JP2006220492A - Capacitance detection device and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は静電容量検出装置に関し、特に、静電容量検出器をマトリクス状(2次元)に配列して対象物表面の微小凹凸形状を検出可能とした静電容量検出装置の改良に関する。 The present invention relates to a capacitance detection device, and more particularly to an improvement in a capacitance detection device in which capacitance detectors are arranged in a matrix (two-dimensional) to detect a minute uneven shape on an object surface.
対象物表面の微小な凹凸形状を検出する静電容量検出装置は、例えば、指紋センサに使用されている。指紋センサはセンサ部に微小な静電容量検出器(検出単位)を行列状に多数配置し、センサ部に接触した対象物(指)表面とセンサ部表面との距離を各静電容量検出器が検出した容量分布を用いて対象物の表面形状を判別している。 A capacitance detection device that detects minute uneven shapes on the surface of an object is used, for example, in a fingerprint sensor. The fingerprint sensor has a large number of minute capacitance detectors (detection units) arranged in a matrix on the sensor unit, and the distance between the surface of the object (finger) in contact with the sensor unit and the sensor unit surface is determined by each capacitance detector. The surface shape of the object is discriminated using the capacitance distribution detected by the above.
このような静電容量検出装置の検出精度を低下させる原因として、各静電容量検出器の特性のばらつき、静電容量検出器の配列位置による信号出力経路の配線インピーダンスの相違、指がセンサに近接することによる誘導性ノイズ等があげられる。 Reasons for lowering the detection accuracy of such a capacitance detection device include variations in the characteristics of each capacitance detector, differences in the wiring impedance of the signal output path depending on the arrangement position of the capacitance detector, and the finger on the sensor. For example, inductive noise due to proximity.
そこで、特開平11−118415号公報記載の発明は、隣接する静電容量検出器の各出力を差動増幅することで、信号レベルの減衰や同相ノイズの影響を抑え、検出精度を向上させている。
しかしながら、上述した静電容量検出装置は各静電容量検出器の出力差に基づいて指紋のパターンを判別するので、出力差が減少する指紋の凹凸の平坦部(例えば、指紋の山領域、指紋の谷領域)では、静電容量検出器の差出力が低下し、検出精度が低下する。 However, since the capacitance detection device described above determines the fingerprint pattern based on the output difference of each capacitance detector, the uneven portion of the fingerprint where the output difference is reduced (for example, the crest region of the fingerprint, the fingerprint) In the valley region), the difference output of the capacitance detector is lowered, and the detection accuracy is lowered.
また、静電容量検出装置における駆動制御が複雑で検出に時間がかかる。検出までに消費する電力も増加する。また、差分(変化分)出力から指紋の形状(画像)を抽出するためには差分データを積分処理する必要があり、オーバーヘッド(前処理)が増す。 Further, the drive control in the capacitance detection device is complicated and takes time to detect. The power consumed before detection increases. Further, in order to extract the shape (image) of the fingerprint from the difference (change) output, it is necessary to integrate the difference data, which increases overhead (pre-processing).
よって、本発明は対象物表面の平坦部分でも対象物表面の距離検出(凹凸形状検出)が精度良く行える静電容量検出装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a capacitance detection device that can accurately detect the distance (uneven shape detection) on the surface of the object even on a flat portion of the object surface.
上記目的を達成するため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ことによって上記対象物の表面形状を読取る静電容量検出装置であって、マトリクス状に配列された複数の静電容量検出器と、上記マトリクス上で互いに近接する位置に存在する少なくとも2つの静電容量検出器を逐次的に選択する選択手段と、選択された少なくとも2つの静電容量検出器の出力信号を比較する比較判別手段と、を備え、上記選択された少なくとも2つの静電容量検出器のうち第1の静電容量検出器は上記対象物と検出電極との距離に応じてレベル変化する静電容量に基づく出力信号を発生し、第2の静電容量検出器は一定レベルの比較基準信号を出力する、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a capacitance detection device of the present invention is a capacitance detection device that reads the surface shape of an object by detecting the capacitance that changes according to the distance to the object. , A plurality of capacitance detectors arranged in a matrix, selection means for sequentially selecting at least two capacitance detectors present at positions close to each other on the matrix, and at least two selected Comparing / determining means for comparing the output signals of the two capacitance detectors, and the first capacitance detector of the selected at least two capacitance detectors includes the object and the detection electrode. An output signal based on a capacitance that changes in level according to the distance is generated, and the second capacitance detector outputs a comparison reference signal at a certain level.
かかる構成の静電容量検出装置によれば、近接する静電容量検出器からの出力を比較判定するので、出力経路で発生するノイズを同相除去し、さらに各静電容量検出器間の特性ばらつきの影響もほとんどなくなるので、検出精度を向上できる。また、静電容量検出装置におけるマトリクス状に配列された多数の静電容量検出器の動作制御は非常に簡便な駆動となって具合がよい。 According to the capacitance detection device having such a configuration, since the outputs from the adjacent capacitance detectors are compared and determined, the noise generated in the output path is removed in phase, and the characteristic variation between the capacitance detectors is further reduced. Therefore, the detection accuracy can be improved. In addition, the operation control of a large number of capacitance detectors arranged in a matrix in the capacitance detection device is very easy to drive.
好ましくは、上記選択手段は、上記マトリクスの行を選択する行選択信号を出力する行デコーダと、上記マトリクスの列を選択する列選択信号を出力する列デコーダと、を含み、
上記静電容量検出器は、上記対象物の表面形状に対応したレベルの出力信号を発生する容量検出素子と、上記一定レベルの比較基準信号を発生する基準電圧源と、上記列デコーダの当該静電容量検出器が存在する列を選択する第1の列選択信号及び当該存在列に近接する列を選択する第2の列選択信号に基づいて上記容量検出素子の出力信号及び上記電圧源の比較基準信号のうちいずれかを選択して出力信号とする出力選択手段と、上記選択された出力信号を上記行デコーダの出力に応じて上記比較判別手段に中継するスイッチ手段と、を含む。
Preferably, the selection means includes a row decoder for outputting a row selection signal for selecting a row of the matrix, and a column decoder for outputting a column selection signal for selecting a column of the matrix,
The capacitance detector includes a capacitance detection element that generates an output signal of a level corresponding to the surface shape of the object, a reference voltage source that generates the constant reference signal, and the static voltage of the column decoder. Comparison of the output signal of the capacitance detection element and the voltage source based on a first column selection signal for selecting a column in which a capacitance detector is present and a second column selection signal for selecting a column adjacent to the presence column Output selection means for selecting any of the reference signals as an output signal, and switch means for relaying the selected output signal to the comparison / discrimination means in accordance with the output of the row decoder.
好ましくは、上記出力選択手段は、上記第1の列選択信号に対応して上記容量検出素子の出力信号を選択し、上記第2の列選択信号に対応して上記比較基準信号を選択する。 Preferably, the output selection unit selects an output signal of the capacitance detection element corresponding to the first column selection signal, and selects the comparison reference signal corresponding to the second column selection signal.
好ましくは、上記選択された出力信号を増幅する増幅回路を備える。それにより、特に対象物の平坦部での検出精度が向上する。 Preferably, an amplifier circuit for amplifying the selected output signal is provided. Thereby, the detection accuracy in the flat part of a target object improves especially.
好ましくは、上記静電容量検出器は、上記対象物の表面と検出電極間の距離に応じたレベル信号を発生し得る容量検出素子と、上記容量検出素子のレベル信号を増幅する信号増幅素子と、上記行選択回路からの選択信号を受けて当該静電容量検出器を選択状態とする行選択素子と、上記列選択回路からの前列の選択信号を受けて上記容量検出素子のレベル信号を接地電位とする第1スイッチ素子と、上記列選択回路からの当該列の選択信号を受けて上記容量検出素子にレベル信号を発生させる手段と、上記列選択回路からの後列の選択信号を受けて上記容量検出素子のレベル信号を参照電位とする第2スイッチ素子と、を備える。 Preferably, the capacitance detector includes a capacitance detection element capable of generating a level signal corresponding to a distance between the surface of the object and the detection electrode, and a signal amplification element for amplifying the level signal of the capacitance detection element. Receiving a selection signal from the row selection circuit and setting the capacitance detector in a selected state; receiving a selection signal for the previous column from the column selection circuit and grounding the level signal of the capacitance detection element A first switch element to be a potential; means for receiving a selection signal for the column from the column selection circuit; and generating a level signal for the capacitance detection element; and receiving a selection signal for the rear column from the column selection circuit; A second switch element having a level signal of the capacitance detection element as a reference potential.
また、本発明の電子機器は、上述した構成の静電容量検出装置を指紋検出センサとして用いることを特徴とする。 In addition, an electronic apparatus according to the present invention is characterized in that the capacitance detection device having the above-described configuration is used as a fingerprint detection sensor.
本発明の静電容量検出装置は、マトリクス状に配列された複数の静電容量検出器を備える。各静電容量検出器は容量検出電極と対象物表面によって形成されるセンスキャパシタの容量から容量検出電極から対象物表面までの距離を検出する。静電容量検出装置は、信号を読み出す静電容量検出器からの検出信号と、隣接する静電容量検出器からの参照電位とを比較判定する。適切な参照電位を設定すれば、指紋の平坦部であっても、2つの静電容量検出器の出力差が得られ、全ての範囲で精度良く検出できる。また、各静電容量検出器は、信号を増幅するための信号増幅素子を備える。それにより、高インピーダンス配線の配線長を最短化でき、検出精度を向上できる。また、電荷を直接検出しないため、先願と比較して複雑な充放電のステップを単純にできる。 The capacitance detection device of the present invention includes a plurality of capacitance detectors arranged in a matrix. Each capacitance detector detects the distance from the capacitance detection electrode to the object surface from the capacitance of the sense capacitor formed by the capacitance detection electrode and the object surface. The capacitance detection device compares and determines a detection signal from a capacitance detector that reads a signal and a reference potential from an adjacent capacitance detector. If an appropriate reference potential is set, the difference in output between the two capacitance detectors can be obtained even in the flat portion of the fingerprint, and can be accurately detected in the entire range. Each capacitance detector includes a signal amplifying element for amplifying the signal. Thereby, the wiring length of the high impedance wiring can be minimized and the detection accuracy can be improved. Further, since the charge is not directly detected, a complicated charge / discharge step can be simplified as compared with the prior application.
(基本静電容量検出器)
図1は、本発明の静電容量検出装置に使用される単位静電容量検出器10の回路構成例を示している。後述するように、この静電容量検出器10がM行N列のマトリクス状に複数配列され、近接配置された2つの静電容量検出器10(i,j-1)及び10(i,j)の出力を順次参照してM行N列の画素を得る。好ましくは、画素から指紋のパターンを検出する。
(Basic capacitance detector)
FIG. 1 shows a circuit configuration example of a
同図に示されるように、静電容量検出器10は、NMOSトランジスタT1〜T3、基準コンデンサCR、検出容量CF等によって構成されている。トランジスタT1及びT2は回路の接地電源GNDに接続された接地線Pと定電圧源Vrとの間に直列に接続され、トランジスタT1及びT2の各ゲートには図示しない制御装置からそれぞれゲート制御信号Vsw1及びVsw2が供給される。トランジスタT1及びT2はスイッチとして機能する。また、可変電圧源Vcrと接地電源GND間に基準コンデンサCR及び検出容量CFが直列に接続されている。検出容量CFは容量検出電極と指の表面によって等価的に構成される。また、接地線Pと出力線OL間にトランジスタT3が接続される。
As shown in the figure, the
トランジスタT1及びT2相互の接続点と基準コンデンサCR及び検出容量CF相互の接続点とは供給通接続され、ノードGとなっている。このノードGはトランジスタT3のゲートに接続されている。トランジスタT3は増幅器として機能する。ノードGの電圧をVGとすると、トランジスタT3は、電圧VGに対応した出力電流Io(=gm・VG)を発生する。gmはトランジスタT3の相互コンダクタンスである。 A connection point between the transistors T1 and T2 and a connection point between the reference capacitor CR and the detection capacitor CF are connected through supply to be a node G. This node G is connected to the gate of the transistor T3. The transistor T3 functions as an amplifier. When the voltage of the node G is VG, the transistor T3 generates an output current Io (= gm · VG) corresponding to the voltage VG. gm is the transconductance of the transistor T3.
次に、図2を参照して単位静電容量検出器10の動作について説明する。同図は制御信号と各部位の信号レベルを示す信号タイミングチャートである。なお、図2(A)は、静電容量検出器10のセンサ(検出電極)表面(図示せず)に指紋の山(対象物の凸部)や存在するときを示している。図2(B)は、静電容量検出器10のセンサ表面に指紋の谷(対象物の谷)が存在するときを示している。
Next, the operation of the
図2に示すように、静電容量検出器10は、リセット、読出し、参照の3つのモードを繰り返して動作している。
As shown in FIG. 2, the
まず、リセットモードの期間では、ゲート制御信号Vsw1が「H」レベル、ゲート制御信号Vsw2が「L」レベルとなる。また、電圧源Vcrは接地レベルとなる。それにより、トランジスタT1は導通、トランジスタT2は非導通となり、直列なキャパシタCR及びCFの両端はそれぞれ接地される。また、キャパシタCR及びCFのノードGには電源線Pに接続されて接地電圧GNDが印加される。そして、キャパシタCR及びCFは放電されて接地電圧GND(リセット状態)に設定される。ノードGが接地されることによってトランジスタT3は非導通となり、回路出力Ioを発生しない。 First, in the reset mode period, the gate control signal Vsw1 is at the “H” level and the gate control signal Vsw2 is at the “L” level. The voltage source Vcr is at the ground level. As a result, the transistor T1 becomes conductive and the transistor T2 becomes nonconductive, and both ends of the series capacitors CR and CF are grounded. The ground voltage GND is applied to the node G of the capacitors CR and CF by being connected to the power supply line P. The capacitors CR and CF are discharged and set to the ground voltage GND (reset state). When node G is grounded, transistor T3 is rendered non-conductive and does not generate circuit output Io.
精度良く検出を行うためには、ノードGの電位がデータを読み出す直前には、毎回一定の電位となっていることが好ましい。特に接地電位GNDとすると、対象物と容量検出電極間の電位差が無くなるので、対象物が動くなどして急に静電容量CFが大きく変化してもGの電位はほとんど変化しなくなるため、検出精度を向上できる。そこで、本願発明の静電容量検出器10は、データを読み出す直前に第1スイッチ素子をオン状態とし、第2スイッチ素子をオフ状態とすることで、ノードGの電位を強制的に接地電位としている。
In order to perform detection with high accuracy, it is preferable that the potential of the node G is a constant potential every time immediately before reading data. Especially the ground potential GND, and the potential difference between the object and the capacitance detecting electrode is eliminated, since the potential of the even changed suddenly large capacitance C F and the like object moves G hardly changes, Detection accuracy can be improved. Therefore, the
次に、読出しモードの期間では、ゲート制御信号Vsw1及びVsw2が共に「L」レベルとなる。また、電圧源Vcrは所定電圧Vddとなる。それにより、トランジスタT1及びT2は非導通となり、直列なキャパシタCR及びCFの両端には電圧Vddが印加される。これによって、ノードGの電圧VGは、概略、キャパシタCR及びCFの比に応じた電圧となる。なお、より正確には配線容量CT(図示せず)等も関係する。 Next, in the read mode period, the gate control signals Vsw1 and Vsw2 are both at the “L” level. Further, the voltage source Vcr becomes the predetermined voltage Vdd. As a result, the transistors T1 and T2 become non-conductive, and the voltage Vdd is applied across the series capacitors CR and CF. As a result, the voltage VG at the node G is roughly a voltage corresponding to the ratio of the capacitors CR and CF. More precisely, the wiring capacitance CT (not shown) is also related.
図2(A)に示すように、指紋の山がセンサ面に接している場合にはノードGの電圧VGが基準値Vrを越えない。このときのトランジスタT3の回路出力Ioは、基準値Vrに対応した回路出力電流Ir以下のレベルとなっている。 As shown in FIG. 2A, when the peak of the fingerprint is in contact with the sensor surface, the voltage VG of the node G does not exceed the reference value Vr. At this time, the circuit output Io of the transistor T3 is at a level equal to or lower than the circuit output current Ir corresponding to the reference value Vr.
また、図2(B)に示すように、指紋の谷がセンサ面に接している場合にはノードGの電圧VGが基準値Vrを越える。このときのトランジスタT3の回路出力Ioは、基準値Vrに対応した回路出力電流Irを越えるレベルとなっている。 Further, as shown in FIG. 2B, when the valley of the fingerprint is in contact with the sensor surface, the voltage VG of the node G exceeds the reference value Vr. At this time, the circuit output Io of the transistor T3 is at a level exceeding the circuit output current Ir corresponding to the reference value Vr.
このように、データを読み出す際には、第1スイッチ素子T1、第2スイッチ素子T2共にオフ状態とし、基準コンデンサCRに所定の電圧Vcrを印加する。それによって、ノードGには電位VGが誘起される。 Thus, when data is read, both the first switch element T1 and the second switch element T2 are turned off, and a predetermined voltage Vcr is applied to the reference capacitor CR. As a result, a potential V G is induced at the node G.
参照モードの期間では、ゲート制御信号Vsw1が「L」レベル、ゲート制御信号Vsw2が「H」レベルとなる。また、電圧源Vcrは接地レベルとなる。それにより、トランジスタT1は非導通、トランジスタT2は導通となり、直列なキャパシタCR及びCFの両端はそれぞれ接地される。キャパシタCR及びCFのノードGには電源Vrから電圧が印加される。そして、キャパシタCR及びCFは充電されてノードGの電位はVrとなる。トランジスタT3の回路出力Ioは、基準値Vrに対応した回路出力電流Irとなっている。 In the reference mode period, the gate control signal Vsw1 is at the “L” level and the gate control signal Vsw2 is at the “H” level. The voltage source Vcr is at the ground level. Thereby, the transistor T1 becomes non-conductive, the transistor T2 becomes conductive, and both ends of the series capacitors CR and CF are grounded. A voltage is applied from the power source Vr to the node G of the capacitors CR and CF. The capacitors CR and CF are charged and the potential of the node G becomes Vr. The circuit output Io of the transistor T3 is a circuit output current Ir corresponding to the reference value Vr.
このように、参照用データを出力させる場合には、第1スイッチ素子T1をオフ状態、第2スイッチ素子T2をオン状態として、ノードGの電位を強制的にVrとする。 Thus, when outputting the reference data, the first switch element T1 is turned off, the second switch element T2 is turned on, and the potential of the node G is forcibly set to Vr.
静電容量検出器10の出力OLには読出期間にセンサ面と対象物の凹凸表面の距離に応じた出力Ioが得られる。また、参照期間には基準値Vrに対応した基準値Irが得られる。
As the output OL of the
(静電容量検出装置1)
静電容量検出装置は隣り合う2つの静電容量検出器10からの出力を比較判定することを特徴とする。その際、一方の静電容量検出器10は前述した読出しモードで他方の静電容量検出器10は前述した参照モードで動作する。
(Capacitance detection device 1)
The capacitance detection device is characterized by comparing and determining outputs from two
図3は、電容量検出装置1の構成を概略的に示しており、マトリクス状に多数配列される静電容量検出器10のうちのi行に配置された2つの静電容量検出器10(i,j-1)及び10(i,j)部分を示している。各静電容量検出器は図1に示したものと同じ回路構成であるので、図1と対応する部分には同一符号を付して当該部分の説明を省略する。
FIG. 3 schematically shows the configuration of the
図4に示すように、静電容量検出器10(i,j-1)の出力は出力線OL(j-1)を介して比較判別器20の基準入力端(−)に供給される。静電容量検出器10(i,j)の出力は出力線OL(j)を介して比較判別器20の比較入力端(+)に供給される。比較判別器20としては、差動増幅器を使用することができる。
As shown in FIG. 4, the output of the capacitance detector 10 (i, j-1) is supplied to the reference input terminal (-) of the
この構成例では、静電容量検出器10(i,j-1)は参照モードで動作し、静電容量検出器10(i,j)は読出しモードで動作する。それによって、静電容量検出器10(i,j-1)から比較判別器20の基準入力端には比較基準電圧Vrに対応した回路出力電流Irが供給される。静電容量検出器10(i,j)から比較判別器20の比較入力端には検出出力(検出データ)VGに対応した回路出力電流Ioが供給される。比較判別器20は基準入力端の電圧と比較入力端の電圧とをレベル比較し、検出出力VGが基準電圧Vrを越えると指紋の谷部と判別する。
In this configuration example, the capacitance detector 10 (i, j-1) operates in the reference mode, and the capacitance detector 10 (i, j) operates in the read mode. Thereby, the circuit output current Ir corresponding to the comparison reference voltage Vr is supplied from the capacitance detector 10 (i, j-1) to the reference input terminal of the
なお、後述の図7に示すような比較判別器20への2つの入力を相互に切替える入力切替器(切替回路)40を使用することによって静電容量検出器10(i,j-1)及び10(i,j)の参照モード及び読出しモードを交互に切替えて両静電容量検出器の検出出力を得ることができる。
It should be noted that the capacitance detector 10 (i, j-1) and the input detector (switching circuit) 40 for mutually switching two inputs to the
後述のように図示しない行デコーダ及び列デコーダによって読出す静電容量検出器10(i,j)が順次選択される。各静電容量検出器10(i,j)はマトリクス状に配列されていて、各静電容量検出器の検出出力が検出パターンの画素を構成するので、全部の静電容量検出器の出力を得ることによって検出パターン(指紋)が得られる。 As will be described later, the capacitance detectors 10 (i, j) to be read by a row decoder and a column decoder (not shown) are sequentially selected. The capacitance detectors 10 (i, j) are arranged in a matrix, and the detection outputs of the capacitance detectors constitute pixels of the detection pattern. A detection pattern (fingerprint) is obtained by obtaining.
上述した実施例では、隣接する静電容量検出器10(i,j-1)及び10(i,j)は、比較判別器(差動増幅器)20に至るまでの出力経路の配線インピーダンスや出力経路へ発生するノイズがほぼ等しい。この2点に起因する出力データのばらつきは、比較判定することで同相除去することができる。また、静電容量検出器10(i,j-1)及び10(i,j)の特性ばらつきも隣接する静電容量同士を比較した場合にはほとんど無視できる。従って、静電容量検出装置の検出精度が向上する。 In the embodiment described above, the adjacent capacitance detectors 10 (i, j-1) and 10 (i, j) are connected to the output path wiring impedance and output to the comparison discriminator (differential amplifier) 20. Noise generated on the path is almost equal. Variations in the output data due to these two points can be removed in-phase by comparing and determining. Moreover, the characteristic variation of the capacitance detectors 10 (i, j-1) and 10 (i, j) can be almost ignored when adjacent capacitances are compared. Therefore, the detection accuracy of the capacitance detection device is improved.
また、実施例では、適切な基準電圧Vrを設定することで、ほとんどすべての範囲で、検出電圧VG>基準電圧Vr(例えば指紋の谷)、または、検出電圧VG<基準電圧Vr(例えば指紋の山)を満たす。 In the embodiment, by setting an appropriate reference voltage Vr, the detection voltage VG> the reference voltage Vr (for example, the valley of the fingerprint) or the detection voltage VG <the reference voltage Vr (for example, the fingerprint) in almost all the ranges. Mountain).
よって、特に指紋の平坦部において検出精度を向上することができる。また、指紋画像を2値化して処理する場合には特に有効である。 Therefore, the detection accuracy can be improved particularly in the flat part of the fingerprint. Further, it is particularly effective when the fingerprint image is binarized and processed.
さらに、検出電圧VG=基準電圧Vrとなるのは、ある決まった電圧Vrだけであることから、差動増幅器の回路構成を比較的容易に実現できる。よって、特に薄膜半導体装置など、比較的性能の劣る素子(例えば、薄膜トランジスタ)を使用して静電容量検出器を実現する場合には、特に都合がよい。 Furthermore, since the detection voltage VG = the reference voltage Vr is only a certain voltage Vr, the circuit configuration of the differential amplifier can be realized relatively easily. Therefore, it is particularly convenient when the capacitance detector is realized by using an element (for example, a thin film transistor) having relatively poor performance, such as a thin film semiconductor device.
(静電容量検出装置2)
図4を参照して、マトリクス状に配列された静電容量検出器10のうち2つの静電容量検出器10の各出力を順次読出す静電容量検出装置1の構成について説明する。同図において図1及び図3と対応する部分には同一符号を付している。
(Capacitance detection device 2)
With reference to FIG. 4, the configuration of the
図4の静電容量検出装置1は、M行N列の行列状に配置された静電容量検出器10とM本の行線RLとN本の列線CLと電源線P(GND)と図示しない参照電圧Vrを供給する電源線を備える。M本の行線RLは図示しない行デコーダに接続され、N本の列線CLは列デコーダに接続されている。行デコーダ及び列デコーダは行線及び列線にそれぞれ駆動信号を供給することによって動作する静電容量検出器10を選択する。
The
前述したように、各静電容量検出器10は信号増幅素子T3と行選択素子T4と容量検出素子(検出容量CF及び基準コンデンサCR等)と第1スイッチ素子T1と第2スイッチ素子T2と備える。信号増幅素子T3、行選択素子T4、第1スイッチ素子T1及び第2スイッチ素子T2はそれぞれNMOSトランジスタで構成されており、ゲート電極とドレイン電極とソース電極を備える。信号増幅素子T3のゲート電極と検出容量CFの検出電極と基準コンデンサCRの片方の電極(第一電極)と第1スイッチ素子T1のドレイン電極と第2スイッチ素子T2のソース電極とが接続されている。行選択素子T4のゲート電極と行線RL(i)が接続され、信号増幅素子T3のソース電極と電源線Pが接続されている。信号増幅素子T3のドレイン電極と行選択素子T4のソース電極とが接続され、第1スイッチ素子T1のソース電極と電源線が接続されている。また、第2スイッチ素子T2のドレイン電極と参照電源線とが接続されている。
As described above, each
更に、基準コンデンサCsの他方の電極(第二電極)は列線CL(j)に接続され、第1スイッチ素子T1のゲート電極は前列の列線CL(i-1)に接続され、第2スイッチ素子T2のゲート電極は後列の列線CL(i+1)に接続される。 Further, the other electrode (second electrode) of the reference capacitor Cs is connected to the column line CL (j), the gate electrode of the first switch element T1 is connected to the column line CL (i-1) of the previous column, and the second The gate electrode of the switch element T2 is connected to the column line CL (i + 1) in the subsequent column.
次に、上述した構成の静電容量検出装置の動作について図7及び図8を参照して説明する。図7は列デコーダ30の例を示しており、例えば、「H」出力を列線への各出力端に順次に出力する、巡回レジスタやシフトレジスタによって構成することができる。図8に示されるように、列デコーダ30は駆動信号を各列線に供給し、各列線を順次に「H」レベルとする。
Next, the operation of the capacitance detection device having the above-described configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows an example of the
列デコーダ30は、列線CL(0),…,CL(j-1),CL(j),CL(j+1),…,CL(m)に図8に示す駆動信号を順次加え、列線CL(0)から順次選択して行く。このようにすることによって、各静電容量検出器10は、リセット期間→読み出し期間→参照期間となる。
The
例えば、図8の期間τ1では、静電容量検出器10(i,j-1)は読み出し期間であり、10(i,j)はリセット期間である。また、期間τ2では、10(i,j-1)は参照期間であり、10(i,j)は読み出し期間、10(i,j+1)はリセット期間となる。以上のように本願発明の静電容量検出器10は非常に単純な駆動方法(列デコーダ出力)で動作する。
For example, in the period τ1 in FIG. 8, the capacitance detector 10 (i, j-1) is a readout period, and 10 (i, j) is a reset period. In the period τ2, 10 (i, j-1) is a reference period, 10 (i, j) is a read period, and 10 (i, j + 1) is a reset period. As described above, the
なお、上述した静電容量検出装置1の構成では、第2スイッチ素子T2をNMOSトランジスタにて構成している。そのため、ノードGの電位を確実に電位Vrとするためには、Vr<Vdd−Vthnである必要がある。ここで、Vthnは第2スイッチ素子T2の閾値電圧である。
In the configuration of the
また、前述したように各出力線OLからの信号を比較判別器(差動増幅回路)20に入力するには、図7に示す切替回路40を用いると良い。同図に示されるように、切替回路40は静電容量検出器10の各列に対応して複数対配置された直列な2つのNMOSトランジスタTA及びTBによって構成される。各トランジスタ対の一端側は比較判別器20の基準入力端に接続され、他端側は比較判別器20の比較入力端に接続される。トランジスタTAのソース及びトランジスタTBのドレイン(相互の接続点)は静電容量検出器10の各列の出力線OLに接続される。列デコーダ30の各列線CLは前段のトランジスタTBのゲート及び後段のトランジスタTAのゲートに接続される。列線CLに「H」レベル信号が供給されると、前列の静電容量検出器10の出力はトランジスタTBの導通によって比較判別器20の比較入力端に、後列の静電容量検出器10の出力はトランジスタTAの導通によって比較判別器20の基準入力端に供給される。この動作は列線CLへの駆動信号の順次供給に伴って静電容量検出器10によるマトリクスの列方向にシフトする。
Further, as described above, in order to input a signal from each output line OL to the comparison discriminator (differential amplifier circuit) 20, it is preferable to use the switching
この切替回路40を用いることで、2つの静電容量検出器10がそれぞれ出力する2つの参照用データIr(Vr)と出力データIo(VG)を、比較判別器20の基準入力端(−)及び比較入力端(+)にそれぞれ正しく入力することができる。
By using this
(静電容量検出装置3)
図5は、静電容量検出装置1の他の構成例を示している。同図において図4と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
(Capacitance detection device 3)
FIG. 5 shows another configuration example of the
この実施例では、第2スイッチ素子T2をPMOSトランジスタで構成している。この場合Vr>−Vthpとなるように参照電圧Vrを設定する。ここで、Vthpは第2スイッチ素子T2の閾値電圧である。 In this embodiment, the second switch element T2 is constituted by a PMOS transistor. In this case, the reference voltage Vr is set so that Vr> −Vthp. Here, Vthp is a threshold voltage of the second switch element T2.
この実施例の構成では、図4の装置構成と比べて第2スイッチ素子T2がP型トランジスタであるので、第2スイッチ素子T2のゲートと列線CL(i,j+1)とがインバータInvを介して接続されている。インバータInvは直列に接続されたPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタによって構成され、PMOSトランジスタのドレインにはVddではなくVrが供給されている。それにより、VddをインバータInvのPMOSトランジスタ供給する新たな配線を不要としている。図5に示される装置構成も、図8に示される列デコーダ30の駆動信号で動作する。
In the configuration of this embodiment, since the second switch element T2 is a P-type transistor as compared with the device configuration of FIG. 4, the gate of the second switch element T2 and the column line CL (i, j + 1) are connected to the inverter Inv. Connected through. The inverter Inv includes a PMOS transistor and an NMOS transistor connected in series, and Vr is supplied to the drain of the PMOS transistor instead of Vdd. This eliminates the need for a new wiring for supplying Vdd to the PMOS transistor of the inverter Inv. The device configuration shown in FIG. 5 also operates with the drive signal of the
(静電容量検出装置4)
図6及び図9は、静電容量検出装置1の更に他の構成例を示している。図6において図4あるいは図5と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
(Capacitance detection device 4)
6 and 9 show still another configuration example of the
図6に示す装置構成も、第2スイッチ素子T2をPMOSトランジスタとしているが、列線CLの駆動信号に、図9に示すような正及び負パルスの相補的な駆動信号を使用して、インバータInvの使用を不要としている。 In the device configuration shown in FIG. 6 as well, the second switch element T2 is a PMOS transistor. However, the drive signal for the column line CL uses a complementary drive signal of positive and negative pulses as shown in FIG. Use of Inv is unnecessary.
図6に示される静電容量検出装置1は、列線CL(j)の反転信号を出力する反転列線/CL(j)を各列に備えている。さらに静電容量検出器10は第3スイッチ素子T5を備えている。第3スイッチ素子T5のソースが電源線Pに接続され、第3スイッチ素子T5のドレインと第1スイッチ素子T1のソースが接続されている。第3スイッチ素子T5のゲートと第2スイッチ素子T2のゲートは隣接列の反転列線/CL(i,j+1)に接続されている。
The
このような構成において、列線CLおよび反転列線/CLに図9に示す駆動信号波形を印加することで、順次、出力線OLから出力データIoと参照用データIrを取り出すことができる。この実施例においても、各出力線OLを既述した切替回路40を用いて差動増幅器20と接続することができる。
In such a configuration, by applying the drive signal waveforms shown in FIG. 9 to the column line CL and the inverted column line / CL, the output data Io and the reference data Ir can be sequentially extracted from the output line OL. Also in this embodiment, each output line OL can be connected to the
図10は、上述した静電容量検出装置1を指紋認証システムとして電子機器である携帯電話機に使用した例を示している。この他に電子機器としては、パソコンやPDF(携帯情報端末)などが挙げられる。指紋を認証するシステムを電子機器に組み込むことによって特定者のみが使用可能となり、他人使用の禁止や電子機器に記憶されたデータの守秘性が向上する。
FIG. 10 shows an example in which the
このように、本実施例の静電容量検出装置によれば、隣接する静電容量検出器からの出力を比較判定するので、出力経路で発生するノイズを同相除去し、さらに各静電容量検出器間の特性ばらつきの影響もほとんどなくなるので、検出精度を向上できる。さらに静電容量検出器は信号増幅素子T3を備え、この信号増幅素子T3のゲートに参照電位Vrを印加することで参照用データIrを出力する。このような構成によって、特に対象体の平坦部での検出精度が大幅に向上する。さらに、隣接する2つの検出器の検出出力の差分に基づいて指紋パターンを抽出する方法に比べてより簡便な回路構成の差動増幅器を用いることができ、薄膜トランジスタによる差動増幅器を使用出来る。また、静電容量検出装置におけるマトリクス状に配列された多数の静電容量検出器の動作制御は非常に簡便な駆動方法となって具合がよい。 As described above, according to the capacitance detection device of the present embodiment, since the outputs from the adjacent capacitance detectors are compared and determined, noise generated in the output path is removed in phase, and each capacitance detection is further performed. Since there is almost no influence of characteristic variation between instruments, detection accuracy can be improved. The capacitance detector further includes a signal amplifying element T3, and outputs reference data Ir by applying a reference potential Vr to the gate of the signal amplifying element T3. With such a configuration, the detection accuracy particularly in the flat portion of the object is greatly improved. Furthermore, a differential amplifier having a simpler circuit configuration can be used as compared with a method of extracting a fingerprint pattern based on a difference between detection outputs of two adjacent detectors, and a differential amplifier using a thin film transistor can be used. Further, the operation control of a large number of capacitance detectors arranged in a matrix in the capacitance detection device is a very simple driving method and is good.
なお、実施例では隣接した2つの静電容量検出器の出力を使用しているが、近接した2つの静電容量検出器であれば同様の効果が期待出来る。 In the embodiment, the outputs of two adjacent capacitance detectors are used, but the same effect can be expected if two adjacent capacitance detectors are used.
1 静電容量検出装置、10 静電容量検出器、20 比較判別器(差動増幅器)、30 デコーダ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
マトリクス状に配列された複数の静電容量検出器と、
前記マトリクス上で互いに近接する位置に存在する少なくとも2つの静電容量検出器を逐次的に選択する選択手段と、
選択された少なくとも2つの静電容量検出器の出力信号を比較する比較判別手段と、を備え、
前記選択された少なくとも2つの静電容量検出器のうち第1の静電容量検出器は前記対象物と検出電極との距離に応じてレベル変化する静電容量に基づく出力信号を発生し、第2の静電容量検出器は一定レベルの比較基準信号を出力する、
ことを特徴とする静電容量検出装置。 A capacitance detection device that reads the surface shape of the object by detecting a capacitance that changes according to the distance to the object,
A plurality of capacitance detectors arranged in a matrix;
Selection means for sequentially selecting at least two capacitance detectors present at positions close to each other on the matrix;
Comparing and discriminating means for comparing the output signals of at least two selected capacitance detectors,
Of the at least two selected capacitance detectors, a first capacitance detector generates an output signal based on a capacitance that changes in level according to the distance between the object and the detection electrode; 2 capacitance detector outputs a comparison reference signal of a certain level,
A capacitance detection device characterized by the above.
前記静電容量検出器は、前記対象物の表面形状に対応したレベルの出力信号を発生する容量検出素子と、前記一定レベルの比較基準信号を発生する基準電圧源と、前記列デコーダの当該静電容量検出器が存在する列を選択する第1の列選択信号及び当該存在列に近接する列を選択する第2の列選択信号に基づいて前記容量検出素子の出力信号及び前記電圧源の比較基準信号のうちいずれかを選択して出力信号とする出力選択手段と、前記選択された出力信号を前記行デコーダの出力に応じて前記比較判別手段に中継するスイッチ手段と、を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の静電容量検出装置。 The selection means includes: a row decoder that outputs a row selection signal that selects a row of the matrix; and a column decoder that outputs a column selection signal that selects a column of the matrix,
The capacitance detector includes a capacitance detection element that generates an output signal of a level corresponding to the surface shape of the object, a reference voltage source that generates the comparison reference signal of a certain level, and the static voltage of the column decoder. Comparison of the output signal of the capacitance detection element and the voltage source based on a first column selection signal for selecting a column in which a capacitance detector exists and a second column selection signal for selecting a column adjacent to the existing column Output selection means for selecting any of the reference signals as an output signal, and switch means for relaying the selected output signal to the comparison determination means according to the output of the row decoder,
The electrostatic capacitance detection apparatus according to claim 1.
前記対象物の表面と検出電極間の距離に応じたレベル信号を発生し得る容量検出素子と、
前記容量検出素子のレベル信号を増幅する信号増幅素子と、
前記行選択回路からの選択信号を受けて当該静電容量検出器を選択状態とする行選択素子と、
前記列選択回路からの前列の選択信号を受けて前記容量検出素子のレベル信号を接地電位とする第1スイッチ素子と、
前記列選択回路からの当該列の選択信号を受けて前記容量検出素子にレベル信号を発生させる手段と、
前記列選択回路からの後列の選択信号を受けて前記容量検出素子のレベル信号を参照電位とする第2スイッチ素子と、
を備え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。 The capacitance detector is
A capacitance detection element capable of generating a level signal according to the distance between the surface of the object and the detection electrode;
A signal amplifying element for amplifying a level signal of the capacitance detecting element;
A row selection element that receives a selection signal from the row selection circuit and sets the capacitance detector in a selected state;
A first switch element that receives a selection signal of the previous column from the column selection circuit and sets a level signal of the capacitance detection element to a ground potential;
Means for receiving a selection signal of the column from the column selection circuit and generating a level signal in the capacitance detection element;
A second switch element that receives a selection signal of the rear column from the column selection circuit and uses a level signal of the capacitance detection element as a reference potential;
The capacitance detection device according to claim 2, further comprising:
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JP2009239666A (en) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Nec Electronics Corp | Capacitance detecting apparatus and method |
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