專利名稱：表面形狀識別傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面形狀識別傳感器裝置，特別是涉及感知例如人的指紋或動物鼻紋的細微的峰和谷的表面形狀識別傳感器裝置。
背景技術(shù)：
一種對指紋特別敏感的傳感器被報告用作識別帶有細微峰和谷的表面形狀的傳感器。作為檢測指紋圖形的技術(shù)，還推出一種使用LSI制造技術(shù)的電容式指紋傳感器。在參考文獻1(日本專利申請公報No.2000-346608)和參考文獻2(“A Robust，1.8V 250μW Direct-Contact 500dpiFingerprint Sensor”，ISSCC DIGEST OF TECHNICAL PAPERS，F(xiàn)ebruary1998，pp.284-285)中描述了幾個電容式指紋傳感器的實例。
如圖18所示，每個電容式指紋傳感器形成傳感器單元陣列2，其中傳感器單元1在LSI芯片上作兩維排列，其對每個傳感器單元1的傳感器電極和通過絕緣保護膜與傳感器電極接觸的手指3的皮膚之間所形成的電容進行檢測，由此感知指紋的峰和谷的圖形。因為電容值隨指尖皮膚表面的峰和谷而變化，所以，能通過檢測這個精細的電容差值，感知指尖皮膚表面的峰和谷。
如圖19所示，傳感器電極101并入在傳感器單元陣列2的每一傳感器單元1中。
下面將參考圖20說明作為第一現(xiàn)有技術(shù)，利用圖18所示的電容式指紋傳感器的原理的表面形狀識別傳感器裝置。在圖20所示表面形狀識別傳感器裝置中，各傳感器單元1包括檢測元件10，信號產(chǎn)生電路11，開關(guān)SW1和檢測電路12。
檢測元件10包括襯底上的絕緣層100、絕緣層100上形成的傳感器電極101和所形成的用于復(fù)蓋傳感器電極101的保護膜102。
信號產(chǎn)生電路11包括開關(guān)SW2，其產(chǎn)生與傳感器電極101和與保護膜102接觸的手指3的皮膚之間所形成的電容相對應(yīng)的電壓信號；和電流源110。檢測電路12檢測從信號產(chǎn)生電路11來的電壓信號。開關(guān)SW1向作為檢測元件10的傳感器電極101和信號產(chǎn)生電路11之間的連接點的節(jié)點N1，提供電位Vp。注意，圖20中的電容Cp表示寄生電容。
因為電容Cf由傳感器電極101和手指3的皮膚之間的距離確定，所以，Cf值隨指紋的峰和谷變化。因此，與手指3的峰和谷相對應(yīng)的電壓信號從信號產(chǎn)生電路11輸出至節(jié)點N1。由檢測電路12檢測到的這個電壓信號作為反映指紋的峰和谷的信號，因此檢測到指紋圖形。
下面將參考圖21A至21D說明圖20所示的表面形狀識別傳感器裝置的正常操作，手指3的表面通過手指3的電阻連接至地電位(GND)。假定Rf＝0Ω。因此，手指表面的電位即節(jié)點N2上的電位保持地電位(圖21D)。
最初，控制開關(guān)SW1開/閉的控制信號P為低電平(圖21A)。控制開關(guān)SW2開/閉的控制信號S1也為低電平(圖21B)。因此開關(guān)SW1和SW2兩者都斷開。在這種情況下，節(jié)點N1上的電位等于或低于電位Vp(圖21C)。
在這種情況下，如果在圖21A中控制信號P在時間t1從低電平變化到高電平，則開關(guān)SW1閉合而接通，結(jié)果節(jié)點N1上的電位預(yù)充電至電位Vp(圖21C)。
在預(yù)充電完成以后，在圖21A中控制信號P在時間t2變化到低電平，同時控制信號S1變化到高電平，如圖21B所示。因此，開關(guān)SW1斷開，開關(guān)SW2接通，存儲在節(jié)點N1上的電荷由電流源110抽取。結(jié)果，節(jié)點N1上的電位(電壓信號)下降(圖21C)。假定Δt為控制信號S1的高電平周期，當(dāng)Δt過去以后，節(jié)點N1從電位Vp下降的電位降低ΔV由等式(1)給出ΔV＝IΔt/(Cf+Cp)…(1)這里I是電流源110的電流值，Cp是寄生電容。
因為電流I、周期Δt和寄生電容Cp是常數(shù)，所以電位降ΔV由電容Cf確定。電容Cf由檢測元件10的傳感器電極101和手指3的皮膚之間的距離確定，這樣電容Cf的值就隨指尖皮膚表面的峰和谷變化。因此，電位降ΔV的幅度變化反映指尖皮膚表面的峰和谷。也就是說，假定Cfv是指尖皮膚表面的谷和傳感器電極101之間所形成的電容，Cfr是指尖皮膚表面的峰和傳感器電極101之間所形成的電容，那么與指尖皮膚表面的谷對應(yīng)的電壓信號，和與指尖皮膚表面的峰對應(yīng)的電壓信號之間的差由等式(2)給出ΔVi＝IΔt/(Cfv+Cp)-IΔt/(Cfr+Cp)…(2)因為每個傳感器單元的檢測電路12所檢測的電壓信號是反映指尖皮膚表面的峰和谷的信號，所以能從多個傳感器單元的輸出辨認(rèn)指尖皮膚表面的峰和谷。
但是，手指3的表面通過手指3的電阻Rf連接至地電位，這樣，如果例如因為手指3干燥而電阻Rf高的話，在某些情況下不能得到足夠大的電壓差ΔVi。下面將參考圖22A至22D說明當(dāng)Rf＞＞0時，表面形狀識別傳感器裝置的操作。
圖22A至22D中的基本操作時序與圖21A至21D相同。但是，在指紋的峰上，手指表面的電位即節(jié)點N2上的電位不能保持地電位，而是隨圖22C所示節(jié)點N1上的電位變化而起伏，如圖22D所示。因此，指尖皮膚表面的峰和傳感器電極101之間所形成的電容Cf的值明顯地減小(Cf＝α·Cfr，α＜1)，結(jié)果電壓差ΔVi(＝IΔt/(Cfv+Cp)-IΔt/(α·Cfr+Cp))減小，如圖22C所示。這使得圖20所示的表面形狀識別傳感器裝置辨認(rèn)指紋圖像的峰和谷間的圖形變得困難，因此不能得到清晰的指紋圖像的圖形。
下面將參考圖23說明作為第二現(xiàn)有技術(shù)，利用圖18所示電容式指紋傳感器的原理的表面形狀識別傳感器裝置。
這個表面形狀識別傳感器裝置與圖20的示例不同的是信號產(chǎn)生電路13的結(jié)構(gòu)。信號產(chǎn)生電路13包括對電源電位VDD或地電位GND進行選擇并輸出的開關(guān)SW3，和在開關(guān)SW3的輸出端與節(jié)點N1之間所形成的電容元件Cs。信號產(chǎn)生電路13通過對電容元件Cs充電/放電，從節(jié)點N1抽取電荷，被抽取的電荷量由Cs的電容值和Cs的驅(qū)動電壓Vs控制。在這種裝置中，要從節(jié)點N1抽取的電荷量，通過開關(guān)SW3將圖23所示的驅(qū)動電壓Vs設(shè)置為電源電位VDD(VDD＞0)或地電位GND來控制。
下面將參考圖24A至24D說明圖23所示的表面形狀識別傳感器裝置的正常操作。手指3的表面通過手指3的電阻Rf連接至地電位。假定Rf＝0Ω。因此，手指表面的電位即節(jié)點N2上的電位保持在地電位(圖24D)。
在圖24A中的時間t1，通過將控制信號P的電位改變至高電平而使開關(guān)SW1閉合，因此，節(jié)點N1預(yù)充電至電位Vp。在這種情況下，信號產(chǎn)生電路13中的電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs設(shè)置為VDD。此后，在圖24A中的時間t2，通過將控制信號P的電位改變至低電平而使開關(guān)SW1斷開。在同一時間，如圖24B所示，電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs從VDD下降ΔVs，并被設(shè)置為GND，由此，從節(jié)點N1抽取電荷用來產(chǎn)生送至檢測電路12的電壓信號。
將要加至檢測電路12的電壓信號的變化量ΔV由等式(3)給出ΔV＝ΔVs/{1+(Cf+Cp)/Cs}…(3)與指尖皮膚表面的谷對應(yīng)的電壓信號和與指尖皮膚表面的峰對應(yīng)的電壓信號之間的差值ΔVi由等式(4)給出ΔVi＝ΔVs/{1+(Cfv+Cp)/Cs}-ΔVs/{1+(Cfr+Cp)/Cs}…(4)因為每一傳感器單元的檢測電路12所檢測的電壓信號是反映指紋的峰和谷的信號，所以指尖皮膚表面的峰和谷能通過多個傳感器單元的輸出來辨識。
但是，手指3的表面通過手指3的電阻Rf連接至地電位，這樣，如果例如因為手指3干燥而電阻Rf高的話，在某種情況下就不能得到足夠大的電壓差ΔVi。下面將參考圖25A至25D說明當(dāng)Rf＞＞0時表面形狀識別傳感器裝置的操作。
圖25A至25D中的基本操作時序與圖24A至24D相同。但是，在指尖皮膚的表面上，手指表面的電位即節(jié)點N2上的電位不能保持地電位，而是隨圖25C所示的節(jié)點N1上的電位變化而起伏，如圖25D所示。因此，指尖皮膚表面的峰和傳感器電極101之間所形成的電容Cf的值明顯地減小(Cf＝α·Cfr，α＜1)，結(jié)果電壓差ΔVi(＝ΔVs/{1+(Cfv+Cp)/Cs}-ΔVs/{1+(α·Cfr+Cp)/Cs})減小，如圖25C所示。這使得圖23所示的表面形狀識別傳感器裝置辨認(rèn)指紋圖像的峰和谷圖形變得困難，因此不能得到清晰的指紋圖像的圖形。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，當(dāng)常規(guī)的表面形狀識別傳感器裝置用作指紋驗證用的指紋傳感器時，如果手指3的電阻Rf高，辨認(rèn)指紋圖像的峰和谷圖形就變的很困難，這樣也就不能獲得清晰的指紋圖像。因此，當(dāng)指紋圖像由于手指3的電阻Rf的影響而變差時，鑒別率降低。
已完成的本發(fā)明能解決這個問題，它的目的是提供一種表面形狀識別傳感器裝置，其能提高與待識別對象例如指紋表面的峰和谷相對應(yīng)的電容的檢測靈敏度。
為達到上述目的，本發(fā)明的特征在于包括多個傳感器單元，其為二維排列，檢測與將要識別對象的表面的峰和谷相對應(yīng)的電容，并輸出與電容相對應(yīng)的信號；和信號處理器，其基于從傳感器單元輸入的信號計算對象的表面形狀，傳感器單元包括襯底；形成在襯底上的第一電極；信號輸出單元，其輸出與第一電極和對象的表面之間所形成的電容相對應(yīng)的信號；形成在襯底上的第二電極，其與第一電極絕緣并分離；和電位控制器，其通過控制第二電極的電位，經(jīng)第二電極和對象的表面之間所形成的電容控制對象的表面的電位。
本發(fā)明利用電位控制器，通過控制第二電極的電位，經(jīng)第二電極和對象的表面之間所形成的電容控制將要識別的對象的表面的電位。因此，當(dāng)對象的電阻高時，對象的表面電位受到控制因而不隨第一電極的電位變化而波動。這樣就能提高第一電極和對象的表面之間所形成的電容的檢測靈敏度。因此，利用多個傳感器單元的輸出，能清晰地辨認(rèn)對象表面的峰和谷。特別是當(dāng)本發(fā)明用作指紋驗證的指紋傳感器時，能防止因手指表面電阻引起的指紋圖像變壞，獲得防止驗證成功率降低的效果。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的表面形狀識別傳感器裝置的總體布置方框圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的表面形狀識別傳感器裝置的方框圖；圖3A是在圖1所示的表面形狀識別傳感器裝置的傳感器單元陣列中，傳感器電極和高靈敏度電極的布置圖樣示例的平面圖；圖3B是在圖1所示的表面形狀識別傳感器裝置的傳感器單元陣列中，傳感器電極和高靈敏度電極的布置圖樣另一實例的平面圖；圖4A是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖4B是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號S1隨時間的變化；圖4C是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖4D是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖4E是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N3上的電位變化；圖5是本發(fā)明第一實施例的電位控制電路的示例方框圖；圖6A是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖6B是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中表示控制信號S1隨時間的變化；圖6C是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖6D是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖6E是說明圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N3上的電位變化；圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的表面形狀識別傳感器裝置的布置方框圖；圖8A是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；
圖8B是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs隨時間的變化；圖8C是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖8D是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖8E是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N3上的電位變化；圖9A是本發(fā)明第二實施例的電位控制電路的示例方框圖；圖9B是本發(fā)明第二實施例的電位控制電路的另一示例方框圖；圖10A是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作的另一示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖10B是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作的另一示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs隨時間的變化；圖10C是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作的另一示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖10D是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作的另一示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖10E是說明圖7所示表面形狀識別傳感器裝置的操作的另一示例在手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N3上的電位變化；圖11是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的表面形狀識別傳感器裝置的電位控制電路示例的方框圖；圖12A是說明使用如圖11所示電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖12B是說明使用如圖11所示電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時一個時序圖，其中示出控制信號S1隨時間的變化；
圖12C是說明使用如圖11所示電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖12D是說明使用如圖11所示電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖12E是說明使用如圖11所示電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時一個時序圖，其中示出節(jié)點N3上的電位變化；圖13A是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的表面形狀識別傳感器裝置的電位控制電路的示例方框圖；圖13B是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的表面形狀識別傳感器裝置的電位控制電路的另一示例方框圖；圖14A是說明使用如圖13所示的電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖14B是說明使用如圖13所示的電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs隨時間的變化；圖14C是說明使用如圖13所示的電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖14D是說明使用如圖13所示的電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖14E是說明使用如圖13所示的電位控制電路的表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N3上的電位變化；圖15是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的傳感器單元陣列的傳感器電極和高靈敏度電極布置圖樣的平面圖；
圖16是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的傳感器單元陣列的傳感器電極和高靈敏度電極布置圖樣的平面圖；圖17A是根據(jù)本發(fā)明第七實施例的傳感器單元陣列的傳感器電極和高靈敏度電極的成形位置的示例剖面圖；圖17B是根據(jù)本發(fā)明第七實施例的傳感器單元陣列的傳感器電極和高靈敏度電極的成形位置的另一示例剖面圖；圖18是常規(guī)電容式指紋傳感器的透視圖，其中傳感器陣列形成格子形狀。
圖19是圖18所示傳感器單元陣列的傳感器電極布置圖樣的平面圖；圖20是作為第一現(xiàn)有技術(shù)的表面形狀識別傳感器裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；圖21A是說明圖20所示的表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖21B是說明圖20所示的表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出控制信號S1隨時間的變化；圖21C是說明圖20所示的表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖21D是說明圖20所示的表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖22A是說明圖20所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖22B是說明圖20所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號S1隨時間的變化；圖22C是說明圖20所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖22D是說明圖20所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖23是作為第二現(xiàn)有技術(shù)的表面形狀識別傳感器裝置的布置方框圖；圖24A是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖24B是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs隨時間的變化；圖24C是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖24D是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的正常操作的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化；圖25A是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出控制信號P隨時間的變化；圖25B是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs隨時間的變化；圖25C是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N1上的電位變化；圖25D是說明圖23所示表面形狀識別傳感器裝置的操作，當(dāng)手指電阻高時的一個時序圖，其中示出節(jié)點N2上的電位變化。
具體實施例方式
本發(fā)明的表面形狀識別傳感器裝置的主要特點在于具有一種提高與表面形狀的峰和谷相對應(yīng)的信號(電容)檢測靈敏度的裝置。與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，表面形狀識別傳感器裝置的每一傳感器單元除傳感器電極以外還有第二電極，并且通過控制第二電極的電位來控制表面形狀的表面電位。
下面將參考附圖描述本發(fā)明的具體實施方式
。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的表面形狀識別傳感器裝置具有傳感器單元陣列2a，其中多個傳感器單元1a是二維排列；信號處理器4；和控制信號輸出單元5。每個傳感器單元1a感知作為待識別的對象的手指表面的峰和谷相對應(yīng)的電容，并將與電容相對應(yīng)的信號輸出至信號處理器4。信號處理器4匯集來自傳感器單元1a的輸入信號，并計算手指的表面的形狀。控制信號輸出單元5將控制信號S1輸出至每一傳感器單元1a，控制傳感器單元1a的操作。
如圖2所示，傳感器單元1a具有檢測元件10a、信號輸出單元16和手指表面電位控制器14。
檢測元件10a包括襯底上的絕緣層100，絕緣層100上形成的傳感器電極101(第一電極)，在絕緣層100上形成的與傳感器電極101絕緣并分離的高靈敏度電極103(第二電極，控制電極)，和所形成的復(fù)蓋傳感器電極101和高靈敏度電極103的保護膜102。保護膜102的表面被整平。
信號輸出單元16輸出與傳感器電極101和接觸保護膜102的手指3的皮膚之間所形成的電容Cf相對應(yīng)的信號，作為來自傳感器單元1a的輸出，具體地說，其包括開關(guān)SW1(充電電路)、信號產(chǎn)生電路11和檢測電路12。開關(guān)SW1將電位Vp加至節(jié)點N1即檢測元件10a的傳感器電極101與信號產(chǎn)生電路11的輸出端之間的連接點，從而存儲電荷。信號產(chǎn)生電路11產(chǎn)生與手指3的皮膚和傳感器電極101之間所形成的電容Cf相對應(yīng)的電壓信號。信號產(chǎn)生電路11包括第一電流源110，其用于從節(jié)點N1移去電荷，和開關(guān)SW2(第一開關(guān)元件)，其配置在電流源110和節(jié)點N1之間，并且只在電荷存儲到節(jié)點N1以后，在預(yù)定的時間內(nèi)電氣連接電流源110和節(jié)點N1而產(chǎn)生電壓信號。檢測電路12在電荷存儲到節(jié)點N1以后，檢測從信號產(chǎn)生電路11來的電壓信號，并且將信號輸出作為信號輸出單元16的輸出信號。
手指表面電位控制器14具有控制高靈敏度電極103的電位的電位控制電路140。信號產(chǎn)生電路11的開關(guān)SW2和電位控制電路140一起被從控制電路5輸入的控制信號S1控制。注意，圖2中的Cp表示寄生電容。
圖2所示的表面形狀識別傳感器裝置的目的在于解決圖20所示的常規(guī)表面形狀識別傳感器裝置的問題，它是通過在常規(guī)的表面形狀識別傳感器裝置中加上高靈敏度電極103和電位控制電路140而得到的。因為電位控制電路140是通過手指3的表面和高靈敏度電極103之間所形成的電容Cc控制手指3的表面(節(jié)點N2)的電位，所以當(dāng)由于例如手指3干燥而電阻Rf高時，節(jié)點N2上的電位能得到控制，因此能提高電容Cf的檢測靈敏度。
如圖3A和3B所示，傳感器單元陣列2a的每一傳感器單元1a包含有傳感器電極101和高靈敏度電極103。高靈敏度電極103的面積越大，手指3的電位越容易控制。但是為提高檢測靈敏度，在傳感器單元1a的有限范圍內(nèi)安排了傳感器電極101和高靈敏度電極103兩者，最好使高靈敏度電極103的面積等于傳感器電極101的面積，如圖3A所示，或使高靈敏度電極103的面積小于傳感器電極101的面積，如圖3B所示。
下面將參考圖4A和4E說明當(dāng)Rf＞＞0時，圖1所示表面形狀識別傳感器裝置的操作示例。
最初，控制開關(guān)SW1開/閉的控制信號P為低電平(圖4A)。控制開關(guān)SW2開/閉的控制信號S1也為低電平(圖4B)，因此，開關(guān)SW1和SW2兩者都斷開。在這種情況下，節(jié)點N1的電位低于電位Vp(圖4C)。
在這種狀態(tài)下，當(dāng)圖4A中控制信號P在時間t1從低電平變化至高電平時，開關(guān)SW1閉合并接通，結(jié)果節(jié)點N1上的電位預(yù)充電至電位Vp(圖4C)。
在預(yù)充電完成以后，圖4A中控制信號P在時間t2變化到低電平，同時控制信號S1變化到高電平，如圖4B所示。因此，開關(guān)SW1斷開，開關(guān)SW2接通，存儲在節(jié)點N1的電荷由電流源110抽取。結(jié)果，節(jié)點N1上的電位(電壓信號)下降(圖4C)?？刂菩盘朣1在預(yù)定的周期Δt內(nèi)保持高電平。當(dāng)Δt過去以后，節(jié)點N1從電位Vp下降的電位降ΔV由前面所示的等式(1)給出，那里，I是電流源110的電流值，Cp是寄生電容。
在圖1所示的表面形狀識別傳感器裝置中，與圖22中不同，節(jié)點N3即電位控制電路140的輸出和高靈敏度電極103之間的連接點上的電位，在從時間t2至?xí)r間t3的周期內(nèi)，按照與節(jié)點N1的電位變化的相反方向變化，如圖4E所示。更具體地說，節(jié)點N3上的電位是上升的。當(dāng)指紋的峰面對傳感器單元1a時，在高靈敏度電極103和手指3的表面之間所形成的電容Cc大。由于這個原因，節(jié)點N2上的電位能通過控制節(jié)點N3上的電位經(jīng)由電容Cc來控制。這樣通過控制節(jié)點N3上的電位，在從時間t2至?xí)r間t3的周期內(nèi)，節(jié)點N2上的電位起伏能被抑制，如圖4D所示。這樣就能防止電容Cf值的明顯減小，當(dāng)Cf＝α·Cfr時，可得到α＝1。注意，當(dāng)指尖皮膚表面的谷面對傳感器單元1a時，高靈敏度電極103和手指3的表面之間所形成的電容Cc是小的，因此節(jié)點N2上的電位不受影響。因此，如圖4C所示，能使與指尖皮膚表面的谷相對應(yīng)的電壓信號，和與指尖皮膚表面的峰相對應(yīng)的電壓信號之間的差ΔVi的幅度，可以等于圖21C所示的幅度，也就是當(dāng)手指3的電阻Rf為0Ω時的幅度。
如圖5所示，例如，電位控制電路140包括用于在節(jié)點N3上存儲電荷的第二電流源141，和配置在節(jié)點N3和電流源141之間的開關(guān)SW4(第二開關(guān)元件)。在開關(guān)SW4接通的周期中，電流源141在節(jié)點N3上存儲電荷，因此節(jié)點N3上的電位上升。信號產(chǎn)生電路11中所用的控制信號S1也用作開關(guān)SW4的控制信號，這樣，當(dāng)控制信號S1是高電平時，開關(guān)SW2和SW4兩者都接通。通過將控制信號S1用于開關(guān)SW2和SW4兩者，能夠避免控制信號數(shù)目的增加。
下面將參考圖6A至6E說明當(dāng)Rf＞＞0時，圖1所示的表面形狀識別傳感器裝置操作的另一示例。
基本操作與圖4A至4E所示的操作相同。與圖4A至4E的不同在于節(jié)點N3上的電位變化大于圖4E中所示的變化，如圖6E所示，并且如圖6D所示在時間t2至?xí)r間t3周期內(nèi)，節(jié)點N2上的電位在增加方向變化。這樣當(dāng)Cf＝α·Cfr時，能有效地提高電容Cf的值，得到α＞1。因此，如圖6C所示，能使與指尖皮膚表面的谷相對應(yīng)的電壓信號，和與指尖皮膚表面的峰相對應(yīng)的電壓信號之間的差ΔVi的幅度，大于圖21C所示的幅度。因為能容易地確定每一傳感器單元的檢測電路12所檢測的電壓信號是否與指尖皮膚表面的峰和谷相對應(yīng)，所以通過多個傳感器單元的輸出，能夠清晰地識別指尖皮膚表面的峰和谷。
在上述的這個實施例中，電位控制電路140經(jīng)由手指3的表面和高靈敏度電極103之間形成的電容，控制手指3的表面(節(jié)點N2)的電位，因此當(dāng)手指3的電阻Rf高時，能控制節(jié)點N2上的電位，并提高電容Cf的檢測靈敏度。
注意，盡管在本實施例中節(jié)點N3上的電位隨控制信號S1變化，重要的是使節(jié)點N3上的電位按照與節(jié)點N1的電位變化的相反方向變化，這樣，方法就不限于使用控制信號S1，并且節(jié)點N3上的電位變化的時間也不限于從時間t2至?xí)r間t3的周期。
還要注意在本實施例中，通過在節(jié)點N1存儲電荷然后只在預(yù)定的時間內(nèi)移去電荷所得到的信號，被用作從傳感器單元1a的輸出信號。但是，也能利用從節(jié)點N1移去電荷然后在節(jié)點N1只在預(yù)定的時間內(nèi)存儲電荷所得到的信號，用作傳感器單元1a的輸出信號。在這種情況下，圖2所示的電位Vp設(shè)置為地電位，以使開關(guān)SW1起放電電路的作用，并且，電流源110按照與圖2所示方向相反的方向進行連接，以便節(jié)點N1能存儲電荷。在這種結(jié)構(gòu)中，如果電阻由于例如手指3干燥為高，則當(dāng)節(jié)點N1存儲電荷時節(jié)點N2上的電位隨節(jié)點N1上的電位上升。為了防止這種現(xiàn)象，電位控制電路140按照與節(jié)點N1的電位變化的相反方向上變化節(jié)點N3上的電位。也就是說，節(jié)點N3上的電位降低。更具體地說，電流源141以與圖5所示方向相反的方向進行連接，這樣電位控制電路140能從節(jié)點N3移去電荷。
下面將描述本發(fā)明的第二實施例。
根據(jù)本發(fā)明第二實施例的表面形狀識別傳感器裝置有一個傳感器單元陣列，其中多個傳感器單元作二維布置，每一傳感器單元有檢測元件10a、信號輸出單元17和手指表面電位控制器15，如圖7所示。圖7中的與圖2中的參考標(biāo)號相同的標(biāo)號表示相同的部件。
類似于圖1，檢測元件10a包括襯底上的絕緣層100、傳感器電極101、高靈敏度電極103和保護膜102。
信號輸出單元17輸出與在傳感器電極101和接觸保護膜102的手指3的皮膚之間所形成的電容Cf相對應(yīng)的信號，作為傳感器單元1a的輸出，更具體地說，其包括開關(guān)SW1(充電電路)、信號產(chǎn)生電路13和檢測電路12。開關(guān)SW1將電位Vp加至節(jié)點N1即檢測元件10a的傳感器電極101與信號產(chǎn)生電路13的輸出端之間的連接點，從而存儲電荷。信號產(chǎn)生電路13產(chǎn)生與在手指3的皮膚和傳感器電極101之間所形成的電容Cf相對應(yīng)的電壓信號。信號產(chǎn)生電路13包括開關(guān)SW3(第三開關(guān)元件)，其選擇并輸出電源電位VDD(第一電位)和低于VDD的地電位GND(第二電位)中的一個；以及在開關(guān)SW3的輸出端與節(jié)點N1之間形成的電容元件Cs。檢測電路12檢測從信號產(chǎn)生電路13來的電壓信號，并將這個信號輸出作為信號輸出單元17的輸出信號。
手指表面電位控制器15具有控制高靈敏度電極103的電位的電位控制電路150。信號產(chǎn)生電路13的開關(guān)SW3和電位控制電路150一起被從控制信號輸出電路5a輸入的控制信號S2控制。注意，圖7所示的Cp表示寄生電容。
圖7所示的表面形狀識別傳感器裝置的目的在于解決圖23所示的常規(guī)表面形狀識別傳感器裝置的問題，它是通過在常規(guī)的表面形狀識別傳感器裝置中加上高靈敏度電極103和電位控制電路150而得到的。因為電位控制電路150是經(jīng)由手指3的表面和高靈敏度電極103之間所形成的電容Cc控制手指3的表面(節(jié)點N2)的電位，所以，當(dāng)由于例如手指3干燥而電阻Rf高時，節(jié)點N2上的電位能得到控制，因此能提高電容Cf的檢測靈敏度。
下面將參考圖8A至8E說明當(dāng)Rf＞＞0時，圖7所示的表面形狀識別傳感器裝置的操作示例。
在圖8A中的時間t1，控制信號P的電位變化至高電平，以閉合開關(guān)SW1，從而在節(jié)點N1預(yù)充電至電位Vp。另一方面，在時間t2以前的周期中，控制信號S2使開關(guān)SW3選擇電源電位VDD，因此電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs設(shè)置在電源電位VDD。此后，在圖8A中的時間t2，控制信號P的電位變化至低電平，以斷開開關(guān)SW1，同時控制信號S2使開關(guān)SW3選擇地電位GND，因而使電容元件Cs的驅(qū)動電壓Vs降低ΔVs，以產(chǎn)生至檢測電路12的電壓信號。
在圖7所示的表面形狀識別傳感器裝置中，與圖25不同，作為電位控制電路150的輸出的節(jié)點N3上的電位在時間t2以后，按照與節(jié)點N1上的電位變化的相反方向變化，如圖8E所示，因此，在時間t2以后節(jié)點N2上的電位起伏能被抑制，如圖8D所示。這樣能防止電容Cf值的明顯下降，當(dāng)Cf＝α·Cfr時得到α＝1。因此，如圖8C所示，能使與指紋的谷相對應(yīng)的電壓信號和與指紋的峰相對應(yīng)的壓電信號之間的差ΔVi的幅度等于圖24C所示的幅度，也就是當(dāng)手指3的電阻Rf為0Ω時幅度。
如圖9A所示，例如電位控制電路150包括開關(guān)SW5(設(shè)置單元)，其選擇預(yù)定電位V1(第三電位)或V2(第四電位)并將所選電位輸出至高靈敏度電極103。信號產(chǎn)生電路13所使用的控制信號S2也用作開關(guān)SW5的控制信號，控制信號S2使開關(guān)SW5，在圖8E中的時間t2以前的周期內(nèi)選擇電位V1，在時間t2選擇電位V2(V1＜V2)。通過將控制信號S2用于開關(guān)SW3和SW5兩者，能夠避免控制信號數(shù)目的增加。
如圖9B所示，例如電位控制電路150也可以由將控制信號S2提供給高靈敏度電極103的信號線151(設(shè)置單元)構(gòu)成。因為直接使用控制信號S2的電位，所以能夠不必使用任何附加電路而實現(xiàn)電位控制電路150。在本實施例中，控制信號S2具有與節(jié)點N3上的電位相同的波形如圖8E所示。
下面將參考圖10A至10E說明當(dāng)Rf＞＞0時，圖7所示的表面形狀識別傳感器裝置的操作的另一示例。
基本操作與圖8A至8E所示的操作相同。與圖8A至8E不同在于，如圖10E所示，節(jié)點N3上的電位變化大于圖8E所示的電位變化，并且如圖10D所示，節(jié)點N2上的電位在時間t2這個時刻在增加的方向瞬態(tài)變化。這樣能有效地提高電容Cf值，當(dāng)Cf＝α·Cfr時得到α＞1。因此，如圖10C所示，能使與指尖皮膚表面的谷相對應(yīng)的電壓信號和與指尖皮膚表面的峰相對應(yīng)的電壓信號之間的差ΔVi的幅度可以大于圖24C所示的幅度。因為能容易地確定每一傳感器單元的檢測電路12所檢測的電壓信號是否與指尖皮膚表面的峰和谷相對應(yīng)，所以通過多個傳感器單元的輸出，能夠清晰地識別指尖皮膚表面的峰和谷。
在上述這個實施例中，電位控制電路150經(jīng)由手指3的表面和高靈敏度電極103之間所形成的電容Cc控制手指3的表面(節(jié)點N2)的電位，這樣，當(dāng)手指3的電阻高時就能控制N2上的電位，并提高電容Cf的檢測靈敏度。
注意，盡管在這個實施例中，節(jié)點N3上的電位隨控制信號S2變化，重要的是使節(jié)點N3上的電位按照與節(jié)點N1的電位變化的相反方向變化，這樣，方法就不限于使用控制信號S2，并且，節(jié)點N3上的電位變化的時間也不限于在時間t2以后的周期。
還要注意，在這個實施例中，通過將電荷存儲到節(jié)點N1然后移去這個電荷所得到的信號用作傳感器單元的輸出。但是也能使用通過從節(jié)點N1移去電荷然后將電荷存儲到節(jié)點N1所得到的信號，作為傳感器單元的輸出。在這種情況下，圖7所示的電位Vp設(shè)置為地電位，以使開關(guān)SW1起放電電路的作用。此外，當(dāng)開關(guān)SW1閉合時，使開關(guān)SW3選擇地電位GND，當(dāng)開關(guān)SW1斷開時，使開關(guān)SW3選擇電源電位VDD。因此電荷存儲到節(jié)點N1。在這樣的安排下，如果因為例如手指3干燥電阻Rf高，則當(dāng)電荷存儲在節(jié)點N1上時，節(jié)點N2上的電位隨節(jié)點N1上的電位變化而上升。為了防止這種現(xiàn)象，電位控制電路150在節(jié)點N1的電位變化的相反方向變化節(jié)點N3上的電位。也就是說，節(jié)點N3上的電位降低。更具體地說，只需要當(dāng)開關(guān)SW1閉合時使開關(guān)SW5選擇電位V2，當(dāng)開關(guān)SW1斷開時使開關(guān)SW5選擇電位V1(V1＜V2)。
下面將描述本發(fā)明的第三實施例。
根據(jù)本發(fā)明第三實施例的表面形狀識別傳感器裝置，使用圖11所示的電位控制電路140a代替第一實施例圖2所示的電位控制電路140。電位控制電路140a包括電流源142，其將電荷存儲到作為電位控制電路140a的輸出和高靈敏度電極103之間的連接點的節(jié)點N3；選擇預(yù)定電位V3(第六電位)或者V4(第五電位)的開關(guān)SW6；選擇電流源142的輸出或者開關(guān)SW6的開關(guān)SW7；和控制開關(guān)SW7的輸出和高靈敏度電極103之間的電氣連接的開關(guān)SW8。開關(guān)SW6至SW8形成第二開關(guān)元件SW9。
下面將參考圖12A至12E說明當(dāng)Rf＞＞0時，這個實施例的表面形狀識別傳感器裝置的操作。
基本操作與圖4A至4E所示的第一實施例的操作相同。與圖4A至4E的不同之外是電位控制電路140a的操作。當(dāng)控制信號P為低電平時，開關(guān)SW6選擇電位V4，而當(dāng)控制信號P為高電平時選擇電位V3(V3＜V4)。當(dāng)控制信號S1為低電平時，開關(guān)SW7選擇開關(guān)SW6的輸出，當(dāng)控制信號S1為高電平時選擇電流源142的輸出。在圖12B的時間t3以前的周期內(nèi)，開關(guān)SW8被控制信號E接通，在時間t3則被斷開。因為開關(guān)SW6至SW8如此操作，所以信號產(chǎn)生電路11和傳感器電極101之間的節(jié)點N1開始充電以前，高靈敏度電極103可以設(shè)置為電位V4，當(dāng)充電開始時設(shè)置為電位V3，并在完成充電以后連接至電流源142，以便存儲電荷。
在這個實施例中，不但能以與圖4A至4E相同的方法，抑制時間t2至?xí)r間t3的周期內(nèi)節(jié)點N2上的電位起伏，而且也能通過按照與在時間t1節(jié)點N1的充電時刻其電位變化的相反方向改變節(jié)點N3的電位，如圖12E所示，抑制在時間t1節(jié)點N2的電位起伏，如圖12D所示。因此，能在所有周期內(nèi)控制節(jié)點N2上的電位，與第一實施例相比，能更有效地防止因節(jié)點N2上的電位起伏所引起的電容Cf明顯減小。
在上述這個實施例中，電位控制電路140a經(jīng)由手指3的表面和高靈敏度電極103之間所形成的電容Cc，控制手指3的表面(節(jié)點N2)的電位，這樣，當(dāng)手指3的電阻Rf高時，能夠控制節(jié)點N2上的電位，并能提高電容Cf的檢測靈敏度。
注意在這個實施例中，如同第一實施例，通過只在預(yù)定時間從節(jié)點N1移去電荷然后在節(jié)點N1存儲電荷所得到的信號，也可以從傳感器單元輸出。在這種情況下，電流源142以與圖11所示的方向相反的方向連接。此外，高靈敏度電極103在節(jié)點N1開始放電以前設(shè)置為電位V3，當(dāng)開始放電時設(shè)置為電位V4(V3＜V4)，并在完成放電以后連接至電流源142，以移去電荷。
下面將描述本發(fā)明的第四實施例。
本發(fā)明第四實施例的表面形狀識別傳感器裝置，使用圖13A所示的電位控制電路150a代替第二實施例的圖7所示的電位控制電路150。電位控制電路150a具有開關(guān)SW10(設(shè)置單元)，其選擇預(yù)定電位V1(第八電位)或者V2(第七電位、第九電位)，并將所選的電位輸出至高靈敏度電極103。當(dāng)控制信號S2用于圖9A所示的電位控制電路150時，控制信號P則用于本實施例。也就是說，在本實施例中，開關(guān)SW1(充電電路)和電位控制電路150a一起都由從控制信號輸出電路5a輸入的控制信號P控制。
下面將參考圖14A至14E說明當(dāng)Rf＞＞0時，本實施例的表面形狀識別傳感器裝置的操作。
基本操作與圖8A至8E所示的第二實施例的操作相同。與圖8A至8E的不同之處是電位控制電路150a的操作。開關(guān)SW10當(dāng)控制信號P為低電平時選擇電位V2，當(dāng)控制信號P為高電平時選擇電位V1。因為開關(guān)SW10如此操作，所以高靈敏度電極103能在信號產(chǎn)生電路13和傳感器電極101之間的節(jié)點N1開始充電以前設(shè)置為電位V2，在開始充電時設(shè)置為第八電位V1，在完成充電以后設(shè)置為電位V2，因此，產(chǎn)生圖14E所示的波形。
在這個實施例中，不但能以與圖8A至8E相同的方法抑制在時間t2以后周期內(nèi)節(jié)點N2上的電位起伏，而且如圖14E所示，也能通過按照與在時間t1節(jié)點N1的充電期間其電位變化的相反方向改變節(jié)點N3的電位，抑制在時間t1節(jié)點N2上的電位起伏，如圖14D所示。因此，能在所有周期內(nèi)控制節(jié)點N2上的電位，與第二實施例相比，能更有效地防止因節(jié)點N2上的電位起伏所引起電容Cf的明顯減小。
注意，節(jié)點N3在t1以前的電位和t2以后的電位設(shè)置為V2，但這些電位不限于V2，t1以前的電位(第七電位)和t2以后的電位(第九電位)也可以不同。在這種情況下，除圖13A所示的電位V1和V2以外，還可準(zhǔn)備其它的電源，并控制這些電位的切換。
圖13B所示的電位控制電路150b也可用來代替圖13A所示的電位控制電路150a。電位控制電路150b具有將控制信號P提供給高靈敏度電極103的信號線152(設(shè)置單元)。因為直接使用控制信號P的電位，所以能夠不使用任何附加的電路而實現(xiàn)電位控制電路150b。
在上述這個實施例中，電位控制電路150a或150b經(jīng)由手指3的表面和高靈敏度電極103之間所形成的電容Cc控制手指3的表面(節(jié)點N2)的電位，這樣，當(dāng)手指3的電阻Rf高時，能控制節(jié)點N2上的電位，并提高電容Cf的檢測靈敏度。
注意，在這個實施例中，如同第二實施例，通過從節(jié)點N1移去電荷然后在節(jié)點N1存儲電荷所得到的信號，也可以從傳感器單元輸出。在這種情況下，如圖13A所示，例如，在節(jié)點N1開始放電以前，高靈敏度電極103只需設(shè)置為電位V1，當(dāng)放電開始時設(shè)置為電位V2(V1＜V2)，在放電完成以后設(shè)置為電位V1。
下面將描述本發(fā)明的第五實施例。
在根據(jù)本發(fā)明的第五實施例中，傳感器電極101和高靈敏度電極103的設(shè)置與圖3A和3B不同。也就是說，如圖15所示，高靈敏度電極103是圍繞傳感器電極101形成的。在這種結(jié)構(gòu)中，能減小從鄰近傳感器單元至傳感器電極101的噪聲。圖15所示的結(jié)構(gòu)，能應(yīng)用于所有第一至第四實施例。
下面將描述本發(fā)明的第六實施例。
在根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的傳感器單元陣列中，傳感器電極101和高靈敏度電極103的設(shè)置與圖3A、3B和15不同。如圖16所示，傳感器電極101是圍繞高靈敏度電極103形成。在這種設(shè)置中，在減小來自鄰近傳感器單元的影響的同時，每一傳感器單元中手指表面的電位能有效地得到控制。圖16所示的安排能應(yīng)用于所有第一至第四實施例。
下面將描述本發(fā)明的第七實施例。
在根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的傳感器單元陣列中，相對于襯底表面，傳感器電極和高靈敏度電極的形成位置是不同的。
圖17A示出一個例子，其中高靈敏度電極103a在高于傳感器電極101的位置上形成。更具體地說，傳感器電極101在襯底上的絕緣膜100上形成，第一保護膜102a在絕緣膜100上形成以復(fù)蓋傳感器電極101，高靈敏度電極103a在第一保護膜102a上形成，第二保護膜102b在第一保護膜102a上形成以復(fù)蓋高靈敏度電極103a。傳感器電極101和高靈敏度電極103a不是彼此面對地形成的。通過利用上述多個保護膜，傳感器電極101和高靈敏度電極103a能夠容易地以不同的高度形成。
當(dāng)在高于傳感器電極101的位置上形成高靈敏度電極103a時，與第二保護膜102b接觸的手指3的表面和高靈敏度電極103a之間的距離變成小于傳感器電極101和高靈敏度電極103在相同的高度形成時的距離，如圖2等所示。當(dāng)距離例如為1/N(N＞1)時，即使如圖2等所示高靈敏度電極103a的面積為高靈敏度電極103的面積的1/N，也能保持手指3的表面和高靈敏度電極103a之間形成的電容Cc。也就是說，因為即使高靈敏度電極103a縮小，也能保持電容Cc，所以能得到與第一至第五實施例相同的控制手指表面(節(jié)點N2)電位的效果。另外，當(dāng)高靈敏度電極103a縮小如圖17A所示時，能增加傳感器電極101的面積，因而能提高檢測靈敏度。
還有，如圖17B所示，傳感器電極101a也可以在高于高靈敏度電極103的位置上形成。參考圖17B，高靈敏度電極103在襯底上的絕緣膜100上形成，第一保護膜102c在絕緣膜100上形成以復(fù)蓋高靈敏度電極103，傳感器電極101a在第一保護膜102c上形成，第二保護膜102d在第一保護膜102c上形成以復(fù)蓋傳感器電極101a。傳感器電極101a和高靈敏度電極103不是彼此面對地形成的。在這種結(jié)構(gòu)中，在保持手指3的表面和傳感器電極101a之間所形成的電容Cf的同時，能縮小傳感器電極101a。所以，能增加傳感器電極101的面積，從而提高檢測靈敏度。
注意在圖17A和17B中，最好對保護膜102b和102d的表面進行平化處理。
本發(fā)明可應(yīng)用于例如電容式指紋傳感器。
權(quán)利要求
1.一種表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于包括多個傳感器單元，其為二維排列，檢測與將要識別對象的表面的峰和谷相對應(yīng)的電容，并輸出與所述電容相對應(yīng)的信號；和信號處理器，其基于從所述傳感器單元輸入的信號，計算所述對象的表面形狀，所述傳感器單元包括襯底；形成在所述襯底上的第一電極；信號輸出單元，其輸出與所述第一電極和所述對象的表面之間所形成的電容相對應(yīng)的信號；形成在所述襯底上的第二電極，其與所述第一電極絕緣并分離；和電位控制器，其通過控制所述第二電極的電位，經(jīng)在所述第二電極和所述對象的表面之間所形成的電容控制所述對象的表面的電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述信號輸出單元包括信號產(chǎn)生電路，其產(chǎn)生與所述第一電極和所述對象的表面之間所形成的電容相對應(yīng)的電壓信號；充電/放電電路，其在所述信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生信號以前，對作為所述第一電極和所述信號產(chǎn)生電路輸出端之間的連接點的節(jié)點，進行電荷的存儲和移去兩者之一；和檢測電路，其在進行電荷存儲或移去兩者之一以后，檢測從所述信號產(chǎn)生電路輸出至所述節(jié)點的電壓信號，并輸出所述電壓信號作為所述信號輸出單元的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于電位控制器包括電位控制電路，其按照與所述信號產(chǎn)生電路輸出的電壓信號變化的相反方向，改變所述第二電極的電位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述信號輸出單元包括信號產(chǎn)生電路，其產(chǎn)生與所述第一電極和所述對象的表面之間所形成的電容相對應(yīng)的電壓信號；充電電路，其在信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生信號以前，在作為所述第一電極和所述信號產(chǎn)生電路輸出端之間的連接點的節(jié)點上存儲電荷；和檢測電路，其在所述電荷存儲以后，檢測從所述信號產(chǎn)生電路輸出至所述節(jié)點的電壓信號，并輸出所述電壓信號作為所述信號輸出單元的輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述信號產(chǎn)生電路包括第一電流源，其從節(jié)點移去電荷；和第一開關(guān)元件，其設(shè)置在所述節(jié)點和所述第一電流源之間，并在電荷被存儲到節(jié)點上以后，僅在預(yù)定的周期內(nèi)通過將節(jié)點與所述第一電流源連接而產(chǎn)生電壓信號，和所述電位控制器包括第二電流源，其對所述第二電極進行充電；和第二開關(guān)元件，其設(shè)置在所述第二電極和所述第二電流源之間，并通過將所述第二電極和所述第二電流源連接而控制所述第二電極的電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于進一步包括控制信號輸出單元，其輸出同時控制所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的控制信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述信號產(chǎn)生電路包括電容元件，其包括第一端和第二端，第一端連接至所述節(jié)點；和第三開關(guān)元件，其在節(jié)點充電完成以前，將所述電容元件的第二端設(shè)置為第一電位，并在充電完成以后，將第二端設(shè)置為低于第一電位的第二電位，因而從所述電容元件產(chǎn)生電壓信號，和所述電位控制器包括設(shè)置單元，其在節(jié)點充電完成以前，將所述第二電極設(shè)置為第三電位，并在充電完成以后，將所述第二電極設(shè)置為高于第三電位的第四電位，由此控制所述第二電極的電位。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于進一步包括控制信號輸出單元，其輸出同時控制所述第三開關(guān)元件和所述設(shè)置單元的控制信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述電位控制器包括電位控制電路，其按照與進行所述節(jié)點的充電和放電兩者之一時電位變化和從所述信號產(chǎn)生電路輸出的電壓信號變化的相反方向，改變所述第二電極的電位。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述信號產(chǎn)生電路包括第一電流源，其從所述節(jié)點移去電荷；和第一開關(guān)元件，其設(shè)置在所述節(jié)點和所述第一電流源之間，并在電荷被存儲到所述節(jié)點上以后，僅在預(yù)定的周期內(nèi)通過將所述節(jié)點與所述第一電流源連接而產(chǎn)生電壓信號，和所述電位控制電路包括第二電流源，其對所述第二電極進行充電；和第二開關(guān)元件，其在節(jié)點充電開始以前，設(shè)置所述第二電極為第五電位，在充電開始以后，設(shè)置所述第二電極為低于第五電位的第六電位，然后將所述第二電極和所述第二電流源連接，由此控制所述第二電極的電位。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述信號產(chǎn)生電路包括電容元件，其包括第一端和第二端，第一端連接至節(jié)點；和第三開關(guān)元件，其在節(jié)點充電完成以前，將所述電容元件的第二端設(shè)置為第一電位，并在充電完成以后，將第二端設(shè)置為低于第一電位的第二電位，因而從所述電容元件產(chǎn)生電壓信號，和所述電位控制電路包括設(shè)置單元，其在節(jié)點充電開始以前，將所述第二電極設(shè)置為第七電位，并在充電開始時，將所述第二電極設(shè)置為低于第七電位的第八電位，并在充電完成以后，將所述第二電極設(shè)置為高于第八電位的第九電位，由此控制所述第二電極的電位。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于包括控制信號輸出單元，其輸出同時控制所述充電電路和所述設(shè)置單元的控制信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述第二電極是圍繞所述第一電極形成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述第一電極是圍繞所述第二電極形成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述第二電極的面積不大于所述第一電極的面積。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于所述第二電極的面積小于所述第一電極的面積。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面形狀識別傳感器裝置，其特征在于相對于所述襯底的表面，所述第二電極形成在與所述第一電極不同的高度上。
全文摘要
傳感器單元包括形成在襯底(100)上的傳感器電極(101)；信號輸出單元(16)，其輸出與傳感器電極和手指(3)表面之間所形成的電容(Cf)相對應(yīng)的信號；形成在襯底上的高靈敏度電極(103)，以便其與傳感器電極絕緣并分離；和電位控制器(14)，其通過控制高靈敏度電極的電位，經(jīng)高靈敏度電極和手指表面之間所形成的電容(Cc)控制手指表面的電位。在這種布置下，當(dāng)手指的電阻高時，能控制手指表面的電位，使其不隨傳感器電極的電位變化而波動。這樣就能提高傳感器電極和手指表面之間所形成的電容的檢測靈敏度，因此，能通過多個傳感器單元的輸出清晰地辨認(rèn)手指表面的峰和谷。
文檔編號A61B5/117GK1906459SQ200580001979
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者森村浩季, 中西衛(wèi), 重松智志, 羽田野孝裕, 岡崎幸夫, 町田克之 申請人:日本電信電話株式會社