DE69921712T2

DE69921712T2 - Kapazitiver Abstandssensor

Info

Publication number: DE69921712T2
Application number: DE69921712T
Authority: DE
Inventors: Marco Tartagni; Bhusan Palo Alto Gupta; Alan Berkeley Kramer
Original assignee: STMicroelectronics lnc USA
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2019-03-06
Also published as: US6114862A; US20020097059A1; US6437583B1; DE69921712D1; US6496021B2; EP0942259B1; JPH11316105A; EP0942259A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Abstandssensor insbesondere einen Sensor für geringe Abstände (Mikrometer bis Millimeterbereich).
Sensoren für geringe Abstände werden unter anderem verwendet als Druck-, Näherungs-, Genauigkeits-, Spannungs- und Beschleunigungssensoren z. B. in integrierten Mikrofonen und zum Erfassen von Fingerabdrücken.
Insbesondere für die Erfassung von Fingerabdrücken (worauf hierin lediglich beispielhaft als eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird) umfassen herkömmliche Sensoren vielfältige Arten der Erfassung wie z. B. optische, piezoelektrische, variable leitfähige, thermische, Ultraschall- und kapazitive Erfassung, von denen die vielversprechendsten in Bezug auf die Präzision, Größe, Produktion und Kosten kapazitive Sensoren sind.
Kapazitive Sensoren basieren auf dem Prinzip, dass der Kapazitätswert zwischen zwei Kondensatorplatten umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen ist, so dass es bei Verwendung des kontaktierenden Hautgewebes als eine Kondensatorplatte des Kapazitätssensors und durch Bestimmen des Kapazitätswerts möglich ist, die Erhebungen und die Gräben des Fingerabdrucks zu lokalisieren. Dies ist das Prinzip, das in der Patentschrift US 5,325,442 von Knapp verwendet wird, das sich auf einen Sensor mit einer Feldanordnung von Elementarzellen bezieht, die jeweils eine Messelektrode und eine elektronische Schalteinrichtung aufweisen. Die Elektrode ist mit einem dielektrischen Material beschichtet, die beispielsweise ein Passivierungsoxid oder eine Polymerverbindung aufweist, auf die der Finger aufgelegt wird, wobei die Epidermis das dielektrische Material berührt.
Wenn eine Zelle ausgewählt wird, wird eine vorbestimmte Änderung eines Potentials an die Elektrode angelegt, um an den Anschlüssen eine entsprechende Ladungsänderung zu induzieren. Das Auftreten der Ladungsänderung hängt von dem Kapazitätswert, der der Elektrode zugeordnet ist, ab und wird durch Verstärkerelemente, die mit dem Ausgang der Vorrichtung verbunden sind, ausgelesen. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, legt die obige Patentschrift ein Oberflächengitter nahe, das mit einem Referenzpotential verbunden ist, um das Hautgewebe in geeigneter Weise mit einer Vorspannung zu versehen.
In dem oben beschrieben bekannten kapazitiven Sensor variiert der Kapazitätswert zwischen den Kondensatorplatten eines Kondensators jeweils umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Kondensatorplatten, wodurch sich das Problem stellt, die resultierenden Daten zu normalisieren. Insbesondere, wenn der gemessene Kapazitätswert sehr klein ist, treten bei Vorliegen eines geringen Signalrauschverhältnisses ernsthafte Schwierigkeiten auf, die Ladung zu detektieren und die verschiedenen Zwischenladungsniveaus, die den verschiedenen Grautönen des zu erzeugenden Bildes entsprechen, aufzulösen.
Das US-Patent 4,766,389 betrifft eine Anordnung eines Berührungssensorsystems, das bei der Bestimmung einer Objektform, Kontur, Ausrichtung und des Schlupfes verwendet wird. Feldanordnungen aus mehreren Elementen werden sowohl für das kollektive als auch das separate Erfassen von Kapazitätseigenschaften ausgelegt, wodurch eine Vielzahl von berührungslosen und kontaktbasierten Messungen, die vorgenommen werden sollen, möglich ist.
Die europäische Patentanmeldung EP 0790479 betrifft einen kapazitiven Abstandssensor. Der Sensor weist einen ersten Anker auf, der einem zweiten Anker gegenüberliegt, dessen Abstand gemessen werden soll. Die Sensoranordnung umfasst eine Anzahl von Sensorzellen in einer Feldanordnung, wobei jede Sensorzelle einen invertierenden Verstärker aufweist.
Das US-Patent 5,325,442 betrifft eine Fingerabdruck-Detektionseinrichtung und Erkennungssystem mit einer Zeilen-/Spaltenanordnung von Sensorelementen. Die Sensorzellen sind aktiv durch einen Treiberschaltkreis aktivierbar. Jedes Sensorelement enthält eine Sensorelektrode, die durch isolierendes Material bedeckt ist und die so gestaltet ist, um einen Finger aufzunehmen. Kapazitätswerte, die durch den Finger bewirkt werden, werden gemessen, indem ein Potenzial an die Messelektroden angelegt wird und die Ladungseigenschaften gemessen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Abstandssensor zum Messen von kleinen Abständen zwischen der Sensoreinrichtung und einem Objekt. Der Abstandssensor umfasst eine erste und eine zweite Kondensatorplatte zum Bilden eines ersten bzw. zweiten Kapazitätswertes zwischen den Kondensatorplatten und dem Objekt, wenn diese neben dem Objekt angeordnet werden. Eine weitere dritte Kapazität kann auch zwischen den zwei Kondensatorplatten vorhanden sein. Die erste und zweite Kondensatorplatte sind in einem geometrischen Muster angeordnet, bei dem mehrere Flächen der ersten Kondensatorplatte benachbart zu mehreren Flächen der zweiten Kondensatorplatte angeordnet sind, und diesen gegenüberliegen. Der Abstandssensor umfasst auch einen Verstärker mit einem Eingang, der mit einer der Kondensatorplatten verbunden ist und einem Ausgang, der mit einer weiteren der Kondensatorplatten verbunden ist, um einen Gegenkopplungszweig zu bilden, der die erste und zweite Kapazität umfasst. Die Sensoreinrichtung kann auch ein Erdungselement aufweisen, das die erste and zweite Kondensatorplatte umgibt, um einen Entladungspfad für elektrostatische Entladung, die durch das Objekt verursacht wird, zur Verfügung zu stellen.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird eine integrierte Sensoreinrichtung zur Verfügung gestellt, um einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und einem Objekt zu detektieren, wobei die Sensoreinrichtung eine erste Kondensatorplatte zum Bilden einer ersten Kapazität zwischen der ersten Kondensatorplatte und dem Objekt, wenn sie neben dem Objekt angeordnet ist, und eine zweite Kondensatorplatte zum Bilden einer zweiten Kapazität zwischen der zweiten Kondensatorplatte und dem Objekt, wenn sie neben dem Objekt angeordnet ist, umfasst, wobei ein Verstärker einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Eingang mit entweder der ersten oder zweiten Kondensatorplatte verbunden ist, und der Ausgang mit der entsprechend anderen der ersten und zweiten Kondensatorplatte verbunden ist, um einen Gegenkopplungszweig zu bilden, der die erste und zweite Kapazität umfasst, wobei eine Ausgangsspannung an dem Verstärkerausgang bereitgestellt wird, die proportional zu einer Entfernung zwischen der ersten Kondensatorplatte und dem Objekt ist, wobei die Sensoreinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste und zweite Kondensatorplatte im wesentlichen in einer ebenen Anordnung zueinander angeordnet sind, wobei mehrere Flächen der ersten Kondensatorplatte benachbart zu mehreren Flächen der zweiten Kondensatorplatte angeordnet sind und diesen gegenüberliegen.
Fingerabdruck- und andere biometrischen Sensoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden, werden zum Verhindern von unautorisierter Verwendung von Mobiltelefonen, Laptopcomputern, Kraftfahrzeugen, Auszahlungsautomaten, Kredit/Bankkartenlesern, POS-Terminals und Smartcards verwendet. Sie sind auch nützlich beim Authentifizieren von elektronischen Finanztransaktionen, persönlichen E-Mails, der Zugangscodierung von Gebäuden, usw.. Die biometrische Identifikation, wie beispielsweise die persönliche Identifikation und einer alternativen Authentifikation, die durch Vorsehen eines Sensors durchgeführt werden kann, wie durch in der vorliegenden Erfindung angegeben, umfasst die Hand- oder Fingerform, Gesichtsform und Gesichtsmerkmale. Zusätzlich könnte die Sensoreinrichtung der vorliegenden Erfindung für eine nicht biometrische Erfassung verwendet werden, wie beispielsweise für die Detektion der Handschrift, einer Schalterbetätigung und für alle anderen Vorrichtungen, die eine Empfindlichkeit bezüglich der Annäherung eines Objekts erfordern.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
1 eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von persönlichen Merkmalen, wie Fingerabdrücke, zeigt, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen kann;
2 ein Detail einer Zelle einer Sensoreinrichtung, die in 1 gezeigt ist, darstellt;
3 ein elektrisches Äquivalent der Zelle, die in 2 gezeigt ist, darstellt;
4 eine Darstellung, die einen Finger zeigt, der zwischen zwei nebeneinander liegenden Zellen der Sensoreinrichtung, die in 1 gezeigt ist, darstellt;
5 ein Blockdiagramm der Sensoreinrichtung, die in 1 gezeigt ist, zeigt;
6 ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der Zelle, die in 2 gezeigt ist, darstellt;
7 ein Bild eines Fingerabdrucks zeigt, das durch die Sensoreinrichtung aus 1 erfasst wurde;
8 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Zelle, die in 2 gezeigt ist, darstellt;
9 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Zelle, die in 2 gezeigt wird, darstellt;
10 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Zellen, die in 2 gezeigt sind, darstellt;
11 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der Zellen, die in 2 gezeigt sind, darstellt;
12 eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform der Zellen die in 2 gezeigt sind, darstellt; und
13 eine Draufsicht auf eine Feldanordnung von Sensorzellen einer Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt eine Sensoreinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, die vorzugsweise in einem integrierten Chip vorgesehen ist, um einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und einem Objekt zu messen. Der Ausdruck „Objekt", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, wird gemäß seiner breitesten Bedeutung verwendet und kann feste, flüssige, gasförmige und plasmabasierte Dinge umfassen. Die Sensoreinrichtung 1 umfasst eine Anzahl von Zellen 2, die als Feldanordnung 3 angeordnet sind, und jeweils ein Sensorelement bilden. Die Einfachheit der einzelnen Zellen 2 ermöglicht der Sensoreinrichtung 1, in integrierter Form in einem einzigen Halbleiterchip eingesetzt zu werden.
Die Sensoreinrichtung 1 umfasst weiterhin eine horizontale Auslesestufe 5 und eine vertikale Auslesestufe 6, um zu einer bestimmten Zeit eine der Zellen 2 gemäß einem vorbestimmten Abtastmuster zu aktivieren. Vorzugsweise aktivieren die Stufen 5,6 die Ausgänge der Zellen 2 nacheinander, um die Zellen auszulesen, und weisen Schieberegister auf. Alternativ könnten andere Zellenausleseeinrichtungen verwendet werden, wie z. B. einen Dekodierer mit wahlfreiem Zugriff, der adressierte Zellen ausliest anstatt die Zellen 2 nacheinander auszulesen.
Die Sensoreinrichtung 1 umfasst auch eine Versorgungs- und Logikstufe 7, die die Komponenten der Einrichtung mit Spannung versorgen (einschließlich der Zellen 2), die notwendigen Bezugsspannungen zuführt und die Abfolge der vorgesehenen Schritte steuert (wie nachfolgend ausführlich beschrieben wird). Insbesondere zeigt 1, dass die Versorgungs- und Logikstufe 7 eine Spannungsquelle 12 zum Erzeugen einer Änderung der Bezugsspannung ΔV_R umfasst. Ein Puffer 8 ist mit den Ausgängen aller Zellen 2 verbunden und liefert am Ausgang 10 der Sensoranordnung 3 die an den Ausgängen der Zellen 2 vorhandenen Signale, die durch die Auslesestufe 5, 6 aktiviert wurden, nacheinander.
Wie in 2 gezeigt, umfasst jede Zelle 2 einen invertierenden Verstärker 13 mit der Verstärkung A und mit geringer Leistungsaufnahme, der einen Eingang 16 mit einer Eingangsspannung V_i und einen Ausgang 17 mit einer Ausgangsspannung V_o, der ebenfalls den Ausgang der Zelle 2 definiert, bereitstellt. Jede Zelle 2 umfasst auch eine erste und zweite Kondensatorplatte 23, 24 gleicher Fläche, die jeweils so ausgerichtet ist, dass sie der Hautoberfläche 18 des zu detektierenden Fingers entgegengerichtet ist. Vorzugsweise sind die erste und zweite Kondensatorplatte 23, 24 koplanar zueinander. Zusätzlich umfasst die erste Kondensatorplatte 23 eine Fläche 35, die einer Fläche 36 der zweiten Kondensatorplatte 24 entgegengerichtet ist, und die Flächen 35, 36 sind voneinander durch eine erste Passivierungsschicht 90, wie es ausführlicher mit Bezug auf die 8–12 beschrieben wird, getrennt. Ein Rücksetzschalter 19 ist zwischen dem Eingang 16 und Ausgang 17 des invertierenden Verstärkers 13 angeschlossen. Eine Eingangskapazität 20 ist zwischen einem Eingang 21 der Zelle 2 und dem Eingang 16 des invertierenden Verstärkers 13 angeschlossen.
Insbesondere sind die erste bzw. zweite Kondensatorplatte 23, 24 jeweils mit dem Ausgang 17 und dem Eingang 16 des invertierenden Verstärkers 13 verbunden, so dass ein Ladungsintegrator realisiert wird. Die erste und zweite Kondensatorplatte 23 und 24 sind mit einer dielektrischen Isolierungsschicht 25 bedeckt, die die Fläche der integrierten Sensoreinrichtung 1 bedeckt, einschließlich der gesamten Feldanordnung 3 der Zellen 2. Im Betrieb bildet daher die Hautoberfläche 18 eine dritte Kondensatorplatte, die der ersten und zweiten Kondensatorplatte 23, 24 gegenüberliegt und mit ihnen ein Paar von in Serie geschalteten Kapazitäten bildet, die zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 17 des invertierenden Verstärkers 13 rückgekoppelt sind. Demgemäß ist ein Kontaktgitter nicht erforderlich, um die Hautoberfläche mit einer konstanten Spannung vorzuspannen. Zusätzlich wird eine am Randbereich befindliche, dritte Kapazität zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte 23, 24 gebildet.
Der Schalter 19 ist ein gesteuerter Schalter, der mit Hilfe von einer bekannten Technologie (z. B. als MOS-Schalter) gebildet ist und ein Steuersignal R von der Versorgungs- und Logikstufe 7 empfängt. Der Eingang 21 der Zelle 2 ist ebenfalls mit der Versorgungs- und Logikstufe 7 verbunden, um ein Spannungssignal ΔV_R, wie nachfolgend beschrieben, zu empfangen.
Um Fingerabdrücke zu erfassen, wird die Hautoberfläche 18 auf die Oberfläche der integrierten Sensoreinrichtung 1 an der Feldanordnung 3 angeordnet, um die Kapazitäten, die die Rückkopplungsschleifen der Verstärker 13 aller Zellen 2 bilden, zu vervollständigen. Zu Beginn der Messung sind die Schalter 19 aller Zellen geschlossen und das Spannungsniveau von jedem der Eingänge 21 ist konstant, so dass die Eingangsspannung V_i aller Zellen 2 auf das gleiche Potential wie die Ausgangsspannung V_o zwischen dem Versorgungspotential und dem Massepotential bei hoher Verstärkung oder hoher logischer Schwellenspannung V_T des invertierenden Verstärkers 13 gebracht wird.
Nachfolgend öffnet die Versorgungs- und Logikstufe 7 alle Schalter 19 gleichzeitig und versorgt alle Eingänge 21 mit einem Spannungsschritt ΔV_R, so dass eine Ladungsänderung ΔQ = C_I × ΔV_R (wobei C_i dem Kapazitätswert der Eingangskapazität 20 entspricht) an den Eingängen jeder Eingangskapazität 20 induziert wird, um, wie nachfolgend beschrieben wird, ein Auslesen des lokalen Abstandes „d" zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte 23, 24 und der Hautoberfläche 18, die ihnen gegenüberliegt, zu ermöglichen. Der zentrale Abstand „d" variiert entsprechend, ob der Punkt der gemessen werden soll, einem Graben, einer Erhebung oder einem Punkt dazwischen entspricht.
Die Auslesestufen 5, 6 aktivieren dann nacheinander das Auslesen der Zellen 2, so dass das Spannungssignal an dem Ausgang 10 des Puffers 8 an ein System zum Darstellen des Abstandes in bekannter Weise mit Hilfe von Gaustufen bereitgestellt wird und so eine dreidimensionale Darstellung der Hautoberfläche zur Verfügung stellt.
Die Art, mit der der lokale Abstand „d" zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte 23, 24 jeder Zelle 2 und der dritten Kondensatorplatte, die durch die Hautoberfläche 18 gebildet wird, detektiert wird, wird nun mit Bezug auf das elektrische Ersatzschaubild in 3 beschrieben.
3 zeigt eine Eingangsersatzkapazität 30 und eine Ausgangsersatzkapazität 31 des invertierenden Verstärkers 13 und die Ladungsflussrichtung (angegeben durch die Pfeile), die den Spannungsänderungen in den Kondensatorplatten entspricht. 3 zeigt auch eine erste Rückkopplungskapazität 33, die durch die erste Kondensatorplatte 23 und die Hautoberfläche 18 gebildet ist, eine zweite Rückkopplungskapazität 34, die durch die zweite Kondensatorplatte 24 und die Hautoberfläche 18 gebildet ist, und eine dritte Rückkopplungskapazität 37, die zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte 23, 24 gebildet ist.
Angenommen, dass C_l der Eingangsersatzkapazität 30 des invertierenden Verstärkers 13 entspricht; C_r der Gesamtkapazität der Rückkopplungskapazitäten 33, 34 und 37 entspricht; A der Verstärkung des invertierenden Verstärkers 13 entspricht; ΔQ der in der Eingangsersatzkapazität 30 induzierten Ladungsänderung um den Spannungsschritt ΔV_R ist, entspricht; ΔQ_i der Ladungsänderung, die in der Eingangsersatzkapazität 30 als Ergebnis des Schritt ΔV_R gespeichert ist, entspricht; ΔQ_r der Ladungsänderung in dem Rückkopplungszweig, der durch die Serienschaltung der Rückkopplungskapazitäten 33, 34 gebildet ist, entspricht; ΔV_i dem Spannungsschritt an dem Eingang 16 des invertierenden Verstärkers 13 entspricht; ΔV_o der entsprechenden Spannungsänderung an dem Ausgang 17 entspricht (= –AΔV_i); S der Größe der Oberseite jeder Kondensatorplatte 23, 24 der Kapazitäten 33, 34 (der Seite, die der Hautoberfläche 18 am nächsten ist) entspricht; e₀ der Dielektrizitäts-Konstanten entspricht (in der Fingerabdruckanwendung ist der durchschnittliche Abstand zwischen der Hautoberfläche 18 und der isolierenden Schicht 25 – typischerweise 60 μm in den Gräben – größer als die Dicke der Schicht 25 – typischerweise 2 μm); und „d" dem lokalen Abstand zwischen den Kondensatorplatten 23, 24 und der Hautoberfläche 18 entspricht (ungefähr der gleiche für beide Kondensatorplatten 23, 24 im Hinblick auf die sehr kleine Größe der Zellen 2 – typischerweise ungefähr 45 μm); dann ist die gesamte Rückkopplungskapazität Cr durch die nachfolgende Gleichung bestimmt:
Weiterhin gilt:
So dass:
Durch Einsetzen von (1) in (2) ergibt sich:
Angenommen A >> 1 wird (3) zu
Folglich ist aufgrund der Gegenkopplung, die durch die kapazitive Kopplung des Ausgangs 17 und des Eingangs 16 des invertierenden Verstärkers 13 über das Hautgewebe bewirkt wird, die Änderung der Ausgangsspannung als Ergebnis des Ladungsschritts direkt proportional zum Abstand zwischen den Kondensatorplatten 23, 24 und der Hautoberfläche 18 und weiterhin abhängig von der dreidimensionalen Struktur der Haut. Für eine festgelegte Schrittgröße des Eingangsspannungsschritts ΔV_i bewegt sich die Ausgangsspannung des Inverters 30 zwischen zwei Extremwerten abhängig von dem Rückkopplungs-Kapazitätswert: (i) das obere Sättigungsniveau, wenn keine Rückkopplungs-Kapazität vorhanden ist; (ii) der Wert nahe an der logischen Schwellspannung, wenn die Rückkopplungs-Kapazität groß ist.
Bei geeigneten Verstärkungsniveaus (z. B. 1000–2000) ist es möglich, Unterschiede des Kapazitätswertes von ungefähr 10 fF zu detektieren und somit Mikrometerabstände zu detektieren. Die Ausgangssignale der Einrichtung gemäß der Erfindung sind daher derart, dass sie, wenn sie in Graustufen umgewandelt werden, eine hochzuverlässige Darstellung der dreidimensionalen Struktur der Hautoberfläche zur Verfügung stellen.
Der Betrieb der Sensoreinrichtung 1 kann weiter mit Bezug auf 4 erläutert werden, die eine Darstellung der Hautoberfläche 18 ist, die auf einer ersten und zweiten zueinander benachbarten Zelle 2A, 2B der Sensoreinrichtung angeordnet ist. Es sollte selbstverständlich sein, dass die vorliegende Erfindung auf Daumen, Handflächen und auf andere Kontaktoberflächen, von denen eine Abbildung erwünscht ist, Anwendung findet. Jede der benachbarten Zellen 2A, 2B ist im Wesentlichen identisch zu der Zelle 2, die in 2–3 gezeigt ist, und somit werden zusätzliche ausführliche Beschreibungen der Elemente der Zellen 2A, 2B aus Gründen der Einfachheit weggelassen. Die Schalter 19A und 19B stellen Rücksetzschalter dar, wie ausführlicher an anderer Stelle hierin beschrieben wird. Die Elemente der benachbarten Zellen 2A, 2B sind mit Bezugszeichen versehen, die den Bezugszeichen der 2 und 3 entsprechen, wobei entsprechend ein „A" und ein „B" den Zellen 2A bzw. 2B hinzugefügt sind.
Die Hautoberfläche 18, die in 4 gezeigt ist, weist eine Erhebung 36, die bei der ersten Zelle 2A liegt, und eine Vertiefung 38 auf, die bei der zweiten Zelle 2B liegt. Als Ergebnis erzeugen die erste und zweite Zelle 2A und 2B jeweils verschiedene kapazitive Kopplungsantworten in der Sensoreinrichtung 1. Demgemäß erfasst die erste Zelle 2A einen kleineren Abstand d1, der die Erhebung 36 angibt, als die zweite Zelle 2B, die einen größeren Abstand d2 misst, der die Vertiefung 38 angibt. Der Abstand d2, der durch die zweite Zelle 2B gemessen wird, ist das Mittel eines Abstandes d2a zwischen der ersten Kondensatorplatte 23B und dem Abschnitt der Hautoberfläche 18, der sich direkt oberhalb der ersten Kondensatorplatte 23B befindet, und eines Abstandes d2b zwischen der zweiten Kondensatorplatte 24B und dem Abschnitt der Hautoberfläche 18, der sich direkt oberhalb der zweiten Kondensatorplatte 24B befindet. Hinsichtlich eines vereinfachten Modells realisiert diese Struktur einen Aufbau mit drei Kapazitäten, der die Differenz zwischen einem Kontaktelement, einer Erhebung, und einem Nicht-Kontaktelement, einer Vertiefung, misst.
Ein Blockdiagramm der Sensoreinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in 5 gezeigt. Die Sensoreinrichtung 1 umfasst die Sensorfeldanordnung 3, die über einen Digital-/Analogwandler (D/A) mit einer I²C-Schnittstelle und einer Steuereinrichtung 42 und einem Vorspannungsgenerator 44 verbunden ist. Aus Gründen der Einfachheit sind die horizontale und vertikale Ausleseeinrichtung 5, 6 und der Ausgangspuffer 8 nicht in 5 gezeigt, sind jedoch Teil der Sensoreinrichtung 1, wie sie in 5 gezeigt ist. Die Sensoreinrichtung 1 umfasst auch einen Oszillator 46 und einen Zeitsteuerungsgenerator 48, der mit der Sensorfeldanordnung 3 verbunden ist. Der D/A-Wandler 40, die I²C-Schnittstelle und die Steuereinrichtung 42, der Vorspannungsgenerator 44, der Oszillator 46 und der Zeitsteuerungsgenerator 48 bilden gemeinsam die oben beschriebene Funktionalität der Versorgungs- und Logikeinheit 7. Die I²C-Schnittstelle und die Steuereinrichtung 42 liefern ein bidirektionales Kommunikationsprotokoll, das es der Sendeeinrichtung 1 ermöglicht, mit einem Controller zu kommunizieren, wie z. B. einem herkömmlichen Computer. Der D/A-Wandler 40 wandelt digitale Steuersignale von der I²C-Schnittstelle und der Steuereinrichtung 42 in analoge Signale, die an die Sensoranordnung 3 gesendet werden, um das Abtasten der Zellen 2 durch die horizontale und die vertikale Ausleseeinrichtung 5, 6 zu steuern. Der D/A-Wandler 40 stellt auch analoge Vorspannungen zur Verfügung, wie z. B. den Spannungsschritt V_r. Der Zeitsteuerungsgenerator 48 erhält ein einfaches Taktsignal von dem Oszillator 46 und erzeugt Zeitsteuerungssignale, die an die Sensoranordnung 3, gesteuert durch die I²C-Schnittstelle und Steuereinrichtung 42, angelegt werden.
Um zu ermöglichen, dass die Abstandsmessungen (dargestellt durch Spannungen) an den mit der Sensoreinrichtung 1 verbundenen Computer ausgegeben werden, umfasst die Sensoreinrichtung einen Analog-Digital-Wandler 50 (A/D), der zwischen dem Ausgang 10 der Sensoranordnung 3 und dem Computer angeschlossen ist. Der A/D-Wandler 50 ist auch mit dem Vorspannungsgenerator 44 und dem Zeitsteuerungsgenerator 48 verbunden, um dem A/D-Wandler 50 zu ermöglichen, die gemessenen analogen Spannungen, die von der Sensoranordnung 3 ausgegeben werden, in digitale Signale, die durch den Computer als Abstandsmessungen erkannt werden, umzuwandeln. Die Sensoranordnung 3 ist weiterhin direkt mit dem Computer über eine Synchronisationsleitung 52 verbunden, die den Computer mit Synchronisationssignalen versorgt, die dem Computer helfen, die digitalen Abstandsmessungen, die von dem A/D-Wandler 50 empfangen wurden, korrekt zu interpretieren.
Ein ausführliches Schaltbild einer Ausführungsform der Zelle 2 der 2 ist in 6 dargestellt. Die Zelle 2 umfasst einen ersten und einen zweiten Transistor M1, M2 vom N-Kanal-Typ und einen dritten und vierten Transistor M3, M4 vom P-Kanal-Typ, die gemeinsam in Reihe geschaltet sind, um einen invertierenden Verstärker 13 in Kaskodenschaltung mit einer hohen Verstärkung zu bilden. Eine erste horizontale Ausleseleitung (hor1) und eine erste vertikale Ausleseleitung (vert1) sind zwischen der horizontalen bzw. vertikalen Ausleseeinrichtung 5, 6 und dem zweiten Transistor M1 bzw. dritten Transistor M3 verbunden, um sicher zu stellen, dass nur eine Zelle gleichzeitig versorgt wird, wodurch die Leistungsaufnahme der nicht adressierten Zellen beschränkt wird. Ein Gate-Anschluß des ersten Transistors M1 ist über die Eingangskapazität 20 der Zelle 2 mit dem Zelleneingang 21, ΔV_r, verbunden, wie oben beschrieben wurde. Wenn der Spannungsschritt ΔV_r an den Eingangsknoten 21 angelegt wird, kann eine Ladungsmenge dQ = C_iΔV_r von dem Verstärkereingang 16 abfließen, wie zuvor beschrieben wurde. Dieser Betriebsmodus ist nützlich, da durch Ändern der Größe von ΔV_r der Sensor verschiedene Bereiche von gemessenen Kapazitätswerten abdecken kann. Der Gate-Anschluß des vierten Transistors M4 ist mit einer festgelegten Vorspannung V_p verbunden.
Der Ausgang 17 des invertierenden Verstärkers 13 ist mit Hilfe einer Sourcefolgerstufe (fünfter Transistor M5) in eine vertikale Ausgangsleitung 54 mit Hilfe eines sechsten Transistors M6 gepuffert. Ein siebter Transistor M7 verbindet die vertikale Ausgangsleitung 54 mit dem Ausgangspuffer 8 der Sensoreinrichtung 1. Der Gate-Anschluß des sechsten Transistors M6 ist über eine zweite horizontale Ausleseleitung (hor2) mit der horizontalen Ausleseeinrichtung 5 verbunden, und der Gate-Anschluß des siebten Transistors M7 ist über eine zweite vertikale Ausleseleitung (vert2) mit der vertikalen Ausleseeinrichtung 6 verbunden, wodurch sichergestellt ist, dass nur eine Zelle gleichzeitig mit dem Ausgangspuffer 8 in Verbindung steht. Dies reduziert die Ausgangskapazität der Folgerstufe 46 erheblich, da nur eine vertikale Ausgangsleitung gleichzeitig mit dem Ausgangspuffer 8 verbunden ist.
Der Rücksetzschalter 19 ist zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 17 des invertierenden Verstärkers 13, wie es oben beschrieben ist, angeschlossen. Der Rücksetzschalter 19 ist gestaltet, um die Ladungsinjektion in den Eingang 18 von der Sättigung des invertierenden Verstärkers 13 abzuhalten. Wenn der Übergang beim Ausschalten des Rücksetzschalters 19 langsam genug erfolgt, verglichen mit dem invertierten Verstärkungs-Bandbreiteprodukt des invertierenden Verstärker 13, wird ein Großteil der Kanalladung des Rücksetzschalters in den Ausgangsknoten injiziert. Der Rücksetzschalter 19 umfasst einen achten und einen neunten Transistor M8, M9, die mit ihren Drain-Anschlüssen miteinander und mit dem Eingang 16 sowie mit ihren Sorceanschlüssen miteinander und mit dem Ausgang 17 verbunden sind. Die Größe des achten Transistors M8 ist klein, um die absolute Menge der injizierten Ladung zu reduzieren. Das reduzieren der Abmessungen des achten Transistors M8 verschlechtert die Stabilität des invertierenden Verstärkers 13, da es die Schleifenverstärkungsbandbreite reduziert. Bei diesem Aufbau ist der neunte Transistor M9 stärker als der achte Transistor M8 und wird bei einer Phase aktiviert, die von der am achten Transistor M8 anliegenden Phase verschieden ist. Während der Rücksetzphase werden beide Transistoren M8, M9 eingestellt, so dass sie den Widerstand der Rückkopplungsschleife reduzieren, so dass man ein Überschwingen am Ausgang erhält. Während der Ladungsintegration ist der neunte Transistor M9 zunächst geöffnet, so dass seine Kanalladung von dem achten Transistor M8 aufgenommen wird. Schließlich wird der achte Transistor M8 durch einen flachere Gate-Flanke geöffnet, um eine geringe Ladungsinjektion an dem Eingang zu gewährleisten. Es ist selbstverständlich, dass der neunte Transistor M9 optional ist, weil sich die Ladungsinjektion weniger auswirkt, wenn die Plattenkapazitäten größer sind.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Chip in einem 0,7 μm CMOS Digitalprozess hergestellt. Die Zellenfläche beträgt 50 × 50 μ, was zu einer Auflösung von 508 dpi führt. Ein Abtastbild 56, das für ein 200 × 200 Fenster erzeugt wird, ist in 7 gezeigt, das deutlich Graustufen darstellt. Das Bild verschwindet, wenn der Finger entfernt wird.
Die Empfindlichkeit der einzelnen Sensorzellen 2 und somit der gesamten Sensoreinrichtung 1 kann gesteuert und erhöht werden, indem die erste und zweite Kondensatorplatte 23, 24 in einer oder mehreren planaren Anordnungen angeordnet sind. Eine erste Anordnung der Kondensatorplatten 23, 24 ist in 8 gezeigt.
Die erste Kondensatorplatte 23 ist C-förmig und weist zwei Enden 60, 62 auf, die eine Lücke 64 zwischen ihnen definieren. Die erste Kondensatorplatte 23 umfasst ein längliches erstes, zweites und drittes Segment 66, 68, 70, die drei Seiten der C-Form definieren und ein kürzeres viertes und fünftes Segment 73, 74, die das erste und zweite Ende 60, 62 auf einer vierten Seite der C-Form abschließen. Die fünf Segmente 66–74 der ersten Kondensatorplatte 23 definieren gemeinsam einen inneren Bereich 76, innerhalb dem ein rechtwinkliger innerer Abschnitt 78 der zweiten Kondensatorplatte 24 angeordnet ist. Die zweite Kondensatorplatte 24 umfasst auch einen länglichen rechtwinkligen äußeren Abschnitt 80 außerhalb der ersten Kondensatorplatte und einen Verbindungsabschnitt 82, der den inneren Abschnitt 78 mit dem äußeren Abschnitt 80 verbindet.
Die erste Kondensatorplatte 23 umfasst mehrere Flächen, die zu der zweiten Kondensatorplatte 24 benachbart sind und die entsprechenden Flächen der zweiten Kondensatorplatte 24 gegenüberliegen, wodurch es möglich ist, dass sich Randkapazitäten zwischen den Kondensatorplatten bilden. Insbesondere weist die erste Kondensatorplatte 23 eine erste und eine zweite Fläche 83, 84 auf, die der ersten und der zweiten Fläche 85, 86 der zweiten Kondensatorplatte 24 gegenüberliegen. Zusätzlich umfassen die erste bzw. die zweite Kondensatorplatte 23, 24 die oberen Flächen 87, 88, die dem Objekt, das erfasst werden soll, gegenüberliegen, und es ermöglichen, dass sich eine erste und zweite direkte Kapazität zwischen dem Objekt und der ersten bzw. zweiten Kondensatorplatte entwickeln.
Ein Massering 89, der mit Masse verbunden ist, um einen Entladungspfad für eine elektrostatische Entladung, die durch das zu vermessende Objekt verursacht wird, zur Verfügung zu stellen, umgibt die Sensorzelle 2 vollständig. Z. B., wenn die Sensorzelle 2 verwendet wird, um einen Fingerabdruck zu detektieren, kann der Finger eine elektrostatische Entladung erzeugen, wenn er sich der Sensorzelle nähert, wodurch eine fehlerhafte Abstandsmessung verursachen würde, wenn das Entladen durch eine der Kondensatorplatten 23, 24 zugelassen wäre. Wie die Kondensatorplatten 23, 24 ist der Massering 89 eine strukturierte Metallschicht, die gemäß wohlbekannten Techniken als Teil eines integrierten Schaltkreises, der die Elemente, die in 2 dargestellt sind, umfasst, abgeschieden werden kann.
Der Massering 89 ist elektrisch und physikalisch von den Kondensatorplatten 23, 24 durch eine erste Passivierungsschicht 90 getrennt, die auch die erste Kondensatorplatte 23 von der zweiten Kondensatorplatte 24 physikalisch trennt und elektrisch voneinander isoliert. Die erste Passivierungsschicht 90 kann aus vielen bekannten dielektrischen Materialien zusammengesetzt sein, wie beispielsweise phosphordotiertes Glas (PSG), Siliziumdioxid, Siliziumnitrit und Siliziumoxinitrit. Eine zweite Passivierungsschicht (nicht in 8 gezeigt) wird auf den Kondensatorplatten 23, 24, dem Massering 89 und der ersten Passivierungsschicht 90 abgeschieden und dient als dielektrische Isolierungsschicht 25, die in den 2 und 4 gezeigt ist. Der durchschnittliche Abstand zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte 23, 24 in der Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, liegt im Allgemeinen zwischen 0,5 und 4 μm, was etwa der typischen Dicke der Isolierungsschicht 25 entspricht.
Die gesamte Rückkopplungskapazität, die von dem Inverterverstärker 13 wahrgenommen wird (2), ist aus einer ersten direkten Kapazität zwischen der ersten Kondensatorplatte 23 und dem Objekt einer zweiten direkten Kapazität zwischen der zweiten Kondensatorplatte 24 und dem Objekt und einer Randkapazität zwischen der ersten Kondensatorplatte 23 und der zweiten Kondensatorplatte 24 zusammengesetzt. Die erste und zweite direkte Kapazität variieren gemäß den entsprechenden Flächen der Oberseiten der ersten und zweiten Kondensatorplatte 23, 24, wie es in der Gleichung (1) beschrieben wird. Das Vergrößern der Flächen der Kondensatorplatten 23, 24 erhöht die Gesamtkapazität, wodurch die Sensoreinrichtung eine größere Empfindlichkeit und einen größeren Dynamikbereich bekommt. Die Randkapazität ändert sich gemäß den Umfangswerten für die erste und zweite Kondensatorplatte 23, 24 d. h. gemäß einer Gesamtlänge der Umfänge der Kondensatorplatten. Die Breiten der Oberseiten der Kondensatorplatten 23, 24 sind im Allgemeinen um eine Größenordnung größer als die Tiefe der Seiten der Kondensatorplatten und somit tragen die direkten Kapazitäten im Allgemeinen mehr zu der Gesamtkapazität bei als die Randkapazität.
Aufgrund kürzlich vorgenommener Experimente scheint es, dass Objekte neben der Sensoreinrichtung 1 sowohl die direkten Kapazitäten zwischen den Kondensatorplatten 23, 24 und dem Objekt als auch die Randkapazität zwischen den Kondensatorplatten beeinflusst. Daher wird bei einem Erhöhen des Gesamtumfangs der Kapazitätenanordnung bei der Annahme, dass sich die Gesamtfläche nicht ändert, die Sensorzelle veranlasst, den Abstand zwischen der Sensorzelle und dem Objekt mit einer größeren Auflösung auf Grund der Randkapazität zu detektieren. Dies kann erklären, warum es scheint, dass Anordnungen mit einem höheren Umfang bei Objekten, die kleiner sind als eine einzelne Sensorzelle 2, wie z. B. Moleküle, empfindlicher sind.
Eine zweite Ausführungsform der Sensorzelle 2 ist in 9 gezeigt. In der Ausführungsform der 9 weist die erste Kondensatorplatte 23 mehrere Finger 91 auf, die abwechselnd zwischen Finger 92 der zweiten Kondensatorplatte 24 eingreifen. Ein erster Verbindungsabschnitt 93 verbindet die Finger 91 der ersten Kondensatorplatte miteinander und ein zweiter Verbindungsabschnitt 94 verbindet die Finger 92 der zweiten Kondensatorplatte miteinander. Wie in 8 gezeigt ist, ist die erste Kondensatorplatte 23 von der zweiten Kondensatorplatte 24 und von dem Massering 89 durch die erste Passivierungsschicht 90 getrennt. Zusätzlich weist die erste Kondensatorplatte 23 mehrere Flächen auf, die den entsprechenden Flächen der ersten Kondensatorplatte 23 gegenüberliegen. Wie man sieht, ist der Gesamtumfang für die Kondensatorplatten 23, 24 in der Anordnung der 9 größer als der Gesamtumfang der Kondensatorplatten 23, 24 in der Anordnung der 8. Als Ergebnis wird die ineinander greifende Anordnung der 9 eine größere Randkapazität aufweisen als die Anordnung der 8. Zusätzlich weist die ineinander greifende Anordnung der 9 eine größere Empfindlichkeit bei kleineren Objekten auf, wie beispielsweise Wasserdampf, als die Anordnung der 8. Jedoch ist die Anordnung der 8 im Allgemeinen widerstandsfähiger und kostet weniger als die ineinander greifende Anordnung der 9 aufgrund der komplizierten Natur der ineinander greifenden Anordnung.
Eine dritte Ausführungsform der Sensorzelle 2 ist in 10 gezeigt. Die erste Kondensatorplatte 23 umfasst zwei rechteckige Abschnitte 96, 98, die diagonal gegenüberliegend in einem ersten und zweiten Abschnitt der Sensorzelle 2 angeordnet sind und durch einen Verbindungsabschnitt 100 verbunden sind. Auf ähnliche Weise umfasst die zweite Kondensatorplatte 24 auch zwei rechteckige Abschnitte 102, 104, die diagonal gegenüberliegend in einem dritten und vierten Abschnitt der Sensorzelle angeordnet sind und durch einen zweiten Verbindungsabschnitt 106 verbunden sind. Um das Kurzschließen der Kondensatorplatten 23, 24 zu vermeiden, ist einer der Verbindungsabschnitte 100, 106 in einer niedrigeren Metalllage angeordnet als der andere Verbindungsabschnitt, wobei eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) die zwei Verbindungsabschnitte voneinander elektrisch isoliert. Gemäß den 8–9 ist die erste Kondensatorplatte 23 von der zweiten Kondensatorplatte 24 und von dem Massering 89 durch die erste Passivierungsschicht 90 getrennt. Bei einer möglichen Anordnung, die in 10 gezeigt ist, weist jede Kondensatorplatte 23, 24 ungefähr 441 μm² bei einer Gesamtkondensatorfläche von 882 μm² auf.
Eine vierte Ausführungsform der Sensorzelle 2 ist in 11 gezeigt. Die erste Kondensatorplatte 23 umfasst fünf Finger 108, die nach außen von einem zentralen Abschnitt 110 abstehen. Die erste Kondensatorplatte 23 ist koplanar zu der zweiten Kondensatorplatte 24 ausgebildet und von dieser vollständig umgeben. Die zweite Kondensatorplatte 24 umfasst auch fünf Finger 108, die in die fünf Finger 108 der ersten Kondensatorplatte 23 eingreifen. Und wieder ist die erste Kondensatorplatte 23 von der zweiten Kondensatorplatte 24 und von dem Massering 89 durch die erste Passivierungsschicht 90 getrennt. Es ist selbstverständlich, dass die Anordnungen, die in den 10 und 11 gezeigt sind, kleinere Gesamtumfänge aufweisen und der Gesamtumfang der ineinander greifenden Anordnung der 9 wäre wahrscheinlich weniger empfindlich gegenüber Objekten, die kleiner sind als die Sensorzelle 2, wie Wasserdampf und Moleküle. Die Anordnungen der 10 und 11 sind einfacher herzustellen, als die Anordnung der 9 und sind widerstandsfähiger und kostengünstiger.
Eine fünfte Ausführungsform der Sensorzelle 2 ist in 12 gezeigt. In der Sensorzelle 2 der 12 sind die erste und zweite Kondensatorplatte 23, 24 spiralförmig angeordnet. Wie bei den anderen Anordnungen ist die erste Kondensatorplatte 23 von der zweiten Kondensatorplatte 24 und von dem Massering 89 durch die erste Passivierungsschicht 90 getrennt. Die spiralförmige Anordnung der 12 weist einen größeren Gesamtumfang auf jedoch eine geringere Gesamtfläche als die Kapazitätsanordnung der 10 und 11. Als Folge ist die spiralförmige Anordnung der 12 wahrscheinlich empfindlicher auf sehr kleine Objekte, wie Wasserdampf, wahrscheinlich aber weniger empfindlich gegenüber großen Objekten, wie Finger, aufgrund ihrer geringeren Gesamtfläche, die zu einer geringeren Gesamtkapazität führt.
Eine Draufsicht auf die Feldanordnung 3 der Sensorzelle 2 der Sensoreinrichtung 1 ist in 13 gezeigt. In der Ausführungsform der 13 ist jede der Sensorzellen 2 quadratisch, obwohl abhängig von der Anwendung andere rechteckige und andere Formen verwendet werden können. Die Größe jeder Sensorzelle 25 liegt im Bereich zwischen ungefähr 25 × 25 μm bis ungefähr 100 × 100 μm. Bei einer Ausgestaltung weist jede Sensorzelle 50 × 50 μm auf, was einer Auflösung von 508 Bildpunkten pro Inch (dpi) entspricht.
Bei der Ausführungsform der 13 werden die Masseringe 89 von benachbarten Sensorzellen 2 geteilt, um ein Erdungsgitter 112 zu bilden. Das Erdungsgitter 112 umfasst Erdungsabschnitte 114 zwischen jeder Zelle und ihrer direkt benachbarten Zellen. Ein solches Erdungsgitter stellt sicher, dass von dem zu vermessenden Objekt erzeugte ESD durch das Erdungsgitter direkt zur Masse entladen wird anstatt durch die Kondensatorplatten 23, 24. Jede der Sensorzellen 2 der Feldanordnung 3 kann die gleiche Anordnung der Kondensatorplatten 23, 24 aufweisen oder mehrere Kondensatoranordnungen könnten abhängig von der Anwendung verwendet werden. Jede Sensorzelle 2 kann eine der Kapazitätsanordnungen der 8–12 enthalten oder zahlreiche andere Kapazitätsanordnungen, wie fraktale Anordnungen oder zahlreiche andere Formen.
Die oben beschriebenen Sensorzellen 2 werden vorzugsweise mit Hilfe herkömmlicher Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen aus Silizium hergestellt. Insbesondere können alle Elemente der Sensoreinrichtung 1, die in den 1–6 gezeigt sind, auf einem einzelnen Chip integriert werden. Alternativ können ein oder mehrere der Elemente wie z. B. der Oszillator 46 getrennt hergestellt werden und mit den integrierten Elementen der Sensoreinrichtung 1 verbunden werden.
Die Sensoreinrichtungen der 1–6 und 8–13 weisen zumindest die folgenden Vorteile auf. Insbesondere bietet die beschriebene Sensoreinrichtung einen hohen Grad an Genauigkeit, ohne das Ausgangssignal aufwändig verarbeiten zu müssen. Weiterhin kann die Sensoreinrichtung in einfacher Weise hergestellt und mit Hilfe aktueller Mikroelektroniktechnologie integriert werden und ist hochzuverlässig, kompakt und kostengünstig herzustellen.
Die Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung kann auch vorteilhafterweise in anderen Anwendungen verwendet werden, die eine genaue Detektion von kleinen Abständen erfordern.
Weiterhin kann durch den einfachen Aufbau jeder Zelle eine große Anzahl von Zellen in einer Feldanordnungsstruktur untergebracht werden, um zweidimensionale physikalische Größen zu detektieren.
Es ist klar, dass Modifikationen an der beschriebenen und dargestellten Einrichtung vorgenommen werden können, ohne jedoch von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere, wenn Herstellungstechniken verfügbar sind, die die Bildung von elastischen Strukturen (Mikrosystemtechniken) erlauben, kann die Elektrode, deren Abstand gemessen werden soll, direkt mit dem Eingang oder Ausgang des invertierenden Verstärkers 13 verbunden sein, um eine der Kondensatorplatten 23, 24 wegzulassen. Weiterhin können alle Komponenten durch technische Äquivalente ersetzt werden. Obwohl z. B. ein Inverter wie z. B. der invertierende Verstärker 13 momentan aus Gründen des Aufbaus und des Layout bevorzugt ist, kann der Verstärker 13 durch jeden invertierenden oder differenzierenden Verstärker (z. B. ein Operationsverstärker) in einer ladungsverstärkenden Anordnung eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit des Ausgangssignals zu erhöhen.

Claims

Integrierte Sensoreinrichtung zum Detektieren eines Abstandes zwischen der Sensoreinrichtung und einem Objekt, umfassend: eine erste Kondensatorplatte (23) zum Bilden einer ersten Kapazität (33) zwischen der ersten Kondensatorplatte (23) und dem Objekt, wenn die erste Kondensatorplatte (23) neben dem Objekt angeordnet ist; eine zweite Kondensatorplatte (24) zum Bilden einer zweiten Kapazität (34) zwischen der zweiten Kondensatorplatte (24) und dem Objekt, wenn die zweite Kondensatorplatte (24) neben dem Objekt angeordnet ist; ein Verstärker (13) mit einem Eingang (16) und einem Ausgang (17), wobei der Eingang (16) mit einer der ersten und zweiten Kondensatorplatte (23, 24) und der Ausgang (17) mit der entsprechend anderen der ersten und zweiten Kondensatorplatte (23, 24) verbunden sind, um einen Gegenkopplungszweig zu bilden, der die erste und die zweite Kapazität (33, 34) umfasst, wobei eine Ausgangsspannung an dem Verstärkerausgang erzeugt wird, die proportional zu einem Abstand zwischen der ersten Kondensatorplatte und dem Objekt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Kondensatorplatte (23, 24) in einer im wesentlichen ebenen Anordnung angeordnet sind, bei der mehrere Flächen (83, 84) der ersten Kondensatorplatte (23) benachbart zu mehreren Flächen (85, 86) der zweiten Kondensatorplatte (24) angeordnet sind und diesen gegenüberliegen.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Schicht aus isolierendem Material (25) umfasst, die die Außenflächen der ersten und zweiten Kondensatorplatte (23, 24) kontaktiert, so dass das isolierende Material (25) zwischen den Kondensatorplatten (23, 24) und dem Objekt angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: ein Erdungselement (89), das die erste und zweite Kondensatorplatte (23, 24) in einer Ebene umgibt, wobei das Erdungselement (89) mit der Masse verbunden ist, um einen Entladungspfad für eine elektrostatische Entladung aufgrund des Objektes zu schaffen.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Kondensatorplatte (23, 24) in einer ineinander eingreifenden Anordnung angeordnet sind, in der Finger der ersten Kondensatorplatte (23) zwischen Fingern der zweiten Kondensatorplatte (24) eingreifen.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Kondensatorplatte (23) C-förmig ist und zwei Enden (60, 62) aufweist, die eine Lücke definieren, und wobei die zweite Kondensatorplatte (24) einen inneren Abschnitt (78), die auf zumindest drei Seiten durch die erste Kondensatorplatte (23) umgeben ist, einen äußeren Abschnitt (88), der außerhalb der ersten Kondensatorplatte (23) angeordnet ist, und einen Verbindungsabschnitt (82) aufweist, der den inneren Abschnitt (87) mit dem äußeren Abschnitt (88) verbindet.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Kondensatorplatte (23) zwei rechteckige Abschnitte (96, 98), die in diagonal gegenüberliegenden Abschnitten einer rechteckigen Sensorzelle (2) angeordnet sind, und einen Verbindungsabschnitt (100) aufweist, der die zwei rechteckigen Abschnitte (96, 98) miteinander verbindet, und wobei die zweite Kondensatorplatte (24) zwei rechteckige Abschnitte (102, 104), die diagonal einander gegenüberliegenden Abschnitten der rechtwinkligen Sensorzelle (2) angeordnet sind, und einen Verbindungsabschnitt (106), der die zwei rechtwinkligen Abschnitte (102, 104) der zweiten Kondensatorplatte (24) miteinander verbindet, und den Verbindungsabschnitt (100) der ersten Kondensatorplatte (23) kreuzt, aufweist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Kondensatorplatte die zweite Kondensatorplatte in einer Ebene umgibt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Kondensatorplatte in einer spiralförmigen Anordnung angeordnet sind.