專利名稱：電容檢測(cè)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法、指紋傳感器和生物識(shí)別裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電電容檢測(cè)技術(shù)，其以靜電電容變化方式來讀取指紋等具有微小凹凸的被檢物的表面形狀。
背景技術(shù)：
在特開平11-118415號(hào)公報(bào)、特開2000-346608號(hào)公報(bào)、特開2001-56204號(hào)公報(bào)、特開2001-133213號(hào)公報(bào)中，公開了一種指紋識(shí)別技術(shù)，其將單晶硅基板上形成的傳感器電極表面用感應(yīng)膜覆蓋，并將手指電位作為基準(zhǔn)電位，利用在手指和傳感器電極之間形成的靜電電容根據(jù)指紋的凹凸而發(fā)生變化來識(shí)別指紋。
但是，現(xiàn)有的靜電電容式指紋傳感器由于被形成在單晶硅基板上，因此存在當(dāng)將手指用力按壓在指紋傳感器上就會(huì)使其破裂之類的問題。而且，由于指紋傳感器構(gòu)成上必須形成為手指面積(大約20mm×20mm)程度的大小，如果在單晶硅基板上形成，則出現(xiàn)昂貴之類的問題。在將由傳感器電極和晶體管組合的靜電電容檢測(cè)電路配置成矩陣形狀、并且利用在傳感器電極和手指之間形成的靜電電容的電容變化來驅(qū)動(dòng)晶體管、并使電流流到外部電路的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成中，由于在指紋檢測(cè)部配置的晶體管大小受到限制，因此產(chǎn)生不能夠獲得足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力和不能夠進(jìn)行精密傳感之類的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的課題是解決上述問題，并且提出了能夠進(jìn)行高精度和穩(wěn)定檢測(cè)的靜電電容檢測(cè)裝置、指紋傳感器和生物識(shí)別裝置。
本發(fā)明的課題是廉價(jià)地提供具有耐用強(qiáng)度的靜電電容檢測(cè)裝置、指紋傳感器和生物識(shí)別裝置。
本發(fā)明的課題是提供能夠高精度檢測(cè)靜電電容的方法。
為了解決上述課題，本發(fā)明的靜電電容檢測(cè)裝置是通過輸出與在和被檢物表面之間形成的靜電電容對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)而讀取上述被檢物表面的凹凸信息的靜電電容檢測(cè)裝置，包括檢測(cè)部，其配置了多個(gè)用于輸出上述檢測(cè)信號(hào)的靜電電容檢測(cè)電路；和放大電路，用于放大上述檢測(cè)信號(hào)。上述靜電電容檢測(cè)電路包括傳感器電極，用于在和上述被檢物表面之間形成靜電電容；信號(hào)輸出元件，用于輸出與上述靜電電容對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)；低電位電源線，其連接到上述檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)傳送路徑。上述放大電路具有作為用于將上述檢測(cè)信號(hào)輸出到上述靜電電容檢測(cè)電路的信號(hào)源的功能，上述檢測(cè)信號(hào)被構(gòu)成為使得從上述放大電路經(jīng)由上述信號(hào)輸出元件而傳送到上述低電位電源線上。通過有關(guān)構(gòu)成，由于用于放大檢測(cè)信號(hào)的放大電路能夠構(gòu)成為與靜電電容檢測(cè)電路不同的形式，因此能夠比較大地設(shè)計(jì)用于構(gòu)成放大電路的晶體管尺寸和能夠提高檢測(cè)精度。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，上述檢測(cè)信號(hào)是電流信號(hào)，上述放大電路希望具有作為用于將上述電流信號(hào)提供給上述靜電電容檢測(cè)電路的電流源的功能。通過將電流信號(hào)用作為檢測(cè)信號(hào)，在被檢物表面之間形成的靜電電容能夠通過外部負(fù)載被無衰減地檢測(cè)出。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，上述放大電路希望形成在上述檢測(cè)部的形成區(qū)之外。由于多個(gè)靜電電容檢測(cè)電路被高密度地配置在檢測(cè)部上，對(duì)晶體管的大小有限制，因此提高電路驅(qū)動(dòng)能力上有困難，但是，通過將放大電路形成在檢測(cè)部的形成區(qū)域之外，由于能夠設(shè)計(jì)成不受晶體管尺寸的限制，因此能夠提高放大電路的電流驅(qū)動(dòng)能力。由此能夠進(jìn)行高精度的檢測(cè)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，還包括多個(gè)選擇線，用于選擇上述靜電電容檢測(cè)電路；多個(gè)數(shù)據(jù)線，用于將上述檢測(cè)信號(hào)從上述放大電路輸出到上述靜電電容檢測(cè)電路，上述靜電電容檢測(cè)電路還包括連接到上述選擇線的選擇晶體管，希望其構(gòu)成為根據(jù)上述選擇晶體管的開關(guān)控制來控制上述數(shù)據(jù)線和上述信號(hào)輸出元件的接通/斷開。根據(jù)該有關(guān)構(gòu)成，成為能夠有效地驅(qū)動(dòng)在檢測(cè)部上配置的多個(gè)靜電電容檢測(cè)電路，和能夠進(jìn)行高分辨率的檢測(cè)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，希望還包括預(yù)充電機(jī)構(gòu)，在作為將上述檢測(cè)信號(hào)輸出到上述數(shù)據(jù)線上的前階段，其用來給上述數(shù)據(jù)線預(yù)充電。通過在檢測(cè)前的階段預(yù)充電數(shù)據(jù)線，能夠使數(shù)據(jù)線的電位穩(wěn)定和能夠提高檢測(cè)速度。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，還包括預(yù)充電時(shí)間設(shè)定機(jī)構(gòu)，其用于設(shè)定上述預(yù)充電機(jī)構(gòu)對(duì)上述數(shù)據(jù)線進(jìn)行預(yù)充電的預(yù)充電時(shí)間和上述信號(hào)輸出元件輸出上述檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)時(shí)間的比率。通過縮短預(yù)充電時(shí)間，能夠確保足夠的檢測(cè)時(shí)間和能夠進(jìn)行高精度的檢測(cè)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，上述信號(hào)輸出元件由具有電流控制端子、電流輸入端子、以及電流輸出端子的三端子晶體管構(gòu)成，還包括電位控制機(jī)構(gòu)，作為用于輸出與上述靜電電容對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)的前階段，其將上述電流控制端子的電位控制在規(guī)定的電位。根據(jù)該有關(guān)構(gòu)成，通過排出在三端子晶體管的電流控制端子上被注入的電荷，能夠使電流控制端子的電位穩(wěn)定和能夠提高檢測(cè)精度。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，上述靜電電容檢測(cè)電路還包括電容值恒定的基準(zhǔn)電容，上述信號(hào)輸出元件輸出檢測(cè)信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)與上述靜電電容和上述基準(zhǔn)電容的容量比相對(duì)應(yīng)。通過設(shè)置電容值恒定的基準(zhǔn)電容，能夠提高檢測(cè)精度。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，上述靜電電容檢測(cè)電路形成在絕緣基板上。通過將靜電電容檢測(cè)電路形成在絕緣基板上，能夠提高傳感器的機(jī)械強(qiáng)度。而且，作為絕緣基板，通過采用玻璃基板和塑料基板，還能夠降低制造成本。
本發(fā)明的指紋傳感器包括本發(fā)明的靜電電容檢測(cè)裝置，其被構(gòu)成為讀取指紋的凹凸信息。根據(jù)該有關(guān)構(gòu)成，能夠進(jìn)行指紋信息的高精度檢測(cè)。
本發(fā)明的生物識(shí)別裝置包括本發(fā)明的指紋傳感器。這里，“生物識(shí)別裝置”即是安裝有通過使用指紋信息作為生物測(cè)定信息來進(jìn)行當(dāng)事人認(rèn)證之功能的裝置。除了諸如IC卡、現(xiàn)金提取卡、信用卡和身份證明書等各種卡媒體之外，其還包含電子商業(yè)交易的當(dāng)事人識(shí)別裝置、出入房間管理裝置、計(jì)算機(jī)終端裝置的識(shí)別裝置等所有的安全系統(tǒng)。
本發(fā)明的靜電電容檢測(cè)裝置的驅(qū)動(dòng)方法是一種靜電電容檢測(cè)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，該靜電電容檢測(cè)裝置包括電流放大元件，用于增減與在和被檢物表面之間形成的靜電電容對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)的放大率；數(shù)據(jù)線，用于將上述電流信號(hào)提供給上述電流放大元件；放大電路，用于放大在上述數(shù)據(jù)線上流動(dòng)的電流信號(hào)；選擇晶體管，用于控制上述數(shù)據(jù)線和上述電流放大元件的接通/斷開；低電位電源線，其連接到電流信號(hào)的輸出通路，該方法包括通過上述選擇晶體管成為截止?fàn)顟B(tài)，在上述數(shù)據(jù)線和上述電流放大元件之間進(jìn)行電斷開的斷開步驟；將上述數(shù)據(jù)線預(yù)充電到規(guī)定電位的預(yù)充電步驟；上述數(shù)據(jù)線預(yù)充電結(jié)束之后，通過上述選擇晶體管成為導(dǎo)通狀態(tài)，在上述數(shù)據(jù)線和上述電流放大元件之間進(jìn)行電導(dǎo)通的導(dǎo)通步驟；通過上述數(shù)據(jù)線將電流信號(hào)從上述放大電路提供給上述電流放大元件，并且以與上述靜電電容對(duì)應(yīng)的電流放大率來放大上述電流信號(hào)的檢測(cè)步驟。這樣，作為用于通過電流放大元件放大電流信號(hào)的前階段，通過將數(shù)據(jù)線預(yù)充電到規(guī)定電位，能夠避免因檢測(cè)前數(shù)據(jù)線的電位不穩(wěn)定引起的檢測(cè)精度下降，從而能夠進(jìn)行高精度的檢測(cè)。
優(yōu)選執(zhí)行上述預(yù)充電步驟的時(shí)間(預(yù)充電時(shí)間)、和執(zhí)行上述檢測(cè)步驟的時(shí)間(檢測(cè)時(shí)間)的比率(占空比)可變。通過縮短預(yù)充電時(shí)間而使數(shù)據(jù)線電位在短時(shí)間內(nèi)被穩(wěn)定在規(guī)定電位，能夠確保足夠的檢測(cè)時(shí)間。由此能夠進(jìn)行高精度的檢測(cè)。


圖1是第一實(shí)施方式靜電電容式指紋傳感器的框圖。
圖2是第一實(shí)施方式靜電電容檢測(cè)電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖3是第一實(shí)施方式放大電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖4是第一實(shí)施方式靜電電容檢測(cè)電路的剖面圖。
圖5是安裝了第一實(shí)施方式靜電電容式指紋傳感器的應(yīng)用例子。
圖6是表示第一實(shí)施方式之識(shí)別程序的流程圖。
圖7是第二實(shí)施方式靜電電容檢測(cè)電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖8是第三實(shí)施方式靜電電容式指紋傳感器的框圖。
圖9是第三實(shí)施方式靜電電容檢測(cè)電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖10是第三實(shí)施方式放大電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖11是第三實(shí)施方式靜電電容檢測(cè)電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖12是第三實(shí)施方式的時(shí)序圖。
圖13是第三實(shí)施方式的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式1下面，參考各個(gè)

本發(fā)明的優(yōu)選第一實(shí)施方式。
圖2是將被驗(yàn)人指紋的凹凸信息變換成電信號(hào)的靜電電容檢測(cè)電路31的電路結(jié)構(gòu)圖。該檢測(cè)電路31構(gòu)成為包括用于選擇該檢測(cè)電路31的選擇晶體管32；在被驗(yàn)人的手指和傳感器電極之間形成的靜電電容33；信號(hào)輸出元件34，用于基于靜電電容33的微小電容來輸出具有指紋凹凸信息的檢測(cè)信息；掃描線36，傳送用于進(jìn)行選擇晶體管32之開關(guān)控制的信號(hào)；用于傳送檢測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)線37；用于構(gòu)成檢測(cè)信號(hào)之輸出路徑的低電位電源線Vss；以及恒定電容值的基準(zhǔn)電容Cs。如果靜電電容33的電容值為Cd，檢測(cè)電容Cd則根據(jù)被驗(yàn)人指紋的凹凸和傳感器電極(參考圖4)之間的距離來確定。作為信號(hào)輸出元件34，只要是用于輸出與檢測(cè)電容Cd相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)的元件則沒有特別地限定，但優(yōu)選是作為用于根據(jù)檢測(cè)電容Cd大小來進(jìn)行電流放大作用的信號(hào)放大元件(電流放大元件)等。作為這種信號(hào)放大元件，在本實(shí)施方式中，例子示出了由柵極端子(電流控制端子)、源極端子(電流輸出端子)和漏極端子(電流輸入端子)構(gòu)成的三端子晶體管，但不局限于此。
在上述構(gòu)成中，當(dāng)邏輯電平H信號(hào)被輸出到掃描線36上使選擇晶體管32變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在數(shù)據(jù)線37上流動(dòng)由信號(hào)輸出元件34的柵極電位確定的檢測(cè)電流。該檢測(cè)電流被處理作為與檢測(cè)電容Cd對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。在檢測(cè)信號(hào)中包含了指紋的凹凸信息。信號(hào)輸出元件34的柵極電位由信號(hào)輸出元件34自身的寄生電容Ct(未圖示)、基準(zhǔn)電容Cs和檢測(cè)電容Cd的各自電容比來確定。
例如，在被驗(yàn)人的手指接近傳感器電極的情況下，當(dāng)指紋的凸部接近傳感器電極時(shí)，檢測(cè)電容Cd相對(duì)寄生電容Ct和基準(zhǔn)電容Cs變得足夠的大，信號(hào)輸出元件34的柵極電位就接近地電位。結(jié)果，信號(hào)輸出元件34變成大致截止?fàn)顟B(tài)，在信號(hào)輸出元件34的源極/漏極之間流動(dòng)著極其微弱的電流。另一方面，當(dāng)指紋的凹部接近傳感器電極時(shí)，檢測(cè)電容Cd相對(duì)寄生電容Ct和基準(zhǔn)電容Cs變得足夠的小，信號(hào)輸出元件34的柵極電位就接近掃描線36的電位。由于掃描線36變成有效(active)狀態(tài)，掃描線36的電位是高電位。結(jié)果，信號(hào)輸出元件34變成大致導(dǎo)通狀態(tài)，在信號(hào)輸出元件34的源極/漏極之間流動(dòng)著比上述微弱電流大的電流。這里，由于信號(hào)輸出元件34的源極端子連接到低電位電源線Vss，在信號(hào)輸出元件34上流動(dòng)的檢測(cè)電流的方向變成從數(shù)據(jù)線37流入到低電位電源線Vss的方向。就是說，具有被驗(yàn)人指紋凹凸信息的檢測(cè)信號(hào)以從外部電路流入到靜電電容檢測(cè)電路31的方式輸出。
圖4是以傳感器電極為中心的靜電電容檢測(cè)電路31的剖面結(jié)構(gòu)圖。如圖中所示，靜電電容檢測(cè)電路31上形成有信號(hào)輸出元件34，其用于輸出具有指紋凹凸信息的檢測(cè)信號(hào)；以及傳感器電極(檢測(cè)電極)71，其用于在與被驗(yàn)人手指F之間形成靜電電容33。信號(hào)輸出元件34是包含柵電極70、柵絕緣膜68、多晶硅層63、源極/漏極電極69所構(gòu)成的MOS晶體管。靜電電容33是根據(jù)指紋的凹凸圖形(pattern)而改變其電容值的可變電容。手指F的電位被設(shè)定到基準(zhǔn)電位。傳感器電極71被構(gòu)成使得連接到柵電極70，指紋凹凸導(dǎo)致的檢測(cè)電容Cd的變化被傳送到信號(hào)輸出元件34，根據(jù)溝道上流動(dòng)的漏極電流的放大作用而能夠檢測(cè)出靜電電容變化。
在制造該圖所示靜電電容檢測(cè)電路31中，將諸如氧化硅的基底絕緣膜62層積在絕緣基板61上，并在基底絕緣膜62上成膜結(jié)晶非晶硅而形成多晶硅層63。接著，在多晶硅層63上形成柵絕緣膜68和柵電極70，自身調(diào)整將雜質(zhì)注入擴(kuò)散到多晶硅層63而形成源極/漏極區(qū)。接著，當(dāng)形成第一層間絕緣膜64之后，通過開口接觸孔而形成源/漏電極69。而且，通過層積第二層間絕緣膜65，66而開口接觸孔并形成傳感器電極71。最后，將整個(gè)表面用鈍化膜67覆蓋。這里，第二層間絕緣膜65，66變?yōu)閮蓪咏Y(jié)構(gòu)是為了用下層的第二層間絕緣膜65來確保平坦性，用上層的第二層間絕緣膜66來獲得希望的膜厚，但其作為單層結(jié)構(gòu)也是可以的。
而且，在將晶體管等半導(dǎo)體元件形成在絕緣基板61上時(shí)不局限于上述方法，例如通過使用在特開平11-312811號(hào)公報(bào)和在S.Utsunomiya等人的Society for Information Display的916頁(2000)上公開的剝離轉(zhuǎn)印技術(shù)，也可以將晶體管等半導(dǎo)體元件形成在絕緣基板61上。如果使用剝離轉(zhuǎn)印技術(shù)，作為絕緣基板61，由于能夠采用諸如塑料基板和玻璃基板等具有適當(dāng)強(qiáng)度的廉價(jià)基板，因此能夠提高靜電電容式指紋傳感器1的機(jī)械強(qiáng)度。
圖1是將上述靜電電容檢測(cè)電路31排列成有源矩陣形狀的靜電電容式指紋傳感器1的框圖。圖中所示的指紋傳感器1構(gòu)成包括數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10，用于選擇數(shù)據(jù)線37；掃描線驅(qū)動(dòng)器20，用于選擇掃描線36；有源矩陣部30，作為指紋檢測(cè)部的功能發(fā)揮作用；以及放大電路40，用于放大檢測(cè)信號(hào)。數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10構(gòu)成包括移位寄存器11，用于確定依次選擇數(shù)據(jù)線37的時(shí)序；以及模擬開關(guān)12。掃描線驅(qū)動(dòng)器20構(gòu)成包括移位寄存器21，用于確定依次選擇數(shù)據(jù)線36的時(shí)序。在有源矩陣部30上，靜電電容檢測(cè)電路31被配置成矩陣形狀(M行×N列)，M根掃描線36和M根低電位電源線Vss沿著行方向布線，N根數(shù)據(jù)線37沿著列方向布線。在上述構(gòu)成中，M根掃描線36在每1條線變成有效時(shí)，在某個(gè)時(shí)刻，排列在變成有效的掃描線36上的N根數(shù)據(jù)線37通過模擬開關(guān)12被依次選擇后，被依次接通驅(qū)動(dòng)以便連接到放大電路40。
圖3是用于放大靜電電容檢測(cè)電路31之檢測(cè)信號(hào)的放大電路40的電路結(jié)構(gòu)圖。放大電路40構(gòu)成包括前級(jí)電流鏡像電路41和后級(jí)電流鏡像電路42。在前級(jí)電流鏡像電路41中，對(duì)柵極電位保持在參考電壓VR的MOS晶體管41a所輸出的恒定參考電流Iref、與信號(hào)輸出元件34所輸出的檢測(cè)電流Idat進(jìn)行比較，在后級(jí)電流鏡像電路42中，輸出將參考電流Iref和檢測(cè)電流Idat的差放大的信號(hào)OUT。參考電流Iref被預(yù)先設(shè)定成大約在檢測(cè)電流Idat最大值和最小值的中間。通過將預(yù)定的規(guī)定閾值和信號(hào)OUT的信號(hào)電平進(jìn)行比較，就能夠獲得由2值數(shù)據(jù)構(gòu)成的指紋信息。
而且圖中，CLK信號(hào)是與輸入到移位寄存器11的脈沖信號(hào)相同的信號(hào)，與模擬開關(guān)12的切換時(shí)刻同步。
下面，說明靜電電容式指紋傳感器1的應(yīng)用例子。圖5表示智能卡(smart card)81的框圖，其構(gòu)成包括上述靜電電容式指紋傳感器1；安裝了諸如CPU和存儲(chǔ)器元件的IC芯片82；以及諸如液晶顯示器的顯示裝置83。在IC芯片82上登錄了卡所有者的指紋信息作為生物測(cè)定信息。圖6表示該智能卡81的認(rèn)證程序。當(dāng)卡使用者通過將手指接觸指紋傳感器1而將指紋信息輸入到智能卡81之后(步驟S1)，該指紋信息與預(yù)先登錄的指紋信息對(duì)照(步驟S2)。這里，當(dāng)指紋一致時(shí)(步驟S2；是)，就發(fā)行個(gè)人識(shí)別號(hào)碼(步驟S3)。接著，由卡所有者輸入個(gè)人識(shí)別號(hào)碼(步驟S4)。檢查在步驟S3發(fā)行的個(gè)人識(shí)別號(hào)和在步驟S4輸入的個(gè)人識(shí)別號(hào)碼是否一致(步驟S5)，一致時(shí)(步驟S5；是)，則許可使用卡(步驟S6)。
這樣，通過由個(gè)人識(shí)別號(hào)碼加上指紋信息而進(jìn)行的當(dāng)事人認(rèn)證，能夠提供安全性高的智能卡。安裝了生物識(shí)別功能的智能卡能夠使用在諸如現(xiàn)金提取卡、信用卡和身份證明書上。本實(shí)施方式的指紋傳感器能夠應(yīng)用于進(jìn)行當(dāng)事人認(rèn)證的所有生物識(shí)別裝置中。例如，作為進(jìn)行室內(nèi)出入管理的安全系統(tǒng)，將本實(shí)施方式的指紋傳感器安裝在門上，將輸入到該指紋傳感器的入室者的指紋信息與預(yù)先登錄的指紋信息進(jìn)行對(duì)照，兩者一致時(shí)許可入室，兩者不一致時(shí)不許可入室，并且根據(jù)需要還能夠應(yīng)用通報(bào)警戒公司的系統(tǒng)。而且，在通過諸如因特網(wǎng)的開放(open)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的電子商業(yè)交易中，本實(shí)施方式的指紋傳感器也能夠有效地應(yīng)用作為用于確認(rèn)當(dāng)事人的生物識(shí)別裝置。其還能夠廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)終端裝置的用戶識(shí)別裝置和復(fù)印機(jī)之復(fù)印機(jī)使用者的管理裝置等中。
如上述說明，根據(jù)本實(shí)施方式，用于規(guī)定傳感靈敏度的電流驅(qū)動(dòng)能力因?yàn)橛捎脕順?gòu)成作為電流源之功能的放大電路40的晶體管大小確定，與有源矩陣部30內(nèi)配置的晶體管不同，由于在晶體管的配置空間上沒有限制，因此能夠確保足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力。由此，即使作為有源矩陣部30上排列的靜電電容檢測(cè)電路31的集成密度比較大的高分辨率傳感器，也能夠進(jìn)行高精度檢測(cè)。
通過將放大電路40用兩級(jí)電流鏡像電路41，42構(gòu)成而使指紋信息的高精度檢測(cè)變?yōu)榭赡?。通過將靜電電容檢測(cè)電路31形成在諸如玻璃基板和塑料基板等具有合適強(qiáng)度的廉價(jià)基板上，能夠?qū)崿F(xiàn)靜電電容式指紋傳感器1的強(qiáng)度提高和成本下降。
在上述說明中，作為本發(fā)明靜電電容檢測(cè)裝置的實(shí)施方式，例子示出了指紋傳感器，但是，本發(fā)明不局限于此，其可應(yīng)用于所有將被檢物的微小凹凸圖形作為靜電電容變化而讀取的裝置。例如，其也能夠應(yīng)用于諸如動(dòng)物的鼻紋識(shí)別。
實(shí)施方式2圖7是本發(fā)明第二實(shí)施方式的靜電電容檢測(cè)電路3 1的電路結(jié)構(gòu)圖。檢測(cè)電路31構(gòu)成為在包括上述選擇晶體管32、靜電電容33、信號(hào)輸出元件34、掃描線36、數(shù)據(jù)線37、基準(zhǔn)電容Cs、和低電位電源線Vss的基礎(chǔ)上，包括復(fù)位晶體管38。圖中所示的靜電電容檢測(cè)電路31與上述第一實(shí)施方式相同，以陣列形狀排列在有源矩陣部30上，通過數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10和掃描線驅(qū)動(dòng)器20的控制來讀取靜電電容33的檢測(cè)容量Cd。復(fù)位晶體管38在選擇前級(jí)靜電電容檢測(cè)電路31階段(預(yù)檢測(cè)(presensing)時(shí)間)被開關(guān)控制成導(dǎo)通狀態(tài)。
由于復(fù)位晶體管38成為導(dǎo)通狀態(tài)，信號(hào)輸出元件34的柵極端子與低電位電源線Vss連通，能夠排出注入到該柵極端子的電荷。在靜電電容式指紋傳感器的制造工序中，盡管不希望的電荷被注入到信號(hào)輸出元件34的柵極端子而使得有可能對(duì)檢測(cè)指紋信息產(chǎn)生不利影響，但是，根據(jù)上述構(gòu)成，由于在指紋信息檢測(cè)前的階段能夠?qū)π盘?hào)輸出元件34的柵極電位復(fù)位，因此能夠進(jìn)行更穩(wěn)定的操作。這樣，由復(fù)位晶體管38和低電位電源線Vss實(shí)現(xiàn)“電位控制機(jī)構(gòu)”。該“電位控制機(jī)構(gòu)”是用于將信號(hào)輸出元件34的柵極端子控制成規(guī)定電位的機(jī)構(gòu)，在這里，將該柵極端子和低電位電源線Vss連接。作為“電位控制機(jī)構(gòu)”，能夠使用除了晶體管以外的任意開關(guān)元件。
而且，通過信號(hào)檢測(cè)元件34成為導(dǎo)通狀態(tài)，在檢測(cè)信號(hào)被輸出到數(shù)據(jù)線37上的階段(檢測(cè)時(shí)間)，為了正確地讀取檢測(cè)電容Cd，復(fù)位晶體管38被控制成為截止?fàn)顟B(tài)。
實(shí)施方式3圖9是本發(fā)明第三實(shí)施方式的靜電電容檢測(cè)電路3 1的電路結(jié)構(gòu)圖。該檢測(cè)電路31構(gòu)成為在包括上述選擇晶體管32、靜電電容33、信號(hào)輸出元件34、掃描線36、數(shù)據(jù)線37、基準(zhǔn)電容Cs、低電位電源線Vss的基礎(chǔ)上，包括數(shù)據(jù)線選擇晶體管35、數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50。圖中所示的靜電電容檢測(cè)電路3 1與上述第一實(shí)施方式相同，以M行×N列排列配置在有源矩陣部30中，通過數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10和掃描線驅(qū)動(dòng)器20的控制來讀取靜電電容33的檢測(cè)容量Cd。
著眼于某個(gè)特定的數(shù)據(jù)線37。由于來自排列在列方向的M個(gè)靜電電容檢測(cè)電路31的檢測(cè)信號(hào)被依次輸出到該數(shù)據(jù)線37上，在來自配置在m行n列的靜電電容檢測(cè)電路31的檢測(cè)信號(hào)被輸出之后，當(dāng)來自配置在(m+1)行n列的靜電電容檢測(cè)電路31的檢測(cè)信號(hào)被輸出時(shí)，由于數(shù)據(jù)線37的電位分散偏差，因此產(chǎn)生不能夠穩(wěn)定檢測(cè)之類的問題。就是說，由于與檢測(cè)電容Cd對(duì)應(yīng)的不同電流大小的檢測(cè)信號(hào)在不同時(shí)刻被輸出到同一數(shù)據(jù)線37上，從后級(jí)靜電電容檢測(cè)電路31輸出的檢測(cè)信號(hào)要受到從前級(jí)靜電電容檢測(cè)電路3 1輸出的檢測(cè)信號(hào)的影響。
因此，在本實(shí)施方式中，作為檢測(cè)信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)線37上的前階段，通過將數(shù)據(jù)線37預(yù)先充電到規(guī)定電位Vdd而使數(shù)據(jù)線37的電位穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線選擇晶體管35是用于控制在數(shù)據(jù)線37和信號(hào)輸出元件34之間電接通/斷開的晶體管，在預(yù)先充電數(shù)據(jù)線37階段，其被控制成截止?fàn)顟B(tài)。數(shù)據(jù)線選擇晶體管35的開關(guān)控制由數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50控制。
圖8是將上述靜電電容檢測(cè)電路31排列成有源矩陣形狀的靜電電容式指紋傳感器1的方框圖。圖中所示的指紋傳感器1構(gòu)成包括數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10，用于選擇數(shù)據(jù)線37；掃描線驅(qū)動(dòng)器20，用于選擇掃描線36；作為指紋檢測(cè)區(qū)的有源矩陣部30；以及放大電路40，用于放大檢測(cè)信號(hào)。數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10構(gòu)成包括移位寄存器11，用于確定依次選擇數(shù)據(jù)線37的時(shí)序；預(yù)充電用晶體管13，用于將預(yù)充電電壓提供給數(shù)據(jù)線37；預(yù)充電時(shí)間選擇電路14，用于設(shè)定預(yù)充電時(shí)間。
這里，通過預(yù)充電用晶體管13、預(yù)充電時(shí)間選擇電路14、用于輸出規(guī)定預(yù)充電時(shí)間之ENB信號(hào)(使能信號(hào))的驅(qū)動(dòng)器(未圖示)、以及用于將預(yù)充電電壓提供給數(shù)據(jù)線37的電源Vdd之間的協(xié)作而實(shí)現(xiàn)“預(yù)充電機(jī)構(gòu)”。而且，通過預(yù)充電時(shí)間選擇電路14和用于輸出規(guī)定預(yù)充電時(shí)間之ENB信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器(未圖示)的協(xié)作而實(shí)現(xiàn)“預(yù)充電時(shí)間設(shè)定機(jī)構(gòu)”?！邦A(yù)充電機(jī)構(gòu)”和“預(yù)充電時(shí)間設(shè)定機(jī)構(gòu)”并不一定由多個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由單個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)。
掃描線驅(qū)動(dòng)器20構(gòu)成為包括移位寄存器21，用于確定依次選擇數(shù)據(jù)線36的時(shí)序。在有源矩陣部30上，靜電電容檢測(cè)電路31被配置成矩陣形狀(M行×N列)，M根掃描線36和M根低電位電源線Vss沿著行方向布線，N根數(shù)據(jù)線37和N根數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50沿著列方向布線。
圖10表示放大電路40的電路結(jié)構(gòu)圖，如果除了用ENB信號(hào)替代圖3的CLK信號(hào)和增加了數(shù)據(jù)線選擇晶體管35之外，其基本構(gòu)成是與上述第一實(shí)施方式相同的。而且，作為本實(shí)施方式靜電電容檢測(cè)電路31的電路構(gòu)成，不局限于圖9所示的電路構(gòu)成，也可使用圖11所示的電路構(gòu)成。圖9中，基準(zhǔn)電容Cs連接到掃描線36和靜電電容33的一端，但是在圖11中，基準(zhǔn)電容Cs連接到數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50和靜電電容33的一端。
圖12是從數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10輸出的各種信號(hào)的時(shí)序圖。圖中，SP是啟動(dòng)脈沖，CLK是時(shí)鐘信號(hào)，X{1}、X{2}、…、X{N}是移位寄存器11的輸出信號(hào)，ENB是用于開關(guān)控制預(yù)充電用晶體管13的使能信號(hào)，XSEL{1}、XSEL{2}、…、XSEL{N}是被輸出到數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50的選擇信號(hào)。在通過數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)器10之移位寄存器11的依次選擇而選擇一個(gè)靜電電容檢測(cè)電路31的時(shí)間之中，規(guī)定前半部是預(yù)充電時(shí)間A，后半部是檢測(cè)時(shí)間B。
在預(yù)充電時(shí)間A中，ENB信號(hào)變?yōu)闊o效(邏輯電平L)，預(yù)充電晶體管13變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)邏輯電平H的輸出信號(hào)X{k}從移位寄存器11輸出時(shí)，第k個(gè)模擬開關(guān)14a導(dǎo)通，第k列數(shù)據(jù)線37被預(yù)充電到電位Vdd。此時(shí)，由于使能信號(hào)的邏輯電平是L，邏輯與電路14b的輸出變?yōu)檫壿嬰娖絃，L電平的信號(hào)被輸出到數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50上。由此，數(shù)據(jù)線選擇晶體管35變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，抑制了電流從電源Vdd流入到靜電電容檢測(cè)電路31。
當(dāng)預(yù)充電結(jié)束之后，過渡到檢測(cè)時(shí)間B，使能信號(hào)變?yōu)橛行?邏輯電平H)。這樣，預(yù)充電晶體管13變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，停止從電源Vdd到數(shù)據(jù)線37的電源供給(預(yù)充電)，同時(shí)，H電平的輸出信號(hào)X{k}和H電平的使能信號(hào)被輸入到邏輯與電路14b，H電平的信號(hào)就被輸出到成為邏輯與電路14b之輸出線的數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50上。這樣，H電平的脈沖被輸出到第k列數(shù)據(jù)側(cè)選擇線50上，在第k列上排列的數(shù)據(jù)線選擇晶體管35變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。由此，信號(hào)輸出元件34通過數(shù)據(jù)線選擇晶體管35和選擇晶體管32連接到數(shù)據(jù)線37上。而且，在圖10所示放大電路40中，由于ENB變?yōu)橛行Вㄟ^數(shù)據(jù)線37而流入到靜電電容檢測(cè)電路31的檢測(cè)電流在放大電路40被放大。
如以上說明，根據(jù)本實(shí)施方式，通過在檢測(cè)前的階段進(jìn)行數(shù)據(jù)線37的預(yù)充電操作，能夠使檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)線37的電位穩(wěn)定，并能夠擴(kuò)大操作裕度。而且，由于數(shù)據(jù)線37的電位穩(wěn)定，能夠進(jìn)行更高速的指紋信息檢測(cè)。
根據(jù)圖12所示的時(shí)序圖，預(yù)充電時(shí)間A和檢測(cè)時(shí)間B是1∶1的關(guān)系，但是，本發(fā)明不局限于此，例如，如圖13所示，也可以通過改變使能信號(hào)的占空比而調(diào)整預(yù)充電時(shí)間A和檢測(cè)時(shí)間B的比(占空比)。通過縮短預(yù)充電時(shí)間A而使數(shù)據(jù)線37的電位在短時(shí)間內(nèi)被穩(wěn)定在規(guī)定電位上，能夠確保足夠的檢測(cè)時(shí)間。由此，能夠進(jìn)行高精度的檢測(cè)。而且，對(duì)用于預(yù)充電的電源電壓也不局限于上述Vdd，其也能夠使用任意的電壓。
權(quán)利要求
1.一種靜電電容檢測(cè)裝置，其通過輸出對(duì)應(yīng)于在與被檢物表面之間形成的靜電電容的檢測(cè)信號(hào)，而讀取所述被檢物表面的凹凸信息，包括檢測(cè)部，配置了多個(gè)用于輸出所述檢測(cè)信號(hào)的靜電電容檢測(cè)電路；和放大電路，用于放大所述檢測(cè)信號(hào)；所述靜電電容檢測(cè)電路包括傳感器電極，用于在和所述被檢物表面之間形成靜電電容；信號(hào)輸出元件，用于輸出與所述靜電電容對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)；和低電位電源線，連接到所述檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)傳送路徑；所述放大電路具有作為用于將所述檢測(cè)信號(hào)輸出到所述靜電電容檢測(cè)電路的信號(hào)源的功能，所述檢測(cè)信號(hào)被構(gòu)成為使得從所述放大電路經(jīng)由所述信號(hào)輸出元件而傳送到所述低電位電源線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，所述檢測(cè)信號(hào)是電流信號(hào)；所述放大電路具有作為用于將所述電流信號(hào)提供給所述靜電電容檢測(cè)電路的電流源的功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，所述放大電路形成在所述檢測(cè)部的形成區(qū)之外。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括多個(gè)選擇線，用于選擇所述靜電電容檢測(cè)電路；和多個(gè)數(shù)據(jù)線，用于將所述檢測(cè)信號(hào)從所述放大電路輸出到所述靜電電容檢測(cè)電路；所述靜電電容檢測(cè)電路還包括連接到所述選擇線的選擇晶體管；構(gòu)成為根據(jù)所述選擇晶體管的開關(guān)控制來控制所述數(shù)據(jù)線和所述信號(hào)輸出元件的接通/斷開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括預(yù)充電機(jī)構(gòu)，作為將所述檢測(cè)信號(hào)輸出到所述數(shù)據(jù)線上的前階段，其用來給所述數(shù)據(jù)線預(yù)充電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括預(yù)充電時(shí)間設(shè)定機(jī)構(gòu)，其用于設(shè)定所述預(yù)充電機(jī)構(gòu)對(duì)所述數(shù)據(jù)線進(jìn)行預(yù)充電的預(yù)充電時(shí)間和所述信號(hào)輸出元件輸出所述檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)時(shí)間的比率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，所述信號(hào)輸出元件由具有電流控制端子、電流輸入端子、以及電流輸出端子的三端子晶體管構(gòu)成；還包括電位控制機(jī)構(gòu)，作為用于輸出與所述靜電電容對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)的前階段，其將所述電流控制端子的電位控制在規(guī)定的電位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，所述靜電電容檢測(cè)電路還包括電容值恒定的基準(zhǔn)電容；所述信號(hào)輸出元件輸出檢測(cè)信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)與所述靜電電容和所述基準(zhǔn)電容的容量比相對(duì)應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電電容檢測(cè)裝置，其特征在于，所述靜電電容檢測(cè)電路形成在絕緣基板上。
10.一種指紋傳感器，其構(gòu)成為包括權(quán)利要求1所述的靜電電容檢測(cè)裝置，并讀取指紋的凹凸信息。
11.一種生物識(shí)別裝置，包括權(quán)利要求10所述的指紋傳感器。
12.一種靜電電容檢測(cè)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，靜電電容檢測(cè)裝置包括電流放大元件，用于增減與在和被檢物表面之間形成的靜電電容對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)的放大率；數(shù)據(jù)線，用于將所述電流信號(hào)提供給所述電流放大元件；放大電路，用于放大在所述數(shù)據(jù)線上流動(dòng)的電流信號(hào)；選擇晶體管，用于控制所述數(shù)據(jù)線和所述電流放大元件的接通/斷開；和低電位電源線，其連接到電流信號(hào)的輸出通路，包括通過所述選擇晶體管成為截止?fàn)顟B(tài)，在所述數(shù)據(jù)線和所述電流放大元件之間進(jìn)行電斷開的斷開步驟；將所述數(shù)據(jù)線預(yù)充電到規(guī)定電位的預(yù)充電步驟；所述數(shù)據(jù)線預(yù)充電結(jié)束之后，通過所述選擇晶體管成為導(dǎo)通狀態(tài)，在所述數(shù)據(jù)線和所述電流放大元件之間進(jìn)行電導(dǎo)通的導(dǎo)通步驟；和通過所述數(shù)據(jù)線將電流信號(hào)從所述放大電路提供給所述電流放大元件，并且以與所述靜電電容對(duì)應(yīng)的電流放大率來放大所述電流信號(hào)的檢測(cè)步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的靜電電容檢測(cè)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，執(zhí)行所述預(yù)充電步驟的期間、和執(zhí)行所述檢測(cè)步驟的期間之間的比率可變。
全文摘要
本發(fā)明提供一種檢測(cè)精度高的指紋傳感器。為了解決相關(guān)的問題，本發(fā)明的指紋傳感器包括將靜電電容檢測(cè)電路配置成矩陣形狀的矩陣部，該靜電電容檢測(cè)電路輸出與和指紋間形成的靜電電容相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)；以及放大電路，其用于放大該檢測(cè)信號(hào)。放大電路具有作為用于將檢測(cè)信號(hào)輸出到靜電電容檢測(cè)電路的信號(hào)源的功能。檢測(cè)信號(hào)被構(gòu)成為使得從放大電路經(jīng)由靜電電容檢測(cè)電路而傳送到低電位電源線上。
文檔編號(hào)G01B7/28GK1538142SQ20041003530
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2004年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月17日
發(fā)明者原弘幸 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社