JP2004033610A - 温度差検出セル及びそれを応用した指紋サーモグラフ読み取り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度差検出セル及びそれを応用した指紋サーモグラフ読み取り装置の提供。
【解決手段】各一つの検出セル構造は、シリコン基板、該シリコン基板の上の熱絶縁構造とされるフィールド酸化層、少なくとも一つの熱電対が直列されてなり、熱コンタクト領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し冷コンタクト領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層の上に位置するサーモパイル、少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えて該フィールド酸化層の中央部分と最表面の保護層の間に形成されるヒートパイプ構造と、を具えている。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指紋読み取りの原理及び設計に係り、特に、熱電温度差感応設計原理に基づき、及び、集積回路の製造方法を利用し、完成した温度差検出セル及びそれを応用した指紋サーモグラフ読み取り装置であって、且つ米国特許第６，３００，５５４号の「ＭＥＴＨＯＤ　ＯＦ　ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ　ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＳＥＮＳＯＲ　ＡＮＤ　ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ
ＳＥＮＳＯＲ　ＤＥＶＩＣＥ」（熱電センサ製造方法及び熱電センサ装置）及び米国特許第６，３３５，４７８　Ｂ１号の「ＴＨＥＲＭＯＰＩＬＥ　ＩＮＦＲＡＲＥＤ　ＳＥＮＳＯＲ，ＴＨＥＲＭＯＰＩＬＥ　ＩＮＦＲＡＲＥＤ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＲＲＡＹ，　ＡＮＤ　ＭＥＴＨＯＤ　ＯＦ　ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ　ＴＨＥ　ＳＡＭＥ」（　サーモパイル赤外線センサ、サーモパイル赤外線センサアレイ、及びその製造方法）に関連する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
周知の指紋識別方法は、最も早期の方式は、インクを指の腹に付けて紙に押し当てた後、光学方式を利用して対比するか或いは走査方式でコンピュータデータベースに入力して対比を行い、身分認証に使用する。このような周知の方式の最大の欠点は、適時に即刻身分を識別する目的を達成できないことであり、このためますます多くなるリアルタイムの認証の要求、例えばネットワーク認証、電子商取引、携帯式電子製品秘密保持、ＩＣカード個人身分認証及び保全システムを満足させられない。
【０００３】
こうして数種類の、リアルタイム指紋識別の方式が生まれた。それには、光学方式に属する指紋識別、例えば米国特許第４，０５３，２２８号及び第４，３４０，３００号、及び、電子式リアルタイム指紋識別システムで圧電材料或いは電気的接触方式に属するもの、例えば米国特許第４，３９４，７７３号、第５，５０３，０２９号，第５，４００，６６２号，第５，８４４，２８７号、手指静電感応方式に属する指紋識別、例えば米国特許第６，０４９，６２０号、放熱感応方式の指紋識別、例えば米国特許第６，０６１，４６４号がある。
【０００４】
そのうち、光学システムの価格は比較的高く、消耗パワーが高く（光源による消耗）且つ体積が比較的大きく（光学パーツのサイズ及び光学成像が必要とする固定距離のレイアウトに制限を受ける）、このため多くの携帯式電子製品、例えばノートパソコンや携帯電話には不適用である。電子式のシステムの体積は相当大きく改善されてはいるが、パワー消耗が大きく（電気接触式の検出セルは二つの電極接触時に電流流通を有する）、且つ集積回路工程と整合させにくい（圧電材料の製造は集積回路工程にマッチングしない）という欠点がある。また、静電感応と電容感応方式は灰塵、手指の汗水及び電磁干渉を受けやすく、且つ複雑なアナログ回路を利用して検出セルの微小な電気信号を読み取る必要がある。製造方面では、静電感応と電容感応方式は集積回路工程にマッチングしうるが、良好な結果を得るためには却ってハイレベルの集積回路工程（＜０．３５μｍ）を必要とし、製造コストを増加した。最後の一種である放熱感応方式は、その検出セルの基本構造が、加熱抵抗及び温度センサとされ、該加熱抵抗を利用し検出セル温度を人体体温より高くし、手指接触により一部の熱量を奪って比較的低い温度を形成し、この温度センサを透過して指紋に対応するサーモグラフを得る。その最大の欠点は、消耗パワーが高過ぎ、電力が有限な携帯式電子製品には使用できず、且つ製造方式が集積回路工程と相いれないことである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の原因により、現在の周知の技術により製造したリアルタイム指紋識別システムは、軽薄短小、製造の容易さ、高い安定度、低いパワー消耗及び価格の便宜性の要求を同時に達成することはできない。このため、周知の欠点を克服するため、本発明は一種の温度差検出セル及びそれを応用した指紋サーモグラフ読み取り装置を提供し、その応用を推奨するのに有利で、並びに最良の身分認証に使用できるようにする（生理上、各個人の指紋は異なる）。
【０００６】
本発明の主要な目的は、一種の温度差検出セルの設計を提供し、人体体温で生物識別する原理に基づき、手指の指紋の峰と検出セルの接触を透過し、温度勾配を形成し、該検出セルにより該温度勾配を電気信号に変換し、複数の検出セルを二次元アレイ方式で配列した指紋識別チップを応用し、指紋の峰輪郭のサーモグラフ電気信号を出力し、指紋識別の目的を達成することにある。
【０００７】
本発明のもう一つの目的は、温度差検出セルを応用した指紋サーモグラフ読み取り装置を提供することにあり、それは、軽薄短小、製造容易、高い安定度、低いパワー消耗及び価格便宜の機能を同時に達成でき、応用推奨に有利で、最良の身分認証の方式を提供できる装置であるものとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、温度差検出セルにおいて、人体体温で生物を識別する原理を利用し、手指の指紋の峰と該温度差検出セルの接触を利用して温度勾配を形成し、この温度勾配を電気信号に変換し、該温度差検出セルが、
シリコン基板と、
該シリコン基板の上に位置して熱絶縁構造とされるフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層と、
少なくとも一つの熱電対が直列されてなるサーモパイルとされ、該サーモパイルの熱接触領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し、該サーモパイルの冷接触領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層上に位置する、上記サーモパイルと、
少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えると共に、該フィールド酸化層の中央部分と最も表面の保護層の間に形成されたヒートパイプ構造と、
を具えたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項２の発明は、請求項１に記載の温度差検出セルにおいて、少なくとも一つの熱電対が、第１熱電対材料と第２熱電対材料を具え、該第１熱電対材料と第２熱電対材料がそれぞれｎ型及びｐ型シリコン導体で組成されるか、或いは一つのシリコン導体及び金属導体で組成されたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項３の発明は、温度差検出セルにおいて、人体体温で生物を識別する原理を利用し、手指の指紋の峰と該温度差検出セルの接触を利用して温度勾配を形成し、この温度勾配を電気信号に変換し、該温度差検出セルが、
シリコン基板と、
該シリコン基板の上に位置して熱絶縁構造とされるフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層と、
少なくとも一つの熱電対が直列されてなるサーモパイルとされ、該サーモパイルの熱接触領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し、該サーモパイルの冷接触領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層上に位置する、上記サーモパイルと、
少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えると共に、該フィールド酸化層の中央部分と最も表面の保護層の間に形成されたヒートパイプ構造と、
該熱絶縁構造の上方に設けられて少なくとも一つの熱電対の熱接触領域を加熱して温度を手指の温度より高くする加熱抵抗と、
を具えたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項４の発明は、請求項３に記載の温度差検出セルにおいて、少なくとも一つの熱電対が、第１熱電対材料と第２熱電対材料を具え、該第１熱電対材料と第２熱電対材料がそれぞれｎ型及びｐ型シリコン導体で組成されるか、或いは一つのシリコン導体及び金属導体で組成されたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項５の発明は、請求項３に記載の温度差検出セルにおいて、加熱抵抗の材料がｎ型或いはｐ型シリコン導体とされたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項６の発明は、温度差感応式指紋識別チップにおいて、該温度差感応式指紋識別チップは指紋サーモグラフを読み取るのに用いられると共に、その設計製造方法が完全にＣＭＯＳ集積回路工程にマッチングし、該温度差感応式指紋識別チップは、二次元アレイ方式で配列された複数の温度差検出セルを具え、並びにそれが信号読み取り回路に整合されてシステム化シングルチップとされ、人体体温で生物を識別する原理により、手指の指紋の峰と該温度差検出セルの接触を透過して温度勾配を形成し、該温度勾配を該温度差検出セルにより電気信号に変換し、手指接触時の指紋の峰のサーモグラフを読み取ることを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップとしている。
請求項７の発明は、請求項６に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、温度差感応式指紋識別チップの下方に熱電クーラーが設置され、これにより温度差感応式指紋識別チップの温度が制御されて安定し、該温度差感応式指紋識別チップの温度が手指の温度より高くされるか、或いは温度差感応式指紋識別チップの温度が手指の温度より低くされることを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップとしている。
請求項８の発明は、請求項６に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、温度差検出セルが、
シリコン基板と、
該シリコン基板の上に位置して熱絶縁構造とされるフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層と、
少なくとも一つの熱電対が直列されてなるサーモパイルとされ、該サーモパイルの熱接触領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し、該サーモパイルの冷接触領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層上に位置する、上記サーモパイルと、
少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えると共に、該フィールド酸化層の中央部分と最も表面の保護層の間に形成されたヒートパイプ構造と、
を具えたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップとしている。
請求項９の発明は、請求項８に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、少なくとも一つの熱電対が、第１熱電対材料と第２熱電対材料を具え、該第１熱電対材料と第２熱電対材料がそれぞれｎ型及びｐ型シリコン導体で組成されるか、或いは一つのシリコン導体及び金属導体で組成されたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップとしている。
請求項１０の発明は、請求項８に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、該熱絶縁構造の上方に加熱抵抗が設けられ、該加熱提供が少なくとも一つの熱電対の熱接触領域を加熱してその温度を手指の温度より高くすることを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップとしている。
請求項１１の発明は、請求項１１に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、加熱抵抗の材料がｎ型或いはｐ型シリコン導体とされたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップとしている。
請求項１２の発明は、温度差検出セルにおいて、該温度差検出セルが、少なくとも一層のポリシリコンと少なくとも一つの金属配線層金属を具えたＣＭＯＳ集積回路工程で製造され、該温度差検出セルが、
シリコン基板と、
該シリコン基板の上にフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層を利用して形成された熱絶縁構造と、
該熱絶縁構造の四周囲に形成されると共に、ゲート酸化層とされる薄い酸化層と、
少なくとも一つの熱電対とされ、第１熱電対材料と第２熱電対材料で組成され、少なくとも一つの熱電対の熱接触領域が該熱絶縁構造の中央部分に位置し、少なくとも一つの熱電対の冷接触領域が該熱絶縁構造周囲の薄い酸化層上に位置する、上記少なくとも一つの熱電対と、
該第１熱電対材料と該第２熱電対材料を連接する、少なくとも一つのコンタクトホールプラグ金属と、
少なくとも一つの導体層、少なくとも一つのプラグ金属を具えると共に該熱絶縁構造の中央部分と最表面の保護層の間に形成された、ヒートパイプと、
を具えたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項１３の発明は、請求項１２に記載の温度差検出セルにおいて、第１熱電対材料がポリシリコンとされ、第２熱電対材料が金属配線とされたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項１４の発明は、請求項１２に記載の温度差検出セルにおいて、コンタクトホールプラグ金属がタングステンで組成されたことを特徴とする、温度差検出セルとしている。
請求項１５の発明は、温度差感応式指紋識別チップの温度を安定させる構造において、
二次元配列された複数の温度差検出セルで組成された温度差感応式指紋識別チップと、
該温度差感応式指紋識別チップの下方に位置し、温度差感応式指紋識別チップの温度を制御して安定させ、該温度差感応式指紋識別チップの温度を手指の温度より高くするか、或いは該温度差感応式指紋識別チップの温度を手指の温度より低くする、熱電クーラーと、
を具えたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップの温度を安定させる構造としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施態様は、温度差感応原理に基づく検出セル構造を提供し、それは、シリコン基板、該シリコン基板の上に形成されて熱絶縁構造とされるフィールド酸化層、少なくとも一つの熱電対が直列されてなり、その熱コンタクト領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し、その冷コンタクト領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層の上に位置するサーモパイル、少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えて該フィールド酸化層の中央部分と最表面の保護層の間に形成されるヒートパイプ構造と、を具えている。
【００１０】
本発明のもう一つの実施態様は、温度差感応式指紋識別チップを提供し、それは、複数の温度差検出セルを二次元アレイ方式で配列し、並びにその信号読み取り回路を整合して完成したシステム化チップを具え、この指紋識別チップが人体体温で生物識別する原理を以て、手指指紋の峰と温度差検出セルの接触により温度勾配を形成し、この温度差検出セルにより該温度勾配を電気信号に変換する。
【００１１】
【実施例】
図１は本発明の温度差感応式指紋識別チップ１が手指２の指紋識別を行う表示図である。そのうち、該温度差感応式指紋識別チップ１は指紋サーモグラフを読み取るのに用いられ、二次元アレイ方式で配列された複数の温度差検出セル１０を具えている。手指２が温度差感応式指紋識別チップ１に接触する時、手指２表面の不規則形状の指紋の峰２０と一部の検出セル１０が接触し、該温度差感応式指紋識別チップ１表面に該指紋の峰２０に対応するサーモグラフ２０ａが残り、このサーモグラフ２０ａの形状によりもとの指紋の峰２０の形状を識別することができる。上述の温度差感応式指紋識別チップ１は温度差検出セル１０の応用であり、全ての技術原理はいずれもこの温度差検出セル１０の構造と特性により達成される。
【００１２】
図２は本発明の温度差感応式指紋識別チップの温度差感応原理表示図である。図示されるように、各一つの温度差検出セル１０は集積回路工程により製造され、特にＣＭＯＳ工程により製造される。該温度差検出セル１０の基本構造は、シリコン基板１００、熱絶縁構造をなすフィールド酸化層１０１（ＬＯＣＯＳ）、直列されてサーモパイルを形成する少なくとも一つの熱電対１０２を具え、該サーモパイルの熱接触領域２００は該フィールド酸化層１０１の中央部分に位置し、該サーモパイルの冷接触領域３００はフィールド酸化層１０１周囲の薄い酸化層１０１ａ（Ｔｈｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）（図示せず）の上に位置する。ヒートパイプ４００構造は、少なくとも一つの導体配線層（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具え、ヒートパイプ４００が該フィールド酸化層１０１の中央部分と最も表面の表層保護層１０６（Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）の間に形成される。
【００１３】
手指２の指紋は、指紋の峰２０と指紋の谷２１を具え、手指の指紋の峰２０と温度差検出セル１０が接触する時、指紋の峰２０と温度差検出セル１０間に存在しうる熱量（図中の矢印に示される）が、固体熱伝導メカニズムにより伝播される。そのうち、殆どの熱エネルギーは該ヒートパイプ４００により該フィールド酸化層１０１上のサーモパイル熱接触領域２００に伝導され、さらにこのサーモパイル熱接触領域２００より各方向に伝播され、これによりサーモパイル熱接触領域２００とサーモパイル冷接触領域３００の間に発生する温度勾配（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｇｒａｄｉｅｎｔ）が温度差△Ｔを形成し、温度差検出セル１０がこの温度差△Ｔに感応して電圧信号を出力し、これにより指紋の峰２０と接触しているか否かを判別する。温度差検出セル１０が発生する電圧信号は以下の公式で表示される。
Ｖ＝Ｎα△Ｔ・・・・（１）
このＮの値は直列された熱電対の数であり、αは単一熱電対のゼーベック係数（Ｖ／℃）である。
【００１４】
図２の温度差検出セル１０の細部構造を詳しく説明するために、図３に本実施例の単一温度差検出セル１０の断面構造を示した。それが採用するのは、商用の一層のポリシリコンと二層金属（１Ｐ２Ｍ）ＣＭＯＳ工程である。ＣＭＯＳ集積回路工程は周知の技術であり、その詳細な製造フローはここでは説明しないが、温度差検出セル１０の構造設計と材料属性について以下に説明する。
【００１５】
まず、シリコン基板１００上に熱絶縁構造を画定する。この熱絶縁構造は、ＣＭＯＳ工程中のフィールド酸化層１０１（ＬＯＣＯＳ）で形成し、この熱絶縁構造を囲む周囲を薄い酸化層１０１ａと定め、この薄い酸化層１０１ａはＣＭＯＳ工程中のゲート酸化層（Ｇａｔｅ　Ｏｘｉｄｅ）とされる。熱電対１０２は第２熱電対材料１０２ｂ及び第２熱電対材料１０２ｂで組成されている。この第１熱電対材料１０２ａはＣＭＯＳ工程中のポリシリコンゲート材料とされ、第２熱電対材料１０２ｂはＣＭＯＳ工程中の第１金属連接線（Ｍｅｔａｌ　＃１）とされ、それは通常、アルミ或いはアルミ合金材料とされる。この第１熱電対材料１０２ａと第２熱電対材料１０２ｂはビアホール金属プラグ１０３ａを透過して連接され、このビアホール金属プラグ１０３ａは通常、タングステン材料とされる。また、温度差検出セル１０の構造も導体間誘電層１０３（Ｉｎｔｅｒ−Ｌａｙｅｒ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，ＩＬＤ）、金属間誘電層１０４（Ｉｎｔｅｒ−Ｍｅｔａｌ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，ＩＭＤ）及び最も表面の保護層１０６（Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）を具えている。
【００１６】
特に注意に値することは、該熱電対１０２の熱接触領域２００と該冷接触領域３００が最大の温度勾配（温度差）を有することができるようにするために、ヒートパイプ４００の設計によりこの温度勾配の効果を増強していることである。このヒートパイプ４００構造は、少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのプラグ金属で組成され、本製造工程中、該ヒートパイプ４００構造は、一部のポリシリコン層（第１熱電対材料１０２ａ）、少なくとも一つのコンタクトホールプラグ金属１０３ａ、少なくとも一つのビアホール金属プラグ１０４ａ、一部の第１金属配線層（第２熱電対材料１０２ｂ）及び一部の第２金属配線層１０５を具えている。
【００１７】
図４は図３の実施例の検出セル１０の温度勾配分析結果であり、そのうち符号４１０〜４１５の曲線は、それぞれある温度の等温線を代表し、これにより、熱接触領域２００と冷接触領域３００が異なる温度領域内に位置し温度差△Ｔをもたらすことが分かり、この温度差△Ｔの分析結果が図５、６に示される。
【００１８】
図５、６に示されるのは、温度差感応式指紋識別チップの異なる環境温度での（３０℃と４０℃）、熱接触領域２００と冷接触領域３００の温度差△Ｔである。そのうち、曲線１は検出セル１０と指紋の峰２０が接触する時の温度差△Ｔ時間応答曲線であり、曲線２は検出セル１０と指紋の谷２１が接触する時の温度差△Ｔ時間応答曲線であり、分析結果は、異なる環境温度下で曲線２の数値が０に近づく傾向にあり、相当低い電圧信号出力（０に近い）を代表し、環境温度を極めて大きく改変させる時、曲線１は相当大きな絶対値温度差△Ｔを有することを示す。
【００１９】
例えばある実際規格を例に挙げると、単一検出セル画素（Ｐｉｘｅｌ）面積が８０μｍ×８０μｍで、６０対の熱電対を具え、熱電対のゼーベック係数は約１００μＶ／℃である。もし温度差△Ｔが１℃であれば、公式（１）により６ｍＶもの熱電動勢が得られ、本発明の温度差感応式原理の優越性を示すのに十分である。
【００２０】
図７は本発明の温度差検出セルのもう一つの実施例の断面図である。図７と図３に示される実施例の最大の違いは、熱絶縁構造（フィールド酸化層１０１）の上方に形成した加熱抵抗７００を利用していることにある。この加熱抵抗７００はポリシリコン材料とされ、該熱電対１０２の該熱接触領域２００を加熱し、これにより温度を手指温度より高くし、指紋の峰２０と接触する温度差検出セル１０の温度差△Ｔが比較的小さく、指紋の谷２１と接触する温度差検出セル１０の温度差△Ｔが比較的大きくなるようにしている。この方式の目的は、安定した電気信号出力が得られるようにすることにある。
【００２１】
図８に示されるのは、本発明の温度差感応式指紋識別チップの温度安定方法表示図であり、図８と図２の実施例の最大の違いは、熱電クーラー（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏｏｌｅｒ，ＴＥ−Ｃｏｏｌｅｒ）８００を利用して温度差感応式指紋識別チップ１の温度を制御して安定させるようにしたことである。その方式は、温度差感応式指紋識別チップ１の温度を手指の温度より高くするか、或いは温度差感応式指紋識別チップ１の温度を手指の温度より低くし、このように熱電クーラー８００を利用することにより温度差感応式指紋識別チップ１の温度を制御して安定させ、安定した電気信号出力を得るというものである。
【００２２】
以上の実施例は僅かに本発明の技術思想及び特徴を説明すると共に、この発明が属する技術の分野における通常の知識を有するものが本発明の内容を了解し並びにこれに基づいて実施できるようにするためのものであり、本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に記載の精神に基づきなしうる均等の変化或いは修飾は、本発明の請求範囲内に属するものとする。例えば、本発明の温度差感応式指紋識別チップに適用される集積回路工程、特にＣＭＯＳ工程は、その基本的な要求は少なくとも一つのポリシリコン層、少なくとも二つの金属配線層を有し、同時にフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層工程を有する集積回路工程であるものとされる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、一種の温度差検出セルの設計を提供し、人体体温で生物識別する原理に基づき、手指の指紋の峰と検出セルの接触を透過し、温度勾配を形成し、該検出セルにより該温度勾配を電気信号に変換し、複数の検出セルを二次元アレイ方式で配列した指紋識別チップを応用し、指紋の峰輪郭のサーモグラフ電気信号を出力し、指紋識別の目的を達成している。
【００２４】
本発明は、温度差検出セルを応用した指紋サーモグラフ読み取り装置を提供し、それは、軽薄短小、製造容易、高い安定度、低いパワー消耗及び価格便宜の機能を同時に達成でき、応用推奨に有利で、最良の身分認証の方式を提供できる装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度差感応式チップが手指指紋識別を行う表示図である。
【図２】本発明の指紋識別チップの温度差感応原理表示図である。
【図３】本発明の単一温度差検出セルの構造断面図である。
【図４】図３の単一温度差検出セルの温度勾配分析結果図である。
【図５】異なる環境温度下（３０℃と４０℃）での温度差△Ｔ時間応答図である。
【図６】異なる環境温度下（３０℃と４０℃）での温度差△Ｔ時間応答図である。
【図７】本発明の温度差検出セルのもう一つの実施例の構造断面図である。
【図８】本発明の温度差感応式指紋識別チップのチップ温度安定方式表示図である。
【符号の説明】
１　温度差感応式指紋識別チップ
１０　検出セル
１００　シリコン基板　　　　　　１０１　フィールド酸化層
１０１ａ　薄い酸化層　　　　　　１０２　熱電対
１０２ａ　第１熱電対材料　　　　１０２ｂ　第２熱電対材料
１０３　導体間誘電層　　　　　　１０３ａ　コンタクトホールプラグ金属
１０４　金属間誘電層　　　　　　１０４ａ　ビアホール金属プラグ
１０５　第２金属配線層　　　　　１０６　保護層
２　手指
２０　指紋の峰　　　　　　　　　２０ａ　サーモグラフ
２１　指紋の谷
２００　熱接触領域
３００　冷接触領域
４００　ヒートパイプ
４１０〜４１５　異なる温度の等温線
７００　加熱抵抗
８００　熱電クーラー

Claims (15)

1. 温度差検出セルにおいて、人体体温で生物を識別する原理を利用し、手指の指紋の峰と該温度差検出セルの接触を利用して温度勾配を形成し、この温度勾配を電気信号に変換し、該温度差検出セルが、
   シリコン基板と、
   該シリコン基板の上に位置して熱絶縁構造とされるフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層と、
   少なくとも一つの熱電対が直列されてなるサーモパイルとされ、該サーモパイルの熱接触領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し、該サーモパイルの冷接触領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層上に位置する、上記サーモパイルと、
   少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えると共に、該フィールド酸化層の中央部分と最も表面の保護層の間に形成されたヒートパイプ構造と、
   を具えたことを特徴とする、温度差検出セル。
2. 請求項１に記載の温度差検出セルにおいて、少なくとも一つの熱電対が、第１熱電対材料と第２熱電対材料を具え、該第１熱電対材料と第２熱電対材料がそれぞれｎ型及びｐ型シリコン導体で組成されるか、或いは一つのシリコン導体及び金属導体で組成されたことを特徴とする、温度差検出セル。
3. 温度差検出セルにおいて、人体体温で生物を識別する原理を利用し、手指の指紋の峰と該温度差検出セルの接触を利用して温度勾配を形成し、この温度勾配を電気信号に変換し、該温度差検出セルが、
   シリコン基板と、
   該シリコン基板の上に位置して熱絶縁構造とされるフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層と、
   少なくとも一つの熱電対が直列されてなるサーモパイルとされ、該サーモパイルの熱接触領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し、該サーモパイルの冷接触領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層上に位置する、上記サーモパイルと、
   少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えると共に、該フィールド酸化層の中央部分と最も表面の保護層の間に形成されたヒートパイプ構造と、
   該熱絶縁構造の上方に設けられて少なくとも一つの熱電対の熱接触領域を加熱して温度を手指の温度より高くする加熱抵抗と、
   を具えたことを特徴とする、温度差検出セル。
4. 請求項３に記載の温度差検出セルにおいて、少なくとも一つの熱電対が、第１熱電対材料と第２熱電対材料を具え、該第１熱電対材料と第２熱電対材料がそれぞれｎ型及びｐ型シリコン導体で組成されるか、或いは一つのシリコン導体及び金属導体で組成されたことを特徴とする、温度差検出セル。
5. 請求項３に記載の温度差検出セルにおいて、加熱抵抗の材料がｎ型或いはｐ型シリコン導体とされたことを特徴とする、温度差検出セル。
6. 温度差感応式指紋識別チップにおいて、該温度差感応式指紋識別チップは指紋サーモグラフを読み取るのに用いられると共に、その設計製造方法が完全にＣＭＯＳ集積回路工程にマッチングし、該温度差感応式指紋識別チップは、二次元アレイ方式で配列された複数の温度差検出セルを具え、並びにそれが信号読み取り回路に整合されてシステム化シングルチップとされ、人体体温で生物を識別する原理により、手指の指紋の峰と該温度差検出セルの接触を透過して温度勾配を形成し、該温度勾配を該温度差検出セルにより電気信号に変換し、手指接触時の指紋の峰のサーモグラフを読み取ることを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップ。
7. 請求項６に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、温度差感応式指紋識別チップの下方に熱電クーラーが設置され、これにより温度差感応式指紋識別チップの温度が制御されて安定し、該温度差感応式指紋識別チップの温度が手指の温度より高くされるか、或いは温度差感応式指紋識別チップの温度が手指の温度より低くされることを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップ。
8. 請求項６に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、温度差検出セルが、
   シリコン基板と、
   該シリコン基板の上に位置して熱絶縁構造とされるフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層と、
   少なくとも一つの熱電対が直列されてなるサーモパイルとされ、該サーモパイルの熱接触領域が該フィールド酸化層の中央部分に位置し、該サーモパイルの冷接触領域が該フィールド酸化層周囲の薄い酸化層上に位置する、上記サーモパイルと、
   少なくとも一つの導体配線層と少なくとも一つのビアホール金属プラグを具えると共に、該フィールド酸化層の中央部分と最も表面の保護層の間に形成されたヒートパイプ構造と、
   を具えたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップ。
9. 請求項８に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、少なくとも一つの熱電対が、第１熱電対材料と第２熱電対材料を具え、該第１熱電対材料と第２熱電対材料がそれぞれｎ型及びｐ型シリコン導体で組成されるか、或いは一つのシリコン導体及び金属導体で組成されたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップ。
10. 請求項８に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、該熱絶縁構造の上方に加熱抵抗が設けられ、該加熱提供が少なくとも一つの熱電対の熱接触領域を加熱してその温度を手指の温度より高くすることを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップ。
11. 請求項１１に記載の温度差感応式指紋識別チップにおいて、加熱抵抗の材料がｎ型或いはｐ型シリコン導体とされたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップ。
12. 温度差検出セルにおいて、該温度差検出セルが、少なくとも一層のポリシリコンと少なくとも一つの金属配線層金属を具えたＣＭＯＳ集積回路工程で製造され、該温度差検出セルが、
    シリコン基板と、
    該シリコン基板の上にフィールド酸化層或いはトレンチ絶縁層を利用して形成された熱絶縁構造と、
    該熱絶縁構造の四周囲に形成されると共に、ゲート酸化層とされる薄い酸化層と、
    少なくとも一つの熱電対とされ、第１熱電対材料と第２熱電対材料で組成され、少なくとも一つの熱電対の熱接触領域が該熱絶縁構造の中央部分に位置し、少なくとも一つの熱電対の冷接触領域が該熱絶縁構造周囲の薄い酸化層上に位置する、上記少なくとも一つの熱電対と、
    該第１熱電対材料と該第２熱電対材料を連接する、少なくとも一つのコンタクトホールプラグ金属と、
    少なくとも一つの導体層、少なくとも一つのプラグ金属を具えると共に該熱絶縁構造の中央部分と最表面の保護層の間に形成された、ヒートパイプと、
    を具えたことを特徴とする、温度差検出セル。
13. 請求項１２に記載の温度差検出セルにおいて、第１熱電対材料がポリシリコンとされ、第２熱電対材料が金属配線とされたことを特徴とする、温度差検出セル。
14. 請求項１２に記載の温度差検出セルにおいて、コンタクトホールプラグ金属がタングステンで組成されたことを特徴とする、温度差検出セル。
15. 温度差感応式指紋識別チップの温度を安定させる構造において、
    二次元配列された複数の温度差検出セルで組成された温度差感応式指紋識別チップと、
    該温度差感応式指紋識別チップの下方に位置し、温度差感応式指紋識別チップの温度を制御して安定させ、該温度差感応式指紋識別チップの温度を手指の温度より高くするか、或いは該温度差感応式指紋識別チップの温度を手指の温度より低くする、熱電クーラーと、
    を具えたことを特徴とする、温度差感応式指紋識別チップの温度を安定させる構造。

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