る赤外線センサ装置を示す図である。赤外線センサ装置１は、例えばエアコンに取り付けられ、室内の温度又は室内での人間の所在場所を赤外線で検出する。赤外線センサ装置１は、絶縁基板２と、絶縁基板２に接合材３により接合されたセンサチップ４と、絶縁基板２に形成されたＡＳＩＣ５とを有する。ＡＳＩＣ５はセンサチップ４の赤外線検出結果を外部に出力する。電源６からセンサチップ４とＡＳＩＣ５に電力が供給される。

絶縁基板２は、例えばエアコンのケース７に収納されている。エアコンの本体及びケース７はプラスチックからなる。絶縁基板２は例えばガラエポ基板である。接合材３は、シリコン接着剤又はＡｇペーストのダイボンド材等である。これらの部材は熱抵抗・熱容量が大きい。そして、絶縁基板２とケース７との間の熱抵抗も大きい。従って、赤外線センサ装置１の動作時にセンサチップ４とＡＳＩＣ５が発熱しても放熱されにくい。また、赤外線センサ装置の立ち上げ時に先に発熱したＡＳＩＣ５からの熱がセンサチップ４に伝わり難い。このため、従来は、センサチップ４の温度が安定して赤外線センサ装置の出力レベル及び特性が安定するまで時間を要していた。

図２は、実施の形態１に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。センサチップ４は、赤外線を検出する画素部８を有する固体撮像素子である。センサチップ４には読出回路９、チップ温度検出部１０及び発熱機構１１が集積されている。読出回路９は、画素部８に含まれる複数の画素から１つずつ信号を読み出す。チップ温度検出部１０はセンサチップ４の温度を検出する。

ＡＳＩＣ５は、Ａ／Ｄコンバータ１２，１３、制御部１４及び電流源１５を有する。Ａ／Ｄコンバータ１２は、読出回路９の出力信号をデジタル信号に変換する。制御部１４は、Ａ／Ｄコンバータ１２の出力信号を入力し、赤外線検出結果として外部に出力する。

Ａ／Ｄコンバータ１３は、チップ温度検出部１０の出力信号をデジタル信号に変換する。制御部１４は、Ａ／Ｄコンバータ１３の出力信号に応じて演算を行う。電流源１５は、その制御部１４の演算結果をもとに定められた可変電流を発熱機構１１に印加する。このように、制御部１４は、チップ温度検出部１０の出力に応じて発熱機構１１に供給する電流量を制御する。

図３は、画素部を示す図である。画素部８には、複数の画素１６が行列状に配置されている。列選択スイッチ１７が選択した列の画素１６にバイアス電圧が印加され、その列の画素１６に電流が流れる。そして、行選択スイッチ１８が選択した画素１６の電流値が読み出される。

図４は、画素を示す断面図である。シリコン基板１９にエッチングにより凹状の空洞２０が形成されている。画素１６が空洞２０の上方に支持脚２１，２２により保持されている。従って、画素１６はシリコン基板１９に対して中空断熱されている。画素１６は、絶縁膜２３と、その内部に設けられたＰＮダイオード２４とを有する。トレンチ構造２５の上に絶縁膜２６が形成されている。絶縁膜２６内に信号線２７，２８が形成されている。ＰＮダイオード２４のＰ型層２４ａとＮ型層２４ｂはそれぞれ支持脚２１，２２内の薄膜メタル配線２９，３０を介して信号線２７，２８に接続されている。ＰＮダイオード２４は、温度によって電気特性が変化する感温素子であり、入射された赤外線による温度変化を電気信号に変換する。なお、ＰＮダイオード２４の代わりに抵抗などの他の感温素子を用いてもよい。

図５は、発熱機構の一例を示す断面図である。抵抗３１は、シリコン基板１９の表面に不純物を注入して形成されたＮ^＋型拡散層である。この抵抗３１が発熱機構１１となる。シリコン基板１９はＰ型で比較的高抵抗である。抵抗３１の周囲にＰ^＋型拡散層３２を形成して抵抗３１の周囲のＰ型領域の抵抗値を低くして、抵抗３１の周囲の電位を安定させている。

Ｐ^＋型拡散層３２の上にフィールド酸化膜３３が形成されている。抵抗３１とフィールド酸化膜３３の上に絶縁膜３４が形成されている。メタル配線３５，３６が絶縁膜３４を貫通して抵抗３１の一端と他端にそれぞれ接続されている。絶縁膜３７が絶縁膜３４とメタル配線３５，３６を覆っている。

抵抗３１のＮ^＋型拡散層は、列選択スイッチ１７又は行選択スイッチ１８などのＮ型ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン領域のＮ^＋型拡散層と同時に形成される。従って、両拡散層の拡散深さ、不純物濃度、不純物の種類などは同じである。ただし、抵抗３１は、所望の抵抗値又は温度特性に応じて、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのＰ型層、画素１６のＰ型層２４ａ又はＮ型層２４ｂなどと同時に形成される拡散層であってもよい。

図６は、発熱機構の他の例を示す断面図である。シリコン基板１９の上にフィールド酸化膜３３が形成されている。フィールド酸化膜３３の上に抵抗３８が形成されている。この抵抗３８が発熱機構１１となる。抵抗３１とフィールド酸化膜３３の上に絶縁膜３４が形成されている。メタル配線３５，３６が絶縁膜３４を貫通して抵抗３８の一端と他端にそれぞれ接続されている。絶縁膜３７が絶縁膜３４とメタル配線３５，３６を覆っている。抵抗３８は、列選択スイッチ１７又は行選択スイッチ１８のＭＯＳＦＥＴのゲート配線と同時に形成される。従って、抵抗３８は、ゲート配線と同じ膜厚及び不純物濃度を持つポリシリコンからなる。

図７は、実施の形態１に係るセンサチップの温度変化を示す図である。電源を投入した直後は画素部８の温度が所望の安定温度よりも低い。このため、制御部１４は発熱機構１１に供給する電流量を大きくする。これにより、画素部８の温度が安定温度に達するまでの時間を短縮することができる。また、時間Ｔａに環境温度が高くなると画素部８の温度も上昇する。そこで、制御部１４は発熱機構１１に供給する電流量を減らす。これにより、画素部８の温度が安定温度に戻る。

以上説明したように、本実施の形態では、発熱機構１１がセンサチップ４に集積されている。この発熱機構１１に供給する電流量を制御することにより、センサチップ４の温度を精密に制御することができる。この結果、測定精度を十分に向上させることができる。

また、装置動作時の発熱、外気の温度変化、直射日光の当たり方の変化等によりセンサチップ４の温度は変化する。センサチップ４の温度が変化すると、赤外線センサ装置の出力レベル又は感度等の特性が変化する。そこで、制御部１４は、チップ温度検出部１０の出力が基準値を下回る場合に発熱機構１１に電流を供給し、チップ温度検出部１０の出力が基準値を超えると発熱機構１１への電流の供給を止める。これにより、センサチップ４の温度を一定とすることができる。従って、赤外線センサ装置の出力レベルが一定となるため、画質と特性が安定化される。また、赤外線センサ装置の出力が安定するまでの時間を短縮することができる。

なお、センサチップ４の安定温度は例えば２７度であるが、外気温に応じて安定温度は変化する。これに伴って、制御部１４は、発熱機構１１の電流量の制御に用いるチップ温度検出部１０の出力の基準値も変化させる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。本実施の形態ではセンサチップ４の面内において画素部８の周囲に発熱機構１１を複数配置している。ＡＳＩＣ５は、複数の発熱機構１１にそれぞれ供給する電流量を個別に制御する。

赤外線センサ装置の立ち上げ時にＡＳＩＣ５から熱が伝導してきてセンサチップ４の面内の温度ばらつきが生じる。そこで、立ち上げ時に、制御部１４は、ＡＳＩＣ５の近くに配置された発熱機構１１に供給する電流量よりも、ＡＳＩＣ５の遠くに配置された発熱機構１１に供給する電流量を大きくする。これにより、チップ面内の温度ばらつきを緩和して赤外線センサ装置の出力が安定するまでの時間を更に短縮することができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。本実施の形態ではセンサチップ４の面内において画素部８の周囲に発熱機構１１とチップ温度検出部１０のペアを複数配置している。これにより、チップ面内の温度分布を検知することができる。そして、制御部１４は、対応するチップ温度検出部１０の出力に応じて複数の発熱機構１１の各々に供給する電流量を個別に制御する。これにより、チップ面内の温度ばらつきを緩和して赤外線センサ装置の出力が安定するまでの時間を更に短縮することができる。

実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。外気温度変化、絶縁基板２の発熱、又は直射日光の当たり方の変化等があった場合、センサチップ４よりも先に絶縁基板２の温度が変化する。そこで、本実施の形態では、絶縁基板２の温度を検出する基板温度検出部３９を絶縁基板２に設けている。制御部１４は、基板温度検出部３９の出力に応じて発熱機構１１に供給する電流量を制御する。これにより、外気温度等が急峻に変化した場合でも、センサチップ４の温度変化を予測して発熱機構１１に供給する電流量を制御することができる。従って、赤外線センサ装置の出力が安定するまでの時間を更に短縮することができる。

実施の形態５．
図１１は、実施の形態５に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。実施の形態１では画素出力を読み出す端子と温度情報を読み出す端子の二つが必要である。そこで、本実施の形態では、読出回路９は、画素部８の画素出力を読み出して制御部１４に提供するだけでなく、チップ温度検出部１０の出力も読み出して制御部１４に提供する。

このように画素部８の画素出力とチップ温度検出部１０の出力を同じ読出回路９で読み出すことにより、画素出力と温度情報を同一端子で読み出すことができる。また、読出回路９の出力信号をデジタル信号に変換して制御部１４に提供するＡ／Ｄコンバータを１つにすることができる。これにより、赤外線センサ装置の構成が簡素化され、消費電力とコストが低減される。

実施の形態６．
図１２は、実施の形態６に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。本実施の形態では、チップ温度検出部１０は、シリコン基板１９から中空断熱されていないダイオード又は抵抗であり、画素部８の内部又は外周部に配置されている。具体的には、図４の構造において空洞２０が無い構造である。

図１３は、実施の形態６に係るセンサチップの一例を示す回路図である。画素部８は感光画素を有し、そのアノードに電圧ＶＤ１が印加され、カソードは電流源４０を介して接地されている。チップ温度検出部１０は非中空画素であり、そのアノードに電圧ＶＤ２が印加され、カソードは電流源４１を介して接地されている。差動アンプ４２，４３の第１入力に基準電圧が印加されている。差動アンプ４２の第２入力に画素部８のカソード電圧が入力されている。差動アンプ４３の第２入力にチップ温度検出部１０のカソード電圧が入力されている。走査回路４４が差動アンプ４２，４３の出力信号をセンサチップ４の出力端子を介してＡＳＩＣ５に出力する。

図１４は、実施の形態６に係るセンサチップの他の例を示す回路図である。差動アンプ４５の第１入力に基準電圧が印加されている。スイッチ４６が画素部８のカソード電圧とチップ温度検出部１０のカソード電圧の一方を選択して差動アンプ４５の第２入力に提供する。差動アンプ４５の出力信号がセンサチップ４の出力端子を介してＡＳＩＣ５に出力される。

実施の形態１で説明したように、赤外線センサの画素部８は、シリコン基板１９から中空断熱されたダイオード又は抵抗である。チップ温度検出部１０のダイオード又は抵抗は、中空断熱されていない点以外は画素部８のダイオード又は抵抗と同じ構成であるため、製造工程の一部を共通化できる。中空断熱化しないことでチップ温度検出部１０を構成することができ、画素部８の実温度に即した測定結果を得ることができる。

実施の形態７．
図１５は、実施の形態７に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。図１６は、実施の形態７に係る発熱機構の電流量又は発熱量を示す図である。本実施の形態では、制御部１４は電源６から電力が供給されてからの時間をタイマにより計測し、所定時間、例えば数秒から数十秒程度において発熱機構１１に供給する電流量を大きくする。所定時間経過後は発熱機構１１に供給する電流量を小さくする。このため、電源投入から所定時間だけ発熱機構１１の発熱量が大きくなる。

図１７は、実施の形態７に係るセンサチップの温度変化を示す図である。電源を投入してから画素部８の温度が徐々に上昇する。発熱機構１１が無い場合にはセンサチップ４の温度が安定するまでに時間Ｔ１かかる。本実施の形態のように電源投入から所定時間だけ発熱機構１１の発熱量を大きくすることにより、センサチップ４の温度が安定するまでの時間を時間Ｔ２まで短縮することができる。この結果、赤外線センサ装置の立ち上げから赤外線センサ装置の出力レベル及び特性が安定するまでの時間を短縮することができる。

なお、本実施の形態ではチップ温度検出部１０が設けられていないが、本実施の形態の電流量の制御方法を、チップ温度検出部１０を有する実施の形態１〜６の構成に組み合わせてもよい。

実施の形態８．
図１８は、実施の形態８に係る赤外線センサ装置の内部構成を示す図である。実施の形態１〜７ではセンサチップ４に発熱機構１１が集積されていたが、本実施の形態では画素部８が発熱機構を兼ねている。

図１９は、実施の形態８に係る画素部を示す図である。制御部１４が列選択スイッチ１７と行選択スイッチ１８を切換えて複数の画素１６を制御する。制御部１４は、赤外線検出結果を出力する場合には、図３に示すように、選択した列の画素１６のみに電流を流し、選択した行の画素１６の電流値を読み出す。この熱画像走査時には、通常、センサチップ４は熱平衡状態を維持する。

画素１６はダイオード又は抵抗であるため、電流を流すと発熱する。そこで、制御部１４は、チップ温度検出部１０の出力が基準値を下回る場合には、図１９に示すように、複数の画素１６の全てに電流を流し、センサチップ４の温度を上昇させる。これにより、センサチップ４の温度を一定とすることができる。従って、赤外線センサ装置の出力レベルが一定となるため、画質と特性が安定化される。また、赤外線センサ装置の出力が安定するまでの時間を短縮することができる。そして、発熱機構１１の設置不要のため、コストを低減できる。さらに、２次元アレイ状での発熱が可能であり、センサチップ４全体の温度調節が容易である。

１ 赤外線センサ装置、２ 絶縁基板、３ 接合材、４ センサチップ、８ 画素部、９ 読出回路、１０ チップ温度検出部、１１ 発熱機構、１４ 制御部、１６ 画素、２４ ＰＮダイオード、３１，３８ 抵抗、３９ 基板温度検出部

Claims (7)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板に接合材により接合され、赤外線を検出する画素部を有するセンサチップと、
   前記センサチップに集積された発熱機構と、
   前記絶縁基板に設けられ、前記発熱機構に供給する電流量を制御する制御部とを備え、
   前記発熱機構はダイオードであり、
   前記センサチップの面内において前記画素部の周囲に前記発熱機構が複数配置され、
   前記制御部は、複数の前記発熱機構にそれぞれ供給する電流量を個別に制御し、
   赤外線センサ装置の立ち上げ時に、前記制御部は、前記制御部の近くに配置された発熱機構に供給する電流量よりも、前記制御部の遠くに配置された発熱機構に供給する電流量を大きくすることを特徴とする赤外線センサ装置。
2. 前記発熱機構は、前記センサチップの半導体基板から中空断熱されていない前記ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ装置。
3. 前記センサチップの温度を検出するチップ温度検出部を更に備え、
   前記制御部は、前記チップ温度検出部の出力に応じて前記発熱機構に供給する電流量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ装置。
4. 前記制御部は、前記チップ温度検出部の出力が基準値を下回る場合に前記発熱機構に電流を供給し、前記チップ温度検出部の出力が基準値を超えると前記発熱機構への電流の供給を止めることを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサ装置。
5. 前記絶縁基板の温度を検出する基板温度検出部を更に備え、
   前記制御部は、前記基板温度検出部の出力に応じて前記発熱機構に供給する電流量を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の赤外線センサ装置。
6. 前記センサチップと前記制御部は電源から電力の供給を受け、
   前記制御部は、前記電源から電力が供給され始めてから所定時間において前記発熱機構に供給する電流量を大きくすることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の赤外線センサ装置。
7. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板に接合材により接合され、赤外線を検出する複数の画素を有するセンサチップと、
   前記センサチップの温度を検出するチップ温度検出部と、
   前記絶縁基板に設けられ、前記複数の画素を制御する制御部とを備え、
   前記複数の画素は行列状に配置されたダイオードであり、
   前記制御部は、赤外線検出結果を出力する場合には、選択した列の画素のみに電流を流し、選択した行の画素の電流値を読み出し、
   前記制御部は、前記チップ温度検出部の出力が基準値を下回る場合には、前記複数の画素の全てに電流を流すことを特徴とする赤外線センサ装置。

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