(57)【要約】【課題】  例えば指紋検知用に適合させた改良型生物測定データ検知回路が、所謂「コモンモード」信号を回路出力から削除するために回路積分器の入力において電荷減算技術を使用する。【解決手段】  その結果得られる出力信号は、（ａ）線形であり、（ｂ）検知したオブジェクト（例えば、指）の存在に起因する何らの増幅効果が無く、且つ（ｃ）検知したオブジェクトの微細な表面幾何学形状（即ち、指紋の山及び谷）を表している。【選択図】  図４
2010117354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物測定データ検知システム用の容量性検知ピクセルにおいて、
半導体基板に支持されている第１導体、
前記半導体基板に支持されている第２導体、前記第１及び第２導体は互いに離隔されている、
第１位相を持った第１入力電圧を供給する第１基準電圧供給源、
前記第１位相と実質的に反対の第２位相を持った第２入力電圧を供給する第２基準電圧供給源、
入力と出力とを持った反転増幅器、
前記第１基準電圧供給源と前記反転増幅器の前記入力との間に接続されている入力コンデンサ、
前記第１及び第２導体は前記第２基準電圧供給源と前記反転増幅器の前記入力との間に接続されている検知用コンデンサの少なくとも一部を形成しており、且つ
前記反転増幅器の前記入力と前記出力との間に接続されているフィードバックコンデンサ、
を有している容量性検知ピクセル。
【請求項２】
請求項１において、更に、前記検知ピクセルをリセットさせるために前記反転増幅器の前記入力と前記出力との間に接続されているスイッチを有している容量性検知ピクセル。
【請求項３】
ユーザの指紋のパターンを検知するために使用されるタイプの容量性検知ピクセルからなるアレイにおいて、
基板、
前記基板上に形成されている複数個のピクセルセルであって、前記各ピクセルセルが、
前記基板によって支持されている第１導体、
前記基板によって支持されている第２導体、前記第１及び第２導体は互いに離隔されており、
第１位相を持った第１入力電圧を供給する第１基準電圧供給源、
前記第１位相とは実質的に反対の第２位相を持った第２入力電圧を供給する第２基準電圧供給源、
入力と出力とを具備している反転増幅器、
前記第１基準電圧供給源と前記反転増幅器の前記入力との間に接続されている入力コンデンサ、
前記第１及び第２導体は前記第２基準電圧供給源と前記反転増幅器の前記入力との間に接続されている検知用コンデンサの少なくとも一部を形成しており、且つ
前記反転増幅器の前記入力と前記出力との間に接続されているフィードバックコンデンサ、
を包含している複数個のピクセルセル、
を有しているアレイ。
【請求項４】
請求項３において、各ピクセルセルは、更に、前記検知ピクセルをリセットするために前記反転増幅器の前記入力と前記出力との間に接続されているスイッチを有しているアレイ。
【請求項５】
指紋センサにおいて改良した画像データを得る方法において、
容量型指紋センサセルからなるアレイを設け、出力電圧ΔＶｏｕｔにおける変化が指紋の谷又は山の存在を表すデータを表し且つ前記各セルにおいてΔＶｉｎは該セルへの変化する入力電圧であり、ΔＶｉｎＮ及びΔＶｉｎＰはΔＶｉｎと実質的に同じ大きさであるがΔＶｉｎＮ及びΔＶｉｎＰは互いに実質的に位相がずれている該セルへの変化する入力電圧であり、Ｃｉｎは該セルの該入力における容量であり、Ｃｆは該セル内のフィードバックコンデンサの容量であり、ＣＳは該セル上の指紋の有無において変化する該セル内の可変検知容量であり、且つＣＳ０は該セルのリセット直後のＣＳであり、且つ
指紋の谷が存在する場合には、ΔＶｏｕｔは実質的に次式によって与えられ、
【数７】
2010117354.tif 000011
指紋の山が存在する場合には、ΔＶｏｕｔは実質的に次式によって与えられ、
【数４】
2010117354.tif 000012
前記Ｃｆ、ＣＳ０、Ｃｉｎが次式
【数６】
2010117354.tif 000013
であるように実質的に値が等しいように前記センサ回路を設け、
前記各セルからユーザの指紋の一部に対応するデータを得、
前記データが前記アレイのコモンモードに起因する寄与分をそれから除去した前記ユーザの指紋の一部の画像を表している、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物測定（例えば、指紋）検知回路に関するものであって、更に詳細には、その様な回路におけるダイナミックレンジを改善するための回路及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
容量性生物測定データ検知回路（ピクセルとも呼称される）は良く知られている。この様な回路は、米国特許第６，５１２，３８１号に記載されており、その特許を引用によりここに取り込む。更に詳細には、その図１を参照すると、生物測定データ検知用の回路１０の概略的例示が示されている。図２は、図１の回路１０を実現する装置２０の概略図である。
【０００３】
この様な回路の一般的な適用例は、例えば、ユーザの同一性の検証のためのユーザの指の内の一つの先端部上にあるユーザの指紋パターンのイメージングである。この様な回路は、部分的にユーザの指の近接度に起因するフィールド即ち場の変化を検知する。これらの回路は、非常に敏感であり、且つ、実際に、例えば、ピクセル毎に、指紋の山の存在におけるフィールド強度と指紋の谷の存在におけるフィールド強度における差異を検知することが可能である。図１の回路１０の場合には、コンデンサ１２における検知容量Ｃｓｅｎｓｅは、
【０００４】
【数０】
2010117354.tif 000003
【０００５】
であり、該回路の入力ノード１４及び出力ノード１６における電圧は、
【０００６】
【数１】
2010117354.tif 000004
【０００７】
である。
【０００８】
従って、ピクセル間の出力電圧における差異は、ユーザの指紋の局所的な画像を発生させるために使用することが可能である。
【０００９】
典型的な検知回路の出力は、「ディフレンシャルモード」（一般的にデータと呼称される興味の或る出力信号の部分）、「コモンモード」（指の存在に拘わらずに各ピクセル内に存在する基本的なデータ）、及び回路自身の設計、該回路が動作される環境等の多くの原因に帰着されるノイズから構成されている。図３は、１個のピクセルの上を指紋の山が通過する場合に該ピクセルからの出力電圧のグラフを例示しており、２個の夫々のピクセルに対するディフレンシャル及びコモンモード（ノイズは簡単化のために省略してある）を示している。種々の信号のタイミングの説明は、本開示の範囲を超えるものである。ピクセル位置ｐ１において、指紋の谷が検知回路の上方に存在すると、該ピクセルからの出力電圧はＶ１である。ピクセル位置ｐ２において、指紋の山が存在すると、出力電圧はＶ２である。興味の或ることはＶ１とＶ２との間の差異（ΔＶ）である。従って、限界において、Ｖ１は「コモンモード」と考えることが可能である（しかしながら、或る実施例においては、指が存在しない状態で測定した電圧は「コモンモード」と考えることが可能である。）。
【００１０】
現在のところ、コモンモードはピクセル出力信号の高々９０％を計上する場合があり、その出力信号の単に１０％がデータ（指紋等の生物測定画像を構築するのに必要な情報）を表すに過ぎない。出力においてノイズに対するデータ（信号）の比が減少すると、その出力におけるデータを正確に決定する上での困難性が増加する。データが一層容易に且つ正確に認識されるようにコモンモードを最小とさせることが回路設計の目標である。
【００１１】
従来技術において一般的なことであるが、利得及びオフセット調節は、部分的に、コモンモード信号を補償するために行われる。しかしながら、利得及びオフセットの調節は、不所望な「コモンモード」信号ばかりでなく、所望のデータ（信号）にも影響を与える。従って、従来技術においては、検知回路の出力ダイナミクスは表面変調、即ち指紋特徴、を反映するために効率的に使用されていない。
【００１２】
この拙い信号対ノイズ問題をひどくさせていることは指紋センサ用の典型的な動作電圧（例えば、この様な指紋センサを使用するポータブル装置におけるバッテリ寿命を増加させることを望むことによって駆動される）における減少である。図１に例示されているタイプの回路は、典型的に、５Ｖで動作されていた。このことは、検知のための許容可能なダイナミックレンジを与えていた。ダイナミックレンジは、ノイズ又はコモンモードを取除いた、出力信号の可及的に最大のレンジである。基本的に、ダイナミックレンジは、山の存在する場合の出力信号と谷が存在する場合の出力信号との間の差異である。しかしながら、生物測定検知装置を３Ｖ以下で動作させるべく設計する傾向がある。そうする場合に、ダイナミックレンジは圧縮される。即ち、データを表す実際の電圧は、特にコモンモードを表す電圧と比較して、検知することが困難である点へ減少する。従って、ダイナミックレンジが圧縮されるにつれ、ピクセル出力のノイズ部分がデータに対して優勢となり、且つ生物測定画像（例えば、指紋）の発生は一層困難で且つ一層不正確（可能であるとしても）なものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６，５１２，３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、当該技術において、ピクセルデザインの拘束条件内においてダイナミックレンジをブーストする方法を提供することの必要性が存在している。我々は、ここに開示されるように、アレイ内のピクセルからコモンモードを除去し、これらのピクセルからの出力として興味の或るデータを残すことにより達成される技術を開発した。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の出力は、検知したオブジェクト（例えば、指紋パターンの画像）の微細な表面特徴を表す電子信号である。回路積分器の入力において電荷減算技術を使用して、所謂「コモンモード」信号を回路出力から減算させる。その結果は、（ａ）線形的であり、（ｂ）検知したオブジェクト（例えば、指紋）の存在に起因するどのような増幅効果も無く、且つ（ｃ）検知したオブジェクトの微細な表面幾何学形状を表す（例えば、指紋の山と谷を表す）出力信号である。出力からコモンモード信号が効果的に除去されているので、該回路は、従来技術と比較して、検知用ピクセル回路の使用可能な出力ダイナミクスをより良く使用する。このことは、低パワーピクセル回路の実現を可能とするばかりか、ピクセル回路の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を改善することを可能とする。
【００１６】
本発明の一つの側面によれば、コモンモードの数学的相殺を可能とする差分回路が設けられている。本発明の特定の実施例においては、フィードバックコンデンサが従来技術の検知用コンデンサの位置を占めており、且つ該検知用コンデンサはオペアンプの入力ノードへ移動されている。２つの入力が該回路を駆動し、その入力波形は互いに位相が反対である。該回路を使用する物理的装置を介して制御される容量値は、コモンモードに起因する出力電圧に寄与する項目が互いに相殺することが可能であるように、選択される。従って、回路出力電圧は、動作中のセンサ回路の上をスライドする際に指紋が谷から山へ遷移する場合のように、測定された容量値変化を表す。
【００１７】
相殺という用語は本発明の１実施例であるが、その他の実施例も本発明によって意図されている。例えば、ＣｉｎとＣｆの相対的な容量値を知ることにより、電圧計算からの項目を実際に相殺することなしに、コモンモードに起因する項目の値を考慮することが可能である。従って、データ解析及び回路設計の多くの異なる方法が本発明によって提供される。
【００１８】
上述したことは、本発明の多数の独特の側面、特徴、及び利点の要約である。しかしながら、この要約は網羅的なものではない。従って、本発明のこれら及びその他の側面、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から、特許請求の範囲に鑑みて考慮した場合に、一層明らかなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術に基づく生物測定データ採取用回路の概略図。
【図２】従来技術に基づく生物測定データ採取用の図１の回路を実施化する装置の概略図。
【図３】ユーザの指紋を検知する生物測定検知回路に対する出力電圧−時間のグラフであって、特に、指紋の山及び谷の検知、コモンモード、この様な検知からのデータの間の差異を示しているグラフ。
【図４】本発明の１実施例に基づく生物測定データ採取用回路の概略図。
【図５】本発明の１実施例に基づいて、ユーザの指の配置を示している指紋センサ等の生物測定データ採取装置の合体断面・概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
コモンモードを除去するために、我々は、  図４に例示したように、改良したピクセル回路２０を開発した。ピクセル回路２０は、第１コンデンサ２４へ接続されている入力を具備しているオペアンプ２２、検知用コンデンサとして作用する第２コンデンサ２６、フィードバックコンデンサＣｆである第３コンデンサ２６を有している。電荷ＰがＶｉｎＰとしてコンデンサ２４へ印加され、且つ電荷ＮがＶｉｎＮとしてコンデンサ２６へ印加される。電荷Ｐ及びＮの大きさは、異なる場合があるが、それらは基本的には互いに反対の位相にある。
【００２１】
再度、ＣＳ０の項によって、検知用容量Ｃｓｅｎｓｅは次式で与えられる。
【００２２】
【数０ａ】
2010117354.tif 000005
【００２３】
指紋が無い場合には、次式が得られる。
【００２４】
【数２】
2010117354.tif 000006
【００２５】
又、指紋がある場合には、次式が得られる。
【００２６】
【数３】
2010117354.tif 000007
【００２７】
又は、次式が得られる。
【００２８】
【数４】
2010117354.tif 000008
【００２９】
回路内の固定容量、Ｃｆ、ＣＳ０、Ｃｉｎが全て等しいように選択し、且つＶｉｎＰ＝ＶｉｎＮに設定する。そうすることにより次式が得られる。
【００３０】
【数５】
2010117354.tif 000009
【００３１】
従って、式（２）中における負の符号に起因して、最初の２つの項は互いに相殺されて次式が得られる。
【００３２】
【数６】
2010117354.tif 000010
【００３３】
式（６）の右側は、単に、指紋の山の存在に起因する出力信号に対する寄与分であり、そのデータは我々が元々検知用回路から見ることに興味のあったものである。従って、我々は「コモンモード」（ノイズに起因する出力信号の部分）を削除し且つ興味の或るデータのみを出力信号として残存させている。
【００３４】
図５は本発明に基づく指紋センサ装置の１実施例３０の例示である。図５は２個のセンサセル３２，３４を示しており、それらはこの様なセンサセルからなるアレイにおいて典型的に実現される場合があるように互いに離隔されている。例示の簡単化のために、第１セル３２は指３６の山領域の直上に示されており、従って動作における差異を容易に説明し且つ理解することが可能である。
【００３５】
最初に、指３６の指紋パターンの山部分３８がセル３２の直上にある場合の状態に関して説明すると、指紋表面（即ち、ユーザの皮膚）と第１及び第２コンデンサ３８，４０の上表面との間の距離はＤ１である。何故ならば、皮膚はセンサ本体構成体４４の上表面４２と直接接触しているからである。この場合に、指３６の指紋パターンの山部分３８の影響は、プレート４２と４４との間のフリンジ容量の値を減少させることである。特に、プレート４２と４４との間の容量はフリンジフィールド線によって示されており、より少ない数のフィールド線は容量値における減少を示している。即ち、山３８がプレート４２及び４４に近いので、フィールド線の内の幾つかは山部分３８によって干渉され、従ってプレート４２と４４との間の全体的な容量値は隣接する導体のフリンジ効果によって減少されている。このことは、フィールド線の内の幾つかはコンデンサプレート４２と４４との間に延在するのではなく指３６内に進入することによって示されている。
【００３６】
指３６の指紋パターンの谷部分４０がセル３４の直上にある場合に関しては、指紋表面（即ち、ユーザの皮膚）と第１及び第２コンデンサプレート５２，５４の上表面との間の距離はＤ２である。Ｄ２が比較的大きい場合には、セル３４の増幅器５６に対してのフィードバックコンデンサのプレート５２と５４との間に延在するフリンジ容量性フィールド線の間には干渉は存在しないか又は殆ど存在しない。特に、指が何らの顕著な態様でフリンジ容量性値と干渉しないように谷がセルに近接している場合に、プレート５２と５４との間に存在していたフリンジフィールド線の殆ど又は全ては未だに存在する。
【００３７】
前述した米国特許第６，５１２，３８１号に詳細に記載されているように、各個々のセル３２，３４の実際の局所的容量は精密には知られることはなく且つ広い範囲に亘り変化する。しかしながら、ＣｆとＣｉｎとの両方が固定されているので、検知容量Ｃｓｅｎｓｅは最小値にあり、一方、山部分においては、皮膚がセンサ構成体４８の上表面４６と直接接触している。検知容量Ｃｓｅｎｓｅは、皮膚がプレート４２，４４（又は同様に、５２，５４）から遠ざかるに従い、増加し、且つ指紋の谷部分が存在する場合に最大値にある。個人個人の指紋パターンは山と谷との間で異なるので、実際の検知容量も最小値及び最大値の２つの極限値から異なるものであることが理解される。
【００３８】
本発明は従来技術のオリジナルのシングルエンド容量検知用ピクセル回路アーキテクチャと比較して多くの利点を提供しており、以下のものを包含している。
【００３９】
ａ）出力信号は（理想的には）ユーザの指の山及び谷（指の存在ではなく）に起因する実際の利得変調のみを表す。
【００４０】
ｂ）本回路の出力ダイナミクスが一層効率的に使用され（信号対ノイズ比を改善）且つこの回路を低パワー電源で使用することを可能とさせる。
【００４１】
ｃ）本回路は非常に簡単であり且つそのタイミング条件は最小である（従って、トランジスタマッチング許容度を増加させることが可能であり、且つ統計的オフセットを減少させることが可能である）。
【００４２】
ｄ）入力容量のみがマッチングさせることが必要であるに過ぎない。
【００４３】
ｅ）この構成の構成要素は当該技術において良く知られており且つ既存の集積回路製造技術を使用して容易に実現される。）。
【００４４】
現代の電子装置の物理的現象及びそれらの製造方法は絶対的なものではなく、所望の装置及び／又は結果を発生するために統計的な努力がなされている。プロセスの再現性、製造設備の清浄性、開始及び処理物質の純粋性等、に対して最大の注意が払われたとしても、変動及び不完全性が発生する。従って、本開示又はその特許請求の範囲の記載における限定事項は絶対的なものとして読み取ることが可能であるか又はそうすべきものではない。特許請求の範囲の限定事項は、それらの限定事項まで及びそれらを包含するものとして、本開示の境界を画定することを意図したものである。このことを更に強調すると、「実質的」という用語は、請求項の限定事項に関連して本書において時折使用される場合がある（しかしながら、変動及び不完全性に対する考慮はその用語と共に使用される限定事項のみに制限されるものではない）。本開示の限定事項としてそれら自身を精密に定義することは困難であるが、我々が意図することは、この用語は「大部分は」、「ほぼ実用的であるように」、「技術的限定事項内において」などとして解釈されるべきである、ということである。
【００４５】
更に、複数の好適な例示的実施例が前述した詳細な説明において提示されているが、多数の変形例が存在することを理解すべきであり、且つこれらの好適な例示的実施例は単に代表的な例であり、且つ何ら範囲、本開示の適用性又は形態を制限することを意図したものではない。上に開示したものの幾つか及びその他の特徴及び機能、又はその代替例は多くのその他の異なるシステム又は適用例に好適に結合させることが可能である。種々の現在予見されておらず又は予期されていない代替例、修正例、変形例、又はそれらの改良が、当業者によって後になされる場合があるが、それらも本特許請求の範囲内に包含されるものであることが意図されている。
【００４６】
従って、前述した説明は、当業者に、本開示の実現のための便利なガイドを与えるものであり、且つ記載した実施例の機能及び構成における種々の変化は特許請求の範囲によって定義される本開示の精神及び範囲から逸脱すること無しに行うことが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
２０：ピクセル回路
２２：オペアンプ
２４：第１コンデンサ
２６：第２コンデンサ
【図１】
2010117354.tif 000014
【図２】
2010117354.tif 000015
【図３】
2010117354.tif 000016
【図４】
2010117354.tif 000017
【図５】
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