專利名稱：確定很小電容的方法及用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于確定電氣元件很小電容的，尤其是在電容地測量的表面傳感器上，尤其是在指紋傳感器上可以應用的一種方法。
很小的電容可以如此來確定，多次充電電容和分別在較大的電容上結集電荷。從在某個數目充電過程時所結集電荷的大小可以推斷小的電容。例如在電容地測量的指紋傳感器上可以應用此方法。圖4中以圖表表示了適合于此的導體和電氣電路元件的一種裝置。為了攝取例如指紋的完整圖像，采用導體面的，配備了覆蓋層和指鼓用支承面的網格狀裝置。通過導體離可假設為接地的皮膚表面的不同距離得出不同的電容。所以在施加相同的電位差時，使通過導體和相距于此地布置的皮膚表面范圍形成的電容器不同強度地充電。這些電荷是對皮膚表面的電容用的一種尺度，并且因此可以用來攝取指紋。為了能夠測量很小的電荷，在多次充電過程之后分別在較大的電容上結集和測量這些電荷。
圖4a中以剖面圖表示了要采集圖像的表面1，此圖像與迎向圖像表面的導體面2有距離。此導體面2是與導線3連接的，并且起著相對于要采集圖像表面1的電容器板的作用。將導體面可以經開關S1和S2交替地與在這里在實例中提供5伏電壓的直流電壓源，和與起集中電容作用的電容器Cs連接。用畫入的庫侖計Cb測量在此電容器Cs上結集的電荷。
圖4b中表示了用它們操作開關S1和S2的開關信號，以及作為時間函數的，由庫侖計測量的電荷。
圖4c中表示了來自圖4a的裝置用的電氣等效電路圖。
替代測量由兩個不同平面中的導體面形成的電容器的電荷，人們可以測量同一平面中的兩個導體面的電容。為此人們優先分別選擇互相相鄰布置的兩個導體面。通過例如皮膚表面的圖像的安放的上側面互相耦合這些導體。甚至在這里，皮膚表面對導體面的距離越小，電容的耦合則越強。在電荷測量裝置中測量所傳輸的電荷。圖5a和5b中表示了所屬的傳感器裝置和電氣等效電路圖。所以在此方法上采用唯一的結構化的導體平面已足夠，實際上此導體平面僅由具有互相交叉導線的導體面的陣列組成。由于不必將導體與在附近的有源元件連接，可以將這些導體安置在絕緣的膜上。但是人們在應用此方法時獲得的電荷大大小于在借助于圖4時所說明的。
電荷測量裝置優先由放大器組成。如果還后接模數轉換器，以便能進行測量的數字式分析處理的話，此放大器和此模數轉換器需要許多面積，這導致，僅能控制和讀出一個像點。必須低阻抗地固定所有其余的控制線和讀出線，圖6中以對導體面裝置的示意性俯視圖展示了這一點。在這里控制線是各個正方形導體面的垂直連接。讀出線水平分布。控制線和讀出線在交叉點上是互相絕緣的。通過圓的箭頭表示了電容的耦合。在SE 448408中說明了一種可比較的指紋傳感器。在此種控制的方式上人們實現，僅控制線電容地過耦合到導線上。但是為了讀出線不交互地相互過耦合，必須低阻抗地固定所有的讀出線，例如可以通過開關，或通過放大器的低阻抗的輸入電阻實現這一點。
圖7中表示了一種電路，用此電路可以實施如在電壓倍增器上也利用那樣的，用串聯電容的電荷泵方法。
本發明的任務在于，說明用于確定網格狀電容器裝置的很小電容的一種方法。此方法應尤其是適合于例如指紋的圖像采集的。
用具有權利要求1特征的方法解決此任務。在從屬權利要求中得出發展，尤其是用于圖像采集的方法的用途。
在按本發明的方法上同時讀出所有的讀出線(圖6中的導線LLn-1,LLn,LLn+1)。已經在測量過程期間將來自每個讀出線的測量值數字化。為此采用按
圖1a的用串聯電容的泵方法。為了抑制從讀出線到讀出線的過耦合，通過兩個開關和運算放大器代替兩個二極管。在圖1a的電路圖表中畫入了這些開關S1、S2和運算放大器OP。在圖1b中畫入了生成電壓Up的時間序列，和開關S1與S2以及電容器Us上電流Ip與電壓的時間序列。緊挨發生器信號Up的正波沿之前轉換兩個開關S1、S2。現在將電容Cp直接與集中電容Cs連接。隨著生成電壓Up的正的，即上升的波沿將電荷從電容器Cp傳輸到集中電容器Cs上，在此情況下集中電容器Cs的電容顯著地大于電容器Cp的電容。電壓Us上升達一個小的數額。一旦電流Ip衰減了，就重新轉換開關。現在電容Cp是與運算放大器OP的輸出端連接的。此反饋的運算放大器直接以1∶1的比例傳輸集中電容器Cs上的電壓Us到它的輸出端上。在開關轉換之后跟隨著生成電壓Up的負的，即下降的波沿。經運算放大器的低阻抗的輸出端重新將電容器Cp充電，而電荷不從集中電容器Cs流出。所以在再次轉換開關之后可以重復從電容器Cp到集中電容器Cs上的放電過程。這個流程在以下稱為泵循環。在泵循環期間讀出線上的電壓僅少量變化，以致于不必擔心從一個讀出線到另外一個上的過耦合。所以用此方法可以經控制線(圖6中的導線SLk-2,SLk-1,SLk,SLk+1)泵由像點組成的陣列的所有讀出線，并且分析處理所有的讀出線。
優先如此地實施本方法，將集中電容器Cs充電到規定值時為止，通過比較器借助于基準電壓Uref確定此規定值的超越，和用計數器計數到此值之前的泵循環的數目。圖2中表示了一種這樣的裝置，在其中用Ct表示了計數器和用Rg表示了記錄單元。開關S3用于，將計數器Ct交替地連接到比較器K的輸出端上和記錄單元的輸入端上。當達到了集中電容器上的基準電壓時，可以以此方式仃止計數器。在開關S3的轉換之后由記錄單元存儲由計數器確定的泵循環的數目，和/或輸送給進一步的分析處理。
圖3展示適合于本方法的運算放大器的一種可能的發展，正如在按圖1a和2的裝置中可以采用這種運算放大器的那樣。但是不排除實現運算放大器的另外的可能性。
對于按本發明的方法主要的在于，不直接放大要測量的小電荷，或位于電容器上的電壓，而是通過直到規定界限時的累積直接轉換成數字式測量結果。此外對于本方法主要的在于，每次同時測量一組要測量的電容。在此例如可以優先涉及單個電容器的矩陣狀裝置中的各自的列。通過如上面已說明的合適的電路可以實現，避免各個讀出線之間的過耦合。
尤其可以將泵方法應用在經兩個相鄰導體面的耦合來電容地采集圖像的傳感器上。在主要通過結構化的導體平面形成的指紋傳感器上可以采用本方法于測量像素電容。人們稱傳感器的最小測量面積為像素，也就是像點。傳感器每個面積單元的像素數越高，傳感器的分辨率則越好。指紋傳感器的像素尺寸位于50μm至100μm的數量級上。像素電容的值是與手指皮膚表面離導體面的距離成反比的。所以直到某個基準值時的泵循環數目n是與皮膚表面離傳感器導體面的距離成正比的。
電荷上升為Qp=CpΔUp。
結集的電荷為Qs=CsUs，式中Us最高變為如基準電壓Uref那樣大。
由于此外適用Qs=nQp，對于Us=Uref人們有關系式n=Qs/Qp。
電容Cp是與手指皮膚表面和導體面之間的距離成反比的；所以泵循環數目是與此距離成比例的。
運算放大器、比較器和集中電容器的電路是如此地緊湊，以致于它們在裝置的每個行中可以是存在一次的。通過不斷的轉換來補償運算放大器的可能的失調。
權利要求
1．用于確定由電導體面(2)副形成的電容器(Cp)的網格狀裝置的很小電容的方法，其中a)進行將導體面(2)劃分為組，b)通過讀出線(LLn-1,LLn,LLn+1)導電地互相連接各一個組的導體面(2)，c)互相分開地用各一個控制線(SLk-1,SLk,SLk+1)導電地互相連接各一個組的導體面(2)，d)在規定的時間期間如此施加一個電位到各自一個控制線上，使得在控制線和多個讀出線之間出現給電容器(Cp)充電的電位差，這些電容器由與控制線連接的各至少一個導體面和與這些讀出線中之一連接的各至少一個導體面形成，e)經每個讀出線分開地導出電荷到各一個集中電容器(Cs)上，f)關斷施加到控制線上的電位，并且借助于電路讓有關的讀出線低阻抗地記憶各自的電位，此電位定義有關集中電容器相對于準基電位的電荷狀態，g)如此經常地重復步驟d至f，直到已進行規定的充電數目時，或直到大于規定值的電位差位于每個集中電容器(Cs)上時為止，和h)然后對于每個讀出線確定集中電容器的電荷或電位差，或充電數目。
2．按權利要求1的方法，其中，在步驟f中采用各一個反饋的運算放大器(OP)，最遲在在其上關斷施加到有關控制線上的電位的時刻上，在各一個要測量的電容器(Cp)和有關的集中電容器(Cs)之間將運算放大器用它的輸出端接通到讀出線上。
3．按權利要求2的方法，其中，采用由兩個p溝道MOSFET(M1,M2)和三個n溝道MOSFET(M3,M4)組成的電路作為運算放大器(OP)，在此情況下p溝道MOSFET(M1,M2)的源極接頭和第一n溝道MOSFET(M5)的漏極接頭是與供電電壓的一個接頭連接的，p溝道MOSFET的漏極接頭是與第二和第三n溝道MOSFET(M3,M4)中的各一個的漏極接頭連接的，p溝道MOSFET的柵極接頭是互相地并且與第三n溝道MOSFET的漏極接頭連接的，第二和第三n溝道MOSFET的源極接頭是互相地和經電源與供電電壓的另外接頭連接的，第一n溝道MOSFET的柵極接頭是與第二n溝道MOSFET的漏極接頭連接的，第一n溝道MOSFET的源極接頭是與第二n溝道MOSFET的柵極接頭連接的，并且經其它的電源與供電電壓的另外接頭連接的，并且形成電路的輸出端，和第三n溝道MOSFET的柵極接頭形成電路的輸入端。
4．采用按權利要求1至3之一的方法用于借助于結構化的導體面的電容的圖像采集的應用。
全文摘要
連接電容器面的網格到讀出和控制線上。交替地連接讀出線(LL)到反饋的運算放大器(OP)的輸出端上和到集中電容器(Cs)上。多次地充電要測量的電容(Cp)和結集集中電容器上的電荷。在充電之間借助于運算放大器的低阻抗輸出端恒定地保持讀出線上的電位。在指紋傳感器上采用此方法使得共同分析處理所有的讀出線成為可能。
文檔編號G01R27/26GK1311859SQ99809099
公開日2001年9月5日 申請日期1999年7月1日 優先權日1998年7月23日
發明者P·W·馮巴瑟, J·維勒爾 申請人:因芬尼昂技術股份公司
專業數控銑床產品供應商
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