JP4839977B2 - 赤外線センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサ装置に関するものである。

従来から、赤外線センサ装置の一例として、図８に示す構成の熱型赤外線イメージセンサが提案されている（特許文献１参照）。

図８に示す構成の熱型赤外線イメージセンサは、温度上昇に応じたアナログの電流値を出力する熱型赤外線検出素子（感熱素子）１０１を有する複数の画素１００がマトリクス状に配列された赤外線センサＩＳ’と、赤外線センサＩＳ’の各列の複数の画素１００が各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線１０２と、赤外線センサＩＳ’の各行の複数の画素１００が各行ごとに共通接続された複数のクロックライン１０３と、各垂直読み出し線１０２ごとに設けられ熱型赤外線検出素子１０１の出力を増幅する複数のバッファ増幅器１０７と、各バッファ増幅器１０７の出力を所定時間積分する複数の積分回路１１０と、各積分回路１１０の後段側に設けられた複数の蓄積用コンデンサＣＴとを備えており、各蓄積用コンデンサＣＴの電圧を出力端子ＶＯから時系列的に読み出すことができるようになっている。

ここにおいて、熱型赤外線検出素子１０１は、抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子（例えば、特許文献２，３参照）により構成されている。また、積分回路１１０は、増幅器１１０ａと、増幅器１１０ａの入力端子・出力端子間に接続された積分用コンデンサＣＳと、積分用コンデンサＣＳの両端間にソース・ドレイン間が接続されたリセット用ＭＯＳトランジスタＱＳとで構成されている。

また、上記特許文献１に開示された熱型赤外線イメージセンサには、バッファ増幅器１０７のオフセットを補償するオフセット補償手段も設けられている。

なお、熱型赤外線検出素子としては、抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子の他に、誘電体ボロメータ型の赤外線検出素子や、サーモパイル型の赤外線検出素子（上記特許文献３参照）なども広く用いられている。
特開平１０−１４５６７７号公報 特開２０００−９７７６５号公報 特許第３０４０３５６号公報

ところで、赤外線センサＩＳ’の出力の信号成分の周波数は０〜数１０Ｈｚ程度であり、人の動きによって入射する赤外線量が変動した際の出力変動は微小であるが、上記特許文献１に開示された赤外線センサ装置では、赤外線センサＩＳ’の出力を積分回路１１０において積分して増幅する際に信号成分と同じ低周波帯域にフリッカ雑音が発生し、フリッカ雑音や白色雑音（ホワイトノイズ）の影響でＳ／Ｎ比が低下してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる赤外線センサ装置を提供することにある。

請求項１の発明は、赤外線の吸収による温度変化に応じたアナログ量の出力値を発生する赤外線センサと、赤外線センサの出力を信号成分の周波数に対して十分に高い周波数の変調信号で変調する変調器と、変調器の出力を増幅する増幅器と、増幅器の出力を前記変調信号に同期した復調信号で抽出する復調器と、復調器の後段に設けられカットオフ周波数が前記復調信号の周波数よりも低く赤外線センサの信号成分の周波数域よりも高いアナログローパスフィルタと、赤外線センサの信号成分の周波数に対して十分高いサンプリング周波数でアナログローパスフィルタの出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄコンバータと、Ａ／Ｄコンバータの後段側に設けられカットオフ周波数が赤外線センサの信号成分の周波数域よりも高くＡ／Ｄコンバータのサンプリング周波数の２分の１以下であるディジタルローパスフィルタとを備えてなり、赤外線センサが複数の熱型赤外線検出素子を有したアレイセンサであり、各熱型赤外線検出素子の出力を変調器に時系列的に入力させるための走査信号を発生する走査器と、増幅器と復調器との間に挿入され増幅器の出力を各熱型赤外線検出素子それぞれに対応した出力に分離する信号分離器とを備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線センサの出力を信号成分の周波数に対して十分に高い周波数の変調信号で変調する変調器と、変調器の出力を増幅する増幅器と、増幅器の出力を前記変調信号に同期した復調信号で抽出する復調器とを備えているので、赤外線センサの微小な出力を増幅しながらも赤外線センサの信号成分と増幅器で発生するフリッカ雑音とを分離できて、復調器の後段に設けられカットオフ周波数が前記復調信号の周波数よりも低く赤外線センサの信号成分の周波数域よりも高いアナログローパスフィルタによってフリッカ雑音を除去でき、しかも、赤外線センサの信号成分の周波数に対して十分高いサンプリング周波数でアナログローパスフィルタの出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄコンバータと、Ａ／Ｄコンバータの後段側に設けられカットオフ周波数が赤外線センサの信号成分の周波数域よりも高くＡ／Ｄコンバータのサンプリング周波数の２分の１以下であるディジタルローパスフィルタとを備えているので、サンプリング定理により、ディジタルローパスフィルタによって白色雑音を低減することができるから、フリッカ雑音および白色雑音を低減でき、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

また、この発明によれば、赤外線センサにおける各熱型赤外線検出素子の出力を変調器に時系列的に入力させるための走査信号を発生する走査器と、増幅器と復調器との間に挿入され増幅器の出力を各熱型赤外線検出素子それぞれに対応した出力に分離する信号分離器とを備えているので、複数の熱型赤外線検出素子の出力を１個の増幅器で増幅することができ、各熱型赤外線検出素子の出力を異なる増幅器で増幅する場合に比べて、Ｓ／Ｎ比のばらつきを低減できるとともに、回路構成の簡略化および低コスト化を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱型赤外線検出素子が抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子であり、前記走査器の走査信号と前記変調器の変調信号とを同期させることを特徴とする。

この発明によれば、前記各熱型赤外線検出素子の出力を前記変調器で変調するタイミングの条件を一定にでき、性能の安定化を図れる。

請求項１の発明は、フリッカ雑音および白色雑音を低減でき、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線センサ装置は、図１に示すように、赤外線の吸収による温度変化に応じたアナログ量の出力値を発生する赤外線センサＩＳと、赤外線センサＩＳの出力を信号成分の周波数（０〜１０Ｈｚ）に対して十分に高い周波数（フリッカ雑音の振幅レベルが信号成分の振幅レベルよりも十分小さくなる周波数よりも高い周波数であり、例えば、３０ｋＨｚ）の変調パルスで変調する変調器３と、変調器３の出力を増幅する増幅器４と、増幅器４の出力を上記変調パルスに同期した復調パルスで抽出する復調器６と、復調器６の後段に設けられカットオフ周波数が上記復調パルスの周波数（例えば、上記復調パルスの周期を〔変調パルスの周期〕×〔後述の信号分離器５で分離する信号の数〕として決めた場合の周波数であり、変調パルスの周波数が３０ｋＨｚ、信号分離器５で分離する信号の数が３であれば、１０ｋＨｚ）よりも低く赤外線センサＩＳの信号成分の周波数域（０〜１０Ｈｚ）よりも高いアナログローパスフィルタ（アナログ低域通過フィルタ）７と、赤外線センサＩＳの信号成分の周波数に対して十分高いサンプリング周波数（例えば、１０ｋＨｚ）でアナログローパスフィルタ７の出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄコンバータ８と、Ａ／Ｄコンバータ８の後段側に設けられカットオフ周波数が赤外線センサＩＳの信号成分の周波数域よりも高くＡ／Ｄコンバータ８のサンプリング周波数の２分の１以下（例えば、２０Ｈｚ）であるディジタルローパスフィルタ（ディジタル低域通過フィルタ）９とを備えている。なお、本実施形態では、上記変調パルスが変調信号を構成し、上記復調パルスが復調信号を構成している。

本実施形態では、アナログローパスフィルタ７のカットオフ周波数を５ｋＨｚに設定し、Ａ／Ｄコンバータ８のサンプリング周波数を１０ｋＨｚに設定し、ディジタルローパスフィルタ９のカットオフ周波数を２０Ｈｚに設定してあるが、これらの数値は一例である。ただし、サンプリング定理より、Ａ／Ｄコンバータ８のサンプリング周波数はアナログローパスフィルタ７のカットオフ周波数の２倍以上であることが望ましい。なお、赤外線センサＩＳの出力は、人の動きによって入射する赤外線量が変動する場合には１０Ｈｚ程度の周波数成分を含むが、人が静止していて入射する赤外線量の変動がない場合には直流となる。

また、本実施形態の赤外線センサ装置は、赤外線センサＩＳが複数（本実施形態では、３つ）の熱型赤外線検出素子１（図２参照）がアレイ状に配列されたアレイセンサであり、上述の復調器６およびアナログローパスフィルタ７それぞれが複数個（本実施形態では、３個）ずつ設けられており、各熱型赤外線検出素子１の出力を変調器３に時系列的に入力させるための走査信号を発生する走査器２と、増幅器４と複数の復調器６との間に挿入され増幅器４の出力を各熱型赤外線検出素子１それぞれに対応した出力（信号）に分離する信号分離器５と、複数個のアナログローパスフィルタ７とＡ／Ｄコンバータ８との間に挿入され複数個のアナログローパスフィルタ７の出力を択一的にＡ／Ｄコンバータ８に入力するマルチプレクサ１０とを備えている。

ここにおいて、本実施形態では、走査器２の走査信号と変調器３の変調パルスと信号分離器５とを同期させるためのタイミング信号を走査器２および変調器３および信号分離器５へ与えるコントローラ（図示せず）を備えている。ここで、本実施形態では、走査器２の走査信号によりサイクリックに選択する熱型赤外線検出素子１の切り換え周波数は、変調器３の変調パルスの周波数（変調周波数）と同じとしてあるが、変調周波数よりも低くてもよい。ただし、変調パルスとタイミング信号とを同期させるようにすることで赤外線センサ装置の簡略化を図れる。また、信号分離器５は、増幅器４の出力を各熱型赤外線検出素子１それぞれに対応した出力に分離するための複数（本実施形態では、３つ）のスイッチ素子（図示せず）を備えており、各スイッチ素子が上記コントローラから与えられるタイミング信号によってサイクリックにオンされる。

なお、本実施形態では、複数の熱型赤外線検出素子１が１次元アレイ状に配列されているが、２次元アレイ状（マトリクス状）に配列されていてもよく、この場合には、水平走査用の走査器（水平走査回路）と垂直走査用の走査器（垂直走査回路）とを設け、各熱型赤外線検出素子１の出力が変調器３に時系列的に入力されるように各走査器から走査信号を発生させるようにすればよく、各熱型赤外線検出素子１それぞれを画素とする赤外線画像を得ることができる。

熱型赤外線検出素子１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ベース基板１１と、ベース基板１１の一表面側（図２（ｂ）の上面側）に配置され赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部１３と、温度検知部１３がベース基板１１の一表面（図１（ｂ）における上面）から離間して配置されるように温度検知部１３を支持して温度検知部１３とベース基板１１とを熱絶縁する断熱部１４と、温度検知部１３におけるベース基板１１側とは反対側に積層され赤外線を吸収する赤外線吸収層１５と、ベース基板１１の上記一表面上に形成され赤外線吸収層１５および温度検知部１３および断熱部１４を透過した赤外線を温度検知部１３側へ反射する赤外線反射膜１６とを備えている。なお、本実施形態では、赤外線センサＩＳは複数の熱型赤外線検出素子１を備えているが、１枚のベース基板１１の上記一表面側において複数の温度検知部１３がアレイ状に配置され、各温度検知部１３それぞれが各別の断熱部１４により支持されてベース基板１１と熱絶縁されている。

ここにおいて、ベース基板１１は、シリコン基板１１ａと当該シリコン基板１１ａの一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜１１ｂとで構成されている。なお、本実施形態における熱型赤外線検出素子１は、検出対象の赤外線として人体から放射される８μｍ〜１３μｍの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線吸収層１５の材料としてＳｉＯＮを採用し、赤外線反射膜１６の材料としては、Ａｌ−Ｓｉを採用している。なお、赤外線吸収層１５の材料はＳｉＯＮに限らず、例えばＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、金黒などを採用してもよい。

また、検出対象の赤外線の中心波長をλ〔μｍ〕、赤外線吸収層１５と赤外線反射膜１６との間隔をｄ〔μｍ〕とすれば、ｄ＝λ／４に設計されており、検出対象の赤外線が人体から放射される赤外線なので、λ＝１０μｍとして、ｄ＝２．５μｍに設計されている。したがって、本実施形態における熱型赤外線検出素子１では、赤外線吸収層１５に入射した赤外線の一部が赤外線吸収層１５および温度検知部１３で吸収され残りが透過するが、赤外線反射膜１６で反射され再び赤外線吸収層１５へ戻るようになり、赤外線吸収層１５と赤外線反射膜１６との間隔ｄがλ／４になっているので、検出対象の赤外線の波長に共振し吸収効率が高くなる。要するに、本実施形態では、赤外線吸収層１５と赤外線反射膜１６とで検出対象の赤外線の波長に共振し当該赤外線を定在させる共振器を構成している。

断熱部１４は、ベース基板１１の上記一表面から離間して配置されベース基板１１側とは反対側に温度検知部１３が形成される支持部４１と、支持部４１とベース基板１１とを連結した２つの脚部４２，４２とを有している。

これに対して、上述の温度検知部１３は、断熱部１４の脚部４２，４２に沿って形成された配線１８ａ，１８ｃを介してベース基板１１の上記一表面上の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる導体パターン１２ａ，１２ｃと電気的に接続されている。なお、本実施形態における赤外線センサＩＳは、上述のように１枚のベース基板１１の上記一表面側に複数の温度検知部１３が配置されており、対をなす２つの導体パターン１２ａ，１２ｃがベース基板１１の上記一表面側においてそれぞれ異なるバス配線と電気的に接続されているので、各温度検知部１３の出力を各別に外部へ取り出すことが可能となっている。

本実施形態における熱型赤外線検出素子１は、抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子であり、温度検知部１３が、支持部４１上に形成されたクロム膜からなる下部電極１３ａと、下部電極１３ａ上に形成されたアモルファスシリコン膜からなる抵抗体層１３ｂと、抵抗体層１３ｂ上に形成されたクロム膜からなる上部電極１３ｃとからなるサーミスタにより構成されている。なお、本実施形態では、抵抗体層１３ｂの材料としてアモルファスシリコンを採用しているが、抵抗体層１３ｂの材料はアモルファスシリコンに限らず、例えば、チタン、酸化バナジウムなどを採用してもよい。

ここにおいて、温度検知部１３は、下部電極１３ａが一方の脚部４２に沿って形成された配線１８ａを介して一方の導体パターン１２ａと電気的に接続され、上部電極１３ｃが他方の脚部４２に沿って形成された配線１８ｃを介して他方の導体パターン１２ｃと電気的に接続されている。また、本実施形態では、上記一方の配線１８ａの材料として、下部電極１３ａと同じクロムを採用し、上記他方の配線１８ｃの材料として、上部電極１３ｃと同じクロムを採用している。なお、温度検知部１３は、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。

ところで、熱型赤外線検出素子１は、上述の断熱部１４の脚部４２，４２が、ベース基板１の上記一表面側において導体パターン１２ａ，１２ｃ上に立設された円筒状の支持ポスト部４２ａ，４２ａと、支持ポスト部４２ａ，４２ａの上端部と支持部４１とを連結した梁部４２ｂ，４２ｂとで構成されており、支持部４１とベース基板１１との間に間隙１７が形成されている。ここで、各梁部４２ｂ，４２ｂは、Ｌ字状の平面形状に形成されており、支持部４１の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。なお、上述の配線１８ａ，１８ｃのうち脚部４２，４２の梁部４２ｂ，４２ｂに沿って形成された部位の線幅は、当該配線１８ａ，１８ｃを通した熱伝達を抑制するために梁部４２ｂ，４２ｂの幅寸法よりも十分に小さく設定してある。また、配線１８ａ，１８ｃのうち支持ポスト部４２ａ，４２ａに沿って形成された部位は、支持ポスト部４２ａ，４２ａの内周面の全体と導体パターン１２ａ，１２ｃの表面とに跨って形成されており、支持ポスト部４２ａ，４２ａが配線１８ａ，１８ｃにより補強されている。

また、熱型赤外線検出素子１は、断熱部１４の脚部４２，４２および支持部４１が多孔質材料により形成されている。ここで、断熱部１４の脚部４２，４２および支持部４１の多孔質材料として、多孔質の酸化シリコンの一種であるポーラスシリカを採用しているが、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシロキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるＳｉ−Ｈ含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよく、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料を採用すれば、断熱部４として非多孔質の酸化シリコンを採用する場合に比べて断熱性を向上できる。

ここにおいて、本実施形態における断熱部１４は、多孔度が６０％のポーラスシリカ膜（多孔質シリコン酸化膜）により構成してあるが、多孔度が小さ過ぎると十分な断熱効果が得られず多孔度が大き過ぎると機械的強度が弱くなって構造形成が困難となるので、ポーラスシリカ膜の多孔度は例えば４０％〜８０％程度の範囲内で適宜設定することが望ましい。

ここで、２つの脚部４２，４２合計の熱コンダクタンスＧは、脚部４２の材料の熱伝導率をα〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、脚部４２の長さをＬ〔μｍ〕、脚部４２の延長方向に直交する断面の断面積をＳとすれば、Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）で求められるが、仮に、脚部４２の材料がＳｉＯ_２の場合には、α＝１．４〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｌ＝５０〔μｍ〕、Ｓ＝１０〔μｍ^２〕とすれば、熱コンダクタンスＧは、
Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）＝５６０×１０^−９〔Ｗ／Ｋ〕となる。

これに対して、本実施形態のように、脚部４２を多孔度が６０％のポーラスシリカ膜により構成している場合には、α＝０．０５〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｌ＝５０〔μｍ〕、Ｓ＝１０〔μｍ^２〕とすれば、熱コンダクタンスＧは、
Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）＝２．０×１０^−８〔Ｗ／Ｋ〕
となり、熱コンダクタンスＧを脚部４２がシリコン酸化膜により構成される比較例の熱コンダクタンスＧの１０分の１よりも小さな値とすることができ、脚部４２，４２を通した熱伝達をより抑制することができ、高感度化を図れる。

また、支持部４１の熱容量Ｃは、支持部４１の体積比熱をｃ_v、支持部４１の厚み方向に直交する断面の面積をＡ〔μｍ^２〕、支持部４１の厚さをｄ〔μｍ〕とすれば、Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄで求められる。ここで、仮に、支持部４１の材料がＳｉＯ_２の場合には、ｃ_v＝１．８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ＝２５００〔μｍ^２〕、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝２２．６×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕となる。

これに対して、本実施形態のように、支持部４１を多孔度が６０％のポーラスシリカ膜により構成している場合には、ｃ_v＝０．８８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ＝２５００〔μｍ^２〕、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝１１．０×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕
となり、支持部４１の熱容量Ｃを支持部４１がシリコン酸化膜により構成される比較例の場合に比べて半分よりも小さな値とすることができ、時定数が小さくなって応答速度の高速化を図れる。

以下、本実施形態の赤外線センサ装置の動作例について図３および図４に基づいて説明する。

例えば、赤外線センサＩＳの３つの熱型赤外線検出素子１の出力波形が図３（ａ）の「イ」、「ロ」、「ハ」であるとすると、各熱型赤外線検出素子１の出力の周波数スペクトル分布（パワー密度スペクトル分布）は図４（ａ）の「イ」、「ロ」、「ハ」となり、白色雑音の周波数スペクトル分布は図４（ａ）中の「ニ」となる。

ここで、変調器３の変調パルスが図３（ｂ）に示すような波形であり、変調周波数がｆｃ（変調パルスの周期が１／ｆｃ）であるとすると、変調器３の出力を増幅する増幅器４の出力波形は図３（ｃ）のような波形となる。ここで、変調器３に入力される赤外線センサＩＳの出力の周波数スペクトル分布は図４（ｂ）のように図４（ａ）と同じであり、変調器３による変調後の出力の周波数スペクトル分布は図４（ｃ）となる。つまり、熱型赤外線検出素子１の出力が変調周波数ｆｃで交流化され、各熱型赤外線検出素子１の信号成分「イ」、「ロ」、「ハ」が変調周波数ｆｃに移る。なお、図４（ｃ）では、「イ」、「ロ」、「ハ」が信号成分、「ニ」が白色雑音、「ホ」がフリッカ雑音を示している。

次に、増幅器４の後段の信号分離器５から出力される各熱型赤外線検出素子１それぞれに対応した出力波形（つまり、各復調器６の入力波形）はそれぞれ図３（ｄ−１）の「イ」、図３（ｄ−２）の「ロ」、図３（ｄ−３）の「ハ」のような波形となり、周波数スペクトル分布はそれぞれ図４（ｄ−１）、図４（ｄ−２）、図４（ｄ−３）となる。なお、図４（ｄ−１）〜（ｄ−３）は、「イ」、「ロ」、「ハ」が信号成分、「ニ」が白色雑音、「ホ」がフリッカ雑音を示している。

次に、各復調器６にて復調された後で各アナログローパスフィルタ７から出力される各熱型赤外線検出素子１それぞれに対応した出力波形はそれぞれ図３（ｅ−１）、図３（ｅ−２）、図３（ｅ−３）のような波形となり、周波数スペクトル分布は図４（ｅ−１）、図４（ｅ−２）、図４（ｅ−３）となる。ここで、復調器６の復調パルスは、変調パルスと同じパルス幅で周期が３倍に設定されているので、復調器６を通すことにより、熱型赤外線検出素子１および増幅器４で発生する低周波域のフリッカ雑音が復調パルスの周波数（ｆｃ／３）に移り、熱型赤外線検出素子１の信号成分が元の低周波域に移る。なお、図４（ｅ−１）、図４（ｅ−２）、図４（ｅ−３）は、カットオフ周波数が上記復調パルスの周波数よりも低く熱型赤外線検出素子１の信号成分の周波数域よりも高いアナログローパスフィルタ７から出力される出力波形に対応する周波数スペクトル分布なので、アナログローパスフィルタ７によりカットされた周波数スペクトル分布を破線で示してある。ここにおいて、図４（ｅ−１）〜（ｅ−３）は、「イ」、「ロ」、「ハ」が信号成分、「ニ」が白色雑音、「ホ」がフリッカ雑音を示しており、上述の破線で示したように白色雑音「ニ」の一部およびフリッカ雑音「ホ」がアナログローパスフィルタ７により除去されている。

次に、赤外線センサＩＳの信号成分の周波数に対して十分高いサンプリング周波数で各アナログローパスフィルタ７の出力のオーバーサンプリングを行うＡ／Ｄコンバータ８から出力される各熱型赤外線検出素子１それぞれに対応した出力はそれぞれ図３（ｆ−１）、図３（ｆ−２）、図３（ｆ−３）に示すようになり、周波数スペクトルは図４（ｆ−１）、図４（ｆ−２）、図４（ｆ−３）となる。なお、図４（ｆ−１）〜（ｆ−３）は、「イ」、「ロ」、「ハ」が信号成分、「ニ」が白色雑音を示している。

次に、カットオフ周波数が熱型赤外線検出素子１の信号成分の周波数（１０Ｈｚ程度）よりも高くＡ／Ｄコンバータ８のサンプリング周波数ｆｓの２分の１以下であるディジタルローパスフィルタ９から出力される各熱型赤外線検出素子１それぞれに対応した出力はそれぞれ図３（ｇ−１）、図３（ｇ−２）、図３（ｇ−３）に示すようになり、周波数スペクトル分布は図４（ｇ−１）、図４（ｇ−２）、図４（ｇ−３）となる。なお、図４（ｇ−１）〜（ｇ−３）は、「イ」、「ロ」、「ハ」が信号成分、「ニ」が白色雑音を示しており、図４（ｆ−１）〜（ｆ−３）に比べて白色雑音「ニ」が低減されている。

以上説明した赤外線センサ装置の動作例について、説明を簡単にするために、１つの熱型赤外線検出素子１の出力について着目すると、変調器３に入力される熱型赤外線検出素子１の出力の周波数スペクトル分布は図５（ａ）に示すようになり、信号成分「イ」と白色雑音「ニ」とが混在している。そして、変調器３により変調してから増幅器４にて増幅することで、周波数スペクトル分布は図５（ｂ）に示すようになり、信号成分「イ」と白色雑音「ニ」と増幅器４にて発生したフリッカ雑音「ホ」とが混在するが、信号成分「イ」と増幅器４にて発生したフリッカ雑音「ホ」とを分離することができる。その後、復調器６にて復調された出力は図５（ｃ）に示すように信号成分「イ」が元の周波数域に移る一方でフリッカ雑音「ホ」が復調パルスの周波数（ｆｃ／３）に移り、アナログローパスフィルタ７によりフリッカ雑音「ホ」が除去されて図５（ｄ）に示すような周波数スペクトル分布となる。次に、Ａ／Ｄコンバータ８でオーバーサンプリングを行うことにより、白色雑音「ニ」が図６（ｂ）に示すように、熱型赤外線検出素子１の信号成分の周波数の２倍のナイキスト周波数（ｆｓ／２）でサンプリングを行った場合の比較例である図６（ａ）に比べて、パワー密度が低く高周波領域まで存在する周波数スペクトル分布となる。その後、アナログローパスフィルタに比べてカットオフ特性が急峻なディジタルローパスフィルタ９を通すことで白色雑音「ニ」が低減され、Ｓ／Ｎ比が向上する。なお、図６（ａ）〜（ｃ）では、白色雑音量をＡＷとし、白色雑音量ＡＷを斜線部で示してあるが、Ａ／Ｄコンバータ８での量子化雑音は一定であるから、図６（ａ）と図６（ｂ）とでは斜線部の面積が同じとなっている（図６（ｂ）中のｎは２以上の整数）。

以上説明した本実施形態の赤外線センサ装置では、赤外線センサＩＳの出力を信号成分の周波数に対して十分に高い周波数の変調パルスで変調する変調器３と、変調器３の出力を増幅する増幅器４と、増幅器４の出力を上記変調パルスに同期した復調パルスで抽出する復調器５とを備えているので、赤外線センサＩＳの微小な出力を増幅しながらも赤外線センサＩＳの信号成分と増幅器４で発生するフリッカ雑音とを分離できて、復調器６の後段に設けられカットオフ周波数が上記復調パルスの周波数よりも低く赤外線センサＩＳの信号成分の周波数域よりも高いアナログローパスフィルタ７によってフリッカ雑音を除去でき、しかも、赤外線センサＩＳの信号成分の周波数に対して十分高いサンプリング周波数でアナログローパスフィルタ７の出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄコンバータ８と、Ａ／Ｄコンバータ８の後段側に設けられカットオフ周波数が赤外線センサＩＳの信号成分の周波数域よりも高くＡ／Ｄコンバータ８のサンプリング周波数の２分の１以下であるディジタルローパスフィルタ９とを備えているので、ディジタルローパスフィルタ９によって白色雑音を低減することができるから、フリッカ雑音および白色雑音を低減でき、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

また、本実施形態の赤外線センサ装置では、上述の信号分離器５を備えているので、赤外線センサＩＳの複数の熱型赤外線検出素子１の出力を１個の増幅器４で増幅することができ、各熱型赤外線検出素子１の出力を異なる増幅器で増幅する場合に比べて、Ｓ／Ｎ比のばらつきを低減できるとともに、回路構成の簡略化および低コスト化を図れる。また、本実施形態の赤外線センサ装置では、熱型赤外線検出素子１が抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子であり、走査器２の走査信号と変調器３の変調パルスとを上記コントローラからのタイミング信号により同期させるようにしているので、各熱型赤外線検出素子１の出力を変調器３で変調するタイミングの条件を一定にでき、性能の安定化を図れる。なお、赤外線センサＩＳに熱型赤外線検出素子１の数は複数に限らず１つでもよく、熱型赤外線検出素子１が１つだけの場合には、上述の走査器２および信号分離器５は不要となる。

また、本実施形態では、熱型赤外線検出素子１の温度検知部１３が断熱部１４によりベース基板１１と熱絶縁され、断熱部１４が多孔質材料により形成されているので、断熱部１４がＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、断熱性が向上して感度が高くなり結果的にＳ／Ｎ比が向上するという利点があり、しかも、断熱部１４の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れる。また、断熱部１４の支持部４１がＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、支持部４１の熱容量を小さくできるから、各画素に占める支持部４１の面積比を大きくできて各画素に占める温度検知部１３の面積比（開口率）を高めることができ、温度検知部１３の体積を大きくできるので、熱型赤外線検出素子１で発生する１／ｆ雑音を低減でき、結果的に赤外線センサ装置のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

なお、赤外線センサＩＳは、図示しないパッケージ内を減圧雰囲気とすることで、断熱性が向上し、各温度検知部１３の感度を高めることができる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサ装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、熱型赤外線検出素子１として、図７（ａ），（ｂ）に示すようなサーモパイル型の赤外線検出素子を用いている点が相違する。他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。

本実施形態における熱型赤外線検出素子１は、シリコン基板からなる半導体基板を用いて形成されたベース基板２１と、ベース基板２１の一表面（図７（ａ）における上面）に形成された凹所２１ａの周部の２点間に架け渡された梁部２４と、ベース基板２１の上記一表面からベース基板２１の厚み方向に離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部２５と、ベース基板２１の上記一表面側において赤外線吸収部２５の温度変化を検出する感温部３０と、梁部２４の中間部と赤外線吸収部２５の中央部とを機械的且つ熱的に結合する結合部（接合柱）２６とを備えている。なお、図７（ａ）は図７（ｂ）のＸ−Ｘ’断面に対応している。

上述のベース基板２１の一表面上には、絶縁層２２が形成されており、当該絶縁層２２は、ベース基板２１の上記一表面上に形成されたシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜２２ａと、第１の絶縁膜２２ａ上に積層されたシリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜２２ｂとで構成されている。

また、上述の梁部２４は、ベース基板２１の第１の絶縁膜２２ａに連続一体に形成された下部絶縁膜２４ａと、ベース基板２１の第２の絶縁膜２２ｂに連続一体に形成された上部絶縁膜２４ｂとで構成されている。要するに、梁部２４は、ベース基板２０における凹所２１ａの周部の内側に配置され凹所２１ａの周部に連続一体に形成されている。ここにおいて、梁部２４は、ベース基板２１の厚み方向に直交する面内で蛇行する形状（上記面内で複数回折れ曲がったつづら折れ状の形状）に形成され、両端部がベース基板２１における凹所２１ａの周部に連結されている。なお、第２の絶縁膜２２ｂおよび上部絶縁膜２４ｂは、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

赤外線吸収部２５は、それぞれ赤外線を吸収する赤外線吸収材料により形成された第１の赤外線吸収層２５ａと第２の赤外線吸収層２５ｂとがベース基板２１の厚み方向に積層されている。ここで、赤外線吸収部２５は、外周形状が矩形状に形成されており、ベース基板２１の上記一表面における凹所２１ａの矩形状の内周形状よりも外形寸法を大きく設定してある。なお、各赤外線吸収層２５ａ，２５ｂの赤外線吸収材料としては、ＳｉＯＮを採用しているが、ＳｉＯＮに限らず、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４でもよい。

また、上述のように赤外線吸収部２５の中央部と梁部２４の中間部とを結合する結合部２６は、シリコン酸化膜により構成されているが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

感温部３０は、異種導電形の半導体エレメント３１ａ，３１ｂの対からなる複数（ここでは、２つ）の熱電対３１が直列接続された細長のサーモパイルであって、梁部２４に沿って配置されており、１つの冷接点部３０Ａがベース基板２１における凹所２１ａの周部に配置されるとともに、２つの温接点部３０Ｂが梁部２４の中間部に配置されている。ここで、各熱電対３１は、対となる半導体エレメント３１ａ，３１ｂの一方をｐ形ポリシリコンにより形成するとともに他方をｎ形ポリシリコンにより形成し、対となる半導体エレメント３１ａ，３１ｂの一端部同士が各半導体エレメント３１ａ，３１ｂそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料（例えば、アルミニウムなどの金属材料）からなる接合部３１ｃを介して接続されており、対となる半導体エレメント３１ａ，３１ｂの各一端部と接合部３１ｃとで温接点部３０Ｂを構成している。

また、感温部３０は、一方の熱電対３１の半導体エレメント３１ｂの他端部と他方の熱電対３１の半導体エレメント３１ａの他端部とが金属材料からなる接合部３１ｄを介して接続されており、上記一方の熱電対３１の半導体エレメント３１ｂの他端部と上記他方の熱電対３１の半導体エレメント３１ａの他端部と接合部３１ｄとで冷接点部３０Ａを構成している。ここにおいて、各半導体エレメント３１ａ，３１ｂの全長は、冷接点部３０Ａがベース基板２１における凹所２１ａの周部に位置するように設定してある。なお、本実施形態の熱型赤外線検出素子１では、各半導体エレメント３１ａ，３１ｂが梁部２４および上述の絶縁層２２に埋設されているので、製造時には、第１の絶縁膜２２ａおよび下部絶縁膜２４ａを形成してから、各半導体エレメント３１ａ，３１ｂを形成し、その後、第２の絶縁膜２２ｂおよび上部絶縁膜２４ｂを形成すればよい。

ところで、本実施形態の熱型赤外線検出素子１では、上述のように冷接点部３０Ａがベース基板２１における凹所２１ａの周部に配置されるとともに、温接点部３０Ｂが梁部２４の中間部に配置されているが、温接点部３０Ｂは当該温接点部３０Ｂの一部が冷接点部３０Ａよりもベース基板２１の厚み方向において当該ベース基板２１の上記一表面から離れて位置して赤外線吸収部２５と直接接している。具体的には、本実施形態の熱型赤外線検出素子では、冷接点部３０Ａは、絶縁層２２に埋設されているのに対して、温接点部３０Ｂにおける接合部３１ｃが断面コ字状に形成されており、当該接合部３１ｃの両脚片がベース基板２１の厚み方向に沿って上述の上部絶縁膜２４ｂと結合部２６と第１の赤外線吸収層２５ａとに跨って埋設されるとともに中央片がベース基板２１の厚み方向に直交する面内で赤外線吸収部２５に埋設されている。

以上説明した本実施形態における熱型赤外線検出素子１は、サーモパイルからなる感温部３０の各温接点部３０Ｂ，３０Ｂそれぞれの一部が冷接点部３０Ａよりもベース基板２１の厚み方向においてベース基板２１の上記一表面から離れて位置して赤外線吸収部２５と直接接しているので、赤外線吸収部２５の熱が結合部２６を通して各温接点部３０Ｂ，３０Ｂに熱伝達されるような構成に比べて、赤外線吸収部２５と各温接点部３０Ｂ，３０Ｂとの温度差を低減できて感度を向上できて結果的に赤外線センサ装置のＳ／Ｎ比を向上させることができるとともに、応答速度を向上することができる。また、各温接点部３０Ｂ，３０Ｂの一部が各半導体エレメント３１ａ，３１ｂそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料により形成されているので、赤外線吸収部２５と各温接点部３０Ｂ，３０Ｂとの温度差をより低減できて、より一層の高感度化を図れ赤外線センサ装置のＳ／Ｎ比が向上する。

実施形態１を示す赤外線センサ装置のブロック図である。 同上における熱型赤外線検出素子を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 実施形態２における熱型赤外線検出素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）とは別の概略断面図である。 従来例を示す概略回路図である。

符号の説明

ＩＳ 赤外線センサ
１ 熱型赤外線検出素子
２ 走査器
３ 変調器
４ 増幅器
５ 信号分離器
６ 復調器
７ アナログローパスフィルタ
８ Ａ／Ｄコンバータ
９ ディジタルローパスフィルタ
１０ マルチプレクサ

Claims (2)

1. 赤外線の吸収による温度変化に応じたアナログ量の出力値を発生する赤外線センサと、赤外線センサの出力を信号成分の周波数に対して十分に高い周波数の変調信号で変調する変調器と、変調器の出力を増幅する増幅器と、増幅器の出力を前記変調信号に同期した復調信号で抽出する復調器と、復調器の後段に設けられカットオフ周波数が前記復調信号の周波数よりも低く赤外線センサの信号成分の周波数域よりも高いアナログローパスフィルタと、赤外線センサの信号成分の周波数に対して十分高いサンプリング周波数でアナログローパスフィルタの出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄコンバータと、Ａ／Ｄコンバータの後段側に設けられカットオフ周波数が赤外線センサの信号成分の周波数域よりも高くＡ／Ｄコンバータのサンプリング周波数の２分の１以下であるディジタルローパスフィルタとを備えてなり、赤外線センサが複数の熱型赤外線検出素子を有したアレイセンサであり、各熱型赤外線検出素子の出力を変調器に時系列的に入力させるための走査信号を発生する走査器と、増幅器と復調器との間に挿入され増幅器の出力を各熱型赤外線検出素子それぞれに対応した出力に分離する信号分離器とを備えてなることを特徴とする赤外線センサ装置。
2. 前記熱型赤外線検出素子が抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子であり、前記走査器の走査信号と前記変調器の変調信号とを同期させることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ装置。

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