JP5578045B2 - 検出装置、センサーデバイス及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、検出装置、センサーデバイス及び電子機器等に関する。

従来より、焦電素子を用いた赤外線の検出回路が知られている。例えば人体からは、波長が１０μｍ付近の赤外線が輻射されており、これを検出することで人体の存在や温度の情報を非接触で取得できる。従って、このような赤外線の検出回路を利用することで、侵入検知や物理量計測を実現できる。

赤外線の検出回路の従来技術としては例えば特許文献１、２に開示される技術が知られている。例えば特許文献１の従来技術では、チョッパーを用いて、焦電素子への赤外線の照射・遮断を繰り返しながら、焦電素子からの焦電流を読み出す。

例えば特許文献２の従来技術では、焦電素子に対してパルス電圧を印加する方式を採用している。即ち、強誘電体により実現される焦電素子の自発分極量等は、焦電素子に入射した赤外線に起因する焦電素子の温度に応じて変化する。そこで、自発分極量等に対応して変化した焦電素子の表面電荷量を測定することで、入射した赤外線量を測定する。

しかしながら、これらの従来技術では、検出回路に使用されるトランジスターの特性ばらつきによる出力電圧のばらつきが避けられず、検出精度を高めることが難しいという課題がある。

特開昭５９−１４２４２７号公報 特開平６−２６５４１１号公報

本発明の幾つかの態様によれば、検出精度の高い検出装置、センサーデバイス及び電子機器等を提供できる。

本発明の一態様は、熱センサー素子と、前記熱センサー素子の一端のノードである検出ノードの電圧を検出する検出回路と、前記検出回路の読み出しノードに接続される読み出し回路とを含み、前記検出回路は、前記検出ノードによりゲートが制御される駆動トランジスターを含み、プログラム期間において、前記検出ノードが前記駆動トランジスターのしきい値電圧に対応する電圧値にプログラミングされ、前記プログラム期間の後の読み出し期間において、前記読み出し回路が前記検出回路の検出結果の読み出し動作を行う検出装置に関係する。

本発明の一態様によれば、プログラム期間において検出ノードの電圧を駆動トランジスターのしきい値電圧に対応する電圧値に設定することができる。こうすることで駆動トランジスターのしきい値電圧のばらつきの影響を打ち消すことができる。その結果トランジスターの特性ばらつき等による出力信号電圧のばらつきを低減することができるから、例えば検出装置の検出精度を高めることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記検出回路は、前記駆動トランジスターのドレインと前記検出ノードとの間に設けられるプログラミング用トランジスターを含み、前記プログラミング用トランジスターは、前記プログラム期間においてオン状態であり、前記読み出し期間においてオフ状態であってもよい。

このようにすれば、プログラム期間においてプログラミング用トランジスターがオン状態となることで、駆動トランジスターのゲート・ソース間電圧が上昇し、ゲート・ソース間の寄生容量が充電されてしきい値電圧に対応する値になり、その電圧値が寄生容量より保持される。一方、読み出し期間においてプログラミング用トランジスターがオフ状態となることで、焦電流によりゲート・ソース間の寄生容量が充電され、駆動トランジスターのゲート・ソース間電圧がしきい値電圧に対応する値からさらに上昇する。その結果、駆動トランジスターのしきい値電圧のばらつきの影響を低減することなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記読み出しノードは、前記駆動トランジスターのソースノードであり、前記読み出し回路は、前記駆動トランジスターの前記ソースノードの電圧を読み出してもよい。

このようにすれば、焦電流により駆動トランジスターのゲートの電位が変化し、ゲートの電位の変化により駆動トランジスターのドレイン電流が変化し、ドレイン電流の変化によりソースノードの電位が変化するから、読み出し回路は焦電流に応じた電圧変化を読み出すことができる。

また本発明の一態様では、前記読み出しノードと第１の電源ノードとの間に設けられ、前記駆動トランジスターの電流供給能力のばらつきを補償する補償回路を含んでもよい。

このようにすれば、トランジスターの移動度や温度などのばらつきによる出力信号電圧のばらつきを低減することができるから、例えば検出装置の検出精度を高めることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記補償回路は、前記読み出しノードと前記第１の電源ノードとの間に設けられる抵抗素子又はトランジスターを含んでもよい。

このようにすれば、駆動トランジスターの電流供給能力が高い場合には、読み出しノードの電位が上昇し、駆動トランジスターのドレイン・ソース間電圧が低下することでドレイン電流が減少する。また駆動トランジスターの電流供給能力が低い場合には、読み出しノードの電位が低下し、駆動トランジスターのドレイン・ソース間電圧が上昇することでドレイン電流が増加する。こうすることでトランジスターの電流供給能力のばらつきを補償することが可能になる。

また本発明の一態様では、前記検出回路は、前記駆動トランジスターのゲートと前記検出ノードとの間に設けられるスイッチ用トランジスターと、前記検出ノードと前記第１の電源ノードとの間に設けられるリセット用トランジスターとを含み、前記スイッチ用トランジスターは、前記プログラム期間においてオフ状態であり、前記読み出し期間においてオン状態であり、前記リセット用トランジスターは、前記プログラム期間においてオン状態であり、前記読み出し期間においてオフ状態であってもよい。

このようにすれば、プログラム期間では、リセット用トランジスターにより検出ノードは第１の電源ノードと電気的に接続されるから、熱センサー素子には電圧が印加されない。一方読み出し期間では、スイッチ用トランジスターにより検出ノードは駆動トランジスターのゲートに電気的に接続されるから、焦電流により駆動トランジスターのゲート・ソース間電圧が変化する。こうすることで、熱センサー素子に電圧を印加させずにプログラミングを行うことができるから、検出精度を高めることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記読み出し回路は、前記読み出しノードと前記第１の電源ノードとの間に設けられる電流パス用トランジスターを含み、前記電流パス用トランジスターは、前記プログラム期間においてオン状態であり、前記読み出し期間においてオフ状態であってもよい。

このようにすれば、プログラム期間において駆動トランジスターから電流パス用トランジスターへドレイン電流が流れ、読み出しノードの電位が上昇して、駆動トランジスターのゲート・ソース間の電圧がしきい値電圧に対応する値に設定される。そしてその電圧値がゲート・ソース間の寄生容量より保持されることで、しきい値電圧のプログラミングが可能になる。

本発明の他の態様は、複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、１又は複数の行線と、１又は複数の列線と、前記１又は複数の行線に接続される行選択回路と、前記１又は複数の列線に接続される読み出し回路とを含み、前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、熱センサー素子と、前記熱センサー素子の一端のノードである検出ノードの電圧を検出する検出回路とを含み、前記検出回路は、前記検出ノードによりゲートが制御される駆動トランジスターを含み、プログラム期間において、前記検出ノードが前記駆動トランジスターのしきい値電圧に対応する電圧値にプログラミングされ、前記プログラム期間の後の読み出し期間において、前記読み出し回路が、前記１又は複数の列線の各列線に接続される前記検出回路の検出結果の読み出し動作を行うセンサーデバイスに関係する。

本発明の他の態様によれば、プログラム期間において検出ノードの電圧を駆動トランジスターのしきい値電圧に対応する電圧値に設定することができる。こうすることで駆動トランジスターのしきい値電圧のばらつきの影響を打ち消すことができる。その結果、トランジスターの特性ばらつき等による検出信号電圧の各センサーセル間のばらつきを低減することができるから、センサーデバイスの検出精度を高めることなどが可能になる。

本発明の他の態様は、上記に記載の検出装置を含む電子機器に関係する。

本発明の他の態様は、上記に記載のセンサーデバイスを含む電子機器に関係する。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、焦電流検出方式による赤外線検出を説明する図。 図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、分極量検出方式による赤外線検出を説明する図。 検出装置の第１の構成例。 第１の構成例の信号波形の一例。 検出装置の第２の構成例。 検出装置の第３の構成例。 第３の構成例の信号波形の一例。 検出装置の第３の構成例の変形例。 第３の構成例の変形例の信号波形の一例。 検出装置の第４の構成例。 検出装置の第５の構成例。 図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は、センサーデバイスの構成例。 センサーアレイ、読み出し回路の詳細な構成例。 電子機器の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．検出の方式
本実施形態の検出装置では、赤外線等を検出する素子として熱センサー素子（焦電素子、赤外線検出素子、熱型光検出素子、強誘電体素子）を用いる。熱センサー素子の一例である焦電素子は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体を用いた素子であって、強誘電体の自発分極量が温度により変化することを利用して赤外線を検出する。焦電素子を用いる赤外線検出の方式としては、焦電流検出方式、分極量検出方式及び誘電率検出方式などがある。本実施形態の検出装置では、焦電流検出方式及び分極量検出方式が用いられる。以下に、焦電流検出方式及び分極量検出方式の原理を説明する。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、焦電流検出方式による赤外線検出を説明する図である。焦電素子１０（広義には熱センサー素子）は、焦電体（強誘電体）１１及び電極１２（１２ａ、１２ｂ）を含む。図１（Ａ）に、初期状態における焦電体１１の自発分極及び電極１２ａ、１２ｂに生じる表面電荷を示す。初期状態では、焦電素子１０に赤外線は照射されていない。また、この状態では自発分極量と表面電荷とは釣り合っている、すなわち電気的に中性であって、電荷は移動しない。従って、抵抗素子ＲＡには電流は流れない。

図１（Ｂ）に、焦電素子１０に赤外線が照射されて、焦電素子１０の温度が上昇している状態を示す。焦電素子１０の温度が上昇すると、焦電体１１の自発分極量は減少する。その結果、自発分極量と表面電荷との釣り合いが崩れるから、図１（Ｂ）に示すように表面電荷の一部が移動する。この表面電荷の移動によって抵抗素子ＲＡに焦電流ＩＡが流れる。焦電素子１０の温度変化が大きいほど、焦電流ＩＡが大きくなるから、焦電流ＩＡを検出することで、赤外線源の温度を測定することができる。この焦電流は、焦電素子１０の温度が変化している期間に生じるが、焦電素子１０の温度が一定である期間では、自発分極量と表面電荷とは釣り合っているから焦電流は生じない。従って、焦電流検出方式では、チョッパー等により焦電素子に照射される赤外線を周期的に遮断することで、焦電素子の温度を変化させて焦電流を発生させる。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、分極量検出方式による赤外線検出を説明する図である。図２（Ａ）に、初期状態における焦電体１１の自発分極及び電極１２ａ、１２ｂに生じる表面電荷を示す。初期状態では、自発分極量と表面電荷とは釣り合っている、すなわち電気的に中性であって、電荷は移動しない。従って、抵抗素子ＲＢには電流は流れない。次に図２（Ｂ）に示すように、焦電素子１０に電圧ＶＢを印加する。電圧ＶＢを印加することで、表面電荷の一部が消滅して、自発分極量と表面電荷との釣り合いが崩れた状態になる。

次に図２（Ｃ）に示すように電圧源を取り去ると、再び自発分極量と表面電荷とが釣り合うように電荷が移動し、その結果電流ＩＢが生じる。電流ＩＢの電流値は、印加される電圧ＶＢが一定であれば焦電体１１の自発分極量に依存し、また自発分極量は焦電体１１の温度に依存する。従って、この電流ＩＢを検出することで、赤外線を検出し、赤外線源の温度を測定することができる。

以上説明したように、本実施形態の検出装置では、赤外線等を検出する素子として熱センサー素子（焦電素子）を用いる。本実施形態の検出装置では、焦電流検出方式及び分極量検出方式のどちらの方式でも用いることができる。

２．検出装置
図３に本実施形態の検出装置（赤外線検出装置）の第１の構成例を示す。第１の構成例は、上述した焦電流検出方式による赤外線の検出装置であって、焦電素子１０と、焦電素子１０の一端のノードである検出ノードＮ１の電圧を検出する検出回路２０と、検出回路２０の読み出しノードＮ２に接続される読み出し回路３０とを含む。なお、本実施形態の検出装置は図３の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。例えば、トランジスターＴ１〜Ｔ３としてＮ型トランジスターではなく、Ｐ型トランジスターを用いてもよい。

焦電素子１０（熱センサー素子、赤外線検出素子、熱型光検出素子、強誘電体素子）は、焦電体（焦電膜）と、焦電体を挟むように両端に設けられる第１、第２の電極とにより構成される。焦電体は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの強誘電体の膜により形成され、自発分極が発生している。この自発分極は、温度が高くなると小さくなるため、上述したように焦電素子の温度変化に伴って焦電流が生ずる。

検出回路２０は、検出ノードＮ１によりゲートが制御される駆動トランジスターＴ１と、駆動トランジスターＴ１のドレインと検出ノードＮ１との間に設けられるプログラミング用トランジスターＴ２を含む。プログラミング用トランジスターＴ２は、制御信号ＣＭＰによりゲートが制御され、プログラム期間ＴＰにおいてオン状態であり、読み出し期間ＴＲにおいてオフ状態である。

読み出しノードＮ２は、駆動トランジスターＴ１のソースノードである。読み出し回路３０は、駆動トランジスターＴ１のソースノードの電圧を読み出す。

読み出し回路３０は、読み出しノードＮ２と低電位側電源ノードＶＳＳ（広義には第１の電源ノード）との間に設けられる電流パス用トランジスターＴ３を含む。電流パス用トランジスターＴ３は、プログラム期間ＴＰにおいてオン状態であり、読み出し期間ＴＲにおいてオフ状態である。

第１の構成例の動作について以下に説明する。プログラム期間ＴＰにおいて、検出ノードＮ１が駆動トランジスターＴ１のしきい値電圧に対応する電圧値にプログラミングされる。また、プログラム期間ＴＰに続く読み出し期間ＴＲにおいて、読み出し回路３０が検出回路２０の検出結果の読み出し動作を行う。

具体的には、プログラム期間ＴＰでは、制御信号ＣＭＰはＨレベル（高電位レベル）であり、プログラミング用トランジスターＴ２及び電流パス用トランジスターＴ３はオン状態である。Ｔ２がオンすることで、検出ノードＮ１すなわち駆動トランジスターＴ１のゲートの電位が上昇する。Ｔ１のゲートの電位が上昇することで、Ｔ１がオン状態になりＴ１及びＴ３にドレイン電流が流れる。その結果、Ｔ１のゲートとソースとの間の寄生容量ＣＳに印加される電圧が、Ｔ１のしきい値電圧に対応する値になり、その電圧値が寄生容量ＣＳに充電される電荷により保持される。すなわちＴ１のしきい値電圧に対応する電圧値がプログラミングされる。なお、寄生容量ＣＳの他に電圧保持用キャパシターをＴ１のゲートとソースとの間に設けてもよい。このプログラム期間ＴＰでは、図示していない入射光制御機構（入射光制御部材、チョッパー）により赤外線は遮断されており、焦電素子１０の温度は変化しない。なお、以下では入射光制御機構の一例としてチョッパーの例で説明する。

一方、読み出し期間ＴＲでは、制御信号ＣＭＰはＬレベル（低電位レベル）であり、プログラミング用トランジスターＴ２及び電流パス用トランジスターＴ３はオフ状態である。また、読み出し期間ＴＲでは、焦電素子１０に赤外線が照射され、その結果焦電素子１０の温度が上昇して焦電流が生ずる。この焦電流によりＴ１のゲート・ソース間寄生容量ＣＳが充電されて、検出ノードＮ１の電位がプログラミングされた電圧（Ｔ１のしきい値電圧に対応する電圧値）からさらに上昇する。検出ノードＮ１の電位がＴ１のしきい値電圧より高くなることで、Ｔ１のドレイン電流が生じ、その結果読み出しノードＮ２の電位が上昇する。この電圧変化を読み出し回路３０に含まれる増幅器（アンプ）ＡＭＰで増幅する。

以上説明したように、プログラム期間ＴＰにおいて検出ノードＮ１の電位が駆動トランジスターＴ１のしきい値電圧に対応する電圧値に設定されるから、Ｔ１のしきい値電圧のばらつきがあっても、ばらつきの影響を打ち消すことができる。複数のセンサーセルをアレイ状に配置したセンサーアレイなどでは、各センサーセルの検出回路に含まれるトランジスターのしきい値電圧のばらつきによって、赤外線源の温度が同じであっても読み出される出力信号電圧にばらつきが生じるおそれがある。本実施形態の検出装置によれば、検出回路に含まれるトランジスターのしきい値電圧のばらつきによる出力信号電圧のばらつきを低減することができる。その結果、検出装置の検出精度を高めることが可能になる。

図４は、第１の構成例（図３）の信号波形の一例である。図４では、制御信号ＣＭＰ、チョッパー信号ＣＨＰ（広義には入射光制御信号）、駆動トランジスターＴ１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ及び読み出しノードＮ２の電圧Ｖ（Ｎ２）（出力信号電圧）を示す。チョッパー信号ＣＨＰはチョッパー（広義には入射光制御機構）を制御する信号であって、アクティブレベルの期間には赤外線が焦電素子１０に入射し、非アクティブレベルの期間には赤外線が遮断される。

図４に示すように、プログラム期間ＴＰでは、赤外線が遮断された状態で、駆動トランジスターＴ１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳが、Ｔ１のしきい値電圧ＶＴＨに設定される（プログラミングされる）（図４のＡ３）。

次に読み出し期間ＴＲでは、赤外線が入射して焦電流が発生し、焦電素子１０の温度変化に応じてＶＧＳが変化する。例えば図４では、対象物（赤外線源）の温度が低い場合にはＡ１に示すようにＶＧＳが変化する。また、対象物の温度が高い場合にはＡ２に示すようにＶＧＳが変化する。このＶＧＳの変化に応じて、読み出しノードＮ２の電圧Ｖ（Ｎ２）は、Ｂ１（低温の場合）又はＢ２（高温の場合）に示すように変化する。

図５に、本実施形態の検出装置の第２の構成例を示す。第２の構成例は、上述した第１の構成例（図３）にさらに２つのトランジスターＴ４、Ｔ５を付加したものである。こうすることで、プログラム期間ＴＰにおいて焦電素子１０に電圧が印加されないようにすることができる。

第２の構成例では、検出回路２０は、Ｐ型のスイッチ用トランジスターＴ４及びＮ型のリセット用トランジスターＴ５を含む。スイッチ用トランジスターＴ４は、駆動トランジスターＴ１のゲートと検出ノードＮ１との間に設けられる。リセット用トランジスターＴ５は、検出ノードＮ１と低電位側電源ノードＶＳＳ（広義には第１の電源ノード）との間に設けられる。

スイッチ用トランジスターＴ４は、プログラム期間ＴＰにおいてオフ状態であり、読み出し期間ＴＲにおいてオン状態である。リセット用トランジスターＴ５は、プログラム期間ＴＰにおいてオン状態であり、読み出し期間ＴＲにおいてオフ状態である。したがって、プログラム期間ＴＰでは、検出ノードＮ１は低電位側電源ノードＶＳＳと電気的に接続され、Ｔ１のゲートと電気的に非接続になるから、焦電素子１０には電圧が印加されない。一方読み出し期間ＴＲでは、Ｎ１がＴ１のゲートに電気的に接続されるから、焦電流によって寄生容量ＣＳが充電されてＴ１のゲート・ソース間電圧が変化する。こうすることで、プログラム期間ＴＰにおいて焦電素子１０に電圧が印加されなくなるから、検出装置の精度を高めることが可能になる。なお、駆動トランジスターＴ１、プログラミング用トランジスターＴ２及び電流パス用トランジスターＴ３の動作は、第１の構成例（図３）と同じであるから、説明を省略する。

図６に、本実施形態の検出装置の第３の構成例を示す。第３の構成例は、分極量検出方式による検出装置である。第３の構成例では、検出回路２０は、Ｐ型の駆動トランジスターＴ１１、Ｎ型のプログラミング用トランジスターＴ２１、抵抗素子Ｒ１を含む。抵抗素子Ｒ１は検出ノードＮ１と低電位側電源ノードＶＳＳとの間に設けられる。読み出し回路３０は、上述した第１、第２の構成例と同一である。

図７に、第３の構成例（図６）の信号波形の一例を示す。以下に、図７に従って第３の構成例の動作を説明する。

初期状態では、制御信号ＣＭＰはＬレベル（低電位レベル）であり、プログラミング用トランジスターＴ２１、電流パス用トランジスターＴ３はオフ状態である。また検出ノードＮ１はＬレベルであるから、駆動トランジスターＴ１１はオン状態であり、読み出しノードＮ２はＨレベル（高電位レベル）となっている。

次のプログラム期間ＴＰでは、制御信号ＣＭＰがＨレベルになり、プログラミング用トランジスターＴ２１、電流パス用トランジスターＴ３がオン状態になる。Ｔ１１からＴ３にドレイン電流が流れるから、読み出しノードＮ２の電位はＴ１１とＴ３とのオン抵抗の比で決定される電圧になる。一方、オン状態となったＴ２１を介してＮ２の電位がＮ１にフィードバックされるから、検出ノードＮ１の電位は上昇する。Ｎ１の電位が上昇して、Ｔ１１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳがＴ１１のしきい値電圧ＶＴＨ（ＶＴＨ＜０とする）より高くなると、Ｔ１１はオフ状態になるから、Ｎ１の電位は降下する。そしてＴ１１のＶＧＳがＶＴＨより低くなると、再びＴ１１がオン状態になるからＮ１の電位が上昇する。このようにして、最終的にはＮ１の電位はＶＤＤ＋ＶＴＨに設定される。すなわちＴ１１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳはＶＴＨに設定される（図７のＣ３）。この電圧値がＴ１１のゲート・ソース間寄生容量ＣＳにより保持されることで、しきい値電圧ＶＴＨに対応する電圧値がプログラミングされる。また、検出ノードＮ１の電位が上昇することで、焦電素子１０に電圧が印加される。

続く読み出し期間ＴＲでは、制御信号ＣＭＰがＬレベルになり、Ｔ２１、Ｔ３はオフ状態になる。焦電素子１０に電圧が印加されなくなるから、焦電素子１０から抵抗素子Ｒ１を介して放電電流が流れる。この放電によって検出ノードＮ１の電位が降下することでＴ１１がオン状態となり、読み出しノードＮ２の電位が上昇する。焦電素子１０の温度によって分極量が異なるために、Ｎ１の電圧降下の速さが異なり、その結果Ｎ２の電圧上昇の速さが異なってくる。例えば図７では、低温の場合にはＣ１、Ｄ１に示すように急速に変化し、高温の場合にはＣ２、Ｄ２に示すように緩やかに変化する。この電圧変化を検出することで、赤外線源の温度を測定することが可能になる。

図８に、本実施形態の検出装置の第３の構成例の変形例を示す。図８の構成では、読み出し回路３０は、さらに出力リセット用トランジスターＴ４を含む。この出力リセット用トランジスターＴ４は、読み出しノードＮ２と低電位側電源ノードＶＳＳとの間に設けられ、読み出し期間ＴＲの直前（すなわちプログラム期間ＴＰの最終期間）に読み出しノードＮ２の電位をＬレベル（低電位レベル）にリセットする。こうすることで、読み出し期間ＴＲにおける読み出しノードＮ２の電圧変化が大きくなるから、電圧変化の検出が容易になり、さらに温度測定の精度を高めることができる。

図９に、第３の構成例の変形例（図８）の信号波形の一例を示す。初期状態及びプログラム期間ＴＰの前半における動作は、図７に示した第３の構成例の動作と同じである。プログラム期間ＴＰの前半で、検出ノードＮ１の電位がＶＤＤ＋ＶＴＨ（ＶＴＨはＴ１１のしきい値電圧でありＶＴＨ＜０とする）に設定された後に、制御信号ＣＭＰがＬレベルになり、リセット信号ＲＳＴが一時的にＨレベルになる。リセット信号ＲＳＴがＨレベルになることで出力リセット用トランジスターＴ４がオン状態になるから、読み出しノードＮ２の電位がＬレベル（又はＬレベル近く）まで降下する（図９のＦ３）。

続く読み出し期間ＴＲでは、上述したように、焦電素子１０の放電によって検出ノードＮ１の電位が降下することでＴ１１がオン状態となり、読み出しノードＮ２の電位が上昇する。例えば図９では、低温の場合にはＥ１、Ｆ１に示すように急速に変化し、高温の場合にはＥ２、Ｆ２に示すように緩やかに変化する。この電圧変化を検出することで、赤外線源の温度を測定することが可能になる。

図１０に、本実施形態の検出装置の第４の構成例を示す。第４の構成例は、焦電流検出方式による検出装置であって、駆動トランジスターＴ１の電流供給能力のばらつきを補償する補償回路４０を含む。補償回路４０は、読み出しノードＮ２と低電位側電源ノードＶＳＳ（広義には第１の電源ノード）との間に設けられる抵抗素子Ｒ２を含む。抵抗素子Ｒ２を設けることで電流パスが形成されるから、読み出し回路３０の電流パス用トランジスターＴ３を省略することができる。

既に説明したように、本実施形態の検出装置によれば、駆動トランジスターＴ１のしきい値電圧のばらつきを補償することができる。しかし駆動トランジスターＴ１の移動度のばらつきや温度のばらつき等に起因する電流供給能力のばらつきを補償することはできない。第４の構成例によれば、補償回路４０を設けることで電流供給能力のばらつきを補償し、より精度の高い検出装置を実現することが可能になる。

駆動トランジスターＴ１の電流供給能力が高い場合には、抵抗素子Ｒ２を流れる電流が増加する。そうすると読み出しノードＮ２の電位が上昇するから、Ｔ１のドレイン・ソース間電圧が低下する。Ｔ１のドレイン・ソース間電圧が低下することで、Ｔ１のドレイン電流が減少する。

逆に駆動トランジスターＴ１の電流供給能力が低い場合には、抵抗素子Ｒ２を流れる電流が減少する。そうすると読み出しノードＮ２の電位が低下するから、Ｔ１のドレイン・ソース間電圧が上昇する。Ｔ１のドレイン・ソース間電圧が上昇することで、Ｔ１のドレイン電流が増加する。

このように、補償回路４０を設けることで、トランジスターの電流供給能力のばらつきの影響を打ち消す効果が得られるから、Ｔ１の電流供給能力のばらつきを抑えることができる。その結果、より精度の高い検出装置を実現することが可能になる。

図１１に、本実施形態の検出装置の第５の構成例を示す。第５の構成例は、焦電流検出方式による検出装置であって、第４の構成例と同様に補償回路４０を含む。第５の構成例では、補償回路４０は、２つのトランジスターＴ６、Ｔ７及び抵抗素子Ｒ３を含む。トランジスターＴ６は、読み出しノードＮ２と低電位側電源ノードＶＳＳ（広義には第１の電源ノード）との間に設けられる。抵抗素子Ｒ３は、高電位側電源ノードＶＤＤ（広義には第２の電源ノード）とＴ６のゲートとの間に設けられる。トランジスターＴ７は、Ｔ６のゲートと低電位側電源ノードＶＳＳとの間に設けられ、Ｔ７のゲートには基準電圧ＶＲＥＦが印加される。第４の構成例と同様に、第５の構成例によれば、補償回路４０を設けることでトランジスターの電流供給能力のばらつきを補償し、より精度の高い検出装置を実現することが可能になる。

各トランジスターの電流供給能力は同じようにばらつくと考えられる。例えば、駆動トランジスターＴ１の電流供給能力が高い方にばらつく場合には、Ｔ７の電流供給能力も高くなる。Ｔ７の電流供給能力が高くなれば、Ｔ７のドレインの電位、即ちＴ６のゲートの電位が低下する。Ｔ６のゲート・ソース間電圧が低下することで、読み出しノードＮ２の電位が上昇し、Ｔ１のドレイン・ソース間電圧が低下する。Ｔ１のドレイン・ソース間電圧が低下することで、Ｔ１のドレイン電流が減少する。

逆に、トランジスターの電流供給能力が低い方にばらつく場合には、Ｔ６のゲート・ソース間電圧が上昇して、読み出しノードＮ２の電位が低下する。その結果、Ｔ１のドレイン・ソース間電圧が上昇して、Ｔ１のドレイン電流が増加する。

このように、補償回路４０を設けることで、トランジスターの電流供給能力のばらつきの影響を打ち消す効果が得られるから、Ｔ１の電流供給能力のばらつきを抑えることができる。その結果、より精度の高い検出装置を実現することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態の検出装置によれば、トランジスターのしきい値電圧のばらつきを補償することができるから、高精度の赤外線検出等が可能になる。さらに補償回路を設けることで、トランジスターの移動度や温度等のばらつきに起因する電流供給能力のばらつきを補償することができるから、検出精度をさらに向上させることが可能になる。

なお、後述するセンサーアレイの構成において、図１０、図１１のように補償回路４０を各センサーセルごとに設ける構成としてもよいし、また各列（カラム）毎に設ける構成としてもよい。

３．センサーデバイス
図１２（Ａ）に本実施形態のセンサーデバイスの構成例を示す。このセンサーデバイスは、センサーアレイ１００と、行選択回路（行ドライバー）１１０と、読み出し回路１２０とを含む。またＡ／Ｄ変換部１３０、カラム走査回路１４０、制御回路１５０を含むことができる。このセンサーデバイスを用いることで、例えばナイトビジョン機器などに用いられる赤外線カメラなどを実現できる。

センサーアレイ１００（焦点面アレイ）には、複数のセンサーセルが配列（配置）される。また複数の行線（ワード線、走査線）と複数の列線（データ線）が設けられる。なお行線及び列線の一方の本数が１本であってもよい。例えば行線が１本である場合には、図１２（Ａ）において行線に沿った方向（横方向）に複数のセンサーセルが配列される。一方、列線が１本である場合には、列線に沿った方向（縦方向）に複数のセンサーセルが配列される。

図１２（Ｂ）に示すように、センサーアレイ１００の各センサーセルは、各行線と各列線の交差位置に対応する場所に配置（形成）される。例えば図１２（Ｂ）のセンサーセルは、行線ＷＬ１と列線ＤＬ１の交差位置に対応する場所に配置されている。他のセンサーセルも同様である。

行選択回路１１０は、１又は複数の行線に接続される。そして各行線の選択動作を行う。例えば図１２（Ｂ）のようなＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）のセンサーアレイ１００（焦点面アレイ）を例にとれば、行線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２・・・・ＷＬ２３９を順次選択（走査）する動作を行う。即ちこれらの行線を選択する信号（ワード選択信号）をセンサーアレイ１００に出力する。

読み出し回路１２０は、１又は複数の列線に接続される。そして各列線の読み出し動作を行う。ＱＶＧＡのセンサーアレイ１００を例にとれば、列線ＤＬ０、ＤＬ１、ＤＬ２・・・・ＤＬ３１９からの検出信号（検出電流、検出電荷）を読み出す動作を行う。この読み出し回路１２０は、例えば既に説明した検出装置の第１〜第５の構成例の読み出し回路３０を、各列線に対応させて配置することで実現できる。

Ａ／Ｄ変換部１３０は、読み出し回路１２０において取得された検出電圧（測定電圧、到達電圧）をデジタルデータにＡ／Ｄ変換する処理を行う。そしてＡ／Ｄ変換後のデジタルデータＤＯＵＴを出力する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部１３０には、複数の列線の各列線に対応して各Ａ／Ｄ変換器が設けられる。そして、各Ａ／Ｄ変換器は、対応する列線において読み出し回路１２０により取得された検出電圧のＡ／Ｄ変換処理を行う。なお、複数の列線に対応して１つのＡ／Ｄ変換器を設け、この１つのＡ／Ｄ変換器を用いて、複数の列線の検出電圧を時分割にＡ／Ｄ変換してもよい。

カラム走査回路１４０は、各カラム（列）を順次選択（走査）して、各カラムのＡ／Ｄ変換後のデジタルデータを時系列データとして出力するための動作を行う。なお、カラム走査回路１４０を設けずに、各カラムのデジタルデータを並行して（パラレルに）出力してもよい。

制御回路１５０（タイミング生成回路）は、各種の制御信号を生成して、行選択回路１１０、読み出し回路１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、カラム走査回路１４０に出力する。例えば充電や放電（リセット）の制御信号を生成して出力する。或いは、各回路のタイミングを制御する信号を生成して出力する。

図１３に、センサーアレイ１００や読み出し回路１２０の詳細な構成例を示す。なお、図１３では、センサーセル及び読み出し回路として第１の構成例（図３）を用いているが、図５、図６、図８、図１０、図１１に示した各種構成・手法を組み合わせた変形実施も可能である。

各センサーセルは、焦電素子１０（広義には熱センサー素子）と、焦電素子１０の一端のノードである検出ノードＮ１の電圧を検出する検出回路２０とを含む。検出回路２０は、検出ノードＮ１によりゲートが制御される駆動トランジスターＴ１を含む。プログラム期間ＴＰにおいて、検出ノードＮ１が駆動トランジスターＴ１のしきい値電圧に対応する電圧値にプログラミングされる。プログラム期間ＴＰに続く読み出し期間ＴＲにおいて、読み出し回路１２０が、１又は複数の列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）の各列線に接続される検出回路の検出結果の読み出し動作を行う。

具体的には、例えば行線ＷＬ０が選択される場合には、行線ＷＬ０にゲートが接続されるトランジスターＴＷがオン状態になる。そして行線ＷＬ０に対応する１又は複数のセンサーセルが、それぞれ対応する列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）に電気的に接続される。この時、行線ＷＬ０以外の行線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ２３９）は非選択である。

プログラム期間ＴＰでは、制御信号ＣＭＰはＨレベル（高電位レベル）であり、選択されたセンサーセルのプログラミング用トランジスターＴ２及び読み出し回路１２０の電流パス用トランジスターＴ３はオン状態である。Ｔ２がオンすることで、検出ノードＮ１すなわち駆動トランジスターＴ１のゲートの電位が上昇する。Ｔ１のゲートの電位が上昇することで、Ｔ１がオン状態になりＴ１及びＴ３にドレイン電流が流れる。その結果、Ｔ１のゲートとソースとの間の寄生容量ＣＳに印加される電圧が、Ｔ１のしきい値電圧に対応する値になり、その電圧値が寄生容量ＣＳに充電される電荷により保持される。すなわちＴ１のしきい値電圧に対応する電圧値がプログラミングされる。なお、寄生容量ＣＳの他に電圧保持用キャパシターをＴ１のゲートとソースとの間に設けてもよい。このプログラム期間ＴＰでは、チョッパーにより赤外線は遮断されており、焦電素子１０の温度は変化しない。

一方、読み出し期間ＴＲでは、制御信号ＣＭＰはＬレベル（低電位レベル）であり、プログラミング用トランジスターＴ２及び電流パス用トランジスターＴ３はオフ状態である。また、読み出し期間ＴＲでは、焦電素子１０に赤外線が照射され、その結果焦電素子１０の温度が上昇して焦電流が生ずる。この焦電流によりＴ１のゲート・ソース間寄生容量ＣＳが充電されて、検出ノードＮ１の電位が上昇する。検出ノードＮ１の電位の変化に応じて、読み出しノードＮ２の電位が変化するから、この変化を読み出し回路１２０に含まれる増幅器（アンプ）ＡＭＰで増幅する。

このようにして、行線ＷＬ０に対応する１又は複数のセンサーセルからの検出信号が列（カラム）毎に読み出される。その後、他の行線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ２３９）が順次選択され、上記と同様にして各センサーセルから検出信号が読み出される。

以上説明したように、初期状態（すなわち赤外線が遮断されている状態）での検出ノードＮ１の電位が駆動トランジスターＴ１のしきい値電圧に対応する電圧値に設定されるから、Ｔ１のしきい値電圧のばらつきがある場合でも、ばらつきの影響を抑えることができる。

センサーアレイなどでは、各センサーセルのトランジスターのしきい値電圧のばらつきによって、赤外線源の温度が同じであっても、センサーセル間で読み出される信号電圧にばらつきが生じるおそれがある。本実施形態のセンサーデバイスによれば、各センサーセルに含まれるトランジスターのしきい値電圧のばらつきによる検出信号電圧（読み出し信号電圧）のばらつきを低減することができる。その結果、センサーデバイスの検出精度（分解能）を高めることが可能になる。

なお、プログラム期間ＴＰ及び読み出し期間ＴＲのタイミングについては、上記のように順次１行毎にプログラミングと読み出しとを繰り返していく方法の他に、種々の方法が可能である。例えば、赤外線計測に先立って全てのセンサーセルについて同時にプログラミングを行う方法も可能である。

４．電子機器
図１４に本実施形態の検出装置やセンサーデバイスを含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、例えば赤外線カメラであって、光学系２００、センサーデバイス２１０、画像処理部２２０、処理部２３０、記憶部２４０、操作部２５０、表示部２６０を含む。なお本実施形態の電子機器は図１４の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば光学系、操作部、表示部等）を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

光学系２００は、例えば１又は複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そしてセンサーデバイス２１０への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。

センサーデバイス２１０は、図１２（Ａ）等で説明したものであり、物体像の撮像処理を行う。画像処理部２２０は、センサーデバイス２１０からのデジタルの画像データ（画素データ）に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。

処理部２３０は、電子機器の全体の制御を行ったり、電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部２３０は、例えばＣＰＵ等により実現される。記憶部２４０は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部２３０や画像処理部２２０のワーク領域として機能する。操作部２５０は、ユーザが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやＧＵＩ（Graphical User Interface）画面などにより実現される。表示部２６０は、例えばセンサーデバイス２１０により取得された画像やＧＵＩ画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの各種のディスプレイや投射型表示装置などにより実現される。

なお本実施形態は、ＦＰＡ（Focal Plane Array：焦点面アレイ）を用いた赤外線カメラや赤外線カメラを用いた電子機器に適用できる。赤外線カメラを適用した電子機器としては、例えば夜間の物体像を撮像するナイトビジョン機器、物体の温度分布を取得するサーモグラフィー機器、人の侵入を検知する侵入検知機器、物体の物理情報の解析（測定）を行う解析機器（測定機器）、火や発熱を検知するセキュリティー機器、工場などに設けられるＦＡ（Factory Automation）機器などが想定できる。ナイトビジョン機器を車載機器に適用すれば、車の走行時に夜間の人等の姿を検知して表示することができる。またサーモグラフィー機器に適用すれば、インフルエンザ検疫等に利用することができる。

なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語（第１の電源ノード、第２の電源ノード）と共に記載された用語（ＶＳＳノード、ＶＤＤノード）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また検出装置、センサーデバイス及び電子機器の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ 焦電素子、１１ 焦電体、１２ 電極、２０ 検出回路、
３０ 読み出し回路、４０ 補償回路、１００ センサーアレイ、
１１０ 行選択回路（行ドライバー）、１２０ 読み出し回路、１３０ Ａ／Ｄ変換部、
１４０ カラム走査回路、１５０ 制御回路、２００ 光学系、
２１０ センサーデバイス、２２０ 画像処理部、２３０ 処理部（ＣＰＵ）、
２４０ 記憶部、２５０ 操作部、２６０ 表示部、
ＣＭＰ 制御信号、ＣＳ ゲート・ソース間寄生容量、Ｎ１ 検出ノード、
Ｎ２ 読み出しノード、Ｔ１ 駆動トランジスター、
Ｔ２ プログラミング用トランジスター、Ｔ３ 電流パス用トランジスター

Claims (9)

1. 熱センサー素子と、
   前記熱センサー素子の一端のノードである検出ノードの電圧を検出する検出回路と、
   前記検出回路の読み出しノードに接続される読み出し回路とを含み、
   前記検出回路は、
   前記検出ノードによりゲートが制御される駆動トランジスターと、
   前記駆動トランジスターのゲートノードと前記検出ノードとの間に設けられるスイッチ用トランジスターと、
   前記検出ノードと第１の電源ノードとの間に設けられるリセット用トランジスターとを含み、
   プログラム期間において、前記駆動トランジスターの前記ゲートノードが前記駆動トランジスターのしきい値電圧に対応する電圧値に設定され、
   前記プログラム期間の後の読み出し期間において、前記読み出し回路が前記検出回路の検出結果の読み出し動作を行い、
   前記スイッチ用トランジスターは、前記プログラム期間においてオフ状態であり、前記読み出し期間においてオン状態であり、
   前記リセット用トランジスターは、前記プログラム期間においてオン状態であり、前記読み出し期間においてオフ状態であることを特徴とする検出装置。
2. 請求項１において、
   前記検出回路は、
   前記駆動トランジスターのドレインノードと前記ゲートノードとの間に設けられるプログラミング用トランジスターを含み、
   前記プログラミング用トランジスターは、前記プログラム期間においてオン状態であり、前記読み出し期間においてオフ状態であることを特徴とする検出装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記読み出しノードは、前記駆動トランジスターのソースノードであり、
   前記読み出し回路は、前記駆動トランジスターの前記ソースノードの電圧を読み出すことを特徴とする検出装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記読み出しノードと前記第１の電源ノードとの間に設けられ、前記駆動トランジスターの電流供給能力のばらつきを補償する補償回路を含むことを特徴とする検出装置。
5. 請求項４において、
   前記補償回路は、前記読み出しノードと前記第１の電源ノードとの間に設けられる抵抗素子又はトランジスターを含むことを特徴とする検出装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記読み出し回路は、前記読み出しノードと前記第１の電源ノードとの間に設けられる電流パス用トランジスターを含み、
   前記電流パス用トランジスターは、前記プログラム期間においてオン状態であり、前記読み出し期間においてオフ状態であることを特徴とする検出装置。
7. 複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、
   １又は複数の行線と、
   １又は複数の列線と、
   前記１又は複数の行線に接続される行選択回路と、
   前記１又は複数の列線に接続される読み出し回路とを含み、
   前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、熱センサー素子と、前記熱センサー素子の一端のノードである検出ノードの電圧を検出する検出回路とを含み、
   前記検出回路は、
   前記検出ノードによりゲートが制御される駆動トランジスターと、
   前記駆動トランジスターのゲートノードと前記検出ノードとの間に設けられるスイッチ用トランジスターと、
   前記検出ノードと第１の電源ノードとの間に設けられるリセット用トランジスターとを含み、
   プログラム期間において、前記駆動トランジスターの前記ゲートノードが前記駆動トランジスターのしきい値電圧に対応する電圧値に設定され、
   前記プログラム期間の後の読み出し期間において、前記読み出し回路が、前記１又は複数の列線の各列線に接続される前記検出回路の検出結果の読み出し動作を行い、
   前記スイッチ用トランジスターは、前記プログラム期間においてオフ状態であり、前記読み出し期間においてオン状態であり、
   前記リセット用トランジスターは、前記プログラム期間においてオン状態であり、前記読み出し期間においてオフ状態であることを特徴とするセンサーデバイス。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の検出装置を含む電子機器。
9. 請求項７に記載のセンサーデバイスを含む電子機器。

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