JP4094886B2 - 圧電体薄膜を利用した指紋認識センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜を利用した指紋認識センサに係り、より詳細には、圧電薄膜に加えられた圧力を電気的信号に変換して指紋を認識する指紋認識センサに関する。
【従来の技術】
経済および社会の発達に伴って、物の購入方法や代金決済方法は、オフラインでの直接取引や現金取引方式から、クレジットカード決済やオンライン上での電子マネー取引などの新しい電子貨幣決済方式へと発展してきた。
これにより、個人情報の保護が社会的な問題となり、個々の指紋の照合を利用した個人情報の保護が必要となってきた。これに伴い、個人情報が必要となるその場で指紋を照合することのできる技術もまた必要となってきた。
【０００２】
図１は、米国特許第４，３９４，７７３号公報の指紋認識センサを示した斜視図である。
図１に示すように、圧電体厚膜１１を指で押さえると、指の指紋１２に起因する圧力１３により、指と圧電体厚膜１１との接触部位の電流密度が変化する。
すると、この指紋認識センサでは、指紋１２を認識するために、電流密度がセンシング素子１４を介してアウトプットライン１５から読出される。
しかし、この指紋認識センサでは、情報を読み出すために薄膜ではなく厚膜を使用するので、精密な測定が困難であると共に、センサをワンチップ型として製造するのには限界があった。そのため、この指紋認識センサを、そのまま携帯用システムなどへ応用するのは困難であるという問題点があった。
【０００３】
図２は、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ社で開発された指紋認識センサの作動原理を説明した断面図である。
この指紋認識センサでは、容量性ＣＭＯＳセンサの原理が採用されている。この指紋認識センサでは、センサ表面２２と指紋２３との間の静電容量（キャパシタンス）を測定し、測定した静電容量を電気信号に変換することで、映像がデジタルイメージで表現される。
【０００４】
しかし、この方式の場合、温度および湿度の影響を大きく受けるので、指の湿気が多い場合には、測定される静電容量に変化が生じてしまう。よって、静電気などの静電容量の変化要因に対する保安回路や材料を別途設ける必要が生じ、一定の結果（安定した測定結果）を得にくいという問題点がある。
また、実際の使用に際し、読み出せる電荷量（静電容量）が少ないので、スイッチのオンオフを反復して電荷（測定された静電容量）をいったん貯蔵しておかなかければならないという問題点がある。
具体的には、静電容量の測定を繰り返し行って、測定された静電容量を一時的に貯蔵し、所定の静電容量となった時点で（静電容量の測定に利用可能となった時点で）、指紋認識を行う必要があり、手間がかかるという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するために、圧電現象を利用して指紋の凹凸からもたらされる圧力に起因する情報や、温度や湿度が一定の条件の下での静電容量や、信頼性ある結果をその場で求めることのできる薄膜状の指紋認識センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる指紋認識センサは、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された上部電極と、前記上部電極上に形成されると共に指紋との接触により圧力が加えられて前記圧電体薄膜に電荷の変化を生じさせる加圧部と、前記下部電極上に形成されると共に、前記加圧部を露出支持する非伝導層とを含む圧電素子集合体から構成される指紋認識センサである。
【０００７】
本発明にかかる指紋認識センサでは、前記下部電極上に形成されると共に、前記圧電体薄膜から生じる電荷の変化量を貯蔵するキャパシタをさらに含むことが望ましい。
【０００８】
また、前記加圧部は、前記非伝導層の表面に突出させれ設けられており、加圧部の幅は指紋の各突出部および突出部間の距離より狭いことが好ましい。より好ましくは、前記加圧部の幅はおよそ５０μｍ以下であるとよい。
【０００９】
本発明にかかる指紋認識センサでは、前記圧電素子が一定間隔をおいて配列されていることが望ましい。
【００１０】
また、本発明にかかる指紋認識センサでは、支持層を、前記基板および前記下部電極層間に形成しても良く、この支持層はＳｉ₃Ｎ₄またはＳｉＯ₂であることが好ましい。
【００１１】
本発明にかかる指紋認識センサでは、前記基板内部には空洞が形成されており、圧電体薄膜、上部電極および加圧部は、下部電極層上のこの空洞に対応する一に設けられていることが望ましい。
【００１２】
本発明にかかる指紋認識センサでは、前記圧電体薄膜は、ＰＳＴ、Ｑｕａｒｔｚ、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴ、（Ｐｂ，Ｓｍ）ＴｉＯ₃、ＰＭＮ（Ｐｂ（ＭｇＮｂ）Ｏ₃）−ＰＴ（ＰｂＴｉＯ₃）、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥまたはＰＶＤＦの中から選択された物質を含んで構成されることが望ましい。
【００１３】
本発明にかかる指紋認識センサでは、前記指紋認識センサは各圧電素子から生じた電荷量の変化値を出力する電気回路部をさらに含むことが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
＜第一実施態様＞
以下、図３を参照しながら、本発明にかかる指紋認識センサの第１実施形態である単位圧電素子の構造を説明する。
【００１６】
空洞３２が形成されている基板３１の上部には、支持層３３が形成されており、当該支持層３３の上部には、下部電極３４が形成されている。
下部電極３４の上部であって、空洞３２の反対側の位置には、圧電体薄膜３５が設けられており、さらにその上部には、上部電極３６が形成されている。
上部電極３６の上側には、指紋との接触により圧力が加えられる加圧部３８が設けられており、加圧部３８と下部電極３４との間には非伝導層３７が形成されている。
非伝導層３７の内部には、下部電極電極３４、上部電極３６の電流を外部に伝える配線３９が設けられている。
【００１７】
支持層３３は、加圧部３８を介して加えられる圧力を、弾力性をもって受けるとともに、圧電体デバイスの構造上の安全性を保ちながら圧電体デバイスを支持する。なお、この支持層３３は省略することも可能である。
ここで、支持層３３を構成する材料は、Ｓｉ₃Ｎ₄またはＳｉＯ₂であることが望ましい。
下部電極電極３４および上部電極３６は、加圧部３８を介して加えられる圧力によりもたらされる圧電体薄膜３５における電流の変化を、非伝導層３７内の配線３９を介して外部に伝える役割を果たす。これらの電極としては、一般的な電極に使われる材料が適宜使用可能である。
【００１８】
加圧部３８は、指紋の突出部が接触して圧力が加えられると、加えられた圧力を圧電体薄膜３５に伝える役割を果たす。ここで、指紋の突出部とは、指紋パターンを形成する凹凸のうちの凸部をいう。
この加圧部３８は、非伝導層３７の表面に突出させて設けられており、指紋と接触する部位（上端面）の大きさは、指紋の各突出（凸）部の大きさや突出部間の距離（凹部の幅）よりも小さくなければならない。従って、加圧部３８の指紋と接触する部位（上端面）大きさは、およそ５０μｍより小さいことが望ましい。また、この加圧部３８の指紋と接触する部位（上端面）大きさの下限は、たとえば、０．１μｍというように、微細加工技術のレベルに応じて適宜毛決定される。
なお、この加圧部３８の下端側は、圧電体薄膜３５に圧力を伝達できる形状であれば特に限定されるものではないが、圧電体薄膜３５により効果的にひずみを生じさせることができるように、指紋と接触する部位（上端面）側よりも小さくなっている。すなわち、基盤３１に形成された空洞３２よりも小さいおおきさであることが好ましい。
【００１９】
圧電体薄膜３５は、圧電材料として一般的に使われるものであれば適宜使用可能であり、酸化物およびポリマ材料の圧電体なども使用可能である。
ここで、圧電材料の例としては、ＰＳＴ、Ｑｕａｒｔｚ、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴ、（Ｐｂ，Ｓｍ）ＴｉＯ₃、ＰＭＮ（Ｐｂ（ＭｇＮｂ）Ｏ₃）−ＰＴ（ＰｂＴｉＯ₃）、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ、ＰＶＤＦなどがある。
このような圧電材料は、加えた圧力に応じて変化する電界が大きいほど望ましい。すなわち、圧電材料の変形に応じて生じる電流の大きさが大きい材料ほど好ましい。ここで、加えられる圧力と電界との関係は、下記式１で表される。
【００２０】
【数１】
Ｅ１＝ｇＸ
ｘ＝ｄＥ２ …（１）
【００２１】
ここで、Ｅ１：誘導電界、ｇ：圧電電圧定数、Ｘ：外部圧力、Ｅ２：外部電界、ｘ：誘導応力、ｄ：圧電応力定数 であり、圧電電圧定数（ｇ）および圧電応力定数（ｄ）は、それぞれの圧電材料に基づく固有の値である。
前記式（１）より分かるように、本発明の指紋認識センサの場合には、圧電電圧定数（ｇ）が大きいほど、圧電応力定数（ｄ）が小さいほどよりよい効果（加えられた圧力に応じて変化する電界が大きい）が得られる。
前述の圧電材料のうち、代表的なものの圧電電圧定数（ｇ）値および圧電応力定数（ｄ）値は、以下の通りである。
【００２２】
【表１】

【００２３】
本発明にかかる指紋認識センサの圧電薄膜３５としては、圧電薄膜３５の役割を果たすことができればどのようなものも使用可能であるが、表１から判るように、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ、または（Ｐｂ，Ｓｍ）ＴｉＯ₃を使用することが望ましい。
【００２４】
＜第二実施態様＞
次に、図４を参照しながら、本発明にかかる指紋認識センサの第２実施形態を説明する。
図面に示すように、空洞４２が設けられている基板４１の上部に支持層４３が形成されており、支持層４３の上側の所定部位に下部電極４４が形成されている。
ここで、下部電極４４の上部であって、空洞４２の反対側の位置には、圧電体薄膜４５が設けられ、この圧電体薄膜４５の上部には上部電極４６が形成されている。
上部電極４６の上部には、指紋との接触により圧力が加えられる加圧部４８が設けられており、加圧部４８と下部電極４４および支持層４３との間には非伝導層４７が形成されている。この構成は前述の第１実施形態と同じである。
【００２５】
この第２実施形態では、キャパシタ５０が、下部電極４４上の圧電体薄膜４５から所定距離離間した位置に設けられている。ここで、圧電体薄膜４５が設けられている位置は、基盤４１の空洞４２の反対側に設けられた加圧部４８と当接する位置である。このキャパシタ５０は、上部電極４６および配線４９を介して、圧電体薄膜４５と接続されている。
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる指紋認識センサの動作についてさらに詳細に説明する。
図５は、本発明にかかる指紋認識センサをＩＣカード５１に配列させた状態を示す一態様図であり、図５（ａ）はその平面図であり、図５（ｂ）はその断面図である。
【００２７】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、指紋認識センサの加圧部５５に指を接触させると、指紋の突出部（凸部）が、指紋認識センサの加圧部５５と当接し、指紋を介して加えられる圧力が、上部電極５４を介して圧電薄膜に伝えられる。
すなわち、空洞５２の上部に形成された上部電極５４、圧電薄膜、および下部電極などが、伝えられた圧力によりわずかに曲げられる。その結果、前記式（１）に従って、誘導電界（電流）が圧電薄膜に生じる。
この際生成される誘導電界（電流）の大きさは、圧電体の変形の違いや焦電気特性の違いなどにより変化する。
【００２８】
この誘導電界（電流）は、指紋に関する情報信号としての役割を果たし、基盤上に設けられた各圧電薄膜（以下、単位セルという）からの情報（情報信号）に基づいて、指紋の全体的な形が決定される。
図４の場合、圧電薄膜に生じた誘導電界は、上部電極および下部電極により外部に直接伝えられる。
しかしながら、図５に示す指紋認識センサの場合には、生じた誘導電界を単位セル毎に設けられたキャパシタ５０に一旦貯蔵したのちに外部に伝える。したがって、指紋の認識がより確実に行われることになる。ここで、キャパシタ５０は、各単位セル毎に設ける構成に限定されるものではなく、任意の単位セル群毎に、たとえば５つの単位セル毎に、設ける構成とすることも可能である。
【００２９】
図６は、本発明にかかる指紋認識センサをＩＣカード６４に応用した一態様図であり、指紋認識センサの加圧部６１を押さえることで、指の指紋６３により圧力が加えられた単位セルの場所を示した図である。
【００３０】
図７は、本発明にかかる指紋認識センサを用いた、指紋情報の処理の一例を説明する図である。
例えば、シーケンサによりリセットされている２００×２００個の単位セルより構成される指紋認識センサに指が接触すると、その接触圧により指紋の突出部と接触している単位セルの圧電体に誘導電界が生じる。
【００３１】
このような単位セルには、ローデコーダおよびカラムデコーダによりそれぞれ位置が割り当てられているので、単位セル毎の誘導電流の有無を示す情報が情報処理装置（例えば、ＣＰＵ）に送られ、送られた情報に基づいて指紋の形が決定される。
【００３２】
指紋認識の目的が、あらかじめ記録された指紋情報との比較であるならば、認識された指紋情報と、あらかじめ記録装置に記録されている特定の人物の指紋情報とを比較し、一致するか否かを示す結果を出力する。
ここで、指紋情報の比較は、特徴点抽出法やパターンマッチングなどの方法などが利用可能である。
【００３３】
指紋認識センサを採用した指紋認識カードには、ショートサーキットが設けてあっても良い。このショートサーキットは、センサの加圧部が誤って押された場合に、各単位セルから出力された情報信号を迅速に除去（リセット）して、指紋認識操作を再び行うために、指紋認識センサを初期状態にもどす機構である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明にかかる指紋認識センサには、圧電薄膜毎に圧力を伝える加圧部が設けられているので、指紋が加圧部に接触すると、接触による圧力が圧電薄膜に確実に伝えられる。また、圧電薄膜が基盤に設けられた空洞に対応させて設けられているので、単に圧電膜が基板上に設けられた従来の場合の比べ、圧力が加えられた際の圧電薄膜のひずみ割合が大きくなり、ひずみにより生ずる電荷量（電流）も多くなる。したがって、指紋認識センサの認識精度がより向上する。
【００３５】
すなわち、本発明にかかる指紋認識センサは、その構造が簡単であるとともに、指紋認識速度が迅速かつ正確であるので、図２に示す従来の装置の場合のように、指紋とセンサ表面との間に生じる電荷量の変化が小さくならない。
よって、電荷を蓄積するキャパシタを設けなくても、指紋の接触によりセンサに検知される電荷量（電流）が十分であるので、従来の装置の場合ように繰り返しセンシングして、キャパシタに電荷量を蓄積する必要がないので、センシング速度（指紋認識速度）がずっと速くなる。
その結果、単位ビット当たりのコストが節減され、そのような電荷蓄積のための別途の構造および電源が必要なく、消費される電源も最小化できる。
もちろん、本発明にかかる指紋認識センサにキャパシタを設け、測定値の確度をより向上させる構成とすることも可能である。この場合、従来の装置構成に比べ、より少ないセンシング回数で測定結果を得ることができる。
【００３６】
本発明によれば、圧電現象を利用して指紋に関する情報の精密なセンシングが可能であって構造的に単純な指紋認識センサを提供できる。そして、圧電現象を利用して、センサ内部に加られる圧力によりもたらされる誘導電流を測定するので、温度変化および湿度による測定値のふれが小さくなり、静電気に起因する影響を取り除くために、あらたに保安回路を設けることや、材料を用意するが必要ない。
また、測定が必要となるその場で、信頼性ある結果を迅速に確認できるという長所がある。従って、その活用法によっては、機密保持が要求される公共機関や一般企業での身元確認システムはもとより、携帯用に簡便な個人携帯用に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】米国特許第４，３９４，７７３号公報の指紋認識センサを示した斜視図である。
【図２】Ｉｎｆｉｎｅｏｎ社で開発した指紋認識センサの作動原理を示した断面図である。
【図３】本発明による指紋認識センサの第１実施形態の単位セル構造を示した断面図である。
【図４】本発明による指紋認識センサの第２実施形態を示した図面である。
【図５】本発明による指紋認識センサアレイ構造を示した図面である。ここで、（ａ）Ａは本発明による指紋認識センサアレイの平面図であり、５Ｂはそれを簡略化した断面図である。
【図６】本発明による指紋認識センサの加圧部を指で押さえてその指紋の形のままに単位ユニットに圧力が加えられる部位を示した図面である。
【図７】本発明による指紋認識センサで指紋情報が処理される過程の一例を示した順序図である。
【符号の説明】
１１・・・圧電体厚膜
１２・・・指紋
１３・・・加圧方向
１４・・・センシング素子
１５・・・アウトプットライン
２１・・・シリコン基板
２２・・・センサ表面
２３・・・指紋
３１，４１・・・基板
３２，４２・・・空洞
３３，４３・・・支持層
３４，４４・・・下部電極
３５，４５・・・圧電薄膜
３６，４６・・・上部電極
３７，４７・・・非伝導層
３８，４８・・・加圧部
３９，４９・・・配線
５０・・・キャパシタ
５１・・・ＩＣカード
５２・・・空洞
５３・・・基板
５４・・・非伝導層
５５・・・加圧部
６１・・・圧電センサ
６２・・・非伝導層
６３・・・指紋
６４・・・ＩＣカード

Claims (10)

1. 圧電素子集合体を含む指紋認識センサにおいて、
   前記圧電素子集合体は、
   基板と、
   前記基板上に形成された下部電極と、
   前記下部電極上に形成された圧電体薄膜と、
   前記圧電体薄膜上に形成された上部電極と、
   前記上部電極上に形成され、指紋の接触より前記圧電体薄膜に電荷量の変化を生じさせる加圧部と、
   前記下部電極上に形成され、前記加圧部を露出支持する非伝導層と
   を含むことを特徴とする指紋認識センサ。
2. 前記圧電素子集合体は、前記下部電極上に形成されると共に前記圧電体薄膜に生じる電荷量の変化を貯蔵するキャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の指紋認識センサ。
3. 前記加圧部は、前記非伝導層の表面に突出され、前記突出された加圧部の幅は指紋の各突出部および突出部間の距離より狭いことを特徴とする請求項１に記載の指紋認識センサ。
4. 前記加圧部の幅は、５０μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の指紋認識センサ。
5. 前記圧電素子集合体は、前記圧電素子が一定間隔をなして配列されることを特徴とする請求項１に記載の指紋認識センサ。
6. 前記圧電素子集合体は、前記基板および前記下部電極層間に形成された支持層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の指紋認識センサ。
7. 前記支持層は、Ｓｉ₃Ｎ₄またはＳｉＯ₂であることを特徴とする請求項６に記載の指紋認識センサ。
8. 前記基板内部には空洞が形成されており、前記圧電体薄膜、前記上部電極、および前記加圧部は、当該空洞に対応させて前記下部電極層上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の指紋認識センサ。
9. 前記圧電体薄膜は、ＰＳＴ、Ｑｕａｒｔｚ、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴ、（Ｐｂ，Ｓｍ）ＴｉＯ₃、ＰＭＮ（Ｐｂ（ＭｇＮｂ）Ｏ₃）−ＰＴ（ＰｂＴｉＯ₃）、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥまたはＰＶＤＦの中から選択された一の物質であることを特徴とする請求項１に記載の指紋認識センサ。
10. 前記指紋認識センサは、各圧電素子から生じた電荷量の変化値を出力する電気回路部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の指紋認識センサ。

Images