JP3044660B1 - Sensor circuit for surface shape recognition - Google Patents

Sensor circuit for surface shape recognition

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JP3044660B1
JP3044660B1 JP11157763A JP15776399A JP3044660B1 JP 3044660 B1 JP3044660 B1 JP 3044660B1 JP 11157763 A JP11157763 A JP 11157763A JP 15776399 A JP15776399 A JP 15776399A JP 3044660 B1 JP3044660 B1 JP 3044660B1
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capacitance
terminal
potential
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surface shape
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浩季 森村
智志 重松
克之 町田
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Abstract

【要約】 【課題】 表面形状認識用センサ回路の検出精度を向上
させる。 【解決手段】 指紋の凹凸等、指の表面形状に応じて容
量が変化する容量センサ素子11、容量センサ素子の容
量に応じた電圧信号を発生させる信号発生回路15、容
量センサ素子と信号発生回路との接続点である節点N1
の電圧信号を検出する検出回路20から構成される表面
形状認識用センサ回路の前記信号発生回路を、容量値C
sを有する容量素子14から構成して、容量素子の第1
の端子を節点N1に接続し、容量素子の第2の端子の電
圧を第1の電位に設定するとともに、節点N1に電荷が
充電された後に第2の端子を第2の電位に変化させて節
点N1の電荷を引き抜く。
Abstract: PROBLEM TO BE SOLVED: To improve detection accuracy of a sensor circuit for surface shape recognition. SOLUTION: A capacitance sensor element 11 whose capacitance changes according to the surface shape of a finger, such as unevenness of a fingerprint, a signal generation circuit 15 for generating a voltage signal according to the capacitance of the capacitance sensor element, a capacitance sensor element and a signal generation circuit N1 which is a connection point with
The signal generation circuit of the surface shape recognition sensor circuit including the detection circuit 20 for detecting the voltage signal of
s, and the first of the capacitive elements
Is connected to the node N1, the voltage of the second terminal of the capacitor is set to the first potential, and the second terminal is changed to the second potential after the node N1 is charged. The charge at the node N1 is extracted.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、人間の指紋や動物
の鼻紋等の微細な凹凸を有する表面形状を検出する表面
形状認識用センサ回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface shape recognition sensor circuit for detecting a surface shape having minute irregularities such as a human fingerprint or an animal nose pattern.

【0002】[0002]

【従来の技術】微細な凹凸を有する表面形状を認識する
センサとして、特に指紋検出をターゲットとしたものが
報告されている。また、指紋のパターンを検出する技術
として、LSI製造技術を用いた容量検出形のセンサが
提案されている。これは例えば、’ISSCC DIG
EST OF TECHNICAL PAPERS’F
EBRUARY 1998 pp.284〜285に記
載されている。容量検出形のセンサは、図9に示すよう
に、各センスユニット1がLSIチップ上に2次元配列
されたセンサアレイ2として構成されており、各センス
ユニット1の電極と絶縁膜を介して触れた指3の皮膚と
の間に形成される静電容量を検出して、指紋の凹凸パタ
ーンを感知するものである。指紋の凹凸により形成され
る容量の値が異なるため、この微少な容量差を検出する
ことで指紋の凹凸を感知することができる。
2. Description of the Related Art As a sensor for recognizing a surface shape having fine irregularities, a sensor specifically targeting fingerprint detection has been reported. As a technology for detecting a fingerprint pattern, a capacitance detection type sensor using an LSI manufacturing technology has been proposed. This is, for example, the 'ISSCC DIG
EST OF TECHNICAL PAPERS'F
EBRUARY 1998 pp. 284-285. As shown in FIG. 9, the capacitance detection type sensor is configured as a sensor array 2 in which each sense unit 1 is two-dimensionally arranged on an LSI chip, and is in contact with an electrode of each sense unit 1 via an insulating film. It detects the capacitance formed between the finger 3 and the skin of the finger 3 and senses the concavo-convex pattern of the fingerprint. Since the value of the capacitance formed by the unevenness of the fingerprint is different, the unevenness of the fingerprint can be sensed by detecting this minute difference in capacitance.

【0003】図7は、この原理を用いた従来のセンサ回
路の基本構成を示すブロック図である。すなわち、この
表面形状認識用センサ回路は、センスユニット1の電極
と絶縁膜を介して触れた指の皮膚との間に形成される容
量値Cfを有する容量センサ素子11と、容量センサ素
子11の容量値Cfに応じた電圧信号を発生するスイッ
チSW2及び電流源12からなる信号発生回路13と、
信号発生回路13による電圧信号を検出する検出回路2
0と、外部電位Vpを容量センサ素子11の電極と信号
発生回路13との接続点である節点N1に供給するため
のスイッチSW1とからなる。なお、図中のCpは寄生
容量を示す。このような容量センサ素子11,信号発生
回路13,検出回路20等により1組のセンスユニット
1が構成される。
FIG. 7 is a block diagram showing a basic configuration of a conventional sensor circuit using this principle. That is, the sensor circuit for surface shape recognition includes a capacitance sensor element 11 having a capacitance value Cf formed between the electrode of the sense unit 1 and the skin of the finger touched via the insulating film. A signal generating circuit 13 including a switch SW2 for generating a voltage signal corresponding to the capacitance value Cf and a current source 12,
Detection circuit 2 for detecting a voltage signal by signal generation circuit 13
0 and a switch SW1 for supplying the external potential Vp to a node N1 which is a connection point between the electrode of the capacitance sensor element 11 and the signal generation circuit 13. Note that Cp in the figure indicates a parasitic capacitance. One set of the sense unit 1 is configured by the capacitance sensor element 11, the signal generation circuit 13, the detection circuit 20, and the like.

【0004】ここで容量センサ素子11の値Cfは、こ
の容量センサ素子11のセンサ電極(即ち、図7の節点
N1側に接続されるセンサ素子11の電極)と指の皮膚
との距離によって決まるため、指紋の凹凸によって容量
センサ素子11の値Cfは異なる。したがって、指3が
図7の節点N2に相当する位置に触れると、指紋の凹凸
に応じた電圧信号が節点N1側に出力される。この電圧
信号は検出回路20により指紋の凹凸を反映した信号と
して検出され、その結果、指紋パターンが検出されるこ
とになる。
Here, the value Cf of the capacitance sensor element 11 is determined by the distance between the sensor electrode of the capacitance sensor element 11 (ie, the electrode of the sensor element 11 connected to the node N1 in FIG. 7) and the skin of the finger. Therefore, the value Cf of the capacitance sensor element 11 differs depending on the unevenness of the fingerprint. Therefore, when the finger 3 touches the position corresponding to the node N2 in FIG. 7, a voltage signal corresponding to the unevenness of the fingerprint is output to the node N1. This voltage signal is detected by the detection circuit 20 as a signal reflecting the unevenness of the fingerprint, and as a result, a fingerprint pattern is detected.

【0005】図8は、図7に示した表面形状認識用セン
サ回路の動作を説明するためのタイミングチャートであ
る。はじめに、スイッチSW1の開閉を制御する制御信
号PはLowレベルとなっている(図8(a))。ま
た、スイッチSW2の開閉を制御する制御信号SもLo
wレベルとなっている(図8(b))。したがって、各
スイッチSW1,SW2は開状態になっている。このと
き、節点N1は外部電位Vp以下の電位となっている
(図8(c))。
FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the surface shape recognition sensor circuit shown in FIG. First, the control signal P for controlling the opening and closing of the switch SW1 is at a low level (FIG. 8A). The control signal S for controlling the opening and closing of the switch SW2 is also Lo.
It is at the w level (FIG. 8B). Therefore, the switches SW1 and SW2 are open. At this time, the node N1 has a potential equal to or lower than the external potential Vp (FIG. 8C).

【0006】このような状態において、図8(a)の時
点で制御信号PがLowレベルからHighレベルに
変化すると、スイッチSW1が閉結して導通状態とな
り、その結果、節点N1の電位は外部電位Vpにプリチ
ャージされる(図8(c))。
In such a state, when the control signal P changes from the Low level to the High level at the time of FIG. 8A, the switch SW1 is closed and becomes conductive, and as a result, the potential of the node N1 becomes external. It is precharged to the potential Vp (FIG. 8C).

【0007】プリチャージが終了した後、制御信号Pが
図8(a)の時点でLowレベルに変化すると同時に
制御信号Sが図8(b)に示すようにHighレベルに
変化する。これによりスイッチSW1が非導通状態に、
スイッチSW2が導通状態になり、電流源12により節
点N1に充電された電荷が引き抜かれる。この結果、節
点N1の電位が低下する(図8(c))。ここで、制御
信号SのHighレベル期間をΔtとすると、Δt経過
後の節点N1の電位低下ΔVは ΔV=IΔt/(Cf+Cp) (1) になる。ただし、Iは電流源12の電流である。
After the precharge is completed, the control signal P changes to Low level at the time of FIG. 8A, and at the same time, the control signal S changes to High level as shown in FIG. 8B. As a result, the switch SW1 is turned off,
The switch SW2 becomes conductive, and the electric charge charged to the node N1 by the current source 12 is extracted. As a result, the potential of the node N1 decreases (FIG. 8C). Here, assuming that the High level period of the control signal S is Δt, the potential drop ΔV of the node N1 after Δt has elapsed is ΔV = IΔt / (Cf + Cp) (1). Here, I is the current of the current source 12.

【0008】ここで、電流I、期間Δt及び寄生容量C
pはそれぞれ一定であるから、電位低下ΔVは容量Cf
によって決定される。各センスユニット1は容量センサ
素子11の電極と指の皮膚との距離によって決まるの
で、指紋の凹凸によって容量Cfの値は異なる。このこ
とから、指紋の凹凸を反映して低下電位ΔVの大きさが
変化する。
Here, the current I, the period Δt, and the parasitic capacitance C
Since p is constant, the potential drop ΔV is equal to the capacitance Cf
Is determined by Since each sense unit 1 is determined by the distance between the electrode of the capacitance sensor element 11 and the skin of the finger, the value of the capacitance Cf differs depending on the unevenness of the fingerprint. From this, the magnitude of the reduced potential ΔV changes reflecting the unevenness of the fingerprint.

【0009】即ち、指紋の凹部に相当する容量センサ素
子11の値をCfv、指紋の凸部に相当する容量センサ
素子11の値をCfrとすると、指紋の凹部と凸部の電
圧信号の差ΔViは、図8(c)に示すように、 ΔVi=IΔt/(Cfv+Cp) −IΔt/(Cfr+Cp) (2) となる。このような信号ΔViが入力信号として検出回
路20に与えられるため、検出回路20では、指紋の凹
凸が識別され指紋の凹凸を反映した信号を出力すること
ができる。
That is, assuming that the value of the capacitive sensor element 11 corresponding to the concave part of the fingerprint is Cfv and the value of the capacitive sensor element 11 corresponding to the convex part of the fingerprint is Cfr, the difference ΔVi between the voltage signal of the concave part and the convex part of the fingerprint As shown in FIG. 8C, ΔVi = IΔt / (Cfv + Cp) −IΔt / (Cfr + Cp) (2) Since such a signal ΔVi is given to the detection circuit 20 as an input signal, the detection circuit 20 can identify the fingerprint unevenness and output a signal reflecting the fingerprint unevenness.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】図7及び図8に示す従
来のセンサ回路は、電流源12により節点N1の電荷の
引き抜きを行っている。こうした電流源12は各センス
ユニット毎に設けられているため、各センスユニット内
の各電流源の電流量と電荷を引く抜く時間とを均一に制
御する必要があった。しかしながら、実際には全ての電
流源を均一に作製することは困難であり、このため各セ
ンスユニットからなるセンサ回路全体の検出精度が悪化
するという問題があった。したがって本発明は、表面形
状認識用センサ回路の検出精度を向上させることを目的
とする。
In the conventional sensor circuit shown in FIGS. 7 and 8, the electric current at the node N1 is extracted by the current source 12. FIG. Since such a current source 12 is provided for each sense unit, it is necessary to uniformly control the amount of current of each current source in each sense unit and the time for extracting charges. However, in practice, it is difficult to uniformly manufacture all the current sources, and therefore, there has been a problem that the detection accuracy of the entire sensor circuit including each sense unit is deteriorated. Therefore, an object of the present invention is to improve the detection accuracy of the sensor circuit for surface shape recognition.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、接触した対象物の表面形状に応じて
容量が変化する容量センサ素子と、容量センサ素子の容
量に応じた電圧信号を発生させる信号発生回路と、容量
センサ素子と信号発生回路との接続点を示す節点に接続
され前記節点の電圧信号を検出する検出回路とからな
り、検出回路は前記節点に電荷が充電された後に前記節
点の電圧信号を検出して出力する表面形状認識用センサ
回路であって、信号発生回路を、第1及び第2の端子を
有するとともに第1の端子が前記節点に接続される容量
値Csを有する容量素子から構成し、容量素子の第2の
端子の電圧を第1の電位に設定するとともに、前記節点
に電荷が充電された後に第2の端子を第2の電位に変化
させて容量素子から電圧信号を発生させるようにしたこ
とにより特徴づけられる。この場合、第1の電位はセン
サ回路の電源電位及びグランド電位の何れか一方に設定
されるとともに、第2の電位は電源電位及びグランド電
位の何れか他方に設定される。また、容量素子は、半導
体素子から構成されるものである。また、上記半導体素
子はMOSトランジスタから構成され、この場合、MO
Sトランジスタのゲート端子が第1の端子となり、MO
Sトランジスタのソース端子及びドレイン端子が第2の
端子となる。また、容量素子の第1の端子に発生する寄
生容量値をCp、容量センサ素子の最大及び最小の容量
値をそれぞれCfv、Cfrとしたとき容量素子の容量
値Csは、{(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2
に設定されるものである。また、容量素子の容量値Cs
は、容量センサ素子の容量値の最大値以下に設定される
ものである。また、容量素子の容量値Csは、10fF
から250fFまでの範囲を有するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides a capacitance sensor element whose capacitance changes according to the surface shape of a contacted object, and a voltage corresponding to the capacitance of the capacitance sensor element. A signal generation circuit that generates a signal, and a detection circuit that is connected to a node indicating a connection point between the capacitive sensor element and the signal generation circuit and detects a voltage signal at the node. A sensor circuit for recognizing a surface shape that detects and outputs a voltage signal of the node after the signal generation, wherein the signal generating circuit includes a capacitor having first and second terminals and a first terminal connected to the node. A capacitor having a value Cs, the voltage of the second terminal of the capacitor is set to the first potential, and the second terminal is changed to the second potential after the node is charged. From the capacitive element It characterized by that so as to generate pressure signal. In this case, the first potential is set at one of the power supply potential and the ground potential of the sensor circuit, and the second potential is set at the other of the power supply potential and the ground potential. Further, the capacitance element is formed of a semiconductor element. Further, the semiconductor element is constituted by a MOS transistor.
The gate terminal of the S transistor becomes the first terminal,
The source terminal and the drain terminal of the S transistor are the second terminals. When the parasitic capacitance value generated at the first terminal of the capacitance element is Cp, and the maximum and minimum capacitance values of the capacitance sensor element are Cfv and Cfr, respectively, the capacitance value Cs of the capacitance element is {(Cfv + Cp) (Cfr + Cp )} 1/2
Is set to Further, the capacitance value Cs of the capacitive element
Is set to be equal to or less than the maximum value of the capacitance value of the capacitance sensor element. The capacitance Cs of the capacitance element is 10 fF
To 250 fF.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。図1は本発明に係る表面形状認識用セン
サ回路のブロック図である。図1において、この表面形
状認識用センサ回路は、センスユニット1の電極と絶縁
膜を介して触れた指の皮膚との間に形成される値Cfを
有する容量センサ素子11と、容量センサ素子11の容
量値Cfに応じた電圧信号を発生する容量値Csを有す
る駆動容量素子14を含む信号発生回路15と、信号発
生回路15による電圧信号を検出する検出回路20と、
外部電位Vpを容量センサ素子11と信号発生回路15
との接続点である節点N1に供給するためのスイッチS
W1とからなる。なお、図中のCpは寄生容量を示す。
このような容量センサ素子11,信号発生回路15,検
出回路20等により1組のセンスユニット1が構成され
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a sensor circuit for surface shape recognition according to the present invention. In FIG. 1, a sensor circuit for surface shape recognition includes a capacitance sensor element 11 having a value Cf formed between an electrode of a sense unit 1 and a skin of a finger touched via an insulating film; A signal generating circuit 15 including a driving capacitive element 14 having a capacitance value Cs for generating a voltage signal corresponding to the capacitance value Cf of the above, a detecting circuit 20 for detecting a voltage signal by the signal generating circuit 15,
The external potential Vp is applied to the capacitance sensor element 11 and the signal generation circuit 15.
Switch S for supplying to node N1 which is a connection point with
W1. Note that Cp in the figure indicates a parasitic capacitance.
One set of the sense unit 1 is configured by the capacitance sensor element 11, the signal generation circuit 15, the detection circuit 20, and the like.

【0013】ここで容量センサ素子11の値Cfは、こ
の容量センサ素子11のセンサ電極(即ち、図1の節点
N1側に接続されるセンサ素子11の電極)と指の皮膚
との距離によって決まるため、指紋の凹凸によって容量
センサ素子11の値Cfは異なる。したがって、指が図
1の節点N2に相当する位置に触れると、指紋の凹凸に
応じた電圧信号が節点N1側に出力される。この電圧信
号は検出回路20により指紋の凹凸を反映した信号とし
て検出され、その結果、指紋パターンが検出される。
The value Cf of the capacitance sensor element 11 is determined by the distance between the sensor electrode of the capacitance sensor element 11 (that is, the electrode of the sensor element 11 connected to the node N1 in FIG. 1) and the skin of the finger. Therefore, the value Cf of the capacitance sensor element 11 differs depending on the unevenness of the fingerprint. Therefore, when the finger touches the position corresponding to the node N2 in FIG. 1, a voltage signal corresponding to the unevenness of the fingerprint is output to the node N1. This voltage signal is detected by the detection circuit 20 as a signal reflecting the unevenness of the fingerprint, and as a result, a fingerprint pattern is detected.

【0014】図1に示すセンサ回路内の信号発生回路1
5は、節点N1の電荷の引き抜きを駆動容量素子14の
充放電を用いて行うようにしたものであり、引き抜く電
荷量は駆動容量素子14の容量Csとその駆動電圧Vs
により制御される。ここで、図1に示す駆動電圧Vs
を、スイッチSW3を介して例えば電源電圧レベル(V
DD)またはグランドレベル(GND)に設定すること
により引き抜く電荷量を制御する。駆動容量素子14の
容量値Csの充放電に基づく制御は、図7に示した従来
の電流源12の電流値による制御よりも精度が高く、ま
た駆動容量素子14の駆動電圧Vsの制御は、図8に示
した従来の時間制御に比べて簡単かつ高精度で制御でき
る。
A signal generating circuit 1 in the sensor circuit shown in FIG.
Reference numeral 5 indicates that the electric charge at the node N1 is extracted by using the charge and discharge of the driving capacitance element 14, and the amount of electric charge to be extracted is the capacitance Cs of the driving capacitance element 14 and the driving voltage Vs
Is controlled by Here, the driving voltage Vs shown in FIG.
Through the switch SW3, for example, the power supply voltage level (V
DD) or ground level (GND) to control the amount of charge to be extracted. The control based on charging / discharging of the capacitance value Cs of the driving capacitance element 14 has higher accuracy than the conventional control based on the current value of the current source 12 shown in FIG. 7, and the control of the driving voltage Vs of the driving capacitance element 14 is as follows. The control can be performed easily and with high accuracy as compared with the conventional time control shown in FIG.

【0015】次に、図2を用い図1の信号発生回路15
の信号発生方法について説明する。ここでは表面形状と
して指の表面を検出する場合について説明する。図2
(a)の時点で制御信号Pの電位をHighレベルに
してスイッチSW1を閉じ外部電位Vpを節点N1にプ
リチャージする。その後、図2(a)の時点で制御信
号Pの電位をLowレベルにしてスイッチSW1を開放
する。同時に図2(b)に示すように、信号発生回路1
5内の駆動容量素子14の駆動電圧VsをΔVsだけ低
下させて節点N1の電荷を引き抜き、検出回路20側へ
の入力信号を生じさせる。
Next, referring to FIG. 2, the signal generation circuit 15 of FIG.
Will be described. Here, a case where the surface of the finger is detected as the surface shape will be described. FIG.
At the time point (a), the potential of the control signal P is set to High level, the switch SW1 is closed, and the external potential Vp is precharged to the node N1. Thereafter, at the time point of FIG. 2A, the potential of the control signal P is set to the Low level, and the switch SW1 is opened. At the same time, as shown in FIG.
The drive voltage Vs of the drive capacitance element 14 in 5 is reduced by ΔVs to extract the electric charge at the node N1 to generate an input signal to the detection circuit 20 side.

【0016】ここで、プリチャージ電位をVp、容量セ
ンサ素子11の値をCf、寄生容量値をCp、駆動容量
素子14の容量値をCs、駆動容量素子14の駆動電圧
Vsの変化量をΔVsとすると、検出回路20側へ与え
られる入力信号の変化量ΔVは、式(3)のようにな
る。 ΔV=ΔVs/{1+(Cf+Cp)/Cs} (3)
Here, the precharge potential is Vp, the value of the capacitance sensor element 11 is Cf, the parasitic capacitance value is Cp, the capacitance value of the driving capacitance element 14 is Cs, and the variation of the driving voltage Vs of the driving capacitance element 14 is ΔVs. Then, the change amount ΔV of the input signal applied to the detection circuit 20 side is as shown in Expression (3). ΔV = ΔVs / {1+ (Cf + Cp) / Cs} (3)

【0017】また、この信号変化量のダイナミックレン
ジΔViは下記のようになる。 ΔVi=ΔVMAX−ΔVMIN =ΔVs/{1+(Cfv+Cp)/Cs} −ΔVs/{1+(Cfr+Cp)/Cs} (4) 式(4)中のCfvは容量センサ素子11の容量Cfの
うち指紋の凹部に相当する容量値、またCfrは容量セ
ンサ素子11の容量Cfのうち指紋の凸部に相当する容
量値を示す。
The dynamic range ΔVi of the signal change amount is as follows. ΔVi = ΔVMAX−ΔVMIN = ΔVs / {1+ (Cfv + Cp) / Cs} −ΔVs / {1+ (Cfr + Cp) / Cs} (4) In the expression (4), Cfv is a concave portion of a fingerprint of the capacitance Cf of the capacitive sensor element 11. , And Cfr indicates a capacitance value of the capacitance Cf of the capacitance sensor element 11 which corresponds to the convex portion of the fingerprint.

【0018】駆動容量素子14は、半導体素子によって
も実現でき、特に図3(b)に示すようにMOSトラン
ジスタを図3(a)の駆動容量として用いることができ
る。図3(b)は、NMOSトランジスタの例である
が、センサ回路の電源電圧の極性が異なる場合はPMO
Sトランジスタを用いるようにすれば良い。さらに、M
OSトランジスタのゲート端子を容量センサ素子11に
接続し、ソース端子及びドレイン端子の電圧を制御する
ことで、MOSトランジスタのソース端子及びドレイン
端子の寄生容量が容量センサ素子11に接続されること
のない駆動容量素子14を実現できる。
The driving capacitance element 14 can also be realized by a semiconductor element. In particular, as shown in FIG. 3B, a MOS transistor can be used as the driving capacitance in FIG. 3A. FIG. 3B shows an example of an NMOS transistor. However, when the polarity of the power supply voltage of the sensor circuit is different, the PMO
An S transistor may be used. Further, M
By connecting the gate terminal of the OS transistor to the capacitance sensor element 11 and controlling the voltages of the source terminal and the drain terminal, the parasitic capacitance of the source terminal and the drain terminal of the MOS transistor is not connected to the capacitance sensor element 11. The drive capacitance element 14 can be realized.

【0019】式(4)に示すダイナミックレンジΔVi
は検出回路20への入力信号となるので大きいほどよ
い。ここで寄生容量値Cp=50fF,Cfv=10f
F,Cfr=100fF,ΔVs=2.7Vのときのダ
イナミックレンジΔViと駆動容量素子14の値Csと
の関係を図4に示す。
The dynamic range ΔVi shown in equation (4)
Is the input signal to the detection circuit 20, so the larger is better. Here, the parasitic capacitance value Cp = 50fF, Cfv = 10f
FIG. 4 shows the relationship between the dynamic range ΔVi and the value Cs of the driving capacitive element 14 when F, Cfr = 100 fF, and ΔVs = 2.7 V.

【0020】図4において、ダイナミックレンジΔVi
が最大となる駆動容量素子14の値Csが存在し、この
場合駆動容量素子14の値Csは約95fFである。上
記の式(4)からダイナミックレンジΔViが最大にな
るのは駆動容量素子14の値Csが、 Cs={(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2 (5) のときであり、このようにして駆動容量素子14の値C
sを選定すればよい。
In FIG. 4, the dynamic range ΔVi
There is a value Cs of the driving capacitance element 14 at which the maximum value is obtained. In this case, the value Cs of the driving capacitance element 14 is about 95 fF. From the above equation (4), the dynamic range ΔVi is maximized when the value Cs of the driving capacitive element 14 is Cs = {(Cfv + Cp) (Cfr + Cp)} 1/2 (5). Value C of drive capacitive element 14
s may be selected.

【0021】ここで、センサ電極のサイズは指紋のパタ
ーンとセンサ回路の感度から制限され、20um角〜1
00um角程度になる。このときのCfrは20fF〜
350fF,Cfvは5fF以下、Cpは10fF〜1
70fF程度になる。Cfvは小さいので5fFと固定
して考えてもよく、CfrとCpを変化させた場合の駆
動容量素子14の値Csの最適値は図5のようになる。
以上のことから、駆動容量素子14の値Csは指紋の凹
部の容量Cfv以下に設定すれば良い。
The size of the sensor electrode is limited by the fingerprint pattern and the sensitivity of the sensor circuit.
It becomes about 00 um square. Cfr at this time is 20 fF or more.
350fF, Cfv is 5fF or less, Cp is 10fF ~ 1
It is about 70 fF. Since Cfv is small, it may be fixed at 5 fF, and the optimum value Cs of the drive capacitance element 14 when Cfr and Cp are changed is as shown in FIG.
From the above, the value Cs of the driving capacitive element 14 may be set to be equal to or smaller than the capacitance Cfv of the concave portion of the fingerprint.

【0022】さらに、実際の製造では、Cp=Cfv/
3,Cfv=Cfv/20と考えてよい。この場合、駆
動容量素子14の値Csの最適値は約0.7Cfvとな
る。この関係を図6に示す。したがって、駆動容量素子
14の値CsはCfvの約0.7倍程度が最適であり、
その範囲は、上記のCfvの範囲から10fF〜250
fF程度になる。このように、信号発生回路15では、
電流源による電荷の引き抜きを行わずに、駆動容量素子
14の充放電を利用して節点N1の電荷の引き抜きを行
うようにしたため、電流源を多数のセンスユニットに内
蔵してその電流量と電荷を引き抜く時間とを精度よく制
御するといったようなことが不要になり、したがって簡
単な構成でセンサ回路のセンシング精度を向上できる。
Further, in actual production, Cp = Cfv /
3, it may be considered that Cfv = Cfv / 20. In this case, the optimal value of the value Cs of the driving capacitance element 14 is about 0.7 Cfv. FIG. 6 shows this relationship. Therefore, the value Cs of the driving capacitive element 14 is optimally about 0.7 times Cfv,
The range is from 10 fF to 250 from the above Cfv range.
about fF. Thus, in the signal generation circuit 15,
Since the electric charge at the node N1 is extracted by using the charging and discharging of the driving capacitance element 14 without extracting the electric charge by the current source, the current source is incorporated in a large number of sense units, and the current amount and the electric charge are extracted. It is not necessary to precisely control the time for extracting the sensor, and the sensing accuracy of the sensor circuit can be improved with a simple configuration.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、接
触した対象物の表面形状に応じて容量が変化する容量セ
ンサ素子、容量センサ素子の容量に応じた電圧信号を発
生させる信号発生回路、容量センサ素子と信号発生回路
との接続である節点に接続されて電圧信号を検出する検
出回路を備えた表面形状認識用センサ回路において、信
号発生回路を、第1及び第2の端子を有するとともに第
1の端子が前記節点に接続される容量値Csを有する容
量素子から構成し、容量素子の第2の端子の電圧を第1
の電位に設定するとともに、前記節点に電荷が充電され
た後に第2の端子を第2の電位に変化させて容量素子か
ら電圧信号を発生させるようにしたので、電流源を多数
のセンスユニットに内蔵して各電流源の電流量と電荷を
引き抜く時間を精度よく制御するようなことが回避さ
れ、したがってセンサ回路の検出精度を向上できる。ま
た、このとき容量素子の第2の端子に印加する第1の電
位を電源電位及びグランド電位の何れか一方に設定する
とともに、前記第2の端子に印加する第2の電位を電源
電位及びグランド電位の何れか他方に設定するようにし
たので、第2の端子の電位を制御する場合、簡単な構成
で制御できる。また、容量素子を、半導体素子から構成
するとともに、上記半導体素子であるMOSトランジス
タのゲート端子を第1の端子とし、かつこのトランジス
タのソース端子及びドレイン端子を第2の端子とするよ
うにしたので、精度の良い容量素子を作製できる。ま
た、容量素子の第1の端子に発生する寄生容量値をC
p、容量センサ素子の最大及び最小の容量値をそれぞれ
Cfv、Cfrとしたとき容量素子の容量値Csを、
{(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2に設定する
ようにしたので、表面形状として指紋の凹凸を検出する
場合、指紋の凹部と凸部とを的確に識別できる。また、
容量素子の容量値Csを容量センサ素子の容量の最大値
以下に設定するようにしたので、微細な凹凸を有する対
象物の表面形状を精度良く検出できる。また、容量素子
の容量値Csを10fFから250fFまでの範囲とし
たので、精度の良い容量素子を容易に製造することがで
きる。
As described above, according to the present invention, a capacitance sensor element whose capacitance changes according to the surface shape of a contacted object, a signal generation circuit for generating a voltage signal corresponding to the capacitance of the capacitance sensor element A surface shape recognition sensor circuit including a detection circuit connected to a node which is a connection between a capacitance sensor element and a signal generation circuit, the detection circuit detecting a voltage signal, the signal generation circuit having first and second terminals A first terminal is formed of a capacitor having a capacitance value Cs connected to the node, and the voltage of the second terminal of the capacitor is set to the first terminal.
And a voltage signal is generated from the capacitive element by changing the second terminal to the second potential after the node is charged with electric charge, so that the current source is connected to a large number of sense units. It is possible to avoid controlling the amount of current of each current source and the time for extracting the electric charge with high accuracy, thereby improving the detection accuracy of the sensor circuit. At this time, the first potential applied to the second terminal of the capacitor is set to one of the power supply potential and the ground potential, and the second potential applied to the second terminal is set to the power supply potential and the ground potential. Since the potential is set to either of the potentials, the potential of the second terminal can be controlled with a simple configuration. Further, since the capacitor is formed of a semiconductor element, the gate terminal of the MOS transistor as the semiconductor element is a first terminal, and the source terminal and the drain terminal of the transistor are the second terminal. Thus, an accurate capacitor can be manufactured. Further, the parasitic capacitance value generated at the first terminal of the capacitive element is represented by C
p, when the maximum and minimum capacitance values of the capacitance sensor element are Cfv and Cfr, respectively, the capacitance value Cs of the capacitance element is
Since {(Cfv + Cp) (Cfr + Cp)} is set to 1/2 , when detecting the unevenness of the fingerprint as the surface shape, the concave and convex portions of the fingerprint can be accurately identified. Also,
Since the capacitance value Cs of the capacitance element is set to be equal to or less than the maximum value of the capacitance of the capacitance sensor element, the surface shape of the object having fine irregularities can be detected with high accuracy. In addition, since the capacitance value Cs of the capacitance element is in the range of 10 fF to 250 fF, a high-precision capacitance element can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る表面形状認識用センサ回路のブ
ロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a sensor circuit for surface shape recognition according to the present invention.

【図2】 図1のセンサ回路の動作状況を示すタイムチ
ャートである。
FIG. 2 is a time chart showing an operation state of the sensor circuit of FIG.

【図3】 図1のセンサ回路を構成する信号発生回路内
の駆動容量素子の例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a driving capacitance element in a signal generation circuit included in the sensor circuit of FIG. 1;

【図4】 図1のセンサ回路の特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram of the sensor circuit of FIG. 1;

【図5】 図1のセンサ回路の特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram of the sensor circuit of FIG. 1;

【図6】 図1のセンサ回路の特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram of the sensor circuit of FIG. 1;

【図7】 従来のセンサ回路のブロック図である。FIG. 7 is a block diagram of a conventional sensor circuit.

【図8】 図7のセンサ回路の動作状況を示すタイムチ
ャートである。
FIG. 8 is a time chart illustrating an operation state of the sensor circuit of FIG. 7;

【図9】 各センスユニットが格子状に形成されたセン
サアレイを示す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a sensor array in which each sense unit is formed in a lattice shape.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…センスユニット、2…センサアレイ、3…指、11
…容量センサ素子、14…駆動容量素子、15…信号発
生回路、20…検出回路、SW1,SW3…スイッチ、
Cp…寄生容量、N1,N2…節点、Vp…外部電圧。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sense unit, 2 ... Sensor array, 3 ... Finger, 11
... Capacitive sensor element, 14 ... Drive capacitive element, 15 ... Signal generation circuit, 20 ... Detection circuit, SW1, SW3 ... Switch,
Cp: parasitic capacitance, N1, N2: node, Vp: external voltage.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−118415(JP,A) 特開 平1−285801(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 7/00 - 7/34 102 G01D 5/00 - 5/252 G01D 5/39 - 5/62 G06T 1/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-11-118415 (JP, A) JP-A-1-285801 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 7/00-7/34 102 G01D 5/00-5/252 G01D 5/39-5/62 G06T 1/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 接触した対象物の表面形状に応じて容量
が変化する容量センサ素子と、前記容量センサ素子に接
続されこの容量センサ素子の容量に応じた電圧信号を発
生させる信号発生回路と、前記容量センサ素子と信号発
生回路との接続点を示す節点に接続され前記節点の電圧
信号を検出する検出回路とからなり、前記検出回路は前
記節点に電荷が充電された後に前記節点の電圧信号を検
出して出力する表面形状認識用センサ回路において、 前記信号発生回路は、第1及び第2の端子を有するとと
もに前記第1の端子が前記節点に接続される容量値Cs
を有する容量素子からなり、 前記信号発生回路は、前記容量素子の第2の端子の電圧
を第1の電位に設定するとともに、前記節点に電荷が充
電された後に前記第2の端子を第2の電位に変化させて
前記容量素子から前記電圧信号を発生させることを特徴
とする表面形状認識用センサ回路。
1. A capacitance sensor element whose capacitance changes according to the surface shape of a contacted object, a signal generation circuit connected to the capacitance sensor element for generating a voltage signal according to the capacitance of the capacitance sensor element, A detection circuit connected to a node indicating a connection point between the capacitance sensor element and the signal generation circuit, the detection circuit detecting a voltage signal at the node; and the detection circuit detects the voltage signal at the node after the node is charged with electric charge. Wherein the signal generating circuit has first and second terminals, and the first terminal is connected to the node Cs.
The signal generation circuit sets the voltage of the second terminal of the capacitor to a first potential, and sets the second terminal to the second potential after the node is charged with electric charge. Wherein the voltage signal is generated from the capacitive element by changing the potential of the capacitor element to a potential of the surface shape.
【請求項2】 請求項1において、 前記第1の電位は表面形状認識用センサ回路の電源電位
及びグランド電位の何れか一方に設定されるともに、前
記第2の電位は前記電源電位及びグランド電位の何れか
他方に設定されることを特徴とする表面形状認識用セン
サ回路。
2. The power supply potential and the ground potential according to claim 1, wherein the first potential is set to one of a power supply potential and a ground potential of a sensor circuit for surface shape recognition. A sensor circuit for recognizing a surface shape, which is set to one of the other.
【請求項3】 請求項1または請求項2において、 前記容量素子は、半導体素子からなることを特徴とする
表面形状認識用センサ回路。
3. The sensor circuit for recognizing a surface shape according to claim 1, wherein the capacitance element is formed of a semiconductor element.
【請求項4】 請求項3において、 前記半導体素子はMOSトランジスタからなり、前記M
OSトランジスタのゲート端子が前記第1の端子とな
り、前記MOSトランジスタのソース端子及びドレイン
端子が前記第2の端子となることを特徴とする表面形状
認識用センサ回路。
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor element comprises a MOS transistor.
A sensor circuit for surface shape recognition, wherein a gate terminal of an OS transistor serves as the first terminal, and a source terminal and a drain terminal of the MOS transistor serve as the second terminal.
【請求項5】 請求項1ないし請求項4の何れかの請求
項において、 前記容量素子の第1の端子に発生する寄生容量値をC
p、前記容量センサ素子の最大及び最小の容量値をそれ
ぞれCfv、Cfrとしたとき前記容量素子の容量値C
sは、{(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2に設
定されることを特徴とする表面形状認識用センサ回路。
5. The method according to claim 1, wherein a parasitic capacitance value generated at a first terminal of the capacitance element is C.
p, when the maximum and minimum capacitance values of the capacitance sensor element are Cfv and Cfr, respectively, the capacitance value C of the capacitance element
s is set to {(Cfv + Cp) (Cfr + Cp)} 1/2 .
【請求項6】 請求項1ないし請求項4の何れかの請求
項において、 前記容量素子の容量値Csは、前記容量センサ素子の容
量値の最大値以下に設定されることを特徴とする表面形
状認識用センサ回路。
6. The surface according to claim 1, wherein the capacitance value Cs of the capacitance element is set to be equal to or less than a maximum value of the capacitance value of the capacitance sensor element. Sensor circuit for shape recognition.
【請求項7】 請求項1ないし請求項4の何れかの請求
項において、 前記容量素子の容量値Csは、10fFから250fF
までの範囲を有することを特徴とする表面形状認識用セ
ンサ回路。
7. The capacitance element according to claim 1, wherein a capacitance value Cs of the capacitance element is 10 fF to 250 fF.
A sensor circuit for recognizing a surface shape having a range of
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