赤外線検出器
複数のボロメータ検出器４、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段、およびボロメータ検出器をともに結合してネットワークを形成するための手段を備える赤外線検出器２であって、ボロメータ検出器４は実質的に大気圧の環境内に配置される。ボロメータ検出器４からの環境を介した熱エネルギー伝導による赤外線検出器２の感度低下を少なくとも部分的に補償するように実質的に大気圧の環境内に配置された複数のボロメータ検出器４を有する赤外線検出器２の感度を向上させるための方法であって、この方法は、直列および並列の少なくとも１つにボロメータ検出器４をともに接続するステップおよびボロメータ検出器４を直流バイアス電流で動作させるステップの少なくとも１つを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器に関し、より詳細には、受動型赤外線（ＰＩＲ）検出器に関する。そのような赤外線検出器は、侵入者検出システムおよび火災報知器に用途がある。
【背景技術】
【０００２】
本発明の背景として、従来の受動型赤外線（ＰＩＲ）検出器は、一般に鉛を基材とするセラミック材料、例えばジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む焦電検出器要素を利用する。検出器要素内に使用される鉛を基材とするセラミック材料は処理するのが比較的簡単であり、関連の製造技術が成熟している。数千万ものＰＩＲ検出器が、検出器要素当たり約１米ドルの一般的コストで毎年作成される。
【０００３】
上記にもかかわらず、従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器には、いくつかの潜在的な不都合がある。
【０００４】
従来のＰＩＲセンサは、一般にＰＩＲ検出器要素を含むいくつかの個別部品を有する部分組立体を備える。ＰＩＲ検出器要素はプレス加工したセラミック材料から切り取られていくつかの処理ステップを受け、それによって厚さが低下し、検出器が研磨される。検出器要素は、次にパッケージに取り付けられ、読出しトランジスタに接続される。通常、赤外線（ＩＲ）透過窓またはレンズがＰＩＲセンサに取り付けられる。様々な構成要素を、ＰＩＲ部分組立体へと処理して組み立てるには時間がかかり、また、小分けされていない検出器の切り離し製作、検出器自体の製造、および検出器の増幅器チップへの組み付けが必要である。したがって、ＰＩＲ検出器要素の処理、パッケージング、および接続に関連した個別の生産ステップが相まって、ＰＩＲ部分組立体の全体コストを増加させる。
【０００５】
技術的性能に関して、従来のＰＩＲ検出器の動作パラメータは、一般に、検出器要素が作成されるＰＺＴ材料の特性およびそれ自体の基板から熱的に絶縁される度合いによって決定される。ＰＺＴ材料の構成物のばらつきが検出器性能に影響することがあり、例えば時定数などの動作パラメータが、定義が不完全であったり不定であったりする。
【０００６】
ＰＩＲ検出器の性能も検出器要素の設計の関数であり、製作時に固定される。したがって、従来のＰＩＲ検出器の基幹動作パラメータ（例えば視野）は、製作後には変更され得ず、エンドユーザの特定の要求仕様に応じるためにも簡単には調整され得ない。
【０００７】
従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器を使用し続けることに影響し得るもう１つの要因は、電気機器および電子機器から重金属を除去するという今日の要求である。実際、電気機器および電子機器における欧州共同体の特定有害物質使用制限指令（ＲｏＨＳ）２００２／９５／ＥＣが、２００６年７月１日から欧州共同体（ＥＵ）全体にわたって施行されるであろう。したがって、従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器の製造業者は、既存のＰＩＲ検出器市場に供給するためには鉛を含まない代替の検出器方式を探し出さなければならないであろう。
【０００８】
従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器にはいくつかの代替が存在するが、そのような代替は、従来のＰＩＲ検出器の別の用途に向けられたものである。例えば、タンタル酸リチウムはＰＩＲ検出器内の代替材料として使用され得る。しかし、タンタル酸リチウムは、従来から高性能を必要とする用途に使用され、したがって、材料の高コストから、高品質で高コストでもある長距離の検出システムでの使用に向けられる。
【０００９】
ボロメータ検出器は、赤外線検出器のさらなる代替のクラスを与える。ボロメータ検出器は、従来から中程度の性能から高性能の民生用および軍用の赤外線結像用途に向けられ、通常２次元の焦点面配列（ＦＰＡ）に構成される。そのようなボロメータ配列は、従来から密封容器内の真空中で動作される。気密囲壁の長期間の密閉をもたらす技術は高くつく。その上、この配列は、適切な性能を確保するために、温度が安定化され、絶対温度が注意深く制御されることが必要であろう。この種の検出器からの多重出力を復号し、かつ配列内の検出器要素からの出力における不均一性を補正するために、通常、複雑な信号処理を行う電子ネットワークが必要とされる。
【００１０】
上記に留意すると、ボロメータ検出器は、本質的な技術的性能およびコスト上の理由で、従来のＰＺＴのＰＩＲ検出器に対する信頼できる代替とは見なされない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、代替の赤外線検出器を提供することである。本発明のさらなる目的は、前述の従来のＰＩＲ検出器の不都合を、少なくともいくつかは緩和する赤外線検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、複数のボロメータ検出器、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段、およびネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段を備える赤外線検出器が今や提案され、ボロメータ検出器は実質的に大気圧の環境内に配置され、使用時、バイアス手段は、ボロメータ検出器を実質的に一定のバイアス温度で動作させるように配置される。
【００１３】
上記の赤外線検出器は、ボロメータ検出器が、従来動作された真空環境を解消する一方で、適切な感度および性能を維持するという点で有利である。従来のボロメータ検出器のための真空環境を作り上げて維持するのに必要な技術は、比較的高くつく。したがって、本赤外線検出器は、従来のボロメータ検出器に対して顕著な経費削減を提供する。
【００１４】
明確にするために、標準大気圧は、単位圧力が７６０ｍｍＨｇまたは１４．７ポンド毎平方インチ（１．０１３２５×１０５パスカル）と等しいものと慣例的に定義される。しかし、これらの数値は、海抜ゼロメートル地点、０℃、および標準重力の下での標準大気圧を意味する。ここで言う大気圧は、周囲圧力と解釈されるものとし、上記の絶対値によって制限されないものとする。熟練者なら、大気圧が一定でなく、場所（例えば高度、温度、重力）および気象条件などを含むいくつかのパラメータに応じて変動することを容易に理解するであろう。
【００１５】
好ましい実施形態では、使用時、接続手段が、ネットワーク内で直列および並列の少なくとも１つにボロメータ検出器をともに接続するように配置される。このようにボロメータ検出器をともに接続することによって、赤外線検出器の総合的な感度を向上させることができる。感度における改善は、そのようにネットワーク内でともに接続された検出器の数の平方根と等しい。感度における改善は、ボロメータ検出器のそれ自体からの熱エネルギー伝導による性能劣化を少なくとも部分的に補償する。
【００１６】
別の好ましい実施形態では、バイアス手段は、使用時、ネットワーク内のボロメータ検出器要素に直流バイアス電流を供給するように配置される。
【００１７】
本ボロメータ検出器が動作される真空化されていない環境は、付加的な従来実現されなかった特別な利益を与える。すなわち、真空化されていない環境に伴う高い熱伝導によって、ボロメータ検出器内の所与の温度上昇に対してより大きなバイアス電流（直流バイアス）が使用されることになる。ボロメータからの信号電流が（一次近似で）バイアス電流に比例するので、本方法でバイアス電流を増加すると赤外線検出器の総合的な感度が増加する。前述のように、感度におけるこの改善は、環境を介する熱伝導向上によるボロメータ検出器の性能劣化を少なくとも部分的に補償する。上記とは対照的に、検出器要素の疲労および故障をまねく可能性がある検出器の過熱および熱サイクルを防ぐために、従来から、真空化されたボロメータ検出器には交流バイアスが使用されている。
【００１８】
したがって、本赤外線検出器は、真空化されていない環境の向上した熱伝導率を利用することにより、それ自体によってもたらされる性能劣化を少なくとも部分的に補償するために意外な利点を与える。
【００１９】
好ましくは、この赤外線検出器は、ボロメータ検出器、バイアス手段、および接続手段がその上に集積化されている基板を備える。読出しおよび信号処理回路も同じ基板上に集積化されてよい。集積化赤外線検出器によって製造が容易になり、したがって、個別部品に対して製造原価が低下する。
【００２０】
したがって、この赤外線検出器は、モノリシック集積回路を備えてよく、特にシリコンモノリシック集積回路を備えてよい。モノリシック集積回路は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）集積回路、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）集積回路および相補型ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＯＳ）集積回路のうちの１つでよい。したがって、この赤外線検出器は、標準的なシリコンＩＣの生産ラインで見られる技術を使用して製作され得る。
【００２１】
好都合には、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲である。好ましくは、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲である。さらに好ましくは、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲である。
【００２２】
一実施形態では、接続手段は、ネットワーク内のボロメータ検出器間に形成された複数の配線接続を備える。
【００２３】
別の実施形態では、接続手段は、ネットワーク内のボロメータ検出器を複数の構成へと再構成することができる。有利には、接続手段は、ネットワーク内のボロメータ検出器をリアルタイムで再構成することができる。ボロメータ検出器を再構成する能力があると、赤外線検出器の視野がエンドユーザの個々の要求に適合されることが可能になる。ボロメータのブロックが、赤外線検出器内に組み込まれるかまたは赤外線検出器から切り離され得て、そこから形成された合成ＰＩＲ検出器要素の外見上の形状を動的に変える。
【００２４】
例えば、視野は、入口、出口または窓に対応するように配置されてよい。その上、厄介な赤外線源（例えば暖房機器、放熱器など）を視野から除外することができ、それによって誤った警報が減少する。リアルタイムに再構成可能であることは、赤外線検出器にある程度の判断力を与えるのに利用することができ、赤外線検出器が、入射赤外線放射の変化またはパターンに対するその応答を適合させることを可能にする。
【００２５】
好ましくは、ボロメータ検出器は、少なくとも１つの抵抗ボロメータを備える。具体的には、ボロメータ検出器は、少なくとも１つのマイクロブリッジボロメータを備えてよい。
【００２６】
好都合には、ボロメータ検出器は行と列に配置される。
【００２７】
有利には、ボロメータの数は、１０個以上１０００個以下の範囲にある。一般に、０．５ｍｍ２から１ｍｍ２の間の面積のＰＩＲ検出器と取り替えるには、４０〜２００個のボロメータ検出器が必要になるはずであり、一般に７５μｍの正方形のものが使用されることになる。
【００２８】
好ましくは、ボロメータ検出器は、３μｍ〜１４μｍの範囲の波長を有する放射を検出するように構成される。特定用途のために、例えば日光による誤った警報を排除するために８μｍ〜１４μｍのサブバンドが選択されてよく、あるいは炎の検出用に４．２μｍ前後の狭帯域のサブバンドが選択されてよい。
【００２９】
ボロメータ検出器が配置される環境は、空気、窒素および高分子量気体（例えばキセノン、六フッ化硫黄）の少なくとも１つを含んでよい。高分子量気体を使用することにより、空気に比べてより低い熱伝導率のために省電力または性能向上が実現され得る。
【００３０】
本発明の第２の態様によれば、ボロメータ検出器からの流体を介した熱エネルギー伝導による赤外線検出器の感度低下を少なくとも部分的に補償するために流体に接して動作するように配置された複数のボロメータ検出器を有する赤外線検出器の感度を向上させる方法が今や提案され、この方法は、
（ｉ）直列と並列のうち少なくとも１つにボロメータ検出器をともに接続するステップと、
（ｉｉ）直流バイアス電流でボロメータ検出器を動作させるステップと、
（ｉｉｉ）実質的に一定のバイアス温度でボロメータ検出器を動作させるステップとのうち少なくとも１つを含む。
【００３１】
好ましくは、流体は実質的に大気圧にあり、空気、窒素および高分子量気体（例えばキセノン）のうち少なくとも１つを含む。
【００３２】
本発明の第３の態様によれば、複数のボロメータ検出器、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段、およびネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段を備える赤外線検出器を動作させるための方法が今や提案され、この方法は、ボロメータ検出器を実質的に大気圧の環境に配置するステップと、ボロメータ検出器を実質的に一定のバイアス温度で動作させるステップとを含む。
【００３３】
有利には、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲に保たれる。好ましくは、バイアス温度は雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲に保たれ、さらに好ましくは、雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲に保たれる。
【００３４】
本発明の第３の態様およびそれに関連した実施形態による方法に関して、環境は、好ましくは空気、窒素および高分子量気体（例えばキセノン）のうち少なくとも１つを含む。
【００３５】
本発明の第４の態様によれば、情景からの電磁放射を受け取るように構成された複数のボロメータ検出器がその上に集積化された基板と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段と、ボロメータ検出器ネットワークからの出力信号に応答する信号処理手段とを備える受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器が今や提案され、
信号処理手段は、ボロメータ検出器のネットワーク上に入射する電磁放射の変化による出力信号の変化を識別し、情景中の事象を示す出力を供給するように構成される。
【００３６】
具体的には、例えば、赤外線警報器の視野内の赤外線源の導入または運動から発生して、ボロメータ検出器上に入射する赤外線放射における空間的変化および時間的変化のうち少なくとも１つを出力が示し得る。
【００３７】
好ましくは、ボロメータ検出器は、実質的に大気圧の環境内に配置される。
【００３８】
好都合には、環境は、空気、窒素および高分子量気体の少なくとも１つを含む。
【００３９】
バイアス手段は、好ましくは実質的に一定のバイアス温度でボロメータ検出器を動作させるように配置される。
【００４０】
好都合には、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲であるように計画される。好ましくは、バイアス温度は雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲であり、さらに好ましくは、雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲である。
【００４１】
好ましくは、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は、ボロメータ検出器と、バイアス手段と、接続手段と信号処理手段とがその上に集積化されている単一基板を備える。集積化ＰＩＲ警報器によって製造が容易になり、したがって、個別部品に対して製造原価が低下する。したがって、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は、モノリシック集積回路を備えてよく、特にシリコンモノリシック集積回路を備えてよい。モノリシック集積回路は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）集積回路、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）集積回路および相補型ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＯＳ）集積回路のうちの１つでよい。
【００４２】
シリコンを基材とする手法を使用すると、検出器自体と同じチップ上に完全なＰＩＲ検出システム（例えば増幅機能、検出閾値機能、タイミング機能）の集積化が実現可能であり、したがってはるかに小さくより廉価なＰＩＲ検出モジュールが作成されることが可能になる。正確なリソグラフィの使用は、ボロメータをベースにするＰＩＲ検出器が、非常に正確に定義された寸法、位置、および形状を有し得ることを意味する。
【００４３】
さらに、検出器チップ上にＰＩＲサブシステムの全機能を集積化することが可能であり、総コストがより低下する。
【００４４】
好ましい実施形態では、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は侵入防止警報器として動作するように構成される。
【００４５】
別の好ましい実施形態では、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は火災報知器として動作するように構成される。
【００４６】
次に、本発明が、添付図面を参照しながら例としてのみ説明されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
従来のボロメータ検出器は、本質的な技術的性能および高コストの理由で、従来のＰＺＴのＰＩＲ検出器に対する信頼できる代替とは見なされない。主なコスト推進要因の１つは、ボロメータ検出器のまわりに真空化された密封容器を設けるのに必要とされるパッケージング技術である。本赤外線検出器では、ボロメータ検出器は、実質的に大気圧の環境（例えば空気）で動作され、それによって高くつく真空パッケージングを解消する。ボロメータ検出器から離れたところでの熱エネルギーの伝導は、空気中の方が真空中より高く、結果として赤外線検出器の感度が弱められる。しかし、本発明では、ネットワーク内で複数のボロメータ検出器をともに組み合わせることおよび／または高バイアス電力／電流でボロメータ検出器を動作させることにより、感度の低下は少なくとも部分的に補償される。
【００４８】
次に本発明の第１の実施形態を参照すると、図１は、基板（８）上に配置された複数のボロメータ検出器（４）および関連する電子回路（６）を備える赤外線検出器（２）を示す。
【００４９】
ボロメータ検出器は、直列／並列接続されているブロックとして構成される。
【００５０】
このようにともに接続されている複数の検出器を動作させると、検出器数の平方根と等しい感度の改善を与える。例えば、０．２５ｍｍ×１．０ｍｍの寸法をしている従来のＰＩＲ検出器は、１４×３のボロメータ検出器の組と取り替えられ得て（現在の焦点面配列で見つかったボロメータ検出器の密度と類似のものを想定）、これは単一のボロメータ検出器より６．５倍高感度になるであろう。
【００５１】
個々のボロメータ検出器（４）は、直列、並列、または直列／並列の組合せに電気的に接続され、入手可能な電子回路（６）と整合するのに好都合な総電気抵抗を与える。例えば、増幅器を高電圧ノイズに対応させるためには、直列の組合せが使用されるであろう。
【００５２】
図２は、本発明によって直列／並列構成に接続されたボロメータ検出器（４）のネットワークを示す。
【００５３】
図２では、総合的な抵抗は、個々のボロメータ検出器（４）の値の５／４であろう。少なくともいくつかの並列接続を使用することのさらなる利益は、個々のボロメータ検出器（４）が故障して開回路になる場合には、検出器の全体的な作用面積において損失は一部でしかないということである。
【００５４】
ボロメータ検出器（４）の大きな組（１０）を使用すると、ボロメータ検出器の組（１０）（一般に１つの赤外線検出器ごとにボロメータ検出器（４）が１または２組（１０））ごとに単独出力を与えて、外部電子回路が大幅に単純化する。
【００５５】
図３ｂを参照すると、雰囲気温度の変化によってもたらされた信号に対する補償は、ＰＩＲ検出器で現在広く用いられている方法と類似の、入ってくる放射から保護されるかまたは熱的に基板（８）から絶縁されていない複製のデバイス（ダミー）（２０）を使用するやり方で行われ得る。あるいは、図３ａを参照すると、複製のデバイス（ダミー）（２０）の代わりに定電流源（２２）が使用される。
【００５６】
ＰＩＲ検出器内で現在使用されている焦電検出器は、元来、入ってくる放射に交流結合されている（すなわち放射の変化にしか応答しない）。この焦電検出器向けの低い時定数は、一般に不明確である。侵入者検出器の場合には、この時定数は、どれほどゆっくり警報を作動させずに検出器が接近され得るかということを設定するパラメータである。図３に示される実施形態の侵入防止警報器では、外付けの交流結合コンデンサ（２４）が使用され、これで、必要に応じて時定数が正確に制御されることが可能になる。
【００５７】
本発明の一実施形態による集積受動型赤外線（ＰＩＲ）警報システム（３０）が図４に示される。ＰＩＲ警報器（３０）は、ボロメータ検出器の２つの組（３２、４２）を備え、その各々が関連する増幅器（３４、４４）を有する。検出器の２つの組（３２、４２）の各々からの出力は、増幅され（３４、４４）、バンドパスフィルタ（３６、４６）によってフィルタリングされ、コンパレータ（３８、４８）によってレベル閾値と比較される。次いで、アラーム出力（６０）を与えるために、警報プロセッサ（５０）によって論理的処理が行われる。侵入防止警報器として動作するように構成されたとき、論理的処理は、侵入者の存在および侵入者が移動している方向を判断する。別の実施形態では、論理的処理は、警報出力（６０）を出す前に、所与の期間において複数の事象を必要とする。
【００５８】
ボロメータ検出器（４）が製作されるプロセスは、従来のＣＭＯＳ加工技術と適合する。したがって、本発明の別の実施形態では、赤外線検出器は、ボロメータ検出器と同じチップ上に集積化された埋込み型マイクロプロセッサおよび複合のデジタル電子回路を備え、使用者が特定の用途のために特定の機能をプログラムすることを可能にする。
【００５９】
各ボロメータ検出器（４）は、ＷＯ／ＧＢ００／０３２４３に説明されるように製作されてよい。そのようなデバイスでは、マイクロブリッジとしてマイクロボロメータが形成され、その中で、例えばチタンの層が、薄い脚体によって、基板表面から約１μｍから４μｍ、一般に２．５μｍ離隔される。一般に、チタンは、０．０５μｍから０．３μｍの範囲内で約０．１μｍから０．２５μｍの厚さであり、１．５Ω／平方から６Ω／平方の範囲内で約３．３Ω／平方のシート抵抗を有する。チタンボロメータ検出器のマイクロブリッジは、約λ／４（λは検出されるべき放射の波長）の厚さを有する酸化シリコン層の下で支持される。そのようなチタン検出器は、３μｍから１４μｍの間の赤外線放射帯域のものを含む様々な波長を検出するように構成され得る。検出器上に入射する赤外線エネルギーは、マイクロブリッジ（チタン）および酸化シリコン層の組合せに吸収され、その後の温度変化がチタンの抵抗変化を引き起こす。したがって、検出器抵抗を測定することが、入射する放射振幅の値を与える。
【００６０】
従来の熱探知カメラでは、熱伝導を低下させるために真空内でのパッケージングが必要であり、そうしないと、ボロメータ検出器（４）を囲む空気を介して熱伝導が生じる。真空であると、この熱伝導がデバイスの支持脚を介した伝導を下回るように低下され得る。
【００６１】
大気圧の空気は、一般的な脚体の導電率の１００倍前後の導電性を有し、したがって、結像の場合における感度は、空気を使用すると真空より約１００倍悪いであろう。ボロメータ検出器を直流で動作させると、本発明のボロメータ検出器を囲む空気（またはある気体）の高い熱伝導によって、ボロメータ検出器内部の所与の温度上昇でより大きなバイアス電流が使用されることが可能になるので、この性能ロスのうちのいくらかは回復されることが可能になる。直流で動作する場合のボロメータを通るバイアス電流の制限は、ボロメータ自体の内部温度上昇で、雰囲気より１０℃程度上が一般的な値であろう。
【００６２】
高い熱伝導を有すると信号が低下して次式となる（一次近似を使用）。
【数１】
上式で、Ｉｓｉｇ＝信号電流、α＝温度係数、Ｐｓｉｇ＝信号の電力、Ｔｂｉａｓ＝直流電流によるバイアス温度、Ｒ＝電気抵抗、Ｇ＝熱伝導である。１次の電流ノイズは１／√Ｒに比例するので、性能は次式で与えられる。
【数２】
【００６３】
従来の結像配列に基づく値を使用して、空気を含む環境内に配置された１ｍｍ×０．２５ｍｍのピクセルの性能は、バイアス温度および電力消費の関数として予測されている（図５および図６参照）。この予測は、１００Ｈｚの帯域幅および５０％の有効放射吸収を想定している。
【００６４】
本発明による空気がパッケージされたボロメータ検出器で、雑音等価温度差（ＮＥＴＤ）０．１℃が達成可能であり、したがって真空パッケージングの高くつくステップを解消する。
【００６５】
空気より（係数２．５だけ）低い伝導率を有するキセノンなど高い分子（または原子）質量の気体を含む環境内にボロメータ検出器をパッケージングすることにより、かなりの省電力が達成可能であることは注目に値する。キセノンの高い原子量は、パッケージシールを通って拡散する可能性が空気より低いことを意味し、したがって、例えば、腐食および凝縮を防ぐために半導体産業で慣例的に行われる乾燥した窒素中での処理であるシーリング以上に厄介なシーリングをすることがない。
【００６６】
この例で用いられた１００Ｈｚの帯域幅は、軍用の高等級ＰＩＲシステムに一般的なものであり、家庭向きのＰＩＲシステムの場合には、ほとんど間違いなく係数１０だけ縮小（３倍優れた感度と等価）され得ることが留意されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線検出器の概略構想図である。
【図２】本発明の一実施形態によって構成されたボロメータ検出器の概略回路図である。図は、直列／並列構成に接続されているボロメータのネットワークを示す。
【図３ａ】ボロメータが定電流で動作されるとき、ボロメータ検出器からの出力が温度ドリフトに対してどのように補償されるかを示す図である。
【図３ｂ】温度ドリフトを補償するために複製（ダミー）ボロメータを使用したとき、ボロメータ検出器からの出力が温度ドリフトに対してどのように補償されるかを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による集積化ＰＩＲ警報システムの概略ブロック図である。
【図５】キセノンを含む環境内および空気を含む環境内でそれぞれ動作された本発明によるボロメータ検出器のバイアス温度（℃）に対する雑音等価温度差（感度）（℃）を示すグラフである。
【図６】キセノンを含む環境内および空気を含む環境内でそれぞれ動作された本発明によるボロメータ検出器の電力（Ｗ）に対する雑音等価温度差（感度）（℃）を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器に関し、より詳細には、受動型赤外線（ＰＩＲ）検出器に関する。そのような赤外線検出器は、侵入者検出システムおよび火災報知器に用途がある。
【背景技術】
【０００２】
本発明の背景として、従来の受動型赤外線（ＰＩＲ）検出器は、一般に鉛を基材とするセラミック材料、例えばジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む焦電検出器要素を利用する。検出器要素内に使用される鉛を基材とするセラミック材料は処理するのが比較的簡単であり、関連の製造技術が成熟している。数千万ものＰＩＲ検出器が、検出器要素当たり約１米ドルの一般的コストで毎年作成される。
【０００３】
上記にもかかわらず、従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器には、いくつかの潜在的な不都合がある。
【０００４】
従来のＰＩＲセンサは、一般にＰＩＲ検出器要素を含むいくつかの個別部品を有する部分組立体を備える。ＰＩＲ検出器要素はプレス加工したセラミック材料から切り取られていくつかの処理ステップを受け、それによって厚さが低下し、検出器が研磨される。検出器要素は、次にパッケージに取り付けられ、読出しトランジスタに接続される。通常、赤外線（ＩＲ）透過窓またはレンズがＰＩＲセンサに取り付けられる。様々な構成要素を、ＰＩＲ部分組立体へと処理して組み立てるには時間がかかり、また、小分けされていない検出器の切り離し製作、検出器自体の製造、および検出器の増幅器チップへの組み付けが必要である。したがって、ＰＩＲ検出器要素の処理、パッケージング、および接続に関連した個別の生産ステップが相まって、ＰＩＲ部分組立体の全体コストを増加させる。
【０００５】
技術的性能に関して、従来のＰＩＲ検出器の動作パラメータは、一般に、検出器要素が作成されるＰＺＴ材料の特性およびそれ自体の基板から熱的に絶縁される度合いによって決定される。ＰＺＴ材料の構成物のばらつきが検出器性能に影響することがあり、例えば時定数などの動作パラメータが、定義が不完全であったり不定であったりする。
【０００６】
ＰＩＲ検出器の性能も検出器要素の設計の関数であり、製作時に固定される。したがって、従来のＰＩＲ検出器の基幹動作パラメータ（例えば視野）は、製作後には変更され得ず、エンドユーザの特定の要求仕様に応じるためにも簡単には調整され得ない。
【０００７】
従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器を使用し続けることに影響し得るもう１つの要因は、電気機器および電子機器から重金属を除去するという今日の要求である。実際、電気機器および電子機器における欧州共同体の特定有害物質使用制限指令（ＲｏＨＳ）２００２／９５／ＥＣが、２００６年７月１日から欧州共同体（ＥＵ）全体にわたって施行されるであろう。したがって、従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器の製造業者は、既存のＰＩＲ検出器市場に供給するためには鉛を含まない代替の検出器方式を探し出さなければならないであろう。
【０００８】
従来の鉛を基材とするＰＩＲ検出器にはいくつかの代替が存在するが、そのような代替は、従来のＰＩＲ検出器の別の用途に向けられたものである。例えば、タンタル酸リチウムはＰＩＲ検出器内の代替材料として使用され得る。しかし、タンタル酸リチウムは、従来から高性能を必要とする用途に使用され、したがって、材料の高コストから、高品質で高コストでもある長距離の検出システムでの使用に向けられる。
【０００９】
ボロメータ検出器は、赤外線検出器のさらなる代替のクラスを与える。ボロメータ検出器は、従来から中程度の性能から高性能の民生用および軍用の赤外線結像用途に向けられ、通常２次元の焦点面配列（ＦＰＡ）に構成される。そのようなボロメータ配列は、従来から密封容器内の真空中で動作される。気密囲壁の長期間の密閉をもたらす技術は高くつく。その上、この配列は、適切な性能を確保するために、温度が安定化され、絶対温度が注意深く制御されることが必要であろう。この種の検出器からの多重出力を復号し、かつ配列内の検出器要素からの出力における不均一性を補正するために、通常、複雑な信号処理を行う電子ネットワークが必要とされる。
【００１０】
上記に留意すると、ボロメータ検出器は、本質的な技術的性能およびコスト上の理由で、従来のＰＺＴのＰＩＲ検出器に対する信頼できる代替とは見なされない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、代替の赤外線検出器を提供することである。本発明のさらなる目的は、前述の従来のＰＩＲ検出器の不都合を、少なくともいくつかは緩和する赤外線検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、複数のボロメータ検出器、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段、およびネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段を備える赤外線検出器が今や提案され、ボロメータ検出器は実質的に大気圧の環境内に配置され、使用時、バイアス手段は、ボロメータ検出器を実質的に一定のバイアス温度で動作させるように配置される。
【００１３】
上記の赤外線検出器は、ボロメータ検出器が、従来動作された真空環境を解消する一方で、適切な感度および性能を維持するという点で有利である。従来のボロメータ検出器のための真空環境を作り上げて維持するのに必要な技術は、比較的高くつく。したがって、本赤外線検出器は、従来のボロメータ検出器に対して顕著な経費削減を提供する。
【００１４】
明確にするために、標準大気圧は、単位圧力が７６０ｍｍＨｇまたは１４．７ポンド毎平方インチ（１．０１３２５×１０５パスカル）と等しいものと慣例的に定義される。しかし、これらの数値は、海抜ゼロメートル地点、０℃、および標準重力の下での標準大気圧を意味する。ここで言う大気圧は、周囲圧力と解釈されるものとし、上記の絶対値によって制限されないものとする。熟練者なら、大気圧が一定でなく、場所（例えば高度、温度、重力）および気象条件などを含むいくつかのパラメータに応じて変動することを容易に理解するであろう。
【００１５】
好ましい実施形態では、使用時、接続手段が、ネットワーク内で直列および並列の少なくとも１つにボロメータ検出器をともに接続するように配置される。このようにボロメータ検出器をともに接続することによって、赤外線検出器の総合的な感度を向上させることができる。感度における改善は、そのようにネットワーク内でともに接続された検出器の数の平方根と等しい。感度における改善は、ボロメータ検出器のそれ自体からの熱エネルギー伝導による性能劣化を少なくとも部分的に補償する。
【００１６】
別の好ましい実施形態では、バイアス手段は、使用時、ネットワーク内のボロメータ検出器要素に直流バイアス電流を供給するように配置される。
【００１７】
本ボロメータ検出器が動作される真空化されていない環境は、付加的な従来実現されなかった特別な利益を与える。すなわち、真空化されていない環境に伴う高い熱伝導によって、ボロメータ検出器内の所与の温度上昇に対してより大きなバイアス電流（直流バイアス）が使用されることになる。ボロメータからの信号電流が（一次近似で）バイアス電流に比例するので、本方法でバイアス電流を増加すると赤外線検出器の総合的な感度が増加する。前述のように、感度におけるこの改善は、環境を介する熱伝導向上によるボロメータ検出器の性能劣化を少なくとも部分的に補償する。上記とは対照的に、検出器要素の疲労および故障をまねく可能性がある検出器の過熱および熱サイクルを防ぐために、従来から、真空化されたボロメータ検出器には交流バイアスが使用されている。
【００１８】
したがって、本赤外線検出器は、真空化されていない環境の向上した熱伝導率を利用することにより、それ自体によってもたらされる性能劣化を少なくとも部分的に補償するために意外な利点を与える。
【００１９】
好ましくは、この赤外線検出器は、ボロメータ検出器、バイアス手段、および接続手段がその上に集積化されている基板を備える。読出しおよび信号処理回路も同じ基板上に集積化されてよい。集積化赤外線検出器によって製造が容易になり、したがって、個別部品に対して製造原価が低下する。
【００２０】
したがって、この赤外線検出器は、モノリシック集積回路を備えてよく、特にシリコンモノリシック集積回路を備えてよい。モノリシック集積回路は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）集積回路、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）集積回路および相補型ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＯＳ）集積回路のうちの１つでよい。したがって、この赤外線検出器は、標準的なシリコンＩＣの生産ラインで見られる技術を使用して製作され得る。
【００２１】
好都合には、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲である。好ましくは、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲である。さらに好ましくは、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲である。
【００２２】
一実施形態では、接続手段は、ネットワーク内のボロメータ検出器間に形成された複数の配線接続を備える。
【００２３】
別の実施形態では、接続手段は、ネットワーク内のボロメータ検出器を複数の構成へと再構成することができる。有利には、接続手段は、ネットワーク内のボロメータ検出器をリアルタイムで再構成することができる。ボロメータ検出器を再構成する能力があると、赤外線検出器の視野がエンドユーザの個々の要求に適合されることが可能になる。ボロメータのブロックが、赤外線検出器内に組み込まれるかまたは赤外線検出器から切り離され得て、そこから形成された合成ＰＩＲ検出器要素の外見上の形状を動的に変える。
【００２４】
例えば、視野は、入口、出口または窓に対応するように配置されてよい。その上、厄介な赤外線源（例えば暖房機器、放熱器など）を視野から除外することができ、それによって誤った警報が減少する。リアルタイムに再構成可能であることは、赤外線検出器にある程度の判断力を与えるのに利用することができ、赤外線検出器が、入射赤外線放射の変化またはパターンに対するその応答を適合させることを可能にする。
【００２５】
好ましくは、ボロメータ検出器は、少なくとも１つの抵抗ボロメータを備える。具体的には、ボロメータ検出器は、少なくとも１つのマイクロブリッジボロメータを備えてよい。
【００２６】
好都合には、ボロメータ検出器は行と列に配置される。
【００２７】
有利には、ボロメータの数は、１０個以上１０００個以下の範囲にある。一般に、０．５ｍｍ２から１ｍｍ２の間の面積のＰＩＲ検出器と取り替えるには、４０〜２００個のボロメータ検出器が必要になるはずであり、一般に７５μｍの正方形のものが使用されることになる。
【００２８】
好ましくは、ボロメータ検出器は、３μｍ〜１４μｍの範囲の波長を有する放射を検出するように構成される。特定用途のために、例えば日光による誤った警報を排除するために８μｍ〜１４μｍのサブバンドが選択されてよく、あるいは炎の検出用に４．２μｍ前後の狭帯域のサブバンドが選択されてよい。
【００２９】
ボロメータ検出器が配置される環境は、空気、窒素および高分子量気体（例えばキセノン、六フッ化硫黄）の少なくとも１つを含んでよい。高分子量気体を使用することにより、空気に比べてより低い熱伝導率のために省電力または性能向上が実現され得る。
【００３０】
本発明の第２の態様によれば、ボロメータ検出器からの流体を介した熱エネルギー伝導による赤外線検出器の感度低下を少なくとも部分的に補償するために流体に接して動作するように配置された複数のボロメータ検出器を有する赤外線検出器の感度を向上させる方法が今や提案され、この方法は、
（ｉ）直列と並列のうち少なくとも１つにボロメータ検出器をともに接続するステップと、
（ｉｉ）直流バイアス電流でボロメータ検出器を動作させるステップと、
（ｉｉｉ）実質的に一定のバイアス温度でボロメータ検出器を動作させるステップとのうち少なくとも１つを含む。
【００３１】
好ましくは、流体は実質的に大気圧にあり、空気、窒素および高分子量気体（例えばキセノン）のうち少なくとも１つを含む。
【００３２】
本発明の第３の態様によれば、複数のボロメータ検出器、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段、およびネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段を備える赤外線検出器を動作させるための方法が今や提案され、この方法は、ボロメータ検出器を実質的に大気圧の環境に配置するステップと、ボロメータ検出器を実質的に一定のバイアス温度で動作させるステップとを含む。
【００３３】
有利には、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲に保たれる。好ましくは、バイアス温度は雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲に保たれ、さらに好ましくは、雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲に保たれる。
【００３４】
本発明の第３の態様およびそれに関連した実施形態による方法に関して、環境は、好ましくは空気、窒素および高分子量気体（例えばキセノン）のうち少なくとも１つを含む。
【００３５】
本発明の第４の態様によれば、情景からの電磁放射を受け取るように構成された複数のボロメータ検出器がその上に集積化された基板と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段と、ボロメータ検出器ネットワークからの出力信号に応答する信号処理手段とを備える受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器が今や提案され、
信号処理手段は、ボロメータ検出器のネットワーク上に入射する電磁放射の変化による出力信号の変化を識別し、情景中の事象を示す出力を供給するように構成される。
【００３６】
具体的には、例えば、赤外線警報器の視野内の赤外線源の導入または運動から発生して、ボロメータ検出器上に入射する赤外線放射における空間的変化および時間的変化のうち少なくとも１つを出力が示し得る。
【００３７】
好ましくは、ボロメータ検出器は、実質的に大気圧の環境内に配置される。
【００３８】
好都合には、環境は、空気、窒素および高分子量気体の少なくとも１つを含む。
【００３９】
バイアス手段は、好ましくは実質的に一定のバイアス温度でボロメータ検出器を動作させるように配置される。
【００４０】
好都合には、使用時、バイアス温度は、雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲であるように計画される。好ましくは、バイアス温度は雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲であり、さらに好ましくは、雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲である。
【００４１】
好ましくは、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は、ボロメータ検出器と、バイアス手段と、接続手段と信号処理手段とがその上に集積化されている単一基板を備える。集積化ＰＩＲ警報器によって製造が容易になり、したがって、個別部品に対して製造原価が低下する。したがって、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は、モノリシック集積回路を備えてよく、特にシリコンモノリシック集積回路を備えてよい。モノリシック集積回路は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）集積回路、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）集積回路および相補型ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＯＳ）集積回路のうちの１つでよい。
【００４２】
シリコンを基材とする手法を使用すると、検出器自体と同じチップ上に完全なＰＩＲ検出システム（例えば増幅機能、検出閾値機能、タイミング機能）の集積化が実現可能であり、したがってはるかに小さくより廉価なＰＩＲ検出モジュールが作成されることが可能になる。正確なリソグラフィの使用は、ボロメータをベースにするＰＩＲ検出器が、非常に正確に定義された寸法、位置、および形状を有し得ることを意味する。
【００４３】
さらに、検出器チップ上にＰＩＲサブシステムの全機能を集積化することが可能であり、総コストがより低下する。
【００４４】
好ましい実施形態では、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は侵入防止警報器として動作するように構成される。
【００４５】
別の好ましい実施形態では、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器は火災報知器として動作するように構成される。
【００４６】
次に、本発明が、添付図面を参照しながら例としてのみ説明されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
従来のボロメータ検出器は、本質的な技術的性能および高コストの理由で、従来のＰＺＴのＰＩＲ検出器に対する信頼できる代替とは見なされない。主なコスト推進要因の１つは、ボロメータ検出器のまわりに真空化された密封容器を設けるのに必要とされるパッケージング技術である。本赤外線検出器では、ボロメータ検出器は、実質的に大気圧の環境（例えば空気）で動作され、それによって高くつく真空パッケージングを解消する。ボロメータ検出器から離れたところでの熱エネルギーの伝導は、空気中の方が真空中より高く、結果として赤外線検出器の感度が弱められる。しかし、本発明では、ネットワーク内で複数のボロメータ検出器をともに組み合わせることおよび／または高バイアス電力／電流でボロメータ検出器を動作させることにより、感度の低下は少なくとも部分的に補償される。
【００４８】
次に本発明の第１の実施形態を参照すると、図１は、基板（８）上に配置された複数のボロメータ検出器（４）および関連する電子回路（６）を備える赤外線検出器（２）を示す。
【００４９】
ボロメータ検出器は、直列／並列接続されているブロックとして構成される。
【００５０】
このようにともに接続されている複数の検出器を動作させると、検出器数の平方根と等しい感度の改善を与える。例えば、０．２５ｍｍ×１．０ｍｍの寸法をしている従来のＰＩＲ検出器は、１４×３のボロメータ検出器の組と取り替えられ得て（現在の焦点面配列で見つかったボロメータ検出器の密度と類似のものを想定）、これは単一のボロメータ検出器より６．５倍高感度になるであろう。
【００５１】
個々のボロメータ検出器（４）は、直列、並列、または直列／並列の組合せに電気的に接続され、入手可能な電子回路（６）と整合するのに好都合な総電気抵抗を与える。例えば、増幅器を高電圧ノイズに対応させるためには、直列の組合せが使用されるであろう。
【００５２】
図２は、本発明によって直列／並列構成に接続されたボロメータ検出器（４）のネットワークを示す。
【００５３】
図２では、総合的な抵抗は、個々のボロメータ検出器（４）の値の５／４であろう。少なくともいくつかの並列接続を使用することのさらなる利益は、個々のボロメータ検出器（４）が故障して開回路になる場合には、検出器の全体的な作用面積において損失は一部でしかないということである。
【００５４】
ボロメータ検出器（４）の大きな組（１０）を使用すると、ボロメータ検出器の組（１０）（一般に１つの赤外線検出器ごとにボロメータ検出器（４）が１または２組（１０））ごとに単独出力を与えて、外部電子回路が大幅に単純化する。
【００５５】
図３ｂを参照すると、雰囲気温度の変化によってもたらされた信号に対する補償は、ＰＩＲ検出器で現在広く用いられている方法と類似の、入ってくる放射から保護されるかまたは熱的に基板（８）から絶縁されていない複製のデバイス（ダミー）（２０）を使用するやり方で行われ得る。あるいは、図３ａを参照すると、複製のデバイス（ダミー）（２０）の代わりに定電流源（２２）が使用される。
【００５６】
ＰＩＲ検出器内で現在使用されている焦電検出器は、元来、入ってくる放射に交流結合されている（すなわち放射の変化にしか応答しない）。この焦電検出器向けの低い時定数は、一般に不明確である。侵入者検出器の場合には、この時定数は、どれほどゆっくり警報を作動させずに検出器が接近され得るかということを設定するパラメータである。図３に示される実施形態の侵入防止警報器では、外付けの交流結合コンデンサ（２４）が使用され、これで、必要に応じて時定数が正確に制御されることが可能になる。
【００５７】
本発明の一実施形態による集積受動型赤外線（ＰＩＲ）警報システム（３０）が図４に示される。ＰＩＲ警報器（３０）は、ボロメータ検出器の２つの組（３２、４２）を備え、その各々が関連する増幅器（３４、４４）を有する。検出器の２つの組（３２、４２）の各々からの出力は、増幅され（３４、４４）、バンドパスフィルタ（３６、４６）によってフィルタリングされ、コンパレータ（３８、４８）によってレベル閾値と比較される。次いで、アラーム出力（６０）を与えるために、警報プロセッサ（５０）によって論理的処理が行われる。侵入防止警報器として動作するように構成されたとき、論理的処理は、侵入者の存在および侵入者が移動している方向を判断する。別の実施形態では、論理的処理は、警報出力（６０）を出す前に、所与の期間において複数の事象を必要とする。
【００５８】
ボロメータ検出器（４）が製作されるプロセスは、従来のＣＭＯＳ加工技術と適合する。したがって、本発明の別の実施形態では、赤外線検出器は、ボロメータ検出器と同じチップ上に集積化された埋込み型マイクロプロセッサおよび複合のデジタル電子回路を備え、使用者が特定の用途のために特定の機能をプログラムすることを可能にする。
【００５９】
各ボロメータ検出器（４）は、ＷＯ／ＧＢ００／０３２４３に説明されるように製作されてよい。そのようなデバイスでは、マイクロブリッジとしてマイクロボロメータが形成され、その中で、例えばチタンの層が、薄い脚体によって、基板表面から約１μｍから４μｍ、一般に２．５μｍ離隔される。一般に、チタンは、０．０５μｍから０．３μｍの範囲内で約０．１μｍから０．２５μｍの厚さであり、１．５Ω／平方から６Ω／平方の範囲内で約３．３Ω／平方のシート抵抗を有する。チタンボロメータ検出器のマイクロブリッジは、約λ／４（λは検出されるべき放射の波長）の厚さを有する酸化シリコン層の下で支持される。そのようなチタン検出器は、３μｍから１４μｍの間の赤外線放射帯域のものを含む様々な波長を検出するように構成され得る。検出器上に入射する赤外線エネルギーは、マイクロブリッジ（チタン）および酸化シリコン層の組合せに吸収され、その後の温度変化がチタンの抵抗変化を引き起こす。したがって、検出器抵抗を測定することが、入射する放射振幅の値を与える。
【００６０】
従来の熱探知カメラでは、熱伝導を低下させるために真空内でのパッケージングが必要であり、そうしないと、ボロメータ検出器（４）を囲む空気を介して熱伝導が生じる。真空であると、この熱伝導がデバイスの支持脚を介した伝導を下回るように低下され得る。
【００６１】
大気圧の空気は、一般的な脚体の導電率の１００倍前後の導電性を有し、したがって、結像の場合における感度は、空気を使用すると真空より約１００倍悪いであろう。ボロメータ検出器を直流で動作させると、本発明のボロメータ検出器を囲む空気（またはある気体）の高い熱伝導によって、ボロメータ検出器内部の所与の温度上昇でより大きなバイアス電流が使用されることが可能になるので、この性能ロスのうちのいくらかは回復されることが可能になる。直流で動作する場合のボロメータを通るバイアス電流の制限は、ボロメータ自体の内部温度上昇で、雰囲気より１０℃程度上が一般的な値であろう。
【００６２】
高い熱伝導を有すると信号が低下して次式となる（一次近似を使用）。
【数１】
上式で、Ｉｓｉｇ＝信号電流、α＝温度係数、Ｐｓｉｇ＝信号の電力、Ｔｂｉａｓ＝直流電流によるバイアス温度、Ｒ＝電気抵抗、Ｇ＝熱伝導である。１次の電流ノイズは１／√Ｒに比例するので、性能は次式で与えられる。
【数２】
【００６３】
従来の結像配列に基づく値を使用して、空気を含む環境内に配置された１ｍｍ×０．２５ｍｍのピクセルの性能は、バイアス温度および電力消費の関数として予測されている（図５および図６参照）。この予測は、１００Ｈｚの帯域幅および５０％の有効放射吸収を想定している。
【００６４】
本発明による空気がパッケージされたボロメータ検出器で、雑音等価温度差（ＮＥＴＤ）０．１℃が達成可能であり、したがって真空パッケージングの高くつくステップを解消する。
【００６５】
空気より（係数２．５だけ）低い伝導率を有するキセノンなど高い分子（または原子）質量の気体を含む環境内にボロメータ検出器をパッケージングすることにより、かなりの省電力が達成可能であることは注目に値する。キセノンの高い原子量は、パッケージシールを通って拡散する可能性が空気より低いことを意味し、したがって、例えば、腐食および凝縮を防ぐために半導体産業で慣例的に行われる乾燥した窒素中での処理であるシーリング以上に厄介なシーリングをすることがない。
【００６６】
この例で用いられた１００Ｈｚの帯域幅は、軍用の高等級ＰＩＲシステムに一般的なものであり、家庭向きのＰＩＲシステムの場合には、ほとんど間違いなく係数１０だけ縮小（３倍優れた感度と等価）され得ることが留意されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線検出器の概略構想図である。
【図２】本発明の一実施形態によって構成されたボロメータ検出器の概略回路図である。図は、直列／並列構成に接続されているボロメータのネットワークを示す。
【図３ａ】ボロメータが定電流で動作されるとき、ボロメータ検出器からの出力が温度ドリフトに対してどのように補償されるかを示す図である。
【図３ｂ】温度ドリフトを補償するために複製（ダミー）ボロメータを使用したとき、ボロメータ検出器からの出力が温度ドリフトに対してどのように補償されるかを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による集積化ＰＩＲ警報システムの概略ブロック図である。
【図５】キセノンを含む環境内および空気を含む環境内でそれぞれ動作された本発明によるボロメータ検出器のバイアス温度（℃）に対する雑音等価温度差（感度）（℃）を示すグラフである。
【図６】キセノンを含む環境内および空気を含む環境内でそれぞれ動作された本発明によるボロメータ検出器の電力（Ｗ）に対する雑音等価温度差（感度）（℃）を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のボロメータ検出器（４）と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段とを備える赤外線検出器（２）であって、ボロメータ検出器（４）が実質的に大気圧の環境に配置され、使用時、バイアス手段が、ボロメータ検出器（４）を実質的に一定のバイアス温度で動作させるように配置される、赤外線検出器（２）。
【請求項２】
使用時、接続手段が、ネットワーク内で直列および並列の少なくとも１つにボロメータ検出器（４）をともに接続するように配置される、請求項１に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項３】
使用時、バイアス手段が、ネットワーク内のボロメータ検出器要素（４）に直流バイアス電流を供給するように配置される、請求項１または２に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項４】
ボロメータ検出器（４）と、バイアス手段と、接続手段とがその上に集積化されている基板（８）を備える、請求項１から３のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項５】
モノリシック集積回路を備える、請求項４に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項６】
シリコンモノリシック集積回路を備える、請求項５に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項７】
モノリシック集積回路が、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）集積回路、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）集積回路および相補型ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＯＳ）集積回路のうちの１つである、請求項６に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項８】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲にある、請求項１から７のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項９】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲にある、請求項８に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１０】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲にある、請求項９に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１１】
接続手段が、ネットワーク内のボロメータ検出器（４）を複数の構成に再構成することができる、請求項１から１０のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１２】
接続手段が、ネットワーク内のボロメータ検出器（４）をリアルタイムで再構成することができる、請求項１１に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１３】
ボロメータ検出器（４）が少なくとも１つの抵抗ボロメータを備える、請求項１から１２のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１４】
ボロメータ検出器（４）が少なくとも１つのマイクロブリッジボロメータを備える、請求項１から１３のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１５】
その中でボロメータ検出器（４）が行と列に配置される、請求項１から１４のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１６】
ボロメータ検出器（４）の数が１０個以上〜１０００個以下の範囲、好ましくは４０個以上〜２００個以下の範囲にある、請求項１から１５のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１７】
ボロメータ検出器（４）が、３μｍ〜１４μｍの範囲の波長を有する放射を検出するように構成された、請求項１から１６のいずれかに記載の焦点面検出器（２）。
【請求項１８】
環境が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む、請求項１から１７のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１９】
ボロメータ検出器（４）からの流体を介した熱エネルギー伝導による赤外線検出器の感度低下を少なくとも部分的に補償するために、流体に接して動作するように配置された複数のボロメータ検出器（４）を有して赤外線検出器（２）の感度を向上させるための方法であって、
（ｉ）直列と並列のうち少なくとも１つにボロメータ検出器（４）をともに接続するステップと、
（ｉｉ）直流バイアス電流でボロメータ検出器（４）を動作させるステップと、
（ｉｉｉ）実質的に一定のバイアス温度でボロメータ検出器（４）を動作させるステップとのうち少なくとも１つを含む、方法。
【請求項２０】
流体が実質的に大気圧にある、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
流体が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む、請求項１９または２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
複数のボロメータ検出器（４）と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段とを備える赤外線検出器（２）を動作させるための方法であって、ボロメータ検出器（４）を実質的に大気圧の環境に配置するステップと、ボロメータ検出器を実質的に一定のバイアス温度で動作させるステップとを含む、方法。
【請求項２３】
バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲に維持される、請求項１９から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲に維持される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲に維持される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
環境が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む請求項２２あるいは直接的または間接的に請求項２２に従属するとき、請求項２３から２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
情景からの電磁放射を受け取るように構成された複数のボロメータ検出器（３２、４２）がその上に集積化されている基板（８）と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段と、ボロメータ検出器ネットワークからの出力信号に応答する信号処理手段（３４、３６、３８、４４、４６、４８、５０）とを備える受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器であって、
信号処理手段（３４、３６、３８、４４、４６、４８、５０）が、ボロメータ検出器（４）のネットワーク上に入射する電磁放射の変化による出力信号の変化を識別し、情景中の事象を示す出力（６０）を供給するように構成される、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項２８】
ボロメータ検出器（３２、４２）が実質的に大気圧の環境内に配置される、請求項２７に記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項２９】
環境が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む、請求項２８に記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項３０】
使用時、バイアス手段が、ボロメータ検出器（３２、４２）を実質的に一定のバイアス温度で動作させるように配置される、請求項２７から２９のいずれかに記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項３１】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲にある、請求項３０に記載の赤外線検出器。
【請求項３２】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲にある、請求項３１に記載の赤外線検出器。
【請求項３３】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲にある、請求項３２に記載の赤外線検出器。
【請求項３４】
侵入防止警報器として動作するように構成された、請求項３１から３７のいずれかに記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項３５】
火災報知器として動作するように構成された、請求項２７から３４のいずれかに記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項１】
複数のボロメータ検出器（４）と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段とを備える赤外線検出器（２）であって、ボロメータ検出器（４）が実質的に大気圧の環境に配置され、使用時、バイアス手段が、ボロメータ検出器（４）を実質的に一定のバイアス温度で動作させるように配置される、赤外線検出器（２）。
【請求項２】
使用時、接続手段が、ネットワーク内で直列および並列の少なくとも１つにボロメータ検出器（４）をともに接続するように配置される、請求項１に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項３】
使用時、バイアス手段が、ネットワーク内のボロメータ検出器要素（４）に直流バイアス電流を供給するように配置される、請求項１または２に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項４】
ボロメータ検出器（４）と、バイアス手段と、接続手段とがその上に集積化されている基板（８）を備える、請求項１から３のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項５】
モノリシック集積回路を備える、請求項４に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項６】
シリコンモノリシック集積回路を備える、請求項５に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項７】
モノリシック集積回路が、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）集積回路、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）集積回路および相補型ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＯＳ）集積回路のうちの１つである、請求項６に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項８】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲にある、請求項１から７のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項９】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲にある、請求項８に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１０】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲にある、請求項９に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１１】
接続手段が、ネットワーク内のボロメータ検出器（４）を複数の構成に再構成することができる、請求項１から１０のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１２】
接続手段が、ネットワーク内のボロメータ検出器（４）をリアルタイムで再構成することができる、請求項１１に記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１３】
ボロメータ検出器（４）が少なくとも１つの抵抗ボロメータを備える、請求項１から１２のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１４】
ボロメータ検出器（４）が少なくとも１つのマイクロブリッジボロメータを備える、請求項１から１３のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１５】
その中でボロメータ検出器（４）が行と列に配置される、請求項１から１４のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１６】
ボロメータ検出器（４）の数が１０個以上〜１０００個以下の範囲、好ましくは４０個以上〜２００個以下の範囲にある、請求項１から１５のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１７】
ボロメータ検出器（４）が、３μｍ〜１４μｍの範囲の波長を有する放射を検出するように構成された、請求項１から１６のいずれかに記載の焦点面検出器（２）。
【請求項１８】
環境が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む、請求項１から１７のいずれかに記載の赤外線検出器（２）。
【請求項１９】
ボロメータ検出器（４）からの流体を介した熱エネルギー伝導による赤外線検出器の感度低下を少なくとも部分的に補償するために、流体に接して動作するように配置された複数のボロメータ検出器（４）を有して赤外線検出器（２）の感度を向上させるための方法であって、
（ｉ）直列と並列のうち少なくとも１つにボロメータ検出器（４）をともに接続するステップと、
（ｉｉ）直流バイアス電流でボロメータ検出器（４）を動作させるステップと、
（ｉｉｉ）実質的に一定のバイアス温度でボロメータ検出器（４）を動作させるステップとのうち少なくとも１つを含む、方法。
【請求項２０】
流体が実質的に大気圧にある、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
流体が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む、請求項１９または２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
複数のボロメータ検出器（４）と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段とを備える赤外線検出器（２）を動作させるための方法であって、ボロメータ検出器（４）を実質的に大気圧の環境に配置するステップと、ボロメータ検出器を実質的に一定のバイアス温度で動作させるステップとを含む、方法。
【請求項２３】
バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲に維持される、請求項１９から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲に維持される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲に維持される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
環境が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む請求項２２あるいは直接的または間接的に請求項２２に従属するとき、請求項２３から２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
情景からの電磁放射を受け取るように構成された複数のボロメータ検出器（３２、４２）がその上に集積化されている基板（８）と、ボロメータ検出器にバイアスを印加するための手段と、ネットワークを形成するようにボロメータ検出器をともに接続するための手段と、ボロメータ検出器ネットワークからの出力信号に応答する信号処理手段（３４、３６、３８、４４、４６、４８、５０）とを備える受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器であって、
信号処理手段（３４、３６、３８、４４、４６、４８、５０）が、ボロメータ検出器（４）のネットワーク上に入射する電磁放射の変化による出力信号の変化を識別し、情景中の事象を示す出力（６０）を供給するように構成される、受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項２８】
ボロメータ検出器（３２、４２）が実質的に大気圧の環境内に配置される、請求項２７に記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項２９】
環境が、空気、窒素および高分子量気体のうち少なくとも１つを含む、請求項２８に記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項３０】
使用時、バイアス手段が、ボロメータ検出器（３２、４２）を実質的に一定のバイアス温度で動作させるように配置される、請求項２７から２９のいずれかに記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項３１】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から５０℃以下の範囲にある、請求項３０に記載の赤外線検出器。
【請求項３２】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から２０℃以下の範囲にある、請求項３１に記載の赤外線検出器。
【請求項３３】
使用時、バイアス温度が雰囲気より上の１℃以上から１０℃以下の範囲にある、請求項３２に記載の赤外線検出器。
【請求項３４】
侵入防止警報器として動作するように構成された、請求項３１から３７のいずれかに記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【請求項３５】
火災報知器として動作するように構成された、請求項２７から３４のいずれかに記載の受動型赤外線（ＰＩＲ）警報器。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００８−５１９９７２（Ｐ２００８−５１９９７２Ａ）
【公表日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４０７１２（Ｐ２００７−５４０７１２）
【出願日】平成１７年１１月１１日（２００５．１１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００４３５４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０５１３０８
【国際公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１１日（２００５．１１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００４３５４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０５１３０８
【国際公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
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