JP3482189B2 - 非常に小さなキャパシタンスの検出方法及びその使用法 - Google Patents

非常に小さなキャパシタンスの検出方法及びその使用法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、電気的な構成素子の非常に小さ
なキャパシタンスを検出するための方法に関する。前記
方法は、特に容量的に測定を行うための表面センサにお
いて、特に指紋センサにおいて使用することができる。
【０００２】非常に小さなキャパシタンスは、キャパタ
ンスを複数回充電し、かつ電荷をその都度より大きなキ
ャパシタンスに蓄積することによって検出することがで
きる。所定の回数の充電過程で蓄積された電荷の量によ
って、小さなキャパシタンスが逆推論される。この方法
は、例えば指紋センサにおいて使用することができる。
これに適した導体及び電気回路素子の配置構成が、図４
の概略図に示されている。例えば、指紋の完全な画像を
記録するために、導体表面の格子状配置構成が使用され
る。この格子状の配置構成には、指先のためにカバー及
び載置面が設けられている。アースされていると仮定さ
れる皮膚の表面から導体への距離の違いによって、種々
異なったキャパシタンスが生じる。それゆえ、導体及び
この導体から離れて配置構成された皮膚表面の領域によ
って形成されたキャパシタは、同じ電位差が印加された
場合でも異なった強度で充電される。これら電荷は、皮
膚表面に対するキャパシタンスの尺度であり、それゆえ
指紋の記録に使用することができる。非常に小さな電荷
を測定することができるように、これら電荷は、複数の
充電過程後により大きなキャパシタンスで蓄積され、測
定される。
【０００３】図４Ａには、検知するべき塑像の表面１
が、この塑像表面に向かい合った導体表面２から間隔を
置いて、横断面で示されている。この導体表面２は、導
体３に接続され、検知するべき塑像表面１に対してキャ
パシタプレートとして作用する。導体表面２は、スイッ
チＳ１及びＳ２を介して択一的に直流電圧源またはキャ
パシタＣｓに接続される。前記直流電源は、この実施例
では、５Ｖの電圧を供給し、前記キャパシタＣｓは、蓄
電キャパシタンスとして機能する。このキャパシタＣｓ
に蓄積される電荷は、図示された電量計Ｃｂによって測
定される。
【０００４】図４Ｂには、スイッチＳ１及びＳ２を作動
させるスイッチング信号が、電量計によって測定される
電荷とともに時間の関数として示されている。
【０００５】図４Ｃには、図４Ａの配置構成のための等
価電気回路図が示されている。
【０００６】導体表面によって２つの異なった平面で形
成されるキャパシタの電荷を測定する代わりに、同じ平
面にある２つの導体表面のキャパシタンスを測定するこ
とができる。有利には、そのために、それぞれ互いに隣
接して配置される導体表面を選択することができる。こ
れら導体は、載置する塑像の上面、例えば皮膚表面をに
よって互いに結合される。ここでも、容量性結合は、皮
膚表面の導体表面への距離が小さい程、強くなる。電荷
測定装置において、移送された電荷が測定される。所属
のセンサの配置構成及び等価電気回路図は、図５Ａ及び
図５Ｂに示されている。この方法においては、それゆ
え、１つの構造化された導体平面の使用だけで十分であ
る。この導体平面は、実際には、交差する導体を有する
導体表面のフィールドから成る。この導体は、アクティ
ブ構成素子と極近傍で接続される必要はないので、絶縁
フィルムに収容される。この方法を使用した際に得られ
る電荷は、しかし、図４で説明された方法による場合よ
りも格段に小さい。
【０００７】電荷測定装置は、有利には増幅器から成
る。さらにアナログデジタル変換器が、測定のデジタル
評価を可能にするために後置接続されれば、この増幅器
及びアナログデジタル変換器は多くの面積を必要とし、
その結果、１つの画素しか制御及び読み出しすることが
できない。他のすべての制御線及び読み出し線は、低抵
抗に保たれなければならない。これは図６において、導
体配置構成の概略的な平面図に示されている。制御線
は、ここでは、個々の正方形導体表面の垂直方向の接続
線である。読み出し線は、水平に延在する。交差点で
は、制御線と読み出し線は互いに絶縁されている。容量
性結合は、彎曲した矢印によって示されている。類似の
指紋センサが、ＳＥ ４４８４０８に記載されている。
この形式の制御によって、１つの制御線のみを線路に容
量的に過結合することが達成される。しかし、これによ
って読み出し線が交互に過結合しないようにするため
に、すべての読み出し線は低抵抗に保たれなければなら
ない。これは、例えばスイッチによって、または増幅器
の低入力インピーダンスによって達成することができ
る。
【０００８】図７には、１つの回路が示されている。こ
の回路によって、電圧増倍器でも利用される電荷のポン
プ作用を、直列キャパシタンスで実現することができ
る。
【０００９】本発明の課題は、キャパシタの格子状配置
構成の非常に小さなキャパシタンスを検出するための方
法を提供することである。この方法はとりわけ、塑像の
検知に、例えば指紋の検知に適するものである。
【００１０】この課題は、請求項１に記載の特徴を有す
る方法によって解決される。実施形態、特に像の検知の
ための本方法の使用は、従属請求項に記載されている。
【００１１】本発明による方法では、すべての読み出し
線（図６の線路ＬＬｎ−１，ＬＬｎ，ＬＬｎ＋１）は同
時に読み出される。各読み出し線からの測定値は、すで
に測定過程の間にデジタル化される。そのために、図１
Ａの直列キャパシタンスによるポンプ作用が使用され
る。読み出し線から読み出し線への過結合を抑えるため
に、２つのダイオードが２つのスイッチと１つのオペア
ンプによって置換される。これらスイッチＳ１、Ｓ２及
びオペアンプＯＰは、図１Ａの回路概略図に示されてい
る。図１ｂには、発生した電圧Ｕｐ、スイッチＳ１及び
Ｓ２のスイッチング信号、電流ＩＰ及びキャパシタでの
電圧Ｕｓの時系列が示されている。発生信号Ｕｐの正区
間の直前に、２つのスイッチＳ１，Ｓ２が切り替えられ
る。キャパシタンスＣｐは、今度は、直接蓄電キャパシ
タンスＣｓと接続される。発生された電圧Ｕｐの正のエ
ッジ、すなわち立ち上がりエッジとともにキャパシタＣ
ｐの電荷は蓄電キャパシタＣｓに移され、ここで蓄電キ
ャパシタＣｓのキャパシタンスはキャパシタＣｐのキャ
パシタンスよりも格段に大きくなる。電圧Ｕｓは僅かに
上昇する。電流Ｉｐが弱まると直ちに、スイッチが再び
切り替えられる。今度は、キャパシタンスＣｐがオペア
ンプＯＰの出力側に接続される。このフィードバックさ
れたオペアンプＯＰは、蓄電キャパシタＣｓでの電圧Ｕ
ｓを直接に１：１の割合で、オペアンプＯＰの出力側に
出力する。スイッチの切り替わりの後に、発生された電
圧Ｕｐの負のエッジ、すなわち立ち下がりエッジがつづ
く。オペアンプＯＰの低インピーダンスの出力側を介し
て、キャパシタＣｐは充電される。ここで、電荷が蓄電
キャパシタＣｓから流出することはない。それゆえ、再
びスイッチが切り替わった後に、キャパシタＣｐから蓄
電キャパシタＣｓへの放電を繰り返すことができる。こ
の経過は、以下において、ポンピングサイクルと称され
る。ポンピングサイクルの間、読み出し線上の電圧は僅
かしか変化しない。これによって、１つの読み出し線か
ら他の読み出し線への過結合の心配はない。それゆえ、
この方法によって、画素から成るフィールドのすべての
読み出し線は、制御線（図６の線ＳＬｋ−２，ＳＬ
ｋ−１，ＳＬｋ，ＳＬｋ＋１）を介してポンピングさ
れ、すべての読み出し線は評価される。
【００１２】有利には、この方法は以下のように実行さ
れる。すなわち、蓄電キャパシタＣｓを所定の値まで充
電し、この所定の値を超過したことをコンパレータによ
って基準電圧Ｕｒｅｆに基づき決定し、この値までのポ
ンピングサイクルの回数をカウンタによって計数するの
である。このような構成は図２に示されており、そこで
は、Ｃｔでカウンタが、Ｒｇで記録ユニットが表されて
いる。スイッチＳ３はカウンタＣｔを択一的にコンパレ
ータＫの出力側または記録装置の出力側Ｒｇに接続する
ために用いる。このようにしてカウンタは、蓄電キャパ
シタにおいて基準電圧が到達すると、停止することがで
きる。カウンタによって検出されるポンピングサイクル
の回数は、スイッチＳ３の切換の後、記録装置によって
記憶され、及び／またはさらなる評価に引き渡される。
【００１３】図３は、本方法に適したオペアンプの１つ
の可能な実施形態を、図１Ａ及び２による配置構成にお
いて使用できるような形で示す。しかし、オペアンプを
実現する別の実施形態を排除するものではない。
【００１４】本発明による方法にとって重要なのは、測
定すべき小さな電荷、またはキャパシタに印加される電
圧が直接的に増強されるのではなく、所定の限界値まで
の蓄積によって直接デジタルの測定結果に変換されると
いうことである。さらに本方法にとって重要なのは、測
定すべきキャパシタンスのそれぞれのグループが同時に
測定されることである。ここでは、例えば有利には、個
々のキャパシタのマトリクス状の配置構成におけるそれ
ぞれの列を取り扱うことができる。上述のような適切な
回路によって、個々の読み出し線の間の過結合が回避す
ることができる。
【００１５】ポンプ作用は、とりわけ、センサに適用す
ることができ、このセンサは、２つの隣接する導体表面
を介して塑像を容量的に検知する。実質的に構造化され
た導体平面によって形成される指紋センサでは、この方
法はピクセルのキャパシタンスを測定するために使用す
ることができる。ピクセルとは、センサの最小の測定
面、すなわち画素を意味する。センサの単位表面当たり
のピクセル数大きくなるにつれて、その解像度が良くな
る。指紋センサのピクセルの寸法は、５０μｍから１０
０μｍまでのオーダーの大きさである。ピクセルキャパ
シタンスの値は、導体表面から指の皮膚表面までの距離
に反比例する。従って、所定の基準値までのポンピング
サイクルの回数ｎは、にセンサの導体表面から皮膚表面
までの距離に正比例する。
【００１６】電荷変位は、Ｑｐ＝Ｃｐ・ΔＵｐである。
集められる電荷は、Ｑｓ＝Ｃｓ・Ｕｓであり、ここでＵ
ｓはせいぜい基準電圧Ｕｒｅｆまでにしかならない。さ
らに、Ｑｓ＝ｎ・Ｑｐが成り立つので、Ｕｓ＝Ｕｒｅｆ
に対して、ｎ＝Ｑｓ／Ｑｐなる関係が成り立つ。キャパ
シタンスＣｐは、指の皮膚表面と導体表面の間の距離に
反比例する。従って、ポンピングサイクルの回数はこの
距離に比例する。
【００１７】オペアンプ、コンパレータ及び蓄電キャパ
シタの回路は、これらが配置構成のそれぞれの列に１つ
存在する程コンパクトである。オペアンプの生じ得るオ
フセットは、常時切り替えによって補償される。 ［図面の簡単な説明］
【図１Ａ】スイッチＳ１、Ｓ２及びオペアンプＯＰを示
す。
【図１Ｂ】電圧Ｕｐ、スイッチＳ１及びＳ２のスイッチ
ング信号、電流ＩＰ及びキャパシタ電圧Ｕｓを時系列で
示す。
【図２】カウンタ及び記録装置を示す。
【図３】本方法に適したオペアンプの１つの可能な実施
形態を示す。
【図４Ａ】検知されるべき像の表面１を横断面で示す。
【図４Ｂ】スイッチＳ１及びＳ２を時間の関数として示
す。
【図４Ｃ】図４ａの配置構成のための代替的な電気回路
図を示す。
【図５Ａ】センサの配置構成及び代替的な電気回路図を
示す。
【図５Ｂ】センサの配置構成及び代替的な電気回路図を
示す。
【図６】導体配置構成の概略的な平面図を示す。
【図７】１つの回路を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−231803（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／17668（ＷＯ，Ａ１) 米国特許5343157（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 27/26 A61B 5/06 G01B 7/28 G01B 7/34 102 G06K 9/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気的導体表面（２）の複数の対から成
    るキャパシタ（Ｃｐ）の格子状配置構成の非常に小さな
    キャパシタンスを検出するための方法において、 ａ）導体表面（２）をグループに分割し、 ｂ）それぞれのグループの導体表面（２）の複数の対の
    一方の導体表面を、読み出し線（ＬＬｎ−１，ＬＬｎ，
    ＬＬｎ＋１）と電気的に導通するように互いに接続し、 ｃ）それぞれのグループの導体表面（２）の複数の対の
    他方の導体表面を、互いに別個にそれぞれ１つの制御線
    （ＳＬｋ−１，ＳＬｋ，ＳＬｋ＋１）と電気的に導通す
    るように接続し、 ｄ）それぞれ１つの制御線に所定の時間の間、電位を印
    加し、これにより、制御線と複数の読み出し線の間で電
    位差が生じるようにし、該電位差がそれぞれ制御線に接
    続された少なくとも１つの導体表面及びそれぞれ前記複
    数の読み出し線の１つに接続された少なくとも１つの導
    体表面から成るキャパシタＣｐを充電するようにし、 ｅ）電荷をそれぞれの読み出し線を介して別個にそれぞ
    れ１つの蓄電キャパシタ（Ｃｓ）に導き、 ｆ）制御線に印加される電位を遮断し、回路によって、
    関連する蓄電キャパシタ（Ｃ ｓ ）を介して基準電位に対
    する電圧（Ｕ ｓ ）に依存する電位を関連する読み出し線
    に低抵抗で印加し、 ｇ）ｄからｆまでのステップを、所定の回数の充電が行
    われるまで、または各蓄電キャパシタ（Ｃｓ）に、所定
    の値より大きな電位差が印加されるまで繰り返し、 ｈ）そして、それぞれの読み出し線について、蓄電キャ
    パシタの電荷または電位差、ないしは充電回数を検出す
    る、 ことを特徴とする検出方法。
  2. 【請求項２】 前記ステップｆでは、フィードバックさ
    れたオペアンプ（ＯＰ）を使用し、 遅くとも、関連する制御線に印加される電位が遮断され
    る時点で、測定すべきキャパシタ（Ｃｐ）のそれぞれと
    関連する蓄電キャパシタ（Ｃｓ）との間において、読み
    出し線に前記オペアンプ（ＯＰ）の出力側を接続する、
    請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 オペアンプ（ＯＰ）として、２つのｐチ
    ャネルＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１，Ｍ２）及び３つのｎチャネ
    ルＭＯＳＦＥＴ（Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）から成る回路を使
    用し、 ここで、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１，Ｍ２）のソー
    ス端子及び第１のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Ｍ５）のド
    レイン端子は給電電圧の一方の端子に接続され、 ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのドレイン端子は、それぞれ第
    ２及び第３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Ｍ３，Ｍ４）の
    ドレイン端子に接続され、 ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子は互いに接続さ
    れ、さらに第３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴのドレイン端
    子に接続され、 第２及び第３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴのソース端子は
    互いに接続され、さらに電流源を介して給電電圧の他方
    の端子に接続され、 第１のｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子は第２のｎ
    チャネルＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に接続され、 第１のｎチャネルＭＯＳＦＥＴのソース端子は第２のｎ
    チャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子と接続され、さらに
    別の電流源を介して給電電圧の前記他方の端子に接続さ
    れ、かつ回路の出力側を形成し、 第３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子は回路の入
    力側を形成する、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 構造化された導体表面によって塑像を容
    量的に検出するために用いられる、請求項１から３まで
    のいずれか１項記載の方法の使用法。
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