JP2017510897A - 改良された感知素子を備えた容量指紋センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体基板と、半導体基板に形成された感知素子のアレイとを備える容量指紋感知装置に関する。感知素子のそれぞれは、保護誘電最上層と、最上層の下に配置された感知構造と、感知構造に接続されたチャージアンプとを備える。チャージアンプは、感知構造に接続された負入力と、正入力と、感知信号を供給する出力と、帰還コンデンサと、負入力を構成するゲートを有する感知トランジスタと、を備える。感知トランジスタは、半導体基板の絶縁されたウェルに形成される。指紋感知装置はさらに、感知構造およびウェルの電位を変えるためにチャージアンプの正入力およびウェルに接続された励起信号供給回路構成を備え、それによって感知素子の寄生容量の影響を低減する。

Description

本発明は、容量指紋感知装置に関し、指紋パターンを感知する方法に関する。

様々なタイプの生体認証システムが、安全性の向上のためおよび／またはユーザの利便性を高めるために、ますます使われている。

特に、指紋感知システムは、その小さな形状要素、高い性能およびユーザ受け入れのため、例えば家電機器に採用されている。

（例えば静電容量式、光学式、熱式等の）様々な利用可能な指紋感知原理の中でも、静電容量感知が最も一般的に使われており、特に、大きさおよび電力消費が重要な課題である用途において使われている。

全ての容量指紋センサは、いくつかの感知構造のそれぞれと、指紋センサの表面に乗せられる、または指紋センサの表面を横切って動く指との間の静電容量を示す測定値を提供する。

いくつかの容量指紋センサは、感知構造と指との間の静電容量を受動的に読み出す。しかしながら、これは、比較的大きな静電容量を必要とする。したがって、そのような受動的な容量センサは概して、感知構造を覆う非常に薄い保護層を備え、そうすることで、そのようなセンサはスクラッチングおよび／またはＥＳＤ（静電放電）に対して幾分感度が高くなる。

米国特許ＵＳ７８６４９９２は、センサアレイの近傍に配置された導電駆動構造をパルスして、センサアレイの感知構造が帯びる電荷の結果変化を測定することによって、駆動信号が指に注入される能動容量指紋感知装置を開示する。

ＵＳ７８６４９９２による指紋感知システムは、指紋画質とセンサ保護との優れた組み合わせを提示するが、いくつかの用途では、別個の導電駆動構造を使用することなく、高質な指紋画像を取得できることが望ましい。特に、乾燥した指等“難しい”指への改善の余地が見られる。

代替の能動指紋感知装置は、Ｋｗａｎｇ−Ｈｙｕｎ ＬｅｅおよびＥｕｉｓｉｋ Ｙｏｏｎによる論文“画素レベル適応画像向上スキームを備えるＡ５００ｄｐｉ静電容量型ＣＭＯＳ指紋センサ”（ＩＳＳＣＣ２００２／Ｓｅｓｓｉｏｎ２１／ＴＤ：センサおよびマイクロシステム／２１．３）に記載される。この指紋感知装置では、励起パルスは、指の代わりに各画素の感知電極に印加される。指の電位は、略一定と考えられる。

この指紋センサは、別個の導電駆動構造を使わずに使用可能であるようである。しかしながら、“画素レベル適応画像向上スキームを備えるＡ５００ｄｐｉ静電容量型ＣＭＯＳ指紋センサ”に記載される指紋センサは、０ｆＦから２００ｆＦの範囲の指への静電容量（測定される静電容量）を呈するよう構成されるとされる。指紋感知の分野では、これは比較的大きな静電容量であり、感知電極の上部に設けられた保護コーティングが非常に薄いことを示す。実際に、保護コーティングは“保護層”と称され、概して、１μｍ前後の厚さを有するケイ素酸化物もしくは窒化ケイ素の層と解される。そのような薄い保護コーティングを有する指紋センサは、携帯用装置用途を含む多くの重要な用途には十分に堅固ではない。

よって、励起パルスが感知電極に印加され、同時に高質な指紋表示を達成することができる、より堅固な容量指紋感知装置を提供することが望ましい

従来技術の、上述のおよび他の欠点に鑑みて、本発明の目的は、改良された容量指紋感知装置を提供することである。

本発明の第一の態様によれば、したがって、指の指紋パターンを感知するための容量指紋感知装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に形成された感知素子のアレイとを備える指紋感知装置が提供され、前記感知素子のそれぞれは、前記指に触れられる保護誘電最上層と、前記最上層の下に配置された導電感知構造と、前記指と前記感知構造との間の電位差の変化に由来する前記感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給するために前記感知構造に接続されたチャージアンプと、を備え、前記チャージアンプは、前記感知構造に接続された負入力と、正入力と、前記感知信号を供給する出力と、前記負入力と前記出力との間に接続された帰還コンデンサと、前記負入力を構成するゲートを有する感知トランジスタと、を備え、前記感知トランジスタは前記半導体基板のウェルに形成され、前記ウェルと前記基板との間のインターフェースは電流が前記ウェルと前記基板との間を流れるのを防止されるように構成され、前記チャージアンプは、前記負入力の電位が前記正入力の電位に実質的に追従するよう構成され、前記指紋感知装置は、励起信号供給回路構成をさらに備え、前記励起信号供給回路構成は、前記正入力に接続され、前記正入力の電位を第一の電位から第二の電位に変えるよう構成され、それによって前記感知構造の電位を変え、それによって前記指と前記感知構造との間の電位差の前記変化を提供し、かつ前記励起信号供給回路構成は、前記ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変えるために前記ウェルに接続され、前記第三の電位と前記第四の電位との差は前記第一の電位と前記第二の電位との差に実質的に等しく、それによって前記感知構造と前記ウェルとの間および前記感知トランジスタと前記ウェルとの間の寄生容量の影響を低減する。

半導体基板は、有利にはドープされた半導体基板であり、ウェルは半導体基板に関して対極にドープされた基板の部分でありうる（半導体基板がｐドープであれば、ウェルはｎドープであり、半導体基板がｎドープであれば、ウェルはｐドープでありうる）。これは、電流がウェルと基板との間を流れるのを防止されるように構成された、ウェルと基盤との間のインターフェースを達成する一つの方法である。特に、ウェルおよび基板は、基板のウェルとの間のインターフェースに形成されたダイオードを通って電流が流れないような電位に保たれうる。

あるいは、絶縁層が、例えばガラスの薄層の形状で、基板とウェルとの間に提供されうる。そのような絶縁層もまた、電流がウェルと基盤との間を流れるのを防止する。

チャージアンプは、負入力の電荷を出力の電圧に変換する。チャージアンプのゲインは、帰還コンデンサの容量によって決定される。

チャージアンプが、負入力の電位が正入力の電位に実質的に追従するように構成されることは、正入力の電位の変化が、実質的に対応する負入力の電位の変化につながることを意味すると理解されるべきである。チャージアンプの実際の構成に依って、負入力の電位は正入力の電位と実質的に同じでありうるか、もしくは、正入力と負入力との間に実質的に一定の電位差が存在しうる。例えば、チャージアンプが一段アンプとして構成される場合は、電位差は感知トランジスタのゲートソース電圧になる。

尚、チャージアンプの出力は、帰還コンデンサに直接接続される必要はなく、出力と帰還コンデンサとの間に追加の回路構成が存在しうることに留意されたい。この回路構成はまた、感知素子の列の外側に設置されうる。

励起信号供給回路構成は、異なるラインに提供された二つ以上の異なる電位間で切り替わるよう構成された切替回路構成でありうる。代替として、もしくは組み合わせて、励起信号供給回路構成は、方形波電圧信号もしくは正弦波電圧信号等の時変電位を提供するよう構成された少なくとも一つの信号源を備えうる。

感知構造は、有利には、平行平板コンデンサの一種が、感知構造（感知板）、局所指表面、および保護コーティング（および局所指表面と保護コーティングとの間に局所的に存在しうる任意の空気）によって形成されるよう、金属板の形状で提供されうる。

保護コーティングは、有利には、少なくとも厚さ２０μｍであり、指紋感知装置の基底構造を摩耗および消耗ならびにＥＳＤから保護するために高い誘電強度を有する。さらに有利には、保護コーティングは、少なくとも厚さ５０μｍでありうる。実施形態では、保護コーティングは、厚さ数百μｍでありうる。

本発明は、励起信号の感知電極への（および感知トランジスタへの）印加は、励起信号が代わりに指に印加された場合には見えないかなりの寄生容量への注意を要するという認識と、そのような寄生容量の影響は、感知構造と指との間の約０．１ｆＦの非常に小さな静電容量を感知できるために著しく低減される必要があるという認識に基づく。そのような小さな静電容量の感知は、今度は、向上した頑強性を呈する厚い保護コーティングの使用を可能にするよう求められうる。

励起信号が指に印加され、感知構造が、例えばグランド等固定された電位に保たれた場合、感知構造およびチャージアンプ（および半導体基板）の関連する部分の電位が同じになるため（もしくは感知構造とチャージアンプの入力段と半導体基板との間に一定の電位差が存在するため）、感知構造と指との間の静電容量の測定は、感知構造とチャージアンプとの間および／または感知構造とチャージアンプが形成される半導体基板との間のいかなる寄生容量によっても阻害されない。しかしながら、励起信号が感知構造に印加される場合、感知構造と半導体基板との間に時変電位差が存在する。シミュレーションは、感知構造とチャージアンプの入力段との間の接続に近接した感知構造と半導体構造（概してｎウェル、ｐウェルおよび／または半導体基板）との間の寄生容量は約１０ｆＦになりうる一方、（感知構造と指との間で）感知される静電容量は０．１ｆＦ未満と低くなりうることを示す。さらに、上述の寄生容量は概して未知であり、半導体製造プロセスの変形のために異なる感知素子について異なりうる。

本発明の発明者はここで、指紋感知装置における感知構造と半導体構造との間のこの寄生容量の影響は、チャージアンプの感知トランジスタが形成されるウェルの電位を変えるよう構成された励起信号供給回路構成を提供することによって著しく低減できることを認識した。それによって、感知構造と感知トランジスタ（チャージアンプの入力段）との間の接続に近接した半導体構造であるウェルの電位は、少なくとも感知構造と指との間の静電容量の測定に関連した時点でウェルと感知構造との間の電位差が略一定に保たれるよう、感知構造の電位に追従するよう制御されることができる。

どの時点が測定に関連するかは、用いられる測定方法に依って異なり、当業者はそのような時点を、例えば回路シミュレーションに基づいて不当な負担なく決定することができる。例えば、感知信号が二つのサンプリング時間にサンプリングされる所謂相関二重サンプリングの場合、それらのサンプリング時間は測定に関連する時点でありうる。

励起信号を、直接導電接続を介して指に提供する際、または言い換えれば指をガルバニック駆動する際、センサアレイに触れる指の表面とセンサアレイの感知構造との間の電位差は、異なる電気的特性を有する指によって異なりうる。例えば、乾燥した指では電位差は低くなり、解析し難い“弱い”指画像につながりうる。

本発明の種々の実施形態は、指とのガルバニック接続において導電駆動電極の必要なしに高質な指紋表示を取得できる頑強な容量指紋センサを提示する。これは、“難しい”指（特に乾燥した指）からの改良された指紋取得を提示する。指紋パターンの表示は、例えば、生の指紋画像データでありうるか、もしくはデータは加工され、それから指紋テンプレートデータのような調整画像データの形式もしくは任意の他の形式で提供されうる。

また、本発明の実施形態による指紋感知装置の良好な動作は、指の変動する電位に依存しないため、指は、指紋感知装置が含まれる製品の導電部分によってグランドされる（もしくは少なくとも重い負荷がかけられる）ことができる。

さらに、（センサアレイを囲む導電フレーム等の）導電構造がないことは、携帯電話およびコンピュータ等の種々の装置への指紋センサの統合を簡単にする。さらに、指紋センサシステムの設計は目立ちにくくすることができ、指紋センサシステムを含む製品の完成度を向上することができる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、励起信号供給回路構成はさらに、チャージアンプの正入力を第一の電位に、およびウェルを第三の電位に同時に保ち、かつチャージアンプの正入力を第二の電位に、およびウェルを第四の電位に同時に保つよう構成されうる。それによって、ウェルは、感知構造の電圧スイングと実質的に同じ大きさである電圧スイングを受けうる。このことによって、感知構造とウェルとの間の寄生容量の影響を、除去もしくは少なくとも著しく低減することができる。

本発明による指紋感知装置の種々の実施形態は、チャージアンプの出力に接続され、チャージアンプの正入力が第一の電位に保たれウェルが第三の電位に保たれる際は第一のサンプリング時間に、チャージアンプの正入力が第二の電位に保たれウェルが第四の電位に保たれる際は第二のサンプリング時間に、感知信号をサンプリングするよう構成されたサンプリング回路構成をさらに備えうる。

第一および第二のサンプリング時間に感知信号をサンプリングする手順は、概して相関二重サンプリングと称され、オフセットならびに少なくとも指紋感知装置が受けうるコモンモードノイズの低周波成分の多くを除去しうる。感知構造およびウェルの電位がそれぞれ、少なくともサンプリング時間と同期することを確実にすることによって、感知構造とウェルとの間の寄生容量の影響は、除去されるかもしくは少なくとも著しく低減されうる。

種々の実施形態では、さらに、第三の電位は有利には第一の電位と実質的に等しく、第四の電位は第二の電位と実質的に等しくなりうる。

さらに、励起信号供給回路構成は、正入力およびウェルのそれぞれに接続された、正入力の電位およびウェルの電位を第一の電位から第二の電位に同時に変えるための出力を有しうる。

さらに、種々の実施形態によれば、指紋感知装置はさらに、感知構造と基板との間に配置された遮蔽構造を備える。励起信号供給回路構成はさらに、遮蔽板に接続され、かつ遮蔽板の電位を第五の電位から第六の電位に変えるよう構成され、第五の電位と第六の電位との間の差は、第一の電位と第二の電位との間の差に実質的に等しくなりうる。

それによって、感知構造は、金属層の接続線および／または半導体基板に形成された接続線および／または半導体回路構成等の、感知素子の基底にありうる他の部分から効果的に遮蔽されうる。このことは、感知素子の寄生容量の影響をさらに低減する。

第五の電位は、有利には上述の第三の（および／または第一の）電位と等しく、第六の電位は、有利には上述の第四の（および／または第二の）電位と等しくなりうる。例えば、遮蔽板は、有利にはウェルに直接導電接続されうる。

第一組の実施形態によれば、それぞれ、感知トランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタもしくはＰＭＯＳトランジスタであり、ウェルはｐウェルもしくはｎウェルでありうる。

第二組の実施形態によれば、ｐウェルおよび／またはｎウェルは、励起信号供給回路構成に接続されたウェルに形成されうる。少なくとも一つのｐウェルおよび少なくとも一つのｎウェルがウェルに形成されると、そのウェルは時々ｉｓｏウェルと称されうる。

さらに、ウェルは、複数の感知素子に共通でありうる。例えば、ウェルは、いくつかの感知素子のｎウェルおよびｐウェルを囲むｉｓｏウェルでありうる。励起信号供給回路構成は、ｉｓｏウェルおよびｉｓｏウェル内に形成されたウェルに接続され、ｉｓｏウェルおよびｉｓｏウェル内に形成されたウェルの電圧を変えるよう構成されうる。

種々の実施形態によれば、感知素子のそれぞれは、チャージアンプの負入力と出力との間に接続され、帰還コンデンサを放電するよう制御可能な少なくとも一つのリセットトランジスタを備えるリセットスイッチをさらに備え、リセットトランジスタはウェルに形成される。

リセットトランジスタのゲートは、リセットトランジスタが帰還コンデンサを放電するよう制御される際にリセットトランジスタを導電に保つために、上述の第三および第四の電位に関して選択された固定電位に接続され、かつ、帰還コンデンサの帯電を可能にするようリセットトランジスタを非導電に保つために、励起信号供給回路構成によって提供されうる変動電位に接続されうる。

種々の実施形態によれば、さらに、感知素子のそれぞれは、感知構造に接続され、駆動信号を感知構造に直接供給するよう制御可能な少なくとも一つの駆動トランジスタを備える駆動信号供給回路構成を追加で備え、駆動トランジスタはウェルに形成されうる。

例えば、駆動トランジスタは、感知素子がその‘駆動’状態にある際は感知構造を励起信号供給回路構成に接続し、感知素子がその‘感知’状態にある際は、感知構造の励起信号供給回路構成との接続を切るよう制御可能でありうる。そのために、駆動トランジスタのゲートは、駆動トランジスタを‘駆動’状態において導電に保つために、上述の第三および第四の電位に関して選択された固定電位に接続され、かつ、駆動トランジスタを‘感知’状態において非導電に保つために、励起信号供給回路構成によって提供されうる変動電位に接続されうる。

駆動信号供給回路構成の提供によって、現在感知している感知素子（画素）に近接する感知素子（画素）の感知構造は、現在感知している感知素子の感知構造の電位に、その感知素子のチャージアンプを作動させる必要なく、“追従する”ようにされうる。これは、指紋感知装置の電力消費の低減を提示する。各感知素子は、有利には、少なくとも‘感知’状態と‘駆動’状態との間でプログラム可能でありうる。また、感知構造が固定電位に接続されうるか、もしくは電気的にフローティングしうる第三の状態も存在しうる。それによって、感知構造と近接する感知素子の感知構造との間の寄生容量の影響は、取り除かれるかもしくは少なくとも著しく低減されることができる。

本発明による種々の実施形態による指紋感知装置は、さらに有利には、感知素子のそれぞれに接続され、感知素子のそれぞれからの感知信号に基づいて指紋パターンの表示を提供するよう構成された読み出し回路構成を備えうる。

この指紋感知装置は、有利には、指紋感知装置から指紋パターンの表示を取得し、表示に基づいてユーザを認証し、表示に基づいてユーザが認証された場合にのみ、少なくとも一つのユーザ要求処理を行うよう構成された処理回路構成をさらに備える電子装置に具備されうる。電子装置は、例えば、携帯電話もしくはタブレット等の手持ち通信装置、コンピュータ、もしくは時計または類似品等の電子装着物品でありうる。

本発明の第二の態様によれば、ドープされた半導体基板と、前記半導体基板に形成された感知素子のアレイとを備える指紋感知装置を使用して指の指紋パターンを感知する方法が提供され、前記感知素子のそれぞれは、前記半導体基板のウェルに形成された感知トランジスタのゲートに接続された導電感知構造を含み、前記ウェルは前記半導体基板に関して対極にドープされ、前記方法は、前記感知素子のそれぞれについて、前記感知構造の電位を第一の電位から第二の電位に変えるステップと、前記ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変えるステップであって、前記第三の電位と前記第四の電位との差は、前記第一の電位と前記第二の電位との差に実質的に同等であるステップと、前記第一の電位から前記第二の電位への前記感知構造の電位の前記変化によって達成された、前記指と前記感知構造との間の電位差の変化に由来する、前記感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給するステップと、を備える。

本発明による方法の実施形態では、感知構造が第一の電位にあるのと同時にウェルが第三の電位にあるよう、および感知構造が第二の電位にあるのと同時にウェルが第四の電位にあるよう、ウェルの電位が変えられうる。

本発明の種々の実施形態によれば、本方法は、複数の近接した感知素子の各感知構造の電位を第七の電位から第八の電位に変えるステップをさらに備え、第七の電位と第八の電位との差は第一の電位と第二の電位との差に実質的に同等でありうる。

それによって、感知構造と近接した感知素子の感知構造との間の寄生容量の影響は、除去されるか、もしくは少なくとも著しく低減されうる。

本発明のこの第二の態様のさらなる実施形態、および第二の態様によって得られる効果は、本発明の第一の態様について上述したものと大部分が類似している。

要約すると、本発明は、半導体基板と、半導体基板に形成された感知素子のアレイとを備える容量指紋感知装置に関する。感知素子のそれぞれは、保護誘電最上層と、最上層の下に配置された感知構造と、感知構造に接続されたチャージアンプとを備える。チャージアンプは、感知構造に接続された負入力と、正入力と、感知信号を供給する出力と、帰還コンデンサと、負入力を構成するゲートを有する感知トランジスタと、を備える。感知トランジスタは、半導体基板の絶縁されたウェルに形成される。指紋感知装置はさらに、感知構造およびウェルの電位を変えるためにチャージアンプの正入力およびウェルに接続された励起信号供給回路構成を備え、それによって感知素子の寄生容量の影響を低減する。

本発明の、これらのおよび他の態様は、本発明の例示的な実施形態を示す付属の図面を参照して、ここでより詳細に説明される。
本発明の例示的実施形態による指紋感知装置の用途の模式図。 図１の指紋感知装置の模式図。 図２の指紋感知装置の部分の模式的な断面図。 指紋感知装置の種々の静電容量を示す、図３ａの断面図の一部の拡大図。 図２の指紋感知装置に具備された感知素子の、部分的な構造図と部分的な回路模式図の複合図。 チャージアンプがより高いレベルのシンボルを使用して図示された図４ａの変形。 ｎウェルを備える図４ａの感知素子の一部の概念断面図。 ｉｓｏウェルを備える図４ａの感知素子の一部の概念断面図。 図４ａの感知素子の、その“駆動”状態とその“感知”状態との間での制御を模式的に図示するタイミング図。 図４ａの感知素子の、その“駆動”状態とその“感知”状態との間での制御を模式的に図示するタイミング図。 図４ａの感知素子の、その“駆動”状態とその“感知”状態との間での制御を模式的に図示するタイミング図。 感知構造／ウェルに供給される信号、および感知素子から出力される対応する感知信号を模式的に図示するグラフ。 感知構造／ウェルに供給される信号、および感知素子から出力される対応する感知信号を模式的に図示するグラフ。 感知構造／ウェルに供給される信号、および感知素子から出力される対応する感知信号を模式的に図示するグラフ。 本発明による方法の例示の実施形態を模式的に図示するフローチャート。

この詳細な説明では、本発明による指紋感知装置および方法の種々の実施形態が、主に、チャージアンプの正入力およびチャージアンプに具備された感知トランジスタが形成されるウェルが互いに接続され、従って（電気グランド等の基準電位に関する）同じ時変電位に追従するよう励起信号供給回路構成によって制御される指紋感知装置を参照して説明される。指紋感知装置の感知構造（板）と、下にある構造との間の遮蔽板もまた、チャージアンプの正入力に接続される。さらに、帰還コンデンサが、感知板、上述の遮蔽板と同じ金属層の基準板、および感知板と基準板との間の誘電層によって形成される。さらに、指紋感知装置は、静止した指からの指紋表示を取得するような大きさに形成されおよび構成されたタッチセンサとして図示される。

尚、これは決して本発明の範囲を限定するものではなく、本発明は例えば、チャージアンプの正入力、上述のウェルおよび／または遮蔽板の電位が、それぞれの電位段階が実質的に同じである限り、異なる電位間で変動する指紋感知装置を等しく含む。さらに、帰還コンデンサは、感知素子の他の構造を使用して形成されうる。例えば、感知素子は、感知トランジスタのゲートおよびドレインが帰還コンデンサとして使用されうるよう構成されうる。指紋表示を動く指から取得するための所謂スワイプセンサ（もしくはラインセンサ）等の他のセンサアレイ構成もまた、付属のクレームによって定義されるような本発明の範囲内である。

図１は、本発明の例示の実施形態による指紋感知装置の用途を、統合された指紋感知装置２を有する携帯電話１の形状で模式的に図示する。指紋感知装置２は、例えば、携帯電話１のロックを解除するためおよび／または携帯電話を使って実行される取引を認証するため等に使われうる。

図２は、図１の携帯電話１に具備された指紋感知装置２を模式的に示す。図２に見られるように、指紋感知装置２は、センサアレイ５、電源インターフェース６、および通信インターフェース７を備える。センサアレイ５は、多数の感知素子８（図が散らかるのを避けるために、一つの感知素子のみが参照番号で示される）を備え、それぞれの感知素子は、感知素子８に具備される感知構造（上板）とセンサアレイ５の上面に接触する指の表面との間の距離を感知するよう制御可能である。図２のセンサアレイ５の拡大部分では、第一の感知素子はＳｅｎｓｅの‘Ｓ’とマークされ、近接する感知素子の第二のグループは、Ｄｒｉｖｅの‘Ｄ’とマークされる。

電源インターフェース６は、第一の接触パッド１０ａおよび第二の接触パッド１０ｂを備え、ここでは、電源電圧Ｖ_{ｓｕｐｐｌｙ}を指紋センサ２に接続するための接着パッドとして示される。

通信インターフェース７は、指紋センサ２の制御を可能にするためおよび指紋センサ２から指紋データを取得するための多くの接着パッドを備える。

図３ａは、図２に示されるような線Ａ−Ａ’に沿って見た、図２の指紋感知装置２の部分の模式的な断面図であり、指１１がセンサアレイ５の上部に置かれる。図３ａを参照すると、指紋感知装置２は、ドープされた半導体基板１２、半導体基板１２上に形成された複数の感知素子８、および感知素子の上部の保護コーティング１３を備える。指１１の表面は、保護コーティング１３に接触した隆線１４および保護コーティング１３から間隔を空けた谷部１５を備える。

図３ａに模式的に示されるように、各感知素子８は、保護コーティング１３に近接した感知板１７の形状の感知構造を備える。感知板１７の下には、追加の金属構造、および図３ａの斜線領域１８によって模式的に示された能動半導体回路構成が存在する。

図３ａはおよそ、保護コーティング１３、感知素子８、および指１１の隆線１４および谷部１５の相対的な寸法を図示するような尺度に描かれる。見てわかるように、保護コーティング１３は、感知素子を摩耗や消耗およびＥＳＤから保護するためにかなり厚い。言うまでもなく、保護コーティング１３は、指紋感知装置２の頑強性のために重要である。図３ａの相対寸法に続いて、感知構造１７と指１１との間の静電容量は、特に感知板１７と感知板１７に近接した他の導電構造との間の寄生容量と比較すると、非常に小さい。そのような導電構造の例は、隣接した感知板、上述の追加の金属構造、能動半導体回路構成１８、および基板１２を含む。

図３ｂに模式的に示すように、感知素子８は、感知板１７に加えて、遮蔽板２０、基準板２１、およびチャージアンプ２２を備える。チャージアンプ２２は、図３ｂでは、点線によって単に模式的に示されるのみである。幾分詳細に示されるチャージアンプ２２の唯一の部分は、感知板１７が接続されるセンストランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）２３である。このように図示する理由は、感知素子８に影響する最も重要な寄生容量を示すためである。

図３ｂに示されるのは、感知板１７と指１１との間の指容量Ｃ_ｆ、感知板１７と基準板２１との間の基準容量Ｃ_ｒｅｆ、感知板１７と遮蔽板２０との間の第一の寄生容量Ｃ_ｐ１、感知板と隣接する感知板との間の第二の寄生容量Ｃ_ｐ２、および感知板と、センストランジスタ２３が形成されるウェル２５（実際はウェル２５と、感知板１７をセンストランジスタ２３のゲートと接続する線との間に形成される）との間の第三の寄生容量Ｃ_ｐ３である。Ｃ_ｐ３はまた、センストランジスタ自体の内部コンデンサを含む。

図３ａ−ｂの堅固な指紋感知装置２を使用して高質な指紋感知を達成するために、感知板１７に関する寄生容量の影響を取り除くもしくは少なくとも減らすことが、最も重要である。これは、図３ｂの種々の静電容量のおおよその大きさの比較に基づいて明白に理解される。寄生容量Ｃ_ｐ１は約１００ｆＦ、Ｃ_ｐ２は約１０ｆＦ、およびＣ_ｐ３は約５−１０ｆＦである一方、感知される指容量Ｃ_ｆは、約０．１ｆＦである。

種々の寄生容量の影響を取り除くもしくは少なくとも大きく減らすための感知素子８の例示の構成が、図４ａ−ｂを参照してここで説明される。

図４ａは、図３ａ−ｂにおける感知素子８の、部分的な構造図と部分的な回路模式図の複合である。保護コーティング１３、感知板１７、遮蔽板２０、および基準板２１が、分解斜視図で模式的に示される一方、チャージアンプ２２は、トランジスタレベル回路模式図の形状で示される。

図４ａに示されるように、この第一の例のサンプルチャージアンプ２２は、センストランジスタ２３、カスコードトランジスタ２７、リセットトランジスタ２８、およびバイアス電流源２９を備える。センストランジスタ２３、カスコードトランジスタ２７、およびリセットトランジスタ２８は、全て同じウェル２５に形成される。

図４ａの部分および接続の理解を助けるために、同じ模式的構成が、より抽象的なレベルで図４ｂにも示され、４ａのトランジスタ回路はチャージアンプの一般記号に取り変わり、チャージアンプは、感知板１７に接続された負入力３０、ここではパルス発生器の形状の励起信号供給回路構成３２に接続された正入力３１、および、指１１と感知板１７との間の電位差の変化に由来する感知板１７が帯びる電荷の変化を示す感知信号Ｖ_ｏｕｔを供給する出力３３を有する。指１１と感知板１７との間の電位差の変化は、チャージアンプを介してパルス発生器３２によって感知プレート１７に印加される電位を変化することに由来する。感知板１７および基準板２１によって形成される帰還コンデンサは、チャージアンプ２２の負入力３０と出力との間に接続される。尚、チャージアンプの一般的な機能は、当業者には周知であることに留意されたい。図４ｂはまた、ウェル２５が励起信号供給回路構成３２に接続されることを模式的に示す。

図４ａに戻ると、センストランジスタ２３のゲートがチャージアンプ２２の負入力３０を構成することと、センストランジスタ２３のソースがチャージアンプ２２の正入力３１を構成することが見られる。チャージアンプ２２の正入力３１は、遮蔽板２０に接続され、遮蔽板は続いて、センストランジスタ２３が形成されるウェル２５、およびパルス発生器３２に接続される。

感知素子８はさらに、駆動トランジスタ２６、駆動制御スイッチ３５、およびリセット制御スイッチ３６を備える。駆動制御スイッチ３５は、駆動トランジスタ２６のゲートがパルス発生器３２に接続される第一の状態と、駆動トランジスタ２６のゲートがグランドに接続される第二の状態との間で制御可能である。駆動制御スイッチ３５が第一の状態にある際、駆動トランジスタ２６は導電し、よって感知構造１７をパルス発生器３２に直接接続する。駆動制御スイッチが第二の状態にある際、駆動トランジスタ２６は、非導電である。後者の場合は、したがって、感知構造１７とパルス発生器３２との間の駆動トランジスタ２６を介した直接の接続はない。図４ａに見られるように、駆動トランジスタ２６は、ウェル２５に形成される。バイアス電流源２９は、感知素子内もしくはセンサアレイ５の外部にありうる。

同様に、リセット制御スイッチ３６は、感知板１７と帰還板２１との間の電位差を許容するようリセットトランジスタ２８が非導電である第一の状態と、感知板１７と帰還板２１の電位を等しくするようリセットトランジスタ２８が導電する第二の状態との間で制御可能である。

図４ａの感知素子８の構造を介して、内部寄生容量Ｃ_ｐ１およびＣ_ｐ３の影響は、取り除かれるかもしくは少なくとも著しく低減される。さらに、隣接する感知構造を駆動すると、図３ｂに示される隣接する感知板１７間の寄生容量Ｃ_ｐ２の影響を取り除くか、もしくは少なくとも著しく低減する。これは、隣接する感知素子を、その‘感知’状態、もしくは‘駆動’状態にするよう制御することによって達成することができ、‘駆動’状態は、指紋感知装置２の低い消費電流を呈するという利点を有する。

尚、本発明は図４ａの特定の感知素子設計に限定されず、感知素子の種々の要素が、本開示に基づいて当業者に容易に明らかになる多くの異なる方法で実現することができる。例えば、チャージアンプは、異なる入力を有する二段アンプの形状で提供されうる。

本発明の種々の実施形態の理解をさらに助けるために、図４ａの感知素子８の第一の実装の他の断面を、図５に提供する。図５の図示は、チャージアンプに具備されたいくつかのトランジスタ（センストランジスタ２３およびカスコードトランジスタ２７）の物理的トランジスタ構成が示される一方、感知素子８（および隣接する感知素子）の種々の部分の電位についての関係は“ブートストラップ”５０、５１、および５２を使用して概念的に示される点が、主に図４ａと異なる。

図５の主な目的は、感知板１７の電位に“追従する”よう制御される上述のウェル２５は、ここでは、ｐドープ基板１２に形成されたｎウェルであることを示すことである。明らかに、ウェル２５は、代替としてｎドープ基板に形成されたｐウェルであってよい。

図６は、図５と同様の図であり、図４ａの感知素子８の第二の実装を模式的に図示しており、ｎウェル２５およびｐウェル５４が両方ｉｓｏウェル５５に形成され、ｉｓｏウェルは基板１２（ｎドープ、ｐドープ、もしくは非ドープでありうる）に形成される点が、図６に示されるものと異なる。この実装では、ｉｓｏウェル５５ならびにｎウェル２５およびｐウェル５４は、追加の“ブートストラップ”５３、５４によって模式的に図示されるように、感知板１７の電位に追従するよう制御される。具体的には、ウェル間には電位差が存在しうる。

例えば、図６を参照すると、ｉｓｏウェル５５およびｎウェル２５は、同じ電位に保たれうる一方、ｐウェル５４の電位は、ｉｓｏウェル／ｎウェルの電位に追従しうるが、異なる（典型的には低い）電位である。

本発明の種々の実施形態による指紋感知装置２の例示の動作は、ここで図７ａ−ｃおよび図８ａ−ｃの機能的タイミング図を参照して説明される。

図４ａもまた参照すると、図７ａは、ウェル２５（およびオフセットした感知板１７の）の挙動電位を模式的に示し、図７ｂは駆動制御スイッチ３５の状態を模式的に示し、図７ｃは、リセット制御スイッチ３６の状態を模式的に示す。

図７ａ−ｃのｔ_０からｔ_１では、感知素子８は‘駆動’状態にあり、ｔ_１では感知素子８は駆動制御スイッチ３５を作動することによって‘感知’状態に遷移され、ｔ_２では、感知素子８は、駆動制御スイッチを再び作動して、駆動トランジスタ２６を介して感知板１７をパルス発生器３２に接続することによって、‘駆動’状態に戻るよう遷移される。

図７ａに模式的に図示されるように、ウェル２５（および感知板１７）は、‘感知’状態および‘駆動’状態で実質的に同じ挙動を有する時変電位を呈する。‘駆動’状態では、時変電位は駆動トランジスタ２６を介して感知板１７に印加され、‘感知’状態では、（場合によってはチャージアンプ構成に依ってオフセットした）時変電位は、チャージアンプ２２を介して感知板１７に印加される。

図７ｃに模式的に図示されるように、リセット制御スイッチ３６は、リセットトランジスタ２８を、感知素子８が‘駆動’状態にある際に非導電に保ち、感知素子８が‘感知’状態にある際に、導電と非導電との間で交互するように保つよう制御される。感知時に感知板１７に印加される励起信号と、リセットトランジスタ２７の動作との間の例示のタイミング関係は、図８ａ−８ｃを参照して下記に説明される。

図８ａは、図７ａの拡大部であり、図８ｂは、感知信号、つまり図４ａのチャージアンプ２２の出力３３での信号のシミュレーションを模式的に示し、図８ｃは、（図４ａのチャージアンプ２２の局所基準電位である）ウェル２５に印加される信号よりも、（グランド等の）固定の基準電位が参照される感知信号のシミュレートされた“補正済”バージョンを模式的に示す。

まず図８ａを参照すると、感知板１７に印加される励起信号は、ｔ_３で低い電位から高い電位になり、その後ｔ_４で高い電位から低い電位に戻る。ｔ_３で、リセット制御スイッチ３６は、リセットトランジスタ２８を導電させ、つまりリセットトランジスタ２８を介して基準板２１を感知板１７に接続するよう作動される。ｔ_５で、リセット制御スイッチ３６は、リセットトランジスタ２８を非導電にする、つまりチャージアンプを、感知板１７の電荷が変化する場合に出力が信号を示す状態にするよう、再び作動される。ｔ_６で、感知信号は初めてサンプリングされ、第一のサンプル値Ｓ_１となる。励起信号がｔ_４で高から低になると、（少なくともサンプリング事象の時間スケールで）実質的に固定された電位にあるとされる指１１との容量結合に由来する感知板１７の電荷の変化が起こる。この電荷の変化は、チャージアンプによって提供される電圧の変化、つまり感知信号Ｖ_ｏｕｔの変化に変換される。励起信号の高から低への遷移に追従する感知信号の電位Ｓ_２は、ｔ_７でサンプリングされる。図４ａからわかるように、感知信号はウェルの電位（図８ａ）に関連する。‘補正された’感知信号（図８ｃ）を得るために、励起信号は、チャージアンプ２２の出力３３に存在する感知信号から引かれ、結果補正されたサンプル電圧Ｓ_１’およびＳ_２’となりうる。Ｓ_２’とＳ_１’と間の差は、感知板１７と指１１との間の容量結合を示す測定値である。

図８ｃの補正された信号もしくは少なくとも補正されたサンプルは、例えば計装アンプの使用によって、もしくは励起信号をサンプリングコンデンサの基準電位として使用することによって等、種々の方法で得られうる。

本発明による方法の例示の実施形態が、ここで図９のフローチャートを参照して説明される。第一のステップ１０１では、感知板１７、遮蔽板２０、ウェル（図６のｎウェル２５もしくは図７のｉｓｏウェル５４）、および隣接する感知板の電位が、第一の電位Ｖ_１から第二の電位Ｖ_２（これらの電位はどちらも、電気グランド等の固定された電位が参照される）に同時に変化される。後続のステップ１０２では、ステップ１０１での電位の変化に由来する指１１と感知板１７との間の電位差の変化に由来する感知板１７が帯びる電荷の変化を示す感知信号Ｖ_ｏｕｔが提供される。

当業者は、本発明が決して上述の好適な実施形態に限定されないことを認識する。むしろ逆に、多くの修正および変形が、付属のクレームの範囲内で可能である。

請求の範囲では、“備える”という文言は他の要素またはステップを除外するものではなく、不定冠詞“ａ”または“ａｎ”は、複数を除外するものではない。単一のプロセッサもしくは他のユニットは、クレームに記載されるいくつかの事項の機能を満たしうる。単に一定の方法が相互に従属する異なるクレームに記載されるというだけでは、これらの方法の組み合わせを有利に使うことができないことを示すことにならない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共にもしくはその一部として供給される光学記憶媒体もしくは固体媒体等の適切な媒体に格納／配布されうるが、インターネットもしくは他の有線または無線遠距離通信システムを介して等、他の形式でも配布されうる。クレームにおけるいかなる参照記号も、範囲を限定すると解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 指の指紋パターンを感知するための容量指紋感知装置であり、半導体基板と、前記半導体基板に形成された感知素子のアレイとを備える指紋感知装置であって、
   前記感知素子のそれぞれは、
   前記指に触れられる保護誘電最上層と、
   前記最上層の下に配置された導電感知構造と、
   前記指と前記感知構造との間の電位差の変化に由来する前記感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給するために前記感知構造に接続されたチャージアンプと、を備え、
   前記チャージアンプは、
   前記感知構造に接続された負入力と、
   正入力と、
   前記感知信号を供給する出力と、
   前記負入力と前記出力との間に接続された帰還コンデンサと、
   前記負入力を構成するゲートを有する感知トランジスタと、を備え、
   前記感知トランジスタは前記半導体基板のウェルに形成され、前記ウェルと前記基板との間のインターフェースは電流が前記ウェルと前記基板との間を流れるのを妨げられるように構成され、
   前記チャージアンプは、前記負入力の電位が前記正入力の電位に実質的に追従するよう構成され、
   前記指紋感知装置は、
   励起信号供給回路構成をさらに備え、前記励起信号供給回路構成は、
   前記正入力に接続され、前記正入力の電位を第一の電位から第二の電位に変えるよう構成され、それによって前記感知構造の電位を変え、それによって前記指と前記感知構造との間の電位差の前記変化を提供し、かつ
   前記ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変えるために前記ウェルに接続され、前記第三の電位と前記第四の電位との差は前記第一の電位と前記第二の電位との差に実質的に等しく、それによって前記感知構造と前記ウェルとの間および前記感知トランジスタと前記ウェルとの間の寄生容量の影響を低減する、指紋感知装置。
2. 前記励起信号供給回路構成はさらに、
   前記チャージアンプの前記正入力を前記第一の電位に、および前記ウェルを前記第三の電位に同時に保ち、かつ
   前記チャージアンプの前記正入力を前記第二の電位に、および前記ウェルを前記第四の電位に同時に保つよう構成される、請求項１に記載の指紋感知装置。
3. 前記チャージアンプの前記出力に接続され、前記チャージアンプの前記正入力が前記第一の電位に保たれ、前記ウェルが前記第三の電位に保たれる際は、第一のサンプリング時間に、前記チャージアンプの前記正入力が前記第二の電位に保たれ、前記ウェルが前記第四の電位に保たれる際は、第二のサンプリング時間に、前記感知信号をサンプリングするよう構成されたサンプリング回路構成をさらに備える、請求項１または２に記載の指紋感知装置。
4. 前記第三の電位は前記第一の電位と実質的に等しく、前記第四の電位は前記第二の電位と実質的に等しい、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
5. 前記励起信号供給回路構成は、前記正入力および前記ウェルのそれぞれに接続された、前記正入力の電位および前記ウェルの電位を前記第一の電位から前記第二の電位に同時に変えるための出力を備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
6. 前記感知構造と前記基板との間に配置された遮蔽構造をさらに備え、
   前記励起信号供給回路構成はさらに、前記遮蔽板に接続され、かつ前記遮蔽板の電位を第五の電位から第六の電位に変えるよう構成され、前記第五の電位と前記第六の電位との間の差は、前記第一の電位と前記第二の電位との間の差に実質的に等しい、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
7. 前記感知トランジスタは、それぞれ、ＮＭＯＳトランジスタもしくはＰＭＯＳトランジスタであり、前記ウェルはｐウェルもしくはｎウェルである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
8. ｐウェルおよびｎウェルの少なくとも一つが前記ウェルに形成される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
9. 前記ウェルは、複数の感知素子に共通である、請求項８に記載の指紋感知装置。
10. 前記感知素子のそれぞれは、
    前記チャージアンプの前記負入力と前記出力との間に接続され、前記帰還コンデンサを放電するよう制御可能な少なくとも一つのリセットトランジスタを備えるリセットスイッチをさらに備え、
    前記リセットトランジスタは前記ウェルに形成される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
11. 前記感知素子のそれぞれは、
    前記感知構造に接続され、駆動信号を前記感知構造に直接供給するよう制御可能な少なくとも一つの駆動トランジスタを備える駆動信号供給回路構成さらに備え、
    前記駆動トランジスタは前記ウェルに形成される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
12. 前記感知素子のそれぞれに接続され、前記感知素子のそれぞれからの前記感知信号に基づいて前記指紋パターンの表示を提供するよう構成された読み出し回路構成をさらに備える、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の指紋感知装置。
13. 請求項１２に記載の指紋感知装置と、
    前記指紋感知装置から前記指紋パターンの前記表示を取得し、
    表示に基づいてユーザを認証し、
    表示に基づいてユーザが前記認証された場合にのみ、少なくとも一つのユーザ要求処理を行うよう構成された処理回路構成と、を備える電子装置。
14. ドープされた半導体基板と、前記半導体基板に形成された感知素子のアレイと、を備える指紋感知装置を使用して指の指紋パターンを感知する方法であって、
    前記感知素子のそれぞれは、前記半導体基板のウェルに形成された感知トランジスタのゲートに接続された導電感知構造を含み、前記ウェルは前記半導体基板に関して対極にドープされ、
    前記方法は、前記感知素子のそれぞれについて、
    前記感知構造の電位を第一の電位から第二の電位に変えるステップと、
    前記ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変えるステップであって、前記第三の電位と前記第四の電位との差は、前記第一の電位と前記第二の電位との差に実質的に同等であるステップと、
    前記第一の電位から前記第二の電位への前記感知構造の電位の前記変化によって達成された、前記指と前記感知構造との間の電位差の変化に由来する、前記感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給するステップと、を備える方法。
15. 複数の近接した感知素子の各感知構造の電位を第七の電位から第八の電位に変えるステップをさらに備え、前記第七の電位と前記第八の電位との差は前記第一の電位と前記第二の電位との差に実質的に同等である、請求項１４に記載の方法。

Images