JP2006258562A - Far infrared sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】温度に対して敏感な遠赤外線センサを提供する。
【解決手段】トランジスタのゲート・ソース間にしきい値以下の電圧を印加してサブスレッショルド領域で動作するセンサＭＯＳ形電界効果トランジスタを備えたことを特徴とするものである。
【選択図】図２A far-infrared sensor sensitive to temperature is provided.
A sensor MOS field effect transistor that operates in a subthreshold region by applying a voltage below a threshold value between a gate and a source of the transistor is provided.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、各種技術分野で応用が可能な遠赤外線センサに係り、特にサブスレッショルドＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）形電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）（以下、MOSFETと略記する）の温度敏感性を利用した遠赤外線センサに関するものである。 The present invention relates to a far-infrared sensor that can be applied in various technical fields, and in particular, temperature sensitivity of a sub-threshold MOS (Metal Oxide Semiconductor) type field effect transistor (FET) (hereinafter abbreviated as MOSFET). The present invention relates to a far-infrared sensor using the
遠赤外線の状態を冷却しないで室温で監視できる遠赤外線センサの応用範囲は非常に広いく、例えば放射温度計、火炎検出装置、人体検出装置（例えば防犯装置、侵入警報装置、ライトスイッチ、自動ドアなど）、そして非接触型の構造物の熱画像診断装置などへの応用がある。 Far-infrared sensors that can be monitored at room temperature without cooling far-infrared conditions have a very wide range of applications, such as radiation thermometers, flame detection devices, human body detection devices (eg security devices, intrusion alarm devices, light switches, automatic doors) Etc.), and application to non-contact type structures such as a thermal image diagnostic apparatus.
従来このような遠赤外線モニタは、熱型遠赤外線センサ（サーモパイル、焦電素子、ボロメータＶＯｘなど）を用いて実現されている。特に応用範囲の広い二次元画像センサは、マイクロボロメータＶＯｘによる構成が主流となっている。 Conventional such far infrared monitors, thermal far-infrared sensor (thermopile, pyroelectric, bolometer VO x, etc.) are implemented using. Particularly wide two-dimensional image sensor range of applications are constituted by microbolometer VO x is the mainstream.
これら二次元画像センサは、各画素で遠赤外線を受光して画素の温度変化を生じさせ、その温度変化による素子の電気的な性質の変化を読み出し、赤外線画像を表示している。 These two-dimensional image sensors receive far-infrared rays at each pixel, cause a change in the temperature of the pixel, read changes in the electrical properties of the element due to the temperature change, and display an infrared image.
更に近年の技術によりセンサ画素の温度変化を高めるために、センシング部分の底部をＫＯＨ、ＴＭＡＨ溶液などによりアルカリエッチング処理を施し、底部の一部を空洞化して、温度変化を高める技術も開発されている。 Furthermore, in order to increase the temperature change of the sensor pixel by recent technology, a technology has been developed to increase the temperature change by subjecting the bottom of the sensing part to alkali etching treatment with KOH, TMAH solution, etc., and hollowing out a part of the bottom. Yes.
ところがこれらの画素部分に使用される素子として、抵抗体のような受動素子の温度依存性を利用するものが多いが、能動素子を使用する試みは行われていない。 However, many of the elements used in these pixel portions utilize the temperature dependence of passive elements such as resistors, but no attempt has been made to use active elements.
本発明の目的は、このような背景に鑑みてなされたものであり、温度特性の敏感な遠赤外線センサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a far-infrared sensor having a sensitive temperature characteristic.
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、ゲート・ソース間にしきい値以下の電圧を印加してサブスレッショルド領域で動作するセンサMOSFETを備えたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a first means of the present invention is characterized by including a sensor MOSFET that operates in a subthreshold region by applying a voltage below a threshold value between a gate and a source.
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記センサMOSFETと、そのセンサMOSFETの負荷としての負荷MOSFETとを備え、前記センサMOSFETを定電圧バイアスで駆動することを特徴とするものである。 According to a second means of the present invention, in the first means, the sensor MOSFET and a load MOSFET as a load of the sensor MOSFET are provided, and the sensor MOSFET is driven with a constant voltage bias. is there.
本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記負荷MOSFETが複数段直列に接続されていることを特徴とするものである。 According to a third means of the present invention, in the second means, the load MOSFET is connected in a plurality of stages in series.
本発明の第４の手段は前記第１の手段において、前記センサMOSFETと、そのセンサMOSFETの負荷としての負荷MOSFETとを備え、前記センサMOSFETを定電流で駆動することを特徴とするものである。 According to a fourth means of the present invention, in the first means, the sensor MOSFET and a load MOSFET as a load of the sensor MOSFET are provided, and the sensor MOSFET is driven with a constant current. .
本発明の第５の手段は前記第１の手段において、前記センサMOSFETと、そのセンサMOSFETの負荷としての負荷MOSFETとを備え、前記センサMOSFETを定電圧−定電流で駆動することを特徴とするものである。 According to a fifth means of the present invention, in the first means, the sensor MOSFET and a load MOSFET as a load of the sensor MOSFET are provided, and the sensor MOSFET is driven with a constant voltage and a constant current. Is.
本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段において、前記センサMOSFETと、そのセンサMOSFETと差動対をなす片側MOSFETと、前記センサMOSFETのゲート側と前記片側MOSFETのゲート側との間に接続されたキャパシタとを備え、そのキャパシタに前記センサMOSFETと片側MOSFETの特性のばらつき情報を記憶することを特徴とするものである。 According to a sixth means of the present invention, in the first to fifth means, the sensor MOSFET, a single-side MOSFET that forms a differential pair with the sensor MOSFET, a gate side of the sensor MOSFET, and a gate side of the single-side MOSFET, Between the sensor MOSFET and the one-side MOSFET, and storing the variation information of the characteristics of the sensor MOSFET and the one-side MOSFET.
本発明の第７の手段は前記第６の手段において、前記センサMOSFETと片側MOSFETで構成される差動増幅器の出力電圧をモニタすることを特徴とするものである。 The seventh means of the present invention is characterized in that, in the sixth means, the output voltage of the differential amplifier composed of the sensor MOSFET and the one-side MOSFET is monitored.
本発明の第８の手段は前記第６の手段において、前記センサMOSFETと片側MOSFETで構成される差動増幅器の出力電流をモニタすることを特徴とするものである。 The eighth means of the present invention is characterized in that, in the sixth means, the output current of the differential amplifier composed of the sensor MOSFET and the one-side MOSFET is monitored.
本発明の第９の手段は前記第１ないし第８の手段において、前記センサMOSFETがシリコン基板上に形成され、そのシリコン基板の前記センサMOSFETが形成されている部分に空間部が形成されていることを特徴とするものである。 According to a ninth means of the present invention, in the first to eighth means, the sensor MOSFET is formed on a silicon substrate, and a space is formed in a portion of the silicon substrate where the sensor MOSFET is formed. It is characterized by this.
本発明は前述のような構成になっており、敏感な温度特性を有する遠赤外線センサを提供することができる。 The present invention is configured as described above, and can provide a far-infrared sensor having sensitive temperature characteristics.
次に本発明の実施形態を図とともに説明する。本発明は前述のように、サブスレッショルドMOSFETの温度敏感性を利用した「遠赤外線モニタチップ」である。図１はこの遠赤外線センサの概略構成図で、このセンサは同図に示すように検出部１と読出し部２と積分部３とから大まかに構成され、図に示すような結合関係になっており、これらはＣＭＯＳ回路で構築されている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As described above, the present invention is a “far-infrared monitor chip” that utilizes the temperature sensitivity of the subthreshold MOSFET. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of this far-infrared sensor. This sensor is roughly composed of a
同図に示すように、例えば人体などから発する赤外波などの遠赤外線の変化を検出部1で素子特性の変化として捉え、その検出部1で検出された熱信号を読出し部２で電気信号に変換して積分部3に送り、積分部3からは温度としての表示信号を出力する構成になっている。
As shown in the figure, for example, a far-infrared change such as an infrared wave emitted from a human body or the like is detected as a change in element characteristics by a
これはシリコンＬＳＩによる構成なので、完全モノリシック化が可能で、高集積度（高画素数）と低コスト化を図ることができ、しかも既存の熱型赤外線センサとは異なる機能的な前後処理（例えば検出素子までを含めた校正処理など）が可能となる。 Since this is a silicon LSI configuration, it can be made completely monolithic, can be highly integrated (high number of pixels) and can be manufactured at low cost, and has functional pre- and post-processing different from existing thermal infrared sensors (for example, Calibration processing including detection elements) is possible.
図２を用いて、MOSFETサブスレツショルド特性について述べる。MOSFETのドレイン電流は、ゲート電圧により特徴付けることができる。同図に示すように、ゲート・ソース間電圧（ＶGS）にしきい値電圧（ＶTH）を超える電圧を印加したときに流れる電流は強反転電流と呼ばれており、一方、しきい値電圧以下の電圧を印加したときに流れる電流はサブスレッショルド電流（弱反転電流とも言う）と呼ばれている。 The MOSFET subthreshold characteristics will be described with reference to FIG. MOSFET drain current can be characterized by gate voltage. As shown in the figure, the current that flows when a voltage exceeding the threshold voltage (V TH ) is applied to the gate-source voltage (V GS ) is called a strong inversion current. A current that flows when the following voltage is applied is called a subthreshold current (also called a weak inversion current).
現在のCMOSLSlでは、MOSFETは強反転領域で動作することが前提として設計されており、サブスレツショルド領域で動作させることを前提とした回路設計は行われていない。サブスレツショルド電流はナノアンペアオーダーの電流値となるため、高速動作には限界があるが、応用範囲を限定すけば極めて低消費電力で回路を構築することができ、長時間にわたるセンサＬＳＩを構築することができる。 In the current CMOSLSl, the MOSFET is designed on the assumption that it operates in the strong inversion region, and the circuit design on the assumption that it operates in the subthreshold region is not performed. Since the subthreshold current is a nanoampere order current value, there is a limit to high-speed operation, but if the application range is limited, a circuit can be constructed with extremely low power consumption, and a sensor LSI can be constructed over a long period of time. can do.
MOSFETのドレイン電流特性をその動作領域ごとにまとめると次の通りである。 The drain current characteristics of MOSFETs are summarized for each operating region as follows.
（ａ）強反転領域動作MOSFET
強反転領域で動作するMOSFETのドレイン電流は次式で表される。
The drain current of the MOSFET operating in the strong inversion region is expressed by the following equation.
式中のβはMOSFETのサイズ、移動度（μ）、そして酸化膜容量（Cｏx）で決める定数、VGSはゲート・ソース間電圧、VTHはしきい値電圧を表している。この強反転領域で動作するMOSFETの電流／電圧の温度係数を計算したものをまとめると、図３のようになる。 In the equation, β is a constant determined by MOSFET size, mobility (μ), and oxide film capacitance (C ox ), VGS is a gate-source voltage, and V TH is a threshold voltage. FIG. 3 shows a summary of the calculated current / voltage temperature coefficients of MOSFETs operating in this strong inversion region.
同図に示す定電圧バイアスされたドレイン電流値の温度係数ＴＣＩは、下記に示すように、
ＴＣ1＝−０．１５４％／ｄｅｇ
また定電流バイアスしたダイオード接続MOSFETの電圧の温度係数ＴＣＶは、下記に示すようになった。
Temperature coefficient TC I of the constant-voltage biased drain current value shown in the figure, as shown below,
TC 1 = −0.154% / deg
Further, the temperature coefficient TC V of the voltage of the diode-connected MOSFET biased at a constant current is as shown below.
ＹＣＶ＝０．０２８５％／ｄｅｇ
なお、これらの値は０．３５μｍ−ＣＭＯＳプロセスパラメータから算出したものである。したがって、強反転領域で動作するMOSFETの電流／電圧の温度係数は比較的小さく、強反転領域で動作するMOSFETは温度に対して鈍感である。
YC V = 0.0285% / deg
These values are calculated from 0.35 μm-CMOS process parameters. Therefore, the current / voltage temperature coefficient of the MOSFET operating in the strong inversion region is relatively small, and the MOSFET operating in the strong inversion region is insensitive to temperature.
（ｂ）サブスレッショルド領域動作MOSFET
サブスレッショルド領域で動作するMOSFETのドレイン電圧が０．１Ｖ以上のとき次式で表せる。
When the drain voltage of the MOSFET operating in the subthreshold region is 0.1 V or more, it can be expressed by the following equation.
式中のＩ０はMOSFETのサイズ、移動度（μ）、酸化膜容量（Ｃｏｘ）、熱電圧（ＶＴ）、そして基板係数（η）で決める前置係数である。そのサブスレッショルド領域で動作するMOSFETの電流／電圧の温度係数を計算したものをまとめると、図４のようになる。 In the equation, I 0 is a pre-coefficient determined by the MOSFET size, mobility (μ), oxide film capacitance (C ox ), thermal voltage (V T ), and substrate coefficient (η). FIG. 4 shows a summary of the calculated current / voltage temperature coefficients of MOSFETs operating in the subthreshold region.
同図に示すように、定電圧バイアスされたドレイン電流値の温度係数ＴＣＩ
は下記のようになり、
ＴＣＩ＝αＩ＝２．８９％／ｄｅｇ
また定電流バイアスしたダイオード接続MOSFETの電圧の温度係数ＴＣＶ
は下記のようになった。
As shown in the figure, the temperature coefficient TC I of the drain current value biased at a constant voltage.
Is as follows:
TC I = α I = 2.89% / deg
The temperature coefficient TC V of the voltage of the diode-connected MOSFET biased with constant current
It became as follows.
ＴＣＶ＝αＶ＝−１．１５％／ｄｅｇ
なお、これらの値は０．３５μｍ−ＣＭＯＳプロセスパラメータを使用して算出している。したがって、サブスレッショルド領域で動作するMOSFETの電流／電圧係数は、強反転領域で動作するMOSFETと比較して非常に大きな温度係数を有し、したがって弱反転領域で動作するMOSFETは温度に対して敏感に変化することが分かる。
TC V = α V = −1.15% / deg
These values are calculated using 0.35 μm-CMOS process parameters. Therefore, the current / voltage coefficient of the MOSFET operating in the subthreshold region has a very large temperature coefficient compared to the MOSFET operating in the strong inversion region, and therefore the MOSFET operating in the weak inversion region is sensitive to temperature. It turns out that it changes.
両者の温度係数の違いは、電流伝導メカニズムの違いに起因している。MOSFETの電流伝導機構としては、電界による“ドリフト電流”と、キャリア濃度の勾配による“拡散電流”の２つのメカニズムがある。強反転領域では、ドリフト電流と拡散電流ともに電流伝導に寄与するが、拡散電流量は微小であるためドリフト電流成分に埋没してしまう。このため、ドリフト電流成分が支配的となる。 The difference in temperature coefficient between the two results from the difference in current conduction mechanism. There are two mechanisms for MOSFET current conduction: “drift current” due to an electric field and “diffusion current” due to a gradient of carrier concentration. In the strong inversion region, both drift current and diffusion current contribute to current conduction, but the amount of diffusion current is so small that it is buried in the drift current component. For this reason, the drift current component becomes dominant.
一方、サブスレッショルド領域では、ドリフト電流は存在せず、拡散電流のみが支配的である。拡散電流は上述の通り、キャリア濃度の差（ドレイン領域とソート領域のキャリア濃度差）に起因した電流であるため、電気伝導に起因するキャリアが温度に対してボルツマン分布に従って増大する。したがって、サブスレッショルド領域動作MOSFETの温度特性は敏感に変化する。 On the other hand, in the subthreshold region, there is no drift current, and only the diffusion current is dominant. As described above, since the diffusion current is a current caused by a difference in carrier concentration (difference in carrier concentration between the drain region and the sort region), carriers caused by electrical conduction increase according to the Boltzmann distribution with respect to temperature. Therefore, the temperature characteristics of the subthreshold region operating MOSFET change sensitively.
以上のことから、サブスレッショルド領域で動作する MOSFETの温度係数は大きいことが分かる。従来の遠赤外線イメージセンサで用いられいてるボロメータ素子などと比較しても遜色のない温度係数を有しており、従来の受動素子を本発明の能動素子に置き換えることの出来る可能性を有している。 From the above, it can be seen that the temperature coefficient of the MOSFET operating in the subthreshold region is large. Compared to bolometer elements used in conventional far-infrared image sensors, it has a temperature coefficient comparable to that of bolometer elements, and has the possibility of replacing conventional passive elements with the active elements of the present invention. Yes.
次にセンサ回路の構成について説明する。
サブスレッショルド領域で動作するMOSFETをセンサ回路として使用することを検討した。従来のようにセンサ部分を基板から浮かせて空洞化した場合、センサ部分に配置可能なMOSFETの個数は限られる。ここでは、配置可能なMOSFETの個数を１個として、温度変化による信号処理過程を説明する。
Next, the configuration of the sensor circuit will be described.
We investigated the use of MOSFETs operating in the subthreshold region as sensor circuits. When the sensor portion is floated from the substrate as in the past, the number of MOSFETs that can be placed in the sensor portion is limited. Here, assuming that the number of MOSFETs that can be arranged is one, a signal processing process based on a temperature change will be described.
温度変化を検知して信号処理を行う方法としては、図５に示す３通りの形態が考えられる。すなわち同図に示すように（Ａ）定電圧バイアスMOSFET−負荷接続、（Ｂ）ダイオード接続MOSFET−定電流バイアス接続、（Ｃ）定電圧バイアスMOSFET−定電流バイアス接続の３通りがある。 As a method of performing signal processing by detecting a temperature change, three forms shown in FIG. 5 are conceivable. That is, as shown in the figure, there are three types: (A) constant voltage bias MOSFET-load connection, (B) diode connection MOSFET-constant current bias connection, and (C) constant voltage bias MOSFET-constant current bias connection.
これら３通りの信号処理方法について次に説明する。なお、ここではn型MOSFETをセンサ素子として使用した場合を示しているが、ｐ型MOSFETをセンサ素子として使用した場合も同様の解析が適応できる。 These three signal processing methods will be described next. Although the case where an n-type MOSFET is used as a sensor element is shown here, the same analysis can be applied when a p-type MOSFET is used as a sensor element.
（ａ）定電圧バイアスMOSFET−負荷接続（電圧出力）
図６に具体的な回路構成を示す。図中のセンサMOSFET４を定電圧バイアス（ＶＢＩＡＳ）で駆動し、ダイオード接続MOSFET１１を負荷として用いた構成になっている。センサMOSFET４の温度上昇により電流量が増大し、出力電圧が変動する。この信号を読出し回路（図１の読出し部２）により出力する。出力電圧の温度変化は次式で表せる。
FIG. 6 shows a specific circuit configuration. The
式中のηは基板係数、ＶTは熱電圧、αlはサブスレッショルドMOSFETの電流温度係数である。このように出力電圧はサブスレッショルド電流の温度係数αlに比例した温度変化を示す。 In the equation, η is a substrate coefficient, V T is a thermal voltage, and α l is a current temperature coefficient of the subthreshold MOSFET. Thus, the output voltage shows a temperature change proportional to the temperature coefficient α l of the subthreshold current.
さらに、温度変化を増大させるために、図７の回路構成にした。負荷として用いているダイオード接続MOSFET１１をＮ段直列に続接続した構成である。なお同図において出力側の回路構成は図６のものと同様であるので、図示を省略した。この構成を採用することにより、出力電圧の温度変化を次式で表せる。
先に示した図６の構成と比較して、出力電圧の温度変化は接続段数倍（Ｎ倍）に増幅される。 Compared with the configuration of FIG. 6 shown above, the temperature change of the output voltage is amplified by the number of connection stages (N times).
（ｂ）ダイオード接続MOSFET−定電流バイアス接続（電圧出力）
図８に具体的な回路構成を示す。センサMOSFET４をダイオードに接続して、これを定電流でバイアスした構成である。このとき、出力電圧の温度依存性は次式で表せる。
FIG. 8 shows a specific circuit configuration. The
式中のαvはサブスレッショルドMOSFETの電圧温度係数である。この構成では、前記（ａ）の構成に比較して、大きな温度係数を実現するには限界があるが、素子が２端子で構成することが可能であるという特長を有している。 Α v in the equation is a voltage temperature coefficient of the subthreshold MOSFET. Compared with the configuration (a), this configuration has a limitation in realizing a large temperature coefficient, but has an advantage that the element can be configured with two terminals.
（ｃ）定電圧バイアスMOSFET−定電流バイアス接続（電流電圧出力）
図９に具体的な回路構成を示す。差動増幅器を用いており、差動入力MOSFETのゲート電圧を共通の電圧でバイアスした構成である。非反転入力端子のMOSFETをセンサMOSFET４として使用する。センサMOSFET４の温度が微小変化した場合、差動入力MOSFET１２に流れる電流はΔl（＝αlｌΔＴ）だけ変化する。
(C) Constant voltage bias MOSFET-constant current bias connection (current voltage output)
FIG. 9 shows a specific circuit configuration. A differential amplifier is used, and the gate voltage of the differential input MOSFET is biased with a common voltage. A non-inverting input terminal MOSFET is used as the
この差動増幅器では、出力を電圧出力としてモニタする場合（ＯＰＡ：Operational Amplifierとして使用）と電流出力としてモニタする場合（ＯＴＡ：Operational Trans−conductance Amplifierとして使用）の２通りの使用方法が考えられる。 In this differential amplifier, there are two possible usage methods: when the output is monitored as a voltage output (OPA: used as an operational amplifier) and when the output is monitored as a current output (OTA: used as an operational trans-conductance amplifier).
（ｃ−１）ＯＰＡとして使用する場合：電圧出力
ＯＰＡとして使用する場合の出力電圧の温度変化は次式で表せる。
式中のrｏｕｔはＯＰＡの小信号出力抵抗を表している。この結果より、出力電圧の変化は非常に大きな電圧変動となることが分かる。 R out in the equation represents the small signal output resistance of OPA. From this result, it can be seen that the change in the output voltage results in a very large voltage fluctuation.
（ｃ−２）ＯＴＡとして使用する場合：電流出力
ＯＴＡとして使用する場合の出力電流の温度変化は次式で表せる。
この構成によれば、サブスレッショルド領域MOSFETのドレイン電流の温度変化率を２倍に増幅することができる。 According to this configuration, the temperature change rate of the drain current of the subthreshold region MOSFET can be doubled.
前述のように差動増幅器を用いて場合、素子のばらつきを補償する回路を組み合わせることが可能となる。 As described above, when a differential amplifier is used, it is possible to combine a circuit that compensates for variations in elements.
図１０はその具体的な構成を示しており、センサMOSFET４と、増幅器としてのMOSFET１３とで差動増幅器を構成しており、前記センサMOSFET４のゲートとMOSFET１３のゲートとの間にキャパシタ１４が接続されている。スイッチを用いて差動増幅器でユニティゲイン構成とし、キャパシタ１４にトランジスタ素子（MOSFET４,１３）のばらつきを記憶する（同図における左側の上下の回路図参照）。
FIG. 10 shows a specific configuration thereof, in which a
その後、同図における右側の上下の回路図のようにスイッチを開放することで差動対（MOSFET４，１３）に流れる電流のミスマッチを低減することが可能となる。この状態で、遠赤外線を入射して素子の温度を変化させ、その信号を取り出すことが可能となる。このような構成をとることにより、前述の記憶された素子のばらつきにより、そのばらつきを補償して誤差を減少することができる。
After that, by opening the switch as shown in the upper and lower circuit diagrams on the right side of the figure, it is possible to reduce mismatch of the current flowing through the differential pair (
温度変化を検出する素子として、本実施形態ではMOSFETを用いたが、これはバイポーラ素子、ダイオード素子でも可能である。バイポーラ素子の電流特性は、MOSFETのサブスレッショルド電流と同様に指数関数で表すことができ、温度に対する変化率も非常に大きい。したがって前述の回路において、MOSFETの代わりにバイポーラ素子を同様に使用することでも同等の機能を実現できる。 In this embodiment, a MOSFET is used as an element for detecting a temperature change. However, a bipolar element and a diode element are also possible. The current characteristics of the bipolar element can be expressed by an exponential function like the sub-threshold current of the MOSFET, and the rate of change with temperature is very large. Therefore, in the above-described circuit, the equivalent function can be realized by using a bipolar element in the same manner instead of the MOSFET.
従来の二次元赤外線イメージセンサでは、高効率な温度上昇を実現するためセンサ素子の底部に対してアルカリエッチング処理を行って、その部分を空洞化し、センシング部分の温度上昇率を向上させていた。これは、シリコンの熱伝導率が高いため、赤外線吸収膜の温度上昇がシリコン基板側に抜けてしまうためである。 In the conventional two-dimensional infrared image sensor, in order to realize a highly efficient temperature rise, an alkali etching process is performed on the bottom of the sensor element to hollow out that portion, thereby improving the temperature rise rate of the sensing portion. This is because the thermal conductivity of silicon is high, so that the temperature rise of the infrared absorption film escapes to the silicon substrate side.
空洞化することなく温度上昇を検出するために、ＳＯl構造、ＴＦＴ構造を使用することが考えられる。しかし、ＳＯl構造は、基板が酸化膜ＳiＯ２であるため熱伝導率が低く、温度が抜けにくくなる。また、センサ素子を分離し、素子分離材料に熱伝導率の低い材料を用いれば熱の拡散を防ぐことが可能であり、効率的にセンサ素子部の温度上昇を実現することが可能である。 In order to detect a temperature rise without cavitation, it is conceivable to use a SOl structure or a TFT structure. However, SOL structure has a low thermal conductivity for the substrate is an oxide film SiO 2, the temperature is less likely to escape. Further, if the sensor element is separated and a material having low thermal conductivity is used as the element separation material, it is possible to prevent heat diffusion, and it is possible to efficiently realize the temperature rise of the sensor element portion.
ＴＦＴ構造では、基板がガラスまたはプラスチックであるため、同様に温度が抜けにくい。さらに、素子分離が前提の素子であるため効率的にセンサ素子の温度上昇を実現することが可能である。 In the TFT structure, since the substrate is made of glass or plastic, the temperature is similarly difficult to escape. Furthermore, since the element is premised on element isolation, it is possible to efficiently increase the temperature of the sensor element.
サブスレッショルドMOSFETをイメージセンサ素子として使用する場合、温度を効率良く上昇させるためにＭＥＭＳ技術などを用いて、温度保持能力を高める工夫が必要となる。これはシリコン（Ｓｉ）の熱伝導率が非常に大きいため、高速で熱拡散が発生し、十分な温度上昇ができないためである。前述のようにエッチング処理してセンサ素子を中空構造にする方式も、前記の問題を解消するために用いられる手法である。 When a subthreshold MOSFET is used as an image sensor element, it is necessary to devise a technique for increasing the temperature holding capability by using MEMS technology or the like in order to increase the temperature efficiently. This is because the thermal conductivity of silicon (Si) is very large, so that thermal diffusion occurs at a high speed and the temperature cannot be increased sufficiently. As described above, the method of etching the sensor element to form a hollow structure is also a method used to solve the above problem.
しかし、アルカリエッチングを行って中空構造を作成する場合、現在の技術ではアルカリイオンなどがMOSFETの界面へと侵入し、特性（しきい値電圧、サブスレッショルドスロープ、アクセプタ・ドナー濃度等）を大きく変化させてしまう問題がある。プロセス技術の向上により解決される可能性はあるが、現段階では次に説明するＳＯＩ（Silicon−On−Insulator）構造を用いることが最良と考える。 However, when creating a hollow structure by performing alkali etching, with the current technology, alkali ions enter the MOSFET interface and the characteristics (threshold voltage, subthreshold slope, acceptor / donor concentration, etc.) change greatly. There is a problem that will let you. Although there is a possibility that the problem can be solved by improving the process technology, it is considered best to use an SOI (Silicon-On-Insulator) structure described below at this stage.
次にＳＯＩ構造を用いたセンサ素子の構成について、図１１とともに説明する。シリコン基板６上に酸化膜層（ＳｉＯ2）７を介してMOSFET８を形成してなる。さらに、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）を用いて素子の分離を行う。これは既存のＳＯＬ技術である。
Next, the configuration of the sensor element using the SOI structure will be described with reference to FIG. A
ここからセンサ素子部分９の裏面（シリコン基板６の部分）をＭＥＭＳ技術を用いて削り取って空間部１０を形成した構造を図１２に示す。この空間部１０を形成したセンサ素子部分９を、サブスレッショルド領域で動作させる温度センサとして使用する。また、ＴＦＴ（Thin−Film−Transistor）を用いた場合には、もともとガラス基板上にトランジスタを形成しているため、ＭＥＭＳ技術を使用することなくセンサ素子として使用可能である。
FIG. 12 shows a structure in which the
本発明に係る二次元赤外線センサの応用として、以下のような技術分野がある。 Applications of the two-dimensional infrared sensor according to the present invention include the following technical fields.
（ａ）人体の発する赤外線を検出する人体の検出（例えば自動ドアの開閉、防犯カメラ、車載人体検出センサ等）
（ｂ）異常熱源検出（例えば火災報知器等）
（ｃ）遠赤外線サーモグラフィ（例えば医療での血流診断、内燃機関でのエンジンでの発熱調査、建物などの構築物での劣化診断等）
（ｄ）カメラのオートフォーカス機能の付加機能（遠赤外線センサを用いることによりオートフォーカスを確実なものとし、“ピンボケ”を防止する）
（ｅ）携帯電話機などのような移動通信機器に付加
このような機能は、現在の非冷却型遠赤外線イメージセンサにより実現可能であるが、シリコンプロセスのみで構築することができれば大幅なコスト削減が実現でき、安価な遠赤外線イメージセンサを提供することができる。
(A) Detection of a human body that detects infrared rays emitted from the human body (for example, automatic door opening / closing, security camera, vehicle-mounted human body detection sensor, etc.)
(B) Abnormal heat source detection (for example, fire alarm)
(C) Far-infrared thermography (for example, blood flow diagnosis in medicine, investigation of heat generation in an engine in an internal combustion engine, deterioration diagnosis in a structure such as a building)
(D) Additional function of the camera's autofocus function (using a far-infrared sensor to ensure autofocus and prevent "out of focus")
(E) Addition to mobile communication devices such as mobile phones This function can be realized with the current uncooled far-infrared image sensor, but if it can be built only with a silicon process, it will greatly reduce costs. An inexpensive far-infrared image sensor that can be realized can be provided.
さらにまたサブスレッショルド領域動作MOSFETの温度敏感性を応用した次のようなアプリケーションも可能である。 In addition, the following applications using the temperature sensitivity of subthreshold region operation MOSFETs are also possible.
（ｆ）タッチパネル（素子をマトリック状に配置する。タッチパネルで触られた
部分の温度が上昇し、それを検出して信号を出力する）
（ｇ）回路の熱暴走検出機能（例えば回路上のＣＰＵなどの熱による暴走検出）
次にボロメータ素子とサブスレツショルドMOSFETとの比較について説明する。
(F) Touch panel (elements are arranged in a matrix. The temperature of the part touched by the touch panel rises, and a signal is output by detecting it.)
(G) Thermal runaway detection function of a circuit (for example, runaway detection due to heat of a CPU on the circuit)
Next, a comparison between a bolometer element and a subthreshold MOSFET will be described.
集積回路ＬＳｌを組み合わせた二次元遠赤外線センサ分野では、現在ＶＯｘ（酸化バナジウム）の抵抗値の温度依存性を用いたボロメータタイプのものが主流となっている。ここでは、ボロメータ素子を使用した赤外線センサとサブスレツショルドMOSFETを使用した遠赤外線センサの素子特性およびプロセス行程に注目して比較を行った。図１３は各項目を比較して示す図であり、この図とともに各比較項目について説明する。 In the field of two-dimensional far-infrared sensors combined with an integrated circuit LSl, a bolometer type sensor using the temperature dependence of the resistance value of VOx (vanadium oxide) is currently mainstream. Here, a comparison was made focusing on the element characteristics and process process of the infrared sensor using a bolometer element and the far infrared sensor using a subthreshold MOSFET. FIG. 13 is a diagram showing each item in comparison, and each comparison item will be described together with this diagram.
（ａ）素子特性
素子特性の大きな違いとして、ボロメータ素子は抵抗対であるため受動素子であり、サブスレツショルドMOSFETは能動素子である。サブスレツショルドMOSFETは能動素子であることから、各種のアクティブフィルタなどを形成することが可能となり、幅広い信号処理機構を実現できる。
(A) Element Characteristics A large difference in element characteristics is that the bolometer element is a passive element because it is a resistance pair, and the subthreshold MOSFET is an active element. Since the subthreshold MOSFET is an active element, various active filters can be formed, and a wide range of signal processing mechanisms can be realized.
ボロメータ素子抵抗温度（ＴＣＲ）は、受動素子であるため外部からのエネルギー供給量（バイアス）に依存する。一般的に、ボロメータ素子の温度係数は、バイアス電流量に依存して大きくなるため、印加バイアス電圧／電流が大きくなる傾向がある。したがって、センサで消費する電力の増大を招く。 Since the bolometer element resistance temperature (TCR) is a passive element, it depends on an external energy supply amount (bias). In general, the temperature coefficient of the bolometer element increases depending on the amount of bias current, so that the applied bias voltage / current tends to increase. Therefore, the power consumed by the sensor is increased.
これに対してサブスレツショルドMOSFETの電流値の温度係数は、ゲートバイアスで決まり、さらに電源電圧もＣＭＯＳプロセステクノロジで決まる電圧に設定されるため、消費電力を大きく削減することが可能である。 On the other hand, the temperature coefficient of the current value of the subthreshold MOSFET is determined by the gate bias, and the power supply voltage is set to a voltage determined by the CMOS process technology, so that power consumption can be greatly reduced.
（ｂ）プロセス工程
ボロメータ素子は、シリコンプロセスとの互換性がないため、ＣＭＯＳプロセス後に別途ＶＯｘ薄膜を成膜する必要がある。この成膜プロセスでは、シリコンＬＳｌへの汚染を防ぐために厳重な管理が必要となる。ＶＯｘ薄膜はスパッタリング法を用いて成膜されるため、５００℃前後の高温に保持する必要がある。
(B) Process Step Since the bolometer element is not compatible with the silicon process, it is necessary to form a VOx thin film separately after the CMOS process. In this film forming process, strict management is required to prevent contamination of the silicon LSl. Since the VOx thin film is formed using a sputtering method, it is necessary to maintain the VOx thin film at a high temperature around 500 ° C.
このため結晶構造が均一でない多結晶構造となってしまい、特性に大きなばらつきが生じてしまう。さらに高温熱処理を行うため、シリコンＬＳｌデバイスに損傷を与えてしまう問題がある。この結果、歩留まりが低下し製造コストの上昇につながっている。また、スパッタリング法による薄膜成膜であるため製造時間に長時間を要してしまう。 For this reason, the crystal structure becomes a polycrystal structure which is not uniform, resulting in a large variation in characteristics. Furthermore, since the high temperature heat treatment is performed, there is a problem that the silicon LSl device is damaged. As a result, the yield decreases and the manufacturing cost increases. Further, since the thin film is formed by the sputtering method, a long time is required for manufacturing.
これに対して、サブスレツショルドMOSFETをセンタ素子として使用した場合、ＣＭＯＳプロセスのみで製作できるため、結晶構造は単結晶であり、特性ばらつきの改善が図れる。さらに、スパッタリングなどの付加的な長時間・高温プロセスも必要ないのでＬＳｌデバイスに損傷を与えることもない。したがって、歩留まりの向上、高集積化による低コスト化が期待できる。 On the other hand, when the subthreshold MOSFET is used as the center element, it can be manufactured only by the CMOS process, so that the crystal structure is a single crystal, and the characteristic variation can be improved. Furthermore, no additional long-time, high-temperature processes such as sputtering are required, and the LSl device is not damaged. Therefore, improvement in yield and cost reduction by high integration can be expected.
次にバイポーラ素子、ダイオード素子での実現方法について説明する。図１４に示すように、バイポーラ素子、ダイオード素子ともに電流特性は指数関数特性で表せる。 Next, a realization method using a bipolar element and a diode element will be described. As shown in FIG. 14, the current characteristics of both bipolar elements and diode elements can be expressed by exponential function characteristics.
これはバイポーラ素子、ダイオード素子の電流特性がサブスレツショルド電流と同様にキャリアの濃度に依存した電流となるためである。キャリア濃度は温度に対してボルツマン分布に従って増大するため、バイポーラ素子、ダイオード素子ともにセンサ素子として使用可能である。ダイオード素子では順方向バイアス、逆方向バイアス（トンネルリーク電流を利用）ともに温度係数を大きくとることが可能である。 This is because the current characteristics of the bipolar element and the diode element become a current depending on the carrier concentration, similar to the subthreshold current. Since the carrier concentration increases with temperature according to the Boltzmann distribution, both bipolar elements and diode elements can be used as sensor elements. A diode element can have a large temperature coefficient for both forward bias and reverse bias (using tunnel leakage current).
図１４に示す通り素子を温めた場合、サブスレツショルドMOSFETと同様に大きな温度変化を示す。 When the element is heated as shown in FIG. 14, a large temperature change is exhibited as in the case of the subthreshold MOSFET.
次にタッチパネルの実現方法について説明する。タッチパネルに必要な機能には、表示（ディスプレイ）機能と検出機能とがある。タッチパネルには、抵抗膜方式、静電容量方式、電磁誘導方式、超音波表面弾性波方式などが一般的に用いられている。以下、各方式について簡単に説明する。 Next, a method for realizing a touch panel will be described. Functions necessary for the touch panel include a display function and a detection function. For the touch panel, a resistance film method, a capacitance method, an electromagnetic induction method, an ultrasonic surface acoustic wave method and the like are generally used. Hereinafter, each method will be briefly described.
（ａ）抵抗膜方式
ガラス基板と透明なフィルムの間にスぺーサ（間隙）を介し、Ｘ方向、Ｙ方向に電気回路を配線した構成である。フィルム上の押された部分の配線がショートすることで電圧変化が生じ、押された場所を特定することができる。
(A) Resistive film system In this structure, electrical circuits are wired in the X and Y directions via a spacer (gap) between a glass substrate and a transparent film. A voltage change is caused by short-circuiting the wiring of the pressed portion on the film, and the pressed position can be specified.
（ｂ）静電容量方式
透明な導電性基板のガラス面に電気信号を受ける物質が塗布されており、指がガラス面に近づくと電気信号をセンサで検知する方式である。耐久性に優れ、ノートパソコン等のポインティングデバイスにも使用されている。
(B) Capacitance method In this method, a substance that receives an electric signal is applied to the glass surface of a transparent conductive substrate, and the electric signal is detected by a sensor when a finger approaches the glass surface. It has excellent durability and is used for pointing devices such as notebook computers.
（ｃ）電磁誘導方式
電磁誘導原理を用いてセンサを入力デバイス（スタイラスペンなど）に利用したものである。スタイラスペンの中に磁石が入っており、導線やコイルが埋め込まれたパネル上をペンが動くと、そこで発生した電気をセンサが検知し、ペンがどこからどこへ動いたのかを検出する。
(C) Electromagnetic induction method A sensor is used as an input device (such as a stylus pen) using the electromagnetic induction principle. A magnet is contained in the stylus pen, and when the pen moves on a panel in which conductors and coils are embedded, the sensor detects the electricity generated there and detects where the pen moved from.
（ｄ）超音波表面弾性波方式
超音波表面弾性波を利用した方式である。特定の物体に応力を与えると電気分極が起こり、逆に電界を与えると歪または応力を生ずる、所謂、「圧電現象」が存在する。この圧電現象を用い、圧電トランスデューサを使用し、タッチパネルが押されたときの歪（超音波）をセンサで検出することで、パネルに触れたことを検出する構成になっている。
(D) Ultrasonic surface acoustic wave method This method uses ultrasonic surface acoustic waves. There is a so-called “piezoelectric phenomenon” in which electric polarization occurs when a stress is applied to a specific object, while strain or stress occurs when an electric field is applied. By using this piezoelectric phenomenon, a piezoelectric transducer is used, and a touch (touch) is pressed and a distortion (ultrasonic wave) is detected by a sensor to detect touching the panel.
これらの検出方式は、ディスプレイ機能と検出機能が別途組み合わされたものであり、組合せが必要なため必然的にサイズが大きくなり（厚くなり）、さらに電力消費も比較的大きい。 In these detection methods, a display function and a detection function are separately combined, and the combination is necessary, so that the size is inevitably increased (thickened) and the power consumption is relatively large.
そこで、サブスレツショルド領域動作トランジスタの温度敏感性をタッチパネルに応用した例を説明する。既存の液晶ディスプレイは図１５に示すように、ＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）と液晶（容量Ｃで表現）により構成されている。各画素に液晶駆動用のＴＦＴが配置され、そのＴＦＴにより液晶を駆動し、光量を調節している。 An example in which the temperature sensitivity of the subthreshold region operation transistor is applied to a touch panel will be described. As shown in FIG. 15, the existing liquid crystal display is composed of TFT (Thin Film Transistor) and liquid crystal (represented by a capacitor C). A TFT for driving a liquid crystal is disposed in each pixel, and the liquid crystal is driven by the TFT to adjust the amount of light.
本発明では図１６に示すように、この液晶駆動用のＴＦＴとともに各画素にサブスレツショルド領域で動作する温度センサMOSFETからなるＴＦＴ５を配置する。
In the present invention, as shown in FIG. 16, a
人体の接触により押された部分（あるいは非接触で近接した部分）の温度（遠赤外線による熱）が上昇するため、押された部分（あるいは近接した部分）の素子特性が変化し、押された部分（あるいは近接した部分）の場所を検知することが出来る。 Since the temperature (heat from the far-infrared rays) of the pressed part (or non-contacted and close part) rises due to contact with the human body, the device characteristics of the pressed part (or the close part) change and are pressed. The location of a part (or a close part) can be detected.
次に人体と犬・猫の区別の方法について説明する。
防犯目的として遠赤外線センサを使用する場合、人体と犬、猫を区別することは必要な機能である。また近い将来実現されうるロボットの目として、人と犬、猫を区別することは重要な機能である。遠赤外線センサが人体をはじめとする恒温動物を検出した後、人と犬、猫を区別する方法として、次の３通りが考えられる。
Next, a method for distinguishing between the human body and a dog / cat will be described.
When using a far-infrared sensor for crime prevention purposes, it is a necessary function to distinguish a human body from a dog and a cat. In addition, as a robot eye that can be realized in the near future, it is an important function to distinguish humans from dogs and cats. After the far-infrared sensor detects a thermostat animal such as a human body, the following three methods are conceivable as a method for distinguishing a person from a dog and a cat.
（ａ）犬、猫の嫌う周波数帯域の超音波を発生させる
犬、猫は超音波（１９ｋＨｚ〜２５ｋＨｚ）に反応するが、人間にはこの周波数
帯の音は聞こえないため、これを利用することで人体と犬、猫の判定を行うこ
とが可能となる。
(A) Generating ultrasonic waves in the frequency band that dogs and cats dislike Dogs and cats respond to ultrasonic waves (19 kHz to 25 kHz), but humans cannot hear sounds in this frequency band. This makes it possible to determine the human body, dogs and cats.
（ｂ）画像、遠赤外画像および超音波（距離測定用）を組合せて計算処理
画像、および遠赤外画像により形状、大きさを計算する。さらにこのとき、犬、猫の特徴的な動き（呼吸など）、形態（四足、尻尾など）を計算する。また、遠赤外画像により、犬、猫の場合には、鼻以外は毛に覆われているため、鼻部分の温度のみが高い。これにより人体と犬、猫の判定が可能となる。この方式を用いるためには、別途計算処理を行うプロセッサが必要となる。
(B) Calculation process combining image, far-infrared image and ultrasonic wave (for distance measurement) Calculate shape and size from image and far-infrared image. Further, at this time, characteristic movements (breathing, etc.) and forms (quadrups, tails, etc.) of the dog and cat are calculated. In addition, in the case of dogs and cats, only the temperature of the nose portion is high because far infrared images are covered by hair except for the nose. Thereby, a human body, a dog, and a cat can be determined. In order to use this method, a processor that performs a separate calculation process is required.
（ｃ）言葉を話し掛ける
犬、猫は人の言葉を理解することは不可能である。このことを利用し、遠赤外線を検出したときに言葉を掛ける。これに反応を示す熱源は人体であると判定できる。
(C) Speak words Dogs and cats cannot understand human language. Utilizing this fact, words are used when far infrared rays are detected. It can be determined that the heat source that reacts to this is the human body.
１：検出部、２：読出し部、３：積分部、４：センサMOSFET、５：MOSFETからなるＴＦＴ、６：シリコン基板、７：酸化膜層、８：MOSFET、９：センサ素子部分、１０：空間部、１１：ダイオード接続MOSFET、１２：差動入力MOSFET、１３：増幅器としての片側MOSFET、１４：キャパシタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Detection part, 2: Reading part, 3: Integration part, 4: Sensor MOSFET, 5: TFT which consists of MOSFET, 6: Silicon substrate, 7: Oxide film layer, 8: MOSFET, 9: Sensor element part, 10: Space part, 11: diode-connected MOSFET, 12: differential input MOSFET, 13: one-side MOSFET as amplifier, 14: capacitor.
Claims (9)
そのキャパシタに前記センサＭＯＳ形電界効果トランジスタと片側ＭＯＳ形電界効果トランジスタの特性のばらつき情報を記憶することを特徴とする遠赤外線センサ。 6. The far-infrared sensor according to claim 1, wherein the sensor MOS field effect transistor, a one-side MOS field effect transistor that forms a differential pair with the sensor MOS field effect transistor, and the sensor MOS. A capacitor connected between the gate side of the field effect transistor and the gate side of the one-side MOS field effect transistor;
A far-infrared sensor, wherein variation information of characteristics of the sensor MOS field effect transistor and the one-side MOS field effect transistor is stored in the capacitor.
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