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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum elektronischen
Abtasten topografischer Merkmale eines Objekts, beispielsweise eines
Fingerabdrucks. Spezieller betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren
zur kapazitiven Abtastung eines Fingerabdrucks auf einem überstrichenen
Finger. Für
repräsentative
Beschreibungen wird auf die WO 99/43258 und die WO 99/28701 hingewiesen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
elektronische Fingerabdruckabtastung hat erhöhte Beachtung als Vorgehensweise
zum verlässlichen
Identifizieren von Individuen erfahren. Eine elektronische Fingerabdruckabtastung
kann in ortsfesten Geräten
eingesetzt werden, beispielsweise Sicherheitskontrollpunkten, oder
in tragbaren Geräten,
beispielsweise Mobiltelefonen und anderen Drahtlosgeräten, und
intelligenten Karten. Daher müssen
elektronische Fingerabdruckabtastsysteme kompakt, äußerst verlässlich und
kostengünstig
sein.
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Die
elektronische Fingerabdruckabtastung unter Verwendung optischer
Verfahren ist gut eingeführt.
Ein einfaches, auf Linsen beruhendes Videokamerasystem ist im US-Patent
Nr. 4 525 859 beschrieben, das am 25. Juni 1985 an Bowles et al.
erteilt wurde. Ausgefeiltere Einheiten, die holografische Elemente
verwenden, die ein korrigiertes, zweidimensionales Bild auf ein
abbildendes CCD-System projizieren, sind im US-Patent Nr. 5 109
427 beschrieben, das am 28. April 1992 an Yang erteilt wurde.
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Seit
kurzem sind elektronische Fingerabdrucksensoren populär geworden,
die eine regelmäßige Anordnung
aus Elektroden dazu einsetzen, eine Höhenlinienkarte von Fingererhöhungs-Kapazitäten zu erzeugen.
Das US-Patent Nr. 4 353 056, erteilt am 5. Oktober 1982 an Tsikos,
beschreibt einen Sensor, der eine zweidimensionale, regelmäßige Anordnung aus
Zeilen und Spalten aufweist, die jeweils ein Paar beabstandeter
Elektroden mit Abtastelektronik aufweisen, insgesamt durch einen
Isolierfilm überlagert. Der
Sensor beruht darauf, dass die Fingererhöhungen ein Muster in dem Isolierfilm
verformen, wodurch die darunter liegende Kapazität geändert wird, die von der regelmäßigen Elektrodenanordnung
erfasst wird. Allerdings ist bei dieser Vorgehensweise eine außergewöhnlich hohe
Elastizität
und Standfestigkeit des Polymerisolierfilms erforderlich, was schwierig zu
erreichen ist.
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Eine
direktere Vorgehensweise ist im US-Patent Nr. 5 325 442 beschrieben,
erteilt am 28. Juni 1994 an Knapp, welches eine zweidimensionale,
regelmäßige Elektrodenanordnung
beschreibt, die Kondensatoren zwischen jeder Elektrode auf dem Substrat
und einem geerdeten Finger ausbildet, der in enger Nähe zur Elektrode
angeordnet wird. Dünnfilmtransistoren,
die auf einem Isolator angeordnet sind, sind als Schaltelemente
ausgebildet, um jede Zeile und jede Spalte in der regelmäßigen Anordnung abzutasten.
Eine zusätzliche
Schaltung misst die Ladeströme
für jeden
Kondensator auf der regelmäßigen Anordnung
bei der Abtastung, woraus die einzelnen Kapazitäten bestimmt werden. Diese
Werte werden dann dazu verwendet, eine zweidimensionale Kapazitätskarte
der Fingererhöhungsmuster
zu erzeugen, welche eng der körperlichen
Ausbildung des Fingers gleicht.
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Das
US-Patent Nr. 6 016 355, erteilt am 18. Januar 200 an Dickenson
et al., schlägt
ebenfalls eine zweidimensionale Matrix aus Elektroden auf einem
Substrat vor. Die Elektroden bilden eine regelmäßige Anordnung aus Kondensatoren
zu einem geerdeten Finger in enger Nähe. Diese Vorgehensweise bestimmt
die Größe der Kapazität dadurch,
dass eine feste Spannung an jeden Kondensator in der regelmäßigen Anordnung
angelegt wird, und dann die Zeit gemessen wird, die zum Entladen
des Kondensators benötigt
wird, mit einer parallelen Konstantstromquelle.
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Sämtliche
Vorgehensweisen mit zweidimensionalen, regelmäßigen Anordnungen aus Kondensatoren
weisen Nachteile auf. Der erste besteht in der großen Anzahl
an Transistorbauelementen, die dazu benötigt werden, die mehr als 10
000 Kondensatoren in einer derartigen regelmäßigen Anordnung in einem Abstand
von 100 Mikrometer abzutasten und zu messen. Selbst wenn die Siliziumplättchenfläche durch
kleinere Bauelementgeometrien verringert werden könnte, ist
eine große
Siliziumplättchenabmessung
von zumindest 10 mm an einer Seite dazu erforderlich, um eine ausreichende
Kontaktfläche
zu erhalten. Zweitens ist das Problem der elektrostatischen Entladung
von einem aufgeladenen menschlichen Körper durch den Finger vorhanden,
wodurch der dünne
Isolator zerstört
wird, der die Finger von den Messelektroden trennt, und die Niederspannungstransistoren
zerstört
werden, welche die regelmäßige Anordnung
betreiben. Ein drittes Problem besteht in dem Risiko einer mechanischen
Beschädigung,
die durch direkte körperliche
Berührung
des Fingers mit einem freiliegenden Siliziumplättchen auftritt.
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Eine
optische Eingabeeinrichtung für
Fingerabdrücke,
die einen Kontaktbildsensor zur Betrachtung eines sich bewegenden
Fingers aufweist und ein Bild zur Verfügung stellt, ist im US-Patent
Nr. 6 259 108 beschrieben, das am 10. Juli 2001 an Antonelli et
al. erteilt wurde. Ein lineares Sensorbilderzeugungsverfahren und
eine zugehörige
Einrichtung zur Aufnahme des Bildes eines sich bewegenden Objekts,
mit unbekannter variabler oder konstanter Geschwindigkeit, entlang
einer oder mehreren linearen regelmäßigen Sensoranordnungen ist
im US-Patent Nr.
6 002 815 beschrieben, das am 14. Dezember 1999 an Immega et al.
erteilt wurde.
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Sämtliche
bekannten, bisherigen elektronischen Fingerabdruck-Abtastsysteme weisen
einen oder mehrere Nachteile auf, einschließlich geringer Verlässlichkeit
und hoher Kosten. Daher besteht ein Bedürfnis nach neuen und verbesserten
elektronischen Fingerabdruck-Abtastsystemen und zugehörigen Verfahren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei
der Erfindung, wie sie nachstehend in den Patentansprüchen 1,
20 und 51 angegeben ist, sind leitfähige Elemente oder Platten,
auf einem isolierenden Substrat vorgesehen, um eine eindimensionale,
kapazitive, regelmäßige Abtastanordnung
zur Erfassung topografischer Änderungen
in einem Objekt wie einem Finger zu erzeugen. Die regelmäßige Anordnung
weist mehrere Treiberplatten auf, die aufeinander folgend mit elektronischen
Signalform-Bursts von kurzer Dauer erregt werden. Eine orthogonale
Aufnehmerplatte, die an eine Ladungsmessschaltung angeschlossen
ist, erfasst aufeinander folgend die Intensität des elektrischen Feldes, das
von jedem Treiberelement erzeugt wird. Bei jeder vollständigen Abtastung
der Treiberplatten wird eine eindimensionale Scheibe der relativen
Dielektrizitätskonstanten
des Objekts akquiriert. Durch Überstreichen
eines Objekts, beispielsweise eines Fingers, über den Spalt zwischen den
Treiberplatten und der Aufnehmerplatte, und Abtastung des Spalts
mit einer erheblich höheren
Geschwindigkeit als der Überstreichgeschwindigkeit,
wird ein zweidimensionales Bild auf Grundlage der Kapazität erzeugt.
Das Bild ähnelt
stark den körperlichen
Oberflächenmerkmalen des
Objekts.
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Durch
die Erfindung wird eine Bildabtasteinrichtung zur Verfügung gestellt.
Die Bildabtasteinrichtung weist zumindest eine Bildabtastplatte
auf, die im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung eines Objekts
angeordnet ist, und mehrere Bildtreiberplatten, die beabstandet
zur Bildaufnehmerplatte angeordnet sind, um mehrere Sensorspalte
festzulegen. Merkmale des Objekts, das über den Sensorspalten vorbeigeht,
erzeugen eine Änderung
der Kapazität
zwischen jeweiligen Bildtreiberplatten und der Bildaufnehmerplatte.
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Bei
einigen Ausführungsformen
weisen die Bildaufnehmerplatte und die Bildtreiberplatten solche Abmessungen
und Abstände
auf, dass ein Fingerabdruck abgetastet werden kann. Bei diesen Ausführungsformen
ist der Abstand zwischen jeder der Bildtreiberplatten und der Bildaufnehmerplatte
vorzugsweise kleiner als etwa die Hälfte des Abstands der Erhöhungen bei
einem typischen Fingerabdruck, und ist der Abstand zwischen benachbarten
Bildtreiberplatten vorzugsweise kleiner als etwa die Hälfte des Abstands
der Erhöhungen
eines typischen Fingerabdrucks. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Bildtreiberplatten
parallele Leiter auf, die senkrecht zu der Bildaufnehmerplatte angeordnet
sind, und von der Bildaufnehmerplatte durch jeweilige Sensorspalte
beabstandet sind. Bei einigen Ausführungsformen werden zwei oder
mehr Bildaufnehmerplatten eingesetzt, und wird eine entsprechende
Anzahl an Treiberplatten gleichzeitig mit Energie versorgt. Vorzugsweise
verlaufen die Bildaufnehmerplatte und die Bildtreiberplatten im
Wesentlichen koplanar zueinander. Merkmale des Fingers, der oberhalb
der Sensorspalte vorbeigeht, erzeugen Änderungen der Kapazität zwischen
jeweiligen Bildtreiberplatten und der Bildaufnehmerplatte.
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Die
Bildaufnehmerplatte und die Bildtreiberplatten können leitfähige Linienzüge auf einem
Substrat aufweisen. Das Substrat kann eine Leiterplatte aufweisen.
Bei einer anderen Ausführungsform
ist das Substrat als ein flexibles Substrat ausgebildet. Die Einrichtung
kann weiterhin eine Substrathalterung aufweisen, welche eine solche
Kontur hat, die so ausgewählt
ist, dass sie im Wesentlichen an die Kontur eines typischen Fingers
angepasst ist. Das flexible Substrat kann an der konturierten Substrathalterung
befestigt sein, so dass der Bildsensor an die Form des Fingers angepasst
ist.
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Die
Bildabtasteinrichtung kann weiterhin eine Erregerschaltung zum aufeinander
folgenden Versorgen der Bildtreiberplatten mit Bildtreibersignalen
aufweisen, und eine Detektorschaltung zur Erfassung der Treibersignale,
die kapazitiv von den Bildtreiberplatten an die Bildaufnehmerplatte
gekoppelt sind, um Bildsignale zur Verfügung zu stellen. Die Bildtreibersignale
können
aufeinander folgende Signal-Bursts enthalten, die jeweiligen Bildtreiberplatten zugeführt werden.
Die Erregerschaltung kann eine Schaltung zum Koppeln nicht aktiver Bildtreiberplatten
an ein Bezugspotential aufweisen. Die Detektorschaltung kann einen
Synchronhüllendetektor
zur Bereitstellung von Impulsen in Reaktion auf die erfassten Signal-Bursts
aufweisen. Die Bildabtasteinrichtung kann weiterhin einen Analog/Digital-Wandler zur
Umwandlung der Impulse in Digitalwerte aufweisen, einen Speicher
und einen Prozessor zum Speichern der Digitalwerte in dem Speicher.
Der Prozessor kann mehrere aufeinander folgende Zeilen-Scans der
Bildtreiberplatten einleiten, um mehrere Zeilen-Scans entlang Linien
des sich bewegenden Objekts zur Verfügung zu stellen.
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Durch
die Erfindung wird eine Geschwindigkeitsmesseinrichtung zur Verfügung gestellt.
Die Geschwindigkeitsmesseinrichtung weist zwei oder mehrere Objektdetektoren
auf, die entlang einer Bewegungsrichtung eines Objekts beabstandet
angeordnet sind, wobei jeder der Objektdetektoren zumindest eine
Geschwindigkeitstreiberplatte und zumindest eine Geschwindigkeitsaufnehmerplatte
aufweist. Ein Ende eines Objekts, das über jedem der Objektdetektoren
vorbeigeht, erzeugt eine Änderung
der Kapazität
zwischen jeweiligen Geschwindigkeitstreiberplatten und Geschwindigkeitsaufnehmerplatten.
orzugsweise sind die Geschwindigkeitstreiberplatte und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatte
jedes der Objektdetektoren im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung
des Objekts angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen weisen einige
der Objektdetektoren erste und zweite Geschwindigkeitsaufnehmerplatten
auf, die an entgegengesetzten Seiten der Geschwindigkeitstreiberplatte
angeordnet sind, um einen Differenzgeschwindigkeitssensor auszubilden.
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Die
Geschwindigkeitstreiberplatten und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten
der Objektdetektoren können
solche Abmessungen und solche Abstände aufweisen, dass die Geschwindigkeit
eines sich bewegenden Fingers erfasst wird. Die Geschwindigkeitstreiberplatten
und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten können gekrümmt ausgebildet sein, im Wesentlichen
angepasst an die Kurve eines typischen Fingerendes. Vorzugsweise
sind die Geschwindigkeitstreiberplatten und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten
der Objektdetektoren im Wesentlichen koplanar angeordnet.
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Die
Geschwindigkeitstreiberplatten und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten
können
leitfähige
Linienzüge
auf einem Substrat aufweisen, beispielsweise einer Leiterplatte.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat als ein flexibles Substrat ausgebildet, das solche
Konturen aufweisen kann, dass eine Anpassung an die Kontur eines
typischen Fingers erfolgt.
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Die
Geschwindigkeitsabtasteinrichtung kann weiterhin eine Erregerschaltung
zur Energieversorgung der Geschwindigkeitstreiberplatten der Objektdetektoren
mit Geschwindigkeitstreibersignalen und eine Detektorschaltung zur
Erfassung der Treibersignale aufweisen, die kapazitiv von der Geschwindigkeitstreiberplatte
auf die Geschwindigkeitsaufnehmerplatte jedes der Objektdetektoren
gekoppelt ist, um Geschwindigkeitssignale zur Verfügung zu
stellen. Die Geschwindigkeitstreibersignale können als Signal-Bursts ausgebildet
sein. Die Detektorschaltung kann einen Synchronhüllendetektor aufweisen. Die
Geschwindigkeitsabtasteinrichtung kann weiterhin eine Verarbeitungsschaltung
zur Bestimmung einer Zeitverzögerung
zwischen den Geschwindigkeitssignalen von den Objektdetektoren aufweisen. Die
Zeitverzögerung
zwischen den Geschwindigkeitssignalen ist repräsentativ für die Geschwindigkeit des Objekts.
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Durch
die Erfindung wird ein Fingerabdruckabtastsystem zur Verfügung gestellt.
Das Fingerabdruckabtastsystem weist einen Bildsensor auf, der eine
lineare, regelmäßige Anordnung
auf kapazitiven Sensoren zur kapazitiven Abtastung von Spitzen von
Erhöhungen
und Tälern
der Erhöhungen
eines Fingerabdrucks auf einem sich bewegenden Finger aufweist,
einen Geschwindigkeitssensor zur Erfassung der Geschwindigkeit des
Fingers, wenn er sich über
den Bildsensor bewegt, und eine Sensorschaltung zur Erregung des
Bildsensors mit Bildtreibersignalen und zur Erfassung von Bildsignalen
in Reaktion auf die Bildtreibersignale, zur Erregung des Geschwindigkeitssensors
mit Geschwindigkeitstreibersignalen und zur Erfassung von Geschwindigkeitssignalen
in Reaktion auf die Geschwindigkeitstreibersignale, und zum Zusammenstellen
der Bildsignale und der Geschwindigkeitssignale zur Bereitstellung
eines Fingerabdruckbilds.
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Der
Bildsensor kann zumindest eine Bildaufnehmerplatte aufweisen, die
im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Fingers angeordnet
ist, und mehrere Bildtreiberplatten beabstandet zum Bildaufnehmer,
um mehrere Sensorspalte auszubilden. Spitzen der Erhöhungen und
Täler der
Erhöhungen
des Fingerabdrucks, der über
die Sensorspalte hindurchgeht, erzeugen Änderungen der Kapazität zwischen
jeweiligen Bildtreiberplatten und der Bildaufnehmerplatte.
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Der
Geschwindigkeitssensor kann zwei oder mehr Fingerdetektoren aufweisen,
die entlang der Bewegungsrichtung des Fingers beabstandet angeordnet
sind. Jeder der Fingerdetektoren kann zumindest eine Geschwindigkeitstreiberplatte
und zumindest eine Geschwindigkeitsaufnehmerplatte aufweisen. Ein
Ende des Fingers, der über
jeder der Fingerdetektoren hindurchgeht, erzeugt eine Änderung
der Kapazität
zwischen jeweiligen Geschwindigkeitstreiberplatten und Geschwindigkeitsaufnehmerplatten. Die
Sensorschaltung kann eine Verarbeitungsschaltung zur Erfassung einer
Zeitverzögerung
zwischen Geschwindigkeitssignalen von den Fingerdetektoren aufweisen.
Die Zeitverzögerung
zwischen den Geschwindigkeitssignalen ist repräsentativ für die Geschwindigkeit des Fingers.
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Der
Bildsensor und der Geschwindigkeitssensor können auf einem Substrat vorhanden
sein. Bei einigen Ausführungsformen
ist das Substrat als ein flexibles Substrat ausgebildet. Bei anderen
Ausführungsformen
ist die Sensorschaltung auf dem Substrat zusammen mit dem Bildsensor
und dem Geschwindigkeitssensor vorgesehen.
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Durch
die Erfindung wird ein kapazitiver Sensor zur Verfügung gestellt.
Der kapazitive Sensor weist zumindest eine Aufnehmerplatte und mehrere Treiberplatten
auf, die beabstandet zur Aufnehmerplatte angeordnet sind. Die Aufnehmerplatte
und die mehreren Treiberplatten verlaufen im Wesentlichen koplanar.
Ein Objekt, das oberhalb der regelmäßigen Anordnung aus Sensorspalten
vorbeigeht, erzeugt eine Änderung
der Kapazität
zwischen jeweiligen Treiberplatten und der Aufnehmerplatte.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen,
die durch Bezugnahme eingeschlossen werden, wobei zeigt:
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1A ein
Blockschaltbild eines Bildabtastsystems gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1B eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei ein Finger dargestellt ist, der
einen Fingerabdruckbildsensor überstreicht;
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2A eine
mögliche
Verteilung des elektrischen Feldes, wenn eine Spitze der Erhöhung eines Fingerabdrucks
abgetastet wird, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2B die
Verteilung des elektrischen Feldes, wenn ein Tal der Erhöhung eines
Fingerabdrucks gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung abgetastet wird;
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3 ein
Blockschaltbild einer Bildabtastschaltung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Bildsensors,
wobei parasitäre
Feldlinien dargestellt sind, die im Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung
auftreten können;
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5 eine
Ausführungsform
eines Bildsensors, bei welchem das Substrat flexibel ist;
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6 einen
Bildsensor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
7 einen
Bildsensor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
8 einen
Bildsensor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
9 einen
Geschwindigkeitssensor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 einen
Geschwindigkeitssensor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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11 einen
Geschwindigkeitssensor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 einen
Geschwindigkeitssensor gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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13 einen
Geschwindigkeitssensor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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14 einen
Geschwindigkeitssensor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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15 ein
Blockschaltbild einer Geschwindigkeitsabtastschaltung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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16 ein
Blockschaltbild einer Geschwindigkeitsabtastschaltung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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17 ein
Blockschaltbild einer Geschwindigkeitsabtastschaltung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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18 ein
Blockschaltbild eines Datenakquisitions- und -steuerprozessors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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19 ein
Flussdiagramm eines Geschwindigkeitsabtastalgorithmus gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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20 ein
Flussdiagramm eines Geschwindigkeitsabtastalgorithmus gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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21 ein
Flussdiagramm eines Geschwindigkeitsabtastalgorithmus gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
22 ein
Flussdiagramm eines Bildzeilenakquisitionsalgorithmus gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
23 ein
Flussdiagramm eines Bildakquisitionsalgorithmus gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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24 ein
Flussdiagramm eines Bildakquisitionsalgorithmus gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Nachstehend
werden Verfahren und Einrichtungen zur Erfassung topografischer Änderungen
eines Objekts beschrieben. Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein
Sensor zur Verfügung
gestellt, der einen Sensorspalt oder eine Sensoröffnung aufweist. Das abgetastete
Objekt überstreicht
den Sensor. Wenn topografische Änderungen
des Objekts über die
Sensoröffnung
gehen, ändert
sich die Kapazität der Öffnung.
Die Kapazitätsänderungen
werden gemessen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Kapazitätsänderungen
in einem Computer-lesbaren Medium gespeichert. Das Medium kann später ausgelesen
werden, die Kapazitätsänderungen
können interpretiert
werden, und ein Bild der topografischen Änderungen des Objekts kann
rekonstruiert werden.
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In
der Praxis der Abtastung durch Überstreichen
einer Öffnung
tritt typischerweise auf, dass die Geschwindigkeit unbekannt ist,
mit welcher das Objekt überstrichen
wird. Dies kann zu verzerrten Bildern führen. In vorteilhafter Weise
stellt eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Geschwindigkeitssensor zur Erfassung
der Überstreichungsgeschwindigkeit
zur Verfügung.
Bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird das Bild in Abhängigkeit von der erfassten Überstreichungsgeschwindigkeit
eingestellt.
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Bei
wesentlichen Ausführungsformen
ist das abgetastete Objekt ein Finger, und sind die topografischen Änderungen
Spitzen und Täler
von Erhöhungen
eines Fingerabdrucks. Bei diesen Ausführungsformen wird die Erfindung
als ein Fingerdruckabtastsystem verwirklicht. Es wird darauf hingewiesen, dass
zwar die Erfindung anhand der Abtastung von Fingerabdrücken beschrieben
wird, jedoch die Erfindung dazu angepasst werden kann, topografische Änderungen
anderer Objekte zu erfassen, und in dieser Hinsicht nicht einschränkend verstanden
werden sollte.
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Zur
Vereinfachung der Beschreibung werden einige erläuternde Beispiele nachstehend
in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Dies sind nur Beispiele,
und sie sollen nicht einschränkend
verstanden werden. Ein Fachmann auf diesem Gebiet kann in Kenntnis
der vorliegenden Anmeldung Abänderungen
entwickeln, die vom Wesen und Umfang der vorliegenden Anmeldung
umfasst sein sollen. In den Zeichnungen werden gleiche Elemente
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1A zeigt
ein Fingerabdruckabtastsystem 100 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein Sensorblock 102 empfängt Treibersignale
von einer Sensorschaltung 108, und schickt an diese abgetastete
Signale. Der Sensorblock 102 weist einen Bildsensor 110 und
einen Geschwindigkeitssensor 112 auf. Die Sensorschaltung 108 weist
eine Bildabtastschaltung 124, eine Geschwindigkeitsabtastschaltung 122,
und einen Mikroprozessor und Speicher 130 auf. Der Bildsensor 110 empfängt Treibersignale 104 von
der Bildabtastschaltung 124, und liefert abgetastete Signale 106 an diese.
Der Geschwindigkeitssensor 112 empfängt Treibersignale 105 von
der Geschwindigkeitsabtastschaltung 112, und schickt abgetastete
Signale 107 an diese. Der Mikroprozessor und Speicher 130 akquiriert
und verarbeitet Bilddaten und Geschwindigkeitsdaten, und steuert
den Betrieb des Systems. Die Bestandteile des Systems 100 werden
nachstehend im Einzelnen beschrieben.
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1B zeigt
die Praxis einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei der in 1B dargestellten
Ausführungsform
weist der Bildsensor 110 mehrere Treiberplatten 114 und
eine Aufnehmerplatte 116 auf. Die Treiberplatten 114 sind
im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und an die Sensorschaltung 108 angeschlossen.
Die Aufnehmerplatte 116 ist im Wesentlichen senkrecht zu
den Treiberplatten 114 angeordnet, und ist von den Treiberplatten 114 durch
einen Sensorspalt 118 getrennt. Im Einzelnen umfasst der
Sensorspalt 118 mehrere Sensorspalte zwischen jeweiligen
Treiberplatten 114 und der Aufnehmerplatte 116.
Der Bildsensor 110 weist daher eine lineare, regelmäßige Anordnung von
Sensorspalten auf.
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Als
nächstes
wird der Betriebsablauf der Ausführungsform
von 1B beschrieben. In 1B wird
ein Finger 120 senkrecht zum Sensorspalt 118 bewegt,
oder überstreicht
diesen. Die Sensorschaltung 108 versorgt aufeinander folgend
die Treiberplatten 114 mit Treibersignalen. Wenn Spitzen und
Täler von
Erhöhungen
des Fingerabdrucks auf dem Finger 120 über den Sensorspalt 118 gelangen, werden
die Treibersignale, die an die Treiberplatte 114 angelegt
sind, kapazitiv auf die Aufnehmerplatte 116 gekoppelt,
entsprechend den Kapazitäten
der einzelnen Sensorspalte. Wie nachstehend erläutert, ändert sich die Kapazität in Abhängigkeit
von den Spitzen der Erhöhungen
und den Tälern
der Erhöhungen
des Fingerabdrucks, der über
die Sensorspalte herüber
geht. Während
eine Richtung der Überstreichung
von links nach rechts in 1B dargestellt
ist, wird darauf hingewiesen, dass auch eine Richtung der Überstreichung
von rechts nach links eingesetzt werden kann.
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2A erläutert die
kapazitive Kopplung zwischen der Treiberplatte 114 und
der Aufnehmerplatte 116, wenn eine Spitze einer Erhöhung 202 des Fingers 120 sich
in dem Sensorspalt 118 befindet. Die Treiberplatten 114 und
die Aufnehmerplatte 116 sind an einem isolierenden Substrat 206 befestigt. Primäre elektrische
Feldlinien 206 gehen im Wesentlichen durch die Spitze der
Erhöhung 202 von
der Treiberplatte 114 zur Aufnehmerplatte 116 hindurch. Sekundäre Feldlinien
gehen ebenfalls durch den Körper
des Fingers 120 hindurch. 2A zeigt
auch parasitäre
Feldlinien, die durch das Substrat 206 und horizontal über den
Spalt 118 hindurchgehen.
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2B erläutet die
kapazitive Kopplung zwischen der Treiberplatte 114 und
der Aufnehmerplatte 116, wenn ein Tal der Erhöhung 208 des
Fingers 120 sich im Sensorspalt 118 befindet.
Da nur die äußeren Feldlinien
der primären
elektrischen Feldlinien 204 durch den Finger 120 hindurchgehen,
und zahlreiche primäre
Feldlinien durch den Luftspalt hindurchgehen, wird das in diesem
Fall gemessene Signal durch die gesamte Kapazität des Fingers und die restliche parasitäre Kapazität beeinflusst.
Die restliche parasitäre
Kapazität
tritt infolge der Tatsache auf, dass Substratfeldlinien 210 von
der Treiberplatte 114 zur Aufnehmerplatte 116 durch
das Substrat 206 hindurchgehen. Vorzugsweise kann eine
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung die restliche parasitäre Kapazität messen, vor dem Überstreichen
des Fingers 120. Diese Messung wird als Korrektur für den Wert
eingesetzt, der bei der Fingerabdruckabtastung gemessen wird.
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Wie
weiterhin aus den 2A und 2B hervorgeht,
weisen die Treiberplatte 114 und die Aufnehmerplatte 116 eine
im Wesentlichen koplanare Anordnung auf dem Substrat 206 auf.
Eine Dicke h der Treiberplatte 114 und der Aufnehmerplatte 116 ist typischerweise
sehr klein im Vergleich zur Länge
der Platte. Weiterhin kann der Abstand zwischen der Treiberplatte 114 und
der Aufnehmerplatte 116 in der Größenordnung von 25 bis 50 Mikrometer
liegen, zur Fingerabdruckabtastung. Daher bilden die Treiberplatte 114 und
die Aufnehmerplatte 116 Seite an Seite angeordnete, koplanare
Elektroden eines Kapazitätssensors.
Die primären
Feldlinien 204 in dem Nahfeld oberhalb des Sensorspalts
bilden den primären Abtastbereich.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein überstrichener Finger zu Fingerabdruckerhöhungen führt, die
oberhalb des Sensorspalts vorbeigehen, anstatt den Sensorspalt zwischen
der Treiberplatte 114 und der Aufnehmerplatte 116 zu
füllen.
Daher arbeitet der Bildsensor 110 in vorteilhafter Weise
als Kapazitätssensor,
der im Wesentlichen koplanare Platten aufweist, welche Erhöhungen und
Täler von Fingerabdrucken
abtasten, die oberhalb des Sensorspalts zwischen der Treiberplatte 114 und
der Aufnehmerplatte 116 vorbeigehen.
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Der
Bildsensor 110 ist eine Ausführungsform eines Kapazitätssensors,
der eine Aufnehmerplatte und mehrere Treiberplatten aufweist, die
im Wesentlichen koplanar angeordnet sind. Der Kapazitätssensor
kann bei verschiedenen Abtastanwendungen eingesetzt werden. Bei
einer Ausführungsform
wird der Kapazitätssensor
zur Abtastung der Position und/oder Abmessung eines Objekts verwendet.
Ein Objekt, das über
dem Sensor angeordnet ist, kann daher einige Sensorspalte abdecken,
andere aber nicht. Dies führt
dazu, dass die Ausgangssignale des Sensors die Position und die
Abmessungen des Objekts angeben.
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Die
Dielektrizitätskonstante
eines Fingers ist typischerweise 10 bis 20 Mal größer als
die Dielektrizitätskonstante
der Umgebungsluft. Die Dielektrizitätskonstanten von Fingererhöhungen variieren
von Finger zu Finger und von Person zu Person; daher der große Bereich
der Dielektrizitätskonstanten.
Da der Finger 120 eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die sich
wesentlich von der Dielektrizitätskonstante der
Luft unterscheidet, variiert die Kapazität zwischen der Treiberplatte 114 und
der Aufnehmerplatte 116 in Abhängigkeit davon, ob eine Spitze
einer Erhöhung
oder ein Tal einer Erhöhung über dem
Sensorspalt 118 vorbeigeht. Dies führt dazu, dass sich das Treibersignal,
das kapazitiv von der Treiberplatte 114 auf die Aufnehmerplatte
eingekoppelt wird, in Abhängigkeit
von den Fingerabdruckmerkmalen ändert, die über dem
Sensorspalt 118 vorbeigehen. Diese Signaländerungen
werden dazu verwendet, ein elektronisches Bild des Fingerabdrucks
zu erzeugen.
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Eine
Ausführungsform
der Sensorschaltung 108 ist in 3 gezeigt.
Insbesondere sind eine Bildabtastschaltung 124 und ein
Mikroprozessor und ein Speicher 130 von 1A mit
weiteren Einzelheiten dargestellt. Ein Haupttakt 302 stellt
ein Taktsignal zum Multiplexen einer Abtastlogik 304 und
eines Mischers 306 zur Verfügung. Der Haupttakt 302 kann über ei-nen
Frequenzbereich arbeiten, beispielsweise von 20 MHz bis 80 MHz,
ist jedoch nicht auf diesen Bereich beschränkt. Der Mikroprozessor und
Speicher 130 erzeugen Steuersignale zum Multiplexen der
Abtastlogik 304. Die Ausgangssignale der Multiplex-Abtastlogik 304 dienen
als Steuereingänge
zu Schaltern 310.
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Das
Taktsignal von dem Master-Takt 302 wird durch Schalter 310 getaktet,
um Signal-Bursts 312 zur Verfügung zu stellen. Ein Puffer 314 mit
niedriger Impedanz aktiviert jede Treiberplatte 114 mit
Signal-Bursts 312. Die Signal-Bursts 312 werden
von Standardschaltungselementen erzeugt, die Fachleuten auf diesem
Gebiet bekannt sind, und werden von einer gemeinsamen Frequenzbezugsgröße des Signals
des Master-Takts 302 abgeleitet.
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Die
Multiplex-Abtastlogik 304 kann aufeinander folgend die
Schalter 310 aktivieren, um die Treiberplatten 114 abzutasten.
Bei einer Ausführungsform
arbeitet der Master-Takt 302 bei
40 MHz, und wird jeder Schalter 310 für etwa 2 bis 5 Mikrosekunden
eingetaktet. Die aufeinander folgenden Signal-Bursts 312, die an die Treiberplatte 114 angelegt werden,
stellen eine lineare Abtastung der kapazitiven Sensoren zwischen
den Enden der Treiberplatten 114 und der Aufnehmerplatte 116 zur
Verfügung. Da
die Abtastgeschwindigkeit im Vergleich zur Fingerüberstreichgeschwindigkeit
groß ist,
wird eine Zeilenabtastung des Fingerabdrucks erzeugt.
-
Ein
Fachmann weiß,
dass die Treiberplatten 114 nicht aufeinander folgend betrieben
werden müssen.
Tatsächlich
können
die Treiberplatten 114 in jeder Reihenfolge betrieben werden.
Darüber
hinaus müssen
die Treiberplatten 114 nicht durch Bursts des Signals des
Master-Takts 302 betrieben werden, sondern können durch
jedes periodische Signal betrieben werden, beispielsweise ein Sinussignal.
-
Wenn
sein Steuereingang aktiviert wird, liefert der Schalter 310 ein
getaktetes Taktsignal vom Master-Takt 302 zum Puffer 314 mit
niedriger Impedanz. Der Signal-Burst 312, der vom Puffer 314 mit niedriger
Impedanz abgegeben wird, wird kapazitiv an die Aufnehmerplatte 116 angekoppelt.
Wie voranstehend erläutert,
stellt die kapazitive Kupplung eine Funktion der Fingerabdruckmerkmale
dar, die über dem
Sensorspalt 118 vorbeigehen. Wenn der Eingang des Schalters 310 nicht
aktiviert ist, treibt der Puffer 314 mit niedriger Impedanz
seine zugehörige Treiberplatte 114 an
Masse. Irgendwelche parasitären
Felder zwischen der aktivierten Treiberplatte und den inaktivierten
Treiberplatten werden daher an Masse abgeleitet. Durch kapazitive
Kopplung erfasst die Aufnehmerplatte 116 die Signal-Bursts 312,
und stellt die kapazitiv gekoppelten Signale einem Verstärker 316 mit
variabler Verstärkung
zur Verfügung.
-
Die
Verstärkung
des Verstärkers 316 mit
einstellbarer Verstärkung
kann durch das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Wandlers 318 gesteuert werden,
der an den Mikroprozessor und Speicher angeschlossen ist. Die Verstärkung kann
zu dem Zweck eingestellt werden, einen gewünschten Ausgangspegel trotz
unterschiedlicher Abtastbedingungen zur Verfügung zu stellen. Das Ausgangssignal,
das von dem Digital-Analog-Wandler 318 dem
Verstärker 316 mit
einstellbarer Verstärkung
zugeführt
wird, kann zu einer Verstärkungseinstellung
auf Grundlage der Impedanz des Fingers führen.
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Das
Signal, das von dem Verstärker 316 mit einstellbarer
Verstärkung
abgegeben wird, wird einem Bandpassfilter 320 zugeführt. Das
Bandpassfilter 320 ist auf die Frequenz des Taktgenerators 302 zentriert,
und kann einen Q-Wert von 10 aufweisen.
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Das
Ausgangssignal des Bandpassfilters 320 wird in einem Mischer 306 mit
dem Taktsignal vom Taktgenerator 302 gemultiplext. Der
Mischer 306 führt
eine Synchron-Hüllkurven-Gleichrichtung von
Signal-Bursts 312 durch. Das Ausgangssignal des Mischers 306 ist
ein Basisbandimpuls, der die Hüllkurve
des kapazitiv gekoppelten Signal-Bursts repräsentiert. Bei einer alternativen
Ausführungsform kann
eine synchrone Gleichrichtung zum Abziehen der Hüllkurve eingesetzt werden.
Die Amplitude des Impulses, der vom Mischer 306 abgegeben
wird, ist eine Funktion des abgetasteten topografischen Merkmals
des Fingers. Das Impulsamplituden-modulierte Signal wird einem Tiefpassfilter 322 zugeführt. Das
Tiefpassfilter 322 entfernt unerwünschte Hochfrequenzharmonische,
die durch den Mischvorgang hervorgerufen werden. Das Tiefpassfilter 322 kann Gruppenverzögerungseigenschaften
aufweisen, welche Phasenverzerrungen kompensieren, die in den vorherigen
Signalverarbeitungsstufen aufgetreten sind. Das Tiefpassfilter 322 kann
auch dazu optimiert sein, die Information zu verarbeiten, die aus
dem Mischer herausgelangt, mit jener Rate, mit welcher die Treiberplatten 114 abgetastet
werden.
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Ein
Analog-Digital-Wandler 324 wandelt das Ausgangssignal des
Tiefpassfilters 322 in einen Digitalwert um. Der Analog-Digital-Wandler 324 kann
beispielsweise eine Auflösung
von 8 bis 12 Bits aufweisen, und ist daher dazu fähig, das
Ausgangssignal des Tiefpassfilters 322, bei diesem Beispiel,
auf 256 bis 4096 Werte aufzulösen.
Der Analog-Digital-Wandler 324 arbeitet mit ausreichender
Geschwindigkeit (beispielsweise 200 Kilo-Abtastwerte pro Sekunde),
um mit der Abtastung des Bildsensors 110 fertig zu werden.
Der Mikroprozessor und Speicher 130 empfängt das
Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 324 und speichert
es in einem Zeilenpuffer, der nachstehend im Zusammenhang mit 18 beschrieben
wird. Jeder gespeicherte Digitalwert repräsentiert die Kapazität zwischen
einer Treiberplatte 114 und der Aufnehmerplatte 116 zu dem
Zeitpunkt, an welchem diese Treiberplatte durch den Signal-Burst 312 mit
Energie versorgt wurde. Die Kapazität wird durch das Fingerabdruckmerkmal
geändert,
das über
den Sensorspalt zu dem Zeitpunkt herüber gegangen ist, an welchem
diese Treiberplatte mit Energie versorgt wurde. Dies führt dazu,
dass jeder gespeicherte Wert ein Fingerabdruckmerkmal repräsentiert.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Plattentreibermethode
beschränkt ist,
die im Zusammenhang mit 3 diskutiert wurde. So können beispielsweise
Treiberplatten 114 paarweise aktiviert und differentiell
betrieben werden. Bei diesem Beispiel wird bei jeder Abtastung eine Treiberplatte
des aktiven Paars mit einem Signal-Burst betrieben, der außer Phase
mit dem Signal-Burst ist, mit welchem die andere Treiberplatte 114 des
Paars betrieben wird.
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In 4 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Bildsensors 110 dargestellt.
Der bei dem Beispiel von 4 dargestellte Bildsensor weist
elf Treiberplatten auf. Ein Fingerabdrucksensor weist in der Praxis
wesentlich mehr Treiberplatten auf, wie nachstehend erläutert. Primäre Feldlinien 204 und
parasitäre
Feldlinien 402 sind zum Zwecke der Erläuterung dargestellt. Der Signal- Burst 312 ist
so dargestellt, dass er an eine der Treiberplatten 114 angeschlossen
ist. Wenn jede Treiberplatte 114 durch einen Signal-Burst 312 betrieben
wird, werden parasitäre
Feldlinien 402 zwischen der betriebenen Platte und ihren
Nachbarplatten erzeugt. Da die inaktiven Platten an Masse durch
Puffer 314 mit niedriger Impedanz angeschlossen sind, werden parasitäre Feldlinien 402 an
Masse abgeleitet. Primäre
Feldlinien 204, wie voranstehend in Bezug auf die 2A und 2B erläutert, werden
durch den Finger abgeändert,
was zu erfassbaren Änderungen des
Signals führt,
das kapazitiv an die Aufnehmerplatte 116 gekoppelt ist.
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Die
Treiberplatten 114 und die Aufnehmerplatte 116 sind
auf dem Substrat 206 vorgesehen. Das Substrat 206 kann
aus jedem geeigneten Isoliermaterial (beispielsweise Capton(R)) bestehen. Bei einigen Ausführungsformen
ist das Substrat flexibel, so dass es an die Makrokonturen eines
abgetasteten Objekts angepasst ist. Ein flexibles Substrat kann
an einer starren Substrathalterung befestigt sein, wie dies nachstehend
im Zusammenhang mit 5 erläutert wird. Allerdings kann
ein ebenes Substrat eingesetzt werden, ohne die Fähigkeiten
des Sensors zu beeinträchtigen.
Bei einigen Ausführungsformen kann
das Substrat 206 eine starre oder flexible Leiterplatte
sein, die Treiberplatten 114 und eine Aufnehmerplatte 116 aufweist,
die durch herkömmliche Ätz- oder
Ablagerungsprozesses hergestellt werden. Diese Ausführungsformen
stellen einen sehr standfesten Fingerabdrucksensor zur Verfügung.
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Die
Treiberplatten 114 und die Aufnehmerplatte 116 können aus
jedem leitfähigen
Material hergestellt sein, etwa aus Kupfer oder Aluminium. Die Treiberplatten 114 und
die Aufnehmerplatte 116 können auf dem Substrat 206 durch
jeden geeigneten Prozess hergestellt werden, einschließlich, jedoch nicht
hierauf beschränkt,
durch Ätzen,
Ablagerung, und Sputtern. Die Treiberplatten 114 und die
Aufnehmerplatte 116 können
mit einer Schutzbeschichtung beispielsweise aus Capton(R) abgedeckt
sein.
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Die
Breite und der Abstand der Treiberplatten 114 legen die
Auflösung
des akquirierten Fingerabdruckbilds fest. Um beispielsweise eine
Industriestandardauflösung
von 500 Punkten pro Zoll zu erreichen, beträgt die Breite jeder Treiberplatte 114 etwa 25
Mikrometer (μm).
Entsprechend sind die Spalte zwischen benachbarten Treiberplatten 114 gleich
25 μm, und
ist der Sensorspalt 118 gleich 25 μm, um diese Auflösung zu
erreichen. Dies führt
zu einem Abstand von Zentrum zu Zentrum benachbarter Treiberplatten 114 von
50 μm.
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5 ist
ein Querschnitt des Bildsensors auf einem flexiblen Substrat. Treiberplatten 114 und
Aufnehmerplatte 116 (nicht in 5 gezeigt)
sind auf einem flexiblen Substrat 500 vorgesehen. Das flexible Substrat 500 ist
an einer starren Substrathalterung 510 befestigt, die eine
Kontur aufweist, die an die Kontur eines typischen Fingers angepasst
ist. Es wird darauf hingewiesen, dass das gekrümmte Substrat 500 die
Qualität
des Fingerabdruckbilds verbessert.
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Wie
voranstehend geschildert, sind die Treiberplatten 114 und
die Aufnehmerplatte 116 des Bildsensors 110 im
Wesentlichen koplanar. Wenn die Treiberplatten 114 und
die Aufnehmerplatte 116 auf einem flexiblen Substrat vorgesehen
sind, können die
Platten des Bildsensors gegenüber
einer streng ebenen Konfiguration verformt sein. Allerdings behalten
in diesem Fall die Treiberplatten 114 und die Aufnehmerplatte 116 ihre Anordnung
Seite an Seite bei, und bleiben im Wesentlichen koplanar in einem
lokalen Bereich in der Nähe
der Sensorspalte. Jede Krümmung
des flexiblen Substrats ist daher im Maßstab der Sensorspalte klein.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das Substrat 206 an einer
Fingerbefestigungshalterung (nicht gezeigt) abgebracht sein kann,
so dass der Sensor dauernd so geformt ist, dass er einen Finger
aufnimmt. Das Substrat 206 kann auch auf einem Lappen angeordnet
sein, der gegenüber
der Leiterplatte vorsteht, auf welcher die Sensorschaltung 108 hergestellt
ist, oder auf jeder anderen bequemen und ergonomischen Oberfläche.
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Verschiedene
Ausführungsformen
von Bildsensoren gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nachstehend beschrieben. Es wird darauf hingewiesen,
dass die Bildsensoren hier nur beispielhaft beschrieben werden,
und dass die Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist.
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6 zeigt
eine Aufsicht auf ein Beispiel eines Sensors gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Treiberplatten 114 sind im
Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen orthogonal
zur Aufnehmerplatte 116 angeordnet. Die Treiberplatten 114 sind
von der Aufnehmerplatte 116 durch einen Sensorspalt 118 getrennt,
der mit dem Finger überstrichen
wird. Die Länge
der Aufnehmerplatte 116 hängt von der maximalen Fingerabdruckbreite
ab, die abgetastet werden soll. Die Längen der Treiberplatten 114 werden
in Bezug auf eine einfache Verbindung mit der Treiberschaltung ausgesucht.
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Eine
andere Ausführungsform
eines Bildsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 7 gezeigt. In 7 folgen
Treiberplatten 114 verschiedenen Wegen zwischen der Aufnehmerplatte 116 und
Kontakten 702. Die Kontakte 702 sorgen für die Verbindungen
der Treiberplatten 114 mit der Treiberschaltung.
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Aus
den 6 und 7 sollte hervorgehen, dass die
Treiberplatten 114 jede geeignete Länge aufweisen können. Die
Treiberplatten 114 sollten vorzugsweise eine ergonomisch
ausgewählte
Länge aufweisen,
so dass der abgetastete Finger nicht durch andere Elemente des Systems
behindert wird. Die Bildsensorkonstruktion sollte ein glattes und durchgehendes Überstreichen
des Fingers ermöglichen,
der abgetastet wird.
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Bei
einigen Ausführungsformen
können
Bauteile der Sensorschaltung 108 auf demselben Substrat
wie die Sensoren 110 und 112 angeordnet sein. So
können
beispielsweise die Sensoren 110 und 112 an der
gegenüber
der Sensorschaltung 108 entgegengesetzten Seite des Substrats
angeordnet sein. Bei diesem Beispiel sorgen in 7 gezeigte
Kontakte 702 für
eine Verbindung zwischen der Treiberschaltung und den Treiberplatten 114 durch
das Substrat 206.
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8 zeigt
noch eine andere Ausführungsform
eines Bildsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Bildsensor von 8 verwendet
zwei Aufnehmerplatten 116a und 116b zusammen mit U-förmigen Treiberplatten 114.
Bei dieser Ausführungsform
können
zwei Sensorspalte gleichzeitig durch ein einziges Treibersignal
mit Energie versorgt werden, wodurch der Wirkungsgrad des Geräts verbessert
wird. Jede Aufnehmerschaltung 116 kann eine Detektorschaltung
benötigen;
wie in 3 gezeigt. Allerdings ist die Anzahl an Verbindungen
zu den Treiberplatten um die Hälfte
verringert. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Sensor mit mehr
als zwei Aufnehmerplatten 116 und entsprechend ausgebildeten
Treiberplatten 114 eingesetzt werden kann.
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Ausführungsformen
des Geschwindigkeitssensors 112 werden nachstehend nur
zum Zwecke der Erläuterung
beschrieben. Die Erfindung sollte nicht so angesehen werden, dass
sie auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
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9 zeigt
einen Geschwindigkeitssensor 112 und einen Bildsensor 110 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Bildsensor 110 weist Treiberplatten 114 und
eine Aufnehmerplatte 116 auf, die von den Enden der Treiberplatten 114 durch
den Sensorspalt 118 beabstandet ist, wie dies voranstehend
im Zusammenhang mit den 4 und 6 beschrieben
wurde. Der Geschwindigkeitssensor weist zwei oder mehr beabstandete Objektdetektoren
auf, die hier als Fingerdetektoren bezeichnet werden. Der Geschwindigkeitssensor 112 weist
Fingerdetektoren 910, 912, 914 und 916 auf. Die
Fingerdetektoren sind beabstandet um einen Abstand 906 entlang
der Richtung der Überstreichung eines
Fingers. Die Fingerdetektoren 910, 912, 914 und 916 weisen
Abschnitte auf, die an entgegengesetzten Seiten des Bildsensors 110 bei
der Ausführungsform
von 9 angeordnet sind. Jeder Fingerdetektor weist
zumindest eine Treiberplatte und zumindest eine Aufnehmerplatte
auf, welche einen Kapazitätssensor
bilden. So weist beispielsweise der Fingerdetektor 910 Treiberplatten 910a und
Aufnehmerplatten 910b auf. Die Geschwindigkeitstreiberplatten
und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten sind im Wesentlichen senkrecht
zur Richtung der Überstreichung
eines Fingers angeordnet. Bei der Ausführungsform von 9 sind
die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten jedes Fingerdetektors an die Aufnehmerplatte 116 des
Bildsensors 110 angeschlossen. Die Treiberplatten der Fingerdetektoren können aufeinander
folgend durch Signal-Bursts aktiviert werden, wie dies voranstehend
im Zusammenhang mit dem Bildsensor beschrieben wurde. Geschwindigkeitsabtastung
und Bildabtastung können zu
unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden, beispielsweise
durch Zeit-Multiplexen, während
des Fingerabdruck-Abtastvorgangs.
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Der
Geschwindigkeitssensor 112 tastet, anstatt Fingerabdruckmerkmale
abzutasten, das Ende des Fingers ab, wenn der Finger den Bildsensor 110 überstreicht.
Das Ende des Fingers ist einfacher zu erfassen als Fingerabdruckmerkmale,
da es ein makroskopisches Merkmal darstellt. Um den Hauptteil des
Fingers zu erfassen, kann der Spalt 920 zwischen den Geschwindigkeitsplatten
größer sein
als der Spalt 118 zwischen Bildabtastplatten. Hierdurch können die
elektrischen Feldlinien tiefer in den Finger eindringen, was die
Auswirkung von Oberflächenmerkmalen
verringert, also Fingerabdruckerhöhungen. Am Anfang wird der
Finger auf den Bildsensor 110 aufgelegt, und deckt sämtliche
Fingerdetektoren 910, 912, 914 und 916 ab.
Dies führt
dazu, dass die Fingerdetektoren sämtlich einen gleichen Kapazitätswert erfassen.
Wenn sich der Finger von links nach rechts bewegt, gelangt das Fingerende
am Finger-detektor 910 zum Zeitpunkt t1 vorbei,
am Fingerdetektor 912 zum Zeitpunkt t2,
am Fingerdetektor 914 zum Zeitpunkt t3,
und am Fingerdetektor 916 zum Zeitpunkt t4.
Der Durchgang des Fingerendes über
jeden Fingerdetektor erzeugt eine deutliche Änderung der Kapazität, und eine
entsprechende Änderung des
kapazitiv gekoppelten Treibersignals. Die Änderungen der kapazitiv gekoppelten
Treibersignale treten als Geschwindigkeitssignale zu Zeitpunkten
t1, t2, t3 und t4 für den Fingerdetektor 910, 912, 914 bzw. 916 auf.
Da der Abstand zwischen den Fingerdetektoren bekannt ist, ist die
Zeitverzögerung
zwischen den Geschwindigkeitssignalen, welche das Fingerende anzeigen,
eine inverse Funktion der Fingergeschwindigkeit.
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Die
Fingerdetektoren des Geschwindigkeitssensors 112 sind nur
auf der Seite des Sensorspalts 118 des Bildsensors 110 aus
angeordnet, von welcher aus der Finger den Sensorspalt überstreicht.
Die Fingerdetektoren sind so ausgelegt, dass sie einen Bereich des
Fingers von der entferntesten Erhöhung, die abgebildet werden
soll, bis zum Ende des Fingers abdecken. Das Vorhandensein oder
die Abwesenheit eines Fingers können
dadurch erfasst werden, dass die Änderung der Gesamtkapazität gemessen
wird, die durch das Fingerende erzeugt wird, wenn es an jedem Fingerdetektor
vorbeigeht. Durch Aufzeichnung der Zeiten für diese Vorbeigänge, beispielsweise
der Zeiten t1, t2,
t3 und t4, kann
eine zeitliche Geschichte der Fingerposition bestimmt werden. Die zeitliche
Geschichte kann dazu verwendet werden, ein Fingergeschwindigkeitsprofil
zu berechnen. Die Granularität
des Geschwindigkeitsprofils hängt
von der Anzahl an Fingerdetektoren und dem Abstand zwischen den
Fingerdetektoren ab. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen Fingerdetektoren
ein Minimum der Breite von drei Fingererhöhungen, oder annähernd 0,035
bis 0,050 Zoll.
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Eine
zweite Ausführungsform
des Geschwindigkeitssensors 112 ist in 10 gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform
ist die Ausrichtung des Bildsensors 110 in Bezug auf die
Richtung der Überstreichung
eines Fingers umgekehrt. Der Geschwindigkeitssensor 112 ist
auf der Seite der Bildsensoraufnehmerplatte 116 entgegengesetzt
zu den Treiberplatten 114 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht,
dass sich die Geschwindigkeitstreiberplatten und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten über die
gesamte Breite des Sensors erstrecken, wodurch größere Messsignale
zur Verfügung
gestellt werden. Wie in 10 gezeigt,
weist der Geschwindigkeitssensor 112 Fingerdetektoren 1010, 1012, 1014 und 1016 auf,
die entlang der Richtung der Überstreichung
eines Fingers um einen Abstand 1006 beabstandet sind. Jeder der
Fingerdetektoren weist zumindest eine Geschwindigkeitstreiberplatte
und eine Geschwindigkeitsaufnehmerplatte auf. Daher weist beispielsweise der
Fingerdetektor 1010 eine Geschwindigkeitstreiberplatte 1010a und
eine Geschwindigkeitsaufnehmerplatte 1010b auf. Die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten
jedes der Fingerdetektoren 1010, 1012, 1014 und 1016 sind
an die Aufnehmerplatte 116 des Bildsensors 110 angeschlossen.
Bei anderen Ausführungsformen
können
die Geschwindigkeitsaufnehmerplatte und die Bildaufnehmerplatte
elektrisch isoliert sein, und an getrennte Messschaltungen angeschlossen
sein.
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Eine
dritte Ausführungsform
des Geschwindigkeitssensors 112 ist in 11 gezeigt.
Die Ausführungsform
von 11 setzt eine differentielle Geschwindigkeitsabtastung
ein. Der Geschwindigkeitssensor 112 weist Fingerdetektoren 1120, 1122,
..., 1130 auf, die entlang der Richtung der Überstreichung
eines Fingers angeordnet sind. Jeder der Fingerdetektoren weist
eine differentielle Konfiguration auf. Insbesondere weist jeder
Fingerdetektor eine Treiberplatte und eine erste und eine zweite
Aufnehmerplatte auf, die an entgegengesetzten Seiten der Treiberphatte
angeordnet sind. So weist beispielsweise der Fingerdetektor 1120 eine
Treiberplatte 1140 und Aufnehmerplatten 1142 und 1144 auf,
die an entgegengesetzten Seiten der Treiberplatte 1140 angeordnet
sind. Die Aufnehmerplatte 1142 ist von der Treiberplatte 1140 durch
einen Sensorspalt 1150 getrennt, und die Aufnehmerplatte 1144 ist
von der Treiberplatte 1140 durch einen Sensorspalt 1152 getrennt.
Die Treiberplatte 1140 und die Aufnehmerplatten 1142 und 1144 können längliche
Leiter sein, die senk-recht zur Richtung der Überstreichung eines Fingers über den
Bildsensor 110 angeordnet sind. Bei der Ausführungsform
von 11 ist die Treiberplatte 1140 breiter
als die Aufnehmerplatten 1142 und 1144, und ist
an eine Treiberschaltung über
einen Kontakt 1146 angeschlossen. Vorzugsweise weist der
differentielle Fingerdetektor einen symmetrischen Aufbau auf, so
dass die kapazitiv gekoppelten Signale für die Aufnehmerplatten 1142 und 1144 gleich
sind, wenn ein Finger nicht vorhanden ist, oder wenn ein Finger
beide Geschwindigkeitssensorspalte 1150 und 1152 abdeckt.
Die anderen Fingerdetektoren können
eine ähnliche
Konstruktion aufweisen. Bei der Ausführungsform von 11 sind
die ersten Aufnehmerplatten der Fingerdetektoren gemeinsam an eine
Aufnehmerleitung 1160 angeschlossen, und sind die zweiten
Aufnehmerplatten der Fingerdetektoren gemeinsam an eine Aufnehmerleitung 1162 angeschlossen.
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Wenn
das Ende des Fingers die Sensorspalte 1150 bis 1152 überstreicht,
kann ein Profil der Kapazität
in Abhängigkeit
von der Zeit erzeugt werden, das einen hohen Spitzenwert aufweist,
infolge eines Kapazitätsungleichgewichts
zwischen Aufnehmerplatten 1142 und 1144 des Fingerdetektors 1120, wenn
das Ende des Fingers gerade den ersten Sensorspalt 1150 überquert
hat, jedoch noch nicht den zweiten Sensorspalt 1152 überquert
hat. Ein differentieller Signalspitzenwert wird aufeinander folgend zwischen
dem ersten Sensorspalt 1150 und dem zweiten Sensorspalt 1152 erzeugt,
wenn der Fingerdetektor 1120 durch seine zugehörige, differentielle Treiberplatte 1140 aktiviert
wird, während
das Ende des Fingers vorbeigeht. Bei einer Ausführungsform wird, sobald der
differentielle Signalspitzenwert in einem Fingerdetektor 1120 erfasst
wird, der nächste, benachbarte
Fingerdetektor 1122 aktiviert. Diese Abfolge setzt sich
fort, bis ein differentieller Signalspitzenwert von dem letzten
Fingerdetektor 1130 erfasst wurde.
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12 zeigt
eine andere Ausführungsform des
differentiellen Geschwindigkeitssensors, der in 11 gezeigt
ist. Der in 12 gezeigte, differentielle
Geschwindigkeitssensor ist ähnlich
dem in 11 gezeigten und voranstehend
beschriebenen differentiellen Geschwindigkeitssensor, mit Ausnahme
der Tatsache, dass die Treiberplatten und die Aufnehmerplatten jedes
Fingerdetektors zur Anpassung an die Kontur eines typischen Fingerendes
gekrümmt
sind. Insbesondere weist der Geschwindigkeitssensor 112 differentielle
Fingerdetektoren 1220, 1222, ..., 1230 auf.
Der Fingerdetektor 1220 weist eine gekrümmte Treiberplatte 1240 und
gekrümmte Aufnehmerplatten 1242 und 1244 auf,
die an entgegengesetzten Seiten der Treiberplatte 1240 angeordnet
sind. Die Aufnehmerplatte 1242 ist von der Treiberplatte 1240 durch
einen Sensorspalt 1250 getrennt, und die Aufnehmerplatte 1244 ist
von der Treiberplatte 1240 durch einen Sensorspalt 1252 getrennt.
Die übrigen
Fingerdetektoren weisen eine entsprechende Konstruktion auf. Die
gekrümmten
Platten der Fingerdetektoren verbessern das Signal-Rauschverhältnis des
differentiellen Geschwindigkeitssensors. Es wird darauf hingewiesen,
dass unterschiedliche Krümmungen
und Formen der Treiberplatten und der Aufnehmerplatten dazu verwendet
werden können,
andere Objekte als Finger abzutasten.
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Eine
andere Ausführungsform
eines differentiellen Geschwindigkeitssensors ist in 13 gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform
weist eine einzige Treiberplatte 1302 eine schlangenlinienartige
Form zwischen einer kammartigen, regelmäßigen Anordnung von Aufnehmerplatten
auf. Im Übrigen
gleicht der Geschwindigkeitssensor von 13 dem
differentiellen Geschwindigkeitssensor von 11. In 13 weist
der differentielle Geschwindigkeitssensor 112 differentielle
Fingerdetektoren 1320, 1322, 1324, ..., 1330 auf.
Jeder Fingerdetektor weist eine erste und eine zweite Aufnehmerplatte
auf, die an entgegengesetzten Seiten der jeweiligen Treiberplatte
angeordnet sind. So weist beispielsweise der Fingerdetektor 1320 einen
Abschnitt einer schlangenlinienförmigen
Treiberplatte 1302 und Aufnehmerplatten 1342 und 1344 auf,
die an entgegengesetzten Seiten dieses Abschnitts der Treiberplatte 1302 angeordnet sind.
Die Aufnehmerplatte 1342 ist von der Treiberplatte 1302 durch
einen Sensorspalt 1350 getrennt, und die Aufnehmerplatte 1344 ist
von der Treiberplatte 1302 durch einen Sensorspalt 1352 getrennt.
Die übrigen
Fingerdetektoren weisen eine entsprechende Konstruktion auf. Bei
der Ausführungsform
von 13 wird eine gemeinsame, schlangenlinienförmige Treiberplatte
eingesetzt. Weiterhin sind die ersten Aufnehmerplatten der Fingerdetektoren
gemeinsam angeschlossen, und sind die zweiten Aufnehmerplatten der
Fingerdetektoren gemeinsam angeschlossen.
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Wenn
ein Finger am Anfang den differentiellen Geschwindigkeitssensor
von 13 überstreicht, sind sämtliche
Fingerdetektoren 1320, 1322, 1324, ..., 1330 durch
ein Dielektrikum abgedeckt, und wird kein differentielles Nettosignal
in den Aufnehmerplatten 1342 und 1344 erzeugt.
Sobald das Ende des Fingers hinter den ersten Sensorspalt 1350 gelangt, und
sich zwischen dem ersten Sensorspalt 1350 und dem zweiten
Sensorspalt 1352 befindet, taucht ein differentielles Nettosignal
auf den Aufnehmerplatten 1342 und 1344 auf. Dieser
Effekt wiederholt sich, wenn das Ende des Fingers am nächsten Fingerdetektor 1322 vorbeigeht,
bis das Ende des Fingers den letzten Fingerdetektor 1330 erreicht.
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Eine
andere Ausführungsform
des Geschwindigkeitssensors 112 ist in 14 gezeigt.
Die Ausführungsform
von 14 gleicht der Ausführungsform von 13,
mit Ausnahme der Tatsache, dass die Treiberplatten und die Aufnehmerplatten
jedes Fingerdetektors gekrümmt
sind, zur Anpassung an ein typisches Fingerende. Insbesondere weist
der Geschwindigkeitssensor 112 Fingerdetektoren 1420, 1422, 1424,
..., 1430 auf. Jeder Fingerdetektor weist eine gekrümmte Treiberplatte
und eine erste und eine zweite Aufnehmerplatte auf, die an entgegengesetzten
Seiten der Treiberplatte angeordnet sind. So weist beispielsweise
der Fingerdetektor 1420 eine gekrümmte Treiberplatte 1440 und
gekrümmte
Aufnehmerplatten 1442 und 1444 an entgegengesetzten Seiten
der Treiberplatte 1440 auf.
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Bei
jeder Ausführungsform
des Geschwindigkeitssensors sind die Treiberplatten und die Aufnehmerplatten
jedes Fingerdetektors vorzugsweise koplanar. Weiterhin können der
Geschwindigkeitssensor und der Bildsensor auf einem einzigen Substrat
hergestellt werden, so dass die Bildtreiberplatten und die Bildaufnehmerplatte
des Bildsensors sowie die Geschwindigkeitstreiberplatten und die Geschwindigkeitsaufnehmerplatten
des Geschwindigkeitssensors sämtlich
im Wesentlichen koplanar sind.
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15 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der Geschwindigkeitsmessschaltung 122 (1A)
und des Mikroprozessors und Speichers 130 zur Ableitung
von Geschwindigkeits-Information von den Geschwindigkeitssensor-Ausführungsformen
der 9 und 10. Die Geschwindigkeitssensor-Multiplex-Abtastlogik 1502 schaltet
aufeinander folgend ihre Ausgangsleitungen aktiv in Reaktion auf
Signale von Mikroprozessor und Speicher 130. In Reaktion
auf ein aktives Ausgangssignal von der Geschwindigkeitssensor-Multiplex-Abtastlogik 1502 schließt ein Schalter 1504,
wodurch das Taktsignal vom Taktgenerator 302 auf einen
Puffer 1506 mit niedriger Impedanz getaktet wird. Ein Signal-Burst 1508,
der von dem Taktsignal abgeleitet wird, wird von dem ausgewählten Schalter 1504 abgegeben, und
gelangt durch den Puffer 1506 zur Treiberplatte eines der
Fingerdetektoren 1010, 1012, ..., 1016.
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Bei
den in den 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen
dient die Aufnehmerplatte 116 als eine Bildsensoraufnehmerplatte
und als eine Geschwindigkeitssensoraufnehmerplatte. Das Ausgangssignal
der Aufnehmerplatte 116 wird einem Bandpassfilter 1510 zugeführt. Das
Bandpassfilter 1510 weist eine Zentrumsfrequenz gleich
dem Taktsignal auf. Das gefilterte Signal wird einem Mischer 1512 zugeführt, wo
es mit dem Taktsignal multipliziert wird. Wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben, dient
der Mischer als ein synchroner Hüllkurven-Gleichrichter.
Das Impulsamplituden-modulierte Signal, das vom Mischer 1512 ausgegeben
wird, wird über
ein Tiefpassfilter 1514 einem Impulsdetektor 1516 zugeführt. Der
Impulsdetektor 1516 liefert ein Triggersignal an einen
Geschwindigkeitssensor-Ereigniszeitgeber 1818,
der in 18 gezeigt ist. Der Impulsdetektor 1516 kann
als ein Komparator mit einer Schwelle implementiert werden, die
von dem Mikroprozessor programmiert wird, oder in Software, durch
Abtasten des Geschwindigkeitssensor-Ausgangssignals mit einem Analog-Digital-Wandler und Vergleichen
des Ergebnisses mit einer digitalen Schwelle. Die Schwelle des Impulsdetektors 1516 wird
so eingestellt, dass ein Ausgangs-Triggersignal erzeugt wird, wenn
das Fingerende an jedem der Fingerdetektoren vorbeigeht.
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16 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der Geschwindigkeitsmessschaltung 122 (1A)
und des Mikroprozessors und Speichers 130 zur Ableitung
von Geschwindigkeits-Information von den Ausführungsformen des differentiellen
Geschwindigkeitssensors der 11 und 12.
Die Geschwindigkeitsmessschaltung von 16 unterscheidet
sich von der Geschwindigkeitsmessschaltung von 15 in
der Hinsicht, dass der differentielle Geschwindigkeitssensor ein
differentielles Ausgangssignal aufweist. Insbesondere sind die gemeinsam
angeschlossenen Aufnehmerleitungen 1160 und 1162 der
Figurendetektoren 1120, 1122, ..., 1130 an
ein differentielles Bandpassfilter 1602 angeschlossen.
Die Ausgänge
des Bandpassfilters 1602 sind an Eingänge eines differentiellen Mischers 1604 angeschlossen.
Der Mischer 1604 multipliziert die differentiellen Eingangssignale
mit dem Taktsignal, um einen Basisbandimpuls zu erhalten, der die
Hüllkurve
der kapazitiv gekoppelten Signal-Bursts repräsentiert. Wie bei der Ausführungsform
von 15, dient der Mischer 1604 als synchroner
Hüllkurven-Detektor.
Das Ausgangssignal des Mischers 1604 wird über ein
Tiefpassfilter 1514 einem Impulsdetektor 1516 zugeführt, um
Geschwindigkeits-Information zu bestimmen, wie voranstehend erläutert.
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17 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der Geschwindigkeitsmessschaltung 122 (1A)
und des Mikroprozessors und Speichers 130, die Geschwindigkeits-Information von den
Ausführungsformen
der differentiellen Geschwindigkeitssensoren der 13 und 14 ableiten.
Wie voranstehend erläutert,
verwenden die Ausführungsformen
der 13 und 14 eine
einzige Treiberplatte, die schlangenlinienförmig ausgebildet ist. Die Geschwindigkeitsmessschaltung
von 17 unterscheidet sich von der Geschwindigkeitsmessschaltung
von 16 in der Hinsicht, dass eine einzige Treiberschaltung
für die
schlangenlinienförmige
Treiberplatte 1302 benötigt
wird. Ein einziger Schalter 1710 taktet das Taktsignal
in Reaktion auf ein Steuersignal von dem Mikroprozessor und Speicher 130, durch
einen Puffer 1712, um einen Signal-Burst 1714 der
schlangenlinienförmigen
Treiberplatte 1302 zuzuführen. Die Ausgangssignale der
Geschwindigkeitssensor-Aufnehmerleitungen 1160 und 1162 werden
einem differentiellen Bandpassfilter 1602 zugeführt, wie
bei der Ausführungsform
von 16.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Geschwindigkeitsmessschaltung
den gleichen Taktgenerator verwenden kann wie die Bildabtastschaltung, oder
einen unterschiedlichen Taktgenerator, der eine andere Frequenz
aufweist, die zur Geschwindigkeitsabtastung optimiert ist.
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18 ist
ein Blockschaltbild eines Datenakquisitions- und -steuerprozessors
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Mikroprozessor und Speicher 130 und
sein Anschluss an die Bildabtastschaltung und die Geschwindigkeitsmessschaltung sind
in 18 gezeigt. Der Mikroprozessor und Speicher 130 kann
einen Mikroprozessor 1804 aufweisen, der durch einen Speicherbus 1814 an
einen Zeilenpuffer 1808 angeschlossen ist, einen Geschwindigkeitssensor-Ereignisspeicher 1810 und
einen Bildpufferspeicher 1812. Der Zeilenpufferspeicher 1808 kann
Bilddaten für
einen einzelnen Zeilen-Scan des Bildsensors speichern.
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Der
Bildpufferspeicher 1812 kann ein oder mehrere gesamte Fingerabdruckbilder
speichern. Der Geschwindigkeitssensor-Ereignisspeicher 1810 kann
Fingerdetektoranzahlen und Geschwindigkeitssensor-Ereigniszeiten
zur Bestimmung der Fingergeschwindigkeit speichern. Der Mikroprozessor 1804 kann
an einen I/O-Bus 1802 angeschlossen sein, zum Multiplexen
der Abtastlogik 304 (3) der Bildabtastschaltung
und des A/D-Wandlers 324 der Bildabtastschaltung.
Der Mikroprozessor 1804 kann weiterhin über den I/O-Bus 1802 an
die Geschwindigkeitssensor-Multiplex-Abtastlogik 1502 der
Geschwindigkeitsmessschaltung (15) und
an den Geschwindigkeitssensor-Ereigniszeitgeber 1818 angeschlossen
sein, der die Zeitverzögerung
zwischen Geschwindigkeitssensor-Ereignissen bestimmt. Ein Abtastzeitgeber 1806,
der an dem I/O-Bus 1802 angeschlossen ist, wird zum Einleiten
von Zeilenabtastsequenzen verwendet.
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19 ist
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines Geschwindigkeitssensorverfahrens zum Einsatz der Geschwindigkeitssensor-Ausführungsformen
mit einem einzelnen Ende der 9 und 10 und
der Geschwindigkeitsmessschaltung von 15. Im
Schritt 1902 werden Hintergrundsignalpegel von jedem Geschwindigkeitssensor-Fingerdetektor
gesammelt. Im Schritt 1904 wird der Geschwindigkeitssensor- Ereigniszeitgeber 1818 (18)
gestartet. Dann wird im Schritt 1906 eine Geschwindigkeit-Ereigniszahl
T auf Null eingestellt. Eine aktive Geschwindigkeitssensorzahl R
wird auf 1 im Schritt 1908 eingestellt. Der Fingerdetektor
entsprechend der aktiven Geschwindigkeitssensorzahl R wird im Schritt 1910 aktiviert.
Nachdem das kapazitiv gekoppelte Treibersignal erfasst und verarbeitet wurde,
wird das Ausgangssignal des Impulsdetektors 1516 im Schritt 1912 gelesen,
und wird der Hintergrundsignalpegel im Schritt 1914 subtrahiert.
Wenn ein Impuls im Schritt 1916 erfasst wird, werden die aktive
Fingerdetektorzahl und die Ereigniszeit in dem in 18 gezeigten
Geschwindigkeits-Ereignispuffer 1810 gespeichert. Im Schritt 1920 wird
die Geschwindigkeits-Ereigniszahl
T inkrementiert. Wenn bei dem aktiven Fingerdetektor im Schritt 1922 festgestellt wird,
dass es sich um den letzten Fingerdetektor in dem Geschwindigkeitssensor
handelt, ist das Verfahren beendet. Ist der aktive Fingerdetektor
nicht der letzte Fingerdetektor, wird die aktive Geschwindigkeitssensorzahl
R im Schritt 1924 inkrementiert, und kehrt das Verfahren
zum Schritt 1910 zur weiteren Ausführung zurück. Falls im Schritt 1916 kein
Impuls erfasst wurde, kehrt das Verfahren zum Schritt 1910 zur
weiteren Ausführung
zurück.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren von 19 jeden
Fingerdetektor des Geschwindigkeitssensors aufeinander folgend abtastet, bis
ein einzelner Übergang
festgestellt wird, und dann zum nächsten Fingerdetektor übergeht.
Bei anderen Ausführungsformen
kann das Verfahren sämtliche
Fingerdetektoren abtasten und bestimmen, ob Übergänge bei einem der Fingerdetektoren
vorhanden sind. Dies führt
in vorteilhafter Weise zur Erfassung versäumter Übergänge.
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20 ist
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines Geschwindigkeitssensorverfahrens zum Einsatz bei den Ausführungsformen
der differentiellen Geschwindigkeitssensoren der 11 und 12 und
der Geschwindigkeitsmessschaltung von 16. Die
Initialisierungsprozedur der Schritte 2004, 2006 und 2008 ist
jene von 19, mit Ausnahme der Tatsache,
dass Hintergrundsignalpegel nicht erfasst werden. Wie bei der Ausführungsform von 19 wird
der Fingerdetektor entsprechend der aktiven Geschwindigkeitsmesstreiberplattenzahl im
Schritt 2010 aktiviert, und wird das Ausgangssignal des
Impulsdetektors 1516 im Schritt 2012 gelesen.
Wenn ein Impuls im Schritt 2014 erfasst wird, werden die
aktive Fingerdetektorzahl R und die Ereigniszeit in dem Geschwindigkeits-Ereignispuffer 1810 im
Schritt 2016 gespeichert. Die Geschwindigkeits-Ereigniszahl
T wird aufeinander folgend im Schritt 2018 inkrementiert.
Falls sich bei der aktiven Plattenzahl im Schritt 2020 herausstellt,
dass es sich um den letzten Fingerdetektor in dem Geschwindigkeitssensor
handelt, ist das Verfahren beendet. Ist der aktive Fingerdetektor
nicht der letzte Fingerdetektor, wird die aktive Geschwindigkeitssensorzahl
R im Schritt 2022 inkrementiert, und kehrt das Verfahren
zum Schritt 2010 zur weiteren Verarbeitung zurück. Wurde
kein Impuls im Schritt 2014 erfasst, kehrt das Verfahren
zum Schritt 2010 zur weiteren Ausführung zurück.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren von 20 jeden
Fingerdetektor des Geschwindigkeitssensors aufeinander folgend abtastet, bis
ein einzelner Übergang
erfasst wird, und dann zum nächsten
Fingerdetektor übergeht.
Bei anderen Ausführungsformen
kann das Verfahren sämtliche Fingerdetektoren
abtasten und bestimmen, ob Übergänge bei
irgendeinem der Fingerdetektoren vorhanden sind. Dies sorgt in vorteilhafter
Weise zur Erfassung verpasster Übergänge.
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21 ist
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines Geschwindigkeitssensorverfahrens zum Einsatz bei den Ausführungsformen
der differentiellen Geschwindigkeitssensoren der 13 und 14 und
der Geschwindigkeitsmessschaltung von 17. Der
Geschwindigkeitssensor-Ereigniszeitgeber und die Geschwindigkeits-Ereigniszahl
T werden im Schritt 2104 bzw. 2106 initialisiert.
Im Schritt 2108 wird ein Geschwindigkeits-Ereigniszählwert C
initialisiert. Im Schritt 2110 wird der Geschwindigkeitssensor-Impulsdetektor 1516 gelesen,
nachdem die schlangenlinienförmige
Treiberplatte 1302 mit einem Treibersignal aktiviert wurde,
und das differentielle Ausgangssignal des Geschwindigkeitssensors
erfasst und verarbeitet wurde. Wenn ein Impuls im Schritt 2112 erfasst
wird, wird die Geschwindigkeits-Ereigniszeit im Geschwindigkeits-Ereignispuffer 1810 im
Schritt 2114 gespeichert, wird die Geschwindigkeits-Ereigniszahl
T im Schritt 2116 inkrementiert, und wird der Geschwindigkeits-Ereigniszählwert C
im Schritt 2118 inkrementiert. Falls sich bei dem Geschwindigkeits-Ereigniszählwert C
im Schritt 2120 herausstellt, dass er gleich der Anzahl an
Fingerdetektoren in dem Geschwindigkeitssensor ist, ist das Verfahren
beendet. Ist der Geschwindigkeits-Ereigniszählwert C nicht gleich der Anzahl
an Fingerdetektoren in dem Geschwindigkeitssensor, oder wird kein
Impuls im Schritt 2112 erfasst, kehrt das Verfahren zum
Schritt 2110 zur weiteren Verarbeitung zurück.
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22 ist
ein Flussdiagramm eines Bildzeilen-Akquisitionsprozesses gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Im Schritt 2204 wird eine Treiberplattenzahl
N initialisiert. Die Treiberplatte 114 entsprechend der
Plattenzahl N wird aktiviert, und alle anderen Treiberplatten 114 werden
an Masse gelegt, im Schritt 2206. Nach Erfassung und Verarbeitung
des kapazitiv gekoppelten Treibersignals wird das Ausgangssignal
des A/D-Wandlers 324 (3)
im Schritt 2208 gelesen. Der von dem Analog-Digital-Wandler 324 ausgelesene
Wert wird im Zeilenpuffer 1808 (18) im
Schritt 2210 gelesen. Die Plattenzahl N wird im Schritt 2212 inkrementiert,
und wenn sich bei allen Treiberplatten 114 in dem Bildsensor
im Schritt 2214 herausstellt, dass sie aktiviert wurden,
endet der Prozess. Wurden nicht alle Treiberplatten in dem Bildsensor
aktiviert, kehrt das Verfahren zum Schritt 2206 zur weiteren Ausführung zurück.
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23 ist
ein Flussdiagramm eines Bildakquisitionsverfahrens, das eine feste
Zeitintervall-Zeilenabtastung
einsetzt, gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung. Im Schritt 2304 wird eine Bildzeilenvariable
L initialisiert. Der Zeilenabtastzeitgeber 1806 (18)
wird auf eine gewünschte
Zeilenabtastzeit im Schritt 2306 initialisiert. Dann wird
ein nächstes Taktereignis
vom Zeitgeber 1806 im Schritt 2308 freigeschaltet.
Im Schritt 2310 wartet der Prozess auf ein Taktereignis
vom Zeilenabtastzeitgeber 1806. Nachdem ein Taktereignis
aufgetreten ist, wird der Zeilenabtastzeitgeber 1806 erneut
im Schritt 2312 gestartet. Im Schritt 2314 wird
eine Zeile von Bilddaten akquiriert, beispielsweise entsprechend
dem Zeilenakquisitionsverfahren, das voranstehend im Zusammenhang
mit 22 beschrieben wurde. Wenn eine Zeile von Bilddaten
akquiriert wurde, wird der Inhalt des Zeilenpuffers 1808 (18)
im Bildpuffer 1812 (18) gespeichert.
Im Schritt 2318 wird die Bildzeilenvariable L inkrementiert.
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Falls
das gesamte Bild akquiriert wurde (Schritt 2320), also
falls L gleich der Anzahl an Zeilen in dem vollständigen Bild
ist, ist der Prozess fertig. Wurde das gesamte Bild nicht akquiriert,
kehrt der Prozess zum Schritt 2308 zur weiteren Verarbeitung zurück.
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Bei
einer Ausführungsform
wird ein Bild, das mit diesem Verfahren akquiriert wurde, in vorteilhafter
Weise erneut auf Grundlage der Geschwindigkeitsdaten abgetastet,
die in dem Geschwindigkeitssensor-Ereignisspeicher 1810 gesammelt
wurden, um ein Bild zu erzeugen, dessen Zeilen um feste Entfernungen
beabstandet sind.
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24 zeigt
ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Bildakquisitionsverfahrens
gemäß der Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform
wird die Zeilenabtastzeit durch einen Geschwindigkeitssensor gesteuert.
Die Bildzeilenzahl L wird im Schritt 2404 initialisiert,
und der Zeilenabtastzeitgeber 1806 wird auf die gewünschte Zeilenabtastzeit
im Schritt 2406 eingestellt. Im Schritt 2408 wird
das nächste
Taktereignis von dem Zeilenabtastzeitgeber 1806 freigeschaltet.
Im Schritt 2410 wartet der Prozess auf ein Taktereignis
von dem Zeilenabtastzeitgeber 1806. Falls irgendwelche
Geschwindigkeits-Ereignisse im Schritt 2412 erfasst wurden,
seitdem die letzte Zeile akquiriert wurde, wird ein neues Zeilenintervall
aus den jüngsten
Geschwindigkeitsdaten im Schritt 2414 berechnet. Der Zeilenabtastzeitgeber 1806 wird
dann auf das neue Zeilenintervall im Schritt 2416 eingestellt.
Daraufhin, oder falls keine Geschwindigkeits-Ereignisse zwischen der vorherigen Zeilenakquisition
und dem Taktereignisse festgestellt wurden, wird der Zeilenabtastzeitgeber 1806 im Schritt 2418 erneut
gestartet.
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Im
Schritt 2420 wird eine Zeile akquiriert, beispielsweise
entsprechend dem Zeilenakquisitionsverfahren, das voranstehend im
Zusammenhang mit 22 beschrieben wurde. Der Inhalt
des Zeilenpuffers 1808 (18) wird
dann im Bildpuffer 1812 im Schritt 2422 gespeichert.
Dann wird die Bildzeilenzahl L im Schritt 2424 inkrementiert.
Wurde das gesamte Bild akquiriert (Schritt 2426), dann
ist der Prozess fertig. Wurde nicht das gesamte Bild akquiriert, kehrt
das Verfahren zum Schritt 2408 zur weiteren Verarbeitung
zurück.
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Nachdem
so verschiedene, beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben wurden, werden Fachleuten auf diesem Gebiet leicht verschiedene
Abänderungen,
Modifikationen und Verbesserungen auffallen. Daher ist die voran
stehende Beschreibung nur beispielhaft, entsprechend der Festlegung
in den folgenden Patentansprüchen.