JPH102704A - 特に指紋を採取するための容量型距離センサ - Google Patents

特に指紋を採取するための容量型距離センサ

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JPH102704A
JPH102704A JP9027646A JP2764697A JPH102704A JP H102704 A JPH102704 A JP H102704A JP 9027646 A JP9027646 A JP 9027646A JP 2764697 A JP2764697 A JP 2764697A JP H102704 A JPH102704 A JP H102704A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小距離を正確に検出する容量型距離センサ
を提供する。 【解決手段】 容量型距離センサはキャパシタ３３，３
４を有し、キャパシタは第１のアーマチャを有し、第１
のアーマチャはその距離が測定される第２のアーマチャ
に面している。指紋採取の場合、採取されるべき指の皮
膚の表面により第２のアーマチャが形成される。本容量
型距離センサは反転増幅器１３を含み、その入力および
出力の間にキャパシタ３３，３４が接続され負のフィー
ドバック分岐が形成される。反転増幅器１３の入力に電
荷の階段状変化を供給することにより、測定されている
距離に正比例する電圧の階段状変化を出力において得る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容量型距離センサ
に関し、特に微小距離（ミクロンないしミリメートル程
度）センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】微小距離センサは、特に、圧力センサ、
近接センサ、粗さセンサ、機械的応力センサ、加速度セ
ンサとして、例えば集積マイクロフォン技術において、
または指紋の採取のために使用される。
【０００３】特に指紋を採取する（ここでは、本発明の
好適な応用例として言及する）従来のセンサは種々のタ
イプがあり、例えば、光学タイプ、圧電タイプ、可変コ
ンダクタンスタイプ、熱タイプ、超音波タイプ、および
容量型タイプのものがある。そのうち、精度、サイズ、
製造、コストの面で最も信頼できるものは容量型センサ
である。
【０００４】容量型センサは、２つのアーマチャ（電機
子）間のキャパシタンスがそれらの間の距離に反比例す
るという原理に基づいており、接触する皮膚組織そのも
のを、センサのキャパシタの第２アーマチャとして用い
て、そのキャパシタンスを測定することにより、指紋の
隆線と溝の位置を決定することができる。これは Knapp
の米国特許 US-A-5,325,442 号において採用された原理
であり、その特許は、それぞれが感知電極からなる基本
セルのアレイと電子スイッチング装置とを含むセンサに
関するものである。電極はパッシベーション酸化物や高
分子化合物等の誘電体で被覆されており、その上に表皮
を接触させる。セルが選択されると所定の電位の変動が
電極に印加され、端子において適切な電荷の変動が誘発
され（その大きさは電極のキャパシタンスに依存す
る）、装置の出力に接続された増幅エレメントにより読
み取られる。前記特許は、効率改善のため、皮膚組織を
適切にバイアスするよう基準電位に接続された表面グリ
ッドを示唆している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記の従来の容量型セ
ンサにおいて、キャパシタのアーマチャ間のキャパシタ
ンスがそれらの間の距離に反比例に変化するので、得ら
れたデータの正規化の問題が存在する。特に、当該応用
例のように測定されるキャパシタンスが非常に小さい場
合、電荷の検出において、またはＳＮ比の低い場合に生
成される画像の異なるグレーレベルに対応する種々の中
間電荷レベルの識別において非常に困難である。
【０００６】そこで、本発明の目的は、従来の技術に係
る典型的な欠点を克服するよう設計されたセンサを提供
することにある。
【０００７】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記の通りである。
【０００９】すなわち、本発明の容量型距離センサは、
第２のアーマチャ（１８）に面して配置された第１のア
ーマチャ（２３）とされる容量性エレメント（３３，３
４）を含む容量型距離センサであって、前記第１および
第２のアーマチャは測定すべき距離（ｄ）を定義し、増
幅手段（１３）が入力（１６）および出力（１７）を定
義することを特徴とし、更に、前記容量性エレメント
（３３，３４）が、前記増幅手段の前記入力と前記出力
との間に接続され、負のフィードバック分岐を形成する
ことを特徴とするものである。
【００１０】実際、本発明によれば、検出キャパシタ
（キャパシタのアーマチャ間の距離が測定される）は負
のフィードバック（負帰還）ループに配置され、出力電
圧のアーマチャ間の距離への依存が、分母と分子の間で
反転する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な（しかし限
定を意図したものではない）実施形態を添付図面を参照
して例示として説明する。
【００１２】図１に示されたものはセンサ装置１であ
り、好ましくは１個の集積チップ上に集積されたもので
あり、アレイ３を形成するよう配列された多くのセル２
を含み、セルの各々は基本センサを構成する。
【００１３】センサ装置１はまた、所定の走査パターン
に従い１度に１個のセル２をイネーブルとするため、水
平走査段５と垂直走査段６とを含む。好ましくはセルの
読み取りのため、走査段５および６はセルの出力をシー
ケンシャルにイネーブルとし、また、シフトレジスタあ
るいはデコーダを有するものである。
【００１４】センサ装置１はまた、電源・論理段７を含
み、それが装置の構成要素（セル２を含む）に電源を供
給し、必要とされる基準電圧を供給し、準備されたステ
ップのシーケンスを制御する（後に詳細に説明する）。
特に、図１は、基準電圧の変動ΔＶR を生成する電圧源
１２を示す。また、すべてのセル２の出力にバッファ８
が接続され、走査段５，６によりイネーブルとされたセ
ル２の出力に存在する信号を本装置の出力１０に提供す
るようになっている。
【００１５】図２に示されるように、各々のセル２は、
ゲイン（利得）Ａの低電力反転増幅器１３と、面積が等
しい２つのアーマチャ２３，２４と、リセットスイッチ
１９と、入力キャパシタ２０とを有する。反転増幅器１
３は入力電圧Ｖi の入力１６と出力電圧Ｖo の出力１７
とを有し、その出力がセル２の出力となる。２つのアー
マチャは指紋が付けられる皮膚の表面１８に面して配置
されている。リセットスイッチ１９は反転増幅器１３の
入力１６と出力１７との間に接続される。入力キャパシ
タ２０はセル２の入力２１と反転増幅器１３の入力１６
との間に接続される。
【００１６】詳細に述べれば、アーマチャ２３および２
４はそれぞれ反転増幅器１３の出力１７と入力１６に接
続され、センサ装置１のセル２のアレイ３の部分の表面
を覆う誘電体層により覆われる。従って、使用に際し、
皮膚表面１８が、アーマチャ２３，２４に面する第２の
アーマチャを形成し、それらと一緒に、反転増幅器１３
の入力１６と出力１７との間に接続された１対の直列キ
ャパシタフィードバックを定義するので、皮膚の表面を
定電圧にバイアスする接触グリッドを必要としない。
【００１７】スイッチ１９は従来の任意の技術を用いて
形成された制御スイッチ（例えば、ＭＯＳスイッチ）で
あり、電源・論理段７から制御信号Ｒを受取る。セルの
入力２１も電源・論理段７に接続され、以下に説明する
ように、電圧信号ΔＶR を受取る。
【００１８】指紋を採取するため、皮膚の表面１８がセ
ンサ装置１のアレイ３の部分の表面上に置かれ、すべて
のセルの反転増幅器１３のフィードバックループを形成
する１対のキャパシタを形成する。測定の開始時点にお
いて、すべてのセルのスイッチ１９は閉じており、入力
２１における電圧レベルは一定であり、従って、すべて
のセル２の入力電圧Ｖi は出力と同じ電位Ｖo とされ、
反転増幅器１３の高利得点において電源とアースとの間
の電圧になる。
【００１９】その後、電源・論理段７がすべてのスイッ
チ１８をパラレルに開き、すべての入力２１に電圧の階
段状変化ΔＶR'を提供し、それにより、入力キャパシタ
２０の端子において電荷の変動ΔＱ＝Ｃi ＊ΔＶR （こ
こでＣi は入力キャパシタ２０のキャパシタンスであ
る）が誘導され、以下に説明するように、アーマチャ２
３，２４とそれらに面する皮膚の表面との間の局所的な
距離ｄの読み取りが可能となる。明らかに、局所的な距
離ｄは、測定されている点が、溝であるか、隆線である
か、あるいはそれら２つの間の点であるかに応じて変化
する。
【００２０】次に、走査段５，６は、セル２の読み取り
をシーケンシャルにイネーブルとし、バッファ８の出力
１０における電圧信号がシステムに供給され、距離が従
来の仕方でグレーレベルにより表され、皮膚表面の３次
元表示を実現する。
【００２１】次に、各セル２のアーマチャ２３，２４と
皮膚表面１８により形成されるアーマチャとの間の局所
的な距離ｄが検出される方法について、図３の等価電気
回路図を参照しながら説明する。
【００２２】図３には、反転増幅器１３の等価な入力キ
ャパシタ３０および出力キャパシタ３１と、アーマチャ
における電圧変動に対応する電荷の流れの方向（矢印に
より示される）と、アーマチャ２３，２４と皮膚の表面
１８とにより形成されるキャパシタ３３，３４とが示さ
れている。
【００２３】Ｃl は反転増幅器１３の等価な入力キャパ
シタンス（入力キャパシタ３０のキャパシタンス）であ
り、Ｃr は直列なキャパシタ３３および３４の全キャパ
シタンスであり、Ａは反転増幅器１３のゲインであり、
ΔＱは電圧の階段状変化ΔＶR により入力キャパシタ３
０に誘導される電荷の変動であり、ΔＱi は階段状変化
ΔＶR の結果として等価な入力キャパシタ３０に格納さ
れる電荷の変動であり、ΔＱr はキャパシタ３３，３４
の直列な接続により形成されるフィードバック分岐にお
ける電荷の変動であり、ΔＶi は反転増幅器１３の入力
１６における電圧の階段状変化であり、ΔＶo は出力１
７における対応する電圧変動（−ＡΔＶi に等しい）で
あり、Ｓはキャパシタ３３，３４の各アーマチャ２３，
２４の表面であり、εo は電気定数（当該応用例では、
皮膚と絶縁層２５との間の平均距離として見え、溝にお
いては通常６０μｍであり、通常２μｍである絶縁層２
５の厚さより大きい）であり、ｄはアーマチャ２３，２
４と皮膚表面１８との局所的な距離（セル２のサイズが
非常に小さいことを考慮すると両方のアーマチャ２３，
２４に対してほぼ同一であり、通常約４５μｍである）
であるとすれば、全フィードバックキャパシタンスＣr
は次の式で与えられる。
【００２４】Ｃr ＝Ｓεo ／２ｄ （式１） 更に、 ΔＱ＝ΔＱi ＋ΔＱr ＝Ｃl ΔＶi ＋Ｃr （ΔＶi −ΔＶo ） ＝−（ΔＶo ／Ａ）（Ｃl ＋Ｃr ）−ΔＶo Ｃr 従って、 ΔＶo ＝−ΔＱ／〔（Ｃl ／Ａ）＋（１＋（１／Ａ））Ｃr 〕 （式２） （式１）を（式２）に代入して、 ΔＶo ＝−ΔＱ／〔（Ｃl ／Ａ）＋（１＋（１／Ａ））（Ｓεo ／２ｄ）〕 ＝−２ΔＱｄ／〔（２Ｃl ｄ／Ａ）＋（１＋（１／Ａ））Ｓεo 〕 （式３） Ａ＞＞１であると仮定すると、（式３）は次のようにな
る。
【００２５】 ΔＶo ＝ｄ（２ΔＱ／Ｓεo ） （式４） その結果、容量性結合により実現される負帰還（負のフ
ィードバック）と皮膚組織を介する反転増幅器１３の入
力により、電荷の階段状変化の結果としての出力電圧の
変動は、アーマチャ２３，２４と皮膚表面との間の距離
に正比例し、その距離は皮膚の３次元構造に依存してい
る。
【００２６】増幅レベルが適切であれば（例えば、１０
００〜２０００）、１０ｆＦ程度のキャパシタンスの差
（すなわち、μｍの距離）を検出することが可能であ
る。従って、本発明の装置の出力信号は、グレーレベル
に変換すると、皮膚表面の３次元構造を高い信頼性で表
現することができる。
【００２７】以上、本発明者によってなされた発明を実
施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施
形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００２８】特に、弾性構造の形成を可能とする製造技
術（マイクロマシン技術）が利用できるのであれば、そ
の間の距離が測定される電極を反転増幅器１３の入力あ
るいは出力に直接に接続して、アーマチャ２３，２４の
１つを除くことができる。
【００２９】更に、すべての構成要素は技術的な等価物
と置き換えることができる。例えば、反転増幅器１３の
ようなインバータが現在のところ設計上、またはレイア
ウト上の理由で好ましいが、反転増幅器１３は、電荷増
幅器の構成において、任意の反転あるいは差動増幅器
（例えば、演算増幅器）により実現し、出力信号の速度
を高めることができる。
【００３０】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
下記の通りである。
【００３１】すなわち、出力信号の複雑な処理を全く必
要としないで、高度な精度を提供し、現在のマイクロエ
レクトロニクス技術を用いて容易に製造し、集積するこ
とができ、非常に信頼性が高く、コンパクトで、安く製
造することができる。
【００３２】また、微小距離の正確な検出が必要な他の
応用例に用いることができる。
【００３３】更に、各セルの設計が単純であるため、２
次元の物理量を検出するため多くのセルをアレイ構造に
収容することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】指紋を採取するセンサ装置を示す図である。
【図２】図１の装置のセルの詳細を示す図である。
【図３】図２のセルと電気的に等価な回路を示す図であ
る。
【符号の説明】
１ センサ装置 ２ セル ３ アレイ ５ 水平走査段 ６ 垂直走査段 ７ 電源・論理段 ８ バッファ １０ 出力 １２ 電圧源 １３ 反転増幅器 １６ 入力 １７ 出力 １８ 皮膚表面 １９ リセットスイッチ ２０ 入力キャパシタ ２１ 入力 ２３，２４ アーマチャ ２５ 絶縁層 ３０ 入力キャパシタ ３１ 出力キャパシタ ３３，３４ キャパシタ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第２のアーマチャ（１８）に面して配置
    された第１のアーマチャ（２３）として定義される容量
    性エレメント（３３，３４）を含み、前記第１および第
    ２のアーマチャは測定すべき距離（ｄ）を定義する容量
    型距離センサであって、 増幅手段（１３）が入力（１６）および出力（１７）を
    定義し、 前記容量性エレメント（３３，３４）が、前記増幅手段
    の前記入力と前記出力との間に接続され、負のフィード
    バック分岐を形成することを特徴とする容量型距離セン
    サ。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の容量型距離センサであっ
    て、前記増幅手段が反転増幅器（１３）を含むことを特
    徴とする容量型距離センサ。
  3. 【請求項３】 請求項１および２のいずれか１項に記載
    の容量型距離センサであって、 前記容量性エレメント（３３，３４）が前記第２のアー
    マチャ（１８）に面して配置された第３のアーマチャ
    （２４）を含み、 前記第１のアーマチャ（２３）は前記増幅手段（１３）
    の前記出力（１７）に接続されており、 前記第３のアーマチャ（２４）は前記増幅手段（１３）
    の前記入力（１６）に接続されていることを特徴とする
    容量型距離センサ。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項に記載
    の容量型距離センサであって、前記第１のアーマチャ
    （２３）に接触する絶縁物の層（２５）を有することを
    特徴とする容量型距離センサ。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１項に記載
    の容量型距離センサであって、電荷の変動を生成するよ
    う前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）に接続され
    た論理手段（７，２０）と、前記増幅手段の前記出力
    （１７）において電圧の階段状変化を検出する出力検出
    手段とを有することを特徴とする容量型距離センサ。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の容量型距離センサであっ
    て、前記論理手段が、電圧の階段状変化を生成する基準
    電圧源（１２）と、該電圧源と前記増幅手段（１３）の
    前記入力（１６）との間に挿入された容量性エレメント
    （２０）とを有することを特徴とする容量型距離セン
    サ。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれか１項に記載
    の容量型距離センサであって、前記増幅手段（１３）の
    前記入力（１６）と前記出力（１７）との間に接続され
    たスイッチングエレメント（１９）を有することを特徴
    とする容量型距離センサ。
  8. 【請求項８】 入力イネーブル手段（５，６）と出力線
    とに接続された距離検出セル（２）のアレイ（３）を有
    するセンサ装置であって、 前記セル（２）の各々が、請求項１ないし４のいずれか
    １項あるいは複数の項に記載された容量型距離センサを
    有することを特徴とするセンサ装置。
  9. 【請求項９】 請求項８記載のセンサ装置であって、 前記増幅手段（１３）の前記入力（１６）に接続され
    て、該入力に電荷の変動を提供する論理手段（７，２
    ０）と、 前記増幅手段の前記出力（１７）において、電圧の階段
    状変化を検出する出力検出手段（８）とを有することを
    特徴とするセンサ装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のセンサ装置であって、 前記論理手段が、基準電圧源手段（１２）と複数の容量
    性エレメント（２０）とを有し、 前記距離検出セル（２）の各々が、前記電圧源手段（１
    ２）に接続され、かつ、前記容量性エレメント（２０）
    を介してそれぞれの前記増幅手段（１３）の前記入力
    （１６）に接続された、それぞれの入力（２１）を備え
    ていることを特徴とするセンサ装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０記載のセンサ装置であっ
    て、 前記イネーブル手段が水平走査手段（５）と垂直走査手
    段（６）とを有し、 前記出力線が出力バッファエレメント（８）に接続され
    ていることを特徴とするセンサ装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載のセンサ装置であっ
    て、 前記電圧源手段（１２）が前記距離検出セル（２）にパ
    ラレルに供給される基準電圧の階段状変化を生成する手
    段を有し、 前記水平および垂直走査手段（５，６）が前記距離検出
    セル（２）をシーケンシャルにイネーブルとするための
    手段を有することを特徴とするセンサ装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１ないし７のいずれか１項に記
    載の容量型距離センサ（３３，３４）の第１のアーマチ
    ャ（２３）と第２のアーマチャ（１３）との間の距離を
    検出する方法であって、 前記第１のアーマチャ（２３）を増幅手段（１３）の第
    １の端子（１７）に接続し、前記第２のアーマチャ（１
    ８）を前記増幅手段の第２の端子（１６）に接続するこ
    とにより、前記増幅手段の容量性の負のフィードバック
    分岐を形成するステップと、 前記増幅手段の入力（１６）に電荷の変動を印加するス
    テップと、 前記増幅手段の出力（１７）における電圧の階段状変化
    を検出するステップとを含み、 前記電圧の階段状変化は前記第１および第２のアーマチ
    ャの間の距離に正比例するものであることを特徴とする
    距離を検出する方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１３記載の距離を検出する方法
    であって、電荷の変動を印加する前記ステップが、 第１の基準電圧を容量性エレメント（２０）に印加する
    ステップと、 前記第１の基準電圧とは異なる別の第２の基準電圧を、
    急激な変動として、印加するステップとを含むことを特
    徴とする距離を検出する方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１４記載の距離を検出する方法
    であって、電荷の変動を印加する前記ステップに先行し
    て、初期化ステップを含み、 該初期化ステップが、前記増幅手段（１３）の前記入力
    （１６）および前記出力（１７）の間に接続されたリセ
    ットスイッチ（１９）を閉じるステップと、前記リセッ
    トスイッチを開くステップとを含むことを特徴とする距
    離を検出する方法。
  16. 【請求項１６】 容量型センサ装置（１）を有する指紋
    検出装置であって、前記容量型センサ装置が請求項８な
    いし１２のいずれか１項あるいはそれ以上の項に記載さ
    れたように形成されていることを特徴とする指紋検出装
    置。
JP02764697A 1996-02-14 1997-02-12 特に指紋を採取するための容量型距離センサ Expired - Lifetime JP3921562B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT96830068.1 1996-02-14
EP96830068A EP0790479B1 (en) 1996-02-14 1996-02-14 Capacitive distance sensor, particularly for acquiring fingerprints

Publications (2)

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