JP4454586B2 - 焦電センサ - Google Patents

Description

本発明は、一般に焦電（ピロ電気またはパイロ電気）センサに関し、より詳細には、分極が温度に依存するセンサの容量性強誘電素子に関する。この分極は、この素子に外部交流信号を印加することによって強められ、このセンサの電荷積分システムによって測定される。

本特許出願は、２００３年２月２１日出願の米国仮特許出願第６０／４４９５０５号の特典を主張する。
画素化された容量性素子のアレイの形に構成されたある種のクラスのセンサは、強誘電材料およびその焦電効果を利用して温度変化を検出する。このタイプのセンサは、例えば、悪天候条件、夜間視界など、可視性が低い条件での画像化などに広範に応用される。強誘電材料は、自発電気分極が温度に依存する誘電体材料である。各画素は、画像化されるシーンの一部に温度を感知する。この材料は、シーンからの赤外エネルギーが増減することによって強誘電材料の温度が、好ましくは室温である基準温度から上下するように、熱的にバイアスされ、チョッパによって基準が与えられる。こうすると、強誘電材料の分極が変化し、この変化は、画素の温度に応じて、瞬時電流の変化、あるいは基準コンデンサの変化の状態が充電または放電であるときには電圧の変化として感知される。シーンから個々の画素に付与される赤外放射のためにこれらの画素の局所的な分極状態が変化するので、赤外による画像化が可能である。次いで、チョッパが閉じて、画素がシーンから遮断されると、熱的な冷却または加熱によって温度が基準温度にリセットされる。

一般に、変化する放射エネルギーをセンサシステムの固有環境ノイズよりも大きい使用可能な電気信号に変換する公知の強誘電／焦電センサは、「受動モード」で動作する。すなわち、焦電素子は、（図１に最もよく示されているように）作為的に電気分極を反転させることなく、温度変化の関数である所与の分極状態で動作する。より具体的には、受動的な焦電検出では、典型的には、分極したコンデンサ構造の両端の正味電圧ΔＱ（ΔＱ＝ΔＰ＊Ａ、Ａは素子の面積）を測定することによって、または、材料の（分極状態の関数である）誘電率を求める小信号交流励振によって、あるいは、これら２つの方法の何らかの組合せによって強誘電材料の分極状態を問い合わせるだけである。

強誘電／焦電センサを比較するための当業界での実務慣行は、焦電係数ｐを測定することであった。焦電係数ｐは、所与のバイアス電界Ｅ_ｂにおいて、温度Ｔに対する電気変位Ｄの偏導関数ｐ＝（ΔＤ／ΔＴ）と定義される。ただし、Ｄ＝εＥ＋Ｐ、εは誘電率である。上記が意味するのは、センサ面積がＡの物理的な幾何形状に対して、温度Ｔ当たりクーロン電荷量Ｑが生成され、焦電係数ｐは、ｐ＝（１／Ａ）［ΔＱ／ΔＴ］と表されることである。遺憾ながら、この技法が表すのは、図２のヒステリシスループの面積によって表される利用可能な信号エネルギーの小さな部分の周りの単一サイクルだけである。

図３に、従来の受動電荷生成技術を利用してセンサ素子の出力を求める公知の焦電センサシステム１０の概略ブロック図を示す。センサシステム１０は、シーンから焦電素子１６の一部である赤外吸収体１４への放射を選択的にゲート制御するチョッパ１２を含む。焦電素子１６は、図２に示すように温度に応じて変化するヒステリシスループを示す強誘電材料でできている。当技術分野ではよく理解されるように、焦電素子１６は、センサシステム１０の単一の画素を表し、（図示しない）他の画素と組み合わされて画像を生成する。本明細書での検討は、赤外画像化システムを対象とするが、このタイプのセンサシステムは、ミリ波およびマイクロ波を含めて他の放射波長を検出するように適用可能であることが当業者には理解されよう。

チョッパ１２は、焦電素子１６に向かう放射を、所定の周波数で選択的に遮断し、また通過させ、それによって焦電素子１６は、チョッパ１２が閉じているときには基準温度を感知し、チョッパ１２が開いているときにはシーンの温度を感知する。図２に示すように、基準温度とシーンの温度の差により、ヒステリシスループの形状が変化する。これら２つのループについて電荷Ｑ（ｔ）１８の変化を別々に、当技術分野でよく知られているやり方で、サンプリングまたは出力用のコンデンサ２０と増幅器２２の両端の電圧として測定する。焦電素子１６にはいかなる外部電界も印加しないので、これら２つのループについてコンデンサ２０を充電する焦電素子１６の電荷測定値は、温度Ｔ_１についてヒステリシスループが正の縦軸と交差する電荷Ｑ_１であり、温度Ｔ_２についてヒステリシスループが正の縦軸と交差する電荷Ｑ_２である。サンプリングコンデンサ２０は、チョッパ１２によってウィンドウが開くときのみ焦電素子１６からの電荷を蓄積する。この設計での実効焦電係数ｐは、
ｐ＝（１／Ａ）［Ｑ_１−Ｑ_２］／［Ｔ_１−Ｔ_２］
で与えられる。

公知の代替設計では、温度Ｔ_１およびＴ_２について、焦電素子１６によって蓄積された電荷間の小信号レベルの容量（すなわち、分極した、または分極していない強誘電材料のＱ−Ｖ曲線の局所的な傾きの変化）を測定し、次いでそれらを比較する。図４に、チョッパ１２、赤外吸収体１４、焦電素子１６、および増幅器２２を含むセンサシステム２６の概略ブロック図を示す。（図示しない）バイアス源から焦電素子１６に小さなバイアス電圧を印加することがあり、容量メータ２８を使用して、温度Ｔ_１およびＴ_２についてのヒステリシスループ上の位置間で、このバイアス電圧に対する相対的な容量の変化を測定する。この設計で、焦電素子１６に小さなバイアス電圧を印加しても、動作モードは依然として受動的である。というのは、この小さなバイアス電圧は、強誘電材料の分極状態をまったく変化させず、単に容量の変化によって測定される局所的な誘電率の変化が測定されるからである。実効焦電係数ｐは、
ｐ＝［（Ｖ_ｍｎｓ／Ａ）］（ΔＣ／ΔＴ）
で与えられる。

この検出方式では明らかに、ヒステリシスループの小さな部分しか使用しておらず、したがって、これらのセンサの、信号とノイズを区別する能力は制限される。上記で論じた技術のいずれも、強誘電材料が、その２つの自発的な分極状態Ｐ_ｓ（＋または−）の１つのままであるか、あるいは、それらの何らかの中間状態にあるかの状態に依存する。温度変化間で焦電素子１６からの電力を測定する能力により、このシステムの感度が得られる。先行技術のセンサでは、信号対ノイズ比が比較的小さいので、この信号対ノイズ比がシステム全体の感度を確定する。チョッパ１２および増幅器２２などのシステムコンポーネントを堅固で比較的高価なものにしても、ノイズに対して信号を大きくすることはできず、単に、信号がさらに劣化するのを防ぐだけである。

図２に示すように、強誘電材料中の分極の大きさおよび方向は、ヒステリシスループによって識別可能である。材料の分極の向きは、この材料に逆の外部電界を印加することによって変化させることができる。材料中の電気双極子により分極の向きが識別されるが、電気双極子は、外部電界が印加されると変化し、適切な回路配置ではヒステリシスループが生成される。自発分極は概ね温度に依存するので、強誘電材料は、温度を検出するのに焦電効果を利用することができる。

ヒステリシスループの任意のエリアは、それが飽和したヒステリシスエリア全体であるか、単に全ループ中のどこかの動作領域であるかにかかわらず、特定の励起状態についての所与の温度における材料の原子格子構造を構成する双極子の一部または全部の分極状態を変化させるのに必要とされるスイッチングエネルギーを表す。強誘電材料に入射する放射が吸収される場合、この放射が変化すると温度が変化し、そのため、関連するループの面積が変化する。図２に、特定の焦電材料について、第１の温度Ｔ_１および第２の温度Ｔ_２における２つの電荷−電圧ヒステリシスループを示す。物理的な寸法に無関係にグラフにすると、水平軸は、外部的に印加される交流電界の大きさを示し、垂直軸は、電荷密度の形で分極を示す。強誘電材料の電荷−電圧ヒステリシスループの面積は、エネルギーの次元を有し、そのループ面積は、強誘電材料の温度の１次関数である。分極の大きさは、所与の電界について、焦電材料の温度の変化に応じて変化する。図２の２つのヒステリシスループを注意深く検討すると、異なる２つの温度Ｔ_１およびＴ_２（Ｔ_１＜Ｔ_２）について、ループ内の面積が異なることが示されよう。その結果、主要ループ内のどこかの面積の変化の電気測定値は、材料の温度、したがって入射する赤外放射の変化に対応する電気信号になる。この効果は、焦電材料の分極状態が切り替わるために動的な性質のものであり、したがって、入射する放射を測定するときには、シーンに対して各ウィンドウを開く前に、放射を遮断して強誘電自発分極を基準とすることが必要とされる。

焦電技術におけるより最近の発展が、１９９９年２月１日出願の米国特許第６，２９４，７８４ Ｂ１号および１９９９年１２月３日出願の米国特許第６，３３９，２２１ Ｂ１号に教示されている。これらの特許をともに参照により本明細書に組み込む。これらの特許は、先に述べた従来方式の「受動」モードではなく、「能動」動作モードを開示している。この能動モードでは、個々の素子は、その正分極状態と負分極状態を切替えるために、大きな電気変位切替え電流を得るのに十分な電圧レベルの外部電圧によって駆動される。

能動モードでは、分極状態を切替えるたびに、
Ｑｓ＝Ｐｒ＊Ａ
に等しい電荷Ｑｓが、この外部電力源から供給されることになる。先に参照した特許で教示されているように、給電された電荷の量を、図６の電荷増幅器／積分器４８によって測定し、整流し、積分し、増幅すると、あらかじめ設定された時間τについて蓄積される総電荷は（増幅率を除いて）、
Ｑ_{ｔｏｔａｌ}＝（２＊Ｑｓ）＊ｆ＊τ
になる。外部電力源の周波数ｆと時間の積（ｆ＊τ）は、切替え数Ｎに等しい。分極状態は温度によって決まるので、Ｑ_{ｔｏｔａｌ}は、温度の１次関数である。各画素ごとの出力信号は、基準Ｑ_ｒｅｆと、時間間隔τ後に取得されたＱ_{ｔｏｔａｌ}との差である。ただし、τはチョッパが開いている継続時間である。

分極状態は複数回サンプリングされるので、焦電材料の実効感度はＮ倍に高められ、信号対雑音比により、ランダムノイズは、１／（ｆ＊τ）^１／２のノイズ成分減少率で平均化される。遺憾ながら、信号出力電圧Ｖ_ｏが飽和しないように、積分または出力用のコンデンサ５２および５８は、時間τ中に加算される総電荷を処理するのに十分な大きさにしなければならない。そのため、コンデンサ５２の容量は、Ｎと、焦電素子３４の固有容量との積よりも大きくしなければならない。十分な容量の出力コンデンサを使用すると、チップ上にこのコンデンサを配置しにくくなり、焦点アレイおよび支持回路が所望のものよりも大きくなる。

材料の感度は、焦電係数ｐとして、
ｐ＝ｄＰ_ｓ／ｄＴ
で表されるので、感度を向上させるのに必要とされる基準温度は、図１に最もよく示されており、自発分極Ｐ_ｓが急激に変化するところ、またはその付近に位置し、その温度範囲は狭い。このような温度は、材料に固有なものであり、キュリー温度Ｔ_ｃとも称する。キュリー温度は慣行的に、温度の関数としての逆誘電率のグラフから得られ、ゼロの逆誘電率に対する高温外挿点であり、これは、非強誘電性から強誘電性への材料中の相転移を表す。従来方式では、基準温度Ｔ_ｒｅｆは室温であり、したがってキュリー温度Ｔ_ｃが、室温からいくらか離れている場合、分極の変化を示す図１の線の傾きが小さくなり、そのため感度および焦電係数ｐが減少し、望ましくない。

焦電体技術分野では、基準温度として用いられる場合に、様々な応用例の支持構造に適合し、焦電係数ｐによって所望の感度を満足し得るキュリー温度を有する様々な材料が知られている。ＩＳＡＦ“９２：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｉｇｈｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ（強誘電体の第８のＩＥＥＥ国際シンポジュームの会報））」、１頁から公知の材料の表を参照して以下に示す。

遺憾ながら、キュリー温度が約２２℃の室温に近い公知の材料はほとんどない。さらに、上記で列挙した材料は、高温処理を必要とし、コストのかかる製造工程を必要とする。ＢＳＴなど一部の材料は成長させるのが難しく、一部の材料は、環境に悪影響を及ぼす鉛を含み、さらに他の材料は、高価なスカンジウムを含む。

図５を参照すると、赤外焦電法は、温度感受性の強誘電材料を必要とするので、画素の熱分離のレベルが高いことを表す熱時定数が望ましい。熱の移動、または画素間のクロストーク、あるいはシリコン基板への熱伝導または熱短絡は、熱時定数を下げるようにしか作用せず、したがって、感度および信号対雑音比が小さくなる。従来方式では、エアギャップまたはエアブリッジにより、素子と基板を連結する最低限の熱分離器またはＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）だけで、シリコン基板と画素の間で必要な熱分離が得られる。

遺憾ながら、エアブリッジの考え方では、シリコン製造工程およびセラミック工程がともに必要とされる。さらに、この製造工程は、コストがかかり、良品アレイの歩留まりが低く、非効率な単一ユニットハンドリングを必要とし、ウエハレベルで製作することができない。さらに、この素子は、サイズを小さくすることが制限される。サイズの減少は、典型的なＦＰＡ（焦点面アレイ）が一般に、５１２×５１２の画素アレイを有し得ることを考慮するとますます重要になる。

強誘電／焦電センサは、このセンサの強誘電シーン素子の電荷出力を、同じ温度について特定の時間にわたってこのシーン素子のヒステリシスループ出力を複数回測定することによって求める技術を利用する。この強誘電シーン素子に外部交流信号を印加して、この素子からのヒステリシスループ出力が分極を切替える。出力コンデンサと演算増幅器の組合せなどの電荷積分回路を使用して、シーン素子からの電荷を測定する。好ましくは、このシーン素子の強誘電体は、経済的かつ応答性のよいＳＢＴ（ストロンチウムビスマスタンタル酸化物）またはその誘導体でできており、これを上部電極と下部電極の間に直接配設する。このセンサの周波数は外部交流信号によって生成され、その周波数特性のために、製造が難しい従来方式のエアブリッジによってこの素子をシリコン基板から熱分離する必要がないことがあり、その代わりに好ましくは、ＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）その他の適切な低熱伝導材料によって熱分離する。出力コンデンサ内で過剰な電荷が蓄積されることによってセンサの出力信号電圧が飽和しないように、好ましくはこのセンサは、シーン素子に電気的に並列に構成された基準強誘電素子を有する。交流信号の電圧が負のとき、出力コンデンサは、基準素子を通して電流を流すことによって放電し、それによって基準素子の分極を積分し、これを各サイクルにシーン素子の分極と比較し、このシーン素子の分極から減算する。設定した時間にわたって各サイクルに測定した分極の差を積分増幅器によって加算して、信号出力電圧が得られる。

本発明の目的、特徴、および利点は、雑音対信号比および感度に優れ、そのため、焦電体用途向けに以前には考慮されなかった強誘電材料を使用し得る焦電センサを含む。このような強誘電材料は、室温に近いか、または室温よりもかなり高いキュリー温度を有し、比較的安価であり、処理するのに高温を必要とせず、環境に悪影響を及ぼさず、堅固である。

さらに、本発明により、シリコン基板からのアレイ素子の熱分離の依存性が小さくなり、したがって、従来方式のエアブリッジが不要になることがあり、そのため、製造工程のステップが少なくなり、許容可能なアレイの歩留まりが高くなることによってコストが下がり、ウエハレベルの製作が可能になり、素子サイズが小さくなる。

さらに、シーン素子および基準素子を、対応する回路とともに使用すると、必要な出力容量が小さくなり、そのため、チップ上に出力コンデンサを配置することができ、それによって、アレイおよび支持回路の全体的なサイズが小さくなり、サイクルの平均化回数を増やすことができ、そのため、信号対雑音比が大きくなり、信号出力電圧が飽和しなくなる。

以下の説明および添付の図面の中で、本発明の現時点で好ましい実施形態を開示する。
能動型焦電センサシステムを対象とする好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例であり、いかなる形でも本発明あるいはその応用例またはその利用法を限定するものではない。

上記で論じた従来方式の受動型焦電センサ設計では、積分中にＰ_ｓをその初期状態から切替えないので、ヒステリシスループによって特定される強誘電材料の大きなエネルギー積は一般に、当業界では完全には利用されていないことが、より厳密な分析から示唆される。完全に分極した状態での残余の分極Ｐ_ｒと、このような残余の分極をすべて取り除くのに必要とされる抗電界Ｅ_ｃとの積は一般に、エネルギー積Ｐ_ｒＥ_ｃとして識別される。このＰ_ｒＥ_ｃ積は、エネルギー密度の次元を有し、このような材料の「硬度」またはエネルギー蓄積能力を比較する働きをする。したがって、本発明ではひとつには、Ｐ_ｓ切替えを利用することによって、所与の温度においてヒステリシスループ全体を多数回横断し、それによって信号対雑音比が高められた状態で静的測定を行うことを提案する。このＰ_ｓのレイル・ツウ・レイル切替えは、上記で論じた従来の受動または受動に近い技術における極めて弱いレベルと異なり、かなりの電力レベルで強誘電材料を能動動作させることと等価である。センサの温度が変化すると、ヒステリシスループ内の面積が変化し、このセンサ設計の能動的な性質のために、この変化を迅速に監視することができる。

ヒステリシスループ内の面積は、１励起サイクル当たりに放散されるエネルギーを表す。そのため、焦電性または強誘電性の材料を連続的に交流励起すると、ある種の平衡温度レベルでエネルギーが放散される。ただし、このレベルの放散は、センサに加えられ、またセンサから引き出される外部の熱に（シーンのエネルギー）よって連続的に変調され、平衡レベルにおけるこの変化が、センサシステムの電気出力に必要とされるセンサシステムの各シーン画素における温度変化を表す。異なる２つの温度Ｔ_１およびＴ_２に関連するループ面積の差は、強誘電性エネルギー蓄積装置によって送達される、またはこの蓄積装置のところで受け取られる蓄積された分極エネルギーを表す。この分極依存性のエネルギー変化は、循環Ｖ電界励起の結果の２つの放散エネルギーレベルの差である。本発明のセンサ回路の能動的な性質によって、この小さなエネルギー変化の測定精度は、測定の頻度、すなわち、帯域制限、信号加算、およびノイズ平均化によって高められる。

本明細書で説明する発明では、焦電材料の原子構造内に蓄積される温度感受性エネルギーのすべてを完全に利用する。これは、飽和した主要ヒステリシスループ全体を能動的に横断する交流励起によって行われる。この搬送周波数により、時間τまたは１つのチョッパウィンドウ当たり信号を多数回加算することができる。本質的には、これは、外部交流励起を利用して、焦電材料の格子内に蓄積されたすべてのエネルギーを強く刺激するという点で、「能動」増幅プロセスであり、次に、この高レベルの電力は、入射する放射の小さな赤外摂動信号によって制御される。

図６は、本発明の実施形態による焦電センサシステム３２の概略図である。焦電センサシステム３２は、従来の受動型焦電システムでは使用することができない強誘電層３６の材料を使用して、上記で論じた能動型焦電素子励起を実現する。システム３２は、２つの電極または容量性プレート３８と４０に挟まれた強誘電材料のブロックまたは層３６を含む強誘電シーン素子３４を備える。交流電流源４２は、所定の周波数で電極３８に交流電位を印加する。（図７に示す）チョッパ６６は、シャッタが開いているときにシーンからの放射エネルギーを選択的にブロック３６に当て、シャッタが閉じているときに強誘電シーン素子３４に基準温度を所定の周波数で提供することができる。供給源４２からの交流電位によって生成された電荷、および入射する放射から強誘電ブロック３６によって生成された電荷は、電極４０によって集められる。好ましくは、供給源４２からの電位は、この電荷が、ループ全体からブロック３６のヒステリシスループ出力を駆動するのに十分に大きい。焦電素子３４に加えられる温度は、チョッパ６６の動作に応答して変化するので、それに従ってヒステリシスループの形状および面積が、上記の考察と一致して変化する。

電極４０によって収集された出力電圧は、第１の整流ダイオード検出器４４および第２の整流ダイオード検出器４６に印加される。供給源４２からの電位が正のとき、検出器４４が電荷積分システム４７に導通し、供給源４２からの電位が負のとき、検出器４６がシステム４７に導通する。検出器４４が導通すると、焦電素子３４からの電荷は、増幅器５０および積分または出力用のコンデンサ５２を含むシステム４７の積分器４８に印加される。検出器４４が導通するたびに、電荷がコンデンサ５２に追加され、増幅器５０によって増幅される。システム４７の第２の積分器５４は、増幅器５６および積分コンデンサ５８を有し、積分コンデンサ５８は、検出器４６が導通するときに電荷を蓄積し、そのため、これら２つの積分器４８または５４の組合せが連続して電荷を蓄積する。

システム４７の加算器６０は、積分器４８および５４から電荷を連続的に加算して、加算された電荷出力Ｖ_ｏを提供する。加算器６０の出力はさらに、（図示しない）処理回路に送られて、画像の１画素を示す信号が得られる。（図示しない）リセット装置は、適用される場合には、チョッパ６６の周波数と同期して加算器６０をリセットすることになる。したがって、１つの温度についての特定の時間フレームについて、加算器６０からの出力は、複数のループの振れにわたって蓄積された電荷である。すなわち、交流源４２の周波数は、チョッパ６６が閉じるたびに、温度Ｔ_１についてのヒステリシスループを通じてシーン素子３４によって生成された電荷が複数回測定されるように設定される。同様に、チョッパ６６が開いているとき、温度Ｔ_２についてのヒステリシスループを通じてシーン素子３４によって生成された電荷が同じ回数測定される。一実施形態では、例えば、供給源４２からの交流周波数は、１．５ｋＨｚに設定され、チョッパ周期は、１５フレーム／秒に設定され、そのため、１つのチョッパウィンドウ当たりヒステリシスループを通じて１００個の分極サイクルが得られる。加算器６０は、これら２つの値を比較し得るように各時間τ後にゼロにされる。したがって、個々のチョッパ時間ウィンドウについてのヒステリシス区域全体で電荷が測定されるだけでなく、この時間全体にわたって複数回測定され、先行技術のところで先に述べた受動センサと比べて信号対雑音レベルが大きく増加する。

供給源４２からの交流信号の大きさは、焦電素子３４からの利用可能な電荷全体が対象にされるように、レイル・ツウ・レイルからのヒステリシスループを駆動するように選択される。こうすると、各交流サイクルごとに、素子３４の分極が完全に反転する。あるいは、交流信号の大きさは、ヒステリシスループの一部のみを対象とするように小さくし得るが、特定の時間フレームの間の複数回の電荷測定により依然として、当技術分野で周知の受動型焦電センサシステムと比べて信号がかなり平均化される。ヒステリシスループの一部のみを対象とすることによって、シーン素子３４は、部分的にしか分極が反転しない。素子３４に、交流信号に加えて直流バイアスを印加して、ヒステリシスループの異なる適用範囲を画定し得ることに留意されたい。交流信号の大きさがループの保持強度よりも大きいと焦電素子３０を破壊することになるが、それよりも大きくならない限り、本発明の複数回信号平均化技術により、信号対雑音比が向上することになる。

図７に、本発明による能動型焦電センサシステム６４のブロック図を示し、上記で説明した本発明の動作を示す。チョッパ６６により、上記で論じたやり方で、強誘電シーン素子７０の一部である赤外吸収体６８に放射が間欠的に加えられる。さらに、一定の大きさの周波数信号が、供給源４２からシーン素子７０に印加される。シーン素子７０のヒステリシスループの全レイル・ツウ・レイル飽和についての電荷Ｑ（ｔ）が、上記システム４７の積分器４８および５４を全体的に表すｆ_ｃバンドパス演算増幅器及び積分器７２に印加される。この積分器からの変調された搬送電圧信号は、上記の検出器４４および４６を表す全波整流器及び復調器７４に、次いで、ローパスフィルタ７６に印加され、それによって電気出力信号Ｖ_ｏが得られる。

図８は、本発明による焦電センサシステム８０の概略図である。焦電センサシステム８０は、上記で論じたセンサシステム３２の電荷の能動増幅によって、センサのところで生成されるエネルギーをすべて利用する実施形態である。システム８０は、シーン素子からの電荷を蓄積するコンデンサＣ_Ｆを含み、この電荷は、ＪＦＥＴ演算増幅器ＴＬＯ８４ＣＮなどの演算増幅器８２によって増幅される。１対のダイオード検出器８４は、交流供給源８６によって生成されるこの素子からの電荷を検出する。演算増幅器または加算器８８は、積分された電荷を加算する。センサシステム８０は、交流信号の正負の成分について同じ電荷蓄積を行い、それによって、ヒステリシスループ全体にわたって電荷が複数回加算される。

上記の検討では、焦電センサ内で信号対雑音比を向上させるために信号平均化を行う。さらに、センサ回路は多数の抵抗器を使用しないので、センサのジョンソンノイズ（Ｊｏｈｎｓｏｎ ｎｏｉｓｅ）はさらに減少する。本発明の技術は、強誘電材料および焦電効果は利用しないが、ヒステリシスループ出力を示す他のタイプのセンサ、検出器、および装置に適用される。特に、ある種の材料が入力信号に対してヒステリシスループ応答を示す場合、これらのタイプのシステムに本発明の複数回信号平均化技術が適用可能なことがある。別のタイプのセンサは、歪みなどの外部刺激に対してヒステリシスタイプのループ応答を示す磁性タイプの材料を含むことがある。

焦電センサの設計では、熱回路および電気回路をともに考慮することが必要とされる。図５に、従来の熱回路構造を示し、図１０に、本発明の熱回路構造を示す。良好な信号対雑音比を得るために、熱時定数は、電気時定数よりもかなり小さくなければならない。

図５を参照すると、焦電素子８９の従来型焦電層９０は、先に述べ、かつ表に記した材料のいずれか１つでできている。層９０は、上部容量性プレート９２と下部容量性プレート９４の間に配設される。赤外吸収体９６は、選択された光線９８を吸収し、かつ焦電層９０に熱を転送するために上部プレート９２の上に配設される。シリコン基板１００は、下に離して置かれ、素子アレイ全体を支持し、概ね無限ヒートシンクとして作用する。この空間は、従来方式ではエアブリッジ１０２と称し、素子８９から信号電圧出力Ｖ_ｏに電気的に接続すると同時に、焦電素子８９の高レベルの熱分離を維持するという相反する要求を部分的に両立させる。横方向の熱伝導を最小限に抑えるために、素子間の金属相互接続部１０４を素子の面積よりもはるかに小さな面積に制限する。各素子８９は、溶接可能な金属被覆によって下部プレート９４と入力パッド１０８の間に付着する垂直熱絶縁体またはハンダ結合部１０６によって、シリコン基板に支持され、電気的に固定される。遺憾ながら、エアブリッジ１０２を使用すると、背景技術の項で先に述べた多くの製造上の難点が生じる。信号平均化による信号対雑音比の向上と同様に、強誘電素子材料の感度ｐは、以下のようにＮ（サイクル数）倍に向上すなわち増加する。

ｐ（実効）＝Ｎ＊ｐ（従来の）
この実効感度の向上により、以前には焦電応用例には考慮されなかった強誘電材料を使用することができる。これらの強誘電材料の多くは、先に述べた好ましい基準温度である室温よりもかなり高いキュリー温度を有する。例えば、強誘電材料としてのＳＢＴ（ストロンチウムビスマスタンタル酸化物）の感度ｐは０．０３μＣ／ｃｍ^２Ｋであり、この値は従来方式では低すぎ、ＳＢＴのキュリー温度３３５℃は、基準温度として動作するには高すぎる。この感度をＮサイクル倍に増加させると、図１の分極−温度曲線上で基準温度をこのキュリー温度から下方に移すことができる。さらに、好ましい形態のＳＢＴは、ＳＢＴの焦電効果が実質的に線形である動作温度の範囲が広い薄膜である。他の好ましい強誘電材料およびＳＢＴのドープは、バリウムビスマスタンタル酸化物およびランタンビスマスタンタル酸化物を含む。ＳＢＴの誘導体は、所与の基準温度における分極−時間曲線の傾きを変化させて、信号対雑音比および感度を向上させる効果を有し得る。

本発明の図１０を参照すると、「能動型」焦電センサおよび関連する画素切換えを用いることにより、極めて大きな電気時定数が得られる。これにより、受動型焦電センサには使用し得ないより大きな熱時定数を許容し得る。例えば、赤外放射１１０は、吸収体１１２に当たり、吸収体１１２は、素子１１６の白金容量性プレート１１４を介して熱を伝え、それによって強誘電体層１１８が分極する。好ましくは白金製の下部容量性プレート１２０は、先に述べたように、電荷積分システムに電流を流す。素子１１６は、容量性プレート１２０とシリコン基板１２２の間に付着した熱障壁１２４の連続的な層または被覆によってシリコン基板１２２から熱的に分離される。好ましくは、熱障壁１２４は、ＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）またはＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）である。例えば、ＳＯＧ障壁１２４の熱時定数を計算する際に、熱時定数の式は、
τ_ｔｈｅｒ＝ｔ^２／Ｋ
である。ただし、ｔは厚さであり、Ｋは熱拡散率である。ｔ＝２μｍ、二酸化シリコンの密度を８７％、熱伝導率を０．１５５Ｗ／ｍ−ｋ、（バルクの二酸化シリコンの）熱容量を４４．７７Ｊ／ｍｏｌ−Ｋと仮定すると、熱時定数は４４μｓに等しい。これを、例えば１０ＭＨｚの画素切換えと比較すると、垂直方向の電気時定数は、熱時定数よりも４００倍大きくなる。

この簡単な解析から、（図５に示す）微細加工したエアブリッジ１０２その他の任意の膜タイプ構造のいずれも不要とするためには、低密度、低熱伝導率の（Ｄｏｗ社のＸＬＫなどの）ＳＯＧ熱障壁１２４上に構築された典型的な１０μｍ×１０μｍの強誘電素子１１６で十分であることが明らかである。これは、「能動型」焦電センサを、少なくとも１０ＭＨｚの周波数の外部交流電力源／信号で使用することを仮定している。

図６および図８の、または米国特許第６，３３９，２２１号で教示されている「能動型」システムの能動型焦電センサシステム３２および８０を能動型複式素子焦電センサシステム１３０に改変して、信号電圧出力Ｖ_ｏの飽和を防止し得る。システム１３０は、シーン素子１３４と電気的に並列に構成された基準素子１３２を有する。基準素子１３２は、固有容量Ｃ_ｆ２を有し、一般に暗所で保持される。シーン素子１３２は、固有容量Ｃ_ｆ１を有し、一般にシーン温度に曝される。交流電圧源１３６は、基準素子１３２およびシーン素子１３４と直列に構成され、そのため、外部的に印加される電圧が正のとき、シーン素子１３４およびダイオード検出器１４０を通って流れる電流は、電荷積分システム１３８の出力または蓄積用のコンデンサ１３７に吸い上げられる。同様に、同じサイクル中に外部的に印加される電圧が負のとき、電流は、出力コンデンサ１３６から、ダイオード検出器１４２を介して基準素子１３２に逆に流れる。この戻り電流は、基準素子１３２の分極を積分する働きをする。電荷積分システム１３８の増幅器または加算器１４４は、１つのサイクルから次のサイクルへの分極の差を求め、所与の時間にわたってこれらの差を加算して、信号対雑音比を最適化する。

図１２を参照すると、シーン素子１３４の自発分極は、Ｐ_ｓ１＝９．２５μＣ／ｃｍ^２であり、基準素子１３２の自発分極を積分すると、Ｐ_ｓ２＝９．１２５μＣ／ｃｍ^２になる。この分極の差は、素子１３２と１３４の間の７℃の温度差に相当する。加算器１４４は、全部で１００個の差を加算して、約２００ｍＶの信号出力電圧Ｖ_ｏを生成する。

図１２を参照すると、シーン素子１３４の自発分極は、Ｐ_ｓ１＝９．２５μＣ／ｃｍ^２であり、基準素子１３２の自発分極を問い合わせると、Ｐ_ｓ２＝９．１２５μＣ／ｃｍ^２になる。この分極の差は、素子１３２と１３４の間の７℃の温度差に相当する。加算器１４４は、全部で１００個の差を加算して、約２００ｍＶの信号出力電圧Ｖ_ｏを生成する。

図１３を参照すると、分極状態は図１２と同じままであり、そのため、温度差も同じである。ただし、時間τまたはウィンドウは、１０倍（すなわち、２ｍｓから２０ｍｓに）増加し、これは、Ｎ＝１００からＮ＝１０００へのサイクルの増加に相当する。この解析によれば、信号出力電圧Ｖ_ｏは、それがＶＤＤに達しない限り飽和しないことが明らかである。加算器１４４は、τ＝２０ミリ秒にわたって全部で１０００個の差を加算して、約２，３００ｍＶの信号出力電圧を生成する。これは１０倍よりも大きく、そのため、Ｎ＝１００の図１２と比べて信号対雑音比が向上することを意味する。

本明細書で開示した本発明の形態は、現時点で好ましい実施形態であるが、他の多くの形態が可能である。本明細書では、本発明のすべての可能な等価な形態または派生物を記載することを制限するものではない。本明細書で用いる用語は、限定するのではなく単に説明するためのものであり、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく様々な変更を加えることができることを理解されたい。

垂直軸を自発分極とし、水平軸を温度としたグラフである。 垂直軸を電荷とし、水平軸を電位としたグラフであり、温度Ｔ_１およびＴ_２についての強誘電素子のヒステリシスループ応答を示す。 公知の受動型焦電センサシステムの概略ブロック図である。 公知の別の受動型焦電センサシステムの概略ブロック図である。 エアブリッジによってシリコン基板から熱的に分離した公知の焦電素子の断面図である。 本発明の実施形態による、ＳＢＴまたはその誘導体からできている強誘電層を有する能動型焦電センサシステムの概略図である。 本発明の別の能動型焦電センサシステムのブロック図である。 本発明による別の能動型焦電センサシステムの概略図である。 本発明による改変された能動型焦電センサシステムの概略図である。 図５に示す従来型エアブリッジを用いずに示す能動型焦電センサシステムの素子の断面図である。 垂直軸を出力電圧とし、水平軸を時間とした、図９の改変された能動型焦電センサによって生成されたグラフであり、シーン素子の温度および分極は、基準素子の温度および分極に等しく、分極は９．２５μＣ／ｃｍ^２であり、サイクル数Ｎは１００である。 シーン素子と基準素子の温度が７℃だけ異なり、基準素子の分極が９．１２５μＣ／ｃｍ^２に減少している点を除き、図１１に類似のグラフである。 サイクル数が１０００に増加している点を除き、図１２に類似のグラフである。

Claims (22)

1. 所定の周波数で交流電圧を生成する交流電圧源と、
   前記交流電圧に応答し、焦電シーン素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記焦電シーン素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置された、焦電シーン素子と、
   前記焦電シーン素子からの前記電荷出力に応答して、前記ヒステリシスループ変化出力によって画定される前記ヒステリシスループ内の面積を求め、前記焦電シーン素子からの前記電荷出力を示す信号を生成する電荷積分システムと、
   ＳＢＴ（ストロンチウムビスマスタンタル酸化物）、バリウムビスマスタンタル酸化物、およびランタンビスマスタンタル酸化物からなる群から選択される、前記焦電シーン素子の強誘電層と、を備え、
   前記強誘電層は前記焦電シーン素子の第１および第２の容量性プレートの間に配置され、
   前記シーン素子に電気的に並列に構成された強誘電基準素子を備え、
   前記強誘電基準素子は、前記交流電圧に応答し、前記強誘電基準素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記強誘電基準素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記強誘電基準素子は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記強誘電基準素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置され、
   前記電荷積分システムは、前記強誘電基準素子からの前記電荷出力に応答して、前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力内の面積を求め、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を示す信号電圧出力を生成する、
   焦電センサシステム。
2. 前記システムは、赤外画像化システムであり、前記焦電シーン素子は、シーンから前記焦電シーン素子に向かう赤外放射を吸収する赤外吸収体を有する、請求項１に記載の焦電センサシステム。
3. 前記交流電圧は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子内で双極子の分極反転が生じるように前記第１の容量性プレートに印加され、
   前記電荷積分システムは、前記焦電シーン素子の前記第２の容量性プレートからの前記電荷出力に応答する、請求項１に記載の焦電センサシステム。
4. 熱ヒートシンクとして作用するシリコン基板構造と、
   前記第２容量性プレートと前記シリコン基板の間に直接付着した連続熱障壁被覆とを備え、前記連続熱障壁はエアブリッジを含まない、請求項３に記載の焦電センサシステム。
5. 前記電荷積分システムは演算増幅器を備え、
   前記電荷積分システムの前記信号電圧出力は、前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算したものを示す、請求項１に記載の焦電センサシステム。
6. 前記複数の加算される差の数は、シーン測定の所定の時間と前記外部交流信号の周波数の積に等しい、請求項５に記載の焦電センサシステム。
7. 前記電荷積分システムは、前記外部交流信号電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から電流を受け取り、前記外部交流信号電圧が負のとき、前記強誘電基準素子に電流を戻して、前記基準分極の積分を行う、請求項６に記載の焦電センサシステム。
8. 前記電荷積分システムは、出力コンデンサを備え、
   演算増幅器を備え且つ前記出力コンデンサに並列に構成され、前記シーン素子と基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算する加算器として働く前記電荷積分システムと、前記加算された差は前記信号電圧出力を示し、前記焦電センサシステムはさらに、
   前記外部交流電圧が正のとき、前記シーン素子から前記電荷積分システムに電流を流して、前記出力コンデンサを充電するシーンダイオード検出器と、
   前記外部交流電圧が負のとき、前記電荷積分システムから前記基準素子に電流を流して、前記出力コンデンサを放電させ、前記基準素子の分極を積分する基準ダイオードとを備える、請求項１に記載の焦電センサシステム。
9. 所定の周波数で交流電圧を生成する交流電圧源と、
   前記交流電圧に応答する焦電シーン素子とを備え、前記焦電シーン素子は、前記焦電シーン素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記焦電シーン素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記焦電シーン素子は、第１の容量性プレートと第２の容量性プレートの間に配設された強誘電層を有し、前記交流電圧は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子内で双極子の分極反転が生じるように前記第１の容量性プレートに印加され、前記焦電センサシステムはさらに、
   前記焦電シーン素子の前記第２の容量性プレートからの前記電荷出力に応答する電荷積分システムを備え、前記積分システムは、前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記ヒステリシスループ内の面積を求め、前記焦電シーン素子からの前記電荷出力を示す信号を生成し、
   前記焦電シーン素子の前記強誘電層は、ＳＢＴ（ストロンチウムビスマスタンタル酸化物）、バリウムビスマスタンタル酸化物、およびランタンビスマスタンタル酸化物からなる群から選択され、
   前記焦電センサシステムはさらに、
   熱ヒートシンクとして作用するシリコン基板構造と、
   前記第２容量性プレートと前記シリコン基板の間に直接被覆された連続熱障壁と、を備え、前記熱障壁はエアブリッジを含まない、
   前記焦電シーン素子に電気的に並列に構成された強誘電基準素子を備え、
   前記強誘電基準素子は、前記交流電圧に応答し、前記強誘電基準素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記強誘電基準素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記強誘電素子は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記強誘電基準素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置され、
   前記電荷積分システムは、前記強誘電基準素子からの前記電荷出力に応答して、前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力内の面積を求め、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を示す信号電圧出力を生成する、
   焦電センサシステム。
10. 前記熱障壁は、ＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）である、請求項９に記載の焦電センサシステム。
11. 前記熱障壁は、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）である、請求項９に記載の焦電センサシステム。
12. 前記システムは、赤外画像化システムであり、前記焦電シーン素子は、シーンから前記焦電シーン素子に向かう赤外放射を吸収する赤外吸収体を有する、請求項９に記載の焦電センサシステム。
13. 前記電荷積分システムは演算増幅器を備え、
    前記電荷積分システムの前記信号電圧出力は、前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算したものを示す、請求項９に記載の焦電センサシステム。
14. 前記複数の加算される差の数は、シーン測定の所定の時間と前記外部交流信号の周波数の積に等しい、請求項１３に記載の焦電センサシステム。
15. 前記電荷積分システムは、前記外部交流信号電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から電流を受け取り、前記外部交流信号電圧が負のとき、前記強誘電基準素子に電流を戻して、前記基準分極の積分を行う、請求項１４に記載の焦電センサシステム。
16. 前記電荷積分システムの出力コンデンサと、
    前記出力コンデンサに並列に構成され、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算する加算器として働く、前記電荷積分システムの演算増幅器とを備え、前記加算された差は前記信号電圧出力を示し、前記焦電センサシステムはさらに、
    前記外部交流電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から前記電荷積分システムに電流を流して、前記出力コンデンサを充電するシーンダイオード検出器と、
    前記外部交流電圧が負のとき、前記電荷積分システムから前記強誘電基準素子に電流を流して、前記出力コンデンサを放電させ、前記強誘電基準素子の分極を積分する基準ダイオードとを備える、請求項９に記載の焦電センサシステム。
17. 所定の周波数で交流電圧を生成する交流電圧源と、
    焦電シーン素子と、
    前記焦電シーン素子に電気的に並列に構成された強誘電基準素子とを備え、
    前記焦電シーン素子および強誘電基準素子は、前記交流電圧に応答し、前記それぞれの素子のヒステリシスループ出力の少なくとも一部にわたって前記素子を駆動する前記交流電圧に応答してヒステリシスループ電荷出力を生成し、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記素子内で双極子の分極反転が生じるように構築され配置され、
    前記焦電シーン素子および強誘電基準素子の強誘電層は、ＳＢＴ（ストロンチウムビスマスタンタル酸化物）、バリウムビスマスタンタル酸化物、およびランタンビスマスタンタル酸化物からなる群から選択され、
    前記焦電センサシステムはさらに、
    前記焦電シーン素子および強誘電基準素子からの前記電荷出力に応答して、前記ヒステリシスループ出力によって画定される前記ヒステリシスループ内の面積を求め、前記素子の前記ヒステリシスループ出力の差を示す信号電圧出力を生成する電荷積分システムと、
    を備える焦電センサシステム。
18. 前記電荷積分システムは演算増幅器を備え、
    前記電荷積分システムの前記信号電圧出力は、前記ヒステリシスループ出力の複数回加算される差を示す、請求項１７に記載の焦電センサシステム。
19. 前記複数の加算される差の数は、シーン測定の所定の時間と前記外部交流信号の周波数の積に等しい、請求項１８に記載の焦電センサシステム。
20. 前記電荷積分システムは、前記外部交流信号電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から電流を受け取り、前記外部交流信号電圧が負のとき、前記強誘電基準素子に電流を戻して、前記基準分極の積分を行う、請求項１９に記載の焦電センサシステム。
21. 前記電荷積分システムは出力コンデンサを備え、
    前記出力コンデンサに並列に構成され、前記焦電シーン素子と強誘電基準素子の前記ヒステリシスループ出力の差を複数回加算する加算器として働く、演算増幅器を備えた前記電荷積分システムと、前記加算された差は前記信号電圧出力を示し、前記焦電センサシステムはさらに、
    前記外部交流電圧が正のとき、前記焦電シーン素子から前記電荷積分システムに電流を流して、前記出力コンデンサを充電するシーンダイオード検出器と、
    前記外部交流電圧が負のとき、前記電荷積分システムから前記強誘電基準素子に電流を流して、前記出力コンデンサを放電させ、前記強誘電基準素子の分極を積分する基準ダイオードとを備える、請求項１７に記載の焦電センサシステム。
22. 前記焦電シーン素子および強誘電基準素子はそれぞれ、第１の容量性プレートと第２の容量性プレートの間に配設された強誘電層を有し、前記交流電圧は、前記交流電圧により、前記交流電圧の正負の変化に応答して前記焦電シーン素子および強誘電基準素子内で双極子の分極反転が生じるように前記第１の容量性プレートに印加され、前記焦電センサシステムは、
    熱ヒートシンクとして作用するシリコン基板構造と、
    前記シーン素子の前記第２の容量性プレートと前記シリコン基板の間に直接付着した連続熱障壁被覆とを備え、前記連続熱障壁はエアブリッジを含まない、請求項１７に記載の焦電センサシステム。

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