JP2000298062A

JP2000298062A - 熱型機能デバイス、エネルギー検出装置および熱型機能デバイスの駆動方法

Info

Publication number: JP2000298062A
Application number: JP11106770A
Authority: JP
Inventors: Akio Tanaka; 昭生田中
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-24
Also published as: KR100355640B1; EP1045233A2; EP1045233A3; KR20000071693A

Abstract

(57)【要約】【課題】熱型機能デバイスにおいて、熱的な反応速度
を速くするとともに、低価格化および小型化を達成す
る。【解決手段】ダイヤフラム２に向けて赤外線が照射さ
れると、熱が発生し熱電変換素子４の出力が増大する。
一方、参照用熱電変換素子５は赤外線の照射を受けない
ので出力信号は変化しない。演算増幅器１９において、
両者の出力の差異が検出され、これが増幅されて補償信
号として出力される。補償信号は、ノイズフィルタ２０
を介して測定器２１に供給される。測定器２１は、この
補償信号からダイヤフラム２の発熱量および赤外線照射
量を算出する。同時に、補償信号は電熱変換手段３に供
給される。補償信号の供給を受けた電熱変換素子３は、
ダイヤフラム２へのエネルギー印加を相殺するように作
動し、温度を一定に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱型機能デバイ
ス、特に、熱型赤外線センサなど熱電変換を利用してエ
ネルギー入射を検出する熱型機能デバイスと、その駆動
方法と、それを応用したエネルギー検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱型機能デバイスの一例として、
特願平９−３１５４５５号公報に熱型赤外線撮像装置が
開示されている。図２７にこの熱型赤外線撮像装置の断
面図が、図２８にその回路図が示されている。

【０００３】この赤外線撮像装置では、２次元の赤外線
画像が得られるように、マトリックス状の複数の画素が
集積化されている。図２７に示すように、半導体基板１
０１の表面に回路１０２が形成され、その上に赤外線の
受光部（画素）がマトリクス状に設けられている。各画
素は、空洞１０３上に設けられた薄い膜状のダイヤフラ
ム１０４と、このダイヤフラム１０４上に設けられてい
る、赤外線を吸収する赤外線吸収層１０５と、熱を電気
信号に変換する熱電変換素子１０６とを含む。熱電変換
素子１０６としては、温度によって電気抵抗値が変化す
るボロメータが用いられ、ボロメータとしては例えばチ
タンを検出材としたものが用いられる。

【０００４】図２８を参照して回路の構成について説明
すると、前記した複数の熱電変換素子１０６に対応し
て、各画素を選択するための画素スイッチ１０７と、信
号を読み出すための読み出し回路１０８と、各画素の抵
抗ばらつきを補正するＦＰＮ（固定パターンノイズ）補
正回路１０９と、各読み出し回路１０８からの信号を順
次選択していくマルチプレクサ１１０とが接続され、さ
らに、各マルチプレクサ１１０を制御する水平シフトレ
ジスタ１１１と、各画素スイッチ１０７を順次選択して
いく垂直シフトレジスタ１１２が設けられている。

【０００５】従って、各画素に入射した赤外線は、熱電
変換素子１０６によって抵抗変化に変換され、その抵抗
変化は読み出し回路１０８によって電圧変化に変換され
ると共に増幅される。読み出し回路１０８は各列に１回
路づつ形成されており、各読み出し回路１０８の出力は
マルチプレクサ１１０によって順次選択されて、半導体
基板１０１外部に出力される。一方、垂直シフトレジス
タ１１２は各行の画素スイッチ１０７を順次選択して、
アレイ全体の熱電変換素子１０６の出力信号を読み出
す。

【０００６】なお、各画素の熱電変換素子１０６には抵
抗値のばらつきがあり、読み出し回路１０８での信号の
増幅度が高いとこのばらつきの影響が赤外線検出結果に
現れるので、増幅度をあまり大きくすることができな
い。そこで、ＦＰＮ補正回路１０９が、各画素の抵抗の
ばらつきに応じて電流を変化させることによって、抵抗
のばらつきを補正する。さらに、図示しないが、ＦＰＮ
をより精度良く除去するデジタルＦＰＮ補正回路と、各
画素の感度ばらつきを補正する感度補正回路と、欠陥画
素を隣接画素のデータから推定して補正する欠陥画素補
正回路と、これらの回路による補正を行なうためのＡ／
Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路、フレームメモリー等が設
けられている。

【０００７】この第１の従来例では、マトリックス状に
配置された多数の画素が必要である上に、各列毎に読み
出し回路１０８とＦＰＮ補正回路１０９が必要であり、
さらに各種補正回路が設けられるため、大型化かつ製造
コスト高を招くものであった。

【０００８】これに対し、特開平３−１８７５８２号公
報に開示されている赤外検知装置は、複数の焦電型赤外
検出素子が並べられたリニアアレイセンサと、リニアア
レイセンサを水平方向に走査する回転可動台とを含む。
マトリックス状に画素を形成する第１の従来例に比べ、
センサ部を小さくできるとともに１画素あたりの面積を
大きくして感度を上げることができる。しかし、センサ
部は小さくなっても、可動台等の機構が複雑であったり
かえって大型になってしまう場合もある。

【０００９】特開平８−１２２６８９号公報に開示され
ている光センサ装置は、半導体基板上に単一の受光素子
と光スキャナとが形成されている。光スキャナのミラー
に入射した光を反射して対象物に投射し、対象物による
反射光を光スキャナと同一基板上の受光素子に入射す
る。光スキャナのミラーを揺動させることにより、対象
物へ照射する光を１次元方向に走査することができる。
これをさらに発展させて、特開平８−２４０７８２号公
報に開示されている光センサ装置では、光スキャナのミ
ラーを揺動させることにより、対象物へ照射する光を２
次元方向に走査することができる。また、特開平４−３
１９８８０号公報に開示されているＸ線撮像装置は、個
々に駆動可能なマイクロミラー群と、光検出ユニットと
を含む。入射光はマイクロミラー群に結像しており、個
々のマイクロミラーを駆動することによって、この入射
光を順次光検出ユニットに導くことができ、２次元の像
を検出することができる。これらの構成は、光センサの
顕著な小型化を達成できる。

【００１０】一方、従来の熱型赤外線センサが、特開平
２−２０６７３３号公報に開示されている。この赤外線
センサは、ダイヤフラム上に、熱電変換素子と、ペルチ
ェ素子または加熱素子の少なくとも一方とが設けられて
いる。ダイヤフラム上への赤外線の入射に伴う温度変化
を熱電変換素子が検知することにより、赤外線検出が行
われる。熱電変換素子は、赤外線入射による温度変化の
みならず、雰囲気温度の上昇に伴う基板温度の変化にも
感応して誤動作してしまうおそれがあるので、ペルチェ
素子または加熱素子を用いてダイヤフラムを一定温度に
維持する構成である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】通常、熱型赤外線検出
装置は、ダイヤフラム上の温度変化を熱電変換素子にて
検出するため、熱型赤外線検出装置の入射赤外線に対す
る応答速度は、ダイヤフラムが赤外線に反応して熱が発
生する速さによって決まる。ダイヤフラムが赤外線に熱
的に反応するために要する時間は、熱時定数として示さ
れる。これは、ダイヤフラムの大きさ等によって決まる
性質であり、５０μｍ×５０μｍのダイヤフラムの場
合、通常１０ｍｓ程度である。

【００１２】前記したようなセンサの小型化に伴って、
高密度化が可能になり、検出動作の高速化が求められて
いるが、１０ｍｓ程度の熱時定数では、熱的な応答の遅
さが問題となってしまう。例えば１００画素×１００画
素の領域を前記した従来の光スキャナでスキャンする場
合、１画素あたり１０ｍｓの時間がかかるため、１０ｍ
ｓ×１００×１００＝１００ｓもの時間がかかってしま
う。

【００１３】従来、熱型赤外線検出装置において、入射
赤外線を高速に検出する方法は全く開示されていない。
特開平２−２０６７３３号公報に示されている、ダイヤ
フラム上にペルチェ素子または加熱素子を配置する構成
によると、ダイヤフラム温度を一定に維持することはで
きるが、高速検出方法は明示されていない。

【００１４】そこで本発明の目的は、熱的な反応速度の
高速化が可能な熱型機能デバイス、それを用いたエネル
ギー検出装置および熱型機能デバイスの駆動方法を提供
することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の熱型機能デバイ
スは、可撓性のダイヤフラムと、ダイヤフラム上に設け
られており、熱を電気信号に変換する熱電変換素子と、
ダイヤフラム上に熱電変換素子に隣接して設けられてお
り、電気信号を熱に変換する電熱変換素子と、電熱変換
素子の駆動を制御するために熱電変換素子の出力信号と
比較される基準信号を供給する基準信号供給手段とを含
むことを特徴とする。

【００１６】基準信号供給手段からの基準信号と、熱電
変換素子の出力信号とを比較して、両者の差異を補償す
るような補償信号を電熱変換素子に供給して電熱変換素
子を駆動する比較手段を含むことが好ましい。

【００１７】ダイヤフラムが基板上に設けられており、
比較手段が基板内に設けられていることが好ましい。

【００１８】基準信号供給手段が定電圧源であり、基準
信号が基準電圧であってもよい。また、基準信号供給手
段が参照用熱電変換素子であり、基準信号が参照用熱電
変換出力信号であってもよい。そして、比較手段から補
償信号が供給されて、補償信号に基づいて熱電変換素子
へのエネルギー入射を検出する検出手段を含んでいても
よい。

【００１９】また、基準信号供給手段が定電圧源であ
り、基準信号が基準電圧であり、熱電変換素子の出力信
号と基準電圧との差が補償信号であり、参照用熱電変換
素子と、参照用熱電変換素子の近傍に設けられている他
の電熱変換素子と、参照用熱電変換素子の出力信号と基
準電圧との差を比較信号として出力する他の比較手段と
を有し、補償信号と比較信号との差に基づいて熱電変換
素子へのエネルギー入射を検出する検出手段を含んでい
てもよい。

【００２０】熱電変換素子へのエネルギー入射を検出す
る検出手段を含み、参照用熱電変換素子がエネルギーに
感応しないことが好ましい。または、熱電変換素子への
エネルギー入射を検出する検出手段を含み、参照用熱電
変換素子へのエネルギーの入射を遮断する遮蔽部材を含
むことが好ましい。

【００２１】エネルギーが電磁波の入射エネルギーであ
ってもよい。さらに、電磁波が赤外線であってもよい。

【００２２】外部から入射する前記電磁波を前記熱電変
換素子へ向けて導くミラー手段を含むことが好ましい。
さらに、ミラー手段が、実質的に互いに直交する方向に
それぞれ角度変化可能な１対の可動ミラーを含んでいて
もよい。ミラー手段が、ダイヤフラムに対し固定的に設
けられており、可動ミラーにより反射された電磁波を反
射する固定ミラーを含んでいてもよい。

【００２３】熱電変換素子がチタンを主成分としていて
もよい。熱電変換素子および他の熱電変換素子がいずれ
もチタンを主成分としていてもよい。

【００２４】また、熱電変換素子がシリコンを主成分と
していてもよい。熱電変換素子および他の熱電変換素子
がいずれもシリコンを主成分としていてもよい。シリコ
ンが、１０¹⁸〜１０²⁰［ｃｍ^-3］の濃度で不純物が混入
されたものであることが好ましい。

【００２５】本発明のエネルギー検出装置は、以上のい
ずれかの構成の熱型機能デバイスの熱電変換素子が、複
数並べて設けられている。

【００２６】本発明の熱型機能デバイスの駆動方法は、
ダイヤフラム上に設けられた熱電変換素子の出力と、基
準信号供給手段により供給される基準信号とを比較し、
その比較結果に基づいて、ダイヤフラム上に熱電変換素
子に隣接して設けられている電熱変換素子の駆動を制御
する工程を含む。

【００２７】電熱変換素子の駆動制御工程が、基準信号
供給手段から供給される基準信号と、熱電変換素子の出
力信号とを比較して、両者の差異を補償するような補償
信号を電熱変換素子に供給して電熱変換素子を駆動する
工程であることが好ましい。

【００２８】基準信号が基準電圧であってもよい。また
は、基準信号供給手段が参照用熱電変換素子であり、基
準信号が参照用熱電変換素子の出力信号であってもよ
い。そして、比較手段から検出手段に補償信号を供給し
て、補償信号に基づいて熱電変換素子へのエネルギーの
入射を検出する工程を含んでいてもよい。

【００２９】また、基準信号供給手段が定電圧源であ
り、基準信号が基準電圧であり、熱電変換素子の出力信
号と基準電圧との差が補償信号であり、参照用熱電変換
素子の出力信号と基準電圧との差を比較信号として他の
比較手段から出力し、補償信号と比較信号との差に基づ
いて熱電変換素子へのエネルギー入射を検出する工程を
含んでいてもよい。

【００３０】エネルギーが赤外線の入射によるエネルギ
ーであってもよい。

【００３１】このような構成によると、赤外線検出装置
等の熱型機能デバイスにおいて、熱的な反応速度が速く
なり、応答速度、リニアリティが大幅に改善される。ま
た、極めて低価格で小型の熱型機能デバイスを提供でき
る。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００３３】［第１の実施形態］まず、図１〜４を参照
して、本発明の第１の実施形態について説明する。

【００３４】本実施形態の熱型機能デバイスは熱型赤外
線検出装置であり、基板１と、ダイヤフラム２と、電熱
変換素子３と、熱電変換素子４と、参照用熱電変換素子
５とを有している。基板１内には、後述する制御回路３
７が構成されている。基板１上には、絶縁層６が形成さ
れている。この絶縁層６に、エッチングにより空洞７が
形成され、さらにその上に絶縁層８が形成されている。
この絶縁層８が空洞７上に位置している部分が、ダイヤ
フラム２となっている。絶縁層８にはスリット９が形成
されているため、ダイヤフラム２は、細長くて屈曲した
梁１０によって支持されている。

【００３５】このダイヤフラム２上に、電気信号を熱に
変換する電熱変換素子３が搭載されている。電熱変換素
子３としては、Ｐ型半導体１１とＮ型半導体１２とが接
続されて構成されているペルチェ素子が用いられてお
り、接点１３が設けられている。また、ダイヤフラム２
上には、熱を電気信号に変換する熱電変換素子４も搭載
されている。本実施形態の熱電変換素子４は、ボロメー
タであり、電熱変換素子３と近接するかまたは部分的に
重なるように配置されている。ただし、電熱変換素子３
と熱電変換素子４とが直接接触することがないように、
両者の間には絶縁層１４が介在している。

【００３６】さらに、ダイヤフラム２上には、屈折率が
ｎで層厚がλ／（４ｎ）の酸化シリコン層１５が形成さ
れ、その上に、少なくとも熱電変換素子４を覆うような
金属薄膜１６が形成されている。このようにして、この
ダイヤフラム２の金属薄膜１６形成部分が赤外線吸収層
として作用する。すなわち、波長λの赤外線が入射する
と、酸化シリコン層１５に定在波が現れて、赤外線が金
属薄膜１６に吸収される。金属薄膜１６のシート抵抗
を、真空時のインピーダンスが３７７Ω／□となるよう
に設定すると、１００％近い吸収率が得られる。

【００３７】このように、ダイヤフラム２は、広い受光
面積によって入射赤外線を効率よく吸収することがで
き、また、長い梁１０によって熱の逃げを防いで、熱コ
ンダクタンスが小さくなるように形成されている。

【００３８】基板１上には、ダイヤフラム２外の位置
に、基準信号供給手段である参照用熱電変換素子５が設
けられている。この参照用熱電変換素子５も、熱電変換
素子４と同様なボロメータである。図示しないが、参照
用熱電変換素子５は、遮蔽部材に覆われて、赤外線が入
射しないようになっている。

【００３９】そして、基板１には、熱電変換素子４、電
熱変換素子３、参照用熱電変換素子５と接続される制御
回路が構成されている。その回路構成が、図４に示され
ている。すなわち、熱電変換素子４と、参照用熱電変換
素子５とが、定電流源１８および演算増幅器（比較手
段）１９にそれぞれ接続されている。演算増幅器１９
は、ノイズフィルタ２０を介して測定器（検出手段）２
１に接続されるとともに、電熱変換素子３にも接続され
ている。熱電変換素子４は、定電流源１８から一定の電
流が供給されて、抵抗変化を電圧変化に変換する。本実
施形態では、熱電変換素子４として、正の抵抗温度係数
を持つチタンからなるボロメータが用いられている。こ
の場合、図４に示すように電熱変換素子（ペルチェ素
子）３のＰ型半導体１１が演算増幅器１９の出力に接続
され、熱電変換素子４が演算増幅器１９のマイナス端子
に接続されて、後述するようにダイヤフラム２を一定温
度に保つための制御が可能となっている。または、電熱
変換素子３のＮ型半導体１２が演算増幅器１９の出力に
接続され、熱電変換素子４が演算増幅器１９のプラス端
子に接続される。ただし、ポリシリコンボロメータや金
属半導体ボロメータなど負の抵抗温度係数を持つ熱電変
換素子４が用いられる場合には、電熱変換素子３のＮ型
半導体１２が演算増幅器１９の出力に接続され、熱電変
換素子４が演算増幅器１９のマイナス端子に接続され
る。または、電熱変換素子３のＰ型半導体１１が演算増
幅器１９の出力に接続され、熱電変換素子４が演算増幅
器１９のプラス端子に接続される。なお、測定器２１
は、例えば同一チップ上の増幅器などの信号処理回路で
あったり、チップ外のカメラ回路の初段の増幅器や信号
処理回路であったりする。

【００４０】次に、この熱型赤外線検出装置の赤外線検
出動作について、図５を参照して説明する。

【００４１】ダイヤフラム２に向けて赤外線が照射され
て赤外線が金属薄膜１６に吸収されると、熱を発生させ
ようとするエネルギーが付与されて、そのエネルギーを
検知して熱電変換素子４の出力が増大する。一方、ダイ
ヤフラム２外に位置する参照用熱電変換素子５は、遮蔽
部材に覆われて赤外線の照射を受けないので、熱エネル
ギーが増加せず参照用熱電変換素子５の出力信号（基準
信号）は変化しない（ステップａ）。従って、演算増幅
器１９において、熱電変換素子４と参照用熱電変換素子
５の出力が比較され、両者の差異が検出される（ステッ
プｂ）。この差異が増幅されて補償信号として出力され
る。補償信号は、ノイズフィルタ２０によってノイズを
カットされた後、測定器２１に供給される（ステップ
ｃ）。測定器２１は、この補償信号から、ダイヤフラム
２に加わる発熱エネルギー量を求め、それに基づいて赤
外線照射量を算出する。

【００４２】また、補償信号は電熱変換手段３に供給さ
れて、これを駆動する（ステップｃ）。本実施形態の電
熱変換手段３はペルチェ素子であり、補償信号の供給を
受けて冷却作用を発揮する（ステップｄ）。補償信号
は、赤外線が照射された熱電変換素子４の出力と、赤外
線の照射を受けていない参照用熱電変換素子５の出力と
の差異に基づいて、この差異を打ち消すように設定され
る。すなわち、電熱変換素子３は、赤外線の照射により
ダイヤフラム２に加わる熱エネルギーを打ち消して、赤
外線未照射の状態と同じ温度に保つように作用する。

【００４３】その後、赤外線照射が続く限り、前記した
のと同様に演算増幅器１９から補償信号が出力され続け
て、測定器２１により赤外線照射量が求められ続けると
ともに、電熱変換素子３が駆動され続けて、ダイヤフラ
ム２が一定温度に維持される。すなわち、赤外線照射に
より熱エネルギーがダイヤフラム２に加わっても、実際
にダイヤフラムの温度が上昇してしまう前に電熱変換素
子３がその熱エネルギーを打ち消すので、ダイヤフラム
２の温度は一定に保たれる。

【００４４】従来は、赤外線の入射に伴いダイヤフラム
の温度が上昇し続けるので、熱電変換素子の動作に影響
を及ぼすおそれがあったが、本実施形態によると、赤外
線の照射にかかわらずダイヤフラム２を一定温度に維持
できるので、熱電変換素子４を最適な温度で使用するこ
とができ、その性能を最大に引き出すことができるよう
になる。

【００４５】赤外線照射中にその照射量が増大すると、
熱電変換素子４の出力が増大するため、参照用熱電変換
素子５の出力との差異が大きくなり、補償信号が増大す
る。それに応じて電熱変換素子３がさらに冷却動作する
ように駆動されるので、やはりダイヤフラム２が一定温
度に維持される。逆に赤外線照射量が減少すると、熱電
変換素子４の出力が低下し、参照用熱電変換素子５の出
力との差異が小さくなり、補償信号が低下する。それに
応じて電熱変換素子３が発熱動作するように駆動される
ので、ダイヤフラム２が一定温度に維持される。赤外線
照射が停止すると、熱電変換素子４の出力は低下し、参
照用熱電変換素子５の出力と等しくなる。従って、演算
増幅器１９は両者の出力が等しいことを検知し補償信号
を出力しなくなる。測定器２１は補償信号の供給を受け
なくなるので赤外線照射が停止したことを検知する。ま
た、電熱変換素子３は、補償信号によって駆動されなく
なるので、動作を停止する。

【００４６】入射赤外線に対応する熱電変換素子４の出
力電圧とダイヤフラム２の温度の関係が、図６に示され
ている。図６（ａ）は入射赤外線の照射量（入射パワ
ー）の時間変化を表しており、撮像装置において、常温
を中心として常温より高温になったり低温になったりす
る被写体を撮像したときにその被写体から放射される赤
外線に関するものである。図６（ｂ）は、図６（ａ）に
示す赤外線照射に対応する演算増幅器１９の出力電圧で
ある。この電圧は、測定器２１に供給されるとともに電
熱変換素子３を駆動するために電熱変換素子３にも供給
される補償信号となる。被写体が高温の期間は、熱電変
換素子４の出力電圧は、電熱変換素子３が吸熱となるよ
うな補償信号を生成するように変化する。一方、被写体
が低温の期間は、熱電変換素子４の出力電圧は、電熱変
換素子３が発熱となるような補償信号を生成するように
変化する。こうして、演算増幅器１９による演算および
増幅により、ダイヤフラム２が常に一定温度になるよう
な補償信号が生成されるので、図６（ｃ）に示すように
ダイヤフラム２の温度は一定に保たれる。

【００４７】前記したように熱電変換素子４を最適な温
度で使用するためには、この熱型赤外線検出装置自体を
恒温室に置いて使用することが好ましい。しかし、恒温
室外で使用される場合には、赤外線照射以外の理由、す
なわち雰囲気温度の上昇などの理由で、ダイヤフラム２
の温度が上昇することがある。その場合には、熱電変換
素子４の出力が増大すると同時に参照用熱電変換素子５
の出力も同様に増大するので、演算増幅器１９において
両者の出力が等しいことが検知され、補償信号は送出さ
れない。従って、測定器２１は赤外線が照射されていな
いことを検知する。

【００４８】本実施形態のノイズフィルタ２０につい
て、以下に説明する。演算増幅器１９にて演算され増幅
された補償信号をそのまま出力すると、ノイズの周波数
帯域がなにも制限されていないため大きなノイズが発生
してしまう。そこで、ローパスフィルタなどのノイズフ
ィルタ２０により、ノイズの周波数帯域を狭めることが
好ましい。なお、ノイズフィルタ２０のカットオフ周波
数は、各画素の信号を読み出すために、画素クロック周
波数の数倍、例えば２〜１０倍程度が好ましい。画素数
が６４×６４で、フレーム周波数が３０Ｈｚの場合に
は、画素クロック周波数は１２３ｋＨｚ程度となるの
で、カットオフ周波数が２５０ｋＨｚ〜６００ｋＨｚ程
度に設定されることが好ましい。なお、演算増幅器１９
自体の周波数帯域を狭めて、ノイズフィルタ２０を省略
することもできる。

【００４９】前記の通り、ダイヤフラム２上に形成され
ている、反射層となる熱電変換素子４と、屈折率ｎの酸
化シリコン層１５と、金属薄膜１６とから赤外線吸収層
が構成されている。金属薄膜１６は窒化チタンやチタン
からなることが好ましい。本実施形態の熱電変換素子４
は、抵抗値を適切な値にするため屈曲した形状に形成さ
れているが、赤外線波長に対してその非形成部分の存在
は無視でき、この熱電変換素子４は反射層として機能す
る。

【００５０】また、図示しないが、反射層を空洞７の底
部に形成して、空洞７を屈折率ｎの層として使用するこ
とも可能である。この場合、ダイヤフラム２上の熱電変
換素子４や電熱変換素子３は、可能な限り赤外線を透過
するように構成することが好ましい。

【００５１】また、赤外線吸収層の金属薄膜１６とし
て、従来から用いられている金を低真空度中で蒸着して
形成する金黒や、ニッケル・クロム膜なども用いること
ができる。

【００５２】熱電変換素子４としては、抵抗の温度依存
性を利用したボロメータ、２種類の材料間の熱起電力を
利用した熱電対（サーモパイル）、ＰＮダイオードの電
流の温度依存性を利用した素子、自発分極の温度依存性
を利用した焦電体などが用いられ得る。ボロメータと熱
電対とＰＮダイオードは、材料をモノリシックで成膜で
きるという利点がある。

【００５３】ボロメータは高い感度が得られるという特
徴がある。ボロメータの材料としては、抵抗温度係数
（ＴＣＲ）が大きく、１／ｆノイズが小さい材料が好ま
しい。酸化バナジウムや酸化チタンおよびそれらに不純
物を添加した材料は、ＴＣＲが２％／Ｋ程度であり、１
／ｆノイズも小さいので使用に適している。また、チタ
ン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、シリコン・
ゲルマニウムなどは、ＴＣＲが０．２％／Ｋ〜２％／Ｋ
程度であり、周知のシリコンプロセスで容易に形成でき
るため都合がよい。チタンは金属の中ではＴＣＲが大き
く、０．２〜０．５％／Ｋ程度ある。金属の中では熱コ
ンダクタンスが低く、０．１Ｗ／ｃｍ程度であり、ダイ
ヤフラムの熱コンダクタンスを小さくできる。さらに金
属全般の特徴であるが、キャリア数が多いため１／ｆノ
イズが非常に小さい。一方、ポリシリコンを用いたボロ
メータは、後述するポリシリコンを用いたペルチェ素子
（電熱変換素子）３と同時に形成できるため、製造工程
が簡略化できる利点がある。

【００５４】熱電対は、２種類の材料の接点間の温度差
を電圧に変換する。一方の接点がダイヤフラム２上に形
成され、もう一方の接点がダイヤフラム２外の基板１上
に形成されていると、ダイヤフラム２上のエネルギー変
化をとらえることができる。熱電対によると、基板温度
を基準にしてダイヤフラム２との温度差が求められるの
で、熱電対自身に参照用熱電変換素子５等の働きを行わ
せてこれらを省略した構成とすることができる。熱電対
の材料としては、ゼーベック係数の大きな材料の使用が
好ましい。ボロンやリンや砒素などの不純物をドープし
たアモルファスシリコンやポリシリコンは、ゼーベック
係数が０．５ｍＶ／Ｋ程度と高く、半導体製造ラインで
容易に作れる。ボロンをドープしたＰ型ポリシリコン
と、リンや砒素をドープしたＮ型ポリシリコンは、互い
に極性の異なるゼーベック係数を持ち、これらを熱電対
の２種類の材料として用いれば大きな熱起電力が得られ
る。２種類の材料の接点はアルミニウム等から形成され
ている。なお、熱電対は後述するペルチェ素子（電熱変
換素子）３と同じ構成であるため、両者を同時に形成す
ることができる。

【００５５】ＰＮダイオードは、例えばＰ型ポリシリコ
ンとＮ型ポリシリコンからなり、その順方向又は逆方向
の電流の温度依存性を利用して熱電変換素子４を構成す
ることができる。また、ＰＮダイオードの代わりに金属
と半導体とで構成されるショットキーダイオードの順方
向又は逆方向電流の温度依存性を利用して、熱電変換素
子４を構成することもできる。

【００５６】本実施形態においては、電熱変換素子３と
してペルチェ素子が用いられている。ペルチェ素子３は
熱電対と同じ構成を持ち、図２に示すように、Ｐ型半導
体１１と、Ｎ型半導体１２と、アルミニウム製の接点１
３とを有する。そしてこのペルチェ素子は、Ｐ型半導体
１１からＮ型半導体１２に向かって電流が流れると発熱
し、逆方向の電流が流れると吸熱する。ペルチェ素子の
材料としては、Ｂｉ₂Ｔｅ₃やＳｂ₂Ｔｅ₃などや、ボロン
やリンや砒素などの不純物をドープしたアモルファスシ
リコンやポリシリコンが使用できる。

【００５７】ペルチェ素子以外の電熱変換素子３を用い
ることも可能であるが、前記の通り、被写体が高温であ
れば吸熱動作を行い、被写体が低温であれば発熱動作を
行うことができるように、発熱や吸熱動作が行える電熱
変換素子３を用いることが望ましい。

【００５８】ペルチェ素子３の単位時間あたりの発熱量
あるいは吸熱量Ｗは、ペルチェ係数をΠ、流す電流をＩ
とすると、（１）式で表される。

【００５９】

【数１】ペルチェ係数Πとゼーベック係数αは、絶対温度をＴと
すると、（２）式で表される。

【００６０】

【数２】前記の通り、Ｐ型ポリシリコン１１とＮ型ポリシリコン
１２を組み合わせたペルチェ素子３は、ゼーベック係数
αを１ｍＶ／Ｋ（＝０．５ｍＶ／Ｋ × ２）程度にする
ことができる。その場合、ペルチェ係数Πは３００ｍＪ
／Ｃ程度となる。ダイヤフラム２の温度変化量ΔＴは、
ダイヤフラム２上のエネルギー変化量をΔＷ、熱コンダ
クタンスをＧthとすると、（３）式で表される。

【００６１】

【数３】通常、熱コンダクタンスＧthを０．０１μＷ／Ｋ程度に
することは十分可能であるので、ダイヤフラムの温度を
例えば±１０℃程度上下させるには、（１）式および
（３）式に基づいて、±０．３３μＡ程度の電流をペル
チェ素子３に流せばよい。

【００６２】ここで被写体の温度が１℃変化した場合の
出力電圧の変化を求めてみる。被写体の１℃の温度変化
によって、１画素当たりの入射赤外線の熱量がΔＰ
［Ｗ］であるとする。通常、この熱量ΔＰは６×１０
^-10［Ｗ］程度であり、（１）式によると、ペルチェ素
子３を流れる電流ΔＩは、ΔＩ＝ΔＰ／Π＝２ｎＡ程度
となる。さらに、ペルチェ素子３の抵抗値をＲすると出
力電圧Δｖは（４）式で表される。例えば、Ｒ＝５００
ｋΩの場合、Δｖ＝１ｍＶとなる。

【００６３】

【数４】一方、ペルチェ素子３にはジョンソンノイズが存在し、
これによって出力電圧には（５）式に示すノイズ電圧ｖ
ｎが含まれる。Δｆは前述したノイズフィルタ２０の周
波数帯域であり、例えば２５０ｋＨｚである。この場
合、Ｒ＝５００ｋΩだとｖｎ＝４５μＶとなる。

【００６４】

【数５】赤外線検出装置の性能指数の一つとして、ノイズ等価温
度差（ＮＥＴＤ）がある。これは出力ノイズと信号とを
比較して、両者が一致するときの被写体の温度差を表す
ものであり、温度分解能に相当する。ペルチェ素子３の
ジョンソンノイズに起因するＮＥＴＤ_PJは、（５）式に
示されるノイズ電圧（ノイズ）と（４）式の出力電圧
（信号）との比であり、（６）式で表される。

【００６５】

【数６】通常の赤外線検出装置は、ＮＥＴＤが０．２℃程度以下
であれば各種の用途に対応できる。今まで例示してきた
各種の値を（６）式に代入すると、ペルチェ素子３のジ
ョンソンノイズに起因するＮＥＴＤ_PJは４５ｍ℃程度と
なるので実用に適していることが判る。

【００６６】以上の計算はペルチェ素子３のジョンソン
ノイズに関するものであるが、ペルチェ素子３の１／ｆ
ノイズ、熱電変換素子のジョンソンノイズおよび１／ｆ
ノイズ、ダイヤフラム２の温度揺らぎ等についても考慮
して、これらが小さくなるように設計する必要がある。

【００６７】１／ｆノイズは接点１３の抵抗を小さくし
たり、材料の選定に注意を払い材料の成膜条件を調整す
ることにより、十分小さくすることが可能である。

【００６８】ダイヤフラム２の温度揺らぎは熱伝導の揺
らぎに基づくものなので、熱コンダクタンスを小さく
し、Δｆを小さくすることでその影響を減らすことがで
きる。温度揺らぎ起因のＮＥＴＤ_TFは（７）式で表され
る。

【００６９】

【数７】Ｇth＝０．０１μＷ／Ｋを代入すると、温度揺らぎ起因
のＮＥＴＤ_TFは０．１８℃程度となる。

【００７０】総合のＮＥＴＤは各ＮＥＴＤ成分の２乗の
和で表される。本例の場合、総合のＮＥＴＤは１８５ｍ
℃程度に抑えられているので、この赤外線検出装置は十
分高い性能を有している。

【００７１】図１〜４に示す構成では、ダイヤフラム２
は常温に維持されているが、熱電変換素子４によっては
常温以外の温度に維持することが好ましい材料もある。
例えば超伝導材料であるＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇は、液体窒素
温度（７７Ｋ）付近の温度でＴＣＲが大きくなる。この
ような材料は、このような低温で使用することが好まし
い。また強誘電体材料であるチタン酸バリウムは、１３
０℃付近の高温領域に常誘電体への転移温度がある。こ
のような材料は、この付近の高温で使用するとＴＣＲが
大きくなる。

【００７２】図７には、ダイヤフラムの温度を常温以外
の温度に容易に設定できる構成が示されている。図４に
示す構成と比べると、基準信号供給手段の構成が異なっ
ている。図４に示す構成と同様の部分については、同一
の符号を付与し説明は省略する。この構成では、参照用
熱電変換素子５の代わりに定電圧源２２が設けられてい
る。この定電圧源２２は、例えば恒温室内に配置された
赤外線検出装置において、ダイヤフラム２を所望の温度
に保つために電熱変換素子３に供給すべき基準電圧（基
準信号）を予め調べておき、その基準電圧を演算増幅器
に供給するものである。これによると、参照用熱電変換
素子を用いずにダイヤフラム２を所望の温度に維持する
ことができる。なお、定電圧源２２は常に一定の電位に
保たれるものであれば、特別な電気部品でなくてもよ
い。

【００７３】さらに、図８には、より精度よくダイヤフ
ラム２の温度を常温以外の温度に容易に設定できる構成
が示されている。図４に示す構成と同様の部分について
は、同一の符号を付与し説明は省略する。この構成で
は、ダイヤフラム２と別にもう一つのダイヤフラム２５
が設けられ、そのダイヤフラム２５上に、参照用熱電変
換素子（例えばボロメータ）５と他の電熱変換素子（例
えばペルチェ素子）２６が設けられている。また、もう
一つの演算増幅器２７と定電圧源（基準信号供給手段）
２８と、ノイズフィルタ７２が設けられている。

【００７４】この制御回路について説明すると、熱電変
換素子４が定電流源１８に接続され、演算増幅器１９の
マイナス端子にはこの熱電変換素子４が、プラス端子に
は定電圧源２８がそれぞれ接続されている。演算増幅器
１９の出力は、ノイズフィルタ２０を介して測定器７１
に接続されるとともに、電熱変換素子３にも接続されて
いる。一方、参照用熱電変換素子５は、定電流源１８
と、もう一つの演算増幅器２７のマイナス端子に接続さ
れている。もう一つの演算増幅器２７のプラス端子には
定電圧源２８が接続されている。そしてもう一つの演算
増幅器２７の出力は、ノイズフィルタ７２を介して測定
器７１に接続されるとともに、他の電熱変換素子２６に
も接続されている。従って、演算増幅器１９は、熱電変
換素子４の出力電圧と定電圧源２８から供給される基準
電圧（基準信号）との差異（信号電圧Ｖ_S）を、測定器
７１に出力し、もう一つの演算増幅器２７は、参照用熱
電変換素子５の出力電圧と定電圧源２８から供給される
基準電圧（基準信号）との差異（ＯＢ信号Ｖ_0B）を、測
定器７１に出力する。本実施形態では、この信号電圧Ｖ
_Sが補償信号であり、ＯＢ信号Ｖ_OBが他の補償信号であ
るとともに比較信号でもある。測定器７１は、信号電圧
Ｖ_SとＯＢ電圧Ｖ_OBとを比較し、差異が存在した場合に
エネルギーがダイヤフラム２に入射したと判断する。な
お、図４に示す制御回路と実質的に同じ素子については
詳細な説明は省略する。

【００７５】この制御回路に基づく赤外線検出動作につ
いて図９を参照して説明する。

【００７６】ダイヤフラム２に向けて赤外線が照射され
て赤外線が金属薄膜１６に吸収されると、熱エネルギー
が加わるため、ダイヤフラム２上の熱電変換素子４の出
力が増大する。また、定電圧源２８から基準電圧（基準
信号）が出力される（ステップｅ）。演算増幅器１９に
おいて、熱電変換素子４の出力と基準電圧とが比較さ
れ、両者の差異が検出される（ステップｆ）。この差異
が増幅されて補償信号として出力される。補償信号（信
号電圧Ｖ_S）は電熱変換手段３に供給されて（ステップ
ｇ）、これを駆動する。補償信号は、赤外線が照射され
た熱電変換素子４の出力と基準電圧との差異に基づい
て、この差異を打ち消すように設定される。すなわち、
電熱変換素子３は、赤外線の照射によりダイヤフラム２
に加えられた熱エネルギーを相殺し、赤外線未照射の状
態と同じ温度に保つように作用する（ステップｈ）。ま
た、この補償信号（信号電圧Ｖ_S）は、ノイズフィルタ
２０によってノイズをカットされた後、測定器７１に供
給される（ステップｉ）。

【００７７】一方、もう一つのダイヤフラム２５上の参
照用熱電変換素子５は、遮蔽部材（図示せず）に覆われ
て赤外線の照射を受けない。しかし、雰囲気温度の変動
等によって、参照用熱電変換素子５の出力が変動する場
合がある。また、定電圧源２８から基準電圧（基準信
号）が出力される（ステップｊ）。演算増幅器２７にお
いて、参照用熱電変換素子５の出力と基準電圧（基準信
号）とが比較され、両者の差異が検出される（ステップ
ｋ）。この差異が増幅されて他の補償信号（比較信号Ｖ
_OB）として出力される。他の補償信号は他の電熱変換素
子２６に供給されて、これを駆動する（ステップｌ）。
他の補償信号は、参照用熱電変換素子５の出力と基準電
圧との差異に基づいて、この差異を打ち消すように設定
される。すなわち、他の電熱変換素子２６は、環境変化
等によりダイヤフラム２に加えられた熱エネルギーを相
殺し、所定の温度に保つように作用する（ステップ
ｍ）。また、他の補償信号（ＯＢ電圧Ｖ_OB）は、ノイズ
フィルタ７２によってノイズをカットされた後、測定器
７１に供給される（ステップｎ）。

【００７８】このように、測定器７１には、演算増幅器
１９からの信号電圧Ｖｓと、演算増幅器２７からのＯＢ
電圧Ｖ_OBとが供給される。そこで測定器７１は、信号電
圧とＯＢ電圧の差（Ｖ_S−Ｖ_OB）を求める。測定器７１
は、この信号電圧とＯＢ電圧の差（Ｖ_S−Ｖ_OB）に基づ
いてダイヤフラム２に加えられた熱エネルギー量を求
め、それに基づいて赤外線照射量を算出する（ステップ
ｏ）。

【００７９】この構成によると、他の電熱変換素子２６
は、ダイヤフラム２５の温度を、定電圧源２８によって
規定される一定の温度に保つように作用する。同様に、
実際に赤外線検出を行なう熱電変換素子が設けられたダ
イヤフラム２も、電熱変換素子３により、定電圧源２８
に規定される温度に保たれる。熱電変換素子４が最も良
好に作動する温度に保たれるように、定電圧源２８の電
圧を設定することにより、赤外線検出装置が、恒温室内
に置かれていない場合でも、常に良好に動作する。

【００８０】仮に、赤外線照射等のエネルギー入射がな
い場合には、たとえ環境温度変化があったとしても、信
号電圧Ｖ_SとＯＢ電圧Ｖ_OBは同じように変動し、両者の
差（Ｖ_S−Ｖ_OB）は０になるので、赤外線照射はないと
判断される。また、環境温度が変化し、かつダイヤフラ
ム２に赤外線照射がある場合、環境温度変化に伴いＯＢ
電圧Ｖ_OBが変動する。そして、信号電圧Ｖ_Sは、環境温
度変化に伴う変動に加えて、赤外線照射による熱エネル
ギー印加に伴う変動があるため、ＯＢ電圧Ｖ_OBとは異な
る値となる。したがって、この両者の差（Ｖ_S−Ｖ_OB）
が、赤外線照射のみによる熱電変換素子３の出力変動を
表す。なお、演算増幅器１９，２７において、熱電変換
素子３，５の出力と基準電圧との差を求めているため、
正確な赤外線照射量測定が行える。

【００８１】図８に示す構成では、ダイヤフラム２の温
度を、７７Ｋ程度に設定したり、１５０℃程度に設定し
たりすることができる。このように非常に低温であった
り高温であったりすると、ペルチェ係数Πの温度依存性
が問題となる。ペルチェ係数の温度依存性は（８）式で
表される。

【００８２】

【数８】 εＣは伝導帯底のエネルギー、εＦはフェルミ準位、ｋ
はボルツマン定数、eは素電荷を表す。この（８）式か
ら、ペルチェ係数Πは、絶対温度に対して単調増加する
ことがわかる。

【００８３】ペルチェ係数Πは、前記の通り常温での値
が大きいため、７７Ｋ付近で常温の１／２程度になって
も、大きな問題とはならない。高温では常温より増大す
るが、ポリシリコンの場合、２００℃以上で真性領域に
はいるため、急激にペルチェ係数が減少する。したがっ
て、ポリシリコンの場合、２００℃以下で使用する必要
がある（朝倉書店「半導体物性１」第２２３頁、犬石嘉
雄など）。低温の場合も高温の場合も、図８に示す構成
によると、ダイヤフラム２の温度は自動的に設定温度に
収束するため、複雑な設定は必要ない。

【００８４】以上説明したような回路構成を含む赤外線
検出装置の具体的な例が、図１０，１１に示されてい
る。これは熱型赤外線撮像装置であり、入射光を集光す
るための対物レンズ３１と、集光された光を平行光に変
換するコリメータレンズ３２と、入射光をｘ、ｙ方向に
スキャンする基板上のマイクロミラー（可動ミラー）３
３，３４と、マイクロミラー３３，３４で反射した光を
基板に戻す固定ミラー３５，３６と、前記した熱電変換
素子４や参照用熱電変換素子５等を含む。基板１内に
は、前記した制御回路やマイクロミラー駆動回路等を含
む回路３７が形成されている。

【００８５】マイクロミラー３３，３４は梁３８，３９
によって支えられたダイヤフラム４０，４１上に形成さ
れている。梁３８，３９は、マイクロミラー３３，３４
の一辺の中央部と、対向する辺の中央部とに形成され
て、基板１に接続されている。マイクロミラー３３とマ
イクロミラー３４とでは、梁３８，３９の方向が９０度
回転されている。梁３８は、マイクロミラー３３が垂直
同期周波数に共振点を持つように、長さや幅や厚さが設
定され、梁３９は、マイクロミラー３４が水平同期周波
数に共振点を持つように、その長さや幅や厚さが設定さ
れている。マイクロミラー３３，３４の、梁の無い２つ
の辺の斜め上には、マイクロミラー３３，３４が梁３
８，３９を軸に往復運動をするように、電極４２，４３
が形成されている。なお、図示されていないが、マイク
ロミラー３３を挟んで電極４２の反対側にも電極が形成
されている。電極４２には垂直同期周波数のパルスが、
電極４３には水平同期周波数のパルスが印加される。

【００８６】本発明の全体の動作を図１１，１２を参照
して簡単に説明する。まず、赤外線が入射すると、対物
レンズ３１によって集光され、コリメータレンズ３２に
よって平行光に変換される。この平行光は、垂直同期マ
イクロミラー３３に入射する。この時、電極４２には図
１２に示す電圧パルスＶｐ、Ｖｐ’が印加される。パル
スＶｐ、Ｖｐ’は、垂直同期信号Ｖｓｙｎｃと同じ周期
を持ち、後述するが図１４に示すタイミングと同様であ
る。これによって垂直同期マイクロミラー３３は、姿勢
を変化させて平行光をｙ方向にスキャンする。垂直同期
マイクロミラー３３でスキャンされた平行光は、固定ミ
ラー３５で反射され、水平同期マイクロミラーに３４入
射する。この時、電極４３には図１２に示す電圧パルス
Ｈｐ、Ｈｐ’が印加される。パルスＨｐ、Ｈｐ’は、垂
直同期信号Ｈｓｙｎｃと同じ周期を持ち、後述するが図
１４に示すタイミングと同様である。これによって水平
同期マイクロミラー３４は姿勢を変化させて平行光をｘ
方向にスキャンする。水平同期マイクロミラー３４でス
キャンされた平行光は固定ミラー３６で反射されて熱電
変換素子４に入射し、電気信号に変換される。そして、
前記の通り、図４に示す測定器２１によって赤外線の入
射が検出されるとともに、参照用熱電変換素子５および
電熱変換素子３によってダイヤフラム２の温度が一定に
保たれる。

【００８７】図１０〜１２に示すように、撮像範囲を６
４行×６４列の画素に分割し、Ｖ１行〜Ｖ６４行、Ｈ１
列〜Ｈ６４列とすると、例えば垂直同期マイクロミラー
３３がＶ１行を選択している間、水平同期マイクロミラ
ー３４はＨ１列からＨ６４列迄をスキャンして、各列の
画素の信号が出力される。これをＶ１行からＶ６４行ま
での各行について行うことで、全ての画素の信号を読み
出すことができる。

【００８８】各ミラー３３，３４は１周期内で往復運動
をするため、垂直同期期間には図１２に示すような有効
期間と復帰期間が存在する。有効期間ではＶ１行からＶ
６４行に向かって信号が出力され、復帰期間ではＶ６４
行からＶ１行に向かって信号が出力される。復帰期間で
は有効期間とは逆方向のスキャンが行われるため、出力
された信号をそのまま画素読み出しに利用することは難
しい。そこで、有効期間の信号のみ利用して復帰期間の
信号を利用しないようにして、構成を簡略化することが
できる。

【００８９】一方、可能な限りＳ／Ｎ比を向上させた
り、フレーム周波数を上げる必要がある場合には、復帰
時間の信号も画素読み出しに利用することもできる。復
帰時間の信号も利用することで、１フレーム内で同じ画
素の信号を２回読み出して、信号を加算することによっ
てＳ／Ｎ比を改善することができる。あるいは、垂直同
期信号の１周期内で２フレームの読み出して、フレーム
周波数を上げることができる。ただし、復帰期間の信号
を画素読み出しに利用するためには、逆方向に読み出さ
れる信号の順番を並べかえるためのメモリや制御回路が
必要になる。

【００９０】水平同期期間でも同様に復帰期間の信号を
画素読み出しに利用する方法と、利用しない方法とが選
択できる。

【００９１】基板１としては、シリコンなどの半導体基
板が使用できる。また、サファイヤなどの絶縁基板上に
ＳＯＩ技術（絶縁体上にシリコンを形成する技術）を用
いてシリコン単結晶を形成した構成とすることもでき
る。

【００９２】対物レンズ３１は、従来の赤外線撮像装置
と同様に、Ｆナンバーや収差を改善するために複数のレ
ンズ（例えば３枚）で構成してもよく、低価格化のため
に１枚のレンズで構成することもできる。

【００９３】両レンズ３１，３２とも、波長１０ミクロ
ン付近の赤外線に対して透過率の高いゲルマニウムなど
から形成される。これによると、感度や解像度（ＭＴ
Ｆ：変調伝達関数）の点で高い性能が得られるが、反射
型の光学系や回折型の光学系を用いることもできる。ま
た、同一基板１上に屈折型、反射型、回折型のマイクロ
レンズを配置することも可能であり、安価にできる効果
がある。

【００９４】マイクロミラー３３，３４の駆動方法に関
しては、本出願人が発明し特許出願した特願平９−２０
５７０７に詳細に記載されている。これを、以下に簡単
に説明する。

【００９５】図１３はマイクロミラー３３の動作を表す
図、図１４は印加パルスのタイミングを表す図である。
図１３（ａ）の状態では、マイクロミラー３３は水平状
態にある。この水平状態では、マイクロミラー３３は電
極４２ａ，４２ｂより下方に位置している。電極４２ａ
に電圧パルスが印加されると、接地電位であるマイクロ
ミラー３３と電極４２ａの間に（９）式に示す静電引力
が働き、マイクロミラー３３は変位を開始する。ΔＳは
面積、ΔＦはその面積に働く力、εは誘電率、ΔＥはそ
の面積にかかる電界を示す。

【００９６】

【数９】マイクロミラー３３が電極４２ａの高さに到達するまで
変位したところで電極４２ａへの電圧印加を停止する。
電圧印加を停止した後も、マイクロミラー３３には慣性
力が働き、図１３（ｂ）に示すように電極を通り越して
変位する。変位がピーク（図１３（ｃ））を過ぎた所で
再び電極４２ａに電圧を印加すると、マイクロミラー３
３の復帰方向への回転運動は加速する。その後、水平位
置に到達した後に電極４２ｂに電圧を印加することで、
電極４２ａと同様の動作を行うことができる。以上の動
作の１周期分の電圧パルスが、図１４に示されている。
なお、マイクロミラー３４に関しても、電極４３への電
圧供給によって同様の動作が行なえる。

【００９７】マイクロミラー３３，３４が大面積である
とチップ（ダイヤフラム４０，４１）のサイズが増大す
る問題があり、小面積であると光軸を合わせることが難
しくなったり、後述する検出ユニット（赤外線吸収層や
熱電変換素子４や電熱変換素子３等を含めて総称する。
ただし参照用熱電変換素子５は除く。）の実効面積が減
少する問題が生じる。現状の３０ｍｍ×３０ｍｍ程度の
ステッパ露光面積を考慮すると、１個のマイクロミラー
３３，３４をチップ上に形成するには、１個のマイクロ
ミラー３３の最大面積は３０ｍｍ×３０ｍｍ程度である
が、ウェハ歩留まり等を向上させるには、１個のマイク
ロミラー３３，３４の面積を２０ｍｍ×２０ｍｍ以下と
することが好ましい。２個のマイクロミラー３３，３４
を同一チップ上に形成するには、１個のマイクロミラー
３３，３４の最大面積は１５ｍｍ×１５ｍｍ程度であ
り、１０ｍｍ×１０ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００９８】また、検出ユニットの実効面積は２５μｍ
×２５μｍ以下程度であるので、誘導装置などに用いら
れるような１００行×１００列程度の画素数とすると、
１個のマイクロミラー３３，３４の最小面積（実効面積
×画素数）は２．５ｍｍ×２．５ｍｍ程度となる。物体
の大まかな認識が可能な３２行×３２列程度の画素数で
あれば、１個のマイクロミラー３３，３４の最小面積
は、０．８ｍｍ×０．８ｍｍ程度になる。

【００９９】マイクロミラー３３，３４の共振周波数ｆ
は、（１０）式〜（１３）式を用いて計算できる。

【０１００】

【数１０】Ｋはバネ定数、Ｉは慣性モーメント、Ｇは梁のせん断剛
性率、ｄは梁の直径、Ｌは梁の長さ、Ｍはマイクロミラ
ー３３，３４の重さ、ａはマイクロミラー３３，３４の
長さの半分、ｂはマイクロミラー３３，３４の幅の半
分、ｔはマイクロミラー３３，３４の厚みを表す。

【０１０１】好ましいと考えられる具体的な数値を代入
して、垂直同期周波数に共振するマイクロミラー３３と
梁３８の構成を考えてみる。画素数を６４行×６４列程
度とし、検出ユニットの実効面積を１００μｍとする
と、マイクロミラー３３の面積は６．４ｍｍ×６．４ｍ
ｍ程度となる（ａ＝ｂ＝３．２ｍｍ）。

【０１０２】梁３８の材料としては、大きなせん断破壊
応力を持つシリコン単結晶を用いることが好ましく、マ
イクロミラー３３の材料も梁の材料と同じにした方が製
造工程が簡単になる。ただし、シリコン単結晶は赤外線
を透過するため、マイクロミラー３３上にはアルミニウ
ム４９などの反射膜が形成される。マイクロミラー３３
の厚みｔと梁３８の直径ｄは同じ値にした方が製造工程
が簡単になる。一方梁３８の長さＬは、梁３８の直径ｄ
に対して長くしたほうが梁３８にかかる応力を小さくで
きる。マイクロミラー３３の振れ角度を１０度程度とす
ると、このＬ／ｄは２５程度以上にするのが好ましい。
シリコン単結晶の密度は約２×１０³ｋｇ／ｍ³、せん断
剛性率Ｇは約９×１０¹⁰Ｎ／ｍ²、垂直同期周波数ｆは
３０Ｈｚである。以上を考慮するとｄ及びｔを約５μｍ
以上にすることでＬ／ｄ＞２５を満足できる。ただしｄ
及びｔを大きくするとＬも大きくなり、ｄ及びｔが２０
μｍでＬは７ｍｍ程度になる。この場合ｄ及びｔは５μ
ｍ以上２０μｍ以下程度にすると良い。

【０１０３】水平同期周波数に共振するマイクロミラー
３４および梁３９も、同様の設計を行うことができる。
但し水平同期周波数は通常高い周波数であるため、Ｌ／
ｄを大きくとるのが難しい傾向がある。この場合、マイ
クロミラー３４の厚さｔをｄより小さく設計したり、マ
イクロミラー３４の面積を可能な限り小さくすることで
Ｌ／ｄを大きくすることができる。図１０，１１に示す
ように、レンズ３１，３２、垂直同期マイクロミラー３
３、水平同期マイクロミラー３４の順に配置すると、光
学設計上、水平同期マイクロミラー３４の面積を小さく
することができ、Ｌ／ｄを大きくする点で好ましい。

【０１０４】固定ミラー３５，３６は、基板１の上方に
配置する。配置する方法として、例えば、図１５のよう
に基板１上にスペーサ４５を設けて、そのスペーサ４５
の上に固定ミラー３５，３６を配置する方法が用いられ
る。また図１６に示すように、スペーサ４５は基板１上
ではなく、パッケージ４６上に設けることもできる。赤
外線検出装置を配置するパッケージ４６の上部に固定ミ
ラー３５，３６を形成する場合、パッケージ４６には赤
外線を透過するゲルマニウムからなる透過部分４４が必
要である。基板１と固定ミラー３５，３６の距離は、長
いほどマイクロミラー３３，３４の変位角度を小さくす
ることができる。またパッケージ４６内は、ダイヤフラ
ム２の熱コンダクタンスが小さくなるように真空にされ
る。なお、図１５，１６に示すように固定ミラー３５，
３６は一体であってもよいが、別々に形成されていても
よい。

【０１０５】次に、この熱型赤外線検出装置（撮像装
置）の製造方法について説明する。半導体基板１中に通
常のＬＳＩ製造プロセスを用いて回路３７を形成する。
詳述しないが、回路３７内には、ＣＭＯＳトランジスタ
や、バイポーラトランジスタ、拡散抵抗、コンデンサ等
が用いられる。バイポーラトランジスタを用いた演算増
幅器１９は、Ｓ／Ｎ比やオフセット電圧の向上、ドリフ
ト防止の点で有利であるが、ＣＭＯＳトランジスタを中
心としたアナログ回路を用いることもできる。後者の場
合、工程数を削減して製造コストを下げることができ
る。

【０１０６】マイクロミラー３３，３４や梁３８，３９
の材料は単結晶シリコンとすることが好ましいため、後
に行う異方性エッチングでこの部分が残るように、高濃
度Ｎ型半導体層が形成される。高濃度Ｎ型半導体層は異
方性エッチングで用いるアルカリ溶液にエッチングされ
ない特性を持つ。なお、本実施形態では、Ｐ型半導体基
板１が用いられている。

【０１０７】次に、シリコン酸化膜からなる絶縁層６が
形成される。特に、ボロンやリンをドープしたボロン・
リン・シリケートガラス（ＢＰＳＧ）は、段差被覆性が
良いため絶縁層６の材質として適している。シリコン酸
化膜６は、ダイヤフラム２の下方に空洞７を形成するた
めに、２層に分けて形成される。具体的には、基板１上
にシリコン酸化膜６ａが例えば１μｍ程度形成された
後、後に空洞７となる部分にポリシリコンが１μｍ程度
形成されてパターニングされた後、再度シリコン酸化膜
６ｂが１μｍ程度形成される。

【０１０８】さらに、その上にシリコン酸化膜８が０．
１μｍ程度形成され、ペルチェ素子３となるポリシリコ
ンが０．１μｍ程度形成される。ポリシリコンの一部に
は、ボロンがイオン注入法等でドープされてＰ型半導体
１１が形成される。一方、ポリシリコンの残りの部分に
は、リンやヒ素がドープされてＮ型半導体１２が形成さ
れる。ポリシリコン中の不純物濃度が１０²⁰［ｃｍ^-3］
よりも高いと、図１７に示すようにゼーベック係数やペ
ルチェ係数が低下し、１０¹⁸［ｃｍ^-3］以下では比抵抗
が非常に大きくなるため、不純物濃度は１０¹⁸〜１０²⁰
［ｃｍ^-3］程度の範囲に設定される。このＰ型半導体１
１とＮ型半導体１２とによりペルチェ素子３が構成され
る。

【０１０９】ペルチェ素子３の上にはシリコン酸化膜１
４が０．２μｍ程度形成された後、コンタクトホール４
８が形成され、回路の配線やペルチェ素子３の接点とな
るアルミニウム層１３が１μｍ程度形成される。アルミ
ニウム１３の上には熱電変換素子（ボロメータ）４とな
るチタンが０．１μｍ程度形成される。この構成では、
アルミニウム層１３とチタンボロメータ４との間にシリ
コン酸化膜が形成されず、両者が直接接触する。マイク
ロミラー３３，３４上部のシリコン酸化膜６，８，１４
を取り除いた後、その部分にもアルミニウム層４９が形
成され、マイクロミラー３３，３４の反射膜としても作
用する。また、電極４２，４３となる部分にも同様にア
ルミニウム層５０が形成される。各アルミニウム層１
３，４９，５０は同時に形成される。

【０１１０】チタンの上には赤外線吸収層となるシリコ
ン酸化膜１５が１μｍ程度、窒化チタン（金属薄膜）１
６が１０ｎｍ程度それぞれ形成される。シリコン酸化膜
１５の屈折率を２．５程度として、その厚さを１μｍ程
度にすると、λ／（４ｎ）の式により波長１０μｍ程度
の赤外線を吸収することができることがわかる。窒化チ
タン１６を０．１ｎｍ程度の厚さにすることで、３７７
Ω／□程度のシート抵抗が得られる。

【０１１１】最後に、異方性エッチングにより空洞７と
マイクロミラー３３，３４下方の凹部５１が形成され
る。エッチング液としては、従来同様にＫＯＨやテトラ
メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド（ＴＭＡ
Ｈ）、ヒドラジンなどが使用できる。なお、ポリシリコ
ンと、マイクロミラー下方の単結晶シリコンのみをエッ
チングするために、エッチング前に、ポリシリコンに達
するスリット９が設けられるとともに、基板１裏面にシ
リコン酸化膜が形成されマイクロミラー下方のシリコン
酸化膜のみが露出させられる。エッチングはポリシリコ
ンとマイクロミラー周辺のシリコン単結晶が除かれた時
点で終了する。こうして、基板１の空洞７と、基板裏面
の凹部５１とが同時に形成される。

【０１１２】本実施形態では、大きな変位を起こすマイ
クロミラーが位置する凹部５１を基板１に形成する方法
としては、従来から加速度センサ製造工程などに利用さ
れているバルクマイクロマシーニング法が採用され、基
板表面に空洞を形成する方法としては、近年赤外線線セ
ンサ製造工程などに用いられている表面マイクロマシー
ニング法が採用されている。しかし、空洞７も凹部５１
も表面マイクロマシーニング法を利用して形成すること
で製造工程を簡略化することもできる。また、空洞７と
凹部５１とをいずれもバルクマイクロマシーニング法を
利用して製造する方法も可能である。

【０１１３】本発明の効果は、ダイヤフラム２の温度が
一定になるように熱的にフィードバックをかけることに
より、ダイヤフラム２の熱時定数の影響を受けないよう
にすることができ、入射赤外線に対する応答速度を大幅
に改善することができることである。通常の熱型赤外線
検出装置では、ダイヤフラム２の熱時定数の影響により
入射赤外線に対する応答時間は数十ｍｓとなる。しか
し、ダイヤフラム２を一定温度に保つことで、応答時間
を極めて小さくすることができる。本発明の構成による
と、赤外線照射等による熱エネルギーの印加を、実際に
ダイヤフラム２の温度が上昇する前に、熱電変換素子３
が検知し、電熱変換素子が作動して熱エネルギーを相殺
することができるので、高速応答可能で、温度を一定に
保つことができる。

【０１１４】ダイヤフラム２の温度を一定に保つために
電熱変換素子３を駆動する補償信号を、測定器２１で読
み取ることにより、入射赤外線の検出を行なうことがで
きる。このことは、上述した熱的な現象を、図１８のよ
うな電気回路に置き換えることで容易に理解できる。す
なわち、図１８において、入射赤外線は電流源５２に、
ダイヤフラム２の熱容量はコンデンサ５３に、ダイヤフ
ラム２の熱抵抗は抵抗５４に、電熱変換素子３は電圧制
御電流源５５にそれぞれ置き換えることができる。この
電気回路を、回路シミュレータ（例えばスタンフォード
大で開発されたＳＰＩＣＥ等）でシミュレーションする
と、演算増幅器１９の出力には、電流源５２の電流の変
化に比例した信号が得られる。

【０１１５】本発明では、応答時間の限界は、演算増幅
器１９の応答時間や、配線に存在する抵抗や容量の時定
数などによって決定される。通常これらの時間は、ダイ
ヤフラム２の熱時定数に比べはるかに小さいため、ダイ
ヤフラム２の熱時定数が無視できる本発明の効果は大き
い。

【０１１６】本発明の他の効果は、熱電変換のリニアリ
ティを改善できることである。従来の赤外線検出装置で
は、ダイヤフラム２の温度が入射赤外線によって変化
し、特に非常に高温な被写体や低温な被写体を対象とし
たときに、ダイヤフラム２の温度が大きく変わる。熱電
変換素子４は動作温度によって抵抗温度係数（ＴＣＲ）
が変わることが多いため、ダイヤフラム２の温度変化は
リニアリティの悪化につながる。本発明はダイヤフラム
２の温度変化が抑えられるため、リニアリティが大幅に
改善される。

【０１１７】本発明の他の効果は、ダイヤフラム２の温
度変化が起こらないため、特に軍事用の暗視装置や誘導
装置などにおいて、本装置が他の検出装置によって検出
されにくい点である。従来の赤外線検出装置では、熱電
変換素子４に流される電流等によって熱電変換素子４が
発熱し、ダイヤフラム２の温度が上昇する現象があっ
た。この温度上昇は数十℃に達するため、他の赤外線検
出装置に検出される可能性があった。本発明ではこの問
題を解決することができる。

【０１１８】本発明の他の効果は、マイクロミラー３
３，３４と高速応答が可能な検出ユニットを組み合わせ
ることで、熱型赤外線検出装置を極めて低価格で小型に
製造できる点にある。従来、２次元の赤外像を得るに
は、多数の検出ユニットを２次元に配列して撮像する
か、1個の検出ユニットまたは１列に並べた複数の検出
ユニットと、光スキャナとを組み合わせて撮像する方法
が採用されていた。複数の検出ユニットを用いる場合、
通常の赤外線検出ユニットは各検出ユニット間のばらつ
きが大きいため、ばらつきを補正する回路が必要とな
る。このばらつきにはＤＣレベルのばらつきであるオフ
セットと、感度のばらつきの両方が含まれている。ばら
つき補正回路は、検出ユニットのばらつきを保持するメ
モリや、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等で構成され、オ
フセットと感度ばらつきを補正するには大規模な回路が
必要となる。さらにばらつきを補正するためには、入射
赤外線を一次的に遮断するシャッターやチョッパー等の
機械部品も必要となる。また感度補正を行うには、製品
出荷時の調整において、異なる温度の赤外光源を使った
各画素の感度テーブルの作成が必要とされる。また、従
来は、１個または１列の検出ユニットと光スキャナとを
組み合わせた構成では、検出ユニットとしてインジウム
・アンチモンや水銀・カドミウム・テルルなどの高速応
答が可能な量子型検出ユニットが使われてきた。少ない
検出ユニットを時分割で使用して多くの画素数を得るに
は、検出ユニットに高速応答が求められるが、前述した
ように従来の熱型検出ユニットは本発明のような高速応
答ができなかったため、できるだけ高速化するため量子
型検出ユニットが使われた。量子型検出ユニットは原理
的に低温に冷却して使用する必要があり、この冷却装置
が非常に高価で大型であった。

【０１１９】これに対し、本発明の熱型赤外線検出装置
は、単一の検出ユニットで構成されているため部品数や
調整工数を省略でき、しかもばらつき補正の必要がな
く、そして高速応答が可能なため量子型検出ユニットを
用いる必要がなく、極めて低価格で小型にできる。

【０１２０】本発明の他の効果は、従来の熱型赤外線検
出装置で問題であったドリフトを大幅に改善できる点で
ある。ドリフトはデバイスの温度変化によって画素間の
オフセット（ＤＣレベル）がばらつく現象である。ドリ
フト発生の最大の原因は、検出ユニット間の感度ばらつ
きにある。検出ユニットは基板温度に対しても感度があ
り、デバイスの温度が変化するとＤＣレベルが変化す
る。検出ユニット間には感度ばらつきがあるため、画素
によってＤＣレベルの変化量が異なってしまう。本発明
の熱型赤外線検出装置は、単一の検出ユニットで構成さ
れているため画素間の感度ばらつきは存在せず、このよ
うな問題が発生しない。

【０１２１】次に、本実施形態の他の実施例について示
す。画面の解像度を上げる、つまりは１画面中の画素数
を増やすには、ダイヤフラム２の面積を小さくする必要
がある。これは平行光の面積が１画面の面積となり、ダ
イヤフラム２の面積が１画素の面積となるためである。
しかしダイヤフラム２上には熱電変換素子４や電熱変換
素子３が形成されるため、ダイヤフラム２の面積を小さ
くするには微細な加工を行なう上での限界がある。

【０１２２】この問題を解決するために、図１９に示す
実施例では、ダイヤフラム２の上方に入射赤外線を遮断
する遮光板６１を設け、遮光板６１に穴６２を開けた例
である。穴６２は、透過した赤外線がダイヤフラム２に
入射する位置に形成されている。穴６２の面積（実効検
出面積）はダイヤフラム２の面積より小さく、必要とさ
れる解像度によって決定される。ただし、穴６２の面積
を小さくすれば解像度は改善されるが感度が低下するた
め、両者を考慮して穴６２の面積が決定される。これに
よると、例えばダイヤフラム２の面積を数百μｍ×数百
μｍ程度にしても、実効面積を数十μｍ×数十μｍ（例
えば２５μｍ×２５μｍ）にできるため、加工精度を緩
和することができる。

【０１２３】図２０は、ダイヤフラム２上の一部分のみ
に赤外線吸収層６３を形成した例である。赤外線吸収層
６３を形成した面積が実効面積となり、ダイヤフラム２
の面積自体はを大きくても実効面積を小さくすることが
できる。この場合赤外線吸収層６３を形成した以外の部
分のダイヤフラム２上に、アルミニウムやチタンなどの
反射層を形成することで、解像度の指標であるＭＴＦを
さらに改善することができる。

【０１２４】また、解像度は平行光の面積を大きくする
ことでも向上できる。図２１に示すように、固定ミラー
として凸面鏡６４を用いて平行光を拡げる構成とする
と、ダイヤフラム２の面積が大きくても解像度を向上す
ることができ、ダイヤフラム２の面積を小さくした場合
と同様の効果が得られる。

【０１２５】図２２に示すように、固定ミラー３６とダ
イヤフラム２との間に凹レンズ６５を設けて平行光を拡
げた場合にも、図２１に示す構成と同様に解像度が向上
する効果が得られる。

【０１２６】［第２の実施形態］図２３〜２５には、本
発明の第２の実施形態が示されている。これは、１つの
マイクロミラー３４と１列に並んだ複数の熱型検出ユニ
ット６７とを利用した構成である。第１の実施形態と同
様の構成には、同一の符号を付与し説明は省略する。

【０１２７】本実施形態では、入射光を集光するための
対物レンズ３１と、集光された光を平行光に変換するコ
リメータレンズ３２と、基板１上に入射光をｙ方向にス
キャンするマイクロミラー３４と、マイクロミラー３４
で反射した光を基板１に戻す固定ミラー６６と、基板１
上の１列に並んだ複数の熱型検出ユニット６７と、基板
１中に設けられ、マイクロミラー３４を駆動したり検出
ユニット６７を制御する回路とを有している。

【０１２８】本実施形態は、第１の実施形態の構成から
垂直同期マイクロミラー３３を除去し、その代わりに水
平方向の画素を読み出すために複数の検出ユニット６７
を１列に並べた構成である。例えば、２５μｍ×２５μ
ｍの面積をもつ３２０個の熱型検出ユニット６７がｘ方
向に配列されている。

【０１２９】個々の検出ユニット６７の制御回路は図８
に示す構成と実質的に同様である。具体的には、図２５
に示すように、各検出ユニット６７において、電熱変換
素子３、熱電変換素子４、定電流源１８、演算増幅器１
９およびノイズフィルタ２０の構成に関しては、図８に
示す構成と実質的に同じである。各検出ユニット６７か
ら出力された信号電圧（補償信号）Ｖ_Sは、シフトレジ
スタ７０に格納される。また、リファレンスユニット６
８である参照用熱電変換素子５、定電圧源２８および他
の電熱変換素子２６も、図８に示す実質的に構成と同じ
であり、このリファレンスユニット６８だけは、図示し
ない遮光部材により赤外線照射の影響を受けないダイヤ
フラム２５上に、参照用熱電変換素子５および電熱変換
素子２６が配設されている。

【０１３０】本実施形態においては、１つのリファレン
スユニット６８から出力されるＯＢ電圧（比較信号）Ｖ
_OBと、各検出ユニット６７から出力されシフトレジスタ
７０に格納された各検出ユニット６７の信号電圧（補償
信号）Ｖｓとが、測定器７１において比較される。測定
器７１は、いずれかの検出ユニット６７からの信号電圧
Ｖ_SがＯＢ電圧Ｖ_OBと相違する場合、この信号電圧とＯ
Ｂ電圧の差（Ｖ_S−Ｖ_OB）を求め、それに基づいて当該
検出ユニット６７のダイヤフラム２に加えられた熱エネ
ルギー量を求め、赤外線照射量を算出する。それと同時
に、第１の実施形態と同様に各検出ユニット６７のダイ
ヤフラム２が一定温度に制御される。

【０１３１】本実施形態では、１列に並ぶ複数の熱型検
出ユニット６７を用いることにより、ノイズを減少でき
る。各検出ユニット６７は、各列（Ｈ１列〜Ｈ３２０
列）にそれぞれ対応して設けられており、その出力が順
次読み出されていく。従って、ローパスフィルタのカッ
トオフ周波数を水平同期周波数（例えば１５ＫＨｚ）の
数倍（２〜１０倍程度）に設定して、ノイズの周波数帯
域を狭めることができ、ノイズを低減できる。これによ
って水平同期周波数の高い高精細の用途でもノイズを十
分低く抑えることができ、例えば３２０×２４０個の画
素数を持つ低ノイズの赤外線撮像装置を容易に実現でき
る。

【０１３２】本実施形態の赤外線検出装置は、液体窒素
の温度や１３０℃の高温など、ダイヤフラム２上の熱電
変換素子の特性にあった温度に容易に設定することがで
きる。またダイヤフラム２の持つ熱時定数をほぼゼロに
することができ、ダイヤフラム２上に入射したり、発生
するエネルギーを極めて高速にうち消すことができる。

【０１３３】図２６には、本実施形態の変形例が示され
ている。この変形例では、シフトレジスタ７３に、各検
出ユニット６７の信号電圧（補償信号）Ｖ_Sのみなら
ず、リファレンスユニット６８のＯＢ電圧（比較信号）
Ｖ_OBも出力される。そして、シフトレジスタ７３にクラ
ンプ回路７４が接続されている。ＯＢ電圧Ｖ_OBが入力さ
れた瞬間にクランプ回路７４のスイッチ７５がオンされ
ることにより、クランプ回路７４を経た出力は信号電圧
とＯＢ電圧との差（Ｖ_S−Ｖ_OB）となる。また、クラン
プ回路７４を用いずに、リファレンスユニット６８のＯ
Ｂ電圧Ｖ_OBを含めた全ての画素からの信号を逐次Ａ／Ｄ
変換してメモリーに取り込み、デジタル値の引き算で差
（Ｖ_S−Ｖ_OB）を求めることもできる。

【０１３４】

【発明の効果】本発明によると、ダイヤフラムの熱時定
数の影響を受けることなく、入射赤外線に対する応答速
度を大幅に改善できる。また、ダイヤフラムの温度変化
がないため、熱電変換のリニアリティを改善できる。さ
らに、ダイヤフラムの温度変化が起こらないため、特に
軍事用の暗視装置や誘導装置などにおいて、本装置が他
の検知装置によって検知されにくい点である。

【０１３５】マイクロミラーを含む高速応答可能な赤外
線検出装置を構成すると、極めて低価格で小型な熱型赤
外線検出装置を実現できる。

【０１３６】また、単一の検出ユニットで赤外線検出装
置を構成すると、画素間の感度ばらつきが存在せず、ド
リフトが発生しない。

【０１３７】また、１列に並ぶ複数の検出装置を用いる
構成とすると、ノイズの周波数帯域を狭めることがで
き、ノイズを減少できる。

【０１３８】なお本発明は、赤外線検出装置に限られ
ず、熱型機能デバイス全般に広く応用されるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における熱型赤外線検
出装置の要部斜視図である。

【図２】図１に示す熱型赤外線検出装置の要部断面図で
ある。

【図３】図１に示す熱型赤外線検出装置の他の要部断面
図である。

【図４】図１に示す熱型赤外線検出装置の回路図であ
る。

【図５】図１に示す熱型赤外線検出装置の駆動方法を示
すフローチャートである。

【図６】（ａ）は図１に示す熱型赤外線検出装置の入射
パワーを示すグラフ、（ｂ）は熱電変換素子の出力信号
を示すグラフ、（ｃ）はダイヤフラム温度を示すグラフ
である。

【図７】他の熱型赤外線検出装置の回路図である。

【図８】さらに他の熱型赤外線検出装置の回路図であ
る。

【図９】図８に示す熱型赤外線検出装置の駆動方法を示
すフローチャートである。

【図１０】本発明の第１の実施形態における熱型赤外線
検出装置の全体を示す概略斜視図である。

【図１１】図１０に示す熱型赤外線検出装置の概略断面
図である。

【図１２】図１０に示す熱型赤外線検出装置の駆動方法
を示すタイムチャートである。

【図１３】マイクロミラーの動作を示す説明図である。

【図１４】図１３に示すマイクロミラー駆動時の電圧パ
ルスを示すタイムチャートである。

【図１５】本発明の第１の実施形態における固定ミラー
の配設方法を説明する概略斜視図である。

【図１６】固定ミラーの他の配設方法を説明する概略斜
視図である。

【図１７】ゼーベック係数と不純物濃度の関係を示すグ
ラフである。

【図１８】本発明の第１の実施形態における熱型赤外線
検出装置の等価回路図である。

【図１９】他の熱型赤外線検出装置の概略断面図であ
る。

【図２０】さらに他の熱型赤外線検出装置の概略断面図
である。

【図２１】さらに他の熱型赤外線検出装置の概略断面図
である。

【図２２】さらに他の熱型赤外線検出装置の概略断面図
である。

【図２３】本発明の第２の実施形態における熱型赤外線
検出装置の全体を示す概略斜視図である。

【図２４】図２３に示す熱型赤外線検出装置の概略断面
図である。

【図２５】図２３に示す熱型赤外線検出装置の回路図で
ある。

【図２６】本発明の第２の実施形態の変形例の回路図で
ある。

【図２７】従来の熱型赤外線検出装置の要部断面図であ
る。

【図２８】図２７に示す熱型赤外線検出装置の回路図で
ある。

【符号の説明】

１基板（半導体基板）２ダイヤフラム３電熱変換素子（ペルチェ素子）４熱電変換素子（ボロメータ）５参照用熱電変換素子（基準信号供給手段）６，６ａ，６ｂ絶縁層（シリコン酸化膜）７空洞８絶縁層（シリコン酸化膜）９スリット１０梁１１Ｐ型半導体１２Ｎ型半導体１３接点（アルミニウム層）１４絶縁層（シリコン酸化膜）１５シリコン酸化膜（屈折率ｎの層）１６金属薄膜（窒化チタン）１８定電流源１９演算増幅器（比較手段）２０ノイズフィルタ２１測定器（検出手段）２２定電圧源（基準信号供給手段）２５もう一つのダイヤフラム２６他の熱電変換素子（基準信号供給手段）２７もう一つの演算増幅器（基準信号供給手段）２８定電圧源（基準信号供給手段）３１対物レンズ３２コリメータレンズ３３垂直同期マイクロミラー（可動ミラー）３４水平同期マイクロミラー（可動ミラー）３５，３６固定ミラー３７回路３８，３９梁４０，４１ダイヤフラム４２，４２ａ，４２ｂ垂直同期電極４３水平同期電極４４透過部分４５スペーサ４６パッケージ４８コンタクトホール４９，５０アルミニウム層５１凹部５２電流源５３コンデンサ５４抵抗５５電圧制御電流源６１遮光板６２穴６３赤外線吸収層６４凸面鏡６５凹レンズ６６固定ミラー６７熱型検出ユニット６８リファレンスユニット７０シフトレジスタ７１測定器７２ノイズフィルタ７３シフトレジスタ７４クランプ回路

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 35/32 Ｈ０１Ｌ 37/00 37/00 37/02 37/02 27/14 ＫＦターム(参考） 2G065 AA04 AB02 BA11 BA12 BA13 BA14 BA33 BB11 BC03 BC14 BC28 BC33 BE08 CA19 CA21 DA18 4M118 AA10 AB10 BA05 BA30 CA03 CA14 CA16 CA34 CA35 CB07 CB14 DB01 DD10 GA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に設けられており、熱を電気信号に
変換する熱電変換素子と、前記ダイヤフラム上に前記熱電変換素子に隣接して設け
られており、電気信号を熱に変換する電熱変換素子と、前記電熱変換素子の駆動を制御するために前記熱電変換
素子の出力信号と比較される基準信号を供給する基準信
号供給手段とを含む熱型機能デバイス。
【請求項２】前記基準信号供給手段からの前記基準信
号と、前記熱電変換素子の出力信号とを比較して、両者
の差異を補償するような補償信号を前記電熱変換素子に
供給して該電熱変換素子を駆動する比較手段を含む請求
項１に記載の熱型機能デバイス。
【請求項３】前記ダイヤフラムが、基板に設けられた
空洞上に配置されており、前記比較手段が前記基板内に
設けられている請求項２に記載の熱型機能デバイス。
【請求項４】前記基準信号供給手段が定電圧源であ
り、前記基準信号が基準電圧である請求項１〜３のいず
れか１項に記載の熱型機能デバイス。
【請求項５】前記基準信号供給手段が参照用熱電変換
素子であり、前記基準信号が参照用熱電変換出力信号で
ある請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱型機能デバ
イス。
【請求項６】前記比較手段から前記補償信号が供給さ
れて、該補償信号に基づいて前記熱電変換素子へのエネ
ルギー入射を検出する検出手段を含む請求項４または５
に記載の熱型機能デバイス。
【請求項７】前記基準信号供給手段が定電圧源であ
り、前記基準信号が基準電圧であり、前記熱電変換素子
の出力信号と前記基準電圧との差が前記補償信号であ
り、参照用熱電変換素子と、該参照用熱電変換素子の近傍に
設けられている他の電熱変換素子と、前記参照用熱電変
換素子の出力信号と前記基準電圧との差を比較信号とし
て出力する他の比較手段とを有し、前記補償信号と前記比較信号との差に基づいて前記熱電
変換素子へのエネルギー入射を検出する検出手段を含む
請求項２または３に記載の熱型機能デバイス。
【請求項８】前記熱電変換素子へのエネルギー入射を
検出する検出手段を含み、前記参照用熱電変換素子が該
エネルギーに感応しない請求項５または７に記載の熱型
機能デバイス。
【請求項９】前記熱電変換素子へのエネルギー入射を
検出する検出手段を含み、前記参照用熱電変換素子への
該エネルギーの入射を遮断する遮蔽部材を含む請求項８
に記載の熱型機能デバイス。
【請求項１０】前記エネルギーが電磁波の入射エネル
ギーである請求項８または９に記載の熱型機能デバイ
ス。
【請求項１１】前記電磁波が赤外線である請求項１０
に記載の熱型機能デバイス。
【請求項１２】外部から入射する前記電磁波を前記熱
電変換素子へ向けて導くミラー手段を含む請求項１０に
記載の熱型機能デバイス。
【請求項１３】前記ミラー手段が、実質的に互いに直
交する方向にそれぞれ角度変化可能な１対の可動ミラー
を含む請求項１２に記載の熱型機能デバイス。
【請求項１４】前記ミラー手段が、前記ダイヤフラム
に対し固定的に設けられており、前記可動ミラーにより
反射された前記電磁波を反射する固定ミラーを含む請求
項１３に記載の熱型機能デバイス。
【請求項１５】前記熱電変換素子がチタンを主成分と
する請求項１に記載の熱型機能デバイス。
【請求項１６】前記熱電変換素子および前記他の熱電
変換素子がいずれもチタンを主成分とする請求項６に記
載の熱型機能デバイス。
【請求項１７】前記熱電変換素子がシリコンを主成分
とする請求項１に記載の熱型機能デバイス。
【請求項１８】前記熱電変換素子および前記他の熱電
変換素子がいずれもシリコンを主成分とする請求項６に
記載の熱型機能デバイス。
【請求項１９】前記シリコンが、１０¹⁸〜１０²⁰［ｃ
ｍ^-3］の濃度で不純物が混入されたものである請求項１
７または１８に記載の熱型機能デバイス。
【請求項２０】請求項１〜１９のいずれか１項に記載
の熱型機能デバイスの前記熱電変換素子が、複数並べて
設けられているエネルギー検出装置。
【請求項２１】ダイヤフラム上に設けられた熱電変換
素子の出力と、基準信号供給手段により供給される基準
信号とを比較し、その比較結果に基づいて、前記ダイヤ
フラム上に前記熱電変換素子に隣接して設けられている
電熱変換素子の駆動を制御する工程を含む熱型機能デバ
イスの駆動方法。
【請求項２２】前記電熱変換素子の駆動制御工程が、
前記基準信号供給手段から供給される前記基準信号と、
前記熱電変換素子の出力信号とを比較して、両者の差異
を補償するような補償信号を前記電熱変換素子に供給し
て該電熱変換素子を駆動する工程である請求項２１に記
載の熱型機能デバイスの駆動方法。
【請求項２３】前記基準信号が基準電圧である請求項
２１または２２に記載の熱型機能デバイスの駆動方法。
【請求項２４】前記基準信号供給手段が参照用熱電変
換素子であり、前記基準信号が前記参照用熱電変換素子
の出力信号である請求項２１または２２に記載の熱型機
能デバイスの駆動方法。
【請求項２５】前記比較手段から検出手段に前記補償
信号を供給して、該補償信号に基づいて前記熱電変換素
子へのエネルギーの入射を検出する工程を含む請求項２
２に記載の熱型機能デバイスの駆動方法。
【請求項２６】前記基準信号供給手段が定電圧源であ
り、前記基準信号が基準電圧であり、前記熱電変換素子
の出力信号と前記基準電圧との差が前記補償信号であ
り、参照用熱電変換素子の出力信号と前記基準電圧との差を
比較信号として他の比較手段から出力し、前記補償信号
と前記比較信号との差に基づいて前記熱電変換素子への
エネルギー入射を検出する工程を含む請求項２２に記載
の熱型機能デバイスの駆動方法。
【請求項２７】前記エネルギーが赤外線の入射による
エネルギーである請求項２５または２６に記載の熱型機
能デバイスの駆動方法。