(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配置されかつ認識対象の表面の凹凸に応じた容量を検出しこの容量に応じた信号を出力する複数のセンサセルと、
前記センサセルから入力された信号に基づき認識対象の表面形状を算出する信号処理部とを備え、
前記センサセルは、
基板と、
前記基板上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極と認識対象の表面との間に形成される容量に応じた信号を出力する信号出力部と、
前記第１の電極と絶縁分離されて前記基板上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極の電位を制御することにより、前記第２の電極と認識対象の表面との間に形成される容量を介して前記認識対象の表面の電位を制御する電位制御部と
を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項２】
請求項１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記信号出力部は、
前記第１の電極と認識対象の表面との間に形成される容量に応じた電圧信号を発生する信号発生回路と、
前記信号発生回路による信号発生以前に前記第１の電極と前記信号発生回路の出力との接続点である節点に電荷の充電および放電のいずれかを行なう充放電回路と、
電荷の充電および放電のいずれかを行なった後に前記信号発生回路から節点に出力される電圧信号を検出して前記信号出力部の出力とする検出回路と
を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項３】
請求項２記載の表面形状認識センサ装置において、
前記電位制御部は、前記信号発生回路から出力される電圧信号の変化に対して前記第２の電極の電位を逆方向に変化させる電位制御回路を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項４】
請求項１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記信号出力部は、
前記第１の電極と認識対象の表面との間に形成される容量に応じた電圧信号を発生する信号発生回路と、
前記信号発生回路による信号発生以前に前記第１の電極と前記信号発生回路の出力との接続点である節点に電荷を充電する充電回路と、
電荷の充電後に前記信号発生回路から節点に出力される電圧信号を検出して前記信号出力部の出力とする検出回路と
を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項５】
請求項４記載の表面形状認識センサ装置において、
前記信号発生回路は、
節点の電荷を放電させる第１の電流源と、
節点と前記第１の電流源との間に配置されかつ節点に電荷が充電された後に所定期間だけ節点と前記第１の電流源とを接続することにより電圧信号を発生させる第１のスイッチ素子とを備え、
前記電位制御部は、
前記第２の電極を充電する第２の電流源と、
前記第２の電極と前記第２の電流源との間に配置されかつ前記第２の電極と前記第２の電流源とを接続することにより前記第２の電極の電位を制御する第２のスイッチ素子とを備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項６】
請求項５記載の表面形状認識センサ装置において、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を共通に制御する制御信号を出力する制御信号出力部をさらに備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項７】
請求項４記載の表面形状認識センサ装置において、
前記信号発生回路は、
第１および第２の端子を備えかつ第１の端子が節点に接続された容量素子と、
節点への充電が完了する迄は前記容量素子の第２の端子を第１の電位に設定すると共に、充電が完了した後は第２の端子を第１の電位より低い第２の電位に設定することにより、前記容量素子から電圧信号を発生させる第３のスイッチ素子とを備え、
前記電位制御部は、
節点への充電が完了する迄は前記第２の電極を第３の電位に設定すると共に、充電が完了した後は前記第２の電極を第３の電位より高い第４の電位に設定することにより前記第２の電極の電位を制御する設定部を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項８】
請求項７記載の表面形状認識センサ装置において、
前記第３のスイッチ素子および前記設定部を共通に制御する制御信号を出力する制御信号出力部をさらに備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項９】
請求項２記載の表面形状認識センサ装置において、
前記電位制御部は、節点の充電および放電のいずれかを行っている時の電位変化および前記信号発生回路から出力される電圧信号の変化に対して前記第２の電極の電位を逆方向に変化させる電位制御回路を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１０】
請求項４記載の表面形状認識センサ装置において、
前記信号発生回路は、
節点の電荷を放電させる第１の電流源と、
節点と前記第１の電流源との間に配置されかつ節点に電荷が充電された後に所定期間だけ節点と前記第１の電流源とを接続することにより電圧信号を発生させる第１のスイッチ素子とを備え、
前記電位制御回路は、
前記第２の電極を充電する第２の電流源と、
節点への充電が始まる迄は前記第２の電極を第５の電位に設定し、充電開始時から前記第２の電極を第５の電位より低い第６の電位に設定した後、前記第２の電極と前記第２の電流源とを接続することにより、前記第２の電極の電位を制御する第２のスイッチ素子とを備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１１】
請求項４記載の表面形状認識センサ装置において、
前記信号発生回路は、
第１および第２の端子を備えかつ第１の端子が節点に接続された容量素子と、
節点への充電が完了する迄は前記容量素子の第２の端子を第１の電位に設定すると共に、充電が完了した後は第２の端子を第１の電位より低い第２の電位に設定することにより、前記容量素子から電圧信号を発生させる第３のスイッチ素子とを備え、
前記電位制御回路は、
節点への充電が始まる迄は前記第２の電極を第７の電位に設定し、充電開始時から前記第２の電極を前記第７の電位より低い第８の電位に設定し、充電が完了した後は前記第２の電極を前記第８の電位より高い第９の電位に設定することにより、前記第２の電極の電位を制御する設定部を備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記充電回路および前記設定部を共通に制御する制御信号を出力する制御信号出力部をさらに備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１３】
請求項１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記第２の電極は、前記第１の電極を囲むように配置されることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１４】
請求項１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記第１の電極は、前記第２の電極を囲むように配置されることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１５】
請求項１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記第２の電極の面積は、前記第１の電極の面積以下であることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の表面形状認識センサ装置において、
前記第２の電極の面積は、前記第１の電極の面積よりも小さいことを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【請求項１７】
請求項１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記第２の電極は、前記基板の表面を基準にして前記第１の電極とは異なる高さに形成されていることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状認識センサ装置に関し、特に人間の指紋や動物の鼻紋などの微細な凹凸を感知する表面形状認識センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細な凹凸を有する表面形状を認識するセンサとして、特に指紋検出をターゲットとしたものが報告されている。また、指紋のパターンを検出する技術として、ＬＳＩ製造技術を用いた静電容量型指紋センサが提案されている。静電容量型指紋センサには、例えば文献１（特開２０００−３４６６０８）、文献２（「A Robust，1.8V 250μW Direct-Contact 500dpi Fingerprint Sensor 」,ISSCC DIGEST OF TECHNICAL PAPERS，１９９８年２月，ｐ．２８４−２８５）に記載されたものがある。【０００３】
これらの静電容量型指紋センサは、図１８に示すように、センサセル１がＬＳＩチップ上に２次元状に配列されたセンサセルアレイ２として構成されており、各センサセル１のセンサ電極と絶縁性のパッシベーション膜を介して触れた指３の皮膚との間に形成される静電容量を検出して、指紋の凹凸パターンを感知するものである。指紋の凹凸により静電容量の値が異なるため、この微少な容量差を検出することで指紋の凹凸を感知することができる。
図１９に示すように、センサセルアレイ２の各センサセル１毎にセンサ電極１０１が内蔵されている。【０００４】
図２０を参照し、図１８の静電容量型指紋センサの原理を用いた第１の従来例である表面形状認識センサ装置について説明する。図２０の表面形状認識センサ装置において、各センサセル１は、検出素子１０と、信号発生回路１１と、スイッチＳＷ１と、検出回路１２とを有する。
検出素子１０は、基板上の絶縁層１００と、絶縁層１００上に形成されたセンサ電極１０１と、センサ電極１０１を覆うように形成されたパッシベーション膜１０２とから構成される。【０００５】
信号発生回路１１は、パッシベーション膜１０２に触れた指３の皮膚とセンサ電極１０１との間に形成される静電容量Ｃｆに応じた電圧信号を発生するスイッチＳＷ２と、電流源１１０とから構成される。検出回路１２は、信号発生回路１１による電圧信号を検出する。スイッチＳＷ１は、電位Ｖｐを検出素子１０のセンサ電極１０１と信号発生回路１１の出力端子との接続点である節点Ｎ１に供給する。なお、図２０中のＣｐは寄生容量を示す。【０００６】
ここで、静電容量Ｃｆはセンサ電極１０１と指３の皮膚との距離によって決まるため、指紋の凹凸によってＣｆの値は異なる。したがって、指３の凹凸に応じた電圧信号が信号発生回路１１から節点Ｎ１側に出力される。この電圧信号は検出回路１２により指紋の凹凸を反映した信号として検出され、その結果、指紋パターンが検出されることになる。【０００７】
図２１Ａ〜図２１Ｄを参照し、図２０に示した表面形状認識センサ装置の通常動作について説明する。指３の表面は、指３の抵抗Ｒｆを介してグランド電位（ＧＮＤ）に接地されている。ここではＲｆ＝０Ωとする。したがって、指表面の電位、すなわち節点Ｎ２の電位はグランド電位に保たれる（図２１Ｄ）。【０００８】
はじめに、スイッチＳＷ１の開閉を制御する制御信号Ｐは、ロウ（Ｌｏｗ）レベルとなっている（図２１Ａ）。また、スイッチＳＷ２の開閉を制御する制御信号Ｓ１もロウレベルとなっている（図２１Ｂ）。したがって、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２は共に開状態になっている。このとき、節点Ｎ１は電位Ｖｐ以下の電位となっている（図２１Ｃ）。
このような状態において、図２１Ａの時点ｔ１で制御信号Ｐがロウレベルからハイ（Ｈｉｇｈ）レベルに変化すると、スイッチＳＷ１が閉じて導通状態となり、その結果、節点Ｎ１の電位は電位Ｖｐにプリチャージされる（図２１Ｃ）。【０００９】
プリチャージが終了した後、制御信号Ｐが図２１Ａの時点ｔ２でロウレベルに変化すると同時に、制御信号Ｓ１が図２１Ｂに示すようにハイレベルに変化する。これにより、スイッチＳＷ１が非導通状態、スイッチＳＷ２が導通状態になり、節点Ｎ１に充電された電荷が電流源１１０により引き抜かれる。この結果、節点Ｎ１の電位（電圧信号）が低下する（図２１Ｃ）。制御信号Ｓ１のハイレベル期間をΔｔとすると、電位Ｖｐに対してΔｔ経過後の節点Ｎ１の電位低下分ΔＶは次式のようになる。
ΔＶ＝ＩΔｔ／（Ｃｆ＋Ｃｐ）                                      ・・・（１）
ただし、Ｉは電流源１１０の電流値、Ｃｐは寄生容量である。【００１０】
ここで、電流Ｉ、期間Δｔおよび寄生容量Ｃｐはそれぞれ一定であるから、電位低下分ΔＶは容量Ｃｆによって決定される。容量Ｃｆは検出素子１０のセンサ電極１０１と指３の皮膚との距離によって決まるので、指紋の凹凸によって容量Ｃｆの値は異なる。このことから、指紋の凹凸を反映して電位低下分ΔＶの大きさが変化する。すなわち、指紋の凹部とセンサ電極１０１との間に形成される静電容量をＣｆｖ、指紋の凸部とセンサ電極１０１との間に形成される静電容量をＣｆｒとすると、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差ΔＶｉは、次式のようになる。
ΔＶｉ＝ＩΔｔ／（Ｃｆｖ＋Ｃｐ）−ＩΔｔ／（Ｃｆｒ＋Ｃｐ）        ・・・（２）
したがって、各センサセルの検出回路１２で検出される電圧信号は、指紋の凹部または凸部を反映した信号となるため、複数のセンサセルの出力により指紋の凹凸を識別することができる。【００１１】
しかしながら、指３の表面は、指３の抵抗Ｒｆを介してグランド電位に接地されているため、指３が乾燥するなどして抵抗Ｒｆが大きい場合には、十分に大きな電圧差ΔＶｉが得られないことがある。Ｒｆ＞＞０とした場合の表面形状認識センサ装置の動作について、図２２Ａ〜図２２Ｄを参照して説明する。
図２２Ａ〜図２２Ｄの基本的な動作タイミングは、図２１Ａ〜図２１Ｄと同じである。しかしながら、指紋の凸部では抵抗Ｒｆの影響により、指表面の電位、すなわち節点Ｎ２の電位がグランド電位を保つことができず、図２２Ｃに示す節点Ｎ１の電位変化につられて図２２Ｄのように変動する。その結果、指紋の凸部とセンサ電極１０１との間に形成される容量Ｃｆの値が実効的に小さくなり（Ｃｆ＝αＣｆｒ、α＜１）、結果として図２２Ｃに示すように電圧差ΔＶｉ（＝ＩΔｔ／（Ｃｆｖ＋Ｃｐ）−ＩΔｔ／（α・Ｃｆｒ＋Ｃｐ））が小さくなってしまう。このことにより、図２０の表面形状認識センサ装置では、指紋画像の凹凸パターンの区別が難しくなり、結果として鮮明な指紋画像パターンを得ることができなくなる。【００１２】
次に、図２３を参照し、図１８の静電容量型指紋センサの原理を用いた第２の従来例である表面形状認識センサ装置について説明する。
この表面形状認識センサ装置は、図２０の例とは信号発生回路１３の構成が異なる。信号発生回路１３は、電源電位ＶＤＤまたはグランド電位ＧＮＤのいずれかを選択して出力するスイッチＳＷ３と、スイッチＳＷ３の出力端子と節点Ｎ１との間に設けられた容量素子Ｃｓとから構成される。信号発生回路１３は、節点Ｎ１の電荷の引き抜きを容量素子Ｃｓの充放電を用いて行うようにしたものであり、引き抜く電荷量はＣｓの容量値とその駆動電圧Ｖｓにより制御される。ここでは、図２３に示す駆動電圧Ｖｓを、スイッチＳＷ３を介して電源電位ＶＤＤ（ＶＤＤ＞０）またはグランド電位ＧＮＤに設定することにより、節点Ｎ１から引き抜く電荷量を制御する。【００１３】
図２４Ａ〜図２４Ｄを参照し、図２３に示した表面形状認識センサ装置の通常動作について説明する。指３の表面は、指３の抵抗Ｒｆを介してグランド電位に接地されている。ここでは、Ｒｆ＝０Ωとする。したがって、指表面の電位、すなわち節点Ｎ２の電位はグランド電位に保たれる（図２４Ｄ）。
図２４Ａの時点ｔ１で制御信号Ｐの電位をハイレベルにしてスイッチＳＷ１を閉じ、電位Ｖｐを節点Ｎ１にプリチャージする。このとき、信号発生回路１３内の容量素子Ｃｓの駆動電圧ＶｓをＶＤＤに設定しておく。この後、図２４Ａの時点ｔ２で制御信号Ｐの電位をロウレベルにしてスイッチＳＷ１を開放する。同時に、図２４Ｂに示すように、容量素子Ｃｓの駆動電圧ＶｓをＶＤＤからΔＶｓだけ低下させてＧＮＤに設定し、節点Ｎ１の電荷を引き抜き、検出回路１２への電圧信号を生じさせる。【００１４】
このとき、検出回路１２へ与えられる電圧信号の変化量ΔＶは以下のようになる。
ΔＶ＝ΔＶｓ／｛１＋（Ｃｆ＋Ｃｐ）／Ｃｓ｝                        ・・・（３）
指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差ΔＶｉは、下記のようになる。
ΔＶｉ＝ΔＶｓ／｛１＋（Ｃｆｖ＋Ｃｐ）／Ｃｓ｝
−ΔＶｓ／｛１＋（Ｃｆｒ＋Ｃｐ）／Ｃｓ｝                    ・・・（４）
したがって、各センサセルの検出回路１２で検出される電圧信号は、指紋の凹部または凸部を反映した信号となるため、複数のセンサセルの出力により指紋の凹凸を識別することができる。【００１５】
しかしながら、指３の表面は、指３の抵抗Ｒｆを介してグランド電位に接地されているため、指３が乾燥するなどして抵抗Ｒｆが大きい場合には、十分に大きな電圧差ΔＶｉが得られないことがある。Ｒｆ＞＞０とした場合の表面形状認識センサ装置の動作について、図２５Ａ〜図２５Ｄを参照して説明する。
図２５Ａ〜図２５Ｄの基本的な動作タイミングは、図２４Ａ〜図２４Ｄと同じである。しかしながら、指紋の凸部では抵抗Ｒｆの影響により、指表面の電位、すなわち節点Ｎ２の電位がグランド電位を保つことができず、図２５Ｃに示す節点Ｎ１の電位変化につられて図２５Ｄのように変動する。その結果、指紋の凸部とセンサ電極１０１との間に形成される容量Ｃｆの値が実効的に小さくなり（Ｃｆ＝αＣｆｒ、α＜１）、結果として図２５Ｃに示すように電圧差ΔＶｉ（＝ΔＶｓ／｛１＋（Ｃｆｖ＋Ｃｐ）／Ｃｓ｝−ΔＶｓ／｛１＋（α・Ｃｆｒ＋Ｃｐ）／Ｃｓ｝）が小さくなってしまう。このことにより、図２３の表面形状認識センサ装置では、指紋画像の凹凸パターンの区別が難しくなり、結果として鮮明な指紋画像パターンを得ることができなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上のように、従来の表面形状認識センサ装置を指紋認証用の指紋センサとして用いると、指３の抵抗Ｒｆが大きい場合、指紋画像の凹凸パターンの区別が難しくなり、鮮明な指紋画像パターンを得ることができなくなる。その結果、指３の抵抗Ｒｆにより指紋画像が劣化した場合に、認証率の低下を招いてしまうという問題があった。【００１７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、指紋等の認識対象の表面の凹凸に対応した容量の検出感度を向上させることができる表面形状認識センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような目的を達成するために、本発明は、２次元状に配置されかつ認識対象の表面の凹凸に応じた容量を検出しこの容量に応じた信号を出力する複数のセンサセルと、センサセルから入力された信号に基づき認識対象の表面形状を算出する信号処理部とを備え、センサセルは、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極と認識対象の表面との間に形成される容量に応じた信号を出力する信号出力部と、第１の電極と絶縁分離されて基板上に形成された第２の電極と、第２の電極の電位を制御することにより、第２の電極と認識対象の表面との間に形成される容量を介して認識対象の表面の電位を制御する電位制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、電位制御部を用いて第２の電極の電位を制御することにより、第２の電極と認識対象の表面との間に形成される容量を介して認識対象の表面の電位を制御する。これにより、認識対象の抵抗が大きい場合に、認識対象の表面電位が第１の電極の電位変化につられて変動しないように制御することができる。したがって、第１の電極と認識対象の表面との間に形成される容量の検出感度を向上させることができる。その結果、複数のセンサセルの出力により認識対象の表面の凹凸を明確に識別することが可能となる。特に、本発明を指紋認証用の指紋センサとして用いれば、指の表面抵抗による指紋画像の劣化を防ぐことができ、認証率の低下を防ぐ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例に係る表面形状認識センサ装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施例に係る表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１の表面形状認識センサ装置におけるセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンの一例を示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１の表面形状認識センサ装置におけるセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンの他の例を示す平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｓ１の時間変化を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ３の電位変化を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施例の電位制御回路の実現例を示すブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｓ１の時間変化を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、図１の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ３の電位変化を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施例に係る表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、容量素子Ｃｓの駆動電圧Ｖｓの時間変化を示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の一例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ３の電位変化を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第２の実施例の電位制御回路の一実現例を示すブロック図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第２の実施例の電位制御回路の他の実現例を示すブロック図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、容量素子Ｃｓの駆動電圧Ｖｓの時間変化を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、図７の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作の他の例を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ３の電位変化を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３の実施例に係る表面形状認識センサ装置の電位制御回路の実現例を示すブロック図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、図１１の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１１の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｓ１の時間変化を示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、図１１の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、図１１の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図１２Ｅ】図１２Ｅは、図１１の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ３の電位変化を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第４の実施例に係る表面形状認識センサ装置の電位制御回路の一実現例を示すブロック図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第４の実施例に係る表面形状認識センサ装置の電位制御回路の他の実現例を示すブロック図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１３の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、容量素子Ｃｓの駆動電圧Ｖｓの時間変化を示す図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、図１３の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、図１３の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図１４Ｅ】図１４Ｅは、図１３の電位制御回路を用いた表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ３の電位変化を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第５の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンを示す平面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第６の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極のレイアウトパターンを示す平面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の第７の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極の形成位置の一例を示す断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の第７の実施例に係るセンサセルアレイのセンサ電極と高感度化電極の形成位置の他の例を示す断面図である。
【図１８】図１８は、センサセルが格子状に形成された従来の静電容量型指紋センサの斜視図である。
【図１９】図１９は、図１８のセンサセルアレイのセンサ電極のレイアウトパターンを示す平面図である。
【図２０】図２０は、第１の従来例である表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、図２０の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２０の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｓ１の時間変化を示す図である。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、図２０の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図２１Ｄ】図２１Ｄは、図２０の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは、図２０の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２０の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｓ１の時間変化を示す図である。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、図２０の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図２２Ｄ】図２２Ｄは、図２０の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図２３】図２３は、第２の従来例である表面形状認識センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、図２３の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、図２３の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、容量素子Ｃｓの駆動電圧Ｖｓの時間変化を示す図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、図２３の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図２４Ｄ】図２４Ｄは、図２３の表面形状認識センサ装置の通常動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、図２３の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、制御信号Ｐの時間変化を示す図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、図２３の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、容量素子Ｃｓの駆動電圧Ｖｓの時間変化を示す図である。
【図２５Ｃ】図２５Ｃは、図２３の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ１の電位変化を示す図である。
【図２５Ｄ】図２５Ｄは、図２３の表面形状認識センサ装置において指の抵抗が大きい場合の動作を説明するタイミングチャートのうち、節点Ｎ２の電位変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の表面形状認識センサ装置は、表面形状の凹凸に対応した信号（容量）の検出感度を向上させる手段を有することを主な特徴とする。従来技術とは、表面形状認識センサ装置のセンサセル毎に、センサ電極以外の第２の電極を有し、第２の電極の電位を制御することにより表面形状の表面電位を制御するところが異なる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。【００２２】
［第１の実施例］
図１に示すように、本発明の第１の実施例に係る表面形状認識センサ装置は、複数のセンサセル１ａが２次元状に配列されたセンサセルアレイ２ａと、信号処理部４と、制御信号出力部５とを有する。各センサセル１ａは、認識対象である指の表面の凹凸に応じた容量を検出し、この容量に応じた信号を信号処理部４に出力する。信号処理部４は、各センサセル１ａから入力された信号を総合して、指の表面形状を算出する。制御信号出力部５は、各センサセル１ａに制御信号Ｓ１を出力し、センサセル１ａの動作を制御する。【００２３】
図２に示すように、センサセル１ａは、検出素子１０ａと、信号出力部１６と、指表面電位制御部１４とを有する。
検出素子１０ａは、基板上の絶縁層１００と、絶縁層１００上に形成されたセンサ電極１０１（第１の電極）と、センサ電極１０１と絶縁分離されて絶縁層１００上に形成された高感度化電極１０３（第２の電極、制御電極）と、センサ電極１０１および高感度化電極１０３を覆うように形成されたパッシベーション膜１０２とから構成される。パッシベーション膜１０２の表面は平坦化されている。【００２４】
信号出力部１６は、パッシベーション膜１０２に触れた指３の皮膚とセンサ電極１０１との間に形成される静電容量Ｃｆに応じた信号をセンサセル１ａの出力とするものであり、具体的にはスイッチＳＷ１（充電回路）と、信号発生回路１１と、検出回路１２とから構成される。ここで、スイッチＳＷ１は、検出素子１０ａのセンサ電極１０１と信号発生回路１１の出力端子との接続点である節点Ｎ１に電位Ｖｐを印加し、電荷を充電する。信号発生回路１１は、指３の皮膚とセンサ電極１０１との間に形成される静電容量Ｃｆに応じた電圧信号を発生する。信号発生回路１１はさらに、節点Ｎ１の電荷を放電させる第１の電流源１１０と、電流源１１０と節点Ｎ１との間に配置されかつ節点Ｎ１に電荷が充電された後に所定時間だけ両者間を導通状態にすることにより上記電圧信号を発生させるスイッチＳＷ２（第１のスイッチ素子）とから構成される。検出回路１２は、節点Ｎ１に電荷が充電された後に、信号発生回路１１による電圧信号を検出して、信号出力部１６の出力とする。【００２５】
指表面電位制御部１４は、電位制御回路１４０を有し、電位制御回路１４０は、高感度化電極１０３の電位を制御する。信号発生回路１１のスイッチＳＷ２および電位制御回路１４０は、制御信号出力回路５から入力される制御信号Ｓ１により共通に制御される。なお、図２中のＣｐは寄生容量を示す。【００２６】
図１の表面形状認識センサ装置は、図２０に示した従来の表面形状認識センサ装置の課題を解決するためのものであり、従来の表面形状認識センサ装置に対して高感度化電極１０３および電位制御回路１４０を付加したものである。指３の表面と高感度化電極１０３との間に形成される容量Ｃｃを介して指３の表面（節点Ｎ２）の電位を電位制御回路１４０により制御することで、指３が乾燥するなどして抵抗Ｒｆが大きい場合に、節点Ｎ２の電位を制御することができ、容量Ｃｆの検出感度を向上させることができる。【００２７】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、センサセルアレイ２ａの各センサセル１ａ毎にセンサ電極１０１と高感度化電極１０３が内蔵されている。高感度化電極１０３の面積が大きいほど、指３の電位の制御が容易になる。しかし、限られたセンサセル１ａの領域内にセンサ電極１０１および高感度化電極１０３の両方を配置して検出感度向上を図るには、図３Ａに示すように高感度化電極１０３の面積をセンサ電極１０１の面積と同じにするか、図３Ｂに示すように高感度化電極１０３の面積をセンサ電極１０１の面積よりも小さくすることが望ましい。【００２８】
図４Ａ〜図４Ｅを参照し、Ｒｆ＞＞０とした場合の図１の表面形状認識センサ装置の動作の一例について説明する。
はじめに、スイッチＳＷ１の開閉を制御する制御信号Ｐは、ロウレベルとなっている（図４Ａ）。また、スイッチＳＷ２の開閉を制御する制御信号Ｓ１もロウレベルとなっている（図４Ｂ）。したがって、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２は共に開状態になっている。このとき、節点Ｎ１は電位Ｖｐ以下の電位となっている（図４Ｃ）。
このような状態において、図４Ａの時点ｔ１で制御信号Ｐがロウレベルからハイレベルに変化すると、スイッチＳＷ１が閉じて導通状態となり、その結果、節点Ｎ１の電位は電位Ｖｐにプリチャージされる（図４Ｃ）。【００２９】
プリチャージが終了した後、制御信号Ｐが図４Ａの時点ｔ２でロウレベルに変化すると同時に、制御信号Ｓ１が図４Ｂに示すようにハイレベルに変化する。これにより、スイッチＳＷ１が非導通状態、スイッチＳＷ２が導通状態になり、節点Ｎ１に充電された電荷が電流源１１０により引き抜かれる。この結果、節点Ｎ１の電位（電圧信号）が低下する（図４Ｃ）。制御信号Ｓ１は、所定期間Δｔの間、ハイレベルを継続する。電位Ｖｐに対してΔｔ経過後の節点Ｎ１の電位低下分ΔＶは、上記式（１）のようになる。ただし、Ｉは電流源１１０の電流値、Ｃｐは寄生容量である。【００３０】
図１の表面形状認識センサ装置では、図２２と異なり、図４Ｅに示すように時点ｔ２からｔ３の期間において、電位制御回路１４０の出力と高感度化電極３との接続点である節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化と逆方向に変化させる。具体的には、節点Ｎ３の電位を上昇させる。センサセル１ａ上に指紋の凸部が対応している場合には、高感度化電極１０３と指３の表面との間に形成される容量Ｃｃが大きい。このため、節点Ｎ３の電位を制御することにより、容量Ｃｃを介して節点Ｎ２の電位を制御することができる。したがって、上述したように節点Ｎ３の電位を制御することにより、図４Ｄのように時点ｔ２からｔ３の期間の節点Ｎ２の電位変動を抑えることができる。これにより、容量Ｃｆの値が実効的に小さくなることを防ぐことができ、Ｃｆ＝α・Ｃｆｒとしたときα＝１にすることができる。なお、センサセル１ａ上に指紋の凹部が対応している場合には、高感度化電極１０３と指３の表面との間に形成される容量Ｃｃが小さく、節点Ｎ２の電位は影響を受けない。結果として、図４Ｃに示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差ΔＶｉの大きさを、図２１Ｃの場合、すなわち指３の抵抗Ｒｆ＝０Ωの場合と同じにすることができる。【００３１】
電位制御回路１４０は、例えば図５に示すように、節点Ｎ３に電荷を充電する第２の電流源１４１と、節点Ｎ３と電流源１４１との間に配置されたスイッチＳＷ４（第２のスイッチ素子）とから構成される。スイッチＳＷ４が導通状態になる期間、電流源１４１により節点Ｎ３に電荷が充電され、節点Ｎ３の電位が上昇する。スイッチＳＷ４の制御信号としては、信号発生回路１１で使用される制御信号Ｓ１を共用しており、スイッチＳＷ２，ＳＷ４共に制御信号Ｓ１がハイレベルのときに導通状態となる。制御信号Ｓ１をスイッチＳＷ２と共用することにより、制御信号の数の増大を防ぐことができる。【００３２】
図６Ａ〜図６Ｅを参照し、Ｒｆ＞＞０とした場合の図１の表面形状認識センサ装置の動作の他の例について説明する。
基本的な動作は図４Ａ〜図４Ｅに示した動作と同じである。図４Ａ〜図４Ｅと異なる点は、図６Ｅに示すように節点Ｎ３の電位変化が図４Ｅの場合よりも大きく、図６Ｄのように時点ｔ２からｔ３の期間の節点Ｎ２の電位が増加方向に変化している点である。これにより、容量Ｃｆの値を実効的に大きくすることができ、Ｃｆ＝α・Ｃｆｒとしたときα＞１にすることができる。結果として、図６Ｃに示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差ΔＶｉの大きさを、図２１Ｃの場合よりも大きくすることができる。したがって、各センサセルの検出回路１２で検出される電圧信号が、指紋の凹部または凸部のどちらに対応しているかを容易に区別できるので、複数のセンサセルの出力により指紋の凹凸を明確に識別することができる。【００３３】
以上説明したように、本実施例では、指３の表面と高感度化電極１０３との間に形成される容量Ｃｃを介して指３の表面（節点Ｎ２）の電位を電位制御回路１４０により制御することで、指３の抵抗Ｒｆが大きい場合の節点Ｎ２の電位を制御することができ、容量Ｃｆの検出感度を向上させることができる。【００３４】
なお、本実施例では、制御信号Ｓ１に応じて節点Ｎ３の電位を変化させているが、節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化と逆方向に変化させることが重要であり、制御信号Ｓ１を用いることに限定されるものではなく、また節点Ｎ３の電位を変化させるタイミングも時点ｔ２からｔ３の期間に限定する必要はない。【００３５】
また、本実施例では、節点Ｎ１に充電後、充電された電荷を所定時間だけ放電させることによって得られる信号をセンサセル１ａの出力とする例を示した。しかし、これとは逆に、節点Ｎ１の電荷を放電させた後、節点Ｎ１に電荷を所定時間だけ充電させることによって得られる信号をセンサセル１ａの出力とすることもできる。この場合には、例えば、図２の電位Ｖｐをグランド電位にしてスイッチＳＷ１を放電回路として機能させると共に、節点Ｎ１に電荷を充電できるように電流源１１０を図２とは逆向きに接続すればよい。このようにすると、指３が乾燥するなどして抵抗Ｒｆが大きい場合には、節点Ｎ１の電荷充電時に、節点Ｎ１の電位変化につられて節点Ｎ２の電位が上昇する。これを防止するため、電位制御回路１４０は、節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化とは逆方向に変化させる。すなわち、節点Ｎ３の電位を低下させる。具体的には、電位制御回路１４０が節点Ｎ３の電荷を放電できるように、電流源１４１を図５とは逆向きに接続した構成とすればよい。【００３６】
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
本発明の第２の実施例に係る表面形状認識センサ装置は、複数のセンサセルが２次元状に配置されたセンサセルアレイを有し、各センサセルは図７に示すように、検出素子１０ａと、信号出力部１７と、指表面電位制御部１５とを有する。なお、図７において、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。
検出素子１０ａは、図１と同様に、基板上の絶縁層１００と、センサ電極１０１と、高感度化電極１０３と、パッシベーション膜１０２とから構成される。【００３７】
信号出力部１７は、パッシベーション膜１０２に触れた指３の皮膚とセンサ電極１０１との間に形成される静電容量Ｃｆに応じた信号をセンサセル１ａの出力とするものであり、具体的にはスイッチＳＷ１（充電回路）と、信号発生回路１３と、検出回路１２とから構成される。ここで、スイッチＳＷ１は、検出素子１０ａのセンサ電極１０１と信号発生回路１１の出力端子との接続点である節点Ｎ１に電位Ｖｐを印加し、電荷を充電する。信号発生回路１３は、指３の皮膚とセンサ電極１０１との間に形成される静電容量Ｃｆに応じた電圧信号を発生する。信号発生回路１３は、電源電位ＶＤＤ（第１の電位）またはＶＤＤより低いグランド電位ＧＮＤ（第２の電位）のいずれかを選択して出力するスイッチＳＷ３（第３のスイッチ素子）と、スイッチＳＷ３の出力端子と節点Ｎ１との間に設けられた容量素子Ｃｓとから構成される。検出回路１２は、信号発生回路１１による電圧信号を検出して、信号出力部１７の出力とする。【００３８】
指表面電位制御部１５は、電位制御回路１５０を有し、電位制御回路１５０は、高感度化電極１０３の電位を制御する。信号発生回路１３のスイッチＳＷ３および電位制御回路１５０は、制御信号出力回路５ａから入力される制御信号Ｓ２により共通に制御される。なお、図７中のＣｐは寄生容量を示す。【００３９】
本実施例の表面形状認識センサ装置は、図２３に示した従来の表面形状認識センサ装置の問題点を解決するためのものであり、従来の表面形状認識センサ装置に対して高感度化電極１０３および電位制御回路１５０を付加したものである。指３の表面と高感度化電極１０３との間に形成される容量Ｃｃを介して指３の表面（節点Ｎ２）の電位を電位制御回路１５０により制御することで、指３が乾燥するなどして指３の抵抗Ｒｆが大きい場合に、節点Ｎ２の電位を制御することができ、容量Ｃｆの検出感度を向上させることができる。【００４０】
図８Ａ〜図８Ｅを参照し、Ｒｆ＞＞０とした場合の図７の表面形状認識センサ装置の動作の一例について説明する。
図８Ａの時点ｔ１で制御信号Ｐの電位をハイレベルにしてスイッチＳＷ１を閉じ、電位Ｖｐを節点Ｎ１にプリチャージする。一方、時点ｔ２に達するまでの間、制御信号Ｓ２によりスイッチＳＷ３に電源電位ＶＤＤを選択させて、容量素子Ｃｓの駆動電圧Ｖｓを電源電位ＶＤＤに設定している（図８Ｂ）。この後、図８Ａの時点ｔ２で制御信号Ｐの電位をロウレベルにしてスイッチＳＷ１を開放し、同時に制御信号Ｓ２によりスイッチＳＷ３にグランド電位ＧＮＤを選択させて、容量素子Ｃｓの駆動電圧ＶｓをΔＶｓだけ低下させ、検出回路１２への電圧信号を生じさせる。【００４１】
図７の表面形状認識センサ装置では、図２５と異なり、図８Ｅに示すように時点ｔ２以降の期間において、電位制御回路１５０の出力である節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化と逆方向に変化させることで、図８Ｄのように時点ｔ２以降の節点Ｎ２の電位変動を抑えることができることである。これにより、容量Ｃｆの値が実効的に小さくなることを防ぐことができ、Ｃｆ＝α・Ｃｆｒとしたときα＝１にすることができる。結果として、図８Ｃに示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差ΔＶｉの大きさを、図２４Ｃの場合、すなわち指３の抵抗Ｒｆ＝０Ωの場合と同じにすることができる。【００４２】
電位制御回路１５０は、例えば図９Ａに示すように、所定の電位Ｖ１（第３の電位）またはＶ２（第４の電位）を選択して高感度化電極１０３に出力するスイッチＳＷ５（設定部）からなる。スイッチＳＷ５の制御信号としては、信号発生回路１３で使用される制御信号Ｓ２を共用しており、図８Ｅの時点ｔ２に達するまでの間、制御信号Ｓ２によりスイッチＳＷ５に電位Ｖ１を選択させ、時点ｔ２でスイッチＳＷ５に電位Ｖ２（Ｖ１＜Ｖ２）を選択させる。制御信号Ｓ２をスイッチＳＷ３と共用することにより、制御信号の数の増大を防ぐことができる。【００４３】
電位制御回路１５０はまた、例えば図９Ｂに示すように、制御信号Ｓ２を高感度化電極１０３に供給する信号線１５１（設定部）から構成することができる。制御信号Ｓ２の電位をそのまま用いることにより、付加回路を用いずに電位制御回路１５０を実現することができる。この場合の制御信号Ｓ２は、図８Ｅに示した節点Ｎ３の電位と同じ波形である。【００４４】
図１０Ａ〜図１０Ｅを参照し、Ｒｆ＞＞０とした場合の図７の表面形状認識センサ装置の動作の他の例について説明する。
基本的な動作は図８Ａ〜図８Ｅに示した動作と同じである。図８Ａ〜図８Ｅと異なる点は、図１０Ｅに示すように節点Ｎ３の電位変化が図８Ｅの場合よりも大きく、図１０Ｄのように時点ｔ２のタイミングで節点Ｎ２の電位が増加方向に過渡的に変化している点である。これにより、容量Ｃｆの値を実効的に大きくすることができ、Ｃｆ＝α・Ｃｆｒとしたときα＞１にすることができる。結果として、図１０Ｃに示すように、指紋の凹部に対応する電圧信号と指紋の凸部に対応する電圧信号との差ΔＶｉの大きさを、図２４Ｃの場合よりも大きくすることができる。したがって、各センサセルの検出回路１２で検出される電圧信号が、指紋の凹部または凸部のどちらに対応しているかを容易に区別できるので、複数のセンサセルの出力により指紋の凹凸を明確に識別することができる。【００４５】
以上説明したように、本実施例では、指３の表面と高感度化電極１０３との間に形成される容量Ｃｃを介して指３の表面（節点Ｎ２）の電位を電位制御回路１５０により制御することで、指３の抵抗Ｒｆが大きい場合の節点Ｎ２の電位を制御することができ、容量Ｃｆの検出感度を向上させることができる。【００４６】
なお、本実施例では、制御信号Ｓ２に応じて節点Ｎ３の電位を変化させているが、節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化と逆方向に変化させることが重要であり、制御信号Ｓ２を用いることに限定されるものではなく、また節点Ｎ３の電位を変化させるタイミングも時点ｔ２以降の期間に限定する必要はない。【００４７】
また、本実施例では、節点Ｎ１に充電後、充電された電荷を放電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とする例を示した。しかし、これとは逆に、節点Ｎ１の電荷を放電させた後、節点Ｎ１に電荷を充電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とすることもできる。この場合には、まず、図７の電位Ｖｐをグランド電位にして、スイッチＳＷ１を放電回路として機能させる。さらに、スイッチＳＷ１が閉じているときスイッチＳＷ３にグランド電位ＧＮＤを選択させると共に、スイッチＳＷ１が開いているときスイッチＳＷ３に電源電位ＶＤＤを選択させ、節点Ｎ１に電荷を充電させる。このようにすると、指３が乾燥するなどして抵抗Ｒｆが大きい場合には、節点Ｎ１の電荷充電時に、節点Ｎ１の電位変化につられて節点Ｎ２の電位が上昇する。これを防止するため、電位制御回路１４０は、節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化とは逆方向に変化させる。すなわち、節点Ｎ３の電位を低下させる。具体的には、スイッチＳＷ１が閉じているときスイッチＳＷ５に電位Ｖ２を選択させると共に、スイッチＳＷ１が開いているときスイッチＳＷ５に電位Ｖ１（Ｖ１＜Ｖ２）を選択させればよい。【００４８】
［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
本発明の第３の実施例に係る表面形状認識センサ装置は、第１の実施例において、図２の電位制御回路１４０の代わりに、図１１の電位制御回路１４０ａを用いるものである。電位制御回路１４０ａは、この電位制御回路１４０ａの出力と高感度化電極１０３との接続点である節点Ｎ３に電荷を充電する電流源１４２と、所定の電位Ｖ３（第６の電位）またはＶ４（第５の電位）を選択するスイッチＳＷ６と、電流源１４２またはスイッチＳＷ６の出力を選択するスイッチＳＷ７と、スイッチＳＷ７の出力と高感度化電極１０３との導通を制御するスイッチＳＷ８とから構成される。スイッチＳＷ６〜ＳＷ８は第２のスイッチ素子ＳＷ９を構成している。【００４９】
図１２Ａ〜図１２Ｅを参照し、Ｒｆ＞＞０とした場合の本実施例の表面形状認識センサ装置の動作について説明する。
基本的な動作は図４Ａ〜図４Ｅに示した第１の実施例の動作と同じである。図４Ａ〜図４Ｅと異なる点は、電位制御回路１４０ａの動作である。スイッチＳＷ６は、制御信号Ｐがロウレベルのとき電位Ｖ４を選択し、制御信号Ｐがハイレベルのとき電位Ｖ３（Ｖ３＜Ｖ４）を選択する。スイッチＳＷ７は、制御信号Ｓ１がロウレベルのときスイッチＳＷ６の出力を選択し、制御信号Ｓ１がハイレベルのとき電流源１４２の出力を選択する。図１２Ｂの時点ｔ３に達するまでの間、スイッチＳＷ８は、制御信号Ｅにより導通状態となり、時点ｔ３に達したときに開状態となる。このようにスイッチＳＷ６〜ＳＷ８が動作することにより、信号発生回路１１の出力とセンサ電極１０１との節点Ｎ１への充電が始まる迄は高感度化電極１０３を電位Ｖ４に設定し、充電開始時から高感度化電極１０３を電位Ｖ３に設定し、さらに充電完了後に高感度化電極１０３を電流源１４２に接続して電荷を充電することができる。【００５０】
本実施例では、図４Ａ〜図４Ｅと同様に時点ｔ２からｔ３の期間の節点Ｎ２の電位変動を抑えるだけでなく、図１２Ｅに示すように時点ｔ１の節点Ｎ１の充電タイミングで節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化と逆方向に変化させることで、図１２Ｄのように時点ｔ１における節点Ｎ２の電位変動を抑えることができる。その結果、節点Ｎ２の電位をすべての期間において制御することができ、節点Ｎ２の電位変動による容量Ｃｆの実効的な減少を第１の実施例よりも効果的に防ぐことができる。【００５１】
以上説明したように、本実施例では、指３の表面と高感度化電極１０３との間に形成される容量Ｃｃを介して指３の表面（節点Ｎ２）の電位を電位制御回路１４０ａにより制御することで、指３の抵抗Ｒｆが大きい場合の節点Ｎ２の電位を制御することができ、容量Ｃｆの検出感度を向上させることができる。【００５２】
なお、第１の実施例と同様に、本実施例でも、節点Ｎ１の電荷を放電させた後、節点Ｎ１に電荷を所定時間だけ充電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とすることもできる。この場合には、電流源１４２を図１１とは逆向きに接続する。そして、節点Ｎ１の電荷の放電が始まる迄は高感度化電極１０３を電位Ｖ３に設定し、放電開始時から高感度化電極１０３を電位Ｖ４（Ｖ３＜Ｖ４）に設定し、さらに放電完了後に高感度化電極１０３を電流源１４２に接続して電荷を放電すればよい。【００５３】
［第４の実施例］
次に、本発明の第４の実施例について説明する。
本発明の第４の実施例の表面形状認識センサ装置は、第２の実施例において、図７の電位制御回路１５０の代わりに、図１３Ａの電位制御回路１５０ａを用いるものである。電位制御回路１５０ａは、所定の電位Ｖ１（第８の電位）またはＶ２（第７の電位、第９の電位）を選択して高感度化電極１０３に出力するスイッチＳＷ１０（設定部）からなる。図９Ａの電位制御回路１５０では制御信号Ｓ２を用いているのに対し、本実施例では制御信号Ｐを用いている点が異なる。すなわち、本実施例では、スイッチＳＷ１（充電回路）および電位制御回路１５０ａが、制御信号出力回路５ａから入力される制御信号Ｓ２により共通に制御される。【００５４】
図１４Ａ〜図１４Ｅを参照し、Ｒｆ＞＞０とした場合の本実施例の表面形状認識センサ装置の動作について説明する。
基本的な動作は図８Ａ〜図８Ｅに示した第２の実施例の動作と同じである。図８Ａ〜図８Ｅと異なる点は、電位制御回路１５０ａの動作である。スイッチＳＷ１０は、制御信号Ｐがロウレベルのとき電位Ｖ２を選択し、制御信号Ｐがハイレベルのとき電位Ｖ１を選択する。このようにスイッチＳＷ１０が動作することにより、信号発生回路１３の出力とセンサ電極１０１との節点Ｎ１への充電が始まる迄は高感度化電極１０３を電位Ｖ２に設定し、充電開始時から高感度化電極１０３を第７の電位Ｖ１に設定し、充電が完了した後は高感度化電極１０３を電位Ｖ２に設定して、図１４Ｅの波形を発生することができる。【００５５】
本実施例では、図８Ａ〜図８Ｅと同様に時点ｔ２以降の期間において節点Ｎ２の電位変動を抑えるだけでなく、図１４Ｅに示すように時点ｔ１の節点Ｎ１の充電タイミングで節点Ｎ３の電位を節点Ｎ１の電位変化と逆方向に変化させることで、図１４Ｄのように時点ｔ１における節点Ｎ２の電位変動を抑えることができる。その結果、節点Ｎ２の電位をすべての期間において制御することができ、節点Ｎ２の電位変動による容量Ｃｆの実効的な減少を第２の実施例よりも効果的に防ぐことができる。【００５６】
なお、節点Ｎ３のｔ１以前の電位とｔ２以降の電位は、Ｖ２に設定されているが、これに限定する必要はなく、ｔ１以前の電位（第７の電位）とｔ２以降の電位（第９の電位）は異なっていても構わない。この場合、図１３Ａで示した電位Ｖ１およびＶ２の他に、もう１つの電源を用意して切り替えるように制御すればよい。【００５７】
図１３Ａの電位制御回路１５０ａの代わりに、図１３Ｂの電位制御回路１５０ｂを用いることもできる。電位制御回路１５０ｂは、制御信号Ｐを高感度化電極１０３に供給する信号線１５２（設定部）からなる。制御信号Ｐの電位をそのまま用いることにより、付加回路を用いずに電位制御回路１５０ｂを実現することができる。【００５８】
以上説明したように、本実施例では、指３の表面と高感度化電極１０３との間に形成される容量Ｃｃを介して指３の表面（節点Ｎ２）の電位を電位制御回路１５０ａ，１５０ｂにより制御することで、指３の抵抗Ｒｆが大きい場合の節点Ｎ２の電位を制御することができ、容量Ｃｆの検出感度を向上させることができる。【００５９】
なお、第２の実施例と同様に、本実施例でも、節点Ｎ１の電荷を放電させた後、節点Ｎ１に電荷を充電させることによって得られる信号をセンサセルの出力とすることもできる。この場合には、例えば図１３Ａにおいて、節点Ｎ１の電荷の放電が始まる迄は高感度化電極１０３を電位Ｖ１に設定し、放電開始時から高感度化電極１０３を電位Ｖ２（Ｖ１＜Ｖ２）に設定し、放電が完了した後は高感度化電極１０３を電位Ｖ１に設定すればよい。【００６０】
［第５の実施例］
次に、本発明の第５の実施例について説明する。
本発明の第５の実施例に係るセンサセルアレイは、センサ電極１０１と高感度化電極１０３が、図３Ａおよび図３Ｂとは異なる配置をしたものである。すなわち、図１５に示すように、高感度化電極１０３がセンサ電極１０１を取り囲むように配置されている。これにより、隣接するセンサセルからのセンサ電極１０１に対するノイズを低減することができる。図１５の構成は、第１の実施例から第４の実施例の全てに適用することができる。【００６１】
［第６の実施例］
次に、本発明の第６の実施例について説明する。
本発明の第６の実施例に係るセンサセルアレイは、センサ電極１０１と高感度化電極１０３が図３Ａ、図３Ｂ、図１５とは異なる配置をしたものである。すなわち、図１６に示すように、センサ電極１０１が高感度化電極１０３を取り囲むように配置されている。これにより、各センサセルにおける指表面の電位を、隣接するセンサセルからの影響を低減しつつ、効率よく制御することができる。図１６の構成は、第１の実施例から第４の実施例の全てに適用することができる。【００６２】
［第７の実施例］
次に、本発明の第７の実施例について説明する。
本発明の第７の実施例に係るセンサセルアレイは、基板表面を基準にしたセンサ電極と高感度化電極の形成位置が異なるものである。
図１７Ａに、高感度化電極１０３ａがセンサ電極１０１より高い位置に形成された例を示す。具体的には、基板上の絶縁膜１００上にセンサ電極１０１が形成され、センサ電極１０１を覆うように絶縁膜１００上に第１のパッシベーション膜１０２ａが形成され、第１のパッシベーション膜１０２ａ上に高感度化電極１０３ａが形成され、高感度化電極１０３ａを覆うように第１のパッシベーション膜１０２ａ上に第２のパッシベーション膜１０２ｂが形成されている。センサ電極１０１と高感度化電極１０３ａは互いに対向しないように形成される。このようにパッシベーション膜を多層化することにより、センサ電極１０１と高感度化電極１０３ａとを異なる高さに容易に形成することができる。【００６３】
高感度化電極１０３ａをセンサ電極１０１より高い位置に形成すると、図２等のようにセンサ電極１０１および高感度化電極１０３を同じ高さに形成した場合と比較して、第２のパッシベーション膜１０２ｂに接触する指３の表面と高感度化電極１０３ａとの間の距離が小さくなる。ここで例えば距離が１／Ｎ（Ｎ＞１）になったとすると、高感度化電極１０３ａの面積を図２等の高感度化電極１０３の面積の１／Ｎにしても、指３の表面と高感度化電極１０３ａとの間に形成される容量Ｃｃを維持することができる。すなわち、高感度化電極１０３ａを小型化しても容量Ｃｃを維持できるので、第１〜第４の実施例と同様の指表面（節点Ｎ２）への電位制御効果が得られる。また、図１７Ａのようにして高感度化電極１０３ａを小型化することにより、センサ電極１０１の面積を大きくし、結果として検出感度を向上させることができる。【００６４】
また、図１７Ｂに示すように、センサ電極１０１ａが高感度化電極１０３より高い位置に形成されるようにしてもよい。図１７Ｂでは、基板上の絶縁膜１００上に高感度化電極１０３が形成され、高感度化電極１０３を覆うように絶縁膜１００上に第１のパッシベーション膜１０２ｃが形成され、第１のパッシベーション膜１０２ｃ上にセンサ電極１０１ａが形成され、センサ電極１０１ａを覆うように第１のパッシベーション膜１０２ｃ上に第２のパッシベーション膜１０２ｄが形成されている。センサ電極１０１ａと高感度化電極１０３は互いに対向しないように形成される。これにより、指３の表面との間に形成される容量Ｃｆを維持しつつセンサ電極１０１ａを小型化することができる。したがって、センサ電極１０１の面積を大きくし、結果として検出感度を向上させることができる。
なお、図１７Ａ，図１７Ｂにおいて、パッシベーション膜１０２ｂ，１０２ｄの表面は平坦化されていることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、例えば、静電容量型指紋センサに適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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