JP3775601B2

JP3775601B2 - 静電容量検出装置及びその駆動方法、指紋センサ並びにバイオメトリクス認証装置

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Publication number: JP3775601B2
Application number: JP2003112842A
Authority: JP
Inventors: 弘幸原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: EP1475740A2; US20040247163A1; KR100808227B1; CN1266450C; KR20040090473A; TW200424498A; EP1475740A3; JP2004317353A; US7053633B2; CN1538142A; EP1475740B1; DE602004002613T2; DE602004002613D1; TWI252302B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は指紋等の微小な凹凸を有する被験物の表面形状を静電容量変化として読み取る静電容量検出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−１１８４１５号公報、特開２０００−３４６６０８号公報、特開２００１−５６２０４号公報、特開２００１−１３３２１３号公報には、単結晶シリコン基板上に形成されたセンサ電極の表面を誘電体膜で被覆し、指先の電位を基準電位として、指先とセンサ電極間に形成される静電容量が指紋の凹凸に応じて変化することを利用して指紋を認識する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１１８４１５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４６６０８号公報
【特許文献３】
特開２００１−５６２０４号公報
【特許文献４】
特開２００１−１３３２１３号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の静電容量式指紋センサは、単結晶シリコン基板上に形成されているために、指先を指紋センサに強く押し付けると割れてしまうという不都合があった。また、指紋センサを構成するには、指先の面積（およそ２０ｍｍ×２０ｍｍ）程度の大きさに形成する必要があるため、単結晶シリコン基板に形成すると高価になるという不都合も生じていた。さらに、センサ電極とトランジスタを組み合わせた静電容量検出回路をマトリクス状に配置し、センサ電極と指先との間に形成される静電容量の容量変化を利用してトランジスタを駆動して外部回路へ電流を流し出す従来の構成では、指紋検出部に配置されるトランジスタサイズに制約があるため、十分な電流駆動能力を得ることができず、高精度なセンシングができないという不都合が生じていた。
【０００４】
そこで、本発明は上述の問題点を解決し、高精度かつ安定したセンシングを可能とする静電容量検出装置、指紋センサ及びバイオメトリクス認証装置を提案することを課題とする。
また、本発明は実用に耐え得る強度を備えた静電容量検出装置、指紋センサ及びバイオメトリクス認証装置を安価に提供することを課題とする。
また、本発明は静電容量を高精度にセンシングできる方法を提案することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の静電容量検出装置は、被験物表面との間に形成される静電容量に対応した検出信号を出力することにより、前記被験物表面の凹凸情報を読み取る静電容量検出装置であって、前記検出信号を出力する静電容量検出回路を複数配置した検出部と、前記検出信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路から前記静電容量検出回路へ前記検出信号を出力するための複数のデータ線を備える。前記静電容量検出回路は、容量値一定の基準容量と、前記被験物表面との間で静電容量を形成するためのセンサ電極と、前記基準容量と前記静電容量との容量比に応じた検出信号を出力する信号出力素子と、前記検出信号の信号伝達経路に接続する低電位電源線と、前記静電容量検出回路を選択するための走査線と、前記走査線に接続する選択トランジスタと、を備える。前記走査線は、前記基準容量をチャージし、前記増幅回路は、前記静電容量検出回路に前記検出信号を出力するための信号源として機能し、前記選択トランジスタは、その開閉制御により、前記データ線と前記信号出力素子の通電／遮断を制御するよう構成され、前記検出信号は前記増幅回路から前記選択トランジスタおよび前記信号出力素子を経由して前記低電位電源線に伝達するように構成されている。かかる構成により、検出信号を増幅する増幅回路は静電容量検出回路とは別体として構成できるため、増幅回路を構成するトランジスタサイズを比較的大きく設計でき、検出精度を高めることができる。容量値一定の基準容量を設けることによって、センシング精度を高めることができる。かかる構成により、検出部に配置された多数の静電容量検出回路をアクティブに駆動することが可能となり、高解像度のセンシングを可能にできる。
【０００６】
本発明の好適な形態として、前記検出信号は電流信号であり、前記増幅回路は前記静電容量検出回路に前記電流信号を供給する電流源として機能するのが望ましい。検出信号として電流信号を用いることにより、被験物表面との間に形成される静電容量を外部負荷による減衰なく検出することができる。
【０００７】
本発明の好適な形態として、前記増幅回路は前記検出部の形成領域外に形成されるのが望ましい。検出部には複数の静電容量検出回路が高密度に配置されるため、トランジスタサイズに制約があり、電流駆動能力を高めるには困難を伴うが、検出部の形成領域外に増幅回路を形成することで、トランジスタサイズの制約を受けずに設計できるため、増幅回路の電流駆動能力を高めることができる。これにより、高精度なセンシングが可能となる。
【０００９】
本発明の好適な形態として、前記データ線上に前記検出信号を出力する前段階として、前記データ線をプリチャージするプリチャージ手段をさらに備えることが望ましい。センシングの前段階でデータ線をプリチャージすることにより、データ線の電位を安定化させることができ、センシングの速度を高めることができる。
【００１０】
本発明の好適な形態として、前記プリチャージ手段が前記データ線のプリチャージを実行するプリチャージ期間と、前記信号出力素子が前記検出信号を出力するセンシング期間の比率を設定するためのプリチャージ期間設定手段をさらに備える。プリチャージ期間を短縮することにより、十分なセンシング期間を確保でき、高精度なセンシングを行うことができる。
【００１１】
本発明の好適な形態として、前記信号出力素子は、電流制御端子、電流入力端子、及び電流出力端子を具備する三端子トランジスタとして構成されており、前記静電容量に対応する検出信号を出力する前段階として、前記電流制御端子の電位を所定の電位に制御する電位制御手段をさらに備える。かかる構成により、三端子トランジスタの電流制御端子に注入された電荷を排出して電流制御端子の電位を安定化させることができ、センシング精度を高めることができる。
【００１３】
本発明の好適な形態として、前記静電容量検出回路は絶縁性基板上に形成されている。絶縁性基板上に静電容量検出回路を形成することで、センサの機械的強度を高めることができる。また、絶縁性基板として、ガラス基板やプラスチック基板などを採用することで、製造コストを下げることもできる。
【００１４】
本発明の指紋センサは、本発明の静電容量検出装置を備え、指紋の凹凸情報を読み取るように構成されている。かかる構成により、指紋情報の高精度なセンシングを可能にできる。
【００１５】
本発明のバイオメトリクス認証装置は、本発明の指紋センサを備えている。ここで、「バイオメトリクス認証装置」とは、バイオメトリクス情報として指紋情報を用いて本人認証を行う機能を実装した装置をいい、ＩＣカード、キャッシュカード、クレジットカード、身分証明書などの各種カード媒体の他に、電子商取引の本人認証装置、入退室管理装置、コンピュータ端末装置の認証装置などのあらゆるセキュリティシステムを含む。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電容量検出装置の駆動方法は、容量値一定の基準容量と、被験物表面との間に形成される静電容量と前記基準容量との容量比に応じて電流信号の増幅率を加減する電流増幅素子と、前記電流増幅素子に前記電流信号を供給するためのデータ線と、前記データ線を流れる電流信号を増幅する増幅回路と、前記データ線と前記電流増幅素子の通電／遮断を制御する選択トランジスタと、前記選択トランジスタを選択するための走査線と、電流信号の出力経路に接続する低電位電源線を備える静電容量検出装置の駆動方法であって、前記選択トランジスタを閉状態にして、前記データ線と前記電流増幅素子との間を電気的に遮断する遮断ステップと、前記データ線を所定の電位にプリチャージするプリチャージステップと、前記データ線のプリチャージ終了後、前記選択トランジスタを開状態にして、前記データ線と前記電流増幅素子との間を電気的に導通するとともに、走査線を介して前記基準容量をチャージする導通ステップと、前記増幅回路から前記データ線および前記選択トランジスタを介して前記電流増幅素子に電流信号を供給し、前記静電容量に対応した電流増幅率で前記電流信号を増幅するセンシングステップと含む。このように、電流増幅素子により電流信号を増幅する前段階として、データ線を所定の電位にプリチャージすることにより、センシング前のデータ線の電位のばらつきによるセンシング精度の低下を回避し、高精度なセンシングを可能にできる。
【００１７】
前記プリチャージステップを実行する期間（プリチャージ期間）と、前記センシングステップを実行する期間（センシング期間）の比率（デューティ比）は可変とすることが望ましい。プリチャージ期間を短縮してデータ線の電位を短時間に所定の電位に安定化させることで、十分なセンシング期間を確保することができる。これにより、高精度なセンシングを可能にできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［発明の実施形態１．］
以下、各図を参照して本発明の好適な第１実施形態について説明する。
図２は被験者の指紋の凹凸情報を電気信号に変換する静電容量検出回路３１の回路構成図である。同検出回路３１は、同検出回路３１を選択するための選択トランジスタ３２と、被験者の指先とセンサ電極との間に形成される静電容量３３と、静電容量３３の微小な容量変化を基に指紋の凹凸情報を担う検出信号を出力する信号出力素子３４と、選択トランジスタ３２の開閉制御を行うための信号を伝達する走査線３６と、検出信号を伝達するためのデータ線３７と、検出信号の出力経路を構成する低電位電源線Ｖ_ssと、容量値一定の基準容量Ｃｓを備えて構成されている。静電容量３３の容量値をＣｄとすると、検出容量Ｃｄは被験者の指紋の凹凸とセンサ電極（図４参照）との間の距離に応じて定まる。信号出力素子３４としては、検出容量Ｃｄに対応した検出信号を出力する素子であれば特に限定されるものではないが、検出容量Ｃｄの大小に応じて電流増幅作用を行う信号増幅素子（電流増幅素子）などが好適である。このような信号増幅素子として、本実施形態においては、ゲート端子（電流制御端子）、ソース端子（電流出力端子）、及びドレイン端子（電流入力端子）から成る三端子トランジスタを例示するが、これに限られるものではない。
【００１９】
上述の構成において、走査線３６上に論理レベルＨの信号が出力され、選択トランジスタ３２が開状態になると、データ線３７には信号出力素子３４のゲート電位で定まる検出電流が流れる。この検出電流は検出容量Ｃｄに対応する検出信号として処理される。検出信号には指紋の凹凸情報が含まれている。信号出力素子３４のゲート電位は、信号出力素子３４自体の寄生容量Ｃｔ（図示せず）と、基準容量Ｃｓと、検出容量Ｃｄとのそれぞれの容量比によって定まる。
【００２０】
例えば、被験者の指先をセンサ電極に近づけた場合に、指紋の凸部がセンサ電極に近接すると、検出容量Ｃｄは寄生容量Ｃｔ、基準容量Ｃｓに対して十分に大きくなり、信号出力素子３４のゲート電位はグランド電位に近づく。この結果、信号出力素子３４は略オフ状態となり、信号出力素子３４のソース／ドレイン間には極めて微弱な電流が流れる。一方、指紋の凹部がセンサ電極に近接すると、検出容量Ｃｄは寄生容量Ｃｔ、基準容量Ｃｓに対して十分に小さくなり、信号出力素子３４のゲート電位は走査線３６の電位に近づく。走査線３６がアクティブとなっている状態では、走査線３６の電位は高電位Ｖ_ddである。この結果、信号出力素子３４は略オン状態となり、信号出力素子３４のソース／ドレイン間には上述の微弱電流よりも大きな電流が流れる。ここで、信号出力素子３４のソース端子は低電位電源線Ｖ_ssに接続しているため、信号出力素子３４を流れる検出電流の向きはデータ線３７から低電位電源線Ｖ_ssへ流れ込む向きとなる。つまり、被験者の指紋の凹凸情報を担う検出信号は外部回路から静電容量検出回路３１へ流れ込むように出力される。
【００２１】
図４はセンサ電極を中心とする静電容量検出回路３１の断面構造図である。同図に示すように、静電容量検出回路３１には、指紋の凹凸情報を担う検出信号を出力する信号出力素子３４と、被験者の指先Ｆとの間に静電容量３３を形成するためのセンサ電極（検出電極）７１とが形成されている。信号出力素子３４は、ゲート電極７０、ゲート絶縁膜６８、多結晶シリコン層６３、ソース／ドレイン電極６９を含んで構成されるＭＯＳトランジスタである。静電容量３３は指紋の凹凸パターンに応じてその容量値が変化する可変容量である。指先Ｆの電位は基準電位に設定されている。センサ電極７１はゲート電極７０に接続しており、指紋の凹凸による検出容量Ｃｄの変化を信号出力素子３４に伝達し、チャネルを流れるドレイン電流の増幅作用によって静電容量変化をセンシングできるように構成されている。
【００２２】
同図に示す静電容量検出回路３１を製造するには、絶縁性基板６１上に酸化シリコンなどの下地絶縁膜６２を積層し、その上にアモルファスシリコンを成膜して結晶化させ、多結晶シリコン層６３を形成する。次いで、多結晶シリコン層６３上にゲート絶縁膜６８とゲート電極７０を形成し、自己整合的に多結晶シリコン層６３に不純物を注入・拡散し、ソース／ドレイン領域を形成する。次いで、第１層間絶縁膜６４を形成した後、コンタクトホールを開口してソース／ドレイン電極６９を形成する。さらに、第２層間絶縁膜６５、６６を積層してコンタクトホールを開口し、センサ電極７１を形成する。最後に、表面全体をパッシベーション膜６７で被覆する。ここで、第２層間絶縁膜６５、６６が二層構造となっているのは、下層の第２層間絶縁膜６５で平坦性を確保し、上層の第２層間絶縁膜６６で所望の膜厚を得るためであるが、単層構造としてもよい。
【００２３】
尚、絶縁性基板６１上にトランジスタ等の半導体素子を形成するには、上述の製法に限らず、例えば、特開平１１−３１２８１１号公報やS.Utsunomiya et. al. Society for Information Display p. 916(2000)に開示された剥離転写技術を適用することで、トランジスタ等の半導体素子を絶縁性基板６１上に形成してもよい。剥離転写技術を適用すれば、絶縁性基板６１として、プラスチック基板やガラス基板などの適度な強度を有する安価な基板を採用できるため、静電容量式指紋センサ１の機械的強度を高めることができる。
【００２４】
図１は上述の静電容量検出回路３１をアクティブマトリクス状に配列した静電容量式指紋センサ１のブロック図である。同図に示すように同指紋センサ１は、データ線３７を選択するためのデータ線ドライバ１０と、走査線３６を選択するための走査線ドライバ２０と、指紋検出部として機能するアクティブマトリクス部３０と、検出信号を増幅するための増幅回路４０を備えて構成されている。データ線ドライバ１０は、データ線３７を順次選択するタイミングを決定するシフトレジスタ１１と、アナログスイッチ１２を備えて構成されている。走査線ドライバ２０は、走査線３６を順次選択するタイミングを決定するシフトレジスタ２１を備えて構成されている。アクティブマトリクス部３０には静電容量検出回路３１がマトリクス状（Ｍ行×Ｎ列）に配列されており、Ｍ本の走査線３６とＭ本の低電位電源線Ｖ_ssは行方向に沿って配線され、Ｎ本のデータ線３７は列方向に沿って配線されている。上記の構成において、Ｍ本の走査線３６が１ライン毎にアクティブになると、ある時点においてアクティブになっている走査線３６上に並ぶＮ本のデータ線３７がアナログスイッチ１２により順次選択されて増幅回路４０に接続するように点順次駆動される。
【００２５】
図３は静電容量検出回路３１の検出信号を増幅する増幅回路４０の回路構成図である。増幅回路４０は、前段のカレントミラー回路４１と、後段のカレントミラー回路４２を備えて構成されている。前段のカレントミラー回路４１では、ゲート電位が参照電圧ＶＲに保持されたＭＯＳトランジスタ４１ａが出力する一定の参照電流Ｉ_refと、信号出力素子３４が出力する検出電流Ｉ_datとを比較し、後段のカレントミラー回路４２では、参照電流Ｉ_refと検出電流Ｉ_datとの差分を増幅した信号ＯＵＴを出力する。参照電流Ｉ_refは検出電流Ｉ_datの最大値と最小値のほぼ中間となるように予め設定されている。予め定められた所定の閾値と信号ＯＵＴの信号レベルを比較することによって、２値データから成る指紋情報を得ることが可能となる。
尚、同図において、ＣＬＫ信号はシフトレジスタ１１に入力するパルス信号と同一であり、アナログスイッチ１２の切換タイミングに同期している。
【００２６】
次に、静電容量式指紋センサ１の応用例について説明する。図５はスマートカード８１のブロック図を示しており、上述した静電容量式指紋センサ１と、ＣＰＵやメモリ素子などを実装したＩＣチップ８２と、液晶ディスプレイなどの表示装置８３を備えて構成されている。ＩＣチップ８２にはバイオメトリクス情報として、カード所有者の指紋情報が登録されている。図６はこのスマートカード８１の認証手順を示している。カード使用者が指先を指紋センサ１に接触させることによって、スマートカード８１に指紋情報が入力されると（ステップＳ１）、この指紋情報は予め登録された指紋情報と照合される（ステップＳ２）。ここで、指紋が一致すると（ステップＳ２；ＹＥＳ）、暗証番号が発行される（ステップＳ３）。次いで、カード所有者によって暗証番号が入力される（ステップＳ４）。ステップＳ３で発行された暗証番号と、ステップＳ４で入力された暗証番号が一致しているか否かがチェックされ（ステップＳ５）、一致している場合には（ステップＳ５；ＹＥＳ）、カードの使用が許可される（ステップＳ６）。
【００２７】
このように、暗証番号に加えて指紋情報によって本人の認証を行うことによって、セキュリティの高いスマートカードを提供できる。バイオメトリクス認証機能を実装したスマートカードはキャッシュカード、クレジットカード、身分証明書などに利用できる。本実施形態の指紋センサは、本人認証を行うためのあらゆるバイオメトリクス認証装置に応用できる。例えば、室内への入退室管理を行うセキュリティシステムとして、本実施形態の指紋センサをドアに取り付けておき、当該指紋センサに入力された入室者の指紋情報と予め登録された指紋情報を照合し、両者が一致する場合には入室を許可する一方で、両者が一致しない場合には入室を不許可とし、必要に応じて警備会社等に通報するシステムにも応用できる。また、インターネットなどのオープンネットワークを通じた電子商取引においても、本人確認のためのバイオメトリクス認証装置として本実施形態の指紋センサは有効に応用できる。さらに、コンピュータ端末装置のユーザ認証装置や、複写機の複写機使用者の管理装置などにも広く応用できる。
【００２８】
以上、説明したように、本実施形態によれば、センシング感度を規定する電流駆動能力は、電流源として機能する増幅回路４０を構成するトランジスタサイズによって決定されるため、アクティブマトリクス部３０内に配されるトランジスタとは異なり、トランジスタの配置スペースに制約がないため、十分な電流駆動能力を確保できる。これにより、アクティブマトリクス部３０に配列された静電容量検出回路３１の集積密度が比較的大きい高解像度のセンサであっても、高精度なセンシングが可能となる。
【００２９】
また、増幅回路４０を２段のカレントミラー回路４１，４２で構成することにより、指紋情報の高精度なセンシングが可能となる。また、ガラス基板やプラスチック基板などの適度な強度を有する安価な基板上に静電容量検出回路３１を形成することによって、静電容量式指紋センサ１の強度向上とコスト低下を実現できる。
尚、上記の説明においては、本発明の静電容量検出装置の実施形態として、指紋センサを例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、あらゆる被験物の微小凹凸パターンを静電容量変化として読み取る装置に応用できる。例えば、動物の鼻紋の認識などにも応用できる。
【００３０】
［発明の実施形態２．］
図７は本発明の第２実施形態に係わる静電容量検出回路３１の回路構成図である。同検出回路３１は、上述した選択トランジスタ３２、静電容量３３、信号出力素子３４、走査線３６、データ線３７、基準容量Ｃｓ、低電位電源線Ｖ_ssに加えて、リセットトランジスタ３８を備えて構成されている。同図に示す静電容量検出回路３１は、上述した第１実施形態と同様に、アクティブマトリクス部３０にアレイ状に配列され、データ線ドライバ１０と走査線ドライバ２０の制御によって、静電容量３３の検出容量Ｃｄを読み取る。リセットトランジスタ３８は、前段の静電容量検出回路３１が選択されている段階（プレセンシング期間）で、開状態となるように開閉制御される。
【００３１】
リセットトランジスタ３８を開状態とすることによって、信号出力素子３４のゲート端子は低電位電源線Ｖ_ssと導通し、当該ゲート端子に注入された電荷を排出することができる。静電容量式指紋センサの製造工程においては、信号出力素子３４のゲート端子に意図しない電荷などが注入されて指紋情報の検出に悪影響を及ぼす可能性を有していたが、上記の構成により、指紋情報の検出の前段階で信号出力素子３４のゲート電位をリセットできるためより安定した動作を行うことができる。このように、リセットトランジスタ３８と低電位電源線Ｖ_ssとによって、「電位制御手段」が実現される。この「電位制御手段」は信号出力素子３４のゲート端子を所定の電位に制御するための手段であり、ここでは、当該ゲート端子を低電位電源線Ｖ_ssと接続している。「電位制御手段」としては、トランジスタ以外の任意のスイッチング素子等を使用できる。
尚、信号検出素子３４が開状態となって、データ線３７上に検出信号が出力されている段階（センシング期間）では、検出容量Ｃｄを正確に読み取るために、リセットトランジスタ３８は閉状態となるように制御される。
【００３２】
［発明の実施形態３．］
図９は本発明の第３実施形態に係わる静電容量検出回路３１の回路構成図である。同検出回路３１は、上述した選択トランジスタ３２、静電容量３３、信号出力素子３４、走査線３６、データ線３７、基準容量Ｃｓ、低電位電源線Ｖ_ssに加えて、データ線選択トランジスタ３５、データ側選択線５０を備えて構成されている。同図に示す静電容量検出回路３１は上述した第１実施形態と同様に、アクティブマトリクス部３０においてＭ行×Ｎ列に配列され、データ線ドライバ１０と走査線ドライバ２０の制御によって、静電容量３３の検出容量Ｃｄが読み取られる。
【００３３】
ある特定のデータ線３７に着目すると、当該データ線３７には、列方向に並ぶＭ個の静電容量検出回路３１からの検出信号が順次出力されるため、ｍ行ｎ列に配置されている静電容量検出回路３１から検出信号が出力された後に、（ｍ＋１）行ｎ列に配置されている静電容量検出回路３１から検出信号が出力されると、データ線３７の電位がばらつくため、安定したセンシングができないという不都合が生じる。つまり、同一のデータ線３７上には検出容量Ｃｄに対応して異なる電流レベルの検出信号が異なるタイミングで出力されるため、後段の静電容量検出回路３１から出力される検出信号は、前段の静電容量検出回路３１から出力された検出信号の影響を受けることなる。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、データ線３７上に検出信号を出力する前段階として、データ線３７を所定の電位Ｖ_ddにプリチャージすることによって、データ線３７の電位を安定化させる。データ線選択トランジスタ３５は、データ線３７と信号出力素子３４との間の電気的な通電／遮断を制御するトランジスタであり、データ線３７をプリチャージしている段階では、閉状態となるように制御される。データ線選択トランジスタ３５の開閉制御はデータ側選択線５０によって制御される。
【００３５】
図８は上述の静電容量検出回路３１をアクティブマトリクス状に配列した静電容量式指紋センサ１のブロック図である。同図に示すように同指紋センサ１は、データ線３７を選択するためのデータ線ドライバ１０と、走査線３６を選択するための走査線ドライバ２０と、指紋検出領域としてのアクティブマトリクス部３０と、検出信号を増幅するための増幅回路４０とを備えて構成されている。データ線ドライバ１０は、データ線３７を順次選択するタイミングを決定するシフトレジスタ１１と、データ線３７にプリチャージ電圧を供給するためのプリチャージ用トランジスタ１３と、プリチャージ期間を設定するプリチャージ期間選択回路１４を備えて構成されている。
【００３６】
ここで、プリチャージ用トランジスタ１３と、プリチャージ期間選択回路１４と、プリチャージ期間を規定するＥＮＢ信号（イネーブル信号）を出力するドライバ（図示せず）と、データ線３７にプリチャージ電圧を供給する電源Ｖ_ddとの協同により「プリチャージ手段」が実現されている。また、プリチャージ期間選択回路１４と、プリチャージ期間を規定するＥＮＢ信号を出力するドライバ（図示せず）との協同により「プリチャージ期間設定手段」が実現されている。「プリチャージ手段」と「プリチャージ期間設定手段」は必ずしも複数のハードウエアで実現されている必要はなく、単一のハードウエアで実現されるものであってもよい。
【００３７】
走査線ドライバ２０は、走査線３６を順次選択するタイミングを決定するシフトレジスタ２１を備えて構成されている。アクティブマトリクス部３０には静電容量検出回路３１がマトリクス状（Ｍ行×Ｎ列）に配列されており、Ｍ本の走査線３６とＭ本の低電位電源線Ｖ_ssは行方向に沿って配線され、Ｎ本のデータ線３７とＮ本のデータ側選択線５０は列方向に沿って配線されている。
【００３８】
図１０は増幅回路４０の回路構成図を示しており、図３のＣＬＫ信号に替えてＥＮＢ信号としている点、及びデータ線選択トランジスタ３５が追加されている点を除けば、基本的な構成は上述した第１実施形態と同じである。また、本実施形態の静電容量検出回路３１の回路構成としては、図９に示した回路構成に限らず、図１１に示す回路構成としてもよい。図９では、基準容量Ｃｓは走査線３６と静電容量３３の一端に接続していが、図１１では、基準容量Ｃｓはデータ側選択線５０と静電容量３３の一端に接続している。
【００３９】
図１２はデータ線ドライバ１０から出力される各種信号のタイミングチャートである。同図において、ＳＰはスタートパルス、ＣＬＫはクロック信号、Ｘ｛１｝，Ｘ｛２｝，…，Ｘ｛Ｎ｝はシフトレジスタ１１の出力信号、ＥＮＢはプリチャージ用トランジスタ１３を開閉制御するためのイネーブル信号、ＸＳＥＬ｛１｝，ＸＳＥＬ｛２｝，…，ＸＳＥＬ｛Ｎ｝はデータ側選択線５０に出力される選択信号である。データ線ドライバ１０内のシフトレジスタ１１の順次選択により一つの静電容量検出回路３１が選択される期間のうち、前半をプリチャージ期間Ａとし、後半をセンシング期間Ｂと定める。
【００４０】
プリチャージ期間Ａにおいては、ＥＮＢ信号は非アクティブ（論理レベルＬ）となり、プリチャージトランジスタ１３は開状態となる。シフトレジスタ１１から論理レベルＨの出力信号Ｘ｛ｋ｝が出力されると、ｋ番目のアナログスイッチ１４ａが導通し、ｋ列目のデータ線３７が電位Ｖ_ddにプリチャージされる。このとき、イネーブル信号の論理レベルはＬであるから、論理積回路１４ｂの出力は論理レベルＬとなり、データ側選択線５０にはＬレベルの信号が出力される。これにより、データ線選択トランジスタ３５は閉状態となり、電源Ｖ_ddから静電容量検出回路３１への電流の流れ込みを抑制する。
【００４１】
プリチャージ動作が終了すると、センシング期間Ｂに移行し、イネーブル信号はアクティブ（論理レベルＨ）となる。すると、プリチャージトランジスタ１３は閉状態となり、電源Ｖ_ddからデータ線３７への電源供給（プリチャージ）は休止される一方、論理積回路１４ｂにはＨレベルの出力信号Ｘ｛ｋ｝と、Ｈレベルのイネーブル信号が入力され、論理積回路１４ｂの出力線となるデータ側選択線５０にはＨレベルの信号が出力される。すると、ｋ列目のデータ側選択線５０にはＨレベルのパルスが出力され、ｋ列目に並ぶデータ線選択トランジスタ３５は開状態となる。これにより、信号出力素子３４は、データ線選択トランジスタ３５、及び選択トランジスタ３２を介してデータ線３７に接続する。さらに、図１０に示す増幅回路４０において、ＥＮＢがアクティブになるため、データ線３７を通じて静電容量検出回路３１に流れ込む検出電流は増幅回路４０にて増幅される。
【００４２】
以上、説明したように、本実施形態によれば、センシングの前段階でデータ線３７のプリチャージ動作を行うことにより、センシング時のデータ線３７の電位を安定させ、動作マージンを広げることができる。さらに、データ線３７の電位が安定しているため、より高速な指紋情報の検出が可能となる。
【００４３】
尚、図１２に示すタイミングチャートでは、プリチャージ期間Ａとセンシング期間Ｂは１：１の関係にあったが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図１３に示すように、イネーブル信号のデューティを変化させることにより、プリチャージ期間Ａとセンシング期間Ｂの比（デューティ比）を調整してもよい。プリチャージ期間Ａを短縮してデータ線３７の電位を短時間に所定の電位に安定化させることで、十分なセンシング期間を確保することができる。これにより、高精度なセンシングを可能にできる。また、プリチャージ用の電源電圧についても、上述のＶ_ddに限らず、任意の電圧を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の静電容量式指紋センサのブロック図である。
【図２】第１実施形態の静電容量検出回路の回路構成図である。
【図３】第１実施形態の増幅回路の回路構成図である。
【図４】第１実施形態の静電容量検出回路の断面図である。
【図５】第１実施形態の静電容量式指紋センサを実装した応用例である。
【図６】第１実施形態の認証手順を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態の静電容量検出回路の回路構成図である。
【図８】第３実施形態の静電容量式指紋センサのブロック図である。
【図９】第３実施形態の静電容量検出回路の回路構成図である。
【図１０】第３実施形態の増幅回路の回路構成図である。
【図１１】第３実施形態の静電容量検出回路の回路構成図である。
【図１２】第３実施形態のタイミングチャートである。
【図１３】第３実施形態のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…静電容量式指紋センサ１０…データ線ドライバ２０…走査線ドライバ３０…アクティブマトリクス部３１…静電容量検出回路３２…選択トランジスタ３３…静電容量３４…信号出力素子３５…データ線選択トランジスタ３６…走査線３７…データ線３８…リセットトランジスタ５０…データ側選択線Ｃｓ…基準容量Ｃｄ…検出容量Ｖ_ss…低電位電源線

Claims

被験物表面との間に形成される静電容量に対応した検出信号を出力することにより、前記被験物表面の凹凸情報を読み取る静電容量検出装置であって、
前記検出信号を出力する静電容量検出回路を複数配置した検出部と、
前記検出信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路から前記静電容量検出回路へ前記検出信号を出力するための複数のデータ線を備え、
前記静電容量検出回路は、
容量値一定の基準容量と、
前記被験物表面との間で静電容量を形成するためのセンサ電極と、
前記基準容量と前記静電容量との容量比に応じた検出信号を出力する信号出力素子と、
前記検出信号の信号伝達経路に接続する低電位電源線と、
前記静電容量検出回路を選択するための走査線と、
前記走査線に接続する選択トランジスタと、
を備え、
前記走査線は、前記基準容量をチャージし、前記増幅回路は、前記静電容量検出回路に前記検出信号を出力するための信号源として機能し、前記選択トランジスタは、その開閉制御により、前記データ線と前記信号出力素子の通電／遮断を制御するよう構成され、前記検出信号は前記増幅回路から前記選択トランジスタおよび前記信号出力素子を経由して前記低電位電源線に伝達するように構成された、静電容量検出装置。
請求項１に記載の静電容量検出回路であって、前記検出信号は電流信号であり、前記増幅回路は前記静電容量検出回路に前記電流信号を供給する電流源として機能する、静電容量検出装置。
請求項１又は請求項２に記載の静電容量検出装置であって、前記増幅回路は前記検出部の形成領域外に形成されている、静電容量検出装置。
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の静電容量検出装置であって、前記データ線上に前記検出信号を出力する前段階として、前記データ線をプリチャージするプリチャージ手段をさらに備えた、静電容量検出装置。
請求項４に記載の静電容量検出装置であって、前記プリチャージ手段が前記データ線のプリチャージを実行するプリチャージ期間と、前記信号出力素子が前記検出信号を出力するセンシング期間の比率を設定するためのプリチャージ期間設定手段をさらに備える、静電容量検出装置。
請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の静電容量検出装置であって、前記信号出力素子は電流制御端子、電流入力端子、及び電流出力端子を具備する三端子トランジスタとして構成されており、前記静電容量に対応する検出信号を出力する前段階として、前記電流制御端子の電位を所定の電位に制御する電位制御手段をさらに備える、静電容量検出装置。
請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の静電容量検出装置であって、前記静電容量検出回路は、絶縁性基板上に形成されている、静電容量検出装置。
請求項１乃至請求項７のうち何れか１項に記載の静電容量検出装置を備え、指紋の凹凸情報を読み取るように構成された、指紋センサ。
請求項８に記載の指紋センサを備えた、バイオメトリクス認証装置。
容量値一定の基準容量と、被験物表面との間に形成される静電容量と前記基準容量との容量比に応じて電流信号の増幅率を加減する電流増幅素子と、前記電流増幅素子に前記電流信号を供給するためのデータ線と、前記データ線を流れる電流信号を増幅する増幅回路と、前記データ線と前記電流増幅素子の通電／遮断を制御する選択トランジスタと、前記選択トランジスタを選択するための走査線と、電流信号の出力経路に接続する低電位電源線を備える静電容量検出装置の駆動方法であって、
前記選択トランジスタを閉状態にして、前記データ線と前記電流増幅素子との間を電気的に遮断する遮断ステップと、
前記データ線を所定の電位にプリチャージするプリチャージステップと、
前記データ線のプリチャージ終了後、前記選択トランジスタを開状態にして、前記データ線と前記電流増幅素子との間を電気的に導通するとともに、走査線を介して前記基準容量をチャージする導通ステップと、
前記増幅回路から前記データ線および前記選択トランジスタを介して前記電流増幅素子に電流信号を供給し、前記静電容量に対応した電流増幅率で前記電流信号を増幅するセンシングステップと含む、静電容量検出装置の駆動方法。
請求項１０に記載の静電容量検出装置の駆動方法であって、前記プリチャージステップを実行する期間と、前記センシングステップを実行する期間の比率を可変とする、静電容量検出装置の駆動方法。