CN1266494A - 测定极小电容的方法以及用此方法设计的传感器 - Google Patents

Abstract

一个电容极小的电容器被多次充电并且放电到一个电容大得多的测量电容器上,其电压或者充电状态被直接测量出来。小电容或者小电容变化可以以很高的精确度作为传感器的测量结果被测量出来。为此指纹传感器利用在为指尖提供的涂层平面下的金属平面(4)的排列来实现固定不变的部分,在这里晶体管被设计作为开关(S),测量电容器(1)和比较器(2)。在金属平面上施加了预先确定的电位。当指尖平放时金属平面根据表皮平面的结构进行不同强度的充电。电荷被引导到所属的测量电容器上。测量电容器的充电状态根据矩阵式存储器的读取方式彼此分别被确定。

Description

测定极小电容的方法以及 用此方法设计的传感器

当前这个发明涉及了一个用于测定极小电容的方法，本方法特别适合用于求取微型机械式传感器的测量结果。

在电容测量式传感器中，例如象微型机械式压力传感器(EP 0 714017＝US 5,631,428，WO 96/16319)或者象加速度传感器(WO95/19572，EP 0 730 157)，对于集成化小元件如双极晶体管和MOS晶体管，MIM-电容器等参数测定来说就产生了一个问题，就是如何以高精度准确的测定这个非常小的电容。电容的测量值被掺杂了一些扰动因素。例如寄生电容这种持久的扰动量。变化的扰动量，例如可以是由测量装置所在环境产生的电磁交变场或者是通过机械震荡引起的。为了使测量的结果相对准确，这个扰动量必须以合适的方式被补偿，或者至少能够被测量。

为了测量这个较小的电容值推荐使用一个放大器。在这个测量过程中，该电容是通过高频交流电压或者脉冲电压被激励以产生测量信号。干扰信号或者是直接利用测量放大器测量和抑制，或者是在一个模数转换器之后被数字化补偿。本方法是非常昂贵并且需要较高的准确度。

在M.Tartagni，R.Guerrieri所发表的“建立在反馈的容性检测装置上的390dpi的活的指纹图像”中，1997 ISSCC的附录，154页到155页以及402页上，给出了指纹传感器不同实现可能性的概述。这种传感器适用于，利用电子方法来获得指纹，也就是获得指尖表皮平面上的凹槽和隔膜构成的图形，并且如果有可能也进一步应用于人员鉴别的目的。对于在这里说明的电容测量式传感器也同样存在这种问题，即必须测量非常小的电容。测量必须在很短的时间里，在指尖平放在传感器上的期间里被执行同时应该提供一个足够精确并且对比强烈的结果，这样不同的手指纹路彼此之间就可以被区分出来。

在EP 0 457 398 B1中指纹传感器被描写如下，对于这个传感器手指被平放于一个不会变形的涂层表面并且利用相对于传感器中金属平面的布置而产生的电容来测定指纹。为了这个目的电子放大器和开关被连接到每个金属平面上，这种电路被推荐用来防止干扰作用。

本发明的任务是，给出一个用来测量一个极小电容的方法。另外一个任务是，设计一个电容测量式传感器，特别是一个用来记录指纹的传感器，这个传感器对于电容的极小的变化可以提供一个精确的测量结果。

这个任务是利用具有权利要求1的特征的方法，或者是利用具有权利要求3的特征的传感器，或者是利用具有权利要求5的特征的指纹传感器来加以解决。每一种实现形式都是由从属专利权给出。

对于这个依照本发明的方法所要测量的电容是由此确定的，即首先一个电压被加在有关的电容器或者加在起到电容器作用的元件上同时电容器被充电。该电容器被放电到一个预先给定的比其大得多的电容器上，接下来被标明为测量电容器。这个充电和放电的过程由于这个较小的所要测量的电容而被多次重复。在测量电容器上电荷被分批的积累然后被利用。这里出现了一个选择，测量电容器的电压在达到一个预先给定的充电(电荷分批处理)次数后被测量或者充电次数被记录，这个充电次数对于测量电容器充电到预先给定的电压是必须的。在第一种所说的情况中完成预先给定充电次数后所达到的电压和所要测量的电容的大小是成正比的。在第二种所说的情况中充电次数和所要测量的电容是成反比的。

对于传感器来说，起到电容器极板功能的两个电极的距离是依赖于测量值而变化的，所要测量的电容值与电极的距离成反比。如果测量电容器的充电次数(充电分批处理)和所测量的距离成正比，那么求取测量结果就被简化了。因此依照本发明的方法有特别的优点，特别对于例如可以作为微型机械传感器而实现的这种传感器来说，这种方法可以立即提供一个希望的数字式结果值，这个结果可以被数字化的进一步处理。在一开始就提到的测量干扰效应被抑制或者可以被数字化补偿。

该方法由于充电的累积而起到积分器的作用。这个积分器有如下特性，高频干扰被抑制。低频干扰可以被记录同时利用数字化的方法被计算出来，这个方法是我们熟悉的。

本方法特别适合被用于，利用电容测量的微型机械传感器里，例如象压力传感器或者加速度传感器。对于这种压力传感器来说导电膜片(例如用至少部分导电杂质的多晶硅制成的)的依赖于外部压力的变化通过一个空隙被如下测定，即测定这个膜片相对一个存在于该空隙对面的对电极(例如半导体材料的导电掺杂区域)被改变的电容。于是这里较小的电容和电容变化给依照本发明的方法提供了一个可能性，即这种传感器的测量精确度可以被提高超过目前为止可达到的精度。

依照本发明的方法特别适合实现一个具有特别简单构造的指纹传感器，尽管构造简单仍然可以实现一个好的功能特性。对于这种依照本发明的指纹传感器同样可以应用电容式测量方法。利用金属平面的布置这种测量不会引起传感器部分的机械变形，这种金属平面总是构造成电容器的一个极板。金属平面利用绝缘的钝化层被覆盖，手指是平放在该钝化层的上表面。表皮平面的凹槽和隔膜与金属平面一起构造产生不同的电容。表皮平面可以看作具有足够强的导电性并且处于实际的机壳电位上。如果金属平面处于确定的电位，就可以按不同强度被充电。电荷被分别提供给具有比测量电容器更大电容的电容器。金属平面被多次充电，并且电荷总是被累积在测量电容器上。根据这种方式下面情况是有可能的，即累积了如此多的电荷，以便于利用大量的电荷或者所达到的电压实现金属平面和表皮之间电容的准确测量。

为了能够获得指纹，金属平面的充电状态可以用如下列举的方式被确定，例如矩阵式存储器读取的方式。在金属平面根据矩阵方式布置的情况下金属平面按照逐列方式同时被充电到同一电位。这相当于通过字线对由晶体管组成的存储器阵列预充电。充完电的金属平面是以逐行方式对存在于每行的测量电容器来实现放电。

借助于图1到6详细描述了依照本发明的方法以及以指纹传感器的形式详细描述了用此方法设计的传感器实例。

图1，2    给出了适合于依照本发明方法的电路部分的示意图

图3       给出了在电路中被用做电容器的晶体管元件

图4       以俯视图方式概略的给出了传感器布置图

图5       以俯视图方式给出了传感器布置部分的示意图

图6       以横断面方式给出了传感器布置部分的示意图

依照本发明的方法可以利用包含图1所描述元件的电路来实现。在每个充电过程中存储在所要测量的电容器上的电荷被引导到每个所属的测量电容器1上，在测量电容器中通过开关充电电压被接通并且其电容量需要测量的电容器总是与测量电容器1的一个极板相连接。在这个电容器上出现的用于被充电的测量电容器的的电压降通过画出的箭头被标明。根据如下原因设计了比较器2，即为了对测量电容器上的电压和参考电压U_ref进行比较，这样就可以确定测量电容器何时达到参考电压。

图2描述了一个可选电路，在这个电路中设计了一个比较器，为了确定在充电多少次后电容器达到确定的参考电压。比较器2的输出信号被接入到计数器3的输入端，这个计数器通过节拍脉冲T_ch来控制。利用这个计数器充电次数被记录，这个充电次数是必须的，直到电容器1达到了参考电压U_ref。充电次数与所要测量电容器的电容成反比。

首先利用晶体管构造了一个必要的开关。通过这个开关电容器同时被充电到确定电位例如5V，该电容器的电容值应该在本方法的应用周期中被同时确定。断开开关就了切断电源。同时其他开关被闭合，通过这些开关电容器和各个相应的测量电容器建立了连接。在测量周期开始时测量电容器也许可以通过一个合适的附加电路被充电到典型的例如1V的偏压。在电荷流到测量电容器上以后，当前开关被实现转换，以便于所要测量的电容器被重复充电。更新的转换使电荷流向测量电容器，以便于电荷在这种方式下被累积。

如果被应用于该电路的开关是用晶体管来实现的，则晶体管也适合用于测量电容器。图3给出了一个这种可使用晶体管的元件的横断面。带有绝缘层7，通道区域11上方的栅电极8以及带有利用半导体材料扩散形成的源极和漏极的区域10的这种MOSFET被设计成带有一个闭合触点，以便于源极和漏极的区域10彼此互相导通连接，也就是说是短路。在图3中给出触点9。在元件使用时在通道区域11中构造了一个反型层。绝缘层7构成了电容器的绝缘材料，这个电容器是一方面通过栅电极8同时另一方面通过触点9以及反型层来构造的。

对于利用本发明方法的部件得以实现的指纹传感器来说在一个优秀的实例中存在一个构造好的金属化涂层，这个金属化涂层具有按点阵形式布置的金属平面。这个平面根据图4布置成例如双栅极方式的点阵，在图4中单个的金属平面4以俯视图方式被概略的加以描述。旁边的区域5用于加入必要的电子电路。在构造好的金属化平面上有一个绝缘的钝化层，在这个钝化层的上表面有一个用来接触指尖的涂层表面。钝化层的厚度决定了由单个的金属平面4和指尖表皮共同构造的电容大小。金属平面例如可以是一个半导体芯片上的金属化平面，电子控制设备或另外的元件被集成在这个半导体芯片中。

在图1中描述的用于说明测量方法的示意电路相应的被应用于指纹传感器。由金属平面4组成的排列的内部连接示意图在图5中被描述。设计需要累积电荷的测量电容器1存在于金属平面4的每一行里。测量电容器的电容在100倍和1000倍之间大于如下的电容值，当金属平面被补充了一个在涂层表面布置的电子导体(例如导通电子的表皮平面)时形成一个电容器，就产生了这个电容值。图5中在所描述的布置片段中给出的每个金属平面里画出了附属的开关S1和S2，这种开关是用晶体管以优越的方式构成的。通过充电导线L和闭合的开关S1根据矩阵存储器中字线的方式所有存在于布置的列或行上的金属平面被充电到设计给定的电压，这时开关S2保持断开。根据存在的不同电容金属平面被充电到不同强度。在开关S1被断开并且开关S2被闭合以后，通过金属平面的放电导线R电荷按行方式(或者按列方式)流到归属于每个行(或列)的测量电容器1上并且被累积起来。

借助于串联其后的比较器2，这个比较器对电容器1上的电压和参考电压U_ref进行比较，在测量电容器上的电压被测量出来。如果仅仅想进行一次粗略的测量，如果当测量电容器1上的确定电压被超过时，利用比较器来确定就足够了。这样就得到了指纹的图象，图象以点的方式显出黑色或白色。如果希望有不同的灰度等级，测量电容器1的连接可以被引入到比较器的不同入口，这个比较器把电压按照模数转换器的方式和不同大小的参考电压进行比较同时根据这种方式可以按等级确定单个电容器的不同充电状态。

满足测量电容器上预先给定电压的充电次数(流到测量电容器上电荷批量)和金属平面与表皮平面之间所要测量的距离成正比。这样对于指纹传感器通过应用依照图2布置的本测量方法立即就可以获得一个数字的测量结果，这个结果可以马上进行数字化的其他处理。对于测量的干扰作用可以被抑制或者被数字化补偿。在依照图1的实例中也可以有一个计数器，利用它来确定延迟时间，在延迟时间之后充电过程的顺序被打断并且在单个测量电容器1上存在的电荷或者电压被测量出来。

在指纹传感器中的所有电路可以利用微电子元件来实现，例如上面描述的利用晶体管来实现。为了满足用于测量的金属平面按照点阵形式的布置放手指的涂层平面应尽可能铺得厚一点，电子线路的如下部分被安排在点阵布置的旁边，这部分电路对于金属平面和测量电容器的直接控制来说不是必须的。在图4中金属平面4的布置以俯视图来概略的描述，在这个例子中布置是按正方形给出的。在其旁边在临近区域5中布置了电子线路。这种用于测量结果的求值或者其他整理的电子电路可以被集成在一个带有指纹传感器的芯片上。由此得到了较短的测量时间和较小的干扰影响。金属平面4的典型大小大约是50μm×50μm到100μm×100μm。用来在其上面平放手指的所有布置，其尺寸大约是13mm×13mm到15mm×15mm。

在图6中描述了指纹传感器的横断面示意图。金属平面4存在于钝化层的下面，这个钝化层的表面6用做指尖的涂层平面。金属平面4通过合适的开关(在这个清晰的简化描述中这一半被删去了)被一起充电到确定的电位势。用于金属平面的放电和单个电荷在测量电容器1上的累积而预先设计的开关S(相应于图5中的开关S2)根据布线方式在图6的下面部分作了概略的描述。在测量电容器1上累积的电荷的值是利用比较器2计算得出，在该布置的俯视图中比较器数量是为举例而画出来的。余下的电路元件连接到比较器的输出端。

对于依照本发明的指纹传感器来说重要的是，根据所说明的测量方法小电荷不是被直接放大，而是通过在电容器上累加到较大的电容这样被放大，于是利用相对简单的传统测量方法获得了这个电容。本方案的一个特别优点就是，测量过程直接提供一个数字式输出信号，这个信号根据合适的方式可以被进一步处理。

Claims (10)

1.用于测量电容的方法，其中

a)对于一个电容器而言，其电容应该被测定，一个预先给定的电压被加载并且以此该电容器被充电，

b)加载电压的电容器被分开，

c)该电容器以如下方式和测量电容器相连接，即存在于该电容器的电荷流向这个测量电容器，

d)a到c的步骤被重复，直到达到了测量电容器设计规定的充电次数或者直到满足测量电容器设计规定的电压，并且

e)测量电容器的电压或者充电次数被确定并且由此这个所要测量的电容被计算出来。

2.根据权利要求1的方法，

其中，多个电容器的电容被测定，在这里用于多个电容器的步骤a和b被一起执行并且同时采用各自分开的测量电容器的这种电容器执行步骤c到e。

3.带有电容测量设备的传感器，其中，

-这种测量设备至少有一个电容可变的电容器，

-对于这种电容器有一个测量电容器，

-存在一种装置，利用这种装置可以加载一个电压到电容器上并且这种电压可以和电容器隔离，

-存在一种装置，利用这种装置存在于该电容器上的电荷可以被传输到测量电容器上，并且

-存在一种装置，利用这种装置测量电容器的电压或者充电状态或者得到的测量电容器的充电次数可以被测定，并且在这个装置中存在一个求值设备，这个设备可以进行，

-对电容器重复充电

-在电容器上的电荷总是被传输到测量电容器上，并且

-根据测量电容器上的电压或者其充电状态或者根据测量电容器的充电次数计算得出测量设备电容器的电容或者一个依赖于该电容的确定值。

4.根据权利要求3的传感器，在其中测量电容器利用场效应晶体管来构造，场效应晶体管中为源极和漏极设计规定的区域(10)互相之间是短路的。

5.指纹传感器，

-有一个构造成金属平面(4)点阵的金属化平面，

-有多个测量电容器(1)，

-有开关(S)，通过开关在规定数量的金属平面上总是可以达到设计给定的电位，并且通过这个开关每个金属平面可以和测量电容器建立导通连接，

-在金属化平面上有一个钝化层，

-在钝化层上有一个提供给指尖的涂层平面(6)，

-有一个用于测定测量电容器电压或者充电状态的电路。

6.根据权利要求5的指纹传感器，其中，这个电路总是包含一个比较器(2)，这个比较器是为了如下目的设计的，即为了对相关的测量电容器上的电压和参考电压进行比较。

7.根据权利要求6的指纹传感器，其中在此传感器中有一个记数设备(3)，这个记数设备是为如下目的设计的，即为了针对每个测量电容器来测定其直到满足参考电压时所出现的充电过程的次数。

8.根据权利要求5的指纹传感器，其中在此传感器里该电路总是包括多个比较器，这些比较器是为如下目的设计的，即为了对相关的测量电容器上的电压和参考电压的标度进行比较。

9.根据权利要求5到8之一的指纹传感器，其中在此传感器里测量电容器利用场效应晶体管来构造，场效应晶体管里为源极和漏极设计规定的区域(10)互相之间是短路的。

10.根据权利要求5到9之一的指纹传感器，其中在此传感器里测量电容器的电容是在100倍和1000倍之间大于如下所说的电容，该电容如下得出，即为当金属平面和布置在涂层平面上表面的电子导体补充产生了一个电容器时所出现的电容。

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