JP2005049194A - Capacitance detection device and electronic instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、指紋等の微細な凹凸を有する被検出物の表面形状を、被検出物表面との距離に応じて変化する静電容量を検出することにより読み取る静電容量検出装置及び電子機器に関する。 The present invention relates to a capacitance detection device and an electronic apparatus that read a surface shape of a detected object having fine irregularities such as fingerprints by detecting a capacitance that changes in accordance with a distance from the detected object surface. .
従来、マトリクス状にセンサセルを配置した静電容量検出装置として、指の表面との距離に応じて変化する静電容量を検出して、指紋の凹凸形状を読み取る指紋センサ(例えば、特許文献1〜4)が知られている。指紋センサの用途は、従来から、機密性の高い部屋へ入室する人が本人であることを認証する装置に使用する目的が主であったが、例えば半導体を使った静電容量式指紋センサ(例えば、特許文献2〜4)が小型軽量で安価にできるようになり、携帯電話、PDA(携帯情報端末)、携帯用パソコンなどの携帯用小型電子機器やICカードなどへの用途が考えられている。その他、据え置き型の電子装置であっても、個人用途でプライバシーを守るために、本人を特定するための指紋センサが使われる。 Conventionally, as a capacitance detection device in which sensor cells are arranged in a matrix, a fingerprint sensor that detects the uneven shape of a fingerprint by detecting the capacitance that changes according to the distance from the finger surface (for example, Patent Documents 1 to 3). 4) is known. Conventionally, the fingerprint sensor has been mainly used for a device that authenticates that a person entering a highly confidential room is the person himself. For example, a capacitive fingerprint sensor using a semiconductor ( For example, Patent Documents 2 to 4) can be made small and light and inexpensive, and are considered to be used for portable small electronic devices such as mobile phones, PDAs (personal digital assistants), portable personal computers, and IC cards. Yes. In addition, even in a stationary electronic device, a fingerprint sensor for identifying the person is used to protect privacy for personal use.
従来の半導体を使った静電容量式指紋センサは、20mm×20mm位の単結晶シリコンに形成されていた。静電容量式指紋センサの構造と検出原理は、半導体の表面に形成されたマトリクス状のセンサセルに作られた電極と、その電極上の誘電体薄膜を介して指紋の凹凸との間に発生する静電容量の分布をトランジスタ回路で検出する。また、検出回路としての各センサセルには通常A/Dコンバータが夫々内蔵され、走査線でマトリクス状のセンサセルを順に走査し、データ線を順にA/Dコンバータの出力端に接続して、各センサセルから検出情報を読み出すようになっていた。その際、センサセルからの検出情報は、A/Dコンバータにより複数ビットのディジタル信号として出力され、入退室管理システム等において高い個人認証率を実現している。
しかし、従来の静電容量式指紋センサは、単結晶シリコン基板上にセンサ電極や誘電体膜が設けられているため、検出面である誘電体膜に指を強く押し付けるとシリコン基板が割れてしまい、耐久性に劣る。更に、指紋センサはその用途から必然的に20mm×20mm程度の大きさが求められ、単結晶シリコン基板に形成するには膨大なエネルギーと労力を必要とする。しかも、指紋センサを薄板状のICカードに搭載するためには、単結晶シリコン基板を非常に薄く研磨しなければならず、高価になるとの課題を有する。 However, since a conventional capacitive fingerprint sensor has a sensor electrode and a dielectric film provided on a single crystal silicon substrate, if the finger is strongly pressed against the dielectric film as the detection surface, the silicon substrate will be broken. Inferior in durability. Furthermore, the fingerprint sensor is inevitably required to have a size of about 20 mm × 20 mm for its use, and enormous energy and labor are required to form it on a single crystal silicon substrate. Moreover, in order to mount the fingerprint sensor on a thin plate-like IC card, the single crystal silicon substrate has to be polished very thin, and there is a problem that it becomes expensive.
上記課題を解決する方法として、本願出願人は先にMIS型薄膜半導体装置(信号増幅用TFT)をセンサセルとして用いることにより、ガラス基板やプラスチック基板にも形成し得る静電容量式指紋センサを提案している。 As a method for solving the above problems, the applicant of the present application previously proposed a capacitive fingerprint sensor that can be formed on a glass substrate or a plastic substrate by using a MIS thin film semiconductor device (signal amplification TFT) as a sensor cell. is doing.
ところで、ICカードにおける個人認証は、所有者本人であるか否かを判別するだけで良いため、指紋の照合に関し入退室管理システム程の大掛かりな精度を要求されない。また、ICカードに搭載されているICチップは、物理的な仕様上、その性能が自ずと制限される。従って、従来の指紋センサのように、複数ビットのA/Dコンバータを各センサセルに内蔵した場合、ICチップは負荷が大きい複数ビットの信号処理を行なわざるを得なくなって、処理速度の低下を招いていた。 By the way, since the personal authentication in the IC card only needs to determine whether or not it is the owner, it does not require as much accuracy as the entrance / exit management system for fingerprint verification. Further, the performance of an IC chip mounted on an IC card is naturally limited due to physical specifications. Therefore, when a multi-bit A / D converter is built in each sensor cell as in a conventional fingerprint sensor, the IC chip is forced to perform multi-bit signal processing with a heavy load, resulting in a reduction in processing speed. It was.
そこで本発明は上述の諸事情に鑑み、送り出す検出情報を少なくして、メモリ容量の低減と処理速度の向上を図ることが可能になる静電容量検出装置及び電子機器を提供することをその目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-described circumstances, the present invention has an object to provide a capacitance detection device and an electronic apparatus that can reduce the amount of detection information to be sent, reduce the memory capacity, and improve the processing speed. And
本発明における静電容量検出装置は、被検出物との距離に応じて変化する静電容量を複数の検出回路により検出して、該被検出物の表面形状を読み取る静電容量検出装置において、前記各検出回路から読み出される検出情報を1ビットのディジタル信号に変換するコンバータを備えて構成される。 The capacitance detection device according to the present invention is a capacitance detection device that detects the capacitance of the detection object by a plurality of detection circuits and reads the surface shape of the detection object. It comprises a converter that converts detection information read from each detection circuit into a 1-bit digital signal.
本発明によれば、各々の検出回路で読み出されるアナログ信号の検出情報は、コンバータにより複数ビットではなく1ビットのディジタル信号に変換して出力される。したがって、検出回路からの検出情報を処理する際に、複数ビットの信号処理を行なう必要がなく、メモリ容量の低減と処理速度の向上を図ることが可能になる。 According to the present invention, the detection information of the analog signal read by each detection circuit is converted into a 1-bit digital signal instead of a plurality of bits by the converter and output. Therefore, when processing the detection information from the detection circuit, it is not necessary to perform signal processing of a plurality of bits, and it becomes possible to reduce the memory capacity and improve the processing speed.
本発明の静電容量検出装置は、前記検出回路の夫々に前記コンバータを設け、選択した前記検出回路からディジタル信号の検出情報を出力する構成となっている。 The capacitance detection device of the present invention is configured to provide the converter in each of the detection circuits and to output digital signal detection information from the selected detection circuit.
こうすると、検出回路の一部が破損した場合でも、他の正常な検出回路からコンバータを介して1ビットのディジタル信号が提供されるので、検出情報を利用した各種処理を続行することができる。 In this way, even if a part of the detection circuit is damaged, a 1-bit digital signal is provided from another normal detection circuit via the converter, so that various processes using the detection information can be continued.
本実施例の静電容量検出装置は、前記各検出回路の出力側に共通の前記コンバータを設け、選択した前記検出回路からの検出情報を該コンバータにて変換し出力する構成としたものである。 The capacitance detection device of the present embodiment is configured such that the common converter is provided on the output side of each detection circuit, and the detection information from the selected detection circuit is converted and output by the converter. .
この場合、各検出回路毎にコンバータを設ける必要がなく、検出部の構造を簡素化することができる。 In this case, it is not necessary to provide a converter for each detection circuit, and the structure of the detection unit can be simplified.
上記各発明では、前記検出回路及び前記コンバータをMIS型薄膜半導体装置で構成するのが好ましい。このようにすると、各検出回路のみならずコンバータも単結晶シリコン基板から解放されて、ガラス基板やプラスチック基板上に形成することができ、安価で耐久性に優れた静電容量検出装置を提供できる。 In each of the above-mentioned inventions, it is preferable that the detection circuit and the converter are constituted by MIS type thin film semiconductor devices. In this way, not only each detection circuit but also the converter is released from the single crystal silicon substrate and can be formed on a glass substrate or a plastic substrate, and an inexpensive and highly durable electrostatic capacitance detection device can be provided. .
上記各発明において、検出回路は様々な被検出物の静電容量を検出できるが、とりわけ指紋の凹凸を検出するものに適用するのが好ましい。こうすれば、指の指紋を検出情報とした種々の制御が可能になる。また、指紋情報を出力する超小型且つ超軽量な静電容量検出装置を提供できる。 In each of the above-described inventions, the detection circuit can detect electrostatic capacitances of various objects to be detected, but it is preferably applied particularly to one that detects unevenness of a fingerprint. This makes it possible to perform various controls using the fingerprint of the finger as detection information. In addition, it is possible to provide an ultra-small and ultra-lightweight capacitance detection device that outputs fingerprint information.
また本発明は、指紋情報を出力する上記静電容量検出装置を、各種の電子機器に組み込んでもよい。 In the present invention, the capacitance detection device that outputs fingerprint information may be incorporated into various electronic devices.
このような電子機器としては、例えばスマートカード,PDA,携帯電話等がある。いずれの場合も、超小型且つ超軽量な電子機器としての提供が可能になる。 Examples of such electronic devices include smart cards, PDAs, and mobile phones. In either case, provision as an ultra-compact and ultra-light electronic device is possible.
以下、本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、各検出回路から読み出される検出情報を1ビットのディジタル信号として出力する静電容量検出装置について夫々記述する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below do not limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, all of the configurations described below are not necessarily essential requirements of the present invention. In each embodiment, a capacitance detection device that outputs detection information read from each detection circuit as a 1-bit digital signal will be described.
図1は、静電容量検出装置として適用される静電容量式指紋センサ1のブロック図である。指紋センサ1は、データ線36を選択するためのデータドライバ10と、走査線35を選択するための走査ドライバ20と、被検出物である指紋の検出領域として形成されるアクティブマトリクス部30とにより構成される。指の表面形状を採取する情報採取部としてのアクティブマトリクス部30は、m行n列のマトリクス(行列)状に配置されたm本(mは2以上の整数)の走査線35と、n本(nは2以上の整数)のデータ線36、及び走査線35とデータ線36との交点に設けられた検出回路に相当する静電容量検出回路31を最小限の構成要素としている。これにより、アクティブな走査線36に発生する高電位VDDが、静電容量検出回路31に印加される構成となっている。
FIG. 1 is a block diagram of a capacitance fingerprint sensor 1 applied as a capacitance detection device. The fingerprint sensor 1 includes a
前記データドライバ10は、通常の表示装置におけるアナログ点の順次駆動を実現するためのシフトレジスタ11と、各データ線36にスイッチ素子14を夫々挿入接続して構成されるアレイ状のアナログスイッチ12からなる。また、各データ線36の一端は共通するデータ幹線16に接続される。シフトレジスタ11は、外部からスタートパルスが与えられると、別に与えられるクロックに同期して、n個のスイッチ素子14に順次適時選択信号を出力する。そして、選択信号によりスイッチ素子14がオンすると、このスイッチ素子14に繋がる選択されたデータ線36とデータ幹線16との電気的な導通が順次取られて行く。
The
走査ドライバ20は、走査線35を順次選択するためのシフトレジスタ21により構成される。シフトレジスタ21は、外部からスタートパルスが与えられると、別に与えられるクロックに同期して、全ての走査線35を順に選択走査する。これによりアクティブな走査線35と選択されたデータ線36との交点にある静電容量検出回路31から、データ幹線16を通して1ビットのディジタル信号からなる検出情報が取り出される。
The
静電容量検出回路31は、アクティブマトリクス部30においてm行n列のマトリクス状に配置され、被検出物との距離に応じて変化する静電容量を検出する。より具体的には、図2に示すように、選択素子である選択トランジスタ32と、例えば指紋のような被検出物の表面の凹凸形状に依存して静電容量Cdが変化する信号検出素子33と、固定の静電容量Csを持つ基準コンデンサ37と、信号検出素子33から出力されるアナログ信号を1ビットのディジタル信号に変換する1ビットA/Dコンバータ38とを含んで構成される。選択トランジスタ32は、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる選択用MIS型薄膜半導体装置から構成される。またA/Dコンバータ38も、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる信号変換用MIS型薄膜半導体装置の組み合わせにより構成される。A/Dコンバータ38の入力端子は信号検出素子33と基準コンデンサ37との接続点に接続される一方、A/Dコンバータ38の出力端子は選択用MIS型薄膜半導体装置のソースに接続される。また本実施例では、選択用MIS型薄膜半導体装置のドレイン領域がデータ線36に接続され、選択用MIS型薄膜半導体装置のゲート電極が走査線35と基準コンデンサ37との接続点に接続される。
The
本発明では、静電容量Csを持つコンデンサと、被検出物の表面形状に応じて変化する静電容量Cdを持つコンデンサとの間に発生した電荷Qにより、A/Dコンバータ38の入力端子における入力電圧Viを変化させる。そして、A/Dコンバータ38内の基準電圧VRと入力電圧Viとの比較により、A/Dコンバータ38の出力端子に発生する出力電圧VoはH(高)レベルまたはL(低)レベルのいずれか一方になる。
In the present invention, the charge Q generated between the capacitor having the electrostatic capacitance Cs and the capacitor having the electrostatic capacitance Cd that changes in accordance with the surface shape of the object to be detected is caused at the input terminal of the A /
上記金属−絶縁膜−半導体膜から成るMIS型薄膜半導体装置は、通常ガラス基板に作成されるために、大面積を要する半導体集積回路を安価に製造する技術として知られ、具体的に昨今では液晶表示装置等に応用されている。従って指紋センサ等に適用される静電容量検出回路31を薄膜半導体装置にて作成すると、単結晶シリコン基板と云った多大なエネルギーを消費して作られた高価な基板を使用する必要がなく、貴重な地球資源を消費することなく安価に当該装置を作成し得る。また、薄膜半導体装置はSUFTLA(特開平11−312811号公報やS. Utsunomiya et. al. Society for Information Display p.916(2000))と呼ばれる転写技術を適用する事で、半導体集積回路をプラスチック基板上に作成できるので、静電容量検出回路31も単結晶シリコン基板から解放されて、プラスチック基板上に形成し得るのである。
The MIS type thin film semiconductor device composed of the above-mentioned metal-insulating film-semiconductor film is known as a technique for manufacturing a semiconductor integrated circuit requiring a large area at a low cost because it is usually formed on a glass substrate. It is applied to display devices. Therefore, when the
上記指紋センサ1の動作について説明すると、走査ドライバ20に与えられるスタートパルスとクロック信号により、m本の走査線35の中から特定の1本の走査線35が順次選択されると、当該走査線35がアクティブになって高電位VDDとなる。その結果、当該走査線35に繋がる静電容量検出回路31の選択トランジスタ32がオン状態となる。一方、A/Dコンバータ38の入力電圧Viは、A/Dコンバータ38自身の入力容量Ct(図2参照)及び基準コンデンサ37の容量Csと、信号検出素子33の容量Cdとの容量比により定まる。
The operation of the fingerprint sensor 1 will be described. When one
指紋の山(凸部)が静電容量検出回路31の表面に接した時は、信号検出素子33の容量Cdが容量Ct,Csに対し十分大きくなり、A/Dコンバータ38の入力電圧ViはGND(グランド)電位に近づく。その結果、A/Dコンバータ38の出力電圧VoはLレベルとなる。このLレベルの出力電圧Voを測定することで、測定箇所が指紋パターンの山であることが判定できる。反対に、指紋の谷(凹部)が静電容量検出回路31の表面に対向した時は、信号検出素子33の容量Cdが容量Ct,Csに対し十分小さくなり、A/Dコンバータ38の入力電圧Viは高電位VDDに近づく。その結果、A/Dコンバータ38の出力電圧VoはHレベルとなる。このHレベルの出力電圧Voを測定することで、測定箇所が指紋パターンの谷であることが判定できる。
When the crest (convex portion) of the fingerprint is in contact with the surface of the
上記特定の走査線35がアクティブな状態において、データドライバ10に与えられるスタートパルスとクロック信号とにより、各データ線36に接続されたn個のスイッチ素子14の中から、特定の1個のスイッチ素子14が選択されアクティブになる。その結果、該アクティブなスイッチ素子14を通して、静電容量検出回路31からの指紋の凹凸情報がHレベルまたはLレベルのディジタル信号として、データ幹線16の出力OUTに取り出される。以上の動作を、検出面であるアクティブマトリクス部30内で繰り返すことにより、各静電容量検出回路31からの指紋情報を1ビットのディジタル信号として出力でき、アクティブマトリクス部30の表面に当接した指紋パターンの検出が実現される。より具体的には、第1行の各列に位置する静電容量検出回路31から順に指紋の凹凸を検出した後、第2行の指紋の凹凸を検出するといったように、静電容量検出回路31毎に指紋の凹凸を検出してゆく。その結果、指紋センサ1を用いて周期的に指紋画像を取り込むことができる。
In a state where the
静電容量検出回路31は上述したSUFTLA技術を用いて、プラスチック基板上に形成され得る。単結晶シリコン技術に基づく指紋センサは、プラスチック上では直ぐに割れてしまったり、或いは十分な大きさを有しないために実用性に乏しい。これに対して本実施例によるプラスチック基板上の静電容量検出回路31は、プラスチック基板上で指を被うに十分大きい面積としても割れる心配がなく、プラスチック基板上での指紋センサ1として利用し得る。
The
上記構成の指紋センサ1は、個人認証機能を兼ね備えたスマートカードに適用される。スマートカードはキャッシュカード(bankcard)やクレジットカード(credit card)、身分証明書(Identity card)等で使用され、これらのセキュリティレベルを著しく高めた上で尚、個人指紋情報をカード外に流出させずに保護するとの優れた機能を有する。図3は、スマートカードの一種であるICカード4への適用例を示したものである。薄板状のカード母材6には、静電容量式の指紋センサ1の他に、ICチップ40及び指紋センサ1を駆動するための制御手段たるマイクロコントローラ41が夫々搭載される。指紋読み取り時には、マイクロコントローラ41から供給される信号に基づき指紋センサ1が駆動され、指紋の凹凸情報に対応した1ビットディジタル信号が指紋センサ1から出力される。また、ここには図示しないが、例えば液晶パネル等の表示装置をマイクロコントローラ41に接続してもよい。
The fingerprint sensor 1 having the above configuration is applied to a smart card having a personal authentication function. Smart cards are used in cash cards, credit cards, identity cards, etc., and their security levels are significantly increased, and personal fingerprint information is not leaked outside the card. It has an excellent function to protect. FIG. 3 shows an application example to an
個人認証を行なわないカードでは、予めカードに記憶登録された暗証番号と、カード使用者が入力した暗証番号が等しい場合に、そのカードを使用できる。そのため、カード所有者以外でも暗証番号を知ることができれば、カードを不正使用することが可能である。一方、図3に示すような指紋センサ1による個人認証を行なうICカード4では、予めカード内のメモリ(ICチップ40)に蓄えられた指紋データと、指紋センサ1からの指紋情報が合致した場合にのみ暗証番号を発行する。この発行された暗証番号と、カード使用者が入力した暗証番号が等しければ、そのICカード4を使用できる。
In a card that does not perform personal authentication, the card can be used when the password stored and registered in the card in advance is equal to the password entered by the card user. Therefore, if a person other than the card owner can know the password, the card can be used illegally. On the other hand, in the
このように本実施例では、被検出物である指との距離に応じて変化する静電容量を複数の静電容量検出回路31により検出して、指の表面形状を読み取る静電容量検出装置において、各静電容量検出回路31から読み出される指紋情報を1ビットのディジタル信号に変換するA/Dコンバータ38を備えている。こうすると、各静電容量検出回路31で読み出されるアナログ信号の検出情報は、A/Dコンバータ38により複数ビットではなく1ビットのディジタル信号に変換して出力される。したがって、静電容量検出回路31からの検出情報を例えばICカード4のマイクロコントローラ41で処理する際に、マイクロコントローラ41は複数ビットの信号処理を行なう必要がなく、小さなメモリ容量で処理速度の向上および指紋センサ1としての低消費電力化を図ることができる。
As described above, in this embodiment, the capacitance detecting device that detects the surface shape of the finger by detecting the capacitance changing according to the distance to the finger as the detection object by the plurality of
また本実施例では、各静電容量検出回路31にA/Dコンバータ38が夫々設けられていて、アクティブな走査線35とデータ線36との交差点にある選択された静電容量検出回路31から、1ビットのディジタル信号の指紋情報が出力されるようになっている。こうすると、仮に静電容量検出回路31の一部が破損した場合でも、他の正常な静電容量検出回路31からA/Dコンバータ38を介して1ビットのディジタル信号が提供されるので、指紋情報を利用した各種処理をマイクロコントローラ41で続行できる。
Further, in this embodiment, each
前記A/Dコンバータ38の各回路例を、図4〜図6に夫々示す。なお、各回路例においては、前述の高電位VDDの電源の他に、低電位VSSの電源と、パルス状のクロック信号CLKと、入力電圧Viとの比較を行なうための基準電圧VRが夫々与えられる。図4に示すA/Dコンバータ38は、4個のPチャンネルトランジスタ81〜84と、2個のNチャンネルトランジスタ85,86と、反転器であるインバータ87の各素子を組み合わせて構成される。より具体的には、トランジスタ82,85の直列回路と、トランジスタ83,86の直列回路が、高電位VDDラインと低電位VSSラインとの間に夫々接続される。トランジスタ82のゲートはトランジスタ83,86の接続点に接続されると共に、トランジスタ83のゲートはトランジスタ82,85の接続点に接続され、トランジスタ85のゲートに入力電圧Viが与えられる一方で、トランジスタ86のゲートに基準電圧VRが与えられる。また、高電位VDDラインとトランジスタ82,85の接続点との間には、トランジスタ81が接続され、高電位VDDラインとトランジスタ83,86の接続点との間には、別のトランジスタ84が接続される。これらのトランジスタ81,84のゲートには、クロックCLKが共通して与えられる。さらに、トランジスタ82,85の接続点にインバータ87の入力端子を接続し、該インバータ87の出力端子から出力信号(出力電圧Vo)を取り出すようになっている。
Each circuit example of the A /
本回路例では、A/Dコンバータ38に与えられるクロック信号CLKがL(=VSS)レベルのときには、トランジスタ81,84がいずれもオンして、インバータ87の入力端子がH(=VDD)レベルになり、該インバータ87の出力端子からの出力電圧VoはLレベルとなる。
In this circuit example, when the clock signal CLK applied to the A /
一方、A/Dコンバータ38に与えられるクロック信号CLKがH(=VDD)レベルのときには、トランジスタ81,84がいずれもオフになる。このとき、トランジスタ86のゲートに基準電圧VRが印加されているため、トランジスタ86は導通状態になっており、トランジスタ84がオフするのに伴なって、トランジスタ82のゲート電位が下がり、トランジスタ82が導通状態になる。ここで、入力電圧Viが基準電圧VRよりも低ければ、トランジスタ85の導通状態でのドレイン・ソース間抵抗が、導通状態にあるトランジスタ86のドレイン・ソース間抵抗より高い値となるので、トランジスタ85のドレイン電圧がトランジスタ86のドレイン電圧よりも高くなる。各トランジスタ85,86のドレイン電圧は、双方のトランジスタ85,86の負荷となっているトランジスタ82,83のゲートに加わるので、ポジティブのフィードバックがかかって、トランジスタ85のドレインに繋がるインバータ87の入力端子はHレベルになり、出力電圧VoはLレベルになる。逆に入力電圧Viが基準電圧VRよりも高ければ、出力電圧VoはHレベルになる。
On the other hand, when the clock signal CLK applied to the A /
この回路例では、入力電圧Viと基準電圧VRとの比較を行ない、その比較結果に応じてHレベル又はLレベルの出力電圧Voを出力する比較出力回路(トランジスタ82,83,85,86、インバータ87)を、A/Dコンバータ38に内蔵している。そのため、比較出力回路は静電容量に応じた入力電圧Viと基準電圧VRとの比較を行ない、その比較結果に基づいて1ビットのディジタル信号を出力する。基準電圧VRのレベルを変化させることにより、出力信号VoのHレベル又はLレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。また、クロック信号CLKがHレベルのとき、即ち選択したスイッチ素子14がオンしたのに同期して、比較出力回路を動作させる同期回路(トランジスタ81,84)も備えており、静電容量検出回路31が選択された状態のときにのみ、指紋情報となるHレベル又はLレベルの出力信号Voを出力することができる。
In this circuit example, a comparison output circuit (
図5に示すA/Dコンバータ38は、3個のNチャンネルトランジスタ90〜92と、コンデンサ93と、反転器であるインバータ94とを組み合わせて構成される。より具体的には、基準電圧VRがドレインに与えられるトランジスタ90と、入力電圧Viがドレインに与えられる別のトランジスタ91のソースどうしを接続し、このソース接続点にコンデンサ93の一端を接続する。また、コンデンサ93の他端にはインバータ94の入力端子が接続され、該インバータ94の入力端子と出力端子との間にトランジスタ92のドレインとソースが夫々接続される。トランジスタ90,92のゲートにはクロック反転信号INV(CLK)が与えられる一方で、トランジスタ91のゲートにはクロック信号CLKが与えられ、インバータ94の出力端子とトランジスタ92のソースとの接続点から出力信号(出力電圧Vo)を取り出すようになっている。
The A /
本回路例では、クロック信号CLKがL(=VSS)レベルのときには、帰還スイッチであるトランジスタ92がオンするので、インバータ94にはネガティブフィードバックがかかり、インバータ94の入力端子に接続するコンデンサ93の他端側電位が該インバータ94の閾値電圧になる。また、基準電圧スイッチであるトランジスタ90はオン、入力電圧スイッチであるトランジスタ91はオフしているので、コンデンサ93の一端側電位は基準電圧VRとなる。従って、コンデンサ93はインバータ94の閾値電圧と基準電圧VRとの差で充電される。このときの出力電圧Voは、インバータ94の閾値電圧となる。
In this circuit example, when the clock signal CLK is at the L (= VSS) level, the
クロック信号CLKがH(=VDD)レベルになると、トランジスタ92がオフするので、インバータ94は通常のインバータとして増幅動作を行なう。また、トランジスタ90はオフ、トランジスタ91はオンになって、コンデンサ93の一端側電位は入力電圧Viに切り替わる。そのため、入力電圧Viが基準電圧VRよりも低ければ、インバータ94の入力端子側の電圧レベルは閾値電圧より低くなり、出力電圧VoはHレベルとなる。逆に、入力電圧Viが基準電圧VRよりも高ければ、インバータ94の入力端子側の電圧レベルは閾値電圧より高くなり、出力電圧VoはLレベルとなる。
When the clock signal CLK becomes H (= VDD) level, the
この回路例では、クロック信号CLKがLレベルのときに基準電圧VRとインバータ94の閾値電圧との差をコンデンサ93に記憶させ、クロック信号CLKがHレベルに切り替わると、記憶した基準電圧VRと入力電圧Viとの差を増幅した結果に基づき、インバータ94の出力端子からHレベル又はLレベルの出力信号Voを出力する。このように、インバータ94は基準電圧VRと入力電圧Viとの差を増幅して、1ビットのディジタル信号を得るようにしているので、ディジタル信号を生成する上での感度が向上する。そのため、基準電圧VRと入力電圧Viが微差であっても、正しい指紋情報としてのディジタル信号を出力できる。また、基準電圧VRのレベルを変化させることにより、出力信号VoのHレベル又はLレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。
In this circuit example, when the clock signal CLK is at the L level, the difference between the reference voltage VR and the threshold voltage of the
なお、トランジスタ92,コンデンサ93及びインバータ94からなるコンパレータを多段に接続して、出力信号のゲインを大きくし、指紋センサ1としての高感度化を図ってもよい。図6には、コンパレータを2段に接続した構成を示している。
Note that a comparator composed of the
図7は、第2の実施例における静電容量式指紋センサ1のブロック図である。この実施例では、個々の静電容量検出回路31にA/Dコンバータ38は設けられていない。代わりに、アクティブマトリクス部30で検出されたアナログ信号をディジタル信号に変換するためのA/Dコンバータ回路50が、データ幹線16に接続されている。また、各静電容量検出回路31には低電位側電源(図示せず)に繋がる供給線39がそれぞれ接続され、アクティブな走査線35に発生する高電位VDDと、供給線39に発生する低電位VSSとの電位差が、静電容量検出回路31に印加される構成となっている。その他の構成は、第1の実施例と共通している。
FIG. 7 is a block diagram of the capacitive fingerprint sensor 1 in the second embodiment. In this embodiment, the A /
図8は、静電容量検出回路31の回路構成を示している。本実施例の静電容量検出回路31は、選択素子である選択トランジスタ32と、例えば指紋のような被検出物の表面の凹凸形状に依存して静電容量Cdが変化する信号検出素子33と、信号増幅素子である信号増幅トランジスタ34と、固定の静電容量Csを持つ基準コンデンサ37を含んで構成される。信号増幅トランジスタ34は、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる信号増幅用MIS型薄膜半導体装置から構成される。また選択トランジスタ32は、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる選択用MIS型薄膜半導体装置から構成される。本実施例では、信号増幅用MIS型薄膜半導体装置のドレインが選択用MIS型薄膜半導体装置のソースに接続され、信号増幅用MIS型薄膜半導体装置のソースが供給線39に接続され、信号増幅用MIS型薄膜半導体装置のゲート電極が信号検出素子33を構成する容量検出電極と基準コンデンサ37との接続点に接続される。こうして選択用MIS型薄膜半導体装置のソースと供給線39とは、容量検出電極にて検出された電荷Qに感応する信号増幅用MIS型薄膜半導体装置を介在してお互いに接続される。また本実施例では、選択用MIS型薄膜半導体装置のドレインがデータ線36に接続され、選択用MIS型薄膜半導体装置のゲート電極が走査線35と基準コンデンサ37の一端に接続される。
FIG. 8 shows a circuit configuration of the
本実施例では、静電容量Csを持つコンデンサと、被検出物の表面形状に応じて変化する静電容量Cdを持つコンデンサとの間に発生した電荷Qにより、信号増幅用MIS型薄膜半導体装置のゲート電位を変化させる。そして、選択用MIS型薄膜半導体装置のドレイン・ソース間を導通させて、信号増幅用MIS型薄膜半導体装置のドレインに所定の電圧を印加すると、誘起された電荷Qに応じて信号増幅用MIS型薄膜半導体装置のドレイン・ソース間に流れる電流Iが著しく増幅される。誘起された電荷Q自体は何処にも流れずに保存されるので、ドレイン電圧を高くしたり或いは測定時間を長くする等で電流Iの測定も容易になる。なお、MIS型薄膜半導体装置による利点は、前記第1実施例で示した通りである。 In this embodiment, a signal amplifying MIS type thin film semiconductor device is generated by a charge Q generated between a capacitor having a capacitance Cs and a capacitor having a capacitance Cd that changes in accordance with the surface shape of an object to be detected. The gate potential is changed. Then, when a predetermined voltage is applied to the drain of the signal amplification MIS thin film semiconductor device by making the drain-source of the selection MIS thin film semiconductor device conductive, a signal amplification MIS type according to the induced charge Q. The current I flowing between the drain and source of the thin film semiconductor device is significantly amplified. Since the induced charge Q itself is stored without flowing anywhere, the current I can be easily measured by increasing the drain voltage or extending the measurement time. The advantages of the MIS type thin film semiconductor device are as described in the first embodiment.
図9は、A/Dコンバータ回路50の回路図である。A/Dコンバータ回路50は、二段のカレントミラー回路51,52にて構成され、一段目のカレントミラー回路51の一部が前記静電容量検出回路31により置き換えられた構成となっている。より具体的には、カレントミラー回路51は静電容量検出回路31の他に、Pチャンネルトランジスタ61〜65と、Nチャンネルトランジスタ66,67とを備え、高電位VDDラインと低電位VSSラインとの間に、トランジスタ61,選択トランジスタ32及び信号増幅トランジスタ34を順に接続した直列回路と、トランジスタ64,66,67を順に接続した直列回路が夫々接続される。また、トランジスタ61,32との接続点とトランジスタ64,66の接続点との間に、トランジスタ65のドレイン・ソースが夫々接続され、トランジスタ61,64,65の各ゲートにクロックCLKが与えられる。高電位VDDラインとトランジスタ65のドレイン,及び高電位VDDラインとトランジスタ65のソースとの間には、トランジスタ62,63のドレインが夫々接続され、これらのトランジスタ62,63のゲートがトランジスタ63のドレインに接続される。そして、クロックCLKがH(高)レベルのときに、静電容量検出回路31のトランジスタ32,34に流れ込む電流量Iと、トランジスタ67のゲートに与えられる基準電圧VRにより、トランジスタ66,67に流れ込む電流量I’との差が、トランジスタ65のドレイン・ソース間に電圧として発生するようになっている。
FIG. 9 is a circuit diagram of the A /
一方、二段目のカレントミラー回路52は、Pチャンネルトランジスタ68〜70と、Nチャンネルトランジスタ71〜73とを備え、トランジスタ68,71の直列回路と、トランジスタ69,72の直列回路が、高電位VDDラインとトランジスタ73のドレインとの間に夫々接続される。また、トランジスタ68,71の接続点とトランジスタ69,72の接続点との間に、トランジスタ70のドレイン・ソースが夫々接続され、トランジスタ70,73の各ゲートにクロックCLKが与えられる。更に、トランジスタ68,69のゲートがトランジスタ69のドレインに接続され、トランジスタ73のソースが低電位VSSラインに接続される。そして、クロックCLKがHレベルのときに、前記電流量IとI’との差に見合う電圧がトランジスタ71,72の各ゲートに印加され、トランジスタ68,71の接続点から増幅された出力OUTが取り出される。なお、図中に示すA/Dコンバータ回路50はあくまでも一例であり、他の回路構成に適宜置き換えてもよい。
On the other hand, the second-stage
上記指紋センサ1の動作について説明すると、走査ドライバ20に与えられるデジタルコード信号により、m本の走査線35の中から特定の1本の走査線35が順次選択されると、当該走査線35がアクティブになって高電位VDDとなる。その結果、該走査線35に繋がる静電容量検出回路31の選択用増幅トランジスタ32がオン状態となる。一方、信号増幅トランジスタ34のゲート電圧は、信号増幅トランジスタ34自身に寄生する容量Ct(図8参照)及び基準コンデンサ37の容量Csと、信号検出素子33の容量Cdとの容量比により定まる。
The operation of the fingerprint sensor 1 will be described. When one
指紋の山(凸部)が静電容量検出回路31の表面に接した時は、信号検出素子33の容量Cdが容量Ct,Csに対し十分大きくなり、信号増幅トランジスタ34のゲート電圧はGND(グランド)電位に近づく。その結果、信号増幅トランジスタ34は略オフ状態となり、信号増幅トランジスタ34のドレイン・ソース間には極めて微弱な電流Iが流れる。反対に、指紋の谷(凹部)が静電容量検出回路31の表面に対向した時は、信号検出素子33の容量Cdが容量Ct,Csに対し十分小さくなり、信号増幅トランジスタ34のゲート電圧は高電位VDDに近づく。その結果、信号増幅トランジスタ34は略オン状態となり、信号増幅トランジスタ34のドレイン・ソース間には大きな電流Iが流れる。勿論、指紋と静電容量検出回路31の表面との距離が中間的に位置した時は、信号増幅トランジスタ34のゲート電圧も中間的な値を取り、該信号増幅トランジスタ34のドレイン・ソース間を流れる電流量Iもアナログ的に推移した値となる。
When the crest (convex portion) of the fingerprint is in contact with the surface of the
ここで、信号増幅トランジスタ34のソースは低電位VSSの供給線39と接続されているため、電流Iの流れる向きはデータ線36から静電容量検出回路31へと流れ込む方向となる。上記特定の走査線35がアクティブな状態において、データドライバ10に与えられるデジタルコード信号により、データ線36とA/Dコンバータ回路50とを結ぶn個のアナログスイッチ12の中から、特定の1個のアナログスイッチ12が順次選択されアクティブになる。その結果、A/Dコンバータ回路50から該アクティブなアナログスイッチ12を通って静電容量検出回路31に向けて、指紋の凹凸情報に応じた電流Iが流れる。静電容量検出回路31からの検出情報を出力する出力部としてのA/Dコンバータ回路50は、前述の通り二段のカレントミラー回路51,52にて構成される。一段目のカレントミラー回路51において、HレベルのクロックCLKが与えられている時に、静電容量検出回路31に向けて流れ込む電流量Iと、基準電圧VRによりトランジスタ66,67に流れ込む電流量I’とに対応する電圧が、二段目のカレントミラー回路52を構成するトランジスタ71,72の各ゲートに印加され、十分に増幅された結果、ディジタル電圧としての出力OUTが取り出される。
Here, since the source of the
ここで、A/Dコンバータ回路50の構成をより詳細に説明する。クロックCLKがLレベルのときには、トランジスタ61と64が共にオンになる。また、トランジスタ65も導通し、トランジスタ65の両端(ソース及びドレイン)はいずれもHレベルになる。この電圧が2段目のカレントミラー回路42に印加されるが、この2段目のカレントミラー回路42においてはトランジスタ73がオフで、トランジスタ70がオンしているので、出力はトランジスタ68,69の閾値電圧(スレッシュホルド電圧)に近くなる。
Here, the configuration of the A /
一方、クロックCLKがHレベルのときには、トランジスタ61と64が共にオフになる。また、トランジスタ65もオフになり、トランジスタ65の両端(ソース及びドレイン)に、静電容量検出回路のトランジスタ32,34に流れる電流Iと、トランジスタ67のゲートに与えられる基準電圧VRによりトランジスタ66,67に流れる電流I’との差がトランジスタ65の両端(ソース及びドレイン)に生じる。この電圧が2段目のカレントミラー回路42のトランジスタ71,72のゲートに印加される。トランジスタ73はオンして一種の抵抗として機能し、トランジスタ70はオフしている。従って、トランジスタ71,72のゲートに加わる電圧が増幅されて、トランジスタ71のドレインから出力される。
On the other hand, when the clock CLK is at the H level, the
以上の動作を、アクティブマトリクス部30内において、m行n列に設けられた静電容量検出回路31の各々に対し繰返し実施することで、アクティブマトリクス部30の表面に当接した指紋パターンの検出が実現される。より具体的には、例えば第1行の各列に位置する静電容量検出回路31から順に指紋の凹凸を検出した後、第2行の指紋の凹凸を検出するといったように、センサセル毎に指紋の凹凸を検出してゆく。その結果、指紋センサ1を用いて周期的に指紋画像を取り込むことができる。
The above operation is repeatedly performed on each of the
本実施例における指紋センサ1も、図3に示すような、スマートカードの一種であるICカード4への適用が可能である。指紋読み取り時には、マイクロコントローラ41から供給される信号に基づき指紋センサ1が駆動され、指紋の凹凸情報に対応した1ビットディジタル信号が指紋センサ1から出力される。ここで、指紋センサ1には各静電容量検出回路31から出力されるアナログ電流値をディジタル電圧値に変換する共通のA/Dコンバータ回路50が内蔵されていることから,指紋センサ1からマイクロコントローラ41に出力される指紋情報は、Hレベル又はLレベルの1ビットディジタル信号となる。
The fingerprint sensor 1 in this embodiment can also be applied to an
本実施例でも、静電容量検出回路31から読み出される指紋情報を1ビットのディジタル信号に変換するA/Dコンバータ回路50を備えている。そのため、静電容量検出回路31からの指紋情報を処理する際に、複数ビットの信号処理を行なう必要がなく、小さなメモリ容量で処理速度の向上を図ることができると共に、指紋センサ1として低電力消費化が可能になる。しかも、静電容量検出回路31の出力側に共通して単独のA/Dコンバータ回路50を設け、アクティブな走査線35とデータ線36の交点にある選択した静電容量検出回路31からの指紋情報を、A/Dコンバータ回路50で変換し出力する構成としている。従って、各静電容量検出回路31毎にコンバータを設ける必要がなく、指紋センサ1の検出部であるアクティブマトリクス部30の構造を簡素化することができる。
This embodiment also includes an A /
また、A/Dコンバータ回路50は、静電容量に応じた電流量Iと基準の電流量I’との差を増幅する差動増幅器としてのカレントミラー回路51と、この検出した差を十分に増幅して1ビットディジタル信号を出力するカレントミラー回路52を備えている。このように、基準電圧VRと入力電圧Viとの差を増幅して、1ビットのディジタル信号を得るようにしているので、ディジタル信号を生成する上での感度が向上する。そのため、基準電圧VRと入力電圧Viが微差であっても、正しい指紋情報としてのディジタル信号を出力できる。また、基準電圧VRのレベルを変化させることにより、出力信号VoのHレベル又はLレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。なお、この場合も増幅回路を複数段設けてもよい。
In addition, the A /
A/Dコンバータ回路50は、例えば前記図4〜図6に示す回路例を適宜利用できる。図10は、図4の回路例を応用したものである。同図において、トランジスタ85のゲートにはデータ幹線16に相当するグローバルビット線GBLが接続される。また、88はクロックCLKがLレベルのときに、トランジスタ85のゲートを低電位VSSにして比較ノードをリセットするトランジスタである。各静電容量検出回路31から静電容量に応じたアナログ電圧値が、トランジスタ85のゲートに与えられる他は、図4に示す回路例とその動作が共通している。
For the A /
この回路例では、各静電容量検出回路31から順次送られてくるアナログ電圧値と基準電圧VRとの比較を行ない、その比較結果に応じてHレベル又はLレベルの出力電圧Voを出力する比較出力回路(トランジスタ82,83,85,86、インバータ87)を、A/Dコンバータ回路50に内蔵している。そのため、比較出力回路は静電容量に応じたアナログ電圧値と基準電圧VRとの比較を行ない、その比較結果に基づいて1ビットのディジタル信号を出力する。基準電圧VRのレベルを変化させることにより、出力信号VoのHレベル又はLレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。また、クロック信号CLKがHレベルのとき、即ち選択したスイッチ素子14がオンしたのに同期して、比較出力回路を動作させる同期回路(トランジスタ81,84,88)も備えており、静電容量検出回路31が選択された状態のときにのみ、指紋情報となるHレベル又はLレベルの出力信号Voを出力することができる。
In this circuit example, a comparison is made between the analog voltage value sequentially sent from each
上記いずれの実施例においても、各静電容量検出回路31及びA/Dコンバータ38,50をいずれもMIS型薄膜半導体装置で構成するのが好ましい。このようにすると、各静電容量検出回路31だけでなくA/Dコンバータ38,50も単結晶シリコン基板から解放されて、ガラス基板やプラスチック基板上に形成することができ、例えばスマートカード81などに適した安価で耐久性に優れた静電容量検出装置を提供できる。
In any of the above-described embodiments, it is preferable that each
また、上記各実施例では、指紋の凹凸を検出するのに十分な集積度を持つ静電容量検出回路31が利用されている。これにより、指の指紋を検出情報とした種々の制御が可能になる。また、指紋情報を出力する超小型且つ超軽量な指紋センサ1を提供できる。
Further, in each of the above embodiments, the
さらには、こうした指紋センサ1を、例えばスマートカード81の他に、PDAや携帯電話等の電子機器に組み込んで利用することもできる。これにより、超小型且つ超軽量で、指紋の登録や指紋の認証に適した電子機器としての提供が可能になる。
Furthermore, such a fingerprint sensor 1 can be used by being incorporated in an electronic device such as a PDA or a mobile phone in addition to the
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、被検出物としては指紋以外のものであってもよく、そのために指紋センサ1以外の各種静電容量検出装置に適用できる。各実施例では、指紋センサ1から取り出した指紋情報を個人の認証に利用しているが、それ以外の各種処理にも利用できる。例えば指紋の6軸方向の移動を捕らえて、表示装置におけるポインタの移動や、表示画像のスクロール等の表示制御に利用してもよい。 In addition, this invention is not limited to each Example mentioned above, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention. For example, the object to be detected may be other than a fingerprint, and can be applied to various capacitance detection devices other than the fingerprint sensor 1 for that purpose. In each embodiment, the fingerprint information extracted from the fingerprint sensor 1 is used for personal authentication, but can also be used for various other processes. For example, the movement of the fingerprint in the six-axis direction may be captured and used for display control such as movement of the pointer in the display device or scrolling of the display image.
1 指紋センサ、 31 静電容量検出回路、 38 A/Dコンバータ、 50 A/Dコンバータ回路、 51 カレントミラー回路、 52 カレントミラー回路、 81 スマートカード、 82,83,85,86,90〜92 トランジスタ、 93 コンデンサ、 94 インバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fingerprint sensor, 31 Capacitance detection circuit, 38 A / D converter, 50 A / D converter circuit, 51 Current mirror circuit, 52 Current mirror circuit, 81 Smart card, 82, 83, 85, 86, 90-92
Claims (6)
前記各検出回路から読み出される検出情報を1ビットのディジタル信号に変換するコンバータを備えたことを特徴とする静電容量検出装置。 In the electrostatic capacitance detection device that detects the capacitance changing according to the distance to the detected object by a plurality of detection circuits and reads the surface shape of the detected object.
A capacitance detection device comprising a converter that converts detection information read from each detection circuit into a 1-bit digital signal.
An electronic apparatus comprising any one of the capacitance detection devices according to claim 1.
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