JP5593317B2 - 表面センサ - Google Patents

Description

本発明は、表面の構造を測定および撮像するセンサ（特に指紋センサ）であって、指表面の構造の大きさに相当する大きさを有する、指表面に結合するように選択された位置にある選択された数のセンサ素子を含むセンサに関する。より具体的には、本発明は、貫通する導電路と、基板の指表面に結合するセンサ素子とは反対側にある電子回路によって構成された処理装置とを有する、シリコン基板をベースとする指紋センサに関する。

近年、生体認証、特に指紋センサは、例えば、出入国管理、空港ならびにパーソナルデバイス（例えば、ラップトップコンピュータなど）において、人の身元を確認するために普及している。現在の解決法には、使用および製造面において、なお多くの欠点がある。空港および出入国管理で使用される指紋センサは、多くの用途にとって大きすぎ、かつ高価すぎるだけでなく、いくつかのラップトップコンピュータおよび携帯用デバイスにおいて知られているストライプ状指紋センサは、センサの製造技術において、製品の筐体の凹部にセンサを配置しなければならないという欠点を有する。これは非実用的であり、かつ製品の機能および美観設計を制限するものである。また、ユーザーが、指を動かしながら凹部に指を押しつけなければならないため、汚れが凹部に残り、それにより、走査画像の質を低下させてしまう場合がある。

米国特許第７２５１３５１号には、指紋センサをそれが取り付けられる製品の表面と同一平面に配置できる指紋センサについて記載されており、そこでは、センサ素子が、基板を貫通するビア導体が設けられた絶縁基板の片側に配置されている。基板は、ガラス、セラミックスおよび他の絶縁体から作製することができ、シリコンを基板として用いることができると言及されているが、シリコン材料は、導電性であるため、導体を基板から絶縁しなければならないという欠点があり、その結果、潜在的に製造プロセスが複雑になると言われている。

別の解決法は、米国特許出願公開第２００５／０１０１０５４号および米国特許第７１８４５８１号に記載されているシングルチップによる解決法であり、そこでは、電子回路が基板の中に作製されている。これにおいても、複雑な製造方法が必要であり、測定および処理装置または指紋センサ素子の位置の配置に関連する回路を変更しなければならない場合に全ての製造を変更しなければならない。

従って、本発明の目的は、センサ表面をセンサが取り付けられる物体の表面と同一表面に配置可能でありながらも、十分に確立された大量かつ低コストの半導体製造プロセスによって実現される指紋センサを提供することにある。本発明によって、同一のセンサ基板に異なる処理装置を設けることができ、かつその逆も可能であるという点で柔軟性のあるセンサの製造が保証される。これにより、独立請求項に記載されているような特徴を有する上述のような指紋センサが達成される。

従って、当該指紋センサは、片側には指に結合するためのセンサ素子を有し、他方側には十分に保護された処理装置を有する、貫通ウェーハ導線と共に作製されるシリコンウェーハを用いて製造される。そのようなシリコンウェーハの製造方法は、国際公開第２００４／０８４３００号および国際公開第２００７／０８９２０７号によって当然知られており、これについてはここに詳述しないが、この応用または類似した製造方法により、例えば、ビア／導線などに選択された導電性を与えるためにドープするか、穿設またはエッチングした絶縁ビアホールに導電材料を充填するか、あるいはシリコン基板にいくつかの回路を直接追加するなど、センサの作製の柔軟性の面で利点が得られる。国際公開第２００７／０８９２０７号に記載されている方法は、１０〜２０μｍの典型的な幅を有する絶縁溝によって、選択された大きさのシリコン基板領域の分離を可能にする。他の可能な製造方法は、米国特許第７２２７２１３号および第６８３８３６２号ならびに上述した米国特許出願公開第２００５／０１０１０５４号に記載されており、そこでは、基板内の回路に接続するためにビアホールが使用されている。

以下の文では、インピーダンスという用語は、指の測定特性を記述するために用いられる。実際には、これは、処理装置における電圧および／または電流の測定およびこれからの指紋構造の算出の結果として当業者には理解される。また、結合という用語は、２つの部分間の直接的な電気的接触および絶縁体を介する２つの部分の容量性カップリングを含むものとして理解される。

実施例によって本発明を図示する添付の図面を参照しながら、以下、本発明について、さらに詳細に説明する。

本発明の好ましい実施形態の断面図である。 上から見た線状の指紋センサの配置を示す。 駆動電極または接地電極と基板との間の絶縁領域の好ましい構造を示す。 本発明の他の実施形態の断面図である。 本発明の第３の実施形態の断面図である。

図１は、本発明に係る指紋センサの好ましい実施形態の断面図である。主として、センサは、基板の貫通型ビアとしての第１の導線２を有する半導体基板１によって構成されている。第１の導線は、溝が基板を貫通し、かつ周囲の領域２を基板１の残部から電気的に絶縁するように、例えば、国際公開第２００７／０８９２０７号に記載されているようにドープされた基板材料に溝をエッチングし、その溝を絶縁体３で充填した後、基板の残部を除去することによって製造される。例えば、接触抵抗を向上させかつ／またはＥＳＤ保護のためのダイオードを追加するために、ビアおよび／または周囲の基板をさらにドープすることができる。

第１の導体２の大きさは、典型的に約３００〜６００μｍのピッチを有する指表面２０の凹凸を区別することができるように、典型的な指表面２０の構造よりも小さくなるように選択される。従って、第１の導体の典型的な断面を約２０〜５０μｍにし、絶縁溝の幅を１〜３０μｍにしてもよいが、例えば１００μｍの範囲のより大きなセンサピッチを有する他の型が想定されてもよい。実現される実施形態におけるセンサピッチは、５０．８μｍである。

本発明の好ましい実施形態は、指表面の一点またはその範囲内のインピーダンス測定を目的としているため、基板表面の検知側には、第１の誘電層５および好ましくは保護層６が設けられている。欧州特許第０７７９４９７号および米国特許第５９６３６７９号に記載されているように、保護層は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）または非晶質ダイヤモンドなどの炭素系材料から作製されていてもよい。誘電体および保護層の厚さは、測定に適したインピーダンスが得られるように、例えば５００ｎｍ以上の範囲で選択される。

指紋センサの検知面とは他方側には、当然知られている方法で、指紋センサに結合される処理装置１８上の接触電極１７の位置に適合させるように配線用導線７および誘電層８、９、１０が設けられている。処理装置１８は、独立して作製されるため、基板よりも非常に小さく、かつ基板内に回路を作製する解決法よりも効率的かつより安価な処理解決法を用いて作製することができる。

また、好ましい実施形態によれば、基板には、第１の導線２と同じ方法で製造されるが指表面の特徴よりも著しく大きくなるように、より大きい寸法を有する第２の貫通する導体４が設けられており、そのため、第２の導体と指との結合は、指表面の構造による著しい影響を受けない。この場合、処理装置は、第１の導線２によって提供される多数の各センサ素子と第２の導線４によって提供される駆動電極との間のインピーダンスを測定するように構成されており、処理装置は、また、第１および第２の導線との間に静的または変動電圧を印加して、例えば、第２の導体と接地との間に電圧を印加することによって当然知られている方法でインピーダンスを測定するため、第１および第２の導体間のインピーダンスは、第１の導体において指から接地までの電流の流れを検出することによって測定される。大きさの違いにより、第１の導線の近くの指の構造のみが測定に影響を与えるため、その構造のみがセンサによって測定される。本発明のこの実施形態では、指とセンサパッド２、駆動パッド４および／または残りの基板１との間のインピーダンスを最適化するために、第２の誘電層５に開口部またはより細い部分を設けることもできる。

また、第１の導線の近くに、米国特許６５１２３８１号に記載されているような解決法に相当する大きさの例えば第３の導体（図示せず）を有する他の変形例が想定されてもよい。

図２は、各センサ素子が１つの第１の導線２に関連づけられている基本的に線状のアレイセンサ素子１２によって構成されたストライプ状指紋センサ１１の配置を示す。第２の導線に関連づけられた刺激または駆動電極１４は、センサアレイ１２を基本的に取り囲んでおり、よって、指全体において均一な電圧分布が保証され、かつセンサアレイで検出されるインピーダンスの差は、アレイ近くの皮膚の構造の相違に関連づけられる。

また、図２の配置は、例えばデジタルおよびアナログ接地結合のために、２つの接地電極１５、１６を含み、よって、ＥＳＤの保護も得られる。また、これらの電極は、基板を貫通する対応する導線に関連づけられているか、あるいは、図示のように、接地電極１６のうちの１つが基板そのものを貫通して設けられている。接地電極の上部の誘電層を薄くするか除去して、接地放電のためのＥＳＤイベントの可能性を増加させてもよい。ＥＳＤ保護を提供するための他の解決法は、基板ビアまたはセンサ基板のダイオード構造をドープすることによって、および、例えばフリップチップ実装により駆動電極と接地との間に外部ＥＳＤダイオードを接続することによる外部ＥＳＤ保護を用いて実現してもよい。

図２に示すセンサの配置の他の実施形態によれば、センサ線は、場合により長手方向に移動させることによりスタガー構造をなして測定の解像度を向上させる複数の線のセンサ素子によって構成されていてもよい。また、複数のセンサ線によって、米国特許第６２８９１１４号に記載されているようにスティッチングによって指紋画像を再構築することや、米国特許第７０５４４７１号に記載されているようにセンサ上での指の移動を測定することを可能にしてもよい。

他の実施形態によれば、接地および／または駆動／刺激電極は、基板の外側の外部電極内に設けられていてもよく、これにより、米国特許第６６２８８１２号および第６６８３９７１号に記載されているように基板材料領域を減少させるという利点が得られる。

例えば、米国特許第７２５１３５１号および米国特許第７１１０５７７号に記載されているように、センサ表面上での指の移動を測定するために、あるいは、米国特許第７１２９９２６号および米国特許第７３０８１２１号に記載されているように、スクリーン上でポインタをナビゲートまたは動かすために、さらなる電極および回路がセンサ表面１１に設けられていてもよい。また、溝は、他の目的のため、例えば、指紋センサに関連していない他の種類の回路のために、基板の部分を絶縁するように使用してもよい。

図１に示すように、絶縁体３（好ましくは誘電体）が充填された基板の溝を用いて、電極と基板とを絶縁してもよい。図３には他の解決法が示されており、そこでは、選択された間隔で２つの溝の間に伸びる溝の中で相互接続している２つの溝によって構成されている二重の溝１２、１３が使用され、このようにして、はしご状の形状が得られる。これには、製造における誤差によって、はしごの一方から他方への直接的な接続は生じず、１つの溝を横切ってのみ、例えば、はしごの一方からはしご内の絶縁されたアイランド１２のうちの１つまで、あるいは、アイランド間でのみ接続が生じるという利点があり、これにより、絶縁体上の結合コンデンサの数を減らし、かつより良好な絶縁も得られる。この二重の溝は、特に駆動／刺激電極１４と接地電極との間の好ましい解決法である。また、実際には、線形アレイは、場合によりさらなるセンサがはしごの片側または両側に配置された状態で、基本的にセンサとして、アイランド１２を用いるこの構造を有する。はしごの溝の寸法は、１〜３０μｍの幅を有する溝によって分離された２０〜５０μｍの範囲のビアからなり、例えば、５０．８μｍのピッチを有していてもよい。はしごの溝は、Ｓｉｌｅｘ社（上述した国際公開第２００７／０８９２０７号の出願人）による公開文献によって当然知られており、Ｓｉｌｅｘ社のウェブサイト上で公開されているＴｏｍａｓ Ｂａｕｅｒによる論文「Ｆｉｒｓｔ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｕｍｅ Ｖｉａ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＥＭＳ／ＣＭＯＳ」に記載されている。

図４には、図１の実施形態に類似した解決法が示されている。この場合、センサ側の第１の誘電層５の開口部が導線２、４の上に設けられており、センサパッド金属被覆２２、２４がその開口部内に設けられている。第２の誘電層２５が金属センサパッド２２、２４を覆うように設けられており、保護層６が上部に設けられている。金属センサパッド２２、２４は、結合を向上させ、かつ、これはビアプロセスではなく、金属プロセスで画定されるので、センサ領域を画定する自由を増加させる。しかし、電極（センサ２２および刺激／駆動２４）領域間には、センサ領域が、基礎をなす導線２、４および絶縁溝３の寸法以上に延び、これが、周囲の基板との結合によりセンサ素子または駆動電極上のインピーダンスに影響を及ぼすかのような矛盾がある。これにより、センサおよび／または刺激パッドにある誘電層に、表面の残部とは異なる厚さを設けることができ、それにより、センサパッド２２と刺激パッド２４との間の信号の結合を向上させることができる。本発明のこの実施形態では、センサパッド、駆動パッドおよび基板の残部上のインピーダンスを最適化するために、駆動パッド２４またはセンサ素子パッド２２を構成しているセンサパッド上の第２の誘電層２５に開口部またはより細い部分を設けることもできる。

図５では、導線の位置は、処理装置に直接接続し、かつ処理装置への結合のために導体において金属充填された開口部７を有する第２の側の誘電層８のみが設けられるように選択されている。また、基板の上面および下面の両方に導体を配線して、そのように導線を両側に配線する図４および図５に示す実施形態の組み合わせが想定されてもよい。

図５における基板１の上部の第１の側では、センサ素子の位置は、基板下の接続点が図４における基板下の導電および誘電層８、９、１０を用いて配線される方法と同様に調整されている。開口部が第１の誘電層５に設けられており、貫通するビア／導線からセンサ表面上の所定の位置までの金属導線２２、２４のパターンを構成する第１の金属層が設けられている。第１の金属層２２、２４は、センサ素子の所定の位置にある開口部およびセンサ表面上の電極を有する第２の誘電層２５によって覆われており、第２の金属層は、センサ素子および電極位置に設けられているだけでなく、センサ上のシールド層４２を構成している。この上部には、上部誘電層３５および保護層６が塗布されている。

図５の上部に示されている解決法によって得られる利点は、電極の配線によって、基板を貫通する導線のための記載の製造方法よりもセンサ素子間のピッチを小さくすることが可能なことである。従って、得られる指紋画像の空間的解像能を向上させることができる。

従って、本発明は、特にセンサビアを有する指紋センサの実現に関し、好ましくは、基板の一部としての駆動電極ビアにも関する。好ましいセンサは、一体型のダイヤモンドに似た保護被覆によって覆われており、センサ線のはしご構造および駆動絶縁溝を有し、さらに、場合により異なる機能に使用されるセンサ基板の異なる部分を分離する。これにより、取り付けられる表面と同一の平面に配置可能な平面を有する指紋センサが得られる。フリップチップ実装などを用いることによって、電子ＡＳＩＣのオンチップ実装が可能となる。

また、本発明は、指紋センサだけでなく、表面構造に隠された情報を有する紙幣または物品などの表面構造を測定するために他の分野で利用されてもよい。

要約すると、本発明は、表面の構造を測定するセンサ（特に指紋センサ）であって、表面の構造の大きさよりも小さいかそれに相当する大きさを有する表面に結合するように選択された位置にある選択された数のセンサ素子と、前記表面構造においてインピーダンスを測定する前記センサ素子に結合された問い合わせ電極を含む処理装置とを含み、処理装置は、基板の片側に取り付けられ、センサ素子は、前記基板の他方側に配置され、基板は、前記センサ素子と前記問い合わせ電極との間に第１の貫通する導線を含むセンサに関する。基板は、シリコンなどの半導体材料から作製されており、前記第１の導線は、絶縁体に囲まれた選択された大きさの貫通する基板部分によって構成されており、好ましくは、誘電体がそれらを基板から分離している。従って、センサは、測定表面とは反対側に問い合わせ処理装置を有する単一ウェーハから製造されていてもよい。

基板は、少なくとも１つの第２の導線も含み、第２の導線は、その基板を貫通する方向の断面が実質的に指表面の構造よりも大きく、前記指表面および前記処理装置に結合されている外部電極を提供する。また、第２の導線は、誘電体によって基板から絶縁されており、かつセンサ素子の片側に配置されているかそれらを囲む基板の部分によって構成されている。処理装置は、好ましくは、外部電極とセンサ素子との間のインピーダンスを測定するように構成されており、センサ素子は、前記基板の限定された領域に集められており、前記少なくとも１つの第２の導線は、前記限定された領域の少なくとも２つの側にある平面に配置されており、そのため、センサ素子を有する限定された領域を少なくとも部分的に取り囲んでいる。少なくとも１つの第２の導線は、基準電位としての接地に結合されていてもよい。

外面を損耗から保護するために、外側保護層は、炭素系材料（例えば、非晶質ダイヤモンドまたはＤＬＣ）から作製されており、前記センサ素子を覆い、かつセンサ表面を保護する。

センサパッドは、導線の寸法の外側に延びる関連する導体に結合された導電性領域によって構成されていてもよいが、基板に対するクロストークおよび容量性カップリングを減少させるために、周囲に誘電体絶縁を有する導線の寸法は、好ましくは、導線および関連の絶縁体を合わせた寸法よりも小さい。

センサ素子は、センサ素子が基本的に駆動電極によって囲まれ、前記駆動電極が、駆動電極と接地との間で異なる電圧を印加するように構成され、かつセンサ素子と駆動電極との間のインピーダンスを測定する前記処理装置に結合された状態で、基板表面の所定の領域に配置されていてもよい。より具体的には、駆動電極は、基板から電気的に絶縁されている基板の第２の導線を介して処理装置に結合されていてもよく、絶縁は、２つの貫通する基本的に平行な誘電領域によって構成された絶縁構造であり、絶縁構造は、選択された間隔の各平行な誘電領域の間を延びる貫通する誘電領域を有し、よって、二重の絶縁領域が得られる。また、センサは、少なくとも１つの接地電極を含んでいてもよい。

本発明の好ましい実施形態は、特に表面センサに関し、ここで、センサ素子は、指表面の一部の構造を測定するための基本的に線状のアレイを構成し、前記基本的に線状のアレイは、少なくとも１つの線のセンサ素子を含む。従って、センサは、センサ表面に対して動かされた表面（特に指）の構造を測定するストライプ状センサである。次いで、処理装置または関連の回路によって、異なる時間でサンプリングされた前記センサ素子からの測定値を組み合わせて、表面の画像を得てもよい。

次いで、ストライプ状センサのセンサ素子は、スティッチングにより完全な表面の画像を創出することができる複数の平行なセンサ線などの異なる様式で配置されていてもよい。また、センサ線を長手方向に移動させることによりスタガー線を得、それにより、得られた画像の解像度を向上させてもよい。

また、当該センサは、当然知られている方法で、センサ表面に対して移動した指表面の移動を測定するセンサ素子を含んでもよい。これらのセンサ素子は、選択された数のセンサ素子または特別に提供された位置移動センサのうちのいずれかによって構成されている。

Claims (19)

1. 表面構造を測定するための指紋センサであって、前記指紋センサは、
   前記表面構造の大きさよりも小さいかそれに相当する大きさを有する表面に結合するための選択された位置にある選択された数のセンサ素子と、
   前記表面構造におけるインピーダンスの測定結果を提供するために、前記センサ素子に結合された問い合わせ電極を含む処理装置であって、前記処理装置は、前記センサ素子と前記問い合わせ電極との間に貫通する第１の導線を含む基板の片側に取り付けられ、前記センサ素子は前記基板の反対側に配置され、前記基板は半導体材料から作製され、前記第１の導線は、絶縁体によって囲まれた選択された大きさの貫通する基板部分によって構成され、前記第１の導線は前記基板と同一の材料から作製され、前記基板は少なくとも１つの第２の導線も含み、前記少なくとも１つの第２の導線は、誘電体によって前記基板から絶縁されている前記基板の部分によって構成されている、処理装置と、
   前記少なくとも１つの第２の導線を介して指表面および前記処理装置に結合された外部電極であって、前記外部電極は前記表面構造よりも大きい、外部電極と、
   を含む、指紋センサ。
2. 前記少なくとも１つの第２の導線は前記基板を介する方向の断面を含み、前記断面は前記表面構造よりも大きい、請求項１に記載の指紋センサ。
3. 前記処理装置は、前記外部電極と前記センサ素子との間のインピーダンスを測定する、請求項２に記載の指紋センサ。
4. 前記センサ素子は、前記基板の限定された領域に集められており、前記少なくとも１つの第２の導線は、前記限定された領域の少なくとも２つの側の平面に配置され、前記少なくとも１つの第２の導線は、前記センサ素子を有する限定された領域を部分的に取り囲む、請求項３に記載の指紋センサ。
5. 前記少なくとも１つの第２の導線は接地結合されている、請求項２に記載の指紋センサ。
6. 前記センサ素子が配置されている基板の側を覆い、かつ前記センサ素子の全体にわたり減少した厚さを有する領域上に開口部を有する誘電層と、
   センサパッドを構成する少なくとも前記開口部に配置された導電層と、
   を含む、請求項１に記載の指紋センサ。
7. 前記センサパッドの寸法は、周囲の誘電体絶縁を有する第１の導線の断面寸法と同一である、請求項６に記載の指紋センサ。
8. 炭素系材料から作製された外側保護層であって、前記外側保護層は前記センサ素子を覆いかつセンサ表面を保護する、外側保護層を含む、請求項１に記載の指紋センサ。
9. 前記センサ素子は、基板表面の所定の領域内に配置されており、前記センサ素子が駆動電極によって囲まれており、前記駆動電極が、前記駆動電極と接地との間に変動電圧を印加し、かつ前記センサ素子と前記駆動電極との間のインピーダンスを測定するために前記処理装置に結合されている、請求項１に記載の指紋センサ。
10. 前記駆動電極は、前記基板内の少なくとも１つの第２の導線を介して前記処理装置に結合され、かつ前記基板から電気的に絶縁されており、前記絶縁は、２つの貫通する平行な誘電領域によって構成された絶縁構造であり、前記絶縁構造は、二重の絶縁領域を提供するために、選択された間隔で各平行な誘電領域の間に延びる貫通する誘電領域を有する、請求項９に記載の指紋センサ。
11. 前記センサ素子は、前記指表面の一部における表面構造を測定するための線形のセンサアレイを構成し、前記線形のセンサアレイは、少なくとも１つのセンサ素子の線を含む、請求項９に記載の指紋センサ。
12. 前記線形のセンサアレイは、複数のセンサ素子の平行な線を含む、請求項１１に記載の指紋センサ。
13. 前記センサ素子の平行な線は、センサ素子のスタガー線を提供するために、互いに関連した選択された距離だけ移動される、請求項１２に記載の指紋センサ。
14. 前記センサ上での前記指表面の移動を測定するための、互いからの選択された距離で配置された少なくとも２つの移動センサ素子を含む、請求項１１に記載の指紋センサ。
15. 前記少なくとも２つの移動センサ素子のうちの少なくとも１つは、前記線形のセンサアレイにおけるセンサ素子によって構成されている、請求項１４に記載の指紋センサ。
16. 少なくとも１つの接地電極を含む、請求項１０に記載の指紋センサ。
17. 前記基板は、前記基板の外側にある外部電極へ結合され、かつ前記表面構造よりも大きい、少なくとも１つの第２の導体を含む、請求項１に記載の指紋センサ。
18. 前記半導体材料はシリコンを含む、請求項１に記載の指紋センサ。
19. 前記絶縁体は、前記基板から前記第１の導線を分離する誘電体を含む、請求項１に記載の指紋センサ。

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