(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上にマトリックス状に設けられた接続配線部と、
前記接続配線部に囲まれかつ前記基板から離間して設けられ、吸収した赤外線の強度を第１の信号に変換する第１の赤外線検出部、および、一端が前記第１の赤外線検出部に接続され他端が前記接続配線部に接続され、前記基板から離間して設けられた第１の接続配線部を有する第１のセルと、
前記接続配線部に囲まれかつ前記基板から離間して設けられ、吸収した赤外線の強度を第２の信号に変換する第２の赤外線検出部、および、一端が前記第２の赤外線検出部に接続され他端が前記接続配線部に接続され、前記基板から離間して設けられた第２の接続配線部を有し、前記第１のセルよりも熱コンダクタンスが大きい第２のセルと、
前記基板が設けられた台座と、
前記基板、前記第１のセルおよび前記第２のセルを覆うように設けられ、前記基板との間に間隙を形成する蓋材と、
前記第１の信号の大きさと前記第２の信号の大きさとの関係を表わす一次の近似式を求め、前記一次の近似式の傾きと予め設定された設定値とを比較する真空度判定部と、
前記傾きが前記設定値よりも小さいと前記真空度判定部が判定した場合に警告を発する出力部と、
を備えた赤外線撮像素子。
【請求項２】
前記一次の近似式が前記第１信号の大きさを変数とした前記第２の信号の大きさに関する式である請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記第２の接続配線部は、前記第１の接続配線部よりも長さが長い請求項１または２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記第２の接続配線部は、前記第１の接続配線部よりも断面が小さい請求項１または２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記第２の赤外線検出部は、前記第１の赤外線検出部よりも前記基板からの距離が長い請求項１または２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記第１の信号と前記第２の信号を設定された増幅率で増幅させる増幅部をさらに備え、
前記真空度判定部において前記傾きが前記設定値よりも小さいと判断された場合に、前記増幅率を大きくする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項７】
前記間隙内にはゲッターが設けられ、
前記ゲッターは、前記真空度判定部において前記傾きが前記設定値よりも小さいと判断された場合に、活性化される請求項１乃至６のいずれか一項に記載の赤外線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線撮像素子及び赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を利用した赤外線撮像素子は、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長を有し、更に被写体の温度情報をも得られるという特長を有する。このため、防衛分野を初め監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大な欠点は低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型赤外線撮像素子が開発されている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
この非冷却型赤外線撮像素子は、半導体基板と、この半導体基板上に設けられた読み出し配線部と、上記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、上記読み出し配線部と電気的に接続された接続配線を有する支持構造部と、上記凹部の上方に配置され、上記支持構造部によって支持されたセル部と、を備え、上記セル部は、入射された赤外線を吸収する赤外線吸収層と、上記支持構造部と電気的に接続されると共に、上記赤外線吸収層と電気的に絶縁され、上記セル部の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する複数の熱電変換素子と、を有している構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７６３８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記非冷却型赤外線撮像素子は、赤外線吸収によりセル部に発生した熱を信号とするものであるため、かかる熱をいかに逃さずに保持できるかが重要である。このため、前述の通りセル部は半導体基板から離間され支持構造部のみによって支持されており、かつ周囲の雰囲気は1Pa以下の中真空状態に保持され、セル部の断熱性を高めている。かかる雰囲気を保持するために素子はパッケージ内にマウントされた後、真空雰囲気下で封止される。ところが、封止されたパッケージの内圧は封止直後の状態を長期間保持ことが難しい。すなわち、赤外線撮像素子を含むパッケージ内部の材料から種々のガスが発生し、またパッケージの内外気圧差により封止部分における微小リークが発生することで、パッケージの内圧は経過年数と共に上昇する可能性がある。パッケージ内部に発生ガスを吸収するためのゲッターを設けることで内圧の上昇を防止することも可能であるが、必ずしもゲッターの効果だけで必要な内圧維持ができるとは限らない。パッケージの内圧が上昇すると、セル部の断熱性が劣化するため赤外線撮像素子としての感度が低下し、所定の機能が果たせなくなる。【０００７】
そこでパッケージの内圧をモニタする機能が必要となる。例えば、マイクロピラニ素子をパッケージ内に並置マウントしてその出力から内圧を測定する方法がある。また、赤外線撮像素子と同一チップ内にマイクロピラニ素子を形成することも可能である。ところが、これらの方法では赤外線撮像素子からの出力信号処理回路とは別に処理回路が必要となるため回路の規模が大きくなる、赤外線撮像素子とマイクロピラニ素子を同時に動作させると互いに電気的な干渉を生じる恐れがある、パッケージのパッド数が増加するためパッケージの選択の余地が狭まる、等の不具合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本実施形態に係る赤外線撮像素子は、基板と、前記基板上にマトリックス状に設けられた接続配線部と、前記接続配線部に囲まれかつ前記基板から離間して設けられ、吸収した赤外線の強度を第１の信号に変換する第１の赤外線検出部、および、一端が前記第１の赤外線検出部に接続され他端が前記接続配線部に接続され、前記基板から離間して設けられた第１の接続配線部を有する第１のセルと、前記接続配線部に囲まれかつ前記基板から離間して設けられ、吸収した赤外線の強度を第２の信号に変換する第２の赤外線検出部、および、一端が前記第２の赤外線検出部に接続され他端が前記接続配線部に接続され、前記基板から離間して設けられた第２の接続配線部を有し、前記第１のセルよりも熱コンダクタンスが大きい第２のセルと、前記基板が設けられた台座と、前記基板、前記第１のセルおよび前記第２のセルを覆うように設けられ、前記基板との間に間隙を形成する蓋材と、前記第１の信号の大きさと前記第２の信号の大きさとの関係を表わす一次の近似式を求め、前記一次の近似式の傾きと予め設定された設定値とを比較する真空度判定部と、前記傾きが前記設定値よりも小さいと前記真空度判定部が判定した場合に警告を発する出力部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型の赤外線撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態による赤外線撮像素子の平面図。
【図２】一実施形態による赤外線撮像素子の断面図。
【図３】一実施形態による赤外線撮像素子の駆動回路全体構成。
【図４】一実施形態による赤外線撮像素子のパッケージ構造。
【図５】一実施形態による赤外線素子からの出力信号処理回路ブロック図。
【図６】一実施形態による真空度劣化検知のための説明図。
【図７】一実施形態による真空度劣化検知のための説明図。
【図８】一実施形態による赤外線素子からの出力信号処理回路ブロック図。
【図９】一実施形態による赤外線素子からの出力信号処理回路ブロック図。
【図１０】一実施形態による赤外線撮像素子のパッケージ構造。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態による赤外線撮像素子を、図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の赤外線撮像素子のアレイ状に形成された画素の上面図であり、２種類の赤外線検知セル（以下、第１のセル、第２のセルと呼ぶ。）からなる。第１のセル１００は赤外線映像を作り出すための赤外線検知セルであり、第２のセル２００は真空度を検知するためのモニタセルである。第１のセル１００は、赤外線吸収部１０１（第１の赤外線検出部）とこれを中空に保持するための支持体として機能する接続配線部１０２（第２の接続配線部）とから構成される。第２のセル２００は、赤外線吸収部２０１（第２の赤外線吸収部）とこれを中空に保持するための支持体として機能する接続配線部２０２（第２の接続配線部）とから構成される。図２は図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した場合の断面図である。第１のセル１００の構造を示す図２を用いてセル構造の説明を行う。なお、第２のセル２００は基本的に第１のセル１００と同様の構造である。図のように赤外線検知セル１００は、赤外線検出部１０と、接続配線部２０、配線形成部３０とを備えている。本実施形態においては、これらの赤外線検出部１０、接続配線部２０、および配線形成部３０は、それぞれシリコン基板２上に形成されている。そして、赤外線検出部１０は、配線形成部３０によって取り囲まれており、赤外線検出部１０と配線形成部３０と間には、間隙３が設けられている。すなわち、赤外線検出部１０は、配線形成部３０とは間隙３を介して隔離されている。また、赤外線検出部１０と配線形成部３０とは、間隙３に設けられた接続配線部２０を通して接続される構成となっている。赤外線検出部１０はセル部とも呼ばれ、複数（図２では２個）の熱電変換素子１２を有している。本実施形態においては、これらの熱電変換素子１２は、ダイオードとなっているが、抵抗体であってもよい。これらの複数の熱電変換素子すなわち、ダイオード１２は、直列に接続された構成となっている。各ダイオード１２は、半導体層内に設けられたｎ型不純物層１２ａと、ｐ型不純物層１２ｂとを備え、これらの不純物層１２ａ、１２ｂからなるｐｎ接合を有している。ｐ型不純物層１２ｂの周囲にはｐ型の高濃度不純物層であるｐ＋型不純物層１３が形成されている。これらのダイオード１２は、絶縁材からなり赤外線を吸収する赤外線吸収膜（SiN、SiO2など）２２によって覆われている。また、ｎ型不純物層１２ａ及びｐ＋型不純物層１３は赤外線吸収膜２２内に設けられた配線電極１７ａにコンタクト１６を介して電気的に接続されている。これらの配線電極１７ａを適切に電気的に接続することにより、複数のダイオード１２が直列に接続される。
【００１２】
接続配線部２０は赤外線素子の中で中空状態となっているセル１２を保持する支持体としての機能するものであり、絶縁膜２１と、この絶縁膜２１内に設けられた接続配線１９ａ、１９ｂとを備えている。接続配線部２０の接続配線１９ａは直列に接続された複数のダイオード１２からなる直列回路の一端に接続され、他方の接続配線部２０の接続配線１９ｂは直列に接続された複数のダイオード１２からなる直列回路の他端に接続されている。
【００１３】
配線形成部３０は、シリコン基板２上に形成され、絶縁膜２３と、配線電極１７ｂ、１８及びそれらを接続するコンタクト１６とを備えている。配線電極１７ｂは、接続配線１９ａを介して複数のダイオード１２からなる直列回路の一端に接続される。また、配線電極１７ｃは接続配線１９ｂを介して複数のダイオード１２からなる直列回路の他端に接続される。
【００１４】
赤外線撮像素子に入射した赤外線は、赤外線吸収膜２２によって吸収され、この赤外線吸収膜２２内に生じた熱エネルギーにより、赤外線吸収膜２２の温度が上昇する。この温度変化が熱電変換素子（ダイオード）１２によって電気信号に変換される。本実施形態においては、セル１２からの熱の逃げ道は、接続配線部１９ａ、１９ｂ及び間隙３であり、赤外線撮像素子の断熱性は、接続配線部１９ａ、１９ｂの熱コンダクタンス及び間隙３の真空度によって決定される。従って、接続配線部１９ａ、１９ｂの長さが長く構成されればされるほど、また細く形成すればするほど、更には間隙３における真空度が高いほど断熱性が向上する。
【００１５】
次に第２のセル２００の構造について説明する。セル２００はセル１００と同サイズに形成されているが、赤外線検知部の大きさと支持体の構造が異なる。すなわち、赤外線検知部の面積を小さくし、その分支持体の領域を拡張して支持体の長さを長くしている（図１）。その結果、セル２００はセル１００と比較して断熱性が向上し、ひいては入射赤外線に対する感度が高くなる。
【００１６】
図３は、赤外線撮像素子の駆動及び読出し回路全体構成である。入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１００が半導体基板上に２次元的に配置され、画素選択のための垂直アドレス回路３００および水平アドレス回路３０１が赤外線検出画素アレイ３０２に隣接配置され、選択された画素からの信号を順次出力するための出力部３０３を有している。垂直アドレス回路３００により選択された赤外線検出画素行には、定電流源３０４から供給される順バイアス電流が、垂直信号３０５、選択画素、水平アドレス線３０６の電流パスを流れ、垂直信号線３０５に発生した信号電圧は、水平アドレス回路３０１により順次選択され出力される。図１においては、最も単純な例として、垂直信号３０５に発生した信号電圧を、水平アドレス回路３０６により順次選択される列選択トランジスタ３０７を介して、直接出力する構造を示しているが、この信号電圧は微弱であるので、必要に応じて信号電圧を列単位で増幅する構造を設けてもよい。詳細な回路動作は特許第３７９３０３３号の通りである。
【００１７】
図４は、赤外線撮像素子を含むセンサチップ４０５のパッケージ構造である。図のようにセンサチップ４０５はパッケージ台座４０１上にダイマウントされ、センサチップ４０５のパッド４０３とパッケージ内の電極４０２とがボンディングワイヤ４０４により結線される。センサチップ４０５から出力される信号は、ボンディングワイヤ４０４、パッド４０３、引き出し配線４０８および引き出し電極４０９を通ってパッケージ外部の処理回路に送られる。センサチップ４０５を駆動するための信号は、パッケージ外部の処理回回路から、引き出し電極４０９、引き出し配線４０８、パッド４０３、ボンディングワイヤ４０４を伝ってセンサチップ４０５に送られる。また、パッケージ台座４０１の上から赤外線透過材料からなる蓋材４００によって気密封止する。パッケージ台座４０１と蓋材４００とは、封止剤４０６で封着される。このとき、封止プロセスは真空中で実施し、パッケージのキャビティー４０７内は真空状態に保持される。しかしながら、長期間経過するとパッケージ内部の真空度は構成材料のアウトガスの発生や封止部の微小リーク等により低下する可能性がある。
【００１８】
続いて、赤外線センサチップをマウントしたセンサパッケージからの出力信号の処理について図５を用いて説明する。図５はセンサパッケージ６００を含むセンサ出力信号処理回路の構成を示している。処理回路は、センサパッケージ６００、サンプルホールド部６０１、差動増幅部６０２、アナログアンプ部６０３、ＡＤ変換部６０４、メモリ部６０５、ＤＡ変換部６０６、モニタ６０７、真空度判定部６０８からなる。まず最初に、センサパッケージ６００には外部からの赤外線が入力しない状態に保持しておき、外部からの赤外線情報を含まない信号波形のオフセット成分をメモリ６０５に記憶させる。すなわち、センサパッケージ６００からの出力信号はまずサンプルホール部６０１において、標本化および信号の一定時間保持を行い、後段のデジタル化に備える。次の差動増幅部６０２、アナログアンプ部６０３はスルーしＡＤ変換部において信号波形をデジタル化し、その情報をメモリに保持する。続いて、センサパッケージ６００に外部からの赤外線信号が入力できる状態にしておき、センサパッケージ６００からの出力信号をサンプルホールド部６０１でサンプルホールドした後、差動増幅部６０２に入力する（信号波形１）。一方、メモリ６０５に記憶しておいたオフセット成分をＤＡ変換部６０６においてアナログ化し、差動増幅部のもう一方の入力部へ入力する（信号波形２）。差動増幅部６０２では、オフセット成分に赤外線情報が重畳した信号波形１からオフセット成分のみからなる信号波形２が差し引かれ、赤外線情報のみからなる信号が出力される。差動増幅部６０２の出力信号は、アナログアンプ部６０３において増幅され、ＡＤ変換部６０４にてデジタル化された後モニタ部６０７に出力、動画像として表示される。また、デジタル化された信号は真空度判定部６０８にも入力され、後述する手法によりセンサパッケージ内の真空状態が判定される。
【００１９】
本発明の主要部分である第２のセル２００による真空度劣化検知の方法について図６及び図７を用いて説明する。図６は横軸にパッケージ内圧、縦軸にセンサの感度（Responsivity）を示しており、第１のセル１００および第２のセルの断熱性をパラメータとして特性曲線をプロットしたものである。図中の数値は断熱性の指標となる熱コンダクタンス（nW/K）を示しており、数値が低いほど断熱性が高い。特性曲線はいずれも内圧が低くなる、すなわち真空度が高くなるほど感度が向上し、ある領域で飽和する傾向を示している。断熱性が高くなるほど感度が高くなると共に感度が飽和する内圧値が低い方へシフトすることがわかる。第２のセル２００は、先述の通り第１のセル１００よりも断熱性が高くより高感度の特性となるように設計されるため、図中の断熱性が高い方の特性５０１を示し、第１のセル１００は同断熱性が低い方の特性５００を示す。パッケージ内部の初期圧力を0.1Paとし、赤外線撮像素子として機能するための許容真空度を5Paと設定すると、パッケージ内圧が5Paまで悪化した時点では第１のセル１００の感度は1.7%程度小さくなっている。一方、第２のセル２００においては初期から5Paまでの圧力変化における感度変化は3.7%にも達する。この感度変化の差は図５においてモニタ表示される画素値の差として現れるが、第１のセル１００と第２のセル２００に同一の赤外線エネルギーが入射されないとその感度変化の差を抽出することはできない。しかしながら、赤外線撮像素子に入射される赤外線エネルギーは一定ではないため、単純に第１のセル１００と第２のセル２００の画素値の大小を比較するだけでは、感度変化差の抽出は実質上困難である。そこで、図７のような特性曲線を使用する。すなわち、隣接の位置関係にある特定の第１のセル１００と第２のセル２００について両画素値の対応関係をプロットすると、第１のセル１００および第２のセル２００の感度の違いを反映した特定の傾きを有する特性曲線７００のようになる。次にセンサパッケージの真空度が低下すると、第１のセル１００よりも第２のセル２００の感度低下が大きくなるため、図７における特性曲線は傾きが小さくなり曲線７０１のように変化する。特性曲線の傾きをα、センサパッケージの真空度5Paの時の特性曲線の傾きをαth（設定値）とすると、α≦αthとなった時に真空度が許容値を超えたものと判断することができる。以上の真空度判断は図５における真空度判定部６０８で行う。図８は真空度判定部６０８において行われる真空度判断処理をフローチャートで示したものである。まず、画素値の読み取り回数をリセットした後（Ｓ１）、あるフレームでの第１のセル１００の画素値p1と第２のセル２００の画素値p2をそれぞれの画素配列Px1[k]、Px2[k]に記憶する（Ｓ２）。次に画素値読み取り回数をインクリメントした後（Ｓ３）、読み取り回数が予め設定した回数に到達したかどうかの判断を行う（Ｓ４）。到達していなければ、次のフレームのそれぞれの画素値を更に記憶する（Ｓ２）。到達していれば、それまでに記憶した画素配列Px1[k],Px2[k]を用いて、最小二乗法により一次式y=αxの近似式を満たすαを算出する（Ｓ５）。ここで、xは第１のセル１００の画素値p1を表し、yは第２のセル２００の画素値p2を表す。αが��空度判断の閾値αth以上であれば、真空度は許容範囲内であると判断し（Ｓ６）、次のフレームから再び画素値取得のプロセスを開始する（Ｓ１）。一方、αth未満である場合には、真空度が劣化と判断し（Ｓ６）、次の処理に移る（Ｓ７）。Ｓ７においては、真空度判定部６０８の判定結果を受け取った判定出力部（不図示）が、真空度が劣化しセンサとしての性能が間もなく低下する旨の警告を使用者に発する。警告をモニタ６０７に表示する場合の出力信号の処理を図９に示す。図５に示す処理に加えて、内圧判定部６０８でセンサパッケージの真空度が許容範囲外に出たと判断した場合には、内圧判定部６０８からモニタ部６０７に信号が送られ、モニタ部６０７にその旨の警告が表示される。この場合、モニタ部６０７が判定出力部としての役割も担う。
【００２０】
また、以下の対処方法も有効である。つまり、センサパッケージ内部の真空度が低下した場合にはセンサからの出力が弱くなるため、センサ内部での増幅度を向上させることが有効である。具体的には特許第３７９３０３３号公報における、増幅トランジスタのソース電圧SSのパルス振幅を調整することで、センサ内部での増幅度を上げ、出力レベルの上昇により画像の原状復帰が可能となる。更に図１０に示すように、パッケージ内にゲッターを有する場合には、ゲッターに通電することで再活性化し、センサパッケージ内の真空度を原状復帰させることも可能である。図１０は、図４で示したセンサパッケージを示す平面図である。パッケージ台座４０１は図４で示すように、センサチップ４０５が設けられた部分の高さが低くっており、この高さが低くなっている部分を図１０では破線で示している。上にジルコニア系金属のゲッターを設ける。ゲッターの形状および位置は、図１０の形態に限られない。
【００２１】
なお、センサパッケージの真空度は通常は徐々に悪化することが多くある時点から急激に低下することは考えにくいことから、上述の真空度劣化検知プロセスは、ある一定フレーム毎、もしくは装置の起動毎に実施するようにしてもよい。
【００２２】
第２のセル２００の接続配線部２０２は第１のセル１００の接続配線部１０２と同じ長さで、第１のセル１００の接続配線部１０２よりも細いものとしても、第２のセル２００の断熱性を第１のセル１００よりも大きくすることができるので、同様の効果を発揮することが可能である。
【００２３】
また、第２のセル２００は、第１のセル１００と赤外線検知部１０及び支持部２０の仕様が異なるものであったが、間隙３の深さが異なるものであっても同様の効果を発揮することが可能である。
【００２４】
また、実施例１においては、xは第１のセル１００の画素値p1を表し、yは第２のセル２００の画素値p2を表すものとしたが、xは第２のセル１００の画素値p2を表し、yは第１のセル２００の画素値p1を表すものとしても良い。この場合、一次式y=αxの近似式を満たすαと設定値αthを比較して、α≧αthとなった時に真空度が許容値を超えたものと判断する。
【００２５】
本発明によれば、マイクロピラニ素子等を付加することなく、かつ素子の大幅な構成変更を伴わないで、赤外線撮像素子の感度が低下する前にパッケージの内圧劣化を未然に検知することが可能となる。また、赤外線撮像素子の感度が低下する前にパッケージの内圧改善もしくは感度改善のための措置を取ることができるため、長期間に渡って赤外線撮像の機能を維持することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  赤外線撮像素子
１０  赤外線検知部
１２  熱電変換素子（ダイオード）
２０  接続配線部
３０  配線形成部
１００  赤外線検知セル（第１のセル）
２００  真空度モニタセル（第２のセル）
３０２  赤外線検出画素アレイ
４００  蓋材
４０１  パッケージ台座
４０４  ボンディングワイヤ
５００  第２のセルの感度特性
５０１  第１のセルの感度特性
６０４  ＡＤ変換部
６０７  モニタ部
６０８  真空度判定部
７００  初期真空度における画素値対応特性
７０１  許容限界真空度における画素値対応特性
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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