| 【発明の名称】 |
赤外線撮像素子および赤外線センサ |
| 【発明者】 |
【氏名】梅澤 徹
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| 【要約】 |
【課題】温度制御不要の赤外線撮像素子を得る。
【解決手段】金属ボロメータを使った赤外線撮像素子を、基板上に固定された２本の金属ボロメータと同一の材質でできた支柱と、上記支柱により２点で空中に支えられた金属ボロメータと、上記金属ボロメータと同一の材質でできており、基板内に埋め込まれた抵抗体で構成し、上記金属ボロメータと上記抵抗体の抵抗地の商を出力する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 赤外線を検知する赤外線撮像素子において、赤外線を検知する金属ボロメータと、上記金属ボロメータを２点支持で空中に支える上記金属ボロメータと同一材質の２本の支柱と、上記２本の支柱の上記金属ボロメータに接していない端をそれぞれ固定する基板と、上記２本の支柱のうち一本と上記基板の固定点にて電気的に接続し、かつ上記基板に埋め込まれた上記金属ボロメータと同一材質の抵抗体と、上記金属ボロメータの抵抗値と上記抵抗体の抵抗値の商を出力する読み出し回路とを備えたことを特徴とする、赤外線撮像素子。
【請求項２】 上記金属ボロメータと上記抵抗体を、それぞれ演算増幅器の帰還抵抗および入力抵抗に接続することで、上記読み出し回路を構成する、請求項１記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】 上記金属ボロメータと、上記２本の支柱と、上記抵抗体を薄膜形成技術により同時に形成することを特徴とする、請求項１記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】 請求項１の赤外線撮像素子を、１次元または２次元に複数個配置し、赤外線映像を測定する機能を有する、赤外線センサ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は赤外線を検知する赤外線撮像素子と赤外センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５は従来の半導体ボロメータによる赤外線撮像素子の構成を示す図であり、１は半導体ボロメータ、２は半導体ボロメータ１を２点で空中に支えるための導体支柱、３は支柱２の半導体ボロメータ２に接続していない端をそれぞれ固定する基板、４は半導体ボロメータと直列に接続された抵抗体、５は基板３の温度を測定する温度計、６は基板３の温度を調整するペルチェ素子である。
【０００３】図６は従来の赤外線撮像素子を駆動させる駆動回路の概略である。半導体ボロメータ１の抵抗値をＲｆ、抵抗体４の抵抗値をＲｓ、バイアス電圧をＶ、出力電圧をＶｏｕｔとする。半導体ボロメータ１は赤外線放射を受けると温度が変化し、それに伴い抵抗値Ｒｆも変化する。Ｒｆの変化はＶｏｕｔ＝Ｒｆ×Ｖ／（Ｒｆ＋Ｒｓ）の形で電圧に変換される。Ｒｓが一定であることを仮定した場合、Ｖｏｕｔの変化は半導体ボロメータ１の受けた赤外線放射に対して一価の関数になるため、Ｖｏｕｔをモニタすることにより赤外線放射の量を検出することができる。なお、上記のＲｓ一定の仮定であるが、これは温度計５により常に基板の温度変化をモニタし、基準温度相当の電圧Ｖｔと比較し、差分をペルチェ素子６フィードバックすることで、ある誤差の範囲内に押さえることで実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の赤外線撮像素子では、基板３の温度を一定に保つためペルチェ素子等の電子冷却器を用いているが、これらの電子冷却は一般に消費電力が非常に大きく、したがって屋外での電池等による長時間動作を不可能にしている。
【０００５】この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、基板の温度制御を必要とせず、屋外等で長時間使用できる赤外線撮像素子および赤外線センサを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１の発明の赤外線撮像素子は、赤外線放射を受ける部分に金属ボロメータを使用し、金属ボロメータと同じ金属でできた２本の支柱により、上記金属ボロメータを２点支持で空中に支える。この時の上記金属ボロメータの抵抗値と、上記金属ボロメータと同一金属で構成され、基板に埋め込まれた抵抗体の抵抗値の商を出力することにより、温度制御を必要としない赤外線撮像素子を得るものである。
【０００７】第２の発明の赤外線撮像素子は、第１の発明において、金属ボロメータおよび抵抗体をオペアンプの帰還抵抗および入力抵抗にして反転増幅器を構成することにより、金属ボロメータと抵抗体の抵抗値の比を電圧の形で取り出すことで、温度制御を必要としない赤外線撮像素子を実現するものである。
【０００８】第３の発明の赤外線撮像素子は、第１の発明において、金属ボロメータ及び抵抗体を薄膜形成技術により同時製膜して形成することにより、金属ボロメータと抵抗体の物性値の固有差を抑制することで。赤外線撮像の精度を向上させ、温度制御を必要としない赤外線撮像素子を得るものである。
【０００９】第４の発明の赤外線センサは、第１の発明の赤外線撮像素子を、１次元または２次元に複数個配置することにより、赤外線画像を得るものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１を示す図であり、７は金属ボロメータ、８は金属ボロメータ７を中空で支える金属ボロメータと同一の材質でできた２本の支柱、９は支柱８の一方の端を固定する基板、１０は金属ボロメータと電気的に接触し基板９に埋め込まれた金属ボロメータと同一の材質でできた抵抗体である。
【００１１】金属ボロメータ７が赤外線放射を受けると、その温度が変化し、それに伴い抵抗値Ｒｆが変化する。金属はその性質上、抵抗の温度依存性はＲｆ＝Ｒｆｏ×ｅｘｐ（ｋｆ・Ｔ）で表わされる。ここでＲｆｏはボロメータの形状で決まる定数である。また、ｋｆは温度抵抗係数であり金属の場合、種類によって一定である。同一のことが抵抗体１０の抵抗値Ｒｓにもいえ、Ｒｓ＝Ｒｓｏ×ｅｘｐ（ｋｓ・Ｔ）で表わされる。理想的にはｋｆとｋｓは同一である。
【００１２】金属ボロメータ７の温度がＴ１である場合、その内訳は赤外線放射を受けたことによる温度上昇ΔＴおよび基板温度Ｔ２の和である（Ｔ１＝ΔＴ＋Ｔ２）。したがって、この時の抵抗値はＲｆ＝Ｒｆｏ×ｅｘｐ（ｋｆ（ΔＴ＋Ｔ２））となる。この際、基板９の温度Ｔ２は周辺の温度変化等の影響により一定値ではない。この時の抵抗体１０の抵抗値ＲｓはＲｓｏ×ｅｘｐ（ｋｓ・Ｔ２）である。従って、金属ボロメータ７と抵抗体１０の抵抗値の商はＲｆ／Ｒｓ＝（Ｒｆｏ／Ｒｓｏ）×ｅｘｐ（ｋｆ（ΔＴ＋Ｔ２）−ｋｓ・Ｔ２））となる。同一の金属を使用していることから原理的にｋｆ＝ｋｓであるので、上記式はＲｆ／Ｒｓ＝（Ｒｆｏ／Ｒｓｏ）×ｅｘｐ（ｋｆ・ΔＴ）となり、基板の温度変化Ｔ２に依存しない表式となる。
【００１３】また、現実的な場合な金属ボロメータ７と抵抗１０に同一の金属を選択しても、δｋ＝ｋｆ−ｋｓ≠となり、したがってＲｆ／Ｒｓ＝（Ｒｆｏ／Ｒｓｏ）×ｅｘｐ（ｋｆ・ΔＴ）×ｅｘｐ（δｋ・Ｔ２）となる。これに対しては、金属ボロメータ７と抵抗体１０を薄膜製造プロセスにより同時に製膜することにより、物性をそろえ、δｋ≒０を実現し、実質的な誤差が出ないように対処する。
【００１４】以上により、Ｒｆ／Ｒｓをモニタすることにより、温度制御を行わなくても赤外線放射による影響のみを純粋に取り出すことができるので、基板温度制御を必要としない赤外線撮像素子が得られる。
【００１５】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形態２を表わす図であり、図中Ｒｆ、Ｒｓは各々金属ボロメータ７、抵抗体１０を記号で表記したものであり、１１は演算増幅器（オペアンプ）である。なお、オペアンプ１１を駆動させるのに必要な電源、バイパスコンデンサ等は省略してある。
【００１６】バイアス電圧Ｖｉｎ（一定値）をオペアンプ１１に入力する。オペアンプ１１はＲｆおよびＲｓにより反転増幅器を形成しており、オペアンプ出力Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝−Ｒｆ／Ｒｓ×Ｖｉｎ＝−（Ｒｆｏ・Ｖｉｎ／Ｒｓｏ）×ｅｘｐ（ｋｆ・ΔＴ）となる。以上の回路によりボロメータの赤外線放射量を電圧の形で原理的に取り出せる。
【００１７】また、現実的な場合な金属ボロメータ７と抵抗１０に同一の金属を選択しても、δｋ＝ｋｆ−ｋｓ≠０となり、したがってＶｏｕｔ＝−（Ｒｆｏ・Ｖｉｎ／Ｒｓｏ）×ｅｘｐ（ｋｆ・ΔＴ）×ｅｘｐ（δｋ・Ｔ２）となる。これに対しては、金属ボロメータ７と抵抗体１０を薄膜製造プロセスにより同時に製膜することにより、物性をそろえ、δｋ≒０を実現し、実質的な誤差が出ないように対処する。
【００１８】以上により、Ｖｏｕｔをモニタすることにより、温度制御を行わなくても赤外線放射による影響のみを純粋に取り出すことができるので、基板温度制御を必要としない赤外線撮像素子が得られる。
【００１９】実施の形態３．図３はこの発明の実施の形態３を表わす図であり、１２は実施の形態１または２の赤外線撮像素子単体、１３は２次元平面に赤外線撮像素子１２を配置した赤外線センサである。また、図４は赤外線センサ１３の運用の形態であり、１４は赤外線センサ１３上に赤外線画像を結像する赤外線レンズ、１５は赤外線センサ１３を駆動させる駆動回路である。
【００２０】外部からの赤外線映像は、赤外線レンズ１４により、赤外線センサ１３上に結像され、各赤外線撮像素子１２の温度を上昇させる。駆動回路１５は赤外線センサ１３上の各赤外線撮像素子単体１２に対して、きめられた順番でＶｉｎ印可し、その時のＶｏｕｔを順次測定していく。
【００２１】以上により、温度制御を行わない状態で、赤外線映像を得ることができる。なお、本例では赤外線撮像素子単体を２次元に配置したが、これは１次元でもかまわない。
【００２２】
【発明の効果】第１の発明によれば、基板の温度の変化に原理的に依存しない赤外線撮像素子が得られ、赤外線撮像器の定消費電力化を実現する事ができる。
【００２３】第２の発明によれば、基板の温度の変化に原理的に依存しない赤外線撮像素子が得られ、赤外線撮像器の定消費電力化を実現する事ができる。
【００２４】第３の発明によれば、基板の温度の変化に依存しない赤外線映像が得られ、赤外線撮像器の定消費電力化を実現する事ができる。
【００２５】第４の発明によれば第１の発明の赤外線撮像素子を１次元又は２次元に複数個配置することにより、赤外線画像を得ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月５日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２４８５３０ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）９月１７日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−５３６４８ |
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