JPH11253428A - 走査型容量性半導体指紋検知器 - Google Patents

走査型容量性半導体指紋検知器

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JPH11253428A
JPH11253428A JP11005762A JP576299A JPH11253428A JP H11253428 A JPH11253428 A JP H11253428A JP 11005762 A JP11005762 A JP 11005762A JP 576299 A JP576299 A JP 576299A JP H11253428 A JPH11253428 A JP H11253428A
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JP
Japan
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fingerprint
conductor
input
scanning
capacitive sensing
Prior art date
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Application number
JP11005762A
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English (en)
Inventor
Alan Kramer
クレイマー アラン
James Brady
ブラディー ジェームズ
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ST MICROELECTRONICS Inc
Original Assignee
ST MICROELECTRONICS Inc
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12—Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13—Sensors therefor
    • G06V40/1306—Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Image Input (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Collating Specific Patterns (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストの指紋検知装置を提供する。 【解決手段】 本発明のスキャニング指紋検知システム
は容量性検知要素からなるアレイを有している。該アレ
イは指紋の幅よりも大きな第一寸法と、指紋の長さより
小さな第二寸法とを有している。容量性検知要素の各々
は指紋の山の幅よりも小さい寸法を有している。該アレ
イ上を指紋が移動される場合に、指紋の一部のイメージ
をキャプチャするために該アレイを走査し且つキャプチ
ャしたイメージを指紋イメージへ組立てるための回路が
設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大略、指紋イメー
ジをキャプチャするための方法及びシステムに関するも
のであって、更に詳細には、半導体容量性指紋走査装置
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】指紋認識は、例えば建物、コンピュータ
等へのアクセスを制御すること等の多くのセキュリティ
即ち安全上の適用場面において使用することが提案され
ている。指紋認識システムは、鍵又はスマートカード等
の装置なしで、又はパスワード又はその他の個人的なＩ
Ｄ番号を記憶する必要性なしで、制御された施設へユー
ザがアクセスすることを可能とする。
【０００３】検知装置は、指紋認識システムの重要な一
部であって且つ該装置が発生する指紋の表現の品質は認
識能力に影響を与え且つ指紋の検証のために必要とされ
る処理の量に影響を与える。指紋検知装置において使用
するための種々の技術が提案されている。１つの一般的
に提案されている技術は光学的検知が関与するものであ
る。光学的指紋検知装置の例は発明者Ｊｅｎｓｅｎであ
る米国特許第４，７８４，４８４号、発明者Ｆｉｓｈｂ
ｉｎｅ ｅｔ ａｌ．である米国特許第５，４６７，４
０３号、発明者Ｇｉｌｅｓ ｅｔ ａｌ．である米国特
許第５，５４８，３９４号において開示されている。
【０００４】光学的検知器は、ガラスの表面を有してお
り、その上に認識されるべき指を配置させる。光学的検
知器は、ガラスの表面又は被検査対象の指が濡れている
場合には認識上の問題を提起する場合がある。該検知器
の光学系は、空気及びガラスの屈折率に基づいて構成さ
れている。ガラスと指表面との間に水又は汗等が存在す
る場合には、検知器の動作は影響される。
【０００５】光学的センサーに加えて、種々の電気的セ
ンサーシステムが提案されており、例えば、発明者Ｋｎ
ａｐｐの米国特許第５，３２５，４４２号、発明者Ｔａ
ｍｏｒｉの米国特許第５，４００，６６２号、発明者Ｔ
ａｍｏｒｉの米国特許第５，４２９，００６号等があ
る。電気的検知装置は、典型的に、複数個のセンス（検
知）要素からなるアレイを有している。個別的な検知要
素は指紋の山又は谷が検知要素上に位置されているか否
かに依存する出力で応答する。
【０００６】電気的検知装置は光学的検知装置と比較し
て利点を提供している。然しながら、指紋を検知するの
に充分に大きな電気的検知器は大型であり且つ高価な半
導体装置である。例えば、エスジーエス−トムソンマイ
クロエレクトロニクス社から入手可能なタッチチップ
（ＴｏｕｃｈＣｈｉｐ）（商標）シリコン指紋センサー
（ＳＴＦＰ２０１５−５０）は１９．２ｍｍ×１２．８
ｍｍの寸法のアクティブ即ち活性なセンサー表面を有し
ており、それは３８４×２５６センサーアレイを有して
いる。従って、電気的検知装置は光学的検知器よりも一
層高価なものとなる傾向がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠
点を解消し、改良した指紋検知装置を提供することを目
的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数個の容量
性検知要素からなるアレイを有する走査型指紋検知シス
テムを提供している。該アレイは指紋の幅程度の第一寸
法と、指紋の長さより実質的に短い第二寸法とを有して
いる。該容量性検知要素の各々は指紋の山の幅よりも小
さな寸法を有している。指紋の一部のイメージをキャプ
チャするために該アレイをスキャニング即ち走査し且つ
指紋が該アレイ上を移動される場合にキャプチャしたイ
メージを指紋イメージへ組立てる回路が設けられてい
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明に基づ
く指紋スキャナが大略１１で示されている。指紋スキャ
ナ１１は、指紋のイメージ即ち像をキャプチャ即ち捕獲
するスキャニング（走査用）アレイ１３と、適宜の出力
部１５とを有している。スキャニングアレイ１３は、好
適には、単一の半導体チップ上に構成されている。
【００１０】スキャニングアレイ１３は矩形の形状であ
り且つスキャニングアレイ１３と接触する指１７の表面
の幅程度の幅を有している。好適実施例においては、ス
キャニングアレイ１３は約０．５インチ即ち１２．８ｍ
ｍの幅である。スキャニングアレイ１３の長さは、指１
７の端部の長さよりも実質的に短く、且つ好適実施例に
おいては、スキャニングアレイ１３の長さは約１０分の
１インチ即ち２．５ｍｍである。以下に詳細に説明する
ように、指紋スキャナ１１は、指１７をスキャニングア
レイ１３上を掃引する場合に指紋イメージをキャプチャ
即ち捕獲する。次に、図２を参照すると、スキャニング
アレイ１３のブロック図が示されている。スキャニング
アレイ１３は、好適には、単一のチップに集積化されて
おり、且つ、それは、図３に示したタイプの複数個のセ
ル２９からなる矩形状のアレイ２７を有している。各セ
ル２９は指紋の山の幅よりもより小さい。
【００１１】好適実施例においては、セル２９は５０μ
ｍのピッチ上にあり、それは約５０８ｄｐｉの分解能に
対応している。必要とされる正確な行の数は、イメージ
再生ソフトウエアの能力及びアレイ２７がスキャン即ち
走査される最大指速度及びフレームレートに依存する。
指がその最大速度で移動している場合に、一対の連続す
るフレームが該再生アルゴリズムによってそれらを整合
させるために共通の充分な行を有するように、充分なも
のでなければならない。１つのフレームから次のフレー
ムにかけて共通のイメージの行が多ければ多い程、より
正確に該再生アルゴリズムが２つのフレームを単一のよ
り大きなフレームへ結合させる。好適実施例において
は、アレイ２７は、短い寸法において約２０乃至５０個
の行のセルを有しており且つ長い寸法においては約２５
０個の列のセルを有している。
【００１２】スキャニングアレイ１９は水平スキャニン
グステージ３１及び垂直スキャニングステージ３３を有
している。スキャニングステージ３１及び３３は、所定
のスキャニングパターンに従って１度に１個のセル２９
をイネーブルさせる。スキャニングレートは、最大指速
度及び許容可能なボヤケの量に依存する。好適実施例に
おいては、各セル２９は１０ミリ秒毎に一度の割合でス
キャン即ち走査されて、毎秒１００乃至１０００個のフ
レームのフレームレートを発生させる。
【００１３】入力装置１９は電力供給源及びスキャン制
御ユニット３５を有している。電力供給源及びスキャン
制御ユニット３５は基準電圧をアレイ２７の各セル２９
へ供給する。電力供給源及びスキャン制御ユニット３５
は、又、スキャニングステージ３１及び３３を動作させ
てセル２９の所望のスキャニングを発生させる。
【００１４】Ａ／Ｄ変換器３７がアレイ２７の各セル２
９の出力を受取るべく接続されている。Ａ／Ｄ変換器３
７の出力端は出力論理３９へ接続している。出力論理３
９はＡ／Ｄ変換器３７の出力を処理してユーザの指紋の
一部の相次ぐイメージをキャプチャする。出力論理３９
は相次ぐイメージを比較して指紋の運動を検知する。出
力論理３９が運動を検知すると、出力論理は、好適実施
例においては１乃至１０ミリ秒であるスキャニング期間
にわたっての指紋の山の変位を検知し、且つキャプチャ
したイメージを完全な指紋イメージへ組立てる。
【００１５】次に、図３を参照すると、本発明に基づく
セル２９の構造及び動作が示されている。本発明の好適
実施例のセルは、「容量性距離センサー（Ｃａｐａｃｉ
ｔｉｖｅ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ）」という
名称の１９９７年２月１３日付で出願した発明者Ｔａｒ
ｔａｇｎｉの米国特許出願第０８／７９９，５４８号に
開示されているタイプのものであり、尚、その特許出願
を引用によって本明細書に取込む。各セル２９は半導体
基板上に支持されている第一導体プレート４７及び第二
導体プレート４９を有しており、該基板は、好適には、
上側の表面領域を画定する従来の浅いエピタキシャル層
を有することが可能な従来のシリコン基板である。該基
板の上表面は絶縁層４１を有している。絶縁層４１は、
好適には、酸化物層であって、それは従来の熱的に成長
させた二酸化シリコン層とすることが可能である。導体
プレート４７及び４９は硬質の物質からなる保護コーテ
ィング５１によって被覆されており、それはセル２９を
湿気、汚染、研磨及び静電気電荷から保護している。
【００１６】各セル２９は高利得の反転用増幅器５３を
有している。インバータ５３の入力端は入力コンデンサ
５４を介して基準電圧供給源ＶREF へ接続している。イ
ンバータ５３の出力端は出力端ＶOUT へ接続している。
インバータ５３の入力端も導体プレート４７へ接続して
おり、且つインバータ５３の出力端は導体プレート４９
へ接続しており、それにより電荷積分器を形成してお
り、そのフィードバック容量は導体プレート４７及び４
９の間の実効容量である。
【００１７】指２３を保護層５１の表面上に位置させる
と、各センサ上の皮膚表面が、保護コーティング５１と
可変厚さの空気とを包含する誘電体層によって隣接する
導体プレート４７及び４９から離隔された第三コンデン
サプレートとして作用する。指紋の谷即ち凹部は指紋の
山５７よりも導体プレート４７及び４９から更に離れて
いるので、谷即ち凹部下側のセンサ２９はそれらの導体
プレート４７及び４９と皮膚表面との間において指紋の
山下側のセンサよりもより大きな距離を有する。この誘
電体層の厚さは各セル２９のプレート４７及び４９の間
の容量結合を変調させる。従って、谷即ち凹部下側のセ
ンサ２９は山下側のセンサ２９とは異なった実効容量を
呈する。図３に示したように、センサ２９ａの実効容量
はセンサ２９ｂの実効容量とは異なっている。
【００１８】センサ２９は二つのフェーズで動作する。
第一フェーズ期間中において、インバータ５３の入力端
と出力端とを短絡させることによって電荷積分器がスイ
ッチ５９によってリセットされる。このことはインバー
タ５３をしてその論理スレッシュホールドにおいて安定
化させる。第二フェーズ期間中に、固定電荷が電荷積分
器へ入力され、導体プレート４７と４９との間の実効容
量であるフィードバック容量に逆比例して出力電圧をス
イングさせる。固定した量の入力電荷に対して、インバ
ータ５３の出力は、実効フィードバック容量値に依存し
て二つの限界値の間の範囲の値をとる。第一限界値は、
実効フィードバック容量が非常に小さい場合の飽和電圧
レベルである。第二限界値は実効フィードバック容量が
大きい場合に、リセット値である論理スレッシュホール
ドに近い値である。皮膚とセンサとの間の距離が電荷積
分器の実効フィードバック容量を変化させるので、山５
７下側のセンサ２９ａの出力は谷５５下側のセンサ２９
ｂの出力とは異なる。
【００１９】指紋イメージをキャプチャするための本発
明の動作を図４及び５を参照して説明する。図４は本発
明に従ってキャプチャされた一連の部分的な指紋イメー
ジ６１−８３を示している。図５は部分的なイメージ６
１−８３から本発明に従って組立てた指紋イメージ８５
を示している。図４において、部分的イメージ６１が最
初にキャプチャされ且つ部分的イメージ６２がその後の
時刻においてキャプチャされる。理解されるように、部
分的イメージ６１及び６２は多数の共通の指紋特徴を共
有している。同様に、部分的イメージ６３乃至８３は逐
次的に後の時刻においてキャプチャされ且つそれらは、
各々、それらの逐次的に隣接する部分的イメージと指紋
特徴を共有している。図２の出力論理３９は相次ぐ部分
的イメージ６１−８３を比較して指紋の動きを検知す
る。出力論理３９が動きを検知すると、出力論理は、好
適実施例においては１乃至１０ミリ秒であるスキャニン
グ期間に亘って指紋の山の変位を計算し、且つキャプチ
ャしたイメージを完全な指紋イメージ８５へ組立てる。
【００２０】前述したことから、本発明は従来技術の欠
点を解消することが可能であることを理解することが可
能である。本発明の容量性センサは、高いフレームレー
トでスキャニングすることを可能としている。高いフレ
ームレートは指を検知装置上で迅速に移動させることを
可能とさせる。更に、高いフレームレートは、相次ぐイ
メージをキャプチャするのに必要とされる行数を減少さ
せる。本発明装置は、寸法が小型であり、且つ単一の集
積回路チップ上で製造することが可能である。本発明は
光学系よりも低いコストで電気的指紋検知を提供するこ
とが可能であるという利点を有している。
【００２１】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくシステムを示した概略ブロッ
ク図。
【図２】 本発明に基づくセンサアレイを示した概略ブ
ロック図。
【図３】 本発明に基づく個別的なセンサセルの物理的
構造及び電気的動作を示した概略図。
【図４】 本発明に基づいてキャプチャされた一連の部
分的指紋イメージを示した各概略図。
【図５】 図４の部分的イメージから本発明に従って組
立てた指紋イメージを示した概略図。
【符号の説明】
１１ 指紋スキャナ １３ スキャニングアレイ １５ 出力装置 １７ 指
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン クレイマー アメリカ合衆国， カリフォルニア 94708， バークレー， ヒルデイル ア ベニュー 705 (72)発明者 ジェームズ ブラディー アメリカ合衆国， テキサス 75024， プラノー， エルムヒル ドライブ 4101

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 走査型指紋検知システムにおいて、 容量性検知要素からなるアレイが設けられており、前記
    アレイは指紋の幅程度の第一寸法と、指紋の長さより短
    い第二寸法とを有しており、且つ前記容量性検知要素の
    各々が指紋の山の幅よりも小さな寸法を有しており、 指紋の一部のイメージをキャプチャするために前記アレ
    イを走査する手段が設けられており、指紋が前記アレイ
    上を移動される場合にキャプチャしたイメージを指紋イ
    メージへ組立てる手段が設けられている、ことを特徴と
    する走査型指紋検知システム。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記アレイの各容量
    性検知要素が、 基板上に位置されており且つ前記容量性検知要素の第一
    プレートを構成している第一導体、 前記基板上に位置されており且つ前記容量性検知要素の
    第二プレートを構成する第二導体であって前記第一導体
    から離隔されている第二導体、 入力電圧を供給する基準電圧供給源、 入力端と出力端とを具備している増幅器であって、前記
    入力端が前記基準電圧及び前記第一導体へ結合しており
    且つ前記出力端が前記第二導体へ結合している増幅器、
    を有していることを特徴とする走査型指紋検知システ
    ム。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記増幅器が反転用
    増幅器を有していることを特徴とする走査型指紋検知シ
    ステム。
  4. 【請求項４】 請求項２において、前記第一及び第二導
    体上に付着させた保護用コーティングを有することを特
    徴とする走査型指紋検知システム。
  5. 【請求項５】 請求項２において、前記基準電圧供給源
    と前記増幅器の前記入力端との間に結合されている入力
    コンデンサを有することを特徴とする走査型指紋検知シ
    ステム。
  6. 【請求項６】 請求項２において、前記増幅器の前記入
    力端と前記出力端との間に接続されているスイッチを有
    することを特徴とする走査型指紋検知システム。
  7. 【請求項７】 請求項１において、前記アレイの各容量
    性検知要素が、 半導体基板によって支持されており且つ前記容量性検知
    要素の第一プレートを構成している第一導体、 前記半導体基板によって支持されており且つ前記容量性
    検知要素の第二プレートを構成しており前記第一導体か
    ら離隔されている第二導体、 入力電圧を供給する基準電圧供給源、 入力端と出力端とを具備する反転用増幅器であって前記
    入力端が前記基準電圧及び前記第一導体プレートへ結合
    しており且つ前記出力端が前記第二導体プレートへ結合
    している反転用増幅器、 前記基準電圧と前記反転用増幅器と前記入力端との間に
    接続している入力コンデンサ、 前記反転用増幅器の前記入力端の前記出力端との間に接
    続しているスイッチ、を有することを特徴とする走査型
    指紋検知システム。
  8. 【請求項８】 請求項１において、前記第一寸法が約
    ０．５インチ（１．２７ｃｍ）であり且つ第二寸法が約
    ０．１インチ（０．２５４ｃｍ）であることを特徴とす
    る走査型指紋検知システム。
  9. 【請求項９】 走査型指紋検知器において、 容量性検知要素からなるアレイが設けられており、前記
    アレイは指紋の幅程度である第一寸法と、指紋の長さよ
    り短い第二寸法とを有しており、且つ前記容量性検知要
    素の各々が指紋の山の幅より小さな寸法を有しているこ
    とを特徴とする走査型指紋検知器。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、前記アレイの各容
    量性検知要素が、 基板上に位置されており且つ前記容量性検知要素の第一
    プレートを構成する第一導体、 前記基板上に位置されており且つ前記容量性検知要素の
    第二プレートを構成しており且つ前記第一導体から離隔
    されている第二導体、 入力電圧を供給する基準電圧供給源、 入力端と出力端とを具備している増幅器であって、前記
    入力端が前記基準電圧及び前記第一導体へ結合しており
    且つ前記出力端が前記第二導体へ結合している増幅器、
    を有することを特徴とする走査型指紋検知システム。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記増幅器が反
    転用増幅器を有していることを特徴とする走査型指紋検
    知システム。
  12. 【請求項１２】 請求項１０において、前記第一及び第
    二導体上に付着させた保護用コーティングを有している
    ことを特徴とする走査型指紋検知システム。
  13. 【請求項１３】 請求項１０において、前記基準電圧供
    給源と前記増幅器の前記入力端との間に結合している入
    力コンデンサを有していることを特徴とする走査型指紋
    検知システム。
  14. 【請求項１４】 請求項１０において、前記増幅器の前
    記入力端と前記出力端との間に接続しているスイッチを
    有することを特徴とする走査型指紋検知システム。
  15. 【請求項１５】 請求項９において、前記アレイの各容
    量性検知要素が、 半導体基板によって支持されており且つ前記容量性検知
    要素の第一プレートを構成している第一導体、 前記半導体基板によって支持されており且つ前記容量性
    検知要素の第二プレートを構成しており且つ前記第一導
    体から離隔されている第二導体、 入力電圧を供給する基準電圧供給源、 入力端と出力端とを具備する反転用増幅器であって、前
    記入力端が前記基準電圧供給源及び前記第一導体プレー
    トへ結合しており且つ前記出力端が前記第二導体プレー
    トへ結合している反転用増幅器、 前記基準電圧供給源と前記反転用増幅器の前記入力端と
    の間に接続している入力コンデンサ、 前記反転用増幅器の前記入力端と前記出力端との間に接
    続しているスイッチ、を有することを特徴とする走査型
    指紋検知システム。
  16. 【請求項１６】 請求項９において、前記第一寸法が約
    ０．５インチ（１．２７ｃｍ）であり且つ前記第二寸法
    が約０．１インチ（０．２５４ｃｍ）であることを特徴
    とする走査型指紋検知システム。
JP11005762A 1998-01-13 1999-01-12 走査型容量性半導体指紋検知器 Pending JPH11253428A (ja)

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US09/006,670 US6317508B1 (en) 1998-01-13 1998-01-13 Scanning capacitive semiconductor fingerprint detector
US09/6670 1998-01-13

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EP (1) EP0929050A3 (ja)
JP (1) JPH11253428A (ja)

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