JP3728300B2 - Fingerprint sensor - Google Patents

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JP3728300B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は指紋を検出する指紋センサ、特に光学式の指紋センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の指紋センサには、プリズム等を用い指紋の山谷を画像で検出する光学式センサや、指紋の山谷とのギャップ差により生ずる静電容量の差を検出する静電容量センサ、指の電位を固定し生じた電界の強度を検出する電界強度センサ、指が接触することにより生じる温度上昇を検出する温度センサ等がある。
その中でも光学式センサは、原理が単純なため多くのバリエーションが生じている。例えばプリズムの代わりにFOP(ファイバーオプティカルプレート)を用いた指紋センサは、特許文献1等に開示されている。また光学式センサが形成されたシリコン基板の裏側から光を入射する例には、例えば赤外線を検出する裏面入射型CCD等が有り、これらは既に製品化されている。また、FOPの代わりに他の光学部材、薄板を使用する例は、例えば特許文献2に開示されている。
また指紋センサにおいては、センサを形成する半導体集積回路が指に近接して配置されているため、一般には静電気に非常に弱い。そして直接接触を行う指や人体には大量の静電気が蓄積するため、指からセンサに直接ESD(エレクトロスタティックディスチャージ)が生じないような工夫が成されているのが通常である。
【0003】
例えば、静電容量センサや電界強度センサにおいては、指の電位を取るための金属電極がセンサ最表面に形成されている。
また他のセンサにおいては、センサを前記指紋を検出する人の人体に対して直接暴露させず、センサの上方にシャッターを設け、シャッターに指を触れて静電気を除去した後に指紋センサに改めて触れる構成としている。
また光学式センサの場合には、静電気を除去するための電極として特許文献2にも記述されているように、ITO(インジウム錫酸化膜)等の透明金属薄膜を、前記指が接触する最表面に形成することも広く行われている。
【0004】
【特許文献1】
特許番号第3045629号
【特許文献2】
特開2003−6627号
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した光学式指紋センサには、以下に示すような問題点がある。
1)プリズムやFOP基板は高価である
2)プリズムやFOP基板はかさばる(実装大きさが大)
3)薄板を光学式センサ上に積層した場合には、解像度が劣化する
4)薄板を光学式センサ上に積層した場合には、コントラストも低下する
5)薄板を光学式センサ上に形成しただけでは静電気に弱く、またノイズ発生を防げない
6)透明電極の形成は高価であり、また半導体プロセスの制約も大きい
7)薄板の材質によっては指の油脂の付着により、光学残像が生じる
しかしながら、プリズムやFOPは元々高価な光学部品である。高精度なガラスプリズムを、例えばプラスチック等で代用する技術も存在するが、指紋センサに要求される高精度なそれを作成することは容易ではない。またFOPはグラスファイバーを束ねて作るので、FOPの板厚を薄くしても思ったほどは安価にはならない。両者はmmオーダーの大きさを有するために、例えば指紋センサを携帯用機器に実装する際には、その大きさは無視することができない。
また特許文献2に開示されている薄板型指紋センサは、本質的にはFOP型のそれと比べると、解像度やコントラストが悪化しがちである。その理由は、FOP型が指の凹凸、機械的形状を検出する接触、非接触センサであるのに対して、薄板型は透過してくる光量を画像として検出する本質的に光学的なセンサであるからである。このため前者では104近いコントラストが得られるのに対して、後者は1から10程度のコントラストしか有しないのが通常である。
またFOP型では、指紋を検出する光は厚い板厚のFOPを透過する際には大部分の光がグラスファイバー中を混合、減衰せず通過するのに対して、薄板型では光学的な工夫が無い薄板中を単に光が拡散して通過する。そのため前者では本質的には空間解像度の劣化が生じないのに対して、後者では大幅な空間解像度の劣化が生じる。
【0006】
また特許文献2には薄板の屈折率や板厚の設計指針が一部述べられているが、それらは単に2つの界面、指−エアギャップ、エアギャップ−薄板界面における光の散乱式を掛け合わせただけのものであり、理論の精度に欠けている。より具体的には、指紋の幾何学的な考察の欠如、光線追跡の不採用等である。また指紋画像のコントラストには言及しているものの、指紋検出の際に最も問題となる空間解像度には全く触れていない。また指を照明する光の質にも言及しておらず、特許文献2の中では照明光は指の中を通る拡散光として取り扱われている。
また薄板型はFOP型と比べると、板厚がより薄いため静電気や外部電界に弱い。そして薄板の材料に例えばシリコンのように高屈折率、高誘電性、高導電性材料を用いた場合には、その電気的取り扱いも問題となる。
静電気や外部電界を防ぐためにITO等の透明電極を形成することは、透明電極の形成方法が従来の半導体ICプロセスと整合性が無いために、一般に高価困難である。そのため透明金属は、従来ではどちらかというと光学センサが形成されている半導体IC側よりも薄板側に形成され勝ちであった。また静電気や外部電界の悪影響は、何も指紋画像光が入射する画素部だけでは無い。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の指紋センサは、指紋を光学的に検出する指紋センサにおいて、複数の光電変換素子からなる光学センサと、前記光学センサの上方に配置され前記指と接触を行う部材とを有し、前記部材は、指の屈折率よりも高い屈折率であって、導電性を有しており、且つ前記部材は前記光学センサとは絶縁物を介して貼り合わされていることを特徴とする。
高屈折率な物質は、以下の式
n=√(ε×μ) ・・・(1)
n:屈折率 ε:誘電率 μ:透磁率
から本質的に高誘電性物質である。従って静電気や外部電界の影響で、部材中に電荷や電気ノイズを発生し易い物質である。
【0008】
図5は、本発明の指紋センサの部材と絶縁物の部分を模式化した図である。51は指紋センサの部材と絶縁物の部分を合わせたものを示し、52(Rh)は部材のシート抵抗を表す抵抗である。また53(Rv)は絶縁物の単位面積当りの抵抗を表す抵抗である。
【0009】
また、54は指55と接触する電気的接点であり、56は指紋センサを形成する光学センサの上部と接触する接点である。抵抗52(Rh)は部材の末端で、公知のように接地電位に接続されている。
本発明では、例えば、部材には抵抗率0.1Ω−cm、厚さ100μm程度の基板が使用される。従ってRhの値は、0.1/0.01=10Ωである。また指紋を検出する領域の大きさは大略2cm×1cm程度であるから、この直方体全体の抵抗値は、10Ω×2=20Ωとなる。
それに対して、絶縁物には抵抗率1016Ω−cm、厚さ10μm程度の接着剤が用いられるから、Rvの値は1016×0.001=1013Ωと、前記Rvと比べると大変大きな値となっている。
【0010】
本発明においては部材は導電性を有し(電気抵抗を低減する工夫が成されており)、これにより部材中の任意の場所の電位は、電位が固定された外部の電位とほぼ同電位となる。このため、部材中で生じた電荷等は、速やかに電位固定された外部へと移送除去される。また絶縁体の介在により、導電性部材と光学センサとは充分電気的に分離されているため、電荷等が光学センサに対して悪影響を与えることがない。
また部材の電位を固定したことで、光学センサの電気回路との電気的リーク、ショートが懸念されるが、上述したように絶縁物の抵抗値が充分に高いために、漏れるリーク電流の値は問題とならない値に押さえ込むことができる。
また、指紋の検出に用いる光とは、指に大略垂直に入射する光である。
以下に簡単なモデルを用いて、指を照明する照明光の質が如何に重要であるかを説明する。
【0011】
図6は指紋構造に散乱光が入射した時のモデルである。
図6において、63は指紋の谷部を表す半径rの半円柱の表面である。その上方は指の内部65である。指の内部65の屈折率には、水と大略同じで有るとして値1.3を用いている。その下方は谷部のエアギャップ64であり、屈折率1.0の空気が満たされた空洞である。指紋の山部は部材62と接している。
62は厚さtを有する部材であり、その屈折率は単結晶シリコンと同じ3.448である。61は絶縁物を示す。θ1はエアギャップ64から部材62への光66の入射角(部材62の法線方向に対する入射光66の角度)、θ2は部材62での屈折角(部材62の法線方向に対する屈折光67の角度)である。tは部材62の厚さ、xは部材62の光の入射位置(半径rの半円柱の円弧の中心)と部材62の光の出射位置との距離である。
【0012】
本モデルでは問題を簡単にするため、指の内部65から円柱の表面63に垂直に、均一な照明光が入射すると仮定している(実際には前記散乱光は、前記表面に垂直な光を中心にして任意の入射角度の光を含む)。また指紋の山谷のピッチは同じ(2×r)であると仮定している。
まず指紋の山部に入射する光量Phiは、単位長さ当りの入射光密度をPiとすると、
Phi=∫Pidl ・・・(2)
dl:積分長さ
で表される。この積分範囲は(−r,+r)である。
結局山部での入射光量Phiの値は、2×Pi×rとなる。
山部で問題とするファクタは、
1)指−部材界面(内部65と部材62との界面)での界面反射
2)部材62中での減衰
である。
上記1)の指−部材界面の透過率は下記の式

Figure 0003728300
で表すことができる。この値は表1に示したように、0.795333325である。
【0013】
【表1】
Figure 0003728300
【0014】
また上記2)の部材中での透過率は下記の式
Th2=exp(−αt) ・・・(4)
で表すことができる。単結晶シリコンのλ=850nmでのαの値は、0.6dB/μm程度である。従ってt=100μmの板厚では、Th2の値は−60dB、0.001になる。
以上から、光学センサに入射する山部の光量Phは、
Ph=∫(Pi×Th1×Th2)dl ・・・(5)
となる。この値は、2×Pi×r×0.795333325×0.001であるから、表1に示したように、
2×Pi×r×0.00079533となる。
一方、谷部での入射光量Pviは、
Pvi=∫Pidl ・・・(6)
dl:積分長さ
であり、積分範囲は半円柱の表面63に沿った角度πの円弧である。
【0015】
また谷部で問題とするファクタは、
3)指−空気界面(内部65とエアギャップ64との界面)での界面反射
4)空気−部材界面(エアギャップ64と部材62との界面)での界面反射
5)部材62中での減衰
である。
上記3)の指−空気界面では、入射光は界面に対して垂直に入射する。従って透過率Tv1は、
Tv1=(2/(1+1/1・3))2×(1/1.3) ・・・(7)
と表される。この値は、表1に示したように0.982986767である。
また上記4)の空気−部材界面の透過率Tv2は入射角θ1と屈折角θ2に依存し、下記のように書ける。
Figure 0003728300
ここでtsはs波の、tpはp波のそれである。
ここでは入射光は、s波とp波が半々に含まれると仮定している。
ts、tpはそれぞれ
Figure 0003728300
と表される。
【0016】
表1中ではTv2(θ1,θ2)の値は、θ1の値のπ/100毎に0からπ/2まで計算している。
上記5)の部材62中の減衰は、透過率Tv3
Tv3=exp(−αt(θ2)) ・・・(11)
で表される。ここでt(θ2)は屈折のために延長された光路長であり、
t(θ2)=t/cosθ2 ・・・(12)
である。
また(11)式と(12)式を用いて適当に変形すると、以下のように簡単化される。
Tv3=(0.001)(1/cosθ2) ・・・(13)
谷部の全体の透過率Tvを
Tv=Tv1×Tv2×Tv3 ・・・(14)
で定義すると、前記光学センサに入射する谷部の光量Pvは、
Figure 0003728300
となる。Tv1からTvの値を、表1に示す。
【0017】
本散乱モデルの傾向を図に示すと、図8から図10のようになる。
まず入射角度θ1に対する透過率Tv(図8)であるが、TvはThに比べると小さく、θ1=0の垂直入射の時が最大でThの値の86%程度である。以下順次低減してθ1=π/2の時に0となる。
これは谷部に入射する入射光では、部材に垂直に入射する光の寄与が大きいということである。但しその低減の仕方は緩やかであるため、かなりの角度の光まで谷部の画像形成に寄与している。
【0018】
次に、入射光が光学センサに入射する位置(受光位置)x(図9)であるが、入射光は垂直入射の場合には真下(x=0μm)に入射し、以下、順次谷部の中心x=0から30μmの間に入射している。これは指紋のピッチ(2r×2、400μm程度)に比べるとかなり小さな値である。
この原因は、部材の材質に高屈折率物質である単結晶シリコンを用いたことと比較的薄い板厚(t=100μm)を採用したことに有る。
いま仮に指紋のピッチを山部、谷部200μm(r=100μm)とすると、本散乱モデルでは30−70μmの間には光が入射しないことになる。(図10)それどころか谷部の中央には多くの光量が集中して受光されることになる。これは前記山部と山部の丁度中間に、偽山部、偽隆線を発生させてしまう。
【0019】
以上の結果を元に、前記散乱モデルのコントラストとMTFを議論する。
まず山部と谷部のコントラストを比較する。
山部に入射する光量は前述のようにPhであるから、2×Pi×r×0.00079533である。
ここでPi=1W/μm、r=100μmとすると、Ph=0.159066Wである。それに対してPvは、(15)式で表される。
今ここで、前記積分値を以下の近似式で代用すると、
Figure 0003728300
この値は表1に示したように、Pv=0.175135165Wである。
ここでコントラストを山部全体が示す光量/谷部全体が示す光量と定義すると、コントラスト=Ph/Pv ・・・(17)
となる。
【0020】
この量は本モデルでは1以下の、0.908である。即ち本散乱モデルでは、通常の実験結果が示すPv<Phという関係ではなく、Pv>Phという実験事実とは反する反対の結論が導かれる。
勿論これはモデルの精度であるが、「薄板型指紋センサは、FOPを使用したそれと比べるとコントラストが悪い」という事実を証明するそれでもある。現に我々は類似の系の試作評価結果で、コントラスト1.3という値を得ている。
次にMTFであるが、本散乱モデルでは谷の中心によって生じる指紋ピッチと同じピッチのλ=400μm(谷部中心間距離)の偽信号と、谷部の境界に存在する2つの暗部(図10)に起因するλ=130μm(同一の谷の暗部間距離)とλ=270μm(隣り合う谷の暗部間距離)との偽信号を発生させる。
前者は指紋ピッチと位相の異なる偽信号であり、また後者はより高周波の偽信号であり、前記指紋画像の画質を悪化させる。即ち、本散乱光を用いた薄板型指紋センサのMTF特性は不満足である。
【0021】
次に、図7は指紋/指構造に垂直光が入射した時のモデルである。指紋構造や部材の構造は、図6に示した散乱光モデルと同一である。
図7において、73は指紋の谷部を表す半径rの半円柱の表面である。その上方は指の内部75である。指の内部75の屈折率には、水と大略同じで有るとして値1.3を用いている。その下方は谷部のエアギャップ74であり、屈折率1.0の空気が満たされた空洞である。指紋の山部は部材72と接している。
72は厚さtを有する部材であり、その屈折率は単結晶シリコンと同じ3.448である。71は絶縁物、78は指の上方の空間(空気)を示す。θ1は部材72の法線方向と光入射部での表面73の法線方向とのなす角度、θ2は指の内部75からエアギャップ74への光の入射角(光入射部での表面73の法線方向に対する入射光76の角度)、θ3はエアギャップ74での屈折角(表面73の法線方向に対する屈折光の角度)、θ4はエアギャップ74から部材72への光の入射角(部材72の法線方向に対する入射光の角度)、θ5は部材72での屈折角(部材72の法線方向に対する屈折光77の角度)である。tは部材72の厚さ、xは半径rの半円柱の円弧の中心と部材72の光の出射位置との距離、yは半径rの半円柱の円弧の中心と表面73への光の入射位置との距離である。
本モデルでは指の内部75から円柱の表面63に、部材72の法線方向と平行に、均一な照明光が入射するとしている。
【0022】
まず山部に入射する入射光であるが、これはすでに図6を用いて説明した散乱光モデルと同一である。
次に谷部であるが、考慮するファクタは、
3′)指−空気界面(内部75とエアギャップ74との界面)での反射
4′)空気−部材界面(エアギャップ74と部材72との界面)での反射
5′)部材72内部での減衰
である。
上記3′)の指−空気界面では、透過率Tv1は、
Figure 0003728300
上記4′)の空気−部材界面では、透過率Tv2は、
Figure 0003728300
上記5′)の部材62中の減衰では、透過率Tv3は、
Tv3=(0.001)(1/cosθ5) ・・・(20)
で表される。
これらの計算結果を表2に示す。
【0023】
【表2】
Figure 0003728300
【0024】
また図11から図13に、これらの結果をグラフ化して示す。
まず入射位置y−透過率Tのグラフ(図11)であるが、Tv(y=0μm)の値は、散乱光モデルと同一の値である。(Thの値の86%程度)またTvはy=0μmからほぼ一定の値を保ち、80μm近傍でストンと落ちている。これ以上では入射光は指−空気界面で全反射を行うため、光学センサの受光面には到達しない。
【0025】
図12は入射位置yと受光位置xとの対応を表している。これから両者にはほぼ線形の対応が有るものの、谷部の境界付近では受光光は谷部を越えて山部の受光部で検出されることが分かる。その最大の大きさは40μm程度(オフセット、x−yは60μm程度)である。
【0026】
また図13は受光位置xに対応する透過率Tであるが、全体になだらか、一定であり、散乱光モデルのように急激なTの変化は観察されていない。
図の0から100μmは谷部を表すデータ(測定量)であり、100μmを越える部分は逆の山部を表すデータである。従って谷部のカーブの100μmから140μmの透過率Tvは、Thに寄与する部分である。前記0.00065から0.0004に相当する光量は、前記Thの0から40μmの光量を持ち上げる働きを示し、両者のエッジを強調する働きを示す。
【0027】
以上の結果から、同様にコントラストとMTFを議論する。
まずコントラスト、Ph/Pvであるが、これは表2から0.159066/0.101550271=1.57という値が得られている。
この値は前記散乱光モデルよりも高コントラストであり、垂直入射の照明光を採用するとコントラストが向上することを示している。また現実に我々の試作評価結果においても、「直進性の高い遠距離に有る照明光源を用いた方がコントラストが向上する」という実験結果が得られている。
【0028】
またMTFであるが、図13に示したグラフが物語るように、散乱光モデルで見られたような不連続な画像特性(図9)は見られない。また前述の100から140μmにかけてのTvの漏れこみも前記MTFを悪化させるが、幸いなことにピッチがλ=240μm(同一谷部の両側の距離)とλ=160μm(隣接する谷部間の距離)と指紋ピッチに近いことと、エッジ強調の働きを有していることである。従ってこれによるMTFの悪化は致命的ではない。
【0029】
以上説明したように、コントラスト、MTF向上のためには、照明に用いる光は散乱光よりも垂直入射光であることが望ましい。
また指紋の検出に用いる光は、指に入射する外光であることが望ましい。これにより、指を例えばLED等で側面から照明した例よりもより垂直に入射する照明光を期待することができる。
【0030】
また部材は、半導体基板であることが望ましい。半導体基板は本質的に誘電体基板であり、高い屈折率を期待することができる。また高純度であり、化学的な安定性や機械的な強度も期待することができる。半導体基板は、特にシリコン基板であることが望ましい。シリコン基板の屈折率は前述のように3.448とかなり高く、理想的である。
【0031】
また部材の表面には、汚れ防止用の薄膜が形成されていることが望ましい。これにより部材表面に残留する残留指紋の影響を最小にすることができる。汚れ防止用の薄膜は、シリコン系の化合物やセラミック等を用いることができる。これにより充分な硬度と安定性を得ることができる。また半導体プロセス技術の援用も容易である。
【0032】
また光学センサは、外部電界、静電気等によって部材に誘起される電荷から前記センサを保護するために、その内部にシールドプレートが設けられていることが望ましい。これにより前記電荷等の影響をより小さくすることができる。
また部材に導電性を持たせるには、部材に低抵抗基板を用いることが挙げられる。
【0033】
また低抵抗基板の抵抗率は、0.1Ω−cm以下であることが望ましく、これにより前述の通り低抵抗な電気的導通が確保される。
また部材の電気抵抗を低減する工夫には、部材の表面が金属薄膜であることが挙げられる。金属薄膜の厚さは、指紋を検出する光の波長λの1/10以下であることが望ましい。これにより金属薄膜を前記検出する光が部分的に透過可能となり、指紋/光学センサが実現される。
また部材の電気抵抗を低減する工夫には、部材の表面に高濃度不純物拡散層を設けることが挙げられる。これにより部材の電気抵抗を低減することができる。
また部材の電気抵抗を低減する工夫には、部材の表面にパターニングされた金属薄膜を形成することがあげられ、その上方には汚れ防止用の薄膜が形成されていることが望ましい。これにより、前記電気抵抗低減と指の油脂による汚れ、残留指紋を防止することができる。
【0034】
また部材は、半導体プロセス技術を利用して形成されていることが望ましい。これにより前記薄膜の蒸着やパターニングを安定して安価に製造可能である。
また絶縁物は、半導体プロセスで形成されていないことが望ましい。塗布法、スピンオン法、印刷等により比較的厚膜な絶縁物を形成可能である。
絶縁物は、単位面積当りの抵抗値が1012Ω以上であることが望ましい。これにより前記光学センサ動作にとって有害である前記絶縁物を貫通するリーク電流を、pA台に押さえ込むことができる。
【0035】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
[第一実施例]
図1に本発明の第一実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。図1において、11は大きさ2cm×1cmの単結晶シリコン基板上に形成された光学センサである。光学センサは2次元アレー状に配列された大きさ30μm角の単位画素を、600×300=180000個有している。
12は抵抗率1016Ω−cm、厚さ10μmの半導体グレードの接着剤であり、接着剤12により、基板11に、p型、抵抗率0.01Ω−cm、厚さ100μmの単結晶シリコンからなる薄板13を貼り合わせている。
貼り合わされた薄板13は、指紋センサの末端でアース電位に接地されている。また薄板13の表面には、指紋等による汚れを防止するための厚さ2000Åのシリコン窒化膜14が形成されている。15は指紋を検出するための指であり、シリコン窒化膜14上に載せられる。
【0036】
本指紋センサの分光感度を図14に示す。図から分かるように、本センサでは波長1030nmの赤外光に感度のピークを有し、波長800nmから1200nmの赤外光に感度を有している。このグラフの左側の感度低下は薄板13を赤外光が透過しないために生じ、右側のそれは光学センサ11の光電変換特性が低下するために生じている。
【0037】
本実施例の指紋検出のための照明光16には、例えば大略垂直光からなる外光を使用する。外光には主に太陽からの屋外光と、蛍光灯等の照明からの室内光等がある。太陽光のスペクトルはブロードであり連続であるが、図14に示したように本実施例の指紋検出センサにおいてはバンドパスフィルタのような狭い分光感度しか有していないため、実質は波長800nmから1200nmの光を照明したことに等しい。また後者の蛍光灯の光質は、主に可視光領域に存在する離散スペクトルである。
【0038】
本実施例の指紋センサの、室内光での指紋撮像例を図15に示す。
図15から分かるように画像は指紋の山谷だけでなく汗腺の穴までをも撮像出来ており、空間解像度的は充分である。また山部(明部)と谷部(暗部)の明るさの比は1.5程度であり、これも前述したモデルで説明可能なコントラスト値となっている。
【0039】
本発明に用いる薄板の材質はp型単結晶シリコン基板以外に、n型、i型、その他の高誘電性物質のいずれかで良い。特に半導体基板は本質的に高誘電率であるので好適である。Geやダイヤモンド等は人体に悪影響を与えず好適に用いることができる。
【0040】
また汚れ防止用の薄膜は、前記シリコン窒化膜以外にシリコン酸化膜等のシリコン系のガラス、セラミック等が適当である。
これらは半導体基板上に公知の半導体プロセス技術を援用することにより、簡単安価に製造可能である。
また指紋の照明に用いる光は、室内光のように大略垂直光であれば良く、例えば専用の赤外光源を用意しても良い。その場合には、赤外光を発する赤外LEDを筒状の反射容器の奥底に埋め込んで使用するのが、指紋のMTFとコントラストを上げるうえで望ましい。
【0041】
[第二実施例]
図2に本発明の第二実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。
21は光学センサ、22は接着剤、23は抵抗率100Ω−cmの単結晶シリコン基板、24は厚さ50Åの金の薄膜である。光学センサ21、接着剤22は第一実施例と同様のものを用いることができる。
薄膜24の膜厚は指紋を検出するための照明光の波長1030Åの1/20以下であり、充分に前記照明光を透過する。また薄膜24のシート抵抗は5Ω程度であるので、指紋センサは充分に低い値で接地可能である。
本実施例によれば、薄板24の抵抗率が多少高めであっても、指紋センサに用いることができる。本実施例に用いる薄膜の材質は、低抵抗でありまた化学的にも安定な銀、銅等の貴金属が好適である。またチタンやタングステン等の高融点金属もその候補である。
【0042】
[第三実施例]
図3に本発明の第三実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。
31は光学センサ、32は接着剤、33は単結晶シリコン基板であり、その表面近傍には公知の半導体プロセス技術によって深さ1μmのAlからなるp型不純物拡散層36が形成されている。
また拡散層36は、センサの末端で電気的に接地されている。拡散層36の上方には、同様に半導体プロセス技術によって厚さ1μmのシリコン酸化膜34が形成されている。酸化膜34は同様に、指による前記センサの汚れを防止する。
本実施例によれば、電気的に低抵抗な不純物拡散層36によって薄板33の導電性を向上可能である。
拡散層を形成する不純物は、ドーパントである3価(B,Al,Ga)や5価(P,As)の原子、あるいは導電性の金属原子等でよい。
【0043】
[第四実施例]
図4に本発明の第四実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。
41は光学センサが形成された半導体基板であり、47はそのセンサを形成する大きさ50μm角の単位画素である。42は基板41と高屈折率を有する厚さ150μmの薄板43とを接着するための接着剤である。43は屈折率4.092の、半導体ゲルマニウム基板である。
46は薄板43上に公知の半導体プロセス技術によって積層、パターニングされた、厚さ1000Åのアルミ膜である。またアルミ膜46のパターンは、開口大きさ40μm角、開口ピッチ50μmである。
アルミ膜46のパターンと光学センサの画素47との位置は対応するように、接着は行われる。その結果、アルミ膜46の開口から入射する指紋画像光は、画素47へと無駄なく導かれるようになっている。
44は前記アルミ膜46上に形成された、汚れ防止のためとアルミ膜パターンの指の摩擦による磨耗を防ぐための、シリコン窒化膜からなる厚さ2000Åのオーバーコートである。
【0044】
本実施例によれば薄板43の抵抗を、ITO等の透明金属を用いずに下げることが可能である。
パターニングされた薄膜に要求される品質は、例えば良好な密度と接着性である。
薄膜化することによって密度が低下するような疎な膜は、指の摩擦に耐えることが出来ない。また下地やオーバーコートとの接着性が悪い場合には、パターンは容易に剥離変形を生じ、指紋画像の品質の低下を生じさせてしまう。
このような特性を満足する膜としては、アルミ以外にタングステンやモリブデン等の高融点金属が挙げられる。
【0045】
また本実施例においては、他の実施例とは異なり、全面に低抵抗な導体層が設けられていない。その為静電気には問題が無くとも、入射する電界、電磁波に対しては万全ではない。
従って前述したパターニングされた導体以外に、光学センサ内部に電気的なシールド、シールドプレートを設けることも有効である。
シールドプレートは、前記指紋画像光が入射する画素部だけでなく、その周辺の電気回路部(周辺回路部)にも設けることが望ましい。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストで、静電気等に強い、解像度やコントラストに優れた指紋センサを安定して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図2】本発明の第二実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図3】本発明の第三実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図4】本発明の第四実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図5】本発明の指紋センサの部材と絶縁物の部分を模式化した図である。
【図6】指紋構造に散乱光が入射した時のモデルである。
【図7】指紋/指構造に垂直光が入射した時のモデルである。
【図8】散乱モデルの入射角−透過率特性を示す図である。
【図9】散乱モデルの谷部入射光の入射角と光学センサに入射する位置との関係を示す図である。
【図10】散乱モデルの受光位置と透過率との関係を示す図である。
【図11】垂直入射モデルの入射位置と透過率との関係を示す図である。
【図12】入射位置yと受光位置xとの対応を表す図である。
【図13】垂直入射モデルの受光位置と透過率との関係を示す図である。
【図14】指紋センサの分光感度を示す図である。
【図15】本実施例の指紋センサの、室内光での指紋撮像例を示す図である。
【符号の説明】
11、21、31、41 基板
12、22、32、42 接着剤
13、23、33、43 薄板
14、24、34、44 薄膜
15、25、35、45 指
16 照明光
36 拡散層
46 パターン
51 薄板
52 抵抗
53 抵抗
54 指側端子
55 指
56 光学センサ側端子
57 接地
61、71 光学センサ
62、72 薄板
63、73 界面
64、74 空洞
65、75 指の内部
66、76 入射光
67、77 屈折光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fingerprint sensor for detecting a fingerprint, and more particularly to an optical fingerprint sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventional fingerprint sensors include an optical sensor that detects the peaks and valleys of fingerprints with an image using a prism, a capacitance sensor that detects the difference in capacitance caused by the gap difference between the peaks and valleys of the fingerprint, and the potential of the finger. There are an electric field intensity sensor that detects the intensity of an electric field that is fixed and a temperature sensor that detects an increase in temperature caused by contact of a finger.
Among them, the optical sensor has many variations due to its simple principle. For example, a fingerprint sensor using an FOP (fiber optical plate) instead of a prism is disclosed in Patent Document 1 and the like. An example in which light is incident from the back side of a silicon substrate on which an optical sensor is formed is, for example, a back-illuminated CCD that detects infrared rays, and these have already been commercialized. An example in which another optical member or a thin plate is used instead of FOP is disclosed in Patent Document 2, for example.
In a fingerprint sensor, since a semiconductor integrated circuit forming the sensor is arranged close to a finger, it is generally very sensitive to static electricity. Since a large amount of static electricity accumulates in the finger or human body that makes direct contact, it is usual to devise measures that do not cause ESD (electrostatic discharge) directly from the finger to the sensor.
[0003]
For example, in a capacitance sensor or an electric field strength sensor, a metal electrode for taking a finger potential is formed on the outermost surface of the sensor.
In another sensor, the sensor is not directly exposed to the human body that detects the fingerprint, but a shutter is provided above the sensor, and the fingerprint sensor is touched again after touching the shutter to remove static electricity. It is said.
In the case of an optical sensor, as described in Patent Document 2 as an electrode for removing static electricity, a transparent metal thin film such as ITO (indium tin oxide film) is placed on the outermost surface on which the finger contacts. It is also widely formed.
[0004]
[Patent Document 1]
Patent No. 3045629
[Patent Document 2]
JP 2003-6627 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical fingerprint sensor described above has the following problems.
1) Prisms and FOP substrates are expensive
2) Prism and FOP substrate are bulky (large mounting size)
3) When a thin plate is stacked on an optical sensor, the resolution deteriorates.
4) When a thin plate is stacked on an optical sensor, the contrast also decreases.
5) Just forming a thin plate on the optical sensor is vulnerable to static electricity and does not prevent noise generation.
6) Formation of transparent electrodes is expensive and there are significant restrictions on semiconductor processes
7) Depending on the material of the thin plate, an optical afterimage may be generated due to adhesion of finger oil
However, prisms and FOPs are originally expensive optical components. There is a technique for substituting a high-precision glass prism with, for example, plastic, but it is not easy to create a high-precision one required for a fingerprint sensor. Also, since FOP is made by bundling glass fibers, even if the thickness of the FOP is reduced, it is not as cheap as expected. Since both have a size on the order of mm, for example, when the fingerprint sensor is mounted on a portable device, the size cannot be ignored.
Further, the thin plate type fingerprint sensor disclosed in Patent Document 2 is apt to deteriorate in resolution and contrast as compared with the FOP type. The reason is that the FOP type is a contact / non-contact sensor that detects unevenness of fingers and mechanical shapes, whereas the thin plate type is an essentially optical sensor that detects the amount of light transmitted as an image. Because there is. For this reason, the former is 10 Four While the near contrast can be obtained, the latter usually only has a contrast of about 1 to 10.
In the FOP type, most of the light for detecting fingerprints passes through the glass fiber without being attenuated when passing through the thick FOP. The light simply diffuses and passes through a thin plate with no gap. For this reason, the former essentially does not cause degradation of the spatial resolution, whereas the latter causes significant degradation of the spatial resolution.
[0006]
Further, Patent Document 2 partially describes design guidelines for the refractive index and thickness of thin plates, but these are simply multiplied by the light scattering formulas at the two interfaces, the finger-air gap and the air gap-thin plate interface. It is only a lack of accuracy in theory. More specifically, lack of geometric consideration of fingerprints, non-adoption of ray tracing. Although it refers to the contrast of the fingerprint image, it does not touch on the spatial resolution, which is the most problematic when detecting fingerprints. Further, the quality of light for illuminating the finger is not mentioned, and in Patent Document 2, the illumination light is handled as diffused light passing through the finger.
Further, the thin plate type is weaker to static electricity and external electric field because the plate thickness is thinner than the FOP type. When a high refractive index, high dielectric property, and high conductivity material such as silicon is used as the material of the thin plate, the electrical handling becomes a problem.
Forming a transparent electrode such as ITO to prevent static electricity and an external electric field is generally difficult and expensive because the method for forming the transparent electrode is not compatible with the conventional semiconductor IC process. Therefore, the transparent metal has been more easily formed on the thin plate side than the semiconductor IC side on which the optical sensor is formed. In addition, the adverse effects of static electricity and external electric fields are not limited to the pixel portion where the fingerprint image light is incident.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The fingerprint sensor of the present invention is a fingerprint sensor that optically detects a fingerprint, and includes an optical sensor composed of a plurality of photoelectric conversion elements, and a member that is disposed above the optical sensor and makes contact with the finger, The member has a refractive index higher than that of a finger and has conductivity, and the member is bonded to the optical sensor via an insulator.
The material with high refractive index is
n = √ (ε × μ) (1)
n: Refractive index ε: Dielectric constant μ: Magnetic permeability
Is essentially a highly dielectric material. Therefore, it is a substance that easily generates electric charge and electrical noise in the member due to the influence of static electricity and external electric field.
[0008]
FIG. 5 is a diagram schematically showing a member and an insulator part of the fingerprint sensor of the present invention. Reference numeral 51 denotes a combination of the fingerprint sensor member and the insulator portion, and 52 (Rh) is a resistance representing the sheet resistance of the member. 53 (Rv) is a resistance representing the resistance per unit area of the insulator.
[0009]
Reference numeral 54 denotes an electrical contact that comes into contact with the finger 55, and 56 denotes a contact that comes into contact with the upper part of the optical sensor forming the fingerprint sensor. The resistor 52 (Rh) is connected to the ground potential as is known at the end of the member.
In the present invention, for example, a substrate having a resistivity of about 0.1 Ω-cm and a thickness of about 100 μm is used as the member. Therefore, the value of Rh is 0.1 / 0.01 = 10Ω. Further, since the size of the area for detecting the fingerprint is about 2 cm × 1 cm, the resistance value of the entire rectangular parallelepiped is 10Ω × 2 = 20Ω.
In contrast, an insulator has a resistivity of 10 16 Since an adhesive of Ω-cm and a thickness of about 10 μm is used, the value of Rv is 10 16 × 0.001 = 10 13 Ω is a very large value compared to Rv.
[0010]
In the present invention, the member has conductivity (devised to reduce the electrical resistance), so that the potential at any location in the member is substantially the same as the external potential at which the potential is fixed. Become. For this reason, the electric charge etc. which generate | occur | produced in the member are transferred and removed to the exterior where electric potential was fixed rapidly. In addition, since the conductive member and the optical sensor are sufficiently electrically separated by the interposition of the insulator, electric charges or the like do not adversely affect the optical sensor.
In addition, there is concern about electrical leakage and short circuit with the optical sensor electrical circuit by fixing the potential of the member, but since the resistance value of the insulator is sufficiently high as described above, the value of the leakage current that leaks is It can be suppressed to a value that does not cause a problem.
The light used for fingerprint detection is light that enters the finger substantially perpendicularly.
In the following, a simple model is used to explain how important the quality of the illumination light that illuminates the finger is.
[0011]
FIG. 6 shows a model when scattered light is incident on the fingerprint structure.
In FIG. 6, reference numeral 63 denotes a semi-cylindrical surface with a radius r representing a valley of the fingerprint. Above that is the interior 65 of the finger. A value of 1.3 is used for the refractive index of the inside 65 of the finger, assuming that it is almost the same as water. Below that is a trough air gap 64, which is a cavity filled with air having a refractive index of 1.0. The crest of the fingerprint is in contact with the member 62.
62 is a member having a thickness t, and its refractive index is 3.448, which is the same as that of single crystal silicon. Reference numeral 61 denotes an insulator. θ1 is an incident angle of the light 66 from the air gap 64 to the member 62 (angle of the incident light 66 with respect to the normal direction of the member 62), and θ2 is a refraction angle at the member 62 (of the refracted light 67 with respect to the normal direction of the member 62). Angle). t is the thickness of the member 62, and x is the distance between the light incident position of the member 62 (the center of the semicircular arc of radius r) and the light emitting position of the member 62.
[0012]
In this model, in order to simplify the problem, it is assumed that uniform illumination light is incident perpendicularly from the inside 65 of the finger to the surface 63 of the cylinder (actually, the scattered light is light that is perpendicular to the surface. Including light at any incident angle around the center). Further, it is assumed that the pitches of the peaks and valleys of the fingerprint are the same (2 × r).
First, the amount of light Phi incident on the peak of the fingerprint is Pi, where the incident light density per unit length is Pi.
Phi = ∫Pidl (2)
dl: integration length
It is represented by This integration range is (−r, + r).
Eventually, the value of the incident light quantity Phi at the peak is 2 × Pi × r.
The factor that matters in Yamabe is
1) Interface reflection at the finger-member interface (the interface between the interior 65 and the member 62)
2) Attenuation in member 62
It is.
The transmittance of the finger-member interface in the above 1) is expressed by the following formula:
Figure 0003728300
Can be expressed as As shown in Table 1, this value is 0.795333325.
[0013]
[Table 1]
Figure 0003728300
[0014]
Further, the transmittance in the member 2) is expressed by the following formula.
Th2 = exp (−αt) (4)
Can be expressed as The value of α of single crystal silicon at λ = 850 nm is about 0.6 dB / μm. Therefore, when the plate thickness is t = 100 μm, the value of Th2 is −60 dB, 0.001.
From the above, the light amount Ph of the peak portion incident on the optical sensor is
Ph = ∫ (Pi × Th1 × Th2) dl (5)
It becomes. Since this value is 2 × Pi × r × 0.795333325 × 0.001, as shown in Table 1,
2 × Pi × r × 0.00079533.
On the other hand, the incident light amount Pvi at the valley is
Pvi = ∫Pidl (6)
dl: integration length
The integration range is an arc of angle π along the surface 63 of the semi-cylinder.
[0015]
In addition, the factor that is a problem in the valley is
3) Interface reflection at the finger-air interface (interface between the interior 65 and the air gap 64)
4) Interface reflection at the air-member interface (interface between the air gap 64 and the member 62)
5) Attenuation in member 62
It is.
In the finger-air interface of 3) above, incident light is incident perpendicular to the interface. Therefore, the transmittance Tv1 is
Tv1 = (2 / (1 + 1 / 1.3)) 2 × (1 / 1.3) (7)
It is expressed. This value is 0.982986767 as shown in Table 1.
Further, the transmittance Tv2 at the air-member interface in the above 4) depends on the incident angle θ1 and the refraction angle θ2, and can be written as follows.
Figure 0003728300
Here, ts is that of the s wave, and tp is that of the p wave.
Here, it is assumed that the incident light includes half of the s wave and the p wave.
ts and tp are each
Figure 0003728300
It is expressed.
[0016]
In Table 1, the value of Tv2 (θ1, θ2) is calculated from 0 to π / 2 for every π / 100 of the value of θ1.
The attenuation in the member 62 of the above 5) is the transmittance Tv3.
Tv3 = exp (−αt (θ2)) (11)
It is represented by Where t (θ2) is the optical path length extended for refraction,
t (θ2) = t / cos θ2 (12)
It is.
Moreover, if it changes suitably using (11) Formula and (12) Formula, it will be simplified as follows.
Tv3 = (0.001) (1 / cos θ 2) ... (13)
The overall transmittance Tv of the valley
Tv = Tv1 × Tv2 × Tv3 (14)
, The amount of light Pv of the trough incident on the optical sensor is
Figure 0003728300
It becomes. Table 1 shows values of Tv1 to Tv.
[0017]
FIG. 8 to FIG. 10 show the tendency of this scattering model.
First, the transmittance Tv with respect to the incident angle θ1 (FIG. 8) is small compared to Th, and is about 86% of the value of Th at the maximum when vertical incidence of θ1 = 0. Thereafter, the values are sequentially reduced to 0 when θ1 = π / 2.
This means that in the incident light incident on the valley, the contribution of the light incident perpendicular to the member is large. However, since the reduction method is gradual, it contributes to image formation in the valleys up to a considerable angle of light.
[0018]
Next, the position where the incident light enters the optical sensor (light receiving position) x (FIG. 9). In the case of vertical incidence, the incident light enters directly below (x = 0 μm). Incident between the center x = 0 and 30 μm. This is a considerably smaller value than the fingerprint pitch (2r × 2, about 400 μm).
This is due to the fact that single crystal silicon, which is a high refractive index material, is used as the material of the member and that a relatively thin plate thickness (t = 100 μm) is employed.
If the fingerprint pitch is a peak and a valley 200 μm (r = 100 μm), no light is incident between 30 and 70 μm in this scattering model. (FIG. 10) On the contrary, a large amount of light is concentrated and received at the center of the valley. This generates a false mountain part and a false ridge just between the mountain part and the mountain part.
[0019]
Based on the above results, the contrast and MTF of the scattering model will be discussed.
First, the contrast between the peaks and valleys is compared.
Since the light amount incident on the peak is Ph as described above, it is 2 × Pi × r × 0.00079533.
Here, when Pi = 1 W / μm and r = 100 μm, Ph = 0.159066W. On the other hand, Pv is expressed by equation (15).
Now, if the integral value is substituted with the following approximate expression,
Figure 0003728300
As shown in Table 1, this value is Pv = 0.175135165W.
Here, when contrast is defined as the light amount indicated by the entire peak portion / the light amount indicated by the entire valley portion, contrast = Ph / Pv (17)
It becomes.
[0020]
This amount is 0.908, which is 1 or less in this model. That is, in this scattering model, not the relationship of Pv <Ph shown by the normal experimental results, but the opposite conclusion contrary to the experimental fact of Pv> Ph is derived.
Of course, this is the accuracy of the model, but it also proves the fact that “the thin plate fingerprint sensor has a poor contrast compared to that using FOP”. Actually, we obtained a value of contrast 1.3 in the prototype evaluation result of a similar system.
Next, regarding MTF, in this scattering model, a false signal of λ = 400 μm (distance between the valley centers) having the same pitch as the fingerprint pitch generated by the valley center, and two dark areas existing at the boundary of the valley (FIG. 10). ) Due to λ = 130 μm (distance between dark portions of the same valley) and λ = 270 μm (distance between dark portions of adjacent valleys).
The former is a false signal having a phase different from that of the fingerprint pitch, and the latter is a higher-frequency false signal, which deteriorates the image quality of the fingerprint image. That is, the MTF characteristic of the thin plate fingerprint sensor using the scattered light is unsatisfactory.
[0021]
Next, FIG. 7 is a model when vertical light is incident on the fingerprint / finger structure. The fingerprint structure and member structure are the same as the scattered light model shown in FIG.
In FIG. 7, reference numeral 73 denotes a semi-cylindrical surface with a radius r representing a valley of the fingerprint. Above that is the inside 75 of the finger. For the refractive index of the inside 75 of the finger, the value 1.3 is used because it is substantially the same as water. Below that is a trough air gap 74, which is a cavity filled with air with a refractive index of 1.0. The peak portion of the fingerprint is in contact with the member 72.
72 is a member having a thickness t, and its refractive index is 3.448, which is the same as that of single crystal silicon. Reference numeral 71 denotes an insulator, and 78 denotes a space (air) above the finger. θ1 is an angle formed between the normal direction of the member 72 and the normal direction of the surface 73 at the light incident portion, and θ2 is an incident angle of light from the inside 75 of the finger to the air gap 74 (the surface 73 at the light incident portion). The angle of incident light 76 with respect to the normal direction), θ3 is the refraction angle at the air gap 74 (angle of refraction light with respect to the normal direction of the surface 73), and θ4 is the angle of incidence of light from the air gap 74 to the member 72 (member The angle of incident light with respect to the normal direction of 72), θ5 is a refraction angle at the member 72 (angle of the refracted light 77 with respect to the normal direction of the member 72). t is the thickness of the member 72, x is the distance between the center of the semicircular arc of radius r and the light emission position of the member 72, and y is the center of the arc of the semicircular cylinder of radius r and the incidence of light on the surface 73. It is the distance to the position.
In this model, uniform illumination light is incident on the cylindrical surface 63 from the inside 75 of the finger in parallel with the normal direction of the member 72.
[0022]
First, the incident light is incident on the peak portion, which is the same as the scattered light model already described with reference to FIG.
Next is the valley, but the factor to consider is
3 ') Reflection at the finger-air interface (interface between the interior 75 and the air gap 74)
4 ') Reflection at the air-member interface (the interface between the air gap 74 and the member 72)
5 ') Attenuation inside member 72
It is.
At the finger-air interface 3 ′), the transmittance Tv1 is
Figure 0003728300
At the air-member interface of 4 ′), the transmittance Tv2 is
Figure 0003728300
In the attenuation in the member 62 of 5 ′), the transmittance Tv3 is
Tv3 = (0.001) (1 / cos θ Five) ... (20)
It is represented by
Table 2 shows the calculation results.
[0023]
[Table 2]
Figure 0003728300
[0024]
In addition, FIGS. 11 to 13 show these results in a graph.
First, in the graph of the incident position y-transmittance T (FIG. 11), the value of Tv (y = 0 μm) is the same value as the scattered light model. (Tv is about 86% of the value of Th) Further, Tv keeps a substantially constant value from y = 0 μm, and falls off at around 80 μm. Above this, the incident light undergoes total reflection at the finger-air interface and therefore does not reach the light receiving surface of the optical sensor.
[0025]
FIG. 12 shows the correspondence between the incident position y and the light receiving position x. From this, it can be seen that although both have a substantially linear correspondence, the received light is detected by the light receiving portion of the peak portion across the valley portion near the boundary of the valley portion. The maximum size is about 40 μm (offset, xy is about 60 μm).
[0026]
FIG. 13 shows the transmittance T corresponding to the light receiving position x, which is gentle and constant as a whole, and a sudden change in T is not observed as in the scattered light model.
In the figure, 0 to 100 μm is data (measurement amount) representing a valley, and a portion exceeding 100 μm is data representing a reverse peak. Therefore, the transmittance Tv from 100 μm to 140 μm in the valley curve is a portion contributing to Th. The amount of light corresponding to 0.00065 to 0.0004 shows the function of raising the amount of Th from 0 to 40 μm, and the function of enhancing both edges.
[0027]
From the above results, the contrast and MTF are discussed similarly.
First, contrast, Ph / Pv, is obtained from Table 2 as 0.159066 / 0.101550271 = 1.57.
This value is higher in contrast than the scattered light model, and indicates that the contrast is improved when the illumination light with normal incidence is used. In fact, even in our prototype evaluation results, an experimental result has been obtained that "the use of an illumination light source at a long distance with high straightness improves contrast".
[0028]
Although it is MTF, as the graph shown in FIG. 13 tells, the discontinuous image characteristic (FIG. 9) as seen in the scattered light model is not seen. The leakage of Tv from 100 to 140 μm also worsens the MTF, but fortunately the pitch is λ = 240 μm (distance on both sides of the same valley) and λ = 160 μm (distance between adjacent valleys). ) And the fingerprint pitch, and has an edge enhancement function. Therefore, the deterioration of MTF due to this is not fatal.
[0029]
As described above, in order to improve contrast and MTF, it is desirable that the light used for illumination is perpendicular incident light rather than scattered light.
In addition, it is desirable that the light used for fingerprint detection is external light incident on the finger. As a result, it is possible to expect illumination light that is incident more vertically than an example in which the finger is illuminated from the side surface with, for example, LEDs.
[0030]
The member is preferably a semiconductor substrate. The semiconductor substrate is essentially a dielectric substrate, and a high refractive index can be expected. Moreover, it is highly pure and can be expected to have chemical stability and mechanical strength. The semiconductor substrate is particularly preferably a silicon substrate. As described above, the refractive index of the silicon substrate is as high as 3.448, which is ideal.
[0031]
Further, it is desirable that a thin film for preventing contamination is formed on the surface of the member. Thereby, the influence of the residual fingerprint remaining on the member surface can be minimized. As the thin film for preventing contamination, a silicon-based compound, ceramic, or the like can be used. Thereby, sufficient hardness and stability can be obtained. In addition, it is easy to use semiconductor process technology.
[0032]
The optical sensor is preferably provided with a shield plate inside to protect the sensor from charges induced in the member due to an external electric field, static electricity or the like. Thereby, the influence of the charge or the like can be further reduced.
Moreover, in order to give conductivity to a member, it is mentioned to use a low resistance substrate for the member.
[0033]
The resistivity of the low-resistance substrate is desirably 0.1 Ω-cm or less, thereby ensuring low-resistance electrical conduction as described above.
In addition, to reduce the electrical resistance of the member, the surface of the member Metal thin film It is mentioned that. The thickness of the metal thin film is the wavelength of the light that detects the fingerprint 1/10 of λ The following is desirable. As a result, the light to be detected can be partially transmitted through the metal thin film, thereby realizing a fingerprint / optical sensor.
Further, a device for reducing the electrical resistance of the member includes providing a high concentration impurity diffusion layer on the surface of the member. Thereby, the electrical resistance of a member can be reduced.
Further, as a device for reducing the electrical resistance of the member, a patterned metal thin film is formed on the surface of the member, and it is desirable that a thin film for preventing contamination is formed thereon. As a result, the electrical resistance can be reduced, and the dirt and residual fingerprints caused by finger oils and fats can be prevented.
[0034]
The member is preferably formed using semiconductor process technology. Thereby, the deposition and patterning of the thin film can be stably and inexpensively manufactured.
The insulator is preferably not formed by a semiconductor process. A relatively thick insulator can be formed by a coating method, a spin-on method, printing, or the like.
An insulator has a resistance value of 10 per unit area. 12 It is desirable that it is Ω or more. As a result, the leakage current penetrating the insulator, which is harmful to the operation of the optical sensor, can be suppressed to the pA level.
[0035]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor which is a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 11 is an optical sensor formed on a single crystal silicon substrate having a size of 2 cm × 1 cm. The optical sensor has 600 × 300 = 180,000 unit pixels with a size of 30 μm square arranged in a two-dimensional array.
12 is resistivity 10 16 It is a semiconductor grade adhesive of Ω-cm and thickness of 10 μm, and a thin plate 13 made of single crystal silicon of p-type, resistivity of 0.01 Ω-cm and thickness of 100 μm is bonded to the substrate 11 by the adhesive 12. ing.
The laminated thin plate 13 is grounded to the ground potential at the end of the fingerprint sensor. A thin silicon nitride film 14 having a thickness of 2000 mm is formed on the surface of the thin plate 13 to prevent contamination due to fingerprints or the like. Reference numeral 15 denotes a finger for detecting a fingerprint, which is placed on the silicon nitride film 14.
[0036]
The spectral sensitivity of the fingerprint sensor is shown in FIG. As can be seen from the figure, this sensor has a sensitivity peak for infrared light with a wavelength of 1030 nm and sensitivity for infrared light with a wavelength of 800 nm to 1200 nm. The sensitivity decrease on the left side of the graph occurs because infrared light does not pass through the thin plate 13, and that on the right side occurs because the photoelectric conversion characteristics of the optical sensor 11 deteriorate.
[0037]
For the illumination light 16 for fingerprint detection of this embodiment, for example, external light consisting of substantially vertical light is used. Outside light mainly includes outdoor light from the sun, indoor light from lighting such as fluorescent lamps, and the like. Although the spectrum of sunlight is broad and continuous, as shown in FIG. 14, the fingerprint detection sensor of this embodiment has only a narrow spectral sensitivity such as a bandpass filter. Equivalent to illuminating 1200 nm light. The light quality of the latter fluorescent lamp is a discrete spectrum mainly existing in the visible light region.
[0038]
An example of fingerprint imaging with room light of the fingerprint sensor of this embodiment is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 15, the image can capture not only the valleys and valleys of the fingerprint but also the holes of the sweat glands, and the spatial resolution is sufficient. The ratio of the brightness of the peak (bright part) and the valley (dark part) is about 1.5, which is also a contrast value that can be explained by the model described above.
[0039]
The material of the thin plate used in the present invention may be any of n-type, i-type, and other high dielectric materials other than the p-type single crystal silicon substrate. In particular, a semiconductor substrate is preferable because of its inherently high dielectric constant. Ge, diamond, or the like can be suitably used without adversely affecting the human body.
[0040]
In addition to the silicon nitride film, silicon-based glass such as a silicon oxide film, ceramic, or the like is appropriate as the thin film for preventing contamination.
These can be easily and inexpensively manufactured by using a known semiconductor process technique on a semiconductor substrate.
The light used for the illumination of the fingerprint may be substantially vertical light such as room light. For example, a dedicated infrared light source may be prepared. In that case, it is desirable to embed and use an infrared LED that emits infrared light in the bottom of the cylindrical reflection container in order to increase the MTF and contrast of the fingerprint.
[0041]
[Second Example]
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a fingerprint detection sensor which is a second embodiment of the present invention.
21 is an optical sensor, 22 is an adhesive, 23 is a single crystal silicon substrate having a resistivity of 100 Ω-cm, and 24 is a gold thin film having a thickness of 50 mm. The same optical sensor 21 and adhesive 22 as those in the first embodiment can be used.
The film thickness of the thin film 24 is 1/20 or less of the wavelength 1030 mm of the illumination light for detecting the fingerprint, and sufficiently transmits the illumination light. Further, since the sheet resistance of the thin film 24 is about 5Ω, the fingerprint sensor can be grounded at a sufficiently low value.
According to this embodiment, even if the resistivity of the thin plate 24 is slightly higher, it can be used for a fingerprint sensor. The material of the thin film used in this embodiment is preferably a noble metal such as silver or copper which has low resistance and is chemically stable. High melting point metals such as titanium and tungsten are also candidates.
[0042]
[Third embodiment]
FIG. 3 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor which is a third embodiment of the present invention.
31 is an optical sensor, 32 is an adhesive, and 33 is a single crystal silicon substrate. A p-type impurity diffusion layer 36 made of Al having a depth of 1 μm is formed near the surface by a known semiconductor process technique.
The diffusion layer 36 is electrically grounded at the end of the sensor. A silicon oxide film 34 having a thickness of 1 μm is similarly formed on the diffusion layer 36 by a semiconductor process technique. Similarly, the oxide film 34 prevents the sensor from being soiled by fingers.
According to this embodiment, the conductivity of the thin plate 33 can be improved by the impurity diffusion layer 36 having a low electrical resistance.
The impurity forming the diffusion layer may be a trivalent (B, Al, Ga) or pentavalent (P, As) atom as a dopant, or a conductive metal atom.
[0043]
[Fourth embodiment]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a fingerprint detection sensor that is a fourth embodiment of the present invention.
Reference numeral 41 denotes a semiconductor substrate on which an optical sensor is formed, and reference numeral 47 denotes a unit pixel having a size of 50 μm square that forms the sensor. Reference numeral 42 denotes an adhesive for bonding the substrate 41 and a thin plate 43 having a high refractive index and a thickness of 150 μm. 43 is a semiconductor germanium substrate having a refractive index of 4.092.
Reference numeral 46 denotes an aluminum film having a thickness of 1000 mm stacked and patterned on the thin plate 43 by a known semiconductor process technique. The pattern of the aluminum film 46 has an opening size of 40 μm square and an opening pitch of 50 μm.
Bonding is performed so that the pattern of the aluminum film 46 corresponds to the position of the pixel 47 of the optical sensor. As a result, the fingerprint image light incident from the opening of the aluminum film 46 is guided to the pixels 47 without waste.
Reference numeral 44 denotes an overcoat having a thickness of 2000 mm made of a silicon nitride film, which is formed on the aluminum film 46, and is made of a silicon nitride film for preventing dirt and preventing abrasion of the aluminum film pattern due to friction of fingers.
[0044]
According to this embodiment, the resistance of the thin plate 43 can be lowered without using a transparent metal such as ITO.
The quality required for the patterned thin film is, for example, good density and adhesion.
A sparse film whose density is reduced by thinning it cannot withstand finger friction. In addition, when the adhesiveness with the base or overcoat is poor, the pattern easily undergoes peeling deformation, resulting in deterioration of the quality of the fingerprint image.
Examples of the film satisfying such characteristics include refractory metals such as tungsten and molybdenum in addition to aluminum.
[0045]
In the present embodiment, unlike the other embodiments, a low resistance conductor layer is not provided on the entire surface. Therefore, even if there is no problem with static electricity, it is not perfect for incident electric fields and electromagnetic waves.
Therefore, it is also effective to provide an electrical shield and shield plate inside the optical sensor in addition to the patterned conductor described above.
It is desirable that the shield plate is provided not only in the pixel portion to which the fingerprint image light is incident but also in a peripheral electric circuit portion (peripheral circuit portion).
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to stably provide a fingerprint sensor that is low in cost, resistant to static electricity, etc. and excellent in resolution and contrast.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a fingerprint sensor member and an insulator portion of the present invention.
FIG. 6 is a model when scattered light is incident on a fingerprint structure.
FIG. 7 is a model when vertical light is incident on a fingerprint / finger structure.
FIG. 8 is a diagram showing incident angle-transmittance characteristics of a scattering model.
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between an incident angle of valley incident light of a scattering model and a position incident on an optical sensor.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between a light receiving position of a scattering model and transmittance.
FIG. 11 is a diagram illustrating a relationship between an incident position and transmittance of a normal incidence model.
FIG. 12 is a diagram illustrating a correspondence between an incident position y and a light receiving position x.
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between a light receiving position and a transmittance of a normal incidence model.
FIG. 14 is a diagram showing the spectral sensitivity of a fingerprint sensor.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of fingerprint imaging with room light of the fingerprint sensor according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
11, 21, 31, 41 Substrate
12, 22, 32, 42 Adhesive
13, 23, 33, 43 Thin plate
14, 24, 34, 44 Thin film
15, 25, 35, 45 fingers
16 Illumination light
36 Diffusion layer
46 patterns
51 sheet
52 resistance
53 Resistance
54 finger terminal
55 fingers
56 Optical sensor side terminal
57 Ground
61, 71 Optical sensor
62, 72 sheet
63, 73 interface
64, 74 cavities
65, 75 fingers inside
66,76 Incident light
67, 77 refracted light

Claims (15)

指紋を光学的に検出する指紋センサにおいて、
複数の光電変換素子からなる光学センサと、前記光学センサの上方に配置され前記指と接触を行う部材とを有し、
前記部材は、指の屈折率よりも高い屈折率であって、導電性を有しており、且つ前記部材は前記光学センサとは絶縁物を介して貼り合わされていることを特徴とする指紋センサ。
In a fingerprint sensor that optically detects fingerprints,
An optical sensor composed of a plurality of photoelectric conversion elements; and a member disposed above the optical sensor and in contact with the finger.
The fingerprint sensor has a refractive index higher than that of a finger and has conductivity, and the member is bonded to the optical sensor via an insulator. .
請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記指紋の検出に用いる光は、前記指に大略垂直に入射する光であることを特徴とする指紋センサ。  2. The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the light used for detecting the fingerprint is light that is incident on the finger substantially perpendicularly. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記指紋の検出に用いる光は、前記指に入射する外光であることを特徴とする指紋センサ。  2. The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the light used for detecting the fingerprint is external light incident on the finger. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記部材は、半導体基板であることを特徴とする指紋センサ。  The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the member is a semiconductor substrate. 請求項4に記載の指紋センサにおいて、前記半導体基板は、シリコン基板であることを特徴とする指紋センサ。  5. The fingerprint sensor according to claim 4, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記部材の表面には、汚れ防止用の薄膜が形成されていることを特徴とする指紋センサ。  2. The fingerprint sensor according to claim 1, wherein a thin film for preventing contamination is formed on the surface of the member. 請求項6に記載の指紋センサにおいて、前記汚れ防止用の薄膜は、シリコン系の化合物やセラミックであることを特徴とする指紋センサ。  7. The fingerprint sensor according to claim 6, wherein the antifouling thin film is a silicon compound or ceramic. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記光学センサは、外部電界又は静電気によって前記部材に誘起される電荷から前記光学センサを保護するために、その内部にシールドプレートが設けられていることを特徴とする指紋センサ。2. The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the optical sensor is provided with a shield plate in order to protect the optical sensor from electric charges induced in the member by an external electric field or static electricity . A fingerprint sensor. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記部材として、抵抗率が0.1Ω−cm以下の基板を用いることを特徴とする指紋センサ。2. The fingerprint sensor according to claim 1, wherein a substrate having a resistivity of 0.1 [Omega] -cm or less is used as the member. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記部材はその表面に金属薄膜を有することを特徴とする指紋センサ。2. The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the member has a metal thin film on a surface thereof. 請求項10に記載の指紋センサにおいて、前記金属薄膜の厚さは、前記指紋を検出する光の波長λの1/10以下であることを特徴とする指紋センサ。11. The fingerprint sensor according to claim 10, wherein a thickness of the metal thin film is 1/10 or less of a wavelength λ of light for detecting the fingerprint. 請求項4又は5に記載の指紋センサにおいて、前記部材はその表面に不純物拡散層を有することを特徴とする指紋センサ。6. The fingerprint sensor according to claim 4, wherein the member has an impurity diffusion layer on a surface thereof. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記部材はその表面にパターニングされた金属薄膜を有し、前記部材の上方には汚れ防止用の薄膜が形成されていることを特徴とする指紋センサ。  2. The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the member has a metal thin film patterned on the surface thereof, and a thin film for preventing contamination is formed above the member. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記絶縁物は、単位面積当りの抵抗値が1012Ω以上であることを特徴とする指紋センサ。The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the insulator has a resistance value per unit area of 10 12 Ω or more. 請求項1に記載の指紋センサにおいて、前記絶縁物は接着剤であることを特徴とする指紋センサ。  The fingerprint sensor according to claim 1, wherein the insulator is an adhesive.
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