СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОЧЕНЬ МАЛЫХ ЕМКОСТЕЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2003 года по МПК G01R27/26 

Настоящее изобретение относится к способу определения очень малых емкостей электрических компонентов, который может быть применен в особенности в поверхностных датчиках для емкостных измерений, в частности в датчиках отпечатков пальцев.

Очень малые емкости можно определять способом, при котором емкость многократно заряжается, и заряд соответственно накапливается на большей емкости. По величине заряда, накопленного за определенное число циклов заряда, можно сделать вывод о величине малой емкости. Этот способ может применяться, например, в датчике отпечатков пальцев, основанном на емкостных измерениях. Конфигурация проводников и компонентов электрической схемы, которые используются при этом, показана в виде схемы на фиг.4.

Для восприятия полного изображения, например отпечатка пальца, применяется конфигурация проводящих плоскостей в форме растра, которая снабжена покрытием и опорной плоскостью для кончика пальца. Вследствие различного расстояния от проводников до поверхности кожи, воспринимаемой как заземленной, формируются различные емкости. Поэтому конденсаторы, образуемые проводниками и размещенными на некотором расстоянии участками поверхности кожи, при приложении одинаковой разности потенциалов, заряжаются различным образом. Величины такого заряда являются мерой емкости по отношению к поверхности кожи и поэтому могут служить для определения отпечатка пальца. Чтобы иметь возможность измерять очень малые величины заряда, они накапливаются в течение нескольких циклов заряда на большей емкости и измеряются.

На фиг.4А в сечении представлена поверхность 1 определяемого изображения на расстоянии от поверхностей 2 проводников, обращенных к поверхности изображения. Такая поверхность 2 проводника соединена с проводником 3 и действует как пластина конденсатора по отношению к поверхности 1 измеряемого изображения. Она может соединяться через переключатели S1 и S2 поочередно с источником постоянного напряжения, который в данном примере выдает напряжение 5 вольт, и с конденсатором C_s, который функционирует в качестве накопительного конденсатора. Заряд, накопленный на этом конденсаторе C_s, измеряется показанным на чертеже кулонометром Сb.

На фиг.4В показаны сигналы переключения, с помощью которых приводятся в действие переключатели S1 и S2, а также измеренные кулонометром величины заряда в функции времени.

На фиг. 4С представлена эквивалентная электрическая схема, соответствующая устройству, показанному на фиг.4A.

Вместо измерения заряда конденсатора, который образован проводящими поверхностями в двух различных плоскостях, можно измерять емкости двух проводящих поверхностей в одной и той же плоскости. Предпочтительно для этого выбирают две расположенные рядом поверхности проводников. Эти проводники связаны друг с другом приложенной верхней стороной изображения, например поверхностью кожи. И в данном случае емкостная связь тем сильнее, чем меньше расстояние от поверхности кожи до поверхности проводников. Переносимый заряд измеряется с помощью прибора для измерения заряда. Соответствующая конфигурация датчика и электрическая эквивалентная схема показаны на фиг.5A и 5B.

При таком способе достаточно использовать единственную структурированную проводящую плоскость, которая практически состоит из поля проводящих поверхностей с перекрещивающимися проводниками. Так как нет необходимости соединять проводники с активными компонентами в непосредственной близости, то их можно расположить на изолирующих пленках. Однако заряды, которые получают при применении данного способа, имеют существенно меньшую величину, чем в варианте, представленном на фиг.4.

Прибор для измерения заряда состоит предпочтительно из усилителя. Если далее подключен аналого-цифровой преобразователь, чтобы иметь возможность получать цифровую оценку измерения, то такой усилитель и такой аналого-цифровой преобразователь для своего размещения требуют относительно большой площади, что приводит к тому, что имеется возможность возбуждения и считывания только одного элемента изображения. Все другие проводники возбуждения и считывания должны поддерживаться в низкоомном состоянии, что показано на фиг. 6 на виде сверху конфигурации проводящей поверхности. Проводники возбуждения здесь соответствуют вертикальным соединениям отдельных квадратных проводящих поверхностей. Проводники считывания проходят горизонтально. В точках пересечения проводники возбуждения и проводники считывания изолированы друг от друга. Емкостные связи показаны на чертеже скругленными стрелками.

Сопоставимый датчик отпечатков пальцев описан в SE 448408. За счет такого типа возбуждения достигается то, что только один проводник возбуждения имеет емкостную связь выше критической с проводниками. Однако для того чтобы проводники считывания не имели взаимную емкостную связь выше критической, все проводники считывания должны поддерживаться в низкоомном состоянии, что может быть реализовано с помощью переключателя или с помощью низкоомного входного сопротивления усилителя.

На фиг.7 показана схема, с помощью которой можно осуществить способ накачки зарядов с использованием последовательной емкости, что также используется в умножителях напряжения.

Задачей настоящего изобретения является создание способа определения очень малых емкостей конфигурации конденсаторов растровой формы. Этот способ должен быть пригодным для применения особенно в датчиках отпечатков пальцев.

Эта задача решается в способе, характеризуемом признаками п. 1 формулы изобретения. Варианты осуществления, в частности применение способа для определения изображений, изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В предлагаемом способе все проводники считывания (LL_n-1, LL_n, LL_n+1 на фиг. 6) считываются одновременно. Измеренное значение из каждого проводника считывания уже в процессе измерений преобразуется в цифровую форму. Для этого применяется способ накачки с последовательным конденсатором согласно фиг. 1. Чтобы подавить емкостную связь выше критической от одного проводника считывания к другому проводнику считывания, оба диода и заменены двумя переключателями и одним операционным усилителем.

Эти переключатели S1, S2 и операционный усилитель ОР показаны на схеме, представленной на фиг. 1A. На фиг.1B показана временная последовательность генерируемого напряжения U_p и сигналы переключения переключателей S1 и S2, а также тока I_р и напряжения U_s на конденсаторе. Непосредственно перед положительным фронтом генерируемого сигнала U_p оба переключателя S1, S2 переключаются. Емкость С_р при этом становится непосредственно связанной с накопительной емкостью C_s.

В момент положительного, т.е. нарастающего фронта генерируемого напряжения U_p заряд конденсатора С_р переносится на накопительный конденсатор C_s, причем емкость накопительного конденсатора C_s существенно больше, чем емкость конденсатора С_р. Напряжение U_s возрастает на небольшую величину. Как только ток I_р затухает, переключатели вновь переключаются. Теперь емкость С_р связана с выходом операционного усилителя ОР. Этот операционный усилитель с обратной связью переносит напряжение U_s на накопительном конденсаторе C_s непосредственно на свой выход в отношении 1:1.

После переключения переключателей следует отрицательный, т.е. спадающий фронт генерируемого напряжения U_p. Через низкоомный выход операционного усилителя конденсатор Ср вновь заряжается без стекания заряда накопительного конденсатора C_s. Поэтому после еще одного переключения переключателей можно повторить процесс разряда конденсатора С_р на накопительный конденсатор C_s.

Данный процесс в последующем называется циклом накачки. В течение цикла накачки напряжение на проводнике считывания изменяется лишь незначительно, так что можно не опасаться емкостной связи выше критической от одного проводника считывания к другому проводнику считывания. Поэтому таким способом можно осуществить накачку всех проводников считывания поля элементов изображения через один проводник возбуждения (проводники SL_k-2, SL_k-1, SL_k, SL_k+1 на фиг.6) и произвести оценку всех проводников считывания.

Предпочтительно способ выполняется таким образом, что накопительные конденсаторы C_s заряжаются до предварительно заданного значения, превышение этого предварительно заданного значения устанавливается с помощью компаратора с использованием опорного напряжения U_ref, и число циклов накачки до достижения этого значения отсчитывается соответствующим счетчиком. Подобное устройство показано на фиг.2, где ссылочной позицией Ct обозначен счетчик, а ссылочной позицией Rg обозначен блок регистрации. Переключатель S3 служит для того, чтобы счетчик Ct попеременно подключать к выходу компаратора К и к входу блока регистрации. Таким путем можно остановить счетчик в момент, когда на накопительном конденсаторе достигнуто значение опорного напряжения. Подсчитанное счетчиком число циклов накачки может после переключения переключателя S3 сохраняться в блоке регистрации и/или подаваться для последующей оценки.

На фиг. 3 показан возможный вариант выполнения операционного усилителя ОР, пригодного для использования в описываемом способе, в том виде, как он может использоваться в устройствах по фиг.1A и 2. Другие возможности реализации операционного усилителя также не исключаются.

Существенным для предлагаемого способа является то, что малые измеряемые значения заряда или соответственно приложенные к конденсаторам напряжения не усиливаются непосредственно, а посредством накопления до предварительно заданного предельного значения непосредственно преобразуются в цифровой результат измерения. Кроме того, для данного способа существенным является то, что соответствующая группа измеряемых емкостей измеряется одновременно. При этом речь может идти предпочтительно о соответствующем столбце матричной конфигурации, составленной отдельными конденсаторами. Путем соответствующей схемы, как описано выше, можно обеспечить исключение емкостной связи выше критической между отдельными проводниками считывания.

Способ накачки может, в частности, применяться в датчике, который посредством связи двух расположенных рядом проводящих поверхностей, определяет изображение емкостным способом. В датчике отпечатков пальцев, который по существу образован структурированной проводящей поверхностью, способ может использоваться для измерения емкости элементов изображения (пикселей). В качестве пикселя обозначают наименьшую измеряемую площадь датчика, т.е. элемент изображения. Чем больше число пикселей на единицу площади датчика, тем выше его разрешение. Размер пикселя в датчике отпечатков пальцев имеет порядок величины от 50 до 100 мкм. Значение емкости пикселя обратно пропорционально расстоянию от поверхности кожи пальца до проводящей поверхности. Поэтому число n циклов накачки до достижения определенного опорного значения прямо пропорционально расстоянию от поверхности кожи до проводящей поверхности датчика.

Отклонение заряда равно: Q_p=C_pΔU_p.

Накопленный заряд равен: Q_s=C_sU_s, причем U_s имеет наибольшее значение, равное опорному напряжению U_ref.

Так как, кроме того, Q_s=nQ_p, то для U_s=U_ref справедливо соотношение n= Q_s/Q_p.

Емкость С_р обратно пропорциональна расстоянию между поверхностью кожи пальца и проводящей поверхностью; поэтому число циклов накачки пропорционально этому расстоянию.

Схема операционного усилителя, компаратора и накопительного конденсатора настолько компактна, что она может быть предусмотрена для каждой ячейки устройства. Потенциально возможное смещение операционных усилителей компенсируется постоянными переключениями.

Использование: в поверхностных датчиках для емкостных измерений, в частности в датчиках отпечатков пальцев. Технический результат заключается в возможности совместно оценивать все проводники считывания при применении этого способа в датчике отпечатков пальцев. Растр конденсаторных пластинок подсоединяется к проводникам считывания и возбуждения. Проводники считывания (LL) попеременно подключаются к выходу операционного усилителя (ОР) с обратной связью и к накопительному конденсатору (C_s). Измеряемые емкости (С_р) многократно заряжаются, и заряды накапливаются на накопительных конденсаторах. Между циклами заряда потенциал на проводниках считывания за счет низкоомного выхода операционного усилителя поддерживается постоянным. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения очень малых емкостей компоновки конденсаторов (С_p) в форме растра, которые образованы парами электрических проводящих поверхностей (2), при котором a) осуществляют распределение проводящих поверхностей (2) по группам, b) каждую из проводящих поверхностей (2) одних групп электрически соединяют друг с другом посредством проводника считывания (LL_n-1, LL_n, LL_n+1), c) каждую из проводящих поверхностей (2) других групп электрически соединяют друг с другом посредством проводника возбуждения (SL_k-1, SL_k, SL_k+1), d) к соответствующему проводнику возбуждения в течение предварительно заданного времени прикладывают электрический потенциал так, что между проводником возбуждения и несколькими проводниками считывания возникает разность потенциалов, которая заряжает конденсаторы (С_р), образованные по меньшей мере одной связанной с проводником возбуждения проводящей поверхностью и по меньшей мере одной связанной с одним из этих проводников считывания проводящей поверхностью, e) заряд отводят посредством каждого проводника считывания в отдельности на накопительный конденсатор (С_s), f) приложенный к проводнику возбуждения потенциал отключают и к соответствующему проводнику считывания прикладывают при низком электрическом сопротивлении соответствующий потенциал, который определяет состояние заряда соответствующего накопительного конденсатора относительно опорного потенциала, g) этапы от (d) до (f) повторяют до тех пор, пока не будет реализовано предварительно заданное количество циклов заряда или пока к каждому накопительному конденсатору (С_s) не будет приложена разность потенциалов, которая превышает предварительно заданное значение, и h) для каждого проводника считывания определяют заряд или разность потенциалов накопительного конденсатора или соответственно число циклов заряда. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе (f) используют операционный усилитель (ОР) с обратной связью, который не позже чем в момент времени, когда отключается потенциал, приложенный к соответствующему проводнику возбуждения, подключается своим выходом между соответствующим измеряемым конденсатором (С_р) и относящимся к нему накопительным конденсатором (С_s) к проводнику считывания. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве операционного усилителя (ОР) используется схема, состоящая из двух полевых МОП-транзисторов с р-каналом (M1, M2) и трех полевых МОП-транзисторов с n-каналом (М3, М4, М5), причем выводы истока полевых МОП-транзисторов с р-каналом (M1, M2) и вывод стока первого полевого МОП-транзистора с n-каналом (М5) соединены с выводом напряжения питания, выводы стока полевых МОП-транзисторов с р-каналом соединены с выводами стока соответственно одного из упомянутых, второго и третьего, полевых МОП-транзисторов с n-каналом (М3, М4), выводы затвора полевых МОП-транзисторов с р-каналом соединены друг с другом и с выводом стока третьего полевого МОП-транзистора с n-каналом, выводы истока второго и третьего полевых МОП-транзисторов с n-каналом соединены друг с другом и через источник тока с другим выводом напряжения питания, вывод затвора первого полевого МОП-транзистора n-каналом соединен с выводом стока второго полевого МОП-транзистора с n-каналом, вывод истока первого полевого МОП-транзистора с n-каналом соединен с выводом затвора второго полевого МОП-транзистора с n-каналом и через другой источник тока - с другим выводом напряжения питания и образует выход схемы, а вывод затвора третьего полевого МОП-транзистора с n-каналом образует вход схемы. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что структурированные проводящие поверхности в форме растров, которые образованы из пар электрических проводящих поверхностей, используют для емкостного определения изображения.