EP1000362A1

EP1000362A1 - Verfahren zur bestimmung sehr kleiner kapazitäten und damit konzipierter sensor

Info

Publication number: EP1000362A1
Application number: EP98945041A
Authority: EP
Inventors: Paul-Werner Von Basse; Josef Willer; Thomas Scheiter; Stephan Marksteiner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2000-05-17
Also published as: WO1999008121A1; BR9811837A; MXPA00001276A; CN1266494A; KR20010022575A; JP2001512836A

Abstract

Ein Kondensator kleiner Kapazität wird mehrfach aufgeladen und entladen auf einen Meßkondensator wesentlich größerer Kapazität, dessen Spannung oder Ladezustand direkt gemessen wird. Eine kleine Kapazität oder Kapazitätsänderung als Meßergebnis eines Sensors kann so mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Damit ist ein Fingerabdrucksensor mit einem Array aus Metallflächen (4) unter einer Auflagefläche für eine Fingerspitze, bei dem Transistoren als Schalter (S), Meßkondensatoren (1) und Komparatoren (2) vorgesehen sind, ohne bewegliche Teile realisierbar. An die Metallflächen wird ein vorgegebenes elektrisches Potential angelegt. Bei Aufliegen einer Fingerspitze laden sich die Metallflächen entsprechend der Struktur der Hautoberfläche unterschiedlich stark auf. Die Ladungen werden auf die zugeordneten Meßkondensatoren abgeführt. Die Ladezustände der Meßkondensatoren werden nach Art des Auslesens eines Matrixspeichers getrennt voneinander festgestellt.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Bestimmung sehr kleiner Kapazitäten und damit konzipierter Sensor

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung sehr kleiner Kapazitäten, das insbesondere zur Auswertung des Meßergebnisses bei mikromechanischen Sensoren geeignet ist.

Bei kapazitiv messenden Sensoren, wie z. B. mikromechanischen Drucksensoren (EP 0 714 017 = US 5,631,428, WO 96/16319) oder Beschleunigungssensoren (WO 95/19572, EP 0 730 157), bei der Ermittlung der Parameter für kleine integrierte Bauele- mente wie Bipolar- und MOS-Transistoren, MIM-Kondensatoren usw. tritt das Problem auf, sehr kleine Kapazitäten mit großer Genauigkeit zuverlässig zu bestimmen. Die gemessenen Werte der Kapazitäten werden durch Störgrößen verfälscht. Feste Störgrößen sind z. B. parasitäre Kapazitäten. Veränder- liehe Störgrößen können z. B. von elektromagnetischen Wechselfeldern aus der Umgebung der Meßanordnung stammen oder durch mechanische Vibrationen verursacht werden. Diese Störgrößen müssen in geeigneter Weise kompensiert oder zumindest erfaßt werden, um das Meßergebnis entsprechend korrigieren zu können.

Zur Bestimmung der Größe kleiner Kapazitäten dienen empfindliche Verstärker. Beim Meßvorgang werden die Kapazitäten durch hochfrequente WechselSpannungen oder Impulsspannungen angeregt, um die Meßsignale zu erzeugen. Störsignale werden entweder direkt mit dem Meßverstärker erfaßt und unterdrückt oder nach einer Analog-Digital-Wandlung numerisch kompensiert. Diese Verfahren sind sehr aufwendig und erfordern eine hohe Genauigkeit .

In der Veröffentlichung von M. Tartagni, R. Guerrieri : "A 390dpi Live Fingerprint Imager Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme", 1997 ISSCC slide Supplement, S. 154-155 und 402, ist eine Übersicht über verschiedene Realisationsmöglichkeiten von Fingerabdrucksensoren gegeben. Derartige Sensoren sind geeignet, auf elektronischem Wege den Fingerab- druck, d. h. ein Diagramm mit den Furchen und Stegen der Hautoberfläche der Fingerspitze, zu erfassen und ggf. zum Zweck einer Personenidentifizierung weiter auszuwerten. Bei den dort angegebenen kapazitiv messenden Sensoren tritt ebenfalls das Problem auf, daß sehr kleine Kapazitäten gemessen werden müssen. Die Messung muß in sehr kurzer Zeit, während derer eine Fingerspitze auf dem Sensor aufliegt, durchgeführt werden und soll ein ausreichend genaues und kontrastreiches Ergebnis liefern, damit verschiedene Fingerlinien voneinander unterschieden werden können.

In der EP 0 457 398 Bl ist ein Fingerabdrucksensor beschrieben, bei dem der Finger auf eine nicht verformbare Auflage- fläche aufgelegt wird und die sich gegenüber einer Anordnung aus Metallflächen in dem Sensor ergebenden Kapazitäten zur Bestimmung des Fingerabdruckes verwendet werden. Zu diesem

Zweck sind an jede der Metallflächen elektronische Verstärker und Schalter angeschlossen. Derartige Schaltungen sind empfindlich gegen Störeinflüsse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung sehr kleiner Kapazitäten anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen kapazitiv messenden Sensor, insbesondere einen Sensor für die Aufnahme von Fingerabdrücken, anzugeben, der auch bei geringen Änderungen der Kapazitäten genaue Meßergebnisse liefert.

Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit dem Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 3 bzw. mit dem Finderabdrucksensor mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Jeweilige Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zu messenden Kapazitäten dadurch bestimmt, daß zunächst eine elektrische Spannung an die betreffenden Kondensatoren oder als Kondensatoren fungierenden Bauelemente angelegt wird und so die Kon- densatoren aufgeladen werden. Die Kondensatoren werden entladen auf einen dafür vorgesehenen Kondensator wesentlich größerer Kapazität, im folgenden als Meßkondensator bezeichnet . Dieser Vorgang des Ladens und Entladens wird wegen der kleinen zu messenden Kapazitäten mehrfach wiederholt. Auf dem Meßkondensator wird daher die Ladung schubweise gesammelt und kann dann ausgewertet werden. Das geschieht alternativ, indem die Spannung an dem Meßkondensator nach einer vorgegebenen Anzahl von Aufladungen (Ladungsschüben) gemessen wird oder indem die Anzahl von Aufladungen gezählt wird, die erforder- lieh ist, um den Meßkondensator auf eine vorgegebene Spannung aufzuladen. Im ersten genannten Fall ist die nach einer vorgegebenen Anzahl von Aufladungen erreichte Spannung proportional zu der Größe der zu bestimmenden Kapazität. Im zweiten genannten Fall ist die Anzahl der Aufladungen umgekehrt pro- portional zu der Größe der zu bestimmenden Kapazität.

Bei Sensoren, bei denen der Abstand zweier als Kondensatorplatten fungierender Elektroden in Abhängigkeit von der Meßgröße variiert, ist die zu messende Kapazität umgekehrt pro- portional zum Abstand der Elektroden. Dort wird daher die Anzahl der Aufladungen des Meßkondensators (LadungsSchübe) direkt proportional zum zu messenden Abstand, was die Auswertung des Meßergebnisses vereinfacht. Das erfindungsgemäße Verfahren hat daher insbesondere bei derartigen Sensoren, die z. B. als mikromechanische Sensoren realisiert sein können, den besonderen Vorteil, daß es sofort einen gewünschten digitalen Ergebniswert liefert, der numerisch weiterverarbeitet werden kann. Die eingangs erwähnten Störeffekte der Messung werden unterdrückt oder können numerisch kompensiert werden.

Das Verfahren wirkt wegen des Aufsammeins der Ladung als Integrator. Dieser hat die Eigenschaft, hochfrequente Störungen zu unterdrücken. Die niederfrequenten Störungen können erfaßt werden und mit numerischen Verfahren, die an sich bekannt sind, herausgerechnet werden.

Das Verfahren ist besonders geeignet, bei kapazitiv messenden mikromechanischen Sensoren, wie z. B. bei Drucksensoren oder Beschleunigungssensoren, eingesetzt zu werden. Bei derartigen Drucksensoren wird die vom äußeren Druck abhängige Verformung einer elektrisch leitenden Membran (z. B. aus zumindest teil- weise elektrisch leitend dotiertem Polysilizium) über einem Hohlraum dadurch bestimmt, daß die geänderte Kapazität dieser Membran gegenüber einer auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraums vorhandenen Gegenelektrode (z. B. ein elektrisch leitend dotierter Bereich in Halbleitermaterial) bestimmt wird. Da hier kleine Kapazitäten und Kapazitätsänderungen in- volviert sind, bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine Möglichkeit, die Meßgenauigkeit derartiger Sensoren über die bisher erreichbare Genauigkeit hinaus zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, einen Fingerabdrucksensor mit besonders einfachem Aufbau zu realisieren, bei dem dennoch eine gute Funktionsfähigkeit erreicht wird. Bei diesem erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensor wird ebenfalls ein kapazitives Meßverfahren angewendet. Die Messung erfolgt ohne mechanische Verformung eines Sensorteiles mittels einer Anordnung (Array) von Metallflächen, die jeweils eine Platte eines Kondensators bilden. Diese Metallflächen sind mit einer dielektrischen Passivierungsschicht bedeckt, auf deren Oberseite ein Finger aufgelegt wird. Die Furchen und Stege der Hautoberfläche bilden zusammen mit den Metallflächen unterschiedliche Kapazitäten. Die Hautoberfläche kann als hinreichend stark elektrisch leitend angesehen werden und liegt praktisch auf Massepotential. Werden die Metallflächen auf ein bestimmtes Potential gelegt, laden sie sich unterschiedlich stark auf. Die Ladungen werden getrennt einem Kondensator größerer Kapazität als Meßkondensator zugeführt. Die Metallflächen werden mehrfach geladen, und die La- düngen werden jeweils auf dem Meßkondensator gesammelt. Auf diese Weise ist es möglich, so viele Ladungen zu addieren, daß eine genaue Messung der Kapazität zwischen Metallfläche und Haut über die Ladungsmenge oder die erreichte Spannung möglich ist.

Um einen Fingerabdruck erfassen zu können, wird der Ladungs- zustand der Metallflächen z. B. in der Weise festgestellt, wie ein Matrix-Speicher ausgelesen wird. Im Fall einer ma- trixförmigen Anordnung der Metallflächen werden die Metallflächen spaltenweise gleichzeitig auf dasselbe Potential aufgeladen. Das entspricht dem Vorladen eines Speicherarrays aus Transistoren über die Wortleitungen. Das Entladen der geladenen Metallflächen erfolgt zeilenweise auf je einen für jede Zeile vorhandenen Meßkondensator.

Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Ausführungsbeispiels eines damit konzipierten Sensors in Gestalt eines Fingerabdrucksensors anhand der Figuren 1 bis 6.

Figuren 1, 2 zeigen Schemata von Schaltungsteilen, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind. Figur 3 zeigt ein Transistorbauelement, das als Kondensator in der Schaltung verwendet werden kann .

Figur 4 zeigt die Sensoranordnung im Schema in Aufsicht .

Figur 5 zeigt ein Schema eines Ausschnittes aus der Sensoranordnung in Aufsicht. Figur 6 zeigt ein Schema eines Ausschnittes aus der

Sensoranordnung im Querschnitt .

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Schaltung, die die Komponenten, die in Figur 1 dargestellt sind, umfaßt, ausgeführt werden. Die in jeweils einem Aufladevorgang auf den zu messenden Kondensatoren gespeicherte Ladung wird auf den jeweils zugeordneten Meßkondensator 1 geleitet, indem über Schalter eine Ladespannung abgeschaltet wird und die Kondensatoren, deren Kapazitäten zu messen sind, jeweils mit einer Platte des Meßkondensators 1 leitend verbunden werden. Der sich bei geladenem Meßkondensator einstellende Spannungs- abfall an diesem Kondensator ist durch den eingezeichneten Pfeil bezeichnet. Ein Komparator 2 ist dafür vorgesehen, die an dem Meßkondensator 2 anliegende Spannung mit einer Referenzspannung U_ref zu vergleichen, so daß das Erreichen dieser Referenzspannung auf dem Meßkondensator festgestellt werden kann.

In Figur 2 ist eine alternative Schaltung dargestellt, bei der der Komparator dafür vorgesehen ist, festzustellen, nach wievielen Aufladungen eine bestimmte Referenzspannung an dem Kondensator anliegt. Das Ausgangssignal des Komparators 2 wird dem Eingang einer Zähleinrichtung 3 zugeführt, die über einen Taktimpuls T_ch gesteuert wird. Mit dieser Zähleinrichtung wird die Anzahl der Aufladungen gezählt, die erforderlich ist, bis der Kondensator 1 die Referenzspannung U_ref er- reicht hat. Die Anzahl der Aufladungen ist dann umgekehrt proportional zur Kapazität des zu messenden Kondensators.

Die erforderlichen Schalter werden vorzugsweise durch Transistoren gebildet . Über diese Schalter werden die Kondensato- ren, deren Kapazitäten in einem Anwendungszyklus des Verfahrens gleichzeitig bestimmt werden sollen, gleichzeitig auf ein bestimmtes Potential von z. B. 5 Volt aufgeladen. Die Schalter werden geöffnet, um die Spannungsquelle abzuschalten. Gleichzeitig werden andere Schalter geschlossen, über die die Kondensatoren mit den jeweils zugeordneten Meßkondensatoren verbunden werden. Die Meßkondensatoren können ggf. über eine geeignete Zusatzschaltung zu Beginn des Meßzyklus auf eine Vorspannung von z. B. typisch 1 Volt vorgeladen werden. Nachdem die Ladung auf die Meßkondensatoren abgeflos- sen ist, werden die vorhandenen Schalter erneut betätigt, so daß die zu messenden Kondensatoren wieder aufgeladen werden. Erneutes Umschalten läßt die Ladung auf die Meßkondensatoren abfließen, so daß die Ladungen auf diese Weise dort gesammelt werden .

Wenn die in der Schaltung verwendeten Schalter als Transisto- ren realisiert sind, ist es zweckmäßig, auch für die Meßkondensatoren Transistoren zu verwenden. Figur 3 zeigt ein solches als Kondensator verwendbares Bauelement im Querschnitt. Ein MOSFET mit einer Isolationsschicht 7_t einer Gate-Elektrode 8 über einem Kanalbereich 11 und mit in das Halbleitermaterial eindiffundierten Bereichen für Source und Drain 10 ist so mit einer Kontaktierung versehen, daß die Bereiche 10 für Source und Drain miteinander elektrisch leitend verbunden, d. h. kurzgeschlossen sind. Dieser Kontakt 9 ist in Figur 3 eingezeichnet . Im Betrieb des Bauelementes bildet sich in dem Kanalbereich 11 eine Inversionsschicht. Die Isolationsschicht 7 bildet ein Dielektrikum eines Kondensators, der einerseits durch die Gate-Elektrode 8 und andererseits durch den Kontakt 9 sowie die Inversionsschicht gebildet ist.

Bei einem unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens realisierten Fingerabdrucksensor ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine strukturierte Metallisierungsschicht vorhanden, die rasterförmig angeordnete Metallflächen aufweist. Diese Flächen sind z. B. in einem doppelgitterartigen Raster gemäß Figur 4 angeordnet, in der die einzelnen Metallflächen 4 schematisch in Aufsicht dargestellt sind. Ein lateraler Bereich 5 dient der Aufnahme der erforderlichen Schaltungselektronik. Auf der strukturierten Metallisierungsebene befindet sich eine dielektrische Passivierungsschicht , auf deren Ober- seite sich eine Auflagefläche für die Fingerspitze befindet. Die Dicke der Passivierungsschicht bestimmt die Größe der von den einzelnen Metallflächen 4 zusammen mit der Haut der Fingerspitze gebildeten Kapazitäten. Die Metallflächen können z. B. eine Metallisierungsebene auf einem Halbleiterchip sein, in dem die Ansteuerelektronik oder sonstige Bauelemente integriert sind. Das in Figur 1 zur Erläuterung des Meßverfahrens dargestellte Schaltungsschema wird bei dem Fingerabdrucksensor entsprechend eingesetzt. Ein Schema für die Verschaltung der Anordnung aus Metallflächen 4 ist in Figur 5 dargestellt. Ein zum Sammeln der Ladungen vorgesehener Meßkondensator 1 ist für jede Zeile von Metallflächen 4 vorhanden. Die Kapazitäten dieser Meßkondensatoren sind zwischen lOOmal und lOOOmal größer als diejenige Kapazität, die sich ergibt, wenn eine der Metallflächen mit einem in der Ebene der Auflagefläche angeordneten elektrischen Leiter (z. B. die elektrisch leitende Hautoberfläche) zu einem Kondensator ergänzt wird. In Figur 5 sind zu jeder in dem dargestellten Ausschnitt der Anordnung eingezeichneten Metallfläche die zugehörigen Schalter Si und S₂ eingezeichnet, die vorzugsweise durch Transistoren gebildet werden. Über Ladeleitungen L und die geschlossenen Schalter S werden nach Art von Wortleitungen in einem Matrixspeicher alle in einer Spalte (oder Zeile) der Anordnung vorhandenen Metallflächen auf eine vorgesehene elektrische Spannung aufgeladen, wobei die Schalter S₂ geöffnet bleiben. Entsprechend den unterschiedlichen vorhandenen Kapazitäten laden sich die Metallflächen unterschiedlich stark auf. Nachdem die Schalter S_x geöffnet worden sind und die Schalter S₂ geschlossen worden sind, fließen die Ladungen über Entladeleitungen R von den Metallflächen zeilenweise (bzw. spalten- weise) auf den einer jeweiligen Zeile (bzw. Spalte) zugeordneten Meßkondensator 1 ab und werden dort gesammelt.

Mittels eines nachgeschalteten Komparators 2, der die an dem Kondensator 1 anliegende Spannung mit einer Referenzspannung U_ref vergleicht, wird die Spannung an dem Meßkondensator gemessen. Wenn nur eine grobe Messung durchgeführt werden soll, kann es genügen, wenn mit dem Komparator festgestellt wird, wann eine bestimmte Spannung auf dem Meßkondensator 1 überschritten wird. Man erhält dann ein Diagramm des Fingerab- druckes, das punktweise schwarz oder weiß ist. Wenn verschiedene Grauabstufungen gewünscht werden, kann ein Anschluß des Meßkondensators 1 an verschiedene Eingänge von Komparatoren •

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4

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung von Kapazitäten, bei dem a) an einen Kondensator, dessen Kapazität bestimmt werden soll, eine vorgegebene elektrische Spannung angelegt wird und der Kondensator dadurch aufgeladen wird, b) der Kondensator von der ladenden elektrischen Spannung getrennt wird, c) der Kondensator mit einem Meßkondensator derart verbunden wird, daß eine auf dem Kondensator vorhandene Ladung auf diesen Meßkondensator abfließt, d) die Schritte a bis c wiederholt werden, bis eine vorgesehene Anzahl von Aufladungen des Meßkondensators erfolgt ist oder bis eine vorgesehene elektrische Spannung an dem Meßkondensator erreicht ist, und e) die Spannung an dem Meßkondensator oder die Anzahl der Aufladungen bestimmt wird und daraus die zu messende Kapazität ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kapazitäten einer Anzahl von Kondensatoren bestimmt wird, indem die Schritte a und b für mehrere Kondensatoren gemeinsam ausgeführt werden und die Schritte c bis e gleichzeitig für diese Kondensatoren unter Verwendung je eines gesonderten Meßkondensators ausgeführt werden.

3. Sensor mit kapazitiver Meßvorrichtung, bei dem

- diese Meßvorrichtung mindestens einen Kondensator variabler Kapazität umfaßt, - zu diesem Kondensator ein Meßkondensator vorhanden ist,

- Mittel vorhanden sind, mit denen an den Kondensator eine elektrische Spannung angelegt und diese Spannung von dem Kondensator getrennt werden kann,

- Mittel vorhanden sind, mit denen eine auf dem Kondensator vorhandene elektrische Ladung auf den Meßkondensator übertragen werden kann, und - Mittel vorhanden sind, mit denen eine Spannung bzw. ein Ladezustand des Meßkondensators oder eine Anzahl erfolgter Aufladungen des Meßkondensators erfaßt werden kann, und bei dem eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, die es ge- stattet,

- den Kondensator wiederholt aufzuladen,

- eine auf dem Kondensator vorhandene Ladung jeweils auf den Meßkondensator zu übertragen und

- aus der Spannung an dem Meßkondensator bzw. aus dessen La- dezustand oder aus der Anzahl der Aufladungen des Meßkondensators die Kapazität des Kondensators der Meßvorrichtung oder eine davon abhängende zu bestimmende Größe zu ermitteln.

4. Sensor nach Anspruch 3, bei dem die Meßkondensatoren durch Feldeffekttransistoren, deren für Source und Drain vorgesehene Bereiche (10) miteinander kurzgeschlossen sind, gebildet sind.

5. Fingerabdrucksensor

- mit einer zu einem Raster von Metallflächen (4) strukturierten Metallisierungsebene,

- mit einer Anzahl von Meßkondensatoren (1) ,

- mit Schaltern (S) , über die ein vorgesehenes elektrisches Potential jeweils an eine vorgesehene Anzahl von Metall - flächen angelegt werden kann und über die jede dieser Metallflächen mit einem Meßkondensator elektrisch leitend verbunden werden kann,

- mit einer Passivierungsschicht auf dieser Metallisie- rungsebene ,

- mit einer Auflagefläche (6) für eine Fingerspitze auf dieser Passivierungsschicht und

- mit einer Schaltung zur Bestimmung der Spannungen oder der Ladezustände der Meßkondensatoren.

6. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 5 , bei dem die Schaltung jeweils einen Komparator (2) umfaßt, der dafür vorgesehen ist, die Spannung an dem betreffenden Meßkondensator mit einer Referenzspannung zu vergleichen.

7. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 6 , bei dem eine Zähleinrichtung (3) vorhanden ist, die dafür vorgesehen ist, zu jedem Meßkondensator eine Anzahl erfolgter Ladevorgänge bis zum Erreichen der Referenzspannung zu be- stimmen.

8. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 5, bei dem die Schaltung jeweils mehrere Komparatoren umfaßt, die dafür vorgesehen sind, die Spannung an dem betreffenden Meßkondensator mit einer Skala von Referenzspannungen zu vergleichen.

9. Fingerabdrucksensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die Meßkondensatoren durch Feldeffekttransistoren, deren für Source und Drain vorgesehene Bereiche (10) miteinander kurzgeschlossen sind, gebildet sind.

10. Fingerabdrucksensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die Kapazitäten der Meßkondensatoren zwischen lOOmal und lOOOmal größer ist als diejenige Kapazität, die sich ergibt, wenn eine der Metallflächen mit einem in der Ebene der Auflagefläche angeordneten elektrischen Leiter zu einem Kondensator ergänzt wird.