(57)【要約】      （修正有）【課題】画素のＳＮ比を改良するために読み取り回路によりもたらされるノイズを低減する。【解決手段】少なくとも１つの抵抗式熱検出器（１０２）にバイアスをかけて読み取るための電子回路（１００）であって、抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、抵抗式熱検出器に一定値のバイアス電流を流すことによって抵抗式熱検出器にバイアスをかけることができるバイアス手段と、抵抗式熱検出器(１０２)の端子で電圧を電流に変換することができ、抵抗式熱検出器の端子の一つにゲートが電気的に接続させる少なくとも１つのＭＯＳ型トランジスタ（１０６）を備える変換手段と、変換手段のＭＯＳ型トランジスタのソースに電気的に接続されるベースクリップ電圧生成手段とを備える電子回路を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの抵抗式熱検出器にバイアスをかけて読み取るための電子回路であって、
前記抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、前記抵抗式熱検出器に一定値のバイアス電流を流すことによって前記抵抗式熱検出器にバイアスをかけることができるバイアス手段と、
前記抵抗式熱検出器の端子で電圧を電流に変換することができ、前記抵抗式熱検出器の端子の一つにゲートが電気的に接続させる少なくとも１つのＭＯＳ型トランジスタを備える変換手段と、
前記変換手段のＭＯＳ型トランジスタのソースに電気的に接続されるベースクリップ電圧生成手段とを備える電子回路。
【請求項２】
請求項１記載の電子回路であって、
前記バイアス手段は、ソース又はドレインが前記抵抗式熱検出器の端子の一つに電気的に接続される少なくとも１つの第１のＭＯＳ型トランジスタを備え、
前記変換手段の前記ＭＯＳ型トランジスタが、第２のＭＯＳ型トランジスタであることを特徴とする電子回路。
【請求項３】
請求項２記載の電子回路であって、
前記第１のＭＯＳ型トランジスタがＮＭＯＳトランジスタで、前記第２のＭＯＳ型トランジスタがＰＭＯＳトランジスタであり、又は、前記第１のＭＯＳ型トランジスタがＰＭＯＳトランジスタで、前記第２のＭＯＳ型トランジスタがＮＭＯＳトランジスタであることを特徴とする電子回路。
【請求項４】
請求項２記載の電子回路であって、
前記第１のＭＯＳ型トランジスタ及び前記第２のＭＯＳ型トランジスタが、ＰＭＯＳ又はＮＭＯＳの、同じタイプのトランジスタであることを特徴とする電子回路。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の電子回路であって、
前記第２のＭＯＳ型トランジスタに電気的に接続され、かつ、前記第２のＭＯＳ型トランジスタと、前記変換手段によって出力された電流が送られる出力端子との間で電流の流れを規定し遮断することができる少なくとも１つのスイッチを備えることを特徴とする電子回路。
【請求項６】
少なくとも１つの抵抗式熱検出器を有する画素のマトリックスと、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の、少なくとも１つの抵抗式熱検出器にバイアスをかけて読み取るための複数の電子回路とを備える電子撮像素子。
【請求項７】
請求項６記載の電子撮像素子であって、
前記電子回路が、前記電子回路によってバイアスがかけられて読み取られる抵抗式熱検出器と、１つの前記画素に配置された前記電子回路の前記バイアス手段及び前記変換手段とを備える前記画素と関連付けられることを特徴とする電子撮像素子。
【請求項８】
請求項６記載の電子撮像素子であって、
前記電子回路は、前記電子回路によってバイアスがかけられて読み取られる抵抗式熱検出器をそれぞれが備える数個の画素に関連付けられ、各々が前記画素の一つの前記抵抗式熱検出器の端子で電圧を電流に変換することができ、前記数個の画素のうちの１つに配置される数個の変換手段を備え、
前記画素の前記抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、前記電子回路の前記バイアス手段が、前記数個の画素に共通であり、前記画素の前記抵抗式熱検出器に一定値のバイアス電流を流すことによって前記画素の前記抵抗式熱検出器にバイアスをかけることができることを特徴とする電子撮像素子。
【請求項９】
請求項８記載の電子撮像素子であって、
前記電子回路の前記バイアス手段が前記画素の外部に配置されることを特徴とする電子撮像素子。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の電子撮像素子であって、
前記画素の各々はまた、前記画素の前記抵抗式熱検出器と前記画素の前記バイアス手段との間で、一定値のバイアス電流の流れを規定し遮断することができる、少なくとも１つのスイッチを備えることを特徴とする電子撮像素子。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか一項に記載の電子撮像素子であって、
前記電子回路の前記バイアス手段はまた、前記バイアス電流の値を変更することができる少なくとも１つの熱式抵抗式熱検出器を備えることを特徴とする電子撮像素子。
【請求項１２】
請求項６〜１１のいずれか一項に記載の電子撮像素子であって、
前記抵抗式熱検出器が赤外線を測定できることを特徴とする電子撮像素子。
【請求項１３】
請求項６〜１２のいずれか一項に記載の電子撮像素子であって、
前記抵抗式熱検出器がボロメータであることを特徴とする電子撮像素子。
【請求項１４】
抵抗式熱検出器によって温度を測定する方法であって、
前記抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、前記抵抗式熱検出器に一定値のバイアス電流を流すことによって前記抵抗式熱検出器にバイアスをかける工程と、
測定される温度にさらされる前記抵抗式熱検出器の端子で電圧を読み取る工程と、
ベースクリップ電圧がソースに印加され、ゲートが前記抵抗式熱検出器の端子の一つに電気的に接続されたＭＯＳ型トランジスタによって前記抵抗式熱検出器の端子で読み取られた電圧を、測定温度に対応する電流に変換する工程とを少なくとも備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度測定、及び、例えば、赤外線撮像等の撮像の技術分野に関する。より具体的には、抵抗式熱検出器を用いた未冷却の（non-cooled）赤外線撮像に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ボロメータ（bolometers）等の抵抗式熱検出器を用いる赤外線撮像素子は、赤外線検出器として用いられる抵抗式熱検出器を各々有し、かつ、電気抵抗の変化を介して温度の変化に反応する画素マトリックスを備える。撮像素子はまた、検出器によって供給された信号、すなわち、電気的抵抗の変化の取得、処理及び評価を実行する電気的読み取り回路を備える。
【０００３】
図１に示されるように、本実施例において、上記の撮像素子の画素１０の構造は、ボロメータ１２と、関連する読み取り回路とを備える。
【０００４】
ボロメータ１２は、バイアス電圧Vdtが印加される第１端子と、ボロメータ１２に電圧バイアスをかけることができる、ＮＭＯＳトランジスタ１４のソースに電気的に接続される第２端子とを備える。ＮＭＯＳトランジスタ１４のドレインは、温度測定がボロメータ１２によって実行されると、閉じられるスイッチ１６に電気的に接続される。
【０００５】
ベースクリップ回路１８は、画素マトリックスの画素の各カラムの先端に配置される。各回路１８は、供給電圧Vddが印加される第１の端子と、ＰＭＯＳトランジスタ２２のソースに電気的に接続される第２の端子とを有する熱式ボロメータ２０を備える。バイアス電圧Gebは、ＰＭＯＳトランジスタ２２のゲートに印加される。電圧Vdtを、ボロメータ１２のバイアスを調節するために、電圧Gebと組み合わせて使用することができる。ＰＭＯＳトランジスタ２２のドレインは、カラム中の画素全てに共通で、かつ、回路１８がベースクリップ電流Iebを出力するバス２４に電気的に接続される。画素１０は、スイッチ１６によってバス２４に電気的に接続される。最終的に、バス２４は、（回路１８と反対の）カラムベースで、カラム中の画素によって出力される測定電流を処理するための回路２６に電気的に接続される。
【０００６】
この構造において、ボロメータ１２の電圧バイアスは、ＮＭＯＳトランジスタ１４によって達成される。ボロメータ１２に印加されるバイアス電圧は、注入トランジスタ又はバイアストランジスタと呼ばれる、ＮＭＯＳトランジスタ１４のゲートに印加される電圧Gdtによって制御される。ボロメータ１２の電圧バイアスは、ボロメータ１２を通過する平均電流Iboloを決定することを可能にする。注入トランジスタ１４の動作点において注入トランジスタ１４が飽和限界で機能できるように、電圧Gdtは選択される。
【０００７】
ボロメータ１２が測定された温度変化にさらされると、この変化により電気的抵抗の変化をもたらす。ボロメータ１２が電圧をバイアスされることを考慮すると、次に、この電気的抵抗の変化が、ボロメータ１２を通過する電流の変化をもたらす。従って、有用な情報、すなわち、測定された温度変化は、電流の変動に含まれ、電圧バイアスによって決定される平均値Iboloに集中する。従って、ボロメータ電流、すなわち、ボロメータを通過する電流は、ボロメータ１２によって測定される温度変化で表したものであり、ボロメータと関連する読み取り回路によって処理される数値となる。
【０００８】
回路１８は、ボロメータ電流のベースクリップを可能にする。これは、ボロメータ１２によって供給される電流が温度変動量を表す信号に小さな変動がある、高いコモンモードを有するからである。従って、ベースクリップ回路１８は、有用な部分だけを維持するために、ボロメータ電流のコモンモードを除去するのに使用される。スイッチ１６を閉じることによって、注入トランジスタ１４のドレインは、バス２４及び回路１８に電気的に接続される。回路１８によって出力されたベースクリップ電流Ｉｅｂは、ボロメータ１２によって出力された電流に加算され、そして、ボロメータ１２によって供給される電流のコモンモードを除去し（このコモンモードの除去はベースクリップ動作（base clipping operation）に相当する）、従って、コモンベースで、処理回路２６に出力され、ボロメータ１２によって行われる温度変化の測定に唯一対応するベースクリップ電流を得ることができるようになる。
【０００９】
次に、処理回路２６は、回路２６の積分サブ回路を介して、ベースクリップ電流の積分を行う。次に、この積分の結果は、ボロメータによって供給される情報を含む電圧の形で提供される。次に、この電圧はバスに送られ、画素のマトリックス中のセンサ（ボロメータ）全てと関係する電圧全てを順次回復する。次に、「画素値（pixel values）」のこのシーケンスは、撮像素子の画素マトリックスによって取得される画像を再構成して表示するために、ビデオ増幅器に送られる。
【００１０】
しかしながら、前述の画素１０の構造は、満足する性能、特にＳＮ比（signal to noise ratio）に関する性能が得られない。これは、撮像素子によって取得された信号（赤外線）が、ボロメータ自身及び読み取り回路のために必然的な劣化（ノイズ）を受けるからであり、最後に得られる信号に関し、ＳＮ比の低下をもたらす。ボロメータが低い平均抵抗を有するとき、この障害が大きくなる。この場合、読み取り電子機器によって起こる劣化は、ボロメータ自身によって起こる劣化よりも大きくなる。従って、この場合、電子機器の読み取り回路は、画素の性能を制限する。
【００１１】
実際に、ボロメータの平均抵抗の劣化により、以下の注入トランジスタ１４の注入効率の低下が起きる。
【数１】
2012118078.tif 000003
ここで、gmは注入トランジスタ１４の相互コンダクタンスであり、Rboloはボロメータ１２の抵抗である。
【００１２】
この低下は、ボロメータ１２によって提供される測定電流の、注入トランジスタ１４による伝達不良をもたらす。
【００１３】
さらに、Rboloが減少する場合、次いで、ボロメータInoise＿boloにより起こる電流ノイズもまた減少する。
【００１４】
しかしながら、Inoise_bolo2 = I1/f2 + Ithermal2である。Rboloが減少するとき、1/fノイズは熱ノイズが増加するよりもさらに減少する。従って、ボロメータ１２はノイズが少なくなる。
【００１５】
さらに、iboloが増加する場合、次いで、注入トランジスタ１４によって起きる電流ノイズが増加する。トランジスタのノイズは、２つの要素、熱ノイズ（ホワイト・ノイズ）及び1/fノイズからなる。次の数量、1/Rbolo，Ids，W/L及びW.Lにより表現される。ここで、Idsはトランジスタのドレイン−ソース電流であり、Wはトランジスタの幅であり、Lはトランジスタのゲート長である。
【００１６】
従って、注入トランジスタ１４はノイズを大きくする。
【００１７】
結局、読み取り回路のノイズは、ボロメータのノイズに対して優位になる。その結果として、画素のＳＮ比は減少し、撮像素子の解像度があまり良好ではなく、取り込まれた画像の画質が低下する。
【００１８】
従って、これを解決するために、ボロメータの読み取り回路の電子機器の性能を向上することが要求される。従って、画素のｓｎ比を改良するために読み取り回路によりもたらされるノイズを低減することを主な目的とする。
【００１９】
ＭＯＳトランジスタのノイズを低減するために提案された解決策は本質的に、ＳＯＩ技術の使用及び／又はトランジスタのサイズに基づく作用から構成される。これは、トランジスタのサイズを大きくすることによって、ノイズが小さくなるからである。従って、前記性質により、トランジスタの幅W及びゲート長Lを大きくする。
【００２０】
しかしながら、前記要素の寸法の作用は、扱い難いこと、特に撮像分野において扱い難いことが分かっている。これは、撮像素子が画素のマトリックスから構成されている、すなわち、画素に配置された要素全てが画素のサイズによって制約される寸法を有するためである。しかし、数個の画素に共通の、いくつかの要素（図１の実施例における回路１８及び回路２６）は、ベースで及び／又はカラム（column）及び／又は行（row）の先端で、すなわち、もはやサイズを制限しない画素の外部に配置されることもできる。しかしながら、この点は、ノイズを低減することが要求され、ボロメータ近くに配置される要素には適用しない。これらの要素は画素の中に置かれ、従って、寸法の取り扱いが制限される。
【００２１】
扱い難いけれども、ある程度これらのトランジスタの寸法を大きくして、ノイズを低減することができる。しかしながら、要素のサイズが１つの画素のサイズを超えるとき、２つの隣接する画素の間のコンポーネントの共有を実行することによって、画素の全体的構造を修正することが必要になる。しかしながら、画素間の要素のそのような共有は、撮像素子の使用の制約を伴う。例えば、いくつかの行では同時取得が行われる、画素マトリックスをスキャンする方法であり、かつ、それ故に各画素がマトリックスの他の画素と共有しない、画素自身の読み取り電子機器を有することを要求する、「巻き上げシャッター（rolling shutter）」モードを、もはや使用することができない。
【発明の概要】
【００２２】
本発明の目的は、少なくとも１つの抵抗式熱検出器、例えばボロメータ等にバイアスをかけて読み取り、撮像デバイスの新規な画素構造を形成し、画素の電子要素、特にトランジスタのサイズを大きくすることなくとらえられた信号のＳＮ比を向上させる、新規な電子回路を提供することである。
【００２３】
本目的のために、少なくとも１つの抵抗式熱検出器（例えば、ボロメータ）にバイアスをかけて読み取るための電子回路であって、抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、抵抗式熱検出器に実質的に一定値のバイアス電流を流すことによって抵抗式熱検出器を分極させることができるバイアス手段と、抵抗式熱検出器の端子で電圧を電流に変換することができる変換手段とを備える電子回路を提供する。
【００２４】
具体的には、少なくとも１つの抵抗式熱検出器にバイアスをかけて読み取るための電子回路であって、
前記抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、前記抵抗式熱検出器に実質的に一定値のバイアス電流を流すことによって前記抵抗式熱検出器にバイアスをかけることができるバイアス手段と、
前記抵抗式熱検出器の端子で電圧を電流に変換することができ、前記抵抗式熱検出器の端子の一つにゲートが電気的に接続させる少なくとも１つのＭＯＳ型トランジスタ（第２のトランジスタと呼ぶ）を備える変換手段と、
前記変換手段のＭＯＳ型トランジスタのソースに電気的に接続されるベースクリップ電圧生成手段とを備える電子回路である。
【００２５】
このようなバイアス印加読み取り電子回路は、任意のタイプの抵抗式熱検出器、例えば、ボロメータ、マイクロボロメータ、又は温度により変化可能な他の抵抗器を使用し得る。
【００２６】
この新規な電子回路は、検出器で測定された温度変動を検出器の端子で電圧の変動に変換することができるように、直流によって検出器にバイアスをかけることを行う。次に、これらの電圧変動は、例えば、「共通ソース（common source）」として接続されたＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスを使用する変換手段によって、電流に変換される。従って、従来技術の読み取り電子回路において見られるように、電流は測定される温度変動の画像である数値を維持する。しかしながら、本発明において、この電流は２段階の変換工程、すなわち、抵抗の変動が電圧変動に変換され、次いで、電流変動に変換される変換工程で得られる。
【００２７】
このバイアス印加読み取り電子回路は、検出器のバイアス手段の制約や測定手段の制約と切り離すことができるように、検出器の測定と完全に独立な検出器のバイアス電流を使用する。従って、このバイアス印加読み取り電子回路は、測定手段にとって従来技術の回路の電流よりも少ないノイズで非常に低い電流を測定手段において使用しながら、ＳＮ比の観点から検出器が最適に機能するために必要な強度のバイアス電流を検出器に供給することができるようになる。
【００２８】
さらに、このバイアス印加読み取り電子回路は、読み取られる値のコモンモードの、新規なタイプのベースクリップに適用される。測定電流の平均値は、もはや検出器によって与えられないが、単に測定手段によって与えられる。従って、電流ベースクリップは、例えば、測定手段のＭＯＳトランジスタの端子の一つの電圧を単に制御することによって部分的に行われる。従って、カラム先端に配置された従来技術のベースクリップ構造（図１に示された回路１８）に頼る必要はない。
【００２９】
この新規なバイアス印加読み取り電子回路の構造は、抵抗式熱検出器の情報を読み取り、信号のベースクリップを実行することができるようになり、そして、画素の構造全体を複雑にすることなく、電子要素のリサイズを要求することなく、そして、画素のグローバルマトリックス構造の修正を要求することなく、検出器の読み取り回路のノイズを低減するという利点を有する。
【００３０】
この新規なバイアス印加読み取り電子回路はまた、検出器の電流、又はボロメータの電流の測定を損なうことなく、検出器の最適な機能を提供する特性（検出器を通過する電流、及び検出器の端子の電圧）を維持し、撮像素子のグローバルマトリックス構造に疑問を投げかけることなく、画素の電子素子ノイズを低減できるようになる。
【００３１】
従って、従来技術の回路で検出器のノイズに関して顕著であった電子素子のノイズが、相対的に低減される。測定されるＳＮ比は、改良され、得られた画像の質及び解像度を向上させる。
【００３２】
この回路はまた、従来技術の回路と比較して非線形性を低減する。
【００３３】
従来技術の回路と比較すると、新規なバイアス印加読み取り電子回路は、追加される装置を備えない。例えば、バイアス手段と読み取り手段とを形成することができるＭＯＳトランジスタの数は、従来技術のバイアス印加読み取り回路の場合と同じである。
【００３４】
さらに、このバイアス印加読み取り電子回路の構造は、画素間の電子要素を共有する必要がない。従って、このような電子回路を備える画素素子は、画素間の電子要素を共有する場合に実行することができない、「ロール・シャッター（rolling shutter）」モードに従った画素のマトリックスをスキャンすることができる。
【００３５】
バイアス手段は、ソース又はドレインが抵抗式熱検出器の端子の一つに電気的に接続される、ＭＯＳ型の第１のトランジスタを少なくとも１つ備えてもよい。
【００３６】
変換手段は、ゲートが抵抗式熱検出器の端子の少なくとも一つに電気的に接続され得る、ＭＯＳ型の第２のトランジスタを少なくとも１つ備えてもよい。従って、検出器の端子で電圧を、第２のＭＯＳ型トランジスタの相互インダクタンスを介して、測定電流に変換することができる。さらに、回路の測定部分にＭＯＳトランジスタを使用することにより、この部分のフローティング電圧（飽和状態でのＭＯＳトランジスタのドレイン電圧）から得られ、電圧の観点から互いに画素を分離し、従って、マトリックスの他の画素を読み取る間、画素に支障をきたすのを避けるようになる。従って、高出力インピーダンスを維持する画素の利点は、増幅器の固有のノイズの除去を強化することによって、振幅の寄与と同様、画素のノイズが低減されるので、維持される。従って、全ＳＮ比は向上する。
【００３７】
本発明の回路はまた、得られる読み取り電流に関して、バイアス電流と独立にできるようにする。そして、低い測定電流を有し、従って、回路のＳＮ比を向上させることができるようにする。
【００３８】
第１のＭＯＳ型トランジスタはＮＭＯＳトランジスタで、かつ、第２のＭＯＳ型トランジスタはＰＭＯＳトランジスタであってもよい。変形例では、第１のＭＯＳ型トランジスタはＰＭＯＳトランジスタで、かつ、第２のＭＯＳ型トランジスタはＮＭＯＳトランジスタであってもよい。
【００３９】
他の変形例では、第１及び第２のＭＯＳ型トランジスタは、ＰＭＯＳ又はＮＭＯＳの、同じタイプのトランジスタであってもよい。
【００４０】
電子回路はまた、第２のＭＯＳ型トランジスタのソースに電気的に接続されるベースクリップ電圧生成手段を備えてもよい。
【００４１】
電子回路はまた、第２のＭＯＳ型トランジスタに電気的に接続し、第２のＭＯＳ型トランジスタと変換手段によって出力される電流が送られる出力端子との間の電流を規定し遮断することができる少なくとも１つのスイッチを備えてもよい。
【００４２】
本発明はまた、各画素が少なくとも１つの抵抗式熱検出器を有し、上述の少なくとも１つの抵抗式熱検出器のための、複数のバイアス印加読み取り電子回路をも有する、画素のマトリックスを備える撮像素子に関する。
【００４３】
各バイアス印加読み取り電子回路は、前記バイアス印加読み取り回路によってバイアスがかけられ読み取られる抵抗式熱検出器を備える一つの画素に関連づけられてもよい。バイアス印加読み取り回路のバイアス手段及び変換手段を、前記画素に配置することができる。
【００４４】
変形例では、各バイアス印加読み取り電子回路は、バイアス印加読み取り回路によってバイアスがかけられて読み取られる抵抗式熱検出器をそれぞれが備えるいくつかの画素に関連付けられ、画素の一つの抵抗式熱検出器の端子で電圧を電流に変換することができ、前記画素の一つに配置可能ないくつかの変換手段を備えることができてもよい。そして、各バイアス印加読み取り回路のバイアス手段が、前記いくつかの画素に共通し、前記画素の抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、前記画素の抵抗式熱検出器に実質的に一定値のバイアス電流を流すことによって前記画素の抵抗式熱検出器にバイアスをかけることができてもよい。
【００４５】
この変形例では、各バイアス印加読み取り電子回路のバイアス手段は前記画素の外部に配置されてもよい。
【００４６】
さらに、前記画素の各々はまた、前記画素の抵抗式熱検出器と前記画素のバイアス手段との間で、実質的に一定値のバイアス電流の流れを規定し遮断することができる、少なくとも１つのスイッチを備えてもよい。
【００４７】
各バイアス印加読み取り電子回路のバイアス手段はまた、前記バイアス電流の値を変更することができる少なくとも１つの熱式抵抗式熱検出器を備えてもよい。
【００４８】
抵抗式熱検出器は赤外線を測定できてもよい。
【００４９】
抵抗式熱検出器はボロメータであってもよい。
【００５０】
最後に、本発明はまた、少なくとも１つの抵抗式熱検出器によって温度を測定する方法であって、
抵抗式熱検出器の電気抵抗に変動があると、抵抗式熱検出器に実質的に一定値のバイアス電流を流すことによって抵抗式熱検出器にバイアスをかける工程と、
測定される温度にさらされる抵抗式熱検出器の端子で電圧を読み取る工程と、
抵抗式熱検出器の端子で読み取られた電圧を、測定温度に対応する電流に変換する工程とを少なくとも備える方法に関する。
【００５１】
変換する工程は、ゲートが抵抗式熱検出器の端子の一つに電気的に接続されたＭＯＳ型トランジスタによって行われてもよい。ベースクリップ電圧がＭＯＳ型トランジスタのソースに印加されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来技術のボロメータを有する赤外線撮像素子のマトリックスの画素と、関連する読み取り回路との構造を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態の、撮像素子の画素の抵抗式熱検出器用バイアス印加読み取り電子回路を示す図。
【図３】本発明の抵抗式熱検出器用バイアス印加読み取り電子回路によって、抵抗式熱検出器の端子で、電圧変動を電流の変動に変換することを図示した図。
【図４】本発明の抵抗式熱検出器用バイアス印加読み取り電子回路を備える画素内で行われる様々な変換動作を図示した図。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例の撮像素子の画素の抵抗式熱検出器のバイアス印加読み取り電子回路を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態の撮像素子の画素の抵抗式熱検出器のバイアス印加読み取り電子回路を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態の異なる変形例の撮像素子の画素の抵抗式熱検出器のバイアス印加読み取り電子回路を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態の異なる変形例の撮像素子の画素の抵抗式熱検出器のバイアス印加読み取り電子回路を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態の異なる変形例の撮像素子の画素の抵抗式熱検出器のバイアス印加読み取り電子回路を示す図。
【図１０】本発明の、画素のマトリックスと、抵抗式熱検出器のバイアス印加読み取り電子回路とを備える撮像素子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明は、添付図面を参照して、単に指示的、かつ、非制限的に与えられた例示的実施形態の記載を読むことによって、より理解される。
【００５４】
添付図面を通じて理解を容易にするために、以下に記載される異なる図面の同一、類似又は同等な部分は、同じ参照符号が付けられる。
【００５５】
図面に示される異なる部分は、図面をより読み易くするために、必ずしも均等なスケールにより示されるものではない。
【００５６】
異なる可能性は（変形及び実施形態）、互いに排他するものではないとして理解されなければならず、互いに組合せることもできる。
【００５７】
明細書に記載された異なる例示的な実施形態は、ボロメータ型の抵抗式熱検出器を備える。しかしながら、これらの実施形態はまた、ボロメータ以外の、例えば、温度のより変化する抵抗等の、いかなる形式の抵抗式熱検出器にも適用できる。
【００５８】
まず第１に、図２を参照すると、図２は、第１の実施形態の、赤外線撮像素子の画素１０１のボロメータ１０２にバイアスをかけ、読み取るための電子回路１００を示す。
【００５９】
明細書において、電子回路１００の要素はすべて、電子回路１００がバイアスをかけられ、読み取ることを目的とするボロメータ１０２を備える画素１０１内に、作られる。ボロメータ１０２は、電子回路１００の一部である、電圧Vdtが印加される第１の端子と、ＰＭＯＳ型の第１のＭＯＳトランジスタ１０４のドレインに電気的に接続する第２の端子とを備える。供給電圧Vddは第１のＭＯＳトランジスタ１０４のソースに印加される。
【００６０】
電子回路１００はまた、第１のトランジスタ１０４、すなわち、ＮＭＯＳトランジスタと反対のタイプの第２のＭＯＳトランジスタ１０６を備える。電圧Vebは、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のソースに印加される。第２のＭＯＳトランジスタ１０６のゲートは、第１のＭＯＳトランジスタ１０４のドレインに電気的に接続される。最終的に、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のドレインはスイッチ１０８によってバス１１０に電気的に接続される。
【００６１】
赤外線撮像素子のマトリックスは、図示しない、画素１０１と類似の他の画素、すなわち、ボロメータ１０２と類似のボロメータと、電子回路１００と類似のバイアス印加読み取り電子回路（electronic biasing and reading circuit）とを有する画素を備える。画素１０１と同じカラムに配置された画素はまた、このカラムの画素によって出力される測定信号すべてがバス１１０によって処理回路１１２に出力されるように、バス１１０に電気的に接続される。
【００６２】
第１のＭＯＳトランジスタ１０４は、ボロメータ１０２のバイアス電流のための手段を形成し、そして、ボロメータ１０２を通過する実質的に一定の値の平均バイアス電流Ioを有する。その状況での温度変動はボロメータ１０２の抵抗Roの変動と、従って、ボロメータ１０２の端子で電圧Voの変動とをもたらす。
【００６３】
ボロメータ１０２と第１のｍｏｓトランジスタ１０４のドレインとの間の交点での電位に対応する電圧Vbolo（Vbolo - Vo + Vdtとともに）が、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のゲートで読み取られる。そして、この電圧Vboloは、第２のＭＯＳトランジスタ１０６の相互コンダクタンスによって電流Imeasureに変換される。測定電流が読み取られると、すなわち、測定電流が画素１０１によって測定された信号を読み取ろうとすると、スイッチ１０８は閉鎖位置に切り替えられることが意図される。
【００６４】
第２のＭＯＳトランジスタ１０６のソースに印加される電圧Vebは、第２のＭＯＳトランジスタ１０６が飽和限界になるように、制御され、決定される。これは、第２のＭＯＳトランジスタ１０６の飽和領域（saturation regime）により、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のドレインをフローティング電圧に維持しながら、第２のＭＯＳトランジスタ１０６が電流の変動に対応できるからである。（センサの測定が行われ、次いでスイッチ１０８によって終了すると、このＭＯＳトランジスタのドレインは、画素１０１によって出力される測定電流を処理する回路１１２に接続され、そして、例えば、電流処理回路１１２の一部を形成する積分器として接続される増幅器の負側入力端子に接続される。この増幅器は回路の負側入力端子で電圧を決定する。）しかしながら、非常に小さなコモンモードを得るために可能な限り低い電流だけを供給し、次いで、測定されたシーン温度（scene temperature）の変動に対応する小さな電流の変動だけを維持しながら、第２のＭＯＳトランジスタ１０６に対して、飽和状態であることが要求される。これが、第２のＭＯＳトランジスタ１０６を飽和限界になるように、電圧Vebが制御され、かつ決定される理由である。
【００６５】
従って、ボロメータ１０２によって測定された温度変化を表し、かつ、第２のＭＯＳトランジスタ１０６の電流Idsに対応する測定電流Imeasureは、以下の通りである。
【数２】
2012118078.tif 000004
ここで、Coxは第２のＭＯＳトランジスタ１０６表面のユニットごとのゲート酸化物の静電容量；Wは 第２のＭＯＳトランジスタ１０６のチャネル幅；μは第２のＭＯＳトランジスタ１０６のキャリアの移動度；Lは第２のＭＯＳトランジスタ１０６のチャネル長；Vgsは第２のＭＯＳトランジスタ１０６のゲート−ソース電圧；Vtは第２のＭＯＳトランジスタ１０６の閾値電圧である。
【００６６】
しかしながら、Vgs = Vbolo - Vebである。
【００６７】
さらに、Vbolo = Io x Roである。
【００６８】
従って、以下のように与えられる。
【数３】
2012118078.tif 000005
【００６９】
そして、ボロメータ１０２がシーン温度の変動にさらされると、これにより電気抵抗Roの変動が起き、そして、測定電流Imeasureの変動をもたらす。
【００７０】
図３に示される曲線５０は、Vboloの値の関数としての電流Imeasureの値の関係に対応し、すなわち、数式（２）を図示したものである。曲線５２は、オームの法則によって得られる、Vboloの値の関数としてのバイアス電流Io = Iboloの値の関係をあらわしたものである。そして、図３に示すように、第２のＭＯＳトランジスタ１０６の動作点に対して、ボロメータ１０２による温度変動の測定により、動作点のまわりで電圧Vboloの変動５４がもたらされる。次いで、この変動５４は、第２のＭＯＳトランジスタ１０６によって電流Imeasureの変動５６に変換される。電圧Vboloと測定電流Imeasureとの間の関係は、線形ではなく、２次式（数式（２））である。
【００７１】
また、この関係により、第２のＭＯＳトランジスタ１０６の相互インダクタンス
【数４】
2012118078.tif 000006
を介して、VboloからImeasureへの変換によって説明することができる。この場合、数式（２）はまた、以下のように記載することができる。
【数５】
2012118078.tif 000007
【００７２】
前述した従来技術の画素１０に関して、測定電流の変化とシーン温度との間の関係は逆になる。これは、画素１０１において、シーン温度が増加すると、ボロメータの抵抗Roが減少し、次いで、電圧Vboloの低下を起こし（第１のＭＯＳトランジスタ１０４によってボロメータ１０２のバイアス電流が一定電流Ioをもたらす）、それ自身が第２のＭＯＳトランジスタ１０６を介して電流Imeasureの変動を含み、そして、シーン温度が減少すると逆になるからである。従って、意図的に逆に挿入された場合を除き、画素１０１と類似する画素のマトリックスを備える赤外線撮像素子によって取得される画像において、クールゾーン（cool zone）は薄灰色レベル（light grey level）で表され、ホットゾーン（hot zone）は濃灰色レベル（dark grey level）で表される。
【００７３】
さらに、画素１０の前記構造に反して、ボロメータ１０２にバイアスをかけて読み取るための電子回路１００の構造は、ボロメータ１０２の熱さ（heating）θとシーン温度Tscとの間の関係の非線形性を弱める。
【００７４】
図４は、ボロメータ１０２によってとらえられる赤外線から、電子回路１００の出力で得られる測定電流Imeasureの範囲まで、画素１０１内で行われる様々な変換動作を図示する。
【００７５】
測定されたシーン温度Tscの変動は、曲線６０によって表される。シーンが黒体（black body）に吸収されてもよいことを考えれば、この温度変化６０に対応する熱線６２は、黒体に対する熱さδθと温度Tscとの間の関係を表し、Tscのべき乗である曲線６４によって得られる。図４において、熱さδθの値と温度Tscとの間の関係６４は、熱線６２の信号に見られる凹状の湾曲を、温度変動信号６０に与えるということが分かる。
【００７６】
受け入れられる赤外線フラックス（infrared flux）の関数として、ボロメータ１０２の抵抗Roの値を考慮すると、曲線６６は、ボロメータ１０２の抵抗Roとボロメータ１０２によって受け入れられる熱さδθとの間の関係を示す。この曲線６６は、熱さの逆数の指数関数に比例する。ボロメータ１０２は、熱吸収体として、すなわち、負係数の熱抵抗として、熱的に機能する。赤外線フラックス６２に対応して得られたRoの変動は、曲線６８によって表される。図４において、ボロメータ１０２の抵抗Roと、ボロメータ１０２によって受け入れられる熱さδθとの間の関係６６は、凸状の湾曲を、赤外線フラックス６２の変動信号に与え、熱さδθの値と温度Tscとの間の関係６４によって与えられる凹状の湾曲を弱めるということが分かる。
【００７７】
Roの変動は直接、電圧Vboloの変動と、従って、また第２のＭＯＳトランジスタ１０６の端子で電圧Vgsの変動とに比例する。そして、曲線６８はまた、一定の倍率内で、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のゲートとソースの間の電圧Vgsの変動を表す。
【００７８】
変化において、２つのＭＯＳトランジスタは、同じタイプでもよい。そして、関係６４によって与えられる凹状の湾曲が強調される。
【００７９】
曲線７０は、ボロメータ１０２の抵抗Roと、画素１０１によって出力される電流Imeasureの値との間の関係を表す。この曲線７０は、係数Vgs2に比例する。ここで、Vgsは、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のゲート−ソース電圧に対応する。Roの変動６８に対応して得られるImeasureの変動は、曲線７２によって表される。図４において、ボロメータ１０２の抵抗Roと、電流Imeasureとの間の関係７０は、凸状の湾曲を電圧Vgsに対する変動信号に与えるということが分かる。従って、得られたImeasureに対する変動信号の湾曲７２は、測定されたシーン温度に対する初期信号６０の湾曲に近づく。
【００８０】
電子回路１００の構造は、第１のＭＯＳトランジスタ１０４のおかげで、ボロメータ１０２に必要な平均電流Ioを供給することを可能にする。さらに、ボロメータ１０２に電圧を電流に転換するために用いられる第２のＭＯＳトランジスタは、ノイズを弱めるには十分に弱く、ボロメータ１０２によって供給される有用な情報を表す変動を含むには十分に強い、第２のＭＯＳトランジスタを通過するドレイン−ソース電流Idsを有する。
【００８１】
第２のＭＯＳトランジスタ１０６のソースに印加される電圧Vebは測定電流Imeasureが無駄なコモンモードを有さないように選択され、従って、有益な電流の変動のみがバス１１０上に送られることを考慮すると、この電圧Vebは、ボロメータ１０２の電圧ベースクリップを行う。従って、このような電子回路１００は、ノイズを低減し、従来技術の画素１０中のカラム先端に配置されたベースクリップ構造１８を置き換えることができるようになる。
【００８２】
図５を参照すると、図５は、第１の実施形態の変形例の赤外線撮像素子の画素２０１のボロメータ１０２にバイアスをかけて読み取るための電子回路２００を示す。
【００８３】
上述した電子回路１００と比較すると、ボロメータ１０２のバイアス電流は、ＮＭＯＳ型の第１のＭＯＳトランジスタ２０４によって供給される。さらに、第１のＭＯＳトランジスタ１０４が、供給電圧Vddに電気的に接続されたソースと、ボロメータ１０２の端子に電気的に接続されたドレインとを有する（ボロメータ１０２の他の端子は電位Vdtに電気的に接続する）電子回路１００とは異なり、第１のＭＯＳトランジスタ２０４は、アースに電気的に接続されるソースと、ボロメータ１０２の端子に電気的に接続されるドレインとを有する。ボロメータ１０２の他の端子は、電位Vdtに電気的に接続される。電位Vdt自身は供給電圧Vddに接続する
【００８４】
電子回路２００はまた、ボロメータ１０２の電圧を電流に変換するのに役立つＰＭＯＳ型の第２のＭＯＳトランジスタ２０６を備える。電子回路１００と同様、電圧Vebは第２のＭＯＳトランジスタ２０６のソースに印加される。この電圧Vebはまた、供給電圧Vddに接続される。電子回路１００と同様、第２のＭＯＳトランジスタ２０６のドレインは、測定電流Imeasureをバス１１０に出力できるように、スイッチ１０８に電気的に接続される。
【００８５】
バイアス印加読み取り電子回路２００の動作原理は、電子回路１００の動作原理と同じである。
【００８６】
電子回路１００及び２００の変形で、バイアスをかけて変換するＭＯＳトランジスタが、ＮＭＯＳ又はＰＭＯＳで、同じタイプであっても可能である。ＰＭＯＳ型トランジスタに対しては、このような電子回路は、上述の回路１００に対応するであろうが、回路のＮＭＯＳトランジスタ１０６がＰＭＯＳトランジスタ２０６によって置き換えられる。第２のＰＭＯＳトランジスタ２０６のソースに印加される電圧Vebはまた、図５に示されるように、供給電圧Vddに接続される。ＮＭＯＳ型トランジスタに対しては、このような電子回路は、上述の電子回路２００に対応するであろうが、回路のＰＭＯＳトランジスタ２０６が、図２のようにソースに印加される電圧Vebを有するＮＭＯＳトランジスタ１０６によって置換される。
【００８７】
第２の実施形態の赤外線撮像素子の画素３０１のボロメータ１０２にバイアスをかけて測定するための他の電子回路３００を、図６に記載する。
【００８８】
上述のバイアス印加読み取り電子回路１００及び２００と異なり、電子回路３００のエレメントが、画素３０１内にすべて配置されるものではない。電子回路３００において、これは、ボロメータ１０２のバイアス電流が、画素のマトリックスのカラム先端に配置された、ＰＭＯＳ型の第１のＭＯＳトランジスタ３０４によって供給されるからである。電子回路１００同様に、第１のＭＯＳトランジスタ３０４のソースは、供給電圧Vddに電気的に接続する。第１のＭＯＳトランジスタ３０４は、ここでは、画素３０１と同じカラムに配置された画素のボロメータすべてにバイアス電流をかける。従って、第１のＭＯＳトランジスタ３０４のドレインは、バス３０７に電気的に接続する。また、スイッチによって、画素３０１と同じカラムに配置された画素のボロメータ各々をバス３０７に電気的に接続する。図６の例では、ボロメータ１０２はスイッチ３０５によってバス３０７に電気的に接続される。ボロメータ１０２はまた、第２の端子で、電位Vdtに電気的に接続され、画素３０１と同じカラムに配置された画素すべてに共通する。
【００８９】
電子回路１００と同様、電子回路３００は、ＮＭＯＳ型の第２のＭＯＳトランジスタ１０６を備える。カラムの画素すべてに対して共通の電圧Vebはまた、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のソースに印加される。第２のＭＯＳトランジスタのゲートは、スイッチ３０５とボロメータ１０２との間の電気的接続に電気的に接続される。最終的に、第２のＭＯＳトランジスタ１０６のドレインは、スイッチ１０８によってバス１１０に電気的に接続される。電子回路１００と同じような方法で、電子回路３００の第２のＭＯＳトランジスタ１０６は、電圧Vboloを読み取り、相互コンダクタンスを介して電圧Vboloを電流Imeasureに変換できるようになる。測定電流Imeasureが読み取られると、スイッチ１０８は閉鎖位置に切り替えられる。
【００９０】
間違いのない時点で間違いのないボロメータにバイアスをかけるために、スイッチ３０５が画素に加えられることを除き、電子回路３００の機能（ボロメータ１０２の電流にバイアスをかけることと、ボロメータ１０２の電圧を電流に変換すること）は、電子回路１００の機能と同じである。
【００９１】
電子回路１００及び２００と比較すると、第２の実施形態の電子回路３００は、画素内に１つのトランジスタ（第２のＭＯＳトランジスタ１０６）のみを要求する構造を有する点で有利である。
【００９２】
図７を参照すると、図７は、第２の実施形態の変形例の赤外線撮像素子の画素４０１のボロメータ１０２にバイアスをかけて読み取るための電子回路４００を示す。
【００９３】
上述の電子回路３００と比較すると、ボロメータ１０２のバイアス電流は、第１のＭＯＳトランジスタ３０４と同様、画素カラム先端に配置されるＮＭＯＳ型の第１のＭＯＳトランジスタ４０４によって供給される。さらに、第１のＭＯＳトランジスタ３０４が、供給電圧Vddに電気的に接続されるソースと、スイッチ３０５及びバス３０７によってボロメータ１０２（ボロメータ１０２の他の端子は電位Vdtに接続される）に電気的に接続されるドレインとを有する電子回路３００と異なり、第１のＭＯＳトランジスタ４０４はアースに電気的に接続されるソースと、スイッチ３０５及びバス３０７によってボロメータ１０２に電気的に接続するドレインとを有する。ボロメータの他の端子は、電位Vdtに電気的に接続され、電位Vdt自身は供給電圧Vddに電気的に接続される。
【００９４】
電子回路２００と同様、電子回路４００は、ボロメータ１０２の電圧を電流に変換するのに役立つＰＭＯＳ型の第２のＭＯＳトランジスタ２０６を備える。電子回路２００と同様、電圧Vebは第２のＭＯＳトランジスタ２０６のソースに印加される。この電圧Vebはまた、供給電圧Vddに接続される。最終的に、電子回路２００と同様、第２のＭＯＳトランジスタ２０６のドレインは、測定電流Imeasureをバス１１０に出力できるように、スイッチ１０８に電気的に接続される。
【００９５】
バイアス印加読み取り電子回路４００の動作原理は、電子回路３００の動作原理と同じである。
【００９６】
図８に示した他の実施形態の変形例では、電子回路３００が第１のＭＯＳトランジスタ３０４のソースと供給電圧Vddとの間に置かれた熱式ボロメータ（thermalised bolometer）３１０を備えられるように、ボロメータ１０２にバイアスをかけて読み取るための電子回路３００を実装できる。
【００９７】
これは、上述の電子回路１００〜４００では、ボロメータ１０２にバイアスをかける手段が単独で電流源を備え、電圧／電流変換を行う第２のＭＯＳトランジスタ１０６又は２０６の平均ゲート電圧が常に一定であるということになるからである。ベースクリップ電圧Vebはまた一定であることを考慮すると、一定の平均電圧Vgsと、その結果、一定の平均測定電流Imeasureとになる。このことは、電圧ベースクリップが決定されて、動作温度を考慮しないということを意味する。温度が上昇すると、ボロメータ１０２が加熱されて、ボロメータ１０２の平均抵抗値が減少し、そして、ボロメータ１０２を通過するコモンモードの電流を増加する。
【００９８】
従って、この熱現象に合わせるために、図８に示されるように、熱式ボロメータ３１０を使用することができる。このボロメータ３１０は電子回路３００の電流バイアス手段につながれる。従って、ボロメータ１０２の平均バイアス電流が、その温度上昇に追従する。結果として、第２の転換ＭＯＳトランジスタ１０６の電圧Vgsと、従って出力される平均測定電流Imeasureとはまた、この熱さに従う。
【００９９】
図９に示されるように、このような熱式ボロメータ３１０はまた、電子回路４００に加えられることも可能であり、そして、第１のＭＯＳトランジスタ４０４とアースとの間に、電子回路４００の電流バイアス手段につながれる。
【０１００】
ＰＭＯＳトランジスタは一般的にＮＭＯＳトランジスタよりもノイズが少なく、測定された電圧／電流変換を行う第２のＰＭＯＳトランジスタを備える、上述のボロメータにバイアスをかけて読み取る電子回路２００及び４００を、赤外線撮像素子に、実装するのに有利である。
【０１０１】
図１０に、撮像素子１０００、例えば、赤外線カメラが、部分的に示される。この撮像素子１０００は、画素１００４のマトリックス１００２を備える。画素１００４の各々は、上述の画素１０１、２０１、３０１、４０１の一つに対応し得る。各画素１００４は、ボロメータと、例えば上述の回路１００と類似のバイアス印加読み取り電子回路とを備える。同じカラムの画素におけるバイアス印加読み取り電子回路は、測定信号を処理し、画素１００４によって取得される画像を回復することができるようにするために、バス１００６によって、回路１００８に電気的に接続される。
【図１】
2012118078.tif 000008
【図２】
2012118078.tif 000009
【図３】
2012118078.tif 000010
【図４】
2012118078.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2012118078.tif 000015
【図９】
2012118078.tif 000016
【図１０】
2012118078.tif 000017