DE10245627B3 - Fingerabdrucksensor - Google Patents

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DE10245627B3
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Henning Lorch
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Infineon Technologies AG
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Infineon Technologies AG
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06VIMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13Sensors therefor
    • G06V40/1306Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06VIMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
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    • G06V10/10Image acquisition

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fingerabdrucksensor, der für einen Einsatz in einer Chipkarte geeignet ist. DOLLAR A An der Oberseite eines Halbleiterchips (1) mit einem Fingerabdrucksensor befinden sich zwischen den Sensorelektroden (3), die die einzelnen Bildpunkte (Pixel) aufnehmen, und dem Substrat Speicherzellen (5) als integrierte Bauelemente entsprechend einem herkömmlichen Halbleiterspeicherchip. Eine Verdrahtungsebene (6) befindet sich zwischen den Sensorelektroden (3) und den Speicherzellen (5). Die Sensorelektroden können als oberste Verdrahtungsebene ausgebildet sein.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fingerabdrucksensor, der für einen Einsatz in einer Chipkarte geeignet ist.
  • Die Verarbeitung von elektronisch erzeugten Fingerabdruckbildern, insbesondere zur Personenidentifikation, erfordert eine große Rechenleistung sowie viel Speicher. Bisher gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, den eigentlichen Fingerabdrucksensor mit der erforderlichen elektronischen Schaltung und dem Speicher zu verbinden.
  • Ein Fingerabdrucksensor kann als Halbleiterchip an einen Computer angeschlossen werden, der eine Bildverarbeitung und die Personenauthentifizierung mittels einer geeigneten Software durchführt. Die Speicherkapazität des Computers stößt dabei an keine Grenze. Wenn statt dessen ein miniaturisiertes System verlangt wird, das im Prinzip auch auf einer Chipkarte mit genormten Abmessungen eingesetzt werden kann, dann sind außer dem Chip des Fingerabdrucksensors noch ein Mikroprozessorchip oder Micro-Controller-Chip und ein Speicherchip erforderlich, die untereinander über die erforderlichen elektrischen Leitungen verbunden werden müssen. Die Abmessungen können so jedoch verringert und die Hardware auf den notwendigen Anteil beschränkt werden. Der Einsatzbereich eines solchen miniaturisierten Systems ist damit erheblich erweitert.
  • Die technische Obergrenze für die Fläche von Micro-Controller-Chips, die in Chipkarten eingesetzt werden sollen, liegt bei etwa 25 mm2 bis 30 mm2. Diese Abmessungen sind selbst unter Verwendung modernster Technologien zu gering, um den für die Verarbeitung von Fingerabdruckbildern ausreichenden Speicherplatz in dem Micro-Controller-Chip zu integrieren.
  • In der DE 199 27 358 A1 ist ein kapazitiver Sensor mit integrierter Messschaltung beschrieben, die mit ihrer Verdrahtung sowie einer Abschirmung und einigen Elektroden auf einem Substrat integriert ist. Die Elektrodenschicht kann für unterschiedliche Messaufgaben ausgestaltet sein. Der Sensor kann insbesondere zur Messung von Positionen, Abständen, Winkeln und Oberflächentopologien eingesetzt werden. Die integrierte Schaltung kann unter anderem einen digitalen Speicher umfassen.
  • In der US 5844287 ist ein monolithisch integrierter Fingerabdrucksensor beschrieben, bei dem eine Matrix von Mikrosensoren und integrierte Schaltungen, die an die Matrix angeschlossen sind, vorhanden sind. Die Mikrosensoren sind als Drucksensoren ausgestaltet und können insbesondere kapazitiv messen.
  • In der WO 02/48668 A2 ist ein integrierter kapazitiv messender Drucksensor beschrieben. Auf dem Substrat sind EEPROM-Zellen zusammen mit dem Drucksensor in CMOS-Technologie integriert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Integration eines Fingerabdrucksensors mit Mikroprozessor bzw. Micro-Controller und Speicher in einer Chipkarte anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Fingerabdrucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensor wird in den Halbleiterchip des Fingerabdrucksensors RAM-Speicher integriert, der bei der Verarbeitung des Fingerabdruckbildes dem dafür eingesetzten Micro-Controller zur Verfügung steht. Es kann daher bei miniaturisierten Systemen auf einen der drei Chips verzichtet werden, so dass nur ein Halbleiterchip des Fingerabdrucksensors und ein Micro-Controller-Chip erforderlich sind. Die Verdrahtung der Chips wird dadurch ebenfalls vereinfacht. Der Micro-Controller kann insbesondere für eine separate Ansteuerung des Fingerabdrucksensors und der Speicherzellen vorgesehen sein.
  • Der Speicher wird bei dem Fingerabdrucksensor zwischen den Sensorelektroden, die die einzelnen Bildpunkte (Pixel) aufnehmen, und dem Substrat angeordnet. Eine Verdrahtungsebene befindet sich zwischen den Sensorelektroden und den Speicherzellen. An der Oberseite des Substrats eines Halbleiterkörpers befinden sich daher die Speicherzellen als integrierte Bauelemente entsprechend einem herkömmlichen Halbleiterspeicherchip. Die Sensorelektroden können als oberste Verdrahtungsebene ausgebildet sein. Zwischen den Speicherzellen und den Sensorelektroden können auch mehrere als Schichten übereinander und durch Intermetalldielektrika voneinander getrennte Verdrahtungs- oder Metallisierungsebenen vorhanden sein.
  • Vorzugsweise werden als Speicherzellen an sich bekannte, so genannte SRAM-Zellen eingesetzt. SRAM-Zellen benötigen im Gegensatz zu DRAM-Zellen sechs Transistoren statt nur eines Transistors, während die bei DRAM-Zellen noch benötigte Speicherkapazität entfällt.
  • Es folgt eine genauere Beschreibung eines Beispiels des Fingerabdrucksensors anhand der 1 und 2.
  • Die 1 zeigt ein Schema des Fingerabdrucksensors im Querschnitt.
  • Die 2 zeigt eine schematische perspektivische Aufsicht auf den Fingerabdrucksensor.
  • Die 1 zeigt den Fingerabdrucksensor mit dem Halbleiterchip 1, an dessen Oberseite eine Auflagefläche 2 für einen Finger vorhanden ist. In oder dicht unter der Auflagefläche 2 sind die Sensorelektroden 3 angeordnet, die jeweils zur Aufnahme eines Bildpunktes eines Rasters von Bildpunkten vorgesehen sind. Vorzugsweise geschieht die Erfassung des Bildes mit einer kapazitiven Messung, bei der festgestellt wird, ob sich die elektrische Kapazität der betreffenden Sensorelektrode gegenüber der Umgebung geändert hat oder nicht. Auf diese Weise können die Furchen und Stege einer auf die Auflagefläche 2 aufgelegten Fingerkuppe, die diese Kapazität verändern, erfasst werden.
  • In der 1 sind die elektrischen Anschlüsse 4 der Sensorelektroden 3 eingezeichnet. Diese Anschlüsse sind hier zu dem Substrat oder Halbleiterkörper des Halbleiterchips 1 geführt. Statt dessen können diese elektrischen Anschlüsse aber auch einer über dem Halbleitermaterial angeordneten Verdrahtungsebene zugeleitet sein.
  • Die Speicherzellen 5 befinden sich als elektronische Bauelemente auf der Oberseite des eigentlichen Chips, d. h. des Halbleiterkörpers oder Substrats, das z. B. Silizium sein kann. Die für die Ansteuerung der Speicherzellen wesentliche Verdrahtungsebene 6 ist zwischen den Speicherzellen 5 und den Sensorelektroden 3 angeordnet und rings durch ein nicht eigens bezeichnetes Dielektrikum elektrisch isoliert. In der 1 sind elektrische Anschlüsse 7 der Speicherzellen 5 eingezeichnet, die dafür vorgesehene Eingänge oder Ausgänge der Speicherzellen mit entsprechenden Teilen der Verdrahtungsebene 6 elektrisch leitend verbinden. Diese betreffenden Teile können z. B. Wortleitungen sein, wie das in dem Querschnitt der 1 mit der durchgehend gezeichneten Schicht der Verdrahtungsebene 6 angedeutet ist. An diese Wortleitung sind hier die elektrischen Anschlüsse 7 der Speicherzellen 5 geführt. Die elektrischen Anschlüsse 4 der Sensorelektroden 3 sind durch entsprechende Zwischenräume zwischen den Leitern der Verdrahtungsebene 6 geführt und daher in der Blickrichtung der 1 als hinter der Zeichenebene angeordnet zu denken. Das Intermetalldielektrikum ist in der schematischen Darstellung weggelassen.
  • Die Anschlüsse 4 der Sensorelektroden 3 können auch direkt in die eingezeichnete Verdrahtungsebene 6 einmünden oder zu einer anderen Verdrahtungsebene, die hier nicht eingezeichnet ist, geführt sein. Weitere Anschlüsse der Speicherzellen 5 können innerhalb des Halbleitermaterials angeordnet sein, wo z. B. so genannte und von Halbleiterspeicherchips an sich bekannte vergrabene Bitleitungen ausgebildet sein können, die die Source-/Drain-Bereiche der Transistoren der Speicherzellen in zu den Wortleitungen quer verlaufenden Reihen miteinander verbinden.
  • In der 2 ist der Fingerabdrucksensor in einer schematischen perspektivischen Schnittaufsicht dargestellt. Die Bezugszeichen der auf dem Halbleiterchip 1 angeordneten Kompo nenten entsprechen denjenigen der 1. Die Verdrahtungsebene 6 sowie die Anschlüsse 7 der Speicherzellen 5 sind hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Außerdem sind die Sensorelektroden 3 als zumindest teilweise durchsichtig dargestellt. Die Oberseite eines in dem Halbleitermaterial ausgebildeten dotierten Anschlussbereichs 8 für die Anschlüsse 4 der Sensorelektroden 3 ist in der 2 schraffiert eingezeichnet. Die Anordnung der Speicherzellen 5 und der Anschlussflächen der dotierten Anschlussbereiche 8 ist in diesem Beispiel regelmäßig, so dass in einer Anordnung eines quadratischen Rasters in beiden orthogonalen Richtungen die Anschlüsse 4 der Sensorelektroden 3 in gleichmäßigen Abständen aufeinanderfolgen.
  • Die Anzahl der Speicherzellen 5 ist im Prinzip beliebig und hängt auch von der vorgesehenen Größe der gesamten Sensorfläche ab. Die geometrische Anordnung sowohl der Sensorelektroden 3 als auch der Speicherzellen 5 kann den betreffenden Erfordernissen eines jeweiligen Ausführungsbeispiels angepasst werden. Der durch die Speicherzellen gebildete frei adressierbare Speicher (RAM) unter der Sensorfläche steht einer an den Fingerabdrucksensor angeschlossenen Hardware zur Verarbeitung des aufgenommenen Bildes zur Verfügung. Die Herstellungskosten sind durch diese Anordnung erheblich reduziert und die Ausbeute ist erhöht, da weniger separate Chips miteinander verdrahtet werden müssen.
  • 1
    Halbleiterchip
    2
    Auflagefläche
    3
    Sensorelektrode
    4
    Anschluss der Sensorelektrode
    5
    Speicherzelle
    6
    Verdrahtungsebene
    7
    Anschluss der Speicherzelle
    8
    dotierter Bereich

Claims (4)

  1. Fingerabdrucksensor als kapazitiver Sensor auf einem Halbleiterchip (1) mit Sensorelektroden (3), elektrischen Anschlüssen (4) der Sensorelektroden (3), einer Verdrahtungsebene (6) und integrierten Bauelementen, wobei die Verdrahtungsebene (6) zwischen den Bauelementen und den Sensorelektroden (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , dass eine Auflagefläche (2) vorhanden ist und die Sensorelektroden (3) in oder unter der Auflagefläche (2) angeordnet sind, die in dem Halbleiterchip (1) integrierten Bauelemente Speicherzellen (5) sind, die einen frei adressierbaren Speicher zur Verarbeitung eines aufgenommenen Bildes eines Fingerabdrucks bilden, und dafür vorgesehene Anschlüsse (7) der Speicherzellen (5) und/oder die Sensorelektroden (3) mit der Verdrahtungsebene (6) elektrisch leitend verbunden sind.
  2. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, bei dem eine Ansteuerung durch einen Micro-Controller-Chip vorgesehen ist und der Halbleiterchip (1) des Fingerabdrucksensors und der Micro-Controller-Chip zur Anordnung in einer Chipkarte vorgesehen sind.
  3. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ansteuerung durch den Micro-Controller-Chip separat für den Fingerabdrucksensor und die Speicherzellen vorgesehen ist.
  4. Fingerabdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Speicherzellen (5) SRAM-Zellen sind.
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