JP3528047B2

JP3528047B2 - ２次元画像読取装置

Info

Publication number: JP3528047B2
Application number: JP2000277518A
Authority: JP
Inventors: 智美飯浜
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2004-05-17
Anticipated expiration: 2020-09-13
Also published as: JP2002094041A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２次元画像読取装
置に関し、特に、複数のフォトセンサをマトリクス状に
配列したフォトセンサアレイ上に、指を接触させて、そ
の指紋パターンを読み取る２次元画像読取装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等
の微細な凹凸の形状等を読み取る２次元画像の読取装置
として、光電変換素子（フォトセンサ）をマトリクス状
に配列して構成されるフォトセンサアレイ上に設けられ
た検出面に被検出体を載置、接触させて、被検出体の２
次元画像を読み取る構造のものがある。このような被検
出体が直接検出面に接触する構造を有する２次元画像読
取装置においては、被検出体に帯電した静電気等による
誤動作や破損を抑制するために、様々な手法が考えられ
ている。

【０００３】例えば、特開平１１−２５９６３８号公報
等には、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、面光源２
０１の光出射面側に設けられ、複数のフォトセンサ２０
２ａがマトリクス状に配列されたフォトセンサデバイス
２０２上に透明導電層２０３が形成された指紋読取装置
が記載されている。このような指紋読取装置において
は、透明導電層２０３の上面（検出体接触面）２０３ａ
に接触された指（被検出体）２１０に対して、面光源２
０１から光Ｌｐを照射することにより、指紋の凹凸パタ
ーンに応じて反射し、フォトセンサ２０２ａに入射する
反射光Ｌｒに基づいて、明暗情報を検出して指紋画像を
生成するように構成されている。

【０００４】ここで、透明導電層２０３は、ＩＴＯ（In
dium Tin Oxide：酸化インジウム・スズ）等の透明な導
電性材料により形成され、フォトセンサデバイス２０２
の上面全域に、あるいは、所定の形状パターンを有して
薄膜状に形成されている。このような透明導電層２０３
の役割は、検出体接触面２０３ａに接触される指２１０
に帯電した静電気を、図示を省略した接地電位等に放電
することにより、指紋読取装置（２次元画像読取装置）
における読取誤動作やフォトセンサデバイス２０２の破
損を防止するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の２次元画像読取装置においては、被検出
体に帯電した静電気を十分かつ確実に放電することがで
きる透明導電層の形成条件等の具体的な構成が未だ確定
されていなかったため、静電気耐圧が十分ではなく、上
記静電気による２次元画像読取装置の読取誤動作や破損
等を確実に防止することができないという問題を有して
いた。

【０００６】特に、上述したようなフォトセンサデバイ
ス上に形成された透明導電層に、被検出体を直接載置、
接触させて、帯電した静電気を除去する構成において
は、被検出体を透明導電層に接触させた瞬間に、一次的
に大きな放電電流が流下するため、透明導電層直下のフ
ォトセンサデバイスを構成する積層膜（例えば、保護絶
縁膜等）の劣化や破損等を生じ易いうえ、例えば、指紋
読取装置のように人体が直接接触する構成の場合、静電
気の放電に伴う電撃により、使用者が非常な不快感を持
つという問題を有していた。

【０００７】そこで、本発明は、上述した問題点に鑑
み、フォトセンサデバイスに載置される被検出体に帯電
した静電気を適切に放電して、読取誤動作やデバイスの
破損を大幅に抑制するとともに、静電気の放電に伴う電
撃による不快感を緩和することができる２次元画像読取
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の２次元画
像読取装置は、絶縁性基板の一面側に配列された複数の
フォトセンサを有するフォトセンサデバイス上に指を載
置して、該指の指紋パターンを読み取る２次元画像読取
装置において、前記フォトセンサデバイス上に、前記指
に帯電した静電気を除去する第１の導電層と、前記指と
前記第１の導電層との間に介在して前記指に帯電された
静電気による電流を前記第１の導電層に流すとともに光
透過性を有し且つ抵抗率が前記第１の導電層より高い高
抵抗層と、からなる静電気除去層が設けられていること
を特徴とする。

【０００９】請求項１記載の発明によれば、フォトセン
サデバイス上に、複数の導電層からなる静電気除去層が
設けられ、該静電気除去層に指が載置、接触されると、
指に帯電した静電気を、相対的に低抵抗率材料からなる
第１導電層から除去するとともに、高抵抗率材料からな
る高抵抗層により、指と高抵抗層との間で大電流の流下
が抑制されるので、指及びフォトセンサデバイスに対す
る静電気による衝撃を防止することができる。これによ
り、指に帯電した静電気を確実に放電することができる
ので、フォトセンサデバイスの静電気破壊から防ぐこと
ができ、上記静電気による２次元画像読取装置の読取誤
動作やフォトセンサデバイスの破損等を抑制することが
できる。

【００１０】また、高抵抗層に指（人体）等の被検出体
が載置、接触されると、被検出体に帯電した静電気が、
高抵抗率の高抵抗層から、低抵抗率の第１の導電層を介
して移動し、接地電位等の所定の電位に放電される。し
たがって、被検出体に帯電した静電気による放電電流が
上記所定の電位に流下する際に、高抵抗率の高抵抗層に
より大きな放電電流が一次的に流れることが抑制され、
さらに、高抵抗率の高抵抗層から低抵抗率の第１の導電
層を介して放電電流が速やかに所定の電位に流れるの
で、静電気の放電時におけるフォトセンサデバイスへの
ダメージ等を抑制することができるとともに、被検出体
の接触時における放電による不快感を緩和することがで
きる。

【００１１】すなわち、低抵抗率の材料だけで静電気除
去層を構成すると、放電電流が大きくなり不快感が強
く、一方、高抵抗率の材料だけで静電気除去層を構成す
ると電流の流れが遅すぎてフォトセンサデバイスが破壊
されやすくなってしまうが、本発明では、フォトセンサ
デバイスの破壊を抑制するとともに、不快感を緩和する
ことができる。なお、高抵抗層の抵抗を高くするだけで
あれば、より低抵抗率の材料を用いても層厚を厚くして
十分高抵抗にすることができるが、層厚が厚いほど透過
率が低下してフォトセンサによる被検出体の画像パター
ンが読み出しにくくなる。本発明では、高抵抗層が高抵
抗率になるように構成されているので、層の厚さを薄く
ても十分高い抵抗に設定できるとともに、フォトセンサ
の感度領域の光の透過率を高くすることが可能となる。

【００１２】また、上記第１の導電層は、静電気を速や
か、かつ、十分に放出するために、５０Ω／□以下のシ
ート抵抗に設定されていることが望ましく、さらに、上
記第１の導電層は、酸化インジウム・スズを主体とする
材料により形成されていることが望ましい。これによ
り、第１の導電層（ＩＴＯ）の膜厚を比較的薄く形成す
ることができるので、フォトセンサデバイスの実耐電圧
を高めつつ（概ね−１０ｋＶ程度）、被検出体に照射さ
れ、反射した光が、第１の導電層を良好に透過してフォ
トセンサに入射されるので、光の減衰による読取感度特
性の悪化を抑制して、被検出体の画像パターンを良好に
読み取ることができる。

【００１３】なお、上記高抵抗層は、高い透過率を維持
するとともに、静電気の放電による不快感を緩和するた
めに、抵抗率が概ね１０^６Ω・cm以上になるように形成
されていることが望ましく、例えば、材料として、アモ
ルファスシリコン、不純物を含むアモルファスシリコ
ン、不純物がドープされたアモルファスシリコン、窒化
シリコン、酸化シリコン、ダイヤモンド、高分子薄膜、
あるいは、導電性高分子を適用することができる。この
ような材料のうち絶縁材料は、十分静電気を放出するた
めに、概ね５００Å以下の膜厚であることが望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る２次元画像
読取装置の実施形態について、詳しく説明する。まず、
本発明に係る２次元画像読取装置に適用して良好なフォ
トセンサの構成について説明する。本発明に係る２次元
画像読取装置に適用されるフォトセンサとしては、ＣＣ
Ｄ（Charge Coupled Device）等の固体撮像デバイスを
用いることができる。

【００１５】ＣＣＤは、周知の通り、フォトダイオード
や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ThinFilm Transistor）
等のフォトセンサをマトリクス状に配列した構成を有
し、各フォトセンサの受光部に照射された光量に対応し
て発生する電子−正孔対の量（電荷量）を、水平走査回
路及び垂直走査回路により検出し、照射光の輝度を検知
するものである。ところで、このようなＣＣＤを用いた
フォトセンサシステムにおいては、走査された各フォト
センサを選択状態にするための選択トランジスタを個別
に設ける必要があるため、検出画素数が増大するにした
がってシステム自体が大型化するという問題を有してい
る。

【００１６】そこで、近年、このような問題を解決する
ための構成として、フォトセンサ自体にフォトセンス機
能と選択トランジスタ機能とを持たせた、いわゆる、ダ
ブルゲート構造を有する薄膜トランジスタ（以下、「ダ
ブルゲート型トランジスタ」という）が開発され、シス
テムの小型化、及び、画素の高密度化を図る試みがなさ
れている。そのため、本発明における２次元画像読取装
置においても、このダブルゲート型トランジスタを良好
に適用することができる。

【００１７】ここで、本発明に係る２次元画像読取装置
に適用されるダブルゲート型トランジスタによるフォト
センサ（以下、「ダブルゲート型フォトセンサ」と記
す）について、図面を参照して説明する。図１は、ダブ
ルゲート型フォトセンサの基本構造を示す概略断面図で
ある。

【００１８】図１（ａ）に示すように、ダブルゲート型
フォトセンサ１０は、励起光（ここでは、可視光）が入
射されると電子−正孔対が生成されるアモルファスシリ
コン等の半導体層（チャネル層）１１と、半導体層１１
の両端にそれぞれ設けられたｎ^＋シリコンからなる不純
物層１７、１８と、不純物層１７、１８上に形成された
クロム、クロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択さ
れた可視光に対して不透明のドレイン電極１２およびソ
ース電極１３と、半導体層１１の上方（図面上方）にブ
ロック絶縁膜１４および上部（トップ）ゲート絶縁膜１
５を介して形成されたＩＴＯ等の透明導電膜からなり、
可視光に対して透過性を示すトップゲート電極２１と、
半導体層１１の下方（図面下方）に下部（ボトム）ゲー
ト絶縁膜１６を介して形成されたクロム、クロム合金、
アルミ、アルミ合金等の可視光に対して不透明なボトム
ゲート電極２２と、を有して構成されている。そして、
このような構成を有するダブルゲート型フォトセンサ１
０は、ガラス基板等の透明な絶縁性基板１９上に形成さ
れている。

【００１９】ここで、図１（ａ）において、トップゲー
ト絶縁膜１５、ブロック絶縁膜１４、ボトムゲート絶縁
膜１６、トップゲート電極２１上に設けられる保護絶縁
膜２０は、いずれも半導体層１１を励起する可視光に対
して透過率の高い絶縁性の材質、例えば、窒化シリコ
ン、酸化シリコン等により構成され、また、保護絶縁膜
２０上に設けられる静電気除去層３０は、半導体層１１
を励起する可視光に対して透過率の高い材質、例えば、
アモルファスシリコン、ＩＴＯ等からなる複数の層を含
んで構成されていることにより、図面上方から入射する
光のみを検知する構造を有している。なお、上記ダブル
ゲート型フォトセンサ１０は、一般に、図１（ｂ）に示
すような等価回路により表される。ここで、ＴＧはトッ
プゲート端子、ＢＧはボトムゲート端子、Ｓはソース端
子、Ｄはドレイン端子である。

【００２０】次いで、上述したダブルゲート型フォトセ
ンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイ
（フォトセンサデバイス）を備えたフォトセンサシステ
ムについて、図面を参照して簡単に説明する。図２は、
ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構成され
るフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの
概略構成図である。

【００２１】図２に示すように、フォトセンサシステム
は、大別して、多数のダブルゲート型フォトセンサ１０
を、例えば、ｎ行×ｍ列のマトリクス状に配列したフォ
トセンサアレイ１００と、各ダブルゲート型フォトセン
サ１０のトップゲート端子ＴＧ（トップゲート電極２
１）およびボトムゲート端子ＢＧ（ボトムゲート電極２
２）を各々行方向に接続して伸延するトップゲートライ
ン１０１およびボトムゲートライン１０２と、各ダブル
ゲート型フォトセンサ１０のドレイン端子Ｄ（ドレイン
電極１２）を列方向に接続したドレインライン１０３
と、ソース端子Ｓ（ソース電極１３）を列方向に接続し
たソースライン１０４と、トップゲートライン１０１に
接続されたトップゲートドライバ１１０と、ボトムゲー
トライン１０２に接続されたボトムゲートドライバ１２
０と、ドレインライン１０３に接続されたコラムスイッ
チ１３２、プリチャージスイッチ１３３、アンプ１３４
からなるドレインドライバ（出力回路部）１３０と、を
有して構成されている。

【００２２】ここで、トップゲートライン１０１は、ト
ップゲート電極２１とともに、ＩＴＯ等の透明導電膜で
一体的に形成され、ボトムゲートライン１０２、ドレイ
ンライン１０３並びにソースライン１０４は、それぞれ
ボトムゲート電極２２、ドレイン電極１２、ソース電極
１３と同一の励起光に不透明な材料で一体的に形成され
ている。また、ソースライン１０４は、接地電位に接続
されている。なお、図２において、φtgおよびφbgは、
それぞれリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｉ、…
φＴｎ、および、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φ
Ｂｉ、…φＢｎを生成するための制御信号、φpgは、プ
リチャージ電圧Ｖpgを印加するタイミングを制御するプ
リチャージ信号である。

【００２３】このような構成において、トップゲートド
ライバ１１０からトップゲートライン１０１を介して、
トップゲート端子ＴＧに電圧を印加することにより、フ
ォトセンス機能が実現され、ボトムゲートドライバ１１
２からボトムゲートライン１０２を介して、ボトムゲー
ト端子ＢＧに電圧を印加し、ドレインライン１０３を介
して検出信号をトレインドライバ１３０に取り込んでシ
リアルデータ又はパラレルデータとして出力（Ｖout）
することにより、選択読み出し機能が実現される。

【００２４】次いで、上述したフォトセンサシステムの
駆動制御方法について、図面を参照して説明する。図３
は、フォトセンサシステムの駆動制御方法の一例を示す
タイミングチャートであり、図４は、ダブルゲート型フ
ォトセンサの動作概念図であり、図５は、フォトセンサ
システムの出力電圧の光応答特性を示す図である。ここ
では、上述したダブルゲート型フォトセンサおよびフォ
トセンサシステムの構成（図１、図２）を適宜参照して
説明する。

【００２５】まず、リセット動作においては、図３、図
４（ａ）に示すように、ｉ番目の行のトップゲートライ
ン１０１にパルス電圧（リセットパルス；例えばＶtg＝
＋１５Ｖのハイレベル）φＴｉを印加して、各ダブルゲ
ート型フォトセンサ１０の半導体層１１、および、ブロ
ック絶縁膜１４における半導体層１１との界面近傍に蓄
積されているキャリア（ここでは、正孔）を放出する
（リセット期間Ｔreset）。

【００２６】次いで、光蓄積動作においては、図３、図
４（ｂ）に示すように、トップゲートライン１０１にロ
ーレベル（例えばＶtg＝−１５Ｖ）のバイアス電圧φＴ
ｉを印加することにより、リセット動作を終了し、キャ
リヤ蓄積動作による光蓄積期間Ｔａがスタートする。光
蓄積期間Ｔａにおいては、トップゲート電極側から入射
した光量に応じて半導体層１１の入射有効領域、すなわ
ち、キャリア発生領域で生成された電子−正孔対が生成
され、半導体層１１、および、ブロック絶縁膜１４にお
ける半導体層１１との界面近傍、すなわちチャネル領域
周辺に正孔が蓄積される。

【００２７】そして、プリチャージ動作においては、図
３、図４（ｃ）に示すように、光蓄積期間Ｔａに並行し
て、プリチャージ信号φpgに基づいてドレインライン１
０３に所定の電圧（プリチャージ電圧）Ｖpgを印加し、
ドレイン電極１２に電荷を保持させる（プリチャージ期
間Ｔprch）。次いで、読み出し動作においては、図３、
図４（ｄ）に示すように、プリチャージ期間Ｔprchを経
過した後、ボトムゲートライン１０２にハイレベル（例
えばＶbg＝＋１０Ｖ）のバイアス電圧（読み出し選択信
号；以下、読み出しパルスという）φＢｉを印加するこ
とにより、ダブルゲート型フォトセンサ１０をＯＮ状態
にする（読み出し期間Ｔread）。

【００２８】ここで、読み出し期間Ｔreadにおいては、
チャネル領域に蓄積されたキャリア（正孔）が逆極性の
トップゲート端子ＴＧに印加されたＶtg（−１５Ｖ）を
緩和する方向に働くため、ボトムゲート端子ＢＧのＶbg
によりｎチャネルが形成され、ドレイン電流に応じてド
レインライン１０３のドレインライン電圧ＶＤは、図５
（ａ）に示すように、プリチャージ電圧Ｖpgから時間の
経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

【００２９】すなわち、光蓄積期間Ｔａにおける光蓄積
状態が暗状態で、チャネル領域にキャリヤ（正孔）が蓄
積されていない場合には、図４（ｅ）、図５（ａ）に示
すように、トップゲート端子ＴＧに負バイアスをかける
ことによって、ボトムゲート端子ＢＧの正バイアスが打
ち消され、ダブルゲート型フォトセンサ１０はＯＦＦ状
態となり、ドレイン電圧、すなわち、ドレインライン１
０３の電圧ＶＤが、ほぼそのまま保持されることにな
る。

【００３０】一方、光蓄積状態が明状態の場合には、図
４（ｄ）、図５（ａ）に示すように、チャネル領域に入
射光量に応じたキャリヤ（正孔）が捕獲されているた
め、トップゲート端子ＴＧの負バイアスを打ち消すよう
に作用し、この打ち消された分だけボトムゲート端子Ｂ
Ｇの正バイアスによって、ダブルゲート型フォトセンサ
１０はＯＮ状態となる。そして、この入射光量に応じた
ＯＮ抵抗に従って、ドレインライン１０３の電圧ＶＤ
は、低下することになる。

【００３１】したがって、図５（ａ）に示したように、
ドレインライン１０３の電圧ＶＤの変化傾向は、トップ
ゲート端子ＴＧへのリセットパルスφＴｉの印加による
リセット動作の終了時点から、ボトムゲート端子ＢＧに
読み出しパルスφＢｉが印加されるまでの時間（光蓄積
期間Ｔａ）に受光した光量に深く関連し、蓄積されたキ
ャリアが少ない場合には緩やかに低下する傾向を示し、
また、蓄積されたキャリアが多い場合には急峻に低下す
る傾向を示す。そのため、読み出し期間Ｔreadがスター
トして、所定の時間経過後のドレインライン１０３の電
圧ＶＤを検出することにより、あるいは、所定のしきい
値電圧を基準にして、その電圧に至るまでの時間を検出
することにより、照射光の光量が換算される。

【００３２】上述した一連の画像読み取り動作を１サイ
クルとして、ｉ＋１番目の行のダブルゲート型フォトセ
ンサ１０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、ダ
ブルゲート型フォトセンサ１０を２次元のセンサシステ
ムとして動作させることができる。なお、図３に示した
タイミングチャートにおいて、プリチャージ期間Ｔprch
の経過後、図４（ｆ）、（ｇ）に示すように、ボトムゲ
ートライン１０２にローレベル（例えばＶbg＝０Ｖ）を
印加した状態を継続すると、ダブルゲート型フォトセン
サ１０はＯＦＦ状態を持続し、図５（ｂ）に示すよう
に、ドレインライン１０３の電圧ＶＤは、プリチャージ
電圧Ｖpgを保持する。このように、ボトムゲートライン
１０２への電圧の印加状態により、ダブルゲート型フォ
トセンサ１０の読み出し状態を選択する選択機能が実現
される。

【００３３】図６は、上述したようなフォトセンサシス
テムを適用した２次元画像読取装置（指紋読取装置）の
要部断面図である。なお、ここでは、説明及び図示の都
合上、フォトセンサシステムの断面部分を表すハッチン
グを省略する。図６に示すように、指紋等の２次元画像
を読み取る画像読取装置においては、ダブルゲート型フ
ォトセンサ１０が形成されたガラス基板（絶縁性基板）
１９下方側に設けられたバックライト（面光源）４０か
ら照射光Ｌａを入射させ、この照射光Ｌａがダブルゲー
ト型フォトセンサ１０（詳しくは、ボトムゲート電極２
２、ドレイン電極１２、ソース電極１３）の形成領域を
除く、透明な絶縁性基板１９と絶縁膜１５、１６、２０
を透過して、透明な静電気除去層３０上の検出体接触面
３０ａに載置された指（被検出体）５０に照射される。

【００３４】そして、指紋読取装置による指紋の検出時
においては、指５０の皮膚表層５１の半透明層が、フォ
トセンサアレイ１００の最上層に形成された透明な層
（静電気除去層３０）に接触することにより、静電気除
去層３０と皮膚表層５１との間の界面に屈折率の低い空
気層がなくなる。ここで、皮膚表層５１の厚さは、６５
０ｎｍより厚いため、指紋５２の凸部５２ａにおいて内
部に入射された光Ｌａは、皮膚表層５１内を散乱、反射
しながら伝搬する。伝搬された光Ｌｂの一部は、透明な
静電気除去層３０、透明な絶縁膜２０、１５、１４及び
トップゲート電極２１を透過してダブルゲート型フォト
センサ１０の半導体層１１に励起光として入射される。
このように、指５０の凸部５２ａに対応する位置に配置
されたダブルゲート型フォトセンサ１０の半導体層１１
に光が入射されて生成されるキャリヤ（正孔）が蓄積さ
れることにより、上述した一連の駆動制御方法にしたが
って、指５０の画像パターンを明暗情報として読み取る
ことができる。

【００３５】また、指紋５２の凹部５２ｂにおいては、
照射された光Ｌａは、静電気除去層３０の指紋検出面３
０ａと空気層との間の界面を通過し、空気層の先の指に
到達して皮膚表層５１内で散乱するが、指５０の皮膚表
層５１は空気より屈折率が高いため、ある角度で界面に
入射された皮膚表層５１内の光Ｌｃは空気層に抜けにく
く凹部５２ｂに対応する位置に配置されたダブルゲート
型フォトセンサ１０の半導体層１１への入射が抑制され
る。なお、以下に示す実施形態においては、フォトセン
サとして上述したダブルゲート型フォトセンサを適用し
た場合について説明するが、本発明は、これに限定され
るものではなく、周知のフォトダイオードやＴＦＴ等を
良好に適用することができることはいうまでもない。

【００３６】次に、本発明に係る２次元画像読取装置に
ついて、具体的な実施の形態を示して説明する。図７
は、本発明に係る２次元画像読取装置の一実施形態を示
す概略構成図である。なお、上述した構成（図１、図
６）と同等の構成については、同一の符号を付して、そ
の説明を簡略化又は省略する。

【００３７】図７に示すように、本実施形態に係る２次
元画像読取装置は、上述した構成を有するダブルゲート
型フォトセンサ１０を複数個、絶縁性基板（ガラス基
板）１９上にマトリクス状に配列して形成されたフォト
センサアレイ（フォトセンサデバイス）１００と、少な
くとも複数のダブルゲート型フォトセンサ１０が配置さ
れたアレイ領域の全域を被覆して形成された光透過性を
有する保護絶縁膜２０上に、順次積層された第１の導電
層３１及び第２の導電層（高抵抗層）３２からなる静電
気除去層３０と、第１の導電層３１を接地電位（所定の
電位）に接続する引き出し配線３３と、フォトセンサア
レイ１００の背面側（図面下方側）に配置され、フォト
センサアレイ１００の上面側（静電気除去層３０の上
面）に接触された指（被検出体）５０に均一な光を照射
する面光源４０と、を有して構成されている。

【００３８】ここで、静電気除去層３０を構成する第１
の導電層３１は、各ダブルゲート型フォトセンサ１０の
半導体層１１を励起する可視光に対して高い透過率（光
透過性）を有するとともに、高い導電性（換言すれば、
低い抵抗）を有するように構成されている。具体的に
は、例えば、シート抵抗が概ね５０Ω／□以下（望まし
くは、２０Ω／□以下）になるように、膜厚が設定され
た上述したＩＴＯや酸化スズ（ＳｎＯ_２）、インジウム
及び亜鉛の酸化物等の透明な導電性材料が適用される。

【００３９】また、第２の導電層３２は、被検出体が直
接第１の導電層３２に接触しないように、第１の導電層
３１上に形成され、各ダブルゲート型フォトセンサ１０
の半導体層１１を励起する可視光に対して高い透過率
（光透過性）を有するとともに、上記第１の導電層３１
に比較して高い抵抗率を有するように構成されている。
ここで、第２の導電層３２は、薄膜化が可能で、しか
も、薄膜化した場合であっても均一な膜質及び電気的特
性（抵抗特性）を有していることが望ましい。具体的に
は、例えば、抵抗率が概ね１０^６〜１０^８Ω・cm程度の
アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）が適用され、プラズ
マＣＶＤ法等の周知の成膜方法により第１の導電層３１
上に所定の膜厚で形成される。第１の導電層３１及び第
２の導電層３２からなる静電気除去層３０は、半導体層
１１を励起する可視光に対して概ね７５％以上の透過率
であることが望ましい。なお、第２の導電層３２に適用
される他の構成（材質）については、後述する。

【００４０】一方、引き出し配線３３は、第１の導電層
３１を接地電位に接続して、後述するように、第２の導
電層３２を介して第１の導電層３１に供給される静電気
を接地電位に良好に放電することができる低抵抗の配線
材料、例えば、リード線や金属層により構成されてい
る。ここで、引き出し配線３３の配線抵抗（挿入抵抗）
３３ａは、第１の導電層３１のシート抵抗（概ね５０Ω
／□以下）に比較して十分小さくなるように設定されて
いるものとする。

【００４１】このような２次元画像読取装置において、
第２の導電層３２上に被検出体、すなわち、指（人体）
４０が載置、接触されると、指４０に帯電した静電気
が、高抵抗の第２の導電層３２から低抵抗の第１の導電
層３１及び引き出し配線３３を介して、接地電位に放電
電流として流下する。このとき、第２の導電層３２は高
抵抗率の材料で高抵抗になるように構成されているの
で、指４０に帯電した静電気により高電界が生じた場合
であっても、第２の導電層３２を流れる電流量が抑制さ
れる。また、第２の導電層３２を介して第１の導電層３
１に流下した電流は、より低抵抗に構成された第１の導
電層３１及び引き出し配線３３を介して、接地電位に十
分かつ確実に放電される。

【００４２】これにより、指４０が第２の導電層３２に
載置、接触された瞬間に、一次的に大きな放電電流が静
電気除去層３０に流れる現象が抑制されるので、静電気
の放電時におけるフォトセンサデバイスへの影響（ダメ
ージ）、例えば、電位の変動による誤動作や積層膜（例
えば、保護絶縁膜２０等）の劣化や破損等の発生を抑制
して、フォトセンサデバイスの静電気耐圧を向上させる
ことができるとともに、２次元画像読取装置を指紋読取
装置に適用した場合に、静電気の放電に伴う電撃によ
り、使用者が指先に感じる不快感を大幅に緩和すること
ができる。

【００４３】また、本実施形態に係る２次元画像読取装
置によれば、静電気除去層３０を構成する第１の導電層
３１としてＩＴＯ等の透明な導電性材料を適用し、ま
た、第２の導電層３２としてアモルファスシリコン等の
透明で高い抵抗率を有し、成膜が容易な材料を適用して
いることにより、静電気除去層３０上に載置された指４
０に照射され、散乱、反射した光が良好に各ダブルゲー
ト型フォトセンサ１０の半導体層１１に入射されること
になるので、フォトセンサデバイスの読取感度特性が悪
化することがなく、良好に被検出体の画像パターン（指
紋）を読み取ることができる。

【００４４】ここで、本実施形態に係る静電気除去層３
０に適用される第１の導電層３１の構成と作用について
説明する。上述したように、本実施形態に適用される静
電気除去層３０は、接地電位に接続され、第２の導電層
３２より低シート抵抗（概ね５０Ω／□以下のシート抵
抗）の第１の導電層３１と、被検出体が直接接触し、第
１の導電層３１より高抵抗率（たとえば、概ね１０^６Ω
・cm以上程度の抵抗率）の第２の導電層３２が積層され
た構成を有している。このような構成について、第１の
導電層３１を構成するＩＴＯ層をリード線を介して接地
電位に接続した実験モデルを用いて、ＩＴＯ層のシート
抵抗とフォトセンサデバイスの実耐電圧（静電気耐圧）
との関係について検証する。

【００４５】図８は、本実施形態に係る第１の導電層に
適用されるＩＴＯ層等のシート抵抗と実耐電圧との関係
を示す実験結果であり、図９は、ＩＴＯ層の膜厚とシー
ト抵抗との関係を示す対応テーブルである。なお、本検
証実験においては、実耐電圧は、第１の導電層上に静電
気ガンで強電界を発生させ、図２に示したフォトセンサ
システムの回路の一部もしくは全部が正常に機能しなく
なったときの印加電圧と定義する。

【００４６】図８に示すように、第１の導電層としてＩ
ＴＯ層を適用した場合のシート抵抗と実耐電圧との関係
は、接地電位までの抵抗（配線抵抗）をほぼ統一したに
もかかわらず、概ねシート抵抗が高い（４５〜５０Ω／
□）ほど実耐電圧の絶対値が低く（−５〜−７ｋＶ）、
これに対して、シート抵抗が低い（１５〜３０Ω／□）
ほど実耐電圧の絶対値が高くなる（−８〜−９ｋＶ）傾
向が観測された。

【００４７】なお、同様の実験条件で他の材質との比較
を行うと、第１の導電層としてシート抵抗が比較的低い
（２０〜３０Ω／□程度）カーボンペースト、銅テープ
を適用した場合には、実耐電圧が−１０ｋＶ以下とな
り、実耐電圧の絶対値が１０ｋＶ以上より大きくなるこ
とから、シート抵抗が低いほど、実耐電圧の絶対値が高
くなることが判明した。なお、指の接触による放電電圧
の絶対値は、概ね３〜４ｋＶなので、絶対値が５ｋＶ以
上であればフォトセンサデバイスへのダメージを抑制し
て良好に機能させることができる。

【００４８】ここで、ＩＴＯ膜のシート抵抗は、ＩＴＯ
層の膜厚、酸素の存在比を変化させることにより制御さ
れる。ＩＴＯ層の膜厚とシート抵抗との関係は、概ね図
９に示すような対応関係を有している。したがって、上
述したように実耐電圧を高めるためにシート抵抗を概ね
２０Ω／□程度に低く設定するためには、膜厚を１５０
０Å以上に形成する必要がある。なお、ＩＴＯ層は透明
な導電性材料により構成されているが、ＩＴＯといえど
も層内での光の吸収、散乱による減衰が生じるので、低
いシート抵抗を実現するためにＩＴＯ層の膜厚を無条件
に厚くすると、被検出体（指）の画像パターンの読取感
度特性を悪化させることになるため、一定の条件に基づ
いてＩＴＯ層の膜厚を設定することが望ましい。

【００４９】したがって、上記検証実験により、より高
い実耐電圧の絶対値（概ね−１０ｋＶ程度）を実現しつ
つ、スループットが良好で画像パターンの読取感度特性
を良好に維持するためには、第１の導電層を構成するＩ
ＴＯ層の膜厚を、概ね５００Å以上、好ましくは、１５
００〜２０００Å程度として、シート抵抗を概ね１５〜
２０Ω／□程度に設定することがより望ましいことが判
明した。この場合、第１の導電層（ＩＴＯ層）の膜厚
は、概ね１５００〜２０００Å程度と比較的薄く形成す
ればよいので、上述したようなＩＴＯ層内における光の
大幅な減衰が抑制される。

【００５０】なお、本検証実験においては、第１の導電
層３１としてＩＴＯ層を適用した場合について説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、
第１の層として、上述したＩＴＯの他に、光透過性を有
する酸化スズ（ＳｎＯ_２）やインジウム及び亜鉛の酸化
物等の材料を用い、シート抵抗が５０Ω／□以下の低抵
抗となるように構成（膜厚の設定や成分の調整等）した
ものを良好に適用することができる。

【００５１】次いで、本実施形態に係る静電気除去層３
０に適用される第２の導電層３２の他の構成について説
明する。上述したように、本実施形態に適用される第２
の導電層３２は、高抵抗を有するように構成されている
ので、指４０に帯電した静電気により高電界が生じた場
合であっても、第２の導電層３２を流れる電流量を抑制
する機能（大電流抑制機能）を有している。一方、第１
の導電層３１は、第２の導電層３２を介して供給される
電流を接地電位に十分かつ確実に放電する機能（放電機
能）を有している。

【００５２】したがって、本実施形態に適用される第２
の導電層３２は、上述したような機能を良好に実現する
ことができる膜特性、すなわち、フォトセンサに入射す
る可視光に対して高い透過率を有するとともに、第１の
導電層３１に比較して高い抵抗を有し、かつ、薄膜形成
が容易で、しかも、薄膜化した場合であっても均一な膜
質及び電気的特性（抵抗特性）を有しているものであれ
ばよいので、例えば、５００Å以下の膜厚に形成された
窒化シリコン膜（ＳｉＮ）や酸化シリコン膜（Ｓｉ
Ｏ_２）、ｎ型不純物を含むシリコン薄膜（ｎ^＋−Ｓ
ｉ）、半絶縁性のダイヤモンド薄膜、５００Å以下の膜
厚に形成されたポリスチレンやポリビニルアルコール、
ポリメチルメタクリレート等の高分子薄膜、あるいは、
ポリビニルカルバゾールやトリフェニルジアミン誘導体
等の導電性高分子薄膜等を良好に適用することができ
る。

【００５３】なお、上述した実施形態においては、静電
気除去層の構成として、第１の導電層及び第２の導電層
を積層した２層構造を示したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、少なくとも上述した大電流抑制機能
及び放電機能を良好に実現できる構成を有していればよ
く、たとえば、静電気除去層を２層以上の複数層により
構成するものであってもよい。

【００５４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、上記静電
気除去層は、少なくとも、前記フォトセンサデバイス上
の、少なくとも前記被写体が載置される領域に設けられ
た第１の導電層と、前記第１の導電層よりも高抵抗率の
第２の導電層と、を備えているので、第２の導電層に指
（人体）等の被検出体が載置、接触されると、被検出体
に帯電した静電気が、高抵抗の第２の導電層から、低抵
抗の第１の導電層を介して移動し、接地電位等の所定の
電位に放電される。

【００５５】したがって、被検出体に帯電した静電気に
よる放電電流が上記所定の電位に流下する際に、高抵抗
の第２の導電層により大きな放電電流が一次的に流れる
ことが抑制され、さらに、高抵抗の第２の導電層から低
抵抗の第１の導電層を介して放電電流が速やかに所定の
電位に流れるので、静電気の放電時におけるフォトセン
サデバイスへのダメージ等を抑制することができるとと
もに、被検出体の接触時における電撃による不快感を緩
和することができる。

【００５６】また、上記第１の導電層は、概ね５０Ω／
□以下のシート抵抗に設定されていることが望ましく、
さらに、上記第１の導電層は、酸化インジウム・スズを
主体とする材料により形成されていることが望ましく、
これにより、第１の導電層（ＩＴＯ）の膜厚を比較的薄
く形成することができるので、フォトセンサデバイスの
実耐電圧を高めつつ（概ね−１０ｋＶ程度）、被検出体
に照射され、反射した光が、第１の導電層を良好に透過
してフォトセンサに入射されるので、光の減衰による読
取感度特性の悪化を抑制して、被検出体の画像パターン
を良好に読み取ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダブルゲート型フォトセンサの基本構造を示す
概略断面図である。

【図２】ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して
構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシ
ステムの概略構成図である。

【図３】フォトセンサシステムの駆動制御方法の一例を
示すタイミングチャートである。

【図４】ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図であ
る。

【図５】フォトセンサシステムの出力電圧の光応答特性
を示す図である。

【図６】ダブルゲート型フォトセンサを備えたフォトセ
ンサシステムを適用した２次元画像読取装置の要部断面
図である。

【図７】本発明に係る２次元画像読取装置における一実
施形態を示す概略構成図である。

【図８】本実施形態に係る第１の導電層に適用されるＩ
ＴＯ層等のシート抵抗と実耐電圧との関係を示す実験結
果である。

【図９】ＩＴＯ層の膜厚とシート抵抗との関係を示す対
応テーブルである。

【図１０】従来技術における静電気放電構造を備えた指
紋読取装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１０ダブルゲート型フォトセンサ１１半導体層２０保護絶縁膜２１トップゲート電極２２ボトムゲート電極３０静電気除去層３１第１の導電層３２第２の導電層３３引き出し配線４０面光源５０指１００フォトセンサアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０５Ｆ 1/02 Ａ６１Ｂ 5/10 ３２２ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/146 A61B 5/117 H01L 27/14 H04N 1/028 H04N 5/335 H05F 1/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板の一面側に配列された複数の
フォトセンサを有するフォトセンサデバイス上に指を載
置して、該指の指紋パターンを読み取る２次元画像読取
装置において、前記フォトセンサデバイス上に、前記指に帯電した静電
気を除去する第１の導電層と、前記指と前記第１の導電
層との間に介在して前記指に帯電された静電気による電
流を前記第１の導電層に流すとともに光透過性を有し且
つ抵抗率が前記第１の導電層より高い高抵抗層と、から
なる静電気除去層が設けられていることを特徴とする２
次元画像読取装置。
【請求項２】前記第１の導電層は、５０Ω／□以下の
シート抵抗に設定されていることを特徴とする請求項１
記載の２次元画像読取装置。
【請求項３】前記第１の導電層は、酸化インジウム・
スズを主体とする材料により形成されていることを特徴
とする請求項１又は２記載の２次元画像読取装置。
【請求項４】前記第１の導電層は、接地電位に接続さ
れていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
記載の２次元画像読取装置。
【請求項５】前記高抵抗層は、抵抗率が１０^６Ω・ｃ
ｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
かに記載の２次元画像読取装置。
【請求項６】前記高抵抗層は、アモルファスシリコ
ン、不純物を含むアモルファスシリコン、窒化シリコ
ン、酸化シリコン、ダイヤモンド、高分子薄膜、あるい
は、導電性高分子から選択された材料を有することを特
徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の２次
元画像読取装置。