JP2002008022A - 容量性検知回路アレイにおける注入勾配を補償する方法及びシステム - Google Patents

容量性検知回路アレイにおける注入勾配を補償する方法及びシステム

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JP2002008022A
JP2002008022A JP2001105676A JP2001105676A JP2002008022A JP 2002008022 A JP2002008022 A JP 2002008022A JP 2001105676 A JP2001105676 A JP 2001105676A JP 2001105676 A JP2001105676 A JP 2001105676A JP 2002008022 A JP2002008022 A JP 2002008022A
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JP2001105676A
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Marco Sabatini
サバティーニ マルコ
Frederic Raynal
レイナル フレデリック
Giovanni Gozzini
ゴッツィーニ ジオバッニ
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ST MICROELECTRONICS Inc
STMicroelectronics lnc USA
Original Assignee
ST MICROELECTRONICS Inc
STMicroelectronics lnc USA
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12—Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13—Sensors therefor
    • G06V40/1306—Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing

Abstract

(57)【要約】 【課題】 指紋画像を正確にキャプチャすることが可能
な技術を提供する。 【解決手段】 本指紋センサーは複数個の容量性ピクセ
ルセルからなるアレイを有している。容量性ピクセルセ
ルの各々は一対の金属プレートとリセットトランジスタ
とを有している。リセットトランジスタはゲートと、該
金属プレートのうちの一方へ接続しているソースと、該
金属プレートのうちの他方へ接続しているドレインとを
有している。リセットバッファがリセット信号を発生す
る。再生器が各容量性ピクセルセルの各リセットトラン
ジスタと関連している。該再生器はアレイにわたっての
注入勾配を除去するためにリセットバッファから受取っ
たリセット信号を再生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大略、指紋画像を
キャプチャ即ち捕獲する方法及びシステムに関するもの
であって、更に詳細には、容量性指紋検知回路アレイに
おける注入勾配を補償する方法及びシステムに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】指紋認識は、建物、コンピュータ等への
アクセスを制御する場合等の多くのセキュリティ適用例
において使用することが提案されている。指紋認識シス
テムは、キーパッド又はカード読取器等の装置を設ける
必要性なしに、且つユーザがパスワード、又はその他の
個人ＩＤ番号を記憶したり又はカードキーを携帯するこ
との必要性なしに、ユーザが制御されている施設へアク
セスすることを可能とする。
【０００３】指紋検知システムの1つの重要な要素は検
知装置である。検知装置の一例は、エスティーマイクロ
エレクトロニクス、インコーポレイテッドから入手可能
なタッチチップ（ＴｏｕｃｈＣｈｉｐ、商標）シリコン
指紋センサーである。このタッチチップは容量性フィー
ドバック検知回路に基づいたアクティブ（活性）ピクセ
ルアレイを使用している。該アレイはピクセルを表す３
６０個の行と２５６個の列からなるセルを有している。
各ピクセルセルは超硬質保護コーティングによって皮膚
表面から離隔されている２つの隣接した上部金属プレー
トへ接続している高利得増幅器を包含している。その増
幅器入力は上部金属プレートのうちの一方へ接続してお
り且つインバータ出力は他方の上部金属プレートへ接続
している。該セルは電荷積分器を与えており、そのフィ
ードバック容量は該２つの上部金属プレートの間の実効
容量である。
【０００４】該センサーの上に指が置かれると、ピクセ
ルセル上の皮膚表面が空気からなる誘電体層によって該
２つの隣接するプレートから離隔されている第三プレー
トとして作用する。指紋の谷は指紋の山よりもセンサー
表面から更に離れているので、指紋の谷下側のピクセル
セルは、指紋の山下側のピクセルセルよりも、それらの
上部金属プレートと皮膚表面との間においてより大きな
距離を有している。該誘電体層の厚さはピクセルセルの
上部金属プレートの間の容量性結合を変調させ、従って
指紋の谷下側の上部金属プレートは指紋の山下側の上部
金属プレートとは異なる実効容量を提示する。
【０００５】ピクセルセルは３つのフェーズで動作す
る。第一フェーズはリセットであり、その場合には、電
荷積分器ピクセルセルの入力及び出力がリセット信号に
よって駆動されるＣＭＯＳリセットトランジスタを介し
てリセットされる。第二フェーズはリセットトランジス
タを駆動するリセット信号を接地へアサート即ち活性化
させることによって出力プレート及び入力プレートを切
断させる。リセットトランジスタスイッチを開成させる
ことによって、チャンネル電荷が入力プレート及び出力
プレートの両方へ注入される。第三フェーズ期間中に、
固定電荷が電荷積分器入力へ印加され、そのことは出力
電圧を、上部金属プレート間の実効容量であるフィード
バック容量に逆比例してスイングさせる。皮膚とピクセ
ルセルとの間の距離は電荷積分器の実効フィードバック
容量を変化させるので、指紋の山下側のピクセルセルの
出力は指紋の谷下側のピクセルセルの出力とは異なって
いる。
【０００６】本発明の概念によれば、リセットトランジ
スタがアクティブ即ちオンである場合には、リセットト
ランジスタのソースからドレインへ延在する導通経路チ
ャンネルが存在している。ゲート電圧が減少しリセット
トランジスタをスイッチオフさせると、可動キャリアが
ソース端及びドレイン端の両方を介してチャンネルから
排出される。入力へ注入されるチャンネル電荷の量は電
荷積分器の出力をオフセットし、画像の背景を修正す
る。電荷注入量は幾つかのファクタに依存している。こ
れらのファクタとしては、ゲートへ印加される信号の勾
配、入力／出力容量比、及びリセットトランジスタ自身
の寸法等がある。
【０００７】リセット信号はアレイの上部に位置してい
る共通のバッファによって駆動される。共通のバッファ
と局所的なピクセルセルとの間の距離が増加するに従
い、リセット信号の勾配は該線のＲＣ負荷に起因してよ
り低いものとなる。該線の長さにわたってのリセット信
号の勾配における変化は、バッファの出力からの距離が
増加するに従い異なる電荷注入を発生する。該リセット
バッファの近くで該アレイの上部において、注入された
電荷量が該ピクセルをその最大の飽和したレベルとさ
せ、非常に暗い画像を与える。該アレイ上の底部へ近づ
くと、注入電荷の量が減少し画像をより明るいものとさ
せる。該アレイの底部近くのより明るい画像はある指紋
の特徴を識別することをより困難なものとさせる場合が
あり、その際に指紋認識を不正確なものとさせる場合が
ある。注入勾配問題は、特に、リセットバッファからア
レイの底部への距離が顕著なものである大型のアレイに
おいて厳しいものとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠
点を解消し、指紋を正確に認識することが可能な技術を
提供することを目的とする。本発明の別の目的とすると
ころは、容量性指紋検知回路アレイにおける注入勾配を
補償する方法及びシステムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、注入勾配を補
償することの可能な指紋画像をキャプチャする容量性指
紋センサー及び方法を提供している。本発明の指紋セン
サーは、複数個の容量性ピクセルセルからなるアレイを
有している。該容量性ピクセルセルの各々は一対の金属
プレートと、電荷積分器と、リセットトランジスタとを
有している。該リセットトランジスタのソースは該金属
プレートのうちの一方へ接続しており、且つそのドレイ
ンは該金属プレートのうちの他方へ接続している。本発
明の指紋センサーは複数個のリセット信号再発生器を有
しており、各容量性ピクセルセルと関連している少なく
とも１個の再発生器が存在している。
【００１０】好適実施例においては、該再発生器はイン
バータを有している。各局所的なインバータは共通のバ
ッファによって駆動されるグローバルなリセット線から
入力を受取り且つＣＭＯＳスイッチを直接的に制御する
リセット信号の勾配を再生する。本発明の指紋センサー
はリセット信号を発生するための共通のリセットバッフ
ァを有している。該リセットバッファは出力を有してお
り、それは、共通線を介して各ローカル即ち局所的なイ
ンバータの入力へ接続している。リセットバッファがリ
セット信号を発生すると、各インバータは各容量性ピク
セルセルの各リセットトランジスタにおいてリセット信
号勾配を再生し、それにより全てのピクセルセルに対し
てリセット信号勾配、従ってインジェクション即ち注入
を等しいものとさせる。従って、このことは容量性ピク
セルセルからなるアレイの列に沿っての注入勾配を補償
する。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明に基づ
く指紋検知器が大略参照番号１１で示されている。指紋
検知器１１はセンサーアレイ１３と大略１５で示した適
宜の出力とを有している。後に詳細に説明するように、
センサーアレイは行及び列の形態に配列されている複数
個の容量性ピクセルセルからなる矩形状のアレイを有し
ている。好適実施例においては、これらの容量性ピクセ
ルセルは約５０ミクロンのピッチであり、それは約５０
８ｄｐｉの解像度に対応している。図１に示したよう
に、センサーアレイはその上に置かれた指１７の指紋の
画像をキャプチャ即ち捕獲する寸法とされている。セン
サーアレイ１３は、好適には、単一の半導体チップ上に
形成されている。
【００１２】図２を参照すると、本発明に基づく容量性
ピクセルセル１９の構成及び動作が示されている。本発
明の好適実施例のセルは容量性距離センサー（Ｃａｐａ
ｃｉｔｉｖｅ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ）とい
う名称の１９９７年２月１３日付で出願した発明者Ｔａ
ｒｔａｇｎｉの米国特許出願第０８／７９９，５４８号
に開示されているタイプのものであって、尚その特許出
願の開示内容を引用によって本明細書に取込む。各セル
１９は半導体基板上に支持されている第一導体プレート
２１及び第二導体プレート２３を有しており、該基板
は、好適には、その上側表面領域を画定する浅いエピタ
キシャル層を具備するシリコン基板である。該基板の上
表面は絶縁層２５を有している。絶縁層２５は、好適に
は、酸化物層であって、それは熱成長させた二酸化シリ
コン層とすることが可能である。導体プレート２１及び
２３は硬質物質からなる保護コーティング２７によって
被覆されており、それはセル１９を湿気、汚染、磨耗、
及び静電放電からセル１９を保護する。
【００１３】各セル１９は高利得反転増幅器２９を有し
ている。反転増幅器２９の入力は入力コンデンサ３１を
介して基準電圧源ＶREFへ接続している。反転増幅器２
９の出力は出力ＶOUTヘ接続している。導体プレート２
１及び反転増幅器２９の出力へ接続している反転増幅器
２９の入力は導体プレート２３へ接続しており、それに
より電荷積分器を形成しており、そのフィードバック容
量は導体プレート２１と２３との間の実効容量である。
【００１４】保護コーティング２７の表面上に指３３を
配置させると、各セル１９上の皮膚表面が保護コーティ
ング２７と可変厚さの空気とを包含する誘電体層によっ
て隣接する導体プレート２１及び２３から離隔されてい
る第三コンデンサプレートとして作用する。指紋の谷３
５は指紋の山３７よりも導体プレート２１及び２３から
より遠くに離れているので、導体プレート２１及び２３
と皮膚表面との間において、指紋の谷３５下側のセル１
９は指紋の山３７下側のセル１９とは異なった実効容量
を提示する。この誘電体層の厚さは、各セル１９のプレ
ート２１と２３との間の容量結合を変調させる。従っ
て、指紋の谷３５の下側のセル１９は、指紋の山３７下
側のセル１９とは異なる実効容量を示す。
【００１５】セル１９は３つのフェーズで動作する。第
一フェーズ期間中に、反転増幅器２９の入力と出力とを
短絡させることによって電荷積分器がスイッチ３９でリ
セットされる。好適には、スイッチ３９は、反転増幅器
２９の入力へ接続したソースと出力へ接続したドレイン
とを具備するリセットトランジスタである。その入力及
び出力はリセットトランジスタのゲートへリセット電圧
を印加することによって短絡される。第二フェーズは、
リセットトランジスタのゲートへ接地を印加することに
よってスイッチ３９を開成することにより出力と入力と
を切断させる。リセットトランジスタのゲートへ接地を
印加することによって、インジェクション即ち注入と呼
ばれる現象が発生し、その場合に電荷が入力プレート及
び出力プレートの両方に注入される。第三フェーズ期間
中に、固定電荷が電荷積分器入力へ印加され、そのこと
は出力電圧を導体プレート２１と２３との間の実効容量
であるフィードバック容量と逆比例してスイングさせ
る。固定量の入力電荷に対して、反転増幅器１９の出力
は電荷注入及び実効フィードバック容量値に依存して２
つの限界の間の範囲内にある。第一限界は、実効フィー
ドバック容量が非常に小さい場合における飽和電圧レベ
ルである。第二限界は、実効フィードバック容量が大き
い場合の、リセット値より小さな論理スレッシュホール
ドに近い電圧である。
【００１６】第一フェーズ期間中に、スイッチ３９のリ
セットトランジスタがアクティブ即ちオンであると、リ
セットトランジスタのソースからドレインへ延在する導
通経路チャンネルが存在する。第二フェーズ期間中、リ
セットトランジスタ上のゲート電圧が減少すると、可動
キャリアはソース端部及びドレイン端部の両方を介して
チャンネルから排出される。全チャンネル電荷に関して
入力へ注入されるチャンネル電荷の百分率は幾つかのフ
ァクタに依存する。これらのファクタとしては、ゲート
へ印加される信号のスロープ即ち勾配、入力／出力容量
比、リセットトランジスタ自身の寸法等である。ピクセ
ル電荷積分器の入力に注入されるこの電荷は入力信号に
オーバーラップし且つピクセルセルの出力を修正する。
【００１７】次に、図３を参照すると、従来技術のセン
サーアレイの１つの列が示されている。リセット信号は
アレイの上部に位置しているリセットバッファ４１によ
って駆動される。リセットバッファの出力からリセット
トランジスタ４０への距離が増加すると、リセット信号
の勾配はそのラインのＲＣ負荷に起因してより低くな
る。ラインの長さにわたってのリセット信号の勾配にお
ける変化は、バッファの出力からの距離が増加するに従
って電荷注入をより少ないものとさせる。リセットバッ
ファ近くのアレイの上部において、注入された電荷の量
はそのピクセルをその最大の飽和レベルとさせ、非常に
暗い画像を与える。アレイの底部に近づくと、注入され
た電荷の量は減少し、画像をより明るいものとさせる。
アレイの底部近くのより明るい画像はある指紋特徴を識
別することをより容易でないものとさせる場合があり、
それにより不正確な指紋認識となる場合がある。
【００１８】次に、図４を参照すると、本発明に基づく
センサーアレイの１つの列が示されている。本発明のこ
の列は、大略図３の列と同様のものであり、従って同様
の要素には同様の参照番号を付してある。然しながら、
本発明のこの列は、各セル１９のリセットトランジスタ
４０においてリセット信号勾配を再生する手段を有して
いる。本発明の図示した実施例においては、その再生手
段は各リセットトランジスタ４０と関連しているインバ
ータ４３を有している。リセットバッファ４１からのリ
セット信号がインバータ４３の入力へ印加されると、反
転されたリセット信号がリセットトランジスタ４０のゲ
ートへ印加される。各リセットゲート４０へ印加された
反転リセット信号の勾配は、各インバータ４３において
受取られるリセット信号の勾配が異なる場合であって
も、同一である。従って、各セル１９において注入され
た電荷は同一である。従って、本発明アレイは従来技術
の注入勾配問題をこうむることはない。
【００１９】当業者が理解するように、インバータ４３
におけるリセット信号の反転を考慮するために適宜の設
計ステップがとられねばならない。リセット信号がアサ
ート即ち活性化されると、それはリセットトランジスタ
４０を導通させねばならない。１つの解決方法は、使用
可能なスペースが存在する場合には、各リセットトラン
ジスタ４０のゲートへ２つのインバータ４３を直列して
接続することである。別の解決方法は、反転したリセッ
ト信号又はＰチャンネルリセットトランジスタ４０を具
備する単一のインバータ４３を使用することである。
【００２０】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく指紋検知システムを示した概
略ブロック図。
【図２】 本発明に基づく個別的な容量ピクセルセルの
物理的構造及び電気的動作を示した概略図。
【図３】 従来技術に基づく容量性ピクセルセルからな
るアレイの１つの列を示した概略ブロック図。
【図４】 本発明に基づく注入勾配補償を有する容量性
ピクセルセルからなるアレイの１つの列を示した概略ブ
ロック図。
【符号の説明】
１１ 指紋検知器 １３ センサーアレイ １５ 出力 １９ セル ２１，２３ 導体プレート ２５ 絶縁層 ２７ 保護コーティング ２９ 高利得反転増幅器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルコ サバティーニ アメリカ合衆国， カリフォルニア 94707， ケンジントン， エッジクロフ ト ウェイ 67 (72)発明者 フレデリック レイナル アメリカ合衆国， カリフォルニア 94707， バークレー， ヨセミテ ロー ド 1826 (72)発明者 ジオバッニ ゴッツィーニ アメリカ合衆国， カリフォルニア 94709， バークレー， マーティン ル ーサー キング ジュニア ウェイ 1508 Ｆターム(参考） 4C038 FF01 FG00 5B047 AA25 5J050 AA05 AA37 BB23 CC06 CC19 DD08 EE22

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 指紋センサーにおいて、 容量性ピクセルセルであって、一対の金属プレートとリ
    セットトランジスタとを具備しており、前記リセットト
    ランジスタがゲートと、前記金属プレートのうちの1つ
    へ接続しているソースと、前記金属プレートのうちの他
    方へ接続しているドレインとを具備している容量性ピク
    セルセル、 入力と出力とを具備しているインバータであって、前記
    出力が前記リセットトランジスタのゲートへ接続してい
    るインバータ、 共通線を介して前記インバータの入力へ接続している出
    力を具備しているリセットバッファ、を有していること
    を特徴とする指紋センサー。
  2. 【請求項２】 請求項１において、 入力と出力とを具備している高利得インバータであっ
    て、前記高利得インバータの入力が前記金属プレートの
    うちの一方へ接続しており且つ前記高利得インバータの
    出力が前記金属プレートのうちの他方へ接続している高
    利得インバータ、 前記高利得インバータの入力へ動作接続している出力を
    具備している電荷バッファ、を有していることを特徴と
    する指紋センサー。
  3. 【請求項３】 請求項２において、 前記電荷バッファの出力と前記高利得インバータの入力
    との間に接続している入力コンデンサ、を有しているこ
    とを特徴とする指紋センサー。
  4. 【請求項４】 指紋画像をキャプチャする方法におい
    て、 複数個の容量性ピクセルセルを設け、前記容量性ピクセ
    ルセルの各々は一対の金属プレートとリセットトランジ
    スタとを有しており、前記リセットトランジスタはゲー
    トと、前記金属プレートのうちの一方へ接続しているソ
    ースと、前記金属プレートのうちの他方へ接続している
    ドレインとを具備しており、 前記複数個のピクセルセルへのリセット信号を発生し、 前記ピクセルセルの各々のリセットトランジスタをリセ
    ットさせるために前記リセット信号を再発生する、上記
    各ステップを有していることを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 指紋センサーにおいて、 複数個の容量性ピクセルセルであって、前記容量性ピク
    セルセルの各々が一対の金属プレートとリセットトラン
    ジスタとを具備しており、前記リセットトランジスタが
    ゲートと、前記金属プレートのうちの一方へ接続してい
    るソースと、前記金属プレートのうちの他方へ接続して
    いるドレインとを具備している複数個の容量性ピクセル
    セル、 各リセットトランジスタのゲートへ接続しているインバ
    ータ、 各インバータへ接続している出力を具備しているリセッ
    トバッファ、を有していることを特徴とする指紋センサ
    ー。
  6. 【請求項６】 請求項５において、各容量性ピクセルセ
    ルが、 入力と出力とを具備している高利得インバータであっ
    て、前記高利得インバータの入力が前記金属プレートの
    うちの一方へ接続しており且つ前記高利得インバータの
    出力が前記金属プレートのうちの他方へ接続している高
    利得インバータ、 前記高利得インバータの入力へ動作接続している出力を
    具備している電荷バッファ、を有していることを特徴と
    する指紋センサー。
  7. 【請求項７】 請求項６において、各容量性ピクセルセ
    ルが、更に、 前記電荷バッファの出力と前記高利得インバータの入力
    との間に接続している入力コンデンサ、を有しているこ
    とを特徴とする指紋センサー。
  8. 【請求項８】 指紋センサーにおいて、 複数個の容量性ピクセルセルであって、前記容量性ピク
    セルセルの各々が一対の金属プレートとリセットトラン
    ジスタとを具備しており、前記リセットトランジスタが
    ゲートと、前記金属プレートのうちの一方へ接続してい
    るソースと、前記金属プレートのうちの他方へ接続して
    いるドレインとを具備している複数個の容量性ピクセル
    セル、 リセット信号を発生する手段、 前記容量性ピクセルセルの各々において前記リセット信
    号を再発生する手段、を有していることを特徴とする指
    紋センサー。
  9. 【請求項９】 請求項８において、前記リセット信号を
    再発生する手段が、複数個のインバータを有しており、
    前記インバータの各々が入力と出力とを具備しており、
    前記各リセットトランジスタのゲートへ接続している出
    力を具備している少なくとも1個のインバータが存在し
    ていることを特徴とする指紋センサー。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、前記リセット信号
    を発生する手段が、前記容量性ピクセルセルの各々のイ
    ンバータの入力へ接続している出力を具備しているリセ
    ットバッファを有していることを特徴とする指紋センサ
    ー。
  11. 【請求項１１】 請求項８において、各容量性ピクセル
    セルが、 入力と出力とを具備している高利得インバータであっ
    て、前記高利得インバータの入力が前記金属プレートの
    うちの一方へ接続しており且つ前記高利得インバータの
    出力が前記金属プレートのうちの他方へ接続している高
    利得インバータ、 前記高利得インバータの入力へ動作接続している出力を
    具備している電荷バッファ、を有していることを特徴と
    する指紋センサー。
  12. 【請求項１２】 請求項１１において、各容量性ピクセ
    ルセルが、更に、前記電荷バッファの出力と前記高利得
    インバータの入力との間に接続している入力コンデンサ
    を有していることを特徴とする指紋センサー。
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