專利名稱：測定極小電容的方法以及用此方法設(shè)計的傳感器的制作方法
當(dāng)前這個發(fā)明涉及了一個用于測定極小電容的方法，本方法特別適合用于求取微型機械式傳感器的測量結(jié)果。
在電容測量式傳感器中，例如象微型機械式壓力傳感器(EP 0 714017＝US 5,631,428，WO 96/16319)或者象加速度傳感器(WO95/19572，EP 0 730 157)，對于集成化小元件如雙極晶體管和MOS晶體管，MIM-電容器等參數(shù)測定來說就產(chǎn)生了一個問題，就是如何以高精度準(zhǔn)確的測定這個非常小的電容。電容的測量值被摻雜了一些擾動因素。例如寄生電容這種持久的擾動量。變化的擾動量，例如可以是由測量裝置所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁交變場或者是通過機械震蕩引起的。為了使測量的結(jié)果相對準(zhǔn)確，這個擾動量必須以合適的方式被補償，或者至少能夠被測量。
為了測量這個較小的電容值推薦使用一個放大器。在這個測量過程中，該電容是通過高頻交流電壓或者脈沖電壓被激勵以產(chǎn)生測量信號。干擾信號或者是直接利用測量放大器測量和抑制，或者是在一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后被數(shù)字化補償。本方法是非常昂貴并且需要較高的準(zhǔn)確度。
在M.Tartagni，R.Guerrieri所發(fā)表的“建立在反饋的容性檢測裝置上的390dpi的活的指紋圖像”中，1997 ISSCC的附錄，154頁到155頁以及402頁上，給出了指紋傳感器不同實現(xiàn)可能性的概述。這種傳感器適用于，利用電子方法來獲得指紋，也就是獲得指尖表皮平面上的凹槽和隔膜構(gòu)成的圖形，并且如果有可能也進一步應(yīng)用于人員鑒別的目的。對于在這里說明的電容測量式傳感器也同樣存在這種問題，即必須測量非常小的電容。測量必須在很短的時間里，在指尖平放在傳感器上的期間里被執(zhí)行同時應(yīng)該提供一個足夠精確并且對比強烈的結(jié)果，這樣不同的手指紋路彼此之間就可以被區(qū)分出來。
在EP 0 457 398 B1中指紋傳感器被描寫如下，對于這個傳感器手指被平放于一個不會變形的涂層表面并且利用相對于傳感器中金屬平面的布置而產(chǎn)生的電容來測定指紋。為了這個目的電子放大器和開關(guān)被連接到每個金屬平面上，這種電路被推薦用來防止干擾作用。
本發(fā)明的任務(wù)是，給出一個用來測量一個極小電容的方法。另外一個任務(wù)是，設(shè)計一個電容測量式傳感器，特別是一個用來記錄指紋的傳感器，這個傳感器對于電容的極小的變化可以提供一個精確的測量結(jié)果。
這個任務(wù)是利用具有權(quán)利要求1的特征的方法，或者是利用具有權(quán)利要求3的特征的傳感器，或者是利用具有權(quán)利要求5的特征的指紋傳感器來加以解決。每一種實現(xiàn)形式都是由從屬專利權(quán)給出。
對于這個依照本發(fā)明的方法所要測量的電容是由此確定的，即首先一個電壓被加在有關(guān)的電容器或者加在起到電容器作用的元件上同時電容器被充電。該電容器被放電到一個預(yù)先給定的比其大得多的電容器上，接下來被標(biāo)明為測量電容器。這個充電和放電的過程由于這個較小的所要測量的電容而被多次重復(fù)。在測量電容器上電荷被分批的積累然后被利用。這里出現(xiàn)了一個選擇，測量電容器的電壓在達到一個預(yù)先給定的充電(電荷分批處理)次數(shù)后被測量或者充電次數(shù)被記錄，這個充電次數(shù)對于測量電容器充電到預(yù)先給定的電壓是必須的。在第一種所說的情況中完成預(yù)先給定充電次數(shù)后所達到的電壓和所要測量的電容的大小是成正比的。在第二種所說的情況中充電次數(shù)和所要測量的電容是成反比的。
對于傳感器來說，起到電容器極板功能的兩個電極的距離是依賴于測量值而變化的，所要測量的電容值與電極的距離成反比。如果測量電容器的充電次數(shù)(充電分批處理)和所測量的距離成正比，那么求取測量結(jié)果就被簡化了。因此依照本發(fā)明的方法有特別的優(yōu)點，特別對于例如可以作為微型機械傳感器而實現(xiàn)的這種傳感器來說，這種方法可以立即提供一個希望的數(shù)字式結(jié)果值，這個結(jié)果可以被數(shù)字化的進一步處理。在一開始就提到的測量干擾效應(yīng)被抑制或者可以被數(shù)字化補償。
該方法由于充電的累積而起到積分器的作用。這個積分器有如下特性，高頻干擾被抑制。低頻干擾可以被記錄同時利用數(shù)字化的方法被計算出來，這個方法是我們熟悉的。
本方法特別適合被用于，利用電容測量的微型機械傳感器里，例如象壓力傳感器或者加速度傳感器。對于這種壓力傳感器來說導(dǎo)電膜片(例如用至少部分導(dǎo)電雜質(zhì)的多晶硅制成的)的依賴于外部壓力的變化通過一個空隙被如下測定，即測定這個膜片相對一個存在于該空隙對面的對電極(例如半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電摻雜區(qū)域)被改變的電容。于是這里較小的電容和電容變化給依照本發(fā)明的方法提供了一個可能性，即這種傳感器的測量精確度可以被提高超過目前為止可達到的精度。
依照本發(fā)明的方法特別適合實現(xiàn)一個具有特別簡單構(gòu)造的指紋傳感器，盡管構(gòu)造簡單仍然可以實現(xiàn)一個好的功能特性。對于這種依照本發(fā)明的指紋傳感器同樣可以應(yīng)用電容式測量方法。利用金屬平面的布置這種測量不會引起傳感器部分的機械變形，這種金屬平面總是構(gòu)造成電容器的一個極板。金屬平面利用絕緣的鈍化層被覆蓋，手指是平放在該鈍化層的上表面。表皮平面的凹槽和隔膜與金屬平面一起構(gòu)造產(chǎn)生不同的電容。表皮平面可以看作具有足夠強的導(dǎo)電性并且處于實際的機殼電位上。如果金屬平面處于確定的電位，就可以按不同強度被充電。電荷被分別提供給具有比測量電容器更大電容的電容器。金屬平面被多次充電，并且電荷總是被累積在測量電容器上。根據(jù)這種方式下面情況是有可能的，即累積了如此多的電荷，以便于利用大量的電荷或者所達到的電壓實現(xiàn)金屬平面和表皮之間電容的準(zhǔn)確測量。
為了能夠獲得指紋，金屬平面的充電狀態(tài)可以用如下列舉的方式被確定，例如矩陣式存儲器讀取的方式。在金屬平面根據(jù)矩陣方式布置的情況下金屬平面按照逐列方式同時被充電到同一電位。這相當(dāng)于通過字線對由晶體管組成的存儲器陣列預(yù)充電。充完電的金屬平面是以逐行方式對存在于每行的測量電容器來實現(xiàn)放電。
借助于

圖1到6詳細描述了依照本發(fā)明的方法以及以指紋傳感器的形式詳細描述了用此方法設(shè)計的傳感器實例。
圖1，2給出了適合于依照本發(fā)明方法的電路部分的示意3 給出了在電路中被用做電容器的晶體管元件圖4 以俯視圖方式概略的給出了傳感器布置5 以俯視圖方式給出了傳感器布置部分的示意6 以橫斷面方式給出了傳感器布置部分的示意圖依照本發(fā)明的方法可以利用包含圖1所描述元件的電路來實現(xiàn)。在每個充電過程中存儲在所要測量的電容器上的電荷被引導(dǎo)到每個所屬的測量電容器1上，在測量電容器中通過開關(guān)充電電壓被接通并且其電容量需要測量的電容器總是與測量電容器1的一個極板相連接。在這個電容器上出現(xiàn)的用于被充電的測量電容器的的電壓降通過畫出的箭頭被標(biāo)明。根據(jù)如下原因設(shè)計了比較器2，即為了對測量電容器上的電壓和參考電壓Uref進行比較，這樣就可以確定測量電容器何時達到參考電壓。
圖2描述了一個可選電路，在這個電路中設(shè)計了一個比較器，為了確定在充電多少次后電容器達到確定的參考電壓。比較器2的輸出信號被接入到計數(shù)器3的輸入端，這個計數(shù)器通過節(jié)拍脈沖Tch來控制。利用這個計數(shù)器充電次數(shù)被記錄，這個充電次數(shù)是必須的，直到電容器1達到了參考電壓Uref。充電次數(shù)與所要測量電容器的電容成反比。
首先利用晶體管構(gòu)造了一個必要的開關(guān)。通過這個開關(guān)電容器同時被充電到確定電位例如5V，該電容器的電容值應(yīng)該在本方法的應(yīng)用周期中被同時確定。斷開開關(guān)就了切斷電源。同時其他開關(guān)被閉合，通過這些開關(guān)電容器和各個相應(yīng)的測量電容器建立了連接。在測量周期開始時測量電容器也許可以通過一個合適的附加電路被充電到典型的例如1V的偏壓。在電荷流到測量電容器上以后，當(dāng)前開關(guān)被實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，以便于所要測量的電容器被重復(fù)充電。更新的轉(zhuǎn)換使電荷流向測量電容器，以便于電荷在這種方式下被累積。
如果被應(yīng)用于該電路的開關(guān)是用晶體管來實現(xiàn)的，則晶體管也適合用于測量電容器。圖3給出了一個這種可使用晶體管的元件的橫斷面。帶有絕緣層7，通道區(qū)域11上方的柵電極8以及帶有利用半導(dǎo)體材料擴散形成的源極和漏極的區(qū)域10的這種MOSFET被設(shè)計成帶有一個閉合觸點，以便于源極和漏極的區(qū)域10彼此互相導(dǎo)通連接，也就是說是短路。在圖3中給出觸點9。在元件使用時在通道區(qū)域11中構(gòu)造了一個反型層。絕緣層7構(gòu)成了電容器的絕緣材料，這個電容器是一方面通過柵電極8同時另一方面通過觸點9以及反型層來構(gòu)造的。
對于利用本發(fā)明方法的部件得以實現(xiàn)的指紋傳感器來說在一個優(yōu)秀的實例中存在一個構(gòu)造好的金屬化涂層，這個金屬化涂層具有按點陣形式布置的金屬平面。這個平面根據(jù)圖4布置成例如雙柵極方式的點陣，在圖4中單個的金屬平面4以俯視圖方式被概略的加以描述。旁邊的區(qū)域5用于加入必要的電子電路。在構(gòu)造好的金屬化平面上有一個絕緣的鈍化層，在這個鈍化層的上表面有一個用來接觸指尖的涂層表面。鈍化層的厚度決定了由單個的金屬平面4和指尖表皮共同構(gòu)造的電容大小。金屬平面例如可以是一個半導(dǎo)體芯片上的金屬化平面，電子控制設(shè)備或另外的元件被集成在這個半導(dǎo)體芯片中。
在圖1中描述的用于說明測量方法的示意電路相應(yīng)的被應(yīng)用于指紋傳感器。由金屬平面4組成的排列的內(nèi)部連接示意圖在圖5中被描述。設(shè)計需要累積電荷的測量電容器1存在于金屬平面4的每一行里。測量電容器的電容在100倍和1000倍之間大于如下的電容值，當(dāng)金屬平面被補充了一個在涂層表面布置的電子導(dǎo)體(例如導(dǎo)通電子的表皮平面)時形成一個電容器，就產(chǎn)生了這個電容值。圖5中在所描述的布置片段中給出的每個金屬平面里畫出了附屬的開關(guān)S1和S2，這種開關(guān)是用晶體管以優(yōu)越的方式構(gòu)成的。通過充電導(dǎo)線L和閉合的開關(guān)S1根據(jù)矩陣存儲器中字線的方式所有存在于布置的列或行上的金屬平面被充電到設(shè)計給定的電壓，這時開關(guān)S2保持斷開。根據(jù)存在的不同電容金屬平面被充電到不同強度。在開關(guān)S1被斷開并且開關(guān)S2被閉合以后，通過金屬平面的放電導(dǎo)線R電荷按行方式(或者按列方式)流到歸屬于每個行(或列)的測量電容器1上并且被累積起來。
借助于串聯(lián)其后的比較器2，這個比較器對電容器1上的電壓和參考電壓Uref進行比較，在測量電容器上的電壓被測量出來。如果僅僅想進行一次粗略的測量，如果當(dāng)測量電容器1上的確定電壓被超過時，利用比較器來確定就足夠了。這樣就得到了指紋的圖象，圖象以點的方式顯出黑色或白色。如果希望有不同的灰度等級，測量電容器1的連接可以被引入到比較器的不同入口，這個比較器把電壓按照模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方式和不同大小的參考電壓進行比較同時根據(jù)這種方式可以按等級確定單個電容器的不同充電狀態(tài)。
滿足測量電容器上預(yù)先給定電壓的充電次數(shù)(流到測量電容器上電荷批量)和金屬平面與表皮平面之間所要測量的距離成正比。這樣對于指紋傳感器通過應(yīng)用依照圖2布置的本測量方法立即就可以獲得一個數(shù)字的測量結(jié)果，這個結(jié)果可以馬上進行數(shù)字化的其他處理。對于測量的干擾作用可以被抑制或者被數(shù)字化補償。在依照圖1的實例中也可以有一個計數(shù)器，利用它來確定延遲時間，在延遲時間之后充電過程的順序被打斷并且在單個測量電容器1上存在的電荷或者電壓被測量出來。
在指紋傳感器中的所有電路可以利用微電子元件來實現(xiàn)，例如上面描述的利用晶體管來實現(xiàn)。為了滿足用于測量的金屬平面按照點陣形式的布置放手指的涂層平面應(yīng)盡可能鋪得厚一點，電子線路的如下部分被安排在點陣布置的旁邊，這部分電路對于金屬平面和測量電容器的直接控制來說不是必須的。在圖4中金屬平面4的布置以俯視圖來概略的描述，在這個例子中布置是按正方形給出的。在其旁邊在臨近區(qū)域5中布置了電子線路。這種用于測量結(jié)果的求值或者其他整理的電子電路可以被集成在一個帶有指紋傳感器的芯片上。由此得到了較短的測量時間和較小的干擾影響。金屬平面4的典型大小大約是50μm×50μm到100μm×100μm。用來在其上面平放手指的所有布置，其尺寸大約是13mm×13mm到15mm×15mm。
在圖6中描述了指紋傳感器的橫斷面示意圖。金屬平面4存在于鈍化層的下面，這個鈍化層的表面6用做指尖的涂層平面。金屬平面4通過合適的開關(guān)(在這個清晰的簡化描述中這一半被刪去了)被一起充電到確定的電位勢。用于金屬平面的放電和單個電荷在測量電容器1上的累積而預(yù)先設(shè)計的開關(guān)S(相應(yīng)于圖5中的開關(guān)S2)根據(jù)布線方式在圖6的下面部分作了概略的描述。在測量電容器1上累積的電荷的值是利用比較器2計算得出，在該布置的俯視圖中比較器數(shù)量是為舉例而畫出來的。余下的電路元件連接到比較器的輸出端。
對于依照本發(fā)明的指紋傳感器來說重要的是，根據(jù)所說明的測量方法小電荷不是被直接放大，而是通過在電容器上累加到較大的電容這樣被放大，于是利用相對簡單的傳統(tǒng)測量方法獲得了這個電容。本方案的一個特別優(yōu)點就是，測量過程直接提供一個數(shù)字式輸出信號，這個信號根據(jù)合適的方式可以被進一步處理。
權(quán)利要求
1.用于測量電容的方法，其中a)對于一個電容器而言，其電容應(yīng)該被測定，一個預(yù)先給定的電壓被加載并且以此該電容器被充電，b)加載電壓的電容器被分開，c)該電容器以如下方式和測量電容器相連接，即存在于該電容器的電荷流向這個測量電容器，d)a到c的步驟被重復(fù)，直到達到了測量電容器設(shè)計規(guī)定的充電次數(shù)或者直到滿足測量電容器設(shè)計規(guī)定的電壓，并且e)測量電容器的電壓或者充電次數(shù)被確定并且由此這個所要測量的電容被計算出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，多個電容器的電容被測定，在這里用于多個電容器的步驟a和b被一起執(zhí)行并且同時采用各自分開的測量電容器的這種電容器執(zhí)行步驟c到e。
3.帶有電容測量設(shè)備的傳感器，其中，-這種測量設(shè)備至少有一個電容可變的電容器，-對于這種電容器有一個測量電容器，-存在一種裝置，利用這種裝置可以加載一個電壓到電容器上并且這種電壓可以和電容器隔離，-存在一種裝置，利用這種裝置存在于該電容器上的電荷可以被傳輸?shù)綔y量電容器上，并且-存在一種裝置，利用這種裝置測量電容器的電壓或者充電狀態(tài)或者得到的測量電容器的充電次數(shù)可以被測定，并且在這個裝置中存在一個求值設(shè)備，這個設(shè)備可以進行，-對電容器重復(fù)充電-在電容器上的電荷總是被傳輸?shù)綔y量電容器上，并且-根據(jù)測量電容器上的電壓或者其充電狀態(tài)或者根據(jù)測量電容器的充電次數(shù)計算得出測量設(shè)備電容器的電容或者一個依賴于該電容的確定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的傳感器，在其中測量電容器利用場效應(yīng)晶體管來構(gòu)造，場效應(yīng)晶體管中為源極和漏極設(shè)計規(guī)定的區(qū)域(10)互相之間是短路的。
5.指紋傳感器，-有一個構(gòu)造成金屬平面(4)點陣的金屬化平面，-有多個測量電容器(1)，-有開關(guān)(S)，通過開關(guān)在規(guī)定數(shù)量的金屬平面上總是可以達到設(shè)計給定的電位，并且通過這個開關(guān)每個金屬平面可以和測量電容器建立導(dǎo)通連接，-在金屬化平面上有一個鈍化層，-在鈍化層上有一個提供給指尖的涂層平面(6)，-有一個用于測定測量電容器電壓或者充電狀態(tài)的電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的指紋傳感器，其中，這個電路總是包含一個比較器(2)，這個比較器是為了如下目的設(shè)計的，即為了對相關(guān)的測量電容器上的電壓和參考電壓進行比較。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的指紋傳感器，其中在此傳感器中有一個記數(shù)設(shè)備(3)，這個記數(shù)設(shè)備是為如下目的設(shè)計的，即為了針對每個測量電容器來測定其直到滿足參考電壓時所出現(xiàn)的充電過程的次數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的指紋傳感器，其中在此傳感器里該電路總是包括多個比較器，這些比較器是為如下目的設(shè)計的，即為了對相關(guān)的測量電容器上的電壓和參考電壓的標(biāo)度進行比較。
9.根據(jù)權(quán)利要求5到8之一的指紋傳感器，其中在此傳感器里測量電容器利用場效應(yīng)晶體管來構(gòu)造，場效應(yīng)晶體管里為源極和漏極設(shè)計規(guī)定的區(qū)域(10)互相之間是短路的。
10.根據(jù)權(quán)利要求5到9之一的指紋傳感器，其中在此傳感器里測量電容器的電容是在100倍和1000倍之間大于如下所說的電容，該電容如下得出，即為當(dāng)金屬平面和布置在涂層平面上表面的電子導(dǎo)體補充產(chǎn)生了一個電容器時所出現(xiàn)的電容。
全文摘要
一個電容極小的電容器被多次充電并且放電到一個電容大得多的測量電容器上,其電壓或者充電狀態(tài)被直接測量出來。小電容或者小電容變化可以以很高的精確度作為傳感器的測量結(jié)果被測量出來。為此指紋傳感器利用在為指尖提供的涂層平面下的金屬平面(4)的排列來實現(xiàn)固定不變的部分,在這里晶體管被設(shè)計作為開關(guān)(S),測量電容器(1)和比較器(2)。在金屬平面上施加了預(yù)先確定的電位。當(dāng)指尖平放時金屬平面根據(jù)表皮平面的結(jié)構(gòu)進行不同強度的充電。電荷被引導(dǎo)到所屬的測量電容器上。測量電容器的充電狀態(tài)根據(jù)矩陣式存儲器的讀取方式彼此分別被確定。
文檔編號G01R27/26GK1266494SQ98808036
公開日2000年9月13日 申請日期1998年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月5日
發(fā)明者P·－W·馮巴斯, J·維勒, T·沙伊特, S·馬克施泰因納 申請人:西門子公司