DE69115558T2

DE69115558T2 - Fingerabdruckerkennung

Info

Publication number: DE69115558T2
Application number: DE69115558T
Authority: DE
Inventors: Alan George Knapp
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-08
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2011-05-09
Also published as: US5325442A; EP0457398B1; EP0457398A3; JPH04231803A; DE69115558D1; EP0457398A2; GB2244164A; GB9011163D0; JP3007714B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Fingerabdruckerkennung und insbesondere auf Vorrichtungen zur Fingerabdruckerkennung für den Einsatz in solchen Systemen.
Die Fingerabdruckerkennung wurde für zahlreiche Anwendungen vorgeschlagen, die von Hochsicherheits-Einsätzen wie die Zugangskontrolle bei Gebäuden, Computern und dergleichen bis zu Applikationen mit geringerem Sicherheitsniveau, zum Beispiel die Verwendung als Ersatz von herkömmlichen Schlössern und Schlüsseln, reichen. Die Hauptvorteile solcher Systeme bestehen darin, daß sie leicht und bequem zu nutzen sind, daß keine Schlüssel, persönliche Kennummern und dergleichen erforderlich sind und daß sie weniger leicht betrügerisch genutzt werden können. Die Erkennungsvorrichtung ist ein wichtiges Teil des Systems, und die Qualität der Darstellung des durch die Vorrichtung erfaßten Fingerabdrucks wirkt sich auf das Erkennungsvermögen und den für die Verifizierung erforderlichen Vorverarbeitungs-Aufwand aus.
Herkömmliche Formen von Vorrichtungen zur Fingerabdruckerkennung beruhen auf optischen Erkennungsverfahren. Ein einfaches optisches Erkennungsverfahren kann jedoch leicht betrügerisch genutzt werden, indem ein fotografisches Bild eines Fingerabdrucks vorgelegt wird. Eine sicherere und übliche Lösung besteht in der Verwendung eines Glasprismas mit gestörter innerer Totalreflexion. Das Licht wird durch eine Fläche gelenkt, an einer zweiten Fläche reflektiert und verläßt das Prisma durch eine dritte Fläche. Ein Finger wird auf die zweite Fläche gelegt, und an den Stellen, an denen der Finger das Glas berührt, d.h. an den Tastlinien des Fingerabdrucks, findet keine Reflexion mehr statt. An den Stellen, an denen sich die Vertiefungen des Fingerabdruck-Musters befinden, wird das Licht weiterhin reflektiert. Das durch die dritte Fläche austretende Licht wird durch einen Bildwandler aufgenommen. Hiermit erhält man ein binäres Bild, bei dem diejenigen Bereiche der Fingerspitze, die das Glas berühren, schwarz dargestellt werden und die restlichen Bereiche weiß. Eine derartige optische Erkennungsvorrichtung hat jedoch auch Nachteile. Die Vorrichtung ist zum Beispiel relativ unhandlich. Außerdem ist es wichtig, daß die Kontaktfläche sauber und frei von Schmutz und Fett gehalten wird. Darüber hinaus können Probleme auftreten, weil einige Menschen trockenere Finger haben als andere und weil die Finger bei kühlem Wetter bei den meisten Menschen trockener werden. Ein trockener Finger berührt allerdings das Glas an weniger Punkten als ein feuchter Finger, mit dem Ergebnis, daß die Linien des Fingerabdrucks als Reihen von kleinen Punkten erscheinen, so daß der Aufwand für die Bildverarbeitung größer wird.
In der Patentschrift US-A-4.577.345 wird ein Fingerabdrucksensor beschrieben, der in einem Feld (array) gruppierte Kontaktflächen (pads) und eine in einem bestimmten Abstand darüberliegende leitende Membran enthält, welche durch die Tastlinien des Fingerabdrucks lokal verformt wird, so daß ein elektrischer Kontakt mit den darunterliegenden Flächen hergestellt wird. Jede Kontaktfläche ist mit einem entsprechenden Transistor eines Transistorfeldes in einem integrierten Schaltkreis unter den Kontaktflächen verbunden. Der Membran wird eine Spannung zugeführt, und eine Abtastschaltung adressiert die Transistoren der Reihenfolge nach und liefert ein Ausgangssignal, das davon abhängt, ob die Membran elektrischen Kontakt mit den einzelnen Kontaktflächen hat oder nicht.
Eine alternative Art von Fingerabdruck-Sensor wurde in der Patentschrift US-A-4.353.056 vorgeschlagen, bei der eine kapazitive Sensor-Lösung gewählt wird.
Der beschriebene Sensor verfügt über ein zweidimensionales, in Reihen und Spalten angeordnetes Feld von Kondensatoren, die jeweils ein Paar Elektroden mit einem Zwischenraum enthalten, in einem Sensorglied untergebracht sind und durch eine isolierende Schicht abgedeckt sind. Die Funktion der Sensoren beruht auf der Verformung des Sensorglieds durch einen Finger, der darauf gelegt wird, so daß der Abstand zwischen den Kondensatorelektroden örtlich schwankt - je nach Tastlinien/Vertiefungs-Muster des Fingerabdrucks - und damit auch die Kapazität des Kondensators. Bei einer Anordnung sind die Kondensatoren jeder Spalte in Reihe geschaltet mit den parallelgeschalteten Spalten der Kondensatoren und es wird eine Spannung an den Spalten angelegt. Bei einer anderen Anordnung wird eine Spannung an jeden einzelnen Kondensator in dem Feld angelegt. Die Erkennung erfolgt bei den beiden Anordnungen durch Feststellen der Änderung der Spannungsverteilung in den in Reihe geschalteten Kondensatoren oder durch Messen der Spannungswerte der einzelnen Kondensatoren, die auf die lokale Verformung zurückzuführen sind. Um dies zu erreichen, muß jeder einzelne Kondensator mit der Erkennungsschaltung verbunden werden.
Bei dem beschriebenen Sensor mögen zwar nicht die Probleme wie bei den Sensoren mit optischem Erkennungsverfahren vorliegen, jedoch gibt es hier andere Probleme. Da der Sensor zum Beispiel im Betrieb von der Verformung abhängt und elastisches Material benutzt werden muß, gibt es Proleme mit der Haltbarkeit und der Zuverlässigkeit. Außerdem muß eine Verbindung mit jedem einzelnen Kondensator in dem Feld hergestellt werden, so daß sehr viele Verbindungsleitungen erforderlich sind. Dies bringt gewisse Schwierigkeiten sowohl für die Fertigung des Sensorglieds als auch für seine Verbindung mit der Erkennungsschaltung mit sich. In der Praxis würde die große Anzahl von Anschlüssen wahrscheinlich auch zu Betriebsproblemen aufgrund von Streukapazitäten führen.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine verbesserte Erkennungsvorrichtung zu schaffen, die ein kapazitives Erkennungsverfahren nutzt, aber die obengenannten Probleme zumindest in gewissem Umfang vermeidet.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Fingerabdruckerkennung mit einem Feld von Sensorelementen geschaffen, welche mit einer Ansteuerungsschaltung verbunden sind und jeweils eine Sensorelektrode enthalten, wobei jedes Sensorelement eine entsprechende, mit seiner Sensorelektrode verbundene Schaltvorrichtung umfaßt, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sensorelektroden durch dielektrisches Material abgedeckt sind, das eine Sensoroberfläche festlegt, über die ein Finger, dessen Abdruck erkannt werden soll, gelegt wird, und dadurch, daß jedes Sensorelement aktiv adressierbar ist mit Hilfe der Ansteuerungsschaltung, die die Funktion der Schaltvorrichtung steuert, um ein vorgegebenes Potential an die Sensorelektrode anzulegen, und dadurch, daß die Erkennungsvorrichtung außerdem Sensormittel zum Erkennen einer Kapazität enthält, welche durch die einzelnen Fingeroberflächenbereiche in Kombination mit entsprechenden Sensorelektroden erzeugt wird, wenn ein Finger auf die genannte Sensoroberfläche gelegt wird.
Dank der aktiven Adressierung der Sensorelemente, die durch die Anordnung einer Schaltvorrichtung in jedem Sensorelement ermöglicht wird, wird die Ansteuerung des Feldes wesentlich vereinfacht und kann die Anzahl der erforderlichen adressierenden Leiter erheblich reduziert werden, wie im folgenden gezeigt wird. Eine solche Erkennungsvorrichtung kann außerdem sehr kompakt hergestellt werden und läßt sich daher leicht in verschiedenen Geräten unterbringen.
Im Betrieb entsteht durch die Anwesenheit eines Fingeroberflächenbereiches über einer Sensorelektrode ein entsprechender Kondensator, dessen Kapazität erkannt wird. Angenommen, die Sensoroberfläche besteht einfach aus der Oberfläche des dielektrischen Materials; wenn ein Finger auf die Sensoroberfläche gelegt wird, können die Tastlinien des Fingerabdrucks diese Fläche berühren oder sind ihr zumindest nahe, während die Vertiefungen weiter entfernt liegen. Jede Sensorelektrode bildet dann zusammen mit dem entsprechenden darüberliegenden Bereich der Fingeroberfläche einen Kondensator, wobei die Elektrode und der Fingeroberflächenbereich - letzterer befindet sich auf Massepotential - die jeweiligen Kondensatorplatten darstellen. Wenn der Fingeroberflächenbereich eine Tastlinie ist, die die Oberfläche berührt, werden die Kondensatorplatten durch die Dicke der dielektrischen Schicht getrennt, und wenn es sich bei dem Fingeroberflächenbereich um eine Vertiefung handelt, werden die Platten durch die Dicke der dielektrischen Schicht und den Luftspalt zwischen dem Fingeroberflächenbereich und der Oberfläche der dielektrischen Schicht voneinander getrennt. Man erhält somit ein Muster von Kondensatorwerten über die Fläche des Feldes, das die unterschiedlichen Abstände der Hautoberfläche von der Oberfläche der dielektrischen Schicht widerspiegelt und somit mit dem dreidimensionalen Tastlinien-Muster des Fingerabdrucks übereinstimmt. Das Sensorelement-Feld braucht nicht verformt zu werden. Durch Messung der Schwankung dieser Kapazitäten kann eine elektronische Darstellung oder Abbildung des Fingerabdruckmusters erhalten werden. Diese Darstellung weist auf die dreidimensionale Form des Fingerabdruckmusters hin, im Gegensatz zu der nur zweidimensionalen Darstellung, die die obengenannte optische Erkennungsvorrichtung ermöglicht. Gleichzeitig sind bei dem kapazitiven Erkennungsverfahren die Auswirkungen von normalerweise auf der Sensoroberfläche vorhandenem Schmutz oder Fett und von relativ trockenen Fingern weniger bedeutend.
Es kann ein Feld von diskreten Elektroden auf der Oberfläche des dielektrischen Materials vorgesehen werden, wobei jede im wesenflichen über einer entsprechenden Sensorelektrode liegt. Bei dieser Anordnung bildet jede zusätzliche Elektrode zusammen mit ihrer zugehörigen Sensorelektrode Kondensatorplatten, die durch das dielektrische Material getrennt sind. Je nachdem, ob eine Fingerabdruck-Tastlinie die zusätzliche Elektrode berührt - und sie dadurch erdet - oder nicht, erhält man verschiedene Kapazitätswerte. Eine solche Vorrichtung liefert damit im Grunde einen vorgegebenen, standardmäßigen Kapazitätswert, wo berührende Fingerabdruck-Tastlinien vorhanden sind. Dort, wo Vertiefungen über den Sensorelektroden liegen, werden die Kapazitätswerte wieder durch die Abstände bestimmt. Durch einfaches Feststellen, wo sich diese vorgegebenen Kapazitäten befinden, kann bei Bedarfleicht eine Art von binärem "Bild" des Fingerabdrucks erzeugt werden, ähnlich der von einer optischen Erkennungsvorrichtung gelieferten Darstellung.
Die Ansteuerungsschaltung wird vorzugsweise so angeordnet, daß in regelmäßigen Intervallen ein vorgegebenes Potential an die Sensorelektrode angelegt wird. Zwischen dem aufeinanderfolgenden Anlegen eines vorgegebenen Potentials kann die Ledung der Sensorelektroden entfernt oder reduziert werden, zum Beispiel mit Hilfe eines geerdeten Widerstands, oder kann alternativ der Wert des vorgegebenen Potentials für die nachfolgenden Zuführungen geändert werden. Da jede Sensorelektrode bei Vorhandensein eines Fingers einen Teil eines Kondensators darstellt, hängt die Menge der in den Kondensator fließenden Ladung von der Größe des Kondensators ab, die durch den Abstand zwischen der Fingeroberfläche und der Sensoroberfläche bestimmt wird. Um eine Angabe der Kondensatorgröße zu erhalten, kann die Vorrichtung praktischerweise Mittel - zum Beispiel ladungsempfindliche Verstärker - enthalten, um den Ladestrom zu jeder einzelnen Elektrode zu erkennen und ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen, das in der nachfolgenden Signalverarbeitung benutzt werden kann. Man kann sich jedoch vorstellen, daß andere Arten der Erkennung von Kondensatorwerten zum Einsatz kommen können.
Die Schaltvorrichtung jedes Sensorelementes kann eine dreipolige Vorrichtung umfassen, zum Beispiel einen Feldeffekt-Transistor, dessen Source- und Drain- Elektrode mit der Ansteuerungsschaltung über einen Sensorleiter bzw. mit der zugehörigen Sensorelektrode verbunden sind und der mit Hilfe eines Anwahlsignals, oder Durchlaßsignals, gesteuert wird, das der Gate-Elektrode über einen Adreßleiter von der Ansteuerungsschaltung zugeführt wird. Die Sensorelemente sind vorzugsweise in einem Feld mit Reihen und Spalten angeordnet, und in diesem Fall teilen sich die Gate Elektroden der zu den Sensorelementen einer Reihe gehörenden Transistoren jeweils einen gemeinsamen Adreßleiter und die Source-Elektroden der zu einer Spalte gehörenden Transistoren teilen sich einen entsprechenden gemeinsamen Sensorleiter. Die Sensorelemente können dann bequem reihenweise adressiert werden, um ein komplettes "Bild" der Kondensatorwerte aufzubauen. In dieser Hinsicht weist die Erkennungsvor richtung bezüglich der Adressierungstechnik Ähnlichkeiten mit aktivmatrix-adressierten Anzeigevorrichtungen auf. Außerdem kann die Sensorvorrichtung praktischerweise mit der gleichen Art von Matrix-Schalttechnologie hergestellt werden, wie sie für solche Anzeigevorrichtungen entwickelt wurde und die die Dünnfilm-Beschichtung sowie photolithographische Definitionsverfahren nutzt, um Elektroden, Adreßleiter und Dünnschicht-Transistoren auf einem isolierenden Substrat zu bilden. Alternativ kann die Erkennungsvorrichtung mit einem Halbleiter-Wafer und integrierter Schaltungstechnologie hergestellt werden. In beiden Fällen ist die Erkennungsvorrichtung wesentlich handlicher als herkömmliche Vorrichtungen.
Das dielektrische Material, das ein geeignetes isolierendes Material, wie zum Beispiel Siliziumnitrid oder ein Polyimid enthält, kann praktischerweise als kontinuierliche Schicht - vorzugsweise mit gleichmäßiger Dicke - über dem Feld von Sensorelektroden und den Zwischenräumen nach deren Bildung vorgesehen werden. Weitere Leiter können auf der Oberfläche des dielektrischen Materials in einiger Entfernung von den Sensorelektroden und sich über die Bereiche zwischen den Sensorelektroden erstreckend angeordnet werden, zum Beispiel als Linien oder in einer Gitterform, wobei die Leiter geerdet sind, um den elektrischen Kontakt zu der Fingeroberfläche zu verbessern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Fingerabdruckerkennung geschaffen, das eine Erkennungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung enthält und Mittel, die auf das Ausgangssignal der Erkennungsmittel der Vorrichtung reagieren, um charakteristische Daten eines erkannten Fingerabdrucks zu liefern, und Mittel zum Vergleichen der genannten charakteristischen Daten mit gespeicherten charakteristischen Daten für einen oder mehrere Fingerabdrücke. Von der Erkennungsvorrichtung kann man ein Ausgangssignal erhalten, das dem von einem Bildwandler in einer optischen Erkennungsvorrichtung gelieferten Videoausgangssignal vergleichbar ist. Entsprechend - und für den Fachkundigen leicht ersichtlich - können daher bis auf die Erkennungsvorrichtung Komponenten des Systems im allgemeinen von der gleichen Art sein wie die in Systemen mit optischen Erkennungsvorrichtungen verwendeten Komponenten. Die charakteristischen Daten können entsprechend der gängigen Praxis in Form von Informationen bezüglich der Ausrichtung der Tastlinien und der relativen Positionen der Details, das heißt der Enden und der Gabelungen der Linien, vorliegen. Die Verarbeitung der von der Erkennungsvorrichtung erhaltenen Informationen zum Erzeugen und Vergleichen der charakteristischen Daten kann bekannten Schemen und Techniken folgen. In dieser Hinsicht kann zum Beispiel auf die Patentschrift EP-A-0.343.580, die Abhandlung von C.J. Elliot mit dem Titel "Automatic Fingerprint Recognition" in Parallel Processing: State of the Art Report, veröffentlicht 1987 durch Pergamon Infotech, oder die Abhandlung von Fukue et al mit dem Titel "Fingerprint Verification System-Verification Algorithm", veröffentlicht in IEEE TENCON 87, Seoul, 1987, auf den Seiten 71-75, verwiesen werden. Da die Erkennungsvorrichtung der Erfindung Informationen des dreidimensionalen Profils eines Fingerabdrucks liefern kann, kann die Identifizierung und Verifizierung mit verbesserter Genauigkeit erfolgen, indem zusätzlich zu den räumlichen Positionen der Details die topologischen Eigenschaften genutzt werden, obwohl natürlich auch nur Informationen in bezug auf die zweidimensionalen Tastlinien-Muster genutzt werden können, um die erforderliche Verarbeitung zu vereinfachen, wenn eine geringere Genauigkeit ausreicht. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Fingerabdruckerkennung, der Fingerabdruck-Erkennungssysteme und der hierin angewendeten Verfahren sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtung, die ein Feld von Sensorelementen zusammen mit der zugehörigen Adressierschaltung zeigt;
Figur 2 das schematische Ersatzschaltbild für ein typisches Sensorelement der Vorrichtung, das eine Sensorelektrode und die zugehörige Schaltvorrichtung enthält;
Figur 3 eine schematische Querschnitt-Ansicht von einem Teil der Erkennungsvorrichtung, die seine Funktion veranschaulicht;
Figur 4 in graphischer Weise den Zusammenhang zwischen Kapazität und Entfernung der Fingeroberfläche für eine typische Sensorelektrode der Vorrichtung;
Figur 5a und Figur 5b jeweils Teile der beiden alternativen Sensorschaltungen der Erkennungsvorrichtung;
Figur 6 typische Signalformen, die bei Betrieb der Erkennungsvorrichtung vorliegen;
Figur 7a und 7b jeweils schematisch zwei abgewandelte Formen einer Erkennungsvorrichtung im Grundriß;
Figur 8 eine schematische Querschnitt-Ansicht von einem Teil einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemaßen Erkennungsvorrichtung und
Figur 9 ein schematisches Blockschaltbild eines Fingerabdruck-Erkennungssystems mit einer Erkennungsvorrichtung.
Es ist zu beachten, daß die Figuren nur schematische Darstellungen zeigen und keine maßstabsgerechten Abbildungen sind. Insbesondere können einige Abmessungen, zum Beispiel die Dicke der Schichten oder Regionen, übertrieben sein, während andere Abmessungen eventuell reduziert wurden. In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile die gleichen Bezugszeichen benutzt.
In Figur 1 umfaßt die Erkennungsvorrichtung eine aktivmatrix-adressierte Sensorfläche 10 mit einem XY-Feld von Sensorelementen bestehend aus r Reihen (1 bis r) mit c Sensorelementen, 12 in jeder Reihe. Der Übersichtlichkeit halber sind nur einige Reihen und Spalten abgebildet. In der Praxis können etwa 300 Reihen und 200 Spalten mit in regelmäßigen Abständen angeordneten Sensorelementen eine Fläche von ca. 2 cm mal 3 cm einnehmen.
Auch in Figur 2 enthält jedes Sensorelement des Feldes eine Sensorelektrode 14, die mit einer aktiven Vorrichtung verbunden ist, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine dreipolige Schaltvorrichtung 16 in Form eines Feldeffekt-Transistors (FET) ist. Das XY-Feld der Sensorelemente wird über Gruppen von Reihen-(Auswahl) und Spalten-Adreßleitern Erkennung) 18 und 20 adressiert, wobei sich die einzelnen Sensorelemente an den jeweiligen Kreuzungspunkten der Leiter befinden. Alle Sensorelemente in der gleichen Reihe sind mit einem jeweiligen gemeinsamen Reihenleiter 18 verbunden und alle Sensorelemente in der gleichen Spalte mit einem jeweiligen gemeinsamen Spaltenleiter 20. Die Reihenleiter 18 sind mit ihrem einen Ende mit einer Reihen-Treiberschaltung, allgemein mit 22 bezeichnet, verbunden und die Spaltenleiter sind mit ihrem einen Ende mit einer Sensorschaltung 24 verbunden.
Wie in Figur 2 zu erkennen, sind die Gate- und die Source-Elektrode des FET 16 eines Sensorelementes mit einem Reihenleiter 18 bzw. mit einem Spaltenleiter verbunden. Die Drain-Elektrode des FET ist mit der Sensorelektrode 14 verbunden. Die Herstellung der Sensorelemente 12 und der Adreßleiter 18 und 20 der Fläche 10 basiert auf der Technologie, die für aktivmatrix-adressierte Anzeigevorrichtungen wie Flüssigkristallanzeigevorrichtungen eingesetzt wird. Da sich Technologie heute als Mittel zur Herstellung von Aktivmatrixfeldern mit großer Fläche durchgesetzt hat, brauchen hier die Verfahren, mit denen die Erkennungsvorrichtung hergestellt werden kann, wohl nicht ausführlich beschrieben zu werden. Kurz gesagt umfaßt das Verfahren typischerweise die Abscheidung von einer Reihe von Schichten auf einem isolierenden Substrat und ihre Definition durch photolithographische Prozesse. Die Elektroden 14 und Gruppen von Adreßleitern 18 und 20 können aus Metall gebildet werden und die FETs 16 können als amorphe Silizium- oder polykristalline Silizium- Dünnschicht-Transistoren (TFTs) mit geeignetem Substrat, z.B. Glas oder Quarz, gebildet werden.
Ein Beispiel für eine Bauform ist schematisch in Figur 3 dargestellt, in der eine Durchschnitt-Ansicht von einem entsprechenden Teil der Fläche 10 mit drei kompletten Sensorelektroden 14 abgebildet ist. Die TFT-Strukturen, die der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden, werden auf einem Glas- oder Quarz-Substrat 30 gebildet, indem eine Schicht von amorphem oder polykristallinem Silizium-Material auf dem Substrat abgeschieden wird und diese Schicht so definiert wird, daß einzelne Inseln zurückbleiben, die schließlich die Kanäle des TFT bilden. Auf ähnliche Weise wird eine Schicht von isolierendem Material, zum Beispiel Siliziumnitrid, abgeschieden und definiert, um die Gate-Isolierschichten der TFTs zu bilden. Die Elektroden 14, die in regelmäßigen Abständen gleichgroße rechteckige Flächen umfassen, und die Gruppe von Adreßleitern 20, die zwischen diesen verlaufen, sind aus einer abgeschiedenen Metallschicht definiert. Die integrierten Verlängerungen der Elektroden 14 und Leiter 20 bilden die Drain- bzw. die Source-Kontakte der TFTs. Außerdem ist isolierendes Material über den Leitern 20 vorgesehen, zumindest bei den Regionen, wo sich diese mit den Adreßleitern 18 kreuzen. Die Gruppe von Leitern 18, die in Figur 3 nicht dargestellt ist, wird dann aus einer abgeschiedenen Metallschicht gebildet, wobei jeder Leiter zwischen benachbarten Reihen von Elektroden 14 verläuft und integrierte Verlängerungen enfiang seiner Länge hat, die über den jeweiligen Halbleiterinseln liegen und als Gate-Elektroden der TFTs dienen. Die resultierende Struktur ähnelt der Aktivmatrix- Struktur einer Anzeigevorrichtung, bei der die Gruppen von Adreßleitern 18 und 20 und die Sensorelektroden 14 analog den Gruppen von Durchlaß- und Signalleitern bzw. den Anzeigeelement-Elektroden einer Anzeigevorrichtung sind. Die Herstellung ist jedoch einfacher, weil Metall für die Elektroden 14 benutzt wird und kein transparentes leitendes Material, wie zum Beispiel ITO, das für die Anzeigeelement-Elektroden in Anzeigevorrichtungen erforderlich ist.
Um die Struktur der Erkennungsvorrichtung zu vervollständigen, wird eine isolierende Schicht 32, zum Beispiel aus Siliziumnitrid oder Polyimid, komplett über der Struktur auf dem Substrat 30 abgeschieden, um eine kontinuierliche Sensoroberfläche 34 in einigem Abstand von der Substratoberfläche und hierzu parallel verlaufend zu schaffen.
Die physikalischen Abmessungen der Sensorelektroden werden entsprechend der gewünschten Auflösungseigenschaften bei der Fingerabdruckerkennung gewählt. Die Sensorelektroden können zum Beispiel einen Abstand von etwa 100 Mikrometern in Reihen- und in Spaltenrichtung haben. Die Dicke der isolierenden Schicht 32 wird unter Berücksichtigung des speziellen Materials gewählt, aus dem diese Schicht besteht. Wenn das Material zum Beispiel eine relative Dielektrizitätskonstante von ca. 4 hat, wird eine Schichtdicke von etwa 4 Mikrometer gewählt.
Bei Betrieb dieser Erkennungsvorrichtung wird ein Finger, dessen Abdruck erkannt werden soll, auf die Sensoroberfläche 34 gelegt. Die Tastlinien der Fingeroberfläche berühren die Oberfläche 34 tatsächlich oder nahezu, wie in Figur 3 dargestellt, wo eine Tastlinie 36 eines Teils der Fingeroberfläche 37 dargestellt ist. Die neben den Tastlinien liegenden Vertiefungen in der Fingeroberfläche befinden sich in einem erheblich größeren Abstand von der Oberfläche 34. Die Tastlinien der Fingeroberfläche befinden sich daher in einem minimalen Abstand von dem Elektrodenfeld 14, der durch die Dicke der isolierenden dünnen Schicht 32 bestimmt wird. Jede Sensorelektrode 14 und der entsprechende darüberliegende Bereich der Fingeroberfläche bilden die gegenüberliegenden Platten eines Kondensators 35, wie mit den gestrichelten Linien in Figur 3 dargestellt, wobei die durch den Teil der Fingeroberfläche gebildete Platte auf Massepotential liegt. Das dazwischen befindliche Material der Isolierschicht 32 und der Luftspalt zwischen dem Teil der Fingeroberfläche und der Sensoroberfläche 34, falls vorhanden, liefern das Kondensator-Dielektrikum. Die Kapazitäten dieser einzelnen Kondensatoren variieren in Abhängigkeit von dem Abstand - d in Figur 3 - -zwischen der Fingeroberfläche und der Sensoroberfläche 34, wobei die Kapazitätswerte größer werden, wo die Tastlinien der Fingeroberfläche die Oberfläche 34 berühren, und kleiner werden, wo die Vertiefungen in der Fingeroberfläche über den Sensorelektroden 14 liegen.
Diese Schwankung der Kapazität ist in Figur 4 dargestellt, in der der Zusammenhang zwischen zwischen der Kapazität Cx eines Kondensators 35 in Picofarad pro Quadratmillimeter und dem Abstand d in Mikrometern für den Fall graphisch dargestellt ist, in dem die Isolierschicht aus einem Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 4 besteht und 4 Mikrometer dick ist. Die über dem Feld von Sensorelementen 12 der Fläche 10 durch ein Fingerabdruck-Tastlinien-Muster erzeugte Schwankung der Kapazitätswerte stellt damit gewissermaßen ein elektronisches "Bild" der dreidimensionalen Form der Finderabdruck-Oberfläche dar. Diese Kapazitätswerte werden in der Erkennungsvorrichtung erfaßt und es wird ein Signal ausgegeben, das die Schwankung und damit das dreidimensionale Profil des Fingerabdrucks wiedergibt. Das dreidimensionale Tastlinien-Muster des Fingerabdrucks wird in Form eines elektronischen Bildes reproduziert, indem die Schwankung der Kapazitätswerte zwischen den einzelnen Sensorelektroden in dem Feld und der Tastlinien-Fingeroberfläche überwacht wird. Da die Schwankung der Kapazitätswerte durch die dreidimensionale Form des Fingers bestimmt wird, wird jeder Versuch einer betrügerischen Nutzung durch Herstellung einer Fingerattrappe sehr schwierig gemacht.
Die Kapazitätsschwankung zwischen den verschiedenen Sensorelementen 12 in dem Feld wird folgendermaßen erfaßt. Jedes Sensorelement wird durch seine zugehörigen Reihen- (Auswahl) und Spalten-Leiter (Erkennung) 18 und 20 adressiert. Ein Einschaltimpuls, der einem Reihenleiter 18 durch die Reihen-Ansteuerungsschaltung 22 zugeführt wird, schaltet die FETs 16 aller Sensorelemente 12 in der Reihe der mit dem Reihenleiter verbundenen Elemente ein. Gleichzeitig wird ein vorgegebenes Potential von etwa 10 Volt durch die Schaltung 24 an alle Spaltenleiter 20 angelegt, so daß nach dem Einschalten der FETs 16 die zu den Sensorelementen 12 dieser Reihe gehörenden Kondensatoren 35 auf das Potential der Spaltenleiter geladen werden. Der Ladestrom für die Kondensatoren fließt die Spaltenleiter 20 entlang und wird durch einen geeigneten Verstä[ker in der Schaltung 24 erkannt. Wie viel Ladung in jeden Kondensator fließt, hängt von der Größe des Kondensators ab. Durch Messen der Ladeströme in jedem Spaltenleiter 20 kann daher die Größe jedes Kondensators bestimmt werden. Dieses Verfahren wird nacheinander für jede Sensorelement-Reihe des Feldes wiederholt, so daß man nach der Adressierung aller Reihen in dem Feld in einer einzigen kompletten Teilbild-Periode ein komplettes "Bild" der Kondensatoreigenschaften erhält.
Die Figuren 5a und 5b zeigen zwei alternative Sensorschaltungen, die zum Erkennen der Ladungseigenschaften der Kondensatoren benutzt werden können. Figur 5a zeigt einen Teil eines Schaltungsaufbaus zur Stromerkennung für drei benachbarte Spaltenleiter 20. Die Spaltenleiter 20 sind mit jeweiligen Stromverstärkern 40 mit widerstandbehafteter Rückkopplung verbunden, deren Ausgangssignale den Abtast- und Halteschaltungen (Sample and Hold) 41 zugeführt werden. Der Vorspannungs-Zustand der Verstärker stellt den obengenannten vorgegebenen Potentialpegel auf den Spaltenleitern 20 ein. Diese Schaltungen 41 werden mit Hilfe eines Abtast-Impulses, der auf einer gemeinsamen Leitung 42 zugeführt wird, gleichzeitig und synchron mit dem Anlegen des Einschaltimpulses an einen Reihenleiter 18 betrieben. Die analogen Ausgänge der Schaltungen 41 werden nacheinander durch ein Schieberegister 45 geschaltet, das die Schalter 46 der Reihenfolge nach betätigt, um eine serielle Ausgabe der Impulse auf Leitung 47 zu erhalten, deren Größe die momentanen Stromwerte in den einzelnen Leitern angibt.
In Figur 5b ist ein Schaltungsaufbau zur Ladungsverstärkung dargestellt, wobei der abgebildete Teil zwei benachbarte Spaltenleiter 20 bedient. In dieser Schaltung sind die Spaltenleiter 20 mit den Ladungsverstärkern 50 mit kapazitiver Rückkopplung verbunden, deren analoge Ausgangssignale auf ähnliche Weise nacheinander durch ein Schieberegister geschaltet werden, das die Schalter 46 betätigt, um auf der Ausgangsleitung 47 eine serielle Impulsfolge zu erhalten, deren Größe auf den Ladungsfluß in jedem Spaltenleiter hinweist. Die Ladungsverstärker 50 werden in der Zeit zwischen dem Adressieren der aufeinanderfolgenden Reihen der Sensorelemente durch einen Reset-Impuls zurückgesetzt, der einer Reset-Leitung 51 zugeführt wird und die Schalter 52 betätigt, um die Parallelkondensatoren der Verstärker zu entladen.
Um das Kapazitätsbild eines Fingerabdrucks mehrfach lesen zu können oder mehrere Fingerabdrücke in aufeinanderfolgenden Vorgängen lesen zu können, muß dafür gesorgt werden, daß die Ladung an den Elektroden 14 entfernt oder reduziert wird, bevor die Sensorelemente erneut adressiert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Widerstand in jedes Sensorelement aufgenommen wird, der zwischen die Sensorelektrode 14 und einen geerdeten Leiter, den alle Sensorelemente einer entsprechenden Reihe gemeinsam haben, oder den nächsten benachbarten Reihenleiter 18 geschaltet wird. Eine solche Anordnung ist mit gestrichelten Linien in Figur 2 dargestellt, wobei der Widerstand und der zusätzliche benachbarte Reihenleiter mit 15 bzw. mit 17 bezeichnet sind. Die Widerstände können geeignet dotierte Halbleitermaterialien enthalten, die zur Herstellung von TFTs benutzt werden.
Es können aber auch andere Lösungswege beschritten werden. Die vorgegebene Spannung, die den Spaltenleitern zugeführt wird, kann bei aufeinanderfolgenden Lesezyklen zwischen zwei verschiedenen Pegeln geändert werden. Der Vorspan nungs-Zustand der Verstärker kann wiederum benutzt werden, um einen dieser Pegel zu liefern. Der andere Pegel kann mit Hilfe eines Schalters geschaffen werden, der zwischen den Leiter 20 und seinen zugehörigen Verstärker 40 oder 50 eingefügt wird. Alternativ könnte ein zwischenzeitlicher Rückstellungszyklus in das Adressierungsschema eingefügt werden.
Bei allen diesen Lösungsansätzen wird dafür gesorgt, daß bei jedem Adressieren der Sensorelemente die Kondensatoren etwas geladen werden, so daß die Ladeströme benutzt werden können, um ihre Kapazität zu bestimmen.
In Figur 6 sind als Beispiel einige typische Signalformen dargestellt, die bei Betrieb der Erkennungsvorrichtung vorliegen. Insbesondere werden drei Gruppen von Signalformen, A, B und C, für verschiedene Betriebsarten dargestellt, wobei Gruppe A bei der Ausführung vorliegt, bei der jedes Sensorelement einen Widerstand enthält, Gruppe B bei der Ausführung vorliegt, bei der die Spaltenspannung zwischen aufeinanderfolgenden Lesezyklen invertiert wird, und Gruppe C bei einer Ausführung mit einem zwischenzeitlichen Rückstellungszyklus vorliegt. Vr und Vc sind die Spannungen, die einem Reihenleiter 18 bzw. einem Spaltenleiter 20 zugeführt werden, und Vs ist die resultierende Spannung an einer Sensorelektrode 14. Ia und Ib sind die entsprechenden Ströme in dem Spaltenleiter 20 für eine relativ geringe bzw. eine relativ große Kapazität Cx. Es sei darauf hingewiesen, daß die in Figur 6 dargestellten einzelnen Spannungen lediglich als Beispiel dienen.
Es sind verschiedene Abwandlungen der Erkennungsvorrichtung möglich. In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Sensoroberfläche 34 nur durch die freiliegende Oberfläche der Isolierschicht 32 geschaffen. Die Figuren 7a und 7b zeigen in schematischer Draufsicht verschiedene Formen der Erkennungsvorrichtung, in der Metallschichfleiter 53 direkt auf der freiliegenden Oberfläche der Schicht 32 abgeschieden werden und über den Zwischenräumen zwischen benachbarten Reihen und Spalten der Sensorelektroden 14 liegen, und zwar entweder in Form eines Gitterleitermusters, Figur 7a, oder als lineare Leiter, Figur 7b. Im Betrieb sind diese Leitermuster geerdet, um den elektrischen Kontakt zu der Fingeroberfläche zu verbessern.
Figur 8 zeigt eine schematische Querschnitt-Ansicht ähnlich der in Figur 3 von einem Teil einer weiteren Ausführungsform der Erkennungsvorrichtung. Diese Aus führungsform umfaßt ein weiteres Elektrodenfeld auf der Oberfläche 34 der Isolierschicht 32. Dieses Feld besteht aus diskreten, elektrisch getrennten leitenden Flächen 54 von etwa der gleichen Größe und Form wie die Sensorelektroden 14, die weitgehend über den Sensorelektroden 14 liegen. Diese Flächen 54 bilden zusammen mit den Elektroden 14 die entgegengesetzten Platten der Kondensatoren 35. Abgesehen von den Flächen 54 entspricht diese Ausführungsform der zuvor beschriebenen Ausführungsform, und die Funktion des Aktivmatrix-Feldes der Sensorelemente ist im allgemeinen identisch. Im Betrieb wird ein Finger über das Flächenfeld 54 auf der Oberfläche 34 gelegt. Die Tastlinien des Fingerabdrucks berühren und erden dann bestimmte Kontaktflächen 54 des Feldes, so daß die Kapazität der Kondensatoren 35 bei den betreffenden Sensorelementen durch die entgegengesetzten Elektroden 14 und 54 und die Dicke der Schicht 32 bestimmt wird. Verglichen mit der vorhergehenden Ausführungsform erhält man weitgehend identische und ausgeprägtere Kapazitätswerte bei allen Berührungsstellen der Tastlinien. An anderen Stellen befinden sich die Oberflächenbereiche des Fingers in einem Abstand von den darunterliegenden Kontaktflächen 54, und die Kapazitätswerte hängen wie zuvor von diesem Abstand ab. Die Schwankung der Kapazitätswerte des Feldes weist damit auf die Topologie der Oberfläche des Fingerabdrucks hin.
Bei allen oben beschriebenen Erkennungsvorrichtungen können die FETs 16, wie zuvor erwähnt, TFTs aus amorphem oder polykristallinem Silizium enthalten, die mit den für Anzeigevorrichtungen üblichen Standardverfahren hergestellt wurden. Es wurde jedoch bedacht, daß das Feld von FETs 16 statt dessen auch Teil einer herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltung mit einem Silizium-Wafer-Substrat sein kann. Die Verwendung von TFTs auf einem isolierenden Substrat wird jedoch vorgezogen, weil dann eventuelle Streukapazitäten zu den Sensorelektroden minimiert werden. Die Verwendung von TFTs auf Glas/Quarz ermöglicht nicht nur eine geringe Streukapazität, sondern bietet außerdem den Vorteil, daß mit vergleichsweise geringen Kosten relativ großflächige Vorrichtungen, zum Beispiel von 30 mm mal 40 mm, geschaffen werden können.
Wenn polykristallines Silizium verwendet wird, können die Adressierschaltungen 22 und 24 auf einfache Weise gleichzeitig mit den FETs 16 an der Peripherie des Substrates 30 gebildet werden, so daß sie mit der Aktivmatrix integriert werden können und man eine sehr kompakte Erkennungsvorrichtung erhält.
In Figur 9 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Fingerabdruck-Erkennungssystems abgebildet, in dem eine zuvor beschriebene Erkennungsvorrichtung, hier mit 60 bezeichnet, benutzt wird. Die Signalausgabe von der Erkennungsvorrichtung 60 erfolgt in einer Form ähnlich der Video-Ausgabe von bekannten optischen Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtungen mit Bildwandlern. Es ist daher zu beachten, daß die Komponenten des Systems - abgesehen von der Erkennungsvorrichtung - im allgemeinen der herkömmlichen Praxis folgen, wie der Fachkundige leicht erkennen wird, so daß diese Komponenten wohl nicht in allen Einzelheiten beschrieben werden müssen. Kurz gesagt wird das Ausgangssignal von der Vorrichtung 60 in geeigneter Weise autbereitet und einer Analyseschaltung 61 zugeführt, die so programmiert ist, daß die charakteristischen Merkmale des erkannten Fingerabdrucks, zum Beispiel die Lage der Details, detektiert werden. Die Daten von der Schaltung 61 werden einem Computer 62 zugeführt, der sie mittels Standardalgorithmen mit den charakteristischen Daten von einer Vielzahl von Fingerabdrücken oder mit einem einzelnen Fingerabdruck vergleicht - je nachdem, ob das System zur Identifizierung benutzt wird oder nur zu Überprüfungszwecken -, die in einer Speichervorrichtung 63 hintergelegt sind; die Ausgabe des Computers hängt davon ab, ob eine Übereinstimmung der Daten festgestellt wurde oder nicht.
Die Schaltung 61 kann so programmiert werden, daß entweder die dreidimensionalen Informationen von der Erkennungsvorrichtung genutzt werden, um eine hohe Erkennungsgenauigkeit zu erhalten, oder daß alternativ mit geeignetem Auflösungsvermögen bestimmte Ausgangssignalwerte von der Vorrichtung 60 ausgewählt und bestimmte Informationen genutzt werden, die das zweidimensionale Tastlinien-Muster mit der Beschaffenheit eines binären Bildes darstellen, das mit dem Bild von bekannten optischen Erkennungsvorrichtungen vergleichbar ist. Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung werden dem Fachkundigen leicht weitere Abwandlungen ersichtlich sein.
Derartige Abwandlungen können andere Merkmale beinhalten, die bereits in der Technik der Fingerabdruckerkennung bekannt sind und die zusätzlich zu hier bereits beschriebenen Merkmalen eingesetzt werden können.

Claims

1. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung mit einem Feld von Sensorelemen ten (12), welche mit einer Ansteuerungsschaltung (22) verbunden sind und jeweils eine Sensorelektrode (14) enthalten, wobei jedes Sensorelement (12) eine entsprechende, mit seiner Sensorelektrode (14) verbundene Schaltvorrichtung (16) umfaßt, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sensorelektroden durch dielektrisches Material (32) abgedeckt sind, das eine Sensoroberfläche festlegt, über die ein Finger, dessen Abdruck erkannt werden soll, gelegt wird, und dadurch, daß jedes Sensorelement aktiv adressierbar ist mit Hilfe der Ansteuerungsschaltung (22), die die Funktion der Schaltvorrichtung steuert, um ein vorgegebenes Potential an die Sensorelektrode (14) anzulegen, und dadurch, daß die Erkennungsvorrichtung außerdem Sensormittel zum Erkennen einer Kapazität enthält, welche durch die einzelnen Fingeroberflächenbereiche in Kombination mit entsprechenden Sensorelektroden (14) erzeugt wird, wenn ein Finger auf die genannte Sensoroberfläche gelegt wird.

2. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerungsschaltung so angeordnet ist, daß in regelmäßigen Intervallen ein genanntes vorgegebenes Potential an jede Sensorelektrode angelegt wird, wobei das vorgegebene Potential von dem Potential abweicht, das zu dem Zeitpunkt an der Sensorelektrode anliegt, an dem das vorgegebene Potential zugeführt wird.

3. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel so funktioniert, daß es den Ladestrom zu der genannten Sensorelektrode erkennt, wenn dieser das vorgegebene Potential zugeführt wird, und daß es ein entsprechendes Ausgangssignal liefert.

4. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel ladungserkennende Verstärker enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel stromerkennende Verstärker enthält.

6. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspuiche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung von jedem Sensorelement einen Transistor enthält, dessen Anschlüsse mit der Sensorelektrode des Sensorelementes bzw. mit der Ansteuerungsschaltung über einen Sensorleiter verbunden sind, über den das vorgegebene Potential zugeführt wird, und dessen Steuerelektrode über einen Adreßleiter mit der Ansteuerungsschaltung verbunden ist, über die ein Auswahisignal von der Ansteuerungsschaltung zugeführt wird, um den Transistor zu steuern.

7. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in einem Reihen- und Spaltenfeld angeordnet sind und daß alle Reihen und Spalten der Sensorelemente jeweils mit einem gemeinsamen Adreßleiter bzw. mit einem gemeinsamen Sensorleiter verbunden sind.

8. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld von Sensorelementen durch die Ansteuerungsschaltung reihenweise der Reihenfolge nach adressierbar ist.

9. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren des Sensorelement-Feldes Dünnschicht- Transistoren umfassen, die zusammen mit den Adreß- und Sensorleitern und den Sensorelektroden auf einem isolierenden Substrat vorgesehen sind.

10. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material über den Sensorelektroden eine freiliegende Oberfläche liefert, auf die ein Finger gelegt werden kann, dessen Abdruck erkannt werden soll.

11. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feld von diskreten Elektroden auf dem dielektrischen Material gegenüber den Sensorelektroden vorgesehen ist, wobei jede diskrete Elektrode im wesentlichen über einer entsprechenden Sensorelektrode liegt.

12. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material sich als gemeinsame und kontinuierliche Schicht über alle Sensorelektroden des Feldes erstreckt.

13. Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material eine Schicht enthält, die sich über alle Sensorelektroden des Feldes erstreckt und die eine kontinuierliche Oberfläche in einiger Entfernung von den Sensorelektroden hat, und dadurch, daß weitere Leiter auf der genannten kontinuierlichen Oberfläche vorgesehen sind, die sich über Bereiche zwischen den Sensorelektroden erstrecken und die bei Betrieb der Vorrichtung geerdet sind.

14. Fingerabdruck-Erkennungssystem mit einer Fingerabdruck-Erkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit Mitteln, die auf ein Ausgangssignal von dem kapazitätserkennenden Mittel der Vorrichtung reagieren, um charakteristische Daten eines erkannten Fingerabdrucks zu liefern, und mit Mittel zum Vergleichen der genannten charakteristischen Daten mit gespeicherten charakteristischen Daten für einen oder mehrere Fingerabdrücke.