KR100669936B1

KR100669936B1 - 정전 용량 검출 장치

Info

Publication number: KR100669936B1
Application number: KR1020050074110A
Authority: KR
Inventors: 미츠토시 미야사카
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-01-16
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: US7208961B2; CN100410621C; JP2006112830A; JP4441927B2; KR20060050425A; CN1760631A; US20060076963A1

Abstract

본 발명은 정전 파괴에 내성이 높은 정전 용량 검출 장치를 실현하는 것을 과제로 한다.

대상물의 표면 형상을 판독하는 정전 용량 검출 장치에 있어서, M행 N열로 배치된 정전 용량 검출 소자(1), 상기 정전 용량 검출 소자(1)의 각각에 전원을 공급하는 전원선을 구비하고 있다. 상기 정전 용량 검출 소자(1)는 상기 정전 용량에 따른 전하를 축적하는 신호 검출 소자(4), 상기 신호 검출 소자(4)가 축적한 전하에 대응한 신호를 증폭하는 신호 증폭 소자(T1)를 포함하고 있다. 상기 신호 검출 소자(T1)는 용량 검출 전극(41)과, 상기 용량 검출 전극(41)의 상기 대상물이 접촉하는 측에 설치되는 용량 검출 유전체막(42)을 포함하고 있다. 특히 용량 검출 유전체막(42)은 절연막(160)과 반도체막(162)을 구비하고 있다.

정전 용량 검출, 지문, 반도체 막, 비정질 실리콘

Description

정전 용량 검출 장치{ELECTROSTATIC CAPACITANCE DETECTION DEVICE}

도 1은 본원 발명의 실시예에서의 정전 용량 검출 소자의 회로 구성을 나타내는 도면.

도 2는 본원 발명의 실시예에서의 정전 용량 검출 장치의 층 구조를 나타내는 설명도.

도 3은 본원 발명의 실시예에서의 용량 검출 전극의 확대 평면도.

도 4는 본 발명의 작용의 설명도.

도 5는 본원 발명의 실시예의 원리 설명도.

도 6은 대상물의 볼록부(지문의 융선(ridge))가 맞닿은 경우의 정전 용량 검출 소자의 등가 회로도.

도 7은 대상물의 오목부(지문의 골(valley))가 맞닿은 경우의 정전 용량 검출 소자의 등가 회로도.

도 8은 본 발명의 정전 용량 검출 장치를 이용한 전자 기기의 실시예(휴대 전화)를 나타내는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 정전 용량 검출 소자

2 : 양전원 또는 음전원

3 : 계측기(전류계 또는 전압계)

4 : 용량 검출 소자

41 : 용량 검출 전극

42 : 용량 검출 유전체막

5 : 기준 콘덴서

10 : 휴대 전화

11 : 안테나

12 : 스피커

13 : 디스플레이

14 : 조작 버튼

15 : 마이크

16 : 정전 용량 검출 장치

51 : 기준 콘덴서 제 1 전극

52 : 기준 콘덴서 유전체막

53 : 기준 콘덴서 제 2 전극

100 : 플라스틱 기판

110 : 반도체막

120 : 게이트 절연막

170 : 게이트 전극(GI)

C, C(j) : 열선(列線)

O : 출력선

P : 전원선

R, R(i) : 행선(行線)

T1 : 신호 증폭 소자

T2 : 열(列) 선택 소자

T3 : 행 선택 소자

V_dd : 전원 전압

VG : 게이트(노드) 전압

본원 발명은 지문 등의 미세한 요철(凹凸)을 갖는 대상물의 표면 형상을 대상물 표면과의 거리에 따라 변화하는 정전 용량을 검출함으로써 판독하는 정전 용량 검출 장치에 관한 것이다.

종래 지문 센서 등에 이용되는 정전 용량 검출 장치는, 센서 전극과 상기 센서 전극 위에 설치된 유전체 등의 보호막을 기판 위에 형성하여 제조되어 있었다(특허문헌 1∼6).

여기서 정전 용량 검출 장치에서는, 정전 용량 검출을 행하기 위해 유전체막을 두껍게 하는 것이 불가능하다. 또한, 검출 대상물은 대전(帶電)되어 있는 경우 가 많고, 전하를 유지한 대상물이 보호막에 접근한 경우, 방전에 의해 순시 전류(瞬時電流)가 흘러 주변 회로를 파괴하는 경우가 있다.

이 순시 전류에 의한 파괴를 방지하기 위해, 예를 들어 상기 일본국 공개특허2000-346610호 공보에서는 감지(感知) 전극을 변환 회로나 배선과는 다른 층에 형성하고, 대상물에 가까운 측에 감지(感知) 전극을 배치하여, 변환 회로나 배선을 절연 재료, 감지 전극, 및 보호막의 하층에 배치하고 있었다(특허문헌 1, 단락 0072). 또한, 일본국 공개특허2003-254706호 공보와 같이, 센서를 파괴로부터 보호하기 위해, 대상물이 앞서 접촉하는 도체(導體)나 커버를 설치하여 전하를 전원에 흐르게 하는 구조를 부여하고 있었다(특허문헌 2, 단락번호 0077∼0081).

[특허문헌 1] 일본국 공개특허2000-346610호 공보

[특허문헌 2] 일본국 공개특허2003-254706호 공보

[특허문헌 3] 일본국 공개특허평11-118415호 공보

[특허문헌 4] 일본국 공개특허2000-346608호 공보

[특허문헌 5] 일본국 공개특허2001-56204호 공보

[특허문헌 6] 일본국 공개특허2001-133213호 공보

그러나, 유전체막을 두껍게 할 수 없기 때문에, 손가락 등을 문지르고 있으면 마모되어 파손되거나, 대전에 의한 전하량이 큰 경우가 있어, 일본국 공개특허2000-346610호 공보와 같이 감지 전극과 변환 회로나 배선을 다른 층으로 했다고 하여도, 그들이 전기적으로 접속되어 있는 한 일부의 순시 전류가 유입되는 경우가 있기 때문에 보호 대책으로서는 불충분했다.

또한, 일본국 공개특허2003-254706호 공보와 같이, 대상물이 앞서 접촉하도록 도체나 커버를 설치하는 것은 불필요한 구성 부품을 형성하는 것을 의미하고 있으며, 큰 압력이 미치는 지문 센서 등에서는 그 방전용 구조 부품에 부담이 작용하여, 파손을 발생시키기 쉽다. 그러한 방전용 구조 부품이 일부라도 파손되면, 이번에는 직접 배선이나 주변 회로에 순시 전류가 유입되어, 주변 회로가 파괴된다. 이 때문에, 대상물에 생긴 전하의 방전을 전극 배치나 방전용 구조 부품에 의존하는 것이 반드시 바람직한 것은 아니었다.

그래서, 본 발명은 간단한 구조에 의해 파손 등을 발생시키지 않고, 확실하게 순시 전류로부터 회로를 보호 가능한 정전 용량 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 대상물과의 거리에 따라 변화하는 정전 용량을 검출함으로써, 상기 대상물의 표면 형상을 판독하는 정전 용량 검출 장치에 있어서, M행 N열로 배치된 정전 용량 검출 소자와, 상기 정전 용량 검출 소자의 각각에 전원을 공급하는 전원선을 구비하고 있으며, 상기 정전 용량 검출 소자는 상기 정전 용량에 따른 전하를 축적하는 신호 검출 소자와, 상기 신호 검출 소자가 축적한 전하에 대응한 신호를 증폭하는 신호 증폭 소자를 포함하고 있으며, 상기 신호 검출 소자는 용량 검출 전극과, 상기 용량 검출 전극의 상기 대상물이 접촉하는 측에 설치되는 용량 검출 유전체막을 포함하고 있다. 특히 용량 검출 유 전체막은 절연막과 반도체막을 구비하고 있다.

상기 구성에 의하면, 손가락 등의 대상물이 정전 용량 검출 소자에 접근하면, 그 대상물이 접촉하는지의 여부에 따른 전압이 용량 검출 전극에 생기고, 그 전압을 신호 증폭 소자가 증폭함으로써, 지문 등의 융선이 접촉했는지의 여부에 따른 정전 용량 검출을 행할 수 있다. 반도체막의 유전율은 절연체보다도 크기 때문에, 용량 검출 유전체막을 두껍게 할 수 있어, 내구성이 향상된다. 여기서, 대상물이 대전되어 있었을 경우, 그 전하의 방출로가 없으면 대상물의 접근에 의해, 용량 검출 전극으로부터 주변 회로에 걸쳐 순시 전류가 흘러 회로의 정전 파괴를 초래한다. 이 점에서 상기 구성에 의하면, 용량 검출 유전체막에 절연막이 설치되어 있기 때문에, 대상물의 전하가 직접 용량 검출 전극을 경유하여 흐르지 않는다. 또한, 상기 구성에 의하면, 반도체막이 설치되어 있기 때문에, 대상물이 접촉하기 직전에 반도체막 표면에 반전층이 형성되고, 대상물의 전하는 재빠르게 표면에 확산되어, 회로를 정전 파괴로부터 방지한다.

여기서, 반도체막은 정전 용량 검출 소자의 최표면(最表面)에 위치하는 것이 바람직하다. 이렇게 구성하면, 대상물이 접촉하기 직전에 반도체막에 반전층이 형성되어 전하가 방출된다. 또한, 대상물이 용량 검출 유전체막에 접촉하여도, 용량 검출 전극과의 사이에는 절연막이 더 형성되어 있기 때문에, 직접 순시 전류가 회로에 흐르지 않아, 회로를 정전 파괴로부터 방지할 수 있기 때문이다.

여기서, 반도체막은, 정전 용량 검출 소자마다의 측정 시간을 Δτ, 대상물 의 정전 용량을 C_A로 정의한 경우에, 반도체막의 전기 저항 R_PP가 하기 식으로 표시된다.

(수식 1)

이러한 조건을 구비하고 있으면, 측정해야 할 대상물의 전하가 측정 시간 Δτ 내에 인접하는 용량 검출 전극을 향하여 유출되는 양을 1할 정도 미만으로 억제할 수 있기 때문에, 정전 용량 검출 장치의 측정 정밀도를 저하시키지 않고 정전 파괴로부터 방지할 수 있기 때문이다.

또한, 반도체막은, 정전 용량 검출 소자마다의 측정 시간을 Δτ, 대상물의 정전 용량을 C_A, 반도체막의 막 두께를 t_D, 용량 검출 전극의 피치를 x, 용량 검출 전극의 폭을 y로 하고, α=y/x로 정의한 경우에, 반도체막의 비저항 ρ_D가 하기 식을 만족시키는 것이 바람직하다.

(수식 2)

이러한 조건을 만족시킬 수 있으면, 측정해야 할 대상물의 전하가 측정 시간 Δτ 내에 인접하는 용량 검출 전극을 향하여 유출되는 양을 1할 정도 미만으로 억제할 수 있기 때문에, 정전 용량 검출 장치의 측정 정밀도를 저하시키지 않고 정전 파괴로부터 방지할 수 있기 때문이다.

또한, 반도체막은, 정전 용량 검출 소자마다의 측정 시간을 Δτ, 대상물의 정전 용량을 C_A, 반도체막의 막 두께를 t_D, 상기 반도체막의 캐리어 전하량을 q, 상기 반도체막의 캐리어 이동도를 μ, 용량 검출 전극의 피치를 x, 용량 검출 전극의 폭을 y로 하고, α=y/x로 정의한 경우에, 반도체막의 불순물 농도 n이 하기 식을 만족시키는 것이 바람직하다.

(수식 3)

이러한 조건을 만족시키도록 반도체막의 도스(dose) 량을 제한할 수 있으면, 측정해야 할 대상물의 전하가 측정 시간 Δτ 내에 인접하는 용량 검출 전극을 향하여 유출되는 양을 1할 정도 미만으로 억제할 수 있기 때문에, 정전 용량 검출 장치의 측정 정밀도를 저하시키지 않고 정전 파괴로부터 방지할 수 있기 때문이다.

여기서, 반도체막은 비정질 실리콘인 것이 바람직하다. 비정질 실리콘은 비교적 저렴하여 자주 이용되는 재료이고, 반도체막의 재료로서 경제적이며 조달이 용이하다. 또한, 비정질, 즉, 아모르퍼스(amorphous) 상태의 실리콘은 유전율이 11.9로 크고, 막을 두껍게 형성하여도 높은 용량을 유지할 수 있다. 이 때문에, 대상물 용량을 크게 유지하면서, 후막화(厚膜化)가 가능하고, 높은 압력이 인가되는 지문 센서 등에 이용하는 용량 검출 유전체막으로서 바람직한 높은 내구성을 부여하는 것이 가능하다.

또한, 비정질 실리콘은 실질적으로 진성(眞性)이다. 진성의 비정질 실리콘은 상기한 바와 같이 반도체막에 요구되는 캐리어 밀도로서 적합한 값을 갖기 때문이며, 진성의 비정질 실리콘을 사용하면, 높은 정밀도의 정전 용량 검출 장치를 제공할 수 있기 때문이다.

예를 들어 비정질 실리콘은 캐리어 농도가 4×10¹⁰㎝^-3 이하인 것이 바람직하다. 통상의 지문 센서 등의 정전 용량 검출 장치에 있어서, 측정 정밀도를 높게 유지할 수 있게 하기 위해서는, 상기 값이 캐리어 밀도의 상한값으로 되기 때문이다.

용량 검출 유전체막의 일부를 구성하는 절연막은 예를 들어 질화실리콘이다. 질화실리콘에 의하면, 어느 정도의 유전율을 유지함으로써 대상물 용량을 높게 유지할 수 있는 동시에, 내구성이 우수하기 때문이다.

본 발명에서는, 정전 용량 검출 소자에 접속된 기준 콘덴서를 더 구비하고, 상기 기준 콘덴서의 전극 면적을 S_R, 기준 콘덴서 유전체막의 두께를 t_R, 기준 콘덴서 유전체막의 비유전율을 ε_R, 신호 증폭 소자의 게이트 전극 면적을 S_T, 신호 증폭 소자의 게이트 절연막의 두께를 t_OX, 신호 증폭 소자의 게이트 절연막의 비유전율을 ε_OX로 하여, 기준 콘덴서 용량(C_R)과 신호 증폭 소자의 소자 용량(C_T)을,

,

로 정의하고(ε₀은 진공의 유전율), 용량 검출 전극의 면적을 S_D, 용량 검출 유전체막의 절연막의 두께를 t_DI, 용량 검출 유전체막의 절연막의 비유전율을 ε_DI, 용량 검출 유전체막의 반도체막의 두께를 t_DS, 용량 검출 유전체막의 반도체막의 비유전율을 ε_DS로 하여 신호 검출 소자의 소자 용량 C_D를,

로 정의한 경우에 (ε₀은 진공의 유전율), 신호 검출 소자의 소자 용량 C_D는 기준 콘덴서 용량 C_R과 신호 증폭 소자의 소자 용량 C_T의 합인 C_R+C_T보다도 충분히 큰 것이 바람직하다. 이러한 조건을 구비할 경우에, 측정 정밀도가 높은 정전 용량 검출 장치로 되기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 대상물이 반도체막에 접하지 않아 대상물 거리 t_A만큼 떨어져 있고, 대상물 용량(C_A)을 진공의 유전율ε₀과 공기의 비유전율 ε_A와 용량 검출 전극의 면적 S_D를 이용하여,

로 정의한 경우에, 기준 콘덴서 용량(C_R)은 상기 대상물 용량(C_A)보다도 충분히 큰 것이 바람직하다. 이러한 조건을 구비할 경우에, 측정 정밀도가 높은 정전 용량 검출 장치로 되기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 대상물이 용량 검출 유전체막에 접하지 않아 대상물 거 리 t_A만큼 떨어져 있고, 대상물 용량(C_A)을 진공의 유전율ε₀과 공기의 비유전율 ε_A와 용량 검출 전극의 면적 S_D를 이용하여,

로 정의한 경우에, 기준 콘덴서 용량(C_R)은 대상물 용량(C_A)보다도 충분히 큰 것이 바람직하다. 이러한 조건을 구비할 경우에, 측정 정밀도가 높은 정전 용량 검출 장치로 되기 때문이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 정전 용량 검출 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 전자 기기이다. 「전자 기기」는 정전 용량 검출이 필요한 장치 전체를 포함하지만, 휴대성을 갖는 것을 필요로 하지 않아, 예를 들어 벽에 일체로 구성된 지문 센서도 본 발명에서의 「전자 기기」이다.

다음으로, 본 발명의 적합한 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.

본 발명의 실시예는, 대상물과의 거리에 따라 변화하는 정전 용량을 검출함으로써, 이들 대상물의 표면 형상을 판독하는 정전 용량 검출 장치를 지문 검출을 위한 지문 센서에 적용한 것이다. 이하의 실시예에서 「대상물」은, 즉, 손가락이며, 검출해야 할 표면 형상은 지문이다.

우선, 본 발명에서의 정전 용량 검출 장치의 동작 원리를 설명한다.

박막 반도체 장치는 통상 유리 기판 위에 제조되기 때문에, 대면적을 필요로 하는 반도체 집적 회로를 저렴하게 제조하는 기술로서 알려져, 구체적으로 최근에는 액정 표시 장치 등에 응용되고 있다. 따라서, 지문 센서 등에 적용되는 정전 용량 검출 장치를 박막 반도체 장치에 의해 제조하면, 단결정 실리콘 기판과 같이 막대한 에너지를 소비하여 제조된 고가의 기판을 사용할 필요가 없어, 귀중한 지구자원을 낭비하지 않고 저렴하게 상기 장치를 제조할 수 있다. 또한, 박막 반도체 장치는 전사 기술을 적용함으로써, 반도체 집적 회로를 플라스틱 기판 위에 제조할 수 있기 때문에, 정전 용량 검출 장치도 단결정 실리콘 기판으로부터 해방되어 플라스틱 기판 위에 형성할 수 있다.

그러나, 정전 용량을 검출하는 용량 검출 전극의 출력을 그대로 출력하는 구성의 정전 용량 검출 장치를 박막 반도체 장치에 의해 제조하는 것은, 현재의 박막 반도체 장치의 기술을 이용하여도 불가능하다. 이것은 지문 등의 접촉에 의해 유발되는 전하(Q)는 매우 작기 때문에, 박막 반도체 장치에서는 트랜지스터 특성이 단결정 실리콘 LSI 기술에 의해 제조되는 반도체 장치만큼 우수하지는 않고, 또한 박막 반도체 장치 사이의 특성 편차도 크기 때문에 전하(Q)를 정확하게 판독할 수 없기 때문이다.

도 5에 본 발명에서의 정전 용량 검출 장치의 검지 시의 등가 회로를 나타낸다. 본 발명에서의 정전 용량 검출 장치는 용량 검출 전극(C1)에 기준 콘덴서(C2)가 포함되어 있고, 또한 유발된 전하(Q)에 대응하는 검출 전압(V_G)을 신호 증폭 소자(T)가 증폭하게 되어 있다. 용량 검출 전극(C1)은 지문 등이 접한 경우에 정전 용량(C_F)으로 되고, 기준 콘덴서(C2)는 정전 용량(C_R)을 갖는다. 신호 증폭 소자(T)는 게이트 전극(G)과 게이트 절연막과 반도체막으로 이루어지고, 소스 전극(S) 과 드레인 전극(D)과 게이트 전극(G)을 갖는 신호 증폭용 박막 반도체 장치로 이루어진다. 신호 증폭 소자(T)의 게이트 전극(G)과 용량 검출 전극(C1)은 서로 접속되어 있다. 또한, 신호 검출 소자는 기준 콘덴서(C2)를 포함하며, 기준 콘덴서(C2)의 한쪽 전극은 행선(行線)에 접속되어 있고, 다른쪽 전극은 용량 검출 전극(C1)과 신호 증폭 소자(T)의 게이트 전극(G)에 접속되어 있다.

또한, 본 명세서에서는 반도체 장치의 소스 전극과 드레인 전극을 구별하지 않지만, 편의상 한쪽 전극을 소스 전극이라고 하고, 다른쪽 전극을 드레인 전극이라고 한다. 물리적으로 엄밀하게 말하면, 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극은, N형 트랜지스터에서는 전위가 낮은 쪽이 소스 전극으로 정의되고, P형 트랜지스터에서는 전위가 높은 쪽이 소스 전극으로 정의된다. 그러나, 어느쪽 전극의 전위가 높아질지는 동작 상태에 따라 변화한다. 그 때문에, 엄밀하게는 소스 전극과 드레인 전극은 1개의 트랜지스터 내에서 항상 교체될 수 있다. 본 명세서에서는 설명을 명료하게 하기 위해 이러한 엄밀성을 배제하여, 편의상 한쪽 전극을 소스 전극이라고 부르고, 다른쪽 전극을 드레인 전극이라고 부르기로 한다.

상기 구성에 있어서, 지문 등의 대상물이 용량 검출 전극(C1)에 접하거나 또는 접근하면, 용량 검출 전극(C1)에는 대상물과의 정전 용량(C_F)에 따라 전위(V_G)가 발생한다. 이 전위(V_G)는, 대상물의 표면 형상(지문)에 따라 변화하는 정전 용량(C_F)을 갖는 용량 검출 전극(C1)의 콘덴서와, 정전 용량(C_R)을 갖는 기준 콘덴서(C2) 및 트랜지스터 용량(C_T)을 갖는 신호 증폭 소자(T)의 합성 용량(C_R+C_T) 사이에 유발되는 전압으로 된다. 이 전위(V_G)는 신호 증폭 소자(T)의 게이트 전극(G)에 입력되고, 이 박막 반도체 장치의 게이트 전위를 변화시킨다. 이 박막 반도체 장치의 드레인 전극(D)에 소정의 전압이 인가되어 있으면, 유발된 게이트 전위(V_G)에 따라 신호 증폭 소자(T)의 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류(I_ds)는 현저하게 변조된다. 게이트 전극(G) 등에는 전위(VG)에 따라 전하(Q)가 발생하고 있지만, 이들 전하는 어디로도 흐르지 않고 보존되기 때문에, 전류값(I_ds)은 일정해진다. 그 때문에, 드레인 전압을 높게 하거나 또는 측정 시간을 길게 함으로써 전류(I_ds)의 측정도 용이해지고, 이렇게 하여 박막 반도체 장치를 사용한 경우일지라도 대상물의 표면 형상을 충분히 정확하게 계측할 수 있는 것이다. 대상물의 정전 용량 정보를 증폭한 신호(전류나 전압)는 출력선을 통하여 판독된다.

대상물의 정전 용량을 측정하기 위해서는 신호 증폭 소자(T)를 통하여 전류(I_ds)를 계측할 수도 있고, 이러한 전류(Ids)에 대응하여 변화하는 전압(V)을 측정할 수도 있다. 기준 콘덴서(C2)를 설치하지 않을 경우에는 상술한 논의에서 정전 용량(C_R)을 제로(zero)로 하고, 대상물의 표면 형상에 따라 변화하는 정전 용량(C_F)과 트랜지스터 용량(C_T)을 사용하는 것으로 하여, 동일한 원리로 동작한다. 이하, 본 발명의 실시예로서, 기준 콘덴서를 설치한 예를 이용하여 설명하지만, 본원 발명은 기준 콘덴서를 설치하지 않고, 기준 콘덴서를 신호 증폭 소자의 트랜지스터 용량에서 겸용하는 경우에도 적용할 수 있다.

이상이 본 발명에 따른 정전 용량 검출 장치의 동작 원리의 개요이지만, 특히 본 발명은 용량 검출 전극(C1)에 설치되는 용량 검출 유전체막의 개량에 관한 것이며, 이하 설명한다.

다음으로, 도 1에 본 발명을 구현화하는 정전 용량 검출 소자의 회로 구성을 나타낸다. 도 1은 M행 N열(M은 1 이상의 정수, N은 1 이상의 정수)의 행렬 형상으로 배치된 정전 용량 검출 소자 중 1개의 소자에 대한 블록도이고, 1개의 정전 용량 검출 소자(1)에 대한 접속 관계를 나타낸다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 정전 용량 검출 장치에 의하면, M행 N열의 행렬 형상으로 배치된 M개의 행선 R(i)(1≤i≤M), N개의 열선(列線) C(j)(1≤j≤N), 각 행선과 각 열선의 교점에 설치된 M×N개의 정전 용량 검출 소자(1), 정전 용량 검출 소자(1)의 각각에 전원을 공급하는 전원선(P)을 구비하고 있다. 정전 용량 검출 소자(1)는 정전 용량에 따른 전하를 축적하는 신호 검출 소자(4), 상기 신호 검출 소자(4)가 축적한 전하에 대응한 신호를 증폭하는 신호 증폭 소자(T1)를 포함하고 있다. 또한, 신호 검출 소자(4)는 용량 검출 전극(41), 상기 용량 검출 전극(41)의 대상물이 접촉하는 측에 설치되는 용량 검출 유전체막(42)을 포함하고 있다. 특히 용량 검출 유전체막(42)은 절연막(160), 반도체막(162)을 구비하고 있는 점에 특징이 있으며(도 2 참조), 후술한다.

신호 검출 소자(4)의 용량 검출 전극(41)과 행선 R(i) 사이에는 기준 콘덴서(5)가 접속되어 있다. 기준 콘덴서(5)는 기준 콘덴서 제 1 전극(51), 기준 콘덴서 유전체막(52), 및 기준 콘덴서 제 2 전극(53)으로 이루어진다. 신호 증폭 소자 (T1)의 게이트 전극과 용량 검출 전극(41)과 기준 콘덴서(5)의 한쪽 전극(제 2 전극(53)으로 함)이 접속되어 있다.

신호 증폭 소자(T1)는 전원선(P)과 출력선(O) 사이에 설치된다. 본 실시예에서는 신호 증폭 소자(T1)인 신호 증폭용 박막 반도체 장치의 소스 전극이 전원선(P)에 전기적으로 접속되고, 드레인 전극이 박막 반도체 장치인 열 선택 소자(T2) 및 행 선택 소자(T3)를 통하여 출력선(O)에 전기적으로 접속된다. 본 실시예와 같이 정전 용량 검출 소자(1)가 열 선택 소자(T2)와 행 선택 소자(T3)를 포함할 경우에는, 열 선택용 박막 반도체 장치의 게이트 전극은 열선 C(j)에 접속되고, 행 선택용 박막 반도체 장치의 게이트 전극은 행선 R(i)에 접속된다. 본 실시예에서는 행 선택 소자(T3)에 N형 트랜지스터를 사용하고 있기 때문에, 비(非)선택 행의 행선에는 저전위(V_ss)가 인가되고, 선택 행의 행선 R(예를 들어 i행째 행선)에는 고전위(V_dd)가 부여된다. 마찬가지로 본 실시예에서는 열 선택 소자(T2)에 N형 트랜지스터를 사용하고 있기 때문에, 비선택 열의 열선 C에는 저전위(V_ss)가 인가되고, 선택 열(예를 들어 j열째 열선)의 열선 C에는 고전위(V_dd)가 부여된다. 열 선택 소자(T2)는 열선 C(j)가 선택됨으로써 그 소스와 드레인 사이를 도통(導通) 상태로 한다. 행 선택 소자(T3)는 행선 R(i)가 선택됨으로써 그 소스와 드레인 사이를 도통 상태로 한다.

또한, 이 구성과 반대로 열 선택 소자(T2)에 P형 트랜지스터를 사용하며, 비 선택 상태로 P형 트랜지스터의 게이트 전극에 고전위(V_dd)를 인가하고, 선택 시에 저전위(V_ss)를 부여할 수도 있다. 또한, 행 선택 소자(T3)에 P형 트랜지스터를 사용하며, 비선택 상태로 P형 트랜지스터의 게이트 전극에 고전위(V_dd)를 인가하고, 선택 시에 저전위(V_ss)를 부여할 수도 있다.

여기서, 「전기적으로 접속된다」는 것은, 스위치 소자 등을 통하여 전기적으로 도통할 수 있는 상태로 되는 것을 의미한다. 물론, 드레인 전극이 직접 출력선과 접속될 수도 있고, 소스 전극이 직접 전원선과 접속될 수도 있다.

또한, 용량 검출 전극(41)과 기준 콘덴서(5)의 접속점에 박막 반도체 장치로 이루어지는 리셋 소자를 접속할 수도 있다. 예를 들어 리셋 소자인 박막 반도체 장치의 소스 전극을 이 접속점에 접속하고, 드레인 전극을 접지 전위에 접속하며, 게이트 전극을 인접하는 열선 등에 접속한다. 이렇게 구성하여 두면, 리셋 소자가 선택되어 스위치 온 상태로 되었을 때에 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극과 기준 콘덴서 제 2 전극(53)과 용량 검출 전극(41)이 접지 전위에 전기적으로 접속된다. 이렇게 하여, 정전 용량 검출 소자(1)를 선택하여 대상물의 정전 용량을 측정하기 전에 불필요한 전하를 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극이나 용량 검출 전극(41)으로부터 배제하여 둠으로써, 검출 정밀도가 현저하게 향상되는 것이다.

상기 실시예의 구성에 의하면, 다음과 같은 작용에 의해, 열선 C(j) 및 행선 R(i)에 의해 차례로 선택하여 감으로써 행렬 형상으로 배치된 각 정전 용량 검출 소자(1)를 차례로 선택 상태로 하고, 전체적으로 대상물의 표면 형상을 판독하여 가는 것이 가능하다. 즉, 본 실시예에서는 정전 용량 검출 소자(1)가 열 선택 소자(T2) 및 행 선택 소자(T3)를 포함하고, 열 선택 소자(T2)와 행 선택 소자(T3)를 직렬 접속하도록 구성되어 있다. 열 선택 소자(T2)를 설치함으로써 열 선택이 단일하게 실행되어, 열 사이의 정보 간섭을 방지할 수 있다. 또한, 행 선택 소자(T3)도 포함함으로써 행 선택도 단일하게 실행되어, 행 사이의 정보 간섭도 방지할 수 있다. 즉, 정전 용량 검출 소자(1)를 단일하게 선택할 수 있게 된다.

상기 구성에 있어서, 우선 어느 1개의 행선 R(예를 들어 i행째 행선)이 선택되면, 그 행선 R(i)에 접속된 행 선택 소자(T3)는 일제히 트랜지스터·온 상태로 된다. 이 상태에서, 다음으로 어느 특정 열선 C(예를 들어 j열째 열선)이 선택되면, N개의 열선 C 중에서 특정 열선 C(j)가 선택되었을 때만, 그 열선 C(j)에 고전위(V_dd)가 부여되고, 그 열선 C(j)에 접속된 열 선택 소자(T2)의 전기 전도도가 향상되어 트랜지스터·온 상태로 된다. 그 결과, 전원선(P)과 출력선(O) 사이의 전기 전도도는 신호 증폭 소자(T1)에 의해 정해지게 된다.

여기서, 기준 콘덴서(5)의 한쪽 전극(51)은 행선 R(i)에 연결되어 있으며, 행선 R(i)는 선택 상태에 있기 때문에, 기준 콘덴서(5)에는 고전위가 부여되고, 대상물의 정전 용량에 따른 전위가 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극에 인가된다. 이렇게 하여 선택된 행선 R(i)와 열선 C(j)의 교점에 위치하는 정전 용량 검출 소자(1)(i행 j열에 위치하는 정전 용량 검출 소자)만이 M×N개의 정전 용량 검출 소자 그룹 중에서 선택되어, 그 위치에서의 대상물의 정전 용량이 측정된다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 각 정전 용량 검출 소자(1)를 1개씩 선택하여 가기 때문에, 전원선(P) 및 출력선(O)은 다양한 형태를 취하는 것이 가능하다. 예를 들어 정전 용량 검출 장치 내에 설치되는 전원선(P)을 열선 C와 동수(同數)인 N개로 하여 열방향으로부터 공급시키는 것도 가능하고, 행선 R과 동수인 M개로 하여 행방향으로부터 공급시키는 것도 가능하다. 더 나아가서는, 2열에 1개의 전원선을 설치하거나, 또는 2행에 1개의 전원선을 설치할 수도 있다. 또한, 정전 용량 검출 장치 내에 설치되는 출력선(O)은 열선 C와 동수인 N개로 하여 열방향으로 취출하는 것도 가능하고, 행선 R과 동수인 M개로 하여 행방향으로 취출하는 것도 가능하다. 더 나아가서는, 2열에 1개의 출력선을 설치하거나, 또는 2행에 1개의 출력선을 설치할 수도 있다. 도 1의 예에서는 전원선(P)의 수를 행선 R과 동수인 M개로 하여 행방향으로부터 공급하고, 출력선(O)의 수를 열선 C와 동수인 N개로 하여 열방향으로 출력선(O)을 취출하고 있는 경우이다.

다음으로, 본 발명의 특징으로 되는 용량 검출 유전체막의 구조를 설명한다.

도 2에 본 실시예의 정전 용량 검출 장치에서의 1개의 용량 검출 전극(41) 부분에 관한 확대 적층도를 나타낸다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 층 구조로서 본 실시예의 정전 용량 검출 소자(1)는, 플라스틱 등의 기판(100) 위에 반도체막(110), 게이트 절연막(120), 제 1 층간절연막(130), 제 2 층간절연막(140), 제 3 층간절연막(150)이 적층되고, 용량 검출 전극(41)은 제 3 층간절연막(150) 위에 패터닝되어 형성되어 있다. 제 3 층간절연막(150) 및 용량 검출 전극(41) 위에 본 발명에 따른 용량 검출 유전체막(42)이 형 성되어 있다. 용량 검출 유전체막(42)은 하층 측에 절연막(160)이 설치되고, 상층 측에 반도체막(162)이 설치된다.

반도체막(110)은 신호 증폭 소자(T1), 열 선택 소자(T2), 행 선택 소자(T3)의 각각에 대응하는 박막 반도체 장치가 형성되는 층이며, 게이트 절연막(120) 위에 형성된 게이트 전극(170)의 각각을 마스크로 하여 자기 정합적으로 불순물이 도핑되어, 소스(S)나 드레인(D)이 형성되어 있다. 게이트 전극(170) 위에 형성된 제 1 층간절연막(130) 위에는, 금속층을 패터닝함으로써, 전원선(P)이나 행선 R(i)에 대응하는 제 1 배선(171)이 형성되어 있다. 제 1 배선(171)은 관통 구멍에 의해 신호 증폭 소자(T1)의 소스(S)나 열 선택 소자(T2) 및 행 선택 소자(T3)의 게이트 전극(170)에 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 층간절연막(140) 위에는, 금속층을 패터닝함으로써, 열선 C(j)나 출력선(O)에 대응하는 제 2 배선(172)이 형성되어 있다. 제 2 배선(172)은 관통 구멍에 의해 행 선택 소자(T3)의 드레인(D)에 전기적으로 접속되어 있다. 제 3 층간절연막(150) 위에는, 금속층을 패터닝함으로써, 용량 검출 전극(41)이 설치되어 있고, 관통 구멍에 의해 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극(170)과 전기적으로 접속되어 있다.

각 층간절연막은 예를 들어 SiO₂ 등을 적층함으로써 형성되어 있다. 용량 검출 유전체막(42) 중 절연막(160)은 절연 특성이 우수하고, 보호막으로서의 내구성도 구비한 재료 예를 들어 질화실리콘(SiN) 등으로 형성되어 있다. 반도체막(162)은 상대적으로 높은 유전율을 갖고, 후술하는 바와 같은 저항값이나 캐리어 밀도, 두께의 조건을 구비하도록 형성된다.

이러한 반도체막(162)의 재료로서는, 예를 들어 아모르퍼스(비정질) 실리콘이 적용된다. 반도체막(162)은 내구성의 측면에서 가능한 한 두껍게 형성함으로써, 손가락 등의 접촉에 의한 마모를 방지하고, 압력이 직접 전극에 강하게 작용하는 것을 방지할 필요가 있다. 한편, 검출 용량은 대상물과 용량 검출 전극의 거리가 작을수록 높아지기 때문에, 검출 정밀도를 향상시키기 위해서는, 반도체막(162)을 가능한 한 얇게 하고 싶다는 상반되는 요구도 있다. 이 점에서, 아모르퍼스 실리콘은 유전율이 11.9로 비교적 크기 때문에, 두껍게 형성하여도 검출 용량을 크게 유지할 수 있어, 보호막으로서의 기계적인 강도와 유전체막으로서의 높은 유전율 쌍방을 만족시킬 수 있다.

이러한 층 구조를 갖는 정전 용량 검출 소자(1)는 공지의 전사 기술을 이용하여 플라스틱 기판(100) 위에 형성될 수 있다. 단결정 실리콘 기술에 의거한 지문 센서는 플라스틱 위에서는 즉시 파손되거나, 또는 충분한 크기를 가질 수 없기 때문에 실용성이 부족하다. 이것에 대하여 본 실시예에서의 플라스틱 기판(100) 위의 정전 용량 검출 소자(1)는, 플라스틱 기판 위에서 손가락을 덮기에 충분히 큰 면적으로 하여도 정전 용량 검출 소자(1)가 파손될 우려도 없어, 플라스틱 기판(100) 위에서의 지문 센서로서 이용할 수 있다.

도 3에 본 실시예의 정전 용량 검출 장치에서의 용량 검출 전극(41)의 확대 평면도를 나타낸다. 도 3은 4개의 용량 검출 전극(41)에 대해서만 확대한 모식도이다. 도면 중의 41M은 지문의 융선이 맞닿고(접근하고) 있는 용량 검출 전극임을 나타내며, 41V는 지문의 골에 위치한 용량 검출 전극임을 나타낸다. 여기서는 해석의 편의상, 용량 검출 전극(41)은 정전 용량 검출 장치 전체에 걸쳐 전극간 피치가 x이고, 전극 사이즈로서 1변이 y(＜x)인 정사각형의 평면 형상으로 형성되어 있는 것으로 한다. 다만, 각 용량 검출 전극(41)의 평면 형상은, 도 3에 나타낸 바와 같은 정사각형 이외에, 직사각형, 그 이외의 다각형, 원형(타원형) 등 임의의 형상으로 형성하는 것이 가능하다.

도 4를 참조하면서 본 발명에 따른 용량 검출 유전체막의 작용을 설명한다. 도 4는 대상물인 손가락이 접근하고, 지문의 융선이 용량 검출 전극(41M)에 접근하고 있으며, 지문의 골이 용량 검출 전극(41V)에 접근하고 있는 상태를 나타낸다.

종래의 용량 검출 유전체막은 소정의 유전율을 구비한 유전막(절연막)을 전극 위에 적층한 것이었다. 여기서, 손가락 등의 대상물은 대전하고 있는 경우가 많다. 특히 동계 등 습도가 저하되고, 정전기가 발생하기 쉬운 시기이면 더욱 그러하다. 이렇게 대상물이 대전하고 있는 상태에서 대상물을 정전 용량 검출 장치에 접근시키면, 그 대전에 따른 손가락 표면의 축적 전하가 유전체막을 통하여 방전되고, 용량 검출 전극으로부터 주변 회로에 걸쳐 순식간에 큰 전류가 흘러 회로의 정전 파괴를 초래한다는 문제를 발생시켰다.

이 점에서, 본 실시예에서의 용량 검출 유전체막(42)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 절연막(160)과 반도체막(162)의 이중 구조로 되어 있다. 그리고, 반도체막(162)은 정전 용량 검출 소자의 최표면에 위치하고 있다. 표면에 전하가 발생하고 있는 대상물이 용량 검출 전극(41M)에 접근함에 따라, 대상물 표면의 전하(음전하) 에 대응하여 반도체막(162)의 표면에 (양전하로 이루어지는) 반전층이 형성되기 시작한다. 이 반전층에 형성되는 전하(양전하)는 접촉하기 직전에 확실히 밀도가 높아지고, 일정한 전하가 축적되면 도전성을 나타내게 되어, 전위가 낮은 부분을 향하여 전류를 흘리도록 작용한다. 이것은 MOS 트랜지스터에서 게이트 전극에 전압을 인가하여 가면 채널 영역에 반전층이 형성되고 채널 전류가 흐르는 원리와 동일하게 생각된다. 반도체 표면에 반전층(물리적으로 엄밀하게 말하면, 대상물 표면의 전하와 반대의 극성을 갖는 전하로 이루어지는 축적층)이 형성되면, 반도체는 금속과 같이 작용한다. 이 때문에, 대상물 표면으로부터 방전이 생겼을 때에, 방전을 금속 표면에서 받게 되어, 정전 용량 검출 장치의 정전 파괴를 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에 의하면, 반도체막(162)의 하층에는 절연막(160)이 형성되어 있고, 전기적으로 높은 저항을 나타낸다. 이 때문에, 반도체막(162) 중에 반전층을 발생시켰다고 하여도, 또한 대상물이 용량 검출 유전체막에 접촉했다고 하여도, 용량 검출 전극까지의 사이는 전류가 실질적으로 흐르는 것을 저지하는 높은 전기 저항을 갖고 있다. 이 때문에, 절연막(160)에 의해 전류가 직접 용량 검출 전극(41)을 경유하여 흐르지 않아, 주변 회로를 정전 파괴로부터 방지할 수 있는 것이다.

본원 발명에서는, 상세하게 후술하는 바와 같이, 접지 전위에 있는 대상물의 융선(예를 들어 지문의 융선)이 정전 용량 검출 장치에 접했을 때에 신호 증폭 소자는 오프(off) 상태로 되고, 대상물의 골(예를 들어 지문의 골)이 왔을 때에는 신 호 증폭 소자가 온 상태로 된다. 이것에 따라 용량 검출 유전체막(42) 표면의 전위도 표면에 유발되는 전하량도 대상물의 융선과 골에서는 상이하게 된다(도 4). 반대로 말하면, 정전 용량을 고정밀도로 검출하기 위해서는, 융선이 접했을 때의 표면 전위(V_ST)와 골이 왔을 때의 표면 전위(V_SV)는 상이해야만 한다. 따라서, 반도체막(162)의 전기 전도도는 어느 정도 작아야만 한다. 예를 들어 반도체막(162)의 저항이 낮고, 용량 검출 전극 사이에 많은 전류가 흐르며, 지문의 골에 대향하는 용량 검출 전극(41V) 영역의 전하가 지문의 융선에 대향하는 용량 검출 전극(41M)의 영역으로 이동하면, 지문의 융선과 골에서의 정전 용량 차이에 의해 생기는 용량 검출 전극(41)의 전위에 차가 적어져, 지문 검출의 정밀도가 저하된다. 이 때문에, 순시 전류를 방지하기 위함이라고 하여도, 반도체막(162)을 지나치게 전류가 흐르기 쉬운 상태로 할 수는 없다. 그래서, 이하 반도체막(162)에 요구되는 조건을 해석한다.

지문의 융선이 용량 검출 유전체막(42)에 접근한 경우, 용량 검출 유전체막(42)의 표면 전위(V_ST)와 표면 전하(Q_ST)는 제로로 된다. 즉, V_ST=0, Q_ST=0으로 된다.

한편, 지문의 골에서는, 용량 검출 유전체막(42)의 표면 전위(V_SV)와 표면 전하(Q_SV)가 다음과 같이 된다.

(수식 4)

여기서, 상기 식에 있어서, k는 신호 증폭 소자(T1)의 드레인에서의 미정계수 k_d와 소스에서의 미정계수 k_s의 평균값 (k=(k_d+k_s)/2)이며, k_d와 k_s모두 0 이상 1 이하의 값을 취한다. 또한, 후술하는 바와 같이 소자 용량(C_D)이 기준 콘덴서 용량(C_R)과 트랜지스터 용량(C_T)의 합인 C_R+C_T보다도 충분히 큰 것으로 하고, 기준 콘덴서 용량(C_R)이 대상물 용량(C_A)보다도 충분히 큰 것으로 하며, 기준 콘덴서 용량(C_R)이 트랜지스터 용량(C_T)보다도 충분히 큰 것으로 한다. 즉, 수식 4는,

(수식 5)

로 한 경우의 표면 전위(V_ST)를 나타낸다.

또한, 용량 검출 전극(41) 사이의 용량 검출 유전체막의 전기 저항 R_PP는 상기한 바와 같이 전극간 피치를 x, 전극의 사이즈를 y, 유전체막 두께를 t_D, 유전체막의 비저항을 ρ_D로 한 경우에,

(수식 6)

으로 된다.

여기서, α≡y/x(<1)로 치환하여 상기 식을 변형하면, 유전체막의 전기 저항 R_PP와 비저항 ρ_D는 다음과 같이 표시된다.

(수식 7)

용량 검출 유전체막(42)을 통하여 용량 검출 전극(41)의 사이에 발생하는 전류 IPP는,

(수식 8)

로 된다. 여기서, 1개의 정전 용량 검출 소자(1)당의 측정 시간을 Δτ로 한 경우에, 이 측정 시간 Δτ 중에 이동하는 표면 전하량 ΔQ는,

(수식 9)

로 된다. 이 이동하는 표면 전하량 ΔQ가 표면 전하량 Q_SV에 비하여 충분히 작으면, 측정에 영향을 주지 않는다고 생각된다. 예를 들어 이동하는 표면 전하량 ΔQ가 표면 전하량 Q_SV의 10% 정도 이하이면, 측정값에 큰 영향을 주지 않는다고 생각된다. 즉,

(수식 10)

라는 관계이다.

표면 전하량 Q_SV는, 대상물의 정전 용량(대상물 용량)을 C_A로 정의한 경우에, Q_SV=C_AV_SV이기 때문에,

(수식 11)

라는 관계가 얻어진다. 따라서, 용량 검출 유전체막(42)의 전기 저항 RPP는,

(수식 12)

라는 관계를 만족시키는 것이 바람직함을 알 수 있다. 여기서, 상기 전기 저항의 조건식을 비저항 ρ_D의 관계로 변환하면,

(수식 13)

와 같이 변환할 수 있고, 이것이 용량 검출 유전체막(42)의 비저항 ρ_D에 관한 조건식으로 된다. 용량 검출 유전체막(42)에 있어서, 절연막(160)의 전기 저항은 실질적으로 무한대라고 생각하면, 전류에는 반도체막(162)만이 기여하기 때문에, 상기 막 두께 t_D는 반도체막(162)의 막 두께로서 생각할 수 있다.

즉, 상기 전기 저항의 조건식 또는 비저항의 조건식을 만족시키고 있으면, 대상물의 전하가 측정 시간 Δτ 내에 10%보다 많고, 인접하는 용량 검출 전극을 향하여 유출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 정전 용량 검출 장치의 측정 정밀도를 저하시키지 않고 정전 파괴로부터 방지하는 것이다.

여기서, 반도체막(162)에 요구되는 불순물 농도 n에 대해서 생각한다. 반도체막에 있어서, 상기 반도체막의 캐리어 전하량을 q, 상기 반도체막의 캐리어 이동도를 μ로 정의한 경우에, 반도체막의 비저항 ρ_D는,

(수식 14)

로 둘 수 있다. 따라서, 상기 비저항에 관한 조건식을 변형하면, 반도체막 (162)의 불순물(캐리어) 농도 n은,

(수식 15)

라는 조건을 만족시키는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이 식에 의해, 정전 용량 검출 장치마다 반도체막(162)이 가져야 할 불순물 농도 n의 상한값이 정해지지만, 하한값은 진성의 반도체가 갖는 내재적인 불순물 밀도로 된다. 따라서, 이 진성 반도체의 불순물 밀도를 n_intrinsic으로 두면, 상기 조건식은,

(수식 16)

와 같이 변형할 수 있다. 이러한 조건을 만족시키도록 반도체막의 불순물량, 즉, 도스량을 제한할 수 있으면, 대상물의 전하가 측정 시간 Δτ에 10%보다 많이 유출되는 것을 방지할 수 있으며, 정전 용량 검출 장치의 측정 정밀도를 저하시키지 않고 정전 파괴로부터 방지할 수 있다. 또한, 진성 실리콘에서의 불순물 밀도 n_intrinsic은 실온에서 1.45×10¹⁰[㎝^-3]이다.

상기 해석이 본 실시예에서의 용량 검출 유전체막(42)의 조건이었지만, 본 실시예의 신호 증폭 소자(T1)가 효과적으로 신호 증폭 기능을 달성하기 위해서는, 신호 증폭용 박막 반도체 장치의 트랜지스터 용량(C_T)이나 기준 콘덴서 용량(C_R), 및 신호 검출 소자(4)의 소자 용량(C_D)을 적절히 정해야만 한다. 이하, 이들의 요건을 구한다.

도 6 및 도 7의 등가 회로를 참조하면서, 상기 정전 용량 검출 장치가 효과적으로 신호 검출을 행하기 위한 조건을 구한다. 도 6은 측정 대상물의 볼록부(예를 들어 지문의 융선)가 용량 검출 유전체막(42)에 접하고 있으며, 대상물이 전기적으로 접지되어 있는 상황의 정전 용량 검출 소자(1)의 등가 회로이다. 도 7은 측정 대상물의 오목부(예를 들어 지문의 골)가 용량 검출 유전체막(42)에 접하고 있으며, 대상물이 전기적으로 접지되어 있는 상황의 정전 용량 검출 소자(1)의 등가 회로이다.

도 6은, 도 1에서 나타낸 본 실시예의 정전 용량 검출 소자(1)에 있어서, 상기 정전 용량 검출 장치를 지문 센서로서 사용하며, 이 정전 용량 검출 장치 표면에 지문의 융선이 접하고 있는 상태가 이 상태이다. 기준 콘덴서(5)의 전극 면적을 S_R(㎛²), 기준 콘덴서 유전체막(52)의 두께를 t_R(㎛), 기준 콘덴서 유전체막(52)의 비유전율을 ε_R, 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극 면적을 S_T(㎛²), 게이트 절연막(120)의 두께를 t_OX(㎛), 게이트 절연막(120)의 비유전율을 ε_OX로 하여 기준 콘덴서 용량(C_R)과 신호 증폭 소자(T1)의 트랜지스터 용량(C_T)을 각각,

로 정의한다(ε₀은 진공의 유전율). 또한, 용량 검출 전극(41)의 면적을 S_D(㎛²), 용량 검출 유전체막(42)의 절연막(160) 두께를 t_DI(㎛), 반도체막(162)의 두께를 t_DS(㎛), 용량 검출 유전체막(42)의 절연막(160) 비유전율을 ε_DI, 반도체막(162)의 비유전율을 ε_DS로 하여 신호 검출 소자(4, 5)의 소자 용량(C_D)을,

로 정의한다(ε₀은 진공의 유전율). 이 때, 수식 5로 나타낸 바와 같이, 신호 검출 소자(4, 5)의 소자 용량(C_D)은, 기준 콘덴서 용량(C_R)과 신호 증폭 소자의 소자 용량(C_T)의 합인 C_R+C_T보다도 충분히 큰 것이 바람직하다. 이하, 그 의미를 고찰한다.

도 6의 경우, 대상물 표면이 소자 용량(C_D)의 접지 전극으로 되고, 용량 검출 전극(41)이 용량 검출 유전체막(42)을 사이에 두어 다른쪽 전극에 상당한다. 용량 검출 전극(41)은 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극(170)과 기준 콘덴서(5)의 한쪽 전극(53)에 접속되어 있기 때문에, 소자 용량(C_D)을 갖는 콘덴서와 트랜지스터 용량(C_T)을 갖는 콘덴서가 직렬로 접속되고, 동시에 소자 용량(C_D)을 갖는 콘덴서는 기준 콘덴서 용량(C_R)을 갖는 콘덴서와도 직렬로 접속된다. 기준 콘덴서(5)의 다른 쪽 전극(51)은 행선 R(i)에 접속되고, 상기 행선 R이 선택되었을 때에는 고전위(V_dd)가 인가된다. 한편, 전원 전압으로서 양전원을 이용하고 있을 경우에는, 전원선(P)에 접지 전위가 공급된다. 출력선(O)이 고전위(V_dd)일 때, 신호 증폭 소자(T1)는 열 선택 소자(T2) 및 행 선택 소자(T3)와 직렬 접속되어 전원선(P)과 출력선(O) 사이에 배치되어 있기 때문에, 행선 R이 선택되었을 때의 신호 증폭 소자(T1)의 드레인 전위는 V_dd의 k배(0<k≤1)로 된다. 여기서, k의 값은 열 선택 소자(T2)의 저항값과 행 선택 소자(T3)의 저항값과 신호 증폭 소자(T1)의 저항값에 의해 정해지며, 구체적으로는 제로보다도 크고, 1 이하이다. 열 선택 소자(T2) 및 행 선택 소자(T3)를 모두 설치하지 않을 경우에 k의 값은 1로 된다.

행선 R로의 인가 전압과 신호 증폭 소자(T1)의 드레인 전위는 이들 3개의 콘덴서의 정전 용량에 따라 분할되기 때문에, 이 상태에서 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극(170)에 인가되는 전압(볼록부가 접했을 때의 게이트 전압) V_GT는,

(수식 17)

로 된다. 여기서, k는 신호 증폭 소자(T1)의 드레인에서의 계수 k_d와 소스에서의 계수 k_s의 평균값 (k=(k_d+k_s)/2)로 한다. 따라서, 소자 용량(C_D)이 기준 콘덴서 용량(C_R)과 트랜지스터 용량(C_T)의 합인 C_R+C_T보다도 충분히 크다고 한 경우, 게이트 전압 VGT는,

(수식 18)

와 근사되고, 게이트 전극에는 거의 전압이 인가되지 않는다. 그 결과, 신호 증폭 소자(T1)는 오프 상태로 되고, 전류(I)는 상당히 작아진다. 따라서, 지문의 융선에 상당하는 대상물의 볼록부가 정전 용량 검출 장치에 접한 경우에는 신호 증폭 소자(T1)가 거의 전류를 흘리지 않도록 하기 위해, 정전 용량 검출 소자(1)를 구성하는 게이트 전극(170)의 면적(게이트 길이나 게이트 폭)이나 게이트 절연막 재질, 게이트 절연막 두께, 기준 콘덴서 전극 면적(콘덴서 전극 길이나 콘덴서 전극 폭), 기준 콘덴서 유전체막 재질, 기준 콘덴서 유전체막 두께, 용량 검출 전극 면적, 용량 검출 유전체막 재질, 용량 검출 유전체막 두께 등을 소자 용량(C_D)이 기준 콘덴서 용량(C_R)과 트랜지스터 용량(C_T)의 합인 C_R+C_T보다도 충분히 커지도록 설정해야만 한다.

여기서, 일반적으로 「충분히 크다」는 것은 10배 정도의 차이를 의미한다. 환언하면, 소자 용량(C_D)은 기준 콘덴서 용량(C_R)과 트랜지스터 용량(C_T)의 합인 C_R+C_T와 C_D>10×(C_R+C_T)라는 관계를 만족시키면 된다. 이 경우, V_GT/V_dd는 0.1 정도 이하로 되어 박막 반도체 장치가 온 상태로 될 수는 없다.

대상물의 볼록부를 확실하게 검출하기 위해서는, 대상물의 볼록부가 용량 검 출 전극(41)의 용량 검출 유전체막(42)에 접했을 때에, 신호 증폭 소자(T1)가 오프 상태로 되는 것이 중요하다. 따라서, 전원 전압을 고전위(V_dd)로 할 경우에는 신호 증폭 소자(T1)를 위한 박막 반도체 장치로서, 게이트 전압이 제로 근방이며 드레인 전류가 흐르지 않는 인핸스먼트형(enhancement type)(표준 오프형) N형 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. 보다 이상적으로는, 전달 특성에서의 드레인 전류가 최소값으로 되는 게이트 전압(최소 게이트 전압)을 V_min으로 하여, 이 최소 게이트 전압이 0<0.1×V_dd<V_min 또는 0<V_GT<Vmin라는 관계를 만족시키는 신호 증폭용 N형 MIS 박막 반도체 장치를 사용하는 것이 바람직하다.

반대로 전원 전압이 저전위(V_ss)이고, 고전위(V_dd)로서 접지 전압이 공급되어 있을 경우, 신호 증폭 소자(T1)를 위한 박막 반도체 장치로서, 게이트 전압이 제로 근방이며 드레인 전류가 흐르지 않는 인핸스먼트형(표준 오프형) P형 트랜지스터를 사용한다. 이상적으로는 신호 증폭용 P형 MIS 박막 반도체 장치의 최소 게이트 전압 V_min이 V_min<0.1×V_dd<0 또는 V_min<V_GT<0라는 관계를 만족시키는 신호 증폭용 P형 MIS 박막 반도체 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 장치를 사용함으로써 대상물의 볼록부를 전류값(I)이 매우 작다는 형태에 의해 확실하게 검출할 수 있는 것이다.

도 7은, 도 1에서 나타낸 본 실시예의 정전 용량 검출 소자(1)에 있어서, 상기 정전 용량 검출 장치를 지문 센서로서 사용하며, 이 정전 용량 검출 장치 표면 에 지문의 골이 접하고 있는 상태에서의 정전 용량 검출 소자(1)의 등가 회로를 나타낸다. 이것은 대상물이 용량 검출 유전체막(42)에 접하지 않아 대상물 거리 t_A만큼 용량 검출 유전체막(42)으로부터 떨어져 있는 상황이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 용량 검출 유전체막(42)에 대상물 표면이 접하고 있지 않기 때문에, 용량 검출 유전체막(42)과 대상물 표면 사이에는 공기를 유전체로 한 새로운 콘덴서가 형성된다. 이것을 대상물 용량(C_A)이라고 하고, 진공의 유전율ε₀과 공기의 비유전율 ε_A와 용량 검출 전극(41)의 면적 S_D를 이용하여,

로 정의한다. 이렇게 정의한 경우에, 수식 5로 나타낸 바와 같이, 기준 콘덴서 용량(C_R)은 상기 대상물 용량(C_A)보다도 충분히 큰 것이 바람직함을 이하 설명한다.

도 7과 같이 대상물이 용량 검출 유전체막으로부터 떨어진 상태에서는, 소자 용량(C_D)과 대상물 용량(C_A)이 직렬로 접속되고, 또한 이들 콘덴서에 서로 병렬 접속된 신호 증폭 소자(T1)의 트랜지스터 용량(C_T)과 기준 콘덴서 용량(C_R)이 직렬로 접속된다. 기준 콘덴서(5)에는 전압 V_dd가 인가되고, 신호 증폭 소자(T1)의 드레인 전극에는 kV_dd의 전압이 인가된다. 인가 전압은 정전 용량에 따라 4개의 콘덴서 사이에서 분할되기 때문에, 이 조건 하에서 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극(170) 에 인가되는 전압(골이 왔을 때의 게이트 전압) V_GV는,

(수식 19)

로 된다.

한편, 본 발명에서는 대상물이 정전 용량 검출 장치에 접했을 때에 드레인 전류가 매우 작아지도록 C_D≫C_T+C_R(수식 5)라는 조건을 만족시키도록 정전 용량 검출 소자(1)를 제조했기 때문에, V_GV는,

(수식 20)

과 근사된다. 여기서 기준 콘덴서 용량(C_R)을 대상물 용량(C_A)보다도 충분히 커지도록 설정하면, C_R≫C_A이고, kC_T+C_R≫C_A로 되기 때문에, 게이트 전압 V_GV는,

(수식 21)

으로 보다 간략화된다. 이렇게 하여 k의 값이 1에 가까우면, 게이트 전압 V_GV는 전원 전압 V_dd와 대략 동일해진다. 기준 콘덴서 용량(C_R)이 트랜지스터 용량(C_T)보다도 충분히 커지도록 설정하여 두면, C_R≫C_T이기 때문에, k값의 대소에 관계없이, 게이트 전압 V_GV는,

(수식 22)

로 되고, 전원 전압 V_dd와 대략 동일해진다. 그 결과, 신호 증폭 소자(T1)를 온 상태로 할 수 있게 되고, 전류(I)는 상당히 커진다. 지문의 골에 상당하는 대상물의 오목부가 정전 용량 검출 장치 위에 왔을 때에 신호 증폭 소자(T1)가 대전류를 통과시키기 위해서는, 기준 콘덴서 용량(C_R)이 대상물 용량(C_A)보다도 충분히 커지도록 구성할 필요가 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 10배 정도의 차이가 확인되면 일반적으로 충분히 크다고 생각할 수 있기 때문에, 기준 콘덴서 용량(C_R)과 대상물 용량(C_A)이 C_R>10×C_A라는 관계를 만족시키도록 설정하면 된다. 또한, k값 여하에 관계없이 지문의 골 등이 접근했을 때에 트랜지스터가 온 상태로 되기 위해서는 기준 콘덴서 용량(C_R)이 트랜지스터 용량(C_T)보다도 10배 이상 커지도록 C_R>10×C_T라는 관계를 만족시키도록 설정하면 된다. 이들 조건을 만족시키면, V_GT/V_dd는 0.9 정도 이상으로 되어 신호 증폭 소자(T1)에 따른 박막 반도체 장치는 용이하게 온 상태로 된다.

또한, 대상물의 오목부를 확실하게 검출하기 위해서는, 대상물의 오목부가 정전 용량 검출 장치에 접근한 경우에, 이 신호 증폭 소자(T1)인 신호 증폭용 박막 반도체 장치가 온 상태로 되는 것이 중요하다. 이 때문에, 전원 전압 V_dd에 양전원을 이용할 경우에는 신호 증폭용 박막 반도체 장치로서 인핸스먼트형(표준 오프형) N형 트랜지스터를 사용하고 있으며, 이 트랜지스터의 임계값 전압(V_th)이 V_GV보다도 작은 것이 바람직하다. 보다 이상적으로는, 0<V_th<0.91×V_dd라는 관계를 만족시키는 신호 증폭용 N형 MIS 박막 반도체 장치를 사용하는 것이 바람직하다.

반대로, 전원 전압 V_dd에 음전원을 이용할 경우에는 신호 증폭용 박막 반도체 장치로서 인핸스먼트형(표준 오프형) P형 트랜지스터를 사용하고 있으며, 이상적으로는 신호 증폭용 P형 MIS 박막 반도체 장치의 임계값 전압(V_th)이 V_GV보다도 큰 것이 바람직하다. 보다 이상적으로는, 0.91×V_dd<V_th<0라는 관계를 만족시키는 신호 증폭용 P형 MIS 박막 반도체 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 대상물의 오목부가 전류값(I)이 매우 크다는 형태에 의해 확실하게 검출된다.

이상을 종합하면, 지문의 융선 등에 상당하는 대상물의 볼록부가 정전 용량 검출 장치에 접했을 경우에 신호 증폭 소자가 거의 전류를 통과시키지 않고, 동시에 지문의 골 등에 상당하는 대상물의 오목부가 정전 용량 검출 장치에 접근한 경우에 신호 증폭 소자가 큰 전류를 통과시켜 대상물의 요철을 정확하게 인식하기 위해서는, 정전 용량 검출 소자(1)에서 용량 검출 유전체막(42)이 정전 용량 검출 소 자(1)의 최표면에 위치하고, 신호 증폭 소자(T1)의 게이트 전극 면적 S_T(㎛²)나 게이트 절연막의 두께 t_OX(㎛), 게이트 절연막의 비유전율ε_OX, 기준 콘덴서의 전극 면적 S_R(㎛²), 기준 콘덴서 유전체막의 두께 t_R(㎛), 기준 콘덴서 유전체막의 비유전율 ε_R, 용량 검출 전극 면적 S_D(㎛²), 용량 검출 유전체막의 두께 t_D(㎛), 용량 검출 유전체막의 비유전율 ε_D 등을 소자 용량(C_D)이 기준 콘덴서 용량(C_R)과 트랜지스터 용량(C_T)의 합인 C_R+C_T보다도 충분히 커지도록 설정할 필요가 있고, 또한 대상물이 용량 검출 유전체막에 접하지 않아 대상물 거리 t_A만큼 떨어져 있을 때에 기준 콘덴서 용량(C_R)이 대상물 용량(C_A)보다도 충분히 커지도록 정전 용량 검출 장치를 구성할 필요가 있다. 또한, 기준 콘덴서 용량(C_R)이 트랜지스터 용량(C_T)보다도 충분히 큰 것이 이상적이라고 할 수 있다. 보다 구체적으로는, 기준 콘덴서 용량(C_R)과 트랜지스터 용량(C_T)이 C_R>10×C_T라는 관계식을 만족시킨 상태에서, 소자 용량(C_D)과 기준 콘덴서 용량(C_R)과 대상물 용량(C_A)이 C_D>10×C_R, C_R>10×C_A라는 관계를 만족시키도록 정전 용량 검출 장치를 구성하는 것이다. 또한, 전원 전압으로서 고전위(V_dd)를 이용할 경우에는 신호 증폭용 박막 반도체 장치로서 인핸스먼트형(표준 오프형) N형 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하며, 이 N형 트랜지스터의 최소 게이트 전압 V_min은 0<0.1×V_dd<V_min 또는 0<V_GT<V_min라는 관계를 만족시키고, 또한 임계값 전압(V_th)이 V_GV보다도 작으며, 구체적으로는 0<V_th<0.91×V_dd 또는 0<V_th<V_GV라는 관계를 만족시키고 있는 인핸스먼트형 N형 트랜지스터를 사용하는 것이 이상적이다.

반대로, 전원 전압에 음전원(V_ss)을 이용할 경우에는 신호 증폭용 박막 반도체 장치로서 인핸스먼트형(표준 오프형) P형 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하며, 이 P형 트랜지스터의 최소 게이트 전압 V_min은 V_min<0.1×V_dd<0 또는 V_min<V_GT<0라는 관계를 만족시키고, 또한 임계값 전압(V_th)이 V_GV보다도 크며, 구체적으로는 0.91×V_dd<V_th<0 또는 V_GV<V_th<0라는 관계를 만족시키고 있는 인핸스먼트형 P형 트랜지스터를 사용하는 것이 이상적이다.

(실시예 1)

유리 기판 위에 박막 반도체 장치로 이루어지는 정전 용량 검출 장치를 제조한 후, 이 정전 용량 검출 장치를 공지의 전사 기술을 이용하여 플라스틱 기판 위에 전사하고, 플라스틱 기판 위에 정전 용량 검출 장치를 제조했다. 회로 구성은 상기 실시예와 동일한 것으로 한, 정전 용량 검출 장치는 304행 304열의 행렬 형상으로 나열된 정전 용량 검출 소자로 구성된다. 행렬부의 크기는 20㎜변의 정사각형이다.

이하, 도 2의 층 구조에 대응시켜 설명한다. 기판(100)은 두께 200㎛의 폴 리에테르설폰(PES)으로 했다. 신호 증폭 소자(T1)와 행 선택 소자(T2), 및 열 선택 소자(T2)는 N형 박막 반도체 장치에 의해 제조되어 있다. 박막 반도체 장치는 도 2에 나타낸 톱 게이트형이며 공정 최고 온도 425℃의 저온 공정에서 제조된다. 신호 증폭용 박막 반도체 장치와 열 선택용 박막 반도체 장치 및 행 선택용 박막 반도체 장치의 게이트 전극 길이 L은 3㎛로 하고, 게이트 전극 폭 W는 5㎛로 했다. 반도체막(110)은 레이저 결정화에 의해 얻어진 다결정 실리콘 박막이며, 그 두께는 50㎚이다. 또한, 게이트 절연막(120)은 화학 기상 퇴적법(CVD법)에 의해 형성된 45㎚ 두께의 산화실리콘막이며, 게이트 전극(170)은 두께 400㎚의 탄탈 박막으로 이루어진다. 게이트 절연막(120)을 이루는 산화실리콘막의 비유전율은 CV 측정에 의해 대략 3.9로 구해졌다. 기준 콘덴서 제 1 전극(51)은 신호 증폭용 박막 반도체 장치의 드레인 영역과 동일한 N형 반도체막으로 형성되고, 기준 콘덴서 유전체막(52)은 신호 증폭용 박막 반도체 장치의 게이트 절연막과 동일한 산화실리콘막으로 제조되며, 기준 콘덴서 제 2 전극(53)은 신호 증폭용 박막 반도체 장치의 게이트 전극과 동일한 탄탈 박막으로 이루어진다. 기준 콘덴서 제 1 전극(51)은 컨택트 홀을 통하여 행선 R에 접속되고, 기준 콘덴서 제 2 전극(53)은 신호 증폭용 N형 박막 반도체 장치의 게이트 전극과 용량 검출 전극(41)에 접속된다.

본 실시예에서는, 용량 검출 전극(41)의 피치 x를 66㎛로 하고, 용량 검출 전극(41)의 면적 S_D를 1485㎛²로 했다. 따라서, 용량 검출 전극(41)의 사이즈 y(=

)는 38.5㎛(=

)이었다. 용량 검출 유전체막은 230㎚의 질화실리콘 막과 그 위에 적층된 100㎚의 아모르퍼스 실리콘막으로 이루어진다. 이 경우, 질화실리콘막의 용량 CDI는,

(수식 23)

으로 되고, 반도체막의 용량 CDS는,

(수식 24)

으로 된다. 따라서, 신호 검출 소자의 소자 용량 C_D는,

(수식 25)

으로 계산된다.

지문의 골의 깊이 t_A를 예를 들어 50㎛로 한 경우, 이것은 대상물 용량(C_A)의 공기층의 두께로 되고, 이 때의 대상물 용량은 0.26fF(femtofarad)(=2.6×10^-16F)로 된다. 용량 검출 유전체막(42)의 전기 저항 R_PP의 조건은, 측정 시간 Δτ이 가장 길게 1수평 주사 기간(약 1㎳)을 상정하면 수식 12의 조건식으로부터,

(수식 26)

으로 계산되어 4×10¹³Ω보다도 큰 것이 구해졌다. 또한, 이 때의 반도체막(162)의 비저항 ρ_D의 조건은, 수식 13의 조건식으로부터,

(수식 27)

으로 계산되었다.

또한, 실제의 캐리어 전하량 q를 q=1.6×10^-19[C]로 하고, 캐리어 이동도 μ를 μ=0.1[㎝·V^-1·s^-1]로 하면, 반도체막(162)의 불순물 농도 n은, 수식 16으로부터,

(수식 28)

라고 계산되고, 이 범위에 불순물 농도 n이 있는 것이 필요하다고 계산되었다. 이러한 관계를 만족시키는 아모르퍼스 실리콘을 사용하면, 정전 용량 검출 장치로서의 동작이 확실하게 실행되고, 또한 대상물이 접근한 경우에도 순시 전류에 의해 주변 회로가 파괴되는 것을 방지할 수 있음이 판명되었다.

상술한 바와 같이, 용량 검출 유전체막(42) 중 절연막(160)을 두께 230㎚의 질화실리콘막으로 형성하고, 반도체막(162)을 두께 100㎚의 아모르퍼스 실리콘으로 형성했다. CV 측정으로부터 이 질화실리콘막의 비유전율은 대략 7.5이었다. 또한, 아모르퍼스 실리콘의 비유전율은 대략 11.9이었다. 이것으로부터, 상기 계산에 의해, 소자 용량(C_D)은 대략 337fF로 된다. 본 실시예의 정전 용량 검출 장치를 지문 센서라고 상정하면, 지문의 요철은 50㎛ 정도이기 때문에, 정전 용량 검출 장치 표면에 지문의 골이 왔을 때의 대상물 용량(C_A)은 0.27fF로 계산된다. 한편, 신호 증폭용 MIS 박막 반도체 장치의 게이트 전극 길이 L을 2㎛로 하고, 게이트 전극 폭 W를 2㎛로 했기 때문에, 트랜지스터 용량(C_T)은 대략 3.07fF로 된다. 또한, 기준 콘덴서 전극 면적 S_R을 42㎛²로 했다. 그 결과, 기준 콘덴서 용량(C_R)은 32fF로 되었다. 이렇게 하여 본 실시예에 나타낸 정전 용량 검출 소자는 C_D>10×C_R, C_R>10×C_T, C_R>10×C_A라는 관계를 만족시킨다. 이렇게 하여 전원 전압 V_dd를 3.3V로 하면, 지문의 융선이 정전 용량 검출 장치 표면에 접했을 때에 신호 증폭용 MIS 박막 반도체 장치의 게이트 전극에 인가되는 전압 V_GT는 0.30V로 되고, 지문의 골이 왔을 때에 이 게이트 전극에 인가되는 전압 V_GV는 3.11V로 된다. 본 실시예에서 사용한 신호 증폭용 N형 박막 반도체 장치의 최소 게이트 전압 V_min은 0.35V이며, 지문의 융선이 접했을 때의 게이트 전압 V_GT인 0.30V보다도 크기 때문에, 신호 증폭용 N형 박막 반도체 장치는 완전히 오프 상태로 되었다. 한편, 임계값 전압(V_th)은 1.42V이며, 지문의 골이 왔을 때에 얻어지는 게이트 전압 V_GV인 3.11V보다 작기 때문에, 신호 증폭용 N형 박막 반도체 장치는 완전히 온 상태로 되었다. 그 결과, 지문의 융선이 정전 용량 검출 장치 표면에 접했을 때에 신호 증폭 소자로부터 출력되는 전류값은 4.5×10^-13A로 상당히 미약해진다. 반대로 지문의 골이 왔을 때에는 신호 증폭 소자로부터 2.6×10^-5A로 큰 전류가 출력되어, 지문 등의 요철 정보를 양호한 정밀도로 검출하기에 이르렀다.

다음으로, 본 발명의 정전 용량 검출 장치를 구비한 전자 기기에 대해서 설명한다.

도 8에 본 발명의 정전 용량 검출 장치를 구비하는 전자 기기의 예로서, 휴대 전화의 개략도를 나타낸다. 도 8에 나타낸 휴대 전화(10)는 안테나(11), 스피커(12), 디스플레이(13), 조작 버튼(14), 마이크(15), 및 본 발명의 정전 용량 검출 장치(16)를 구비하고 있다.

상기 휴대 전화(10)는 정전 용량 검출 장치(16)가 이용자의 지문 센서로서 기능하도록 구성되어 있다. 휴대 전화(10)의 초기 상태에서, 휴대 전화(10)는 상기 휴대 전화(10) 소유자의 지문을 정전 용량 검출 장치(16)에 검출시켜, 내부 메모리에 화소의 온/오프 정보로서 이용자 등록한다. 그 후의 이용에서, 특정 보안(security)을 필요로 하는 조작이 실행된 경우에, 상기 휴대 전화(10)는 우선 디스 플레이(13)에 지문 대조가 필요한 취지를 표시하고, 이용자에게 지문 대조를 재촉한다. 정전 용량 검출 장치(16)가 이용자의 지문을 판독하면, 휴대 전화(10)는 초기에 등록된 소유자의 지문과 소정의 대조 방법에 의해 지문 대조한다. 그 결과, 새롭게 검출된 지문이 소유자의 지문과 일치했다고 판단한 경우에는, 지정된 소정의 보안을 필요로 하는 조작을 허가 상태로 한다. 이러한 보안을 필요로 하는 조작 내용으로서는, 예를 들어 유료 사이트에 액세스하거나, 데이터를 소거하거나, 프라이버시가 높은 정보를 표시시키는 등의 경우이다. 본 실시예의 정전 용량 검출 장치는 박막 반도체 장치를 사용하여 상당히 얇고, 또한 내구성이 높으며, 검출 정밀도도 높기 때문에, 휴대 전화와 같은 소형 전자 기기에 적합하다.

또한, 본 실시예의 정전 용량 검출 장치는 개인 인증 기능을 구비한 전자 기기, 예를 들어 개인 인증 기능을 구비한 스마트카드 등에도 이용하는 것이 가능하다.

이상 본 실시예에 의하면, 고정밀도 검출 가능한 정전 용량 검출 장치를 박막 반도체 장치에 의해 제조하는 것이 가능해졌다. 특히 본 실시예에서는 용량 검출 유전체막(42)에 절연막(160)과 반도체막(162)을 구비함으로써, 다음의 효과를 갖는다.

1) 본 실시예의 정전 용량 검출 장치에 의하면, 반도체막(162)이 최상면에 설치되어 있기 때문에, 대상물이 접촉하기 직전에 반도체막 표면에 반전층이 형성되고, 대상물의 전하는 재빠르게 표면에 확산되어, 회로를 정전 파괴로부터 방지하는 것이 가능하다.

2) 또한, 본 정전 용량 검출 장치에 의하면, 용량 검출 유전체막(42)의 하층 측에 절연막(160)이 설치되어 있기 때문에, 대상물의 전하가 직접 용량 검출 전극을 경유하여 흐르지 않아, 회로를 정전 파괴로부터 방지하는 것이 가능하다.

3) 또한, 상기에 표시된, 반도체막이 만족시켜야 할 전기 저항, 비저항, 불순물 밀도의 조건을 정하고, 소자 용량(C_D), 기준 콘덴서 용량(C_R), 트랜지스터 용량(C_T)의 대소관계를 설정했기 때문에, 신호 증폭 소자(T1)에서 대상물의 볼록부와 오목부를 식별할 수 있게 되었다. 이러한 구성을 구비함으로써, 종래의 단결정 실리콘 기판을 사용한 기술에서는 수㎜×수㎜ 정도의 작은 정전 용량 검출 장치만을 플라스틱 기판 위에 형성할 수 있었지만, 본 실시예의 정전 용량 검출 장치에 의하면, 그 100배의 면적을 갖는 정전 용량 검출 장치를 플라스틱 기판 위에 제조하는 것이 실현되고, 또한 대상물의 요철 정보를 상당히 고정밀도로 검출할 수 있게 되었다.

그 결과, 예를 들어 스마트카드 등의 전자 기기의 보안 레벨을 현저하게 향상시킨다는 효과가 인정된다. 또한, 단결정 실리콘 기판을 사용한 종래의 정전 용량 검출 장치는 장치 면적의 극히 일부만 단결정 실리콘 반도체를 이용하고 있어, 막대한 에너지와 노동력을 허비하고 있었다. 이것에 대하여, 본원 발명에서는 그러한 낭비를 배제하여, 지구환경의 보전에 도움이 된다는 효과를 나타낸다.

이상 본 발명에 의하면, 용량 검출 전극의 대상물이 접촉하는 측에 절연막과 반도체막을 구비했기 때문에, 용량 검출 전극을 통하여 순시 전류를 흐르게 하지 않아, 대상물의 전하를 효과적으로 방전시킬 수 있다. 이 때문에, 복잡한 방전용 구조 부품을 사용하지 않고 확실하게 정전 용량 검출 장치를 정전 파괴로부터 방지할 수 있다.

Claims

대상물과의 거리에 따라 변화하는 정전 용량을 검출함으로써, 상기 대상물의 표면 형상을 판독하는 정전 용량 검출 장치에 있어서,

M행 N열로 배치된 정전 용량 검출 소자와, 상기 정전 용량 검출 소자의 각각에 전원을 공급하는 전원선을 구비하고,

상기 정전 용량 검출 소자는 상기 정전 용량에 따른 전하를 축적하는 신호 검출 소자와, 상기 신호 검출 소자가 축적한 전하에 대응한 신호를 증폭하는 신호 증폭 소자를 포함하며,

상기 신호 검출 소자는 용량 검출 전극과, 상기 용량 검출 전극의 상기 대상물이 접촉하는 측에 설치되는 용량 검출 유전체막을 포함하고,

상기 용량 검출 유전체막은 절연막과 반도체막을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체막은 상기 정전 용량 검출 소자의 최표면(最表面)에 위치하는 정전 용량 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체막은 상기 정전 용량 검출 소자마다의 측정 시간을 Δτ, 상기 대상물의 정전 용량을 C_A로 정의한 경우에, 상기 반도체막의 전기 저항 R_PP가 하기 식으로 표시되는 정전 용량 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체막은 상기 정전 용량 검출 소자마다의 측정 시간을 Δτ, 상기 대상물의 정전 용량을 C_A, 상기 반도체막의 막 두께를 t_D, 상기 용량 검출 전극의 피치를 x, 상기 용량 검출 전극의 폭을 y로 하고, α=y/x로 정의한 경우에, 상기 반도체막의 비저항 ρ_D가 하기 식을 만족시키는 정전 용량 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체막은 상기 정전 용량 검출 소자마다의 측정 시간을 Δτ, 상기 대상물의 정전 용량을 C_A, 상기 반도체막의 막 두께를 t_D, 상기 반도체막의 캐리어 전하량을 q, 상기 반도체막의 캐리어 이동도를 μ, 상기 용량 검출 전극의 피치를 x, 상기 용량 검출 전극의 폭을 y로 하고, α=y/x로 정의한 경우에, 상기 반도체막의 불순물 농도 n이 하기 식을 만족시키는 정전 용량 검출 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반도체막은 비정질 실리콘인 정전 용량 검출 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 비정질 실리콘은 실질적으로 진성(眞性)인 정전 용량 검출 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 비정질 실리콘은 캐리어 농도가 4×10¹⁰㎝^-3 이하인 정전 용량 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 절연막은 질화실리콘인 정전 용량 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 정전 용량 검출 소자에 접속된 기준 콘덴서를 더 구비하고,

상기 기준 콘덴서의 전극 면적을 S_R, 상기 기준 콘덴서 유전체막의 두께를 t_R, 상기 기준 콘덴서 유전체막의 비유전율을 ε_R, 상기 신호 증폭 소자의 게이트 전극 면적을 S_T, 상기 신호 증폭 소자의 게이트 절연막의 두께를 t_OX, 상기 신호 증폭 소자의 게이트 절연막의 비유전율을 ε_OX로 하여, 상기 기준 콘덴서 용량 C_R과 상기 신호 증폭 소자의 소자 용량 C_T를,

,

로 정의하고(ε₀은 진공의 유전율),

상기 용량 검출 전극의 면적을 S_D, 상기 용량 검출 유전체막의 절연막의 두께를 t_DI, 상기 용량 검출 유전체막의 절연막의 비유전율을 ε_DI, 상기 용량 검출 유전체막의 반도체막의 두께를 t_DS, 상기 용량 검출 유전체막의 반도체막의 비유전율을 ε_DS로 하여 상기 신호 검출 소자의 소자 용량 C_D를,

로 정의한 경우에 (ε₀은 진공의 유전율),

상기 신호 검출 소자의 소자 용량 C_D는, 상기 기준 콘덴서 용량 C_R과 상기 신호 증폭 소자의 소자 용량 C_T의 합인 C_R+C_T보다도 충분히 큰 정전 용량 검출 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 대상물이 상기 반도체막에 접하지 않고 대상물 거리 t_A만큼 떨어져 있고, 대상물 용량 C_A를 진공의 유전율 ε₀과 공기의 비유전율 ε_A와 상기 용량 검출 전극의 면적 S_D를 이용하여,

로 정의한 경우에,

상기 기준 콘덴서 용량 C_R은 상기 대상물 용량 C_A보다도 충분히 큰 정전 용량 검출 장치.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 대상물이 상기 용량 검출 유전체막에 접하지 않고 대상물 거리 t_A만큼 떨어져 있고, 대상물 용량 C_A를 진공의 유전율 ε₀과 공기의 비유전율 ε_A와 상기 용량 검출 전극의 면적 S_D를 이용하여,

로 정의한 경우에,

상기 기준 콘덴서 용량 C_R은 상기 대상물 용량 C_A보다도 충분히 큰 정전 용량 검출 장치.
제 1 항에 기재된 정전 용량 검출 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 전자 기기.