JP2018507455A - 感知素子の復調回路構成を備える容量性指紋感知装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、励起信号供給回路構成と複数の感知素子とを備える容量性指紋感知システムに関する。各感知素子は、保護誘電最上層と、該励起信号に接続された導電性感知構造であって、指と感知構造との間の電位差の変化に起因して感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給する導電性感知構造と、感知回路構成に接続された復調回路構成であって、該感知信号と該励起信号にタイミング的に関係する復調信号とを結合して、該感知構造が帯びる電荷の変化を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を供給する復調回路構成と、を含む。指紋感知システムは、該感知素子の各々に接続されて、該感知素子の各々からの該ＤＣ信号成分に基づいて指紋パターンの表示を提供する読み出し回路構成を更に備える。

Description

本発明は、容量性指紋感知システム及び指紋パターンの感知方法に関する。

様々なタイプの生体認証システムが、安全性を向上するため、及び／又はユーザの利便性を高めるために、用いられることが多くなっている。

特に、指紋感知システムは、その小さな形状因子、高い性能及びユーザ受け入れのため、例えば家電装置に採用されている。

（静電容量式、光学式、熱式などのような）様々に利用可能な指紋感知原理の中でも、静電容量感知が最も一般的に用いられており、特に、大きさ及び消費電力が重要な課題である適用例に用いられている。

あらゆる容量性指紋センサは、いくつかの感知構造のそれぞれと、指紋センサの表面に置かれるか指紋センサの表面を横切って動く指との間の静電容量を示す測定値を提供する。

いくつかの容量性指紋センサは、感知構造と指との間の静電容量を受動的に読み取る。しかし、これには、感知構造と指との間の比較的大きな静電容量を必要とする。このため、そのような受動的な静電容量センサは概して、感知構造を覆う非常に薄い保護層を備える。このため、そのようなセンサは引っかき傷及び／又はＥＳＤ（静電放電）に対していくらか敏感になる。

米国特許ＵＳ７８６４９９２は、センサアレイの近傍に配置された導電構造をパルス操作して、センサアレイの感知構造が帯びる電荷の結果変化を測定することによって、駆動信号が指に注入される指紋感知システムを開示する。

そのような能動的指紋感知システムは、上記の受動的システムよりもかなり高い信号対雑音比で指と感知構造のそれぞれとの間の静電容量の測定を概ね可能にする。次に、これにより保護被覆を大幅に厚くすることができるため、いっそう頑強な容量性指紋センサを、かなりの摩耗にさらされる携帯電話のようなアイテムに組み入れることができる。

しかし、更に向上の余地がある。特に、厚みが更に増した保護被覆を介して指紋を感知すること及び／又は信号対雑音比の点で更に性能を向上させることが望ましいであろう。

上記の欠点をはじめとする先行技術の欠点に鑑みて、本発明の目的は、改良した容量性指紋感知装置、特に、きわめて厚い保護被覆を通しての感知性能が向上した容量性指紋感知装置を得ることである。

このため、本発明の第一の態様によれば、指の指紋パターンを感知する容量性指紋感知システムが提供される。容量性指紋感知システムは、指の電位に対して第一の電位から第二の電位に変化し第一の電位に戻る循環変化を含み時間的に変化する励起電位を示す励起信号を供給する励起信号供給回路構成と、複数の感知素子であって、それぞれが、指が接触する対象である保護誘電最上層と、最上層の下に配置される導電性感知構造であって、感知構造は励起信号供給回路構成に連結され、励起電位に実質的に追従して時間的に変化する感知構造電位を示す導電性感知構造において、第一の電位から第二の電位への励起電位の変化が指と感知構造との間の電位差の変化をもたらす、導電性感知構造と、感知構造に接続されて、指と感知構造との間の電位差の変化に起因して感知構造が帯びる電荷に生じる変化を示す感知信号を供給する、感知回路構成と、感知回路構成に接続されて、感知信号を励起信号とタイミングに関して関係のある復調信号に結合して、感知構造が帯びる電荷の変化を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を供給する、復調回路構成と、を含む感知素子と、を含む複数の感知素子と、感知素子のそれぞれに接続されて、感知素子のそれぞれからのＤＣ信号成分に基づいて指紋パターンの表示を提供する読み出し回路構成と、を備える。

本出願の文脈では、用語「電位」は「任意の点での電界強度」を意味すると理解すべきである。

よって、時間的に変化する電位とは、基準電位に対して時間の経過とともに変化する大きさを有する電位を意味すると理解されよう。時間的に変化する励起電位は、例として、一つのパルス繰り返し周波数又は各種パルス繰り返し周波数の組み合わせを有するパルス列として供給されてもよい。そのようなパルス列の各種パルスは、例えば、矩形波パルスであってもよい。これとは別に、時間的に変化する励起電位は、一つの正弦波又は各種正弦波の組み合わせとして供給されてもよい。

感知素子は、行と列からなるアレイに有利に配置されてもよい。

各感知構造は、ある種の平行板コンデンサが、感知構造（感知板）、指表面の一部、及び保護被覆（及び、指表面の一部と指紋パターンの場所に依存する保護被覆との間に部分的に存在する可能性のある任意の空気）によって形成されるように、金属板の形態で有利に設けられてもよい。指と感知構造との間の電位差の変化から起因して感知構造によって担持される電荷の変化は、平行板コンデンサのキャパシタンスの表示であり、次いで、これは感知構造と指表面との間の距離の表示である。

保護被覆は、少なくとも２０μｍの厚さと、指紋感知装置の基底構造を摩耗及び断裂のほかＥＳＤからも保護する高い絶縁耐力を有利に有してもよい。その上更に有利なことには、保護被覆は少なくとも５０μｍの厚さであってもよい。実施形態では、保護被覆は数百μｍの厚さであってもよい。

各感知素子は、所定の順序での異なる測定状態間の遷移に及ぶ所定の測定シーケンスを実行するように制御可能であってもよい。測定状態を、感知素子に含まれる回路構成に供給される制御信号の特定の結合によって規定してもよい。

励起信号供給回路構成は、異なるライン上の二つ以上の異なる電位間を切り替わるように構成されるスイッチング回路構成を備えてもよい。これとは別に、あるいはこれと併せて、励起信号供給回路構成は、時間的に変化する励起電位を供給するように構成される少なくとも一つの信号源を備えてもよい。

励起信号供給回路構成は指紋センサ部品に含まれ、その結果、指紋センサ部品の基準電位、例えば、センサ接地電位に対して時間的に変化する励起電位を有する励起信号を供給してもよい。

これとは別に、励起信号供給回路構成は、指紋センサ部品の外部に設けられ、指紋センサ部品のための時間的に変化する基準電位として励起信号を供給するために指紋センサ部品に接続される。この場合、励起信号は、指紋感知システムを含む電子装置の装置接地電位に対して時間的に変化する励起電位を表してもよい。外部励起信号供給回路構成は、指紋センサ部品に含まれるタイミング回路構成によって生成される制御信号を用いて、制御されてもよい。

時間的に変化する感知構造電位は、励起電位の変化が感知構造電位の対応する変化をもたらすときに、励起電位に実質的に追従する。感知構造電位の変化は、励起電位の変化と正確に同時である必要はないが、励起信号供給回路構成と感知構造との間の連結の特性によってはいくぶん遅延が生じることがある。その上、励起電位と感知構造電位との間に電位シフトが生じることがあり、いくぶんかのスケーリングが生じることがある。しかし、励起電位の全体的挙動は、感知構造電位に反映される必要がある.

復調信号が励起信号とタイミングに関して関係があるということは、励起信号の第一の電位から第二の電位及び／又は第二の電位から第一の電位への上記の変化のタイミングが復調信号の電位の変化のタイミングを決定するであろうということを意味すると理解する必要がある。

いくつかの実施形態では、復調信号は、サンプリング事象を規定する短パルスであってもよい。他の実施形態では、励起信号自体が復調信号を構成してもよい。

本発明は、感知素子の動作を高速化すると、一回の感知事象中に各感知素子からの多重的な読み出しを実施して感知素子と指表面との間の局所距離を示す測定値を得ることが可能になるであろうという認識に基づくものである。これは、ひいては、例えば、信号対雑音比及び同相モードノイズの低減の観点から感知性能を向上させるであろう。

本発明者は、感知信号の望ましい情報内容（感知構造が帯びる電荷の上記の変化）がＤＣ信号又はＤＣ信号に近い信号（指紋感知システムの基準電位に対して一定の電圧）によって示されるように、感知素子内に局在する感知信号を少なくとも部分的に復調することによって、電力消費量の対応する増大を生じさせることなく、感知素子の動作の望ましい高速化を達成できることを理解している。

ＤＣ信号成分としての感知構造が帯びる電荷の変化を各感知素子から出力することによって、読み出しラインの寄生容量に対して電位の読み出しラインを上下に移動させる必要がなくなり、読み出し事象当たりのエネルギー消費が大幅に減少するようになるであろう。

このため、本発明の実施形態では、読み出し周波数を、エネルギー消費の対応する増大なしで高くし、ひいては感知性能を向上させることができ、それ自体が既知のフィルタリング法を用いて多重出力信号同士の結合を更に可能にすることにより、同相モードノイズを減少させ、信号対雑音比を増大させることができる。

これは、制御ボタン又は携帯電話のような電子装置のカバーの一部など、更に厚めの誘電被覆を通した測定を可能にする。その上、指紋センサのエネルギー消費及び／又は指紋表示（画像）を取得するのに必要な時間を減少させることができる可能性がある。

実施形態では、読み出し回路構成は、特定の感知素子又は感知素子群の数回の読み取りの時間的平均又は合計を提供するように構成されてもよい。他の実施形態では、読み出し回路構成は、複数の感知素子から上記の結合信号を（連続して、あるいは実質的に同時に）受信するように構成されてもよい。これにより、空間平均値を形成することができ、これが、例えば、雑音消去及び／又はゲイン制御に有用であることがある。

本発明の指紋感知システムの種々の実施形態では、感知回路構成は電荷増幅器を有利に含んでもよい。この電荷増幅器は、感知構造に接続される第一の入力と、励起信号供給回路構成に接続される第二の入力と、感知信号を供給する出力と、第一の入力と前記出力との間に接続される帰還コンデンサと、第一及び第二の入力と前記出力との間の少なくとも一つの増幅器段と、を備える。電荷増幅器は、第一の入力での電位が第二の入力での電位を実質的に追従するように構成される。

電荷増幅器は、第一の入力での電荷を出力での電圧に変換する。電荷増幅器のゲインは帰還コンデンサの静電容量によって決定される。

電荷増幅器は、（負の入力と呼ばれることもある）第一の入力での電位が（正の入力と呼ばれることもある）第二の入力での電位を実質的に追従するように構成されるということは、第二の入力での電位の変化が第一の入力での電位に実質的に対応する変化をもたらすことを意味すると理解する必要がある。電荷増幅器の実際の構成によっては、第一の入力での電位は第二の入力での電位と実質的に同一であってもよく、あるいは、第二の入力と第一の入力との間に実質的に一定の電位差が生じてもよい。例として、電荷増幅器が１段増幅器として構成される場合、電位差はセンストランジスタのゲート・ソース電圧になるであろう。

なお、電荷増幅器の出力は帰還コンデンサに直接接続される必要はなく、出力と帰還コンデンサとの間に追加回路構成を設けてもよい。この回路構成は感知素子の配列の外側に配置されることもあり得る。

実施形態によれば、復調回路構成は、感知信号を復調信号とともに逓倍する信号逓倍回路構成を備えてもよい。

感知信号及び復調信号を逓倍することにより、感知構造が帯びる電荷の変化を、所望のＤＣ信号成分として数学的に分離することができ、指紋感知システムでの信号の移送及び加工を容易にすることが可能となる。

信号逓倍回路構成は、二つの信号（感知信号及び復調信号）の瞬間電圧をともに逓倍し、その出力信号をその瞬間ごとに生成することが可能なものであれば、いかなる回路構成でもよい。

信号逓倍回路構成の例には、乗算器ミキサ又はスイッチングミキサのような異なる種類のミキサが挙げられる。

また、相関二重サンプリング用サンプラを、負パルス及び正パルスを有する復調信号を感知信号とともに逓倍する信号逓倍回路構成として数学的に考慮してもよい。

復調回路構成は、高周波化した周波数成分を除去しながらＤＣ信号成分が通過できるようにするローパスフィルタを更に備えてもよい。これとは別に、あるいはこれに併せて、ローパスフィルタを、感知素子が出力する結合信号を低域フィルタリングする感知素子の外部に設けてもよい。ローパスフィルタは読み出し回路構成に含まれてもよい。

種々の実施形態では、感知素子と読み出し回路構成とを相互接続する読み出しラインが、隣接する読み出しライン間及び読み出しラインとアース端子及び／又は供給電圧レールのような指紋センサ部品の他の構成との間の寄生容量のために、ローパスフィルタとして動作してもよい。

読み出しライン及びそれらの関連する寄生容量が、感知素子が供給する結合信号のための適切なローパスフィルタとして動作できるようにするために、各感知素子は１０μΑより低い最大出力電流を提供するように構成されてもよい。

ほぼ１〜１０ｐＦ程度の出力の寄生容量をもたらす典型的なＣＭＯＳ設計と、各感知素子からのほぼ１０〜１００ＭＨｚ程度である読み出し周波数とに対しては、最大出力電流が１０μΑより低いと、一つ（又は複数）の読み出しラインがローパスフィルタ（の一部）として機能することが可能となるであろう。

これにより、高周波化した周波数成分を、各感知素子と読み出し回路構成との間で、充分に減衰させることができ、所望のＤＣ信号成分のみが実質的に読み出し回路構成に残ることになる。これは、指紋センサ設計を簡素化するほか、エネルギー消費を低くする。

種々の実施形態によれば、電荷増幅器に含まれる増幅器段は、第一の入力を構成するゲートを有するセンストランジスタを備えてもよい。センストランジスタは半導体基板のウェルに形成されてもよく、ウェルと基板との間のインタフェースが、ウェルと基板との間を電流が流れるのを防ぐことができるように構成される。更に、励起信号供給回路構成は、ウェルに接続されて、第三の電位と第四の電位との間の差が上記の第一の電位と第二の電位との間の差と実質的に等しい状態で、ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変化させ、これにより感知構造とウェルとの間の寄生容量の影響を軽減してもよい。

半導体基板は、有利にドープ半導体基板であってもよく、ウェルは半導体基板に対して反対の極性にドープされた基板の一部であってもよい（半導体基板がｐドープされた場合、ウェルはｎドープされてもよく、半導体基板がｎドープされた場合、ウェルはｐドープされてもよい）。これは、ウェルと、ウェルと基板との間を電流が流れるのを防ぐことができるように構成される基板との間のインタフェースを達成する一つの方法である。特に、ウェル及び基板は、基板とウェルとの間のインタフェースに形成されるダイオードを通って電流が流れない程度の電位に維持してもよい。

これとは別に、絶縁層を、例としてガラスの薄層の形態で基板とウェルとの間に設けてもよい。そのような絶縁層はほかにも、電流がウェルと基板との間を流れるのを防ぐであろう。

本発明の実施形態では、指紋感知装置の感知構造と半導体構造との間の寄生容量の影響は、電荷増幅器のセンストランジスタが形成されるウェルの電位を変化させるように構成される励起信号供給回路構成を設けることによって大幅に軽減させることができる。これにより、感知構造とセンストランジスタ（電荷増幅器の入力段）との間の接続に隣接する半導体構造であるウェルの電位は、感知構造の電位を追従するように制御され、感知構造と指との間の静電容量の測定に関連する時点に少なくとも、ウェルと感知構造との間の電位差が実質的に一定に維持されるようにすることができる。

種々の実施形態によれば、更に、指紋感知装置は、感知構造と基板との間に配置される遮蔽構造を更に備えてもよい。励起信号供給回路構成は、遮蔽構造に更に接続され、第五の電位と第六の電位との間の差が上記の第一の電位と第二の電位との間の差と実質的に等しい状態で、遮蔽構造の電位を第五の電位から第六の電位に変化させるように構成されてもよい。

これにより、感知構造は、金属層の接続ライン及び／又は半導体基板に形成される接続ライン及び／又は半導体回路構成のような、感知素子の下に配置される可能性のある他の部品から効果的に遮蔽される可能性がある。これは、感知素子の寄生容量の影響を更に低減するであろう。

第五の電位は上記の第三（及び／又は第一）の電位と有利に等しくてもよく、第六の電位は上記の第四（及び／又は第二）の電位と有利に等しくてもよい。例えば、遮蔽構造（板）は有利に、ウェルに直接伝導的に接続されてもよい。

実施形態の第一のセットによれば、センストランジスタはＮＭＯＳトランジスタ又はＰＭＯＳトランジスタであってもよく、ウェルはｐウェル又はｎウェルであってもよい。

実施形態の第二のセットによれば、ｐウェル及び／又はｎウェルを励起信号供給回路構成に接続されているウェルに形成してもよい。少なくとも一つのｐウェル及び少なくとも一つのｎウェルをウェルに形成した場合、このウェルはｉｓｏウェルと呼ばれることがある。

更に、ウェルは複数の感知素子に共通のものであってもよい。例として、ウェルは、いくつかの感知素子のｎウェル及びｐウェルを取り囲むｉｓｏウェルであってもよい。励起信号供給回路構成は、ｉｓｏウェルに接続され、ウェルの内部に形成される一つ（又は複数）のｉｓｏウェルに接続され、ｉｓｏウェル及びｉｓｏウェルの内部に形成される一つ（又は複数）のウェルの電圧を変化させるように構成される。

種々の実施形態によれば、感知素子のそれぞれは、タイミング回路構成であって、励起信号供給回路構成に接続されて、第一の励起制御信号を励起信号供給回路構成に供給して、第一の励起遷移時間での指と感知構造との間の電位差の第一の変化を引き起こし、第二の励起制御信号を励起信号供給回路構成に供給して、第二の励起遷移時間での指と感知構造との間の電位差の第二の変化を引き起こす、タイミング回路構成を備えてもよい。

種々の実施形態によれば、更に、前記感知素子のそれぞれは、帰還コンデンサを放電するように制御可能なリセット回路構成と、リセット回路構成に接続されて、帰還コンデンサが放電されるリセット状態と帰還コンデンサが充電されて感知構造が帯びる電荷の変化の測定が可能になる測定レディ状態との間でリセット回路構成を制御するタイミング回路構成と、を更に備えてもよい。

各感知素子又は感知素子群内にタイミング回路構成を局所的に設けることにより、感知素子又は感知素子群に含まれる回路構成のタイミング制御の少なくとも一部を、各感知素子又は感知素子群で局所的に制御してもよい。

このため、タイミング回路構成は、非同期式又は同期式あるいはその組み合わせであることがある局所状態機械として機能するということが言える。

測定状態間の少なくとも最も緊急を要する一つ（あるいは複数）の遷移のタイミングを局所化することにより、測定に利用できる時間を（任意の読み出し周波数に対して）増大させたり、及び／又は容量性指紋感知装置の設計を容易にしたりできる。例として、一定のタイミング制御信号の各感知素子へのルート設定を慎重に実施する必要はないであろうが、特定の感知素子又は感知素子群を選択する外部信号によってタイミングを開始することができる。

このため、本発明のこのような実施形態は、読み出し周波数を高くし、ひいては測定性能を向上させることができ、更に（例えば、フィルタリングを経て）多重出力信号同士の結合を可能にすることにより、同相モードノイズを減少させ、信号対雑音比を増大させるということの実現を更に容易にする。

タイミング回路構成は、第一の事象と第一の事象に対する時間遅延とによって規定される遷移時間に第一の測定状態から第二の測定状態に遷移するように感知素子を制御する少なくとも第一の遅延素子を有利に備えてもよい。第一の遅延素子は、第一の事象を規定する第一の信号を受信する入力と、第一の測定状態から第二の測定状態への遷移を規定する第二の信号を供給する出力と、を有する。

第一の信号は時間的に変化する電圧であってもよく、第一の事象は、例として、第一の信号の立ち上がり面又は立ち下がり面によって規定されてもよい。

第一の信号は感知素子の内部で生成されてもよく、あるいは、種々の実施形態によれば、感知素子の外部で生成され、起動信号又は選択信号などと称されることがある信号として供給されてもよい。

第二の信号は、第一の信号の遅延バージョンとしてもよい。しかし、遅延以外の変換を第一の信号に付与して第二の信号を形成してもよいことを理解すべきである。例として、第一の信号を、追加的に増幅及び／又は減衰及び／又は反転して第二の信号を形成してもよい。

第一の遅延素子は、一つ以上の論理ゲートのような半導体回路構成を有利に備えてもよい。

本発明の種々の実施形態による容量性指紋感知システムは、電子装置に有利に含まれてもよい。電子装置は、処理回路構成であって、指紋パターンの表示を指紋感知装置から取得し、表示に基づいてユーザを認証し、表示に基づいてユーザが認証された場合にのみ少なくとも一つのユーザ要求処理を実施する、ように構成される処理回路構成、を更に備えてもよい。電子装置は、例えば、携帯電話又はタブレットのような携帯用通信装置、コンピュータ、あるいは腕時計又はそれに類似する装置のような装着型電子部品であってもよい。

本発明の第二の態様によれば、励起信号供給回路構成と複数の感知素子とを備える容量性指紋感知システムを用いて指の指紋パターンを感知する方法が提供される。各感知素子は、指が接触する対象である保護誘電最上層と、最上層の下に配置される導電性感知構造と、感知構造に接続されて、指と感知構造との間の電位差の変化に起因して感知構造が帯びる電荷に生じる変化を示す感知信号を供給する、感知回路構成と、を含む。この方法は、励起信号供給回路構成を用いて、励起信号を指及び感知構造の少なくともいずれかに供給し、指と感知構造との間の時間的に変化する電位差を提供する工程と、指紋感知システムによって、励起信号とタイミングに関して関係のある復調信号を供給する工程と、指紋感知システムによって、復調信号と感知信号を結合して、感知構造が帯びる電荷の変化を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を供給する工程と、感知素子の外部の読み出し回路構成を用いて、感知素子のそれぞれからのＤＣ信号成分に基づいて指紋パターンの表示を供給する工程と、を含む。

本発明の上記以外の実施形態及び本発明の第二の態様から得られる効果は、本発明の第一の態様に対するこれまでの記載と大部分類似している。

要約すれば、本発明は、励起信号供給回路構成と複数の感知素子とを備える容量性指紋感知システムに関する。各感知素子は、保護誘電最上層と、励起信号に結合された導電性感知構造であって、指と感知構造との間の電位差の変化に起因して感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給する導電性感知構造と、感知回路構成に接続されて、感知信号と励起信号にタイミング的に関係する復調信号とに結合して、感知構造が帯びる電荷の変化を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を供給する復調回路構成と、を含む。指紋感知システムは、感知素子のそれぞれに接続されて、感知素子のそれぞれからのＤＣ信号成分に基づいて指紋パターンの表示を提供する読み出し回路構成、を更に備える。

上記の態様をはじめとする本発明の態様を、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して、更に詳細に以下に説明する。ここで、
図１は、指紋感知システムを備える携帯電話の概略図である。 図２は、図１の指紋感知システムの概略図である。 図３は、感知素子の構成と感知素子から読み出し回路構成への感知信号の伝達とを図示する回路図を用いて、先行技術による指紋感知装置の例を図示する図２の指紋感知システムの一部の概略断面図である。 図４ａは、本発明の指紋感知システムの第一の実施形態を図示する図２の指紋感知システムの一部の概略断面図である。 図４ｂは、図４ａの指紋感知装置で用いられる復調回路構成の例の回路図である。 図５ａ‐ｂは、本発明の第二の実施形態による感知システムに含まれる感知素子の概略図である。 図５ａ‐ｂは、本発明の第二の実施形態による感知システムに含まれる感知素子の概略図である。 図６は、感知回路構成及び復調回路構成を含み、図５ｂに示される感知素子の一部の概略回路図である。 図７は、図６の容量性指紋感知システムのための測定シーケンスの例を図示するタイミング図である。 図８は、図６の感知素子によって実行される測定シーケンスのタイミングを制御するタイミング回路構成の例の概略図である。 図９は、図８のタイミング回路構成に含まれる遅延素子の回路図である。 図１０ａ‐ｂは、本発明の指紋感知システムの第三の実施形態の概略図である。 図１０ａ‐ｂは、本発明の指紋感知システムの第三の実施形態の概略図である。 図１１は、励起信号供給回路構成が配置され、指紋センサ要素の基準電位を上下させるように構成される実施形態の概略図である。

この詳細な説明では、本発明による指紋感知装置及び指紋感知方法の種々の実施形態が容量性指紋感知装置を参照して主に説明される。この容量性指紋感知装置では、各感知素子が、励起信号又は駆動信号を感知構造に供給する励起信号供給回路構成を備える。更に、容量性指紋感知装置は、静止した指から指紋表示を獲得するように寸法が決められ構成されるタッチセンサとして図示される。

なお、このことは、決して本発明の範囲を限定せず、例えば、指電位と感知構造電位との間の電位差の変化が、指紋感知システムを含む電子システムの基準電位に対して指紋センサ部品の局所接地レベルのような基準電位を制御することによって代わりにもたらされる容量性指紋感知システムを同じように良好に含む。動く指から指紋表示を獲得するための、いわゆるスワイプセンサ（又はラインセンサ）のような他のセンサアレイ構成もまた、添付の請求の範囲で定義されるように、本発明の範囲内である。また、タッチセンサが添付図面に図示される寸法以外の寸法を有してもよい。

図１は、本発明の例示的実施形態による指紋感知装置の適用例を指紋感知装置２が組み込まれた携帯電話１の形態で概略的に示す。指紋感知装置２は、例えば、携帯電話１のロックを解除するため、及び／又は携帯電話を用いて実行される処理を認証するため等に用いられてもよい。

図２は、図１の携帯電話１に含まれる指紋感知装置２を概略的に示す。図２に示すように、指紋感知装置２は、センサアレイ５、電源インタフェース６及び通信インタフェース７を備える。センサアレイ５は、多数の感知素子８（図面が乱雑になるのを避けるために、一つの感知素子のみに参照記号を付して示す）を備える。感知素子８はそれぞれ、感知素子８に含まれる感知構造（天板）とセンサアレイ５の上面に接触する指の表面との距離を感知するよう制御可能である。

電源インタフェース６は、ここでは接着パッドとして示され、供給電圧Ｖ_supplyを指紋センサ２に接続する第一の接触パッド１０ａ及び第二の接触パッド１０ｂを備える。

通信インタフェース７は、指紋センサ２の制御を可能にし、指紋センサ２から指紋データを取得する多数の接着パッドを備える。

図３は、先行技術による指紋感知システムの一部の図２のＡ‐Ａ’線による概略断面図であり、指１１がセンサアレイ５の上面に置かれている。指紋感知システムは複数の感知素子８を備え、各感知素子８は、保護誘電最上層１３と、ここでは保護誘電最上層１３の下の金属板１７の形態の導電性感知構造と、電荷増幅器１８と、感知素子８の選択／起動を可能にする簡素な選択スイッチ２１としてここでは機能的に図示される選択回路構成と、図３に概略的に図示するように指に励起信号を供給する励起信号供給回路構成１９と、を備える。

電荷増幅器１８は、感知構造１７に接続される第一の入力（負の入力）２５と、励起信号供給回路構成１９に接続される第二の入力（正の入力）２６と、出力２７と、を有する演算増幅器（オペアンプ）２４としてここでは概略的に図示される少なくとも一つの増幅器段を備える。更に、電荷増幅器１８は、第一の入力２５と出力２７との間に接続される帰還コンデンサ２９と、ここではスイッチ３０として機能的に図示され、帰還コンデンサ２９の放電を制御可能にするリセット回路構成と、を備える。電荷増幅器１８は、帰還コンデンサ２９が放電するようにリセット回路構成３０を動作させることによってリセットされてもよい。

オペアンプ２４にはよくあることであるが、第一の入力２５での電圧は、第二の入力２６に印加される電圧に追従する。特定の増幅器構成によっては、第一の入力２５での電位は第二の入力２６での電位と実質的に同一であるか、第一の入力２５での電位と第二の入力２６での電位との間に実質的に固定されたオフセットがあってもよい。

時間的に変化する電位を指１１に供給することによって、感知構造１７と指１１との間に時間的に変化する電位差が生じる。

更に詳細に以下に記載するように、指１１と参照構造１７との間の電位差の上記変化によって、電荷増幅器１８の出力２７に感知信号Ｖ_sが生じる。

指示された感知素子８が感知のために選択されると、選択スイッチ２１は閉じられて電荷増幅器の出力を読み出しライン３３に接続する。図２のセンサアレイ５の行又は列のための共通読み出しラインであってもよい読み出しライン３３は、マルチプレクサ３６に接続されるように図３に示される。図３に概略的に示すように、センサアレイ５の他の行／列から感知信号を発する追加読み出しラインがこのほか、マルチプレクサ３６に接続される。

感知素子８からの感知信号Ｖ_sは、感知素子の配列の外側に配列されるサンプルホールド回路構成３７によって復調される。サンプルホールド回路構成３７の出力は、サンプルホールド回路構成によって出力されるアナログＤＣ電圧信号を指１１の指紋パターンのデジタル表示に変換するアナログ・デジタル変換器３８に接続される。

図３に概略的に示すように、読み出しライン３３とアース端子との間に寄生容量Ｃ_pがある。感知信号Ｖ_sを読み出しライン３３に沿って伝送する場合、読み出しライン３３を駆動して寄生容量Ｃ_pに対して電位を上下させるのに一定の電流が必要とされる。この電流は周波数に依存する。既知の容量性指紋感知装置で用いられるほぼ１ＭＨｚ程度の読み出し周波数を用いると、読み出しラインの寄生容量による電力消費量は、寄生容量がほぼ１ｐＦ程度になるように感知装置が適切に設計されているのであれば、受け入れ可能であると考えられる。しかし、読み出し周波数がおよそ２０ＭＨｚ以上に大幅に上昇した場合には、寄生容量Ｃ_pによる電力消費量は相当なものになるであろう。

本発明の種々の実施形態では、読み出しライン３３の寄生容量に起因する上記の電流消費を増大させることなく、読み出し周波数を増大させることができる。

ここで、本発明の指紋感知システムの第一の実施形態を図４ａ及び図４ｂを参照して説明する。

図４ａの指紋感知システムは、励起信号供給回路構成１９が感知構造１７に連結される点と、各感知素子がここでは復調器３１の形態の復調回路構成と復調信号供給回路構成３２とを更に備える点とで、図３を参照して記載されたものと主に異なる。

指１１は、「接地」されている状態が図４ａに概略的に示されている。指「接地」はセンサ接地とは異なることがあることを理解されたい。例として、指は容量性指紋感知システムを含む電子装置の接地電位であってもよい。これとは別に、身体は、参照構造１７の電位が変化するときに指の電位が実質的に一定の状態を維持するほど大きな電気的「質量」を有していると考えることができる。

復調信号供給回路構成３２は励起信号供給回路構成１９に接続されて、励起信号供給回路構成によって出力される励起信号に基づいて復調信号を供給している。復調信号はタイミングに関して励起信号に関連づけられており、ひいては電荷増幅器１８によって出力される感知信号Ｖ_sにタイミングに関して関連づけられる。

復調器３１は電荷増幅器１８の出力２７と復調信号供給回路構成３２とに接続されて、感知信号を復調信号に結合して、指１１の電位と感知構造１７の電位との間の電位差の度重なる変化に起因して感知構造１７が帯びる電荷に生じる上記の変化を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を発する。

いくつかの実施形態では、復調信号供給回路構成３２を全く必要としないことがあるが、励起信号は感知信号Ｖ_sとの結合のために復調器３１に直接供給されてもよい。他の実施形態では、復調信号供給回路構成は、励起信号に対するタイミング関係を有する一つ又はいくつかの復調信号を生成してもよい。二重サンプラの形態の復調器に対するサンプリング制御信号を生成するタイミング回路構成の形態の復調信号供給回路構成３２の一例を、図５ａ、図５ｂ、図６、図７及び図８を参照して以下で更に説明する。

感知素子８の構成及び励起信号の波形によっては、復調器３１は、当業者に知られている様々な方法で実装されてもよい。原則として、ＡＭ復調のために開発された適切なミキサまたは復調器はいずれも、本発明による指紋感知システムの感知素子での使用に適合するものであってもよい。

図４ｂは、感知信号Ｖ_sを受信する第一の入力３５と、励起信号供給回路構成１９から励起信号を受信する第二の入力３７と、感知構造１７が帯びる電荷の変化を示し、ひいては感知構造１７と指１１との間の（電気的）距離を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を発する出力３８と、を有する簡素な復調回路構成（ミキサ）３１の回路図である。

図５ａ及び図５ｂは、本発明の第二の実施形態による容量性指紋感知システム２に含まれる感知素子８を概略的に示す。

まず、図５ａを参照すると、図２のセンサアレイ５からの一つの感知素子８がその周囲の素子とともに示される。一つ（または複数）の感知素子８であって、その感知構造と指３１との間の容量結合を感知するための感知素子８は、行選択回路構成及び列選択回路構成からの起動信号を用いて選択されてもよい。そのような起動信号はＲ-ＡＣＴ及びＣ-ＡＣＴとして図５ａに示される。

図５ｂを参照すると、容量性指紋感知システム２の各感知素子８は、（図４の電荷増幅器１８、励起信号供給回路構成１９及び復調器３１のような）感知回路構成５０と、タイミング回路構成５１と、を備える。

感知回路構成５０は、感知構造（板）１７に接続されて、指１１と感知構造１７との間の電位差の変化に起因して感知構造１７が帯びる電荷に生じる変化を測定する。この測定は、一連の測定状態を経る遷移を含む測定シーケンスを実行することによって実施される。測定シーケンスの一例を図６及び図７を参照して以下で更に詳細に説明する。感知回路構成５０は、復調器によって読み出しライン３３へ供給される上記の結合信号を発する出力を有する。

タイミング回路構成５１は感知回路構成５０に接続されて、測定状態の少なくとも一つのタイミングを制御する。

タイミング回路構成５１は、図５ｂに概略的に図示するように、感知素子８の測定動作を始動させる一つ又はいくつかの制御信号を受信してもよい。例として、上記の行起動信号Ｒ-ＡＣＴ及び列起動信号Ｃ-ＡＣＴはタイミング回路構成５１によって受信されてもよい。その後、タイミング回路構成５１は図５ｂの矢印によって概略的に示すように、種々のタイミング制御信号を独立して電荷測定回路構成５０に供給してもよい。

測定シーケンスに含まれる測定状態の少なくとも一つのタイミングのこの局所的制御を経て、測定状態間の遷移のタイミングは、更に正確及び／又は均一に制御されることから、遷移間の時間が更に短縮され、ひいては測定周波数が上昇するという効果がある。

図５ｂの感知回路構成５０の一例を図６に更に詳細に示す。タイミング回路構成５１が発する制御信号（起動信号ＡＣＴ、リセット信号ＲＳＴ、駆動制御信号ＤＲＶ、第一のサンプリング制御信号Ｓ１及び第二のサンプリング制御信号Ｓ２）を図６に矢印で示す。

図６の感知回路構成５０は、電荷増幅器１８と、ここでは制御可能電源１９によって表される励起信号供給回路構成と、サンプルホールド回路構成７４の形態の復調器と、を備える。

図３の感知素子８について上記で説明したように、図６の感知回路構成５０の電荷増幅器は、負の入力２５、正の入力２６、出力２７、帰還コンデンサ２９、及び増幅器２４を備える。

負の入力２５は感知構造（板）１７に接続され、出力２７は感知素子８に含まれるサンプルホールド回路構成７４に接続される。

帰還コンデンサ２９は負の入力２５と出力２７との間に接続され、電荷増幅器１８の増幅を規定する。感知素子８は、帰還コンデンサ２９と並列のリセットスイッチ３０を更に備える。

正の入力２６は、直接接地されるか別の基準電位に接続されるのではなく、制御可能電源１９に接続される。

サンプルホールド回路構成７４は、第一のサンプリングコンデンサ７５、第一のサンプリングスイッチ７６及び第一の出力７７、第二のサンプリングコンデンサ７９、第二のサンプリングスイッチ８０及び第二の出力８１を備える。

差動増幅器８２には、第一の出力７７に接続される正の入力と、サンプルホールド回路構成７４の第二の出力８１に接続される負の入力と、がある。差動増幅器８２の出力は読み出しライン３３に接続される。

図７は、図６の感知素子８のための例示的測定シーケンスを図示する。測定シーケンスでの測定状態間の遷移を感知素子８内で局地的に制御することにより、図７に図示する測定シーケンス又は別の適切な測定シーケンスを更にかなり速く実行することができ、いっそう速い読み出し及び／又は各感知素子からの複数回の読み取りが可能になるため、測定性能が向上することになる。

図７を参照すると、その図に示されるタイミング図は、上から下に向かって、起動信号ＡＣＴ、駆動（励起）制御信号ＤＲＶ、リセット信号ＲＳＴ、第一のサンプリング制御信号Ｓ１、及び第二のサンプリング制御信号Ｓ２を備える。

タイミング図の下には、上記の測定シーケンスをともに形成する測定状態Ｓ₀〜Ｓ₉のシーケンスが概略的に示される。

図６の感知素子８の起動のために、感知素子８を示す行選択信号及び列選択信号が典型的に供給されてもよい。図７の簡素かつ概略的なタイミング図では、そのような選択信号を単一の起動信号ＡＣＴによって表す。

第一の時間ｔ₁では、感知素子８は起動信号ＡＣＴの低から高への遷移によって起動される。これは、例えば、増幅器３９の起動にまで及んでもよい。時間ｔ₁と実質的に同一の時点では、タイミング回路構成５１によって励起信号供給回路構成１９に供給される駆動（励起）制御信号ＤＲＶは低から高へ向かうように制御される。

このため、時間ｔ₁では、測定シーケンスの「休止」状態Ｓ₀から第一の測定状態Ｓ₁への遷移がみられる。

励起信号を感知構造１７に印加すると、感知構造１７が帯びる電荷が変化することになる。電荷増幅器の出力が安定することが可能になるある程度の時間が経過したのち、時間ｔ₂にリセット信号ＲＳＴを供給してリセットスイッチ３０を閉じることにより、帰還コンデンサを放電し、電荷増幅器１８の出力２７での電位の基準を感知構造（板）１７の電位とする。

リセット信号の第一の立ち上がりを設けることにより、第一の測定状態Ｓ₁から第二の測定状態Ｓ₂（リセット状態）に遷移する。

リセットスイッチ３０は時間ｔ₃で解除（再度開放を許可）され、これにより、第三の測定状態Ｓ₃（測定レディ状態）に遷移する。

時間ｔ₄では、第四の測定状態Ｓ₄への遷移が認められる。ここでは、第一のサンプリング制御信号Ｓ１が低から高に変わり、電荷増幅器１８の出力２７での感知信号をサンプリングするようにサンプルホールド回路４１を制御する。

時間ｔ₅では、第五の測定状態Ｓ₅への遷移が認められ、第一のサンプリング制御信号Ｓ１が高から低に変わる。

次に、時間ｔ₆では、駆動信号ＤＲＶは高から低に変わり、指１１と感知構造１７との間の電位差を変化させる。これは、図７に概略的に示すように、第六の測定状態Ｓ₆への遷移でもある。

時間ｔ₇では、第七の測定状態Ｓ₇への遷移が認められる。ここでは、第二のサンプリング制御信号Ｓ２は低から高に変わり、電荷増幅器１８の出力２７での感知信号を二度サンプリングするようにサンプルホールド回路７４を制御する。

時間ｔ₈では、第二のサンプリング制御信号Ｓ２が高から低に変わる第八の測定状態Ｓ₈への遷移がみられる。

最後に、時間ｔ₉では、第九の測定状態Ｓ₉への遷移がみられる。ここでは、感知素子８は停止され、駆動信号ＤＲＶが再度低から高に変わる。第九の測定状態Ｓ₉は初期の「休止」状態Ｓ₀と同一である。

電荷測定回路構成５０は、図６の矢印によって概略的に示すように、上記の各種制御信号（起動信号ＡＣＴ、リセット信号ＲＳＴ、駆動制御信号ＤＲＶ、第一のサンプリング制御信号Ｓ１及び第二のサンプリング制御信号Ｓ２）を用いて図７を参照して上記で説明した測定シーケンスを実行するように制御される。図４を参照して記載される測定シーケンスが実行されている場合、サンプルホールド回路７４の第一の出力７７と第二の出力８１との間の電位差は、感知構造１７と指１１との間の容量結合を示すであろう。この電位差は差動増幅器８２を介して出力ライン３３に提供される。

上記の例示的実施形態では、復調回路構成はサンプルホールド回路７４によって形成され、電荷の変化を示すＤＣ信号成分は、電荷増幅器１８の出力２７での感知信号をサンプリング制御信号Ｓ１及びＳ２に結合することによって提供される。サンプリング制御信号は励起信号とタイミングに関して関連づけられ、タイミング回路５１の形態の復調信号供給回路構成によって生成される。

なお、図６の回路図は、本発明の実施形態の説明を容易にするために簡略化されている。例として、感知素子８の出力でのレベルシフトが省略されている。もっとも、レベルシフトの実行は当業者にとって容易なことである。更に、レベルシフタの簡略な例を、図１０ａを参照して以下で説明する。

図８を参照して、図５ｂのタイミング回路５１の例示的構成をここで説明する。図６ｂに示すように、タイミング回路５１は、第一のＡＮＤゲート８３、第一の遅延素子８４、第二の遅延素子８５、第二のＡＮＤゲート８６、第一のインバータ８７、第三の遅延素子８８、第四の遅延素子８９、第三のＡＮＤゲート９０、第二のインバータ９１、第五の遅延素子９２、第六の遅延素子９３、第四のＡＮＤゲート９４、第三のインバータ９５、第七の遅延素子９６、第八の遅延素子９７、第五のＡＮＤゲート９８、及び第四のインバータ９９を備える。

図８に概略的に示すように、行起動信号Ｒ‐ＡＣＴ及び列起動信号Ｃ‐ＡＣＴは第一の論理ＡＮＤゲート８３に入力される。また、図６を参照すると、第一のＡＮＤゲート８３の出力は、上記の起動信号ＡＣＴとして感知回路構成５０の増幅器２４に供給され、第一の遅延素子８４の入力に供給され、第四のＡＮＤゲート９４に供給される。第一の遅延素子８４の出力は、第二のＡＮＤゲート８６に供給され、第二の遅延素子８５の入力に供給される。第二の遅延素子８５の出力は、第一のインバータ８７を介して第二のＡＮＤゲート８６に供給され、第三の遅延素子８８の入力に供給され。第三の遅延素子８８の出力は、第三のＡＮＤゲート９０の入力に供給され、第四の遅延素子８９の入力に供給される。第四の遅延素子８９の出力は、第二のインバータ９１を介して第三のＡＮＤゲート９０に供給され、第五の遅延素子９２の入力に供給される。第五の遅延素子９２の出力は第六の遅延素子９３の入力に供給される。第六の遅延素子９３の出力は、第三のインバータ９５を介して第四のＡＮＤゲート９４に供給され、第七の遅延素子９６の入力に供給される。第七の遅延素子９６の出力は、第八の遅延素子９７の入力及び第五のＡＮＤゲート９８の入力に供給される。最後に、第八の遅延素子９７の出力は第四のインバータ９９を介して第五のＡＮＤゲート９８の入力に供給される。

図６の感知回路構成５０及び図８のタイミング回路５１を備える感知素子８が行起動信号Ｒ‐ＡＣＴも列起動信号Ｃ‐ＡＣＴも高に設定することによって選択された場合、感知素子８に対する起動信号ＡＣＴは（図７の時間ｔ₁で）高になる。第一のＡＮＤゲート８３からの出力は、第一の遅延素子８４を通過し、第一の時間遅延ΔＴ₁だけ遅延し、起動信号ＡＣＴの第一の遅延バージョンを第二のＡＮＤゲート８６に供給する。

第一の時間遅延ΔＴ₁は図７のｔ₂‐ｔ₁に相当し、第一の測定状態Ｓ₁の持続時間を規定する。

また、第一の遅延素子８４からの出力は、第二の遅延素子８５の入力に提供され、遅延して起動信号ＡＣＴの第二の遅延バージョンを提供する。

起動信号ＡＣＴの第二の遅延バージョンは、第一のインバータ８７を介して第二のＡＮＤゲート８６の入力に提供され、第二のＡＮＤゲート８６の出力にリセット制御信号ＲＳＴをもたらす。

第二の時間遅延ΔΤ₂は、図７のｔ₃‐ｔ₂に相当し、第二の測定状態Ｓ₂（ここではリセット制御信号ＲＳＴは高）の持続時間を規定する。

タイミング回路５１の残りの部分は同一の方法で動作し、このとき遅延素子は図７のタイミング図に示される制御信号が達成されるように構成される。

このため、第三の時間遅延ΔΤ₃は図７のｔ₄‐ｔ₃に相当し、第三の測定状態Ｓ₃の持続時間を規定する。第四の時間遅延ΔΤ₄は図７のｔ₅‐ｔ₄に相当し、第四の測定状態Ｓ₄などの持続時間を規定する。

なお、タイミング回路５１は、遅延素子と、感知素子に含まれる電荷測定回路構成の測定状態のタイミングを局所的に制御する論理ゲートと、の併用の動作原理を図示する簡略化された例である。タイミング回路構成は、実際の実装状態によっては、信号整形及び／又はタイミングなどのための追加または他の回路構成を備えてもよい。当業者は、本明細書の記載に基づいて、不当な負担なく、タイミング回路の適切な実装を設計することができるであろう。

なお、特定の実施形態によっては、更に少ないか追加のタイミング制御信号をタイミング回路構成５１から感知回路構成５０に独立して供給してもよい。

図９は、図８のタイミング回路構成５１に含まれることがある遅延素子１００の説明に役立つ実例を示す。

遅延素子１００は、第一のＣＭＯＳインバータ１０１と、直列に接続される第二のＣＭＯＳインバータ１０２と、を備える。この遅延素子の時間遅延は、遅延素子１００に含まれる構成要素の寸法設定に左右されるため、遅延素子の設計時に設定できるであろう。遅延時間を更にかなり長くすることが望まれるのであれば、追加のＣＭＯＳインバータを直列に連結できる。

ここで、図２の指紋感知システム２の第三の実施形態を図１０ａ及び図１０ｂを参照して説明する。図１０ａ及び図１０ｂの実施形態は、感知素子８の寄生容量の影響を除去するか少なくとも大幅に減少させ、ひいては感知素子８の高周波数での動作を促進するためのものである。

図１０ａは、ドープ半導体基板上に形成される図２の感知素子８の実施形態を、一部を概略構成図、一部を概略回路図として示したものである。保護誘電体層１３、感知板１７、遮蔽板６５、及び基準板６６は分解斜視図の形で概略的に示されるのに対し、電荷増幅器１８はトランジスタレベル回路図の形で図示される。

図１０ａに示すように、この簡略な電荷増幅器１８の例は、センストランジスタ６８、カスコードトランジスタ６９、リセットトランジスタ３０の形態のリセット回路構成、及びバイアス電流源７１を備える。センストランジスタ６８、カスコードトランジスタ６９、及びリセットトランジスタ３０はいずれも、同一のウェル７３（ｎウェル、ｐウェル又はｉｓｏウェル）に形成される。

図１０ａの部品と接続の理解を助けるため、同一の概略構成を更に抽象的なレベルで図１０ｂにも示す。ここでは、図１０ａのトランジスタ回路構成は、感知板１７に接続される負の入力２５と、ここではパルス発生器の形態である励起信号供給回路構成１９に接続される正の入力２６と、指１１と感知板１７との間の電位差の変化に起因して感知板１７が帯びる電荷に生じる変化を示す感知信号Ｖ_sを発する出力２７と、を有する電荷増幅器を表す一般的な記号に置き換えられる。上記で説明したように、指１１と感知板１７との間の電位差の変化は、パルス発生器１９が電荷増幅器を介して感知板１７に印加する電位が変化することに起因するものである。感知板１７及び基準板６６によって形成される帰還コンデンサを電荷増幅器の負の入力２５と出力２７との間に接続する。なお、電荷増幅器の一般的な機能性は、当業者には周知のことである。図１０ｂはこのほか、ウェル７３が励起信号供給回路構成１９に接続される状態を概略的に示す。

図１０ａに戻ると、センストランジスタ６８のゲートが電荷増幅器の負の入力２５を構成し、センストランジスタ６８のソースが電荷増幅器の正の入力２６を構成することがわかる。電荷増幅器の正の入力２６は遮蔽板６５に接続され、ひいてはセンストランジスタ６８が形成されるウェル７３に接続され、パルス発生器１９に接続される。

感知素子８は、駆動トランジスタ７５、駆動制御スイッチ７６、及びリセット制御スイッチ７７を更に備える。駆動制御スイッチ７６は、駆動トランジスタ７５のゲートがパルス発生器１９に接続される第一の状態と駆動トランジスタ７５のゲートがセンサ接地に接続される第二の状態との間で制御可能である。駆動制御スイッチ７６がその第一の状態にある場合、駆動トランジスタ７５は通電状態であるため、感知構造１７をパルス発生器１９に直接接続するであろう。駆動制御スイッチがその第二の状態にある場合、駆動トランジスタ７５は非通電状態になるであろう。このため、後者の場合、駆動トランジスタ７５を経て感知構造１７とパルス発生器１９とが直接接続されることはないであろう。図１０ａに示すように、駆動トランジスタ７５はウェル７３に形成される。バイアス電流源７１は、感知素子内かセンサアレイ５の外側に設置可能である。

同じように、リセット制御スイッチ７７は、リセットトランジスタ３０が非通電状態であって感知板１７とフィードバック板６６との間に電位差が生じる第一の状態と、リセットトランジスタ３０が通電状態であって感知板１７の電位とフィードバック板６６の電位が等しくなる第二の状態と、の間で制御可能である。

図１０ａを参照すると、感知素子８は、簡略なレベルシフタと、図６を参照して上記で説明したようなサンプラの形態の復調回路構成３１と、を更に備える。

レベルシフタは、トランジスタ１０５、第一のレジスタ１０６、及び第二のレジスタ１０７を備え、まず、電荷増幅器の出力２７での感知信号を電流に変換し、その後この電流を、ここではセンサ接地を基準とする電圧に戻すことによって動作する。

図１０ａの感知素子８の構成を経て、内部寄生容量Ｃ_p1及びＣ_p3の影響は、除去されるか少なくとも大幅に軽減される。更に、隣接する感知構造を駆動すると、隣接する感知板同士の間の寄生容量の影響を除去するか少なくとも大幅に軽減するであろう。

本発明の上記の例示的実施形態では、励起信号供給回路構成１９は、指紋感知部品に含まれる状態で図示されている。上記の実施形態をはじめとする実施形態では、指紋感知システムに含まれる励起信号供給回路構成１９は、指紋センサ部品の外側に代替的に設けられ、指１１の電位に対して上記の第一の電位と第二の電位との間で指紋センサ部品（センサ接地）の基準電位を上下させるように配置、構成されることがあってもよい。

ここで、励起信号供給回路構成１９を指紋センサ部品の外側に配置するというこの代替案を、図１１を参照して簡潔に説明する。図１１は、指紋センサ４と、ここではマイクロプロセッサの形態の処理回路構成１２５と、電源回路構成１２６と、を備える指紋感知システム２を概略的に示す。

指紋センサ４は、図２を参照して上記でも説明したように、センサアレイ５、電源インタフェース６、及び通信インタフェース７を備える。通信インタフェース７は、例えば、ＳＰＩインタフェース（直列周辺装置インタフェース）の形態で設けられてもよい。

マイクロプロセッサ１２５は、指紋データを指紋センサ４から取得し、アプリケーションの要求に応じて指紋データを加工してもよい。例として、マイクロプロセッサ１２５は指紋照合（確認及び／又は識別）アルゴリズムを実行してもよい。

電源回路構成１２６は、供給電圧Ｖ_supplyを出力するように構成されるセンサ電源１２７と、指紋感知システム２を含む電子装置１の基準電位ＤＧＮＤに対するセンサ電源１２７の低電位側を変調する励起信号供給回路構成（ここでは矩形波パルス発生器１９）と、を備える。

パルス発生器は、矩形波信号の代替として、正弦波又は鋸歯状波信号などのような、任意の他の適切なパルス形状を生成してもよい。

センサ電源１２７は、指紋センサ４への電力の供給に特化したバッテリのような定電圧源の形態で設けられてもよい。これとは別に、センサ電源１２７は、少なくとも部分的に電源を指紋センサ４から分離する分離回路構成を備えてもよい。

境界線が点線である囲み枠を用いて概略的に示すように、指紋感知システム２は、センサアレイ５とマイクロプロセッサ１２５との間のガルバニック分離又はレベルシフトを提供する分離回路構成１２９を任意追加的に含んでもよい。分離回路構成１２９を用いることによって、マイクロプロセッサ１２５は、装置接地（ＤＧＮＤ）に対してセンサアレイ５の基準電位Ｖ_Lを変化させることとは関係なく動作することができる。

分離回路構成１２９は、当業者に知られている多くの異なる方法で実装可能である。例として、分離回路構成１２９は、オプトカプラ、コイル及び／又はコンデンサのような部品を用いて実装してもよい。ここでは別個の回路構成として示されているが、分離回路構成１２９は指紋センサ４又はマイクロプロセッサ１２５と一体的であってもよいことが理解されよう。

当業者は、本発明が決して上記の好適な実施形態に限定されるものではないことを理解している。それどころか、添付請求項に記載の範囲内で多くの修正及び変更が可能である。

請求の範囲では、「備える」という文言は他の要素又は工程を除外するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除外するものではない。単一のプロセッサをはじめとする装置が、請求項に記載のいくつかの特徴の各種機能を発揮する可能性がある。単に特定の手段が相互に異なる従属項に記載されているというだけでは、このような手段の組み合わせを有利に用いることができないことを示すことにはならない。コンピュータプログラムを、他のハードウェアとともに、あるいはその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体に保存／分配してもよいが、ほかにも、インターネットあるいは有線又は無線電気通信システムを介してというような他の形態で分配してもよい。請求項に記載のいかなる参照符号も請求の範囲を限定するものと解釈すべきではない。

Claims (15)

1. 指の指紋パターンを感知する容量性指紋感知システムであって、前記容量性指紋感知システムは、
   前記指の電位に対して第一の電位から第二の電位に変化し第一の電位に戻る循環変化を含み時間的に変化する励起電位を示す励起信号を供給する励起信号供給回路構成と、
   複数の感知素子であって、それぞれが
   前記指が接触する対象である保護誘電最上層と、
   前記最上層の下に配置される導電性感知構造であって、前記感知構造は前記励起信号供給回路構成に連結され、前記励起電位に実質的に追従して時間的に変化する感知構造電位を示す導電性感知構造において、前記第一の電位から前記第二の電位への前記励起電位の変化のそれぞれが前記指と前記感知構造との間の電位差の変化をもたらす、導電性感知構造と、
   前記感知構造に接続されて、前記指と前記感知構造との間の電位差の前記変化に起因して前記感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給する、感知回路構成と、
   前記感知回路構成に接続されて、前記感知信号と前記励起信号にタイミング的に関係する復調信号とを結合して、前記感知構造が帯びる電荷の前記変化を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を供給する復調回路構成と、
   を含む複数の感知素子と、
   前記感知素子のそれぞれに接続されて、前記感知素子のそれぞれからの前記ＤＣ信号成分に基づいて前記指紋パターンの表示を提供する読み出し回路構成と、
   を備える容量性指紋感知システム。
2. 前記感知回路構成は、
   電荷増幅器であって、
   前記感知構造に接続される第一の入力と、
   前記励起信号供給回路構成に接続される第二の入力と、
   前記感知信号を供給する出力と、
   前記第一の入力と前記出力との間に接続される帰還コンデンサと、
   前記第一及び第二の入力と前記出力との間の少なくとも一つの増幅器段と、
   を備える電荷増幅器、を備え、
   前記電荷増幅器は、前記第一の入力での電位が前記第二の入力での電位を実質的に追従するように構成される、
   請求項１に記載の容量性指紋感知システム。
3. 前記復調回路構成は、前記感知信号を前記復調信号とともに逓倍する信号逓倍回路構成を備える、請求項１又は請求項２に記載の容量性指紋感知システム。
4. 前記復調回路構成は、高周波化した周波数成分を除去しながら前記ＤＣ信号成分が通過できるようにするローパスフィルタを更に備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム。
5. 前記感知素子のそれぞれは、１０μΑより低い最大出力電流を供給するように構成される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム。
6. 前記容量性指紋感知システムは、前記複数の感知素子及び前記読み出し回路構成を備える指紋センサ部品を備える、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム。
7. 前記指紋センサ部品は前記励起信号供給回路構成を更に備える、請求項６に記載の容量性指紋感知システム。
8. 前記励起信号供給回路構成は、前記指紋センサ部品から分離して配置され、前記励起信号を前記指紋センサ部品の基準電位入力に供給して前記指紋センサ部品のための基準電位を前記指の電位に対して変化させるために前記指紋センサ部品に接続される、請求項６に記載の容量性指紋感知システム。
9. 前記電荷増幅器に含まれる前記増幅器段は、前記第一の入力を構成するゲートを有するセンストランジスタを備え、
   前記センストランジスタは半導体基板のウェルに形成され、前記ウェルと前記基板との間のインタフェースが、前記ウェルと前記基板との間を電流が流れるのを防ぐことができるように構成され、
   前記励起信号供給回路構成は、前記ウェルに接続されて前記ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変化させ、前記第三の電位と前記第四の電位との間の差が前記第一の電位と前記第二の電位との間の差と実質的に等しく、これにより前記感知構造と前記ウェルとの間の寄生容量の影響を軽減する、
   請求項２から請求項８までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知装置。
10. 前記感知構造と前記基板との間に配置される遮蔽構造を更に備え、
    前記励起信号供給回路構成は、前記遮蔽板に更に接続され、前記遮蔽板の電位を第五の電位から第六の電位へ変化させるように構成され、前記第五の電位と前記第六の電位との間の差が前記第一の電位と前記第二の電位との間の差と実質的に等しい、
    請求項９に記載の容量性指紋感知装置。
11. 前記感知素子のそれぞれは、
    前記励起信号供給回路構成に接続されたタイミング回路構成であって、
    第一の励起制御信号を前記励起信号供給回路構成に供給して、第一の励起遷移時間での前記電位差の第一の変化を引き起こし、
    第二の励起制御信号を前記励起信号供給回路構成に供給して、第二の励起遷移時間での前記電位差の第二の変化を引き起こす、
    タイミング回路構成、
    を備える、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知装置。
12. 前記感知素子のそれぞれは、
    帰還コンデンサを放電するように制御可能なリセット回路構成と、
    前記リセット回路構成に接続されて、前記帰還コンデンサが放電されるリセット状態と、前記帰還コンデンサが充電されて前記感知構造が帯びる電荷の前記変化の測定が可能になる測定レディ状態と、の間で前記リセット回路構成を制御するタイミング回路構成と、
    を更に備える、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知装置。
13. 前記タイミング回路構成は、第一の事象と前記第一の事象に対する時間遅延とによって規定される遷移時間に第一の測定状態から第二の測定状態に遷移するように前記感知素子を制御する少なくとも第一の遅延素子を備え、
    前記第一の遅延素子は、前記第一の事象を規定する第一の信号を受信する入力と、第一の測定状態から第二の測定状態への前記遷移を規定する第二の信号を供給する出力と、を有する、
    請求項１１又は請求項１２に記載の容量性指紋感知装置。
14. 電子装置であって、
    請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の指紋感知装置と、
    処理回路構成であって、
    前記指紋感知装置から前記指紋パターンの前記表示を取得し、
    前記表示に基づいてユーザを認証し、
    前記表示に基づいて前記ユーザが認証された場合にのみ少なくとも一つのユーザ要求処理を実施する、
    ように構成される処理回路構成と、
    を備える電子装置。
15. 励起信号供給回路構成と複数の感知素子とを備える容量性指紋感知システムを用いて指の指紋パターンを感知する方法であって、
    各感知素子は、
    前記指が接触する対象である保護誘電最上層と、
    前記最上層の下に配置される導電性感知構造と、
    前記感知構造に接続されて、前記指と前記感知構造との間の電位差の変化に起因して前記感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給する、感知回路構成と、
    を含み、
    前記方法は、
    前記励起信号供給回路構成を用いて、励起信号を前記指及び前記感知構造の少なくとも一方に供給し、前記指と前記感知構造との間の時間的に変化する電位差を提供する工程と、
    前記指紋感知システムによって、前記励起信号にタイミング的に関係する復調信号を供給する工程と、
    前記指紋感知システムによって、前記復調信号と前記感知信号とを結合して、前記感知構造が帯びる電荷の前記変化を示すＤＣ信号成分を含む結合信号を供給する工程と、
    前記感知素子の外部の読み出し回路構成を用いて、前記感知素子のそれぞれからの前記ＤＣ信号成分に基づいて前記指紋パターンの表示を供給する工程と、
    を備える、方法。

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