DE60131205T2 - Kapazitiver Geschwindigkeitsmesser - Google Patents

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DE60131205T2
DE60131205T2 DE60131205T DE60131205T DE60131205T2 DE 60131205 T2 DE60131205 T2 DE 60131205T2 DE 60131205 T DE60131205 T DE 60131205T DE 60131205 T DE60131205 T DE 60131205T DE 60131205 T2 DE60131205 T2 DE 60131205T2
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speed
sensor
finger
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driver
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Fred G. Andover Benkley
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Validity Sensors Inc
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06VIMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12Fingerprints or palmprints
    • G06V40/1335Combining adjacent partial images (e.g. slices) to create a composite input or reference pattern; Tracking a sweeping finger movement
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06V40/10Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13Sensors therefor
    • G06V40/1306Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum elektronischen Abtasten der Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts, beispielsweise eines Fingerabdrucks. Spezieller betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren zur kapazitiven Abtastung der Bewegungsgeschwindigkeit.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das US-Patent Nr. US 5,627,316 offenbart einen kapazitiven Neigungs- und Beschleunigungssensor, der eine Platine, die eine längliche Öffnung und ein Muster von leitenden Bahnen aufweist, eine Kugel, die in der länglichen Öffnung vorgesehen ist und einen Kapazitäts-Detektionsschaltkreis enthält, um eine Veränderung der Kapazität zu detektieren, wenn die Kugel entlang der länglichen Öffnung rollt.
  • Das deutsche Patent Nr. DE 221 38 13 offenbart eine elektrische Schaltvorrichtung, die zum Steuern einer Maschine angeordnet ist, die zwei kapazitive Sensoren enthält, die eine verbundene Rückenplattenelektrode enthält und in Serie in einer Messrichtung angeordnet ist.
  • Das US-Patent Nr. US 5,076,566 offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren einer führenden Kante eines Blatts, das sich entlang eines Blattzuführpfads bewegt. Die Vorrichtung enthält erste und zweite Kapazitätsabtastmittel, wobei jedes parallele Platten an gegenüberliegenden Seiten des Zuführpfads und einen Detektionsschaltkreis zum Detektieren der führenden Kante des Blatts, wenn es sich entlang des Zuführpfads bewegt, enthält.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch bereit. Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 15 beschrieben.
  • Die Geschwindigkeitsabtasteinrichtung bzw. 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.
  • Vorzugsweise 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die durch Bezugnahme eingeschlossen werden, wobei zeigt:
  • 1A ein Blockschaltbild eines Bildabtastsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1B einen Fingerabdrucksensor von 1A, wobei ein Finger dargestellt ist, der einen Fingerabdruckbildsensor überstreicht;
  • 2A eine mögliche Verteilung des elektrischen Feldes, wenn eine Spitze der Erhöhung eines Fingerabdrucks abgetastet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2B die Verteilung des elektrischen Feldes, wenn ein Tal der Erhöhung eines Fingerabdrucks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgetastet wird;
  • 3 ein Blockschaltbild einer Bildabtastschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Bildsensors, wobei parasitäre Feldlinien dargestellt sind, die im Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten können;
  • 5 eine Ausführungsform eines Bildsensors, bei welchem das Substrat flexibel ist;
  • 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;
  • 10 einen Geschwindigkeitssensor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 11 einen Geschwindigkeitssensor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 einen Geschwindigkeitssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 13 einen Geschwindigkeitssensor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 14 einen Geschwindigkeitssensor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 15 ein Blockschaltbild einer Geschwindigkeitsabtastschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 16 ein Blockschaltbild einer Geschwindigkeitsabtastschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 17 ein Blockschaltbild einer Geschwindigkeitsabtastschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 18 ein Blockschaltbild eines Datenakquisitions- und -steuerprozessors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 19 ein Flussdiagramm eines Geschwindigkeitsabtastalgorithmus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 20 ein Flussdiagramm eines Geschwindigkeitsabtastalgorithmus gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 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
  • 24 ein Flussdiagramm eines Bildakquisitionsalgorithmus gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ferner ist eine Bildabtasteinrichtung hierin offenbart, bei der leitfähige Elemente oder Platten, auf einem isolierenden Substrat vorgesehen sind, 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.
  • 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.
  • Die Bildaufnehmerplatte und die Bildtreiberplatten können solche Abmessungen und Abstände aufweisen, dass ein Fingerabdruck abgetastet werden kann. In solchen Fällen 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 Fällen weisen die Bildtreiberplatten parallele Leiter auf, die senkrecht zu der Bildaufnehmerplatte angeordnet sind, und von der Bildaufnehmerplatte durch jeweilige Sensorspalte beabstandet sind. Bei einigen Fällen 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.
  • Die Bildaufnehmerplatte und die Bildtreiberplatten können leitfähige Linienzüge auf einem Substrat aufweisen. Das Substrat kann eine Leiterplatte aufweisen. Alternativ 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.
  • 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.
  • Ferner ist ein Fingerabdruckabtastsystem hierin offenbart. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ferner ist ein kapazitiver Sensor hierin offenbart. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1B zeigt die Praxis einer Ausführungsform des Fingerabdrucksensors von 1A. 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.
  • Als nächstes wird der Betriebsablauf der Ausführungsform von 1B beschrieben. In 18 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 einen 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Verschiedene Ausführungsformen von Bildsensoren gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf ein Beispiel eines Sensors. 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.
  • Ein anderes Beispiel eines Bildsensors 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.
  • 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.
  • Bei einigen Beispielen 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.
  • 8 zeigt noch ein anderes Beispiel eines Bildsensors. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Treiberplatte 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 23 ist ein Flussdiagramm eines Bildakquisitionsverfahrens, das eine feste Zeitintervall-Zeilenabtastung einsetzt. 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. 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.
  • 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.
  • 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. 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.
  • Nachdem so verschiedene, beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, werden Fachleuten auf diesem Gebiet leicht verschiedene Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen auffallen.

Claims (15)

  1. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung (112) umfassend: eine Geschwindigkeitsabnehmerplatte (116); und zwei oder mehrere Geschwindigkeitsantriebsplatten (114, 114) in einer beabstandeten Beziehung zu der Geschwindigkeitsabnehmerplatte, um zwei oder mehrere beabstandete Objektdetektoren (910, 912, 914, 916) zu definieren, wobei jeder eine Geschwindigkeitssensorlücke (118) zwischen einer der Geschwindigkeitsantriebsplatten und der Geschwindigkeitsabnehmerplatte aufweist, wobei ein Ende eines Objekts, das sich über die Objektdetektoren bewegt zwischen jeweiligen Geschwindigkeitsantriebsplatten und der Geschwindigkeitsabnehmerplatte Änderungen der Kapazität verursacht, die für die Geschwindigkeit der Bewegung indikativ sind.
  2. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte der Geschwindigkeitsantriebsplatten und der Geschwindigkeitsabnehmerplatte im Allgemeinen bezüglich einer Richtung (Richtung des Drüberfahrens) der Bewegung des Objekts seitlich angeordnet sind.
  3. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Objektdetektoren erste und zweite Geschwindigkeitsabnehmerplatten enthält, die an gegenüberliegenden Seiten der Geschwindigkeitsantriebsplatte angeordnet sind, um einen Differential-Geschwindigkeitssensor auszubilden.
  4. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsantriebsplatten der Objektdetektoren gemeinsam verbunden sind.
  5. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsantriebsplatten und die Geschwindigkeitsabnehmerplatte zur Detektierung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Fingers bemessen und angeordnet sind.
  6. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsantriebsplatten (1240) und die Geschwindigkeitsabnehmerplatte (1242) gekrümmt sind, um im Wesentlichen mit der Krümmung eines typischen Fingerendes übereinzustimmen.
  7. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Substrat (206), wobei die Geschwindigkeitsantriebsplatten und die Geschwindigkeitsabnehmerplatte leitende Spuren auf dem flexiblen Substrat umfassen.
  8. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein flexibles Substrat, wobei die Geschwindigkeitsantriebsplatten und die Geschwindigkeitsabnehmerplatte leitende Spuren auf dem flexiblen Substrat umfassen.
  9. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine gedruckte Leiterplatte umfasst.
  10. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Erregerschaltung zum unter Spannung setzen der Geschwindigkeitsantriebsplatten mit Antriebssignalen (104), und eine Detektionsschaltung zum Detektieren der Antriebssignale, die von den Geschwindigkeitsantriebsplatten mit der Geschwindigkeitsabnehmerplatte kapazitiv verbunden sind, um Geschwindigkeitssignale bereitzustellen.
  11. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssignale Signalimpulse (312) umfasst.
  12. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalimpulse Impulse eines Taktsignals (302) umfassen.
  13. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschaltung einen Synchrondetektor umfasst.
  14. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassen eine Verarbeitungsschaltung zur Bestimmung einer Zeitverzögerung zwischen Geschwindigkeitssignalen von den Objektdetektoren, wobei die Zeitverzögerung zwischen den Geschwindigkeitssignalen charakteristisch für eine Geschwindigkeit des Objekts ist.
  15. Geschwindigkeitsabtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsantriebsplatten und die Geschwindigkeitsabnehmerplatte im Wesentlichen planparallel sind.
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