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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Fingerabdruckdetektion
bzw. -erfassung und -erkennung und insbesondere auf die Fingerdetektion bei
Vorrichtungen mit integrierten Schaltkreisen, wie sie für auf Fingerabdruck
basierenden Identifikations- und Sicherheitsmechanismen verwendet
werden.
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Die
Fingerabdruckdetektion bzw. -erfassung und -erkennung ist eine umfangreich
realisierte Identifizierungs- und Sicherheits(Verifikations-)Maßnahme für verschiedenste
Anwendungen, einschließlich einer
Verwendung bei Kreditkarten, einer regierungsmäßigen Lizensierung und Registrierung
und einer Zugangskontrolle. Fingerabdrucksensoren mit integrierter
Schaltung, die bei einer derartigen Detektion Verwendung finden,
beinhalten üblicherweise
eine zweidimensionale Anordnung bzw. Matrix aus Abtast- bzw. Meßelektroden
in einem Abstand, der im wesentlichen kleiner ist als die Größe der Linien
an der Hautoberfläche
einer Fingerspitze, wodurch ermöglicht
wird, zur Verarbeitung, Analyse und zum Vergleich, ein Bild des
Fingerabdruckmusters zu erlangen.
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Die
Struktur eines typischen elektronischen Fingerabdrucksensors ist
in 4 gezeigt. Der Fingerabdrucksensor 402 weist
eine planare Anordnung an Abtastelektroden 404 auf, die
leitend mit einem Detektions- und Bilderfassungsschaltkreis (nicht
gezeigt) gekoppelt sind. Die Abtastelektroden 404 können durch
eine Schutzschicht 406 abgedeckt sein, an der die Hautoberfläche 408 der
Fingerspitze angeordnet wird. Erhöhungen 410 und Vertiefungen 412, die
durch die Linien an der Oberfläche 408 der
Fingerspitzenhaut ausgebildet sind, werden dann unter Verwendung
der Abtastelektroden 404 detektiert.
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Eine
Fingerabdruckdetektion wird am häufigsten
zumindest teilweise erreicht durch kapazitive Kopplung über den
Finger.
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Bei
derartigen Ausführungsbeispielen
bilden die Hautoberfläche 408 und
die Abtastelektroden 404 jeweils einen Kondensator, der
eine Kapazität
hat, die proportional zum Abstand zwischen einer jeweiligen Abtastelektrode 404 und
der darüber
liegenden Hautoberfläche 408 ist.
Dadurch unterscheidet sich beispielsweise die Kapazität, die von
dem Sensor 402 an einer Stelle in der Nähe des oberen Bereichs einer
Fingerabdruckerhöhung 410 gemessen
wird über
eine Abtastelektrode, die von der Hautoberfläche 408 um einen Abstand
dx,y getrennt ist (wobei x und y die Stelle
der jeweiligen Abtastelektrode innerhalb der zweidimensionalen Sensoranordnung
angeben) von der Kapazität,
die durch eine andere Abtastelektrode an einer Stelle in der Nähe des Bodens
einer Fingerabdruckvertiefung 412 gemessen wird, wobei
der Zwischenabstand dx,y+2 größer ist.
Auf diese Weise kann ein elektronisches Bild des Fingerabdrucks
zum Zwecke einer weiteren Verarbeitung eingefangen werden.
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Die
Fingerabdruckdetektion umfaßt
normalerweise einen relativen oder vergleichenden Prozeß, bei dem
eine Eigenschaft wie beispielsweise die Kapazität an einer Abtastelektrode
innerhalb der Anordnung verarbeitet wird relativ zu ähnlichen
Messungen durch die anderen Abtastelektroden. Als Folge dessen unterliegt
der Fingerabdrucksensor einem Angriff über eine "Täuschung" oder eine Vorlage
des richtigen Fingerabdruckmusters durch ein nicht autorisiertes
Individuum. Beispielsweise kann die einfachste Täuschungstechnik in der Verwendung
eines abgetrennten Fingers von einem autorisierten Individuum zu
diesem Zwecke liegen.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
einen Schutz gegen nicht autorisierte Verwendungen von Fingerabdruckmustern
vorzusehen, die verwendet werden, um Fingerabdruck basierende Identifikations-
und Sicherheitsmechanismen zu umgehen.
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Die
WO 99 46724 offenbart ein Fingerabdrucklesegerät, das aus einem zweidimensionalen Fotosensor
gebildet ist. Es ist eine transparente, leitende Schicht vorgesehen,
um eine statische Elektrizität
zu verbrauchen. Dieselbe leitende Schicht, wenn sie in Form von
wenigstens zwei verriegelten bzw. ineinandergreifenden Gittern vorgesehen
ist, dient dem Detektieren bzw. der Erfassen der Anwesenheit eines
Fingers durch die Messung des Widerstands.
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Die
WO 00/10205 offenbart einen kapazitiven Fingerabdruckdetektor. Zwischen
den Meßleitern
sind Abtastleiter vorgesehen. Es werden Versatzströme zwischen
den Abtastleitern wiedergegeben.
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Gemäß einem
Aspekt, ist ein Verfahren zur Fingerdetektion vorgesehen, umfassend
das Messen eines Widerstands zwischen wenigstens zwei isolierten
Widerstandsgittern auf einer Schutzschicht einer Vorrichtung zur
kapazitiven Fingerabdruckdetektion, wenn eine Verbindung über ein
Objekt stattfindet, das auf der Schicht der Vorrichtung zur Fingerabdruckdetektion
angeordnet ist, wobei die Vorrichtung zur kapazitiven Fingerabdruckdetektion
mehrere kapazitive Sensorelektroden unterhalb der Widerstandsgitter aufweist,
um Fingerabdruckmerkmale zu detektieren, wobei die Widerstandsgitter über den
kapazitiven Sensorelektroden ausgebildet sind und wobei die Anwesenheit
der Widerstandsgitter relative kapazitive Messungen zwischen kapazitiven
Sensorelektroden nicht versetzt, wobei der Schritt des Messens ein
Verstärken
eines ersten Signals von einem ersten Gitter der wenigstens zwei
Widerstandsgitter umfaßt,
sowie ein Verstärken
eines zweiten Signals von einem zweiten Gitter der wenigstens zwei
Widerstandsgitter; und ein Vergleichen des gemessenen Widerstands
mit einem Widerstandsbereich, welcher dem lebenden Hautgewebe entspricht,
um zu bestimmen, ob ein Finger mit den erwarteten Eigenschaften
von lebendem Hautgewebe auf der Schicht der Vorrichtung zur Fingerabdruckdetektion
angeordnet wurde.
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Gemäß einem
anderen Aspekt ist eine Vorrichtung zur Fingerabdruckdetektion vorgesehen,
die kapazitive Sensorelektroden umfaßt, welche verwendet werden,
um Fingerabdruck merkmale zu detektieren; mehrere Widerstandsgitter
an einer Schutzschicht der Vorrichtung zur Fingerabdruckdetektion und
die die kapazitiven Sensorelektroden überlagern und wobei die Anwesenheit
der Widerstandsgitter relative Kapazitätsmessungen zwischen kapazitiven Sensorelektroden
nicht versetzt; ein Mittel zur Messung des Widerstands, das einen
Widerstand zwischen zwei der Widerstandsgitter mißt, wenn
ein Objekt auf der Schutzschicht elektrisch die beiden Widerstandsgitter
verbindet; erste und zweite Verstärker, die zwischen jeweils
einem der Gitter und dem Mittel für die Widerstandsmessung angeschlossen sind;
ein Vergleichmittel zum Vergleichen des gemessenen Widerstands mit
widerstandsabhängigen Bioeigenschaften
des lebenden Hautgewebes, um zu bestimmen, ob das Objekt auf der
Schicht (204) der Vorrichtung zur Fingerabdruckdetektion
ein Finger ist, der die erwarteten Eigenschaften des lebenden Hautgewebes
hat.
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Bei
einer Vorrichtung zur kapazitiven Fingerabdruckdetektion, wird die
Fingerdetektion vorgesehen über
mehrere Widerstandsgitter, die über
den Sensorelektroden für
den Fingerabdruck liegen, um den Widerstand des auf der Sensoroberfläche angeordneten
Fingers zu messen. Ein auf der Sensoroberfläche angeordneter Finger verbindet
die Widerstandsgitter und erlaubt eine Messung des Hautwiderstands.
Der gemessene Widerstand wird mit einem Referenzwiderstand oder
einem Bereich von Widerständen
verglichen, um zu bestimmen, ob der gemessene Widerstand mit den
erwarteten Bioeigenschaften lebenden Hautgewebes zusammenpaßt. Die
Fingerdetektion liefert daher für
die Vorrichtung zur Fingerabdruckdetektion einen Schutz gegenüber einer
Täuschung
bzw. einem Betrug.
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Die
als die Eigenschaft der Erfindung anzusehenden neuen Merkmale werden
in den beigefügten
Ansprüchen
wiedergegeben. Die Erfindung selbst jedoch, wie auch eine bevorzugte
Art der Verwendung und weitere Ziele und Vorteile von ihr, werden
am verständlichsten
unter Bezugnahme auf die folgende, detaillierte Beschreibung eines
darstellenden Ausführungs beispiels,
wenn es in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird,
wobei:
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1 eine
Fingerabdrucksensorschaltung zeigt, bei der eine Fingererfassung über den
Widerstand in Übereinstimmung
mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erfolgt;
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2A–2B Ansichten
von Fingerabdrucksensoranordnungen, einschließlich einer Fingerdetektion über den
Widerstand sind in Übereinstimmung
mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Schaltungsdiagramm für
einen Fingerdetektionsschaltkreis zeigt, der in einem Fingerabdrucksensor
in Übereinstimmung
mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung Verwendung findet; und
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4 eine
Ansicht einer bekannten kapazitiven Fingerabdruckdetektionsstruktur
ist.
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Die
folgende Beschreibung liefert Details in Bezug auf die Struktur,
Anwendung und Merkmale der vorliegenden Erfindung, ist jedoch für den Durchschnittsfachmann
so zu verstehen, daß der
Bereich der Erfindung lediglich durch die erteilten Ansprüche definiert
ist und nicht durch die Beschreibung hier. Die unten beschriebenen
Verfahrensschritte und Strukturen bilden keinen vollständigen Prozeßablauf zur
Herstellung integrierter Schaltungen. Die vorliegende Erfindung
kann in Verbindung mit im momentanen Stand der Technik verwendeten
Herstelltechniken für
integrierte Schaltungen in die Praxis umgesetzt werden und es sind
nur soviel der üblicherweise durchgeführten Verfahrensschritte beinhaltet,
wie sie für
ein Verständnis
der vorliegenden Erfindung notwendig sind. Die Figuren geben Querschnitte
von Abschnitten einer integrierten Schaltung während der Herstellung wieder
und sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet,
sondern sind anstelle dessen so gezeichnet, daß sie die wichtigen Merkmale
der Erfindung darstellen.
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Bezugnehmend
nun auf die Figuren und insbesondere unter Bezugnahme auf 1,
ist eine Fingerabdrucksensorschaltung unter Verwendung der auf Widerstand
beruhenden Fingerdetektion in Übereinstimmung
mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. 1 zeigt
ein Blockdiagramm der Sensorschaltung 102, die als integrierte
Schaltung auf einem einzelnen Chip ausgebildet ist. Eine geeignete
Sensorschaltung 102 und ihr Betrieb sind vollständiger in
der US-A-6114862 mit dem Titel "CAPACITIVE
DISTANT SENSOR" beschrieben,
die am 9. März
1998 angemeldet wurde.
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Die
Sensorschaltung 102 weist eine I2 Interface-
und Steuervorrichtung auf, die ein Zweiwegkommunikationsprotokoll
liefert, das es der Sensorschaltung 102 ermöglicht,
mit einem Steuerteil zu kommunizieren, wie beispielsweise einem
Mikrosteuerteil. Die I2C Interface- und
Steuervorrichtung 104 tauscht digitale Signale über eine
Steuerleitung 106 mit einer Steuerteilschaltung (nicht
gezeigt) außerhalb
der Sensorschaltung 102 in dem dargestellten Beispiel aus,
obgleich alternativ eine derartige Steuerschaltung auch in die Sensorschaltung 102 integriert
sein kann. Die Sensorschaltung 102 weist auch eine Anordnung
bzw. Matrix 108 aus kapazitiven Sensoren für die Aufnahme
eines Fingerabdrucks auf durch Erfassen von Abständen zwischen kapazitiven Elektroden
innerhalb der Sensoranordnung 108 und Erhöhungen und
Vertiefungen auf einem Finger, der in Kontakt mit der Sensoranordnung 108 platziert wurde.
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Über eine
Synchronisationsleitung 106 ist die Sensoranordnung 108 mit
der externen Steuerteilschaltung gekoppelt. Über die Synchronisationsleitung 110 stellt
die Sensoranordnung 108 Synchronisationssignale zur Verfügung, die
es erlauben, daß detektierte
bzw. erfaßte
Spannungen, welche repräsentativ
sind für
den Kapazitätswert
individueller kapazitiver Elektroden innerhalb der Sensoranordnung 108 und
daher repräsentativ
für den
Abstand zwischen der kapazitiven Elektrode und dem Abschnitt der
epidermen Schicht, welcher die Sensoranordnung 108 kontaktiert
im Bereich der kapazitiven Elektrode, in richtiger Weise durch das
externe Steuerteil interpretiert werden. Die Sensorschaltung 102 weist auch
einen Analog/Digital(A/D)-Wandler 112 auf, der von der
Sensoranordnung 108 empfangene, analoge Spannungsmeßwerte verarbeitet
und digitale Wiedergaben erzeugt, die von dem externen Steuerteil als
Abstandsmessungen der analog gemessenen Spannungen von individuellen
kapazitiven Elektroden innerhalb der Sensoranordnung 108 erkannt werden.
Der A/D-Wandler 112 überträgt diese
digitalen Signale auf einem Ausgabebus 114 an das externe
Steuerteil.
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Die
Sensoranordnung 108 weist mehrere Zellen 116 auf,
von denen jede eine oder mehrere kapazitive Elektroden beinhaltet.
Die Sensoranordnung 108 bei der beispielhaften Ausführungsform
beinhaltet quadratische Zellen mit etwa 45–50 μm Seitenlänge und bildet eine 250 × 350 Anordnung
bzw. Matrix durchgehender Zellen 116 innerhalb der Sensoranordnung 108.
Die Sensoranordnung 108 wird von einem Passivierungsmaterial
bedeckt, das über
den kapazitiven Elektroden innerhalb jeder Zelle 118 liegt.
Andere erforderliche aktive Vorrichtungen zur Ausbildung der Sensorschaltung 102,
sind unterhalb der kapazitiven Elektroden ausgebildet.
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Bezugnehmend
auf die 2A und 2B, sind
Ansichten von Sensoranordnungen mit einer auf Widerstand beruhenden
Fingerdetektion in Übereinstimmung
mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der in 2A dargestellte
Querschnitt ist ein Querschnitt der Sensoranordnung 108 entlang
einer Schnittlinie A-A, die in 1 gezeigt
ist. Von den Zellen 116 innerhalb der Sensoranordnung 108 weist
jede wenigstens eine kapazitive Fingerabdrucksensorelektrode 202 auf,
die verwendet wird, um den Fingerabdruck in Übereinstimmung mit dem Stand
der Technik zu detektieren. Eine Schutzschicht 204, die
eine Kombination aus isolierenden und passivierenden Schichten sein
kann, liegt über
den Fingerabdrucksensorelektroden 202 und liefert eine
Oberfläche,
auf welcher der Finger platziert wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung weist die Sensoranordnung 108 auch
mehrere Widerstandsgitter 206a–206b auf, die verwendet
werden, um den Widerstand des Fingers zu erfassen, wenn er auf der Oberfläche der
Sensoranordnung 108 platziert ist. Dieser erfaßte Widerstand
wird dann mit einem vordefinierten "Proben-" oder Schwellwert oder -bereich verglichen.
Falls der Widerstand des Fingers größer ist als der vordefinierte
Wert (oder innerhalb des Bereichs), so wird ein Finger auf der Oberfläche der Sensoranordnung 108 detektiert.
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Die
Fingerdetektionswiderstandsgitter 206a–206b sind über den
Fingerabdrucksensordetektionselektroden 202, auf der Oberfläche der
Vorrichtung 102 zur Fingerabdruckdetektion, ausgebildet,
auf welcher der Finger anzuordnen ist. Relative Kapazitätsmessungen
zwischen den Fingerabdrucksensordetektionselektroden 202 werden
durch die Anwesenheit der Widerstandsgitter 206a–206b nicht versetzt.
Die widerstandserfassenden Gitter 206a–206b sind voneinander
isoliert, können
jedoch miteinander in Kontakt gelangen über einen Finger, der die Oberfläche der
Vorrichtung 102 zur Fingerabdruckdetektion berührt. Wenn
sich der Finger auf der erfassenden Oberfläche der Vorrichtung 102 zur
Fingerabdruckdetektion befindet, liefert der Widerstand der Haut
des Fingers eine Widerstandsbahn von einem Gitter 206a zu
dem anderen 206b. Eine Messung des Widerstands zwischen
den beiden Gittern liefert ein Mittel, um den Hautwiderstand des
Fingers zu messen. Eine Draufsicht einer geeigneten Geometrie von
Gittern 206a–206b ist
in 2B dargestellt.
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Bezugnehmend
nun auf 3, ist dort ein Schaltungsdiagramm
für eine
Fingerdetektionsschaltung gezeigt, die in einem Fingerabdrucksensor
in Übereinstimmung
mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung Verwendung findet. In der Schaltung 302 zur
Fingerdetektion sind Widerstandsgitter 206a–206b mit
einer Widerstandsmeß-
und -vergleicheinheit 308 gekoppelt. Wie oben festgehalten
ist, wird der Widerstand des auf der Sensorvorrichtung 102 platzierten
Fingers gemessen und dazu verwendet, um einen Finger zu detektieren.
Dieser Widerstand hängt
von den bio(metrischen)-Eigenschaften der Haut an dem Finger ab
und wird dazu verwendet, um eine Täuschung zu verhindern, indem
bestimmt wird, ob der auf der Fingerabdrucksensorvorrichtung 102 platzierte
Finger einen Widerstand innerhalb eines vordefinierten Bereichs
oder oberhalb eines vordefinierten Wertes liefert.
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Die
Widerstandsmessung wird bewerkstelligt durch Verbinden der variablen
Widerstände,
die den Finger wiedergeben, der die Widerstandsgitter 206a–206b verbindet, über Verstärker 304 und 306 mit
einer Widerstandsmeß-
und -vergleicheinheit 308, die den Widerstand zwischen
den Gittern 206a–206b mit
einem Referenzwiderstand oder einem Bereich von Widerständen vergleicht.
Die Differenz der Widerstände
wird durch das Vergleichteil der Widerstandsmeß- und -vergleicheinheit 308 bestimmt,
die ein Ausgangssignal 310 erzeugt, das angibt, ob ein
Finger detektiert wurde.
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In
Abhängigkeit
von den verfügbaren
Verarbeitungs- und Speicherfähigkeiten,
kann der gemessene Widerstand mit absoluten Schwellwerten oder Bereichen
für die
gesamte Masse bzw. Belegung verglichen werden oder mit spezifischen
Bereichen für über ihren
Fingerabdruck identifizierte, spezielle Individuen, wobei die individuellen
Bereiche autorisierter Individuen dynamisch über die Zeit upgedatet werden,
um einer Alterung und saisonalen Variationen in Bezug auf die biometrischen
Eigenschaften gerecht zu werden. Zusätzlich zum Vorsehen eines Schutzes gegen
eine Täuschung, kann
die Fingerabdrucknahme durch den Fingerabdrucksensor auch gleichzeitig durch
den Fingerdetektionsmechanismus der vorliegenden Erfindung ausgelöst werden.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet die Messung von Bio(-metrischen)-Eigenschaften
der Haut, insbesondere des Widerstands eines Fingers, der auf einem
Sensor zur Fingerabdruckdetektion platziert wurde, um einen Schutz
gegenüber
einer Täuschung
zu liefern und den echten Finger zu detektieren. Es können auch
andere Bio-Eigenschaften lebenden Hautgewebes in Verbindung mit
der vorliegenden Erfindung Verwendung finden. Der auf dem Widerstand
beruhende Fingerdetektionsmechanismus kann mit dem in der dazugehörigen Anwendung beschriebenen
kapazitiven Fingerdetektionsmechanismus kombiniert werden unter
Verwendung entweder separater kapazitiver und widerstandsbasierender
Gitter oder unter Verwendung eines Einzelgitters sowohl für kapazitive
wie auch widerstandsmäßige Messungen.
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Während die
Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann
selbstverständlich,
daß verschiedenste Änderungen
in Bezug auf die Form und Details dabei vorgenommen werden können, ohne von
dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.