JP2016058699A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】参照画素の遮光性を向上させることができる赤外線センサを提供する。【解決手段】一実施形態に係る赤外線センサは、センサ筐体と、センサデバイスと、蓋と、遮光膜と、を備える。センサ筐体は、底面と側面とを有する。センサデバイスは、センサ筐体の底面上に搭載され、赤外線を受光すると出力電圧が変動する感熱画素を複数配置した感熱画素領域と、感熱画素が赤外線を受光した時の出力電圧の変化量よりも出力電圧の変化量が小さい参照画素を少なくとも１つ含む参照画素領域と、を有する。蓋は、センサ筐体の側面に接合され、感熱画素領域の上方に位置する開口部を有する支持部材と、開口部を覆うように支持部材のセンサデバイス側に接合され、赤外線を透過させる窓部材とを有し、センサ筐体を封止する。遮光膜は、窓部材のセンサデバイス側に形成され、参照画素領域に入射する赤外線の光路上に配置される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、赤外線センサに関する。

物体から放射された赤外線を受光して電気信号に変換する赤外線センサ（赤外線撮像素子）は、昼夜にかかわらず物体の温度分布を取得することができる。赤外線は可視光に比べて煙や霧に対する透過性が高いため、赤外線センサは、悪条件での撮像も可能である。このため、赤外線センサは、防衛分野をはじめ、監視カメラ、火災検知カメラ、及び車載ナイトビジョン用のカメラ等、広い応用範囲を有する。

赤外線センサは、大別して冷却型と非冷却型の２種類がある。冷却型は、赤外線の受光によるキャリアのバンド間遷移を利用した赤外線センサである。冷却型は、冷却器を必要とするため、装置の小型化が困難であるとともに、製造コストも高くなる。このため、冷却型の赤外線センサは、用途が特定分野に限定されている。

これに対して、非冷却型は、いわゆるボロメータと呼ばれる熱型の赤外線センサである。非冷却型は、受光した赤外線を熱に変換し、熱を電気信号に変える機構を有する。非冷却型は、常温での動作が可能なため、冷却器が不要である。このため、非冷却型は、装置の小型化が容易であるとともに、製造コストも低く抑えることができるため、冷却型よりも広く普及している。

この非冷却型の赤外線センサは、赤外線センサ自体の温度が環境温度によって変化してしまうため、環境温度による影響を受ける。環境温度による影響を除去するために、非冷却型の赤外線センサでは、赤外線に反応する感熱画素による信号から、赤外線に反応しない参照画素による信号を差し引いた信号が出力される。

参照画素は、赤外線に反応しないことの他に、環境温度の変化に対する電気特性の変化が、感熱画素と一致する必要がある。これは、参照画素と感熱画素との環境温度の変化に対する電気特性の変化が不一致となると、環境温度によって赤外線センサの出力が変化してしまうためである。しかしながら、赤外線に対する不感特性と、感熱画素の電気特性との一致を両立させることは容易ではなかった。

例えば、赤外線に対する不感特性を実現する方法として、受光した赤外線により発生する熱を瞬時に基板側へ逃がす画素構造、いわゆるサーマルブラック画素（ＴＢ画素）が提案されている。しかしながら、参照画素としてＴＢ画素を用いた場合、参照画素と感熱画素との電気特性が異なってしまう可能性がある。

また、他の方法として、感熱画素の一部を遮光膜により遮光する画素構造、いわゆるオプティカルブラック画素（ＯＢ画素）が提案されている。参照画素としてＯＢ画素を用いた場合、参照画素と感熱画素との画素構造を同一とすることができるため、電気特性を一致させることができる。しかしながら、赤外線の完全な遮光は困難であり、エネルギーの高い赤外線が入射した場合、ＯＢ画素に赤外線が入射してしまい、参照画素としての機能が低下することがあった。

特開平０６−２１３７０７号公報

参照画素の遮光性を向上させることができる赤外線センサを提供する。

一実施形態に係る赤外線センサは、センサ筐体と、センサデバイスと、蓋と、遮光膜と、を備える。センサ筐体は、底面と側面とを有する。センサデバイスは、センサ筐体の底面上に搭載され、赤外線を受光すると出力電圧が変動する感熱画素を複数配置した感熱画素領域と、感熱画素が赤外線を受光した時の出力電圧の変化量よりも出力電圧の変化量が小さい参照画素を少なくとも１つ含む参照画素領域と、を有する。蓋は、センサ筐体の側面に接合され、感熱画素領域の上方に位置する開口部を有する支持部材と、開口部を覆うように支持部材のセンサデバイス側に接合され、赤外線を透過させる窓部材とを有し、センサ筐体を封止する。遮光膜は、窓部材のセンサデバイス側に形成され、参照画素領域に入射する赤外線の光路上に配置される。

第１実施形態に係る赤外線センサの構成の一例を示す断面図。 図１の赤外線センサのセンサデバイスの一例を示す平面図。 図１の赤外線センサの支持部材の一例を示す平面図。 図１の赤外線センサの窓部材の一例を示す平面図。 図１の部分拡大図。 従来の赤外線センサの構成の一例を示す断面図。 第２実施形態に係る赤外線センサの構成の一例を示す図。 図１の赤外線センサのセンサデバイスの回路を示す回路図。 第３実施形態に係る赤外線センサのセンサデバイスの回路を示す回路図。 図９の赤外線センサの窓部材の一例を示す平面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る赤外線センサについて、図１〜図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る赤外線センサの一例を示す断面図である。図１に示すように、この赤外線センサは、センサ筐体１００と、センサデバイス２００と、蓋３００と、遮光膜３０３と、を備える。

センサ筐体１００は、土台１０１と、第１バンク１０２と、第２バンク１０３とを備える。土台１０１、第１バンク１０２、及び第２バンク１０３は、例えば、アルミナや窒化アルミニウムなどの材料により形成される。

土台１０１は、センサ筐体１００の底面を構成しており、その表面にセンサデバイス２００が搭載される。図示されていないが、土台１０１の表面には、センサデバイス２００をダイマウントするための金属層が設けられている。

第１バンク１０２は、センサ筐体１００の側面を構成しており、土台１０１上の外周部に積層されている。第１バンク１０２の表面には、センサデバイス２００と信号の送受信を行うための電極１０４が設けられている。

第２バンク１０３は、第１バンク１０２と共にセンサ筐体１００の側面を構成しており、第１バンク１０２上の外周部に積層されている。図示されていないが、第２バンク１０３の表面には、蓋３００を接合するための金属層が設けられている。

センサデバイス２００は、センサ筐体１００の底面上、すなわち、土台１０１の表面に搭載されており、半導体により形成されている。センサデバイス２００は、受光した赤外線を熱に変換し、熱に応じた電気信号を出力する。センサデバイス２００は、少なくとも参照画素領域２０１と、感熱画素領域２０２と、パッド２０３と、を備える。

参照画素領域２０１は、センサデバイス２００の表面のうち、複数の画素が配置された領域である。画素とは、熱に応じた信号を出力する受光素子のことである。

参照画素領域２０１に配置された複数の画素は、この赤外線センサにおける参照画素として利用される。本実施形態における参照画素は、ＯＢ画素であり、赤外線を遮光され、環境温度に応じた信号を出力する。このため、参照画素領域２０１は、赤外線を受光しないように、遮光膜３０３により遮光される。遮光膜３０３については後述する。

感熱画素領域２０２は、センサデバイス２００の表面のうち、参照画素領域２０１と同様に、複数の画素が配置された領域である。

感熱画素領域２０２に配置された複数の画素は、この赤外線センサにおける感熱画素として利用される。感熱画素とは、受光した赤外線に応じた信号を出力する画素である。このため、感熱画素領域２０２は、赤外線を受光可能なように、赤外線を透過する窓部材３０２により上方を覆われる。窓部材３０２については後述する。

上述の参照画素領域２０１と感熱画素領域２０２とには、同一の構造を有する画素が配置されている。このため、この赤外線センサの参照画素と感熱画素との電気特性は、環境温度に依らず一致する。

ここで、図２は、センサデバイス２００の一例を示す平面図である。図２のセンサデバイス２００では、参照画素領域２０１にｎ_１行ｍ列の画素が配置され、感熱画素領域２０２にｎ_２行ｍ列の画素が配置されている。図２において、横方向の配列が行、縦方向の配列が列である。

パッド２０３は、図２に示すように、センサデバイス２００の表面の外周部に複数設けられている。パッド２０３は、センサデバイス２００が外部と信号の送受信を行うための電極である。パッド２０３は、第１バンク１０２上の電極１０４とボンディングワイヤ２０５によって接続される。これにより、参照画素領域２０１及び感熱画素領域２０２に配置された画素が出力した信号を、外部と送受信することができる。

なお、センサデバイス２００の底面には、図示されていないが、センサデバイス２００をダイマウントするための金属層が設けられている。センサデバイス２００は、この金属層を介して、土台１０１の表面にダイアタッチ材２０４により固定される。ダイアタッチ材２０４は、例えば、ＡｕＳｎなどの金属材料である。

蓋３００は、センサデバイス２００の上方を覆うように、センサ筐体１００に接合される。蓋３００は、センサ筐体１００の内部、すなわち、センサデバイス２００が搭載されたセンサ筐体１００の内側の空間を真空封止する。センサ筐体１００の内部の気圧は、例えば、１Ｐａ以下である。このように、センサ筐体１００の内部を真空状態とすることにより、センサデバイス２００を真空断熱することができる。したがって、感熱画素の感度を最大限に高めることができる。図１に示すように、蓋３００は、支持部材３０１と、窓部材３０２と、を備える。

支持部材３０１は、センサ筐体１００の側面、すなわち、第２バンク１０３の表面に、接合材３０５によって接合されている。支持部材３０１は、金属やガラスなどの赤外線を透過しない材料により形成される。支持部材３０１は、窓部材３０２を支持する機能の他に、不必要な赤外線の入射を妨げる役割を果たしている。不必要な赤外線の入射は赤外線センサ内部での複雑な反射を繰り返す迷光となり、センサデバイス２００に到達すると画像に悪影響を及ぼすからである。

ここで、図３は、支持部材３０１の一例を示す平面図である。図３に示すように、支持部材３０１は、矩形形状であり、外周部に接合材３０５により第２バンク１０３の表面と接合される接合領域を有し、内側に矩形形状の開口部３０６を有する。

開口部３０６は、蓋３００をセンサ筐体１００と接合した際に、センサデバイス２００の感熱画素領域２０２の上方に位置するように形成される。このため、赤外線センサを上方（蓋３００側）から見た場合、感熱画素領域２０２の少なくとも一部は、開口部３０６の内側に位置することになる。外部から放射された赤外線は、この開口部３０６を通って、感熱画素領域２０２に受光される。

開口部３０６は、感熱画素領域２０２の全体が赤外線を受光可能なように、感熱画素領域２０２より広く形成されるのが好ましい。すなわち、開口部３０６は、赤外線センサを上方から見た場合、感熱画素領域２０２の全体が開口部３０６の内側に位置するように形成されるのが好ましい。

窓部材３０２は、開口部３０６を覆うように、支持部材３０１のセンサデバイス２００側に、接合材３０４により接合される。これにより、蓋３００は、支持部材３０１と窓部材３０２との積層構造となる。窓部材３０２は、支持部材３０１より、センサデバイス２００と近接する。

窓部材３０２は、シリコン、ゲルマニウム、硫化亜鉛などの、赤外線を透過する材料により形成される。窓部材３０２の両面には、遮光膜３０３及び接合材３０４以外の領域に反射防止膜を形成しても良い。開口部３０６から入射した赤外線は、窓部材３０２を透過して、感熱画素領域２０１に受光される。

窓部材３０２は、センサデバイス２００の外周部に設けられたパッド２０３の上方を覆わないように形成される。これにより、パッド２０３及び電極１０４の上方に、ボンディングワイヤ２０５を形成するための空間が確保される。この空間の高さは、第２バンク１０３の高さと略同様である。

ここで、図４は、窓部材３０２の一例を示す平面図である。図４に示すように、窓部材３０２は、矩形形状であり、外周部に接合材３０４により支持部材３０１の底面に接合される接合領域を有する。

このように、蓋３００を支持部材３０１と窓部材３０２との積層構造とし、支持部材３０１をセンサ筐体１００と接合することにより、窓部材３０２にかかる応力を抑制することができる。これにより、窓部材３０２の厚さを薄くすることが可能となる。

窓部材３０２を薄くすることにより、窓部材３０２の材料を削減し、窓部材３０２の材料コストを低下させることができる。一般に、窓部材３０２を形成する赤外線を透過する材料は高価であるため、窓部材３０２の材料コストを低下させることにより、赤外線センサを低コスト化することができる。また、窓部材３０２を薄くすることにより、赤外線センサの薄型化や、赤外線の透過率の向上による赤外線センサの感度の向上も可能となる。

遮光膜３０３は、窓部材３０２のセンサデバイス２００側に形成されている。遮光膜３０３は、金属やガラスなどの赤外線を透過しない材料により形成される。遮光膜３０３は、センサデバイス２００の参照画素領域２０１に赤外線が入射しないように、参照画素領域２０１に入射する赤外線の光路上に配置される。ここで、図５を参照して、遮光膜３０３の配置について詳細に説明する。

図５は、図１における遮光膜３０３の周辺部分を拡大した部分拡大図である。図５において、赤外線を集光するレンズＬが示されている。このレンズＬは光軸Ａが感熱画素領域２０２の中心と一致するように配置されている。

また、破線は、センサデバイス２００の表面に入射する赤外線の光路を示している。光路４０１は、参照画素領域２０１の感熱画素領域２０２側の端部に入射する入射角γの赤外線の光路である。入射角γは、参照画素領域２０１の感熱画素領域２０２側の端部に入射する赤外線の入射角の最大値である。光路４０１と赤外線センサとの位置関係は、以下の式（１），（２）で表される。

式（１）において、ｆはレンズＬからセンサデバイス２００の表面までの距離（焦点距離）、ＤはレンズＬの有効径、ｎは窓部材３０２の屈折率、ｄ_１（＞０）は支持部材３０１の表面から窓部材３０２の表面までの距離、ｄ_２（＞０）は窓部材３０２の厚さ、ｄ_３（≧０）は窓部材３０２の裏面からセンサデバイス２００の表面までの距離、ｌ_ｓは参照画素領域２０１と感熱画素領域２０２との間の距離、ｌ_ｉは光軸Ａから感熱画素領域２０２の端部までの距離である。式（２）において、ＦはレンズＬのＦ値、αは半画角である。

また、光路４０２は、感熱画素領域２０２の参照画素領域２０１側の端部に入射する入射角βの赤外線の光路である。入射角βは、感熱画素領域２０２の参照画素領域２０１側の端部に入射する赤外線の入射角の最大値である。光路４０２と赤外線センサとの位置関係は、以下の式（３）で表される。

以下では、図５における、参照画素領域２０１からみた感熱画素領域２０２側を右側、感熱画素領域２０２からみた参照画素領域２０１側を左側という。

まず、遮光膜３０３の右側（感熱画素領域２０２側）の端部３０３ａの位置について説明する。図５に示すように、遮光膜３０３は、端部３０３ａが、参照画素領域２０１の右側の端部より右側に位置するように配置される。より詳細には、遮光膜３０３は、端部３０３ａが、光路４０１より右側に位置するように配置される。すなわち、端部３０３ａは、参照画素領域２０１の右側の端部に入射する任意の赤外線の光路より右側に位置する。

また、遮光膜３０３は、端部３０３ａが、光路４０２より左側に位置するように配置されるのが好ましい。以上から、端部３０３ａから光軸Ａまでの距離をＹとすると、遮光膜３０３は、端部３０３ａの位置が以下の式（４）を満たすように配置される。

さらに、遮光膜３０３は、左側（感熱画素領域２０２と反対側）の端部３０３ｂが、参照画素領域２０１の左側の端部より左側に位置するように配置されるのが好ましい。

このように遮光膜３０３を配置することにより、外部から放射された赤外線やセンサ筐体１００の内部で反射した赤外線が、参照画素領域２０１へ入射することを抑制し、参照画素の遮光性を向上させることができる。また、遮光膜３０３が感熱画素領域２０２へ入射する赤外線を遮光しないため、遮光膜３０３によるセンサ感度の低下を抑制することができる。

また、支持部材３０１は、右側の端部３０１ａが、遮光膜３０３の端部３０３ａよりも左側に位置するように配置される。具体的には、支持部材３０１は、光路４０２を妨げない位置に配置されるのが好ましい。ここで、端部３０１ａから光軸Ａまでの距離をＭとすると、支持部材３０１は、端部３０１ａの位置が以下の式（５）を満たすように配置されるのが望ましい。

このように支持部材３０１を配置することにより、支持部材３０１が感熱画素領域２０２へ入射する赤外線を遮光しないため、支持部材３０１によるセンサ感度の低下を抑制することができる。

なお、蓋３００は、センサ筐体１００の内部の真空環境を維持するために、センサデバイス２００側にゲッター材料層を備えてもよい。

次に、本実施形態におけるセンサデバイスの回路について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態にかかる赤外線センサを駆動するための回路図である。図８に示すように、センサデバイス６００には、参照画素領域２０１と、感熱画素領域２０２と、が設定されている。

参照画素領域２０１は、複数の参照画素６０５から構成され、それぞれの参照画素６０５は、内部に熱電変換素子としてのｐｎ接合ダイオード６０６を有する。感熱画素領域２０２は、複数の感熱画素６０４から構成され、それぞれの感熱画素６０４は、内部に熱電変換素子としてのｐｎ接合ダイオード６０６を有する。参照画素６０５と感熱画素６０４とは同じ構造であり、例えば特開２０１１−１８８１４０号公報で開示されている画素構造が適用できる。

ここで、図１に示すように、参照画素領域２０１の参照画素６０５は、窓部材３０２の遮光膜３０３により外部からの赤外線の入射が遮断されているから、外部からの赤外線による出力の変動はない。一方、感熱画素領域２０２の感熱画素６０４は、外部からの赤外線の入射を受けるため外部からの赤外線による出力の変動がある。

感熱画素領域２０２には、行方向に延びる複数本の水平信号線６０２ｂと、行方向に対して交差（例えば、直交）する列方向に延びる複数本の垂直信号線６０３と、が設けられている。感熱画素６０４は、いずれも各水平信号線６０２ｂと各垂直信号線６０３との交差部に配置されている。各ｐｎ接合ダイオード６０６のアノード側には、対応する水平信号線６０２ｂが接続され、各ｐｎ接合ダイオード６０６のカソード側には対応する垂直信号線６０３が接続される。

感熱画素領域２０２の外側には、各水平信号線６０２ｂに対応する行選択部６０７が設けられている。行選択部６０７には、行選択部６０７をオンする行選択信号６０８が入力され、オンした行選択部６０７に対応する水平信号線６０２ｂが選択される。選択された水平信号線６０２ｂには、駆動信号線６０９を介して、駆動電圧端子６１０の電圧が印加される。

感熱画素領域２０２から見て列方向における一方の側（図８における上側）には、垂直信号線６０３の本数と同数の負荷トランジスタ６１１が設けられている。それぞれの負荷トランジスタ６１１は、各垂直信号線６０３と一対一に対応付けられて接続されている。また、感熱画素領域２０２から見て負荷トランジスタ６１１と同じ側には、行方向に延びる１本の電源線６１２と、行方向に延びる接地線６１３と、が設けられている。

負荷トランジスタ６１１から見て列方向における感熱画素領域２０２と反対側には、参照画素領域２０１が設けられている。参照画素領域２０１は、すべて参照画素６０６からなる行を形成しており（以下、「参照行」という）、感熱画素６０４と同様に、ｐｎ接合ダイオード６０６のアノード側は対応する水平信号線６０２ａに、カソード側は対応する垂直信号線６０３に接続されている。

参照行は、図８に示すように１行のみであってもよいし、複数行であってもよい。このように、参照画素領域２０１は、負荷トランジスタ６１１を挟んで、感熱画素領域２０２と離間した位置に設けられている。つまり、図５における距離ｌ_ｓの領域には、負荷トランジスタ６１１が配置されている。

一方、感熱画素領域２０２から見て列方向における他方の側（図８における下側）には、垂直信号線６０３の本数と同数の相関二重サンプリング回路６１４が設けられている。相関二重サンプリング回路６１４は、結合容量６１５と、差動アンプ６１６と、帰還容量６１７と、クランプスイッチ６１８と、積分容量６１９と、を備える。

差動アンプ６１６の反転入力端子には、各垂直信号線６０３の電圧が、結合容量６１５を介して入力され、非反転入力端子６２０には固定電圧V_CLが入力される。差動アンプ６１６の反転入力端子と出力端子との間には、帰還容量６１７と、クランプスイッチ６１８と、が並列して接続される。差動アンプ６１６の出力端子は、積分容量６１９と接続され、積分容量６１９の他方は接地されている。

次に、図８に示すセンサデバイス６００の動作について説明する。まず、駆動電圧端子６１０に、駆動電圧V_ddが印加される。続いて、行選択信号により、参照行に対応する行選択部６０７がオンし、駆動電圧V_ddが、参照行に対応する水平信号線６０２ａに印加される。つまり、参照行を構成する全参照画素６０５内のｐｎ接合ダイオード６０６のアノード側に、駆動電圧V_ddが印加される。

一方、参照画素６０５内のｐｎ接合ダイオード６０６のカソード側に接続された負荷トランジスタ６１１は、定電流源として用いられる。負荷トランジスタ６１１のゲート電極には、電源線６１２を介して、所定のゲート電圧V_gが印加される。垂直信号線６０３には、ゲート電圧V_gによって決まるドレイン電流I_fが流れる。ドレイン電流I_fは、参照画素６０５内のｐｎ接合ダイオード６０６に供給される。ｐｎ接合ダイオード６０６における電圧降下をV_f0とすると、垂直信号線６０３の電圧は、V_dd−V_f0となる。この電圧は、結合容量６１５の一方の電極の電圧となる。

一方、相関二重サンプリング回路６１４においては、参照行の選択と同時に、クランプスイッチ６１８がオンとなり、相関二重サンプリング回路６１４はボルテージフォロワー回路となる。すなわち、差動アンプ６１６の反転入力端子、非反転入力端子６２０、及び出力端子は、いずれも非反転入力端子６２０の電圧V_CLと同電圧となる。したがって、結合容量６１５の両端には、V_CL−(V_dd−V_f0)の電圧差が生じる。

その後、クランプスイッチ６１８がオフとなり、上記の電圧差は、結合容量６１５に保持される。そして、水平信号線６０２を選択していた行選択部６０７がオフすると、参照画素６０５の駆動が終了し、垂直信号線６０３は、ほぼゼロ電圧に戻る。これにより、差動アンプ６１６の反転入力端子の電圧は、V_CL−(V_dd−V_f0)となり、参照画素６０５の駆動時の垂直信号線６０３の電圧が、非反転入力端子６２０の電圧にクランプされる。以上のプロセスを、クランプステップＡと称する。

続いて、行選択は次の行に移行する。次行以降は、すべて感熱画素６０４から構成される行（以下、「感熱行」という）である。

１行目の感熱行に対応する行選択部６０７がオンすると、この行選択部６０７と接続された水平信号線６０２に駆動電圧端子６１０の駆動電圧V_ddが印加され、最初の感熱行に接続するすべての感熱画素６０４が駆動される。駆動方法は参照行と同様である。

すなわち、ｐｎ接合ダイオード６０６に、負荷トランジスタ６１１によりドレイン電流I_fが供給され、ｐｎ接合ダイオード６０６内で、ドレイン電流I_fに応じた電圧降下V_f1が生じる。ｐｎ接合ダイオード６０６における電圧降下をV_f1とすると、垂直信号線６０３の電圧は、V_dd−V_f1となる。

その結果、差動アンプ６１６の反転入力端子の電圧は、V_CL+V_f0−V_f1となる。差動アンプ６１６の出力端子からは、反転入力端子の電圧V_CL+V_f0−V_f1と非反転入力端子６２０の電圧V_CLと、の差分であるV_f0−V_f1が増幅して出力される。つまり、参照画素６０５内のｐｎ接合ダイオード６０６の順方向電圧V_f0と、感熱画素６０４内のｐｎ接合ダイオード６０６の順方向電圧V_f1と、の差分が増幅されることになる。

ｐｎ接合ダイオード６０６の順方向電圧V_fは、一定のドレイン電流I_f下では、温度によって変化する。感熱画素６０４の温度が、センサデバイス６００自体の温度と、ドレイン電流I_fによるジュール熱と、外部から照射された赤外線の吸収による発熱と、の３要素から決まるのに対して、参照画素６０５の温度は、センサデバイス６００自体の温度と、ドレイン電流I_fによるジュール熱と、の２要素から決まる。したがって、差動アンプ６１６においては、これらの差分である赤外線吸収による発熱の寄与分のみが増幅され、出力されることになる。

以上のプロセスをイメージングステップと呼ぶことにする。以降の感熱行についても全く同様の動作が繰り返され、最終的に全画素からの赤外線情報が得られる。以上が１フレームでの動作であり、次フレームでは、再び参照行の駆動及びクランプ、感熱行の駆動が順次行われる。

次に、本実施形態に係る赤外線センサの作用について説明する。

まず、外部から放射された赤外線は、レンズ（図示省略）により集光され、赤外線センサに入射し、感熱画素領域２０２に配置された感熱画素により受光される。赤外線を受光した感熱画素は、受光した赤外線を熱に変換し、熱に応じた信号を出力する。この信号には、環境温度に応じた成分が重畳されている。

一方、参照画素領域２０１に配置された参照画素は、遮光膜３０３により赤外線を遮光されるため、環境温度のみに応じた信号を出力する。

感熱画素による信号と参照画素による信号の差分がボンディングワイヤ２０５を介して外部に出力され、赤外線センサの出力信号となる。

以上説明した通り、本実施形態に係る赤外線センサは、参照画素と感熱画素の電気特性が一致するとともに、ＯＢ画素である参照画素の遮光させることができる。したがって、環境温度の変化によらず、精度よく赤外線を検出することができる。また、蓋３００を支持部材３０１と窓部材３０２との積層構造とすることにより、赤外線センサを小型化し、材料コストの低下させることができる。理由は以下の通りである。

図６は、従来の赤外線センサの一例を示す断面図である。図６の赤外線センサは、蓋３００が窓部材３０２により形成されている。この赤外線センサでは、窓部材３０２のセンサデバイス２００側に遮光膜３０３を形成した場合、遮光膜３０３と参照画素領域２０１との間が所定の距離Ｈだけ離間する。この距離Ｈは、センサ筐体１００の側面の高さとセンサデバイス２００の高さとの差と、略等しい。

遮光膜３０３を本実施形態のように配置する場合、距離Ｈが大きいほど、参照画素領域２０１と感熱画素領域２０２との間の距離Ｌを大きくする必要がある。しかしながら、距離Ｌが大きいと、センサデバイス２００の面積や材料コストの増加につながるため、距離Ｌは小さい方が好ましい。すなわち、距離Ｈは小さい方が好ましい。

距離Ｈは、センサ筐体１００の側面の高さを低くしたり、センサデバイス２００の高さを高くしたりすることにより小さくすることができる。しかしながら、図６の赤外線センサは、蓋３００が単層構造のため、距離Ｈを小さくすると、パッド２０３と蓋３００（窓部材３０２）との間の距離も小さくなってしまう。パッド２０３と蓋３００との間には、ボンディングワイヤ２０５を形成する空間を確保しなければならないため、図６の赤外線センサでは、距離Ｈが当該空間の高さによって制限されてしまう。

これに対して、本実施形態に係る赤外線センサは、蓋３００が支持部材３０１と窓部材３０２との積層構造となっているため、遮光膜３０３と参照画素領域２０１との間の距離ｈを、ボンディングワイヤ２０５を形成する空間の高さによらず、小さくすることができる。これにより、本実施形態によれば、参照画素領域２０１と感熱画素領域２０２との間の距離を小さくし、センサデバイス２００の面積や材料コストを低下させることができる。したがって、赤外線センサの小型化や材料コストの低下が可能となる。

また、本実施形態では、参照画素領域２０１は、感熱画素領域２０２と離間した位置に設けられており、感熱画素領域２０２と参照画素領域２０１との間には、センサデバイス６００の構成要素である負荷トランジスタ６１１が位置している。このような配置により、センサデバイス６００の面積増大を伴うことなく、適切な参照画素領域２０１の確保が可能となる。

なお、本実施形態に係る赤外線センサは、外部から放射された赤外線を集光するレンズを備えてもよい。また、参照画素及び感熱画素から出力された信号に所定の信号処理を行う回路を備えてもよい。さらに、この赤外線センサを、赤外線カメラの赤外線撮像素子として用いてもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る赤外線センサについて、図７を参照して説明する。本実施形態に係る赤外線センサは、第１実施形態に係る赤外線センサに設けられた画素の中から、実際に使用する画素を選択する。ここで、図７は、本実施形態に係る赤外線センサの一例を示す図である。図７に示すように、この赤外線センサは、画素選択部５００を更に備える。他の構成は、第１実施形態と同様である。

画素選択部５００は、センサデバイス２００に設けられた画素の中から、各画素からの信号に基づいて、実際に使用する画素を選択する。

画素選択部５００は、参照画素領域２０１に配置された画素が出力した信号を取得し、取得した信号に基づいて、参照画素として使用する画素を選択する。画素選択部５００は、例えば、各画素からの信号と所定の閾値とを比較することにより参照画素を選択してもよい。また、画素選択部５００は、参照画素領域２０１に配置された複数の画素からの信号を統計処理することにより、参照画素を選択してもよい。本実施形態において、画素選択部５００により参照画素として選択されなかった画素は、使用されない。

また、画素選択部５００は、感熱画素領域２０２に配置された画素が出力した信号を取得し、取得した信号に基づいて、感熱画素として使用する画素を選択する。画素選択部５００は、例えば、各画素からの信号と所定の閾値とを比較することにより感熱画素を選択してもよい。また、画素選択部５００は、感熱画素領域２０２に配置された複数の画素からの信号を統計処理することにより、感熱画素を選択してもよい。本実施形態において、画素選択部５００により感熱画素として選択されなかった画素は、使用されない。

この画素選択部５００は、赤外線センサと接続されたコンピュータ装置により構成することができる。コンピュータ装置は、画素選択部５００の機能を実現するプログラムを格納した外部記憶装置１０６と、このプログラムを実行するＣＰＵと、プログラムが展開されるＲＡＭなどの主記憶装置とを備える。コンピュータ装置は、プログラムの実行結果を出力するディスプレイや、キーボードなどの入力デバイスを備えてもよい。

本実施形態によれば、画素選択部５００によって、赤外線センサの製造後に参照画素若しくは感熱画素として使用する画素を選択することにより、遮光膜３０３や支持部材３０１の位置が設計とずれた場合であっても、参照画素若しくは感熱画素の機能を確保することができる。これにより、赤外線センサ製造の歩留まりを大幅に向上することができ、ひいては赤外線センサの製造コストを抑制することが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る赤外線センサについて、図９及び図１０を参照して説明する。本実施形態に係る赤外線センサは、センサデバイス７００が、参照画素を１つだけ備える回路を有する。他の構成は、第１実施形態と同様である。

以下、図９を参照して、本実施形態に係るセンサデバイス７００について説明する。図９は、センサデバイス７００の回路図である。センサデバイス７００の回路の基本的な構成は、図８のセンサデバイス６００の回路と同様であるが、センサデバイス６００が、列数分の参照画素６０５からなる参照行を含んでいたのに対し、センサデバイス７００は、１つの参照画素７０５のみを含んでいる点が異なる。参照画素７０５は、図８と同様に、感熱画素領域２０２から離間された位置に設けられており、例えば、図９のようにセンサデバイス７００の左上隅に設けられる。

参照画素７０５内のｐｎ接合ダイオード７０６のアノード側には、クランプ制御部７２１が設けられている。クランプ制御部７２１には、クランプ制御信号線７２２（参照画素選択線）を介して、クランプ信号が入力される。クランプ制御部７２１を構成するトランジスタのドレイン電極は、駆動信号線７０９と接続されている。

ｐｎ接合ダイオード７０６のカソード側は、定電流源として用いられる負荷トランジスタ７１１（第１の負荷トランジスタ）と接続されている。ｐｎ接合ダイオード７０６のカソード側には、更にバッファー部７２３が設けられている。

バッファー部７２３は、ボルテージフォロワー回路であり、反転入力端子と出力端子とが接続された差動アンプ７２４により構成される。ｐｎ接合ダイオード７０６のカソード側は、差動アンプ７２４の非反転入力端子と接続されている。バッファー部７２３と各垂直信号線７０３とは、列毎にクランプ切替部７２５（参照画素選択手段）を介して接続されている。

クランプ切替部７２５はトランジスタから構成されている。各クランプ切替部７２５を構成するトランジスタのゲート電極は、クランプ制御部７２１を構成するトランジスタのゲート電極と、ゲート線７２６を介して接続されている。センサデバイス７００のこれ以外の回路構成は、センサデバイス６００と同様であるため、説明を省略する。

図１０は、第３の実施形態に係る窓部材３０２の平面図である。遮光膜３０３は、参照画素７０５に対応する領域にのみ設けられており、この例では、左上位置にのみ形成されている。遮光膜３０３の位置関係は、式（４）を満たす。従って、本実施形態においても、外部から参照画素７０５に入射する赤外線は、遮光膜３０３によって遮断される。

次に、図９に示すセンサデバイス７００の回路動作について説明する。まず、駆動回路（図示省略）により、駆動電圧端子７１０には駆動電圧V_ddが印加される。続いて、クランプ制御信号線７２２にクランプ制御信号が入力されてクランプ制御部７２１がオンすると、駆動電圧V_ddが参照画素７０５内のｐｎ接合ダイオード７０６のアノード側に印加される。

一方、参照画素７０５内のｐｎ接合ダイオード７０６のカソード側に接続された負荷トランジスタ７１１は、定電流源として用いられる。負荷トランジスタ７１１のゲート電極には、電源線７１２を介して、所定のゲート電圧V_gが印加され、ゲート電圧V_gによって決まるドレイン電流I_fが、参照画素７０５内のｐｎ接合ダイオード７０６に供給される。

この時のｐｎ接合ダイオード７０６における電圧降下をV_f0とすると、ｐｎ接合ダイオード７０６のカソード側の電圧は、V_dd−V_f0となる。ｐｎ接合ダイオード７０６のカソード側は、バッファー部７２３を構成する差動アンプ７２４の非反転入力端子と接続されているから、差動アンプ７２４の出力端子の電圧もV_dd−V_f0である。

また、クランプ制御信号線７２２へのクランプ制御信号の入力により、各垂直信号線７０３に接続しているクランプ切替部７２５も、同時にオンする。その結果、各垂直信号線７０３の電圧もV_dd−V_f0となる。この電圧は、結合容量７１５の一方の電極の電圧となる。

一方、二重相関サンプリング回路７１４においては、参照行の選択と同時にクランプスイッチ７１８がオンし、二重相関サンプリング回路７１４は、ボルテージフォロワー回路となる。すなわち、差動アンプ７１６の反転入力端子、非反転入力端子、及び出力端子は、いずれも非反転入力端子の電圧V_CLと同電圧となる。したがって、結合容量７１５の両端には、V_CL−(V_dd−V_f0)の電圧差が生じる。

その後、クランプスイッチ７１８がオフとなり、上記の電圧差は、結合容量７１５に保持される。そして、クランプ制御部７２１がオフすると、参照画素７０５の駆動が終了し、垂直信号線７０３はほぼゼロ電圧に戻る。これにより、差動アンプ７１６の反転入力端子の電圧は、V_CL−(V_dd−V_f0)となり、参照画素７０５の駆動時の垂直信号線７０３の電圧が、非反転入力端子の電圧にクランプされる。以上のプロセスをクランプステップＢと称する。

続いて、感熱行の駆動に移行する。１行目の感熱行（第１の感熱行）に対応する行選択部７０７がオンすると、感熱画素７０４と接続された水平信号線７０２（第１の行選択線）に駆動電圧端子７１０の駆動電圧V_ddが印加され、この感熱行に接続された全ての画素７０４が駆動される。

駆動方法は、参照画素７０５と同様であり、ｐｎ接合ダイオード７０６には、負荷トランジスタ７１１（第２の負荷トランジスタ）によるドレイン電流I_fが供給され、ｐｎ接合ダイオード７０６内においては、ドレイン電流I_fに応じた電圧降下(V_f1)が生じる。これにより、垂直信号線７０４の電圧はV_dd−V_f1となる。

その結果、差動アンプ７１６の反転入力端子の電圧は、V_CL+V_f0−V_f1となる。差動アンプ７１６の出力端子からは、反転入力端子の電圧V_CL+V_f0−V_f1と、非反転入力端子の電圧V_CLと、の差分であるV_f0−V_f1が増幅されて出力される。つまり、参照画素７０５内のｐｎ接合ダイオード７０６の順方向電圧V_f0と、感熱画素７０４内のｐｎ接合ダイオード７０６の順方向電圧V_f1と、の差分が増幅されることになる。

差動アンプ７１６からは、図８のセンサデバイス６００の場合と同様に、外部から照射された赤外線の吸収による発熱の寄与分（赤外線信号）のみが増幅され、出力される。以上のプロセスは、センサデバイス６００のイメージングステップと全く同様である。

続いて、再度クランプステップＢが行われる。すなわち、クランプ制御信号線７２２に行選択信号を入力することで参照画素７０５を駆動し、増幅部７１４におけるクランプ動作を実行する。

この時、参照画素７０５内のｐｎ接合ダイオード７０６において降下する電圧V_f0は、前回のクランプステップと時間差があるため、フリッカーノイズの影響で、前回のクランクステップ時の電圧と異なる電圧となる。したがって、結合容量７１５に保持される電圧差は、前回のクランプステップ時の電圧と異なる。

次に、前回駆動した感熱行の次の感熱行（第２の感熱行）に対応する行選択部７０７がオンし、この行選択部７０７に対応する水平信号線７０２（第２の行選択線）に接続する感熱画素７０４が駆動される。そして、結合容量７１５に新たに保持された電圧差を元に、増幅部７１４から増幅された赤外線信号が出力される。以降、同様にクランプステップＢとイメージングステップが交互に行われ、最終的に全画素からの赤外線情報が得られる。

第１の実施形態に係る図８のセンサデバイス６００の回路では、参照画素６０５の駆動時にクランプした水平信号線６０２の電圧を、１フレームの間、固定電圧として使用するものであった。このため、差動アンプ６１６の出力には、感熱画素６０４のフリッカーノイズが重畳される。

また、参照画素６０５においてもフリッカーノイズは発生するため、フレーム毎にクランプする電圧が変化することになる。この結果、映像にはランダムな縦筋ノイズが発生する。このノイズは、映像画質を悪化させるものであり、赤外線センサとしての温度分解能を低下させる要因となりうる。

一方、本実施形態に係るセンサデバイス７００の回路によれば、行毎にクランプ動作を行っているため、行毎に異なる電圧に基づくクランプ動作が行われる。このため、図８の回路のようなランダムな縦筋ノイズの発生を回避することができる。したがって、出力映像におけるノイズを低減することができ、ひいては赤外線センサの温度分解能を向上することができる。

更に，本実施形態に係るセンサデバイス７００によれば、クランプに使用する参照画素７０５を１つとしているため、参照画素７０５の位置の確保が容易であり、設計の自由度を向上することができる。

また、図８の回路のように列毎に参照画素６０５を設ける場合と比べて、参照画素のバラツキによる影響を除外することができる。このため、列間の出力差を抑制することができる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００：センサ筐体、１０１：土台、１０２：第１バンク、１０３：第２バンク、１０４：電極、２００，６００，７００：センサデバイス、２０１：参照画素領域、２０２：感熱画素領域、２０３：パッド、２０４：ダイアタッチ材、２０５：ボンディングワイヤ、３００：蓋、３０１：支持部材、３０２：窓部材、３０３：遮光膜、３０１ａ，３０３ａ，３０３ｂ：端部、３０４，３０５：接合材、３０６：開口部、４０１，４０２：光路、５００：画素選択部

Claims (11)

1. 底面と側面とを有するセンサ筐体と、
   前記センサ筐体の前記底面上に搭載され、赤外線を受光すると出力電圧が変動する感熱画素を複数配置した感熱画素領域と、前記感熱画素が前記赤外線を受光した時の出力電圧の変化量よりも出力電圧の変化量が小さい参照画素を少なくとも１つ含む参照画素領域と、を有するセンサデバイスと、
   前記センサ筐体の前記側面に接合され、前記感熱画素領域の上方に位置する開口部を有する支持部材と、前記開口部を覆うように前記支持部材の前記センサデバイス側に接合され、赤外線を透過させる窓部材とを有し、前記センサ筐体を封止する蓋と、
   前記窓部材の前記センサデバイス側に形成され、前記参照画素領域に入射する赤外線の光路上に配置される遮光膜と、
   を備える赤外線センサ。
2. 前記遮光膜の前記感熱画素領域側の端部は、前記参照画素領域の前記感熱画素領域側の端部より、前記感熱画素領域側に位置する
   請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記端部は、前記参照画素領域の前記感熱画素領域側の端部に入射する赤外線の光路と前記窓部材の前記センサデバイス側の表面との交点より、前記感熱画素領域側に位置する
   請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 前記端部は、前記感熱画素領域に入射する赤外線の光路より、前記参照画素領域側に位置する
   請求項２又は請求項３に記載の赤外線センサ。
5. 前記参照画素領域の前記感熱画素領域と反対側の端部は、前記遮光膜の前記感熱画素領域と反対側の端部より、前記感熱画素領域側に位置する
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
6. 前記センサ筐体は、前記蓋により真空封止される
   請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
7. 前記画素からの信号に基づいて、使用する前記画素を選択する選択部を更に備える
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
8. 前記選択部は、前記参照画素領域に配置された前記画素からの信号に基づいて、前記参照画素領域に配置された前記画素の中から、参照画素として使用する前記画素を選択する
   請求項７に記載の赤外線センサ。
9. 前記選択部は、前記感熱画素領域に配置された前記画素からの信号に基づいて、前記感熱画素領域に配置された前記画素の中から、感熱画素として使用する前記画素を選択する
   請求項７又は請求項８に記載の赤外線センサ。
10. 前記センサデバイスは少なくとも、前記参照画素領域と、前記感熱画素領域と、前記参照画素領域に含まれる前記参照画素と前記感熱画素領域に含まれる前記感熱画素とに一定電流を供給する負荷トランジスタと、を含み、
    前記負荷トランジスタは前記参照画素領域と前記感熱画素領域との間に形成される
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
11. 前記センサデバイスは少なくとも、
    前記参照画素に接続され、前記参照画素に駆動電圧を印加する参照画素選択線と、
    前記参照画素に接続され、一定電流を流す第１の負荷トランジスタと、
    複数の前記感熱画素からなる第１の感熱行に含まれる前記感熱画素に接続され、前記第１の感熱行に含まれる前記感熱画素に駆動電圧を印加する第１の行選択線と、
    前記第１の感熱行に沿って設けられた、複数の前記感熱画素からなる第２の感熱行に含まれる前記感熱画素に接続され、前記第２の感熱行に含まれる前記感熱画素に駆動電圧を印加する第２の行選択線と、
    前記第１の感熱行に含まれる前記感熱画素と、前記第２の感熱行に含まれる前記感熱画素と、の双方に接続された垂直信号線と、
    前記垂直信号線の一端に接続され、一定電流を流す第２の負荷トランジスタと、
    前記第１の負荷トランジスタと前記垂直信号線とを接続するための参照画素選択手段と、
    前記参照画素選択線を選択した後に前記第１の行選択線を選択し、更に前記参照画素を選択した後に前記第２の行選択線を選択して、選択の都度前記駆動電圧を印加する駆動回路と、
    前記参照画素選択線を選択した時の前記垂直信号線の第１の電圧を一旦保持し、続いて前記第１の行選択線若しくは第２の行選択線を選択した時の前記垂直信号線の第２の電圧と前記第１の電圧の差分を増幅して出力する二重相関サンプリング回路と、
    を備える
    請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の赤外線センサ。