JP2000065514A - 表面形状認識用センサ回路 - Google Patents
表面形状認識用センサ回路Info
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Abstract
して発生させる。 【解決手段】 上部電極4に接続される第1の端子と下
部電極1に接続される第2の端子間の容量が測定対象物
の表面凹凸に応じて変化する容量センサ素子Cfと、第
2の端子に接続されCfの容量の変化を検出する検出回
路10と、第2の端子と外部電位Vpとの接続をオン・
オフするスイッチSWと、第1の端子の電位を制御し、
かつスイッチのオン・オフを制御する制御手段11とを
備え、制御手段は第1の端子を一定電位にしてスイッチ
をオンしてCfを充電した後、前記スイッチをオフする
とともに第1の端子の電位を前記一定電位とは異なる電
位に変化させ、検出回路は、スイッチがオフになり第1
の端子の電位が一定電位とは異なる電位に変化したとき
の第2の端子の電位を検出する。
Description
ンサ回路に関するものであり、特に人間の指紋や動物の
鼻紋などの微細な凹凸を感知する容量形センサ回路に関
する。
た表面形状認識用センサ回路としては、「‘ISSCC
DIGEST OF TECHNICAL PAPE
RS’FEBRUARY 1998 pp.284〜2
85」に記載されている回路がある。このセンサ回路
は、図6に示すようにLSIチップ30の上に2次元に
配列された小さなセンサ素子20の電極と、この電極上
に形成された絶縁膜を介して触れた指40の皮膚との間
に形成される静電容量を検出して、指紋の凹凸パターン
を感知するものである。
なるため、この容量差を検出することで指紋の凹凸を感
知することができる。このようにな測定対象物の表面形
状の凹凸を反映した容量値を検出するセンサ回路の実現
例を図4に示す。図4において、Cfは測定対象物の表
面形状の凹凸を反映した容量である。Csは節点N2の
電位を変化させための容量、Cpは寄生容量である。ま
た、Vpは後述のスイッチSWの閉結により節点N2に
与えられる電位、Vsは図中の節点N4の電位である。
なお、節点N3は指の皮膚にあたる。そのため、節点N
3には特定の電位をセンサ回路からは与えていないが、
ある電位に固定されていると考えてよい。Pはスイッチ
SWを制御する信号である。スイッチSWは例えばMO
Sトランジスタを用いて実現することができる。なお、
10は検出回路である。
のタイミングチャートに基づいて説明する。まず、図5
(a)において制御信号PをHighレベルにすること
によりスイッチSWを導通状態にし、図4の節点N2の
電位を電圧VPに設定する。この動作をプリチャージと
呼ぶ。節点N2をブリチャージ後、制御信号PをLow
レベルにしてスイッチSWを非導通状態にした後、Vs
の電位を変化させる。
節点N2の電位は容量Csによる容量結合に基づいて変
化する。節点N2の電位の変化量△VN2は、 △VN2=Cs/(Cf+Cp+Cs)*△Vs (1) となる。ここで測定対象物の表面形状が凹の場合のCf
の値をCf0、表面形状が凸の場合のCfの値をCf1
とすると(この場合、Cf0<Cf1となる)、表面形
状の違いによる変化量の差△Vは、 ΔV= (Cs/(Cf0+Cp+Cs)−Cs/(Cf1+Cp+Cs))*△Vs (2) となる。したがって、測定対象物の表面形状の違いによ
る変化量の差△Vを検出回路10により判定することで
測定対象物の表面形状の凹凸を検出することができる。
表面形状認識用センサ回路では、寄生容量Cpおよび節
点N2の電位を変化させための容量Csの影響により、
表面形状の違いによる変化量の差△Vをあまり大きくで
きないという問題がある。ここで、検出回路10の製造
ばらつきや電源ノイズ等を考慮すると、表面形状の違い
による変化量の差△Vは大きいことが望ましい。容量C
sをある程度大きくすることで変化量の差△Vを大きく
することができるが、容量Csは寄生容量Cpと並列に
接続されているために寄生容量Cpと同じ影響を与えて
しまい、必要以上に容量Csを大きくすると、逆に表面
形状の違いによる変化量の差△Vは小さくなってしま
う。また、寄生容量Cpの値によって最適な容量Csの
値が異なるため、あらかじめ寄生容量Cpの値を予測し
て容量Csの大きさを設計しなければならない。実際
は、寄生容量Cpの見積り値と実際の値は異なるため、
容量Csを最適値にすることは難しい。また、寄生容量
Cpの見積り値と実際の値が大きく異なると、センサ回
路が所望の通り動作しなくなってしまう。
回路では、表面形状に対応した大きな信号差を発生する
ことが困難であった。特に指紋のように微小な凹凸を検
出しようとする場合、変化量の差△Vは非常に小さくな
ってしまう。この結果、検出回路の製造ばらつきや電源
ノイズ等により指紋パターンの検出精度が低下したり、
または検出できないという問題があった。本発明は、上
述の問題を解決するべくなされたものでありその目的と
するところは、指紋のような微小な凹凸を、大きな信号
差として発生させることにある。
るために本発明は、測定対象物の表面凹凸に応じて第1
の端子と第2の端子間の容量が変化する容量センサ素子
と、第2の端子に接続され容量センサ素子の容量の変化
を検出する検出手段と、第2の端子と外部電位との接続
をオン・オフするスイッチと、第1の端子の電位を制御
するとともに、スイッチのオン・オフを制御する制御手
段とを備え、制御手段は、第1の端子を一定電位にして
スイッチをオンして容量センサ素子を充電した後、スイ
ッチをオフするとともに第1の端子の電位を前記一定電
位とは異なる電位に変化させ、検出手段は、スイッチが
オフになり第1の端子の電位が一定電位とは異なる電位
に変化したときの第2の端子の電位を検出するようにし
たものである。また、半導体基板と、半導体基板上に形
成された少なくとも1つの下部電極と、半導体基板上に
容量センサ素子毎に形成された導電性を有する支持部材
と、支持部材上に形成された上部電極とを備え、上記容
量センサ素子の第1及び第2の端子はそれぞれ上部電極
及び下部電極に接続されるとともに、制御手段は、上部
電極及び下部電極の電位を個別に制御するものである。
サ回路は、センサ素子を構成する容量の複数の電極の電
位を個別に制御する手段を有することを主な特徴とす
る。そしてこうした手段を備えることにより、測定対象
物の表面形状を反映した大きな信号差を発生する手段を
提供することができる。
する。図1は本発明に係る表面形状認識用センサ回路の
構成を示す図であり、半導体基板上に二次元配列された
図6に示すセンサアレイ(LSI)30のうち1つのセ
ンサ素子20の断面を示すものである。
膜、3は支持部材、4は上部電極、5は半導体基板、6
は保護膜、10は検出回路、SWはスイッチである。こ
こで、各センサ素子20は支持部材3により分離され
る。なお、図1において、Cfは上部電極4と下部電極
1間の容量であり、保護膜6上にある測定対象物の表面
形状の凹凸を反映した容量である。また、Cpは寄生容
量、Vpは図中の節点N1に与えられる外部電位であ
る。さらに、PはスイッチSWの制御信号である。スイ
ッチSWは例えばMOSトランジスタを用いて実現する
ことができる。また、10は検出回路、11は制御手段
である。図1に示すセンサ回路は、図4の従来回路に対
し、節点の電位を変化させための容量Csを削除した点
が異なる。また、容量Cfの節点N1に接続している下
部電極1とは異なる、もう一方の上部電極4の電位も制
御している点も異なる。
るために、本出願人の別途出願である特願平10−53
911号に記載されている方法を用いた場合を示してい
るが、本発明はこれに限定されるものではない。この特
願平10−53911号においては、容量CfはLSI
チップの上に変形可能な上部電極4と半導体基板5上に
配置された下部電極1とにより構成される。また、上部
電極4は導電性を有した支持部材3によって支えられて
いる。そして、測定対象物の表面形状の凹凸に対応して
上部電極4が変形するため、容量Cfの値が変化する。
この容量Cfの値の変化は、容量Cfが接続された下部
電極1及び節点N1を介して検出回路10により検出さ
れる。なお、容量Cfの上部電極4の電位の制御は、導
電体である支持部材3の電位を制御することで可能にな
る。即ち、支持部材3と接続される金属膜2に、電圧V
sを与えることで上部電極4の電位を制御することがで
きる。
タイミングチャートに基づいて説明する。まず、制御手
段11は、図2(b)の時点で電圧Vsを一定電位と
し、これを金属膜2及び支持部材3を介して上部電極4
に与える。次に制御手段11は、図2(a)の時点で
制御信号PをHighレベルにしてスイッチSWを導通
状態にし、図1に示す節点N1の電位を外部電圧Vpに
プリチャージして、容量Cfを充電する。節点N1をプ
リチャージ後、制御手段11は図2(a)の時点で制
御信号PをLowレベルにしてスイッチSWを非導通状
態にし、さらにVsの電位を図2(b)に示すように前
記一定電位からΔVs分変化させる。ここで、電圧Vs
の変化量が△Vsである場合、節点N1の電位は容量C
fによる容量結合により変化し、節点N1の電位の変化
量は Cf/(Cf+Cp)*△Vs (3) となる。
Cf0、表面形状が凸の場合のCfの値をCf1とする
と(この場合、Cf0<Cf1となる)、表面形状の違
いによる変化量の差△Vは、 ΔV= (Cf1/(Cf1+Cp)−Cf0/(Cf0+Cp))*△Vs (4) となる。
△Vを検出回路10で検出して判定することにより、表
面形状の凹凸を検出する。このように本センサ回路は、
容量Cfに接続される複数の電極の電位を、検出のタイ
ミングに合わせて変化させることにより、容量Cfの容
量変化に対応する電圧変化を大きくして検出感度を高め
るようにしたものである。ここで、表面形状の違いによ
る変化量の差△Vの大きさを従来例と比較した場合の例
を図3に示す。図3において、横軸はCpとCf0との
比である。図3からわかるように、本発明のセンサ回路
の方が表面形状の違いによる変化量の差△Vが大きくな
っていることがわかる。したがって、従来の表面形状認
識用センサ回路に比べて表面形状の凹凸を反映した信号
変化の差を大きくすることができる。なお、表面形状の
違いによる変化量の差△Vは、寄生容量Cpを小さくし
た方がより大きくなることは図3から明らかである。
サ回路では、Cfによる容量結合を利用して測定対象物
表面形状の凹凸を反映した信号を発生させるため、従来
例に比べて表面形状の凹凸を反映した信号変化の差を大
きくすることができる。また、容量Csが不要となるこ
とから、設計時に寄生容量Cpを見積ることが不要にな
り、したがって寄生容量Cpを見積もって適切な容量C
sを設計する煩雑さをなくすことができる。この結果、
本表面形状認識用センサ回路は、検出回路10の製造ば
らつきや電源ノイズ等によって指紋パターンの検出精度
が低下したり、検出できなくなるといった問題を防ぐこ
とができる。
部電極(第1の端子)と下部電極(第2の端子)間の容
量センサ素子Cfによる容量結合を利用して測定対象物
の表面形状の凹凸を反映した信号を発生させるため、従
来例に比べて表面形状の凹凸を反映した信号変化の差を
大きくすることができる。また、節点の電位を変化させ
ための容量Csが不要になるため、設計時に寄生容量C
pを見積もって適切なCsを設計する煩雑さをなくすこ
とができる。このため、検出回路の製造ばらつきや電源
ノイズ等によって指紋パターンの検出精度が低下した
り、検出できなくなるという問題を防ぐことができる効
果がある。特に指紋のように微小な凹凸を検出する表面
形状認識用センサに本発明のセンサ回路を適用すれば、
効果は大である。
トである。
変化の差を本発明のセンサ回路と従来回路とで比較した
場合のグラフである。
る。
極、5…半導体基板、6…保護膜、10…検出回路、1
1…制御手段、20…センサ素子、Vp,Vs…電位、
ΔVs…電位の変化量、ΔV…電位の変化量の差、N1
〜N4…節点、Cf…容量センサ素子、Cf0…表面形
状が凹の場合の容量センサ素子の容量、Cf1…表面形
状が凸の場合の容量センサ素子の容量、Cp…寄生容
量、Cs…信号発生に用いる容量。
Claims (2)
- 【請求項1】 測定対象物の表面凹凸に応じて第1の端
子と第2の端子間の容量が変化する容量センサ素子と、 前記第2の端子に接続され前記容量センサ素子の容量の
変化を検出する検出手段と、 前記第2の端子と外部電位との接続をオン・オフするス
イッチと、 前記第1の端子の電位を制御するとともに、前記スイッ
チのオン・オフを制御する制御手段とを備え、 前記制御手段は、前記第1の端子を一定電位にして前記
スイッチをオンして前記容量センサ素子を充電した後、
前記スイッチをオフするとともに前記第1の端子の電位
を前記一定電位とは異なる電位に変化させ、 前記検出手段は、前記スイッチがオフになり前記第1の
端子の電位が前記一定電位とは異なる電位に変化したと
きの前記第2の端子の電位を検出することを特徴とする
表面形状認識用センサ回路。 - 【請求項2】 請求項1において、 半導体基板と、前記半導体基板上に形成された少なくと
も1つの下部電極と、前記半導体基板上に前記容量セン
サ素子毎に形成された導電性を有する支持部材と、前記
支持部材上に形成された上部電極とを備え、前記容量セ
ンサ素子の第1及び第2の端子はそれぞれ前記上部電極
及び下部電極に接続されるとともに、前記制御手段は、
前記上部電極及び下部電極の電位を個別に制御すること
を特徴とする表面形状認識用センサ回路。
Priority Applications (4)
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DE69933339T DE69933339T8 (de) | 1998-07-02 | 1999-07-01 | Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen |
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Family Applications (1)
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP2009216506A (ja) * | 2008-03-10 | 2009-09-24 | Fujitsu Microelectronics Ltd | 容量センサー |
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-
1998
- 1998-08-20 JP JP23385898A patent/JP3270927B2/ja not_active Expired - Lifetime
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EP2339751A2 (en) | 2009-12-22 | 2011-06-29 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Capacitance discrimination circuit and touch switch equipped with the same |
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