WO2006009110A1

WO2006009110A1 - 表面形状認識センサ装置

Info

Publication number: WO2006009110A1
Application number: PCT/JP2005/013151
Authority: WO
Inventors: Hiroki Morimura; Mamoru Nakanishi; Satoshi Shigematsu; Takahiro Hatano; Yukio Okazaki; Katsuyuki Machida
Original assignee: Nippon Telegraph And Telephone Corporation
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US20080056543A1; US7606399B2; CN1906459A; JP4234758B2; EP1772702A4; JPWO2006009110A1; EP1772702A1; CN100432617C

Abstract

　センサセルは、基板（１００）上に形成されたセンサ電極（１０１）と、センサ電極と指（３）の表面との間に形成される容量（Ｃｆ）に応じた信号を出力する信号出力部（１６）と、センサ電極と絶縁分離されて基板上に形成された高感度化電極（１０３）と、高感度化電極の電位を制御することにより高感度化電極と指の表面との間に形成される容量（Ｃｃ）を介して指表面の電位を制御する電位制御部（１４）とを備える。これにより、指の抵抗が大きい場合に、指表面の電位がセンサ電極の電位変化につられて変動しないように制御することができる。したがって、センサ電極と指表面との間に形成される容量の検出感度を向上させることができる。その結果、複数のセンサセルの出力から指表面の凹凸を明確に識別することが可能となる。

Description

明細書

表面形状認識センサ装置

技術分野

[0001] 本発明は、表面形状認識センサ装置に関し、特に人間の指紋や動物の鼻紋などの微細な凹凸を感知する表面形状認識センサ装置に関する。

背景技術

[0002] 微細な凹凸を有する表面形状を認識するセンサとして、特に指紋検出をターゲットとしたものが報告されている。また、指紋のパターンを検出する技術として、 LSI製造技術を用いた静電容量型指紋センサが提案されている。静電容量型指紋センサには、例えば文献 1 (特開 2000— 346608)、文献 2 (「A Robust, 1.8V 250 μ W Direct -Contact 500dpi Fingerprint Sensor」，ISSCC DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, 1 998年 2月， p. 284— 285)に記載されたちの力 Sある。

[0003] これらの静電容量型指紋センサは、図 18に示すように、センサセル 1が LSIチップ上に 2次元状に配列されたセンサセルアレイ 2として構成されており、各センサセル 1 のセンサ電極と絶縁性のパッシベーシヨン膜を介して触れた指 3の皮膚との間に形成される静電容量を検出して、指紋の凹凸パターンを感知するものである。指紋の凹凸により静電容量の値が異なるため、この微少な容量差を検出することで指紋の凹凸を感知することができる。

図 19に示すように、センサセルアレイ 2の各センサセル 1毎にセンサ電極 101が内蔵されている。

[0004] 図 20を参照し、図 18の静電容量型指紋センサの原理を用いた第 1の従来例である表面形状認識センサ装置について説明する。図 20の表面形状認識センサ装置において、各センサセル 1は、検出素子 10と、信号発生回路 11と、スィッチ SW1と、検出回路 12とを有する。

検出素子 10は、基板上の絶縁層 100と、絶縁層 100上に形成されたセンサ電極 1 01と、センサ電極 101を覆うように形成されたパッシベーシヨン膜 102と力も構成される。 [0005] 信号発生回路 11は、ノッシベーシヨン膜 102に触れた指 3の皮膚とセンサ電極 10 1との間に形成される静電容量 Cfに応じた電圧信号を発生するスィッチ SW2と、電流源 110とから構成される。検出回路 12は、信号発生回路 11による電圧信号を検出する。スィッチ SW1は、電位 Vpを検出素子 10のセンサ電極 101と信号発生回路 11の出力端子との接続点である節点 N1に供給する。なお、図 20中の Cpは寄生容量を示す。

[0006] ここで、静電容量 Cfはセンサ電極 101と指 3の皮膚との距離によって決まるため、指紋の凹凸によって Cfの値は異なる。したがって、指 3の凹凸に応じた電圧信号が信号発生回路 11力も節点 N1側に出力される。この電圧信号は検出回路 12により指紋の凹凸を反映した信号として検出され、その結果、指紋パターンが検出されることになる。

[0007] 図 21A〜図 21Dを参照し、図 20に示した表面形状認識センサ装置の通常動作について説明する。指 3の表面は、指 3の抵抗 Rfを介してグランド電位 (GND)に接地されている。ここでは Rf=O Qとする。したがって、指表面の電位、すなわち節点 N2 の電位はグランド電位に保たれる（図 21D)。

[0008] はじめに、スィッチ SW1の開閉を制御する制御信号 Pは、ロウ（Low)レベルとなつている（図 21A)。また、スィッチ SW2の開閉を制御する制御信号 S1もロウレベルとなっている（図 21B)。したがって、各スィッチ SW1, SW2は共に開状態になっている。このとき、節点 N1は電位 Vp以下の電位となっている（図 21C)。

このような状態において、図 21Aの時点 tlで制御信号 Pがロウレベル力もハイ（Hig h)レベルに変化すると、スィッチ SW1が閉じて導通状態となり、その結果、節点 N1 の電位は電位 Vpにプリチャージされる（図 21C)。

[0009] プリチャージが終了した後、制御信号 Pが図 21Aの時点 t2でロウレベルに変化すると同時に、制御信号 S1が図 21Bに示すようにハイレベルに変化する。これにより、スイッチ SW1が非導通状態、スィッチ SW2が導通状態になり、節点 N1に充電された電荷が電流源 110により引き抜かれる。この結果、節点 N1の電位 (電圧信号）が低下する（図 21C)。制御信号 SIのハイレベル期間を A tとすると、電位 Vpに対して A t 経過後の節点 N1の電位低下分 ΔΥは次式のようになる。 A V=l A t/ (Cf +Cp) · ' · (1)

ただし、 Iは電流源 110の電流値、 Cpは寄生容量である。

[0010] ここで、電流 I、期間 Δ tおよび寄生容量 Cpはそれぞれ一定であるから、電位低下分 Δνは容量 Cfによって決定される。容量 Cfは検出素子 10のセンサ電極 101と指 3 の皮膚との距離によって決まるので、指紋の凹凸によって容量 Cfの値は異なる。このことから、指紋の凹凸を反映して電位低下分 Δνの大きさが変化する。すなわち、指紋の凹部とセンサ電極 101との間に形成される静電容量を Cfv、指紋の凸部とセンサ電極 101との間に形成される静電容量を Cfrとすると、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差 A Viは、次式のようになる。

Δ Vi = I Δ t/ (Cfv + Cp) - 1 Δ t/ (Cf r + Cp) · · · (2)

したがって、各センサセルの検出回路 12で検出される電圧信号は、指紋の凹部または凸部を反映した信号となるため、複数のセンサセルの出力により指紋の凹凸を識另 Uすることがでさる。

[0011] し力しながら、指 3の表面は、指 3の抵抗 Rfを介してグランド電位に接地されているため、指 3が乾燥するなどして抵抗 Rfが大きい場合には、十分に大きな電圧差 A Vi が得られないことがある。 Rf > >0とした場合の表面形状認識センサ装置の動作について、図 22A〜図 22Dを参照して説明する。

図 22A〜図 22Dの基本的な動作タイミングは、図 21A〜図 21Dと同じである。しかしながら、指紋の凸部では抵抗 Rfの影響により、指表面の電位、すなわち節点 N2の電位がグランド電位を保つことができず、図 22Cに示す節点 N1の電位変化につられて図 22Dのように変動する。その結果、指紋の凸部とセンサ電極 101との間に形成される容量 Cfの値が実効的に小さくなり（Cf = a Cfr、 αく 1)、結果として図 22Cに示すように電圧差 Δ Vi ( =1 Δ tZ (Cfv+Cp)— I Δ t/ · Cfr +Cp) )が小さくなつてしまう。このことにより、図 20の表面形状認識センサ装置では、指紋画像の凹凸バターンの区別が難しくなり、結果として鮮明な指紋画像パターンを得ることができなくなる。

[0012] 次に、図 23を参照し、図 18の静電容量型指紋センサの原理を用いた第 2の従来例である表面形状認識センサ装置について説明する。この表面形状認識センサ装置は、図 20の例とは信号発生回路 13の構成が異なる。信号発生回路 13は、電源電位 VDDまたはグランド電位 GNDのいずれかを選択して出力するスィッチ SW3と、スィッチ SW3の出力端子と節点 N1との間に設けられた容量素子 Csとから構成される。信号発生回路 13は、節点 N1の電荷の引き抜きを容量素子 Csの充放電を用、て行うようにしたものであり、弓 Iき抜く電荷量は Csの容量値とその駆動電圧 Vsにより制御される。ここでは、図 23に示す駆動電圧 Vsを、スィッチ SW3を介して電源電位 VDD (VDD>0)またはグランド電位 GNDに設定することにより、節点 N1から引き抜く電荷量を制御する。

[0013] 図 24A〜図 24Dを参照し、図 23に示した表面形状認識センサ装置の通常動作について説明する。指 3の表面は、指 3の抵抗 Rfを介してグランド電位に接地されている。ここでは、 Rf=O Qとする。したがって、指表面の電位、すなわち節点 N2の電位はグランド電位に保たれる（図 24D)。

図 24Aの時点 tlで制御信号 Pの電位をハイレベルにしてスィッチ SW1を閉じ、電位 Vpを節点 N1にプリチャージする。このとき、信号発生回路 13内の容量素子 Csの駆動電圧 Vsを VDDに設定しておく。この後、図 24Aの時点 t2で制御信号 Pの電位をロウレベルにしてスィッチ SW1を開放する。同時に、図 24Bに示すように、容量素子 Csの駆動電圧 Vsを VDDから Δ Vsだけ低下させて GNDに設定し、節点 N1の電荷を引き抜き、検出回路 12への電圧信号を生じさせる。

[0014] このとき、検出回路 12へ与えられる電圧信号の変化量 Δνは以下のようになる。

AV= AVs/{ l + (Cf+Cp) /Cs} · · · (3)

指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差 Δ Viは、下記のようになる。

AVi= AVs/{ l + (Cfv+Cp) /Cs}

- AVs/{ l + (Cfr+Cp) /Cs} · · · (4)

[0015] し力しながら、指 3の表面は、指 3の抵抗 Rfを介してグランド電位に接地されているため、指 3が乾燥するなどして抵抗 Rfが大きい場合には、十分に大きな電圧差 A Vi が得られないことがある。 Rf > >0とした場合の表面形状認識センサ装置の動作について、図 25A〜図 25Dを参照して説明する。

図 25A〜図 25Dの基本的な動作タイミングは、図 24A〜図 24Dと同じである。しかしながら、指紋の凸部では抵抗 Rfの影響により、指表面の電位、すなわち節点 N2の電位がグランド電位を保つことができず、図 25Cに示す節点 N1の電位変化につられて図 25Dのように変動する。その結果、指紋の凸部とセンサ電極 101との間に形成される容量 Cfの値が実効的に小さくなり（Cf = a Cfr、 α < 1)、結果として図 25Cに示すように電圧差 A Vi ( = A Vs/{ l + (Cfv+Cp) /Cs} - A Vs/{ l + ( a - Cfr+C p) ZCs})が小さくなつてしまう。このことにより、図 23の表面形状認識センサ装置では、指紋画像の凹凸パターンの区別が難しくなり、結果として鮮明な指紋画像パターンを得ることができなくなる。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0016] 以上のように、従来の表面形状認識センサ装置を指紋認証用の指紋センサとして用いると、指 3の抵抗 Rfが大きい場合、指紋画像の凹凸パターンの区別が難しくなり、鮮明な指紋画像パターンを得ることができなくなる。その結果、指 3の抵抗 Rfにより指紋画像が劣化した場合に、認証率の低下を招いてしまうという問題があった。

[0017] 本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、指紋等の認識対象の表面の凹凸に対応した容量の検出感度を向上させることができる表面形状認識センサ装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0018] このような目的を達成するために、本発明は、 2次元状に配置されかつ認識対象の表面の凹凸に応じた容量を検出しこの容量に応じた信号を出力する複数のセンサセルと、センサセルから入力された信号に基づき認識対象の表面形状を算出する信号処理部とを備え、センサセルは、基板と、基板上に形成された第 1の電極と、第 1の電極と認識対象の表面との間に形成される容量に応じた信号を出力する信号出力部と、第 1の電極と絶縁分離されて基板上に形成された第 2の電極と、第 2の電極の電位を制御することにより、第 2の電極と認識対象の表面との間に形成される容量を介して認識対象の表面の電位を制御する電位制御部とを備えることを特徴とする。

発明の効果

[0019] 本発明は、電位制御部を用いて第 2の電極の電位を制御することにより、第 2の電極と認識対象の表面との間に形成される容量を介して認識対象の表面の電位を制御する。これにより、認識対象の抵抗が大きい場合に、認識対象の表面電位が第 1の電極の電位変化につられて変動しないように制御することができる。したがって、第 1 の電極と認識対象の表面との間に形成される容量の検出感度を向上させることができる。その結果、複数のセンサセルの出力により認識対象の表面の凹凸を明確に識別することが可能となる。特に、本発明を指紋認証用の指紋センサとして用いれば、指の表面抵抗による指紋画像の劣化を防ぐことができ、認証率の低下を防ぐ効果が得られる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施例に係る表面形状認識センサ装置の全体構成を示すブロック図である。

[図 2]図 2は、本発明の第 1の実施例に係る表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。

[図 3A]図 3Aは、図 1の表面形状認識センサ装置におけるセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンの一例を示す平面図である。

[図 3B]図 3Bは、図 1の表面形状認識センサ装置におけるセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンの他の例を示す平面図である。

[図 4A]図 4Aは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 4B]図 4Bは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 S1の時間変化を示す図である。

[図 4C]図 4Cは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 Nlの電位変化を示す図である

[図 4D]図 4Dは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である

[図 4E]図 4Eは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N3の電位変化を示す図である

[図 5]図 5は、本発明の第 1の実施例の電位制御回路の実現例を示すブロック図である。

[図 6A]図 6Aは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 6B]図 6Bは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 S1の時間変化を示す図である。

[図 6C]図 6Cは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である

[図 6D]図 6Dは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である

[図 6E]図 6Eは、図 1の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N3の電位変化を示す図である

[図 7]図 7は、本発明の第 2の実施例に係る表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。

[図 8A]図 8Aは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 8B]図 8Bは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、容量素子 Csの駆動電圧 Vsの時間変化を示す図である。

[図 8C]図 8Cは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である

[図 8D]図 8Dは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である

[図 8E]図 8Eは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N3の電位変化を示す図である

[図 9A]図 9Aは、本発明の第 2の実施例の電位制御回路の一実現例を示すブロック図である。

[図 9B]図 9Bは、本発明の第 2の実施例の電位制御回路の他の実現例を示すブロック図である。

[図 10A]図 10Aは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 10B]図 10Bは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、容量素子 Csの駆動電圧 Vsの時間変化を示す図である。

[図 10C]図 10Cは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である。

[図 10D]図 10Dは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である。

[図 10E]図 10Eは、図 7の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、節点 N3の電位変化を示す図である。

[図 11]図 11は、本発明の第 3の実施例に係る表面形状認識センサ装置の電位制御回路の実現例を示すブロック図である。

[図 12A]図 12Aは、図 11の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置にお!、て指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 12B]図 12Bは、図 11の電位制御回路を用!、た表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 S1の時間変化を示す図である。

[図 12C]図 12Cは、図 11の電位制御回路を用、た表面形状認識センサ装置におヽて指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である。

[図 12D]図 12Dは、図 11の電位制御回路を用!、た表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である。

[図 12E]図 12Eは、図 11の電位制御回路を用!、た表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N3の電位変化を示す図である。

圆 13A]図 13Aは、本発明の第 4の実施例に係る表面形状認識センサ装置の電位制御回路の一実現例を示すブロック図である。

圆 13B]図 13Bは、本発明の第 4の実施例に係る表面形状認識センサ装置の電位制御回路の他の実現例を示すブロック図である。

[図 14A]図 14Aは、図 13の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 14B]図 14Bは、図 13の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、容量素子 Csの駆動電圧 Vsの時間変化を示す図である。

[図 14C]図 14Cは、図 13の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である。

[図 14D]図 14Dは、図 13の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である。

[図 14E]図 14Eは、図 13の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N3の電位変化を示す図である。

[図 15]図 15は、本発明の第 5の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンを示す平面図である。

[図 16]図 16は、本発明の第 6の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンを示す平面図である。

[図 17A]図 17Aは、本発明の第 7の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極の形成位置の一例を示す断面図である。

[図 17B]図 17Bは、本発明の第 7の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極の形成位置の他の例を示す断面図である。

[図 18]図 18は、センサセルが格子状に形成された従来の静電容量型指紋センサの斜視図である。

[図 19]図 19は、図 18のセンサセルアレイのセンサ電極のレイアウトパターンを示す平面図である。

[図 20]図 20は、第 1の従来例である表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。

圆 21A]図 21Aは、図 20の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

圆 21B]図 21Bは、図 20の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 S1の時間変化を示す図である。

圆 21C]図 21Cは、図 20の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である。

圆 21D]図 21Dは、図 20の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である。

[図 22A]図 22Aは、図 20の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 22B]図 22Bは、図 20の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 S1の時間変化を示す図である。

[図 22C]図 22Cは、図 20の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である。

[図 22D]図 22Dは、図 20の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である。

[図 23]図 23は、第 2の従来例である表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。

圆 24A]図 24Aは、図 23の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

圆 24B]図 24Bは、図 23の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、容量素子 Csの駆動電圧 Vsの時間変化を示す図である。

圆 24C]図 24Cは、図 23の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である。

圆 24D]図 24Dは、図 23の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である。

[図 25A]図 25Aは、図 23の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号 Pの時間変化を示す図である。

[図 25B]図 25Bは、図 23の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、容量素子 Csの駆動電圧 Vsの時間変化を示す図である。

[図 25C]図 25Cは、図 23の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N1の電位変化を示す図である。

[図 25D]図 25Dは、図 23の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点 N2の電位変化を示す図である。発明を実施するための最良の形態

[0021] 本発明の表面形状認識センサ装置は、表面形状の凹凸に対応した信号 (容量)の検出感度を向上させる手段を有することを主な特徴とする。従来技術とは、表面形状認識センサ装置のセンサセル毎に、センサ電極以外の第 2の電極を有し、第 2の電極の電位を制御することにより表面形状の表面電位を制御するところが異なる。以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

[0022] [第 1の実施例]

図 1に示すように、本発明の第 1の実施例に係る表面形状認識センサ装置は、複数のセンサセル laが 2次元状に配列されたセンサセルアレイ 2aと、信号処理部 4と、制御信号出力部 5とを有する。各センサセル laは、認識対象である指の表面の凹凸に応じた容量を検出し、この容量に応じた信号を信号処理部 4に出力する。信号処理部 4は、各センサセル laから入力された信号を総合して、指の表面形状を算出する。制御信号出力部 5は、各センサセル laに制御信号 S1を出力し、センサセル laの動作を制御する。

[0023] 図 2に示すように、センサセル laは、検出素子 10aと、信号出力部 16と、指表面電位制御部 14とを有する。

検出素子 10aは、基板上の絶縁層 100と、絶縁層 100上に形成されたセンサ電極 101 (第 1の電極）と、センサ電極 101と絶縁分離されて絶縁層 100上に形成された高感度化電極 103 (第 2の電極、制御電極）と、センサ電極 101および高感度化電極 103を覆うように形成されたパッシベーシヨン膜 102と力も構成される。ノ¾ /シベーション膜 102の表面は平坦ィ匕されて!、る。

[0024] 信号出力部 16は、ノッシベーシヨン膜 102に触れた指 3の皮膚とセンサ電極 101との間に形成される静電容量 Cfに応じた信号をセンサセル laの出力とするものであり、具体的にはスィッチ SW1 (充電回路）と、信号発生回路 11と、検出回路 12とから構成される。ここで、スィッチ SW1は、検出素子 10aのセンサ電極 101と信号発生回路 11の出力端子との接続点である節点 N1に電位 Vpを印加し、電荷を充電する。信号発生回路 11は、指 3の皮膚とセンサ電極 101との間に形成される静電容量 Cfに応じた電圧信号を発生する。信号発生回路 11はさらに、節点 N1の電荷を放電させる第 1の電流源 110と、電流源 110と節点 N1との間に配置されかつ節点 N1に電荷が充電された後に所定時間だけ両者間を導通状態にすることにより上記電圧信号を発生させるスィッチ SW2 (第 1のスィッチ素子）とから構成される。検出回路 12は、節点 N1 に電荷が充電された後に、信号発生回路 11による電圧信号を検出して、信号出力部 16の出力とする。

[0025] 指表面電位制御部 14は、電位制御回路 140を有し、電位制御回路 140は、高感度化電極 103の電位を制御する。信号発生回路 11のスィッチ SW2および電位制御回路 140は、制御信号出力回路 5から入力される制御信号 S1により共通に制御される。なお、図 2中の Cpは寄生容量を示す。

[0026] 図 1の表面形状認識センサ装置は、図 20に示した従来の表面形状認識センサ装置の課題を解決するためのものであり、従来の表面形状認識センサ装置に対して高感度化電極 103および電位制御回路 140を付加したものである。指 3の表面と高感度化電極 103との間に形成される容量 Ccを介して指 3の表面 (節点 N2)の電位を電位制御回路 140により制御することで、指 3が乾燥するなどして抵抗 Rfが大きい場合に、節点 N2の電位を制御することができ、容量 Cfの検出感度を向上させることができる。

[0027] 図 3Aおよび図 3Bに示すように、センサセルアレイ 2aの各センサセル la毎にセンサ電極 101と高感度化電極 103が内蔵されている。高感度化電極 103の面積が大きいほど、指 3の電位の制御が容易になる。しかし、限られたセンサセル laの領域内にセンサ電極 101および高感度化電極 103の両方を配置して検出感度向上を図るには、図 3Aに示すように高感度化電極 103の面積をセンサ電極 101の面積と同じにする力図 3Bに示すように高感度化電極 103の面積をセンサ電極 101の面積よりも小さくすることが望ましい。

[0028] 図 4A〜図 4Eを参照し、 Rf> >0とした場合の図 1の表面形状認識センサ装置の動作の一例について説明する。

はじめに、スィッチ SW1の開閉を制御する制御信号 Pは、ロウレベルとなっている（図 4A)。また、スィッチ SW2の開閉を制御する制御信号 S1もロウレベルとなっている (図 4B)。したがって、各スィッチ SW1, SW2は共に開状態になっている。このとき、節点 N1は電位 Vp以下の電位となって!/、る（図 4C)。

このような状態において、図 4Aの時点 tlで制御信号 Pがロウレベル力ハイレベルに変化すると、スィッチ SW1が閉じて導通状態となり、その結果、節点 N1の電位は電位 Vpにプリチャージされる（図 4C)。

[0029] プリチャージが終了した後、制御信号 Pが図 4Aの時点 t2でロウレベルに変化すると同時に、制御信号 S1が図 4Bに示すようにハイレベルに変化する。これにより、スィツチ SW1が非導通状態、スィッチ SW2が導通状態になり、節点 N1に充電された電荷が電流源 110により引き抜かれる。この結果、節点 N1の電位 (電圧信号）が低下する（図 4C)。制御信号 SIは、所定期間 A tの間、ハイレベルを継続する。電位 Vp に対して At経過後の節点 N1の電位低下分 Δνは、上記式（1)のようになる。ただし、 Iは電流源 110の電流値、 Cpは寄生容量である。

[0030] 図 1の表面形状認識センサ装置では、図 22と異なり、図 4Eに示すように時点 t2から t3の期間にお、て、電位制御回路 140の出力と高感度化電極 3との接続点である節点 N3の電位を節点 N1の電位変化と逆方向に変化させる。具体的には、節点 N3 の電位を上昇させる。センサセル la上に指紋の凸部が対応している場合には、高感度化電極 103と指 3の表面との間に形成される容量 Ccが大きい。このため、節点 N3 の電位を制御することにより、容量 Ccを介して節点 N2の電位を制御することができる。したがって、上述したように節点 N3の電位を制御することにより、図 4Dのように時点 t2力も t3の期間の節点 N2の電位変動を抑えることができる。これにより、容量 Cf の値が実効的に小さくなることを防ぐことができ、 Cf= a ' Cfrとしたとき a = 1にすることができる。なお、センサセル la上に指紋の凹部が対応している場合には、高感度化電極 103と指 3の表面との間に形成される容量 Ccが小さぐ節点 N2の電位は影響を受けない。結果として、図 4Cに示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差 A Viの大きさを、図 21Cの場合、すなわち指 3 の抵抗 Rf =O Qの場合と同じにすることができる。

[0031] 電位制御回路 140は、例えば図 5に示すように、節点 N3に電荷を充電する第 2の電流源 141と、節点 N3と電流源 141との間に配置されたスィッチ SW4 (第 2のスイツチ素子）とから構成される。スィッチ SW4が導通状態になる期間、電流源 141により節点 N3に電荷が充電され、節点 N3の電位が上昇する。スィッチ SW4の制御信号としては、信号発生回路 11で使用される制御信号 S1を共用しており、スィッチ SW2, S W4共に制御信号 S 1がハイレベルのときに導通状態となる。制御信号 S 1をスイツチ SW2と共用することにより、制御信号の数の増大を防ぐことができる。

[0032] 図 6A〜図 6Eを参照し、 Rf > >0とした場合の図 1の表面形状認識センサ装置の動作の他の例について説明する。

基本的な動作は図 4A〜図 4Eに示した動作と同じである。図 4A〜図 4Eと異なる点は、図 6Eに示すように節点 N3の電位変化が図 4Eの場合よりも大きぐ図 6Dのように時点 t2から t3の期間の節点 N2の電位が増加方向に変化している点である。これにより、容量 Cfの値を実効的に大きくすることができ、 Cf= a ' Cfrとしたとき a > 1にすることができる。結果として、図 6Cに示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差 A Viの大きさを、図 21Cの場合よりも大きくすることができる。したがって、各センサセルの検出回路 12で検出される電圧信号が、指紋の凹部または凸部のどちらに対応しているかを容易に区別できるので、複数のセンサセルの出力により指紋の凹凸を明確に識別することができる。

[0033] 以上説明したように、本実施例では、指 3の表面と高感度化電極 103との間に形成される容量 Ccを介して指 3の表面 (節点 N2)の電位を電位制御回路 140により制御することで、指 3の抵抗 Rfが大きい場合の節点 N2の電位を制御することができ、容量 Cfの検出感度を向上させることができる。 [0034] なお、本実施例では、制御信号 S1に応じて節点 N3の電位を変化させて、るが、節点 N3の電位を節点 N1の電位変化と逆方向に変化させることが重要であり、制御信号 S1を用いることに限定されるものではなぐまた節点 N3の電位を変化させるタイミングも時点 t2力も t3の期間に限定する必要はない。

[0035] また、本実施例では、節点 N1に充電後、充電された電荷を所定時間だけ放電させることによって得られる信号をセンサセル laの出力とする例を示した。しかし、これとは逆に、節点 N1の電荷を放電させた後、節点 N1に電荷を所定時間だけ充電させることによって得られる信号をセンサセル laの出力とすることもできる。この場合には、例えば、図 2の電位 Vpをグランド電位にしてスィッチ SW1を放電回路として機能させると共に、節点 N1に電荷を充電できるように電流源 110を図 2とは逆向きに接続すればよい。このようにすると、指 3が乾燥するなどして抵抗 Rfが大きい場合には、節点 N1の電荷充電時に、節点 N1の電位変化につられて節点 N2の電位が上昇する。これを防止するため、電位制御回路 140は、節点 N3の電位を節点 N1の電位変化とは逆方向に変化させる。すなわち、節点 N3の電位を低下させる。具体的には、電位制御回路 140が節点 N3の電荷を放電できるように、電流源 141を図 5とは逆向きに接続した構成とすればょヽ。

[0036] [第 2の実施例]

次に、本発明の第 2の実施例について説明する。

本発明の第 2の実施例に係る表面形状認識センサ装置は、複数のセンサセルが 2 次元状に配置されたセンサセルアレイを有し、各センサセルは図 7に示すように、検出素子 10aと、信号出力部 17と、指表面電位制御部 15とを有する。なお、図 7において、図 2と同一の構成には同一の符号を付してある。

検出素子 10aは、図 1と同様に、基板上の絶縁層 100と、センサ電極 101と、高感度化電極 103と、ノッシベーシヨン膜 102とから構成される。

[0037] 信号出力部 17は、ノッシベーシヨン膜 102に触れた指 3の皮膚とセンサ電極 101との間に形成される静電容量 Cfに応じた信号をセンサセル laの出力とするものであり、具体的にはスィッチ SW1 (充電回路）と、信号発生回路 13と、検出回路 12とから構成される。ここで、スィッチ SW1は、検出素子 10aのセンサ電極 101と信号発生回路 11の出力端子との接続点である節点 Nlに電位 Vpを印加し、電荷を充電する。信号発生回路 13は、指 3の皮膚とセンサ電極 101との間に形成される静電容量 Cfに応じた電圧信号を発生する。信号発生回路 13は、電源電位 VDD (第 1の電位)または V DDより低、グランド電位 GND (第 2の電位)の、ずれかを選択して出力するスィッチ SW3 (第 3のスィッチ素子）と、スィッチ SW3の出力端子と節点 N 1との間に設けられた容量素子 Csとから構成される。検出回路 12は、信号発生回路 11による電圧信号を検出して、信号出力部 17の出力とする。

[0038] 指表面電位制御部 15は、電位制御回路 150を有し、電位制御回路 150は、高感度化電極 103の電位を制御する。信号発生回路 13のスィッチ SW3および電位制御回路 150は、制御信号出力回路 5aから入力される制御信号 S2により共通に制御される。なお、図 7中の Cpは寄生容量を示す。

[0039] 本実施例の表面形状認識センサ装置は、図 23に示した従来の表面形状認識センサ装置の問題点を解決するためのものであり、従来の表面形状認識センサ装置に対して高感度化電極 103および電位制御回路 150を付加したものである。指 3の表面と高感度化電極 103との間に形成される容量 Ccを介して指 3の表面 (節点 N2)の電位を電位制御回路 150により制御することで、指 3が乾燥するなどして指 3の抵抗 Rf が大きい場合に、節点 N2の電位を制御することができ、容量 Cfの検出感度を向上させることができる。

[0040] 図 8A〜図 8Eを参照し、 Rf> >0とした場合の図 7の表面形状認識センサ装置の動作の一例について説明する。

図 8Aの時点 tlで制御信号 Pの電位をハイレベルにしてスィッチ SW1を閉じ、電位 Vpを節点 N1にプリチャージする。一方、時点 t2に達するまでの間、制御信号 S2によりスィッチ SW3に電源電位 VDDを選択させて、容量素子 Csの駆動電圧 Vsを電源電位 VDDに設定している（図 8B)。この後、図 8Aの時点 t2で制御信号 Pの電位を口ウレベルにしてスィッチ SW1を開放し、同時に制御信号 S2によりスィッチ SW3にダランド電位 GNDを選択させて、容量素子 Csの駆動電圧 Vsを AVsだけ低下させ、検出回路 12への電圧信号を生じさせる。

[0041] 図 7の表面形状認識センサ装置では、図 25と異なり、図 8Eに示すように時点 t2以降の期間において、電位制御回路 150の出力である節点 N3の電位を節点 Nlの電位変化と逆方向に変化させることで、図 8Dのように時点 t2以降の節点 N2の電位変動を抑えることができることである。これにより、容量 Cfの値が実効的に小さくなることを防ぐことができ、 Cf= a ' Cfrとしたとき α = 1にすることができる。結果として、図 8C に示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差 A Viの大きさを、図 24Cの場合、すなわち指 3の抵抗 Rf =O Qの場合と同じにすることができる。

[0042] 電位制御回路 150は、例えば図 9Aに示すように、所定の電位 VI (第 3の電位)または V2 (第 4の電位)を選択して高感度化電極 103に出力するスィッチ SW5 (設定部）からなる。スィッチ SW5の制御信号としては、信号発生回路 13で使用される制御信号 S2を共用しており、図 8Eの時点 t2に達するまでの間、制御信号 S2によりスイツチ SW5に電位 VIを選択させ、時点 t2でスィッチ SW5に電位 V2 (VKV2)を選択させる。制御信号 S2をスィッチ SW3と共用することにより、制御信号の数の増大を防ぐことができる。

[0043] 電位制御回路 150はまた、例えば図 9Bに示すように、制御信号 S2を高感度化電極 103に供給する信号線 151 (設定部）から構成することができる。制御信号 S2の電位をそのまま用いることにより、付カ卩回路を用いずに電位制御回路 150を実現することができる。この場合の制御信号 S2は、図 8Eに示した節点 N3の電位と同じ波形である。

[0044] 図 10A〜図 10Eを参照し、 Rf > >0とした場合の図 7の表面形状認識センサ装置の動作の他の例について説明する。

基本的な動作は図 8A〜図 8Eに示した動作と同じである。図 8A〜図 8Eと異なる点は、図 10Eに示すように節点 N3の電位変化が図 8Eの場合よりも大きぐ図 10Dのように時点 t2のタイミングで節点 N2の電位が増加方向に過渡的に変化して、る点である。これにより、容量 Cfの値を実効的に大きくすることができ、 Cf= a ' Cfrとしたとき α > 1にすることができる。結果として、図 10Cに示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差 A Viの大きさを、図 24Cの場合よりも大きくすることができる。したがって、各センサセルの検出回路 12で検出される電圧信号が、指紋の凹部または凸部のどちらに対応しているかを容易に区別できるので、複数のセンサセルの出力により指紋の凹凸を明確に識別することができる。

[0045] 以上説明したように、本実施例では、指 3の表面と高感度化電極 103との間に形成される容量 Ccを介して指 3の表面 (節点 N2)の電位を電位制御回路 150により制御することで、指 3の抵抗 Rfが大きい場合の節点 N2の電位を制御することができ、容量 Cfの検出感度を向上させることができる。

[0046] なお、本実施例では、制御信号 S2に応じて節点 N3の電位を変化させて、るが、節点 N3の電位を節点 N1の電位変化と逆方向に変化させることが重要であり、制御信号 S2を用いることに限定されるものではなぐまた節点 N3の電位を変化させるタイミングも時点 t2以降の期間に限定する必要はない。

[0047] また、本実施例では、節点 N1に充電後、充電された電荷を放電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とする例を示した。しかし、これとは逆に、節点 N1 の電荷を放電させた後、節点 N1に電荷を充電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とすることもできる。この場合には、まず、図 7の電位 Vpをグランド電位にして、スィッチ SW1を放電回路として機能させる。さらに、スィッチ SW1が閉じているときスィッチ SW3にグランド電位 GNDを選択させると共に、スィッチ SW1が開いてヽるときスィッチ SW3に電源電位 VDDを選択させ、節点 N1に電荷を充電させる。このようにすると、指 3が乾燥するなどして抵抗 Rfが大きい場合には、節点 N1の電荷充電時に、節点 N1の電位変化につられて節点 N2の電位が上昇する。これを防止するため、電位制御回路 140は、節点 N3の電位を節点 N1の電位変化とは逆方向に変化させる。すなわち、節点 N3の電位を低下させる。具体的には、スィッチ SW1 が閉じているときスィッチ SW5に電位 V2を選択させると共に、スィッチ SW1が開いて V、るときスィッチ SW5に電位 VI (VI < V2)を選択させればよ!ヽ。

[0048] [第 3の実施例]

次に、本発明の第 3の実施例について説明する。

本発明の第 3の実施例に係る表面形状認識センサ装置は、第 1の実施例において、図 2の電位制御回路 140の代わりに、図 11の電位制御回路 140aを用いるものである。電位制御回路 140aは、この電位制御回路 140aの出力と高感度化電極 103との接続点である節点 N3に電荷を充電する電流源 142と、所定の電位 V3 (第 6の電位)または V4 (第 5の電位）を選択するスィッチ SW6と、電流源 142またはスィッチ S W6の出力を選択するスィッチ SW7と、スィッチ SW7の出力と高感度化電極 103との導通を制御するスィッチ SW8とから構成される。スィッチ SW6〜SW8は第 2のスイツチ素子 SW9を構成して、る。

[0049] 図 12A〜図 12Eを参照し、 Rf > >0とした場合の本実施例の表面形状認識センサ装置の動作にっ、て説明する。

基本的な動作は図 4A〜図 4Eに示した第 1の実施例の動作と同じである。図 4A〜図 4Eと異なる点は、電位制御回路 140aの動作である。スィッチ SW6は、制御信号 P がロウレベルのとき電位 V4を選択し、制御信号 Pがハイレベルのとき電位 V3 (V3< V4)を選択する。スィッチ SW7は、制御信号 S1がロウレベルのときスィッチ SW6の出力を選択し、制御信号 S1がハイレベルのとき電流源 142の出力を選択する。図 12 Bの時点 t3に達するまでの間、スィッチ SW8は、制御信号 Eにより導通状態となり、時点 t3に達したときに開状態となる。このようにスィッチ SW6〜SW8が動作することにより、信号発生回路 11の出力とセンサ電極 101との節点 N1への充電が始まる迄は高感度化電極 103を電位 V4に設定し、充電開始時力も高感度化電極 103を電位 V3に設定し、さらに充電完了後に高感度化電極 103を電流源 142に接続して電荷を充電することができる。

[0050] 本実施例では、図 4A〜図 4Eと同様に時点 t2から t3の期間の節点 N2の電位変動を抑えるだけでなぐ図 12Eに示すように時点 tlの節点 N1の充電タイミングで節点 N 3の電位を節点 N1の電位変化と逆方向に変化させることで、図 12Dのように時点 tl における節点 N2の電位変動を抑えることができる。その結果、節点 N2の電位をすベての期間において制御することができ、節点 N2の電位変動による容量 Cfの実効的な減少を第 1の実施例よりも効果的に防ぐことができる。

[0051] 以上説明したように、本実施例では、指 3の表面と高感度化電極 103との間に形成される容量 Ccを介して指 3の表面 (節点 N2)の電位を電位制御回路 140aにより制御することで、指 3の抵抗 Rfが大きい場合の節点 N2の電位を制御することができ、容量 Cfの検出感度を向上させることができる。 [0052] なお、第 1の実施例と同様に、本実施例でも、節点 N1の電荷を放電させた後、節点 N1に電荷を所定時間だけ充電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とすることもできる。この場合には、電流源 142を図 11とは逆向きに接続する。そして、節点 N1の電荷の放電が始まる迄は高感度化電極 103を電位 V3に設定し、放電開始時から高感度化電極 103を電位 V4 (V3く V4)に設定し、さらに放電完了後に高感度化電極 103を電流源 142に接続して電荷を放電すればよい。

[0053] [第 4の実施例]

次に、本発明の第 4の実施例について説明する。

本発明の第 4の実施例の表面形状認識センサ装置は、第 2の実施例において、図 7の電位制御回路 150の代わりに、図 13Aの電位制御回路 150aを用いるものである。電位制御回路 150aは、所定の電位 VI (第 8の電位)または V2 (第 7の電位、第 9 の電位)を選択して高感度化電極 103に出力するスィッチ SW10 (設定部）からなる。図 9 Aの電位制御回路 150では制御信号 S 2を用いているのに対し、本実施例では制御信号 Pを用いている点が異なる。すなわち、本実施例では、スィッチ SW1 (充電回路)および電位制御回路 150aが、制御信号出力回路 5aから入力される制御信号 S 2により共通に制御される。

[0054] 図 14A〜図 14Eを参照し、 Rf > >0とした場合の本実施例の表面形状認識センサ装置の動作にっ、て説明する。

基本的な動作は図 8A〜図 8Eに示した第 2の実施例の動作と同じである。図 8A〜図 8Eと異なる点は、電位制御回路 150aの動作である。スィッチ SW10は、制御信号 pがロウレベルのとき電位 V2を選択し、制御信号 Pがハイレベルのとき電位 VIを選択する。このようにスィッチ SW10が動作することにより、信号発生回路 13の出力とセンサ電極 101との節点 N1への充電が始まる迄は高感度化電極 103を電位 V2に設定し、充電開始時力も高感度化電極 103を第 7の電位 VIに設定し、充電が完了した後は高感度化電極 103を電位 V2に設定して、図 14Eの波形を発生することができる

[0055] 本実施例では、図 8A〜図 8Eと同様に時点 t2以降の期間において節点 N2の電位変動を抑えるだけでなぐ図 14Eに示すように時点 tlの節点 N1の充電タイミングで節点 N3の電位を節点 Nlの電位変化と逆方向に変化させることで、図 14Dのように時点 tlにおける節点 N2の電位変動を抑えることができる。その結果、節点 N2の電位をすベての期間において制御することができ、節点 N2の電位変動による容量 Cf の実効的な減少を第 2の実施例よりも効果的に防ぐことができる。

[0056] なお、節点 N3の tl以前の電位と t2以降の電位は、 V2に設定されている力これに限定する必要はなぐ tl以前の電位 (第 7の電位）と t2以降の電位 (第 9の電位）は異なっていても構わない。この場合、図 13Aで示した電位 VIおよび V2の他に、もう 1 つの電源を用意して切り替えるように制御すればよい。

[0057] 図 13Aの電位制御回路 150aの代わりに、図 13Bの電位制御回路 150bを用いることもできる。電位制御回路 150bは、制御信号 Pを高感度化電極 103に供給する信号線 152 (設定部)からなる。制御信号 Pの電位をそのまま用いることにより、付加回路を用いずに電位制御回路 150bを実現することができる。

[0058] 以上説明したように、本実施例では、指 3の表面と高感度化電極 103との間に形成される容量 Ccを介して指 3の表面 (節点 N2)の電位を電位制御回路 150a, 150bにより制御することで、指 3の抵抗 Rfが大き、場合の節点 N2の電位を制御することができ、容量 Cfの検出感度を向上させることができる。

[0059] なお、第 2の実施例と同様に、本実施例でも、節点 N1の電荷を放電させた後、節点 N1に電荷を充電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とすることもできる。この場合には、例えば図 13Aにおいて、節点 N1の電荷の放電が始まる迄は高感度化電極 103を電位 VIに設定し、放電開始時から高感度化電極 103を電位 V 2 (VKV2)に設定し、放電が完了した後は高感度化電極 103を電位 VIに設定すればよい。

[0060] [第 5の実施例]

次に、本発明の第 5の実施例について説明する。

本発明の第 5の実施例に係るセンサセルアレイは、センサ電極 101と高感度化電極 103力図 3Aおよび図 3Bとは異なる配置をしたものである。すなわち、図 15に示すように、高感度化電極 103がセンサ電極 101を取り囲むように配置されている。これにより、隣接するセンサセルからのセンサ電極 101に対するノイズを低減することができる。図 15の構成は、第 1の実施例力も第 4の実施例の全てに適用することができる。

[0061] [第 6の実施例]

次に、本発明の第 6の実施例について説明する。

本発明の第 6の実施例に係るセンサセルアレイは、センサ電極 101と高感度化電極 103が図 3A、図 3B、図 15とは異なる配置をしたものである。すなわち、図 16に示すように、センサ電極 101が高感度化電極 103を取り囲むように配置されている。これにより、各センサセルにおける指表面の電位を、隣接するセンサセルからの影響を低減しつつ、効率よく制御することができる。図 16の構成は、第 1の実施例から第 4の実施例の全てに適用することができる。

[0062] [第 7の実施例]

次に、本発明の第 7の実施例について説明する。

本発明の第 7の実施例に係るセンサセルアレイは、基板表面を基準にしたセンサ電極と高感度化電極の形成位置が異なるものである。

図 17Aに、高感度化電極 103aがセンサ電極 101より高い位置に形成された例を示す。具体的には、基板上の絶縁膜 100上にセンサ電極 101が形成され、センサ電極 101を覆うように絶縁膜 100上に第 1のノッシベーシヨン膜 102aが形成され、第 1 のパッシベーシヨン膜 102a上に高感度化電極 103aが形成され、高感度化電極 103 aを覆うように第 1のパッシベーシヨン膜 102a上に第 2のパッシベーシヨン膜 102bが形成されて、る。センサ電極 101と高感度化電極 103aは互いに対向しな、ように形成される。このようにパッシベーシヨン膜を多層化することにより、センサ電極 101と高感度化電極 103aとを異なる高さに容易に形成することができる。

[0063] 高感度化電極 103aをセンサ電極 101より高い位置に形成すると、図 2等のようにセンサ電極 101および高感度化電極 103を同じ高さに形成した場合と比較して、第 2のノッシベーシヨン膜 102bに接触する指 3の表面と高感度化電極 103aとの間の距離力、さくなる。ここで例えば距離が 1ZN (N > 1)になったとすると、高感度化電極 10 3aの面積を図 2等の高感度化電極 103の面積の 1ZNにしても、指 3の表面と高感度化電極 103aとの間に形成される容量 Ccを維持することができる。すなわち、高感度化電極 103aを小型化しても容量 Ccを維持できるので、第 1〜第 4の実施例と同様の指表面 (節点 N2)への電位制御効果が得られる。また、図 17Aのようにして高感度化電極 103aを小型化することにより、センサ電極 101の面積を大きくし、結果として検出感度を向上させることができる。

[0064] また、図 17Bに示すように、センサ電極 101aが高感度化電極 103より高い位置に形成されるよう〖こしてもよい。図 17Bでは、基板上の絶縁膜 100上に高感度化電極 1 03が形成され、高感度化電極 103を覆うように絶縁膜 100上に第 1のパッシベーション膜 102cが形成され、第 1のパッシベーシヨン膜 102c上にセンサ電極 101aが形成され、センサ電極 101aを覆うように第 1のパッシベーシヨン膜 102c上に第 2のパッシベーシヨン膜 102dが形成されて!、る。センサ電極 101aと高感度化電極 103は互!ヽに対向しないように形成される。これにより、指 3の表面との間に形成される容量 Cfを維持しつつセンサ電極 101aを小型化することができる。したがって、センサ電極 101 の面積を大きくし、結果として検出感度を向上させることができる。

なお、図 17A,図 17Bにおいて、パッシベーシヨン膜 102b, 102dの表面は平坦ィ匕されていることが望ましい。

産業上の利用可能性

[0065] 本発明は、例えば、静電容量型指紋センサに適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 2次元状に配置されかつ認識対象の表面の凹凸に応じた容量を検出しこの容量に応じた信号を出力する複数のセンサセルと、

前記センサセル力入力された信号に基づき認識対象の表面形状を算出する信号処理部とを備え、

前記センサセルは、

基板と、

前記基板上に形成された第 1の電極と、

前記第 1の電極と認識対象の表面との間に形成される容量に応じた信号を出力する信号出力部と、

前記第 1の電極と絶縁分離されて前記基板上に形成された第 2の電極と、前記第 2の電極の電位を制御することにより、前記第 2の電極と認識対象の表面との間に形成される容量を介して前記認識対象の表面の電位を制御する電位制御部と

を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[2] 請求項 1記載の表面形状認識センサ装置にお!、て、

前記信号出力部は、

前記第 1の電極と認識対象の表面との間に形成される容量に応じた電圧信号を発生する信号発生回路と、

前記信号発生回路による信号発生以前に前記第 1の電極と前記信号発生回路の出力との接続点である節点に電荷の充電および放電のいずれかを行なう充放電回路と、

電荷の充電および放電のいずれかを行なった後に前記信号発生回路力も節点に出力される電圧信号を検出して前記信号出力部の出力とする検出回路と

を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[3] 請求項 2記載の表面形状認識センサ装置にお、て、

前記電位制御部は、前記信号発生回路から出力される電圧信号の変化に対して前記第 2の電極の電位を逆方向に変化させる電位制御回路を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[4] 請求項 1記載の表面形状認識センサ装置において、

前記信号出力部は、

前記信号発生回路による信号発生以前に前記第 1の電極と前記信号発生回路の出力との接続点である節点に電荷を充電する充電回路と、

電荷の充電後に前記信号発生回路から節点に出力される電圧信号を検出して前記信号出力部の出力とする検出回路と

を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[5] 請求項 4記載の表面形状認識センサ装置にお、て、

前記信号発生回路は、

節点の電荷を放電させる第 1の電流源と、

節点と前記第 1の電流源との間に配置されかつ節点に電荷が充電された後に所定期間だけ節点と前記第 1の電流源とを接続することにより電圧信号を発生させる第 1 のスィッチ素子とを備え、

前記電位制御部は、

前記第 2の電極を充電する第 2の電流源と、

前記第 2の電極と前記第 2の電流源との間に配置されかつ前記第 2の電極と前記第 2の電流源とを接続することにより前記第 2の電極の電位を制御する第 2のスィッチ素子とを備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[6] 請求項 5記載の表面形状認識センサ装置にお、て、

前記第 1のスィッチ素子および前記第 2のスィッチ素子を共通に制御する制御信号を出力する制御信号出力部をさらに備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[7] 請求項 4記載の表面形状認識センサ装置にお、て、

前記信号発生回路は、

第 1および第 2の端子を備えかつ第 1の端子が節点に接続された容量素子と、節点への充電が完了する迄は前記容量素子の第 2の端子を第 1の電位に設定すると共に、充電が完了した後は第 2の端子を第 1の電位より低い第 2の電位に設定することにより、前記容量素子力電圧信号を発生させる第 3のスィッチ素子とを備え、前記電位制御部は、

節点への充電が完了する迄は前記第 2の電極を第 3の電位に設定すると共に、充電が完了した後は前記第 2の電極を第 3の電位より高い第 4の電位に設定することにより前記第 2の電極の電位を制御する設定部を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[8] 請求項 7記載の表面形状認識センサ装置にお、て、

前記第 3のスィッチ素子および前記設定部を共通に制御する制御信号を出力する制御信号出力部をさらに備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[9] 請求項 2記載の表面形状認識センサ装置にお、て、

前記電位制御部は、節点の充電および放電の!/、ずれかを行って、る時の電位変化および前記信号発生回路力出力される電圧信号の変化に対して前記第 2の電極の電位を逆方向に変化させる電位制御回路を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[10] 請求項 4記載の表面形状認識センサ装置にお、て、

前記信号発生回路は、

節点の電荷を放電させる第 1の電流源と、

前記電位制御回路は、

前記第 2の電極を充電する第 2の電流源と、

節点への充電が始まる迄は前記第 2の電極を第 5の電位に設定し、充電開始時から前記第 2の電極を第 5の電位より低い第 6の電位に設定した後、前記第 2の電極と前記第 2の電流源とを接続することにより、前記第 2の電極の電位を制御する第 2のスィッチ素子とを備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[11] 請求項 4記載の表面形状認識センサ装置において、

前記信号発生回路は、

第 1および第 2の端子を備えかつ第 1の端子が節点に接続された容量素子と、節点への充電が完了する迄は前記容量素子の第 2の端子を第 1の電位に設定すると共に、充電が完了した後は第 2の端子を第 1の電位より低い第 2の電位に設定することにより、前記容量素子力電圧信号を発生させる第 3のスィッチ素子とを備え、前記電位制御回路は、

節点への充電が始まる迄は前記第 2の電極を第 7の電位に設定し、充電開始時から前記第 2の電極を前記第 7の電位より低い第 8の電位に設定し、充電が完了した後は前記第 2の電極を前記第 8の電位より高い第 9の電位に設定することにより、前記第 2の電極の電位を制御する設定部を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[12] 請求項 11記載の表面形状認識センサ装置にお!、て、

前記充電回路および前記設定部を共通に制御する制御信号を出力する制御信号出力部をさらに備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[13] 請求項 1記載の表面形状認識センサ装置において、

前記第 2の電極は、前記第 1の電極を囲むように配置されることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[14] 請求項 1記載の表面形状認識センサ装置において、

前記第 1の電極は、前記第 2の電極を囲むように配置されることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[15] 請求項 1記載の表面形状認識センサ装置において、

前記第 2の電極の面積は、前記第 1の電極の面積以下であることを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[16] 請求項 15記載の表面形状認識センサ装置において、

前記第 2の電極の面積は、前記第 1の電極の面積よりも小さいことを特徴とする表面形状認識センサ装置。

[17] 請求項 1記載の表面形状認識センサ装置において、前記第 2の電極は、前記基板の表面を基準にして前記第 1の電極とは異なる高さに形成されてヽることを特徴とする表面形状認識センサ装置。