JP3921562B2 - 特に指紋を採取するための容量型距離センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量型距離センサに関し、特に微小距離（ミクロンないしミリメートル程度）センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微小距離センサは、特に、圧力センサ、近接センサ、粗さセンサ、機械的応力センサ、加速度センサとして、例えば集積マイクロフォン技術において、または指紋の採取のために使用される。
【０００３】
特に指紋を採取する（ここでは、本発明の好適な応用例として言及する）従来のセンサは種々のタイプがあり、例えば、光学タイプ、圧電タイプ、可変コンダクタンスタイプ、熱タイプ、超音波タイプ、および容量型タイプのものがある。そのうち、精度、サイズ、製造、コストの面で最も信頼できるものは容量型センサである。
【０００４】
容量型センサは、２つのアーマチャ（電機子）間のキャパシタンスがそれらの間の距離に反比例するという原理に基づいており、接触する皮膚組織そのものを、センサのキャパシタの第２アーマチャとして用いて、そのキャパシタンスを測定することにより、指紋の隆線と溝の位置を決定することができる。これは Knappの米国特許 US-A-5,325,442 号において採用された原理であり、その特許は、それぞれが感知電極からなる基本セルのアレイと電子スイッチング装置とを含むセンサに関するものである。電極はパッシベーション酸化物や高分子化合物等の誘電体で被覆されており、その上に表皮を接触させる。セルが選択されると所定の電位の変動が電極に印加され、端子において適切な電荷の変動が誘発され（その大きさは電極のキャパシタンスに依存する）、装置の出力に接続された増幅エレメントにより読み取られる。前記特許は、効率改善のため、皮膚組織を適切にバイアスするよう基準電位に接続された表面グリッドを示唆している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来の容量型センサにおいて、キャパシタのアーマチャ間のキャパシタンスがそれらの間の距離に反比例に変化するので、得られたデータの正規化の問題が存在する。特に、当該応用例のように測定されるキャパシタンスが非常に小さい場合、電荷の検出において、またはＳＮ比の低い場合に生成される画像の異なるグレーレベルに対応する種々の中間電荷レベルの識別において非常に困難である。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、従来の技術に係る典型的な欠点を克服するよう設計されたセンサを提供することにある。
【０００７】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【０００９】
すなわち、本発明の容量型距離センサは、第２のアーマチャ（１８）に面して配置された第１のアーマチャ（２３）とされる容量性エレメント（３３，３４）を含む容量型距離センサであって、前記第１および第２のアーマチャは測定すべき距離（ｄ）を定義し、増幅手段（１３）が入力（１６）および出力（１７）を定義することを特徴とし、更に、前記容量性エレメント（３３，３４）が、前記増幅手段の前記入力と前記出力との間に接続され、負のフィードバック分岐を形成することを特徴とするものである。
【００１０】
実際、本発明によれば、検出キャパシタ（キャパシタのアーマチャ間の距離が測定される）は負のフィードバック（負帰還）ループに配置され、出力電圧のアーマチャ間の距離への依存が、分母と分子の間で反転する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な（しかし限定を意図したものではない）実施形態を添付図面を参照して例示として説明する。
【００１２】
図１に示されたものはセンサ装置１であり、好ましくは１個の集積チップ上に集積されたものであり、アレイ３を形成するよう配列された多くのセル２を含み、セルの各々は基本センサを構成する。
【００１３】
センサ装置１はまた、所定の走査パターンに従い１度に１個のセル２をイネーブルとするため、水平走査段５と垂直走査段６とを含む。好ましくはセルの読み取りのため、走査段５および６はセルの出力をシーケンシャルにイネーブルとし、また、シフトレジスタあるいはデコーダを有するものである。
【００１４】
センサ装置１はまた、電源・論理段７を含み、それが装置の構成要素（セル２を含む）に電源を供給し、必要とされる基準電圧を供給し、準備されたステップのシーケンスを制御する（後に詳細に説明する）。特に、図１は、基準電圧の変動ΔＶR を生成する電圧源１２を示す。また、すべてのセル２の出力にバッファ８が接続され、走査段５，６によりイネーブルとされたセル２の出力に存在する信号を本装置の出力１０に提供するようになっている。
【００１５】
図２に示されるように、各々のセル２は、ゲイン（利得）Ａの低電力反転増幅器１３と、面積が等しい２つのアーマチャ２３，２４と、リセットスイッチ１９と、入力キャパシタ２０とを有する。反転増幅器１３は入力電圧Ｖi の入力１６と出力電圧Ｖo の出力１７とを有し、その出力がセル２の出力となる。２つのアーマチャは指紋が付けられる皮膚の表面１８に面して配置されている。リセットスイッチ１９は反転増幅器１３の入力１６と出力１７との間に接続される。入力キャパシタ２０はセル２の入力２１と反転増幅器１３の入力１６との間に接続される。
【００１６】
詳細に述べれば、アーマチャ２３および２４はそれぞれ反転増幅器１３の出力１７と入力１６に接続され、センサ装置１のセル２のアレイ３の部分の表面を覆う誘電体層により覆われる。従って、使用に際し、皮膚表面１８が、アーマチャ２３，２４に面する第２のアーマチャを形成し、それらと一緒に、反転増幅器１３の入力１６と出力１７との間に接続された１対の直列キャパシタフィードバックを定義するので、皮膚の表面を定電圧にバイアスする接触グリッドを必要としない。
【００１７】
スイッチ１９は従来の任意の技術を用いて形成された制御スイッチ（例えば、ＭＯＳスイッチ）であり、電源・論理段７から制御信号Ｒを受取る。セルの入力２１も電源・論理段７に接続され、以下に説明するように、電圧信号ΔＶR を受取る。
【００１８】
指紋を採取するため、皮膚の表面１８がセンサ装置１のアレイ３の部分の表面上に置かれ、すべてのセルの反転増幅器１３のフィードバックループを形成する１対のキャパシタを形成する。測定の開始時点において、すべてのセルのスイッチ１９は閉じており、入力２１における電圧レベルは一定であり、従って、すべてのセル２の入力電圧Ｖi は出力と同じ電位Ｖo とされ、反転増幅器１３の高利得点において電源とアースとの間の電圧になる。
【００１９】
その後、電源・論理段７がすべてのスイッチ１８をパラレルに開き、すべての入力２１に電圧の階段状変化ΔＶR'を提供し、それにより、入力キャパシタ２０の端子において電荷の変動ΔＱ＝Ｃi ＊ΔＶR （ここでＣi は入力キャパシタ２０のキャパシタンスである）が誘導され、以下に説明するように、アーマチャ２３，２４とそれらに面する皮膚の表面との間の局所的な距離ｄの読み取りが可能となる。明らかに、局所的な距離ｄは、測定されている点が、溝であるか、隆線であるか、あるいはそれら２つの間の点であるかに応じて変化する。
【００２０】
次に、走査段５，６は、セル２の読み取りをシーケンシャルにイネーブルとし、バッファ８の出力１０における電圧信号がシステムに供給され、距離が従来の仕方でグレーレベルにより表され、皮膚表面の３次元表示を実現する。
【００２１】
次に、各セル２のアーマチャ２３，２４と皮膚表面１８により形成されるアーマチャとの間の局所的な距離ｄが検出される方法について、図３の等価電気回路図を参照しながら説明する。
【００２２】
図３には、反転増幅器１３の等価な入力キャパシタ３０および出力キャパシタ３１と、アーマチャにおける電圧変動に対応する電荷の流れの方向（矢印により示される）と、アーマチャ２３，２４と皮膚の表面１８とにより形成されるキャパシタ３３，３４とが示されている。
【００２３】
Ｃl は反転増幅器１３の等価な入力キャパシタンス（入力キャパシタ３０のキャパシタンス）であり、Ｃr は直列なキャパシタ３３および３４の全キャパシタンスであり、Ａは反転増幅器１３のゲインであり、ΔＱは電圧の階段状変化ΔＶR により入力キャパシタ３０に誘導される電荷の変動であり、ΔＱi は階段状変化ΔＶR の結果として等価な入力キャパシタ３０に格納される電荷の変動であり、ΔＱr はキャパシタ３３，３４の直列な接続により形成されるフィードバック分岐における電荷の変動であり、ΔＶi は反転増幅器１３の入力１６における電圧の階段状変化であり、ΔＶo は出力１７における対応する電圧変動（−ＡΔＶi に等しい）であり、Ｓはキャパシタ３３，３４の各アーマチャ２３，２４の表面であり、εo は電気定数（当該応用例では、皮膚と絶縁層２５との間の平均距離として見え、溝においては通常６０μｍであり、通常２μｍである絶縁層２５の厚さより大きい）であり、ｄはアーマチャ２３，２４と皮膚表面１８との局所的な距離（セル２のサイズが非常に小さいことを考慮すると両方のアーマチャ２３，２４に対してほぼ同一であり、通常約４５μｍである）であるとすれば、全フィードバックキャパシタンスＣr は次の式で与えられる。
【００２４】

Ａ＞＞１であると仮定すると、（式３）は次のようになる。
【００２５】
ΔＶo ＝ｄ（２ΔＱ／Ｓεo ） （式４）
その結果、容量性結合により実現される負帰還（負のフィードバック）と皮膚組織を介する反転増幅器１３の入力により、電荷の階段状変化の結果としての出力電圧の変動は、アーマチャ２３，２４と皮膚表面との間の距離に正比例し、その距離は皮膚の３次元構造に依存している。
【００２６】
増幅レベルが適切であれば（例えば、１０００〜２０００）、１０ｆＦ程度のキャパシタンスの差（すなわち、μｍの距離）を検出することが可能である。従って、本発明の装置の出力信号は、グレーレベルに変換すると、皮膚表面の３次元構造を高い信頼性で表現することができる。
【００２７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００２８】
特に、弾性構造の形成を可能とする製造技術（マイクロマシン技術）が利用できるのであれば、その間の距離が測定される電極を反転増幅器１３の入力あるいは出力に直接に接続して、アーマチャ２３，２４の１つを除くことができる。
【００２９】
更に、すべての構成要素は技術的な等価物と置き換えることができる。例えば、反転増幅器１３のようなインバータが現在のところ設計上、またはレイアウト上の理由で好ましいが、反転増幅器１３は、電荷増幅器の構成において、任意の反転あるいは差動増幅器（例えば、演算増幅器）により実現し、出力信号の速度を高めることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００３１】
すなわち、出力信号の複雑な処理を全く必要としないで、高度な精度を提供し、現在のマイクロエレクトロニクス技術を用いて容易に製造し、集積することができ、非常に信頼性が高く、コンパクトで、安く製造することができる。
【００３２】
また、微小距離の正確な検出が必要な他の応用例に用いることができる。
【００３３】
更に、各セルの設計が単純であるため、２次元の物理量を検出するため多くのセルをアレイ構造に収容することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】指紋を採取するセンサ装置を示す図である。
【図２】図１の装置のセルの詳細を示す図である。
【図３】図２のセルと電気的に等価な回路を示す図である。
【符号の説明】
１ センサ装置
２ セル
３ アレイ
５ 水平走査段
６ 垂直走査段
７ 電源・論理段
８ バッファ
１０ 出力
１２ 電圧源
１３ 反転増幅器
１６ 入力
１７ 出力
１８ 皮膚表面
１９ リセットスイッチ
２０ 入力キャパシタ
２１ 入力
２３，２４ アーマチャ
２５ 絶縁層
３０ 入力キャパシタ
３１ 出力キャパシタ
３３，３４ キャパシタ

Claims (16)

1. 第２のアーマチャ（１８）に面して配置された第１のアーマチャ（２３）として定義される容量性エレメント（３３，３４）を含み、前記第１および第２のアーマチャは測定すべき距離（ｄ）を定義する容量型距離センサであって、
   増幅手段（１３）が入力（１６）および出力（１７）を定義し、
   前記容量性エレメント（３３，３４）が、前記増幅手段の前記入力と前記出力との間に接続され、負のフィードバック分岐を形成することを特徴とする容量型距離センサ。
2. 請求項１記載の容量型距離センサであって、前記増幅手段が反転増幅器（１３）を含むことを特徴とする容量型距離センサ。
3. 請求項１および２のいずれか１項に記載の容量型距離センサであって、
   前記容量性エレメント（３３，３４）が前記第２のアーマチャ（１８）に面して配置された第３のアーマチャ（２４）を含み、
   前記第１のアーマチャ（２３）は前記増幅手段（１３）の前記出力（１７）に接続されており、
   前記第３のアーマチャ（２４）は前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）に接続されていることを特徴とする容量型距離センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の容量型距離センサであって、前記第１のアーマチャ（２３）に接触する絶縁物の層（２５）を有することを特徴とする容量型距離センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の容量型距離センサであって、電荷の変動を生成するよう前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）に接続された論理手段（７，２０）と、前記増幅手段の前記出力（１７）において電圧の階段状変化を検出する出力検出手段とを有することを特徴とする容量型距離センサ。
6. 請求項５記載の容量型距離センサであって、前記論理手段が、電圧の階段状変化を生成する基準電圧源（１２）と、該電圧源と前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）との間に挿入された容量性エレメント（２０）とを有することを特徴とする容量型距離センサ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の容量型距離センサであって、前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）と前記出力（１７）との間に接続されたスイッチングエレメント（１９）を有することを特徴とする容量型距離センサ。
8. 入力イネーブル手段（５，６）と出力線とに接続された距離検出セル（２）のアレイ（３）を有するセンサ装置であって、
   前記セル（２）の各々が、請求項１ないし４のいずれか１項あるいは複数の項に記載された容量型距離センサを有することを特徴とするセンサ装置。
9. 請求項８記載のセンサ装置であって、
   前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）に接続されて、該入力に電荷の変動を提供する論理手段（７，２０）と、
   前記増幅手段の前記出力（１７）において、電圧の階段状変化を検出する出力検出手段（８）とを有することを特徴とするセンサ装置。
10. 請求項９記載のセンサ装置であって、
    前記論理手段が、基準電圧源手段（１２）と複数の容量性エレメント（２０）とを有し、
    前記距離検出セル（２）の各々が、前記電圧源手段（１２）に接続され、かつ、前記容量性エレメント（２０）を介してそれぞれの前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）に接続された、それぞれの入力（２１）を備えていることを特徴とするセンサ装置。
11. 請求項１０記載のセンサ装置であって、
    前記イネーブル手段が水平走査手段（５）と垂直走査手段（６）とを有し、
    前記出力線が出力バッファエレメント（８）に接続されていることを特徴とするセンサ装置。
12. 請求項１１記載のセンサ装置であって、
    前記電圧源手段（１２）が前記距離検出セル（２）にパラレルに供給される基準電圧の階段状変化を生成する手段を有し、
    前記水平および垂直走査手段（５，６）が前記距離検出セル（２）をシーケンシャルにイネーブルとするための手段を有することを特徴とするセンサ装置。
13. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の容量型距離センサ（３３，３４）の第１のアーマチャ（２３）と第２のアーマチャ（１３）との間の距離を検出する方法であって、
    前記第１のアーマチャ（２３）を増幅手段（１３）の第１の端子（１７）に接続し、前記第２のアーマチャ（１８）を前記増幅手段の第２の端子（１６）に接続することにより、前記増幅手段の容量性の負のフィードバック分岐を形成するステップと、
    前記増幅手段の入力（１６）に電荷の変動を印加するステップと、
    前記増幅手段の出力（１７）における電圧の階段状変化を検出するステップとを含み、
    前記電圧の階段状変化は前記第１および第２のアーマチャの間の距離に正比例するものであることを特徴とする距離を検出する方法。
14. 請求項１３記載の距離を検出する方法であって、電荷の変動を印加する前記ステップが、
    第１の基準電圧を容量性エレメント（２０）に印加するステップと、
    前記第１の基準電圧とは異なる別の第２の基準電圧を、急激な変動として、印加するステップとを含むことを特徴とする距離を検出する方法。
15. 請求項１４記載の距離を検出する方法であって、電荷の変動を印加する前記ステップに先行して、初期化ステップを含み、
    該初期化ステップが、前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）および前記出力（１７）の間に接続されたリセットスイッチ（１９）を閉じるステップと、前記リセットスイッチを開くステップとを含むことを特徴とする距離を検出する方法。
16. 容量型センサ装置（１）を有する指紋検出装置であって、前記容量型センサ装置が請求項８ないし１２のいずれか１項あるいはそれ以上の項に記載されたように形成されていることを特徴とする指紋検出装置。

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