KR100697873B1

KR100697873B1 - 전하 검출회로 및 그것을 이용한 지문센서

Info

Publication number: KR100697873B1
Application number: KR1020050028455A
Authority: KR
Inventors: 다츠미 후지요시
Original assignee: 알프스 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2007-03-23
Also published as: KR20060045520A; JP4447952B2; CN100367039C; US7570789B2; JP2005300203A; CN1680818A; US20050226478A1

Abstract

본 발명은 집적회로 내의 칩 면적, 즉 용량(귀환 콘덴서)형성부의 면적을 줄여 제조비용의 상승 및 검출전압의 게인 조정을 해결하는 것이다.

이를 위하여 본 발명의 용량 검출회로는, 복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 용량 변화를 검출하여, 이 용량 변화를 전기신호로 변환하는 용량 검출회로로서, 상기 열 배선을 구동하는 열 배선 구동수단과, 상기 행 배선에 접속되어 구동된 열 배선과의 교차부의 용량에 생기는 전하를 측정전압으로 변환하고, 이 측정전압을 설정값과 비교하여 충방전 신호를 출력하는 컴퍼레이터와, 상기 충방전 신호에 대응하여 전하의 충방전을 행하는 정전류원과, 상기 충방전의 전류에 의한 전하를 축적하는 콘덴서를 가지고, 상기 콘덴서의 양쪽 끝의 전압을 전기신호로서 출력한다.

Description

전하 검출회로 및 그것을 이용한 지문센서{CHARGE DITECTOR CIRCUIT AND FINGERPRINT SENSOR USING IT}

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 지문센서의 구성예를 나타내는 블럭도,

도 2는 도 1의 지문센서의 동작예를 나타내는 타이밍차트,

도 3은 도 1에 있어서의 본 발명의 실시형태에 의한 전하 증폭회로(1)의 구성예를 나타내는 블럭도,

도 4는 도 3에 있어서의 컴퍼레이터(11)의 구성예를 나타내는 블럭도,

도 5는 도 4에 있어서의 컴퍼레이터(11)의 구성예를 나타내는 블럭도,

도 6은 도 4에 있어서의 컴퍼레이터(11)의 구성예를 나타내는 블럭도,

도 7은 도 4에 있어서의 컴퍼레이터(11)의 구성예를 나타내는 블럭도,

도 8은 도 3의 싱크용 정전류원(12)의 구성을 나타내는 블럭도,

도 9는 도 3의 소스용 정전류원(13)의 구성을 나타내는 블럭도,

도 10은 도 3의 전하 증폭회로(1)의 동작예를 나타내는 타이밍차트,

도 11은 도 8의 싱크용 정전류원(13)의 변형예를 설명하는 개념도,

도 12는 에어리어형의 센서의 구조를 설명하는 개념도,

도 13은 도 12의 에어리어형 센서의 등가회로를 나타내는 개념도,

도 14는 도 12에 있어서의 종래의 전하 증폭회로의 구성을 나타내는 블럭도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전하 증폭회로 2 : 연산제어회로

3 : 센서부 4 : 타이밍제어회로

5 : 열 배선 구동회로 6 : 샘플 홀드회로

7 : 멀티플렉서 8 : A/D 변환기

113, 114, 115 : NOT회로 117, 118 : 콘덴서

Csmp : 축적 콘덴서

M1, M2, M13, M14 : 트랜지스터(N채널형)

M3, M4, M11, M12 : 트랜지스터(P채널형)

SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 : 스위치

본 발명은, 용량센서 등에 사용되고, 용량값을 전하량으로서 검출하는 용량 검출회로 및 그것을 이용한 지문센서에 관한 것이다.

각종 보안확보를 위해 개인 인증의 기술이 요즘 주목을 모으고 있으며, 그 중서도 지문센서에 의한 지문의 인증에 대해서는 그 편리성 등으로부터, 휴대전화 등의 개인 인증에 사용되는 등으로 하여 서서히 실용화되고 있다.

그 지문센서의 일례로서는, 도 12에 나타내는 바와 같이 소정의 간격으로 열 배선과 행 배선[도 12(a)]을 2매의 필름의 표면에 형성하여, 필요한 절연막 등을 상기 필름의 상면에 형성한 후, 2매의 필름 사이에 공기층(틈새) 또는 탄력이 있는 절연성의 재료를 삽입하도록 접합시킨 에어리어형의 지문센서[도 12(b)]가 사용되고 있다.

이 에어리어형의 지문센서는, 손가락을 놓았을 때, 지문의 형상에 대응하여 필름형상이 변형됨으로써, 열 배선과 행 배선과의 간격이 지문의 요철에 따라 변화되기 때문에, 이 간격의 변화에 의거하는 미소한 용량 변화를 전기신호로서 검출하는 감압식 센서로서 기능한다.

이 종류의 에어리어형 센서에 있어서는, 도 12의 등가회로인 도 13에 나타내는 바와 같이 복수의 열 배선과 행 배선이 교차하는 격자점 각각의 검출되어야 할 용량[용량값(Csen)]에 있어서, 수백 fF(펨토 패러드)에 차지 않는 미소한 용량 변화를, 격자점 각각의 포인트단위로 매트릭스형상으로 검출할 필요가 있다.

이 때문에, 에어리어형 센서에 사용되는 용량 검출회로는, 상기 격자점에 있어서의 용량의 용량 변화가 미소하기 때문에 측정감도가 고감도인 것이 요구되고 있다.

이와 같은 고감도의 용량 검출에 응용 가능한 종래 기술은 일반적으로 정전용량 변화를 검출하는 구성으로서, 도 14에 나타내는 바와 같이 연산증폭기(Operational Amplifier) 및 귀환 콘덴서(Cf)를 사용한 전하 증폭기의 구성의 용량 검출회로가 사용되고 있다(특허문헌 1).

[특허문헌 1]

일본국 특개평8-145717호 공보

그러나, 종래의 용량 검출회로에 있어서는, 용량 변화를 검출하기 위하여 도 14에 나타내는 바와 같이 연산증폭기를 사용한 전하 증폭기의 구성에 의하여 검출되어야 할 용량의 전하량을, 소정의 용량 - 전압의 대응관계에 의거하여 전압레벨로 변환하여 용량의 변화량을 검출하고 있다.

상기 전하 증폭기에 있어서는 입력전압이 변화하지 않도록 피드백제어가 걸리기 때문에 실질적으로 기생용량의 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.

그러나 에어리어형의 센서의 경우는, 용량 변화를 검출하는 회로가 수백 채널 필요하게 되는 경우가 있다.

이 경우, 도 14에 나타내는 전하 증폭기 구성을 취하기 위하여 연산증폭기 및 귀환 콘덴서 각각을 센서에 대응한 수, 예를 들면 수백개 단위로 집적화하지 않으면 안된다.

또, 출력 전압값(Vout)은, 이하의 식으로 나타낸다.

Vout = (Csen/Cf) × Vin

여기서, Csen은 피검출 용량(센서의 각 교차점에 형성되는 콘덴서의 용량 변화량)이며, Cf는 귀환 콘덴서의 용량이고, Vin은 열 배선을 구동하는 구동전압(도 13의 열선택 회로가 출력)이다.

따라서, Csen과 Cf와의 비에 의하여 입력전압에 대한 출력전압의 게인이 설정되게 된다.

상기한 바와 같이 용량 검출회로로서는, 전하 증폭기를 구성하기 위하여 연산증폭기 및 귀환 콘덴서 각각을, 센서의 검출 출력수에 대응하여 집적회로 내부에 집적화할 필요가 있다.

그러나 열 배선을 구동하여 센서의 용량 변화를 검출하고자 할 때, 교차점의 콘덴서의 용량 변화량(Csen)이 큰 경우, Cf가 작으면 출력전압이 연산증폭기의 전원전압을 초과하여 포화되게 된다.

그러나, 격자점의 용량(Csen)에 대응시켜, Cf를 크게 하고자 하면 Cf의 수치에 따라서는 귀환 콘덴서의 형성면적이 커지고, 전하 증폭기의 회로면적이 증대하여 용량 검출회로의 칩이 커져 제조비용이 상승하게 된다.

또 범용적인 용량 검출회로로 하는 경우, 사용대상의 에어리어형 센서에 따라서는 게인의 조정이 필요하게 되기 때문에 게인의 조정을 행할 수 있도록 여러가지 용량값을 가지는 귀환 콘덴서를 준비하고, 이들을 조합시킴으로써 대응하게 된다.

따라서 이 조합에 대해서도 귀환 콘덴서부의 면적증대에 의하여 칩 면적이 더욱 증대하여 제조비용 상승으로 이어진다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 집적회로 내의 칩 면적, 즉 용량(귀환 콘덴서)형성부의 면적을 줄여 제조비용의 상승을 억제하고, 검출 전압의 게인조정을 용이하게 하는 용량 검출회로를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 용량 검출회로는, 복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 용량 변화를 검출하여, 이 용량 변화를 전기신호로 변환하는 용량 검출회로로서, 상기 열 배선을 구동하는 열 배선 구동수단과, 상기 행 배선에 접속되고, 구동된 열 배선과의 교차부의 용량에 생기는 전하를 측정전압으로 변환하여, 이 측정전압을 설정값과 비교하여 충방전 신호를 출력하는 컴퍼레이터와, 상기 충방전 신호에 대응하여 전하의 충방전을 행하는 정전류원과, 상기 충방전의 전류에 의한 전하를 축적하는 콘덴서를 가지고, 상기 콘덴서의 양쪽 끝의 전압을 전기신호로서 출력하는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 본 발명의 용량 검출회로는, 상기 컴퍼레이터가 상기 충방전 신호로서 상기 측정전압이 + 인 경우, 충전을 지시하는 충전신호를 출력하고, 또 - 인 경우, 방전을 지시하는 방전신호를 출력하며, 상기 정전류원이 충전용 정전류원 및 방전용 정전류원으로 구성되어 있고, 상기 충전신호가 입력됨으로서 콘덴서에 대하여 충전동작을 행하고, 한편, 상기 방전신호가 입력됨으로써 콘덴서에 대하여 방전동작을 행하는 것을 특징으로 한다.

이 때문에, 본 발명의 용량 검출회로는, 열 구동신호에 의한 에어리어형의 센서로부터 출력되는 전압값이, 컴퍼레이터의 문턱값보다 높은지의 여부를 검출하여 전압값이 문턱값보다 높으면 정전류원에 의하여 콘덴서에 충전하여 전하를 축적하고, 전압값이 문턱값보다 낮으면 정전류원에 의하여 콘덴서를 방전하여 전하를 방출시키고, 이들의 충방전후의 콘덴서의 전압을 전압신호로서 출력할 수 있기 때문에 정전류원의 전류값을 조정함으로써 용이하게 출력전압의 게인을 변경할 수 있 고, 종래와 같이 출력전압의 게인을 조정하기 위하여 큰 귀환 콘덴서를 형성할 필요가 없어지고, 용량 검출회로의 형성면적을 줄일 수 있어, 제조비용을 저감하는 것이 가능하다.

본 발명의 용량 검출회로는 상기 컴퍼레이터가 디지털회로에 의한 인버터에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여 본 발명의 용량 검출회로는, 연산증폭기를 사용하는 종래의 구성과 비교하여 트랜지스터의 개수를 대폭으로 줄이는 것이 가능하게 되어 용량 검출회로의 형성면적을 줄일 수 있고, 제조비용을 저감하는 것이 가능하다.

본 발명의 용량 검출회로는, 상기 정전류원이 트랜지스터를 사용한 커런트 미러회로에 의해 구성되어 있고, 상기 커런트 미러회로의 출력 트랜지스터가 복수로 분할되어 각각이 스위치에 의하여 온/오프 제어 가능하고, 전류비를 복수의 값으로 설정할 수 있는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여 본 발명의 용량 검출회로는 출력전압의 게인을 조정하는 경우에, 종래와 같이 복수의 귀환 콘덴서를 준비하여 게인에 대응하여 변환하는 구성이 아니라, 형성 면적이 작은 트랜지스터를 선택함으로써 게인 조정을 용이하게 행할 수 있기 때문에, 용량 검출회로의 형성 면적을 대폭으로 증가시키는 일 없이, 간이한 게인조정을 행할 수 있는 회로 구성을 가능하게 한다.

본 발명의 지문센서는, 복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 미소한 용량 변화에 의하여 지문의 요철을 검출하는 지문센서이고, 상기 용량 검출회로에 의하여 상기 용량 변화를 검출하 는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여 본 발명의 지문센서는, 제조비용이 낮은 용량 검출회로를 사용하고 있기 때문에, 종래와 비교하여 저렴하게 공급하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 의한 용량 검출회로를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 상기 실시형태를 이용한 지문센서의 일 구성예를 나타내는 블럭도,

이 도면에 있어서 종래의 장치와 다른 점은, 전하 증폭기에 본 발명에 의한 전하 증폭회로(차지 앰플리파이어회로)(1)를 사용하고 있는 점이다. 여기서 센서부(3)는 이미 설명한 도 12, 도 13에 나타내는 구성과 동일하다.

도 1의 블럭도에 있어서, 연산제어회로(2)는 센서부(3)로부터의 측정신호를 검출하는 준비가 갖추어지면, 타이밍제어회로(4)에 지문검출을 지시하는 개시신호를 출력한다.

타이밍제어회로(4)는 상기 개시신호의 입력에 의하여 열 배선 구동회로(5)에 대하여 주사 개시신호 및 열 배선을 구동하기 위한 타이밍을 취하기 위한 클럭을 정해진 소정의 타이밍에 의하여 출력한다.

전하 증폭회로(용량 검출회로)(1)는, 도 2의 타이밍 전하에 나타내는 바와 같이, 리세트신호에 의하여 초기화된 후, 열 배선 구동회로(5)에 의하여 구동되는 열 배선과, 행 배선과의 교점으로 형성되는 콘덴서의 용량의 변화를, 전하를 검출함으로써 전압의 변화에 의해 검출하고, 검출된 전압신호를 각 행 배선마다 대응하여 설치된 다음단의 샘플 홀드회로(6)에 출력한다.

샘플 홀드회로(6)는 타이밍제어회로(4)로부터 소정의 타이밍에 의하여 출력 되는 S/H(샘플 홀드)신호에 의하여 상기 전압신호를 유지한다.

멀티플렉서(7)는 샘플 홀드회로(6)에 유지되어 있는 각 행 배선에 대응하는 전압신호를, 멀티플렉서 변환신호에 의하여 차례로 시분할로 선택하여 A/D(아날로그/디지털) 변환기(8)에 출력한다.

A/D 변환기(8)는 멀티플렉서(7)로부터 차례로 출력되는 전압신호를 멀티플렉서 변환신호에 동기한 A/D 클럭의 타이밍에 의하여 샘플링하여 각 전압신호에 대응하는 디지털신호인 검출신호로 변환하여 이 검출신호를 연산제어회로(2)에 출력한다.

또, 연산제어회로(2)는, 디지털신호인 상기 검출신호로부터 지문인증에 적합한 데이터로 변환처리하고, 외부 회로에 대하여 출력한다.

즉, 등가 회로적으로는 도 13에 있어서의 열 배선과 행 배선과의 교점으로 독립된 미소 용량(콘덴서)이 형성되어 있고, 지문센서에 있어서는 이 콘덴서의 전극 사이의 거리가 지문의 산/골에 따라 변화함으로써, 지문의 형상을 용량의 변화로서 판독한다.

지문의 형상에 의한 용량 변화의 검출은, 상기한 바와 같이 열 배선 구동회로(5)가 열 배선을 차례로 펄스 구동함으로써, 구동된 열 배선과 행 배선과의 교점의 콘덴서의 용량을 차레로 각 열 배선에 대응시켜 시분할로 전하 증폭회로(1)가 전하량의 변화로서 판독함으로써 행한다.

다음에 본 발명의 실시형태인 상기 전하 증폭회로(1)의 설명을, 도 3을 사용하여 상세하게 행한다. 도 3은 전하 증폭회로(1)의 일 구성예를 나타내는 블럭도 이다. 센서부(3)는 등가회로로서 나타내고 있다.

컴퍼레이터(11)는 선택된 열 배선이 열 구동신호에 의하여 구동됨으로써 이 열 배선과 행 배선과의 교점의 콘덴서의 용량(Csen)에 대응한 전하의 변화량을 검출하여, 전압신호로서 출력한다. 여기서, Cst1은 이 행 배선에 접속되어 있고, 구동되지 않은 열 배선과의 교점으로 형성되어 있는 콘덴서의 총 용량이다. 또 Rst는 행 배선의 배선저항이고, Cst2는 행 배선 등의 기생용량이다.

또, 컴퍼레이터(11)는 상기 전하의 변화량에 대응한 노드(Nsen)의 전압이, 소정의 문턱값으로서의 전압보다 큰지의 여부의 검출을 행하여, 노드(Nsen)의 전압이 이 문턱값보다 큰 경우, 변환신호 A를 출력하여 스위치(SW1)를 온상태로 하고[스위치(SW2)는 오프상태], 한편 노드(Nsen)의 전압이 이 문턱값보다 작은 경우, 변환신호 B를 출력하여 스위치(SW2)를 온상태로 한다[스위치(SW1)는 오프상태].

이때 타이밍 제어회로(4)는, 열 배선 구동회로(5)의 출력하는 열 구동신호가 + 인 경우, 싱크 이네이블신호를 출력하여 싱크용 정전류원(12)을 활성화하고, 한편 상기 열 구동신호가 - 인 경우, 소스 이네이블신호를 출력하여 소스용 정전류원(13)을 활성화한다.

또, 마찬가지로 타이밍 제어회로(4)는 열 배선 구동회로(5)의 출력하는 열 구동신호가 + 인 경우, 싱크를 나타내는 소스/싱크신호를 출력하고, 한편 상기 열 구동신호가 - 인 경우, 소스를 나타내는 소스/싱크신호를 출력한다.

싱크용 정전류원(12) 및 소스용 정전류원(13)은 상기 전하량의 변화에 대응하여 흐르는 전류에 비례한 전류를 출력한다(즉, 전류를 증폭하여 출력한다).

축적 콘덴서(Csmp)는 스위치(SW1 또는 SW2)를 거쳐 싱크용 정전류원(12) 또는 소스용 정전류원(13)으로부터 흐르는 전류에 의하여 소정의 전하의 축적 및 방전을 행한다.

다음에 컴퍼레이터(11)는 차동 증폭회로를 사용한 것으로 구성하여도 좋으나, 본 실시형태에 있어서는 도 4에 나타내는 바와 같이 로직 인버터인 NOT회로(인버터)(113, 114, 115)의 3단 구성의 스위칭 컴퍼레이터를 사용하고 있다.

여기서 NOT회로(113)의 출력단자와 NOT회로(114)의 입력단자와의 사이에는 콘덴서(117)가 설치되고, 마찬가지로 NOT회로(114)의 출력단자와 NOT회로(115)의 입력단자와의 사이에는 콘덴서(118)가 설치되어 있다.

컴퍼레이터(11)는 리세트신호가 입력됨으로써, 스위치(SW4, SW5, SW6)가 온상태가 되고, 각 NOT회로(113, 114, 115)의 입출력 단자가 단락되어 노드(Nsen)의 전압값이 인버터의 논리 문턱값 전압으로 설정된다.

이것에 의하여 컴퍼레이터(11)는 열 구동신호의 입력에 의한 노드(Nsen)의 전압값에 대응하여 이 전압값이 문턱값보다 크면 변환신호 A를, 또는 이 전압값이 문턱값보다 작으면 변환신호 B를 출력한다.

이때 컴퍼레이터(11)에 있어서의 극성 변환회로(116)는 타이밍 제어회로(4)로부터 비교 이네이블신호가 입력되어 있을 때에 소스/싱크신호가 싱크를 나타내고 있을 때, 문턱값과의 비교결과로서 변환신호 A만을 출력하고, 변환신호 B를 출력하지 않으며, 한편 소스/싱크신호가 소스를 나타내고 있을 때, 문턱값과의 비교결과 로서 변환신호 B만을 출력하고, 변환신호 A를 출력하지 않는다.

여기서 도 4의 컴퍼레이터(11)의 구성으로서는 도 5, 도 6, 도 7에 나타내는 바와 같은 회로구성을 생각할 수 있다.

도 5 및 도 6은 극성 변환회로(116)를 AND 회로로 구성한 것이고, 도 7은 NOT 회로(113 및 114)의 2단으로 구성하고 있어, 보다 콤팩트한 구성으로 되어 있다.

도 5 내지 도 7 이외의 구성에 있어서도, 상기한 컴퍼레이터(11)의 기능을 실현하는 회로구성이면, 본 발명의 컴퍼레이터(11)로서 사용하는 것이 가능하다.

즉, 변환신호 A가 출력되는 조건은, 비교 이네이블신호가 입력되어, 소스/싱크신호가 싱크상태(여기서는, 예를 들면 「L」레벨)를 나타내고 있고, 또한 노드(Nsen)의 전위가 문턱값보다 높은 경우뿐이다.

한편, 변환신호 B가 출력되는 조건은, 비교 이네이블신호가 입력되어, 소스/싱크신호가 소스상태(여기서는, 예를 들면 「H」레벨)를 나타내고 있고, 또한 노드(Nsen)의 전위가 문턱값보다 높은 경우뿐이다.

또, 도 8에 싱크용 정전류원(12)의 구성을 나타낸다. 트랜지스터(M1, M2, M3, M4)는, 정전류 동작을 MOS 트랜지스터로 이루고 있고, M1 및 M2가 n 채널형이고, M3 및 M4가 p 채널형이다.

여기서 트랜지스터(M1 및 M2)와, 트랜지스터(M3 및 M4)가 각각 커런트 미러회로의 구성으로 되어 있고, 싱크 이네이블신호는 그 전압값으로 싱크전류(ls)를 직접 설정할 수 있도록 트랜지스터(M1 및 M2)의 게이트에 접속되어 있다.

이에 의하여 노드(Nsen)의 전압값에 대응하여 흐르는 전류(ls)에 대하여 트랜지스터(M3, M4)의 트랜지터의 예를 들면 채널 폭의 비에 대응한 전류(ls')를 출력할 수 있다.

즉, 트랜지스터(M1 및 M2)의 트랜지스터 크기(W/L)를 동일하게 하면, 트랜지스터(M2)에도 전류(ls)가 흘러 트랜지스터(M3 및 M4)의 트랜지스터 크기를 다르게 함으로써 전류(ls)에 대하여 출력되는 전류(ls')의 비를 임의로 설정할 수 있다.

이 때문에, 전류(ls)의 크기는 싱크 이네이블신호의 전압값과, 트랜지스터(M1)의 트랜지스터 크기를 적당하게 설정함으로써 최적값으로 설정 가능하다.

다음에, 도 9에 소스용 정전류원(13)의 구성을 나타낸다. 트랜지스터(M11, M12, M13, M14)는 정전류 동작을 MOS 트랜지스터로 이루고 있고, M11 및 M12가 p 채널형이고, M13 및 M14가 n 채널형이다.

여기서 트랜지스터(M11 및 M12)와, 트랜지스터(M13 및 M14)가 각각 커런트 미러회로의 구성으로 되어 있고, 소스 이네이블신호는 그 전압값으로 소스전류(ls)를 직접 설정할 수 있도록 트랜지스터(M11 및 M12)의 게이트에 접속되어 있다.

이에 의하여 노드(Nsen)의 전압값에 대응하여 흐르는 전류(ls)에 대하여 트랜지스터(M13와 M14)의 트랜지스터의, 예를 들면 채널 폭의 비에 대응한 전류(ls')를 출력할 수 있다.

즉, 트랜지스터(M11 및 M12)의 트랜지스터 크기(W/L)를 동일하게 하면, 트랜지스터(M12)에도 전류(ls)가 흘러, 트랜지스터(M13 및 M14)의 트랜지스터 크기를 다르게 함으로써 전류(ls)에 대하여 출력되는 전류(ls')의 비를 임의로 설정할 수 있다.

이 때문에, 전류(ls)의 크기는 소스 이네이블신호의 전압값과, 트랜지스터(M11)의 트랜지스터 크기를 적당하게 설정함으로써 최적값으로 설정 가능하다.

다음에, 도 10의 타이밍차트를 사용하여, 도 2 및 도 3에 나타내는 전하 증폭회로(1)의 동작을 설명한다.

시각 t1 내지 t4의 사이는 열 구동신호가 + 전압이기 때문에, 소스/싱크신호는 싱크를 나타내는 예를 들면 「L」레벨로 입력되어 있다.

시각 t1에 있어서, 리세트신호가 입력되면 컴퍼레이터(11)에 있어서의 각 인버터의 입력 및 출력단자가 단락되고, 노드(Nsen)를 포함하여 컴퍼레이터(11)의 입력단자 및 출력단자가 문턱값의 전압(인버터의 논리 문턱값 전압)이 된다.

마찬가지로 리세트신호가 공급되면 스위치(SW3)가 온상태가 됨으로써 축적 콘덴서(Csmp)가 기준전위로 설정된다.

그리고, 시각 t2에 있어서, 열 구동신호가 + 전압으로 공급되면, 열 구동신호의 전압레벨과, 콘덴서의 용량(Csen)과의 값에 대응하여 노드(Nsen)의 전위가 상승을 시작하여 전압(Va)에서 수속된다.

여기서, 전압(Va)은 도 2에 있어서 열 구동신호의 펄스가 주어진 교점의 콘덴서의 용량과, 열 구동신호가 주어져 있지 않은 모든 콘덴서의 용량(Cst1) 및 기생용량(Cst2)의 합의 용량과의 비율로 결정된다.

다음에 시각 t3에 있어서, 싱크 이네이블신호와 비교 이네이블신호가 입력됨으로써(이들 신호는 동시에 상승한다), 싱크용 정전류원(12)이 활성화되어 동작을 시작한다.

이때, 도 10에 나타내는 바와 같이 노드(Nsen)의 전위가, 싱크용 정전류원(12)에 의하여 전하가 제거됨으로써 전위가 내려가기 시작하고, 동시에 비교 이네이블신호에 의하여 컴퍼레이터(11)가 변환신호 A를 「H」레벨에서 출력한다.

변환신호 A가 출력됨으로써 스위치(SW1)가 온상태가 되어, 축적 콘덴서(Csmp)에 대하여 싱크용 정전류원(12)으로부터 전류가 흐르고, 전하가 공급되어 축적됨으로써 기준전위와 비교하여 높은 전위로 상승을 시작한다.

또, 노드(Nsen)로부터 전하가 뽑아 내지는 과정에 있어서, 시각 tc에 있어서 그 전위가 컴퍼레이터의 문턱값(컴퍼레이터 기준전위)을 크로스한 시점(Tc)에서 컴퍼레이터(11)의 출력이 반전하여 변환신호 A의 출력이 정지하고(즉, 「H」레벨로부터 「L」레벨로 하강), 싱크용 정전류원(12)의 출력과 축적 콘덴서(Csmp)와의 사이의 전기적 접속이 차단되어 축적 콘덴서(Csmp)에의 전하공급이 정지한다.

상기한 바와 같은 동작 시퀀스에 의하여 노드(Nsen)에 발현한 전위(Va)에 비례한 전위가, 축적 콘덴서(Csmp)에 전압신호(Vb)로서 발생시키는 것이 가능하게 된다.

다음에 시각 t4 내지 시각 t7의 사이는 열 구동신호가 - 전압이기 때문에, 소스/싱크신호는 소스를 나타내는 예를 들면 「H」레벨로 입력되어 있다.

시각 t4에 있어서, 리세트신호가 입력되면 컴퍼레이터(11)에 있어서의 각 인버터의 입력 및 출력단자가 단락되고, 노드(Nsen)를 포함하여 컴퍼레이터(11)의 입력단자 및 출력단자가 문턱값의 전압(인버터의 논리 문턱값 전압)이 된다.

그리고 시각 t5에 있어서, 열 구동신호가 - 의 전압으로 공급되면, 열 구동신호의 전압레벨과, 콘덴서의 용량(Csen)과의 값에 대응하여, 노드(Nsen)의 전위가 하강을 시작하여 전압(Vc)에서 수속된다.

여기서, 전압(Vc)은 싱크상태의 경우와 마찬가지로 도 2에 있어서 열 구동신호의 펄스가 주어진 교점의 콘덴서의 용량과, 열 구동신호가 주어져 있지 않은 모든 콘덴서의 용량(Cst1) 및 기생용량(Cst2)의 합의 용량과의 비율로 결정된다.

다음에 시각 t6에 있어서 소스 이네이블신호와 비교 이네이블신호가 입력됨으로써(이들 신호는 동시에 상승한다), 소스용 정전류원(13)이 활성화되어 동작을 시작한다.

이때, 도 10에 나타내는 바와 같이 노드(Nsen)의 전위가, 소스용 정전류원(13)에 의하여 전하가 공급됨으로써 전위가 상승하기 시작하고, 동시에 비교 이네이블신호에 의하여 컴퍼레이터(11)가 변환신호 B를 「H」레벨에서 출력한다.

변환신호 B가 출력됨으로써, 스위치(SW2)가 온상태가 되어 축적 콘덴서(Csmp)에 대하여 소스용 정전류원(13)에 의하여 전류가 흐르고, 전하가 방출되어 방전됨으로써 기준전위와 비교하여 낮은 전위로 하강을 시작한다.

또, 노드(Nsen)에 전하가 공급되는 과정에 있어서, 시각 td에 있어서, 그 전위가 컴퍼레이터의 문턱값(컴퍼레이터 기준전위)을 크로스한 시점에서 컴퍼레이터(11)의 출력이 반전하여 변환신호 B의 출력이 정지하고 (즉, 「H」레벨로부터 「L 」레벨로 하강), 소스용 정전류원(13)의 출력과 축적 콘덴서(Csmp)와의 사이의 전기적 접속이 차단되고, 축적 콘덴서(Csmp)로부터의 전하의 방전이 정지한다.

상기한 바와 같은 동작 시퀀스에 의하여 노드(Nsen)에 발현한 전위(Vc)에 비례한 전위가, 축적 콘덴서(Csmp)에 전압신호(Vd)로서 발생시키는 것이 가능하게 된다.

그리고 축적 콘덴서(Csmp)에 발생한 전압은, 전압신호(Vb, Vd)로서, 다음의 리세트신호가 오기 전에 샘플 홀드회로(6)에 일단 유지된 후, 멀티플렉서(7)를 거쳐 A/D 변환기(8)에 보내지게 된다.

또, 도 8의 싱크용 정전류원(12)의 트랜지스터(M3 및 M4)의 트랜지스터 크기의 비율을 변경함으로써 전압(Va 및 Vb)의 비율을 변경하는 것이 가능하다.

마찬가지로 도 9의 소스용 정전류원(13)의 트랜지스터(M13 및 M14)의 트랜지스터 크기의 비율을 변경함으로써 전압(Vc 및 Vd)의 비율을 변경하는 것이 가능하다.

또, 축적 콘덴서(Csmp)로부터 샘플 홀드회로(6)에 대한 전압신호의 전송은, 전류증폭을 행하지 않고, 축적 콘덴서(Csmp)와, 샘플 홀드회로(6)에 유지된 용량과의 스위치에 의한 접속으로, 용량비에서의 분배로 행하는 것도 가능하고, 트랜지스터 수나 트랜지스터 크기도 연산증폭기를 사용하는 경우에 비하여 규모를 작게 하는 것이 가능하게 되어 IC(집적회로) 내부에서 형성하는 용량의 크기도 대폭으로 삭감 가능하게 된다.

또한 도 8 및 도 9에서 사용한 싱크용 및 소스용 정전류회로는 가장 간단한 것이나, 정전류 특성이 좋은 캐스코드 커런트 미러회로도 사용하는 것도 가능하다.

또, 도 8에 있어서의 트랜지스터(M4)를 분할하여, 트랜지스터 크기가 다른 복수의 트랜지스터(M4a, M4b, …)로 구성하는 것이다.

그리고 분할된 트랜지스터 크기(W/L)를, 2의 누승으로 가중하여 전류출력 노드에 각각 선택 스위치(SW4a, SW4b)를 부가하고, 온/오프상태를 제어신호(SELn)(n = 1, 2, …)에 의하여 제어하여 출력되는 정전류의 크기를 리니어한 계단상으로 가변시키는 것이 가능하다.

이 조작은, 회로의 최소한의 부가로 전압(Va/Vb)의 크기를 사용상태에 있어 바꾸는 것이 가능한 것을 의미하고, 지문센서를 여러가지의 환경하나 제조 불균일에 대응시키는 것이 가능하게 된다.

도 11에 있어서는 M4의 트랜지스터의 분할예를 나타내었으나, M2를 동일하게 분할하도록 하여도 동일한 효과가 얻어진다.

또한 도 9의 소스용 정전류원(13)의 트랜지스터(M12 및 M14)에 대해서도 동일한 구성을 사용하는 것이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 용량 검출회로(전하 증폭회로)는, 종래예와 같이 귀환 콘덴서를 사용하여 전하를 축적시키는 것은 아니고, 컴퍼레이터의 비교결과로부터 정전류원을 사용하여 출력용 축적 콘덴서에 충방전을 행하고, 축적된 전하량에 의한 전압을 전압신호로 하여 출력함으로써, 용량 변화를 전압으로 변환하고 있다.

여기서 본 발명의 용량 검출회로는 검출된 전하량을 전압으로 변환하기 위한 구성이, 연산증폭기와 비교하여 디지털회로인 NO회로에 의하여 단순하게 구성된 컴퍼레이터, 정전류원 및 이 정전류원에 의하여 충방전되는 콘덴서에 의하여 형성되어 있다.

이 때문에, 본 발명의 용량 검출회로에 의하면, 연산증폭기 및 귀환 콘덴서에의한 종래의 구성과 비교하여 입력전압 비교에 컴퍼레이터를 사용함으로써, 많은 트랜지스터로 구성되는 연산증폭기를 사용하지 않고, 또한 콘덴서로서도 정전류원에 의한 충방전에 의하여 전압변환을 행할 뿐이기 때문에, 이 충방전의 전류를 조정함으로써, 적은 용량값의 콘덴서로 충분하므로 콘덴서의 형성 면적을 억제하는 것이 가능하게 되고, 회로 전체의 면적이 줄어 대폭적인 비용절감이 도모된다.

여기서 컴퍼레이터를 사용하기 때문에 입력전압의 전압레벨이 문턱값을 초과하는지의 여부의 판정을 향하므로, 종래와 같이 입력하는 전하량에 의하여 게인이 크게 변동되는 일은 없다.

Claims

복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 용량 변화를 검출하고, 상기 용량 변화를 전기신호로 변환하는 용량 검출회로에 있어서,

상기 열 배선을 구동하는 열 배선 구동수단과,

상기 행 배선에 접속되고, 구동된 열 배선과의 교차부의 용량에 생기는 전하를 측정전압으로 변환하고, 상기 측정전압을 설정값과 비교하여 충방전 신호를 출력하는 컴퍼레이터와,

상기 충방전 신호에 대응하여 전하의 충방전을 행하는 정전류원과,

상기 충방전의 전류에 의한 전하를 축적하는 콘덴서를 가지고,

상기 콘덴서의 양쪽 끝의 전압을 전기신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 용량 검출회로.
제 1항에 있어서,

상기 컴퍼레이터가 상기 충방전 신호로서, 상기 측정전압이 + 인 경우, 충전을 지시하는 충전신호를 출력하고, 또 - 인 경우, 방전을 지시하는 방전신호를 출력하며,

상기 정전류원이 충전용 정전류원 및 방전용 정전류원으로 구성되어 있고, 상기 충전신호가 입력됨으로써, 콘덴서에 대하여 충전동작을 행하며, 한편 상기 방 전신호가 입력됨으로써 콘덴서에 대하여 방전동작을 행하는 것을 특징으로 하는 용량 검출회로.
제 1항에 있어서,

상기 컴퍼레이터가 디지털회로에 의한 인버터에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 검출회로.
제 1항에 있어서,

상기 정전류원이 트랜지스터를 사용한 커런트 미러회로에 의해 구성되어 있고, 상기 커런트 미러회로의 출력 트랜지스터가 복수로 분할되어, 각각이 스위치에 의하여 온/오프 제어 가능하고, 전류비를 복수의 값으로 설정할 수 있는 구성으로 되어있는 것을 특징으로 하는 용량 검출회로.
복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 용량 변화에 의하여 지문의 요철을 검출하는 지문센서로서, 제 1항에 기재된 용량 검출회로에 의하여 상기 용량 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 지문센서.
복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 용량 변화에 의하여 지문의 요철을 검출하는 지문센서로서, 제 2항에 기재된 용량 검출회로에 의하여 상기 용량 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 지문센서.
복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 용량 변화에 의하여 지문의 요철을 검출하는 지문센서로서, 제 3항에 기재된 용량 검출회로에 의하여 상기 용량 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 지문센서.
복수의 열 배선에 대하여 행 배선이 대향하여 형성되고, 열 배선과 행 배선이 교차하는 부분의 용량 변화에 의하여 지문의 요철을 검출하는 지문센서로서, 제 4항에 기재된 용량 검출회로에 의하여 상기 용량 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 지문센서.