专利名称：电容传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主要用作指纹传感器的电容传感器。
背景技术：
以往，作为在生物认证技术中最有前途的指纹传感器，开发了在2枚薄膜的表面以规定的间隔分别形成列配线和行配线，并经由绝缘膜等相隔规定的间隔对向配置该薄膜的压敏式电容传感器。在该压敏式电容传感器上，在放上手指的时候，薄膜形状与指纹的形状相对应地变形，列配线和行配线的间隔因区域而变化，作为列配线和行配线的交点的电容来检测出指纹的形状。在该压敏式电容传感器中，作为能够应用到检测不足几百fF(femto farad，10-15法拉)的电容的以往技术，举例有利用切换电容器电路来将电容变换成电信号的检测电路。其中，通过将用第1传感器驱动信号驱动的、检测检测对象的电容的传感器电容元件和用第2传感器驱动信号驱动的、成为检测电路标准电容的参照电容元件，连接在公用的切换电容器电路上，在相互工作的第1及第2取样保持部对各自的输出信号进行取样后，求出取样结果的差，而得到检测信号。
该检测电路，在公用的切换电容器电路中，成为检测对象的电容Cs与反馈电容Cf成反比，能够稳定地检测，而且，积蓄在切换电容器电路的复位开关(反馈控制开关)的栅电极和其它电极间的寄生电容的电荷Qd向其他电极漏出的影响(馈通)相抵。此外，对于在切换电容器电路的标准电压的偏离成分或输入信号等中所含的低频噪音，通过求出两个取样结果的差，也能够期待某种程度的去除效果(例如，专利文献1)。
专利文献1特开平8-145717号公报(段落0018-0052、图1～图4)(对应美国专利5,633,594号)但是，对于上述的压敏式电容传感器的检测电路，在小电容的传感器电容Cs的测定时，切换电容器电路的输出电压，由于与反馈电容Cf成反比，故要得到大的输出电压，需要减小Cf。因此，能够在接近开路的状态下使用运算放大器，在输出中明显出现配线收到的噪音或人体的噪音、电源系的噪音，此外，即使完全屏蔽，也由于具有使负输入端子带有某电压所需的电流，因此放大器的输出电压不稳定。此外，由于在复位开关打开时泄漏电流而损失Cf的电荷，但如果Cf减小，则相对地不能无视该电荷消失。此外，复位开关的泄露造成的影响很明显，有可能运算放大器的电源电压以上的输出出现饱和，难于检测。
如上所述，存在难于捕捉电容的问题。
发明内容
本发明是针对上述问题而提出的，目的是提供一种电容传感器，其不易受噪音的影响，并且没有开关用晶体管的漏电流或馈通的问题，能够确实捕捉微小电容。
本发明的压敏式电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，且上述列配线和上述行配线的交叉点的电容与从外部施加的压力相对应地变化；上述检测部，检测上述列配线和上述行配线的交叉点的电容的变化，并根据检测结果检测出从外部施加的压力分布，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，和分别设在上述传感器部的各行配线上并从在行配线得到的信号中提取上述特定频率信号的多个滤波器。
如果采用本构成，由于利用滤波器只提取特定的频率，形成检测该振幅的构成，因此能够降低各种噪音。此外，由于形成不采用复位开关的构成，所以也没有漏电流造成的反馈电容器的电荷的消失或积蓄在栅电极的电荷漏出的馈通的影响，确实能够捕捉微小的电容。
本发明有压敏式电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，且上述列配线和上述行配线的交叉点的电容与从外部施加的压力相对应地变化；上述检测部，检测上述列配线和上述行配线的交叉点的电容的变化，并根据检测结果检测出从外部施加的压力分布，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，对在上述传感器部的各行配线得到的信号依次进行选择、输出的选择器，和从上述选择器的输出信号中提取上述特定频率的信号的滤波器。
如果采用本构成，由于形成不在行配线上分别连接多个滤波器、而是从各行配线有选择地连接一个滤波器的构成，所以，基本上没有滤波器间的偏差的问题，并且，也能够减小其以后的电路模组的规模。
本发明的电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，从外部靠近对向配置，并且上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容与在表面具有凹凸形状的被测定物的该表面凹凸形状相对应地变化；上述检测部，检测出上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容的变化，并根据检测结果检测出被测定物的上述表面凹凸形状，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，和分别设在上述传感器部的各行配线上并从在行配线得到的信号中提取上述特定频率信号的多个滤波器。
如果采用本构成，由于通过使由在外部的表面上具有凹凸形状的电介质形成的被测定物，不接触地靠近传感器，而形成利用静电感应使上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容变化的构成，由此，很难对传感器施加应力，能够延长传感器的寿命。
本发明的电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，从外部靠近对向配置，并且上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容与在表面具有凹凸形状的被测定物的该表面凹凸形状相对应地变化；上述检测部，检测出上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容的变化，并根据检测结果检测出被测定物的上述表面凹凸形状，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，对在上述传感器部的各行配线得到的信号依次进行选择、输出的选择器，和从上述选择器的输出信号中提取上述特定频率的信号的滤波器。
如果采用本构成，由于通过使由在外部表面上具有凹凸形状的电介质形成的被测定物，不接触地靠近传感器，形成利用静电感应使上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容变化的构成，由此，很难对传感器施加应力，能够延长传感器的寿命。
本发明的电容传感器，其特征在于上述滤波器，由插入设置在输入端及接地之间的第1电容器、放大器、插入设置在上述输入端及上述放大器的输出端之间的第1电阻、插入设置在上述输入端及上述放大器的负向输入端间的第2电阻、插入设置在上述放大器的负向输入端及输出端之间的第2电容器构成。
如果采用本构成，由于对放大器的负向输入端子直流地施加反馈的偏置电压，因此能够实现稳定工作。
本发明的特征在于在上述滤波器的输入端插入设置有串联的电容器。
如果采用本构成，能够降低在从传感器到滤波器的之间接收的低频噪音。
图1是表示本发明的第1实施方式的构成的方块图。
图2是该实施方式的滤波器的电路图。
图3是表示该实施方式的工作的时间图。
图4是表示非选择电容Cy对滤波器的影响的曲线图。
图5是表示本发明的第2实施方式的构成的方块图。
图6是表示该实施方式的整体构成的方块图。
图7是说明该实施方式的工作的时间图。
图8是表示图5所示电路的等效电路的图。
图9是改写图8所示等效电路的图。
图10是表示在图1或图5中的滤波器之前插入电容器C3的构成例的图。
图11是表示本发明的第3实施方式的传感器部构成的方块图。
图12是该传感器部的剖视图。
图13是说明该传感器部的工作的图。
图中1-电容传感器，2-传感器部，3-检测信号发生部，4、4i-1、4i、4i+1-滤波器，11-选择器，12-处理电路，13-放大器，14-振幅检测器，15-A/D转换器，16-控制逻辑部，21-列配线，22-第2电极，24-行配线，25-第1电极，26-玻璃基板，28-第1绝缘膜，29-第2绝缘膜，A-滤波器4、4i-1、4i、4i+1的输入端子，B-检测信号发生部3的驱动端子，E-电力线，OP-运算放大器，SEL-选择器11的选择信号。
具体实施例方式
以下，参照附图，说明本发明的第1实施方式。
图1是表示本实施方式的电容传感器1的构成的方块图。该图所示的电容传感器1，由接触被检测物(例如，手指头)的传感器部2、向传感器部2输出检测信号的检测信号发生部3、接收传感器部2的输出信号的滤波器4i-1、4i、4i+1、…和处理4i-1、4i、4i+1、…的输出的处理电路(图示略)构成。
关于传感器部2，相隔微小间隔地配置具有挠性的第1、第2薄板体，在第1薄板体上按等间隔形成多个列配线，在第2薄板体上按等间隔且沿与列配线正交的方向形成多个行配线，如果将手指按在该传感器部2上，列配线和行配线的各交点的间隔(即，交点的电容)与手指指纹的凹凸相对应地进行变化。
检测信号发生部3，依次对传感器部2的各列配线Sj-1、Sj、Sj+1、…输出脉冲信号(参照图3)。此时，输出给各列配线Sj-1、Sj、Sj+1、…的脉冲信号是相同的信号。此外，在向一个列配线输出脉冲信号的时候，向其他列配线输出接地电平。
滤波器4i-1、4i、4i+1、…是相同构成的滤波器，是从在传感器部2的各行配线得到的信号提取特定频率的信号，即提取从检测信号发生部输出的、从列配线传给行配线的信号的电路。图2是表示滤波器4i的具体构成例的电路图，在该图中，A是连接在行配线上的输入端子。该输入端子A，经由电阻R2连接在运算放大器OP的负向输入端子上，同时，经由电容器C1接地，运算放大器OP的正向输入端子被接地，运算放大器OP的输出端子，经由电容器C2连接在负向输入端子上，同时，经由电阻R1连接在输入端子A上。
下面，参照图3所示的波形图说明上述电容传感器1的工作。
检测信号发生部3，首先，向列配线Sj-1输出脉冲信号，向其他列配线Sj、Sj+1输出接地电平。输出给列配线Sj-1的脉冲信号，经由列配线和行配线的交点的电容，传递给各行配线。即，如图3所示，如果交点的电容大，传递给行配线的信号强，如果交点的电容小，传递给行配线的信号也弱。通过滤波器4i-1、4i、4i+1、…提取传给该行配线的信号，再输出给处理电路。处理电路将通过滤波器4i-1、4i、4i+1、…提取的信号的波峰值变换成数字数据，记忆在存储器中。通过以上过程，将与列配线Sj-1和各行配线的交点的电容对应的数据收录在存储器中。
然后，检测信号发生部3，向列配线Sj输出脉冲信号，滤波器4i-1、4i、4i+1、…向处理电路输出各行配线的信号。由此，与列配线Sj和各行配线的交点的电容对应的数据被收录在处理电路的存储器内。以下，重复上述的处理，将各列配线和各行配线的全部的交点电容收录在存储器内。另外，如果显示该存储器内的数据，则能够目视传感器部2的表面的凹凸状态。因此，如果在用户将手指放在传感器部2的状态下进行上述的数据收录，则可以收录、显示用户手指的指纹的数据。
可是，从图2所示的输入端子A看到的滤波器是低通滤波器的构成，但如果从检测信号发生部3的驱动端子观察，如以下所示，能够近似于带通滤波器。滤波器的传递函数A(jω)为[式1]，另外可知存在[式2]。
A(jω)=-CsC2·11+R2R1·1Q(jωω0)(jωω0)2+1Q·(jωω0)+1-(ωω0)·(CsC1)······(1).]]>[式2]ω0=1C1·C2·R1·R2·····(2)]]>1Q=(1R1+1R2)·C1·C2·R1·R2C1·····(3)]]>L=-CsC2·11+R2R1·····(4)]]> s=jωω0·····(5)]]>并且，在假定存在[式3]时，则将[式2]及[式3]代入[式1]中，则如以下得出[式4]。
A(jω)=-L·1Q·ss2+1Q·s+1-(ωω0)·(CsC1)·····(6)]]>这里，由于该电路在滤波器的中心频率附近使用，因此得出[式5] 并且，由于Cs为150fF、C1为几百pF，因此得出[式6]CsC1=10-3······(8)]]>因此，存在[式7](ωω0)CsC1<<<1······(9)]]>从而，滤波器的传递函数A(jω)可近似地为[式8]A(jω)=-L·1Q·ss2+1Q·s+1······(10)]]>
这是带通滤波器的传递函数。由于近似，振幅的特性A(jω)可看作与BPF的传递特性相同的特性。
此时，如图2所示，能够在电容器C1(例如150pF)上并联地追加电容Cy(与成为接地电平的列配线相连接的电容)的变化的总和(例如100fF×255个＝25.5pF)，但如上所述，由于能够缓和因C1变化而带来的遮断频率的变化，因此不会影响对滤波器的特性。图4示出实测结果。从该结果可以看出，与电容Cy的大小(是否接受外部压力)无关，保持着线性的状态，输出电压的整个曲线平移。此外，由于列方向的扫描时间(大约0.1秒)短于认为人在传感器上移动手指的时间(大约0.5秒)，所以，在1个扫描中Cy不变化，不影响测定值。
如上所述，如果采用上述实施方式，由于利用滤波器从输出信号中只提取特定的频率，检测其振幅，所以能够降低各种噪音，并且随着复位开关的使用馈通等的影响也没有地进行电容测定。
下面，说明本发明的第2实施方式。
图5、图6是表示本发明的第2实施方式的电容传感器构成的方块图，在与图1的各部对应的部分使用相同的符号。在图5中，传感器部2、检测信号发生部3是与图1的同符号的构成相同的构成。此外，滤波器4是与图1的滤波器4i-1、4i、4i+1、…相同构成的滤波器。符号11是选择器，基于选择信号SEL选择各行配线，与滤波器4的输入端子连接。
图6表示在上述构成中增加处理电路12的构成。在处理电路12中，放大器13对滤波器4的输出进行放大输出，振幅检测部14依次输出相当于依次从放大器13输出的各波形的振幅值的模拟信号。A/D转换器15将从振幅检测部14依次输出的模拟信号变换成数字数据，输出给控制逻辑部16。控制逻辑部16将从A/D转换器15输出的数字数据记忆在内部的存储器中，将记忆的数据输出给显示部(图示略)等。该控制逻辑部16输出控制各部的控制信号。
下面，参照图7所示的波形图说明上述实施方式的工作。
在开始电容测定时，控制逻辑部16，首先向选择器11输出对传感器部2的行配线I-1进行选择的选择信号SEL。选择器11接收该选择信号，将行配线I-1连接在滤波器4的输入端子上。然后，控制逻辑部16向检测信号发生部3输出启动信号。检测信号发生部3接收该启动信号，首先，向列配线Sj-1输出脉冲信号，一定时间后，向列配线Sj输出脉冲信号，以下，同样地，每经过一定时间，依次向列配线Sj+1…输出脉冲信号。另外，与第1实施方式同样，向不输出脉冲信号的列配线输出接地电平。
通过以上处理，从滤波器4，首先，输出从检测信号发生部3输出的、通过列配线Sj-1和行配线I-1的交点的电容的脉冲信号，然后，输出通过列配线Sj和行配线I-1的交点的电容的脉冲信号，以下，同样依次输出通过行配线I-1的交点的电容的脉冲信号(参照图7)。此外，从滤波器4输出的脉冲信号由放大器13放大，利用振幅检测部14检测振幅，通过A/D转换器将振幅值变换成数字数据，输入给控制逻辑部16。控制逻辑部16将依次输出的数据记忆在存储器中。由此，将与行配线I-1的各交点的电容对应的数据记忆在存储器中。
然后，控制逻辑部16，在将行配线I-1的全部交点的数据收录在存储器中的时刻，向选择器11输出选择行配线I的选择信号SEL。选择器11接收该选择信号，将行配线I连接在滤波器4的输入端子上。另外，检测信号发生部3，在将脉冲信号输出给所有列配线后，再返回到列配线Sj-1，以后，依次向列配线Sj-1、Sj、Sj+1、…输出脉冲信号。由此，依次从滤波器4输出通过行配线I的各交点的脉冲信号，将显示该振幅值的数字数据记忆在控制逻辑部16的存储器内。以下，重复同样的处理，由此，将与传感器部2的全部交点的电容对应的数据收录在控制逻辑部16的存储器中。
图8是表示图5所示电路的等效电路的图。如该图所示，选择器11(多路转换器)具有每1通道大约有Cpm的输出寄生电容，在h段的选择器中，达到h倍。图9示出了在将总电容设定在Cpm_total时的等效电路。在滤波器11的电容器C1中可包含该电容。
如上所述，如果采用上述实施方式，由于形成从各行配线有选择地连接一个滤波器的构成，所以，无滤波器间的偏差问题，能够减小电路模组的规模。
另外，在上述第1、第2实施方式中，在滤波器4或滤波器4i-1、4i、4i+1、…的输入侧，如图所示，也可以插入电容器C3。由此，能够大幅度降低在从传感器部2到滤波器的之间接收到的低频噪音。此时，例如，作为电容器值，以切断50～60Hz的噪音为重点，设定为10～100pF。作为定性的看法，C3，由于值大，所以如果从交流电上看，接近短路，作为定量的看法，可考虑Cs和C3的合成电容Csym。
Csym=Cs·C3Cs+C3=Cs1+CsC3·····(11)]]>这里，由于Cs为150fF，C3为100pF，所以得出[式10]CsC3=10-3······(12)]]>由此，CsymCs，Cs几乎不受C3的影响。
下面，说明第3实施方式。图11表示俯视电极的样子。第2电极22从列配线呈梳形延伸，而第1电极25从行配线24呈梳形延伸。图12示出剖视图。第2电极22和第1电极25不形成在相同的面上，在玻璃基板26的上方形成第1电极25，用第1绝缘膜28保护，在第1绝缘膜28的上方形成第2电极22，用第2绝缘膜29保护。这些线或电极，例如，如果采用ITO(透明电极)制作，采用氮化硅(SiNx)来制作第1绝缘膜28及第2绝缘膜29，能够将检测装置制成透光型。
图13是说明第2电极22和第1电极25之间的静电电容变化的结构的图。在指纹凹部，形成如图(a)所示的电力线的分布，在指纹凸部，如图(b)所示，通过电介质即人的手指接近，从第2电极22出来的电力线E的一部分，不朝向第1电极25而被人手指感应、拉近，减小由第2电极22和第1电极25形成的电容值。如此，如果采用第3实施方式，即使手指不按在传感器部2，只要触到，就能够通过产生电极间电容的变化，用上述方法检测该变化，就能够检测指纹。
如上所述，如果采用上述实施方式，由于只要使由在表面具有凹凸形状的电介质形成的被测定物触到传感器，就能利用静电感应，改变电容，因此能够不对传感器施加应力。
此外，此时，如果第2电极22和第1电极25重叠，即使人手指引起静电感应，在第2电极12和第1电极14重叠的区域，由于电力线E被封入在两个电极的之间，静电电容不变化，因此需要不使两者重叠。
综上所述，如果采用本发明，与使用以往的切换电容器电路相比，能够不易受噪音的影响，并且也无开关用晶体管的漏电流或馈通的影响，由此确实能够检测微小电容。
权利要求
1.一种压敏式电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，且上述列配线和上述行配线的交叉点的电容与从外部施加的压力相对应地变化；上述检测部，检测上述列配线和上述行配线的交叉点的电容的变化，并根据检测结果检测出从外部施加的压力分布，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，和分别设在上述传感器部的各行配线上并从在行配线得到的信号中提取上述特定频率信号的多个滤波器。
2.一种压敏式电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，且上述列配线和上述行配线的交叉点的电容与从外部施加的压力相对应地变化；上述检测部，检测上述列配线和上述行配线的交叉点的电容的变化，并根据检测结果检测出从外部施加的压力分布，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，对在上述传感器部的各行配线得到的信号依次进行选择、输出的选择器，和从上述选择器的输出信号中提取上述特定频率的信号的滤波器。
3.一种电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，从外部靠近对向配置，并且上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容与在表面具有凹凸形状的被测定物的该表面凹凸形状相对应地变化；上述检测部，检测出上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容的变化，并根据检测结果检测出被测定物的上述表面凹凸形状，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，和分别设在上述传感器部的各行配线上并从在行配线得到的信号中提取上述特定频率信号的多个滤波器。
4.一种电容传感器，具有传感器部和检测部，上述传感器部，形成由多个列配线、多个行配线构成的矩阵状，从外部靠近对向配置，并且上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容与在表面具有凹凸形状的被测定物的该表面凹凸形状相对应地变化；上述检测部，检测出上述列配线和上述行配线的交叉点附近的电容的变化，并根据检测结果检测出被测定物的上述表面凹凸形状，其特征在于上述检测部，具有依次向上述传感器部的各列配线输出特定频率的脉冲信号的信号输出部，对在上述传感器部的各行配线得到的信号依次进行选择、输出的选择器，和从上述选择器的输出信号中提取上述特定频率的信号的滤波器。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的电容传感器，其特征在于上述滤波器，由插入在输入端及接地之间的第1电容器、放大器、插入设置在上述输入端及上述放大器的输出端之间的第1电阻、插入设置在上述输入端及上述放大器的负向输入端之间的第2电阻、插入设置在上述放大器的负向输入端及输出端之间的第2电容器构成。
6.如权利要求1～4中任意一项所述的电容传感器，其特征在于在上述滤波器的输入端串联地插入设置电容器。
全文摘要
一种电容传感器，该传感器部(2)，其多个列配线和行配线形成矩阵状，各配线的交叉点的电容根据从外部施加的压力而变化。检测信号发生部(3)依次向传感器部(2)的列配线输出特定频率的脉冲信号。滤波器(4i－1、4i、4i+1、…)分别设在传感器部(2)的各行配线上，提取特定频率的信号的与各电容成比例的振幅。因此，这种压敏式电容传感器，不易受噪音的影响，并且无开关用晶体管的漏电流或馈通的问题，确实能够捕捉微小电容。
文档编号A61B5/117GK1576799SQ20041006282
公开日2005年2月9日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年7月11日
发明者斋藤润一, 梅田裕一 申请人:阿尔卑斯电气株式会社