FR3060811A1 - Dispositif d'acquisition d'empreintes digitales - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant une matrice (3) de photo-détecteurs (4), chaque photo-détecteur (4) présentant une surface photosensible (8) faisant face à une surface d'acquisition (6), et comprenant un milieu de propagation (14) s'étendant entre les photo-détecteurs (4) et une surface d'acquisition (6), ladite surface d'acquisition comprenant une zone d'occultation (16) s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition (6) et adaptée pour bloquer une majeure partie de la lumière ayant traversé la surface d'acquisition et se propageant dans le milieu de propagation selon une direction normale (6) à la surface d'acquisition, la zone d'occultation comportant des passages transparents (16b) permettant à de la lumière ayant traversé la surface d'acquisition (6) et se propageant dans le milieu de propagation (14) selon une direction différente d'une direction normale à la surface d'acquisition (6) d'atteindre les photo-détecteurs.
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte à un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant un capteur matriciel d'images, et plus particulièrement à un appareil électronique portatif muni d'un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales.
On entend par empreinte digitale (ou papillaire) les figures formées par les crêtes et vallées épidermiques de la face palmaire d'un doigt humain, également appelées dermatoglyphes.
De nombreux appareils électroniques portatifs permettent l'accès à des ressources numériques. C'est le cas notamment des téléphones mobiles intelligents de type dit smartphone . Certaines des données de ces ressources numériques sont confidentielles, et leur accès doit être sécurisé. Le premier type de protection d'accès historiquement utilisé pour les téléphones fut de requérir le renseignement d'un numéro d'identification personnel (plus connu sous l'acronyme anglais de PIN pour personal identification number') à quatre chiffres. Cependant, ce type de protection s'est avéré facilement contournable, et lourd à mettre en oeuvre par l'utilisateur, notamment parce qu'une protection efficace requiert que ce numéro soit renseigné à chaque session d'utilisation du téléphone. Ainsi, d'autres moyens de sécurisation des téléphones ont été explorés afin de permettre des opérations de verrouillage et de déverrouillage du téléphone qui soient plus ergonomiques et plus simples. La détection d'empreintes digitales d'un utilisateur s'est révélée comme l'un des moyens de protection parmi les plus simples et les plus efficaces.
Ainsi, des appareils électroniques portatifs munis d'un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales ont été proposés. Ces dispositifs comprennent un capteur d'empreintes digitales qui doit à la fois être peu cher et le moins encombrant possible, afin de pouvoir être incorporé dans un appareil mobile tel qu'un smartphone. Notamment, pour cette application, le capteur d'empreintes digitales doit être fin, et présenter un faible encombrement. Actuellement, les capteurs d'empreintes digitales de faible épaisseur incorporés dans les téléphones utilisent principalement le principe de détection capacitive des empreintes digitales.
Dans ces capteurs, le doigt de l’utilisateur rentre en contact avec un film à la surface du capteur, et les différences de matières entre une électrode de détection sousjacente et la surface créent une différence de capacitance électrique qui peut être mesurée par un circuit actif du capteur. Cependant, les capteurs capacitifs souffrent de plusieurs limitations pour cette application. Ainsi, les capteurs capacitifs sont sensibles aux perturbations électrostatiques. En outre, ces capteurs nécessitent une structure complexe et onéreuse, avec, par exemple, une lame de saphir monocristal anisotropique pour protéger le capteur tout en laissant passer la variation capacitive surface de détection.
Par conséquent, d'autre capteur d'empreintes digitales utilisant le principe de détection optique ont été développés. Il est à noter que la nécessité d'une faible épaisseur des capteurs ne permet pas d'utiliser les capteurs optiques à réflexion interne totale, ou TIR, acronyme de l'anglais total internai reflection', dont les éléments optiques sont trop encombrants.
Il a été proposé d'acquérir directement une image du doigt au moyen d'une matrice de photo-détecteurs constituant un capteur, typiquement avec des photodiodes en technologie à semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire, plus connue sous l'acronyme CMOS pour l'anglais Complementary Métal Oxide Semi-conductor'.
La figure 1 montre un exemple d'une telle configuration. Un doigt 100 est apposé sur une surface d'acquisition 101 d'un capteur 102 comprenant une matrice 103 de photodétecteurs 104 sur un substrat semi-conducteur 105 et, superposé aux photo-détecteurs 104, une couche transparente 106 contenant notamment les interconnections métalliques 107 nécessaires au fonctionnement des photo-détecteurs. Le doigt 100 présente à sa surface des empreintes digitales comprenant des crêtes 108 et des vallées
109 entre les crêtes 108. Les crêtes 108 sont au contact de la surface d'acquisition 101 du capteur 102, tandis que les vallées 109 en sont séparées par de l'air.
Il apparaît donc que la lumière en provenance d'une vallée 109, dont le trajet lumineux
110 est représenté par une flèche en tiret, doit traverser de l'air avant d'atteindre la surface d'acquisition 101 du capteur 102, tandis que la lumière en provenance d'une crête 108, dont le trajet lumineux 112 est représenté par une flèche en trait plein, ne traverse pas d'air pour atteindre la surface d'acquisition 101 du capteur 102, les crêtes
108 étant en contact avec la surface d'acquisition 101 du capteur 102. Par conséquent, il y a une différence de longueur des trajets lumineux 110, 112 entre la lumière en provenance d'une crête 108 et la lumière en provenance d'une vallée 109. Les pertes d'intensité lumineuse étant d'autant plus élevées que le trajet est long, la lumière en provenance d'une crête108 présente une intensité plus élevée que la lumière en provenance d'une vallée 109.
L'image acquise par un tel capteur CMOS présente ainsi des différences de contrastes entre les pixels correspondant à des crêtes 108 et les pixels correspondant à des vallées 108 de l'empreinte digitale du doigt 100. Cette différence de contraste résulte:
- des pertes de Fresnel à l'interface entre la surface d'acquisition 101 du capteur et l'air, affectant la lumière en provenance d'une vallée 109 doit traverser une interface air-capteur, tandis que la lumière en provenance d'une crête 108 traverse une interface doigt-capteur, plus faiblement réfractive puisque l'indice de réfraction de la couche transparente 106 du capteur est généralement plus poche de l'indice de réfraction du doigt que de l'indice de réfraction de l'air ; et
- de la différence de la longueur du trajet lumineux entre la lumière en provenance d'une crête 108 et la lumière en provenance d'une vallée 109.
Le contraste résultant principalement de cette différence des longueurs des trajets lumineux 110, 112. Toutefois, cette différence de longueur du trajet lumineux dépend essentiellement de la profondeur des vallées 109 et de la hauteur des crêtes 108, qui est de l'ordre de 40-60pm chez les adultes. Or, la lumière doit dans les deux cas parcourir la couche transparente 106 pour atteindre les photo-détecteurs. Cette couche transparente 106 présente typiquement une épaisseur d'environ 5 pm. Ainsi, la différence relative entre les longueurs des trajets lumineux 110, 112 est à peine atténuée par l'épaisseur de cette couche transparente 106, puisque la différence des longueurs des trajets lumineux 110, 112 représente alors une différence d'environ un facteur 10.
De plus, comme illustré sur la figure 2, il est par ailleurs courant de disposer une plaque de verre 116 au-dessus de la couche transparente 106 afin de protéger le capteur des agressions extérieures. Une telle plaque de verre présente typiquement une épaisseur de 400 pm. La lumière doit donc traverser la plaque de verre 116 en plus de la couche transparente 106. Dans ce cas, la différence relative entre les longueurs des trajets lumineux 110, 116 ne représente plus qu'une petite partie des longueurs des trajets lumineux (moins de 10%). Il n'y a donc plus beaucoup de différence d'intensité entre la lumière en provenance d'une crête 108 et la lumière en provenance d'une vallée 109. Il en résulte un faible contraste entre les pixels correspondant à des crêtes 108 et les pixels correspondant à des vallées 109 de l'empreinte digitale du doigt 100.
De plus, puisque le verre étant un milieu isotrope, l'augmentation de la distance entre les photo-détecteurs 104 et le doigt 100 implique que la lumière provenant d'un point du doigt puisse atteindre plusieurs photo-détecteurs 104 par propagation latérale ou oblique, avec des différences de trajet lumineux trop faibles pour permettre de distinguer entre la lumière en provenance d'un point du doigt face à un photo-détecteur 104 et les points du doigt en face d'autres photo-détecteurs 108. Il en résulte une faible résolution lumineuse.
Afin d'améliorer la résolution, les demandes de brevet US2016/0224816 et US2016/0254312 proposent de disposer des collimateurs en face de photodiodes afin de ne laisser passer que la lumière se propageant selon une direction proche de la normale. Cette solution ne permet toutefois pas d'améliorer le contraste.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention a pour but de remédier au moins en partie à ces inconvénients et préférentiellement à tous, en proposant un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales simple, économique et de faible encombrement, permettant notamment de le monter sur un appareil électronique portatif tel qu'un téléphone intelligent, tout en assurant l'acquisition d'images d'empreintes digitales présentant une résolution et un contraste suffisant pour pouvoir mettre en œuvre des procédés d'identification biométrique.
A cet égard, il est proposé un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant un capteur d'images, ledit capteur comprenant une matrice de photo-détecteurs, chaque photo-détecteur présentant une surface photosensible faisant face à une surface d'acquisition du capteur, le capteur étant configuré pour acquérir au moins une image des empreintes digitales d'un doigt lorsque ledit doigt est en contact avec la surface d'acquisition du capteur, le capteur comprenant un milieu de propagation s'étendant entre les photo-détecteurs et la surface d'acquisition, une surface du milieu de propagation du côté opposé aux photo-détecteurs définissant la surface d'acquisition du capteur, dans lequel le milieu de propagation comprend une zone d'occultation s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition et adaptée pour bloquer une majeure partie de la lumière ayant traversé la surface d'acquisition et se propageant dans le milieu de propagation selon une direction normale à la surface d'acquisition, la zone d'occultation comportant des passages transparents permettant à de la lumière ayant traversé la surface d'acquisition et se propageant dans le milieu de propagation selon une direction différente d'une direction normale à la surface d'acquisition d'atteindre les photo-détecteurs.
La zone d'occultation, en bloquant arrivant en ligne droite depuis la surface d'acquisition et en laissant passer la lumière arrivant de façon oblique permet de bloquer de la lumière en provenance des vallées du doigt tout en laissant passer la lumière en provenance des crêtes. L'image résultante montre ainsi un fort contraste entre la lumière en provenance d'une crête et la lumière en provenance d'une vallée, cette dernière étant majoritairement bloquée par la zone d'occultation. Il n'y a donc plus de perte de résolution en raison de l'accroissement de la distance entre les photodétecteurs et la surface d'acquisition du capteur où est apposé le doigt. La zone d’occultation forme aussi un passage de lumière étroit qui limite angulairement la prise de la lumière latérale, c'est-à-dire que seule la lumière dont le trajet lumineux est aligné avec le passage transparent peut passer. Ceci augmente la résolution spatiale du dispositif même avec un milieu transparent épais.
Ce dispositif est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles:
- la zone d'occultation est adaptée pour bloquer la lumière dans une direction normale à la surface d'acquisition pour au moins 80% de la surface photosensible de chaque photodétecteur;
- la zone d'occultation est adaptée pour bloquer la lumière dans une direction normale à la surface d'acquisition pour l'ensemble de la surface photosensible de chaque photodétecteur;
- la zone d'occultation comprend au moins :
- une première couche opaque s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition,
- une seconde couche opaque s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition et située entre la première couche opaque et les photo-détecteurs, la première couche opaque et la seconde couche opaque comportant des ouvertures non alignées dans une direction normale à la surface d'acquisition et formant les passages transparents de la zone d'occultation;
- la zone d'occultation est adaptée pour bloquer la lumière dans une direction normale à la surface d'acquisition pour l'ensemble de la surface photosensible de chaque photodétecteur, et les ouvertures de la première couche opaque font face à la seconde couche opaque en-dehors des ouvertures de ladite seconde couche opaque, et les ouvertures de la seconde couche opaque font face à la première couche opaque endehors des ouvertures de ladite première couche opaque;
- les ouvertures de la seconde couche opaque sont spatialement décalées dans une direction parallèle à la surface d'acquisition par rapport aux ouvertures de la première couche opaque, une ouverture de la seconde couche opaque correspondant à une ouverture de la première couche opaque par ce décalage, ladite ouverture de la première couche et ladite ouverture de la seconde couche opaque correspondante formant un couple d'ouvertures définissant un passage transparent de la zone d'occultation;
- des interconnexions opaques relient la première couche opaque et la seconde couche opaque et entourent chaque couple d'ouvertures;
- le milieu de propagation présente un indice de réfraction n supérieur à 1,3, et:
- les passages transparents du milieu de propagation sont conformés pour permettre un trajet lumineux entre la surface d'acquisition et un point d'une surface photosensible d'un photo-détecteur lorsque ledit trajet lumineux forme avec la normale à la surface d'acquisition un angle supérieur à arcsin (1/n)
- la zone d'occultation est conformée pour bloquer un trajet lumineux entre la surface d'acquisition et un point d'une surface photosensible d'un photo-détecteur lorsque ledit trajet lumineux forme avec la normale à la surface d'acquisition un angle strictement inférieur à arcsin (1/n).
L'invention concerne également un appareil électronique portatif muni d'un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales selon l'un quelconque des modes de réalisation de l'invention.
L'invention concerne également un procédé comprenant les étapes de:
- fabrication d'une matrice de photo-détecteurs,
- fabrication du milieu de propagation contenant la zone d'occultation, ladite zone d'occultation comprenant des passages transparents,
- mise en place milieu de propagation par rapport à la matrice de photodétecteurs de sorte que les passages transparents soient alignés obliquement avec les photo-détecteurs.
PRESENTATION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisations et des variantes selon la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels:
- les figures 1 et 2, déjà commentées, illustrent schématiquement un doigt posé à la surface d'un capteur selon l'état de la technique et des trajets lumineux depuis ce doigt jusqu'à des photo-détecteurs,
- la figure 3 illustre schématiquement le principe d'un capteur selon un mode de réalisation possible de l'invention,
- la figure 4 illustre schématiquement un capteur selon un mode de réalisation possible de l'invention, dans lequel la zone d'occultation comprend deux couches opaques;
- la figure 5 illustre schématiquement un capteur selon un mode de réalisation possible de l'invention, dans lequel la zone d'occultation comprend deux couches opaques reliées par des interconnexions.
Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires sont désignés par les mêmes références.
DESCRIPTION DETAILLEE
En référence aux figures 3 à 5, un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprend un capteur d'images 1, ledit capteur 1 comprenant une matrice 3 de photodétecteurs 4. Une telle matrice 3 comporte typiquement plusieurs milliers de photodétecteurs 4 afin de présenter une résolution acceptable. Ces photo-détecteurs 4 sont formés sur un substrat 5 semi-conducteur et peuvent être de tout type, dès lors que ces photo-détecteurs 4 sont sensibles à la lumière et permettent ainsi d'acquérir une image. De préférence, ces photo-détecteurs 4 sont des photodiodes réalisées par la technologie CMOS. Cependant, les photo-détecteurs peuvent être de tout type détecteur dès lors qu'ils sont sensibles à la lumière, comme des photodiodes ou des photorésistances. Le capteur 1 comprend une surface d'acquisition 6 du côté opposé au substrat 5 et destinée à recevoir un doigt 100.
Chaque photo-détecteur 4 présente une surface photosensible 8 faisant face à la surface d'acquisition 6. Généralement, cette surface photosensible 8 correspond à l'étendue d'une zone dopée du substrat 5 dans laquelle des charges sont générées par l'action de la lumière.
Afin de simplifier, les figures 3 et 4 montrent simplement l'emplacement d'un photodétecteur 4. La figure 5, plus complète, montre également une couche transparente 10 disposée au-dessus des photo-détecteurs 4 en direction de la surface d'acquisition 6, qui contient les interconnexions métalliques 12 nécessaires au fonctionnement des photodétecteurs 4, notamment les pistes conductrices et les transistors permettant de lire les photo-détecteurs.
Sur les figures 3 à 5, un doigt 100 est apposé sur la surface d'acquisition 6 du capteur 1. Le capteur 1 est configuré pour acquérir au moins une image des empreintes digitales du doigt 100 lorsque ledit doigt 100 est en contact avec la surface d'acquisition 6 du capteur, comme illustré. Le doigt 100 présente à sa surface des empreintes digitales comprenant des crêtes 108 et des vallées 109 entre les crêtes. Les crêtes 108 sont au contact de la surface d'acquisition 6 du capteur, tandis que les vallées 109 en sont séparées par de l'air.
Entre les photo-détecteurs et la surface d'acquisition, le capteur 1 comprend un milieu de propagation 14 adapté pour laisser passer la lumière. Le milieu de propagation 14 est donc en matériau transparent. Le milieu de propagation 14 est de préférence transparent à des longueurs d'onde dans la bande sensible de photo-détecteur silicium, soit entre 200 nm et 1000 nm, comme par exemple la lumière visible et/ou l'infrarouge. Le milieu de propagation 14 peut par exemple être en simple verre minéral, plastiques comme PAAMA ou PC, saphir etc.
Le milieu de propagation 14 peut être homogène et constitué d'un seul matériau, ou bien être constitué de plusieurs couches superposées de matériaux avec différentes caractéristiques. Par exemple, une première couche de verre minéral, comme un verre de protection, peut recouvrir une seconde couche en un autre matériau transparent couramment utilisé en micro-électronique tel que le dioxyde de silicium SiO2, ou le nitrure de silicium Si3N4. Les deux couches forment ensemble le milieu de propagation
14. Avantageusement, c'est dans cette seconde couche qui accueille une zone d'occultation.
Ce milieu de propagation 14 présente un indice de réfraction strictement supérieur à 1, c'est-à-dire supérieur à l'air, et est de préférence supérieur à 1,3 en particulier afin de pouvoir capter une empreinte digitale d’un doigt mouillé.
Le milieu de propagation 14 s'étend entre les photo-détecteurs 4 et la surface d'acquisition 6. Plus précisément, le milieu de propagation 14 est disposé sur la couche transparente 10 disposée au-dessus des photo-détecteurs 4 en direction de la surface d'acquisition 6, qui contient les interconnexions métalliques 12. Il est également possible que les interconnexions métalliques 12 des photo-détecteurs 4 soient contenues dans le milieu de propagation 14.
La surface du milieu de propagation 14 du côté opposé aux photo-détecteurs 4 constitue la surface d'acquisition 6 du capteur sur lequel un doigt 100 peut y être apposé pour en acquérir les empreintes digitales.
De préférence, le milieu de propagation 14 présente une épaisseur, entre la surface d'acquisition 6 et les photo-détecteurs 4, supérieur à au moins 10 pm, et de préférence d'au moins 50 pm. Par exemple, le milieu de propagation 14 peut constituer une couche de protection d'une épaisseur comprise entre 400 pm et 1000 pm.
Le milieu de propagation 14 comprenant une zone d'occultation 16 s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition 6. Cette zone d'occultation 16 est adaptée pour bloquer une majeure partie de la lumière 120 ayant traversé la surface d'acquisition 6 et se propageant dans le milieu de propagation 14 selon une direction normale à la surface d'acquisition 6. Pour ce faire, la zone d'occultation comprend une partie opaque 16a en matériau opaque, adapté pour bloquer la lumière dans les longueurs d'onde de la bande sensible d'un photo-détecteur silicium, soit entre 200 nm et 1000 nm, comme par exemple la lumière visible et l'infrarouge. Le matériau opaque peut par exemple être du métal, du verre noirci ou du plastique teinté.
Afin de bloquer la majeure partie de la lumière ayant traversé la surface d'acquisition 6 et se propageant dans le milieu de propagation 14 selon dont le trajet lumineux 120 avec une direction normale à la surface d'acquisition 6, la partie opaque 16a de la zone d'occultation 16 peut être conformée pour couvrir la majeure partie de la surface photosensible 8 des photo-détecteurs 4 dans une direction normale à la surface d'acquisition 6. De préférence, la zone d'occultation 16 est adaptée pour bloquer la lumière dont le trajet lumineux 120 est dans une direction normale à la surface d'acquisition 6 pour au moins 80% (de préférence au moins 90%) de la surface photosensible 8 de chaque photo-détecteur 4. Ainsi, la partie opaque 16a de la zone d'occultation 16 peut être conformée pour couvrir au moins 80% (de préférence encore au moins 90%) de la surface photosensible 8 de chaque photo-détecteur 4 dans une direction normale à la surface d'acquisition 6.
Préférentiellement, la zone d'occultation 16 est adaptée pour bloquer totalement la lumière dont le trajet lumineux 120 est dans une direction normale à la surface d'acquisition 6 passant par un point de la surface photosensible 8 de chaque photodétecteur 4. Ainsi, la partie opaque 16a de la zone d'occultation 16 peut être conformée pour couvrir totalement (i.e. 100%) la surface photosensible 8 de chaque photodétecteur 4 dans une direction normale à la surface d'acquisition 6.
Ainsi, sur l'exemple de la figure 3, la partie opaque 16a de la zone d'occultation 16 recouvre entièrement la surface photosensible 8 de chaque photo-détecteur 4 dans une direction normale à la surface d'acquisition 6. En découpant le capteur selon un plan perpendiculaire à la surface d'acquisition 6, un plan de coupe comportant un point de la surface photosensible 8 d'un photo-détecteur 4 comporte également, au-dessus de ce point, une partie opaque 16a de la zone d'occultation 16.
Il en résulte que les rayons lumineux dont le trajet lumineux 120 dans le milieu de propagation 14 est normal à la surface d'acquisition 6, sont bloqués par la zone d'occultation 16 et ne parviennent pas jusqu'aux photo-détecteurs 4.
Toutefois, la zone d'occultation 16 comporte des passages transparents 16b permettant à de la lumière ayant traversé la surface d'acquisition 6 et se propageant dans le milieu de propagation 14 selon un trajet lumineux 122 avec une direction différente d'une direction normale à la surface d'acquisition 6 d'atteindre les photo-détecteurs. On a représenté, sur les figures 3 à 5, par des flèches pleines 122 des trajets lumineux traversant la surface d'acquisition 6 et atteignant une surface sensible 8 d'un photodétecteur 4 en traversant un passage transparent 16b, et par des flèches en tirets 120, 121, 125 des trajets lumineux traversant la surface d'acquisition 6 et n'atteignant pas les une surface sensible 8 d'un photo-détecteur 4.
Ces passages transparents 16b s'étendent obliquement par rapport à la normale à la surface d'acquisition 6. Ainsi, seuls les rayons lumineux se propageant selon un trajet lumineux 122 avec un angle 0b suffisant par rapport à la normale peuvent atteindre la surface sensible 8 des photo-détecteurs 4, tandis que les rayons lumineux se propageant selon un trajet lumineux 121 avec un angle 0a proche de la normale sont bloqués par la zone d'occultation 16. Pour chaque photo-détecteur 4, un passage transparent 16b permet à des rayons obliques d'atteindre ladite photo-détecteur 4, de sorte qu'il y a autant de passages transparents 16b que de photo-détecteurs 4. De préférence, les passages transparents 16b sont définis par des trous dans la partie opaque 16a de la zone d'occultation 16.
Les dimensions de ces passages transparents 16b sont choisies pour permettre à suffisamment de rayons lumineux se propageant dans le milieu de propagation 14 depuis un point de la surface d'acquisition 6 dans une plage angulaire déterminée d'atteindre la surface sensible 8 des photo-détecteurs 4, tout en bloquant les autres. On peut par exemple déterminer ces dimensions en fonction de la surface sensible 8 d'un photodétecteur 4. Les extrémités de la surface sensible 8 forment avec le point de la surface d'acquisition 6 dont on veut permettre l'acquisition un triangle qui définit les dimensions du passage transparent 16b qui doit laisser passer les rayons lumineux.
La zone d'occultation 16 permet ainsi de limiter géométriquement l'origine des rayons lumineux qui atteignent les photo-détecteurs 4. On peut alors conserver une bonne résolution même lorsque la distance entre les photo-détecteurs 4 et le doigt 100 devient importante, ce qui n'est pas le cas avec les dispositifs de l'état de la technique tels que celui de la figure 2.
Il est particulièrement avantageux de conformer les passages transparents 16b pour permettre un trajet lumineux 122 entre un point d'une surface photosensible 8 d'un photo-détecteur 4 et la surface d'acquisition 6 lorsque ledit trajet lumineux forme avec la normale à la surface d'acquisition 6 un angle 0b supérieur à l'angle critique 0c de l'interface entre l'air et le milieu de propagation 14, du côté du milieu de propagation
14. Plus précisément, le milieu de propagation 14 présentant un indice de réfraction n supérieur à 1,3, les passages transparents 16b sont conformés pour permettre un trajet lumineux 122 entre un point d'une surface photosensible 8 d'un photo-détecteur 4 et la surface d'acquisition 6 lorsque ledit trajet lumineux 122 forme avec la normale à la surface d'acquisition 6 un angle 0b supérieur à arcsin(1/n).
Concernant la borne haute des angles avec la normale formés par les trajets lumineux 122 des rayons lumineux pouvant traverser un passage transparent 16b de la zone d'occultation, il suffit de considérer que la limite exposée au-dessus correspond à un trajet lumineux 122 des rayons lumineux atteignant une extrémité de la surface photosensible 8 d'un photo-détecteur 4 tandis que les rayons lumineux avec les angles les plus élevés pouvant passer le passage transparent 16b atteignent l'extrémité opposée de la surface photosensible 8 du même photo-détecteur 4.
De façon similaire, la zone d'occultation 16 peut être conformée pour bloquer tout trajet lumineux 120, 121 entre la surface d'acquisition 6 et un point d'une surface photosensible 8 d'un photo-détecteur lorsque ledit trajet lumineux forme avec la normale à la surface d'acquisition 6 un angle strictement inférieur à l'angle critique 0c de l'interface entre l'air et le milieu de propagation 14, du côté du milieu de propagation 14, par exemple lorsque le rayon lumineux se propage selon un trajet lumineux 120 normal à la surface d'acquisition 6 en direction d'un photo-détecteur 4. Plus précisément, la zone d'occultation 16 peut être conformée pour bloquer un trajet lumineux 120, 121 entre un point d'une surface photosensible 8 d'un photo-détecteur 4 et la surface d'acquisition 6 lorsque ledit trajet lumineux 120, 121 forme avec la normale à la surface d'acquisition 6 un angle 0a strictement inférieur à arcsin (1/n).
Comme indiqué plus haut, le doigt 100 présente à sa surface des empreintes digitales comprenant des crêtes 108 et des vallées 109 entre les crêtes 108. Les crêtes 108 sont au contact de la surface d'acquisition 6 du capteur 1, tandis que les vallées 109 en sont séparées par de l'air. Ainsi, la lumière en provenance d'une vallée 109 doit traverser une interface air-capteur, tandis que la lumière en provenance d'une crête 108 traverse une interface doigt-capteur. Ainsi, la lumière en provenance d'une vallée 109 est réfléchie par la surface d'acquisition 6 et ne peut pas traverser l'interface entre l'air et la surface d'acquisition 6 lorsque l'angle d'incidence du trajet lumineux 125 sur la surface d'acquisition est trop élevé par rapport à la normale à la surface d'acquisition 6. A l'inverse, la lumière en provenance d'une crête 108 peut traverser la surface d'acquisition 6 avec un angle d'incidence beaucoup plus élevé. Par conséquent, en conformant la zone d'occultation 16 pour quelle laisse passer par les passages transparents les trajets lumineux 122 présentant un angle supérieur à l'angle critique 0c, seule la lumière en provenance des crêtes 108 peut atteindre les photo-détecteurs 4. Il en résulte un fort contraste dans l'image acquise entre les pixels correspondant à des vallées 109 et des pixels correspondant à des crêtes 108 puisque seuls ceux-ci sont lumineux.
Il peut être toutefois difficile de percer des trous obliques dans une couche opaque pour former les passages transparents 16b de la zone d'occultation 16. Il est possible de simplifier la fabrication du capteur 1 avec une zone d'occultation 16 constituée de plusieurs couches opaques superposées, comportant des trous traversants non alignés, qui ne sont plus nécessairement obliques.
De préférence, et ainsi qu'illustré sur les figures 4 et 5, la zone d'occultation comprend ainsi au moins une première couche opaque 21 s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition, et une seconde couche opaque 22 s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition. La seconde couche opaque 22 est située entre la première couche opaque 21 et les photo-détecteurs 4. La première couche opaque 21 et la seconde couche opaque 22 comportent des ouvertures 23, 24 non alignées dans une direction normale à la surface d'acquisition 6 et qui forment les passages transparents 16b de la zone d'occultation 16. Chaque couche opaque 21, 22 comprend ainsi autant d'ouvertures 23, 24 qu'il y a de passages transparents 16b et donc de photo-détecteurs 4. La lumière se propageant selon un trajet lumineux normale à la surface d'acquisition 6 est alors bloquée soit par la première couche opaque 21, soit par la seconde couche opaque 22.
Comme précédemment, les matériaux constitutifs d'une couche opaque 21, 22 sont choisis pour bloquer la lumière dans les longueurs d'onde de la bande sensible d'un photo-détecteur silicium, soit entre 200 nm et 1000 nm, comme par exemple la lumière visible et l'infrarouge. Le matériau peut par exemple être du métal, du verre noirci ou du plastique teinté.
Les deux couches opaques 21, 22 sont de préférence séparées, dans une direction normale à la surface d'acquisition 6, par une distance d'au moins 0,4 pm. Une couche opaque 21, 22 présente par exemple une épaisseur de 0,1 à 0,5 pm.
De préférence, les ouvertures 24 de la seconde couche opaque 22 sont spatialement décalées dans une direction parallèle à la surface d'acquisition 6 par rapport aux ouvertures 23 de la première couche opaque 21, une ouverture 24 de la seconde couche opaque 22 correspondant à une ouverture 23 de la première couche opaque 21 par ce décalage, ladite ouverture 23 de la première couche 21 et ladite ouverture 24 de la seconde couche opaque 22 correspondante formant un couple d'ouvertures définissant un passage transparent 16b pour la lumière.
Le décalage entre les ouvertures 23, 24 respectives des couches opaques 21, 22 détermine la quantité de lumière se propageant dans une direction normale à la surface d'acquisition 6 qui est bloquée, ainsi que la plage angulaire avec la normale à la surface d'acquisition 6 permettant aux rayons lumineux d'atteindre les photo-détecteurs 4. Lorsque la zone d'occultation 16 est adaptée pour bloquer la lumière dans une direction normale à la surface d'acquisition pour l'ensemble de la surface photosensible 8 de chaque photo-détecteur 4, ces ouvertures 23, 24 sont complètement décalées entre les deux couches opaques 21, 22. Ainsi, les ouvertures 23 de la première couche opaque 21 font face à la seconde couche opaque 22 en-dehors des ouvertures 24 de ladite seconde couche opaque 22, et les ouvertures 24 de la seconde couche opaque 22 font face à la première couche opaque 21 en-dehors des ouvertures 23 de ladite première couche opaque 21.
Il est possible toutefois de tolérer un chevauchement entre les ouvertures 23 de la première couche opaque 21 et les ouvertures 24 de la seconde couche opaque 22. Dans ce cas, la zone d'occultation 16 constituée par les deux couches opaques 21, 22 ne bloque pas la totalité de la lumière se propageant dans une direction normale à la surface d'acquisition 6. Cependant, le chevauchement des ouvertures 23, 24 est de préférence limité à moins de 50 % de la superficie de l'ouverture 23, 24 la plus petite, de préférence encore à moins de 20%, et de préférence encore à moins de 10 %. Par exemple, lorsque les couches opaques 21, 22 sont suffisamment épaisses, il est possible quelles soient directement superposées (avec une distance nulle entre elles), auquel cas l'aspect oblique d'un passage transparent 16b est obtenu par un décalage des ouvertures respectives 23, 24 de la première couche opaque 21 et de la seconde couche opaque 22, avec un chevauchement entre une ouverture 23 de la première couche opaque 21 et une ouverture 24 de la seconde couche opaque 22.
Ainsi qu'illustré sur la figure 5, des interconnexions opaques 30 peuvent relier la première couche opaque 21 et la seconde couche opaque 22 et entourer chaque couple d'ouvertures 23, 24, afin d'éviter que des rayons lumineux ne puissent se propager latéralement entre les deux couches opaques 21, 22. En effet, en fonction notamment de la distance entre les deux couches opaques 21, 22, il est possible que des rayons lumineux se propageant avec un angle important par rapport à la normale, passent par une ouverture 23 de la première couche opaque 21, et atteignent une ouverture 24 de la seconde couche opaque 22 différente de l'ouverture 24 de la seconde couche opaque 22 qui forme, avec l'ouverture 23 de la première couche opaque 21, un passage transparent 16b. Les interconnexions opaques 30 permettent de bloquer des rayons lumineux, qui se propageraient entre les deux couches opaques 21, 22 hors des passages transparents 16b.
Pour fabriquer un capteur tel que décrit, on peut utiliser un procédé CMOS. Les photodétecteurs 4 peuvent être soit des photodiodes en jonction PN soit des phototransistors. La zone d’occultation 16 peut être réalisée par des couches de métallisation qui sont naturellement opaques à la lumière, dans une couche constituée de dioxyde de silicium transparent. La zone d’occultation 16 réalisée ainsi est alors constituée de couches de métallisation de différents niveaux. Les interconnexions opaques 30 peuvent être réalisées de façon similaire à des vias de contact entre ces différents niveaux de métallisation. De cette façon, le capteur de la présente invention peut être entièrement fabriqué dans une usine de fabrication CMOS standard.
Une couche de matière transparente comme du verre ou du plastique peut être collée à la surface du capteur CMOS afin de le protéger mécaniquement et électriquement. Ce capteur peut aussi être collé derrière le verre de protection d'un téléphone mobile pour réaliser des applications faisant appel aux empreintes digitales. Le milieu de propagation 14 est alors composé de la couche transparente contenant la zone d'occultation 16 et de cette couche de protection.
Le capteur selon la présente invention peut être aussi réalisé par association d’un capteur CMOS et d'une zone d’occultation 16 réalisée sur un support transparent constituant le milieu de propagation. Cette zone d’occultation 16 est alors reportée sur le capteur CMOS en alignant obliquement les passages transparents 16b avec les photodétecteurs du capteur CMOS. Typiquement cette zone d’occultation 16 peut être réalisée sur du verre avec des niveaux de métallisations ayant des ouvertures non alignées. Bien entendu, les procédés ci-dessus ne sont que des exemples non limitatifs.
Dans tous les modes de réalisation, le dispositif d'acquisition d'empreintes digitales peut comprendre un organe sensible à la pression disposé de sorte démettre un signal commandant l'acquisition de l'image lorsque le doigt exerce une pression sur le dispositif. L'organe sensible à la pression peut par exemple être un commutateur électromécanique ou bien un capteur de pression mesurant la pression.
Un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comme décrit ici est de préférence 5 incorporé à un appareil électronique portatif tel qu'un téléphone intelligent, afin d'acquérir les empreintes digitales d'un utilisateur de l'appareil électronique.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant un capteur d’images (1), ledit capteur (1) comprenant une matrice (3) de photo-détecteurs (4), chaque photo-détecteur (4) présentant une surface photosensible (8) faisant face à une surface d'acquisition (6) du capteur (1 ), le capteur (1 ) étant configuré pour acquérir au moins une image des empreintes digitales d'un doigt lorsque ledit doigt est en contact avec la surface d'acquisition (6) du capteur, le capteur (1 ) comprenant un milieu de propagation (14) s’étendant entre les photodétecteurs (4) et la surface d’acquisition(6), une surface du milieu de propagation (14) du côté opposé aux photo-détecteurs (4) définissant la surface d'acquisition (6) du capteur, caractérisé en ce que le milieu de propagation (14) comprend une zone d’occultation (16) s'étendant parallèlement à la surface d'acquisition (6) et adaptée pour bloquer une majeure partie de la lumière ayant traversé la surface d'acquisition et se propageant dans le milieu de propagation selon une direction normale (6) à la surface d'acquisition, la zone d'occultation comportant des passages transparents (16b) permettant à de la lumière ayant traversé la surface d’acquisition (6) et se propageant dans le milieu de propagation (14) selon une direction différente d'une direction normale à la surface d'acquisition (6) d'atteindre les photo-détecteurs.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la zone d’occultation (16) est adaptée pour bloquer la lumière dans une direction normale à la surface d'acquisition pour au moins 80% de la surface photosensible (8) de chaque photo-détecteur (4).
- 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la zone d'occultation (16) est adaptée pour bloquer la lumière dans une direction normale à la surface d'acquisition pour l'ensemble de la surface photosensible (8) de chaque photo-détecteur (4).
- 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la zone d’occultation (16) comprend au moins :- une première couche opaque (21 ) s'étendant parallèlement à la surface d’acquisition (6),- une seconde couche opaque (22) s’étendant parallèlement à la surface d'acquisition et située entre la première couche opaque et les photo-détecteurs, la première couche opaque (21 ) et la seconde couche opaque (22) comportant des ouvertures (23, 24) non alignées dans une direction normale à la surface d’acquisition et formant les passages transparents (16b) de la zone d'occultation (16).
- 5. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la zone d'occultation (16) est adaptée pour bloquer la lumière dans une direction normale à la surface d'acquisition (6) pour l'ensemble de la surface photosensible (6) de chaque photo-détecteur (4), et les ouvertures (23) de la première couche opaque font face à la seconde couche (22) opaque en-dehors des ouvertures (24) de ladite seconde couche opaque (22), et les ouvertures de la seconde couche (22) opaque font face à la première couche opaque (21) en-dehors des ouvertures (23) de ladite première couche opaque (21).
- 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les ouvertures (24) de la seconde couche opaque (22) sont spatialement décalées dans une direction parallèle à la surface d'acquisition (6) par rapport aux ouvertures (23) de la première couche opaque (21), une ouverture (24) de la seconde couche (22) opaque correspondant à une ouverture (23) de la première couche opaque (21 ) par ce décalage, ladite ouverture (23) de la première couche (21) et ladite ouverture (24) de la seconde couche opaque (24) correspondante formant un couple d'ouvertures définissant un passage transparent (16b) de la zone d'occultation.
- 7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel des interconnexions opaques (30) relient la première couche opaque (21) et la seconde couche opaque (22) et entourent chaque couple d'ouvertures (23, 24).
- 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le milieu de propagation (14) présente un indice de réfraction n supérieur à 1,3, et:- les passages transparents (16b) du milieu de propagation (14) sont conformés pour permettre un trajet lumineux (122) entre la surface d'acquisition (6) et un point d'une surface photosensible (8) d’un photo-détecteur (4) lorsque ledit trajet lumineux (122) forme avec la normale à la surface d'acquisition (6) un angle (0b) supérieur à arcsin (1 /n)- la zone d'occultation (16) est conformée pour bloquer un trajet lumineux (120, 121) entre la surface d'acquisition (6) et un point d'une surface photosensible (8) d'un photo.détecteur (4) lorsque ledit trajet lumineux forme avec la normale à la surface d'acquisition un angle strictement inférieur à arcsin (1 /n).
- 9. Appareil électronique portatif muni d'un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 10. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant les étapes de:- fabrication d'une matrice de photo-détecteurs,- fabrication du milieu de propagation (14) contenant la zone d'occultation (16), ladite zone d’occultation comprenant des passages transparents,- mise en place milieu de propagation (14) par rapport à la matrice de photodétecteurs de sorte que les passages transparents soient alignés obliquement avec les photodétecteurs (4).1/3
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