(57)【要約】本発明に係る赤外線撮像素子は、１次元または２次元に配列された複数の画素セル（１ａ−１ｄ）を備え、各画素セルは、感熱抵抗体を含み、その感熱抵抗体は、強相関電子系材料からなることを特徴とする。これにより、従来よりも温度分解能の高い赤外線撮像素子を提供することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次元または２次元に配列された複数の感熱抵抗体を備え、
前記感熱抵抗体は、強相関電子系材料からなること
を特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項２】
前記感熱抵抗体は、希土類元素及びアルカリ土類元素の少なくとも一方を含み、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物であること
を特徴とする請求の範囲１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記赤外線撮像素子は、さらに、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段を備え、
前記複数の感熱抵抗体と前記検出手段とは共通の半導体基板上に形成されていること
を特徴とする請求の範囲１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
１次元または２次元に配列された複数の感熱抵抗体を備え、各感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出することにより画像データを生成する赤外線カメラであって、
前記感熱抵抗体は、強相関電子系材料からなること
を特徴とする赤外線カメラ。
【請求項５】
感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３において、Ｐｒの一部の他の希土類金属への置換、及び、Ｃａの一部の他のアルカリ土類金属への置換のうち少なくとも一方がされている材料からなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項６】
感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のチタン酸化物ＬａＴｉＯ３において、Ｌａの一部がアルカリ土類金属に置換されている材料からなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項７】
感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、イットリウムまたは希土類金属をＲと表記するとき、Ｒを含むペロブスカイト構造のニッケル酸化物ＲＮｉＯ３からなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項８】
前記ニッケル酸化物ＲＮｉＯ３におけるＲには、イットリウムまたは希土類金属のうちの２種類以上の元素が複合されていること
を特徴とする請求の範囲７に記載の赤外線検出器。
【請求項９】
前記感熱抵抗体は、ニッケル酸化物ＲＮｉＯ３において、Ｒの一部がアルカリ土類金属に置換されていること
を特徴とする請求の範囲７に記載の赤外線検出器。
【請求項１０】
ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、
前記感熱抵抗体に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記感熱抵抗体が前記磁場印加手段により磁場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項１１】
前記赤外線検出器は、さらに、
前記磁場印加手段により印加される磁場の大きさを変更する変更手段を備えることを特徴とする請求の範囲１０に記載の赤外線検出器。
【請求項１２】
感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなり、自己の格子定数とは異なる格子定数を有するペロブスカイト構造の絶縁物上に形成されていること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項１３】
ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、
前記感熱抵抗体に応力を印加する応力印加手段と、
前記感熱抵抗体が前記応力印加手段により応力が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項１４】
前記赤外線検出器は、さらに、
前記応力印加手段により印加される応力の大きさを変更する変更手段を備えることを特徴とする請求の範囲１３に記載の赤外線検出器。
【請求項１５】
ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、
前記感熱抵抗体に電場を印加する電場印加手段と
前記感熱抵抗体が前記電場印加手段により電場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項１６】
前記赤外線検出器は、さらに、
前記電場印加手段により印加される電場の大きさを変更する変更手段を備えることを特徴とする請求の範囲１５に記載の赤外線検出器。
【請求項１７】
感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３に、Ｐｒ以外の希土類金属及びＣａ以外のアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト構造の金属酸化物が添加されてなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項１８】
前記金属酸化物は、
マンガン酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ガリウム酸化物、コバルト酸化物のいずれかであること
を特徴とする請求の範囲１７に記載の赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、赤外線撮像素子に関し、特に、広い温度範囲においてその温度分解能を高める技術に関する。
【背景技術】  近年、防犯用の小型監視カメラや自動車に搭載される暗視カメラなど、暗視野において物体を画像として認識できる赤外線カメラの需要が高まっている。これに伴い、赤外線カメラの主要部である赤外線検出器または赤外線撮像素子の開発が急速に進められている。赤外線の検出方式は数多くあるが、その中の代表的なものに、感熱抵抗体の抵抗値が温度変化により変化する性質を利用したボロメータ方式がある。これによれば、感熱抵抗体は赤外線の受光による温度変化に応じてその抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量を測定すれば、赤外線の受光量を検出することができる。
感熱抵抗体としての適性は、温度変化に伴い電気抵抗率が変化する割合を示す抵抗温度係数（ＴＣＲ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、電気抵抗率の大きさ、電流を流したときのノイズ特性などにより評価される。この中でも、特にＴＣＲは、赤外線撮像素子の温度分解能（ＮＥＴＤ：Ｎｏｉｓｅ  Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を決定する重要な要素であり、大きなＴＣＲを得ることを目的とした材料物性研究が盛んに行われている。
例えば、特平開１１−２７１１４５号公報には、酸化バナジウム薄膜のＴＣＲが２％／Ｋ程度と比較的大きいため、感熱抵抗体として適していることが開示されている。さらに、特開２０００−１４３２４３号公報は、酸化バナジウムにおいてバナジウムの一部を他の金属で置換することで、ＴＣＲを４％／Ｋ程度に高められることを報告している。このように、従来から、赤外線撮像素子の感熱抵抗体として、酸化バナジウム系材料や多晶質シリコンが用いられている。
一方、近年、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物などの強相関電子系材料において、これらの金属−絶縁体相転移が研究されている。金属−絶縁体相転移の転移温度近傍では、ＴＣＲが非常に大きく（１０％／Ｋ程度）、赤外線検出器への応用が期待されている。例えば、特開２０００−９５５２２号公報には、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３＋δを感熱抵抗体として利用した赤外線検出器が開示されている。また、特開２００３−４２８４０号公報では、ＹＢａＣｏ２Ｏｘを感熱抵抗体として利用した赤外線検出器が開示されている。なお、Ａ１−ｘＢｘＭｎＯ３の製造方法については、特開２００２−２８４５３９号公報などに開示されている。
しかしながら、従来の赤外線撮像素子は、感熱抵抗体として酸化バナジウム系材料などを用いその温度分解能は向上されているものの、より温度分解能の高い赤外線撮像素子が求められている。
また、従来の赤外線検出器は、上記特許文献に挙げられている物質を用いることにより温度分解能の向上を図っているが、それらの物質は大きなＴＣＲを示す温度範囲が非常に狭い。その上、その温度範囲は、通常、室温以下の低温域に存在する。したがって、温度分解能を向上させるためには赤外線検出器の冷却が必要となり、これは、赤外線検出器の小型化、低コスト化を妨げる要因となる。
【発明の開示】
本発明は、従来よりも温度分解能の高い赤外線撮像素子を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、従来よりも広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を提供することを第２の目的とする。
本発明に係る赤外線撮像素子は、１次元または２次元に配列された複数の感熱抵抗体を備え、前記感熱抵抗体は、強相関電子系材料からなることを特徴とする。
強相関電子系材料は、ある相転移温度において金属−絶縁体相転移を起こし、当該相転移温度付近では温度変化に伴う電気抵抗率の変化（ＴＣＲ）が非常に大きいことが知られている。したがって、感熱抵抗体に強相関電子系材料を採用することにより、温度分解能が高い赤外線撮像素子を実現することができる。
また、前記感熱抵抗体は、希土類元素及びアルカリ土類元素の少なくとも一方を含み、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物であることとしてもよい。
強相関電子系材料の中でも、特に、希土類金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト構造の金属酸化物は、大きなＴＣＲを示すことが知られている。したがって、感熱抵抗体に当該金属酸化物を採用することにより、温度分解能が高い赤外線撮像素子を実現することができる。
また、前記赤外線撮像素子は、さらに、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段を備え、前記複数の感熱抵抗体と前記検出手段とは共通の半導体基板上に形成されていることとしてもよい。
上記構成によれば、赤外線撮像素子は、複数の感熱抵抗体と検出手段とを１つにパッケージ化することができる。これにより、赤外線カメラなどの赤外線撮像素子を搭載する製品の組立工程において、複数の感熱抵抗体と検出手段との配線工程などを省くことができるので、製品コストの削減を図ることができる。なお、当該赤外線撮像素子は、半導体プロセスにより製造することができるので、各赤外線検出器の微細化による多画素化を図ることができる。
本発明に係る赤外線カメラは、１次元または２次元に配列された複数の感熱抵抗体を備え、各感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出することにより画像データを生成する赤外線カメラであって、前記感熱抵抗体は、強相関電子系材料からなることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線カメラにおいても上述の赤外線撮像素子と同様の効果を得ることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３において、Ｐｒの一部の他の希土類金属への置換、及び、Ｃａの一部の他のアルカリ土類金属への置換のうち少なくとも一方がされている材料からなることを特徴とする。
Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３は、Ｐｒの一部の他の希土類金属への置換、及び、Ｃａの一部の他のアルカリ土類金属への置換の少なくとも一方がされることで、その相転移温度及びその温度範囲の幅が変化する。この変化は、置換する元素の種類によっても、その置換量によっても異なる。
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のチタン酸化物ＬａＴｉＯ３において、Ｌａの一部がアルカリ土類金属に置換されている材料からなることを特徴とする。
ＬａＴｉＯ３は、３価の希土類金属Ｌａの一部が２価のアルカリ土類金属に置換されることで、その電気抵抗率の温度特性が変化する。この電気抵抗率の温度特性は、アルカリ土類金属のドープ量の増減により大きく異なる。
したがって、ホールドープ量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、イットリウムまたは希土類金属をＲと表記するとき、Ｒを含むペロブスカイト構造のニッケル酸化物ＲＮｉＯ３からなることを特徴とする。
ＲＮｉＯ３は、希土類金属Ｒの種類を変更することにより、その絶縁体−金属相転移温度が変化する。
したがって、金属Ｒの種類を適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の赤外線検出器を実現することができる。
また、前記ニッケル酸化物ＲＮｉＯ３におけるＲには、イットリウムまたは希土類金属のうちの２種類以上の元素が複合されていることとしてもよい。
ＲＮｉＯ３は、イットリウムまたは希土類金属であるＲのうち、２種類以上の元素を複合することで、その電気抵抗率の温度特性が変化する。この電気抵抗率の温度特性は、複合する元素の組み合わせ、及び、その構成比により大きく異なる。
したがって、複合する元素の組み合わせ、及び、その構成比を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
また、前記感熱抵抗体は、ニッケル酸化物ＲＮｉＯ３において、Ｒの一部がアルカリ土類金属に置換されていることとしてもよい。
ＲＮｉＯ３は、３価の金属Ｒの一部が２価のアルカリ土類金属に置換されることで、その電気抵抗率の温度特性が変化する。この電気抵抗率の温度特性は、アルカリ土類金属のドープ量の増減により大きく異なる。
したがって、ホールドープ量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、前記感熱抵抗体に磁場を印加する磁場印加手段と、前記感熱抵抗体が前記磁場印加手段により磁場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に磁場を印加することができる。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この磁場の大きさに応じて異なる。したがって、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、磁場の大きさを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
また、前記赤外線検出器は、さらに、前記磁場印加手段により印加される磁場の大きさを変更する変更手段を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に印加する磁場の大きさを変更することができる。したがって、赤外線検出器の温度環境の変化に伴い、その磁場の大きさを適切に変更することで、赤外線検出器は、最適なＴＣＲを得ることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなり、自己の格子定数とは異なる格子定数を有するペロブスカイト構造の絶縁物上に形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、感熱抵抗体には、その下地となる絶縁物との格子定数が異なるので内部応力が発生する。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この内部応力の大きさに応じて異なる。また、感熱抵抗体と絶縁物との格子定数の相違により、内部応力の大きさが異なる。したがって、感熱抵抗体と絶縁物との組み合わせを異ならせることで、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、それらの組み合わせを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、前記感熱抵抗体に応力を印加する応力印加手段と、前記感熱抵抗体が前記応力印加手段により応力が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に応力を印加することができる。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この外部応力の大きさに応じて異なる。したがって、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、外部応力の大きさを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
また、前記赤外線検出器は、さらに、前記応力印加手段により印加される応力の大きさを変更する変更手段を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に印加する応力の大きさを変更することができる。したがって、赤外線検出器の温度環境の変化に伴い、その応力の大きさを適切に変更することで、赤外線検出器は、最適のＴＣＲを得ることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、前記感熱抵抗体に電場を印加する電場印加手段と前記感熱抵抗体が前記電場印加手段により電場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に電場を印加することができる。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この電場の大きさに応じて異なる。したがって、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、電場の大きさを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
また、前記赤外線検出器は、さらに、前記電場印加手段により印加される電場の大きさを変更する変更手段を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に印加する電場の大きさを変更することができる。したがって、赤外線検出器の温度環境の変化に伴い、その電場の大きさを適切に変更することで、赤外線撮像素子は、最適のＴＣＲを得ることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３に、Ｐｒ以外の希土類金属及びＣａ以外のアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト構造の金属酸化物が添加されてなることを特徴とする。
また、前記金属酸化物は、マンガン酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ガリウ厶酸化物、コバルト酸化物のいずれかであることを特徴とする。
上記構成によれば、感熱抵抗体の相転移温度は、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３と比べて相転移温度及びその温度範囲の幅が変化する。この変化は、置換する元素の種類によっても、その置換量によっても異なる。
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、赤外線撮像素子の主要な回路構成を示す図である。
図２は、赤外線撮像素子を構成する赤外線検出器の回路構成を示す図である。
図３は、赤外線検出器の実装例を示す外観斜視図である。
図４は、Ｌａ１−ｘＳｒｘＴｉＯ３における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
図５は、Ｒの種類によりＲＮｉＯ３の相転移温度が異なる様子を示す図である。
図６は、ＣＭＲを示す代表的なマンガン酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
図７は、赤外線検出器の断面を示す図である。
図８は、赤外線撮像素子に永久磁石が取り付けられた例を示す図である。
図９は、赤外線撮像素子に電磁石が取り付けられた例の断面を示す図である。
図１０は、赤外線検出器の断面を示す図である。
図１１は、赤外線検出器の上面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明は、感熱抵抗体として、強相関電子系材料を採用することを特徴とする。強相関電子系材料は、ある相転移温度において金属−絶縁体相転移を起こし、当該相転移温度付近では温度変化に伴う電気抵抗率の変化（ＴＣＲ）が非常に大きいことが知られている。したがって、感熱抵抗体に強相関電子系材料を採用することにより、温度分解能の高い赤外線撮像素子を実現することができる。
本明細書では、強相関電子系材料のうち、特に、（１）Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（ＰＣＭＯ）において、Ｐｒの一部が他の希土類金属に置換され、または、Ｃａの一部が他のアルカリ土類金属に置換された金属酸化物、（２）Ｌａ１−ｘＢｘＴｉＯ３（Ｂはアルカリ土類金属）、（３）ＲＮｉＯ３（Ｒはイットリウムまたは希土類金属）、（４）Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３について説明する。これらは、いずれも希土類金属またはアルカリ土類金属を含むペロブスカイト構造の金属酸化物である。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について赤外線カメラを例にとって説明する。
本実施の形態に係る赤外線カメラは、本発明に係る赤外線撮像素子を備えた赤外線カメラであって、被写体から放出された赤外線を、レンズなどを含む光学系を介して前記赤外線撮像素子に入射させることによって、静止画像や動画像を撮像する。
図１は、実施の形態に係る赤外線撮像素子の主要な回路構成を示す図である。
赤外線撮像素子は、複数の赤外線検出器（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｃ）と、各赤外線検出器における感熱抵抗体の電気抵抗率の変化量を検出する検出回路とを備え、これらは共通の半導体基板上に形成されている。ここで、検出回路は、水平シフトレジスタ３、垂直シフトレジスタ４、タイミング発生回路５、及び、配線などからなる。なお、説明を簡単にするため水平２画素、垂直２画素の合計４画素のもので説明するが、本発明は、これに限られない。
各赤外線検出器（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｃ）は、電源端子２４、ゲート端子２８、ソース端子２９を備える。その他、詳細については後述する（図２、図３）。
水平シフトレジスタ３は、信号線３ａ、３ｂのうち電圧がハイレベルとなる信号線を順次切り替える。
垂直シフトレジスタ４は、信号線４ａ、４ｂのうち電圧がハイレベルとなる信号線を順次切り替える。
タイミング発生回路５は、走査開始信号と走査クロック信号とを発生し、これらを垂直シフトレジスタ４及び水平シフトレジスタ３に伝達する。さらに、タイミング発生回路５は、読出信号を発生して信号線７３によりＡＮＤ回路６ａ、６ｂに伝達する。
ＡＮＤ回路６ａは、信号線４ａと信号線７３との論理積を信号線７４ａに出力する。ＡＮＤ回路６ｂは、信号線４ｂと信号線７３との論理積を信号線７４ｂに出力する。
信号線４ａは、同じ行にある赤外線検出器（１ａ、１ｂ）の各々の電源端子２４に接続され、信号線７４ａは、同じ行にある赤外線検出器（１ａ、１ｂ）の各々のゲート端子２８に接続される。信号線４ｂ、信号線７４ｂについても同様に同じ行の赤外線検出器（１ｃ、１ｄ）に接続される。
また、信号線７５ａは、同じ列にある赤外線検出器（１ａ、１ｃ）の各々のソース端子２９に接続される。信号線７５ｂについても同様に同じ列の赤外線検出器（１ｂ、１ｄ）に接続される。なお、信号線７５ａ、７５ｂは、それぞれトランジスタ７ａ、７ｂを介して出力端子８に接続される。トランジスタ７ａ、７ｂは、それぞれ信号線３ａ、３ｂの電圧によりその導通、非導通が制御される。
このように構成された赤外線撮像素子の動作を以下に説明する。
（１）タイミング発生回路５から垂直シフトレジスタ４に走査開始信号が出力されると、垂直シフトレジスタ４が走査を開始し、最初に信号線４ａがハイレベルになる。このとき、信号線４ｂはローレベルである。
（２）信号線４ａがハイレベルを保っている間に、タイミング発生回路５からの読出信号により信号線７３がハイレベルになる。このとき、信号線７４ａはＡＮＤ回路６ａによりハイレベルとなる。また、信号線７４ｂはＡＮＤ回路６ｂによりローレベルとなる。
（３）信号線４ａと信号線７４ａとがハイレベルになると、赤外線検出器１ａ、１ｂの電源端子２４とゲート端子２８とがハイレベルになり、各々の電圧信号がソース端子２９から出力される。
（４）信号線４ａと信号線７４ａとがハイレベルを保っている間に、タイミング発生回路５から水平シフトレジスタ３に走査開始信号が出力され、水平シフトレジスタ３が走査を開始し、最初に信号線３ａがハイレベルになる。このとき、信号線３ｂはローレベルである。これにより、トランジスタ７ａが導通し、出力端子８には赤外線検出器１ａの電圧信号が伝達される。その後、信号線３ａがローレベルになるとともに信号線３ｂがハイレベルになる。これにより、トランジスタ７ｂが導通し、出力端子には赤外線検出器１ｂの電圧信号が伝達される。
（５）次に、垂直シフトレジスタ４は、信号線４ａをローレベルとするとともに、信号線４ｂをハイレベルとする。これ以降、上記の（１）から（４）までが繰り返される。これにより、出力端子８には、各赤外線検出器の電圧信号が順次伝達される。
出力端子８の出力信号は、赤外線カメラのメモリに順次格納される。そして、メモリに１画面分の出力信号が蓄積された時点で、画像処理が行われ、画像データが生成される。
図２は、本実施の形態に係る赤外線撮像素子を構成する赤外線検出器の回路構成を示す図である。
赤外線検出器における各端子（２４、２８、２９）は、図１における各端子とそれぞれ対応している。
電源端子２４とグラウンド２５との間に、感熱抵抗体２１と基準抵抗２２とが直列に接続されている。感熱抵抗体２１は、その温度に応じて電気抵抗率が変化する。そのため、分圧点２３における電圧もそれに応じて変化する。分圧点２３における電圧変化が、この赤外線検出器における赤外線の受光量に応じた電圧信号である。電圧信号は、増幅器２６により増幅され、トランジスタ２７を通じてソース端子２９へと出力される。トランジスタ２７は、ゲート端子２８がハイレベルのときにドレイン−ソース間を導通し、ローレベルのときにドレイン−ソース間を非導通とするスイッチとしての機能を有する。
図３は、本実施の形態に係る赤外線検出器の実装例を示す外観斜視図である。
メンブレン１２は、基板１１上に設けられた支持脚１３ａ、１３ｂにより支持されている。感熱抵抗体１４は、メンブレン１２上に形成された薄膜であり、金属配線１５ａ、１５ｂにより外部の回路に接続されている。なお、支持脚１３ａ、１３ｂは、感熱抵抗体１４を基板１１から熱的に隔離するため熱抵抗が大きいほうが望ましい。
本実施の形態では、感熱抵抗体１４としてＰｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（ＰＣＭＯ）においてＰｒの一部が他の希土類金属に置換され、または、Ｃａの一部が他のアルカリ土類金属に置換された金属酸化物を採用する。
強相関電子系材料の中でも、特に、Ａ１−ｘＢｘＭｎＯ３（Ａは希土類金属、Ｂはアルカリ土類金属）の化学式で記述されるペロブスカイト構造のマンガン酸化物は、強磁性転移温度の近傍で低温の金属相から高温の絶縁相へと金属−絶縁体相転移を起こすことで知られている。この金属−絶縁体相転移は、Ｍｎの３ｄ電子に起因するので、３ｄ軌道への電子の供給量や３ｄ軌道のバンド構造などがその相転移温度を決定する要素となる。
したがって、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３のように、ＰｒＭｎＯ３において３価の希土類金属Ｐｒの一部を２価のアルカリ土類金属Ｃａに置換することで、３ｄ軌道への電子の供給量を減少させて（ホールをドープすることと等価）、その相転移温度を変化させることができる。
さらに、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３において、Ｐｒの一部を他の希土類金属に置換し、または、Ｃａの一部を他のアルカリ土類金属に置換することで、３ｄ軌道のバンド構造を変化させて、その相転移温度を変化させることができる。これは、Ｐｒの一部を他の希土類金属に置換すればそれらのイオン半径が異なるため、ペロブスカイト溝造の結晶格子に歪みが生じ、３ｄ軌道のバンド構造が変化することによる。
なお、この置換は、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３に例えばＬａＴｉＯ３を添加した複合材料を、レーザー蒸発法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などにより成膜することで実現することができる。この場合、Ｐｒの一部がＬａに置換されたＰｒ１−ｘ−ｙＬａｙＣａｘＭｎＯ３が成膜される。
なお、ＬａＴｉＯ３に限らず、ＲＭＯ３（Ｒは希土類金属またはアルカリ土類金属、Ｍは遷移金属）で記述されるペロブスカイト構造の金属酸化物であれば同様に置換することができる。
また、例えば、Ｃａの一部をＳｒ、あるいはＢａに置換するものであっても同様の効果が得られる。ＲＭＯ３における遷移金属Ｍとしては、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｏが挙げられる。
このように、感熱抵抗体にＴＣＲの大きい強相関電子系材料を採用することにより、温度分解能の高い赤外線撮像素子を実現することができる。また、強相関電子系材料の中でも、特に、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３においてＰｒの一部が他の希土類金属に置換され、または、Ｃａの一部が他のアルカリ土類金属に置換された金属酸化物を採用することで、以下の効果が得られる。
（１）Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３のホールドープ量ｘの増減により、その相転移温度及びその温度範囲を変化させることができる。
（２）Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３において、Ｐｒの一部を他の希土類金属に置換し、または、Ｃａの一部を他のアルカリ土類金属に置換することで、その相転移温度及びその温度範囲を変化させることができる。なお、この変化は、置換する元素の種類によっても、その置換量によっても異なる。
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態に係る赤外線カメラは、実施の形態１に係る赤外線カメラとおおむね同様の構成を備えるが、感熱抵抗体の材料の選択において相違している。
実施の形態２では、感熱抵抗体１４としてＬａ１−ｘＢｘＴｉＯ３（Ｂはアルカリ土類金属）を採用する。
ペロブスカイト構造のＬａＴｉＯ３は、１個の電子が３ｄ軌道を占有する代表的なモット絶縁体である。このモット転移は、Ｔｉの３ｄ電子に起因するので、３ｄ軌道への電子の供給量や３ｄ軌道のバンド構造などがその相転移温度を決定する要素となる。
したがって、Ｌａ１−ｘＢｘＴｉＯ３のように、ＬａＴｉＯ３において３価の希土類金属Ｌａの一部を２価のアルカリ土類金属Ｂに置換することで、３ｄ軌道への電子の供給量を減少させて（ホールをドープすることと等価）、その相転移温度を変化させることができる。
なお、この置換は、原料段階でＬａとアルカリ土類金属Ｂとを所定のモル比で混合し、溶融させて結晶を成長させることで実現することができる。
図４は、Ｌａ１−ｘＳｒｘＴｉＯ３における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
なお、（ａ）から（ｅ）は、それぞれホールドープ量を異ならせた場合における電気抵抗率の温度特性であり、ホールドープ量の多い順に（ａ）＞（ｂ）＞（ｃ）＞（ｄ）＞（ｅ）となっている。図４は、ホールドープ量の相違により電気抵抗率の温度特性が大きく異なることを示している。さらに、ホールドープ量によっては、０Ｋから３００Ｋまでの広い温度範囲にわたりＴＣＲが大きいことを示している。（参考文献、十倉好紀著「強相関電子と酸化物」ＩＳＢＮ４−００−０１１１３２−９）
なお、置換される元素はＳｒではなく他のアルカリ土類金属の場合でも同様の効果が得られる。この場合、アルカリ土類金属Ｂの元素が異なればイオン半径も異なるので、電気抵抗率の温度特性は図４とは異なることが予想される。したがって、感熱抵抗体１４としてＬａ１−ｘＢｘＴｉＯ３（Ｂはアルカリ土類金属）を採用することで、以下のような効果が得られる。
（１）Ｌａ１−ｘＢｘＴｉＯ３のホールドープ量ｘの増減により、その電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
（２）Ｌａ１−ｘＢｘＴｉＯ３において、アルカリ土類金属Ｂの種類により、その電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
したがって、ホールドープ量、および置換する元素の種類を適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態に係る赤外線カメラは、実施の形態１に係る赤外線カメラとおおむね同様の構成を備えるが、感熱抵抗体の材料の選択において相違している。
実施の形態３では、感熱抵抗体１４としてＲＮｉＯ３（Ｒはイットリウムまたは希土類金属）を採用する。
金属−絶縁体相転移はペロブスカイト構造のマンガン酸化物以外でも起きることが知られている。その代表としてＲＮｉＯ３により記述されるペロブスカイト構造のニッケル酸化物がある。
ＲＮｉＯ３はＲの種類によって金属−絶縁体相転移の相転移温度が異なる典型的なモット絶縁体である。
Ｒの種類によって相転移温度が異なるのは、Ｒのイオン半径により、隣接するＮｉ間における３ｄ電子の伝達エネルギーが異なるからと考えられている。相転移温度は、電子間のクーロン反発エネルギーと電子間の伝達エネルギーとのバランスにより決まるので、Ｒのイオン半径に応じて異なることになる。
図５は、Ｒの種類によりＲＮｉＯ３の相転移温度が異なる様子を示す図である。３１は常磁性絶縁相、３２は反強磁性絶縁相、３３は金属相である。図５によれば、絶縁体−金属相転移温度は、ＰｒＮｉＯ３では１００Ｋ程度、ＮｄＮｉＯ３では１５０Ｋ程度、ＳｍＮｉＯ３では３００Ｋ程度であることを示す。（参考文献、十倉好紀著「強相関電子と酸化物」ＩＳＢＮ４−００−０１１１３２−９）
このように、絶縁体−金属相転移温度は、Ｒサイトのイオン半径に依存して１００Ｋ以下から４００Ｋ以上まで広範囲にわたり変化する。
したがって、感熱抵抗体１４としてＲＮｉＯ３（Ｒはイットリウムまたは希土類金属）を採用することで、以下のような効果が得られる。
（１）ＲＮｉＯ３において、希土類金属Ｒの種類により、その絶縁体−金属相転移温度を変化させることができる。
したがって、金属Ｒの種類を適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
なお、実施の形態１または実施の形態２のように、ＲＮｉＯ３において、Ｒの一部を、イットリウム、希土類金属及びアルカリ土類金属のうちＲとは異なる元素に置換することにより、絶縁体−金属相転移温度及びその温度範囲を変化させることができる。
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、より目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態に係る赤外線カメラは、実施の形態１に係る赤外線カメラとおおむね同様の構成を備えるが、感熱抵抗体の材料の選択において相違し、さらに、磁場を印加する手段を備える点で相違する。
実施の形態４では、感熱抵抗体１４として、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３を採用する。
近年、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物において、巨大磁気抵抗（ＣＭＲ：Ｃｏｌｌｏｓａｌ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と呼ばれる現象が発見されている。ＣＭＲとは、外部磁場の大きさに依存してマンガン酸化物の磁気的性質が変化し、それに伴い電気抵抗率が大きく変化する現象である。
図６は、ＣＭＲを示す代表的なマンガン酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３は、温度の低下に伴い電気抵抗率が増大するが、３００Ｋ付近で強磁性体に転移し、それに伴って電気抵抗率が急激に低下し低温では金属的な挙動を示す。また、磁場下では、磁場が大きくなるに伴い強磁性転移温度（キュリー温度）が高温側にシフトし、より高温側から金属状態に転移する。（参考文献、十倉好紀著「強相関電子と酸化物」ＩＳＢＮ４−００−０１１１３２−９）
通常、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３の金属−絶縁体相転移は、非常に狭い温度範囲で起こるため非常に大きなＴＣＲを得ることができる。
しかし、これを感熱抵抗体として採用した場合には、赤外線検出器の温度をその温度範囲にあわせる温度補償装置（例えば、ペルチェ素子あるいはスターリング冷却装置）が必要となる。そこで、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３を磁場下に置くことで、磁場が印加されていない場合に比べてＴＣＲは小さくなるが、非常に広い温度範囲にわたり電気抵抗率を変化させることができる。この結果、単一の感熱抵抗体で広い温度範囲にわたり使用可能な赤外線撮像素子を実現することができる。
図７は、赤外線検出器の断面を示す図である。
メンブレン５３は、基板５１上に設けられた支持脚５２により空間５６を隔てて支持されている。感熱抵抗体５４は、メンブレン５３上に形成された薄膜であり、その上に、赤外線吸収膜５５が形成されている。また、感熱抵抗体５４の直下には基板５１上に磁性薄膜５７と赤外線反射膜５８が形成されている。赤外線は紙面上部から赤外線吸収膜５５に入射し、吸収される。感熱抵抗体５４は、赤外線吸収膜５５の温度変化に伴い電気抵抗率が変化し、その変化量が外部の読出回路にて読み出される。また、赤外線吸収膜５５に吸収されずに透過した赤外線は、赤外線反射膜５８により反射され、赤外線吸収膜５５に再度入射する。磁性薄膜５７は、感熱抵抗体５４に磁場を印加するための磁性体である。なお、支持脚５２は、メンブレン５３を基板５１から熱的に隔離するため熱抵抗が大きいほうが望ましい。
上記構成によれば、各赤外線検出器の下部に磁性薄膜５７が配置されるので、外部回路などへの磁場の影響を少なくすることができる。また、磁性薄膜５７と感熱抵抗体５４とが近接しているため、感熱抵抗体５４に効率的に均一な磁場を印加することができる。
上記構成において、感熱抵抗体５４としてＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３を採用することで、以下のような効果が得られる。
（１）磁性薄膜５７が発生する磁場の大きさを異ならせることで、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
したがって、磁場の大きさを適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
また、磁場の大きさを大きくするほど、より広い温度範囲において大きいＴＣＲを示す感熱抵抗体を製作することができる。
なお、実施の形態４では、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３について説明しているが、他のペロブスカイト構造のマンガン酸化物でも同様の効果を得ることができると考えられる。したがって、例えば、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３でもかまわない。
なお、感熱抵抗体への磁場の印加手段は、上記の例に限らず、以下のものでもよい。
図８は、赤外線撮像素子に永久磁石が取り付けられた例を示す図である。
図８によれば、赤外線撮像素子８２は、永久磁石８１の上部に取り付けられている。なお、８３は赤外線撮像素子の撮像部であり、この面に赤外線が入射される。この構成によれば、このままの状態でパッケージ化することが可能である。また、磁石を微細化する必要がなく、赤外線撮像素子を安価で簡便に製造することができる。
図９は、赤外線撮像素子に電磁石が取り付けられた例の断面を示す図である。
図９によれば、赤外線撮像素子８５は回路基板８４上に取り付けられ、電極８６により電気的に接続されている。電磁石８７は、回路基板８４の下部に取り付けられている。
電磁石８７は、コイルに与える電流の大きさにより、発生する磁場の大きさを変化させることができる。図７または図８の構造であれば、永久磁石を用いているため、赤外線カメラの出荷後においてはユーザが磁場の大きさを変更することは困難である。しかし、図９の構造であれば、コイル電流を変更することにより、赤外線カメラの出荷後においても磁場の大きさを変更することができる。したがって、赤外線カメラが設置される温度環境に応じて最適な磁場の大きさに調節することができる。
（実施の形態５）
実施の形態１−４は、ペロブスカイト構造の金属酸化物において、３ｄ軌道のバンド構造を変化させて、相転移温度を変化させている。３ｄ軌道のバンド構造は、ペロブスカイト構造の結晶格子に歪みにより異ならせることができる。
実施の形態５は、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、その感熱抵抗体に応力を印加することで、３ｄ軌道のバンド構造を変化させ、相転移温度を変化させる。
具体的には、感熱抵抗体をその格子定数とは異なる格子定数の絶縁物上に形成する。この構成によれば、感熱抵抗体と絶縁物との接合面において格子定数の整合性をとるように原子が移動し、両者間に強い内部応力が発生する。この格子定数の相違により発生した内部応力により、感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度が変化する。
このように、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、自己の格子定数と異なる格子定数の絶縁物上に形成することで、以下のような効果が得られる。
（１）感熱抵抗体と絶縁物との組み合わせを異ならせることで、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
したがって、それらの組み合わせを適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
なお、内部応力に限らず、外部応力を印加することでも同様の効果が得られる。
図１０は、赤外線検出器の断面を示す図である。
ピエゾ素子４２は、その一部で基板４１に接合しており、その大部分は空間４７により基板４１から隔てられている。これは、ピエゾ素子４２と基板４１との熱抵抗を大きくとるためと、ピエゾ素子４２の変形の自由度を確保するためである。感熱抵抗体４４は、絶縁物４３上に形成された薄膜であり、その上に、赤外線吸収膜４５が形成されている。赤外線は紙面上部から赤外線吸収膜４５に入射し、吸収される。感熱抵抗体４４は、赤外線吸収膜４５の温度変化に伴い電気抵抗率が変化し、その変化量が読出電極４６を通じて外部の読出回路にて読み出される。なお、感熱抵抗体５４には均等に外部応力が印加されるように絶縁物４３と面で接している構造が望ましい。また、感熱抵抗体４４は、ピエゾ素子４２と直接接している必要はなく、これらの間に異種材料が存在していても構わない。
上記構成において、ピエゾ素子４２は、与えられる電圧に応じて感熱抵抗体４４に外部応力を印加する。これにより、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性が変化する。
ピエゾ素子４２は、与えられる電圧の大きさにより、応力の大きさを変化させることができる。図１０の構造であれば、電圧を変更することにより、赤外線カメラの出荷後においても応力の大きさを変更することができる。したがって、赤外線カメラが設置される温度環境に応じて最適な応力の大きさに調節することができる。
（実施の形態６）
実施の形態１−５は、ペロブスカイト構造の金属酸化物における３ｄ電子のバンド構造を変化させることで、これらの磁気的性質を変化させ電気抵抗率の温度特性を変化させている。
実施の形態６は、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、その感熱抵抗体に電場を印加することで、３ｄ軌道のバンド構造を変化させ、電気抵抗率の温度特性を変化させる。
図１１は、赤外線検出器の上面図である。
メンブレン６１は、基板上に設けられた支持脚６２により支持されている。感熱抵抗体６３は、メンブレン６１上に形成された薄膜である。赤外線は紙面上部から入射される。感熱抵抗体６３は、赤外線の入射による温度変化に伴い電気抵抗率が変化し、その変化量が外部の読出回路にて読み出される。
電極６４ａ、６４ｂは、感熱抵抗体６３を挟むように感熱抵抗体６３に沿って配置されている。電極６４ａ、６４ｂに電圧が加えられると、その間に電場が発生し、感熱抵抗体６３に電場が印加される。電極６４ａ、６４ｂは、感熱抵抗体６３に沿って配置されているので、感熱抵抗体６３に均一な電場を印加することができる。また、紙面手前からの赤外線入射に対して、電極６４ａ、６４ｂが赤外線の障害にならない。なお、電極６４ａ、６４ｂと感熱抵抗体６３とは、それぞれ絶縁物６５ａ、６５ｂにより絶縁されている。また、感熱抵抗体６３は、その電気抵抗率を読み出す読出回路が読出電極を介して電気的に接続されている。外部電場を印加する方向は、この読出電極によって印加される電場の方向とは垂直な方向であることが好ましい。また、支持脚６２は、メンブレン６１を基板から熱的に隔離するため熱抵抗が大きいほうが望ましい。
上記構成において、電極６４ａ、６４ｂに電圧が加えられると電場が発生する。３ｄ軌道の縮退したエネルギーは、電場下においてはＳｔａｒｋ効果により、その縮退が解けることが知られている。これにより、ペロブスカイト構造の金属酸化物における３ｄ軌道のバンド構造が変化し、電気抵抗率の温度特性が変化する。
このように、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、電場を印加することにより、以下のような効果が得られる。
（１）電場の大きさを異ならせることで、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
したがって、電場の大きさを適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
さらに、電極６４ａ、６４ｂは、与えられる電圧の大きさにより、電場の大きさを変化させることができる。図１１の構造であれば、電圧を変更することにより、赤外線カメラの出荷後においても応力の大きさを変更することができる。したがって、赤外線カメラが設置される温度環境に応じて最適な電場の大きさに調節することができる。
産業上の利用の可能性
本発明は、防犯用の小型監視カメラや自動車に搭載される暗視カメラなど、暗視野において物体を画像として認識できる赤外線カメラなどに適用することができる。
【図１】
2005078399.tif 000002
【図２】
2005078399.tif 000003
【図３】
2005078399.tif 000004
【図４】
2005078399.tif 000005
【図５】
2005078399.tif 000006
【図６】
2005078399.tif 000007
【図７】
2005078399.tif 000008
【図８】
2005078399.tif 000009
【図９】
2005078399.tif 000010
【図１０】
2005078399.tif 000011
【図１１】
2005078399.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月28日(2005.3.28)
【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】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】（削除）
【請求項２】（削除）
【請求項３】（削除）
【請求項４】（削除）
【請求項５】（削除）
【請求項６】感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のチタン酸化物ＬａＴｉＯ３において、Ｌａの一部がアルカリ土類金属に置換されている材料からなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項７】（削除）
【請求項８】（削除）
【請求項９】感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、イットリウムまたは希土類金属をＲと表記するとき、Ｒを含むペロブスカイト構造のニッケル酸化物ＲＮｉＯ３において、Ｒの一部がアルカリ土類金属に置換されていること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項１０】（削除）
【請求項１１】（削除）
【請求項１２】（削除）
【請求項１３】（削除）
【請求項１４】ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、
前記感熱抵抗体に応力を印加する応力印加手段と、
前記感熱抵抗体が前記応力印加手段により応力が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段と、
前記応力印加手段により印加される応力の大きさを変更する変更手段と
を備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項１５】ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、
前記感熱抵抗体と絶縁体を介して設けられ、当該感熱抵抗体に外部電場を印加する電場印加手段と、
前記感熱抵抗体が前記電場印加手段により電場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項１６】前記赤外線検出器は、さらに、
前記電場印加手段により印加される電場の大きさを変更する変更手段を備えることを特徴とする請求の範囲１５に記載の赤外線検出器。
【請求項１７】感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３に、Ｐｒ以外の希土類金属及びＣａ以外のアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト構造の金属酸化物が添加されてなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項１８】前記金属酸化物は、
マンガン酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ガリウム酸化物、コバルト酸化物のいずれかであること
を特徴とする請求の範囲１７に記載の赤外線検出器。
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月31日(2006.7.31)
【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】
感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のチタン酸化物LaTiO3において、Laの一部がアルカリ土類金属に置換されている材料からなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、イットリウムまたは希土類金属をRと表記するとき、Rを含むペロブスカイト構造のニッケル酸化物RNiO3において、Rの一部がアルカリ土類金属に置換されていること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項３】
ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、
前記感熱抵抗体に応力を印加する応力印加手段と、
前記感熱抵抗体が前記応力印加手段により応力が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段と、
前記応力印加手段により印加される応力の大きさを変更する変更手段と
を備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項４】
ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、
前記感熱抵抗体と絶縁体を介して設けられ、当該感熱抵抗体に外部電場を印加する電場印加手段と、
前記感熱抵抗体が前記電場印加手段により電場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項５】
前記赤外線検出器は、さらに、前記電場印加手段により印加される電場の大きさを変更する変更手段を備えること
を特徴とする請求項４に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、
前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Pr1-xCa xMnO3に、Pr以外の希土類金属及びCa以外のアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト構造の金属酸化物が添加されてなること
を特徴とする赤外線検出器。
【請求項７】
前記金属酸化物は、マンガン酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ガリウム酸化物、コバルト酸化物のいずれかであること
を特徴とする請求項６に記載の赤外線検出器。
【手続補正２】
【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、赤外線撮像素子に関し、特に、広い温度範囲においてその温度分解能を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、防犯用の小型監視カメラや自動車に搭載される暗視カメラなど、暗視野において物体を画像として認識できる赤外線カメラの需要が高まっている。これに伴い、赤外線カメラの主要部である赤外線検出器または赤外線撮像素子の開発が急速に進められている。赤外線の検出方式は数多くあるが、その中の代表的なものに、感熱抵抗体の抵抗値が温度変化により変化する性質を利用したボロメータ方式がある。これによれば、感熱抵抗体は赤外線の受光による温度変化に応じてその抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量を測定すれば、赤外線の受光量を検出することができる。
【０００３】
感熱抵抗体としての適性は、温度変化に伴い電気抵抗率が変化する割合を示す抵抗温度係数（TCR: Temperature Coefficient of Resistance）、電気抵抗率の大きさ、電流を流したときのノイズ特性などにより評価される。この中でも、特にTCRは、赤外線撮像素子の温度分解能（NETD: Noise Equivalent Temperature Difference）を決定する重要な要素であり、大きなTCRを得ることを目的とした材料物性研究が盛んに行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、酸化バナジウム薄膜のTCRが2%/K程度と比較的大きいため、感熱抵抗体として適していることが開示されている。さらに、特許文献２は、酸化バナジウムにおいてバナジウムの一部を他の金属で置換することで、TCRを4%/K程度に高められることを報告している。このように、従来から、赤外線撮像素子の感熱抵抗体として、酸化バナジウム系材料や多晶質シリコンが用いられている。
【０００５】
一方、近年、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物などの強相関電子系材料において、これらの金属−絶縁体相転移が研究されている。金属−絶縁体相転移の転移温度近傍では、TCRが非常に大きく（10%/K程度）、赤外線検出器への応用が期待されている。例えば、特許文献３には、La1-xSrxMnO3+δを感熱抵抗体として利用した赤外線検出器が開示されている。また、特許文献４では、YBaCo2Oxを感熱抵抗体として利用した赤外線検出器が開示されている。なお、A1-xBxMnO3の製造方法については、特許文献５などに開示されている。
【特許文献１】特平開11-271145号公報
【特許文献２】特開2000-143243号公報
【特許文献３】特開2000-95522号公報
【特許文献４】特開2003-42840号公報
【特許文献５】特開2002-284539号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の赤外線撮像素子は、感熱抵抗体として酸化バナジウム系材料などを用いその温度分解能は向上されているものの、より温度分解能の高い赤外線撮像素子が求められている。
また、従来の赤外線検出器は、上記特許文献に挙げられている物質を用いることにより温度分解能の向上を図っているが、それらの物質は大きなTCRを示す温度範囲が非常に狭い。その上、その温度範囲は、通常、室温以下の低温域に存在する。したがって、温度分解能を向上させるためには赤外線検出器の冷却が必要となり、これは、赤外線検出器の小型化、低コスト化を妨げる要因となる。
【０００７】
本発明は、従来よりも温度分解能の高い赤外線撮像素子を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、従来よりも広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る赤外線撮像素子は、１次元または２次元に配列された複数の感熱抵抗体を備え、前記感熱抵抗体は、強相関電子系材料からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
強相関電子系材料は、ある相転移温度において金属−絶縁体相転移を起こし、当該相転移温度付近では温度変化に伴う電気抵抗率の変化（TCR）が非常に大きいことが知られている。したがって、感熱抵抗体に強相関電子系材料を採用することにより、温度分解能が高い赤外線撮像素子を実現することができる。
また、前記感熱抵抗体は、希土類元素及びアルカリ土類元素の少なくとも一方を含み、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物であることとしてもよい。
【００１０】
強相関電子系材料の中でも、特に、希土類金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト構造の金属酸化物は、大きなTCRを示すことが知られている。したがって、感熱抵抗体に当該金属酸化物を採用することにより、温度分解能が高い赤外線撮像素子を実現することができる。
また、前記赤外線撮像素子は、さらに、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段を備え、前記複数の感熱抵抗体と前記検出手段とは共通の半導体基板上に形成されていることとしてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、赤外線撮像素子は、複数の感熱抵抗体と検出手段とを１つにパッケージ化することができる。これにより、赤外線カメラなどの赤外線撮像素子を搭載する製品の組立工程において、複数の感熱抵抗体と検出手段との配線工程などを省くことができるので、製品コストの削減を図ることができる。なお、当該赤外線撮像素子は、半導体プロセスにより製造することができるので、各赤外線検出器の微細化による多画素化を図ることができる。
【００１２】
本発明に係る赤外線カメラは、１次元または２次元に配列された複数の感熱抵抗体を備え、各感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出することにより画像データを生成する赤外線カメラであって、前記感熱抵抗体は、強相関電子系材料からなることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線カメラにおいても上述の赤外線撮像素子と同様の効果を得ることができる。
【００１３】
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Pr1-xCa xMnO3において、Prの一部の他の希土類金属への置換、及び、Caの一部の他のアルカリ土類金属への置換のうち少なくとも一方がされている材料からなることを特徴とする。
Pr1-xCaxMnO3は、Prの一部の他の希土類金属への置換、及び、Caの一部の他のアルカリ土類金属への置換の少なくとも一方がされることで、その相転移温度及びその温度範囲の幅が変化する。この変化は、置換する元素の種類によっても、その置換量によっても異なる。
【００１４】
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のチタン酸化物LaTiO3において、Laの一部がアルカリ土類金属に置換されている材料からなることを特徴とする。
【００１５】
LaTiO3は、３価の希土類金属Laの一部が２価のアルカリ土類金属に置換されることで、その電気抵抗率の温度特性が変化する。この電気抵抗率の温度特性は、アルカリ土類金属のドープ量の増減により大きく異なる。
したがって、ホールドープ量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【００１６】
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、イットリウムまたは希土類金属をRと表記するとき、Rを含むペロブスカイト構造のニッケル酸化物RNiO3からなることを特徴とする。
RNiO3は、希土類金属Rの種類を変更することにより、その絶縁体−金属相転移温度が変化する。
【００１７】
したがって、金属Rの種類を適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の赤外線検出器を実現することができる。
また、前記ニッケル酸化物RNiO3におけるRには、イットリウムまたは希土類金属のうちの２種類以上の元素が複合されていることとしてもよい。
RNiO3は、イットリウムまたは希土類金属であるRのうち、２種類以上の元素を複合することで、その電気抵抗率の温度特性が変化する。この電気抵抗率の温度特性は、複合する元素の組み合わせ、及び、その構成比により大きく異なる。
【００１８】
したがって、複合する元素の組み合わせ、及び、その構成比を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
また、前記感熱抵抗体は、ニッケル酸化物RNiO3において、Rの一部がアルカリ土類金属に置換されていることとしてもよい。
【００１９】
RNiO3は、３価の金属Rの一部が２価のアルカリ土類金属に置換されることで、その電気抵抗率の温度特性が変化する。この電気抵抗率の温度特性は、アルカリ土類金属のドープ量の増減により大きく異なる。
したがって、ホールドープ量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【００２０】
本発明に係る赤外線検出器は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、前記感熱抵抗体に磁場を印加する磁場印加手段と、前記感熱抵抗体が前記磁場印加手段により磁場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に磁場を印加することができる。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この磁場の大きさに応じて異なる。したがって、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、磁場の大きさを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【００２１】
また、前記赤外線検出器は、さらに、前記磁場印加手段により印加される磁場の大きさを変更する変更手段を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に印加する磁場の大きさを変更することができる。したがって、赤外線検出器の温度環境の変化に伴い、その磁場の大きさを適切に変更することで、赤外線検出器は、最適なTCRを得ることができる。
【００２２】
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなり、自己の格子定数とは異なる格子定数を有するペロブスカイト構造の絶縁物上に形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、感熱抵抗体には、その下地となる絶縁物との格子定数が異なるので内部応力が発生する。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この内部応力の大きさに応じて異なる。また、感熱抵抗体と絶縁物との格子定数の相違により、内部応力の大きさが異なる。したがって、感熱抵抗体と絶縁物との組み合わせを異ならせることで、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、それらの組み合わせを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【００２３】
本発明に係る赤外線検出器は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、前記感熱抵抗体に応力を印加する応力印加手段と、前記感熱抵抗体が前記応力印加手段により応力が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に応力を印加することができる。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この外部応力の大きさに応じて異なる。したがって、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、外部応力の大きさを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【００２４】
また、前記赤外線検出器は、さらに、前記応力印加手段により印加される応力の大きさを変更する変更手段を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に印加する応力の大きさを変更することができる。したがって、赤外線検出器の温度環境の変化に伴い、その応力の大きさを適切に変更することで、赤外線検出器は、最適のTCRを得ることができる。
【００２５】
本発明に係る赤外線検出器は、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる感熱抵抗体と、前記感熱抵抗体に電場を印加する電場印加手段と前記感熱抵抗体が前記電場印加手段により電場が印加された状態において、前記感熱抵抗体により赤外線の受光量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に電場を印加することができる。感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度は、この電場の大きさに応じて異なる。したがって、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。即ち、電場の大きさを適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【００２６】
また、前記赤外線検出器は、さらに、前記電場印加手段により印加される電場の大きさを変更する変更手段を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、赤外線検出器は、感熱抵抗体に印加する電場の大きさを変更することができる。したがって、赤外線検出器の温度環境の変化に伴い、その電場の大きさを適切に変更することで、赤外線撮像素子は、最適のTCRを得ることができる。
【００２７】
本発明に係る赤外線検出器は、感熱抵抗体における赤外線の受光量を検出する赤外線検出器であって、前記感熱抵抗体は、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物Pr1-xCa xMnO3に、Pr以外の希土類金属及びCa以外のアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト構造の金属酸化物が添加されてなることを特徴とする。
また、前記金属酸化物は、マンガン酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ガリウム酸化物、コバルト酸化物のいずれかであることを特徴とする。
【００２８】
上記構成によれば、感熱抵抗体の相転移温度は、Pr1-xCaxMnO3と比べて相転移温度及びその温度範囲の幅が変化する。この変化は、置換する元素の種類によっても、その置換量によっても異なる。
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、感熱抵抗体として、強相関電子系材料を採用することを特徴とする。強相関電子系材料は、ある相転移温度において金属−絶縁体相転移を起こし、当該相転移温度付近では温度変化に伴う電気抵抗率の変化（TCR）が非常に大きいことが知られている。したがって、感熱抵抗体に強相関電子系材料を採用することにより、温度分解能の高い赤外線撮像素子を実現することができる。
【００３０】
本明細書では、強相関電子系材料のうち、特に、（１）Pr1-xCaxMnO3（PCMO）において、Prの一部が他の希土類金属に置換され、または、Caの一部が他のアルカリ土類金属に置換された金属酸化物、（２）La1-xBxTiO3（Bはアルカリ土類金属）、（３）RNiO3（Rはイットリウムまたは希土類金属）、（４）La1-xSrxMnO3について説明する。これらは、いずれも希土類金属またはアルカリ土類金属を含むペロブスカイト構造の金属酸化物である。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について赤外線カメラを例にとって説明する。
【００３１】
本実施の形態に係る赤外線カメラは、本発明に係る赤外線撮像素子を備えた赤外線カメラであって、被写体から放出された赤外線を、レンズなどを含む光学系を介して前記赤外線撮像素子に入射させることによって、静止画像や動画像を撮像する。
図１は、実施の形態に係る赤外線撮像素子の主要な回路構成を示す図である。
赤外線撮像素子は、複数の赤外線検出器（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と、各赤外線検出器における感熱抵抗体の電気抵抗率の変化量を検出する検出回路とを備え、これらは共通の半導体基板上に形成されている。ここで、検出回路は、水平シフトレジスタ３、垂直シフトレジスタ４、タイミング発生回路５、及び、配線などからなる。なお、説明を簡単にするため水平２画素、垂直２画素の合計４画素のもので説明するが、本発明は、これに限られない。
【００３２】
各赤外線検出器（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、電源端子２４、ゲート端子２８、ソース端子２９を備える。その他、詳細については後述する（図２、図３）。
水平シフトレジスタ３は、信号線３ａ、３ｂのうち電圧がハイレベルとなる信号線を順次切り替える。
垂直シフトレジスタ４は、信号線４ａ、４ｂのうち電圧がハイレベルとなる信号線を順次切り替える。
【００３３】
タイミング発生回路５は、走査開始信号と走査クロック信号とを発生し、これらを垂直シフトレジスタ４及び水平シフトレジスタ３に伝達する。さらに、タイミング発生回路５は、読出信号を発生して信号線７３によりＡＮＤ回路６ａ、６ｂに伝達する。
ＡＮＤ回路６ａは、信号線４ａと信号線７３との論理積を信号線７４ａに出力する。ＡＮＤ回路６ｂは、信号線４ｂと信号線７３との論理積を信号線７４ｂに出力する。
【００３４】
信号線４ａは、同じ行にある赤外線検出器（１ａ、１ｂ）の各々の電源端子２４に接続され、信号線７４ａは、同じ行にある赤外線検出器（１ａ、１ｂ）の各々のゲート端子２８に接続される。信号線４ｂ、信号線７４ｂについても同様に同じ行の赤外線検出器（１ｃ、１ｄ）に接続される。
また、信号線７５ａは、同じ列にある赤外線検出器（１ａ、１ｃ）の各々のソース端子２９に接続される。信号線７５ｂについても同様に同じ列の赤外線検出器（１ｂ、１ｄ）に接続される。なお、信号線７５ａ、７５ｂは、それぞれトランジスタ７ａ、７ｂを介して出力端子８に接続される。トランジスタ７ａ、７ｂは、それぞれ信号線３ａ、３ｂの電圧によりその導通、非導通が制御される。
【００３５】
このように構成された赤外線撮像素子の動作を以下に説明する。
（１）タイミング発生回路５から垂直シフトレジスタ４に走査開始信号が出力されると、垂直シフトレジスタ４が走査を開始し、最初に信号線４ａがハイレベルになる。このとき、信号線４ｂはローレベルである。
（２）信号線４ａがハイレベルを保っている間に、タイミング発生回路５からの読出信号により信号線７３がハイレベルになる。このとき、信号線７４ａはＡＮＤ回路６ａによりハイレベルとなる。また、信号線７４ｂはＡＮＤ回路６ｂによりローレベルとなる。
（３）信号線４ａと信号線７４ａとがハイレベルになると、赤外線検出器１ａ、１ｂの電源端子２４とゲート端子２８とがハイレベルになり、各々の電圧信号がソース端子２９から出力される。
（４）信号線４ａと信号線７４ａとがハイレベルを保っている間に、タイミング発生回路５から水平シフトレジスタ３に走査開始信号が出力され、水平シフトレジスタ３が走査を開始し、最初に信号線３ａがハイレベルになる。このとき、信号線３ｂはローレベルである。これにより、トランジスタ７ａが導通し、出力端子８には赤外線検出器１ａの電圧信号が伝達される。その後、信号線３ａがローレベルになるとともに信号線３ｂがハイレベルになる。これにより、トランジスタ７ｂが導通し、出力端子８には赤外線検出器１ｂの電圧信号が伝達される。
（５）次に、垂直シフトレジスタ４は、信号線４ａをローレベルとするとともに、信号線４ｂをハイレベルとする。これ以降、上記の（１）から（４）までが繰り返される。これにより、出力端子８には、各赤外線検出器の電圧信号が順次伝達される。
【００３６】
出力端子８の出力信号は、赤外線カメラのメモリに順次格納される。そして、メモリに１画面分の出力信号が蓄積された時点で、画像処理が行われ、画像データが生成される。
図２は、本実施の形態に係る赤外線撮像素子を構成する赤外線検出器の回路構成を示す図である。
赤外線検出器における各端子（２４、２８、２９）は、図１における各端子とそれぞれ対応している。
【００３７】
電源端子２４とグラウンド２５との間に、感熱抵抗体２１と基準抵抗２２とが直列に接続されている。感熱抵抗体２１は、その温度に応じて電気抵抗率が変化する。そのため、分圧点２３における電圧もそれに応じて変化する。分圧点２３における電圧変化が、この赤外線検出器における赤外線の受光量に応じた電圧信号である。電圧信号は、増幅器２６により増幅され、トランジスタ２７を通じてソース端子２９へと出力される。トランジスタ２７は、ゲート端子２８がハイレベルのときにドレイン−ソース間を導通し、ローレベルのときにドレイン−ソース間を非導通とするスイッチとしての機能を有する。
【００３８】
図３は、本実施の形態に係る赤外線検出器の実装例を示す外観斜視図である。
メンブレン１２は、基板１１上に設けられた支持脚１３ａ、１３ｂにより支持されている。感熱抵抗体１４は、メンブレン１２上に形成された薄膜であり、金属配線１５ａ、１５ｂにより外部の回路に接続されている。なお、支持脚１３ａ、１３ｂは、感熱抵抗体１４を基板１１から熱的に隔離するため熱抵抗が大きいほうが望ましい。
【００３９】
本実施の形態では、感熱抵抗体１４としてPr1-xCaxMnO3（PCMO）においてPrの一部が他の希土類金属に置換され、または、Caの一部が他のアルカリ土類金属に置換された金属酸化物を採用する。
強相関電子系材料の中でも、特に、A1-xBxMnO3（Aは希土類金属、Bはアルカリ土類金属）の化学式で記述されるペロブスカイト構造のマンガン酸化物は、強磁性転移温度の近傍で低温の金属相から高温の絶縁相へと金属−絶縁体相転移を起こすことで知られている。この金属−絶縁体相転移は、Mnの３ｄ電子に起因するので、３ｄ軌道への電子の供給量や３ｄ軌道のバンド構造などがその相転移温度を決定する要素となる。
【００４０】
したがって、Pr1-xCaxMnO3のように、PrMnO3において３価の希土類金属Prの一部を２価のアルカリ土類金属Caに置換することで、３ｄ軌道への電子の供給量を減少させて（ホールをドープすることと等価）、その相転移温度を変化させることができる。
さらに、Pr1-xCaxMnO3において、Prの一部を他の希土類金属に置換し、または、Caの一部を他のアルカリ土類金属に置換することで、３ｄ軌道のバンド構造を変化させて、その相転移温度を変化させることができる。これは、Prの一部を他の希土類金属に置換すればそれらのイオン半径が異なるため、ペロブスカイト構造の結晶格子に歪みが生じ、３ｄ軌道のバンド構造が変化することによる。
【００４１】
なお、この置換は、Pr1-xCaxMnO3に例えばLaTiO3を添加した複合材料を、レーザー蒸発法、CVD法、ゾルゲル法などにより成膜することで実現することができる。この場合、Prの一部がLaに置換されたPr1-x-yLayCaxMnO3が成膜される。
なお、LaTiO3に限らず、RMO3（Rは希土類金属またはアルカリ土類金属、Mは遷移金属）で記述されるペロブスカイト構造の金属酸化物であれば同様に置換することができる。
【００４２】
また、例えば、Caの一部をSr、あるいはBaに置換するものであっても同様の効果が得られる。RMO3における遷移金属Ｍとしては、Mn、Ti、Al、Ga、Coが挙げられる。
このように、感熱抵抗体にTCRの大きい強相関電子系材料を採用することにより、温度分解能の高い赤外線撮像素子を実現することができる。また、強相関電子系材料の中でも、特に、Pr1-xCaxMnO3においてPrの一部が他の希土類金属に置換され、または、Caの一部が他のアルカリ土類金属に置換された金属酸化物を採用することで、以下の効果が得られる。
（１）Pr1-xCaxMnO3のホールドープ量ｘの増減により、その相転移温度及びその温度範囲を変化させることができる。
（２）Pr1-xCaxMnO3において、Prの一部を他の希土類金属に置換し、または、Caの一部を他のアルカリ土類金属に置換することで、その相転移温度及びその温度範囲を変化させることができる。なお、この変化は、置換する元素の種類によっても、その置換量によっても異なる。
【００４３】
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、広い温度範囲において温度分解能が高い赤外線検出器を実現することができる。即ち、赤外線検出器の使用温度範囲を広げることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態に係る赤外線カメラは、実施の形態１に係る赤外線カメラとおおむね同様の構成を備えるが、感熱抵抗体の材料の選択において相違している。
【００４４】
実施の形態２では、感熱抵抗体１４としてLa1-xBxTiO3（Bはアルカリ土類金属）を採用する。
ペロブスカイト構造のLaTiO3は、１個の電子が３ｄ軌道を占有する代表的なモット絶縁体である。このモット転移は、Tiの３ｄ電子に起因するので、３ｄ軌道への電子の供給量や３ｄ軌道のバンド構造などがその相転移温度を決定する要素となる。
【００４５】
したがって、La1-xBxTiO3のように、LaTiO3において３価の希土類金属Laの一部を２価のアルカリ土類金属Bに置換することで、３ｄ軌道への電子の供給量を減少させて（ホールをドープすることと等価）、その相転移温度を変化させることができる。
なお、この置換は、原料段階でLaとアルカリ土類金属Bとを所定のモル比で混合し、溶融させて結晶を成長させることで実現することができる。
【００４６】
図４は、La1-xSrxTiO3における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
なお、（ａ）から（ｅ）は、それぞれホールドープ量を異ならせた場合における電気抵抗率の温度特性であり、ホールドープ量の多い順に（ａ）＞（ｂ）＞（ｃ）＞（ｄ）＞（ｅ）となっている。図４は、ホールドープ量の相違により電気抵抗率の温度特性が大きく異なることを示している。さらに、ホールドープ量によっては、０Ｋから３００Ｋまでの広い温度範囲にわたりTCRが大きいことを示している。（参考文献、十倉好紀著「強相関電子と酸化物」ISBN4-00-011132-9）
なお、置換される元素はSrではなく他のアルカリ土類金属の場合でも同様の効果が得られる。この場合、アルカリ土類金属Bの元素が異なればイオン半径も異なるので、電気抵抗率の温度特性は図４とは異なることが予想される。したがって、感熱抵抗体１４としてLa1-xBxTiO3（Bはアルカリ土類金属）を採用することで、以下のような効果が得られる。
（１）La1-xBxTiO3のホールドープ量ｘの増減により、その電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
（２）La1-xBxTiO3において、アルカリ土類金属Bの種類により、その電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
【００４７】
したがって、ホールドープ量、および置換する元素の種類を適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態に係る赤外線カメラは、実施の形態１に係る赤外線カメラとおおむね同様の構成を備えるが、感熱抵抗体の材料の選択において相違している。
【００４８】
実施の形態３では、感熱抵抗体１４としてRNiO3（Rはイットリウムまたは希土類金属）を採用する。
金属−絶縁体相転移はペロブスカイト構造のマンガン酸化物以外でも起きることが知られている。その代表としてRNiO3により記述されるペロブスカイト構造のニッケル酸化物がある。
【００４９】
RNiO3はRの種類によって金属−絶縁体相転移の相転移温度が異なる典型的なモット絶縁体である。
Rの種類によって相転移温度が異なるのは、Rのイオン半径により、隣接するNi間における３ｄ電子の伝達エネルギーが異なるからと考えられている。相転移温度は、電子間のクーロン反発エネルギーと電子間の伝達エネルギーとのバランスにより決まるので、Rのイオン半径に応じて異なることになる。
【００５０】
図５は、Rの種類によりRNiO3の相転移温度が異なる様子を示す図である。
３１は常磁性絶縁相、３２は反強磁性絶縁相、３３は金属相である。図５によれば、絶縁体−金属相転移温度は、PrNiO3では１００Ｋ程度、NdNiO3では１５０Ｋ程度、SmNiO3では３００Ｋ程度であることを示す。（参考文献、十倉好紀著「強相関電子と酸化物」ISBN4-00-011132-9）
このように、絶縁体−金属相転移温度は、Rサイトのイオン半径に依存して１００Ｋ以下から４００Ｋ以上まで広範囲にわたり変化する。
【００５１】
したがって、感熱抵抗体１４としてRNiO3（Rはイットリウムまたは希土類金属）を採用することで、以下のような効果が得られる。
（１）RNiO3において、希土類金属Rの種類により、その絶縁体−金属相転移温度を変化させることができる。
したがって、金属Rの種類を適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
【００５２】
なお、実施の形態１または実施の形態２のように、RNiO3において、Rの一部を、イットリウム、希土類金属及びアルカリ土類金属のうちRとは異なる元素に置換することにより、絶縁体−金属相転移温度及びその温度範囲を変化させることができる。
したがって、ホールドープ量、置換する元素の種類、その置換量を適切に選択することにより、より目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態に係る赤外線カメラは、実施の形態１に係る赤外線カメラとおおむね同様の構成を備えるが、感熱抵抗体の材料の選択において相違し、さらに、磁場を印加する手段を備える点で相違する。
【００５３】
実施の形態４では、感熱抵抗体１４として、La1-xSrxMnO3を採用する。
近年、ペロブスカイト構造のマンガン酸化物において、巨大磁気抵抗（CMR:  Collosal Magnetic Resistance）と呼ばれる現象が発見されている。CMRとは、外部磁場の大きさに依存してマンガン酸化物の磁気的性質が変化し、それに伴い電気抵抗率が大きく変化する現象である。
【００５４】
図６は、CMRを示す代表的なマンガン酸化物、La1-xSrxMnO3における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
La1-xSrxMnO3は、温度の低下に伴い電気抵抗率が増大するが、３００Ｋ付近で強磁性体に転移し、それに伴って電気抵抗率が急激に低下し低温では金属的な挙動を示す。また、磁場下では、磁場が大きくなるに伴い強磁性転移温度（キュリー温度）が高温側にシフトし、より高温側から金属状態に転移する。（参考文献、十倉好紀著「強相関電子と酸化物」ISBN4-00-011132-9）
通常、La1-xSrxMnO3の金属−絶縁体相転移は、非常に狭い温度範囲で起こるため非常に大きなTCRを得ることができる。
【００５５】
しかし、これを感熱抵抗体として採用した場合には、赤外線検出器の温度をその温度範囲にあわせる温度補償装置（例えば、ペルチェ素子あるいはスターリング冷却装置）が必要となる。そこで、La1-xSrxMnO3を磁場下に置くことで、磁場が印加されていない場合に比べてTCRは小さくなるが、非常に広い温度範囲にわたり電気抵抗率を変化させることができる。この結果、単一の感熱抵抗体で広い温度範囲にわたり使用可能な赤外線撮像素子を実現することができる。
【００５６】
図７は、赤外線検出器の断面を示す図である。
メンブレン５３は、基板５１上に設けられた支持脚５２により空間５６を隔てて支持されている。感熱抵抗体５４は、メンブレン５３上に形成された薄膜であり、その上に、赤外線吸収膜５５が形成されている。また、感熱抵抗体５４の直下には基板５１上に磁性薄膜５７と赤外線反射膜５８が形成されている。赤外線は紙面上部から赤外線吸収膜５５に入射し、吸収される。感熱抵抗体５４は、赤外線吸収膜５５の温度変化に伴い電気抵抗率が変化し、その変化量が外部の読出回路にて読み出される。また、赤外線吸収膜５５に吸収されずに透過した赤外線は、赤外線反射膜５８により反射され、赤外線吸収膜５５に再度入射する。磁性薄膜５７は、感熱抵抗体５４に磁場を印加するための磁性体である。なお、支持脚５２は、メンブレン５３を基板５１から熱的に隔離するため熱抵抗が大きいほうが望ましい。
【００５７】
上記構成によれば、各赤外線検出器の下部に磁性薄膜５７が配置されるので、外部回路などへの磁場の影響を少なくすることができる。また、磁性薄膜５７と感熱抵抗体５４とが近接しているため、感熱抵抗体５４に効率的に均一な磁場を印加することができる。
上記構成において、感熱抵抗体５４としてLa1-xSrxMnO3を採用することで、以下のような効果が得られる。
（１）磁性薄膜５７が発生する磁場の大きさを異ならせることで、La1-xSrxMnO3の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
【００５８】
したがって、磁場の大きさを適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
また、磁場の大きさを大きくするほど、より広い温度範囲において大きいTCRを示す感熱抵抗体を製作することができる。
なお、実施の形態４では、La1-xSrxMnO3について説明しているが、他のペロブスカイト構造のマンガン酸化物でも同様の効果を得ることができると考えられる。したがって、例えば、Pr1-xCaxMnO3でもかまわない。
【００５９】
なお、感熱抵抗体への磁場の印加手段は、上記の例に限らず、以下のものでもよい。
図８は、赤外線撮像素子に永久磁石が取り付けられた例を示す図である。
図８によれば、赤外線撮像素子８２は、永久磁石８１の上部に取り付けられている。なお、８３は赤外線撮像素子８２の撮像部であり、この面に赤外線が入射される。この構成によれば、このままの状態でパッケージ化することが可能である。また、磁石を微細化する必要がなく、赤外線撮像素子を安価で簡便に製造することができる。
【００６０】
図９は、赤外線撮像素子に電磁石が取り付けられた例の断面を示す図である。
図９によれば、赤外線撮像素子８５は回路基板８４上に取り付けられ、電極８６により電気的に接続されている。電磁石８７は、回路基板８４の下部に取り付けられている。
電磁石８７は、コイルに与える電流の大きさにより、発生する磁場の大きさを変化させることができる。図７または図８の構造であれば、永久磁石を用いているため、赤外線カメラの出荷後においてはユーザが磁場の大きさを変更することは困難である。しかし、図９の構造であれば、コイル電流を変更することにより、赤外線カメラの出荷後においても磁場の大きさを変更することができる。したがって、赤外線カメラが設置される温度環境に応じて最適な磁場の大きさに調節することができる。
（実施の形態５）
実施の形態１−４は、ペロブスカイト構造の金属酸化物において、３ｄ軌道のバンド構造を変化させて、相転移温度を変化させている。３ｄ軌道のバンド構造は、ペロブスカイト構造の結晶格子の歪みにより異ならせることができる。
【００６１】
実施の形態５は、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、その感熱抵抗体に応力を印加することで、３ｄ軌道のバンド構造を変化させ、相転移温度を変化させる。
具体的には、感熱抵抗体をその格子定数とは異なる格子定数の絶縁物上に形成する。この構成によれば、感熱抵抗体と絶縁物との接合面において格子定数の整合性をとるように原子が移動し、両者間に強い内部応力が発生する。この格子定数の相違により発生した内部応力により、感熱抵抗体の金属−絶縁体相転移温度が変化する。
【００６２】
このように、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、自己の格子定数と異なる格子定数の絶縁物上に形成することで、以下のような効果が得られる。
（１）感熱抵抗体と絶縁物との組み合わせを異ならせることで、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
したがって、それらの組み合わせを適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
【００６３】
なお、内部応力に限らず、外部応力を印加することでも同様の効果が得られる。
図１０は、赤外線検出器の断面を示す図である。
ピエゾ素子４２は、その一部で基板４１に接合しており、その大部分は空間４７により基板４１から隔てられている。これは、ピエゾ素子４２と基板４１との熱抵抗を大きくとるためと、ピエゾ素子４２の変形の自由度を確保するためである。感熱抵抗体４４は、絶縁物４３上に形成された薄膜であり、その上に、赤外線吸収膜４５が形成されている。赤外線は紙面上部から赤外線吸収膜４５に入射し、吸収される。感熱抵抗体４４は、赤外線吸収膜４５の温度変化に伴い電気抵抗率が変化し、その変化量が読出電極４６を通じて外部の読出回路にて読み出される。なお、感熱抵抗体４４には均等に外部応力が印加されるように絶縁物４３と面で接している構造が望ましい。また、感熱抵抗体４４は、ピエゾ素子４２と直接接している必要はなく、これらの間に異種材料が存在していても構わない。
【００６４】
上記構成において、ピエゾ素子４２は、与えられる電圧に応じて感熱抵抗体４４に外部応力を印加する。これにより、感熱抵抗体４４の電気抵抗率の温度特性が変化する。
ピエゾ素子４２は、与えられる電圧の大きさにより、応力の大きさを変化させることができる。図１０の構造であれば、電圧を変更することにより、赤外線カメラの出荷後においても応力の大きさを変更することができる。したがって、赤外線カメラが設置される温度環境に応じて最適な応力の大きさに調節することができる。
（実施の形態６）
実施の形態１−５は、ペロブスカイト構造の金属酸化物における３ｄ電子のバンド構造を変化させることで、これらの磁気的性質を変化させ電気抵抗率の温度特性を変化させている。
【００６５】
実施の形態６は、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、その感熱抵抗体に電場を印加することで、３ｄ軌道のバンド構造を変化させ、電気抵抗率の温度特性を変化させる。
図１１は、赤外線検出器の上面図である。
メンブレン６１は、基板上に設けられた支持脚６２により支持されている。感熱抵抗体６３は、メンブレン６１上に形成された薄膜である。赤外線は紙面手前から入射される。感熱抵抗体６３は、赤外線の入射による温度変化に伴い電気抵抗率が変化し、その変化量が外部の読出回路にて読み出される。
【００６６】
電極６４ａ、６４ｂは、感熱抵抗体６３を挟むように感熱抵抗体６３に沿って配置されている。電極６４ａ、６４ｂに電圧が加えられると、その間に電場が発生し、感熱抵抗体６３に電場が印加される。電極６４ａ、６４ｂは、感熱抵抗体６３に沿って配置されているので、感熱抵抗体６３に均一な電場を印加することができる。また、紙面手前からの赤外線入射に対して、電極６４ａ、６４ｂが赤外線の障害にならない。なお、電極６４ａ、６４ｂと感熱抵抗体６３とは、それぞれ絶縁物６５ａ、６５ｂにより絶縁されている。また、感熱抵抗体６３は、その電気抵抗率を読み出す読出回路が読出電極を介して電気的に接続されている。外部電場を印加する方向は、この読出電極によって印加される電場の方向とは垂直な方向であることが好ましい。また、支持脚６２は、メンブレン６１を基板から熱的に隔離するため熱抵抗が大きいほうが望ましい。
【００６７】
上記構成において、電極６４ａ、６４ｂに電圧が加えられると電場が発生する。３ｄ軌道の縮退したエネルギーは、電場下においてはStark効果により、その縮退が解けることが知られている。これにより、ペロブスカイト構造の金属酸化物における３ｄ軌道のバンド構造が変化し、電気抵抗率の温度特性が変化する。
このように、感熱抵抗体としてペロブスカイト構造の金属酸化物を採用し、電場を印加することにより、以下のような効果が得られる。
（１）電場の大きさを異ならせることで、感熱抵抗体の電気抵抗率の温度特性を変化させることができる。
【００６８】
したがって、電場の大きさを適切に選択することにより、目的に応じた使用温度範囲において最適仕様の感熱抵抗体を製作することができる。
さらに、電極６４ａ、６４ｂは、与えられる電圧の大きさにより、電場の大きさを変化させることができる。図１１の構造であれば、電圧を変更することにより、赤外線カメラの出荷後においても応力の大きさを変更することができる。したがって、赤外線カメラが設置される温度環境に応じて最適な電場の大きさに調節することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、防犯用の小型監視カメラや自動車に搭載される暗視カメラなど、暗視野において物体を画像として認識できる赤外線カメラなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】赤外線撮像素子の主要な回路構成を示す図である。
【図２】赤外線撮像素子を構成する赤外線検出器の回路構成を示す図である。
【図３】赤外線検出器の実装例を示す外観斜視図である。
【図４】La1-xSrxTiO3における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
【図５】Rの種類によりRNiO3の相転移温度が異なる様子を示す図である。
【図６】CMRを示す代表的なマンガン酸化物、La1-xSrxMnO3における電気抵抗率の温度特性を示す図である。
【図７】赤外線検出器の断面を示す図である。
【図８】赤外線撮像素子に永久磁石が取り付けられた例を示す図である。
【図９】赤外線撮像素子に電磁石が取り付けられた例の断面を示す図である。
【図１０】赤外線検出器の断面を示す図である。
【図１１】赤外線検出器の上面図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【図１１】
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【国際調査報告】
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