WO2007046167A1

WO2007046167A1 - 赤外線センサ及びその駆動方法

Info

Publication number: WO2007046167A1
Application number: PCT/JP2006/311617
Authority: WO
Inventors: Takahiko Murata; Takumi Yamaguchi; Shigetaka Kasuga; Takayoshi Yamada
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-04-26
Also published as: CN101052862A; US20080087823A1; US7423271B2; CN101052862B; JP2007114089A

Abstract

　赤外線センサは、行列状に配置された複数の参照画素単位２と、各参照画素単位２と対応して設けられた直列容量素子１４とを備えている。参照画素単位２は、出力線３０と、出力線３０と接地との間にスイッチ素子１７を介して接続された参照容量素子１３と、出力線３０と接地との間にスイッチ素子１６を介して接続された複数の赤外線検出容量素子１２とを有している。直列容量素子１４は、出力線３０と接続されている。

Description

明細書

赤外線センサ及びその駆動方法

技術分野

[0001] 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及びその駆動方法に関する。

背景技術

[0002] 人体をはじめとする物体力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ックス状に配置した赤外線センサは、 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力 Sりが期待される。このような赤外線センサとしては、冷却やチヨツバ回路が不要であることから、電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ポロメータが有望である。

[0003] 図 12は従来の誘電ポ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 12に示すように直列容量素子 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、な、場合には、赤外線検出容量素子 202と直列容量素子 201との容量値は等しくなるように設定されている。

[0004] また、直列容量素子 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。

[0005] 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 S 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 sw

位を取り出すことができる。

[0006] 接続点 210の電位は、直列容量素子 201及び赤外線検出容量素子 202の容量値と、交流電源 204及び交流電源 205の電圧（振幅）と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!/、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。

[0007] 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、直列容量素子 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。従って、精度よく赤外線を検出することが可能となる（例えば、特許文献 1を参照)。

特許文献 1 :特開 2002— 365130号

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] しかしながら、前記従来の赤外線センサは、赤外線検出容量素子と直列容量素子とが 1個ずつ必要であるため、画素内にお!/、て赤外線検出容量素子が占める割合である開口率が、直列容量素子がない場合と比べて小さくなるという問題がある。特に、複数の赤外線センサをマトリックス状に配置する場合には、画素の面積の制限が大きぐ開口率の低下は大きな問題となる。

[0009] また、赤外線が入射してヽなヽ場合の赤外線検出容量素子の容量値と、直列容量素子の容量値とにばらつきがある場合には、出力にオフセットを生じるため測定精度が低下してしまうと、う問題がある。オフセットによる測定精度の低下を防ぐためにォフセットを補正する回路を設けると、開口率がさらに低下してしまうという問題がある。

[0010] 本発明は、前記従来の問題を解決し、開口率を低下させることなぐ高い測定精度を有する赤外線センサを実現できるようにすることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0011] 前記の目的を達成するため、本発明は、赤外線センサを複数の赤外線検出容量素子が共通の直列容量素子と参照容量素子とに接続されている構成とする。

[0012] 具体的に本発明に係る赤外線センサは、それぞれが行列状に配置されており、出力線と、該出力線と接地との間にスィッチ素子を介して接続された参照容量素子及び入射した赤外線の強度に応じた容量値を示す複数の赤外線検出容量素子とを含む複数の参照画素単位と、それぞれが各参照画素単位と対応して設けられ、出力線と電源との間に接続された複数の直列容量素子とを備えていることを特徴とする。

[0013] 本発明の赤外線センサによれば、赤外線検出容量素子を含む各参照画素単位と対応して直列容量素子が設けられているため、赤外線検出容量素子に対する直列容量素子の占有面積を小さく抑えることができる。従って、開口率を向上させることができる。また、参照画素単位は、参照容量素子を含むため、参照容量素子を用いることによりオフセットの影響を低減し、測定精度を向上させることが可能である。さらに、複数の赤外線検出容量素子に対して参照容量素子は 1つであるため、参照容量素子による開口率の低下も抑えることができる。

[0014] 本発明の赤外線センサにおいて、参照容量素子の容量値と、直列容量素子の容量値と、赤外線が入射して、な、場合の赤外線検出容量素子の容量値とは等し、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の影響を確実に低減できる。

[0015] 本発明の赤外線センサでは、参照画素単位において、参照容量素子及び赤外線検出容量素子は 1次元状に配列されて、ることが好ま、。

[0016] 本発明の赤外線センサでは、参照画素単位において、参照容量素子及び赤外線検出容量素子は 2次元状に配列されて、ることが好ま、。

[0017] 本発明の赤外線センサにおいて、各直列容量素子は、赤外線が入射する画素エリァの外側の領域に設けられて、ることが好ま U、。

[0018] 本発明の赤外線センサにおいて、各直列容量素子及び各参照容量素子は、赤外線が入射する画素エリアの外側の領域に設けられて、ることが好ま、。このような構成とすることにより、直列容量素子及び参照容量素子による開口率の低下を確実に避けることができる。

[0019] 本発明の赤外線センサにおいて、複数の参照容量素子は、画素エリアを挟んで両側にそれぞれ設けられた第 1の参照容量素子形成領域又は第 2の参照容量素子形成領域にそれぞれ形成され、第 1の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる各赤外線検出容量素子は、画素エリアの第 1 の参照容量素子形成領域側に形成されており、第 2の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる各赤外線検出容量素子は、画素エリアの第 2の参照容量素子形成領域側に形成されていることが好ましい。また、この場合において、各直列容量素子は、画素エリアの外側の領域における各直列容量素子と対応する参照容量素子と同じ側に形成され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。直列容量素子及び参照容量素子と赤外線検出容量素子との距離を短くすることができるので、測定精度を向上去ることが可能となる。

[0020] 本発明の赤外線センサにおいて、参照容量素子と出力線との間に接続されたスィツチをオン状態として、直列容量素子と参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の出力線の電位を基準電位とし、所定の赤外線検出容量素子と出力線との間に接続されたスィッチをオン状態として、直列容量素子と所定の赤外線検出容量素子との間に所定の電圧を印カロした際の出力線の電位を検出電位とし、基準電位と検出電位との電位差を、所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力することが好ましい。このような構成とすることにより、オフセットの影響を低減できるため、測定精度を向上させることが可能となる。

[0021] 本発明の赤外線センサにおいて、参照容量素子と出力線との間に接続されたスィツチをオン状態として、直列容量素子と参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の出力線の電位を基準電位とし、所定の赤外線検出容量素子と出力線との間に接続されたスィッチをオン状態として、直列容量素子と所定の赤外線検出容量素子との間に所定の電圧を印カロした際の出力線の電位を検出電位とし、基準電位と検出電位との電位差を、所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力し、参照容量素子の周囲に配置され、参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる複数の赤外線検出容量素子の出力信号を用いて、参照容量素子が配置された部分に入射した赤外線の強度を算出することが好ましい。このような構成とすることにより、データの欠落を抑えることができるため、鮮明な赤外画像を得ることが可能となる。

[0022] 本発明に係る赤外線センサの駆動方法は、出力線と、該出力線と接地との間にそれぞれスィッチ素子を介して接続された参照容量素子及び入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する複数の赤外線検出容量素子とを含む参照画素単位と、出力線と電源との間に接続された直列容量素子とを備えた赤外線センサの駆動方法を対象とし、参照画素単位に含まれる各赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を順次出力するステップ (a)を備え、ステップ (a)は、参照容量素子と接続されたスィッチ素子をオン状態として、参照容量素子と出力線とを電気的に接続した後、参照容量素子と直列容量素子との間に所定の電圧を印加することにより、出力線に基準電位を読み出すステップ (al)と、ステップ (al)よりも後に、複数の赤外線検出容量素子のうちの一の赤外線検出容量素子と接続されたスィッチ素子をオン状態として、一の赤外線検出容量素子を出力線と電気的に接続した後、一の赤外線検出容量素子と直列容量素子との間に所定の電圧を印加することにより、出力線に検出電位を読み出すステップ (a2)と、ステップ (al)及びステップ (a2)よりも後に、基準電位と検出電位との電位差の値を求め、求めた電位差の値を一の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度の値として出力するステップ (a3)とを含むことを特徴とする。

[0023] 本発明の赤外線センサの駆動方法によれば、開口率を向上させるために複数の赤外線検出容量素子に対して 1つの参照容量素子が設けられている赤外線センサにぉ、ても、オフセットの影響を低減し正確な赤外線の強度を測定することが可能となる。

[0024] 本発明の赤外線センサの駆動方法において、参照容量素子及び赤外線検出容量素子は、赤外線が入射する画素エリアに形成されており、駆動方法はステップ (a)よりも後に、複数の赤外線検出容量素子のうち参照容量素子と隣接して配置された赤外線容量素子に入射した赤外線の強度の値に基づいて、画素エリアにおける参照容量素子が配置された部分に入射した赤外線の強度の値を算出するステップ (b)をさらに備えて、ることが好まし、。

[0025] 本発明の赤外線センサの駆動方法によればステップ (b)は、参照容量素子と隣接して配置された赤外線容量素子に入射した赤外線の強度の値の平均値を求めるステツプであることが好まし!/、。

発明の効果

[0026] 本発明の赤外線センサによれば、開口率を低下させることなぐ高い検出精度を有する赤外線センサを実現できる。図面の簡単な説明

[0027] [図 1]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レイアウト図である。

[図 2]図 2は本発明の第 1の実施形態に係る赤外線センサの参照画素単位及び周辺回路部分を示す回路図である。

[図 3]図 3は本発明の第 1の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミング図である。

[図 4]図 4は本発明の第 1の実施形態に係る赤外線センサの参照容量素子部分の赤外線強度を算出する方法を示す図である。

[図 5]図 5は本発明の第 2の実施形態に係る赤外線センサを示すレイアウト図である。

[図 6]図 6は本発明の第 2の実施形態に係る赤外線センサの参照画素単位及び周辺回路部分を示す回路図である。

[図 7]図 7は本発明の第 2の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミング図である。

[図 8]図 8は本発明の第 2の実施形態に係る赤外線センサの参照容量素子部分の赤外線強度を算出する方法を示す図である。

[図 9]図 9は本発明の第 2の実施形態に係る赤外線センサの参照画素単位及び周辺回路部分の別の例を示す回路図である。

[図 10]図 10は本発明の第 2の実施形態の一変形例に係る赤外線センサを示すレイアウト図である。

[図 11]図 11は本発明の第 2の実施形態の一変形例に係る赤外線センサの別の例を示すレイアウト図である。

[図 12]図 12は従来例に係る赤外線センサを示す回路図である。

[図 13]図 13は従来例に係る赤外線センサの駆動信号を示すグラフである。

符号の説明

[0028] 1 画素エリア

2 参照画素単位

2A 参照画素単位

2B 参照画素単位 C 参照画素単位

参照容量素子形成領域

2 赤外線検出容量素子

2a 赤外線検出容量素子

2b 赤外線検出容量素子

2c 赤外線検出容量素子

3 参照容量素子

4 直列容量素子

5 直列容量素子制御スィッチ6 赤外線検出容量素子制御スィッチ6a 赤外線検出容量素子制御スィッチ6b 赤外線容量素子制御スィッチ6c 赤外線検出容量素子制御スィッチ7 参照容量素子制御スィッチ8 バイアス制御スィッチ

0 垂直シフトレジスタ

1 論理和回路

2 論理積回路

3 論理積回路

0 出力線

0A 出力線

0B 出力線

0C 出力線

1 赤外線検出容量素子制御線1A 赤外線検出容量素子制御線1B 赤外線検出容量素子制御線1C 赤外線検出容量素子制御線2 参照容量素子制御線 33 参照容量素子選択線

34 赤外線検出容量素子選択線

35 電源線

37 バイアス制御線

41 出力ノード

42 垂直シフトレジスタの出力端子

43 垂直シフトレジスタの出力端子

44 垂直シフトレジスタの出力端子

45 バイアス端子

発明を実施するための最良の形態

[0029] (第 1の実施形態）

本発明の第 1の実施形態について図面を参照して説明する。図 1は第 1の実施形態に係る赤外線センサのレイアウトを示して、る。図 1に示すように赤外線が入射する画素エリア 1には、複数の参照画素単位 2が 2次元のマトリックス状に配置されている。画素エリア 1の外側には、後で述べる直列容量素子及び周辺回路等が設けられている。

[0030] 各参照画素単位 2は、複数の赤外線検出容量素子 12と、 1つの参照容量素子 13 とを含んでおり、赤外線検出容量素子 12と参照容量素子 13とは合わせて 2次元のマトリックス状に配置されて、る。

[0031] 図 2は本実施形態の赤外線センサにおける 1つの参照画素単位 2とその周辺回路とを抜き出して、回路構成を示している。図 2に示すように参照画素単位 2は、 1個の参照容量素子 13と 8個の赤外線検出容量素子 12とが、 3行 3列のマトリックス状に配置されている。

[0032] 本実施形態において、参照容量素子 13はマトリックスの中央である 2行 2列目に設けられている。参照容量素子 13の一方の端子は接地されており、他方の端子は、トランジスタである参照容量素子制御スィッチ 17を介して、 2行目の出力線 30と接続されている。各赤外線検出容量素子 12の一方の端子は接地されており、他方の端子は、トランジスタである赤外線検出容量素子制御スィッチ 16を介して各赤外線検出容量素子 12が設けられて、る行の出力線 30とそれぞれ接続されて、る。

[0033] 各行の出力線 30は、共通に接続され、出力ノード 41が形成されている。また、各行の出力線 30は、直列容量素子制御スィッチ 15を介して共通に接続され、直列容量素子 14の一方の端子と接続されている。各出力線 30にそれぞれ設けられたトランジスタである直列容量素子制御スィッチ 15は独立して制御可能であり、各直列容量素子制御スィッチ 15の制御端子は制御線 36A、制御線 36B及び制御線 36Cとそれぞれ接続されている。

[0034] 直列容量素子 14の容量値と、参照容量素子 13の容量値と、赤外線検出容量素子 12に赤外線が入射して、な、場合の容量値とは、実質的に等しく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。

[0035] 直列容量素子 14の他方の端子は、電源線 35と接続されて、る。また、直列容量素子 14と各直列容量素子制御スィッチ 15との間には、バイアス制御スィッチ 18を介してノィァス端子 45が接続されており、所定のバイアス電圧を印加することができる。バイアス制御スィッチ 18は、バイアス制御線 37により駆動される。

[0036] 参照容量素子制御スィッチ 17の制御端子は、参照容量素子制御線 32と接続されており、各赤外線検出容量素子制御スィッチ 16の制御端子は、列ごとに設けられた赤外線検出容量素子制御線 31とそれぞれ接続されている。

[0037] 参照容量素子制御線 32は、論理積回路 22の出力端子と接続されており、論理積回路 22の各入力端子は、参照容量素子選択線 33及び論理和回路 21の出力端子とそれぞれ接続されている。論理和回路 21の各入力端子は、 3段の垂直シフトレジスタ 20の 1段目の出力端子 42、 2段目の出力端子 43及び 3段目の出力端子 44とそれぞれ接続されている。

[0038] 各列に設けられた赤外線検出容量素子制御線 31は、列ごとに設けられた論理積回路 23の出力端子とそれぞれ接続されており、各論理積回路 23の入力端子の一方は、赤外線検出容量素子選択線 34と接続され、他方は垂直シフトレジスタ 20の出力端子 42、出力端子 43及び出力端子 44の、ずれか 1つと接続されて!、る。

[0039] 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 3は図 2に示した参照画素単位 2及び周辺回路の動作タイミングを示している。

[0040] まず、期間 T1の期間 tlにおいて垂直シフトレジスタ 20の 1段目の出力端子 42の電圧が" H"レベルとなる。これにより論理和回路 21の入力端子に" H"レベルの信号が印加されるため論理和回路 21の出力は" H"レベルとなる。

[0041] tlにおいて、参照容量素子選択線 33の電圧も" H"レベルとなるため、論理積回路 22の出力と接続された参照容量素子制御線 32の電圧は" H"レベルとなる。これにより参照容量素子制御スィッチ 17が導通状態となり、参照容量素子 13と 2行目の出力線 30とが接続される。また、制御線 36Bの電圧力 'Η"レベルとなるから 2行目の直列容量素子制御スィッチ 15が導通状態となる。これにより、直列容量素子 14と参照容量素子 13とが接続される。

[0042] 期間 taにおいてバイアス制御線 37に" Η"レベルの電圧が印加されるためバイアス制御スィッチ 18が導通状態となる。これにより、バイアス電圧が直列容量素子 14と参照容量素子 13との接続点に印加される。従って、出力ノード 41にバイアス電圧 (V

bias

)が出力される。

[0043] 次に期間 tbにおいて電源線 35が" L"レベルから" H"レベルに立ち上がる。これにより直列容量素子 14と参照容量素子 13との中間の電位が出力ノード 41に出力される。直列容量素子 14と参照容量素子 13の容量値は等しいため、出力ノード 41には、電源線 35の電圧の 2分の 1の電圧にバイアス電位が加算された電位である Vが出力される。この Vを基準電位として用いる。

[0044] 期間 T1の期間 t2において参照容量素子選択線 33の電圧が" L"レベルとなるため論理積回路 22の出力が" L"レベルとなり参照容量素子制御スィッチ 17が非導通状態となる。代わって、赤外線検出容量素子選択線 34の電圧力 ' H"レベルとなるため、論理積回路 23の出力力 H"レベルとなる。従って、 1列目の各赤外線検出容量素子制御スィッチ 16がそれぞれ導通状態となり、 1列目に設けられた各赤外線検出容量素子 12と各出力線 30とがそれぞれ接続される。また、制御線 26Aの電圧が" H"レベルとなるため、 1行目の直列容量素子制御スィッチ 15が導通状態となる。これにより直列容量素子 14と 1行 1列目の赤外線検出容量素子 12とが接続される。

[0045] 期間 taにおいてバイアス制御線 37に" H"レベルの電圧が印加されるためバイアス制御スィッチ 18が導通状態となる。これにより、バイアス電圧が直列容量素子 14と参照容量素子 13の接続点に印加される。従って、出力ノード 41にバイアス電圧 (V )

bias が出力される。

[0046] 次に、期間 tbにおいて電源線 35が" L"レベルから" H"レベルに立ち上がる。これにより直列容量素子 14と参照容量素子 13との中間の電位が出力ノード 41に出力される。赤外線検出容量素子 12の容量値は入射する赤外線の強度によって異なるため、出力ノード 41には、赤外線検出容量素子 12に入射する赤外線の強度に応じて、電源線 35の電圧の 2分の 1よりも小さい電圧にバイアス電圧が加算された電位である Vが出力される。この Vを検出電位とし、基準電位 Vと検出電位 Vとの差を求め

2 2 1 2

、これを 1行 1列目の赤外線検出容量素子 12に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力する。

[0047] 以下、同様にして期間 t3において得られた基準電位 Vと期間 t4において得られた検出電位から 1行 2列目の赤外線検出容量素子 12に入射した赤外線の強度が得られ、期間 t5において得られた基準電位 Vと期間 t6において得られた検出電位から 1 行 3列目の赤外線検出容量素子 12に入射した赤外線の強度が得られる。同様に期間 T2では 2行目の各赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度が得られ、期間 T3では 3行目の各赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度が得られる。

[0048] 本実施形態の赤外線センサは、直列容量素子を 8個の赤外線検出容量素子に対して共通に設けている。このため直列容量素子の占有面積を大幅に削減することができる。また、このように直列容量素子を共通とすることにより、直列容量素子を赤外線の入射領域である画素エリアの外に設けることが可能となる。これにより、直列容量素子による開口率の低下の低下をほとんどなくすことができる。

[0049] 誘電型ポロメータの場合、直列容量素子の容量値と赤外線検出容量素子の容量値との差によって赤外線の強度を検出している。このため、直列容量素子の容量値と赤外線検出容量素子における赤外線が入射して!/ヽな!ヽ場合の容量値とを一致させる必要がある。直列容量素子を複数の赤外線検出容量素子に共通とする場合には、各赤外線検出容量素子同士の容量値も一致させる必要がある。しかし、赤外線検出容量素子の製造する際には、膜厚等のばらつきが必ず生じるため、各赤外線検出容量素子の容量値には必ず一定のばらつきが含まれる。このため、単純に直列容量素子を共通とした場合には、赤外線検出容量素子ごとに異なるオフセット電位が発生するので、測定精度が低下してしまう。しかし、本実施形態の赤外線センサにおいては、参照容量素子を設け参照容量素子と直列容量素子とを用いて基準電位を求め、基準電位と検出電位との差を用いて赤外線の強度を検出している。このため、赤外線検出容量素子同士の容量値のばらつきの影響を抑え、精度よく赤外線の強度を検出することができる。

[0050] また、本実施形態の赤外線センサは、参照容量素子も 8個の赤外線検出容量素子に対して共通に設けている。従って、参照容量素子による開口率の低下も、小さく抑えることができる。

[0051] また、以下のようにして参照容量素子が形成されている部分における赤外線の強度を擬似的に求めることも可能である。

[0052] 図 4は 1つの 3行 3列のマトリックスに構成された参照画素単位 2のレイアウトを擬似的に示している。この場合に、参照容量素子 13は、 3行 3列のマトリックスの中心である 2行目の 2列目に配置されている。 8個の赤外線検出容量素子 12によって検出された赤外線の強度をそれぞれ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 hとすると、参照容量素子 13の部分における赤外線強度を、例えば隣接する行方向の 2個及び列方向の 2個の計 4個の赤外線検出容量素子が検出した強度を平均して (b + d+e+g) Z4として求めればよい。

[0053] また、隣接する 8個の赤外線検出容量素子 12の平均として（a + b + c + d + e + f+ g+h) Z8としてもよぐ隣接する赤外線検出容量素子 12に重み付け平均をして、行方向の 2個及び列方向の 2個の計 4個の赤外線検出容量素子 12についての係数を α、対角方向の 4個の赤外線検出容量素子 12についての係数を |8とし、 { α X (b + d+e+g) + j8 X (a + c+f +h) }/8として求めてもよい。

[0054] 以上説明したように、本実施形態の赤外線センサは、検出精度を低下させることなく、開口率を向上させることができる。

[0055] なお、本実施形態において参照画素単位を構成するマトリックスのサイズを 3行 3列としたが、マトリックスのサイズは任意に変更して力まわない。また、参照容量素子をマトリックスの中央となる 2行目の 2列目に配置した力この位置も任意に変更してかまわない。

[0056] (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面を参照して説明する。図 5は第 2の実施形態に係る赤外線センサのレイアウトを示している。図 5に示すように赤外線が入射する画素エリア 1には、複数の参照画素単位 2が 2次元のマトリックス状に配置されている。各参照画素単位 2は、複数の赤外線検出容量素子 12と、 1つの参照容量素子 13とを含んでいる。赤外線検出容量素子と参照容量素子とは、合わせて 1次元の配列を構成している。

[0057] 図 6は本実施形態に係る赤外線センサの参照画素単位 2のうち参照画素単位 2A、参照画素単位 2B及び参照画素単位 2Cとその周辺回路とを抜き出して回路構成を示している。図 6に示すように各参照画素単位 2は、 1個の参照容量素子 13と赤外線検出容量素子 12a及び赤外線検出容量素子 12bとが、 1次元の配列を構成している

[0058] 参照画素単位 2Aに含まれる参照容量素子 13の一方の端子は接地されており、他方の端子は、参照容量素子制御スィッチ 17を介して、出力線 30Aと接続されている。赤外線検出容量素子 12a及び赤外線検出容量素子 12bの一方の端子はそれぞれ接地されており、他方の端子は、赤外線検出容量素子制御スィッチ 16a及び赤外線検出容量素子制御スィッチ 16bを介して出力線 30Aとそれぞれ接続されている。

[0059] 同様にして参照画素単位 2Bに含まれる参照容量素子 13と赤外線検出容量素子 1 2a及び赤外線検出容量素子 12bとは出力線 30Bと接続され、参照画素単位 2Cに含まれる参照容量素子 13と赤外線検出容量素子 12a及び赤外線検出容量素子 12 bとは出力線 30Cと接続されている。

[0060] 出力線 30A、出力線 30B及び出力線 30Cの一方の端は直列容量素子 14の一方の端子とそれぞれ接続されている。各直列容量素子 14の他方の端子は、電源線 35 とそれぞれ接続されている。また、出力線 30A、出力線 30B及び出力線 30Cには、ノィァス制御スィッチ 18を介してバイアス端子 45がそれぞれ接続されており、所定の電圧を印加することができる。各バイアス制御スィッチ 18は、ノィァス制御線 37により駆動される。

[0061] 各参照容量素子制御スィッチ 17の制御端子は、参照容量素子制御線 32とそれぞれ接続されている。各赤外線検出容量素子制御スィッチ 16aの制御端子は、赤外線検出容量素子制御線 31Aとそれぞれ接続されており、各赤外線検出容量素子制御スィッチ 16bの制御端子は、赤外線検出容量素子制御線 31Bとそれぞれ接続されて参照容量素子制御線 32は、論理積回路 22の出力端子と接続されており、論理積回路 22の各入力端子は、参照容量素子選択線 33及び論理和回路 21の出力端子とそれぞれ接続されている。論理和回路 21の各入力端子は、 2段の垂直シフトレジスタ 20の 1段目の出力端子 42及び 2段目の出力端子 43とそれぞれ接続されている。

[0062] 赤外線検出容量素子制御線 31Aは、論理積回路 23の出力端子と接続されており、論理積回路 23の入力端子の一方は、赤外線検出容量素子選択線 34と接続され、他方は垂直シフトレジスタ 20の出力端子 42と接続されている。赤外線検出容量素子制御線 31Bは、論理積回路 23の出力端子と接続されており、論理積回路 23の入力端子の一方は、赤外線検出容量素子選択線 34と接続され、他方は垂直シフトレジスタ 20の出力端子 43と接続されている。

[0063] 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 7は図 2に示した参照画素単位 2及び周辺回路の動作タイミングを示している。

[0064] まず、期間 T1の期間 tlにおいて垂直シフトレジスタ 20の 1段目の出力端子 42の電圧を" H"レベルとする。これにより論理和回路 21の入力端子に" H"レベルの信号が印加されるため論理和回路 21の出力は" H"レベルとなる。

[0065] tlにおいて、参照容量素子選択線 33の電圧も" H"レベルとなるため、論理積回路 22の出力と接続された参照容量素子制御線 32の電圧は" H"レベルとなる。これにより各参照容量素子制御スィッチ 17が導通状態となる。これにより、各直列容量素子 1 4と各参照容量素子 13とが接続される。

[0066] 期間 taにおいてバイアス制御線 37に" H"レベルの電圧が印加されるため各バイァス制御スィッチ 18が導通状態となる。これにより、バイアス電圧 (V )が各直列容量

bias

素子 14と各参照容量素子 13との接続点に印加される。従って、出力線 30A、出力線 30B及び出力線 30Cの電圧はいずれも V となる。 [0067] 次に期間 tbにおいて電源線 35が" L"レベルから" H"レベルに立ち上がる。これにより直列容量素子 14と参照容量素子 13との中間の電位が出力ノード 41に出力される。直列容量素子 14と参照容量素子 13の容量値は等しいため、出力線 30A、出力線 30B及び出力線 30Cには、電源線 35の電圧の 2分の 1の電圧にバイアス電位が加算された電位である Vがそれぞれ出力される。この Vを基準電位として用いる。

[0068] 期間 T1の期間 t2において参照容量素子選択線 33の電圧が" L"レベルとなるため論理積回路 22の出力が" L"レベルとなり参照容量素子制御スィッチ 17が非導通状態となる。代わって、赤外線検出容量素子選択線 34の電圧力 ' H"レベルとなるため、論理積回路 23の出力力 H"レベルとなる。従って、赤外線検出容量素子制御線 3 1 Aの電圧が "H"レベルとなり、各赤外線検出容量素子制御スィッチ 16aが導通状態となる。これにより各直列容量素子 14と各赤外線検出容量素子 12aとが接続される。

[0069] 期間 taにおいてバイアス制御線 37に" H"レベルの電圧が印加されるためバイアス制御スィッチ 18が導通状態となる。これにより、バイアス電圧が直列容量素子 14と参照容量素子 13の接続点に印加される。従って、出力線 30A、出力線 30B及び出力線 30Cの電圧はいずれも V となる。

bias

[0070] 次に、期間 tbにおいて電源線 35が" L"レベルから" H"レベルに立ち上がる。これにより各直列容量素子 14と赤外線検出容量素子 12aとの中間の電位が出力線 30A 、出力線 30B及び出力線 30Cにそれぞれ出力される。赤外線検出容量素子 12aの容量値は入射する赤外線の強度によって異なるため、出力線 30A、出力線 30B及び出力線 30Cには、赤外線検出容量素子 12aに入射する赤外線の強度に応じて、電源線 35の電圧の 2分の 1よりも小さい電圧にバイアス電圧が加算された電位である Vが出力される。この Vを検出電位とし、基準電位 Vと検出電位 Vとの差を求め、こ

2 2 1 2

れを赤外線検出容量素子 12aに入射した赤外線の強度として出力する。

[0071] 同様にして期間 T2において、赤外線検出容量素子 12bに入射した赤外線の強度を検出することができる。

[0072] 本実施形態の赤外線センサは、参照画素単位内において赤外線検出容量素子と参照容量素子とを 1次元に配列している。このため、第 1の実施形態の赤外線センサと比べて赤外線検出容量素子の読み出しを高速に行うことができる。 [0073] また、本実施形態の赤外線センサにおいても、第 1の実施形態の赤外線センサと同様に、参照容量素子が形成されている部分における赤外線の強度を擬似的に求めることも可能である。この場合には、図 8に示すように参照容量素子の両側に配置された 2個の赤外線検出容量素子の検出値を平均すればよい。また、重み付け平均をしてちよい。

[0074] また、本実施形態においては、参照容量素子を 2個の赤外線検出容量素子の間に配置する構成とした力図 9に示すように参照容量素子の位置を変更しても力まわない。

[0075] なお、本実施形態において、参照画素単位を 2個の赤外線検出容量素子と 1個の参照容量素子とにより構成したが、参照画素単位に含まれる赤外線検出容量素子の数は任意に増やすことができる。

[0076] (第 2の実施形態の一変形例）

以下に、本発明の第 2の実施形態の一変形例について図面を参照して説明する。図 10は本変形例に係る赤外線センサのレイアウトを示している。図 10に示すように本変形例の赤外線センサは、画素エリア 1には画素参照単位 2のうちの赤外線検出容量素子 12の部分のみが形成されており、参照容量素子 13は画素エリア 1の外側に設けられた参照容量素子形成領域 3に形成されて!ヽる。このようにすることにより、参照容量素子 13により開口率が低下することを防ぐことができる。

[0077] このように、参照容量素子 13を画素エリア 1の外に設けられた参照容量素子形成領域 3に配置することにより、画素エリア 1にはすべて赤外線検出容量素子 12が配置される。従って、画素エリア 1の全体について入射する赤外線の強度が得られる。なお、回路構成及び動作については、第 2の実施形態の赤外線センサとほぼ同じであるため説明を省略する。

[0078] また、図 11に示すように参照容量素子形成領域 3を画素エリア 1の両側に配置してもよい。このようにすることにより、画素エリア 1に設けることができる参照画素単位 2の数を増やすことができる。従って、画素エリア 1に含まれる赤外線検出容量素子 12の数を減らすことなぐ 1つの参照画素単位 2に含まれる赤外線検出容量素子 12の数を減らすことができる。その結果、読み出し速度を向上させることが可能となる。 [0079] また、画素エリア 1の一方の側にのみ参照容量素子 13を設けた場合と比べて、赤外線検出容量素子 12と参照容量素子 13との距離を短くすることができるので、検出精度をより向上させることができる。

[0080] この場合、直列容量素子 14も参照容量素子 13と同じ側に設けることにより、直列容量素子 14と参照容量素子 13及び赤外線検出容量素子 12との距離を短くすることができるので、検出精度をより向上させることができる。

産業上の利用可能性

[0081] 本発明の赤外線センサは、開口率を低下させることなぐ高い検出精度を有する赤外線センサを実現でき、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等として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] それぞれが行列状に配置されており、出力線と、該出力線と接地との間にスィッチ素子を介して接続された参照容量素子及び入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する複数の赤外線検出容量素子とを含む複数の参照画素単位と、

それぞれが前記各参照画素単位と対応して設けられ、前記出力線と電源との間に接続された複数の直列容量素子とを備えて!/、る赤外線センサ。

[2] 前記参照容量素子の容量値と、前記直列容量素子の容量値と、赤外線が入射して Vヽな!ヽ場合の前記赤外線検出容量素子の容量値とは等ヽ請求項 1に記載の赤外線センサ。

[3] 前記参照画素単位において、前記参照容量素子及び赤外線検出容量素子は 1次元状に配列されて!ヽる請求項 1に記載の赤外線センサ。

[4] 前記参照画素単位において、前記参照容量素子及び赤外線検出容量素子は 2次元状に配列されて!ヽる請求項 1に記載の赤外線センサ。

[5] 前記各直列容量素子は、赤外線が入射する画素エリアの外側の領域に設けられて

V、る請求項 1に記載の赤外線センサ。

[6] 前記各直列容量素子及び各参照容量素子は、赤外線が入射する画素エリアの外側の領域に設けられて、る請求項 1に記載の赤外線センサ。

[7] 前記各参照容量素子は、前記画素エリアを挟んで両側にそれぞれ設けられた第 1 の参照容量素子形成領域及び第 2の参照容量素子形成領域にそれぞれ形成され、前記第 1の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる前記各赤外線検出容量素子は、前記画素エリアの前記第 1の参照容量素子形成領域側に形成されており、

前記第 2の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる前記各赤外線検出容量素子は、前記画素エリアの前記第 2の参照容量素子形成領域側に形成されている請求項 6に記載の赤外線センサ。

[8] 前記各直列容量素子は、前記画素エリアの外側の領域における前記各直列容量素子と対応する前記参照容量素子と同一の側に形成されている請求項 7に記載の赤外線センサ。

[9] 前記参照容量素子と前記出力線との間に接続されたスィッチ素子をオン状態として、前記直列容量素子と前記参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の前記出力線の電位を基準電位とし、

所定の前記赤外線検出容量素子と前記出力線との間に接続されたスィッチ素子をオン状態として、前記直列容量素子と前記所定の赤外線検出容量素子との間に所定の電圧を印加した際の前記出力線の電位を検出電位とし、

前記基準電位と前記検出電位との電位差を、前記所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力する請求項 1に記載の赤外線センサ。

[10] 前記参照容量素子と前記出力線との間に接続されたスィッチ素子をオン状態として、前記直列容量素子と前記参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の前記出力線の電位を基準電位とし、

前記基準電位と前記検出電位との電位差を、前記所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力し、

前記参照容量素子の周囲に配置され、前記参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる前記複数の赤外線検出容量素子の出力信号を用いて、前記参照容量素子が配置された部分に入射した赤外線の強度を算出する請求項 1に記載の赤外線センサ。

[11] 出力線と、該出力線と接地との間にそれぞれスィッチ素子を介して接続された参照容量素子及び入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する複数の赤外線検出容量素子とを含む参照画素単位と、前記出力線と電源との間に接続された直列容量素子とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、

前記参照画素単位に含まれる前記各赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を順次出力するステップ (a)を備え、

前記ステップ (a)は、前記参照容量素子と接続された前記スィッチ素子をオン状態として、前記参照容量素子と前記出力線とを電気的に接続した後、前記参照容量素子と前記直列容量素子との間に所定の電圧を印加することにより、前記出力線に基準電位を読み出すステップ（al)と、

前記ステップ (al)よりも後に、前記複数の赤外線検出容量素子のうちの一の赤外線検出容量素子と接続された前記スィッチ素子をオン状態として、前記一の赤外線検出容量素子を前記出力線と電気的に接続した後、前記一の赤外線検出容量素子と前記直列容量素子との間に所定の電圧を印加することにより、前記出力線に検出電位を読み出すステップ (a2)と、

前記ステップ (al)及びステップ (a2)よりも後に、前記基準電位と前記検出電位との電位差の値を求め、求めた電位差の値を前記一の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度の値として出力するステップ (a3)とを含む赤外線センサの駆動方法。

[12] 前記参照容量素子及び赤外線検出容量素子は、赤外線が入射する画素エリアに形成されており、

前記ステップ (a)よりも後に、前記複数の赤外線検出容量素子のうち前記参照容量素子と隣接して配置された赤外線容量素子に入射した赤外線の強度の値に基づいて、前記画素エリアにおける前記参照容量素子が配置された部分に入射した赤外線の強度の値を算出するステップ (b)をさらに備えて、る請求項 11に記載の赤外線センサの駆動方法。

[13] 前記ステップ (b)は、前記参照容量素子と隣接して配置された赤外線容量素子に入射した赤外線の強度の値の平均値を求めるステップである請求項 12に記載の赤外線センサの駆動方法。