(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋検知装置において、
指紋パターンを検知するための容量センサーセル、
指紋パターンを検知する人の体に結合されるべく適合されている電圧出力端子、
第１及び第２入力電圧を交互に供給するために該電圧出力端子へ接続されている第１電圧源、
指紋パターンを検知している間に逐次的に前記第１及び第２入力電圧を該電圧出力端子へ選択的に供給する第１スイッチ、
該容量センサーセルの出力を受取る増幅器、
第１及び第２基準電圧を交互に供給するための第２電圧源、
指紋パターンを検知している間に逐次的に前記第１及び第２基準電圧を該増幅器へ選択的に供給する第２スイッチ、
を有しており、該入力電圧と該基準電圧との間に位相関係があることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項２】
請求項１において、前記電圧出力端子が前記容量センサーセルに隣接して位置されている導電性金属ストリップであることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項３】
請求項１において、更に、
シリコンからなる基板、
前記基板内に形成されている集積回路、
前記集積回路の上部層としての誘電体層、を有しており、前記誘電体層の上表面が指紋パターンを受取るために露出されており、前記容量センサーセルが前記集積回路の一部として形成されていることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項４】
請求項３において、前記電圧出力端子が前記誘電体層の上表面内に位置されている第一組の金属ストリップを有していることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項５】
請求項３において、更に、前記誘電体層の上表面に位置されている第一組の金属ストリップ、前記誘電体層の上表面に位置されている第二組の金属ストリップ、前記第一組の金属ストリップが前記電圧出力端子であるか又は前記第二組の金属ストリップが前記電圧出力端子であり且つ他方の組の金属ストリップが接地電圧へ結合されるように選択する制御回路、を有していることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項６】
請求項１において、更に、
指紋パターンの検知期間中に前記容量センサーセル上に配置した指を接地へ結合させるために前記容量センサーセルに隣接して位置されている接地端子、
を有していることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項７】
請求項１において、前記容量センサーセルがコンデンサの単一のプレートを包含しており、指が存在する場合には、それが前記セルに対するコンデンサの第二プレートを提供することを特徴とする指紋検知装置。
【請求項８】
請求項１において、前記容量センサーセルがコンデンサの２つのプレートを包含しており、且つ指が存在する場合には、それが前記セルに対するコンデンサの３番目のプレートを提供することを特徴とする指紋検知装置。
【請求項９】
請求項８において、更に、前記コンデンサの一方のプレートへ結合されている入力端と前記コンデンサの他方のプレートへ結合している出力端とを具備している反転用増幅器を有していることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１０】
請求項９において、更に、
前記反転用増幅器の入力端へ結合している第一のプレートと補償電圧端子へ結合している第二のプレートとを具備している入力補償コンデンサ、
第１及び第２補償電圧を交互に供給するための第３電圧源、
指紋パターンを検知している間に逐次的に前記第１及び第２補償電圧を前記補償電圧端子へ選択的に供給する第三スイッチ、
を有していることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１１】
請求項１０において、前記第一スイッチ及び前記第二スイッチが同時に異なる電圧へスイッチするように同一のクロック信号によって制御することを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１２】
請求項１０において、前記人の体の電圧が検知期間中に低から高へスイッチされるように、前記第一入力電圧が低い値であり且つ前記第二入力電圧が高い値であることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１３】
請求項１２において、前記反転増幅器への入力信号が検知期間中に高から低へスイッチされるように前記第１補償電圧が高い値であり且つ前記第２補償電圧が低い値であることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１４】
請求項１において、前記人の体の電圧が検知期間中に低から高へスイッチされるように前記第１入力電圧が低い値であり且つ前記第２入力電圧が高い値であることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１５】
請求項３において、更に、
前記集積回路の前記上部層である前記誘電体層上方の物質の層、
を有していることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１６】
請求項３において、更に、
前記基板及び前記誘電体層を包含して前記検知装置全体を取囲んでいる液密保護層、
を有していることを特徴とする指紋検知装置。
【請求項１７】
指紋パターン検知方法において、
指紋センサーセルに隣接して指を配置させ、
前記指を第１電源へ結合させ、
指紋パターンを検知し、
指紋パターンの検知期間中に前記指の電圧を変化させ、
該指紋パターンの検知結果を増幅器へ出力し、
該増幅器へ電圧を入力し、
該指上の電圧の変化に対しての位相関係で該増幅器へ入力される電圧を変化させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７において、更に、
指を前記センサーセルに隣接して配置させる前に指の上に手袋をはめる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７において、更に、
前記センサーセルに隣接して指を配置させる前に前記センサーセル上に保護層を配置させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９において、更に、
前記センサーセルのクリーンな上表面を維持するために周期的に前記センサーセル上の前記保護層を除去し且つ前記センサーセル上に異なる保護層を配置させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１７において、更に、
前記指紋センサーセルを第２電源へ結合させ、
指紋パターンを検知し、
指紋パターンの検知期間中に前記センサーセルに対して前記第２電源によって供給される電圧を変化させる、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は指紋パターン認識に関するものであって、更に詳細には、改良した指紋パターン検知回路及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
指紋パターンを検知するための容量センサーは公知である。人の指紋における谷と山のパターンを決定するための容量センサーを記載する多数の特許が存在している。米国特許第４，３５３，０５６号は指を受取り且つ小型のコンデンサからなるアレイを使用して皮膚の山と谷とを検知する検知表面を具備している容量指紋センサーを記載している。米国特許第５，３２５，４４２号は、行及び列の形態に配列した複数個のコンデンサを使用する指紋検知及び認識回路を記載している。
【０００３】
ある容量センサーは、米国特許第５，９７３，６２３号からとった図１及び２に示したような負のフィードバックを具備するシリコン内の２個又はそれ以上のプレートを使用して動作する。マルチプレートシステムにおいては、ユーザの指がシリコン内の２個のプレートの間に存在する容量を変化させる。指紋において谷又は山が存在するかの検知において負のフィードバック回路が使用される。
【０００４】
ある容量センサーは、センサーセルあたりシリコン内において単一のコンデンサプレートを使用して動作する。このタイプのセンサーは米国特許第５，３２５，４４２号に示されている。図３及び４は従来技術である。この特許からの図はセンサーセルへアクセスするために単一の容量プレート１４とスイッチング装置１６とを例示している。ユーザの指が該コンデンサの他方のプレートを提供している。従って、該コンデンサの値が検知されて山又は谷の存在を決定する。
【０００５】
従来の容量指紋センサーに関連する問題の１つは山を谷から区別するための感度レベルである。容量検知を介して良好な指紋パターンを得ることの困難性は個人個人によって異なる場合がある。ある人の場合には、その皮膚特性に依存して、他の人よりもパターンを得ることはより困難な場合がある。従って、全ての人に対してより一様な感度を提供する改良した容量検知方法を有することが望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、改良した指紋パターン検知技術を提供することを目的とする。本発明の別の目的とするところは、全ての人に対して実質的に一様な感度を提供することが可能な指紋検知装置及び方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理によれば、容量指紋検知装置が提供され、それは指紋パターンを検知する個人の体に可変の電圧を与える。従って、指は入力期間中に可変電荷転送を提供すると共に検知すべき可変容量を提供するという二重の機能を達成している。両方の機能を達成する効果は、各センサーセルにおいて山又は谷を有する測定可能な効果を実効的に増加させることである。山と谷との間の差を認識し且つ区別する上での検知動作が著しく向上される。
【０００８】
人の体への電気的接続は任意の数の許容可能な技術によって行うことが可能である。好適実施例によれば、人の指が指紋センサーパッド上に配置される場合に人の指に対する電気的接触が与えられる。電気的導体へ接続されている論理制御回路が検知タイミングに関連して予め設定したタイミングシーケンスに従って該電気的状態上にステップ電圧を印加させる。この実施例においては、指紋を検知中のユーザの指と可変入力電圧との間に直接的な接続が存在している。
【０００９】
別の実施例においては、容量転送によって人の体に電圧変化を与える。検知が行われている間に電圧変化を提供するためにシリコン内の大型のプレートコンデンサが指へ電荷を転送するための一方のプレートを提供する。一方、電圧変化は別の指又はその他の付属器官を介してユーザの体へ結合させることが可能である。例えば、そのコネクタはその人の他方の手、腕又は該体のその他の任意の許容可能な部分へ接触させることが可能である。何故ならば、改良した容量検知能力を得るためにその人の体における電荷変化を与えることが必要であるに過ぎないからである。
【００１０】
本発明は、シリコン内の１個の容量プレートと他方のプレートを与える指とを具備するタイプ、又はシリコン内における複数個のコンデンサプレートとそれらの相対的な容量を修正する導体である指を使用するタイプのセンサーセルと共に使用することが可能である。
【００１１】
１実施形態においては、指紋又はセンサー回路はシリコン内のフィードバックコンデンサの２個のプレート及びその間のフィールドを具備する負のフィードバック増幅器を包含している。該２個のプレートの間のフィールドはユーザの指、即ち山又は谷によって変化される。谷を有することの効果は、山を有する場合よりも検知容量が一層大きいことである。山が存在する場合には、フィードバック容量は谷の場合と比較して減少される。換言すると、コンデンサのプレートから皮膚が遠ければ遠い程、それらの間の実効容量を減少させる効果はより小さく、且つ検知される容量は山の場合よりも谷の場合により高い。一方、例えば谷が存在する場合のようにセンサーからの皮膚の距離がより大きい場合には入力容量は減少する。回路の感度を決定する検知 (フィードバック)容量に対する入力容量の比であるので、それらを反対の方向に変化させる回路は測定感度を著しく増加させることとなる。従って、入力コンデンサとして及びその値を検知するコンデンサに対する可変プレートの両方として人の体を使用することによって著しい改良が与えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１はその上に複数個のセンサーセル２を具備している基板１を示している。センサーセル２はアレイ３の形態にあり且つ該基板の上に配置される指の指紋パターンを検知すべく構成されている。アレイ３は水平スキャンエレクトロニクス５及び垂直スキャンエレクトロニクス６によって駆動され、従って制御器７の制御下における既知のタイミングシーケンスにおいて各個別的なセル２が選択される。
【００１３】
特に、各センサーセル２は基板１の上に配置される指の指紋パターンの谷又は山の有無を検知するためのエレクトニクスを包含している。制御器７は電源回路１２０を有しており、それは電力供給源９５から電力を受取る。各検知セル２は各個別的な列のライン１７に出力を与える。その出力はチップバス９上へ供給され、それは出力増幅器８へ供給され且つ端子１０においてセンサーアレイ３の出力端へ供給される。端子１０におけるセンサーアレイ３の出力は指紋パターン認識エレクトロニクスへ供給され、それは該信号を指紋パターンの形態とさせ且つそれを他の指紋パターンと比較して基板の上に配置された指の指紋パターンの認識を行う。指紋パターン認識を行うためのアレイ３の特定の詳細及び制御器７との間の相互作用は米国特許第５，９７３，６２３号に記載されており、その特許を引用によって本明細書に取込む。今日当業者にとって入手可能な多数のその他の特許及び刊行物に記載されているような任意の許容可能な技術によって指紋パターン認識を行うことも可能である。
【００１４】
図２は従来技術に基づいて山又は谷の有無を検知する場合に使用することが可能な単一センサーセル２のエレクトロニクスを示している。図２に示したセルは各セルに対して半導体基板内に２個のプレートを有するタイプのものであり、指が既存のコンデンサの容量値を修正するための３番目のプレートを与える。それは３プレートセルと考えることが可能であり、即ち基板内の２個のプレートとその上方の１個のプレートである。セル２に対する特定のエレクトロニクスが単に１つの例として提供されており、それによってセルを構成することが可能である。該個別的なセルのエレクトロニクスは例としてのみ提供されているのに過ぎないので、その他の許容可能な技術を使用することも可能である。セル２は誘電体層１１を有しており、その上に人の指が配置される。誘電体層１１は上表面１２５を有しており、それは人の指１８と直接的に接触される。指１８はセル２と接触する位置において山又は谷を有しており、図２に示した例では山を有する場合が示されており、従ってそれは基板１１に対して押圧されており且つ表面１２５と接触している。誘電体層１１は図２に示したように厚さＤを有している。
【００１５】
プレート２４と２３とを具備するコンデンサが誘電体層１１の背面に設けられている。セル２４の入力プレートが反転増幅器１３の入力端子へ接続しており、且つ出力プレート２３が反転増幅器１３の出力端へ接続している。検知が行われない場合には反転用増幅器１３を既知の状態へリセットさせるためにリセットスイッチ１９が閉じられる。コンデンサ２０は端子２１においてＶrefを介して印加されるステップ電圧Ｎを供給する。コンデンサＣinは反転用増幅器１３の入力ノード１６へ既知の電荷を与えるために既知の値のものである。
【００１６】
図３及び４は本発明を使用するために修正するこが可能な別の許容可能なセンサーアレイ３及びセル２を例示している。特定のセンサーセル２は発明者Ｋｎａｐｐである米国特許第５，３２５，４４２号から公知のものであり、その特許を引用によって本明細書に取込む。特に、該特許のセンサーセルは行ドライバ１００及びセンサー回路１０２を有している。
【００１７】
図３及び４のセル２は、各セルに対して半導体基板内に一方のプレートを具備しているタイプのものであり、指が２番目のプレートを提供して２つのプレートでコンデンサを形成する。行ドライバ回路が行導体１０４をアクセストランジスタ１０６のゲートへ結合する。該基板内の一方のコンデンサプレート１０８が検知電極として作用する。指１８が容量λの他方のプレートを提供し、且つ山又は谷の存在が該コンデンサを形成するプレート１０８とプレート１８との間の距離に基づいて決定される。個々のコンデンサの容量は指と検知プレート１０８との間の間隔の関数として変化する。指の山がプレート１０８へ隣接しており且つそれに非常に近い場合により大きな容量が発生し、且つ谷がプレート１０８に隣接しているがそれが谷であるためにプレートからより離れている場合により小さな容量が発生する。
【００１８】
図２の３プレートセルであるか又は図４の２プレートセルであるかに拘わらず、容量指紋センサーは、コンデンサ上に蓄積される電荷の量が容量と電圧の積に比例するという原理に基づいて動作する。
【００１９】
【数１】
0004261100.tif 000002
【００２０】
尚、ｑは電荷量であり、ｖはコンデンサ上の電圧であり、Ｃは容量値である。公知の如く、コンデンサの容量値はプレート間の距離と共に変化する。指紋パターンセンサーにおいて、山であるか又は谷であるかに拘わらず指はコンデンサの１つのプレートとして作用する。距離は指紋において変化し、即ち山の場合は小さく且つ谷の場合は大きく、その容量も異なる。例えば図２に示したような３プレートセンサーにおいては、後の式によって説明するように、基板内の２個のコンデンサプレートの間のフリンジ効果に依存して容量値も変化する。
【００２１】
蓄積される電荷の値又は蓄積される電荷の割合は、所望により、１実施例において測定し且つ検知することが可能である。このことはコンデンサ上に電流又は電圧を印加し且つ蓄積された電荷に対応する測定値を得ることによって幾つかの装置において行われる。
【００２２】
この方法に関する変形例は、コンデンサ上の電荷の変化に基づく出力電圧における変化を測定することである。出力電圧検知に対する基本的な式は以下の如くに式１から得ることが可能である。
【００２３】
【数２】
0004261100.tif 000003
【００２４】
尚、Ｖoutはセル２からの出力電圧であり、ｑは電荷であり、Ｃは容量値である。
【００２５】
絶対値としてＶoutを測定する代わりに、基本的な値の既知のリセットからＶoutにおける変化を測定することが望ましいことが多々ある。山又は谷を検知するために電圧における変化を測定するセルの場合には、以下の式が適用される。
【００２６】
【数３】
0004261100.tif 000004
【００２７】
尚、ΔＶoutは端子１７上の電圧における変化であり、Δｑは容量上の電荷における変化であり、Ｃsは検知される容量であり、即ち、山であるか又は谷であるかに拘わらず指１８が隣接されているセンサーにおけるコンデンサプレートの容量である。山及び谷の存在は容量における変化に変動を発生させる。特に、後に記載するように、センサー２の近くに山又は谷が存在すると、検知される容量を夫々減少又は増加させ、従って山及び谷を区別することが可能である。
【００２８】
図５，６，７は、夫々、本発明に基づく変形実施例を示している。図５−７の各々において、誘電体層１１がセンサーセル２の上方に位置されている。誘電体層１１のすぐ上に、指紋パターンを検知するためにユーザの指１８が位置されている。勿論、本明細書において使用する指紋という用語は手の親指、足の親指、足、額、又は人を識別するために変化を検知する何等かのその他の表面等の人のいずれかの体の一部の上における皮膚組成における変動を包含するものとして使用されている。図５−７に示した実施例においては、指１８はセンサーセル２の直接上に山を有している。従って、その指は基板１１に対して単一の平坦なものとして表われている。殆どの場合においては、センサーセル２は指紋の山の幅よりも一層小さいので、セル２から見た場合には、指１８が誘電体層１１の上表面に当接しているように見える。例えば図８Ａ，８Ｂ，９，１５Ａ，１５Ｂ等のその他の図においては、指紋の異なる部分、即ち山であるか又は谷であるかに対してのアレイの応答を示すために複数個の異なるセンサーセル２が示されている。
【００２９】
以下に説明するように、図５の回路の動作が図８Ａ及び８Ｂに模式的に示してある。図６及び７の回路は模式的に図９及び１０に示してあり、それらについてはこれら２つの図に関してより詳細に説明する。
【００３０】
図８Ａ及び８Ｂは概略図５に示したセンサーセルを使用して本発明を例示するための検知原理を示している。図８Ａは各セルに対しての２プレートキャパシタシステムを示しており、指１８が一方のプレートであり且つプレート１４はセンサー電極であり且つ他方のプレートである。２個のセルが示されており、そのうちの一方は山にあり且つ他方は谷にある。
【００３１】
理想的な場合においては、Ｃsは該式に影響を与える唯一の容量であり、従って式 (３)は検査中の指の唯一の直接的な特性付けであるが、実際には、回路の異なる部分において発生する種々の寄生容量が存在している。回路の種々の部分における寄生容量の全ての効果が結合されると、それらは以下の式 (４)によって示されるように検知される容量と加算される。
【００３２】
【数４】
0004261100.tif 000005
【００３３】
尚、Ｃpはセル出力に影響を与える寄生容量である。然しながら、寄生容量Ｃpは、時々、極めて大きなものとなる場合がある。特定の回路設計に依存して、ＣpはＣsよりもかなり大きなものである場合がある。幾つかの場合において、それは１０倍より大きなものとなる場合がある。Ｃpが余り大きい場合には、式（２）及び (４)を共に検討することによって理解されるように、検知中の全体的な容量においてＣsにおける変化は非常に小さな変化を発生するに過ぎないものであるように該式を支配することとなる。従って、寄生容量が検知中の容量よりも著しく大きい場合には、セル２の感度が減少される。殆どの適用例において、検知中の容量は極めて小さいものである。何故ならば、単一の指紋における山と谷との間の容量値における差のみの検知に基づいているからである。
【００３４】
最大信号出力と最小信号出力との間の区別する能力に基づいてセンサーの感度を定義することが可能である。感度は以下の如くに表わすことが可能である。
【００３５】
【数５】
0004261100.tif 000006
【００３６】
尚、δは感度であり、ΔＶoutmaxは可及的に最も高い出力電圧であり、ΔＶoutminは測定期間中における可及的に最も低い出力電圧である。従って、出力電圧における最大変化と最小変化との間のより大きな差と共に且つ出力電圧における最小変化を可及的に最も低い値へ減少させることによって増加する。
【００３７】
図８Ａの回路においては、出力電圧はＣplate ridge及びＣplate valleyの間の差に基づいてセル１とセル２とでは異なっている。該セルのその他の全ての側面は同一である。従って、両方のセルは同一のＣin値及び同一のＣp値を有している。
【００３８】
図８Ａを参照すると、出力電圧における変化は以下の如くに定義することが可能である。
【００３９】
【数６】
0004261100.tif 000007
【００４０】
尚、ΔＶinは検知期間中の入力電圧における変化であり、Ｃinは入力コンデンサであり、Ｃpは寄生容量であり、Ｃplate bodyはプレート１４と体１８から構成される容量である。
【００４１】
勿論、夫々Ｃplate ridge及びＣplate valleyとして定義される山及び谷の間の差と体Ｃplate bodyとを区別することが望ましい。
【００４２】
プレートコンデンサ値は山の場合にその最大値にあり且つ谷の場合にその最小値にあり、従って式 (６)はセル２に対して示したようにセルの上側の谷に対して以下の如くになる。
【００４３】
【数７】
0004261100.tif 000008
【００４４】
山の場合には、以下の結果となる。
【００４５】
【数８】
0004261100.tif 000009
【００４６】
Ｃplate ridgeはある係数ΔだけＣplate valleyより大きいので、これらの式は以下の如くに簡単化することが可能である。
【００４７】
【数９】
0004261100.tif 000010
【００４８】
尚、ΔＣplate ridgeは谷と山との間の容量差である。これを式 (９)に代入すると次式が得られる。
【００４９】
【数１０】
0004261100.tif 000011
【００５０】
システムの全体的な感度を理解することが望ましく、それは式 (５)に記載されており且つ再度以下の如くに与えられる。
【００５１】
【数１１】
0004261100.tif 000012
【００５２】
上の値に対して式 (７)及び（１０）を代入すると、以下の式 (１２)が得られる。
【００５３】
【数１２】
0004261100.tif 000013
【００５４】
寄生容量Ｃp及び入力容量Ｃinの両方の効果は実効感度を減少させることを理解することが可能である。プレートに対する理想化した感度δplate (寄生容量が不存在)を以下の如くに定義することが可能である。
【００５５】
【数１３】
0004261100.tif 000014
【００５６】
代数学の観点からの簡単化のために、値αを以下の如くに設定する。
【００５７】
【数１４】
0004261100.tif 000015
【００５８】
式 (１３)及び (１４)を式 (１２)に代入すると、次式が得られる。
【００５９】
【数１５】
0004261100.tif 000016
【００６０】
半導体基板においては、Ｃinは注意深く制御することが可能であり且つゼロに近づく無視可能なものであるように非常に低い値に減少させることが可能である。一方、ＣpはＣplate valleyよりも１０倍を超えてより大きなものであり、最大で２０乃至１００倍より大きなものとなる場合がある。Ｃpはゼロへ減少させることは困難であり、従ってＣpは１０×Ｃplate valleyに等しいものと仮定する。これにより次式が得られる。
【００６１】
【数１６】
0004261100.tif 000017
【００６２】
結果的に得られる実効感度は次の通りである。
【００６３】
【数１７】
0004261100.tif 000018
【００６４】
従って、このタイプの検知動作の場合には、感度はプレート感度δplateを１１で割算したものとなる。従って、Ｃpの効果は感度において著しい減少を発生する。Ｃpがより高くなるに従って、感度は更に減少する。
【００６５】
図８Ｂは、体にＶinを印加することはどのようにして感度を増加させ且つＣpの効果を減少させることが可能であるかを示した本発明の１実施例を示している。図８Ｂにおいて、ステップ電圧ΔＶinが指１８へ印加され、且つ体はコンデンサＣinとして作用する。この場合には、Ｃinの値はセルの上方に谷が存在するか又は山が存在するかに依存して、各セルに対して異なっている。セル１、即ち山の場合には、Ｃinの値は山に対してはより高く且つ谷に対してはより低い。山が存在するか又は谷が存在するかによって発生される容量変化は実効的に出力における変化を増幅させるものとして考えることが可能である。何故ならば、それは入力信号と検知信号の両方に影響を与えるからである。その結果は次式から理解することが可能である。
【００６６】
【数１８】
0004261100.tif 000019
【００６７】
Ｃplate ridgeはΔＣplate ridgeだけＣplate valleyより大きいものであり、且つΔＣplateはΔＣplate ridge／Ｃplate valleyとして定義されるので、以下の式が得られる。
【００６８】
【数１９】
0004261100.tif 000020
【００６９】
【数２０】
0004261100.tif 000021
【００７０】
【数２１】
0004261100.tif 000022
【００７１】
式 (２１)はＣpが分子と分母の両方に存在していることを示している。従って、Ｃpの効果は、該式における１に等しい値に向かってそれ自身相殺することである。Ｃpが大きくなる場合であっても、その結果は感度に関するその効果を相殺することである。何故ならば、それはその比において上と下の両方に存在しているからである。代数的簡単化のために次式を定義すると、
【数２２】
0004261100.tif 000023
【００７２】
次式が得られる。
【００７３】
【数２３】
0004261100.tif 000024
【００７４】
従って、Ｃp＝１０Ｃplate valleyであり、且つ更にＣp≒ΔＣplate ridgeであると仮定すると、上の式から得られる結果は次式となる。
【００７５】
【数２４】
0004261100.tif 000025
【００７６】
従って、次式が得られる。
【００７７】
【数２５】
0004261100.tif 000026
【００７８】
式 (２５)は、図８Ｂの単純な場合に対して適用した本発明に対する感度において５倍の改良が得られることを示している。
【００７９】
図５は図８Ｂの例に示した本発明の原理を利用する単一セルの回路を示している。指１８をその上に有するプレート１４に結合されている選択トランジスタ１１２が出力Ｖoutを与える。ステップ電圧入力信号Ｖinを有する電圧端子２１が指１８へ接続している。
【００８０】
図６は本発明の原理に基づく指紋検知用の別の例を示している。図６に示したセンサーセルは、図５の単一プレートセンサーセルよりも更に顕著な結果を与える別の例である。
【００８１】
本発明の原理に基づいて、検知動作期間中に、電気的導体２１が指紋を検知する人の体へ接続されている。それは、例えば、指紋を検知する指自身、ユーザの手、ユーザの使用していない手、足、導電性足パッドを介して、又はその他の位置等の任意の便宜的な位置へ結合することが可能である。電気的導体２１は可変電圧供給源ΔＶinへ接続している端子９９を有している。各個別的なセル２における検知動作のタイミングに関連して体、従って指１８上の電圧の既知の変化を与えるために電子制御器７でタイミングシーケンスにおいてΔＶinが直接的に制御される。特に、検知動作の始めにおいて、ΔＶinは、通常、低い値であり、且つ、検知動作が開始すると、端子ΔＶinは印加される信号波１１４によって示されるように、ステップ電圧の高い値となる。電圧ΔＶinが高い値にある間に検知動作が発生した後に、セル２はリセットされ且つ電気的導体２１は低い値へ復帰し、次の検知サイクルの準備としてセル及び体の両方をリセットモードとさせ、次の検知サイクルにおいては、ΔＶinは図４における信号波１１４によって示される上方向への別のステップ値が発生する。
【００８２】
ΔＶinのステップはスイッチ１９の開閉を制御するクロック信号φrのタイミングシーケンスに関連して同期している。即ち、スイッチ１９が開かれ、その後に、ΔＶinが上方へステップ関数が発生し、従ってスイッチ１９が開いている場合に電圧変化ΔＶinが発生する。このことは反転増幅器１３への入力ノード２５上に変化を発生し、そのことは前の式において説明したように、ΔＶoutに対応するＶoutに電圧変化を発生する。
【００８３】
図２，６，７，９，１０の３プレートコンデンサシステムは、２つの効果によって出力電圧に変化を発生し、即ち、既に説明したプレート効果と、２つのプレート２３及び２４の間のフリンジ効果である。フリンジ効果の場合には、山の存在がプレート２３と２４との間のフリンジ容量を著しく減少させ、一方谷は殆ど又は全く減少を発生することはない。コンデンサのプレートに隣接して導体を有することはコンデンサプレート間のフィールドラインの幾つかを接地させる。一方、谷がセンサーセル２の上方に存在する場合には、検地された容量Ｃsは山の場合よりも一層大きい。何故ならば、谷はセル２から更に離れた導体を有しているからである。理想的な場合においては、容量の減少はゼロとさせることが可能であるが、実際の場合には、谷の場合でも容量値において僅かな減少を発生する場合がある。然しながら、一般的な原理がマルチプレート容量センサーに対して適用され、従って、Ｃsは、谷におけるように、セルからの指１８の距離がより大きい場合にはより大きく、且つＣsは、山におけるように、セルに指がより近い場合には減少する。即ち、谷に対して検知されたプレート容量Ｃsは山に対してのものよりも一層大きい。
【００８４】
プレート効果とフリンジ効果とを比較すると以下の通りである。
【００８５】
【数２６】
0004261100.tif 000027
【００８６】
【数２７】
0004261100.tif 000028
【００８７】
前に説明したように、次式が成立する。
【００８８】
【数９】
0004261100.tif 000029
【００８９】
【数１３】
0004261100.tif 000030
【００９０】
プレート２３と２４との間のフリンジ容量の場合には、以下の如くに記載することが可能である。
【００９１】
【数２８】
0004261100.tif 000031
【００９２】
【数２９】
0004261100.tif 000032
【００９３】
尚、δfringeはフリンジコンデンサに対するプレート２３と２４との間の理想化した感度である。
【００９４】
図２を観察すると、コンデンサＣinに適用されたＶinでの検知動作の従来の結果は以下の式によって理解することが可能である。
【００９５】
【数３０】
0004261100.tif 000033
【００９６】
【数３１】
0004261100.tif 000034
【００９７】
【数３２】
0004261100.tif 000035
【００９８】
これらの式を感度方程式 (１１)に代入すると、次式が得られる。
【００９９】
【数３３】
0004261100.tif 000036
【０１００】
次に、入力電圧を体に印加するために本発明を使用した図６について説明する。フリンジコンデンサＣfringeはフィールドライン３９によって表わされており且つＣplateはフィールドライン３７によって表わされており、その結果は以下の如くになる。
【０１０１】
【数３４】
0004261100.tif 000037
【０１０２】
Ｃfringe ridge及びＣfringe valleyに対する式を使用して、次式が得られる。
【０１０３】
【数３５】
0004261100.tif 000038
【０１０４】
【数３６】
0004261100.tif 000039
【０１０５】
【数３７】
0004261100.tif 000040
【０１０６】
【数３８】
0004261100.tif 000041
【０１０７】
【数３９】
0004261100.tif 000042
【０１０８】
理解されるように、理想化した感度は従来技術と比較して著しく増加する。次に、図７，９，１０を参照して説明する。回路の更なる実施例を図７に示してあり、理論的な模式図を図９及び１０に示してある。この実施例においては、付加的な補償電圧ΔＶcをフィルタコンデンサＣfへ印加し、電圧ΔＶcは波形ΔＶinと反対である。
【０１０９】
非理想的な場合においては、増幅器１３の利得Ｇは有限であり、図１０に示したように、増幅器１３の入力ノード及び出力ノード上には寄生容量Ｃpが存在している。
【０１１０】
体が入力コンデンサとして使用されているので、Ｃplateの値は全入力ノード容量に貢献する。
【０１１１】
【数４０】
0004261100.tif 000043
【０１１２】
非常に大きなＧの場合には、係数のうちの１つが１となり且つその他の係数は０となり、従って次式が得られる。
【０１１３】
【数４１】
0004261100.tif 000044
【０１１４】
前の式を代入することによって次式が得られる。
【０１１５】
【数４２】
0004261100.tif 000045
【０１１６】
Ｇが大きくなると、σはゼロに向かい且つεはゼロへ向かう。
【０１１７】
従って、本発明は、非理想的な場合において、寄生容量を完全に相殺し、且つ増幅器１３の利得Ｇが高くなるに従って感度を増加させる効果を有している。上式 (４２)において、次式が得られる。
【０１１８】
【数４３】
0004261100.tif 000046
【０１１９】
【数４４】
0004261100.tif 000047
【０１２０】
その結果は、大きいが有限の利得Ｇを有する非理想的な場合においても、次式に近づく。
【０１２１】
【数４５】
0004261100.tif 000048
【０１２２】
図７は本発明の原理に基づく回路に対する別の実施例を示している。数学的計算について説明したので、図７の回路２ついてより詳細に説明する。即ち、図７の回路は、入力端２５において別のコンデンサＣfが存在しているという点において図６の回路と異なっている。この別のコンデンサＣfは感度を向上させ且つ更に増加させるために入力ノード２５に対する補償コンデンサ又はフィルタとして作用する。コンデンサＣfの一方のプレートは検知ノード２５へ接続しており、一方該コンデンサの他方のプレートは補償電圧を表わす電圧源Ｖcへ接続している。電圧源Ｖcも既知のタイミングシーケンスに従って電圧変化を経験し、従って、ΔＶcとして示してある。好適実施例においては、補償電圧ΔＶcは体に印加されるΔＶinのものと正に反対の電圧変化を経験する。即ち、信号ΔＶin及びΔＶcは、通常、互いに反転関係にあり、従って、ΔＶinがステップアップを経験すると、ΔＶcはステップダウンを経験する。本発明の原理に従って、ΔＶin及びΔＶcの大きさ及び絶対的な方向は重要ではなく、ある大きさの電圧変化が望ましい。即ち、低信号から高信号へのステップ関数を経験している図７に示したΔＶinは、勿論、指１８上に電圧変化を与えるために、低信号から負電圧へ、又は高信号から低信号への変化を経験することが可能である。同様に、ΔＶinは、図７に示したように、夫々、低から高及び高から低へ遷移することが可能であり、又は本発明の原理に従って改良された検知動作を与えるために、夫々、高から低及び低から高へ遷移することが可能である。
【０１２３】
図９及び１０を使用して動作理論について説明する。理解されるように、人間の体、及び人間の体とセンサーセルとの間の電気的相互作用を特性付ける数式は、全てのファクタ及び寄生効果が包含される場合には非常に複雑なものである。従って、全ての可能なファクタ及び寄生効果を示すのではなく、本発明の基本的な動作を理解することが可能であるように、主要なファクタを包含する簡単化した説明を与えるものである。
【０１２４】
図９に示したように、端子９９に電圧変化ΔＶinが印加され、且つ端子２９には図７を参照して前に説明したように電圧変化ΔＶcが印加される。端子９９におけるΔＶinと実際の指１８との間の説明について見ると、人間の体はＺ  ＢＯＤＹ３１として示したあるインピーダンスを有していることが理解される。体３１のインピーダンスは多数の異なる電気的方程式に従って特性付けられ、且つ全体的な体インピーダンス３１として種々のコンデンサ、抵抗又はその組合わせからなるか否かに拘わらず体の全体的なインピーダンスを見るための本発明の目的にとっては充分なものである。体は、又、接地３３に対する抵抗を有しており、それは個人個人によって著しく変化し、且つ体への接続位置に基づいて変化する。理解されるように、幾つかの実施例においては、抵抗Ｒgによって特性付けられる接地３３への抵抗は極めて大きなものとなる場合がある。
【０１２５】
例えば、厚いゴム底が存在している等によって人が接地から電気的に絶縁されている場合には、抵抗Ｒgは無限大に近づき、従って、実際には、その人は接地されておらず、且つ、その体における電圧はフローティングしている。その他の実施例においては、体が直接的に接地へ接続されているので抵抗Ｒgは極めて小さい。例えば、人間の皮膚が接地用電極と直接接触している場合には、接地３３に対する抵抗は非常に小さい。従って、抵抗Ｒgに対する値は状況によって変化する場合がある。
【０１２６】
図９はアレイ３の異なる部分において互いに離隔されている２個のセンサーセル２を示している。説明の便宜上、第一のセル２は山が直接的にセル２の上方にある場合を示しており、一方第二のセルは谷がセル２の上方にある状態を示しており、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。最初に、指１８の山がセル２の直上にある状態について説明する。この状態においては、皮膚は誘電体層１１の上表面１２５と直接的に接触しているので、皮膚との間の距離はＤ1である。この場合においては、山１８の効果は、負のフィードバック増幅器１３のプレート２４及び２３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２４と２３との間の容量は容量値における減少を示したより少ない数のフィールドラインを有するフリンジフィールドライン３５によって示されている。即ち、山１８はプレート２４及び２３に近いので、フィールドラインのうちの幾つかは指１８によって干渉され、従ってプレート２４と２３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のために減少されている。このことはコンデンサプレート２４と２３との間に延在するのではなく指１８に向かうフィールドライン３５のうちの幾つかによって表わされている。
【０１２７】
検知回路の能動部分である入力容量もセンサーセル２に影響を与えている。即ち、入力コンデンサＣinも可変である。何故ならば、体から来るものは谷における場合と比較して山において高となるからである。即ち、Ｃinは山においてその最大値を有している。一方、Ｃsは山において低下し、即ちＣsは山においてその最大値を有している。山が２つの容量値に対して反対の効果を有しているという認識、即ちそれがフリンジ容量Ｃsにおける減少と入力容量における増加を発生させるという認識は、指紋パターン認識に対して改良した感度を提供するために使用される本発明の原理である。
【０１２８】
指紋パターンを検知するための数式に従って、Ｃin及びＣsは出力値Ｖoutを変化させるために使用される比である。従って、Ｃs及びＣinが反対方向に変化する場合には、これはその比を著しく変化させる効果を有しており、特に、値Ｃs又はＣinのうちの１つのみが変化する場合に発生する変化にわたってそのことが言える。特に、本発明の原理によれば、体自身が入力コンデンサとして使用され且つ検知コンデンサのために使用され、従って以下の式に関して説明するように改良した感度が得られる。電圧ステップΔＶinが印加される場合に体において発生する電荷変化を理解するために、次式を理解することが可能である。
【０１２９】
【数４６】
0004261100.tif 000049
【０１３０】
尚、Ｑinは体に与えられる電荷の量であり、従って、体が電圧変化を経験する場合にΔqに対応する。ΔＶinは端子９９へ印加される電圧におけるステップ関数変化であり、Ｃinは入力容量の値である。
【０１３１】
従来技術によれば、値Ｃinは固定されており、従ってΔＶin×Ｃinはノード１６に印加される電荷の量のステップ関数変化を形成した。即ち、値Ｑinは各セルに対して常に既知の値であり変化するものではなかった。一方、体がＣinのために使用される場合には、体がステップ関数ΔＶinを経験すると、各個別的なセルに供給される電荷の量は他のセルへ供給されるものとは異なっている。何故ならば、局所的に個別的なセルにおける値は各コンデンサＣinに対して異なっているからである。従って、入力ノード２５へ転送される電荷の量も各個別的なセルに対して異なる。理解されるように、各個別的なセルの実際の局所的な容量は精密に知られておらず、広い範囲にわたって変化する。本発明の原理の場合には、２つの極限、即ち、谷の入力容量Ｃvalley及び山の容量Ｃridgeについて考えることが可能である。コンデンサＣinは皮膚が誘電体層１１と直接に接触している山にある場合に最大値にある。一方、Ｃinは低下し、谷にある場合に最小値にある。このことは、谷においてＣin＝ｍｉｎ及び山においてＣin＝ｍａｘの式に従って理解することが可能である。個人の指紋パターンは山と谷との間で変化するので、入力容量も最小及び最大値の２つの極限から幾分変化することが理解される。
【０１３２】
次に、図９を参照すると、第二のセル２ｂの上方に谷が存在している。この場合には、指１８は誘電体層１１の上表面１２５から距離ｄ2だけ離隔している。谷は湾曲しているので、実際の形状は垂直距離ｄ2から最大距離及び中間距離へ変化する場合がある。谷が非常に大きな場合をとると、負の増幅器１３に対するフィードバックコンデンサのプレート２４と２３との間に延在するフリンジ容量フィールドライン３５の間には干渉は存在していない。特に、プレート２４と２３との間に延在するフリンジフィールドライン３５の全ては、谷がセルに隣接している場合に未だに存在しており、従ってそれはどのような態様でも容量値と干渉することはない。従って、容量値Ｃsは谷が存在する場合に最大値にある。一方、入力容量は最小値にあるフィールドライン３７によって表されている。即ち、谷が存在し且つ指１８がプレート２４から遠くの距離に離隔されている場合には、入力容量は非常に小さく、且つ大きな谷の場合には最小値にある。このことは、図示したように、入力容量が大きく且つ多数のフィールドライン３７が存在しているセル２ａの山の場合と比較される。
【０１３３】
図１０は通常動作条件下において存在する幾つかのコンポーネントの等価回路を示した模式図を示している。特に、電気的等価の観点から、入力ノード２５はそれに結合されている寄生コンデンサ４１を有している。更に、出力ノード１７はそれに結合されている寄生コンデンサ４３を有している。これらの寄生コンデンサＣpは該回路の電気的動作に影響を与える。更に、負のフィードバック増幅器１３の電気的等価物は無限大の利得を具備する理想的な負の増幅器の状態を仮定して、図７に示したように、単純なインバータ１３である。この場合には、多数のフィールドライン３５が該コンデンサのプレート２４と２３との間に延在しており、それは出力端１７から入力端２５への負のフィードバックを与える。フィールドライン３７は入力コンデンサとして使用されている体から与えられる入力容量の値及び強度を表わしている。前述したように、端子９９に対してステップ電圧ΔＶinが印加され且つ端子２１に対して反対特性のタイプのステップ電圧ΔＶcが印加される。ΔＶin及びΔＶcの実際の値は特に重要なものではなく且つ多くの場合においては、それらは異なる値である。別の実施例においては、それらは互いに逆の信号であり、従って、それらはタイミング及び大きさにおいて正確に反対に変化する。
【０１３４】
指１８によって表わされる体の容量に対するプレート４３は基板１と接触している。ステップ電圧ΔＶinが図６に関して前に説明したようにＺ  ＢＯＤＹを介して体の容量へ接続される。体がフィードバックコンデンサのプレート２４及び２３に非常に密接して隣接している皮膚の一部等の導体を有している場合には、体の容量のプレート４３は、体の導体がプレート２４及び２３から更に離れて離隔している場合と異なる効果を有している。特に、山が存在している場合には、入力フィールドライン３７は著しく増加され、従って体の容量４３及び全体的な体の導体がノード２５において入力容量を増加させる効果を有している。同時に、同一の体部分が検知動作が行われている同一のセルに対するコンデンサプレート２４及び２３に隣接しているので、図６に関して例示したように、同一の効果がプレート２４及び２３から通過するフィールドライン３５において著しい減少を発生する。即ち、入力容量及び検知容量の両方のために体を使用する効果は反対であり、一方の場合においては、入力容量を増加させ且つ他の場合においては検知容量を減少させる。該方程式のこれら２つの部分は互いに比であるので、全体的な測定感度は著しく向上される。同様に、体の容量４３がセル２に隣接している谷を有している場合には、図６に示したように谷はフィールドライン３５と干渉することがないので、減少されたフィールドライン３７によって表わされる減少された入力容量及びプレート２４と２３との間の増加された容量を有している。従って、寄生容量４１及び４３は該回路に関して全体的に減少した効果を有している。
【０１３５】
図１１及び１２は指紋検知動作が行われている間に人間の体に電圧変化ΔＶinを与える１つの許容可能な技術を示している。基板１がハウジング６０内に設けられている。基板１の面上には図８及び９に示したように複数個の電気的導体３０が位置されている。導体３０及び３１は基板１の上表面に形成した電気的導電性ストリップである。特に、これらの電気的導体は基板１上に配置されているユーザの指１８と直接的に電気的に接触される。
【０１３６】
本発明の原理によれば、電気的導体３０及び３１に対して、検知動作のタイミング及び電気的導体３０，３１と相対的に検知されるセルの位置に依存して、ステップ電圧ΔＶin又は接地電圧が印加される。１組の導体３０は、それに対して、ステップ電圧ΔＶinが印加され、前述したタイミングシーケンスに従って体にΔＶinを印加する。その他の導体は接地されて検知中のセルに隣接していない指１８の部分を接地する。この場合には、図６に示したように接地３３に対する抵抗は０に減少される。
【０１３７】
図１１及び１２に基づく回路の動作は以下の如くである。ユーザが基板１上に指を配置させると、その指の一部がワイヤ３０からなるアレイと接触し、一方該指の別の部分がワイヤ３１からなるアレイと接触する。該ワイヤのグリッドの各々の下側には複数個のセンサーセル２から構成されているアレイ３が位置している。図１２に示したように特定のセル２ａにおいて検知動作が行われると、ワイヤ３０又は３１からなるアレイが接地へ結合され且つ他方のアレイがΔＶinへ結合される。第一実施例においては、セルに最も近いグリッド３０が接地へ結合され、且つフリンジ (周辺部)から更に離隔されているグリッド、即ちグリッド３１がΔＶinへ結合される。第二の別の実施例においては、その特定のセルに隣接しているワイヤからなるグリッドはスイッチ５１によってΔＶinへ接続される。
【０１３８】
第一実施例においては、ΔＶinが高から低へ変化すると、センサーセル２から離隔している電気的導体３１が指と直接的に接触し、従ってその指もΔＶinに追従する。他方のグリッド３０は接地へ結合され、従って指１８の隣接する部分は接地に維持される。検知動作は任意の許容可能なタイプの回路を使用して進行し、そのうちの１つは図１に示した垂直及び水平スキャンパターンを使用するが、その他のものを使用することも可能である。検知動作がアレイを介して進行すると、各インスタンスにおいて、検知中のセル２から離隔しているワイヤ３０又は３１の局所化されたグリッドがΔＶinへ直接的に接続され、従って体の電圧及び該指のその部分は電圧ΔＶinに追従する。該グリッドのその他の部分は接地へ接続される。即ち、グリッド３１下側のセルが検知されている場合には、グリッド３１はΔＶinへ接続される。その後に、グリッド３１下側のセルが検知される場合には、グリッド３１が接地へ接続され、且つグリッド３０はΔＶinへ接続される。
【０１３９】
第二実施例においては、検知中のセルに隣接するグリッドはΔＶinへ結合され且つ該指又は該装置の周辺部周りの区域から離隔しているグリッドは接地へ結合される。例えば、図１３，１４及び全体的な装置の周辺端部において接地された導体が存在する場合の関連説明部分を参照すると良い。
【０１４０】
図１に示した例においては、グリッド３０及び３１の間に空間距離が存在しており、従ってそれらは互いに電気的に干渉することはない。第一及び第二実施例の間の差異はフリンジに隣接するグリッドが接地へ接続されているか又はΔＶinへ接続されているか否かに関するものであるので、第二実施例についての説明は位置を逆にした状態で同様に適用され、従って説明の繰返しは割愛する。変形例として、端部周りに又は図１３及び１４に示したように２つのグリッドの間に位置させて、又は図１２の中間電極５３によって第三電気的グリッドを設けることが可能である。この第三電極は接地とさせるか、ΔＶinへ結合させるか、又は動作期間中にΔＶinから接地へスイッチさせることが可能である。別法として、基板１１上又はそれに隣接して単に２つのグリッドを有することで充分な場合がある。
【０１４１】
図１３は本発明の原理に基づく更に別の実施例を示している。この実施例によれば、ハウジング６０は前述した如くセンサーアレイ３を内部に有する基板１を収容している。基板１は上側にセンサーアレイ３を具備する基板１を収容するための防水及び堅牢なパッケージ６０を提供するための封止物質３７を有している。端部部分における上表面上には導体３２及び３４が設けられている。導体３２及び３４は封止物質３７と直接的に隣接しているか、又は、ある場合には、オーバーラップしている。導体３２及び３４は、好適には、直接的にはセンサーアレイの部分の上にはない。その代わりに、それらはアレイから充分に離れて離隔されており、従ってそれらはセル２内の各個別的なセルの容量値に電気的なインパクトを与えるものではない。１実施例においては、導体３２は全検知動作期間中ΔＶinへ接続され、且つ導体３４は接地へ接続される。この場合には、電気的導体３２が検知動作期間中にセル２の全てに対して電圧変化ΔＶinを与える。同様に、導体３４はＲgが０にあるか又はその近くであるように体の一部を接地するために常に接地されている。各個別的なセンサーセル２の出力が供給され、従って指紋検知動作が前述した如くに行われる。
【０１４２】
別の実施例においては、電気的導体３２及び３４が互いに接続されており、パッケージ６０内の基板１の周辺端部周りにわたって連続的な単一のストリップである導電性ストリップを与えている。理解されるように、好適な動作のためには、ユーザの指は常に導体３２かまたは導体３４のいずれかと接触している。然しながら、ユーザが指を移動させると、該導体の１つ又は２つとの接触状態が外れ且つ他方の導体と圧接する。このことは検知動作能力に悪影響を有しているので、人の指が移動する場合に、既知の電圧と接触していることを常に確保することが可能であるように、センサーアレイ３を取囲む全導体が常に同一の電圧にあることが望ましい場合がある。この場合には、導体リング３２及び３４は互いに電気的に接続されており、従って両者は常に同一の電圧に保持される。本発明の原理によれば、その電圧はΔＶinであり、従って人間の体の電圧は検知動作期間中に直接的に制御される。この場合には、接地に対する抵抗は制御されない。即ち、図３に示したように、抵抗Ｒgは不知の値となる。
【０１４３】
図１４は指に対して電気的接続を与えるための導電性ハウジングシール (封止体)３４を示している。炭素、鉄、グラファイト等の導電性粒子を封止部材３４内に埋込み、従って電圧ステップをハウジング６０へ印加することが可能であり、且つそれは人の指に対して供給される。リード線、ワイヤボンディング、パッドコネクタ等を短絡しないように導電性エポキシが接続される。
【０１４４】
図１５Ａは人の指１８に電圧変化を与えるための付加的な構造を示している。この実施例によれば、大きな導電性金属線９２がユーザの指１８と電気的接続状態にあるように基板の上部部分に接続している (個々の電気的接続は簡単化のために図示していない)。金属線９２は、図１３及び１４に示したように、アレイ全体にわたって合間をおいており且つ個々のセル２の間に位置されているか又はアレイの端部上に位置された複数個のラインからなるアレイとすることが可能である。従って、人が指を指紋センサー上に配置させると、それは自動的に導体９３と直接的に接触する。電気的導体９２上の電圧を変化させることによって人の指へ電荷を注入するか又はそれから除去することが可能である。アレイ全体にわたって多数のライン９２を離隔させた場合には、ユーザは充分な数のラインと良好な電気的接触を有することを確保することが可能であり、従って所望のステップ電圧が検知動作期間中に人の指に与えられる。従って、説明の便宜上単一のラインが示されているが、例えば多数の平行な線、グリッド又はその他のパターン等の種々のパターンでその他のラインを半導体基板内に位置させることが可能であり、且つ露出された上表面を可変電圧供給源へ接続させることが可能であることを理解すべきである。
【０１４５】
図１５Ｂは人の指１８に電圧変化を与える別の回路を示している。基板内にコンデンサの大きなプレートが形成されている。これはセンサーセル２から構成されているアレイ３とは別であり且つそれから離隔されている (個別的な電気的接続は簡単化のために図示していない)。電荷転送コンデンサのプレート９３が入力電圧ΔＶinへ接続されている。ユーザの指が入力コンデンサの別のプレートとして作用する。この場合には、入力コンデンサのプレート９３は非常に大きく、従ってそれは多数の山及び谷をカバーする。その主要な目的は電荷転送であって検知動作ではない。電圧変化ΔＶinがこのプレート９３に印加されると、該コンデンサの他方のプレートとして作用する体がステップ入力電圧を受取る。この効果は以下に説明する態様で個々のセル２において検知される。アレイ全体にわたって分布されている小型のコンデンサからなるアレイも大きなものの代わりに使用することが可能である。
【０１４６】
図１６Ａ及び１６Ｂは日常の使用において遭遇する可能性のある問題に基づいた本発明の幾つかの実際的な適用例を示している。理解されるように、指紋センサーは日常において有益的に使用することが可能である。例えば、指紋センサーは自動車のドアに配置させることが可能であり、従って自動車のドアに対して人が親指又は指紋パターンを有するその他の部位を押付け、自動車のドアを開けることが許容されることが認識されるとその自動車を運転することが可能となる。同様に、指紋センサーは引用によって本明細書に取込む米国特許出願第０９／４７５，６８６号に示されており且つ記載されているタイプの遠隔自動車ロック及びアンロック機構の一部とすることが可能である。投獄期間中における個人の識別、正しい手相又は指紋が配置されるまで発射することを禁止するハンドガン用の保護装置、選択された個人に対してのみ制限されたアクセスが与えられるある部屋のロック又はアンロックすること、又はその他の潜在的な使用等の指紋を検知することが重要である可能性のある多数のその他の状況が存在している。これらの使用、特に自動車及びハンドガン用の保護装置等の各々は比較的汚れた環境において動作する。例えば、自動車は戸外に駐車される場合があり、長期間にわたって厳しい天候条件にさらされる場合がある。更に、自動車を運転しようとする人が指紋の上に塵埃、グリース又はその他の埃を有している場合があり、そのことは、標準条件下においては、指紋パターンの適切な検知動作と干渉する場合がある。更に、病院において又はその他の医学的手順においてしばしば見られるように、手に対して無菌作業環境を与えるために、人は、例えば、ラテックス、ネオプレン、ゴム又はその他の非浸透性弾性メンブレンからなる薄い手袋等の手袋を着用している場合がある。手が塵埃、埃、薄い手袋又はその他のメンブレンで被覆されている場合であっても、ユーザの指紋パターンを検知することが可能であることが望ましい。本発明はユーザにとっての実際の動作条件及び日常的作業を表わすこれらの環境において特に有用なものであることが判明している。図１６Ａ及び１６Ｂは本発明が解決を与える指紋センサーの実際的な使用において発生する場合のある２つの潜在的な状況を示している。
【０１４７】
図１６Ａはその中にアレイ３が形成されている個々のセンサーセル２を具備している誘電体基板１１を示している。ユーザの指１８が誘電体層１１の上に配置させるために位置されている。異物の層９５が誘電体層１１とユーザの指１８との間に介在している。異物の層９５はその特性及びそれが存在することすら信頼性を持って予測することが不可能な任意の異物である。それは、例えば、指紋センサーが戸外の天候条件に露呈されているために、誘電体層１１上に形成される可能性のある水滴、水の薄い層から凍結した氷、霜、雪、塵又は垢又はその他の異物等を有する場合がある。勿論、検知動作を行う前に、ユーザができるだけ塵を除去し且つ水、雪、氷及び塵埃の層のみを除去することが望ましい。大量の異物、特にそれが高度に導電性のものである場合には、センサーの適切な動作を困難なものとさせる。塵埃は、又、局所的なものであって、例えば小さな雨滴等のように幾つかのセンサーセルの上にのみ位置しており他のものには位置していない場合がある。予定しない塵埃はできるだけ最小とし且つ除去することが望ましいが、そうであっても、ある程度のものが存在する場合がある。従って、１実施例においては、層９５は指紋センサーが長期間にわたって戸外の環境にあることに基づいて異物が蓄積した場合を表わしている。更に、層９５はユーザによって着装している層である場合がある。幾つかの状態においては、層９５はラテックス手袋、ゴム手袋、又はユーザが着用している可能性のあるその他の保護層である場合がある。手袋は、センサーに対しては、誘電体表面の上の滑らかで平坦な層９５であるように見える。１実施例においては、それは、厳しい気候及び環境条件に起因する損傷から保護するために、全体的なセンサーアレイ３の上に位置させたワックスペーパー、薄いプラスチック包装コーティング、又はその他の物質等の付加的な保護層である場合がある。このような状況においては、層９５は規則的に取外し且つ再配置させることが可能な着脱自在な層である。従って、基板１１はきれいなままであり且つ塵埃は付着しておらず、保護層９５は単に取外し、廃棄し、且つ新たなきれいなコーティング９５を配置させてセンサー全体を良好な動作条件に維持させる。
【０１４８】
例えば、１実施例においては、基板及びセンサーアレイ３を包含するパッケージ６０の上部、又は可能性としてはパッケージ６０全体を液密性の薄いプラスチック層内に完全に取り囲ませることが可能である。このことは、センサーアレイが高い湿度又はその他の厳しい動作条件から封止されている利点を提供する。保護層９５は必要に応じて交換される。層９５は意図的であるか否かに拘わらず検知動作が行われる指１８上の指紋と誘電体層との間に位置されている任意の物質の層を表わしている。理解されるように、層９５の物理的形状、電気的特性、及び容量検知動作に与える影響は、常に、完全に且つ正確に予測することが可能なものではない。更に、それは時間と共に変化し、特に、層９５が塵埃又はその他の表面１１から部分的に清掃される場合のある一時的な物質の蓄積を表わす場合においては特にそうである。従って、ある場合においては、センサーは指１８が基板１１と直接接触して動作する場合があり、且つ別の場合においては、その同じセンサーが指１８と誘電体層１１との間に層９５の形態での何等かの異物が存在する状態で動作する場合がある。
【０１４９】
図１６Ｂは図１６Ａの層９５とは異なる形態を有する層９６及び異物９８を示している。特に、層９６はユーザの指紋パターンに対してよりコンフォーマル即ち適合的であり、一方層９５は平坦であり且つ誘電体層１１に対してよりコンフォーマルである。更に、ユーザの指の、谷の中、山の上、又はその他の何等かの位置の上に間欠的に何等かの物質９８が位置している場合がある。層９６の形態で指に付着する物質は間欠的なものである場合があり、又は異なる位置において異なる厚さを有する場合があり、且つ異物９８下側の空隙等の該物質の下側に空隙を有する場合がある。物質９６の例としては、通常の体の機能に起因して１日の間にゆっくりと蓄積する場合のある人の親指上の薄い油の層等がある。一方、それは、発汗、雨滴からの濡れた手、又は通常人の指にコンフォーマルであるが、実際には、勿論、層９６の特性に基づいて親指の指紋の山及び谷に部分的にのみ追従する場合のある何等かの薄いコーティング９６等の水滴である場合がある。異物９８は、例えば戸外で作業して塵埃、垢、グリース、又は何等かのその他の物質が指に付着した等のユーザが厳しい作業環境にいた場合に発生する場合のあるタイプのものである。ユーザの掌紋のＩＤを検知するためにハンドガン上においてセンサーが使用される場合には、それは銃を取扱い且つそれを装填することからの残留物であって、例えば銃からの油、火薬、鉛の小片、又はこのような活動期間中に人の手へしばしば付着するその他の異物等である場合がある。従って、物質９８は人の手の異なる部分の上の種々のポケット内に存在する場合があり、且つ異物のタイプに依存して手に対してコンフォーマルなものである場合もない場合もある。
【０１５０】
本発明は図１６Ａ及び１６Ｂの実施例における本発明の使用に適用可能なものであって、その場合には、その特性を完全には予測可能でない場合がある付加的な物質がユーザの指の間の誘電体層１１上に位置されることとなる。端子９９は図１５Ｂに示したような容量結合、ユーザの他方の手、何等かのその他の体部分、又は指自身への結合等の任意の許容可能な技術を介してユーザの体へ結合される。本発明は、本明細書において簡単に方程式を使用して説明したように山と谷との間の区別の感度を増加させることによって、山と谷との間の差異をより明確にかつ正確に検知することが可能である。従って、本発明の回路は、各々の絶対値ではなく指紋センサー上の山又は谷の効果の間の相対的な差異を出力するのに有用である。本発明の回路は、指紋における山と谷とを区別する信号を発生する場合に有用である。何故ならば、その相対的な効果は前述したように本発明の回路を使用して増幅されるからである。
【０１５１】
図１７は本発明を制御する場合に使用することが可能なエレクトロニクス１０１を示している。エレクトロニクス１０１は図１３に示したようにセンサーアレイ３のすぐ下側のパッケージ６０内に位置させることが可能である。一方、エレクトロニクス１０１はセンサーアレイ３と同一の半導体基板内に位置させることが可能であり、且つ図１５に示したように、全体的なセンサーアレイとして同一の集積回路内に制御エレクトロニクスが包含されるように周辺領域内に位置させることが可能である。エレクトロニクス１０１は、指紋センサーの適切な動作のためのメモリ及び認識論理と共に、センサーアレイ３、適宜のクロック、電子的制御器、インターフェースを包含している。例えば、センサーアレイ３の出力としてＡ／Ｄ変換器４８を結合することが可能であり、その出力は図１に示した制御器・認識論理７へ供給される。集積回路インターフェース回路４０は制御器７からの信号を受取り且つ出力をＤ／Ａ変換器４２及びタイミング発生器４４等の適宜の回路へ供給する。バイアス発生器５０、及びオシレータ４６が正しいバイアス電圧及びクロック回路を必要に応じて提供するための適宜の回路へ結合している。集積回路インターフェース回路４０は、又、有効な一致が見つかったか、又は無効な一致が見つかったかを表わす信号を出力するために適宜のＩ／Ｏ回路を包含している。集積回路インターフェース４０がそのマッチング結果を出力した後に、マッチングの結果に基づいて適宜の動作をイネーブルさせることが可能である。例えば、マッチングが有効な一致である場合には、自動車をスタートさせ、ドアを開き、銀行口座へアクセスし、ハンドガンを発射させ、又はその他の活動を可能とさせることが可能である。一方、マッチングの結果として有効な一致が見つからなかった場合には、インターフェース回路は更なる活動を阻止するための適宜の信号を表示させ、権限のないユーザがアクセスしようとしたことを表わす警告信号をセキュリティシステムへ送り、又は所望によりその他の機能を実行することが可能である。
【０１５２】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術に基づく指紋センサーを示した概略図。
【図２】  従来技術に基づく図１の指紋センサーの個別的なセルを示した概略図。
【図３】  異なる従来技術実施例に基づく指紋センサー回路を示した概略図。
【図４】  図３の従来技術において使用された場合の指紋センサーセルを示した概略図。
【図５】  本発明の原理に基づく指紋センサーを示した概略図。
【図６】  本発明の原理に基づく指紋センサーを示した概略図。
【図７】  本発明の原理に基づく指紋センサーの別の実施例を示した概略図。
【図８】   (Ａ)は本発明を理解することを助けるための指紋センサーセルの概略図、 (Ｂ)は本発明の１実施例を示した指紋センサーセルを示した概略図。
【図９】  本発明の１実施例に基づく指紋の山と谷のパターンを検知する複数個のセルを示した概略図。
【図１０】  本発明の原理に基づく種々の等価電気的コンポーネントの間の電気的相互作用を示した概略図。
【図１１】  本発明に基づくセンサーを収容するハウジングの概略平面図。
【図１２】  １２−１２線に沿ってとった図１１の基板の部分的概略断面図。
【図１３】  本発明を包含するハウジング及び基板を示した部分的概略断面図。
【図１４】  本発明のハウジング及び別の基板を示した部分的概略断面図。
【図１５】   (Ａ)及び（Ｂ）はユーザの指の上に電圧変化を与えるための変形実施例を示した各概略図。
【図１６】  （Ａ）及び（Ｂ）はユーザの指紋を適切に読取ることの困難性を増加させる場合のある別の干渉メカニズムを示した各概略図。
【図１７】  本発明の原理に基づく回路の概略図。
【符号の説明】
１  基板
２  センサーセル
３  アレイ
５  水平スキャンエレクトロニクス
６  垂直スキャンエレクトロニクス
７  制御器
１１  誘電体層
１４  プレート
１８  指
２１  電気的導体
１１２  選択トランジスタ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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