JP4198239B2 - 容量型指紋検知アレイの静電気電荷保護 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指紋イメージ検知、即ち例えばリッジ即ち皺の終端及び分岐等の指紋の詳細を検知する技術分野に関するものであって、更に詳細には、マルチピクセル容量型指紋センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公知の如く、人間の指紋は、枝分かれ部分即ち分岐部及び急激な終端即ち端点の両方を有するライン即ちリッジ（皺）から構成されている。これらの枝分かれ部分、分岐部、終端部及び端点はマイニューシア即ち指紋の詳細事項として公知である。指紋は、これらの詳細事項の位置及びそれらの間の関係によって識別される。
【０００３】
本発明は、指紋の詳細事項を検知すべく動作する改良した容量センサーに関するものである。容量型センサーの使用は一般的に公知である。
【０００４】
例えば、「センサー及びアクチュエータ（ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ）」、Ｊａｎ／Ｆｅｄ １９８９、Ｎｏ．１／２、１４１−１５３頁の刊行物は、１９８７年６月２日乃至５日の間東京において開催されたソリッドステートセンサー及びアクチュエータに関する第四回国際会議（トランスデューサズ’８７）において発表された「内因性輪郭検知オプションを有する集積化した触覚イメージャ（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＴＡＣＴＩＬＥ ＩＭＡＧＥＲ ＷＩＴＨ ＡＮ ＩＮＴＲＩＮＳＩＣ ＣＯＮＴＯＵＲ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＰＴＩＯＮ）」という題名の文献を有している。この文献は、底部セラミック支持体、シリコンウエハ集積回路上に包含されている正方形のアルミニウム電極からなる９行９列アレイ、天然ゴムから構成されている可撓性があり且つ分離用の中間層、薄い導電性のゴム層、及び上部保護層を具備する多層構造を有する集積化した容量性触覚画像形成用センサーを記載している。この装置においては、容量は天然ゴム層の局所的な変形に依存する。この装置の８１個の個別的なアルミニウム電極が天然ゴム層内に凹凸パターンからなる容量性の測定値を与え、この凹凸は上部保護層に作用する圧力分布によって発生される。
【０００５】
人間の指紋の詳細事項を検知するために容量型センサーを使用することも公知である。
【０００６】
例えば、「ＩＥＥＥ・エレクトロン・デバイス・レターズ」、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．１、１９９７年１月、１９−２０頁の刊行物は、「ガラス及びポリマー基板のポリシリコンＴＦＴを使用した新規な指紋スキャニングアレイ（ＮＯＶＥＬＦＩＮＧＥＲＰＲＩＮＴ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＡＲＲＡＹＳ ＵＳＩＮＧ ＰＯＬＩＳＩＬＩＣＯＮ ＴＦＴ’Ｓ ＯＦ ＧＬＡＳＳ ＡＮＤ ＰＯＬＹＭＥＲ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ）」という題名の文献を包含している。この文献は、４万個の個別的なピクセルから構成されている二次元（２Ｄ）２００×２００容量検知用アレイを記載している。該アレイの各ピクセルは２個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と１個のコンデンサプレートとを有している。各アレイピクセルは１つのアレイ行と１つのアレイ列との交差点に存在しており、且つ各アレイピクセルは、行ドライバ回路と列ドライバ回路とによって個別的にアドレスすることが可能である。
【０００７】
与えられたピクセルと関連しているこれら２つのＴＦＴ（以後、ＴＦＴ−Ａ及びＴＦＴ−Ｂと呼称する）について検討すると、ＴＦＴ−Ａ及びＴＦＴ−Ｂのドレイン電極は該ピクセルのコンデンサプレートへ接続しており、ＴＦＴ−Ａのゲート電極及びソース電極は該ピクセルと関連している行導体へ接続しており、ＴＦＴ−Ｂのゲートは持続の行導体へ接続しており、且つＴＦＴ−Ｂのソースは該ピクセルと関連している列導体へ接続している。
【０００８】
薄い（０．１μｍ）窒化シリコン絶縁体が各アレイピクセルのコンデンサプレートの上側に存在している。指紋のリッジ（皺）が該コンデンサプレートのすぐ上に存在している場合には、該コンデンサプレートと指との間にコンデンサが形成される。このコンデンサは、このピクセル及びＴＦＴ−Ａと関連している行導体によって行パルス（８乃至１０ＶＤＣ及び１０乃至１００マイクロ秒の期間）が該ピクセルへ印加される場合に、充電される。この格納された電荷は、その後に、行パルスが持続の行電極へ印加される場合に、ＴＦＴ−Ｂを介して該ピクセルの列導体へ転送される。
【０００９】
更に、「フィードバック容量検知技術に基づいた３９０ＤＰＩ７の指紋イメージャ（Ａ ３９０ＤＰＩ ＬＩＶＥ ＦＩＮＧＥＲＰＲＩＮＴ ＩＭＡＧＥＲ ＢＳＡＥＤ ＯＮ ＦＥＥＤＢＡＣＫ ＣＡＰＡＣＩＴＩＶＥ ＳＥＮＳＩＮＧＳＣＨＥＭＥ）」という題名の２００頁から始まっている文献を包含する１９９７ＩＥＥＥ国際ソリッドステートサーキッツコンフェレンスの刊行物も興味があるものである。この文献は、フィードバック容量検知に基づいており、且つ指の皮膚によって誘起される電界変動を検知すべく動作する単一チップ２００×２００要素アレイ２メタルデジタルＣＭＯＳ技術について記載している。該アレイの各要素において、２つの水平方向に離隔された金属プレートが、パッシベーション酸化膜によって上側に存在している指の皮膚表面の隣接部分から離隔されている。指の皮膚と該センサーの表面との間の距離が指紋の山及び谷が存在することを識別するので、複数個の要素からなるアレイが完全なる指紋パターンを与える。
【００１０】
該アレイの各要素において、該２つの金属プレートは、夫々、高利得インバータの入力端及び出力端へ接続しており、それにより電荷積分器を形成している。動作について説明すると、該電荷積分器は、最初に、該インバータの入力端と出力端とを短絡させることによってリセットされる。次いで、固定した量の電荷が該入力端から吸い込まれ、指紋の山及び谷に対する距離に逆比例するフィードバック容量値に対して逆比例させて出力電圧をスイングさせる。従って、複数個のセル即ちセンサーからなるアレイは、完全なる指紋パターンを与える。指を該アレイから取除くと、指紋画像は消失する。
【００１１】
米国特許第４，３５３，０５６号は、容量型指紋センサーに関するものであって、その場合に指紋の山及び谷を読取るために指をセンサー表面へ押し付ける。該センサー表面はそれと関連している小さな物理的寸法の多数のコンデンサを有している。２つのセンサーについて記載されている。第一のタイプのセンサーにおいては、電気的絶縁体が多数の可撓性があり且つ水平方向に離隔されている湾曲した金属電極を担持しており、そのうちの２つの隣接した金属電極が１つのコンデンサを構成している。保護絶縁膜が該電気的絶縁体の上側に存在しており、且つ指をこの保護絶縁膜と物理的接触状態とさせた場合に、該金属電極は物理的に変形され、それにより、指紋の山／谷パターンに従って多数のコンデンサの容量値を選択的に変化させる。第二タイプのセンサーにおいては、剛体支持体の上部表面が固定した位置において多数の水平方向に離隔されており且つ平坦な金属電極を担持している。該金属電極の面の上方において、可撓性の絶縁体、可撓性の電極、可撓性の保護メンブレンが順番に配設されている。上部可撓性電極と下側及び固定位置平坦金属電極の各々との間にコンデンサが形成されている。指の端部を可撓性メンブレンと接触状態とさせると、該可撓性電極は指紋の山／谷パターンに従って凹凸状態となる。
【００１２】
更に、米国特許第５，３２５，４４２号は、約１００μｍのピッチを有する行／列検知要素からなる平坦状のアレイを有する検知パッドを具備する容量型指紋センサーに関するものである。各検知要素は１本の行導体と１本の列導体との交差点に位置されている。複数個のこれらの検知要素が規則的に離隔されており且つ比較的等しい寸法の矩形からなるアレイを構成している。
【００１３】
この特許の各検知要素は、第一の接地されていない物理的に埋設されている平坦な金属コンデンサプレートを有しており、それはこの特許の図２の回路に示されるように、第二コンデンサプレートを形成する電気的に接地されている指表面から誘電的に離隔されている。この特許の図７ａ−７ｄにおいて、指係合用表面が露出されており且つ接地されている金属膜導体５３を有しており、それは、物理的に指と係合して該指を信頼性を持って接地させることによって図２の動作を確保し、それにより上述した第二コンデンサプレートを信頼性を持って接地させる。
【００１４】
該検知要素は、ホトリソグラフィプロセスを使用して製造され、且つ各個別的な検知要素は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の形態においての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を有している。各ＦＥＴゲートは１つの行導体へ接続しており、各ＦＥＴソースは１つの列導体へ接続しており、且つ各ＦＥＴドレインは１つの検知用電極へ接続している。
【００１５】
１つの実施形態においては、各検知要素は１つの検知用電極と指との間に形成される検知用コンデンサを構成する。別の実施形態においては、各検知用要素は指によって物理的に係合され且つ電気的に接地される電気的に分離されており且つ導電性のパッドを有している。
【００１６】
上述したように、従来装置は概してそれらの限定されている意図された使用に対して有用なものであるが、接地されていない指先端即ち指先の指紋パターンを検知する容量型指紋センサーに対する技術分野において、該センサーの構成が、人間によって与えられる場合のある静電気が容量型指紋センサーの動作に悪影響を与えることを防止するか又は最小とする技術を提供することが望まれている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、人間によって発生される静電気によって悪影響を受けることがない改良した指紋検知方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
公知の如く、指紋パターン認識／検知システムにおいて有用な一般的なタイプの容量型センサーアレイは、多数の行／列に配設されており且つ個別的な容量検知用セルからなる大略平坦なアレイを有しており、その場合に各個別的な検知用セルは該アレイのうちの１個のピクセルを構成している。
【００１９】
本発明が有用な１つのタイプのセンサーアレイにおいて、各検知用セルは、大略、１つ又はそれ以上の通常最も上側のレベルで誘電体で被覆され且つ接地されていない金属コンデンサプレートを有している。別のコンデンサプレートを形成する接地されていない指先を該アレイの上部誘電体表面上に配置させ、且つ指紋の山と物理的に接触したセルは、指紋の谷の下側の短い距離離隔されているセルと比較して、容量値が増加される。
【００２０】
本発明は、各このようなセルが接地されていない１つ又はそれ以上の通常最も上側のレベルであり且つ誘電体で被覆されている金属コンデンサプレート及び別のコンデンサプレートを形成する接地されていない指先によって構成される複合コンデンサ回路によってその出力／入力がフィードバック相互接続される増幅器回路を有している構成の場合に有用性がある。
【００２１】
この特定のタイプの接地されていない出力／入力フィードバック回路形態においては、時折人体によって担持される静電気の電荷は全てのセルを被覆するセンサーの最も上側のパッシベーション層即ち誘電体層を介して絶縁破壊を発生し及び／又は該１つ又はそれ以上の誘電体で被覆されている金属コンデンサプレートへ接続している検知用回路のゲート酸化膜ブレークダウン電圧を超えるのに充分高いものとなる場合がある。
【００２２】
本発明はシステム接地電圧へ直接的に接続されている金属グリッドワーク（ｗｏｒｋ）、金属メッシュライン、又は金属パターンで、各個別的な誘電体で被覆されているコンデンサプレートを物理的に接触するのではなく物理的に取囲むことによってこのような容量性センサーの静電気電荷（ＥＳＤ）性能を改善している。
【００２３】
このような接地した金属パターンの例としては、これらに制限されるべきものではないが、静電気電荷から保護されるべきコンデンサプレートとほぼ同一の水平面を占有する金属パターン、静電気電荷から保護されるべきコンデンサプレートによって占有されている水平面の垂直情報に位置されているほぼ水平な面を占有する金属パターン、静電気電荷から保護されるコンデンサプレートによって占有されている水平面の垂直下方に位置されているほぼ水平な面を占有する金属パターン、及び静電気電荷から保護されるべきコンデンサプレートによって占有されている水平面の垂直下方に位置されている水平面を占有する金属パターン、を包含しており、且つほぼコンデンサプレートを取囲むように垂直上方へ延在している複数個の金属フィンガを包含している。この後者の例においては、本発明の範囲内における接地されている金属パターンは物理的に連続的な接地されている金属パターンである必要性はない。
【００２４】
本発明によれば、接地されているＥＳＤ保護用金属グリッド／メッシュ／パターンを、上述した１つ又はそれ以上の金属コンデンサプレートと同一の物理的な誘電体によって被覆されているレベル即ち面内に位置させることが可能であり、又は該接地されているＥＳＤ保護用グリッド／メッシュ／パターンは幾分より高い物理的及び誘電体によって被覆されているレベル上に配置させることが可能である。本発明にとって重要なことは、本発明の接地されているＥＳＤ保護グリッド／メッシュ／パターンが指先が接触する上側誘電体表面から物理的且つ電気的に分離されているということである。このように、指先即ち指先端部がこの上側誘電体表面と物理的に接触することによって不所望に接地されることはない。指先を接地させることはこのタイプの容量検知用アレイにおいては望ましいことではない。何故ならば、接地された指先は増幅器の出力／入力フィードバック回路の一部も接地させ、従って該増幅器を基本的に動作不可能なものとさせるからである。
【００２５】
本発明は、その接地されている保護グリッドが集積回路（ＩＣ）及び誘電体埋設型コンデンサプレートから周期的なアレイを包含する指紋認識システム用のソリッドステート容量型センサーの一部として設けられる場合に特に有用なものであり、例えば、各アレイピクセルが信号反転用回路を包含しており、該回路の出力端及び入力端が、夫々、一対のほぼ最も上側に配設されている誘電体埋設型で且つほぼ同一面状の金属コンデンサプレートのうちの１つへ夫々接続されている。この構成においては、指紋パターン検知／認識が行なわれる指先は、ソリッドステート検知用構成体の最も上側に配設されている誘電体又はパッシベーションされている表面上、又はそれに非常に近接して物理的に配置される。セルの一対の誘電体埋設型同一面状の金属プレートを横断しての接地されていない指先の皮膚のリッジ即ち凸部即ち山の存在が、例えば、その埋込型コンデンサプレートが接地されていない指先の皮膚の谷即ち凹部と共同する隣接したセルと相対的に該一対のコンデンサプレート間に容量結合を誘起させる。従って、指紋パターン全体を隣接するセル容量値における差異を検知することによってデジタル化させることが可能である。
【００２６】
このようなソリッドステートアレイのＥＳＤに対する免疫性は比較的拙いものである場合がある。何故ならば、このタイプの回路形態においては、セルの埋め込まれており且つ接地されていないコンデンサプレートをトランジスタゲートへ接続し及び／又はセルの接地されておらず且つ埋設されているコンデンサプレートを逆バイアスしたダイオードによってシステム接地電位へ接続させることが通常だからである。このタイプの構成においては、時々人体及びその指先によって担持されている静電気電荷は数キロボルト（ｋＶ）の範囲のものとなる場合があり、ソリッドステートセルの上側誘電体／パッシベーション層を貫通して破壊が発生するのに充分に高いものである場合があり、従って埋め込まれているコンデンサプレートと関連している接地されていない回路ノードにおける電位を上昇させてこれらのコンデンサプレートへ接続されているトランジスタゲートのゲート酸化膜ブレークダウン電圧を超える場合がある。更に、上述した接地接続用ダイオードを横断しての指先の静電気によって誘起される電圧の増加が酸化膜ブレークダウン電圧を超えると、ゲート酸化膜が破壊される場合があり、従って関連するアレイセルを損傷する場合がある。
【００２７】
このようなソリッドステートアレイのＥＳＤ免疫性を改善するために、本発明はシステム接地電位へ直接的に接続されているグリッド又は金属線からなるメッシュで各コンデンサプレートを取囲むべく動作する。本発明によれば、この金属線からなる新規で且つ特異的な接地されているグリッド／メッシュをコンデンサプレートによって占有されているのと同一の水平面内に配置させるか、埋設するか、又は経路付けさせることが可能であり、又は、金属線からなるグリッド／メッシュを埋込型コンデンサプレートによって占有されている面よりも一層高い水平面内に配置させ、埋設し、又は経路付けさせることが可能である。この２番目の場合においては、金属線からなるグリッド／メッシュが埋め込まれているコンデンサプレートの面よりも指先に対して一層物理的に近接しているがそれから誘電体分離されたままである面を占有している。
【００２８】
本発明の目的とするところは、近接して離隔させた物理的形態で配設されている多数の個別的な皮膚距離検知用セルを有する容量型指紋パターン検知用アレイに対する静電気電荷保護を与えることであり、その場合に、指紋パターンを有する接地されていない指先を配置させる上表面を有する誘電体層を有している。各検知用セルは、接地されていない入力ノードと、接地されていない出力ノードと、接地されていない出力ノード対入力ノード負フィードバック回路とを具備する増幅器を包含している。この負のフィードバック回路は、該誘電体層の上表面の指先の容量効果を有しており、従って、この負のフィードバックは指先の独特の指紋パターンに対して感応する。より詳細に説明すると、この負のフィードバックは、（１）誘電体層の上表面の垂直下側に位置されているか又は埋設されており且つ接地されていない入力ノードへ接続している第一コンデンサプレート、（２）第一コンデンサプレートに対して近接した水平空間的関係で誘電体層の上表面の垂直下側に位置されるか又は埋設されており且つ接地されていない出力ノードへ接続している第二コンデンサプレート、及び（３）該第一及び第二コンデンサプレートと垂直空間的関係で配置されている接地されていない指先の直列電気的効果によって与えられる。これにより、連続的又は不連続的で接地されている金属経路が誘電体層の上表面の垂直下側に設けられるか、又は誘電体層内に埋設され、それにより電気的な意味において該第一及び第二コンデンサプレートを空間的に取囲む。この金属経路は接地電位へ接続しており、それにより、入力及び出力ノードを指先によって担持される可能性のある静電気電位から保護し、且つ指先の接地されていない状態を乱すことがないような態様で保護する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１，２，３は、「容量型距離センサー（ＣＡＰＡＣＩＴＩＶＥ ＤＩＳＴＡＮＣＥ ＳＥＮＳＯＲ）」という名称の１９９７年２月１３日付で出願された米国特許出願第０８／７９９，５４８号に関連したものであって、該米国特許出願は引用によって本明細書に取込む。図２及び３は図１の検知用セル２のうちの１つを示しており、各セルは指先１８の垂直方向に関連した部分への距離「ｄ」を測定乃至決定すべく動作する。図１のアレイ３は多数の図２の個別的な検知用セル２を有しており且つ指紋検知のために使用することが可能である。本発明のＥＳＤ保護装置／方法はアレイ３の各セル２について使用することが可能である。
図１はＸＹ面内においてとったものであり、集積回路（ＩＣ）装置１の平面図であり、該装置は、ほぼ平坦なマルチピクセルでマルチ行／列のセンサーアレイ３を有しており、該アレイは、比較的多数の図２の個別的なソリッドステート容量型センサーセル２を有している。これらのセル２は結合して動作し時系列的な電気的出力１０を与え、該出力はアレイ３の誘電体上側表面１２５上に配置された接地されていない指先１８のマルチピクセル指紋パターンを有している。
【００３０】
アレイ３はＮ個の水平方向即ちＸ方向に延在する個別的な容量センサーセル２からなる行を有しており、各行はその中にＭ個の個別的なセンサーセル２を有している。又、アレイ３はＭ個の垂直方向即ちＹ方向に延在する個別的な容量センサーセル２からなる列を有しており、各列はその中にＮ個の個別的なセンサーセル２を有している。個数Ｎ及びＭは、互いに等しいもの又は等しくないものとすることの可能な整数である。アレイ３内の個別的な画素、ピクセル又はセル２の数は極めて大きく、且つＭ×Ｎの積に等しい。１つの例としては、アレイ３内に５１２×５１２個のピクセル即ちセル２が存在しており、アレイ３は約２０ｍｍ乃至約２５ｍｍの物理的寸法を有するものである。
【００３１】
アレイ３内の各個別的なセル２はセルがアレイ３内の１本の水平方向の行と１本の垂直方向の列の交差点において物理的に位置されているということによってアドレスすることが可能である。アレイ３の個別的なセンサーセル２がアドレスされ且つマルチピクセル指紋パターンをデジタル化させるために読取る態様は当業者にとって公知であり且つ本発明に関して制限となるものではない。
【００３２】
ＩＣ装置１は所定のセルフスキャニングパターンに従って、一度に１個のセル２をシーケンシャル即ち逐次的にチェックし、即ち読取りを行なうための水平方向のスキャニングステージ即ちネットワーク６及び垂直方向のスキャニングステージ即ちネットワーク５を有している。好適には、これらのステージ５及び６は複数個のセル２の出力１７をシーケンシャルにチェックすべく動作する複数個のシフトレジスタ乃至はデコーダを有している。
【００３３】
本発明は、図２，４，５の誘電体によって被覆されているか又は誘電体に埋設されているコンデンサプレート２３及び２４から電気的に分離されているがそれらと物理的に関連している接地されている金属グリッド又はメッシュ構成体４０を取扱う。
【００３４】
本発明にとって、この電気的に接地されているグリッド／メッシュ４０が、接地されていない指先１８を配置させる誘電体層２５の上側表面１２５から物理的且つ電気的に分離されていることが重要である。接地されている金属グリッド／メッシュ４０は図２の誘電体層２５の上部表面１２５上に指又は指先部分１８を物理的に配置させることによって指紋を検知すべき人によって担持される場合のある何等かの静電気から例えばノード１６，１７のような多数の個別的な接地されていない電気的ノードを保護すべく動作する。
【００３５】
ＩＣ装置１は接地されている供給／論理ステージ乃至はユニット７を有しており、該ユニット７は全てのセル２を包含するＩＣ装置１のコンポーネントに対して必要な動作電圧を供給し、且つＩＣ装置１の動作にとって必要な複数個のステップからなるシーケンスを制御すべく動作する。特に、接地されているＤＣ電圧供給源１２はＤＣ基準電圧Ｖｒを供給する。バッファ８が全てのセル２の出力端１７へ接続している。バッファ８の出力端１０はシステム接地１００を基準としており、且つＩＣ装置１の出力端を構成しており、出力端１０における直列信号シーケンスはスキャニングステージ５及び６の動作によって制御される。
【００３６】
図２は図１のアレイ３の単一のセル２の回路の詳細を模式的に示しており、全てのセル２はほぼ同一の構成を有している。各セル２は低パワー信号反転用増幅器１３を有しており、該増幅器は約１０００乃至２０００の例示的な利得を有している。端子２１及びシステム接地１００は図２の回路に対する接地基準入力端を構成しており、且つ端子２１及び入力コンデンサ２０が増幅器１３の入力端１６へ接続している。端子１７及びシステム接地１００は増幅器１３及びセル２の接地基準出力端を構成している。各セル２は、更に、２つのＸＹ平坦状の接地されていないアーマチャ即ち接地されていない金属コンデンサプレート２３，２４を有しており、該プレートはほぼ同一の面積であり且つ共通のＸＹ水平面内において互いに水平方向即ちＸ方向に離隔されている。薄い誘電体層２５即ち薄いパッシベーション層２５がコンデンサプレート２３，２４の上側表面を被覆しており、且つ誘電体層２５の上側の水平表面１２５は指紋パターンを検知又は決定すべき人の指先の接地されていない皮膚表面１８によって物理的に接触するための活性アレイ表面を提供している。誘電体層２５はアレイ３及びその個別的なセル２を包含するＩＣ装置１の上側部分の表面全体を被覆することが可能である。
【００３７】
使用する場合に、人の接地されていない指先１８をアレイ３の誘電体層２５の上側表面１２５上に配置させる。その場合に、指先の皮膚表面１８が接地されていないアーマチャ即ち接地されていない電極（図３の構成要素１３３も参照）を形成し、該電極は接地されていないコンデンサプレート２３，２４の上側のＸＹ平坦表面の垂直上方に存在し且つそれと対面する。図３に示したように、接地されていない皮膚表面１８はプレート２３，２４と共に、第一コンデンサ３４及び第二コンデンサ３３を画定すべく動作し、これらのコンデンサが直列に接続されて構成される複合コンデンサ３３，３４は接地されていない増幅器出力端１７から接地されていない増幅器入力端１６にかけて負のフィードバック態様で接続されている。
【００３８】
各セル２は、更に、好適にはＭＯＳスイッチの形態である通常開成しているリセット制御又は開始スイッチ１９を有している。スイッチ１９は選択的且つ瞬間的に動作して接地されていない増幅器入力端１６を接地されていない増幅器出力端１７へ短絡させる。スイッチ１９は、図１の供給及び論理ユニット７によって供給される制御信号「Ｒ」によって制御される。指紋採取動作の開始において、全てのアレイセル２のスイッチ１９は瞬間的に閉じられ、且つ全てのセル入力端２１における入力／出力電圧レベルは一定の大きさに維持される。このように、全てのセル２の入力電圧２１はセルの出力電圧１７と同一の電圧とされる。
【００３９】
すぐその後において、供給及び論理ユニット７は全てのリセットスイッチ１９を開成させ且つ全ての接地されていないセル入力端２１へシステム接地１００と相対的に基準電圧Ｖｒに大きさが等しいステップ電圧を供給する。従って、セル入力コンデンサ２０の各々において電荷が誘起され、従ってセルの接地されていないコンデンサプレート２３，２４とそのセルの上側に存在しており且つ接地されていない皮膚表面１８との間に存在する局所的且つ個別的なＺ方向のセル距離「Ｄ」を読取ることを可能とする。
【００４０】
図１のスキャニングステージ５，６は、アレイ３内の多数のセル２の読取り即ちチェック動作をシーケンシャルにイネーブル即ち動作可能とさせるべく動作する。このように、バッファ８はアレイ３の上部誘電体表面１２５上に現在存在する指先の皮膚表面１８の三次元的読取り及び表示を与える一連のグレイレベルの電圧の形態で直列信号出力１０をシーケンシャルに与えるべく動作する。
【００４１】
図３は図２に示した単一のセルの回路の等価回路である。増幅器１３の入力容量は３０で示してあり、増幅器１３の出力容量は３１で示してあり、システム接地電位は１００で示してあり、且つ上述した２つの直列接続されており且つ皮膚感応性コンデンサを１３３，３３，３４で示してある。
【００４２】
容量検知用アレイ３のこのタイプにおいては、各セルの増幅器形態（図２参照）が要素２３，２５，１８，２５，２４を包含しており接地されていない出力端１７から入力端１６へのフィードバック回路を包含しており、人体によって時折担持される高い静電気が指先１８をして例えば１６及び１７のような増幅器回路ノードにおいて不所望且つ回路を破壊させる可能性のある電圧を発生させる場合がある。
【００４３】
図４の側面図及び図５の平面図を参照すると、本発明は接地されている金属グリッド乃至はメッシュ構成体４０を提供しており、それは、誘電体層２５の内部に埋設されているか又は下側に位置されている図２のコンデンサプレート２３及び２４の各々から電気的に分離されているがそれと物理的に関連している。両方のコンデンサプレート２３，２４及びグリッド／メッシュ４０が誘電体層２５の本体内に図４及び５に示したように埋設されていることが望ましいが、本発明の技術的範囲内において、これら２つのコンデンサプレート２３，２４及びグリッド／メッシュ４０のうちの一方又は両方を、図２に示したように、誘電体層２５の底部表面２２５に担持させることも可能である。更に、本発明の技術的範囲内において、該２つの構成要素からなるコンデンサプレート２３，２４及びグリッド／メッシュ４０を共通の水平方向即ちＸＹ面内に位置させることが可能であり、又は、それらを異なる水平面内に位置させることも可能である。異なる水平面内に位置される場合には、グリッド／メッシュ４０の面を図４の点線３２５で示したように、コンデンサプレート２３，２４よりも誘電体表面１２５へ更に近付けて位置させることが望ましい。
【００４４】
本発明にとってコンデンサプレート２３，２４及び電気的に接地されているグリッド／メッシュ４０の両方が誘電体層の上側表面１２５の垂直下方に物理的に位置されていることが重要である。このように、グリッド／メッシュ４０は指紋パターンを採取する期間中接地されていない指先１８を配置させる誘電体層２５の上側表面１２５から物理的且つ電気的に分離されている。
【００４５】
図４において、接地されているグリッド／メッシュ４０は単に１個の図２のセルと関連して示されている。然しながら、同様に、図５の平面図によってよりよく理解されるように、接地されている金属グリッド／メッシュ４０は図１の複数個のセル２の各々と関連している。グリッド／メッシュ４０は全ての検知用セル２の全ての接地されていない増幅器ノードを、誘電体層２５の上側表面１２５上又はそれに近接して物理的に指先部分１８を配置させることにより指紋を検知すべき人によって担持されることのある静電気から保護すべく動作する。
【００４６】
図５に示されるように、各コンデンサプレートは、誘電体層２５の一部を有する誘電体によって画定されるギャップ区域４１によって取囲まれている。一例として、ギャップ区域の幅４１は、通常、数マイクロインチに等しい。
【００４７】
図６は図４と同様な側面図であり、それは水平な誘電体表面１２５上に存在する指によって担持されることのある静電気電荷から保護すべき１つ又はそれ以上のコンデンサプレート２３によって占有されている水平面６０２の垂直方向下側に位置されているほぼ水平な面６０１を占有している接地されている金属パターン６００を具備する本発明の１実施例を示している。
【００４８】
図７は図６と同様の側面図であって、水平な誘電体表面１２５の上に存在する指によって担持されることのある静電気電荷から保護すべき１つ又はそれ以上のコンデンサプレート２３によって占有されている水平面６０２の垂直上方に位置されているほぼ水平な面６０４を占有している接地されている金属パターン６０３を具備する本発明の１実施例を示している。
【００４９】
図８は図７と同様の側面図であって、水平な誘電体表面１２５上に配置されている指によって担持されることのある静電気電荷から保護すべき１つ又はそれ以上のコンデンサプレート２３によって占有されている水平面６０２の垂直下側に位置されている水平な面６１１を占有する接地されている金属パターン６１０を具備する本発明の１実施例を示している。この実施例においては、金属パターン６１０は水平な誘電体表面１２５の上に配置される指によって担持されることのある静電気電荷から保護すべきコンデンサプレート２３をほぼ取囲むために垂直方向上方に延在する複数個の金属フィンガ６２０を包含している。図８において、これらのフィンガ６２０の上端部がほぼ図４に示されているコンデンサプレート２３の上側表面とほぼ一致する面６２１で終端していることが示されている。然しながら、注意すべきことであるが、フィンガ６２０の上端部は、図６におけるように、コンデンサプレート２３の下側に位置させることも可能であり、又は、フィンガ６２９の上端部を図７におけるようにコンデンサプレート２３の上方に位置させることも可能である。
【００５０】
図８は本発明の一般的な技術的範囲についても興味のあるものであり、即ち、この実施例は、この実施例の技術的範囲内において、コンデンサプレート保護用金属パターンは指によって担持される静電気電圧から保護されるべきコンデンサプレートの連続的な取囲みを与えることは必要でないことを示している。
【００５１】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例に基づいて構成された指紋パターン検知用アレイを示した概略平面図。
【図２】 図１のアレイ内の個別的な検知用セルの概略的構造を示した概略図。
【図３】 図２の構造の等価回路を示した概略図。
【図４】 図２に示した接地されていないフィードバックタイプの１個の検知用セルを示した概略側面図。
【図５】 図４の検知用セルの２つのコンデンサプレートを示した概略平面図。
【図６】 図４と同様の本発明の別の実施例を示した概略側面図。
【図７】 図６と同様の本発明の別の実施例を示した概略側面図。
【図８】 図７と同様の本発明の更に別の実施例を示した概略側面図。
【符号の説明】
２ センサーセル
３ センサーアレイ
１８ 指先
１９ スイッチ
２３，２４ コンデンサプレート
２５ 誘電体層
３３，３４ 複合コンデンサ
４０ 金属グリッド／メッシュ
１２５ 上側表面

Claims (40)

1. 容量型指紋パターン検知アレイ用の静電気電荷保護を与える方法において、
   密集した物理的形態で配列されている多数の個別的な皮膚距離検知用のセルを具備する指紋パターン検知アレイを用意し、
   前記アレイ用に上側表面を具備する誘電体層を用意し、
   前記上側表面上に指紋パターンを持った接地されていない指先を配置し、
   各検知セルに接地されていない入力ノード及び接地されていない出力ノードを具備する増幅器を与え、
   前記増幅器の各々に対して接地されておらず且つ前記指紋パターンに感応する出力ノード対入力ノードフィードバックを与え、
   （１）前記誘電体層の前記上側表面の垂直下側に配置されており且つ前記接地されていない入力ノードへ接続している第一コンデンサプレート、（２）前記第一コンデンサプレートに対して近接した水平空間関係で前記誘電体層の前記上側表面の垂直下側に配置されており且つ前記接地されていない出力ノードへ接続している第二コンデンサプレート、及び（３）前記接地されていない指先を前記第一及び第二コンデンサプレートと垂直空間関係とさせることにより前記増幅器の各々に対して前記フィードバックを与え、
   前記第一及び第二コンデンサプレートを空間的に取囲むが物理的に係合することがないように前記誘電体層の前記上側表面の垂直下側に金属経路を与え、
   前記金属経路を接地へ接続し、それにより前記指先の前記接地されていない状態を乱すことがないような態様で前記指先によって担持されることのある静電電位から前記入力及び出力ノードを保護する、
   上記各ステップを有することを特徴とする方法。
2. 請求項１において、前記誘電体層の前記上側表面から離隔されている位置において前記誘電体層内に前記第一コンデンサプレートと、前記第二コンデンサプレートと、前記金属経路とを埋設するステップを有することを特徴とする方法。
3. 請求項１において、前記第一及び第二コンデンサプレートと前記金属経路とを共通の物理面上に配置させるステップを有することを特徴とする方法。
4. 請求項３において、前記誘電体層の前記上側表面から離隔されている位置において前記誘電体層内に前記第一コンデンサプレートと、前記第二コンデンサプレートと、前記金属経路とを埋設させるステップを有することを特徴とする方法。
5. 請求項１において、
   信号反転用増幅器として各検知セルに対して前記増幅器を与え、
   負信号フィードバックとして前記増幅器の各々に対し前記接地されていない出力ノード対入力ノードフィードバックを与える、
   上記各ステップを有することを特徴とする方法。
6. 請求項５において、前記第一及び第二コンデンサプレートと前記金属経路とを共通の物理面上に配置させるステップを有することを特徴とする方法。
7. 請求項６において、前記誘電体層の前記上側表面から離隔されている位置において前記誘電体層内に前記第一コンデンサプレートと、前記第二コンデンサプレートとを、前記金属経路とを埋設させるステップを有することを特徴とする方法。
8. 請求項１において、前記接地されていない指先を前記上側表面上に配置させるステップの前に、各検知セルの各増幅器の前記入力及び出力ノードを一時的に短絡させるステップを有することを特徴とする方法。
9. 請求項８において、
   信号反転用増幅器として各検知セルに対し前記増幅器を与え、
   負フィードバックとして前記増幅器の各々に対し前記接地されていない出力ノード対入力ノードフィードバックを与える、
   上記各ステップを有することを特徴とする方法。
10. 請求項９において、前記第一及び第二コンデンサプレートと前記金属経路とを共通の物理面上に配置させるステップを有することを特徴とする方法。
11. 請求項１０において、前記誘電体層の前記上側表面から離隔されている位置において前記誘電体層の前記上側表面と下側表面との間に前記第一コンデンサプレートと、前記第二コンデンサプレートと、前記金属経路とを埋設させるステップを有することを特徴とする方法。
12. 複数個の個別的な距離測定用容量セルからなるほぼ平坦な物理的アレイを具備する物体距離検知装置に対して静電気電荷保護を与える装置において、前記アレイの各セルは互いに電気的に分離されており且つ接地されていない物体の一部と物理的に関係するように適合されている接地されていない誘電体表面の下側に配置される一対の電気的に接地されていないコンデンサプレートを有しており、各セルは、更に、前記コンデンサプレートの一方へ接続している接地されていない入力ノードと前記コンデンサプレートのうちの他方へ接続している接地されていない出力ノードとを具備する増幅器を有しており、各セルに対して前記一対のコンデンサプレート及び前記接地されていない物体が複合フィードバックコンデンサを与えるべく動作し、前記コンデンサの容量値は前記接地されていない物体の一部と前記誘電体表面との間の距離の関数であり、前記セルの各々の前記コンデンサプレートの各々から電気的に分離されており且つ物理的に取囲むように前記接地されていない誘電体表面の下側に接地されている金属経路手段が配置されていることを特徴とする装置。
13. 請求項１２において、前記コンデンサプレート及び前記金属経路手段が前記誘電体表面から離隔されており且つほぼそれに対応する共通面内に配置されていることを特徴とする装置。
14. 請求項１２において、前記金属経路手段が前記コンデンサプレートによって占有されている第二面と前記誘電体表面によって占有されている第三面との中間である第一面内に配置されていることを特徴とする装置。
15. 請求項１２において、前記金属経路手段及び前記コンデンサプレートがその上表面が前記誘電体表面を有している誘電体層内に埋め込まれていることを特徴とする装置。
16. 請求項１５において、前記コンデンサプレート及び前記金属経路手段が前記誘電体表面とほぼ平行な共通面内に配置されていることを特徴とする装置。
17. 請求項１５において、前記金属経路手段が前記コンデンサプレートによって占有されている第二面と前記誘電体表面によって占有されている第三面との中間にある第一面内に配置されていることを特徴とする装置。
18. 指先の山／谷指紋パターンを表わす出力を与える距離測定装置において、
    複数個の個別的な距離検知容量セルを具備する物理的アレイが設けられており、
    各容量セルが互いに電気的に分離されており且つ電気的に接地されていない指先の一部と物理的に関連するように適合されている接地されていない誘電体表面の下側に配置される第一及び第二の電気的に接地されていないコンデンサプレートを有しており、各容量セルが前記第一コンデンサプレートへ接続している電気的に接地されていない入力ノードと、前記第二コンデンサプレートへ接続している電気的に接地されていない出力ノードとを具備する増幅器を有しており、
    前記第一及び第二のコンデンサプレートは現在前記誘電体表面上に存在する接地されていない指先と共に複合コンデンサを形成すべく適合されており、前記複合コンデンサは接地されていない指先山／谷パターンの一部と前記誘電体表面との間の距離の関数として増幅器フィードバックを与え、
    前記容量セルの各々の前記コンデンサプレートの各々から電気的に分離されており且つ物理的に取囲むような態様で前記接地されていない誘電体表面の下側に電気的に接地されている金属経路手段が配置されている、
    ことを特徴とする装置。
19. 請求項１８において、前記コンデンサプレート及び前記金属経路手段が前記誘電体表面に対してほぼ平行な共通面内に配置されていることを特徴とする装置。
20. 請求項１８において、前記金属経路手段が前記コンデンサプレートによって占有されている第二面と前記誘電体表面によって占有されている第三面との中間である第一面に配置されていることを特徴とする装置。
21. 請求項１８において、前記金属経路手段及び前記コンデンサプレートがその上側のほぼ平坦な表面が前記誘電体表面を有している誘電体層内に埋め込まれていることを特徴とする装置。
22. 請求項２１において、前記コンデンサプレート及び前記金属経路手段が前記誘電体表面に対してほぼ平行な共通面内に配置されていることを特徴とする装置。
23. 請求項２１において、前記金属経路手段が前記コンデンサプレートによって占有されている第二面と前記誘電体表面によって占有されている第三面との中間にある第一面内に配置されていることを特徴とする装置。
24. 請求項１８において、前記増幅器が信号反転用増幅器であり、且つ増幅器フィードバックが負信号フィードバックであることを特徴とする装置。
25. 請求項２４において、前記コンデンサプレート及び前記金属経路手段が前記誘電体表面に対してほぼ平行な共通面内に配置されていることを特徴とする装置。
26. 請求項２４において、前記金属経路手段が前記コンデンサプレートによって占有されている第二面と前記誘電体表面によって占有されている第三面との中間である第一面内に配置されていることを特徴とする装置。
27. 指先の山／谷指紋パターンを表わす出力を与える距離測定装置において、
    複数個の個別的な距離測定用容量セルを具備する物理的アレイが設けられており、
    各容量セルは電気的に接地されていない指先の一部と物理的に関連するように適合されている接地されていない誘電体表面下側に配置されている接地されていないコンデンサプレート手段を有しており、
    各容量セルは前記コンデンサプレート手段へ接続している接地されていない入力ノードと接地されていない出力ノードとを具備する増幅器を有しており、
    前記コンデンサプレート手段は現在前記誘電体表面上に存在する接地されていない指先と共に複合コンデンサを形成すべく適合されており、前記複合コンデンサは接地されていない指先の山／谷パターンの一部と前記誘電体表面との間の距離の関数として増幅器出力ノード対入力ノードフィードバックを与え、
    前記容量セルの各々の前記コンデンサプレート手段から電気的に分離されているような態様で前記接地されていない誘電体表面の下側に電気的に接地されている金属経路手段が配置されている、
    ことを特徴とする装置。
28. 請求項２７において、各容量セルの各増幅器の各出力ノードからシーケンシャルな出力信号を供給するスキャン手段が設けられており、前記シーケンシャルな出力信号は前記誘電体表面上に現在存在する指先の山／谷指紋パターンを表わしていることを特徴とする装置。
29. 請求項２７において、前記スキャン手段の動作前に前記増幅器の各々の前記入力ノードを瞬間的に前記出力ノードへ短絡させるべく動作可能なスタートスイッチ手段が設けられていることを特徴とする装置。
30. 請求項２７において、前記増幅器が信号反転用増幅器であり、且つ前記フィードバックが負信号フィードバックであることを特徴とする装置。
31. 請求項２９において、前記容量セルの各々の各増幅器からシーケンシャルな出力を供給するスキャン手段が設けられており、前記シーケンシャルな出力は指先の山／谷指紋パターンを表わす出力を有していることを特徴とする装置。
32. 請求項３１において、前記スキャン手段の動作前に前記増幅器の各々の前記入力ノードを瞬間的に前記出力ノードへ短絡させるべく動作可能なスタートスイッチ手段が設けられていることを特徴とする装置。
33. 指先の山／谷指紋パターンを表わす出力を供給する垂直距離測定装置に対し静電気電荷保護を与える方法において、前記装置は、複数個の個別的な距離検知用容量セルを有しており、各容量セルは電気的に接地されていない指先の一部と物理的な関係とすべく適合されている接地されておらずほぼ水平な誘電体表面の垂直下側に配置されている接地されているコンデンサプレート手段を有しており、各容量セルは、更に、前記コンデンサプレート手段へ接続している接地されていない出力ノードと接地されていない入力ノードとを具備する増幅器を有しており、前記コンデンサプレート手段は前記誘電体表面上に現在存在している接地されていない指先と複合コンデンサを形成し、且つ前記複合コンデンサは前記接地されていない指先山／谷パターンの一部と前記誘電体表面との間の距離の関数として増幅器フィードバックを与え、
    前記容量セルの各々の前記コンデンサプレート手段から電気的に分離されているような態様で前記接地されていない誘電体表面の垂直下側に接地されている金属経路手段を与える、ことを特徴とする方法。
34. 請求項３３において、各容量セルの各増幅器の各出力ノードからシーケンシャルな出力信号を与えるべく動作可能なスキャン手段を設け、前記シーケンシャルな出力信号は前記誘電体表面上に現在存在する指先の山／谷指紋パターンを表わしていることを特徴とする方法。
35. 請求項３３において、前記スキャン手段の動作前に、各増幅器の入力ノードを一時的に出力ノードへ短絡させるスタートスイッチ手段を与えることを特徴とする方法。
36. 指先の山／谷指紋パターンを表わす電気的出力を与える装置において、
    複数個の個別的な容量セルを具備する誘電体層を持った物理的アレイが設けられており、
    各容量セルは互いに電気的に分離されており且つ前記誘電体層の接地されていない誘電体表面下側に配置されている第一及び第二の電気的に接地されていないコンデンサプレートを有しており、
    前記誘電体表面は電気的に接地されていない指先と物理的に関連すべく適合されており、
    前記容量セルの各々に対して増幅器が設けられており、
    前記増幅器の各々が前記第一コンデンサプレートへ接続している電気的に接地されていない入力ノードとを具備すると共に前記第二コンデンサプレートへ接続している電気的に接地されていない出力ノードを具備しており、
    各容量セルの前記第一及び第二コンデンサプレートは現在前記誘電体表面上に存在する接地されていない指先と共に複合コンデンサを形成しており、
    前記複合コンデンサは前記誘電体表面から接地されていない指先山／谷パターンの距離の関数として出力対入力増幅器フィードバックを与え、
    前記容量セルの各々の前記コンデンサプレートの各々から電気的に分離されており且つ物理的にそれを取囲むような態様で前記接地されていない誘電体表面の下側で且つ前記誘電体表面内に電気的に接地されている金属経路手段が配置されている、
    ことを特徴とする装置。
37. 請求項３６において、前記コンデンサプレート及び前記金属経路手段が前記誘電体表面に対してほぼ平行な共通面において前記誘電体層内に配置されていることを特徴とする装置。
38. 請求項３６において、前記コンデンサプレートが前記誘電体表面に対してほぼ平行な第一面内において前記誘電体表面内に配置されており、前記金属経路手段が前記第一面と前記誘電体表面との中間である第二面内において前記誘電体層内に配置されている、
    ことを特徴とする装置。
39. 請求項３６において、前記コンデンサプレートは前記誘電体表面に対してほぼ平行であり且つそれから第一距離において位置されている第一面内において前記誘電体層内に配置されており、且つ前記金属経路手段が前記誘電体表面から前記第一距離よりも一層大きな距離において位置されている第二面内において前記誘電体層内に配置されている、ことを特徴とする装置。
40. 請求項３９において、前記金属経路手段が、前記第二面から延在しており且つ前記第一面内におけるか又はほぼそれに隣接して終端している複数個の金属フィンガを有していることを特徴とする装置。

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