JP2000018908A - 表面形状認識用センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 指紋のような微小な凹凸を精度よく検出でき
るようにする。 【解決手段】 下部電極１０４の周囲を囲うように、下
部電極１０４および支持部材１０３とは離間して、絶縁
層１０２上に参照電極１０４ａを配置する。そして、上
部電極１０５および下部電極１０４の間の容量Ｃｆと、
上部電極１０５および参照電極１０４ａの間の容量Ｃｒ
との差を、センサ回路１１０により検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、人間の指紋や動
物の鼻紋などの微細な凹凸を有する表面形状を認識する
表面形状認識用センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】情報化社会の進展により、現代社会にお
いては機密保持技術への関心が高まっている。例えば、
電子現金化などのシステム構築のためには、本人認証技
術が重要な鍵となってくる。また、盗難やカードの不正
使用の防御策のための認証技術についても、研究開発が
活発になっている それら認証方式としては、指紋や声紋を利用するものな
ど、種々の方式が提案されている。中でも指紋認証技術
については、多くの技術開発がなされている。

【０００３】以下、従来より開発されている種々の指紋
の認証方式について説明する。まず、従来の指紋認証方
式を大別すると、光学的に指紋の凹凸を読みとる方式、
指紋の圧力差を読みとる方式、人間の電気特性を利用し
て指紋の凹凸を検出する方式などに分けられる。はじめ
に、光学的に読みとる方式では、指紋の反射光学像をＣ
ＣＤなどのイメージセンサに取り込み、あらかじめ用意
してある指紋のパターンと照合を行う方式である。

【０００４】また、指紋の圧力差を読みとる方式では、
圧電薄膜を利用して指の指紋の圧力差を読みとるように
している。さらに、人間の電気特性を利用する方式で
は、感圧シートを用いて皮膚の接触によって生じた電気
特性の変化を電気信号の分布に置き換えて指紋を検出す
るようにしている。この方式では、抵抗変化量もしくは
容量変化量によって、指紋のパターンを認識するように
している。

【０００５】しかしながら、以上の従来技術には種々の
問題点があり、例えば光を用いた方式では、光源や光学
系および光学イメージの処理手段が必要になるなど、小
型化，汎用化が難しく、用途が限定されるという問題が
ある。また、感圧シート等を用いて指の凹凸を感知する
方式では、感圧シートなど材料が特殊であることや、そ
れらの加工性の難しさから実用化が困難であり、また信
頼性に乏しいという問題もある。そこで、このような問
題を解決すべく、ＬＳＩ製造技術を用いた容量型の指紋
センサが新たに提案された。これは、ＬＳＩチップ上に
２次元に配列された小さなセンサ素子の静電容量を検出
し、皮膚の凹凸パターンを検出する方式である。

【０００６】これは、変形可能な上部電極と半導体基板
上に配置された下部電極により構成される容量センサ素
子が、ＬＳＩチップの上に２次元に配列された構造とな
っている。そして、触れた指の皮膚の凹凸に対応して上
部電極が変形するように構成されている。ここで、上部
電極の変形により、上部電極と下部電極との間の容量値
が変化するため、この容量差を検出することで指紋の凹
凸を感知することができる。

【０００７】このような、従来よりある容量型の表面形
状認識用センサについて、より詳細に説明すると、図５
（ａ）の断面図に示すように、半導体基板５０１上に絶
縁層５０２を介し、格子状に導電性材料からなる支持部
材５０３が形成されている。そして、その支持部材５０
３で囲われた各格子の中央部の絶縁層５０２上には、下
部電極５０４が支持部材５０３とは離間して形成されて
いる。また、支持部材５０３上には、上部電極５０５が
形成されている。この上部電極５０５は、下部電極５０
４とは所定距離だけ離れて形成され、下部電極５０４と
上部電極５０５とで容量Ｃｆが形成されている。

【０００８】そして、この表面形状認識用センサは、突
起５０６ａを有した保護膜５０６が上部電極５０５上に
形成されている。また、下部電極５０４上の領域に配置
されるように、その突起５０６ａは形成されている。そ
して、上部電極５０５と下部電極５０４との間の容量
が、センサ回路５１０により検出される。その容量とセ
ンサ回路５１０との等価回路は、図５（ｂ）に示すよう
になる。また、図６に示すように、支持部材５０３は格
子状に形成され、そのマスの中央部それぞれに、下部電
極５０４が形成されてマトリクス状に配置されている。
すなわち、この表面形状認識用センサは、下部電極５０
４とその上部にある上部電極５０５とからなるセンサ素
子複数から構成されているものである。

【０００９】そして、たとえば、１個の下部電極５０４
に対して１個のセンサ回路５１０が備えられている。ま
た、複数個の下部電極５０４に対して、１個のセンサ回
路５１０が備えられている場合もある。なお、センサ回
路５１０は、半導体基板５０１上の絶縁層５０２下に集
積されて形成されていてもよく、また、半導体基板５０
１の、センサ素子が配置されていない領域に形成されて
いてもよい。また、そのセンサ回路５１０は、半導体基
板５０１以外に用意するようにしてもよい。

【００１０】以下、それら複数のセンサ素子からなる表
面形状認識用センサの動作について説明する。突起５０
６ａが対象物に触れることで保護膜５０６が変形する
と、同時に上部電極５０５も変形する。この結果、下部
電極５０４と上部電極５０５との距離が変化し、その間
の容量Ｃｆも変化する。そして、その容量変化をセンサ
回路５１０が電気信号として検出し、その値がしきい値
以上となったらその突起５０６ａ部分が変形されたもの
と検知でき、結果として、対象物の凹凸を検出すること
ができる。

【００１１】ここで、指先の指紋は皮膚の凹凸により形
成されているので、保護膜５０６に指を接触させた場
合、指紋を形成している突部に突起５０６ａが触れた場
合と、凹部に突起５０６ａが触れた場合とで、突起５０
６ａの部分の変形量が異なることになる。そして、この
変形量の違いは下部電極５０４と上部電極５０５との間
の距離の違いとなり、結果として、容量の違いとして検
出されることになる。したがって、複数配列されたセン
サ素子それぞれの異なる容量の分布を、しきい値を境に
判別して検出していけば、それは指紋の突部の形状とな
る。すなわち、この容量型の表面形状認識用センサによ
り、皮膚の微細な凹凸状態を検知することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の表面形状認識用センサでは、製造バラツキのた
めに、センサ素子の初期容量値が設計値と異なって製造
される場合がある。特に、図５に示した支持部材５０３
の高さが設計値と異なり易く、下部電極５０４と上部電
極５０５との無変形時の間隔が、設計値より大きく異な
ってしまうときがある。このように、無変形時の下部電
極５０４と上部電極５０５との間隔が設計値と異なる
と、対象物に接触することで上部電極５０５が変形して
も、その容量変化が設定されているしきい値以上となら
ず、センサ回路５１０の出力では、上部電極５０５が変
形していないものと検知されてしまう場合がある。これ
では、対象物の形状を誤認識してしまう。

【００１３】そして、多数のセンサ素子により表面形状
を認識するため、センサ素子のばらつきも小さく抑える
必要がある。特に指紋のように微小な凹凸を検出しよう
とする場合、上部電極５０５の変形量差が小さいため、
検出できる容量差も小さい。従って、各センサ素子間の
バラツキが大きいと、上部電極５０５の変形量が同一で
あっても、あるセンサ素子では容量変化がしきい値を越
えず、あるセンサ素子では容量変化がしきい値を越える
という場合が発生してしまう。これでは、指紋パターン
の検出精度を低下させてしまい、場合によっては、検出
できなくなる。

【００１４】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、指紋のような微小な凹凸
を精度よく検出できるようにすることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明の表面形状認識
用センサは、基板上の同一平面上にそれぞれが絶縁分離
されて配置された複数の下部電極と、その下部電極上に
離間して対向配置された上部電極と、基板上に下部電極
毎に下部電極とは離間して配置されて上部電極を支持す
る支持部材と、下部電極と支持部材との間に下部電極毎
に基板上に下部電極および支持部材とは離間して下部電
極毎に配置された参照電極と、上部電極と下部電極との
間の第１の容量と上部電極と参照電極との間の第２の容
量との差を検出するセンサ回路とを備え、上部電極は、
下部電極それぞれの上で支持部材を支点に、下部電極方
向に変形可能に形成されている状態とした。すなわち、
上部電極が変形したとき、第１の容量は第２の容量に比
較して大きく変化する。また、下部電極と参照電極は、
上部電極に対向する面の面積が同一に形成されているよ
うにした。この結果、上部電極の変形による第１の容量
の変化および第２の容量の変化の初期値が同一になる。
また、参照電極は、下部電極周囲を囲うように形成され
ているようにした。この結果、下部電極と参照電極の面
積を同一にしやすい。また、下部電極は、マトリクス状
に複数配置されているようにしたので、平面的に形状認
識がされる。また、支持部材は格子状に形成されてその
マスの中央部に下部電極が配置されているようにしたの
で、上部電極の支持が安定する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は、この発明の実施の形態にお
ける表面形状認識用センサの一部構成を示す断面図、お
よび等価回路である。この実施の形態における表面形状
認識用センサは、図１に示すように、半導体基板１０１
上に絶縁層１０２を介し、格子状に導電性材料からなる
支持部材１０３が形成されている。そして、その支持部
材１０３で囲われた各格子（マス）の中央部の絶縁層１
０２上には、下部電極１０４が支持部材１０３とは離間
して形成されている。また、支持部材１０３上には、上
部電極１０５が形成されている。

【００１７】この上部電極１０５は、下部電極１０４と
は所定距離だけ離れて形成され、下部電極１０４と上部
電極１０５とで容量Ｃｆが形成されている。 そして、
この表面形状認識用センサは、突起１０６ａを有した保
護膜１０６が上部電極１０５上に形成されている。ま
た、下部電極１０４上の領域に配置されるように、その
突起１０６ａは形成されている。そして、この実施の形
態では、下部電極１０４の周囲を囲うように、下部電極
１０４および支持部材１０３とは離間して、絶縁層１０
２上に参照電極１０４ａを配置するようにした。

【００１８】また、この実施の形態では、上部電極１０
５および下部電極１０４の間の容量Ｃｆと、上部電極１
０５および参照電極１０４ａの間の容量Ｃｒとの差を、
センサ回路１１０により検出するようにした。その容量
とセンサ回路１１０との等価回路は、図１（ｂ）に示す
ようになる。また、図２に示すように、支持部材１０３
は格子状に形成され、そのマスの中央部それぞれに、下
部電極１０４および参照電極１０４ａが形成されてマト
リクス状に配置されている。すなわち、この表面形状認
識用センサは、下部電極１０４および参照電極１０４ａ
と、その上部にある上部電極１０５とからなるセンサ素
子複数から構成されているものである。

【００１９】そして、たとえば、１個の下部電極１０４
および参照電極１０４ａに対して１個のセンサ回路１１
０が備えられている。また、複数個の下部電極１０４お
よび参照電極１０４ａに対して、１個のセンサ回路１１
０が備えられている場合もある。なお、センサ回路１１
０は、半導体基板１０１上の絶縁層１０２下に集積され
て形成されていてもよく、また、半導体基板１０１の、
センサ素子が配置されていない領域に形成されていても
よい。また、そのセンサ回路を半導体基板１０１以外に
用意するようにしてもよい。なお、図１には示していな
いが、各電極とセンサ回路との接続などのための配線構
造が、半導体基板１０１上に配置されている。

【００２０】以下、この実施の形態における複数のセン
サ素子からなる表面形状認識用センサの動作について説
明する。図３に示すように、突起１０６ａが対象物に触
れることで保護膜１０６が変形すると、同時に上部電極
１０５も変形する。この結果、下部電極１０４と上部電
極１０５との距離が変化し、その間の容量Ｃｆが変化す
る。同時に、参照電極１０４ａと上部電極１０５との距
離が変化し、その間の容量Ｃｒも変化する。このとき、
図３から明らかなように、支持部材１０３近傍では、上
部電極１０５の変化量は小さい。すなわち、下部電極１
０４と上部電極１０５との距離の変化に比較して、参照
電極１０４ａと上部電極１０５との距離の変化は小さ
い。

【００２１】従って、突起１０６ａが対象物に触れたと
きの突起部１０６ａ下部の上部電極１０５の部分（上部
電極中央部）の下部電極１０４方向への移動量に対し、
容量Ｃｆと容量Ｃｒは、それぞれ図４に示すように変化
する。そして、参照電極１０４ａの表面積を下部電極１
０４の表面積と同一にしておけば、図４に示すように、
容量Ｃｆと容量Ｃｒの初期値を等しくすることができ
る。ここで、図４に示した容量Ｃｆの変化と容量Ｃｒの
変化との間の関係は、支持部材１０３の高さ（厚さ）に
関わらない。従って、センサ回路１１０により、それら
の差を検出するようにすれば、支持部材１０３の高さが
変化しても、その検出結果は一定となる。言い換える
と、容量Ｃｒを基準として容量Ｃｆの大小を検出するよ
うにすれば、その絶対値の変化は、センサ回路１１０の
検出結果に影響を与えない。

【００２２】以上のことにより、その容量変化の差をセ
ンサ回路１１０が電気信号として検出し、その値がしき
い値以上となったらその突起１０６ａ部分が変形された
ものと検知でき、結果として、対象物の凹凸を検出する
ことができる。ここで、指先の指紋は皮膚の凹凸により
形成されているので、保護膜１０６に指を接触させた場
合、指紋を形成している突部に突起１０６ａが触れた場
合と、凹部に突起１０６ａが触れた場合とで、突起１０
６ａの部分の変形量が異なることになる。そして、この
変形量の違いは、上述した容量変化の差の違いとして検
出されることになる。

【００２３】したがって、複数配列されたセンサ素子そ
れぞれの異なる検出結果の分布を、たとえば、しきい値
を境に判別して検出していけば、それは指紋の突部の形
状を示すものとなる。すなわち、この実施の形態の容量
型の表面形状認識用センサにより、皮膚の微細な凹凸状
態を検知することができる。そして、この実施の形態の
表面形状認識用センサによれば、支持部材の高さに製造
バラツキがあっても、センサ回路１１０の検出結果には
それが影響しないので、対象物の形状を誤認識してしま
うことがない。また、複数のセンサ素子それぞれの検出
結果に、バラツキがほとんどない状態とできるので、た
とえば指紋検出の場合、指紋パターンの検出精度を向上
させることができる。

【００２４】ところで、上記実施の形態では、１つのセ
ンサ素子において、参照電極を下部電極の周囲を囲うよ
うなリング状の一体構造としたが、これに限るものでは
ない。１つのセンサ素子において、下部電極の周囲に複
数分割された状態の参照電極を配置するようにしても、
上述の実施の形態と同様である。また、１つのセンサ素
子において、支持部材と下部電極の間の一箇所に、たと
えば矩形状の参照電極を１つ配置するようにしても、上
述の実施の形態と同様である。この場合、下部電極毎に
参照電極を複数備え、上部電極と複数の参照電極との間
の複数容量と上部電極と下部電極の容量とを比較するよ
うにしてもよい。また、上記実施の形態では、上部電極
上に突起を備えた保護膜を配置するようにしたが、これ
に限るものではない。上部電極上に平坦な保護膜を配置
するようにしてもよい。また、上部電極に、耐腐食性を
有する金属材料を用いるようにすれば、上部電極上に保
護膜を配置しなくてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、基
板上の同一平面上にそれぞれが絶縁分離されて配置され
た複数の下部電極と、その下部電極上に離間して対向配
置された上部電極と、基板上に下部電極毎に下部電極と
は離間して配置されて上部電極を支持する支持部材と、
下部電極と支持部材との間に下部電極毎に基板上に下部
電極および支持部材とは離間して配置された参照電極
と、上部電極と下部電極との間の第１の容量と上部電極
と参照電極との間の第２の容量との差を検出するセンサ
回路とを備え、上部電極は、下部電極それぞれの上で支
持部材を支点に、下部電極方向に変形可能に形成されて
いる状態とした。

【００２６】すなわち、上部電極が変形したとき、第１
の容量は第２の容量に比較して大きく変化する。この結
果、この発明によれば、センサ回路によりそれらの差を
検出しているので、支持部材の高さが変化してもその検
出結果は一定となり、複数の下部電極によるそれぞれの
検出結果が、再現性よくほとんどバラツキのない状態で
得られるようになる。この結果、この発明によれば、指
紋のような微小な凹凸を、より精度よく検出できるよう
になる。また、上記のことに加え、下部電極と参照電極
は上部電極に対向する面の面積が同一に形成されている
ようにした。この結果、上部電極の変形による下部電極
と上部電極との間の容量変化および参照電極と上部電極
との間の容量変化の初期値が同一になり、第１の容量と
第２の容量との差を、より容易に検出できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態における表面形状認識
用センサの一部構成を示す断面図、および等価回路であ
る。

【図２】 この発明の実施の形態における表面形状認識
用センサの一部構成を示す平面図である。

【図３】 この発明の実施の形態における表面形状認識
用センサが変形したときの一部構成を示す断面図であ
る。

【図４】 容量Ｃｆと容量Ｃｒのそれぞれの示す特性図
である。

【図５】 従来よりある容量型の表面形状認識用センサ
の一部構成を示す断面図、および等価回路である。

【図６】 従来よりある容量型の表面形状認識用センサ
の一部構成を示す平面図である。

【符号の説明】

１０１…半導体基板、１０２…絶縁層、１０３…支持部
材、１０４…下部電極、１０４ａ…参照電極、１０５…
上部電極、１０６…保護膜、１０６ａ…突起、１１０…
センサ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA43 BA29 BB08 BC03 BD05 BD11 CA09 DA01 DA02 DA04 DB05 DC08 DD06 HA01 4C038 FF01 FG00 5B047 AA25

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の同一平面上にそれぞれが絶縁分
   離されて複数配置された複数の下部電極と、 前記下部電極上に離間して対向配置された上部電極と、 前記基板上に前記下部電極毎に前記下部電極とは離間し
   て配置されて前記上部電極を支持する支持部材と、 前記下部電極と前記支持部材との間に前記下部電極毎に
   前記基板上に前記下部電極および前記支持部材とは離間
   して前記下部電極毎に配置された参照電極と、 前記上部電極と前記下部電極との間の第１の容量と前記
   上部電極と前記参照電極との間の第２の容量との差を検
   出するセンサ回路とを備え、 前記上部電極は、前記下部電極それぞれの上で前記支持
   部材を支点に、前記下部電極方向に変形可能に形成され
   ていることを特徴とする表面形状認識用センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の表面形状認識用センサに
   おいて、 前記下部電極と前記参照電極は、前記上部電極に対向す
   る面の面積が同一に形成されていることを特徴とする表
   面形状認識用センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の表面形状認識用
   センサにおいて、 前記参照電極は、前記下部電極周囲を囲うように形成さ
   れていることを特徴とする表面形状認識用センサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３いずれか１項記載の表面形
   状認識用センサにおいて、 前記下部電極は、マトリクス状に複数配置されているこ
   とを特徴とする表面形状認識用センサ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４いずれか１項記載の表面形
   状認識用センサにおいて、 前記支持部材は格子状に形成されてそのマスの中央部に
   前記下部電極が配置されていることを特徴とする表面形
   状認識用センサ。