JP3898330B2 - 読取装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、指の指紋を読み取るための読取装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、指紋等の微細な凹部及び凸部を有する被読取体を読み取るための読取装置として、面光源上に2次元フォトセンサが設けられ、2次元フォトセンサ上に光学部品が設けられた構造のものがある(例えば特開平8−180173号公報参照)。ところで、最近では、光学部品を省き、基本的には、面光源上に2次元フォトセンサを設けた構造のものが考えられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような読取装置では、2次元フォトセンサの上面に指を直接接触させることになるので、指が静電気を帯びている場合、この静電気により2次元フォトセンサが誤動作したり極端な場合には破損したりするという問題が生じ易くなる。この問題は、2次元フォトセンサを静電気に弱い光電変換薄膜トランジスタで構成しようとする場合等では、極めて重要な問題となる。
この発明の課題は、フォトセンサが静電気により誤動作したり破損したりしないようにすることである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明は、指の指紋を読み取る読取装置であって、光源と、この光源上に設けられ、各々が半導体層を有する複数のフォトセンサからなるセンサ領域を有するフォトセンサデバイスと、このフォトセンサデバイス上に、該フォトセンサデバイスのセンサ領域の全面に亘ってベタ状に設けられ、指に直接接触して静電気を逃がすように露出して配置され、かつ、接地された透明導電層とを具備したものである。
この発明によれば、フォトセンサデバイス上に設けられた透明導電層に静電気逃げ用の機能を持たせると、フォトセンサデバイス上の透明導電層上に接触された指が静電気を帯びていても、この静電気を透明導電層を介して逃がすことができ、したがってフォトセンサデバイスが静電気により誤動作したり破損したりしないようにすることができる。
【0005】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1はこの発明の第1実施形態における読取装置の要部の断面図を示したものである。なお、この読取装置は、微細な凹部及び凸部を有する被読取体を読み取ることができるものであるが、以下の実施形態では指紋を読み取るための指紋読取装置として説明する。この指紋読取装置は、面光源1上に2次元フォトセンサ(フォトセンサデバイス)2が設けられ、2次元フォトセンサ2上にITO等からなる透明導電層3が設けられた構造となっている。このうち面光源1は、エレクトロルミネセンスパネルや液晶表示装置で用いられているエッジライト方式のバックライト等からなっている。エッジライト方式のバックライトの場合には、図示していないが、典型的には、導光板の下面に反射板を設け、導光板の横に発光ダイオード等からなる点光源を1個設け、この点光源を反射シートで被った構造とする。透明導電層3は、静電気を逃がすためのものであって、接地されている。透明導電層3は、蒸着等により、2次元フォトセンサ2の後述するオーバーコート膜23の上面に形成されている。この場合、透明導電層3は、2次元フォトセンサ2の図2において一点鎖線で示す方形状のセンサ領域4よりもやや大きめに設けられている。なお、図2において二点鎖線で示し且つ符合5で示すものは指である。
【0006】
次に、2次元フォトセンサ2について説明する。2次元フォトセンサ2は、複数のフォトセンサ11がマトリックス状に配列されたものからなり、アクリル樹脂やガラス等からなる透明基板12を備えている。透明基板12の上面には、各フォトセンサ11ごとに、クロムやアルミニウム等の遮光性電極からなるボトムゲート電極13が設けられ、その上面全体には窒化シリコンからなるボトムゲート絶縁膜14が設けられている。ボトムゲート絶縁膜14の上面においてボトムゲート電極13に対応する部分にはアモルファスシリコンからなる半導体層15が設けられている。半導体層15の両側におけるボトムゲート絶縁膜14の上面にはn+シリコン層16、17が設けられている。半導体層15の上面には窒化シリコンからなるブロッキング層18が設けられている。ブロッキング層18の上面両側、n+シリコン層16、17の上面及びボトムゲート絶縁膜14の上面にはクロムやアルミニウム等の遮光性電極からなるソース電極19及びドレイン電極20が設けられ、その上面全体には窒化シリコンからなるトップゲート絶縁膜21が設けられている。トップゲート絶縁膜21の上面において半導体層15に対応する部分にはITO等の透明電極からなるトップゲート電極22が設けられ、その上面全体には窒化シリコンからなるオーバーコート膜23が設けられている。そして、この2次元フォトセンサ2では、その下面側から光がランダムに入射されると、この光は、遮光性電極からなるボトムゲート電極13、ソース電極19及びドレイン電極20の部分以外からなる透過部を透過するとともに、ボトムゲート電極13によって遮光されて半導体層15に直接入射しないようになっている。
【0007】
次に、この指紋読取装置の動作について簡単に説明する。面光源1の上面からランダムに出射された光が2次元フォトセンサ2の透過部及び透明導電層3を透過し、この透過光が透明導電層3上に接触された指5(図2参照)を下方からランダムに照射し、指5の表面で反射された光が透明導電層3及びその近傍の透明電極からなるトップゲート電極22を透過してその下の半導体層15のソース電極19及びドレイン電極20間の入射面より入射される。この場合、透明導電層3の表面に接触された指5の指紋の凸部(隆線)に対応する部分が明状態となり、指5の指紋の凹部(降線)に対応する部分が暗状態となる。かくして、指5の指紋の凹凸に応じた光学的に明暗の強調された画像が得られ、指5の指紋が読み取られることになる。
【0008】
ところで、この指紋読取装置では、2次元フォトセンサ2上に透明導電層3を設け、この透明導電層3を接地しているので、2次元フォトセンサ2上の透明導電層3上に接触された指5から放出される静電気を透明導電層3を介して逃がすことができ、したがってこの静電気により2次元フォトセンサ2が誤動作したり破損したりしないようにすることができる。
【0009】
次に、この指紋読取装置の要部の回路ブロックを図3に示す。この指紋読取装置は、フォトセンサ部31、フォトセンサドライバ32、CTR(コントローラ)33、クロック発生部34、A/D(アナログ−デジタル)変換部35、S/P(シリアル−パラレル)変換部36、標準パターンメモリ37、照合部38、判断部39等を備えている。
【0010】
フォトセンサ部31は、図4に示すように、図1に示すフォトセンサ11が複数マトリックス状に配列された部分からなっている。ところで、図1に示すように、1つのフォトセンサ11では、ボトムゲート電極(BG)13、半導体層15、ソース電極(S)19及びドレイン電極(D)20等によってボトムゲート型トランジスタが構成され、トップゲート電極(TG)22、半導体層15、ソース電極(S)19及びドレイン電極(D)20等によってトップゲート型トランジスタが構成されている。すなわち、フォトセンサ11は、半導体層15の下側及び上側にそれぞれボトムゲート電極(BG)13及びトップゲート電極(TG)22が配置された光電変換薄膜トランジスタによって構成され、その等価回路は図5のように示すことができる。
【0011】
図4に戻って説明を続けると、各フォトセンサ11のボトムゲート電極(BG)は、行方向に延びて配列されたボトム電極線41に接続されている。各フォトセンサ11のドレイン電極(D)は、列方向に延びて配列された信号線42に接続されている。各フォトセンサ11のトップゲート電極(TG)は、行方向に延びて配列されたトップ電極線43に接続されている。各フォトセンサ11のソース電極(S)は接地されている。
【0012】
図3に示すフォトセンサドライバ32は、図4に示すように、ボトム電極線41に接続された垂直走査回路であるボトムアドレスデコーダ44と、信号線42に接続された水平走査回路であるコラムスイッチ45と、トップ電極線43に接続されたトップアドレスデコーダ46とを備えている。ボトムアドレスデコーダ44は、行ごとに配列されたフォトセンサ11のボトムゲート電極(BG)に対してボトム電極線41を介してボトムゲート電圧VBGを印加するようになっている。トップアドレスデコーダ46は、行ごとに配列されたフォトセンサ11のトップゲート電極(TG)に対してトップ電極線43を介してトップゲート電圧VTGを印加するようになっている。
【0013】
コラムスイッチ45には、プリチャージトランジスタ47を介してドレイン電圧VDDが入力されるようになっている。また、このコラムスイッチ45からバッファ48を介して出力信号VOUTが出力されるようになっている。すなわち、コラムスイッチ45は、プリチャージトランジスタ47がプリチャージ電圧VPCを入力されてオンする度に、各信号線42に接続された各フォトセンサ11の出力をバッファ48を介して、出力信号VOUTとして出力するようになっている。
【0014】
図3に示すクロック発生部34は、発振回路や分周回路等を備え、CTR33に所定周波数のクロック信号及びリセット信号を出力するようになっている。CTR33は、クロック発生部34から入力されるクロック信号及びリセット信号に基づいて、フォトセンサドライバ32にセンス信号及びリセット信号として、ボトムゲート電圧VBG及びトップゲート電圧VTGを出力し、また図4に示すプリチャージトランジスタ47にプリチャージ電圧VPC及びドレイン電圧VDDを出力するようになっている。
【0015】
図3に示すA/D変換部35は、フォトセンサ部31からフォトセンサドライバ32(つまり、図4に示すコラムスイッチ45)を介して出力される出力信号VOUTをA/D変換するようになっている。S/P変換部36は、A/D変換部35からの出力信号をS/P変換するようになっている。標準パターンメモリ37は、複数の特定者の指紋に対応する指紋画像信号を標準パターン信号として予めメモリしたものである。照合部38は、S/P変換部36からの出力信号を標準パターンメモリ37から順次呼び出される標準パターン信号と照合し、各照合信号を判断部39に出力するようになっている。判断部39は、照合部38からの各照合信号に基づき、そのときのフォトセンサ部31からの出力信号VOUTに応じた指紋画像信号が標準パターンメモリ37に予めメモリされた特定者のものであるか否かを判断し、判断信号を出力するようになっている。
【0016】
次に、図5及び図1を参照して、フォトセンサ11の動作について説明する。フォトセンサ11のソース電極(S)−ドレイン電極(D)間に正電圧(例えば+5V)が印加された状態において、ボトムゲート電極(BG)に正電圧(例えば+10V)が印加されると、半導体層15にチャネルが形成され、ドレイン電流が流れる。この状態で、トップゲート電極(TG)にボトムゲート電極(BG)の電界によるチャネルを消滅させるレベルの負電圧(例えば−20V)が印加されると、トップゲート電極(TG)からの電界がボトムゲート電極(BG)の電界によるチャネル形成に対してそれを妨げる方向に働き、チャネルがピンチオフされる。このとき、トップゲート電極(TG)側から半導体層15に光が照射されると、半導体層15のトップゲート電極(TG)側に電子−正孔対が誘起される。この電子−正孔対は半導体層15のチャネル領域に蓄積され、トップゲート電極(TG)の電界を打ち消す。このため、半導体層15にチャネルが形成され、ドレイン電流が流れる。このドレイン電流は半導体層15への入射光量に応じて変化する。このように、この2次元フォトセンサ2では、トップゲート電極(TG)からの電界がボトムゲート電極(BG)の電界によるチャネル形成に対してそれを妨げる方向に働き、チャネルをピンチオフするものであるので、光無入射時に流れるドレイン電流を極めて小さくすることができ、例えば10-14A程度にすることができる。この結果、光入射時と光無入射時とで流れるドレイン電流の差を十分大きくすることができる。また、このときのボトムゲート型トランジスタの増幅率は、入射された光量によって変化し、S/N比を大きくすることができる。
【0017】
ところで、この2次元フォトセンサ2では、1つのフォトセンサ11にセンサ機能と選択トランジスタ機能とを兼用させることができる。次に、これらの機能について簡単に説明する。ボトムゲート電極(BG)に正電圧(+10V)が印加された状態において、トップゲート電極(TG)を例えば0Vにすると、半導体層15とトップゲート絶縁膜19との間のトラップ準位から正孔を吐き出させてリフレッシュ、つまりリセットすることができる。すなわち、連続して使用されると、半導体層15とトップゲート絶縁膜19との間のトラップ準位が光照射により発生する正孔とドレイン電極(D)から注入される正孔とによって埋められていき、光無入射状態でのチャネル抵抗が小さくなり、光無入射時にドレイン電流が増加する。そこで、トップゲート電極(TG)を0Vとし、この正孔を吐き出させてリセットする。
【0018】
また、ボトムゲート電極(BG)に正電圧が印加されていない場合には、ボトムゲート型トランジスタにチャネルが形成されず、光入射が行われても、ドレイン電流が流れず、非選択状態とすることができる。すなわち、ボトムゲート電極(BG)に印加する電圧を制御することにより、選択状態と非選択状態とを制御することができる。また、非選択状態において、トップゲート電極(TG)に0Vを印加すると、上記同様に、半導体層15とトップゲート絶縁膜19との間のトラップ準位から正孔を吐き出させてリセットすることができる。
【0019】
以上の結果、例えば図6に示すように、トップゲート電圧VTGを0Vと−20Vとに制御することにより、センス状態とリセット状態とを制御することができる。また、ボトムゲート電圧VBGを0Vと+10Vとに制御することにより、選択状態と非選択状態とを制御することができる。すなわち、トップゲート電圧VTG及びボトムゲート電圧VBGを制御することにより、1つのフォトセンサ11にフォトセンサとしての機能と選択トランジスタとしての機能とを兼ね備えさせることができる。
【0020】
次に、図3及び図4を参照して、2次元フォトセンサ2の動作について説明する。クロック発生部34は所定周波数のクロック信号及びリセット信号をCTR33に出力する。CTR33は、クロック発生部34からのクロック信号及びリセット信号に基づいて、フォトセンサドライバ32にセンス信号及びリセット信号として、ボトムゲート電圧VBG及びトップゲート電圧VTGを出力し、またプリチャージトランジスタ47にプリチャージ電圧VPC及びドレイン電圧VDDを出力する。
【0021】
そして、まず、第1行目の各フォトセンサ11に対して、ボトムゲート電圧VBG及びトップゲート電圧VTGを0Vとし、リセットする。また、このリセット中にプリチャージトランジスタ47に所定時間だけプリチャージ電圧VPCを印加して、すべての信号線42にドレイン電圧VDD(+5V)を印加することによりプリチャージする。次に、トップゲート電圧VTGを−20Vとし、各フォトセンサ11をセンス状態とする。次に、ボトムゲート電圧VBGを+10Vとし、各フォトセンサ11を選択状態とする。すると、光入射量(光量)に応じて、各フォトセンサ11の出力信号VOUTが0Vに変化したり、+5Vのままであったりする。この各フォトセンサ11の出力信号VOUTはコラムスイッチ45からバッファ48を介して出力される。これ以降、第2行目〜最終行目の各フォトセンサ11に対して、上記と同様の動作を行う。これ以後の動作については省略する。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、フォトセンサデバイス上に設けられた透明導電層に静電気逃げ用の機能を持たせると、フォトセンサデバイス上の透明導電層上に接触された指が静電気を帯びていても、この静電気を透明導電層を介して逃がすことができ、したがってフォトセンサデバイスが静電気により誤動作したり破損したりしないようにすることができる。
【0023】
次に、この指紋読取装置の回路の要部を図8に示す。この図において、図4と同一部分には同一の符合を付し、その説明を適宜省略する。一方の透明導電膜3Aは抵抗51を介してドレイン電圧VDDを出力するCTR33(図3参照)に接続され、他方の透明導電膜3Bは接地されている。一方の透明導電膜3Aと抵抗51との間はインバータ回路52を介してCTR33に接続されている。CTR33は、インバータ回路52からHレベル信号が入力されたとき、スイッチ切換信号をスイッチ制御部53に出力するようになっている。スイッチ制御部53は、CTR33からスイッチ切換信号が入力されたとき、スイッチ制御信号をスイッチ回路54に出力するようになっている。スイッチ回路54は、常開スイッチからなり、コラムスイッチ45とプリチャージトランジスタ47との間に設けられている。
【0024】
さて、この指紋読取装置において、一対の透明導電膜3A、3Bを含む2次元フォトセンサ2上に指5が接触された場合には、一対の透明導電膜3A、3B間に指5の接触部に応じた抵抗が挿入され抵抗51との間の電位は抵抗51と指の抵抗値とによって分割された電位に低下する。このため、インバータ回路52の入力がHレベルからLレベルとなり、インバータ回路52の出力がHレベルに変化し、このHレベルの信号がCTR33に出力される。CTR33は、インバータ回路52からHレベル信号が入力されると、スイッチ切換信号をスイッチ制御部53に出力する。スイッチ制御部53は、CTR33からスイッチ切換信号が入力されると、スイッチ制御信号をスイッチ回路54に出力し、スイッチ回路54が閉状態となる。すると、コラムスイッチ45とプリチャージトランジスタ47とがスイッチ回路54を介して接続され、図4に示す場合と同様の状態となり、指紋読取動作が開始されることになる。
【0025】
このように、この指紋読取装置では、一対の透明導電膜3A、3Bを含む2次元フォトセンサ2上に指5が接触されたとき、この接触された指5の抵抗を検出し、この検出信号により指紋読取動作を開始しているので、指紋読取動作を自動的に開始することができ、便利である。また、図7に示すように、2次元フォトセンサ2のセンサ領域4の大部分を被っている他方の透明導電膜3Bを接地しているので、静電保護機能を発揮することができる。なお、例えば指5の指紋像をコピーしたコピー紙が一対の透明導電膜3A、3Bを含む2次元フォトセンサ2上に載置された場合、コピー紙は絶縁物であるので、一対の透明導電膜3A、3Bによる抵抗検出が行われず、コピー紙による不正を未然に防止することができる。
【0026】
(第3実施形態)
図9はこの発明の第3実施形態における指紋読取装置の要部の平面図を示したものである。この指紋読取装置では、2次元フォトセンサ2のオーバーコート膜23の上面において方形状のセンサ領域4内の四隅及びその各外側にそれぞれ各一対の櫛刃状の透明導電膜3A、3Bが設けられている。この4組の透明導電膜3A、3Bは、当該4組の透明導電膜3A、3Bを含む2次元フォトセンサ2上に指5が接触されたとき、後述するように、この接触された指5の抵抗を検出し、この検出信号により指紋読取動作を開始させるためのものであるが、静電保護機能を兼ね備えることもできる。
【0027】
次に、この指紋読取装置の回路の要部を図10に示す。この図において、図8と同一名称部分には同一の符合を付し、その説明を適宜省略する。4組の透明導電膜3A、3Bに対応する4つのインバータ回路52の各出力側は、CTR33に接続されているとともに、1つのアンド回路55の入力側に接続されている。アンド回路55の出力側はCTR33に接続されている。
【0028】
さて、この指紋読取装置において、4組の透明導電膜3A、3Bを含む2次元フォトセンサ2上に指5が接触された場合には、各組の透明導電膜3A、3B間に指5の接触部に応じた抵抗が発生し、4つのインバータ回路52の各出力がLレベル信号からHレベル信号に変化し、これらのHレベル信号がアンド回路55に出力される。アンド回路55は、4つのインバータ回路52のすべてからHレベル信号が入力されると、アンド信号をCTR33に出力する。この場合、インバータ回路52からHレベル信号がCTR33に直接出力されるが、CTR33はこのHレベル信号を無視する。そして、以下、図8を参照して説明すると、CTR33は、アンド回路55からアンド信号が入力されると、スイッチ切換信号をスイッチ制御部53に出力する。スイッチ制御部53は、CTR33からスイッチ切換信号が入力されると、スイッチ制御信号をスイッチ回路54に出力し、スイッチ回路54が閉状態となる。すると、コラムスイッチ45とプリチャージトランジスタ47とがスイッチ回路54を介して接続され、図4に示す場合と同様の状態となり、指紋読取動作が開始されることになる。
【0029】
ところで、この指紋読取装置では、2次元フォトセンサ2のセンサ領域4に対する指5の接触位置及び接触態様(十分に接触させている否か)が正常でない場合、つまり、4組の透明導電膜3A、3Bのすべてに指5が接触されない場合、アンド回路55からアンド信号が出力されないことになる。このような場合には、4組の透明導電膜3A、3Bのうちいずれかの1組乃至3組の透明導電膜3A、3Bに指5が接触されることになるので、この指5の接触された組の透明導電膜3A、3Bに対応するインバータ回路52からHレベル信号がCTR33に出力される。すると、CTR33は、アンド回路55からのアンド信号の入力が無いことと、いずれかのインバータ回路52からのHレベル信号の入力が有ることに基づき、指接触不良信号を図示しない制御部に出力する。すると、制御部は、2次元フォトセンサ2のセンサ領域4に対する指5の接触位置または接触態様が正常でないことを、例えば「再度指を置きなおしてください」という表示や音声等の報知手段によって報知させる。
【0030】
また、この指紋読取装置では、図10に示すように、各組の他方の透明導電膜3Bを接地しているので、静電保護機能を発揮することができる。しかし、この実施形態の場合には、図9に示すように、2次元フォトセンサ2の方形状のセンサ領域4内の四隅及びその各外側にそれぞれ各一対の透明導電膜3A、3Bを設けているので、センサ領域4内の中央部が静電気に対してやや弱くなる。そこで、例えば図11に示すこの発明の第4実施形態のように、センサ領域4内の中央部にほぼ十字状の静電気逃げ用の透明導電膜3Cを設けるようにしてもよい。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、フォトセンサデバイス上に設けられた透明導電層に静電気逃げ用の機能を持たせると、フォトセンサデバイス上の透明導電層上に接触された指等が静電気を帯びていても、この静電気を透明導電層を介して逃がすことができ、したがってフォトセンサデバイスが静電気により誤動作したり破損したりしないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施形態における指紋読取装置の要部の断面図。
【図2】図1に示す指紋読取装置の要部の平面図。
【図3】図1に示す指紋読取装置の要部の回路ブロック図。
【図4】図3に示すフォトセンサ部及びフォトセンサドライバの部分の回路図。
【図5】図1に示すフォトセンサの等価回路図。
【図6】(A)〜(D)はそれぞれ図5に示すフォトセンサの各電極に印加する電圧とその状態の変化を説明するために示す図。
【図7】この発明の第2実施形態における指紋読取装置の要部の平面図。
【図8】図7に示す指紋読取装置の要部の回路図。
【図9】この発明の第3実施形態における読取装置の要部の平面図。
【図10】図9に示す指紋読取装置の要部の回路図。
【図11】この発明の第4実施形態における読取装置の要部の平面図。
【符号の説明】
1 面光源
2 2次元フォトセンサ
3 透明導電層
Claims (3)
- 指の指紋を読み取る読取装置であって、光源と、この光源上に設けられ、各々が半導体層を有する複数のフォトセンサからなるセンサ領域を有するフォトセンサデバイスと、このフォトセンサデバイス上に、該フォトセンサデバイスのセンサ領域の全面に亘ってベタ状に設けられ、指に直接接触して静電気を逃がすように露出して配置され、かつ、接地された透明導電層とを具備することを特徴とする読取装置。
- 請求項1記載の発明において、前記フォトセンサデバイスは、フォトセンサが2次元状に配列された2次元フォトセンサからなることを特徴とする読取装置。
- 請求項1記載の発明において、前記フォトセンサデバイスの各フォトセンサからは、前記透明導電層に接触された指の隆線に対応する部分が明状態となり、指の降線に対応する部分が暗状態となる画像が得られることを特徴とする読取装置。
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