JP5264418B2 - 熱型赤外線検出素子 - Google Patents

Description

本発明は入射赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線検出素子（または「熱型赤外線撮像素子」ともいう。）に関し、特に、ダイオードを温度センサに用いた熱型赤外線検出素子に関する。

従来より、入射赤外線による温度変化をアレイ状に配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関して種々の技術が開発されている。

例えば、特許文献１は、ダイオードに一定の順方向電圧を与え、ダイオードに流れる電流の温度依存性を利用した熱型赤外線検出素子を開示する。このようなダイオードに一定の順方向電圧を与えて駆動する定電圧駆動方式により、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。すなわち、ダイオードの順方向電流は電圧に対して指数関数的に増加するので、一定の順方向電流を与えたときの順方向電圧変化を検出するよりも、一定の順方向電圧を与えたときの順方向電流を検出する方が、より大きな変化率が得られるため、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。同様な考え方の熱型赤外線検出素子は特許文献２〜４にも開示されている。

特開2003-110938号公報 特開2000-019015号公報 特開2001-044400号公報 特開2001-264176号公報

従来の熱型赤外線検出素子において、温度センサとして複数のダイオードがアレイ状に配置され、各ダイオードは行選択線と信号線とに接続され、行選択線と信号線により１つの画素から検出結果が読み出される。

ダイオードを定電圧駆動する上で重要な点はいかにダイオードに所定のバイアスを与えるかである。

通常、ダイオードを用いた熱型赤外線検出素子は、熱電変換部を細長い２本の断熱支持脚で支持する中空断熱構造を持つ。熱電変換部にダイオードが組み込まれ、断熱支持脚中にはダイオードへの配線が埋め込まれている。さらに熱電変換部の上面には赤外線吸収部が設けられている。この赤外線吸収部への入射赤外線が変化すると、赤外線吸収部により吸収される赤外線エネルギーが変化し、その変化が断熱構造により熱電変換部の温度変化に変換される。その温度変化を熱電変換部に組み込まれたダイオードを流れる電流の変化で読み出す。このような構成において検出感度を高くするためには、断熱支持脚の熱抵抗を高くする必要がある。さらには、断熱支持脚中に埋め込まれた配線を形成する金属も薄膜化し、細くかつ長くすることが好ましい。このようにすると、配線の電気抵抗が大きくなり、通常数Kから10数KΩにもなる。

以上のような高い配線の電気抵抗の下でダイオードへ所定のバイアスを印加した場合以下の問題がある。

支持脚内の配線と行選択線と信号線の接続点との間に、外部回路から所定のバイアス電圧を与えた場合、熱電変換部の温度が上昇し、ダイオードの電流が増加すると、支持脚内の配線での電圧降下が増加する。このため、ダイオードの順方向電圧が減少し、ダイオードを流れる電流を減少させるように作用する。逆に、熱電変換部の温度が下降し、ダイオードの電流が減少すると、支持脚内の配線での電圧降下が減少する。このため、ダイオードの順方向電圧が増加し、ダイオードの電流を増加させるように作用する。このように、配線抵抗による電圧降下の影響により、ダイオードの電流変化が抑制されるという現象が生じる。すなわち、ダイオードの温度が変化し、ダイオードを流れる電流が変動すると、ダイオードや配線の抵抗に起因する電圧降下の変動によりダイオードにかかる実効的なバイアス電圧が変動し、温度変化に伴うダイオード電流の変化が抑制され、温度検知感度が低下する。以下、このような配線抵抗によりダイオードの電流変化が抑制される効果を「負帰還効果」という。この負帰還効果は、電圧を一定に与えるところからダイオードまでの抵抗に起因するものであり、その抵抗の主因は支持脚内の配線抵抗であるが、行選択線と信号線の抵抗も少なからず寄与している。この負帰還効果により、定電圧駆動方式の特徴である高感度という特性を十分に発揮できないという問題がある。

特許文献１は負帰還効果について、ダイオードの電流を読み出すために電圧に変換する手段、例えば負荷抵抗または容量を接続したときの、その抵抗または容量での電圧変動がダイオードのバイアスに影響を与えることを記載している（特許文献１の[００２１]参照）。特許文献１ではその解決方法として、電圧変換手段を用いて、信号線と電圧変換手段であるカラムトランジスタ群の接続点の電圧を常に一定にする方法を開示している。しかし、この方法では、電圧変換手段であるカラムトランジスタ群までの信号線、選択線、画素内の配線の抵抗による負帰還効果についてはなんら解決できない。

特許文献２は、ダイオードの順方向特性の温度依存性を利用した赤外線検出素子を開示し、具体的には、環境温度が変化したときの電流変化（ドリフト電流）を抑制するようにダイオードのバイアスを可変電圧源にて変化させることを開示する（特許文献２の［００１２］、［００２４］、［００２６］参照）。特許文献２はダイオードのバイアスの変化方法について詳細を開示していないが、例えば環境温度が高くなり、ダイオード電流が増加すると、出力を一定にするためにダイオードバイアスを下げて電流を減少させるものと理解できる。しかし、このような方法では、赤外線光入射時に発生する配線抵抗による負帰還効果は解消されないのは明らかであり、そもそも、負帰還効果に関する課題を認識していない。

特許文献３は、ダイオードの接合面積を広くする構造に関し、読み出し回路については特許文献２と同様の構成を開示する（特許文献３の［００３０］参照）。よって、特許文献３は、特許文献２と同様、赤外線光入射時に発生する配線抵抗による負帰還効果の課題を解消しておらず、また、そもそも負帰還効果に関する課題を認識していない。

特許文献４は、特許文献２と同様、ダイオードに直列にバイアス電圧回路を挿入して、その回路を経由して順方向電流を読み取る温度測定装置もしくは熱型の赤外線イメージセンサを開示する。特許文献４では抵抗による負帰還効果を説明しているが、特許文献４の発明者は電流読出し時に抵抗を接続して出力を上げる抵抗を増加させると、負帰還効果が問題になると指摘している（特許文献４の［０００９］参照）。そして、特許文献１と同じ課題認識で電流読出し部の抵抗にかかわらず正確なバイアスをダイオードに与えるとしている（特許文献４の［００１１］）。特許文献４では、熱型赤外センサへ適用するため、ダイオードの断熱構造を適用すると、バイアス回路は通常、断熱構造がない基板上に形成される。よって断熱構造における支持脚内の配線からバイアス回路まで配線が必要となり、そのバイアス回路までの配線により負帰還効果が生じる。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、配線抵抗による負帰還効果を抑制して高感度な熱型赤外線検出素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、熱型赤外線検出素子において、断熱構造と赤外線吸収部を有するダイオードに流れる電流によらず、ダイオード両端に印加するバイアス電圧を一定値に制御する。これにより、ダイオードの温度が変化し、ダイオード電流が変化してもダイオードにかかる電圧は常に一定値となるため、配線抵抗による負帰還効果を削減できる。具体的には本発明に係る熱型赤外線検出素子は以下の構成を有する。

本発明に係る熱型赤外線検出素子は、熱電変換部として、１個または複数個直列接続されたダイオードと、熱電変換部を２個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱をダイオードに伝導する赤外線吸収部と、ダイオードの陽極側に、断熱支持脚の一方である第１の配線を介して、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、ダイオードの陰極側に、断熱支持脚の他方である第２の配線を介して、電圧設定回路の入力端子に接続される。電圧設定回路では、入力されたダイオードに流れる電流は、第１の電流と第２の電流に、分割、または、複製され、第１の電流は電圧設定回路の出力端子に出力され、第２の電流を用いて、第１の配線の抵抗と第２の配線の抵抗とダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、第２の配線と電圧設定回路の接続点である、電圧設定回路の入力端子の電圧が、所定のバイアス電圧から、抽出された電圧降下を減算した電圧に制御される。電圧設定回路の出力端子には、第１の電流を読み取る電流読み取り回路が接続される。

本発明によれば、ダイオードの温度が変化し、電流が変化してもダイオードにかかる電圧は常に、電源電圧から所定のバイアス電圧を引いた値となるため、配線抵抗による負帰還効果がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態1．
（１．熱型赤外線検出素子の全体構成）
図１に、本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出素子の構成を示す。熱型赤外線検出素子は赤外線検出用のダイオード101を備える。赤外線検出用のダイオード101の陽極は抵抗102を介して電源端子104に接続され、陰極は抵抗103及び端子105を経由して電圧設定回路106に接続される。ダイオード101を流れる電流Ifは、電圧設定回路106と端子107を経由して電流読み取り回路108に流れ、端子109を介して検出される。なお、端子105、107は説明の便宜上端子として表現しているが、電気的に接続されていれば端子の形態でなくてもよい。

電圧設定回路106は、端子105の電位を制御し、ダイオード101の両端にかかる電圧を一定になるよう制御する回路である。電圧設定回路106は、ダイオード101の両端電圧を一定値に制御するため、端子105の電位をダイオード101に流れる電流Ifに応じて制御する。電圧設定回路106のより詳細な動作については後述する。

電流読み取り回路108は、入力される電流を電圧に変換するもので周知の技術で実現できる。一例として図２に示した構成が考えられる。図２（ａ）は、トランスインピーダンスアンプで実現した例を示し、オペアンプ201の出力から反転入力端子に負荷抵抗RLで帰還を施した構成であり、電流に抵抗RLを乗じた値の出力が得られる。または、図２（ｂ）で示したようなオペアンプ301の出力から反転入力端子に容量Ciで帰還し、容量Ciの両端にリセットスイッチ302を設けた積分器でもよい。この構成では、リセットスイッチ302のリセット動作周期を積分時間Tiとし、電流に積分時間Tiを乗じた値を積分容量Ciで除算した値の出力が得られる。図２（ｂ）の例では、積分動作が行われるので雑音の減少効果もある。

ダイオード101は図３に示すように断熱構造と赤外線吸収構造を有する。このような構成は周知のものである。図３において、ダイオード101の主要部が含まれる赤外線吸収構造（熱電変換部）は、２つの細長い断熱支持脚401と402により、基板に設けられた中空部分403上で支持される。断熱支持脚401と402にはダイオード101への接続配線（図示せず）が埋め込まれている。断熱支持脚401と402は陽極側の電源配線404と陰極側の信号線405にそれぞれ接続されている。またダイオード１０１が存在する部分には赤外線吸収膜406が形成されている。なお、抵抗102と103は断熱支持脚401と402内の配線抵抗に相当する。

（２．電圧設定回路）
電圧設定回路106の動作について説明する。電圧設定回路106は端子105の電圧Vrefを以下のように制御する。
Vref = Vc - If・Rc (1.1)
Rcは抵抗102と103の合成抵抗、Ifはダイオード101を流れる電流、Vcは所定のバイアス電圧である。

一方、端子104に与えられる電源電圧をVddとすると、ダイオード101に印加されるダイオード101の順方向バイアス電圧Vfは次式で得られる。
Vf = Vdd - If・Rc - Vref (1.2)

式（1.1）、（1.2）より順方向バイアス電圧Vfは次式のようになる。
Vf = Vdd - Vc (2)

即ち、順方向バイアス電圧Vfは電流Ifに係わらず一定電圧となる。よって、従来技術で問題となった負帰還効果による感度低下がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子が実現できる。

図４に、このような働きをする電圧設定回路106の構成例を示す。電圧設定回路106の入力端子105と出力端子107に流れる電流を２個の同一サイズのPMOSトランジスタ501と502に分流する。一方のPMOSトランジスタ501のドレインは出力端子107に接続され、他方のトランジスタ502のドレインはNチャネルトランジスタ503と504で構成されるカレントミラー回路に接続される。カレントミラー回路において、分流された電流If/2の２倍の電流Ifをトランジスタ504で形成する。すなわち、トランジスタ504のW/L比はトランジスタ503のW/L比の２倍に設定されている。トランジスタ504のドレインは抵抗Rcを介して所定のバイアス電圧Vcに接続されている。抵抗Rcの抵抗値は、赤外線検出部の抵抗102と103の抵抗値の合成値に一致するようになっている。具体的には、図３に示した構成でダイオード部を抵抗の小さい太い配線でショートするのが一例として考えられる。これによりトランジスタ504のドレインには（Vc - If・Rc）の電圧が印加される。この電圧をオペアンプ507の非反転端子に入力し、反転端子に端子105の電圧を入力する。オペアンプ507の出力はトランジスタ501と502のゲートに入力する。オペアンプ507の働きにより反転入力端子、即ち電圧設定回路106の入力端子105の電圧が常に非反転入力端子の電圧（Vc - If・Rc）になるように帰還動作が働く。

電流Ifが増加し、抵抗102と103での電圧降下が上昇し、端子105の電圧が低下した場合の動作を検討する。この場合、オペアンプ507の反転入力端子の電圧が低下するので、オペアンプ507の出力が上昇し、PMOSトランジスタ501と502のゲート電圧を持ち上げPMOSトランジスタ501と502の電流が減少する。ダイオード101からの電流はPMOSトランジスタ501と502以外には流れないので、余剰なダイオード電流IfはPMOSトランジスタ501と502のソース電圧ノードを充電していく。これにより、PMOSトランジスタ501と502のソース電圧とオペアンプ507の反転入力端子の電圧は上昇し、PMOSトランジスタ501と502のゲート電圧を下げる。そうすると、PMOSトランジスタ501と502に流れる電流は増加し、ついにはダイオード101に流れる電流を超える。こうなると、上記と逆の現象がおき、PMOSトランジスタ501と502のソース電圧ノードを放電していき、PMOSトランジスタ501と502のソース電圧とオペアンプ507の反転入力端子の電圧も下がる。以後は、前述と同様の動作が繰り返され、最終的にPMOSトランジスタ501と502のソース電圧がオペアンプ507の非反転入力端子の電圧（Vc - If・Rc）に一致したところで安定する。

上記のような電圧設定回路106の動作により端子105の電圧が電圧（Vc - If・Rc）に制御され、これにより、ダイオード101両端にかかる電圧を（Vdd - Vc）に制御でき、ダイオード101に対して電流Ifによらない一定のバイアスを印加できる。すなわち、ダイオード101の温度が変化し、電流Ifが変化してもダイオード101にかかる電圧は常に、電源電圧Vddから一定のバイアス電圧Vcを減算した値となるため、配線抵抗による負帰還効果がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。

本実施形態では、１つの画素を含む熱型赤外線検出素子の構成について説明したが、複数の画素をアレイ状に配置した熱型赤外線検出素子についても、本実施形態の思想を適用できることは言うまでもない（以下の実施形態においても同じ）。

実施の形態２．
図５に、本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出素子の構成を示す。実施の形態１と異なる点は、端子107に電流源601を接続している点である。本発明の動作を説明するために、図６に示す等価回路を用いる。図６では、抵抗102と抵抗103をまとめて抵抗701とし、ダイオード101と抵抗７０１が端子702を介して接続され、端子702の電圧をVxとしている。また、実施の形態１と同じく端子105の電圧をVref、抵抗701の値をRcとする。

図７に、図６に示す回路の電圧電流特性を示す。図７では、横軸に電圧Vx、縦軸に電流Ifをとっている。ダイオード101の特性は、電圧Vxが電源電圧Vddに等しいときに０バイアスとなり、電圧Vxが電源電圧Vddより下がると周知の順方向特性となり、温度が上昇すると電流が増加する特性となる。一方、抵抗701に流れる電流はオームの法則より(Vx - Vref) /Rcとなる。ダイオード101に流れる電流と抵抗701に流れる電流は等しいからこの２つの特性曲線の交点が動作点となる。

一般にダイオードの順方向電流は数μA以上であるが、ダイオードの電流の温度変化率は１度Ｃあたり６％程度である。また赤外線検出素子としてみた場合、光学系や断熱特性の設定にもよるが、画素サイズを４０μｍ、断熱支持脚の熱コンダクタンスを１００nW/K、赤外線吸収率を８０％、光学系Ｆ値を１とすると、被写体の温度変化１度Ｃあたりダイオード101の温度は５ミリ度Ｃ程度変化する。仮に、被写体の撮像温度範囲を室温±３０度Ｃ程度とした場合でも、ダイオード101の温度変化は高々０．３度Ｃp-pである。即ちダイオード101の電流変化は１．８％p-p（≒６％×０．３）程度の変化であり、数μAの電流を流していても、その一部しか信号電流にならないことがわかる。よって実施の形態１のようにダイオード電流Ifの全てを電流読み取り回路に送る必要はなく、ダイオード電流Ifの一部のみを電流読み取り回路108に送ればよい。このようにすることで、電流読み取り回路108のダイナミックレンジを有効に活用できる設計が可能となり、ダイナミックレンジの大きい高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。電流源601のバイアス電流Ibはそれを実現するためのものであり、図６に示すように電流Ifから電流Ibを除いた部分を信号電流Iiとして電流取り出し部108に流入させる。電流源601の電流Ibの値は上記のように撮像温度範囲や画素の特性に応じて設定すればよい。周囲温度変化でダイオード電流が大きく変化する場合は、周囲温度に応じて電流Ibを変化させてもよい。

実施の形態３．
図８に本発明の実施の形態３における熱型赤外線検出素子の構成を示す。本実施の形態では、実施の形態２の構成における電流源601（トランジスタ907、908で構成されるカレントミラー回路に相当）の電流を周囲温度に応じて自動的に変化させることを可能とする構成を説明する。

このために赤外線吸収構造及び／または断熱構造を有しないダイオード（以下「参照ダイオード」という。）901を設け、このダイオード901に対して直列に赤外線検出用のダイオード101に対するものと同じ回路要素を接続する。

参照ダイオード901の陽極は抵抗902を介して電源端子904に接続される。電源端子904には通常は電源端子104と同じ電源電圧が与えられる。参照ダイオード901の陰極は抵抗903及び端子905を介して電圧設定回路906に接続される。抵抗902、903及び電圧設定回路906はそれぞれ抵抗102、103及び電圧設定回路106と同じものである。参照ダイオード901は赤外線吸収構造及び／または断熱構造を有しないため、赤外線には反応せず、周囲温度変化に応じた電流が流れる。この電流はNMOSトランジスタ907と908で構成されるカレントミラー回路で複製され、ダイオード101に流れる電流Ifから減算され、残りの電流が電流読み取り回路108に流れ込む。このように、電流読み取り回路108に流入する電流は、検出素子の温度に応じた電流が差し引かれたものとなる。すなわち、参照ダイオード901に対応する出力が常に一定の電圧となるように、ダイオード101の電流Ifから除かれるバイアス電流Ibが制御される。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。

実施の形態４．
図９に本発明の実施の形態４における熱型赤外線検出素子の構成を示す。図９に示した例では、参照ダイオード901に流れる電流からNMOSトランジスタ907で決まる電流を減算し、その減算により得られた電流値が、電流読み取り回路108と同様の構成を有する電流読み取り回路1001により電圧に変換される。電流読み取り回路108、1001の出力は、入力される電流の増加に応じて出力電圧が増加するような極性を有する。参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧をオペアンプ1003の非反転入力に入力し、反転入力端子1002に基準電圧を入力し、オペアンプ1003の出力をNMOSトランジスタ907と908のゲート電圧に入力する。このようにして電流読み取り回路1001の出力を基準電圧（端子1002の入力電圧）に一致させるための帰還ループが形成される。こうすることで、参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧が基準電圧に一致するように、NMOSトランジスタ907と908のゲート電圧、即ち、ダイオード電流Ifから減算される電流Ibの値が決まる。もし、電流読み取り回路108、1001の出力の極性が逆の場合は、オペアンプ1003の入力の極性を逆にすればよい。本実施の形態の構成によれば、回路906、907、108、1001の温度ドリフトを含めて補正され、参照ダイオード901に相当する出力が常に所定の基準電圧に等しくなり、実施の形態３に比べてより高精度な温度ドリフト抑制が可能になる。

実施の形態５．
実施の形態４では、一つのダイオード101を含む熱型赤外線検出素子について説明したが、前述の技術思想はダイオード101を２次元アレイ状に配置した熱型赤外線撮像素子にも適用可能である。図１０に、ダイオード101をアレイ状に配置した場合の構成を示す。図１０は、実施の形態４で開示した回路を、ダイオードをアレイ状に配置した熱型赤外線撮像素子の構成に適用した例を示すが、他の実施の形態において開示した思想も同様にして、ダイオードをアレイ状に配置した熱型赤外線撮像素子の構成に適用できることは言うまでもない。

図１０において、ダイオード101はアレイ状に配置され、１つの画素Ｐが１つのダイオード１０１を含み、３×３画素の撮像素子が構成されている。このようにアレイ状に配置された複数の画素Ｐは画素アレイを構成する。各行の右端には参照ダイオード901が配置されている。ダイオード101、901の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路1102が接続され、参照ダイオード901の陰極には電圧設定回路906が接続される。電圧設定回路1102、906の出力は、電流源1103、907及び電流読み取り回路1104、1001に接続される。

電流読み取り回路1104、1001の出力は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、1001の出力を出力端子1107に導く。

サンプルホールド回路1108は、参照ダイオード901に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には端子1002から基準電圧が入力される。参照ダイオード901は行単位で設けられているので、その出力が基準電圧に一致するように電流源1103、907を流れる電流が制御される。なお、オペアンプ1003の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより参照ダイオード901からの出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線撮像素子が実現できる。

ダイオード101、901の陽極を共通接続する配線である駆動線1109の抵抗寄与は行内の左端と右端の画素で異なり、ダイオード101の陰極を共通接続する配線である信号線1110の抵抗寄与は列内の上端と下端の画素で異なる。このため、ダイオード101に設けられている断熱支持脚の抵抗に対して、これら配線の抵抗を十分に小さくすることが好ましい。

電圧設定回路1102、906は、信号線1110と電圧設定回路1102、906の接続点の電圧を、所定のバイアス電圧から、断熱支持脚の抵抗（第１及び第２の配線抵抗）と、信号線1110及び駆動線1109の抵抗と、ダイオード101、901の電流Ifとにより生じる電圧降下を減算した電圧に制御する。

配線抵抗の影響をできるだけ回避するためには、電圧設定回路1102、906に設けている抵抗（図４の抵抗505）を行単位で段階的に変化させ、さらに、電源端子104から垂直走査回路1101内を縦に走る電源線（破線で図示）の抵抗を、ダイオード101、901の陰極を共通接続する各配線1110の抵抗の１／（水平画素数）に設定すればよい。ここで、前記比率を１／（水平画素数）とする理由は次のとおりである。垂直走査回路1101内を縦に走る電源線には水平画素数分の電流が流れるため、垂直走査回路1101内を縦に走る電源線が、見かけ上、ダイオードの陰極を共通接続する配線の抵抗の水平画素数倍の抵抗として寄与するからである。

実施の形態６．
実施の形態５において、行単位でダイオードの陽極を共通接続する配線の抵抗及び列単位でダイオードの陰極を共通接続する配線の抵抗の寄与が、断熱支持脚の抵抗に比べ無視できなくなると、画素間での抵抗差補正が難しくなるばかりでなく、以下の問題が生じるおそれがある。一つの画素に強い赤外線が入射したとき、その一つの画素のダイオードの電流が増加する。ダイオードの陽極側は共通接続されているため、その共通接続配線上での電圧降下が、一つの画素の電流変化の影響を受けて変化する。その一つの画素と同一行にある他の画素のダイオードの陽極電圧を変化させ、「偽信号」を生じることがある。特に画素サイズが小さくなると配線幅を縮小せざるを得ず、この効果は顕著になる。以下にこの問題を解決するための構成を説明する。

図１１に、本発明の実施の形態６における熱型赤外線検出素子の構成を示す。画素Ｐは、直列接続されたダイオード101と選択MOSスイッチ1201を含む。ダイオード101の陰極は選択MOSスイッチ1201の一方の端子に接続される。各選択MOSスイッチ1201のゲートは行単位で選択線1202により共通接続され、垂直走査回路1101から順に行選択信号が印加される。ダイオード101の陽極は電源線1203により列単位で共通接続され、選択MOSスイッチ1201の他方の端子は信号線1204により列単位で共通接続される。電源線1203は共通電源線1205により列間で共通接続され電源端子104に接続される。ここで共通電源線1205は画素アレイの外にあるので、画素サイズが縮小されても配線幅を十分広く設定し、抵抗寄与を無視できるようにすることが可能である。電圧設定回路1102、906は、信号線1204と電圧設定回路1102、906の接続点の電圧を、所定のバイアス電圧から、ダイオードの断熱支持脚の抵抗（第１、第２の配線抵抗）と、MOSトランジスタ1201のオン抵抗と、信号線1204および電源線1203の抵抗と、ダイオードの電流Ifとにより生じる電圧降下を減算した電圧に制御する。

画素Ｐ内でみると、行の選択は選択MOSスイッチ1201により行われるので実施の形態５のように画素内で行方向に流れる電流成分がなくなる。ここで、電源線1203と信号線1204の配線の幅を同一にしておくと両者の抵抗は同じになる。よって、図１２に示すように、いずれの行を選択しても、ダイオード101に接続される抵抗は、図示されていない断熱支持脚（第１の配線）の抵抗に加えて、一本の信号線の抵抗（電源線抵抗）と、選択MOSスイッチ1201のオン抵抗になる。これはどの画素列についても同じである。よって抵抗が全ての画素で同じになるばかりでなく、画素内の電源線や信号線には、選択されているダイオードの電流しか流れないため、前述の偽信号は発生しない。これにより、図１０に示したようなダイオードアレイに起因した画素間の抵抗差がないため偽信号の発生もなく、高感度、高ダイナミックレンジ、かつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線撮像素子が実現できる。

実施の形態７．
上述の実施の形態ではダイオードの陰極側に電圧設定回路を設けていたが、陽極側に設けることも可能である。図１３に、この場合の熱型赤外線検出素子の構成例を示す。図１３において、電圧設定回路1401は、電源端子104と、ダイオード101の陽極側に接続された抵抗102との間に設けられている。電圧設定回路1401は端子1402の電圧Vrefを以下のように制御する。
Vref = Vc + If・Rc (3.1)
Rcは抵抗102と抵抗103の合成抵抗値、Ifはダイオード101を流れる電流、Vcは所定のバイアス電圧である。

一方、ダイオード101に印加される順方向バイアス電圧Vfは次式で得られる。
Vf = Vref - If・Rc (3.2)

式（3.1）、（3.2）より順方向バイアス電圧Vfは次式のようになる。
Vf = Vc (4)

即ち、順方向バイアス電圧Vfは電流Ifに係わらず一定電圧となる。よって、従来技術で問題となった負帰還効果による感度低下がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子が実現できる。

図１４に電圧設定回路1401の構成を示す。図１４に示す電圧設定回路1401の構成は、図４に示す構成において、トランジスタの極性を反転し、電源と接地の関係を逆にしたものである。すなわち、ダイオード101の電流Ifはソースを共通接続したNMOSトランジスタ1501と1502により供給される。NMOSトランジスタ1501と1502のゲート電位は、オペアンプ507により、NMOSトランジスタ1501と1502のソース電位が（Vc + If・Rc）になるように制御される。オペアンプ507の反転入力端子はNMOSトランジスタ1501と1502のソースに接続され、非反転入力端子はPMOSトランジスタ1504のドレインに接続される。

NMOSトランジスタ1502に直列に接続された、PMOSトランジスタ1503と1504からなるカレントミラー回路はダイオード電流Ifを複製する。複製された電流Ifと、配線抵抗102と103の合成抵抗値と等しい抵抗値を持つ抵抗505とを用いて作成された（Vc + If・Rc）の電位がオペアンプ507の非反転入力端子に入力される。

本実施の形態の電圧設定回路1401の基本動作は図４に示したものと同じであるが、順方向電流Ifを図４のものと同じとすると、電流読み取り回路108へ流入する電流は図４の場合はIf/2であるのに対し、図１４の場合はIfとなる。このため、図１４の構成により、より感度が大きい熱型赤外線検出素子を実現できる。ただし、端子506は固定バイアスVCに固定されるが、電流が端子506側に流れ込むため、固定バイアスVCをつくる電源として、流入電流に対して電圧変化が少ない電源を用意する必要がある。なお、本実施の形態では、ダイオードの陽極の電位が制御されるので、陰極の端子107の電位は常に一定である必要がある。従って、電流読み取り回路108として、入力電位が常に一定となる図２（ａ）に示す回路を適用するのが好ましい。なお、本実施形態においても、実施の形態２の技術思想を適用し、ダイオード電流Ifから一定電流Ibを減算した残りの電流を電流読み取り回路108に流入させるようにしてもよい。

実施の形態８．
実施の形態７で述べたように、実施の形態１（図４）ではダイオードを流れる電流をIfとすると、電流読み出し回路108に流れる電流は半分になり感度が低下する。本実施の形態及び実施の形態９では、この問題を解消する実施の形態を説明する。

図１５は本実施の形態に係る電圧設定回路の構成を示した図である。電圧設定回路以外は図１に示す構成と同じである。本実施の形態では、図４の場合と異なり、PMOSトランジスタ1601とPMOSトランジスタ1602のW/L比率を同じとせずに、PMOSトランジスタ1601のW/L比率をPMOSトランジスタ1602のｎ倍（ｎ＞1)としている。これにともない、電流を複製するカレントミラー回路のNMOSトランジスタ1604とNMOSトランジスタ1603のW/Lの比率を(n+1)：1としている。これにより電流読み取り回路へ流入する電流は図４の場合に比べ2n/(n+1)倍に増加し、感度もその比率だけ増加する。

実施の形態９．
図１６は本発明の実施の形態９における電圧設定回路の構成図である。電圧設定回路以外は図１の構成と同じである。本実施形態では図４の場合と異なり、ソース電位がオペアンプ507で（Vc - If・Rc）に制御されるPMOSトランジスタ501のドレインにゲート・ドレイン間を接続したNMOSトランジスタ1701を接続し、そこに流れる電流IfをNMOSトランジスタ1702、1703で複製する。NMOSトランジスタ1702のドレインとバイアス電圧Vcとの間に、配線抵抗102と103の合成抵抗の値に一致する抵抗値Rcを持つ抵抗505接続する。これにより、NMOSトランジスタ1702のドレインの電圧を（Vc - If・Rc）に制御する。この電圧をオペアンプ507の非反転入力端子に入力する。また、NMOSトランジスタ1703に流れる電流Ifは、端子107を介して電流読み取り回路108に入力され、出力信号として読み出される。本実施の形態では、ダイオード101に流れる電流Ifを直接読み出すことにはならないが、それと同じ大きさの電流を取り出すことができる。すなわち、電流読み取り回路108にはダイオード101の電流Ifと同じ大きさの電流が流れる。このため、図４に示す回路構成で問題となる感度低下は生じない。

実施の形態１０．
図１７に電圧設定回路の別の構成を示す。本実施の形態の電圧設定回路によっても、図５で示したように、バイアス電流Ibを除去して電流読み取り回路１０８に差分電流のみを供給することが可能である。図１７において、NMOSトランジスタ1703に直列にバイアス電流源1801が接続されている。なお、バイアス電流Ibの設定方法は図５に示した場合と全く同じである。また図８、図９に示すように、バイアス電流の値を参照ダイオード901を用いて決めてもよい。本実施形態の電圧設定回路によっても、電流読み取り回路108にはダイオードの電流Ifからバイアス電流Ibを除いた電流と同じ大きさの電流が流れるため、より高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。

実施の形態１１．
図１８に、本発明の実施の形態１１における熱型赤外線検出素子の構成を示す。図１８に示す例では、参照ダイオード901の電流に対しても、NMOSトランジスタ907で決まる電流を減算した後、電流読み取り回路108と同様の電流読み取り回路1001で電圧に変換する。NMOSトランジスタ907、908のゲートには所定のバイアス電圧1300が印加される。このとき、電流読み取り回路108と1001の出力の極性は、入力される電流が増せば出力電圧が増加するような極性とする。オペアンプ1003の非反転入力に参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧を入力し、反転入力端子1002に基準電圧を入力する。オペアンプ1003の出力を、第２の電圧設定回路906の電圧VC入力端子（図４の電圧入力端子506に相当）及び電圧設定回路106の電圧VC入力端子に入力する。このようにして電流読み取り回路1001の出力を基準電圧（端子1002の入力電圧）に一致させるための帰還ループが形成される。こうすることで、参照ダイオード901に対する電流読み取り回路1001の出力電圧が基準電圧に一致するように、第２の電圧設定回路906のVC入力電圧と電圧設定回路106のVC入力電圧とが決まる。電流読み取り回路108、1001の極性が逆の場合は、オペアンプ1003の入力の極性を逆にすればよい。ここでは、NMOSトランジスタ907、908による電流源を用いて電流Ifの減算を行う例を説明したが、実施の形態１のように電流源による減算を行わない構成としてもよい。

本実施形態では回路906、907、108、1001の温度ドリフトを含めて補正され、参照ダイオード901に相当する出力が常に一定の基準電圧に等しくなるだけでなく、参照ダイオード901に流れる電流量も常に一定の電流量に制御できるようになる。これにより実施の形態４に比べてより高精度な温度ドリフト抑制が可能になる。

実施の形態１２．
本実施の形態では、実施の形態１１に示す構成を、ダイオードを２次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例である。図１９にその構成を示す。他の実施の形態においても同様に適用可能であることは言うまでもない。

図１９において、ダイオード101はアレイ状に配置され、３×３画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。各行の右端には参照ダイオード901が配置されている。ダイオード101、901の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路1102が接続され、参照ダイオード901の陰極には電圧設定回路906が接続される。電圧設定回路1102、906の出力は、電流源1103、907及び電流読み取り回路1104、1001に接続される。

電流源1103と907のゲートには所定のバイアス電圧1300が入力され、一定電流が流れる。電流読み取り回路1104、1001の出力は水平選択スイッチ1005に接続される。水平選択スイッチ1005は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、1001の出力を出力端子1107に導く。

サンプルホールド回路1108は、参照ダイオード901に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には端子1002から基準電圧が入力される。参照ダイオード901は行単位で設けられているので、参照ダイオード901からの出力が基準電圧に一致するように、電圧設定回路1102および電圧設定回路906のＶＣに対する入力電圧が制御される。なお、オペアンプの1003の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより、参照ダイオード901からの出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。

画素Ｐ内で、ダイオード101と選択MOSスイッチ1201が直列接続される。すなわち、ダイオード101の陰極と選択MOSスイッチ1201の一方の端子が接続される。各選択MOSスイッチ1201のゲートは行単位で選択線1202により共通接続され、垂直走査回路1101から順に行選択信号が印加される。ダイオード101の陽極は電源線1203により列単位で共通接続され、選択MOSスイッチ1201の他方の端子は信号線1204により列単位で共通接続される。電源線1203は共通電源線1205により列間で共通接続され電源端子104に接続される。ここで共通電源線1205は画素アレイの外にあるので、画素サイズが縮小されても配線幅を十分広く設定し、抵抗寄与を無視できるようにすることが可能である。画素Ｐ内でみると、行の選択は選択MOSスイッチ1201により行われるので実施の形態５のように画素内で行方向に流れる電流成分がなくなる。ここで、電源線1203と信号線1204の配線の幅を同一にしておくと両者の抵抗は同じになる。よって、いずれの行を選択しても、ダイオード101に接続される抵抗は、図示されていない断熱支持脚の抵抗に加えて、一本の信号線の抵抗（電源線抵抗）と選択MOSスイッチ1201のオン抵抗になる。これはどの画素列についても同じである。よって抵抗が全ての画素で同じになるばかりでなく画素内の電源線や信号線には選択されているダイオードの電流しか流れないため、前述の偽信号は発生しない。これにより、ダイオードアレイに起因した画素間の抵抗差がないため偽信号もなく、高感度、高ダイナミックレンジ、かつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。

また、実施の形態５に示されるような、画素Ｐ内において選択MOSスイッチ1201を形成しないアレイ構成でももちろん構わない。

本実施形態では、参照ダイオード901に関連する出力が常に所定の基準電圧に等しくなるだけでなく、参照ダイオード901に流れる電流量も常に一定の電流量に制御できる。これにより、実施の形態５、６に比べてより高精度な温度ドリフト抑制が可能になる。

実施の形態１３．
図２０に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。同図に示すように、本実施の形態の電圧設定回路は、実施の形態１０（図１７）に示す構成において、バイアス電流源１８０１として、参照ダイオード（赤外線吸収構造及び／または断熱構造を有しないダイオード）であって、かつ、支持脚構造を持たないダイオード（以下「支持脚構造を持たない参照ダイオード」という。）２０００を用いている。なお、本実施形態の熱型赤外線検出素子は、電圧設定回路以外は図１の構成と同じ構成を有する。電流読み取り回路１０８には、例えば、図２(b)に示すリセット積分器を使用でき、電流読み取り回路１０８の入力端子１０７の電圧は、図２(b)に示すオペアンプ３０１の非反転入力端子の電圧ＶＢと等しい電圧となる。

端子２００１の電圧と端子１０７の電圧が、支持脚構造を持たない参照ダイオード２０００の両端に印加され、バイアス電流Ｉbが流れ、後段の電流読み取り回路１０８に端子１０７を介して差分電流（Ｉb−Ｉf）のみを供給することが可能である。

また、参照ダイオードの面積、個数を画素ダイオードの面積・個数と同一にして形成し、画素ダイオードに印加される電圧（Ｖｄｄ−Ｖｃ）（式（２）参照）と等しい電圧が、支持脚構造を持たない参照ダイオード２０００に印加されるように、端子２００１の電圧と端子１０７の電圧が設定されてもよい。これにより、赤外線に反応して増大した電流のみを、電流読み取り回路１０８に入力する差分電流（Ｉb−Ｉf）として取り出すことが可能となる。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。また、飽和動作による高い微分抵抗を有するＮＭＯＳトランジスタ１７０３に、微分抵抗の小さいダイオードが並列に付加される構造となり、後段の電流読み取り回路の入力端子に低インピーダンスにて接続が可能となる。これにより、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現できる。ここで、支持脚構造を持たない参照ダイオード２０００については、支持脚構造を持つ参照ダイオードであっても構わない。

実施の形態１４．
図２１に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。同図に示すように、本実施の形態の電圧設定回路は、実施の形態１０（図１７）に示す構成において、バイアス電流源１８０１として、抵抗素子２００２を用いている。なお、本実施形態の熱型赤外線検出素子は、電圧設定回路以外は図１の構成と同じ構成を有する。電流読み取り回路１０８には、例えば、図２(b)に示すリセット積分器を使用でき、電流読み取り回路１０８の入力端子１０７の電圧は、図２(b)に示すオペアンプ３０１の非反転入力端子の電圧ＶＢと等しい電圧となる。

端子２００３の電圧と端子１０７の電圧が、抵抗素子２００２の両端に印加され、バイアス電流Ｉbが流れ、後段の電流読み取り回路１０８に差分電流（Ｉb−Ｉf）のみを供給することが可能である。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。また、抵抗素子２００２は、飽和動作をするために高くなるＮＭＯＳトランジスタ１７０３の微分抵抗値よりも小さい抵抗値を有する。これにより、後段の電流読み取り回路１０８の入力端子１０７に低インピーダンスにて接続が可能となるため、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現できる。

実施の形態１５．
図２２に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。なお、本実施形態の熱型赤外線検出素子は、電圧設定回路以外は図１の構成と同じ構成を有する。

本実施形態では、オペアンプ５０７によりソース電位が（Vc-If・Rc）に制御されるＰＭＯＳトランジスタ５０１のドレインにゲート・ドレイン間を接続したＮＭＯＳトランジスタ１７０１を接続し、そこに流れる電流IfをＮＭＯＳトランジスタ１７０２で複製する。ＮＭＯＳトランジスタ１７０２のドレインと端子１０７との間に、配線抵抗１０２と１０３の合成抵抗の値に一致する抵抗値Rcを持つ抵抗５０５を接続する。

電流読み取り回路１０８には、例えば、図２(b)に示すリセット積分器を使用できるため、電流読み取り回路１０８の入力端子となる端子１０７の電圧は、図２(b)に示すオペアンプ３０１の非反転入力端子の電圧（図２(b)ではＶＢと記載されているが、図２２ではＶＣと記載）と等しい電圧となる。これにより、ＮＭＯＳトランジスタ１７０２のドレインの電圧を（Vc - If・Rc）に制御する。この電圧をオペアンプ５０７の非反転入力端子に入力する。ＮＭＯＳトランジスタ１７０２に流れる電流Ifは、端子１０７を介して電流読み取り回路１０８に入力され、出力信号として読み出される。

本実施の形態では、ダイオード１０１に流れる電流Ifを直接読み出すことにはならないが、それと同じ大きさの電流を取り出すことができる。すなわち、電流読み取り回路１０８にはダイオード１０１の電流Ifと同じ大きさの電流が流れる。このため、図４に示す回路構成で問題となる感度低下は生じない。さらに、実施の形態１０の構成のようにＮＭＯＳトランジスタ１７０３を要しないため、実施の形態１０に比して、回路面積が縮小され、熱型赤外線検出素子のチップ面積が縮小され、コストが低減される。

実施の形態１６．
図２３に本実施形態の熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の構成を示す。同図に示す本実施形態の電圧設定回路は、図２２に示す構成において、バイアス電流源２００５を付加し、バイアス電流源２００５により流れる電流Ｉｂと電流Ifの差分電流を、端子１０７に供給して読み出しを行うものである。これにより、ダイナミックレンジが大きく、周囲温度変化による出力変動即ち温度ドリフトが小さい、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。

なお、バイアス電流源２００５として、ＭＯＳトランジスタを用いたカレントミラー電流源を使用できる。または、バイアス電流源２００５として、実施の形態１３で示した支持脚構造を持たない参照ダイオード（図２４参照）や、実施の形態１４で示した抵抗素子（図２５参照）を用いることもできる。

実施の形態１７．
本実施の形態では、実施の形態１３（図２０）に示した電圧設定回路を、ダイオードを２次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例を説明する。図２６にその構成を示す。

図２６に示す構成において、ダイオード１０１はアレイ状に配置され、３×３画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。ダイオード１０１の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路１１０１に接続される。垂直走査回路１１０１によって、電源端子１０４から電源電圧Vddがダイオード１０１に行単位で順に供給される。ダイオード１０１の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード１０１の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路３０００が接続される。電圧設定回路３０００は実施の形態１３にて示した構成を有する。列毎に設けられた電圧設定回路３０００の右端には、参照回路４０００が付加される。参照回路４０００は画素アレイには接続されていない。図２７に参照回路４０００の具体的な構成を示す。参照回路４０００は、差分電流発生用の支持脚構造を持たない参照ダイオード２０００ｂと、電流If_refを引き込む電流源２０１０とを含む。

電圧設定回路３０００は図２０に示す構成を有する。この場合、電圧設定回路３０００の端子１０５は画素ダイオードの陰極に接続され、端子１０７は電流読み取り回路１１０４に接続され、端子５０６はオペアンプ１００３の出力に接続され、端子２００１は電源電圧Vddを与える端子１０４に接続される。

電圧設定回路３０００及び参照回路４０００の出力は、電流読み取り回路１１０４及び電流読み取り回路４００１にそれぞれ接続される。電流読み取り回路１１０４、４００１の出力は水平選択スイッチ１１０５に接続される。水平選択スイッチ１１０５は、水平選択回路１１０６からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路１１０４、４００１の出力を出力端子１１０７に導く。本実施形態では、電流読み取り回路１１０４、４００１は図２(b)に示す構成を有する。

サンプルホールド回路１１０８は、参照回路４０００に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ１００３の非反転入力端子に入力する。オペアンプ１００３の反転入力端子には、オペアンプ１００３の出力電圧４００３が入力される。オペアンプ１００３の出力電圧４００３は、電圧ＶＣとして、電圧設定回路３０００のＶＣ電圧（図２０の端子５０６）に入力される。さらに、オペアンプ１００３の出力電圧４００３は、電流読み取り回路１１０４および４００１それぞれのオペアンプ（図２(b)のオペアンプ３０１）の非反転入力端子（図２(b)でＶＢと記載されている端子）に入力される。参照回路４０００における差分電流発生用の支持脚構造を持たない参照ダイオード２０００ｂの陽極端子２００８は端子１０４の電源電圧Ｖｄｄに接続される。

以上の構成により、参照回路４０００における参照ダイオード２０００ｂに流れる電流が参照回路４０００の基準電流源２０１０の電流If_refと等しくなり（すわなち、参照回路４０００から出力端子２００９を介して電流読み取り回路４００１に入力される電流がゼロとなる）、電流読み取り回路４００１の出力が、電流読み取り回路４００１のオペアンプ（例えば、図２(b)に示すオペアンプ３０１）の非反転入力端子の電圧ＶＣと等しくなるように、オペアンプ１００３の出力電圧４００３（すなわちバイアス電圧ＶＣ）が制御される。

本実施形態では、周囲温度が変化しても、参照回路４０００において参照ダイオード２０００ｂに流れる電流が基準電流源２０１０の電流If_refと常に等しくなるように、バイアス電圧ＶＣを制御する。参照ダイオード２０００、２０００ｂに印加される電圧はVdd−VCであり、これは画素ダイオード１０１に印加される電圧と等しくなる。以上のようなバイアス電圧ＶＣを設定することで、周囲温度にかかわらず赤外線の入射がゼロのときに画素ダイオード１０１に流れる電流がIf_refとなる。よって、周囲温度にかかわらず、画素ダイオードの電流を、電流If_refを基準として測定することが可能となる。よって、最終的に、周囲温度にかかわらず一定の基準で測定された画素ダイオードの電流において赤外線の入射により増大した電流分のみを、電流読み取り回路１１０４で読み取ることが可能となる。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。

なお、ここでは、電圧Ｖddを一定電圧の印加とし、電圧ＶＣをフィードバック制御したが、電圧ＶＣを一定電圧の印加とし、電圧Ｖddをフィードバック制御した構成でも構わない。また、ここでは、実施の形態１３に示す構成を適用したが、実施の形態１６にて図２４にて示す構成を適用しても構わない。

また、オペアンプ１００３の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより、参照回路４０００からの出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。よって、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。

実施の形態１８．
本実施形態では、実施の形態１０に示した構成においてバイアス電流源１８０１として、ＰＭＯＳトランジスタによるカレントミラー電流源を用いた電圧設定回路を、ダイオードを２次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例を説明する。図２８にその構成を示す。

同図において、ダイオード１０１はアレイ状に配置され、３×３画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。各行の右端には赤外線吸収構造及び／または断熱構造を有しないダイオード（参照ダイオード）９０１が２列形成されている。ダイオード１０１、９０１の陽極は行単位で共通接続される。ダイオード１０１、９０１の陽極には、垂直走査回路１１０１により行単位で順に電源端子１０４から電源電圧Vddが供給される。ダイオード１０１、９０１の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード１０１、９０１の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路５０００が接続される。

電圧設定回路５０００は実施の形態１０に示す構成（図１７）において、バイアス電流源１８０１を、ＰＭＯＳトランジスタ５００１によるカレントミラー電流源で構成したものである。図２９に電圧設定回路５０００の構成を示す。図２９において、端子１０５は画素ダイオードに接続され、端子１０７は電流読み取り回路１１０４に接続され、端子５０６はオペアンプ１００３の出力に接続される。端子５００３は他のＰＭＯＳトランジスタ５００１のゲート、および、ＰＭＯＳトランジスタ５００６のゲートに接続される。

参照画素に接続する、右端から２列目の電圧設定回路５２００も図２９に示す構成と同様の構成を有する。参照画素に接続する、右端から２列目の電圧設定回路５２００において、ＰＭＯＳトランジスタ５００６のゲート電極とドレイン電極が接続されている。このため、このＰＭＯＳトランジスタ５００６と、ＰＭＯＳトランジスタ５００１とでカレントミラー動作が行われる。よって、右端から２列目の参照ダイオード９０１に流れる電流と等しい電流が、電流Ｉb1として、画素アレイの各列に接続する電圧設定回路５０００におけるＰＭＯＳトランジスタ５００１に流れる。電圧設定回路５０００において、画素アレイの各列の画素ダイオード１０１に流れる電流Ｉfと参照ダイオード９０１に流れる電流（Ｉb1）の差電流が、次段の電流読み取り回路１１０４に供給される。これにより、赤外線の入射により増大した画素ダイオードの電流の増大分のみを電流読み取り回路１１０４で読み取ることが実現できる。

電流読み取り回路１１０４、５００７の出力は水平選択スイッチ１１０５に接続される。水平選択スイッチ１１０５は、水平選択回路１１０６からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路１１０４、５００７の出力を出力端子１１０７に導く。サンプルホールド回路１１０８は、列右端の参照ダイオードに対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ１００３の非反転入力端子に入力する。オペアンプ１００３の反転入力端子には、オペアンプ１００３の出力電圧４００３が入力される。このオペアンプ１００３の出力電圧４００３は、電圧ＶＣとして、電圧設定回路５０００のＶＣ電圧（図２９の５０６端子）に入力される。さらに、オペアンプ１００３の出力電圧４００３は、電流読み取り回路１１０４および５００７のオペアンプの非反転入力端子（図２(b)でＶＢと記載されている端子）に入力される。

右端の列の参照ダイオードに対応する電圧設定回路５１００には、ＰＭＯＳトランジスタ５００１や５００６ではなく、基準電流Ｉｂを流すバイアス電流源５００５が接続されている。電圧設定回路５１００における回路５１１０は図２９に示す回路５０１０と同様の構成を有する。画素ダイオード１０１の各列に対応する電圧設定回路５０００の出力は、電流読み取り回路１１０４に接続される。右端から２列目の参照ダイオードに対応する電圧設定回路５２００の出力は電流読み取り回路１１０４には接続されていない。右端の参照ダイオードに対応する電圧設定回路５１００の出力は電流読み取り回路５００７に接続されている。この構成によって、右端の列の参照ダイオードに流れる電流を、基準電流バイアス電流源５００５の電流Ｉbと等しくし（すわなち、電流読み取り回路５００７に入力される電流をゼロとし）、電流読み取り回路５００７に対応する出力を電流読み取り回路５００７のオペアンプの非反転入力端子の電圧ＶＣと等しくするように、オペアンプ１００３の出力電圧４００３が制御される。

なお、オペアンプ１００３の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。これにより、電流読み取り回路５００７に対応する出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。

本実施形態では、周囲温度が変化しても、右端の参照ダイオードに流れる電流が、基準電流バイアス電流源５００５の電流Ｉbと常に等しくなる。さらに、前述のように、赤外線の入射により増大した画素ダイオードの電流の増大分のみの寄与が出力される。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。

本発明の実施の形態1における熱型赤外線検出素子の回路図 本発明の実施の形態の熱型赤外線検出素子の電流読み取り回路の例を示す図 実施の形態１における熱型赤外線検出素子のダイオードの構造を示す図 実施の形態１における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出素子の回路図 図５に示す回路の等価回路図 実施の形態２における熱型赤外線検出素子の電圧電流特性を示す図 本発明の実施の形態３における熱型赤外線検出素子の回路図 本発明の実施の形態４における熱型赤外線検出素子の回路図 本発明の実施の形態５における熱型赤外線撮像素子の回路図 本発明の実施の形態６における熱型赤外線撮像素子の回路図 実施の形態６における熱型赤外線撮像素子の画素１列分の回路図 本発明の実施の形態７における熱型赤外線検出素子の回路図 実施の形態７における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 実施の形態８における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 実施の形態９における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 実施の形態１０における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 実施の形態１１における熱型赤外線検出素子の回路図 本発明の実施の形態１２における熱型赤外線検出素子の回路図 本発明の実施の形態1３における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 本発明の実施の形態1４における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 本発明の実施の形態1５における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 本発明の実施の形態1６における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図 本発明の実施の形態1６における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の変形例の回路図 本発明の実施の形態1６における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の変形例の回路図 本発明の実施の形態１７における熱型赤外線検出素子の回路図 本発明の実施の形態１７における熱型赤外線検出素子の参照回路の回路図 本発明の実施の形態１８における熱型赤外線検出素子の回路図 本発明の実施の形態１８における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図

符号の説明

101 ダイオード、102 第1の配線抵抗、103 第2の配線抵抗、106 電圧設定回路、108 電流読み取り回路、401 断熱支持脚、402 断熱支持脚、406 赤外線吸収膜、601 バイアス電流源、901 参照ダイオード、902 第3の配線抵抗、903 第4の配線抵抗、906 第２の電圧設定回路、1001 第2の電流読み取り回路、1101 垂直走査回路、1106 水平走査回路、1201 MOSスイッチ、1202 選択線、1203 電源線、1204 信号線、1205 共通電源線、2000 差分電流生成用の支持脚構造を持たない参照ダイオード、2001 支持脚構造を持たない参照ダイオードの陽極に電圧を印加する端子、2002 差分電流生成用の抵抗素子、2003 差分電流生成用の抵抗素子に電圧を印加する端子、2004 差分電流生成用のバイアス電流源の陽極端子、2005 差分電流生成用のバイアス電流源、2008 支持脚構造を持たない参照ダイオードの陽極に電圧を印加する端子、2009 参照回路の出力端子、2010 参照回路に用いるバイアス電流源、3000 電圧設定回路、4000 参照回路、4001 参照回路に対応する電流読み取り回路、4003 ＶＣ電圧制御用オペアンプ出力端子、5000 電圧設定回路、5001 カレントミラーを形成するＰＭＯＳトランジスタ、5002 カレントミラーを形成するＰＭＯＳトランジスタの電源端子、5003 カレントミラーを形成するＰＭＯＳトランジスタのゲート電極端子、5004 カレントミラーを形成するＰＭＯＳトランジスタの電源供給端子、5005 基準電流用バイアス電流源、5006 カレントミラーを形成するＰＭＯＳトランジスタ、5007 右端の参照ダイオードに対応した電流読み取り回路、 Ｐ 画素。

Claims (12)

1. 熱電変換部として、１個または複数個直列接続されたダイオードと、
   前記熱電変換部を２個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、
   赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、
   前記ダイオードの陽極側に、前記断熱支持脚の一方である第１の配線を介して、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、
   前記ダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第２の配線を介して、電圧設定回路の入力端子が接続され、
   前記電圧設定回路では、
   入力された前記ダイオードに流れる電流は、第１の電流と第２の電流とに、分割、または、複製され、
   前記第１の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力され、
   前記第２の電流を用いて、前記第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、
   前記第２の配線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、
   前記電圧設定回路の出力端子には、前記第１の電流を読み取る電流読み取り回路が接続される
   ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
2. 熱電変換部として、１個または複数個直列接続されたダイオードと、
   前記熱電変換部を２個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、
   赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、
   電圧設定回路の入力端子に、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、
   前記電圧設定回路の出力端子に、前記断熱支持脚の一方である第１の配線を介して、前記ダイオードの陽極が接続され、
   前記ダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第２の配線を介して、電流読み取り回路が接続され、
   前記電圧設定回路では、
   入力された前記ダイオードに流れる電流は、第１の電流と第２の電流とに、分割、または、複製され、
   前記第１の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力され、
   前記第２の電流を用いて、前記第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、
   前記電圧設定回路の出力端子である、前記電圧設定回路と前記第１の配線との接続点の電圧は、所定のバイアス電圧に、前記抽出された電圧降下を加算した電圧に制御され、
   前記電流読み取り回路は前記第１の電流を読み取る
   ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
3. 熱電変換部として、１個または複数個直列接続されたダイオードと、
   前記熱電変換部を２個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、
   赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、
   前記ダイオードの陽極側に、前記断熱支持脚の一方である第１の配線を介して、一定の電源電圧を供給する電源が接続され、
   前記ダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第２の配線を介して、電圧設定回路の入力端子が接続され、
   前記電圧設定回路では、
   入力された前記ダイオードに流れる電流は第１の電流に複製され、
   前記第１の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力されるとともに、
   前記第１の電流を用いて、前記第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、
   前記第２の配線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧が、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、
   前記電圧設定回路の出力端子には、前記第１の電流を読み取る電流読み取り回路が接続される
   ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
4. 前記第１の電流から一定の電流を減算する手段をさらに備え、
   前記手段によって減算された残りの電流を前記電流読み取り回路に入力することを特徴とする、
   請求項１から３のいずれかに記載の熱型赤外線検出素子。
5. 熱電変換部として、１個または複数個直列接続された第１のダイオードと、
   前記熱電変換部を２個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、
   赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記第１のダイオードに伝導する赤外線吸収部と、
   前記中空断熱構造及び／または前記赤外線吸収部を有しない第２のダイオードと、
   前記第２のダイオードを支持する２個の別の断熱支持脚と、
   を備え、
   前記第１のダイオードの陽極側に、前記断熱支持脚の一方である第１の配線を介して、一定の電源電圧を供給する第１の電源が接続され、
   前記第１のダイオードの陰極側に、前記断熱支持脚の他方である第２の配線を介して、第１の電圧設定回路の入力端子が接続され、
   前記第１の電圧設定回路では、
   入力された前記第１のダイオードに流れる電流は、第１の電流と第２の電流とに、分割、または、複製され、
   前記第１の電流は前記第１の電圧設定回路の出力端子に出力され、
   前記第２の電流を用いて、前記第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と前記第１のダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、
   前記第２の配線と前記第１の電圧設定回路の接続点である、前記第１の電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、
   前記第１の電圧設定回路の出力端子には、前記第１の電流を読み取る第１の電流読み取り回路が接続され、
   前記第２のダイオードの陽極側に、前記別の断熱支持脚の一方である第３の配線を介して、一定の電源電圧を供給する第２の電源が接続され、
   前記第２のダイオードの陰極側に、前記別の断熱支持脚の他方である第４の配線を介して、第２の電圧設定回路の入力端子が接続され、
   前記第２の電圧設定回路では、
   入力された前記第２のダイオードに流れる電流は、第３の電流と第４の電流とに、分割、または、複製され、
   前記第３の電流は前記第２の電圧設定回路の出力端子に出力され、
   前記第４の電流を用いて、前記第３の配線の抵抗と前記第４の配線の抵抗と前記第２のダイオードの電流とにより生じる別の電圧降下が抽出され、
   前記第４の配線と前記第２の電圧設定回路の接続点である、前記第２の電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記別の電圧降下を減算した電圧に制御され、
   前記第２の電圧設定回路の出力端子には、前記第３の電流を読み取る第２の電流読み取り回路が接続され、
   前記第２の電流読み取り回路の出力を基準電圧と比較して、その差に応じて、前記第１及び第３の電流から各々減算される一定の電流である第１及び第２のバイアス電流を決定するバイアス電流決定手段をさらに備え、
   前記バイアス電流決定手段により、前記第２の電流読み取り回路の出力を前記基準電圧
   に一致させるための帰還ループが形成される、
   ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
6. 前記電圧設定回路は、
   ソースが共通接続され、一方のPMOSトランジスタのドレインが前記電圧設定回路の出力
   端子に接続された一対のPMOSトランジスタと、
   他方のPMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製するカレ
   ントミラー回路と、
   前記複製された電流を用いて、一定のバイアス電圧から前記電圧降下を減算した電圧を
   作成する手段と、
   前記作成した電圧と、前記一対のPMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき前記一対のPMOSトランジスタのゲート電圧を制御する手段と
   を含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線検出素子。
7. 前記第１の電圧設定回路及び前記第２の電圧設定回路は各々、
   ソースが共通接続され、一方のPMOSトランジスタのドレインが前記電圧設定回路の出力
   端子に接続された一対のPMOSトランジスタと、
   他方のPMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製するカレ
   ントミラー回路と、
   前記複製された電流を用いて、一定のバイアス電圧から前記電圧降下を減算した電圧を
   作成する手段と、
   前記作成した電圧と、前記一対のPMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき前記一対のPMOSトランジスタのゲート電圧を制御する手段と
   を含む、
   ことを特徴とする請求項５記載の熱型赤外線検出素子。
8. 前記電圧設定回路は、
   ソースが共通接続され、一方のNMOSトランジスタのドレインが前記電圧設定回路の入力
   端子に接続された一対のNMOSトランジスタと、
   他方のNMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製するカレ
   ントミラー回路と、
   前記複製された電流を用いて、一定のバイアス電圧に前記第１及び第２の配線の抵抗により生じる電圧降下を加算した電圧を作成する手段と、
   前記作成した電圧と、前記NMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき、前記一
   対のNMOSトランジスタのゲート電圧を制御する手段と
   を含む、
   ことを特徴とする請求項２記載の熱型赤外線検出素子。
9. 前記電圧設定回路は、
   ソースが前記電圧設定回路の入力端子に接続されたPMOSトランジスタと、
   前記PMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製し、２つの
   出力端子をもつカレントミラー回路と、
   前記出力端子の一方を介して提供される複製された電流を用いて、前記所定のバイアス
   電圧から前記電圧降下を減算した電圧を作成する手段と、
   前記作成した電圧と前記PMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき、前記PMOS
   トランジスタのゲート電圧を制御する手段とを含み、
   前記出力端子の他方を前記電圧設定回路の出力端子とする
   ことを特徴とする請求項１または３記載の熱型赤外線検出素子。
10. 前記第１の電圧設定回路及び前記第２の電圧設定回路は、
    ソースが前記電圧設定回路の入力端子に接続されたPMOSトランジスタと、
    前記PMOSトランジスタのドレインに接続され、前記ダイオードの電流を複製し、２つの
    出力端子をもつカレントミラー回路と、
    前記出力端子の一方を介して提供される複製された電流を用いて、前記所定のバイアス
    電圧から前記電圧降下を減算した電圧を作成する手段と、
    前記作成した電圧と前記PMOSトランジスタのソース電圧との差電圧に基づき、前記PMOS
    トランジスタのゲート電圧を制御する手段と
    を含み、
    前記出力端子の他方を前記電圧設定回路の出力端子とする
    ことを特徴とする請求項５記載の熱型赤外線検出素子。
11. 熱電変換部を２個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造および赤外線を吸収して吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部を有する前記熱電変換部として１個または複数個直列接続されたダイオードが、２次元状に配置されたダイオード群を備え、
    各行内のダイオードの陽極は前記断熱支持脚の一方である第１の配線を介して、共通接続する複数の駆動線に接続され、
    各列内のダイオードの陰極は前記断熱支持脚の他方である第２の配線を介して、共通接続する複数の信号線に接続され、
    前記各駆動線に対して順に電源電圧を印加する垂直走査回路が前記各駆動線に接続され、
    前記各信号線の端に、電圧設定回路を介して電流読み取り回路が接続され、
    前記電流読み取り回路の出力を順に読み出す水平走査回路が前記電流読み取り回路の出力端子に接続され、
    前記電圧設定回路では、
    前記ダイオード群のうち、入力された読み出し時に選択されたダイオードに流れる電流は、第１の電流と第２の電流とに、分割、または、複製され、
    前記第１の電流は前記電圧設定回路の出力端子に出力され、
    前記第２の電流を用いて、前記第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と、前記信号線及び駆動線の抵抗と、前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下が抽出され、
    前記信号線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧は、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御され、
    前記電圧設定回路の出力端子には、前記第１の電流を読み取る電流読み取り回路が接続される
    ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
12. 複数の画素が２次元状に配置された画素アレイを備え、
    前記画素は、
    熱電変換部として、１個または複数個直列接続されたダイオードと、
    前記熱電変換部を２個の断熱支持脚で支持する中空断熱構造と、
    赤外線を吸収し、吸収した赤外線に応じた熱を前記ダイオードに伝導する赤外線吸収部と、
    前記ダイオードに直列に接続されたMOSトランジスタと
    を含み、
    前記ダイオードの陰極は前記断熱支持脚の一方である第１の配線抵抗を介して前記MOSトランジスタのドレインに接続され、
    各列内のダイオードの陽極を前記断熱支持脚の他方である第２の配線抵抗を介して共通接続する複数の電源線と、
    各行内のMOSトランジスタのゲートを共通接続する複数の選択線と、
    各列内のMOSトランジスタのソースを共通接続する複数の信号線と、
    前記画素アレイ外で前記電源線を共通接続して電源端子に接続する共通電源線と、
    前記各選択線に順に選択パルスを印加する垂直走査回路と、
    前記ダイオードとMOSトランジスタの直列回路の両端にかかる電圧を設定する電圧設定回路と、
    前記信号線の端に電圧設定回路を介して接続された電流読み取り回路と、
    前記電流読み取り回路の出力を順に読み出す水平選択回路と
    をさらに備え、
    前記電源線と前記信号線は実質的に同一の抵抗値を有し、
    前記電圧設定回路は、
    入力された前記ダイオードの電流を、第１の電流と第２の電流とに、分割、または、複製し、
    前記第１の電流を前記電圧設定回路の出力端子に出力し、
    前記第２の電流を用いて、前記第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と、前記信号線及び駆動線の抵抗と、前記ダイオードの電流とにより生じる電圧降下を抽出し、
    前記信号線と前記電圧設定回路の接続点である、前記電圧設定回路の入力端子の電圧を、所定のバイアス電圧から、前記抽出された電圧降下を減算した電圧に制御する
    ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。

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