JP4387795B2 - 湿潤及び乾燥指上の測定用センサ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも部分的に導電性の表面上の測定を実行するセンサデバイス、特に湿潤および乾燥指上のＡＣ静電容量方式指紋測定を容易にするセンサ形状に関する。

従来技術文献に記載されたＡＣ静電容量方式センサが知られている。これらのセンサはセンサ表面上に保持された、またはセンサ表面を通過した指紋を取り込む一列のセンサ素子（センサパッド）を使用する。静電容量方式指紋センサはおおまかに以下の２つの種別に分類される。すなわち、指紋が２次元センサ表面上に置かれるマトリクスセンサと、ユーザがセンサ上で指を通過させて画像を取り込む必要があるスキャナまたはスイープセンサである。別のリニアセンサが別の従来技術文献に記載されている。ただし、この文献は静電容量の測定方法については記載していない（例えば、特許文献１及び２参照）。
国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ９８/００１８２号 米国特許第６，２８９，１１４号明細書

各静電容量方式センサ素子は普通、厚みが約１〜５０μｍの誘電体材料（センサ誘電体）で被覆された導電性パッドからなる。センサ素子上部に隆線が存在する場合、導電性の皮膚はセンサ表面と密着でき、指とセンサパッド間の静電容量は主としてセンサ誘電体の厚みと誘電特性によって決定される。センサ素子上部に谷が存在する場合、指の表面とセンサの表面の間にエアギャップがあり、静電容量は大幅に低減する。前記静電容量を増幅できさらに処理またはディジタル化が可能な電圧または電流信号に変換することで、隆線と谷とを区別し、指紋全体にわたり隆線/谷のパターンのグレースケール、すなわち、白黒の画像を形成することができる。

そのような概念の別の例は、また別の３つの従来技術文献に記載されている。これらの文献はＡＣ静電容量方式スイープセンサの構成と動作とを示している。このセンサはＡＣ信号で指を刺激するいわゆる駆動電極または刺激電極を備えている。刺激電極はセンサ電極の脇に位置する。さらにまた２００２ １０３１には、刺激電極が接地され、センサ素子を通して変動する電流または電圧が提供される別の概念が記載されている（例えば、特許文献３乃至５参照）。
国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３８号 国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３９号 国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２４０号

静電容量方式指紋センサの１つの問題は、指の導電性（抵抗およびＡＣ静電容量）が指の湿度に応じて大幅に変動するということである。乾燥指の場合、皮膚の外側部分（角質層）がセンサ誘電体よりインピーダンスが高く（静電容量が低く）、したがって、結合直列静電容量が指のインピーダンスによって決定されるという結果になる。この隆線は隆線というよりも谷のように見える。

別の問題は、隆線それ自体が完全に平滑ではなく、隆線とセンサ表面との間に浅いエアギャップができる隆線領域があるということである。この場合にも、特にセンサ誘電体が非常に薄い（エアギャップの深さに匹敵するほど）場合に、隆線が谷と間違われることがある。したがって、乾燥指からの微弱な信号を増幅する手段を見つけることが必要で、また実際の谷から「偽の」浅い谷を分離できることが必要である。

水または塩水（汗）が谷を満たしている湿潤指の場合、主要な問題は塩水が角質層よりさらに導電性が高いことである。上記の静電容量方式の測定技術では、その結果として谷と隆線で信号が立ち上がるので、両者を区別することは困難である。指のディジタル画像に変換されると、その結果は導電性が高い谷が「黒」、わずかに導電性が低い隆線が「ダークグレイ」に表示される低コントラストの「逆」画像になる。そのような画像は指紋認証のためのソフトウェアアルゴリズムには容易に応用できない。

さらにまた別の従来技術文献は、外部電極が接地され、ＡＣ信号がセンサモジュールの別の場所にある駆動回路によってセンサパッドに印加される別の原理を示す。ただし、この原理は同じ欠点を有する。すなわち、汗がたまった谷は指紋隆線とほぼ同じ信号を発生し、両者を区別するのはほぼ不可能であろう（例えば、特許文献６参照）。
ノルウェー国特許出願第２００２ １０３１号明細書（国際公開第０３/０７５２１０号パンフレット）。

したがって、本発明の目的は、上記の問題を回避し、導電性が大幅に異なっていても湿潤および乾燥指の適切な信号レベルと画像品質とを保証する方法に関するセンサを提供することである。

これは、センサ表面またはその真下のいくつかの導電構造を含み、前記導電構造が少なくとも１つの刺激または電流シンク電極と電極間のインピーダンスを測定する電子回路内のインテロゲーション電極と前記少なくとも１つの刺激電極とに結合されたいくつかのセンサ素子からなり、前記センサデバイスが前記センサ素子付近に位置し、選択された電圧に接続されている少なくとも１つの追加の電極をさらに含む上記のセンサによって得られる。

本発明の方法は、本発明の例示である添付図面に示されている。
図１は静電容量測定のためのいくつかのセンサパッド３と、センサ表面上またはその外部に位置する少なくとも２つの電極１、２とを備えたセンサ表面を含む本発明の一実施形態について説明する。したがって、図示の指紋センサは基本的に好ましくは上記の国際特許出願、特に国際出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２４０号に記載のリニアセンサアレイである。また、この指紋センサは、センサ素子のアレイ３に加えて、指の速度を測定する速度センサ（図示せず）を含み、指表面の測定特性と共に指紋の画像を再構成する。ただし、画像を再構成するその他の方法も企図される。この例は、上記米国特許第６，２８９，１１４号明細書で、この中でいくつかのセンサラインからの重畳する画像を用いて画像が再構成される。

図面では、外部電極または駆動電極１、別称「刺激電極」は上記ノルウェー国特許出願第２００２ １０３１号明細書に記載するように接地してセンサ素子に変動する電圧または電流が供給されるようにするか、上記国際出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２４０号に記載するようにＡＣ信号を伝搬することができる。この電極１は指とセンサ素子とを通過するＡＣ電流のための主要な端子の１つとしての働きをする。したがって、電流の「シンク」または「ソース」電極と呼ぶこともできる。外部電極１は測定時に指と接触している限り、センサパッド３と任意の距離に配置することができる。外部電極１はいくつかの個々の電極からなることができる。また絶縁材料で被覆されてもよい。

図１のセンサはセンサパッド３のごく近くに位置する、クランプ電極としての働きをするために「クランプ電極」とも呼ばれる１つまたは複数の局所電極２とをさらに含む。「クランプ電極」と呼ばれる理由は以下の機能説明で明らかにする。局所またはクランプ電極２とセンサ素子３との距離は通常指紋隆線または谷の幅より狭く、例えば、２０〜２００μｍである。図２は２つのクランプ電極２間にいくつかのセンサ素子３を備えた構成の詳細を示す。

図３は以下にその目的を述べる追加の内部電極２２を含む別の実施形態を示す。

図４、図５及び図６は３つの異なるセンサアセンブリ内の指を通過する電流の流れを示す。図４は上記国際出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２４０号に記載の従来技術のセンサ内の電流の流れを示す。

クランプ電極２が例えば駆動電圧として同じ周波数、位相および振幅のＡＣ電圧で刺激される動作モードを示す図５を参照する。この電極から流れる指を通過する電流は指５の角質層を通過する「収縮」電流を生成する。この結果、クランプ電極２によって構成される駆動リングとセンサパッド３間に「局所」電流が生成され、刺激電極１からセンサパッド３へのインピーダンスが最小限になり、これは乾燥および湿潤指の両方にとって有利である。

乾燥指の場合、これによって駆動電極からセンサパッドへの結合が高くなり、信号立ち上がりが高くなる。

湿潤指の場合、そのようなクランプ電極２がより導電性が低い角質層内に電流を集中させ、ここで大幅な検出可能な電圧低下が引き起こされる。この電圧低下は導電性が高い塩水がたまった谷ほど大きくはない。その結果、画像が反転しているが、汗がたまった谷と隆線とのコントラストは大幅に増大している。局所駆動電極は誘電層の下に埋め込んでもよい。

上記の方法は、各々がセンサパッドの１つに結合されている「反転」コンデンサ２６のアレイ（図１１）を追加することでさらに改善できる。適当な周波数と反転位相（駆動電圧に対して）を備えたＡＣ電圧をコンデンサに供給することで、センサは反転信号を送出し、指の導電性が高い領域は低く、「絶縁」領域（エアポケットなど）は信号読み取り値が高くなる。湿潤指（塩水がたまった谷）の場合、この結果として、導電性が高い塩水がたまった谷がほぼ白く見え、幾分導電性が低い隆線が薄いグレーに見える画像が生成される。これらの信号のアナログ増幅を増加させることで、この画像のコントラストは増加する。この技法を用いて、湿潤指（隆線が黒、谷が明るい）についても「正しい読み取り値」（２回反転）の画像を得ることができる。

反転コンデンサ技法はまた多周波駆動信号の使用と組み合わせることができ、この場合、反転信号は周波数の一部しか含まない。適当な周知の周波数弁別信号調整によって、反転および非反転画像を得ることができる。これら２つの画像からの情報を組み合わせて、より大きい信頼性で実際の指のパターンを決定することができる。

上記の方法を効率的に使用するには、画像のどの領域に汗が多いかを検出する手段、すなわち、どの領域で反転画像を用いて隆線と谷を識別することが必要かを判定する手段が必要である。これらの要件は場合によっては過剰な量の処理リソースを使用しないと満足できない。

本発明の別の目的は、汗がたまった谷が空気がたまった谷とほぼ同じ信号レベルを発生し、両方の谷のタイプが指紋隆線との大幅な信号コントラストを示す別の静電容量方式読み取り原理を提案することである。

これは、局所電極と駆動電極と異なる電圧に保つことで達成できる。指内の上記センサの場合、これは例えば局所電極であるクランプ電極２を直接またはインピーダンス１３を介してＤＣ電位に接続することで達成できる。汗または導電性物質がたまった指紋の谷の場合、局所電極上の電位はセンサパッド信号を大地電位に「クランプ」する。すなわち、空気がたまった谷の信号レベルと同じレベルにクランプする。上記ノルウェー国特許出願第２００２ １０３１号明細書に記載のセンサの場合、電極を例えば適当な振幅を有するＡＣ電圧に結合することができる。

汗がたまった谷６がセンサパッド３とクランプ電極２の一部を被覆するケースを考えてみる。この場合、駆動電極１はＡＣ電位で指を刺激し、クランプ電極２は固定電位、例えば大地電位に結合されている。図７は電極１および２、センサパッド３および指からなる完全な測定システムの等価回路を示す。このモデルは電圧増幅器８とセンサパッドの真上の角質層（ＳＣ）を通過するインピーダンス１６、センサ誘電体、対地シャントインピーダンス１２（電圧分割のための）、およびクランプインピーダンス１３を含むインピーダンス網（主としてコンデンサ）をさらに含む。インピーダンス２０および２３は、それぞれセンサパッドの真上のセンサ表面のポイント１８からクランプ電極２および汗がたまった谷６への結合に関連する。インピーダンス１５および１４はそれぞれ指への/ユーザからのＡＣ電圧結合に関連する。この図はまた、含まれるインピーダンスの各々の概略予想値（インピーダンス絶対値をＡＣ周波数が１００ｋＨｚとしてオームで表示）を示す。回路図に示すように、駆動電極１から指１０を介してセンサパッドの真上のポイント１８まで約１０Ｍオームのインピーダンスがある。このインピーダンスは主としてＳＣ層５を通したインピーダンスに関連し、指２１（生体皮膚）の内部を通した静電容量インピーダンスは無視できると考えられる。

インピーダンス１３の値を選択する時には、局所電極の最終電圧が駆動電極それ自体の電圧と大幅に異なるということが重要である。そうでないと、隆線と汗がたまった谷との信号コントラストが低くなりすぎる。これに関して、比較的大きさが小さい、例えば、１００オーム〜１ｋオームの範囲のインピーダンス１３を選択することがしばしば有利である。ただし、場合によっては、インピーダンスが低すぎると消費電流が過剰になりため、このことを念頭において適当な値を選択しなければならない。

塩を含む汗のＡＣ導電性はＳＣのそれよりはるかに高い（１〜２桁上）であるため、インピーダンス２０を介したクランプ電極２からの結合は比較的高く、ポイント１８は接地されたクランプ電極２まで効率的に「短絡」されている。センサ、したがって、センサパッド３の表面上の電圧は大地電位に下げられ、すなわち、「クランプ」され、その結果、センサ素子は低い信号値を読み取る。これを別の観点から見ると、汗がたまった谷からのＡＣ電流が誘電体を通してセンサパッドに流れるのではなく、直接局所電極に流れる。これは、インピーダンス１１および１２を通る測定電流が遮断され読み取り値が低くなるということを意味する。電流の流れる様子の概略図を図５に示す。比較のため、図４はクランプされた局所電極がない状況を示す。

逆に、谷６に汗がたまっているが隆線４がセンサパッド３を被覆しているケースを考えてみる。対応する電気的モデルを図８に示す。ＳＣ５は汗または水より導電性が低いので、クランプ電極２とポイント１８との間のインピーダンス２０ははるかに高く、駆動電極へのインピーダンス１６に匹敵する。これは、ポイント１８の電圧がほぼ駆動電圧と大地電位との中間であるということを意味する。この結果、乾燥指の「隆線」特有の有意の信号が発生するが、この信号の振幅は多少小さい。図６は隆線がセンサ素子の上部にある場合の電流の流れを示す。

言い換えると、固定電位に結合されたクランプ電極２を用いることで、汗がたまった谷６と隆線４とのコントラストはそのような局所電極がない状況と比べてはるかに大きくなる。さらに、谷に汗がたまっていようが空気がたまっていようが、谷は低い読み取り値、隆線は高い読み取り値に関連する。したがって、隆線と谷とを区別するためのこれ以上の反転などの画像処理は不要である。

本発明で提案する「信号クランプ」の１つの欠点は、（インピーダンス２０が有限値のため）、信号を完全に「ゼロ」にクランプすることは困難であり、汗がたまった谷の場合にも普通有意の信号が発生するということである。これは、谷が白ではなく「薄いグレー」で表示されるということを意味する。そのような「谷のオフセット」は画像処理の観点からは望ましくない。ただし、この効果は、クランプ電極２を、ＤＣ電位ではなく、「反転」ＡＣ電圧（すなわち、１８０度位相がずれたＡＣ電圧）に結合することで解消できる。反転電圧の振幅がクランプ電極のインピーダンス２０に関して正確に調整されているならば、谷の読み取り値をほぼ「白」レベルにまで下げて「湿度に依存する」谷のオフセットを最小限にすることが可能であろう。

ただし、反転電圧によるクランプは谷だけでなく隆線についても信号を大幅に低下させる。この効果を解消するために、図３に示す第３の「内部」電極２２をクランプ電極２とセンサパッド３との間に追加することができる。局所電極よりもさらに「局所」のこの「内部」電極は駆動電圧と同じまたは同様の電圧、すなわち、高い（隆線）読み取り値に対応する電圧を有するはずである。このように、内部電極２２の効果は、隆線読み取り値に対応する信号または電圧で指紋隆線４を刺激することでクランプ電極２のクランプ効果を補償することである。ただし、クランプが適切に機能するためには、パッド上に湿度が充満した谷６がある時には刺激を抑制しなければならない。これはインピーダンス１９を調整することで達成できる。汗がたまった谷が存在する時には、最も奥の電極２２とポイント１８との間のインピーダンス（１９と１０との直列結合）は、９と１０との直列結合、すなわち、クランプ電極２とポイント１８との間のインピーダンスよりも大幅に大きいはずで、したがって、クランプが有効である。センサパッド上部に隆線がある場合、前者のインピーダンス（１９、１０の直列インピーダンス）が後者（９、１０の直列インピーダンス）より小さいか少なくとも同等であるように状況を逆転しなければならない。図９および１０はパッド上部にそれぞれ隆線と谷がある場合の構成の電気的モデルを示す。これらの図はまた、値１９を選択して上記要件を満たす方法の一例を示す。

例えば、内部電極を薄い導電性材料で被覆することで、または内部電極と局所電極とを組み合わせることで内部電極を局所電極より小さくなど、そのような値１９を実現するいくつかの方法がある。

要するに、図３に示すように、クランプ電極２を駆動電圧の「反転」電圧（例えば、「ゼロ読み取り値」電圧に関して反転した）にクランプし、この「反転」電圧を調整し、「内部」電極２２と結合することで、内部電極２２は駆動電極電圧によって電力を供給でき、隆線が存在し、汗がたまった谷についてゼロに近い読み取り値が存在する時に湿潤指が比較的高い読み取り値（乾燥指の読み取り値に匹敵する）を示すように、信号を調整することができる。

ただし、反転電圧を用いるか内部電圧を用いるかは、追加の素子によってデバイスが複雑になるため、接地されたクランプ電極２だけが十分なコントラストを得られるか否かによっても異なる。

本発明の別の実施形態では、内部電極２２は「駆動電圧」の唯一の源であってもよく、外部電極１が全く不要になる。完全な柔軟性を保証するため、外部電極を指の状態に応じてオン/オフする可能性を残しておいてもよい。

また、センサ素子の各面に１つずつ、２つの局所電極を有することも可能である。ある種の動作モードでは、これらの電極間に電圧差（ＡＣまたはＤＣ）を印加することができる。１つのセンサ素子が２つの局所電極間の距離で分離された２つの別々の金属パッドからなる場合、２つのパッド間の差動電圧を測定することで、素子の真上の皮膚、水または空気のインピーダンスの「４電極測定」を実行することができる。この測定は上記３つのケースで大幅に異なる結果をもたらし、３者を区別することが容易になろう。

一般に、すべての電極は活動状態と非活動状態とに切り替えられる可能性を備えることができる。すなわち、電極が特定の電圧を有するか他の電位へのインピーダンス結合で「浮遊」状態に置かれるかプログラミングできるように、センサはプログラマブルスイッチを含むことができる。電極をオンにするかオフにするかの決定は、例えば特定の指の特性、例えば、測定の最初の部分で得られたコントラスト、または指の導電性の測定値に基くことができる。電極は、指紋獲得中に数回オン/オフしてより多くの情報を得たり、指紋隆線/谷のパターンのより安定した解釈を得るために組み合わせることができる「複数の」画像を得ることができる。

上記の局所電極と最も奥の電極の組み合わせによっても、隆線によって完全に排除されていない表面上の薄い汗の膜が、クランプ電極とセンサパッドとの間の不要な、直接の低インピーダンス結合を引き起こすことがある。そのようなブリッジングの危険を解消または最小限にするために、ランプ電極とセンサパッドとの間に隆線などの狭い幾何学構造を追加することができる。好ましくは絶縁または低導電性材料で形成される隆線構造の目的は、隆線の下の薄い導電性の膜（例えば、塩水）を分離して低インピーダンスの電流路が切断されるようにすることである。それでも隆線は谷の中のはるかに厚い汗を通した結合が可能になる程度に低くなければならない。隆線構造の高さは例えば０.５〜２０μｍである。この電極が適切な高さで構成できるならば、内部電極は例えばそのような隆線構造の役目を果たすことができる。この場合の隆線は特定の電位に結合されているので、絶縁または低導電性である必要はない。

乾燥指の場合の性能を高めるため、導電性材料の幾何学構造パターン２４を各センサ素子の誘電体の上に製造することができる（図１２）。そのようなパターンの機能は、各隆線のより大きい部分にわたって指の表面とセンサ表面との十分な接触を保証し、「浅い」エアギャップの問題を提言することである。あるいは、パターンは導電性であり誘電体で被覆され、または純粋にそれ自体誘電体であってもよい。

幾何学構造パターン２４はセンサパッドのサイズと指の隆線の通常の高さの分布に応じて多数の形態を有することができる。幾何学構造パターン２４は例えば球の１つまたは複数のセグメントの形態を有することができるが、層状の「階段」構造の形態を有することもできる。

図１２及び図１３で、基板３０上に位置する導体、すなわち、刺激電極、クランプ電極およびセンサ電極。センサ電極はまた各パッド３の上部のセンサ誘電体２５上の導電性材料２４のパッドを備えていてもよい。隆線領域で部分的にしか接触しない乾燥指の場合、このパッドの機能は信号を小さい接触領域からセンサ誘電体全体に広げて誘電体を介してセンサパッドへの結合を増加させることである。あるいは、このパッドを極めて薄い誘電体材料で被覆して磨耗保護を施してもよい。

本発明によれば、センサはセンサ上に配置されている時に指のインピーダンスを測定するデバイス、例えば、センサ表面上に位置する複数の電極２３からなるデバイスも備えることができる（図１４参照）。このデバイスを用いて、例えば、通常の指では低増幅、乾燥指では高増幅、湿潤指では高増幅プラス反転コンデンサを活動化するというように、センサ信号の適当なアナログ増幅を選択できるように、指のインピーダンス（したがって、間接的に湿度）を測定することができる。乾燥指の場合、ゲインは好ましくは浅い谷が深い（真の）谷と容易に区別できるような方法で調整しなければならない。また、インピーダンスセンシングを用いて、上記の機能のいくつかを起動することが望ましいか否か、例えば、局所電極上の最適な電圧の選択、または複数の信号レベルまたは周波数間で電圧を「切り替える」必要があるか否かを決定することができる。

上記の説明の大半で、センサは国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３８号、国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３９号または国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２４０号に記載されたタイプのＡＣ静電容量方式センサであることが暗黙裡に前提になっている。上記の原理は他の種類の静電容量方式または抵抗センシング原理、特に２００２ １０３１号に記載のＤＣ静電容量方式センサおよびさまざまなＡＣ静電容量方式センサにも適用できることを理解する必要がある。ただし、センシング原理を変更する時には、さまざまな電極上の電圧レベルを変更して湿潤指の湿った谷または隆線が乾燥指から得た読み取り値に近い読み取り値を示すようにする必要がある。

例えば、センサは、一定の電圧に達する時間が測定され、充電時間が蓄積された電荷、したがって、センサパッドと外部電極間の全静電容量を表すＤＣ静電容量方式センサでよい。この場合、外部電極は例えば大地電位に結合されていてよく、センシングコンデンサは充電時間測定中に５Ｖの内部電圧で読み出し回路から充電することができる。この場合、クランプ電極２は例えば５Ｖに（直接またはインピーダンス１３を介して）結合しなければならない。汗がたまった谷が存在する時には、コンデンサは「両側から」（読み出し電極内部からとクランプ電極から）充電される。したがって、充電時間は短縮される。この状況は空気がたまった谷がパッド上部に存在し、指を介した対地静電容量がゼロに近い状況に似ている。したがって、この場合も、乾燥指か湿潤指かにかかわらず、谷は「白」または「薄いグレー」になる。隆線が存在する時には、クランプ電極からの充電路は隆線を介したより高いインピーダンスによって抑制され、その結果、隆線特有のより長い充電時間が必要になる。同様に、「反転」電圧（クランプレールで使用される）はこの場合、例えば、ＤＣ−５Ｖに対応する。

最後に、上記原理をスキャナおよびマトリクスタイプセンサの両方に使用することができる。マトリクスタイプセンサの場合、この原理は個々のセンサ素子の領域が減り、２つの隣接するセンサ素子間の局所および（必要ならば）内部電極の余地が生まれる。この場合、例えば、外部電極をマトリクス領域外に配置してもよい。なお、クランプ原理では、必要な「短絡」効果を得るために、可能な誘電体被覆の厚さがセンサを被覆する誘電体の厚さよりはるかに小さいことが必要である。

[実施例]
本発明を具体化するさまざまな方法がある。提案される素子にはＡＳＩＣの機能層内で実施できるものがあり、また残りは例えばフラットなセンサ構造上に製造することができる。

図１１は本発明の可能な一実施形態を示す。この例は、１つの外部駆動または刺激電極１と、一列のセンサパッド３の近くに位置する１つのクランプ電極２を含み、外部および駆動電極はセンサ自体の上に製造されている。図２はセンサパッドと局所電極の周囲の領域の詳細を示す。

センサ表面は、例えば、特許出願、国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３９号に記載の半導体材料製の集積回路の上面に配置することができる。また、センサ表面は、特許出願、国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３８号に記載のように、セラミクス、ガラス、シリコンまたは積層板の形態をとることができる。ここで、センサはセンサ素子（基板の上面）をＡＳＩＣ上に増幅回路を備えた電子回路の入力パッドに結合するバイアホールを備えた基板の形態をとる。

局所およびソース電極は周知の技法（圧膜、薄膜など）を用いて基板上面に導電性層をパターン形成することで製造できる。センサ表面上に直接位置する場合、電極は好ましくは使用するセンサ表面のタイプに適合した工程で製造される（圧膜技術、薄膜技術または回路基板技術など）。

クランプ電極２と駆動電極１の両方を例えば独立して動作させるように相互に結合していないいくつかのサブ電極に分割することができる。例えば、各々の個々のセンサ素子に対応する１つまたは複数の電極を設け、１つの素子の周囲の湿度がセンサ表面の他の部分の素子の読み取り値に影響しないようにすることができる。

インピーダンス網または網１３はセンサ（例えば、薄膜工程で規定する静電容量および/または抵抗器を含む）上に直接集積するか、読み出し回路（「ＡＳＩＣ」）内に集積するか、外部の離散的なコンポーネントによって実現することができる。

所望のインピーダンスを達成する別の融通性がある方法は、クランプ電極２を上面が直接指にさらされる薄い誘電体材料（または高抵抗材料）で被覆する方法である。クランプ電極２が例えば大地電位に結合されている場合、クランプ電極上部の指の表面からの対地インピーダンス１３は個々のセンサパッド周囲の電極と指の接触領域にほぼ比例する。その結果、極めて「局所的な」クランプ効果が得られる。これは個々のセンサ素子のクランプ効果を他の素子での効果から独立させるために望ましい。

電極１および２は露出して指と抵抗性接触を有することもでき、絶縁誘電体材料で完全に被覆して純粋な静電容量性結合を実現してもよい。また、誘電体で電極の一部を被覆するか、電極の１つのみを被覆し、残りを被覆しないでおくことも有利である。例えば、クランプ電極２に最も近い外部電極の部分が誘電体で被覆されている場合、２つの電極間の直接の低インピーダンス結合の可能性が低下する。

２つの電極（駆動電極と局所電極）間の距離を最大限にしてセンサ表面上に汗が存在すると両者の間の直接の結合を最小限にすることは有利である。推奨の最小距離は例えば２００〜５００μｍ程度である。

外部電極１を薄い誘電体で被覆し、少なくとも局所電極の一部についてパッシベーションを行わないという方法も可能である。誘電体パッシベーションのため、２つの電極間には常に最小の、電流を遮断するインピーダンスが存在する。これによって、電極間に過剰な電流が流れることなく、部分的に露出した局所電極を直接大地電位に結合することができる。

局所電極が露出し、大地電位（または他の任意のＤＣ電位）に結合されている場合、指からの放電が接地された局所電極に直接流れることが多い。そのため、ＥＳＤの観点から有利である。

静電容量検出原理が位相検知型の場合、局所電極上の信号の位相が検出する信号に対して一定の位相を有するようにインピーダンス網１３を調整することは有利である。両者が９０度位相ずれの関係にあるようにシステムを調整すると、駆動電極と局所電極間の直接の結合の効果を低減することができる。

また、一部の周波数成分しか局所電極の信号に現れないさまざまな周波数を有する駆動リングＡＣ信号を使用することができる。各周波数から１つの画像が得られるならば、クランプの程度が異なるさまざまな種類の画像を同時に得ることができる。

センサ表面上の幾何学構造パターン２４を所望の形状に応じてさまざまな方法で製造することができる。導電性構造（隆線、パッド）は表面上に蒸着された金属をパターン形成して製造できる。非導電性が低い構造は絶縁材料をパターン形成して、または導電性構造を絶縁層で被覆して製造できる。所望の幾何学構造は「階段構造」を製造する回路基板工程でいくつかの層を蒸着しターン形成することで実現できる。

半球型構造を所望する場合、１つの解決策は、リフロー可能な金属（「はんだ」）に電気めっきをかけ、その後、はんだ付けが可能で非はんだ付け材料で区切られたセンサパッド上にリフローする方法である。金属「バンプ」の直接の電気めっきまたは無電解めっきも可能である。

信号を反転させるためのコンデンサは、例えば、基板のいずれかの面の２層の基板薄膜または厚膜工程で製造できる。ここで上面の導電性層内のパターンは上板（反転電圧駆動回路に接続されている）を構成し、底部の電性層内の一致するパターンはセンサパッドに例えばこの導電性層内の配線によって結合されるコンデンサの底板を構成する。あるいは、これらのコンデンサはＡＳＩＣ回路上で製造できる。

指インピーダンスセンシングデバイスは上記の基板の上面の導電性層にパターン形成を行うことで製造できる。インピーダンスは電圧センサ３２によって周知の方法で測定できる。

ゲイン調整は増幅回路内のスイッチと帰還インピーダンスの組み合わせによってＡＳＩＣ上で実行できる。ゲイン係数を決定する論理は例えば指インピーダンス測定および/または先行するセンサ読み取り値に基くことができ、ＡＳＩＣ上のハードウェアまたはセンサに結合された外部プロセッサ上で実現できる。

本発明の構成機能に関連するその他の詳細は、上記の国際出願、国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３８号、国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２３９号及び国際特許出願ＰＣＴ/ＮＯ０１/００２４０号に記載され、本明細書に包含されるとみなされる。

クランプ電極を特徴とする本発明のリニアセンサ表面上の可能な電極構成の概略図である。 センサパッド領域周辺の可能な電極構成の詳細を示す図である。 追加の最も奥の電極を備えたパッド領域周辺の別の可能な電極構成の詳細を示す図である。 センサにクランプ電極がない場合の汗がたまった谷の指内の電流の流れを示す図である。指からの電流はセンサパッドに流れる。 汗がたまった谷の指内の電流の流れを示す図である。指からの電流はセンサパッドではなくクランプされた局所電極に流れる。 センサパッドの真上に隆線がある場合の汗がたまった谷の指内の電流の流れを示す図である。隆線によって局所電極からの「短絡」が防止される。 センサパッドの真上に汗がたまった谷がある場合のセンサ素子付近の指/センサの電気的モデルを示す図である。クランプ電極２は１００〜１０００オームのインピーダンス１３で大地電位に結合されている。 センサパッドの真上に隆線があり、指紋の谷に汗がたまっている場合のセンサ素子付近の指/センサの電気的モデルを示す図である。クランプ電極２は１００〜１０００オームのインピーダンス１３で大地電位に結合されている。 センサパッドの真上に隆線があり、指紋の谷に汗がたまっている場合のセンサ素子付近の指/センサの電気的モデルを示す図である。最も奥の電極２２は駆動電極電位である。 センサパッドの真上に汗がたまった谷がある場合のセンサ素子付近の指/センサの電気的モデルである。最も奥の電極２２は駆動電極電位である。 「測定静電容量」１１、信号を「反転」させる静電容量２６および増幅器２９のゲインを変更するプログラマブル帰還インピーダンス２８を示す測定システムの概略図である。 センサパッドと例えば指紋隆線上の「局所」谷の底部との接触領域を増加するセンサパッド４上の導電性のパターン化された「幾何学構造」２４を有する原理を示す図である。 駆動電極からセンサパッド３への局所電流路と、指内の電気的ＡＣ電位からの電流路内の「収縮」効果を形成する駆動電位の「局所」電極２を示す図である。 適当なアナログ増幅を選択する手段としての指のインピーダンスを測定するための電極２３を示す図である。

１ 刺激電極
２ クランプ電極
３ センサパッド

Claims (19)

1. 少なくとも部分的に導電性を有する表面上で測定を実行するセンサデバイスであって、
   前記センサが該センサの表面またはその真下に多数の導電構造体を含み、
   前記導電構造体が、
   少なくとも１つの刺激電極である電流シンク電極（１）と、
   前記センサ素子（３）と前記少なくとも１つの刺激電極である電流シンク電極との間に電圧を印加することによって、これらの間のインーダンスを測定するための電子回路内の多数のセンサ素子（３）と、を具備し、
   前記センサが、前記センサ素子（３）に近接して位置づけられた少なくとも１つの追加のクランプ電極（２）をさらに備えたセンサデバイスにおいて、
   前記クランプ電極が、選択されたＡＣ電源又はＤＣ電源と、前記クランプ電極（２）と前記選択されたＡＣ電源又はＤＣ電源との間の選択された大きさのインピーダンスと、に結合され、
   前記選択された大きさのインピーダンスは１００Ωと１ｋΩとの間にあり、かつ、前記追加のクランプ電極（２）の結果として生じた電圧が前記電流シンク電極（１）の電圧と大きく異なるようなものであり、及び湿った指及び乾燥した指の両方のための適切な信号レベル及び画像品質を保証するようになっているセンサデバイス。
2. 前記追加のクランプ電極（２）と前記センサ素子（３）との間の距離が前記指紋内の隆起部間の距離より小さい２０〜２００μｍである、請求項１に記載のセンサデバイス。
3. 前記刺激電極である前記電流シンク電極と同じ電圧が前記追加の電極に印加され、
   前記センサ素子と前記刺激電極である前記電流シンク電極との間の前記電圧が前記センサ素子に印加される、請求項１に記載のセンサデバイス。
4. 前記追加の電極が変動電圧を供給する電圧供給源に結合され、
   前記刺激電極である前記電流シンク電極が変動電圧または変動電流を前記表面に供給し、
   変動する前記クランプ電極の電圧が前記刺激信号に対して反対の位相を有する、請求項１に記載のセンサデバイス。
5. 前記導電構造体（１、２、３）が前記センサの表面に位置し、これにより、少なくとも部分的に導電性を有する前記表面と直接接触をする、請求項１に記載のセンサデバイス。
6. 前記導電構造体が部分的または完全に誘電体材料で被覆されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
7. 前記センサ素子（３）が前記センサの表面上にある導電パッドで構成され、
   前記導電パッドの各々が別の導電パッドに静電容量結合され、
   前記別の導電パッドが電子回路内のインテロゲーション電極に接続されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
8. 前記センサ素子のセンサパッドが平面状でないが、前記部分的に導電性を有する表面上の前記構造体との接触を改善する幾何学的フィーチャーを有する、請求項７に記載のセンサデバイス。
9. 前記センサ素子（３）のセンサパッドが誘電体材料で被覆されている、請求項７に記載のセンサデバイス。
10. 前記インテロゲーション電極と前記センサパッドとの間の導体の経路の一部が電極に静電容量結合され、指からセンサ素子に流れるＡＣ信号を部分的に補償するために前記電極にＡＣ電圧を印加し得る、請求項１に記載のセンサデバイス。
11. 前記クランプ電極が、前記刺激電極である前記電流シンク電極と前記センサ素子との間に配置されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
12. 前記追加のクランプ電極と前記センサ素子との間に、前記刺激電極である前記電流シンク電極が配置されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
13. 前記刺激電極である前記電流シンク電極がクランプ電極を取り囲む、請求項１２に記載のセンサデバイス。
14. 前記センサがＡＣ静電容量方式指紋センサである、請求項１に記載のセンサデバイス。
15. 前記センサがＤＣ静電容量方式指紋センサである、請求項１に記載のセンサデバイス。
16. 前記局所電極と前記センサ素子との間に配置された０.５〜２０μｍの範囲の高さを有する１つ又は複数の隆起部、あるいはその他の位相幾何学的フィーチャーを備えた、請求項１に記載のセンサデバイス。
17. 前記指紋の或る種の測定されたフィーチャーに応じて様々な電極が付勢状態にされるかまたは非付勢状態にされるように構成された、請求項１に記載のセンサデバイス。
18. 前記刺激電極である前記電流シンク電極または前記追加の電極が、幾つかの周波数において信号を送達するＡＣ電圧供給源に結合されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
19. 前記インテロゲーション電極と前記センサパッドとの間の前記導体の経路の一部が電極に静電容量結合され、
    指からセンサ素子に流れるＡＣ信号を部分的に補償するためにＡＣ電圧を前記電極に印加し得る、請求項５に記載のセンサデバイス。

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