CN100410621C - 静电电容检测装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够实现耐静电破坏性高的静电电容检测装置，在读取对象物的表面形状的静电电容检测装置中，含有：配置成M行N列的静电电容检测元件(1)；和分别给该静电电容检测元件(1)提供电源的电源线。该静电电容检测元件(1)含有：信号检测元件(4)，其蓄积与该静电电容相应的电荷；信号放大元件(T1)，其将该信号检测元件(4)蓄积的电荷对应的信号进行放大。该信号检测元件(T1)含有：电容检测电极(41)；和在该电容检测电极(41)与该对象物接触的一侧设置的电容检测电介质膜(42)。尤其，电容检测电介质膜(42)含有绝缘膜(160)和半导体膜(162)。

Description

静电电容检测装置

技术领域

本发明涉及一种通过对依据与对向物表面的距离而变化的静电电容进行检测而读取具有指纹等微细的凹凸的对象物的表面形状的静电电容检测装置。

背景技术

以往，指纹传感器等中采用的静电电容检测装置，通过在基板上形成传感器电极和在该传感器电极上设置的电介质等保护膜而制造(专利文献1～6)。

这里，静电电容检测装置中，为进行静电电容检测而电介质膜不能太厚。并且，较多情况下检测对象物会带电，在具有电荷的对象物与保护膜接近的情况下，有时由于放电而瞬时流动电流，引起周边电路破坏。

为防止因该瞬时电流而产生的破坏，在例如上述特开2000-346610号公报中，使检测电极与转换电路及布线在不同层上形成，在与对象物近的一侧配置检测电极，并在绝缘材料、检测电极、以及保护膜的下层配置转换电路或布线(专利文献1、0072段)。并且，如特开2003-254706号公报，为使传感器免受破坏，其具有结构为：设置与对象物先接触的导体或覆盖层并使电荷在电源中流动(专利文献2，0077～0081号段)。

但是，由于电介质膜不能变厚，如果手指等摩擦消耗后会将其破坏，或者在因带电产生的电荷量较大的情况下，如特开2000-346610号所述，即使检测电极和转换电路或布线在不同层，只要它们是电连接，就会流入的一部分瞬时电流，因此作为保护对策来说还很不够。

并且，如特开2003-254706号公报所述，设置导体或覆盖层使之与对象物先接触，则意味着形成多余的构成部件，由于遭受较大的按压力的指纹传感器等中会对其放电用结构部件会造成负担，因此容易产生破损。若这样的放电用结构部件即使一部分产生破坏，则此次瞬时电流会直接流入布线或周边电路中，从而导致周边电路被破坏。因此，未必希望对象物中产生的电荷的放电依赖于电极配置或放电用结构部件。

专利文献1：特开2000-346610号公报；

专利文献2：特开2003-254706号公报；

专利文献3：特开平11-118415号公报；

专利文献4：特开2000-346608号公报；

专利文献5：特开2001-56204号公报；

专利文献6：特开2001-133213号公报。

发明内容

这里，本发明的目的在于，提供一种具有简单的结构而不会产生破损等，且能够确切地保护电路免受瞬时电流的破坏的静电电容检测装置。

为达到上述目的，本发明提供一种静电电容检测装置，通过检测根据与对象物的距离而变化的静电电容来读取所述对象物的表面形状，包括：配置成M行N列的静电电容检测元件、和给所述静电电容检测元件的每一个提供电位的电源线，所述静电电容检测元件含有：蓄积与所述静电电容相应的电荷的信号检测元件、和将与所述信号检测元件蓄积的电荷对应的信号放大的信号放大元件，所述信号检测元件含有：电容检测电极、在所述电容检测电极的与所述对象物接触的一侧上设置的绝缘膜、在所述绝缘膜上形成的载流子浓度在4×10¹⁰cm^-3以下的非晶质硅所构成的半导体膜。

根据上述构成，若手指等对象物与静电电容检测元件接近，则电容检测电极中会产生与该对象物是否接触相应的电压，通过使该电压被信号放大元件放大，进行与指纹等的峰是否接触相应的静电电容检测，由于半导体膜的介电常数比绝缘体大，因此能够使电容检测电介质膜较厚，提高耐久性。这里，在对象物带电的情况下，若没有该电荷的排放路线，则因与对象物接近，因而瞬时电流从电容检测电极向周边电路流动，导致给电路带来静电破坏。这点，根据该构成，由于在电容检测电介质膜上设置绝缘膜，因此对象物的电荷不会直接经过电容检测电极而流动。并且，根据该构成，由于设置半导体膜，因此在对象物将要接触之前在半导体膜表面形成反型层，对象物的电荷迅速在表面扩展开，防止电路受到静电破坏。

在此，优选半导体膜位于静电电容检测元件的最表面。或者在与所述对象物相对，或者在半导体膜可以与对象物接触的情况小，让半导体膜位于静电电容检测元件的最表面。根据这样的构成，在对象物将要接触之前在半导体膜上形成反型层后排放电荷。并且，即使对象物与电容检测电介质膜接触，由于在电容检测电极之间还形成绝缘膜，因此瞬时电流不会直接在电路中流动，因此能够防止电路受到静电破坏。

在此，半导体膜，当定义每个静电电容检测元件的测定时间为Δτ，对象物的静电电容为C_A时，半导体膜的电阻R_PP由下式表示：

$R_{\mathrm{PP}}>\frac{10\·\mathrm{\Δ\τ}}{C_A}---\left(1\right).$

如果具备这样的条件，则由于应测定的对象物的电荷，向与测定时间Δτ内邻接的电容检测电极流出的量不足1成的程度，因此提高了静电电容检测装置的测定精度能够防止受到静电破坏。

再有，半导体膜，当设每个静电电容检测元件的测定时间为Δτ、对象物的静电电容为C_A、半导体膜的膜厚为t_D、电容检测电极的间距为x，电容检测电极的宽度为y、并定义α＝y/x时，半导体膜的电阻率ρ_D满足下式：

${\mathrm{\ρ}}_D>\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\·t_D\·\frac{10\·\mathrm{\Δ\τ}}{C_A}---\left(2\right).$

如果满足这样的条件，则应测定的对象物的电荷，向与测定时间Δτ内邻接的电容检测电极流出的量不足1成的程度，因此提高静电电容检测装置的测定精度且能够防止受到静电破坏。

再有，半导体膜，在设每个静电电容检测元件的测定时间为Δτ，对象物的静电电容为C_A，半导体膜的膜厚为t_D，该半导体膜的载流子电荷量为q，该半导体膜的载流子迁移度为μ，电容检测电极的间距为x，电容检测电极的宽度为y，并定义α＝y/x时，半导体膜的杂质浓度n满足下式：

$n<\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{C_A}{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}\&CenterDot;\frac{1}{\mathrm{q\&mu;}{t}_D}---\left(3\right).$

如果按照满足这样的条件来限制半导体膜的剂量，则应测定的对象物的电荷，由于向与测定时间Δτ内邻接的电容检测电极流出的量不足1成的程度，因此提高静电电容检测装置的测定精度且防止受到静电破坏。

由于半导体膜为非晶质硅。非晶质硅为比较便宜且较好使用的材料，并且作为半导体膜的材料经济且容易采购。还有，即使非晶质、即无定形状态的硅介电常数大小为11.9，膜形成较厚也能够保存较高的电容。因此，保持对象物电容较大，同时可达到厚膜化，因此优选作为在高按压力的指纹传感器等中采用的电容检测电介质膜，可以具有较高的耐久性。

再有，由于非晶质硅实质上是本征性的。本征性的非晶质硅，如上述具有作为半导体膜所要求的载流子密度的最佳值，因此假如采用本征性非晶质硅，则能够提供高精度的静电电容检测装置。

例如，非晶质硅的载流子浓度在4×10¹⁰cm^-3以下。通常的指纹传感器等静电电容检测装置中，能维持测定精度较高，是因为该值为载流子密度的上限值。

构成电容检测电介质膜的一部分的绝缘膜，为例如氮化硅。假如采用氮化硅，则通过保持某种程度的介电常数可维持对象物电容较高，此外耐久性优良。

在本发明中，还包含与静电电容检测元件连接的基准电容器，设该基准电容器的电极面积为S_R，基准电容器电介质膜的厚度为t_R，基准电容器电介质膜的相对介电常数为ε_R，信号放大元件的栅电极面积为S_T，信号放大元件的栅绝缘膜的厚度为t_OX，信号放大元件的栅绝缘膜的相对介电常数为ε_OX，将基准电容器电容C_R和信号放大元件的元件电容C_T定义为：

C_R＝ε₀·ε_R·S_R/t_R

C_T＝ε₀·ε_OX·S_T /t_OX

其中ε₀为真空的介电常数，设电容检测电极的面积为S_D，静电电容检测元件的绝缘膜的厚度为t_D1静电电容检测元件的绝缘膜的相对介电常数为ε_D1，电容检测电介质膜的半导体膜的厚度为t_DS，电容检测电介质膜的半导体膜的相对介电常数为ε_DS，将信号检测元件的元件电容C_D定义为：

$C_D^{-1}={({\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{D1}\&CenterDot;S_D/t_{D1})}^{-1}+{({\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{DS}}\&CenterDot;S_D/t_{\mathrm{DS}})}^{-1}$

其中ε₀为真空的介电常数时，优选信号检测元件的元件电容C_D，比作为基准电容器电容C_R和信号放大元件的元件电容C_T之和C_R+C_T足够大。在满足这样的条件的情况下，就成为测定精度较高的静电电容检测装置。

再有，在本发明中，对象物没有与半导体膜接触时所相隔的距离为对象物距离t_A，采用真空介电常数ε₀、空气的相对介电常数ε_A和电容检测电极的面积S_D，将对象物电容C_A定义为：

C_A＝ε₀·ε_A·S_D/t_A

时，优选基准电容器电容C_R比该对象物电容C_A足够大。在具备这样的条件的情况下，就成为测定精度较高的静电电容检测装置。

进一步，在本发明中，对象物没有与静电电容检测元件的绝缘膜接触时所相隔的距离为对象物距离t_A，采用真空介电常数ε₀、空气的相对介电常数ε_A和电容检测电极的面积S_D，将对象物电容C_A定义为：

C_A＝ε₀·ε_A·S_D/t_A

时，优选基准电容器电容C_R比对象物电容C_A足够大。在具备这样的条件的情况下，就成为测定精度较高的静电电容检测装置。

此外，多个静电电容检测元件被配置成M行N列。信号检测元件蓄积与该静电电容相应的电荷，信号放大元件将与信号检测元件蓄积的电荷对应的信号放大。

本发明还提供一种电子机器，具有上述那样的静电电容检测装置。“电子机器”，包括所有需要进行静电电容检测的装置，但不需要具有移动性，例如在墙壁中嵌入的指纹传感器也是本发明的“电子机器”。

以上，根据本发明，由于在与电容检测电极的对象物接触的一侧具有绝缘膜和半导体膜，因此瞬时电流不会通过电容检测电极流动，能够有效地使对象物的电荷放电。因此，没有采用烦杂的放电用结构部件能够确切地防止静电电容检测装置受到静电破坏。

附图说明

图1表示本发明的实施方式中静电电容检测元件的电路构成。

图2表示本发明的实施方式中静电电容检测装置的层结构的说明图。

图3表示本发明的实施方式中电容检测电极的放大平面图。

图4表示本发明的作用的说明图。

图5表示本发明的实施方式的原理说明图。

图6表示对象物的凸部(指纹的峰)接触的情况下的静电电容检测元件的等效电路图。

图7表示对象物的凹部(指纹的谷)接触的情况下的静电电容检测元件的等效电路图。

图8表示利用本发明的静电电容检测装置的电子机器的实施例(移动电话机)。

图中：1-静电电容检测元件，2-正电源或者负电源，3-计测器(电流计或者电压计)，4-电容检测元件，41-电容检测电极，42-电容检测电介质膜，5-基准电容器，10-移动电话机，11-天线，12-扬声器，13-显示器，14-操作键，15-麦克风，16-静电电容检测装置，51-基准电容器第1电极，52-基准电容器电介质膜，53-基准电容器第2电极，100-塑料基板，110-半导体膜，120-栅绝缘膜，170-栅电极(GI)、C、C(j)-列线，O-输出线，P-电源线，R、R(i)-行线，T1-信号放大元件，T2-列选择元件，T3-行选择元件，V_dd-电源电压，V_G-栅(节点)电压。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的优选实施方式。

本发明的实施方式，将通过对依据与对象物的距离变化的静电电容进行检测而读取这些对象物的表面形状的静电电容检测装置，适用于为检测指纹的指纹传感器。以下实施方式中，“对象物”即是手指，应检测的表面形状即是指纹。

首先，说明本发明的静电电容检测装置的动作原理。

薄膜半导体装置由于通常在玻璃基板上制作，因此周知被作为廉价制造需求大面积的半导体集成电路的技术，具体应用于近来的液晶显示装置。因此，若由薄膜半导体装置制作适用于指纹传感器等的静电电容检测装置，则不需要使用单晶硅基板这样的耗费过多能源制作的昂贵基板，不会浪费珍贵的地球资源能够廉价制作该装置。并且，通过使薄膜半导体装置适应转印技术，由于能够在塑料基板上制作半导体集成电路，因此静电电容检测装置也能够脱离单晶硅基板从而在塑料基板上形成。

但是，在由薄膜半导体装置制作的将检测静电电容的电容检测电极的输出直接输出这样的构成的静电电容检测装置，就当前的薄膜半导体装置的技术而言是不可能实现的。这样，由于因指纹等的接触而感应的电荷Q非常小，因此薄膜半导体装置的晶体管特性不如由单晶体硅LSI技术制作的半导体装置好，并且薄膜半导体装置之间的特性偏差也较大难以正确读取电荷Q。

图5表示本发明的静电电容检测装置在检测时的等效电路。本发明中静电电容检测装置，在电容检测电极C1中含有基准电容器C2，并且，信号放大元件T使感应的电荷Q对应的检测电压V_G放大。电容检测电极C1，在指纹等接触的情况下为静电电容C_F，基准电容器C2，具有静电电容C_R。信号放大元件T由栅电极G、栅绝缘膜和半导体膜组成，由具有源电极S、漏电极D和栅电极G的信号放大用薄膜半导体装置组成。信号放大用元件T的栅电极G和电容检测电极C1相互连接。并且，信号检测元件，含有基准电容器C2，基准电容器C2的一方电极与行线连接，另一方电极与电容检测电极C1和信号放大元件T的栅电极G连接。

另，本说明书中不区别半导体装置的源电极和漏电极，为方便起见，将一方电极称作源电极，另一方电极称作漏电极。假如希望物理上的严密性，则晶体管的源电极和漏电极，在N型晶体管中电位较低的一方定义为源电极，在P型晶体管中电位较高的一方定义为源电极。但是哪一个电极的电位较高是依据动作状态而变化的。因此，严格来说源电极和漏电极在1个晶体管内是经常变换的。本说明书中为便于说明清楚排除这样的严密性，为方便起见将一方电极称作源电极，另一方电极称作漏电极。

上述构成中，若指纹等对象物与电容检测电极C1接触或接近，则电容检测电极C1中与对象物和静电电容C_F对应产生电位V_G。该电位V_G，为在具有依据对象物的表面形状(指纹)相应地变化的静电电容C_F的电容检测电极C1的电容器，和具有静电电容C_R的基准电容器C2以及具有晶体管电容C_T的信号放大元件T之合成电容C_R+C_T之间感应的电压。该电位V_G输入给信号放大元件T的栅电极G，使该薄膜半导体装置的栅电位变化。假如将该给定的电压施加给该薄膜半导体装置的漏电极D，则根据感应的栅电位V_G，信号放大元件T的源漏极之间流动的电流I_ds被明显调制。栅电极G等同样地也会产生与电位V_G相应的电荷G，由于这些电荷被保存不能向任何地方流动，因此电流值I_ds为一定值。通过使漏电压变高或者测定时间变长，电流I_ds也容易测定，这样即使在采用薄膜半导体装置的情况下也能够非常正确地计测到对象物的表面形状。使对象物的静电电容信息放大的信号(电流和电压)通过输出线读取。

为了测定对象物的静电电容，既可以检测通过信号放大元件T的电流I_ds，也可以测定与这样的电流I_ds对应而变化的电压V。在没有设置基准电容器C2的情况下，上述讨论中的静电电容C_R为0，采用与对象物的表面形状相应变化的静电电容C_F和晶体管电容C_T，在相同的原理下工作。以下，作为本发明的实施方式，采用设置基准电容器的例子进行说明，然而本发明不也能适用于没有设置基准电容器，使信号放大元件的晶体管电容器兼用作基准电容器的情况。

以上为本发明的静电电容检测装置的动作原理的概要，尤其本发明，涉及一种在电容检测电极C1中设置的电容检测电介质膜的改良，以下进行说明。

图1表示以下使本发明具体化的静电电容检测元件的电路构成。图1为配置成M行N列(M为1以上的整数)(N为1以上的整数)的行列状的静电电容检测元件中的一个元件的框图，表示关于1个静电电容检测元件1的连接关系。

如图1所示，根据本实施方式的静电电容检测装置，其具有：配置成M行N列的行列状的M根行线R(i)(1≤i≤M)、N根列线(j)(1≤j≤N)、在各行线与各列线的交差点设置的M×N个静电电容检测元件1、给各个静电电容检测元件1提供电源的电源线P。静电电容检测元件1含有：信号检测元件4，其蓄积与静电电容相应的电荷；信号放大元件T1，其将该信号检测元件4蓄积的电荷对应的信号放大。并且，信号检测元件4，含有电容检测电极41、和在该电容检测电极41与对象物接触的一侧设置的电容检测电介质膜42。尤其，电容检测电介质膜42、其特征为含有绝缘膜160、半导体膜162，这一点将(参照图2)，后述。

信号检测元件4的电容检测电极41和行线R(i)之间，连接有基准电容器5。基准电容器5，由基准电容器第1电极51、基准电容器电介质膜52、以及基准电容器第2电极53组成。信号放大元件T1的栅电极与电容检测电极41和基准电容器5的一方电极(第2电极53)连接。

信号放大元件T1配置在电源线P和输出线O之间。本实施方式中，作为信号放大元件T1的信号放大用薄膜半导体装置的源电极与电源线P电连接，漏电极，通过作为薄膜半导体装置的列选择元件T2以及行选择元件T3与输出线O电连接。如本实施方式，在静电电容检测元件1含有列选择元件T2和行选择元件T3的情况下，列选择用薄膜半导体装置的栅电极与列线C(j)连接，行选择用薄膜半导体装置的栅电极与行线R(i)连接。本实施方式中，由于关于行选择元件T3使用N型晶体管，给非选择行的行线施加低电位(V_ss)，给选择行的行线R(例如i行的行线)提供高电位(V_dd)。同样本实施方式中，由于列选择元件T2中使用N型晶体管，给非选择列的列线C施加低电位(V_ss)，给选择列(例如j列的列线)的列线C提供高电位(V_dd)。列选择元件T2，通过选择列线C(j)使其源-漏极之间为导通状态。行选择元件T3，通过选择行线R(i)而使其源-漏极之间为导通状态。

另，与该构成相反，关于列选择元件T2使用P型晶体管，在非选择状态下给P型晶体管的栅电极施加高电位(V_dd)，在选择状态时附加低电位(V_ss)。并且，关于行选择元件T3使用P型晶体管，在非选择状态时给P型晶体管的栅电极施加高电位(Vdd)，在选择状态时提供低电位(V_ss)。

这里作为“电连接”，是指通过开关元件等成为电导通的状态。当然，也可以是漏电极直接与输出线连接，还可以是源电极直接与电源线连接。

并且，电容检测电极41和基准电容器5的连接点，可以连接由薄膜半导体装置组成的复位元件。例如，作为复位元件的薄膜半导体装置的源电极与该连接点连接，漏电极与接地电位连接，栅电极与邻接的列线等连接。根据这样的构成，在选择复位元件后成为开关导通状态时，信号放大元件T1的栅电极和基准电容器第2电极53和电容检测电极41与接地电位电连接。这样，选择静电电容检测元件1测定对象物的静电电容之前将不需要的电荷从信号放大元件T1的栅电极或电容检测电极41中排除，因此使检测精度得到显著提高。

根据上述实施方式的构成，产生接下来这样的作用，通过列线C(j)以及行线R(i)依次进行选择，在依次选择配置成行列状的各静电电容检测元件1的状态下，可进行读取作为全体的对象物的表面形状。即，本实施方式中，静电电容检测元件1含有列选择元件T2以及行选择元件T3，按照列选择元件T2和行选择元件T3串联连接而构成。通过设置列选择元件T2而进行唯一列选择，防止列之间的信息干扰。并且通过也含有行选择元件T3，进行唯一行选择，以防止行之间的信息干扰。即静电电容检测元件1可进行唯一选择。

上述构成中，首先若选择某1根行线R(例如i行的行线)，与该行线R(i)连接的行选择元件T3全部成为晶体管导通状态。这种状态下，接下来若选择某个特定的列线C(例如j列的列线)，则在N根列线C内只有特定的列线C(j)被选择时，给该列线C(j)提供高电位(V_dd)，提高与该列线C(j)连接的列选择元件T2的电传导率，使晶体管成为导通状态。其结果，电源线P和输出线O之间的电传导率由信号放大元件T1决定。

这里，基准电容器5的一方电极51与行线R(i)连接，由于行线R(i)为选择状态，因此给基准电容器5提供高电位，与对象物的静电电容相应的电位施加给信号放大元件T1的栅电极。这样，从M×N个静电电容检测元件组中选择仅位于所选择的行线R(i)和列线C(j)的交差处的静电电容检测元件1(位于i行j列的静电电容检测元件)，并测定该位置的对象物的静电电容。

另，本发明的实施方式中，由于分别对各静电电容检测元件一个一个进行选择，因此电源线P以及输出线O可具有多样形式。例如，在静电电容检测装置内设置的电源线P，既可以作为与列线C相同数量的N根而从列方向提供；也可以作为与行线R相同数量的M根而从行方向提供。并且，也可以在两列设置1根电源线、或者在两行设置1根电源线。还有，在静电电容检测装置内设置的输出线O，既可以作为与列线C相同数量的N根从列方向取出，也可以与行线R相同数量的M根从行方向取出。还有，也可以在2列设置1根输出线，或者在2行设置1根输出线。图1的例中，电源线P的数量为与行线R相同数量的M根，由行方向提供；输出线O的数量为与列线C相同数量的N根，从列方向取出输出线O。

接着，就作为本发明的特征的电容检测电介质膜的结构进行说明。

图2表示有关本实施方式中静电电容检测装置中1个电容检测电极41部分的放大层叠图。

如图2所示，作为层结构的本实施方式的静电电容检测元件1，由在塑料等基板100上的半导体膜110、栅绝缘膜120、第1层间绝缘膜130、第2层间绝缘膜140、第3层间绝缘膜150层叠形成，电容检测电极41由在第3层间绝缘膜150上形成图案而成。在第3层间绝缘膜150以及电容检测电极41上，形成本发明的电容检测电介质膜42。电容检测电介质膜42，在下层侧设置绝缘膜160，在上层侧设置半导体膜162。

半导体膜110，为由信号放大元件T1、列选择元件T2、行选择元件T3分别对应的薄膜半导体装置形成的层，将在栅绝缘膜120上形成的栅电极170分别作为掩模进行自动匹配后掺入杂质，形成源极S或漏极D。在栅电极170上形成的第1层间绝缘膜130上，通过使金属层形成图案，形成与电源线P或行线R(i)对应的第1布线171。第1布线171，通过通孔，与信号放大元件T1的源极S或列选择元件T2以及行选择元件T3的栅电极170电连接。第2层间绝缘膜140上，通过使金属层形成图案，形成与列线C(j)或输出线O对应的第2布线172。第2布线172，通过通孔，与行选择元件T3的漏极D电连接。在第3层间绝缘膜150上，通过使金属层形成图案，设置电容检测电极41，通过通孔从而与信号放大元件T1的栅电极170电连接。

各层间绝缘膜，通过层叠例如SiO₂而形成。电容检测电介质膜42中，绝缘膜160，由绝缘性较好的，还具有作为保护膜的耐久性的材料，例如氮化硅(SiN)等形成。半导体膜162，具有相对较高的介电常数，由具有后述的电阻值或载流子密度、厚度的条件而形成。

作为这样的半导体膜162的材料，适用例如非晶质(amorphous)硅。半导体膜162，根据耐久性这点通过形成尽可能厚，需要防止因手指等的接触而产生磨损，防止按压力直接对电极产生很强的作用。另一方面，由于对象物和电容检测电极之间的距离越小检测电容越高，因此为提高检测精度，也需要半导体膜162尽量变薄这样相反的需求。这点，由于非晶质硅，介电常数为11.9比较大，即使形成较厚，也能够保持检测电容较大，因此能够满足作为保护膜的机械强度和作为电介质膜的较高介电常数双方。

具有这样的层结构的静电电容检测元件1采用公知的转印技术，在塑料基板100上形成得到。由于基于单晶硅技术的指纹传感器在塑料上立即裂开，或者不具有足够大的大小，因此缺乏实用性。对此本实施方式中，塑料基板100上的静电电容检测元件1，在塑料基板上即使有要盖住手指的足够大的面积也不用担心静电电容检测元件1裂开，而可利用作为在塑料基板100上的指纹传感器。

图3表示本实施方式中静电电容检测装置中电容检测电极41的放大平面图。该图为关于4个电容检测电极41的放大的模式图。图中，41M，表示指纹的峰接触(接近)的电容检测电极，41V表示位于指纹的谷的电容检测电极。这里，为便于解析，电容检测电极41形成为正方形的平面形状，其跨过静电电容检测装置全体的电极间的间距为x，作为电极大小的一边为y(＜x)。但是，各电容检测电极41的平面形状，除如图3所示的正方形之外，还可以形成长方形、其它多角形、圆形(椭圆形)等任意形状。

参照图4，就本发明的电容检测电介质膜的作用进行说明。图4表示作为对象物的手指接近，且指纹的峰接近电容检测电极41M，指纹的谷接近电容检测电极41V的样子。

以往的电容检测电介质膜，是一种在电极上层叠具有给定介电常数的电介质膜(绝缘膜)。这里，手指等对象物带电较多。尤其，假如在冬天等湿度降低，容易产生静电的时期则更容易带电。这样在对象物带电状态下，若对象物与静电电容检测装置接近，则产生的问题在于，其带电的手指的表面蓄积的电荷通过电介质膜放电，且瞬时较大的电流从电容检测电极向周边电路流动，导致给电路带来静电破坏。

这一点，本实施方式中电容检测电介质膜42，如图2所示，绝缘膜160膜和半导体膜162的双重结构。并且半导体膜162位于静电电容检测元件的最表面。随着在表面产生电荷的对象物与电容检测电极41M越接近，与对象物表面的电荷(负电荷)对应在半导体膜162的表面(由正电荷组成)也开始形成反型层。在该反型层形成的电荷(正电荷)越到要接触时密度越高，若蓄积一定的电荷则显示导电性，按照电流向电位低的部分流动并产生作用。这样，若给MOS晶体管中栅电极施加电压则可认为与在通道区域形成反型层的通道电流流动的原理相同。若在半导体表面形成反型层(若希望物理上的严密性，则为由对象物表面的电荷和具有相反极性的电荷组成的蓄积层)，则半导体产生金属那样的作用。因此在从对象物表面开始产生放电时，金属表面接受放电，因此能够防止静电电容检测装置受到静电破坏。

并且，根据本实施方式，在半导体膜162的下层形成绝缘膜160，显示较高的电阻抗。因此，半导体膜162中即使产生反型层，或者对象物与电容检测电介质膜接触，直到电容检测电极为止之间，都具有阻止电流实质上流动的较高电阻抗。因此，通过绝缘膜160，电流就不会直接经由电容检测电极41而流动，能够防止周边电路受到静电破坏。

本发明中，如后详细描述，当接地电位中某对象物的峰(例如指纹的峰)与静电电容检测装置接触时，信号放大元件为截止状态，对象物的谷(例如指纹的谷)接触时信号放大元件为导通状态。这样相应地电容检测电介质膜42的表面的电位以及在表面感应的电荷量也会因对象物的峰和谷而有不同(图4)。相反来说，为对静电电容进行高精度的检测，在峰接触时表面电位V_ST和谷接触时表面电位V_SV必须不同。因此半导体膜162的电传导率在必须小于某种程度。例如半导体膜162的电阻较低，电容检测电极间有较多电流流动，若与指纹的谷相面对的电容检测电极41V的区域的电荷向与指纹的谷相面对的电容检测电极41M的区域移动，则指纹的峰和谷中因静电电容的差异而产生的电容检测电极41的电位差较少，降低了指纹的检测精度。因此，就为防止瞬时电流而言，半导体膜162不太可能成为电流容易流动的状态。因此，以下对半导体膜162中要求的条件进行分析。

在指纹的峰接近电容检测电介质膜42的情况下，电容检测电介质膜42的表面电位V_ST和表面电荷Q_ST为零。即，

V_ST＝0

Q_ST＝0

另一方面，在指纹的谷中，电容检测电介质膜42的表面电位V_SV和表面电荷Q_SY如下关系：

$V_{\mathrm{SV}}=\frac{C_D}{C_D+C_A}\&CenterDot;V_{\mathrm{GV}}$

$=\frac{C_D}{C_D+C_A}\&CenterDot;\frac{k{C}_T+C_R}{\frac{C_A{C}_D}{C_A+C_D}+C_T+C_R}\&CenterDot;V_{\mathrm{dd}}---\left(4\right)$

$\&ap;\frac{C_D}{C_D+C_A}\&CenterDot;V_{\mathrm{dd}}$

这里，上式中，k为信号放大元件T1的漏极中未定系数k_d和源极中的未定系数k_s的平均值(k＝(k_d+k_s)/2)，k_d和k_s都是0以上1以下的值。并且，如后述元件电容C_D比基准电容器电容C_R和晶体管电容C_T之和C_R+C_T足够大，基准电容器电容C_R比对象物电容C_A足够大，基准电容器电容C_R比晶体管电容C_T足够大，即，式(4)表示下述情况下的表面电位V_ST。

C_D＞＞C_T+C_R；C_R＞＞C_A；C_R＞＞C_r    (5)

另，电容检测电极41之间的电容检测电介质膜的电阻抗R_PP，如上述令电极间距为x，电极大小为y，电介质膜厚为t_D，电介质膜的电阻率为ρ_D的情况下，成为

$R_{\mathrm{PP}}=\frac{x-y}{y\&CenterDot;t_D}\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_D---\left(6\right)$

这里，若置换为α≡y/x(＜1)则对上式进行变形后，该电介质的电阻R_pp和电阻率ρ_D，由下式表示。

$R_{\mathrm{PP}}=\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_D}{t_D}\left[\mathrm{\&Omega;}\right]---\left(7\right)$

${\mathrm{\&rho;}}_D=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;R_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;t_D[\mathrm{\&Omega;}\&CenterDot;\mathrm{cm}]$

通过电容检测电介质膜42在电容检测电极41之间产生的电流I_pp，为

$I_{\mathrm{PP}}=\frac{V_{\mathrm{SV}}-V_{\mathrm{ST}}}{R_{\mathrm{PP}}}=\frac{V_{\mathrm{SV}}}{R_{\mathrm{PP}}}---\left(8\right)$

这里，一个静电电容检测元件1的测定时间为Δτ的情况下，在该测定时间Δτ中移动的表面电荷量ΔQ，为

$\mathrm{\&Delta;Q}=I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}=\frac{V_{\mathrm{SV}}}{R_{\mathrm{PP}}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}---\left(9\right)$

假如该移动的表面电荷量ΔQ，比表面电荷量Q_sv足够小，则可认为不会影响测定。例如假如移动的表面电荷量ΔQ在表面电荷量Q_sv的10％程度以下，则认为不会对测定之产生很大的影响。即，具有如下关系。

ΔQ＜＜Q_SV或者 $\mathrm{\&Delta;Q}<\frac{Q_{\mathrm{SV}}}{10}---\left(10\right)$

表面电荷量Q_sv，在定义对象物的静电电容(对象物电容)为C_A的情况下，因为Q_sv＝C_AV_SV，因此可得到如下关系。

$\frac{V_{\mathrm{SV}}}{R_{\mathrm{PP}}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}<\frac{C_A{V}_{\mathrm{SV}}}{10}---\left(11\right)$

因此，可以判定电容检测电介质膜42的电阻R_pp优选满足如下关系。

$R_{\mathrm{PP}}>\frac{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{C_A}---\left(12\right)$

这里，若将上述电阻的条件式转换成电阻率ρ_D的关系，则能够转换成如下：

$\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_D}{t_D}>\frac{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{C_A}\&RightArrow;{\mathrm{\&rho;}}_D>\frac{\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;t_D\&CenterDot;\frac{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{C_A}---\left(13\right)$

这为电容检测电介质膜42的电阻率ρ_D相关的条件式。电容检测电介质膜42中，假如考虑绝缘膜160的电阻实质上为无限大，则由于只有半导体膜162对电流作出贡献，因此可认为上述膜厚t_D，为作为半导体膜162的膜厚。

即假如满足上述电阻的条件式或者电阻率的条件式，则能够防止对象物的电荷在测定时间Δτ内多于1成，向邻接的电容检测电极流出，因此在不降低静电电容检测装置的测定精度的情况下，防止受到静电破坏。

这里，考察半导体膜162所要求的杂质浓度n。半导体膜中，在定义该半导体膜的载流子电荷量为q，定义该半导体膜的载流子移动度为μ的情况下，半导体膜的电阻率ρ_D，可为

${\mathrm{\&rho;}}_D=\frac{1}{\mathrm{q\&mu;n}}---\left(14\right)$

因此，若使关于上述电阻率的条件式变形，则优选半导体膜162的杂质(载流子)浓度n，为满足条件：

$n<\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{C_A}{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}\&CenterDot;\frac{1}{\mathrm{q\&mu;}{t}_D}---\left(15\right)$

根据该式，决定每个静电电容检测装置的半导体膜162应具有的杂质浓度n的上限值，然而下限值为本征半导体具有的内在杂质密度。因此设置该本征半导体的杂质密度为n_intrinsic，则上述条件式变形为如下：

∴ $n_{\mathrm{intrinsic}}<n<\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{C_A}{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}\&CenterDot;\frac{1}{\mathrm{q\&mu;}{t}_D}---\left(16\right)$

假如限制满足这样的条件的半导体膜的杂质量，即剂量，则能够防止对象物的电荷比在测定时间Δτ内多于1成后流出，能够提高静电电容检测装置的测定精度防止受到静电破坏。另，本征硅中杂质浓度n_intrinsic在室温下，为1.45×10¹⁰[cm^-3]。

上述分析虽然为本实施方式中电容检测电介质膜42的条件，为使本实施方式中信号放大元件T1有效实现信号放大的功能，必须确切地设定信号放大用薄膜半导体装置的晶体管电容C_T和基准电容器电容C_R、以及信号检测元件4的元件电容C_D。以下，求出这些要素。

参照图6以及图7的等效电路，求出使该静电电容检测装置有效进行信号检测的条件。图6，为在测定对象物的凸部(例如指纹的峰)与电容检测电介质膜42接触，对象物电接地的状况下，静电电容检测元件1的等效电路。图7为在测定对象物的凹部(例如指纹的谷)与电容检测电介质膜42接触，对象物电接地的状况下，静电电容检测元件1的等效电路。

图6采用图1所示的本实施方式的静电电容检测元件1中，该静电电容检测装置作为指纹传感器，该状态为该静电电容检测装置表面与指纹的峰接触的状态。令基准电容器5的电极面积为S_R(μm²)、基准电容器电介质膜52的厚度为t_R(μm)、基准电容器电介质膜52的介电常数为ε_R、信号放大元件T1的栅电极面积为S_T(μm²)、栅绝缘膜120的厚度为t_OX(μm)、栅绝缘膜120的相对介电常数为ε_OX，则基准电容器电容C_R和信号放大元件T1的晶体管电容C_T分别定义为：

C_R＝ε₀·ε_R·S_R/t_R

C_T＝ε₀·ε_OX·S_T/t_OX

(ε₀为真空介电常数)。并且，电容检测电极41的面积为S_D(μm²)，电容检测电介质膜42的绝缘膜160的厚度为t_D1(μm)、半导体膜162的厚度为t_DS(μm)、电容检测电介质膜42的绝缘膜160的相对介电常数为ε_D1、半导体膜162的相对介电常数为ε_DS，则信号检测元件(4，5)的元件电容C_D定义为：

$C_D^{-1}={({\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{D1}\&CenterDot;S_D/t_{D1})}^{-1}+{({\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{DS}}\&CenterDot;S_D/t_{\mathrm{DS}})}^{-1}$

(ε₀为真空的介电常数)。这时，如式(5)所示，优选信号检测元件(4，5)的元件电容C_D，比作为基准电容器C_R和信号放大元件的元件电容C1之和C_R+C_T足够大。以下，考察其意义。

图6的情况下，对象物表面相当于元件电容C_D的接地电极，电容检测电极41相当于挟住电容检测电介质膜42的另一方电极。由于电容检测电极41与信号放大元件T1的栅电极170和基准电容器5的一方电极53连接，因此具有元件电容C_D的电容器和具有晶体管电容C_T的电容器串联连接，同时具有元件电容C_D的电容器也与具有基准电容器电容C_R的电容器串联连接。基准电容器5的另一方电极51与行线R(i)连接，在选择该行线R时施加高电位(V_dd)。另一方面，在采用作为电源电压的正电源的情况下，给电源线P提供接地电位。输出线O为高电位(V_dd)时，信号放大元件T1与列选择元件T2和行选择元件T3串联连接，并配置在电源线P和输出线O之间，因此，在选择行线R时信号放大元件T1的漏电位为V_dd的k(0＜k≤1)倍。这里，k值由列选择元件T2的电阻值和行选择元件T3的电阻值和信号放大元件T1的电阻值决定，具体来说，大于零，1以下。在既设置列选择元件T2又设置行选择元件T3的情况下，k值为1。

由于给行线R施加的电压和信号放大元件T1的漏极电位依据这3个电容器的静电电容相应地分配，这种状态下，信号放大元件T1的栅电极170中的电压(与凸部接触时的栅极电压)V_GT为

$V_{\mathrm{GT}}=\frac{k{C}_T+C_R}{C_D+C_T+C_R}\&CenterDot;V_{\mathrm{dd}}---\left(17\right)$

这里，k为信号放大元件T1的漏极中的系数k_d和源极中的系数k_s的平均值(k＝(k_d+k_s)/2)。因此，元件电容C_D为比作为基准电容器电容C_R和晶体管电容C_T之和C_R+C_T足够大的情况下，栅极电压V_GT，近似为

如果C_D＞＞kC_T+C_R则V_GT≈0    (18)

栅电极中几乎没有电压。其结果，信号放大元件T1为截止状态，电流I非常小。因此，相当于指纹的峰的对象物的凸部与静电电容检测装置接触的情况下，信号放大元件T1中几乎没有电流流动，因此构成静电电容检测元件1的栅电极170的面积(栅长度和栅宽度)或栅绝缘膜材料、栅绝缘膜厚、基准电容器电极面积(电容器电极长度或电容器电极宽度)、基准电容器电介质膜材料、基准电容器电介质膜厚、电容检测电极面积、电容检测电介质膜材料、电容检测电介质膜厚等，应该按照使元件电容C_D必须比作为基准电容器电容C_R和晶体管电容C_T之和C_R+C_T足够大而设定。

这里，一般地“足够大”是指10倍程度的不同。换言之，元件电容C_D只要作为基准电容器电容C_R和晶体管电容C_T之和C_R+C_T满足：

C_D＞10×(C_R+C_T)的关系即可。这种情况下，V_GT/V_dd成为0.1以下，薄膜半导体装置不能成为导通状态。

为了确切地检测对象物的凸部，重要的是，当对象物的凸部与电容检测电极41的电容检测电介质膜42接触时，信号放大元件T1为截止状态。因此，电源电压为高电位(V_dd)的情况下，作为信号放大元件T1的薄膜半导体装置，优选采用栅极电压在零附近的没有漏极流动的增强型(常截止型)N型晶体管。更优选，采用传导特性中漏极电流成为最小值的栅极电压(最小栅极电压)为V_min，该最小栅极电压满足：

0＜0.1×V_dd＜V_min

并且

0＜V_GT＜V_min

的关系的信号放大用N型MIS薄膜半导体装置。

相反，在电源电压为低电位(V_ss)，提供作为高电位(V_dd)的接地电压的情况下，作为信号放大元件T1的薄膜半导体装置，采用栅极电压接近零的没有漏极电流流动的增强型(常截止型)P型晶体管。更优选采用信号放大用P型MIS薄膜半导体装置的最小栅极电压V_min满足：

V_min＜0.1×V_dd＜0

并且

V_min＜V_GT＜0

的关系的信号放大用P型MIS薄膜半导体装置。通过采用这样的装置就能够在电流值I为非常小的形式下对对象物的凸部确切地进行检测。

图7表示图1所示的本实施方式的静电电容检测元件1中，采用该静电电容检测装置作为指纹传感器，在该静电电容检测装置表面接触有指纹的峰的状态下静电电容检测元件1的等效电路。这样，对象物没有与电容检测电介质膜42接触而是以对象物距离t_A离开电容检测电介质膜42的状况。

如图4所示，由于电容检测电介质膜42没有接触对象物表面，因此电容检测电介质膜42和对象物表面之间形成以空气作为电介质的新的电容器。将其称为对象物电容C_A，并采用真空介电常数ε₀、空气的相对介电常数ε_A和电容检测电极41的面积S_D，定义为：

C_A＝ε₀·ε_A·S_D/t_A

这样定义的情况下，如式(5)所示，优选基准电容器电容C_R比该对象物电容C_A足够大，以下进行说明。

如图7在对象物离开电容检测电介质膜的状态下，元件电容C_D和对象物电容C_A串联连接，并且这些电容器相互并联连接的信号放大元件T1的晶体管电容C_T和基准电容器电容C_R为串联连接。给基准电容器5施加电压V_dd，给信号放大元件T1的漏电极施加电压kV_dd。由于施加电压依据静电电容相应地在4个电容器之间分配，因此在该条件下信号放大元件T1的栅电极170中的电压(谷接触的栅极电压)V_GV，为：

$V_{\mathrm{GV}}=\frac{k{C}_T+C_R}{\frac{C_A{C}_D}{C_A+C_D}+C_T+C_R}\&CenterDot;V_{\mathrm{dd}}=\frac{V_{\mathrm{dd}}}{\frac{C_T+C_R}{k{C}_T+C_R}+\frac{1}{(k{C}_T+C_R)/C_D+(k{C}_T+C_R)/C_A}}---\left(19\right)$

另一方面，本发明中当对象物与静电电容检测装置接触时，由于按照漏极电流非常小制作应满足C_D＞＞C_T+C_R(式5)的条件的静电电容检测元件1，因此V_GV近似于：

如果C_D＞＞C_T+C_R≥kC_T+C_R则 $V_{\mathrm{GV}}\&ap;\frac{V_{\mathrm{dd}}}{\frac{C_T+C_R}{k{C}_T+C_R}+\frac{C_A}{k{C}_T+C_R}}---\left(20\right)$

这里，若设定基准电容器电容C_R比对象物电容C_A足够大，则C_R＞＞C_A，kC_T+C_R＞＞C_A，栅极电压V_GA更加简化为：

$V_{\mathrm{GV}}\&ap;\frac{k{C}_T+C_R}{C_T+C_R}\&CenterDot;V_{\mathrm{dd}}---\left(21\right)$

这样假如k的值接近1，则栅极电压V_GV与电源电压V_dd几乎相等。若设定基准电容器C_R比晶体管电容C_T足够大，则因C_R＞＞C_T，不论k值大小如何，栅极电压V_GV都为：

V_GV≈V_dd    (22)

与电源电压V_dd几乎相等。其结果，能够使信号放大元件T1为导通状态，电流I非常大。当相当于指纹的谷的对象物的凹部接触到静电电容检测装置上时，由于信号放大元件T1中有较大电流通过，因此需要按照基准电容器电容C_R比对象物电容C_A足够大而构成。

如前述，若确认10倍程度的不同，则由于一般认为足够大，因此基准电容器电容C_R和对象物电容C_A只要满足：

C_R＞10×C_A

的关系即可。并且，不管k值如何当指纹的谷等接近时，要使晶体管为导通状态则需基准电容器电容C_R比晶体管电容C_T大十倍以上，只要满足：

C_R＞10×C_T

这样的关系即可。若满足这样的条件，则V_GT/V_dd在0.9程度以上，信号放大元件T1中的薄膜半导体装置很容易成为导通状态。

另，关于确切地检测对象物的凹部，重要的是，在对象物的凹部与静电电容检测装置接近的情况下，作为该信号放大元件T1的信号放大用薄膜半导体装置成为导通状态。因此，关于电源电压Vdd采用正向电源的情况下，作为信号放大用薄膜半导体装置，优选采用增强型(常截止型)N型晶体管，且该晶体管阈值电压V_th比V_GV小。更优选，满足

0＜V_th＜0.91×V_dd

的关系这样的信号放大用N型MIS薄膜半导体装置。

相反，关于电源电压V_dd采用负电源的情况下，作为信号放大用薄膜半导体装置，优选采用增强型(常截止型)P型晶体管，并且信号放大用P型MIS薄膜半导体装置的阈值电压V_th比V_GV大。更优选，满足

0.91×V_dd＜V_th＜0

的关系的信号放大用P型MIS薄膜半导体装置。这样就能够以电流值I非常大的方式，对对象物的凹部进行确切地检测。

综上所述，在相当于指纹的峰等的对象物的凸部与静电电容检测装置接触的情况下，信号放大元件中几乎没有电流流动，同时相当于指纹的谷等的对象物的凹部与静电电容检测装置接近的情况下，信号放大元件中有较大电流通过，要正确认识对象物的凹凸，则在静电电容检测元件1，电容检测电介质膜42位于静电电容检测元件1的最表面，且信号放大元件T1的栅电极面积S_T(μm²)或栅绝缘膜的厚度t_OX(μm)、栅绝缘膜的介电常数为ε_OX，基准电容器的电极面积为S_R(μm²)、基准电容器电介质膜的厚度t_R(μm)、基准电容器电介质膜的相对介电常数为ε_R、电容检测电极的面积S_D(μm²)、电容检测电介质膜的厚度t_D(μm)、电容检测电介质膜的相对介电常数ε_D等需要按照使元件电容c_D比作为基准电容器电容C_R和晶体管电容C_T之和C_R+C_T足够大而设定，并且在对象物没有与电容检测电介质膜接触而是以对象物距离t_A隔开时需要按照基准电容器电容C_R比对象物电容C_A足够大而构成静电电容检测装置。并且，换言之，优选基准电容器电容C_R比晶体管电容C_T足够大。更具体来说，按照基准电容器电容C_R和晶体管电容C_T满足

C_R＞10×C_T

的关系式的基础上，元件电容C_D和基准电容器电容C_R和对象物电容C_A满足：

C_D＞10×C_R；

C_R＞10×C_A

的关系而构成静电电容检测装置。并且，作为电源电压在采用高电位(V_dd)的情况下，作为信号放大用薄膜半导体装置优选采用增强型(常截止型)N型晶体管，该N型晶体管的最小栅极电压V_min满足：

0＜0.1×V_dd＜V_min，或者0＜V_GT＜V_min

的关系，更优选采用阈值电压V_th小于V_GV，具体来说，满足

0＜V_th＜0.91×V_dd，或者0＜V_th＜V_GV

的关系的增强型N型晶体管。

相反，在关于电源电压采用负电源(V_ss)的情况下，作为信号放大用薄膜半导体装置优选采用增强型(常截止型)P型晶体管，该P型晶体管的最小栅极电压V_min满足：

V_min＜0.1×V_dd＜0，或者V_min＜V_ST＜0

的关系，则更优选采用阈值电压V_th大于V_GV，具体来说，满足

0.91×V_dd＜V_th＜0，或者V_GV＜V_th＜0

的关系的增强型P型晶体管。

(实施例1)

在玻璃基板上制作由薄膜半导体装置组成的静电电容检测装置，采用公知的转印技术在塑料基板上转印该静电电容检测装置，并在塑料基板上生成静电电容检测装置。电路构成与上述实施方式同样，静电电容检测装置由排列成304行304列的行列状静电电容检测元件构成。行列部的大小为20mm见方的正方形。

以下与图2的层结构对应进行说明。基板100为厚度200μm的聚醚砜(PES)。信号放大元件T1和行选择元件T2、以及列选择元件T2在N型薄膜半导体装置上制作。薄膜半导体装置如图2所示采用顶栅型，在工序最高温度为425℃的低温工序制作。信号放大用薄膜半导体装置和列选择用薄膜半导体装置以及行选择用薄膜半导体装置的栅电极长度L为3μm，栅电极宽度W为5μm。半导体膜110通过激光结晶化后形成多晶硅薄膜的厚度为50nm。并且，栅绝缘膜120通过化学气相沉积法(CAD法)形成45nm厚的氧化硅膜，栅电极170由厚为400nm的钽薄膜组成。形成栅绝缘膜120的氧化硅膜的相对介电常数通过CV测定求出为约3.9。基准电容器第1电极51由与信号放大用薄膜半导体装置的漏区域相同的N型半导体膜形成，基准电容器电介质膜52由与信号放大用薄膜半导体装置的栅绝缘膜相同的氧化硅膜制作，基准电容器第2电极53由与信号放大用薄膜半导体装置的栅电极相同的钽薄膜组成。基准电容器第1电极51通过导电孔与行线R连接，基准电容器第2电极53与信号放大用N型薄膜半导体装置的栅电极和电容检测电极41连接。

本实施例中，令电容检测电极41的间距x为66μm，电容检测电极41的面积S_D为1485μm²。因此，电容检测电极41的大小 $y(=\sqrt{S_D})$ 为 $38.5\mathrm{\&mu;m}(=\sqrt{1485\mathrm{\&mu;}{m}^2}).$ 电容检测电介质膜，由230nm的氮化硅膜和在其上面层叠的100nm的非晶质硅膜组成，这种情况下，氮化硅膜的电容C_DI为：

$C_{\mathrm{DI}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{DI}}\&CenterDot;S_D}{t_{\mathrm{DI}}}=\frac{8.85\&times;{10}^{-14}[F/\mathrm{cm}]\&times;7.5\&times;1485\left[\mathrm{\&mu;}{m}^2\right]}{0.23\left[\mathrm{\&mu;m}\right]}=429\left[\mathrm{fF}\right]---\left(23\right)$

半导体膜的电容C_DS为：

$C_{\mathrm{DS}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{DS}}\&CenterDot;S_D}{t_{\mathrm{DS}}}=\frac{8.85\&times;{10}^{-14}[F/\mathrm{cm}]\&times;11.9\&times;1485\left[\mathrm{\&mu;}{m}^2\right]}{0.1\left[\mathrm{\&mu;m}\right]}=1564\left[\mathrm{fF}\right]---\left(24\right)$

因此，计算信号检测元件的元件电容C_D为

$C_D={(\frac{1}{C_{\mathrm{DI}}}+\frac{1}{C_{\mathrm{DS}}})}^{-1}=337\left[\mathrm{fF}\right]---\left(25\right)$

在指纹的谷深度t_A为例如50μm的情况下，也是对象物电容C_A的空气层厚度，这时对象物电容成为0.26fF(千万亿分之一法拉)(＝2.6×10^-16F)。电容检测电介质膜42的电阻R_PP的条件，为假定测定时间Δτ最长的一个水平扫描期间(约1ms)求出比根据式(12)的条件式计算：

$R_{\mathrm{PP}}>\frac{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{C_A}=\frac{10\&times;{10}^{-3}\left[\sec \right]}{2.6\&times;{10}^{-16}\left[F\right]}=4{\&times;10}^{13}\left[\mathrm{\&Omega;}\right]---\left(26\right)$

比4×10¹³Ω还大。并且这时的半导体膜162的电阻率ρ_D的条件，根据式13的条件式，计算

${\mathrm{\&rho;}}_D>\frac{\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;t_D\&CenterDot;\frac{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{C_A}=\frac{0.8}{0.2}\&times;{10}^{-5}\left[\mathrm{cm}\right]\&times;4\&times;{10}^{13}\left[\mathrm{\&Omega;}\right]=1.6\&times;{10}^9[\mathrm{\&Omega;}\&CenterDot;\mathrm{cm}]---\left(27\right)$

还有，实际的载流子电荷量q为：

q＝1.6×10^-19[C]

载流子移动度μ为

μ＝0.1[cm·V^-1·S^-1]

则半导体膜162的杂质浓度n，根据式16计算：

1.45×10¹⁰[cm^-3]＜n＜4.0×10¹⁰[cm^-3]    (28)

在该范围内需要计算杂质浓度n。假如采用满足这样的关系的非晶质硅，可知作为静电电容检测装置能可靠地进行工作，并且，即使在对象物接近的情况下，也能够防止因瞬时电流而使周边电路遭受破坏。

如上述，电容检测电介质膜42中绝缘膜160由厚度230nm的氮化硅膜形成，半导体膜162由厚度100nm的非晶质硅形成。根据CV测定该氮化硅膜的相对介电常数为约7.5。并且，非晶质硅的相对介电常数为约11.9。这样，根据上述计算，元件电容C_D大约为337fF。若假设本实施例的静电电容检测装置为指纹传感器，由于指纹的凹凸为50μm程度，当静电电容检测装置表面接触有指纹的谷时，则计算对象物电容C_A为0.27fF。另一方面，信号放大用MIS薄膜半导体装置的栅电极长度L为2μm，栅电极宽度W为2μm，因此晶体管电容C_T大约为3.07fF。并且，令基准电容器电极面积S_R为42μm²。其结果，基准电容器电容C_R为32fF。这样本实施例所示的静电电容检测元件，满足

C_D＞10×C_R

C_R＞10×C_T

C_R＞10×C_A

的关系。这样若电源电压V_dd为3.3V，则当指纹的峰接触静电电容检测装置表面时，给信号放大用MIS薄膜半导体装置的栅电极施加的电压V_GT为0.30V，当指纹的谷接触时则给该栅电极施加的电压V_GV为3.11V。由于本实施例中采用的信号放大用N型薄膜半导体装置的最小栅极电压V_min为0.35V，当指纹的峰接触时，栅极电压V_GT大于0.30V，因此信号放大用N型薄膜半导体装置全部为截止状态。另一方面，阈值电压V_th为1.42V，由于当指纹的谷接触时得到的栅极电压V_GV小于3.11V，因此信号放大用N型薄膜半导体装置完全为导通状态。其结果，当指纹的峰接触静电电容检测装置表面时，从信号放大元件输出的电流值极其微弱为4.5×10^-13A。相反当指纹的谷接触时从信号放大元件输出的较大电流2.6×10^-5A，实现对指纹等的凹凸信息进行高精度地检测。

接着关于本发明的静电电容检测装置的电子机器进行说明。

图8表示作为具有本发明的静电电容检测装置的电子机器一例的移动电话机的概略图。如图8所示的移动电话机10，包含天线11、扬声器12、显示器13、操作键14、麦克风15以及本发明的静电电容检测装置16。

该移动电话机10，其构成为按照使静电电容检测装置16作为使用者的指纹传感器发挥功能。在移动电话机10的初步状态，移动电话机10，使静电电容检测装置16对该移动电话10的所有者的指纹进行检测，并在内部存储器作为像素的通断信息进行用户登录。之后的利用中，在进行需要特定的安全性操作的情况下，该移动电话机10，首先在显示器13显示需要对照指纹的意思，并促使使用者进行指纹对照。静电电容检测装置16读取使用者的指纹后，与最初登录到移动电话机10的所有者的指纹按照给定的对照方法进行指纹对照。其结果，在判定新检测的指纹与所有者的指纹一致的情况下，成为许可指定的要求给定安全性的操作的状态。作为这样的要求安全性的操作内容，具有例如访问收费网站、或者删除数据、或者显示隐私性较高的信息的情况。本实施方式的静电电容检测装置，由于采用薄膜半导体装置，超薄，且耐久性较高，还有检测精度也较高，因此适于移动电话机这样的小型电子机器。

还有，本实施方式的静电电容检测装置，还可以利用于具有个人认证功能的电子机器，例如具有个人认证功能的智能卡等。

以上，根据本实施方式，可由薄膜半导体装置制作可进行高精度检测的静电电容检测装置。尤其本实施方式中，通过使电容检测电介质膜42具有绝缘膜160和半导体膜162，因此能够具有以下效果。

(1)根据本实施方式的静电电容检测装置，由于在最上面设置半导体膜162，因此在对象物刚接触之前在半导体膜表面形成反型层，因此对象物的电荷迅速在表面扩展开，可防止电路受到静电破坏。

(2)并且根据本实施方式的静电电容检测装置，由于在电容检测电介质膜42的下层侧设置绝缘膜160，因此对象物的电荷不会直接经由电容检测电极而流动，可防止电路受到静电破坏。

(3)还有，如上述，决定应满足半导体膜的电阻、电阻率、杂质密度的条件，由于设定元件电容C_D、基准电容器电容C_R、晶体管电容C_T的大小关系，因此能够识别信号放大元件T1中，对象物的凸部和凹部。根据具有这样构成，在采用以往的单晶硅基板的技术中，在塑料基板上仅形成数mm×数mm程度的较小的静电电容检测装置，然而根据本实施方式的静电电容检测装置，能够实现在塑料基板上形成具有过去百倍面积的静电电容检测装置，并且能够以极其高的精度对对象物的凹凸信息进行检测。

其结果，可看出能产生使例如智能卡等的电子机器的安全级别得到显著提高的效果。并且，采用单晶硅基板的以往静电电容检测装置仅利用装置面积的极少一部分的单晶体硅半导体，白白浪费了较大的能源和劳力。对此，本发明可排除这样的浪费，实现有利于地球环境保护的效果。

Claims (12)

1. 一种静电电容检测装置，通过检测根据与对象物的距离而变化的静电电容来读取所述对象物的表面形状，其特征在于，

包括：配置成M行N列的静电电容检测元件、和给所述静电电容检测元件的每一个提供电位的电源线，

所述静电电容检测元件含有：蓄积与所述静电电容相应的电荷的信号检测元件、和将与所述信号检测元件蓄积的电荷对应的信号放大的信号放大元件，

所述信号检测元件含有：电容检测电极、在所述电容检测电极的与所述对象物接触的一侧上设置的绝缘膜、在所述绝缘膜上形成的载流子浓度在4×10¹⁰cm^-3以下的非晶质硅所构成的半导体膜。

2. 根据权利要求1所述的静电电容检测装置，其特征在于，

所述半导体膜位于所述静电电容检测元件的最表面。

3. 根据权利要求1所述的静电电容检测装置，其特征在于，

所述半导体膜位于所述静电电容检测元件的最表面，并与所述对象物相对。

4. 根据权利要求1所述的静电电容检测装置，其特征在于，

按照所述半导体膜能与所述对象物接触的方式，让所述半导体膜位于所述静电电容检测元件的最表面。

5. 根据权利要求1所述的静电电容检测装置，其特征在于，

所述半导体膜，当定义每个所述静电电容检测元件的测定时间为Δτ，所述对象物的静电电容为C_A时，所述半导体膜的电阻R_PP由下式表示：

$R_{\mathrm{PP}}>\frac{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{C_A}---\left(1\right).$

6. 根据权利要求1所述的静电电容检测元件，其特征在于，

所述半导体膜，当设每个所述静电电容检测元件的测定时间为Δτ、所述对象物的静电电容为C_A、所述半导体膜的膜厚为t_D、所述电容检测电极的间距为x，所述电容检测电极的宽度为y、并定义α＝y/x时，所述半导体膜的电阻率ρ_D满足下式：

${\mathrm{\&rho;}}_D>\frac{\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;t_D\&CenterDot;\frac{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{C_A}---\left(2\right).$

7. 根据权利要求1所述的静电电容检测元件，其特征在于，

所述半导体膜，在设每个所述静电电容检测元件的测定时间为Δτ，所述对象物的静电电容为C_A，所述半导体膜的膜厚为t_D，该半导体膜的载流子电荷量为q，该半导体膜的载流子迁移度为μ，所述电容检测电极的间距为x，所述电容检测电极的宽度为y，并定义α＝y/x时，所述半导体膜的杂质浓度n满足下式：

$n<\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{C_A}{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}\&CenterDot;\frac{1}{\mathrm{q\&mu;}{t}_D}---\left(3\right).$

8. 根据权利要求1所述的静电电容检测装置，其特征在于，所述绝缘膜是氮化硅。

9. 根据权利要求1所述的静电电容检测装置，其特征在于，

还包含与所述静电电容检测元件连接的基准电容器，

设该基准电容器的电极面积为S_R，所述基准电容器的电介质膜的厚度为t_R，所述基准电容器的电介质膜的相对介电常数为ε_R，所述信号放大元件的栅电极面积为S_T，所述信号放大元件的栅绝缘膜的厚度为t_ox，所述信号放大元件的栅绝缘膜的相对介电常数为ε_ox，将所述基准电容器电容C_R和所述信号放大元件的元件电容C_T定义为：

C_R＝ε₀·ε_R·S_R/t_R

C_T＝ε₀·ε_OX·S_T/t_OX

其中ε₀为真空的介电常数，

设所述电容检测电极的面积为S_D，所述静电电容检测元件的绝缘膜的厚度为t_D1，所述静电电容检测元件的绝缘膜的相对介电常数为ε_D1，所述电容检测电介质膜的半导体膜的厚度为t_DS，所述电容检测电介质膜的半导体膜的相对介电常数为ε_DS，将所述信号检测元件的元件电容C_D定义为：

$C_D^{-1}={({\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{D1}\&CenterDot;S_D/t_{D1})}^{-1}+{({\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{DS}}\&CenterDot;S_D/t_{\mathrm{DS}})}^{-1}$

其中ε₀为真空的介电常数时，

所述信号检测元件的元件电容C_D，比作为所述基准电容器电容C_R和所述信号放大元件的元件电容C_T之和的C_R+C_T足够大。

10. 根据权利要求9所述的静电电容检测装置，其特征在于，

所述对象物没有与所述半导体膜接触时所相隔的距离为对象物距离t_A，采用真空介电常数ε₀、空气的相对介电常数ε_A和所述电容检测电极的面积S_D，将对象物电容C_A定义为：

C_A＝ε₀·ε_A·S_D/t_A

时，所述基准电容器电容C_R比该对象物电容C_A足够大。

11. 一种静电电容检测装置，通过检测根据与对象物的距离而变化的静电电容来读取该对象物的表面形状，其特征在于，

包括：配置成M行N列的静电电容检测元件、和给该静电电容检测元件的每一个提供电源的电源线，

该静电电容检测元件含有：蓄积与该静电电容相应的电荷的信号检测元件、和将与该信号检测元件蓄积的电荷对应的信号放大的信号放大元件，

该信号检测元件含有：电容检测电极、和在该电容检测电极的与该对象物接触的一侧上设置的电容检测电介质膜，

该电容检测电介质膜具有绝缘膜和半导体膜，

所述半导体膜，在设每个所述静电电容检测元件的测定时间为Δτ，所述对象物的静电电容为C_A，所述半导体膜的膜厚为t_D，该半导体膜的载流子电荷量为q，该半导体膜的载流子迁移度为μ，所述电容检测电极的间距为x，所述电容检测电极的宽度为y，并定义α＝y/x时，所述半导体膜的杂质浓度n满足下式：

$n<\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{C_A}{10\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}\&CenterDot;\frac{1}{\mathrm{q\&mu;}{t}_D}.$

12. 一种电子机器，其特征在于，具有权利要求1～11中任一项所述的静电电容检测装置。

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