(57)【要約】  特定の検出要求を満たすために異なる画素形式を生じるように接続される抵抗マイクロボロメータ赤外線検出器の焦点面アレイ（ＦＰＡ）からなる赤外線センサ。一般的に、各々の撮像画素は、並列（他の構造が可能であるにもかかわらず）において接続される多くのサブピクセルからなるモザイクである可能性があり、強化された性能および微小な製造方法による製造の容易さに結びつく。ＦＰＡは、同じ基板で読み出し超小型回路と一体化される可能性があるので、適切な信号処理で、興味の視野の画像を形成することができ、ターゲット認識を容易にし、きわめて低い誤警報率にする。【選択図】  図１
2008531997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブピクセルを形成するために電気的に相互接続された複数の抵抗マイクロボロメータ赤外線検出器；および、
焦点面アレイを形成している複数のサブピクセルから構成される赤外線センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線センサであって、少なくとも前記マイクロボロメータ赤外線検出器のいくつかは、互いに並列に接続される赤外線センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の赤外線センサであって、少なくとも前記マイクロボロメータ赤外線検出器のいくつかは、互いに直列に接続される赤外線センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の赤外線センサであって、前記焦点面アレイ上へ赤外放射に合焦するのに適応する赤外線伝達光学系をさらに含む赤外線センサ。
【請求項５】
赤外線センサであって、以下の構成：
複数の画素を含んでいる焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、前記画素の各々は、電気的に相互連結したサブピクセルのモザイクを含み、サブピクセルの前記モザイクは、モザイク画素焦点面アレイ（ＭＰ‐ＦＰＡ）を形成するために配置され、各々の前記サブピクセルは、抵抗マイクロボロメータ赤外線検出器であるような焦点面アレイ；
信号読み出し手段；
赤外線伝達レンズ；
信号処理手段；
および表示手段から構成される赤外線センサ。
【請求項６】
請求項１または５に記載の赤外線センサであって、前記焦点面アレイは、赤外線伝達ウインドウと適合するガス充填されたまたは排気されたパッケージに取り付けられる赤外線センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の赤外線センサであって、複数の配列は、ステップ・アンド・リピートパターン生成によって、同じ基板に製造されることができる赤外線センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の赤外線センサであって、前記配列から信号を格納する格納手段をさらに備える赤外線センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の赤外線センサであって、１つまたはそれ以上の画素からの前記信号が、所定の周囲背景信号より上の所定の閾値レベルを上回る場合、警報を提供する警報をさらに含む赤外線センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の赤外線センサであって、前記検出された画像の表示を可能にするイメージ・ディスプレイをさらに含む赤外線センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、前記ボロメータは、ドープされていない非晶質シリコンおよびシリコン合金から選択されるが、それらに制限されない熱感度が高い材料を含む赤外線検出器。
【請求項１２】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、前記ボロメータが、ナノ結晶または微結晶性シリコンまたはシリコン合金から選択されるが、それらに制限されない熱感度が高い材料を含む赤外線検出器。
【請求項１３】
請求項４に記載の赤外線検出器であって、前記光学系は、単一または複数の要素のフレネルレンズまたは他のプラスチック・レンズ設計である赤外線検出器。
【請求項１４】
請求項４に記載の赤外線センサであって、前記光学系は、非球面またはバイナリの表面形状を有する単一の要素ゲルマニウムまたはカルコゲナイドガラス・レンズである赤外線センサ。
【請求項１５】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、前記焦点面アレイは、空気、窒素またはキセノンの大気圧でパッケージされる赤外線検出器。
【請求項１６】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、前記サブピクセル検出器は、薄膜トランジスタ技術により製造された作動中のマイクロボロメータである赤外線検出器。
【請求項１７】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、前記電子機器読み出し、または、読み出しおよびＦＰＡの両方は、ＪＦＥＴまたはｐ‐ｉ‐ｎダイオード技術で任意に製造される赤外線検出器。
【請求項１８】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、前記電子機器読み出し、または、読み出しおよびＦＰＡの両方は、シリコン、ガラスまたは他の適切な基板上で薄膜トランジスタ技術によって完全に製造される赤外線検出器。
【請求項１９】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、サブピクセル・マイクロボロメータ検出器のマトリクスを含み、前記焦点面アレイの各々の画素は、数Ｎのサブピクセルからなり、ここで、Ｎは、１（単一の検出器画素）から所望の性能によって決定される数まで変動する可能性がある赤外線検出器。
【請求項２０】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、前記サブピクセルの各々は、異なる数のボロメータを含む可能性がある赤外線検出器。
【請求項２１】
請求項１または５に記載の赤外線検出器であって、一体型のＣＭＯＳまたはＣＣＤ昼光ＣＣＴＶカメラをさらに含む赤外線検出器。
【請求項２２】
請求項１に記載の赤外線検出器であって、夜間または日中であるかどうかを検出する光センサをさらに含む赤外線検出器。
【請求項２３】
上記の請求項のいずれかにおいて特定した装置を用いて、赤外線信号を検出し、焦点をぼかす、または隣接した画素から前記信号出力を分配するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の検出要求を満たすために異なる画素形式を生じるような方法で連結された抵抗のマイクロボロメータ赤外線検出器の焦点面配列（ＦＰＡ）からなる赤外線センサに関する。一般的に、各々の撮像画素は、（他の構造が可能であるにもかかわらず）、並列に連結される多くのサブピクセルからなるモザイクであり、強化された性能、および、微小な製造方法による製造の容易さに結びつく。ＦＰＡは、同じ基板上の読み出し超小型回路と一体化される可能性があるので、適切な信号処理により、興味の視野の画像を形成することができ、ターゲット認識を容易にし、誤警報率はきわめて低くなる。
【０００２】
モザイク画素焦点面アレイのような配置は、以下ではＭＰ‐ＦＰＡと呼ばれる。
【０００３】
本発明はまた、新規な構成だけでなく新規な製造技術および材料を利用して、このような赤外線センサを整備する方法にさらに関連がある。
【背景技術】
【０００４】
セキュリティの分野、および、軍事上、産業上および家庭のマーケットの他の関連がある領域において、高性能赤外線（ＩＲ）センサの多くの潜在的な用途が存在する。現行のセンサは、このマーケット区域における広範囲の使用のためにはあまりに高価であり、性能が不十分である。広くセキュリティ・システムにおいて使用される一般的な受動赤外線（ＰＩＲ）センサは撮像ができず、移動するターゲットの単純な集中分布域検出を生成する。これらのセンサは、固定されたターゲットを検出する、または、人間および他のターゲットを明確に区別することができず、誤警報になりやすい。現在までのところ、最小の誤警報で重要なターゲットの検出および認識を容易にし、このマーケット区域に受け入れられる入手可能な費用であるような発明者に公知のＩＲセキュリティ・センサはない。特に、温度変化が比較的ゆっくりである固定されたターゲットまたは複数のターゲットを検出することが可能である手頃なＩＲセキュリティ・センサは公知ではない。
【０００５】
上述した問題を克服し、有用な代替物を一般に提供することは、本発明の目的である。
【０００６】
したがって、本発明は、視野において例えば人間のように生きているターゲット、または、例えば、火事の初期を示す被加熱領域のような無生物の検出および認識を容易にするセンサを提供する。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、一般に、センサに接近しているターゲット（現行のＰＩＲセンサによって多くの場合検知されない）、および、例えば、電気装置故障または拡がっている火事に関連がある遅い温度上昇を検出する能力を改善するセンサを提供することである。
【発明の開示】
【０００８】
したがって、唯一または実際に最も幅広い形状である必要はないが、発明の１つの形状において、次の構成からなる赤外線センサが提案される：
サブピクセルを形成するために電気的に相互接続される複数の抵抗マイクロボロメータ赤外線検出器；
および、焦点面アレイを形成する複数のサブピクセル。
【０００９】
好みにおいて、少なくともいくつかのマイクロボロメータ赤外線検出器は、並列に互いに連結される。
【００１０】
好みにおいて、少なくともいくつかのマイクロボロメータ赤外線検出器は、直列に互いに連結される。いくつかが直列におよびいくつかが並列に連結されることも可能である。
【００１１】
好みにおいて、前記センサはさらに、焦点面アレイ上への焦点赤外放射に適応する赤外線伝達光学系を含む。
【００１２】
さらに本発明において、以下の構成からなる赤外線センサが提案される：
複数の画素を含む焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、各々の前記画素は、電気的に相互に連結したサブピクセルのモザイクを含み、サブピクセルのモザイクは、モザイク画素焦点面アレイ（ＭＰ‐ＦＰＡ）を形成するために配置され、各々の前記サブピクセルは、抵抗マイクロボロメータ赤外線検出器である；
信号読み出し手段；
赤外線伝達レンズ；
信号処理手段；
および表示手段。
【００１３】
好みにおいて、焦点面アレイは、赤外線伝達ウインドウに適合されたガス充填または排気されたパッケージに取り付けられる。
【００１４】
好みにおいて、複数の配列は、ステップ・アンド・リピートのパターン生成によって、同じ基板に製造されることができる。
【００１５】
好みにおいて、前記センサは、アレイから信号を格納する格納手段をさらに含む。
【００１６】
好みにおいて、前記センサは、１つまたはそれ以上画素からの信号が所定の周囲背景信号より上の所定の閾値レベルを上回る場合、警報を提供するために警報をさらに含む。
【００１７】
好みにおいて、前記センサは、検出された画像が表示されることを可能にしているイメージ・ディスプレイをさらに含む。
【００１８】
好みにおいて、ボロメータは、ドープされていない非晶質シリコンおよびシリコン合金から選択されるが、これらに限られない熱感度が高い材料を含む。
【００１９】
好みにおいて、ボロメータは、ナノ結晶質または微結晶性シリコンまたはシリコン合金から選択されるが、これらに制限されない熱感度が高い材料を含む。
【００２０】
好みにおいて、光学系は、単一または複数の要素フレネルレンズまたは他のプラスチック・レンズの設計である。
【００２１】
好みにおいて、光学系は、非球面またはバイナリの表面形状を有する単一要素のゲルマニウムまたはカルコゲナイドガラス・レンズである
【００２２】
好みにおいて、焦点面アレイは、空気、窒素またはキセノンの大気圧でパックされる。
【００２３】
好みにおいて、サブピクセル検出器は、薄膜トランジスタ技術によって製造される活性のマイクロボロメータである。
【００２４】
好みにおいて、電子読み出しまたは読み出しおよびＦＰＡの両方は、ＪＦＥＴまたはｐ‐ｉ‐ｎダイオード技術で任意に製造される。
【００２５】
好みにおいて、電子読み出しまたは読み出しおよびＦＰＡの両方は、薄膜トランジスタ技術によって、シリコン、ガラスまたは他の適切な基板上に完全に製造される。
【００２６】
好みにおいて、センサは、サブピクセル・マイクロボロメータ検出器のマトリクスを含み、焦点面アレイの各々の画素は、数Ｎのサブピクセルから構成され、ここで、Ｎは１（単一の検出器の画素）から所望の性能によって決定される数まで変動する可能性がある。
【００２７】
好みにおいて、サブピクセル各々は、異なる数のボロメータを含む可能性がある。
【００２８】
好みにおいて、前記センサはさらに、一体型のＣＭＯＳまたはＣＣＤ昼光ＣＣＴＶカメラを含む。
【００２９】
好みにおいて、前記センサはさらに、夜または日中であるかを検出する光センサを含む。
【００３０】
発明のさらなる形状において、上記の請求項のいずれかにおいて定義された装置を使用し、焦点をぼかすまたは隣接した画素からの信号出力を平均するステップを含んで、赤外線信号を検出する方法が提案される。
【００３１】
発明のさらに他の形状において、複数の撮像画素から構成される抵抗マイクロボロメータのＩＲ感度が高い焦点面アレイ（ＦＰＡ）が提案され、ＦＰＡの各々の撮像画素は、電気的に相互に連結した検出器の群によって形成されるサブピクセルのモザイクからなり、各々のサブピクセルは、薄膜温度感度が高い構成要素、一体的な赤外吸収メカニズム、および、熱的な隔離手段を含む。
【００３２】
好みにおいて、ＦＰＡは、読み出し一体型の超小型回路（ＲＯＩＣ）を含む同じ基板の上に形成される。
【００３３】
好みにおいて、前記ＦＰＡは、赤外線レンズと一体化される排気またはガス充填されたパッケージに取り付けられる。
【００３４】
好みにおいて、前記ＦＰＡは、酸化シリコンおよびガラスを含むがこれらに限らない群から選択される基板の上に形成される。
【００３５】
好みにおいて、前記ＲＯＩＣは、ＦＰＡと同じ製造工程の間で形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下の発明の詳細な説明は、添付の図面を参照する。説明が例示的な実施例を含むとはいえ、他の実施例は可能であり、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、記載された実施例を変化させることができる。可能な場合は、同じおよび類似した部分を参照するため、同じ参照番号が図面および以下の説明の全体にわたって使われる。
【００３７】
平面図および断面図の両方で図１に示されるのは、４ｘ４撮像画素の配列からなるＭＰ‐ＦＰＡ１である。各々の画素はサブピクセル２の配列からなり、サブピクセル２の各々は、断面図において図示される機能的なＩＲ検出器３である。この例では、４ｘ４サブピクセルが存在する。
【００３８】
ＦＰＡは、ＲＯＩＣ４上に形成されそれと一体化され、パッケージ５に載置される。パッケージ５は、ＩＲ伝達ウインドウ６を有し、ＩＲレンズ７に連結される。諸事例では、レンズ７は直接パッケージ５に適合されるので、ウインドウ６は必要とされない。ＦＰＡ１は、単純なパッケージングを用いて、窒素またはキセノンのような適切な充填ガスが大気圧でパッケージされる可能性がある。より高い性能が必要とされる場合および、好みにおいて、ウェーハ・レベル・パッケージングを使用して真空が詰められる可能性がある。
【００３９】
一般的に、多くのＦＰＡは、単一の基板に同時に製造される。異なる配列形式もまた、同じ基板に製造される可能性がある。特に、異なる数の撮像画素であるが、同じ数のサブピクセルで配列を製造することは都合が良く、前者はサブピクセルが相互に連結するようにのみ変化する。
【００４０】
例えば、一般的な１６０ｘ１２０形式のＭＰ‐ＦＰＡは、１６０ｘ１２０画素を有することができ、各々の画素は単一の検出器からなり；代替的に４０ｘ３０画素も可能であり、各々の画素が４ｘ４サブピクセル検出器からなる。
【００４１】
いくつかの用途において、全体の視野を増加させる、または、いくつかの領域においてより高い解像度を有するため、同じセンサの同一のまたは異なる画素形式の２つまたはそれ以上の配列を含むことは望ましいかも知れない。これらの複数配列は、同じウェーハからダイシングされる可能性がある。
【００４２】
レンズ７は、非球面/バイナリの表面形状を有する一般的に単一または複数の要素のプラスチック・フレネルレンズ、または、他のプラスチック・レンズ設計、または、ゲルマニウム、シリコンまたはカルコゲナイドガラスの単一レンズである。レンズは、ＦＰＡパッケージ上への直接取付けを可能にするため、短い後部焦点距離によって設計される平凸レンズである可能性がある。
【００４３】
ＦＰＡの実際の画素形式は、個々の用途に依存する。撮像画素の大きさと数は、ターゲット・サイズと範囲によって、および要求される全体の視野によって、おのおの決定される。
【００４４】
例えば、１００ｍの距離に大きさ１ｍｘ１ｍのターゲットを検出したい場合、焦点距離の２０ｍｍレンズのために必要な画素サイズは、２００μｍｘ２００μｍである。図１の配列のためのサブピクセル・サイズは、５０μｍｘ５０μｍである。全体の視野は、１００メートルの範囲で４ｍ×４ｍ、または約２．３°の画角である。実際には、最適に大きい視界を達成するため、配列にはより多くの画素が存在する。
【００４５】
図２は、サブピクセルがどのように相互連結するかを平面図で図示する。ただし、他のレイアウトは可能である。図１の４ｘ４配列の例を継続すると、薄膜電気の相互接続レール８、９および１０は、陽電位でバイアスをかけられる、レール１１および１２は、負電位（接地電位）でバイアスをかけられる。各々の１６のサブピクセル検出器において、接触電極１３は、検出器体１５を相互接続レール８、９および１０に接続し、接触電極１４は、検出器体を相互接続レール１１および１２に接続する；したがって、検出器は、電気的に並列に配線される。全体の構造は、電気的に伝導する柱１６によって、ＲＯＩＣより上に支えられる。この特定の設計形式によって高い光学充てん率を達成することは可能であり、したがって、ＩＲ吸収領域を最大にする。
【００４６】
サブピクセルのうちの１つに障害がある場合、画素は機能的なままであることに留意することは重要である。操作におけるこの冗長性は、１つの重要な本発明の特徴にすぎず、歩留まりに有意な影響を与え、したがって、製造費用に影響を与える。
【００４７】
並列ネットワークを使用するさらなる利点は、画素電気抵抗がサブピクセル抵抗より非常に少ないことであり、より高い抵抗率検出器材料、したがってより高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）の材料を使用するのに対して、画素抵抗がＲＯＩＣ入力に最高に適合されるのを可能にする。以下の式（２）の議論を参照のこと。
【００４８】
抵抗ネットワークは、しかしながら、並列接続に限られていない。任意に、例えば高い伝導性検出器材料を使う場合、抵抗を増加させるために直列のネットワークを使うことは、望ましい可能性がある；特定のＦＰＡ設計の最高のソリューションは、並列‐直列ネットワークである。
【００４９】
図３は、サブピクセル検出器の概略断面図を図示する。検出器体３は、関連するＲＯＩＣ４より上に伝導柱１６で支えられる。体３は、その上に絶縁層１８が堆積される薄い金属反射器１７で構成される。２つの金属接触電極１３および１４は、薄膜半導体の熱感度が高い層１９に電気接触を作成する。構造は、第２の絶縁体２０および細い上部の金属フィルム２１をさらに含む。伝導柱１６は、金属パッド２２を通じてＲＯＩＣ４と接触する。反射器‐絶縁体‐半導体‐絶縁体‐上部金属で構成される『検出器堆積』は、１０μｍの波長で最大ＩＲ吸収のために調整される一体的な光学空洞を形成する。
【００５０】
検出器体は、プラズマ灰化法によって続いて除去されるポリイミド犠牲的層（図示せず）上の微小な設計（ＭＥＭＳ）技術によって形成される。
【００５１】
好みにおいて、半導体層は非晶質シリコン合金またはドープされた水素化された非晶質シリコンであり、２つの絶縁層は窒化ケイ素であり、および金属接点（それもまた、ヒートシンクへの熱的な損失経路を検出器体から形成する）は、６０:４０ Ｎｉ‐Ｃｒ合金（ニクロム）またはチタンである。反射材は、アルミニウムである。金属柱は、アルミニウムまたは二重Ｔｉ：Ｐｔ金属被覆である。上部金属は、ニクロム、チタンまたはプラチナである。これらの層は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または物理的な蒸気堆積法（ＰＶＤ）によって堆積される。層は、従来のマイクロリソグラフィおよびドライエッチングによってパターン化される。
【００５２】
非晶質シリコンおよびその合金は、例えば異なる電気伝導率により、セキュリティ・センサの用途のための性能を有利に強化するように改良されることができる。非晶質シリコン-水素合金（ａ‐Ｓｉ：Ｈ）は、所望の電気抵抗が得られるのを可能とする伝導性を増加させるため、ドープされることができる。この方法で達成されることができる伝導性には限界があるが、より高い伝導性が、特に３価リンまたはホウ素でシリコンの合金を形成することによって、得られる可能性がある。ここで、これらの要素はドーパントとして作用するよりはむしろ合金になる。他のシリコンの合金は、スズ、アンチモン、インジウム、ゲルマニウムおよびガリウムを含む。
【００５３】
さらなるオプションは、結晶サイズを大きくさせる方法で、より高い伝導性に結びつく、ドープまたはドープされていないａ‐Ｓｉ:Ｈ層を堆積させることである。この形状において、材料は一般にナノ結晶または微結晶性シリコンと呼ばれている。
【００５４】
より高い伝導性半導体材料を求めることの２つの主な理由が存在する：よりよく読み出し回路に適合させるためにボロメータの電気抵抗を減少することと、電気ノイズを減少することであり、したがって、強化された検出用の性能を達成する。
【００５５】
図４は、検出器サブピクセルがどのように撮像画素を形成するために接続されるかを電子的に図示する。好ましい実施例において、検出器は並列に接続される。大きい吸収領域を保持するのに対して、これは電子機器ノイズの減少に結びつく。図１の同じ例に続いて、１６のサブピクセル検出器、Ｒｂｏｌは、並列接続において示され、バイアス抵抗器、Ｒｌｏａｄと直列に配線される。スイッチＳｌが閉じられた場合、バイアス電圧は適用される。並列抵抗ネットワークは、ＤＣ遮断静電容量Ｃを経て低ノイズ増幅器および信号調整回路、分類された増幅器に接続され、信号はスイッチＳ２によって読み出され、デジタル化される。バイアスは、直流、交流またはパルスであってもよい。図４が一般的な電子機器構造を記載することは理解され、ここで、多くの変化は可能である。
【００５６】
ＦＰＡは、センサから所望の形状の出力を生じるためにデジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）と連動して使われる。好ましい実施例において、周囲背景からの信号は、集積されかつ格納され、１つまたはそれ以上の画素からの信号が予め設定された上記の環境の閾値を上回る場合、検出警報は記録される。これは同期式検出によって完成されるが、他の方法もこの分野の専門家には明らかである。同時に、出力は画像として表示される可能性があり、視覚的なターゲット認識を可能にする。好みにおいて、信号処理アルゴリズムは、ＤＳＰにおいて組み込まれ、それによって、サイズ、形状、速度および運動の方向は、ターゲット認識の目的で分析される；また好みにおいて、視野のターゲットの数は、考慮されかつ記録される。
【００５７】
ＩＲセンサの観察者は、画素化された画像を見たくないかもしれない。画像の品質は、例えば、光学レンズをわずかにぼかす、または隣接した画素から出力を分配して高い空間周波数を除去することによって改善される可能性がある。
【００５８】
実際的なセンサ設置において、ＩＲセンサは、日中および夜間の操作のため、可視波長ＣＭＯＳまたはＣＣＤ ＣＣＴＶカメラと共に使われる可能性がある。夜間の操作の間、ＩＲセンサは、昼光カメラより高い解像度検査のための照明源を起動させる。ＩＲセンサが、例えば壁、戸口、経路、ゲートまたは店先のような特定のターゲット領域をモニタするために固定した設置において使われる可能性がある；しかし、用途において広い視界が必要とされる場合、センサは、パン‐傾斜ズームメカニズムにおいて設置される可能性がある。
【００５９】
ＩＲセンサはまた、データ記憶装置に連結される可能性がある。これは、イベントが発生した後、装置からユーザが例えば画像のようなデータを検討することを可能にする。例えば、領域への侵入をセンサが検出している場合、操作者が、例えば人または動物の侵入があったと決定するためにデータを検討することができる可能性がある。
【００６０】
本発明の操作および利点をさらに理解するため、８から１３μｍのスペクトル周波帯において、抵抗マイクロボロメータの長所の一般に使用される数量、ノイズ相当温度差（ＮＥＴＤ）は、次の式により提供されることに留意するべきである。
ＮＥＤＴ＝１．５７×１０４  Ｖｎ．Ｔｎｏ２／Ｒ．Ａｄ                            （１）
ここで、Ｖｎは全体の電子機器ノイズであり、Ｔｎｏは光学系Ｔ数（Ｔ／ｎｏ）であり、Ｒは放射応答度であり、および、Ａｄは画素の放射線収容部である。ＮＥＴＤは可能な限り小さくなるべきなので、応答度および受信領域は可能な限り大きいのに対し、ノイズおよびＴｎｏはまた可能な限り小さいことは明らかである。Ｔｎｏは、通常光学理由のための１．０以下になるように選ばれ、領域は所望の検出範囲でターゲットを分割するための要求によって決定される。
【００６１】
狭い範囲のセキュリティ・センサのため、所望の解像度を保持するのに対してできるだけ大きい領域を作成することによって、角度の解像度および検出用の性能の間で妥協する可能性がある。領域は、一般的に０．０１から１．０ｍｍ２の範囲である。
【００６２】
ワットあたりのボルトにおいて表される低周波数応答度は、以下の式で提供される：
Ｒ＝ＢＶαε／Ｇ                                                      （２）
Ｂは回路ブリッジ因子であり、Ｖはバイアス電圧であり、αは温度感度が高い検出器材料のＴＣＲであり、εは検出器放射率（吸収率に等しい）であり、Ｇは検出器およびすぐ近くの背景間の損失熱を定義する熱的な伝導性である。
【００６３】
Ｂ、ＶおよびＧの値を最適化するため、一般的にサブピクセル検出器を設計する。εの値は、検出器光学空洞の設計によって決定され、通常およそ０．８である。ジュール加熱は通常Ｖの値を制限するが、個別のサブピクセルの電気抵抗が非常に高い可能性があるので、他の配列技術と比較してより高いバイアス電圧を使用する可能性が存在することに留意するべきである。さらに上記に示すように、サブピクセルのモザイクの用途は、aのより高い値で検出器材料を使う手段を提供する。したがって、応答度の強化は、この明細書に記載されるセンサ設計によって可能である。
【００６４】
本発明の目的のうちの１つは、単一の検出画素をサブピクセルのモザイクに置き換えることによって、電気ノイズ、式（１）のＶｎを最小化することである。ボロメータ検出器の究極的な性能は、熱的な変動ノイズによって設定される；しかしながら、支配的なノイズ・ソースは、通常ジョンソン・ノイズおよび現行の（１／ｆ）ノイズである。散弾雑音のような他の小さいノイズ源は存在する可能性があるが、この議論の目的で全体のノイズは、以下の式で提供されるように考慮できる：
Ｖｎ＝√（Ｖｊ２＋Ｖ１／ｆ３）Δｆ                                        （３）
ここで、Ｖｊはジョンソン・ノイズであり、Ｖ１／ｆは現行のノイズであり、両方とも、Ｖ／√ＨＺを単位にして表され、Δｆはノイズ帯域幅（Ｈｚ）である。
【００６５】
単一の検出画素の電気抵抗Ｒが例えば、各々のＮサブピクセルと同じである場合、合成画素の抵抗は、サブピクセルが並列に配線される場合、Ｒ／Ｎであり、および、ジョンソン・ノイズは、１／√Ｎによって減じられる。したがって、図１および２において、合成画素の抵抗は単一の検出画素の１／１６になり、ジョンソン・ノイズは、因子４によって減じられる。
【００６６】
現行のノイズの場合、周知のフーゲの関係によれば、ノイズは、抵抗率の二乗根および容積の逆二乗根によって減じられる、電気抵抗率および温度感度が高い構成要素の容積に依存する。提供された材料のため、容積はしたがって、できるだけ大きいべきである。サブピクセル・モザイクの１／ｆノイズは、個別のサブピクセルのそれの１／√Ｎであり、同じ半導体の厚みおよび表面積を有する単一の検出画素と同じであると示されることができる。
【００６７】
したがって、提供された画素領域のために、同じ領域の単一の検出画素のそれまたはサブピクセル検出のそれと比較して、ＭＰ‐ＦＰＡ設計の用途は、電子機器ノイズの相当な減少に結びつく。加えて、上記の通りに、電子機器ノイズは、より低い電気抵抗率（より高い伝導性）の半導体材料を用いて、さらに減少することができる。これは、フーゲの関係の結果として、低い抵抗、したがって、減少したジョンソン・ノイズおよびより低い１／ｆノイズに結びつく。
【００６８】
ノイズ帯域幅は、交替で画素の数およびフレーム時間に依存する画素あたりのサンプリング（集積化時間）によって決定される。したがって、提供された光学視界は、高い解像度の撮影装置より少なく、より大きい画素で撮像されるＩＲセキュリティ・センサのさらなる利点は、減少したノイズ帯域幅、したがって、より低い全体のノイズである。
【００６９】
応答度の増加、減少したノイズおよびより大きい画素領域によって提供される強化された性能は、本発明の特徴であり、いくつかの用途により、排出なしで達成される特定された性能を可能にする、したがって、低コストのガス充填されたパッケージングの用途に対する潜在性を提供する。
【００７０】
ボロメータ検出器の応答の熱的な速度は、熱的な伝導性に対する熱的な静電容量の比率である。並列接続されたサブピクセル・モザイクの応答時間は、同じ画素サイズの単一の要素検出器のそれに類似することが容易に示されることができる。
【００７１】
図３において示されるボロメータ要素は、従来の抵抗マイクロボロメータである。別の実施例において、サブピクセル・モザイクは、薄膜電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）として機能する作動中のマイクロボロメータで形成される可能性がある。ここで、温度感度が高い電気抵抗構成要素はトランジスタのチャネル抵抗である。サブピクセルおよび読み出し構成要素は、製造費用の有意な経済性を提供して、プレーン・シリコン、ガラスまたは他の適切な基板上に同じＴＦＴ技術によって好都合にも製造される可能性がある。検出器要素および読み出し構成要素は、薄膜ＪＦＥＴおよび／またはｐ‐ｉ‐ｎダイオードとして任意に製造される可能性がある。
【００７２】
要約すると、本発明は既存の技術上において、以下の構成を含むが、これらに制限されない多くの利点を提供する：
ａ. ターゲット・サイズ、形状、速度および運動の方向への対応、
ｂ. 撮像能力の供給、
ｃ. ターゲット認識、
ｄ. きわめて低い誤警報率、
ｅ. 固定されたおよび接近するターゲットの検出、
ｆ. ゆっくり加熱または冷却されるターゲットの検出
ｇ. 配列冗長性および低い故障率
ｈ. 新規な低コストでの製作。
【００７３】
さらなる利点および改善は、範囲から逸脱することなく、本願発明に対してとてもよくなされる可能性がある。発明は、最も実際的であると思われるもの、および、好適な実施例において、図と共に記載されたのではあるが、本願明細書において開示される詳細に限られず、ありとあらゆる同等の考案および装置を包含するため、請求項の最大限の範囲に一致する変更は、発明の範囲および趣旨の範囲内で作成される可能性があると認識される。
【００７４】
以下のいかなる請求項および発明の要約において、文脈が言語または必要な含みを表すために別途必要される場合を除き、「構成される」という単語は、「含む」という意味において使用される；すなわち、特定される特徴は、発明の様々な実施例のさらなる特徴と関連している可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
中に組み込まれ、この明細書の一部を構成する添付の図面は、発明のいくつかの実施を図示し、説明と共に、発明の利点および原理を説明するのに役立つ。図において：
【図１】本発明を具体化し、撮像ＭＰ‐ＦＰＡを図示する撮像配列の概略であり、各々の画素は、サブピクセルの配列からなり、各々のサブピクセルは個別の検出要素である；
【図２】サブピクセルの群が撮像画素を形成するために連結される方法を図示する；
【図３】個別のサブピクセル検出要素の概略図である；
【図４】画素が電気的に連結される方法、および、ＦＰＡからの読み出しの典型的な例である。
【図１】
2008531997.tif 000003
【図２】
2008531997.tif 000004
【図３】
2008531997.tif 000005
【図４】
2008531997.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月19日(2006.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線セキュリティ・センサであって、
複数の画素を含んでいる焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、各々の前記画素は、電気的に相互連結したサブピクセルのモザイクを含み、サブピクセルのモザイクは、モザイク画素焦点面アレイ（ＭＰ‐ＦＰＡ）を形成するために配置され、各々の前記サブピクセルは、抵抗マイクロボロメータ赤外線検出器であるような焦点面アレイ；
信号読み出し手段；
赤外線伝達レンズ；
信号処理手段；
および表示手段から構成される赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記焦点面アレイは、赤外線伝達ウインドウまたはレンズと適合するガス充填されたまたは排気されたパッケージに取り付けられる赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、複数の配列は、ステップ・アンド・リピートパターン生成によって、同じ基板に製造されることができる赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記アレイで測定される信号を格納する信号格納手段をさらに含む赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、少なくともいくつかの前記マイクロボロメータ赤外線検出器は、互いに並列に接続される赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、少なくともいくつかの前記マイクロボロメータ赤外線検出器は、互いに直列に接続される赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記信号処理器は、検出されたターゲットの数、サイズ、形状、速度および運動の方向、および、予め設定された閾値によって記録される警報を提供する赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記赤外線セキュリティ・センサは、検出された画像が表示されることを可能にするイメージ・ディスプレイをさらに含む赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ検出器であって、前記赤外線セキュリティ・センサは、サブピクセル・マイクロボロメータ検出器のマトリクスを含み、焦点面アレイの各々の画素は、数Ｎのサブピクセルからなり、ここで、Ｎは、１（単一の検出器画素）から所望の性能によって決定される数まで変動する可能性がある赤外線セキュリティ検出器。
【請求項１０】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記焦点面アレイはＣＭＯＳまたは薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）集積回路の上に形成される赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記マイクロボロメータ赤外線検出器は、ドープまたはドープされていない非晶質またはナノ結晶シリコンまたはシリコン合金から選択されるがそれらに制限されない熱感度が高い材料を含む赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１２】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、増加した画素バイアス電圧、および、減少したジョンソンおよび１／ｆノイズを提供する赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１３】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、より高い抵抗温度係数を有するマイクロボロメータ材料の用途を提供する赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１４】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記アレイからの信号を格納する格納手段をさらに含む赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１５】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記光学系は、非球面またはバイナリの表面形状を有する単一のまたは複数要素フレネルレンズまたはゲルマニウムまたはカルコゲナイドガラス・レンズである赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１６】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、異なる画素形式の複数の焦点面アレイは、視野のいくつかの領域においてより高い光学解像度を提供する、または、視野を広げるため、同じパッケージに含まれる赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１７】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、ターゲット認識を提供する赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１８】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、火事の初期または電気機器の過熱の検出を提供する赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項１９】
請求項１に記載の赤外線セキュリティ・センサであって、前記出力ディスプレイは、モニタベースへの電話線または無線リンクを経由して局所的にまたは遠隔でモニタされる赤外線セキュリティ・センサ。
【請求項２０】
上記の請求項のいずれかにおいて特定された装置を使用し、焦点をぼかす、または、隣接した画素から信号出力を分配するステップを含み、赤外線信号を検出する方法。
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月19日(2006.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の検出要求を満たすために異なる画素形式を生じるような方法で連結された抵抗のマイクロボロメータ赤外線検出器の焦点面配列（ＦＰＡ）を含む赤外線セキュリティ・センサに関する。ＦＰＡは、同じ基板上の読み出し超小型回路（ＲＯＩＣ）と一体化される可能性があるので、適切な信号処理および低コストのレンズにより、興味の視野の画像を形成することができ、ターゲット認識を容易にし、誤警報率はきわめて低くなる。
【０００２】
一般的に、各々の撮像画素は、（他の構造が可能であるにもかかわらず）、並列に連結される多くのサブピクセルからなるモザイクであり、強化された性能、および、微小な製造方法による製造の容易さに結びつく。モザイク画素焦点面アレイのような配置は、以下ではＭＰ‐ＦＰＡと呼ばれる。
【０００３】
本発明はまた、新規な構成だけでなく新規な製造技術および材料を利用して、このような赤外線センサを整備する方法にさらに関連がある。
【背景技術】
【０００４】
セキュリティの分野、および、軍事上、産業上および家庭のマーケットの他の関連がある領域において、高性能赤外線（ＩＲ）センサの多くの潜在的な用途が存在する。現行のセンサは、このマーケット区域における広範囲の使用のためにはあまりに高価であり、性能が不十分である。広くセキュリティ・システムにおいて使用される一般的な受動赤外線（ＰＩＲ）センサは撮像ができず、移動するターゲットの単純な集中分布域検出を生成する。これらのセンサは、固定されたターゲットを検出する、または、人間および他のターゲットを明確に区別することができず、誤警報になりやすい。現在までのところ、最小の誤警報で重要なターゲットの検出および認識を容易にし、このマーケット区域に受け入れられる入手可能な費用であるような発明者に公知のＩＲセキュリティ・センサはない。特に、温度変化が比較的ゆっくりである固定されたターゲットまたは複数のターゲットを検出することが可能である手頃なＩＲセキュリティ・センサは公知ではない。
【０００５】
上述した問題を克服し、現在のＰＩＲセンサよりも有用かつ高性能な代替物を一般に提供することは、本発明の目的である。
【０００６】
したがって、本発明は、視野において例えば人間のように生きているターゲット、または、例えば、火事の初期を示す被加熱領域のような無生物の検出および認識を容易にするセンサを提供する。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、一般に、センサに接近しているターゲット（現行のＰＩＲセンサによって多くの場合検知されない）、および、例えば、電気装置故障または拡がっている火事に関連がある遅い温度上昇を検出する能力を改善するセンサを提供することである。
【発明の開示】
【０００８】
したがって、唯一または実際に最も幅広い形状である必要はないが、発明の１つの形状において、次の構成からなる赤外線センサが提案される：
複数の画素を含んでいる焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、各々の前記画素は、電気的に相互連結したサブピクセルのモザイクを含み、サブピクセルのモザイクは、モザイク画素焦点面アレイ（ＭＰ‐ＦＰＡ）を形成するために配置され、各々の前記サブピクセルは、抵抗マイクロボロメータ赤外線検出器であるような焦点面アレイ；
信号読み出し手段；
赤外線伝達レンズ；
信号処理手段；
および表示手段。
【０００９】
焦点面アレイは、赤外線伝達ウインドウまたはレンズと適合するガス充填されたまたは排気されたパッケージに取り付けられ、およびセンサの構成要素は、既存のＰＩＲセンサと比較してより高性能および拡大された能力を達成するため、本願明細書において記載されるように選択される。
【００１０】
好みにおいて、複数の配列は、ステップ・アンド・リピートのパターン生成によって、同じ基板に製造されることができる。
【００１１】
好みにおいて、前記センサは、アレイにより測定された信号を格納する格納手段をさらに含む。
【００１２】
好ましくは、少なくともマイクロボロメータ赤外線検出器のいくつかは、互いに並列に接続される。
【００１３】
好みにおいて、少なくともマイクロボロメータ赤外線検出器のいくつかは、互いに直列に接続される。
【００１４】
好ましくは、信号処理器は、検出されたターゲットの数、サイズ、形状、速度および運動の方向、および、予め設定された閾値によって記録される警報を提供する。
【００１５】
好みにおいて、前記赤外線セキュリティ・センサは、検出された画像が表示されることを可能にするイメージ・ディスプレイをさらに含む。
【００１６】
好ましくは、前記赤外線セキュリティ・センサは、サブピクセル・マイクロボロメータ検出器のマトリクスを含み、焦点面アレイの各々の画素は、数Ｎのサブピクセルからなり、ここで、Ｎは、１（単一の検出器画素）から所望の性能によって決定される数まで変動する可能性がある。
【００１７】
好ましくは、焦点面アレイはＣＭＯＳまたは薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）集積回路の上に形成される
【００１８】
好ましくは、マイクロボロメータ赤外線検出器は、ドープまたはドープされていない非晶質またはナノ結晶シリコンまたはシリコン合金から選択されるがそれらに制限されない熱感度が高い材料を含む。
【００１９】
好ましくは、前記赤外線セキュリティ・センサは、増加した画素バイアス電圧、および、減少したジョンソンおよび１／ｆノイズを提供する。
【００２０】
好みにおいて、前記赤外線セキュリティ・センサは、より高い抵抗温度係数を有するマイクロボロメータ材料の用途を提供する。
【００２１】
好みにおいて、前記赤外線セキュリティ・センサは、アレイからの信号を格納する格納手段をさらに含む。
【００２２】
好ましくは、光学系は、非球面またはバイナリの表面形状を有する単一のまたは複数要素フレネルレンズまたはゲルマニウムまたはカルコゲナイドガラス・レンズである。
【００２３】
好みにおいて、異なる画素形式の複数の焦点面アレイは、視野のいくつかの領域においてより高い光学解像度を提供する、または、視野を広げるため、同じパッケージに含まれる。
【００２４】
好ましくは、前記赤外線セキュリティ・センサは、ターゲット認識を提供する。
【００２５】
好みにおいて、前記赤外線セキュリティ・センサは、火事の初期または電気機器の過熱の検出を提供する。
【００２６】
好ましくは、出力ディスプレイは、モニタベースへの電話線または無線リンクを経由して局所的にまたは遠隔でモニタされる。
【００２７】
発明のさらなる形状において、上記記載の通り装置を使用し、焦点をぼかす、または、隣接した画素から信号出力を分配するステップを含んで、赤外線信号を検出する方法が提案される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下の発明の詳細な説明は、添付の図面を参照する。説明が例示的な実施例を含むにもかかわらず、他の実施例は可能であり、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、記載された実施例を変化させることができる。可能な場合は、同じおよび類似した部分を参照するため、同じ参照番号が図面および以下の説明の全体にわたって使われる。
【００２９】
平面図および断面図の両方で図１に示されるのは、４ｘ４撮像画素の配列からなるＭＰ‐ＦＰＡ１である。各々の画素はサブピクセル２の配列からなり、サブピクセル２の各々は、断面図において図示される機能的なＩＲ検出器３である。この例では、４ｘ４サブピクセルが存在する。
【００３０】
ＭＰ‐ＦＰＡは、ＲＯＩＣ４上に形成されそれと一体化され、パッケージ５に載置される。パッケージ５は、ＩＲ伝達ウインドウ６を有し、ＩＲレンズ７に連結される。諸事例では、レンズ７は直接パッケージ５に適合されるので、ウインドウ６は必要とされない。ＭＰ‐ＦＰＡ１は、単純なパッケージングを用いて、窒素またはキセノンのような適切な充填ガスが大気圧でパッケージされる可能性がある。より高い性能が必要とされる場合、ウェーハ・レベル・パッケージングを使用して真空が詰められる可能性がある。
【００３１】
一般的に、多くのＦＰＡは、単一の基板に同時に製造される。異なる配列形式もまた、同じ基板に製造される可能性がある。特に、異なる数の撮像画素であるが、同じ数のサブピクセルで配列を製造することは都合が良く、前者はサブピクセルが相互に連結するようにのみ変化する。
【００３２】
例えば、一般的な１６０ｘ１２０形式のＦＰＡは、１６０ｘ１２０画素を有することができ、各々の画素は単一の検出器からなり；代替的に４０ｘ３０画素も可能であり、各々の画素が４ｘ４サブピクセル検出器からなる。
【００３３】
いくつかの用途において、全体の視野を増加させる、または、いくつかの領域においてより高い解像度を有するため、同じセンサの同一のまたは異なる画素形式の２つまたはそれ以上の配列を含むことは望ましいかも知れない。これらの複数配列は、同じウェーハからダイシングされる可能性がある。
【００３４】
レンズ７は、非球面／バイナリの表面形状を有する一般的に単一または複数の要素のプラスチック・フレネルレンズ、または、他のプラスティック・レンズ設計、または、ゲルマニウム、シリコンまたはカルコゲナイドガラスの単一レンズである。レンズは、ＦＰＡパッケージ上への直接取付けを可能にするため、短い後部焦点距離によって設計される平凸レンズである可能性がある。
【００３５】
ＦＰＡの実際の画素形式は、個々の用途に依存する。撮像画素の大きさと数は、ターゲットサイズと範囲によって、および要求される全体の視野によって、おのおの決定される。
【００３６】
例えば、１００ｍの距離に大きさ１ｍｘ１ｍのターゲットを検出したい場合、焦点距離の２０ｍｍレンズのために必要な画素サイズは、２００μｍｘ２００μｍである。図１の配列のためのサブピクセル・サイズは、５０μｍｘ５０μｍである。全体の視野は、１００メートルの範囲で４ｍ×４ｍ、または約２．３°の画角である。実際には、最適に大きい視界を達成するため、配列にはより多くの画素が存在する。
【００３７】
図２は、サブピクセルがどのように相互連結するかを平面図で図示する。ただし、他のレイアウトは可能である。図１の４ｘ４配列の例を継続すると、薄膜電気の相互接続レール８、９および１０は、陽電位でバイアスをかけられる、レール１１および１２は、負電位（接地電位）でバイアスをかけられる。各々の１６のサブピクセル検出器において、接触電極１３は、検出器体１５を相互接続レール８、９および１０に接続し、接触電極１４は、検出器体を相互接続レール１１および１２に接続する；したがって、検出器は、電気的に並列に配線される。全体の構造は、電気的に伝導する柱１６によって、ＲＯＩＣより上に支えられる。この特定の設計形式によって高い光学充てん率を達成することは可能であり、したがって、ＩＲ吸収領域を最大にする。
【００３８】
サブピクセルのうちの１つに障害がある場合、画素は機能的なままであることに留意することは重要である。操作におけるこの冗長性は、１つの重要な本発明の特徴にすぎず、歩留まりに有意な影響を与え、したがって、製造費用に影響を与える。
【００３９】
並列ネットワークを使用するさらなる利点は、画素電気抵抗がサブピクセル抵抗より非常に少ないことであり、より高い抵抗率検出器材料、したがってより高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）の材料を使用するのに対して、画素抵抗がＲＯＩＣ入力に最高に適合されるのを可能にする。以下の式（２）の議論を参照のこと。
【００４０】
抵抗ネットワークは、しかしながら、並列接続に限られていない。任意に、例えば高い伝導性検出器材料を使う場合、抵抗を増加させるために直列のネットワークを使うことは、望ましい可能性がある；特定のＦＰＡ設計の最高のソリューションは、並列‐直列ネットワークである。
【００４１】
図３は、サブピクセル検出器の概略断面図を図示する。検出器体３は、関連するＲＯＩＣ４より上に伝導柱１６で支えられる。体３は、その上に絶縁層１８が堆積される薄い金属反射器１７で構成される。２つの金属接触電極１３および１４は、薄膜半導体の熱感度が高い層１９に電気接触を作成する。構造は、第２の絶縁体２０および細い上部の金属フィルム２１をさらに含む。伝導柱１６は、金属パッド２２を通じてＲＯＩＣ４と接触する。反射器‐絶縁体‐半導体‐絶縁体‐上部金属で構成される『検出器堆積』は、１０μｍの波長で最大ＩＲ吸収のために調整される一体的な光学空洞を形成する。
【００４２】
検出器体は、プラズマ灰化法によって続いて除去されるポリイミド犠牲的層（図示せず）上の微小な設計（ＭＥＭＳ）技術によって形成される。
【００４３】
好みにおいて、半導体層は非晶質シリコン合金またはドープされた水素化された非晶質シリコンであり、２つの絶縁層は窒化ケイ素であり、および金属接点（それもまた、ヒートシンクへの熱的な損失経路を検出器体から形成する）は、６０:４０ Ｎｉ‐Ｃｒ合金（ニクロム）またはチタンである。反射材は、アルミニウムである。金属柱は、アルミニウムまたは二重Ｔｉ：Ｐｔ金属被覆である。上部金属は、ニクロム、チタンまたはプラチナである。これらの層は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または物理的な蒸気堆積法（ＰＶＤ）によって堆積される。層は、従来のマイクロリソグラフィおよびドライエッチングによってパターン化される。
【００４４】
非晶質シリコンおよびその合金は、例えば異なる電気伝導率により、セキュリティ・センサの用途のための性能を有利に強化するように改良されることができる。非晶質シリコン-水素合金（ａ‐Ｓｉ：Ｈ）は、所望の電気抵抗が得られるのを可能とする伝導性を増加させるため、ドープされることができる。この方法で達成されることができる伝導性には限界があるが、より高い伝導性が、特に３価リンまたはホウ素でシリコンの合金を形成することによって、得られる可能性がある。ここで、これらの要素はドーパントとして作用するよりはむしろ合金になる。他のシリコンの合金は、スズ、アンチモン、インジウム、ゲルマニウムおよびガリウムを含む。
【００４５】
さらなるオプションは、結晶サイズを大きくさせる方法で、より高い伝導性に結びつく、ドープまたはドープされていないａ‐Ｓｉ:Ｈ層を堆積させることである。この形状において、材料は一般にナノ結晶または微結晶性シリコンと呼ばれている。
【００４６】
より高い伝導性半導体材料を求めることの２つの主な理由が存在する：よりよく読み出し回路に適合させるためにボロメータの電気抵抗を減少することと、電気ノイズを減少することであり、したがって、強化された検出用の性能を達成する。
【００４７】
図４は、検出器サブピクセルがどのように撮像画素を形成するために接続されるかを電子的に図示する。好ましい実施例において、検出器は並列に接続される。大きい吸収領域を保持するのに対して、これは電子機器ノイズの減少に結びつく。図１の同じ例に続いて、１６のサブピクセル検出器、Ｒｂｏｌは、並列接続において示され、バイアス抵抗器、Ｒｌｏａｄと直列に配線される。スイッチＳｌが閉じられた場合、バイアス電圧は適用される。並列抵抗ネットワークは、ＤＣ遮断静電容量Ｃを経て低ノイズ増幅器および信号調整回路、分類された増幅器に接続され、信号はスイッチＳ２によって読み出され、デジタル化される。バイアスは、直流、交流またはパルスであってもよい。図４が一般的な電子機器構造を記載することは理解され、ここで、多くの変化は可能である。
【００４８】
ＦＰＡは、センサから所望の形状の出力を生じるためにデジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）と連動して使われる。好ましい実施例において、周囲背景からの信号は、集積されかつ格納され、１つまたはそれ以上の画素からの信号が予め設定された上記の環境の閾値を上回る場合、検出警報は記録される。これは同期式検出によって完成されるが、他の方法もこの分野の専門家には明らかである。同時に、出力は画像として表示される可能性があり、視覚的なターゲット認識を可能にする。好みにおいて、信号処理アルゴリズムは、ＤＳＰにおいて組み込まれ、それによって、サイズ、形状、速度および運動の方向は、ターゲット認識の目的で分析される；また好みにおいて、視野のターゲットの数は、考慮されかつ記録される。
【００４９】
ＩＲセンサの観察者は、画素化された画像を見たくないかもしれない。画像の品質は、例えば、光学レンズをわずかにぼかす、または隣接した画素から出力を分配して高い空間周波数を除去することによって改善される可能性がある。
【００５０】
実際的なセンサ設置において、ＩＲセンサは、日中および夜間の操作のため、可視波長ＣＭＯＳまたはＣＣＤ ＣＣＴＶカメラと共に使われる可能性がある。夜間の操作の間、ＩＲセンサは、昼光カメラより高い解像度検査のための照明源を起動させる。ＩＲセンサが、例えば壁、戸口、経路、ゲートまたは店先のような特定のターゲット領域をモニタするために固定した設置において使われる可能性がある；しかし、用途において広い視界が必要とされる場合、センサは、パン‐傾斜ズームメカニズムにおいて設置される可能性がある。
【００５１】
ＩＲセンサはまた、データ記憶装置に連結される可能性がある。これは、イベントが発生した後、装置からユーザが例えば画像のようなデータを検討することを可能にする。領域への侵入をセンサが検出している場合、操作者は、例えば人または動物であるかのような侵入の性質を決定するためにデータを検討することが可能である。
【００５２】
センサ・データは、センサの近く、または、電話、光学またはラジオリンク経由でセンサに接続されるリモート・モニタリングステーションで局所的に観察されることができると理解される。
【００５３】
本発明の操作および利点をさらに理解するため、８から１３μｍのスペクトル周波帯において、抵抗マイクロボロメータの長所の一般に使用される数量、ノイズ相当温度差（ＮＥＴＤ）は、次の式により提供されることに留意するべきである。
ＮＥＤＴ＝１．５７×１０４  Ｖｎ．Ｔｎｏ２／Ｒ．Ａｄ                            （１）
ここで、Ｖｎは全体の電子機器ノイズであり、Ｔｎｏは光学系Ｔ数（Ｔ／ｎｏ）であり、Ｒは放射応答度であり、および、Ａｄは画素の放射線収容部である。ＮＥＴＤは可能な限り小さくなるべきなので、応答度および受信領域は可能な限り大きいのに対し、ノイズおよびＴｎｏはまた可能な限り小さいことは明らかである。Ｔｎｏは、通常光学理由のための１．０以下になるように選ばれ、領域は所望の検出範囲でターゲットを分割するための要求によって決定される。
【００５４】
狭い範囲のセキュリティ・センサのため、所望の解像度を保持するのに対してできるだけ大きい領域を作成することによって、角度の解像度および検出用の性能の間で妥協する可能性がある。領域は、一般的に０．０１から１．０ｍｍ２の範囲である。
【００５５】
ワットあたりのボルトにおいて表される低周波数応答度は、以下の式で提供される：
Ｒ＝ＢＶαε／Ｇ                                                      （２）
Ｂは回路ブリッジ因子であり、Ｖはバイアス電圧であり、αは温度感度が高い検出器材料のＴＣＲであり、εは検出器放射率（吸収率に等しい）であり、Ｇは検出器およびすぐ近くの背景間の損失熱を定義する熱的な伝導性である。
【００５６】
Ｂ、ＶおよびＧの値を最適化するため、一般的にサブピクセル検出器を設計する。εの値は、検出器光学空洞の設計によって決定され、通常およそ０．８である。ジュール加熱は通常Ｖの値を制限するが、個別のサブピクセルの電気抵抗が非常に高い可能性があるので、他の配列技術と比較してより高いバイアス電圧を使用する可能性が存在することに留意するべきである。さらに上記に示すように、サブピクセルのモザイクの用途は、ａのより高い値で検出器材料を使う手段を提供する。したがって、応答度の強化は、この明細書に記載されるセンサ設計によって可能である。
【００５７】
本発明の主要な目的のうちの１つは、単一の検出画素をサブピクセルのモザイクに置き換えることによって、電気ノイズ、式（１）のＶｎを最小化することである。ボロメータ検出器の究極的な性能は、熱的な変動ノイズによって設定される；しかしながら、支配的なノイズ・ソースは、通常ジョンソン・ノイズおよび現行の（１／ｆ）ノイズである。散弾雑音のような他の小さいノイズ源は存在する可能性があるが、この議論の目的で全体のノイズは、以下の式で提供されるように考慮できる：
Ｖｎ＝√（Ｖｊ２＋Ｖ１／ｆ３）Δｆ                                        （３）
ここで、Ｖｊはジョンソン・ノイズであり、Ｖ１／ｆは現行のノイズであり、両方とも、Ｖ／√ＨＺを単位にして表され、Δｆはノイズ帯域幅（Ｈｚ）である。
【００５８】
単一の検出画素の電気抵抗Ｒが例えば、各々のＮサブピクセルと同じである場合、合成画素の抵抗は、サブピクセルが並列に配線される場合、Ｒ／Ｎであり、および、ジョンソン・ノイズは、１／√Ｎによって減じられる。したがって、図１および２において、合成画素の抵抗は単一の検出画素の１／１６になり、ジョンソン・ノイズは、因子４によって減じられる。
【００５９】
現行のノイズの場合、周知のフーゲの関係によれば、ノイズは、抵抗率の二乗根および容積の逆二乗根によって減じられる、電気抵抗率および温度感度が高い構成要素の容積に依存する。提供された材料のため、容積はしたがって、できるだけ大きいべきである。サブピクセル・モザイクの１／ｆノイズは、個別のサブピクセルのそれの１／√Ｎであり、同じ半導体の厚みおよび表面積を有する単一の検出画素と同じであると示されることができる。
【００６０】
したがって、提供された画素領域のために、同じ領域の単一の検出画素のそれまたはサブピクセル検出のそれと比較して、ＭＰ‐ＦＰＡ設計の用途は、電子機器ノイズの相当な減少に結びつく。加えて、上記の通りに、電子機器ノイズは、より低い電気抵抗率（より高い伝導性）の半導体材料を用いて、さらに減少することができる。これは、フーゲの関係の結果として、低い抵抗、したがって、減少したジョンソン・ノイズおよびより低い１／ｆノイズに結びつく。
【００６１】
ノイズ帯域幅は、交替で画素の数およびフレーム時間に依存する画素あたりのサンプリング（集積化時間）によって決定される。したがって、提供された光学視界は、高い解像度の撮影装置より少なく、より大きい画素で撮像されるＩＲセキュリティ・センサのさらなる利点は、減少したノイズ帯域幅、したがって、より低い全体のノイズである。
【００６２】
応答度の増加、減少したノイズおよびより大きい画素領域によって提供される強化された性能は、本発明の特徴であり、いくつかの用途により、排出なしで達成される特定された性能を可能にする、したがって、低コストのガス充填されたパッケージングおよび安価なプラスティック・レンズの用途に対する潜在性を提供する。
【００６３】
確かに、プラスティック・レンズを有するガス充填されたセンサの検出用の性能および空間的解像度は、現行のＰＩＲセキュリティ・センサのそれより非常に優れていて、類似した費用でより高い性能を提供する。さらに、真空で詰められ、上質のゲルマニウムまたはカルコゲニド・レンズで使われる同じＭＰ‐ＦＰＡは、従来のＦＰＡを有する既存のＩＲマイクロボロメータ撮影装置と比較して、かなり低いＮＥＴＤが可能である。
【００６４】
ボロメータ検出器の応答の熱的な速度は、熱的な伝導性に対する熱的な静電容量の比率である。並列接続されたサブピクセル・モザイクの応答時間は、同じ画素サイズの単一の要素検出器のそれに類似することが容易に示されることができる。
【００６５】
図３において示されるボロメータ要素は、従来の抵抗マイクロボロメータである。別の実施例において、サブピクセル・モザイクは、薄膜電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）として機能する作動中のマイクロボロメータで形成される可能性がある。ここで、温度感度が高い電気抵抗構成要素はトランジスタのチャネル抵抗である。サブピクセルおよび読み出し構成要素は、製造費用の有意な経済性を提供して、プレーン・シリコン、ガラスまたは他の適切な基板上に同じＴＦＴ技術によって好都合にも製造される可能性がある。検出器要素および読み出し構成要素は、薄膜ＪＦＥＴおよび／またはｐｉｎダイオードとして任意に製造される可能性がある。
【００６６】
要約すると、本発明は既存の技術上において、以下の構成を含むが、これらに制限されない多くの利点を提供する：
ａ. ターゲット・サイズ、形状、速度および運動の方向への対応、
ｂ. 撮像能力の供給、
ｃ. ターゲット認識、
ｄ. きわめて低い誤警報率、
ｅ. 固定されたおよび接近するターゲットの検出、
ｆ. ゆっくり加熱または冷却されるターゲットの検出
ｇ. 配列冗長性および低い故障率
ｈ. 新規な低コストでの製作。
これらの利点は、既存のＰＩＲセキュリティ・センサと比較して、優れた検出性能およびより高い空間的解像度によって達成され、このようなセンサの新世代を実際上定義する。
【００６７】
さらなる利点および改善点は、範囲から逸脱することなく本願発明に対してとてもよくなされる可能性がある。発明は、最も実際的であると思われるもの、および、好適な実施例において、図と共に記載されたのではあるが、本願明細書において開示される詳細に限られず、ありとあらゆる同等の考案および装置を包含するため、請求項の最大限の範囲に一致する変更は、発明の範囲および趣旨の範囲内で作成される可能性があると認識される。
【００６８】
以下のいかなる請求項および発明の要約において、文脈が言語または必要な含みを表すために別途必要される場合を除き、「構成される」という単語は、「含む」という意味において使用される；すなわち、特定される特徴は、発明の様々な実施例のさらなる特徴と関連している可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
中に組み込まれ、この明細書の一部を構成する添付の図面は、発明のいくつかの実施を図示し、説明と共に、発明の利点および原理を説明するのに役立つ。図において：
【図１】本発明を具体化し、撮像ＭＰ‐ＦＰＡを図示する撮像配列の概略であり、各々の画素は、サブピクセルの配列からなり、各々のサブピクセルは個別の検出要素である；
【図２】サブピクセルの群が撮像画素を形成するために連結される方法を図示する；
【図３】個別のサブピクセル検出要素の概略図である；
【図４】画素が電気的に連結される方法、および、ＦＰＡからの読み出しの典型的な例である。
【国際調査報告】
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2008531997.tif 000009