JP6538056B2 - 基準感知素子を備えた指紋感知システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、指紋感知システムおよび指紋パターンの表示を決定する方法に関する。

様々なタイプの生体認証システムが、安全性の向上のためおよび／またはユーザの利便性を高めるために、ますます使われている。

特に、指紋感知システムは、その小さな形状要素、高い性能の確保およびユーザ支持を受けるため、例えば家電機器に採用されている。

（例えば静電容量式、光学式、熱式等の）様々な利用可能な指紋感知原理の中でも、静電容量感知が最も一般的に使われており、特に、大きさおよび電力消費が重要な課題である用途において使われている。

全ての静電容量指紋センサは、いくつかの感知構造と、指紋センサの表面に乗せられる、または指紋センサの表面を横切って動く指との間の静電容量を示す測定値を提供する。

いくつかの静電容量指紋センサは、感知構造と指との間の静電容量を受動的に読み出す。しかしながら、これは、比較的大きな静電容量を必要とする。したがって、そのような受動的な静電容量センサは概して、感知構造を覆う非常に薄い保護層を備え、そうすることで、そのようなセンサはスクラッチングおよび／またはＥＳＤ（静電放電）に対して幾分感度が高くなる。

米国特許ＵＳ７８６４９９２は、センサアレイの近傍に配置された導電構造をパルスして、センサアレイの感知構造が帯びる電荷の結果変化を測定することによって、駆動信号が指に注入される指紋感知システムを開示する。

ＵＳ７８６４９９２による指紋感知システムは、指紋画質とセンサ保護との優れた組み合わせを提供するが、特に乾燥した指など“難しい”指への改善の余地が見られる。

従来技術の、上述のおよび他の欠点に鑑みて、本発明の目的は、特に、乾燥した指等の“難しい”指からの向上した指紋感知を備える、向上した指紋感知システムを提供することである。また、本発明の発明者は、スイッチされた電源装置に起因するコモンモードノイズの高周波成分等の干渉が、指紋感知システムの指紋感知性能に影響しうることを発見した。したがって、さらなる目的は、少なくともいくつかの種類の電気的干渉に鑑みてより強固な指紋感知を提供することである。

したがって、本発明の第一の態様によれば、複数の感知素子を備えた指紋センサを使って指の指紋パターンの表示を決定する方法であって、摩擦隆線を有する手の表面と、少なくとも基準感知構造の一部が前記摩擦隆線の一つに対面するよう構成された前記基準感知構造との間の電気結合を示す基準信号を取得する工程と、前記基準信号および、前記指と前記感知素子のそれぞれとの間の容量結合に基づいて前記指紋パターンの前記表示を決定する工程と、を備えた方法が提供される。

基準感知構造は、手が確実に置かれたかに関わらず、指面または掌面等、摩擦隆線を有する手の表面に電気的に結合するよう配置され、かつ少なくとも基準感知構造の一部が手の表面の摩擦隆線の一つに対面するよう構成された任意の構造でありうる。これは、例えば、基準感知構造を、手の表面の複数の摩擦隆線を覆うのに十分に大きい一体構造として構成することで達成されうる。あるいは、基準感知構造は、ランダムにもしくは、手の表面の位置に関わらず、サブ構造の少なくとも一つが手の表面の摩擦隆線の一つに対面することを確保するようなパターンで配置された複数のサブ構造を備えた分散構造でありうる。これは、十分な数のサブ構造を選択することおよび／または摩擦隆線の通常の寸法に関して適切な間隔を選択することで確保されうる。尚、この文脈では、成人における隣接する摩擦隆線間の通常の距離は、およそ２００−３００μｍである。

本発明の実施形態では、基準感知構造は、この特定の感知構造が、指と感知構造との間の容量結合を示す信号が取得できるように配置されることが決定される場合は、単一の感知素子に具備される（金属プレート等の）感知構造でありうる。

摩擦隆線に“対面”することは、基準感知構造もしくは基準感知構造を覆う誘電層に接触して配置された摩擦隆線に対向して配置されことと解されるべきである。

基準感知構造は、指紋センサ部品に含まれうるか、もしくは指紋感知部品の外部に設けられうる。

指紋パターンの表示は、例えば、生の指紋画像データでありうるか、もしくはデータは加工され、それから、指紋テンプレートデータもしくは任意の他の形式のように、条件付けられた画像データの形式で提供されうる。

本発明は、少なくとも一つの摩擦隆線に対面するよう構成された基準感知構造は、指面の信号品質の確かな指標を得るために使用することができるという認識に基づく。

例えば、基準感知構造は、複数の摩擦隆線にわたって有利に延在し、それによって信号は、指の状態（乾いているもしくは湿っている）および／または指に供給される励振信号の品質を示す、指面の一種の平均信号となりうる。

取得した基準信号は、例えば、感知素子によって行われる感知が、信号品質が良い良好なタイミングを用いて実行されるように感知素子を制御するために使用することができる。あるいは、もしくはそれと組み合わせて、取得した基準信号は後処理に使用され、それによって、感知素子によって得られる信号／信号値は、基準信号の対応する値に依って修正されうる。

したがって、本発明の実施形態は、特に難しい測定条件における指紋パターンの決定の向上を備える。そのような難しい条件は、例えば、特に乾燥した／湿った指および／またはコモンモードノイズ等の外部干渉から生じうる。

本発明の種々の実施形態によれば、決定する工程は、基準信号に依存する取得設定を用いて、指と感知素子のそれぞれとの間の容量結合を示す画素信号を取得する工程と、画素信号に基づいて指紋パターンの表示を決定する工程と、を備えうる。

“取得設定”という文言は、特に異なる感知素子からの画素信号を取得するタイミングを含め、画素信号を取得する際に用いられる任意のパラメータもしくはパラメータの設定と解されるべきである。

これらの実施形態では、画素信号の取得は、信号条件が良好な時、および／または感知素子のダイナミックレンジが良好な方法で用いられるように取得が実行できる時に起こりうる。例えば、一つまたはいくつかの感知素子は、基準信号が弱い時は比較的長い時間、基準信号が強い時は比較的短い時間を取得に使うよう制御されうる。

種々の実施形態では、画素信号を取得する工程は、サンプリング時間で基準信号をサンプリングして基準信号値とする工程と、サンプリング時間で感知素子の少なくとも一つから少なくとも一つの画素信号をサンプリングして、少なくとも一つの画素信号値とする工程と、基準信号値が基準信号値範囲外にある場合、後のサンプリング時間で少なくとも一つの画素信号を再サンプリングする工程と、を備えうる。

これらの実施形態では、サンプリングされた基準信号値のそれぞれは、同じサンプリング時間にサンプリングされた画素信号値の品質の指標として使用される。信号取得条件が、あるサンプリング時間に、例えば高周波のコモンモードノイズによって良好でない場合、そのサンプリング時間にサンプリングされた任意の画素信号は破棄され、適切な感知素子が再サンプリングされうる。

コモンモードノイズ等の、手の表面と基準構造との間の電位差に影響を及ぼす外乱信号によって、基準信号値は、所定の取得時間において、高周波外乱成分のない状況で予想されるよりも低くもしくは高くなりうる。

例えば、基準信号値ならびに画素信号値も、いわゆる相関二重サンプリングである第一のサンプルと第二のサンプルとの間の差を用いて有利に決定されうる。そのような場合、第一のサンプルと第二のサンプルとの間に発生する高周波外乱信号は、非常に低い信号値または非常に高い信号値のどちらかにつながりうる。どちらの場合も、結果画像信号値は、容量結合を正しく反映せず、よって感知素子と指面との間の距離も正しく反映しない。

したがって、基準信号値範囲は、予想されうる値から外れた画素信号値が再サンプリングされるように、有利に決定されうる。例えば、基準信号値範囲は、異なる指条件および高周波成分のないコモンモードノイズ／外乱のない条件の既知の範囲に対応しうる。

電力消費を減らすために、破棄されたサンプルはアナログ形式からデジタル形式に変換されるよう進行するのを防止されうる。

よって、本方法は、基準信号値が基準信号値範囲内の場合にのみ、少なくとも一つの画素信号値をアナログからデジタルに変換する工程をさらに備えうる。

あるいは、またはそれと組み合わせて、サンプリングされた画素信号値の任意の他の、もしくは追加の続行処理は、基準信号値が基準信号値範囲内の場合にのみ可能でありうる。

種々の実施形態によれば、さらに、画素信号を取得する工程は、一連のサンプリング時間で基準信号をサンプリングして一連の基準信号値とする工程と、一連のサンプリング時間で画素信号をサンプリングして一連の画素信号値とする工程と、を備え、指紋パターンの表示は、一連の基準信号値および一連の画素信号値に基づいて決定されうる。

画素信号の取得に影響を及ぼす外乱がない場合、もしくは外乱が高周波成分を全く含まない場合、一連の基準信号値の全ての基準信号値は、実質的に同じであるべきである。しかしながら、高周波外乱が存在する場合は、サンプリングは指電位の素早い変化に一致し、一つまたはいくつかの誤った画素信号値につながりうる。しかしながら、一連の基準信号値は、この誤りを補正するのに用いることができる。

特定のサンプリング時間を考慮する。このサンプリング時間にサンプリングされた基準信号が平均よりも低い場合、このサンプリング時間にサンプリングされた画素信号値は、より高い値に修正され、このサンプリング時間にサンプリングされた基準信号が平均よりも高い場合、このサンプリング時間にサンプリングされた画素信号値は、より低い値に修正されうる。

本方法は、このように、一連の基準信号値を用いて一連の画素信号値を修正して、修正された一連の画素信号値を提供する工程をさらに有利に備え、指紋パターンの表示は、修正された一連の画素信号値に基づいて決定されうる。

所定のサンプリング時間での基準信号のサンプリングに由来する基準信号値は、したがって、同じ所定のサンプリング時間での特定の感知素子からの画素信号のサンプリングに由来する画素信号値を修正するために有利に用いられうる。

さらに、任意のサンプリング時間にサンプリングされた基準信号は、上記の特定の感知素子を含む複数の感知構造を備える基準感知構造から提供されうる。

この修正、もしくは後処理は、アナログもしくはデジタル信号で実行され、指紋センサ部品もしくは、携帯電話またはコンピュータ等のホストプロセッサ等、指紋センサ部品外で行われうる。

また、本発明の種々の実施形態による方法は、時変電位の形式の励振信号を指に提供する工程をさらに備えうる。基準信号および画素信号の任意のサンプリング信号は、この励振信号と同期されうる。いくつかの実施形態では、励振信号は所定の周波数を有し、他の実施形態では、励振信号は、外乱が低い時に正もしくは負のフランクを提供するよう制御可能でありうる（これは、基準感知構造を使ってモニターすることができる）。

励振信号の提供の代わりもしくは補完として、外乱信号の適切なフランクを、励振信号として使用することができる。

本発明の種々の実施形態によれば、取得する工程は、基準信号を評価する工程と、基準信号の評価に依存するサンプリングタイミングを用いて、感知素子のそれぞれから画素信号をサンプリングする工程と、を備えうる。

これらの実施形態では、サンプリング自体は、基準信号と手の表面との間の結合によってなされうる。基準感知構造と手の表面との間の電気的（概して容量）結合が強い場合、基準信号は、結合が弱い場合よりも速く、所定の基準信号値に到達する。本発明の本実施形態によれば、この現象は、画素信号値を正規化するよう、感知素子から画素信号をサンプリングするタイミングを決定するのに使われる。これは、感知素子のダイナミックレンジおよび指紋感知システムの読み出し回路構成の使用の向上をもたらす。

さらに、サンプリングする工程は、第一のサンプリング時間に第一のサンプリングを行う工程と、第一のサンプリング時間よりも遅い第二のサンプリング時間に第二のサンプリングを行う工程と、を有利に備え、第一のサンプリング時間と第二のサンプリング時間との間の期間は基準信号に基づいて決定されうる。

本発明の第二の態様によれば、指の指紋パターンの表示を決定するための指紋感知システムであって、感知素子に近接して配置された指に容量結合するようそれぞれが構成された複数の前記感知素子と、摩擦隆線を有する手の表面が基準感知構造に近接して配置された際、前記基準感知構造の少なくとも一部が前記摩擦隆線の一つに対面するよう構成された前記基準感知構造と、前記基準感知構造に接続可能であり、前記手の表面と前記基準感知構造との間の電気結合を示す基準信号を取得するよう構成された読み出し回路構成と、前記基準信号および前記指と前記感知素子のそれぞれとの間の容量結合に基づいて、前記指紋パターンの前記表示を決定するよう構成された指紋決定回路構成と、を備えた指紋感知システムが提供される。

異なる見込みユーザの指／手トポロジーの平均化をもたらすため、基準感知構造は、複数の摩擦隆線にわたって延在するよう有利に寸法決めされうる。例えば、基準感知構造は、少なくとも２００μｍ、または、さらに有利には少なくとも３００μｍの横方向延在部を有しうる。

指紋感知システムの実施形態によれば、基準感知構造は複数の感知素子を備えうる。

そのような感知素子は、単体の導電構造として作用するよう、有利に相互接続可能でありうる。例えば、読み出し回路構成は、選択された感知素子と相互接続してそれらの選択された感知素子から基準信号を取得するよう制御可能でありうる。

尚、基準感知構造は、必ずしも決まった位置および／または構成に固定される必要はなく、異なる時間に異なって構成されうる。例えば、複数の感知素子が組み合わさって基準感知構造を形成するよう構成された実施形態では、基準感知構造は、上述の指紋パターンの表示の取得中の異なる時間に、異なるグループで形成されうる。

有利には、所定の感知構造を備える基準感知構造からの基準信号は、感知構造からの画素信号をサンプリングすることによって得られた画素値を修正するために使われうる。

さらに、本発明の実施形態による指紋感知システムは、読み出し回路構成に接続可能であり、基準信号の少なくとも一つのプロパティを評価するよう構成された評価回路構成と、感知素子のそれぞれおよび評価回路構成に接続可能なサンプリング回路構成であって、基準信号の評価に依存するサンプリングタイミングを用いて感知素子のそれぞれから画素信号をサンプリングするよう構成されたサンプリング回路構成と、をさらに備えうる。

さらに、指紋感知システムは、上記の励振信号を指に提供するよう構成された駆動回路を有利に備えうる。励振信号は、指駆動構造を介して指に提供されうる。種々の実施形態では、基準感知構造は指駆動構造として機能しうる。

種々の実施形態によれば、指紋感知システムは、決定された指紋パターンの表示を他の装置またはシステムに提供するための通信インターフェースをさらに備えうる。通信インターフェースは、パラレルインターフェースもしくはシリアルインターフェースでありうる、任意の適切な通信インターフェースでありうる。適切な通信インターフェースの一例は、ＳＰＩインターフェース（シリアル周辺インターフェース）でありうる。

さらに、本発明の実施形態による指紋感知システムは、電子機器に含まれる指紋照合構成に具備されうる。電子機器は、ユーザの指紋照合を実行するよう指紋照合構成を制御するよう、および指紋照合構成を使用してユーザが認証された場合にのみ、少なくとも一つのユーザ要求処理を行うよう構成された処理回路構成をさらに備えうる。

本発明のこの第二の態様のさらなる実施形態および本発明のこの第二の態様を介して得られる効果は、本発明の第一の態様について述べたものと大きく類似している。

要約すると、本発明は、指紋パターンの表示を決定する方法に関する。本方法は、摩擦隆線を有する手の表面と複数の摩擦隆線にわたって延在する基準感知構造との間の電気結合を示す基準信号を取得する工程と、基準信号および指と複数の感知素子のそれぞれとの間の容量結合に基づいて指紋パターンの表示を決定する工程と、を備える。取得された基準信号は、例えば、感知素子によって行われる感知が、信号品質の良い良好なタイミングを用いて実行されるよう感知素子を制御するために用いることができる。あるいは、もしくはそれと組み合わせて、取得された基準信号は後処理のために使用され、それによって、感知素子によって得られた信号／信号値は、基準信号の対応する値に依って修正されうる。

本発明の、これらのおよび他の態様は、本発明の例示的な実施形態を示す付属の図面を参照して、ここでより詳細に説明する。
本発明の例示的実施形態による指紋感知システムの用途の模式図。 切り替えられた電源からのコモンモードノイズの代表的な図。 本発明による指紋感知システムの第一の実施形態の模式図。 本発明による指紋感知システムの第二の実施形態の模式図。 図３ｂの指紋感知システムの模式的な機能図であり、指紋センサ部品の一部および指紋隆線が断面で示される。 図３ｂの指紋感知システムの模式的な機能図であり、指紋センサ部品の一部および指紋隆線が断面で示される。 本発明による方法の第一の実施形態を模式的に図示するフローチャート。 図５の方法の工程の模式図。 図５の方法の工程の模式図。 図５の方法の工程の模式図。 本発明による方法の第二の実施形態を模式的に図示するフローチャート。 本発明による方法の第三の実施形態を模式的に図示するフローチャート。 図８の方法の工程の模式図。 図８の方法の工程の模式図。 図８の方法の工程の模式図。 本発明による指紋感知システムの実施形態に具備される感知素子の例示的構成の模式図。 本発明による指紋感知システムの実施形態に具備される感知素子の例示的構成の模式図。

この詳細な説明では、本発明による指紋感知システムおよび方法の種々の実施形態が、主に、基準感知構造が指紋センサ部品パッケージに含まれる指紋感知システムを参照して説明される。

なお、このことは、決して本発明の範囲を限定せず、本発明は、例えば、指紋感知システムを用いてユーザの指または掌に接触すると予期される離れた場所に基準感知構造が配置される指紋感知システムを同様に含む。

図１は、本発明の実施形態による指紋感知システムの例示的用途の模式図であり、指紋感知システム２が組み込まれた携帯電話１の形式である。指紋感知システム２は、例えば、携帯電話１のロックを解除するためおよび／または携帯電話を使って実行される取引を認証するため等に使われうる。

図１に示すように、携帯電話１は、ＡＣ充電ソケット４に接続された充電器３を用いて充電されている。

電話の充電はコモンモードノイズ（ＣＭＮ）を導入しうる。コモンモードノイズは、携帯電話１をコモンモードノイズの電位に追従させ、携帯電話１は、電気的に“上下にバウンド”する。

コモンモードノイズは、携帯電話１の視点から、ユーザを電気的にノイズが多く見せる。これは、携帯電話１とユーザとの間の電位差の決定に依存する携帯電話１の使用に影響を及ぼしうる。そのような使用は、例えば、容量タッチスクリーンの使用および指紋感知システム２の使用を含む。

図２は、図１の充電器３からのコモンモードノイズの代表的な図である。図２に見られるように、コモンモードノイズは、比較的高い振幅で低周波成分（ＡＣ電源周波数によって５０／６０Ｈｚ）を有し、より低い振幅で高周波スイッチモード成分（図２の拡大部分）を有する。特にコモンモードノイズの高周波成分は、指紋感知システムへの問題を引き起こしうる。以下では、本発明の種々の実施形態が、どのように、少なくとも部分的にそのような問題を軽減するかを説明する。

まず、本発明による指紋システムの二つの実施形態（一つはタッチセンサベースのシステム、一つはスワイプセンサベースのシステム）を、図３ａ−ｂを参照して説明する。

図３ａは、タッチセンサベースの指紋感知システムを、センサアレイ１０およびユーザの指に励振信号を提供するための導電ベゼルもしくはフレーム１１を備えた、パッケージされたタッチセンサ部品９の形状で、模式的に示す。図３ａには明示されないが、センサ部品９はまた、電源インターフェースおよび通信インターフェースも備える。

センサアレイ１０は、多くの感知素子１２（図が散らかるのを避けるために、一つの感知素子のみが参照番号で示される）を備え、それぞれの感知素子は、感知素子１２に具備される感知構造（トッププレート）とセンサアレイ１０の上面に接触する指の表面との間の距離を感知するよう制御可能である。図３ａのセンサアレイ１０の拡大部分では、感知素子の第一グループ１３はＳｅｎｓｉｎｇの‘Ｓ’とマークされ、感知素子の第二グループ１４は、‘Ｒ’とマークされる。第二グループ１４の感知素子は、組み合わさって、ユーザの指のいくつかの摩擦隆線にわたって延在するよう十分に大きい横方向延在部を有する基準感知構造を形成する。例えば、センサアレイ１０のピッチは、インチ当たり５００感知素子でありうるが、それは図３ａの典型的な基準感知構造１４の幅が約０．６ｍｍであることを意味する。

図３ｂは、スワイプセンサベースの指紋感知システムを、センサアレイ２０およびユーザの指に励振信号を提供するための導電片２１ａ−ｂを備えた、パッケージされたスワイプセンサ部品１９の形状で、模式的に示す。図３ｂには明示されないが、センサ部品１９はまた、電源インターフェースおよび通信インターフェースも備える。

センサアレイ２０は、一つまたはいくつかの感知素子１２（図が散らかるのを避けるために、一つの感知素子のみが参照番号で示される）のラインを備え、それぞれの感知素子は、感知素子１２に具備される感知構造（トッププレート）とセンサアレイ２０の上面に接触する指の表面との間の距離を感知するよう制御可能である。図３ｂのセンサ部品１９の拡大部分では、感知素子のグループ２３はＳｅｎｓｉｎｇの‘Ｓ’とマークされる。センサ部品１９は、導電片２１ａとセンサアレイ２０との間に配置された別個の基準感知構造２５をさらに備える。タッチセンサ部品９について上述したものとは対照的に、図３ｂのスワイプセンサ部品１９の基準感知構造２５は、このように、センサアレイの感知素子のグループによっては形成されない。しかしながら、昨日は同じであり、寸法も同様でありうる。

図３ａ−ｂの指紋センサ部品９、１９は、ＣＭＯＳ技術を用いて有利に製造されうるが、他の技術及び工程もまた実行可能でありうる。例えば、絶縁基板が使用されうるおよび／または薄膜技術が製造工程のいくつかまたは全ての工程段階に利用されうる。

図３ｂの指紋感知システム１９の機能的構成は、指２９図が指紋感知部品１９の表面に触れる４ａ−ｂを参照して、ここでより詳細に説明される。

読者の理解を助けるために、図４ａ−ｂのそれぞれは、模式的な断面図と機能的ブロック図の複合である。図４ａは、図３ｂの感知素子のラインに沿った感知素子１２を通る模式的な断面であり、図４ｂは、図３ｂの基準感知構造２５に沿った、それを通る模式的な断面である。

まず図４ａを参照すると、複数の摩擦隆線３０ａ−ｃを備えた指紋表面は、感知構造３３を保護する誘電層３２の上面３１に接触する（図が散らかるのを避けるために、一つの感知構造のみが参照番号で示される）。

感知構造３３のそれぞれには、対応する感知素子回路３４が接続されている。図４ａに示すように、各感知素子回路３４は、対応する感知構造３３と指２９との間の容量結合を示す画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}を提供するための出力３５を有する。容量結合は、センサ１９の上面３１と指面との間の距離を示すものである。

尚、図４ａに関連する説明は、主に、図３ｂの指紋感知部品１９の基本的な構成および感知構造３３の寸法と指２９の摩擦隆線３０ａ−ｃとの間の例示的な関係を説明することを意図され、各感知素子／画素の正確な回路および／または物理レイアウトは詳細に記述されない。

当業者に認められるように、多くの異なる回路レイアウトおよび／または物理レイアウトは、本発明の範囲内である。適切な画素レイアウトの一例は、ＵＳ７８６４９９２で提供され、ここに参照として全体が組み込まれる。感知素子構成の一つの例が、図１０ａ−ｂを参照してさらに下記に説明される。

ここで図４ｂを参照すると、基準感知構造２５は、図４ａの感知構造３３と同じ誘電保護層３２によって覆われている。図４ｂに模式的に示すように、基準感知構造２５は、基準感知構造２５が帯びる電荷の変化を示す基準信号Ｓ_ｒｅｆを、その出力３８で提供するよう構成された基準感知回路３７に接続されている。その電荷の変化は、基準感知構造２５と指２９との間の容量結合を示す。

ユーザが彼の／彼女の指を指紋感知部品１９に置く（彼の／彼女の指を、指紋感知部品１９横切るようにスワイプする）際、いくつかの摩擦隆線３０ａ−ｃが基準感知構造２５に近接して配置されるため、基準信号Ｓ_ｒｅｆは、基準感知構造２５と指２９との間の平均容量結合を示す。したがって、基準信号Ｓ_ｒｅｆは、指の電気特性（湿っている／乾いている）および、例えば図２を参照して上述したコモンモードノイズによって引き起こされうる干渉のレベルを含む、瞬間信号取得条件のインジケータとして有利に用いることができる。

本発明による方法の第一の実施形態は、図５のフローチャートおよび図６ａ−ｃの代表的な図を参照して、ここで説明される。第一の工程１０１では、基準信号Ｓ_ｒｅｆおよび画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}がｎ番目のサンプリング時間ｔ_ｎでサンプリングされ、基準信号のｎ番目のサンプルＳ_{ｒｅｆ，ｎ}（基準信号値）および画素信号のｎ番目のサンプルＳ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}（画素信号値）を提供する。それぞれのサンプルは、コモンモードノイズの低周波成分（図２参照）の任意の効果を取り除くのに使われうる、所謂相関二重サンプリングを用いて有利に取得されうる。相関二重サンプリング自体は当業者に周知であり、容量指紋センサの感知素子からの相関二重サンプリングは、上述の文献ＵＳ７８６４９９２に詳細に説明される。

ここで図６ａ−ｃを参照して、第一の工程１０１で実行されるような例示のサンプリングを説明する。図６ａは、例えば図３ａの導電ベゼル１１または図３ｂの導電片２１ａ−ｂを使用してユーザの指２９に提供される励振信号ＴＸの例であり、図６ｂはユーザの指２９の電位を示し、図６ｃは、基準信号Ｓ_ｒｅｆを示す。

図６ａ−ｃにはまた、相関二重サンプリングの第一のサンプリング時間ｔ_ｎ，０および第二のサンプリング時間ｔ_ｎ，１と、基準信号Ｓ_ｒｅｆの対応するサンプルＳ_{ｒｅｆ，ｎ，０}およびＳ_{ｒｅｆ，ｎ，１}が示される。

図２を参照して上述したコモンモードノイズ（ＣＭＮ）のために、ユーザの指２９の電位は、図６ｂに模式的に示すように、ノイズが多く見える。

ＣＭＮの高周波成分の素早い電位変化のために、指の電位は、実質的に、相関二重サンプリングの第一のサンプリング時間ｔ_０と第二のサンプリング時間ｔ_１との間で変化し、高周波ＣＭＮ（または他の相当する干渉）がない場合よりも著しく強いまたは弱い（この場合は強い）基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}につながりうる。

図５のフローチャート５に戻り、サンプリングされた基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}は、工程１０２で、第一の低い閾値Ｓ_ｔｈ，１および第二の高い閾値Ｓ_ｔｈ，２によって画定される所定の基準信号値範囲と比較される
サンプリングされた基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}が、図６ａ−ｃに図示した例示的な場合に関して、基準信号値範囲外の場合は、本方法は、工程１０３で、評価された基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}と同時に取得された画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}を破棄するよう続行する。

本方法は、続いて、工程１０４でサンプルカウンタを増やすよう続行し、第一の工程１０１に戻って、後のサンプリング時間で同じ感知素子３３から基準信号Ｓ_ｒｅｆおよび画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}を再サンプリングする。

新しいサンプリング時間でのＣＭＮ状況がより良好な場合は、基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}は、工程１０２で、今度は基準信号値範囲内と決定されうるため、本方法は、今度はＡ／Ｄ変換へと続行し、工程１０５で画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}を出力する。

その後、工程１０６で、画素信号値が全ての感知素子３３から取得されたかどうかが決定される。取得されなかった場合、本方法は工程１０４へと続行し、サンプルカウンタを増やし、その後第一の工程１０１に戻る。全ての画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}が取得された場合は、指紋取得手順は完了する。

本発明による方法の第二の実施形態は、図７のフローチャートを参照して、ここで説明される。

本発明による方法の第二の実施形態は、主に、画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}の後処理が、対応する基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}に基づいて実行される点で、上述の第一の実施形態から異なる。

したがって、第一の工程２０１では、一連の基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}および対応する一連の画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}は、サンプリング時間ｔ_１−ｔ_Ｎでサンプリングされる。各基準信号値／画素信号値のサンプリングは、図５および図６ａ−ｃを参照して上述したように実行されうる。

次の工程２０２では、一連の修正された画素信号値が、一連の画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}および対応する一連の基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}に基づいて決定される。

基準感知構造（図３ａでは１４、図３ｂでは２５）を使って得られた平均のために、基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}は、同じ取得時間ｔ_ｎで取得された画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}を修正するのに用いることができる。例えば、図６ａ−ｃに図示される場合では、基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}は、図６ｂのＣＭＮに影響され、ＣＭＮがない場合もしくは低周波のＣＭＮのみの場合にあるべきよりも高くなる。したがって、基準信号値Ｓ_{ｒｅｆ，ｎ}は、同じ取得時間ｔ_ｎで取得された画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}を減らして修正された画素信号値にするのに用いることができ、図６ｂのＣＭＮの影響を補償する。

最後に、本発明による方法の第三の実施形態が、図８のフローチャートおよび図９ａ−ｃの代表的な図を参照して、ここで説明される。

図８のフローチャートは、単一の画素信号値の取得（もしくはいくつかの感知素子からの画素信号の同時取得）に関する。

最初の工程３０１では、画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}は、第一のサンプリング時間ｔ_ｎ，０でサンプリングされ、第一のサンプルＳ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ，０}となる。続いて、工程３０２では、画素信号は、第二のサンプリング時間ｔ_ｎ，1でサンプリングされ、第二のサンプルＳ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ，1}となる。第一のサンプリング時間と第二のサンプリング時間との間に固定の時間差があるのではなく、第二のサンプリング時間は基準信号Ｓ_ｒｅｆの値に依る。

具体的には、基準信号Ｓ_ｒｅｆは閾値Ｓ_{ｒｅｆ，ｔｈ}と比較され、基準信号が閾値に到達した場合に、画素信号の第二のサンプルが採られる。

これは、図９ａ−ｃに模式的に図示される。図９ａは、例えば図３ａの導電ベゼル１１または図３ｂの導電片２１ａ−ｂを使用してユーザの指２９に提供される励振信号ＴＸの例であり、図９ｂは基準信号Ｓ_ｒｅｆを示し、図９ｃは画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}を示す。

図９ａ−ｃにはまた、相関二重サンプリングの第一のサンプリング時間ｔ_ｎ，０および第二のサンプリング時間ｔ_ｎ，１と、基準信号Ｓ_ｒｅｆの閾値Ｓ_{ｒｅｆ，ｔｈ}と、画素信号値Ｓ_{ｐｉｅｌ，ｎ}とが示される。

図９ｃに見られるように、画素信号の第一のサンプルＳ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ，０}は、第一のサンプリング時間ｔ_ｎ，０に採られる。基準信号Ｓ_ｒｅｆが図９ｂに示すように閾値Ｓ_{ｒｅｆ，ｔｈ}に到達した場合に、画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}の第二のサンプルＳ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ，1}が採られる。

工程３０３では、画素信号値Ｓ_{ｐｉｘｅｌ，ｎ}は、それから画素信号の第一のサンプルと第二のサンプルとの差分をとることによって決定される。

上述の実施形態では、全体として、一度に一つの感知素子からの画素信号の取得について説明された。しかしながら、いくつかの感知素子からの画素信号が、同時に有利に取得されうることに留意されたい。

図３ａ−ｂの指紋センサ９、１９に具備される感知素子１２の例示的な構成が、図１０ａ−ｂを参照してここで説明される。

図１０ａに見られるように、感知素子１２は、三つの導電層を備える層構造で形成される；三つの導電層は、最上部の導電層Ｍ３、中間部の導電層Ｍ２、下部導電層Ｍ１であり、導電層Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１のそれぞれの下に、絶縁誘電材料の第一の層５１、第二の層５２、および第三の層５３を有する。導電層の材料の例としては、一般的に、銅、アルミニウム、およびドープ多結晶シリコンが挙げられる。絶縁層の材料の例としては、一般的に、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＮＯｘ、およびスピンオンガラスが挙げられる。

加えて、感知素子１２を形成するのに使われる層構造は、一定のアナログ電圧電位ＡＶ_ｄｄで維持される導電層からなる第四の層Ｐ２（第二ポリシリコン）を備えうる。さらに、グラウンド電位で維持される、やはり導電層からなる第五の層Ｐ１（第一ポリシリコン）も存在し、電気シールドとして作用する。これらの層Ｐ２、Ｐ１のそれぞれの下には、絶縁誘電材料の第四の層６３および第五の層６４が存在する。最下部には、チャージアンプ５４等の能動部品を備える半導電基板層Ｄ１が存在する。上述した導電層Ｐ２、Ｐ１ならびに下部導電層Ｍ１は、例えば、電気接続、抵抗器、および電気シールドのルーティングに使われうる。導電層Ｐ２、Ｐ１の一つは、第二の金属層Ｍ２の代わりに、各感知素子１２の下部電極５５を形成するのにも使われうる。

１０ａに示す感知素子１２は、最上導電層Ｍ３に形成される感知構造３３を備える。感知構造３３は、チャージアンプ５４、下部電極５５、リセットスイッチ５６、サンプルホールド回路構成６５を備える感知素子回路３４に接続される。

図１０ａに見られるように、感知構造３３は、チャージアンプ５４の負入力端子５８に接続される。チャージアンプ５４の正入力端子５９は、グラウンドに接続される。よって、チャージアンプ５４の入力端子５８、５９の電圧はほとんどゼロであるため、チャージアンプ５４によって、対応する感知構造３３は、事実上グラウンドされる。

図１０ｂにも見られるように、各感知構造３３は、最上導電層Ｍ３に形成されるシールドフレーム６０に囲まれており、シールドフレーム６０は、近接する感知構造３３間の横寄生容量を防ぐ導電シールドとしてグラウンド電位に接続されることで、感知素子１２間の所謂クロストークを防ぐ。シールドフレーム６０はまた、他の適切な被制御電圧電位に接続されうる。

さらに、図１０ａを再び参照すると、感知構造３３のそれぞれを覆う保護誘電層３２が存在し、感知素子１２をＥＳＤ（静電気放電）および外部摩耗から保護する。保護層３２の上面の近郊に進入する指２９は、指２９と感知構造３３との間に静電容量Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}を生じさせる。

図１０ａに見られるように、感知素子回路３４に具備される下部電極５５は、中間導電層Ｍ２に形成される。下部電極５５は、チャージアンプ５４の出力端子６１に接続される。感知構造３３と各下部電極５５との間には帰還容量Ｃ_ｒｅｆが形成され、帰還容量Ｃ_ｒｅｆは、チャージアンプ５４の負入力端子５８と出力端子６１との間に接続される。

補助下部電極５５ａもまた、中間導電層Ｍ２に、下部電極５５に近接して形成される。
下部電極５５は概して感知構造３３よりも小さい面積を有しうるため、補助下部電極５５ａはグラウンドに接続され、予備シールドとして使用される。

下部電極５５は、センサ素子回路構成３４の所望のゲインを達成するよう構成されうる。特に、ゲインは、感知構造３３、下部電極５５、および第一の絶縁層５１の物理的寸法に依存する帰還容量Ｃ_ｒｅｆに依るため、下部電極５５の大きさは、適切に選択されうる。
補助下部電極５５ａの大きさは、下部電極５５にぴったり沿うよう調節されうる。

上述のように、励振信号ＴＸ（例えば図６ａ−ｃおよび図９ａ−ｃ参照）が、指２９に提供されうる。励振信号ＴＸの指２９への提供は、感知構造３３（および、別個の基準感知構造２５が設けられる実施形態における基準感知構造２５）が帯びる電荷の変化につながる。

感知構造３３が帯びる電荷の変化は、肌と感知構造３３との間の静電容量Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}に比例する。感知構造３３は事実上グラウンドされるため、その電荷はチャージアンプ５４によって下部電極５５に転送される。その際、チャージアンプ５４からの電圧出力を、
Ｕ_ｏｕｔ＝（Ｃ_{ｆｉｎｇｅｒ}／Ｃ_ｒｅｆ）Ｕ_ｉｎ
のように計算しうる。

出力電圧Ｕ_ｏｕｔは、好ましくは、上記でさらに説明したように、コモンモードノイズの低周波成分を除去する相関二重サンプリングを用いて、サンプルホールド回路構成６５によってサンプリングされる。

サンプルホールド回路構成６５は、制御信号によって制御され、感知構造３３と指２９との間の容量結合を示す画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}を、アナログ／デジタル変換器（図示せず）に出力する。

サンプルホールド回路構成６５、アナログ／デジタル変換、および／または画素信号（アナログもしくはデジタル）の任意の後処理は、本発明の実施形態によると、基準感知回路構成から取得された基準信号に基づいて制御されうる。例えば、サンプルホールド回路構成６５の制御信号Ｃｔｒｌは、基準感知回路構成から取得された信号の振幅の瞬間値に依存しうる。あるいは、サンプルホールド回路構成６５とアナログ／デジタル変換器との間に配置された切り替え回路構成が存在し、切り替え回路構成は、基準感知回路構成からの基準信号に基づいて制御されうる。基準信号が所定の範囲よりも低いもしくは高い振幅を有する場合は、画素信号Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}は、アナログ／デジタル変換器に到達するのを防止されうる。

基準感知素子（基準感知構造および基準感知回路構成を含む）の基本的構成は、有利には、感知素子１２について上述したものと実質的に同じでありうる。基準感知構造の大きさに依って、下部電極は、適切な信号強度を提供するよう構成されうる。さらに上記で述べたように、いくつかの感知構造３３は、組み合わさって基準感知構造を形成するのに用いられうる。これは例えば、選択された感知構造に対応する出力信号を結合することによって、もしくは、選択された感知構造３３を相互接続させ、選択された下部電極５５を相互接続させるための制御可能な切り替え回路構成を提供することによって達成されうる。

当業者は、本発明が決して上述の好適な実施形態に限定されないことを認識する。むしろ逆に、多くの修正および変形が、付属の請求の範囲内で可能である。

請求の範囲では、“備える”という文言は他の要素または工程を除外するものではなく、不定冠詞“ａ”または“ａｎ”は、複数を除外するものではない。単一のプロセッサもしくは他のユニットは、請求の範囲に記載されるいくつかの事項の機能を満たしうる。単に一定の手段が相互に従属する異なる請求項に記載されるというだけでは、それらの手段の組み合わせを有利に使うことができないことを示すことにならない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共にもしくは一部として供給される光学記憶媒体もしくは固体媒体等の適切な媒体に格納／配布されうるが、インターネットもしくは他の有線または無線遠距離通信システムを介して等、他の形式でも配布されうる。請求の範囲におけるいかなる参照記号も、範囲を限定すると解釈されるべきではない。

Claims (12)

1. それぞれが感知構造および前記感知構造に接続された感知素子回路を具備する複数の感知素子を備えた指紋センサを使って指の指紋パターンの表示を決定し、前記感知素子回路は、前記感知構造と前記指との間の容量結合を示す画素信号を提供するための出力を有する方法であって、
   摩擦隆線を有する手の表面と、少なくとも基準感知構造の一部が前記摩擦隆線の一つに対面するよう構成された前記基準感知構造との間の電気結合を示す基準信号を取得する工程と、
   前記基準信号および前記指と前記感知素子のそれぞれとの間の容量結合に基づいて前記指紋パターンの前記表示を決定する工程と、を備え、
   前記決定する工程は、
   前記基準信号に依存する取得設定を用いて、前記指と前記感知素子のそれぞれとの間の前記容量結合を示す画素信号を取得する工程と、
   前記画素信号に基づいて前記指紋パターンの前記表示を決定する工程と、を備え、
   前記画素信号を取得する工程は、
   サンプリング時間で前記基準信号をサンプリングして基準信号値とする工程と、
   前記サンプリング時間で前記感知素子の少なくとも一つから少なくとも一つの画素信号をサンプリングして、少なくとも一つの画素信号値とする工程と、
   前記基準信号値が基準信号値範囲外にある場合、後のサンプリング時間で前記少なくとも一つの画素信号を再サンプリングする工程と、を備える、方法。
2. 前記基準感知構造は、複数の前記摩擦隆線にわたって延在するよう構成された、請求項１に記載の方法。
3. 前記基準信号値が前記基準信号値範囲内にある場合、前記少なくとも一つの画素信号値をアナログからデジタルに変換する工程をさらに備える、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記画素信号を取得する工程は、
   一連のサンプリング時間で前記基準信号をサンプリングして一連の基準信号値とする工程と、
   前記一連のサンプリング時間で前記画素信号をサンプリングして一連の画素信号値とする工程と、を備え、
   前記指紋パターンの前記表示は、前記一連の基準信号値および前記一連の画素信号値に基づいて決定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記一連の基準信号値を用いて前記一連の画素信号値を修正して、修正された一連の画素信号値を提供する工程をさらに備え、
   前記指紋パターンの前記表示は、前記修正された一連の画素信号値に基づいて決定される、請求項４に記載の方法。
6. それぞれが感知構造および前記感知構造に接続された感知素子回路を具備する複数の感知素子を備えた指紋センサを使って指の指紋パターンの表示を決定し、前記感知素子回路は、前記感知構造と前記指との間の容量結合を示す画素信号を提供するための出力を有する方法であって、
   摩擦隆線を有する手の表面と、少なくとも基準感知構造の一部が前記摩擦隆線の一つに対面するよう構成された前記基準感知構造との間の電気結合を示す基準信号を取得する工程と、
   前記基準信号および前記指と前記感知素子のそれぞれとの間の容量結合に基づいて前記指紋パターンの前記表示を決定する工程と、を備え、
   前記決定する工程は、
   前記基準信号に依存する取得設定を用いて、前記指と前記感知素子のそれぞれとの間の前記容量結合を示す画素信号を取得する工程と、を備え、
   前記取得する工程は、
   前記基準信号を評価する工程と、
   前記基準信号の前記評価に依存するサンプリングタイミングを用いて、前記感知素子のそれぞれから画素信号をサンプリングする工程と、を備える、方法。
7. 前記評価する工程は、
   前記基準信号を閾値と比較する工程を備え、
   前記サンプリングタイミングは、前記比較に基づく、請求項６に記載の方法。
8. 前記サンプリングする工程は、
   第一のサンプリング時間に第一のサンプリングを行う工程と、
   前記第一のサンプリング時間よりも遅い第二のサンプリング時間に第二のサンプリングを行う工程と、を備え、
   前記第一のサンプリング時間と前記第二のサンプリング時間との間の期間は前記基準信号に基づいて決定される、請求項７に記載の方法。
9. 指の指紋パターンの表示を決定するための指紋感知システムであって、
   それぞれが感知構造および前記感知構造に接続された感知素子回路を具備する複数の感知素子であって、前記感知素子回路は、前記感知構造と前記指との間の容量結合を示す画素信号を提供するための出力を有する、複数の感知素子と、
   摩擦隆線を有する手の表面が基準感知構造に近接して配置された際、前記基準感知構造の少なくとも一部が前記摩擦隆線の一つに対面するよう構成された前記基準感知構造と、
   前記基準感知構造に接続可能であり、前記手の表面と前記基準感知構造との間の電気結合を示す基準信号を取得するよう構成された読み出し回路構成と、
   前記基準信号および前記指と前記感知素子のそれぞれとの間の容量結合に基づいて、前記指紋パターンの前記表示を決定するよう構成された指紋決定回路構成と、を備え、
   前記指紋感知システムは、
   前記読み出し回路構成に接続されており、前記基準信号の少なくとも一つのプロパティを評価するよう構成された評価回路構成と、
   前記感知素子のそれぞれおよび前記評価回路構成に接続されるサンプリング回路構成であって、前記基準信号の前記評価に依存するサンプリングタイミングを用いて前記感知素子のそれぞれから画素信号をサンプリングするよう構成されたサンプリング回路構成と、をさらに備える、指紋感知システム。
10. 前記基準感知構造は、少なくとも２００μｍの横方向延在部を有する、請求項９に記載の指紋感知システム。
11. 前記基準感知構造は、複数の前記感知素子を備える、請求項９又は１０に記載の指紋感知システム。
12. 請求項９から１１のいずれか一項に記載の指紋感知システムを備える指紋照合構成と、
    ユーザの指紋照合を実行するよう前記指紋照合構成を制御するよう、および前記指紋照合構成を使用して前記ユーザが認証された場合にのみ、少なくとも一つのユーザ要求処理を行うよう構成された処理回路構成と、を備える、電子機器。

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