JP2013195148A

JP2013195148A - 赤外線センサー装置

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Publication number: JP2013195148A
Application number: JP2012060668A
Authority: JP
Inventors: Eigo Noguchi; 英剛野口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】赤外線吸収膜と温度センサーとをそれぞれ備えた複数の画素がライン状又はマトリクス状に配置されたセンサーアレイ領域と、センサーアレイ領域に対向して配置された集光レンズとを備えた赤外線センサー装置において、センサーアレイ領域の周縁部での赤外線受光量の低下を補正する。
【解決手段】赤外線センサー装置２３は、赤外線吸収膜１５と温度センサー１３とをそれぞれ備えた複数の画素Ｐがライン状に配置されたセンサーアレイ領域１と、センサーアレイ領域１に対向して配置された集光レンズ３とを備えている。赤外線吸収膜１５の面積が変化されていることによって、画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサー装置に関し、特に、赤外線吸収膜と温度センサーとをそれぞれ備えた複数の画素がライン状又はマトリクス状に配置されたセンサーアレイ領域と、センサーアレイ領域に対向して配置された集光レンズとを備えた赤外線センサー装置に関する。

近年、ボロメータ、サーモパイル、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を使用した非冷却型の熱型赤外線センサー装置、熱型赤外線ラインセンサー等の開発が盛んに行なわれている。これらのセンサーは、中赤外から遠赤外の波長帯に感度を有するため、自動車向けの暗視カメラや、セキュリティー機器向けの人体検知センサー、電気電子機器の節電を目的とした人体検知センサー等に幅広く用いられている。

また、通常これらのセンサーはレンズと組み合わせて使用されることがほとんどであり、レンズを含めた形での小型化や低コスト化が望まれている。熱型赤外線ラインセンサー、熱型赤外線イメージセンサー等の固体撮像素子や人体検知素子において、レンズで集光された光がセンサーアレイ領域に照射される。

図１４は、赤外線センサー装置を説明するための概略的な側面図である。
赤外線センサー装置は、センサーアレイ領域１と集光レンズ３とを備えている。センサーアレイ領域１には、赤外線吸収膜と温度センサーとをそれぞれ備えた複数の画素がライン状に配置されている。集光レンズ３は、センサーアレイ領域１に対向して配置されている。

図１４（Ａ）は、入射角０度で入射する光に対する集光レンズ３の集光特性の概要を示している。図１４（Ａ）では、センサーアレイ領域１の中央部の画素に入射光が集光されている。図１４（Ｂ）は、ある入射角θ度で入射する光に対する集光レンズ３の集光特性の概要を示している。図１４（Ｂ）では、センサーアレイ領域１の周縁部の画素に入射光が集光されている。

図１５は、従来の赤外線センサー装置のセンサーアレイ領域の構造を説明するための概略的な平面図及び断面図である。図１５において、断面図は平面図のＸ−Ｘ’位置での断面に対応している。

センサーアレイ領域１はライン状に配列された複数の画素Ｐを備えている。画素Ｐは、メンブレン部５を２本の梁部７で基板９に対して中空状に支持した断熱構造体で形成されている。メンブレン部５と基板９との間には空隙１１が形成されている。
メンブレン部５に温度センサー１３と赤外線吸収膜１５が形成されている。断面図において温度センサー１３と赤外線吸収膜１５の図示は省略されている。温度センサー１３の信号を外部に取り出すために、梁部７の内部に配線１７が形成されている。

画素Ｐは、赤外線吸収膜１５で吸収された赤外線によってメンブレン部５の温度が上昇すると、その温度上昇を温度センサー１３によって検出することによって赤外線を検出する。赤外線吸収膜１５で吸収された熱が逃げにくくなるように、空隙１１によって断熱構造が形成されている。これにより、赤外線検出感度が高められている。
温度センサー１３は、ボロメータ、サーモパイル、焦電体、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴなどで構成される。また、メンブレン部５を構成する材料自体が赤外線を吸収する場合は、別途、赤外線吸収膜５を形成する必要はない。

赤外線センサー装置において、図１４に示されたように、集光レンズ３に対して入射角０度で入射する光とある入射角θ度で入射する光とでは、集光レンズ３の有効面積が異なることや、種々の歪や収差などの影響で、センサーアレイ領域１の各画素に集光される光量に差が生じるという問題がある。この問題は、画素がライン状に配置された赤外線ラインセンサー装置に限らず、画素がマトリクス状に配置された赤外線アレイセンサー装置においても同様に起こる。また、図１４では、簡単のために集光レンズ３として球面平凸レンズが図示されているが、上記問題が生じる集光レンズのレンズ形状は球面平凸レンズに限られない。両凸レンズや非球面レンズ等など、集光レンズが使用されても、程度差はあるが同様の問題が生じる。

図１６は、赤外線センサー装置の各画素の受光量について説明するための図である。
例えばセンサーアレイ領域に１０個の画素Ｐ０〜Ｐ９がライン状に配置されている場合、センサーアレイ領域の中央付近の画素Ｐ４，Ｐ５の受光量と比較して、画素Ｐ０〜Ｐ３，Ｐ６〜Ｐ９の受光量は、センサーアレイ領域の周縁部へ向かうほど小さくなっている。センサーアレイ領域の中央付近の画素Ｐ４，Ｐ５と、周縁部の画素Ｐ０，Ｐ９とでは、受光量に数倍の差が出ることもある。

この現象は集光レンズ３（図１４を参照。）の特性上必ず生じるもので、集光レンズ３の設計によって完全に除去することはできない。特に最近では、センサーとレンズを含めた全体での赤外線センサー装置の小型化や低コスト化、あるいはセンサーとレンズの一体化などが望まれている。したがって、赤外線センサー装置において光学設計の自由度が小さくなっており、図１６に示されたような集光特性を抑えにくくなっている。また、この現象は、ｍ×ｎ個の画素をマトリクス状に配列した赤外線センサー装置でも同様に起こり、ある列やある行の各画素の受光量は、図１６に示された受光量と同様の特性となる。

図１７は、赤外線センサー装置の赤外線受光領域の一例を説明するための図である。図１８は、従来の赤外線センサー装置の画素出力（縦軸）とレンズ面からの距離（横軸）との関係を説明するための図である。

図１７に示されるように、集光レンズ３を介して赤外線を受光するセンサーアレイ領域１の赤外線受光領域１９内に人体２１ａ，２１ｂが存在しているとする。また、赤外線受光領域１９の範囲内で、集光レンズ３のレンズ面からの距離Ｌが距離Ｌ１≦Ｌ≦Ｌ２にいる人体２１ａ，２１ｂのみを検出する場合を考える。

図１８に示されるように、中央画素（レンズ３の画角の中央付近に位置する人体２１ａに対応）では画素出力が大きく、周縁画素（レンズ３の画角の端付近に位置する人体２１ｂに対応）では画素出力が小さくなる。画素出力に対して閾値Ａ，Ｂを設定して距離ＬがＬ１≦Ｌ≦Ｌ２に位置する人体２１ａ，２１ｂのみを検出することを考えると、中央画素の画素出力によって人体１０４ａの検出が可能である。しかし、周辺画素の画素出力によっては、距離ＬがＬ≦Ｌ１の範囲の人体しか検出できず、距離ＬがＬ１≦Ｌ≦Ｌ２に位置する人体２１ｂを検出できないという不具合が生じる。

このような不具合に対して、レンズで集光された光がイメージエリア（センサーアレイ領域）に照射される場合、イメージエリアの周縁部では中央部よりも光量が低下する。これを解消するために、イメージエリアの各画素の感度をイメージエリアの中央を中央とする同心円状に、イメージエリアの周縁部に行くほど大きくなるように構成する方法が知られている（特許文献１を参照。）。

特許文献１には、フォトダイオードと電荷転送素子で構成された単画素を格子状に二次元配列した固体撮像素子において、イメージエリアの各画素のフォトダイオードの感度特性を、イメージエリアの中央を中央とする同心円状に、イメージエリアの周縁部に行くほど大きくなるように構成する方法が開示されている。また、特許文献１には、フォトダイオードの感度を調整する方法として、各画素を構成するフォトダイオードへのイオン注入種やイオン注入量を変化させる方法が開示されている。

上述のように、赤外線センサー装置において、レンズで集光された光がセンサーアレイ領域に照射される場合、センサーアレイ領域の周縁部では必ず中央部よりも受光量が落ちるので、得られる赤外線イメージの周縁部が暗くなる。つまり、センサーアレイ領域の周縁部の画素では赤外線感度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、赤外線吸収膜と温度センサーとをそれぞれ備えた複数の画素がライン状又はマトリクス状に配置されたセンサーアレイ領域と、センサーアレイ領域に対向して配置された集光レンズとを備えた赤外線センサー装置において、センサーアレイ領域の周縁部での赤外線受光量の低下を補正することを目的とするものである。

本発明にかかる赤外線センサー装置は、赤外線吸収膜と温度センサーとをそれぞれ備えた複数の画素がライン状又はマトリクス状に配置されたセンサーアレイ領域と、センサーアレイ領域に対向して配置された集光レンズとを備えた赤外線センサー装置であって、上記画素の赤外線検出感度が上記センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているものである。

本発明の赤外線センサー装置では、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているので、センサーアレイ領域の周縁部での赤外線受光量の低下を補正することができる。

本発明の一実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明の他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図、平面図及び断面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。赤外線センサー装置を説明するための概略的な側面図である。従来の赤外線センサー装置のセンサーアレイ領域の構造を説明するための概略的な平面図及び断面図である。赤外線センサー装置の各画素の受光量について説明するための図である。赤外線センサー装置の赤外線受光領域の一例を説明するための図である。従来の赤外線センサー装置の画素出力とレンズ面からの距離との関係を説明するための図である。

図１は、本発明の一実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図１において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。

赤外線センサー装置２３は、センサーアレイ領域１と集光レンズ３とを備えている。センサーアレイ領域１には、温度センサー１３と赤外線吸収膜１５とをそれぞれ備えた複数の画素Ｐがライン状に配置されている。集光レンズ３は、センサーアレイ領域１に対向して配置されている。

画素Ｐについて説明する。画素Ｐの断面図は図１５の断面図と同じである。
画素Ｐは、メンブレン部５を２本の梁部７で基板９に対して中空状に支持した断熱構造体で形成されている。メンブレン部５と基板９との間には空隙１１が形成されている。各画素Ｐにおいて、メンブレン部５の面積は同じである。

メンブレン部５に温度センサー１３と赤外線吸収膜１５が形成されている。温度センサー１３は、例えばダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、サーモパイル、焦電体、ボロメータで構成される。赤外線吸収膜１５は、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜で形成されている。赤外線吸収膜１５は、温度センサー１３と集光レンズ３との間に配置されるように、温度センサー１３の上方に配置されている。温度センサー１３の信号を外部に取り出すために、梁部７の内部に配線１７が形成されている。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとでは赤外線吸収膜１５の面積が互いに異なっている。具体的には、周縁部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５は、中央部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５に比べて、面積が大きい。これにより、周縁部の画素Ｐは、中央部の画素Ｐに比べて、赤外線検出感度が高くなっている。

センサーアレイ領域１において、赤外線吸収膜１５の面積が変化されていることによって、画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、集光レンズ３の集光特性、つまり、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。

例えば、集光レンズ３の集光特性が中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性であれば、それに合わせて、周縁部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は、中央部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積の２倍に設計される。その他の画素Ｐにおいても、同様に、赤外線受光量に合わせて赤外線吸収膜１５の面積が設計される。

各画素Ｐにおいて赤外線吸収膜１５の面積を変化させる方法は、赤外線吸収膜１５の形成時に使用されるマスクのパターンサイズを変化させることで対応可能である。この方法によれば、製造工程が増えないので、低コストで実現が可能である。

図２は、本発明の他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図２において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図２において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。

この実施例では、画素Ｐは赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に配置された赤外線反射膜２５を備えている。ただし、センサーアレイ領域１の最も周縁に位置する画素Ｐには赤外線反射膜２５は配置されていない。赤外線反射膜２５は例えばアルミニウムなどの金属材料で形成されている。なお、各画素Ｐにおいて、赤外線吸収膜１５の面積は同じである。

赤外線反射膜２５は赤外線吸収膜１５の上方に配置されている。センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐから周縁部の画素Ｐに向かって、赤外線反射膜２５と赤外線吸収膜１５が重なる面積が変化されている。具体的には、周縁部の画素Ｐにおいて赤外線反射膜２５と赤外線吸収膜１５が重なる面積（ゼロ）は、中央部の画素Ｐにおいて赤外線反射膜２５と赤外線吸収膜１５が重なる面積に比べて、大きい。これにより、周縁部の画素Ｐは、中央部の画素Ｐに比べて、赤外線検出感度が高くなっている。

センサーアレイ領域１において、赤外線反射膜２５と赤外線吸収膜１５が重なる面積が変化されていることによって、画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。

例えば、集光レンズ３の集光特性が中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性であるとする。周縁部の画素Ｐでは赤外線吸収膜１５の全面で赤外線を受光する。中央部の画素Ｐでは赤外線吸収膜１５の赤外線受光面積、すなわち赤外線反射膜２５で覆われていない赤外線吸収膜１５部分の面積が赤外線吸収膜１５の面積の半分になるよう赤外線反射膜２５が配置される。その他の画素Ｐにおいても、同様に、赤外線受光量に合わせて、赤外線吸収膜１５の赤外線受光面積が赤外線反射膜２５の配置によって設計される。

各画素Ｐにおいて赤外線反射膜２５と赤外線吸収膜１５とが重なる面積を変化させる方法は、赤外線反射膜２５の形成時に使用されるマスクのパターンサイズ及び配置を変化させることで対応可能である。さらに、赤外線反射膜２５は配線１７と同一材料で同時に形成されるようにすれば、製造工程が増えないので、低コストで実現が可能である。

この実施例では、赤外線吸収膜１５はメンブレン部３とは別途形成されているが、メンブレン部３を構成する材料そのものが赤外線を吸収する材料である場合には、メンブレン部３を構成する材料が赤外線吸収膜として使用されてもよい。この場合、センサーアレイ領域１において、赤外線反射膜２５とメンブレン部３が重なる面積が変化される。通常、各画素Ｐにおいてメンブレン部３は同一の面積で形成されるので、赤外線反射膜２５と赤外線吸収膜とが重なる面積が変化される本発明の構成は、メンブレン部３を構成する材料が赤外線吸収膜として使用される場合に特に有効である。

図３は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図３において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図３において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。なお、図３において、簡略化のため、ダイオードは電気回路のシンボルで示されている。

この実施例では、温度センサーは複数の同一サイズのダイオード１３ａが直列接続されて構成されている。ダイオード１３ａは単結晶シリコンに形成されたＰＮ接合ダイオードであってもよいし、ポリシリコンに形成されたＰＮ接合ダイオードであってもよい。なお、各画素Ｐにおいて、赤外線吸収膜１５の面積は同じである。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとでは、ダイオード１３ａの直列接続数が互いに異なっている。具体的には、周縁部の画素Ｐのダイオード１３ａの直列接続数は、中央部の画素Ｐのダイオード１３ａの直列接続数に比べて、多い。これにより、周縁部の画素Ｐは、中央部の画素Ｐに比べて、赤外線検出感度が高くなっている。

センサーアレイ領域１において、ダイオード１３ａの直列接続数が変化されていることによって、画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。

例えば、集光レンズ３の集光特性が中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性であれば、それに合わせて、周縁部の画素Ｐのダイオード１３ａの直列接続数は、中央部の画素Ｐのダイオード１３ａの直列接続数の２倍に設計される。その他の画素Ｐにおいても、同様に、赤外線受光量に合わせてダイオード１３ａの直列接続数が設計される。

直列接続可能なダイオード１３ａの最大段数は、使用する電源電圧によって決定されるので、画素数が多く、ダイオード１３ａの段数を細かく調整する必要がある場合には、電源電圧が高くされて、最大直列接続可能段数が多くされることが好ましい。なお、各画素Ｐのダイオード１３ａの段数は、ダイオード１３ａの形成時に使用される半導体マスクのパターンで決定されるので、製造工程が増加することはない。

図３に示された実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は互いに異なっていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合、赤外線吸収膜の面積は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。また、ダイオードの直列接続数は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

例えば、ある位置の画素Ｐ１の赤外線検出感度を隣の中央部側の画素Ｐ２の赤外線検出感度に比べて高めるために、画素Ｐ２に比べて画素Ｐ１のダイオードの直列接続段数が１段増加される場合を考える。このとき、画素Ｐ１とＰ２で同じ面積の赤外線吸収膜が配置されると画素Ｐ１の赤外線検出感度が所望する値を超えてしまう場合が生じる。この場合、画素Ｐ１の赤外線吸収膜の面積が画素Ｐ２の赤外線吸収膜の面積に比べて小さくされて、画素Ｐ１について所望の赤外線検出感度が設定される。

また、画素Ｐ１のダイオードの直列接続段数が画素Ｐ２のダイオードの直列接続段数に比べて少ない場合であっても、その段数差を補うように画素Ｐ１の赤外線吸収膜の面積が画素Ｐ２の赤外線吸収膜の面積よりも大きくされれば、その面積の差によっては、画素Ｐ１の赤外線検出感度を画素Ｐ２の赤外線検出感度に比べて大きくすることもできる。

また、図３に示された実施例において、図２に示された実施例と同様に、赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に赤外線反射膜が配置されてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及びダイオードの直列接続数が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及びダイオードの直列接続数は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

図４は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図４において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図４において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。なお、図４において、簡略化のため、ＭＯＳＦＥＴは電気回路のシンボルで示されている。

この実施例では、温度センサーは複数の同一サイズのＭＯＳＦＥＴ１３ｂが直列接続されて構成されている。各ＭＯＳＦＥＴ１３ｂは飽和結線されている。ＭＯＳＦＥＴ１３ｂはＮチャネル型であってもよいし、Ｐチャネル型であってもよい。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとでは、ＭＯＳＦＥＴ１３ｂの直列接続数が互いに異なっている。具体的には、周縁部の画素ＰのＭＯＳＦＥＴ１３ｂの直列接続数は、中央部の画素ＰのＭＯＳＦＥＴ１３ｂの直列接続数に比べて、多い。これにより、周縁部の画素Ｐは、中央部の画素Ｐに比べて、赤外線検出感度が高くなっている。

センサーアレイ領域１において、ＭＯＳＦＥＴ１３ｂの直列接続数が変化されていることによって、画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。

例えば、集光レンズ３の集光特性が中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性であれば、それに合わせて、周縁部の画素ＰのＭＯＳＦＥＴ１３ｂの直列接続数は、中央部の画素ＰのＭＯＳＦＥＴ１３ｂの直列接続数の２倍に設計される。その他の画素Ｐにおいても、同様に、赤外線受光量に合わせてＭＯＳＦＥＴ１３ｂの直列接続数が設計される。

ＭＯＳＦＥＴ１３ｂはサブスレッショルド領域で動作するように閾値電圧が調整されていることが好ましい。ＭＯＳＦＥＴ１３ｂを駆動させる電流源の電流は、ＭＯＳＦＥＴ１３ｂがサブスレッショルド領域で動作するように設計されている。ＭＯＳＦＥＴ１３ｂを駆動させる電流源は、例えば、センサーアレイ領域１の形成領域とは異なる領域で基板９上に形成される。

ＭＯＳＦＥＴ１３ｂをサブスレッショルド領域で動作させることによって、ＭＯＳＦＥＴ１３ｂ一段あたりの直流電圧を例えば数１０ｍＶ（ミリボルト）まで小さくすることができる。これにより、低い電源電圧の場合でも直列接続可能なＭＯＳＦＥＴ１３ｂの最大段数を多くすることが可能である。したがって、温度センサーとしてダイオード１３ａが用いられた場合（図３を参照。）と比較すると、温度センサーとしＭＯＳＦＥＴ１３ｂが用いられる場合は低い電源電圧でも直列接続段数を大幅に増やすことができる。したがって、各画素Ｐの赤外線検出感度をより細かく調整することが可能である。

なお、各画素Ｐの温度センサーのＭＯＳＦＥＴ１３ｂの段数は、ＭＯＳＦＥＴ１３ｂの形成時に使用される半導体マスクのパターンで決定されるので、製造工程が増加することはない。

図４に示された実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は互いに異なっていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線吸収膜の面積及びＭＯＳＦＥＴの直列接続数が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線吸収膜の面積及びＭＯＳＦＥＴの直列接続数は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

また、図４に示された実施例において、図２に示された実施例と同様に、赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に赤外線反射膜が配置されてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及びＭＯＳＦＥＴの直列接続数が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合も、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及びＭＯＳＦＥＴの直列接続数は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

図５は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図５において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図５において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。

この実施例では、温度センサーとして焦電体１３ｃが配置されている。焦電体１３ｃは温度変化によって電荷を生じるが、生じる電荷は焦電体１３ｃの面積に比例する。なお、各画素Ｐにおいて、赤外線吸収膜１５の面積は同じである。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐから周縁部の画素Ｐに向かって、焦電体１３ｃの面積が変化されている。具体的には、周縁部の画素Ｐの焦電体１３ｃの面積は、中央部の画素Ｐ画素Ｐの焦電体１３ｃの面積に比べて、大きい。これにより、周縁部の画素Ｐは、中央部の画素Ｐに比べて、赤外線検出感度が高くなっている。

センサーアレイ領域１において、焦電体１３ｃの面積が変化されていることによって、画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。

例えば、集光レンズ３の集光特性が中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性であれば、それに合わせて、周縁部の画素Ｐの焦電体１３ｃの面積は、中央部の画素Ｐの焦電体１３ｃの面積の２倍に設計される。その他の画素Ｐにおいても、同様に、赤外線受光量に合わせて焦電体１３ｃの面積が設計される。

各画素Ｐにおいて焦電体１３ｃの面積を変化させる方法は、焦電体１３ｃの形成時に使用されるマスクのパターンサイズを変化させることで対応可能である。この方法によれば、製造工程が増えないので、低コストで実現が可能である。

図５に示された実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は互いに異なっていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線吸収膜の面積及び焦電体の面積が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線吸収膜の面積及び焦電体の面積は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

また、図５に示された実施例において、図２に示された実施例と同様に、赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に赤外線反射膜が配置されてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及び焦電体の面積が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合も、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及び焦電体の面積は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

図６は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図６において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図６において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。

この実施例では、図５の実施例と同様に、温度センサーとして焦電体１３ｃが配置されている。画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように、焦電体１３ｃの材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。なお、この実施例において、各画素Ｐにおいて、焦電体１３ｃの面積は同じである。また、各画素Ｐにおいて、赤外線吸収膜１５の面積は同じである。

焦電体１３ｃの材料としては、例えば、ＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウム）、ＬｉＴａＯ₃（タンタル酸リチウム）、ＰｂＴｉＯ₃（チタン酸鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等が使用される。これらの材料は焦電係数が互いに異なる。したがって、センサーアレイ領域１における画素Ｐの位置に応じて、これらの材料を使い分けることによって、画素Ｐの赤外線検出感度を調整することが可能である。

また、ＰＺＴでは、焦電体１３ｃに含まれるＺｒ（ジルコニウム）とＴｉ（チタン）の組成比を変化させることによって、焦電体１３ｃの焦電係数を変化させることができる。したがって、センサーアレイ領域１の中央部付近の画素ＰではＴｉに対するＺｒの組成比率が小さくされ、周縁部付近の画素ＰではＴｉに対するＺｒの組成比率が大きくされることによって、画素Ｐの赤外線検出感度を補正することが可能である。一例としては、センサーアレイ領域１の中央部付近の画素Ｐの焦電体１３ｃはＺｒ／Ｔｉ＝９２／８程度の組成で形成され、周縁部付近の画素Ｐの焦電体１３ｃはＺｒ／Ｔｉ＝９５／５程度の組成で形成されればよい。

図６に示された実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は互いに異なっていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線吸収膜の面積、及び焦電体の材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線吸収膜の面積及び焦電体（温度センサー）の感度は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

また、図６に示された実施例において、図２に示された実施例と同様に、赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に赤外線反射膜が配置されてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積、及び焦電体の材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合も、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及び焦電体（温度センサー）の感度は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

また、図６に示された実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの焦電体１３ｃの面積は互いに異なっていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、焦電体１３ｃの面積、及び焦電体の材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合も、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、焦電体１３ｃの面積及び焦電体（温度センサー）の感度は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

図７は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図７において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図７において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。

この実施例では、温度センサーとしてボロメータ１３ｄが配置されている。画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように、ボロメータ１３ｄの材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。なお、この実施例において、各画素Ｐにおいて、ボロメータ１３ｄの面積は同じである。また、各画素Ｐにおいて、赤外線吸収膜１５の面積は同じである。

ボロメータ１３ｄの材料としては、例えば、ＶＯｘ（酸化バナジウム）、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）、Ｔｉ、ＴｉＯｘ（酸化チタン）等が使用される。これらの材料は抵抗温度係数（ＴＣＲ）が互いに異なる。したがって、センサーアレイ領域１における画素Ｐの位置に応じて、これらの材料を使い分けることによって、画素Ｐの赤外線検出感度を調整することが可能である。これらの材料のＴＣＲは、製造プロセス条件や不純物濃度などによって変化するが、一般的なＴＣＲとして、例えば、ＶＯｘは３.５％／Ｋ、ａ−Ｓｉは２.５％／Ｋ、Ｔｉは０.２５％／Ｋ程度の値が挙げられる。

また、ａ−ＳｉのＴＣＲは、不純物濃度によってＴＣＲを例えば２.５％／Ｋ〜５.０％／Ｋ程度の範囲で変化され得る。したがって、センサーアレイ領域１の中央部付近の画素Ｐではａ−Ｓｉの不純物濃度が濃くされ、周縁部付近の画素Ｐではａ−Ｓｉの不純物濃度が薄くされることによって、画素Ｐの赤外線検出感度を補正することが可能である。

図７に示された実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は互いに異なっていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線吸収膜の面積、及びボロメータの材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線吸収膜の面積及びボロメータ（温度センサー）の感度は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

また、図７に示された実施例において、図２に示された実施例と同様に、赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に赤外線反射膜が配置されてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積、及びボロメータの材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合も、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及びボロメータ（温度センサー）の感度は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

図８は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図、平面図及び断面図である。図８において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図８において、断面図は平面図のＡ−Ａ’位置での断面に対応している。また、図８において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。

画素Ｐは、メンブレン部５を２本の梁部７で基板９に対して中空状に支持した断熱構造体で形成されている。メンブレン部５と基板９との間には空隙１１が形成されている。梁部７は、図１に示された梁部７と比較して、形状及び配置が異なっているが、機能は同じである。

この実施例では、温度センサーとしてサーモパイル１３ｅが配置されている。サーモパイル１３ｅは、材料の両端に温度差が与えられることにより起電力が生じるゼーベック効果を利用したものである。サーモパイル１３ｅは、熱電能が互いに異なる熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２が配線１７によって直列に接続されたものである。例えば２対（２段）の熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２が交互に直列に接続されている。

熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２は、メンブレン部５上から、梁部７上を介して、空隙１１が形成されていない領域の基板９上にまたがって配置されている。メンブレン部５上で熱電対材料１３ｅ１と１３ｅ２を接続する配線１７は温接点を構成する。空隙１１が形成されていない領域の基板９上で熱電対材料１３ｅ１と１３ｅ２を接続する配線１７は冷接点を構成する。

画素Ｐの赤外線検出感度がセンサーアレイ領域１の中央部から周縁部へ向かって高くなるように、サーモパイル１３ｅの材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されている。画素Ｐの赤外線検出感度は、各画素Ｐが集光レンズ３を介して受光する赤外線受光量に合わせて、画素Ｐの赤外線検出信号出力が等しくなるように変化されている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。なお、この実施例において、各画素Ｐにおいて、サーモパイル１３ｅの対数は同じである。また、各画素Ｐにおいて、赤外線吸収膜１５の面積は同じである。

サーモパイル１３ｅを構成する熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２の材料の組み合わせとしては、例えば、Ｎ型ポリシリコンとＰ型ポリシリコン、Ｎ型ポリシリコンとアルミニウム、Ｐ型ポリシリコンとアルミニウム等の組み合わせが使用されることが多い。ただし、熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２は、これらの材料に限定されるものではなく、ゼーベック効果を有する材料であればどのような材料であってもよい。

ポリシリコンに比べてアルミニウムはゼーベック係数が非常に小さい。したがって、Ｎ型ポリシリコンとＰ型ポリシリコンを熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２として用いたサーモパイル１３ｅは、Ｎ型ポリシリコンとアルミニウム、又はＰ型ポリシリコンとアルミニウムを熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２として用いたサーモパイル１３ｅに比べて、感度が高くなる。

例えば、センサーアレイ領域１の中央部付近の画素Ｐでは熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２としてＮ型ポリシリコンとアルミニウムが使用され、周縁部付近の画素Ｐでは熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２としてＮ型ポリシリコンとＰ型ポリシリコンが使用されることによって、その感度を調整することが可能である。

また、ポリシリコンのゼーベック係数は、ポリシリコンの不純物濃度が変化されることによって変化する。したがって、熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２のいずれか又は両方についてポリシリコンが用いられる場合、センサーアレイ領域１の中央部付近の画素Ｐと周縁部付近の画素Ｐとでポリシリコンの不純物濃度を変化させることによって、画素Ｐの赤外線検出感度を調整することが可能である。

また、サーモパイルは、ダイオードやＭＯＳＦＥＴと同様に、直列接続段数を増やすことによって感度を上げることができる。したがって、センサーアレイ領域１の中央部付近の画素Ｐと周縁部付近の画素Ｐとでサーモパイルの直列接続段数を変化させることによって、画素Ｐの赤外線検出感度を調整することが可能である。なお、サーモパイルの赤外線検出感度について、サーモパイルの材料自体、材料の組成もしくは直列接続段数又はそれらのうちの複数を変化させることによって調整することが可能である。

図８に示された実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は互いに異なっていてもよい。さらに、各画素Ｐにおいてサーモパイルの直列接続段数が変化されていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線吸収膜の面積、サーモパイルの直列接続段数、及びサーモパイルの材料自体もしくは材料の組成又はその両方のうち複数が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線吸収膜の面積及びサーモパイル（温度センサー）の感度は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

また、図８に示された実施例において、図２に示された実施例と同様に、赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に赤外線反射膜が配置されてもよい。さらに、各画素Ｐにおいてサーモパイルの直列接続段数が変化されていてもよい。すなわち、本発明の赤外線センサー装置において、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積、サーモパイルの直列接続段数、及びサーモパイルの材料自体もしくは材料の組成又はその両方のうち複数が変化されていることによって、画素の赤外線検出感度がセンサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されているようにしてもよい。

この場合も、上記で説明された赤外線吸収膜の面積及びダイオードの直列接続数が変化されている場合と同様に、赤外線反射膜と赤外線吸収膜が重なる面積及びサーモパイル（温度センサー）の感度は、必ずしも、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって大きくなるように変化されるものではない。

ところで、画素Ｐのトータルの赤外線検出感度Ｓは、赤外線吸収膜１５の受光量をＱ、温度センサー１３の出力温度係数をＴｃ、温度センサー１３の熱抵抗をＲとすると、Ｓ∝Ｑ・Ｔｃ・Ｒで表される。ここで、温度センサー１３の熱抵抗は梁部７の熱抵抗に置き換えられる。

また、画素Ｐにおける温度センサー１３の時定数ｔは、画素Ｐの熱容量をＣとすると、ｔ＝Ｃ・Ｒで表される。ここで、温度センサー１３の時定数ｔは温度センサー１３の応答速度に影響する。また、画素Ｐの熱容量はメンブレン部５の熱容量に置き換えられる。

上記で説明された実施例は、温度センサー１３を構成する素子の直列接続段数や面積などを変えることによってＴｃを変化させたり、赤外線吸収膜１５の受光面積を変化させたりしている。これにより、集光レンズ３の集光特性による受光量Ｑのばらつきを打ち消して、センサーアレイ領域１の中央部と周縁部で画素Ｐの感度Ｓが一定にされている。

また、上記で説明された実施例は、センサーアレイ領域１において、各画素Ｐのメンブレン部５の面積は一定なので、各画素Ｐの熱容量Ｃも一定である。さらに、各画素Ｐの梁部７の熱抵抗も一定なので、各画素Ｐの温度センサー１３の熱抵抗も一定である。したがって、センサーアレイ領域１において、各画素Ｐにおける温度センサー１３の時定数ｔ（＝Ｃ・Ｒ）及び応答速度は一定である。

一般に、温度センサー１３において、ノイズを低減するために、ダイオードや焦電体などの温度センサー１３を構成する素子の面積が大きくされる。このとき、温度センサー１３は可能な限りメンブレン部５の全体に形成される。したがって、センサーアレイ領域１の周縁部の画素Ｐについて、温度センサー１３を構成する素子の段数を単純に増加したり、面積を拡大したりすることが困難な場合がある。

このような場合、例えば、センサーアレイ領域１の周縁部の画素Ｐについて、メンブレン部５の面積が中央部の画素Ｐよりも大きくされることによって、温度センサー１３の形成可能面積が大きくされる。そして、周縁部の画素Ｐは、中央部の画素Ｐに比べて、温度センサー１３を構成する素子の段数や面積が大きくされて、赤外線検出感度が大きくされる。

しかし、メンブレン部５の面積を変化させると、メンブレン部５の熱容量Ｃが変化する。したがって、メンブレン部５の面積を変化させると、温度センサー１３の時定数ｔ（＝Ｃ・Ｒ）が変化し、温度センサー１３の応答速度も変化する。これにより、センサーアレイ領域１において、各画素Ｐにおける温度センサー１３の応答速度が均一にならない不具合が生じる。

このような不具合を解消する方法について説明する。
例えば、集光レンズ３の集光特性がセンサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性である場合を考える。また、メンブレン部５の全面に赤外線吸収膜１５が形成され、又はメンブレン部５の基材自体が赤外線吸収膜１５を構成しており、メンブレン部５の面積と赤外線吸収膜１５の面積がほぼ等しい又は等しいとする。

中央部の画素Ｐに対して、周縁部の画素Ｐのメンブレン部５の面積が２倍であれば、周縁部の画素Ｐの受光量Ｑは２倍になる。中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、温度センサー１３の出力温度係数Ｔｃ及び梁部７の熱抵抗Ｒが等しいとすると、中央部の画素Ｐの赤外線検出感度Ｓ１はＳ１＝Ｑ・Ｔｃ・Ｒであり、周縁部の画素Ｐの赤外線検出感度Ｓ２はＳ２＝２Ｑ・Ｔｃ・Ｒである。これにより、集光レンズ３の集光特性に起因するセンサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正される。

また、中央部の画素Ｐに対して、周縁部の画素Ｐのメンブレン部５の面積が２倍であれば、周縁部の画素Ｐの熱容量Ｃは２倍となる。中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の熱抵抗Ｒが等しいとすると、中央部の画素Ｐの温度センサー１３の時定数ｔ１はｔ１＝Ｃ・Ｒであり、周縁部の画素Ｐの温度センサー１３の時定数ｔ２はｔ２＝２Ｃ・Ｒである。したがって、中央部の画素Ｐに対して、周縁部の画素Ｐの温度センサー１３の応答速度は２倍になる。

温度センサー１３の時定数ｔ１，ｔ２を一致させるためには、周縁部の画素Ｐについて梁部７の熱抵抗Ｒを半分にすればよい。これにより、周縁部の画素Ｐの温度センサー１３の時定数ｔ２＝２Ｃ・Ｒ／２＝Ｃ・Ｒ＝ｔ１となる。

しかし、周縁部の画素Ｐについて、梁部７の熱抵抗Ｒが半分になると、赤外線検出感度Ｓ２＝２Ｐ・Ｔｃ・Ｒ／２となる。すなわち、梁部７の熱抵抗Ｒの低下がメンブレン部５の面積（赤外線吸収膜１５の面積）が増加されたことよる受光量Ｑの増加を打ち消す。そこで、周縁部の画素Ｐについて、例えば温度センサー１３を構成する素子の直列接続段数や面積が２倍にされて温度センサー１３の出力温度係数Ｔｃが２倍にされる。これにより、周縁部の画素Ｐの赤外線検出感度は、Ｓ２＝２Ｐ・２Ｔｃ・Ｒ／２＝２・Ｓ１となり、中央部の画素Ｐの２倍の赤外線検出感度になる。

このように、周縁部の画素Ｐについて、中心部の画素Ｐに対して、例えばメンブレン部５の面積が２倍にされ、温度センサー１３の出力温度係数Ｔｃが２倍にされ、梁部７の熱抵抗が半分にされる。これにより、集光レンズ３の集光特性に起因する周縁部の画素Ｐでの光量低下が補正され、かつ、周縁部の画素Ｐと中心部の画素Ｐでの温度センサー１３の応答速度が均一にされ得る。

なお、周縁部の画素Ｐと中心部の画素Ｐとの間の画素Ｐについては、集光レンズ３の集光特性に起因する周縁部の画素Ｐでの光量低下が補正され、かつ、温度センサー１３の応答速度が均一にされるように、メンブレン部５及び赤外線受光膜１５の面積、温度センサー１３の出力温度係数Ｔｃ、及び梁部７の熱抵抗が適宜設定される。

次に、センサーアレイ領域１に、メンブレン部５の面積が互いに異なっていることによってメンブレン部５の熱容量が互いに異なっている画素Ｐが含まれている実施例を説明する。

図９は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図９において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図９において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。この実施例における画素Ｐの断面図は図８に示された断面図と同様である。

この実施例では、センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとでメンブレン部５の面積が互いに異なっている。例えば、周縁部の画素Ｐのメンブレン部５の面積は、中央部の画素Ｐのメンブレン部５の面積の２倍である。したがって、周縁部の画素Ｐのメンブレン部５の熱容量は、中央部の画素Ｐのメンブレン部５の熱容量の２倍である。

各メンブレン部５において、赤外線吸収膜１５がメンブレン部５とほぼ同じ面積で形成されている。赤外線吸収膜１５はメンブレン部５上に別途成膜される。又は、メンブレン部５の表面層が赤外線吸収膜１５として利用される。センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで赤外線吸収膜１５の面積が互いに異なっている。ここでは、周縁部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は、中央部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積の２倍である。したがって、周縁部の画素Ｐの受光量は、中央部の画素Ｐの受光量の２倍である。

また、センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の長さが互いに異なっている。ここでは、周縁部の画素Ｐの梁部７の長さＬ２は、中央部の画素Ｐの梁部７の長さＬ１の半分である。中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の幅及び梁部７における配線１７の幅は同じである。

梁部７の熱抵抗は、梁部７及び梁部７における配線１７の長さに比例し、断面積に反比例する。したがって、周縁部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗は、中央部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗の半分である。

センサーアレイ領域１の各画素Ｐにおいて、温度センサーは複数の同一サイズのダイオード１３ａが直列接続されて構成されている。センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとでダイオード１３ａの直列接続数が互いに異なっている。例えば、周縁部の画素Ｐのダイオード１３ａの直列接続数は８段であり、中央部の画素Ｐのダイオード１３ａの直列接続数は４段である。したがって、周縁部の画素Ｐの温度センサーの出力温度係数は、中央部の画素Ｐの温度センサーの出力温度係数の２倍である。なお、ここでの画素Ｐにおけるダイオード１３ａの直列接続数は一例であり、ダイオード１３ａの直列接続数はこれらに限定されない。

例えば、集光レンズ３の集光特性は、中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性である。
中心部の画素Ｐの赤外線検出感度をＳ１＝Ｑ・Ｔｃ・Ｒ、時定数をｔ１＝Ｃ・Ｒとすると、周縁部の画素Ｐの赤外線検出感度はＳ２＝２Ｐ・２Ｔｃ・Ｒ／２＝２・Ｓ１、時定数はｔ２＝２Ｃ・Ｒ／２＝ｔ１となる。周縁部の画素Ｐは、中心部の画素Ｐに対して、赤外線検出感度が２倍で、かつ応答速度が等しくなっている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。

図１０は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図１０において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図１０において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。この実施例における画素Ｐの断面図は図８に示された断面図と同様である。

この実施例は、図９に示された実施例と比較して、梁部７の長さ及び幅、ならびに梁部７における配線１７の幅が変更されている。具体的には、センサーアレイ領域１の周縁部の画素Ｐにおいて、梁部７の長さ及び幅、ならびに梁部７における配線１７の幅が変更されている。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の幅及び梁部７における配線１７の幅が互いに異なっている。ここでは、周縁部の画素Ｐの梁部７の幅Ｗ２は、中央部の画素Ｐの梁部７の幅Ｗ１の２倍である。また、周縁部の画素Ｐの梁部７における配線１７の幅は、中央部の画素Ｐの梁部７における配線１７の幅の２倍である。中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の長さは同じである。

例えば、集光レンズ３の集光特性は、中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで約２倍の赤外線受光量差が生じるような集光特性である。図９に示された実施例と同様に、周縁部の画素Ｐの赤外線検出感度はＳ２＝２Ｐ・２Ｔｃ・Ｒ／２＝２・Ｓ１であり、時定数はｔ２＝２Ｃ・Ｒ／２＝ｔ１である。周縁部の画素Ｐは、中心部の画素Ｐに対して、赤外線検出感度が２倍で、かつ応答速度が等しくなっている。これにより、センサーアレイ領域１の周縁部での赤外線受光量の低下が補正されている。

なお、周縁部の画素Ｐと中心部の画素Ｐとの間の画素Ｐについては、集光レンズ３の集光特性に起因する周縁部の画素Ｐでの光量低下が補正され、かつ、温度センサー１３の応答速度が均一にされるように、図９に示された実施例と比較して、梁部７の幅及び梁部７における配線１７の幅が変更されて、梁部７の熱抵抗が適宜設定される。

図１１は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図１１において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図１１において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。この実施例における画素Ｐの断面図は図８に示された断面図と同様である。

この実施例は、図９に示された実施例と比較して、センサーアレイ領域１の各画素Ｐにおいて、温度センサーとして焦電体１３ｃを備えている。この実施例のその他の構成は、図９に示された実施例と同一である。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで焦電体１３ｃの面積が互いに異なっている。例えば、周縁部の画素Ｐの焦電体１３ｃの面積は、中央部の画素Ｐの焦電体１３ｃの面積の２倍である。したがって、周縁部の画素Ｐの温度センサーの出力温度係数は、中央部の画素Ｐの温度センサーの出力温度係数の２倍である。

この実施例において、図９に示された実施例と同様に、周縁部の画素Ｐのメンブレン部５の面積は、中央部の画素Ｐのメンブレン部５の面積の２倍である。したがって、周縁部の画素Ｐのメンブレン部５の熱容量は、中央部の画素Ｐのメンブレン部５の熱容量の２倍である。

また、周縁部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積は、中央部の画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積の２倍である。したがって、周縁部の画素Ｐの受光量は、中央部の画素Ｐの受光量の２倍である。

また、周縁部の画素Ｐの梁部７の長さＬ２は、中央部の画素Ｐの梁部７の長さＬ１の半分である。中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の幅及び梁部７における配線１７の幅は同じである。したがって、周縁部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗は、中央部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗の半分である。

なお、この実施例においても、図９に示された実施例と同様に、周縁部の画素Ｐと中心部の画素Ｐとの間の画素Ｐは、集光レンズ３の集光特性に起因する周縁部の画素Ｐでの光量低下が補正され、かつ、温度センサー１３の応答速度が均一にされるように、適宜設定される。

図１２は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図１２において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図１２において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。この実施例における画素Ｐの断面図は図８に示された断面図と同様である。

この実施例は、図１１に示された実施例と比較して、梁部７の長さ及び幅、ならびに梁部７における配線１７の幅が変更されている。具体的には、センサーアレイ領域１の周縁部の画素Ｐにおいて、梁部７の長さ及び幅、ならびに梁部７における配線１７の幅が変更されている。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の幅及び梁部７における配線１７の幅が互いに異なっている。図１０に示された実施例と同様に、周縁部の画素Ｐの梁部７の幅Ｗ２及び梁部７における配線１７の幅は、中央部の画素Ｐの梁部７の幅Ｗ１及び梁部７における配線１７の幅の２倍である。中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の長さは同じである。したがって、周縁部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗は、中央部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗の半分である。

なお、周縁部の画素Ｐと中心部の画素Ｐとの間の画素Ｐについては、集光レンズ３の集光特性に起因する周縁部の画素Ｐでの光量低下が補正され、かつ、温度センサー１３の応答速度が均一にされるように、図１１に示された実施例と比較して、梁部７の幅及び梁部７における配線１７の幅が変更されて、梁部７の熱抵抗が適宜設定される。

図１３は、本発明のさらに他の実施例を説明するための概略的な側面図及び平面図である。図１３において、センサーアレイ領域１及び集光レンズ３は側面図で示され、画素Ｐは平面図で示されている。また、図１３において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。この実施例における画素Ｐの断面図は図８に示された断面図と同様である。

この実施例は、図１０に示された実施例と比較して、センサーアレイ領域１の各画素Ｐにおいて、温度センサーとしてサーモパイル１３ｅを備えている。この実施例のその他の構成は、図１０に示された実施例と同一である。サーモパイル１３ｅの構成は図８に示された実施例と同様である。サーモパイル１３ｅは、熱電能が互いに異なる熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２が配線１７によって直列に接続されて形成されている。

センサーアレイ領域１の中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとでサーモパイル１３ｅの直列接続段数が互いに異なっている。例えば、周縁部の画素Ｐのサーモパイル１３ｅの直列接続段数は４段（４対）であり、中央部の画素Ｐのサーモパイル１３ｅの直列接続段数は２段（２対）である。したがって、周縁部の画素Ｐの温度センサーの出力温度係数は、中央部の画素Ｐの温度センサーの出力温度係数の２倍である。

周縁部の画素Ｐの梁部７の幅Ｗ２幅は、中央部の画素Ｐの梁部７の幅Ｗ１の幅の２倍である。さらに、周縁部の画素Ｐの梁部７における熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２の本数（４本）は、中央部の画素Ｐの梁部７における熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２の本数（２本）の２倍である。中央部の画素Ｐと周縁部の画素Ｐとで、梁部７の長さは同じである。

梁部７の熱抵抗は、梁部７及び梁部７における熱電対材料１３ｅ１，１３ｅ２の長さに比例し、断面積に反比例する。したがって、周縁部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗は、中央部の画素Ｐの梁部７の熱抵抗の半分である。

なお、この実施例においても、周縁部の画素Ｐと中心部の画素Ｐとの間の画素Ｐについては、集光レンズ３の集光特性に起因する周縁部の画素Ｐでの光量低下が補正され、かつ、温度センサー１３の応答速度が均一にされるように、メンブレン部５及び赤外線受光膜１５の面積、温度センサー１３の出力温度係数Ｔｃ、及び梁部７の熱抵抗が適宜設定される。

図９から図１３に示された各実施例の構成は、温度センサーを構成する素子としてＭＯＳＦＥＴやボロメータが用いられる場合にも適用可能である。
また、図９から図１３に示された各実施例において、センサーアレイ領域１における各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積はメンブレン部５の面積とほぼ等しく又は等しくされているが、各画素Ｐの赤外線吸収膜１５の面積はメンブレン部５の面積とは異なっていてもよい。
また、図９から図１３に示された各実施例において、図２に示された実施例と同様に、赤外線吸収膜１５と集光レンズ３との間に赤外線反射膜が配置されてもよい。

本発明の赤外線センサー装置は、各画素が梁部によって基板に対して中空状に支持されたメンブレン部に形成されており、センサーアレイ領域がメンブレン部の面積が互いに異なっていることによってメンブレン部の熱容量Ｃが互いに異なっている画素を含んでいる場合、次の構成（１），（２）を備えていればよい。

構成（１）：画素の赤外線検出感度Ｓは、集光レンズの集光特性に起因する周縁部の画素での光量低下が補正されるように、センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されている。
構成（２）：梁部は、センサーアレイ領域において画素の温度センサーの応答速度（時定数ｔ）が均一になるように、支持しているメンブレン部の面積（熱容量Ｃ）が大きいほど熱抵抗Ｒが小さくされている。

本発明の赤外線センサー装置において、メンブレン部の熱容量Ｃが互いに異なっている画素が配置されている場合、各画素において温度センサーの時定数ｔ（＝Ｃ・Ｒ）が等しくなるように、各画素の梁部の熱抵抗Ｒが設計される。これにより、各画素において温度センサーの応答速度は等しくされる。

さらに、各画素の赤外線検出感度Ｓ（∝Ｑ・Ｔｃ・Ｒ）が集光レンズの集光特性に起因する周縁部の画素での光量低下を補正するように、各画素において赤外線吸収膜の受光量Ｑ、温度センサーの出力温度係数Ｔｃ及び梁部の熱抵抗Ｒが設計される。

以上、本発明の実施例が説明されたが、本発明は、実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では、センサーアレイ領域１は複数の画素がライン状に配置されたものであるが、本発明の赤外線センサー装置のセンサーアレイ領域は複数の画素がマトリクス状に配置されたものであってもよい。

また、上記実施例では、画素Ｐは基板９とは反対側から赤外線を受光するものであるが（図１５の断面図を参照。）、本発明の赤外線センサー装置の画素は、画素の下の基板に設けられた貫通孔を介して赤外線を受光するものであってもよい。

また、上記実施例で示された各構成部材の材料、形状、配置、面積比、温度センサーを構成する素子の直列接続段数などは一例であり、本発明の赤外線センサー装置はこれらに限定されるものではない。

１センサーアレイ領域
３集光レンズ
５メンブレン部
７梁部
１３温度センサー
１３ａダイオード
１３ｂＭＯＳＦＥＴ
１３ｃ焦電体
１３ｄボロメータ
１３ｅサーモパイル
１５赤外線吸収膜
２３赤外線センサー装置
２５赤外線反射膜

特許２５５５９８１号公報

Claims

赤外線吸収膜と温度センサーとをそれぞれ備えた複数の画素がライン状又はマトリクス状に配置されたセンサーアレイ領域と、センサーアレイ領域に対向して配置された集光レンズとを備えた赤外線センサー装置において、
前記画素の赤外線検出感度が前記センサーアレイ領域の中央部から周縁部へ向かって高くなるように変化されていることを特徴とする赤外線センサー装置。
前記赤外線吸収膜の面積が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１に記載の赤外線センサー装置。
前記赤外線吸収膜と前記集光レンズとの間に配置された赤外線反射膜をさらに備え、
前記赤外線反射膜と前記赤外線吸収膜が重なる面積が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１に記載の赤外線センサー装置。
前記温度センサーは複数のダイオードが直列接続されて構成されており、
前記ダイオードの直列接続数が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサー装置。
前記温度センサーは、それぞれ飽和結線された複数のＭＯＳＦＥＴが直列接続されて構成されており、
前記ＭＯＳＦＥＴの直列接続数が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサー装置。
前記温度センサーは焦電体で構成されており、
前記焦電体の面積が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサー装置。
前記温度センサーは焦電体で構成されており、
前記焦電体の材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１から３及び６のいずれか一項に記載の赤外線センサー装置。
前記温度センサーはボロメータで構成されており、
前記ボロメータの材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサー装置。
前記温度センサーはサーモパイルで構成されており、
前記サーモパイルの材料自体もしくは材料の組成又はその両方が変化されていることによって前記画素の赤外線検出感度が変化されている請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサー装置。
前記画素は、梁部によって基板に対して中空状に支持されたメンブレン部に形成されており、
前記センサーアレイ領域は、前記メンブレン部の面積が互いに異なっていることによって前記メンブレン部の熱容量が互いに異なっている前記画素を含んでおり、
前記梁部は、前記センサーアレイ領域において前記画素の前記温度センサーの応答速度が均一になるように、支持している前記メンブレン部の面積が大きいほど熱抵抗が小さくされている請求項１から９のいずれか一項に記載の赤外線センサー装置。