DE69808073T2

DE69808073T2 - Fingerabdrucksensor mit elektrischem feld mit verbesserten merkmalen und zugehörige verfahren

Info

Publication number: DE69808073T2
Application number: DE69808073T
Authority: DE
Inventors: Dave Gebauer; Rex Lowther; R. Setlak; W. Van Vonno
Original assignee: Authentec Inc
Current assignee: Authentec Inc
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2018-05-07
Also published as: AU7290298A; WO1998052147A1; JP4035584B2; JP2002502519A; KR100507986B1; EP0981801B1; US5940526A; EP0981801A1; KR20010012634A; DE69808073D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Personen-Identifikation und -Verifikation und im Speziellen auf den Bereich der Fingerabdruck-Sensorik.
Das sensorische Abtasten und Vergleichen auf Übereinstimmung von Fingerabdrücken ist eine verlässliche und weit verbreitete Technik zur Personen- Identifikation und -Verifikation. Im Speziellen bringt ein herkömmlicher Ansatz zur Identifikation von Fingerabdrücken das Scannen eines Muster-Fingerabdrucks mit sich oder ein Abbild davon und das Abspeichern des Abbildes und/oder einzigartiger Merkmale des Fingerabdruck-Abbildes. Die Merkmale des Muster-Fingerabdrucks können verglichen werden mit Informationen von Referenz-Fingerabdrücken, die bereits in Datenbanken vorhanden sind, um die richtige Identifikation einer Person festzustellen, wie beispielsweise zu Zwecken der Verifikation.
Ein typischer elektronischer Fingerabdruck-Sensor basiert auf der Beleuchtung der Fingeroberfläche durch Einsatz von sichtbarem Licht, Infrarotlicht, oder Ultraschallstrahlung. Die reflektierte Energie wird zum Beispiel mit einer Art Kamera eingefangen, und das daraus sich ergebende Abbild wird gerahmt, digitalisiert und gespeichert als ein statisches Digitalbild. Die Spezifikation der US-Patentschrift Nr. 4,210,899 offenbart einen optischen Scanner eines Fingerabdruck-Lesegerätes, welcher mit einer Zentralprozessor-Station zusammen arbeitet, zu einer Zugangssicherheitsanwendung, wie beispielsweise der Zugangserlaubnis einer Person zu einem Ort oder das Breitstellen eines Zugriffs auf ein Computer-Terminal. Die Spezifikation der US-Patentschrift Nr. 4,525,859 offenbart eine Video-Kamera zur Aufnahme eines Fingerabdruck-Abbildes und nutzt die Einzelheiten eines Fingerabdruckes, das sind die Verzweigungen und Endungen der Fingerabdruck- Fingerhaut-Leisten, um einen Übereinstimmungsvergleich anzustellen mit einer Datenbank von Referenz-Fingerabdrücken.
Unglücklicher kann die optische Sensorik beeinträchtigt werden durch Andrücken verformte Finger oder ein optischer Sensor kann getäuscht werden durch Vorlage einer Fotografie oder eines gedruckten Abbildes eines Fingerabdrucks, anstatt eines wahren lebenden Fingerabdrucks.
Die Spezifikation der US-Patentschrift Nr. 4,353,056 offenbart einen anderen Ansatz zur sensorischen Aufnahme eines lebenden Fingerabdrucks. Im Speziellen offenbart diese Patentschrift eine Anordnung/Matrix von extrem kleinen Kapazitäten, die in einer Ebene parallel zur sensorischen Oberfläche der Vorrichtung angeordnet sind. Wenn ein Finger die sensorischen Oberfläche berührt und die Oberfläche deformiert kann eine Spannungsverteilung in einer seriellen Schaltungsverbindung von Kapazitäten sich ändern. Die Spannungen jeder der Kapazitäten ist durch eine Multiplex-Technik bestimmt.
Die Spezifikation der US-Patentschrift Nr. 5,325,442 offenbart einen Fingerabdruck- Sensor, beinhaltend eine Vielzahl von Sensorelektroden. Eine aktive Adressierung der Sensorelektroden wird ermöglicht einer Schaltvorrichtung, die verbunden ist mit jeder der Sensorelektroden. Eine Kapazität wird effektiv gebildet durch jede Elektrode in Kombination mit dem jeweiligen darüber liegenden Teil der Finger- Oberfläche, welche selbst wiederum auf Erdpotential liegt. Der Sensor kann hergestellt werden durch Einsatz eines Halbleiter-Wafers und der Technologie der Integrierten Schaltkreise. Das dielektrische Material, auf dem der Finger platziert wird, kann durch Silikon-Nitrid oder einem Polyimid bereit gestellt werden, welche als kontinuierliche Schicht geliefert werden kann über einer Anordnung/Matrix von Sensorelektroden.
Die Spezifikation der US-Patentschrift Nr. 4,811,414 offenbart Verfahren zur Rausch- Glättung, Beleuchtungs-Angleichung, gerichteten Filterung, Kurven-Anpassung und Maßstabs-Korrektur, für ein optisch erzeugtes Abbild eines Fingerbadrucks. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Fingerbadruck-Sensor bereit zu stellen, und darauf bezogene Verfahren, welche relativ kostengünstig und robust sind.
Gemäß eines Aspektes schließt die vorliegende Erfindung einen Fingerabdrucksensor ein, beinhaltend:
ein Substrat;
eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen, welche zum Substrat benachbart sind und aktive Schaltkreisteile definieren;
eine erste Metallschicht, welche vorbestimmte Bausteine der Vielzahl der Halbleiterbausteine untereinander verbindet;
eine erste dielektrische Schicht, welche zur ersten Metallschicht benachbart ist;
eine zweite Metallschicht, welche zur ersten dielektrischen Schicht benachbart ist und eine Grund-/Erdungs-Fläche definiert;
eine zweite dielektrische Schicht, welche zur zweiten Metallschicht benachbart ist;
eine dritte Metallschicht, welche zur zweiten dielektrischen Schicht benachbart ist und welche eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden für ein elektrisches Feld beinhaltet, welche mit aktiven Schaltungsteilen verbunden sind zur Erzeugung von Signalen, die auf einen abgetasteten Fingerabdruck bezogen sind;
ein Bausteinpaket, welches das Substrat umgibt;
eine erste Elektrode, welche durch das Bausteinpaket getragen wird, für den Kontakt mit einem Finger; und Antriebsmittel zur Erregung/Anregung, welche zwischen der Grund-/Erdungs-Fläche und der ersten externen Elektrode verbunden ist zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld-Sensorelektroden und benachbarten Fingerteilen.
Gemäß eines anderen Aspektes schließt die vorliegende Erfindung einen Fingerabdrucksensor ein, beinhaltend ein Substrat, eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen, welche zum Substrat benachbart sind und aktive Schaltkreisteile zur Erzeugung eines Ausgangssignals definieren, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket, um das Substrat zu umgeben, eine erste externe Elektrode, welche durch das Bausteinpaket für den Kontakt mit dem Finger getragen wird, und Energiesteuermittel zur Steuerung/Regelung des Betriebs aktiver Schaltungsteile, basierend auf der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode, und mindestens eine elektrisch leitende Schicht, beinhaltend eine Anordnung/Matrix von Feld- Sensorelektroden für ein elektrisches Feld, welche verbunden sind mit aktiven Schaltungsteilen, und Antriebsmittel zur Erregung/Anregung, welche mit der ersten externen Elektrode verbunden sind zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld-Sensorelektroden und benachbarten Fingerteilen.
Gemäß noch eines anderen Aspektes schließt die vorliegende Erfindung einen Fingerabdrucksensor ein, beinhaltend ein Substrat, eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen, welche zum Substrat benachbart sind und aktive Schaltkreisteile definieren zur Erzeugung eines Ausgangssignals, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket, um das Substrat zu umgeben, und Fingerladungsableitmittel zur Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger auf Grund eines Kontaktes damit, um die aktiven Schaltungsteile zu schützen, in welchem Fingerabdrucksensor das Fingerladungsableitmittel eine zweite externe Elektrode beinhaltet, welche durch das Bausteinpaket für den Kontakt mit dem Finger getragen wird, und einen Ladungsableitwiderstand, welcher zwischen der zweiten externen Elektrode und einer Erdung verbunden ist, und die zweite externe Elektrode eine elektrisch leitende bewegliche Hülle für das Bausteinpaket beinhaltet, mindestens eine elektrisch leitende Schicht, beinhaltend eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden für ein elektrisches Feld, welche mit den aktiven Schaltkreisteilen verbunden sind, und eine erste externe Elektrode, welche durch das Bausteinpaket getragen wird, und Antriebsmittel zur Erregung/Anregung, welche mit der ersten externen Elektrode verbunden ist, zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld-Sensorelektroden und benachbarten Fingerteilen.
Gemäß noch eines anderen Aspektes schließt die vorliegende Erfindung einen Fingerabdrucksensor ein, beinhaltend ein Substrat, eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen, welche zum Substrat benachbart sind und aktive Schaltkreisteile definieren zur Erzeugung eines Ausgangssignals, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket, um das Substrat zu umgeben, und Fingerladungsableitmittel zur Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger auf Grund eines Kontaktes damit, um die aktiven Schaltungsteile zu schützen, in welchem Fingerabdrucksensor das Fingerladungsableitmittel eine zweite externe Elektrode beinhaltet, welche durch das Bausteinpaket für den Kontakt mit dem Finger getragen wird, und einen Ladungsableitwiderstand, welcher zwischen der zweiten externen Elektrode und einer Erdung verbunden ist, und die zweite externe Elektrode eine elektrisch leitende bewegliche Hülle für das Bausteinpaket beinhaltet.
Gemäß noch eines anderen Aspektes schließt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Fingerabdrucksensors ein, beinhaltend die Schritte: Bilden einer Vielzahl von Halbleiterbausteinen benachbart zu einem Substrat und Definieren von aktiven Schaltkreisteilen;
Bilden einer ersten Metallschicht, welche vorbestimmte Bausteine der Vielzahl der Halbleiterbausteine untereinander verbindet;
Bilden einer ersten dielektrischen Schicht benachbart zur ersten Metallschicht; Bilden einer zweiten Metallschicht benachbart zur ersten dielektrischen Schicht und Definieren einer Grund-/Erdungs-Fläche;
Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht benachbart zur zweiten Metallschicht;
Bilden einer dritten Metallschicht, benachbart zur zweiten dielektrischen Schicht und welche eine Anordnung/Matrix von Sensorelektroden für ein elektrisches Feld beinhaltet, welche verbunden sind mit aktiven Schaltungsteilen zur Erzeugung von Signalen, die auf einen abgetasteten Fingerabdruck bezogen sind;
Bilden eines Bausteinpakets, welches das Substrat umgibt; und
Bilden von Mitteln zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld- Sensorelektroden und benachbarten Fingerteilen.
Gemäß noch eines anderen Aspektes schließt die vorliegende Erfindung ein Verfahren ein zur Steuerung/Regelung des Betriebs eines Fingerabdrucksensors eines Typs, welcher eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen beinhaltet, welche zum Substrat benachbart sind und aktive Schaltkreisteile definieren zur Erzeugung eines Ausgangssignals, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket, um das Substrat zu umgeben, mindestens eine elektrisch leitende Schicht beinhaltend eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden für ein elektrisches Feld, und eine erste externe Elektrode, welche durch das Bausteinpaket getragen wird, zum Kontakt durch einen Finger, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:
Erzeugen elektrischer Felder zwischen den Feld-Sensorelektroden und benachbarten Fingerteilen;
Speisen lediglich aktiver Schaltkreise mit Energie auf Grund der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode, um hierbei Energie einzusparen; und
Erden aktiver Schaltungsteile auf Grund keiner Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode, beinhaltend den Schritt der Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger auf Grund eines ersten Kontaktes des Fingers mit dem Fingerabdruck-Bausteinpaket und zuvor Umschalten von Erdung der aktiven Schaltungsteile auf Speisung mit Energie.
Gemäß noch eines anderen Aspektes schließt die vorliegende Erfindung ein Verfahren ein zur Erhöhung der Rauschunterdrückung in einem Fingerabdrucksensor eines Typs, der ein Substrat beinhaltet und mindestens eine elektrisch leitende Schicht, welche zu dem Substrat benachbart ist und beinhaltend Teile, welche eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden für ein elektrisches Feld definieren, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:
Bilden einer Abschirmelektrode für jede entsprechende Feld-Sensorelektrode;
Bilden eines Verstärkers, welcher zwischen jedem Paar von Feld-Sensorelektroden und den zugehörigen Abschirmelektroden verbunden ist;
Bilden eines Bausteinpaketes, welches das Substrat umgibt;
Erzeugen von elektrischen Feldern zwischen den Feld-Sensorelektroden und benachbarten Fingerteilen; und
Betreiben jedes Verstärkers mit einem Verstärkungsgrad von größer als 1, um hierbei die Rauschunterdrückung zu erhöhen.
Vorteilhafter Weise beinhaltet der Fingerabdrucksensor das Breitstellen von Energiesteuermitteln zur Steuerung/Regelung des Betriebs aktiver Schaltungsteile, basierend auf der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode. Die Energiesteuermittel können Aufwachmittel beinhalten zur Speisung lediglich aktiver Schaltungsteile mit Energie, auf Grund der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode, um hierbei Energie einzusparen. Alternativ dazu können die Energiesteuermittel weiterhin Schutzmittel zum Erden aktiver Schaltungsteile beinhalten, auf Grund keiner Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode.
Dazwischen liegende erste und zweite dielektrische Schichten können jeweils zwischen der ersten und zweiten, und der zweiten und dritten Metallschicht angeordnet sein. Eine dritte dielektrische Schicht kann ebenso benachbart zur dritten Metallschicht vorgesehen sein. Das Paket, welches das Substrat umgibt, kann eine Öffnung haben, die mit der Anordnung/Matrix der Sensorelektroden für ein elektrisches Feld fluchtet.
Zusätzlich dazu können die Fingerladungsableitmittel und die Energiesteuermittel so ausgeführt sein, dass die aktiven Teile geerdet bleiben, während das Fingerladungsableitmittel die Ladung von dem Finger abführen kann, bevor die aktiven Schaltungsteile gespeist werden. Demgemäss kann Energie eingespart werden in dem Sensor und dem ESD-Schutz (Electrostatic Discharge/Elektrostatische Entladung) geliefert durch den Sensor, so dass der Sensor relativ kostengünstig aber robust ist und Energie einspart:
Um eine zusätzliche Rauschunterdrückung bereit zu stellen, kann der Sensor Paare von Sensorelektroden für ein elektrisches Feld beinhalten und zugehörige Abschirmelektroden. Zusätzlich dazu kann ein Verstärker zwischen jedem Paar geschaltet werden weiterhin kann jeder Verstärker bei einem Verstärkungsfaktor betrieben werden von größer als 1 um hierdurch zusätzliche Rauschunterdrückung zu liefern.
Das Verfahren kann weiterhin beinhalten den Schritt des Ableitens einer Ladung von dem Finger durch den ersten Kontakt des Fingers mit dem Fingerabdruck-Paket und vor dem Schalten aus der Erdung der aktiven Schaltungsteile in den Betrieb dieser.
Die Erfindung wird nun beispielhaft beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Fingerabdrucksensors ist;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Schaltungsteiles des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 3 eine stark vergrößerte Draufsicht auf den Sensorteil des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines anderen Schaltungsteiles des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 5 eine stark vergrößerte Seitenansicht im Querschnitt eines Teils des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 6 eine stark vergrößerte Seitenansicht im Querschnitt eines Teils einer alternativen Ausführungsform des Fingerabdrucksensors ist;
Fig. 7 eine stark vergrößerte Seitenansicht im Querschnitt eines anderen Teils des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm eines noch anderen Schaltungsteils des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 9 ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines Teiles des Schaltkreises ist, wie in Fig. 8 gezeigt;
Fig. 10 ein schematisches Blockdiagramm wiederum eines anderen Schaltungsteils des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 11 ein schematisches Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform des Schaltungsteils ist, wie in Fig. 10 gezeigt;
Fig. 12 ein schematisches Blockdiagramm eines zusätzlichen Schaltungsteiles des Fingerabdrucksensors ist, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 13 ein schematisches Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform des Schaltungsteiles ist, wie in Fig. 12 gezeigt;
Fig. 1-3 zeigen einen Fingerabdrucksensor 30, welcher ein Gehäuse oder ein Bausteinpaket 51 beinhaltet, eine dielektrische Schicht 52, die an einer oberen Oberfläche des Bausteinpakets nach außen hin ausgesetzt ist, welche eine Auflagefläche für den Finger bildet, und eine Vielzahl von Ausgangs-Pins, die nicht gezeigt sind. Ein erster leitfähiger Streifen oder eine erste externe Elektrode 54 um die Peripherie der dielektrischen Schicht 52, und eine zweite externe Elektrode 53 liefern Kontaktelektroden für den Finger 79. Der Sensor 30 kann Ausgangssignale in einem hoch auflösendenden Bereich liefern, in Abhängigkeit des Niveaus der Verarbeitung.
Der Sensor 30 beinhaltet eine Vielzahl von individuellen Pixeln oder Sensorelementen 30a, die in einem Muster einer Matrix angeordnet sind, was vielleicht am besten in Fig. 3 zu sehen ist. Diese Abtastelemente sind relativ klein, so dass sie die Fähigkeit besitzen, die Fingerhaut-Leisten 59 und die dazwischen liegenden Fingerhaut-Täler 60 eines typischen Fingerabdruckes sensorisch abzutasten. Die Abtastsignale von lebenden Fingerabdrücken wie von dem Elektrischen-Feld-Sensor 30 können zuverlässiger sein als ein optisches sensorisches Abtasten, weil die Impedanz der Haut eines Fingers in einem Muster aus Fingerhaut-Leisten und Fingerhaut-Tälern extrem schwer zu simulieren ist. Im Gegensatz dazu kann ein optischer Sensor beispielsweise ohne weiteres durch eine Fotografie oder andere ähnliche Abbilder eines Fingerabdruckes getäuscht werden.
Der Sensor 30 beinhaltet ein Substrat 65 und ein oder mehrere Halbleitervorrichtungen, die darauf gebildet sind, wie beispielsweise den schematisch gezeigten Verstärker 73. Eine erste Metallschicht 66 verbindet die aktiven Halbleitervorrichtungen. Eine zweite oder Basis-Erdungs-Flächen-Elektrodenschicht 68 ist über der ersten Metallschicht 66 angeordnet und getrennt davon durch eine Isolierschicht 67. Ein dritte Metallschicht 71 ist über einer anderen dielektrischen Schicht 70 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste externe Elektrode 54 mit einem Erregungsantriebs-Verstärker 74 verbunden, welcher selbst den Finger 79 mit einem Signal beaufschlagt, von angenommen typisch im Bereich von ungefähr 1 KHz bis 1 MHz. Demgemäss sind die Antriebs- oder Erregungselektroniken damit relativ unkompliziert und die Gesamtkosten des Sensors 30 können relativ niedrig sein, währen die Zuverlässigkeit groß ist.
Eine zur Veranschaulichung kreisförmig geformte Sensorelektrode 78 für ein elektrisches Feld ist auf der Isolierschicht 70 angeordnet. Die Sensorelektrode 78 kann mit einer integrierten Abtastelektronik verbunden sein, wie beispielsweise dem Verstärker 73, der neben dem Substrat 65 gebildet ist, wie schematisch dargestellt ist.
Eine ringförmig geformte Abschirmelektrode 80 umgibt die Sensorelektrode 78, in beabstandetem Verhältnis davon. Wie leicht durch den Fachmann des Standes der Technik zu erkennen ist, können die Sensorelektrode 78 und ihre umgebende Abschirmelektrode 80 andere Formen haben, so zum Beispiel hexagonal, beispielsweise, um eine dicht gepackte Anordnung oder Matrix von Pixeln oder Abtastelementen 30a zu erleichtern. Die Abschirmelektrode 80 ist eine aktive Abschirmung, die durch einen Teil des Ausgangs des Verstärkers 74 betrieben wird, um zu helfen, die Energie des elektrischen Feldes zu fokussieren und weiterhin hierdurch die Erfordernis des Betreibens benachbarter Sensorelektroden 78 für das elektrische Feld zu reduzieren.
Der Sensor 30 beinhaltet nur drei Metallschichten oder elektrisch leitfähige Schichten 66, 68 und 71. Der Sensor 30 kann ohne die Erfordernis zusätzlicher Metallschichten gebildet werden, die ansonsten die Herstellungskosten erhöhen würden und vielleicht den Wirkungsgrad oder die Erfolgsrate erniedrigen würden. Demgemäss ist der Sensor 30 weniger kostenintensiv und kann robuster und zuverlässiger sein als ein Sensor, der vier oder mehr Metallschichten beinhaltet.
Der Verstärker 73 kann unter einer Verstärkung von größer als ungefähr eins betrieben werden, um die Abschirmelektroden 80 zu beaufschlagen.
Stabilitätsprobleme beeinträchtigen nicht nachteilig den Betrieb des Verstärkers 73. Weiterhin werden der Gleichtakt und die allgemeine Rauschunterdrückung stark erhöht gemäß dieses Merkmales der Erfindung. Zusätzlich dazu neigt die Verstärkung größer als 1 dazu, das elektrische Feld zu fokussieren im Bezug auf die Sensorelektrode 78, was leicht durch den Fachmann des Standes der Technik zu erkennen ist.
Die Sensorelemente 30a arbeiten bei sehr niedrigen Strömen und unter sehr hohen Impedanzen. Beispielsweise ist das Ausgangssignal jeder Sensorelektrode 78 wünschenswert bei 5 bis 10 Millivolt, um die Wirkung des Rauschens zu unterdrücken und um die weitere Verarbeitung des Signals zu erlauben. Der ungefähre Durchmesser jedes Sensorelementes 30a, wie definiert durch die äußeren Abmessungen der Abschirmelektrode 80, kann ungefähr 0,002 bis 0,005 Inch im Durchmesser sein. Die Basis-/Erdungs-Flächen-Elektrode 68 schützt die aktiven Elektronikvorrichtungen vor ungewollter Erregung. Die verschiedenartigen Signaldurchgangsleitungen für die Elektroden 78, 80 zu dem aktiven elektronischen Schaltkreis können leicht gebildet werden.
Die gesamte Kontakt- oder Abtastoberfläche für den Sensor 30 kann wünschenswert bei ungefähr 0,5 bis 0,5 Inch liegen - eine Größe, welche leicht hergestellt werden kann und immer noch eine genügend große Oberfläche bereitstellt zur genauen sensorischen Abtastung und Identifikation eines Fingerabdruckes. Der Sensor 30 gemäß der Erfindung ist ebenso ziemlich tolerant mit toten Pixeln oder Sensorelementen 30a. Ein typischer Sensor 30 beinhaltet eine Matrix von ungefähr 256 · 256 Pixeln oder Sensorelementen, obwohl andere Matrixgrößen ebenso durch die vorliegende Erfindung erwogen werden. Der Sensor 30 kann ebenso durch Einsatz primärer herkömmlicher Halbleiter-Herstellungstechniken auf einmal gleichzeitig hergestellt werden, um hierdurch signifikant die Herstellungskosten zu reduzieren.
Um nun zusätzlich zu Fig. 4 zu kommen, wo ein anderer Aspekt des Sensors 30 der Erfindung beschrieben ist. Der Sensor kann Energieregelmittel beinhalten, zur Regelung des Betriebs der aktiven Schaltungsteile 100 aufgrund der Abtastung eines Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode 54, wie bestimmt ist durch den dargestellten Fingersensor-Block oder -Schaltkreis 101. Zum Beispiel kann der Fingersensor-Schaltkreis 101 betrieben werden aufgrund einer Änderung in der Impedanz in einem Schwingkreis, um hierdurch den Fingerkontakt festzustellen. Natürlich werden andere Ansätze für den Abtastkontakt mit dem Finger ebenso durch die Erfindung in Erwägung gezogen. Die Energieregelmittel können Aufwachmittel beinhalten, um nur aktive Schaltungsteile zu betreiben, wenn Fingerkontakt mit einer ersten externen Elektrode herrscht, um hierdurch Energie einzusparen. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Energieregelmittel weiterhin Schutzmittel beinhalten zur Erdung aktiver Schaltungsteile, wenn kein Fingerkontakt mit der ersten externen Elektrode herrscht. In der dargestellten Ausführungsform ist eine Kombination eines Aufwach- und Schutz-Regelschaltkreises 101 dargestellt.
Der Fingerabdrucksensor beinhaltet weiterhin Fingerladungsableitmittel zum Ableiten einer Ladung von einem Finger oder anderen Objekten aufgrund eines Kontaktes damit. Die Fingerladungsableitmittel können durch die zweite externe Elektrode 53 bereit gestellt werden, getragen durch das Bausteinpaket 51 zum Kontakt durch einen Finger und durch einen Ladungsableitwiderstand 104, verbunden zwischen der zweiten externen Elektrode und einer Erdung. Wie schematisch im oberen rechten Teil von Fig. 4 gezeigt ist, kann die zweite Elektrode alternativ durch eine bewegbare elektrisch leitfähige Abdeckung 53' bereitgestellt werden, die gleitend bewegbar mit dem Bausteinpaket 51 verbunden ist, zur Abdeckung der Öffnung der nach außen ausgesetzten oberen dielektrischen Schicht 52.
Eine drehbare verbundene Abdeckung wird ebenso durch die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen. Demgemäss würde unter normalen Bedingungen die Ladung von dem Finger abgezogen werden, wenn die Abdeckung 53' bewegt wird, um den Abtastteil des Sensors 30 frei zu legen.
Die Fingerladungsableitmittel und die Energieregelmittel sind so ausgeführt, dass die aktiven Teile geerdet bleiben bis die Ladungsableitmittel die Ladung von dem Finger ableiten können, bevor die aktiven Schaltungsteile mit Energie beaufschlagt werden, so beispielsweise durch Vorsehen einer kurzen Verzögerungszeit während des Aufwachens, die genügend ist, um der Ladung zu erlauben über den Widerstand 104 abgeleitet zu werden, wie leicht durch den Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann. Demgemäss kann Energie in dem Sensor 30 eingespart werden und ein ESD-Schutz durch den Sensor geliefert werden, so dass der Sensor relativ kostengünstig ist, immer noch aber robust und Energie einspart.
Bezug nehmend nun zusätzlich auf Fig. 5 ist noch ein anderes signifikantes Merkmal des Sensors 30 beschrieben. Die dielektrische Beschichtung 52 kann bevorzugt eine dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse beinhalten, zur Fokussierung eines elektrischen Feldes, welches durch die dargestellten Feldlinien gezeigt ist, bei jeder der Sensorelektroden 78 für das elektrische Feld. Mit anderen Worten kann die dielektrische Schicht relativ dick ausgebildet sein, was aber nicht in einer Streuung der hindurchtretenden elektrischen Felder resultiert, aufgrund der anisotropen Z- Achse des Materials. Typischer Weise würde eine Abwägung zwischen der Feldfokussierung und dem mechanischen Schutz durchgeführt werden.
Unglücklicherweise kann ein dünner Film, der für die Fokussierung wünschenswert ist, dem darunterliegenden Schaltkreis erlauben, leichter beschädigt zu werden. Die dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse, der vorliegenden Erfindung, kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,0001 bis 0,004 Inch haben. Natürlich ist die dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse ebenso bevorzugt chemisch resistent und mechanisch stark genug um den Kontakt mit Fingern zu widerstehen und um eine periodische Reinigung mit Reinigungsmitteln zu erlauben. Die dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse kann bevorzugt eine äußerste Schutzoberfläche für das integrierte Schaltkreis-Gussstück 120 definieren.
Demgemäss kann die gesamte dielektrische Beschichtung 52 weiterhin beinhalten mindesten eine relativ dünne Oxid-, Nitrit-, Carbid-, oder Diamantschicht 111 auf dem integrierten Schaltkreis-Gussstück 120 und unterhalb der dielektrischen Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse. Die dünne Schicht 111 wird typischer Weise relativ hart sein und die dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse ist wünschenswerter Weise weicher um hierbei mehr mechanische Aktivitäten aufzufangen.
Die dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse kann durch eine Vielzahl von orientierten dielektrischen Partikeln in einer ausgehärteten Matrix ausgeführt sein. Beispielsweise kann die dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse Bariumtitanat in einer Polyamid-Matrix beinhalten. Zum Beispiel liefern bestimmte Keramiken eine dielektrische Anisotropie.
Bezug nehmend nun auf Fig. 6, ist schematisch eine andere Variation einer dielektrischen Z-Achsen-Beschichtung 52' gezeigt durch eine Vielzahl von hochdielektrischen Teilen 112, fluchtend mit damit zusammen arbeiteten Sensorelektroden 78 für das elektrische Feld, und eine umgebende Matrix von niedrigdielektrischen Teilen 113. Diese Ausführungsform der dielektrischen Beschichtung 52' kann in einer Anzahl von Wegen hergestellt sein, so beispielsweise durch Bilden einer Schicht von entweder hochdielektrischen oder niedrigdielektrischen Teilen, selektives Ätzen dieser Teile und Füllen der Öffnungen mit dem Gegenmaterial. Ein anderer Ansatz kann sein, dass polarisierbare Mikrokapseln eingesetzt werden und diese einem elektrischen Feld während der Aushärtung des Matrix-Materials unterworfen werden. Ein Material kann zusammen gedrückt werden, um die Z-Achsenanisotropie zu verursachen. Laser und andere selektive Prozesstechniken können ebenso eingesetzt werden, wie leicht durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann. Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Fähigkeit, die vollständige obere Oberfläche des integrierten Schaltkreis-Gussstücks 120 zu überziehen und zu schützen und immer noch die Verbindung und Kommunikation mit externen Vorrichtungen und Schaltkreisen zu erlauben, wie nun weiterhin unter Bezugnahme zu Fig. 7 erklärt werden wird.
Die dritte Metallschicht 71 (Fig. 2) beinhaltet bevorzugt weiterhin eine Vielzahl von kapazitiven Kupplungspolstern 116a bis 118a, um eine kapazitive Kopplung des integrierten Schaltkreisgussstücks 120 zu ermöglichen. Demgemäss ist die dielektrische Beschichtung 52 bevorzugt kontinuierlich über den kapazitiven Kopplungspolster 116a bis 118a ausgeführt und der Matrix der Sensorelektroden 78 für das elektrische Feld der Pixel 30a (Fig. 1). In scharfem Kontrast zu diesem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es üblich, (Öffnungen durch eine äußere Beschichtung herzustellen, um die verbundenen Polster elektrisch zu verbinden. Unglücklicher Weise würden diese Öffnungen Durchgänge für Wasser und/oder andere Kontaminationen bilden und somit in Kontakt mit dem Gussstück kommen und diesen beschädigen.
Ein Teil des Bausteinpaketes 51 beinhaltet eine gedruckte Schaltkreisleiterplatte 122, welche entsprechende Polster 115b-118b trägt. Ein Energiemodulationsschaltkreis 124 ist mit den Polstern 115b-116b verbunden, während ein Signalmodulationsschaltkreis 126 zur Veranschaulichung mit den Polstern 117b - 118b gekoppelt ist. Wie leicht durch ein Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann, kann sowohl die Energie wie auch die Signale einfach zwischen der gedruckten Schaltkreisleiterplatte 122 und dem integrierten Schaltkreisgussstück 120 gekoppelt werden, und weiterhin den dargestellten Energiedemodulations- /Regelschaltkreis 127 und den Signaldemodulationsschaltkreis 128 einsetzen.
Die dielektrische Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse reduziert ebenso vorteilhafter Weise eine Querstörung zwischen den benachbarten kapazitiven Kopplungspolstern. Diese Ausführungsform der Erfindung 30 stellt für Feuchtigkeit keine Durchgänge durch die dielektrische Beschichtung 52 dar, um einzudringen und das integrierte Schaltkreis-Gussstück 120 zu zerstören. Zusätzlich dazu ist zwischen dem integrierten Schaltkreis und der externen Umgebung ein anderes Isolationsniveau vorgesehen.
Bei dem dargestellten Fingerabdrucksensor 30 besitzt das Bausteinpaket 51 bevorzugt eine Öffnung, welche mit der Matrix der Sensorelektroden 78 für das elektrische Feld fluchtet (Fig. 1-3). Die kapazitive Kopplung und die Schicht 110 mit anisotroper Z-Achse kann bevorzugt in einer Anzahl von Anwendungen zusätzlich zu dem dargestellten Fingerabdrucksensor 30 eingesetzt werden, und im Speziellen, wo es gewünscht wird, mit einem kontinuierlichen Film, der die obere Oberfläche des integrierten Schaltkreisgussstücks 120 und die Polster 116a-118a bedeckt.
Bezugnehmend nun zusätzlich auf die Fig. 8 und 9 werden nun Impedanz-Matrix- Filteraspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in Fig. 8 gezeigt ist kann der Fingerabdrucksensor 30 angesehen werden als ob er eine Matrix von Fingerabdrucksensorelementen 130 beinhaltet und zugehörige aktive Schaltkreise 131 zur Zeugung von Signalen, die auf das Fingerabdruckabbild bezogen sind. Der dargestellte Sensor 30 beinhaltet ebenso eine Impedanz-Matrix 135, die mit den aktiven Schaltkreisen verbunden ist zur Filterung der davon stammenden Signale.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, beinhaltet die Impedanz-Matrix 135 eine Vielzahl von Impedanz-Elementen 136 mit einem jeweiligen Impedanz-Element, das zwischen jedem aktiven Schaltkreis des jeweiligen Fingerabdrucksensorelementes, wie durch den Zentralknoten 138 angedeutet ist, und den anderen aktiven Schaltkreisen (äußeren Knoten 140) geschaltet werden kann. Die Impedanz-Matrix 135 beinhaltet ebenso eine Vielzahl von Schaltern 137 mit einem jeweiligen Schalter, der in Serie verbunden ist mit dem Impedanz-Element 136. Ein Eingangssignal kann dem zentralen Knoten 138 über den dargestellten Schalter 142 und seinem zugehörigen Impedanz-Element 143 zugeführt werden. Das Impedanz-Element kann einen oder mehrere Widerstände haben und eine Kapazität 134, wie dargestellt.
Filterkontrollmittel können die Schalter 137 betreiben, um die Verarbeitung der Signale durchzuführen, die durch die aktiven Schaltkreise 131 erzeugt werden. In einer Ausführungsform können die Fingerabdrucksensorelemente 130 Sensorelektroden 78 für ein elektrisches Feld sein, und die aktiven Schaltkreise 131 können Verstärker 73 (Fig. 2) sein. Natürlich können andere Sensorelemente und aktive Schaltkreise ebenso von der Impedanz-Matrix-Filterung der vorliegenden Erfindung profitieren, wie leicht durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann.
Ein Bestimmungsmittel 145 des Verlaufs der Fingerhaut-Leisten kann zur selektiven Betreibung der Schalter 137 der Matrix 135 vorgesehen sein, um die Richtungen der Verläufe der Fingerhaut-Leisten des Fingerabdruckabbildes zu bestimmen. Etwas spezieller kann das Bestimmungsmittel 145 für den Fingerhaut-Leisten-Verlauf selektiv die Schalter 137 betreiben zur Bestimmung der Signalstärkevektoren, die auf die Richtungen des Fingerhaut-Leisten-Verlaufs des Fingerabdruckabbildes bezogen sind.
Die Verlaufsrichtungen der Fingerhaut-Leisten können durch hinlänglich bekannte Prinzipien von drehenden Schlitzen bestimmt werden.
Der Sensor 30 kann ein Bestimmungsmittel 146 zur Bestimmung des Kernortes beinhalten, das mit dem Bestimmungsmittel 145 zur Bestimmung des Fingerhaut- Leisten-Verlaufes zusammen arbeitet, zur Bestimmung eines Kernortes eines Fingerabdruckabbildes. Die Position des Kerns ist hilfreich zum Beispiel, beim Extrahieren und Verarbeiten von Einzelheiten aus dem Fingerabdruckabbild, was leicht durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann.
Wie ebenso schematisch in Fig. 8 dargestellt ist, kann ein Binärfilter 150 vorgesehen sein, um selektiv die Schalter 137 zu betreiben, um ein grau-skaliertes Fingerabdruckabbild in ein binäres Fingerabdruckabbild zu wandeln. Auf andere Weise betrachtet, kann die Impedanz-Matrix 135 eingesetzt werden um dynamische Abbildkontrastverstärkungen zu bilden. Zusätzlich dazu kann ein Randglättungsfilter 155 einfach implementiert werden, um das Abbild zu verbessern. Wie ebenfalls schematisch dargestellt ist, können andere Raumfilter 152 ebenso implementiert werden, die die Impedanz-Matrix benutzen zur selektiven Betreibung der Schalter 137, um räumlich das Fingerabbild zu filtern, wie leicht durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann. Demgemäss kann die Verarbeitung des Fingerabdruckabbildes beim Sensor 30 ausgeführt werden und hierbei zusätzliche abwärts des Datenstroms befindliche Anforderungen der Berechnung reduzieren.
Fig. 9 stellt die Impedanz-Matrix 135 dar, die eine Vielzahl von Impedanz-Elementen beinhalten kann, mit einem jeweiligen Impedanz-Element 136, welches zwischen jedem aktiven Schaltkreis eines vorgegebenen Fingerabdrucksensorelements 130 und acht anderen aktiven Schaltkreisen der jeweiligen benachbarten Fingerabdrucksensorelemente geschaltet werden kann.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist das Regelmittel 153 zur sequentiellen Ansteuerung eines Satzes von aktiven Schaltkreisen 131, um hierbei Energie einzusparen. Die jeweiligen Impedanz-Elemente 136 sind wünschenswerter Weise ebenso sequentiell verbunden, um die Filterfunktion durchzuführen. Die betriebenen aktiven Schaltkreise 131 können angesehen werden, als ob sie eine Wolke oder einen Kern definieren, wie leicht durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann. Die Energieregelmittel 153 können auf eine sich anpassende Art und Weise betrieben werden, wobei die Größe des Bereiches, die zur Filterung eingesetzt wird, dynamisch verändert wird für bevorzugte Abbild-Eigenschaften, wie leicht durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann. Zusätzlich dazu können die Energieregelmittel 153 ebenso nur bestimmte der aktiven Schaltkreise betreiben, die mit einem vorgegebenen Bereich der Matrix der Sensorelemente 130 korrespondieren. Beispielsweise könnte jeder andere aktive Schaltkreis 131 betrieben werden, um hierbei einen größeren Bereich zu liefern, aber mit reduziertem Energieverbrauch.
Ein Lese-Regelmittel 154 kann ebenso bereitgestellt werden, um nur vorgegebene Teilmengen jedes Satzes der aktiven Schaltkreise 131 zu lesen, so dass ein Beitrag der benachbarten aktiven Schaltkreise zur Filterung genutzt wird. Mit anderen Worten wird nur eine Teilmenge aktiver Schaltkreise 131 typischer Weise gleichzeitig ausgelesen, obwohl benachbarte aktive Schaltkreise 131 und damit verbundene Impedanz-Elemente 136 ebenso betrieben werden und entsprechend verbunden sind. Beispielsweise könnten 16 Impedanz-Elemente 136 eine Teilmenge definieren und einfach gleichzeitig ausgelesen werden. Die Teilmengengröße könnte optimiert werden zur Bestimmung von verschiedenartig großen Merkmalen.
Demgemäss kann die Matrix des Sensorelementes 130 schnell ausgelesen werden und der Energieverbrauch wesentlich gesenkt werden, da nicht alle der aktiven Schaltkreise 131 betrieben werden müssen, um einen vorgegebenen Satz aktiver Schaltkreise auszulesen. Für einen typischen Sensor kann die Kombination der Energieregelung und Impedanz-Matrix Merkmale wie hierin beschrieben Energieeinsparungen ermöglichen, durch einen Faktor von ungefähr 10, im Vergleich zur Energieversorgung der vollen Matrix.
Der Fingerabdrucksensor 30 ist gegen Betrug oder Täuschung des Sensors zu schützen durch nicht-korrekte Behandlung eines simulierten Abbildes im Vergleich zu einem lebenden Fingerabdruckabbild. Beispielsweise können optische Sensoren getäuscht oder betrogen werden durch Einsatz eines Papiers mit einem Fingerabdruckabbild darauf. Die einzigartige Sensorik des fingerabdrucksensors 30 für ein elektrisches Feld der vorliegenden Erfindung liefert einen wirksamen Ansatz um einen Betrug zu vermeiden, der auf der komplexen Impedanz eines Fingers basiert.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist kann der Fingerabdrucksensor 30 angesehen werden als ob er eine Matrix von die Impedanz abtastenden Elemente 160 beinhaltet, zur Erzeugung von Signalen, die einem Finger 79 oder einem anderen Objekt, das benachbart hierzu positioniert ist, bezogen ist. In der Ausführungsform, die hierin beschrieben ist, sind die die Impedanz abtastenden Elemente 130 durch Sensorelektroden 78 für das elektrische Feld bestückt und durch Verstärker 73 (Fig. 2), die damit verbunden sind. Zusätzlich dazu kann ein Führungsschild 80 jeder Sensorelektrode für ein elektrisches Feld zugeordnet werden und mit einem jeweiligem Verstärker 73 verbunden werden. Ein Betrugs-Reduzierungs-Mittel 161 ist vorgesehen um zu bestimmen, ob oder nicht eine Impedanz eines Objektes, welches benachbart zu der Matrix des Impedanz-Sensorelementes 160 angeordnet ist, mit einem lebenden Finger 79 übereinstimmt, um hierbei einen Betrug eines Fingerabdrucksensors zu reduzieren durch ein anderes Objekt als ein lebender Finger. Ein Betrug kann angezeigt werden, wie beispielweise durch die schematisch dargestellte Lampe 163 und/oder dazu genutzt werden, eine weitere Bearbeitung zu blockieren. Alternativ dazu kann eine Bestimmung eines lebenden Fingerabdrucks ebenso durch eine Lampe 164 angezeigt werden und/oder dazu genutzt werden, um eine Weiterverarbeitung des Fingerabdruckabbildes zu ermöglichen, wie einfach durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann. Viele andere Optionen zur Anzeige eines lebenden Fingerabdruckes oder einen Versuch eines Betruges werden einfach durch den Fachmann des Standes der Technik erwogen werden können.
In einer Ausführungsform kann das Betrugs-Reduzierungs-Mittel 161 ein Impedanz- Bestimmungs-Mittel 165 beinhalten, um eine komplexe Impedanz zu bestimmen, die einen Phasenwinkel im Bereich von 10 bis 60 Grad, korrespondierend zu einem lebenden Finger 79, besitzt. Alternativ dazu kann das Betrugs-Reduzierungs-Mittel 161 eine Impedanz ermitteln, welche einen Phasenwinkel von ungefähr 0 Grad besitzt, korrespondierend zu einigen Objekten, die andere als lebende Finger sind, so beispielsweise ein Blatt Papier, dass zum Beispiel ein Abbild darauf hat. Zusätzlich dazu kann das Betrugs-Reduzierungs-Mittel 161 eine Impedanz von 90 Grad ermitteln, korrespondierend zu anderen Objekten.
Um nun auf die Fig. 11 zu kommen, wo eine andere Ausführungsform eines Betrugs- Reduzierungs-Mittels erläutert wird. Der Fingerabdrucksensor 30 kann bevorzugt Antriebsmittel besitzen, zum Betrieb der Matrix der Impedanz-Sensorelemente 160, wie beispielsweise der dargestellte Erregungsverstärker 74 (Fig. 2). Der Sensor beinhaltet ebenso Synchrondemodulatormittel 170 zur synchronen Demodulation von Signalen aus der Matrix der Impedanz-Sensorelemente 160. Demgemäss beinhaltet das Betrugs-Reduzierungs-Mittel, in einer bestimmten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, ein Mittel zum Betrieb der Synchrondemodulatormittel 170 unter mindestens einem vorgegebenen Phasendrehwinkel. Beispielsweise könnte das Synchrondemodulatormittel 170 im Bereich von ungefähr 10 bis 60 Grad betrieben werden und die Amplitude, verglichen mit einem vorgegebenen Schwellenwert, zeigt einen lebenden Fingerabdruck an. Ein lebender Fingerabdruck hat typischer Weise komplexe Impedanzen innerhalb eines Bereichs von 10 bis 60 Grad.
Alternativ dazu kann ein Verhältnis erzeugendes und vergleichendes Mittel 172 vorgesehen sein, zur Zusammenwirkung mit dem Synchrondemodulatormittel 170, zur synchronen Demodulation der Signale unter ersten und zweiten Phasenwinkeln θ&sub1;, θ&sub2;, wobei hierdurch ein Amplitudenverhältnis davon erzeugt wird und dieses Amplitudenverhältnis vergleichen wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert, um zu bestimmen, ob das Objekt ein lebender Fingerabdruck ist, oder ein anderes Objekt ist. Demgemäss kann der Synchrondemodulator 170 einfach dazu genutzt werden, um die Impedanz-Information zu erzeugen, welche gewünscht wird zur Reduzierung eines Betruges des Sensors 30 durch ein anderes Objekt als lebende Finger. Der erste Winkel θ&sub1; und der zweite θ&sub2; können beispielsweise eine Differenz im Bereich von ungefähr 45 bis 90 Grad haben. Andere Winkel werden ebenfalls durch die Erfindung in Erwägung gezogen, wie einfach durch den Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann.
Der Fingerabdrucksensor 30 beinhaltet ebenso eine automatische Verstärkungsregelungsfunktion, um einer Differenz in der Intensität des Abbildsignals, welches durch verschiedene Finger oder unter verschiedenen Bedingungen erzeugt wird, Rechnung zu tragen, und ebenfalls Unterschieden im Sensor, die durch Prozessvariationen verursacht, sind Rechnung zu tragen. Es ist wichtig zur exakten Erstellung eines Fingerabdruckabbildes, dass der Sensor zwischen den Fingerhaut-Leisten und den Fingerhaut-Tälern eines Fingerabdruckes unterscheiden kann. Demgemäss beinhaltet der Sensor 30 eine Verstärkungsregelfunktion, welche in einer ersten Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 12 verstanden werden kann.
Wie in Fig. 12 gezeigt ist, beinhaltet der dargestellte Teil des Fingerabdrucksensors 30 eine Matrix von Fingerabdrucksensorelementen in Form von Sensorelektroden 78 für das elektrische Feld und umgebende Abschirmelektroden 80, die mit den Verstärkern 73 verbunden sind. Andere Fingerabdrucksensorelemente können ebenso von dem nachfolgenden automatischen Verstärkungsregelungs- Implementationen profitieren, wie einfach durch den Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann.
Der Aufbau der Signalverarbeitungsschaltkreise des Sensors 30 beinhaltet eine Vielzahl von analog-zu-digital (A/D) Wandlern 180, wie dargestellt. Weiterhin kann jeder dieser A/D-Wandler 180 eine regelbare Skala aufweisen. Scannmittel 182 verbindet sequentiell verschiedene Elemente zu der Gruppe von A/D-Wandlern 180. Der dargestellte Verstärkungsprozessor 185 liefert ein Mittel zur Bestimmung und Festsetzung des Bereiches zur Regelung des Bereiches der A/D-Wandler 180, basierend auf vorhergehenden A/D-Wandlungen, um hierbei eine verstärkte Wandlungsauflösung zu erreichen. Die A/D-Wandler 180 können den dargestellten Referenzspannungseingang Vref beinhalten und den Offset-(Verschiebungs-) Spannungseingängen Voffset um das Vorgeben des Bereiches zu ermöglichen, wie einfach durch den Fachmann des Standes der Technik erkannt wird. Demgemäss kann das Mittel zur Bestimmung und Festsetzung ebenso einen ersten digital-zu- analog (DIA) Wandler 186 beinhalten, welcher zwischen dem Verstärkungsprozessor 185 und den Referenzspannungs-Eingängen Vref des A/D-Wandlers 180 verbunden ist, wie einfach durch den Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann. Zusätzlich dazu ist ebenfalls ein zweiter D/A-Wandler 189 verbunden mit den Offset- Spannungseingängen Voffset des Spannungsprozessors 185.
Der Spannungsprozessor 185 kann ein Histogrammerzeugungs-Mittel zur Erzeugung eines Histogrammes beinhalten, wie oben beschrieben, und basierend auf vorhergehenden A/D-Wandlungen. Der Graph benachbart zum Verstärkungsprozessor 185 in Fig. 12 stellt ein typisches Histogramm-Diagramm 191 dar. Das Historgramm-Diagramm 191 beinhaltet zwei Spitzen, die mit den aufgenommenen Fingerhaut-Leisten und Fingerhaut-Tälern des Fingerabdruckes korrespondieren. Durch Vorgeben des Bereiches für den A/D-Wandler 180 können die Spitzen wie gewünscht einfach positioniert werden, um hierbei den Variationen Rechnung zu tragen, die oben diskutiert wurden, und das Ausnutzen der vollen Auflösung der A/D-Wandler 180.
Um nun zusätzlich auf Fig. 13 zu kommen, können die A/D-Wandler 180 einen zugehörigen Eingangsverstärker beinhalten, zur Ermöglichung des Vorgebens des Bereiches. In dieser Variation kann das Mittel zum Bestimmen und Vorgeben des Bereiches ebenfalls den dargestellten Verstärkungsprozessor 185 beinhalten und worin der Verstärker einprogrammierbare Verstärker (PGA) 187 ist, der mit dem Prozessor verbunden ist. Ein digitaler Wortausgang zwischen dem Verstärkungsprozessor 185 setzt die Verstärkung des PGA 187 so, dass voll Gebrauch gemacht werden kann von der Auflösung des A/D-Wandlers 180, zur besten Exaktheit. Ein zweiter digitaler Wortausgang aus dem Verstärkungsprozessor 185 und gekoppelt mit dem Verstärker 187 über den dargestellten D/A-Wandler 192 kann ebenso den Offset des Verstärkers regeln, wie leicht durch einen Fachmann des Standes der Technik erkannt werden kann.
Das Mittel zum Bestimmen und Vorgeben des Bereiches des Verstärkungsprozessors 185 kann Fehlersetzmittel beinhalten zum Vorgeben eines Fehlerbereiches für erste der Fingerabdrucksensorelemente. Die automatische Verstärkungsregelungsfunktion der vorliegenden Erfindung erlaubt den A/D und D/A- Wandlern 1801186 über ihren vollen Auflösungsbereich betrieben zu werden, um hierdurch die Exaktheit der Signalverarbeitung der Abbildung zu erhöhen. Ein Fingerabdrucksensor beinhaltet eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen, die benachbart zu einem Substrat sind, welches nur drei Metallschichten hat. Der Sensor beinhaltet eine erste Metallschicht, die vordefinierte Halbleitervorrichtungen der Vielzahl der Halbleitervorrichtungen untereinander verbindet; eine zweite Metallschicht definiert eine Basis-/Erdungs-Ebene; und eine dritte Metallschicht beinhaltet eine Matrix von Sensorelektroden für ein elektrisches Feld, verbunden mit aktiven Schaltungsteilen zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches auf einen abgetasteten Fingerabdruck bezogen ist. Der Fingerabdrucksensor beinhaltet ebenso ein Bausteinpaket, welches das Substrat umgibt und eine Öffnung hat, welche mit den Sensorelektroden fluchtet. Eine erste externe Elektrode kann durch das Bausteinpaket getragen werden zum Kontakt durch einen Finger. Der Sensor beinhaltet ebenso einen Erregungsantriebsschaltkreis, welcher zwischen der Basis- Erdungs-Ebene und der ersten externen Elektrode geschaltet ist, zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Sensorelektroden für das elektrische Feld und benachbarten Fingerteilen. Ein Energieregelschaltkreis ist vorgesehen zur Regelung des Betriebs aktiver Schaltungsteile, basierend auf der sensorischen Abtastung eines Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode, so dass die aktiven Schaltungsteile betrieben werden aufgrund des Abtastens eines Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode und ansonsten geerdet sind. Eine zweite externe Elektrode kann mit einem Ableitwiderstand verbunden sein, um Ladung aus dem Finger vor dem Umschalten aus dem geerdeten Zustand in den Betriebszustand abzuleiten. Ein Verstärker, der zwischen jeder Sensorelektrode für das elektrische Feld und der zugehörigen Abschirmelektrode geschaltet ist, kann bei einer Verstärkung von größer als 1 zur zusätzlichen Rauschunterdrückung betrieben werden.

Claims

1. Ein Fingerabdrucksensor (30), beinhaltend:

ein Substrat (65);

eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen (73), welche zum Substrat benachbart sind und aktive Schaltkreisteile definieren;

eine erste Metallschicht (66), welche vorbestimmte Bausteine der Vielzahl der Halbleiterbausteine (73) untereinander verbindet;

eine erste dielektrische Schicht (67), welche zur ersten Metallschicht (66) benachbart ist;

eine zweite Metallschicht (68), welche zur ersten dielektrischen Schicht (67) benachbart ist und eine Grundfläche definiert;

eine zweite dielektrische Schicht (70), welche zur zweiten Metallschicht (68) benachbart ist;

eine dritte Metallschicht (71), welche zur zweiten dielektrischen Schicht (70) benachbart ist und welche eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden (78) für ein elektrisches Feld beinhaltet, welche mit aktiven Schaltungsteilen verbunden sind zur Erzeugung von Signalen, die auf einen abgetasteten Fingerabdruck bezogen sind;

ein Bausteinpaket (51), welches das Substrat (65) umgibt;

eine erste Elektrode (54), welche durch das Bausteinpaket (51) getragen wird, für den Kontakt mit einem Finger; und Antriebsmittel zur Erregung/Anregung, welche zwischen der Grundfläche und der ersten externen Elektrode (54) verbunden ist zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld-Sensorelektroden (78) und benachbarten Fingerteilen.

2. Ein Fingerabdrucksensor (30) wie in Anspruch 1 beansprucht, beinhaltend eine dritte dielektrische Schicht (52), welche zu der dritten Metallschicht (71) benachbart ist und das Bausteinpaket (51) eine Öffnung hat, die mit der Anordnung/Matrix der Feld-Sensorelektroden fluchtet.

3. Ein Fingerabdrucksensor (30) wie in einem der Ansprüche 1 oder 2 beansprucht, beinhaltend Energiesteuermittel (153) zur Steuerung/Regelung des Betriebs aktiver Schaltungsteile (100), basierend auf der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54), wobei die Energiesteuermittel Aufwachmittel (102) zur Speisung lediglich aktiver Schaltungsteile (100) mit Energie beinhalten, auf Grund der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54), um hierbei Energie einzusparen, wobei die Energiesteuermittel weiterhin Schutzmittel zum Erden aktiver Schaltungsteile (100) beinhalten, auf Grund keiner Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54).

4. Ein Fingerabdrucksensor (30) wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, beinhaltend Fingerladungsableitmittel zur Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger (79), auf Grund eines Kontaktes damit, in welchem Fingerabdrucksensor das Fingerladungsableitmittel eine zweite externe Elektrode (53, 53') beinhaltet, welche durch das Bausteinpaket (51) für den Kontakt mit dem Finger getragen wird, und einen Ladungsableitwiderstand (104) beinhaltet, welcher zwischen der zweiten externen Elektrode (53, 53') und einer Erdung verbunden ist.

5. Ein Fingerabdrucksensor (30) wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, beinhaltend eine Abschirmelektrode (80), welche zu jeder der Feld-Sensorelektroden (78) benachbart ist, und beinhaltend einen Verstärker (73), mit einem Eingang, der mit jedem der Feld-Sensorelektroden (78) verbunden ist, und mit einem Ausgang, der mit jeder der entsprechenden Abschirmelektroden (80) verbunden ist, wobei der Verstärker (73) einen Verstärkungsgrad von größer als 1 besitzt, um hierbei die Rauschunterdrückung zu erhöhen.

6. Ein Fingerabdrucksensor (30) beinhaltend ein Substrat (65), eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen (73), welche zum Substrat (65) benachbart sind und aktive Schaltkreisteile zur Erzeugung eines Ausgangssignals definieren, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket (51), um das Substrat (65) zu umgeben, eine erste externe Elektrode (54), welche durch das Bausteinpaket (51) für den Kontakt mit dem Finger (79) getragen wird, und Energiesteuermittel zur Steuerung/Regelung des Betriebs aktiver Schaltungsteile (100), basierend auf der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54), und mindestens eine elektrisch leitende Schicht, beinhaltend eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden (78) für ein elektrisches Feld, welche verbunden sind mit aktiven Schaltungsteilen, und Antriebsmittel zur Erregung/Anregung (74), welche mit der ersten externen Elektrode (54) verbunden sind zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld-Sensorelektroden (78) und benachbarten Fingerteilen.

7. Ein Fingerabdrucksensor (30) wie in Anspruch 6 beansprucht, worin die Energiesteuermittel Aufwachmittel (102) zur Speisung lediglich aktiver Schaltungsteile (100) mit Energie beinhalten, auf Grund der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54), um hierbei Energie einzusparen, in welchem Fingerabdrucksensor die Energiesteuermittel weiterhin Schutzmittel beinhalten zum Erden aktiver Schaltungsteile (100), auf Grund keiner Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54).

8. Ein Fingerabdrucksensor (30) wie in einem der Ansprüche 6 oder 7 beansprucht, beinhaltend Fingerladungsableitmittel zur Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger (79) auf Grund eines Kontaktes damit, und worin die Fingerladungsableitmittel und die Schutzmittel zusammenwirken, so dass die aktiven Schaltkreisteile geerdet bleiben, bis das Ableitmittel die Ladung des Fingers (79) ableitet, in welchem Fingerabdrucksensor das Fingerladungsableitmittel eine zweite externe Elektrode (53, 53') beinhaltet, welche durch das Bausteinpaket (51) für den Kontakt mit dem Finger getragen wird, einen Ladungsableitwiderstand (104), welcher zwischen der zweiten externen Elektrode (53, 53') und einer Erdung verbunden ist, und bevorzugt die zweite externe Elektrode (53, 53') eine elektrisch leitende bewegliche Hülle für das Bausteinpaket (51) beinhaltet, und bevorzugt mindestens eine elektrisch leitende Schicht eine Grundflächenschicht beinhaltet, welche mit dem Ladungsableitwiderstand (104) verbunden ist.

9. Ein Fingerabdrucksensor (30) beinhaltend ein Substrat (65), eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen (73), welche zum Substrat (65) benachbart sind und aktive Schaltkreisteile (100) definieren zur Erzeugung eines Ausgangssignals, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket (51), um das Substrat (65) zu umgeben, und Fingerladungsableitmittel zur Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger (79) auf Grund eines Kontaktes damit, um die aktiven Schaltungsteile (100) zu schützen, in welchem Fingerabdrucksensor das Fingerladungsableitmittel eine zweite externe Elektrode (53, 53') beinhaltet, welche durch das Bausteinpaket (51) für den Kontakt mit dem Finger getragen wird, und einen Ladungsableitwiderstand (104), welcher zwischen der zweiten externen Elektrode (53, 53') und einer Erdung verbunden ist, und die zweite externe Elektrode (53, 53') eine elektrisch leitende bewegliche Hülle für das Bausteinpaket (51) beinhaltet, mindestens eine elektrisch leitende Schicht, beinhaltend eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden (78) für ein elektrisches Feld, welche mit den aktiven Schaltkreisteilen (100) verbunden sind, und eine erste externe Elektrode (54), welche durch das Bausteinpaket (51) getragen wird, und Antriebsmittel zur Erregung/Anregung (74), welche mit der ersten externen Elektrode (54) verbunden ist, zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld- Sensorelektroden (78) und benachbarten Fingerteilen.

10. Ein Fingerabdrucksensor (30) beinhaltend ein Substrat (65), eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen (73), welche zum Substrat (65) benachbart sind und aktive Schaltkreisteile (100) definieren zur Erzeugung eines Ausgangssignals, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket (51), um das Substrat (65) zu umgeben, und Fingerladungsableitmittel zur Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger auf Grund eines Kontaktes damit, um die aktiven Schaltungsteile zu schützen, in welchem Fingerabdrucksensor das Fingerladungsableitmittel eine zweite externe Elektrode (53, 53') beinhaltet, welche durch das Bausteinpaket für den Kontakt mit dem Finger (79) getragen wird, und einen Ladungsableitwiderstand (104), welcher zwischen der zweiten externen Elektrode (53, 53') und einer Erdung verbunden ist, und die zweite externe Elektrode (53, 53') eine elektrisch leitende bewegliche Hülle für das Bausteinpaket beinhaltet.

11. Ein Verfahren zur Herstellung eines Fingerabdrucksensors (30), beinhaltend die Schritte:

Bilden einer Vielzahl von Halbleiterbausteinen (73) benachbart zu einem Substrat (65) und Definieren von aktiven Schaltkreisteilen;

Bilden einer ersten Metallschicht (66), welche vorbestimmte Bausteine der Vielzahl der Halbleiterbausteine (73) untereinander verbindet;

Bilden einer ersten dielektrischen Schicht (67) benachbart zur ersten Metallschicht (66);

Bilden einer zweiten Metallschicht (68) benachbart zur ersten dielektrischen Schicht (67) und Definieren einer Grundfläche;

Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht (70) benachbart zur zweiten Metallschicht (68);

Bilden einer dritten Metallschicht (71), benachbart zur zweiten dielektrischen Schicht (70) und welche eine Anordnung/Matrix von Sensorelektroden (78) für ein elektrisches Feld beinhaltet, welche verbunden sind mit aktiven Schaltungsteilen (100) zur Erzeugung von Signalen, die auf einen abgetasteten Fingerabdruck bezogen sind;

Bilden eines Bausteinpakets (51), welches das Substrat (65) umgibt; und

Bilden von Mitteln zur Erzeugung elektrischer Felder zwischen den Feld- Sensorelektroden (78) und benachbarten Fingerteilen.

12. Ein Verfahren wie in Anspruch 11 beansprucht, beinhaltend den Schritt des Bildens einer dritten dielektrischen Schicht (52), benachbart zu der dritten Metallschicht (71) mit dem Schritt des Bildens des Bausteinpakets (51), welches das Substrat (65) umgibt, beinhaltend das Bilden einer Öffnung, die mit der Anordnung/Matrix der Feld-Sensorelektroden (78) fluchtet, weiterhin beinhaltend den Schritt des Bildens einer ersten externen Elektrode (54), welche durch das Bausteinpaket (51) getragen wird, zum Kontakt durch einen Finger (79), und Bilden einer zweiten externen Elektrode (53), welche durch das Bausteinpaket (51) getragen wird, zum Kontakt durch einen Finger (79), und Verbinden eines Ladungsableitwiderstands (104) zwischen der zweiten externen Elektrode (53) und der Erdung.

13. Ein Verfahren zur Steuerung/Regelung des Betriebs eines Fingerabdrucksensors (30) eines Typs, welcher eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen (73) beinhaltet, welche zum Substrat (65) benachbart sind und aktive Schaltkreisteile definieren zur Erzeugung eines Ausgangssignals, in Abhängigkeit eines abgetasteten Fingerabdrucks, ein Bausteinpaket (51), um das Substrat (65) zu umgeben, mindestens eine elektrisch leitende Schicht beinhaltend eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden (78) für ein elektrisches Feld, und eine erste externe Elektrode (54), welche durch das Bausteinpaket (51) getragen wird, zum Kontakt durch einen Finger (79), wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:

Erzeugen elektrischer Felder zwischen den Feld-Sensorelektroden (78) und benachbarten Fingerteilen;

Speisen lediglich aktiver Schaltkreise (100) mit Energie auf Grund der Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54), um hierbei Energie einzusparen; und

Erden aktiver Schaltungsteile (100) auf Grund keiner Abtastung des Fingerkontaktes mit der ersten externen Elektrode (54), beinhaltend den Schritt der Ableitung/Entladung einer Ladung von einem Finger (79) auf Grund eines ersten Kontaktes des Fingers (79) mit dem Fingerabdruck-Bausteinpaket (51) und zuvor Umschalten von Erdung der aktiven Schaltungsteile (100) auf Speisung mit Energie.

14. Ein Verfahren zur Erhöhung der Rauschunterdrückung in einem Fingerabdrucksensor eines Typs, der ein Substrat (65) beinhaltet und mindestens eine elektrisch leitende Schicht, welche zu dem Substrat benachbart ist und beinhaltend Teile, welche eine Anordnung/Matrix von Feld-Sensorelektroden (78) für ein elektrisches Feld definieren, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:

Bilden einer Abschirmelektrode (80) für jede entsprechende Feld-Sensorelektrode (78);

Bilden eines Verstärkers (73), welcher zwischen jedem Paar von Feld- Sensorelektroden (78) und den zugehörigen Abschirmelektroden (80) verbunden ist;

Bilden eines Bausteinpaketes (51), welches das Substrat (65) umgibt;

Erzeugen von elektrischen Feldern zwischen den Feld-Sensorelektroden (78) und benachbarten Fingerteilen; und

Betreiben jedes Verstärkers (73) mit einem Verstärkungsgrad von größer als 1, um hierbei die Rauschunterdrückung zu erhöhen.