JP2003294406A - Capacitive sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量型センサ
にかかり、データの採取に当たって必要な制御回路の回
路構成を簡単にして、装置の設計と制御を容易にしたも
のである。本発明のセンサ装置は、例えば指紋のように
微細な凹凸を有する物の検出に適する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic capacitance type sensor, and simplifies the circuit configuration of a control circuit necessary for collecting data to facilitate the design and control of the device. The sensor device of the present invention is suitable for detecting an object having fine irregularities such as a fingerprint.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の静電容量型センサは、指紋センサ
を例に取ると、米国特許第6,049,620号に示されるよう
な、電源を入力して指と電極間に発生する静電容量をセ
ンサに充電した後、その電圧と所定時間定電流で放電後
の電圧との差から静電容量を求める物であり、静電容量
の差で指紋の凹凸を導きだし指紋のデータとして採取す
るものである。2. Description of the Related Art A conventional electrostatic capacitance type sensor, for example, a fingerprint sensor, detects electrostatic capacitance generated between a finger and an electrode by inputting power as shown in US Pat. No. 6,049,620. After charging the battery, the capacitance is calculated from the difference between the voltage and the voltage after discharging at a constant current for a predetermined time.The difference between the capacitances is used to derive the unevenness of the fingerprint and collect it as fingerprint data. is there.
【0003】すなわち、従来の方式は以下の原理による
ものである。まず、C=q/(Vi-Vf)・・・で静電容量を求
める。(ただし、q:放電した電荷 Vi:初期電位
Vf:放電後電位)
次に、C=εS/d・・・で指と電極間の距離を導き出して
指紋のデータを採る。(ただし、C:静電容量 ε:誘
電率 S:センサ電極の面積 d:指とセンサ電極間の
距離)
しかしながら、この方式は充電電流の切り替えスイッチ
とサンプル&ホールド回路の制御信号を与える回路が別
々に必要となるため、制御信号発生回路が複雑になり、
充放電回路が複雑になる。さらに、指紋検知センサの電
極に引きまわしている複数の制御信号発生回路間に信号
遅延によるずれが生じると、正確な静電容量が測定でき
ないおそれがあった。That is, the conventional method is based on the following principle. First, the capacitance is calculated by C = q / (Vi-Vf) .... (However, q: discharged charge Vi: initial potential
Vf: potential after discharge) Next, the distance between the finger and the electrode is derived by C = εS / d ... And fingerprint data is taken. (However, C: capacitance ε: permittivity S: area of the sensor electrode d: distance between the finger and the sensor electrode) However, in this method, the charging current selector switch and the circuit that gives the control signal of the sample & hold circuit are Since they are required separately, the control signal generation circuit becomes complicated,
The charge / discharge circuit becomes complicated. Furthermore, if a shift occurs due to a signal delay among the plurality of control signal generating circuits that are routed around the electrodes of the fingerprint detection sensor, there is a risk that an accurate capacitance cannot be measured.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の静電
容量型センサ装置における上記の欠点を解決しようとす
るものであり、制御信号を与える回路の構成を簡単にし
て装置の設計を容易にするとともに、制御を簡単にした
ものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is intended to solve the above-mentioned drawbacks in the conventional capacitance type sensor device, and simplifies the configuration of the circuit for supplying the control signal to facilitate the design of the device. And the control is simple.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の静電容量型セン
サは、誘電体保護膜で被覆されたセンサ電極、電荷の変
化に比例して出力電圧を変化させる固定の静電容量値を
持つコンデンサ、センサ電極と検出物間に発生する静電
容量に印加する電圧を切り換える開始信号を入力するス
イッチ回路、コンデンサに初期電圧を設定する開始信号
を入力するスイッチ回路、および、基準側にセンサ電極
を出力側にコンデンサを接続したカレントミラー回路を
有し、センサ電極と検出物間に発生する静電容量に印加
した電圧が切り替わることで変化する電荷に比例したコ
ンデンサの電荷によって生じる電圧を検出することを特
徴とするものである。A capacitance type sensor according to the present invention has a sensor electrode coated with a dielectric protective film and a fixed capacitance value that changes an output voltage in proportion to a change in charge. A capacitor, a switch circuit that inputs a start signal that switches the voltage applied to the electrostatic capacitance generated between the sensor electrode and the detected object, a switch circuit that inputs a start signal that sets the initial voltage to the capacitor, and the sensor electrode on the reference side. It has a current mirror circuit with a capacitor connected to the output side, and detects the voltage generated by the charge of the capacitor that is proportional to the charge that changes when the voltage applied to the electrostatic capacitance generated between the sensor electrode and the detected object changes It is characterized by that.
【0006】[0006]
【発明の実施の形態】本発明の一実施態様として、本発
明の静電容量型センサは、誘電体保護膜で被覆されたセ
ンサ電極がカレントミラー回路の基準側トランジスタに
接続されカレントミラー回路の出力側トランジスタがコ
ンデンサに接続され、センサ電極とコンデンサはそれぞ
れにセンサ電極と検出物間に発生する静電容量に印加す
る電圧を切り換える開始信号を入力するスイッチ回路、
コンデンサに初期電圧を設定する開始信号を入力するス
イッチ回路を介して接地され、センサ電極に充電された
電荷と比例関係にあるそのコンデンサに蓄積された電荷
により生じる電圧を検出することを特徴とする。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As one embodiment of the present invention, in a capacitance type sensor of the present invention, a sensor electrode covered with a dielectric protective film is connected to a reference side transistor of a current mirror circuit, The output side transistor is connected to a capacitor, and the sensor electrode and the capacitor respectively input a start signal for switching the voltage applied to the electrostatic capacitance generated between the sensor electrode and the detected object,
It is characterized in that it detects a voltage generated by an electric charge accumulated in the capacitor, which is grounded through a switch circuit for inputting a start signal for setting an initial voltage to the capacitor and is in a proportional relationship with an electric charge charged in a sensor electrode. .
【0007】すなわち、開始信号に応答して、検出物と
センサ電極間に生じる静電容量を充電するように定電圧
源によりセンサ電極に一定の電位になるまで充電する。
同時にカレントミラー回路の出力側に接続されたコンデ
ンサに定電圧源から充電する。そのコンデンサの充電時
間はセンサ電極の電荷で制御され、その出力として必要
な電圧のデータが得られるようにしたものである。That is, in response to the start signal, the constant voltage source charges the sensor electrode to a constant potential so as to charge the electrostatic capacitance generated between the detected object and the sensor electrode.
At the same time, the constant voltage source charges the capacitor connected to the output side of the current mirror circuit. The charging time of the capacitor is controlled by the charge of the sensor electrode so that the voltage data required as the output can be obtained.
【0008】また、本発明の他の実施態様として、本発
明の静電容量型センサは、誘電体保護膜で被覆されたセ
ンサ電極がカレントミラー回路の基準側トランジスタに
接続されカレントミラー回路の出力側トランジスタがコ
ンデンサに接続され、センサ電極とコンデンサはそれぞ
れに前記開始信号を入力するスイッチを介して定電圧に
接続され、センサ電極に放電された電荷と比例関係にあ
るコンデンサから放出した電荷により減ずる電圧を検出
することを特徴とする。As another embodiment of the present invention, in the capacitance type sensor of the present invention, the sensor electrode covered with the dielectric protective film is connected to the reference side transistor of the current mirror circuit, and the output of the current mirror circuit is output. The side transistor is connected to the capacitor, the sensor electrode and the capacitor are connected to a constant voltage through the switches for inputting the start signal to each, and are reduced by the charge discharged from the capacitor that is proportional to the charge discharged to the sensor electrode. It is characterized by detecting a voltage.
【0009】[0009]
【実施例】以下、指紋センサを例として、本発明の1実
施例を図1乃至図5により説明する。本発明の静電容量
型センサは、図1のように、2次元に配列された多数の
センサ電極3とそれを覆う誘電体保護膜2で、センサの
アレイを構成する。各センサ電極3は指紋の画像を表現
できるように、指紋の凹凸で表現される線の太さより狭
い300dpi乃至500dpiの間隔で配置される。誘電体膜は、
センサ電極を被覆して保護するとともに、指とセンサ電
極との間にコンデンサを形成する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 5 using a fingerprint sensor as an example. In the capacitance type sensor of the present invention, as shown in FIG. 1, a sensor array is formed by a large number of two-dimensionally arranged sensor electrodes 3 and a dielectric protective film 2 covering the sensor electrodes 3. Each sensor electrode 3 is arranged at an interval of 300 dpi to 500 dpi, which is narrower than the thickness of the line expressed by the unevenness of the fingerprint so that the image of the fingerprint can be expressed. The dielectric film is
The sensor electrode is covered and protected and a capacitor is formed between the finger and the sensor electrode.
【0010】このセンサアレイは、各センサ電極が略均
一な静電容量を持っている。図1に示すように、誘電体
膜2の上に指1を置くと、指1は接地状態にあるため、
指1とセンサ電極3の間に静電容量が発生する。その静
電容量は、指紋の凸部、つまり指1とセンサ電極3との
距離が短い部分では大きくなり、指紋の凹部、つまり指
とセンサ電極との距離が長い部分では小さくなる。In this sensor array, each sensor electrode has a substantially uniform electrostatic capacitance. As shown in FIG. 1, when the finger 1 is placed on the dielectric film 2, since the finger 1 is in the grounded state,
An electrostatic capacitance is generated between the finger 1 and the sensor electrode 3. The capacitance is large in the convex portion of the fingerprint, that is, the portion where the distance between the finger 1 and the sensor electrode 3 is short, and is small in the concave portion of the fingerprint, that is, the portion where the distance between the finger and the sensor electrode is long.
【0011】図2は指紋センサの回路の1単位を構成す
る単位回路で、MOSトランジスタにより回路を構成した
例である。図2に示すように、この単位回路は、指1と
の間に静電容量を生成させるセンサ電極3、コンデンサ
7、センサ電極3とコンデンサ7に低電圧源から充電する
カレントミラー回路5、センサ電極3とコンデンサ7をリ
セットするための放電用スイッチ4で構成される。カレ
ントミラー回路の基準側はセンサ電極3に接続され、出
力側はコンデンサ7に接続されている。放電用スイッチ
の一つはセンサ電極に、他の一つはコンデンサ7に並列
接続され、両スイッチは充電開始信号源6に接続され
る。FIG. 2 shows a unit circuit which constitutes one unit of a fingerprint sensor circuit, and is an example in which the circuit is constituted by MOS transistors. As shown in FIG. 2, this unit circuit is composed of a sensor electrode 3 and a capacitor that generate an electrostatic capacitance with the finger 1.
7, a current mirror circuit 5 for charging the sensor electrode 3 and the capacitor 7 from a low voltage source, and a discharge switch 4 for resetting the sensor electrode 3 and the capacitor 7. The reference side of the current mirror circuit is connected to the sensor electrode 3, and the output side is connected to the capacitor 7. One of the discharging switches is connected to the sensor electrode and the other is connected to the capacitor 7 in parallel, and both switches are connected to the charging start signal source 6.
【0012】センサアレイの誘電体膜上に指が置かれて
いる状態において、以下の手順を踏むことで指紋画像を
取得できる。センサ電極3とコンデンサ7に接続する接地
用スイッチ4を開始信号源6によりそれぞれONすること
により接地して、残留電荷を放電する。これによって指
1とセンサ電極3で構成されるコンデンサ端電圧を0〔V〕
にリセットする。放電後、接地用スイッチ4をOFFしてセ
ンサ電極3とコンデンサ7を接地状態から開放状態に切り
換える。残留電荷を放電してカレントミラー回路5のト
ランジスタのゲート電圧が低いため、カレントミラー回
路5は動作し、指1とセンサ電極3で構成されるコンデン
サとコンデンサ7に電流が供給され、両方のコンデンサ
の電圧が上昇する。With the finger placed on the dielectric film of the sensor array, the fingerprint image can be obtained by performing the following procedure. The grounding switch 4 connected to the sensor electrode 3 and the capacitor 7 is grounded by turning on the start signal source 6 to discharge the residual charge. Finger by this
The voltage at the capacitor end composed of 1 and the sensor electrode 3 is 0 [V]
Reset to. After discharging, the grounding switch 4 is turned off to switch the sensor electrode 3 and the capacitor 7 from the grounded state to the open state. Since the residual charge is discharged and the gate voltage of the transistor of the current mirror circuit 5 is low, the current mirror circuit 5 operates and current is supplied to the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3 and the capacitor 7, and both capacitors Voltage rises.
【0013】この充電は指1とセンサ電極3で構成される
コンデンサの端電圧が電源電圧からカレントミラー回路
5を構成するトランジスタの閾値電圧分低い所定電圧に
達するまで行われる。この所定電圧に達するとカレント
ミラー回路5のトランジスタのゲート電圧が高くなって
いるためカレントミラー回路5の動作は停止する。カレ
ントミラー回路5の停止によってコンデンサ7への電荷の
供給も停止するため、コンデンサ7に発生する電圧は接
地用スイッチを接地状態に切り換えるまで保持される。
コンデンサ7に電荷の供給が停止するまでに充電される
電荷は、指1とセンサ電極3で構成されたコンデンサに充
電された電荷と比例する量の電荷である。コンデンサ7
に充電される電荷はカレントミラー回路5による電流比
によって決定するため、カレントミラー回路5を構成す
るトランジスタのゲートサイズを変化させることによっ
て任意の電荷にすることが可能である。For this charging, the terminal voltage of the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3 changes from the power supply voltage to the current mirror circuit.
The process is performed until a predetermined voltage lower by the threshold voltage of the transistor forming 5 is reached. When this predetermined voltage is reached, the gate voltage of the transistor of the current mirror circuit 5 becomes high, so the operation of the current mirror circuit 5 stops. Since the supply of electric charge to the capacitor 7 is also stopped by stopping the current mirror circuit 5, the voltage generated in the capacitor 7 is held until the ground switch is switched to the ground state.
The electric charge that is charged until the supply of the electric charge to the capacitor 7 is stopped is an amount of electric charge that is proportional to the electric charge that is charged in the capacitor that is configured by the finger 1 and the sensor electrode 3. Capacitor 7
Since the charge charged in the current mirror circuit 5 is determined by the current ratio of the current mirror circuit 5, it is possible to change it to an arbitrary charge by changing the gate size of the transistor forming the current mirror circuit 5.
【0014】指1とセンサ電極3で構成されるコンデンサ
に充電される電荷は、
Qf=Cf・V ・・・(1)
ただし、Cf:指1−センサ電極3の静電容量 V:所定
電圧(一定)と表すことができ、これに比例する量の電
荷がコンデンサ7に充電されるため、電荷量は、
A・Qf=Cp・Vp ・・・(2)
ただし、Cp:コンデンサ7の静電容量(一定) Vp:
コンデンサ7の電圧、A:カレントミラー回路の電流比に
よって決まる比例定数と表すことができる。(1)、
(2)式より、
Cf・V=(Cp/A)・Vp ・・・(3)
となり、出力電圧に対する式に書き換えると、
Vp=((V・A)/Cp)・Cf ・・・(4)
Vp=K・Cf ・・・(5)
ただし、K:比例定数。よって出力される電圧Vpは指紋
とセンサ電極3の距離によって変化する静電容量Cfに比
例する値であることが分かり、このデータより指紋デー
タを生成することができる。The charge charged in the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3 is Qf = Cf · V (1) where Cf: finger 1-electrostatic capacity of the sensor electrode V: predetermined voltage It can be expressed as (constant), and an amount of charge proportional to this is charged in the capacitor 7, so the amount of charge is A Qf = Cp Vp (2) where Cp is the static of the capacitor 7. Capacitance (constant) Vp:
It can be expressed as a proportional constant determined by the voltage of the capacitor 7, A: current ratio of the current mirror circuit. (1),
From equation (2), Cf ・ V = (Cp / A) ・ Vp ・ ・ ・ (3), and rewriting the equation for the output voltage, Vp = ((V ・ A) / Cp) ・ Cf ・ ・ ・ ( 4) Vp = K · Cf (5) where K: proportional constant. Therefore, the output voltage Vp is found to be a value proportional to the electrostatic capacitance Cf that changes depending on the distance between the fingerprint and the sensor electrode 3, and fingerprint data can be generated from this data.
【0015】図3に指1とセンサ電極3で構成されるコン
デンサの静電容量を横軸に、それに対する出力電圧を縦
軸にとり、その関係を示した代表的な例を挙げる。図に
よって、電荷の供給が停止した時にコンデンサ7の両端
に発生する電圧は指1とセンサ電極3で構成されるコンデ
ンサの静電容量に比例する値を示すことが分かる。FIG. 3 shows a typical example in which the horizontal axis represents the electrostatic capacity of the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3, and the vertical axis represents the output voltage corresponding to the electrostatic capacity. From the figure, it can be seen that the voltage generated across the capacitor 7 when the supply of electric charge is stopped shows a value proportional to the electrostatic capacitance of the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3.
【0016】上述した本発明装置の単位回路について、
動作信号のタイミングチャートを図4に示す。信号14は
図2における信号源6より発生する波形で、放電用スイッ
チ4のON、OFFを切り換える信号である。信号15は指1と
センサ電極3で構成されるコンデンサの電圧である。信
号16はコンデンサ7の電圧であり、実線と破線はそれぞ
れ指1とセンサ電極3で構成されるコンデンサの静電容量
が大、小の場合を示す。Regarding the unit circuit of the device of the present invention described above,
A timing chart of operation signals is shown in FIG. A signal 14 is a waveform generated from the signal source 6 in FIG. 2 and is a signal for switching ON / OFF of the discharge switch 4. Signal 15 is the voltage of the capacitor composed of finger 1 and sensor electrode 3. The signal 16 is the voltage of the capacitor 7, and the solid line and the broken line show the cases where the capacitance of the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3 is large and small, respectively.
【0017】開始信号14がHighレベルの間、放電用スイ
ッチはONしているため、指1とセンサ電極3で構成される
コンデンサ、コンデンサ7共に接地されている状態であ
り、波形15、16は0〔V〕を示している。開始信号がLow
レベルに切り替わると、放電用スイッチはOFFとなりコ
ンデンサに充電が開始される。コンデンサ端電圧は波形
15、16に示されるように上昇し、この充電は波形15の電
圧が上記した所定電圧に至るまで行われる。これと同様
の期間コンデンサ7も充電され、波形17のように指1とセ
ンサ電極3で構成されるコンデンサの静電容量によって
異なる電圧を示す。コンデンサ7の電圧16は再び開始信
号14がHighになり放電するまで保持される。Since the discharge switch is ON while the start signal 14 is at the high level, both the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3 and the capacitor 7 are grounded, and the waveforms 15 and 16 are It shows 0 [V]. Start signal is Low
When switched to the level, the discharge switch turns off and the capacitor starts charging. Capacitor voltage is a waveform
The voltage rises as indicated by 15 and 16, and this charging is performed until the voltage of the waveform 15 reaches the above-mentioned predetermined voltage. The capacitor 7 is also charged for the same period as this, and shows a different voltage depending on the capacitance of the capacitor formed by the finger 1 and the sensor electrode 3 as shown by the waveform 17. The voltage 16 of the capacitor 7 is held until the start signal 14 becomes High again and is discharged.
【0018】この単位回路は、画素数つまりセンサ電極
の数分用意してあるため、指1とセンサ電極3で構成され
るコンデンサの各静電容量に相当する電圧がコンデンサ
7に保持されるまでを並列に処理することが可能であ
り、全センサ電極の静電容量を一括して取り込み、保持
することができる。上記の単位回路を多数集積したセン
サアレイを用い、図5に示すブロック図のように構成す
ることで指紋認証システムを構築することができる。図
の6は信号源、8はセンサアレイ、9はアドレスデコー
ダ、10はセレクタ、11はA/Dコンバータ、12はインター
フェース、そして13はコンピュータである。Since this unit circuit is prepared for the number of pixels, that is, the number of sensor electrodes, the voltage corresponding to each electrostatic capacity of the capacitor constituted by the finger 1 and the sensor electrode 3 is the capacitor.
It is possible to process in parallel until it is held at 7, and it is possible to collectively capture and hold the electrostatic capacitances of all sensor electrodes. A fingerprint authentication system can be constructed by using a sensor array in which a large number of the unit circuits described above are integrated and configured as shown in the block diagram of FIG. In the figure, 6 is a signal source, 8 is a sensor array, 9 is an address decoder, 10 is a selector, 11 is an A / D converter, 12 is an interface, and 13 is a computer.
【0019】センサアレイ8から所望のエレメントのコ
ンデンサ7の出力電圧をアドレスデコーダ9とセレクタ10
を介して選択する。選択されたコンデンサ7の出力電圧
をA/Dコンバータ11に入力する。A/Dコンバータ11でデジ
タル変換されたデータは、インターフェース12を介し
て、コンピュータ13に届けられる。コンピュータ13で
は、各センサ電極素子から得られたデータを処理し、二
次元に配列して指紋画像を完成させる。The output voltage of the capacitor 7 of the desired element from the sensor array 8 is applied to the address decoder 9 and the selector 10.
To choose via. The output voltage of the selected capacitor 7 is input to the A / D converter 11. The data digitally converted by the A / D converter 11 is delivered to the computer 13 via the interface 12. The computer 13 processes the data obtained from each sensor electrode element and arranges it in two dimensions to complete the fingerprint image.
【0020】図6は本発明の他の実施例である。本発明
は、上記の実施例と同様な原理で、指1とセンサ電極3で
構成されるコンデンサの放電が完了した時の、カレント
ミラーの出力側に接続されたコンデンサの電荷を検出す
る回路を用いることも可能である。この放電型の回路例
を図6に示す。カレントミラー回路の基準側はセンサ電
極3に接続され、出力側はコンデンサ20に接続されてい
る。充電用スイッチ18の一つはセンサ電極に、他の一つ
はコンデンサ7に直列接続され、両スイッチのゲートは
放電開始信号源17に接続され、ソースには定電圧源が接
続されている。回路の動作作用を以下に説明する。FIG. 6 shows another embodiment of the present invention. The present invention is based on the same principle as that of the above embodiment, a circuit for detecting the charge of the capacitor connected to the output side of the current mirror when the discharge of the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3 is completed. It is also possible to use. An example of this discharge type circuit is shown in FIG. The reference side of the current mirror circuit is connected to the sensor electrode 3, and the output side is connected to the capacitor 20. One of the charging switches 18 is connected in series to the sensor electrode, and the other is connected in series to the capacitor 7, the gates of both switches are connected to the discharge start signal source 17, and the constant voltage source is connected to the source. The operation of the circuit will be described below.
【0021】センサ電極3とコンデンサ20に接続する
スイッチ18をONすることで電源電圧に充電する。充
電後スイッチ18をOFFに切り換えると、カレントミ
ラー回路19のNMOSトランジスタのゲート電圧が高
いため、カレントミラー回路19は動作し、指1とセン
サ電極3で構成されるコンデンサとコンデンサ20から
放電が開始する。この放電に伴って指1とセンサ電極3
で構成されるコンデンサとコンデンサ20の電圧は低下
する。By turning on the switch 18 connected to the sensor electrode 3 and the capacitor 20, the power supply voltage is charged. When the switch 18 is turned off after charging, the current mirror circuit 19 operates because the gate voltage of the NMOS transistor of the current mirror circuit 19 is high, and discharge starts from the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3 and the capacitor 20. To do. With this discharge, finger 1 and sensor electrode 3
And the voltage of the capacitor 20 and the capacitor 20 are reduced.
【0022】この放電は、指1とセンサ電極3で構成さ
れるコンデンサ端の電圧が、グランドレベルよりカレン
トミラー回路19を構成するトランジスタの閾値電圧分
高い電圧になるまで行われる。この放電が完了すると、
カレントミラー回路19のNMOSトランジスタのゲー
ト電圧が低くなっているため、カレントミラー回路19
は停止する。カレントミラー回路19の停止によって、
コンデンサ20からの放電も停止する。このときに、コ
ンデンサ20から放電する電荷量は、指1とセンサ電極
3で構成されるコンデンサの静電容量から放電された電
荷と比例する量である。This discharge is performed until the voltage at the capacitor end formed by the finger 1 and the sensor electrode 3 becomes higher than the ground level by the threshold voltage of the transistor forming the current mirror circuit 19. When this discharge is completed,
Since the gate voltage of the NMOS transistor of the current mirror circuit 19 is low, the current mirror circuit 19
Will stop. By stopping the current mirror circuit 19,
Discharge from the capacitor 20 is also stopped. At this time, the amount of electric charge discharged from the capacitor 20 is proportional to the amount of electric charge discharged from the electrostatic capacity of the capacitor formed by the finger 1 and the sensor electrode 3.
【0023】放電される電荷量はカレントミラー回路1
9による電流比によって決定するため、カレントミラー
回路19を構成するトランジスタのゲートサイズを変化
させることによって任意の電荷量にすることが可能であ
る。電荷の放電が完了したときにコンデンサ20に発生
する電圧は、指1とセンサ電極3で構成されるコンデン
サの静電容量に比例する値を示し、これを読み出して処
理すると指紋画像が得られる。The amount of electric charge discharged is the current mirror circuit 1
Since it is determined by the current ratio of the current mirror circuit 9, it is possible to obtain an arbitrary amount of charge by changing the gate size of the transistor forming the current mirror circuit 19. The voltage generated in the capacitor 20 when the discharge of the electric charge is completed shows a value proportional to the electrostatic capacity of the capacitor composed of the finger 1 and the sensor electrode 3. When this is read and processed, a fingerprint image is obtained.
【0024】以上には指紋センサ装置を例として説明し
たが、指紋に限らず、他の微小な凹凸のある電子部品等
の検査においても有用である。この場合、凹凸を検出す
る対象物は接地または電圧を印加することにより、電位
を同一とすることができる導体の性質を持つものとす
る。例えば、金属ケースの傷の検出に用いることもでき
る。Although the fingerprint sensor device has been described above as an example, the invention is not limited to fingerprints and is also useful for inspection of other electronic components having minute irregularities. In this case, the object for detecting the unevenness has the property of a conductor that can have the same potential by grounding or applying a voltage. For example, it can also be used to detect scratches on a metal case.
【0025】[0025]
【発明の効果】本発明によれば、簡単な回路で静電容量
型センサを構成でき、検出データの採取に当たって検出
開始の信号だけでデータの蓄積ができるので、制御回路
が簡単で、設計、製造が容易になる。また、センサ電極
への信号がパルス信号のみでデータの保持まで行うた
め、他の信号との遅延を考慮する必要がなくなる、制御
も簡単である。センサ電極の静電容量がデータとなる電
圧を記憶するコンデンサの電圧と比例関係にあるので、
静電容量の変化によって生じる電圧の範囲を制御しやす
い。さらに、充電するまでの時間は、センサ電極がダイ
オード接続のカレントミラーを介して電源電圧に接続し
ていることで数nsという短い時間で充電でき、よって
短時間で検出できる。等の効果が得られる。According to the present invention, the capacitance type sensor can be constructed with a simple circuit, and the data can be accumulated only by the detection start signal when the detection data is collected. Manufacturing is easy. Further, since the signal to the sensor electrode is a pulse signal only and the data is held, it is not necessary to consider the delay with other signals, and the control is simple. Since the capacitance of the sensor electrode is proportional to the voltage of the capacitor that stores the voltage that becomes the data,
It is easy to control the range of voltage generated by the change in capacitance. Furthermore, since the sensor electrode is connected to the power supply voltage via the diode-connected current mirror, the time required for charging can be charged in a short time of several ns, and thus can be detected in a short time. And so on.
【図1】指をセンサアレイに当てた状態の説明図FIG. 1 is an explanatory diagram of a state where a finger is applied to a sensor array.
【図2】本発明の1実施例の静電容量型センサの単位回
路を示す回路図FIG. 2 is a circuit diagram showing a unit circuit of a capacitance type sensor according to one embodiment of the present invention.
【図3】指とセンサ電極間の静電容量と出力電圧の関係
を示す図FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an electrostatic capacitance between a finger and a sensor electrode and an output voltage.
【図4】図2の回路の指紋検出動作時の電圧変化を示す
タイミングチャート4 is a timing chart showing voltage changes during fingerprint detection operation of the circuit of FIG.
【図5】本発明のセンサ装置を使用した指紋認識システ
ムのブロック図FIG. 5 is a block diagram of a fingerprint recognition system using the sensor device of the present invention.
【図6】本発明の他の実施例にかかる静電容量型センサ
の単位回路を示す回路図FIG. 6 is a circuit diagram showing a unit circuit of a capacitance type sensor according to another embodiment of the present invention.
1 指 2 誘電体保護膜 3 センサ電極 4 放電用スイッチ 5 カレントミラー回路 6 充電開始信号源 7 コンデンサ 17 放電開始信号源 18 充電用スイッチ 19 カレントミラー回路 20 コンデンサ One finger 2 Dielectric protective film 3 sensor electrodes 4 Discharge switch 5 Current mirror circuit 6 Charge start signal source 7 capacitors 17 Discharge start signal source 18 Charging switch 19 Current mirror circuit 20 capacitors
フロントページの続き Fターム(参考) 2F063 AA43 BA29 DA02 DA05 DD07 HA04 LA30 4C038 FF01 FF05 FG00 5B047 AA25 AB02 BB10 BC01 CA04 CB17 Continued front page F term (reference) 2F063 AA43 BA29 DA02 DA05 DD07 HA04 LA30 4C038 FF01 FF05 FG00 5B047 AA25 AB02 BB10 BC01 CA04 CB17
Claims (3)
で被覆されたセンサ電極、電荷の変化に比例して出力電
圧を変化させる固定の静電容量値を持つコンデンサ、該
センサ電極と検出物間に発生する静電容量に印加する電
圧を切り換える開始信号を入力するスイッチ回路、該コ
ンデンサに初期電圧を設定する開始信号を入力するスイ
ッチ回路、および、基準側に該センサ電極を出力側に該
コンデンサを接続したカレントミラー回路を有し、該セ
ンサ電極と検出物間に発生する静電容量に印加した電圧
が切り替わることで変化する電荷に比例した該コンデン
サの電荷によって生じる電圧を検出することを特徴とす
る静電容量型センサ。1. In a capacitance type sensor, a sensor electrode covered with a dielectric protective film, a capacitor having a fixed capacitance value that changes an output voltage in proportion to a change in charge, the sensor electrode and detection. A switch circuit that inputs a start signal that switches the voltage applied to the electrostatic capacitance generated between objects, a switch circuit that inputs a start signal that sets the initial voltage to the capacitor, and the sensor electrode on the reference side to the output side. Detecting a voltage generated by the electric charge of the capacitor, which has a current mirror circuit connected to the capacitor and is proportional to the electric charge that changes when the voltage applied to the electrostatic capacitance generated between the sensor electrode and the detection object changes Capacitive sensor.
で被覆されたセンサ電極がカレントミラー回路の基準側
トランジスタに接続され該カレントミラー回路の出力側
トランジスタがコンデンサに接続され、該センサ電極と
該コンデンサはそれぞれに開始信号を入力するスイッチ
を介して接地され、該センサ電極に充電された電荷と比
例関係にある該コンデンサに蓄積された電荷により生じ
る電圧を検出することを特徴とする静電容量型センサ。2. In a capacitance type sensor, a sensor electrode covered with a dielectric protective film is connected to a reference side transistor of a current mirror circuit, an output side transistor of the current mirror circuit is connected to a capacitor, and the sensor electrode is connected. And the capacitor are grounded via a switch for inputting a start signal to each of them, and a voltage generated by the charge accumulated in the capacitor proportional to the charge charged in the sensor electrode is detected. Capacitive sensor.
で被覆されたセンサ電極がカレントミラー回路の基準側
トランジスタに接続され該カレントミラー回路の出力側
トランジスタがコンデンサに接続され、該センサ電極と
該コンデンサはそれぞれに開始信号を入力するスイッチ
を介して定電圧に接続され、該センサ電極に放電された
電荷と比例関係にある該コンデンサから放出した電荷に
より減ずる電圧を検出することを特徴とする静電容量型
センサ。3. In a capacitance type sensor, a sensor electrode covered with a dielectric protective film is connected to a reference side transistor of a current mirror circuit, an output side transistor of the current mirror circuit is connected to a capacitor, and the sensor electrode is connected. And the capacitor are connected to a constant voltage via a switch for inputting a start signal to each of them, and detect a voltage reduced by the charge discharged from the capacitor in proportion to the charge discharged to the sensor electrode. Capacitive type sensor.
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JP2002095175A JP2003294406A (en) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | Capacitive sensor |
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- 2002-03-29 JP JP2002095175A patent/JP2003294406A/en active Pending
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