JPH10187954A - 一体型の加熱用抵抗器を備えた指紋読取りシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感受エレメントのマトリックスの感受エレメ
ント中の過渡現象により生成された電荷を個別に測定す
ることを可能にするセンサを含む指紋読取りシステムを
提供する。 【解決手段】 指紋読取りシステムは、その指紋を読み
取る指を押しつけるセンサを含む。このセンサは、温度
変化に敏感なエレメントの活性表面、および感受エレメ
ントの温度の過渡的な変化を生み出す一体型の加熱用抵
抗器を有する。このセンサは、動かない指紋の安定した
画像を提供する。このシステムは、指紋の画像を表示お
よび処理する手段を含む。開示した装置は、特に個人を
認証するための装置に適用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に個人を認証す
るための装置で使用する指紋読取りシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】指紋分析に基づいて個人を認証する多く
のシステムは、識別すべき個人の指紋の画像を獲得する
ために使用される、少なくとも一つのセンサを含む。現
在使用されているシステムでは、指をセンサの上に載
せ、センサの読取り表面は必然的に指のサイズとほぼ等
しいサイズでなければならない。このセンサは、それが
与える指紋の画像と、例えばチップカードなどの適当な
媒体に記憶された参照指紋の画像とを比較するのに使用
される分析システムと関連している。

【０００３】ほとんどの場合には、センサはアナログタ
イプの情報要素を与え、分析システムは指紋の画像をデ
ジタル処理するための演算を使用するので、アナログデ
ジタル変換器により、センサ出力で指紋の画像をデジタ
ル化しなければならない。特定の構造では、センサはデ
ジタル化した画像を直接送る。

【０００４】指紋読取りシステムは、しばしば指の画像
をとらえるビデオカメラなどの光学装置の使用に基づく
が、同一の指の簡単な写真があれば、同一の画像をカメ
ラの出力で得、それによりシステムを欺くことができ
る。この欠点を克服するために、特定のシステムでは、
それが実際に本物の指であってセンサの前に置かれた写
真ではないことを確認するために、プリズムまたはマイ
クロプリズムを使用し、指紋の線がプリズムに接触しな
い部分でのみ光を反射させる。したがって、写真は無効
となる。しかし、光学システムは、センサの前に置かれ
た指が、実際に本物の指であって例えば成形した指では
ないことを確認するために使用することはできない。光
学システムには、例えば体積が大きい、製造コストが高
いなどといったその他の欠点もある。

【０００５】半導体産業のバッチ処理の可能性を利用し
て、指紋によって個人を認証する装置を作成する、その
他の手段が提案されている。この方法で作成した装置
は、コストが低くなる可能性があり、センサの一体化、
ならびに、認証装置の処理シーケンスの全てまたは一
部、特にセンサの出力における画像のデジタル化、参照
画像の記憶、および認証といった動作の一体化という利
点を提供する。指紋読取りセンサは、複数の列および列
に構成された感受エレメントのマトリックスを有し、指
紋の線の隆起がセンサの感受エレメントに接触している
か接触していないかによって、異なる電気信号を与え
る。

【０００６】指紋を読み取る様々な手段についての特許
が出願されている。

【０００７】米国特許第４３５３０５６号には、センサ
の感受エレメントのキャパシタンスの変化に基づく読取
りの原理が記述されている。

【０００８】その他のシステムは、圧力、温度、または
圧力および温度以外のものに対して感受性のある構成要
素を有するセンサを含み、圧力および／または温度につ
いての空間情報を電気信号に変換し、続いてこれを例え
ばＣＣＤマトリックスにすることができる半導体ベース
のマルチプレクサで収集する。米国特許第４３９４７７
３号には、この種類の原理が記述されている。

【０００９】圧電効果および／またはパイロ電気効果に
基づくセンサは、その感受エレメントに加えられた圧力
および／または熱に対して感受性を有するので、最も価
値がある。この機構により、指紋の読取り中に、その指
が放出する固有の熱を介して、それが実際に生きている
個人の一部であることを確認することが可能になる。熱
および／または圧力の変化を引き起こす、指の中の血液
の脈流による変化を検出することもまた可能であるの
で、指紋の認証の信頼性はさらに高くなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】半導体基板に一体化さ
れたセンサが与える電気信号には短寿命であるという欠
点があり、これを一定時間維持するために特定のシステ
ムが必要となる。信号が短寿命になるのは、センサ上の
物理的影響（温度、圧力など）の変化によって電荷が誘
導されるためである。結果として、その出力における信
号は、物理的影響が平衡に達したときには消滅している
傾向がある。信号消滅の時定数は、数ミリ秒からより好
都合な場合では数秒の範囲である。

【００１１】この実際の結果として、指をセンサ上に置
いたときから開始して一連の画像が生成される。これら
の画像のコントラストの画質は安定せず、これらの画像
は消失する傾向がある。これにより、認識システムは、
最も認証に適した画像を発見するために、センサが絶え
ず生成する全ての画像を分析する必要があるので、その
仕事は複雑になる。

【００１２】センサ外部の励起を用いるシステムが提案
されている。これらは、例えば、マイクロ波の形態でエ
ネルギービームを送出するためのシステムである。しか
し、これらはシステムを複雑にし、その体積およびコス
トを増加させる。

【００１３】電子メモリにより、指紋の画像の消滅の影
響を軽減することができる。しかし、これにより、セン
サがメモリ記憶を可能にする技術を必要とするので、そ
の設計は複雑になり、その製造コストは増加する。十分
に精密で、信頼性が高く、安価で、センサが生成した全
ての画像の中でどれが最良の画像であるかを決定するこ
とができるシステムを構築することは非常に困難であ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、感受エレメン
トのマトリックスおよびマルチプレクサを有し、このマ
トリックスの感受エレメント中の一時的な又は過渡的な
現象により生成された電荷を個別に測定することを可能
にするセンサを含む指紋読取りシステムであって、この
マトリックスが、その一面が開いてマトリックスに指を
押しつけることができるパッケージに入れられ、また指
紋の全体像を構成するマトリックスパターンに対応する
電気信号を提供するマトリックスであり、このセンサ
が、感受エレメントのマトリックスの過渡的な（一時的
な）内部の熱変化を生み出す手段を含むセンサである、
この熱変化を適用した後でマトリックスの信号を読み取
る手段を含むシステムを提案することによって、従来技
術の欠点を軽減することを提案する。

【００１５】このセンサの局所的な温度変化は、パイロ
電気材料のセンサ中で局所的な電荷を生み出す効果を有
する。

【００１６】指紋は、隆起および溝の線を含む一組の皮
膚上の線の形状をとる。センサの加熱した感受エレメン
トのマトリックスに指のこの指紋を含む部分を押しつけ
た時、感受エレメントと接触する指紋の隆起の方が、こ
の全く同じ指紋の溝よりも、これらのエレメントから有
効に熱を放散させることになる。

【００１７】この熱の放散およびそれによる各感受エレ
メントの温度変化は、したがって、センサのこれらの感
受エレメント上に、指紋の隆起が存在するか、または溝
が存在するかによって大きくなるか、または小さくな
る。この現象は、パイロ電気層の熱変化の空間変調を生
み出し、その結果マルチプレクサが収集する電荷の空間
変調を生み出す。指が動かないこと、および電荷の読取
りが順次列われることから、読取りシステムは静止画像
を生成することになる。パイロ電気層の温度上昇は依然
として小さく、約１Ｋより下である。

【００１８】感受エレメントの温度の過渡的な局所変化
は、感受エレメントのマトリックスと接触させて配置し
た加熱用抵抗器によって得られる。この加熱用抵抗器
は、過渡電流が通過すると、マルチプレクサによる電荷
の読取りと同期して動作するセンサを加熱する。この過
渡電流は、ジュール効果による電力の放散により、局所
的に温度を上げる。

【００１９】第一の実施形態では、感受エレメントのマ
トリックスは複数の列に構成され、この場合、センサは
感受エレメントの列と同数の加熱用抵抗器を含む。それ
ぞれの列に関連する各加熱用抵抗器は、この列と平列に
なり、これを加熱する。マルチプレクサは、列ごとに感
受エレメントの電荷を読み取る。個々の列は次々に読み
取られ、ゼロにリセットされる。加熱電流は、例えば列
の読取りの直後や、パイロ電気コンデンサの電荷をリセ
ットする間に、列と関連する各抵抗器に流される。指全
体の画像は、システムにより再構成される。

【００２０】別の実施形態では、ただ一つの加熱用抵抗
器を使用して、マトリックスの全ての感受エレメントを
加熱する。蛇列コイルの形状をしたこの単一の抵抗器
は、センサの表面全体を横切り、感受エレメントの間を
通過してこれらを加熱する。抵抗器に電流を流した後、
感受エレメントのコンデンサの電荷は、指紋の完全な画
像を表す。この画像を、マトリックスの各感受エレメン
トが生み出す電荷を記憶することにより固定し、続いて
順次読み取って、指紋の完全な画像を再構成する。例え
ばこの画像を順次読み取る間に、抵抗器に電流を流すこ
ともできる。

【００２１】エレメントごとに感受エレメントの読取り
を列う場合を考慮することもできる。この場合には、列
および列のアドレッシングが必要であり、エレメントご
とに一つの抵抗器が必要となる。

【００２２】本発明の別の態様は、例えばシステム外部
にありセンサに適用する温度源および／または圧力源を
使用することなく、マトリックスの各感受エレメントの
正確な動作の自動試験を実列する可能性にある。実際
に、抵抗器またはセンサに一体化された抵抗器によって
センサの感受エレメントを過渡的に加熱することで、感
受エレメントのコンデンサ中で短寿命の電荷を生み出
し、これらの電荷を検査することにより、マトリックス
の各感受エレメントが適切に動作していることを確認す
ることができるようになる。

【００２３】本発明のその他の特徴は、添付の図面に関
連する、以下の実施形態の詳細な説明から明らかになる
ものとする。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、加熱用抵抗器を含む指紋
センサを示す概略図である。指紋センサ１０は、指紋の
読取りを実列するのに十分なサイズの四角形の形状を有
する集積回路である。この集積回路は、上側電極と下側
電極のマトリックス配列との間に配置された活性のパイ
ロ電気層で形成された感受エレメントのマトリックスを
含む。下側電極は半導体基板上にあり、この基板には、
その配列の各電極上にパイロ電気層が生成した電荷を処
理できる集積電子回路が形成される。この集積回路は、
センサの外側に電気信号を伝送する接続ピン１４で接続
された支持１３に含まれ、これら全ての電気信号は、所
与の時間で活性のパイロ電気層の温度パターンの画像を
表す。下側電極がマトリックス配列の形状に構成される
ことにより、パイロ電気層が連続体である場合でも、個
別のパイロ電気感受エレメントの配列を得ることができ
る。

【００２５】図２は、センサの感受エレメントの領域で
この感受エレメントの付近に加熱用抵抗器２９を含む集
積回路２０の一部を示す概略図である。

【００２６】この集積回路は以下のものを含む。

【００２７】−原則としてシリコン基板である半導体基
板２２。この基板上には、電荷の読取りおよび処理をす
るための回路が形成される。これらの回路はマルチプレ
クサ２３を構成する。これらの回路は、例えばＣＣＤ
（電荷結合装置または電荷移動回路）や、ＣＭＯＳ回路
である。これらは、シリコン集積回路を製造する現在の
技術によって製造される。これらの回路は、次々に形成
されるパイロ電気エレメントのマトリックスパターンの
関数として、一つの配列に構成される。

【００２８】−基板上に析出または付着させた断熱材２
４。

【００２９】−下側金属板２６および上側金属板２７で
構成され、その間にパイロ電気材料の層２８が位置する
パイロ電気コンデンサ。上側金属板２７は感受エレメン
トの全てのコンデンサに共通であり、熱の横向きの伝搬
を制限するために穴を開ける（網状にする）ことができ
る。下側金属板２６は、コンデンサの電荷の読取りを実
列するマルチプレクサ２３のアクセス３８に接続され
る。加熱用抵抗器２９は、下側電極２６と同じレベルで
作成され、アクセス３０でマルチプレクサ２３の過渡電
流発生器に接続される。

【００３０】−熱の横方向への放散を制限するために、
その熱伝搬が基本的にセンサ平面と垂直でなければなら
ない、感受エレメントに付着させた薄い保護層３２。

【００３１】パイロ電気層の材料は、例えばポリフッ化
ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデントリフ
ルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、ポリシアン化
ビニリデン酢酸ビニル（ＰＶＤＣＮ−ＶＡｃ）や、ポリ
シアン化ビニリデンフッ化ビニリデン（ＰＶＤＣＮ−Ｖ
ＤＦ）にすることができる。その他のタイプの感受層、
詳細にはパイロ圧電パラメータの関数として電荷を生成
するものは全て可能である。

【００３２】上述の共重合体の場合は、使用する主な効
果は、共重合体の温度変化により誘導される電荷の生成
である。

【００３３】図３は、集積回路と同じ平面上に位置する
パイロ電気コンデンサの下側板３６および加熱用抵抗器
３７の平面における、集積回路３５を示す部分図であ
る。加熱用抵抗器３７は、軸ＸＸ’を有するパイロ電気
コンデンサの下側板の列の間で集積回路を横切り、これ
らの列と平列になる。加熱用抵抗器３７は、パイロ電気
コンデンサの下側金属板３６と同時に、例えばチタニウ
ムを蒸着させることにより作成される。

【００３４】列ごとに読み取る場合は、抵抗器は感受エ
レメントの列と関連する。完全な画像を読み取る場合に
は、ただ一つの抵抗器がセンサの全ての感受エレメント
と関連する。

【００３５】図４は、一組の隣接する感受エレメント４
１、４２、４３を示す概略図であり、これらの上に指紋
４４の一部に対応する指の一部を押しつける。この指紋
の拡大した表面を図４に示す。この位置で、指紋は、二
つの隆起５０および５１と一つの溝５３とを有する。隆
起５０および５１はそれぞれ感受エレメント４１および
４３と接触するが、溝５３は感受エレメント４２と接触
しない。感受エレメントを過渡的に加熱する間、それぞ
れに隆起５０および５１と接触する感受エレメント４１
および４３上でセンサに押しつけられた指から放散され
る熱流Ｆ１は、指紋の溝５３があるために指と接触しな
い感受エレメント４２から放散される熱流Ｆ２より大き
い。このことにより、加熱用抵抗器を電流が流れること
によって過渡的な熱変化が生じる間に、感受エレメント
中の温度の空間変化が生じ、その結果熱変化と正確に一
致するパイロ電気コンデンサ中の電荷の空間変化が生じ
る。

【００３６】次に、加熱用抵抗器を備え、読み取る指紋
のサイズにほぼ等しい表面積を有するセンサから提供さ
れる指紋の画像を、表示および処理する手段を含む、本
発明による指紋読取りシステムの例示的な実施形態につ
いての説明を、以下に与えるものとする。

【００３７】このシステムは、上記に記述したようにセ
ンサ６０を含む。このセンサ６０の感受エレメントは、
一つまたは複数の加熱用抵抗器で過渡的に加熱される。
センサ６０のパイロ電気表面で、指紋６３を有する動か
ない指６２は支持される。センサ６０は指紋６３の画像
を表すアナログ信号を出力６４に提供する。センサの出
力６４は、最初に指紋の画像を表示するスクリーンを有
するビデオ周波端末６６に接続され、次にアナログデジ
タル変換器７０のアナログ入力６８に接続される。コン
バータ７０のデジタル出力７２は、デジタルメモリ８０
の入力に接続される。このメモリの出力は、例えばマイ
クロコンピュータ９０などの処理および計算システムの
デジタル入力８２に接続される。

【００３８】センサ６０が生成する各アナログ画像は、
センサ６０が絶えず提供する画像の画質の即時評価を可
能にするビデオ周波端末６６のスクリーンに表示され
る。最良の指紋６３の画像を見いだすために、センサの
パイロ電気表面上で指６２の位置をわずかに移動させる
ことができるが、この指の移動速度はセンサの出力にお
ける画像の周波数に適合するように制限される。

【００３９】この最初の段階で、指紋の画像はビデオ周
波端末６６に表示されるのみであり、システムからは指
紋の画像は得られない。ビデオ周波端末６６は、図示は
しないが周知の順応システムを含み、これにより、セン
サの出力で、アナログ信号を標準的なビデオ周波スクリ
ーンで表示することができるビデオ周波信号に変換する
ことができる。

【００４０】満足できる画像であると考えられる場合に
は、この画像を獲得し、アナログデジタル変換器７０に
よりビット数Ｎに基づいてデジタル化する。変換器７０
から提供されたデジタル化した画像は、数メガヘルツと
いう比較的速い速度でデジタルメモリ８０に記憶され
る。このデジタルメモリ８０は、各感受エレメントのレ
ベルをコード化するためにセンサの感受エレメントの数
にビット数Ｎをかけた積にほぼ相当する、中程度のサイ
ズである。

【００４１】デジタルメモリ８０に記憶されたデジタル
化した画像は、続いて、マイクロコンピュータ９０のデ
ジタル入力（並列ポートまたは直列ポート）が許可する
入力速度と両立する数百キロヘルツの範囲の、メモリに
記憶する際の速度より遅い速度でマイクロコンピュータ
９０に伝送される。

【００４２】本発明の目的であるシステムは、どのよう
な画像再構築アルゴリズムも必要としない。ただし、マ
イクロコンピュータ９０に記憶した画像を、まず最初
に、その画質を改善するために周知の方法で処理する。
続いて、指紋の認識に有効な情報を抽出する処理を列
う。検索アルゴリズムは、認証する個人に対応する事前
に記録した指紋画像と比較することにより、記憶した指
紋を認証することを可能にする。これらの形状認識アル
ゴリズムは、例えば、輪郭を抽出する処理演算や、輪郭
ベクトル化演算、またはその他のタイプの処理演算を使
用することができる。有効な指紋の画像は、実際には、
この指紋の隆起および溝に対応する一組の輪郭である。
認証するためには、検出した数組の輪郭を、認証する個
人に対応する事前に記録した数組の輪郭と比較すること
になる。その後、数組の輪郭は、これらの輪郭を説明す
るベクトルの表の形状で記憶することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】指紋センサの概略図である。

【図２】感受エレメントの領域のセンサの構成を示すダ
イアグラム的な断面図である。

【図３】加熱用抵抗器の例示的な実施形態を示す図であ
る。

【図４】指紋による感受エレメントの熱放散を示す図で
ある。

【図５】本発明による指紋読取りシステムを示すブロッ
クダイアグラムである。

【符号の説明】

２０ 集積回路 ２２ 半導体基板 ２３ マルチプレクサ ２４ 断熱材 ２６ 下側金属板 ２７ 上側金属板 ２８ パイロ電気材料の層 ２９ 加熱用抵抗器 ３０ アクセス ３２ 保護層 ３８ アクセス

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感受エレメントのマトリックスおよびマ
   ルチプレクサを有し、このマトリックスの感受エレメン
   ト中の過渡現象により生成された電荷を個別に測定する
   ことを可能にするセンサを含む指紋読取りシステムであ
   って、このマトリックスが、その一面が開いてマトリッ
   クスに指を押しつけることができるパッケージに入れら
   れ、また指紋の全体像を構成するマトリックスパターン
   に対応する電気信号を提供するマトリックスであり、こ
   のセンサが、感受エレメントのマトリックスの過渡的な
   内部の熱変化を生み出す手段を含むセンサである、この
   熱変化を適用した後でマトリックスの信号を読み取る手
   段を含むシステム。
2. 【請求項２】 熱変化が、感受エレメントのマトリック
   スと接触する指紋の線の溝と隆起の間の熱伝導の差によ
   って収集された電荷の空間変化を生み出す、請求項１に
   記載の指紋読取りシステム。
3. 【請求項３】 センサの感受エレメントのマトリックス
   の過渡的な内部温度の変化が、感受エレメントのマトリ
   ックスと接触して配置された、過渡電流が通過するとマ
   ルチプレクサによる電荷の読取りと同期して動作するセ
   ンサを加熱する加熱用抵抗器により得られる、請求項１
   に記載の指紋読取りシステム。
4. 【請求項４】 感受エレメントのマトリックスが複数の
   列に構成され、センサが列と同数の加熱用抵抗器を含
   み、各加熱用抵抗器がそれぞれの列と関連し、ある列の
   信号の読取りがこの列に対応する抵抗器を加熱した後で
   実列される、指紋の完全な画像を再構成する、請求項３
   に記載の指紋読取りシステム。
5. 【請求項５】 ただ一つの加熱用抵抗器が、マトリック
   スの全てのエレメントに対して備えられる、請求項３に
   記載の指紋読取りシステム。
6. 【請求項６】 加熱用抵抗器が、マトリックスの個々の
   感受エレメントに対して備えられる、請求項３に記載の
   指紋読取りシステム。
7. 【請求項７】 感受エレメントのマトリックスが、パイ
   ロ電気ポリマーの層およびこの層の両側の電極から構成
   される、請求項１に記載の指紋読取りシステム。
8. 【請求項８】 加熱用抵抗器が、例えばチタニウムなど
   の金属の蒸着により、パイロ電気コンデンサの下側金属
   板と同じレベルで作成される、請求項３に記載の指紋読
   取りシステム。
9. 【請求項９】 センサが提供する画像を表示および処理
   する手段を含む、請求項１に記載の指紋読取りシステ
   ム。
10. 【請求項１０】 センサが提供した画像と、認証する個
    人に対応する事前に記録した画像とを比較することによ
    って個人の認証を実列する、請求項１に記載の指紋読取
    りシステム。
11. 【請求項１１】 センサの感受エレメントを過渡的に加
    熱することによって、マトリックスの各感受エレメント
    の効率の自動試験を実列する手段を含む、請求項１に記
    載のシステム。