JP2002502520A - 利得制御形態を有するフィンガープリントセンサ及びそれに関連する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 フィンガープリントセンサは、指紋検出部のアレイと、制御可能な範囲を有するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータと、指紋検出部のアレイのうちの予め設定したものの順次のＡ／Ｄ変換を実行するスキャナと、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてＡ／Ｄ変換の範囲を制御して変換分解能を向上させる範囲設定回路とを有する。複数のＡ／Ｄコンバータを、対応する複数の指紋検出部からのアナログ信号を同時に変換するために用いる。Ａ／Ｄコンバータは、範囲の第１及び第２ポイントの設定を許容する少なくとも１個の基準電圧入力を有する。範囲設定回路は、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてヒストグラムを発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】 利得制御形態を有するフィンガープリントセンサ及びそれに関連する方法 本発明は、個人識別及び確認の分野に関するものであり、特に指紋検出及び処 理の分野に関するものである。 指紋検出及び整合は、信頼性があり、個人識別又は確認のために広く用いられ ている技術である。特に、指紋識別の共通のアプローチは、サンプル指紋又はそ のイメージの走査と、イメージ及び／又は指紋イメージの独自の特性の記憶に関 連する。サンプル指紋の特徴は、既にデータベースに存在する基準指紋の情報と 比較されて、例えば確認のために個人の適切な識別を決定する。 典型的な電子フィンガープリントセンサは、可視光、赤外光又は超音波放射を 用いた指紋表面の照射に基づく。反射されたエネルギーは例えばカメラの形態を 用いて捕獲され、結果的に得られるエネルギーは、フレーム化され、デジタル化 され、かつ、静止デジタルイメージとして記憶される。米国特許番号第４，２１ ０，８９９号の明細書は、個人がコンピュータ端末にアクセスできるような確実 なアクセスアプリケーションのために中央処理装置と共同する光走査指紋リーダ を開示する。米国特許番号第４，５２５８５９号は、指紋のイメージを捕獲し、 指紋の詳細すなわち指紋の隆起の分岐及び終端を用いて基準指紋のデータベース との整合を決定するビデオカメラを開示している。 しかしながら、光学的な検出は、汚れた指によって悪影響が及ぼされ、又は光 センサは、実際の有効な指紋以外の指紋の写真又は印刷されたイメージの表示に よって欺かれるおそれがある。また、光学的な形態は、指が接触する面とそれに 関連する撮像装置との間に比較的大きな間隔を必要とする。さらに、そのような センサは、典型的には光ビームの正確な整列及び複雑な走査を必要とする。 米国特許番号第４，３５３，０５６号の明細書は、有効な指紋を走査する他の アプローチを開示する。特に、この特許は、装置の走査面に平行な面に配置した 非常に小さいキャパシタのアレイを開示する。指が検出面に接触してその面が変 形すると、キャパシタの直列接続の電圧分布が変化する。キャパシタの各々の電 圧はマルチプレクサ技術によって決定される。 米国特許番号第５，３２５，４４２号の明細書は、複数の検出電極を有するフ ィンガープリントセンサを開示する。検出電極の有効なアドレス指定は、各検出 電極に関連した切替装置を設けることによって可能になる。キャパシタは、上に 存在する接地電位の指接触面の部分の各々と検出電極の各々とを組み合わせるこ とによって有効に形成される。センサは、半導体ウエハ及び集積回路技術を用い て製造される。指が配置される誘電体材料を、検出電極のアレイの上全体に亘る 連続層として設けられる窒化珪素又はポリイミドによって設ける。 しかしながら、隣接する電極が互いに影響を及ぼすおそれがあるので、狭い間 隔で配置した検出電極を駆動するのは困難である。また、そのようなセンサは、 皮膚の導電性及び任意の汚れが個人間や単一の指全体に亘って大幅に変化する場 合には指紋の隆起部と窪みとを区別するのが困難である。そのようなセンサにお ける別の困難性は、多数の光センサの場合と同様に、指紋の相違する部分が、使 用可能な信号レベル及びコントラストを提供するために比較的複雑なポストイメ ージ収集を必要とし、これによって指紋の隆起部及び窪みの正確な決定を可能に する。米国特許番号第４，８１１，４１４号の明細書は、雑音を平均化し、照射 を均一にし、方向性のフィルタ処理を行い、湾曲を補正し、かつ、光学的に発生 した指紋イメージのスケール補正を行う方法を開示する。 本発明は、指紋検出部のアレイと、制御可能な範囲を有するとともに、その範 囲に基づいて前記指紋検出部のアレイからのアナログ信号をデジタル信号に変換 するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換手段と、 そのＡ／Ｄ変換手段及び前記指紋検出部のアレイを操作して前記指紋検出部のア レイのうちの予め設定したもののＡ／Ｄ変換を順次実行する走査手段と、以前の Ａ／Ｄ変換に基づいて前記Ａ／Ｄ変換の範囲を制御して変換分解能を増大させる 範囲設定手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段が、対応する複数の指紋検出部からのアナ ログ信号を同時に変換する複数のＡ／Ｄコンバータを具えることを特徴とするフ ィンガープリントセンサを有する。 また、本発明は、指紋検出部のアレイを具えるフィンガープリントセンサを操 作する方法であって、 制御可能な範囲を有する少なくとも１個のＡ／Ｄコンバータを用いて、前記指 紋検出部のアレイからのアナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、 前記指紋検出部のアレイのうちの予め設定したものの順次のＡ／Ｄ変換を実行 するステップと、 以前のＡ／Ｄ変換に基づいて少なくとも１個のＡ／Ｄコンバータの前記範囲を 決定し及び制御して、変換分解能を増大させ、前記少なくとも１個のＡ／Ｄコン バータの範囲を、少なくとも１個の基準電圧に基づいて制御可能にするステップ とを具え、 前記範囲を決定し及び制御するステップが、少なくとも１個の基準電圧を制御 するステップを具えることを特徴とする方法を有する。 本発明の目的は、例えば相違する指間の、相違する検出状態に対する、又は製 造プロセスの変更に基づくイメージ信号強度の変動を許容するフィンガープリン トセンサ及びそれに関連する方法を提供することである。 好適には、フィンガープリントセンサは、指紋検出部のアレイと、制御可能な 範囲を有するとともに、その範囲に基づいて前記指紋検出部のアレイからのアナ ログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換手段と、 そのＡ／Ｄ変換手段及び前記指紋検出部のアレイを操作して前記指紋検出部のア レイのうちの予め設定し たもののＡ／Ｄ変換を順次実行する走査手段と、以前のＡ／Ｄ変換に基づいて前 記Ａ／Ｄ変換の範囲を制御して変換分解能を増大させる範囲設定手段とを具える 。変換分解能は、検出した指や状態の変動に関係なく又は製造に起因するプロセ ス変動に関係なく増大する。 一例において、Ａ／Ｄ変換手段は、好適には、対応する複数の指紋検出部から のアナログ信号を同時に変換する複数のＡ／ＤコンバータすなわちＡ／Ｄコンバ ータのバンクを具える。Ａ／Ｄコンバータの全分解能範囲の動的な利用を可能に することによって、検出の精度を著しく向上させることができる。 Ａ／Ｄ変換手段は、範囲の設定を許容する少なくとも１個の基準電圧を具える 。したがって、範囲設定手段が、プロセッサと、プロセッサと少なくとも１個の 基準電圧入力部との間に接続した少なくとも１個のデジタル−アナログコンバー タとを具える。特に、Ａ／Ｄコンバータは、典型的には、対応する第１及び第２ レンジポイントを設定して範囲を規定する第１基準電圧入力部及び第２基準電圧 入力部を有する。また、Ａ／Ｄ変換手段は、範囲の設定を許容するために制御可 能な利得を有する少なくとも１個の増幅器を有する。 範囲設定手段は、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてヒストグラムを発生させるヒス トグラム発生手段を具える。さらに、範囲設定手段は、指紋検出部のうちの最初 のものに対するデフォールト範囲を設定するデフォールト設定手段を具える。 指紋検出部の各々を、電界検出電極及びそれに関連する増幅器によって設ける 。シールド電極を、電界検出電極の各々に関連させるとともに増幅器の各々に接 続する。 本発明の方法の態様は、指紋検出部のアレイを具えるフィンガープリントセン サの操作である。この方法は、好適には、制御可能な範囲を有する少なくとも１ 個のＡ／Ｄコンバータを用いて、前記指紋検出部のアレイからのアナログ信号を デジタル信号に変換するステップと、前記指紋検出部のアレイのうちの予め設定 したものの順次のＡ／Ｄ変 換を実行するステップと、以前のＡ／Ｄ変換に基づいて少なくとも１個のＡ／Ｄ コンバータの前記範囲を決定し及び制御して、変換分解能を増大させるステップ とを具える。 本発明を、添付図面を参照して詳細に説明する。 図１は、フィンガープリントセンサの上面図である。 図２は、図１に示すフィンガープリントセンサの回路部の線形図である。 図３は、図１に示すフィンガープリントセンサの検出部の拡大した上面図であ る。 図４は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形図である。 図５は、図１に示すフィンガープリントセンサの一部の拡大断面図である。 図６は、フィンガープリントセンサの他の例の一部の拡大断面図である。 図７は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の部分の拡大断面図である 。 図８は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形ブロック図 である。 図９は、図８に示す回路の一部の線形回路図である。 図１０は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形ブロック 図である。 図１１は、図１０に示す回路部の他の例の線形ブロック図である。 図１２は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形ブロック 図である。 図１３は、図１２に示す回路部の他の例の線形ブロック図である。 図１−３を参照すると、フィンガプリントセンサ３０は、ハウジングすなわち パッケージ５１と、指を載せ置く面を規定するパッケージの上面に露出した誘電 体層５２と、図示しない複数の出力ピンとを有 する。誘電体層５２の周辺の第１の導電ストリップすなわち外部電極５４及び第 ２の外部電極５３は、後に詳細に説明するように指７９に対する接触電極を規定 する。センサ３０は、パッケージで具体化された処理レベルに依存する洗練され たレベルの範囲の出力信号を発生させる。 センサ３０は、図３に最もよく示すようなアレイパターンに配置した複数の画 素すなわち検出部３０ａを有する。これら検出部は、典型的な指紋の隆起部５９ 及びそれに介在する窪み６０を検出できるようにするために比較的小さい。本発 明による電界センサ３０からの直接的な指紋の読み取りは、光検出に比べて信頼 性がある。その理由は、隆起部及び窪みのパターンの指の皮膚のインピーダンス を真似るのが非常に困難だからである。それに対して、光センサは、例えば指の 写真又は他の同様なイメージによって容易に欺くことができる。 センサ３０は、基板６５と、線形的に示した増幅器７３のような基板上に形成 した１個以上の能動半導体装置とを有する。第１金属層６６は能動半導体装置に 相互接続する。第２のすなわち基面電極層６８は、第１金属層６６の上に存在し 、絶縁層６７によってそれから分離している。第３金属層７１を、他の誘電体層 ７０の上に配置する。図示した実施の形態において、第１の外部電極５４を励起 すなわち駆動増幅器７４に接続し、指７９によって駆動される信号を、典型的に は約１ＫＨｚから１ＭＨｚまでの範囲とする。したがって、駆動すなわち励起さ れる電子の振る舞いは比較的複雑でなく、センサ３０の全体に亘るコストは比較 的低くなり、かつ、信頼性が高い。 円形の電界検出電極７８を絶縁層７０の上に配置する。検出電極７８を、線形 的に示す基板６５に隣接した形成した図示した増幅器７３のような検出集積電子 部品に接続する。 環状のシールド電極８０は、スペースを設けながら検出電極７８を包囲する。 検出電極７８及びそれを包囲するシールド電極８０は、例えば最密配置又は画素 すなわち検出部３０ａのアレイを容易にするた めに六角形のような他の形状を有してもよい。シールド電極８０を、増幅器７３ の出力の一部によって駆動される能動シールドとして、電界エネルギーの収束を 助長するとともに、隣接する電界検出電極７８を駆動させる必要を少なくする。 センサ３０は、３個の金属すなわち導電層６６，６８及び７１のみを有する。 センサ３０を、追加の金属層を必要とすることなく形成することができ、そうで ない場合、製造コストが増大するとともに歩留まりが減少する。したがって、セ ンサ３０は、４個以上の金属層を有するセンサに比べて廉価なものとなり、強固 なものとなり、かつ、信頼性が高くなる。 増幅器７３を、シールド電極８０を駆動させるために約１より大きい利得で作 動させる。安定性の問題は増幅器７３の動作に悪影響を及ぼさない。さらに、通 常モード及び一般的な雑音除去を、本発明のこの形態によって大幅に向上させる 。さらに、１より大きい利得は、検出電極７８に対して電界を収束する傾向にあ る。 検出部３０ａは非常に低い電流及び非常に高いインピーダンスで作動する。例 えば、各検出電極７８からの出力信号を好適には約５−１０ｍＶとして、雑音の 影響を減少させるとともに信号の更なる処理を許容する。シールド電極８０の外 形によって規定したような各検出部３０ａの平均直径を約０．００２−０．００ ５インチとする。基面電極６８は能動電子装置を不所望な励起から保護する。能 動電子回路に対する電極７８，８０の種々の信号通過導体を容易に形成すること ができる。 センサ３０の全体に亘る接触すなわち検出面を、好適には、容易に製造できる とともに正確な指紋検出及び識別を行うのに十分広い面を提供するサイズ−０． ５インチ×０．５インチとする。本発明によるセンサ３０は、有効でない画素又 は検出部３０ａも許容する。典型的なセンサ３０は、２５６画素すなわち検出部 ×２５６画素すなわち検出部のアレイを有するが、他のアレイサイズも本発明に よって意図さ れる。センサ３０を、主に通常の半導体性製造技術を用いて一度に製造して、製 造コストを著しく減少させることができる。 図４において、センサ３０の他の態様を示す。センサは、図示した指検出ブロ ックすなわち回路１０１によって決定されるように第１外部電極５４に接触する 指の検出に基づいて能動回路部１００の動作を制御するパワー制御手段を有する 。例えば、指検出回路１０１は、振動子に対するインピーダンスの変化に基づい て動作して、指の接触を決定する。当然、指の接触検出に対する他のアプローチ も本発明によって意図される。パワー制御手段は、第１外部電極への指の接触の 検出に応じてのみ能動回路部に給電してパワーを節約する起動手段を有する。パ ワー制御手段は、第１外部電極への指の接触の非検出に応じて能動回路を接地す る保護手段も具える。図示した実施の形態において、起動制御回路及び保護制御 回路の組合わせ１０２を示す。 フィンガプリントセンサ３０は、接触する指又は他のオブジェクトからの電荷 をブリードする指電荷ブリード手段を更に具える。指電荷ブリード手段を、パッ ケージ５１によって支持される指接触用の第２外部電極５３及び第２外部電極と アースとの間に接続した電荷ブリード抵抗１０４によって設けられる。図４の右 上に線形的に示したように、第２電極を、露出した上側誘電体層５２に対する開 口部をカバーするためにパッケージ５１にスライド自在に接続した導電カバー５ ３’によって設けることもできる。旋回心軸で回転するように接続したカバーも 本発明によって意図される。したがって、通常の状態の下では、カバー５３’を 移動させてセンサ３０の検出部が露出すると電荷が指からブリードされる。 指電荷ブリード手段及びパワー制御手段を、抵抗１０４を通じて放電するのに 十分な起動中に短時間の遅延を設けるようにして、能動回路部に給電する前に電 荷ブリード手段が指の電荷を除去できるようになるまで能動部を接地した状態に する。したがって、パワーは、センサ３０及びセンサによって設けられたＥＳＤ 保護部によって保持され、 その結果、センサは、比較的廉価になり、強固になり、かつ、パワーを節約する 。 図５において、センサ３０の他の重要な形態を示す。誘電体カバー５２は、好 適には、電界検出電極７８の各々において図示した電気力線によって示すような 電界を収束するｚ軸異方性誘電体層１１０を具える。すなわち、誘電体層１１０ は、比較的厚いが、材料のｚ軸異方性のために伝播する電界を収束しない。典型 的には、電界収束と機械的な保護とは相反するものである。しかしながら、収束 するのに好適な薄膜は、下に存在する回路に対して損傷を被りやすくなる。 例えば、本発明のｚ軸異方性誘電体層１１０は、約０．０００１−０．００４ インチの範囲の厚さを有する。当然、ｚ軸異方性誘電体層１１０は、化学的な抵 抗及び指に対する強力な機械的な耐性を有し、溶剤による周期的な洗浄を可能に する。ｚ軸異方性誘電体層１１０は、好適には集積回路盤に対する最外郭保護面 を規定する。したがって、全体に亘る誘電体カバー５２は、集積回路盤１２０の 上及びｚ軸異方性誘電体層１１０の下にある少なくとも一つの比較的薄い酸化物 、窒化物、炭化物又はダイヤモンド層１１１も有する。薄膜１１１を、典型的に は比較的硬くし、ｚ軸異方性誘電体層１１０を好適には柔らかくして、機械的な 衝撃を吸収する。 ｚ軸異方性誘電体層１１０を、硬化マトリックスへの複数の配向誘電体粒子に よって設ける。例えば、ｚ軸異方性誘電体層１１０は、ポリイミドマトリックス にチタン酸バリウムを具える。 図６において、ｚ軸誘電体カバー５２’の他の変形を、対応する電界検出電極 ７８に整列した複数の高誘電体部１１２及びそれを包囲する下側誘電体部１１３ のマトリックスによって示す。誘電体カバー５２’の本例を、高誘電体部又は低 誘電体部の層を形成し、それを選択的にエッチングし及び開口部に正反対の材料 を充填するようにして、複数の方法で形成する。他のアプローチによって、分極 可能なマイクロカプセルを使用するとともに、マトリックス材料の硬化中に電界 を かける。 本発明の他の態様は、集積回路盤１２０の上側表面全体を完全にカバーし及び 保護することができること並びに図７を参照して更に説明するような外部装置及 び回路との接続及び通信を許容することに関する。第３金属層７１（図２）は、 好適には、集積回路盤１２０の容量性結合を許容する複数の容量性結合パッド１ １６ａ−１１８ａも有する。したがって、誘電体カバー５２は、容量性結合パッ ド１１６ａ−１１８ａ及び画素３０ａ（図１）の電界検出電極７８のアレイ全体 に亘って連続的である。本発明のこの形態に対して、通常、接合パッドに電気的 に接続するために外側コーティングを通じて開口部を形成する。しかしながら、 その開口部は、接触する水及び／又は他の不純物の経路を設け、盤に損傷を与え るおそれがある。 パッケージ５１の一部は、対応するパッド１１５ｂ−１１８ｂを支持するプリ ント回路基板１２２を有する。パワー変調回路１２４をパッド１１５ｂ−１１８ ｂに結合し、単一の変調回路１２６を図示するようにしてパッド１１７ｂ−１１ ８ｂに結合した状態を示す。パワー及び信号を、図示したパワー変調／調整回路 １２７及び信号変調回路１２８を更に用いて、プリント回路基板１２２と集積回 路盤１２０との間で容易に結合する。ｚ軸異方性誘電体層１１０は、隣接する容 量性結合パッド間のクロストークも有効に減少させる。本発明の実施の形態３０ は、水分が誘電体カバー５２に侵入せず、かつ、集積回路盤１２０に損傷を与え ない。さらに、他のレベルの絶縁を集積回路と外部環境との間に設ける。 図示したフィンガプリントセンサ３０に対して、パッケージ５１は、好適には 電界検出電極７８（図１−３）のアレイに整列した開口部を有する。容量性結合 部及びｚ軸異方性層１１０を、好適には図示したフィンガプリントセンサ３０に 加えて複数の用途において使用し、特に、集積回路盤１２０の上側表面及びパッ ド１１６ａ−１１８ａをカバーする連続的なフィルムを有する場合に好適である 。 図８及び９を参照して、本発明のインピーダンスマトリックスフィルタ処理を 説明する。図８に示すように、フィンガープリントセンサ３０を、指紋検出器１ ３０のアレイ及び指紋イメージに関連する信号を発生させる関連の能動回路１３ １を具えるものとして考慮する。図示したセンサ３０は、信号をフィルタ処理す る能動回路に接続したインピーダンスマトリックス１３５も有する。 図９に示すように、インピーダンスマトリックス１３５は、中心ノード１３８ によって示したような各指紋検出器の各能動回路と他の能動回路（外側ノード１ ４０）との間に接続可能な各インピーダンス素子を有する複数のインピーダンス 素子１３６を有する。インピーダンスマトリックス１３５は、各インピーダンス 素子１３６に直列接続したスイッチを有する複数のスイッチ１３７も有する。入 力信号を、図示したスイッチ１４２及びそれに関連するインピーダンス素子１４ ３を通じて中央ノード１３８に供給する。インピーダンス素子を、図示したよう な１個以上の抵抗及びキャパシタ１３４とする。 フィルタ制御手段はスイッチ１３７を切り替えて、能動回路１３１によって発 生した信号の処理を行う。一実施の形態において、指紋検出器１３０を電界検出 電極７８とし、能動回路１３１を増幅器７３（図２）とする。当然、他の検出器 及び能動回路も本発明のインピーダンスマトリックスフィルタ処理から有用であ る。 隆起流決定手段１４５を、マトリックス１３５のスイッチ１３７を選択的に切 り替えて指紋イメージの隆起流方向を決定するために設ける。より詳しくは、隆 起流決定手段１４５は、指紋イメージの隆起流方向に関連する信号強度ベクトル を決定するようスイッチ１３７を選択的に切り替える。隆起流検出を、十分既知 の回転スリット原理に基づいて決定する。 センサ３０は、指紋イメージの中心位置を決定するために隆起流限定手段１４ ５と共同する中心位置決定手段１４６を有する。中心の位置は、指紋イメージか ら詳細を抽出し及び処理するのに有用である。 図８に示すように、２値化フィルタ１５０を、スイッチ１３７を選択的に切り 替えてグレースケール指紋イメージを２値化指紋イメージに変換するために設け る。他の方法を考察すると、インピーダンスマトリックス１３５を用いて、ダイ ナミックイメージコントラストを増大させる。さらに、エッジ円滑化フィルタ( ｅｄｇｅ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒ)１３５を、イメージを向上させる ために容易に実現することができる。線形的に示したように、他の空間フィルタ １５２を、当業者によって容易に理解できるように指紋イメージを空間的にフィ ルタ処理するためにスイッチ１３７を選択的に切り替えるインピーダンスマトリ ックス１３５を用いて実現する。したがって、指紋イメージの処理がセンサ３０ で実行され、これによって下流の追加の演算要求が減少する。 図９に示すインピーダンスマトリックス１３５の一例は、所定の指紋検出器１ ３０に対する能動回路と隣接する指紋検出器に対する他の８個の能動回路との間 で接続可能な各インピーダンス素子１３６を有する複数のインピーダンス素子を 具える。 制御手段１５３は能動回路１３１のセットを順次給電してパワーを節約する。 当然、各インピーダンス素子１３６を、好適には順次接続してフィルタ機能を実 行する。給電された能動回路１３１は、影又は中心部を規定するものとして考察 される。パワー制御手段１５３を適切に操作し、これによって、フィルタ処理に 用いられる区域のサイズを、好適なイメージ特性のために動的に変更する。さら に、パワー制御手段１５３は、検出部１３０のアレイの予め設定された領域に対 応する能動回路のうちの所定のもののみに給電する。例えば、他の能動回路１３ １をそれぞれ給電して、更に大きな区域を設けることができるが、電力消費量は 減少する。 読出し制御手段１５４を、能動回路１３１の各セットの予め設定された部分集 合のみを読み出すために設け、その結果、隣接する能動回路からの寄与をフィル タ処理に対して用いる。すなわち、典型的には 能動回路１３１の部分集合のみを同時に読み出すが、隣接する能動回路１３１及 び関連のインピーダンス素子をそれぞれ給電し及び接続する。例えば、１６個の インピーダンス素子１３６は部分集合を規定し、同時的な読出しを容易に行う。 部分集合のサイズを、決定すべき相違するサイズの形態に対して最適化する。 したがって、所定のセットの能動回路を読み出すのに全ての能動回路１３１に 給電する必要がないので、検出器１３０のアレイを迅速に読み出すことができ、 それに応じて電力消費を減少させることができる。典型的なセンサに対して、こ こで説明するようなパワー制御形態及びインピーダンスマトリックス形態の組合 わせによって、電力セーブを、全アレイを給電する場合に比べて約１０倍にする ことができる。 本発明によるフィンガプリントセンサ３０の他の重要な利点は、センサを欺く ことによって偽装イメージを有効な指紋イメージとして処理することを防止する ことである。例えば、光センサは、指紋イメージを有するペーパーを用いること によって欺かれる。本発明のフィンガープリントセンサ３０の独特な電界検出に よって、指の複雑なインピーダンスに基づく欺きを回避する有効なアプローチを 提供する。 図１０に示すように、フィンガープリントセンサ３０を、隣接して配置した指 ７９又は他のオブジェクトに関連した信号を発生させるインピーダンス検出素子 １６０のアレイを有するものと考えられる。ここで説明する実施の形態において 、インピーダンス検出器１６０を、電界検出電極７８及びそれに関連する増幅器 ７３（図２）によって設ける。さらに、ガードシールド８０を、各電界検出電極 ７８に関連させるとともに各増幅器７３に接続する。偽装減少手段１６１を、イ ンピーダンス検出器１６０のアレイに隣接して配置したオブジェクトのインピー ダンスが有効な指７９に相当するか否かを決定して有効な指以外のオブジェクト によるフィンガープリントセンサの偽装を減少させるために設ける。偽装は、線 形的に示したランプ１６３のようにして表され及び／又は更なる処理を遮断する 。また、有効な指紋決定を、 ランプ１６４によって表し及び／又は指紋イメージの更なる処理を許容するのに 用いる。 本実施の形態において、偽装減少手段１６１は、有効な指７９に対応する約１ ０−６０°の範囲の位相角を有する複素インピーダンスを検出するインピーダン ス決定手段１６５を有する。また、偽装減少手段１６１は、イメージを有する１ 枚のペーパーのような有効な指以外のオブジェクトに相当する約０°の位相角を 有するインピーダンスを検出する。さらに、偽装減少手段１６１は、他のオブジ ェクトに相当する９０°のインピーダンスを検出する。 図１１を参照して、偽装減少手段の他の例を説明する。フィンガープリントセ ンサ３０は、好適には、図示した励起増幅器７４（図２）のようなインピーダン ス検出器１６０のアレイを駆動する駆動手段を有する。センサは、インピーダン ス検出器１６０のアレイからの信号を同期をとって復調する同期復調手段１７０ も有する。したがって、本発明の特に好適な実施の形態において、偽装減少手段 は、予め設定された少なくとも一つの位相回転角で同期復調手段を操作する手段 を具える。例えば、同期復調手段１７０は、約１０−６０°の範囲及び有効な指 紋を表す予め設定されたしきい値に比較した目安で操作される。有効な指紋は、 典型的には１０−６０°の範囲内に複素インピーダンスを有する。 また、比発生及び比較手段１７２を同期復調手段１７０と共同して設けて、第 １及び第２位相角θ₁，θ₂で信号を同期をとって復調し、その振幅比を発生させ 、かつ、振幅比及び予め設定されたしきい値を比較して、オブジェクトが有効な 指であるか他のオブジェクトであるかを決定する。したがって、同期復調器１７ ０を用いて、有効な指以外のオブジェクトによるセンサ３０の偽装を減少させる のに好適なインピーダンス情報を容易に発生させる。第１及び第２位相角θ₁， θ₂は、例えば約４５−９０°の範囲の相違がある。 フィンガープリントセンサ３０は、相違する指によってすなわち相 違する状況下で発生したイメージ信号の強度の相違及び処理変更によって生じた センサの相違を考慮する自動利得制御形態を有する。センサが指の隆起部と窪み との間を識別できるようにすることは指紋イメージを正確に発生させるために重 要である。したがって、センサ３０は利得制御形態を有し、その一例は、図１２ を参照することによって理解される。 図１２に示すように、フィンガープリントセンサ３０の図示した部分は、増幅 器７３に接続した電界検出電極７８及びそれを包囲するシールド電極８０の形態 の指紋検出部のアレイを有する。他の指紋検出部は、以下の自動利得制御の実現 からも有用である。 センサ３０の信号処理回路は、好適には図示したような複数のアナログ−デジ タル（Ａ／Ｄ）コンバータ１８０を有する。さらに、そのＡ／Ｄコンバータ１８ ０の各々は制御可能なスケールを有する。走査手段１８２は、相違する素子をＡ ／Ｄコンバータ１８０のバンクに順次接続する。図示した利得プロセッサ１８５ は、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてＡ／Ｄコンバータ１８０の範囲を制御して向上 した変換分解能を提供する範囲決定及び設定手段を提供する。Ａ／Ｄコンバータ １８０は、当業者によって容易に理解できるような範囲の設定を許容する図示し た基準電圧入力部Ｖ_ref及びオフセット電圧入力部Ｖ_offsetを具える。したがっ て、範囲決定及び設定手段は、利得プロセッサ１８５とＡ／Ｄコンバータ１８０ の基準電圧入力部Ｖ_refとの間に接続した第１デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コ ンバータ１８０も具える。さらに、第２Ｄ／Ａコンバータ１８９を、図示したよ うに利得プロセッサ１８５からオフセット電圧入力部Ｖ_offsetに接続する。 利得プロセッサ１８５は、既に説明したように以前のＡ／Ｄコンバータに基づ いてヒストグラムを発生させるヒストグラム発生手段を具える。図１２に示すよ うな利得プロセッサ１８５に隣接するグラフは、典型的なヒストグラムプロット １９１を示す。ヒストグラムプロット１９１は、検出された指紋の隆起部及び窪 みに対応する２個のピーク を有する。Ａ／Ｄコンバータ１８０に対する範囲を設定することによって、上記 変更を考慮するとともにＡ／Ｄコンバータ１８０の分解能を全体的に用いるよう にピークを容易に配置することができる。 図１３を更に参照すると、Ａ／Ｄコンバータ１８０は、範囲の設定を許容する 関連の入力増幅器を有する。この変更において、範囲決定及び設定手段は、図示 した利得プロセッサ１８５も具え、この場合、増幅器を、プロセッサに接続した プログラマブル利得増幅器(ＰＧＡ)とする。利得プロセッサ１８５からのデジタ ルワード出力はＰＧＡ１８７の利得を設定し、その結果、Ａ／Ｄコンバータ１８ ０の分解能の全体的な使用が最適精度に対して得られる。利得プロセッサ１８５ から増幅器１８７への図示したＤ／Ａコンバータ１９２を通じた第２デジタルワ ード出力は、増幅器のオフセットも制御する。 利得プロセッサ１８５の範囲決定及び設定手段１８５は、指紋検出器のうちの 最初のものに対するデフォールト範囲を設定するデフォールト設定手段を具える 。本発明の自動利得制御形態によって、Ｄ／Ａコンバータ１８０は全分解能範囲 に亘って動作することができ、これによって、イメージ信号処理の精度が増大す る。 フィンガープリントセンサは、指紋検出部のアレイと、制御可能な範囲を有す るアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータと、指紋検出部のアレイのうちの予 め設定したものの順次のＡ／Ｄ変換を実行するスキャナと、以前のＡ／Ｄ変換に 基づいてＡ／Ｄ変換の範囲を制御して変換分解能を向上させる範囲設定回路とを 有する。複数のＡ／Ｄコンバータを、対応する複数の指紋検出部からのアナログ 信号を同時に変換するために用いる。Ａ／Ｄコンバータは、範囲の第１及び第２ ポイントの設定を許容する少なくとも１個の基準電圧入力部を有する。範囲設定 回路は、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてヒストグラムを発生させる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＷ (72)発明者 キルゴア ブライアン アメリカ合衆国 フロリダ州 32904 メ ルバーン エルコン ドライブ 1368 (72)発明者 ウィリアムス ダリル アメリカ合衆国 フロリダ州 32907 パ ーム ベイ ノース イースト ナガラン セット ストリート 210 (72)発明者 ゲバウアー デヴィット シー アメリカ合衆国 フロリダ州 32904 ウ エスト メルバーン ティンバーレイク ドライブ 7978

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．指紋検出部のアレイと、制御可能な範囲を有するとともに、その範囲に基づ いて前記指紋検出部のアレイからのアナログ信号をデジタル信号に変換するアナ ログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換手段と、そのＡ／Ｄ変換手段及び前記指紋検出部 のアレイを操作して前記指紋検出部のアレイのうちの予め設定したもののＡ／Ｄ 変換を順次実行する走査手段と、以前のＡ／Ｄ変換に基づいて前記Ａ／Ｄ変換の 範囲を制御して変換分解能を増大させる範囲設定手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段が 、対応する複数の指紋検出部からのアナログ信号を同時に変換する複数のＡ／Ｄ コンバータを具えることを特徴とするフィンガープリントセンサ。 ２．前記Ａ／Ｄ変換手段が、少なくとも１個のレンジポイントの設定を許容する 少なくとも１個のレンジ入力部を具え、前記範囲設定手段がプロセッサと、その プロセッサと前記少なくとも１個のレンジ入力部との間に接続した少なくとも１ 個のデジタル−アナログコンバータとを具え、前記Ａ／Ｄコンバータが、第１の レンジポイントの設定を許容する第１基準電圧入力部を具えることを特徴とする 請求の範囲１記載のフィンガープリントセンサ。 ３．前記Ａ／Ｄ変換手段が、第１のレンジポイントの設定を許容する第２基準電 圧入力部と、前記範囲の設定を許容する少なくとも１個の増幅器とを具え、前記 範囲設定手段が、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてヒストグラムを発生させるヒスト グラム発生手段を具えることを特徴とする請求の範囲２記載のフィンガープリン トセンサ。 ４．前記範囲設定手段が、前記指紋検出部のうちの最初ものに対するデフォール ト範囲を設定するデフォールト設定手段を具え、前記指紋検出部の各々が、電界 検出電極及びそれに関連する増幅器を具え、前記電界検出電極の各々に関連する とともに前記増幅器の各々に接続したシールド電極を有することを特徴とする請 求の範囲１か ら３のうちのいずれか１項に記載のフィンガープリントセンサ。 ５．指紋検出部のアレイと、少なくとも一つの基準電圧入力部を有するとともに 、少なくとも一つの基準電圧に基づいて少なくとも１個の指紋検出部からのアナ ログ信号をデジタル信号に変換する少なくとも１個のアナログ−デジタル（Ａ／ Ｄ）コンバータと、前記少なくとも１個のＡ／Ｄコンバータ及び前記指紋検出部 のアレイを操作して、前記指紋検出部のアレイのうちの予め設定されたものの順 次のＡ／Ｄ変換を実行する走査手段と、以前のＡ／Ｄ変換に基づいて少なくとも １個の前記Ａ／Ｄコンバータの少なくとも一つの基準電圧を制御して、変換分解 能を向上させる基準電圧決定手段とを具えることを特徴とするフィンガープリン トセンサ。 ６．前記少なくとも１個のＡ／Ｄコンバータが、対応する複数の指紋検出部から のアナログ信号を同時に変換する複数のＡ／Ｄコンバータを具えることを特徴と する請求の範囲５記載のフィンガープリントセンサ。 ７．前記基準電圧設定手段が、プロセッサと、そのプロセッサと少なくとも１個 の基準電圧入力部との間に接続した少なくとも１個のデジタル−アナログコンバ ータとを具え、その少なくとも１個のＡ／Ｄコンバータと共同してその範囲の設 定を許容する少なくとも１個の増幅器を更に具え、前記基準電圧設定手段が、以 前のＡ／Ｄ変換に基づいてヒストグラムを発生させるヒストグラム発生手段を具 えることを特徴とする請求の範囲５又は６記載のフィンガープリントセンサ。 ８．前記基準電圧設定手段が、前記指紋検出部のうちの最初のものに対して少な くとも一つのデフォールト基準電圧を設定するデフォールト設定手段を具え、前 記指紋検出部の各々が、電界検出電極と、それに関連する増幅器とを具え、前記 電界検出電極の各々に関連するとともに前記増幅器の各々に接続したシールド電 極を更に具えることを特徴とする請求の範囲５から７のうちのいずれか１項に 記載のフィンガープリントセンサ。 ９．指紋検出部のアレイと、各々が少なくとも１個の基準電圧入力部を有すると ともに、少なくとも１個の基準電圧に基づいて少なくとも１個の指紋検出部から のアナログ信号をデジタル信号に変換する複数のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ） コンバータと、前記複数のＡ／Ｄコンバータ及び前記指紋検出部のアレイを操作 して前記指紋検出部のアレイのうちの予め設定したものの順次のＡ／Ｄ変換を実 行する走査手段と、以前のＡ／Ｄ変換に基づいて前記少なくとも１個のＡ／Ｄコ ンバータの少なくとも一つの基準電圧を制御して変換分解能を増大させる基準電 圧設定手段とを具え、前記基準電圧設定手段が、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてヒ ストグラムを発生させるヒストグラム発生手段と、プロセッサと、そのプロセッ サと前記少なくとも１個の基準電圧入力部との間に接続した少なくとも１個のデ ジタル−アナログコンバータと、各々のＡ／Ｄコンバータと共同してその範囲の 設定を許容する増幅器とを具えることを特徴とするフィンガープリントセンサ。 １０．前記基準電圧設定手段が、前記指紋検出部のうちの最初のものに対して少 なくとも１個のデフォールト基準電圧を設定するデフォールト設定手段を具え、 前記指紋検出部の各々が、電界検出電極と、それに関連する増幅器とを具え、前 記電界検出電極の各々に関連するとともに前記増幅器の各々に接続したシールド 電極を有することを特徴とするフィンガープリントセンサ。 １１．指紋検出部のアレイを具えるフィンガープリントセンサを操作する方法で あって、 制御可能な範囲を有する少なくとも１個のＡ／Ｄコンバータを用いて、前記指 紋検出部のアレイからのアナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、 前記指紋検出部のアレイのうちの予め設定したものの順次のＡ／Ｄ変換を実行 するステップと、 以前のＡ／Ｄ変換に基づいて少なくとも１個のＡ／Ｄコンバータの前記範囲を 決定し及び制御して、変換分解能を増大させ、前記少なくとも１個のＡ／Ｄコン バータの範囲を、少なくとも１個の基準電圧に基づいて制御可能にするステップ とを具え、 前記範囲を決定し及び制御するステップが、少なくとも１個の基準電圧を制御 するステップを具えることを特徴とする方法。 １２．前記アナログ信号を変換するステップが、前記範囲の設定を許容するため に制御可能な利得を有する少なくとも１個の増幅器を用いて前記アナログ信号の 変換を行うステップを具え、前記範囲を決定し及び制御するステップが、前記増 幅器を用いて範囲を制御するステップと、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてヒストグ ラムを発生させるステップと、前記指紋検出部のうちの予め設定されたもののデ フォールト範囲を設定するステップとを具えることを特徴とする請求の範囲１１ 記載の方法。