JP4035584B2

JP4035584B2 - 向上した特徴を有する電界フィンガプリントセンサ及びそれに関連する方法

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Publication number: JP4035584B2
Application number: JP54929898A
Authority: JP
Inventors: デイルアールセトラック; フォンノニコラースウェーファン; レックスロウザー; デイヴゲバウアー
Original assignee: オーセンテックインコーポレイテッド
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: AU7290298A; WO1998052147A1; JP2002502519A; KR100507986B1; EP0981801B1; US5940526A; EP0981801A1; DE69808073T2; KR20010012634A; DE69808073D1

Description

本発明は、個人識別及び確認の分野に関するものであり、特に指紋検出及び処理の分野に関するものである。
指紋検出及び整合は、信頼性があり、個人識別又は確認のために広く用いられている技術である。特に、指紋識別の共通のアプローチは、サンプル指紋又はそのイメージの走査と、イメージ及び／又は指紋イメージの独自の特性の記憶に関連する。サンプル指紋の特徴は、既にデータベースに存在する基準指紋の情報と比較されて、例えば確認のために個人の適切な識別を決定する。
典型的な電子フィンガープリントセンサは、可視光、赤外光又は超音波放射を用いた指紋表面の照射に基づく。反射されたエネルギーは例えばカメラの形態を用いて捕獲され、結果的に得られるエネルギーは、フレーム化され、デジタル化され、かつ、静止デジタルイメージとして記憶される。米国特許番号第４，２１０，８９９号の明細書は、個人がコンピュータ端末にアクセスできるような確実なアクセスアプリケーションのために中央処理装置と共同する光走査指紋リーダを開示する。米国特許番号第４，５２５８５９号は、指紋のイメージを捕獲し、指紋の詳細すなわち指紋の隆起の分岐及び終端を用いて基準指紋のデータベースとの整合を決定するビデオカメラを開示している。
しかしながら、光学的な検出は、汚れた指によって悪影響が及ぼされ、又は光センサは、実際の有効な指紋以外の指紋の写真又は印刷されたイメージの表示によって欺かれるおそれがある。
米国特許番号第４，３５３，０５６号の明細書は、有効な指紋を走査する他のアプローチを開示する。特に、この特許は、装置の走査面に平行な面に配置した非常に小さいキャパシタのアレイを開示する。指が検出面に接触してその面が変形すると、キャパシタの直列接続の電圧分布が変化する。キャパシタの各々の電圧はマルチプレクサ技術によって決定される。
米国特許番号第５，３２５，４４２号の明細書は、複数の検出電極を有するフィンガープリントセンサを開示する。検出電極の有効なアドレス指定は、各検出電極に関連した切替装置を設けることによって可能になる。キャパシタは、上に存在する接地電位の指接触面の部分の各々と検出電極の各々とを組み合わせることによって有効に形成される。センサは、半導体ウエハ及び集積回路技術を用いて製造される。指が配置される誘電体材料を、検出電極のアレイの上全体に亘る連続層として設けられる窒化珪素又はポリイミドによって設ける。
米国特許番号第４，８１１，４１４号の明細書は、雑音を平均化し、照射を均一にし、方向性のフィルタ処理を行い、湾曲を補正し、かつ、光学的に発生した指紋イメージのスケール補正を行う方法を開示する。
本発明の目的は、比較的廉価であるとともに強固なフィンガープリントセンサ及びそれに関連する方法を提供することである。
本発明は、基板と、
その基板に隣接するとともに能動回路部を規定する複数の半導体装置と、
これら複数の半導体装置のうちの予め設定されたものに相互接続する第１金属層と、
その第１金属層に隣接する第１誘電体層と、
接地面を規定する前記第１誘電体層に隣接する第２金属層と、
その第２金属層に隣接する第２誘電体層と、
その第２誘電体層に隣接し、前記能動回路部に接続して検出した指紋に関連する信号を発生させる電界検出電極のアレイを具える第３金属層とを具えることを特徴とするフィンガープリントセンサを有する。
また、本発明は、基板を形成するステップと、
その基板に隣接するとともに能動回路部を規定する複数の半導体装置を形成するステップと、
これら複数の半導体装置のうちの予め設定されたものに相互接続する第１金属層を形成するステップと、
その第１金属層に隣接する第１誘電体層を形成するステップと、
接地面を規定する前記第１誘電体層に隣接する第２金属層を形成するステップと、
その第２金属層に隣接する第２誘電体層を形成するステップと、
その第２誘電体層に隣接し、前記能動回路部に接続して検出した指紋に関連する信号を発生させる電界検出電極のアレイを具える第３金属層を形成するステップとを具えることを特徴とするフィンガープリントセンサの製造方法を有する。
通常、フィンガープリントセンサは、基板に隣接し、能動回路部を規定しかつ三つの金属層のみを有する複数の半導体装置を有する。より詳しくは、センサは、複数の半導体装置のうちの予め設定したものと相互接続する第１金属層と、接地面を規定する第２金属層と、能動回路部に接続して検知した指紋に関連する信号を発生させる電界検出電極のアレイを具える第３金属層とを有する。介在する第１誘電体層及び第２誘電体層を、第１金属層と第２金属層との聞及び第２金属層と第３金属層との間にそれぞれ配置する。第３誘電体層を第３金属層に隣接して設けることもできる。
フィンガープリントセンサは、基板を包囲するとともに電界検出電極のアレイに整列した開口部を有するパッケージも有する。また、第１外部電極を、指によって接触させるためにパッケージによって支持する。したがって、センサは、接地面と第１外部電極との間に接続して電位か検出電極と隣接する指の部分との間に電界を発生させる駆動手段も有する。
好適には、第１外部電極への指の接触に基づいて能動回路部の動作を制御するパワー制御手段を設ける。パワー制御手段は、第１外部電極への指の接触の検出に応じてのみ能動回路部を給電して電力を節約する起動手段を有する。パワー制御手段は、第１外部電極への指の非接触に応じて能動回路部を接地する保護手段も具える。
さらに、フィンガープリントセンサは、接触に応じて指からの電荷をブリードする指電荷ブリード手段も具える。指ブリード手段を、指を接触させるためにパッケージによって支持した第２外部電極と、第２外部電極とアースとの間に接続した電荷ブリード抵抗とによって設ける。また、指電荷ブリード手段及びパワー制御手段を、能動回路給電前に電荷ブリード手段が指の電荷を除去するまで能動回路部を接地した状態にするように構成する。したがって、パワーは、センサ及びセンサによって設けられたＥＳＤ保護部において節約され、その結果、センサが比較的廉価になり、強固になり、かつ、パワーを節約する。
雑音を更に除去するために、センサは、電界検出電極及び関連のシールド電極の対を有する。また、増幅器を各対の間に接続することができる。さらに、各増幅器を約１より大きい増幅利得によって作動させて、雑音を更に除去する。
本発明の方法の態様は、フィンガープリントセンサの製造に関する。この方法は、基板を形成するステップと、その基板に隣接するとともに能動回路部を規定する複数の半導体装置を形成するステップと、これら複数の半導体装置のうちの予め設定されたものに相互接続する第１金属層を形成するステップと、その第１金属層に隣接する第１誘電体層を形成するステップと、接地面を規定する前記第１誘電体層に隣接する第２金属層を形成するステップと、その第２金属層に隣接する第２誘電体層を形成するステップと、その第２誘電体層に隣接し、前記能動回路部に接続して検出した指紋に関連する信号を発生させる電界検出電極のアレイを具える第３金属層を形成するステップとを具える。
他の方法は、基板に隣接するとともに能動回路部を規定して検出した指紋に関連する出力を発生させる複数の半導体装置と、基板を包囲するパッケージと、指を接触させるために前記パッケージによって支持される第１外部電極とを具えるフィンガープリントセンサの動作を制御する方法である。この方法は、好適には、前記第１外部電極への指の接触の検出に応じてのみ前記能動回路部を給電するステップと、前記第１外部電極への指の非接触の検出に応じて前記能動回路部を接地するステップとを具える。この方法は、前記パッケージに指が最初に接触する際、前記能動回路部を接地から給電状態に切り替える前に、指からの電荷をブリードするステップを具えてもよい。
本発明を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、フィンガープリントセンサの上面図である。
図２は、図１に示すフィンガープリントセンサの回路部の線形図である。
図３は、図１に示すフィンガープリントセンサの検出部の拡大した上面図である。
図４は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形図である。
図５は、図１に示すフィンガープリントセンサの一部の拡大断面図である。
図６は、フィンガープリントセンサの他の例の一部の拡大断面図である。
図７は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の部分の拡大断面図である。
図８は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形ブロック図である。
図９は、図８に示す回路の一部の線形回路図である。
図１０は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形ブロック図である。
図１１は、図１０に示す回路部の他の例の線形ブロック図である。
図１２は、図１に示すフィンガープリントセンサの他の回路部の線形ブロック図である。
図１３は、図１２に示す回路部の他の例の線形ブロック図である。
図１−３を参照すると、フィンガプリントセンサ３０は、ハウジングすなわちパッケージ５１と、指を載せ置く面を規定するパッケージの上面に露出した誘電体層５２と、図示しない複数の出力ピンとを有する。誘電体層５２の周辺の第１の導電ストリップすなわち外部電極５４及び第２の外部電極５３は、後に詳細に説明するように指７９に対する接触電極を規定する。センサ３０は、パッケージで具体化された処理レベルに依存する洗練されたレベルの範囲の出力信号を発生させる。
センサ３０は、図３に最もよく示すようなアレイパターンに配置した複数の画素すなわち検出部３０ａを有する。これら検出部は、典型的な指紋の隆起部５９及びそれに介在する窪み６０を検出できるようにするために比較的小さい。電界センサ３０からの直接的な指紋の読み取りは、光検出に比べて信頼性がある。その理由は、隆起部及び窪みのパターンの指の皮膚のインピーダンスを真似るのが非常に困難だからである。それに対して、光センサは、例えば指の写真又は他の同様なイメージによって容易に欺くことができる。
センサ３０は、基板６５と、線形的に示した増幅器７３のような基板上に形成した１個以上の能動半導体装置とを有する。第１金属層６６は能動半導体装置に相互接続する。第２のすなわち基面電極層６８は、第１金属層６６の上に存在し、絶縁層６７によってそれから分離している。第３金属層７１を、他の誘電体層７０の上に配置する。図示した実施の形態において、第１の外部電極５４を励起すなわち駆動増幅器７４に接続し、指７９によって駆動される信号を、典型的には約１ＫＨｚから１ＭＨｚまでの範囲とする。したがって、駆動すなわち励起される電子の振る舞いは比較的複雑でなく、センサ３０の全体に亘るコストは比較的低くなり、かつ、信頼性が高い。
円形の電界検出電極７８を絶縁層７０の上に配置する。検出電極７８を、線形的に示す基板６５に隣接した形成した図示した増幅器７３のような検出集積電子部品に接続する。
環状のシールド電極８０は、スペースを設けながら検出電極７８を包囲する。当業者には容易に理解できるように、検出電極７８及びそれを包囲するシールド電極８０は、例えば最密配置又は画素すなわち検出部３０ａのアレイを容易にするために六角形のような他の形状を有してもよい。シールド電極８０を、増幅器７３の出力の一部によって駆動される能動シールドとして、電界エネルギーの収束を助長するとともに、隣接する電界検出電極７８を駆動させる必要を少なくする。
センサ３０は、３個の金属すなわち導電層６６，６８及び７１のみを有する。センサ３０を、追加の金属層を必要とすることなく形成することができ、そうでない場合、製造コストが増大するとともに歩留まりが減少する。したがって、センサ３０は、４個以上の金属層を有するセンサに比べて廉価なものとなり、強固なものとなり、かつ、信頼性が高くなる。
増幅器７３を、シールド電極８０を駆動させるために約１より大きい利得で作動させる。安定性の問題は増幅器７３の動作に悪影響を及ぼさない。さらに、通常モード及び一般的な雑音除去を、本発明のこの形態によって大幅に向上させる。さらに、１より大きい利得は、当業者には容易に理解できるように検出電極７８に対して電界を収束する傾向にある。
検出部３０ａは非常に低い電流及び非常に高いインピーダンスで作動する。例えば、各検出電極７８からの出力信号を好適には約５−１０ｍＶとして、雑音の影響を減少させるとともに信号の更なる処理を許容する。シールド電極８０の外形によって規定したような各検出部３０ａの平均直径を約０．００２−０．００５インチとする。基面電極６８は能動電子装置を不所望な励起から保護する。能動電子回路に対する電極７８，８０の種々の信号通過導体を容易に形成することができる。
センサ３０の全体に亘る接触すなわち検出面を、好適には、容易に製造できるとともに正確な指紋検出及び識別を行うのに十分広い面を提供するサイズ−０．５インチ×０．５インチとする。本発明によるセンサ３０は、有効でない画素又は検出部３０ａも許容する。典型的なセンサ３０は、２５６画素すなわち検出部×２５６画素すなわち検出部のアレイを有するが、他のアレイサイズも本発明によって意図される。センサ３０を、主に通常の半導体性製造技術を用いて一度に製造して、製造コストを著しく減少させることができる。
図４において、センサ３０の他の態様を示す。センサは、図示した指検出ブロックすなわち回路１０１によって決定されるように第１外部電極５４に接触する指の検出に基づいて能動回路部１００の動作を制御するパワー制御手段を有する。例えば、指検出回路１０１は、振動子に対するインピーダンスの変化に基づいて動作して、指の接触を決定する。当然、指の接触検出に対する他のアプローチも本発明によって意図される。パワー制御手段は、第１外部電極への指の接触の検出に応じてのみ能動回路部に給電してパワーを節約する起動手段を有する。パワー制御手段は、第１外部電極への指の接触の非検出に応じて能動回路を接地する保護手段も具える。図示した実施の形態において、起動制御回路及び保護制御回路の組合わせ１０２を示す。
フィンガプリントセンサ３０は、接触する指又は他のオブジェクトからの電荷をブリードする指電荷ブリード手段を更に具える。指電荷ブリード手段を、パッケージ５１によって支持される指接触用の第２外部電極５３及び第２外部電極とアースとの間に接続した電荷ブリード抵抗１０４によって設けられる。図４の右上に線形的に示したように、第２電極を、露出した上側誘電体層５２に対する開口部をカバーするためにパッケージ５１にスライド自在に接続した導電カバー５３’によって設けることもできる。旋回心軸で回転するように接続したカバーも本発明によって意図される。したがって、通常の状態の下では、カバー５３’を移動させてセンサ３０の検出部が露出すると電荷が指からブリードされる。
指電荷ブリード手段及びパワー制御手段を、抵抗１０４を通じて放電するのに十分な起動中に短時間の遅延を設けるようにして、能動回路部に給電する前に電荷ブリード手段が指の電荷を除去できるようになるまで能動部を接地した状態にする。したがって、パワーは、センサ３０及びセンサによって設けられたＥＳＤ保護部によって保持され、その結果、センサは、比較的廉価になり、強固になり、かつ、パワーを節約する。
図５において、センサ３０の他の重要な形態を示す。誘電体カバー５２は、好適には、電界検出電極７８の各々において図示した電気力線によって示すような電界を収束するｚ軸異方性誘電体層１１０を具える。すなわち、誘電体層１１０は、比較的厚いが、材料のｚ軸異方性のために伝播する電界を収束しない。典型的には、電界収束と機械的な保護とは相反するものである。しかしながら、収束するのに好適な薄膜は、下に存在する回路に対して損傷を被りやすくなる。
例えば、本発明のｚ軸異方性誘電体層１１０は、約０．０００１−０．００４インチの範囲の厚さを有する。当然、ｚ軸異方性誘電体層１１０は、化学的な抵抗及び指に対する強力な機械的な耐性を有し、溶剤による周期的な洗浄を可能にする。ｚ軸異方性誘電体層１１０は、好適には集積回路盤に対する最外郭保護面を規定する。したがって、全体に亘る誘電体カバー５２は、集積回路盤１２０の上及びｚ軸異方性誘電体層１１０の下にある少なくとも一つの比較的薄い酸化物、窒化物、炭化物又はダイヤモンド層１１１も有する。薄膜１１１を、典型的には比較的硬くし、ｚ軸異方性誘電体層１１０を好適には柔らかくして、機械的な衝撃を吸収する。
ｚ軸異方性誘電体層１１０を、硬化マトリックスへの複数の配向誘電体粒子によって設ける。例えば、ｚ軸異方性誘電体層１１０は、ポリイミドマトリックスにチタン酸バリウムを具える。例えば、所定のセラミックスは誘電異方性を呈する。
図６において、ｚ軸誘電体カバー５２’の他の変形を、対応する電界検出電極７８に整列した複数の高誘電体部１１２及びそれを包囲する下側誘電体部１１３のマトリックスによって示す。誘電体カバー５２’の本例を、高誘電体部又は低誘電体部の層を形成し、それを選択的にエッチングし及び開口部に正反対の材料を充填するようにして、複数の方法で形成する。他のアプローチによって、分極可能なマイクロカプセルを使用するとともに、マトリックス材料の硬化中に電界をかける。材料を圧縮してｚ軸異方性にする。当業者には容易に理解できるように、レーザ及び他の選択処理技術を用いることもできる。
本発明の他の態様は、集積回路盤１２０の上側表面全体を完全にカバーし及び保護することができること並びに図７を参照して更に説明するような外部装置及び回路との接続及び通信を許容することに関する。第３金属層７１（図２）は、好適には、集積回路盤１２０の容量性結合を許容する複数の容量性結合パッド１１６ａ−１１８ａも有する。したがって、誘電体カバー５２は、容量性結合パッド１１６ａ−１１８ａ及び画素３０ａ（図１）の電界検出電極７８のアレイ全体に亘って連続的である。本発明のこの形態に対して、通常、接合パッドに電気的に接続するために外側コーティングを通じて開口部を形成する。しかしながら、その開口部は、接触する水及び／又は他の不純物の経路を設け、盤に損傷を与えるおそれがある。
パッケージ５１の一部は、対応するパッド１１５ｂ−１１８ｂを支持するプリント回路基板１２２を有する。パワー変調回路１２４をパッド１１５ｂ−１１８ｂに結合し、単一の変調回路１２６を図示するようにしてパッド１１７ｂ−１１８ｂに結合した状態を示す。当業者には容易に理解できるように、パワー及び信号を、図示したパワー変調／調整回路１２７及び信号変調回路１２８を更に用いて、プリント回路基板１２２と集積回路盤１２０との間で容易に結合する。ｚ軸異方性誘電体層１１０は、隣接する容量性結合パッド間のクロストークも有効に減少させる。本発明の実施の形態３０は、水分が誘電体カバー５２に侵入せず、かつ、集積回路盤１２０に損傷を与えない。さらに、他のレベルの絶縁を集積回路と外部環境との間に設ける。
図示したフィンガプリントセンサ３０に対して、パッケージ５１は、好適には電界検出電極７８（図１−３）のアレイに整列した開口部を有する。容量性結合部及びｚ軸異方性層１１０を、好適には図示したフィンガープリントセンサ３０に加えて複数の用途において使用し、特に、集積回路盤１２０の上側表面及びパッド１１６ａ−１１８ａをカバーする連続的なフィルムを有する場合に好適である。
図８及び９を参照して、本発明のインピーダンスマトリックスフィルタ処理を説明する。図８に示すように、フィンガープリントセンサ３０を、指紋検出器１３０のアレイ及び指紋イメージに関連する信号を発生させる関連の能動回路１３１を具えるものとして考慮する。図示したセンサ３０は、信号をフィルタ処理する能動回路に接続したインピーダンスマトリックス１３５も有する。
図９に示すように、インピーダンスマトリックス１３５は、中心ノード１３８によって示したような各指紋検出器の各能動回路と他の能動回路（外側ノード１４０）との間に接続可能な各インピーダンス素子を有する複数のインピーダンス素子１３６を有する。インピーダンスマトリックス１３５は、各インピーダンス素子１３６に直列接続したスイッチを有する複数のスイッチ１３７も有する。入力信号を、図示したスイッチ１４２及びそれに関連するインピーダンス素子１４３を通じて中央ノード１３８に供給する。インピーダンス素子を、図示したような１個以上の抵抗及びキャパシタ１３４とする。
フィルタ制御手段はスイッチ１３７を切り替えて、能動回路１３１によって発生した信号の処理を行う。一実施の形態において、指紋検出器１３０を電界検出電極７８とし、能動回路１３１を増幅器７３（図２）とする。当然、他の検出器及び能動回路も本発明のインピーダンスマトリックスフィルタ処理から有用である。
隆起流決定手段１４５を、マトリックス１３５のスイッチ１３７を選択的に切り替えて指紋イメージの隆起流方向を決定するために設ける。より詳しくは、隆起流決定手段１４５は、指紋イメージの隆起流方向に関連する信号強度ベクトルを決定するようスイッチ１３７を選択的に切り替える。隆起流検出を、十分既知の回転スリット原理に基づいて決定する。
センサ３０は、指紋イメージの中心位置を決定するために隆起流限定手段１４５と共同する中心位置決定手段１４６を有する。中心の位置は、指紋イメージから詳細を抽出し及び処理するのに有用である。
図８に示すように、２値化フィルタ１５０を、スイッチ１３７を選択的に切り替えてグレースケール指紋イメージを２値化指紋イメージに変換するために設ける。他の方法を考察すると、インピーダンスマトリックス１３５を用いて、ダイナミックイメージコントラストを増大させる。さらに、エッジ円滑化フィルタ（ｅｄｇｅｓｍｏｏｔｈｉｎｇｆｉｌｔｅｒ）１３５を、イメージを向上させるために容易に実現することができる。線形的に示したように、他の空間フィルタ１５２を、当業者によって容易に理解できるように指紋イメージを空間的にフィルタ処理するためにスイッチ１３７を選択的に切り替えるインピーダンスマトリックス１３５を用いて実現する。したがって、指紋イメージの処理がセンサ３０で実行され、これによって下流の追加の演算要求が減少する。
図９に示すインピーダンスマトリックス１３５の一例は、所定の指紋検出器１３０に対する能動回路と隣接する指紋検出器に対する他の８個の能動回路との間で接続可能な各インピーダンス素子１３６を有する複数のインピーダンス素子を具える。
制御手段１５３は能動回路１３１のセットを順次給電してパワーを節約する。当然、各インピーダンス素子１３６を、好適には順次接続してフィルタ機能を実行する。給電された能動回路１３１は、影又は中心部を規定するものとして考察される。パワー制御手段１５３を適切に操作し、これによって、フィルタ処理に用いられる区域のサイズを、好適なイメージ特性のために動的に変更する。さらに、パワー制御手段１５３は、検出部１３０のアレイの予め設定された領域に対応する能動回路のうちの所定のもののみに給電する。例えば、他の能動回路１３１をそれぞれ給電して、更に大きな区域を設けることができるが、電力消費量は減少する。
読出し制御手段１５４を、能動回路１３１の各セットの予め設定された部分集合のみを読み出すために設け、その結果、隣接する能動回路からの寄与をフィルタ処理に対して用いる。すなわち、典型的には能動回路１３１の部分集合のみを同時に読み出すが、隣接する能動回路１３１及び関連のインピーダンス素子をそれぞれ給電し及び接続する。例えば、１６個のインピーダンス素子１３６は部分集合を規定し、同時的な読出しを容易に行う。部分集合のサイズを、決定すべき相違するサイズの形態に対して最適化する。
したがって、所定のセットの能動回路を読み出すのに全ての能動回路１３１に給電する必要がないので、検出器１３０のアレイを迅速に読み出すことができ、それに応じて電力消費を減少させることができる。典型的なセンサに対して、ここで説明するようなパワー制御形態及びインピーダンスマトリックス形態の組合わせによって、電力セーブを、全アレイを給電する場合に比べて約１０倍にすることができる。
本発明によるフィンガプリントセンサ３０は、センサを欺くことによって偽装イメージを有効な指紋イメージとして処理することを防止するものである。例えば、光センサは、指紋イメージを有するペーパーを用いることによって欺かれる。本発明のフィンガープリントセンサ３０の独特な電界検出によって、指の複雑なインピーダンスに基づく欺きを回避する有効なアプローチを提供する。
図１０に示すように、フィンガープリントセンサ３０を、隣接して配置した指７９又は他のオブジェクトに関連した信号を発生させるインピーダンス検出素子１６０のアレイを有するものと考えられる。ここで説明する実施の形態において、インピーダンス検出器１６０を、電界検出電極７８及びそれに関連する増幅器７３（図２）によって設ける。さらに、ガードシールド８０を、各電界検出電極７８に関連させるとともに各増幅器７３に接続する。偽装減少手段１６１を、インピーダンス検出器１６０のアレイに隣接して配置したオブジェクトのインピーダンスが有効な指７９に相当するか否かを決定して有効な指以外のオブジェクトによるフィンガープリントセンサの偽装を減少させるために設ける。偽装は、線形的に示したランプ１６３のようにして表され及び／又は更なる処理を遮断する。また、有効な指紋決定を、ランプ１６４によって表し及び／又は指紋イメージの更なる処理を許容するのに用いる。有効な指紋又は試みられる偽装を表す他の多数のオプションは、当業者によって容易に理解できる。
本実施の形態において、偽装減少手段１６１は、有効な指７９に対応する約１０−６０°の範囲の位相角を有する複素インピーダンスを検出するインピーダンス決定手段１６５を有する。また、偽装減少手段１６１は、イメージを有する１枚のペーパーのような有効な指以外のオブジェクトに相当する約０°の位相角を有するインピーダンスを検出する。さらに、偽装減少手段１６１は、他のオブジェクトに相当する９０°のインピーダンスを検出する。
図１１を参照して、偽装減少手段の他の例を説明する。フィンガープリントセンサ３０は、好適には、図示した励起増幅器７４（図２）のようなインピーダンス検出器１６０のアレイを駆動する駆動手段を有する。センサは、インピーダンス検出器１６０のアレイからの信号を同期をとって復調する同期復調手段１７０も有する。したがって、本発明の特に好適な実施の形態において、偽装減少手段は、予め設定された少なくとも一つの位相回転角で同期復調手段を操作する手段を具える。例えば、同期復調手段１７０は、約１０−６０°の範囲及び有効な指紋を表す予め設定されたしきい値に比較した目安で操作される。有効な指紋は、典型的には１０−６０°の範囲内に複素インピーダンスを有する。
また、比発生及び比較手段１７２を同期復調手段１７０と共同して設けて、第１及び第２位相角θ₁，θ₂で信号を同期をとって復調し、その振幅比を発生させ、かつ、振幅比及び予め設定されたしきい値を比較して、オブジェクトが有効な指であるか他のオブジェクトであるかを決定する。したがって、同期復調器１７０を用いて、有効な指以外のオブジェクトによるセンサ３０の偽装を減少させるのに好適なインピーダンス情報を容易に発生させる。第１及び第２位相角θ₁，θ₂は、例えば約４５−９０°の範囲の相違がある。当業者には容易に理解できるように他の角度も本発明によって意図される。
フィンガープリントセンサ３０は、相違する指によってすなわち相違する状況下で発生したイメージ信号の強度の相違及び処理変更によって生じたセンサの相違を考慮する自動利得制御形態を有する。センサが指の隆起部と窪みとの間を識別できるようにすることは指紋イメージを正確に発生させるために重要である。したがって、センサ３０は利得制御形態を有し、その一例は、図１２を参照することによって理解される。
図１２に示すように、フィンガープリントセンサ３０の図示した部分は、増幅器７３に接続した電界検出電極７８及びそれを包囲するシールド電極８０の形態の指紋検出部のアレイを有する。他の指紋検出部は、以下の自動利得制御の実現からも有用である。
センサ３０の信号処理回路は、好適には図示したような複数のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１８０を有する。さらに、そのＡ／Ｄコンバータ１８０の各々は制御可能なスケールを有する。走査手段１８２は、相違する素子をＡ／Ｄコンバータ１８０のバンクに順次接続する。図示した利得プロセッサ１８５は、以前のＡ／Ｄ変換に基づいてＡ／Ｄコンバータ１８０の範囲を制御して向上した変換分解能を提供する範囲決定及び設定手段を提供する。Ａ／Ｄコンバータ１８０は、当業者によって容易に理解できるような範囲の設定を許容する図示した基準電圧入力部Ｖ_ref及びオフセット電圧入力部Ｖ_offsetを具える。したがって、範囲決定及び設定手段は、利得プロセッサ１８５とＡ／Ｄコンバータ１８０の基準電圧入力部Ｖ_refとの間に接続した第１デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１８０も具える。さらに、第２Ｄ／Ａコンバータ１８９を、図示したように利得プロセッサ１８５からオフセット電圧入力部Ｖ_offsetに接続する。
利得プロセッサ１８５は、既に説明したように以前のＡ／Ｄコンバータに基づいてヒストグラムを発生させるヒストグラム発生手段を具える。図１２に示すような利得プロセッサ１８５に隣接するグラフは、典型的なヒストグラムプロット１９１を示す。ヒストグラムプロット１９１は、検出された指紋の隆起部及び窪みに対応する２個のピークを有する。Ａ／Ｄコンバータ１８０に対する範囲を設定することによって、上記変更を考慮するとともにＡ／Ｄコンバータ１８０の分解能を全体的に用いるようにピークを容易に配置することができる。
図１３を更に参照すると、Ａ／Ｄコンバータ１８０は、範囲の設定を許容する関連の入力増幅器を有する。この変更において、範囲決定及び設定手段は、図示した利得プロセッサ１８５も具え、この場合、増幅器を、プロセッサに接続したプログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）とする。利得プロセッサ１８５からのデジタルワード出力はＰＧＡ１８７の利得を設定し、その結果、Ａ／Ｄコンバータ１８０の分解能の全体的な使用が最適精度に対して得られる。利得プロセッサ１８５から増幅器１８７への図示したＤ／Ａコンバータ１９２を通じた第２デジタルワード出力は、増幅器のオフセットも制御する。
利得プロセッサ１８５の範囲決定及び設定手段１８５は、指紋検出器のうちの最初のものに対するデフォールト範囲を設定するデフォールト設定手段を具える。本発明の自動利得制御形態によって、Ｄ／Ａコンバータ１８０は全分解能範囲に亘って動作することができ、これによって、イメージ信号処理の精度が増大する。フィンガプリントセンサは、三つの金属層のみを有する基板に隣接する複数の半導体装置を有する。センサは、複数の半導体装置のうちの予め設定されたものに相互接続する第１金属層と、接地面を規定する第２金属層と、能動回路部に接続し、検出した指紋に関連する出力を発生させる電界検出電極のアレイを具える第３金属層とを有する。フィンガープリントセンサは、基板を包囲するとともに検出電極に整列した開口部を有するパッケージも有する。指を接触させる第１外部電極はパッケージによって支持される。センサは、接地面と第１外部電極との間に接続して電界検出電極とそれに隣接する指の部分との間に電界を発生させる駆動回路も有する。パワー制御回路は、第１外部電極に接触する指の検出に基づいて能動回路部の動作を制御し、能動回路部は、第１外部電極への指の接触を検出すると給電され、それ以外の場合には接地される。第２外部電極をブリード抵抗に接続して、接地から給電状態に切り替える前に指から電荷をブリードする。各電界検出電極とそれに関連するシールド電極との間に接続した増幅器を、更に雑音を除去するために１より大きい利得で作動させる。

Claims

基板と、
その基板に隣接するとともに能動回路部を規定する複数の半導体装置と、
これら複数の半導体装置のうちの予め設定されたものに相互接続する第１金属層と、
その第１金属層に隣接する第１誘電体層と、
接地面を規定する前記第１誘電体層に隣接する第２金属層と、
その第２金属層に隣接する第２誘電体層と、
その第２誘電体層に隣接し、前記能動回路部に接続して検出した指紋に関連する信号を発生させる電界検出電極のアレイを具える第３金属層とを具え、
前記第１外部電極に接触する指の検出に基づいて能動回路部の動作を制御するパワー制御手段を更に具え、そのパワー制御手段が、前記第１外部電極への指の接触の検出に応じてのみ前記能動回路部を給電する起動手段と、前記第１外部電極への指の非接触の検出に応じて前記能動回路部を接地する保護手段とを具えることを特徴とするフィンガープリントセンサ。
基板と、
その基板に隣接するとともに能動回路部を規定する複数の半導体装置と、
これら複数の半導体装置のうちの予め設定されたものに相互接続する第１金属層と、
その第１金属層に隣接する第１誘電体層と、
接地面を規定する前記第１誘電体層に隣接する第２金属層と、
その第２金属層に隣接する第２誘電体層と、
その第２誘電体層に隣接し、前記能動回路部に接続して検出した指紋に関連する信号を発生させる電界検出電極のアレイを具える第３金属層とを具え、
接触に応答して指から電荷をブリードする指電荷ブリード手段を更に具え、その指電荷ブリード手段が、指による接触のために前記パッケージに支持された第２外部電極と、その第２外部電極とアースとの間に接続した電荷ブリード抵抗とを具えることを特徴とするフィンガープリントセンサ。
前記第３金属層に隣接する第３誘電体層と、基板を包囲するとともに電界検出電極のアレイに整列した開口部を有するパッケージとを更に具えることを特徴とする請求項１又は２記載のフィンガープリントセンサ。
指を接触させるために前記パッケージによって支持される第１外部電極と、接地面と第１外部電極との間に接続して電界検出電極とそれに隣接する指の部分との間に電界を発生させる駆動手段とを更に具えることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載のフィンガープリントセンサ。
前記電界検出電極の各々に隣接するシールド電極と、前記電界検出電極の各々に接続した入力部及び前記シールド電極の各々に接続した出力部を有する増幅器とを更に具え、その増幅器が、約１より大きい増幅利得を有して更に雑音除去するようにしたことを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のフィンガープリントセンサ。