JPH11316105A - 容量性距離センサ - Google Patents

容量性距離センサ

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JPH11316105A
JPH11316105A JP11061412A JP6141299A JPH11316105A JP H11316105 A JPH11316105 A JP H11316105A JP 11061412 A JP11061412 A JP 11061412A JP 6141299 A JP6141299 A JP 6141299A JP H11316105 A JPH11316105 A JP H11316105A
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capacitor
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cell
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Bhusan Gupta
グプタ ブッサン
Marco Tartagni
タルターニ マルコ
Alan Kramer
クレイマー アラン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ装置と物体との間の小さな距離を測定
する改良した容量型距離センサを提供する。 【解決手段】 本発明のセンサは容量性要素を有してお
り、それは第一コンデンサプレートとそれと対面して位
置されている第二コンデンサプレートとを有しており、
それらの間の距離を測定する。指紋の場合には、第二コ
ンデンサプレートは指の皮膚表面によって直接的に画定
される。本センサは、反転増幅器を有しており、その入
力端と出力端との間に容量性要素が接続されており負の
フィードバック分岐を形成している。反転増幅器の入力
端へ電荷ステップを供給することによって、測定する距
離に直接比例する電圧ステップが出力端において得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容量性距離センサ
に関するものであって、更に詳細には、小距離（マイク
ロメータ乃至ミリメータ）センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】小距離センサは、例えば、集積化マイク
ロホンにおいて及び指紋を採取するために圧力、近接
度、粗さ、機械的応力及び加速度センサとして使用され
ている。特に、指紋採取の場合には（本明細書において
は、純粋に本発明の好適な適用例として参照する）、公
知のセンサは、例えば、光学的、ピエゾ電気、可変コン
ダクタンス、熱的、超音波及び容量性の種々のタイプの
ものを包含しており、精度、寸法、製造及びコストの点
において最も見込みのあるものは容量性センサである。
【０００３】容量性センサは、二つのコンデンサプレー
トの間の容量がそれらの間の距離に逆比例するという原
理に基づいており、従って、センサコンデンサの一方の
コンデンサプレートとして接触する被包組織自身を使用
し、且つ容量値を決定することによって、指紋の山及び
谷を位置決めすることが可能である。これは、発明者Ｋ
ｎａｐｐの米国特許第５，３２５，４４２号において使
用されている原理であり、それは、各々が感応性電極及
び電子的スイッチング装置を有する複数個の基本セルか
らなるアレイを有するセンサに関するものである。該電
極は例えばパッシベーション酸化膜又はポリマ化合物な
どの誘電体物質でコーティングされており、その上に表
皮を誘電体物質と接触させて指を配置させる。セルが選
択されると、電圧における所定の変化が該電極に印加さ
れ、端子において適宜の電荷変化を誘起させる。この電
荷変化の範囲は該電極と関連している容量に依存し且つ
該装置の出力端へ接続している要素を増幅することによ
って読取られる。効率を改善するために、上掲した特許
は皮膚組織を適宜バイアスさせるために基準電圧へ接続
している表面グリッドを提案している。
【０００４】上述した公知の容量性センサにおいては、
コンデンサのコンデンサプレート間の容量値がコンデン
サプレートの間の距離に逆比例して変化し、従って、そ
れは結果的に得られるデータを正規化する場合に問題を
提起する。特に、測定される容量値が非常に小さい場合
には、電荷を検知し且つ低信号／ノイズ比の存在下にお
いて発生されるべきイメージの異なるグレイレベルに対
応する種々の中間の電荷レベルの間の区別を行ううえで
深刻な困難性に遭遇する。
【０００５】
【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、センサ装置と物体との間の小さな距離を測
定する改良した容量型距離センサを提供することを目的
とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の距離センサは、
物体に隣接して位置された場合にコンデンサプレートと
物体との間にそれぞれ第一及び第二容量値を形成する第
一及び第二コンデンサプレートを有している。これら二
つのコンデンサプレートの間に周辺の第三容量値が存在
する場合がある。これら第一及び第二コンデンサプレー
トは、第一コンデンサプレートの複数個の面が第二コン
デンサプレートの複数個の面に隣接し且つそれに対面し
て位置されるような幾何学的パターンの形態に配設され
ている。本距離センサは、又、該コンデンサプレートの
うちの一方へ接続されている入力端と第一及び第二容量
値を包含する負のフィードバック分岐を形成するために
該コンデンサプレートのうちの別の一方へ接続されてい
る出力端とを具備する増幅器を有している。本センサ装
置は、又、物体によって発生される静電放電に対する放
電経路を与えるために第一及び第二コンデンサプレート
を取囲む接地用要素を有することが可能である。
【０００７】本発明の一実施例は各々が第一及び第二コ
ンデンサプレートを具備する１個又はそれ以上のセンサ
セルを包含する容量性距離センサを製造する方法に関す
るものである。本方法は、本センサが検知するために使
用される物体の寸法の予測範囲を決定し且つ複数個のコ
ンデンサパターンのうちの各々に対する全周辺値を決定
することを包含している。各コンデンサパターンは第一
及び第二コンデンサプレートの異なる配列を有してお
り、且つ該全周辺値は第一及び第二コンデンサプレート
に対する周辺値の和である。本方法は、物体の予測寸法
及びコンデンサパターンに対して決定される全周辺値に
基づいてコンデンサパターンのうちの一つを選択する。
該選択を行う場合に、前記物体が一つ又はそれ以上のセ
ンサセルの各々よりも小さい場合には、最も大きな全周
辺値を有するコンデンサパターンのうちの一つを選択す
る。その選択されたコンデンサパターンは該一つ又はそ
れ以上のセンサセルのうちの少なくとも一つにおいて形
成される。
【０００８】本発明に基づいて形成される指紋及びその
他の生物測定センサは、携帯電話、ラップトップコンピ
ュータ、自動車、ＡＴＭ、クレジット／デビットカー
ド、読取器、ＰＯＳ端末、及びスマートカードの権限の
ない使用を防止する適用例を有している。それらは、
又、電子的商取引、個人的Ｅメール、建物へのアクセス
を与えることにおいて身分照合する場合に有用である。
本発明によって示されるように、センサを装着すること
によって達成することの可能な例えば個人的識別及び認
証代替物などの生物測定識別は、手又は指の形状、顔の
形状、顔の特徴などを包含している。更に、本発明セン
サ装置は、例えば手書き検知、スイッチ動作などの非生
物的検知、及び物体の近接性に対する感度を必要とする
任意のその他の装置に対して使用することが可能であ
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は本発明に基づいてセンサ装
置と物体との間の距離を検知するための好適には集積化
したチップ内において実現されるセンサ装置１を示して
いる。本明細書においては、「物体」という用語は、そ
の最も広義の意味で使用されており且つ固体、液体、気
体及びプラズマをベースとしたものを包含することが可
能である。センサ装置１は、アレイ３を形成すべく配列
されており各々が基本センサを構成している多数のセル
２を有している。個別的なセル２の構成が簡単であるこ
とは、センサ装置１を単一の半導体チップ上に集積化し
た形態で実現させることを可能としている。
【００１０】センサ装置１は、又、所定のスキャニング
パターンに従ってある時間においてセル２のうちの一つ
をイネーブルさせるための水平スキャニングステージ５
及び垂直スキャニングステージ６を有している。好適に
は、セルを読取るために、ステージ５，６がセル２の出
力端を逐次的にイネーブルさせ、且つシフトレジスタを
有している。一方、その他のセル読取り装置を使用する
ことも可能であり、例えば、セル２を逐次的にスキャニ
ングする代わりにアドレスしたセルを読取るランダムア
クセスデコーダを使用することが可能である。
【００１１】センサ装置１は、又、供給及び論理ステー
ジ２を有しており、それは本装置のコンポーネントにパ
ワー即ち電力を供給し（セル２を含む）、必要な基準電
圧を供給し、且つ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は供給及び論理ステー
ジ７が基準電圧変動△ＶRを発生するための電圧供給源
１２を有することを示している。バッファ８が全てのセ
ル２の出力端へ接続しており、且つセンサアレイ３の出
力端１０において、スキャニングステージ５，６によっ
てイネーブルされたセル２の出力端において存在する信
号を逐次的に供給する。
【００１２】図２に示したように、各セル２は利得Ａの
低パワー反転増幅器１３を有しており、入力電圧Ｖiに
おける入力端１６を有すると共に出力電圧Ｖoにある出
力端１７を有しており、それは、又、セル２の出力端を
構成している。各セル２は、又、指の皮膚表面１８と対
面して維持されている等しい面積の第一及び第二コンデ
ンサプレート２３，２４を有している。好適には、第一
及び第二コンデンサプレート２３，２４は互いに同一面
状である。更に、第一コンデンサプレート２３は第二コ
ンデンサプレート２４の面３６と対面する面３５を有し
ており、且つ面３５，３６は図８−１２を参照して更に
詳細に説明するように第一パッシベーション層９０によ
って互いに分離されている。リセットスイッチ１９が反
転増幅器１３の入力端１６と出力端１７との間に接続さ
れている。入力コンデンサ２０がセル２の入力端２１と
反転増幅器１３の入力端１６との間に接続されている。
【００１３】より詳細に説明すると、第一及び第二コン
デンサプレート２３及び２４は、それぞれ、反転増幅器
１３の出力端１７及び入力端１６へ接続しており、従っ
て電荷積分器を実現している。第一及び第二コンデンサ
プレート２３及び２４は誘電体絶縁層２５で被覆されて
おり、それはセル２のアレイ３全体を含む集積化したセ
ンサ装置１の面を被覆している。従って、使用中におい
て、皮膚表面１８は第一及び第二コンデンサプレート２
３，２４と対面する第三コンデンサプレートを形成し、
且つそれらと共に、反転増幅器１３の入力端１６及び出
力端１７の間に接続されている一対の直列コンデンサフ
ィードバックを構成する。従って、皮膚表面を一定電圧
へバイアスさせるために接触グリッドが必要とされるこ
とはない。更に、周辺の第三容量値が第一及び第二コン
デンサプレート２３，２４の間に形成される。
【００１４】スイッチ１９は任意の公知の技術（例え
ば、ＭＯＳスイッチ）を使用して形成した制御型スイッ
チであり且つ供給及び論理ステージ７から制御信号Ｒを
受取る。セル２の入力端２１は、又、以下に説明するよ
うに電圧信号△ＶRを受取るために供給及び論理ステー
ジ７へ接続している。
【００１５】指紋を採取するために、アレイ３において
集積化したセンサ装置１の表面上に皮膚表面１８を配置
させ、全てのセル２の増幅器１３のフィードバックルー
プを形成するコンデンサを完成させる。測定の開始時に
おいて、全てのセルのスイッチ１９は閉じられており、
且つ入力端２１の各々における電圧レベルは一定であ
り、従って全てのセル２の入力電圧Ｖiは反転増幅器１
３の高利得点即ち論理スレッシュホールドＶtにおける
供給電圧と接地電圧との間において出力電圧Ｖoと同一
の電圧とされる。
【００１６】その後に、供給及び論理ステージ７が全て
のスイッチ１９を並列的に開成し、且つ全ての入力端２
１へ電圧ステップ△ＶRを供給し、従って電荷変化△Ｑ
＝Ｃi×△ＶR（尚、Ｃiは入力コンデンサ２０の容量値
である）が各入力コンデンサ２０の端子において誘起さ
れ、以下に説明するように、第一及び第二コンデンサプ
レート２３，２４とそれらと対面する皮膚表面１８との
間の局所的な距離「ｄ」の読取りを行うことを可能とす
る。局所距離「ｄ」は、測定中の点が谷、山又はそれら
の間の点に対応するか否かに従って変化する。
【００１７】次いで、スキャニングステージ５，６がセ
ル２の読取りを逐次的に可能とさせ、従ってバッファ８
の出力端１０における電圧信号がグレイレベルによって
公知の態様で距離を表わすためにシステムへ供給され、
従って皮膚表面の三次元表示を与える。
【００１８】各セル２の第一及び第二コンデンサプレー
ト２３，２４と皮膚表面１８によって形成された第三コ
ンデンサプレートとの間の局所距離「ｄ」が検知される
態様について図３における等価回路を参照して説明す
る。
【００１９】図３は反転増幅器１３の等価入力容量３０
及び等価出力容量３１及びコンデンサプレートにおける
電圧変動に対応する電荷流れ方向（矢印で示してある）
を示している。図３は、更に、第一コンデンサプレート
２３と皮膚表面１８とによって形成されている第一フィ
ードバックコンデンサ３３、第二コンデンサプレート２
４と皮膚表面１８とによって形成されている第二フィー
ドバックコンデンサ３４、第一及び第二コンデンサプレ
ート２３，２４の間に形成されている第三フィードバッ
クコンデンサ３７を示している。
【００２０】Ｃlが反転増幅器１３の等価入力容量３０
であり、Ｃrがフィードバックコンデンサ３３，３４，
３７の全容量であり、Ａが反転増幅器１３の利得であ
り、△Ｑが電圧ステップ△ＶRによって等価入力容量３
０において誘起される電荷変動であり、△Ｑiが電圧ス
テップ△ＶRの結果として等価入力容量３０内に格納さ
れた電荷変動であり、△Ｑrがフィードバック容量３
３，３４の直列接続によって形成されるフィードバック
分岐における電荷変動であり、△Ｖiが反転増幅器１３
の入力端１６における電圧ステップであり、△Ｖoが出
力端１７における対応する電圧変動であり（−Ａ△Ｖi
に等しい）、Ｓがコンデンサ３３，３４の各コンデンサ
プレート２３，２４の上表面の寸法であり（皮膚表面１
８に最も近い面）、εoは誘電定数であり（指紋適用例
においては、皮膚表面１８と絶縁層２５との間の平均距
離−典型的に谷において６０μｍ−は層２５の厚さ−典
型的に２μｍ−よりも一層大きい）、且つ「ｄ」はコン
デンサプレート２３，２４と皮膚表面１８との間の局所
的距離である（セル２の寸法が非常に小さい−典型的に
約４５μｍ−である点に鑑みコンデンサプレート２３，
２４の両方に対してほぼ等しい）であると仮定すると、
全フィードバック容量Ｃrは次式で与えられる。
【００２１】 Ｃr＝Ｓεo／２ｄ （１） 更に、 △Ｑ＝△Ｑi＋△Ｑr＝Ｃl△Ｖi＋Ｃr（△Ｖi−△Ｖo）
＝−（△Ｖo／Ａ）（Ｃl＋Ｃr）−△ＶoＣr 従って、 △Ｖo＝−△Ｑ／〔（Ｃl／Ａ）＋（１＋（１／Ａ））Ｃr〕 （２） （１）を（２）に代入すると、次式が得られる。
【００２２】 △Ｖo＝△Ｑ／〔（Ｃl／Ａ）＋（１＋（１／Ａ））（Ｓεo／２ｄ）〕＝ −２△Ｑｄ／〔（２Ｃlｄ／Ａ）＋（１＋（１／Ａ））Ｓεo〕 （３） Ａ＞＞１であると仮定すると、上の式（３）は次式の如
くになる。
【００２３】 △Ｖo＝ｄ（２△Ｑ／Ｓεo） （４） 従って、皮膚組織を介して反転増幅器１３の出力端１７
と入力端１６とを容量結合することによって発生される
負のフィードバックによって、電荷ステップの結果とし
ての出力電圧における変動はコンデンサプレート２３，
２４と皮膚表面１８との間の距離に逆比例し、皮膚の三
次元構造に依存する。固定した量の入力電圧ステップ△
Ｖiの場合には、インバータ３０の出力電圧は、フィー
ドバック容量値に依存して二つの極限値、（ｉ）フィー
ドバック容量が存在しない場合には上側の飽和レベル、
（ｉｉ）フィードバック容量が大きい場合の論理スレッ
シュホールドに近い値の間の範囲に亘る。
【００２４】適宜の増幅レベル（例えば、１０００−２
０００）でもって、約１０ｆＦの容量値、従って、マイ
クロメータ距離における差を検知することが可能であ
る。本発明に基づく装置の出力信号は、従って、グレイ
レベルへ変換された場合に、皮膚表面の三次元構造の高
度に信頼性のある表現を与える。
【００２５】センサ装置１の動作については、図４を参
照して更に理解することが可能であり、それは、センサ
装置１の第一及び第二の隣接したセル２Ａ，２Ｂ上に位
置されている皮膚表面１８を表わしている。理解すべき
ことであるが、本発明は、イメージが所望される親指、
手の平、及びその他の任意の接触表面に対して適用する
ことが可能である。隣接するセル２Ａ，２Ｂの各々は図
２−３に示したセル２と実質的に同一であり、従って、
セル２Ａ，２Ｂの要素の付加的な詳細に関する説明につ
いては説明の便宜上省略する。スイッチ１９Ａ及び１９
Ｂは本明細書の他の箇所において詳細に説明しているよ
うに、リセットスイッチを構成している。隣接するセル
２Ａ，２Ｂの要素は、それぞれ、セル２Ａ及び２Ｂへ付
加した「Ａ」及び「Ｂ」と図２及び３のラベルに対して
対応したラベルが付されている。図４に示した皮膚表面
１８は第一セル２Ａに隣接した山３６と第二セル２Ｂに
隣接した谷３８とを有している。その結果、第一及び第
二セル２Ａ，２Ｂは、各々、センサ装置１内において異
なる容量結合応答を発生する。従って、第一セル２Ａ
は、谷３８を意味するより大きな距離ｄ２を検知する第
二セル２Ｂよりも山３６を意味するより小さな距離ｄ１
を検知する。第二セル２Ｂによって検知される距離ｄ２
は第一コンデンサプレート２３Ｂと第一コンデンサプレ
ート２３Ｂの直上の皮膚表面１８の部分との間の距離ｄ
２ａ及び第二コンデンサプレート２４Ｂと第二コンデン
サプレート２４Ｂの直上の皮膚表面１８の部分との間の
距離ｄ２ｂの平均である。集中モデルの観点からは、こ
の構成は、接触部材である山と非接触部材である谷との
間の差を検知することの可能な３コンデンサ方法を実現
している。
【００２６】本発明の一実施例に基づくセンサ装置１の
ブロック図を図５に示してある。本センサ装置１はデジ
タル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４０によってＩ2Ｃイ
ンターフェース及び制御装置４２へ結合されているセン
サアレイ３及びバイアス発生器４４を有している。簡単
化のために、水平及び垂直スキャナ５，６及び出力バッ
ファ８は図５には示していないが図５に示したセンサ装
置１の一部である。センサ装置１は、更に、オシレータ
４６及びセンサアレイ３へ結合されているタイミング発
生器４８を有している。Ｄ／Ａ変換器４０、Ｉ2Ｃイン
ターフェース及び制御装置４２、バイアス発生器４４、
オシレータ４６、タイミング発生器４８は一体となって
上述した供給及び論理ユニット７の機能を実現してい
る。Ｉ2Ｃインターフェース及び制御装置４２は双方向
通信プロトコルを与え、それは例えば標準のコンピュー
タである制御器とセンサ装置１が通信することを可能と
させる。Ｄ／Ａ変換器４０はＩ2Ｃインターフェース及
び制御装置４２からのデジタル制御信号をアナログ信号
へ変換し、そのアナログ信号はセンサアレイ３へ送信さ
れて水平及び垂直スキャナ５，６によってセル２のスキ
ャニングを制御する。Ｄ／Ａ変換器４２は、更に、例え
ば電圧ステップＶrなどのアナログバイアスを与える。
タイミング発生器４８がオシレータ４６から単一のクロ
ック信号を取り且つタイミング信号を発生し、それはＩ
2Ｃインターフェース及び制御装置４２の制御下におい
てセンサアレイ３へ供給される。
【００２７】センサ装置１へ結合されているコンピュー
タへ距離測定値（電圧によって表わされている）が出力
されることを可能とするために、本センサ装置はセンサ
アレイ３の出力端１０とコンピュータとの間に結合され
ているアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５０を有し
ている。Ａ／Ｄ変換器５０は、又、バイアス発生器４４
及びタイミング発生器４８へ結合されており、Ａ／Ｄ変
換器５０がセンサアレイ３によって出力されるアナログ
電圧測定値を距離測定値としてコンピュータによって認
識されるデジタル信号へ変換する。センサアレイ３は、
更に、同期線５２によってコンピュータへ直接的に結合
されており、それはコンピュータに同期信号を供給し、
コンピュータがＡ／Ｄ変換器５０から受取ったデジタル
距離測定値を正しく解釈することを助ける。
【００２８】図２のセル２の一実施例の詳細な概略図を
図６に示してある。セル２はＮチャンネル型の第一及び
第二トランジスタＭ１，Ｍ２を有すると共にＰチャンネ
ル型の第三及び第四トランジスタＭ３，Ｍ４を有してお
り、それらは直列接続されて高利得のカスコード反転増
幅器１３を構成している。第一水平スキャンライン（ｈ
ｏｒ１）及び第一垂直スキャンライン（ｖｅｒｔ１）
が、それぞれ、水平及び垂直スキャナ５，６から第二ト
ランジスタＭ２及び第三トランジスタＭ３へ結合されて
おり、一度に１個のセルのみがパワーが供給されること
を確保しており、それによりアドレスされていないセル
が電力を消費することを制限している。第一トランジス
タＭ１のゲート端子は上述した如く△Ｖrにあるセル入
力端２１へセル２の入力コンデンサ２０によって結合さ
れている。電圧ステップ△Ｖrが入力ノード２１へ印加
されると、電荷量ｄＱ＝Ｃi△Ｖrが前に説明したように
増幅器入力端１６からシンク即ち吸込まれる。この動作
モードは有用である。なぜならば、△Ｖrの量を変化さ
せることによって、センサが検知した容量値の異なる範
囲を取扱うことが可能だからである。第四トランジスタ
Ｍ４のゲートは固定バイアスＶpへ結合している。
【００２９】反転増幅器１３の出力端１７は第六トラン
ジスタＭ６によって垂直出力線５４内へソースホロワス
テージ（第五トランジスタＭ５）によってバッファされ
る。第七トランジスタＭ７が垂直出力線５４をセンサ装
置１の出力バッファ８へ結合している。第六トランジス
タＭ６のゲートが第二水平スキャンライン（ｈｏｒ２）
によって水平スキャナ５へ結合されており且つ第七トラ
ンジスタＭ７のゲートは第二垂直スキャンライン（ｖｅ
ｒｔ２）によって垂直スキャナ６へ結合されており、そ
のことは一度に１個のセルのみが出力バッファ８と通信
することを確保する。このことは、ホロワステージ４６
の出力容量を著しく減少させる。なぜならば、一度に一
本の垂直出力線のみが出力バッファ８へ接続されるに過
ぎないからである。
【００３０】リセットスイッチ１９が上述した如く反転
増幅器１３の入力端１６と出力端１７との間に接続され
ている。リセットスイッチ１９は入力端１６における電
荷注入が反転増幅器１３を飽和させることを防止するよ
うに設計されている。リセットスイッチ１９のスイッチ
オフ過渡的状態が反転増幅器１３の利得帯域幅積の逆数
と比較して充分に遅いものである場合には、リセットス
イッチのチャンネル電荷のほとんどが出力ノード内に注
入される。リセットスイッチ１９は第八及び第九トラン
ジスタＭ８，Ｍ９を有しており、それらのドレイン端子
は入力端１６へ共通接続されており且つそれらのソース
端子は出力端１７へ共通接続されている。第八トランジ
スタＭ８の寸法は注入された電荷の絶対量を減少させる
ために小さいものである。第八トランジスタＭ８の寸法
を減少させることは反転増幅器１３の安定性を劣化させ
る。なぜならば、それはループ利得帯域幅を減少させる
からである。この構成においては、第九トランジスタＭ
９は第八トランジスタＭ８よりも強く且つ第八トランジ
スタＭ８が導入されるのと異なるフェーズで活性化され
る。リセットフェーズ期間中に、トランジスタＭ８，Ｍ
９の両方がセットされ、フィードバックループの抵抗値
を減少させ、従って出力リンギングが抑えられる。電荷
積分期間中、第九トランジスタＭ９は最初に開いてお
り、従ってそのチャンネル電荷は第八トランジスタＭ８
によって吸収される。最後に、第八トランジスタＭ８が
遅いゲート過渡的状態によって開かれ、入力端上におけ
る低電荷注入を確保する。理解されるように、第九トラ
ンジスタＭ９はオプションである。なぜならば、プレー
ト容量がより大きい場合には電荷注入はそれ程問題では
ないからである。
【００３１】好適実施例においては、チップは０．７μ
ｍＣＭＯＳデジタルプロセスを使用して製造される。セ
ル面積は５０×５０μｍ2であり、それは５０８ｄｐｉ
の分解能を与える。２００×２００ウインドに対して発
生されるサンプルイメージ５６を図７に示してあり、そ
れは明瞭にグレイレベルを示している。該イメージは指
を取除くと消失する。
【００３２】個別的なセンサセル、従って全体的なセン
サ装置１の感度は、第一及び第二コンデンサプレート２
３，２４を一つ又はそれ以上の平面状のパターンで配設
することによって制御し且つ向上させることが可能であ
る。コンデンサプレート２３，２４の第一パターンを図
８に示してある。第一コンデンサプレート２３はＣ形状
であり且つ二つの端部６０，６２を有しており、それら
の間にギャップ６４を構成している。第一コンデンサプ
レート２３は長尺状の第一、第二、第三セグメント６
６，６８，７０を有しており、それらはＣ形状の三つの
側部を構成しており、且つより短い第四及び第五セグメ
ント７２，７４はＣ形状の第四側部上で第一及び第二端
部６０，６２で終端している。第一コンデンサプレート
２３の５個のセグメント６６−７４は一体となって内側
区域７６を画定しており、その中に第二コンデンサプレ
ート２４の矩形状の内側部分７８が位置されている。第
二コンデンサプレート２４は、更に、第一コンデンサプ
レートの外側において長尺状で矩形状の外側部分８０を
有すると共に、内側部分７８を外側部分８０と接続する
コネクタ部分８２を有している。第一コンデンサプレー
ト２３は第二コンデンサプレート２４の対応する面に隣
接し且つ対面する幾つかの面を有しており、そのことは
それらのコンデンサプレートの間において周辺容量を発
生させることを可能としている。特に、第一コンデンサ
プレート２３は第一及び第二面８３，８４を有してお
り、それらは第二コンデンサプレート２４のそれぞれの
第一及び第二面８５，８６と対面している。更に、第一
及び第二コンデンサプレート２３，２４は、それぞれ、
上側面８７，８８を有しており、それらは検知される物
体に対面しており且つ物体と第一及び第二コンデンサプ
レートのそれぞれの間において第一及び第二直接容量を
発生することを可能とする。
【００３３】センサセル２を完全に取囲んで接地リング
８９が存在しており、それは検知される物体によって発
生される静電放電に対する放電経路を与えるために接地
へ接続されている。例えば、センサセル２が指紋を検知
するために使用されている場合に、指がそのセンサセル
に近づくに従い静電放電を発生する場合があり、そのこ
とはコンデンサプレート２３，２４のうちの一つを介し
て放電することが許容される場合には誤った距離測定を
発生する場合がある。コンデンサプレート２３，２４と
同様に、接地リング８９は金属パターン層であり、それ
は図２に示した要素を包含する集積回路の一部として公
知の技術に従って付着形成することが可能である。
【００３４】接地リング８９は第一パッシベーション層
９０によってコンデンサプレート２３，２４から電気的
に且つ物理的に離隔されており、該層は、更に、第一コ
ンデンサプレート２３を第二コンデンサプレート２４か
ら物理的に離隔すると共に電気的に分離する。第一パッ
シベーション層９０はリンをドープしたガラス（ＰＳ
Ｇ）、二酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシ
ナイトライドなどの多数の公知の誘電体物質から構成す
ることが可能である。第二パッシベーション層（図８に
は示していない）をコンデンサプレート２３，２４、接
地リング８９、第一パッシベーション層９０の上に付着
形成し且つ図２及び４に示した誘電体絶縁層２５として
作用する。第一及び第二コンデンサプレート２３，２４
と図８に示した実施例との間の平均距離は、ほぼ、０．
５と４μｍとの間であり、それは絶縁層２５の典型的な
厚さと同様である。
【００３５】反転増幅器１３（図２）によって受取られ
る全フィードバック容量は、第一コンデンサプレート２
３と物体との間の第一直接容量、第二コンデンサプレー
ト２４と物体との間の第二直接容量、第一コンデンサプ
レート２３と第二コンデンサプレート２４との間の周辺
容量から構成されている。第一及び第二直接容量は式１
で示したように第一及び第二コンデンサプレート２３，
２４の上側面のそれぞれの面積に従って変化する。そう
であるから、コンデンサプレート２３，２４の面積を増
加させると、全体的な容量が増加され、そのことはセン
サ装置１に対してより高い感度及びより大きなダイナミ
ックレンジを与える。周辺容量は第一及び第二コンデン
サプレート２３，２４に対する周辺値、即ちこれらのコ
ンデンサプレートの周辺の全長に従って変化する。コン
デンサプレート２３，２４の上表面の幅は、通常、これ
らのコンデンサプレートの側部の深さよりも一桁大き
く、従って、該直接容量が、通常、該周辺容量よりも全
容量に対してより大きく貢献する。
【００３６】今日までに行った実験に基づくと、センサ
装置１に隣接する物体がコンデンサプレート２３，２４
と物体との間の直接容量及びコンデンサプレートの間の
周辺容量の両方に影響を与えるようである。そうである
から、コンデンサパターンの全周辺を増加させると、全
面積が変化しないものと仮定すると、センサセル２をし
てセンサセルと物体との間の距離を周辺容量に起因して
より大きな程度検知させる。このことはより大きな全周
辺を有するパターンが例えば分子などの個別的なセンサ
セル２よりもより小さな物体に対してより高感度である
ように見えるかを説明することが可能である。
【００３７】センサセル２の第二実施例を図９に示して
ある。図９に示した実施例においては、第一コンデンサ
プレート２３は第二コンデンサプレート２４のフィンガ
９２と噛み合っている幾つかのフィンガ９１を有してい
る。第一接続用セグメント９３が第一コンデンサプレー
トのフィンガ９１を互いに接続しており且つ第二接続用
セグメント９４が第二コンデンサプレートのフィンガ９
２を互いに接続している。図８におけるように、第一コ
ンデンサプレート２３は第一パッシベーション層９０に
よって第二コンデンサプレート２４から及び接地リング
８９から離隔されている。更に、第一コンデンサプレー
ト２３は第一コンデンサプレートの対応する面と対面す
る幾つかの面を有している。理解されるように、図９に
示したパターンにおけるコンデンサプレート２３，２４
に対する全周辺は図８に示したパターンにおけるコンデ
ンサプレート２３，２４の全周辺よりも一層大きい。そ
の結果、図９に示した噛み合いパターンは図８に示した
パターンよりもより大きな周辺容量を有する蓋然性があ
る。更に、図９の噛み合いパターンは図８のパターンよ
りも例えば水蒸気などのより小さな物体に対してより大
きな感度を有している。しかしながら、図８のパターン
は、通常、噛み合いパターンは複雑であるために図９の
噛み合いパターンよりも一層堅牢であり且つコストが低
い。
【００３８】センサセルの第三実施例を図１０に示して
ある。第一コンデンサプレート２３はセンサセル２の対
角線上に対向する第一及び第二セクションに位置されて
いる二つの矩形状部分９６，９８を有しており且つコネ
クタ部分１００によって接続されている。同様に、第二
コンデンサプレートもセンサセル２の対角線上に対向し
た第三及び第四セクションに位置されている２個の矩形
状の部分１０４，１０４を有しており且つ第二コネクタ
部分１０６によって接続されている。コンデンサ２３，
２４が短絡することを回避するために、コネクタ部分１
００，１０６のうちの一方はこれら二つのコネクタ部分
を電気的に分離するパッシベーション層（不図示）で他
方のコネクタ部分よりもより低い金属層内に位置されて
いる。図８−９におけるように、第一コンデンサプレー
ト２３は第一パッシベーション層９０によって第二コン
デンサプレート２４から及び接地リング８９から離隔さ
れている。図１０に示したパターンのうちの一つにおい
て、各コンデンサプレート２３，２４は、８８２μｍ2
の全コンデンサ面積に対して約４４１μｍ2である。セ
ンサセル２の第四実施例を図１１に示してある。第一コ
ンデンサプレート２３は中央部分１１０から外側へ延在
する５個のフィンガ１０８を有している。第一コンデン
サプレート２３は第二コンデンサプレート２４と同一面
状であり且つそれによって完全に取囲まれている。第二
コンデンサプレート２４は、更に、第一コンデンサプレ
ート２３の５個のフィンガ１０８と噛み合う５個のフィ
ンガ１１２を有している。この場合にも、第一コンデン
サプレート２３は第一パッシベーション層９０によって
第二コンデンサプレート２４から及び接地リング８９か
ら離隔されている。理解されるように、図１０及び１１
に示したパターンは図９の噛み合いパターンの全周辺よ
りもより小さな全周辺を有しており、従って例えば水蒸
気及び分子などのセンサセル２よりもより小さい物体に
対しての感度はより低い。図１０及び１１のパターンは
図９のパターンよりも製造が容易であり且つより堅牢で
あり且つコストが低い。
【００３９】センサセル２の第五実施例を図１２に示し
てある。図１２のセンサセル２においては、第一及び第
二コンデンサプレート２３，２４が螺旋パターン状に配
設されている。その他のパターンにおけるように、第一
コンデンサプレート２３は第一パッシベーション層９０
によって第二コンデンサプレート２４から及び接地リン
グ８９から離隔されている。図１２に示した螺旋パター
ンは図１０及び１１に示したコンデンサパターンよりも
より大きな全周辺を有しているがより小さな面積を有し
ている。その結果、図１２の螺旋パターンは、例えば水
蒸気などの非常に小さな物体に対してより大きな感度を
有している蓋然性があり、例えば指などのより大きな物
体に対する感度は低い蓋然性がある。なぜならば、その
より小さな全面積はより小さな全体的な容量を発生する
からである。
【００４０】センサ装置１のセンサセル２のアレイ３の
平面図を図１３に示してある。図１３に示した実施例に
おいては、センサセル２の各々は正方形であるが、適用
例に依存してその他の矩形及びその他の形状を使用する
ことも可能である。各センサセル２５は、典型的に、約
２５×２５μｍ乃至約１００×１００μｍである。一実
施例においては、各センサセルは５０×５０μｍであ
り、それは５０８ｄｐｉの分解能に対応する。
【００４１】図１３に示した実施例においては、接地リ
ング８９は隣接するセンサセル２によって共用されて接
地用要素グリッド１１２を形成している。接地用要素グ
リッド１１２は各セルとそのすぐ隣のセルとの間の接地
用グリッドセグメント１１４を有している。この様な接
地用要素グリッドは、検知中の物体によって発生される
ＥＳＤがコンデンサプレート２３，２４ではなく接地用
要素グリッドを介して直接的に接地へ放電されることを
確保する。アレイ３のセンサセル２の各々はコンデンサ
プレート２３，２４の同一のパターンを有することが可
能であり、又は、適用例に依存して複数個のコンデンサ
パターンを使用することが可能である。各センサセル２
は、図８−１２に示したコンデンサパターンの何れかを
実現することが可能であり、又は例えばフラクタルパタ
ーンなどの多数のその他のコンデンサパターン及び多数
のその他の形状を使用することが可能である。
【００４２】上述したセンサセル２は、好適には、従来
のシリコン集積回路技術を使用して製造する。より詳細
に説明すると、図１−６に示したセンサ装置１の要素の
全ては単一のチップ上に集積化させることが可能であ
る。一方、それらの要素の一つ又はそれ以上、例えばオ
シレータ４６を別途製造し且つセンサ装置１の集積化し
た要素へ結合させることが可能である。
【００４３】図１−６および８−１３に示したセンサ装
置は少なくとも以下の効果を有している。特に、本セン
サ装置は出力信号の複雑な処理を必要とすることなしに
高精度を提供している。更に、本センサ装置は、容易に
製造することが可能であり且つ現在のマイクロエレクト
ロニクス技術を使用して集積化させることが可能であり
且つ高度に信頼性があり、コンパクトであり且つ製造コ
ストが低い。
【００４４】本発明に基づくセンサ装置は、又、小さな
距離の精密な検知を必要とするその他の適用例において
効果的に使用することも可能である。更に、各セルの簡
単な構成は、二次元物理量を検知するためにアレイ構成
内に多数のセルを収容させることを可能としている。
【００４５】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。特に、弾性的構造の形成を可能とする製造技術（マ
イクロマシン技術）が使用可能である場合には、距離を
測定する電極は反転増幅器１３の入力端又は出力端へ直
接的に接続させることが可能であり、コンデンサプレー
ト２３，２４の一方を取除くことを可能とする。更に、
全ての構成要素は技術的な均等物によって置換させるこ
とが可能である。例えば、設計及びレイアウトの理由か
ら反転増幅器１３などのインバータが現在好適なもので
あるが、増幅器１３は出力信号の速度を増加させるため
に電荷増幅器形態における任意の反転型又は差動型の増
幅器（例えば、オペアンプ）によって実現することが可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく指紋などの個人的な特徴のス
キャンを採取するためのセンサ装置を示した概略図。
【図２】 図１に示したセンサ装置の１個のセルの詳細
を示した概略図。
【図３】 図２に示したセルの電気的等価回路を示した
回路図。
【図４】 図１に示したセンサ装置の２個の隣接するセ
ルの上に位置させた指を示した概略図。
【図５】 図１に示したセンサ装置の概略ブロック図。
【図６】 図２に示したセルの一実施例の概略回路図。
【図７】 図１に示したセンサ装置から得られた指紋の
イメージを示した概略図。
【図８】 図２に示したセルの第一実施例を示した概略
平面図。
【図９】 図２に示したセルの第二実施例を示した概略
平面図。
【図１０】 図２に示したセルの第三実施例を示した概
略平面図。
【図１１】 図２に示したセルの第四実施例を示した概
略平面図。
【図１２】 図２に示したセルの第五実施例を示した概
略平面図。
【図１３】 本発明に基づくセンサ装置の複数個のセン
サセルからなるアレイを示した概略平面図。
【符号の説明】
１センサ装置 ２セル ３アレイ ５水平スキャニングステージ ６垂直スキャニングステージ ７供給及び論理ステージ １２ 電圧供給源 ２３，２４ 第一及び第二コンデンサプレート ２５ 誘電体絶縁層
フロントページの続き (72)発明者 ブッサン グプタ アメリカ合衆国， カリフォルニア 94306， パロ アルト， アッシュトン アベニュー 640 (72)発明者 マルコ タルターニ イタリア国， アイ−97014 メルドーラ, ビア マストリ 17 (72)発明者 アラン クレイマー アメリカ合衆国， カリフォルニア 94705， バークレー， フルトン スト リート 2716

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 センサ装置と物体との間の距離を検知す
    る集積化センサ装置において、 前記物体に隣接して位置された場合に前記物体と第一コ
    ンデンサプレートとの間の第一容量を形成する第一コン
    デンサプレートが設けられており、 前記物体に隣接して位置された場合に前記物体と第二コ
    ンデンサプレートとの間に第二容量を形成する第二コン
    デンサプレートが設けられており、前記第一及び第二コ
    ンデンサプレートは前記第一コンデンサプレートの複数
    個の面が前記第二コンデンサプレートの複数個の面に隣
    接して且つそれと対面して位置されている実質的に平面
    状パターンに配設されており、 入力端と出力端とを具備する増幅器が設けられており、
    前記入力端は前記第一及び第二コンデンサプレートのう
    ちの一方へ接続しており且つ前記出力端は前記第一及び
    第二コンデンサプレートのうちの別の一つへ接続されて
    いて前記第一及び第二容量を包含する負のフィードバッ
    ク分岐を形成しており、それにより、前記第一コンデン
    サプレートと前記物体との間の距離に比例する出力電圧
    が前記増幅器出力端において確立される、ことを特徴と
    するセンサ装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、更に、前記第一及び
    第二コンデンサプレートの外側表面と接触する絶縁性物
    質からなる層が設けられており、前記絶縁性物質からな
    る層が前記コンデンサプレートと前記物体との間に位置
    されていることを特徴とするセンサ装置。
  3. 【請求項３】 請求項１において、更に、一面内におい
    て前記第一及び第二コンデンサプレートを取囲む接地要
    素が設けられており、前記接地要素は前記物体によって
    発生される静電放電に対する放電経路を与えるために接
    地へ結合されていることを特徴とするセンサ装置。
  4. 【請求項４】 請求項１において、前記第一及び第二コ
    ンデンサプレートが櫛形パターンで配列されており、前
    記第一コンデンサプレートのフィンガが前記第二コンデ
    ンサプレートのフィンガと噛み合っていることを特徴と
    するセンサ装置。
  5. 【請求項５】 請求項４において、前記第一コンデンサ
    プレートが一面内において前記第二コンデンサプレート
    を取囲んでいることを特徴とするセンサ装置。
  6. 【請求項６】 請求項１において、前記第一及び第二コ
    ンデンサプレートが螺旋パターンで配設されていること
    を特徴とするセンサ装置。
  7. 【請求項７】 請求項１において、前記第一コンデンサ
    プレートがＣ形状をしており且つギャップを画定する二
    つの端部を有しており、且つ前記第二コンデンサプレー
    トが前記第一コンデンサプレートによって少なくとも三
    つの側部上が取囲まれている内側部分と、前記第一コン
    デンサプレートの外側に位置している外側部分と、前記
    内側部分と前記外側部分とを接続するコネクタ部分とを
    有していることを特徴とするセンサ装置。
  8. 【請求項８】 請求項１において、前記第一コンデンサ
    プレートが矩形状のセンサセルの対角線反対側部分に位
    置されている二つの矩形状の部分を有すると共に該二つ
    の矩形状部分を接続するコネクタ部分を有しており、且
    つ前記第二コンデンサプレートが前記矩形状センサセル
    の対角線上反対側の部分に位置されている二つの矩形状
    部分を有すると共に前記第二コンデンサプレートの二つ
    の矩形状部分を接続し且つ前記第一コンデンサプレート
    のコネクタ部分と交差するコネクタ部分を有しているこ
    とを特徴とするセンサ装置。
  9. 【請求項９】 センサ装置において、 物体とセンサ装置との間の距離を検知するための複数個
    の距離検知用セルからなるアレイが設けられており、前
    記セルの各々は前記物体と対面して位置されている第一
    コンデンサプレートを有しておりそれによりそれらの間
    で検知される距離を表わす容量性要素を画定する容量性
    距離センサを有しており、 前記アレイのセルの間に位置されている１個又はそれ以
    上の接地用要素が設けられており、各セルは前記セルと
    一つ又はそれ以上の隣接するセルとの間に位置されてい
    る１個又はそれ以上の接地用要素を有しており、各接地
    用要素が静電放電用の放電経路を与えるために接地へ結
    合されている、ことを特徴とするセンサ装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、前記１個又はそれ
    以上の接地用要素が各セルとそのすぐ隣のセルとの間に
    接地用グリッドセグメントを有する接地用要素グリッド
    を有していることを特徴とするセンサ装置。
  11. 【請求項１１】 請求項９において、各セルが、更に、
    第二コンデンサプレートを有しており、且つ前記第一及
    び第二コンデンサプレートは櫛形パターンに配設されて
    おり、前記第一コンデンサプレートのフィンガが前記第
    二コンデンサプレートのフィンガと噛み合っていること
    を特徴とするセンサ装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１において、各セルが、更
    に、第二コンデンサプレートを有しており、且つ前記第
    一コンデンサプレートが一面内において前記第二コンデ
    ンサプレートを取囲んでいることを特徴とするセンサ装
    置。
  13. 【請求項１３】 請求項９において、各セルが、更に、
    第二コンデンサプレートを有しており、且つ前記第一及
    び第二コンデンサプレートが螺旋パターンに配設されて
    いることを特徴とするセンサ装置。
  14. 【請求項１４】 請求項９において、各セルが、更に、
    第二コンデンサプレートを有しており、且つ前記第一コ
    ンデンサプレートがＣ形状をしており且つギャップを画
    定する二つの端部を有しており、且つ前記第二コンデン
    サプレートが少なくとも三つの側部上が前記第一コンデ
    ンサプレートによって取囲まれている内側部分と、前記
    第一コンデンサプレートの外側に位置している外側部分
    と、前記内側部分と外側部分とを接続するコネクタ部分
    とを有していることを特徴とするセンサ装置。
  15. 【請求項１５】 請求項９において、各セルの第一コン
    デンサプレートが前記セルの対角線反対部分に位置され
    ている二つの矩形状部分を有すると共に前記二つの矩形
    状部分を接続するコネクタ部分を有しており、且つ各セ
    ルが、更に、前記矩形状のセンサセルの対角線上反対部
    分の反対部分に位置されている二つの矩形状部分を有す
    ると共に前記第二コンデンサプレートの二つの矩形状部
    分を接続し且つ前記第一コンデンサプレートのコネクタ
    部分と交差するコネクタ部分を有する第二コンデンサプ
    レートを有していることを特徴とするセンサ装置。
  16. 【請求項１６】 センサと物体の間の距離を検知するた
    めの容量性距離センサの製造方法において、前記センサ
    は各々が第一及び第二コンデンサプレートを具備する１
    個又はそれ以上のセンサセルを有しており、 本センサが検知のために使用される物体の寸法の予測範
    囲を決定し、 複数個のコンデンサパターンの各々に対する全周辺値を
    決定し、各コンデンサパターンは前記第一及び第二コン
    デンサプレートの異なる配列を包含しており、前記全周
    辺値が前記第一及び第二コンデンサプレートに対する周
    辺値の和であり、 前記物体の予測寸法及び前記複数個のコンデンサパター
    ンに対して決定された全周辺値に基づいて複数個のコン
    デンサパターンの中から一つのコンデンサパターンを選
    択し、前記選択ステップにおいて、本センサが検知する
    ために使用される物体が前記１個又はそれ以上のセンサ
    セルのうちの各々よりも小さい場合には、前記複数個の
    コンデンサパターンのうちで最も大きな全周辺値を有す
    るものを選択し、 前記選択したコンデンサパターンを前記１個又はそれ以
    上のセンサセルのうちの少なくとも一つに形成する、こ
    とを特徴とする方法。
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