JP2004069481A - 指紋センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度、高分解能で測定値のばらつきが無く高信頼性の指紋センサを提供することを目的とする。
【解決手段】単結晶シリコン基板４と、基板上の絶縁膜５に形成された下面電極６と、下面電極上に形成された圧電薄膜７と、圧電薄膜７上に形成された上面電極８とを有する単位センサ素子１をマトリックス状に複数個配置し、単結晶シリコン基板４は下部に窪み９を有するダイアフラム構造である。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電薄膜を利用して指紋パターンを検出する指紋センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報システムの発展、普及、多様化に伴って、「万人不同」、「終生不変」という指紋情報を用いた情報セキュリティが注目を集めている。現在実用化されている指紋照合システムは未だ、分解能が低くまた測定信頼性も低いために電子商取引などには受け入れられにくい。しかし、指紋センサによる照合は非常に簡単で利便性に富むために、感度がよく高分解能で信頼性の高い指紋センサが切望されている。
【０００３】
従来の指紋センサにおいては、指先をガラス面などに押し当てて、その部分を光源で照射し、その反射光をＣＣＤ等により光電変換して電気出力信号とし、この電気出力信号を処理することにより、指紋を検出している。この様な光学式の指紋センサ以外には、ＣＭＯＳウェーハ上にマトリックス電極を形成し、電極と指紋との間の静電容量若しくは電圧を電気的に取り出すことにより、指紋パターンを検出するものなども提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の光学式指紋センサにおいては、指の汗（水分）が乱反射を起こす原因となるために、乾燥肌と多汗症の指では感度にばらつきがでてくるので、測定の信頼性に欠けるという問題点を有していた。また、静電容量式指紋センサの場合は、各センサ電極による静電容量が非常に小さく、また、乾燥肌と多汗症の指ではマトリックス電極と指との導電性が異なるので、静電容量にばらつきが発生し、測定の信頼性に欠けるという問題点を有していた。
【０００５】
この指紋センサでは、高感度、高分解能で測定値のばらつきが無く高信頼性であることが要求されている。
【０００６】
本発明は、この要求を満たすため、高感度、高分解能で測定値のばらつきが無く高信頼性の指紋センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の指紋センサは、基板と、基板上の絶縁膜に形成された下面電極と、下面電極上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜上に形成された上面電極とを有する単位センサ素子をマトリックス状に複数個配置し、基板は下部に窪みを有するダイアフラム構造である構成を備えている。
【０００８】
これにより、高感度、高分解能で測定値のばらつきが無く高信頼性の指紋センサが得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の指紋センサは、基板と、基板上の絶縁膜に形成された下面電極と、下面電極上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜上に形成された上面電極とを有する単位センサ素子をマトリックス状に複数個配置し、基板は下部に窪みを有するダイアフラム構造であることとしたものである。
【００１０】
この構成により、指紋を測定する際に指紋の山部（隆線部）と各単位センサ素子とが接触した時、圧電効果により単位センサ素子が機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、基板すなわち単位センサ素子がダイアフラム構造で形成されているために、指紋の押圧力により感度よく変形し、単位センサ素子は大きな電圧を発生することができるので高感度であり、また、指紋による押圧力を検知するので、乾燥肌と多汗症の指に関係なく安定した信頼性の高い電圧を発生することができるという作用を有する。また、このような単位センサ素子を指紋形状を十分に検出できるようにマトリックス状に多数（例えば２０万個）配置すれば、高分解能の指紋センサを得ることができるという作用を有する。
【００１１】
請求項２に記載の指紋センサは、請求項１に記載の指紋センサにおいて、圧電薄膜はジルコンチタン酸鉛系薄膜であることとしたものである。
【００１２】
この構成により、押圧力により発生する電圧を更に大きなものとすることができるので、更に感度を高めることができ、また容易に到達できる温度で圧電薄膜を容易に形成でき、しかも均一な膜を取得できるという作用を有する。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による指紋センサを構成する単位センサ素子を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ｂ線断面図である。
【００１５】
図１、図２において、１は単位センサ素子、２は単位センサ素子１を走査するためのスイッチング用ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下、「スイッチング用ＦＥＴ」と記載する）、３は単位センサ素子１の出力信号のインピーダンスを低くして信号処理しやすくするためのインピーダンス変換用ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下、「インピーダンス変換用ＦＥＴ」と記載する）である。このインピーダンス変換用ＦＥＴ３は、単位センサ素子１の出力信号を増幅する増幅用ＦＥＴであってもよい。また、４は下部に窪み９を有したダイアフラム構造である単結晶シリコン基板、５は単結晶シリコン基板４上に形成されたの絶縁膜、６は絶縁膜５上に形成された下面電極、７は下面電極６上に形成された圧電薄膜、８は圧電薄膜７上に形成された上面電極、１０はインピーダンス変換用ＦＥＴ３のゲート、１１はインピーダンス変換用ＦＥＴ３のソース、１２はインピーダンス変換用ＦＥＴ３のドレイン、１３、１６、１８、２０は電極、１４はスイッチング用ＦＥＴ２のドレイン、１５はドレイン抵抗器、１７はスイッチング用ＦＥＴ２のゲート、１９はスイッチング用ＦＥＴ２のソースである。
【００１６】
次に、このような構造の単位センサ素子１の製造方法について説明する。
【００１７】
単位センサ素子１は、まず単結晶シリコン基板４を酸化処理することにより絶縁膜５を形成したのち、真空蒸着法あるいはスパッタリング法によりアルミニウム等からなる下面電極６を形成し、この下面電極６上に厚さが約１μｍの圧電薄膜７を形成し、さらに、この圧電薄膜７上に真空蒸着法あるいはスパッタリング法により、アルミニウム等からなる上面電極８を形成し、さらに上面電極８上には図示しない絶縁性保護膜を被覆形成する。なお、圧電薄膜７の形成は本実施の形態ではスパッタリング法により形成したが、他にＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法等のように数多くの作製方法があり、圧電薄膜７の形成方法はスパッタリング法に限定されるものではない。また、絶縁膜５としてシリコン窒化膜をＣＶＤやスパッタにより形成してもよい。
【００１８】
次に、このように形成された単位センサ素子１の特性やＦＥＴ等との接続について説明する。
【００１９】
単位センサ素子１の出力電圧は非常に小さく、しかも出力インピーダンスがきわめて大きいので、単位センサ素子１の出力電圧を正確に読み出すためには、出力電圧の増幅か出力インピーダンスの変換またはこれらの両方が必要である。本実施の形態による指紋センサは、単位センサ素子１と１対１に対応するスイッチング用ＦＥＴ２とインピーダンス変換用ＦＥＴ３（または増幅用ＦＥＴ）とを同一の半導体基板（単結晶シリコン基板）４上に構成している。窪み９は単結晶シリコン基板４の裏面すなわち各単位センサ素子１面の反対面を異方性エッチングすることにより形成する。異方性エッチングでは，結晶面の方向によりエッチング速度が大きく異なるために、形成された窪み９は結晶面に沿った極めて正確な角度をもった平滑面となる。その結果、各単位センサ素子１下には寸法ばらつきの少ない高精度の単位センサ素子１の窪み９が多数形成されることになる。また、エッチング液としてはＫＯＨ（水酸化カリウム）やＴＭＡＨ（ハイドロオキサイド）を使用する。この窪み９を設けることにより単位センサ素子１部分を薄くできるので、感度が向上する。その結果、指紋押圧時の押圧力がわずかであっても、大きな出力電圧を発生することができ、極めて正確な測定が可能となる。なお、窪み９の大きさは、単位センサ素子１の面積と同等もしくはそれ以上のときに出力電圧は最も大きくなる。一方、単位センサ素子１の面積よりも小さい場合はダイヤフラムの機械的強度を十分大きく保つことができる。
【００２０】
ここで、単位センサ素子１が指紋パターンの山部（隆線部）と接触して圧電薄膜７に圧力が加えられた際に下面電極６と上面電極８との間に発生する電位差つまり出力電圧は、圧電材料の圧電定数に比例し、圧電材料の厚みに反比例するため、この圧電薄膜の材料としては、厚さが均一でしかも薄く、圧電定数の大きな材料である必要がある。これに加えて、成膜の容易性、成膜温度、膜の均一性などを考慮すると、ジルコンチタン酸鉛系の材料が望ましく、この厚みとしては１μｍ程度が適している。
【００２１】
また、スイッチング用ＦＥＴ２およびインピーダンス変換用ＦＥＴ３は、単結晶シリコン基板４上にイオン注入法により形成されたｎ型あるいはｐ型のソース１１およびドレイン１２と多結晶シリコンゲートにより構成され、インピーダンス変換用ＦＥＴ３のゲート１０からセンサ部の下面電極６が取り出され、ソース１１からセンサ部の上面電極８が取り出され、ドレイン１２は電極１３を介してスイッチング用ＦＥＴ２のドレイン１４と接続され、かつこの電極１３を介してドレイン抵抗器１５が接続されており、電極１６は図示しない電源のプラス側に接続されている。ドレイン抵抗器１５の抵抗値により、センサ出力の増幅かインピーダンス変換が実現される（当然増幅とインピーダンス変換の両方の機能を実現することもできる）。また、スイッチング用ＦＥＴ２のゲート１７には電極１８を介して制御信号が印加され、ソース１９から電極２０を介して出力信号を検出している。
【００２２】
ここで、指紋の山部の構造（隆線構造）は、空間周波数２〜３本／ｍｍの細かいパターンであり、指紋の谷部（谷線）の幅は狭い所では１００μｍ程度になるため、指紋パターンを再現性良く正確に入力するためには、センサとして５０μｍ（２０本／ｍｍ）程度の分解能が必要になってくる。従って、検出面積を２０×２０〜２５×２５ｍｍとし分解能を５０μｍとすると、４００×４００〜５００×５００個（１６万画素〜２５万画素）のセンサ単位を構成する必要がある。つまり、図１に示した単位センサ素子１とスイッチング用ＦＥＴ２とインピーダンス用ＦＥＴ３とにより構成され、一辺が約５０μｍの１つのサンサ単位（図１中の斜線部の領域）を、図３に示した様にマトリックス状に複数個配置することにより、本実施の形態における指紋センサを構成している。図３は単位センサ素子１の配列パターンを示す平面図である。同図で、２、３は図１、図２と同様のスイッチング用ＦＥＴ、インピーダンス変換用ＦＥＴである。
【００２３】
この構成により、指紋の山部と谷部とを検出することが可能となり、指の指紋パターンに応じた圧力分布を精度良く検出することができる。なお、本実施の形態においては、１つのセンサ単位をマトリックス状に整列配置しているが、これに限定されるものではなく、例えば千鳥形状に配列させることも可能である。また、電気出力信号の検出手段として、単結晶シリコンのＦＥＴアレイを用いたが、この理由について説明する。
【００２４】
上記ＦＥＴアレイ以外の検出方法としては、ＣＣＤにより出力信号を転送する方法もあるが、最小取扱電荷が約６．３×（１０のマイナス１７乗）Ｃであるため、圧電薄膜による小さな出力電荷を正確に検出するための充分な階調が得られないという問題点がある。また、アモルファスシリコンあるいは多結晶シリコンの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いてスイッチング素子を構成する方法もあるが、両者とも単結晶シリコンのＦＥＴに比較して、漏れ電流が大きいため、μｓｅｃオーダの非常に短時間の間に出力信号を読み出す必要があるという問題点がある。これに比較して、単結晶シリコン上に増幅素子またはインピーダンス変換素子とスイッチング素子とを構成することにより、単結晶シリコンはアモルファスシリコンあるいは多結晶シリコンと比較して、漏れ電流が１０の２乗〜１０の４乗倍程度少なく、出力信号の読み取り時間がｍｓｅｃ〜ｓｅｃオーダになるため、圧電薄膜による小さな出力電荷を正確に検出することが可能となる。
【００２５】
次に、この指紋センサの出力信号の検出方法を説明する。図４は、本発明の実施の形態１による指紋センサを示す回路図であり、説明を簡略化するために、３行×３列のマトリックス状の検出素子から構成される指紋センサの回路を示す。同図において、まず制御端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のうち１つの制御端子例えばＣ１に正電圧を加え、他の制御端子Ｃ２、Ｃ３を０電圧にすると、制御端子Ｃ１に接続されているスイッチング用ＦＥＴ２１１、２１２、２１３のみがオン状態となり、インピーダンス変換用ＦＥＴ３１１、３１２、３１３により単位センサ素子１１１、１１２、１１３の出力をインピーダンス変換して、ドレイン抵抗器４１１、４１２、４１３を介して単位センサ素子１１１、１１２、１１３の出力信号の読み出しが可能な状態となる。次に、出力端子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のうち１つの出力端子例えばＲ１を選択することにより、単位センサ素子１１１の出力信号のみが読み出されることになる。
【００２６】
この様に、制御端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を用いて行を選択し、出力端子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を用いて列を選択することにより、この行と列との交差する部分に接続された特定の単位センサ素子の出力信号を順次読み出すことが可能となる。
【００２７】
なお、本実施の形態おいては、センサ部本体の構成のみについて記載したが、上記回路構成以外にも、制御端子を用いて行を選択する回路と、出力端子を用いて列を選択する回路と、出力信号の処理回路とが別途必要であるが、これらの周辺回路構成については、特に限定されるものではなく、また、センサ基板として半導体基板を用いているため、上記周辺回路部をセンサの周辺部に一体形成することも可能である。
【００２８】
以上のように本実施の形態によれば、単結晶シリコン基板４と、単結晶シリコン基板４上の絶縁膜５に形成された下面電極６と、下面電極６上に形成された圧電薄膜７と、圧電薄膜７上に形成された上面電極８とを有する単位センサ素子１をマトリックス状に複数個配置し、単結晶シリコン基板４は下部に窪み９を有するダイアフラム構造であることにより、指紋を測定する際に指紋の山部（隆線部）と各単位センサ素子１とが接触した時、圧電効果により単位センサ素子１が圧力を電圧に変換し、単結晶シリコン基板４すなわち単位センサ素子１がダイアフラム構造で形成されているために、指紋の押圧力により感度よく変形し、単位センサ素子１は大きな電圧を発生することができるので高感度であり、また、指紋による押圧力を検知するので、乾燥肌と多汗症の指に関係なく安定した信頼性の高い電圧を発生することができる。また、このような単位センサ素子１を指紋形状を十分に検出できるようにマトリックス状に多数（例えば２０万個）配置すれば、高分解能の指紋センサを得ることができる。
【００２９】
また、圧電薄膜７はジルコンチタン酸鉛系薄膜であることにより、押圧力により発生する電圧を更に大きなものとすることができるので、更に感度を高めることができ、また容易に到達できる温度で圧電薄膜を容易に形成でき、しかも均一な膜を取得できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１に記載の指紋センサによれば、基板と、基板上の絶縁膜に形成された下面電極と、下面電極上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜上に形成された上面電極とを有する単位センサ素子をマトリックス状に複数個配置し、基板は下部に窪みを有するダイアフラム構造であることにより、指紋を測定する際に指紋の山部（隆線部）と各単位センサ素子とが接触した時、圧電効果により単位センサ素子が圧力を電圧に変換し、基板すなわち単位センサ素子がダイアフラム構造で形成されているために、指紋の押圧力により感度よく変形し、単位センサ素子は大きな電圧を発生することができるので高感度であり、また、指紋による押圧力を検知するので、乾燥肌と多汗症の指に関係なく安定した信頼性の高い電圧を発生することができるという有利な効果が得られる。また、このような単位センサ素子を指紋形状を十分に検出できるようにマトリックス状に多数（例えば２０万個）配置すれば、高分解能の指紋センサを得ることができるという有利な効果が得られる。
【００３１】
請求項２に記載の指紋センサによれば、請求項１に記載の指紋センサにおいて、圧電薄膜はジルコンチタン酸鉛系薄膜であることにより、押圧力により発生する電圧を更に大きなものとすることができるので、更に感度を高めることができ、また容易に到達できる温度で圧電薄膜を容易に形成でき、しかも均一な膜を取得できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による指紋センサを構成する単位センサ素子を示す平面図
【図２】図１のＡ−Ｂ線断面図
【図３】単位センサ素子の配列パターンを示す図
【図４】本発明の実施の形態１による指紋センサを示す回路図
【符号の説明】
１　単位センサ素子
２　スイッチング用ＦＥＴ
３　インピーダンス変換用ＦＥＴ
４　単結晶シリコン基板
５　絶縁膜
６　下面電極
７　圧電薄膜
８　上面電極
９　窪み
１０　インピーダンス変換用ＦＥＴのゲート
１１　インピーダンス変換用ＦＥＴのソース
１２　インピーダンス変換用ＦＥＴのドレイン
１３、１６、１８、２０　電極
１４　スイッチング用ＦＥＴのドレイン
１５　ドレイン抵抗器
１７　スイッチング用ＦＥＴのゲート
１９　スイッチング用ＦＥＴのソース
１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２、１３３
単位センサ素子
２１１、２１２、２１３、２２１、２２２、２２３、２３１、２３２、２３３
スイッチング用ＦＥＴ
３１１、３１２、３１３、３２１、３２２、３２３、３３１、３３２、３３３
インピーダンス用ＦＥＴ
４１１、４１２、４１３、４２１、４２２、４２３、４３１、４３２、４３３
ドレイン抵抗器
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３　制御端子
Ｇ　アース
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３　出力端子
Ｖ　電源端子

Claims (2)

1. 基板と、前記基板上の絶縁膜に形成された下面電極と、前記下面電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上面電極とを有する単位センサ素子をマトリックス状に複数個配置し、前記基板は下部に窪みを有するダイアフラム構造であることを特徴とする指紋センサ。
2. 前記圧電薄膜はジルコンチタン酸鉛系薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の指紋センサ。

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