JP4253827B2

JP4253827B2 - 2D image reader

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Publication number: JP4253827B2
Application number: JP27158999A
Authority: JP
Inventors: 茂森川
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: JP2001092951A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元画像読取装置に関し、特に、フォトセンサをマトリクス状に配列したフォトセンサアレイ上に、被検出体を接触させて２次元画像を読み取る構成を有する２次元画像読取装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等の微細な凹凸パターン等を読み取る２次元画像読取装置には、光電変換素子（フォトセンサ）をマトリクス状に配列して構成されるフォトセンサアレイを有し、被検出体をフォトセンサアレイ上に設けられた検出面に接触させて、被検出体の２次元画像を読み取る構造のものがある。
そして、このような被検出体が直接検出面に接触する構造を有する２次元画像読取装置においては、被検出体に帯電した静電気等による誤動作や破損を抑制するために、様々な手法が考えられている。
【０００３】
以下、従来の２次元画像読取装置の例として、指紋読取装置の構成について、図面を参照して説明する。
図１０に示す指紋読取装置は、面光源１０１と、面光源１０１の上方に設けられ、複数のフォトセンサ１０２ａがマトリクス状に配列されたフォトセンサデバイス１０２と、フォトセンサデバイス１０２上に形成された透明導電膜１０３とを有して構成され、透明導電膜１０３上面の検出体接触面１０３ａに接触された被検出体（例えば、指）１１０に対して、面光源１０１から光Ｌｐを照射することにより、指紋の凹凸パターンに対応してフォトセンサ１０２ａに入射する反射光Ｌｒに基づいて、明暗情報を検出し、指紋画像を生成する。
【０００４】
ここで、透明導電膜１０３は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）等の透明な導電性材料により形成され、フォトセンサデバイス１０２の上面全域に薄膜状に形成されている。このような透明導電膜１０３の役割は、検出体接触面１０３ａに接触される指（人体）１１０に帯電した静電気を接地電位等に放電して、フォトセンサデバイス１０２における読取誤動作や破損を防止するものである。
【０００５】
図１１に示す指紋読取装置は、図１０に示した構成において、フォトセンサデバイス１０２上に、一対の櫛歯状の透明導電膜１０４ａ、１０４ｂが、各櫛歯が交互に入り組んで配列されるように形成され、この一対の透明導電膜１０４ａ、１０４ｂの双方に指１１０が接触した際に流れる微電流を検出することにより、指紋読み取り動作を開始して、指１１０に対して、面光源１０１から光Ｌｐを照射するものである。
ここで、上述した指紋読取装置と同様に、透明導電膜１０４ａ、１０４ｂは、ＩＴＯ等の透明な導電性材料により形成され、透明導電膜１０４ａ、１０４ｂの一方を、例えば、接地電位に接続することにより、指（人体）１１０に帯電した静電気を放電して、フォトセンサデバイス１０２における読取誤動作や破損を防止するものである。
なお、図１０、図１１に示したフォトセンサの断面図においては、説明及び図示の都合上、ハッチングを省略した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来の２次元画像読取装置においては、次のような問題点を有している。
すなわち、
（イ）静電気の放電、又は、指紋読み取り動作のスイッチングを目的として、フォトセンサデバイス１０２の上面全域に、あるいは、櫛歯状に透明導電膜１０３、１０４ａ、１０４ｂを形成しているため、フォトセンサ１０２ａと透明導電膜１０３、１０４ａ、１０４ｂとの間の保護絶縁膜（オーバーコート膜）１０２ｂにピンホール等の欠陥が発生していると、層間ショートを生じ、フォトセンサデバイスとしての歩留まりが低下するという問題を有している。
【０００７】
（ロ）フォトセンサ１０２ａと透明導電膜１０３、１０４ａ、１０４ｂとの間で容量カップリング（寄生容量）が発生して、フォトセンサ１０２ａの検出信号にノイズが混入して、読取誤動作の発生や検出感度の低下を招くという問題を有している。
（ハ）透明導電膜として近年多用されているＩＴＯは、耐腐食特性が低く、特に、上述したような被検出体である指１１０が、直接透明導電膜１０３、１０４ａ、１０４ｂに接触するため、一層腐食の進行を早め、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイス１０２の破損を招くという問題を有している。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決し、フォトセンサデバイス上に形成される透明導電膜に起因する層間ショートや寄生容量の発生を抑制して、読取誤動作や検出感度の低下、デバイスの破損等を防止することができる２次元画像読取装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の２次元画像読取装置は、絶縁性基板の一面側にマトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、該複数のフォトセンサを被覆するように形成された透光性絶縁膜とを有するフォトセンサデバイスを備え、被検出体が接触される導電部が前記フォトセンサデバイス上に形成されている２次元画像読取装置において、前記導電部は、前記透光性絶縁膜の上面に形成され、かつ、前記フォトセンサの各々が形成された領域相互の間隙領域のみを被覆するように形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、フォトセンサの直上には、透光性絶縁膜のみが形成され、各々フォトセンサの形成領域相互の間隙領域にのみ、透光性絶縁膜及び導電部が形成されているので、フォトセンサ上の透光性絶縁膜にピンホール等の欠陥が発生していても、フォトセンサと導電部との間で層間ショートを生じることがなく、フォトセンサデバイスの歩留まりの向上を図ることができる。
また、フォトセンサと導電部との間で発生する寄生容量を微小に抑制することができるので、フォトセンサの検出信号へのノイズの混入を抑制して、良好な読取動作や高い検出感度を実現することができる。
【００１１】
上記導電部は、各々線状に形成された一対の導電層が、相互に対向して設けられた構成を有しているものであってもよいし、各々櫛歯状に形成された一対の導電層が、各櫛歯が交互に入り組むように対向して設けられた構成を有しているものであってもよく、特に、一対の導電層のいずれか一方が、接地電位に電気的に接続されていることにより、被検出体が静電気に帯電していても、静電気が接地電位に放電されて、フォトセンサに電気的な影響を与えないので、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイスの破損等を防止することができる。
【００１２】
また、上記フォトセンサデバイスは、一対の導電層間を被検出体により電気的に導通することにより、読み取り動作を開始するように制御されるものであってもよい。この場合、フォトセンサデバイスへの被検出体の接触状態により読み取り動作をスイッチング制御することができるので、不必要な駆動状態の発生や、被検出体の不十分な接触状態における読取不良等を抑制して、適切な駆動制御を実現することができる。
さらに、フォトセンサと導電部の形成位置が相互に重なっていないので、上記導電部に透明電極材料を用いる必要がなく、被検出体の接触に対して耐腐食性を有する不透明な導電材料により形成することができ、被検出体の接触による腐食の進行を抑制して、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイスの破損を防止することができる。
【００１３】
そして、上記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を有し、チャネル領域に、被検出体により反射して入射する光の量に対応する電荷が発生、蓄積される、いわゆる、Ｗゲート型トランジスタであってもよく、この場合、フォトセンサデバイスを薄型化して、２次元画像読取装置を小型化することができるとともに、検出画素の高密度化を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る２次元画像読取装置に適用して良好なフォトセンサの構成について説明する。
本発明に係る２次元画像読取装置に適用されるフォトセンサとしては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像デバイスを用いることができる。
ＣＣＤは、周知の通り、フォトダイオードや薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）等のフォトセンサをマトリクス状に配列した構成を有し、各フォトセンサの受光部に照射された光量に対応して発生する電子−正孔対の量（電荷量）を、水平走査回路及び垂直走査回路により検出し、照射光の輝度を検知している。
【００１５】
このようなＣＣＤを用いたフォトセンサシステムにおいては、走査された各フォトセンサを選択状態にするための選択トランジスタを個別に設ける必要があるため、検出画素数が増大するにしたがってシステム自体が大型化するという問題を有している。
そこで、近年、このような問題を解決するための構成として、フォトセンサ自体にフォトセンス機能と選択トランジスタ機能とを持たせた、いわゆる、ダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタ（以下、Ｗゲート型トランジスタという）が開発され、システムの小型化、及び、画素の高密度化を図る試みがなされている。本発明における２次元画像読取装置には、このＷゲート型トランジスタを良好に適用することができる。
【００１６】
以下、Ｗゲート型トランジスタの構造及び機能について説明する。
図１は、Ｗゲート型トランジスタの構造を示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆは、可視光が入射されると電子−正孔対が生成される真性アモルファスシリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ）等の半導体層１１と、半導体層１１の両端にそれぞれ設けられたｎ^＋シリコン層１７、１８と、ｎ^＋シリコン層１７、１８上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、半導体層１１の上方（図面上方）にブロック絶縁膜１４及びトップゲート絶縁膜１５を介して形成されたトップゲート電極２１と、半導体層１１の下方（図面下方）にボトムゲート絶縁膜１６を介して形成されたボトムゲート電極２２と、を有して構成されている。
【００１７】
なお、図１（ａ）において、トップゲート電極２１、トップゲート絶縁膜１５、ボトムゲート絶縁膜１６、及び、トップゲート電極２１上に設けられる保護絶縁膜２０は、いずれも半導体層１１を励起する可視光に対し透過率の高い（透光性の高い）材質により構成され、一方、ボトムゲート電極２２は、可視光の透過を遮断する材質により構成されることにより、図面上方から入射する照射光（可視光）のみを検知する構造を有している。
【００１８】
すなわち、Ｗゲート型トランジスタ１０は、可視光が入射されると電子−正孔対が生成される半導体層１１を共通のチャネル領域として、半導体層１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３及びトップゲート電極２１により形成される上部ＭＯＳトランジスタと、半導体層１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３及びボトムゲート電極２２により形成される下部ＭＯＳトランジスタとからなる２つのＭＯＳトランジスタの組み合わせた構造が、ガラス基板等の透明な絶縁性基板１９上に形成されている。
そして、このようなＷゲート型トランジスタ１０は、一般に、図１（ｂ）に示すような等価回路により表される。ここで、ＴＧはトップゲート端子、ＢＧはボトムゲート端子、Ｓはソース端子、Ｄはドレイン端子である。
【００１９】
次に、上述したＷゲート型トランジスタを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムについて、図面を参照して簡単に説明する。
図２は、Ｗゲート型トランジスタを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムの概略構成図である。
図２に示すように、フォトセンサシステムは、大別して、多数のＷゲート型トランジスタ１０Ｆをマトリクス状に配列したフォトセンサアレイ１００Ｆと、各Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆのトップゲート端子ＴＧ及びボトムゲート端子ＢＧを各々行方向に接続したトップゲートライン１０１及びボトムゲートライン１０２と、トップゲートライン１０１及びボトムゲートライン１０２に各々接続されたトップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２と、各Ｗゲート型トランジスタのドレイン端子Ｄを列方向に接続したデータライン１０３と、データライン１０３に接続されたコラムスイッチ１１３と、を有して構成される。ここで、φtg及びφbgは、それぞれ後述するリセットパルスφＴn、及び、読み出しパルスφＢnを生成するための基準電圧、φpgは、プリチャージ電圧Ｖpgを印加するタイミングを制御するプリチャージ信号である。
【００２０】
このような構成において、トップゲートドライバ１１１からトップゲート端子ＴＧに電圧を印加することによりフォトセンス機能が実現され、ボトムゲートドライバ１１２からボトムゲート端子ＢＧに電圧を印加し、データライン１０３を介して検出信号をコラムスイッチ１１３に取り込んでシリアルデータとして出力（Ｖout）することにより選択読み出し機能が実現される。
【００２１】
次に、上述したフォトセンサシステムの駆動制御方法について、図面を参照して説明する。
図３は、フォトセンサシステムの駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
図３に示すように、まず、リセット動作においては、ｎ番目の行のトップゲートライン１０１にパルス電圧（リセットパルス；例えば＋１５Ｖのハイレベル）φＴnを印加して、各Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層に蓄積されているキャリヤ（正孔）を放出する（リセット期間Ｔreset）。
【００２２】
次いで、光（キャリヤ）蓄積動作においては、トップゲートライン１０１にローレベル（例えば＝−１５Ｖ）のバイアス電圧φＴnを印加することにより、リセット動作を終了し、光蓄積動作によるキャリヤ蓄積期間Ｔaがスタートする。キャリヤ蓄積期間Ｔaにおいては、トップゲート電極側から入射した光量に応じてチャネル領域にキャリヤが蓄積される。
そして、プリチャージ動作においては、キャリヤ蓄積期間Ｔaに並行して、データライン１０３に所定の電圧（プリチャージ電圧）Ｖpgを印加し、ドレイン電極１３に電荷を保持させる（プリチャージ期間Ｔprch）。
【００２３】
次いで、読み出し動作においては、プリチャージ期間Ｔprchを経過した後、ボトムゲートライン１０２にハイレベル（例えば＝＋１０Ｖ）のバイアス電圧（読み出し選択信号；以下、読み出しパルスという）φＢnを印加することにより、Ｗゲート型トランジスタ１０ＦをＯＮ状態にする（読み出し期間Ｔread）。
ここで、読み出し期間Ｔreadにおいては、チャネル領域に蓄積されたキャリア（正孔）が逆極性のトップゲートライン１０１に印加されたバイアス電圧φＴn（−１５Ｖ）を緩和する方向に働くため、ボトムゲートライン１０２に印加されたバイアス電圧φＢnによりｎチャネルが形成され、ドレイン電流に応じてデータライン１０３のデータライン電圧ＶＤは、プリチャージ電圧Ｖpgから時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【００２４】
すなわち、キャリヤ蓄積期間Ｔaにおける光蓄積状態が暗状態で、チャネル領域に正孔が蓄積（捕獲）されていない場合には、トップゲートＴＧに負バイアスをかけることによって、ボトムゲートＢＧの正バイアスが打ち消され、Ｗゲート型トランジスタ１０ＦはＯＦＦ状態となり、ドレイン電圧、すなわち、データライン１０３の電圧ＶＤが、略そのまま保持されることになる。
一方、光蓄積状態が明状態の場合には、チャネル領域に入射光量に応じた正孔が捕獲されているため、トップゲートＴＧの負バイアスを打ち消すように作用し、この打ち消された分だけボトムゲートＢＧの正バイアスによって、Ｗゲート型トランジスタ１０ＦはＯＮ状態となる。そして、この入射光量に応じたＯＮ抵抗に従って、データライン１０３の電圧ＶＤは、低下することになる。
【００２５】
したがって、データライン１０３の電圧ＶＤの変化傾向は、トップゲートＴＧへのリセットパルスφＴnの印加によるリセット動作の終了時点から、ボトムゲートＢＧに読み出しパルスφＢnが印加されるまでの時間（キャリヤ蓄積期間Ｔa）に、受光した光量に深く関連し、蓄積されたキャリヤが少ない場合には緩やかに低下する傾向を示し、また、蓄積されたキャリヤが多い場合には急峻に低下する傾向を示す。
【００２６】
そのため、読み出し期間Ｔreadがスタートして、所定の時間経過後のデータライン１０３の電圧ＶＤを検出することにより、あるいは、所定のしきい値電圧を基準にして、その電圧に至るまでの時間を検出することにより、照射光の光量が換算される。
上述した一連の駆動制御を１サイクルとして、ｎ＋１番目の行のＷゲート型トランジスタ１０Ｆにも同等の処理手順を繰り返すことにより、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆを２次元のセンサシステムとして動作させることができる。
【００２７】
図４は、上述したようなフォトセンサシステムを適用した２次元画像読取装置の要部断面図である。なお、ここでは、説明及び図示の都合上、フォトセンサシステムの断面部分を表すハッチングを省略する。
図４に示すように、指４０を指紋検出面に載置した場合、すなわち、指紋検出時においては、指４０の皮膚表層４０Ｂの半透明層が透光性絶縁膜に接触することにより、透光性絶縁膜と皮膚表層４０Ｂとの間の界面に屈折率の低い空気層がなくなる。そして、皮膚表層４０Ｂの厚さは、６５０ｎｍより厚いため、臨界角以上の角度で出射され、指紋４０Ａの凸部４０ａにおいて内部で入射された赤色光Ｌａは皮膚表層４０Ｂを散乱、反射しながら伝搬する。伝搬された光Ｌｂは、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１に励起光として入射される。このように透明な絶縁膜２０、１５、１４及びトップゲート電極２１を透過して半導体層１１に入射することにより、被検出体４０の画像パターンに対応したキャリヤが蓄積され、上述した一連の駆動制御方法にしたがって、被検出体４０の画像パターンを明暗情報として読み取ることができる。
【００２８】
また、指紋４０Ａの凹部４０ｂにおいては、照射された赤色光Ｌａは、臨界角以上の角度で出射されるで、保護絶縁膜２０の指紋検出面２０ａと空気層との間を界面を通過し、空気層の先の指に到達して皮膚表層４０Ｂ内で散乱するが、指の皮膚表層４０は空気より屈折率が高いため、ある角度で界面に入射された皮膚表層４０内の光は空気層に抜けにくく凹部に対応するＷゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１への入射が抑制される。凹部において空気層を介し指を透過する光は、乱反射を繰り返しながら皮膚表層４０内を伝搬し、指紋検出面２０ａに接触している凸部に達し、そこから保護絶縁膜２０を介し凸部に対応するＷゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１に入射される。
なお、以下に示す各実施形態においては、フォトセンサとして上述したＷゲート型トランジスタを適用した場合について説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、フォトダイオードやＴＦＴ等を良好に適用することができることはいうまでもない。
【００２９】
次に、本発明に係る２次元画像読取装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図５は、本発明に係る２次元画像読取装置の第１の実施形態を示す要部構成図である。ここで、上述したＷゲート型トランジスタと同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を簡略化する。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る２次元画像読取装置は、上述したＷゲート型トランジスタ１０Ｆを複数個、ガラス基板１９上にマトリクス状に配列して形成されたフォトセンサデバイス１００Ａと、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆを被覆して形成された保護絶縁膜２０の表面に所定のパターンで形成された透明導電膜（導電部）２３Ａと、フォトセンサデバイス１００Ａの背面側に配置され、フォトセンサデバイス１００Ａ上面（透明導電膜２３Ａ）に接触した被検出体（図示を省略）に均一な光を照射する面光源３０と、を有して構成されている。
【００３０】
ここで、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの形成領域の直上には、シリコン窒化膜等の透明な保護絶縁膜２０のみが積層形成され、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域の直上にのみ、保護絶縁膜２０を介してＩＴＯ等の透明導電膜２３Ａが形成されている。
すなわち、保護絶縁膜２０上に形成される透明導電膜２３Ａは、保護絶縁膜２０の下層にマトリクス状に設けられたＷゲート型トランジスタ１０Ｆの直上の領域を避けて、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域上にのみ形成されている。
【００３１】
また、透明導電膜２３Ａは、図５（ａ）に示すように、図面左右方向に櫛歯形状を有して形成された一対の導電パターン２３ａ、２３ｂにより構成され、かつ、導電パターン２３ａ、２３ｂ相互が、櫛歯が交互に入り組むように配置されている。さらに、一対の導電パターン２３ａ、２３ｂのうち、少なくとも、いずれか一方の導電パターン（例えば、導電パターン２３ａ）が、接地電位に電気的に接続されている。
【００３２】
このような構成を有する２次元画像読取装置において、被検出体（たとえば、指）を、透明導電膜２３Ａを構成する一対の導電パターン２３ａ、２３ｂの相互に同時に接触するように載置すると、被検出体に帯電していた静電気が、いずれか一方の導電パターン２３ａを介して接地電位に放電された後、図３に示した一連の駆動制御方法に基づいて、被検出体の読取動作が正常に行われる。
なお、各膜内で半導体層１１を励起する波長域の光が伝搬しないように、トップゲート絶縁膜１５、ボトムゲート絶縁膜１６及び保護絶縁膜２０は、いずれも屈折率が１．８〜２．０程度のシリコン窒化膜であり、その膜厚がそれぞれ１５０ｎｍ、２５０ｎｍ、２００〜２５０ｎｍである方が望ましく、トップゲート電極２１は、屈折率は、２．０〜２．２程度のＩＴＯであり、膜厚が５０ｎｍ程度であることが望ましい。
【００３３】
このように、本実施形態に係る２次元画像読取装置によれば、透明導電膜２３Ａが、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの直上の領域を避けて、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域上にのみ形成され、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆと透明導電膜２３Ａが近接、対向して配置されないので、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆを被覆して形成された保護絶縁膜２０にピンホール等の欠陥が発生している場合であっても、保護絶縁膜２０における層間ショートを生じることがない。
また、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆと透明導電膜２３Ａとの間で発生する寄生容量を微小に抑制することができるので、指紋読取時の検出信号へのノイズの混入を抑制することができる。
【００３４】
さらに、読取動作に際して被検出体を透明導電膜２３Ａに接触することにより、被検出体に帯電した静電気が導電パターンを介して静電気が接地電位に放電されるので、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆへの電気的な影響を抑制して、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイス１００Ａの破損等を防止することができる。なお、上述した実施形態に示した２次元画像読取装置において、透明導電膜２３Ａを構成する一対の導電パターン２３ａ、２３ｂのうち、いずれか一方のみを接地電位に電気的に接続し、さらに、一対の導電パターン２３ａ、２３ｂを、図示を省略した２次元画像読取装置の駆動制御回路に接続した構成とすることもできる。以下に、この場合の読取動作について説明する。ここでは、図４に示したＷゲート型トランジスタ１０Ｆの詳細構造を適宜参照しながら説明する。
【００３５】
図６は、本実施形態に係る２次元画像読取装置を指紋読取装置に適用した場合の、指紋読取動作を示す概略図である。なお、ここでは、説明及び図示の都合上、フォトセンサシステムの断面部分を表すハッチングを省略する。
図６に示すように、まず、被検出体である指４０ａを、透明導電膜２３Ａを構成する一対の導電パターン２３ａ、２３ｂの相互に同時に接触するように載置すると、指（人体）４０ａに帯電していた静電気が、いずれか一方の導電パターンを介して接地電位に放電されるとともに、導電パターン２３ａ、２３ｂ相互が、指４０ａを介して電気的に接続され、指４０ａの固有の抵抗値に応じた微電流が、図示を省略した２次元画像読取装置の駆動制御回路に流れ、駆動制御回路はこれをトリガーとして指紋読取動作の開始を実行制御する。
【００３６】
次いで、面光源３０から所定の光Ｌｐをフォトセンサデバイス１００Ａ上の指４０ａに対して照射するとともに、図３に示した一連の駆動制御方法に基づいて、指紋の凹凸パターンに対応する明暗情報を読み取り、指紋画像を生成する。ここで、面光源３０からの光Ｌｐは、フォトセンサデバイス１００Ａを構成するガラス基板１９、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域に形成された透明絶縁膜（トップゲート絶縁膜）１５、保護絶縁膜２０、及び、透明導電膜２３Ａを透過して、指紋の凹凸部に照射される。また、指４０ａに照射され、指紋の凹凸パターンに対応して反射した光は、透明導電膜２３Ａ、及び、保護絶縁膜２０等を透過して、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１に入射する。
【００３７】
そして、指紋の読取終了後、指４０ａを透明導電膜２３Ａから離間させることにより、一対の導電パターン２３ａ、２３ｂの相互が電気的に絶縁状態となり、駆動制御回路はこれをトリガーとして指紋読取動作の終了制御を実行する。
このように、透明導電膜２３Ａにスイッチ機能を持たせることにより、フォトセンサデバイス１００Ａへの被検出体の接触状態に応じて、読取動作をスイッチング制御することができるので、不必要な駆動状態の発生や、被検出体の不十分な接触状態における読取不良等を抑制して、適切な駆動制御を実現することができる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
図７は、本発明に係る２次元画像読取装置の第２の実施形態を示す要部構成図である。ここで、上述したＷゲート型トランジスタと同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態に係る２次元画像読取装置は、上述した第１の実施形態において、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域の直上に、櫛歯状（図面左右方向）に形成された一対の導電パターン２３ａ、２３ｂを、図面上下方向にも突出パターン２３ｃを付加して葉脈状に形成したことを特徴としている。
ここで、新たに付加された突出パターン２３ｃも、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域の直上にのみ、保護絶縁膜２０を介して形成されている。
【００３９】
このような構成を有する２次元画像読取装置によれば、透明導電膜２３Ａは、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの直上の領域を避けて、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域上にのみ形成され、さらに、透明導電膜２３Ａを構成する導電パターン２３ａ、２３ｂ、２３ｃが、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆのマトリクス配列に対応して、各Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆを取り囲むように、２次元方向に延伸する形状パターンに形成されているので、透明導電膜２３ＡとＷゲート型トランジスタ１０Ｆ間の層間ショートや寄生容量の発生を防止、抑制することができるとともに、被検出体に帯電した静電気を広い面積の導電パターンを介して良好に放電することができ、静電気による読取誤動作の発生やフォトセンサデバイス１００Ａの破損等を一層抑制することができる。
【００４０】
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明に係る２次元画像読取装置の第３の実施形態を示す概略図であり、図９は、第３の実施形態に係る２次元画像読取装置の他の構成例を示す平面概略図である。ここで、上述したＷゲート型トランジスタと同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。また、説明及び図示の都合上、フォトセンサシステムの断面部分を表すハッチングを省略する。
図８に示すように、本実施形態に係る２次元画像読取装置は、上述した第１の実施形態において、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域の直上に、保護絶縁膜２０を介して形成されたＩＴＯ等の透明導電膜２３Ａに替えて、耐腐食性に優れた金属導電膜２３Ｂを適用したことを特徴としている。
【００４１】
すなわち、従来技術においても説明したように、近年液晶表示装置や読取装置に多用されているＩＴＯは、耐腐食特性が低く、特に、指等の被検出体の接触により、導電膜表面の腐食の進行が一層早くなり、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイスの破損を招く。
そこで、本発明においては、ＩＴＯ等の透明導電膜２３Ａに替えて、耐腐食性に優れた金属材料、たとえば、クロムＣｒやタンタルＴａ等の薄膜を用い、導電パターン２３ｄ、２３ｅを構成する。
【００４２】
ここで、本発明に係る２次元画像読取装置は、図６に示したように、フォトセンサデバイス１００Ａの背面側に配置された面光源３０から発せられる光Ｌｐが、フォトセンサデバイス１００Ａを構成するＷゲート型トランジスタ１０Ｆ及び金属導電膜２３Ｂの形成領域以外の、透明絶縁膜（トップゲート絶縁膜）１５や保護絶縁膜２０を透過して、被検出体である指４０ａに照射され、その指紋の凹凸パターン（画像パターン）に対応した反射光Ｌｒを明暗情報として読み取ることにより、読取画像を生成するものである。そのため、本実施形態に適用される金属導電膜２３Ｂは、少なくとも、背面側からの光Ｌｐの遮断を最小限に制限して、被検出体に十分な光Ｌｐが照射できるように形成する必要がある。
【００４３】
すなわち、保護絶縁膜上に形成される金属導電膜２３Ｂは、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの直上の領域を避けて、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域上にのみ形成され、かつ、面光源３０からの光の透過、反射経路を最小限の領域で遮るように形成されて、フォトセンサデバイス１００Ａにおける読取動作機能に支障を与えないように構成されている。
したがって、被検出体の接触によっても腐食の進行が抑制されて、静電気の除去や読取動作のスイッチ制御を良好に実現しつつ、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイスの破損を防止した実用性の高い２次元画像読取装置を実現することができる。
【００４４】
なお、本実施形態に示した金属導電膜は、上述した第２の実施形態に係る２次元画像読取装置にも適用することができる。
すなわち、図９に示すように、金属導電膜２３Ｂは、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの直上の領域を避けて、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆ相互の間隙領域上にのみ形成され、さらに、金属導電膜２３Ｂを構成する導電パターン２３ｄ、２３ｅ、２３ｆが、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆのマトリクス配列に対応して、各Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆを取り囲むように形成されている。
したがって、金属導電膜２３ＢとＷゲート型トランジスタ１０Ｆ間の層間ショートや寄生容量の発生を防止、抑制することができるとともに、被検出体に帯電した静電気を広い面積を有し、かつ、経時的に腐食しにくい特性を有する導電パターンを介して良好に放電することができ、静電気による読取誤動作の発生やフォトセンサデバイス１００Ａの破損等を一層抑制することができる。
【００４５】
以上説明した各実施形態においては、透明導電膜２３Ａ、２３Ｂを形成する一対の導電パターン２３ａ、２３ｂ及び２３ｄ、２３ｅを各々櫛歯状に形成して、櫛歯が相互に入り組むように配置する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、少なくとも、一対の導電パターンが、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆの形成領域の直上を避けて形成されているものであればよく、たとえば、一対の導電パターンが折り返し形状やらせん形状等に形成されているものであってもよいことはいうまでもない。
なお、Ｗゲート型トランジスタ１０Ｆのソース、ドレイン電極１２、１３は、配線により外部回路と接続され、この配線は透明導電膜と部分的に重なるが、この配線は上記各実施形態のトップゲート電極２１よりトップゲート絶縁膜１５の膜厚分下方にあるため、配線と透明導電膜とがショートするためには、同じ箇所の保護絶縁膜２０とトップゲート絶縁膜１５にピンホールが形成されねばならず、その確率は十分低い。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、フォトセンサの直上には、透光性絶縁膜のみが形成され、各々フォトセンサの形成領域相互の間隙領域にのみ、透光性絶縁膜及び導電部が形成されているので、フォトセンサ上の透光性絶縁膜にピンホール等の欠陥が発生していても、フォトセンサと導電部との間で層間ショートを生じることがなく、フォトセンサデバイスの歩留まりの向上を図ることができる。
また、フォトセンサと導電部との間で発生する寄生容量を微小に抑制することができるので、フォトセンサの検出信号へのノイズの混入を抑制して、良好な読取動作や高い検出感度を実現することができる。
【００４７】
上記導電部は、各々線状に形成された一対の導電層が、相互に対向して設けられた構成を有しているものであってもよいし、各々櫛歯状に形成された一対の導電層が、各櫛歯が交互に入り組むように対向して設けられた構成を有しているものであってもよく、特に、一対の導電層のいずれか一方が、接地電位に電気的に接続されていることにより、被検出体が静電気に帯電していても、静電気が接地電位に放電されて、フォトセンサに電気的な影響を与えないので、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイスの破損等を防止することができる。
【００４８】
また、上記フォトセンサデバイスは、一対の導電層間を被検出体により電気的に導通することにより、読み取り動作を開始するように制御されるものであってもよい。この場合、フォトセンサデバイスへの被検出体の接触状態により読み取り動作をスイッチング制御することができるので、不必要な駆動状態の発生や、被検出体の不十分な接触状態における読取不良等を抑制して、適切な駆動制御を実現することができる。
さらに、フォトセンサと導電部の形成位置が相互に重なっていないので、上記導電部に透明電極材料を用いる必要がなく、被検出体の接触に対して耐腐食性を有する不透明な導電材料により形成することができ、被検出体の接触による腐食の進行を抑制して、読取誤動作の発生やフォトセンサデバイスの破損を防止することができる。
【００４９】
そして、上記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を有し、チャネル領域に、被検出体により反射して入射する光の量に対応する電荷が発生、蓄積される、いわゆる、Ｗゲート型トランジスタであってもよく、この場合、フォトセンサデバイスを薄型化して、２次元画像読取装置を小型化することができるとともに、検出画素の高密度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２次元画像読取装置に適用されるＷゲート型トランジスタの構造を示す断面図である。
【図２】Ｗゲート型トランジスタを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムの概略構成図である。
【図３】フォトセンサシステムの駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
【図４】フォトセンサシステムを適用した２次元画像読取装置の要部断面図である。
【図５】本発明に係る２次元画像読取装置の第１の実施形態を示す要部構成図である。
【図６】第１の実施形態に係る２次元画像読取装置を指紋読取装置に適用した場合の、指紋読取動作を示す概略図である。
【図７】本発明に係る２次元画像読取装置の第２の実施形態を示す要部構成図である。
【図８】本発明に係る２次元画像読取装置の第３の実施形態を示す概略図である。
【図９】第３の実施形態に係る２次元画像読取装置の他の構成例を示す平面概略図である。
【図１０】従来技術における２次元画像読取装置の第１の例を示す概略図である。
【図１１】従来技術における２次元画像読取装置の第２の例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ＦＷゲート型トランジスタ
１１半導体層
１２ソース電極
１３ドレイン電極
１４ブロック絶縁膜
１５トップゲート絶縁膜
１６ボトムゲート絶縁膜
１７、１８ｎ⁺シリコン層
１９絶縁性基板
２０保護絶縁膜
２０ａ検出面
２１トップゲート電極
２２ボトムゲート電極
２３Ａ透明導電膜
２３Ｂ金属導電膜
２３ａ〜２３ｆ導電パターン
３０面光源
４０被検出体
４０ａ指
１００Ａフォトセンサデバイス
１００Ｆフォトセンサアレイ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-dimensional image reading apparatus, and more particularly to a two-dimensional image reading apparatus having a configuration in which a detection target is brought into contact with a photosensor array in which photosensors are arranged in a matrix to read a two-dimensional image.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a two-dimensional image reading apparatus that reads a printed matter, a photograph, or a fine uneven pattern such as a fingerprint has a photosensor array configured by arranging photoelectric conversion elements (photosensors) in a matrix, There is a structure in which a detection object is brought into contact with a detection surface provided on a photosensor array to read a two-dimensional image of the detection object.
In such a two-dimensional image reading apparatus having a structure in which the detected object is in direct contact with the detection surface, various methods are conceivable in order to suppress malfunction and damage due to static electricity charged on the detected object. ing.
[0003]
Hereinafter, as an example of a conventional two-dimensional image reading apparatus, a configuration of a fingerprint reading apparatus will be described with reference to the drawings.
The fingerprint reader shown in FIG. 10 is formed on a surface light source 101, a photo sensor device 102 provided above the surface light source 101, in which a plurality of photo sensors 102a are arranged in a matrix, and the photo sensor device 102. Irradiating light Lp from the surface light source 101 to a detection object (for example, a finger) 110 that is configured to include the transparent conductive film 103 and is in contact with the detection object contact surface 103a on the top surface of the transparent conductive film 103. Thus, the brightness information is detected based on the reflected light Lr incident on the photosensor 102a corresponding to the concave / convex pattern of the fingerprint, and a fingerprint image is generated.
[0004]
Here, the transparent conductive film 103 is formed of a transparent conductive material such as ITO (Indium Tin Oxide), and is formed in a thin film shape over the entire upper surface of the photosensor device 102. The role of such a transparent conductive film 103 is to discharge static electricity charged on a finger (human body) 110 that is in contact with the detection body contact surface 103a to a ground potential or the like, thereby preventing reading malfunction or damage in the photosensor device 102. Is.
[0005]
In the fingerprint reading apparatus shown in FIG. 11, in the configuration shown in FIG. 10, a pair of comb-like transparent conductive films 104a and 104b are arranged on the photosensor device 102 so that the comb teeth are alternately arranged. The fingerprint reading operation is started by detecting the minute current that flows when the finger 110 comes into contact with both of the pair of transparent conductive films 104a and 104b. Irradiates light Lp.
Here, like the above-described fingerprint reader, the transparent conductive films 104a and 104b are formed of a transparent conductive material such as ITO, and one of the transparent conductive films 104a and 104b is connected to, for example, a ground potential. Thus, the static electricity charged on the finger (human body) 110 is discharged, and reading malfunction and damage in the photosensor device 102 are prevented.
In the cross-sectional views of the photosensor shown in FIGS. 10 and 11, hatching is omitted for convenience of explanation and illustration.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional two-dimensional image reading apparatus as described above has the following problems.
That is,
(A) Since the transparent conductive films 103, 104a, and 104b are formed in the entire upper surface of the photosensor device 102 or in a comb-like shape for the purpose of electrostatic discharge or switching of the fingerprint reading operation, the photosensor If a defect such as a pinhole occurs in the protective insulating film (overcoat film) 102b between the transparent conductive film 103a, 104a, and 104b, an interlayer short circuit occurs, resulting in a decrease in yield as a photosensor device. Has the problem.
[0007]
(B) Capacitive coupling (parasitic capacitance) occurs between the photosensor 102a and the transparent conductive films 103, 104a, and 104b, and noise is mixed into the detection signal of the photosensor 102a, thereby causing a reading malfunction or detection. There is a problem that the sensitivity is lowered.
(C) ITO, which has been widely used in recent years as a transparent conductive film, has low corrosion resistance, and in particular, because the finger 110, which is the object to be detected, is in direct contact with the transparent conductive films 103, 104a, 104b. There is a problem that the progress of further corrosion leads to occurrence of reading malfunction and damage to the photosensor device 102.
[0008]
Therefore, the present invention solves the above-described problems, suppresses the occurrence of interlayer short circuit and parasitic capacitance due to the transparent conductive film formed on the photosensor device, and causes read malfunctions, lower detection sensitivity, An object of the present invention is to provide a two-dimensional image reading apparatus capable of preventing damage and the like.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The two-dimensional image reading apparatus according to claim 1, wherein a plurality of photosensors arranged in a matrix on one surface side of the insulating substrate, and a translucent insulating film formed so as to cover the plurality of photosensors, Photosensor device having In addition, a conductive part with which the object to be detected is brought into contact is formed on the photosensor device. In a two-dimensional image reader, The conductive portion is formed on an upper surface of the translucent insulating film; and A gap region between regions where each of the photosensors is formed only Formed to coat Please It is characterized by being.
[0010]
According to the first aspect of the present invention, only the translucent insulating film is formed immediately above the photosensor, and the translucent insulating film and the conductive portion are formed only in the gap region between the photosensor formation regions. Therefore, even if defects such as pinholes occur in the light-transmitting insulating film on the photosensor, an interlayer short circuit does not occur between the photosensor and the conductive portion, and the yield of the photosensor device is improved. Improvements can be made.
In addition, since the parasitic capacitance generated between the photosensor and the conductive part can be suppressed to a minimum, mixing of noise into the detection signal of the photosensor is suppressed, realizing good reading operation and high detection sensitivity. can do.
[0011]
The conductive portion may have a configuration in which a pair of conductive layers each formed in a linear shape is provided to face each other, or a pair of conductive layers each formed in a comb shape. The conductive layer may have a configuration in which the respective comb teeth are arranged to face each other alternately. In particular, one of the pair of conductive layers is electrically connected to the ground potential. By being connected, even if the object to be detected is charged with static electricity, the static electricity is discharged to the ground potential and does not have an electrical effect on the photosensor. Etc. can be prevented.
[0012]
Further, the photo sensor device may be controlled so as to start a reading operation by electrically conducting a pair of conductive layers with a detection object. In this case, since the reading operation can be switched by the contact state of the detected object to the photo sensor device, it is possible to suppress the occurrence of an unnecessary driving state and reading failure in the insufficient contact state of the detected object. Thus, appropriate drive control can be realized.
Furthermore, since the photo sensor and the conductive part do not overlap each other, there is no need to use a transparent electrode material for the conductive part, and the conductive part is made of an opaque conductive material that is resistant to contact with the object to be detected. It is possible to suppress the progress of corrosion due to the contact of the detection object, thereby preventing the occurrence of reading malfunction and the damage of the photo sensor device.
[0013]
The photosensor includes a source electrode and a drain electrode formed with a channel region made of a semiconductor layer interposed therebetween, and a top gate electrode and a bottom gate formed at least above and below the channel region with an insulating film interposed therebetween, respectively. A so-called W-gate transistor in which charges corresponding to the amount of light reflected and incident by the detection target are generated and accumulated in the channel region. The sensor device can be thinned to reduce the size of the two-dimensional image reading apparatus and to increase the density of detection pixels.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a configuration of a photosensor that is favorable when applied to the two-dimensional image reading apparatus according to the present invention will be described.
As a photosensor applied to the two-dimensional image reading apparatus according to the present invention, a solid-state imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) can be used.
As is well known, a CCD has a configuration in which photosensors such as photodiodes and thin film transistors (TFTs) are arranged in a matrix, and is generated corresponding to the amount of light irradiated to the light receiving portion of each photosensor. The amount of electron-hole pairs (charge amount) is detected by a horizontal scanning circuit and a vertical scanning circuit, and the brightness of the irradiation light is detected.
[0015]
In such a photosensor system using a CCD, it is necessary to provide a selection transistor for bringing each scanned photosensor into a selected state. Therefore, the system itself increases in size as the number of detected pixels increases. Have the problem of
Therefore, in recent years, as a configuration for solving such a problem, a thin film transistor having a so-called double gate structure (hereinafter referred to as a W gate type transistor) in which the photo sensor itself has a photo sensing function and a selection transistor function. Has been developed and attempts have been made to reduce the size of the system and increase the pixel density. The W gate type transistor can be favorably applied to the two-dimensional image reading apparatus in the present invention.
[0016]
Hereinafter, the structure and function of the W-gate transistor will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a W-gate transistor.
As shown in FIG. 1A, the W-gate transistor 10F includes a semiconductor layer 11 such as intrinsic amorphous silicon (ia-Si) in which electron-hole pairs are generated when visible light is incident; N provided at both ends of the semiconductor layer 11 ⁺ Silicon layers 17, 18 and n ⁺ A source electrode 12 and a drain electrode 13 formed on the silicon layers 17 and 18; a top gate electrode 21 formed above the semiconductor layer 11 (upward in the drawing) via a block insulating film 14 and a top gate insulating film 15; And a bottom gate electrode 22 formed via a bottom gate insulating film 16 below the semiconductor layer 11 (downward in the drawing).
[0017]
In FIG. 1A, the top gate electrode 21, the top gate insulating film 15, the bottom gate insulating film 16, and the protective insulating film 20 provided on the top gate electrode 21 all excite the semiconductor layer 11. The bottom gate electrode 22 is made of a material that blocks transmission of visible light by being made of a material that has high transmittance (high translucency) with respect to visible light. It has a structure that detects only (visible light).
[0018]
That is, the W-gate transistor 10 uses the semiconductor layer 11 in which electron-hole pairs are generated when visible light is incident as a common channel region, the semiconductor layer 11, the source electrode 12, the drain electrode 13, and the top gate electrode. 21 is a combination of two MOS transistors composed of the upper MOS transistor formed by the semiconductor layer 11 and the lower MOS transistor formed by the semiconductor layer 11, the source electrode 12, the drain electrode 13, and the bottom gate electrode 22, and the like. It is formed on a transparent insulating substrate 19.
Such a W gate type transistor 10 is generally represented by an equivalent circuit as shown in FIG. Here, TG is a top gate terminal, BG is a bottom gate terminal, S is a source terminal, and D is a drain terminal.
[0019]
Next, a photosensor system configured by two-dimensionally arranging the above-described W gate type transistors will be briefly described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a photosensor system configured by two-dimensionally arranging W-gate transistors.
As shown in FIG. 2, the photosensor system is roughly divided into a photosensor array 100F in which a large number of W gate type transistors 10F are arranged in a matrix, and a top gate terminal TG and a bottom gate terminal BG of each W gate type transistor 10F. Are respectively connected in the row direction, a top gate driver 111 and a bottom gate driver 112 connected to the top gate line 101 and the bottom gate line 102, respectively, and a drain of each W gate type transistor. A data line 103 having terminals D connected in the column direction and a column switch 113 connected to the data line 103 are included. Here, φtg and φbg are a reference voltage for generating a reset pulse φTn and a read pulse φBn, respectively, and φpg is a precharge signal for controlling the timing of applying the precharge voltage Vpg.
[0020]
In such a configuration, a photo sensing function is realized by applying a voltage from the top gate driver 111 to the top gate terminal TG, and a voltage is applied from the bottom gate driver 112 to the bottom gate terminal BG, via the data line 103. The selective reading function is realized by taking the detection signal into the column switch 113 and outputting it as serial data (Vout).
[0021]
Next, a drive control method for the above-described photosensor system will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a timing chart showing a drive control method of the photosensor system.
As shown in FIG. 3, first, in the reset operation, a pulse voltage (reset pulse; for example, a high level of + 15V) φTn is applied to the top gate line 101 of the nth row, and the semiconductor of each W gate type transistor 10F. Carriers (holes) accumulated in the layer are released (reset period Treset).
[0022]
Next, in the light (carrier) accumulation operation, by applying a low level (for example, −15 V) bias voltage φTn to the top gate line 101, the reset operation is terminated and the carrier accumulation period Ta by the light accumulation operation is started. To do. In the carrier accumulation period Ta, carriers are accumulated in the channel region according to the amount of light incident from the top gate electrode side.
In the precharge operation, in parallel with the carrier accumulation period Ta, a predetermined voltage (precharge voltage) Vpg is applied to the data line 103, and the drain electrode 13 holds the charge (precharge period Tprch).
[0023]
Next, in the read operation, after the precharge period Tprch has elapsed, a high level (eg, +10 V) bias voltage (read selection signal; hereinafter referred to as a read pulse) φBn is applied to the bottom gate line 102 to The gate type transistor 10F is turned on (reading period Tread).
Here, in the readout period Tread, carriers (holes) accumulated in the channel region work in a direction to relax the bias voltage φTn (−15 V) applied to the top gate line 101 having the reverse polarity, and therefore the bottom gate line An n channel is formed by the bias voltage φBn applied to 102, and the data line voltage VD of the data line 103 tends to gradually decrease with time from the precharge voltage Vpg in accordance with the drain current.
[0024]
That is, when the light accumulation state in the carrier accumulation period Ta is a dark state and holes are not accumulated (trapped) in the channel region, a negative bias is applied to the top gate TG, whereby the positive bias of the bottom gate BG is increased. The W gate type transistor 10F is turned off and the drain voltage, that is, the voltage VD of the data line 103 is held almost as it is.
On the other hand, when the light accumulation state is a bright state, holes corresponding to the amount of incident light are trapped in the channel region, so that the negative bias of the top gate TG is canceled, and the amount corresponding to the amount canceled is the bottom. The W gate transistor 10F is turned on by the positive bias of the gate BG. Then, the voltage VD of the data line 103 decreases according to the ON resistance corresponding to the incident light quantity.
[0025]
Accordingly, the change tendency of the voltage VD of the data line 103 is the time from the end of the reset operation by applying the reset pulse φTn to the top gate TG until the read pulse φBn is applied to the bottom gate BG (carrier accumulation period Ta). ) Is deeply related to the amount of received light, and shows a tendency to slowly decrease when the accumulated carriers are small, and to decrease sharply when there are many accumulated carriers.
[0026]
Therefore, by detecting the voltage VD of the data line 103 after the elapse of a predetermined time from the start of the read period Tread or by using the predetermined threshold voltage as a reference, the time until the voltage is detected is detected. By doing so, the amount of irradiation light is converted.
By repeating the same processing procedure for the n + 1-th row W-gate transistor 10F with the above-described series of drive control as one cycle, the W-gate transistor 10F can be operated as a two-dimensional sensor system.
[0027]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of a two-dimensional image reading apparatus to which the above-described photosensor system is applied. Here, for convenience of explanation and illustration, hatching representing a cross-sectional portion of the photosensor system is omitted.
As shown in FIG. 4, when the finger 40 is placed on the fingerprint detection surface, that is, at the time of fingerprint detection, the translucent layer of the skin surface layer 40B of the finger 40 comes into contact with the translucent insulating film. An air layer having a low refractive index disappears at the interface between the light insulating film and the skin surface layer 40B. Since the thickness of the skin surface layer 40B is thicker than 650 nm, the red light La emitted at an angle greater than the critical angle and incident inside the convex portion 40a of the fingerprint 40A is propagated while being scattered and reflected on the skin surface layer 40B. To do. The propagated light Lb is incident on the semiconductor layer 11 of the W gate type transistor 10F as excitation light. By passing through the transparent insulating films 20, 15, 14 and the top gate electrode 21 and entering the semiconductor layer 11 as described above, carriers corresponding to the image pattern of the detection target 40 are accumulated, and the series of driving described above is performed. According to the control method, the image pattern of the detection target 40 can be read as light / dark information.
[0028]
In the recess 40b of the fingerprint 40A, the irradiated red light La is emitted at an angle greater than the critical angle, and passes through the interface between the fingerprint detection surface 20a of the protective insulating film 20 and the air layer, Although it reaches the finger at the tip of the air layer and scatters in the skin surface layer 40B, since the skin surface layer 40 of the finger has a higher refractive index than air, the light in the skin surface layer 40 incident on the interface at an angle is air layer. The W gate type transistor 10F corresponding to the recess is hardly incident on the semiconductor layer 11. The light transmitted through the finger through the air layer in the concave portion propagates through the skin surface layer 40 while repeating irregular reflection, reaches the convex portion in contact with the fingerprint detection surface 20a, and then reaches the convex portion through the protective insulating film 20 The light enters the semiconductor layer 11 of the corresponding W-gate transistor 10F.
In each of the embodiments described below, the case where the above-described W gate type transistor is applied as a photosensor will be described. However, the present invention is not limited to this, and a photodiode, a TFT, or the like is preferably used. It goes without saying that it can be applied.
[0029]
Next, an embodiment of a two-dimensional image reading apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 5 is a main part configuration diagram showing the first embodiment of the two-dimensional image reading apparatus according to the present invention. Here, about the structure equivalent to the W gate type transistor mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the description is simplified.
As shown in FIGS. 5A and 5B, the two-dimensional image reading apparatus according to this embodiment is formed by arranging a plurality of the above-described W gate type transistors 10F on the glass substrate 19 in a matrix. The photosensor device 100A, the transparent conductive film (conductive portion) 23A formed in a predetermined pattern on the surface of the protective insulating film 20 formed so as to cover the W gate type transistor 10F, and the back side of the photosensor device 100A And a surface light source 30 that emits uniform light to a detected object (not shown) that is in contact with the upper surface (transparent conductive film 23A) of the photosensor device 100A.
[0030]
Here, only a transparent protective insulating film 20 such as a silicon nitride film is laminated immediately above the formation region of the W gate type transistor 10F, and the protective insulating film is formed only directly above the gap region between the W gate type transistors 10F. A transparent conductive film 23 </ b> A such as ITO is formed through 20.
That is, the transparent conductive film 23A formed on the protective insulating film 20 avoids a region immediately above the W gate transistor 10F provided in a matrix in the lower layer of the protective insulating film 20, and avoids mutual contact between the W gate transistors 10F. It is formed only on the gap region.
[0031]
Further, as shown in FIG. 5A, the transparent conductive film 23A is composed of a pair of conductive patterns 23a and 23b formed in a comb-tooth shape in the horizontal direction of the drawing, and the conductive patterns 23a and 23b. They are arranged so that the comb teeth are interleaved with each other. Further, at least one of the pair of conductive patterns 23a and 23b (for example, the conductive pattern 23a) is electrically connected to the ground potential.
[0032]
In the two-dimensional image reading apparatus having such a configuration, when the object to be detected (for example, a finger) is placed so that the pair of conductive patterns 23a and 23b constituting the transparent conductive film 23A are in contact with each other at the same time, After the static electricity charged on the detection body is discharged to the ground potential via one of the conductive patterns 23a, the reading operation of the detection target is normal based on the series of drive control methods shown in FIG. To be done.
The top gate insulating film 15, the bottom gate insulating film 16, and the protective insulating film 20 all have a refractive index of 1.8 to 2 so that light in a wavelength region that excites the semiconductor layer 11 does not propagate in each film. It is desirable that the silicon nitride film has a thickness of about 150 nm, 250 nm, and 200 to 250 nm, and the top gate electrode 21 is ITO having a refractive index of about 2.0 to 2.2. The film thickness is desirably about 50 nm.
[0033]
Thus, according to the two-dimensional image reading apparatus according to the present embodiment, the transparent conductive film 23A is formed only on the gap region between the W gate type transistors 10F, avoiding the region directly above the W gate type transistor 10F. Since the W gate type transistor 10F and the transparent conductive film 23A are not arranged close to each other and face each other, a defect such as a pinhole has occurred in the protective insulating film 20 formed so as to cover the W gate type transistor 10F. Even in this case, an interlayer short circuit in the protective insulating film 20 does not occur.
In addition, since parasitic capacitance generated between the W-gate transistor 10F and the transparent conductive film 23A can be suppressed to a small extent, it is possible to suppress noise from being mixed into the detection signal at the time of fingerprint reading.
[0034]
Further, when the object to be detected is brought into contact with the transparent conductive film 23A during the reading operation, the static electricity charged to the object to be detected is discharged to the ground potential through the conductive pattern, and thus the electric current to the W gate type transistor 10F is discharged. Thus, it is possible to prevent a reading malfunction or damage to the photosensor device 100A. In the two-dimensional image reading apparatus shown in the above-described embodiment, only one of the pair of conductive patterns 23a and 23b constituting the transparent conductive film 23A is electrically connected to the ground potential, and the pair The conductive patterns 23a and 23b may be connected to a drive control circuit of a two-dimensional image reading apparatus (not shown). Hereinafter, the reading operation in this case will be described. Here, the detailed structure of the W gate type transistor 10F shown in FIG.
[0035]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a fingerprint reading operation when the two-dimensional image reading apparatus according to this embodiment is applied to a fingerprint reading apparatus. Here, for convenience of explanation and illustration, hatching representing a cross-sectional portion of the photosensor system is omitted.
As shown in FIG. 6, first, when the finger 40a, which is the object to be detected, is placed so that the pair of conductive patterns 23a and 23b constituting the transparent conductive film 23A are in contact with each other simultaneously, the finger (human body) 40a is placed. The charged static electricity is discharged to the ground potential via one of the conductive patterns, and the conductive patterns 23a and 23b are electrically connected to each other via the finger 40a. A small current corresponding to the current flows to the drive control circuit of the two-dimensional image reading apparatus (not shown), and the drive control circuit executes and controls the start of the fingerprint reading operation using this as a trigger.
[0036]
Next, the surface light source 30 irradiates the finger 40a on the photosensor device 100A with the predetermined light Lp and, based on the series of drive control methods shown in FIG. Read and generate fingerprint image. Here, the light Lp from the surface light source 30 is a glass substrate 19 constituting the photosensor device 100A, a transparent insulating film (top gate insulating film) 15 formed in a gap region between the W gate type transistors 10F, and a protective insulating film. 20 and the transparent conductive film 23 </ b> A are transmitted to irradiate the uneven portion of the fingerprint. The light irradiated to the finger 40a and reflected corresponding to the concave / convex pattern of the fingerprint passes through the transparent conductive film 23A, the protective insulating film 20 and the like, and enters the semiconductor layer 11 of the W-gate transistor 10F. .
[0037]
Then, after the fingerprint is read, the finger 40a is separated from the transparent conductive film 23A, whereby the pair of conductive patterns 23a and 23b are electrically insulated from each other, and the drive control circuit uses this as a trigger for the fingerprint reading operation. Execute termination control.
As described above, by providing the transparent conductive film 23A with a switching function, the reading operation can be switched in accordance with the contact state of the detection target to the photosensor device 100A. Appropriate drive control can be realized by suppressing the occurrence and reading failure in the insufficient contact state of the detection target.
[0038]
<Second Embodiment>
FIG. 7 is a main part configuration diagram showing a second embodiment of the two-dimensional image reading apparatus according to the present invention. Here, the same components as those of the above-described W gate transistor are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
As shown in FIG. 7, the two-dimensional image reading apparatus according to this embodiment is comb-like (in the horizontal direction in the drawing) directly above the gap region between the W gate type transistors 10F in the first embodiment described above. The pair of formed conductive patterns 23a and 23b is characterized in that a protruding pattern 23c is added also in the vertical direction of the drawing to form a vein shape.
Here, the newly added protruding pattern 23c is also formed via the protective insulating film 20 only immediately above the gap region between the W gate type transistors 10F.
[0039]
According to the two-dimensional image reading apparatus having such a configuration, the transparent conductive film 23A is formed only on the gap region between the W gate type transistors 10F, avoiding the region directly above the W gate type transistor 10F. The conductive patterns 23a, 23b, and 23c constituting the transparent conductive film 23A correspond to the matrix arrangement of the W gate type transistors 10F and have a shape pattern that extends in a two-dimensional direction so as to surround each W gate type transistor 10F. Therefore, it is possible to prevent or suppress the occurrence of interlayer short circuit and parasitic capacitance between the transparent conductive film 23A and the W gate type transistor 10F, and to prevent static electricity charged in the detection target through a wide area conductive pattern. The photosensor device 100A can be discharged well, causing a reading malfunction due to static electricity. The damage can be further suppressed.
[0040]
<Third Embodiment>
FIG. 8 is a schematic view showing a third embodiment of the two-dimensional image reading apparatus according to the present invention, and FIG. 9 is a plan view showing another configuration example of the two-dimensional image reading apparatus according to the third embodiment. FIG. Here, the same components as those of the above-described W gate transistor are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Further, for convenience of explanation and illustration, hatching representing a cross-sectional portion of the photosensor system is omitted.
As shown in FIG. 8, the two-dimensional image reading apparatus according to this embodiment is formed via a protective insulating film 20 directly above the gap region between the W gate type transistors 10F in the first embodiment described above. Instead of the transparent conductive film 23A made of ITO or the like, a metal conductive film 23B having excellent corrosion resistance is applied.
[0041]
That is, as explained in the prior art, ITO, which is frequently used in liquid crystal display devices and readers in recent years, has low corrosion resistance, and in particular, the surface of the conductive film is corroded by contact with a detection object such as a finger. The progress is further accelerated, leading to the occurrence of erroneous reading and damage to the photosensor device.
Therefore, in the present invention, instead of the transparent conductive film 23A such as ITO, the conductive patterns 23d and 23e are configured using a metal material having excellent corrosion resistance, for example, a thin film such as chromium Cr or tantalum Ta.
[0042]
Here, in the two-dimensional image reading apparatus according to the present invention, as shown in FIG. 6, the light Lp emitted from the surface light source 30 arranged on the back side of the photosensor device 100A constitutes the photosensor device 100A. Through the transparent insulating film (top gate insulating film) 15 and the protective insulating film 20 other than the region where the W gate type transistor 10F and the metal conductive film 23B are formed, the finger 40a as the detection object is irradiated to the finger 40a. A read image is generated by reading reflected light Lr corresponding to the uneven pattern (image pattern) as light and dark information. Therefore, it is necessary to form the metal conductive film 23B applied to the present embodiment so that at least the light Lp from the back side is blocked to the minimum and the target object can be irradiated with sufficient light Lp. is there.
[0043]
That is, the metal conductive film 23B formed on the protective insulating film is formed only on the gap region between the W gate type transistors 10F, avoiding the region immediately above the W gate type transistor 10F, and from the surface light source 30. The light transmission and reflection paths are blocked in a minimum area, and the reading operation function in the photosensor device 100A is not hindered.
Therefore, the progress of corrosion is also suppressed by the contact of the detection object, and it is highly practical to prevent occurrence of reading malfunction and damage to the photosensor device while realizing excellent static electricity removal and switch control of the reading operation. A two-dimensional image reading apparatus can be realized.
[0044]
The metal conductive film shown in this embodiment can also be applied to the two-dimensional image reading apparatus according to the second embodiment described above.
That is, as shown in FIG. 9, the metal conductive film 23B is formed only on the gap region between the W gate type transistors 10F, avoiding the region immediately above the W gate type transistor 10F. The conductive patterns 23d, 23e, and 23f to be formed are formed so as to surround each W gate type transistor 10F corresponding to the matrix arrangement of the W gate type transistors 10F.
Therefore, it is possible to prevent or suppress the occurrence of an interlayer short circuit or parasitic capacitance between the metal conductive film 23B and the W gate type transistor 10F, and the static electricity charged on the detection object has a wide area, and over time. Discharge can be satisfactorily discharged through a conductive pattern having a characteristic that is difficult to corrode, and generation of a reading malfunction due to static electricity, damage to the photosensor device 100A, and the like can be further suppressed.
[0045]
In each of the embodiments described above, the pair of conductive patterns 23a, 23b and 23d, 23e forming the transparent conductive films 23A, 23B are each formed in a comb-like shape, and are arranged so that the comb teeth are interdigitated. However, the present invention is not limited to this. In other words, at least the pair of conductive patterns may be formed so as to avoid directly above the formation region of the W gate type transistor 10F. For example, the pair of conductive patterns are formed in a folded shape, a spiral shape, or the like. Needless to say, it may be.
Note that the source and drain electrodes 12 and 13 of the W gate type transistor 10F are connected to an external circuit by wiring, and this wiring partially overlaps the transparent conductive film. This wiring is the top gate electrode 21 of each of the above embodiments. Since it is below the film thickness of the top gate insulating film 15, pinholes must be formed in the protective insulating film 20 and the top gate insulating film 15 at the same location in order for the wiring and the transparent conductive film to be short-circuited. The probability is low enough.
[0046]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, only the translucent insulating film is formed immediately above the photosensor, and the translucent insulating film and the conductive portion are formed only in the gap region between the photosensor formation regions. Therefore, even if defects such as pinholes occur in the light-transmitting insulating film on the photosensor, an interlayer short circuit does not occur between the photosensor and the conductive portion, and the yield of the photosensor device is improved. Improvements can be made.
In addition, since the parasitic capacitance generated between the photosensor and the conductive part can be suppressed to a minimum, mixing of noise into the detection signal of the photosensor is suppressed, realizing good reading operation and high detection sensitivity. can do.
[0047]
The conductive portion may have a configuration in which a pair of conductive layers each formed in a linear shape is provided to face each other, or a pair of conductive layers each formed in a comb shape. The conductive layer may have a configuration in which the respective comb teeth are arranged to face each other alternately. In particular, one of the pair of conductive layers is electrically connected to the ground potential. By being connected, even if the object to be detected is charged with static electricity, the static electricity is discharged to the ground potential and does not have an electrical effect on the photosensor. Etc. can be prevented.
[0048]
Further, the photo sensor device may be controlled so as to start a reading operation by electrically conducting a pair of conductive layers with a detection object. In this case, since the reading operation can be switched by the contact state of the detected object to the photo sensor device, it is possible to suppress the occurrence of an unnecessary driving state and reading failure in the insufficient contact state of the detected object. Thus, appropriate drive control can be realized.
Furthermore, since the photo sensor and the conductive part do not overlap each other, there is no need to use a transparent electrode material for the conductive part, and the conductive part is made of an opaque conductive material that is resistant to contact with the object to be detected. It is possible to suppress the progress of corrosion due to the contact of the detection object, thereby preventing the occurrence of reading malfunction and the damage of the photo sensor device.
[0049]
The photosensor includes a source electrode and a drain electrode formed with a channel region made of a semiconductor layer interposed therebetween, and a top gate electrode and a bottom gate formed at least above and below the channel region with an insulating film interposed therebetween, respectively. A so-called W-gate transistor in which charges corresponding to the amount of light reflected and incident by the detection target are generated and accumulated in the channel region. The sensor device can be thinned to reduce the size of the two-dimensional image reading apparatus and to increase the density of detection pixels.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a W-gate transistor applied to a two-dimensional image reading apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a photosensor system configured by two-dimensionally arranging W-gate transistors.
FIG. 3 is a timing chart showing a drive control method of the photosensor system.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of a two-dimensional image reading apparatus to which a photosensor system is applied.
FIG. 5 is a main part configuration diagram showing a first embodiment of a two-dimensional image reading apparatus according to the present invention;
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a fingerprint reading operation when the two-dimensional image reading apparatus according to the first embodiment is applied to a fingerprint reading apparatus.
FIG. 7 is a main part configuration diagram showing a second embodiment of a two-dimensional image reading apparatus according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a third embodiment of a two-dimensional image reading apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view showing another configuration example of the two-dimensional image reading apparatus according to the third embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a first example of a two-dimensional image reading apparatus in the prior art.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a second example of a two-dimensional image reading device in the prior art.
[Explanation of symbols]
10F W gate type transistor
11 Semiconductor layer
12 Source electrode
13 Drain electrode
14 Block insulation film
15 Top gate insulating film
16 Bottom gate insulating film
17, 18 n ⁺ Silicon layer
19 Insulating substrate
20 Protective insulating film
20a Detection surface
21 Top gate electrode
22 Bottom gate electrode
23A transparent conductive film
23B Metal conductive film
23a-23f conductive pattern
30 Surface light source
40 Object to be detected
40a finger
100A photo sensor device
100F photo sensor array

Claims

An object to be detected is provided with a photosensor device having a plurality of photosensors arranged in a matrix on one surface side of an insulating substrate and a translucent insulating film formed so as to cover the plurality of photosensors. In the two-dimensional image reading apparatus in which the conductive portion to be contacted is formed on the photosensor device ,
The conductive portion is the formed on the upper surface of the translucent insulating film, and wherein said formed so as to cover only each formed region mutual gap region of the photosensor 2 Dimensional image reader.

The two-dimensional image reading apparatus according to claim 1, wherein the conductive portion is provided with a pair of conductive layers each formed in a linear shape so as to face each other.

3. The two-dimensional image according to claim 1, wherein the conductive portion is provided with a pair of conductive layers each formed in a comb-teeth shape so as to face each other so that the comb teeth are alternately arranged. Reader.

4. The two-dimensional image reading apparatus according to claim 2, wherein one of the pair of conductive layers is electrically connected to a ground potential in the conductive portion. 5.

5. The photo sensor device according to claim 2, wherein the photo sensor device is controlled so as to start a reading operation of the detected object by electrically conducting the detected pair of conductive layers. A two-dimensional image reading apparatus according to claim 1.

The two-dimensional image reading apparatus according to claim 1, wherein the conductive portion is formed of at least a conductive material having corrosion resistance against contact with the object to be detected.

The photosensor includes a source electrode and a drain electrode formed across a channel region made of a semiconductor layer, and a top gate electrode and a bottom gate electrode formed at least above and below the channel region via an insulating film, respectively. Have
7. The two-dimensional image reading apparatus according to claim 1, wherein electric charges corresponding to an amount of light reflected and incident by the detection object are generated and accumulated in the channel region.