(57)【要約】【課題】駆動容量が大きい電源を必要とせず且つ基準電圧及び検出電圧へのノイズの影響が小さい赤外線センサを実現できるようにする。【解決手段】赤外線センサは、第１の容量素子と１１、第２の容量素子１２と、赤外線検出容量素子１３と、第１の容量素子１１を充電する第１の充電手段１４と、第２の容量素子を充電する第２の充電手段１５と、赤外線検出容量素子を充電する第３の充電手段１６とを備えている。充電された第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とが接続された接続ノードの電圧を基準電位とし、充電された第１の容量素子１１と赤外線検出容量素子１３とが接続された接続ノードの電圧を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力する。【選択図】図１
2008039466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の容量素子と、
第２の容量素子と、
入射する赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、
前記第１の容量素子に第１の電圧を印加することにより前記第１の容量素子を充電する第１の充電手段と、
前記第２の容量素子に第２の電圧を印加することにより前記第２の容量素子を充電する第２の充電手段と、
前記赤外線検出容量素子に前記第２の電圧を印加することにより前記赤外線検出容量素子を充電する第３の充電手段と、
前記第１の容量素子と前記第２の容量素子との接続及び非接続を切り替える第１の接続手段と、
前記第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子との接続及び非接続を切り替える第２の接続手段とを備え、
充電された前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とを接続した場合における、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子との接続ノードの電圧を基準電位とし、
充電された前記第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子とを接続した場合における、前記第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子との接続ノードの電圧を検出電位とし、
前記赤外線の強度を前記基準電位と前記検出電位との電位差として出力することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記第１の電圧を供給する第１の電源線と、
前記第２の電圧を供給する第２の電源線とをさらに備え、
前記第１の充電手段は、前記第１の電源線と前記第１の容量素子の第１の端子との間に接続された第１のスイッチ素子であり、
前記第２の充電手段は、前記第２の電源線と前記第２の容量素子の第１の端子との間に接続された第２のスイッチ素子であり、
前記第３の充電手段は、前記第２の電源線と前記赤外線検出容量素子の第１の端子との間に接続された第３のスイッチ素子であり、
前記第１の接続手段は、前記第１の容量素子の前記第１の端子と前記第２の容量素子の前記第１の端子との間に接続された第４のスイッチ素子であり、
前記第２の接続手段は、前記第１の容量素子の前記第１の端子と前記赤外線検出容量素子の前記第１の端子との間に接続された第５のスイッチ素子であり、
前記第２の容量素子の第２の端子及び前記赤外線検出容量素子の第２の端子は、同一の電位となるように接続されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記第１の電圧を供給する第１の電源線と、
前記第２の電圧を供給する第２の電源線とをさらに備え、
前記第１の充電手段は、前記第１の容量素子の第１の端子と接地との間に接続された第１のスイッチ素子であり、
前記第２の充電手段は、前記第２の電源線と前記第２の容量素子の第１の端子との間に接続された第２のスイッチ素子であり、
前記第３の充電手段は、前記第２の電源線と前記赤外線検出容量素子の第１の端子との間に接続された第３のスイッチ素子であり、
前記第１の接続手段は、前記第１の容量素子の前記第１の端子と前記第２の容量素子の前記第１の端子との間に接続された第４のスイッチ素子であり、
前記第２の接続手段は、前記第１の容量素子の前記第１の端子と前記赤外線検出容量素子の前記第１の端子との間に接続された第５のスイッチ素子であり、
前記第２の容量素子の第２の端子及び前記赤外線検出容量素子の第２の端子は、同一の電位となるように接続されており、
前記第１の容量素子の第２の端子は、前記第１の電源線と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記第１の容量素子の容量値及び前記第２の容量素子の容量値は、前記赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の前記赤外線検出容量素子の容量値と等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記第１の電圧は、０Ｖであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項６】
前記第１の容量素子と、前記第２の容量素子と、前記赤外線検出容量素子と、前記第１の充電手段と、前記第２の充電手段と、前記第３の充電手段と、前記第１の接続手段と、前記第２の接続手段とは、単位画素を構成し、
前記単位画素は、行列状に複数配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項７】
第１の容量素子と、第２の容量素子と、入射する赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、
前記第１の容量素子に第１の電圧を印加して充電すると共に、前記第２の容量素子に第２の電圧を印加して充電するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）よりも後に、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とを接続すると共に、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが接続された接続ノードの電圧を基準電位として出力するステップ（ｂ）と、
前記第１の容量素子に前記第１の電圧を印加して充電すると共に、前記赤外線検出容量素子に前記第２の電圧を印加して充電するステップ（ｃ）と、
前記ステップ（ｃ）よりも後に、前記第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子とを接続すると共に、前記第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子とが接続された接続ノードの電圧を検出電位として出力するステップ（ｄ）とを備えていることを特徴とする赤外線センサの駆動方法。
【請求項８】
前記ステップ（ｂ）において、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とは並列に接続し、
前記ステップ（ｄ）において、前記第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子とは並列に接続することを特徴とする請求項７に記載の赤外線センサの駆動方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｂ）において、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とは直列に接続し、
前記ステップ（ｄ）において、前記第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子とは直列に接続することを特徴とする請求項７に記載の赤外線センサの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体及び人体から放出される赤外線を検出する赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の赤外線センサとして図９に示すような回路構成のものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。図９に示すように従来の赤外線センサは、直列容量素子２０１の一の端子と、参照容量素子２０２及び赤外線検出容量素子２０３の一の端子とがそれぞれＭＯＳトランジスタからなる参照容量素子制御スイッチ２０５及び赤外線検出素子制御スイッチ２０６を介して電気的に接続されており、出力ノード２１５が形成されている。なお、直列容量素子２０１及び参照容量素子２０２の容量値は、それぞれ赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子２０３の容量値と実質的に同一となるように設定されている。
【０００３】
直列容量素子２０１の他の端子は電源線２０８と接続され、参照容量素子２０２及び赤外線検出容量素子２０３の他の端子は接地されている。また、参照容量素子制御スイッチ２０５及び赤外線検出容量素子制御スイッチ２０６のゲートにはそれぞれ参照容量素子制御線２１０及び赤外線検出容量素子制御線２１１が接続されている。さらに、出力ノード２１５にはゲートがバイアス制御線２０９と接続され、ソースがバイアス線２１２と接続されたバイアス制御スイッチ２０４のドレインが接続されている。
【０００４】
以下に、従来例に係る赤外線センサの動作について図１０を参照して説明する。まず、タイミングＴ１において容量素子制御線２１０の電圧をハイ（Ｈ）レベルとして、参照容量素子制御スイッチ２０５をオン状態として、参照容量素子２０２を直列容量素子２０１と接続する。次に、タイミングＴ２においてバイアス制御線２０９の電圧をＨレベルにしてバイアス制御スイッチ２０４をオン状態とすることにより、出力ノード２１５の電圧をバイアス電圧と等しくする。
【０００５】
次に、タイミングＴ３において電源線２０８の電圧をＶＬからＶＨに上昇させる。これによりＶＨとＶＬとの電圧の差が、直列容量素子２０１と参照容量素子２０２との容量比に応じて分配され、出力ノード２１５の電圧に加算される。
【０００６】
次に、タイミングＴ４において、信号線２１１の電圧をＨレベルとして赤外線検出容量素子制御スイッチ２０６をオンにすることにより、赤外線検出容量素子２０３を直列容量素子２０１と接続する。
【０００７】
次に、タイミングＴ５においてバイアス制御線２０９の電圧をＨレベルとすることにより、出力ノード２１５の電圧を再びバイアス電圧と等しくする。
【０００８】
次にタイミングＴ６において電源線２０８の電圧をＶＬからＶＨに上昇させる。これによりＶＨとＶＬとの電圧の差が直列容量素子２０１と赤外線検出容量素子２０３との容量比に応じて分配されて出力ノード２１５の電圧に加算される。
【０００９】
赤外線検出容量素子２０３に赤外線が入射すると、赤外線検出容量素子２０３の容量値が上昇するため、タイミングＴ６における出力ノード２１５の電圧は、タイミングＴ３における出力ノード２１５の電圧よりもＶだけ小さくなる。従って、電圧Ｖの値から赤外線検出容量素子２０３に入射した赤外線の強度を求めることができる。
【特許文献１】国際公開第０６／０４３３８４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の赤外線センサは、電源線２０８をパルス駆動しなければならない。このため、電源のパルス駆動能力すなわち駆動容量を大きくする必要があり、電圧設定の時間が長くなるという問題がある。また、電源のパルス駆動により生じるノイズ成分が、基準電圧及び検出電圧に影響を与えるという問題がある。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題を解決し、駆動容量が大きい電源を必要とせず且つ基準電圧及び検出電圧へのノイズの影響が小さい赤外線センサを実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は固体撮像装置を、第１の容量素子、第２の容量素子及び赤外線容量素子とを備え、第１の容量素子、第２の容量素子及び赤外線容量素子のそれぞれに充電を行った後、第１の容量素子と第２の容量素子との接続ノードの電圧と、第１の容量素子と赤外線検出容量素子との接続ノードの電圧との差により赤外線の強度を検出する構成とする。
【００１３】
具体的に、本発明に係る赤外線センサは、第１の容量素子と、第２の容量素子と、入射する赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子と、第１の容量素子に第１の電圧を印加することにより第１の容量素子を充電する第１の充電手段と、第２の容量素子に第２の電圧を印加することにより第２の容量素子を充電する第２の充電手段と、赤外線検出容量素子に第２の電圧を印加することにより赤外線検出容量素子を充電する第３の充電手段と、第１の容量素子と第２の容量素子との接続及び非接続を切り替える第１の接続手段と、第１の容量素子と赤外線検出容量素子との接続及び非接続を切り替える第２の接続手段とを備え、充電された第１の容量素子と第２の容量素子とを接続した場合における、第１の容量素子と第２の容量素子との接続ノードの電圧を基準電位とし、充電された第１の容量素子と赤外線検出容量素子とを接続した場合における、第１の容量素子と赤外線検出容量素子との接続ノードの電圧を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力することを特徴とする。
【００１４】
本発明の赤外線センサによれば、充電された第１の容量素子と第２の容量素子とを接続した場合における、第１の容量素子と第２の容量素子との接続ノードの電圧を基準電位とし、充電された第１の容量素子と赤外線検出容量素子とを接続した場合における、第１の容量素子と赤外線検出容量素子との接続ノードの電圧を検出電位とし、赤外線の強度を基準電位と検出電位との電位差として出力するため、電源をパルス駆動する必要がない。従って、駆動容量が大きい電源を必要としないので、電圧設定の時間を短くすることができる。また、基準電圧及び検出電圧へのノイズの影響が小さく、Ｓ／Ｎ比が高い信号が得られる。
【００１５】
本発明の赤外線センサは、第１の電圧を供給する第１の電源線と、第２の電圧を供給する第２の電源線とをさらに備え、第１の充電手段は、第１の電源線と第１の容量素子の第１の端子との間に接続された第１のスイッチ素子であり、第２の充電手段は、第２の電源線と第２の容量素子の第１の端子との間に接続された第２のスイッチ素子であり、第３の充電手段は、第２の電源線と赤外線検出容量素子の第１の端子との間に接続された第３のスイッチ素子であり、第１の接続手段は、第１の容量素子の第１の端子と第２の容量素子の第１の端子との間に接続された第４のスイッチ素子であり、第２の接続手段は、第１の容量素子の第１の端子と赤外線検出容量素子の第１の端子との間に接続された第５のスイッチ素子であり、第２の容量素子の第２の端子及び赤外線検出容量素子の第２の端子は、同一の電位となるように接続されていることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の赤外線センサは、第１の電圧を供給する第１の電源線と、第２の電圧を供給する第２の電源線とをさらに備え、第１の充電手段は、第１の容量素子の第１の端子と接地との間に接続された第１のスイッチ素子であり、第２の充電手段は、第２の電源線と第２の容量素子の第１の端子との間に接続された第２のスイッチ素子であり、第３の充電手段は、第２の電源線と赤外線検出容量素子の第１の端子との間に接続された第３のスイッチ素子であり、第１の接続手段は、第１の容量素子の第１の端子と第２の容量素子の第１の端子との間に接続された第４のスイッチ素子であり、第２の接続手段は、第１の容量素子の第１の端子と赤外線検出容量素子の第１の端子との間に接続された第５のスイッチ素子であり、第２の容量素子の第２の端子及び赤外線検出容量素子の第２の端子は、同一の電位となるように接続されており、第１の容量素子の第２の端子は、第１の電源線と接続されていることが好ましい。
【００１７】
本発明の赤外線センサにおいて、第１の容量素子の容量値及び第２の容量素子の容量値は、赤外線検出容量素子に赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子の容量値と等しいことが好ましい。このような構成とすることにより、基準電圧と検出電圧との電位差の検出が容易となる。
【００１８】
本発明の赤外線センサにおいて、第１の電圧は、０Ｖであることが好ましい。このような構成とすることにより、電源の駆動容量をさらに小さくできる。
【００１９】
本発明の赤外線センサにおいて、第１の容量素子と、第２の容量素子と、赤外線検出容量素子と、第１の充電手段と、第２の充電手段と、第３の充電手段と、第１の接続手段と、第２の接続手段とは、単位画素を構成し、単位画素は、行列状に複数配置されていることが好ましい。このような構成とすることにより、アレイ状の赤外線センサを容易に実現できる。
【００２０】
本発明に係る赤外線センサの駆動方法は、第１の容量素子と、第２の容量素子と、入射する赤外線の強度に応じて容量値が変化する赤外線検出容量素子とを備えた赤外線センサの駆動方法を対象とし、第１の容量素子に第１の電圧を印加して充電すると共に、第２の容量素子に第２の電圧を印加して充電するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）よりも後に、第１の容量素子と第２の容量素子とを接続すると共に、第１の容量素子と第２の容量素子とが接続された接続ノードの電圧を基準電位として出力するステップ（ｂ）と、第１の容量素子に第１の電圧を印加して充電すると共に、赤外線検出容量素子に第２の電圧を印加して充電するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）よりも後に、第１の容量素子と赤外線検出容量素子とを接続すると共に、第１の容量素子と赤外線検出容量素子とが接続された接続ノードの電圧を検出電位として出力するステップ（ｄ）とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
本発明の赤外線センサの駆動方法によれば、第１の容量素子と第２の容量素子とを充電するステップと、第１の容量素子と第２の容量素子とが接続された接続ノードの電圧を基準電位として出力するステップと、第１の容量素子と赤外線検出容量素子とを充電するステップと、第１の容量素子と赤外線検出容量素子とが接続された接続ノードの電圧を検出電位として出力するステップとを備えているため、電源をパルス駆動する必要がない。従って、駆動容量が大きい電源を必要としないので、電圧設定の時間を短くすることができ、高速に駆動することが可能となる。また、基準電圧及び検出電圧へのノイズの影響が小さく、Ｓ／Ｎ比が高い信号が得られる。
【００２２】
本発明の赤外線センサの駆動方法では、ステップ（ｂ）において、第１の容量素子と第２の容量素子とは並列に接続し、ステップ（ｄ）において、第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子とは並列に接続することが好ましい。また、ステップ（ｂ）において、第１の容量素子と第２の容量素子とは直列に接続し、ステップ（ｄ）において、第１の容量素子と前記赤外線検出容量素子とは直列に接続してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る赤外線センサによれば、駆動容量が大きい電源を必要とせず且つ基準電圧及び検出電圧へのノイズの影響が小さい赤外線センサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
(第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る赤外線センサの基本回路の一例を示している。
【００２５】
図１に示すように本実施形態の赤外線センサは、第１の電源線３１と接地との間に接続された並列容量素子である第１の容量素子１１と、第２の電源線３２と接地との間にそれぞれ接続された参照容量素子である第２の容量素子１２及び赤外線検出容量素子１３とを備えている。
【００２６】
赤外線検出容量素子１３は、強誘電体からなる誘電ボロメータ等の入射する赤外線の強度に応じて容量値が変化する素子である。本実施形態においては、第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２の容量値は、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射していない場合の容量値と誤差範囲内で一致するように設定している。
【００２７】
第１の容量素子１１は、一方の端子が接地され、他方の端子はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１４を介して第１の電源線３１と接続されている。第２の容量素子１２は、一方の端子が接地され、他方の端子はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１５を介して第２の電源線３２と接続されている。赤外線検出容量素子１３は、一方の端子が接地され、他方の端子はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１６を介して第１の電源線３１と接続されている。
【００２８】
第１の容量素子１１の第１の電源線３１側の端子は、第２の容量素子１２の第２の電源線３２側の端子とＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１７を介して接続されると共に、赤外線検出容量素子１３の第２の電源線３２側の端子とＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１８を介して接続されている。また、第１の容量素子１１の第１の電源線３１側の端子は、出力ノード２０と接続されている。
【００２９】
スイッチ素子１４のゲート端子は制御線３４と接続され、スイッチ素子１５のゲート端子は制御線３５と接続され、スイッチ素子１６のゲート端子は制御線３６と接続され、スイッチ素子１７のゲート端子は制御線３７と接続され、スイッチ素子１８のゲート端子は制御線３８と接続されている。
【００３０】
本実施形態においては、第１の容量素子１１の一方の端子、第２の容量素子１２の一方の端子及び赤外線検出容量素子１３の一方の端子はそれぞれ接地されている。しかし、第２の容量素子１２の一方の端子と赤外線検出容量素子１３の一方の端子とが同電圧となるようにすればよく、必ずしも接地されている必要はない。また、各スイッチ素子はＭＯＳトランジスタに限らず、スイッチとして機能するものであればどのようなものでもよい。
【００３１】
以下、第１の実施形態に係る赤外線センサの動作について図面を参照して説明する。図２は、第１の実施形態の赤外線センサの動作タイミングを示している。
【００３２】
まず、期間Ｔ１において制御線３５及び制御線３６の電圧をハイ（Ｈ）レベルとして、スイッチ素子１４及びスイッチ素子１５が導通状態とする。これにより第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、第２の容量素子１２には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００３３】
次に、期間Ｔ２において制御線３５及び制御線３６の電圧をロー（Ｌ）レベルとしてスイッチ素子１４及びスイッチ素子１５を非導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２に充電された電圧が保持される。
【００３４】
次に、期間Ｔ３において、制御線３６の電圧をＨレベルとしてスイッチ素子１７を導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とが並列に接続される。
【００３５】
この場合、第１の電源線３１の電圧をＶａ、第２の電源線３２の電圧をＶｂ、第１の容量素子１１の容量値をＣａ、第２の容量素子１２の容量値をＣｂとすると、出力ノード２０から出力される電圧は（ＣａＶａ＋ＣｂＶｂ）／（Ｃａ＋Ｃｂ）となる。本実施形態の赤外線センサにおいては、ＣａとＣｂとの値は誤差範囲内で等しいため、Ｖｂが０Ｖの場合には、期間Ｔ３における出力ノード２０の電圧は（Ｖａ／２）となる。
【００３６】
次に、期間Ｔ４において、制御線３６の電圧をＬレベルとしてスイッチ素子１６を非導通状態として、第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とを非接続状態とする。
【００３７】
次に、期間Ｔ５において、再び制御線３４の電圧をＨレベルとすると共に、制御線３７の電圧をＨレベルとして、スイッチ素子１４及びスイッチ素子１６を導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、赤外線検出容量素子１３には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００３８】
次に、期間Ｔ６において、制御線３４及び制御線３７の電圧をＬレベルとして、スイッチ素子１４及びスイッチ素子１６を非導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１及び赤外線検出容量素子１３に充電された電圧が保持される。
【００３９】
次に、期間Ｔ７において制御線３８の電圧をＨレベルとして、スイッチ素子１８を導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１と赤外線検出容量素子１３とが並列に接続される。
【００４０】
この場合に、第１の電源線３１の電圧をＶａ、第２の電源線３２の電圧をＶｂ、第１の容量素子１１の容量値をＣａ、赤外線検出容量素子１３の容量値をＣｃとすると出力ノード２０から出力される電圧は（ＣａＶａ＋ＣｃＶｂ）／（Ｃａ＋Ｃｃ）となる。本実施形態の赤外線センサにおいては、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射していない場合には、ＣａとＣｃとが誤差範囲内で等しい。このため、Ｖｂが０であれば、期間Ｔ７における出力ノード２０の電圧は（Ｖａ／２）となり、期間Ｔ３における出力ノード２０の電圧と等しくなる。
【００４１】
一方、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射すると、その容量値が大きくなる。つまり、赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子１３の容量値をＣとすると、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射した場合には容量値がΔＣだけ大きくなりＣ＋ΔＣとなる。従って、出力ノード２０の電圧は、Ｖａ／（２＋ΔＣ／Ｃ）となる。
【００４２】
期間Ｔ３における出力ノード２０の電圧を基準電圧とし、期間Ｔ７における出力ノード２０の電圧を検出電圧とし、検出電圧と基準電圧との差を求めることにより、赤外線検出容量素子１３に入射した赤外線の量及び赤外線検出容量素子の温度を求めることができる。
【００４３】
本実施形態の赤外線センサは、電源線をパルス駆動する必要がない。従って、電源の駆動容量を大きくする必要がなく、電源電圧の設定に時間がかかることがない。また、電源線をパルス駆動することによるノイズの発生を防止することができる。
【００４４】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図３は第２の実施形態に係る赤外線センサの回路構成を示している。図３において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００４５】
本実施形態の赤外線センサは、図１に示す基本回路からなる単位画素が行列状に配置されている。図３には単位画素４１Ａ、単位画素４１Ｂ、単位画素４１Ｃ及び単位画素４１Ｄが２行２列に配置された例を示しているが、行及び列の数は任意に変更してよい。
【００４６】
本実施形態の赤外線センサにおいて、各単位画素の出力ノード２０は、列ごとに垂直信号線５１と接続されている。各垂直信号線５１は、それぞれ信号処理部６１と接続されている。各信号処理部６１は、それぞれ幅回路、電位差検出回路及び電荷蓄積回路部又は電圧加算回路により構成されている。各信号処理部６１は、それぞれ水平走査部６２により制御され、第１のタイミングにおける垂直信号線５１の電圧と第２のタイミングにおける垂直信号線５１の電圧との差に応じた信号を生成し、共通信号線５２に順次出力する。
【００４７】
各単位画素の、第１の電源線３１、第２の電源線３２、制御線３４、制御線３５、制御線３６、制御線３７及び制御線３８は、それぞれ行ごとにそれぞれ接続され、信号制御部６３により制御される。
【００４８】
以下に、第２の実施形態に係る赤外線センサの動作について図面を参照して説明する。図４は第２の実施形態の赤外線センサの動作タイミングを示している。なお、図４においては、１列目の単位画素４１Ａ及び単位画素４１Ｃについてのみタイミングを示している。
【００４９】
まず、期間Ａにおいて１行目の単位画素４１Ａの信号を垂直信号線５１に出力する。期間Ｔ１において１行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２に、第１の電源線３１の電圧及び第２の電源線３２の電圧をそれぞれ充電する。
【００５０】
次に、期間Ｔ２において１行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ３において、１行目の制御線３６の電圧をＨレベルとしてスイッチ素子１７を導通状態とすることにより、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とを並列に接続する。これにより垂直信号線５１の電圧は、基準電圧Ｖ１となる。
【００５１】
次に、期間Ｔ４において、１行目の制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ５において、再び１行目の制御線３４の電圧をＨレベルとすると共に、１行目の制御線３７の電圧をＨレベルとする。これにより、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、赤外線検出容量素子１３には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００５２】
次に、期間Ｔ６において、１行目の制御線３４及び制御線３７の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ７において１行目の制御線３８の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１と赤外線検出容量素子１３とを並列に接続する。これにより、垂直信号線５１の電圧は、単位画素４１Ａの赤外線検出容量素子１３に入射した赤外線の量に応じた検出電圧Ｖ２ａとなる。
【００５３】
信号処理部６１において、基準電圧Ｖ１と検出電圧Ｖ２ａとの差に応じた信号が生成され、単位画素４１Ａの信号が共通信号線５２から出力される。
【００５４】
続いて、期間Ｂにおいて２行目の単位画素４１Ｃの信号を垂直信号線５１に出力する。期間Ｔ１において２行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２に、第１の電源線３１の電圧及び第２の電源線３２の電圧をそれぞれ充電する。
【００５５】
次に、期間Ｔ２において２行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ３において、２行目の制御線３６の電圧をＨレベルとしてスイッチ素子１７を導通状態とすることにより、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とを並列に接続する。これにより垂直信号線５１の電圧は、基準電圧Ｖ１となる。
【００５６】
次に、期間Ｔ４において、２行目の制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ５において、再び２行目の制御線３４の電圧をＨレベルとすると共に、２行目の制御線３７の電圧をＨレベルとする。これにより、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、赤外線検出容量素子１３には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００５７】
次に、期間Ｔ６において、２行目の制御線３４及び制御線３７の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ７において２行目の制御線３８の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１と赤外線検出容量素子１３とを並列に接続する。これにより、垂直信号線５１の電圧は、単位画素４１Ｃの赤外線検出容量素子１３に入射した赤外線の量に応じた検出電圧Ｖ２ｃとなる。
【００５８】
信号処理部６１において、基準電圧Ｖ１と検出電圧Ｖ２ｃとの差に応じた信号が生成され、単位画素４１Ｃの信号が共通信号線５２から出力される。
【００５９】
本実施例においては、１列目の単位画素の読み出しについてのみ説明したが、行ごとに複数の列の読み出しを行えば、行列状に配置されたすべての単位画素から信号を読み出すことができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。図５は第３の実施形態に係る赤外線センサの基本回路の一例を示している。
【００６１】
図１に示すように本実施形態の赤外線センサは、第１の電源線３１と接地との間に接続された直列容量素子である第１の容量素子１１と、第２の電源線３２と接地との間にそれぞれ接続された参照容量素子である第２の容量素子１２及び赤外線検出容量素子１３とを備えている。
【００６２】
赤外線検出容量素子１３は、強誘電体からなる誘電ボロメータ等の入射する赤外線の強度に応じて容量値が変化する素子である。本実施形態においては、第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２の容量値は、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射していない場合の容量値と誤差範囲内で一致するように設定している。
【００６３】
第１の容量素子１１は、一方の端子が第１の電源線３１と接続され、他方の端子はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１４を介して接地されている。第２の容量素子１２は、一方の端子が接地され、他方の端子はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１５を介して第２の電源線３２と接続されている。赤外線検出容量素子１３は、一方の端子が接地され、他方の端子はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１６を介して第２の電源線３２と接続されている。
【００６４】
第１の容量素子１１の接地側の端子は、第２の容量素子１２の第２の電源線３２側の端子とＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１７を介して接続されると共に、赤外線検出容量素子１３の第２の電源線３２側の端子とＭＯＳトランジスタからなるスイッチ素子１８を介して接続されている。また、第１の容量素子１１の接地側の端子は、出力ノード２０と接続されている。
【００６５】
スイッチ素子１４のゲート端子は制御線３４と接続され、スイッチ素子１５のゲート端子は制御線３５と接続され、スイッチ素子１６のゲート端子は制御線３６と接続され、スイッチ素子１７のゲート端子は制御線３７と接続され、スイッチ素子１８のゲート端子は制御線３８と接続されている。
【００６６】
本実施形態においては、第１の容量素子１１の一方の端子、第２の容量素子１２の一方の端子及び赤外線検出容量素子１３の一方の端子がそれぞれ接地されている。しかし、第２の容量素子１２の一方の端子と赤外線検出容量素子１３の一方の端子とが同電圧となるようにすればよく、必ずしも接地されている必要はない。また、各スイッチ素子はＭＯＳトランジスタに限らず、スイッチとして機能するものであればどのようなものでもよい。
【００６７】
以下、第１の実施形態に係る赤外線センサの動作について図面を参照して説明する。図６は、第３の実施形態の赤外線センサの動作タイミングを示している。
【００６８】
まず、期間Ｔ１において制御線３５及び制御線３６の電圧をＨレベルとして、スイッチ素子１４及びスイッチ素子１５が導通状態とする。これにより第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、第２の容量素子１２には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００６９】
次に、期間Ｔ２において制御線３５及び制御線３６の電圧をＬレベルとしてスイッチ素子１４及びスイッチ素子１５を非導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２に充電された電圧が保持される。
【００７０】
次に、期間Ｔ３において、制御線３６の電圧をＨレベルとしてスイッチ素子１７を導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とが直列に接続される。
【００７１】
この場合、第１の電源線３１の電圧をＶａ、第２の電源線３２の電圧をＶｂ、第１の容量素子１１の容量値をＣａ、第２の容量素子１２の容量値をＣｂとすると、出力ノード２０から出力される電圧は（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｃａ／（Ｃａ＋Ｃｂ））となる。本実施形態の赤外線センサにおいては、ＣａとＣｂとの値は誤差範囲内で等しいため、Ｖｂが０Ｖの場合には、期間Ｔ３における出力ノード２０の電圧は（Ｖａ／２）となる。
【００７２】
次に、期間Ｔ４において、制御線３６の電圧をＬレベルとしてスイッチ素子１６を非導通状態として、第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とを非接続状態とする。
【００７３】
次に、期間Ｔ５において、再び制御線３４の電圧をＨレベルとすると共に、制御線３７の電圧をＨレベルとして、スイッチ素子１４及びスイッチ素子１６を導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、赤外線検出容量素子１３には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００７４】
次に、期間Ｔ６において、制御線３４及び制御線３７の電圧をＬレベルとして、スイッチ素子１４及びスイッチ素子１６を非導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１及び赤外線検出容量素子１３に充電された電圧が保持される。
【００７５】
次に、期間Ｔ７において制御線３８の電圧をＨレベルとして、スイッチ素子１８を導通状態とする。これにより、第１の容量素子１１と赤外線検出容量素子１３とが直列に接続される。
【００７６】
この場合に、第１の電源線３１の電圧をＶａ、第２の電源線３２の電圧をＶｂ、第１の容量素子１１の容量値をＣａ、赤外線検出容量素子１３の容量値をＣｃとすると出力ノード２０から出力される電圧は（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｃａ／（Ｃａ＋Ｃｃ））となる。本実施形態の赤外線センサにおいては、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射していない場合には、ＣａとＣｃとが誤差範囲内で等しい。このため、Ｖｂが０であれば、期間Ｔ７における出力ノード２０の電圧は（Ｖａ／２）となり、期間Ｔ３における出力ノード２０の電圧と等しくなる。
【００７７】
一方、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射すると、その容量値が大きくなる。つまり、赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子１３の容量値をＣとすると、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射した場合には容量値がΔＣだけ大きくなりＣ＋ΔＣとなる。従って、出力ノード２０の電圧は、Ｖａ／（２＋ΔＣ／Ｃ）となる。
【００７８】
期間Ｔ３における出力ノード２０の電圧を基準電圧とし、期間Ｔ７における出力ノード２０の電圧を検出電圧とし、検出電圧と基準電圧との差を求めることにより、赤外線検出容量素子１３に入射した赤外線の量及び赤外線検出容量素子の温度を求めることができる。
【００７９】
本実施形態の赤外線センサは、電源線をパルス駆動する必要がない。従って、電源の駆動容量を大きくする必要がなく、電源電圧の設定に時間がかかることがない。また、電源線をパルス駆動することによるノイズの発生を防止することができる。
【００８０】
（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。図７は第４の実施形態に係る赤外線センサの回路構成を示している。図７において図５と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００８１】
本実施形態の赤外線センサは、図５に示す基本回路からなる単位画素が行列状に配置されている。図７には単位画素４１Ａ、単位画素４１Ｂ、単位画素４１Ｃ及び単位画素４１Ｄが２行２列に配置された例を示しているが、行及び列の数は任意に変更してよい。
【００８２】
本実施形態の赤外線センサにおいて、各単位画素の出力ノード２０は、列ごとに垂直信号線５１と接続されている。各垂直信号線５１は、それぞれ信号処理部６１と接続されている。各信号処理部６１は、それぞれ幅回路、電位差検出回路及び電荷蓄積回路部又は電圧加算回路により構成されている。各信号処理部６１は、それぞれ水平走査部６２により制御され、第１のタイミングにおける垂直信号線５１の電圧と第２のタイミングにおける垂直信号線５１の電圧との差に応じた信号を生成し、共通信号線５２に順次出力する。
【００８３】
各単位画素の、第１の電源線３１、第２の電源線３２、制御線３４、制御線３５、制御線３６、制御線３７及び制御線３８は、それぞれ行ごとにそれぞれ接続され、信号制御部６３により制御される。
【００８４】
以下に、第２の実施形態に係る赤外線センサの動作について図面を参照して説明する。図８は第４の実施形態の赤外線センサの動作タイミングを示している。なお、図８においては、１列目の単位画素４１Ａ及び単位画素４１Ｃについてのみタイミングを示している。
【００８５】
まず、期間Ａにおいて１行目の単位画素４１Ａの信号を垂直信号線５１に出力する。期間Ｔ１において１行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２に、第１の電源線３１の電圧及び第２の電源線３２の電圧をそれぞれ充電する。
【００８６】
次に、期間Ｔ２において１行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ３において、１行目の制御線３６の電圧をＨレベルとしてスイッチ素子１７を導通状態とすることにより、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とを直列に接続する。これにより垂直信号線５１の電圧は、基準電圧Ｖ１となる。
【００８７】
次に、期間Ｔ４において、１行目の制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ５において、再び１行目の制御線３４の電圧をＨレベルとすると共に、１行目の制御線３７の電圧をＨレベルとする。これにより、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、赤外線検出容量素子１３には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００８８】
次に、期間Ｔ６において、１行目の制御線３４及び制御線３７の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ７において１行目の制御線３８の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ａの第１の容量素子１１と赤外線検出容量素子１３とを直列に接続する。これにより、垂直信号線５１の電圧は、単位画素４１Ａの赤外線検出容量素子１３に入射した赤外線の量に応じた検出電圧Ｖ２ａとなる。
【００８９】
信号処理部６１において、基準電圧Ｖ１と検出電圧Ｖ２ａとの差に応じた信号が生成され、単位画素４１Ａの信号が共通信号線５２から出力される。
【００９０】
続いて、期間Ｂにおいて２行目の単位画素４１Ｃの信号を垂直信号線５１に出力する。期間Ｔ１において２行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１及び第２の容量素子１２に、第１の電源線３１の電圧及び第２の電源線３２の電圧をそれぞれ充電する。
【００９１】
次に、期間Ｔ２において２行目の制御線３５及び制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ３において、２行目の制御線３６の電圧をＨレベルとしてスイッチ素子１７を導通状態とすることにより、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１と第２の容量素子１２とを直列に接続する。これにより垂直信号線５１の電圧は、基準電圧Ｖ１となる。
【００９２】
次に、期間Ｔ４において、２行目の制御線３６の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ５において、再び２行目の制御線３４の電圧をＨレベルとすると共に、２行目の制御線３７の電圧をＨレベルとする。これにより、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１には第１の電源線３１の電圧が充電され、赤外線検出容量素子１３には第２の電源線３２の電圧が充電される。
【００９３】
次に、期間Ｔ６において、２行目の制御線３４及び制御線３７の電圧をＬレベルとした後、期間Ｔ７において２行目の制御線３８の電圧をＨレベルとして、単位画素４１Ｃの第１の容量素子１１と赤外線検出容量素子１３とを直列に接続する。これにより、垂直信号線５１の電圧は、単位画素４１Ｃの赤外線検出容量素子１３に入射した赤外線の量に応じた検出電圧Ｖ２ｃとなる。
【００９４】
信号処理部６１において、基準電圧Ｖ１と検出電圧Ｖ２ｃとの差に応じた信号が生成され、単位画素４１Ｃの信号が共通信号線５２から出力される。
【００９５】
本実施例においては、１列目の単位画素の読み出しについてのみ説明したが、行ごとに複数の列の読み出しを行えば、行列状に配置されたすべての単位画素から信号を読み出すことができる。
【００９６】
各実施形態において、電源の駆動容量をさらに小さくするために、参照容量素子である第２の容量素子１２及び赤外線検出容量素子１３に印加する電圧を０Ｖとする例を示したが、必ずしも０Ｖである必要はない。また、基準電圧及び検出電圧の検出を容易とするために、並列容量素子又は直列容量素子である第１の容量素子１１と、参照容量素子である第２の容量素子１２の容量値を、赤外線検出容量素子１３に赤外線が入射していない場合の容量値と等しくしたが、必ずしも各容量値が等しい必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る赤外線センサは、駆動容量が大きい電源を必要とせず且つ基準電圧及び検出電圧へのノイズの影響が小さい赤外線センサを実現でき、室温の物体や人体から放出される赤外線（熱線）を検出する赤外線センサ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサを示す回路図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサを示す回路図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサを示す回路図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図９】従来例に係る赤外線センサを示す回路図である。
【図１０】従来例に係る赤外線センサの動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
１１      第１の容量素子
１２      第２の容量素子
１３      赤外線検出容量素子
１４      スイッチ素子
１５      スイッチ素子
１６      スイッチ素子
１７      スイッチ素子
１８      スイッチ素子
２０      出力ノード
３１      第１の電源線
３２      第２の電源線
３４      制御線
３５      制御線
３６      制御線
３７      制御線
３８      制御線
４１Ａ    単位画素
４１Ｂ    単位画素
４１Ｃ    単位画素
４１Ｄ    単位画素
５１      垂直信号線
５２      共通信号線
６１      信号処理部
６２      水平走査部
６３      信号制御部
【図１】
2008039466.tif 000003
【図２】
2008039466.tif 000004
【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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