(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
順次にプリチャージ電圧へ予め充電されるコンデンサのマトリックスを、夫々のコンデンサに接続される関連する薄膜トランジスタ装置のマトリックスによって走査する方法であって、
前記薄膜トランジスタ装置が列バスと上記コンデンサとの間で導通することを調整するために前記薄膜トランジスタ装置に付随するゲートに走査パルスを与える段階であり、前記走査パルスは前記コンデンサが予め充電された後に前記薄膜トランジスタ装置を導通状態でなくさせる負の極性のターンオフ遷移を有する段階と、
前記遷移と同じ負の極性を有する直流プリチャージ電圧を前記列バスに供給する段階と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記配列はキャパシタンスセンサ配列であり、
当該方法は、夫々のマトリックスコンデンサ上の電荷を感知するよう動作し、
当該方法は、感知された電荷のダイナミックレンジを調整するために前記走査パルスの振幅を可変に調整する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記配列は、夫々のマトリックスコンデンサ上の電荷を感知することによって動作するキャパシタンスセンサ配列であり、
当該方法は、感知された電荷のダイナミックレンジを調整するために前記プリチャージ電圧の直流値を可変に調整する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記配列は、夫々のマトリックスコンデンサ上の電荷を感知することによって動作するキャパシタンスセンサ配列であり、
当該方法は、感知された電荷のダイナミックレンジを調整するために前記走査パルスの直流振幅を可変に調整する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記配列はキャパシタンスセンサ配列であり、
当該方法は、夫々のマトリックスコンデンサ上の電荷を感知するよう動作し、
当該方法は、前記走査パルスの直流レベル及び前記走査パルスの振幅のうちの１つを調整することによって、感知されたコンデンサ値を表わす画像信号の彩度を調整する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
可変キャパシタンスのマトリックスと、
列バスと夫々の前記キャパシタンスとの間に接続される夫々の薄膜トランジスタの導通路を有する走査薄膜トランジスタのマトリックスと、
前記薄膜トランジスタが導通することを調整するために夫々の前記薄膜トランジスタに走査パルスを与えるタイミング及びパルス発生器であり、前記走査パルスは前記薄膜トランジスタを導通状態でなくさせる負の極性の遷移を有する発生器と、
前記遷移と同じ負の極性を有するプリチャージ電圧源と、
電荷センサと、
前記プリチャージ電圧源又は前記電荷センサを前記列バスに選択的に接続するためのスイッチと、
を有することを特徴とする装置。
【請求項７】
前記走査パルスの直流値及び振幅値のうちの１つを調整するための可変制御回路を更に有することを特徴とする請求項６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜トランジスタ配列を動作させる方法に関連し、更に特定的には容量性マトリックス配列を走査するために使用される薄膜トランジスタを動作させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マトリックス素子をアドレス指定するために薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の配列を使用することが公知である。例えば、指紋検出を行なうための１つの方法では、夫々のコンデンサの１つの極板として作用する電極のマトリックスが配置される。例えば図１を参照のこと。配列に近接して配置される指の隆起部及び谷部は、夫々のコンデンサの第２の極板として作用する。配列に含まれるコンデンサのキャパシタンス値は、配列の近傍に置かれる指の指紋の電子画像へ変換されうる。
【０００３】
電子画像は、公知の順序で、配列をｘｙ走査し、キャパシタンス値を検出することによって形成されうる。キャパシタンス値はコンデンサ上の電荷を測定することによって間接的に決定される。配列は順次に２回走査される。第１の走査中、各コンデンサはＴＦＴによってアドレス指定され、既知の値Ｖpへ予め充電される。夫々のコンデンサに与えられる電荷はＣiＶpであり、但しＣiは夫々の配列コンデンサのキャパシタンスである。第２の走査中、夫々の配列コンデンサは放電される。即ち、出力電圧値を与えるために電荷は除去され、また、蓄積される。検出された電圧値はキャパシタンス値に直接関係付けられる。
【０００４】
ここで、例えば走査されるコンデンサ配列を形成するために、シリコン以外の基板上にＴＦＴを形成する方法について考察する。この方法は、通常の集積回路処理ほど正確ではない。不正確さは製造される回路に望ましくない特徴を与えうる。例えば、ＴＦＴが、まず下層の基板上にゲート電極を堆積し、次にゲート電極上にＴＦＴの本体部を形成することによって形成される場合、結果として得られるトランジスタは、通常は大きすぎて望ましくないゲート・ソース及びゲート・ドレインの重複キャパシタンスを有する。第２に、結果として得られるデバイスは、通常は大きすぎて望ましくない電圧を有し、より大きな活性化電圧等を必要とする。
【０００５】
ここで、上記の特徴がいかにしてコンデンサ配列指紋検出器の動作に影響を与えうるかについて考察する。コンデンサ配列指紋検出器のダイナミックレンジは、検出されうるキャパシタンスの最大値対最小値の比率、又はより正確には、検出されうる対応する最大電荷対最少電荷の比率によって与えられる。最大キャパシタンスは隆起部の近傍の電極に関連づけられ、Ｑｍａｘの電荷に対応し、最少キャパシタンスはＱｍｉｎの電荷に対応すると仮定する。従って、予想ダイナミックレンジはＱｍａｘ／Ｑｍｉｎである。配列中の最少キャパシタンス値は指のいずれの部分の近傍にもない電極と関連づけられる。その値は漂遊キャパシタンスによってのみ決定され、非常に小さく、一定の値を有することが予想される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
経済的な理由により、配列上のＴＦＴは非晶質シリコン技術で形成されうる。これらのトランジスタの動作特徴は、これらのトランジスタのゲートに比較的大きな走査パルスが印加されることを必要とする。大きなゲートパルス電圧は、少なくとも部分的に、夫々のソース電極及びドレイン電極に印加される。このように、特定のＴＦＴがゲートオフされる場合、いくらかの電荷は関連づけられる配列コンデンサから切り離される。次の走査中、ＴＦＴが感知動作のためにゲートオンされると、等しい量の電荷が配列コンデンサへ戻るよう印加されるであろう。本願の発明者は、この仮定が正しくないことを見いだし、それにより本発明に至った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
比較的大きいキャパシタンス値を有する配列コンデンサは、ＴＦＴのゲート・ドレイン又はゲート・ソースの重複キャパシタンスよりもかなり大きいキャパシタンスを有する。従って、ゲートのターンオフ中に印加される全ての電荷は、電極（コンデンサ）の電圧を大きくは変更させない。この場合、予想されるように、トランジスタは、オフゲート電位が印加されるときにターンオフされる。
【０００８】
比較的小さいキャパシタンス値を有する配列コンデンサは、ＴＦＴのゲート・ドレイン又はゲート・ソースの重複キャパシタンス値と同じオーダの又はわずかに大きいキャパシタンス値を有しうる。この場合、配列コンデンサ電極にかなりのターンオフゲート電圧が印加されうる。ゲート・コンデンサ電圧は、ＴＦＴのターンオン値（即ち閾値）を越え、それによりＴＦＴがすぐにターンオフされコンデンサ電極を切り離すことを防止しうる。コンデンサはＴＦＴをターンオフする点まで徐々に充電される。この充電の結果、コンデンサ上に指紋と関連づけられるキャパシタンスには関係のない追加的な電荷ΔＱが生ずる。これは感知システムのダイナミックレンジを減少させる効果を有する。予想されるシステムダイナミックレンジＱｍａｘ／Ｑｍｉｎは、実際にはＱｍａｘ／（Ｑｍｉｎ＋ΔＱ）である。
【０００９】
本願の発明者は、ターンオフパルス遷移の後に生ずるコンデンサの充電は、見かけのダイナミックレンジを高めるために有利に使用されうることを認識した。上述のダイナミックレンジ比では、電荷Ｑｍｉｎ及びΔＱが反対の極性であれば、電荷ΔＱはＱｍｉｎ電荷のうちのいくらかを打ち消し、分母がゼロに近づき、見かけのダイナミックレンジを増加させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は添付の図面を参照してより明らかとなろう。本発明は、容量性配列指紋検出器の環境で説明されるが、より広範な用途がある。典型的には、本発明は比較的大きな走査パルスが使用され、走査するＴＦＴがいくらかのキャパシタンスを含む高インピーダンス素子に結合される任意の走査される配列において有用である。
【００１１】
図１を参照するに、走査されるコンデンサ配列の一部が図示される。この例では、コンデンサ配列は各コンデンサの１つの極板のみを含む。アレイは、ｘｙ走査、素子走査、又はアドレス指定のための構成とされ、これらの走査は各コンデンサ極板に接続されるＴＦＴによって実行される。行の全てのＴＦＴのゲート電極又は制御電極は、共通行ゲート駆動電極に結合され、列の全てのＴＦＴのドレイン電極は共通バスに接続される。回路（図示せず）の周囲付近において、行デコーダ及び列デコーダは順次に夫々の行バス及び列バスをストローブ又はアドレス指定する。一般的に、この種類の配列では、パルスは行の全てのＴＦＴをオンとするために行バスのうちの１つにゲート駆動として印加され、列バスは信号検出回路によって順次に走査される。
【００１２】
図２は配列の１つのセルをより詳細に示す図である。図２中、ＴＦＴに関連づけられる内在的且つ寄生的な容量性素子が含まれる。ＴＦＴのゲート及びドレイン電極間にはコンデンサＣｇｄが存在し、ゲート及びソース電極間にはコンデンサＣｇｓが存在する。概して、これらのコンデンサのキャパシタンス値は技術的に可能な限り最小とされる。通常の集積回路製造では、これらのコンデンサの値は自己整列ゲート技術により非常に小さい。残念ながら、自己整列ゲート製造技術は或るタイプのＴＦＴの製造には使用可能でなく、結果として生ずるＣｇｓ及びＣｇｄキャパシタンス値は比較的大きいものでありうる。
【００１３】
検出器コンデンサは、実線で示される配列極板と、ファントムで示される第２の極板とを有する。第２の極板は、例えば人間の指又はその一部によってグランド電位に接続されると想定される。指の一部の近傍にない検出器コンデンサについては、そのキャパシタンスはゼロ値であると想定される。
【００１４】
或る量の寄生容量は、コンデンサＳＴＲＡＹによって示されるように検出器コンデンサの極板と内在的に関連づけられる。従って検出器キャパシタンスの最小値は寄生又は漂遊キャパシタンスとゲート・ソースキャパシタンスＣｇｓとの並列な組合せに等しく、即ち指コンデンサは重要ではない。
【００１５】
５０ミクロン×５０ミクロンのセンサピッチを有する配列（約３５×３５μｍコンデンサ極板）を想定すると、最大指キャパシタンスは約４０ｆＦ、全漂遊キャパシタンスは約６．８ｆＦであると計算される。４μｍのチャネル幅を有するスイッチングトランジスタでは、ゲート・ソースキャパシタンスは２ｆＦのオーダである。これらのキャパシタンス値では、指キャパシタンスがない場合、選択トランジスタのゲートに印加されるパルス電圧の約３分の１が、コンデンサＣｇｓによって配列指コンデンサ極板に結合される。例えば、１５ボルトのゲートパルスを選択トランジスタに印加し、配列指極板を正の３ボルトに予め充電する場合について考慮する。選択トランジスタがターンオフされると、約５ボルトの負の電圧が指極板に結合され、負の２ボルトのプリチャージ値を生じさせる。通常、キャパシタンス電荷値を読み出すために選択されたトランジスタが正のパルスを与えられるとき、失われているプリチャージ電圧は回復されるため、かかる結合の影響は小さい。しかしながら、負の結合の大きさが、結果として生ずる選択トランジスタゲート・ソース電圧が閾値又はトランジスタのターンオン電圧よりも大きくなるような大きさである場合、トランジスタは予想されるようにターンオフされない。結果として、配列指極板の連続した充電又は放電が生じ、それにより誤って検出されたコンデンサ値を生じさせる。列電位が正の３ボルトのプリチャージ電位に維持されれば、指極板コンデンサは、選択トランジスタのゲート・ソース電位がその閾値以下になるまで正の方向に充電される。この充電効果の例は図３に示される（図示される電圧の縮尺は正しくない）。
【００１６】
図３中、間隔ＴＩ１において、選択トランジスタはパルスがオンとされ、配列指極板コンデンサは３ボルトに予め充電される。時間Ｔ１において、選択トランジスタは１５から０ボルトのゲートパルスを形成するよう負の方向の遷移によってスイッチオフされる。遷移の結果として、配列極板に４．５ボルトの負の電圧が結合される。トランジスタゲート電圧がここでゼロボルトであるため、正の１．５ゲート・ソース電圧がある。間隔ＴＩ２中の１ボルトのトランジスタ閾値を想定すると、トランジスタは正の導通性を維持する。配列極板キャパシタンスは、コンデンサ電圧が負の１ボルトに達し、トランジスタが導通を止める点まで負に充電される。
【００１７】
時間Ｔ２において、配列コンデンサ上の電荷を読み出すため、選択トランジスタのゲートに正のパルスが印加される。ターンオンパルスの正の遷移は、４．５ボルトの正の電圧を配列コンデンサに印加し、その電位をマイナス１ボルトに４．５ボルトを足したもの、即ち正の３．５ボルトに上昇させる。これはプリチャージ値よりも０．５ボルト大きいか、或いは０．５ボルトの誤差がある。これは０．５×Ｃｓｔｒａｙの検出電荷誤りへ変換され、これは最小キャパシタンス値を実際の値よりも大きく見えさせ、それによりシステムのダイナミックレンジを減少させる。ゲートパルスが除去されたときに選択トランジスタが正しくターンオフするために、配列コンデンサ上の最小電荷はＶpＣｓｔｒａｙに等しく、但しＶpはプリチャージ電圧である。ゲートパルスの負の遷移を配列コンデンサに印加することにより、最小電荷は実際には（Ｖp＋ΔＶ）Ｃｓｔｒａｙとなり、但しΔＶは間隔ＴＩ２に亘ってコンデンサの過剰な充電によって生じた誤り電圧である。
【００１８】
システムのダイナミックレンジは比率Ｑｍａｘ／Ｑｍｉｎによって与えられ、これはＶpＣｍａｘ／（Ｖp＋ΔＶ）Ｃｓｔｒａｙ＝Ｃｍａｘ／（１＋ΔＶ／Ｖp）Ｃｓｔｒａｙに対応する。本願の発明者は、ΔＶ／Ｖpの項が負であれば、分母は小さくなり、有効ダイナミックレンジは高められることを認識した。これは、正ではなく負のプリチャージ電圧へ予め充電し、ゲートパルスの電圧レベルを適当に変化させることによって達成されうる。例えば、プリチャージ電圧を負の３ボルトに変更することは、システム駆動パラメータが等しいままであるためには負の６ボルトから正の９ボルトへのゲートパルス電圧レベルの変化を必要とする。ターンオフ遷移はやはり負の４．５ボルトを配列コンデンサ上に印加し、結果としてのゲート・ソース電圧は正の１．５ボルトとなり、トランジスタがターンオフされることを防止する。コンデンサは、ゲート・ソース電圧が負の７ボルトに達するまで正の０．５ボルトを充電し、その時点でトランジスタはターンオフされる。有効ダイナミックレンジはここで、Ｃｍａｘ／（１−ΔＶ／Ｖp）Ｃｓである。
【００１９】
（１−ΔＶ／Ｖp）の項の値は、寄生パラメータ及び印加される電圧の関数である。寄生パラメータは、製造工程における予想できない変化により正確な評価を導かないことがある。これらのパラメータの変動を吸収するため、電圧値の幾つかは所望の（１−ΔＶ／Ｖp）値を発生するよう調整されうる。プリチャージ値Ｖpは、（１−ΔＶ／Ｖp）の値を制御するために調整されうる１つの変数である。しかしながら、信号対雑音比の考慮事項は、このパラメータが減少される量を決定する。ＱｍａｘはＶpＣｍａｘに等しいため、信号のサイズはＶpに正比例する。Ｃｍａｘは数十ｆＦのオーダであり、良い信号対雑音比を達成するためにはＶpはできる限り大きくなくてはならない。
【００２０】
調整を受ける他の変数はゲートパルス振幅である。この値は、多少のΔＶを配列コンデンサ極板に印加させるよう調整されうる。この電圧に対するただ１つの制約は絶縁破壊制約である。第３に、配列コンデンサ極板への適切な結合を確実とするため、ゲート・ソース重複コンデンサは製造中に意図的に増加されうる。
【００２１】
図４は、列バスのうちの１つに結合された感知増幅器を含むＴＦＴ走査されるコンデンサ配列の一部を示す図である。望ましくは各列は別個の感知増幅器に結合されるが、列はより少ない数の感知増幅器へと多重化されうる。
【００２２】
図４中、列バスはスイッチＳ１によって可変電圧源Ｐｒｅｃｈａｒｇｅに選択的に結合され、電荷感知増幅器に選択的に結合される。電荷感知増幅器は、帰還コンデンサＣintegrateに接続される演算増幅器即ちオペアンプである。スイッチＳ３は帰還コンデンサにまたがって接続され、所与の配列コンデンサ上の電荷を感知する前にコンデンサをリセットする。オペアンプは、公知のように電荷の蓄積をするように動作するときに、略ゼロの入力インピーダンスを表わす高利得装置である。従って、列バスに関連づけられるいずれのキャパシタンスも関連性がなく、検出機能の感度に影響を与えない。
【００２３】
予め充電している間、スイッチＳ１は閉成され、スイッチＳ２は開成される。予め充電している間、選択トランジスタは一行毎にターンオンされるか、又は同時にターンオンされる。プリチャージサイクル中、配列全体は順次に走査され、次に読み出しのために配列全体が順次に走査される。或いは、コンデンサの夫々の行がまず予め充電され、次に感知される。
【００２４】
信号読出し中、スイッチＳ１は開成され、スイッチＳ２は閉成される。通常、スイッチ値Ｓ２及びＳ３は交互に動作し、即ち、スイッチＳ２が閉成しているときスイッチＳ３は開成し、その逆に、スイッチＳ２が開成しているときスイッチＳ３は閉成する。スイッチＳ３は、夫々の電荷パケットの検出の間に蓄積コンデンサをリセットするために閉成される。スイッチＳ３は、走査ＴＦＴが導通しているとき、即ち感知間隔中はいつでも開成している。
【００２５】
スイッチＳ２は、プリチャージ及び感知のいずれのモードにおいても夫々の行を感知する間に開成及び閉成するようにされている。或いは、Ｓ２は配列全体を順次に走査している間に閉成したままとされうる。
【００２６】
行選択電極に結合されるゲート駆動は、可変直流源４２と可変振幅パルス発生器４０の直接接続を含む。装置は、夫々の機能を示す別個の回路素子として図示されるが、単一の総合的なパルス供給として配置されても良い。これらは、パルスの振れ及びその絶対振幅値は、レンジ制御の潜在的な源であることを示すよう図示されている。例えば、システムのダイナミックレンジは、プリチャージ電圧Ｖpを変更することによって調整される場合、パルス電圧の振れを変化させずにゲートパルスの直流レベルを調整することが必要である。過剰なコンデンサ電荷の量がゲート・ソース電圧の関数であるため、パルスの最も負の値はゲート・ソース電位式に入る。従って、ＶPが過剰なコンデンサ充電量に影響を与えるのと同様に、ゲート駆動パルスの最も負の直流値又はオフ電圧を変更させる。或いは、ΔＶの値を調整するために、ダイナミックレンジがパルス振幅を変更させるために変更されねばならない場合、可変振幅パルス発生器が必要である。検出された信号のダイナミックレンジは、ゲート駆動パルス振幅、ゲート駆動パルスの最も負の値、及びプリチャージ電圧の値によって制御されうる。
【００２７】
信号処理の分野の当業者によれば、キャパシタンスセンサから生成される表示された画像のコントラストは、同様の上述の変数によって調整されうることが認識されよう。
【００２８】
例示的なキャパシタンス感知配列といったマトリクスを走査するために使用されるトランジスタの走査のタイプとは関係なく、夫々の配列コンデンサ極板に関連づけられる漂遊キャパシタンスがある。過剰なコンデンサ充電なしにターンオフされるトランジスタを走査するため、本発明によって教示されるように漂遊キャパシタンス上に蓄積される電荷を打ち消すためにかかる過剰な充電を実際に誘導することが有利である。これは単純に、走査パルスに通常必要とされる振幅を超過すること、又はより大きなトランジスタ重複キャパシタンス、例えばＣｇｓを設計すること、そして漂遊キャパシタンス上に存在する電荷を打ち消すためにシステムを適切にバイアスすることによって達成されうる。
【００２９】
請求の範囲において、遷移に関して「極性」という用語が用いられるときは、遷移が相対的に負の値から相対的に正の値に振れるときは正であり、相対的に正の値から相対的に負の値に振れるときは負であるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の走査されるコンデンサ配列を示す部分概略図である。
【図２】図１の配列の１つのセルをより詳細に示す概略図である。
【図３】ＴＦＴゲートパルスターンオフ遷移の発生の直前及び直後の配列コンデンサに伴う電圧を示す波形図である。
【図４】本発明を実施するＴＦＴ走査される配列を示す概略図である。
【符号の説明】
４０    可変振幅パルス発生器
４２    可変直流源
Ｓ１乃至Ｓ３    スイッチ
【図１】
0004531219.tif 000002
【図２】
0004531219.tif 000003
【図３】
0004531219.tif 000004
【図４】
0004531219.tif 000005