DE69115141T2

DE69115141T2 - Oberflächenkontaktdruckwandler.

Info

Publication number: DE69115141T2
Application number: DE69115141T
Authority: DE
Inventors: Teruhiko Tamori
Original assignee: Enix Corp
Current assignee: Bmf Corp Kawasaki Kanagawa Jp
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: US5079949A; JPH0466828A; JPH0797057B2; EP0465231A3; DE69115141D1; EP0465231B1; EP0465231A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Oberflächenkontaktdruckwandler zur Verwendung bei der Erfassung einer sehr feinen Oberflächenkontaktdruckverteilung wie eines Fingerabdrucks.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Entsprechend bekannten herkömmlichen Verfahren zum Messen der zweidimensionalen Verteilung einer auf eine Oberfläche eines Gegenstands wirkenden Last ist eine große Anzahl von Lastzellen oder Elektrodenpaaren in einer Matrixform angeordnet, und diese Wandler werden abgetastet (z.B. ungeprüfte japanische Patentveröffentlichungen (Kokai) Nrn. 62-71828 und 62-226030). Diese Wandler werden verwendet zur bessung der Verteilung einer Last oder eines Drucks, die auf einen Sitz eines Fahrzeugs oder eine Fingerspitze eines Roboters wirken.
Bei diesen Wandlern hat ein Element wie eine Lastzelle oder ein Elektrodenpaar eine relativ große Gestalt. Daher können die Wandler geeignet verwendet werden zum Messen einer zweidimensionalen Druckverteilung bei dem vorgenannten Gegenstand. Jedoch sind sie nicht geeignet für die Messung einer Kontaktdruckverteilung in einem hochdichten Bereich wie einem Fingerabdruck mit vier Hautrillen pro Millimeter.
Unter diesen Umständen schlägt der Erfinder eine Erfassungsvorrichtung in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 63-310087 vor. Bei dieser Vorrichtung wird ein druckempfindliches Blatt wie aus leitendem Gummi, dessen Widerstand entsprechend einem ausgeübten Druck geändert wird, verwendet, um eine sehr feine Oberflächenkontaktdruckverteilung wie einen Fingerabdruck zu messen, und Änderungen des Widerstands aufgrund der Kontaktdruckverteilung werden durch elektrische Abtastung herausgezogen.
Zusätzlich ist eine in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 62-226030 offenbarte Meßvorrichtung bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist eine große Anzahl von Elektrodenpaaren so angeordnet, daß sie jeweils in einer Matrixform gegenüberliegen. Wenn bei dieser Anordnung ein Druck auf gegebene Elektrodenpaare ausgeübt wird, werden die Intervalle zwischen den Elektrodenpaaren verändert. Die durch diese Elektrodenpaare gebildeten Kapazitäten werden dann verändert. Eine Kontaktdruckverteilung wird gemessen durch Erfassung solcher Kapazitätsänderungen.
Der vorliegende Erfinder stellte ein Muster der vorerwähnten Vorrichtung her und führte verschiedene Experimente durch, um eine sehr feine Oberflächenkontaktdruckverteilung zu erfassen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß die Vorrichtung verschiedene komplizierte Techniken bei der Herstellung erforderte, und es war schwierig, kleine Druckänderungen mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Zusätzlich zu solchen praktischen Problemen wurde gefunden, daß ein Kontaktwiderstand, der in einem makroskopischen Maßstab im wesentlichen vernachlässigt werden kann, in einem mikroskopischen Maßstab sehr einflußreich sein kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter Berücksichtigung eines derartigen Kontaktwiderstandes hat der vorliegende Erfinder das Ziel, eine sehr feine Oberflächenkontaktdruckverteilung auf der Grundlage von durch Änderung der Kontaktfläche bewirkten Änderungen des Kontaktwiderstandes zu erfassen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wandler zum Erfassen einer sehr feinen Oberflächenkontaktdruckverteilung mit einer einfachen Anordnung zu schaffen. Um diese Aufgabe zu lösen, ist ein Wandler zum Erfassen der Oberflächenkontaktdruckverteilung gemäß Anspruch 1 vorgesehen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines Wandlers zum Erfassen einer Oberflächenkontaktdruckverteilung gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 ist eine Ansicht, die den Wandler nach Fig. 1 zusaminen mit Drähten zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt einen Oberflächenkontaktdruckwandler gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung. Der Wandler ist so ausgebildet, daß ein Film 4, auf welchem Abtastelektroden 3 in der Richtung der Y-Achse ausgebildet sind, mit einer Oberfläche eines isolierenden Substrats 2 verbunden ist, auf welchem Abtastelektroden 1 in der Richtung der X-Achse ausgebildet sind.
Genauer gesagt, eine Silber- oder Kupferschicht mit einer Dicke von etwa 10 um ist auf der gesamten Oberfläche des keramischen Substrats 2 mit einer Dicke von 0,8 mm gebildet. Diese Schicht ist durch Abscheiden oder Zerstäuben gebildet. Die Abtastelektroden 1 werden in Richtung der X-Achse durch Ätzen gebildet. Die Abtastelektrode 1 hat eine Breite von zum Beispiel 25 bis 50 um, und der Abstand zwischen den Elektroden 1 beträgt zum Beispiel 25 bis 50 um.
Danach wird ein dünner Filmwiderstand mit einer Dicke von etwa 2 um auf der gesamten Oberfläche des keramischen Substrats 2, auf welchem die Abtastelektroden 1 gebildet sind, durch Abscheidung gebildet, und Dünnfilmwiderstände 5 werden auf den Abtastelektroden 1 in gleichen Intervallen durch Fotoätzen gebildet. Jeder Dünnfilmwiderstand 5 hat einen Widerstandswert von mehreren 100 Ω bis zu einigen k Ω in der Dickenrichtung.
Eine Goldschicht wird auf der gesamten Oberfläche des keramischen Substrats 2 über den Dünnfilmwiderständen 5 durch Abscheidung gebildet, und Kontaktelektroden 6, die jeweils eine kleinere Fläche als der Dünnfilmwiderstand 5 haben, werden auf jedem Dünnfilmwiderstand 5 durch Fotoätzen gebildet. Die Kontaktelektrode 6 ist wirksam, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Dünnfilmwiderstand 5 und Abtastelektroden 3 zu liefern, wie nachfolgend beschrieben wird.
Eine Oxid- oder Wolframdioxid-Schicht wird auf der gesamten Oberfläche des keramischen Substrats 2 bis zu einer Dicke von etwa 17 um abgeschieden, und Abstandsstücke 7 werden auf den Abtastelektroden 1 zwischen den Dünnfilmwiderständen 5 und zwischen den Dünnfilmwiderständen 5 auf den benachbarten Abtastelektroden 1 durch Fotoätzen ausgebildet.
Kupfer wird auf einer gesamten Oberfläche eines Polyimid-, Polyamid- oder Polyester-Films 4 niedergeschlagen, und Abtastelektroden 3 werden auf dem Film 4 in der Richtung der Y-Achse durch Ätzen gebildet. Der Film wird dann mit dem keramischen Substrat 2 verbunden durch Verwendung eines anisotropen Haftmittels in der Weise, daß die Abtastelektroden 3 auf den Dünnfilmwiderständen 5 auf dem keramischen Substrat 2 so befestigt sind, daß sie orthogonal zu den Abtastelektroden 1 sind. Die Abtastelektroden 3 sind vergoldet, um eine Korrosion zu verhindern. Die Breite jeder der Abtastelektroden 3 in Richtung der Y-Achse und das Intervall zwischen diesen sind dieselben wie die für die Abtastelektroden 1 in Richtung der X-Achse eingestellten. Auf diese Weise wird die grundlegende Anordnung eines matrixartigen Oberflächenkontaktdruckwandlers beendet.
Fig. 2 zeigt das nach den vorbeschriebenen Schritten hergestellte Erfassungselement zusammen mit Drähten zum Herausziehen von Ausgangssignalen. Die Abtastelektroden 1 in der Richtung der X-Achse sind mit Drähten 8 verbunden, und die Abtastelektroden 3 in der Richtung der Y-Achse sind mit Drähten 9 verbunden.
Abtastsignale werden aus einer externen Schaltung (nicht gezeigt) durch die Drähte 8 und 9 zu vorbestimmten Zeitpunkten aufeinanderfolgend zu den Abtastelektroden 1 und 3 in den Richtungen der X- und Y-Achse geliefert.
Ein Verfahren zum Betreiben des Erfassungswandlers, eine Treiberschaltung und eine Druckwiderstand-Erfassungsschaltung sind irrelevant für den Kern der vorliegenden Erfindung und werden daher hier nicht im einzelnen beschrieben. Jedoch kann die japanische Patentanmeldung Nr. 63-23612 als eine frühere Erfindung des vorliegenden Erfinders hier erforderlichenfalls einbezogen werden.
Es wird angenommen, daß ein Fingerabdruck durch Verwendung des vorbeschriebenen Erfassungswandlers erfaßt werden soll. Der Erfassungswandler ist zum Beispiel als ein Element mit einer Fläche von 1,28 cm x 2,56 cm ausgebildet. Wenn ein Finger, von dem ein Fingerabdruck erfaßt werden soll, auf dem Element (mit einer oberen Oberfläche, die durch einen schützenden dünnen Film bedeckt ist) plaziert wird und leicht auf das Element gedrückt wird, verändert sich der auf das Element wirkende Druck an Positionen entsprechend den Erhöhungen und Vertiefungen des Fingerabdruckmusters. Da die Dünnfilmwiderstände 5 an den sich überschneidenden Bereichen zwischen den Abtastelektroden 1 und 3 an den Positionen der Erhöhungen des Fingerabdruckmusters gedrückt werden, werden die an den sich überschneidenden Bereichen befindlichen Kontaktwiderstände relativ klein in Abhängigkeit von dem Kontaktbereich der beiden Elektroden 1 und 3. Im Gegensatz hierzu wird ein Druck auf den Dünnfilmwiderstand 5 an den Positionen der Vertiefungen des Fingerabdruckmusters ausgeübt, und die entsprechenden Kontaktwiderstände an den sich überschneidenden Bereichen werden relativ groß in Abhängigkeit von der Kontaktfläche der beiden Elektroden 1 und 3. Ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Dünnfilmwiderstand 5 und der Abtastelektrode 3 ist an den sich überschneidenden Bereichen durch die Kontaktelektrode 6 vorgesehen.
Da die Abtastsignale zu den vorbestimmten Zeitpunkten aufeinanderfolgend an die Abtastelektroden 1 und 3 angelegt werden, werden die Kontaktwiderstände der sich überschneidenden Bereiche dort, wo die Abtastsignale gleichzeitig an die Abtastelektroden 1 und 3 angelegt werden, in Stromsignale umgewandelt und zu der externen Schaltung herausgezogen. Ein Fingerabdruckmuster kann durch Verarbeitung dieser Signale unterschieden werden.
Der Oberflächenkontaktdruckwandler nach der vorliegenden Erfindung ist nicht nur für die Erfassung eines sehr feinen Musters wie eines Fingerabdrucks geeignet, sondern auch für die Erfassung eines genauen Musters wie eines Siegelabdrucks oder einer Unterschrift. Bei der letzteren Anwendung wird eine Platte, deren Oberfläche so weich wie ein menschlicher Finger ist, anstelle eines harten keramischen Substrats 2 verwendet.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Oberflächenkontaktdruckwandler so ausgebildet, daß mehrere erste Abtastelektroden auf einem isolierenden Substrat in kleinen Intervallen ausgebildet werden und mehrere zweite Abtastelektroden auf den ersten Abtastelektroden in kleinen Intervallen in einer zu der der ersten Abtastelektroden orthogonalen Richtung gebildet werden. Mit dieser Anordnung kann eine sehr feine Oberflächenkontaktdruckverteilung erfaßt werden als Änderungen des Kontaktwiderstandes von Dünnfilmwiderständen. Daher kann eine sehr einfache Elementstruktur realisiert werden und eine Oberflächenkontaktdruckverteilung kann genau erfaßt werden.

Claims

1. Ein Oberflächenkontaktdruckwandler, welcher aufweist:

ein im wesentlichen starres isolierendes Substrat (2);

mehrere Abtast-Reihenelektroden (1), die durch Metallabscheidung auf dem Substrat (2) gebildet sind und die geätzt sind zur Bildung eines Musters von im wesentlichen parallelen Elektroden (1), die einen gegenseitigen Abstand aufweisen und entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind;

eine Dünnfilmwiderstandsschicht, die auf den Abtast-Reihenelektroden (1) und dem Substrat (2) niedergeschlagen ist, mit einem Widerstandswert, der sich als eine Funktion der Kontaktfläche ändert;

einen im wesentlichen elastischen verformbaren Film (4);

mehrere Abtast-Spaltenelektroden (3), die durch Metallabscheidung auf dem Film (4) gebildet sind und die geätzt sind zur Bildung eines Musters von im wesentlichen parallelen Spaltenelektroden (3), die einen gegenseitigen Abstand aufweisen, wobei der Film (4) durch ein anisotropes Haftmittel mit dem Substrat verbunden ist, so daß die Spaltenelektroden (3) auf der Dünnfilmwiderstandsschicht befestigt und entlang einer zweiten Achse ausgerichtet sind, welche orthogonal zu der ersten Achse ist, und wobei der Film Druckverteilungen zu den Reihenelektroden (1), der Filmwiderstandsschicht und den Spaltenelektroden überträgt zur Bildung einer Matrix von veränderlichen Kontaktwiderständen, um eine analoge Information in bezug auf die Verteilung des auf den Film (4) ausgeübten Oberflächenkontaktdrucks zu liefern.

2. Wandler nach Anspruch 1, worin die Kontaktelektrode (6) eine Goldschicht aufweist.

3. Wandler nach Anspruch 1, worin die Abtast-Spaltenelektroden (3) vergoldet sind.

4. Wandler nach Anspruch 1, worin das im wesentlichen starre isolierende Substrat (2) eine keramische Schicht aufweist.

5. Wandler nach Anspruch 1, worin der im wesentlichen elastische verformbare Film (4) einen Polyimid-Film aufweist.

6. Wandler nach Anspruch 1, worin der im wesentlichen elastische verformbare Film (4) einen Polyamid-Film aufweist.

7. Wandler nach Anspruch 1, worin der im wesentlichen elastische verformbare Film (4) einen Polyester-Film aufweist.

8. Wandler nach Anspruch 1, worin die Metallabscheidung auf dem Substrat zur Bildung der Abtast-Reihenelektroden (1) Silber umfaßt.

9. Wandler nach Anspruch 1, worin die Metallabscheidung auf dem Substrat zur Bildung der Abtast-Reihenelektroden (1) Kupfer umfaßt.

10. Wandler nach Anspruch 1, worin die Metallabscheidung auf dem im wesentlichen elastischen verformbaren Film (4) zur Bildung der Abtast- Spaltenelektroden (3) Kupfer umfaßt.

11. Wandler nach Anspruch 1, worin die dünne Widerstandsschicht geätzt ist zur Bildung eines Dünnfilmwiderstandsfilms (5), der nur an den Punkten der Überschneidung der Reihen-(1) und Spaltenelektroden (3) verbleibt.

12. Wandler nach Anspruch 11, weiterhin eine auf jedem der Filmwiderstände (5) gebildete Kontakt elektrode (6) aufweisend.

13. Wandler nach Anspruch 1, worin mehrere Oxid-Abstandsstücke (7) durch eine Oxidabscheidung auf dem Substrat (2) und Abtast-Reihenelektroden (1) gebildet und geätzt sind zur Bildung von Abstandsinseln an bestimmten Punkten.

14. Wandler nach Anspruch 13, worin die Oxid-Abstandsstücke (7) Wolframdioxid aufweisen.