JPWO2006043384A1 - 赤外線センサ及び赤外線センサアレイ - Google Patents

赤外線センサ及び赤外線センサアレイ Download PDF

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Abstract

赤外線センサは、それぞれが所定の容量値を示す直列容量素子及び参照容量素子と、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、直列容量素子の一の端子と参照容量素子の一の端子と赤外線検出容量素子の一の端子とが相互に接続されたノードである出力ノードとを備えている。直列容量素子の他の端子と参照容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を基準電位とし、直列容量素子の他の端子と赤外線検出容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力する。

Description

本発明は、物体及び人体から放出される赤外線を検出する赤外線センサに関する。
人体をはじめとする物体から輻射されている赤外線を検出する赤外線センサは、物体の存在や温度についての情報を非接触で得ることができるため、さまざまな分野において応用が期待されている。特に、複数の赤外線センサをマトリクス状に配置した赤外線センサアレイは、２次元的な赤外線イメージが得られるため、さらに応用範囲の広がりが期待される。このような赤外線センサアレイに用いる赤外線センサとしては、冷却やチョッパ回路が不要であることから、抵抗ボロメータ及び電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ボロメータが有望である。
従来の抵抗ボロメータ及び誘電ボロメータ型の赤外線センサとしては、以下のような構成のものが知られている（特許文献１及び２を参照。）。
図１７は従来の抵抗ボロメータ型の赤外線センサの信号読み出し回路を示している。第１のスイッチ１０４Ａ、第２のスイッチ１０４Ｂ及び第３のスイッチ１０４Ｃをオン状態とすることにより、ダミー抵抗１０２の出力と感熱抵抗１０１の出力との差分を信号読み出し回路の出力１１０に出力する。感熱抵抗１０１が検出した値を正確に読み出すためには、ダミー抵抗１０２の抵抗値が一定でなければならない。しかし、ダミー抵抗１０２の抵抗値は、ダミー抵抗１０２が形成されている半導体基板の温度により変化する。従って、ダミー抵抗１０２の抵抗値の変化を補正するために、半導体基板の温度を正確に計測する必要があるが、半導体基板の温度を高精度に検知することは容易ではない。
図１８は従来の誘電ボロメータ型の赤外線センサの信号読み出し回路を示している。図１８に示すように参照容量素子２０１と赤外線検出容量素子２０２とが接続点２１０を介して直列に接続されている。赤外線検出容量素子２０２は、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量が変化する特性を持ち、赤外線が入射していない場合には、赤外線検出容量素子２０２と参照容量素子２０１との容量値は等しくなるように設定されている。
また、参照容量素子２０１及び赤外線検出容量素子２０２にはそれぞれ駆動用の交流電源２０４及び交流電源２０５が接続されており、交流電源２０４と交流電源２０５との振幅は同じであり、位相は反転している。
接続点２１０は、トランジスタ２０３を介して出力端子２０６に接続されており、信号線Ｓｓｗによりトランジスタ２０３をオン状態とすることにより出力端子２０６に接続点２１０の電位を取り出すことができる。
接続点２１０の電位は、参照容量２０１及び赤外線検出容量２０２の容量並びに交流電源２０４及び交流電源２０５の電圧（振幅）によって決定される。従って、図１９に示すように、赤外線検出容量素子２０２に赤外線が入射し赤外線検出容量素子２０２の容量値が増加した場合には、図１９のＡに示すような出力曲線が得られる。なお、図１９において曲線Ｃ及び曲線Ｄはそれぞれ交流電源２０４及び交流電源２０５の出力電圧を示す。
赤外線検出容量素子２０２に赤外線が照射されていない場合には、参照容量素子２０１と赤外線検出容量素子２０２との容量値は等しくなり、図１９のＢに示すように接続点２１０の電位は常に０となるはずである。しかし、実際には参照容量素子２０１の容量値と赤外線検出容量素子２０２の容量値との間には、リーク抵抗成分や形成時のばらつき等により数％の差が存在するため、センサに赤外線が入射していない場合にも擬似的な信号出力であるオフセットが発生する。
赤外線センサの出力をデジタルデータとして利用する際には、１００倍程度の増幅が必要となる。この場合には、オフセットも１００倍に増幅されてしまうので増幅回路が飽和してしまう恐れがある。また、大きなオフセットに隠れて信号が得られない恐れがある。従って、高性能な赤外線センサを実現するためには、このオフセットを補正して小さくしなければならない。
特開平１０−２２７６８９号公報 特開２００２−３６５１３０号公報
しかしながら、従来の抵抗ボロメータ型の赤外線センサにおいて感熱抵抗が検出した値を正確に読み出すためには、ダミー抵抗の抵抗値が一定でなければならない。しかし、ダミー抵抗の抵抗値は、ダミー抵抗が形成されている半導体基板の温度により変化する。従って、ダミー抵抗の抵抗値の変化を補正するために、周囲温度及び半導体基板の温度を高精度に検知する必要があるが、周囲温度の検知は容易に行えても、半導体基板の温度を高精度に検知することは非常に困難であるという問題がある。
また、従来の誘電ボロメータ型赤外線センサにおいては、オフセットの補正をしなければならないが、複数の赤外線センサをマトリクス状に配置して赤外線センサアレイを構成した場合に、数万個にも及ぶ個々の赤外線センサについてオフセットの補正を行うことは極めて困難であるという問題がある。
赤外線センサを駆動する電源回路の位相及び振幅を制御することにより、赤外線センサアレイ全体についてオフセットの補正をすることが可能であるが、このような補正を行うためには、複雑な駆動回路と演算処理回路とが必要になるという問題がある。
本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体基板の温度変化を補正する必要がない赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できるようにすること及び、回路構成を複雑化することなく、赤外線センサに赤外線が入射していない場合に発生する擬似的な信号出力であるオフセットが小さく且つＳ／Ｎ比が大きい信号を得ることができる赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できるようにすることを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の赤外線センサは、赤外線検出容量素子と直列容量素子及び参照容量素子とを備え、電位差として信号を得る構成とする。
具体的に本発明の赤外線センサは、それぞれが所定の参照容量値を示す直列容量素子及び参照容量素子と、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、直列容量素子の一の端子と参照容量素子の一の端子と赤外線検出容量素子の一の端子とが相互に接続されたノードである出力ノードとを備え、直列容量素子の他の端子と参照容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を基準電位とし、直列容量素子の他の端子と赤外線検出容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力することを特徴とする。
本発明の赤外線センサによれば、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力するため、オフセットを小さくすることができるので、オフセットの補正のために特別な回路を設ける必要がなく、その結果、単純な構成で高性能な赤外線センサを実現することができる。また、半導体基板の温度変化に伴うセンサ出力の補正が不要な赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できる。
本発明の赤外線センサにおいて、直列容量素子の容量値及び参照容量素子の容量値は、赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子の容量値と等しいことが好ましい。このような構成とすることにより、オフセットを確実に小さくすることが可能となる。
本発明の赤外線センサは、参照容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた参照容量素子制御スイッチと、赤外線検出容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた赤外線検出容量素子制御スイッチとをさらに備え、直列容量素子の他の端子には所定の電圧を供給する電源が接続されており、参照容量素子制御スイッチをオン状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオフ状態とすることにより基準電位を得て、参照容量素子制御スイッチをオフ状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオン状態とすることにより検出電位を得ることが好ましい。このようにすることにより確実に基準電位と検出電位を得ることができる。
本発明に係る第１の赤外線センサアレイは、２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサを備えた赤外線センサアレイを対象とし、各赤外線センサは、それぞれが所定の容量値を示す直列容量素子及び参照容量素子と、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、直列容量素子の一の端子と参照容量素子の一の端子と赤外線検出容量素子の一の端子とが相互に接続されたノードである出力ノードとを有し、直列容量素子の他の端子と参照容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を基準電位とし、直列容量素子の他の端子と赤外線検出容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力することを特徴とする。
本発明の第１の赤外線センサアレイによれば、２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサを備え、各赤外線センサは赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力するため、赤外線センサアレイを構成するすべての赤外線センサのオフセットを小さく且つ均一にすることができるので、オフセットを補正するために特別な回路を設ける必要がなく、その結果、単純な構成で高性能な赤外線センサアレイを実現することができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、直列容量素子の容量値及び参照容量素子の容量値は、赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子の容量値と等しいことが好ましい。このような構成とすることにより、各赤外線センサのオフセットを確実に小さくすることができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、赤外線センサは、参照容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた参照容量素子制御スイッチと、赤外線検出容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた赤外線検出容量素子制御スイッチとをさらに備え、直列容量素子の他の端子には所定の電圧を供給する電源が接続されており、参照容量素子制御スイッチをオン状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオフ状態とすることにより基準電位を得て、参照容量素子制御スイッチをオフ状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオン状態とすることにより検出電位を得ることが好ましい。このようにすることにより確実に基準電位と検出電位を得ることができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイは、基準電位と検出電位とを記憶し、記憶した基準電位と検出電位との差を出力する差動回路部をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、赤外線の強度を確実に電位差として出力できる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、各出力ノードと差動回路部との間に設けられた、インピーダンス変換回路又は増幅回路をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、浮遊容量及び拡散容量の影響を確実に排除することが可能となる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、複数の赤外線センサのうちの所定の２個以上の赤外線センサ同士は、直列容量素子及び参照容量素子の少なくとも一方を互いに共有していることが好ましい。また、複数の赤外線センサのうちのマトリクスの同一の行又は同一の列に接続された赤外線センサ同士は、直列容量素子及び参照容量素子の少なくとも一方を共用していることが好ましい。
このような構成とすることにより、参照容量素子の数量を減らすことができるので、赤外線センサアレイの占有面積を小さくすることができる。また、赤外線センサアレイの占有面積を増大させることなく、赤外線検出容量素子の面積を大きくできるので高感度化することができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、複数の赤外線センサのうちのいずれかの赤外線センサを選択するセンサ選択回路部と、選択された赤外線センサが出力する電位差に応じた電荷を所定の回数分蓄積し、所定の回数分蓄積された電荷を合成して出力する電荷蓄積回路部とをさらに備え、電荷蓄積回路部は、電位差を入力する端子と接地との間にそれぞれスイッチを介して接続された複数の容量素子と、スイッチを駆動する駆動回路とを有しており、各容量素子にそれぞれ電荷を蓄積することが好ましい。このような構成とすることにより、確実にノイズを低減してＳ／Ｎ比を高くすることができる。
本発明の第２の赤外線センサアレイは、２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサを備えた赤外線センサアレイを対象とし、各赤外線センサは、それぞれが所定の容量値を示す直列容量素子と、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、直列容量素子の一の端子と赤外線検出容量素子の一の端子との間に接続された選択スイッチとを有し、マトリクスのうち同一の列に配置された各赤外線センサは、直列容量素子を共有していることを特徴とする。
本発明の第２の赤外線センサアレイによれば、同一の列に配置された各赤外線センサは、直列容量素子を共有しているため、同一の列に配置された各赤外線センサのオフセットの値をほぼ等しくすることができるので、各列ごとに一括してオフセットの補正を行うことが可能となり、その結果、構成が簡単で且つ極めて正確な温度測定が可能な赤外線センサアレイを容易に実現することが可能となる。また、赤外線センサアレイの占有面積を増大させることなく、赤外線検出容量素子の面積を大きくすることが可能となるので、高感度な赤外線センサアレイを得ることができる。
本発明の赤外線センサによれば、半導体基板の温度変化を補正する必要がないと共に、回路構成を複雑化することなく、オフセットが小さく且つＳ／Ｎ比が大きな信号を得ることができる赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できる。
図１は本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを示す基本回路図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの動作状態を示すタイミング図である。 図３は本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサアレイの一例を示す基本回路図である。 図４は本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサアレイの動作状態を示すタイミング図である。 図５は本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサを示す基本回路図である。 図６は本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサに用いるインピーダンス変換回路又は増幅回路の一例を示す基本回路図である。 図７は本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサアレイの一例を示す基本回路図である。 図８は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの一例を示す基本回路図である。 図９は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１０は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１１は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１２は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１３は本発明の第５の実施形態に係る赤外線アレイの主要部の一例を示す回路図である。 図１４は本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１５は本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサアレイに用いる電荷蓄積手段の一例を示す基本回路図である。 図１６は本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサアレイに用いる電荷蓄積手段の動作状態を示すタイミング図である。 図１７は従来の抵抗型赤外線センサの読み出し回路を示す基本回路図である。 図１８は従来の誘電ボロメータ型赤外線センサを示す基本回路図である。 図１９は従来の誘電ボロメータ型赤外線センサの駆動信号図である。
符号の説明
１ 直列容量素子
２ 参照容量素子
３ 赤外線検出容量素子
４ バイアス制御スイッチ
５ 参照容量素子制御スイッチ
６ 赤外線検出容量素子制御スイッチ
８ 電源線
９ バイアス制御線
１０ 参照容量素子制御線
１１ 赤外線検出容量素子制御線
１２ バイアス線
１５ 出力ノード
２０ 赤外線センサ
２１ 赤外線センサ
２２ 赤外線センサ
２３ 赤外線センサ
２４ 電源線スイッチ
２８ 垂直走査部及び制御部
２９ 第１の差動回路
３０ 第２の差動回路
３１ 共通信号線
３２ 水平走査部
３３ 第１の垂直走査線
３４ 第２の垂直走査線
３５ 第１の水平走査線
３６ 第２の水平走査線
３７ バイアス電源
４０ 赤外線センサ
４１ 赤外線センサ
４２ 赤外線センサ
４３ 赤外線センサ
４４ 赤外線センサ
４５ 赤外線センサ
４６ 赤外線センサ
４７ 赤外線センサ
５０Ａ 直列容量素子
５０Ｂ 直列容量素子
６０ 赤外線センサ
６１ 赤外線センサ
６２ 赤外線センサ
６３ 赤外線センサ
７０Ａ 直列容量素子
７０Ｂ 直列容量素子
７３ 赤外線検出容量素子
７５ 出力ノード
７６ 選択スイッチ
７８ 電源線
８３ 第１の垂直走査線
８４ 第２の垂直走査線
９０ インピーダンス変換回路又は増幅回路
９１ ＭＯＳトランジスタ
９２ ＭＯＳトランジスタ
９３ ソースフォロア出力ノード
１０１Ａ 蓄積制御スイッチ
１０１Ｂ 蓄積制御スイッチ
１０１Ｃ 蓄積制御スイッチ
１０２Ａ 電荷蓄積容量素子
１０２Ｂ 電荷蓄積容量素子
１０２Ｃ 電荷蓄積容量素子
１０３ 入力端子
１０４ 出力制御スイッチ
１０５ 出力端子
１０６ 制御回路
１１１Ａ 蓄積容量制御線
１１１Ｂ 蓄積容量制御線
１１１Ｃ 蓄積容量制御線
１１５ 出力制御線
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサについて図を参照しながら説明する。図１は本実施形態の赤外線センサの基本回路図を示している。
図１に示すように本実施形態の赤外線センサは、直列容量素子１の一の端子と、参照容量素子２及び赤外線検出容量素子３の一の端子とがそれぞれＭＯＳトランジスタからなる容量素子制御スイッチ５及び赤外線検出素子制御スイッチ６を介して電気的に接続されており、出力ノード１５が形成されている。なお、直列容量素子１及び参照容量素子２の容量値は、それぞれ赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子３の容量値と実質的に同一となるように設定されている。つまり、各容量値は既知の製造方法により製造した場合の誤差の範囲で等しい。
直列容量素子１の他の端子は電源線８と接続され、参照容量素子２及び赤外線検出容量素子３の他の端子は接地されている。また、参照容量素子制御スイッチ５及び赤外線検出容量素子制御スイッチ６のゲートにはそれぞれ参照容量素子制御線１０及び赤外線検出容量素子制御線１１が接続されている。さらに、出力ノード１５にはゲートがバイアス制御線９と接続され、ソースがバイアス線１２と接続されたバイアス制御スイッチ４のドレインが接続されている。
以下に、本実施形態の赤外線センサの動作について説明する。図２は本実施形態の赤外線センサを動作させるタイミングを示している。
まず、タイミングＴ１において容量素子制御線１０の電圧をハイ（“Ｈ”）レベルとして、参照容量素子制御スイッチ５をオン状態として、参照容量素子２を直列容量素子１と接続する。次に、タイミングＴ２においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルにしてバイアス制御スイッチ４をオン状態とすることにより、出力ノード１５の電圧をバイアス電圧ＶＢとする。
次に、バイアス制御線９の電圧をロー（“Ｌ”）レベルとした後、タイミングＴ３において電源線８の電圧をＶＬからＶＨに上昇させる。電源線８の電圧上昇分（ＶＨ−ＶＬ）は、直列容量素子１と参照容量素子２との容量比に応じて分配され、出力ノード１５の電圧に加算される。本実施形態の赤外線センサにおいては直列容量素子１と参照容量素子２とは容量値が等しいため、出力ノード１５に加算される電圧は、（ＶＨ−ＶＬ）の２分の１となる。この状態における出力ノード１５の電圧を基準電位Ｖｒｅｆとする。
次に、電源線８の電圧をＶＬに戻し、参照容量素子制御線１０の電圧を“Ｌ”レベルとして参照容量素子２を直列容量素子１から切り離し、基準電位Ｖｒｅｆの測定を終了する。
次に、タイミングＴ４において、信号線１１の電圧を“Ｈ”レベルとして赤外線検出容量素子制御スイッチ６をオンにすることにより、赤外線検出容量素子３を直列容量素子１と接続する。次に、タイミングＴ５においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルとすることにより、出力ノード１５の電圧を再びバイアス電圧ＶＢと等しくする。次にタイミングＴ５において電源線８の電圧をＶＬからＶＨに上昇させる。これによりＶＨとＶＬとの電圧の差（ＶＨ−ＶＬ）が直列容量素子１と赤外線検出容量素子３との容量比に応じて分配されて出力ノード１５の電圧に加算される。この状態における出力ノード１５の電圧を検出電位Ｖｓｉｇとする。
赤外線検出容量素子３に赤外線が入射した場合には、入射した赤外線の強度に応じて赤外線検出容量素子３の容量値が上昇する。従って、入射する赤外線の強度が強いほど出力ノード１５に加算される電圧は低くなり、検出電位Ｖｓｉｇと基準電位Ｖｒｅｆとの電位差が大きくなる。
従って、基準電位Ｖｒｅｆと検出電位Ｖｓｉｆとの電位差Ｖｄｉｆを求めることにより、赤外線検出容量素子３に入射した赤外線の強度を求めることができる。
本実施形態においては、赤外線検出容量素子３に入射した赤外線の強度を、直列容量素子１と参照容量素子２との容量比により生じる基準電位Ｖｒｅｆと、直列容量素子１と赤外線検出容量素子３との容量比により生じる検出電位Ｖｓｉｇとの電位差Ｖｄｉｆとして求めている。また、参照容量素子２の容量値は、赤外線検出容量素子３に赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子３の容量値と等しく設定されている。従って、赤外線検出容量素子３に赤外線が入射していない場合には、ＶｒｅｆとＶｓｉｇとの差であるオフセットはほぼ０となる。
また、単純なタイミングパルスを与えるだけで赤外線センサを駆動することが可能であるため、回路構成を単純化することが可能である。従って、複数の赤外線センサをマトリクス状に配置した赤外線センサアレイとした場合に、複雑な補正手段を設ける必要がない赤外線センサを実現できる。さらに、赤外線センサが形成されている半導体基板の温度を補正する必要がない赤外線センサ及び赤外線センサアレイが実現できる。
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図を参照しながら説明する。図３は本実施形態の赤外線センサアレイの基本回路図を示している。
本実施形態においては図３に示すように赤外線センサ２０、赤外線センサ２１、赤外線センサ２２及び赤外線センサ２３の４個の赤外線センサが２行２列のマトリクスに配置されて赤外線センサアレイが形成されている。なお、各赤外線センサの基本構成は第１の実施形態と同一である。
赤外線センサ２０から赤外線センサ２３の各バイアス制御線９、各参照容量素子制御線１０及び各赤外線検出容量素子制御線１１はそれぞれ共通に接続されて垂直走査及び信号制御部２８に接続されている。各バイアス線１２はすべて並列に接続されてバイアス電源３７に接続されている。各電源線８はそれぞれＭＯＳトランジスタからなる電源線スイッチ２４を介して共通に接続されて、垂直走査及び信号制御部２８と接続されている。
赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１の電源線スイッチ２４の各ゲート及び赤外線センサ２２及び赤外線センサ２３の電源線スイッチ２４の各ゲートは、それぞれ第１の垂直走査線３３及び第２の垂直走査線３４によって垂直走査及び信号制御部２８と接続されている。
赤外線センサ２０及び赤外線センサ２２の各出力ノード１５は共通に接続されて第１の差動回路部２９と接続され、赤外線センサ２１及び赤外線センサ２３の各出力ノード１５は共通に接続されて第２の差動回路部３０と接続されている。第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０にはそれぞれ水平走査部３２と第１の水平走査線３５及び第２の水平走査線３６によって接続されている。また、第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０の各出力は、共通信号線３１と接続されている。
以下に、本実施形態の赤外線センサアレイの動作について説明する。図４は本実施形態の赤外線センサアレイを動作させるタイミングを示している。
まず、タイミングＴ０において第１の垂直走査線３３の電圧を“Ｈ”レベルとして、赤外線センサアレイの１行目を構成する赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１を電源線８と接続する。次に、タイミングＴ１において参照容量素子制御線１０の電圧を“Ｈ”にして直列容量素子１と参照容量素子２とが直列接続された状態とする。次に、タイミングＴ２においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルとして出力ノード１５の電圧をバイアス電圧ＶＢとする。
次に、バイアス制御線９の電圧を“Ｌ”レベルとした後、タイミングＴ３において電源線８の電圧をＶＬからＶＨに上昇させる。これにより、電源線８と接続されている赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１の出力ノード１５の電圧にそれぞれ（ＶＨ−ＶＬ）の２分の１の電圧が加算される。この電圧を差動回路部２９及び差動回路部３０に基準電位Ｖｒｅｆとしてそれぞれ記憶させる。
次に、電源線８の電圧をＶＬに戻し、参照容量素子制御線１０の電圧を“Ｌ”レベルとした後、タイミングＴ４において赤外線検出容量素子制御線１１の電圧を“Ｈ”レベルとして、直列容量素子１と赤外線検出容量素子３とが直列接続された状態とする。次に、タイミングＴ５においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルとして出力ノード１５の電圧を、再びバイアス電圧ＶＢとする。
次に、バイアス制御線９の電圧を“Ｌ”レベルとした後、電源線８の電圧をＶＬからＶＨに上昇させる。これにより、電源線８と接続されている赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１の出力ノード１５の電圧は、それぞれ赤外線検出容量素子に入射している光の強さに応じた電圧となる。この電圧を検出電位Ｖｓｉｇとして差動回路部２９及び差動回路部３０にそれぞれ記憶させる。
次に、電源線８の電圧をＶＬに戻し、容量素子制御線１０の電圧を“Ｌ”レベルとする。続いて、第１の水平走査線３５に駆動パルスを与えることにより、第１の差動回路部２９から赤外線センサ２０の信号出力として基準電位Ｖｒｅｆと検出電位Ｖｓｉｇとの電位差Ｖｄｉｆ−２０を共通出力線３１に出力させる。次に、第２の水平走査線３６に駆動パルスを与えることにより、第２の差動回路部３０から赤外線センサ２１の信号出力として基準電位Ｖｒｅｆと検出電位Ｖｓｉｇとの電位差Ｖｄｉｆ−２１を共通出力線３１に出力させる。この後、第１の垂直走査線３３の電圧を“Ｌ”レベルとすることにより１行目の読み出しが終了する。
続いて、タイミングＴ８において第２の垂直走査線３４の電圧を“Ｈ”レベルとして、マトリクスの２行目の赤外線センサ２２及び赤外線センサ２３を選択して、１行目と同様の操作を繰り返すことにより、赤外線センサ２２からの信号出力Ｖｄｉｆ−２２及び赤外線センサ２３からの信号出力Ｖｄｉｆ−２３を共通出力線３１に出力させる。
本実施形態の赤外線センサアレイは、第１の実施形態に示したオフセットがほぼ０である赤外線センサをマトリクス状に配置している。このため、赤外線センサアレイを構成するすべての赤外線センサのオフセットは、ほぼ０でありばらつきも非常に小さい。従って、オフセットの補正のために複雑な駆動回路、演算回路及び駆動手順等が不要となり回路構成を単純化できる。その結果、構成が簡単で且つ極めて正確な温度測定が可能な赤外線センサアレイを容易に実現することが可能となる。
なお、本実施形態においては赤外線センサを２行２列に配置した例を示したが、行数及び列数は任意に選択することができる。
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について図を参照しながら説明する。図５は本実施形態の赤外線センサの基本回路構成を示している。図５に示すように本実施形態の赤外線センサは、第１の実施形態に示した出力ノード１５の先にインピーダンス変換回路又は増幅回路である出力回路９０が接続されている。
図６は出力回路９０の一例としてソースフォロア回路を示している。図６に示すようにソースフォロア回路は、電源と接地との間にＭＯＳトランジスタ９１とＭＯＳトランジスタ９２とが直列に接続されている。トランジスタ９１のゲートには、出力ノード１５からの信号を入力し、トランジスタ９２のゲートにはバイアス電圧を印加する。このような構成とすることにより、トランジスタ９１とトランジスタ９２との接続点であるソースフォロア出力ノード９３には、インピーダンス変換された信号が出力される。
図７は本実施形態の赤外線センサをマトリクス状に配置して赤外線センサアレイとした場合の回路構成の一例を示している。図７に示すように赤外線センサアレイを構成する各赤外線センサの出力ノード１５の先にはそれぞれ出力回路９０が接続されている。各赤外線センサの出力ノード１５を直接相互に接続した場合には浮遊容量の値及び拡散容量の値が増加して赤外線検出容量素子の容量値よりも大きくなるため、信号出力が小さくなる。実使用時には、赤外線センサを例えば６００行×６００列程度のマトリクスに配置するため、赤外線センサアレイを構成する赤外線センサの数は３６万個という膨大な数になるので、浮遊容量及び拡散容量の増加を無視することができない。
しかし、本実施形態の赤外線センサアレイにおいては、出力回路９０を介在させて各赤外線センサが相互に接続されているため、浮遊容量及び拡散容量の影響をなくすことができ、大きな出力を得ることができる。
（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態について図を参照しながら説明する。図８は本実施形態の赤外線センサアレイの基本的な回路構成を示している。図８に示すように、赤外線センサ４０の電源線スイッチ２４及び赤外線センサ４２の電源線スイッチ２４と電源線８との間に直列容量素子５０Ａが配置されており、マトリクスの１列目を構成する赤外線センサ４０と赤外線センサ４２とが直列容量素子を共有している。また、同様にマトリクスの２列目を構成する赤外線センサ４１と赤外線センサ４３とが直列容量素子５０Ｂを共有している。
このような構成とすると、参照容量素子制御線及び赤外線検出容量素子制御線を駆動するタイミングを調整する必要があるが、赤外線センサアレイを小型化することが可能となる。また、直列容量素子に割り当てる面積を赤外線検出容量素子に割り当てることにより、赤外線検出容量素子を大きくすることができ、検出感度を高めることができる。
なお、本実施形態としては、直列容量素子を共有する例を示したが、参照容量素子を共有していてもよい。また、列ごとに直列容量素子を共有する例を示したが行ごとに共有していてもよく、その他行列にかかわりなく共有していてもよい。さらに、図８には２行２列の例を示したが、行数及び列数は任意に設定することが可能である。
図９は本実施形態の赤外線センサアレイを基板の上に形成する平面配置の一例を示している。図９に示すように赤外線センサ４０は左から順に参照容量素子２、赤外線検出容量素子３及び直列容量素子５０Ａが配置されており、赤外線センサ４１は右から順に参照容量素子２、赤外線検出容量素子３及び直列容量素子５０Ａを備えている。赤外線センサ４０及び赤外線センサ４１は、直列容量素子５０Ａを中心に左右対象となるように隣り合わせに形成されており、直列容量素子５０Ａを共有している。
また、赤外線センサ４２と赤外線センサ４３とは同様に直列容量素子５０Ｂを共有している。このように、２個の赤外線センサからなる赤外線センサの組において直列容量素子を共有することにより、直列容量素子１個分の面積が省略でき赤外線センサアレイを小型化することができる。また、省略した直列容量素子の面積に相当する面積だけ他の容量素子の面積を大きくすれば、赤外線センサアレイの占有面積を増大させることなく高感度化することができる。
図１０は本実施形態の赤外線センサアレイを基板の上に形成する平面配置の別の例を示している。図１０に示すように赤外線センサ４０、赤外線センサ４１、赤外線センサ４２及び赤外線センサ４３の４個の赤外線センサからなる赤外線センサの組において直列容量素子５０Ａを共有している。４個の赤外線センサにおいて直列容量素子３個分の面積が省略でき、赤外線検出容量素子の面積を大きくできるため、さらに感度を高めることができる。
図１１は参照容量素子を共有する場合の基板の上の平面配置の一例を示している。赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４０及び赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４１が参照容量素子２を中央部で共有して隣り合って形成されている。また、同様に赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４２及び赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４３が参照容量素子２を中央部で共有して隣り合って形成されている。また、これら４個の赤外線センサからなる赤外線センサの組が形成された領域の外側に、これら４個の赤外線センサが共有する直列容量素子５０Ａが形成されている。
図１２は４個の赤外線センサからなる赤外線センサの組が１個の参照容量素子２を共有し、さらに２組の参照容量素子２を共有する４個ずつの赤外線センサの組すなわち合計８個の赤外線センサが１個の直列容量素子を共有する場合の平面配置の一例を示している。
このように直列容量素子だけでなく参照容量素子についても共有することにより、さらに参照容量素子が占有する面積を小さくすることができるため、赤外線検出容量素子の面積を大きくすることができるので、高感度な赤外線センサアレイを実現することができる。
なお、本実施形態の赤外線センサアレイにおいても、第３の実施形態と同様にソースフォロア回路等の出力回路を設けてもよい。
（第５の実施形態）
以下に、本発明の第５の実施形態について図を参照しながら説明する。図１３は本実施形態の赤外線センサアレイの主要部の基本的な回路構成を示している。図１３に示すように、本実施形態の赤外線センサアレイを構成する赤外線センサのうち同一の列に配置された各赤外線センサは、直列容量素子を共有している。例えば、１列目に配置された赤外線センサ６０と赤外線センサ６２とは、直列容量素子７０Ａを共有しており、２列目に配置された赤外線センサ６１と赤外線センサ６３とは、直列容量素子７０Ｂを共有している。
さらに、本実施形態の赤外線センサは参照容量素子が省略されている。例えば赤外線センサ６０は、一の端子が電源線７８に接続された直列容量素子７０Ａの他の端子にＭＯＳトランジスタからなる選択スイッチ７６を介して赤外線検出容量素子７３の一の端子が接続されている。また、赤外線検出容量素子７３の他の端子は接地されている。なお、直列容量素子７０Ａの容量値は、赤外線検出容量素子７３に赤外線が入射していない場合の容量値と等しくなるように設定されている。
このため、第１の垂直走査線８３の電圧を“Ｈ”レベルとして赤外線センサ６０の選択スイッチ７６をオン状態とすることにより、直列容量素子７０Ａと選択スイッチ７６とが接続されたノード７５に出力される電圧は、電源線７８と接地との間に印加された電圧が直列容量素子７０Ａと赤外線検出容量素子７３との容量比により分配された電圧となる。
従って、赤外線検出容量素子７３に赤外線が入射していない場合には、直列容量素子７０Ａの容量値と赤外線検出容量素子７３の容量値とのばらつきによるオフセットが発生する。しかし、本変形例の赤外線センサアレイにおいては、列方向に配置された各赤外線センサが直列容量素子を共有しているため、列方向に配置された各赤外線センサにおいて発生するオフセットはほぼ等しくなる。このため、各列ごとに一括してオフセットの補正を行うことが可能となり、構成が簡単で且つ極めて正確な温度測定が可能な赤外線センサアレイを容易に実現することが可能となる。
さらに、本実施形態の赤外線センサアレイは、列ごとに直列容量素子を共有しているため、直列容量素子を形成するスペースが少なくてすむ。図１４は本変形例の赤外線センサアレイを平面構成の一例を示している。図１４においては、１列に６個の赤外線センサが配置された例を示している。参照容量素子の占有スペースがなく、また直列容量素子の占有スペースもほとんど不要であるため、赤外線検出容量素子の面積を大きくすることができるので、高感度な赤外線センサアレイを実現することができる。
なお、本実施形態においても赤外線センサを配置する行数及び列数は任意に設定することができる。
（第６の実施形態）
以下に、本発明の第６の実施形態について図を参照しながら説明する。本実施形態の赤外線センサアレイは、作動回路と共通出力線との間に電荷蓄積回路部を備えている。例えば、図３に示す赤外線センサアレイの第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０のそれぞれの出力と共通出力線３１との間に電荷蓄積回路部が設けられている。垂直走査及び信号制御部２８と水平走査部３２とからなる赤外線センサ選択回路部によって選択された赤外線センサからの信号が所定の回数分繰り返し電荷蓄積回路部に入力され電荷として蓄積された後、蓄積された電荷が合成されて共通出力線３１に出力される。
図１５は本実施形態の赤外線センサアレイに用いる電荷蓄積回路部の一例を示している。図１５に示すように、電荷蓄積回路部の入力端子１０３と接地との間にはＭＯＳトランジスタからなる蓄積制御スイッチ１０１Ａと電荷蓄積容量素子１０２Ａ、蓄積制御スイッチ１０１Ｂと電荷蓄積容量素子１０２Ｂ及び蓄積制御スイッチ１０１Ｃと電荷蓄積容量素子１０２Ｃが互いに並列に接続されている。また、入力端子１０３と出力端子１０５との間にはＭＯＳトランジスタからなる出力制御スイッチ１０４が直列に接続されている。
蓄積制御スイッチ１０１Ａ、蓄積制御スイッチ１０１Ｂ及び蓄積制御スイッチ１０１Ｃの各ゲートは蓄積制御線１１１Ａ、蓄積制御線１１１Ｂ及び蓄積制御線１１１Ｃによってそれぞれ制御回路１０６と接続され、出力制御スイッチ１０４は出力制御線１１４によって制御回路１０６と接続されている。
以下に、第１の差動回路部２９と接続されている電荷蓄積回路部を例に、本実施形態の赤外線センサアレイの動作について説明する。
図１６は本実施形態の赤外線センサアレイに設けられた電荷蓄積回路部を動作させるタイミングを示している。まず、図４に示したタイミングＴ０からタイミングＴ７の動作を行わせた後、第１の水平走査線３５に駆動パルスを与えて差動回路部２９に１回目の赤外線センサ２０からの信号Ｖｄｉｆ−２０を出力させる。差動回路部２９の信号出力のタイミングにあわせて蓄積制御線１１１Ａにパルスを与え、電荷蓄積容量素子１０２Ａに差動回路部２９からの信号を電荷として記憶させる。
次に、再びタイミングＴ０からタイミングＴ７の動作を行わせて、２回目の赤外線センサ２０からの信号Ｖｄｉｆ−２０を差動回路部２９に出力させる。差動回路部２９の信号出力のタイミングにあわせて蓄積制御線１１１Ｂにパルスを与え、電荷蓄積容量素子１０２Ｂに電荷を記憶させる。さらに同様の走査を繰り返して電荷蓄積容量素子１０２Ｃには３回目の赤外線センサ２０からの信号Ｖｄｉｆ−２０を電荷として記憶させる。
続いて、蓄積制御線１１１Ａ、蓄積制御線１１１Ｂ及び蓄積制御線１１１Ｃの電圧の電圧を“Ｈ”レベルとすることにより電荷蓄積容量素子１０２Ａ、電荷蓄積容量素子１０２Ｂ及び電荷蓄積容量素子１０２Ｃを並列に接続させて、電荷蓄積容量素子１０２Ａ、電荷蓄積容量素子１０２Ｂ及び電荷蓄積容量素子１０２Ｃに蓄積された電荷を合成する。同時に、出力制御線１１５の電圧を“Ｈ”レベルとすることにより、赤外線センサアレイの共通出力線３１に、３回の赤外線センサ２０からの信号が合成された信号Ｖｄｉｆ−２０を出力させる。同様の操作を２行目の赤外線センサ２２についても行う。また、第２の差動回路部３０に接続された電荷蓄積回路についても並行して同様の操作を行うことにより、赤外線センサアレイ全体のデータを読み出すことができる。
このように本実施形態の赤外線センサアレイにおいては、並列に接続された３回分の信号電荷を合成して出力しているため、信号出力の値は同じであるがノイズは３０．５となりＳ／Ｎを改善することができる。なお、本実施形態においては、電荷蓄積容量素子を３個並列に備えた例を示したが、電荷蓄積容量素子は２個以上の任意の数量設けることができる。また、第３の実施形態のようにソースフォロア回路等からなる出力回路が設けられた構成であっても、第４の実施形態のように参照容量素子の一部を共有する構成であってもよい。
なお、容量素子にチタン酸バリウムを主成分とする誘電体を用いることが、感度を向上させるためには好ましい。
本発明の赤外線センサは、半導体基板の温度変化を補正する必要がない赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できると共に、回路構成を複雑化することなく、オフセットが小さく且つＳ／Ｎ比が大きな信号を得ることができる赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できるため、物体及び人体から放出される赤外線を検出する赤外線センサ及び赤外線センサアレイ等として有用である。
本発明は、物体及び人体から放出される赤外線を検出する赤外線センサに関する。
人体をはじめとする物体から輻射されている赤外線を検出する赤外線センサは、物体の存在や温度についての情報を非接触で得ることができるため、さまざまな分野において応用が期待されている。特に、複数の赤外線センサをマトリクス状に配置した赤外線センサアレイは、２次元的な赤外線イメージが得られるため、さらに応用範囲の広がりが期待される。このような赤外線センサアレイに用いる赤外線センサとしては、冷却やチョッパ回路が不要であることから、抵抗ボロメータ及び電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ボロメータが有望である。
従来の抵抗ボロメータ及び誘電ボロメータ型の赤外線センサとしては、以下のような構成のものが知られている（特許文献１及び２を参照。）。
図１７は従来の抵抗ボロメータ型の赤外線センサの信号読み出し回路を示している。第１のスイッチ１５４Ａ、第２のスイッチ１５４Ｂ及び第３のスイッチ１５４Ｃをオン状態とすることにより、ダミー抵抗１５２の出力と感熱抵抗１５１の出力との差分を信号読み出し回路の出力１６０に出力する。感熱抵抗１５１が検出した値を正確に読み出すためには、ダミー抵抗１５２の抵抗値が一定でなければならない。しかし、ダミー抵抗１５２の抵抗値は、ダミー抵抗１５２が形成されている半導体基板の温度により変化する。従って、ダミー抵抗１５２の抵抗値の変化を補正するために、半導体基板の温度を正確に計測する必要があるが、半導体基板の温度を高精度に検知することは容易ではない。
図１８は従来の誘電ボロメータ型の赤外線センサの信号読み出し回路を示している。図１８に示すように参照容量素子２０１と赤外線検出容量素子２０２とが接続点２１０を介して直列に接続されている。赤外線検出容量素子２０２は、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量が変化する特性を持ち、赤外線が入射していない場合には、赤外線検出容量素子２０２と参照容量素子２０１との容量値は等しくなるように設定されている。
また、参照容量素子２０１及び赤外線検出容量素子２０２にはそれぞれ駆動用の交流電源２０４及び交流電源２０５が接続されており、交流電源２０４と交流電源２０５との振幅は同じであり、位相は反転している。
接続点２１０は、トランジスタ２０３を介して出力端子２０６に接続されており、信号線Ｓswによりトランジスタ２０３をオン状態とすることにより出力端子２０６に接続点２１０の電位を取り出すことができる。
接続点２１０の電位は、参照容量素子２０１及び赤外線検出容量２０２の容量並びに交流電源２０４及び交流電源２０５の電圧（振幅）によって決定される。従って、図１９に示すように、赤外線検出容量素子２０２に赤外線が入射し赤外線検出容量素子２０２の容量値が増加した場合には、図１９のＡに示すような出力曲線が得られる。なお、図１９において曲線Ｃ及び曲線Ｄはそれぞれ交流電源２０４及び交流電源２０５の出力電圧を示す。
赤外線検出容量素子２０２に赤外線が照射されていない場合には、参照容量素子２０１と赤外線検出容量素子２０２との容量値は等しくなり、図１９のＢに示すように接続点２１０の電位は常に０となるはずである。しかし、実際には参照容量素子２０１の容量値と赤外線検出容量素子２０２の容量値との間には、リーク抵抗成分や形成時のばらつき等により数％の差が存在するため、センサに赤外線が入射していない場合にも擬似的な信号出力であるオフセットが発生する。
赤外線センサの出力をデジタルデータとして利用する際には、１００倍程度の増幅が必要となる。この場合には、オフセットも１００倍に増幅されてしまうので増幅回路が飽和してしまう恐れがある。また、大きなオフセットに隠れて信号が得られない恐れがある。従って、高性能な赤外線センサを実現するためには、このオフセットを補正して小さくしなければならない。
特開平１０−２２７６８９号公報 特開２００２−３６５１３０号公報
しかしながら、従来の抵抗ボロメータ型の赤外線センサにおいて感熱抵抗が検出した値を正確に読み出すためには、ダミー抵抗の抵抗値が一定でなければならない。しかし、ダミー抵抗の抵抗値は、ダミー抵抗が形成されている半導体基板の温度により変化する。従って、ダミー抵抗の抵抗値の変化を補正するために、周囲温度及び半導体基板の温度を高精度に検知する必要があるが、周囲温度の検知は容易に行えても、半導体基板の温度を高精度に検知することは非常に困難であるという問題がある。
また、従来の誘電ボロメータ型赤外線センサにおいては、オフセットの補正をしなければならないが、複数の赤外線センサをマトリクス状に配置して赤外線センサアレイを構成した場合に、数万個にも及ぶ個々の赤外線センサについてオフセットの補正を行うことは極めて困難であるという問題がある。
赤外線センサを駆動する電源回路の位相及び振幅を制御することにより、赤外線センサアレイ全体についてオフセットの補正をすることが可能であるが、このような補正を行うためには、複雑な駆動回路と演算処理回路とが必要になるという問題がある。
本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体基板の温度変化を補正する必要がない赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できるようにすること及び、回路構成を複雑化することなく、赤外線センサに赤外線が入射していない場合に発生する擬似的な信号出力であるオフセットが小さく且つＳ／Ｎ比が大きい信号を得ることができる赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できるようにすることを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の赤外線センサは、赤外線検出容量素子と直列容量素子及び参照容量素子とを備え、電位差として信号を得る構成とする。
具体的に本発明の赤外線センサは、それぞれが所定の参照容量値を示す直列容量素子及び参照容量素子と、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、直列容量素子の一の端子と参照容量素子の一の端子と赤外線検出容量素子の一の端子とが相互に接続されたノードである出力ノードとを備え、直列容量素子の他の端子と参照容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を基準電位とし、直列容量素子の他の端子と赤外線検出容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力することを特徴とする。
本発明の赤外線センサによれば、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力するため、オフセットを小さくすることができるので、オフセットの補正のために特別な回路を設ける必要がなく、その結果、単純な構成で高性能な赤外線センサを実現することができる。また、半導体基板の温度変化に伴うセンサ出力の補正が不要な赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できる。
本発明の赤外線センサにおいて、直列容量素子の容量値及び参照容量素子の容量値は、赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子の容量値と等しいことが好ましい。このような構成とすることにより、オフセットを確実に小さくすることが可能となる。
本発明の赤外線センサは、参照容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた参照容量素子制御スイッチと、赤外線検出容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた赤外線検出容量素子制御スイッチとをさらに備え、直列容量素子の他の端子には所定の電圧を供給する電源が接続されており、参照容量素子制御スイッチをオン状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオフ状態とすることにより基準電位を得て、参照容量素子制御スイッチをオフ状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオン状態とすることにより検出電位を得ることが好ましい。このようにすることにより確実に基準電位と検出電位を得ることができる。
本発明に係る第１の赤外線センサアレイは、２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサを備えた赤外線センサアレイを対象とし、各赤外線センサは、それぞれが所定の容量値を示す直列容量素子及び参照容量素子と、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、直列容量素子の一の端子と参照容量素子の一の端子と赤外線検出容量素子の一の端子とが相互に接続されたノードである出力ノードとを有し、直列容量素子の他の端子と参照容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を基準電位とし、直列容量素子の他の端子と赤外線検出容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより出力ノードの電位を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力することを特徴とする。
本発明の第１の赤外線センサアレイによれば、２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサを備え、各赤外線センサは赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力するため、赤外線センサアレイを構成するすべての赤外線センサのオフセットを小さく且つ均一にすることができるので、オフセットを補正するために特別な回路を設ける必要がなく、その結果、単純な構成で高性能な赤外線センサアレイを実現することができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、直列容量素子の容量値及び参照容量素子の容量値は、赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子の容量値と等しいことが好ましい。このような構成とすることにより、各赤外線センサのオフセットを確実に小さくすることができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、赤外線センサは、参照容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた参照容量素子制御スイッチと、赤外線検出容量素子の一の端子と出力ノードとの間に設けられた赤外線検出容量素子制御スイッチとをさらに備え、直列容量素子の他の端子には所定の電圧を供給する電源が接続されており、参照容量素子制御スイッチをオン状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオフ状態とすることにより基準電位を得て、参照容量素子制御スイッチをオフ状態とし且つ赤外線検出容量素子制御スイッチをオン状態とすることにより検出電位を得ることが好ましい。このようにすることにより確実に基準電位と検出電位を得ることができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイは、基準電位と検出電位とを記憶し、記憶した基準電位と検出電位との差を出力する差動回路部をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、赤外線の強度を確実に電位差として出力できる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、各出力ノードと差動回路部との間に設けられた、インピーダンス変換回路又は増幅回路をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、浮遊容量及び拡散容量の影響を確実に排除することが可能となる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、複数の赤外線センサのうちの所定の２個以上の赤外線センサ同士は、直列容量素子及び参照容量素子の少なくとも一方を互いに共有していることが好ましい。また、複数の赤外線センサのうちのマトリクスの同一の行又は同一の列に接続された赤外線センサ同士は、直列容量素子及び参照容量素子の少なくとも一方を共用していることが好ましい。
このような構成とすることにより、参照容量素子の数量を減らすことができるので、赤外線センサアレイの占有面積を小さくすることができる。また、赤外線センサアレイの占有面積を増大させることなく、赤外線検出容量素子の面積を大きくできるので高感度化することができる。
本発明の第１の赤外線センサアレイにおいて、複数の赤外線センサのうちのいずれかの赤外線センサを選択するセンサ選択回路部と、選択された赤外線センサが出力する電位差に応じた電荷を所定の回数分蓄積し、所定の回数分蓄積された電荷を合成して出力する電荷蓄積回路部とをさらに備え、電荷蓄積回路部は、電位差を入力する端子と接地との間にそれぞれスイッチを介して接続された複数の容量素子と、スイッチを駆動する駆動回路とを有しており、各容量素子にそれぞれ電荷を蓄積することが好ましい。このような構成とすることにより、確実にノイズを低減してＳ／Ｎ比を高くすることができる。
本発明の第２の赤外線センサアレイは、２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサを備えた赤外線センサアレイを対象とし、各赤外線センサは、それぞれが所定の容量値を示す直列容量素子と、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、直列容量素子の一の端子と赤外線検出容量素子の一の端子との間に接続された選択スイッチとを有し、マトリクスのうち同一の列に配置された各赤外線センサは、直列容量素子を共有していることを特徴とする。
本発明の第２の赤外線センサアレイによれば、同一の列に配置された各赤外線センサは、直列容量素子を共有しているため、同一の列に配置された各赤外線センサのオフセットの値をほぼ等しくすることができるので、各列ごとに一括してオフセットの補正を行うことが可能となり、その結果、構成が簡単で且つ極めて正確な温度測定が可能な赤外線センサアレイを容易に実現することが可能となる。また、赤外線センサアレイの占有面積を増大させることなく、赤外線検出容量素子の面積を大きくすることが可能となるので、高感度な赤外線センサアレイを得ることができる。
本発明の赤外線センサによれば、半導体基板の温度変化を補正する必要がないと共に、回路構成を複雑化することなく、オフセットが小さく且つＳ／Ｎ比が大きな信号を得ることができる赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できる。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサについて図を参照しながら説明する。図１は本実施形態の赤外線センサの基本回路図を示している。
図１に示すように本実施形態の赤外線センサは、直列容量素子１の一の端子と、参照容量素子２及び赤外線検出容量素子３の一の端子とがそれぞれＭＯＳトランジスタからなる参照容量素子制御スイッチ５及び赤外線検出容量素子制御スイッチ６を介して電気的に接続されており、出力ノード１５が形成されている。なお、直列容量素子１及び参照容量素子２の容量値は、それぞれ赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子３の容量値と実質的に同一となるように設定されている。つまり、各容量値は既知の製造方法により製造した場合の誤差の範囲で等しい。
直列容量素子１の他の端子は電源線８と接続され、参照容量素子２及び赤外線検出容量素子３の他の端子は接地されている。また、参照容量素子制御スイッチ５及び赤外線検出容量素子制御スイッチ６のゲートにはそれぞれ参照容量素子制御線１０及び赤外線検出容量素子制御線１１が接続されている。さらに、出力ノード１５にはゲートがバイアス制御線９と接続され、ソースがバイアス線１２と接続されたバイアス制御スイッチ４のドレインが接続されている。
以下に、本実施形態の赤外線センサの動作について説明する。図２は本実施形態の赤外線センサを動作させるタイミングを示している。
まず、タイミングＴ１において参照容量素子制御線１０の電圧をハイ（“Ｈ”）レベルとして、参照容量素子制御スイッチ５をオン状態として、参照容量素子２を直列容量素子１と接続する。次に、タイミングＴ２においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルにしてバイアス制御スイッチ４をオン状態とすることにより、出力ノード１５の電圧をバイアス電圧ＶBとする。
次に、バイアス制御線９の電圧をロー（“Ｌ”）レベルとした後、タイミングＴ３において電源線８の電圧をＶLからＶHに上昇させる。電源線８の電圧上昇分（ＶH−ＶL）は、直列容量素子１と参照容量素子２との容量比に応じて分配され、出力ノード１５の電圧に加算される。本実施形態の赤外線センサにおいては直列容量素子１と参照容量素子２とは容量値が等しいため、出力ノード１５に加算される電圧は、（ＶH−ＶL）の２分の１となる。この状態における出力ノード１５の電圧を基準電位Ｖrefとする。
次に、電源線８の電圧をＶLに戻し、参照容量素子制御線１０の電圧を“Ｌ”レベルとして参照容量素子２を直列容量素子１から切り離し、基準電位Ｖrefの測定を終了する。
次に、タイミングＴ４において、赤外線検出容量素子制御線１１の電圧を“Ｈ”レベルとして赤外線検出容量素子制御スイッチ６をオンにすることにより、赤外線検出容量素子３を直列容量素子１と接続する。次に、タイミングＴ５においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルとすることにより、出力ノード１５の電圧を再びバイアス電圧ＶBと等しくする。次にタイミングＴ５において電源線８の電圧をＶLからＶHに上昇させる。これによりＶHとＶLとの電圧の差（ＶH−ＶL）が直列容量素子１と赤外線検出容量素子３との容量比に応じて分配されて出力ノード１５の電圧に加算される。この状態における出力ノード１５の電圧を検出電位Ｖsigとする。
赤外線検出容量素子３に赤外線が入射した場合には、入射した赤外線の強度に応じて赤外線検出容量素子３の容量値が上昇する。従って、入射する赤外線の強度が強いほど出力ノード１５に加算される電圧は低くなり、検出電位Ｖsigと基準電位Ｖrefとの電位差が大きくなる。
従って、基準電位Ｖrefと検出電位Ｖsifとの電位差Ｖdifを求めることにより、赤外線検出容量素子３に入射した赤外線の強度を求めることができる。
本実施形態においては、赤外線検出容量素子３に入射した赤外線の強度を、直列容量素子１と参照容量素子２との容量比により生じる基準電位Ｖrefと、直列容量素子１と赤外線検出容量素子３との容量比により生じる検出電位Ｖsigとの電位差Ｖdifとして求めている。また、参照容量素子２の容量値は、赤外線検出容量素子３に赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子３の容量値と等しく設定されている。従って、赤外線検出容量素子３に赤外線が入射していない場合には、ＶrefとＶsigとの差であるオフセットはほぼ０となる。
また、単純なタイミングパルスを与えるだけで赤外線センサを駆動することが可能であるため、回路構成を単純化することが可能である。従って、複数の赤外線センサをマトリクス状に配置した赤外線センサアレイとした場合に、複雑な補正手段を設ける必要がない赤外線センサを実現できる。さらに、赤外線センサが形成されている半導体基板の温度を補正する必要がない赤外線センサ及び赤外線センサアレイが実現できる。
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図を参照しながら説明する。図３は本実施形態の赤外線センサアレイの基本回路図を示している。
本実施形態においては図３に示すように赤外線センサ２０、赤外線センサ２１、赤外線センサ２２及び赤外線センサ２３の４個の赤外線センサが２行２列のマトリクスに配置されて赤外線センサアレイが形成されている。なお、各赤外線センサの基本構成は第１の実施形態と同一である。
赤外線センサ２０から赤外線センサ２３の各バイアス制御線９、各参照容量素子制御線１０及び各赤外線検出容量素子制御線１１はそれぞれ共通に接続されて垂直走査及び信号制御部２８に接続されている。各バイアス線１２はすべて並列に接続されてバイアス電源３７に接続されている。各電源線８はそれぞれＭＯＳトランジスタからなる電源線スイッチ２４を介して共通に接続されて、垂直走査及び信号制御部２８と接続されている。
赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１の電源線スイッチ２４の各ゲート及び赤外線センサ２２及び赤外線センサ２３の電源線スイッチ２４の各ゲートは、それぞれ第１の垂直走査線３３及び第２の垂直走査線３４によって垂直走査及び信号制御部２８と接続されている。
赤外線センサ２０及び赤外線センサ２２の各出力ノード１５は共通に接続されて第１の差動回路部２９と接続され、赤外線センサ２１及び赤外線センサ２３の各出力ノード１５は共通に接続されて第２の差動回路部３０と接続されている。第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０にはそれぞれ水平走査部３２と第１の水平走査線３５及び第２の水平走査線３６によって接続されている。また、第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０の各出力は、共通出力線３１と接続されている。
以下に、本実施形態の赤外線センサアレイの動作について説明する。図４は本実施形態の赤外線センサアレイを動作させるタイミングを示している。
まず、タイミングＴ０において第１の垂直走査線３３の電圧を“Ｈ”レベルとして、赤外線センサアレイの１行目を構成する赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１を電源線８と接続する。次に、タイミングＴ１において参照容量素子制御線１０の電圧を“Ｈ”にして直列容量素子１と参照容量素子２とが直列接続された状態とする。次に、タイミングＴ２においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルとして出力ノード１５の電圧をバイアス電圧ＶBとする。
次に、バイアス制御線９の電圧を“Ｌ”レベルとした後、タイミングＴ３において電源線８の電圧をＶLからＶHに上昇させる。これにより、電源線８と接続されている赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１の出力ノード１５の電圧にそれぞれ（ＶH−ＶL）の２分の１の電圧が加算される。この電圧を第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０に基準電位Ｖrefとしてそれぞれ記憶させる。
次に、電源線８の電圧をＶLに戻し、参照容量素子制御線１０の電圧を“Ｌ”レベルとした後、タイミングＴ４において赤外線検出容量素子制御線１１の電圧を“Ｈ”レベルとして、直列容量素子１と赤外線検出容量素子３とが直列接続された状態とする。次に、タイミングＴ５においてバイアス制御線９の電圧を“Ｈ”レベルとして出力ノード１５の電圧を、再びバイアス電圧ＶBとする。
次に、バイアス制御線９の電圧を“Ｌ”レベルとした後、電源線８の電圧をＶLからＶHに上昇させる。これにより、電源線８と接続されている赤外線センサ２０及び赤外線センサ２１の出力ノード１５の電圧は、それぞれ赤外線検出容量素子に入射している光の強さに応じた電圧となる。この電圧を検出電位Ｖsigとして第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０にそれぞれ記憶させる。
次に、電源線８の電圧をＶLに戻し、参照容量素子制御線１０の電圧を“Ｌ”レベルとする。続いて、第１の水平走査線３５に駆動パルスを与えることにより、第１の差動回路部２９から赤外線センサ２０の信号出力として基準電位Ｖrefと検出電位Ｖsigとの電位差Ｖdif-20を共通出力線３１に出力させる。次に、第２の水平走査線３６に駆動パルスを与えることにより、第２の差動回路部３０から赤外線センサ２１の信号出力として基準電位Ｖrefと検出電位Ｖsigとの電位差Ｖdif-21を共通出力線３１に出力させる。この後、第１の垂直走査線３３の電圧を“Ｌ”レベルとすることにより１行目の読み出しが終了する。
続いて、タイミングＴ８において第２の垂直走査線３４の電圧を“Ｈ”レベルとして、マトリクスの２行目の赤外線センサ２２及び赤外線センサ２３を選択して、１行目と同様の操作を繰り返すことにより、赤外線センサ２２からの信号出力Ｖdif-22及び赤外線センサ２３からの信号出力Ｖdif-23を共通出力線３１に出力させる。
本実施形態の赤外線センサアレイは、第１の実施形態に示したオフセットがほぼ０である赤外線センサをマトリクス状に配置している。このため、赤外線センサアレイを構成するすべての赤外線センサのオフセットは、ほぼ０でありばらつきも非常に小さい。従って、オフセットの補正のために複雑な駆動回路、演算回路及び駆動手順等が不要となり回路構成を単純化できる。その結果、構成が簡単で且つ極めて正確な温度測定が可能な赤外線センサアレイを容易に実現することが可能となる。
なお、本実施形態においては赤外線センサを２行２列に配置した例を示したが、行数及び列数は任意に選択することができる。
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について図を参照しながら説明する。図５は本実施形態の赤外線センサの基本回路構成を示している。図５に示すように本実施形態の赤外線センサは、第１の実施形態に示した出力ノード１５の先にインピーダンス変換回路又は増幅回路である出力回路９０が接続されている。
図６は出力回路９０の一例としてソースフォロア回路を示している。図６に示すようにソースフォロア回路は、電源と接地との間にＭＯＳトランジスタ９１とＭＯＳトランジスタ９２とが直列に接続されている。トランジスタ９１のゲートには、出力ノード１５からの信号を入力し、トランジスタ９２のゲートにはバイアス電圧を印加する。このような構成とすることにより、トランジスタ９１とトランジスタ９２との接続点であるソースフォロア出力ノード９３には、インピーダンス変換された信号が出力される。
図７は本実施形態の赤外線センサをマトリクス状に配置して赤外線センサアレイとした場合の回路構成の一例を示している。図７に示すように赤外線センサアレイを構成する各赤外線センサの出力ノード１５の先にはそれぞれ出力回路９０が接続されている。各赤外線センサの出力ノード１５を直接相互に接続した場合には浮遊容量の値及び拡散容量の値が増加して赤外線検出容量素子の容量値よりも大きくなるため、信号出力が小さくなる。実使用時には、赤外線センサを例えば６００行×６００列程度のマトリクスに配置するため、赤外線センサアレイを構成する赤外線センサの数は３６万個という膨大な数になるので、浮遊容量及び拡散容量の増加を無視することができない。
しかし、本実施形態の赤外線センサアレイにおいては、出力回路９０を介在させて各赤外線センサが相互に接続されているため、浮遊容量及び拡散容量の影響をなくすことができ、大きな出力を得ることができる。
（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態について図を参照しながら説明する。図８は本実施形態の赤外線センサアレイの基本的な回路構成を示している。図８に示すように、赤外線センサ４０の電源線スイッチ２４及び赤外線センサ４２の電源線スイッチ２４と電源線８との間に直列容量素子５０Ａが配置されており、マトリクスの１列目を構成する赤外線センサ４０と赤外線センサ４２とが直列容量素子を共有している。また、同様にマトリクスの２列目を構成する赤外線センサ４１と赤外線センサ４３とが直列容量素子５０Ｂを共有している。
このような構成とすると、参照容量素子制御線及び赤外線検出容量素子制御線を駆動するタイミングを調整する必要があるが、赤外線センサアレイを小型化することが可能となる。また、直列容量素子に割り当てる面積を赤外線検出容量素子に割り当てることにより、赤外線検出容量素子を大きくすることができ、検出感度を高めることができる。
なお、本実施形態としては、直列容量素子を共有する例を示したが、参照容量素子を共有していてもよい。また、列ごとに直列容量素子を共有する例を示したが行ごとに共有していてもよく、その他行列にかかわりなく共有していてもよい。さらに、図８には２行２列の例を示したが、行数及び列数は任意に設定することが可能である。
図９は本実施形態の赤外線センサアレイを基板の上に形成する平面配置の一例を示している。図９に示すように赤外線センサ４０は左から順に参照容量素子２、赤外線検出容量素子３及び直列容量素子５０Ａが配置されており、赤外線センサ４１は右から順に参照容量素子２、赤外線検出容量素子３及び直列容量素子５０Ａを備えている。赤外線センサ４０及び赤外線センサ４１は、直列容量素子５０Ａを中心に左右対象となるように隣り合わせに形成されており、直列容量素子５０Ａを共有している。
また、赤外線センサ４２と赤外線センサ４３とは同様に直列容量素子５０Ｂを共有している。このように、２個の赤外線センサからなる赤外線センサの組において直列容量素子を共有することにより、直列容量素子１個分の面積が省略でき赤外線センサアレイを小型化することができる。また、省略した直列容量素子の面積に相当する面積だけ他の容量素子の面積を大きくすれば、赤外線センサアレイの占有面積を増大させることなく高感度化することができる。
図１０は本実施形態の赤外線センサアレイを基板の上に形成する平面配置の別の例を示している。図１０に示すように赤外線センサ４０、赤外線センサ４１、赤外線センサ４２及び赤外線センサ４３の４個の赤外線センサからなる赤外線センサの組において直列容量素子５０Ａを共有している。４個の赤外線センサにおいて直列容量素子３個分の面積が省略でき、赤外線検出容量素子の面積を大きくできるため、さらに感度を高めることができる。
図１１は参照容量素子を共有する場合の基板の上の平面配置の一例を示している。赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４０及び赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４１が参照容量素子２を中央部で共有して隣り合って形成されている。また、同様に赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４２及び赤外線検出容量素子３を備えた赤外線センサ４３が参照容量素子２を中央部で共有して隣り合って形成されている。また、これら４個の赤外線センサからなる赤外線センサの組が形成された領域の外側に、これら４個の赤外線センサが共有する直列容量素子５０Ａが形成されている。
図１２は４個の赤外線センサからなる赤外線センサの組が１個の参照容量素子２を共有し、さらに２組の参照容量素子２を共有する４個ずつの赤外線センサの組すなわち合計８個の赤外線センサが１個の直列容量素子を共有する場合の平面配置の一例を示している。
このように直列容量素子だけでなく参照容量素子についても共有することにより、さらに参照容量素子が占有する面積を小さくすることができるため、赤外線検出容量素子の面積を大きくすることができるので、高感度な赤外線センサアレイを実現することができる。
なお、本実施形態の赤外線センサアレイにおいても、第３の実施形態と同様にソースフォロア回路等の出力回路を設けてもよい。
（第５の実施形態）
以下に、本発明の第５の実施形態について図を参照しながら説明する。図１３は本実施形態の赤外線センサアレイの主要部の基本的な回路構成を示している。図１３に示すように、本実施形態の赤外線センサアレイを構成する赤外線センサのうち同一の列に配置された各赤外線センサは、直列容量素子を共有している。例えば、１列目に配置された赤外線センサ６０と赤外線センサ６２とは、直列容量素子７０Ａを共有しており、２列目に配置された赤外線センサ６１と赤外線センサ６３とは、直列容量素子７０Ｂを共有している。
さらに、本実施形態の赤外線センサは参照容量素子が省略されている。例えば赤外線センサ６０は、一の端子が電源線７８に接続された直列容量素子７０Ａの他の端子にＭＯＳトランジスタからなる選択スイッチ７６を介して赤外線検出容量素子７３の一の端子が接続されている。また、赤外線検出容量素子７３の他の端子は接地されている。なお、直列容量素子７０Ａの容量値は、赤外線検出容量素子７３に赤外線が入射していない場合の容量値と等しくなるように設定されている。
このため、第１の垂直走査線８３の電圧を“Ｈ”レベルとして赤外線センサ６０の選択スイッチ７６をオン状態とすることにより、直列容量素子７０Ａと選択スイッチ７６とが接続されたノード７５に出力される電圧は、電源線７８と接地との間に印加された電圧が直列容量素子７０Ａと赤外線検出容量素子７３との容量比により分配された電圧となる。
従って、赤外線検出容量素子７３に赤外線が入射していない場合には、直列容量素子７０Ａの容量値と赤外線検出容量素子７３の容量値とのばらつきによるオフセットが発生する。しかし、本変形例の赤外線センサアレイにおいては、列方向に配置された各赤外線センサが直列容量素子を共有しているため、列方向に配置された各赤外線センサにおいて発生するオフセットはほぼ等しくなる。このため、各列ごとに一括してオフセットの補正を行うことが可能となり、構成が簡単で且つ極めて正確な温度測定が可能な赤外線センサアレイを容易に実現することが可能となる。
さらに、本実施形態の赤外線センサアレイは、列ごとに直列容量素子を共有しているため、直列容量素子を形成するスペースが少なくてすむ。図１４は本変形例の赤外線センサアレイを平面構成の一例を示している。図１４においては、１列に６個の赤外線センサが配置された例を示している。参照容量素子の占有スペースがなく、また直列容量素子の占有スペースもほとんど不要であるため、赤外線検出容量素子の面積を大きくすることができるので、高感度な赤外線センサアレイを実現することができる。
なお、本実施形態においても赤外線センサを配置する行数及び列数は任意に設定することができる。
（第６の実施形態）
以下に、本発明の第６の実施形態について図を参照しながら説明する。本実施形態の赤外線センサアレイは、作動回路と共通出力線との間に電荷蓄積回路部を備えている。例えば、図３に示す赤外線センサアレイの第１の差動回路部２９及び第２の差動回路部３０のそれぞれの出力と共通出力線３１との間に電荷蓄積回路部が設けられている。垂直走査及び信号制御部２８と水平走査部３２とからなる赤外線センサ選択回路部によって選択された赤外線センサからの信号が所定の回数分繰り返し電荷蓄積回路部に入力され電荷として蓄積された後、蓄積された電荷が合成されて共通出力線３１に出力される。
図１５は本実施形態の赤外線センサアレイに用いる電荷蓄積回路部の一例を示している。図１５に示すように、電荷蓄積回路部の入力端子１０３と接地との間にはＭＯＳトランジスタからなる蓄積制御スイッチ１０１Ａと電荷蓄積容量素子１０２Ａ、蓄積制御スイッチ１０１Ｂと電荷蓄積容量素子１０２Ｂ及び蓄積制御スイッチ１０１Ｃと電荷蓄積容量素子１０２Ｃが互いに並列に接続されている。また、入力端子１０３と出力端子１０５との間にはＭＯＳトランジスタからなる出力制御スイッチ１０４が直列に接続されている。
蓄積制御スイッチ１０１Ａ、蓄積制御スイッチ１０１Ｂ及び蓄積制御スイッチ１０１Ｃの各ゲートは蓄積制御線１１１Ａ、蓄積制御線１１１Ｂ及び蓄積制御線１１１Ｃによってそれぞれ制御回路１０６と接続され、出力制御スイッチ１０４は出力制御線１１４によって制御回路１０６と接続されている。
以下に、第１の差動回路部２９と接続されている電荷蓄積回路部を例に、本実施形態の赤外線センサアレイの動作について説明する。
図１６は本実施形態の赤外線センサアレイに設けられた電荷蓄積回路部を動作させるタイミングを示している。まず、図４に示したタイミングＴ０からタイミングＴ７の動作を行わせた後、第１の水平走査線３５に駆動パルスを与えて第１の差動回路部２９に１回目の赤外線センサ２０からの信号Ｖdif-20を出力させる。第１の差動回路部２９の信号出力のタイミングにあわせて蓄積制御線１１１Ａにパルスを与え、電荷蓄積容量素子１０２Ａに第１の差動回路部２９からの信号を電荷として記憶させる。
次に、再びタイミングＴ０からタイミングＴ７の動作を行わせて、２回目の赤外線センサ２０からの信号Ｖdif-20を第１の差動回路部２９に出力させる。第１の差動回路部２９の信号出力のタイミングにあわせて蓄積制御線１１１Ｂにパルスを与え、電荷蓄積容量素子１０２Ｂに電荷を記憶させる。さらに同様の走査を繰り返して電荷蓄積容量素子１０２Ｃには３回目の赤外線センサ２０からの信号Ｖdif-20を電荷として記憶させる。
続いて、蓄積制御線１１１Ａ、蓄積制御線１１１Ｂ及び蓄積制御線１１１Ｃの電圧の電圧を“Ｈ”レベルとすることにより電荷蓄積容量素子１０２Ａ、電荷蓄積容量素子１０２Ｂ及び電荷蓄積容量素子１０２Ｃを並列に接続させて、電荷蓄積容量素子１０２Ａ、電荷蓄積容量素子１０２Ｂ及び電荷蓄積容量素子１０２Ｃに蓄積された電荷を合成する。同時に、出力制御線１１５の電圧を“Ｈ”レベルとすることにより、赤外線センサアレイの共通出力線３１に、３回の赤外線センサ２０からの信号が合成された信号Ｖdif-20を出力させる。同様の操作を２行目の赤外線センサ２２についても行う。また、第２の差動回路部３０に接続された電荷蓄積回路についても並行して同様の操作を行うことにより、赤外線センサアレイ全体のデータを読み出すことができる。
このように本実施形態の赤外線センサアレイにおいては、並列に接続された３回分の信号電荷を合成して出力しているため、信号出力の値は同じであるがノイズは３0.5となりＳ／Ｎを改善することができる。なお、本実施形態においては、電荷蓄積容量素子を３個並列に備えた例を示したが、電荷蓄積容量素子は２個以上の任意の数量設けることができる。また、第３の実施形態のようにソースフォロア回路等からなる出力回路が設けられた構成であっても、第４の実施形態のように参照容量素子の一部を共有する構成であってもよい。
なお、容量素子にチタン酸バリウムを主成分とする誘電体を用いることが、感度を向上させるためには好ましい。
本発明の赤外線センサは、半導体基板の温度変化を補正する必要がない赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できると共に、回路構成を複雑化することなく、オフセットが小さく且つＳ／Ｎ比が大きな信号を得ることができる赤外線センサ及び赤外線センサアレイを実現できるため、物体及び人体から放出される赤外線を検出する赤外線センサ及び赤外線センサアレイ等として有用である。
図１は本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを示す基本回路図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの動作状態を示すタイミング図である。 図３は本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサアレイの一例を示す基本回路図である。 図４は本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサアレイの動作状態を示すタイミング図である。 図５は本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサを示す基本回路図である。 図６は本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサに用いるインピーダンス変換回路又は増幅回路の一例を示す基本回路図である。 図７は本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサアレイの一例を示す基本回路図である。 図８は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの一例を示す基本回路図である。 図９は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１０は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１１は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１２は本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１３は本発明の第５の実施形態に係る赤外線アレイの主要部の一例を示す回路図である。 図１４は本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサアレイの配置の一例を示す平面図である。 図１５は本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサアレイに用いる電荷蓄積手段の一例を示す基本回路図である。 図１６は本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサアレイに用いる電荷蓄積手段の動作状態を示すタイミング図である。 図１７は従来の抵抗型赤外線センサの読み出し回路を示す基本回路図である。 図１８は従来の誘電ボロメータ型赤外線センサを示す基本回路図である。 図１９は従来の誘電ボロメータ型赤外線センサの駆動信号図である。
符号の説明
１ 直列容量素子
２ 参照容量素子
３ 赤外線検出容量素子
４ バイアス制御スイッチ
５ 参照容量素子制御スイッチ
６ 赤外線検出容量素子制御スイッチ
８ 電源線
９ バイアス制御線
１０ 参照容量素子制御線
１１ 赤外線検出容量素子制御線
１２ バイアス線
１５ 出力ノード
２０ 赤外線センサ
２１ 赤外線センサ
２２ 赤外線センサ
２３ 赤外線センサ
２４ 電源線スイッチ
２８ 垂直走査部及び制御部
２９ 第１の差動回路
３０ 第２の差動回路
３１ 共通出力線
３２ 水平走査部
３３ 第１の垂直走査線
３４ 第２の垂直走査線
３５ 第１の水平走査線
３６ 第２の水平走査線
３７ バイアス電源
４０ 赤外線センサ
４１ 赤外線センサ
４２ 赤外線センサ
４３ 赤外線センサ
４４ 赤外線センサ
４５ 赤外線センサ
４６ 赤外線センサ
４７ 赤外線センサ
５０Ａ 直列容量素子
５０Ｂ 直列容量素子
６０ 赤外線センサ
６１ 赤外線センサ
６２ 赤外線センサ
６３ 赤外線センサ
７０Ａ 直列容量素子
７０Ｂ 直列容量素子
７３ 赤外線検出容量素子
７５ 出力ノード
７６ 選択スイッチ
７８ 電源線
８３ 第１の垂直走査線
８４ 第２の垂直走査線
９０ インピーダンス変換回路又は増幅回路
９１ ＭＯＳトランジスタ
９２ ＭＯＳトランジスタ
９３ ソースフォロア出力ノード
１０１Ａ 蓄積制御スイッチ
１０１Ｂ 蓄積制御スイッチ
１０１Ｃ 蓄積制御スイッチ
１０２Ａ 電荷蓄積容量素子
１０２Ｂ 電荷蓄積容量素子
１０２Ｃ 電荷蓄積容量素子
１０３ 入力端子
１０４ 出力制御スイッチ
１０５ 出力端子
１０６ 制御回路
１１１Ａ 蓄積制御線
１１１Ｂ 蓄積制御線
１１１Ｃ 蓄積制御線
１１５ 出力制御線

Claims (12)

  1. それぞれが所定の容量値を示す直列容量素子及び参照容量素子と、
    素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、
    前記直列容量素子の一の端子と前記参照容量素子の一の端子と前記赤外線検出容量素子の一の端子とが相互に接続されたノードである出力ノードとを備え、
    前記直列容量素子の他の端子と前記参照容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより前記出力ノードの電位を基準電位とし、
    前記直列容量素子の他の端子と前記赤外線検出容量素子の他の端子との間に前記所定の電圧を印加することにより前記出力ノードの電位を検出電位とし、
    前記赤外線の強度を前記基準電位と前記検出電位との電位差として出力することを特徴とする赤外線センサ。
  2. 前記直列容量素子の容量値及び前記参照容量素子の容量値は、前記赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の前記赤外線検出容量素子の容量値と等しいことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
  3. 前記参照容量素子の一の端子と前記出力ノードとの間に設けられた参照容量素子制御スイッチと、
    前記赤外線検出容量素子の一の端子と前記出力ノードとの間に設けられた赤外線検出容量素子制御スイッチとをさらに備え、
    前記直列容量素子の他の端子には、前記所定の電圧を供給する電源が接続されており、
    前記参照容量素子制御スイッチをオン状態とし且つ前記赤外線検出容量素子制御スイッチをオフ状態とすることにより前記基準電位を得て、
    前記参照容量素子制御スイッチをオフ状態とし且つ前記赤外線検出容量素子制御スイッチをオン状態とすることにより前記検出電位を得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。
  4. ２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサを備えた赤外線センサアレイであって、
    前記各赤外線センサは、それぞれが所定の容量値を示す直列容量素子及び参照容量素子と、
    素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、
    前記直列容量素子の一の端子と前記参照容量素子の一の端子と前記赤外線検出容量素子の一の端子とが相互に接続されたノードである出力ノードとを有し、
    前記直列容量素子の他の端子と前記参照容量素子の他の端子との間に所定の電圧を印加することにより前記出力ノードの電位を基準電位とし、
    前記直列容量素子の他の端子と前記赤外線検出容量素子の他の端子との間に前記所定の電圧を印加することにより前記出力ノードの電位を検出電位とし、
    前記赤外線の強度を前記基準電位と前記検出電位との電位差として出力することを特徴とする赤外線センサアレイ。
  5. 前記直列容量素子の容量値及び前記参照容量素子の容量値は、前記赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の前記赤外線検出容量素子の容量値と等しいことを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサアレイ。
  6. 前記各赤外線センサは、
    前記参照容量素子の一の端子と前記出力ノードとの間に設けられた参照容量素子制御スイッチと、
    前記赤外線検出容量素子の一の端子と前記出力ノードとの間に設けられた赤外線検出容量素子制御スイッチとをさらに有し、
    前記直列容量素子の他の端子には、前記所定の電圧を供給する電源が接続されており、
    前記参照容量素子制御スイッチをオン状態とし且つ前記赤外線検出容量素子制御スイッチをオフ状態とすることにより前記基準電位を得て、
    前記参照容量素子制御スイッチをオフ状態とし且つ前記赤外線検出容量素子制御スイッチをオン状態とすることにより前記検出電位を得ることを特徴とする請求項３又は４に記載の赤外線センサアレイ。
  7. 前記基準電位と前記検出電位とを記憶し、記憶した前記基準電位と前記検出電位との差を出力する差動回路部をさらに備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の赤外線センサアレイ。
  8. 前記各出力ノードと前記差動回路部との間に設けられた、インピーダンス変換回路又は増幅回路をさらに備えていることを特徴とする請求項７に記載の赤外線センサアレイ。
  9. 前記複数の赤外線センサのうちの所定の２個以上の赤外線センサ同士は、前記直列容量素子及び前記参照容量素子の少なくとも一方を互いに共有していることを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の赤外線センサアレイ。
  10. 前記複数の赤外線センサのうちの前記マトリクスの同一の行又は同一の列に接続された赤外線センサ同士は、前記直列容量素子及び前記参照容量素子の少なくとも一方を互いに共有していることを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の赤外線センサアレイ。
  11. 前記複数の赤外線センサのうちのいずれかの赤外線センサを選択するセンサ選択回路部と、
    前記選択された赤外線センサが出力する前記電位差に応じた電荷を所定の回数分蓄積し、前記所定の回数分蓄積された電荷を合成して出力する電荷蓄積回路部とをさらに備え、
    前記電荷蓄積回路部は、
    前記電位差を入力する端子と接地との間にそれぞれスイッチを介して接続された複数の容量素子と、
    前記スイッチを駆動する駆動回路とを有しており、
    前記各容量素子にそれぞれ電荷を蓄積することを特徴とする請求項４から１０のいずれか１項に記載の赤外線センサアレイ。
  12. ２次元のマトリクスに配置された複数の赤外線センサと、
    それぞれが所定の容量値を示す複数の直列容量素子とを備えた赤外線センサアレイであって、
    前記各赤外線センサは、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子及び一の端子が前記赤外線検出容量素子の一の端子と接続された選択スイッチを有し、
    前記マトリックスのうち同一の列に配置された前記赤外線センサに含まれる前記選択スイッチの他の端子は、すべて同一の前記直列容量素子と接続されていることを特徴とする赤外線センサアレイ。
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