JP2001525067A

JP2001525067A - 調節可能な利得を有する容量性指紋センサ

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Publication number: JP2001525067A
Application number: JP54939098A
Authority: JP
Inventors: ジー．ディッキンソン，アレクサンダー; マクファーソン，ロス; メンディス，スネトラ; シー．ロス，ポール
Original assignee: ベリディコム，インコーポレイテッド
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2001-12-04
Also published as: WO1998052135A3; US6049620A; AU7379698A; WO1998052135A2; EP0981800A2; EP0981800A4; US6538456B1

Abstract

(57)【要約】本発明は密接した容量性検知要素からなる平坦状のアレイを有する指紋検知装置に関するものである。指を本検知装置近くに配置させると、該容量性検知要素が指と各検知要素内の単一のコンデンサプレートとの間における容量を測定する。このことは、各コンデンサプレートをプレチャージし、次いで各コンデンサプレートから固定量の電荷を除去するために公知の電流源を使用することによって行われる。測定された容量はコンデンサプレートと指表面との間の距離の関数として変化する。従って、容量測定がコンデンサプレートと指表面との間の距離を決定することを可能とする。検知要素からなるアレイにわたっての距離測定を結合して指紋を構成する指表面上の指紋の山のパターンの表現を発生させる。指紋を採取した後に、指紋の品質が評価され、且つ必要である場合には、満足のいく指紋が採取されるまで検知要素に対する利得パラメータを繰返し調節する。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称調節可能な利得を有する容量性指紋センサ発明の詳細な説明発明の分野本発明は、指表面上の指紋を電子的に検知する方法及び装置に関するものであって、更に詳細には、調節可能な利得を有する容量性指紋センサに関するものである。関連技術個人的同一性の正確で且つ費用効果性の検証は益々重要なものとなっている。個人的同一性の検証は、名刺を防止するため、クレジットカードの不正使用を防止するため、盗難を阻止するため及び例えば携帯電話やラップトップコンピュータ等のポータブル製品の不正使用を阻止するため、及び電子市場における安全性を確保するために使用することが可能である。個人の電子的識別に対して多くの方法が提案されており、例えば、パスワード、クレジットカードやＡＴＭカード等のハードウエアトークン、及びパスワードとトークンのアイディアを結合したポータブルな暗号化装置等がある。これらの全ては、そのトークンがその権限を有する所有者が所有していることを確保するが困難であるか又は不可能であるという点において問題を有している。生物測定学技術は、例えば声、指紋、手形、署名、網膜パターン等の個人の体の独特な特徴を識別することによって同一性を検証することに依存している。これらの技術は、それらが個人と共に移動し且つ理論的には高い精度が可能であるという利点を有している。然しながら、多くの場合において、データを採取することは複雑な装置及びユーザとの複雑な相互作用を必要とするという欠点を有している。採取した生物測定学データを生物測定学データのデータベースと比較することも計算上極めて集中的なものとなる場合があり、且つ従って、著しい計算資源を必要とする場合がある。更に、署名及び音声認識等の生物測定学技術は比較的高いエラーレートに影響される。全ての現在使用されている生物測定学識別技術の中で、指紋が、多分、最も魅力のあるものである。指紋は「全ての妥当な疑いを超えるもの」として同一性を識別するための法的手段として７５年間の間受付けられており、且つ指紋を採取することはユーザによって殆ど特定の動作を必要とすることはない。指紋特徴を抽出し且つデータベータ比較を実施する作業に対してかなりの研究がなされている。既存の技術は１０バイトのデータ程度で指紋の関連する特徴を表わすことを可能とし、１秒未満で認識を行い、且つ誤り許容率及び誤り拒否率は０．０１％である。更に、指紋データを記録し且つ比較するために必要とされるコンピュータハードウエアは集中化させ且つ電話通信ネットワークを介してアクセスすることが可能であり、それによりコストを多くの取引にわたって償却させることを可能とする。広く使用されている指紋認識に対する主要な障壁は指紋の採取である。全ての識別箇所において採取装置が存在せねばならない。指紋を採取するための既存の技術は、指紋の電子的画像を得るために、ＣＣＤ等の感光性検知器上に指紋を光学的に画像形成することに依存している。このアプローチは例えばコストが高く、複雑性が高く、寸法が大きく、イメージ品質が低く、光学系が不整合となったり破損し易いという多数の問題を有している。光学的装置も「騙され」易く、指紋の似姿又は指紋画像のコピーであっても光学的センサを騙すために使用される。指紋を検知する別の方法は、例えば発明者ＡｌａｎＧ．Ｋｎａｐｐによる「所定の電極活性化を持った指紋検知装置及び認識システム（ＦｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔＳｅｎｓｉｎｇＤｅｖｉｃｅａｎｄＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＨａｖｉｎｇＰｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｃｔｉｖｉｔｉｏｎ」という名称の米国特許第５，３２５，４４２（Ｋａｎｐｐ特許）によって開示されているセンサのような容量性センサを使用することによる。Ｋｎａｐｐ特許は、密接した容量性検知要素からなる平坦状のアレイを有する指紋検知装置を開示している。指を該検知装置に近接して配置させると、該容量性検知要素が指表面と各検知要素における単一のコンデンサプレートとの間の容量を測定する。このことは、電圧をコンデンサプレートへ駆動しながら駆動電流を検知することによって行われる。測定された容量はコンデンサプレートと指表面との間の距離の関数として変化する。従って、容量測定は、コンデンサプレートと指表面との間の距離を決定することを可能とする。複数個の検知要素からなるアレイにわたっての距離測定値を結合して指紋を構成する指表面上の指紋の山のパターンの表現を発生する。然しながら、Ｋｎａｐｐ特許において開示されている構成では多数の深刻な欠点が存在している。（１）Ｋｎａｐｐ発明は、検知電極へ延びる列ライン上へ充電電流を駆動し且つ検知電極と指表面との間の容量を決定するために充電電流を測定することによって動作する。このような形態においては、列ラインの長さ及び測定する容量が小さいために、列ラインの充電と電極プレートの充電との間を区別することは不可能でないにしても困難である。（２）例えば、乾いた指の表面と温度変動とに起因する容量における変動に対して何らの考慮がなされていない。（３）更に、Ｋｎａｐｐ特許に開示されている発明は充電電流を測定する。この充電電流は、電極プレート及び取付けられている列ラインが充電される場合に時間と共に大きく変動する蓋然性がある。従って、特定の時刻において測定した充電電流が容量を正確に表わすものである蓋然性はない。必要とされているものは、指表面から指紋を収集するために充分な感度を有しており且つ指の表面の湿気及び温度測定における変化に起因する容量における変動を取扱うために充分な調節可能性を有する容量性指紋センサである。要約本発明は指表面から指紋を検知する方法及び装置を提供している。本装置は、基板上に配設した複数個の容量性検知要素からなる平坦状のアレイを有している。それは、又、検知要素とその上側に位置された指表面の一部が容量における測定可能な変化を形成するように指を受納すべく適合されている複数個の検知要素からなるアレイの上方に配置されている絶縁性の受納表面を有している。容量は、最初に、各検知要素をプレチャージし、次いで公知の電流源を使用して固定量の電荷を各コンデンサプレートから除去することによって測定される。指紋を採取した後に、指紋の品質を評価し、且つ、必要である場合には、満足の行く指紋が採取されるまで、検知要素に対する利得パラメータを繰返し調節する。従って、本発明は電極プレートを包含する複数個の検知要素からなるアレイを使用して指表面から指紋を検知する方法として特性付けることが可能である。本方法は、検知要素内の電極プレートがコンデンサの一方のプレートを形成し他方のプレートが指表面であるように複数個の検知要素からなるアレイの上方に指表面を配置させ、該電極プレートを基準電圧へ充電し、決定可能な速度で該電極プレートから電荷を除去し、且つ決定可能な時間間隔が経過した後に夫々の電極プレートから電圧を測定し、且つ最後に、該電圧を指表面からの指紋の表現に形成する、上記各ステップを有している。本発明の１つの側面によれば、本方法は指紋のデジタル表現を形成するために電圧をデジタル形態へ変換するステップを有している。本発明の１実施例は、又、指表面から指紋を検知する方法として特性付けることが可能であり、該方法は少なくとも１個の検知要素を使用し、該方法は、指表面を少なくとも１個の検知要素の上方に配置し、該少なくとも１個の検知要素から該少なくとも１個の検知要素と指表面との間の相互作用を表わす電気的信号を測定し、該電気的信号を該指表面からの指紋の表現に形成し、該指紋の表現の品質を評価し、該表現の品質が悪い場合には、該少なくとも１個の検知要素の測定パラメータを調節し、且つ該指紋の別の表現を形成するために再度該電気的信号を測定する、上記各ステップを有している。この実施例の１つの側面によれば、該少なくとも１個の検知要素から電気的信号を測定するステップが、該少なくとも１個の検知要素と指表面との間の容量を測定する。この実施例の別の側面によれば、該電気的信号を測定するステップが、該少なくとも１個の検知要素と指表面との間の抵抗値を測定する。この実施例の更に別の側面によれば、該電気的信号を測定するステップが指表面の光学的走査からの信号を収集する。この実施例の別の側面によれば、該測定パラメータを調節するステップが、該少なくとも１個の検知要素の利得を調節することを包含している。本発明は、又、指表面上の指紋を検知する装置として特性付けることが可能であり、指表面と共にコンデンサを形成する電極プレート及び電極プレート上の電圧を増幅する増幅器とを具備する検知要素からなるアレイ、該検知要素からなるアレイの上方に配設されている絶縁性の受納表面、検知要素内の電極プレート上に電圧を駆動するために該検知要素からなるアレイ内の検知要素へ結合されている駆動回路、該検知要素内の電極プレート上の電圧を検知するために該検知要素へ結合されている検知回路を有している。本発明の１つの側面によれば、検知要素は所定のレート即ち割合乃至は速度で電極プレートから電流を除去する電流源を有している。本発明の別の側面によれば、本装置は、該検知要素からなるアレイ内の１個の検知要素内の電極プレート上の電圧を測定する少なくとも１個の電圧測定回路を有している。本発明の別の側面によれば、該検知回路は該検知要素からなるアレイを貫通して延在する複数個のラインを有しており、該複数個のラインは検知要素から該アレイの周辺部上の電圧測定回路へ電圧を担持し、従って該ラインは該アレイの周辺部に到着する前に高々アレイの半分をトラバースする。本発明の別の側面によれば、駆動回路は、検知要素からなるアレイにわたって延在しており検知要素へ駆動電流を送給する複数個のライン、一対のドライバが該複数個のライン内のラインの反対側の端部に取付けられるように検知要素へ駆動電流を供給するために該複数個のラインへ結合されているアレイの周辺部上の複数個のドライバを有している。本発明の別の側面によれば、本装置は該検知要素からなるアレイから少なくとも１個の検知要素へ選択的にアクセスするためのアドレッシング機構を有している。本発明の更に別の側面によれば、該検知要素からなるアレイがモジュール内に位置されており、該モジュールは、検知回路へ結合されている少なくとも１個のアナログ・デジタル変換器、該アレイから収集した指紋の表現に関する計算を実施するための該少なくとも１個のアナログ・デジタル変換器へ結合されているデジタル信号プロセサ、該モジュールの外部の装置と通信するためのインターフェース回路を有している。本発明の別の側面によれば、該アレイ内の検知要素は、電極プレート上への駆動電流を選択的にスイッチするための駆動スイッチを具備する駆動入力部、及び該電極プレートから検知出力部への電圧を選択的にスイッチさせる検知スイッチを具備する検知出力部を有している。本発明の別の側面によれば、該検知要素からなるアレイ内の検知要素は、所定のレートで電極プレートから電流を除去する電流源を有している。本明細書に記載する新規な容量性センサはスタンダードの半導体製造プロセスを使用して製造されるので、それは光学系よりも廉価であり、小型であり、より堅牢である。金属コンデンサプレートが集積回路上の金属層から製造される。容量測定及び読取のために必要とされる制御回路も同一の集積回路上に製造される。何等特別の技術が必要とされることはない。本方法は指紋と同じ大きさのシリコン面積を必要とするが、センサ要素は所望の分解能を達成するために極めて大型のものに構成することが可能であり、且つ速度は臨界的な問題ではない。従って、比較的古く且つ廉価なＣＭＯＳプロセス（例えば、１．２ミクロン又は２ミクロン）を使用することが可能である。更に、無効なセンサ要素が存在する場合であっても使用可能な画像を採取することが可能である。これらのファクタは、両方とも、歩留まりを増加させる。本容量性検知方法は、又、指紋の山と谷の間の中間レベルを検知することが可能であるので、光学的技術よりもより高い品質の画像を発生させる。更に、本技術は指がコンデンサのプレートを形成するという事実に依存するものであるから、指は電気を導通することが可能でなければならない。このことはプラスチックの似姿又はコピーで装置を「騙す」可能性を排除している。導電性の似姿を形成する場合であっても、典型的に、それは誤って許容する程オリジナルに充分に似た画像を発生するものではない。本発明の１実施例においては、センサからの画像はグレイレベル情報を包含している。別の実施例においては、指紋の二進画像が収集され且つセンサは検知要素から二進出力を発生するために読取回路内に組み込まれているスレッシュホールド処理回路を有している。スレッシュホールドはチップにわたっての変動を補正するためにチップの特定の領域内において局所的に設定される。図面の説明図１は本発明の１つの側面に従って指表面の２つの指紋の山の下側に位置されている検知要素からなるアレイの断面図を与えている。図２は本発明の１つの側面に従って検知電極と指表面との間の距離の関数としてどのようにして容量が変化するかを示したグラフである。図３は本発明の１側面に従って検知電極と指表面との間の距離の関数としての出力電圧における変化を示したグラフである。図４は本発明の１側面に基づいて容量性検知要素からの容量を測定するために使用される回路のハイレベル回路図である。図５は本発明の１側面に基づいて容量性検知要素に関連する回路を示したより詳細な回路図である。図６は本発明の１側面に従って電流源及び電圧測定回路をどのようにして検知要素と接続しているかを示した詳細な回路図である。図７は本発明の１側面に従って図６における回路の動作期間中に図６における種々の端子上の電圧のグラフである。図８は本発明の１側面に従って容量性検知要素からなるアレイと関連するサポート回路を示したブロック図である。図９は本発明の１側面に従ってデジタル信号プロセサ９１０及びコンピュータ９０６と検知要素からなるアレイとどのようにして接続するかを示したブロック図である。図１０は本発明の１側面に従って分割列ラインを有する検知要素からなるアレイ用のサポート回路に対する別の実施例を示している。発明の詳細な説明以下の説明は本発明を当業者が製造し且つ使用することを可能とするために提供され且つ特定の適用例及びその条件に関連して提供される。開示した実施例に対する種々の修正は当業者にとって自明なものであり、且つ本明細書において記載した一般的な原理は本発明の精神及び範囲から逸脱することなしにその他の実施例及び適用例に対しても適用することが可能である。従って、本発明は開示された実施例に制限されることを意図したものではなく、本明細書に開示した原理及び特徴と一貫性を有する最も広い範囲が与えられるべきである。図１は検知要素１２０（電極又はコンデンサプレートとも呼称される）からなるアレイを包含するトポロジカル即ち地形的センサ１００を示している。個別的な検知要素１２０は、典型的に、検査中の項目よりもより小さな寸法を有している。指紋センサとして使用される場合には、該検知要素は指紋の山及び谷よりも小さな寸法を有している。本発明を指紋センサに関連して説明するが、当業者によって認識されるように、本発明は指紋以外の物体におけるトポロジカル即ち地形的変化を検知するためにより一般的に適用可能なものである。このような場合においては、検知要素の寸法は選択された物体又は複数個の物体に対し適切なものとして選択されるべきである。検知要素の上方には例えばガラス又はプラスチックからなる適宜の絶縁性物質が配設されており、それは検知表面１４０として作用する。図１は、更に、検知表面１４０に近接して配置されている指表面１６０を示している。指表面１６０は凹凸があるので、指表面１６０のある部分（山１８０）は検知表面１４０に近接しており、一方その他の部分（谷１９０）は検知表面１４０から更に離れている。各検知要素１２０はそのすぐ上方に位置されている指表面１６０の部分とコンデンサを形成する。検知要素１２０はコンデンサプレートの一方を形成し、他方のプレートは指表面１６０によって構成される。コンデンサの容量は次式によって決定される。Ｃ＝ｋ（Ａ／ｄ）尚、Ｃは容量であり、ｋは誘電定数であり、Ａはコンデンサの表面積であり、ｄは電極間の距離である。上の式から理解することが可能であるように、コンデンサの容量は電極間の距離に比例する。従って、検知要素と指表面１６０との間に形成されているコンデンサからなるアレイの容量は指のトポグラフィ即ち地形的特徴と共に変化する。特に、検知要素１２０と指表面１６０の谷１９０との間に形成されるコンデンサの容量は、検知要素１２０と指表面１６０の山１８０との間に形成されるコンデンサの容量よりもより小さい。検知要素１２０と山及び谷の中間の指の領域との間に形成されるコンデンサは山及び谷によって画定される限界の間の容量を有している。コンデンサからなるアレイの容量は、その後に、例えば、このトポグラフィ即ち地形的特徴の視覚的表現を形成するために画像を表わす信号へ変換される。本発明の容量性指紋センサは画像によって必要とされる分解能によって決定されるピッチで配置されている小型の金属プレートからなるアレイを有している。該金属プレートは典型的に数ミクロンの厚さであるガラス又はプラスチックの層等である絶縁性物質によって被覆されている。該金属プレートは接地されている基板に対しある寄生容量Ｃ_mを有している。例えば接地等の既知の電位にある指が検知表面１４０の近傍に位置されると、検知要素１２０上の容量が変化する。指の表面は凹凸があり、即ち「山」及び「谷」を有しており、典型的に数百ミクロン離れているので、指の「プリント」即ち指紋を形成している。指紋の山は検知表面１４０に対してより近く、且つ谷はより離れており、典型的に約百ミクロンだけ離れている。金属プレートと指表面１６０との間の容量（Ｃ_f）はこれら２つの間の距離及び物質に依存するので、それは指のトポグラフィ即ち地形的特徴と共に変化する。Ｃ_fは金属プレートと絶縁体の頂部との間の容量（Ｃ_fi）及び絶縁体の頂部と指との間の容量（Ｃ_fa）の直列結合したものである。これらの容量は以下の如くに表わすことが可能である。Ｃ_fa＝ε_aＡ／ｄ_a Ｃ_fi＝ε_iＡ／ｄ_i 尚、ε_i及びε_aは、夫々、絶縁体及び空気の誘電定数であり、ｄ_iは絶縁体の厚さであり、ｄ_aは絶縁体から指表面１６０への距離であり、Ａは検知要素１２０の面積である。従って、Ｃ_fに対する式は以下の如くである。Ｃ_f＝Ｃ_fi｜｜Ｃ_fa＝ε_iε_aＡ／（ｄ_iε_a＋ｄ_aε_i）金属プレートに関する等価の容量は以下の如くに表わすことが可能である。Ｃ_eq＝Ｃ_m＋Ｃ_f 尚、Ｃ_mは寄生容量である。従って、プレートと指紋の山との対によって形成されるコンデンサはプレートと指紋の谷との対によって形成されるコンデンサよりも著しく大きな容量を有するものであるので、アレイにわたって容量を測定することにより指紋の画像を得ることが可能である。これらの限界の間の容量が山と谷との間に存在する指の区域内に形成される。動作本発明は各コンデンサから固定量の電荷△ｑを除去するために既知の電流源を使用し且つその結果発生する電圧差△Ｖを測定することによって容量を測定する。各プレートの全容量は以下の如くに計算することが可能である。Ｃ_eq＝△ｑ／△Ｖ＝Ｉ₀△ｔ／△Ｖ尚、Ｉ₀は既知の電流であり、△ｔは△ｑに等しい電荷の量を除去するのに必要な時間間隔である。式２−４を結合すると、ｄ_aと△Ｖとの間の関係を以下の如くに表わすことが可能である。Ｉ₀△ｔ／△Ｖ＝Ｃ_m＋ε_iε_aＡ／（ｄ_iε_a＋ｄ_aε_i）指表面１６０から検知表面１４０への距離が絶縁体の厚さよりも著しく大きい場合には（ｄ_a＞＞ｄ_i）、Ｃ_faはＣ_fiよりも著しく小さくなり、且つ上の式は次式に簡単化される。Ｉ₀△ｔ／△Ｖ＝Ｃ_m＋ε_aＡ／ｄ_a これらの式は、絶縁体パラメータ及び金属プレートの寄生容量と共に、絶縁体と指との間の距離を推定するために使用することが可能であり、それにより指紋のマップを得ることが可能である。注意すべきことであるが、距離へ変換することなしにコンデンサからなるアレイにわたって電圧変動をマッピングすることは容量変動の相対的測定を提供し且つ画像を形成するのに充分である。図２は本発明の１側面に基づいて検知要素１２０と指表面１６０との間の距離の関数としての容量を示したグラフである。上側の線Ｃ_eq２００はＣ_m＋Ｃ_fを包含する検知電極の等価容量である。下側の線Ｃ_f２１０は金属プレートと絶縁体Ｃ_fiの頂部との間の容量及び絶縁体の頂部と指表面Ｃ_faとの間の容量を表わしている。図２から理解することが可能であるように、指表面１６０とコンデンサプレート１２０との間の距離が増加するに従い容量は急激に降下する。図３は本発明の１側面に従ってコンデンサプレート１２０から固定量の電荷を除去した場合に、指表面１６０と検知表面１４０との間の距離ｄ_aの関数として検知要素１２０上の電圧がどのように変化するかを示したグラフである。このグラフの形状は、画像の黒白領域の間のシャープなエッジを示す実験結果と一貫性を有している。ｄ_aの任意の値を計算するためにこの曲線を使用することが理論的には可能であるが、実際上は、数ミクロンより大きなｄの値を計算するために充分な精度で電圧差を測定することは不可能である。図４は本発明の１側面に従って容量性検知要素から容量を測定するために使用される回路のハイレベル回路図である。動作について説明すると、指表面１６０を検知表面１４０近くに配置させ、且つ該検知要素からなるアレイをスイッチ４２０を介して電圧源４００へ接続することによってコンデンサプレート１２０を既知の電圧Ｖ_iに設定する。容量Ｃを有する与えられたコンデンサ４６０は、今や、電荷ｑ_i＝ＣＶ_iを有している。指表面１６０が検知表面１４０近くに位置されたまま、該検知要素からなるアレイを電圧源４００から切断し且つスイッチ４２０を介して電流源４４０へ接続する。検知要素１２０と電流源４４０との間の接続は固定した時間期間ｔの間維持される。与えられたコンデンサから除去される電荷の量はｑ_k＝ｉ_tであり、尚ｉは電流源４４０によって発生される電流である。時間期間ｔの終りにおいて、検知要素１２０の電圧を測定して値Ｖ_fを得る。与えられたコンデンサ４６０の容量は、今や、ｑ＝ＣＶの関係から計算することが可能であり、尚ｑはコンデンサから除去した電荷ｑ_kであり且つＶはコンデンサプレート１２０の初期電圧Ｖ_iと最終電圧Ｖ_fとの間の差である。従って、コンデンサ４６０の容量は次式によって与えられる。Ｃ＝ｑ_k／（Ｖ_i−Ｖ_f）検知要素１２０におけるコンデンサの容量を測定することによって、検知要素１２０とその上方に位置されている指表面１６０の部分との間の距離ｄを計算することが可能である。勿論、該検知要素の各々は装置内の他の要素に関し寄生容量を有している。例えば、指紋の山が存在することを検知するために、該山が存在することに起因する検知要素の容量における変化は、それが寄生容量に関して測定可能なものであるように充分に大きなものでなければならない。例えば、ダイナミックＲＡＭは典型的に比較的大きな寄生容量を有する小型のコンデンサ内にデータを格納する。比較において、指紋の山が存在することに起因する容量における変化は寄生容量に対して顕著なものではなく、事実上、測定不可能である。従って、ＲＡＭにおけるコンデンサの寄生容量は測定すべき容量よりも実質的に大きいものであるから、ダイナミックＲＡＭは指紋センサとして不適切である。本発明に基づく指紋センサは当該技術において高知の任意の適宜の物質から製造することが可能である。幾つかの適用例においては、単一ユニットにおいて、検知要素及び例えば増幅器、ノイズ減少回路、アナログ・デジタル変換器等の各検知要素の値を読取るための関連する回路とを包含することの可能なソリッドステートセンサを使用することが有益的である。適切な集積回路装置の幾つかの例は、従来のＣＭＯＳ処理技術によって製造される装置を包含している。このようなソリッドステート装置は、典型的に、数ミクロンの厚さの二酸化シリコン層によって被覆される。この層は検知要素と検査中の指との間に位置される検知表面１４０を形成する絶縁層として作用する。本発明の幾つかの実施例はより柔軟性のある検知表面を与えており、それは指表面１６０との繰返される接触に起因する摩耗により良く耐えることが可能である。ある実施例では二酸化シリコンを例えばダイヤモンド等のより強い絶縁性物質で被覆するか又は置換する。本発明の１実施例においては、従来のＣＭＯＳプロセスによってセンサを製造し、且つセンサ要素は３００乃至５００ｄｐｉの分解能を得るために約５０ミクロンだけ互いに離隔される。この実施例においては、指表面１６０が検知表面に近接していない場合の検知要素の寄生容量は約１８０ｆＦである。検知表面１４０が指表面１６０を受取ると、検知要素１２０の容量は典型的な環境条件下において約３５０ｆＦへ増加する。図５は本発明の１側面に基づく単一容量性検知要素に関連する回路の詳細な回路図である。寄生容量Ｃ_m５０２及び指５１０と金属プレートＣ_f５０８との間の容量が点線で示されている。注意すべきことであるが、金属プレート５００と指５１０との間の容量は、金属プレートと絶縁体表面との間の容量Ｃ_fi５０６及び絶縁体と指表面との間の容量Ｃ_fa５０４から構成されている。金属プレート５００はＣ_mを最小とさせ且つＣ_fを増加させるために最も高いレベルの金属を使用して形成される。金属プレート５００はトランジスタ５１２のゲートへ接続しており、そのソースはＶＤＤへ接続しており、且つそのドレインはトランジスタ５１６のソースへ接続している。トランジスタ５１６のゲートはＲＯＷ信号５３０によってイネーブル即ち動作可能状態とされ、且つトランジスタ５１６のドレインは検知要素の出力端ＶＯＵＴ５２６へ接続している。金属プレートからなる１つの行の容量は、行選択スイッチを介して複数個の検知要素からなる１つの行へアドレスすることによって並列的に測定される。１つの行内の全ての検知要素に対して制御信号が同時的にイネーブルされる。ＶＯＵＴ５２６は更にトランジスタ５１８のソースへ接続している。トランジスタ５１８のゲートは信号ＶＬＮ５２８によってイネーブルされ、トランジスタ５１８のドレインはＶＳＳへ接続している。これらのコンポーネントはソースホロワとして機能し且つ読取目的のための選択トランジスタとして機能する。入力側において、ＣＭＯＳスイッチ５３４が信号ＴＸ５２４及びＴＸ’５３２によってイネーブルされ、金属プレート５００を充電回路及び電流源５２２の両方へ接続する。ＣＭＯＳスイッチ５３４はＰチャンネルトランジスタ５１４を介してＶＤＤへ接続している。トランジスタ５１４は、Ｐチャンネルトランジスタ５１４のゲートへ接続されるプレチャージ信号ＰＣ５２０によってイネーブルされる。ＣＭＯＳスイッチ５３４は、更に、電流源５２２を介してＶＳＳへ接続している。金属プレート５００の容量の測定期間中に、金属プレート５００はＣＭＯＳスイッチ５３４をターンオンすることによって電荷入力ノードへ接続される。ＣＭＯＳスイッチは、金属プレートをレール電圧へ充電及び放電することを確保するために使用される。次に、金属プレート５００はプレチャージトランジスタ５１４をイネーブルさせることによってＶＤＤへプレチャージされる。トランジスタ５１４がターンオフされると、電流源５２２からの電流Ｉ₀がコンデンサを放電させ且つ金属プレート５００上の電圧は安定したレートで減少する。電流の値Ｉ₀ は、金属プレート５００上の電圧を与えられた時間インターバルの後にサンプルして電圧変化を測定することが可能であるように選択される。図６は読取回路及び電流源に取付けられている単一センサ要素の概略図である。図６における回路は３つのコンポーネントに分割することが可能である。点線内のものは単一検知要素に関連する回路である。点線の左側は電流源に関連する回路である。点線の右側は読取り回路であり、２個のサンプル・ホールド回路を有している。該読取回路は複数個の検知要素からなる１つの列に対して共通であり且つ２つのサンプリング回路を包含している。各サンプリング回路はサンプル・ホールドスイッチ及びコンデンサ及び第二ソースホロワから構成されている。第一サンプルはコンデンサがプリセットされた直後に格納される。第二サンプルは固定された時間の量の後であるが、コンデンサが完全に放電するすぐ前に格納される。サンプル値は、列選択スイッチをイネーブルすることによって第二組のソースホロワを介して差動的に走査される。別の実施例においては、固定量の電荷が金属プレート５００から除去された後に単一のサンプリング回路によって単一の電圧がサンプルされる（時間０における電圧はＶＤＤであると仮定されるので、時間０における第一サンプルは収集されない）。検知要素からの出力ＶＯＵＴ５２６はトランジスタ６１４を介して第一サンプリング回路へ接続される。トランジスタ６１４のゲートは制御信号ＳＨＡ６２２へ接続される。トランジスタ６１４を介して通過した後に、その出力はコンデンサＣＡ６２４へ結合され、その他端はＶＳＳへ結合されている。ＶＯＵＴ５２６は、又、Ｐチャンネルトランジスタ６３４のゲートへ送られ、該トランジスタのソースはＰチャンネルトランジスタ６４６のドレインへ接続しており、且つそのトランジスタのドレインはＶＳＳへ接続している。Ｐチャンネルトランジスタ６４６のゲートはＣＯＬ信号６２６によって活性化される。Ｐチャンネルトランジスタ６４６のソースは出力ＶＯＵＴＡ６２８へ接続する。ＶＯＵＴＡ６２８は、更に、Ｐチャンネルトランジスタ６３２を介してＶＤＤへ接続する。Ｐチャンネルトランジスタ６３２のゲートはＶＬＰ信号６２０によって活性化される。ＶＯＵＴ信号６２６は、更に、パストランジスタ６１６を介して第二サンプリング回路へ接続する。パストランジスタ６１６は信号ＳＨＢ６２４によって活性化される。パストランジスタ６１６を介して通過した後に、ＶＯＵＴ５２６はコンデンサＣＢ６４４へ結合され、該コンデンサの他端はＶＳＳへ結合している。ＶＯＵＴ５２６は、更に、Ｐチャンネルトランジスタ６４０のゲートへ供給される。Ｐチャンネルトランジスタ６４０のドレインはＶＳＳへ接続しており且つそのソースはＰチャンネル６３８のドレインへ接続している。Ｐチャンネル６３８のゲートはＣＯＬ信号６２６によって活性化され、且つＰチャンネルトランジスタ６３８のソースはＶＯＵＴＢ６３０へ接続している。ＶＯＵＴＢ６３０は、更に、Ｐチャンネルトランジスタ６３６を介してＶＤＤへ接続する。Ｐチャンネルトランジスタ６３６は信号ＶＬＰ６２０によって活性化され、それはＰチャンネルトランジスタ６３６のゲートへ供給される。ＶＯＵＴ信号５２６は、更に、トランジスタ５１８を介してＶＳＳへ接続する。トランジスタ５１８のゲートは信号ＶＬＮ５２８によって活性化される。点線内側の検知要素に対する回路は前に図５の説明において記載している。検知要素回路の左側における電流源は３つのステージを有している。第一ステージはチップ全体に対して共通である。その電流Ｉ_ref６００はオフチップ抵抗Ｒ_in６０２を介して設定される。抵抗Ｒ_in６０２の一端はＶＳＳへ接続しており且つ他端はＰチャンネルトランジスタ６０６のドレイン及びＰチャンネルトランジスタ６０６及び６０８のゲートへ接続している。第二ステージは各列において複製されており且つ第一ステージからの基準電流Ｉ_ref６００をミラー動作する。この第二ステージはＰチャンネルトランジスタ６０８を有しており、そのソースはＶＤＤへ接続しており、且つそのドレインはトランジスタ６１０のソース及びトランジスタ６１０及び６１２のゲートへ接続している。トランジスタ６１０のドレインはＶＳＳへ接続している。電流Ｉ₀６０４はＰチャンネルトランジスタ６０８及びトランジスタ６１０の両方を介して流れる。第三ステージは各検知要素内において複製されており且つ第二ステージからの電流Ｉ₀６０４をミラー動作する。電流Ｉ_C６０７は第三ステージを介して、Ｐチャンネルトランジスタ５１４及び６１２を介して流れる。非常に大きな抵抗を必要とすることなしに低電流を供給するためにステージ間において２対１の比が使用されている。検知要素及び列平行読取回路からなるアレイが９ビット行及び列デコーダ及び行平行クロック発生器回路によってアドレスされ且つ制御される。図７は本発明の１つの側面に基づいて図６における回路の動作を示したタイミング線図である。信号ＴＸ５２４がアサート即ち活性化されると、ＣＭＯＳスイッチ５３４がターンオンされ、充電電流の供給源及び電流源が金属プレート５００へ結合されることを可能とする。第一に、信号ＰＣ５２０が短い時間期間の間低値へアサートされる。このことは、金属プレート５００と指表面１６０との間に形成されるコンデンサがＶＤＤへ充電されるに従いＶＯＵＴ６２６をして低値から高値へ移行させる。第一時間インターバル（間隔）の後に、信号ＳＨＡ６２２は短い時間期間の間高値へアサートされ、ＶＯＵＴ５２６の電圧のサンプルをとる。第二時間インターバルの後に、信号ＳＨＢ６２４は高値へアサートされてＶＯＵＴ６２６の電圧の第二サンプルをとる。次いで、これらサンプル電圧の間の差を使用して金属プレート５００と指表面１６０との間の容量を表わす。図８は本発明の１つの側面に基づく検知要素からなるアレイに関連するサポート回路を示したブロック図である。行アドレス８００及び列アドレス８０２が図８の左側から供給される。行アドレス８００は行デコーダ８０６と行デコーダ８０８の両方へ供給される。行デコーダ８０６及び行デコーダ８０８の出力は検知要素からなるアレイ８０４の反対側に供給される。この実施例においては、アレイ８０４の各行ラインは２つのドライバを有しており、即ち、行デコーダ８０６からの左側からの１つと行デコーダ８０８からの右側からの１つである。各行ラインに対して２組のドライバを設けることはアレイ８０４の充電性能を改善する。別の実施例においては、各行ラインに対して単一の行デコーダ８０６を使用する。列アドレス８０２は列デコーダ８１０へ供給される。列デコーダ８０２の出力はサンプル・ホールド回路からなるアレイ８１２へ供給され、該アレイはアレイ８０４の底部から列平行形態で入力をとる。行デコーダ８０６及び８０８はアレイ８０４から検知要素からなる１つの行を選択する。選択された行からの出力はサンプル・ホールド回路からなるアレイ８１２へ供給される。列デコーダ８１０は選択された行から１個の検知要素を選択する。選択された検知要素からの出力はサンプル・ホールド回路からなるアレイ８１２へ供給される。サンプル・ホールド回路からなるアレイ８１２からの出力は増幅器８１４を介してアナログ出力８１６を発生するために供給される。上述した回路の全てはアレイユニット８１８内に納められている。図９は本発明の１側面に基づいてデジタル信号プロセサ９１０及びコンピュータ９０６を包含するコンピュータシステム内にどのようにしてアレイユニット８１８が納められているかを示したブロック図である。デジタル信号プロセサ９１０はアレイユニット８１８へ延びている行アドレスライン８００及び列アドレスライン８０２へ接続している。デジタル信号プロセサは、又、制御信号９１２を出力し、それはアレイユニット８１８へ供給される複数個の制御信号を有している。アナログ形態であるアレイユニット８１８からの出力はＡ／Ｄ変換器９０８へ供給される。これは該アナログ信号をデジタル信号へ変換し、該デジタル信号はデジタル信号プロセサ９１０へ供給される。デジタル信号プロセサ９１０はＡ／Ｄ変換器９０８からの出力を処理し且つその処理した出力を処理済データライン９０２を介してバスインターフェース９０４へ供給する。最後に、バスインターフェース９０４はこの出力をコンピュータ９０６へ供給する。動作期間中に、図９における回路は以下の如くに動作する。デジタル信号プロセサ９１０は行アドレス８００と、列アドレス８０２と、制御信号９１２とを包含する多数の信号をアレイユニット８１８へ供給する。これらの信号はアレイニット８１８内の検知要素をして充電及び放電サイクルを介してサイクル動作させ、アレイユニット８１８内の検知要素に関する容量を測定する。アレイユニット８１８の出力はＡ／Ｄ変換器９０８へ供給され、それは該出力をデジタル信号プロセサ９１０へ供給されるデジタル形態へ変換させる。デジタル信号プロセサ９１０はこの出力を取り且つそれを処理して処理済データ９０２を形成し、それはバスインターフェース９０４を介してコンピュータ９０６へ供給される。デジタル信号プロセサはこの処理において関与する命令及びコードを格納するためにＲＡＭ９００を使用する。アレイユニット８１８によって採取された指紋の画像が識別目的のために充分な品質のものであるか否かを決定するために、デジタル写真において公知の技術を使用してイメージ品質を評価する。充分なものでない場合には、デジタル信号プロセサ９１０は制御信号９１２をアレイユニット８１８へ供給してアレイユニット８１８内の検知要素に関する利得を調節する。この利得調節は、検知要素上の電圧のサンプル間のタイミングを調節することによって行うことが可能であり、又は、別法として、図６におけるＲ_in６０２等の外部ポテンシオメータを調節することによって各検知要素内の電流源を介して流れる電流を調節することによって行うことが可能である。利得調節の多数の繰返しを行い且つアレイユニット８１８から満足の行く画像が収集された後に、処理済データ９０２がバスインターフェース９０４を介してコンピュータ９０６へ供給され、そこで該データを多様な識別目的のために使用することが可能である。図１０は本発明の１つの側面に基づく検知要素からなるアレイ用のサポート回路の別の実施例を示している。この実施例においては、垂直な出力ラインがアレイの中間点において分割されており、且つ２組のサンプル・ホールド回路８１２及び１０００が設けられており、従ってアレイ８０４内の検知要素からの出力信号は高々アレイの垂直高さの半分をトラバース即ち横断している。このことは長尺の列ラインによって発生される負荷及びノイズの問題を減少させる。本発明に基づく容量性指紋センサは、その装置を所有する人がその装置を使用するための権限を有するものであることの表示を与えるために多様な異なる装置内に組込むことが可能である。例えば、クレジットカード、デビットカード、スマートカード等の権限付与カードは、しばしば、使用する前にユーザが個人的な識別番号（ＰＩＮ）を与えることを必要とする。カード自身が不正に取得されたものである場合には、ＰＩＮは権限のないユーザに対して知られていない。然しながら、そのカードの保持者が取引を開始する場合にはＰＩＮが商人へ与えられて且つ商人によって知られることとなる。又、ＰＩＮは取引を盗み聞きするか又はＰＩＮが書き込まれるか又はキーボードを介してエンターされる場合にカード保持者を観察する人によって、又は顧客が自分自身の権限を示すためにＰＩＮを与える販売員によって不正取得される可能性もある。これらの問題は、本発明の指紋センサを権限付与カード内に組込むことによって解消することが可能である。そのカードは採取された指紋をカード内に組込まれているメモリ内に格納されている権限が付与されている１人又は複数のユーザのものに対して比較するための回路を有している。そのカードが使用するために提供される場合に、ユーザはカード上に位置されているセンサの上に指を配置させることによって彼又は彼女が権限付与されているユーザであることを検証する。本指紋センサは、又、権限が付与されているユーザの指紋を格納するその他の照合装置内に組込むことも可能である。例えば、本指紋センサは現金自動預入払出機（ＡＴＭ）内に組込むことが可能である。ユーザは取引を実施する前に彼又は彼女が権限が付与されているユーザであることを証明することが必要とされる。本指紋センサは、又、例えば、販売箇所における商人が所有する照合又は権限付与装置内に組込むことも可能である。本発明の前述した実施例の説明は例示及び説明のためにのみ提供されたものである。それらは余すところがないものであること又は本発明を開示した形態に制限することを意図しているものではない。明らかに、多くの修正例及び変形例は当業者にとって自明なものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者メンディス，スネトラアメリカ合衆国，カリフォルニア 94301, パロアルト，テニーソンアベニュー 158 (72)発明者ロス，ポールシー. アメリカ合衆国，ニュージャージー 07950，モリスプレーンズ，ウッドドライブ 15

Claims

【特許請求の範囲】１．指表面から指紋を検知する方法であって、検知要素からなるアレイを使用し、前記アレイ内の検知要素が夫々の電極プレートを有している方法において、前記検知要素からなるアレイの上に指表面を配置させ、従って前記検知要素内の電極プレートがコンデンサの一方のプレートを形成し、他方のプレートは指表面であり、検知要素からなるアレイ内の電極プレートを基準電圧へ充電し、所定のレートで前記電極プレートから電荷を除去し、決定可能な時間インターバルが経過した後に前記電極プレートから電圧を測定し、前記電圧を指表面からの指紋の表現へ形成する、上記各ステップを有している方法。２．請求項１において、決定可能な時間インターバルが経過した後に前記電極プレートから電圧を測定するステップが、第一時間インターバルの後に第一電圧を測定し且つ第二時間インターバルの後に第二電圧を測定することを包含している方法。３．請求項２において、前記第一時間インターバルが０である方法。４．請求項１において、指紋のデジタル表現を形成するために前記電圧をデジタル形態へ変換するステップを有している方法。５．少なくとも１個の検知要素を使用して指表面から指紋を検知する方法において、少なくとも１個の検知要素の上に指表面を配置させ、前記少なくとも１個の検知要素から電気的信号を測定し、前記電気的信号は前記少なくとも１個の検知要素と前記指表面との間の相互作用を表わし、前記電気的信号を前記指表面からの指紋の表現に形成し、前記指紋の表現の品質を評価し、前記表現の品質が悪い場合には、前記少なくとも１個の検知要素の測定パラメータを調節し、且つ前記電気的信号を再度測定して指紋の別の表現を形成する、上記各ステップを有している方法。６．請求項５において、前記少なくとも１個の検知要素から電気的信号を測定するステップが前記少なくとも１個の検知要素と前記指表面との間の容量を測定する方法。７．請求項５において、前記少なくとも１個の検知要素から電気的信号を測定するステップが、前記少なくとも１個の検知要素と前記指表面との間の抵抗を測定する方法。８．請求項５において、前記少なくとも１個の検知要素から電気的信号を測定するステップが、前記指表面の光学的走査からの信号を収集する方法。９．請求項５において、前記測定パラメータを調節するステップが、前記少なくとも１個の検知要素の利得を調節することを包含している方法。１０．請求項５において、前記測定パラメータを調節するステップが、ポテンシオメータを調節することによって前記少なくとも１個の検知要素へ供給される電流を調節することを包含している方法。１１．請求項５において、前記測定パラメータを調節するステップが、測定を行う前に時間インターバルを調節することを包含している方法。１２．指表面上の指紋を検知する装置において、複数個の検知要素からなるアレイであって、前記アレイ内の検知要素が、指表面とコンデンサを形成する電極プレートと、前記電極プレート上の電圧を増幅する増幅器とを具備している検知要素からなるアレイ、前記検知要素からなるアレイの上に配設されている絶縁性の受納表面、前記検知要素内の電極プレート上に電圧を駆動するために前記検知要素からなるアレイ内の検知要素へ結合されている駆動回路、前記検知要素内の電極プレート上の電圧を検知するために前記検知要素へ結合されている検知回路、を有している装置。１３．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素が、所定のレートで前記電極プレートから電流を除去する電流源を有している装置。１４．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素が、前記電極プレート上へ駆動電流を選択的にスイッチする駆動スイッチを包含している駆動入力部、前記電極プレートから検知出力部へ選択的に電圧をスイッチする検知スイッチを包含している検知出力部、を有している装置。１５．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素内の電極プレート上の電圧を測定する少なくとも１の電圧測定回路を有している装置。１６．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素の利得を調節する回路を有している装置。１７．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素の利得を調節する回路を有しており、前記回路が前記検知要素からなるアレイ内の検知要素内へ流れる電流を調節する回路を有している装置。１８．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素の利得を調節する回路を有しており、前記回路が前記検知要素からなるアレイ内の検知要素に対するサンプリングインターバルのタイミングを調節する回路を有している装置。１９．請求項１２において、前記検知回路が前記検知要素からなるアレイを貫通して延在する複数個のラインを有しており、前記複数個のラインが前記検知要素からなるアレイ内の検知要素から前記アレイの周辺部上の電圧測定回路へ電圧信号を担持し、前記複数個のライン内のラインが前記アレイの周辺部に到達する前に高々前記アレイの半分をトラバースしている装置。２０．請求項１２において、前記駆動回路が、前記検知要素からなるアレイを介して延在しており前記検知要素へ駆動電流を送給する複数個のライン、一対のドライバが前記複数個のライン内のラインの反対側の端部に取付けられるように前記検知要素へ送給される駆動電流を供給するために前記複数個のラインへ結合されている前記アレイの周辺部上における複数個のドライバ、を有している装置。２１．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイから少なくとも１個の検知要素へ選択的にアクセスするためのアドレッシング機構を有している装置。２２．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイが半導体基板上に位置されている装置。２３．請求項１２において、前記検知要素からなるアレイがモジュール内に位置されており、前記モジュールが、前記検知回路へ結合されている少なくとも１個のアナログ・デジタル変換器、前記アレイから収集された指紋の表現に関し計算を実施するために前記少なくとも１個のアナログ・デジタル変換器へ結合されているデジタル信号プロセサ、前記モジュール外部の装置と通信するためのインターフェース回路、を有している装置。２４．請求項２３において、前記モジュールが半導体チップである装置。２５．請求項２３において、前記モジュールがマルチチップモジュールである装置。２６．指表面上の指紋を検知する装置において、複数個の検知要素からなるアレイであって、前記アレイ内の検知要素が、指表面とコンデンサを形成する電極プレートと、所定のレートで前記電極プレートから電流を除去する電流源とを包含している検知要素からなるアレイ、前記検知要素からなるアレイの上に配設されている絶縁性の受納表面、前記検知要素内の電極プレート上へ電圧を駆動するために前記検知要素からなるアレイ内の検知要素へ結合されている駆動回路、前記検知要素内の電極プレート上の電圧を検知するために前記検知要素からなるアレイ内の検知要素へ結合している検知回路、を有している装置。２７．請求項２６において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素が前記電極プレート上の電圧を増幅する増幅器を有している装置。２８．請求項２６において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素が、前記電極プレート上に選択的に駆動電流をスイッチする駆動スイッチを包含している駆動入力部、検知出力部へ前記電極プレートから選択的に電圧をスイッチする検知スイッチを包含している検知出力部、を有している装置。２９．指表面上の指紋を検知する装置において、複数個の検知要素からなるアレイであって、前記アレイ内の検知要素が、指表面とコンデンサを形成する電極プレートと、前記電極プレート上へ選択的に駆動電流をスイッチさせる駆動スイッチを包含する駆動入力部と、検知出力部へ前記電極プレートから選択的に電圧をスイッチさせる検知スイッチを包含する検知出力部とを具備している検知要素からなるアレイ、前記検知要素からなるアレイの上側に配設されている絶縁性の受納表面、前記検知要素内の電極プレート上に電圧を駆動するために前記検知要素からなるアレイ内の検知要素の駆動入力部へ駆動されている駆動回路、前記検知要素内の電極プレート上の電圧を検知するために前記検知要素からなるアレイ内の検知要素の検知出力部へ結合されている検知回路、を有している装置。３０．請求項２９において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素が前記電極プレート上の電圧を増幅する増幅器を有している装置。３１．請求項２９において、前記検知要素からなるアレイ内の検知要素が所定のレートで前記電極プレートから電流を除去する電流源を有している装置。