NO20131424A1 - Fremgangsmåte og apparat for redusert krysstale og ASIC-areal in en fingeravtrykksensor. - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen angår en sensor for deteksjon av en egenskap til et objekt som et fingeravtrykk eller annen fysisk, kjemisk eller termisk egenskap til et materiale eller vev, hvor sensoren er tilpasset til samtidig deteksjon av flere sensorelementer og er elektrisk forbundet med en elektronisk krets. Sensoren omfatter videre en sensorflate, der sensorflaten er tilpasset til å motta objektet for deteksjon av objektets egenskap og minst én sensorelektrode plassert i en første posisjon på sensorflaten, der den minst ene sensorelektroden er tilpasset til deteksjon av objektets egenskap. Sensoren omfatter også et første eksiteringselement elektrisk koblet til den minst ene sensorelektroden via en første impedans; en sensorinngang elektrisk koblet til det første eksiteringselementet og en spennings- eller strømkilde elektrisk koblet til sensorinngangen, der spennings- eller strømkilden er tilpasset til å frembringe et spennings- eller strømsignal. Et første sensorelement er elektrisk koblet til den minst ene sensorelektroden via en andre impedans og en første sensorutgang elektrisk koblet til det første sensorelementet. En første strømforsterker elektrisk koblet til den første sensorutgangen; en referansespenning tilført fra den elektroniske kretsen til den første strømforsterkeren, der referansespenningen videre frembringes til den første sensorutgangen av den første strømforsterkeren; og den minst ene sensorelektroden er tilpasset til å frembringe en utgangsstrøm via det første sensorelementet til den første sensorutgangen, der utgangsstrømmen bestemmes av egenskapene som respons til spennings- eller strømsignalet.

Description

Fremgangsmåte og apparat for redusert krysstale og ASIC-areal i en

fingeravtrykksensor

INNLEDNING

Det er i dag et økende behov for rimelige fingeravtrykksensorenheter for biometrisk autenti-sering basert på gjenkjenning av fingeravtrykk. Siden kostnaden for en fingeravtrykksensor ofte er proporsjonal med arealet av sensoren og siden arealet av sensoren må være sammen-lignbar med fingerens dimensjoner, er det imidlertid ikke trivielt å redusere kostnaden til en silisiumbasert fingeravtrykksensor tilstrekkelig. Dette er særlig tilfellet for areal sensorer.

En måte å løse dette på er imidlertid å implementere deteksjonselektrodene i et separat og fullstendig eller i det minste delvis passivt sensorsubstrat, som kan lages av andre materialer og med andre prosesser en enkeltkrystallinsk silisium som trengs i elektroniske kretser. På denne måten kan en potensielt lavere kostnad for et slikt passivt eller delvis passivt sensorsubstrat benyttes til å oppnå en samlet kostnadseffektiv løsning som kombinerer et rimelig sensorsubstrat med en relativt mindre elektronisk (grensesnitt)krets.

I en slik konfigurasjon kan sensorsubstråtet ha en størrelse tilpasset fingerens dimensjoner, og det er dermed mulig å kombinere dette med en elektronisk krets med vesentlig mindre dimensjoner og tilsvarende lavere kostnader enn det som ville vært kostnaden for en elektronisk krets med essensielt samme dimensjoner som fingeren.

Selv om den samlede kostnaden for komponentene i en slik fingeravtrykksensor bestående av et sensorsubstrat og en elektronisk krets kan være vesentlig lavere enn en tilsvarende løsning basert på en enkeltbrikkeløsning, vil imidlertid kostnaden ved å sammenstille de to delene øke kostnadene for den ferdige fingeravtrykksensoren til tross for de kontinuerlig reduserte kost-nadsnivåene for slike sammenstillingsprosesser i dagens volumtilvirking.

En viktig kostnadsfaktor er relatert til de elektriske koblingene mellom et slikt sensorsubstrat og den elektronisk kretsen. Kostnadene til slike grensesnittforbindelser er vanligvis proporsjonal med det faktiske antallet grensesnittkoblinger. En måte å redusere kostnaden til grensesnittkoblinger på er således å redusere antall grensesnittsignaler.

I tillegg, er det på den elektroniske kretsen også en kostnad tilknyttet hvert grensesnittsignal, siden hvert signal krever et minste koblingsareal, som normalt ikke kan benyttes til andre funksjoner. Hvis antall grensesnittsignaler mellom den elektroniske kretsen og sensorsub-stratet kan reduseres, vil dermed kostanden til den elektroniske kretsen også kunne reduseres.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Det er et formal med den foreliggende oppfinnelsen å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for elektrisk deteksjon av et fingeravtrykk eller andre fysiske, kjemiske eller termiske egenskaper for en finger med et vesentlig redusert antall sammenkoblingssignaler (intercon-nect signals) mellom et sensorareal og (separat lavkost passivt sensorsubstrat) og en elektronisk krets for eksitering og deteksjon av fingeravtrykket eller en annen fysisk egenskap for areal og kostnadsbesparelse sammenlignet med en fingeravtrykksensor på en enkelt brikke. Dette oppnås ved å koble de enkelte signalene internt elektrisk internt ved sensorsubstråtet, men på en slik måte at responsen fra de enkelte sensorelementene kan skilles fra hverandre. Dette oppnås videre ved å benytte en strømfølsom detektor som sikrer at andre sensorelementer og deres elektriske kobling til fingeren ikke påvirker sensorelementet eller sensorelementene som for tiden detekteres.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for elektrisk deteksjon av et fingeravtrykk med redusert krysstale, som en måte å oppnå forbedret bildekvalitet og kontrast på, som også forbedrer samlet biometrisk ytelse for fingeravtrykksensoren. Krysstalen reduseres ved å holde sensorutgangene, hvilke utganger er koblet til individuelle sensorelementer på et konstant potensial, og slik eliminere effekten av kapasitiv kobling mellom forskjellige sensorutganger, og også mellom forskjellige sensorutganger og en jord eller et referansepotensial.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for elektrisk deteksjon av et fingeravtrykk eller andre fysiske egenskaper for en finger basert på maling og deteksjon av signalet fra flere sensorelementer på samme tidspunkt, hvilket gjøres mulig ved å ha en sterkt redusert krysstale mellom de enkelte sensorutgangene.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for elektrisk deteksjon av et fingeravtrykk med redusert avhengighet av parasittiske kapasitanser i sensorsubstråtet og slik oppnå en mer uniform sensorforsterkning (gain) eller demping over bredden eller arealet som sensorelementene er fordelt langs eller over.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for elektrisk deteksjon av et fingeravtrykk eller andre fysiske egenskaper for en finger med en økt følsomhet for responssignalet fra fingeren ved å implementere en strømfølsom detektor hvor spenningen på sensorinngangene holdes konstant slik at responssignalet fra fingeren ikke dempes av (i varierende grad) av varierende parasittiske kapasitanser over sensorsub stråtet, siden ingen strøm vil flyte inn i disse parasittiske kapasitansene så lenge spenningen holdes konstant.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for redusert antall innganger og utganger/ elektroniske koblinger mellom sensor-substratet og en elektronisk krets som en måte å oppnå en redusert kostnad for en fingeravtrykksensor (eller sensor for deteksjon av andre fysiske eller kjemiske egenskaper for fingeren på, uten å redusere den biometriske ytelsen til fingeravtrykksensoren.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for en todimensjonal fingeravtrykksensor med et sterkt redusert antall grensesnittkoblinger mellom sensorsub stråtet som inneholder et antall sensorelementer og den elektroniske kretsen i forhold til de totale antallet sensorelektroder sensorelementer (eller piksler) i sensorarealet (1).

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Figur 1 viser eksempel på en utførelsesform av et sensorsystem ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 2 viser en alternativ utforming av sensorsystemet ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 3 viser en alternativ, essensielt lineær sensorgeometri av sensorarealet ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 4A viser en alternativ utforming av sensorsystemet ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 4B viser en alternativ utforming av sensorsystemet ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

Figur 5 er en skjematisk illustrasjon av et sensorareal med seks sensorelementer.

Figur 6 er en skjematisk illustrasjon av et sensorareal med seks sensorelementer og eksitering og deteksjonsmidler (fremgangsmåte) fra kjent teknikk. Figur 7 er en skjematisk illustrasjon av et sensorareal med seks sensorelementer og eksitering og deteksjonsmidler ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 8 er en skjematisk illustrasjon av et sensorareal med seks sensorelementer, eksitering og deteksjonsmidler fra kjent teknikk, inkludert parasittiske utgangskapasitanser i sensorarealet. Figur 9 viser et eksempel på et tverrsnitt med sensorelement, eksiteringselektrode og sensorelektrode samt eksiterings- og deteksjonsmidler ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 10 viser et eksempel på et tverrsnitt av en sensorkonfigurasjon med manglende sensorelektrode, med eksiteringselektrode og sensorelektrode samt eksiterings- og deteksjonsmidler ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 11 er en skjematisk illustrasjon av et sensorareal for en sensorkonfigurasjon med manglende sensorelektrode, men med eksiteringselektroder og sensorelektroder sammen med parasittiske utgangskapasitanser i sensorarealet samt eksiterings- og deteksjonsmidler ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Figur 12 er en skjematisk illustrasjon av den foreliggende oppfinnelsen med et sensorareal med seks sensorelementer samt eksitering og deteksjonsmidler inkludert parasittiske utgangskapasitanser i sensorarealet. Videre vises svitsjeelementer både på sensorinngangene og på

(en av) sensorutgangene.

Figur 13 er en skjematisk illustrasjon av den foreliggende oppfinnelsen som viser en måte å inndele sensoren ifølge den foreliggende oppfinnelsen på. Figur 14 er en skjematisk illustrasjon av den foreliggende oppfinnelsen som viser en annen måte å inndele sensoren ifølge den foreliggende oppfinnelsen på. Figur 15 er en skjematisk illustrasjon av den foreliggende oppfinnelsen som viser en annen måte å inndele sensoren ifølge den foreliggende oppfinnelsen på.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Figur 1 viser et eksempel på en utførelsesform av oppfinnelsen som består av et sensorareal (1) utformet for å ha kontakt med en (delvis vist) finger (5) og med midler (ikke vist) som sensorelektroder, for å avføle fysiske egenskaper ved fingeren. Videre omfatter utførelses-formen en elektronisk krets (4) som er elektrisk koblet til sensorarealet (1) og også sensormidlene for deteksjon av fingerens fysiske egenskaper, overflatestruktur samt fingeravtrykket til fingeren. Både sensorarealet (1) så vel som den elektroniske kretsen (4) understøttes av en bærer (2) som også frembringer elektrisk forbindelse mellom den elektroniske kretsen (4) og sensorarealet (1). Bæreren (2) kan også fysisk være en integrert del av sensorarealet (1). Den elektriske kretsen (4) er elektrisk koblet til bæreren (2) og sensorarealet (1) og sensormidlene (ikke vist) med koblingsmidler (3) i tilfellet der bæreren (2) ikke er en integrert del av den elektronisk kretsen (4). Figur 2 viser en alternativ utforming av den elektronisk kretsen (4) i forhold til sensorarealet (1). Figur 3 viser en alternativ geometri for sensorarealet (1) som essensielt er en lineær sensor. Figur 4A viser en alternativ utforming av sensorarealet (1), hvor sensorarealet (1) essensielt er en integrert del av bæreren (2). Figur 4B viser en alternativ utforming av bæreren (2), hvor bæreren (2) essensielt er en integrert del av den elektronisk kretsen (4) som inneholder minst én aktiv elektronisk innretning som en transistor, en overføringsport, en svitsj eller en annen styrbar elektronisk innretning. Figur 5 viser en generell utførelsesform av oppfinnelsen for illustrative formål. Nærmere bestemt illustrerer den detaljene i sensorarealet (1). Sensorarealet (1) består av en gruppe sensorelementer (120, 121, 122) plassert i spesifikke posisjoner innen sensorarealet (1) slik at figuren viser totalt 6 sensorelementer.

Sensorelementene har en elektrisk kobling til en finger (5) som er plassert i nærheten av sensorarealet (1). Denne elektriske koblingen, eller vekselvirkningen, med fingeren er fremstilt som fingerimpedanser (110, 111, 112, 13, 114 og 115) (det vil si impedanser mellom fingeren (5) og sensorelementene (120-125) som modellerer denne elektriske koblingen eller vekselvirkningen. Disse fingerimpedansene er således ment å representere såkalt «diskrete parameter modeller» («lumped parameter» models) av den faktiske (fysiske og) elektriske vekselvirkningen mellom fingeren (5) og sensorelementene (120-125).

En alternativ måte å fremstille denne elektriske koblingen mellom sensorelementene og fingeren (5) på, kan være en tegning av de elektriske feltlinjene mellom sensorelementene og fingeren (5). Som en fagkyndig på området vil erkjenne, finnes det imidlertid for hver spesifikk geometri av sensorelementet og fingeren (5) alltid en diskret parametermodell som beskriver på en fullstendig (og detaljert) måte de presise egenskapene til en slik elektrisk kobling eller vekselvirkning - med en posisjonsavhengig (muligens også frekvensavhengig) fingerimpedans (110-115) som vist i figur 5. (med posisjonsavhengig menes fingerimpedanser (110-115) som avhenger av den relative forskjellen mellom posisjoner mellom sensorelementene og posisjonen til fingeren (5)).

Ved dette har vi således etablert at det for enhver detaljert utførelsesform av sensorelementene eksisterer en ekvivalent diskret parametermodell som nøyaktig modellerer den elektriske koblingen mellom sensorelementene (120-125) og fingeren (5), i denne oppfinnelsen henvist til som fingerimpedanser (110-115).

Disse fingerimpedansene vil, som kjent for en fagkyndig, variere avhengig av fingertilstanden som fuktighet og andre fysiske egenskaper, men varierer også avhengig av den detaljerte ryggstrukturen til fingeren, og dermed av fingeravtrykket, kun gitt at geometrien og dimen-sjonene til sensorelementene er tilpasset eller sammenlignbare med dimensjonen i fingeravtrykket til fingeren (5) slik at det oppnås adekvat romlig oppløsning. Denne variasjonen i egenskaper er illustrert med en pils som krysser fingerimpedansene (hvilket er en vanlig måte å indikere slike variasjoner på).

Som en fagkyndig videre vil erkjenne, er det videre innlysende at geometrien til grensesnittet mellom fingeren (5) og sensorelementene (ikke vist) i alle andre henseender bør utformes for å gi tilstrekkelig romlig oppløsning til å muliggjøre en adekvat representasjon av et fingeravtrykk eller en annen fysisk egenskap til fingeren (5) som skal detekteres på sensorarealet (1).

Som også vist i figur 5, inneholder sensorarealet (1) videre sensorinnganger (160, 161 og 162) samt sensorutganger (150 og 151) som dermed utgjør et grensesnitt til den elektroniske kretsen (4).

Som også vist i figur 5, inneholder sensorarealet (1) videre med hensikt serieimpedanser, som utgangsimpedansene (130, 131, 132, 133, 134 og 135) samt inngangsimpedansene (140, 141, 142, 144, 144 og 145). Hensikten med disse inngangs- og utgangsimpedansene vil bli forklart i den følgende beskrivelsen av denne oppfinnelsen. Disse utgangs- og inngangsimpedansene kan i prinsipp også være en del av bæreren (2), hvis dette er hensiktsmessig av andre grunner, som kostnads- eller sammenstillingsperspektiver.

Videre inneholder sensorarealet (1) elektriske inngangskoblinger 170, 171 og 172 mellom sensorinngangene og de enkelte sensorelementene (via inngangsimpedansene 10 og 142, 141 og 144 samt 142 og 145) samt elektriske utgangskoblinger (180, 181, 182 og 183) mellom sensorutgangene og de enkelte sensorelementene (via utgangsimpedansene (130, 131 og 132 samt 133, 134 og 135).

Som det kan ses, er det disse utgangs- og inngangskoblingene som gjør det mulig å redusere antall sensorinnganger og sensorutganger ifølge denne oppfinnelsen, så lenge inngangs- og utgangsimpedansene er en del av det rimelige sensorarealet (1) eller muligens en annen rimelig bærer (2) tilknyttet sensorarealet (1).

Som forklart ovenfor, er figur 5 ment kun som illustrasjon, hvilket betyr at antall sensorinnganger og sensorutganger i en virkelig fingeravtrykksensorutforming for en gitt utførelse vil bli bestemt av den spesifiserte geometrien og oppløsningen av sensorarealet (1). Det vises videre i figur (5) at de tre sensorutgangene er elektrisk sammenkoblet, mens de eneste to sensorinngangene er elektrisk sammenkoblet. Dette kan imidlertid være omvendt og endelig bestemt av den gitte implementasjonen, som antall sensorinnganger og sensorutganger beskrevet ovenfor.

Figur 5 viser videre at totalt seks sensorelementer detekteres av totalt fem sensorinnganger og sensorutganger, i motsetning til tradisjonelle fingeravtrykksensorer som normalt ville inne-holde totalt minst seks sensorutganger, én for hvert sensorelement. Dette illustrerer fordelen med den foreliggende oppfinnelsen, selv om det ikke er i stor skala.

På en stor skala vil dette deteksjonsprinsippet generelt muliggjøre deteksjon av Ni™ ganger Nut sensorelementer, hvor Nmn er antall sensorinnganger og Nut er antall sensorutganger. Dermed går det totale antallet sensorinnganger og sensorutganger Nu* som en lineær funksjon av disse to variablene:

Ntot<=>Num + Nut

mens det totale antallet sensorelementer SEtot går som produktet av de to variablene:

SEtot<=>(Ninn)(Nut)

og dermed øker mye raskere enn Ntot. Med andre ord øker besparelsene i totalt antall sensorinnganger og sensorutganger med totalt antall sensorelementer, og vil slik representere vesentlige besparelser i IO-kompleksitet for linje- eller areal sensorer.

Som den observante leser vil innse, oppnås størst fordel av det beskrevne deteksjonsskjemaet uttrykt som antall sensorelementer i forhold til sensorinnganger og sensorinnganger når Nmn = Nut. Andre forhold mellom Ninn og Nut vil imidlertid normalt også gi en vesentlig reduksjon av antall sensorinnganger og utganger.

Analyseres figur 5 videre, ses at adressering og deteksjon av individuelle sensorelementer (120-125) vil kreve utvelgelse og deteksjon av signalet fra én sensorutgang (150, 151) og videre å aktivere bare én sensorinngang (160, 161 eller 162) om gangen.

Som et eksempel, la oss videre anta for illustrasjonsformål at fingeren (5) representerer elektrisk jordpotensial som vist i figur 6.

Analyseres figur 6 videre, som et eksempel, la oss videre anta at sensorinngangen 160 eksiteres av en varierende spenning fra en spenningskilde (600) - med null intern seriemotstand - og at sensorutgangen 151 koblet til en elektronisk krets (4) forsynt fra en instrumenteringsforsterker (410) med (for enkelhets skyld i dette eksempelet) uendelig inngangsimpedans. Instrumenteringsforsterkeren (410) detekterer dermed spenningen på sensorutgangen (150) i forhold til elektrisk jordpotensial.

Som en erfaren fagkyndig vil innse, vil signalet fra spenningskilden (410) frembringe et elektrisk potensial eller en spenning ved sensorelementet (120) som, i tillegg til å være proporsjonal med størrelsen av spenningskilden (600) også vil være proporsjonal med den såkalte spenningsdeleren dannet mellom inngangsimpedansen (140) og fingerimpedansen

(110). For at dette skal være tilfelle, antar vi for øyeblikket ingen parasittiske impedanser i sensorarealet (1) og at fingeren (5) representerer elektrisk jordpotensial, som for øyeblikket også er det samme som elektrisk jord for spenningskilden (180) og instrumenteringsforsterkeren

(190). (Vi må videre anta at impedansen mellom fingerens (5) elektriske jord (118) og (117) er lav sammenlignet med impedansene (110) og (140), hvilket vanligvis også vil være tilfelle).

Det grunnleggende deteksjonsprinsippet vil dermed ifølge det ovenstående gi en spenning ved sensorelementet (120) som er proporsjonal med fingerimpedansen (110) når sensorinngangen

(160) og sensorutgangen (151) velges. Analyseres dette videre, vil en fagkyndig også innse at sensorinngangene (161) og (162) fortrinnsvis bør forbli åpne (eller med høy impedans) for å unngå at signalet ved inngangskoblingene 171 og 172 påvirker signalet ved utgangskoblingene 180 og 181 gjennom inngangsimpedansene 141, 142 og utgangsimpedansene 131 og 132.

Vi ser videre at inngangsimpedansene (140-145) sikrer at ingen sensorelementer kortsluttes på eksiteringssiden. Hvis inngangsimpedansene (140-145) ikke var til stede, ville den elektriske spenningen ved sensorelementene 120 og 123, samt sensorelementene 121 og 124 og sensorelementene 122 og 125 være lik, og det ville ikke være mulig å skille signalene fra de enkelte sensorelementene (120-122) eller sensorelementene (123-125) fra hverandre.

Basert på beskrivelsen med henvisning til figur 6 ovenfor, har vi dermed etablert at signalnivået fra sensorelementet (120) ved sensorutgangen (1780 og 151) i tillegg til å være proporsjonal med størrelsen til spenningskilden (600) også vil være proporsjonal med den såkalte spenningsdeleren dannet mellom inngangsimpedansen (140) og fingerimpedansen

(110), gitt ingen påvirkning fra sensorelementene i samme gruppe (121 og 122).

Som en fagkyndig vil innse, kan imidlertid signalet ved sensorutgangen (180 og 151) fortsatt bli påvirket av fingerimpedansene 111 og 112 gjennom koblingen 181 og utgangsimpedansene (131) og (132) som representerer alternative veier til jord. Dermed vil kontakt-forholdene ved sensorelementene (121 og 122) vil dermed påvirke signalet ved utgangs-koblingen 180, og dermed sensorutgangen 151, til tross for at sensorinngangene 171 og 172 er deaktivert. Dette betyr at det vil oppstå krysstale mellom sensorelementet 120 og sensorelementene 121 og 122, ved at sensorutgangssignalet detektert ved sensorutgangen 150 av instrumenteringsforsterkeren (410) vil bli påvirket av fingerimpedansene 111 og 112, ikke bare fingerimpedansen 110 som i utgangspunktet skulle måles.

Krysstalesituasjonen beskrevet ovenfor vil ikke bli vesentlig endret ved å drive sensorinngangen 170 med en ideell strømkilde (i stedet for en ideell spenningskilde). Dette skyldes at strømmen umiddelbart vil bli omformet til spenning på grunn av fingerimpedansen 110, som virker som en forbikoblingsmotstand som omformer strømmen til en spenning.

En forandring ved sensorutgangene kan imidlertid endre krysstalesituasjonen mellom sensorelementet (120) og sensorelementene (121-122) beskrevet ovenfor.

Som et eksempel, la oss for et øyeblikk anta at (både inngangsimpedansene (140 til 145) samt) utgangsimpedansene (130 til 135) er essensielt kapasitive, som vist i figur 7.

Som videre vist i figur 7, anta at i stedet for en instrumenteringsforsterker 410, er en strøm-forsterker (411) koblet til sensorutgangen 151.1 dette eksempelet kan sensorinngangene 161 og 162 være åpne kretser som vist i figuren, eller de kan være kortsluttet mot jord (ikke vist). Dette vil ikke i noe tilfelle virke grunnleggende inn på virkemåten beskrevet i figur 7. Analyseres figur 7 videre, vil strømforsterkeren (411) forsterke strømmene fra sensorelementet (120) ettersom de flyter gjennom utgangsimpedansen (130). Grunnet tilbakekob-lingsmekanismen og tilbakekoblingsimpedansen Zfb (412) i en slik strømforsterker vil imidlertid spenningen ved sensorutgangen 150 (innenfor forsterkerens båndbredde) holdes på et konstant potensial. (For situasjonen i figur 7 vil dette potensialet være jord siden den positive inngangen til strømforsterkeren (411) er koblet til jord). Dette er en generell egenskap for alle strømforsterkere implementert som beskrevet, og således også bakgrunnen for forestillingen om at slike forsterkere genererer «virtuell jord» ved (den negative) inngangsterminalen til forsterkeren. Med andre ord forblir spenningen ved et konstant elektrisk potensial ved den negative inngangsterminalen eller sensorutgangen 151 — uavhengig av strømmen som flyter mot denne noden.

På grunn av dette, holdes også spenningspotensialet ved utgangskoblingene 180 og 181 også konstant, og vi ser videre at spenningen over utgangsimpedansene (131) og (132) vil også være konstant - så lenge potensialet til fingeren (5) er konstant. Siden strømmen gjennom en kapasitans avhenger av den tidsderiverte av spenningen over kapasitansen, vil strømmen

gjennom utgangsimpedansene (131 og 132) derfor også være null. På grunn av dette ser vi at strømmen som flyter inn i strømforsterkeren (411) utelukkende avhenger av spenningspotensialet til sensorelektroden 120 og dermed fingerkapasitansen 110, og avhenger ikke av fingerimpedansene 111 og 112. Dermed oppstår ingen krysstale mellom signalet ved sensorelementet 120 og sensorelementene 121 og 122.

I tillegg til de beskrevne og forbedrede krysstale-egenskapene til den foreliggende oppfinnelsen, er den foreliggende oppfinnelsen også fordelaktig på andre måter, som vist i figur 8. Figur 8 viser sensorutgangen (151) utstyrt med en instrumenteringsforsterker for å illustrere dette. Figur 8 viser videre ulike såkalte parasittiske kapasitanser, hvilket normalt vil forekommer i enhver gitt sensorimplementasj on. De parasittiske inngangskapasitansene 190. 191 og 192 modellerer kapasitansene som dannes mellom sensorinngangene 160, 161 og 162 og den tilhørende koblingen til elektrisk jord. Videre modellerer de parasittiske utgangskapasitansene (193, 194) kapasitansene som dannes mellom sensorutgangene 150 og 151 og den tilhørende koblingen til elektrisk jord.

Med hensyn til de parasittiske inngangskapasitansene (190-192) vil disse normalt ikke påvirke sensorytelsen vesentlig, de vil normalt bare belaste spenningskilden (600) og gi en økning av strømmen som flyter inn i sensorinngangene (160 til 163) og dermed øke det totale strømforbruket, men det detekterte signalnivået ved sensorutgangene (150, 151) vil ikke bli påvirket i vesentlig grad av disse inngangskapasitansene (190 til 192).

Med hensyn til de parasittiske utgangskapasitansene (193-194) er imidlertid situasjonen annerledes. Selv for en liten linjesensor kan disse kapasitansene være signifikante sammenlignet med impedansene til inngangsimpedansene (140 til 142) og utgangskapasitansene (130 til 132). Siden de parasittiske utgangskapasitansene (194) danner en spenningsdeler sammen med utgangskapasitansen (130) vil dempingen derfor øke, og signalnivået vil avta ettersom den parasittiske utgangskapasitansen (194) øker.

Videre vil dempingen, og dermed signalnivået ved sensorutgangene (150) og (151), være forskjellig fra hverandre når det er en forskjell mellom de parasittiske utgangskapasitansene

(193) og (194), hvilket motvirker en uniform sensordemping eller forsterking (gain) mellom forskjellige sensorutganger 150 og 151 under ellers like betingelser.

På figur 9, hvor sensorutgangen (151) utstyrt med en strømforsterker (411) er denne situasjonen forskjellig. Siden strømforsterkeren holder spenningspotensialet ved sensorutgangen

(151) på et konstant nivå, vil ingen strøm flyte gjennom den parasittiske utgangskapasitansen

(194) . Dermed kan ikke den parasittiske utgangskapasitansen (194) påvirke sensordempingen, og vil heller ikke påvirke signalnivået ved sensorutgangen (151).

På samme måte kan ikke forskjeller mellom de parasittiske utgangskapasitansene for forskjellige sensorutganger (193, 194) hindre uniform sensordemping eller forsterking mellom forskjellige sensorutganger 150 og 151 i motsetning til beskrivelsen av figur 8, hvor sensorutgangen (154) er utstyrt med en instrumenteringsforsterker.

Figur 9 viser skjematisk en måte den beskrevne sensorstrukturen kan implementeres på i en lagdelt struktur, med bare 1 sensorelement av hensyn til klarhet. Sensorelementet (120) er plassert på siden nærmest til overflaten hvor fingeren (5) er plassert. Sensorelementet (120) kan være dekket av et beskyttende lag, eller det kan være eksponert direkte mot fingeren.

Fingerimpedansen (110) (ikke vist) dannes som et resultat av den elektriske vekselvirkningen og de elektriske feltene som flyter mellom sensorelementet (120) og fingeren (5).

Et eksiteringselement 1200 er plassert nedenfor sensorelementet slik at det dannes en impedans 140 (ikke vist) som resultat av den elektriske vekselvirkningen mellom sensorelementet 120 og eksiteringselementet 1200. På samme måte er et avfølingselement 1300 plassert under sensorelementet (120) slik at en impedans 130 (ikke vist) dannes som resultat av den elektriske vekselvirkningen og de elektriske feltene som flyter mellom sensorelementet 120 og avfølingselementet 1200.

Det forstås av en fagkyndig at den beskrevne grunnleggende avfølingsstrukturen kan utføres på mange forskjellige måter uten avvik fra det grunnleggende deteksjonsprinsippet beskrevet ovenfor.

En annen måte å implementere dette deteksjonsprinsippet på er vist i figur 10.1 denne konfigurasjonen er sensorelementet (120) helt enkelt fjernet. Eksiteringselementet 1200 er plassert under fingeren (5) slik at en impedans 110 (ikke vist) dannes som resultat av den elektriske vekselvirkningen mellom eksiteringselementet 1200 og fingeren (5). På samme måte er avfølingselementet 1300 også plassert under fingeren (5) slik at en impedans 130 (ikke vist) dannes som resultat av den elektriske vekselvirkningen og det elektriske feltet som flyter mellom avfølingselementet 1200 og fingeren (5).

Ettersom eksiteringselementet (1200) og avfølingselementet (1300) er plassert nær hverandre, og fingeren (5) er plassert nær både eksiteringselementet (1200) og avfølingselementet

(1300), er imidlertid impedansene 110 og 130 ikke ukorrelerte. Tvert imot, når impedansen 110 øker, vil færre feltlinjer fra eksiteringselektroden (1200) nå frem til fingeren (5) og dermed vil relativt flere feltlinjer fra eksiteringselektroden (1200) nå frem til avfølings-elementet (1300).

Følgelig, når impedansen 110 avtar, vil flere feltlinjer fra eksiteringselektroden (1300) nå frem til fingeren (5), og dermed vil relativt færre feltlinjer fra eksiteringselektroden (1300) nå frem til avfølingselementet (1300).

Impedansen 130 moduleres dermed som respons til modulering av fingerimpedansen 110. Den elektriske modellen for dette vises i figur 11.

Sammenligning med figur 8 viser at inngangsimpedansene (140-145) er forsvunnet og at utgangsimpedansene (130-135) er blitt variable som resultat av at sensorelektrodene (120-125) er fjernet. Figur 13 er en skjematisk illustrasjon av den foreliggende oppfinnelsen som viser en mulig måte å partisjonere sensoren på, hvor sensorarealet (1) er delen omsluttet av den heltrukne linjen i figuren. Figur 14 er en skjematisk illustrasjon av den foreliggende oppfinnelsen som viser en annen mulig måte å partisjonere sensoren på, hvor sensorarealet (1) er delen omsluttet av den heltrukne linjen i figuren. Vi ser at denne måten å partisjonere sensoren på vil grensesnittet til den elektronisk kretsen (4) vil kreve at styringssignalet til svitsjene (500, 501 o videre), samt til svitsjene (601, 602 og så videre) må overføres til sensorarealet (1). Svitsjene kan i dette tilfellet fremstilles i samme tilvirkingsprosess som sensorarealet (1), eller de kan fremstilles i en separat prosess og deretter kobles elektrisk til sensorarealet (1).

Videre - (selv om det ikke illustreres i noen figur) - kan den fullstendige sensoren, inkludert sensorareal (1), bærer (2), koblingsmidler (3) og elektronisk krets (4), til slutt fremstilles i samme tilvirkingsprosess og frembringe fordelene med redusert antall sensorkoblinger, det vil si sensorutganger og sensorinnganger i den foreliggende oppfinnelsen.

Figur 15 er en skjematisk illustrasjon av den foreliggende oppfinnelsen som viser en annen

måte å partisjonere sensoren med to av de elektroniske kretsene på. En elektronisk krets, kalt ASIC1, er forbundet med sensorinngangene, mens en annen elektronisk krets, kalt ASIC2, er forbundet med sensorutgangene. Selvsagt trenger de to elektroniske kretsene kommunikasjon eller styringssignaler (ikke vist) mellom hver elektronisk krets slik at den elektroniske kretsen kan koordinere den totale deteksjonsprosessen. Eller, i fravær av slike styrings- eller kommu-nikasjonssignaler, trenger de elektroniske kretsene å kunne oppnå den ønskede funksjonali-teten på andre måter, for eksempel ved å kunne reagere på styringssignaler fra andre kilder.

Claims (12)

1. Sensor for deteksjon av en egenskap til et objekt som et fingeravtrykk eller annen fysisk, kjemisk eller termisk egenskap til et materiale eller vev, hvor sensoren er tilpasset til samtidig deteksjon av flere sensorelementer og er elektrisk forbundet med en elektronisk krets, der sensoren videre omfatter: en sensorflate, der sensorflaten er tilpasset til å motta objektet for deteksjon av objektets egenskap; minst én sensorelektrode plassert i en første posisjon på sensorflaten, der den minst ene sensorelektroden er tilpasset til deteksjon av objektets egenskap; et første eksiteringselement elektrisk koblet til den minst ene sensorelektroden via en første impedans; en sensorinngang elektrisk koblet til det første eksiteringselementet; en spennings- eller strømkilde elektrisk koblet til sensorinngangen, der spennings- eller strømkilden er tilpasset til å frembringe et spennings- eller strømsignal; et første sensorelement elektrisk koblet til den minst ene sensorelektroden via en andre impedans; en første sensorutgang elektrisk koblet til det første sensorelementet; en første strømforsterker elektrisk koblet til den første sensorutgangen; en referansespenning tilført fra den elektroniske kretsen til den første strømforsterkeren, der referansespenningen videre frembringes til den første sensorutgangen av den første strømforsterkeren; og den minst ene sensorelektroden er tilpasset til å frembringe en utgangsstrøm via det første sensorelementet til den første sensorutgangen, der utgangsstrømmen bestemmes av egenskapene som respons til spennings- eller strømsignalet.

2. Sensor ifølge krav 2, hvor sensoren videre omfatter: minst én andre sensorelektrode, der den andre sensorelektroden er plassert i en andre posisjon forskjellig fra den første posisjonen; et andre eksiteringselement elektrisk koblet til den andre sensorelektroden via en tredje impedans, der det andre eksiteringselementet videre er elektrisk koblet til sensorinngangen; et andre sensorelement elektrisk koblet til den andre sensorelektroden via en fjerde impedans; en andre sensorutgang elektrisk koblet til det andre sensorelementet; en andre strømforsterker elektrisk koblet til den andre sensorutgangen, der den andre strømforsterkeren frembringer referansespenningen til den andre sensorutgangen; og det andre sensorelementet er tilpasset til å frembringe en andre utgangsstrøm til den andre sensorutgangen, der den andre utgangsstrømmen til enhver tid bestemmes av egenskapene som respons til spennings- eller strømsignalet, og på samme gitte tid den andre utgangsstrømmen er upåvirket av den første utgangsstrømmen og den første utgangsstrømmen er upåvirket av den andre utgangsstrømmen.

3. Sensor ifølge krav 1, hvor sensoren videre omfatter: minst én andre sensorelektrode, der den andre sensorelektroden er plassert i en andre posisjon forskjellig fra den første posisjonen; et andre eksiteringselement elektrisk koblet til den andre sensorelektroden via en tredje impedans, en andre sensorinngang elektrisk koblet til det andre eksiteringselementet; en andre referansespenning elektrisk koblet til den andre sensorinngangen; et andre sensorelement elektrisk kobling til den andre sensorelektroden vie an fjerde impedans, der det andre sensorelementet videre er elektrisk koblet til den første sensorutgangen; og det andre sensorelementet er tilpasset til å frembringe en andre utgangsstrøm til den første sensorutgangen slik at den andre utgangsstrømmen til enhver tid er essensielt null og den første utgangsstrømmen på samme gitte tid er upåvirket av den andre inngangs-strømmen.

4. Sensor ifølge krav 1, hvor sensoren videre omfatter: et antall sensorinnganger; et antall sensorutganger; et antall sensorelektroder, der antall elektroder essensielt er lik produktet av antall sensorinnganger og antall sensorutganger.

5. Sensor ifølge krav 1, hvor sensoren videre omfatter: en andre referansespenning tilført fra den elektroniske kretsen; et første svitsjeelement elektrisk koblet til den første sensorinngangen, der svitsjeelementet styres av den elektroniske kretsen og videre er tilpasset til å forbinde den første sensorinngangen elektrisk til spennings- eller strømkilden, la den første sensorinngangen forbli elektrisk flytende og forbinde den første sensorinngangen elektrisk med den andre referansespenningen; et andre svitsj eel em ent; minst én andre sensorinngang elektrisk forbundet med det andre svitsj eelementet; og der det andre svitsj eel ementet styres av den elektroniske kretsen og videre er tilpasset til å forbinde den andre sensorinngangen elektrisk til spennings- eller strømkilden, la den andre sensorinngangen forbli flytende og forbinde den andre sensorinngangen elektrisk med den andre referansespenningen

6. Sensor ifølge krav 1, hvor sensoren videre omfatter: et tredje svitsj eel ement elektrisk forbundet med den første sensorutgangen; der det tredje svitsj eel ementet er tilpasset til å forbinde den første sensorutgangen elektrisk med strømforsterkeren, la den første sensorinngangen forbli elektrisk flytende og forbinde den første sensorinngangen elektrisk med referansespenningen; et fjerde svitsj eel ement; minst én andre sensorutgang elektrisk forbundet med det fjerde svitsj eel ementet; der det fjerde svitsj eel ementet videre er tilpasset til å forbinde den andre sensorutgangen elektrisk til strømforsterkeren, la den andre sensorutgangen forbli flytende og forbinde den andre sensorutgangen elektrisk med referansespenningen.

7. Sensor for deteksjon av en egenskap til et objekt som et fingeravtrykk eller annen fysisk, kjemisk eller termisk egenskap til et materiale eller vev, hvor sensoren er tilpasset til samtidig deteksjon av flere sensorelementer og er elektrisk forbundet med en elektronisk krets, der sensoren videre omfatter: en sensorflate, der sensorflaten er tilpasset til å motta objektet; et første eksiteringselement frembrakt på sensorflaten; en første sensorinngang elektrisk koblet til det første eksiteringselementet; en spennings- eller strømkilde elektrisk koblet til sensorinngangen, der spennings- eller strømkilden er tilpasset til å frembringe et spennings- eller strømsignal; et første sensorelement frembrakt på sensorflaten; der det første eksiteringselementet og det første sensorelementet er tilpasset til å danne et eksiterings-sensor-par for felles deteksjon av egenskapen; en første sensorutgang elektrisk koblet til det det første sensorelementet; en referansespenning tilført fra den elektroniske kretsen til den første sensorutgangen; en første strømforsterker elektrisk forbundet med den første sensorutgangen, der strømforsterkeren frembringer referansespenningen til den første sensorutgangen; og der skeiterings-sensor-paret er plassert på sensorflaten og tilpasset til å frembringe en første utgangsstrøm til den første sensorutgangen, der den første utgangsstrømmen bestemmes av egenskapen som respons til spennings- eller strømkilden.

8. Sensor ifølge krav 7, hvor sensoren videre omfatter: minst ett andre eksiterings-sensor-par, der det andre eksiterings-sensor-paret er plassert i en andre posisjon forskjellig fra den første posisjonen; et andre eksiteringselement elektrisk koblet til det andre eksiterings-sensor-paret via en tredje impedans, der det andre eksiteringselementet videre er elektrisk forbundet med sensorinngangen; et andre sensorelement; en andre sensorutgang elektrisk koblet til det andre sensorelementet; en andre strømforsterker elektrisk koblet til den andre sensorutgangen, der den andre strømforsterkeren frembringer referansespenningen til den andre sensorutgangen; og det andre sensorelementet er tilpasset til å frembringe en andre utgangsstrøm til den andre sensorutgangen, der den andre utgangsstrømmen til enhver gitt tid bestemmes av egenskapen som respons til spennings- eller strømsignalet, og på samme gitte tid den andre utgangsstrømmen er upåvirket av den første utgangsstrømmen og den første utgangsstrømmen er upåvirket av den andre utgangsstrømmen.

9. Sensor ifølge krav 7, hvor sensoren videre omfatter: minst ett andre eksiterings-sensor-par, der det andre eksiterings-sensor-paret er plassert i en andre posisjon forskjellig fra den første posisjonen; en andre sensorinngang; et andre eksiteringselement elektrisk koblet til det andre eksiterings-sensor-paret via en tredje impedans; en andre referansespenning elektrisk koblet til den andre sensorinngangen; et andre sensorelement elektrisk kobling til sensorutgangen; der det andre sensorelementet videre er tilpasset til å frembringe en andre utgangsstrøm til den første sensorutgangen slik at den andre utgangsstrømmen til enhver gitt tid er essensielt null og den første utgangsstrømmen på samme gitte tid er upåvirket av den andre utgangsstrømmen.

10. Sensor ifølge krav 7, hvor sensoren videre omfatter: et antall sensorinnganger; et antall sensorutganger; et antall eksiterings-sensor-par, der antall eksiterings-sensor-par essensielt er lik produktet av antall sensorinnganger og antall sensorutganger.

11. Sensor ifølge krav 7, hvor sensoren videre omfatter: en andre referansespenning tilført fra den elektroniske kretsen; et første svitsj eel ement elektrisk koblet til den første sensorinngangen, der svitsj eel ementet styres av den elektroniske kretsen og videre er tilpasset til å forbinde den første sensorinngangen elektrisk til spennings- eller strømkilden, la den første sensorinngangen forbli elektrisk flytende og forbinde den første sensorinngangen elektrisk med den andre referansespenningen; et andre svitsj eel em ent; minst én andre sensorinngang elektrisk forbundet med det andre svitsj eel ementet; og der det andre svitsj eel ementet styres av den elektroniske kretsen og videre er tilpasset til å forbinde den andre sensorinngangen elektrisk til spennings- eller strømkilden, la den andre sensorinngangen forbli flytende og forbinde den andre sensorinngangen elektrisk med den andre referansespenningen.

12. Sensor ifølge krav 7, hvor sensoren videre omfatter: et tredje svitsj eel ement elektrisk forbundet med den første sensorutgangen; der det tredje svitsj eel ementet er tilpasset til å forbinde den første sensorutgangen elektrisk med strømforsterkeren, la den første sensorinngangen forbli elektrisk flytende og forbinde den første sensorinngangen elektrisk med referansespenningen; et fjerde svitsj eel ement; minst én andre sensorutgang elektrisk forbundet med det fjerde svitsj eel ementet; der det fjerde svitsj eel ementet videre er tilpasset til å forbinde den andre sensorutgangen elektrisk med strømforsterkeren, la den andre sensorutgangen forbli flytende og forbinde den andre sensorutgangen elektrisk med referansespenningen.