JP4818564B2 - 特に指紋センサのための小型化センサチップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に指の表面内の構造を測定するためのものといったような、センサチップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
アレイ（マトリクス）をなす複数のセンサ部材と指のグルーブパターン（溝形状）との間のＡＣ信号の容量性結合をベースとした指紋センサは、例えば国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＮＯ９８／００１８２により周知である。米国特許明細書第５，９６３，６７９号は、異なる測定原理をベースとするとともに２次元センサマトリクスを有した同様のセンサを開示している。
【０００３】
しかしながら、例えば携帯電話やラップトップ型ＰＣに取り付けるといったような特別の応用のためには、これらセンサをできる限り小さくかつ軽量化することが重要である。そのような小型化センサは、また、大量生産に適した製造プロセスを使用して製造された場合には、コスト的に有利なものとなる。
【０００４】
しばしば顧客仕様シリコン回路（『ＡＳＩＣ』）と称される電子測定回路を、センサアレイ内のキャパシタンス検出部材に対してできる限り近接配置することによって、シリコン回路とセンサ部材との間の電気導体の長さを最小化しようとする際には、ノイズに配慮することが重要である。
【０００５】
サイズと電子的機能性とに関連した上記要求は、プラスチックベースのハウジングやセラミックハウジング内にシリコン回路を取り付けるという標準的パッキング技術を使用した場合には、実現が困難である。同時に、ハウジングが外部影響からセンサを効果的に保護していることにより、そのような構成は、センサの寸法を比較的大きなものとしてしまうとともに、ハウジングの『脚部』が、指に対しての不適切なインターフェースをもたらしてしまう。
【０００６】
上記一般的問題点に加えて、素子に対して、使用者に対してのインターフェースのための付加的な機能性を付与するとともに、信号品質を最適化することが、強く要望されている。よって、そのような素子がセンサ自体の中に一体化することができれば、大いに好都合である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、露出されたシリコンチップ（ＡＳＩＣ）に対して、使用者の指に対してのインターフェースをなす表面を有した積層であって金属も有した積層を付加することに基づいて、コスト的に有利な小型化センサを提供することである。原理は、複数の像形成用センサ部材からなるアレイを、シリコン表面上の上部金属層の一部として配置することをベースとしている。
【０００８】
ＡＳＩＣのための標準的製造プロセスにおいては、シリコン表面には、導体リード付きの複数の金属層が設けられる。これら金属層どうしは、薄い誘電体層によって隔離される。加えて、積層構造上に付加的な金属層と付加的な誘電体層とを設けることによって、いわゆるサンドイッチ構造を形成することができる。ＡＳＩＣの上層内に指紋検出用の機能構造を設けることにより、上述したような小型化センサを、製造することができる。
【０００９】
米国特許明細書第６，０６９，９７０号、米国特許明細書第５，８６２，２４８号、および、米国特許明細書第５，９６３，６７９号には、上記技術をベースとした指紋センサが開示されている。しかしながら、これら手段は、構成において実質的に相違しており、そのため、各層の機能が相違している。これら手段は、各画素に対応した複数の駆動電極を使用してインピーダンスを局所的に測定するような非常に複雑な２次元センサ構造に関するものである。このような場合には、一般に、電子回路に対して厳しい要求が課せられる。
【００１０】
本発明は、請求項１に記載されているような単純化された構成に関するものである。
【００１１】
指に対して電気的コンタクトをなす刺激電極を使用することにより、指とセンサ電極に対しての表面との間のインピーダンス測定が得られる。これにより、実質的に直線状のセンサ構造であることに加えて、大いに単純化されたセンサがもたらされる。本発明によるセンサチップは、公知の構成と比較して、例えば、製造が容易であるとともに、小さな携帯装置内において容易に使用することができる。
【００１２】
本発明によるセンサが、ＩＣ製造における標準的プロセスを使用して製造し得るものであることにより、大量生産に適した非常にコスト的に有利なセンサがもたらされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を例示している添付図面を参照して、本発明について、より詳細に説明する。
【００１４】
図面から明らかなように、本発明によるセンサチップは、好ましくは、カバーを設けることなく、ハウジング（７）内において露出されたシリコンチップ（６）から構成され（あるいは、可能であれば、回路基板やセラミック基板上に設置されたシリコンチップから構成され）、シリコンチップには、金属からなる複数の層または例えばポリシリコンといったような他の電気伝導材料からなる複数の層と、使用者の指に対してのインターフェースを構成する誘電体からなる複数の層と、が設けられている。原理は、複数の像形成用センサ部材を、シリコン回路上の電気伝導層（１）をなす第３上部層または第４上部層の一部として構成するとともに、複数の導体リードを、各センサ部材を起点として延出しその後シリコンチップの表面上の増幅器回路にまで互いに個別的に延在させることをベースとしている。
【００１５】
本発明の構成は、シリコンチップが、セラミックベースのまたはプラスチックベースのハウジング内において蓋を設けることなく、あるいは、回路基板やセラミック基板上に、取り付けられていることにより、ＡＳＩＣ製造およびパッキングのための標準的方法によって工業的に製造することができる。シリコンチップは、いわゆるワイヤボンディングによって、回路基板やハウジングに対して電気的に接続される。
【００１６】
キャパシタンスベースの測定原理のために必要な機能性をもたらすために、例えば図１に示されたような所定の電気機能を有した様々な構造に対して、ＡＳＩＣ上において３つまたは４つの上部金属層を、使用しなければならない。図面は、可能な構成を例示しているだけであって、複数の層に関する他の組合せを排除するものではない。
【００１７】
ＡＳＩＣ上部層の構成例を図示している図１および図２に示されているようにして基板上に設けられているとともに金属や誘電体から形成されている各層について、以下、説明する。シリコンチップ上に金属層や誘電体層を形成するプロセスは、周知の技術であるものの、個々の層の機能性や各層の組合せは、特に、国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＮＯ９８／００１８２に記載されているような図３に示すように本質的に直線状とされたセンサアレイ（８）とされたセンサの変形例としての指紋センサを目的としているという点において、本発明に帰属するものである。図２および図３には、さらに、上記文献に記載されているように、速度計算のために使用し得るような、二次的センサグループが示されている。ライン形状センサは、同様の構成の２次元センサと比較して、必要とする空間が極めて小さくかつただ１つのチャネルしか必要としないという点において、さらに、そのために低コストで製造できるという点において、極めて有利である。
【００１８】
図１においては、電気伝導層（１）が、複数の像形成用センサ部材（８）を構成している。上述したように、各センサ部材は、国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＮＯ９８／００１８２において特許となった構成の変形例として図３に示されたようにして、配置することができる。
【００１９】
図１における誘電体層（２）は、電気伝導層（１）内の導体リードと、電気伝導層（３）内の接地面と、の間の絶縁層として機能する。誘電体層（２）は、また、指とセンサ部材との間における合計誘電体厚さ（絶縁）の一部を構成する。
【００２０】
電気伝導層（３）は、導体リード等を指や変調リング（５）からのＡＣ信号との直接結合から遮蔽する接地面を構成する。接地層（３）は、好ましくは、下に位置する第１電気伝導層（１）上のすべての導体リードをカバーし得るような形状とされている。しかしながら、接地層（３）は、複数のセンサ部材（８）の上方においては、それぞれウィンドウ（開口部）を有していなければならない。接地面（３）のうちの、複数のセンサ部材（８）の上方に設けられた各開口部は、『レンズ』効果によって電界の整形に寄与し、したがって、指とセンサ部材との間の容量性結合に寄与する。センサ部材（８）と第２電気伝導層内の開口部との構成は、センサの幾何学的解像度を低減することなく信号強度を最大化させ得るように、最適化することができる。
【００２１】
これに代えて、接地遮蔽構造は、誘電体層によって互いに隔離された２つの電気伝導層を使用することにより、得ることができる。この構成は、単一層を使用する場合よりも、より改良された遮蔽効果とレンズ効果とをもたらす。
【００２２】
第２誘電体層（４）が、接地面（３）と外側電気伝導層（５）との間において絶縁を行うことができる。第２誘電体層（４）は、エレクトロニクスに対して信号をＡＣ結合させるものとして機能する。第２誘電体層（４）は、また、（上述したように）指とセンサ部材（８）との間の合計誘電体厚さ（絶縁）の一部を構成している。外側電気伝導層（５）がセンサ部材（８）の上方領域を被覆していないことにより、指は、第２誘電体層（４）に対してコンタクトすることとなる。よって、第２誘電体層（４）は、硬質でなければならいとともに、摩耗や破損に耐え得るようまた外部環境からの化学的影響に耐え得るようさらに使用者の指や他の対象物からの影響に耐え得るよう、摩耗耐性を有していなければならない。これは、例えばＳｉ₃Ｎ₄やＳｉＯ₂ といったような硬質かつ不透過性の誘電体を使用することによって、得ることができる。
【００２３】
第１電気伝導層（１）は、場合によっては、別体とされた電子回路と第１誘電体層との間の結合によって構成することができる。この場合には、電子回路と第１誘電体層とを、互いに個別的に製造することができる。これら２つの部材は、いわゆるフリップチップ技術を使用して製造することができる。
【００２４】
上記複数の電気伝導層に加えて、図１に示すチップは、下部電気伝導層（１１）を備えている。この下部電気伝導層（１１）は、回路に対しての共通接地面を構成している。
【００２５】
外部電気伝導層（５）は、国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＮＯ９８／００１８２において言及されているように、信号品質を向上させるため、図４に示すようにして指内へと刺激信号をもたらすことを目的とした上部層である。したがって、外部電気伝導層（５）は、電気伝導性であって指に対して良好な接続を行い得るものでなければならない。また、外部電気伝導層（５）は、硬質でなければならないとともに、摩耗や破損に耐え得るようまた外部環境からの化学的影響に耐え得るようさらに使用者の指からの影響に耐え得るよう、摩耗耐性を有していなければならない。クロムが、この目的のために可能な１つの金属である。
【００２６】
好ましくは、外側電気伝導層（５）は、刺激信号の周波数および強度を制御するための駆動回路に対して接続される。
【００２７】
そのような刺激電極は、例えば指がセンサに対して触れた時点を検出することができるような容量性活性化セルと組み合わせることができる。よって、この構成を使用すれば、休止モードから活性使用状態にわたってのセンサの活性化（あるいは、起動）を制御することができる。これにより、センサの電力消費が最小化される。
【００２８】
インピーダンス活性化セルは、例えば、図４に示すように相互連結されていない２つの『カム構造』（電極）（１０）からなる互いに噛み合ったフィンガー構造として形成することができる。例えば指といったような導通対象物が、この構造に近接したときには、両電極間のインピーダンスが増大し、この変化は、例えば低電力消費で動作し得る発振回路といったようなものを使用することによって、検出することができる。
【００２９】
センサが休止モードの時に、外側電気伝導層の一方の電極を接地することは、センサに近接した指や他の帯電対象物からのＥＳＤ（electrostatic discharge,静電放電）に対しての有効な保護をもたらす。この場合には、放電は、直接的に接地へと流れることとなる。一方の電極が接地に接続されていない場合であっても、外側電気伝導層（５）内の構造は、この外側電気伝導層内の構造と接地との間にＥＳＤ保護回路が接続されていれば、ＥＳＤ保護という重要な機能を有することができる。
【００３０】
刺激周波数を指に対して結合するための代替可能な方法は、結合が純粋に容量性となるように、薄い誘電性フィルムによって電気伝導性材料を被覆することである。このことは、結合が、すべての人に対して一様となるという点において、また、指の湿気に対する依存性が少なくなるという点において、有利である。
【００３１】
チップ上の増幅器と他の信号処理回路の特性が、素子ごとに変更可能であることのために、各センサ部材からの応答を校正できることは、極めて重要である。これは、センサ部材がなすラインの近傍にあるいはセンサ部材に接続されている導体の近傍に、例えば接地層（３）の一部としてあるいは接地層（３）の下に位置する他の電気伝導層として、横断電極を設けることによって、得ることができる。電極上に校正信号を供給することによって、指や導体対象物がセンサの近くに存在していなくても、センサ部材を容量的に励起することができる。増幅器および信号処理回路から得られた信号に基づいて、各センサ部材からの応答を均等化することができる。
【００３２】
本発明は、固体指紋センサとして要求された利点を独自の方式でもたらし得るようなデバイスに関するものである。対応技術は、また、例えばマウスナビゲーションに関連した目的といったような、表面上にわたっての指の移動の認識を必要とする他の応用において使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 センサの上面上における、金属層と誘電体層とからなる積層構成を（概略的に）示す断面図である。
【図２】 センサの上面を（概略的に）示す斜視図であって、パッケージ内へのセンサチップの取付方法を示している。
【図３】 本発明の好ましい実施形態によるセンサ配置場所の分布を示す図である。
【図４】 本発明によるセンサチップ上に配置される変調電極と活性化セルとの組合せを示す図である。
【符号の説明】
１ 第１電気伝導層
２ 誘電体層（第１誘電体層）
３ 電気伝導層（第２電気伝導層）
４ 第２誘電体層
５ 変調リング（外側電気伝導層）
６ シリコンチップ（電子チップ）
８ センサ部材
１１ 下部電気伝導層

Claims (9)

1. 指表面内の構造を測定するのためのセンサチップであって、
   キャパシタンス測定のための複数の測定電極が設けられている電子チップを具備している場合において、
   前記チップには、第１電気伝導層が設けられ、
   この第１電気伝導層が、前記センサチップ内におけるセンサの位置を規定する複数のセンサポイントを備え、
   これらセンサポイントが、前記電子チップ内の前記測定電極に対して接続され、
   第１誘電体層が、前記第１電気伝導層を実質的に被覆し、
   さらに、外側電気伝導層を具備し、
   この外側電気伝導層が、前記チップ内の前記センサポイントの少なくとも上方位置に、指表面内の構造に対しての電気的コンタクトをもたらすための開口部を有し、
   前記電子チップが、前記外側電気伝導層と前記測定電極との間のキャパシタンスを前記センサポイントを通して測定し得るものとされ、
   前記複数のセンサポイントが、実質的に直線状アレイとされるとともに、このアレイと指表面との間の相対移動を測定し得るように構成された少なくとも１つのセンサを備えていることを特徴とするセンサチップ。
2. 請求項１記載のセンサチップにおいて、
   前記第１電気伝導層が、前記測定電極に対して容量結合されていることを特徴とするセンサチップ。
3. 請求項１記載のセンサチップにおいて、
   前記外側電気伝導層が、前記電子チップに対して結合され、前記外側電気伝導層に対して可変電流または可変電圧が印加可能とされていることを特徴とするセンサチップ。
4. 請求項１記載のセンサチップにおいて、
   前記第１誘電体層上に、第２電気伝導層を具備し、
   この第２電気伝導層上に、第２誘電体層を具備し、
   この第２誘電体層上に、前記外側電気伝導層が取り付けられ、
   前記第２電気伝導層が、接地面を構成していることを特徴とするセンサチップ。
5. 請求項４記載のセンサチップにおいて、
   前記第２電気伝導層が、前記第１電気伝導層内の前記センサ部材の上方に位置した開口部を有した実質的に連続な層を構成していることを特徴とするセンサチップ。
6. 請求項４記載のセンサチップにおいて、
   前記２つの誘電体層の厚さが、前記第１電気伝導層内の前記センサポイントの中心どうしの間隔を超えない厚さとされていることを特徴とするセンサチップ。
7. 請求項１記載のセンサチップにおいて、
   前記電子チップの下方に配置された下部電気伝導層を具備していることを特徴とするセンサチップ。
8. 請求項１記載のセンサチップにおいて、
   前記外側電気伝導層が、前記電子チップ内の電気変調器に対して電気的に接続されていることを特徴とするセンサチップ。
9. 請求項１記載のセンサチップにおいて、
   前記外側電気伝導層が、電気伝導性対象物に対して近接したときにはインピーダンスが変化するような構造を有し、
   この構造に関連した適切な回路が、測定対象をなす表面が前記センサに対して近接したときに、前記センサを活性化し得るものとされていることを特徴とするセンサチップ。

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