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Ein
optischer Fingerabdrucksensor detektiert in der Regel Licht, das
an einer Oberfläche,
die mit dem Finger in Berührung
ist, reflektiert wird. Dabei wird bisher meistens eine Anordnung
benutzt, bei der die Lichtquelle unterhalb der Auflagefläche für den Finger
platziert ist und das Licht an einer Glasplatte oder im Inneren
eines Prismas, dessen Oberfläche mit
dem Finger in Kontakt gebracht wird, reflektiert wird und anschließend auf
die Sensorelemente zur Bilderfassung trifft. Eine solche Anordnung
ist relativ groß im
Vergleich zu einem als Halbleiterbauelement konzipierten integrierten
Fingerabdrucksensor, wie z. B. einem kapazitiv messenden Fingerabdrucksensor mit
integrierter Auswerteschaltung, und infolgedessen auch erheblich
teurer.
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Ein
Fingerabdrucksensor kann eine matrixartige Anordnung von Sensorelementen
besitzen und dafür
vorgesehen sein, beim Aufliegen einer Fingerbeere den Fingerabdruck
insgesamt zu erfassen. Statt dessen kann nur ein schmaler Streifen
von Sensorelementen vorhanden sein, mit dem ein schmaler Ausschnitt
des Fingerabdrucks erfasst wird. Der Finger wird über den
Streifen gezogen, wobei in kurzen Zeitabständen Teilbilder in streifenförmigem Format aufgenommen
werden, die anschließend
elektronisch zu dem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
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In
der
EP 0 828 452 B1 ist
ein Fingerabdrucksensor beschrieben, bei dem eine matrixartige Anordnung
von Sensorelementen auf einer Unterseite eines Trägers und
eine Auflagefläche
für eine
Fingerkuppe auf dessen Oberseite vorhanden ist. An der Unterseite
ist ein Substrat angebracht, das über Leuchtmittel verfügt, die
zwischen den Sensorelementen Licht in Richtung auf die Auflagefläche aussenden.
Alternativ ist eine seitliche Lichteinstrahlung durch das Substrat
hindurch vorgesehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Fingerabdrucksensor
als elektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das kompakte
Abmessungen aufweist und einfach herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Fingerabdrucksensor mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst. Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der
optische Fingerabdrucksensor ist als integriertes Halbleiterbauelement
ausgebildet. Er umfasst ein Substrat mit mindestens einem Schaltungsbauelement
einer Ansteuerschaltung und/oder Auswerteschaltung zum Betrieb des
Sensors sowie mit Sensorelementen zur optischen Bilderfassung in
einem Raster, die im Bereich einer für eine Fingerkuppe oder einen
streifenförmigen
Bereich der Fingeroberfläche
vorgesehenen Auflagefläche
angeordnet sind. Diese Auflagefläche
besitzt einen festen Abstand zu den Sensorelementen. Es ist eine
seitlich der Sensorelemente und der Auflagefläche angeordnete Lichtquelle
vorhanden, die die Sensorelemente bzw. die zur Bilderfassung dienenden
Bereiche der Auflagefläche
beleuchtet. Als Lichtleiter ist eine optische Schicht vorhanden,
die als Anteil einer Oberflächenstruktur
des Bauelementes zwischen den Sensorelementen und der Auflagefläche vorhanden
ist und innerhalb deren das Licht von der seitlichen Lichtquelle
parallel zu der Auflagefläche
in den Sensorbereich geleitet wird.
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Durch
die optische Schicht können
Lichtleiter gebildet sein, die das Licht in den Bereichen zwischen
den Sensorelementen und gegebenenfalls zwischen Bauelementen elektronischer
Schaltungen hindurch zu den jeweiligen Sensorelementen hin leiten.
Die optische Schicht ist ein gut lichtdurchlässiges Material, zum Beispiel
SiON, das im Übrigen
auch als Passivierung eingesetzt wird.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Fingerabdrucksensors sieht vor, dass zur besseren Ausleuchtung
der Sensorelemente nur ein vergleichsweise schmaler Streifen von
Sensorelementen vorhanden ist, der in der Richtung der Schmalseite
nur höchstens
sechzehn Sensorelemente umfasst. Mit einer solchen Anordnung von
Sensorelementen wird ein gesamter Fingerabdruck während eines Überstreichens
der Auflagefläche
erfasst. Wenn das Licht in der optischen Schicht quer zu der Längsrichtung des
Streifens eingestrahlt wird, erreicht man eine weitgehend gleichmäßige Ausleuchtung
des Sensors.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform,
bei der der Fingerabdrucksensor mit einer als ESD-Schutz (Electrostatic
Discharge) vorgesehenen Leiterstruktur versehen ist, verwendet diese
Schutzstruktur zur seitlichen Begrenzung der Lichtkanäle. Die ESD-Schutzstrukturen
sind unter und/oder in der Auflagefläche angebracht und schützen die
Schaltungen vor elektrostatischen Entladungen zwischen dem Finger
und den Sensorelementen. Die ESD-Schutzstrukturen können eine
verzweigte Anordnung von parallelen und/oder im Winkel zueinander
angeordneten Wänden
bilden, zwischen denen das Licht durch die optische Schicht hindurch
geleitet wird.
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Optische
Sensorelemente benötigen
weniger Fläche
als kapazitiv messende Sensorelemente, die zum Beispiel durch metallische
Leiterflächen
gebildet sind. Bei einem Fingerabdrucksensor mit optischen Sensorelementen
können
daher die beschriebenen Lichtkanäle
der optischen Schicht unter Beibehaltung einer üblichen lateralen Auflösung von
500 dpi oder mehr zwischen den Sensorelementen angeordnet werden,
auch wenn die Wandungen und seitlichen Begrenzungen der Lichtkanäle einen
höheren Flächenanteil
beanspruchen als ESD-Schutzstrukturen.
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Es
folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensors
anhand der beigefügten
Figuren.
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Die 1 zeigt einen Fingerabdrucksensor im
Ausschnitt im Querschnitt.
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Die 2 zeigt die in der 1 markierte Schnittaufsicht.
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In
der 1 ist im Querschnitt
ein Ausschnitt aus dem Fingerabdrucksensor dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
sind auf einem Substrat 1 aus Halbleitermaterial ein oder
mehrere integrierte Schaltungsbauelemente 2 angeordnet.
Diese Schaltungsbauelemente können
zum Beispiel Transistoren einer Ansteuerlogikschaltung sein. Zur
optischen Bilderfassung in einem Raster von Bildpunkten (Pixel),
zum Beispiel matrixförmig
angeordnet, sind Sensorelemente 3 zwischen den Schaltungskomponenten
vorhanden. Eine Anordnung der Sensorelemente kann auf einen dafür vorgesehenen
gesonderten Bereich der Substratoberfläche eingeschränkt sein.
Die Schaltungsbauelemente können
in einem davon getrennten weiteren Bereich als Ansteuerperipherie
angeordnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensor sind
die Sensorelemente 3 jedoch sehr platzsparend ausgebildet,
so dass zwischen den Sensorelementen 3 genügend Fläche zur
Anordnung von Schaltungsbauelementen 2 vorhanden ist.
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Die
Sensorelemente 3 und gegebenenfalls die Schaltungsbauelemente 2 sind
mit einer Schicht eines Dielektrikums 4 bedeckt. Es können die
ansonsten von Halbleiterbauelementen vorgesehenen weiteren Schichten,
die hier nicht eingezeichnet sind, vorgesehen werden. Oberhalb des
Dielektrikums 4 befindet sich eine optische Schicht 5,
die als Lichtleiter geeignet ist. Als Material für die optische Schicht 5 kommt
eine lichtdurchlässige
oberseitige Passivierung des Halbleiterbauelementes, zum Beispiel
SiON, in Frage. Diese optische Schicht 5 ist dafür vorgesehen,
das Licht zwischen der Schichtebene der Sensorelemente 3 und
der Auflagefläche 8 für die Fingerkuppe
parallel zu diesen Schichtebenen zu den Sensorelementen 3 zu
leiten.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind in der optischen Schicht 5 und bis zur Oberseite reichend Wandungen
oder Berandungen einer Lichtkanalstruktur 6 vorhanden,
die insbesondere Komponenten einer ESD-Schutzstruktur darstellen
können.
Die oberste Schicht ist eine Schutzschicht 7, auf der sich die
Auflagefläche 8 für eine Fingerkuppe
befindet. In dem Beispiel der durch eine ESD-Schutzstruktur gebildeten
Lichtkanalstruktur 6 reicht die Lichtkanalstruktur 6 vorzugsweise
bis zur Auflagefläche 8,
um so einen direkten elektrischen Kontakt mit der Hautoberfläche zu ermöglichen.
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Die 2 zeigt die Schnittaufsicht,
die in der 1 eingezeichnet
ist. In der 2 sind die
Begrenzungen oder Wandungen der Lichtkanalstruktur 6 in
der optischen Schicht 5 erkennbar. In den Aussparungen
zwischen den Lichtkanälen
sind die Sensorelemente 3 angeordnet. Die Begrenzungen
oder Wandungen, die die Lichtkanalstruktur 6 bilden, sind im
Bereich der Sensorelemente 3 zumindest teilweise offen,
so dass das Licht aus den Lichtkanälen in den Bereich der Sensorelemente 3 gelangt
und dort von unten auf die Fingerkuppe mit dem zu erfassenden Fingerabdruck
trifft. Damit ist eine vollständige Ausleuchtung
der für
die Bilderfassung vorgesehenen Bereiche möglich.
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Die
Begrenzungen oder Wandungen sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass
eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung
der Sensorelemente 3 gewährleistet ist. Das kann zum
Beispiel dadurch bewirkt sein, dass die Begrenzungen oder Wandungen bei
denjenigen Sensorelementen, die weiter von der Lichtquelle entfernt
angeordnet sind und die daher nur von einem schwächeren Lichtanteil erreicht
werden, schräg
in den Lichtweg ausgerichtete Ansätze oder vorragende Reflektoren
besitzen, die das ankommende Licht besonders wirkungsvoll aus dem Lichtkanal
zwischen den Sensorelementen in den Bereich des jeweiligen Sensorelementes
lenken. Auch empfiehlt es sich, die für den Lichteintritt vorgesehenen
seitlichen Öffnungen der
Wandungen bei den betreffenden Sensorelementen größer auszubilden
als bei den näher
zu der Lichtquelle angeordneten Sensorelementen.
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An
oder in dem Halbleiterchip ist eine Lichtquelle 9 vorhanden,
die in der 2 durch das
Schaltungssymbol einer Lampe dargestellt ist. Die Pfeile bezeichnen
den optischen Weg, den das Licht durch die Lichtkanalstruktur 6 nimmt.
Die Lichtquelle kann zum Beispiel als ein optoelektronisches Bauelement in
dem Halbleiterchip des Fingerabdrucksensors integriert sein. Eine
Einkopplung des Lichts in die Lichtkanalstruktur 6 erfolgt
dann analog zur Einkopplung von Strahlung in einen Lichtwellenleiter.
Die optische Schicht 5 kann im Prinzip eine beliebige optisch durchlässige Passivierungsschicht
sein.
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Die
Lichtkanäle
zwischen den Sensorelementen können
zur Auflagefläche 8 hin
durch eine lichtundurchlässige
Abdeckung, die in der 1 nicht
eingezeichnet sind, abgedeckt sein, so dass das Licht nur in den
Bereichen der Sensorelemente nach oben zum Finger hin austritt.
Die lichtundurchlässige
Abdeckung ist vorzugsweise zwischen der optischen Schicht und der
Schutzschicht 7 angebracht. Die Schutzschicht 7 kann
insbesondere eine chemische Schutzschicht gegen äußere Einwirkung ätzender
oder säurehaltiger
Materialien sein, die insbesondere beim Auflegen der Fingerkuppe
aufgebracht werden. Die Menge an Licht, die aus den Lichtkanälen auf
die Sensorelemente fällt,
ergibt sich aus der Summe der direkt auf die Sensoren einfallenden
Anteile und der von den Seitenwänden
und der Sensoroberfläche
reflektierten Anteile.
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- 1
- Substrat
- 2
- Schaltungsbauelement
- 3
- Sensorelement
- 4
- Dielektrikum
- 5
- optische
Schicht
- 6
- Lichtkanalstruktur
- 7
- Schutzschicht
- 8
- Auflagefläche
- 9
- Lichtquelle