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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Fingerabdrucksensor, der für
einen Einsatz in einer Chipkarte geeignet ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Möglichkeit
zur Integration eines Fingerabdrucksensors mit Mikroprozessor bzw.
Micro-Controller und Speicher in einer Chipkarte anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit dem Fingerabdrucksensor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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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.
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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.
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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.
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Es folgt eine genauere Beschreibung
eines Beispiels des Fingerabdrucksensors anhand der 1 und 2.
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Die 1 zeigt
ein Schema des Fingerabdrucksensors im Querschnitt.
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Die 2 zeigt
eine schematische perspektivische Aufsicht auf den Fingerabdrucksensor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 1
- Halbleiterchip
- 2
- Auflagefläche
- 3
- Sensorelektrode
- 4
- Anschluss
der Sensorelektrode
- 5
- Speicherzelle
- 6
- Verdrahtungsebene
- 7
- Anschluss
der Speicherzelle
- 8
- dotierter
Bereich