JP4604087B2 - 指紋センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、指紋センサ素子に関する。指紋センサ素子は、上部導電層内に形成される指紋センサ電極と、下部導電層内に形成される下部電極と、該上部導電層と該下部導電層との間にある少なくとも１つの絶縁層と、負の入力端子および正の入力端子ならびに出力端子を有する電荷増幅器とを備え、該素子は、該指紋センサ電極の上部サイドは、指に対向するようにアレンジされ、該指紋センサ電極の下部サイドは、該下部電極に対向するようにアレンジされ、該指紋センサ電極および該下部電極は、容量がそれらの間に形成されるようにアレンジされ、該センサ電極は、該電荷増幅器の該負の入力端子に接続されるようにアレンジされる。

本発明は、また、上記に従う指紋センサ素子を備える指紋センサに関する。

指紋認証システムは、例えば、ビルへのアクセス管理、スマートカード、イネーブル／ディスエーブル配列手段（ｗｅａｐｏｎ ｅｎａｂｌｅ／ｄｉｓａｂｌｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）およびコンピュータアクセスといった個人認証に関する様々な対象に対し、考案されてきた。指紋認証システムは、高いレベルでセキュリティが得られる一方で、容易に使用でき、何らコードを記憶する必要はないし、何ら鍵を持ち運ぶ必要はない。

指紋センサは、今まで、光学読み取りセンサ素子を有する光学センサとして作成されてきた。しかしながら、これら光学読み取りセンサ素子は、非常に高価で、かさばり、汚れに敏感である。それゆえ、容量センサ素子の異なるタイプのものが、その代わりに考案され、指紋の構造と対応するセンサプレートとの間の容量が測定されるものが考案されてきた。

通常、センサプレートは、薄い金属電極からなり、これら電極は、行および列にアレンジされ、指紋の構造を読むようにアレンジされたセンサマトリックスを形成する。多数のタイプの指紋センサが開発されてきたが、これらタイプの多くは、指とトップセンサ電極との間の指容量を測定する。他のタイプは、２つの固定センサ電極を有し、これら電極は、異なる層内に互いの最上部に、あるいは、互いの間のいずれかにアレンジされ、これらプレート間には、固定容量が存在する。この容量は、指の存在がプレート間の電界に影響を及ぼすときに、変化する。指は、しばしば、励起または接地される。例えば、これは、センサマトリックスを取り囲む導電フレームによって、あるいは、グラウンドに大きな静電結合することによってグラウンドレベルに保たれることによってである。

通常、センサ構造のトップ部分は、金属層と、いわゆる多結晶シリコン層からなる幾つかの導電層を備え、これら層の間に挿入された絶縁誘電層を有し、そのトップ導電層が、センサ電極を形成する。今日の全ての容量指紋センサにおける問題は、寄生容量の存在である。トップ層の各センサ電極と下部層との間に寄生容量は、常に存在する。また、トップ層の各センサ電極と、トップ層の１つ以上の隣接するセンサ電極との間にも寄生容量（いわゆる側面（ｌａｔｅｒａｌ）寄生コンデンサ）が存在する。

多くの指紋センサにおいて、この寄生コンデンサは、指と平行する。よくある構成としては、例えば、指とボトム（シールド）プレートが、互いに接続されたときである。この寄生コンデンサは、そのとき、指の容量より、かなり大きくなり得るので、測定が妨害され得る。それゆえ、多少なりとも寄生コンデンサを除去するために、多くの異なる設計が、容量指紋センサ素子に対して、開発されてきた。

Ｋｗａｎｇ Ｈｙｕｎ ＬｅｅおよびＥｕｉｓｉｋ Ｙｏｏｎによる「Ａ ５００ ｄｐｉ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ−ｔｙｐｅ ＣＭＯＳ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｐｉｘｅｌ−ｌｅｖｅｌ ａｄａｐｔｉｖｅ ｉｍａｇｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ」という論文の中に、指紋センサ素子が記載されており、この指紋センサ素子は、指とトップセンサ電極との間の指容量を測定する。各トップセンサ電極（金属３）と下に横たわる導電層（金属２）との間に、寄生コンデンサが存在する。下に横たわる導電層は、特定の制御可能な電位Ｖ_ｒで保たれるように、電源に結合される。各トップセンサ電極は、電荷増幅器の負の入力に接続され、下に横たわる導電層（金属２）は、電荷増幅器の正の入力に接続される。こうして、各トップセンサ電極および下に横たわる導電層２は、電荷増幅器によって、同じ電位に事実上、接続される。このようにして、寄生コンデンサは、事実上、除去される。

しかしながら、この論文にある場合のように、電荷増幅器の入力に大きなコンデンサを有することは、センサ素子のノイズ性能にとって不利になる。電荷増幅器の入力での大きな寄生コンデンサという事実は、ノイズ性能にとって不利であり、これは既知の事実である。入力コンデンサは、指電極から注入された信号に対して、相殺されるだけでなく、増幅器ノイズのような他のソースに対し、寄生コンデンサは、回路内で別の位置を有し、それゆえ、他の伝達関数が生じる。

増幅器ノイズソースに対する伝達関数は、増幅器の正のピンで電圧ソースとみなすと、項Ｃ_{ｔｏｔａｌ ｉｎｐｕｔ}／Ｃ_ｒｅｆを含む。それゆえ、ノイズ性能にとって、全入力容量（すなわち、Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}＋Ｃ_{ｐａｒａｓｉｔｉｃ}＋Ｃ_ｒｅｆ）は、できるだけ低く保つことが有益である。同様に、Ｃ_ｐａｒとグラウンドとの間で、シールドを介して、あるいは、金属電極の駆動によって、負の入力に注入される干渉ノイズは、項Ｃ_ｐａｒ／Ｃ_ｒｅｆを含む。これは、ノイズおよび干渉に関して、寄生容量を低いレベルに保つことが有利であることを示す。

さらに、この論文は、同じ電位に保たれないセンサ電極を開示している。これによって、側面寄生容量に依存して、指と各センサ電極との間の容量測定が可能になる。この寄生容量は、現在の局所的な皮膚の条件によって変動し、指紋像の劣化に繋がる。換言すれば、指と問題とするセンサプレートとの間の容量が測定されるのみならず、問題とするセンサプレートとその近傍のセンサプレートとの間の側面容量も測定される。なぜなら、問題とするセンサプレートだけが、信号を提供するのに、隣接するセンサプレートは提供しないからである。この結果、画像解像度が劣化した信頼できない測定となる。

さらに、この論文は、センサ素子の層構成内の下部層を用いて実現されるフィードバックコンデンサを開示している。これは、有効層の効率の悪い使用である。

それゆえ、本発明の目的は、寄生コンデンサをより効率的に除去し、有効層をより効率的に利用可能とする指紋センサ素子を提供することである。

この目的は、導入部で開示されたような指紋センサ素子によって達成される。この素子では、下部電極は、電荷増幅器の出力端子に接続されるようにアレンジされる。

さらに、この目的は、上述に従う指紋センサ素子を備える指紋センサによって達成される。

好ましい実施形態は、独立請求項で開示される。

本発明によって、数多くの利点が得られる。例えば、
・電荷増幅器の入力における大きな寄生容量が、フィードバックコンデンサ内に変換されること、
・各指紋センサのゲインが、センサ電極コンデンサの値およびフィードバックコンデンサの値を調整して、チューニングされ得ること、
・ノイズを比較的低いレベルに保たれ得ると同時に、比較的大きいゲインが得られ得ることで、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を比較的高めに導くこと、
・ゲインが高く、ＳＮＲが低いことで、比較的厚い保護コーティングを使用でき、ＥＳＤ保護の強化に繋がること、
・側面寄生容量の影響を低減し、解像度が向上すること、
・指紋構造の層が、より効率的に使用されること、
・寄生容量が低減されることで、干渉ノイズが低減されること
・幾つかの個別の指紋センサ素子が、アナログマルチプレクサを介して、単一の電荷増幅器に接続され得ることで、解像度がチューニング可能になること、
・総入力容量をさらに最小化し、それゆえ、増幅器ノイズをさらに最小化するために、層と層の間に比較的大きい間隔が存在し得ること
である。

図１を参照すると、本発明に従う指紋センサ１は、好ましくは、指紋センサ素子２を備え、この指紋センサ素子２は、指紋センサ素子２のマトリックスを形成する行３ａ、３ｂ、３ｃおよび列４ａ、４ｂ、４ｃにアレンジされる。

指紋センサ１に接触する指５は、図１に示すような指紋センサ素子２のマトリックスを取り囲むフレーム６によって、励起される。このフレーム６は、指紋像の感知プロセスの間、指と接触している。フレーム６と指５とが互いに接触中のとき、フレーム６は、信号生成器７から指５に、フレーム６を介して転送される信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}を供給される。

本発明に従う単一の指紋センサ素子２は、以下、図２ａを参照して、より詳細に記載される。全ての指紋センサ素子２は、３つの導電層を備える層構造内に形成される。これら導電層は、トップの導電層Ｍ３、中央の導電層Ｍ２、および、下部導電層Ｍ１であり、それぞれの導電層Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１の下に絶縁誘電材料の第一の層８、第二の層９、および、第三の層１０を備える。導電層用の材料の例としては、典型的には、銅、アルミ、および、ドーピングされた多結晶シリコンである。絶縁層用の材料の例としては、典型的には、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ_ｘおよびガラスである。トップ導電層Ｍ３に、各指紋センサ素子２に対し、個別のセンサ電極１１が形成され、このセンサ電極１１は、電荷増幅器１３の負の入力端子１２に接続される。１つの電荷増幅器１３が、各指紋センサ素子２に対して提供される。電荷増幅器１３の正の入力端子１４は、グラウンドに接続され、それゆえ、電荷増幅器１３によって、負の入力端子１２に接続される対応するセンサ電極１１は、事実上接地される。なぜなら、電荷増幅器１３の入力端子１２、１４にわたる電圧は、ほぼゼロだからである。

また、図１および図２ｂも参照すると、各センサ電極１１は、トップ導電層Ｍ３内に形成されるシールドフレーム１５によって取り囲まれる。ここで、シールドフレーム１５は、導電性シールドとして、グラウンド電位に接続される。これは、隣接するセンサ素子２間での側面寄生容量を防ぎ、こうして、これらのセンサ電極２間でのクロストークを防ぐためである。また、シールドフレーム１５は、アナログ電力電位のような他の適切な制御された電圧電位に接続され得る。

さらに、図２ａを参照すると、センサ電極１１の各センサ電極を覆う保護層１６があり、これは、センサ電極１１をＥＳＤ（静電気放電）と外部磨耗から保護する。保護層１６の上部表面の近傍内に、指５が来ると、稜線と谷間を有する指の構造によって、指と保護層の表面との間に、可変容量が生じる。また、保護層の表面とセンサ電極との間には、固定容量もある。これら容量Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}の直列接続は、センサ電極１１によって検出される。稜線と谷間を有する指５の構造によって、可変容量の値は変化し、こうして、指紋像に関する情報が提供される。図２ａの指５は、層構造８と相対的な指の位置を示すために、単に模式的に示されることに留意すべきである。

本発明に従うと、下部電極１７は、各指紋センサ素子２に対し、中央導電層Ｍ２内に形成される。下部電極１７は、電荷増幅器１３の出力端子１８に接続される。この接続により、各センサ電極１１と各下部電極１７との間に、フィードバック容量Ｃ_ｒｅｆがあり、次いで、このフィードバック容量Ｃ_ｒｅｆは、電荷増幅器１３の負の入力端子１２と電荷増幅器１３の出力端子１８との間に接続される。センサ電極１１は、指５に対向する上部サイド１１ａ、および、下部電極１７に対向する下部サイド１１ｂを有する。

このように、Ｃ_ｒｅｆは、フィードバックコンデンサを形成し、こうして、大きな寄生コンデンサは、電荷増幅器１３の入力に形成されなくなり、したがって、ノイズおよび干渉特性は、従来技術に比べ、かなり低減される。このことは、保護層１６の厚さを従来技術より厚くすることを可能にする。なぜなら、ＳＮＲ（信号対ノイズ比）が低いと、従来技術に比べ、各指紋センサ素子に対するゲインを増やすことが可能だからである。保護層１６が厚ければ厚いほど、本発明によって、指５からセンサ電極１１へのＥＳＤ放電に対する危険性を少なくすることも可能である。なぜなら、指と、指紋センサ１を取り囲むフレーム６との間の破壊電圧は、指とセンサ電極１１との間の破壊電圧より小さくなるからである。フレーム６は、信号パルスで指５を励起し、指５からＥＳＤを迂回（ｄｉｖｅｒｔ）する手段（図示せず）に接続される。

また、補助下部電極１７ａは、下部電極１７に近接して、中央導電層Ｍ２内に形成される。補助下部電極１７ａは、グラウンドに接続され、Ｃ_ｒｅｆがセンサ電極１１に及ばない場合、追加シールドとして使用される。補助下部電極１７ａのサイズは、下部電極１７の側方にて適合するように調整される。これは、下部電極１７のサイズが、各指紋センサ素子２の所望のゲインを得るために適合されるようにするためである。なぜなら、このゲインは、センサ電極コンデンサの値（すなわち、センサ電極１１、下部電極１７、補助下部電極１７ａ、および、絶縁誘電材料の第一の層８の物理的寸法）を調整することによって、製造レイアウト内で指紋センサ素子２に対してチューニングされ得るからである。

しかしながら、各電荷増幅器１３の負の入力端子１２とグラウンドとの間に、第一と第二の寄生容量Ｃ_ｐａｒ１、Ｃ_ｐａｒ２が発生し得る。Ｃ_ｐａｒ１は、各センサプレート１１とそれを取り囲むシールドフレーム１５との間の側面容量に起因する。Ｃ_ｐａｒ２は、各センサ電極と各補助下部電極１７ａとの間の容量に起因する。また、近傍のセンサプレート（図示せず）との間に第三の寄生容量Ｃ_ｐａｒ３も発生し得る。

図３において、模式図は、センサ素子２の同等な回路１９に対して示される。その結果生じる寄生容量は、ここで、電荷増幅器１３の負の入力端子１２とグラウンドとの間に参照番号Ｃ_ｐａｒで示される。

図１〜図３を参照すると、指５は、取り囲むフレーム６を介して、電気信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}によって励起され、各センサ電極１１の上にある皮膚がこの信号を運ぶ。信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}は、パルス型であることが好ましい。指５からセンサ電極１１に伝達される電荷は、皮膚とセンサ電極１１との間の容量Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}に比例する。従って、皮膚とセンサ電極１１との間の間隔Ｄ１は、逆比例する。センサ電極１１は、事実上接地されているので、その電荷は、電荷増幅器１３によって、既知の値を有するフィードバック容量Ｃ_ｒｅｆに移送される。そして、電荷増幅器１３から信号出力Ｕ_ｏｕｔは、
Ｕ_ｏｕｔ＝（Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}／Ｃ_ｒｅｆ）Ｕ_ｉｎ
のように計算し得る。

指紋センサ１の全ての電荷増幅器からの信号出力は、指紋センサ内の制御ユニット２０に移送される。この制御ユニット２０は、既知のタイプの集積回路であり得る。全ての信号出力に基づいて、制御ユニット２０は、指紋像を代表する画素信号値を計算し得、それを補助ユニット（図示せず）に送信し得る。制御ユニット２０の機能と、これがどのように達成されるかについては、以下に、より詳細に記載される。制御ユニット２０は、図２ａに破線で、複数の接続２１を設けられたものとして示されている。

図２ａに示されるように、層構造内に更なる下部層があり、特定のアナログ電位ＡＶ_ｄｄで保たれた導電層によって構成された第四層Ｐ２を備える。さらに、これもまた導電層から構成された第五層Ｐ１もあり、この層はグラウンド電位で保たれ、電気シールドとして機能する。これらの層Ｐ２、Ｐ１のそれぞれの層の下に、絶縁誘電材料の第四層２２および第五層２３がある。ボトムには、電荷増幅器１３のようなアクティブなコンポーネントを備える半導電基板層Ｔ１がある。上記の下部導電層Ｍ１のみならず、導電層Ｐ２、Ｐ１も、例えば、電気的接続のルーティング、レジスタ、および、電気シールドのために使用され得る。導電層Ｐ２、Ｐ１の一方は、以下に記載されるように、各指紋センサ素子の下部電極を形成するためにも使用され得る。

電荷増幅器１３は、ＣＭＯＳ技術で実現され得る。ここで、信号付与およびサンプリング時の前において、電荷増幅器のＤＣレベルは、リセットスイッチ２４によって維持される。このリセットスイッチ２４は、図３に示されるように、各電荷増幅器１３の負の入力端子１２と出力端子１８との間に置かれ、そして、Ｃ_ｒｅｆと並列になる。電荷増幅器１３は、リセットスイッチ２４を備えていないとしたら、負の入力端子１２に接続されたコンデンサがあるのみである。この端子１２は、アクティブな素子を電流バイアスのある状態に保つために、所定のＤＣ電圧を有しなくてはならない。

参照コンデンサＣ_ｒｅｆの上に置かれたリセットスイッチ２４を使うことは、このようなＤＣレベルを実現するための周知の技術である。ここに記載の実施形態において、ＤＣレベルは、電荷増幅器１３の正の端子１４がグラウンドに接続されているので、ゼロボルトになるであろう。電荷増幅器１３をリセットすると、負の入力端子１２は、正の入力端子１４、したがって、グラウンドに事実上接続される。

各指紋センサ素子２は、画素を構成する。この画素は、ｘ−ｙ選択マトリックスを用いて、個々に選択され得る。この選択マトリックスは、個々の画素の信号を、制御ユニット２０内に備えられた中央サンプリングパーツ２５およびＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換器２６に切り替える能力を有する。この回路のサンプリングパーツ２５のさらなる詳細な説明は、本記載で、以下に続く。

各画素は、個々の電荷増幅器１３に接続されているので、電荷増幅器１３の設計は、スペース制約のために、シンプルに保たれねばならない。電荷増幅器の設計をシンプルに保つと、ノイズが相殺されるべき結果となる。関連するノイズは、以下の形式である。
・画素増幅器内の１／ｆノイズおよび熱ノイズ。これは、各増幅器に存在する通常のノイズである。ＭＯＳｆｅｔコンポーネントにおいては、特に、１／ｆノイズソースが支配的である。周波数に反比例するこのノイズは、低周波数で大きくなり、二重相関サンプリング技術を使うことが必要となる。
・オフセットノイズ。これは、使用されたコンポーネントの不整合によって、任意の増幅器に存在する。
・伝送ライン（または、寄生コンデンサ）ノイズ注入。これは、信号ライン上または容量シールド構造上の主としてデジタルスパイクを拾うことであり、同じチップ上のデジタル回路の存在によって生じる。これは、相関され得るので、危険なノイズソースであり得る。相関とは、信号をサンプリングするとき、同時にデジタルスパイクが発生し得ることを意味する。このノイズは、常に現れ、ノイズとして検出されないが、信号変化（オフセット）として検出される。これは、三重相関サンプリングによって対処される。
・リセットスイッチ電荷注入。リセットスイッチ２４の内部に、実際には、増幅器１３の負の入力端子１２とリセット駆動信号との間に接続された小さな寄生コンデンサ（図示せず）が存在する。スイッチ２４をリリースすると、リセット駆動信号が変化するので、この小さな寄生コンデンサは充電される。この注入された電荷は、こうして、信号として見なされる。

図３に、多数のノイズソース２７ａ〜２７ｅが示される。これらは、真のノイズソースではないが、ノイズの表現のみ出現する。第一のノイズソース２７ａは、Ｃ_ｐａｒとグラウンドとの間に置かれ、干渉ノイズを示す。第二のノイズソース２７ｂは、電荷増幅器１３の正の入力端子１４とグラウンドとの間に置かれ、熱ノイズを示す。第三のノイズソース２７ｃは、電荷増幅器１３の出力Ｕ_ｏｕｔが制御ユニット２０に入るところに置かれ、干渉ノイズを示し、このノイズは、導体パターンと基板とに結合する静電結合していることに起因する。スイッチＳ_{ｓａｍｐｌｅ１}およびＳ_{ｓａｍｐｌｅ２}に続く２つのノイズソース２７ｄ、２７ｅは、タイミングノイズソースまたは位相ノイズソースを示す。これら最後の２つのノイズソースは、サンプリング時に、望まれない静的オフセットの原因となり、これについては、説明の中で、さらに議論される。

相殺は、いわゆる二重相関サンプリングの手段によって実行され、これについて、図３および図４を参照しながら解説される。

図４に、２つの信号の形が示される。第一の信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}は、指の中に注入される信号であり、第二の信号Ｕ_ｏｕｔは、指５からの結合信号に応答しての電荷増幅器１３の出力である。通常、第二の信号Ｕ_ｏｕｔの振幅は、指容量Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}の増加とともに増加する。第一の信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}が正のスロープ２８になると、電荷増幅器１３のリセットスイッチ２４が閉じられる。システムが完全に安定化されるとき、スイッチ２４は、再び開かれ、電荷注入による小さなオフセット信号を生じる。その後、第一の信号は、再び下がり、その結果、Ｖ_ｏｕｔは、Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}の値に依存して上がる。

正および負のスロープは、電荷増幅器１３に使用される電荷の種類に依存する。例えば、ＮＭＯＳまたはＰＭＯＳが使用されると、これは、電荷増幅器１３の正の出力端子１４が、この記載の実施形態の例の場合のようにグラウンドに接続されているか、あるいは、例えば、ＡＶ_ｄｄ接続のように、給電電位に接続されているかを判断する。いずれの場合でも、電荷増幅器１３の正の出力端子１４は、本質的に、固定電位に接続される。Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}が正のスロープになると、リセット動作がある。負の入力端子１２上の信号は、次いで、接地される。その後、入力信号が下がると、Ｖ_ｏｕｔは上がる。

出力信号Ｕ_ｏｕｔは、瞬間Ｔ０およびＴ１でサンプリングされ、その対応する振幅は、ＳＯおよびＳ１である。この出力信号は、Ｓ１−Ｓ０として計算され、これが、二重相関サンプリング技術と呼ばれる。このようにして、リセットスイッチの電荷注入と、発生し得る任意の他のオフセットノイズまたは低周波数（１／ｆ）ノイズとを除去することができる。

第一の瞬間Ｔ０において、第一のサンプリングブランチ２５ａで、第一のサンプリングスイッチＳ_{ｓａｍｐｌｅ１}は、リリースされ、電圧は、第一のサンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ１}で、サンプリングされる。同じことが、第二の瞬間Ｔ１で、第二のサンプリングブランチ２５ｂにおいて、第二のサンプリングスイッチＳ_{ｓａｍｐｌｅ２}および第二のサンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ２}に対しても適用される。双方のサンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ１}およびＣ_{ｓａｍｐｌｅ２}における電圧は、次いで、Ｓ１−Ｓ０として減算され得る。

減算は、デジタル手段によって実行される。サンプリングブランチ２５ａ、２５ｂは、Ａ／Ｄコンバータ２６に繋がる。Ａ／Ｄコンバータ２６の出力は、使用されるＡ／Ｄコンバータによって提供されるデジタル解像度に対応する出力２９を備える。図３に、８ビットの解像度に対応する８つの出力２９ａ〜２９ｈが示される。Ａ／Ｄコンバータ２６の出力は、さらに、この出力を処理し、指紋の像を生成するための手段（図示せず）の中に供給される。

この減算は、２つのブランチの信号を互いから減じ、その差をＡ／Ｄコンバータ２６の中に供給する差動増幅器（図示せず）を用いるアナログ回路によっても、代替的に実行され得る。

Ｓ１−Ｓ０の減算が実行された方法によって、低周波数ノイズの多少の部分が、除去される。

図５に、この減算の周波数プロットが示される。この図において、電荷増幅器１３および信号ラインによって生成した低周波数ノイズの大部分が除去され、このように、さらにもっとノイズ性能が改善される。ｙ軸に、二重相関サンプリングのアクションの周波数応答が示される。これは、グラフが比較的低い値の場合、ノイズの大幅な削減が得られたことを意味する。このグラフは、信号およびノイズの一部のみが、フィルタ除去されていることを示す。これによって、ノイズ帯域幅、従って、全ノイズエネルギが劇的に減少する。

デジタル干渉ノイズとの結合で、サンプリング時に何らかの不整合が生じた場合、前述のように、相関ノイズソースがあることになり、従って、オフセットがある。このオフセットは、三重相関サンプリングを用いて、除去され得る。ここで、また別の減算が実行される。

三重相関サンプリングは、サンプリング手順の第二の段階を含む。その手順では、図４に示すように信号が付加されないか、あるいは、異なる信号が付加される。いずれの場合でも、サンプリング手順の第二の段階の間、入力は一定である。出力信号Ｕ_ｏｕｔは、瞬間Ｔ０およびＴ１にサンプリングされるのみならず、瞬間Ｔ２およびＴ３にもサンプリングされ、対応する振幅Ｓ２およびＳ３を有する。第三の瞬間Ｔ２に、第一のサンプリングスイッチＳ_{ｓａｍｐｌｅ１}は、再び、リリースされ、電圧は、第一のサンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ１}でサンプリングされる。同じことが、第四の瞬間Ｔ３にも、第二のサンプリングスイッチＳ_{ｓａｍｐｌｅ２}および第二のサンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ２}に適用される。双方のサンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ１}、Ｃ_{ｓａｍｐｌｅ２}における電圧は、次いで、Ｓ３−Ｓ２として減算される。減算は、上述と同様の方法で実行される。このように、サンプリング手順により誘導されるノイズ、サンプリングオフセットは、同定され得、この結果から減じられ得る。サンプリングオフセットは、サンプリングオフセットを除去する第一の結果（すなわち、その出力はＳ_ｏｕｔ＝Ｓ１−Ｓ０（Ｓ３−Ｓ２）となる）から減じられる。

サンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ１}、Ｃ_{ｓａｍｐｌｅ２}は、各サンプリングの後、サンプリングコンデンサＣ_{ｓａｍｐｌｅ１}、Ｃ_{ｓａｍｐｌｅ２}の一方に互いに並列結合された対応するコンデンサ放電スイッチ３０、３１によって、放電される。

図６に示される第二の実施形態において、指紋センサ１の制御ユニット２０は、信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}を指５に注入するために、あるいは、センサ素子１１を介して指５からの信号を感知するために、適応される。センサ素子１１は、信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}を注入するか、あるいは、指５を介する注入信号を受信するかを交互に行う。各センサ素子２に対して、制御ユニット２０は、信号ソース７からの接続を開閉する信号スイッチ３２ａを制御する。この信号ソース７は、指５の中に注入されるべき信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}を生成する。そのため、特定の瞬間に、指紋センサ１のセンサ素子１１の一部は、センサ素子として機能する。その間、センサ電極の残りは、信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}を指５に注入する手段として機能する。他の瞬間に、センサ電極１１の一部は、これら機能の間で切り替わり得る。この実施形態において、指紋センサ素子２を取り囲むフレーム６は、ＥＳＤ保護のためのみに必要とされる。

信号がセンサ電極によって検出される場合に関して、問題とするセンサ素子２は、図２ａを参照して議論したのと同じコンポーネントおよびコンポーネントの変種を用いて、同じように機能する。

図６を参照して記載されるこの第二の実施形態は、各電荷増幅器１３の機能性チェックの実行を可能にする。チェックスイッチ３２ｂは、補助下部電極１７ａおよび／または下部電極１７の脇に形成された第二の補助下部電極１７ｂを、グラウンドまたは信号ソース７のいずれかに接続する。チェックを実行するとき、信号スイッチ３２ａは開かれ、チェックスイッチ３２ｂは、信号ソース７から補助下部電極３２ｂへの接続を確立するような位置に置かれ、信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}を生成する。テスト容量Ｃ_ｔｅｓｔが、補助下部電極３２ｂとセンサ電極１１との間に形成され、このセンサ電極１１は、電荷増幅器１３の負の入力端子１２に接続される。これは、生成したＵ_{ｓｉｇｎａｌ}が、電荷増幅器１３の負の入力端子１２に、テスト容量Ｃ_ｔｅｓｔを介して接続されることを意味する。

制御ユニット２０は、電荷増幅器１３が出力信号を伝送するかどうかを検出する。信号ソース７は、チェックの間、電荷増幅器１３の負の入力端子１２に、テスト容量Ｃ_ｔｅｓｔを介して接続されているので、その増幅器がしかるべく機能しているのであれば、電荷増幅器１３は、出力信号を伝送すべきである。換言すれば、各センサ素子２は、信号Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}を送信し、その同じ信号を、その素子自身の電荷増幅器１３を用いて直接検出する。テストが実行されないとき、チェックスイッチ３２ｂは、補助下部電極３２ｂとグラウンドとの間の接続を確立するような位置に置かれる。

指紋センサ１を取り囲むフレーム６に関していうと、代替的アプリケーションでは、記載された導電フレーム６の代わりに、外部容量フレーム６を使用する。このような容量フレーム６は、薄い誘電絶縁層（図示せず）を介して指５との静電結合を有する導電層を備える。

本発明は、上記に開示したことに限定されず、添付の請求の範囲内で、自由に変化され得る。例えば、保護層および各センサ電極を取り囲む接地ＥＳＤ保護フレームは、単に用心のためにあり、省かれ得る。

図７において、本発明の第三の実施形態に従って、上記に従う指紋構造が、異なる方法で使用される。電荷増幅器の負の入力端子１２は、ここでは、第一の導電層Ｍ３内で、センサ電極１１と接続される。導電層Ｐ１によって構成される第五の層は、電荷増幅器１３の出力１８に接続されるように形成された下部電極３３を有する。センサ電極１１と下部電極３３との間に今や形成されたフィードバックコンデンサＣ_ｒｅｆの電極間の間隔Ｄ２が増加する。なぜなら、絶縁誘電層８、９、１０、２２のみで、その間に何ら干渉構造が存在しないからである。この目的のために、アパーチャが、中間導電層Ｍ１、Ｍ２、Ｐ２内に形成される。このＤ２が増加すると、電荷増幅器１３の負の入力端子１２での総容量が減少する。次いで、その結果、回路の総ノイズも減少する。なぜなら、当業者に周知のように、ノイズは、電荷増幅器１３の負の入力端子１２における総容量の増加とともに増加するからである。

中間層Ｍ１、Ｍ２、Ｐ２は、例えば、電気的接続のシールドまたはルーティングのために使用され得る。その他の点については、問題となるセンサ素子２は、図２ａを参照して議論した同じコンポーネントおよびコンポーネントの変種を用いて、同様に機能するし、また、図６を参照して議論した同じコンポーネントおよびコンポーネントの変種を用いて、同様に機能し得る。

さらに、指紋センサ構造内の層の数は、望まれる機能に対して何が最も適切であるかに応じて、変化し得る。記載された層構造は、単に例であるに過ぎない。また、本発明の範囲から離れずに、図８を参照して、上記の例が示されるように、層の使用は、何を望むかによっても変化し得る。さらに、例えば、層Ｐ２およびＰ１に対して示されるＡＶ_ｄｄおよびグラウンドへの接続は、それぞれ図２ａおよび図６を参照して記載された第一および第二の実施形態において、技術的または経済的な理由で他の適切な代替案に変化され得る。例えば、薄膜構造など本明細書に記載された材料以外の材料や材料の組み合わせも使用され得る。

さらに、図８を参照すると、非常に模式的に示される少なくとも２つの指紋センサ素子２’、２”は、一つの同じ電荷増幅器１３’に、スイッチング手段を介して、接続され得る。これは、マルチプレクサ回路３４の形式が好ましい。マルチプレクサ３４は、一方で電荷増幅器の負の入力１２’および正の入力１８’と、他方で１つの指紋センサ素子２’、２”の対応する電極１１’、１７’；１１”、１７”との間で、同時に切り替わる。こうして、例えば、指紋センサ１の行または列内の全ての指紋センサ素子は、一つの同じ電荷増幅器１３’に、マルチプレクサ回路３４を介して接続され得る。

この配置は、また、解像度をチューニング可能とする。なぜなら、例えば、増幅器ゲインが補正されると同時に、１つ以上のスイッチを閉じることによって、１つ以上の信号は、互いに追加、または、互いから除去され得るからである。図示された双方のスイッチペア３５、３６が閉じられると、双方のセンサ電極１１’、１１”および双方の下部電極１７’、１７”は、関与される。なぜなら、参照容量Ｃ_ｒｅｆは、こうして倍にされると、ゲインも自動的に補正されるからである。

サンプリング回路２５は、代替的に（図示せず）、１つのブランチのみを備え得る。このブランチは、順に、サンプリングコンデンサ、コンデンサ放電スイッチおよびサンプリングスイッチを備える。このブランチは、次いで、信号をデジタルフォーマットに変換するＡ／Ｄコンバータに接続される。

さらに、図１に示すような指紋センサ素子２のマトリックスを取り囲むフレーム６は、センサチップ（すなわち、センサ構造が形成されるチップ）上に、あるいは、センサチップに隣接して形成され得る。また、フレーム６は、指紋センサ素子２のマトリックスの各サイドにある１つまたは２つの真っ直ぐな導電バーのような個別のパーツとしても形成され得る。

フレーム６は、導電性、半導電性、または、弱絶縁性でもあり得る。

下部電極１７、３３の脇に形成される補助下部電極１７ａ、３３ａは、必要に応じて、完全に省かれ得る。図６に示す第二の補助下部電極１７ｂは、適切であれば、他の層に置かれ得る。

電荷増幅器は、例えば、ＮＭＯＳタイプまたはＰＭＯＳタイプであり得る。他の種類の増幅器も、また考えられ得る。

例えば、ＮＭＯＳまたはＰＭＯＳが使用された場合、これが判断するのは、チェックスイッチ３２が信号ソース７に接続されていないとき、補助電極１７ａ、３３ａおよび第二の補助電極１７ｂが、この記述における実施形態例の場合のようにグラウンドに接続されているか、例えば、ＡＶ_ｄｄ接続のような供給電位に接続されているかである。いずれの場合も、これらは、本質的に固定電位に接続される。

図２ａ、図６、図８のコンデンサは、象徴的なものであること、これらコンデンサは、指紋センサ素子内に存在する構造によって存在する容量を示すことに留意されたい。また、指紋センサ素子内に存在する構造によって発生する他の容量もあり得るが、これらは、この記載において、象徴的なコンデンサによって、図示および／または議論されていない。

本発明は、添付図面を参照しながら、以下により詳細に記載される。
図１は、本発明の第一の実施形態に従う指紋センサを模式的に示す。 図２ａは、本発明の第一の実施形態に従う指紋センサ素子の断面を模式的に示す。 図２ｂは、本発明の第一の実施形態に従う指紋センサ素子の上面斜視図を模式的に示す。 図３は、本発明の第一の実施形態に従う指紋センサ素子の等価な電気回路を模式的に示す。 図４は、時間経過にともなう入力信号および対応する検出信号のグラフを模式的に示す。 図５は、検出され、サンプリングされた信号のスペクトルグラフを模式的に示す。 図６は、本発明の第二の実施形態に従う指紋センサ素子の断面を模式的に示す。 図７は、本発明の第三の実施形態に従う指紋センサ素子の断面を模式的に示す。 図８は、幾つかの指紋センサ素子が一つの同じ電荷増幅器に接続されている実施形態を模式的に示す。

Claims (21)

1. 上部導電層（Ｍ３）内に形成される指紋センサ電極（１１）と、
   下部導電層（Ｍ２、Ｐ１）内に形成される下部電極（１７、３２）と、
   該上部導電層（Ｍ３）と該下部導電層（Ｍ２、Ｐ２）との間にある、少なくとも１つの絶縁層（８、９、１０、２２）と、
   負の入力端子（１２）および正の入力端子（１４）ならびに出力端子（１８）を有する電荷増幅器（１３）と
   を備え、
   該指紋センサ電極（１１）の上部サイド（１１ａ）は、指（５）に対向するようにアレンジされ、該指紋センサ電極（１１）の下部サイド（１１ｂ）は、該下部電極（１７）に対向するようにアレンジされ、
   該指紋センサ電極（１１）および該下部電極（１７）は、容量（Ｃ_ｒｅｆ）がそれらの間に形成されるようにアレンジされ、
   該センサ電極（１１）が該電荷増幅器（１３）の該負の入力端子（１２）に接続され、かつ、該下部電極（１７）が該電荷増幅器（１３）の該出力端子（１８）に接続されることにより、該容量（Ｃ _ｒｅｆ ）は、該電荷増幅器（１３）の該負の入力端子（１２）と該電荷増幅器（１３）の該出力端子（１８）との間に接続される、
   指紋センサ素子。
2. 前記電荷増幅器（１３）の前記正の入力端子（１４）は、本質的に固定された電位に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の指紋センサ素子。
3. 前記センサ電極（１１）は、前記電荷増幅器（１３）の前記負の入力端子（１２）に直接接続されていることと、
   前記下部電極（１７）は、該電荷増幅器（１３）の前記出力端子（１８）に直接接続されていることと
   を特徴とする、請求項１または請求項２に記載の指紋センサ素子。
4. それぞれのスイッチング手段（３４）を介して、前記センサ電極（１１’、１１”）は、前記電荷増幅器（１３’）の前記負の入力端子（１２’）に接続され、対応する前記下部電極（１７’、１７”）は、該電荷増幅器（１３’）の前記出力端子（１８’）に接続されることにより、
   幾つかのセンサ電極（１１’、１１”）および幾つかの対応する下部電極（１７’、１７”）が、該それぞれのスイッチング手段（３４）を介して、一つの同じ該電荷増幅器（１３’）に接続されることを可能にすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の指紋センサ素子。
5. 前記スイッチング手段は、スイッチ網を備えていることを特徴とする、請求項４に記載の指紋センサ素子。
6. 前記スイッチング手段は、マルチプレクサを備えていることを特徴とする、請求項４に記載の指紋センサ素子。
7. 隔離保護層（１６）が、前記指紋センサ電極（１１）の上部サイド（１１ａ）において、前記指（５）と該センサ電極（１１）との間に提供されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の指紋センサ素子。
8. 前記センサ素子（２）は、３つの導電層（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）と、２つの下部導電層（Ｐ１、Ｐ２）と、半導電基板層（Ｔ１）とを備え、
   これら層（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｐ１、Ｐ２、Ｔ１）間に、中間絶縁誘電体層（８、９、１０、２２、２３）が提供されることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の指紋センサ素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の指紋センサ素子（２）の少なくとも１つの行（３ａ、３ｂ、３ｃ）または少なくとも１つの列（４ａ、４ｂ、４ｃ）を備えていることを特徴とする、指紋センサ。
10. 前記上部導電層（Ｍ３）において、シールド構造（１５）が、前記指紋センサ（１）内に備えられた前記センサ電極（１１）の各センサ電極の間に提供されていることを特徴とする、請求項９に記載の指紋センサ。
11. 外部導電構造、外部半導電構造または外部弱絶縁構造（６）が、指紋センサ素子（２）の少なくとも行（３ａ、３ｂ、３ｃ）または列（４ａ、４ｂ、４ｃ）に沿って提供され、
    該構造（６）は、前記指（５）の指紋を感知する間に、該指（５）と電気的に接触しているようにアレンジされていることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の指紋センサ。
12. 前記外部構造（６）は、前記指（５）からＥＳＤ放電を逸らす手段と接続されていることを特徴とする、請求項１１に記載の指紋センサ。
13. 電気信号が、前記センサ素子（２）とは別個の前記外部構造（６）を介して、前記指（５）に提供されることを特徴とする、請求項１１または請求項１２に記載の指紋センサ。
14. 前記外部構造（６）は、弱絶縁性であり、指紋センサ素子（２）の行（３ａ、３ｂ、３ｃ）または列（４ａ、４ｂ、４ｃ）における前記保護層（１６）より低い破壊電圧の値を有することを特徴とする、請求項１１に記載の指紋センサ。
15. 各センサ電極（１１）は、電気信号を検出すること、または前記指（５）に電気信号を提供することのどちらかを交互に行うようにアレンジされていることを特徴とする、請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載の指紋センサ。
16. 各センサ電極（１１）は、電気信号（Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}）を提供することと、該電気信号（Ｕ_{ｓｉｇｎａｌ}）を検出することとの双方を、問題の該センサ電極（１１）と関連する前記電荷増幅器（１３）を介して行うようにアレンジされていることを特徴とする、請求項９〜請求項１５のいずれか１項に記載の指紋センサ。
17. 各センサ素子（２）の前記電荷増幅器（１３）の出力端子（１４）からの出力信号（Ｕ_ｏｕｔ）は、サンプリング回路（２５）に供給され、該サンプリング回路（２５）は、次に、Ａ／Ｄコンバータ（２６）に接続されていることを特徴とする、請求項９〜請求項１６のいずれか１項に記載の指紋センサ。
18. 前記サンプリング回路（２５）は、二重相関サンプリングを実行するようにアレンジされていることを特徴とする、請求項１７に記載の指紋センサ。
19. 前記サンプリング回路（２５）は、三重相関サンプリングを実行するようにアレンジされていることを特徴とする、請求項１７に記載の指紋センサ。
20. 前記サンプリング回路（２５）は、デジタル方式で前記サンプリングおよび減算の手順を実行するようにアレンジされていることを特徴とする、請求項１７〜請求項１９のいずれか１項に記載の指紋センサ。
21. 前記サンプリング回路（２５）は、アナログ方式で前記サンプリングおよび減算の手順を実行するようにアレンジされていることを特徴とする、請求項１７〜請求項１９のいずれか１項に記載の指紋センサ。

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