JP2001512836A - Method for determining very small capacitances and sensors envisaged thereby - Google Patents

Method for determining very small capacitances and sensors envisaged thereby

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JP2001512836A
JP2001512836A JP2000506535A JP2000506535A JP2001512836A JP 2001512836 A JP2001512836 A JP 2001512836A JP 2000506535 A JP2000506535 A JP 2000506535A JP 2000506535 A JP2000506535 A JP 2000506535A JP 2001512836 A JP2001512836 A JP 2001512836A
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capacitance
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ヴィラー ヨーゼフ
シャイター トーマス
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Abstract

(57)【要約】 小さな容量のコンデンサは複数回充電されかつ著しく大きな容量の測定コンデンサに放電され、測定コンデンサの電圧または充電状態が直接測定される。センサの測定結果としての、小さな容量または容量変化はこのようにして高い精度で求めることができる。これにより、指先に対する載置面の下方に金属面(4)から成るアレイを備え、スイッチ(S)としてのトランジスタ、測定コンデンサ(1)およびコンパレータ(2)が設けられている指紋センサが可動部分なしに実現可能である。金属面には前以て決められた電位が印加される。指先を載せると、金属面は表皮の構造に相応して種々異なった高さに充電される。測定コンデンサの充電状態はマトリクスメモリの読み出しの形式に従って相互に別個に検出される。 (57) [Abstract] A small-capacitance capacitor is charged multiple times and discharged into a significantly larger-capacity measurement capacitor, and the voltage or charge state of the measurement capacitor is directly measured. A small capacitance or capacitance change as a result of the sensor measurement can thus be determined with high accuracy. Thus, the fingerprint sensor provided with an array of metal surfaces (4) below the mounting surface for the fingertip and provided with a transistor as a switch (S), a measuring capacitor (1) and a comparator (2) is a movable part. Feasible without. A predetermined potential is applied to the metal surface. When the fingertip is placed, the metal surface is charged to different heights according to the structure of the skin. The state of charge of the measuring capacitors is detected separately from one another according to the type of reading of the matrix memory.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 本発明は、例えばマイクロメカニカルセンサにおける測定結果を評価するため
に適している、非常に小さな容量を求めるための方法に関する。
The present invention relates to a method for determining a very small capacitance, which is suitable, for example, for evaluating measurement results in a micromechanical sensor.

【0002】 例えばマイクロメカニカル圧力センサ(EP0714017号=US5631
428号、WO96/16319号)または加速度センサ(WO95/1957
2,EP0730157号)のような容量的に測定するセンサにおいて、バイポ
ーラおよびMOSトランジスタ、MIMコンデンサなどのような小さな集積され
た素子に対するパラメータを算出する際に、非常に小さな容量を大きな精度で確
実に求めるという問題が生じる。容量の測定された値は障害量によって歪みを受
ける。変化する障害量は、例えば測定装置の周囲の電磁交番磁界から到来するま
たは機械的な振動によって引き起こされる可能性がある。このような障害量は、
適当な方法で補償されるかまたは測定結果を相応に補正することができるように
するために少なくとも検出されなければならない。
[0002] For example, a micromechanical pressure sensor (EP0714017 = US5631)
428, WO 96/16319) or an acceleration sensor (WO 95/1957).
In a sensor for capacitive measurement such as that described in U.S. Pat. There is a problem of seeking. The measured value of capacity is distorted by the amount of disturbance. A variable disturbance quantity can come, for example, from an electromagnetic alternating magnetic field around the measuring device or be caused by mechanical vibrations. The amount of such an obstacle is
It must be compensated in a suitable manner or at least detected so that the measurement result can be corrected accordingly.

【0003】 小さな容量の大きさないし量を求めるために、感度のよい増幅器が用いられる
。測定過程において、高周波の交番電圧またはパルス電圧によって容量が生じて
、測定信号が発生される。障害信号は測定増幅器によって直接捕捉検出されかつ
抑圧されるかまたはA/D変換後、数量的に補償される。この方法は非常に煩雑
でしかも高い精度を要求する。
In order to determine the size or amount of a small capacitance, a sensitive amplifier is used. In the measuring process, a high-frequency alternating voltage or pulse voltage causes a capacitance to generate a measuring signal. The impairment signal is captured and detected directly by the measuring amplifier or is suppressed or quantitatively compensated after A / D conversion. This method is very complicated and requires high accuracy.

【0004】 M. Tartagni, R. Guerrieri 著の刊行物 “A 390dpi Live Fingerprint Imag
er Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme”(1997 ISSCC slide suppl
ement, p. 154〜155, 402)において、指紋センサの種々様々な実現の可能性に 関する概観が示されている。この形式のセンサは、電子的な方法で指紋、すなわ
ち指先の表皮の溝および隆起を有するダイヤグラムを捕捉検出しかつ必要に応じ
て個人識別の目的で更に評価することに適している。そこに示されている容量的
に測定するセンサでは、同様に、非常に小さな容量が測定されなければならない
という問題が生じる。この測定は、指先がセンサの上に置かれている非常に短い
時間に実施されなければならずしかも種々異なった指紋線を相互に区別すること
ができるように、十分正確でかつコントラストに富んだ結果を提供すべきである
The publication “A 390dpi Live Fingerprint Imag” by M. Tartagni, R. Guerrieri
er Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme ”(1997 ISSCC slide suppl
ement, p. 154-155, 402), provides an overview of the various possible implementations of fingerprint sensors. Sensors of this type are suitable for capturing and detecting fingerprints, i.e. diagrams with grooves and ridges in the skin of the fingertip, in an electronic manner and, if necessary, for further evaluation for personal identification purposes. With the capacitively measuring sensor shown there, the problem arises that very small capacitances have to be measured as well. This measurement must be performed in a very short time when the fingertip is resting on the sensor and is sufficiently accurate and contrast-rich so that different fingerprint lines can be distinguished from each other. The result should be provided.

【0005】 EP045398B1号には、指が変形し得ない載置面に置かれかつ金属面か
ら成る配置構成に対してセンサにて生じた容量が指紋を求めるために使用される
指紋センサが記載されている。このために、金属面のそれぞれに、増幅器および
スイッチが接続されている。この形式の回路は障害の影響を受け易い。
[0005] EP 0 435 398 B1 describes a fingerprint sensor in which a finger is placed on a mounting surface on which a finger cannot be deformed and the capacitance generated by the sensor for an arrangement consisting of a metal surface is used to determine a fingerprint. ing. To this end, an amplifier and a switch are connected to each of the metal surfaces. This type of circuit is susceptible to faults.

【0006】 本発明の課題は、非常に小さな容量を求めるための方法を提供することである
。別の課題は、容量的に測定するセンサ、例えば、容量が僅かしか変化しない場
合にも、正確な測定結果を送出する、指紋を記録するためのセンサを提供するこ
とである、 この課題は、方法では請求項1に記載の特徴によって、またセンサでは請求項
3に記載の特徴によってないし指紋センサでは請求項5に記載の特徴によって解
決される。それぞれの実施の形態は従属請求項から明らかである。
It is an object of the present invention to provide a method for determining a very small capacity. Another problem is to provide a sensor that measures capacitively, for example, a sensor for recording fingerprints, which sends out accurate measurement results even when the capacitance changes only slightly. The method is solved by the features of claim 1, the sensor by the features of claim 3 and the fingerprint sensor by the features of claim 5. Respective embodiments are evident from the dependent claims.

【0007】 本発明の方法では、測定すべき容量は、まず、電圧を当該のコンデンサまたは
コンデンサとして機能する素子に印加しかつこのようにしてコンデンサを充電す
ることによって求められる。コンデンサは、以下に測定コンデンサと表す著しく
大きな容量のこのために設けられているコンデンサに放電される。充電および放
電のこの過程は測定すべき小さな容量のために複数回繰り返される。それ故に、
測定コンデンサには電荷が断続的に、すなわち塊毎に(in batches)集められか
つそれから評価することができる。このことは、測定コンデンサにおける電圧を
前以て決められた数の充電過程(一括して充電される電荷)の後に測定されるか
または測定コンデンサを前以て決められた電圧に充電するために必要である充電
過程の数が計数されるかいずれかによって行われる。前者の場合、前以て決めら
れた数の充電過程の後に得られる電圧は、求められるべき容量の大きさないし量
に比例している。後者の場合、充電過程の数は、求められるべき容量の大きさな
いし量に反比例している。
In the method according to the invention, the capacitance to be measured is determined by first applying a voltage to the capacitor in question or the element acting as a capacitor and thus charging the capacitor. The capacitor is discharged into a significantly larger capacitor provided for this purpose, which is referred to below as the measuring capacitor. This process of charging and discharging is repeated several times for the small capacity to be measured. Therefore,
The charge is collected intermittently, ie in batches, in the measuring capacitor and can then be evaluated. This means that the voltage on the measuring capacitor is measured after a predetermined number of charging steps (charges to be charged together) or to charge the measuring capacitor to a predetermined voltage. This is done by either counting the number of charging steps required. In the former case, the voltage obtained after a predetermined number of charging steps is proportional to the magnitude of the capacity to be determined. In the latter case, the number of charging steps is inversely proportional to the size or amount of capacity to be determined.

【0008】 コンデンサ電極として機能する2つの電極間の距離が測定量に依存して変化す
すセンサでは、測定すべき容量は電極の距離に反比例している。それ故にそこで
は、測定コンデンサの充電過程(一括して充電される電荷)の数は測定すべき距
離に直接比例しており、このために測定結果の評価は簡単になる。それ故に本発
明の方法は、例えばマイクロメカニカルセンサとして実現されていてよいこの形
式のセンサにおいて殊に、それがただちに所望のデジタル結果値を送出し、それ
を数量的に引き続き処理することができるという特別な利点を有している。冒頭
に述べた、測定の障害効果は抑圧されまたは数量的に補償することができる。
In a sensor in which the distance between two electrodes functioning as capacitor electrodes changes depending on a measured amount, the capacitance to be measured is inversely proportional to the distance between the electrodes. There, the number of charging processes of the measuring capacitor (collectively charged charges) is therefore directly proportional to the distance to be measured, which simplifies the evaluation of the measurement result. The method according to the invention is therefore particularly advantageous in sensors of this type which may be embodied, for example, as micromechanical sensors, in that it immediately emits the desired digital result value and can subsequently process it quantitatively. It has special advantages. The disturbing effects of the measurements mentioned at the outset can be suppressed or quantitatively compensated.

【0009】 この方法は、電荷の蓄積のために積分器として作用する。これは、高周波妨害
を抑圧するという特性を有している。低周波妨害は捕捉検出することができかつ
それ自体公知である数値方法によって算出することができる。
This method acts as an integrator for charge storage. This has the property of suppressing high frequency interference. Low-frequency disturbances can be detected and calculated by numerical methods known per se.

【0010】 この方法は、例えば圧力センサまたは加速度センサのような容量的に測定する
マイクロメカニカルセンサに使用されるのが特別適している。この形式の圧力セ
ンサでは、導電性の振動板(例えば少なくとも部分的に導電性ドーピングされた
ポリシリコン)の、外部の圧力に依存している変形が中空室を介して、中空室の
相対向する側に存在している対向電極(半導体材料における導電性ドーピングさ
れた領域)に対してこの振動板が変化した容量が求められるようにして求められ
る。ここには小さな容量および容量変化が包含されているので、本発明の方法は
この形式のセンサの測定精度をこれまで実現可能であった精度を遙かに越えて改
善する能力を提供している。
The method is particularly suitable for use in capacitively measuring micromechanical sensors such as, for example, pressure sensors or acceleration sensors. In a pressure sensor of this type, an external pressure-dependent deformation of a conductive diaphragm (for example, at least partially conductively doped polysilicon) is applied to the opposite sides of the cavity via the cavity. The diaphragm is determined in such a way that the capacitance of the diaphragm changed with respect to the counter electrode (conductively doped region in the semiconductor material) present on the side. Because of the inclusion of small capacitances and capacitance variations, the method of the present invention offers the ability to improve the measurement accuracy of this type of sensor far beyond what has been previously achievable. .

【0011】 本発明の方法は、特別簡単な構成でありながら、申し分ない機能性が発揮され
る指紋センサを実現するのに殊に適している。この本発明の指紋センサでは、同
様に容量的な測定方法が適用される。測定は、センサ部分の機械的な変形なしに
、それぞれコンデンサの電極を形成している金属面の配置構成(アレイ)を用い
て行われる。これら金属面には誘電体の不活性層が被覆されており、その上面に
指が載置される。表皮の溝および隆起が金属面と共に種々異なった容量を形成す
る。表皮は十分高い導電性と見なすことができかつ実際にアース電位にある。金
属面が所定の電位に置かれると、これらは種々異なった大きさで充電される。電
荷は別個に、測定電極としての比較的大きな容量のコンデンサに供給される。金
属面は複数回充電され、かつ電荷はその都度、測定コンデンサに集められる。こ
のようにして、金属面と皮膚との間の容量の正確な測定が電荷量または達せられ
た電圧を介して可能になる程度の数の電荷を蓄積することができる。
The method according to the invention is particularly suitable for realizing a fingerprint sensor with a particularly simple configuration but with satisfactory functionality. In the fingerprint sensor of the present invention, a capacitive measuring method is similarly applied. The measurement is performed without mechanical deformation of the sensor part using an arrangement of metal surfaces, each forming an electrode of a capacitor. These metal surfaces are covered with a dielectric inactive layer, on which a finger is placed. Grooves and bumps in the skin form different volumes with the metal surface. The skin can be considered sufficiently high conductivity and is actually at earth potential. When the metal surfaces are placed at a given potential, they are charged with different magnitudes. The charge is separately supplied to a relatively large capacitor as a measuring electrode. The metal surface is charged several times and the charge is collected in each case on the measuring capacitor. In this way, it is possible to accumulate such a number of charges that an accurate measurement of the capacitance between the metal surface and the skin is possible via the amount of charge or the voltage reached.

【0012】 指紋を検出することができるようにするために、金属面の充電状態は例えば、
例えば、マトリクスメモリが読み出されるような方法で検出される。金属面がマ
トリクス形状に配置構成されている場合、金属面は列毎に同時に同一の電位に充
電される。このことは、ワード線を介してトランジスタから成るメモリアレイに
バイアス充電することに相応している。充電された金属面の放電は行毎に、それ
ぞれの行に対して存在している測定コンデンサにおいて行われる。
In order to be able to detect a fingerprint, the state of charge of the metal surface is, for example,
For example, it is detected in such a way that the matrix memory is read. When the metal surfaces are arranged in a matrix, the metal surfaces are simultaneously charged to the same potential for each column. This corresponds to bias charging the memory array of transistors via the word lines. The discharge of the charged metal surface takes place row by row in the measuring capacitors present for each row.

【0013】 次に本発明の方法およびこれにより構想されている、指紋センサの形のセンサ
の実施例を図1ないし図6に基づいて詳細に説明する。
An embodiment of the method according to the invention and the sensor envisaged thereby, in the form of a fingerprint sensor, will now be described in detail with reference to FIGS.

【0014】 図1,図2は本発明の方法に適している回路部分の概略を示し、 図3はコンデンサとして回路に使用することができるトランジスタ素子を示し、 図4はセンサ装置を平面で略示し、 図5はセンサ装置の一部を平面で略示し、 図6はセンサ装置の一部を横断面で略示している。1 and 2 schematically show circuit parts suitable for the method of the present invention, FIG. 3 shows a transistor element that can be used in the circuit as a capacitor, and FIG. 4 shows a sensor device in a plan view. FIG. 5 schematically shows a part of the sensor device in a plan view, and FIG. 6 schematically shows a part of the sensor device in a cross section.

【0015】 本発明の方法は、図1に図示されているコンポーネントを含んでいる回路によ
って実施することができる。それぞれの充電過程において測定すべきコンデンサ
に蓄積される電荷は、スイッチを介して充電電圧を遮断しかつ容量を測定すべき
であるコンデンサをその都度測定コンデンサ1の電極に導電接続することによっ
て、それぞれに配属されている測定コンデンサ1に移される。充電された測定コ
ンデンサにおいて生じる、このコンデンサにおける電圧降下は図示されている矢
印によって表されている。コンパレータ2は、測定コンデンサ1に生じた電圧を
参照電圧Urefと比較するための設けられており、その場合測定コンデンサが
この参照電圧に達したことを検出することができる。
The method of the present invention can be performed by a circuit that includes the components illustrated in FIG. The charge stored in the capacitor to be measured in each charging process is reduced by switching off the charging voltage via a switch and electrically connecting the capacitor whose capacitance is to be measured to the electrode of the measuring capacitor 1 in each case. Is transferred to the measuring capacitor 1 assigned to. The voltage drop across the charged measuring capacitor that occurs in this capacitor is represented by the arrow shown. The comparator 2 is provided for comparing the voltage generated in the measuring capacitor 1 with the reference voltage Uref, and in that case, it can detect that the measuring capacitor has reached this reference voltage.

【0016】 図2には、択一的な回路が示されており、ここではコンパレータは、コンデン
サにおいてどのくらいの充電後に所定の参照電圧が生じるかを検出するために設
けられている。コンパレータ2の出力信号は、クロックパルスTchを介して制
御される計数装置3の入力側に供給される。この計数装置によって、コンデンサ
1が参照電圧Urefに達するまでに必要である充電回数が計数される。その場
合充電の回数は、測定すべきコンデンサの容量に反比例している。
FIG. 2 shows an alternative circuit, in which a comparator is provided for detecting how long after charging the capacitor a predetermined reference voltage is generated. The output signal of the comparator 2 is supplied via a clock pulse Tch to the input of a controlled counting device 3. This counting device counts the number of times of charging required until the capacitor 1 reaches the reference voltage Uref. In that case, the number of times of charging is inversely proportional to the capacitance of the capacitor to be measured.

【0017】 必要なスイッチは有利には、トランジスタによって形成される。このスイッチ
を介して、この方法の適用サイクルにおいて同時に容量を突き止めるようにした
いコンデンサは同時に例えば5Vの所定の電位に充電される。スイッチは、電圧
源を遮断するために開放される。同時に別のスイッチは閉成され、これらを介し
てコンデンサはそれぞれに配属されている測定コンデンサに接続される。測定コ
ンデンサは必要に応じて、適当な付加回路を介して測定サイクルの始めに、例え
ば典型的には1Vのバイアス電圧に予め充電することができる。電荷が測定コン
デンサに流れきった後、存在しているスイッチは新たに操作され、その結果測定
すべきコンデンサは再び充電される。新たな切換により測定コンデンサに電荷が
流されて、電荷はこのようにしてそこに集められる。
The necessary switches are advantageously formed by transistors. Via this switch, the capacitor whose capacitance is to be determined simultaneously in the application cycle of the method is simultaneously charged to a predetermined potential, for example 5V. The switch is opened to shut off the voltage source. At the same time, further switches are closed, via which the capacitors are connected to the respective measuring capacitors. The measuring capacitor can be precharged if necessary at the beginning of the measuring cycle, for example to a bias voltage of typically 1 V, via suitable additional circuitry. After the charge has flowed through the measuring capacitor, the existing switch is operated again, so that the capacitor to be measured is charged again. The new switching causes a charge to flow through the measuring capacitor, and the charge is thus collected there.

【0018】 回路に使用されているスイッチがトランジスタとして実現されているとき、測
定コンデンサに対してもトランジスタを使用すると効果的である。図3には、コ
ンデンサとして使用可能なこの種の素子が断面にて示されている。アイソレーシ
ョン層7、チャネル領域11の上のゲート電極8および半導体材料に拡散されて
いる、ソースおよびドレインに対する領域10を有するMOSFETは、ソース
およびドレインに対する領域10が相互に電気的に導電接続されている、すなわ
ち短絡されているようにコンタクト形成手段を備えている。このコンタクト9は
図3に示されている。素子の作動中、チャネル領域11に反転層が形成される。
アイソレーション層7は、一方においてゲート電極8によって形成されておりか
つ他方においてコンタクト9並びに反転層によって形成されているコンデンサの
誘電体を形成している。
When the switches used in the circuit are realized as transistors, it is advantageous to use transistors also for the measuring capacitors. FIG. 3 shows a cross section of such a device which can be used as a capacitor. The MOSFET having the isolation layer 7, the gate electrode 8 above the channel region 11, and the region 10 for the source and the drain, which is diffused in the semiconductor material, has the region 10 for the source and the drain electrically connected to each other. That is, the contact forming means is provided so as to be short-circuited. This contact 9 is shown in FIG. During operation of the device, an inversion layer is formed in the channel region 11.
The isolation layer 7 forms the dielectric of the capacitor, which is formed on the one hand by the gate electrode 8 and on the other hand by the contact 9 and the inversion layer.

【0019】 本発明の方法を使用して実現される指紋センサでは、有利な実施例において、
構造化された金属化層が存在しており、それは、グリッド状に配置された多数の
金属面を有している。これらの面は例えば、図4に示されているような2重格子
形式のグリッドに配置されている。図4には、個々の金属面4が平面図にて略示
されている。横の領域5は必要な回路電子部品を収容するために用いられる。構
造化された金属面の上に、誘電体の不活性層があり、その上側に、指先に対する
載置面が存在している。不活性層の厚さが、指先の皮膚と一緒に個々の金属面4
によって形成される容量の大きさを決定する。金属面は例えば、制御電子部品ま
たはその他の素子が集積されている半導体チップ上の金属化面であってよい。
In a fingerprint sensor implemented using the method of the present invention, in an advantageous embodiment:
There is a structured metallization layer, which has a number of metal surfaces arranged in a grid. These planes are arranged, for example, in a double grid type grid as shown in FIG. FIG. 4 schematically shows the individual metal surfaces 4 in plan view. The lateral area 5 is used to accommodate the necessary circuit electronics. Above the structured metal surface is a dielectric passivation layer, above which is the resting surface for the fingertip. The thickness of the inert layer, along with the skin of the fingertip,
Determines the magnitude of the capacitance formed by The metal surface may be, for example, a metallized surface on a semiconductor chip on which control electronics or other components are integrated.

【0020】 測定方法を説明するために図1に示されていた回路模式は指紋センサにおいて
相応に使用される。金属面4から成る装置の相互接続に対する模式が図5に示さ
れている。電荷を集めるために設けられている測定コンデンサ1は金属面4のそ
れぞれの行に対して存在している。これら測定コンデンサの容量は、金属面の1
つが載置面のレベルに配置されている電気的な導体(例えば導電性の皮膚表面)
と共にコンデンサを形成するとき生じる容量より大きく、それは100倍と10
0倍との間にある。図5には、装置の図示の部分に示されているそれぞれの金属
面に対して、所属のスイッチSおよびSが示されている。これらスイッチは
有利にはトランジスタによって形成される。充電線Lおよび閉成されているスイ
ッチSを介して、マトリクスメモリにおけるワード線の形式に応じて、装置の
列(または行)に存在しているすべての金属面が設定されている電圧に充電され
、その際スイッチSは開放状態を維持する。種々異なって存在している容量に
相応して、金属面は種々異なった大きさで充電される。スイッチSが開放され
かつスイッチSが閉成された状態になった後、電荷は放電線Rを介して金属面
から行毎(ないし列毎)にそれぞれの行(ないし列)に配属されている測定コン
デンサ1に流れかつそこに集められる。
The circuit schematic shown in FIG. 1 for explaining the measuring method is used accordingly in a fingerprint sensor. A schematic for the interconnection of a device comprising a metal surface 4 is shown in FIG. A measuring capacitor 1 provided for collecting charge is present for each row of the metal surface 4. The capacitance of these measuring capacitors is
An electrical conductor (eg, a conductive skin surface) that is located at the level of the mounting surface
Together with the capacitance produced when forming a capacitor, which is 100 times
It is between 0 times. Figure 5 is, for each of the metal surface shown in the illustrated portion of the device, switches S 1 and S 2 belong is shown. These switches are preferably formed by transistors. Via a switch S 1 which is the charging line L and closed, depending on the type of the word lines in the matrix memory, the voltage of all of the metal surfaces that are present on the column of the apparatus (or row) is set It is charged, whereby the switch S 2 is maintained at the open state. Depending on the differently present capacities, the metal surface is charged with different magnitudes. After the switch S 1 is now ready to be opened and the switch S 2 is closed, the charge is assigned to each row (or column) of a metal surface via the discharge line R for each row (or Retsugoto) And collected there.

【0021】 コンデンサ1に生じた電圧を参照電圧Urefと比較する、後置接続されてい
るコンパレータ2を用いて、測定コンデンサにおける電圧が測定される。大雑把
な測定だけが実施されるべきであるときは、コンパレータによって、測定コンデ
ンサ1で所定の電圧を何時上回るかを検出すれば十分であるかもしれない。その
場合、点毎に黒または白である、指紋のダイヤグラムが得られる。種々異なった
グレー階調が所望されるとき、測定コンデンサ1の接続端子をコンパレータの種
々の入力側にガイドすることができる。この場合コンパレータは、電圧をA/D
変換器の形式に従って種々異なった大きさの種々異なった参照電圧と比較しかつ
このようにして個々のコンデンサの種々の充電状態を段階付けて検出することが
できる。
The voltage at the measuring capacitor is measured using a comparator 2 connected downstream, which compares the voltage developed at the capacitor 1 with a reference voltage Uref. If only a rough measurement is to be performed, it may be sufficient for the comparator to detect when the measuring capacitor 1 exceeds a predetermined voltage. In that case, a fingerprint diagram is obtained which is black or white at each point. When different gray shades are desired, the connection terminals of the measuring capacitor 1 can be guided to various inputs of the comparator. In this case, the comparator converts the voltage to A / D
Depending on the type of converter, different reference voltages of different magnitudes can be compared and in this way the different states of charge of the individual capacitors can be determined stepwise.

【0022】 測定電極において前以て決められた電圧に達するまでの充電過程の数(それぞ
れの動作で測定コンデンサに流出する電荷の合計)は、金属面と主面との間の測
定すべき距離に直接比例している。それ故に、図2の装置を用いて測定方法を指
紋センサに使用した場合、直ちに、測定のデジタル結果が得られ、それを直ちに
数量的に引き続き処理することができる。測定の際に生じ得る障害効果は抑圧さ
れるかまたは数量的に補償することができる。図1の実施例においても計数装置
を設けて、これを用いてある持続時間を検出して、その時間の経過後に、連続し
た充電過程を中断しかつ個々の測定電極1に存在している電荷ないし電圧を測定
することができる。
The number of charging steps to reach a predetermined voltage at the measuring electrode (total charge flowing into the measuring capacitor in each operation) is determined by the distance to be measured between the metal surface and the main surface Is directly proportional to Therefore, when the measurement method is applied to a fingerprint sensor using the device of FIG. 2, a digital result of the measurement is immediately obtained, which can be processed immediately and quantitatively. Interference effects that can occur during the measurement can be suppressed or compensated quantitatively. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, a counter is also provided, which is used to detect a certain duration, after which time the continuous charging process is interrupted and the charge present at the individual measuring electrodes 1 Or the voltage can be measured.

【0023】 指紋センサにおける全体の回路はマイクロエレクトロニクス素子、例えば上述
したように、トランジスタによって実現されていることができる。測定のために
使用される、グリッド形状に配置されている金属面が指を載せる面にできるだけ
密に設けられることができるようにするために、金属面および測定コンデンサの
直接的な制御のために必要ではない電子部分はこのグリッド形状の配置構成の側
方に配置される。図4の平面略図において、この例では正方形に示されている、
金属面4の配置構成が示されている。その側方に、電子部品は隣接する領域5に
配置される。それ故に、測定結果の評価または引き続く処理のために使用される
電子回路は、指紋センサと一緒に1チップ上に集積することができる。このこと
から結果的に測定時間は短くなりかつ障害作用は低減される。金属面4に対する
典型的な寸法はほぼ50μm×50μmないし約100μm×100μmである
。指紋センサが載着される装置全体は大体、13mm×13mmないし15mm
×15mmの寸法を有している。
The entire circuit in the fingerprint sensor can be realized by microelectronic elements, for example, transistors as described above. For direct control of the metal surface and the measuring capacitor, so that the metal surface arranged in a grid shape used for the measurement can be provided as close as possible to the surface on which the finger rests Unnecessary electronic parts are arranged on the sides of this grid-shaped arrangement. In the schematic plan view of FIG. 4, this example is shown as a square,
The arrangement of the metal surface 4 is shown. On its side, the electronic components are arranged in an adjacent area 5. Therefore, the electronic circuits used for evaluation of the measurement results or for further processing can be integrated on a single chip together with the fingerprint sensor. This results in shorter measurement times and reduced disturbance effects. Typical dimensions for the metal surface 4 are approximately 50 μm × 50 μm to about 100 μm × 100 μm. The entire device on which the fingerprint sensor is mounted is approximately 13 mm x 13 mm to 15 mm
It has a size of × 15 mm.

【0024】 図6には、指紋センサの横断面が略示されている。金属面4は不活性層の下方
にあり、不活性層の上面6が指先に対する載置面として用いられる。金属面4は
、適当なスイッチ(この簡略化された図では分かり易くするために省略されてい
る)を介して、所定の電位に共通に充電される。金属面の放電および、そのため
に設けられている測定コンデンサ1への個々の電荷の収集に対して設けられてい
るスイッチS(図5のスイッチSに相応する)は、回路図の形式で図6の下方
部分に略示されている。測定コンデンサ1に収集される電荷の評価はコンパレー
タ2において行われる。コンパレータについては装置の部分においてある数だけ
例示的に示されている。残りの回路コンポーネントはコンパレータの出力側に接
続されている。
FIG. 6 schematically shows a cross section of the fingerprint sensor. The metal surface 4 is below the inert layer, and the upper surface 6 of the inert layer is used as a mounting surface for a fingertip. The metal surface 4 is commonly charged to a predetermined potential via a suitable switch (not shown in this simplified diagram for clarity). Discharge and metal surfaces, therefore switches are provided for the collection of individual charges of the measurement capacitor 1 is provided in S (corresponding to the switch S 2 in FIG. 5) is a diagram in the form of a circuit diagram 6 is shown schematically in the lower part. The evaluation of the charge collected in the measuring capacitor 1 is performed in the comparator 2. A number of comparators are illustratively shown in the device section. The remaining circuit components are connected to the output of the comparator.

【0025】 本発明の指紋センサにとって重要なのは、説明された測定方法に相応して、小
さな電荷が直接増幅されるのではなくて、比較的大きな容量のコンデンサへの蓄
積によって、これらを比較的簡単な従来の測定方法によって検出することができ
るように小さな電荷が増強されるということである。この構想の特別有利な点は
、測定過程が直接デジタル出力信号を送出し、このために効果的な手法で引き続
き処理できるのであるということである。
What is important for the fingerprint sensor of the invention is that, in accordance with the described measuring method, rather than directly amplifying small charges, they accumulate them in relatively large capacitors, which makes them relatively simple. This means that the small charge is enhanced so that it can be detected by any conventional measuring method. A particular advantage of this concept is that the measuring process directly outputs a digital output signal, so that it can be processed in an efficient manner.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の方法に適している回路部分の略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a circuit portion suitable for the method of the present invention.

【図2】 本発明の方法に適している回路部分の略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a circuit portion suitable for the method of the present invention.

【図3】 コンデンサとして回路に使用することができるトランジスタ素子の略図である
FIG. 3 is a schematic diagram of a transistor element that can be used in a circuit as a capacitor.

【図4】 センサ装置を平面略図である。FIG. 4 is a schematic plan view of the sensor device.

【図5】 センサ装置の一部の平面略図である。FIG. 5 is a schematic plan view of a part of the sensor device.

【図6】 センサ装置の一部の横断略図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a part of the sensor device.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成12年2月3日(2000.2.3)[Submission date] February 3, 2000 (200.2.3)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス シャイター ドイツ連邦共和国 オーバーハッヒング フレッサーヴェーク 13 (72)発明者 シュテファン マルクシュタイナー ドイツ連邦共和国 ミュンヘン グスタフ −ハイネマン−リング 39 Fターム(参考) 2F055 AA40 BB20 CC60 DD20 EE25 FF11 GG31 2G028 AA01 BB06 CG07 DH03 FK01 FK08 GL07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Thomas Scheider Oberhaching Fresserweg, Germany 13 (72) Inventor Stephan Marksteiner, Germany Munich Gustav-Heinemann-Ring 39 F-term (reference) 2F055 AA40 BB20 CC60 DD20 EE25 FF11 GG31 2G028 AA01 BB06 CG07 DH03 FK01 FK08 GL07

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 a)容量が測定されるべきであるコンデンサに、前以て決め
られた電圧を印加しかつ該コンデンサをこれにより充電し、 b)前記コンデンサを前記充電された電圧から切り離し、 c)前記コンデンサを測定コンデンサに、前記コンデンサに存在している電荷が
該測定コンデンサに流出するように接続し、 d)測定コンデンサに前以て決められたkずの充電過程が行われるまでまたは測
定コンデンサで設定されている電圧に達するまで、前記ステップa)ないしc)
を繰り返し、 e)測定コンデンサにおける電圧または充電過程の数を測定しかつそこから測定
すべき容量を求める 容量の測定方法。
1. a) applying a predetermined voltage to a capacitor whose capacitance is to be measured and charging it thereby; b) disconnecting said capacitor from said charged voltage; c) connecting the capacitor to the measuring capacitor so that the charge present in the capacitor flows out of the measuring capacitor; d) until a predetermined charging process is performed on the measuring capacitor; or Steps a) to c) until the voltage set on the measuring capacitor is reached
E) measuring the voltage or the number of charging steps in the measuring capacitor and determining therefrom the capacitance to be measured.
【請求項2】 前記ステップa)およびb)を複数のコンデンサに対して共
通に実施しかつ前記ステップc)ないしe)を、それぞれ別個の測定コンデンサ
を使用して前記複数のコンデンサに対して同時に実施することによって、ある数
のコンデンサの容量を測定する 請求項1記載の方法。
2. The steps a) and b) are performed in common for a plurality of capacitors and the steps c) to e) are performed simultaneously on the plurality of capacitors using separate measuring capacitors. The method of claim 1, wherein the performing measures the capacitance of a number of capacitors.
【請求項3】 容量性の測定装置を有するセンサであって、 該測定装置は可変の容量の少なくとも1つのコンデンサを含んでおり、 該コンデンサに対して1つの測定コンデンサが存在しており、 前記コンデンサに電圧を印加しかつ該電圧を該コンデンサから切り離すことがで
きる手段が設けられており、 前記コンデンサに存在する電荷を前記測定コンデンサに転送することができる手
段が設けられており、かつ 前記測定コンデンサの電圧ないし充電状態または測定コンデンサの行われた充電
の数を検出することができる手段が設けられており、かつ 評価回路が設けられており、該評価回路によって、 前記コンデンサが繰り返し放電され、 前記コンデンサに存在している電荷がその都度前記測定コンデンサに転送され、
前記測定コンデンサにおける電圧からないしその充電状態または該測定コンデン
サの充電過程の数から測定装置のコンデンサの容量またはそれに依存している、
測定すべき量が求められる センサ。
3. A sensor having a capacitive measuring device, said measuring device comprising at least one capacitor of variable capacitance, wherein one measuring capacitor is present for said capacitor, Means for applying a voltage to the capacitor and disconnecting the voltage from the capacitor are provided; means for transferring the charge present in the capacitor to the measuring capacitor are provided; and Means are provided for detecting the voltage or state of charge of the capacitor or the number of charges performed on the measuring capacitor, and an evaluation circuit is provided, by which the capacitor is repeatedly discharged, The charge present in the capacitor is transferred to the measuring capacitor each time,
From the voltage at the measuring capacitor or from its state of charge or the number of charging steps of the measuring capacitor depends on the capacity of the capacitor of the measuring device or on it,
A sensor that requires the quantity to be measured.
【請求項4】 前記測定コンデンサは、ソースおよびドレインに対して設け
られている領域(10)が相互に短絡されている電界効果トランジスタによって
形成されている 請求項3記載のセンサ。
4. The sensor according to claim 3, wherein the measuring capacitor is formed by a field-effect transistor whose regions provided for the source and the drain are short-circuited to each other.
【請求項5】 金属面(4)がグリッド状に構造化されている金属化平面を
備え、 複数の測定コンデンサ(1)を備え、 スイッチ(S)を備え、該スイッチを介して設定されている電位をその都度、設
定されている数の金属面に印加することができかつ該金属面のそれぞれを1つの
測定コンデンサに接続することができ、 前記金属化平面に1つの不活性層を備え、 該不活性層に指先に対する載置面(6)を備え、 前記測定電極の電圧または充電状態を測定するための回路を備えた 指紋センサ。
5. A metallization plane having a metal surface (4) structured in a grid-like manner, comprising a plurality of measuring capacitors (1), comprising a switch (S) and set via said switch. A potential can be applied in each case to a set number of metal surfaces and each of the metal surfaces can be connected to one measuring capacitor, comprising one inert layer in the metallization plane A fingerprint sensor comprising: a surface (6) for placing a fingertip on the inactive layer; and a circuit for measuring a voltage or a state of charge of the measurement electrode.
【請求項6】 前記回路はそれぞれ1つのコンパレータ(2)を有しており
、該コンパレータは、当該の測定コンデンサにおける電圧を参照電圧と比較する
ために設けられている 請求項5記載の指紋センサ。
6. The fingerprint sensor according to claim 5, wherein each of the circuits has a comparator (2) for comparing the voltage at the measuring capacitor with a reference voltage. .
【請求項7】 それぞれの測定コンデンサにおいて参照電圧に達するまでに
行われた充電過程の数を測定するために設けられている計数装置(3)が存在し
ている 請求項6記載の指紋センサ。
7. The fingerprint sensor according to claim 6, wherein a counting device is provided for measuring the number of charging steps performed on each measuring capacitor before reaching the reference voltage.
【請求項8】 前記回路はそれぞれ複数のコンパレータを有しており、該コ
ンパレータは、当該測定コンデンサにおける電圧を参照電圧のスケールと比較す
るように設けられている 請求項5記載の指紋センサ。
8. The fingerprint sensor according to claim 5, wherein each of the circuits includes a plurality of comparators, and the comparator is configured to compare a voltage at the measurement capacitor with a scale of a reference voltage.
【請求項9】 前記測定コンデンサは、ソースおよびドレインに対して設け
られている領域(10)が相互に短絡されている電界効果トランジスタによって
形成されている 請求項5から8までのいずれか1項記載の指紋センサ。
9. The measuring capacitor according to claim 5, wherein the region provided for the source and the drain is formed by a field-effect transistor in which the region is short-circuited to each other. A fingerprint sensor as described.
【請求項10】 前記測定コンデンサの容量は、金属面の1つが前記載置面
の平面に配置されている導体と共に1つのコンデンサを形成するとき生じる容量
より、100倍から1000倍大きい 請求項5から9までのいずれか1項記載の指紋センサ。
10. The capacitance of the measuring capacitor is 100 to 1000 times greater than the capacitance that occurs when one of the metal surfaces forms a capacitor with a conductor arranged in the plane of the mounting surface. 10. The fingerprint sensor according to any one of items 1 to 9.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002257508A (en) * 2001-03-05 2002-09-11 Mitsubishi Electric Corp Irregularity detecting sensor
WO2013153845A1 (en) * 2012-04-10 2013-10-17 オムロン株式会社 Vibration energy detection apparatus and vibration energy detection system

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10333154A1 (en) 2003-07-22 2005-02-24 Vega Grieshaber Kg Method and circuit arrangement for evaluating a measuring capacity
JP4036798B2 (en) * 2003-07-29 2008-01-23 アルプス電気株式会社 Capacitance detection circuit, detection method, and fingerprint sensor
US7075316B2 (en) * 2003-10-02 2006-07-11 Alps Electric Co., Ltd. Capacitance detector circuit, capacitance detection method, and fingerprint sensor using the same
CN100394202C (en) * 2006-01-24 2008-06-11 东北大学 High voltage alternate driver circuit for determining micro capacitance
CN101526989B (en) * 2008-03-06 2011-02-09 奇景光电股份有限公司 Capacitive fingerprint sensor and panel thereof
FR2938344B1 (en) * 2008-11-07 2010-11-19 Continental Automotive France DEVICE FOR MEASURING A VARIATION IN THE CAPACITANCE OF A VARIABLE CAPACITIVE STRUCTURE
CN103679163B (en) * 2012-09-18 2017-03-22 成都方程式电子有限公司 Novel capacitance type fingerprint image acquisition system
CN105631432B (en) 2016-01-04 2020-12-08 京东方科技集团股份有限公司 Fingerprint detection circuit, driving method and display device
KR102666274B1 (en) * 2024-01-16 2024-05-17 주식회사 파두 Health check system for storage capacitor

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4039940A (en) * 1976-07-30 1977-08-02 General Electric Company Capacitance sensor
FR2675583B1 (en) * 1991-04-18 1993-08-27 Marelli Autronica CAPACITOR MEASURING METHOD AND DEVICE.
US5907627A (en) * 1995-11-06 1999-05-25 Dew Engineering And Development Limited Contact imaging device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002257508A (en) * 2001-03-05 2002-09-11 Mitsubishi Electric Corp Irregularity detecting sensor
JP4511064B2 (en) * 2001-03-05 2010-07-28 三菱電機株式会社 Concavity and convexity detection sensor
WO2013153845A1 (en) * 2012-04-10 2013-10-17 オムロン株式会社 Vibration energy detection apparatus and vibration energy detection system
JP2013217804A (en) * 2012-04-10 2013-10-24 Omron Corp Vibration energy detection device, and vibration energy detection system

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Publication number Publication date
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BR9811837A (en) 2000-08-15
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