CN100432617C - 表面形状识别传感器装置 - Google Patents

Abstract

传感器单元包括：形成在衬底(100)上的传感器电极(101)；信号输出单元(16)，其输出与传感器电极和手指(3)表面之间所形成的电容(Cf)相对应的信号；形成在衬底上的高灵敏度电极(103)，以便其与传感器电极绝缘并分离；和电位控制器(14)，其通过控制高灵敏度电极的电位，经高灵敏度电极和手指表面之间所形成的电容(Cc)控制手指表面的电位。在这种布置下，当手指的电阻高时，能控制手指表面的电位，使其不随传感器电极的电位变化而波动。这样就能提高传感器电极和手指表面之间所形成的电容的检测灵敏度，因此，能通过多个传感器单元的输出清晰地辨认手指表面的峰和谷。

Description

表面形状识别传感器装置

发明领域

本发明涉及表面形状识别传感器装置，特别是涉及感知例如人的指纹或动物鼻纹的细微的峰和谷的表面形状识别传感器装置。

背景技术

一种对指纹特别敏感的传感器被报告用作识别带有细微峰和谷的表面形状的传感器。作为检测指纹图形的技术，还推出一种使用LSI制造技术的电容式指纹传感器。在参考文献1(日本专利申请公报No.2000-346608)和参考文献2(“A Robust，1.8V 250μW Direct-Contact 500dpiFingerprint Sensor”，ISSCC DIGEST OF TECHNICAL PAPERS，February1998，pp.284-285)中描述了几个电容式指纹传感器的实例。

如图18所示，每个电容式指纹传感器形成传感器单元阵列2，其中传感器单元1在LSI芯片上作两维排列，其对每个传感器单元1的传感器电极和通过绝缘保护膜与传感器电极接触的手指3的皮肤之间所形成的电容进行检测，由此感知指纹的峰和谷的图形。因为电容值随指尖皮肤表面的峰和谷而变化，所以，能通过检测这个精细的电容差值，感知指尖皮肤表面的峰和谷。

如图19所示，传感器电极101并入在传感器单元阵列2的每一传感器单元1中。

下面将参考图20说明作为第一现有技术，利用图18所示的电容式指纹传感器的原理的表面形状识别传感器装置。在图20所示表面形状识别传感器装置中，各传感器单元1包括检测元件10，信号产生电路11，开关SW1和检测电路12。

检测元件10包括衬底上的绝缘层100、绝缘层100上形成的传感器电极101和所形成的用于复盖传感器电极101的保护膜102。

信号产生电路11包括：开关SW2，其产生与传感器电极101和与保护膜102接触的手指3的皮肤之间所形成的电容相对应的电压信号；和电流源110。检测电路12检测从信号产生电路11来的电压信号。开关SW1向作为检测元件10的传感器电极101和信号产生电路11之间的连接点的节点N1，提供电位Vp。注意，图20中的电容Cp表示寄生电容。

因为电容Cf由传感器电极101和手指3的皮肤之间的距离确定，所以，Cf值随指纹的峰和谷变化。因此，与手指3的峰和谷相对应的电压信号从信号产生电路11输出至节点N1。由检测电路12检测到的这个电压信号作为反映指纹的峰和谷的信号，因此检测到指纹图形。

下面将参考图21A至21D说明图20所示的表面形状识别传感器装置的正常操作，手指3的表面通过手指3的电阻连接至地电位(GND)。假定Rf＝0Ω。因此，手指表面的电位即节点N2上的电位保持地电位(图21D)。

最初，控制开关SW1开/闭的控制信号P为低电平(图21A)。控制开关SW2开/闭的控制信号S1也为低电平(图21B)。因此开关SW1和SW2两者都断开。在这种情况下，节点N1上的电位等于或低于电位Vp(图21C)。

在这种情况下，如果在图21A中控制信号P在时间t1从低电平变化到高电平，则开关SW1闭合而接通，结果节点N1上的电位预充电至电位Vp(图21C)。

在预充电完成以后，在图21A中控制信号P在时间t2变化到低电平，同时控制信号S1变化到高电平，如图21B所示。因此，开关SW1断开，开关SW2接通，存储在节点N1上的电荷由电流源110抽取。结果，节点N1上的电位(电压信号)下降(图21C)。假定Δt为控制信号S1的高电平周期，当Δt过去以后，节点N1从电位Vp下降的电位降低ΔV由等式(1)给出：

ΔV＝IΔt/(Cf+Cp)    …(1)

这里I是电流源110的电流值，Cp是寄生电容。

因为电流I、周期Δt和寄生电容Cp是常数，所以电位降ΔV由电容Cf确定。电容Cf由检测元件10的传感器电极101和手指3的皮肤之间的距离确定，这样电容Cf的值就随指尖皮肤表面的峰和谷变化。因此，电位降ΔV的幅度变化反映指尖皮肤表面的峰和谷。也就是说，假定Cfv是指尖皮肤表面的谷和传感器电极101之间所形成的电容，Cfr是指尖皮肤表面的峰和传感器电极101之间所形成的电容，那么与指尖皮肤表面的谷对应的电压信号，和与指尖皮肤表面的峰对应的电压信号之间的差由等式(2)给出：

ΔVi＝IΔt/(Cfv+Cp)-IΔt/(Cfr+Cp)  …(2)

因为每个传感器单元的检测电路12所检测的电压信号是反映指尖皮肤表面的峰和谷的信号，所以能从多个传感器单元的输出辨认指尖皮肤表面的峰和谷。

但是，手指3的表面通过手指3的电阻Rf连接至地电位，这样，如果例如因为手指3干燥而电阻Rf高的话，在某些情况下不能得到足够大的电压差ΔVi。下面将参考图22A至22D说明当Rf＞＞0时，表面形状识别传感器装置的操作。

图22A至22D中的基本操作时序与图21A至21D相同。但是，在指纹的峰上，手指表面的电位即节点N2上的电位不能保持地电位，而是随图22C所示节点N1上的电位变化而起伏，如图22D所示。因此，指尖皮肤表面的峰和传感器电极101之间所形成的电容Cf的值明显地减小(Cf＝α·Cfr，α＜1)，结果电压差ΔVi(＝IΔt/(Cfv+Cp)-IΔt/(α·Cfr+Cp))减小，如图22C所示。这使得图20所示的表面形状识别传感器装置辨认指纹图像的峰和谷间的图形变得困难，因此不能得到清晰的指纹图像的图形。

下面将参考图23说明作为第二现有技术，利用图18所示电容式指纹传感器的原理的表面形状识别传感器装置。

这个表面形状识别传感器装置与图20的示例不同的是信号产生电路13的结构。信号产生电路13包括对电源电位VDD或地电位GND进行选择并输出的开关SW3，和在开关SW3的输出端与节点N1之间所形成的电容元件Cs。信号产生电路13通过对电容元件Cs充电/放电，从节点N1抽取电荷，被抽取的电荷量由Cs的电容值和Cs的驱动电压Vs控制。在这种装置中，要从节点N1抽取的电荷量，通过开关SW3将图23所示的驱动电压Vs设置为电源电位VDD(VDD＞0)或地电位GND来控制。

下面将参考图24A至24D说明图23所示的表面形状识别传感器装置的正常操作。手指3的表面通过手指3的电阻Rf连接至地电位。假定Rf＝0Ω。因此，手指表面的电位即节点N2上的电位保持在地电位(图24D)。

在图24A中的时间t1，通过将控制信号P的电位改变至高电平而使开关SW1闭合，因此，节点N1预充电至电位Vp。在这种情况下，信号产生电路13中的电容元件Cs的驱动电压Vs设置为VDD。此后，在图24A中的时间t2，通过将控制信号P的电位改变至低电平而使开关SW1断开。在同一时间，如图24B所示，电容元件Cs的驱动电压Vs从VDD下降ΔVs，并被设置为GND，由此，从节点N1抽取电荷用来产生送至检测电路12的电压信号。

将要加至检测电路12的电压信号的变化量ΔV由等式(3)给出：

ΔV＝ΔVs/{1+(Cf+Cp)/Cs}  …(3)

与指尖皮肤表面的谷对应的电压信号和与指尖皮肤表面的峰对应的电压信号之间的差值ΔVi由等式(4)给出：

ΔVi＝ΔVs/{1+(Cfv+Cp)/Cs}-ΔVs/{1+(Cfr+Cp)/Cs}  …(4)

因为每一传感器单元的检测电路12所检测的电压信号是反映指纹的峰和谷的信号，所以指尖皮肤表面的峰和谷能通过多个传感器单元的输出来辨识。

但是，手指3的表面通过手指3的电阻Rf连接至地电位，这样，如果例如因为手指3干燥而电阻Rf高的话，在某种情况下就不能得到足够大的电压差ΔVi。下面将参考图25A至25D说明当Rf＞＞0时表面形状识别传感器装置的操作。

图25A至25D中的基本操作时序与图24A至24D相同。但是，在指尖皮肤的表面上，手指表面的电位即节点N2上的电位不能保持地电位，而是随图25C所示的节点N1上的电位变化而起伏，如图25D所示。因此，指尖皮肤表面的峰和传感器电极101之间所形成的电容Cf的值明显地减小(Cf＝α·Cfr，α＜1)，结果电压差ΔVi(＝ΔVs/{1+(Cfv+Cp)/Cs}-ΔVs/{1+(α·Cfr+Cp)/Cs})减小，如图25C所示。这便得图23所示的表面形状识别传感器装置辨认指纹图像的峰和谷图形变得困难，因此不能得到清晰的指纹图像的图形。

发明内容

如上所述，当常规的表面形状识别传感器装置用作指纹验证用的指纹传感器时，如果手指3的电阻Rf高，辨认指纹图像的峰和谷图形就变的很困难，这样也就不能获得清晰的指纹图像。因此，当指纹图像由于手指3的电阻Rf的影响而变差时，鉴别率降低。

已完成的本发明能解决这个问题，它的目的是提供一种表面形状识别传感器装置，其能提高与待识别对象例如指纹表面的峰和谷相对应的电容的检测灵敏度。

为达到上述目的，本发明的特征在于包括：多个传感器单元，其为二维排列，检测与将要识别对象的表面的峰和谷相对应的电容，并输出与电容相对应的信号；和信号处理器，其基于从传感器单元输入的信号计算对象的表面形状，传感器单元包括：衬底；形成在衬底上的第一电极；信号输出单元，其输出与第一电极和对象的表面之间所形成的电容相对应的信号；形成在衬底上的第二电极，其与第一电极绝缘并分离；和电位控制器，其通过控制第二电极的电位，经第二电极和对象的表面之间所形成的电容控制对象的表面的电位。

本发明利用电位控制器，通过控制第二电极的电位，经第二电极和对象的表面之间所形成的电容控制将要识别的对象的表面的电位。因此，当对象的电阻高时，对象的表面电位受到控制因而不随第一电极的电位变化而波动。这样就能提高第一电极和对象的表面之间所形成的电容的检测灵敏度。因此，利用多个传感器单元的输出，能清晰地辨认对象表面的峰和谷。特别是当本发明用作指纹验证的指纹传感器时，能防止因手指表面电阻引起的指纹图像变坏，获得防止验证成功率降低的效果。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的表面形状识别传感器装置的总体布置方框图；

图2是根据本发明第一实施例的表面形状识别传感器装置的方框图；

图3A是在图1所示的表面形状识别传感器装置的传感器单元阵列中，传感器电极和高灵敏度电极的布置图样示例的平面图；

图3B是在图1所示的表面形状识别传感器装置的传感器单元阵列中，传感器电极和高灵敏度电极的布置图样另一实例的平面图；

图4A是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图4B是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号S1随时间的变化；

图4C是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图4D是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图4E是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N3上的电位变化；

图5是本发明第一实施例的电位控制电路的示例方框图；

图6A是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图6B是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中表示控制信号S1随时间的变化；

图6C是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图6D是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图6E是说明图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N3上的电位变化；

图7是根据本发明第二实施例的表面形状识别传感器装置的布置方框图；

图8A是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图8B是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出电容元件Cs的驱动电压Vs随时间的变化；

图8C是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图8D是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图8E是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N3上的电位变化；

图9A是本发明第二实施例的电位控制电路的示例方框图；

图9B是本发明第二实施例的电位控制电路的另一示例方框图；

图10A是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作的另一示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图10B是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作的另一示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出电容元件Cs的驱动电压Vs随时间的变化；

图10C是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作的另一示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图10D是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作的另一示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图10E是说明图7所示表面形状识别传感器装置的操作的另一示例在手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N3上的电位变化；

图11是根据本发明第三实施例的表面形状识别传感器装置的电位控制电路示例的方框图；

图12A是说明使用如图11所示电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图12B是说明使用如图11所示电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时一个时序图，其中示出控制信号S1随时间的变化；

图12C是说明使用如图11所示电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图12D是说明使用如图11所示电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图12E是说明使用如图11所示电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时一个时序图，其中示出节点N3上的电位变化；

图13A是根据本发明第四实施例的表面形状识别传感器装置的电位控制电路的示例方框图；

图13B是根据本发明第四实施例的表面形状识别传感器装置的电位控制电路的另一示例方框图；

图14A是说明使用如图13所示的电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图14B是说明使用如图13所示的电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出电容元件Cs的驱动电压Vs随时间的变化；

图14C是说明使用如图13所示的电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图14D是说明使用如图13所示的电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图14E是说明使用如图13所示的电位控制电路的表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N3上的电位变化；

图15是根据本发明第五实施例的传感器单元阵列的传感器电极和高灵敏度电极布置图样的平面图；

图16是根据本发明第六实施例的传感器单元阵列的传感器电极和高灵敏度电极布置图样的平面图；

图17A是根据本发明第七实施例的传感器单元阵列的传感器电极和高灵敏度电极的成形位置的示例剖面图；

图17B是根据本发明第七实施例的传感器单元阵列的传感器电极和高灵敏度电极的成形位置的另一示例剖面图；

图18是常规电容式指纹传感器的透视图，其中传感器阵列形成格子形状。

图19是图18所示传感器单元阵列的传感器电极布置图样的平面图；

图20是作为第一现有技术的表面形状识别传感器装置的结构方框图；

图21A是说明图20所示的表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图21B是说明图20所示的表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出控制信号S1随时间的变化；

图21C是说明图20所示的表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图21D是说明图20所示的表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图22A是说明图20所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图22B是说明图20所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号S1随时间的变化；

图22C是说明图20所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图22D是说明图20所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图23是作为第二现有技术的表面形状识别传感器装置的布置方框图；

图24A是说明图23所示表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图24B是说明图23所示表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出电容元件Cs的驱动电压Vs随时间的变化；

图24C是说明图23所示表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图24D是说明图23所示表面形状识别传感器装置的正常操作的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化；

图25A是说明图23所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出控制信号P随时间的变化；

图25B是说明图23所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出电容元件Cs的驱动电压Vs随时间的变化；

图25C是说明图23所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N1上的电位变化；

图25D是说明图23所示表面形状识别传感器装置的操作，当手指电阻高时的一个时序图，其中示出节点N2上的电位变化。

具体实施方式

本发明的表面形状识别传感器装置的主要特点在于具有一种提高与表面形状的峰和谷相对应的信号(电容)检测灵敏度的装置。与现有技术不同的是，表面形状识别传感器装置的每一传感器单元除传感器电极以外还有第二电极，并且通过控制第二电极的电位来控制表面形状的表面电位。

下面将参考附图描述本发明的具体实施方式。

[第一实施例]

如图1所示，根据本发明第一实施例的表面形状识别传感器装置具有：传感器单元阵列2a，其中多个传感器单元1a是二维排列；信号处理器4；和控制信号输出单元5。每个传感器单元1a感知作为待识别的对象的手指表面的峰和谷相对应的电容，并将与电容相对应的信号输出至信号处理器4。信号处理器4汇集来自传感器单元1a的输入信号，并计算手指的表面的形状。控制信号输出单元5将控制信号S1输出至每一传感器单元1a，控制传感器单元1a的操作。

如图2所示，传感器单元1a具有检测元件10a、信号输出单元16和手指表面电位控制器14。

检测元件10a包括衬底上的绝缘层100，绝缘层100上形成的传感器电极101(第一电极)，在绝缘层100上形成的与传感器电极101绝缘并分离的高灵敏度电极103(第二电极，控制电极)，和所形成的复盖传感器电极101和高灵敏度电极103的保护膜102。保护膜102的表面被整平。

信号输出单元16输出与传感器电极101和接触保护膜102的手指3的皮肤之间所形成的电容Cf相对应的信号，作为来自传感器单元1a的输出，具体地说，其包括开关SW1(充电电路)、信号产生电路11和检测电路12。开关SW1将电位Vp加至节点N1即检测元件10a的传感器电极101与信号产生电路11的输出端之间的连接点，从而存储电荷。信号产生电路11产生与手指3的皮肤和传感器电极101之间所形成的电容Cf相对应的电压信号。信号产生电路11包括第一电流源110，其用于从节点N1移去电荷，和开关SW2(第一开关元件)，其配置在电流源110和节点N1之间，并且只在电荷存储到节点N1以后，在预定的时间内电气连接电流源110和节点N1而产生电压信号。检测电路12在电荷存储到节点N1以后，检测从信号产生电路11来的电压信号，并且将信号输出作为信号输出单元16的输出信号。

手指表面电位控制器14具有控制高灵敏度电极103的电位的电位控制电路140。信号产生电路11的开关SW2和电位控制电路140一起被从控制电路5输入的控制信号S1控制。注意，图2中的Cp表示寄生电容。

图2所示的表面形状识别传感器装置的目的在于解决图20所示的常规表面形状识别传感器装置的问题，它是通过在常规的表面形状识别传感器装置中加上高灵敏度电极103和电位控制电路140而得到的。因为电位控制电路140是通过手指3的表面和高灵敏度电极103之间所形成的电容Cc控制手指3的表面(节点N2)的电位，所以当由于例如手指3干燥而电阻Rf高时，节点N2上的电位能得到控制，因此能提高电容Cf的检测灵敏度。

如图3A和3B所示，传感器单元阵列2a的每一传感器单元1a包含有传感器电极101和高灵敏度电极103。高灵敏度电极103的面积越大，手指3的电位越容易控制。但是为提高检测灵敏度，在传感器单元1a的有限范围内安排了传感器电极101和高灵敏度电极103两者，最好使高灵敏度电极103的面积等于传感器电极101的面积，如图3A所示，或使高灵敏度电极103的面积小于传感器电极101的面积，如图3B所示。

下面将参考图4A和4E说明当Rf＞＞0时，图1所示表面形状识别传感器装置的操作示例。

最初，控制开关SW1开/闭的控制信号P为低电平(图4A)。控制开关SW2开/闭的控制信号S1也为低电平(图4B)，因此，开关SW1和SW2两者都断开。在这种情况下，节点N1的电位低于电位Vp(图4C)。

在这种状态下，当图4A中控制信号P在时间t1从低电平变化至高电平时，开关SW1闭合并接通，结果节点N1上的电位预充电至电位Vp(图4C)。

在预充电完成以后，图4A中控制信号P在时间t2变化到低电平，同时控制信号S1变化到高电平，如图4B所示。因此，开关SW1断开，开关SW2接通，存储在节点N1的电荷由电流源110抽取。结果，节点N1上的电位(电压信号)下降(图4C)。控制信号S1在预定的周期Δt内保持高电平。当Δt过去以后，节点N1从电位Vp下降的电位降ΔV由前面所示的等式(1)给出，那里，I是电流源110的电流值，Cp是寄生电容。

在图1所示的表面形状识别传感器装置中，与图22中不同，节点N3即电位控制电路140的输出和高灵敏度电极103之间的连接点上的电位，在从时间t2至时间t3的周期内，按照与节点N1的电位变化的相反方向变化，如图4E所示。更具体地说，节点N3上的电位是上升的。当指纹的峰面对传感器单元1a时，在高灵敏度电极103和手指3的表面之间所形成的电容Cc大。由于这个原因，节点N2上的电位能通过控制节点N3上的电位经由电容Cc来控制。这样通过控制节点N3上的电位，在从时间t2至时间t3的周期内，节点N2上的电位起伏能被抑制，如图4D所示。这样就能防止电容Cf值的明显减小，当Cf＝α·Cfr时，可得到α＝1。注意，当指尖皮肤表面的谷面对传感器单元1a时，高灵敏度电极103和手指3的表面之间所形成的电容Cc是小的，因此节点N2上的电位不受影响。因此，如图4C所示，能使与指尖皮肤表面的谷相对应的电压信号，和与指尖皮肤表面的峰相对应的电压信号之间的差ΔVi的幅度，可以等于图21C所示的幅度，也就是当手指3的电阻Rf为0Ω时的幅度。

如图5所示，例如，电位控制电路140包括用于在节点N3上存储电荷的第二电流源141，和配置在节点N3和电流源141之间的开关SW4(第二开关元件)。在开关SW4接通的周期中，电流源141在节点N3上存储电荷，因此节点N3上的电位上升。信号产生电路11中所用的控制信号S1也用作开关SW4的控制信号，这样，当控制信号S1是高电平时，开关SW2和SW4两者都接通。通过将控制信号S1用于开关SW2和SW4两者，能够避免控制信号数目的增加。

下面将参考图6A至6E说明当Rf＞＞0时，图1所示的表面形状识别传感器装置操作的另一示例。

基本操作与图4A至4E所示的操作相同。与图4A至4E的不同在于节点N3上的电位变化大于图4E中所示的变化，如图6E所示，并且如图6D所示在时间t2至时间t3周期内，节点N2上的电位在增加方向变化。这样当Cf＝α·Cfr时，能有效地提高电容Cf的值，得到α＞1。因此，如图6C所示，能使与指尖皮肤表面的谷相对应的电压信号，和与指尖皮肤表面的峰相对应的电压信号之间的差ΔVi的幅度，大于图21C所示的幅度。因为能容易地确定每一传感器单元的检测电路12所检测的电压信号是否与指尖皮肤表面的峰和谷相对应，所以通过多个传感器单元的输出，能够清晰地识别指尖皮肤表面的峰和谷。

在上述的这个实施例中，电位控制电路140经由手指3的表面和高灵敏度电极103之间形成的电容，控制手指3的表面(节点N2)的电位，因此当手指3的电阻Rf高时，能控制节点N2上的电位，并提高电容Cf的检测灵敏度。

注意，尽管在本实施例中节点N3上的电位随控制信号S1变化，重要的是使节点N3上的电位按照与节点N1的电位变化的相反方向变化，这样，方法就不限于使用控制信号S1，并且节点N3上的电位变化的时间也不限于从时间t2至时间t3的周期。

还要注意在本实施例中，通过在节点N1存储电荷然后只在预定的时间内移去电荷所得到的信号，被用作从传感器单元1a的输出信号。但是，也能利用从节点N1移去电荷然后在节点N1只在预定的时间内存储电荷所得到的信号，用作传感器单元1a的输出信号。在这种情况下，图2所示的电位Vp设置为地电位，以使开关SW1起放电电路的作用，并且，电流源110按照与图2所示方向相反的方向进行连接，以便节点N1能存储电荷。在这种结构中，如果电阻由于例如手指3干燥为高，则当节点N1存储电荷时节点N2上的电位随节点N1上的电位上升。为了防止这种现象，电位控制电路140按照与节点N1的电位变化的相反方向上变化节点N3上的电位。也就是说，节点N3上的电位降低。更具体地说，电流源141以与图5所示方向相反的方向进行连接，这样电位控制电路140能从节点N3移去电荷。

[第二实施例]

下面将描述本发明的第二实施例。

根据本发明第二实施例的表面形状识别传感器装置有一个传感器单元阵列，其中多个传感器单元作二维布置，每一传感器单元有检测元件10a、信号输出单元17和手指表面电位控制器15，如图7所示。图7中的与图2中的参考标号相同的标号表示相同的部件。

类似于图1，检测元件10a包括衬底上的绝缘层100、传感器电极101、高灵敏度电极103和保护膜102。

信号输出单元17输出与在传感器电极101和接触保护膜102的手指3的皮肤之间所形成的电容Cf相对应的信号，作为传感器单元1a的输出，更具体地说，其包括开关SW1(充电电路)、信号产生电路13和检测电路12。开关SW1将电位Vp加至节点N1即检测元件10a的传感器电极101与信号产生电路13的输出端之间的连接点，从而存储电荷。信号产生电路13产生与在手指3的皮肤和传感器电极101之间所形成的电容Cf相对应的电压信号。信号产生电路13包括：开关SW3(第三开关元件)，其选择并输出电源电位VDD(第一电位)和低于VDD的地电位GND(第二电位)中的一个；以及在开关SW3的输出端与节点N1之间形成的电容元件Cs。检测电路12检测从信号产生电路13来的电压信号，并将这个信号输出作为信号输出单元17的输出信号。

手指表面电位控制器15具有控制高灵敏度电极103的电位的电位控制电路150。信号产生电路13的开关SW3和电位控制电路150一起被从控制信号输出电路5a输入的控制信号S2控制。注意，图7所示的Cp表示寄生电容。

图7所示的表面形状识别传感器装置的目的在于解决图23所示的常规表面形状识别传感器装置的问题，它是通过在常规的表面形状识别传感器装置中加上高灵敏度电极103和电位控制电路150而得到的。因为电位控制电路150是经由手指3的表面和高灵敏度电极103之间所形成的电容Cc控制手指3的表面(节点N2)的电位，所以，当由于例如手指3干燥而电阻Rf高时，节点N2上的电位能得到控制，因此能提高电容Cf的检测灵敏度。

下面将参考图8A至8E说明当Rf＞＞0时，图7所示的表面形状识别传感器装置的操作示例。

在图8A中的时间t1，控制信号P的电位变化至高电平，以闭合开关SW1，从而在节点N1预充电至电位Vp。另一方面，在时间t2以前的周期中，控制信号S2使开关SW3选择电源电位VDD，因此电容元件Cs的驱动电压Vs设置在电源电位VDD。此后，在图8A中的时间t2，控制信号P的电位变化至低电平，以断开开关SW1，同时控制信号S2使开关SW3选择地电位GND，因而使电容元件Cs的驱动电压Vs降低ΔVs，以产生至检测电路12的电压信号。

在图7所示的表面形状识别传感器装置中，与图25不同，作为电位控制电路150的输出的节点N3上的电位在时间t2以后，按照与节点N1上的电位变化的相反方向变化，如图8E所示，因此，在时间t2以后节点N2上的电位起伏能被抑制，如图8D所示。这样能防止电容Cf值的明显下降，当Cf＝α·Cfr时得到α＝1。因此，如图8C所示，能使与指纹的谷相对应的电压信号和与指纹的峰相对应的压电信号之间的差ΔVi的幅度等于图24C所示的幅度，也就是当手指3的电阻Rf为0Ω时幅度。

如图9A所示，例如电位控制电路150包括开关SW5(设置单元)，其选择预定电位V1(第三电位)或V2(第四电位)并将所选电位输出至高灵敏度电极103。信号产生电路13所使用的控制信号S2也用作开关SW5的控制信号，控制信号S2使开关SW5，在图8E中的时间t2以前的周期内选择电位V1，在时间t2选择电位V2(V1＜V2)。通过将控制信号S2用于开关SW3和SW5两者，能够避免控制信号数目的增加。

如图9B所示，例如电位控制电路150也可以由将控制信号S2提供给高灵敏度电极103的信号线151(设置单元)构成。因为直接使用控制信号S2的电位，所以能够不必使用任何附加电路而实现电位控制电路150。在本实施例中，控制信号S2具有与节点N3上的电位相同的波形如图8E所示。

下面将参考图10A至10E说明当Rf＞＞0时，图7所示的表面形状识别传感器装置的操作的另一示例。

基本操作与图8A至8E所示的操作相同。与图8A至8E不同在于，如图10E所示，节点N3上的电位变化大于图8E所示的电位变化，并且如图10D所示，节点N2上的电位在时间t2这个时刻在增加的方向瞬态变化。这样能有效地提高电容Cf值，当Cf＝α·Cfr时得到α＞1。因此，如图10C所示，能使与指尖皮肤表面的谷相对应的电压信号和与指尖皮肤表面的峰相对应的电压信号之间的差ΔVi的幅度可以大于图24C所示的幅度。因为能容易地确定每一传感器单元的检测电路12所检测的电压信号是否与指尖皮肤表面的峰和谷相对应，所以通过多个传感器单元的输出，能够清晰地识别指尖皮肤表面的峰和谷。

在上述这个实施例中，电位控制电路150经由手指3的表面和高灵敏度电极103之间所形成的电容Cc控制手指3的表面(节点N2)的电位，这样，当手指3的电阻高时就能控制N2上的电位，并提高电容Cf的检测灵敏度。

注意，尽管在这个实施例中，节点N3上的电位随控制信号S2变化，重要的是使节点N3上的电位按照与节点N1的电位变化的相反方向变化，这样，方法就不限于使用控制信号S2，并且，节点N3上的电位变化的时间也不限于在时间t2以后的周期。

还要注意，在这个实施例中，通过将电荷存储到节点N1然后移去这个电荷所得到的信号用作传感器单元的输出。但是也能使用通过从节点N1移去电荷然后将电荷存储到节点N1所得到的信号，作为传感器单元的输出。在这种情况下，图7所示的电位Vp设置为地电位，以使开关SW1起放电电路的作用。此外，当开关SW1闭合时，使开关SW3选择地电位GND，当开关SW1断开时，使开关SW3选择电源电位VDD。因此电荷存储到节点N1。在这样的安排下，如果因为例如手指3干燥电阻Rf高，则当电荷存储在节点N1上时，节点N2上的电位随节点N1上的电位变化而上升。为了防止这种现象，电位控制电路150在节点N1的电位变化的相反方向变化节点N3上的电位。也就是说，节点N3上的电位降低。更具体地说，只需要当开关SW1闭合时使开关SW5选择电位V2，当开关SW1断开时使开关SW5选择电位V1(V1＜V2)。

[第三实施例]

下面将描述本发明的第三实施例。

根据本发明第三实施例的表面形状识别传感器装置，使用图11所示的电位控制电路140a代替第一实施例图2所示的电位控制电路140。电位控制电路140a包括：电流源142，其将电荷存储到作为电位控制电路140a的输出和高灵敏度电极103之间的连接点的节点N3；选择预定电位V3(第六电位)或者V4(第五电位)的开关SW6；选择电流源142的输出或者开关SW6的开关SW7；和控制开关SW7的输出和高灵敏度电极103之间的电气连接的开关SW8。开关SW6至SW8形成第二开关元件SW9。

下面将参考图12A至12E说明当Rf＞＞0时，这个实施例的表面形状识别传感器装置的操作。

基本操作与图4A至4E所示的第一实施例的操作相同。与图4A至4E的不同之外是电位控制电路140a的操作。当控制信号P为低电平时，开关SW6选择电位V4，而当控制信号P为高电平时选择电位V3(V3＜V4)。当控制信号S1为低电平时，开关SW7选择开关SW6的输出，当控制信号S1为高电平时选择电流源142的输出。在图12B的时间t3以前的周期内，开关SW8被控制信号E接通，在时间t3则被断开。因为开关SW6至SW8如此操作，所以信号产生电路11和传感器电极101之间的节点N1开始充电以前，高灵敏度电极103可以设置为电位V4，当充电开始时设置为电位V3，并在完成充电以后连接至电流源142，以便存储电荷。

在这个实施例中，不但能以与图4A至4E相同的方法，抑制时间t2至时间t3的周期内节点N2上的电位起伏，而且也能通过按照与在时间t1节点N1的充电时刻其电位变化的相反方向改变节点N3的电位，如图12E所示，抑制在时间t1节点N2的电位起伏，如图12D所示。因此，能在所有周期内控制节点N2上的电位，与第一实施例相比，能更有效地防止因节点N2上的电位起伏所引起的电容Cf明显减小。

在上述这个实施例中，电位控制电路140a经由手指3的表面和高灵敏度电极103之间所形成的电容Cc，控制手指3的表面(节点N2)的电位，这样，当手指3的电阻Rf高时，能够控制节点N2上的电位，并能提高电容Cf的检测灵敏度。

注意在这个实施例中，如同第一实施例，通过只在预定时间从节点N1移去电荷然后在节点N1存储电荷所得到的信号，也可以从传感器单元输出。在这种情况下，电流源142以与图11所示的方向相反的方向连接。此外，高灵敏度电极103在节点N1开始放电以前设置为电位V3，当开始放电时设置为电位V4(V3＜V4)，并在完成放电以后连接至电流源142，以移去电荷。

[第四实施例]

下面将描述本发明的第四实施例。

本发明第四实施例的表面形状识别传感器装置，使用图13A所示的电位控制电路150a代替第二实施例的图7所示的电位控制电路150。电位控制电路150a具有开关SW10(设置单元)，其选择预定电位V1(第八电位)或者V2(第七电位、第九电位)，并将所选的电位输出至高灵敏度电极103。当控制信号S2用于图9A所示的电位控制电路150时，控制信号P则用于本实施例。也就是说，在本实施例中，开关SW1(充电电路)和电位控制电路150a一起都由从控制信号输出电路5a输入的控制信号P控制。

下面将参考图14A至14E说明当Rf＞＞0时，本实施例的表面形状识别传感器装置的操作。

基本操作与图8A至8E所示的第二实施例的操作相同。与图8A至8E的不同之处是电位控制电路150a的操作。开关SW10当控制信号P为低电平时选择电位V2，当控制信号P为高电平时选择电位V1。因为开关SW10如此操作，所以高灵敏度电极103能在信号产生电路13和传感器电极101之间的节点N1开始充电以前设置为电位V2，在开始充电时设置为第八电位V1，在完成充电以后设置为电位V2，因此，产生图14E所示的波形。

在这个实施例中，不但能以与图8A至8E相同的方法抑制在时间t2以后周期内节点N2上的电位起伏，而且如图14E所示，也能通过按照与在时间t1节点N1的充电期间其电位变化的相反方向改变节点N3的电位，抑制在时间t1节点N2上的电位起伏，如图14D所示。因此，能在所有周期内控制节点N2上的电位，与第二实施例相比，能更有效地防止因节点N2上的电位起伏所引起电容Cf的明显减小。

注意，节点N3在t1以前的电位和t2以后的电位设置为V2，但这些电位不限于V2，t1以前的电位(第七电位)和t2以后的电位(第九电位)也可以不同。在这种情况下，除图13A所示的电位V1和V2以外，还可准备其它的电源，并控制这些电位的切换。

图13B所示的电位控制电路150b也可用来代替图13A所示的电位控制电路150a。电位控制电路150b具有将控制信号P提供给高灵敏度电极103的信号线152(设置单元)。因为直接使用控制信号P的电位，所以能够不使用任何附加的电路而实现电位控制电路150b。

在上述这个实施例中，电位控制电路150a或150b经由手指3的表面和高灵敏度电极103之间所形成的电容Cc控制手指3的表面(节点N2)的电位，这样，当手指3的电阻Rf高时，能控制节点N2上的电位，并提高电容Cf的检测灵敏度。

注意，在这个实施例中，如同第二实施例，通过从节点N1移去电荷然后在节点N1存储电荷所得到的信号，也可以从传感器单元输出。在这种情况下，如图13A所示，例如，在节点N1开始放电以前，高灵敏度电极103只需设置为电位V1，当放电开始时设置为电位V2(V1＜V2)，在放电完成以后设置为电位V1。

[第五实施例]

下面将描述本发明的第五实施例。

在根据本发明的第五实施例中，传感器电极101和高灵敏度电极103的设置与图3A和3B不同。也就是说，如图15所示，高灵敏度电极103是围绕传感器电极101形成的。在这种结构中，能减小从邻近传感器单元至传感器电极101的噪声。图15所示的结构，能应用于所有第一至第四实施例。

[第六实施例]

下面将描述本发明的第六实施例。

在根据本发明的第六实施例的传感器单元阵列中，传感器电极101和高灵敏度电极103的设置与图3A、3B和15不同。如图16所示，传感器电极101是围绕高灵敏度电极103形成。在这种设置中，在减小来自邻近传感器单元的影响的同时，每一传感器单元中手指表面的电位能有效地得到控制。图16所示的安排能应用于所有第一至第四实施例。

[第七实施例]

下面将描述本发明的第七实施例。

在根据本发明的第七实施例的传感器单元阵列中，相对于衬底表面，传感器电极和高灵敏度电极的形成位置是不同的。

图17A示出一个例子，其中高灵敏度电极103a在高于传感器电极101的位置上形成。更具体地说，传感器电极101在衬底上的绝缘膜100上形成，第一保护膜102a在绝缘膜100上形成以复盖传感器电极101，高灵敏度电极103a在第一保护膜102a上形成，第二保护膜102b在第一保护膜102a上形成以复盖高灵敏度电极103a。传感器电极101和高灵敏度电极103a不是彼此面对地形成的。通过利用上述多个保护膜，传感器电极101和高灵敏度电极103a能够容易地以不同的高度形成。

当在高于传感器电极101的位置上形成高灵敏度电极103a时，与第二保护膜102b接触的手指3的表面和高灵敏度电极103a之间的距离变成小于传感器电极101和高灵敏度电极103在相同的高度形成时的距离，如图2等所示。当距离例如为1/N(N＞1)时，即使如图2等所示高灵敏度电极103a的面积为高灵敏度电极103的面积的1/N，也能保持手指3的表面和高灵敏度电极103a之间形成的电容Cc。也就是说，因为即使高灵敏度电极103a缩小，也能保持电容Cc，所以能得到与第一至第五实施例相同的控制手指表面(节点N2)电位的效果。另外，当高灵敏度电极103a缩小如图17A所示时，能增加传感器电极101的面积，因而能提高检测灵敏度。

还有，如图17B所示，传感器电极101a也可以在高于高灵敏度电极103的位置上形成。参考图17B，高灵敏度电极103在衬底上的绝缘膜100上形成，第一保护膜102c在绝缘膜100上形成以复盖高灵敏度电极103，传感器电极101a在第一保护膜102c上形成，第二保护膜102d在第一保护膜102c上形成以复盖传感器电极101a。传感器电极101a和高灵敏度电极103不是彼此面对地形成的。在这种结构中，在保持手指3的表面和传感器电极101a之间所形成的电容Cf的同时，能缩小传感器电极101a。所以，能增加传感器电极101的面积，从而提高检测灵敏度。

注意在图17A和17B中，最好对保护膜102b和102d的表面进行平化处理。

[工业应用]

本发明可应用于例如电容式指纹传感器。

Claims (17)

1.一种表面形状识别传感器装置，其特征在于包括：

多个传感器单元，其为二维排列，检测与将要识别对象的表面的峰和谷相对应的电容，并输出与所述电容相对应的信号；和

信号处理器，其基于从所述传感器单元输入的信号，计算所述对象的表面形状，

所述传感器单元包括：

衬底；

形成在所述衬底上的第一电极；

信号输出单元，其输出与所述第一电极和所述对象的表面之间所形成的电容相对应的信号；

形成在所述衬底上的第二电极，其与所述第一电极绝缘并分离；和

电位控制器，其通过控制所述第二电极的电位，经在所述第二电极和所述对象的表面之间所形成的电容控制所述对象的表面的电位。

2.根据权利要求1所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于所述信号输出单元包括：

信号产生电路，其产生与所述第一电极和所述对象的表面之间所形成的电容相对应的电压信号；

充电/放电电路，其在所述信号产生电路产生信号以前，对作为所述第一电极和所述信号产生电路输出端之间的连接点的节点，进行电荷的存储和移去两者之一；和

检测电路，其在进行电荷存储或移去两者之一以后，检测从所述信号产生电路输出至所述节点的电压信号，并输出所述电压信号作为所述信号输出单元的输出。

3.根据权利要求2所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：电位控制器包括电位控制电路，其按照与所述信号产生电路输出的电压信号变化的相反方向，改变所述第二电极的电位。

4.根据权利要求1所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于所述信号输出单元包括：

信号产生电路，其产生与所述第一电极和所述对象的表面之间所形成的电容相对应的电压信号；

充电电路，其在信号产生电路产生信号以前，在作为所述第一电极和所述信号产生电路输出端之间的连接点的节点上存储电荷；和

检测电路，其在所述电荷存储以后，检测从所述信号产生电路输出至所述节点的电压信号，并输出所述电压信号作为所述信号输出单元的输出。

5.根据权利要求4所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：

所述信号产生电路包括：

第一电流源，其从所述节点移去电荷；和

第一开关元件，其设置在所述节点和所述第一电流源之间，并在电荷由所述充电电路存储到所述节点上以后，仅在预定的周期内通过将所述节点与所述第一电流源连接并由所述第一电流源从所述节点移去电荷来产生电压信号，和

所述电位控制器包括：

第二电流源，其对所述第二电极进行充电；和

第二开关元件，其设置在所述第二电极和所述第二电流源之间，并通过将所述第二电极和所述第二电流源连接而控制所述第二电极的电位。

6.根据权利要求5所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于进一步包括：控制信号输出单元，其输出同时控制所述第一开关元件和所述第二开关元件的控制信号。

7.根据权利要求4所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：

所述信号产生电路包括：

电容元件，其包括第一端和第二端，第一端连接至所述节点；和

第三开关元件，其在所述节点充电完成以前，将所述电容元件的第二端设置为第一电位，并在充电完成以后，将第二端设置为低于第一电位的第二电位，因而从所述电容元件产生电压信号，和

所述电位控制器包括设置单元，其在所述节点充电完成以前，将所述第二电极设置为第三电位，并在充电完成以后，将所述第二电极设置为高于第三电位的第四电位，由此控制所述第二电极的电位。

8.根据权利要求7所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于进一步包括：控制信号输出单元，其输出同时控制所述第三开关元件和所述设置单元的控制信号。

9.根据权利要求2所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：所述电位控制器包括电位控制电路，其按照与进行所述节点的充电和放电两者之一时电位变化和从所述信号产生电路输出的电压信号变化的相反方向，改变所述第二电极的电位。

10.根据权利要求4所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：

所述信号产生电路包括：

第一电流源，其从所述节点移去电荷；和

第一开关元件，其设置在所述节点和所述第一电流源之间，并在电荷由所述充电电路存储到所述节点上以后，仅在预定的周期内通过将所述节点与所述第一电流源连接并由所述第一电流源从所述节点移去电荷来产生电压信号，和

所述电位控制电路包括：

第二电流源，其对所述第二电极进行充电；和

第二开关元件，其在所述节点充电开始以前，设置所述第二电极为第五电位，在充电开始以后，设置所述第二电极为低于第五电位的第六电位，然后将所述第二电极和所述第二电流源连接，由此控制所述第二电极的电位。

11.根据权利要求4所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：

所述信号产生电路包括：

电容元件，其包括第一端和第二端，第一端连接至所述节点；和

第三开关元件，其在所述节点充电完成以前，将所述电容元件的第二端设置为第一电位，并在充电完成以后，将第二端设置为低于第一电位的第二电位，因而从所述电容元件产生电压信号，和

所述电位控制电路包括设置单元，其在所述节点充电开始以前，将所述第二电极设置为第七电位，并在充电开始时，将所述第二电极设置为低于第七电位的第八电位，并在充电完成以后，将所述第二电极设置为高于第八电位的第九电位，由此控制所述第二电极的电位。

12.根据权利要求11所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于包括：控制信号输出单元，其输出同时控制所述充电电路和所述设置单元的控制信号。

13.根据权利要求1所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：所述第二电极是围绕所述第一电极形成的。

14.根据权利要求1所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：所述第一电极是围绕所述第二电极形成的。

15.根据权利要求1所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：所述第二电极的面积不大于所述第一电极的面积。

16.根据权利要求15所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：所述第二电极的面积小于所述第一电极的面积。

17.根据权利要求1所述的表面形状识别传感器装置，其特征在于：相对于所述衬底的表面，所述第二电极形成在与所述第一电极不同的高度上。

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