PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69933339T2 16.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000969477
Titel Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen
Anmelder Nippon Telegraph and Telephone Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Morimura, Nippon Telegraph and Tel. Corp., Hiroki, Shinjuku-ku, Tokio, JP;
Shigematsu, Nippon Telegraph and Tel Corp, Satoshi, Shinjuku-ku, Tokio, JP;
Machida, Nippon Telegraph and Tel Corp., Katsuyuki, Shinjuku-ku, Tokio, JP;
Hirata, Nippon Telegraph and Tel. Corp., Akihiko, Shinjuku-ku, Tokio, JP
Vertreter Wenzel & Kalkoff, 22143 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69933339
Vertragsstaaten DE, FR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.07.1999
EP-Aktenzeichen 992502153
EP-Offenlegungsdatum 05.01.2000
EP date of grant 27.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse G11C 11/24(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G11C 27/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G06K 9/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G01R 27/26(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 2 und insbesondere eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen zum Nachweisen einer Oberflächenform, die ein kleines dreidimensionales Muster, beispielsweise der Hautoberfläche eines menschlichen Fingers oder der Nase eines Tieres als kleine Kapazitätsänderung aufweist.

Als Sensoren zum Nachweisen einer Oberflächenform, die ein kleines dreidimensionales Muster aufweist, wurden insbesondere Vorrichtungen, die auf die Fingerabdruckerkennung abzielen, berichtet. Als eine Technik zum Nachweisen eines Fingerabdruckmusters ist ein kapazitiver Nachweissensor vorgeschlagen worden, der die LSI-Herstellungstechnologie anwendet. Dies wird beispielsweise in „ISSCC DIGEST OF TECHNICAL PAPERS", FEBRUAR 1998, Seiten 284–285, beschrieben.

Ein kapazitiver Nachweissensor erfasst das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche eines Fingers, indem er eine elektrostatische Kapazität nachweist, die zwischen den Elektroden kleiner Sensoreinheiten, die zweidimensional auf einem LSI-Chip angeordnet sind, und der Haut eines Fingers, der über eine Isolierschicht mit den Elektroden in Kontakt ist, erzeugt wird. Da sich der Kapazitätswert abhängig von dem dreidimensionalen Muster der Hautoberfläche eines Signals ändert, kann das dreidimensionalen Muster der Hautoberfläche eines Signals durch Nachweisen der kleinen Kapazitätsdifferenz erfasst werden.

54 zeigt die Grundanordnung einer herkömmlichen Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die dieses Prinzip anwendet. Die Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen weist ein Nachweiselement 310 auf, das von einer elektrostatischen Kapazität zwischen einer Elektrode und der Haut eines Fingers, der mit der Elektrode über eine Isolierschicht in Berührung steht, ausgebildet ist, eine Signalerzeugungsschaltung 320 zum Erzeugen eines Spannungssignals entsprechend dem elektrostatischen Kapazitätswert des Nachweiselements 310 und eine Ausgangsschaltung 340 zum Wandeln des Spannungssignals von der Signalerzeugungsschaltung 320 und zum Ausgeben eines Signals.

55A und 55B zeigen die Anordnung der herkömmlichen Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen. Diese Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen weist eine Mehrzahl Nachweiselemente 310, eine Mehrzahl Signalerzeugungsschaltungen 320 und eine Mehrzahl Ausgangsschaltungen 340 auf. Ein Nachweiselement 310 und eine Signalerzeugungsschaltung 320 bauen eine Sensoreinheit 301. Die Sensoreinheiten 301 sind zweidimensional auf einem LSI-Chip angeordnet, um eine Sensoranordnung 302 zu bilden. Die Ausgangsschaltungen 340 sind nahe der Sensoranordnung 302 angeordnet, um einen Ausgangsabschnitt 304 zu bilden.

Da der elektrostatische Kapazitätswert jedes Nachweiselements 310 abhängig von dem Abstand zwischen der Elektrode der Sensoreinheit 301 und der Hautoberfläche eines Fingers bestimmt wird, ändert sich der elektrostatische Kapazitätswert des Nachweiselements 310 abhängig von dem dreidimensionalen Muster der Hautoberfläche des Fingers. Wenn ein Finger gegen die Sensoranordnung 302 gedrückt wird, gibt jede Sensoreinheit 301 ein Spannungssignal entsprechen dem dreidimensionalen Muster der Hautoberfläche des Fingers aus. Das Spannungssignal wird in ein gewünschtes Signal gewandelt, das das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche eines Fingers wiedergibt, sodass das Fingerabdruckmuster nachgewiesen wird.

Die Anordnung und der Betrieb der herkömmlichen Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 54 gezeigt ist, wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.

56 zeigt die Schaltungsanordnung der herkömmlichen Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen. Mit Bezug auf 56 bezeichnet das Bezugszeichen Cf eine elektrostatische Kapazität, die zwischen der Elektrode der Sensoreinheiten 301 und der Hautoberfläche eines Fingers, der mit der Elektrode über eine Isolierschicht in Kontakt ist, gebildet wird. Die Elektrode der Sensoreinheit 301 ist mit der Eingangsseite einer Stromquelle 321 eines Stroms I durch einen NMOS-Transistor Q3 verbunden. Ein Knoten N1 zwischen der Elektrode und dem Transistor Q3 ist mit der Eingangsseite der Ausgangsschaltung 340 verbunden. Eine Versorgungsspannung VDD wird an dem Knoten N1 durch einen PMOS-Transistor Q1 angelegt. Der Knoten N1 weist eine parasitäre Kapazität Cp1 auf. Die Signale PRE und RE werden an die Gate-Anschlüsse der Transistoren Q1, beziehungsweise Q3 angeschlossen.

Die Kapazität Cf bildet das Nachweiselement 310. Die Stromquelle 321 und der Transistor Q3 bauen die Signalerzeugungsschaltung 320.

57A bis 57C erklären den Betrieb der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 56 gezeigt ist.

Zuerst wird das Signal PRE des hohem Pegels (VDD) dem Gate-Anschluss des Transistors Q1 zugeführt und das Signal RE des niedrigen Pegels (GND) wird dem Gate-Anschluss des Transistors Q3 zugeführt. Somit sind beide Transistoren Q1 und Q3 AUS geschaltet.

In diesem Zustand, wenn sich das Signal PRE vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, wird der Transistor Q1 eingeschaltet. Da der Transistor Q3 ausgeschaltet bleibt, wird der Knoten N1 auf VDD vorgeladen.

Nach dem Vorladen wird das Signal PRE hoch und gleichzeitig wird das Signal RE hoch. Der Transistor Q1 wird ausgeschaltet und der Transistor Q3 wird eingeschaltet. Ladungen, die an dem Knoten N1 gespeichert sind, werden von der Stromquelle 321 entfernt. Folglich verringert sich das Potential an dem Knoten N1.

Wenn &Dgr;t der Zeitraum ist, während dessen sich das Signal RE auf einem hohen Pegel befindet, ist, nachdem der Zeitraum &Dgr;t abgelaufen ist, ein Potentialabfall &Dgr;V an dem Knoten N1 gegeben durch I&Dgr;t/(Cf + Cp1).

Da der Strom I, der Zeitraum &Dgr;t und die parasitäre Kapazität Cp1 konstant sind, wird der Potentialabfall &Dgr;V durch die Kapazität Cf bestimmt. Da die Kapazität Cf durch den Abstand zwischen der Elektrode des Sensors und der Hautoberfläche eines Fingers bestimmt ist, ändert sich der Wert der Kapazität Cf abhängig von dem dreidimensionalen Muster der Hautoberfläche eines Fingers. Das heißt, dass sich die Größe des Potentialabfalls &Dgr;V ändert und das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche eines Fingers wiedergibt. Der Potentialabfall &Dgr;V wird der Ausgangsschaltung 340 als Eingangssignal zugeführt. Die Ausgangsschaltung 340 bestimmt die Größe des Potentialabfalls &Dgr;V und gibt ein Signal aus, das das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche eines Fingers wiedergibt.

In der herkömmlichen Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen wird jedoch, wenn die parasitäre Kapazität Cp1 an dem Knoten N1 groß ist, der Potentialabfall &Dgr;V klein. Wenn die in 56 gezeigte Schaltung in der Praxis unter Verwendung der LSI-Herstellungstechnologie eingerichtet ist, wird die parasitäre Kapazität Cp1 größer als die Kapazität Cf.

Der Potentialabfall &Dgr;V kann durch Erhöhen des Stroms I der Stromquelle 321 oder des Zeitraums &Dgr;t des Signals RE auf einen hohen Pegel gebracht werden. Wenn der Strom I groß ist, sind jedoch die Sensoreinheiten 301 mit Herstellungsschwankungen schwer zu steuern. Aus diesem Grund ist der Strom I vorzugsweise verhältnismäßig klein, um eine hohe Nachweisgenauigkeit zu erhalten. Außerdem kann der Zeitraum &Dgr;t im Hinblick auf die Nachweiszeit nicht so lang gemacht werden.

Folglich wird der Potentialabfall &Dgr;V als Signal, das in die Ausgangsschaltung 340 einzugeben ist, klein und die Ausgabe verändert sich aufgrund von Störspannungsabständen oder Herstellungsschwankungen, was zu einer Verringerung der Oberflächenform-Nachweisgenauigkeit führt.

Wie zuvor beschrieben, verringert sich also eine Signaländerung, die das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche eines Fingers aufgrund des Einflusses eines parasitären Elements wie der parasitären Kapazität CP1 wiedergibt, das in dem Herstellungsprozess gebildet wird, und die Nachweisgenauigkeit der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen wird gering.

WO 98 52135 A, ein Dokument unter Art. 54 (3) EPÜ, offenbart eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kleine Kapazitätsänderung durch eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen genau zu erfassen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Entwicklungsspielraum der Ausgangsschaltung einer Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen zu erhöhen.

Um die zuvor genannten Aufgaben zu erfüllen, wird erfindungsgemäß eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 2 bereitgestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ist ein Blockdiagamm, das die Anordnung einer Sensoreinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;

3 ist ein Querschnitt, der die Anordnung des Nachweiselements der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;

4 ist ein Schaltungsdiagramm der in 2 gezeigten Sensoreinheit;

5A bis 5C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 4 gezeigten Sensoreinheit zeigen;

6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine weitere Anordnung der in 2 gezeigten Sensoreinheit zeigt;

7 ist ein Blockdiagramm einer Sensoreinheit gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

8 ist ein Schaltungsdiagramm der in 7 gezeigten Sensoreinheit;

9A bis 9C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 8 gezeigten Sensoreinheit zeigen;

10 ist ein Schaltungsdiagramm einer Sensoreinheit gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

11 ist ein Schaltungsdiagamm einer Sensoreinheit gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

12 ist ein Schaltungsdiagramm einer Sensoreinheit gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

13 ist eine Schaltungsdiagramm einer Sensoreinheit gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

14A bis 14C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 13 gezeigten Sensoreinheit zeigen;

15A bis 15C sind Blockdiagramme, die die siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;

16 ist ein Blockdiagramm, das die achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

17A und 17B sind Schaltungsdiagramme der Signalverstärkungsschaltungen gemäß der neunten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;

18A und 18B sind ein Querschnitt, beziehungsweise ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, die einen Oberflächenformerkennungssensor gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;

19 ist eine Draufsicht des Oberflächenformerkennungssensors;

20 ist ein Querschnitt, der die Verformung des Oberflächenformerkennungssensors zeigt;

21 ist eine Kurve, die eine Kapazität Cf und eine Kapazität Cr des Oberflächenform-Erkennungssensors zeigt;

22 ist ein Blockdiagramm, das eine Signalerzeugungsschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt;

23A bis 23C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 22 gezeigten Vorrichtung zeigen;

24 ist eine Kurve, die die Eigenschaften der in 22 gezeigten Vorrichtung zeigt;

25 ist eine Kurve, die die Eigenschaften der in 22 gezeigten Vorrichtung zeigt;

26 ist eine Kurve, die die Eigenschaften der in 22 gezeigten Vorrichtung zeigt;

27 ist ein Blockdiagramm, das die zwölfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

28 ist ein Schaltungsdiagramm der in 27 gezeigten Vorrichtung;

29A bis 29D sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 27 gezeigten Vorrichtung zeigen;

30 ist ein Blockdiagramm, das die 13. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

31 ist ein Schaltungsdiagramm der in 30 gezeigten Vorrichtung;

32 ist ein Schaltungsdiagramm einer variablen Schwellenschaltung, die in der Ausgangsschaltung der in 31 gezeigten Vorrichtung angeordnet ist;

33 ist ein Blockdiagramm, das die 14. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

34 ist ein Schaltungsdiagramm der in 33 gezeigten Vorrichtung;

35 ist ein Blockdiagramm, das die 15. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

36 ist ein Blockdiagramm, das die 16. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

37 ist ein Blockdiagramm, das die 17. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

38 ist ein Schaltungsdiagramm einer variablen Schwellenschaltung gemäß der 18. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

39 ist ein Blockdiagramm, das ein Anschlussbeispiel der in 38 gezeigten variablen Schwellenschaltung zeigt;

40 ist eine Kurve, die Operationswellenformen durch die in 39 gezeigte Schaltungsanordnung zeigt;

41 ist ein Schaltungsdiagramm einer variablen Schwellenschaltung gemäß der 19. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

42 ist ein Blockdiagramm, das ein Anschlussbeispiel der in 41 gezeigten variablen Schwellenschaltung zeigt;

43 ist ein Schaltungsdiagramm einer variablen Schwellenschaltung gemäß der 20. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

44 ist ein Schaltungsdiagramm einer variablen Schwellenschaltung gemäß der 21. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

45 ist ein Schaltungsdiagramm einer variablen Schwellenschaltung gemäß der 24. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

46 ist eine Ansicht, die die 27. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

47A die 47C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 46 gezeigten Vorrichtung zeigen;

48 ist eine Kurve, die einen Vergleich einer Signaländerung zeigt, die das dreidimensionale Muster der Oberflächenform eines Messobjekts zwischen der Vorrichtung von 46 und einer herkömmlichen Vorrichtung wiedergibt;

49 ist eine Ansicht, die die 28. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

50A bis 50C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 49 gezeigten Vorrichtung zeigen;

51 ist eine Kurve, die den Vergleich einer Signaländerung zeigt, die das dreidimensionale Muster der Oberflächenform eines Messobjekts zwischen der Vorrichtung von 49 und einer herkömmlichen Vorrichtung wiedergibt;

54 ist ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche Vorrichtung zeigt;

55A und 55B sind Ansichten, die die Anordnung der in 54 gezeigten Vorrichtung zeigen;

56 ist ein Schaltungsdiagramm der in 54 gezeigten Vorrichtung; und

57A bis 57C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 56 gezeigten Vorrichtung zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

(Erste Ausführungsform)

1 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist Sensoreinheiten 1 als Bestandteile bildende Einheiten auf, wie in 1 gezeigt. Die Sensoreinheiten 1 sind in einer Matrix auf einem LSI-Chip angeordnet, um eine Sensoranordnung 2 zu bilden.

2 zeigt die Anordnung jeder Sensoreinheit 1, die in 1 gezeigt ist. Die Sensoreinheit 1 umfasst ein Nachweiselement 10, dessen Elektrizitätsmenge sich mit dem Kontakt eines Erkennungsobjekts wie einem menschlichen Finger 3 ändert, eine erste Signalerzeugungsschaltung 20 zum Erzeugen eines Signals entsprechend der Elektrizitätsmenge des Nachweiselements 10, eine Signalverstärkungsschaltung 30 zum Verstärken des Pegels des Signals von der Signalerzeugungsschaltung 20 und zum Ausgeben des Signals und eine Ausgangsschaltung 45 zum Wandeln des Ausgangssignals von der Signalverstärkungsschaltung 30 in ein gewünschtes Signal und Ausgeben des Signals, wie in 2 gezeigt.

2 zeigt die Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen unter Verwendung des Nachweiselements 10, umfassend eine elektrostatische Kapazität, die zwischen der Sensorelektrode der Sensoreinheit 1 und der Hautoberfläche des Fingers 3 ausgebildet ist. In diesem Fall ist der Knoten zwischen dem Nachweiselement 10 und der Signalerzeugungsschaltung 20 an die Eingangsseite der Signalverstärkungsschaltung 30 angeschlossen und die Ausgangsschaltung 40 ist an die Ausgangsseite der Signalverstärkungsschaltung 30 angeschlossen.

3 zeigt die Anordnung des in 2 gezeigten Nachweiselements 10. Eine isolierende Unterschicht 12 ist auf einem Halbleitersubstrat 11 ausgebildet, das einen LSI oder Ähnliches aufweist. Auf der isolierenden Unterschicht 12 sind Verbindungen 13 ausgebildet. Eine Isolierschicht zwischen den Ebenen 14 ist auf den Verbindungen 13 und der isolierenden Unterschicht 12 ausgebildet. Die Sensorelektroden 16, die jeweils zum Beispiel eine quadratische Form aufweisen, sind auf der Isolierschicht zwischen den Ebenen 14 ausgebildet. Die Sensorelektroden 16 sind mit den Verbindungen 13 über Steckkontakte in Durchgangslöchern verbunden, die in der Isolierschicht zwischen den Ebenen 14 ausgebildet sind. Eine Passivierungsschicht 17 ist auf der Isolierschicht zwischen den Ebenen 14 ausgebildet, um die Sensorelektroden 16 abzudecken.

Obgleich nicht dargestellt, sind die Signalerzeugungsschaltung 20 und die Signalverstärkungsschaltung 30, die in 2 gezeigt sind, mit den Verbindungen 13 verbunden.

In dieser Anordnung fungiert die Hautoberfläche des Fingers 3, der mit der Passivierungsschicht 17 auf den Sensorelektroden 16 in Kontakt ist, als Elektrode, wenn der Finger 3 für einen Zielfingerabdruck gegen die Sensoranordnung 2 gedrückt wird und in Kontakt mit der Passivierungsschicht 17 kommt, sodass eine elektrostatische Kapazität zwischen der Hautoberfläche und den Sensorelektroden 16 gebildet wird.

Die Hautoberfläche an einer Fingerspitze ist durch Erhebungen und Täler gebildet. Aus diesem Grund ändert sich der Abstand zwischen der Hautoberfläche als eine Elektrode und der Sensorelektrode 16 zwischen den Erhebung und Tälern der Hautoberfläche, wenn der Finger 3 mit der Passivierungsschicht 17 in Kontakt gebracht wird. Diese Abstandsdifferenz wird als Kapazitätsdifferenz nachgewiesen.

In jeder Sensoreinheit 1 wird ein Signal entsprechend der Kapazität des Nachweiselements 10 von der Signalerzeugungsschaltung 20 ausgegeben. Das Signal wird in seinem Pegel durch die Signalverstärkungsschaltung 30 verstärkt, von der Ausgangsschaltung 40 in ein gewünschtes Signal gewandelt und von der Sensoreinheit 1 ausgegeben.

Die Signale, die von den Sensoreinheiten 1 ausgegeben werden, geben die Erhebungen und Täler der Hautoberfläche wieder. Somit kann das Fingerabdruckmuster auf Grundlage dieser Signale nachgewiesen werden.

Die Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 1 gezeigt ist, kann auf einem LSI-Chip ausgebildet sein, der einen Speicherabschnitt enthält, der Fingerabdruckdaten zum Abgleichen und einen Erkennungsverarbeitungsabschnitt zum Vergleichen und Abgleichen von Fingerabdruckdaten speichert, die in dem Speicherabschnitt mit einem Fingerabdruckmuster bereitgestellt werden, das von einer Oberflächenformerkennungssensorschaltung nachgewiesen wird.

Wenn diese Bauteile auf einem LSI-Chip ausgebildet sind, werden Informationen bei der Datenübertragung kaum verändert und die Vertraulichkeit kann verbessert werden.

Die Sensoreinheit 1, die in 2 gezeigt ist, wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.

4 zeigt die Sensoreinheit 1. Mit Bezug auf 4 bezeichnet das Bezugszeichen Cf eine elektrostatische Kapazität, die zwischen der Sensorelektrode 16 von 3 und der Hautoberfläche des Fingers 3 ausgebildet ist. Die Sensorelektrode 16, die die Kapazität Cf bildet, ist an den Drain-Anschluss eines NMOS-Transistors Q3a angeschlossen. Der Source-Anschluss des Transistors Q3a ist an die Eingangsseite einer Stromquelle 21a eines Stroms I angeschlossen. Der Source-Anschluss eines NMOS-Transistors Q2a ist an einen Knoten N1a zwischen der Sensorelektrode 16 und dem Transistor Q3a angeschlossen. Der Drain-Anschluss des Transistors Q2a ist an den Drain-Anschluss eines PMOS-Transistors Q1a angeschlossen, an dessen Source-Anschluss eine Stromversorgungsspannung VDD anliegt und an den Gate-Anschluss eines NMOS-Transistors Q4a, an dessen Drain-Anschluss die Stromversorgungsspannung VDD anliegt und dessen Source-Anschluss durch einen Widerstand Ra mit der Erde verbunden ist. Der Source-Anschluss des Transistors Q4a ist an ein Invertergatter 41 angeschlossen.

Die Signale PRE und RE werden den Gate-Anschlüssen der Transistoren Q1a, beziehungsweise Q3a zugeführt. Eine Vorspannung VG wird von einer Konstantspannungsquelle an den Gate-Anschluss des Transistors Q2a angelegt. Wenn Vth die Gate-Source-Schwellenspannung zum Abschalten des Transistors Q2a ist, werden die Spannungen VDD und VG so eingestellt, dass VDD ≥ VG – Vth erfüllt.

Die Knoten N1a und N2a weisen parasitäre Kapazitäten Cp1a, beziehungsweise Cp2a auf.

Die Kapazität Cf baut das Nachweiselement 10 auf. Die Stromquelle 21a und der Transistor Q3a bauen die Signalerzeugungsschaltung 20 auf. Die Transistoren Q1a und Q2a bauen die Signalverstärkungsschaltung 30 auf. Der Transistor Q4a, der Widerstand Ra und das Invertergatter 41 bauen die Ausgangsschaltung 40 auf. Die Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 4 gezeigt ist, unterscheidet sich von der herkömmlichen Vorrichtung darin, dass der Transistor Q2a zwischen den Knoten N1a und N2a eingefügt ist.

5A bis 5C erklären den Betrieb der Sensoreinheit 1, die in 4 gezeigt ist. 5A zeigt die Potentialänderung in dem Signal PRE zum Steuern des Transistors Q1a. 5B zeigt die Potentialänderung in dem Signal RE zum Steuern des Transistors Q3a. 5C zeigt die Potentialänderungen an den Knoten N1a und N2a.

Mit Bezug auf 4 werden die Potentiale an den Knoten N1a und N2a von einer Rücksetzschaltung (nicht dargestellt) im Voraus zurückgesetzt und im anfänglichen Zustand auf einen niedrigen Pegel (GND) gesetzt, wie in 5C gezeigt. Die Rücksetzschaltung kann zum Beispiel durch einen NMOS-Transistor ausgeführt sein.

In diesem Zustand wird zuerst das Signal PRE des hohen Pegels (VDD) dem Gate-Anschluss des Transistors Q1a zugeführt und das Signal RE des niedrigen Pegels (GND) wird dem Gate-Anschluss des Transistors Q3a zugeführt. Somit sind beide Transistoren Q1a und Q3a ausgeschaltet.

In diesem Zustand, wenn sich das Signal PRE vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, wird der Transistor Q1a eingeschaltet. Da der Transistor Q3a ausgeschaltet gehalten und die Signalerzeugungsschaltung 20 gestoppt wird, wird der Knoten N2a auf VDD vorgeladen.

Der Knoten N1a wird geladen, bis die Gate-Source-Spannung des Transistors Q2a die Schwellenspannung Vth erreicht, um den Transistor Q2a auszuschalten. Somit wird der Knoten N1a auf VG – Vth vorgeladen.

Nach dem Vorladen, wenn das Signal PRE hoch wird, wird der Transistor Q1a ausgeschaltet. Gleichzeitig wird das Signal RE hoch, um den Transistor Q3a einzuschalten, sodass sich die Signalerzeugungsschaltung 20 auf einen Betriebszustand ändert. Ladungen, die an dem Knoten N1a gespeichert sind, werden von der Stromquelle 21a entfernt, um das Potential an dem Knoten N1a zu verringern. Die Gate-Source-Spannung des Transistors Q2a wird höher als die Schwellenspannung Vth, um den Transistor Q2a auszuschalten. Mit dieser Operation werden Ladungen an dem Knoten N2a auch entfernt, um das Verringern des Potentials an dem Knoten N2a zu starten.

Die parasitäre Kapazität Cp2a wird hauptsächlich von den parasitären Kapazitäten des Drain-Anschlusses der Transistoren Q1a und Q2a und der parasitären Kapazität des Gate-Anschlusses des Transistors Q4a gebildet. Die parasitäre Kapazität Cp2a kann durch die gegenwärtige Anordnung beträchtlich kleiner gemacht werden als die parasitäre Kapazität Cp1 der herkömmlichen Vorrichtung.

Aus diesem Grund verringert sich das Potential an dem Knoten N2a abrupt, wenn der Potentialabfall an dem Knoten N2a beginnt, wie zuvor beschrieben. Nachdem das Potential an dem Knoten N2a dem an dem Knoten N1a gleicht, wird der Potentialabfall an dem Knoten N2a gemäßigt.

Wenn &Dgr;t der Zeitraum ist, während dem sich das Signal RE auf einem hohen Pegel befindet, ist ein Potentialabfall &Dgr;V an dem Knoten N1a nach dem Zeitraum &Dgr;t gegeben durch &Dgr;V = VDD – (VG – Vth) + I&Dgr;t/(Cf + Cp1a)(1)

Die parasitäre Kapazität Cp2a ist ausreichend kleiner als die parasitäre Kapazität Cp1a.

In der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 4 gezeigt ist, kann die Größe des Potentialabfalls &Dgr;V größer gemacht werden als in der herkömmlichen Vorrichtung durch VDD – (VG – Vth). Aus diesem Grund wird der Potentialabfall &Dgr;V groß, selbst wenn die parasitäre Kapazität Cp1a an dem Knoten N1a groß ist.

In der Ausgangsschaltung 40 ändert sich der Strom, der zwischen Source und Drain des Transistors Q4a fließt, abhängig von dem Potentialabfall &Dgr;V als ein Eingangssignal. Die Stromänderung wird durch den Widerstand Ra in eine Spannungsänderung gewandelt.

Das Invertergatter 41 wandelt ein Signal in ein digitales Signal unter Verwendung eines vorbestimmten logischen Schwellenwerts. Genauer gesagt gibt das Invertergatter 41, wenn der Eingangsspannungswert zum Invertergatter 41 kleiner ist als der Schwellenwert, ein Signal aus, das darstellt, dass ein Tal in Kontakt mit der Sensoreinheit 1 ist. Umgekehrt gibt das Invertergatter 41, wenn der Eingangsspannungswert zum Invertergatter 41 größer ist als der Schwellenwert, ein Signal aus, das darstellt, dass eine Erhebung in Kontakt mit der Sensoreinheit 1 ist.

Wenn der Potentialabfall &Dgr;V an dem Knoten N2a größer wird durch VDD – (VG – Vth), erhöht sich die Schwellenwert-Einstellungsbreite des Invertergatters 41. Da der Schwellenwert so gesetzt werden kann, dass verhindert wird, dass das Invertergatter 41 aufgrund von Rauschen einen fehlerhaften Betrieb ausführt, kann die Nachweisgenauigkeit der Vorrichtung verbessert werden.

Die Sensoreinheit 1, die in 4 gezeigt ist, ist durch das Nachweiselement 10, die Signalerzeugungsschaltung 20, die Signalverstärkungsschaltung 30 und die Ausgangsschaltung 40 aufgebaut. Da die Signalerzeugungsschaltung 20 und die Signalverstärkungsschaltung 30 neben dem entsprechenden Nachweiselement 10 angeordnet sind, wird das parasitäre Element wie die parasitäre Kapazität Cp1a, die an das Nachweiselement 10 angeschlossen ist, klein.

Da die Ausgangsschaltung 40 neben der entsprechenden Signalverstärkungsschaltung 30 angeordnet ist, wird außerdem die parasitäre Kapazität Cp2a zwischen der Signalverstärkungsschaltung 30 und der Ausgangsschaltung 40 klein.

Da die parasitären Elemente, die in dem Herstellungsprozess ausgebildet werden und zur Signaldämpfung beitragen, unterdrückt werden können, kann das Eingangssignal (&Dgr;V) zur Ausgangsschaltung 40 größer gemacht werden.

Bei Bedarf kann ein anderes Element anstelle des Invertergatters 41 verwendet werden. Wenn ein analoges Signal entsprechend der Elektrizitätsmenge des Nachweiselements 10 von der Ausgangsschaltung 40 ausgegeben werden soll, wird beispielsweise eine analoge Verstärkungsschaltung verwendet. Um ein Signal entsprechend der Elektrizitätsmenge des Nachweiselements 10 in einen digitalen Wert zu wandeln, wird ein A/D-Wandler verwendet. Wenn Daten unter Verwendung beispielsweise einer Halteschaltung, die von einem Taktsignal gesteuert wird, abgetastet werden, kann der Signalbetrag so eingestellt werden, dass er der Zeitachse entspricht.

Das Nachweiselement 10 kann die Kapazität Cf sein, die ein Paar Sensorelektroden aufweist, die einander über eine Isolierschicht gegenüberstehen und deren Wert sich ändert, wenn sich die obere Elektrode in senkrechter Richtung gemäß den Erhebungen und Tälern der Hautoberfläche eines Fingers verschiebt.

Anstelle der Signalerzeugungsschaltung 20 kann unter Verwendung der Stromquelle 21a eine erste Signalerzeugungsschaltung 22 verwendet werden, die unter Verwendung einer Kapazität Cs, wie in 6 gezeigt, aufgebaut ist. In der Signalerzeugungsschaltung 22 ist ein fester Anschluss eines Schalters SW1 an das Nachweiselement 10 angeschlossen, der andere feste Anschluss ist an die Erde angeschlossen und der bewegliche Anschluss ist an die Kapazität Cs angeschlossen.

In der Signalerzeugungsschaltung 22 verbindet der Schalter SW1 die Kapazität Cs mit der Erde im EIN-Zustand des Transistors Q1a von 4, um Ladungen von der Kapazität Cs im Voraus zu entfernen. Im AUS-Zustand des Transistors Q1a verbindet der Schalter SW1 die Kapazität Cs mit dem Nachweiselement 10, um eine vorbestimmte Menge Ladungen in der Kapazität Cs zu speichern, wodurch ein Signal entsprechend der Menge Elektrizität des Nachweiselements 10 erzeugt wird.

(Zweite Ausführungsform)

7 zeigt eine Sensoreinheit 1, die eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufbaut. Die gleichen Bezugszeichen wie in 2 bezeichnen die gleichen Teile in 7, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

Die Sensoreinheit 1, die in 7 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Sensoreinheit 1, die in 2 gezeigt ist, darin, dass die Sensoreinheit 1 eine Referenzsignalerzeugungsschaltung 50 zum Erzeugen eines Referenzsignals aufweist und eine Signalverstärkungsschaltung 31 ein Mittel zum Ändern der Verstärkung auf Grundlage des Pegels des Signals von einer Signalerzeugungsschaltung 20 und des des Referenzsignals aufweist.

8 zeigt die Sensoreinheit 1, die in 7 gezeigt ist. Die gleichen Bezugszeichen wie in 4 bezeichnen die gleichen Teile in 8, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

Die Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, ist durch Hinzufügen eines Referenzelements 51, einer zweiten Signalerzeugungsschaltung 52, eines NMOS-Transistors Q2b und eines PMOS-Transistors Q1b zur Sensoreinheit 1, die in 4 gezeigt ist, gebildet.

Das Referenzelement 51 ist ein simuliertes Nachweiselement 10. In der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, ist das Referenzelement 51 durch eine Kapazität Cr gebildet, da das Nachweiselement 10 durch eine Kapazität Cf gebildet wird.

Die Kapazität Cr wird als ein Schwellenwert zum Bestimmen, ob eine Erhebung oder ein Tal der Hautoberfläche eines Fingers in Kontakt mit der Sensoreinheit 1 steht, verwendet. Der Wert der Kapazität Cr wird zwischen der Kapazität Cf, die ausgebildet wird, wenn ein Erhebungsabschnitt der Hautoberfläche eines Fingers in Kontakt mit der Sensoreinheit 1 steht und der, die ausgebildet wird, wenn ein Tal der Hautoberfläche eines Fingers in Kontakt mit der Sensoreinheit 1 steht, gesetzt. Die Kapazität Cr fungiert effektiv als ein Schwellenwert, selbst wenn sie so gesetzt ist, dass sie gleich dem Wert der Kapazität Cf ist, die gebildet wird, wenn ein Tal der Hautoberfläche eines Fingers in Kontakt steht.

Die Kapazität Cr wird durch ein Element oder ein Halbleiterelement gebildet, das unter Verwendung von Verbindungen gebildet wird. Beispielsweise kann die Kapazität Cr durch eine MIM (Metall-Isolator-Metall)-Kapazität oder PIP (Polysilizium-Isolator-Polysilizium)-Kapazität ausgeführt sein, die durch Einfügen einer Isolierschicht zwischen Verbindungen gebildet wird, oder eine MOS-Kapazität.

Die Signalerzeugungsschaltung 52 erzeugt ein Referenzsignal, das der Kapazität Cr entspricht und weist die gleiche Schaltungsanordnung auf wie die der Signalerzeugungsschaltung 20. Insbesondere umfasst die Signalerzeugungsschaltung 52 eine Stromquelle 21b und einen NMOS-Transistor Q3b, die die gleichen Eigenschaften aufweisen, wie die einer Stromquelle 21a, beziehungsweise eines Transistors Q3a der Signalerzeugungsschaltung 20.

Die Referenzsignalerzeugungsschaltung 50 ist durch das Referenzelement 51 und die Signalerzeugungsschaltung 52 aufgebaut. Das Referenzsignal, das durch die Referenzsignalerzeugungsschaltung 50 erzeugt wird, weist den gleichen Pegel auf, wie der eines Signals, das von der Signalerzeugungsschaltung 20 erzeugt wird, wenn das Nachweiselement 10 eine Kapazität als Schwellenwert gesetzt hat.

Ein Knoten N1b zwischen dem Referenzelement 51 und der Signalerzeugungsschaltung 52 ist mit dem Source-Anschluss des NMOS-Transistors Q2b verbunden. Der Drain-Anschluss des Transistors Q2b ist mit dem Drain-Anschluss des PMOS-Transistors Q1b verbunden, wobei ein Source-Anschluss mit einer Stromversorgungsspannung VDD angelegt wird.

In der Sensoreinheit 1, die in 4 gezeigt ist, ist der Gate-Anschluss des Transistors Q2a mit der Konstantspannungsquelle verbunden. In der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, ist jedoch der Gate-Anschluss des Transistors Q2a an den Drain-Anschluss des Transistors Q2b angeschlossen. Der Gate-Anschluss des Transistors Q2b ist an den Drain-Anschluss Transistors Q2a angeschlossen.

Die PMOS-Transistoren Q1b und Q2b weisen die gleichen Eigenschaften auf, wie die Transistoren Q1a, beziehungsweise Q2a.

Die Signale PRE und RE werden den Gate-Anschlüssen der PMOS-Transistoren Q1b, beziehungsweise Q3b zugeführt.

Die Knoten N1b und N2b weisen parasitäre Kapazitäten Cp1b, beziehungsweise Cp2b auf.

Die Transistoren Q1a und Q1b bauen ein zweites Schaltungsmittel auf. Das zweite Schaltungsmittel und die Transistoren Q2a und Q2b bauen die Signalverstärkungsschaltung 31 auf.

9A bis 9C erklären den Betrieb der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist. 9A zeigt die Potentialänderung in dem Signal PRE zum Steuern der Transistoren Q1a und Q1b. 9B zeigt die Potentialänderung in dem Signal RE zum Steuern der Transistoren Q3a und Q3b. 9C zeigt die Potentialänderungen an dem Knoten N2a.

Mit Bezug auf 8 werden die Potentiale an den Knoten N1a, N2a, N1b und N2b von einer Rücksetzschaltung (nicht gezeigt) im Voraus zurückgesetzt und im anfänglichen Zustand auf einen niedrigen Pegel (GND) gesetzt, wie in 9C gezeigt. Die Rücksetzschaltung kann beispielsweise durch einen NMOS-Transistor ausgeführt sein.

In diesem Zustand wird zuerst das Signal PRE des hohen Pegels (VDD) den Gate-Anschlüssen der Transistoren Q1a und Q1b zugeführt und das Signal RE des niedrigen Pegels (GND) wird den Gate-Anschlüssen der Transistoren Q3a und Q3b zugeführt. Somit ist keiner der Transistoren Q1a, Q1b, Q3a und Q3b EIN geschaltet.

In diesem Zustand, wenn sich das Signal PRE vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, werden die Transistoren Q1a und Q1b eingeschaltet. Da die Transistoren Q3a und Q3b ausgeschaltet gehalten und die Signalerzeugungsschaltungen 20 und 52 gestoppt werden, werden die Knoten N2a und N2b auf VDD vorgeladen.

Die Knoten N1a und N1b werden geladen, bis die Gate-Source-Spannungen der Transistoren Q2a und Q2b den Schwellenwert Vth erreichen, um die Transistoren Q2a und Q2b auszuschalten. Da die Spannung VDD an die Gate-Anschlüsse der Transistoren Q2a und Q2b angelegt wird, werden die Knoten N1a und N1b auf VDD – Vth vorgeladen.

Nach dem Vorladen, wenn das Signal PRE hoch wird, werden die Transistoren Q1a und Q1b ausgeschaltet. Gleichzeitig wird das Signal RE hoch, um die Transistoren Q3a und Q3b einzuschalten, sodass die Signalerzeugungsschaltungen 20 und 52 in einen betriebsbereiten Zustand wechseln. Die Ladungen, die an den Knoten N1a und N1b gespeichert sind, werden von den Stromquellen 21a und 21b entfernt, um die Potentiale an den Knoten N1a und N1b leicht zu verringern. Die Gate-Source-Spannungen der Transistoren Q2a und Q2b werden leicht höher als die Schwellenspannung Vth, um die Transistoren Q2a und Q2b einzuschalten. Mit dieser Operation werden die Ladungen an den Knoten N2a und N2b auch entfernt, um das Verringern der Potentiale an den Knoten N2a und N2b zu starten.

Wenn Kapazität Cf > Kapazität Cr, ist das Potential an dem Knoten N1b geringer als das an dem Knoten N1a. Da der EIN-Widerstand des Transistors Q2b geringer ist als der des Transistors Q2a, verringert sich das Potential an dem Knoten N2b schneller als der an dem Knoten N2a.

Der Potentialabfall an dem Knoten N2b wird in den Gate-Anschluss des NMOS-Transistors Q2a eingegeben, um den EIN-Widerstand des Transistors Q2a zu erhöhen. Aus diesem Grund wird der Potentialabfall &Dgr;V an dem Knoten N2a unterdrückt.

Da das Potential an dem Knoten N2a in den Gate-Anschluss des Transistors Q2b eingegeben wird, ist die Änderung des EIN-Widerstands des Transistors Q2b gering. Folglich verringert sich das Potential an dem Knoten N2b weiter und der EIN-Widerstand des Transistors Q2a erhöht sich weiter.

Da die Transistoren Q2a und Q2b über Kreuz angeschlossen sind, werden diese Operationen erhöht, um den Potentialabfall &Dgr;V an dem Knoten N2a zu unterdrücken.

Umgekehrt, wenn Kapazität Cf < Kapazität Cr, werden die Potentialänderungen an den Knoten N2a und N2b umgekehrt. Das heißt, das Potential an dem Knoten N2b ändert sich nicht in großem Maße vom anfänglichen Vorladepotential VDD. Aus diesem Grund verringert sich das Potential an dem Knoten N2a in großem Maße, wie in der Sensoreinheit 1, die in 4 gezeigt ist.

Wenn der Wert der Kapazität Cr innerhalb des zuvor beschriebenen Bereichs gesetzt ist, kann die Verstärkung der Signalverstärkungsschaltung 31 unter Verwendung dieses Schwellenwerts geändert werden. Wenn eine Erhebung der Hautoberfläche eines Fingers in Kontakt ist, wird ein Signal (&Dgr;V) hohen Pegels in die Ausgangsschaltung 40 eingegeben. Wenn ein Tal der Hautoberfläche eines Fingers in Kontakt ist, wird ein Signal (&Dgr;V) niedrigen Pegels eingegeben. Somit kann die Ausgangsschaltung 40 die Erhebungen und Täler der Hautoberfläche eines Fingers eindeutig bestimmen.

In der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, kann ein Potentialabfall, der verursacht wird, wenn Ladungen von dem Leckstrom an dem Knoten N2a entfernt werden, durch eine Potentialänderung aufgrund des Leckstroms an dem Knoten N2b rückgängig gemacht werden. Aus diesem Grund kann jede fehlerhafte Operation aufgrund des Leckstroms verändert werden.

In der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, ist die Ausgangsschaltung 40 an den Knoten N2a angeschlossen. Die Ausgangsschaltung 40 kann jedoch an den Knoten N2b angeschlossen sein. In diesem Fall kann, obgleich die Polarität eines Ausgangs von der Ausgangsschaltung 40 invertiert ist, der gleiche Effekt erreicht werden, wie der, wenn die Ausgangsschaltung 40 an den Knoten N2a angeschlossen ist.

(Dritte Ausführungsform)

10 zeigt eine Sensoreinheit 1, die eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufbaut. Die gleichen Bezugszeichen wie in 8 bezeichnen die gleichen Teile in 10, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

Die Sensoreinheit 1, die in 10 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, darin, dass eine Ausgangsschaltung 40a zum Empfangen von Potentialabfällen &Dgr;V an den Knoten N2a und N2b als Komplementärsignale anstelle einer Ausgangsschaltung 40 verwendet wird.

Die Ausgangsschaltung 40a kann unter Verwendung einer differentiellen Spannungsverstärkungsschaltung ausgeführt sein. Die Ausgangsschaltung 40a, die in 10 gezeigt ist, umfasst einen NMOS-Transistor Q4a und einen Widerstand Ra, einen NMOS-Transistor Q4b und einen Widerstand Rb, die die gleichen Eigenschaften aufweisen, wie die des NMOS-Transistors Q4a und des Widerstands Ra und die PMOS-Transistoren Q5 und Q6 und NMOS-Transistoren Q7 und Q8, die eine Stromspiegel-Verstärkungsschaltung bilden.

Der Betrieb der Sensoreinheit 1, die in 10 gezeigt ist, ist grundsätzlich die gleiche, wie die der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist. Wenn Komplementärsignale in die Ausgangsschaltung 40a eingegeben werden, kann jedoch der Störabstand zur Stromversorgungsschwankung und Ähnliches erhöht werden.

(Vierte Ausführungsform)

11 zeigt eine Sensoreinheit 1, die eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufbaut. Die gleichen Bezugszeichen wie in 8 bezeichnen die gleichen Teile in 11, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

Die Sensoreinheit 1, die in 11 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, darin, dass eine Signalverstärkungsschaltung 32, die ein Schaltungsmittel aufweist, das zwischen den Knoten N2a und N2b angeschlossen ist, anstelle einer Signalverstärkungsschaltung 31 verwendet wird.

Das Schaltungsmittel ist von einem PMOS-Transistor Q9 gebildet, dessen Source- und Drain-Anschlüsse zwischen den Knoten N2a und N2b und dem Gate-Anschluss angeschlossen sind, dem ein Signal PRE zugeführt wird.

In der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, kann, wenn die Eigenschaften der Transistoren Q1a und Q1b variieren, eine Potentialdifferenz zwischen den Knoten N2a und N2b beim Vorladen der Knoten N2a und N2b auf die Stromversorgungsspannung VDD erzeugt werden. Wenn die Knoten N2a und N2b nicht auf das gleiche Potential vorgeladen werden, ändern sich die Potentialabfallraten an den Knoten N2a und N2b.

Die Operation der Sensoreinheit 1, die in 11 gezeigt ist, ist grundsätzlich die gleiche, wie die der Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist. In der Sensoreinheit 1, die in 11 gezeigt ist, können jedoch, wenn die Signalerzeugungsschaltungen 20 und 52 stoppen, die Knoten N2a und N2b auf das gleiche Potential durch Kurzschließen der Knoten N2a und N2b durch den Transistor Q9 vorgeladen werden. Während des Nachweisens des Signals, das heißt, wenn die Signalerzeugungsschaltungen 20 und 52 in Betrieb sind, werden außerdem die Knoten N2a und N2b von dem Transistor Q9 geöffnet.

Mit dieser Anordnung können die Änderungen in den Potentialabfallraten an den Knoten N2a und N2b unterdrückt werden und es kann verhindert werden, dass sich die Oberflächenform-Nachweisgenauigkeit verringert.

In der Sensoreinheit 1, die in 11 gezeigt ist, ist eine Ausgangsschaltung 40 an dem Knoten N2a angeschlossen. Die Ausgangsschaltung 40 kann jedoch an dem Knoten N2b angeschlossen sein. In diesem Fall kann, obgleich die Polarität eines Ausgangs von der Ausgangsschaltung 40 invertiert ist, der gleiche Effekt erhalten werden, wie der, wenn die Ausgangsschaltung 40 an dem Knoten N2a angeschlossen ist.

(Fünfte Ausführungsform)

12 zeigt eine Sensoreinheit 1, die eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufbaut. Die gleichen Bezugszeichen wie in 10 und 11 bezeichnen die gleichen Teile in 12, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

Die Sensoreinheit 1, die in 12 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Sensoreinheit, die in 10 gezeigt ist, darin, dass eine Signalverstärkungsschaltung 32, die in 11 gezeigt ist, anstelle einer Signalverstärkungsschaltung 31 verwendet wird.

In der Sensoreinheit 1, die in 12 gezeigt ist kann, wenn die Knoten N2a und N2b auf eine Stromversorgungsspannung VDD vorgeladen werden, die Potentialdifferenz zwischen den Knoten N2a und N2b aufgrund von Variationen in den Eigenschaften der Transistoren Q1a und Q1b beseitigt werden. Aus diesem Grund kann, anders als die Sensoreinheit 1, die in 10 gezeigt ist, eine Fehlspannung, die durch komplementäre Eingaben in die differentielle Verstärkungsschaltung aufgrund der Potentialdifferenz erzeugt wird oder eine Verringerung der Nachweisgenauigkeit aufgrund von Änderungen der Potentialabfallgeschwindigkeiten an den Knoten N2a und N2b vermieden werden.

(Sechste Ausführungsform)

13 zeigt eine Sensoreinheit 1, die eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufbaut. Die gleichen Bezugszeichen wie in 4 bezeichnen die gleichen Teile in 13, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

Die Sensoreinheit 1, die in 13 gezeigt ist, wird unter Verwendung der Transistoren Q1c, Q2c, Q3c und Q4c aufgebaut, deren Polaritäten unterschiedlich von denen der Transistoren Q1a bis Q1a in 4 sind. Mit Bezug auf 13 ist der Transistor Q1c ein NMOS-Transistor und die Transistoren Q2c bis Q4c sind PMOS-Transistoren. Die Signale PRE und RE , die durch Invertieren der Polaritäten der Signale PRE und RE erhalten werden, werden den Transistoren Q1c und Q3c zugeführt. Eine Stromversorgungsspannung VDD wird an die Eingangsseite einer Stromquelle 21a angelegt. Der Source-Anschluss des Transistors Q1c wird an die Erde angeschlossen. Die Bezugszeichen Cp1c und Cp2c bezeichnen parasitäre Kapazitäten.

14A bis 14C erklären den Betrieb der Sensoreinheit 1, die in 13 gezeigt ist. Der Betrieb der Sensoreinheit 1 ist der gleiche, wie der der Sensoreinheit 1, die in 4 gezeigt ist, außer dass die Polaritäten der Signale invertiert sind und die Richtung, in der sich das Signal (&Dgr;V) ändert, umgekehrt ist und es kann der gleiche Effekt erhalten werden, wie der der Sensoreinheit 1, die in 4 gezeigt ist. Mit Bezug auf 13 werden die Potentiale an den Knoten N1c und N2c durch eine Rücksetzschaltung (nicht gezeigt) im Voraus zurückgesetzt und im anfänglichen Zustand auf einen hohen Pegel (VDD) gesetzt, wie in 14C gezeigt. Die Rücksetzschaltung kann beispielsweise durch einen PMOS-Transistor ausgeführt sein.

Ein Potentialanstieg &Dgr;V an dem Knoten N2c, nachdem ein Zeitraum &Dgr;t abläuft, ist gegeben durch VG – Vth + I&Dgr;t/(Cf + Cp1c).

Für die Sensoreinheiten 1, die auch in 8 und 10 bis 12 gezeigt sind, kann der gleiche Effekt wie zuvor beschrieben unter Verwendung von Transistoren erhalten werden, deren Polaritäten sich von denen der Transistoren Q1b bis Q4b und Q9 unterscheiden.

(Siebte Ausführungsform)

15A bis 15C zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen wie in 2 bezeichnen die gleichen Teile in 15A bis 15C, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

In der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 2 gezeigt ist, sind eine Signalerzeugungsschaltung 20, eine Signalverstärkungsschaltung 30 und eine Ausgangsschaltung 40 für jedes Nachweiselement 10 angeordnet, um eine Sensoreinheit 1 zu bilden. Eine Mehrzahl Sensoreinheiten 1 ist zweidimensional angeordnet, um eine Sensoranordnung 2 zu bilden. In diesem Fall kann das Nachweisen parallel verarbeitet werden und eine Nachweisverarbeitung bei hoher Geschwindigkeit ist möglich.

Anders als diese Vorrichtung kann mindestens eine der Signalerzeugungsschaltung 20, der Signalverstärkungsschaltung 30 und der Ausgangsschaltung 40 von einer Mehrzahl Nachweiselemente 10 geteilt werden.

Um die Signalerzeugungsschaltung 20 zu teilen, wird eine Signalerzeugungsschaltung 20 selektiv an eine der Mehrzahl Nachweiselemente 10 durch einen Schalter SW2 angeschlossen, wie in 15A gezeigt.

Um die Signalverstärkungsschaltung 30 zu teilen, wird eine Signalverstärkungsschaltung 30 selektiv an eine der Mehrzahl Signalerzeugungsschaltungen 20 und eine der Mehrzahl Ausgangsschaltungen 40 durch Schalter SW3 und SW4 angeschlossen, wie in 15B gezeigt. Die Schalter SW3 und SW4 arbeiten synchron miteinander.

Um die Ausgangsschaltung 40 zu teilen, wird eine Ausgangsschaltung 40 selektiv an eine der Mehrzahl Signalverstärkungsschaltungen 30 durch einen Schalter SW5 angeschlossen, wie in 15C gezeigt.

Wenn mindestens eine der Signalerzeugungsschaltung 20, der Signalverstärkungsschaltung 30 und der Ausgangsschaltung 40 von der Mehrzahl Nachweiselemente 10 geteilt wird, kann die Schaltungsteilung oder der Betriebsstrom verringert werden.

Wenn die Mehrzahl Nachweiselemente 10, die nebeneinander angeordnet sind, die Signalerzeugungsschaltung 20, die Signalverstärkungsschaltung 30 und die Ausgangsschaltung 40 Teilen, wird der Einfluss parasitärer Elemente, die im Herstellungsprozess gebildet werden, klein.

In der Sensoreinheit 1, die auch in 8 und 10 bis 12 gezeigt ist, kann mindestens eine der Signalerzeugungsschaltung 20, der Signalverstärkungsschaltung 31 oder 32 und der Ausgangsschaltung 40 oder 42 von einer Mehrzahl Nachweiselemente 10 geteilt werden.

(Achte Ausführungsfonn)

16 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen wie in 7 bezeichnen die gleichen Teile in 16, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

Eine Referenzsignalerzeugungsschaltung 50, die in 7 gezeigt ist, kann von einer Mehrzahl Signalverstärkungsschaltungen 31 geteilt werden. In diesem Falle wird, wie in 16 gezeigt, eine Signalverstärkungsschaltung 31 selektiv an eine der Mehrzahl Signalverstärkungsschaltungen 31 durch Schalter SW6 und SW7 angeschlossen. Mit dieser Anordnung kann die Schaltungsteilung oder der Betriebsstrom verringert werden.

In den Sensoreinheiten 1, die auch in 10 bis 12 gezeigt sind, kann die Referenzsignal-Erzeugungsschaltung 50 von einer Mehrzahl Signalverstärkungsschaltungen 31 und 32 geteilt werden.

(Neunte Ausführungsform, nicht Teil der vorliegenden Erfindung)

17A und 17B zeigen andere Implementierungen der Signalverstärkungsschaltung 30, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind.

Wie in 17A gezeigt, kann die Signalverstärkungsschaltung 30 durch einen invertierenden Verstärker 33 zum Verstärken eines Spannungssignals ausgeführt sein. Das Bezugszeichen G bezeichnet eine Spannungsverstärkung.

Wie in 17B gezeigt, kann die Signalverstärkungsschaltung 30 auch durch eine Stromspiegelschaltung 34 zum Verstärken eines Stromsignals ausgeführt sein. Das Bezugszeichen n bezeichnet eine Stromverstärkung. 17B zeigt die Stromspiegelschaltung 34 zum Verstärken eines Stroms unter Verwendung einer Gate-Breite W der PMOS-Transistoren Q10 und Q11.

Die differentielle Signalverstärkungsschaltung 31, die in 7 gezeigt ist, kann auch durch eine Stromspiegelschaltung ausgeführt sein.

Die vorliegende Erfindung kann angewandt werden, um nicht nur einen menschlichen Fingerabdruck, sondern auch eine Oberflächenform nachzuweisen, die ein feines dreidimensionales Muster aufweist, beispielsweise die Nase eines Tieres.

(Zehnte Ausführungsform)

18A und 18B zeigen eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 18A zeigt den Hauptteil eines Oberflächenformerkennungssensors, der die Vorrichtung aufbaut. 8B zeigt eine äquivalente Schaltung.

Der Oberflächenformerkennungssensor umfasst ein Nachweiselement 10, das in 2 gezeigt ist, und ein Referenzelement 51 einer Referenzsignalerzeugungsschaltung 50, die in 7 gezeigt ist. Wie in 18A gezeigt, ist ein matrixähnliches Stützelement 103, das aus einem leitenden Material besteht, auf einem Halbleitersubstrat 101über eine Isolierschicht 102 ausgebildet. Eine untere Elektrode 104 ist auf der Isolierschicht 102 in der Mitte jedes Quadrats (Zelle) ausgebildet, umgeben von dem Stützelement 103, um von dem Stützelement 103 getrennt zu sein. Eine obere Elektrode 105 ist auf dem Stützelement 103 ausgebildet.

Die obere Elektrode 105 ist von der unteren Elektrode 104 durch einen vorbestimmten Abstand getrennt. Die untere Elektrode 104 und die obere Elektrode 105 bilden eine Kapazität Cf. In dem Oberflächenformerkennungssensor ist ein Schutzfilm 106, der einen vorspringenden Abschnitt 106a aufweist, auf der oberen Elektrode 105 ausgebildet. Der vorstehende Abschnitt 106a ist in einem Bereich über der unteren Elektrode 104 ausgebildet.

Eine Referenzelektrode 104a ist auf der Isolierschicht 102 ausgebildet, um die untere Elektrode 104 zu umgeben, während sie von der unteren Elektrode 104 und dem Stützelement 103 getrennt ist.

Die Differenz der Kapazität Cf zwischen der oberen Elektrode 105 und der unteren Elektrode 104 und einer Kapazität Cr zwischen der oberen Elektrode 105 und der Referenzelektrode 104a wird durch eine Sensorschaltung 110 nachgewiesen. Die äquivalente Schaltung der Kapazitäten Cf und Cr und der Sensorschaltung 110 ist in 18B gezeigt.

Wie in 19 gezeigt, ist das Stützelement 103 in einer Matrix ausgebildet. Die untere Elektrode 104 und die Referenzelektrode 104a sind an dem mittleren Abschnitt jeder Zelle ausgebildet, um eine Matrix zu bilden. Das heißt, der Oberflächenformerkennungssensor wird von einer Mehrzahl Sensorelementen gebildet, bei denen jeweils die untere Elektrode 104, die Referenzelektrode 104a und die obere Elektrode 105 auf diesen Elektroden ausgebildet sind.

Eine Sensorschaltung 110 ist entsprechend der unteren Elektrode 104 und einer Referenzelektrode 104a bereitgestellt. Eine Sensorschaltung 110 kann entsprechend einer Mehrzahl unterer Elektroden 104 und Referenzelektroden 104a bereitgestellt sein. Die Sensorschaltung 110 kann unter der Isolierschicht 102 auf dem Halbleitersubstrat 101 enthalten oder in einem Bereich des Halbleitersubstrats 101 ausgebildet sein, in dem kein Sensor angeordnet ist. Die Sensorschaltung 110 kann außerhalb des Halbleitersubstrats 101 bereitgestellt sein. Es ist zu beachten, dass eine Struktur zum Anschließen der Elektroden an die Sensorschaltung auf dem Halbleitersubstrat 101 ausgebildet ist.

Als Nächstes wird der Betrieb des Oberflächenformerkennungssensors gemäß der zehnten Ausführungsform beschrieben.

Wie in 20 gezeigt, verformt sich, wenn der vorstehende Abschnitt 106a in Kontakt mit einem Objekt kommt, der Schutzfilm 106 und gleichzeitig verformt sich auch die obere Elektrode 105. Folglich ändert sich der Abstand zwischen der unteren Elektrode 104 und der oberen Elektrode 105, um die Kapazität Cf dazwischen zu ändern. Gleichzeitig ändert sich der Abstand zwischen der Referenzelektrode 104a und der oberen Elektrode 105, um die Kapazität Cr dazwischen zu ändern.

In der zuvor beschriebenen Sensoreinheit 1, die in 8 gezeigt ist, wird, da das Nachweiselement 10 von der Kapazität Cf gebildet ist und das Referenzelement 51 in der Referenzsignalerzeugungsschaltung 50 von der Kapazität Cr gebildet ist, ein Signal basierend auf der Kapazität Cr von der Referenzsignalerzeugungsschaltung 50 als Referenzsignal ausgegeben.

Wie aus 20 offensichtlich ist, ist der Änderungsbetrag der oberen Elektrode 105 neben dem Stützelement 103 gering. Das heißt, die Abstandsänderung zwischen der Referenzelektrode 104a und der oberen Elektrode 105 ist geringer, als die zwischen der unteren Elektrode 104 und der oberen Elektrode 105.

Somit ändern sich die Kapazitäten Cf und Cr, wie in 21 gezeigt, in Bezug auf den Bewegungsbetrag eines Abschnitts (mittlerer Abschnitt der oberen Elektrode) der oberen Elektrode 105 unter dem vorstehenden Abschnitt 106a in Richtung der unteren Elektrode 104, wenn der vorstehende Abschnitt 106a in Kontakt mit einem Objekt kommt. In diesem Fall können die anfänglichen Werte der Kapazitäten Cf und Cr gleich gemacht werden, indem der Oberflächenbereich der Referenzelektrode 104a so gesetzt wird, dass er gleich dem der unteren Elektrode 104 ist, wie in 21 gezeigt.

Die Beziehung zwischen der Änderung der Kapazität Cf und der Änderung der Kapazität Cr, die in 21 gezeigt ist, hängt nicht von der Höhe (Dicke) des Stützelements 103 ab. Wenn die Differenz von der Sensorschaltung 110 nachgewiesen wird, kann selbst ein konstantes Nachweisergebnis erhalten werden, wenn sich die Höhe des Stützelements 103 ändert. Mit anderen Worten, wenn die Größe der Kapazität Cf unter Verwendung der Kapazität Cr als Referenz nachgewiesen wird, beeinträchtigt die Änderung des absoluten Werts nicht das Nachweisergebnis durch die Sensorschaltung 110.

Die Differenz der Kapazitätsänderungen wird von der Sensorschaltung 110 als elektrisches Signal nachgewiesen. Wenn der nachgewiesene Wert den Schwellenwert übersteigt, kann bestimmt werden, dass der vorstehende Abschnitt 106a verformt wird und folglich kann das dreidimensionale Muster des Objekts nachgewiesen werden.

Der Hautoberfläche an einer Fingerspitze ist durch Erhebungen und Täler gebildet. Wenn ein Finger in Kontakt mit dem Schutzfilm 106 gebracht wird, ändert sich der Verformungsbetrag des vorstehenden Abschnitts 106a zwischen einem Fall, in dem der vorstehende Abschnitt 106a in Kontakt mit einer Erhebung der Hautoberfläche eines Fingers ist und einem Fall, in dem der vorstehende Abschnitt 106a in Kontakt mit einem Tal ist. Die Differenz im Verformungsbetrag wird als Kapazitätsänderungsdifferenz nachgewiesen.

Wenn die Verteilung von Nachweisergebnissen, die in Einheiten einer Mehrzahl Sensorelemente unterschiedlich sind, unter Verwendung des Schwellenwerts bestimmt und nachgewiesen werden, stellen somit die Nachweisergebnisse die Form von Erhebungen der Hautoberfläche eines Signals dar. Das heißt, mit dem kapazitiven Oberflächenformnachweissensor der zehnten Ausführungsform können die feinen Erhebungen und Täler der Hautoberfläche nachgewiesen werden.

Selbst wenn die Höhe des Stützelements eine Herstellungsschwankung aufweist, beeinflusst die Abweichung gemäß dem Oberflächenformnachweissensor der zehnten Ausführungsform das Nachweisergebnis der Sensorschaltung 110 nicht nachteilig, sodass jeder Nachweisfehler der Objektform vermieden werden kann.

Da zwischen Nachweisergebnissen der Mehrzahl Sensorelemente selten Schwankungen erzeugt werden, kann das Fingerabdruckmuster genau nachgewiesen werden.

Gemäß der zuvor genannten zehnten Ausführungsform weist die Referenzelektrode in einem Sensorelement eine ringähnliche enthaltene Struktur auf, um die untere Elektrode zu umgeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der gleiche Effekt wie zuvor beschrieben kann erhalten werden, selbst wenn eine Mehrzahl geteilter Referenzelektroden um die untere Elektrode angeordnet ist.

Der gleiche Effekt wie in der zehnten Ausführungsform kann erhalten werden, selbst wenn eine rechteckige Referenzelektrode an einem Abschnitt zwischen dem Stützelement und der unteren Elektroden in einem Sensorelement ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine Mehrzahl Referenzelektroden entsprechend der unteren Elektrode bereitgestellt werden, und eine Mehrzahl Kapazitäten zwischen der oberen Elektrode und der Mehrzahl Referenzelektroden kann mit der Kapazität zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode verglichen werden.

In der zehnten Ausführungsform ist der Schutzfilm, der einen vorstehenden Abschnitt aufweist, auf der oberen Elektrode ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Ausbildung eines flachen Schutzfilms auf der oberen Elektrode ist ausreichend. Wenn ein Metallmaterial, das Korrosionsbeständigkeit aufweist, für die obere Elektrode verwendet wird, muss kein Schutzfilm auf der oberen Elektrode ausgebildet sein.

(Elfte Ausführungsform)

22 zeigt eine andere Anordnung einer Signalerzeugungsschaltung 20, die in 2 gezeigt ist.

Die Signalerzeugungsschaltung, die in 22 gezeigt ist, entfernt Ladungen durch Laden/Entladen der Kapazität und ist der ersten Signalerzeugungsschaltung 22 ähnlich, die in 6 gezeigt ist, die zum Laden/Entladen der Kapazität verwendet wird. Anders als die erste Signalerzeugungsschaltung 22, die in 6 gezeigt ist, wird der Ladungsbetrag, der entfernt werden soll, von einer Kapazität Cs und einer Steuerspannung Vs gesteuert. Insbesondere wird der Ladungsbetrag, der entfernt werden soll, gesteuert, indem die Steuerspannung Vs, die in 22 gezeigt ist, durch einen Schalter SW11 auf den Stromversorgungspannungspegel (VDD) oder den Erdpegel (GND) gesetzt wird. Die Steuerbarkeit der Kapazität Cs ist größer als beispielsweise die des Stromwerts einer Stromquelle 21a, die in 8 gezeigt ist. Die Spannung kann einfach und genau unter Verwendung der zuvor beschriebenen Stromversorgungsspannung gesteuert werden, im Vergleich zur Zeitsteuerung.

Ein optimaler Wert für das Verfahren zum Setzen des Kapazitätwerts wird als Nächstes beschrieben.

Wie in 23A bis 23C gezeigt, wird ein Potential P auf einen hohen Pegel gesetzt, um den Schalter zum Vorladen zu schließen. Danach wird das Potential P auf einen niedrigen Pegel gesetzt, um den Schalter zu öffnen, und Ladungen werden entfernt, indem die Steuerkapazität Cs verwendet wird, um ein Eingangssignal an der Seite einer Nachweisschaltung 120 zu erzeugen, das von der Signalerzeugungsschaltung und der Ausgangsschaltung gebildet wird. Angenommen Vp sei das Vorladepotential, Cf die Nachweiskapazität und Cp die parasitäre Kapazität. Eine Änderungsbetrag &Dgr;V des Eingangssignals ist gegeben durch &Dgr;V = {&Dgr;Vs/(1 + (Cf + Cp)/Cs}(2)

Ein dynamischer Bereich &Dgr;Vi dieses Signaländerungsbetrags ist gegeben durch &Dgr;Vi = &Dgr;VMAX – &Dgr;VMIN = &Dgr;Vs/{1 + (Cfv + Cp)/Cs} – &Dgr;Vs/{1 + (Cfr + Cp)/Cs}(3)

Wobei Cfv die Kapazität eines Tals der Hautoberfläche eines Fingers ist und Cfr die Kapazität einer Erhebung der Hautoberfläche eines Fingers ist. Der dynamische Bereich &Dgr;Vi ist vorzugsweise so groß wie möglich, weil er einem Eingangssignal in die Nachweisschaltung 120 entspricht. 24 zeigt die Beziehung zwischen dem dynamischen Bereich &Dgr;Vi und der Kapazität Cs, wenn Cp = 50 fF, Cfv = 10 fF, Cfr = 100 fF und &Dgr;Vs = 2,7 V.

Mit Bezug auf 24 gibt es eine Kapazität Cs, an der der dynamische Bereich &Dgr;Vi maximiert ist. Die Kapazität Cs beträgt ungefähr 95 fF. Aus den oben aufgeführten Gleichungen wird der dynamische Bereich &Dgr;Vi maximiert, weil Cs = {(Cfv + Cp)(Cfr + (p)}1/2(4)

Die Kapazität Cs wird ausgewählt, um diese Bedingung zu erfüllen. Die Größe einer Sensorelektrode ist auf der Grundlage des Fingerabdruckmusters und der Empfindlichkeit einer Sensorschaltung begrenzt und auf ungefähr 20 bis 100 &mgr;m im Quadrat gesetzt. Zu dieser Zeit beträgt die Kapazität Cfr ungefähr 20 bis 350 fF, die Kapazität Cfv ungefähr 5fF oder weniger und die parasitäre Kapazität Cp ungefähr 10 bis 170 fF. Die Kapazität Cfv ist klein und kann daher bei 5 fF festgelegt sein. 25 zeigt den optimalen Wert der Kapazität Cs, wenn die Kapazitäten Cfr und Cp geändert werden.

Bei der gegenwärtigen Herstellung kann angenommen werden, dass Cp = Cfv/3 und Cfr = Cfv/20. in diesem Fall beträgt der optimale Wert der Kapazität Cs ungefähr 0,7 Cfv. Diese Beziehung ist in 26 gezeigt. Der optimale Wert der Kapazität Cs beträgt ungefähr das 0,7-Fache der Kapazität Cfv und und fällt in den Bereich von ungefähr 14 bis 245 fF auf Grundlage des Bereichs der Kapazität Cfv.

In der elften Ausführungsform erfolgt das Entfernen der Ladung unter Verwendung keiner Stromquelle sondern des Ladens/Entladens der Kapazität. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, die Strombeträge interner Stromquellen einer Anzahl Sensorzellen und die Ladungsentfernungszeit genau zu steuern. Die Erfassungsgenauigkeit der Nachweisschaltung kann somit mit einer einfachen Anordnung verbessert werden.

(Zwölfte Ausführungsform)

27 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist eine Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 als Ausgangsschaltung 40 auf, die in 2 gezeigt ist.

28 zeigt die Schaltungsanordnung der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 27 gezeigt ist. Diese Anordnung unterscheidet sich von der Schaltung, die in 4 gezeigt ist, darin, dass die Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 anstelle der Ausgangsschaltung 40 angeordnet ist.

Wie in 28 gezeigt, umfasst die Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 eine variable Stromquelle 43 zum Wandeln eines Eingangssignals &Dgr;Vo in ein Stromsignal, eine Lastkapazität CL, die mit dem Strom von der variablen Stromquelle 43 geladen ist, eine Schwellenschaltung 42, die das Potential an einem Knoten N3a empfängt und das auszugebende Signal auf der Grundlage einer gewissen Schwellenspannung ändert, und eine Rücksetzschaltung 44 zum Zurücksetzen des Potentials an dem Knoten N3a.

29A bis 29D zeigen Operationen verschiedener Abschnitte der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 28 gezeigt ist. Der Betrieb der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen wird mit Bezug auf diese Zeitdiagramme beschrieben.

Wenn ein Spannungssignal &Dgr;Vi, entsprechend einer Kapazität Cf eines Nachweiselements 10 ausgegeben wird (29A), wird das Spannungssignal &Dgr;Vi durch eine Signalverstärkungsschaltung 30 auf &Dgr;Vo verstärkt und an die Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 ausgegeben (29B). Ein Strom entsprechend dem Eingangssignal &Dgr;Vo fließt von der variablen Stromquelle 43 der Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141, um die Lastkapazität CL zu laden. Mit dieser Operation steigt das Potential an dem Knoten N3a der Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 an (29C).

Wenn das Potential an dem Knoten N3a eine Schwellenspannung Vt der Schwellenschaltung 42 übersteigt, ändert sich die Ausgangspannung von einem Ausgangssignal AUS (29D). Die Signalpolarität ist bloß ein Beispiel und nicht darauf beschränkt. In diesem Fall ändert sich die Weise, auf die das Potential an dem Knoten N3a ansteigt, da sich der Strombetrag der variablen Stromquelle 43 abhängig von der Größe des Eingangssignal &Dgr;Vo ändert. Eine Zeit Ts, bis sich das Ausgangssignal ändert, ist gegeben durch Ts = CL·Vt/gm &Dgr;Vo(5) wobei gm der Übertragungsleitwert der variablen Stromquelle 43 ist.

Wenn die Kapazität Cf ungefähr 100 ff oder weniger beträgt, ist das Eingangssignal &Dgr;Vo ungefähr proportional zur Größe der Kapazität Cf und die Zeit Ts ist proportional zu einem Abstand d zwischen der Elektrode des Nachweiselements 10 und der Hautoberfläche eines Fingers. Somit kann das Signal, entsprechend dem Abstand von der Hautoberfläche eines Fingers durch die Zeit dargestellt werden. Der Ausgangs-Dynamikbereich kann erhöht werden, ohne durch die Stromversorgungsschaltung oder den linearen Bereich eines analogen Verstärkers begrenzt zu sein. Die variable Stromquelle 43 kann beispielsweise durch einen PMOS-Transistor ausgeführt sein. Die Schwellenschaltung 42 kann unter Verwendung einer Inverterschaltung oder einer Schaltung wie einer Schmidt-Triggerschaltung ausgeführt sein, die in ihrem Schwellenwert eine Hysterese aufweist. Wenn eine Schaltung wie eine Schmidt-Triggerschaltung verwendet wird, die eine Hysterese in ihrem Schwellenwert aufweist, kann verhindert werden, dass sich das Ausgangssignal von der Schwellenschaltung 42aufgrund einer Spannungsschwankung durch Rauschen ändert, selbst wenn sich das Potential an dem Knoten N3a gemäßigt ändert. Wenn die Polaritäten von Signalen oder die Stromversorgung invertiert sind, sind die Polaritäten von MOS-Transistoren invertiert. Diese Anordnung ist nicht dargestellt, weil sie von Fachleuten ohne weiteres verstanden wird. Als variable Stromquelle 43 kann beispielsweise ein NMOS-Transistor verwendet werden.

(Dreizehnte Ausführungsform)

30 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Ausgangsschaltung 40, die in 2 gezeigt ist, wird durch eine Ausgangsschaltung 140 und eine Vorspannungs-Anpassungsschaltung 160 gebildet. In der Vorrichtung, die in 30 gezeigt ist, kann die Ausgangsschaltung 140 durch die Vorspannungs-Anpassungsschaltung 160 angepasst werden.

Mit Bezug auf 31 weist die Ausgangsschaltung 140 eine variable Schwellenschaltung 45 auf und die Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung 45 wird durch eine Schwellen-Anpassungsschaltung 161 angepasst. Die Schwellen-Anpassungsschaltung 161 ist ein spezifisches Beispiel der Vorspannungs-Anpassungsschaltung 160, die in 30 gezeigt ist. Die variable Schwellenschaltung 45 in der Ausgangsschaltung 140 kann durch eine Schmidt-Triggerschaltung ausgeführt sein, wie in 32 gezeigt. Wenn solch eine Schaltung als variable Schwellenschaltung 45 verwendet wird, und Knoten N4 von Sensoreinheiten 1, die in 1 gezeigt sind, miteinander verbunden sind, fungieren die Sensoreinheiten als Schwellenanpassungsschaltungen 161. Mit dieser Anordnung ändert sich die Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung 45 in der Ausgangsschaltung 140, abhängig von den Zuständen der Ausgangssignale von den Sensoreinheiten 1. Beispielsweise sei angenommen, dass ein Spannungssignal von eine Ausgangsschaltung an einem Tal der Hautoberfläche eines Fingers größer ist, als das von einer Ausgangsschaltung an einer Erhebung der Hautoberfläche des Fingers. Der Kontrast der Erhebungen und Täler der Hautoberfläche des Fingers kann verbessert werden, indem die Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung 45 angepasst wird, sodass das Signal von der Ausgangsschaltung an der Erhebung kleiner gemacht wird, als das Signal von der Ausgangsschaltung an dem Tal.

In der gleichen Schaltungsanordnung wie zuvor beschrieben, kann ein analoger Verstärker als variable Schwellenschaltung 45 verwendet werden, und die Schwellenanpassungsschaltung 161 kann als Vorspannungs-Anpassungsschaltung des analogen Verstärkers betrieben werden. Der Kontrast kann verbessert werden, indem die Vorspannung des analogen Verstärkers gemäß den Ausgangssignalzuständen der Sensoreinheiten angepasst wird. Gemäß der dreizehnten Ausführungsform kann somit die Funktion ausgeführt werden, den Kontrast der Oberflächenform zu verbessern.

(Vierzehnte Ausführungsform)

33 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der 14. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Ausgangsschaltung 40, die in 20 gezeigt ist, ist durch eine Spannung-Zeit-Wandlungschaltung 141 und eine Vorspannungs-Anpassungsschaltung 160 gebildet.

In der 14. Ausführungsform wird die Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 als Ausgangsschaltung 40 verwendet und die Spannung-Zeit-Wandlungschaltung 141 wird von der vor Spannung-Anpassungsschaltung 160 angepasst.

Mit Bezug auf 34 weist die Spannung-Zeit-Wandlungschaltung 141, die in 33 gezeigt ist, eine variable Schwellenschaltung 45 auf, und die Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung 45 kann durch die Schwellenanpassungsschaltung 161 angepasst werden. Die Schwellenanpassungsschaltung 161, die in 34 gezeigt ist, ist ein spezifisches Beispiel der Vorspannungs-Anpassungsschaltung 160, die in 33 gezeigt ist. Die variable Schwellenschaltung 45 kann durch eine Schmidt-Triggerschaltung ausgeführt sein, wie in 32 gezeigt. Wenn solch eine Schaltung als variable Schwellenschaltung verwendet wird und die Knoten N4 der Sensoreinheiten 1 miteinander verbunden sind, fungieren die Sensoreinheiten als Schwellen-Anpassungsschaltungen. Mit dieser Anordnung ändert sich die Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung 45 in der Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141, abhängig von den Zuständen der Ausgangssignale von den Sensoreinheiten 1.

Beispielsweise sei angenommen, dass ein Ausgangssignal Ts von einer Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung an einem Tal der Hautoberfläche eines Fingers größer ist als das Ausgangssignal Ts von einer Spannung-Zeit-Wandlungschaltung an einer Erhebung der Hautoberfläche des Fingers. Der Kontrast der Erhebungen und Täler der Hautoberfläche des Fingers kam verbessert werden, indem die Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung so angepasst wird, dass das Signal von der Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung an dem Tal größer gemacht wird als das Signal von der Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung an der Erhebung, d. h. die Schwellenspannung wird hoch. Gemäß der 14. Ausführungsform kann somit die Funktion ausgeführt werden, den dynamischen Ausgangsbereich zu erhöhen und den Kontrast der Oberflächenform zu verbessern.

(Fünfzehnte Ausführungsform)

35 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der 15. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Ausgangsschaltung 40, die in 7 gezeigt ist, wird von einer Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 gebildet. Wenn die Ausgangsschaltung 40 als Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung gebaut ist, kann der gleiche Effekt wie in der zuvor beschriebenen 12. Ausführungsform erhalten werden.

(Sechzehnte Ausführungsform)

36 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der 16. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Ausgangsschaltung 40, die in 7 gezeigt ist, wird von einer Ausgangsschaltung 140 gebildet, die in 30 gezeigt ist, und die Ausgangsschaltung 140 wird durch eine Vorspannungs-Anpassungsschaltung 160 angepasst. Mit dieser Anordnung kann der gleiche Effekt wie in der zuvor beschriebenen 13. Ausführungsform erhalten werden.

(Siebzehnte Ausführungsform)

37 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der 17. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Ausgangsschaltung 40, die in 7 gezeigt ist, ist von einer Spannung-Zeit-Umwandlungsschaltung 141 gebildet, die in 33 gezeigt ist, und die Spannung-Zeit-Wandlungsschaltung 141 wird von einer Vorspannungs-Anpassungsschaltung 160 angepasst. Mit dieser Anordnung kann der gleiche Effekt wie in der zuvor beschriebenen 14. Ausführungsform erhalten werden.

Wie zuvor beschrieben, kann in der 12. bis 17. Ausführungsform der dynamische Ausgangsbereich der Vorrichtung vergrößert werden, indem das Ausgangssignal in ein Signal in Richtung der Zeit gewandelt wird. Wenn die Vorspannung der inneren Schaltung der Ausgangsschaltung angepasst wird, kann außerdem der Kontrast verbessert werden. Durch Kombinieren dieser Schaltungen können außerdem ein breiter dynamischer Bereich und ein hoher Kontrast gleichzeitig ausgeführt werden. Wenn die Vorrichtung auf einen Fingerabdrucksensor unter Verwendung der LSI-Herstellungstechnologie angewandt wird, kann wegen der Vergrößerung des dynamischen Bereichs und der Kontrast-Verbesserungsfunktionen selbst durch einen A/D-Wandler mit geringerer Auflösungsleistung ein hoch genaues Fingerabdruckbild erhalten werden. Insbesondere erlaubt die Anwendung dieser Vorrichtung in einem Niederspannungs-Betriebszustand, ein hoch genaues Fingerabdruckbild zu erhalten.

(Achtzehnte Ausführungsform)

38 zeigt die 18. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 38 zeigt die Schaltungsanordnung einer variablen Schwellenschaltung 45a, die in einer Ausgangsschaltung 140 angeordnet ist, die in 31 gezeigt ist, als eine variable Schwellenschaltung, die in 32 gezeigt ist. Der logische Schwellenwert dieser variablen Schwellenschaltung 45a kann nach der Herstellung angepasst oder gesteuert werden.

Die variable Schwellenschaltung 45a, die in 38 gezeigt ist, oder die jeder der variablen Schwellenschaltungen, die später beschrieben werden, ist durch eine Schmidt-Triggerschaltung aufgebaut.

Mit Bezug auf 38 bezeichnet das Bezugszeichen Q11 einen PMOS-Transistor; und Q12 und Q13 NMOS-Transistoren. Das Bezugszeichen 46 bezeichnet ein Invertergatter. Das Bezugszeichen VDD bezeichnet eine Stromversorgungsspannung; und N4 und N5 Knoten. Die Leitfähigkeit eines aktiven Elements 47 ändert sich gemäß dem Pegel eines Signals, das durch einen Pfeil A angegeben ist. Das aktive Element 47 wird ausgeschaltet, wenn ein Ausgangssignal AUS hoch wird. In diesem Fall kann das aktive Element 47 beispielsweise durch einen PMOS-Transistor ausgeführt sein.

In dieser variablen Schwellenschaltung 45a wird die Leitfähigkeit des aktiven Elements 47 durch das Ausgangssignal AUS gesteuert. Die variable Schwellenschaltung 45a weist die zuvor beschriebenen Elemente auf. Sie unterscheidet sich von der herkömmlichen Schaltung darin, dass das Potential an dem Knoten N4 zum Anschließen des aktiven Elements 47 von einem externen Element der variablen Schwellenschaltung 45a angelegt werden kann. Das Potential an dem Knoten N4 wird durch eine Schwellenanpassungsschaltung 161 angepasst, die in 31 gezeigt ist.

Mit Bezug auf 38 erhöht sich/verringert sich das Potential an dem Knoten N5 ebenfalls entsprechend, wenn das Potential an dem Knoten N4 erhöht/verringert wird. Aus diesem Grund kann der logische Schwellenwert zum Ändern eines Eingangssignals EIN vom niedrigen Pegel auf den hohen Pegel angepasst werden, indem das Potential an dem Knoten N4 gesteuert wird.

Wie in 39 gezeigt, kann, wenn die Knoten N4 einer Mehrzahl variabler Schwellenschaltungen 45a1 bis 45an verbunden sind, und zwischen dem Knoten N4 und dem Stromversorgungspotential VDD ein Lastelement 48 eingefügt wird, der logische Schwellenwert gemäß der Eingangswellenform dynamisch geändert werden.

Das Lastelement 48 kann beispielsweise durch ein Widerstandselement oder einen MOS-Transistor ausgeführt sein, der durch ein Gate-Elektrodenpotential vorgespannt ist. In 39 sind n variable Schwellenschaltungen 45aI bis 45an angeschlossen. Die Eingangssignale EIN1, EIN2 ..., EINn und die Ausgangssignale AUS1, AUS2, ... AUSn entsprechen jeweils den variablen Schwellenschaltungen 45a1 bis 45an.

Mit Bezug auf 39 wird ein Fall betrachtet, in dem die Potentialänderungen der Eingangssignale unterschiedliche Flanken aufweisen. Zur besseren Beschreibung sei angenommen, dass das Eingangssignal EIN1 die steilste Flanke aufweist, das Eingangssignal EIN2 eine verhältnismäßig gemäßigte Flanke und das Eingangssignal EINn die gemäßigste Flanke aufweist.

40 zeigt Betriebswellenformen, wenn solche Eingangswellenformen in die Schaltung eingegeben werden, wie in 39 gezeigt.

Mit Bezug auf 40 weisen alle variablen Schwellenschaltungen 45a1 bis 45an einen logischen Schwellenwert Vta auf, wenn sich alle Eingangssignale auf einem niedrigen Pegel befinden. Wenn sich die Eingangssignale zu ändern beginnen, erreicht das Potential des Eingangssignals EIN1 den logischen Schwellenwert Vta zuerst, sodass das Ausgangssignal AUS1, das von der variablen Schwellenschaltung 45a1 ausgegeben wird, zuerst hoch wird. Folglich wird das aktive Element 47 in der variablen Schwellenschaltung 45a1, das von dem Ausgangssignal AUS1 gesteuert wird, ausgeschaltet, und das Potential an dem Knoten N4, der in 39 gezeigt ist, steigt leicht an. Somit wird der logische Schwellenwert aller variablen Schwellenschaltungen 45a1 bis 45an leicht höher als Vta.

Wenn das Eingangssignal EIN2 den logischen Schwellenwert nach der Änderung übersteigt, wird die gleiche Operation wie zuvor beschrieben ausgeführt. Wenn schließlich das Eingangssignal EINn den logischen Schwellenwert übersteigt, ist der logische Schwellenwert auf Vtb angestiegen. Somit kann die Ausgangs-Zeitgebung des Ausgangssignals AUSn verglichen mit dem herkömmlichen Ausgangssignal verzögert werden.

Wie aus der zuvor genannten Beschreibung offensichtlich ist, ändert sich der logische Schwellenwert der variablen Schwellenschaltung 45a dynamisch gemäß dem Betrieb der verbleibenden variablen Schwellenschaltungen. Dieser Effekt kann auch für Eingangswellenformen erhalten werden, die gleich sind aber unterschiedliche Eingangs-Zeitgebungen aufweisen. Wenn die variable Schwellenschaltung 45a verwendet wird, kann somit der logische Schwellenwert gemäß der Eingangswellenform geändert werden.

(Neunzehnte Ausführungsform)

41 zeigt die 19. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Grundanordnung ist die gleiche, wie in der 18. Ausführungsform. Eine variable Schwellenschaltung 45b unterscheidet sich jedoch von der 18. Ausführungsform darin, dass ein Lastelement 49 zwischen einem Knoten N4 und der Stromversorgungsspannung VDD in der variablen Schwellenschaltung 45b angeschlossen ist. Das Lastelement 49 kann beispielsweise durch ein Widerstandselement oder einen MOS-Transistor ausgeführt sein, der durch ein Gate-Elektrodenpotential vorgespannt ist. Mit dieser Anordnung kann der anfängliche Wert des Potentials an dem Knoten N4 auf Basis des EIN-Widerstandsverhältnisses eines aktiven Elements 47 zu einem Transistor Q13 gesetzt werden. Danach wird durch Ändern des Potentials an dem Knoten N4 der logische Schwellenwert der variablen Schwellenschaltung 45b angepasst, wie in der 18. Ausführungsform.

Wie in 42 gezeigt, kann, wenn die Knoten N4 einer Mehrzahl variabler Schwellenschaltungen 45b1 bis 45bn verbunden sind, der logische Schwellenwert gemäß der Eingangswellenform dynamisch geändert werden. Die grundsätzliche Arbeitsweise und der Effekt sind die gleichen, wie in der 18. Ausführungsform, die in 39 gezeigt ist.

(Zwanzigste Ausführungsform)

43 zeigt die 20. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Eine variable Schwellenschaltung 45c der 20. Ausführungsform, die in 43 gezeigt ist, unterscheidet sich von der variablen Schwellenschaltung 45b der 19. Ausführungsform, die in 41 gezeigt ist, darin, dass der EIN-Widerstand eines Lastelements 49 durch das Potential an einem Knoten N4 gesteuert wird. In der zwanzigsten Ausführungsform wird der EIN-Widerstand durch Ändern des Potentials an dem Knoten N4 geändert und folglich kann der logische Schwellenwert der variablen Schwellenschaltung 45c angepasst werden.

(Einundzwanzigste Ausführungsform)

44 zeigt die 21. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Für eine variable Schwellenschaltung 45d der 21. Ausführungsform, die in 44 gezeigt ist, ist die Polarität eines MOS-Transistors der variablen Schwellenschaltung 45a der 18. Ausführungsform, die in 38 gezeigt ist, invertiert (Q12 -> Q15), ein Stromversorgungspotential VDD wird durch Erde GND ersetzt und ein Knoten N6 ist anstelle des Knotens N4 angeordnet.

In der variablen Schwellenschaltung 45d der 21 Ausführungsform kann der logische Schwellenwert angepasst werden, indem das Potential an dem Knoten N6 gesteuert wird, wenn sich die Eingangswellenform vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert.

(Zweiundzwanzigste Ausführungsform)

In der 22. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Polarität des MOS-Transistors Q12 in der variablen Schwellenschaltung 45b der 19. Ausführungsform, die in 41 gezeigt ist, invertiert, ein Stromversorgungspotential VDD ist durch Erde GND ersetzt und ein Knoten N6 ist anstelle des Knotens N4 angeordnet, wie bei der Wandlung von 38 bis 44. Die 22. Ausführungsform ist nicht dargestellt, weil sie einfach anhand der Figur (41) der 19. Ausführungsform abgeschätzt werden kann.

In der variablen Schwellenschaltung der 22. Ausführungsform kann der logische Schwellenwert angepasst werden, indem das Potential an dem Knoten N6 gesteuert wird, wenn sich die Eingangswellenform vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, wie in der variablen Schwellenschaltung 45d der 21. Ausführungsform von 44.

(Dreiundzwanzigste Ausführungsfom)

In der 23. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Polarität des MOS-Transistors Q12 in der variablen Schwellenschaltung 45c der zwanzigsten Ausführungsform, die in 43 gezeigt ist, invertiert, ein Stromversorgungspotential VDD ist durch Erde GND ersetzt und ein Knoten N6 ist anstelle des Knotens N4 angeordnet, wie bei der Wandlung von 38 bis 44. Die 43. Ausführungsform ist nicht dargestellt, weil sie einfach anhand der Figur (43 der 20. Ausführungsform abgeschätzt werden kann.

In der variablen Schwellenschaltung der 23. Ausführungsform kann der logische Schwellenwert angepasst werden, indem das Potential an dem Knoten N6 gesteuert wird, wenn sich die Eingangswellenform von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel ändert, wie in der variablen Schwellenschaltung 45d der 21. Ausführungsform von 44.

(Vierundzwanzigste Ausführungsform)

45 zeigt die 24. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine variable Schwellenschaltung 45e der 24. Ausführungsform wird gebildet, indem die variable Schwellenschaltung 45a der 18. Ausführungsform, die in 38 gezeigt ist, und die variable Schwellenschaltung 45d der 21. Ausführungsform, die in 44 gezeigt ist, in einer Schaltung kombiniert werden.

In der variablen Schwellenschaltung 45e der 24. Ausführungsform kann der logische Schwellenwert angepasst werden, wenn sich die Eingangswellenform vom niedrigen Pegel auf den hohen Pegel ändert, wie in der variablen Schwellenschaltung 45a der 18. Ausführungsform, die in 38 gezeigt ist. Wenn sich die Eingangswellenform vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, kann außerdem der logische Schwellenwert angepasst werden, wie in der variablen Schwellenschaltung 45d der 21. Ausführungsform, die in 44 gezeigt ist.

(Fünfundzwanzigste Ausführungsform)

In der 25. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die variable Schwellenschaltung 45b der 19. Ausführungsform, die in 41 gezeigt ist, und die zuvor beschriebene 22. Ausführungsform in einer Schaltung kombiniert. Die 25. Ausführungsform ist nicht dargestellt, weil sie einfach anhand der Figur (41) der 19. Ausführungsform und der zuvor beschriebenen 22. Ausführungsform abgeschätzt werden kann.

In der variablen Schwellenschaltung der 25. Ausführungsform kann der logische Schwellenwert angepasst werden, wenn sich die Eingangswellenform vom niedrigen Pegel auf den hohen Pegel ändert, wie in der variablen Schwellenschaltung 45b der 19. Ausführungsform, die in 41 gezeigt ist. Wenn sich die Eingangswellenform vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, kann der logische Schwellenwert angepasst werden, wie in der 22. Ausführungsform.

(Sechsundzwanzigste Ausführungsform)

In der 26. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die variable Schwellenschaltung 45c der 20. Ausführungsform, die in 43 gezeigt ist, und die variable Schwellenschaltung der 23. Ausführungsform in einer Schaltung kombiniert. Die 26. Ausführungsform ist nicht dargestellt, weil sie einfach anhand der Figur (43) der 20. Ausführungsform und der zuvor beschriebenen 23. Ausführungsform abgeschätzt werden kann.

In der variablen Schwellenschaltung der 26. Ausführungsform kann der logische Schwellenwert angepasst werden, wenn sich die Eingangswellenform vom niedrigen Pegel auf den hohen Pegel ändert, wie in der 20. Ausführungsform, die in 43 gezeigt ist. Wenn sich die Eingangswellenform vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, kann der logische Schwellenwert angepasst werden, wie in der 23. Ausführungsform.

In den zuvor genannten variablen Schwellenschaltungen wird ein Signal ausgegeben, das die gleiche Polarität aufweist, wie das eines Eingangssignals. Wenn eine Inverterschaltung der Ausgangsseite hinzugefügt wird, kann eine variable Schwellenschaltung zum Ausgeben des invertierten Signals des Eingangssignals EIN gebildet werden. Wenn das Invertergatter 46 weggelassen wird oder das Invertergatter 46 durch eine Pufferschaltung ersetzt wird, kann eine variable Schwellenschaltung zum Ausgeben des invertierten Signals des Eingangssignals EIN erhalten werden. In diesem Fall wird das aktive Element 47 ausgeschaltet, wenn das Ausgangssignal AUS niedrig wird. Das aktive Element 47 kann beispielsweise durch einen NMOS-Transistor ausgeführt sein.

Wie zuvor beschrieben, kann der logische Schwellenwert in den variablen Schwellenschaltungen der 18. bis 26. Ausführungsform nach dem Herstellen der Schaltung geändert werden. Wenn der Eingangspegel von dem Ausgestaltungswert aufgrund der Herstellungsschwankungen der Schaltung abweicht, kann der Eingangspegel durch Ändern des logischen Schwellenwerts angepasst werden. Wenn die Eingangswellenformen unterschiedliche Flanken oder unterschiedliche Eingangs-Zeitgebungen aufweisen, können die Wellenformen außerdem geformt sein, während sich der logische Schwellenwert dynamisch ändert. Folglich kann eine gewünschte Wellenform-Formungsausgabe erhalten werden, wenn sich die Eingangswellenform aufgrund der Herstellungsschwankung in der Schaltung oder gemäß dem Betriebszustand ändert.

Wenn die Knoten N4 oder N6 der variablen Schwellenschaltungen jeder der 18. bis 26. Ausführungsform verbunden sind, um die Sensoreinheiten 1, die in 1 gezeigt sind, miteinander zu verbinden, fungiert jede Sensoreinheit als variable Schwellenschaltung. Wenn der Spannungswert von der Ausgangsschaltung an dem Tal der Hautoberfläche eines Fingers größer ist, als der an einem Tal, ändert sich die Schwellenspannung, so dass das Spannungssignal von der Ausgangsschaltung an der Erhebung durch das Spannungssignal von der Ausgangsschaltung an dem Tal kleiner gemacht wird, und der Kontrast der Erhebungen und Täler der Hautoberfläche eines Signals kann erhöht werden.

(27. Ausführungsform)

46 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der 27. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 46 zeigt einen Querschnitt eines Sensorelement (Nachweiselement 10, das in 2 gezeigt ist) in einer Sensoranordnung, die zweidimensional auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, und die Anordnung einer Signalerzeugungsschaltung 20, die in 2 gezeigt ist.

Mit Bezug auf 46 bezeichnet ein Bezugszeichen 104 eine untere Elektrode; 107 einen Metallfilm; 103 ein Stützelement; 105 eine obere Elektrode; 101 ein Halbleitersubstrat; 106 einen Schutzfilm; und 120 eine Nachweisschaltung. Das Bezugszeichen SW10 bezeichnet einen Schalter. Die Sensorelemente sind durch das Stützelement 103 isoliert. Mit Bezug auf 46 ist zwischen der oberen Elektrode 105 und der unteren Elektrode 104 eine Kapazität Cf ausgebildet. Die Kapazität Cf gibt das dreidimensionale Muster der Oberflächenform eines Messobjekts wie ein Finger 3 von 1 wieder, das auf dem Schutzfilm 106 platziert wird. Das Bezugszeichen Cp bezeichnet eine parasitäre Kapazität; und Vp ein externes Potential, das an einen Knoten N1 (entsprechend einem Knoten N1a von 4) in 46 angelegt wird. Das Bezugszeichen P bezeichnet ein Steuersignal des Schalters SW10. Der Schalter SW10 kann beispielsweise durch einen MOS-Transistor ausgeführt sein. Die Nachweisschaltung 120 entspricht einer Signalverstärkungsschaltung 30 und Ausgangsschaltung 40, die in 2 gezeigt sind. Das Bezugszeichen 130 bezeichnet ein Steuermittel.

Der Betrieb der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 46 gezeigt ist, wird mit Bezug auf die Zeitdiagramme beschrieben, die in 47A bis 47C gezeigt sind.

Zum Zeitpunkt 1) in 47B setzt das Steuermittel 130 eine Spannung Vs an einem Knoten N2 auf ein konstantes Potential und legt die Spannung Vs an die obere Elektrode 105 durch einen Metallfilm 107 und ein Stützeelement 103 als leitendes Element an. Als Nächstes setzt das Steuermittel 130 zum Zeitpunkt 2) in 47A das Steuersignal P auf einen hohen Pegel, um den Schalter SW10 einzuschalten, um dem Knoten N1, der in 46 gezeigt ist, mit der externen Spannung Vp vorzuladen, wodurch die Kapazität Cf geändert wird. Nachdem der Knoten N1 vorgeladen worden ist, setzt das Steuermittel 130 das Steuersignal P zum Zeitpunkt 3) in 47A auf einen niedrigen Pegel, um den Schalter SW10 auszuschalten und ändert auch die Spannung Vs an dem Knoten N2 durch &Dgr;Vs von dem konstanten Potential, wie in 47B gezeigt.

Wenn der Änderungsbetrag der Spannung Vs &Dgr;Vs ist, ändert sich das Potential an dem Knoten N1 aufgrund kapazitiven Koppelns durch die Kapazität Cf, sodass der Änderungsbetrag des Potentials an dem Knoten N1 dargestellt ist durch Cf/(Cf + Cp)·&Dgr;Vs(6)

Angenommen Cf0 sei der Wert der Kapazität Cf, wenn die Oberfläche ein Tal aufweist, und Cf1 der Wert der Kapazität Cf, wenn die Oberfläche eine Erhebung aufweist (in diesem Fall Cf0 < Cf1), so ist die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz gegeben durch &Dgr;V = (Cf1/(Cf1 + Cp) – Cf0/(Cf0 + Cp))·&Dgr;Vs(7)

Die Erhebungen und Täler der Oberflächenform werden nachgewiesen, indem die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz durch die Nachweisschaltung 120 nachgewiesen und bestimmt wird.

Wie zuvor beschrieben, ändert die Signalerzeugungsschaltung das Potential der oberen Elektrode 105 der Kapazität Cf gemäß der Nachweiszeit, um die Spannungsänderung entsprechend der Kapazitätsänderung Cf zu ändern, wodurch die Nachweisempfindlichkeit erhöht wird.

48 zeigt einen Fall, in dem die Größe der Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz mit der des Stands der Technik verglichen wird.

Mit Bezug auf 48 stellt die Abszisse das Verhältnis von Cp zu Cf0 dar. Wie aus 48 offensichtlich ist, ist die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung größer. Im Vergleich zur herkömmlichen Vorrichtung kann somit die Signaländerungsdifferenz, die die Erhebungen und Täler der Oberflächenform wiedergibt, größer gemacht werden. Wie aus 48 offensichtlich ist, wird, wenn die parasitäre Kapazität Cp klein ist, die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz größer.

In der 27. Ausführungsform, die in 46 gezeigt ist, wird das Potential an dem Knoten N1 durch den Schalter SW10 gesetzt. Dies ist lediglich ein Beispiel und das Potential kann durch andere Einstellmittel gesetzt werden. Das Potential kann beispielsweise durch den Transistor Q1a gesetzt werden, der in 4 gezeigt ist.

In der Signalerzeugungsschaltung der 27. Ausführungsform kann die Signaländerungsdifferenz, die das dreidimensionale Muster der Oberflächenform wiedergibt, größer als die des Stands der Technik gemacht werden, da ein Signal, das das dreidimensionale Muster der Oberflächenform eines zu messenden Objekts wiedergibt, unter Verwendung kapazitiven Koppelns durch die Kapazität Cf erzeugt wird. Außerdem muss die parasitäre Kapazität Cp nicht hinsichtlich der Auslegung abgeschätzt werden, da die Kapazität Cs, die in der herkömmlichen Vorrichtung bereitgestellt wird, außer Acht gelassen werden kann, und eine umständliche Ausgestaltung einer geeigneten Kapazität Cs basierend auf der geschätzten parasitären Kapazität Cp ist unnötig. Folglich kann verhindert werden, dass die Fingerabdruckmuster-Nachweisgenauigkeit in dieser Vorrichtung aufgrund der Herstellungsschwankung oder aufgrund von Stromversorgungsrauschen in der Nachweisschaltung 120 verhindert werden, und ein inaktiver Zustand für das Nachweisen kann verhindert werden.

(Achtundzwanzigste Ausführungsform)

49 zeigt eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der 28. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 49 zeigt einen Querschnitt eines Sensorelements (Nachweiselement 10, das in 2 gezeigt ist) in einer Sensoranordnung, die zweidimensional auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, und die Anordnung einer Signalerzeugungsschaltung 20, die in 2 gezeigt ist.

Die gleichen Bezugszeichen wie in der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 46 gezeigt ist, bezeichnen die gleichen Teile in 49, und eine ausführliche Beschreibung davon wird ausgelassen.

In der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 46 gezeigt ist, wird eine Spannung Vs einer oberen Elektrode 105, die sich von einer unteren Elektrode 104 unterscheidet, die an einen Knoten N1 einer Kapazität Cf angeschlossen ist, durch ein Steuermittel 130 gesteuert. In der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 49 gezeigt ist, ist das Potential der oberen Elektrode 105 festgelegt (in dieser Ausführungsform Erdpotential GND).

Der Betrieb der Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, die in 49 gezeigt ist, wird mit Bezug auf die Zeitdiagramme von 50A bis 50C beschrieben.

Bevor ein Messobjekt wie ein Finger 3 in Kontakt mit der zweidimensional angeordnete Sensoranordnung kommt (d. h. im Nicht-Kontakt-Zustand, der in 50B gezeigt ist), setzen die Steuermittel 130 zum Zeitpunkt 1) in 50A ein Steuersignal P auf einen hohen Pegel, um einen Schalter SW10 einzuschalten, um dem Knoten N1, der in 49 gezeigt ist, mit einer externen Spannung Vp vorzuladen, wobei die Kapazität Cf geladen wird. Nachdem der Knoten N1 vorgeladen worden ist, setzen die Steuermittel 130zum Zeitpunkt 2) in 50A das Steuersignal P auf einen niedrigen Pegel, um den Schalter SW10 auszuschalten.

Wie in 50B gezeigt, ändert sich der Wert der Kapazität Cf, wenn das zu messende Objekte teilweise in Kontakt mit dem Sensor kommt, und folglich wird das Potential an dem Knoten N1 durch Umverteilung von Ladungen geändert.

Wenn Cfi der anfängliche Wert der Kapazität Cf ist, Cf0 der Wert der Kapazität Cf ist, wenn die Oberfläche des zu messenden Objekts ein Tal aufweist, und Cf1 der Wert der Kapazität Cf ist, wenn die Oberfläche des zu messenden Objekts eine Erhebung aufweist (in diesem Fall Cf0 < Cf1), dann ist die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz gegeben durch &Dgr;V((Cf1 – Cfi)/(Cf1 + Cp) – (Cf0 – Cfi)/(Cf0 + Cp))·Vp(8)

Das dreidimensionale Muster der Oberflächenform des zu messenden Objekts wird nachgewiesen, indem die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;Vs aufgrund der Oberflächenformdifferenz durch eine Nachweisschaltung 120 nachgewiesen und bestimmt wird.

In der Signalerzeugungsschaltung der vorliegenden Erfindung wird die Kapazität Cf vorgeladen und dann wird das zu messende Objekt in Kontakt mit der Kapazität Cf gebracht, um die Spannungsänderung entsprechend der Änderung der Kapazität Cf zu ändern, wodurch die Nachweisempfindlichkeit erhöht wird.

51 zeigt einen Fall, in dem die Größe der Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz mit der des Stands der Technik verglichen wird.

Mit Bezug auf 51 stellt die Abszisse das Verhältnis von Cp zu Cf0 dar. Wie aus 51 ersichtlich ist, ist die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung größer. Im Vergleich zur herkömmlichen Vorrichtung kann somit die Signaländerungsbetragsdifferenz, die das dreidimensionale Muster der Oberflächenform wiedergibt, größer gemacht werden.

Wie aus 51 ersichtlich ist, wird, wenn die parasitäre Kapazität Cp klein ist, die Änderungsbetragsdifferenz &Dgr;V aufgrund der Oberflächenformdifferenz groß.

In der 28. Ausführungsform, die in 49 gezeigt ist, wird das Potential an dem Knoten N1 durch den Schalter SW10 gesetzt. Dies ist bloß ein Beispiel und das Potential kann durch ein anderes Einstellmittel gesetzt werden. Beispielsweise kann das Potential durch den Transistor Q1a gesetzt werden, der in 4 gezeigt ist.

In der Signalerzeugungsschaltung der 28. Ausführungsform kann die Signaländerungsbetragsdifferenz, die das dreidimensionale Muster der Oberflächenform wiedergibt, größer gemacht werden als die des Stands der Technik, da ein Signal, das die Erhebungen und Täler der Oberflächenform eines zu messenden Objekts wiedergibt, direkt unter Verwendung der Änderung des Werts der Kapazität Cf erzeugt wird, wenn das zu messende Objekt in Kontakt ist. Da die Kapazität Cs, die in der herkömmlichen Vorrichtung bereitgestellt ist, außer Acht gelassen werden kann, muss außerdem hinsichtlich der Ausgestaltung die parasitäre Kapazität Cp nicht abgeschätzt werden, und eine aufwändige Ausgestaltung einer geeigneten Kapazität Cs basierend auf der abgeschätzten parasitären Kapazität Cp ist unnötig. Folglich kann verhindert werden, dass sich in dieser Vorrichtung die Fingerabdruckmuster-Nachweisgenauigkeit aufgrund der Herstellungsschwankungen oder des Stromversorgungsrauschens in der Nachweisschaltung 120 verringert, und ein inaktiver Nachweiszustand kann verhindert werden. Da die Signalerzeugung synchron mit dem Kontakt des zu messenden Objekts gestartet werden kann, muss das Signalerzeugungs-Zeitgebungssignal nicht verwendet werden.

Wie zuvor beschrieben worden ist, umfasst eine Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kapazitätsnachweiselement, eine Signalerzeugungsschaltung, die an das Kapazitätsnachweiselement angeschlossen ist, um vorbestimmte Ladungen zu steuern, eine Signalverstärkungsschaltung, die an den Verbindungsabschnitt zwischen der Signalerzeugungsschaltung und dem Kapazitätsnachweiselement angeschlossen ist, und eine Ausgangsschaltung. Die Signalverstärkungsschaltung weist einen Transistor, eine erste Spannungsquelle, die an den Steueranschluss des Transistors angeschlossen ist, eine zweite Spannungsquelle und eine dritte Spannungsquelle auf. Eine der zweiten und dritten Spannungsquelle ist an die andere Ausgangsseite des Transistors über einen ersten Schalter angeschlossen. Wenn die zweite Spannungsquelle an den Transistor angeschlossen ist, wird die Spannung, die von der zweiten Spannungsquelle an die andere Ausgangsseite des Transistors angelegt werden soll, so gesetzt, dass sie einen Wert hat, der gleich oder größer ist, wie ein Wert, der erhalten wird, indem die Schwellenspannung des Transistors von der Spannung der ersten Spannungsquelle subtrahiert wird. Wenn die dritte Spannungsquelle an den Transistor angeschlossen ist, wird die Spannung, die von der dritten Spannungsquelle an die andere Ausgangseite des Transistors angelegt werden soll, so gesetzt, dass sie einen Wert hat, der gleich oder kleiner ist wie der Wert, der erhalten wird, indem die Schwellenspannung des Transistors von der Spannung der ersten Spannungsquelle subtrahiert wird. Die Ausgangsschaltung, die an den Anschlusspunkt zwischen der anderen Ausgangsseite des Transistors und einem ersten Schalter angeschlossen ist, empfängt, nachdem die Spannung der zweiten oder dritten Spannungsquelle an den Anschlusspunkt im EIN-Zustand des ersten Schalters angelegt ist, die Spannung an dem Anschlusspunkt auf der Grundlage des AUS-Zustands des ersten Schalters und der Ladungssteuerung durch die Signalerzeugungsschaltung, nachdem der erste Schalter ausgeschaltet ist. Mit dieser Anordnung kann eine kleine Kapazitätsänderung, die durch das Kapazitätsnachweiselement nachgewiesen worden ist, genau erfasst werden. Der Ausgestaltungsspielraum der Ausgangsschaltung kann somit erhöht werden.


Anspruch[de]
Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, umfassend:

ein Kapazitätsnachweiselement (10) zum Nachweisen einer kleinen Kapazitätsänderung;

eine Signalerzeugungsschaltung (20), die eine Ausgangseite aufweist, die mit dem Kapazitätsnachweiselement (10) verbunden ist, um vorbestimmte Ladungen zu steuern;

eine Signalverstärkungsschaltung (30), die eine Eingangsseite aufweist, die mit einem ersten Verbindungspunkt (N1a) zwischen der Ausgangseite der Signalerzeugungsschaltung (20) und dem Kapazitätsnachweiselement (10) verbunden ist; und

eine Ausgangsschaltung (40), die mit einer Ausgangsseite der Signalverstärkungsschaltung (30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet dass

die Signalverstärkungsschaltung umfasst:

einen ersten Transistor (Q2a), der einen Ausgangsanschluss aufweist, der mit dem Verbindungspunkt zwischen der Ausgangseite der Signalerzeugungsschaltung (20) und dem Kapazitätsnachweiselement (10) verbunden ist,

eine erste Spannungsquelle (VG), die mit einem Steueranschluss des ersten Transistors (Q2a) verbunden ist,

eine zweite Spannungsquelle (VDD), und

eine dritte Spannungsquelle (GND),

wobei die zweite Spannungsquelle (VDD) mit dem anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) über einen ersten Schalter (Q1a) verbunden ist,

eine Spannung, die von der zweiten Spannungsquelle (VDD) an den anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) anzulegen ist, auf einen Wert eingestellt ist, der nicht niedriger ist als ein Wert, der durch Subtrahieren einer Schwellenspannung des ersten Transistors (Q2a) von einer Spannung der ersten Spannungsquelle (VG) erhalten wird, und

die Ausgangsschaltung (40) mit einem zweiten Verbindungspunkt (N2a) zwischen dem anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) und dem ersten Schalter (Q1a) verbunden ist, und

wobei in einem Zustand, in dem die Spannung an dem zweiten Verbindungspunkt (N2a) auf die zweite Spannung (VDD) vorgeladen ist nach dem Halten des ersten Schalters (Q1a) in einem EIN-Zustand, und in dem der erste Schalter (Q1a) ausgeschaltet wird, die Ausgangsschaltung (40) geschaltet ist, um die Spannung an dem zweiten Verbindungspunkt (N2a) zu empfangen, die einer Ladungssteuerung durch die Signalerzeugungsschaltung unterliegt.
Nachweisvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen, umfassend:

ein Kapazitätsnachweiselement (10) zum Nachweisen einer kleinen Kapazitätsänderung;

eine Signalerzeugungsschaltung (20), die eine Ausgangseite aufweist, die mit dem Kapazitätsnachweiselement (10) verbunden ist, um vorbestimmte Ladungen zu steuern;

eine Signalverstärkungsschaltung (30), die eine Eingangsseite aufweist, die mit einem ersten Verbindungspunkt (N1c) zwischen der Ausgangseite der Signalerzugungsschaltung (20) und dem Kapazitätsnachweiselement (10) verbunden ist; und

eine Ausgangsschaltung (40), die mit einer Ausgangseite der Signalverstärkungsschaltung (30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass

die Signalverstärkungsschaltung umfasst

einen ersten Transistor (Q2c), der einen Ausgangsanschluss aufweist, der mit dem Verbindungspunkt zwischen der Ausgangseite der Signalerzeugungsschaltung (20) und dem Kapazitätsnachweiselement (10) verbunden ist,

eine erste Spannungsquelle (VG'), die mit einem Steueranschluss des ersten Transistors (Q2c) verbunden ist,

eine zweite Spannungsquelle (VDD) und

eine dritte Spannungsquelle (GND),

wobei die dritte Spannungsquelle (GND) mit dem anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2C) über einen ersten Schalter (Q1C) verbunden ist, während eine Spannung, die von der dritten Spannungsquelle (GND) an den anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2c) anzulegen ist, auf einen Wert eingestellt ist, der nicht größer ist als ein Wert, der durch Subtrahieren der Schwellenspannung des ersten Transistors (Q2c) von einer Spannung der ersten Spannungsquelle (VG') erhalten wird, und

die Ausgangsschaltung (40) mit einem zweiten Verbindungspunkt (N2c) zwischen dem anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2c) und dem ersten Schalter (Q1c) verbunden ist und

wobei in einem Zustand, in dem die Spannung an dem zweiten Verbindungspunkt (N2c) auf die dritte Spannung (GND) vorgeladen ist nach dem Halten des ersten Schalters (Q1c) in einem EIN-Zustand, und in dem der erste Schalter (Q1c) ausgeschaltet wird, die Ausgangsschaltung (40) geschaltet ist, um die Spannung an dem zweiten Verbindungspunkt (N2c) zu empfangen, die einer Ladungssteuerung durch die Signalerzeugungsschaltung unterliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalerzeugungsschaltung (20) und die Signalverstärkungsschaltung (30) nahe dem Kapazitätsnachweiselement (10) angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ausgangsschaltung (40) nahe der Signalverstärkungsschaltung (30) angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalerzeugungsschaltung (20) von einer Mehrzahl von benachbarten Kapazitätsnachweiselementen geteilt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalverstärkungsschaltung (30) von einer Mehrzahl von benachbarten Kapazitätsnachweiselementen geteilt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangsschaltung (40) von einer Mehrzahl von benachbarten Kapazitätsnachweiselementen geteilt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalerzeugungsschaltung (20), die Signalverstärkungsschaltung (30) und die Ausgangsschaltung (40) in Einheiten von Kapazitätsnachweiselementen angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei

die Vorrichtung weiterhin eine Referenzsignalerzeugungsschaltung (50) umfasst, die mit der Eingangsseite der Signalverstärkungsschaltung (30) verbunden ist, um ein Referenzsignal zu erzeugen, und

die Signalverstärkungsschaltung (30) eine Schaltung (31) umfasst, die Verstärkungsänderungsmittel zum Ändern einer Verstärkung auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen einem Pegel eines Ausgangssignals von der Signalerzeugungsschaltung (20) und dem des Referenzsignals aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Verstärkungsänderungsmittel eingerichtet ist, die Verstärkung zu verringern, wenn der Pegel des Ausgangssignals von der Signalerzeugungsschaltung (20) geringer ist als der des Referenzsignals, und die Verstärkung zu erhöhen, wenn der Pegel des Ausgangssignals von der Signalerzeugungsschaltung (20) höher ist als der des Referenzsignals. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Verstärkungsänderungsmittel eingerichtet ist, die Verstärkung zu erhöhen, wenn der Pegel des Ausgangssignals von der Signalerzeugungsschaltung (20) geringer ist als der des Referenzsignals, und die Verstärkung zu verringern, wenn der Pegel des Ausgangssignals von der Signalerzeugungsschaltung (20) höher ist als der des Referenzsignals. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Referenzsignal den gleichen Pegel aufweist, wie der des Signalausgangs von der Signalerzeugungsschaltung (20) entsprechend einer vorbestimmten Menge von Elektrizität des Kapazitätsnachweiselements (10). Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Referenzsignalerzeugungsschaltung (50) umfasst

ein Referenzelement (51), das eine vorbestimmte Menge von Elektrizität aufweist, und

einen Referenzsignalerzeugungsabschnitt (52) zum Erzeugen des Referenzsignals entsprechend der vorbestimmten Menge von Elektrizität des Referenzelements (51), wobei der Referenzsignalerzeugungsabschnitt (52) die gleiche Anordnung aufweist wie die der Signalerzeugungsschaltung (20).
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Signalverstärkungsschaltung (30) einen zweiten Transistor (Q2b) umfasst, der einen Ausgangsanschluss aufweist, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Referenzelement (51) und dem Referenzsignalerzeugungsabschnitt (52) verbunden ist, wobei der andere Ausgangsanschluss mit der zweiten Spannungsquelle (VDD) über einen zweiten Schalter (Q1b) verbunden ist, und einen Steueranschluss, der mit dem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) und dem ersten Schalter (Q1a) verbunden ist und der die gleichen Kenndaten aufweist wie die des ersten Transistors (Q2a), und die zweite Spannungsquelle (VDD) mit dem Steueranschluss des ersten Transistors (Q2a) über den zweiten Schalter (Q1b) als der ersten Spannungsquelle verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Ausgangsschaltung (40) eine differentielle Ausgangsschaltung (40a) umfasst, die Eingangsseiten aufweist, die mit dem anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) bzw. dem anderen Ausgangsanschluss des zweiten Transistors (Q2b) verbunden sind. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Signalverstärkungsschaltung (30) einen weiteren Schalter (Q9) umfasst, der zwischen dem anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) und dem des zweiten Transistors (Q2b) geschaltet ist, um den anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) mit dem des zweiten Transistors (Q2b) in einem Ruhezustand der Signalerzeugungsschaltung (20) und des Referenzsignalerzeugungsabschnitts (52) kurzzuschließen und den anderen Ausgangsanschluss des ersten Transistors (Q2a) von dem des zweiten Transistors (Q2b) in einem Betriebszustand der Signalerzeugungsschaltung (20) und des Referenzsignalerzeugungsabschnitts (52) zu trennen. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Referenzsignalerzeugungsschaltung (50) nahe einer entsprechenden Signalverstärkungsschaltung angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei in die Referenzsignalerzeugungsschaltung (50) von einer Mehrzahl von benachbarten Signalverstärkungsschaltungen geteilt wird. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Referenzsignalerzeugungsschaltung (50) in Einheiten von Signalverstärkungsschaltungen angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung weiterhin umfasst

eine Mehrzahl unterer Elektroden (104), die auf einem Substrat (101) voneinander isoliert gebildet sind,

eine obere Elektrode (105), die den unteren Elektroden gegenüberliegend gebildet ist,

ein Stützelement (103), das auf dem Substrat (101) in Einheiten unterer Elektroden gebildet ist, um die obere Elektrode (105) zu stützen, und

eine Referenzelektrode (104a), die zwischen jeder der unteren Elektroden (104) auf dem Substrat (101) und dem Stützelement (103) gebildet ist, um von der unteren Elektrode (104) und dem Stützelement (103) getrennt zu sein,

wobei die obere Elektrode (105) in einer Richtung der unteren Elektroden (104) unter Verwendung des Stützelements (103) als Stütze verformt werden kann, und

wobei das Kapazitätsnachweiselement (10) eingerichtet ist, eine Kapazität zwischen der oberen Elektrode (105) und der unteren Elektrode (104) nachzuweisen, während die Referenzsignalerzeugungsschaltung (50) eingerichtet ist, eine Kapazität zwischen der oberen Elektrode (105) und der Referenzelektrode (104a) nachzuweisen, um das Referenzsignal auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei Oberflächen der unteren Elektrode (104) und der Referenzelektrode (104a), die der oberen Elektrode (105) gegenüberliegen, die gleiche Fläche aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Referenzelektrode (104a) die untere Elektrode (104) umgebend gebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Mehrzahl unterer Elektroden (104) in einer Matrix gebildet sind. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Stützelement (103) eine Matrixform aufweist, und die untere Elektrode (104) in einem mittleren Bereich jedes Quadrats gebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei

die Signalerzeugungsschaltung (20) umfasst

einen dritten Schalter (Q3a), der mit dem ersten Verbindungspunkt (N1a) verbunden ist, und

eine Stromquelle (21a), die mit dem dritten Schalter verbunden ist, um vorbestimmte Ladungen an dem ersten Verbindungspunkt (N1a) auf der Grundlage eines EIN-Zustands des dritten Schalters zu entfernen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalerzeugungsschaltung (20) einen vierten Schalter (SW1) umfasst, der mit dem ersten Verbindungspunkt (N1a) verbunden ist, und ein kapazitives Element (C3), das einen Kapazitätswert Cs aufweist, wobei das kapazitive Element (C3) eingerichtet ist, gespeicherte Ladungen normal zu entfernen und, nachdem es mit dem ersten Verbindungspunkt (N1a) durch den vierten Schalter verbunden ist, den ersten Verbindungspunkt (N1a) zu laden. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei

die Signalerzeugungsschaltung (20) ein kapazitives Element (Cs) umfasst, das einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem ersten Verbindungspunkt (N1a) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, wobei das kapazitive Element (Cs) einen Kapazitätswert (Cs) aufweist, und

die Signalerzeugungsschaltung eingerichtet ist, den zweiten Anschluss des kapazitiven Elements (Cs) auf ein erstes Potential (Vp) einzustellen, während das Kapazitätsnachweiselement (10) geladen wird und dann mittels eines weiteren Schalters (SW11) den zweiten Anschluss auf ein zweites Potential zu ändern, um das Kapazitätsnachweiselement (10) zu veranlassen, ein Spannungssignal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei, wenn Cp einen parasitären Kapazitätswert, der in dem ersten Anschluss des kapazitiven Elements (Cs) erzeugt wird, und Cfv und Cfr maximale bzw. minimale Kapazitätswerte des Kapazitätsnachweiselements (10) sind, der Kapazitätswert Cs des kapazitiven Elements auf {(Cfv + Cp)(Cfr + Cp)}1/2 eingestellt wird. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Kapazitätswert (Cs) des kapazitiven Elements auf nicht mehr als einen maximalen Wert eines Kapazitätswerts des Kapazitätsnachweiselements (10) eingestellt wird. 30 Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Kapazitätswert (Cs) des kapazitiven Elements einen Bereich von 10 fF bis 250 fF aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangsschaltung (40) eine Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung (141) zum Wandeln eines Eingangsspannungssignals in ein Zeitsignal umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangsschaltung (40) umfasst

eine erste Ausgangsschaltung (140) und

eine Vorspannungseinstellschaltung (160) zum Einstellen einer Schwellenspannung der ersten Ausgangsschaltung (140).
Vorrichtung nach Anspruch 31, weiterhin umfassend eine Schwelleneinstellungsschaltung (161) zum Einstellen einer Schwellenspannung der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung (141). Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei

die Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung (141) eine variable Stromquelle (43) umfasst, deren Strombetrag eingerichtet ist, sich gemäß der Eingangsspannung zu ändern,

ein kapazitives Element, das einen Kapazitätswert (CL) aufweist, der auf der Grundlage eines Stroms der variablen Stromquelle (43) geladen/entladen wird, und

eine Schwellenschaltung (42), deren Ausgangsspannung eingerichtet ist, sich abhängig davon, ob die Eingangsspannung den Schwellenwert übersteigt, zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei die Schwellenschaltung (42) eine Schmidt-Triggerschaltung umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei

die erste Ausgangsschaltung (140) eine variable Schwellenschaltung (45) aufweist, und

eine Schwelleneinstellschaltung (161) zum Einstellen einer Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung (45) als die Vorspannungseinstellschaltung (160) verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung eine variable Schwellenschaltung (45) umfasst, und die Schwelleneinstellschaltung (161) eine Schwellenspannung der variablen Schwellenschaltung (45) anpasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 oder 37, wobei die variable Schwellenschaltung (45) eine Schmidt-Triggerschaltung umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 oder 37, wobei die varia

ble Schwellenschaltung (45) ein Element (47, 47a) zum Bestimmen des Schwellenspannungswerts umfasst, und

die Schwelleneinstellschaltung (161) eingerichtet ist, ein Potential von mindestens einem von Knoten (N4, N6) des Elements einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei

die Vorrichtung weiterhin als Elemente zum Bestimmen des Schwellenspannungswerts eine Mehrzahl leitender Elemente (47, Q13, 47a, Q14) zum Teilen einer Spannung, die an den Knoten angelegt ist, durch ein EIN-Widerstandsverhältnis umfasst, und

die Schwelleneinstellschaltung (161) eingerichtet ist, einen Wert der Spannung zu steuern, die an den Knoten des Elements anzulegen ist, und unter Verwendung der geteilten Spannung, die durch die Mehrzahl leitender Elemente geteilt wird, den Schwellenspannungswert bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 39, weiterhin umfassend mindestens ein leitendes Element (49), das zwischen dem Knoten und einer Versorgungsspannung der variablen Schwellenschaltung (45) hinzugefügt ist. Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Vorrichtung als Elemente zum Bestimmen des Schwellenspannungswerts eine Mehrzahl leitender Elemente (47, 49, Q13) zum Teilen einer Spannung, die an den Knoten angelegt wird, durch ein EIN-Widerstandsverhältnis umfasst, und die Schwelleneinstellschaltung (161) eingerichtet ist, einen EIN-Widerstandswert mindestens eines der leitenden Elemente durch den Knoten zu steuern und den Schwellenspannungswert unter Verwendung der geteilten Spannung, die durch die Mehrzahl leitender Elemente geteilt wird, zu bestimmen. Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Knoten zum Steuern des Schwellenspannungswerts von außerhalb der veränderbaren Schwellenschaltung (45) zum Verbinden einer Mehrzahl variabler Schwellenschaltungen geschaltet sind. Vorrichtung nach Anspruch 43, weiterhin umfassend ein leitendes Element (48), das zwischen die Knoten geschaltet ist, die geschaltet sind, um die Mehrzahl variabler Schwellenschaltungen und eine Versorgungsspannung der variablen Schwellenschaltung zu verbinden. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kapazitätsnachweiselement (10) eingerichtet ist, eine Kapazitätsänderung entsprechend Erhebungen und Tälern der Hautoberfläche eines Fingers nachzuweisen.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com