(57)【要約】表面静電容量センサシステムは、集積回路の表面に近いセンサ電極のアレー及びセンサ電極よりも下の刺激電極のアレーとして実施される。刺激電極の列は電源により駆動され、同時にそれぞれのセンサ電極での電圧が測定される。各センサ電極での電圧測定により、各センサ電極位置での表面静電容量を判断することができる。静電容量データを用いて、指紋アーチファクトの位置発見に必要とされるようなアレー表面上方の目標電極の位置が判断される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路と、
ｎ行及びｍ列の２次元アレーに配置されたセンサ電極アレーと、
ｎ行の１次元アレーに配置された刺激電極アレーと、
ｎ行の刺激電極に接続されたｎ個の時間変動電圧供給装置と、
ｍ個の時間変動電圧計と、
列に沿う前記ｎ個のセンサ電極の１つを１つの時間変動電圧計に接続することを可能にするｎ個のスイッチのｍ個のブロックと、
を含むことを特徴とする静電容量センサ装置。
【請求項２】
前記集積回路内において、いかなるセンサ又は刺激電極の下又はその間にもＭＯＳ装置が存在しないことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
集積回路と、
ｎ行×ｍ列の電極を有する２次元センサ電極アレーと、
ｎ行の１次元アレーに配置された刺激電極アレーと、
ｎ行の刺激電極に接続された複数のｎ個の時間変動電圧供給装置と、
複数のｍ個の時間変動電圧計と、
列に沿う前記ｎ個のセンサ電極の１つを１つの時間変動電圧計に接続することを可能にするｎ個のスイッチの複数のｍ個のブロックと、
を含むことを特徴とする静電容量センサ装置。
【請求項４】
装置は、前記集積回路内にＭＯＳ装置を含み、
ＭＯＳ装置は、該集積回路内において、いかなるセンサ又は刺激電極の下又はその間にも存在しない、
ことを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
ＭＯＳ回路装置、センサ電極、及び刺激電極を有する種類の容量式センサ装置であって、
ＭＯＳ回路装置は、いかなるセンサ又は刺激電極の下又はその間にも存在しない、
ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本明細書において引用により組み込まれる、５／２２／２００１出願の米国特許仮出願一連番号第６０／２９２，８５８号に対する優先権を主張する。
本発明は、センサ表面に近い指紋アーチファクト又は他の構造体の位置を測定するセンサ及び感知アレーに用いるために集積回路技術で製造するのに適する静電容量センサシステムの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理的構造に依存して、目標電極と感知電極との間の静電容量は、それらの相対距離に反比例するか、それらの相対距離の二乗に反比例するか、又は、物理的構造の性質により反比例と二乗の反比例との間の何らかの関数依存性により変化する。静電容量センサシステムが、そのセンサ区域の近傍に目標導体を検出することができる最大距離は、システムが解像することができる最小静電容量に依存する。センサ電極のその周囲環境に対する静電容量、すなわち基準静電容量が、目標電極とセンサ電極との間の静電容量よりも大きい場合には、静電容量センサシステムの感度が大幅に低下する。センサ電極の大きさは、一般的に約１００平方マイクロメートルの大きさである指紋アーチファクトの大きさにより決定される。垂直方向寸法が１００マイクロメートルと比較して小さい集積回路の一部として、センサ電極自身は、それが機械的に置かれている基板に対して大きな静電容量を有する。
【０００３】
指紋アーチファクトの位置を測定するのに用いるためにセンサ電極のアレーで構成されたセンサアレーは、Ｋｎａｐｐにより米国特許第５，３２５，４４２号で開示された。各感知電極は、受動スイッチを通してアレーの長さであるアレー配線に接続される。アレー配線は、静電容量を判断するために電荷感知回路に接続される。静電容量感度は、各センサ電極の有効基準静電容量が増大するので、アレー配線により低下する。更に、半導体スイッチがセンサ区域内に導入され、それらは、そこで目標電極と機械的に接触することにより損傷を受けることがあり、又は、センサが高い光レベル環境で作動する時には光電流により漏れる場合がある。センサ表面に追加のコーティングを付加してセンサが損傷を受けにくくすることもできるが、センサから目標電極までの距離が大きくなる。
【０００４】
Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ他の米国特許第６，０４９，６２０号は、低値電流供給装置及び付加的能動回路を用いて各センサ電極での静電容量を測定する技術を開示している。全センサ静電容量に比例する信号がソースフォロワーを通過した後でアレー配線上に切り替えられ、それによってセンサ電極から配線静電容量を隔離する。この技術を用いると、基準静電容量値は、センサ電極静電容量及びセンサ電極自身に接続された回路の静電容量によって支配される。
【０００５】
Ａｃｋｌａｎｄ他の米国特許第６，０９７，１９５号は、センサ電極と接地した物理的支持構造体との間に遮蔽電極を導入することにより、センサ電極静電容量を減少させる方法を開示している。この基準静電容量の相殺技術を各センサ電極に個々に応用すると、基準電極静電容量が大幅に減少し、センサ静電容量感度がそれに比例して上がる。単一利得増幅器が、センサ電極毎に１つの増幅器を使用して、センサ電極と遮蔽電極との間に接続される。センサが複雑になると、センサのコスト及び目標構造体から損傷を受けるリスクが増大する。
【０００６】
回路、及び、付加的なセンサ電極をセンサアレーに加えた他の静電容量センサシステムも説明されている。Ｔａｒｔａｇｎｉ他の米国特許第６，１１４，８６２号は、静電容量センサ感度を改善するように設計された能動回路及び特別な電極構成を有する静電容量センサを開示している。静電容量センサは、増幅器の反対端に接続されたセンサ表面で２つの電極を用いる。いずれかの電極に近い指のような目標構造体は、電極間の静電容量を変える。両電極はセンサ表面を占有し、このためにセンサセルの大きさ及びコストが増大する。
【０００７】
【表１】
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【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の公知の技術の欠点を克服する静電容量センサシステムを提供する。本発明では、基準静電容量相殺回路の必要性を排除し、同時にセンサの電力消費量を減少させると共にその機械的強健性を増大させる。
本発明では、各センサセルは、集積回路の表面又はその近傍に１つの電極を有する。表面電極の物理的下方には、埋込刺激電極がある。駆動静電容量は、刺激電極とセンサ電極との間の静電容量である。センサ電極から接地までの静電容量が、感知静電容量である。感知電極に印加される入力時間変動電圧に対して、感知電極での時間変動出力電圧の測定値を用いて駆動静電容量に対する感知静電容量を判断する。コンデンサをこのように直列配列にすると、容量式分圧器が形成される。
【０００９】
センサ電極の近傍に構造体がない場合は、感知静電容量値が基準値である。感知電極に近い指紋アーチファクトのような目標構造体があると、目標静電容量が基準静電容量に付加されることにより感知静電容量が増大する。静電容量が増大すると、感知電極での時間変動出力電圧が減少し、これは、次に目標構造体の近接性を識別する。
センサセルのアレーは、指紋アーチファクトの位置発見に必要であるように、アレーの各素子上方の目標構造体の位置を識別することができる。ｎ×ｍ次元アレーを実施するために、電源及び電圧計の数量は、適切なスイッチングマトリクスを用いて一対／セルから減らされる。ｎ個の電源を有するｎ行とｍ個の電圧計を有するｍ列との構成は、回路電力、回路複雑性、及び全体的な静電容量側定速度に適切な妥協点をもたらす。電極、スイッチ、時間変動電源、時間変動電圧計、及び補助回路のアレーは、同じ集積回路に組み合わされて静電容量センサシステムを形成する。
【００１０】
センサアレーにおいては、時間変動電圧計は、同じ列の全てのセンサ素子により共有され、時間変動電圧供給装置は、同じ行の全てのセンサ素子により共有される。時間変動入力電圧供給装置及び時間変動電圧計は、「ＣＭＯＳ」技術で実装される。センサ回路の大きさの減少、及びセンサ用途に対して修正されていない「ＣＭＯＳ」技術の使用からコスト低減がもたらされる。本発明では、センサ電極区域から全ての「ＭＯＳ」トランジスタ構成要素を除去することにより、機械的強健性及び光誘導電流に対する抵抗性が増大する。
この容量式センサの特徴及び利点を更に完全に理解するために、ここで本発明の詳細説明を参照する。
図面は、単なる概略図であり、いかなる一定のスケールによっても描かれていない。全体を通して、同じ又は類似の要素を表すために同じ参照番号が用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、未知の静電容量（１）の値を測定するための基本的な方法の実施形態を図示している。簡単に示すために、感知静電容量（１）は、基準電位に１つの接続を用いて接続しているように示されている（５）。接続（５）は、時間変動電圧供給装置（３）及び時間変動電圧計（４）のための基準電位を表す。感知コンデンサ（１）の静電容量値ｃ１は、コンデンサを図のるように接続することにより、駆動コンデンサ（２）の駆動静電容量値ｃ２に対して判断することができる。ノード（６）は、電圧計（４）と２つのコンデンサ（１）及び（２）との間の共通ノードである。時間変動電圧供給装置（３）からの既知の時間変動電圧ｖ３に対しては、未知の静電容量（１）は、ｃ１がｃ２と計算量（ｖ３−ｖ４）／ｖ４との積に等しく、ここで、ｖ４は、時間変動電圧計（４）により測定される電圧であるという簡単な公式によって判断される。
【００１２】
図１の容量式分圧器を物理的に実施した様子を図２に図示する。基準静電容量の値ｃ３は、感知電極（１０）と基準電極（８）との間の静電容量である。目標静電容量の値ｃ４は、感知電極（１０）と目標電極（１１）との間の電気静電容量である。感知静電容量値ｃ２は、ｃ３とｃ４の和である。駆動コンデンサ（２）の値ｃ２は、刺激電極（９）と感知電極（１０）との間の静電容量である。時間変動電圧供給装置（３）は、駆動電極（９）と、一般性を失うことなく接地電位（５）に接続して示されている基準電極（８）との間に接続される。目標電極（１１）もまた接地電位である。
【００１３】
図２に示す物理的構成は、集積回路静電容量センサシステムとして実施されており、目標電極（１１）を除く全ての電極が平面的であり、互いにほぼ積み重ねられている。目標電極（１１）は、感知電極（１１）上方の未知の形状の電極である。図１のノード（６）である感知電極（１０）は、駆動及び感知コンデンサ（１）及び（２）の両方の一部として働く。時間変動電圧供給装置（３）及び時間変動電圧計（４）はいずれも、多重静電容量測定センサセルの間で共有することができる。
【００１４】
図３は、本発明の実施形態の電気結線図の一部分を示す。３×３アレー内の９つの同一の感知電極（２１）、（２２）、（２３）、（３１）、（３２）、（３３）、（４１）、（４２）、及び（４３）が示されている。当然、他の異なる大きさのアレー（これよりも大きいか小さい）を用いることができる。これらの感知電極は、駆動及び感知コンデンサの両方の一部である。駆動コンデンサの他の端子は、刺激電極である。センサ電極よりも下の刺激電極は、物理的に独特であるが、同じ行の全ての刺激電極は、電気的に接続されている。共通ノード（１４）及び（１７）は、電源（１３）及び（１２）によりそれぞれ駆動される。電力を節約するために、特定の行のセンサセルの静電容量の測定中には、１つの電源のみが作動する。図３では、電源（１２）が作動してノード（１７）を時間変動電圧で駆動するが、電源（１３）は、作動しないか又は他の方法で静的に駆動される。
【００１５】
図３は、センサアレーの該当部分に追加された９つのスイッチ（１５）及び（１８）を示す。各スイッチ（１５）及び（１８）は、共通駆動の刺激電極（１４）及び（１７）の方向と垂直の方向に向いたワイヤに接続される。ノード（１７）が電源（１３）により駆動される場合は、感知電極（２２）、（３２）、及び（４２）に接続されたスイッチ（１８）は閉鎖される。他の全てのスイッチ（１５）は開放される。電圧計（１６）は、それぞれ、１つのセンサ電極のみに接続される。このような駆動ノード及び電圧計の接続の垂直方向の配置は、センサ電極の行に沿うセンサ静電容量の同時測定を考慮したものである。
【００１６】
共通ノード（１７）が電源（１２）及び電源（１３）により一定電位で駆動される場合に対しては、３つのスイッチが閉鎖され（１８）、６つのスイッチ（１５）が開放される。感知電極（２２）、（３２）、及び（４２）は、それぞれの電圧計（１６）に接続される。１つの目標電極（１１）が感知電極（３２）を覆う場合に対しては、電極（３２）に接続された電圧計（１６）の電圧は、感知電極（２２）又は（４２）のいずれかに接続された他方の電圧計（１６）の電圧よりも低い。このようにして、感知電極（３２）における目標電極の存在が検出可能であると共に、電極（１１）及び（３２）間の静電容量の測定も可能であり、従って、電極（１１）及び（３２）間の距離に関する情報も得ることができる。
【００１７】
図４は、図３の概略図に対応する本発明の実施形態を示す。スイッチ（１５）及び（１８）は、物理的にセンサ電極アレー区域内にあるように示されている。各スイッチは、対応するセンサ電極と物理的に隣接するように示されている。同じ列の全てのスイッチは、１つの電圧計（１６）に接続される。多重目標電極（１１）又は単一目標電極（１１）の複雑な形状は、全ての感知静電容量値を連続的に測定することにより推定される。
図５は、本発明の別の実施形態を示す。全てのスイッチ、従って全てのトランジスタ素子は、センサ電極アレー区域の外側に配置される。
【００１８】
本発明の特定の実施形態の以上の説明は、例証及び説明のために示されたものである。これらは、網羅的でも本発明を正確に開示した形態に限定するものでもなく、以上の教示内容に鑑みて明らかに多くの変更及び変形が可能である。これらの実施形態は、本発明の原理とその実際的な応用を最も良く説明するために選択して説明され、それによって、当業者が本発明及び様々に変更された様々な実施形態を想定される特定用途に適するように最も良く使用することを可能にする。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲及びその均等物により規定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】容量式分圧器要素の実施形態を示す図である。
【図２】刺激、感知、基準、及び目標電極を示す単一センサセルの実施形態の図である。
【図３】容量式センサシステムの代表的な部分を示す容量式センサの実施形態の概略図である。
【図４】図３の概略図に対応する個々の行刺激時間変動電源と列共有時間変動電圧計とを用いる容量式センサシステムの一部分の実施形態の図である。
【図５】列スイッチマトリクスがセンサアレーの外側にある、図３の概略図に対応する個々の行刺激時間変動電源と列共有時間変動電圧計とを用いる容量式センサシステムの一部分の別の実施形態の図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004528572.tif 000021
【国際調査報告】
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