JP2008022315A - 熱型赤外線検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らした高感度の熱型赤外線検出回路を得ることを目的とする。
【解決手段】 赤外線及び温度に対して感度を有する熱型赤外線センサで構成された画素１がマトリクス状に配置され、温度に対して感度を有するが赤外線に対して感度を有しない参照画素２が画素１のマトリクスに隣接して列方向に配置されている。画素１からの電圧と、駆動線３と実質的に同一の抵抗を有し実質的に同一の電流が供給されるバイアス線１１の電圧との差を、差動増幅回路１４で増幅して赤外線による画素信号を読み出す。参照画素２からの電圧と等しい電圧をバイアス電圧回路３０が発生しバイアス線１１に与えるようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、入射赤外線による温度変化を２次元に配置された半導体センサで検出する赤外線固体撮像回路に関し、特に、半導体センサからの電気信号を増幅して出力する熱型赤外線検出回路に関する。

熱型赤外線撮像回路では、断熱構造を有する画素を２次元に配列し、赤外線の入射による画素の温度変化を電気信号に変換することで、対象物の赤外線画像を得ている。赤外線撮像回路の画素には、温度を検出する半導体センサとしてシリコンのＰＮ接合ダイオードが使われることがある。この画素の構造は例えば非特許文献１に示されている。図８（ａ）及び（ｂ）は従来の画素構造を示す断面図及び斜視図である。画素１において、温度センサとなるダイオード９０２は、２本の長い支持脚１１０１によってシリコン基板１１０２に設けられた中空部１１０３の上に支持されており、ダイオード９０２の電極配線１１０４が支持脚１１０１に埋め込まれている。ダイオード９０２は、感度を高めるために複数個が直列に接続されている。中空部１１０３は、ダイオード９０２とシリコン基板１１０２との間の熱抵抗を高めて、断熱構造を形成している。ダイオード９０２は、基板１１０２と独立した層にする必要があるので、ＳＯＩ基板を用いてＳＯＩ層上に形成されており、ＳＯＩ層下の埋め込み酸化膜は中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造１１０６が、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、支持脚１１０１の上方に張り出した構造となっている。尚、図８(ｂ)では下部の構造を判りやすくするため、図の前方の部分での赤外線吸収構造を除いて描いてある。

赤外線が画素１に入射すると、赤外線吸収構造１１０６で吸収され、上記の断熱構造により画素１の温度が変化し、温度センサとなるダイオード９０２の順方向電圧特性が変化する。このダイオード９０２の順方向電圧特性の変化量を、所定の検出回路で読み取るこ
とにより、入射した赤外線量に応じた出力信号を取出すことができる。ダイオードの検出電圧は１ｕＶのように微弱であり、１００倍程度に増幅する必要がある。一般的に、ダイオードや、ＭＯＳトランジスタは、微小電流や微弱電圧の揺らぎを伴っており、この揺らぎによるフリッカノイズ（１／ｆノイズとも呼ばれる）が発生するので、高感度で信号読み出しを行うには、信号読み出し系の回路自体でフリッカノイズの重畳を最小限に抑えることが重要である。また、２次元配置された画素から微弱な信号を単相入力の積分回路のみで増幅する場合には、（１）ダイオードに画素駆動電源電圧を与える駆動線の電圧降下によるオフセット分布の発生、（２）外部の環境温度によるノイズの重畳、（３）ダイオードの自己加熱で発生する熱によるノイズの重畳により、高感度の赤外線検出画像が得られなかった。これら３つの問題を解決した電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路は、例えば特許文献１に示されている。

図９は上記の３つの問題を解決するためになされた従来の電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路及び差動増幅器に相当する回路図である。１は赤外線吸収構造と断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、入射赤外線に対して感度を有する画素で、Ｍ行Ｎ列（Ｍ、Ｎは自然数）のマトリクス状に配置される。２は断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、赤外線に対して無感度の参照画素である。参照画素２は、入射する赤外線に関係無く、画素１が受ける環境による素子の温度変化及び自己加熱による温度変化と同等の温度変化を検出することができるように赤外線吸収構造を除いた構造となっている。赤外線吸収構造を有しない画素は、例えば、図８（ａ）（ｂ）の画素１において赤外線吸収構造１１０６の形成を省略されたものである。３は画素１の陽極及び参照画素２の陽極を行毎に共通接続した駆動線、４は画素１の陰極を列毎に共通接続した信号線、５は参照画素２の陰極を一列に共通接続した参照信号線、６は信号線４の終端部に接続された定電流源、７は参照信号線５の終端部に接続された定電流源、８は選択スイッチ９を介して画素駆動電源１０を駆動線３に順次接続する垂直走査回路、１１は駆動線３と抵抗が実質的に同一であるバイアス線、１００はバイアス線の一端に接続された電圧を供給するバイアス電源である。１２は信号線４毎に設けられた定電流源６と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線１１に接続される。従って、バイアス線１１の抵抗及び電流は駆動線３と実質的に同一なので、バイアス線１１の電圧も駆動線３の電圧と実質的に同一となる。１３は参照信号線５に設けられた定電流源７と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線１１に接続される。１０１は各画素列の信号線４毎に設けられ、定電流源６の両端子の電圧と定電流源１２の両端子の電圧が差動入力される差動増幅器、１０２は参照画素列に設けられ、定電流源７の両端子の電圧と定電流源１３の両端子の電圧が差動入力される差動増幅器、１０３は画素列毎に設けられた差動増幅器１０１の出力と差動増幅器１０２の出力が差動入力される差動増幅器である。１０４は差動増幅器１０３の出力を順次選択し、差動増幅器１０３の信号を積分回路で一定時間積分処理して出力する水平駆動回路である。

次に動作について説明する。まず、画素１に赤外線が入射していない状態を考える。垂直走査回路８によって順次選択される駆動線３は、選択スイッチ９を介して画素駆動電源１０が接続される。これに伴い画素１は定電流源６により一定電流で駆動され、順方向にバイアスされる。バイアス電源１００は垂直走査回路８の選択スイッチ９の制御信号と同期したパルスであり、バイアス線１１の電圧降下を考慮して、各列の差動増幅器１０１の差動入力端子対である反転端子と非反転端子間の電圧がほぼ同じになる電圧を出力する。このようにすることで、差動増幅器１０１は差動入力に差がほとんどない時の出力、即ち、準ゼロ基準電圧を出力する。参照画素２及び差動増幅器１０２は、画素１と差動増幅器１０１と同様の動作であり、準ゼロ基準電圧が出力される。差動増幅器１０３も差動増幅器１０１、１０２の出力がそれぞれの差動入力端子に入力されるので、バイアス電圧と画素駆動電圧との差を減算し、ゼロ基準電圧を出力する。

画素１に赤外線が入射すると、選択され一定電流で駆動されるダイオードは赤外線によって温度上昇し、ダイオードの順方向電圧はΔＶだけ低下するので、差動増幅器の非反転端子の電圧はΔＶだけ高くなる。一方、参照画素は赤外線が入射しても、赤外線に対して無感度なので、ダイオードの順方向電圧は変化しない。したがって、差動増幅器１０１の出力は準ゼロ基準電圧より高くなるが、差動増幅器１０２の出力は準ゼロ基準電圧から変化がないことから、差動増幅器１０３の出力はゼロ基準電圧より高くなる。この増幅信号を水平駆動回路で順次取り出して、１行分の赤外線検出信号を得る。駆動線を順次選択し、上記の読み出し動作を繰り返し、さらに全画素の赤外線検出信号を信号処理することで、対象物の赤外線画像を得る。

上記のように駆動線３と実質的に同一の電圧降下を有するバイアス線１１との信号を差動増幅器１０１で読み出すことで、上記（１）の問題を解決していた。さらに、参照画素でも検出する赤外線入射による温度変化以外の外部環境温度及び通電されることによるダイオードの自己加熱による温度を反映した参照画素信号を差動増幅器１０２で出力させ、差動積分回路１０３によって、画素１からの信号から差動増幅器１０２の出力を減算処理することで、上記（２）及び（３）の問題も解決していた。

特開２００４−３６４２４１号公報（図７） Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８ １９９９ ５５６頁から５６４頁（Ｆｉｇ．２）

上記のような従来の熱型赤外線検出回路では、上記（２）、（３）の問題を解決するために差動増幅器１０２とＮ個の差動増幅器１０３を追加していたので、これら多数の差動増幅器から発生するフリッカノイズが検出信号に重畳していた。従って画素信号の読み出しを高感度にできない問題点があった。

この発明は、上記（２）、（３）の問題を解決するための回路構成を簡単化し、それによって画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らした高感度の熱型赤外線検出回路を得ることを目的とする。

本発明の課題解決原理を説明する。図９に示す従来の熱型赤外線検出回路のバイアス線１１に上記（２）、（３）の問題を解決するための電圧である外部環境温度及び自己加熱による温度を反映した電圧を重畳させて、この電圧を差動増幅器１０１により画素１の検出電圧から減算するようにすれば、差動増幅器１０２、１０３は不要となる。参照画素２の電圧は外部環境温度及び自己加熱による温度を反映した電圧になっているが、この電圧が現れている参照信号線５をバイアス線１１に直接に接続することはできない。そこで、参照信号線５の電圧と同じ電圧を発生するバイアス電圧回路を構成し、この回路が発生した電圧をバイアス線１１に与えるようにした。

この発明は、上記（２）、（３）の問題を解決するために追加する回路を簡単化したので、画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らすことができ、高感度の赤外線検出画像が得られる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路の回路図である。実際の画素はＭ行Ｎ列（Ｍ、Ｎは自然数）の画素が配列されているが、説明を簡単化するために画素エリアに３行Ｎ列の画素と画素エリアに隣接して１列の参照画素を配置した図を示した。

図において、１は赤外線吸収構造と断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、入射赤外線に対して感度を有する画素で、画素エリアに３行Ｎ列のマトリクス状に配置される。２は断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、赤外線に対して無感度の参照画素で、画素エリアに隣接して１列配置される。３は画素１の陽極及び参照画素２の陽極を行毎に共通接続した駆動線、４は画素１の陰極を列毎に共通接続した信号線、５は参照画素２の陰極を一列に共通接続した参照信号線である。６は信号線４の終端部に接続された定電流源、７は参照信号線５の終端部に接続された定電流源である。８は選択スイッチ９を介して画素駆動電源１０を駆動線３に順次接続する垂直走査回路である。１１は駆動線３と実質的に同一の抵抗を有し、同一の電流が流れることにより同一の電圧降下を有するバイアス線である。１２は信号線４毎に設けられた定電流源６と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線１１に接続される。１３は参照信号線に設けられた定電流源７と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線１１に接続される。１４は各画素列の信号線４毎に設けられ、定電流源６の両端子の電圧と定電流源１２の両端子の電圧が差動入力され、一定時間積分増幅する差動積分回路である。１５は列毎の差動積分回路１４の出力を順次選択して出力する水平駆動回路である。

バイアス線１１にバイアス電圧を供給するバイアス電圧回路３０の構成及び接続について説明する。バイアス電圧回路３０は、バイアス線１１に駆動線３と同じ電圧降下を生じさせるための電源であり、且つ、参照画素２が発生した環境温度及び自己加熱による温度を反映した電圧を受けてこれと同じ電圧を発生してバイアス線１１に与える回路である。バイアス電圧回路３０は入力端子３０Ａの電圧と等しくなるように制御されたバイアス電圧を端子３０Ｂからバイアス線１１に供給する。１６はバイアス電圧回路３０の入力端子３０Ａから反転端子に印加される参照画素２からの信号電圧とバイアス線１１に供給されるバイアス電圧との電圧差を増幅する差動増幅器である。参照画素２からの信号電圧は、参照信号線５を経てバイアス電圧回路３０の入力端子３０Ａに入力される。１７は差動増幅器１６の出力信号で制御され、画素駆動電源１０からバイアス電圧としてバイアス電圧回路３０の出力端子３０Ｂに接続されたバイアス線１１へ出力する駆動トランジスタである。駆動トランジスタ１７が出力するバイアス電圧は差動増幅器１６の非反転端子に接続され、差動増幅器１６と駆動トランジスタ１７でフィードバックループを構成している。１８は駆動トランジスタ１７の出力に接続される容量である。

本実施の形態では、駆動トランジスタ１７はＰＭＯＳトランジスタであり、ゲート電極及びソース電極にはそれぞれ差動増幅器１６の出力及び画素駆動電源１０が接続され、ドレイン電極に差動増幅器１６の非反転端子に接続される。

図２は動作を説明する図で、図１に電圧モニター点を書き加えたものである。まず赤外線が入射していない場合を考える。Ｎ列目の画素１に注目して説明する。画素１に流れる電流をＩ１、画素駆動電源１０の電圧をＶｃｃ、選択スイッチ９の抵抗をＲｓｗ、Ｎ列までの駆動線の電圧降下をＶｒｎとする。定電流源６と定電流源７は実質的に同一の電流を流すので、参照画素２にも画素１と同じ電流Ｉ１が流れる。ノードＡ及びＢの電圧ＶＡ、ＶＢはそれぞれ、
ＶＡ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×（Ｎ＋１）×Ｒｓｗ （１）
ＶＢ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×（Ｎ＋１）×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ （２）
となる。入射赤外線がなく、ある素子温度における画素１のダイオードの順方向電圧をＶｎとすると、ノードＣの電圧ＶＣは、
ＶＣ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×（Ｎ＋１）×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ−Ｖｎ （３）
となる。次に参照画素２に注目して説明する。参照画素２に流れる電流は、画素１と同じ電流Ｉ１であるから、参照画素２のダイオードの順方向電圧もＶｎであり、バイアス電圧回路の入力端子３０Ａの電圧Ｖ（３０Ａ）は、
Ｖ（３０Ａ）＝Ｖｃｃ−Ｉ１×（Ｎ＋１）×Ｒｓｗ−Ｖｎ （４）
となる。出力端子３０Ｂの電圧Ｖ（３０Ｂ）は、後述するバイアス電圧回路によって、Ｖ（３０Ａ）と等しくなるように制御される。したがって、出力端子３０Ｂの電圧は（４）式で示したもと等しくなる。バイアス線１１の電圧降下は画素１の駆動線３と実質的に同一であるため、ノードＤの電圧ＶＤは、
ＶＤ＝Ｖ（３０Ｂ）−Ｖｒｎ＝Ｖ（３０Ａ）−Ｖｒｎ （５）
であり、これに（４）式を代入すると、
ＶＤ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×（Ｎ＋１）×Ｒｓｗ−Ｖｎ−Ｖｒｎ （６）
となり、ノードＣの電圧と等しくなる。これにより差動積分回路１４は赤外線非検出を示すゼロ基準電圧を出力し、水平駆動回路１５からもゼロ基準電圧が出力される。

次に、赤外線が入射された場合を考えると、赤外線によって画素１のダイオードが温められてダイオードの順方向電圧が低下する。この低下する電圧をΔＶ１とすると、画素１のダイオードの順方向電圧はＶｎ−ΔＶ１となる。Ｎ列目の差動積分回路のノードＣの電圧は、（３）式にΔＶ１を加えたものとなる。一方、参照画素２は赤外線に対して無感度なので、参照画素２のダイオードの順方向電圧はＶｎから変化しない。上述したように、バイアス電圧回路３０は参照画素２のダイオードの順方向電圧に基づいた電圧であるＶ（３０Ａ）と等しい電圧をバイアス電圧として出力する。このバイアス電圧は駆動線３と実質的に電圧降下の等しいバイアス線１１を介してＮ列目の差動積分回路に供給されるので、ノードＤの電圧は（６）式のままである。したがって、差動積分回路１４の差動入力端子対間にΔＶ１が印加され、このΔＶ１を積分増幅することで、駆動線の電圧降下によるオフセット分布と無関係に対象物の赤外線画像を得ることができる。したがって、本実施の形態は従来と同様に駆動線３と等しい電圧降下を有する駆動線１１により、駆動線の電圧降下によるオフセット分布をキャンセルした赤外線画像を得ることができる。

バイアス電圧回路３０の動作について説明する。バイアス電圧回路３０は差動増幅器１６の出力でＰＭＯＳトランジスタ１７を制御し、そのＰＭＯＳトランジスタ１７の出力が差動増幅器１６の非反転端子に入力されフィードバックループが構成されるので、非反転端子の電圧と反転端子の電圧は等しくなるように動作する。バイアス電圧回路３０の反転端子及び非反転端子はそれぞれ端子３０Ａ及び端子３０Ｂに接続されているので、Ｖ（３０Ａ）＝Ｖ（３０Ｂ）となる。まず、Ｖ（３０Ａ）＝Ｖ（３０Ｂ）＝Ｖｓ１となっている場合に、差動増幅器１６はＰＭＯＳトランジスタ１７がバイアス線１１に駆動線３と同じＩ１×（Ｎ＋１）の電流を供給するように、ＰＭＯＳトランジスタ１７のゲート電極に中間電位となる電圧Ｖｓｔを出力している。この定常状態から参照画素２が環境温度によって温められると、参照画素２の順方向電圧が下がり、その分だけ差動増幅器１６の反転端子に入力される電圧が非反転端子の入力電圧より上るので、差動増幅器１６の出力電圧は入力電圧差に応じて徐々に降下する。このときＰＭＯＳトランジスタ１７は、強くＯＮすることでＯＮ抵抗が低下するので、Ｖ（３０Ｂ）は徐々に上昇する。Ｖ（３０Ｂ）が上ると差動増幅器１６の入力電圧差が小さくなるので、差動増幅器１６の出力電圧は変化が小さくなりながら低くなる。このような動作を繰り返し、差動増幅器１６の出力電圧が一定値のＶｄｎになったところで、Ｖ（３０Ａ）＝Ｖ（３０Ｂ）＝Ｖｓ２となる。容量１８はＶ（３０Ｂ）が急激に変化して不安定になることを防いでいる。

参照画素２の順方向電圧が上がった場合は、差動増幅器１６の反転端子に入力される電圧が非反転端子の入力電圧より下がるので、差動増幅器１６の出力電圧は入力電圧差に応じて徐々に上昇する。このときＰＭＯＳトランジスタ１７は、弱くＯＮするようになることでＯＮ抵抗が上昇するので、Ｖ（３０Ｂ）は徐々に降下する。Ｖ（３０Ｂ）が下がると差動増幅器１６の入力電圧差が小さくなるので、差動増幅器１６の出力電圧は変化が小さくなりながら高くなる。このような動作を繰り返し、差動増幅器１６の出力電圧が一定値のＶｕｐになったところで、Ｖ（３０Ａ）＝Ｖ（３０Ｂ）＝Ｖｓ３となる。

したがって、バイアス電圧回路３０は、参照画素２が検出する温度によって変化する信号電圧に応じて、この参照画素２からの信号電圧とバイアス電圧を等しくなるように制御することができる。本実施の形態のバイアス電圧回路３０は、従来のバイアス電源が素子の温度と無関係な電圧を供給するのとは異なり、参照画素２が検出する温度を反映した電圧を供給することができる。

次に外部の環境温度とダイオードの自己加熱による温度によるノイズをキャンセルできることを説明する。まず赤外線が入射していない場合を考える。参照画素２は画素１から赤外線吸収構造を除いた構造となっているので、両画素のダイオードの温度が同一であれば、両画素のダイオードの順方向電圧も同一となる。画素１と参照画素２は同一チップ内にあるので、同一の環境温度であり、両画素のダイオードの順方向電圧は同一となる。また、画素１の自己加熱による熱は電流が継続して流れることで発生するので、本実施の形態のように画素１と参照画素２が同一のタイミングで同一の電流で駆動されることで、両画素の自己加熱による温度上昇は同一となる。これにより両画素のダイオードの順方向電圧も同一となる。ダイオードの順方向電圧は、温度が上昇しΔＶ２だけ低下すると、初期の順方向電圧ＶｎからＶｎ−ΔＶ２となる。画素１の信号を読み出すＮ列目の差動積分回路のノードＣの電圧は、（３）式にΔＶ２を加えたものとなる。一方、参照画素２からの信号電圧、即ち入力端子３０Ａの電圧Ｖ（３０Ａ）も（４）式にΔＶ２を加えたものとなる。差動増幅器１６の反転端子にも画素２からΔＶ２だけ増加した電圧が入力され、非反転端子の電圧よりΔＶ２だけ高くなるので、差動増幅器１６の出力は徐々に降下する。それに応じてＰＭＯＳトランジスタ１７のＯＮ抵抗が低下することで、非反転端子の電圧であるバイアス電圧もΔＶ２だけ増加して一定値となる。このようにＮ列目の差動積分回路のノードＤの電圧は（６）式にΔＶ２を加えたものとなるので、ノードＣの電圧とノードＤの電圧は等しくなる。したがって、差動積分回路１４で減算処理をすることで、外部の環境温度とダイオードの自己加熱による温度によるノイズをキャンセルすることができる。ノードＤの電圧はバイアス線１１の電圧降下、外部の環境温度及びダイオードの自己加熱を反映している。そして、この電圧をノードＣの電圧から差し引いた電圧を差動積分回路１４が積分することにより、駆動線３の電圧降下、外部の環境温度及びダイオードの自己加熱の影響を全てキャンセルできる。赤外線が入射した場合は、画素１だけが赤外線による温度変化を受けて、画素１のダイオードの順方向電圧だけが変化し、差動積分回路１４は差動入力端子対間の電圧差に応じて積分増幅するので、環境温度とダイオードの自己加熱によるノイズを減らした赤外線画像を得ることができる。

次に差動積分回路１４の構成について説明する。図３は差動積分回路の回路図である。図４は差動電圧電流変換アンプ２４の回路図である。図３及び図４は本件出願人が先に特許出願（特開２００２−１８８９５９号公報）したものである。

図３に示す差動積分回路は、定電流源６の両端電圧と定電流源１２の両端電圧を入力側に接続した差動電圧電流変換アンプ２４と、差動電圧電流変換アンプ２４の出力側に接続された積分容量２５と、積分容量２５を周期的に電圧Ｖrefにリセットするように接続されたリセットトランジスタ２６で構成された積分回路部を備える。２７は積分後の出力をホールドするサンプルホールド回路で、バッファ２８を介して出力する。図４に示す差動電圧電流変換アンプ２４は、ＭＯＳトランジスタＱ１乃至Ｑ５からなる差動入力のカレントミラー回路である。差動積分回路１４は、従来の差動増幅器と同等のトランジスタ数で積分回路部を構成しているので、従来と同等のフリッカノイズで積分増幅を行うことができる。

本実施の形態では、従来のＮ＋１個の差動増幅器（差動増幅器１０２とＮ個の差動増幅器１０３）を１個の差動増幅器１６だけにしたので、差動増幅器のフリッカノイズを大幅に削減できる。したがって、画素信号読み出し系の回路を簡単化したことで、画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らすことができ、高感度の赤外線検出画像が得られる。

尚、ＭＯＳトランジスタのフリッカノイズは、酸化膜中のキャリアの捕獲と放出が原因とされており、埋め込みチャネル型のＰＭＯＳトランジスタは、表面チャネル型のＮＭＯＳトランジスタに比べてフリッカノイズが小さいので、ＰＭＯＳトランジスタを使用する方が適している。容量１８の容量値は、ＰＭＯＳトランジスタ出力の安定を向上させるもので、動作周波数を考慮して差動積分回路１４のそれぞれの差動入力端子におけるフリッカノイズを含むノイズ成分を同等にするように定めることができる。

また、バイアス電圧回路３０の駆動トランジスタとしてＰＭＯＳトランジスタを使用した場合で説明したが、バイポーラトランジスタを使用することもできる。電流パスに酸化膜が関係しないバイポーラトランジスタはフリッカノイズをＭＯＳトランジスタより小さくできるので、さらに熱型赤外線検出回路を高感度化することができる。以下に説明する。

図５は、この発明で用いるバイアス電圧回路の他の一例を示す回路図である。図において同一の記号は同一或いは相当するものであり、１７はＰＮＰバイポーラトランジスタ、１８はＰＮＰバイポーラトランジスタ１７の出力に接続される容量である。入力端子３０Ａは差動増幅器１６の反転端子に接続され、出力端子３０Ｂは差動増幅器１６の非反転端子に接続される。３０Ｃは差動増幅器１６の出力モニター点である。ＰＮＰバイポーラトランジスタ１７のエミッタ電極には画素駆動電源１０が接続され、ベース電極は差動増幅器１６の出力が接続され、コレクタ電極からバイアス電圧を端子３０Ｂに出力する。

次に動作について説明する。Ｖ（３０Ａ）＝Ｖ（３０Ｂ）＝Ｖｓ１となっている場合に、差動増幅器１６はバイアス線１１に駆動線３と同じＩ１×（Ｎ＋１）の電流を供給するように、ＰＮＰバイポーラトランジスタ１７のベース電極に中間電位となる電圧Ｖｓｔを出力している。図で示す矢印の向きの電圧差ΔＶ３を正として、この電圧差が端子３０Ａ、３０Ｂ間に入力されると、Ｖ（３０Ｃ）は上昇する。ＰＮＰバイポーラトランジスタ１７のエミッタ・ベース間電圧が低くなり、ＰＮＰバイポーラトランジスタ１７は弱くＯＮするようになることでエミッタ・コレクタ間の抵抗が上昇するので、Ｖ（３０Ｂ）は徐々に降下する。Ｖ（３０Ｂ）が降下すると差動増幅器１６の入力電圧差が小さくなるので、差動増幅器１６の出力電圧は変化が小さくなりながら高くなる。このような動作を繰り返し、差動増幅器１６の出力電圧が一定値のＶｕｐになったところで、Ｖ（３０Ａ）＝Ｖ（３０Ｂ）＝Ｖｓ２となる。電圧差ΔＶ３が負の場合は、上記の正の場合と逆の関係になるだけで、差動増幅器１６の出力電圧がＶｓｔより低い一定値のＶｄｎになったところで、Ｖ（３０Ａ）＝Ｖ（３０Ｂ）＝Ｖｓ３となる。したがって、駆動トランジスタとしてＰＮＰバイポーラトランジスタを使用した場合も、バイアス電圧回路３０は、入力端子に入力された電圧と等しくなるようにバイアス電圧を制御することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、参照画素２の１列を画素エリアに隣接して配置した場合で説明したが、参照画素２を１つ使用した場合でも、信号読み出し系の回路自体でフリッカノイズの重畳を最小限に抑えて、高感度の熱型赤外線検出回路を得ることができる。また、実施の形態１に比べ自己加熱によるノイズ重畳を厳密に考慮しなくても良い場合に適用できる。

図６は、この発明の実施の形態２における電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路の回路図である。実際の画素はＭ行Ｎ列（Ｍ、Ｎは自然数）の画素が配列されているが、説明を簡単化するために、画素エリアに３行Ｎ列の画素１を配置した図を示した。図において、図１と同一の記号は同一或いは相当するものでる。１９は選択スイッチ９と実質的に同一の抵抗となるスイッチであり、ゲート電極に回路電源電圧Ｖｄｄが印加され、実質的に同一の電圧降下を発生する。２０はバイアス電圧回路３０の入力端子３０Ａに接続された容量である。容量２０の容量値は、入力電圧の急激な変化を防ぎバイアス電圧回路３０の出力の安定を向上させるもので、動作周波数との兼ね合いで定めることができる。動作周波数を考慮したノイズの帯域（１Ｈｚから２０ｋＨｚ）で考えた場合、例えば容量２０及び容量１８の容量をそれぞれ０．１ｕＦ及び５０ｕＦにすると、差動積分回路１４のそれぞれの差動入力端子におけるフリッカノイズを含むノイズ電圧を容量がない場合に比べて約３３％低減することができた。

図７は動作を説明する図で、図６に電圧モニター点を書き加えたものである。まず赤外線が入射していない場合を考える。Ｎ列目の画素１に注目して説明する。画素１に流れる電流をＩ１、画素駆動電源１０の電圧をＶｃｃ、選択スイッチ９の抵抗をＲｓｗ、Ｎ列までの駆動線３の電圧降下をＶｒｎとする。定電流源６と定電流源７は実質的に同一の電流を流すので、参照画素２にも画素１と同じ電流Ｉ１が流れる。ノードＡ及びＢの電圧ＶＡ、ＶＢはそれぞれ、
ＶＡ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ （７）
ＶＢ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ （８）
となる。入射赤外線がなく、ある素子温度における画素１のダイオードの順方向電圧をＶｎとすると、ノードＣの電圧ＶＣは、
ＶＣ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ−Ｖｎ （９）
となる。次に参照画素２に注目して説明する。参照画素２に流れる電流は、画素１と同じ電流Ｉ１であるから、参照画素２のダイオードの順方向電圧もＶｎであり、バイアス電圧回路の入力端子３０Ａの電圧Ｖ（３０Ａ）は、
Ｖ（３０Ａ）＝Ｖｃｃ−Ｖｎ （１０）
となる。出力端子３０Ｂの電圧Ｖ（３０Ｂ）は、バイアス電圧回路３０によって、Ｖ（３０Ａ）と等しくなるように制御されるので、出力端子３０Ｂの電圧は（１０）式で示したもと等しくなる。バイアス線１１の電圧降下は、画素１の駆動線３と実質的に同一であるため、ノードＤの電圧ＶＤは、
ＶＤ＝Ｖ（３０Ｂ）−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ
＝Ｖ（３０Ａ）−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ （１１）
であり、これに（１０）式を代入すると、
ＶＤ＝Ｖｃｃ−Ｖｎ−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ （１２）
となり、ノードＣの電圧と等しくなる。これにより差動積分回路１４は赤外線非検出を示すゼロ基準電圧を出力し、水平駆動回路１５からもゼロ基準電圧が出力される。

次に、赤外線が入射された場合を考えると、赤外線によって画素１のダイオードが温められてダイオードの順方向電圧が低下する。この低下する電圧をΔＶ１とすると、画素１のダイオードの順方向電圧はＶｎ−ΔＶ１となる。Ｎ列目の差動積分回路のノードＣの電圧は、（９）式にΔＶ１を加えたものとなる。一方、参照画素２は赤外線に対して無感度なので、参照画素２のダイオードの順方向電圧Ｖｎは変化しない。上述したように、バイアス電圧回路３０は参照画素２のダイオードの順方向電圧に基づいた電圧であるＶ（３０Ａ）と等しい電圧をバイアス電圧として出力する。このバイアス電圧は駆動線３と実質的に電圧降下の等しいバイアス線１１を介してＮ列目の差動積分回路に供給さるので、ノードＤの電圧は（１２）式のままである。したがって、差動積分回路１４の差動入力端子対間にΔＶ１が印加され、このΔＶ１を積分増幅することで、実施の形態１と同様に駆動線３と等しい電圧降下を有する駆動線１１により、駆動線の電圧降下によるオフセット分布と無関係に対象物の赤外線画像を得ることができる。

本実施の形態は、自己加熱による温度上昇によるノイズ重畳を厳密に考慮しなくても良い場合を考えるので、実施の形態１の参照画素２とは異なるものを使用することができる。参照画素２は１つであり、実施の形態１に比べて配置する場所の自由度が高いので、参照画素２の構造変更がある程度自由にできる。本実施の形態では、画素１は駆動線３で選択された場合のみ電流が流れるが、参照画素２は画像撮像動作中に電流が流れ続けるので、画素１に比べて自己加熱の影響が大きくなる。そこで、参照画素２の構造は実施の形態１とは異なり、自己加熱によって発生する熱を逃がす構造を採用することで、自己加熱の影響を極力抑えることができる。例えば、参照画素２の断熱構造は無くさず、図８の赤外線吸収構造１１０６を取り除いた部分に、放熱用の金属層を設けることで参照画素２の熱抵抗を下げることができる。このようにすることで、画素１と参照画素２は、同一の環境温度を受け、異なる自己加熱による熱が発生してもダイオード自体の温度を同等にできる。

画素１と参照画素２の環境温度によるダイオードの順方向電圧の低下をΔＶ４とし、画素１と参照画素２の自己加熱によるダイオードの順方向電圧の低下をそれぞれΔＶ５１とΔＶ５２とする。ここで赤外線が入射していない場合を考えると、Ｎ列目の差動積分回路のノードＣの電圧ＶＣは、（９）式にΔＶ４とΔＶ５１を加えたものであり、
ＶＣ＝Ｖｃｃ−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ−Ｖｎ＋ΔＶ４＋ΔＶ５１ （１３）
となる。一方、Ｎ列目の差動積分回路のノードＤの電圧ＶＤは、（１２）式にΔＶ４とΔＶ５２を加えたものであり、
ＶＤ＝Ｖｃｃ−Ｖｎ−Ｉ１×Ｎ×Ｒｓｗ−Ｖｒｎ＋ΔＶ４＋ΔＶ５２ （１４）
となる。次に赤外線が入射した場合は、画素１のダイオードの順方向特性がΔＶ１低下すると、ノードＣの電圧は（１３）式にΔＶ１が加わり、差動増幅器１４の入力端子対間にΔＶ１＋ΔＶ５１−ΔＶ５２の電圧が印加されるので、このΔＶ１＋ΔＶ５１−ΔＶ５２を積分増幅する。即ち、外部の環境温度によるノイズΔＶ４は実施の形態１と同様にキャンセルでき、自己加熱による温度上昇によるノイズ重畳はΔＶ５１−ΔＶ５２のように緩和できる。したがって、外部の環境温度によるノイズを減らし、ダイオードの自己加熱によるノイズを緩和した赤外線画像を得ることができる。

上記の参照画素２の構造変更に加えて、参照画素２の熱抵抗と積分時間を調整することで、ダイオードの自己加熱によるノイズをさらに減らした赤外線画像を得ることができる。画素１と参照画素２は一定の電流で駆動されるので、消費電流によるジュール熱は一定である。画素１は断熱構造であり、ジュール熱によって徐々に温度上昇するが、駆動終了時、即ち積分終了時までのジュール熱による温度上昇特性は毎回同一である。したがって、特定の積分時間中における画素１のジュール熱による温度上昇特性を積分して平均をとった温度上昇と同等となるように、参照画素２の熱抵抗を設計することで、特定の積分時間におけるダイオードの自己加熱によるノイズを減らした赤外線画像を得ることができる。

尚、バイアス電圧回路３０はＰＭＯＳトランジスタを使用したものを示したが、実施の形態１で示した他のバイアス電圧回路も適用できる。また、参照画素２の構造を放熱用の金属層を設ける場合で説明したが、参照画素の断熱構造を無くすことでも、画素１に比べて多く発生する自己加熱による熱を逃がすことができるので、自己加熱によるノイズを減らすことができる。

尚、実施の形態１及び２では、差動増幅回路は、１段階の差動積分回路で説明したが、従来の差動増幅器１段と水平駆動回路内の積分回路にした場合であっても構わない。どちらの場合でも従来の２段階の差動増幅構成と異なり１段階の差動増幅構成にできるので、フリッカノイズの重畳を減らすことができ、高感度の赤外線検出画像が得られる。また、バイアス電圧を画素駆動電源１０から生成する場合で説明したが、画素駆動電源１０の電圧以上の電圧を発生する他の電源であっても、同様の効果が得られる。

この発明の実施の形態１における熱型赤外線検出回路の回路図である。 この発明の実施の形態１の動作を説明する図である。 この発明の差動積分回路の回路図である。 この発明の差動電圧電流変換アンプの回路図である。 この発明で用いるバイアス電圧回路の他の一例を示す回路図である。 この発明の実施の形態２における熱型赤外線検出回路の回路図である。 この発明の実施の形態２の動作を説明する図である。 従来の赤外線固体撮像回路の画素構造を示す断面図及び斜視図である。 従来の熱型赤外線検出回路の回路図である。

符号の説明

１ 画素、２ 参照画素、３ 駆動線、４ 信号線、５ 参照信号線、８ 垂直走査回路、１０ 画素駆動電源、１１ バイアス線、１４ 差動積分回路、１５ 水平駆動回路、１６ 差動増幅器、１７ 駆動トランジスタ、３０ バイアス電圧回路、３０Ａ バイアス電圧回路の入力端子、３０Ｂ バイアス電圧回路の出力端子。

Claims (6)

1. 画素エリアにマトリクス状に配置され、赤外線及び温度に対して感度を有する熱型赤外線センサで構成された画素と、
   列方向に配置され温度に対して感度を有するが赤外線に対して感度を有しない参照画素と、
   各行の各画素及び参照画素の陽極を接続した複数の駆動線と、
   各列の各画素の陰極を接続した複数の信号線と、
   各参照画素の陰極を接続した参照信号線と、
   前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線に画素駆動電源を接続する垂直走査回路と、
   前記駆動線に平行に配置され、前記駆動線と実質的に同一の抵抗を有し実質的に同一の電流が供給されるバイアス線と、
   前記信号線を順次選択し、選択した信号線の電圧を差動増幅回路を介して出力する水平駆動回路と、
   前記参照信号線の電圧が入力され、この入力電圧と等しい電圧を発生して前記バイアス線に与えるバイアス電圧回路とを備え、
   前記差動増幅回路は前記バイアス線の電圧と前記信号線の電圧の差を増幅するものであることを特徴とする熱型赤外線検出回路。
2. バイアス電圧回路は、第１の入力端子に前記バイアス電圧回路の入力端子が接続され、第２の入力端子に前記バイアス電圧回路の出力端子が接続される差動増幅器と、この差動増幅器の出力端子からバイアス線に電源を接続するトランジスタを経て前記第２の入力端子に至るフィードバックループとを備えたことを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線検出回路。
3. 差動増幅器の第１の入力端子は反転端子であり、
   前記差動増幅器の第２の入力端子は非反転端子であり、
   フィードバックループは、前記差動増幅器の出力がゲート電極に接続されるＰＭＯＳトランジスタと、このＰＭＯＳトランジスタのドレイン電極の出力が前記非反転端子に接続されることで構成されることを特徴した請求項２に記載の熱型赤外線検出回路。
4. 差動増幅器の第１の入力端子は反転端子であり、
   前記差動増幅器の第２の入力端子は非反転端子であり、
   フィードバックループは、前記差動増幅器の出力がベース電極に接続されるＰＮＰバイポーラトランジスタと、このＰＮＰバイポーラトランジスタのコレクタ電極の出力が前記非反転端子に接続されることで構成されることを特徴した請求項２に記載の熱型赤外線検出回路。
5. 画素は断熱構造と赤外線吸収構造を有し、参照画素は前記赤外線吸収構造がないことを除いて前記画素と実質的に同一の構造であることを特徴とした請求項１項に記載の熱型赤外線検出回路。
6. 画素エリアにマトリクス状に配置され、赤外線及び温度に対して感度を有する熱型赤外線センサで構成された画素と、
   温度に対して感度を有するが赤外線に対して感度を有しない参照画素と、
   各行の各画素の陽極を接続した複数の駆動線と、
   各列の各画素の陰極を接続した複数の信号線と、
   前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線に画素駆動電源を接続する垂直走査回路と、
   前記駆動線に平行に配置され、前記駆動線と実質的に同一の抵抗を有し実質的に同一の電流が供給されるバイアス線と、
   前記信号線を順次選択し、選択した信号線の電圧を差動増幅回路を介して出力する水平駆動回路と、
   前記参照画素の陰極からの電圧が入力され、この入力電圧と等しい電圧を発生して前記バイアス線に与えるバイアス電圧回路とを備え、
   前記差動増幅回路は前記バイアス線の電圧と前記信号線の電圧の差を増幅するものであることを特徴とする熱型赤外線検出回路。

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