JP2005257537A - 静電容量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造により、搭載した容量検出電極を人体等の対象物からの静電気放電から確実に保護することができ、しかも高い検出感度を有した信頼性の高い静電容量検出装置を提供する。
【解決手段】 対象物との距離に応じて変化する静電容量を検出する静電容量検出装置であって、容量検出電極１１と、該容量検出電極１１上に形成された誘電体膜１４と、該誘電体膜１４上に形成され、対象物から静電気を除電するための除電電極２０とを備え、容量検出電極１１は、平面視した場合に除電電極２０と重ならない部分を有し、誘電体膜１４は、平面視した場合に除電電極２０に覆われた部分の誘電率が、除電電極２０に覆われない部分の誘電率よりも小さいことを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、静電容量検出装置に関する。

ＩＣカード（スマートカード）は、ＩＣ（集積回路）チップを搭載したカードであり、磁気ストライプカードと比較して、高情報容量化、セキュリティ性向上（偽変造、不正使用の防止）、複数のアプリケーションに対応可能、ホスト負荷軽減（オフライン処理が可能）等の特徴を有する。このため、クレジットカードやキャッシュカードの他、電子マネー、電子商取引、医療保健分野、鉄道・バスなどの交通分野やビルの入退出管理等への展開が盛んに行われ始めている。これに伴い、更なるセキュリティ向上（情報保護、アクセス制限等）の目的から、指紋センサを搭載した個人認証機能付きＩＣカードが提案されている。

しかしながら、薄膜半導体により形成された静電容量型指紋センサのように指を接触させる指紋センサの場合には、人体に帯電した静電気が指紋センサに触れた際に放電して、内部のトランジスタ等を破壊してしまう。このため、指紋センサの誘電体膜の上に導電体を設け、これを接地させる方法（特許文献１参照）等が提案されている。
特許第３００７７１４号公報

上述のように指紋センサの誘電体膜上に導電体を設け、これを接地することで、人体（指）に帯電した静電気を除電することが可能となり、該静電気により内部のトランジスタ等が破壊されてしまう等の不具合を解消することが可能である。しかしながら、導電体を設けたことにより、新たに寄生容量が発生し、これにより検出感度が低下する等の不具合が生じる惧れがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造により、搭載した容量検出電極を人体等の対象物からの静電気放電から確実に保護することができ、しかも高い検出感度を有した信頼性の高い静電容量検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の静電容量検出装置は、対象物との距離に応じて変化する静電容量を検出する静電容量検出装置であって、容量検出電極と、該容量検出電極上に形成された誘電体膜と、該誘電体膜上に形成され、対象物から静電気を除電するための除電電極とを備え、前記容量検出電極は、平面視した場合に前記除電電極と重ならない部分を有し、前記誘電体膜は、平面視した場合に前記除電電極に覆われた部分の誘電率が、前記除電電極に覆われない部分の誘電率よりも小さいことを特徴とする。

このような静電容量検出装置では、容量検出電極が、平面視した場合に除電電極と重ならない部分を有しているため、該重ならない部分において対象物との間の静電容量を検出することが可能となる。そして、除電電極の作用により、対象物との間の静電容量を検出する際に、該対象物に帯電した静電気を確実に除電することが可能となる。また、誘電体膜において、除電電極に覆われた部分を覆われない部分よりも相対的に低誘電率にて構成しているため、除電電極を設けたことによって生じる寄生容量を小さくすることが可能となり、つまり除電電極と容量検出電極との間において生じる静電容量を小さく抑えることができ、確実に対象物との間の静電容量を検出することが可能となる。したがって、本発明の構成の採用により、対象物からの静電気の除電を確実に行いつつ、該対象物との間の静電容量を感度良く検出することが可能となるのである。

また、上記課題を解決するために、本発明の静電容量検出装置は、対象物との距離に応じて変化する静電容量を検出する静電容量検出装置であって、容量検出電極と、該容量検出電極上に形成された誘電体膜と、該誘電体膜上に形成され、対象物から静電気を除電するための除電電極とを備え、前記容量検出電極は、平面視した場合に前記除電電極と重ならない部分を有し、前記誘電体膜は、平面視した場合に前記除電電極に覆われた部分の膜厚が、前記除電電極に覆われない部分の膜厚よりも大きいことを特徴とする。

このような静電容量検出装置では、容量検出電極が、平面視した場合に除電電極と重ならない部分を有しているため、該重ならない部分において対象物との間の静電容量を検出することが可能となる。そして、除電電極の作用により、対象物との間の静電容量を検出する際に、該対象物に帯電した静電気を確実に除電することが可能となる。また、誘電体膜において、除電電極に覆われた部分を覆われない部分よりも相対的に厚膜にて構成しているため、除電電極を設けたことによって生じる寄生容量を小さくすることが可能となり、つまり除電電極と容量検出電極との間において生じる静電容量を小さく抑えることができ、確実に対象物との間の静電容量を検出することが可能となる。したがって、本発明の構成の採用により、対象物からの静電気の除電を確実に行いつつ、該対象物との間の静電容量を感度良く検出することが可能となるのである。

前記誘電体膜の膜厚を除電電極の形成領域と非形成領域とで異ならせるために、前記誘電体膜が、前記除電電極の形成領域と非形成領域とに跨って形成された第１誘電体膜と、該第１誘電体膜上であって前記除電電極の形成領域に選択的に形成された第２誘電体膜とを具備してなる構成を採用することができる。このように誘電体膜を、除電電極の非形成領域では単一層で構成し、除電電極の形成領域では複数層で構成することで、上述した領域毎に異なる膜厚の誘電体膜を好適に実現することができる。

そして、特に第２誘電体膜を、前記第１誘電体膜よりも誘電率の小さい構成とすることで、当該除電電極に覆われた誘電体膜の誘電率を相対的に小さくすることが可能となり、該除電電極と容量検出電極との間に発生する寄生容量を好適に低減することが可能となる。

また、前記除電電極が、平面視した場合に前記容量検出電極とは完全に重ならない位置に配設されているものとすることができる。この場合、除電電極と容量検出電極とが一層離間されるため、その間の寄生容量を一層低減でき、対象物との間の静電容量の検出感度が低減される等の不具合が一層発生し難いものとなる。

また、前記容量検出電極が、マトリクス状に配設されてなるものとすることができる。このようにマトリクス状に配設された容量検出電極を備える静電容量検出装置は、対象物の表面形状を検出することができるようになり、例えばこれを指紋センサに適用することで信頼性の高い指紋検出を行うことが可能となる。

以下、本発明の静電容量検出装置を適用した指紋センサを具備するＩＣカードの実施形態について図を参照して説明する。
図１は、ＩＣカードＫを示す分解斜視図である。ＩＣカードＫは、２枚のプラスチック等の基材６１，６２が貼り合わされて形成された基板６０と、２枚の基材６１，６２の間に挟持されたＩＣチップ（集積回路）４０及び指紋センサ１０とを備えている。また、カード端末等の外部装置（不図示）との情報交換を行うインターフェイスとして、外部装置と直接接触する接触用ＩＣ端子５１と、外部装置と一定周波数の電波を受信・送信する非接触型ＩＣ用アンテナ５２とを備えている。さらに、基材６１の上面６０ａには、指紋センサ１０の検出面１０ａを基板上面に露出させるために開口部６３が形成されている。

接触用ＩＣ端子５１は、ＩＣチップ４０の上面に接触しつつ、基板６０の上面６０ａに露出するように形成されている。一方、非接触型ＩＣ用アンテナ５２は、２枚の基材６１，６２の間にコイル状に形成されている。なお、本実施形態では、接触用ＩＣ端子と非接触型ＩＣ用アンテナとを備えるコンビカード（デュアルインターフェイス）について説明するが、接触用ＩＣ端子のみを備える場合（ＩＳＯ７８１６参照）や、非接触型ＩＣ用アンテナのみを備える場合（ＩＳＯ１４４４３等参照）、或いは、接触用ＩＣチップと非接触用ＩＣチップを備えるハイブリッドカードであってもよい。

図２は、ＩＣチップ４０の構成を示す模式図である。
ＩＣチップ４０は、指紋センサ１０に取り込まれた指紋パターンの特徴抽出を行うデータ処理部４１、特定の指紋パターンの特徴量等の各種情報を記憶するメモリ４２、データ処理部４１により抽出された特徴量とメモリ４２に記憶された特徴量とを比較する比較部４３、ＩＣカードＫの動作を制御する制御部４４とを備えている。そして、比較部４３には、接触用ＩＣ端子５１及び非接触型ＩＣ用アンテナ５２が接続されている。

図３は、指紋センサ１０の構成を示す模式図である。
指紋センサ１０は、静電容量型の指紋センサであって、凹凸を有する指Ｆの表面と検出面１０ａとの間の距離に応じて変化する静電容量を測定し、指紋パターンを検出するセンサである。このような静電容量型の指紋センサ１０は、光源が不要であるために薄型化することが容易であり、かつ表面保護層（パッシベーション膜）を適切に選択することによって、耐傷性を向上させることができるという特徴がある。

指紋センサ１０は、基板１５を有しており、この基板１５上には、所定の間隔を空けて互いに平行に形成された不図示の複数の走査線と、この走査線に対して直交するように所定の間隔を空けて互いに平行に形成された複数の信号線１６とが設けられている。複数の走査線と複数の信号線１６との交点のそれぞれに対応する位置には、トランジスタ等によって構成されるスイッチング素子（検出回路）１２が設けられている。

これらの走査線、信号線１６およびスイッチング素子１２によって、アクティブマトリクスアレイ１３が構成されており、このアクティブマトリクスアレイ１３の上には、検出電極１１が各スイッチング素子１２に対応する位置にマトリックス状（Ｍ行Ｎ列）に設けられている。各検出電極１１は、アクティブマトリクスアレイ１３の全面を覆うように形成された誘電体膜（パッシベーション膜）１４にて覆われており、誘電体膜１４は、ＩＣカードＫの利用者の指Ｆと接触可能になっている。なお、アクティブマトリクスアレイ１３としては、半導体基板上に形成されたＭＯＳトランジスタアレイ、絶縁基板上に形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ等を用いることができる。

このような構成を有する指紋センサ１０においては、指Ｆが検出面１０ａに接触すると、指Ｆとマトリックス状に配置された各検出電極１１との間に、２次元的に分布する静電容量が発生する（図３のＣ１，Ｃ２，Ｃ３等）。この２次元的に分布した各静電容量の値をアクティブマトリクスアレイ１３によって電気的に読み出すことにより、指Ｆの表面に形成された微細な凹凸形状のパターン（指紋パターン）を検出することができる。

静電容量方式を用いた指紋センサ１０においては、人体に蓄積された静電荷を接地へ散逸させ、トランジスタやキャパシタが放電破壊されることを回避する必要がある。更に、各静電容量の値を安定して検出するためには、検出時において、指Ｆの電位を所定の電位に固定することが好ましい。このため、検出電極とは異なる接地された電極、すなわち人体に帯電した静電気を放電させる除電電極２０を指紋センサ１０の誘電体膜１４上に設けている。ここで除電電極を介した接地への導電性経路は、誘電体膜１４及びアクティブマトリックスアレイ１３を介した接地への導電性経路よりも、十分に導電性が高くなければならない。

除電電極２０は、図４に示すように、平面視した場合に検出電極１１と重ならない部分を含むように、つまり検出電極１１の上方に当該除電電極２０の非形成領域が存在し、且つ検出電極１１の非形成領域の上方に当該除電電極２０が存在するように配設されている。そして、除電電極２０は、図示しない配線により接地されており（図３参照）、スイッチング素子１２のグランド（基準電位）Ｇレベルと略同一の電位に保たれている。

このような除電電極２０を形成することで、人体に帯電した静電気を放電した後に、指Ｆとの間の静電容量Ｃｆを測定することが可能となり、該人体に帯電した静電気による放電破壊を回避することが可能となる。しかしながら、指Ｆとの間の静電容量Ｃｆを検出する際に、除電電極２０と検出電極１１との間の容量Ｃｐも検出されてしまい、本来の指Ｆとの間の静電容量Ｃｆの検出感度が低下する惧れがある。

そこで、本実施の形態では、誘電体膜１４において、平面視した場合に少なくとも除電電極２０に覆われた部分の誘電体膜１４ａが、除電電極２０に覆われない部分の誘電体膜１４ｂよりも、相対的に誘電率の小さい材料にて構成されている。具体的には、誘電体膜１４ａはポリイミドにて構成されており、誘電体膜１４ｂは窒化珪素にて構成されている。なお、誘電体膜１４ａを酸化珪素にて構成することも可能である。

誘電体膜１４を以上のような構成とすることで、検出電極１１と除電電極２０との間に生じ得る寄生容量を低減可能となり、該検出電極１１が実際に測定する容量Ｃｆを低下させることなく、高感度の検出を実現できるようになる。なお、図５に示すように、除電電極２０の下方の一部を、相対的に誘電率の小さい誘電体膜１４ａにて構成するものとしても良い。

また、図４又は図５に示した構成は、例えば相対的に誘電率の高い誘電体膜１４ｂを、フォトリソグラフィ法により検出電極１１上に選択的に形成した後、該誘電体膜１４ｂの非形成領域に対して相対的に誘電率の低い誘電体膜１４ａを形成することで得ることができる。

次に、指紋照合装置の動作について説明する。
まずＩＣカードＫの使用者は、ＩＣカードＫを把持する。続いて、指紋センサ１０の検出面１０ａに指Ｆを載せる。したがって、人体に帯電した静電気が放電され、指Ｆの電位は、スイッチング素子１２のグランドＧと同電位になる。このため、指Ｆが検出面１０ａに触れても、指Ｆと検出面１０ａとの間で静電気放電が発生せず、スイッチング素子１２の破壊を回避することができる。

このように、除電電極の作用により、指Ｆに帯電した静電気を放電することができるので、指紋センサ１０の放電破壊を回避できる。また、指紋検出の際に指Ｆの電位を一定の電位に固定できるので、良好な指紋検出を行うことができる。

指紋センサ１０では、検出面１０ａに指Ｆが触れると、指Ｆとマトリックス状に配置された各検出電極１１との間に、２次元的に分布する静電容量が発生する。そして、この静電容量の値をアクティブマトリクスアレイ１３によって電気的に読み出すことにより、指Ｆの指紋パターンが検出される。ここで、本実施の形態では、上述の通り、除電電極２０と検出電極１１との間に発生し得る寄生容量Ｃｐが十分に小さくなるように、除電電極２０と平面視した場合に重なる位置の誘電体膜１４ａを相対的に低誘電率の材料にて構成している。したがって、指Ｆとの間の静電容量Ｃｆを高感度にて検出することが可能となっている。

そして、検出された指紋パターンは、ＩＣチップ４０のデータ処理部４１に転送され特徴量が抽出される。この特徴量は、例えば指紋線の傾き量、分岐の位置、分岐の数等である。更に、求められた特徴量は、比較部４３に転送され、メモリ４２に格納されている特定の特徴量と比較される。そして、仮に２つの特徴量が一致した場合には、一致信号が照合結果として、接触用ＩＣ端子５１及び非接触型ＩＣ用アンテナ５２を介して外部装置に出力される。すなわち、この場合、一致信号を調べることにより、検出された指紋パターンがメモリ４２に格納されている特定の特徴量と同一の特徴量を持つことが確認できる。従って、メモリ４２に特定の個人の指紋の特徴量を予め格納しておくことにより、ＩＣカードＫの使用者を特定することができる。

次に、除電電極２０と検出電極１１との間の容量Ｃｐを低減させるための構成について、変形例を説明する。
図６は誘電体膜１４の膜厚を領域毎に異ならしめた構成である。具体的には、検出電極１１と平面視重畳する領域の誘電体膜１４の膜厚Ｆ１（例えば０．３μｍ）が、除電電極２０と少なくとも平面視重畳する領域の誘電体膜１４の膜厚Ｆ２（例えば０．６μｍ）よりも薄膜にて構成されている。これにより、検出電極１１と除電電極２０との間に生じ得る寄生容量を低減可能となり、該検出電極１１が実際に測定する容量Ｃｆを低下させることなく、高感度の検出を実現できるようになる。

なお、図６に示した構成は、例えば検出電極１１を含む基板１５（図３参照）上に誘電体膜１４を全面ベタ状に形成した後、検出電極１１と平面視重畳する領域の誘電体膜１４をエッチング等により薄膜化することで得られる。この場合、誘電体膜全体で膜の誘電率（組成）を異ならせる必要がないため、図４に示した構成に比して製造プロセスが簡便化される。

また、図７に示すように、検出電極１１を含む基板１５（図３参照）上に全面ベタ状に形成された誘電体膜１４ｂと、誘電体膜１４ｂ上であって、除電電極２０と平面視重畳する位置に対して選択的に形成された誘電体膜１４ａとを備える構成を採用することもできる。この場合、誘電体膜１４ａは、誘電体膜１４ｂよりも相対的に誘電率の低い材料から構成され、検出電極１１と除電電極２０との間の寄生容量Ｃｐを一層低減させることが可能となる。

このような構成は、例えば検出電極１１を含む基板１５（図３参照）上に高誘電率の誘電体膜１４ｂを形成し、さらに該誘電体膜１４ｂ上に低誘電率の誘電体膜１４ａを形成した後、該誘電体膜１４ａのうち、検出電極１１と平面視重畳する領域を選択的にエッチング除去することで得ることができる。また、検出電極１１を含む基板１５（図３参照）上に高誘電率の誘電体膜１４ｂを全面ベタ状に形成した後、除電電極２０を形成する領域に対して、誘電体膜１４ｂよりも相対的に誘電率の低い材料からなる誘電体膜１４ａを選択的に形成するものとしても良い。このように、図７に示した構成は、図４に示した構成に比して簡便なプロセスで製造することができるものである。なお、高誘電率膜と低誘電率膜との間でエッチングの選択比を大きくすることで、図４に示した構成に比べて加工精度を向上することができる。

以上、本実施の形態を示した、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更し得ることは勿論である。例えば、本発明の静電容量検出装置は、上記指紋センサ以外にも、対象物との間の静電容量を検出するにより各種情報を識別する装置、具体的にはタッチセンサ等にも適用することが可能である。

ＩＣカードを示す分解斜視図。 ＩＣチップの構成を示す模式図。 指紋センサの構成を示す模式図。 除電電極と誘電体膜の構成を示す概略図。 図４の変形例を示す概略図。 図４の変形例を示す概略図。 図４の変形例を示す概略図。

符号の説明

１０…指紋センサ（静電容量検出装置）、１０ａ…検出面、１１…検出電極（容量検出電極）、１２…スイッチング素子、１４…誘電体膜、１４ａ…第２誘電体膜、１４ｂ…第１誘電体膜、２０…除電電極、Ｋ…ＩＣカード、Ｇ…グランド（基準電位）

Claims (6)

1. 対象物との距離に応じて変化する静電容量を検出する静電容量検出装置であって、
   容量検出電極と、該容量検出電極上に形成された誘電体膜と、該誘電体膜上に形成され、対象物から静電気を除電するための除電電極とを備え、
   前記容量検出電極は、平面視した場合に前記除電電極と重ならない部分を有し、
   前記誘電体膜は、平面視した場合に前記除電電極に覆われた部分の誘電率が、前記除電電極に覆われない部分の誘電率よりも小さいことを特徴とする静電容量検出装置。
2. 対象物との距離に応じて変化する静電容量を検出する静電容量検出装置であって、
   容量検出電極と、該容量検出電極上に形成された誘電体膜と、該誘電体膜上に形成され、対象物から静電気を除電するための除電電極とを備え、
   前記容量検出電極は、平面視した場合に前記除電電極と重ならない部分を有し、
   前記誘電体膜は、平面視した場合に前記除電電極に覆われた部分の膜厚が、前記除電電極に覆われない部分の膜厚よりも大きいことを特徴とする静電容量検出装置。
3. 前記誘電体膜は、前記除電電極の形成領域と非形成領域とに跨って形成された第１誘電体膜と、該第１誘電体膜上であって前記除電電極の形成領域に選択的に形成された第２誘電体膜とを具備してなることを特徴とする請求項２に記載の静電容量検出装置。
4. 前記第２誘電体膜は、前記第１誘電体膜よりも誘電率が小さいことを特徴とする請求項３に記載の静電容量検出装置。
5. 前記除電電極が、平面視した場合に前記容量検出電極とは完全に重ならない位置に配設されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の静電容量検出装置。
6. 前記容量検出電極が、マトリクス状に配設されてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の静電容量検出装置。
   

Images