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JP2000230858A - Image pick-up element - Google Patents

Image pick-up element

Info

Publication number
JP2000230858A
JP2000230858A JP11032336A JP3233699A JP2000230858A JP 2000230858 A JP2000230858 A JP 2000230858A JP 11032336 A JP11032336 A JP 11032336A JP 3233699 A JP3233699 A JP 3233699A JP 2000230858 A JP2000230858 A JP 2000230858A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pixel
thermal energy
signal
diaphragm
modulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11032336A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Morita
信一 森田
Yasukazu Iwasaki
靖和 岩崎
Tronnamchai Kleison
トロンナムチャイ クライソン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP11032336A priority Critical patent/JP2000230858A/en
Publication of JP2000230858A publication Critical patent/JP2000230858A/en
Pending legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image pick-up element capable of electronic scanning for easing signals of each pixel constituting the image pick-up element synchronously with the modulation of the thermal energy of each pixel. SOLUTION: Pixel sensors 15, 16, 18 are formed on a diaphragm 13 formed as a structure thermally isolated from a support board 10 through a gap 30 so that a voltage is applied/cut off between a lower electrode 15 provided on the diaphragm 13 and an electrode 25 provided on the support board 10, thereby mechanically contacting/separating the diaphragm and the board 10 to modulate the thermal energy of the sensor, and the electronic scan for reading signals of the image pick-up element is synchronized with the thermal energy modulation of each pixel. The thermal energy modulation of each pixel can be made by applying electric signals, without using a mechanical chopper mechanism, hence the thermal energy modulation of each pixel can be scanned at a desired timing by the electric signals and easily synchronized with the electronic scan for reading signals.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱的エネルギーを
検出する撮像素子、例えば赤外線撮像素子に関する。
The present invention relates to an imaging device for detecting thermal energy, for example, an infrared imaging device.

【0002】[0002]

【従来の技術】紫外線、可視光、赤外線などの電磁波は
各波長に見合った熱的エネルギーを有している。これら
のエネルギーを検出する方法としては、例えば熱型赤外
線センサがある。熱型赤外線センサは入射した電磁波の
熱的エネルギーを吸収して、電気信号に変換するもの
で、自発分極変化に伴う容量変化を検出する焦電型、抵
抗変化を検出するボロメータ型や熱起電圧を検出するサ
ーモパイル型などがある。これらの中で、焦電型赤外線
センサは電磁波の変化に基づいて発生する微分信号を検
出する。電磁波を変化または変調させる方法としては、
従来、円板上の周辺に一定間隔の穴を開けたものを一定
速度で回転して光や赤外線などの電磁波をオン/オフす
るチョッパを用いる方法、または、平3−148975
号公報に記載されているようにチョッパの画像への影響
を少なくしている反射型チョッパを利用する方法などが
ある。いずれの場合にも共通して言えることは、機械的
な回転機構を利用して入射する赤外線や光などの電磁波
を変調する方法に頼っている。
2. Description of the Related Art Electromagnetic waves such as ultraviolet light, visible light and infrared light have thermal energy corresponding to each wavelength. As a method of detecting these energies, for example, there is a thermal infrared sensor. The thermal infrared sensor absorbs the thermal energy of the incident electromagnetic wave and converts it into an electric signal.The pyroelectric type that detects the change in capacitance due to the spontaneous polarization change, the bolometer type that detects the change in resistance, and the thermoelectromotive force There is a thermopile type for detecting the pressure. Among them, the pyroelectric infrared sensor detects a differential signal generated based on a change in an electromagnetic wave. As a method of changing or modulating electromagnetic waves,
Conventionally, a method using a chopper for turning on / off electromagnetic waves such as light and infrared rays by rotating a circular plate having holes formed at regular intervals in the periphery thereof at a constant speed, or 3-194875.
There is a method of using a reflection type chopper which reduces the influence of the chopper on an image as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-260,086. In both cases, what can be said in common is to rely on a method of modulating an incident electromagnetic wave such as infrared light or light using a mechanical rotating mechanism.

【0003】図6は従来の焦電型赤外線撮像素子におけ
る信号の読み出しと赤外線変調を行なうチョッパとの関
係を示した概念図である。これは撮像素子がm行n列の
アレイ素子である場合の例であり、以下この構成につい
て説明する。図6において、撮像素子チップ1にセンサ
画素2がm行n列の構成で配置されている。ここで、信
号の読み出しは、画素毎に配置しているMOSスイッチ
(図示せず)のオン/オフをシリアルの電子走査するこ
とによって行われる。直線3は電子走査の方向を示して
いる。すなわち、第1行で1からn番目まで走査した
後、第2行目に移り、また、1からn番目まで走査す
る。これを繰り返してm行まで実施し、1フレームの撮
像ができる。この電子走査と合わせて、赤外線の変調を
行わせる為、チョッパの端が、矢印4で示すように、m
=1からm=mの方向に走査することになる。従来は、
上記のように赤外線の変調と電子走査が非同期で行われ
ている。また、赤外線画像はチョッパの走査時間がかか
っている関係から、全画面が同一時点の一瞬の画像では
なく、画素毎に時間がずれて形成されている。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing the relationship between signal reading and a chopper for performing infrared modulation in a conventional pyroelectric infrared imaging device. This is an example where the image sensor is an array element of m rows and n columns, and this configuration will be described below. In FIG. 6, sensor pixels 2 are arranged in an image sensor chip 1 in a configuration of m rows and n columns. Here, the reading of the signal is performed by serially electronically scanning ON / OFF of a MOS switch (not shown) arranged for each pixel. Line 3 indicates the direction of electronic scanning. That is, after scanning from the first row to the n-th row in the first row, the process proceeds to the second row, and scanning is performed from the first to the n-th row. By repeating this process up to m rows, one frame can be imaged. In order to modulate the infrared light in conjunction with the electronic scanning, the end of the chopper is set to m
= 1 to m = m. conventionally,
As described above, the infrared modulation and the electronic scanning are performed asynchronously. In addition, since the infrared image takes a long time to be scanned by the chopper, the entire screen is not an instantaneous image at the same time but is formed with a time lag for each pixel.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来のように赤外線の
変調と電子走査が非同期である場合には、検出した信号
に影響を及ぼす。その点について図6と図7を用いて説
明する。図7は検出信号への影響を概念的に説明するた
めの信号波形図である。ここで、1秒間に約30枚の画
像またはフレームを取得する場合について、(m,n)
=(1,1)番目と(m,n)番目の画素の入射赤外線
と電子走査の関係が出力信号へ及ぼす影響を考える。図
7において、実線は(m,n)=(1,1)番目の画素
における入射赤外線強度と出力電圧、破線は(m,n)
=(m,n)番目の画素における入射赤外線強度と出力
電圧を示す。
When the modulation of infrared rays and the electronic scanning are asynchronous as in the prior art, the detected signals are affected. This will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a signal waveform diagram for conceptually explaining the influence on the detection signal. Here, for the case of acquiring about 30 images or frames per second, (m, n)
= Consider the effect of the relationship between the incident infrared rays of the (1,1) th and (m, n) th pixels and the electronic scanning on the output signal. In FIG. 7, the solid line is the incident infrared intensity and output voltage at the (m, n) = (1, 1) th pixel, and the broken line is (m, n).
= Intensity of incident infrared ray and output voltage at (m, n) th pixel.

【0005】まず、(m,n)=(1,1)番目の画素
にチョッパの端が通過して赤外線が照射されると、実線
で示すような正の出力電圧の波形が現れる。次の16m
sec後にチョッパの端が来て、照射赤外線がオフされ
ると、負の出力電圧の波形となる。ここで、赤外線が照
射された時の正の出力信号について考えると、焦電型赤
外線センサは温度検出部と基板との間の熱抵抗と温度検
出部の熱容量の関係から、赤外線照射直後よりも照射さ
れてから或る時間t0遅れて出力信号が最大値になる。
このため、赤外線照射後t0後に信号の読み出しを行な
えば赤外線の変調と電子走査が最適化されて最大信号を
得ることができる。
First, when the (m, n) = (1, 1) th pixel is irradiated with infrared rays through the end of the chopper, a positive output voltage waveform as shown by a solid line appears. Next 16m
When the end of the chopper comes after sec and the irradiation infrared ray is turned off, a negative output voltage waveform is obtained. Here, considering the positive output signal when the infrared ray is irradiated, the pyroelectric infrared sensor is more sensitive than the immediately after the infrared ray irradiation because of the relationship between the thermal resistance between the temperature detector and the substrate and the heat capacity of the temperature detector. output signals from being irradiated for a period of time t 0 delay becomes maximum.
Therefore, if the signal is read out after t 0 after the irradiation of the infrared ray, the modulation of the infrared ray and the electronic scanning are optimized, and the maximum signal can be obtained.

【0006】しかし、(m,n)=(1,1)番目の画
素の赤外線の変調と電子走査が最適化されていても、
(m,n)=(m,n)番目の画素の赤外線の変調と電
子走査の関係についてみると、最適化されていない。以
下、図7によって説明する。仮に、(m,1)番目の画
素の赤外線の変調と電子走査が最適化されているとす
る。(m,n)番目まで電子走査するには、赤外線が約
1行走査する位の時間がかかる。このことは、図7で示
しているように、最大信号が現れるt0から△t遅れて
(m,n)番目の電子走査が行われることになる。この
結果、最大値と異なる信号を読み出すことになる。しか
も、この遅れは一定ではなく、機械的赤外線の変調の精
度と画素のチップ内での位置によって変化する。さらに
は、説明ではチョッパがm=1からm=mの方向へ行方
向に直交して走査することを前提に説明しているが、実
際のチョッパの走査は行方向と直交するとは限らない。
このため、各画素の性能がバランス良く作製され、画素
の出力信号が実際に同じであっても、赤外線の変調と電
子走査が非同期であるために、出力信号が一義的に決ま
らず、バラツクことになる。このバラツキは各フレーム
の画像にも影響するため、信号処理ではノイズと考えら
れ、撮像素子の性能を低下させる。
However, even if infrared ray modulation and electronic scanning of the (m, n) = (1, 1) th pixel are optimized,
Regarding the relationship between the modulation of the infrared ray of the (m, n) = (m, n) -th pixel and the electronic scanning, it is not optimized. Hereinafter, description will be made with reference to FIG. It is assumed that infrared ray modulation and electronic scanning of the (m, 1) th pixel are optimized. In order to electronically scan up to the (m, n) -th order, it takes time for infrared rays to scan about one line. This means that the (m, n) -th electronic scanning is performed with a delay of Δt from t 0 at which the maximum signal appears, as shown in FIG. As a result, a signal different from the maximum value is read. In addition, the delay is not constant but varies depending on the accuracy of the modulation of the mechanical infrared ray and the position of the pixel in the chip. Furthermore, in the description, it is assumed that the chopper scans in the direction from m = 1 to m = m orthogonally to the row direction, but the actual chopper scanning is not necessarily orthogonal to the row direction.
For this reason, the performance of each pixel is manufactured in a well-balanced manner, and even if the output signal of the pixel is actually the same, the output signal is not uniquely determined because the infrared modulation and the electronic scanning are asynchronous, and the output signal varies. become. Since this variation also affects the image of each frame, it is considered as noise in the signal processing, and deteriorates the performance of the image sensor.

【0007】また、チョッパを利用しているため、素子
の端から端までのチョッパ走査に時間がかかり、m=1
の画素からの信号とm=mの画素からの信号とを同時に
取得していない。すなわち、各画素で同一時点の瞬間の
画像を撮像していないため、チョッパと同じ方向で、同
じ動きの熱源に対しては現実と画像では異なりが生じ
る。
Further, since a chopper is used, it takes time to scan the chopper from one end of the element to another, and m = 1
And the signal from the pixel of m = m are not obtained at the same time. That is, since each pixel does not capture an image at the same moment, the reality and the image are different for a heat source having the same motion in the same direction as the chopper.

【0008】本発明は上記のごとき従来技術の問題を解
決するためになされたものであり、撮像素子を構成する
各画素の信号を読み出す電子走査を、各画素の熱的エネ
ルギーの変調と同期して行なうことの出来る撮像素子を
提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は
各画素に同一時点の瞬間の画像を蓄積して順次読み出す
ことの出来る撮像素子を提供することである。
The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above. The electronic scanning for reading out the signal of each pixel constituting the image sensor is synchronized with the modulation of the thermal energy of each pixel. It is an object of the present invention to provide an imaging element which can be performed by using the same. Another object of the present invention is to provide an image pickup device capable of accumulating an image at the same point in time in each pixel and sequentially reading the image.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項1に記載の発明にお
いては、電磁波(紫外線、可視光線、赤外線等)の熱的
エネルギー変化を検出する熱的撮像素子の各画素につい
て、支持基板から空隙を介して熱分離構造として形成さ
れたダイアフラム上に前記画素のセンサ部が形成され、
前記ダイアフラムに設けた電極と前記支持基板に設けた
電極間に電圧を印加・遮断することにより、前記ダイア
フラムと前記支持基板とを機械的に接触・離反させて前
記センサ部の熱的エネルギーを変調するように構成され
ており、かつ、前記撮像素子の信号の読み出しの電子走
査が、各画素の熱的エネルギーの変調と同期するように
構成したものである。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention is configured as described in the claims. That is, according to the first aspect of the present invention, each pixel of the thermal imaging element that detects a change in thermal energy of electromagnetic waves (ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, etc.) is formed as a thermal isolation structure via a gap from the support substrate. A sensor section of the pixel is formed on the formed diaphragm,
By applying / cutting a voltage between an electrode provided on the diaphragm and an electrode provided on the support substrate, the diaphragm and the support substrate are brought into and out of contact mechanically to modulate thermal energy of the sensor unit. And the electronic scanning of the reading of the signal of the image sensor is synchronized with the modulation of the thermal energy of each pixel.

【0010】このように機械的なチョッパ機構を用いる
ことなく、電気信号の印加によって各画素の熱的エネル
ギーの変調を行なうことが出来るので、電気信号によっ
て任意のタイミングで、各画素の熱的エネルギーの変調
を走査することが出来る。そのため、信号の読み出しの
電子走査と容易に同期させることが出来る。
As described above, since the thermal energy of each pixel can be modulated by applying an electric signal without using a mechanical chopper mechanism, the thermal energy of each pixel can be modulated at an arbitrary timing by the electric signal. Can be scanned. Therefore, it can be easily synchronized with the electronic scanning of signal reading.

【0011】したがって、請求項2に記載のように、読
み出しの電子走査が、画素の熱的エネルギーの変調後か
ら一定時間遅れて、同期して行なわれるように構成する
ことが出来、これによって各画素毎に最も適応した時期
に読み出しを行ない、最大信号を検出することが出来
る。
Therefore, the electronic scanning for reading can be performed synchronously with a delay of a certain time after the modulation of the thermal energy of the pixel. Reading is performed at the most suitable time for each pixel, and a maximum signal can be detected.

【0012】上記のように、撮像素子のセンサ部の温度
変調と信号の読み出しの電子走査を同期させることによ
って、各画素の信号が最大の時に毎画素の信号を読み出
せるので、画素の最大性能を引き出せる。また、画素の
信号のバラツキを低減でき、撮像素子の性能向上が可能
となる。さらに、チョッパ等の機械的回転機構がないた
め、撮像素子を用いる撮像装置の信頼性の向上が可能で
ある。また、画素の検出部の特性に合った温度変調がで
きる。さらに、信号読み出しタイミングを自由に設定す
ることができる。
As described above, by synchronizing the temperature modulation of the sensor section of the image sensor with the electronic scanning of the signal reading, the signal of each pixel can be read when the signal of each pixel is at the maximum. Can be pulled out. In addition, variations in pixel signals can be reduced, and the performance of the image sensor can be improved. Furthermore, since there is no mechanical rotation mechanism such as a chopper, the reliability of an imaging device using an imaging device can be improved. Further, temperature modulation suitable for the characteristics of the detection unit of the pixel can be performed. Further, the signal readout timing can be freely set.

【0013】また、請求項3に記載の発明においては、
撮像素子を構成する各画素の信号を各画素毎に貯える手
段を備え、前記画素の熱的エネルギーの変調を全画素に
ついて同時に行ない、各画素の信号を前記手段に貯え、
その後にそれらの信号の読み出しを電子走査で行なうよ
うに構成している。
Further, in the invention according to claim 3,
A means for storing a signal of each pixel constituting the image sensor for each pixel, simultaneously performing modulation of thermal energy of the pixels for all pixels, and storing a signal of each pixel in the means;
Thereafter, the reading of these signals is performed by electronic scanning.

【0014】上記のように構成したことにより、全画素
に同一時点の瞬間の画像を撮像して記憶し、その後に順
次読み出すことが出来るので、画素毎に時間遅れのない
画像を撮像することが出来る。従来の機械的チョッピン
グでは、1フレームの画像を形成する時、走査の最初と
最後では画像に時間的ズレが生じるが、請求項3におい
ては、全画素の熱的変調を電気的に同時に行なうことに
よって、この遅れをなくすことができる。この結果、画
像への影響を省くことが可能である。
With the above-described configuration, it is possible to capture and store an image at the same point in time in all the pixels, and then sequentially read out the images. Therefore, it is possible to capture an image without time delay for each pixel. I can do it. In the conventional mechanical chopping, when forming an image of one frame, there is a time lag between the image at the beginning and the end of scanning, but in claim 3, the thermal modulation of all pixels is performed electrically simultaneously. This delay can be eliminated. As a result, it is possible to eliminate the influence on the image.

【0015】また、上記センサ部は、例えば請求項4に
記載のように、焦電型赤外線センサである。
The sensor section is a pyroelectric infrared sensor, for example.

【0016】[0016]

【発明の効果】本発明においては、焦電材料を形成した
ダイアフラムを支持基板に機械的に接触・離反させるこ
とによって熱的に短絡・開放する熱的エネルギー変調を
行なうようにし、その後に、同期して一定間隔で信号読
み出しの電子走査を行なうように構成したことにより、
画素の信号が最大である時に読み出しを行なうことがで
きる。そのため、撮像素子の画素の性能を同等にし、バ
ラツキを低減できる。
According to the present invention, thermal energy modulation for thermally short-circuiting / opening is performed by mechanically contacting / separating a diaphragm on which a pyroelectric material is formed from / to a supporting substrate. By performing the electronic scanning of the signal readout at regular intervals,
Reading can be performed when the pixel signal is at a maximum. Therefore, it is possible to make the performance of the pixels of the imaging element equal and reduce the variation.

【0017】また、全画素の熱的エネルギーの変調を同
時に行なうことにより、各画素間の時間的検出の遅れが
無くなるので、全画素に同一時点の瞬間の画像取得が可
能になる。
Further, by simultaneously modulating the thermal energy of all the pixels, there is no delay in the temporal detection between the pixels, so that it is possible to obtain an image at the same moment for all the pixels.

【0018】さらに機械的チョッパが不要な構成なの
で、熱的エネルギーの変調のタイミングを自由に設定で
き、高精度な装置に出来る。しかも、信頼性が向上し、
撮像装置とした場合には、軽量・小型化が可能で、部品
点数の削減が可能である、等の多くの効果が得られる。
Further, since a mechanical chopper is not required, the timing of modulation of thermal energy can be freely set, and a high-precision device can be obtained. Moreover, reliability is improved,
In the case of an imaging device, many effects such as reduction in weight and size and reduction in the number of components can be obtained.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】図1〜図4は第1の実施の形態を
説明するための図であり、図1(a)は撮像素子の画素
の平面図、図1(b)は(a)のA−A’断面図、図2
は画素周辺の回路構成図、図3は電子走査の概念図、図
4は温度変調と読み出し信号の関係を示す概念図であ
る。
1 to 4 are views for explaining a first embodiment. FIG. 1A is a plan view of a pixel of an image sensor, and FIG. ) AA ′ sectional view, FIG.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram around a pixel, FIG. 3 is a conceptual diagram of electronic scanning, and FIG. 4 is a conceptual diagram showing a relationship between temperature modulation and a read signal.

【0020】最初に撮像素子の画素の構造・機能につい
て、図1に基づいて説明する。図1において、Si支持
基板10の上に導電層または金属層25(以下、金属層
25と記す)を形成し、空隙30を介してシリコン窒化
物からなる梁部12とダイアフラム部13が表面マイク
ロマシニング技術によって形成されている(詳細後
述)。梁部12の上には配線14が形成され、ダイアフ
ラム部13に形成されている下部電極15と電気的に接
続されている。この下部電極15の上に焦電材料16が
形成されている。他方の梁部19には配線17が形成さ
れ、焦電材料16の上に形成された上部電極18に接続
されている。なお、上部電極18は熱吸収率の高い材料
を用いて形成するか、或いは上部電極18の上に新たに
熱吸収層を形成することにより、熱の吸収を良くするよ
うに構成する。例えば、上記下部電極15と上部電極1
8としてはPt、Irなどの貴金属をスパッタリング法
で形成することができる。
First, the structure and function of the pixel of the image sensor will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a conductive layer or a metal layer 25 (hereinafter, referred to as a metal layer 25) is formed on a Si support substrate 10, and a beam portion 12 made of silicon nitride and a diaphragm portion 13 are formed with a surface microstructure through a gap 30. It is formed by a machining technique (details will be described later). A wiring 14 is formed on the beam 12 and is electrically connected to a lower electrode 15 formed on the diaphragm 13. A pyroelectric material 16 is formed on the lower electrode 15. A wiring 17 is formed on the other beam portion 19 and is connected to an upper electrode 18 formed on the pyroelectric material 16. The upper electrode 18 is formed by using a material having a high heat absorption rate or by newly forming a heat absorbing layer on the upper electrode 18 so as to improve heat absorption. For example, the lower electrode 15 and the upper electrode 1
As No. 8, a noble metal such as Pt or Ir can be formed by a sputtering method.

【0021】また、上記の表面マイクロマシニング技術
は、金属層25の上をCVD法で形成された犠牲層とな
るPSG酸化膜で覆い、この上にシリコン窒化物(梁部
12、19とダイアフラム部13となる部分)を形成す
る。そしてシリコン窒化物にエッチング穴を形成し、こ
こから、PSGエッチング液、例えばNH4F:CH3
OOH:H20=1:1:1などを導入してPSG酸化
膜をエッチング除去する。なお、PSG膜の形成時に2
段階法を用いると、素速いPSG犠牲層エッチングが可
能になる。2段階法のPSG膜形成法とは、はじめに、
たとえば、1μm厚さのPSG膜を形成する。次にその
PSG膜に格子状のトレンチエッチングを行なう。トレ
ンチ幅は約1μmである。その上に、さらに約1μm厚
のPSG膜を成膜する。こうすると、トレンチエッチン
グしたところにトンネル(中空またはPSGが粗に形成
された部分)が形成される。エッチング時にはこのトン
ネルをエッチング液が通ることにより、広い範囲で同時
にエッチングが進行するので、エッチング速度が速くな
る。このPSG膜全体が表面マイクロマシニング技術の
犠牲層になり、空隙30が形成される。
In the above-described surface micromachining technology, the metal layer 25 is covered with a PSG oxide film serving as a sacrificial layer formed by CVD, and a silicon nitride (beams 12, 19 and a diaphragm portion) is formed thereon. 13). Then, an etching hole is formed in the silicon nitride, and a PSG etching solution such as NH 4 F: CH 3 C is formed therefrom.
The PSG oxide film is etched away by introducing OOH: H 2 0 = 1: 1: 1 or the like. When forming the PSG film, 2
The use of the step method allows for fast PSG sacrificial layer etching. The two-step method of forming a PSG film is as follows.
For example, a 1 μm thick PSG film is formed. Next, the PSG film is subjected to lattice-like trench etching. The trench width is about 1 μm. A PSG film having a thickness of about 1 μm is further formed thereon. As a result, a tunnel (a hollow portion or a portion where the PSG is formed roughly) is formed at the location where the trench is etched. At the time of etching, the etching solution passes through this tunnel, so that the etching proceeds simultaneously in a wide range, so that the etching rate is increased. The whole PSG film becomes a sacrificial layer of the surface micromachining technology, and the void 30 is formed.

【0022】次に、温度変調の仕方について図1(b)
と図2を用いて説明する。図2は撮像素子の画素周辺の
回路構成図であり、1個の画素(15、16、18、2
5からなる部分)と電子走査用スイッチとなるトランジ
スタT1、T2および制御用のラインL1、L2(行)
とC1、C2(列)を示している。図2において、画素
の下部電極15が接地に接続され、それと所定の空隙を
隔てて設置された金属層25はトランジスタT2を介し
てラインL2に接続されている。また、焦電材料16上
に形成された上部電極18はトランジスタT1を介して
ラインC1に接続されている。トランジスタT1のゲー
トはラインL1に接続され、トランジスタT2のゲート
はラインC2に接続されている。
Next, the method of temperature modulation is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a circuit configuration diagram around a pixel of the image sensor, and one pixel (15, 16, 18, 2,
5), transistors T1 and T2 serving as electronic scanning switches, and control lines L1 and L2 (rows)
And C1 and C2 (columns). In FIG. 2, a lower electrode 15 of the pixel is connected to the ground, and a metal layer 25 provided with a predetermined gap therebetween is connected to a line L2 via a transistor T2. The upper electrode 18 formed on the pyroelectric material 16 is connected to the line C1 via the transistor T1. The gate of the transistor T1 is connected to the line L1, and the gate of the transistor T2 is connected to the line C2.

【0023】ラインC2を介してトランジスタT2のゲ
ートに所定の電圧を与えてトランジスタT2をオンにす
ると、金属層25がラインL2に接続され、下部電極1
5と金属層25間に電圧が印加され、静電的な吸引力が
下部電極15と金属層25間に生じる。そのためダイア
フラム部13が撓んでダイアフラム部13と支持基板1
0上の金属層25とが接触するので、ダイアフラム部1
3と支持基板10とは熱的に短絡され、同じ温度にな
る。なお、ダイアフラム部13およびその上に形成され
ている電極や焦電材料は極めて薄い(μmオーダー)の
で、その熱容量は極めて小さく、非常に短時間で温度は
平衡する。この熱的短絡は従来例において機械的チョッ
パで赤外線を遮断したことに相当する。
When a predetermined voltage is applied to the gate of the transistor T2 via the line C2 to turn on the transistor T2, the metal layer 25 is connected to the line L2 and the lower electrode 1
A voltage is applied between the lower electrode 15 and the metal layer 25, and an electrostatic attractive force is generated between the lower electrode 15 and the metal layer 25. As a result, the diaphragm 13 flexes and the diaphragm 13 and the support substrate 1
0 comes into contact with the metal layer 25 on the
3 and the supporting substrate 10 are thermally short-circuited and have the same temperature. Since the diaphragm portion 13 and the electrodes and pyroelectric material formed thereon are extremely thin (on the order of μm), their heat capacities are extremely small, and the temperatures equilibrate in a very short time. This thermal short circuit corresponds to blocking infrared rays by a mechanical chopper in the conventional example.

【0024】次に、トランジスタT2をOFFにする
と、上記の静電力がなくなるので、ダイアフラム部13
は支持基板10から離れる。この状態で画素に赤外線が
照射されていれば、直ちに反応して温度変化が生じる。
こうして、焦電材料16の下部電極15と上部電極18
間に容量変化が起きる。この容量変化の信号が最大にな
る時間(t0)を待って、ラインL1を介してトランジ
スタT1のゲートに電圧を与えてトランジスタT1をオ
ンさせることにより、上記容量変化に対応した信号をラ
インC1を介して読み出すことが出来る。読み出し後
は、トランジスタT1のゲートをオフにし、再びトラン
ジスタT2をオンにして、ダイアフラム部13と支持基
板10(実際には金属層25、以下同じ)を接触させ、
熱的短絡を行なう。この操作を繰り返すことにより、従
来のチョッピング機構と同様の熱的エネルギー変調と信
号読み出しを行なうことができる。なお、実際の撮像素
子においては、m行とn列に相当する数の画素と、各画
素毎に2個のトランジスタT1、T2とラインL1、L
2、C1、C2を設け、各画素を順次走査して信号の読
み出しを行なう。図2の回路ではm行n列の各列毎にラ
インC2が設けられているので、各画素は列毎にダイア
フラム部13を支持基板10に接触させる走査を行なう
ことが出来る。
Next, when the transistor T2 is turned off, the above-mentioned electrostatic force disappears.
Moves away from the supporting substrate 10. If the pixels are irradiated with infrared rays in this state, they react immediately and a temperature change occurs.
Thus, the lower electrode 15 and the upper electrode 18 of the pyroelectric material 16 are formed.
A capacitance change occurs between them. After waiting for a time (t 0 ) at which the signal of the capacitance change becomes maximum, a voltage is applied to the gate of the transistor T1 via the line L1 to turn on the transistor T1. Can be read out via. After reading, the gate of the transistor T1 is turned off, the transistor T2 is turned on again, and the diaphragm 13 and the support substrate 10 (actually, the metal layer 25, the same applies hereinafter) are brought into contact with each other.
Perform a thermal short circuit. By repeating this operation, the same thermal energy modulation and signal reading as in the conventional chopping mechanism can be performed. In an actual image sensor, the number of pixels corresponding to m rows and n columns, two transistors T1 and T2, and lines L1 and L
2, C1 and C2 are provided, and each pixel is sequentially scanned to read out a signal. In the circuit of FIG. 2, since the line C2 is provided for each column of m rows and n columns, each pixel can perform scanning for bringing the diaphragm portion 13 into contact with the support substrate 10 for each column.

【0025】次に走査方法について図3を用いて説明す
る。前記図6で説明した走査方法と異なるところは、チ
ョッパの端の走査がなくなっている。そして各画素ごと
にダイアフラム部13を支持基板10に接触させる熱的
エネルギーの電子走査から所定時間(t0)遅れて信号
読み出しの電子走査を行えばよい。このようにすること
により、画素の最大信号を読み出すことが出来る。具体
的には走査の順番に該当する画素のラインC2に電圧を
与えてトランジスタT2をオンにして当該画素を熱的に
短絡させ、次に熱的短絡を解除し、それから所定時間
(t0)後に当該画素のラインL1に電圧を与えてトラ
ンジスタT1をオンにしてラインC1から信号を読み出
す。この走査を図3に示した順序で各画素毎に行なえば
よい。
Next, the scanning method will be described with reference to FIG. The difference from the scanning method described with reference to FIG. 6 is that the scanning of the end of the chopper is omitted. Then, for each pixel, signal scanning electronic scanning may be performed with a delay of a predetermined time (t 0 ) from thermal energy electronic scanning for bringing the diaphragm portion 13 into contact with the support substrate 10. By doing so, the maximum signal of the pixel can be read. Specifically, a voltage is applied to the line C2 of the pixel corresponding to the scanning order, the transistor T2 is turned on, the pixel is thermally short-circuited, the thermal short-circuit is released, and then a predetermined time (t 0 ) Thereafter, a voltage is applied to the line L1 of the pixel to turn on the transistor T1, and a signal is read from the line C1. This scanning may be performed for each pixel in the order shown in FIG.

【0026】図4はダイアフラム部13と支持基板10
との接触の状況と、読み出し信号の関係を示している。
前記図7で説明したのと異なるところは、チョッパのオ
ン/オフによる入射赤外線変調の代わりに、ダイアフラ
ム部13と支持基板10との接触のオン/オフを用いて
いる。(m,n)=(1,1)番目の画素では、ダイア
フラム部13と支持基板10との接触がオフされてから
0後に最適化されている出力信号の読み出しを行な
う。そして、(m,n)=(m,n)番目の画素につい
ても、図7の場合とは異なって△tの遅れがなく、
(m,n)=(1,1)番目と同じ時間差t0後に信号
の読み出しが行なわれる。すなわち(m,n)=(1,
1)番目の画素でも(m,n)=(m,n)番目の画素
でもダイアフラム部13と支持基板10との接触がオフ
されてから信号を読み出すまでの時間間隔は同じ最適値
0にすることが出来る。
FIG. 4 shows the diaphragm 13 and the supporting substrate 10.
2 shows the relationship between the state of contact with the device and the read signal.
7 is different from that described in FIG. 7 in that the on / off of the contact between the diaphragm 13 and the support substrate 10 is used instead of the incident infrared modulation by the on / off of the chopper. At the (m, n) = (1, 1) -th pixel, an optimized output signal is read out at t 0 after the contact between the diaphragm unit 13 and the support substrate 10 is turned off. Then, unlike the case of FIG. 7, the (m, n) = (m, n) -th pixel also has no delay of Δt.
The signal is read out after the same time difference t 0 as the (m, n) = (1, 1) th. That is, (m, n) = (1,
In both the (1) pixel and the (m, n) = (m, n) pixel, the time interval from when the contact between the diaphragm unit 13 and the support substrate 10 is turned off to when the signal is read is the same optimal value t 0 . You can do it.

【0027】図5は第2の実施の形態を示す図であり、
画素周辺の回路構成図を示す。
FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment.
FIG. 2 shows a circuit configuration diagram around a pixel.

【0028】図5の回路においては、各画素の金属層2
5が直接にラインL2に接続されている。また、上部電
極18はトランジスタT1とT2を介してラインC1に
接続されている。そしてトランジスタT1とT2の接続
点と接地間に静電容量Cが接続されている。また、トラ
ンジスタT1のゲートはラインL1に、トランジスタT
2のゲートはラインL3にそれぞれ接続されている。
In the circuit of FIG. 5, the metal layer 2 of each pixel
5 is directly connected to the line L2. The upper electrode 18 is connected to the line C1 via the transistors T1 and T2. The capacitance C is connected between the connection point of the transistors T1 and T2 and the ground. The gate of the transistor T1 is connected to the line L1 and the transistor T1 is connected to the line L1.
The two gates are respectively connected to the line L3.

【0029】図5の回路においては、ラインL2に電圧
を印加すると、1行の全ての画素の下部電極15と金属
層25間に同時に電圧が印加され、ダイアフラム部13
と支持基板10とが熱的に短絡される。全ての行のライ
ンL2に電圧を与えれば、全画素を同時に熱的に短絡す
ることが出来る。
In the circuit of FIG. 5, when a voltage is applied to the line L2, a voltage is simultaneously applied between the lower electrode 15 and the metal layer 25 of all the pixels in one row, and
And the supporting substrate 10 are thermally short-circuited. When a voltage is applied to the lines L2 of all the rows, all the pixels can be thermally short-circuited simultaneously.

【0030】次に、ラインL2に印加されている電圧を
オフすると、ダイアフラム部13が支持基板10から離
れる。この状態で画素に赤外線が照射されていれば、直
ちに反応して温度変化が生じる。こうして、焦電材料の
下部電極15と上部電極18間に容量変化が起きる。
Next, when the voltage applied to the line L2 is turned off, the diaphragm 13 moves away from the support substrate 10. If the pixels are irradiated with infrared rays in this state, they react immediately and a temperature change occurs. Thus, a capacitance change occurs between the lower electrode 15 and the upper electrode 18 of the pyroelectric material.

【0031】次に、ラインL1を介してトランジスタT
3のゲートに電圧を与えることにより、トランジスタT
3をオンさせ、上記の容量変化の信号を静電容量Cに移
す。上記のタイミングは、全画素の熱的変調を同時に行
なっているので、熱的短絡の解除から一定時間t0後に
全画素を同時に行なう。こうして、各画素の信号をそれ
ぞれの静電容量Cに貯える。
Next, the transistor T is connected via the line L1.
3 by applying a voltage to the gate of transistor T3.
3 is turned on, and the above-described signal of the capacitance change is transferred to the capacitance C. Above timing, since by performing thermal modulation of all pixels simultaneously, from the release of thermal short circuit after a predetermined time t 0 performs all pixels simultaneously. Thus, the signal of each pixel is stored in each capacitance C.

【0032】次に、ラインL1を介してトランジスタT
4のゲートに電圧を与えることにより、トランジスタT
4をオンさせ、当該画素の信号をラインC1を介して読
み出す。そして各画素について走査すれば同一時点の瞬
間の画像が得られる。
Next, the transistor T is connected via the line L1.
4 by applying a voltage to the gate of the transistor T
4 is turned on, and the signal of the pixel is read out via the line C1. By scanning each pixel, an image at the same moment can be obtained.

【0033】この実施の形態においては、或る瞬間の画
像情報が各画素の静電容量Cに記憶され、それを後に各
画素を走査することによって順次読み出すことが出来
る。したがって各画素間の時間的検出の遅れが無くなる
ので、瞬間の画像取得が可能になる。上記の操作を繰り
返して行なうことにより、連続した画像が得られる。
In this embodiment, image information at a certain moment is stored in the capacitance C of each pixel, and can be sequentially read out by scanning each pixel later. Therefore, there is no delay in temporal detection between pixels, so that an instantaneous image can be obtained. By repeating the above operation, a continuous image can be obtained.

【0034】なお、本発明の撮像素子の構造において
は、支持基板10とダイアフラム部13を機械的に接触
させ、その後に元に戻すとき、支持基板10とダイアフ
ラム部13の密着を弱くする必要がある。特にステイッ
クして接触を外せない状態になることがないようにする
必要がある。このため、支持基板上にダイアフラムとの
密着性の弱いSi窒化膜または金属からなる凸部(列状
や点状)を形成するとよい。また、焦電材料が焦電性を
出すためには、この材料が下部電極上に軸配向する必要
がある。このためには、LPCVDで形成したSi窒化
物上にMgOなどの軸配向させやすい下地を設け、その
上に下部電極例えばPt膜などを形成する。この上には
焦電材料が容易に軸配向する。
In the structure of the image pickup device of the present invention, when the support substrate 10 and the diaphragm portion 13 are brought into mechanical contact with each other and then restored, it is necessary to weaken the adhesion between the support substrate 10 and the diaphragm portion 13. is there. In particular, it is necessary to prevent a state in which contact cannot be released due to sticking. For this reason, it is preferable to form a convex portion (row-like or dot-like) made of a Si nitride film or metal having low adhesion to the diaphragm on the supporting substrate. In addition, in order for the pyroelectric material to exhibit pyroelectricity, the material needs to be axially oriented on the lower electrode. For this purpose, a base such as MgO, which is easy to be axially oriented, is provided on a Si nitride formed by LPCVD, and a lower electrode such as a Pt film is formed thereon. On this, the pyroelectric material is easily axially oriented.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態における撮像素子の
画素の構造を示す図であり、(a)は平面図、(b)は
断面図。
FIGS. 1A and 1B are diagrams illustrating a structure of a pixel of an image sensor according to a first embodiment of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view and FIG.

【図2】本発明の第1の実施の形態における画素周辺の
回路構成図。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram around a pixel according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施の形態における画素の電子
走査の概念図。
FIG. 3 is a conceptual diagram of electronic scanning of a pixel according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施の形態における画素の温度
変調と読み出し信号の関係を示す概念図。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a relationship between temperature modulation of a pixel and a readout signal according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施の形態における画素周辺の
回路構成図。
FIG. 5 is a circuit configuration diagram around a pixel according to a second embodiment of the present invention.

【図6】従来技術の焦電型赤外線撮像素子における信号
の読み出し電子走査と赤外線変調を行なうチョッパとの
関係を示した概念図。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a relationship between electronic readout of signals in a conventional pyroelectric infrared imaging device and a chopper that performs infrared modulation.

【図7】従来技術の焦電型赤外線撮像素子における画素
の赤外線変調と出力波形の関係図。
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between infrared modulation of pixels and an output waveform in a conventional pyroelectric infrared imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…チップ 2…センサ画素 3…電子走査方向を示す線 4…チョッパの
走査方向を示す矢印 10…Siの支持基板 11…エッチン
グ穴 12…一方の梁部 13…ダイアフ
ラム部 14…配線 15…下部電極 16…焦電材料 17…配線 18…上部電極 19…他方の梁
部 20…シリコン窒化膜 22…層間絶縁
膜 25…導電膜または金属膜 30…空隙 T1〜T4…トランジスタ C…静電容量 L1〜L3…信号送付用のライン C1、C2…信
号送付用のライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Chip 2 ... Sensor pixel 3 ... Line which shows the electronic scanning direction 4 ... Arrow which shows the scanning direction of a chopper 10 ... Si support substrate 11 ... Etching hole 12 ... One beam part 13 ... Diaphragm part 14 ... Wiring 15 ... Lower part Electrode 16 Pyroelectric material 17 Wiring 18 Upper electrode 19 Other beam 20 Silicon nitride film 22 Interlayer insulating film 25 Conductive film or metal film 30 Void T1 to T4 Transistor C Capacitance L1 L3: Line for signal transmission C1, C2: Line for signal transmission

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クライソン トロンナムチャイ 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 2G065 AB02 BA13 BA34 BB37 BB49 BC22 BC33 DA18 4M118 AA05 AA06 AB01 BA05 BA14 CA35 CB12 CB14 DD01 FB09 FB13 FB20 GA10 5C024 AA06 CA02 CA05 FA01 GA06 GA31 JA31  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Kryson Tronnamchai Nissan Motor Co., Ltd. F-term (reference) 2G065 AB02 BA13 BA34 BB37 BB49 BC22 BC33 DA18 4M118 AA05 AA06 AB01 BA05 BA35 CB12 CB14 DD01 FB09 FB13 FB20 GA10 5C024 AA06 CA02 CA05 FA01 GA06 GA31 JA31

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電磁波の熱的エネルギー変化を検出するセ
ンサを単位の画素として、複数個の画素でアレイを形成
し、電子走査によって信号を読み出す構成の撮像素子に
おいて、 支持基板から空隙を介して熱分離構造として形成された
ダイアフラム上に前記画素のセンサ部が形成され、前記
ダイアフラムに設けた電極と前記支持基板に設けた電極
間に電圧を印加・遮断することにより、前記ダイアフラ
ムと前記支持基板とを機械的に接触・離反させて前記セ
ンサ部の熱的エネルギーを変調し、かつ、前記撮像素子
の信号の読み出しの電子走査が、各画素の熱的エネルギ
ーの変調と同期するように構成したことを特徴とする撮
像素子。
1. An imaging device having a structure in which a sensor for detecting a change in thermal energy of an electromagnetic wave is used as a unit pixel, an array is formed by a plurality of pixels, and signals are read out by electronic scanning. A sensor portion of the pixel is formed on a diaphragm formed as a thermal isolation structure, and a voltage is applied and cut off between an electrode provided on the diaphragm and an electrode provided on the support substrate, whereby the diaphragm and the support substrate are applied. And mechanically contact / separate from each other to modulate the thermal energy of the sensor unit, and that the electronic scanning for reading out the signal of the image sensor is synchronized with the modulation of the thermal energy of each pixel. An imaging device characterized by the above-mentioned.
【請求項2】前記読み出しの電子走査が、画素の熱的エ
ネルギーの変調後から一定時間遅れて、同期して行なわ
れるように構成したことを特徴とする請求項1に記載の
撮像素子。
2. The imaging device according to claim 1, wherein the electronic scanning is performed synchronously with a delay of a predetermined time after the modulation of the thermal energy of the pixel.
【請求項3】前記撮像素子を構成する各画素の信号を各
画素毎に貯える手段を備え、前記画素の熱的エネルギー
の変調を全画素について同時に行ない、各画素の信号を
前記手段に貯え、その後にそれらの信号の読み出しを電
子走査で行なうように構成したことを特徴とする請求項
1または請求項2に記載の撮像素子。
3. A means for storing a signal of each pixel constituting the image sensor for each pixel, modulating thermal energy of the pixels simultaneously for all pixels, storing a signal of each pixel in the means, 3. The image pickup device according to claim 1, wherein the readout of the signals is performed by electronic scanning thereafter.
【請求項4】熱的エネルギー変化を検出するセンサ部が
焦電型赤外線センサであることを特徴とする請求項1乃
至請求項3の何れかに記載の撮像素子。
4. The imaging device according to claim 1, wherein the sensor unit for detecting a change in thermal energy is a pyroelectric infrared sensor.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011523029A (en) * 2008-03-20 2011-08-04 ザ・キュレーターズ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ミズーリ Microwave / millimeter wave imaging
JP2011158467A (en) * 2010-01-06 2011-08-18 Seiko Epson Corp Detection circuit, sensor device, and electronic apparatus
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WO2013011753A1 (en) * 2011-07-21 2013-01-24 コニカミノルタホールディングス株式会社 Heat sensor
JP7485581B2 (en) 2020-10-16 2024-05-16 セイコーNpc株式会社 Infrared sensor element and infrared sensor

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