DE10314682A1 - Kapazitiver Fingerabdrucksensor - Google Patents

Abstract

Ein kapazitiver Fingerabdrucksensor verfügt über eine Vielzahl kapazitiver Erfassungselemente, die in einem 2-D-Array angeordnet sind. Es wird ein Ladungsaufteilungsprinzip dazu genutzt, Signale in den kapazitiven Erfassungselementen zu lesen. Jedes Erfassungselement verfügt über eine isolierende Oberflächenschicht (30), eine Erfassungselektrode (31), eine Bezugselektrode (32), einen Bezugskondensator (325) und eine Signalleseschaltung (35a). Die Erfassungselektrode liegt unter der isolierenden Oberflächenschicht. Wenn ein Finger mit der isolierenden Oberflächenschicht in Kontakt tritt, wird dazwischen ein Erfassungskondensator (324) gebildet. Der Bezugskondensator ist zwischen die Bezugselektrode und die Erfassungselektrode geschaltet. Die Signalleseschaltung ist mit den Erfassungs- und den Bezugselektroden verbunden, und sie liefert wiederholt Steuersignale zum Laden des Bezugskondensators, und sie ermöglicht es dann, dass sich der Bezugskondensator und der Erfassungskondensator in die Ladungen teilen. Abschließend wird die Messspannung aus der Erfassungselektrode ausgelesen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Fingerabdrucksensor.
• Es existieren viele bekannte Techniken zum Identifizieren einer Person durch Identifizieren des Fingerabdrucks derselben. Die Standardart, diese Identifizierung zu bewerkstelligen, besteht in der Verwendung eines Farbkissens und der direkten Übertragung der Farbe auf dem Daumen oder einem anderen Finger auf eine Aufzeichnungskarte. Dann scannt ein optischer Scanner die Aufzeichnungskarte, um ein Bild zu erfassen, das dann mit Fingerabdruckbildern in einer Computer- Datenbank verglichen wird. Ein schwerwiegender Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Identifizierung nicht in Echtzeit ausgeführt werden kann und demgemäß für die Feststellung der Berechtigung für Arbeiten in einem Netzwerk, für E-Business, für tragbare elektrische Geräte, für Persönliche-ID-Karten, für Sicherheitssysteme und dergleichen ungeeignet ist.
• Ein Verfahren zum Lesen von Fingerabdrücken in Echtzeit wurde zu einer wichtigen Technologie auf dem Biometriemarkt. Das herkömmliche Verfahren zum Lesen eines Fingerabdrucks in Echtzeit ist ein optisches Verfahren, wie es z. B. in den US-Patenten Nr. 4,053,228 und 4,340,300 offenbart ist. Jedoch weisen diese Verfahren nutzende Fingerabdrucksensoren große Abmessungen auf, und sie können durch gefälschte Bilder getäuscht werden.
• Demgemäß werden Chip-Fingerabdrucksensoren, die die Nachteile eines optischen Sensors überwinden und gemäß der Silicium-Halbleitertechnologie hergestellt werden, entwickelt. Angesichts der fortgeschrittenen Prozesse betreffend integrierte Schaltkreise (IC) aus Silicium wurden kapazitive Fingerabdrucksensoren das am direktesten und am einfachsten arbeitende Erzeugnis. Im US-Patent Nr. 4,353,056 ist von Tsikos ein kapazitiver Fingerabdrucksensor mit kapazitiven Erfassungselementen offenbart, die in einem zweidimensionalen (2D) Array angeordnet sind, wobei zwischen Plattenelektroden und den Fingerrillenstegen erzeugte Kondensatoren dazu genutzt werden, den Fingerabdruck zu erfassen. Jedoch besteht beim Verfahren gemäß Tsikos, bei dem eine externe Schaltung zum sequenziellen Durchscannen aller Kondensatoren verwendet wird, die Tendenz einer Beeinflussung durch die parasitäre Leitungskapazität, wodurch keine allzu gute Bildqualität erzielt werden kann. Von Knapp ist im US-Patent Nr. 5,325,442 im Wesentlichen dasselbe Konzept offenbart, jedoch mit einem Unterschied. Anstelle des sequenziellen Scannens gemäß dem Patent von Tsikos wird gemäß Knapp ein einzelner Dünnschichttransistor-Schalter dazu verwendet, jedes kapazitive Erfassungselement zu steuern, und die Kondensatoren werden durch einen Strom geladen, so dass die Signale gelesen werden können. Die Kapazitätsdifferenzen zwischen den kapazitiven Erfassungselementen können durch Messen verschiedener Ladeströme erhalten werden. Jedoch kann das Problem der parasitären Leitungskapazität immer noch nicht effektiv gelöst werden. Von Dickinson et al. ist in den US-Patenten Nr. 6,016,355 und 6,049,620 ein Verfahren zum Entladen von Kondensatoren mit einer Konstantspannung offenbart; außerdem werden Herstellprozesse für Silicium-ICs verwendet. Jedes kapazitive Erfassungselement verwendet einen Lade/Entlade-Schalter aus mehreren MOS-Transistoren. Als Erstes wird jeder Kondensator auf eine konstante Spannung geladen. Als Nächstes steuert ein externer Schaltkreis auf einen konstanten Entladestrom innerhalb eines festen Zeitintervalls, und die Kapazität kann dadurch erhalten werden, dass die Spannung nach dem Entladen gemessen wird, wodurch ein 2D-Bildlesevorgang für die Kapazität ausgeführt werden kann.
• Beim Leseverfahren durch Laden/Entladen besteht jedoch der Nachteil darin, dass die MOS-Entladeschalter (die durch externe Stromspiegelschaltungen gesteuert werden) aller kapazitiver Erfassungselemente gleichmäßige Eigenschaften aufweisen müssen. Da ein typischer Fingerabdrucksensor zehntausende von Erfassungselementen enthält, ist es schwierig, die Gleichmäßigkeit aller MOS-Entladeschalter bei Herstellprozessen zu kontrollieren, und es ist die Gleichmäßigkeit der ausgegebenen Fingerabdrucksignale beeinträchtigt. Obwohl ein größerer Entladestrom die Empfindlichkeit der Erfassungselemente verbessern könnte, besteht dann der Nachteil, dass der Energieverbrauch erhöht ist. Bei einem kleinen Entladestrom ist ein verlängertes Zeitintervall dazu erforderlich, ausreichende Empfindlichkeit zu erzielen, so dass die Bilderfassungsgeschwindigkeit beeinträchtigt ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fingerabdrucksensor zu schaffen, der mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit arbeitet.
• Diese Aufgabe ist durch den Fingerabdrucksensor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Bei der Erfindung wird ein Ladungsaufteilungsprinzip dazu verwendet, die einem Fingerabdruck entsprechende Kapazität zu erfassen. Vorteilhafterweise ist zusätzlich ein Verschlussschalter vorhanden, der es ermöglicht, die Kapazität augenblicklich zu erfassen. Der erfindungsgemäße Fingerabdrucksensor verfügt über mehrere kapazitive Erfassungselemente, die in einem 2D-Array angeordnet sind. Jedes kapazitive Erfassungselement verfügt über eine isolierende Oberflächenschicht, eine Erfassungselektrode, eine Bezugselektrode, einen Bezugskondensator und eine Signalleseschaltung. Ein Finger kann die isolierende Oberflächenschicht kontaktieren. Die Erfassungselektrode befindet sich unter der isolierenden Oberflächenschicht, und zwischen ihr und dem Finger entsteht ein Erfassungskondensator, wenn ein Finger mit der isolierenden Oberflächenschicht in Kontakt tritt. Die Bezugselektrode befindet sich unter der Erfassungselektrode. Der Bezugskondensator ist zwischen die Bezugselektrode und die Erfassungselektrode geschaltet. Die Signalleseschaltung ist mit der Erfassungselektrode und der Bezugselektrode verbunden. Extern angelegte, wiederholte Steuerspannungen ermöglichen es der Signalleseschaltung, als Erstes den Bezugskondensator zu laden, um Ladungen anzusammeln, und dann werden der Bezugskondensator und ein Erfassungskondensator dazu aktiviert, sich in die Ladungen zu teilen. Schließlich wird die Messspannung am Punkt der Erfassungselektrode gemessen und an eine Peripherieschaltung übertragen.
• Die Peripherieschaltung beinhaltet im Wesentlichen einen Zeilendecodierer, Steuerleitungen, einen Spaltenmultiplexer, Signalleitungen und einen Verstärker. Der Zeilendecodierer ist neben dem Array von Erfassungselementen angeordnet. Die Steuerleitungen sind mit dem Zeilendecodierer verbunden, und sie sind parallel in das Erfassungselementearray geleitet, um Steuerspannungen an die Signalleseschaltung im kapazitiven Erfassungselement zu liefern. Der Spaltenmultiplexer ist neben dem Erfassungselementearray und auf einer Seite rechtwinklig zum Zeilendecodierer angeordnet. Die Signalleitungen sind vertikal in das Erfassungselementearray geführt, um Spannungssignale von den Signalleseschaltungen in den Multiplexer auszugeben. Der Verstärker verstärkt die Signale vom Multiplexer. Als Erstes liefert die Peripherieschaltung einen Satz derselben ersten und zweiten Steuerspannungen an die Signalleseschaltung, um eine Rücksetzfunktion dahingehend zu erzielen, dass die zwei Anschlüsse des Bezugskondensators eine Spannungsdifferenz aufweisen, um Ladungen anzusammeln, und um die Restladungen im Erfassungskondensator effektiv auszuschwemmen. Dann liefert die Peripherieschaltung einen anderen Satz gleicher dritter und vierter Steuerspannungen und eines Impulssteuersignals an die Signalleseschaltung, um es zu ermöglichen, dass der Erfassungskondensator und der Bezugskondensator sich in die Ladungen teilen, und um die Erfassungssignale zu lesen.
• Die obigen und andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die einen Finger in Kontakt mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Fingerabdrucksensors zeigt.
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Architektur des Erfassungselementearrays der Ausführungsform des Fingerabdrucksensors.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte schematische Darstellung, die einen Finger in Kontakt mit einem Erfassungselement zeigt.
• Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die die Struktur des Erfassungselements einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die ein Design zeigt, das dazu dient, eine Beschädigung durch elektrostatische Entladung (ESD = Electrostatic Discharge) zu vermeiden.
• Fig. 6 ist eine schematische Darstellung, die den kapazitiven Triggerschalter der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Abweichend von Designs bei Leseschaltungen anderer kapazitiver Fingerabdrucksensoren nutzt die Erfindung ein Ladungsaufteilungsprinzip zum Lesen der Kapazität. Das Prinzip rührt dem Grunde nach vom Design eines dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) her, wobei der Unterschied darin liegt, dass ein DRAM eine parasitäre Leitungskapazität als Bezugskapazität verwendet und das Ausgangssignal eines DRAM ein Binärsignal (0 oder 1) ist. Stattdessen nutzt die Erfindung einen speziellen Bezugskondensator, und es werden die Verhältnisse jeder Bezugskapazität zu einer entsprechenden Erfassungskapazität genau gesteuert. Demgemäß kann selbst dann, wenn beim Herstellen der Erfassungselemente Fehler auftreten, eine gute Gleichmäßigkeit eines Bilds erzielt werden, solange das Verhältnis jeder Erfassungskapazität zu jeder entsprechenden Bezugskapazität bei den Erfassungselementen in einem lokalen Gebiet gleich gehalten werden kann. Der Effekt kann durch die aktuelle IC-Herstelltechnologie erzielt werden. Ferner ist die Schaltungsarchitektur zum Realisieren des Ladungsaufteilungsprinzips ziemlich einfach, und die Empfindlichkeit aller Erfassungselemente kann effektiv verbessert werden.
• Gemäß der Fig. 1 verfügt ein Fingerabdrucksensor 2 über mehrere kapazitive Erfassungselemente 20, die in einem 2D-Array angeordnet sind. Wenn ein Finger 1 mit dem Sensor 2 in Kontakt tritt, treten unregelmäßige Rillenstege 11 auf der Haut des Fingers 1 mit den kapazitiven Erfassungselementen 20 in Kontakt, und vom Sensor 2 werden Kapazitätskurven 11a erhalten, die den Rillenstegen 11 entsprechen. Durch Messen der Kapazitätskurven 11a kann die Form der Fingerabdruck-Rillenstege 11 erhalten werden.
• Die detaillierte Architektur des Sensors von Fig. 1 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Dieser kapazitive Fingerabdrucksensor verfügt hauptsächlich über ein kapazitives Erfassungselementearray 201, eine isolierende Oberflächenschicht 30 mit einer Fingerkontaktfläche sowie eine Peripherie-Grundschaltung aus einem Zeilendecodierer 203, einem Spaltenmultiplexer 204 und mehreren Gruppen von Steuerleitungen 213 und mehreren Signalleitungen 214. Der Zeilendecodierer 203 ist neben dem Erfassungselementearray 201 angeordnet. Die mehreren Gruppen von Steuerleitungen 213 sind parallel in das Erfassungselementearray 201 eingeführt und mit dem Zeilendecodierer 203 verbunden. Der Spaltenmultiplexer 204 ist neben dem Erfassungselementearray 201 angeordnet, und zwar an einer Seite rechtwinklig zum Zeilendecodierer 203. Die Signalleitungen 214 sind vertikal so in das Erfassungselementearray 201 eingeführt, dass sie die Steuerleitungen 213 schneiden, und sie sind mit dem Spaltenmultiplexer 204 verbunden.
• Wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, steuert der Zeilendecodierer 203 den Lade- und den Ladungsaufteilungsvorgang in einem speziellen kapazitiven Erfassungselement 20a über einen speziellen Satz von Steuerleitungen 213a. Dann wird ein vom kapazitiven Erfassungselement 20a ausgegebenes Spannungssignal über eine spezielle Signalleitung 214a vom Spaltenmultiplexer 204 erhalten. Die erhaltenen Spannungssignale können sequenziell verstärkt und durch eine analoge Signalverarbeitungsschaltung 206 mit einem Verstärker mit programmierbarer Verstärkung und einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Graustufenbild umgesetzt werden. Alternativ können die Spannungssignale mit einer Bezugsspannung eines Komparators 205 verglichen werden, und es werden nur binäre Bilddaten mit den Werten 0 und 1 ausgegeben.
• Gemäß der Fig. 3 verfügt jedes kapazitive Erfassungselement 20 über ein Substrat 10, eine auf diesem hergestellte Bezugselektrode 32, eine auf dem Substrat 10 und der Bezugselektrode 32 hergestellte Isolierschicht 33, eine auf dieser hergestellte Erfassungselektrode 31 sowie eine auf der Erfassungselektrode 31 und der Isolierschicht 33 hergestellte isolierende Oberflächenschicht 30. Die Erfassungselektrode 31 kann durch das letzte Verbindungsmetall bei einem CMOS- Prozess gebildet sein. Wenn ein Finger mit dem Sensor in Kontakt tritt, wird zwischen dem Rillensteg 11 und der isolierenden Oberflächenschicht 30 ein Erfassungskondensator 324 mit der Kapazität Cfr gebildet, und zwischen der Rille 12 und der isolierenden Oberflächenschicht 30 wird ein Erfassungskondensator 324' mit der Kapazität Cfv gebildet. Da der Finger als Leiter angesehen werden kann und zwischen der Rille 12 und der isolierenden Oberflächenschicht 30 ein Luftzwischenraum besteht, ist Cfr viel größer als Cfv. Die isolierende Oberflächenschicht 30 kann aus demselben Material wie dem der dielektrischen Passivierungsschicht bei einem CMOS-Prozess bestehen, nämlich z. B. aus Siliciumoxid und Siliciumnitrid, die aufeinandergeschichtet sind, und die Dicken dieser Schichten können voneinander verschieden gewählt werden, wobei sie entsprechend verschiedenen CMOS-Prozessen z. B. im Bereich von 0,8 bis 1,2 µm liegen. Um die Lebensdauer des Fingerabdrucksensors zu verlängern, kann auf die isolierende Oberflächenschicht 30 eine Schicht aus einem Material mit hoher Härte und hoher Dielektrizitätskonstante aufgebracht sein, wie Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Siliciumcarbid, Tantaloxid und dergleichen. Die Dicke der Schicht kann im Bereich von 0,5 bis 2 µm liegen.
• Außerdem ist zwischen der Erfassungselektrode 31 und der Bezugselektrode 32 ein Bezugskondensator 325 vorhanden. Das Design des Erfassungskondensators 324 und des Bezugskondensator 325 ermöglichen es dem Fingerabdrucksensor der Ausführungsform, das Ladungsaufteilungsprinzip zu verwenden, das später beschrieben wird.
• Gemäß den Fig. 3 und 4 verfügt jedes kapazitive Erfassungselement 20 über eine Sensorstruktur 34a und eine Signalleseschaltung 35a. Die Sensorstruktur 34a verfügt über die isolierende Oberflächenschicht 30, eine Erfassungselektrode 31a (entsprechend dem Element 31 in der Fig. 3), eine Bezugselektrode 32 und eine Isolierschicht 33 (Fig. 3). Die isolierende Oberflächenschicht 30 verfügt über einen Fingerkontaktfleck. Die Erfassungselektrode 31a liegt unter der isolierenden Oberflächenschicht 30. Wenn ein Finger mit der isolierenden Oberflächenschicht 30 in Kontakt gelangt, wird zwischen der Erfassungselektrode 31a und diesem ein Erfassungskondensator 324a (oder 324a') gebildet. Die Bezugselektrode 32 liegt unter der Erfassungselektrode 31. Der Bezugskondensator 325a ist zwischen die Bezugselektrode 32 und die Erfassungselektrode 31a geschaltet. Die Signalleseschaltung 35a verfügt über einen Verschlussschalter 328, einen Rücksetzschalter 313a und einen NMOS-Sourcefolger 311a. Der Rücksetzschalter 313a steuert den Ladevorgang des Bezugskondensators 325a und das Ausschwemmen von Restladungen aus dem Erfassungskondensator 324a (324a'). Der Lesemechanismus und die Betriebsvorgänge der Signalleseschaltung 35a werden unten beschrieben.
• Wenn sich der Fingerabdrucksensor in seinem Betriebsmodus befindet, liefert der Zeilendecodierer 203 sequenziell und wiederholt Spannungen über eine jeweilige Gruppe von Steuerleitungen 213 an jede Signalleseschaltung 35a. Als Erstes wird ein Satz von Steuerspannungen 317 (0 V) an den Rücksetzschalter 313a geliefert, um ihn einzuschalten, und so wird die Erfassungselektrode 31a mit Masse (GND; 0 V) verbunden, und der Punkt 318 wird mit der Spannungsleitung Vdd verbunden. In diesem Fall liegt zwischen den zwei Anschlüssen des Erfassungskondensators 324a oder 324a' praktisch keine Spannungsdifferenz, während zwischen den zwei Anschlüssen des Bezugskondensators 325a die Spannungsdifferenz Vdd liegt, und in ihm können sich Ladungen ansammeln. Die Ladungen Q31 sind wie folgt repräsentiert:
  
  Q31 = Vdd.(C325a + C326a) (1)
  
  wobei C325a die Kapazität des Bezugskondensators repräsentiert und C326 die parasitäre Kapazität repräsentiert. Als Nächstes wird ein zweiter Satz von Steuerspannungen 317 (5 V) an den Rücksetzschalter 313a angelegt, um ihn auszuschalten und um so die Verbindung zwischen der Erfassungselektrode 31a und GND zu unterbrechen. Die Erfassungselektrode 31a wird auf der Massespannung gehalten, und der Punkt 318 wird auf der Spannung Vdd gehalten. Indessen wird eine Impulssteuerspannung zugeführt, um den Verschlussschalter 318 ein-/auszuschalten, und im Bezugskondensator 325a angesammelte Ladungen Q31 werden zwischen dem Erfassungskondensator und dem Bezugskondensator zu dem Zeitpunkt aufgeteilt, zu dem der Verschlussschalter 328 eingeschaltet wird. Nachdem die Ladungen innerhalb einiger Nanosekunden verteilt sind, kann eine stabile Spannung V31 am Punkt 318 wie folgt erhalten werden:
  
  V31 = Q31/(C324a + C325a + C326) (2)
  
  wobei C324a die Kapazität des Erfassungskondensators 324a repräsentiert.
• Wenn Q31 der Gleichung (1) in die Gleichung (2) eingesetzt wird, wird Folgendes erhalten:
  
  V31 = Vdd.(C325a + 326)/(C324a + C325a + C326) (3)
  
• Im Vergleich zur Kapazität C324a (50 bis 150 fF) und zur Bezugskapazität C325a (50 bis 150 fF) kann die typische parasitäre Kapazität C326 (< 10 fF) vernachlässigt werden, so dass die Gleichung (3) wie folgt umgeschrieben werden kann:
  
  V31 = Vdd.(C325a)/(C324a + C325a
  = Vdd.1/(C324a/C325a + 1) (4)
  
• Aus der Gleichung (4) ist es ersichtlich, dass V31 nur durch das Verhältnis der Erfassungs- zur Bezugskapazität bestimmt ist. D. h., dass, wie oben angegeben, eine gute Gleichmäßigkeit des Bilds erzielt werden kann, solange die Verhältnisse jeder Erfassungskapazität zu jeder entsprechenden Bezugskapazität der Erfassungselemente in einem lokalen Gebiet genau kontrolliert werden können.
• Die Lesespannung V31 kann auf den als Puffer wirkenden NMOS- Sourcefolger 311a gekoppelt und von ihm ausgegeben werden, und es wird eine Spannung Vout an eine entsprechende Signalleitung 214 ausgegeben.
• Kurz gesagt, wird ein Satz derselben ersten und zweiten Steuerspannungen für eine Rücksetzfunktion an die Signalleseschaltung 35a geliefert, um es zu ermöglichen, das zwischen den zwei Anschlüssen des Bezugskondensators 325a eine Spannungsdifferenz besteht, während zwischen den zwei Anschlüssen des Erfassungskondensators 324a (324a') keine Spannungsdifferenz besteht. Dann werden ein anderer Satz derselben dritten und vierten Steuerspannung eine Impulssteuerspannung an die Signalleseschaltung 35a geliefert, damit der Erfassungskondensator 324a (324a') und der Bezugskondensator 325a sich in die Ladungen teilen können und um die Messsignale zu messen.
• Die Verschlussvorgänge des Verschlussschalters 328 zur Ladungsumverteilung sind ähnlich denen einer Kamera. So werden alle Daten in den Erfassungselementen momentan gemessen, wenn ein Finger mit dem Sensor in Kontakt tritt, und sie werden an den Punkten 318 eingespeichert und dann sequenziell gelesen. So wird das erfasste Bild des Fingerabdrucks selbst dann nicht beeinträchtigt, wenn sich der Finger bewegt oder zittert, was bei der Ausführungsform ein ziemlich nützlicher Vorteil ist.
• Außerdem ist durch die Erfindung auch eine Art geschaffen, das Problem einer ESD-Beschädigung eines kapazitiven Fingerabdrucksensors zu überwinden.
• Wie es in der Fig. 5 dargestellt ist, kann auf der Außenfläche des Fingerabdrucksensors 2 oder unter der isolierenden Oberflächenschicht (es ist ein Teil derselben entfernt, um einen Teil des Metallfilms 24 zur elektrostatischen Entladung freizulegen) ein Gittermetallfilm 24 angeordnet sein. Der Gittermetallfilm 24 ist geerdet, um entsprechend dem Blitzableiterprinzip elektrostatische Ladungen nach Masse, GND, abzuleiten. Durch dieses Design können elektrostatische Ladungen beseitigt werden, und es kann verhindert werden, dass interne Schaltungselemente des Sensors 2 durch solche beschädigt werden. Der Gittermetallfilm kann aus dem bei CMOS-Prozessen verwendetem Titannitrid bestehen, da dieses leitende und für Langzeitgebrauch geeignet ist und Abnutzung und Erosions standhalten kann.
• Außerdem ist durch die Erfindung auch ein Spannungseinspardesign unter Ausnutzung eines kapazitiven Triggerschalters 202a geschaffen, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Der kapazitive Triggerschalter 202a kann die Sensorspannung einschalten, nachdem beurteilt wurde, dass der Sensor mit einem Finger in Kontakt steht. Durch dieses Design kann der Energieverbrauch des Fingerabdrucksensors gesenkt werden (der Energieverbrauch im Betrieb beträgt ungefähr 50 bis 150 mW), was bei tragbaren elektrischen Geräten von Vorteil ist. Der kapazitive Triggerschalter 202a kann als Attrappen-Erfassungselement angesehen werden, das einen Teil der Fläche der kapazitiven Erfassungselemente belegt. Der Schalter 202a verfügt über eine Triggerelektrode 40, eine dielektrische Triggerschicht 41 und einen Trigger-Phaseninverter 406. Das Material der dielektrischen Triggerschicht 41 ist dasselbe wie das der isolierenden Oberflächenschicht 30, und die Schicht 41 kann mit einer Dicke im Bereich von 0,8 bis 1,2 µm durch den letzten CMOS-Prozess zum Herstellen der dielektrischen Schutzschicht hergestellt werden. Alternativ kann als dielektrische Triggerschicht 41 eine Schicht aus einem Material mit hoher Steifigkeit und mit hohem Dielektrizitätskoeffizienten verwendet werden, wie Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Siliciumcarbid, Tantaloxid und dergleichen und die Dicke der Schicht kann im Bereich von 0,5 bis 2 µm liegen.
• Wenn ein Finger die Sensorfläche berührt, wird zwischen ihm, der dielektrischen Triggerschicht 41 und der Triggerelektrode 40 ein Triggerkondensator 401 gebildet. Entsprechend dem Ladungsaufteilungsprinzip werden die im Speicherkondensator 402 gespeicherten Ladungen auch auf den Triggerkondensator 401 verteilt, und die Spannung der Triggerelektrode 40 fällt momentan von der Konstantspannung Vdd auf eine Spannung Vmin. Wenn Vmin kleiner als eine Umkehrspannung (typischerweise von 2,0 bis 2,5 Volt) des Trigger-Phaseninverters 402 ist, wird das Triggersignal 407 von 0 auf 1 gewechselt, um ein ansteigendes Spannungssignal zu erzeugen, das als Ansteuersignal für den Triggerschalter dienen kann, um dadurch die Spannung des Fingerabdrucksensors 2 einzuschalten. Das Design des Triggerschalters 202a und das Herstellverfahren für denselben sind vollständig dieselben wie für das kapazitive Erfassungselement, und daher wird hier eine detaillierte Beschreibung weggelassen. Aufgrund des Triggerschalters 202a kann der Energieverbrauch des Fingerabdrucksensors im Leerlaufmodus weniger als 1 mW betragen, und das Design ist für tragbare elektrische Geräte sehr geeignet.

Claims (10)

1. Kapazitiver Fingerabdrucksensor mit:
einem kapazitiven Erfassungselementearray mit einer Vielzahl kapazitiver Erfassungselemente;
einer isolierenden Oberflächenschicht (30), die das Erfassungselementearray bedeckt, um als Kontaktfläche für einen Finger zu dienen; und
einer Grund-Peripherieschaltung mit:
einem Zeilendecodierer, der neben dem Erfassungselementearray angeordnet ist;
mehreren Sätzen von Steuerleitungen, die parallel in das Erfassungselementearray geleitet sind und mit dem Zeilendecodierer verbunden sind;
einem Spaltenmultiplexer, der neben dem Erfassungselementearray auf einer Seite rechtwinklig zum Zeilendecodierer angeordnet ist;
einer Anzahl von Signalleitungen, die vertikal in das Erfassungselementearray geleitet sind, die die Steuerleitungen schneiden und die mit dem Spaltenmultiplexer verbunden sind;
wobei jedes kapazitive Erfassungselement eine Sensorstruktur und eine Signalleseschaltung (35) aufweist, wobei die Sensorstruktur über eine Erfassungselektrode (31), eine Bezugselektrode (32) und eine Isolierschicht zwischen diesen verfügt und die Signalleseschaltung neben der Sensorstruktur angeordnet ist, um diese mit den entsprechenden Steuer- und Signalleitungen zu verbinden, wobei zwischen einem Finger und der Erfassungselektrode ein Erfassungskondensator (324) und zwischen der Erfassungselektrode und der Bezugselektrode ein Bezugskondensator (325) gebildet werden;
wobei die Grund-Peripherieschaltung über die Steuerleitungen wiederholt Folgendes eingibt:
einen Satz gleicher erster und zweiter Steuerspannungen in die Signalleseschaltung für eine Rücksetzfunktion, um es zu ermöglichen, dass zwischen den zwei Anschlüssen des Bezugskondensators eine Spannungsdifferenz besteht, während zwischen den zwei Anschlüssen des Erfassungskondensators keine Spannungsdifferenz besteht; und
einen anderen Satz derselben dritten und vierten Steuerspannung sowie eine Impulssteuerspannung an die Signalleseschaltung, um es zu ermöglichen, dass sich der Erfassungskondensator und der Bezugskondensator in die Ladungen teilen, und um Messsignale zu lesen.

2. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, bei dem die Grund- Peripherieschaltung ferner eine analoge Signalverarbeitungseinheit mit einem Verstärker mit programmierbarer Verstärkung und einem Analog-Digital-Wandler aufweist, um vom Spaltenmultiplexer ausgegebene Spannungssignale jeweils in digitale Graustufen-Bilddaten zu verstärken und zu wandeln.

3. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleseschaltung (35a) Folgendes aufweist:
einen Rücksetzschalter zum Steuern des Ladevorgangs des Bezugskondensators (325) und zum Ausschwemmen von Restladungen aus dem Erfassungskondensator (324);
einen Verschlussschalter zum Steuern der Verbindung zwischen dem Erfassungskondensator und dem Bezugskondensator, wobei sich diese beiden zu demjenigen Zeitpunkt in die Ladungen teilen, zu dem der Verschlussschalter ein- und dann ausgeschaltet wird; und
einen NMOS-Sourcefolger, der als Puffer zum Auskoppeln einer ausgeglichenen Spannung nach der Ladungsaufteilung zwischen dem Erfassungs- und dem Bezugskondensator an die Signalleitungen dient.

4. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund-Peripherieschaltung ferner einen Komparator aufweist, der mit dem Spaltenmultiplexer verbunden ist, um die von diesem ausgegebenen Spannungssignale mit einer Bezugsspannung an ihm zu vergleichen, um dann binäre Bilddaten der Werte 0 und 1 auszugeben.

5. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gittermetallfilm, der auf der isolierenden Oberflächenschicht (30) angeordnet ist und mit Masse verbunden ist, um ESD-Schäden zu vermeiden.

6. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der isolierenden Oberflächenschicht (30) entfernt ist, um einen Teil des Metallfilms für elektrostatische Entladung freizulegen.

7. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Triggerschalter zum Einschalten der Sensorspannung, nachdem beurteilt wurde, dass der Sensor mit einem Finger in Kontakt steht.

8. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennnet, dass der Triggerschalter Folgendes aufweist:
eine Triggerelektrode;
eine auf dieser angeordnete dielektrische Triggerschicht; und
einen Trigger-Phaseninverter, wobei, wenn ein Finger mit dem Triggerschalter in Kontakt tritt, zwischen ihm und der Triggerelektrode ein Triggerkondensator ausgebildet wird, wobei sich dieser und ein Speicherkondensator unter der Triggerelektrode in Ladungen teilen, um die Spannung an der Triggerelektrode unter eine Umkehrspannung zum Invertieren des Trigger-Phaseninverters abzusenken und um dann die Sensorspannung für den kapazitiven Fingerabdrucksensor einzuschalten.

9. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Schicht aus Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Siliciumcarbid oder Tantaloxid auf der dielektrischen Triggerschicht.

10. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schicht aus Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Siliciumcarbid oder Tantaloxid auf der isolierenden Oberflächenschicht.