專利名稱：靜電電容檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過對依據(jù)與對向物表面的距離而變化的靜電電容進行檢測而讀取具有指紋等微細的凹凸的對象物的表面形狀的靜電電容檢測裝置。
背景技術：
以往，指紋傳感器等中采用的靜電電容檢測裝置，通過在基板上形成傳感器電極和在該傳感器電極上設置的電介質等保護膜而制造(專利文獻1～6)。
這里，靜電電容檢測裝置中，為進行靜電電容檢測而電介質膜不能太厚。并且，較多情況下檢測對象物會帶電，在具有電荷的對象物與保護膜接近的情況下，有時由于放電而瞬時流動電流，引起周邊電路破壞。
為防止因該瞬時電流而產(chǎn)生的破壞，在例如上述特開2000-346610號公報中，使檢測電極與轉換電路及布線在不同層上形成，在與對象物近的一側配置檢測電極，并在絕緣材料、檢測電極、以及保護膜的下層配置轉換電路或布線(專利文獻1、0072段)。并且，如特開2003-254706號公報，為使傳感器免受破壞，其具有結構為設置與對象物先接觸的導體或覆蓋層并使電荷在電源中流動(專利文獻2，0077～0081號段)。
但是，由于電介質膜不能變厚，如果手指等摩擦消耗后會將其破壞，或者在因帶電產(chǎn)生的電荷量較大的情況下，如特開2000-346610號所述，即使檢測電極和轉換電路或布線在不同層，只要它們是電連接，就會流入的一部分瞬時電流，因此作為保護對策來說還很不夠。
并且，如特開2003-254706號公報所述，設置導體或覆蓋層使之與對象物先接觸，則意味著形成多余的構成部件，由于遭受較大的按壓力的指紋傳感器等中會對其放電用結構部件會造成負擔，因此容易產(chǎn)生破損。若這樣的放電用結構部件即使一部分產(chǎn)生破壞，則此次瞬時電流會直接流入布線或周邊電路中，從而導致周邊電路被破壞。因此，未必希望對象物中產(chǎn)生的電荷的放電依賴于電極配置或放電用結構部件。
專利文獻1特開2000-346610號公報；專利文獻2特開2003-254706號公報；專利文獻3特開平11-118415號公報；專利文獻4特開2000-346608號公報；專利文獻5特開2001-56204號公報；專利文獻6特開2001-133213號公報。

發(fā)明內(nèi)容
這里，本發(fā)明的目的在于，提供一種具有簡單的結構而不會產(chǎn)生破損等，且能夠確切地保護電路免受瞬時電流的破壞的靜電電容檢測裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明提供一種靜電電容檢測裝置，通過檢測根據(jù)與對象物的距離而變化的靜電電容進行，讀取該對象物的表面形狀，包括配置成M行N列的靜電電容檢測元件、和給該靜電電容檢測元件的每一個提供電源的電源線，該靜電電容檢測元件含有蓄積與該靜電電容相應的電荷的信號檢測元件、和將與該信號檢測元件蓄積的電荷對應的信號放大的信號放大元件，該信號檢測元件含有電容檢測電極、和在該電容檢測電極的與該對應物接觸的一側上設置的電容檢測電介質膜。特別是，該電容檢測電介質膜具有絕緣膜和半導體膜。
根據(jù)上述構成，若手指等對象物與靜電電容檢測元件接近，則電容檢測電極中會產(chǎn)生與該對象物是否接觸相應的電壓，通過使該電壓被信號放大元件放大，進行與指紋等的峰是否接觸相應的靜電電容檢測，由于半導體膜的介電常數(shù)比絕緣體大，因此能夠使電容檢測電介質膜較厚，提高耐久性。這里，在對象物帶電的情況下，若沒有該電荷的排放路線，則因與對象物接近，因而瞬時電流從電容檢測電極向周邊電路流動，導致給電路帶來靜電破壞。這點，根據(jù)該構成，由于在電容檢測電介質膜上設置絕緣膜，因此對象物的電荷不會直接經(jīng)過電容檢測電極而流動。并且，根據(jù)該構成，由于設置半導體膜，因此在對象物將要接觸之前在半導體膜表面形成反型層，對象物的電荷迅速在表面擴展開，防止電路受到靜電破壞。
在此，優(yōu)選半導體膜位于靜電電容檢測元件的最表面。根據(jù)這樣的構成，在對象物將要接觸之前在半導體膜上形成反型層后排放電荷。并且，即使對象物與電容檢測電介質膜接觸，由于在電容檢測電極之間還形成絕緣膜，因此瞬時電流不會直接在電路中流動，因此能夠防止電路受到靜電破壞。
在此，半導體膜，當定義每個靜電電容檢測元件的測定時間為Δτ，對象物的靜電電容為CA時，半導體膜的電阻RPP由下式表示RPP>10·ΔτCA---(1).]]>如果具備這樣的條件，則由于應測定的對象物的電荷，向與測定時間Δτ內(nèi)鄰接的電容檢測電極流出的量不足1成的程度，因此提高了靜電電容檢測裝置的測定精度能夠防止受到靜電破壞。
再有，半導體膜，當設每個靜電電容檢測元件的測定時間為Δτ、對象物的靜電電容為CA、半導體膜的膜厚為tD、電容檢測電極的間距為x，電容檢測電極的寬度為y、并定義α＝y(tǒng)/x時，半導體膜的電阻率ρD滿足下式ρD>α1-α·tD·10·ΔτCA---(2).]]>如果滿足這樣的條件，則應測定的對象物的電荷，向與測定時間Δτ內(nèi)鄰接的電容檢測電極流出的量不足1成的程度，因此提高靜電電容檢測裝置的測定精度且能夠防止受到靜電破壞。
再有，半導體膜，在設每個靜電電容檢測元件的測定時間為Δτ，對象物的靜電電容為CA，半導體膜的膜厚為tD，該半導體膜的載流子電荷量為q，該半導體膜的載流子遷移度為μ，電容檢測電極的間距為x，電容檢測電極的寬度為y，并定義α＝y(tǒng)/x時，半導體膜的雜質濃度n滿足下式n<1-αα·CA10·Δτ·1qμtD---(3).]]>如果按照滿足這樣的條件來限制半導體膜的劑量，則應測定的對象物的電荷，由于向與測定時間Δτ內(nèi)鄰接的電容檢測電極流出的量不足1成的程度，因此提高靜電電容檢測裝置的測定精度且防止受到靜電破壞。
在此，優(yōu)選半導體膜為非晶質硅。非晶質硅為比較便宜且較好使用的材料，并且作為半導體膜的材料經(jīng)濟且容易采購。還有，即使非晶質、即無定形狀態(tài)的硅介電常數(shù)大小為11.9，膜形成較厚也能夠保存較高的電容。因此，保持對象物電容較大，同時可達到厚膜化，因此優(yōu)選作為在高按壓力的指紋傳感器等中采用的電容檢測電介質膜，可以具有較高的耐久性。
再有，非晶質硅實質上是本征性的。本征性的非晶質硅，如上述具有作為半導體膜所要求的載流子密度的最佳值，因此假如采用本征性非晶質硅，則能夠提供高精度的靜電電容檢測裝置。
例如，優(yōu)選非晶質硅，其載流子濃度在4×1010cm-3以下。通常的指紋傳感器等靜電電容檢測裝置中，能維持測定精度較高，是因為該值為載流子密度的上限值。
構成電容檢測電介質膜的一部分的絕緣膜，為例如氮化硅。假如采用氮化硅，則通過保持某種程度的介電常數(shù)可維持對象物電容較高，此外耐久性優(yōu)良。
在本發(fā)明中，還包含與靜電電容檢測元件連接的基準電容器，設該基準電容器的電極面積為SR，基準電容器電介質膜的厚度為tR，基準電容器電介質膜的相對介電常數(shù)為εR，信號放大元件的柵電極面積為ST，信號放大元件的柵絕緣膜的厚度為tOX，信號放大元件的柵絕緣膜的相對介電常數(shù)為εOX，將基準電容器電容CR和信號放大元件的元件電容CT定義為CR＝ε0·εR·SR/tRCT＝ε0·εOX·ST/tOX其中ε0為真空的介電常數(shù)，設電容檢測電極的面積為SD，電容檢測電介質膜的絕緣膜的厚度為tD1，電容檢測電介質膜的絕緣膜的相對介電常數(shù)為εD1，電容檢測電介質膜的半導體膜的厚度為tDS，電容檢測電介質膜的半導體膜的相對介電常數(shù)為εDS，將信號檢測元件的元件電容CD定義為CD-1=(ϵ0·ϵD1·SD/tD1)-1+(ϵ0·ϵDS·SD/tDS)-1]]>其中ε0為真空的介電常數(shù)時，優(yōu)選信號檢測元件的元件電容CD，比作為基準電容器電容CR和信號放大元件的元件電容CT之和CR+CT足夠大。在滿足這樣的條件的情況下，就成為測定精度較高的靜電電容檢測裝置。
再有，在本發(fā)明中，對象物沒有與半導體膜接觸的對象物距離僅相隔tA，采用真空介電常數(shù)ε0、空氣的相對介電常數(shù)εA和電容檢測電極的面積SD，將對象物電容CA定義為CA＝ε0·εA·SD/tA時，優(yōu)選基準電容器電容CR比該對象物電容CA足夠大。在具備這樣的條件的情況下，就成為測定精度較高的靜電電容檢測裝置。
進一步，在本發(fā)明中，對象物沒有與電容檢測電介質膜接觸的對象物距離僅相隔tA，采用真空介電常數(shù)ε0、空氣的相對介電常數(shù)εA和電容檢測電極的面積SD，將對象物電容CA定義為CA＝ε0·εA·SD/tA時，優(yōu)選基準電容器電容CR比對象物電容CA足夠大。在具備這樣的條件的情況下，就成為測定精度較高的靜電電容檢測裝置。
本發(fā)明還提供一種電子機器，具有上述那樣的靜電電容檢測裝置?！半娮訖C器”，包括所有需要進行靜電電容檢測的裝置，但不需要具有移動性，例如在墻壁中嵌入的指紋傳感器也是本發(fā)明的“電子機器”。
以上，根據(jù)本發(fā)明，由于在與電容檢測電極的對象物接觸的一側具有絕緣膜和半導體膜，因此瞬時電流不會通過電容檢測電極流動，能夠有效地使對象物的電荷放電。因此，沒有采用煩雜的放電用結構部件能夠確切地防止靜電電容檢測裝置受到靜電破壞。


圖1表示本發(fā)明的實施方式中靜電電容檢測元件的電路構成。
圖2表示本發(fā)明的實施方式中靜電電容檢測裝置的層結構的說明圖。
圖3表示本發(fā)明的實施方式中電容檢測電極的放大平面圖。
圖4表示本發(fā)明的作用的說明圖。
圖5表示本發(fā)明的實施方式的原理說明圖。
圖6表示對象物的凸部(指紋的峰)接觸的情況下的靜電電容檢測元件的等效電路圖。
圖7表示對象物的凹部(指紋的谷)接觸的情況下的靜電電容檢測元件的等效電路圖。
圖8表示利用本發(fā)明的靜電電容檢測裝置的電子機器的實施例(移動電話機)。
圖中1-靜電電容檢測元件，2-正電源或者負電源，3-計測器(電流計或者電壓計)，4-電容檢測元件，41-電容檢測電極，42-電容檢測電介質膜，5-基準電容器，10-移動電話機，11-天線，12-揚聲器，13-顯示器，14-操作鍵，15-麥克風，16-靜電電容檢測裝置，51-基準電容器第1電極，52-基準電容器電介質膜，53-基準電容器第2電極，100-塑料基板，110-半導體膜，120-柵絕緣膜，170-柵電極(GI)、C、C(j)-列線，O-輸出線，P-電源線，R、R(i)-行線，T1-信號放大元件，T2-列選擇元件，T3-行選擇元件，Vdd-電源電壓，VG-柵(節(jié)點)電壓。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
本發(fā)明的實施方式，將通過對依據(jù)與對象物的距離變化的靜電電容進行檢測而讀取這些對象物的表面形狀的靜電電容檢測裝置，適用于為檢測指紋的指紋傳感器。以下實施方式中，“對象物”即是手指，應檢測的表面形狀即是指紋。
首先，說明本發(fā)明的靜電電容檢測裝置的動作原理。
薄膜半導體裝置由于通常在玻璃基板上制作，因此周知被作為廉價制造需求大面積的半導體集成電路的技術，具體應用于近來的液晶顯示裝置。因此，若由薄膜半導體裝置制作適用于指紋傳感器等的靜電電容檢測裝置，則不需要使用單晶硅基板這樣的耗費過多能源制作的昂貴基板，不會浪費珍貴的地球資源能夠廉價制作該裝置。并且，通過使薄膜半導體裝置適應轉印技術，由于能夠在塑料基板上制作半導體集成電路，因此靜電電容檢測裝置也能夠脫離單晶硅基板從而在塑料基板上形成。
但是，在由薄膜半導體裝置制作的將檢測靜電電容的電容檢測電極的輸出直接輸出這樣的構成的靜電電容檢測裝置，就當前的薄膜半導體裝置的技術而言是不可能實現(xiàn)的。這樣，由于因指紋等的接觸而感應的電荷Q非常小，因此薄膜半導體裝置的晶體管特性不如由單晶體硅LSI技術制作的半導體裝置好，并且薄膜半導體裝置之間的特性偏差也較大難以正確讀取電荷Q。
圖5表示本發(fā)明的靜電電容檢測裝置在檢測時的等效電路。本發(fā)明中靜電電容檢測裝置，在電容檢測電極C1中含有基準電容器C2，并且，信號放大元件T使感應的電荷Q對應的檢測電壓VG放大。電容檢測電極C1，在指紋等接觸的情況下為靜電電容CF，基準電容器C2，具有靜電電容CR。信號放大元件T由柵電極G、柵絕緣膜和半導體膜組成，由具有源電極S、漏電極D和柵電極G的信號放大用薄膜半導體裝置組成。信號放大用元件T的柵電極G和電容檢測電極C1相互連接。并且，信號檢測元件，含有基準電容器C2，基準電容器C2的一方電極與行線連接，另一方電極與電容檢測電極C1和信號放大元件T的柵電極G連接。
另，本說明書中不區(qū)別半導體裝置的源電極和漏電極，為方便起見，將一方電極稱作源電極，另一方電極稱作漏電極。假如希望物理上的嚴密性，則晶體管的源電極和漏電極，在N型晶體管中電位較低的一方定義為源電極，在P型晶體管中電位較高的一方定義為源電極。但是哪一個電極的電位較高是依據(jù)動作狀態(tài)而變化的。因此，嚴格來說源電極和漏電極在1個晶體管內(nèi)是經(jīng)常變換的。本說明書中為便于說明清楚排除這樣的嚴密性，為方便起見將一方電極稱作源電極，另一方電極稱作漏電極。
上述構成中，若指紋等對象物與電容檢測電極C1接觸或接近，則電容檢測電極C1中與對象物和靜電電容CF對應產(chǎn)生電位VG。該電位VG，為在具有依據(jù)對象物的表面形狀(指紋)相應地變化的靜電電容CF的電容檢測電極C1的電容器，和具有靜電電容CR的基準電容器C2以及具有晶體管電容CT的信號放大元件T之合成電容CR+CT之間感應的電壓。該電位VG輸入給信號放大元件T的柵電極G，使該薄膜半導體裝置的柵電位變化。假如將該給定的電壓施加給該薄膜半導體裝置的漏電極D，則根據(jù)感應的柵電位VG，信號放大元件T的源漏極之間流動的電流Ids被明顯調制。柵電極G等同樣地也會產(chǎn)生與電位VG相應的電荷G，由于這些電荷被保存不能向任何地方流動，因此電流值Ids為一定值。通過使漏電壓變高或者測定時間變長，電流Ids也容易測定，這樣即使在采用薄膜半導體裝置的情況下也能夠非常正確地計測到對象物的表面形狀。使對象物的靜電電容信息放大的信號(電流和電壓)通過輸出線讀取。
為了測定對象物的靜電電容，既可以檢測通過信號放大元件T的電流Ids，也可以測定與這樣的電流Ids對應而變化的電壓V。在沒有設置基準電容器C2的情況下，上述討論中的靜電電容CR為0，采用與對象物的表面形狀相應變化的靜電電容CF和晶體管電容CT，在相同的原理下工作。以下，作為本發(fā)明的實施方式，采用設置基準電容器的例子進行說明，然而本發(fā)明不也能適用于沒有設置基準電容器，使信號放大元件的晶體管電容器兼用作基準電容器的情況。
以上為本發(fā)明的靜電電容檢測裝置的動作原理的概要，尤其本發(fā)明，涉及一種在電容檢測電極C1中設置的電容檢測電介質膜的改良，以下進行說明。
圖1表示以下使本發(fā)明具體化的靜電電容檢測元件的電路構成。圖1為配置成M行N列(M為1以上的整數(shù))(N為1以上的整數(shù))的行列狀的靜電電容檢測元件中的一個元件的框圖，表示關于1個靜電電容檢測元件1的連接關系。
如圖1所示，根據(jù)本實施方式的靜電電容檢測裝置，其具有配置成M行N列的行列狀的M根行線R(i)(1≤i≤M)、N根列線(j)(1≤j≤N)、在各行線與各列線的交差點設置的M×N個靜電電容檢測元件1、給各個靜電電容檢測元件1提供電源的電源線P。靜電電容檢測元件1含有信號檢測元件4，其蓄積與靜電電容相應的電荷；信號放大元件T1，其將該信號檢測元件4蓄積的電荷對應的信號放大。并且，信號檢測元件4，含有電容檢測電極41、和在該電容檢測電極41與對象物接觸的一側設置的電容檢測電介質膜42。尤其，電容檢測電介質膜42、其特征為含有絕緣膜160、半導體膜162，這一點將(參照圖2)，后述。
信號檢測元件4的電容檢測電極41和行線R(i)之間，連接有基準電容器5?；鶞孰娙萜?，由基準電容器第1電極51、基準電容器電介質膜52、以及基準電容器第2電極53組成。信號放大元件T1的柵電極與電容檢測電極41和基準電容器5的一方電極(第2電極53)連接。
信號放大元件T1配置在電源線P和輸出線O之間。本實施方式中，作為信號放大元件T1的信號放大用薄膜半導體裝置的源電極與電源線P電連接，漏電極，通過作為薄膜半導體裝置的列選擇元件T2以及行選擇元件T3與輸出線O電連接。如本實施方式，在靜電電容檢測元件1含有列選擇元件T2和行選擇元件T3的情況下，列選擇用薄膜半導體裝置的柵電極與列線C(j)連接，行選擇用薄膜半導體裝置的柵電極與行線R(i)連接。本實施方式中，由于關于行選擇元件T3使用N型晶體管，給非選擇行的行線施加低電位(Vss)，給選擇行的行線R(例如i行的行線)提供高電位(Vdd)。同樣本實施方式中，由于列選擇元件T2中使用N型晶體管，給非選擇列的列線C施加低電位(Vss)，給選擇列(例如j列的列線)的列線C提供高電位(Vdd)。列選擇元件T2，通過選擇列線C(j)使其源—漏極之間為導通狀態(tài)。行選擇元件T3，通過選擇行線R(i)而使其源—漏極之間為導通狀態(tài)。
另，與該構成相反，關于列選擇元件T2使用P型晶體管，在非選擇狀態(tài)下給P型晶體管的柵電極施加高電位(Vdd)，在選擇狀態(tài)時附加低電位(Vss)。并且，關于行選擇元件T3使用P型晶體管，在非選擇狀態(tài)時給P型晶體管的柵電極施加高電位(Vdd)，在選擇狀態(tài)時提供低電位(Vss)。
這里作為“電連接”，是指通過開關元件等成為電導通的狀態(tài)。當然，也可以是漏電極直接與輸出線連接，還可以是源電極直接與電源線連接。
并且，電容檢測電極41和基準電容器5的連接點，可以連接由薄膜半導體裝置組成的復位元件。例如，作為復位元件的薄膜半導體裝置的源電極與該連接點連接，漏電極與接地電位連接，柵電極與鄰接的列線等連接。根據(jù)這樣的構成，在選擇復位元件后成為開關導通狀態(tài)時，信號放大元件T1的柵電極和基準電容器第2電極53和電容檢測電極41與接地電位電連接。這樣，選擇靜電電容檢測元件1測定對象物的靜電電容之前將不需要的電荷從信號放大元件T1的柵電極或電容檢測電極41中排除，因此使檢測精度得到顯著提高。
根據(jù)上述實施方式的構成，產(chǎn)生接下來這樣的作用，通過列線C(j)以及行線R(i)依次進行選擇，在依次選擇配置成行列狀的各靜電電容檢測元件1的狀態(tài)下，可進行讀取作為全體的對象物的表面形狀。即，本實施方式中，靜電電容檢測元件1含有列選擇元件T2以及行選擇元件T3，按照列選擇元件T2和行選擇元件T3串聯(lián)連接而構成。通過設置列選擇元件T2而進行唯一列選擇，防止列之間的信息干擾。并且通過也含有行選擇元件T3，進行唯一行選擇，以防止行之間的信息干擾。即靜電電容檢測元件1可進行唯一選擇。
上述構成中，首先若選擇某1根行線R(例如i行的行線)，與該行線R(i)連接的行選擇元件T3全部成為晶體管導通狀態(tài)。這種狀態(tài)下，接下來若選擇某個特定的列線C(例如j列的列線)，則在N根列線C內(nèi)只有特定的列線C(j)被選擇時，給該列線C(j)提供高電位(Vdd)，提高與該列線C(j)連接的列選擇元件T2的電傳導率，使晶體管成為導通狀態(tài)。其結果，電源線P和輸出線O之間的電傳導率由信號放大元件T1決定。
這里，基準電容器5的一方電極51與行線R(i)連接，由于行線R(i)為選擇狀態(tài)，因此給基準電容器5提供高電位，與對象物的靜電電容相應的電位施加給信號放大元件T1的柵電極。這樣，從M×N個靜電電容檢測元件組中選擇僅位于所選擇的行線R(i)和列線C(j)的交差處的靜電電容檢測元件1(位于i行j列的靜電電容檢測元件)，并測定該位置的對象物的靜電電容。
另，本發(fā)明的實施方式中，由于分別對各靜電電容檢測元件一個一個進行選擇，因此電源線P以及輸出線O可具有多樣形式。例如，在靜電電容檢測裝置內(nèi)設置的電源線P，既可以作為與列線C相同數(shù)量的N根而從列方向提供；也可以作為與行線R相同數(shù)量的M根而從行方向提供。并且，也可以在兩列設置1根電源線、或者在兩行設置1根電源線。還有，在靜電電容檢測裝置內(nèi)設置的輸出線O，既可以作為與列線C相同數(shù)量的N根從列方向取出，也可以與行線R相同數(shù)量的M根從行方向取出。還有，也可以在2列設置1根輸出線，或者在2行設置1根輸出線。圖1的例中，電源線P的數(shù)量為與行線R相同數(shù)量的M根，由行方向提供；輸出線O的數(shù)量為與列線C相同數(shù)量的N根，從列方向取出輸出線O。
接著，就作為本發(fā)明的特征的電容檢測電介質膜的結構進行說明。
圖2表示有關本實施方式中靜電電容檢測裝置中1個電容檢測電極41部分的放大層疊圖。
如圖2所示，作為層結構的本實施方式的靜電電容檢測元件1，由在塑料等基板100上的半導體膜110、柵絕緣膜120、第1層間絕緣膜130、第2層間絕緣膜140、第3層間絕緣膜150層疊形成，電容檢測電極41由在第3層間絕緣膜150上形成圖案而成。在第3層間絕緣膜150以及電容檢測電介質41上，形成本發(fā)明的電容檢測電介質膜42。電容檢測電介質膜42，在下層側設置絕緣膜160，在上層側設置半導體膜162。
半導體膜110，為由信號放大元件T1、列選擇元件T2、行選擇元件T3分別對應的薄膜半導體裝置形成的層，將在柵絕緣膜120上形成的柵電極170分別作為掩模進行自動匹配后摻入雜質，形成源極S或漏極D。在柵電極170上形成的第1層間絕緣膜130上，通過使金屬層形成圖案，形成與電源線P或行線R(i)對應的第1布線171。第1布線171，通過通孔，與信號放大元件T1的源極S或列選擇元件T2以及行選擇元件T3的柵電極170電連接。第2層間絕緣膜140上，通過使金屬層形成圖案，形成與列線C(j)或輸出線O對應的第2布線172。第2布線172，通過通孔，與行選擇元件T3的漏極D電連接。在第3層間絕緣膜150上，通過使金屬層形成圖案，設置電容檢測電極41，通過通孔從而與信號放大元件T1的柵電極170電連接。
各層間絕緣膜，通過層疊例如SiO2而形成。電容檢測電介質膜42中，絕緣膜160，由絕緣性較好的，還具有作為保護膜的耐久性的材料，例如氮化硅(SiN)等形成。半導體膜162，具有相對較高的介電常數(shù)，由具有后述的電阻值或載流子密度、厚度的條件而形成。
作為這樣的半導體膜162的材料，適用例如非晶質(amorphous)硅。半導體膜162，根據(jù)耐久性這點通過形成盡可能厚，需要防止因手指等的接觸而產(chǎn)生磨損，防止按壓力直接對電極產(chǎn)生很強的作用。另一方面，由于對象物和電容檢測電極之間的距離越小檢測電容越高，因此為提高檢測精度，也需要半導體膜162盡量變薄這樣相反的需求。這點，由于非晶質硅，介電常數(shù)為11.9比較大，即使形成較厚，也能夠保持檢測電容較大，因此能夠滿足作為保護膜的機械強度和作為電介質膜的較高介電常數(shù)雙方。
具有這樣的層結構的靜電電容檢測元件1采用公知的轉印技術，在塑料基板100上形成得到。由于基于單晶硅技術的指紋傳感器在塑料上立即裂開，或者不具有足夠大的大小，因此缺乏實用性。對此本實施方式中，塑料基板100上的靜電電容檢測元件1，在塑料基板上即使有要蓋住手指的足夠大的面積也不用擔心靜電電容檢測元件1裂開，而可利用作為在塑料基板100上的指紋傳感器。
圖3表示本實施方式中靜電電容檢測裝置中電容檢測電極41的放大平面圖。該圖為關于4個電容檢測電極41的放大的模式圖。圖中，41M，表示指紋的峰接觸(接近)的電容檢測電極，41V表示位于指紋的谷的電容檢測電極。這里，為便于解析，電容檢測電極41形成為正方形的平面形狀，其跨過靜電電容檢測裝置全體的電極間的間距為x，作為電極大小的一邊為y(＜x)。但是，各電容檢測電極41的平面形狀，除如圖3所示的正方形之外，還可以形成長方形、其它多角形、圓形(橢圓形)等任意形狀。
參照圖4，就本發(fā)明的電容檢測電介質膜的作用進行說明。圖4表示作為對象物的手指接近，且指紋的峰接近電容檢測電極41M，指紋的谷接近電容檢測電極41V的樣子。
以往的電容檢測電介質膜，是一種在電極上層疊具有給定介電常數(shù)的電介質膜(絕緣膜)。這里，手指等對象物帶電較多。尤其，假如在冬天等濕度降低，容易產(chǎn)生靜電的時期則更容易帶電。這樣在對象物帶電狀態(tài)下，若對象物與靜電電容檢測裝置接近，則產(chǎn)生的問題在于，其帶電的手指的表面蓄積的電荷通過電介質膜放電，且瞬時較大的電流從電容檢測電極向周邊電路流動，導致給電路帶來靜電破壞。
這一點，本實施方式中電容檢測電介質膜42，如圖2所示，絕緣膜160膜和半導體膜162的雙重結構。并且半導體膜162位于靜電電容檢測元件的最表面。隨著在表面產(chǎn)生電荷的對象物與電容檢測電極41M越接近，與對象物表面的電荷(負電荷)對應在半導體膜162的表面(由正電荷組成)也開始形成反型層。在該反型層形成的電荷(正電荷)越到要接觸時密度越高，若蓄積一定的電荷則顯示導電性，按照電流向電位低的部分流動并產(chǎn)生作用。這樣，若給MOS晶體管中柵電極施加電壓則可認為與在通道區(qū)域形成反型層的通道電流流動的原理相同。若在半導體表面形成反型層(若希望物理上的嚴密性，則為由對象物表面的電荷和具有相反極性的電荷組成的蓄積層)，則半導體產(chǎn)生金屬那樣的作用。因此在從對象物表面開始產(chǎn)生放電時，金屬表面接受放電，因此能夠防止靜電電容檢測裝置受到靜電破壞。
并且，根據(jù)本實施方式，在半導體膜162的下層形成絕緣膜160，顯示較高的電阻抗。因此，半導體膜162中即使產(chǎn)生反型層，或者對象物與電容檢測電介質膜接觸，直到電容檢測電極為止之間，都具有阻止電流實質上流動的較高電阻抗。因此，通過絕緣膜160，電流就不會直接經(jīng)由電容檢測電極41而流動，能夠防止周邊電路受到靜電破壞。
本發(fā)明中，如后詳細描述，當接地電位中某對象物的峰(例如指紋的峰)與靜電電容檢測裝置接觸時，信號放大元件為截止狀態(tài)，對象物的谷(例如指紋的谷)接觸時信號放大元件為導通狀態(tài)。這樣相應地電容檢測電介質膜42的表面的電位以及在表面感應的電荷量也會因對象物的峰和谷而有不同(圖4)。相反來說，為對靜電電容進行高精度的檢測，在峰接觸時表面電位VST和谷接觸時表面電位VSV必須不同。因此半導體膜162的電傳導率在必須小于某種程度。例如半導體膜162的電阻較低，電容檢測電極間有較多電流流動，若與指紋的谷相面對的電容檢測電極41V的區(qū)域的電荷向與指紋的谷相面對的電容檢測電極41M的區(qū)域移動，則指紋的峰和谷中因靜電電容的差異而產(chǎn)生的電容檢測電極41的電位差較少，降低了指紋的檢測精度。因此，就為防止瞬時電流而言，半導體膜162不太可能成為電流容易流動的狀態(tài)。因此，以下對半導體膜162中要求的條件進行分析。
在指紋的峰接近電容檢測電介質膜42的情況下，電容檢測電介質膜42的表面電位VST和表面電荷QST為零。即，VST＝0QST＝0另一方面，在指紋的谷中，電容檢測電介質膜42的表面電位VSV和表面電荷QSY如下關系
VSV=CDCD+CA·VGV]]>=CDCD+CA·kCT+CRCACDCA+CD+CT+CR·Vdd]]>≈CDCD+CA·Vdd---(4)]]>這里，上式中，k為信號放大元件T1的漏極中未定系數(shù)kd和源極中的未定系數(shù)ks的平均值(k＝(kd+ks)/2)，kd和ks都是0以上1以下的值。并且，如后述元件電容CD比基準電容器電容CR和晶體管電容CT之和CR+CT足夠大，基準電容器電容CR比對象物電容CA足夠大，基準電容器電容CR比晶體管電容CT足夠大，即，式(4)表示下述情況下的表面電位VST。
CD＞＞CT+CR；CR＞＞CA；CR＞＞Cr(5)另，電容檢測電極41之間的電容檢測電介質膜的電阻抗RPP，如上述令電極間距為x，電極大小為y，電介質膜厚為tD，電介質膜的電阻率為ρD的情況下，成為RPP=x-yy·tD·ρD---(6)]]>這里，若置換為α≡y/x(＜1)則對上式進行變形后，該電介質的電阻RPP和電阻率ρD，由下式表示。
RPP=1-αα·ρDtD,[Ω]]]>ρD=α1-α·RPP·tD,[Ω·cm]---(7)]]>通過電容檢測電介質膜42在電容檢測電極41之間產(chǎn)生的電流IPP，為IPP=VSV-VSTRPP=VSVRPP---(8)]]>這里，一個靜電電容檢測元件1的測定時間為Δτ的情況下，在該測定時間Δτ中移動的表面電荷量ΔQ，為
ΔQ=IPP·Δτ=VSVRPP·Δτ---(9)]]>假如該移動的表面電荷量ΔQ，比表面電荷量Qsv足夠小，則可認為不會影響測定。例如假如移動的表面電荷量ΔQ在表面電荷量Qsv的10％程度以下，則認為不會對測定之產(chǎn)生很大的影響。即，具有如下關系。
ΔQ＜＜Qsv或者ΔQ<QSV10---(10)]]>表面電荷量Qsv，在定義對象物的靜電電容(對象物電容)為CA的情況下，因為Qsv＝CAVSV，因此可得到如下關系。
VSVRPP·Δτ<CAVSV10---(11)]]>因此，可以判定電容檢測電介質膜42的電阻RPP優(yōu)選滿足如下關系。
RPP>10·ΔτCA---(12)]]>這里，若將上述電阻的條件式轉換成電阻率ρD的關系，則能夠轉換成如下1-αα·ρDtD>10·ΔτCA→ρD>α1-α·tD·10·ΔτCA---(13)]]>這為電容檢測電介質膜42的電阻率ρD相關的條件式。電容檢測電介質膜42中，假如考慮絕緣膜160的電阻實質上為無限大，則由于只有半導體膜162對電流作出貢獻，因此可認為上述膜厚tD，為作為半導體膜162的膜厚。
即假如滿足上述電阻的條件式或者電阻率的條件式，則能夠防止對象物的電荷在測定時間Δτ內(nèi)多于1成，向鄰接的電容檢測電極流出，因此在不降低靜電電容檢測裝置的測定精度的情況下，防止受到靜電破壞。
這里，考察半導體膜162所要求的雜質濃度n。半導體膜中，在定義該半導體膜的載流子電荷量為q，定義該半導體膜的載流子移動度為μ的情況下，半導體膜的電阻率ρD，可為ρD=1qμn---(14)]]>因此，若使關于上述電阻率的條件式變形，則優(yōu)選半導體膜162的雜質(載流子)濃度n，為滿足條件n<1-αα·CA10·Δτ·1qμtD---(15)]]>根據(jù)該式，決定每個靜電電容檢測裝置的半導體膜162應具有的雜質濃度n的上限值，然而下限值為本征半導體具有的內(nèi)在雜質密度。因此設置該本征半導體的雜質密度為nintrinsic，則上述條件式變形為如下∴nintrinsic<n<1-αα·CA10·Δτ·1qμtD---(16)]]>假如限制滿足這樣的條件的半導體膜的雜質量，即劑量，則能夠防止對象物的電荷比在測定時間Δτ內(nèi)多于1成后流出，能夠提高靜電電容檢測裝置的測定精度防止受到靜電破壞。另，本征硅中雜質濃度nintrinsic在室溫下，為1.45×1010[cm-3]。
上述分析雖然為本實施方式中電容檢測電介質膜42的條件，為使本實施方式中信號放大元件T1有效實現(xiàn)信號放大的功能，必須確切地設定信號放大用薄膜半導體裝置的晶體管電容CT和基準電容器電容CR、以及信號檢測元件4的元件電容CD。以下，求出這些要素。
參照圖6以及圖7的等效電路，求出使該靜電電容檢測裝置有效進行信號檢測的條件。圖6，為在測定對象物的凸部(例如指紋的峰)與電容檢測電介質膜42接觸，對象物電接地的狀況下，靜電電容檢測元件1的等效電路。圖7為在測定對象物的凹部(例如指紋的谷)與電容檢測電介質膜42接觸，對象物電接地的狀況下，靜電電容檢測元件1的等效電路。
圖6采用圖1所示的本實施方式的靜電電容檢測元件1中，該靜電電容檢測裝置作為指紋傳感器，該狀態(tài)為該靜電電容檢測裝置表面與指紋的峰接觸的狀態(tài)。令基準電容器5的電極面積為SR(μm2)、基準電容器電介質膜52的厚度為tR(μm)、基準電容器電介質膜52的介電常數(shù)為εR、信號放大元件T1的柵電極面積為ST(μm2)、柵絕緣膜120的厚度為tOX(μm)、柵絕緣膜120的相對介電常數(shù)為εOX，則基準電容器電容CR和信號放大元件T1的晶體管電容CT分別定義為CR＝ε0·εR·SR/tRCT＝ε0·εOX·ST/tOX(ε0為真空介電常數(shù))。并且，電容檢測電極41的面積為SD(μm2)，電容檢測電介質膜42的絕緣膜160的厚度為tD1(μm)、半導體膜162的厚度為tDS(μm)、電容檢測電介質膜42的絕緣膜160的相對介電常數(shù)為εD1、半導體膜162的相對介電常數(shù)為εDS，則信號檢測元件(4，5)的元件電容CD定義為
(ε0為真空的介電常數(shù))。這時，如式(5)所示，優(yōu)選信號檢測元件(4，5)的元件電容CD，比作為基準電容器CR和信號放大元件的元件電容C1之和CR+CT足夠大。以下，考察其意義。
圖6的情況下，對象物表面相當于元件電容CD的接地電極，電容檢測電極41相當于挾住電容檢測電介質膜42的另一方電極。由于電容檢測電極41與信號放大元件T1的柵電極170和基準電容器5的一方電極53連接，因此具有元件電容CD的電容器和具有晶體管電容CT的電容器串聯(lián)連接，同時具有元件電容CD的電容器也與具有基準電容器電容CR的電容器串聯(lián)連接?；鶞孰娙萜?的另一方電極51與行線R(i)連接，在選擇該行線R時施加高電位(Vdd)。另一方面，在采用作為電源電壓的正電源的情況下，給電源線P提供接地電位。輸出線O為高電位(Vdd)時，信號放大元件T1與列選擇元件T2和行選擇元件T3串聯(lián)連接，并配置在電源線P和輸出線O之間，因此，在選擇行線R時信號放大元件T1的漏電位為Vdd的k(0＜k≤1)倍。這里，k值由列選擇元件T2的電阻值和行選擇元件T3的電阻值和信號放大元件T1的電阻值決定，具體來說，大于零，1以下。在既設置列選擇元件T2又設置行選擇元件T3的情況下，k值為1。
由于給行線R施加的電壓和信號放大元件T1的漏極電位依據(jù)這3個電容器的靜電電容相應地分配，這種狀態(tài)下，信號放大元件T1的柵電極170中的電壓(與凸部接觸時的柵極電壓)VGT為
VGT=kCT+CRCD+CT+CR·Vdd---(17)]]>這里，k為信號放大元件T1的漏極中的系數(shù)kd和源極中的系數(shù)ks的平均值(k＝(kd+ks)/2)。因此，元件電容CD為比作為基準電容器電容CR和晶體管電容CT之和CR+CT足夠大的情況下，柵極電壓VGT，近似為如果CD＞＞kCT+CR則VGT≈0 (18)柵電極中幾乎沒有電壓。其結果，信號放大元件T1為截止狀態(tài)，電流I非常小。因此，相當于指紋的峰的對象物的凸部與靜電電容檢測裝置接觸的情況下，信號放大元件T1中幾乎沒有電流流動，因此構成靜電電容檢測元件1的柵電極170的面積(柵長度和柵寬度)或柵絕緣膜材料、柵絕緣膜厚、基準電容器電極面積(電容器電極長度或電容器電極寬度)、基準電容器電介質膜材料、基準電容器電介質膜厚、電容檢測電極面積、電容檢測電介質膜材料、電容檢測電介質膜厚等，應該按照使元件電容CD必須比作為基準電容器電容CR和晶體管電容CT之和CR+CT足夠大而設定。
這里，一般地“足夠大”是指10倍程度的不同。換言之，元件電容CD只要作為基準電容器電容CR和晶體管電容CT之和CR+CT滿足CD＞10×(CR+CT)的關系即可。這種情況下，VGT/Vdd成為0.1以下，薄膜半導體裝置不能成為導通狀態(tài)。
為了確切地檢測對象物的凸部，重要的是，當對象物的凸部與電容檢測電極41的電容檢測電介質膜42接觸時，信號放大元件T1為截止狀態(tài)。因此，電源電壓為高電位(Vdd)的情況下，作為信號放大元件T1的薄膜半導體裝置，優(yōu)選采用柵極電壓在零附近的沒有漏極流動的增強型(常截止型)N型晶體管。更優(yōu)選，采用傳導特性中漏極電流成為最小值的柵極電壓(最小柵極電壓)為Vmin，該最小柵極電壓滿足0＜0.1×Vdd＜Vmin并且0＜VGT＜Vmin的關系的信號放大用N型MIS薄膜半導體裝置。
相反，在電源電壓為低電位(Vss)，提供作為高電位(Vdd)的接地電壓的情況下，作為信號放大元件T1的薄膜半導體裝置，采用柵極電壓接近零的沒有漏極電流流動的增強型(常截止型)P型晶體管。更優(yōu)選采用信號放大用P型MIS薄膜半導體裝置的最小柵極電壓Vmin滿足Vmin＜0.1×Vdd＜0并且Vmin＜VGT＜0的關系的信號放大用P型MIS薄膜半導體裝置。通過采用這樣的裝置就能夠在電流值I為非常小的形式下對對象物的凸部確切地進行檢測。
圖7表示圖1所示的本實施方式的靜電電容檢測元件1中，采用該靜電電容檢測裝置作為指紋傳感器，在該靜電電容檢測裝置表面接觸有指紋的峰的狀態(tài)下靜電電容檢測元件1的等效電路。這樣，對象物沒有與電容檢測電介質膜42接觸而是以對象物距離tA離開電容檢測電介質膜42的狀況。
如圖4所示，由于電容檢測電介質膜42沒有接觸對象物表面，因此電容檢測電介質膜42和對象物表面之間形成以空氣作為電介質的新的電容器。將其稱為對象物電容CA，并采用真空介電常數(shù)ε0、空氣的相對介電常數(shù)εA和電容檢測電極41的面積SD，定義為CA＝ε0·εA·SD/tA這樣定義的情況下，如式(5)所示，優(yōu)選基準電容器電容CR比該對象物電容CA足夠大，以下進行說明。
如圖7在對象物離開電容檢測電介質膜的狀態(tài)下，元件電容CD和對象物電容CA串聯(lián)連接，并且這些電容器相互并聯(lián)連接的信號放大元件T1的晶體管電容CT和基準電容器電容CR為串聯(lián)連接。給基準電容器5施加電壓Vdd，給信號放大元件T1的漏電極施加電壓kVdd。由于施加電壓依據(jù)靜電電容相應地在4個電容器之間分配，因此在該條件下信號放大元件T1的柵電極170中的電壓(谷接觸的柵極電壓)VGV，為
VGV=kCT+CRCACDCA+CD+CT+CR·Vdd=VddCT+CRkCT+CR+1(kCT+CR)/CD+(kCT+CR)/CA]]>(19)另一方面，本發(fā)明中當對象物與靜電電容檢測裝置接觸時，由于按照漏極電流非常小制作應滿足CD＞＞CT+CR(式5)的條件的靜電電容檢測元件1，因此VGV近似于如果CD＞＞CT+CR≥kCT+CR則VGV≈VddCT+CRkCT+CR+CAkCT+CR---(20)]]>這里，若設定基準電容器電容CR比對象物電容CA足夠大，則CR＞＞CA，kCT+CR＞＞CA，柵極電壓VGA更加簡化為VGV≈kCT+CRCT+CR·Vdd---(21)]]>這樣假如k的值接近1，則柵極電壓VGV與電源電壓Vdd幾乎相等。若設定基準電容器CR比晶體管電容CT足夠大，則因CR＞＞CT，不論k值大小如何，柵極電壓VGV都為VGV≈Vdd(22)與電源電壓Vdd幾乎相等。其結果，能夠使信號放大元件T1為導通狀態(tài)，電流I非常大。當相當于指紋的谷的對象物的凹部接觸到靜電電容檢測裝置上時，由于信號放大元件T1中有較大電流通過，因此需要按照基準電容器電容CR比對象物電容CA足夠大而構成。
如前述，若確認10倍程度的不同，則由于一般認為足夠大，因此基準電容器電容CR和對象物電容CA只要滿足CR＞10×CA的關系即可。并且，不管k值如何當指紋的谷等接近時，要使晶體管為導通狀態(tài)則需基準電容器電容CR比晶體管電容CT大十倍以上，只要滿足CR＞10×CT這樣的關系即可。若滿足這樣的條件，則VGT/Vdd在0.9程度以上，信號放大元件T1中的薄膜半導體裝置很容易成為導通狀態(tài)。
另，關于確切地檢測對象物的凹部，重要的是，在對象物的凹部與靜電電容檢測裝置接近的情況下，作為該信號放大元件T1的信號放大用薄膜半導體裝置成為導通狀態(tài)。因此，關于電源電壓Vdd采用正向電源的情況下，作為信號放大用薄膜半導體裝置，優(yōu)選采用增強型(常截止型)N型晶體管，且該晶體管閾值電壓Vth比VGV小。更優(yōu)選，滿足0＜Vth＜0.91×Vdd的關系這樣的信號放大用N型MIS薄膜半導體裝置。
相反，關于電源電壓Vdd采用負電源的情況下，作為信號放大用薄膜半導體裝置，優(yōu)選采用增強型(常截止型)P型晶體管，并且信號放大用P型MIS薄膜半導體裝置的閾值電壓Vth比VGV大。更優(yōu)選，滿足0.91×Vdd＜Vth＜0的關系的信號放大用P型MIS薄膜半導體裝置。這樣就能夠以電流值I非常大的方式，對對象物的凹部進行確切地檢測。
綜上所述，在相當于指紋的峰等的對象物的凸部與靜電電容檢測裝置接觸的情況下，信號放大元件中幾乎沒有電流流動，同時相當于指紋的谷等的對象物的凹部與靜電電容檢測裝置接近的情況下，信號放大元件中有較大電流通過，要正確認識對象物的凹凸，則在靜電電容檢測元件1，電容檢測電介質膜42位于靜電電容檢測元件1的最表面，且信號放大元件T1的柵電極面積ST(μm2)或柵絕緣膜的厚度tOX(μm)、柵絕緣膜的介電常數(shù)為εOX，基準電容器的電極面積為SR(μm2)、基準電容器電介質膜的厚度tR(μm)、基準電容器電介質膜的相對介電常數(shù)為εR、電容檢測電極的面積SD(μm2)、電容檢測電介質膜的厚度tD(μm)、電容檢測電介質膜的相對介電常數(shù)εD等需要按照使元件電容cD比作為基準電容器電容CR和晶體管電容CT之和CR+CT足夠大而設定，并且在對象物沒有與電容檢測電介質膜接觸而是以對象物距離tA隔開時需要按照基準電容器電容CR比對象物電容CA足夠大而構成靜電電容檢測裝置。并且，換言之，優(yōu)選基準電容器電容CR比晶體管電容CT足夠大。更具體來說，按照基準電容器電容CR和晶體管電容CT滿足CR＞10×CT的關系式的基礎上，元件電容CD和基準電容器電容CR和對象物電容CA滿足CD＞10×CR；CR＞10×CA的關系而構成靜電電容檢測裝置。并且，作為電源電壓在采用高電位(Vdd)的情況下，作為信號放大用薄膜半導體裝置優(yōu)選采用增強型(常截止型)N型晶體管，該N型晶體管的最小柵極電壓Vmin滿足0＜0.1×Vdd＜Vmin，或者0＜VGT＜Vmin的關系，更優(yōu)選采用閾值電壓Vth小于VGV，具體來說，滿足0＜Vth＜0.91×Vdd，或者0＜Vth＜VGV的關系的增強型N型晶體管。
相反，在關于電源電壓采用負電源(VSS)的情況下，作為信號放大用薄膜半導體裝置優(yōu)選采用增強型(常截止型)P型晶體管，該P型晶體管的最小柵極電壓Vmin滿足Vmin＜0.1×Vdd＜0，或者Vmin＜VST＜0的關系，則更優(yōu)選采用閾值電壓Vth大于VGV，具體來說，滿足0.91×Vdd＜Vth＜0，或者VGV＜Vth＜0的關系的增強型P型晶體管。
(實施例1)在玻璃基板上制作由薄膜半導體裝置組成的靜電電容檢測裝置，采用公知的轉印技術在塑料基板上轉印該靜電電容檢測裝置，并在塑料基板上生成靜電電容檢測裝置。電路構成與上述實施方式同樣，靜電電容檢測裝置由排列成304行304列的行列狀靜電電容檢測元件構成。行列部的大小為20mm見方的正方形。
以下與圖2的層結構對應進行說明?；?00為厚度200μm的聚醚砜(PES)。信號放大元件T1和行選擇元件T2、以及列選擇元件T2在N型薄膜半導體裝置上制作。薄膜半導體裝置如圖2所示采用頂柵型，在工序最高溫度為425℃的低溫工序制作。信號放大用薄膜半導體裝置和列選擇用薄膜半導體裝置以及行選擇用薄膜半導體裝置的柵電極長度L為3μm，柵電極寬度W為5μm。半導體膜110通過激光結晶化后形成多晶硅薄膜的厚度為50nm。并且，柵絕緣膜120通過化學氣相沉積法(CAD法)形成45nm厚的氧化硅膜，柵電極170由厚為400nm的鉭薄膜組成。形成柵絕緣膜120的氧化硅膜的相對介電常數(shù)通過CV測定求出為約3.9?；鶞孰娙萜鞯?電極51由與信號放大用薄膜半導體裝置的漏區(qū)域相同的N型半導體膜形成，基準電容器電介質膜52由與信號放大用薄膜半導體裝置的柵絕緣膜相同的氧化硅膜制作，基準電容器第2電極53由與信號放大用薄膜半導體裝置的柵電極相同的鉭薄膜組成。基準電容器第1電極51通過導電孔與行線R連接，基準電容器第2電極53與信號放大用N型薄膜半導體裝置的柵電極和電容檢測電極41連接。
本實施例中，令電容檢測電極41的間距x為66μm，電容檢測電極41的面積SD為1485μm2。因此，電容檢測電極41的大小y(=SD)]]>為38.5μm(=1485μm2).]]>電容檢測電介質膜，由230nm的氮化硅膜和在其上面層疊的100nm的非晶質硅膜組成，這種情況下，氮化硅膜的電容CDI為CDI=ϵ0·ϵDI·SDtDI=8.85×10-14[F/cm]×7.5×1485[μm2]0.23[μm]=429[fF]]]>(23)半導體膜的電容CDS為CDS=ϵ0·ϵDS·SDtDS=8.85×10-14[F/cm]×11.9×1485[μm2]0.1[μm]=1564[fF]]]>(24)因此，計算信號檢測元件的元件電容CD為CD=(1CDI+1CDS)-1=337[fF]]]>(25)在指紋的谷深度tA為例如50μm的情況下，也是對象物電容CA的空氣層厚度，這時對象物電容成為0.26fF(千萬億分之一法拉)(＝2.6×10-16F)。電容檢測電介質膜42的電阻RPP的條件，為假定測定時間Δτ最長的一個水平掃描期間(約1ms)求出比根據(jù)式(12)的條件式計算RPP>10·ΔτCA=10×10-3[sec]2.6×10-16[F]=4×1013[Ω]]]>(26)比4×1013Ω還大。并且這時的半導體膜162的電阻率ρD的條件，根據(jù)式13的條件式，計算ρD>α1-α·tD·10·ΔτCA=0.80.2×10-5[cm]×4×1013[Ω]=1.6×109[Ω·cm]]]>(27)還有，實際的載流子電荷量q為q＝1.6×10-19[C]載流子移動度μ為μ＝0.1[cm·V-1·S-1]則半導體膜162的雜質濃度n，根據(jù)式16計算1.45×1010[cm-3]＜n＜4.0×1010[cm-3](28)在該范圍內(nèi)需要計算雜質濃度n。假如采用滿足這樣的關系的非晶質硅，可知作為靜電電容檢測裝置能可靠地進行工作，并且，即使在對象物接近的情況下，也能夠防止因瞬時電流而使周邊電路遭受破壞。
如上述，電容檢測電介質膜42中絕緣膜160由厚度230nm的氮化硅膜形成，半導體膜162由厚度100nm的非晶質硅形成。根據(jù)CV測定該氮化硅膜的相對介電常數(shù)為約7.5。并且，非晶質硅的相對介電常數(shù)為約11.9。這樣，根據(jù)上述計算，元件電容CD大約為337fF。若假設本實施例的靜電電容檢測裝置為指紋傳感器，由于指紋的凹凸為50μm程度，當靜電電容檢測裝置表面接觸有指紋的谷時，則計算對象物電容CA為0.27fF。另一方面，信號放大用MIS薄膜半導體裝置的柵電極長度L為2μm，柵電極寬度W為2μm，因此晶體管電容CT大約為3.07fF。并且，令基準電容器電極面積SR為42μm2。其結果，基準電容器電容CR為32fF。這樣本實施例所示的靜電電容檢測元件，滿足CD＞10×CRCR＞10×CT
CR＞10×CA的關系。這樣若電源電壓Vdd為3.3V，則當指紋的峰接觸靜電電容檢測裝置表面時，給信號放大用MIS薄膜半導體裝置的柵電極施加的電壓VGT為0.30V，當指紋的谷接觸時則給該柵電極施加的電壓VGV為3.11V。由于本實施例中采用的信號放大用N型薄膜半導體裝置的最小柵極電壓Vmin為0.35V，當指紋的峰接觸時，柵極電壓VGT大于0.30V，因此信號放大用N型薄膜半導體裝置全部為截止狀態(tài)。另一方面，閾值電壓Vth為1.42V，由于當指紋的谷接觸時得到的柵極電壓VGV小于3.11V，因此信號放大用N型薄膜半導體裝置完全為導通狀態(tài)。其結果，當指紋的峰接觸靜電電容檢測裝置表面時，從信號放大元件輸出的電流值極其微弱為4.5×10-13A。相反當指紋的谷接觸時從信號放大元件輸出的較大電流2.6×10-5A，實現(xiàn)對指紋等的凹凸信息進行高精度地檢測。
接著關于本發(fā)明的靜電電容檢測裝置的電子機器進行說明。
圖8表示作為具有本發(fā)明的靜電電容檢測裝置的電子機器一例的移動電話機的概略圖。如圖8所示的移動電話機10，包含天線11、揚聲器12、顯示器13、操作鍵14、麥克風15以及本發(fā)明的靜電電容檢測裝置16。
該移動電話機10，其構成為按照使靜電電容檢測裝置16作為使用者的指紋傳感器發(fā)揮功能。在移動電話機10的初步狀態(tài)，移動電話機10，使靜電電容檢測裝置16對該移動電話10的所有者的指紋進行檢測，并在內(nèi)部存儲器作為像素的通斷信息進行用戶登錄。之后的利用中，在進行需要特定的安全性操作的情況下，該移動電話機10，首先在顯示器13顯示需要對照指紋的意思，并促使使用者進行指紋對照。靜電電容檢測裝置16讀取使用者的指紋后，與最初登錄到移動電話機10的所有者的指紋按照給定的對照方法進行指紋對照。其結果，在判定新檢測的指紋與所有者的指紋一致的情況下，成為許可指定的要求給定安全性的操作的狀態(tài)。作為這樣的要求安全性的操作內(nèi)容，具有例如訪問收費網(wǎng)站、或者刪除數(shù)據(jù)、或者顯示隱私性較高的信息的情況。本實施方式的靜電電容檢測裝置，由于采用薄膜半導體裝置，超薄，且耐久性較高，還有檢測精度也較高，因此適于移動電話機這樣的小型電子機器。
還有，本實施方式的靜電電容檢測裝置，還可以利用于具有個人認證功能的電子機器，例如具有個人認證功能的智能卡等。
以上，根據(jù)本實施方式，可由薄膜半導體裝置制作可進行高精度檢測的靜電電容檢測裝置。尤其本實施方式中，通過使電容檢測電介質膜42具有絕緣膜160和半導體膜162，因此能夠具有以下效果。
(1)根據(jù)本實施方式的靜電電容檢測裝置，由于在最上面設置半導體膜162，因此在對象物剛接觸之前在半導體膜表面形成反型層，因此對象物的電荷迅速在表面擴展開，可防止電路受到靜電破壞。
(2)并且根據(jù)本實施方式的靜電電容檢測裝置，由于在電容檢測電介質膜42的下層側設置絕緣膜160，因此對象物的電荷不會直接經(jīng)由電容檢測電極而流動，可防止電路受到靜電破壞。
(3)還有，如上述，決定應滿足半導體膜的電阻、電阻率、雜質密度的條件，由于設定元件電容CD、基準電容器電容CR、晶體管電容CT的大小關系，因此能夠識別信號放大元件T1中，對象物的凸部和凹部。根據(jù)具有這樣構成，在采用以往的單晶硅基板的技術中，在塑料基板上僅形成數(shù)mm×數(shù)mm程度的較小的靜電電容檢測裝置，然而根據(jù)本實施方式的靜電電容檢測裝置，能夠實現(xiàn)在塑料基板上形成具有過去百倍面積的靜電電容檢測裝置，并且能夠以極其高的精度對對象物的凹凸信息進行檢測。
其結果，可看出能產(chǎn)生使例如智能卡等的電子機器的安全級別得到顯著提高的效果。并且，采用單晶硅基板的以往靜電電容檢測裝置僅利用裝置面積的極少一部分的單晶體硅半導體，白白浪費了較大的能源和勞力。對此，本發(fā)明可排除這樣的浪費，實現(xiàn)有利于地球環(huán)境保護的效果。
權利要求
1.一種靜電電容檢測裝置，通過檢測根據(jù)與對象物的距離而變化的靜電電容進行，讀取該對象物的表面形狀，其特征在于，包括配置成M行N列的靜電電容檢測元件、和給該靜電電容檢測元件的每一個提供電源的電源線，該靜電電容檢測元件含有蓄積與該靜電電容相應的電荷的信號檢測元件、和將與該信號檢測元件蓄積的電荷對應的信號放大的信號放大元件，該信號檢測元件含有電容檢測電極、和在該電容檢測電極的與該對應物接觸的一側上設置的電容檢測電介質膜，該電容檢測電介質膜具有絕緣膜和半導體膜。
2.根據(jù)權利要求1所述的靜電電容檢測元件，其特征在于，所述半導體膜位于所述靜電電容檢測元件的最表面。
3.根據(jù)權利要求1所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，所述半導體膜，當定義每個所述靜電電容檢測元件的測定時間為Δτ，所述對象物的靜電電容為CA時，所述半導體膜的電阻RPP由下式表示RPP>10·ΔτCA---(1).]]>
4.根據(jù)權利要求1所述的靜電電容檢測元件，其特征在于，所述半導體膜，當設每個所述靜電電容檢測元件的測定時間為Δτ、所述對象物的靜電電容為CA、所述半導體膜的膜厚為tD、所述電容檢測電極的間距為x，所述電容檢測電極的寬度為y、并定義α＝y(tǒng)/x時，所述半導體膜的電阻率ρD滿足下式ρD>α1-α·tD·10·ΔτCA---(2).]]>
5.根據(jù)權利要求1所述的靜電電容檢測元件，其特征在于，所述半導體膜，在設每個所述靜電電容檢測元件的測定時間為Δτ，所述對象物的靜電電容為CA，所述半導體膜的膜厚為tD，該半導體膜的載流子電荷量為q，該半導體膜的載流子遷移度為μ，所述電容檢測電極的間距為x，所述電容檢測電極的寬度為y，并定義α＝y(tǒng)/x時，所述半導體膜的雜質濃度n滿足下式n<1-αα·CA10·Δτ·1qμtD---(3).]]>
6.根據(jù)權利要求1～5中任一項所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，所述半導體膜為非晶質硅。
7.根據(jù)權利要求6所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，所述非晶質硅實質上是本征性的。
8.根據(jù)權利要求6所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，所述非晶質硅，其載流子濃度在4×1010cm-3以下。
9.根據(jù)權利要求1～8中任一項所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，所述絕緣膜是氮化硅。
10.根據(jù)權利要求1～9中任一項所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，還包含與所述靜電電容檢測元件連接的基準電容器，設該基準電容器的電極面積為SR，所述基準電容器電介質膜的厚度為tR，所述基準電容器電介質膜的相對介電常數(shù)為εR，所述信號放大元件的柵電極面積為ST，所述信號放大元件的柵絕緣膜的厚度為tox，所述信號放大元件的柵絕緣膜的相對介電常數(shù)為εox，將所述基準電容器電容CR和所述信號放大元件的元件電容CT定義為CR＝ε0·εR·SR/tRCT＝ε0·εOX·ST/tOX其中ε0為真空的介電常數(shù)，設所述電容檢測電極的面積為SD，所述電容檢測電介質膜的絕緣膜的厚度為tD1，所述電容檢測電介質膜的絕緣膜的相對介電常數(shù)為εD1，所述電容檢測電介質膜的半導體膜的厚度為tDS，所述電容檢測電介質膜的半導體膜的相對介電常數(shù)為εDS，將所述信號檢測元件的元件電容CD定義為CD-1=(ϵ0·ϵD1·SD/tD1)-1+(ϵ0·ϵDS·SD/tDS)-1]]>其中ε0為真空的介電常數(shù)時，所述信號檢測元件的元件電容CD，比作為所述基準電容器電容CR和所述信號放大元件的元件電容CT之和的CR+CT足夠大。
11.根據(jù)權利要求10所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，所述對象物沒有與所述半導體膜接觸的對象物距離僅相隔tA，采用真空介電常數(shù)ε0、空氣的相對介電常數(shù)εA和所述電容檢測電極的面積SD，將對象物電容CA定義為CA＝ε0·εA·SD/tA時，所述基準電容器電容CR比該對象物電容CA足夠大。
12.根據(jù)權利要求10或者11所述的靜電電容檢測裝置，其特征在于，所述對象物沒有與所述電容檢測電介質膜接觸的對象物距離僅相隔tA，采用真空介電常數(shù)ε0、空氣的相對介電常數(shù)εA和所述電容檢測電極的面積SD，將對象物電容CA定義為CA＝ε0·εA·SD/tA時，所述基準電容器電容CR比所述對象物電容CA足夠大。
13.一種電子機器，其特征在于，具有權利要求1～12中任一項所述的靜電電容檢測裝置。
全文摘要
提供一種能夠實現(xiàn)耐靜電破壞性高的靜電電容檢測裝置，在讀取對象物的表面形狀的靜電電容檢測裝置中，含有配置成M行N列的靜電電容檢測元件(1)；和分別給該靜電電容檢測元件(1)提供電源的電源線。該靜電電容檢測元件(1)含有信號檢測元件(4)，其蓄積與該靜電電容相應的電荷；信號放大元件(T1)，其將該信號檢測元件(4)蓄積的電荷對應的信號進行放大。該信號檢測元件(T1)含有電容檢測電極(41)；和在該電容檢測電極(41)與該對象物接觸的一側設置的電容檢測電介質膜(42)。尤其，電容檢測電介質膜(42)含有絕緣膜(160)和半導體膜(162)。
文檔編號G01B7/28GK1760631SQ20051011370
公開日2006年4月19日 申請日期2005年10月12日 優(yōu)先權日2004年10月12日
發(fā)明者宮坂光敏 申請人:精工愛普生株式會社