(57)【要約】【課題】  送り出す検出情報を少なくして、処理速度の向上を図ることが可能な静電容量検出装置を提供する。【解決手段】  指との距離に応じて変化する静電容量を複数の静電容量検出回路３１により検出して、指の表面形状を読み取る。各静電容量検出回路３１から読み出される指紋情報は、Ａ／Ｄコンバータにより１ビットのディジタル信号に変換される。静電容量検出回路３１からの検出情報を処理する際に、複数ビットの信号処理を行なう必要がなく、処理速度の向上および指紋センサ１としての低消費電力化を図ることができる。【選択図】  図１
2005049194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出物との距離に応じて変化する静電容量を複数の検出回路により検出して、該被検出物の表面形状を読み取る静電容量検出装置において、
前記各検出回路から読み出される検出情報を１ビットのディジタル信号に変換するコンバータを備えたことを特徴とする静電容量検出装置。
【請求項２】
前記検出回路の夫々に前記コンバータを設け、選択した前記検出回路からディジタル信号の検出情報を出力する構成としたことを特徴とする請求項１記載の静電容量検出装置。
【請求項３】
前記各検出回路の出力側に共通の前記コンバータを設け、選択した前記検出回路からの検出情報を該コンバータにて変換し出力する構成としたことを特徴とする請求項１記載の静電容量検出装置。
【請求項４】
前記検出回路及び前記コンバータをＭＩＳ型薄膜半導体装置で構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の静電容量検出装置。
【請求項５】
前記検出回路は指紋の凹凸を検出するものであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の静電容量検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載された静電容量検出装置のいずれかひとつを有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指紋等の微細な凹凸を有する被検出物の表面形状を、被検出物表面との距離に応じて変化する静電容量を検出することにより読み取る静電容量検出装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マトリクス状にセンサセルを配置した静電容量検出装置として、指の表面との距離に応じて変化する静電容量を検出して、指紋の凹凸形状を読み取る指紋センサ（例えば、特許文献１〜４）が知られている。指紋センサの用途は、従来から、機密性の高い部屋へ入室する人が本人であることを認証する装置に使用する目的が主であったが、例えば半導体を使った静電容量式指紋センサ（例えば、特許文献２〜４）が小型軽量で安価にできるようになり、携帯電話、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯用パソコンなどの携帯用小型電子機器やＩＣカードなどへの用途が考えられている。その他、据え置き型の電子装置であっても、個人用途でプライバシーを守るために、本人を特定するための指紋センサが使われる。
【０００３】
従来の半導体を使った静電容量式指紋センサは、２０ｍｍ×２０ｍｍ位の単結晶シリコンに形成されていた。静電容量式指紋センサの構造と検出原理は、半導体の表面に形成されたマトリクス状のセンサセルに作られた電極と、その電極上の誘電体薄膜を介して指紋の凹凸との間に発生する静電容量の分布をトランジスタ回路で検出する。また、検出回路としての各センサセルには通常Ａ／Ｄコンバータが夫々内蔵され、走査線でマトリクス状のセンサセルを順に走査し、データ線を順にＡ／Ｄコンバータの出力端に接続して、各センサセルから検出情報を読み出すようになっていた。その際、センサセルからの検出情報は、Ａ／Ｄコンバータにより複数ビットのディジタル信号として出力され、入退室管理システム等において高い個人認証率を実現している。
【特許文献１】特開平１１−１１８４１５号公報
【特許文献２】特開２０００−３４６６０８号公報
【特許文献３】特開２００１−５６２０４号公報
【特許文献４】特開２００１−１３３２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の静電容量式指紋センサは、単結晶シリコン基板上にセンサ電極や誘電体膜が設けられているため、検出面である誘電体膜に指を強く押し付けるとシリコン基板が割れてしまい、耐久性に劣る。更に、指紋センサはその用途から必然的に２０ｍｍ×２０ｍｍ程度の大きさが求められ、単結晶シリコン基板に形成するには膨大なエネルギーと労力を必要とする。しかも、指紋センサを薄板状のＩＣカードに搭載するためには、単結晶シリコン基板を非常に薄く研磨しなければならず、高価になるとの課題を有する。
【０００５】
上記課題を解決する方法として、本願出願人は先にＭＩＳ型薄膜半導体装置（信号増幅用ＴＦＴ）をセンサセルとして用いることにより、ガラス基板やプラスチック基板にも形成し得る静電容量式指紋センサを提案している。
【０００６】
ところで、ＩＣカードにおける個人認証は、所有者本人であるか否かを判別するだけで良いため、指紋の照合に関し入退室管理システム程の大掛かりな精度を要求されない。また、ＩＣカードに搭載されているＩＣチップは、物理的な仕様上、その性能が自ずと制限される。従って、従来の指紋センサのように、複数ビットのＡ／Ｄコンバータを各センサセルに内蔵した場合、ＩＣチップは負荷が大きい複数ビットの信号処理を行なわざるを得なくなって、処理速度の低下を招いていた。
【０００７】
そこで本発明は上述の諸事情に鑑み、送り出す検出情報を少なくして、メモリ容量の低減と処理速度の向上を図ることが可能になる静電容量検出装置及び電子機器を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明における静電容量検出装置は、被検出物との距離に応じて変化する静電容量を複数の検出回路により検出して、該被検出物の表面形状を読み取る静電容量検出装置において、前記各検出回路から読み出される検出情報を１ビットのディジタル信号に変換するコンバータを備えて構成される。
【０００９】
本発明によれば、各々の検出回路で読み出されるアナログ信号の検出情報は、コンバータにより複数ビットではなく１ビットのディジタル信号に変換して出力される。したがって、検出回路からの検出情報を処理する際に、複数ビットの信号処理を行なう必要がなく、メモリ容量の低減と処理速度の向上を図ることが可能になる。
【００１０】
本発明の静電容量検出装置は、前記検出回路の夫々に前記コンバータを設け、選択した前記検出回路からディジタル信号の検出情報を出力する構成となっている。
【００１１】
こうすると、検出回路の一部が破損した場合でも、他の正常な検出回路からコンバータを介して１ビットのディジタル信号が提供されるので、検出情報を利用した各種処理を続行することができる。
【００１２】
本実施例の静電容量検出装置は、前記各検出回路の出力側に共通の前記コンバータを設け、選択した前記検出回路からの検出情報を該コンバータにて変換し出力する構成としたものである。
【００１３】
この場合、各検出回路毎にコンバータを設ける必要がなく、検出部の構造を簡素化することができる。
【００１４】
上記各発明では、前記検出回路及び前記コンバータをＭＩＳ型薄膜半導体装置で構成するのが好ましい。このようにすると、各検出回路のみならずコンバータも単結晶シリコン基板から解放されて、ガラス基板やプラスチック基板上に形成することができ、安価で耐久性に優れた静電容量検出装置を提供できる。
【００１５】
上記各発明において、検出回路は様々な被検出物の静電容量を検出できるが、とりわけ指紋の凹凸を検出するものに適用するのが好ましい。こうすれば、指の指紋を検出情報とした種々の制御が可能になる。また、指紋情報を出力する超小型且つ超軽量な静電容量検出装置を提供できる。
【００１６】
また本発明は、指紋情報を出力する上記静電容量検出装置を、各種の電子機器に組み込んでもよい。
【００１７】
このような電子機器としては、例えばスマートカード，ＰＤＡ，携帯電話等がある。いずれの場合も、超小型且つ超軽量な電子機器としての提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、各検出回路から読み出される検出情報を１ビットのディジタル信号として出力する静電容量検出装置について夫々記述する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、静電容量検出装置として適用される静電容量式指紋センサ１のブロック図である。指紋センサ１は、データ線３６を選択するためのデータドライバ１０と、走査線３５を選択するための走査ドライバ２０と、被検出物である指紋の検出領域として形成されるアクティブマトリクス部３０とにより構成される。指の表面形状を採取する情報採取部としてのアクティブマトリクス部３０は、ｍ行ｎ列のマトリクス（行列）状に配置されたｍ本（ｍは２以上の整数）の走査線３５と、ｎ本（ｎは２以上の整数）のデータ線３６、及び走査線３５とデータ線３６との交点に設けられた検出回路に相当する静電容量検出回路３１を最小限の構成要素としている。これにより、アクティブな走査線３６に発生する高電位ＶＤＤが、静電容量検出回路３１に印加される構成となっている。
【００２０】
前記データドライバ１０は、通常の表示装置におけるアナログ点の順次駆動を実現するためのシフトレジスタ１１と、各データ線３６にスイッチ素子１４を夫々挿入接続して構成されるアレイ状のアナログスイッチ１２からなる。また、各データ線３６の一端は共通するデータ幹線１６に接続される。シフトレジスタ１１は、外部からスタートパルスが与えられると、別に与えられるクロックに同期して、ｎ個のスイッチ素子１４に順次適時選択信号を出力する。そして、選択信号によりスイッチ素子１４がオンすると、このスイッチ素子１４に繋がる選択されたデータ線３６とデータ幹線１６との電気的な導通が順次取られて行く。
【００２１】
走査ドライバ２０は、走査線３５を順次選択するためのシフトレジスタ２１により構成される。シフトレジスタ２１は、外部からスタートパルスが与えられると、別に与えられるクロックに同期して、全ての走査線３５を順に選択走査する。これによりアクティブな走査線３５と選択されたデータ線３６との交点にある静電容量検出回路３１から、データ幹線１６を通して１ビットのディジタル信号からなる検出情報が取り出される。
【００２２】
静電容量検出回路３１は、アクティブマトリクス部３０においてｍ行ｎ列のマトリクス状に配置され、被検出物との距離に応じて変化する静電容量を検出する。より具体的には、図２に示すように、選択素子である選択トランジスタ３２と、例えば指紋のような被検出物の表面の凹凸形状に依存して静電容量Ｃｄが変化する信号検出素子３３と、固定の静電容量Ｃｓを持つ基準コンデンサ３７と、信号検出素子３３から出力されるアナログ信号を１ビットのディジタル信号に変換する１ビットＡ／Ｄコンバータ３８とを含んで構成される。選択トランジスタ３２は、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置から構成される。またＡ／Ｄコンバータ３８も、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる信号変換用ＭＩＳ型薄膜半導体装置の組み合わせにより構成される。Ａ／Ｄコンバータ３８の入力端子は信号検出素子３３と基準コンデンサ３７との接続点に接続される一方、Ａ／Ｄコンバータ３８の出力端子は選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のソースに接続される。また本実施例では、選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のドレイン領域がデータ線３６に接続され、選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のゲート電極が走査線３５と基準コンデンサ３７との接続点に接続される。
【００２３】
本発明では、静電容量Ｃｓを持つコンデンサと、被検出物の表面形状に応じて変化する静電容量Ｃｄを持つコンデンサとの間に発生した電荷Ｑにより、Ａ／Ｄコンバータ３８の入力端子における入力電圧Ｖｉを変化させる。そして、Ａ／Ｄコンバータ３８内の基準電圧ＶＲと入力電圧Ｖｉとの比較により、Ａ／Ｄコンバータ３８の出力端子に発生する出力電圧ＶｏはＨ（高）レベルまたはＬ（低）レベルのいずれか一方になる。
【００２４】
上記金属−絶縁膜−半導体膜から成るＭＩＳ型薄膜半導体装置は、通常ガラス基板に作成されるために、大面積を要する半導体集積回路を安価に製造する技術として知られ、具体的に昨今では液晶表示装置等に応用されている。従って指紋センサ等に適用される静電容量検出回路３１を薄膜半導体装置にて作成すると、単結晶シリコン基板と云った多大なエネルギーを消費して作られた高価な基板を使用する必要がなく、貴重な地球資源を消費することなく安価に当該装置を作成し得る。また、薄膜半導体装置はＳＵＦＴＬＡ（特開平１１−３１２８１１号公報やS. Utsunomiya et. al. Society for Information Display p.916(2000)）と呼ばれる転写技術を適用する事で、半導体集積回路をプラスチック基板上に作成できるので、静電容量検出回路３１も単結晶シリコン基板から解放されて、プラスチック基板上に形成し得るのである。
【００２５】
上記指紋センサ１の動作について説明すると、走査ドライバ２０に与えられるスタートパルスとクロック信号により、ｍ本の走査線３５の中から特定の１本の走査線３５が順次選択されると、当該走査線３５がアクティブになって高電位ＶＤＤとなる。その結果、当該走査線３５に繋がる静電容量検出回路３１の選択トランジスタ３２がオン状態となる。一方、Ａ／Ｄコンバータ３８の入力電圧Ｖｉは、Ａ／Ｄコンバータ３８自身の入力容量Ｃｔ（図２参照）及び基準コンデンサ３７の容量Ｃｓと、信号検出素子３３の容量Ｃｄとの容量比により定まる。
【００２６】
指紋の山（凸部）が静電容量検出回路３１の表面に接した時は、信号検出素子３３の容量Ｃｄが容量Ｃｔ，Ｃｓに対し十分大きくなり、Ａ／Ｄコンバータ３８の入力電圧ＶｉはＧＮＤ（グランド）電位に近づく。その結果、Ａ／Ｄコンバータ３８の出力電圧ＶｏはＬレベルとなる。このＬレベルの出力電圧Ｖｏを測定することで、測定箇所が指紋パターンの山であることが判定できる。反対に、指紋の谷（凹部）が静電容量検出回路３１の表面に対向した時は、信号検出素子３３の容量Ｃｄが容量Ｃｔ，Ｃｓに対し十分小さくなり、Ａ／Ｄコンバータ３８の入力電圧Ｖｉは高電位ＶＤＤに近づく。その結果、Ａ／Ｄコンバータ３８の出力電圧ＶｏはＨレベルとなる。このＨレベルの出力電圧Ｖｏを測定することで、測定箇所が指紋パターンの谷であることが判定できる。
【００２７】
上記特定の走査線３５がアクティブな状態において、データドライバ１０に与えられるスタートパルスとクロック信号とにより、各データ線３６に接続されたｎ個のスイッチ素子１４の中から、特定の１個のスイッチ素子１４が選択されアクティブになる。その結果、該アクティブなスイッチ素子１４を通して、静電容量検出回路３１からの指紋の凹凸情報がＨレベルまたはＬレベルのディジタル信号として、データ幹線１６の出力ＯＵＴに取り出される。以上の動作を、検出面であるアクティブマトリクス部３０内で繰り返すことにより、各静電容量検出回路３１からの指紋情報を１ビットのディジタル信号として出力でき、アクティブマトリクス部３０の表面に当接した指紋パターンの検出が実現される。より具体的には、第１行の各列に位置する静電容量検出回路３１から順に指紋の凹凸を検出した後、第２行の指紋の凹凸を検出するといったように、静電容量検出回路３１毎に指紋の凹凸を検出してゆく。その結果、指紋センサ１を用いて周期的に指紋画像を取り込むことができる。
【００２８】
静電容量検出回路３１は上述したＳＵＦＴＬＡ技術を用いて、プラスチック基板上に形成され得る。単結晶シリコン技術に基づく指紋センサは、プラスチック上では直ぐに割れてしまったり、或いは十分な大きさを有しないために実用性に乏しい。これに対して本実施例によるプラスチック基板上の静電容量検出回路３１は、プラスチック基板上で指を被うに十分大きい面積としても割れる心配がなく、プラスチック基板上での指紋センサ１として利用し得る。
【００２９】
上記構成の指紋センサ１は、個人認証機能を兼ね備えたスマートカードに適用される。スマートカードはキャッシュカード（ｂａｎｋｃａｒｄ）やクレジットカード（ｃｒｅｄｉｔ  ｃａｒｄ）、身分証明書（Ｉｄｅｎｔｉｔｙ  ｃａｒｄ）等で使用され、これらのセキュリティレベルを著しく高めた上で尚、個人指紋情報をカード外に流出させずに保護するとの優れた機能を有する。図３は、スマートカードの一種であるＩＣカード４への適用例を示したものである。薄板状のカード母材６には、静電容量式の指紋センサ１の他に、ＩＣチップ４０及び指紋センサ１を駆動するための制御手段たるマイクロコントローラ４１が夫々搭載される。指紋読み取り時には、マイクロコントローラ４１から供給される信号に基づき指紋センサ１が駆動され、指紋の凹凸情報に対応した１ビットディジタル信号が指紋センサ１から出力される。また、ここには図示しないが、例えば液晶パネル等の表示装置をマイクロコントローラ４１に接続してもよい。
【００３０】
個人認証を行なわないカードでは、予めカードに記憶登録された暗証番号と、カード使用者が入力した暗証番号が等しい場合に、そのカードを使用できる。そのため、カード所有者以外でも暗証番号を知ることができれば、カードを不正使用することが可能である。一方、図３に示すような指紋センサ１による個人認証を行なうＩＣカード４では、予めカード内のメモリ（ＩＣチップ４０）に蓄えられた指紋データと、指紋センサ１からの指紋情報が合致した場合にのみ暗証番号を発行する。この発行された暗証番号と、カード使用者が入力した暗証番号が等しければ、そのＩＣカード４を使用できる。
【００３１】
このように本実施例では、被検出物である指との距離に応じて変化する静電容量を複数の静電容量検出回路３１により検出して、指の表面形状を読み取る静電容量検出装置において、各静電容量検出回路３１から読み出される指紋情報を１ビットのディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３８を備えている。こうすると、各静電容量検出回路３１で読み出されるアナログ信号の検出情報は、Ａ／Ｄコンバータ３８により複数ビットではなく１ビットのディジタル信号に変換して出力される。したがって、静電容量検出回路３１からの検出情報を例えばＩＣカード４のマイクロコントローラ４１で処理する際に、マイクロコントローラ４１は複数ビットの信号処理を行なう必要がなく、小さなメモリ容量で処理速度の向上および指紋センサ１としての低消費電力化を図ることができる。
【００３２】
また本実施例では、各静電容量検出回路３１にＡ／Ｄコンバータ３８が夫々設けられていて、アクティブな走査線３５とデータ線３６との交差点にある選択された静電容量検出回路３１から、１ビットのディジタル信号の指紋情報が出力されるようになっている。こうすると、仮に静電容量検出回路３１の一部が破損した場合でも、他の正常な静電容量検出回路３１からＡ／Ｄコンバータ３８を介して１ビットのディジタル信号が提供されるので、指紋情報を利用した各種処理をマイクロコントローラ４１で続行できる。
【００３３】
前記Ａ／Ｄコンバータ３８の各回路例を、図４〜図６に夫々示す。なお、各回路例においては、前述の高電位ＶＤＤの電源の他に、低電位ＶＳＳの電源と、パルス状のクロック信号ＣＬＫと、入力電圧Ｖｉとの比較を行なうための基準電圧ＶＲが夫々与えられる。図４に示すＡ／Ｄコンバータ３８は、４個のＰチャンネルトランジスタ８１〜８４と、２個のＮチャンネルトランジスタ８５，８６と、反転器であるインバータ８７の各素子を組み合わせて構成される。より具体的には、トランジスタ８２，８５の直列回路と、トランジスタ８３，８６の直列回路が、高電位ＶＤＤラインと低電位ＶＳＳラインとの間に夫々接続される。トランジスタ８２のゲートはトランジスタ８３，８６の接続点に接続されると共に、トランジスタ８３のゲートはトランジスタ８２，８５の接続点に接続され、トランジスタ８５のゲートに入力電圧Ｖｉが与えられる一方で、トランジスタ８６のゲートに基準電圧ＶＲが与えられる。また、高電位ＶＤＤラインとトランジスタ８２，８５の接続点との間には、トランジスタ８１が接続され、高電位ＶＤＤラインとトランジスタ８３，８６の接続点との間には、別のトランジスタ８４が接続される。これらのトランジスタ８１，８４のゲートには、クロックＣＬＫが共通して与えられる。さらに、トランジスタ８２，８５の接続点にインバータ８７の入力端子を接続し、該インバータ８７の出力端子から出力信号（出力電圧Ｖｏ）を取り出すようになっている。
【００３４】
本回路例では、Ａ／Ｄコンバータ３８に与えられるクロック信号ＣＬＫがＬ（＝ＶＳＳ）レベルのときには、トランジスタ８１，８４がいずれもオンして、インバータ８７の入力端子がＨ（＝ＶＤＤ）レベルになり、該インバータ８７の出力端子からの出力電圧ＶｏはＬレベルとなる。
【００３５】
一方、Ａ／Ｄコンバータ３８に与えられるクロック信号ＣＬＫがＨ（＝ＶＤＤ）レベルのときには、トランジスタ８１，８４がいずれもオフになる。このとき、トランジスタ８６のゲートに基準電圧ＶＲが印加されているため、トランジスタ８６は導通状態になっており、トランジスタ８４がオフするのに伴なって、トランジスタ８２のゲート電位が下がり、トランジスタ８２が導通状態になる。ここで、入力電圧Ｖｉが基準電圧ＶＲよりも低ければ、トランジスタ８５の導通状態でのドレイン・ソース間抵抗が、導通状態にあるトランジスタ８６のドレイン・ソース間抵抗より高い値となるので、トランジスタ８５のドレイン電圧がトランジスタ８６のドレイン電圧よりも高くなる。各トランジスタ８５，８６のドレイン電圧は、双方のトランジスタ８５，８６の負荷となっているトランジスタ８２，８３のゲートに加わるので、ポジティブのフィードバックがかかって、トランジスタ８５のドレインに繋がるインバータ８７の入力端子はＨレベルになり、出力電圧ＶｏはＬレベルになる。逆に入力電圧Ｖｉが基準電圧ＶＲよりも高ければ、出力電圧ＶｏはＨレベルになる。
【００３６】
この回路例では、入力電圧Ｖｉと基準電圧ＶＲとの比較を行ない、その比較結果に応じてＨレベル又はＬレベルの出力電圧Ｖｏを出力する比較出力回路（トランジスタ８２，８３，８５，８６、インバータ８７）を、Ａ／Ｄコンバータ３８に内蔵している。そのため、比較出力回路は静電容量に応じた入力電圧Ｖｉと基準電圧ＶＲとの比較を行ない、その比較結果に基づいて１ビットのディジタル信号を出力する。基準電圧ＶＲのレベルを変化させることにより、出力信号ＶｏのＨレベル又はＬレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。また、クロック信号ＣＬＫがＨレベルのとき、即ち選択したスイッチ素子１４がオンしたのに同期して、比較出力回路を動作させる同期回路（トランジスタ８１，８４）も備えており、静電容量検出回路３１が選択された状態のときにのみ、指紋情報となるＨレベル又はＬレベルの出力信号Ｖｏを出力することができる。
【００３７】
図５に示すＡ／Ｄコンバータ３８は、３個のＮチャンネルトランジスタ９０〜９２と、コンデンサ９３と、反転器であるインバータ９４とを組み合わせて構成される。より具体的には、基準電圧ＶＲがドレインに与えられるトランジスタ９０と、入力電圧Ｖｉがドレインに与えられる別のトランジスタ９１のソースどうしを接続し、このソース接続点にコンデンサ９３の一端を接続する。また、コンデンサ９３の他端にはインバータ９４の入力端子が接続され、該インバータ９４の入力端子と出力端子との間にトランジスタ９２のドレインとソースが夫々接続される。トランジスタ９０，９２のゲートにはクロック反転信号ＩＮＶ（ＣＬＫ）が与えられる一方で、トランジスタ９１のゲートにはクロック信号ＣＬＫが与えられ、インバータ９４の出力端子とトランジスタ９２のソースとの接続点から出力信号（出力電圧Ｖｏ）を取り出すようになっている。
【００３８】
本回路例では、クロック信号ＣＬＫがＬ（＝ＶＳＳ）レベルのときには、帰還スイッチであるトランジスタ９２がオンするので、インバータ９４にはネガティブフィードバックがかかり、インバータ９４の入力端子に接続するコンデンサ９３の他端側電位が該インバータ９４の閾値電圧になる。また、基準電圧スイッチであるトランジスタ９０はオン、入力電圧スイッチであるトランジスタ９１はオフしているので、コンデンサ９３の一端側電位は基準電圧ＶＲとなる。従って、コンデンサ９３はインバータ９４の閾値電圧と基準電圧ＶＲとの差で充電される。このときの出力電圧Ｖｏは、インバータ９４の閾値電圧となる。
【００３９】
クロック信号ＣＬＫがＨ（＝ＶＤＤ）レベルになると、トランジスタ９２がオフするので、インバータ９４は通常のインバータとして増幅動作を行なう。また、トランジスタ９０はオフ、トランジスタ９１はオンになって、コンデンサ９３の一端側電位は入力電圧Ｖｉに切り替わる。そのため、入力電圧Ｖｉが基準電圧ＶＲよりも低ければ、インバータ９４の入力端子側の電圧レベルは閾値電圧より低くなり、出力電圧ＶｏはＨレベルとなる。逆に、入力電圧Ｖｉが基準電圧ＶＲよりも高ければ、インバータ９４の入力端子側の電圧レベルは閾値電圧より高くなり、出力電圧ＶｏはＬレベルとなる。
【００４０】
この回路例では、クロック信号ＣＬＫがＬレベルのときに基準電圧ＶＲとインバータ９４の閾値電圧との差をコンデンサ９３に記憶させ、クロック信号ＣＬＫがＨレベルに切り替わると、記憶した基準電圧ＶＲと入力電圧Ｖｉとの差を増幅した結果に基づき、インバータ９４の出力端子からＨレベル又はＬレベルの出力信号Ｖｏを出力する。このように、インバータ９４は基準電圧ＶＲと入力電圧Ｖｉとの差を増幅して、１ビットのディジタル信号を得るようにしているので、ディジタル信号を生成する上での感度が向上する。そのため、基準電圧ＶＲと入力電圧Ｖｉが微差であっても、正しい指紋情報としてのディジタル信号を出力できる。また、基準電圧ＶＲのレベルを変化させることにより、出力信号ＶｏのＨレベル又はＬレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。
【００４１】
なお、トランジスタ９２，コンデンサ９３及びインバータ９４からなるコンパレータを多段に接続して、出力信号のゲインを大きくし、指紋センサ１としての高感度化を図ってもよい。図６には、コンパレータを２段に接続した構成を示している。
【実施例２】
【００４２】
図７は、第２の実施例における静電容量式指紋センサ１のブロック図である。この実施例では、個々の静電容量検出回路３１にＡ／Ｄコンバータ３８は設けられていない。代わりに、アクティブマトリクス部３０で検出されたアナログ信号をディジタル信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータ回路５０が、データ幹線１６に接続されている。また、各静電容量検出回路３１には低電位側電源（図示せず）に繋がる供給線３９がそれぞれ接続され、アクティブな走査線３５に発生する高電位ＶＤＤと、供給線３９に発生する低電位ＶＳＳとの電位差が、静電容量検出回路３１に印加される構成となっている。その他の構成は、第１の実施例と共通している。
【００４３】
図８は、静電容量検出回路３１の回路構成を示している。本実施例の静電容量検出回路３１は、選択素子である選択トランジスタ３２と、例えば指紋のような被検出物の表面の凹凸形状に依存して静電容量Ｃｄが変化する信号検出素子３３と、信号増幅素子である信号増幅トランジスタ３４と、固定の静電容量Ｃｓを持つ基準コンデンサ３７を含んで構成される。信号増幅トランジスタ３４は、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置から構成される。また選択トランジスタ３２は、好ましくはゲート電極とゲート絶縁膜と半導体膜とからなる選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置から構成される。本実施例では、信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のドレインが選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のソースに接続され、信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のソースが供給線３９に接続され、信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のゲート電極が信号検出素子３３を構成する容量検出電極と基準コンデンサ３７との接続点に接続される。こうして選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のソースと供給線３９とは、容量検出電極にて検出された電荷Ｑに感応する信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置を介在してお互いに接続される。また本実施例では、選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のドレインがデータ線３６に接続され、選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のゲート電極が走査線３５と基準コンデンサ３７の一端に接続される。
【００４４】
本実施例では、静電容量Ｃｓを持つコンデンサと、被検出物の表面形状に応じて変化する静電容量Ｃｄを持つコンデンサとの間に発生した電荷Ｑにより、信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のゲート電位を変化させる。そして、選択用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のドレイン・ソース間を導通させて、信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のドレインに所定の電圧を印加すると、誘起された電荷Ｑに応じて信号増幅用ＭＩＳ型薄膜半導体装置のドレイン・ソース間に流れる電流Ｉが著しく増幅される。誘起された電荷Ｑ自体は何処にも流れずに保存されるので、ドレイン電圧を高くしたり或いは測定時間を長くする等で電流Ｉの測定も容易になる。なお、ＭＩＳ型薄膜半導体装置による利点は、前記第１実施例で示した通りである。
【００４５】
図９は、Ａ／Ｄコンバータ回路５０の回路図である。Ａ／Ｄコンバータ回路５０は、二段のカレントミラー回路５１，５２にて構成され、一段目のカレントミラー回路５１の一部が前記静電容量検出回路３１により置き換えられた構成となっている。より具体的には、カレントミラー回路５１は静電容量検出回路３１の他に、Ｐチャンネルトランジスタ６１〜６５と、Ｎチャンネルトランジスタ６６，６７とを備え、高電位ＶＤＤラインと低電位ＶＳＳラインとの間に、トランジスタ６１，選択トランジスタ３２及び信号増幅トランジスタ３４を順に接続した直列回路と、トランジスタ６４，６６，６７を順に接続した直列回路が夫々接続される。また、トランジスタ６１，３２との接続点とトランジスタ６４，６６の接続点との間に、トランジスタ６５のドレイン・ソースが夫々接続され、トランジスタ６１，６４，６５の各ゲートにクロックＣＬＫが与えられる。高電位ＶＤＤラインとトランジスタ６５のドレイン，及び高電位ＶＤＤラインとトランジスタ６５のソースとの間には、トランジスタ６２，６３のドレインが夫々接続され、これらのトランジスタ６２，６３のゲートがトランジスタ６３のドレインに接続される。そして、クロックＣＬＫがＨ（高）レベルのときに、静電容量検出回路３１のトランジスタ３２，３４に流れ込む電流量Ｉと、トランジスタ６７のゲートに与えられる基準電圧ＶＲにより、トランジスタ６６，６７に流れ込む電流量Ｉ’との差が、トランジスタ６５のドレイン・ソース間に電圧として発生するようになっている。
【００４６】
一方、二段目のカレントミラー回路５２は、Ｐチャンネルトランジスタ６８〜７０と、Ｎチャンネルトランジスタ７１〜７３とを備え、トランジスタ６８，７１の直列回路と、トランジスタ６９，７２の直列回路が、高電位ＶＤＤラインとトランジスタ７３のドレインとの間に夫々接続される。また、トランジスタ６８，７１の接続点とトランジスタ６９，７２の接続点との間に、トランジスタ７０のドレイン・ソースが夫々接続され、トランジスタ７０，７３の各ゲートにクロックＣＬＫが与えられる。更に、トランジスタ６８，６９のゲートがトランジスタ６９のドレインに接続され、トランジスタ７３のソースが低電位ＶＳＳラインに接続される。そして、クロックＣＬＫがＨレベルのときに、前記電流量ＩとＩ’との差に見合う電圧がトランジスタ７１，７２の各ゲートに印加され、トランジスタ６８，７１の接続点から増幅された出力ＯＵＴが取り出される。なお、図中に示すＡ／Ｄコンバータ回路５０はあくまでも一例であり、他の回路構成に適宜置き換えてもよい。
【００４７】
上記指紋センサ１の動作について説明すると、走査ドライバ２０に与えられるデジタルコード信号により、ｍ本の走査線３５の中から特定の１本の走査線３５が順次選択されると、当該走査線３５がアクティブになって高電位ＶＤＤとなる。その結果、該走査線３５に繋がる静電容量検出回路３１の選択用増幅トランジスタ３２がオン状態となる。一方、信号増幅トランジスタ３４のゲート電圧は、信号増幅トランジスタ３４自身に寄生する容量Ｃｔ（図８参照）及び基準コンデンサ３７の容量Ｃｓと、信号検出素子３３の容量Ｃｄとの容量比により定まる。
【００４８】
指紋の山（凸部）が静電容量検出回路３１の表面に接した時は、信号検出素子３３の容量Ｃｄが容量Ｃｔ，Ｃｓに対し十分大きくなり、信号増幅トランジスタ３４のゲート電圧はＧＮＤ（グランド）電位に近づく。その結果、信号増幅トランジスタ３４は略オフ状態となり、信号増幅トランジスタ３４のドレイン・ソース間には極めて微弱な電流Ｉが流れる。反対に、指紋の谷（凹部）が静電容量検出回路３１の表面に対向した時は、信号検出素子３３の容量Ｃｄが容量Ｃｔ，Ｃｓに対し十分小さくなり、信号増幅トランジスタ３４のゲート電圧は高電位ＶＤＤに近づく。その結果、信号増幅トランジスタ３４は略オン状態となり、信号増幅トランジスタ３４のドレイン・ソース間には大きな電流Ｉが流れる。勿論、指紋と静電容量検出回路３１の表面との距離が中間的に位置した時は、信号増幅トランジスタ３４のゲート電圧も中間的な値を取り、該信号増幅トランジスタ３４のドレイン・ソース間を流れる電流量Ｉもアナログ的に推移した値となる。
【００４９】
ここで、信号増幅トランジスタ３４のソースは低電位ＶＳＳの供給線３９と接続されているため、電流Ｉの流れる向きはデータ線３６から静電容量検出回路３１へと流れ込む方向となる。上記特定の走査線３５がアクティブな状態において、データドライバ１０に与えられるデジタルコード信号により、データ線３６とＡ／Ｄコンバータ回路５０とを結ぶｎ個のアナログスイッチ１２の中から、特定の１個のアナログスイッチ１２が順次選択されアクティブになる。その結果、Ａ／Ｄコンバータ回路５０から該アクティブなアナログスイッチ１２を通って静電容量検出回路３１に向けて、指紋の凹凸情報に応じた電流Ｉが流れる。静電容量検出回路３１からの検出情報を出力する出力部としてのＡ／Ｄコンバータ回路５０は、前述の通り二段のカレントミラー回路５１，５２にて構成される。一段目のカレントミラー回路５１において、ＨレベルのクロックＣＬＫが与えられている時に、静電容量検出回路３１に向けて流れ込む電流量Ｉと、基準電圧ＶＲによりトランジスタ６６，６７に流れ込む電流量Ｉ’とに対応する電圧が、二段目のカレントミラー回路５２を構成するトランジスタ７１，７２の各ゲートに印加され、十分に増幅された結果、ディジタル電圧としての出力ＯＵＴが取り出される。
【００５０】
ここで、Ａ／Ｄコンバータ回路５０の構成をより詳細に説明する。クロックＣＬＫがＬレベルのときには、トランジスタ６１と６４が共にオンになる。また、トランジスタ６５も導通し、トランジスタ６５の両端（ソース及びドレイン）はいずれもＨレベルになる。この電圧が２段目のカレントミラー回路４２に印加されるが、この２段目のカレントミラー回路４２においてはトランジスタ７３がオフで、トランジスタ７０がオンしているので、出力はトランジスタ６８，６９の閾値電圧（スレッシュホルド電圧）に近くなる。
【００５１】
一方、クロックＣＬＫがＨレベルのときには、トランジスタ６１と６４が共にオフになる。また、トランジスタ６５もオフになり、トランジスタ６５の両端（ソース及びドレイン）に、静電容量検出回路のトランジスタ３２，３４に流れる電流Ｉと、トランジスタ６７のゲートに与えられる基準電圧ＶＲによりトランジスタ６６，６７に流れる電流Ｉ’との差がトランジスタ６５の両端（ソース及びドレイン）に生じる。この電圧が２段目のカレントミラー回路４２のトランジスタ７１，７２のゲートに印加される。トランジスタ７３はオンして一種の抵抗として機能し、トランジスタ７０はオフしている。従って、トランジスタ７１，７２のゲートに加わる電圧が増幅されて、トランジスタ７１のドレインから出力される。
【００５２】
以上の動作を、アクティブマトリクス部３０内において、ｍ行ｎ列に設けられた静電容量検出回路３１の各々に対し繰返し実施することで、アクティブマトリクス部３０の表面に当接した指紋パターンの検出が実現される。より具体的には、例えば第１行の各列に位置する静電容量検出回路３１から順に指紋の凹凸を検出した後、第２行の指紋の凹凸を検出するといったように、センサセル毎に指紋の凹凸を検出してゆく。その結果、指紋センサ１を用いて周期的に指紋画像を取り込むことができる。
【００５３】
本実施例における指紋センサ１も、図３に示すような、スマートカードの一種であるＩＣカード４への適用が可能である。指紋読み取り時には、マイクロコントローラ４１から供給される信号に基づき指紋センサ１が駆動され、指紋の凹凸情報に対応した１ビットディジタル信号が指紋センサ１から出力される。ここで、指紋センサ１には各静電容量検出回路３１から出力されるアナログ電流値をディジタル電圧値に変換する共通のＡ／Ｄコンバータ回路５０が内蔵されていることから，指紋センサ１からマイクロコントローラ４１に出力される指紋情報は、Ｈレベル又はＬレベルの１ビットディジタル信号となる。
【００５４】
本実施例でも、静電容量検出回路３１から読み出される指紋情報を１ビットのディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ回路５０を備えている。そのため、静電容量検出回路３１からの指紋情報を処理する際に、複数ビットの信号処理を行なう必要がなく、小さなメモリ容量で処理速度の向上を図ることができると共に、指紋センサ１として低電力消費化が可能になる。しかも、静電容量検出回路３１の出力側に共通して単独のＡ／Ｄコンバータ回路５０を設け、アクティブな走査線３５とデータ線３６の交点にある選択した静電容量検出回路３１からの指紋情報を、Ａ／Ｄコンバータ回路５０で変換し出力する構成としている。従って、各静電容量検出回路３１毎にコンバータを設ける必要がなく、指紋センサ１の検出部であるアクティブマトリクス部３０の構造を簡素化することができる。
【００５５】
また、Ａ／Ｄコンバータ回路５０は、静電容量に応じた電流量Ｉと基準の電流量Ｉ’との差を増幅する差動増幅器としてのカレントミラー回路５１と、この検出した差を十分に増幅して１ビットディジタル信号を出力するカレントミラー回路５２を備えている。このように、基準電圧ＶＲと入力電圧Ｖｉとの差を増幅して、１ビットのディジタル信号を得るようにしているので、ディジタル信号を生成する上での感度が向上する。そのため、基準電圧ＶＲと入力電圧Ｖｉが微差であっても、正しい指紋情報としてのディジタル信号を出力できる。また、基準電圧ＶＲのレベルを変化させることにより、出力信号ＶｏのＨレベル又はＬレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。なお、この場合も増幅回路を複数段設けてもよい。
【００５６】
Ａ／Ｄコンバータ回路５０は、例えば前記図４〜図６に示す回路例を適宜利用できる。図１０は、図４の回路例を応用したものである。同図において、トランジスタ８５のゲートにはデータ幹線１６に相当するグローバルビット線ＧＢＬが接続される。また、８８はクロックＣＬＫがＬレベルのときに、トランジスタ８５のゲートを低電位ＶＳＳにして比較ノードをリセットするトランジスタである。各静電容量検出回路３１から静電容量に応じたアナログ電圧値が、トランジスタ８５のゲートに与えられる他は、図４に示す回路例とその動作が共通している。
【００５７】
この回路例では、各静電容量検出回路３１から順次送られてくるアナログ電圧値と基準電圧ＶＲとの比較を行ない、その比較結果に応じてＨレベル又はＬレベルの出力電圧Ｖｏを出力する比較出力回路（トランジスタ８２，８３，８５，８６、インバータ８７）を、Ａ／Ｄコンバータ回路５０に内蔵している。そのため、比較出力回路は静電容量に応じたアナログ電圧値と基準電圧ＶＲとの比較を行ない、その比較結果に基づいて１ビットのディジタル信号を出力する。基準電圧ＶＲのレベルを変化させることにより、出力信号ＶｏのＨレベル又はＬレベルの切り替え条件を、簡単に調整することができる。また、クロック信号ＣＬＫがＨレベルのとき、即ち選択したスイッチ素子１４がオンしたのに同期して、比較出力回路を動作させる同期回路（トランジスタ８１，８４，８８）も備えており、静電容量検出回路３１が選択された状態のときにのみ、指紋情報となるＨレベル又はＬレベルの出力信号Ｖｏを出力することができる。
【００５８】
上記いずれの実施例においても、各静電容量検出回路３１及びＡ／Ｄコンバータ３８，５０をいずれもＭＩＳ型薄膜半導体装置で構成するのが好ましい。このようにすると、各静電容量検出回路３１だけでなくＡ／Ｄコンバータ３８，５０も単結晶シリコン基板から解放されて、ガラス基板やプラスチック基板上に形成することができ、例えばスマートカード８１などに適した安価で耐久性に優れた静電容量検出装置を提供できる。
【００５９】
また、上記各実施例では、指紋の凹凸を検出するのに十分な集積度を持つ静電容量検出回路３１が利用されている。これにより、指の指紋を検出情報とした種々の制御が可能になる。また、指紋情報を出力する超小型且つ超軽量な指紋センサ１を提供できる。
【００６０】
さらには、こうした指紋センサ１を、例えばスマートカード８１の他に、ＰＤＡや携帯電話等の電子機器に組み込んで利用することもできる。これにより、超小型且つ超軽量で、指紋の登録や指紋の認証に適した電子機器としての提供が可能になる。
【００６１】
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、被検出物としては指紋以外のものであってもよく、そのために指紋センサ１以外の各種静電容量検出装置に適用できる。各実施例では、指紋センサ１から取り出した指紋情報を個人の認証に利用しているが、それ以外の各種処理にも利用できる。例えば指紋の６軸方向の移動を捕らえて、表示装置におけるポインタの移動や、表示画像のスクロール等の表示制御に利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１の実施例における指紋センサの全体構成を示す説明図。
【図２】静電容量検出回路の回路図。
【図３】ＩＣカードへの適用例を示す外観構成図。
【図４】Ａ／Ｄコンバータの回路図。
【図５】Ａ／Ｄコンバータの回路図。
【図６】Ａ／Ｄコンバータの回路図。
【図７】第２の実施例における指紋センサの全体構成を示す説明図。
【図８】静電容量検出回路の回路図。
【図９】Ａ／Ｄコンバータ回路の回路図。
【図１０】Ａ／Ｄコンバータ回路の回路図。
【符号の説明】
【００６３】
１  指紋センサ、  ３１  静電容量検出回路、  ３８  Ａ／Ｄコンバータ、  ５０  Ａ／Ｄコンバータ回路、  ５１  カレントミラー回路、  ５２  カレントミラー回路、  ８１  スマートカード、  ８２，８３，８５，８６，９０〜９２  トランジスタ、  ９３  コンデンサ、  ９４  インバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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