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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung einer
Oberflächengestaltung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, und insbesondere eine Vorrichtung zur Erkennung
einer Oberflächengestaltung
zur Erkennung des kleinen Oberflächengestaltungsmusters
eines menschlichen Fingers oder einer Tiernase.
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In
der heutigen sozialen Umwelt, in der sich die informationsorientierte
Gesellschaft entwickelt, zieht Sicherheitstechnologie wachsendes
Interesse auf sich. Beispielsweise ist in der informationsorientierten
Gesellschaft eine persönliche
Authentifizierungstechnologie zum Bilden eines elektronischen Geldsystems
ein wichtiger Schlüssel.
Tatsächlich sind
Authentifizierungstechnologien zum Implementieren vorbeugender Maßnahmen
gegen Einbruch und unerlaubte Verwendung von Karten Gegenstand aktiver
Forschung und Entwicklung (beispielsweise Yoshimasa Shimizu, „A Study
on the Structure of a Smart Card with the Function to verify the
Holder", Technical
Report of IEICE, OFS92 – 32,
S. 25–30 (1992)).
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Solche
Authentifizierungstechniken umfassen verschiedene Anordnungen unter
Verwendung eines Fingerabdrucks oder eines Stimmabdrucks. Insbesondere
sind viele Fingerabdruckauthentifizierungstechniken entwickelt worden.
Fingerabdruckauthentifizierungsanordnungen werden grob in optische Leseanordnungen
und Anordnungen zum Wandeln des dreidimensionalen Musters der Hautoberfläche einer
Fingerspitze in ein elektrisches Signal unter Verwendung menschlicher
elektrischer Eigenschaften und Ausgeben des elektrischen Signals
eingeteilt.
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In
einer optischen Leseanordnung wird ein Fingerabdruck hauptsächlich unter
Verwendung von Lichtreflexion und eines CCD-Bildsensors als optische
Bilddaten empfangen und zusammengestellt (Japanische Patentauslegeschrift
Nr. 61-221883).
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Es
ist auch eine weitere Anordnung entwickelt worden, in der eine piezoelektrische
dünne Schicht
verwendet wird, um die Druckdifferenz auf der Hautoberfläche eines
Fingers zu lesen (japanische Patentauslegeschrift Nr. 5-61965).
Als Anordnung zum Wandeln einer Änderung
der elektrischen Eigenschaften auf Grund des Kontakts der Haut in eine
elektrische Signalverteilung, um die Gestaltung eines Fingerabdrucks
zu erfassen, ist eine Authentifizierungsanordnung zum Erfassen eines
Widerstands- oder Kapazitätsänderungsbetrags
unter Verwendung einer druckempfindlichen Folie vorgeschlagen worden
(Japanische Patentauslegeschrift Nr. 7-168930).
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Trotz
dieser Techniken ist es jedoch bei der Anordnung unter Verwendung
von Licht schwierig, eine Größenreduktion
und Vielseitigkeit zu erreichen, wobei ihr Anwendungszweck begrenzt
ist. Die Anordnung, das dreidimensionale Muster an einer Fingerspitze
zu erfassen, kann schwer in die Praxis umgesetzt werden und ist
wegen spezieller Materialien wenig zuverlässig und schwer zu verarbeiten.
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Es
ist auch ein kapazitiver Fingerabdrucksensor vorgeschlagen worden,
der eine LSI-Herstellungstechnologie
verwendet (Marco Tartagni und Roberto Guerrieri, A 390dpi Live Fingerprint
Imager Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme, 1997 IEEE International
Solid-State Circuits Conference, Seiten 200–201 (1997)). In diesem Verfahren erfassen
kleine Sensoren, die zweidimensional auf einem LSI-Chip angeordnet
sind, das dreidimensionale Muster einer Haut unter Verwendung einer
elektrostatischen Feedback-Kapazitätsanordnung. Für diesen
kapazitiven Sensor ist auf der obersten Schicht der LSI-Zwischenverbindungen
eine Platte gebildet, und eine Archivierungsschicht ist darauf ausgebildet.
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Wenn
eine Fingerspitze mit diesem Sensor in Kontakt kommt, fungiert die
Hautoberfläche
als eine zweite Platte, die durch eine Isolierschicht, die durch
Luft gebildet wird, in einem Abstand angeordnet ist. Das Erfassen
erfolgt auf Grundlage der Abstandsdifferenz zwischen der Hautoberfläche und
der Platte, wodurch der Fingerabdruck erfasst wird. Bei dieser Technik
wird eine Referenzplatte neben der Platte auf der obersten Schicht
angeordnet, und die Differenz von dieser Referenzplatte wird zum
tatsächlichen
Erfassen verwendet. Als charakteristisches Merkmal dieser Struktur
ist keine besondere Schnittstelle erforderlich und die Größe kann
reduziert werden, anders als bei der herkömmlichen optischen Anordnung.
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Im
Prinzip weist der Fingerabdrucksensor eine Sensorelektrode auf,
die auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist, und eine Passivierungsschicht, die
auf der Sensorelektrode gebildet ist, in der die Kapazität zwischen
der Haut und dem Sensor durch die Passivierungsschicht erfasst wird,
um eine kleine dreidimensionale Struktur zu erfassen.
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Der
herkömmliche
kapazitive Fingerabdrucksensor wird kurz mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben. Der kapazitive Sensor weist eine Struktur auf, die
in 10 gezeigt ist. Eine Zwischenverbindung 403 ist über eine
untere Isolierschicht 402 auf einem Halbleitersubstrat 401 gebildet,
auf dem LSIs gebildet sind, und ein Zwischenschicht-Isolator 404 ist
darauf gebildet.
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Auf
dem Zwischenschicht-Isolator 404 sind Sensorelektroden 406 gebildet,
die jeweils zum Beispiel eine rechteckige flache Form aufweisen.
Die Sensorelektrode 406 wird mit der Zwischenverbindung 403 über einen
Steckverbinder 405 in dem Durchgangsloch verbunden, das
in dem Zwischenschicht-Isolator 404 gebildet ist. Eine
Passivierungsschicht 407 ist auf dem Zwischenschicht-Isolator 404 gebildet,
um die Sensorelektroden 406 zu bedecken, wodurch ein Sensorelement
gebildet wird. Wie in 11 gezeigt, ist eine Mehrzahl
Sensorelemente zweidimensional angeordnet, während verhindert wird, dass
die Sensorelektroden 406 der benachbarten Sensorelemente
miteinander in Kontakt kommen.
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Als
Nächstes
wird der Betrieb des kapazitiven Sensors beschrieben. Um einen Fingerabdruck zu
erfassen, kommt ein Finger, dessen Fingerabdruck erfasst werden
soll, zunächst
mit der Passivierungsschicht 407 in Kontakt. Wenn der Finger
in Kontakt kommt, fungiert die Haut, die mit der Archivierungsschicht 407 auf
der Sensorelektrode 406 in Kontakt ist, als Elektrode,
wodurch zwischen der Haut und der Sensorelektrode 406 eine
Kapazität
gebildet wird. Diese Kapazität
wird durch die Zwischenverbindung 403 erfasst. Der Fingerabdruck
an der Fingerspitze wird durch das dreidimensionale Muster der Haut
gebildet. Wenn die Fingerspitze mit der Passivierungsschicht 407 in Kontakt
gebracht wird, ändert
sich somit der Abstand zwischen der Sensorelektrode 406 und
der Haut, die als Elektrode dient, zwischen den Erhebungen und den
Tälern
der Hautoberfläche.
Dieser Abstandsunterschied wird als Kapazitätsunterschied erfasst. Somit
kann das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche erhalten werden, indem
die Kapazitätsverteilung
erfasst wird, die sich zwischen den Sensorelektroden ändert. Das kleine
dreidimensionale Muster der Haut kann somit durch diesen kapazitiven
Sensor erfasst werden.
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Ein
solcher kapazitive Fingerabdrucksensor erfordert keine spezielle
Schnittstelle und ermöglicht eine
Größenreduktion,
anders als der herkömmliche optische
Sensor.
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Der
kapazitive Sensor kann vollständig
auf dem Chip mit integriertem Schaltkreis (LSI) montiert werden,
der die nachfolgenden Abschnitte integriert. Insbesondere kann der
zuvor beschriebene kapazitive Sensor auf dem Chip mit integriertem
Schaltkreis montiert werden, der eine Kapazitätsdetektionsschaltung zum Erfassen
der Kapazität
der Sensorelektrode 406, eine Verarbeitungsschaltung zum
Empfangen und Verarbeiten der Ausgabe von der Kapazitätsdetektionsschaltung,
eine Speicherschaltung, die Fingerabdruckdaten zum Zusammenstellen
und eine Vergleichs-/Zusammenstellschaltung zum Vergleichen und
Zusammenstellen der Fingerabdruckdaten in der Speicherschaltung
mit einem Fingerabdruck, der von der Kapazitätsdetektionsschaltung erfasst und
von der Verarbeitungsschaltung verarbeitet wurde, umfasst. Wenn
diese Einheiten auf dem Chip mit integriertem Schaltkreis ausgebildet
sind, können
Informationen bei der Datenübertragung
zwischen diesen Einheiten schwer verändert werden, und die Sicherheitsleistung
kann verbessert werden.
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Ein
Kapazitätserfassungssensor,
der solch eine LSI-Technologie verwendet, wird zum Beispiel in „ISSCC
DIGEST OF TECHNICAL PAPERS",
Februar 1998, S. 284–285
beschrieben.
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12 zeigt
eine herkömmliche
Kapazitätsdetektionsschaltung
zum Nachweisen einer elektrostatischen Kapazität, die zwischen der Fingerhaut und
einer Elektrode gebildet ist, um das dreidimensionale Muster der
Hautoberfläche
nachzuweisen. Mit Bezug auf
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12 gibt
ein Detektionselement 50 als Spannungssignal einen Wert
Cf der elektrostatischen Kapazität
aus, die zwischen der Sensorelektrode 406 und der Oberfläche 400 eines
Fingers, der damit in Kontakt steht, gebildet wird. Eine Kapazitätsdetektionsschaltung 500 umfasst
eine Signalerzeugungsschaltung 510 und eine Ausgabeschaltung 520.
Die Sensorelektrode 406 des Detektionselements 50 wird
mit der Eingangsseite einer Stromquelle 511 eines Stroms
I durch einen NMOS-Transistor Q2 verbunden. Ein Knoten N1 zwischen
der Sensorelektrode 406 und dem Transistor Q2 wird mit
der Eingangsseite der Ausgabeschaltung 520 verbunden. Eine Stromversorgungsspannung
VDD wird an den Knoten N1 durch einen PMOS-Transistor Q1 angelegt. Der
Knoten N1 weist eine parasitäre
Kapazität
Cp0 auf. Die Signale PRE und
RE werden den Gate-Anschlüssen
der Transistoren Q1, beziehungsweise Q2 zugeführt.
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Die
Stromquelle 511 und der Transistor Q2 bilden die Signalerzeugungsschaltung 510,
und ein NMOS-Transistor Q3 und ein Vorwiderstand Ra bilden die Ausgabeschaltung 520.
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Der
Betrieb der Kapazitätsdetektionsschaltung 500,
die in 12 gezeigt ist, wird beschrieben.
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Zuerst
wird das Signal PRE des
hohen Pegels (VDD) an den Gate-Anschluss des Transistors Q1 angelegt,
während
das Signal RE des niedrigen Pegels (GND) dem Gate-Anschluss des Transistors Q2
zugeführt
wird. Die Transistoren Q1 und Q2 sind somit nicht EIN-geschaltet.
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In
diesem Zustand, wenn das Signal PRE vom
hohen Pegel zum niedrigen Pegel wechselt, ist der Transistor Q1
eingeschaltet. Da der Transistor Q2 AUS-geschaltet bleibt, wird
das Potential an dem Knoten N1 auf VDD vorgeladen.
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Nach
Beenden des Vorladens wechselt das Signal PRE auf den hohen Pegel und gleichzeitig wechselt
das Signal RE auf den hohen Pegel. Der Transistor Q1 ist ausgeschaltet
und der Transistor Q2 ist eingeschaltet. Ladungen, die an dem Knoten
N1 ge speichert sind, werden durch die Stromquelle 511 entfernt.
Folglich fällt
das Potential an dem Knoten N1 ab.
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Angenommen, Δt ist der
Zeitraum, während dessen
das Signal RE auf einem hohen Pegel gehalten wird. Ein Potentialabfall ΔV an dem
Knoten N1 nach Ablauf des Zeitraums Δt ist gegeben durch ΔV = IΔt/(Cf + Cp0) (1),wobei Cf
der elektrostatische Kapazitätswert
ist.
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Da
der Strom I der Stromquelle 511, der Zeitraum Δt und die
parasitäre
Kapazität
Cp0 vorbestimmte Werte haben, ist der Spannungsabfall ΔV durch den
elektrostatischen Kapazitätswert
Cf bestimmt. Der Kapazitätswert
Cf wird durch den Abstand zwischen der Sensorelektrode 406 und
der Fingeroberfläche 400 bestimmt,
und ändert
sich daher abhängig
von dem dreidimensionalen Muster auf der Hautoberfläche. Dieser
Spannungsabfall ΔV
wird der Ausgabeschaltung 520 als Eingangssignal zugeführt. Die
Ausgabeschaltung 520 empfängt den Spannungsabfall ΔV und gibt
ein Signal aus, das das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche wieder
gibt.
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Der
zuvor beschriebene kapazitive Sensor verwendet jedoch die Fingerhaut
als Elektrode. Wenn ein Finger mit statischer Elektrizität in Kontakt mit
dem Sensor kommt, wird der LSI, der im kapazitiven Sensor fertig
integriert ist, auf Grund dieser statischen Elektrizität elektrostatisch
zerstört,
was zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit führt.
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Genauer
gesagt weist ein MOS-Transistor eines LSI normalerweise Eigenschaften
auf, die darstellen, dass ein Signal in Reaktion auf ein Signal, das
in den Gate-Anschluss eingegeben wurde, hochempfindlich ausgegeben
wird. In der herkömmlichen Kapazitätsdetektionsschaltung 500 ist
der Gate-Anschluss des MOS-Transistors Q3 der Ausgabeschaltung 520 aus
diesem Grund direkt mit dem Knoten N1 verbunden, der mit der Sensorelektrode 406 verbunden
ist, wodurch er die kleine Signaländerung ΔV an dem Knoten hochempfindlich
nachweist und sie ausgibt.
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Die
Gate-Oxidschicht des MOS-Transistors ist jedoch bis zu 10 nm dünn und weist
eine Durchschlagspannung von ungefähr 100 V auf. Wird eine Spannung
in den Gate-Anschluss
eingegeben, die höher
als diese Durchschlagspannung ist, wird die Gate-Oxidschicht zerstört, um den MOS-Transistor betriebsunfähig zu machen.
Durch Erkennen einer Oberflächengestaltung,
wie das dreidimensionale Muster eines Fingers, durch die herkömmliche
Kapazitätsdetektionsschaltung,
die in 12 gezeigt ist, erreicht aus
diesem Grund, wenn das Zielerkennungsobjekt, wie ein Finger, eine
statische Elektrizität
aufweist, die statische Elektrizität, die größer als 1000 V ist, den Gate-Anschluss des MOS-Transistors
Q3 in der Ausgabeschaltung 520 durch die Sensorelektrode 406.
Folglich wird der Transistor Q3 zerstört, um die Zuverlässigkeit
zu verschlechtern.
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US-Patentschrift
5 325 442 offenbart eine Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Darstellung
der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zuverlässigkeit
einer Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung zum Erkennen einer
kleinen Oberflächengestaltung,
wie ein dreidimensionales Muster der Hautoberfläche eines Fingers, unter Verwendung
eines kapazitiven Sensors zu verbessern.
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Um
die zuvor genannte Aufgabe zu erfüllen, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die den Sensor-Chip einer Vorrichtung
zur Erkennung einer Oberflächengestaltung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Draufsicht des Sensor-Chips;
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Kapazitätsdetektionsschaltung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist
ein Schaltungsdiagramm, das die Anordnung des Hauptteils der Kapazitätsdetektionsschaltung
zeigt, die in 3 gezeigt ist;
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5 ist
ein Schaltungsdiagramm, das die äquivalente
Schaltung der Kapazitätsdetektionsschaltung
zeigt, die in 4 gezeigt ist;
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6 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Kapazitätsdetektionsschaltung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 ist
ein Schaltungsdiagramm, das die Anordnung des Hauptteils der Kapazitätsdetektionsschaltung
zeigt, die in 6 gezeigt ist;
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8 ist
ein Schaltungsdiagramm, das die äquivalente
Schaltung der Kapazitätsdetektionsschaltung
zeigt, die in 7 gezeigt ist;
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9 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Kapazitätsdetektionsschaltung gemäß noch einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist
eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Sensor-Chips;
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11 ist
eine Draufsicht des herkömmlichen
Sensor-Chips; und
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12 ist
ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Kapazitätsdetektionsschaltung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt
den Hauptteil einer Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 1 umfasst
der Sensor-Chip der Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung
eine Mehrzahl Sensorelektroden 105 von 80 μm2 und eine matrixförmige Erdelektrode 106 auf
einem Zwischenschicht-Isolator 104, der auf einer unteren
Isolierschicht 102 auf einem Halbleitersubstrat 101 ausgebildet
ist, das zum Beispiel aus Silizium gebildet ist.
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Die
Mehrzahl Sensorelektroden 105 und die Erdelektrode 106 sind
auf der gleichen Ebene ausgebildet, die durch die Oberfläche des
Zwischenschicht-Isolators 104 bestimmt ist. Die Erdelektrode 106 muss
nicht bündig
mit den Sensorelektroden 105 sein.
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Wie
in 2 gezeigt, sind die Sensorelektroden 105 in
der Zellenmitte der Matrix angeordnet, die von der Erdelektrode 106 gebildet
wird, wobei die Erdelektrode 106 von den Sensorelektroden 105 isoliert
ist. Die Erdelektrode 106 ist zum Beispiel aus Au gebildet,
und weist eine Höhe
auf, d.h. eine Schichtdicke von ungefähr 3 μm vom unteren Teil, der mit dem
Zwischenschicht-Isolator 104 in Kontakt ist, bis zum Oberteil,
das zur Oberfläche
einer Passivierungsschicht 107 freigelegt ist. Die Passivierungsschicht 107 weist
somit auch eine Schichtdicke von ungefähr 3 μm auf. Die obere Oberfläche der
Erdelektrode 106 bildet eine Fläche zusammen mit der Oberfläche der
Passivierungsschicht 107. In dieser Ausführungsform
bildet diese Fläche
eine Ebene.
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Die
Erdelektrode 106 ist durch eine Zwischenverbindung 106a,
die auf dem Zwischenschicht-Isolator 104 ausgebildet ist,
mit einer Anschlussfläche
(Referenzelektrode) 106b verbunden, die mit einer Erdleitung
verbunden ist. In einem Detektionsbereich 105a, wo die
Sensorelektroden 105 ausgebildet sind, ist die Erdelektrode 106 nur
an dem Zwischenschicht-Isolator 104 vorhanden. In dieser Ausführungsform
ist die Erdelektrode 106 in Kontakt mit der oberen Oberfläche des
Zwischenschicht-Isolators 104 gebildet. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die Erdelektrode 106 kann
von der Oberfläche
der Passivierungsschicht 107 überlagert sein, und der untere
Teil der Erdelektrode 106 kann von der oberen Oberfläche des
Zwischenschicht-Isolators 104 getrennt sein. Anstatt die Anschlussfläche 106b mit
der Erdleitung zu verbinden, kann ein vorbestimmtes festes Potenzial
an die Anschlussfläche 106b angelegt
werden.
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Die
Mehrzahl Sensorelektroden 105 ist in einem Intervall von
150 μm ausgebildet,
während
sie mit der Passivierungsschicht 107 bedeckt ist, die auf dem
Zwischenschicht-Isolator 104 ausgebildet
ist. Die Sensorelektroden 105 sind zum Beispiel aus Au gebildet
und weisen eine Schichtdicke von ungefähr 1 μm auf. Da die Schichtdicke der
Passivierungsschicht 107 ungefähr 3 μm ist, ist die Dicke der Passivierungsschicht 107 an
jeder Sensorelektrode 105 ungefähr 2 μm (= 3 – 1). Die Passivierungsschicht 107 ist
aus einem Isoliermaterial wie Polyimid gebildet, das eine Dielektrizitätszahl von
ungefähr
4,0 hat.
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Eine
Zwischenverbindung 103 ist auf der unteren Isolierschicht 102 ausgebildet
und mit der Sensorelektrode 105 über ein Durchgangsloch verbunden.
Eine Kapazitätsdetektionsschaltung 200 zum Nachweisen
einer Kapazität,
die zwischen der Elektrode 105 und einem Finger, der in
Kontakt mit dem Sensor ist, gebildet wird, ist auf dem Halbleitersubstrat 101 ausgebildet.
Die Kapazitätsdetektionsschaltung 200 ist
mit der Sensorelektrode 105 durch die zuvor beschriebene
Zwischenverbindung 103 verbunden. Eine Kapazitätsdetektionsschaltung 200 ist für jede Sensorelektrode 105 bereitgestellt,
um die Kapazität
nachzuweisen, die zwischen der Sensorelektrode 105 und
einem Abschnitt eines Zielerkennungsobjekts gebildet ist.
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Eine
Ausgabe AUS von jeder Kapazitätsdetektionsschaltung 200 wird
von einer Verarbeitungsschaltung 300 verarbeitet. Die Verarbeitung
durch die Verarbeitungsschaltung 300 erzeugt Bilddaten
entsprechend einem Halbtonbild, das von der elektrostatischen Kapazität konvertiert
wird (d.h. das dreidimensionale Muster (später beschrieben) der Hautoberfläche, die
die Oberflächenform
des Fingers darstellt) zwischen jeder Sensorelektrode 105 und
der Hautoberfläche
des Fingers als ein Zielerkennungsobjekt.
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Die
Kapazitätsdetektionsschaltungen 200 und
die Verarbeitungsschaltung 300 sind auf dem Halbleitersubstrat 101 unter
den Sensorelektroden 105 als integrierter Schaltkreis ausgebildet.
Die Kapazitätsdetektionsschaltungen 200 und
die Verarbeitungsschaltung 300 müssen nicht immer monolithisch
auf dem Halbleitersubstrat 101 ausgebildet sein. Die Sensorelektroden 105,
Kapazitätsdetektionsschaltungen 200 und
die Verarbeitungsschaltung 300 sind jedoch vorzugsweise
so nah wie möglich ausgebildet.
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In
der ersten Ausführungsform
ist die Erdelektrode 106 so ausgebildet, dass sie teilweise
zur Oberfläche
der Passivierungsschicht 107 freigelegt ist, die mit einem
Finger in Kontakt kommt, der zur Erkennung zu erkennen ist. Mit
dieser Anordnung fließt die
statische Elektrizität,
die erzeugt wird, wenn der Finger mit der Oberfläche der Passivierungsschicht 107 in
Kontakt kommt, zur Erdelektrode 106, sodass das Anlegen
statischer Elektrizität
an die Kapazitätsdetektionsschaltungen 200,
die unter dem Zwischenschicht-Isolator 104 ausgebildet
sind, unterdrückt werden
kann. Da die Kapazitätsdetektionsschaltung 200 wegen
der Erdelektrode 106 kaum von der statischen Elektrizität beeinträchtigt wird,
wird die Zuverlässigkeit
der Kapazitätsdetektionsschaltung
verbessert.
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(Zweite Ausführungsform)
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3 zeigt
die Kapazitätsdetektionsschaltung
einer Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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Die
Kapazitätsdetektionsschaltung 200A zum
Nachweisen einer elektrostatischen Kapazität zwischen einer Sensorelektrode 105 und
einem Zielerkennungsobjekt 100 wie einem menschlichen Finger,
der in Kontakt ist, umfasst eine Signalerzeugungsschaltung 210 zum
Erzeugen eines Signals gemäß der Elektrizitätsmenge
entsprechend einem nachgewiesenen elektrostatischen Kapazitätswert Cf und
eine Ausgabeschaltung 220 zum Nachweisen des Signals an
dem Verbindungspunkt zwischen der Sensorelektrode 105 und
der Signalerzeugungsschaltung 210 und das Ausgeben des
Signals.
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Mit
Bezug auf 3 ist die Sensorelektrode 105,
die ein Detektionselement 1 aufbaut, mit dem Drain-Anschluss
eines NMOS-Transistors Q2 in der Signalerzeugungsschaltung 210 verbunden.
Der Source-Anschluss des Transistors Q2 ist mit der Eingangsseite
einer Stromquelle 211 verbunden, die einen Stromwert I
aufweist. Ein Knoten N1 zwischen der Sensorelektrode 105 und
dem Transistor Q2 ist mit dem Source-Anschluss eines PMOS-Transistors Q4
verbunden. Der Drain-Anschluss des Transistors Q4 ist mit dem Drain-Anschluss
eines PMOS-Transistors Q1 verbunden, der einen Source-Anschluss aufweist,
an dem eine Stromversorgungsspannung VDD angelegt wird, und mit
der Eingangsseite der Ausgabeschaltung 220. Ein NMOS-Transistor
Q3 und ein Vorwiderstand Ra bilden die Ausgabeschaltung 220.
Die Bezugszeichen Cp0 und Cp1 bezeichnen parasitäre Kapazitäten. Die Elemente, umfassend
die Transistoren, sind auf einem Halbleitersubstrat 101 unter
einer unteren Isolierschicht 102 ausgebildet, gezeigt in 1.
Die Elemente, umfassend die Transistoren, sind durch eine Zwischenverbindungsschicht
auf der unteren Isolierschicht 102 verbunden, um die Kapazitätsdetektionsschaltung
zu bilden.
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Der
Betrieb der Kapazitätsdetektionsschaltung 200A,
die die oben genannte Anordnung aufweist, wird beschrieben.
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Im
Standby-Zustand wird ein Signal PRE hohen
Pegels (VDD) dem Gate-Anschluss des Transistors Q1 zugeführt, der
in 3 gezeigt ist, während ein Signal RE niedrigen
Pegels (GND) dem Gate-Anschluss des Transistors Q2 zugeführt wird.
Zu dieser Zeit sind beide Transistoren Q1 und Q2 AUS-geschaltet.
Ein Potential VGP wird an den Gate-Anschluss des Transistors Q4
angelegt, um den Transistor Q4 einzuschalten.
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Wenn
das Signal PRE vom
hohen Pegel auf den niedrigen Pegel wechselt, wird der Transistor
Q1 eingeschaltet. Da der Transistor Q2 ausgeschaltet bleibt und
daher die Signalerzeugungsschaltung 210 in einem nicht
betriebsbereiten Zustand ist, wird ein Knoten N2 auf VDD vorgeladen.
Der Knoten N1 wird auch durch den Transistor Q4 auf VDD vorgeladen. Nach
dem Vorladen wird das Signal PRE vom
niedrigen Pegel auf den hohen Pegel geändert, um den Transistor Q1
auszuschalten.
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Gleichzeitig
wird das Signal RE vom niedrigen Pegel auf den hohen Pegel geändert, um
den Transistor Q2 einzuschalten. Die Signalerzeugungsschaltung 210 arbeitet
und Ladungen, die an den Knoten N1 und N2 gespeichert sind, werden
von der Stromquelle 211 in der Signalerzeugungsschaltung 210 entfernt,
so dass das Potential an den Knoten N1 und N2 sinkt.
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Angenommen Δt ist der
Zeitraum, während dessen
das Signal RE auf einem hohen Pegel gehalten wird. Ein Spannungsabfall ΔV an den
Knoten N1 und N2 nach Ablauf des Zeitraums Δt ist gegeben durch ΔV = I·Δt/(Cf + Cp0 + Cp1) (2),wobei Cf
der elektrostatische Kapazitätswert
ist, CP0 und CP1 die parasitären
Kapazitätswerte
sind und I der Stromwert der Stromquelle 211 ist.
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Die
elektrostatische Kapazität
Cf wird durch den Abstand zwischen der Fingerhaut 100 und
der Sensorelektrode 105 bestimmt und ändert sich daher abhängig von
dem dreidimensionalen Muster der Hautoberfläche. Da der Stromwert I und
die Werte Cp0 und Cp1 vorbestimmte Werte aufweisen, ändert sich
der Spannungsabfall ΔV,
der durch die Gleichung (2) dargestellt ist, abhängig von dem dreidimensionalen
Muster der Hautoberfläche.
Der Spannungsabfall ΔV
wird der Ausgabeschaltung 220 als Eingangssignal zugeführt. Die
Ausgabeschaltung 220 empfängt den Spannungsabfall ΔV und gibt
ein Signal aus, das das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche wiedergibt.
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In
der Kapazitätsdetektionsschaltung,
die in 3 gezeigt ist, ist der Source-Anschluss des Transistors
Q4 mit der Sensorelektrode 105 des Detektionselements 1 als
Eingangsanschluss verbunden. 4 zeigt
vereinfacht die Schnittstruktur des Teils des Transistors Q4 in
der Kapazitätsdetektionsschaltung,
die in 3 gezeigt ist.
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Mit
Bezug auf 4 ist eine Stromversorgung,
die die Spannung VGP aufweist, mit dem Gate des Transistors Q4 verbunden.
Die Knoten N1 und N2 sind mit dem Sourcebeziehungsweise Drain-Anschluss
des Transistors Q4 verbunden. Der Source- und der Drain-Anschluss
des Transistors Q4 besitzen eine p+-Leitfähigkeit als Halbleiter, während das
Substrat (oder Well) eine n-Leitfähigkeit aufweist. Das heißt, eine
parasitäre
p-n-Diode ist mit
dem Knoten N1 verbunden. Da das N-Substrat (oder Well) an die Stromversorgungsspannung
VDD angeschlossen ist, ist die parasitäre p-n-Diode mit dem Knoten
N1 als Diode D1 verbunden, wie in 5 gezeigt.
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Selbst
wenn an den Knoten N1 eine hohe Spannung angelegt wird, wird die
Diode D1 aus diesem Grund eingeschaltet und fungiert als Schutzschaltung.
Der p-n-Übergang
besitzt eine ausreichend hohe Durchschlagspannung in Bezug auf die Gate-Oxidschicht.
Selbst wenn eine hohe negative Spannung an den Knoten N1 angelegt
wird, wird der Transistor Q4 aus diesem Grund nicht zerstört.
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Wie
zuvor beschrieben, ist der PMOS-Transistor Q4 anstatt mit dem Gate-Anschluss
eines MOS-Transistors mit der Sensorelektrode 105 des Detektionselements 1 verbunden,
wodurch die parasitäre
p-n-Diode zwischen dem Substrat und dem Source-Anschluss gebildet wird. Die Diode erhöht die Durchschlagspannung
an dem Knoten N1 und fungiert als Schutzschaltung gegen Hochspannungsanlegen.
Somit wird der Transistor Q3 nicht zerstört, selbst wenn ein Finger
mit statischer Elektrizität
in Kontakt kommt, somit wird die Zuverlässigkeit einer Verarbeitungsschaltung 300,
umfassend die Kapazitätsdetektionsschaltung 200A,
verbessert, anders als bei der herkömmlichen Kapazitätsdetektionsschaltung,
die in 12 gezeigt ist, in der die statische Hochspannungselektrizität den Gate-Anschluss
des MOS-Transistors Q3 in der Ausgabeschaltung 220 durch
die Sensorelektrode 105 erreicht, sodass der Transistor
Q3 zerstört
wird.
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In
der zweiten Ausführungsform
ist der Source-Anschluss des PMOS-Transistors Q4 mit der Sensorelektrode 105 des
Detektionselements 1 verbunden. Im Allgemeinen weist die
Source eines MOS-Transistors die gleichen Charakteristiken auf, wie
die des Drains. Somit wird, selbst wenn der Drain-Anschluss des
PMOS-Transistors Q4 mit der Sensorelektrode 105 verbunden
ist, eine parasitäre p-n-Diode
zwischen dem Substrat und dem Drain-Anschluss gebildet. Die Diode
erhöht
auch die Durchschlagspannung an dem Knoten N1 und fungiert als Schutzschaltung
gegen Hochspannungsanlegen.
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Die
Anordnungen der Signalerzeugungsschaltung 210 und der Ausgabeschaltung 220 in
der Kapazitätsdetektionsschaltung 200A,
die in 3 bis 5 gezeigt sind, sind bloß Implementierungsbeispiele
und nicht auf die in 3 bis 5 gezeigten begrenzt.
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(Dritte Ausführungsform)
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6 zeigt
eine Kapazitätsdetektionsschaltung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der zweiten Ausführungsform, die in 3 gezeigt
ist, ist der PMOS-Transistor Q4 zwischen der Sensorelektrode 105 und
der Ausgabeschaltung 220 eingefügt. In der dritten Ausführungsform
ist jedoch ein NMOS-Transistor Q5 zwischen einem Detektionselement 1 und
einer Ausgabeschaltung 220 eingefügt.
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Der
Betrieb einer Kapazitätsdetektionsschaltung 200B,
die in 6 gezeigt ist, wird als Nächstes beschrieben.
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Wenn
sich ein Signal PRE vom
hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, wird ein Transistor Q1
eingeschaltet. Da der Transistor Q2 AUS-geschaltet bleibt, wird
ein Knoten N2 auf VDD vorgeladen. Folglich wird ein Knoten N1 auf
VGN – Vth
durch den Transistor Q5 vorgeladen, um den Transistor Q5 auszuschalten.
Das Bezugszeichen VGN bezeichnet das Potential an dem Gate-Anschluss
des Transistors Q5; und Vth die Schwellenspannung Vth des Transistors
Q5.
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Nach
dem Vorladen wird das Signal PRE vom
niedrigen Pegel auf den hohen Pegel geändert, um den Transistor Q1
auszuschalten. Gleichzeitig wird ein Signal RE vom niedrigen Pegel
auf den hohen Pegel geändert,
um den Transistor Q2 einzuschalten. Eine Signalerzeugungsschaltung 210 arbeitet,
und Ladungen, die an dem Knoten N1 gespeichert sind, werden von
einer Stromquelle 211 in der Signalerzeugungsschaltung 210 entfernt,
sodass das Potential an dem Knoten N1 leicht sinkt. Zu dieser Zeit
wird der Transistor Q5 eingeschaltet. Ladungen, die an dem Knoten
N2 gespeichert sind, werden auch von der Stromquelle 211 entfernt,
sodass das Potential an dem Knoten N2 ebenfalls niedrig wird.
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Ein
parasitärer
Kapazitätswert
Cp1 umfasst hauptsächlich
die parasitären
Kapazitäten
an den Drain-Anschlüssen
der Transistoren Q1 und Q5 und am Gate-Anschluss eines Transistors
Q3 und kann durch die gegenwärtige
Anordnung ausreichend kleiner gemacht werden, als eine parasitäre Kapazität Cp0. Aus
diesem Grund ist die Potentialänderung
an dem Knoten N2 größer als
die an dem Knoten N1. Wie zuvor beschrieben, fungiert der Transistor
Q5 als eine Verstärkerschaltung
zum Verstärken
des Spannungssignals, das von der Signalerzeugungsschaltung 210 erzeugt
wird.
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Angenommen Δt ist der
Zeitraum, während dessen
das Signal RE auf einem hohen Pegel gehalten wird. Ein Spannungsabfall ΔV an dem
Knoten N1 nach Ablauf des Zeitraums Δt ist gegeben durch ΔV = VDD – (VGN – Vth) + I·Δt/(Cf + Cp0 + Cp1) (3),wobei I
der Stromwert der Stromquelle 211 ist.
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Ein
elektrostatischer Kapazitätswert
Cf wird durch den Abstand zwischen einer Fingerhaut 100 und
der Sensorelektrode 105 gebildet und ändert sich daher abhängig von
dem dreidimensionalen Muster der Hautoberfläche. Da alle Werte außer dem elektrostatischen
Kapazitätswert
Cf vorbestimmt sind, ändert
sich der Spannungsabfall ΔV,
der durch Gleichung (3) dargestellt ist, abhängig von dem dreidimensionalen
Muster der Hautoberfläche.
Der Spannungsabfall ΔV
wird einer Ausgabeschaltung 220 als Ein gangssignal zugeführt. Die
Ausgabeschaltung 220 empfängt den Spannungsabfall ΔV und gibt
ein Signal aus, das das dreidimensionale Muster der Hautoberfläche wiedergibt.
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In
der Kapazitätsdetektionsschaltung 200B, die
in 6 gezeigt ist, ist der Source-Anschluss des Transistors Q5 mit der
Sensorelektrode 105 als Eingang zur Verstärkerschaltung
verbunden. 7 zeigt vereinfacht die Schnittstruktur
des Teils des Transistors Q5 in der Kapazitätsdetektionsschaltung 200B, die
in 6 gezeigt ist.
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Mit
Bezug auf 7 ist eine Stromversorgung mit
einer Spannung VGN an den Gate-Anschluss
des Transistors Q5 angeschlossen. Die Knoten N1 und N2 sind mit
dem Source- beziehungsweise dem Drain-Anschluss des Transistors
Q5 verbunden. Der Source- und der Drain-Anschluss des Transistors
Q5 weisen eine n+-Leitfähigkeit
als Halbleiter auf, während
das Substrat (oder Well) eine p-Leitfähigkeit aufweist. Das heißt, eine
parasitäre
p-n-Diode ist mit dem Knoten N1 verbunden. Da das p-Substrat (oder
Well) mit dem Erdpotential verbunden ist, ist die parasitäre p-n-Diode
mit dem Knoten N1 als eine Diode D2 verbunden, wie in 8 gezeigt.
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Wie
zuvor beschrieben, weist der p-n-Übergang eine ausreichend hohe
Durchschlagspannung in Bezug auf die Gate-Oxidschicht auf. Aus diesem Grund
wird der Transistor Q5 in der Kapazitätsdetektionsschaltung der dritten
Ausführungsform
nicht zerstört,
selbst wenn eine hohe Spannung an den Knoten N1 angelegt wird. Wenn
eine hohe negative Spannung an den Knoten N1 angelegt wird, wird
die Diode D2 eingeschaltet und fungiert als Schutzschaltung.
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Wie
zuvor beschrieben, ist der Source-Anschluss des NMOS-Transistors
Q5 anstatt mit dem Gate-Anschluss eines MOS-Transistors mit der
Sensorelektrode 105 des Detektionselements 1 verbunden,
wodurch die parasitäre
p-n-Diode zwischen dem Substrat und dem Source-Anschluss gebildet
wird. Die Diode erhöht
die Durchschlagspannung an dem Knoten N1 und fungiert als Schutzschaltung
gegen eine negative Spannung. Selbst wenn ein Finger mit statischer
Elektrizität
in Kontakt mit dem Sensor kommt, wird somit der Transistor Q nicht
zerstört,
sodass die Zuverlässigkeit
einer Verarbeitungs schaltung 300 umfassend die Kapazitätsdetektionsschaltung 200B verbessert
wird, anders als bei der herkömmlichen
Kapazitätsdetektionsschaltung,
die in 12 gezeigt ist, in der die statische
Hochspannungselektrizität
den Gate-Anschluss des MOS-Transistors
Q3 in der Ausgabeschaltung 220 durch die Sensorelektrode 105 erreicht,
sodass der Transistor Q3 zerstört
wird.
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In
der dritten Ausführungsform
ist der Source-Anschluss des NMOS-Transistors Q5 mit der Sensorelektrode 105 des
Detektionselements 1 verbunden. Im Allgemeinen weist die
Source eines MOS-Transistors die gleichen Charakteristiken auf, wie
die des Drains. Selbst wenn der Drain-Anschluss des NMOS-Transistors
Q5 mit der Sensorelektrode 105 verbunden ist, wird eine
parasitäre
p-n-Diode zwischen dem Substrat und dem Drain-Anschluss gebildet.
Die Diode erhöht
auch die Durchschlagspannung an dem Knoten N1 und fungiert als Schutzschaltung
gegen eine negative Spannung.
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Da
der Transistor Q5 eine Verstärkerfunktion hat,
kann eine Verstärkerschaltung
implementiert werden, die eine Schutzschaltung aufweist, ohne die Anzahl
Elemente zu erhöhen,
anders als bei der Kapazitätsdetektionsschaltung
der zweiten Ausführungsform.
Eine kompakte Kapazitätsdetektionsschaltung,
die eine höhere
Nachweisempfindlichkeit aufweist, kann somit bei niedrigen Kosten
gebaut werden.
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Die
Anordnungen der Signalerzeugungsschaltung 210 und der Ausgabeschaltung 220 in
der Kapazitätsdetektionsschaltung 200B,
die in 6 bis 8 gezeigt sind, sind bloß Implementierungsbeispiele
und nicht auf die in 6 bis 8 gezeigten begrenzt.
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(Vierte Ausführungsform)
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Obgleich
nicht dargestellt, weist eine Kapazitätsdetektionsschaltung einer
vierten Ausführungsform
eine Anordnung auf, in der die Polaritäten der Transistoren und Signale
in der Kapazitätsdetektionsschaltung 200A der
zweiten Ausführungsform, die
in 3 gezeigt ist, invertiert sind, wobei das Erd(GND)-Potenzial
und die Stromversorgungsspannung VDD, die in 3 gezeigt
sind, ausgetauscht sind.
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Mit
dieser Anordnung kann der gleiche Effekt wie der der Kapazitätsdetektionsschaltung 200A der zweiten
Ausführungsform
erhalten werden.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Obgleich
nicht dargestellt, weist eine Kapazitätsdetektionsschaltung einer
fünften
Ausführungsform
eine Anordnung auf, in der die Polaritäten der Transistoren und Signale
in der Kapazitätsdetektionsschaltung 200B der
dritten Ausführungsform,
die in 6 gezeigt ist, invertiert sind, wobei das Erd(GND)-Potenzial
und die Stromversorgungsspannung VDD, die in 6 gezeigt
sind, ausgetauscht sind.
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Mit
dieser Anordnung kann der gleiche Effekt wie der der Kapazitätsdetektionsschaltung 200B der dritten
Ausführungsform
erhalten werden.
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(Sechste Ausführungsform)
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Eine
Kapazitätsdetektionsschaltung
einer sechsten Ausführungsform
verwendet eine andere Source-Eingabetyp-Verstärkerschaltung als Verstärkerschaltung.
Ein Transistor Q5, der in 6 gezeigt ist,
der eine Verstärkerfunktion
aufweist, wird von zwei Transistoren Q5A und Q5B aufgebaut, wie
in 9 gezeigt. Die Drain-Anschlüsse und die Gate-Anschlüsse der
Transistoren Q5A und Q5B sind querverbunden, damit sie als differentielle
Verstärkerschaltung
fungieren.
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Wenn
die Source-Anschlüsse
der Transistoren Q5A und Q5B, die in 9 gezeigt
sind, mit einer Sensorelektrode 105 als Eingänge zur
differentiellen Verstärkerschaltung
verbunden sind, kann der gleiche Effekt wie der der dritten und
fünften
Ausführungsform
erhalten werden.
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Wie
zuvor beschrieben, wird, wenn der Source-Anschluss eines MOS-Transistors
mit der Sensorelektrode 105 eines Detektionselements 1 als
Eingang zur Eingabeschaltung zum Eingeben eines Signals seitens
des Detektionselements 1 verbunden ist, eine parasitäre p-n-Diode
gebildet. Da diese Diode die Durchschlagspannung erhöht und als Schutzschaltung
fungiert, wird die Zuverlässigkeit
einer Kapazitätsdetektionsschaltung 200 verbessert.
Wenn die Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung unter Verwendung
einer LSI-Herstellungstechnik als Fingerabdruck-Detektionsvorrichtung
angewendet wird, kann verhindert werden, dass die Vorrichtung zerstört wird,
selbst wenn ein Finger eine statische Elektrizität aufweist, somit wird die
Zuverlässigkeit
der Vorrichtung zur Erkennung einer Oberflächengestaltung verbessert.
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Wie
zuvor beschrieben worden ist, ist gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Erdelektrode auf der Oberfläche
der Vorrichtung ausgebildet. Die Erdelektrode und die damit verbundenen
Zwischenverbindungen sind nicht in der Vorrichtung angeordnet. In dieser
Anordnung fließt
ein Strom, der auf der Oberfläche
der Vorrichtung erzeugt wird, wenn ein Zielerkennungsobjekt, wie
ein menschlicher Finger, mit statischer Elektrizität in Berührung mit
der Oberfläche
der Vorrichtung kommt, nicht zur Vorrichtung, sondern zur Erdseite
durch die Erdelektrode. Dies unterdrückt den Einfluss statischer
Elektrizität
auf die Kapazitätsdetektionsschaltung
in der Vorrichtung. Somit kann die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert
werden und die Oberflächenform
des Zielerkennungsobjekts, das mit der Oberfläche der Vorrichtung in Kontakt
ist, kann stabil und hochempfindlich nachgewiesen werden.
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Da
ein statisches Elektrizitätsschutzelement an
der Eingangsseite aller Schaltungen in der Kapazitätsdetektionsschaltung
angeordnet ist, die mit der Sensorelektrode zum Nachweisen des Zielerkennungsobjekts
verbunden sind, kann verhindert werden, dass die Kapazitätsdetektionsschaltung
aufgrund der statischen Elektrizität zerstört wird.