專利名稱：確定很小電容的方法及用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定電氣元件很小電容的，尤其是在電容地測量的表面?zhèn)鞲衅魃希绕涫窃谥讣y傳感器上可以應(yīng)用的一種方法。
很小的電容可以如此來確定，多次充電電容和分別在較大的電容上結(jié)集電荷。從在某個(gè)數(shù)目充電過程時(shí)所結(jié)集電荷的大小可以推斷小的電容。例如在電容地測量的指紋傳感器上可以應(yīng)用此方法。圖4中以圖表表示了適合于此的導(dǎo)體和電氣電路元件的一種裝置。為了攝取例如指紋的完整圖像，采用導(dǎo)體面的，配備了覆蓋層和指鼓用支承面的網(wǎng)格狀裝置。通過導(dǎo)體離可假設(shè)為接地的皮膚表面的不同距離得出不同的電容。所以在施加相同的電位差時(shí)，使通過導(dǎo)體和相距于此地布置的皮膚表面范圍形成的電容器不同強(qiáng)度地充電。這些電荷是對皮膚表面的電容用的一種尺度，并且因此可以用來攝取指紋。為了能夠測量很小的電荷，在多次充電過程之后分別在較大的電容上結(jié)集和測量這些電荷。
圖4a中以剖面圖表示了要采集圖像的表面1，此圖像與迎向圖像表面的導(dǎo)體面2有距離。此導(dǎo)體面2是與導(dǎo)線3連接的，并且起著相對于要采集圖像表面1的電容器板的作用。將導(dǎo)體面可以經(jīng)開關(guān)S1和S2交替地與在這里在實(shí)例中提供5伏電壓的直流電壓源，和與起集中電容作用的電容器Cs連接。用畫入的庫侖計(jì)Cb測量在此電容器Cs上結(jié)集的電荷。
圖4b中表示了用它們操作開關(guān)S1和S2的開關(guān)信號(hào)，以及作為時(shí)間函數(shù)的，由庫侖計(jì)測量的電荷。
圖4c中表示了來自圖4a的裝置用的電氣等效電路圖。
替代測量由兩個(gè)不同平面中的導(dǎo)體面形成的電容器的電荷，人們可以測量同一平面中的兩個(gè)導(dǎo)體面的電容。為此人們優(yōu)先分別選擇互相相鄰布置的兩個(gè)導(dǎo)體面。通過例如皮膚表面的圖像的安放的上側(cè)面互相耦合這些導(dǎo)體。甚至在這里，皮膚表面對導(dǎo)體面的距離越小，電容的耦合則越強(qiáng)。在電荷測量裝置中測量所傳輸?shù)碾姾?。圖5a和5b中表示了所屬的傳感器裝置和電氣等效電路圖。所以在此方法上采用唯一的結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)體平面已足夠，實(shí)際上此導(dǎo)體平面僅由具有互相交叉導(dǎo)線的導(dǎo)體面的陣列組成。由于不必將導(dǎo)體與在附近的有源元件連接，可以將這些導(dǎo)體安置在絕緣的膜上。但是人們在應(yīng)用此方法時(shí)獲得的電荷大大小于在借助于圖4時(shí)所說明的。
電荷測量裝置優(yōu)先由放大器組成。如果還后接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以便能進(jìn)行測量的數(shù)字式分析處理的話，此放大器和此模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要許多面積，這導(dǎo)致，僅能控制和讀出一個(gè)像點(diǎn)。必須低阻抗地固定所有其余的控制線和讀出線，圖6中以對導(dǎo)體面裝置的示意性俯視圖展示了這一點(diǎn)。在這里控制線是各個(gè)正方形導(dǎo)體面的垂直連接。讀出線水平分布?？刂凭€和讀出線在交叉點(diǎn)上是互相絕緣的。通過圓的箭頭表示了電容的耦合。在SE 448408中說明了一種可比較的指紋傳感器。在此種控制的方式上人們實(shí)現(xiàn)，僅控制線電容地過耦合到導(dǎo)線上。但是為了讀出線不交互地相互過耦合，必須低阻抗地固定所有的讀出線，例如可以通過開關(guān)，或通過放大器的低阻抗的輸入電阻實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
圖7中表示了一種電路，用此電路可以實(shí)施如在電壓倍增器上也利用那樣的，用串聯(lián)電容的電荷泵方法。
本發(fā)明的任務(wù)在于，說明用于確定網(wǎng)格狀電容器裝置的很小電容的一種方法。此方法應(yīng)尤其是適合于例如指紋的圖像采集的。
用具有權(quán)利要求1特征的方法解決此任務(wù)。在從屬權(quán)利要求中得出發(fā)展，尤其是用于圖像采集的方法的用途。
在按本發(fā)明的方法上同時(shí)讀出所有的讀出線(圖6中的導(dǎo)線LLn-1,LLn,LLn+1)。已經(jīng)在測量過程期間將來自每個(gè)讀出線的測量值數(shù)字化。為此采用按

圖1a的用串聯(lián)電容的泵方法。為了抑制從讀出線到讀出線的過耦合，通過兩個(gè)開關(guān)和運(yùn)算放大器代替兩個(gè)二極管。在圖1a的電路圖表中畫入了這些開關(guān)S1、S2和運(yùn)算放大器OP。在圖1b中畫入了生成電壓Up的時(shí)間序列，和開關(guān)S1與S2以及電容器Us上電流Ip與電壓的時(shí)間序列。緊挨發(fā)生器信號(hào)Up的正波沿之前轉(zhuǎn)換兩個(gè)開關(guān)S1、S2?，F(xiàn)在將電容Cp直接與集中電容Cs連接。隨著生成電壓Up的正的，即上升的波沿將電荷從電容器Cp傳輸?shù)郊须娙萜鰿s上，在此情況下集中電容器Cs的電容顯著地大于電容器Cp的電容。電壓Us上升達(dá)一個(gè)小的數(shù)額。一旦電流Ip衰減了，就重新轉(zhuǎn)換開關(guān)。現(xiàn)在電容Cp是與運(yùn)算放大器OP的輸出端連接的。此反饋的運(yùn)算放大器直接以1∶1的比例傳輸集中電容器Cs上的電壓Us到它的輸出端上。在開關(guān)轉(zhuǎn)換之后跟隨著生成電壓Up的負(fù)的，即下降的波沿。經(jīng)運(yùn)算放大器的低阻抗的輸出端重新將電容器Cp充電，而電荷不從集中電容器Cs流出。所以在再次轉(zhuǎn)換開關(guān)之后可以重復(fù)從電容器Cp到集中電容器Cs上的放電過程。這個(gè)流程在以下稱為泵循環(huán)。在泵循環(huán)期間讀出線上的電壓僅少量變化，以致于不必?fù)?dān)心從一個(gè)讀出線到另外一個(gè)上的過耦合。所以用此方法可以經(jīng)控制線(圖6中的導(dǎo)線SLk-2,SLk-1,SLk,SLk+1)泵由像點(diǎn)組成的陣列的所有讀出線，并且分析處理所有的讀出線。
優(yōu)先如此地實(shí)施本方法，將集中電容器Cs充電到規(guī)定值時(shí)為止，通過比較器借助于基準(zhǔn)電壓Uref確定此規(guī)定值的超越，和用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到此值之前的泵循環(huán)的數(shù)目。圖2中表示了一種這樣的裝置，在其中用Ct表示了計(jì)數(shù)器和用Rg表示了記錄單元。開關(guān)S3用于，將計(jì)數(shù)器Ct交替地連接到比較器K的輸出端上和記錄單元的輸入端上。當(dāng)達(dá)到了集中電容器上的基準(zhǔn)電壓時(shí)，可以以此方式仃止計(jì)數(shù)器。在開關(guān)S3的轉(zhuǎn)換之后由記錄單元存儲(chǔ)由計(jì)數(shù)器確定的泵循環(huán)的數(shù)目，和/或輸送給進(jìn)一步的分析處理。
圖3展示適合于本方法的運(yùn)算放大器的一種可能的發(fā)展，正如在按圖1a和2的裝置中可以采用這種運(yùn)算放大器的那樣。但是不排除實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的另外的可能性。
對于按本發(fā)明的方法主要的在于，不直接放大要測量的小電荷，或位于電容器上的電壓，而是通過直到規(guī)定界限時(shí)的累積直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字式測量結(jié)果。此外對于本方法主要的在于，每次同時(shí)測量一組要測量的電容。在此例如可以優(yōu)先涉及單個(gè)電容器的矩陣狀裝置中的各自的列。通過如上面已說明的合適的電路可以實(shí)現(xiàn)，避免各個(gè)讀出線之間的過耦合。
尤其可以將泵方法應(yīng)用在經(jīng)兩個(gè)相鄰導(dǎo)體面的耦合來電容地采集圖像的傳感器上。在主要通過結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)體平面形成的指紋傳感器上可以采用本方法于測量像素電容。人們稱傳感器的最小測量面積為像素，也就是像點(diǎn)。傳感器每個(gè)面積單元的像素?cái)?shù)越高，傳感器的分辨率則越好。指紋傳感器的像素尺寸位于50μm至100μm的數(shù)量級(jí)上。像素電容的值是與手指皮膚表面離導(dǎo)體面的距離成反比的。所以直到某個(gè)基準(zhǔn)值時(shí)的泵循環(huán)數(shù)目n是與皮膚表面離傳感器導(dǎo)體面的距離成正比的。
電荷上升為Qp=CpΔUp。
結(jié)集的電荷為Qs=CsUs，式中Us最高變?yōu)槿缁鶞?zhǔn)電壓Uref那樣大。
由于此外適用Qs=nQp，對于Us=Uref人們有關(guān)系式n=Qs/Qp。
電容Cp是與手指皮膚表面和導(dǎo)體面之間的距離成反比的；所以泵循環(huán)數(shù)目是與此距離成比例的。
運(yùn)算放大器、比較器和集中電容器的電路是如此地緊湊，以致于它們在裝置的每個(gè)行中可以是存在一次的。通過不斷的轉(zhuǎn)換來補(bǔ)償運(yùn)算放大器的可能的失調(diào)。
權(quán)利要求
1．用于確定由電導(dǎo)體面(2)副形成的電容器(Cp)的網(wǎng)格狀裝置的很小電容的方法，其中a)進(jìn)行將導(dǎo)體面(2)劃分為組，b)通過讀出線(LLn-1,LLn,LLn+1)導(dǎo)電地互相連接各一個(gè)組的導(dǎo)體面(2)，c)互相分開地用各一個(gè)控制線(SLk-1,SLk,SLk+1)導(dǎo)電地互相連接各一個(gè)組的導(dǎo)體面(2)，d)在規(guī)定的時(shí)間期間如此施加一個(gè)電位到各自一個(gè)控制線上，使得在控制線和多個(gè)讀出線之間出現(xiàn)給電容器(Cp)充電的電位差，這些電容器由與控制線連接的各至少一個(gè)導(dǎo)體面和與這些讀出線中之一連接的各至少一個(gè)導(dǎo)體面形成，e)經(jīng)每個(gè)讀出線分開地導(dǎo)出電荷到各一個(gè)集中電容器(Cs)上，f)關(guān)斷施加到控制線上的電位，并且借助于電路讓有關(guān)的讀出線低阻抗地記憶各自的電位，此電位定義有關(guān)集中電容器相對于準(zhǔn)基電位的電荷狀態(tài)，g)如此經(jīng)常地重復(fù)步驟d至f，直到已進(jìn)行規(guī)定的充電數(shù)目時(shí)，或直到大于規(guī)定值的電位差位于每個(gè)集中電容器(Cs)上時(shí)為止，和h)然后對于每個(gè)讀出線確定集中電容器的電荷或電位差，或充電數(shù)目。
2．按權(quán)利要求1的方法，其中，在步驟f中采用各一個(gè)反饋的運(yùn)算放大器(OP)，最遲在在其上關(guān)斷施加到有關(guān)控制線上的電位的時(shí)刻上，在各一個(gè)要測量的電容器(Cp)和有關(guān)的集中電容器(Cs)之間將運(yùn)算放大器用它的輸出端接通到讀出線上。
3．按權(quán)利要求2的方法，其中，采用由兩個(gè)p溝道MOSFET(M1,M2)和三個(gè)n溝道MOSFET(M3,M4)組成的電路作為運(yùn)算放大器(OP)，在此情況下p溝道MOSFET(M1,M2)的源極接頭和第一n溝道MOSFET(M5)的漏極接頭是與供電電壓的一個(gè)接頭連接的，p溝道MOSFET的漏極接頭是與第二和第三n溝道MOSFET(M3,M4)中的各一個(gè)的漏極接頭連接的，p溝道MOSFET的柵極接頭是互相地并且與第三n溝道MOSFET的漏極接頭連接的，第二和第三n溝道MOSFET的源極接頭是互相地和經(jīng)電源與供電電壓的另外接頭連接的，第一n溝道MOSFET的柵極接頭是與第二n溝道MOSFET的漏極接頭連接的，第一n溝道MOSFET的源極接頭是與第二n溝道MOSFET的柵極接頭連接的，并且經(jīng)其它的電源與供電電壓的另外接頭連接的，并且形成電路的輸出端，和第三n溝道MOSFET的柵極接頭形成電路的輸入端。
4．采用按權(quán)利要求1至3之一的方法用于借助于結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)體面的電容的圖像采集的應(yīng)用。
全文摘要
連接電容器面的網(wǎng)格到讀出和控制線上。交替地連接讀出線(LL)到反饋的運(yùn)算放大器(OP)的輸出端上和到集中電容器(Cs)上。多次地充電要測量的電容(Cp)和結(jié)集集中電容器上的電荷。在充電之間借助于運(yùn)算放大器的低阻抗輸出端恒定地保持讀出線上的電位。在指紋傳感器上采用此方法使得共同分析處理所有的讀出線成為可能。
文檔編號(hào)G01R27/26GK1311859SQ99809099
公開日2001年9月5日 申請日期1999年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月23日
發(fā)明者P·W·馮巴瑟, J·維勒爾 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司