KR100431750B1 - 정전용량식 반도체 지문감지센서의 단위화소 및 그를이용한 지문감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지문감지센서에 관한 것으로, 특히 비교적 간단한 공정에 의해 제작이 가능하고, 기생 정전용량을 제거하여 감지도를 향상시킨 반도체 지문감지센서의 단위화소와 이를 이용한 정전용량식 지문감지장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 센싱 여부를 제어하는 제1 제어신호와 센싱된 데이타의 전달 여부를 제어하는 제2 제어신호에 응답하여 지문영상을 센싱하는 감지부; 및 상기 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱된 지문영상 데이타를 증폭 및 전달하는 스위치드 캐패시터 형의 적분부를 포함하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 단위화소가 다수 배열된 화소어레이; 상기 화소어레이 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택부; 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달부; 상기 저장 및 전달부에 일시 저장된 상기 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택부; 및 상기 열선택부에 의해 선택되어 상기 저장 및 전달부로 부터 전달되는 상기 데이타를 증폭하여 출력하는 출력부를 포함하는 지문감지장치를 제공한다.

Description

정전용량식 반도체 지문감지센서의 단위화소 및 그를 이용한 지문감지장치{Unit fixel for capacitive semiconductor fingerprint sensor and fingerprint sensing device having the same}

본 발명은 정전용량식 지문습득에 관한 것으로, 특히 두 감지전극 사이에 존재하는 손가락에 의해 발생하는 정전용량(Capacitance)의 변화를 이용하여 간단하게 지문을 습득할 수 있는 정전용량식 반도체 지문감지센서의 단위화소 및 이를 이용하여 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 구현될 수 있는 지문감지장치와 골(Valley)과 마루(Ridge)에서 발생하는 정전용량의 차이를 검출회로를 통해 지문영상을 얻을 수 있는 정전용량식 지문감지장치에 관한 것이다.

지문은 개개인마다 각기 다른 모양과 특징을 가지고 있기 때문에 개개인의 신분확인 및 인증자료로 널리 사용되어 왔는 바, 근래에 들어서는 지문을 전기적으로 감지하여 지문영상을 습득함으로써 빠른 시간 내에 신분확인 작업을 마칠 수 있게 되었다.

이울러, 최근들어 지문감지센서는 저가의 센서들이 등장함에 따라 특수보안장치에만 응용되는 데서 벗어나 키보드, 마우스 등 PC(Personal Computer) 주변장치에 사용되는 등 점차 사용범위가 확대되고 있다. 따라서, 이러한 시장에 참여하기 위해서는 사용하기 편리하고 소규모, 저전력, 저가의 지문감지센서 기술을 확보해야 한다.

한편, 지난 수 십년 동안 전기적으로 지문을 가지하기 위해 많은 방법이 연구되어 왔는데, 현재까지 발표된 방식 중에서 주요한 지문감지방식은 대체적으로 광학식(Opiical type), 열감지식(Thermal type) 그리고, 정전용량식(Capacitive type) 등으로 크게 구분될 수 있다.

초기에 주로 사용된 광학방식은 가시광선이나 적외선을 이용하여 손가락 표면을 비추면, 반사된 빛이 광전장치(Opto-electric element)에 포착되어 지문영상을 얻을 수 있게 된다. 그러나, 이 방식은 광학장치와 광전장치가 별도로 필요하게 되므로 부피상의 그 사용범위가 제한되는 바, 특히 소형의 주변장치나 스마트카드 등에 응용되기 위해서 소형의 칩으로 제작 가능한 방식이 요구된다.

이에 반해, 열감지식은 반도체공정에서 초전물질(Pyroelectric material)을 이용하여 지문의 골과 마루 사이의 온도차를 전압차로 변환시켜서 지문영상을 얻을 수 있는 방식으로 센서의 크기가 작아 부피로 인한 사용 상의 제약은 덜 받는다. 그러나, 이 방식으로 온도변화를 감지하기 위해서는 동작원리상 2차원 배열이 아닌 1차원 배열로 손가락을 센서 표면에 스캔(Scan)해야 하므로 습득된 1차원 데이타(Data)를 2차원 영상으로 변환해 주는 프로그램이 필요할 뿐만 아니라 스캔속도와 스캔압력에 따라 얻어진 영상이 다르게 나타날 수 있는 단점을 가지고 있다.

마지막으로, 정전용량식은 두 전극 사이의 거리 또는 그 사이에 존재하는 비유전물질(Dielectric material)의 종류에 따라 정전용량이 달라지는 원리를 이용하여 감지전극(Sensing electrode)과 지문의 골 사이에서 발생하는 정전용량과, 감지전극과 지문의 마루 사이에서 발생하는 정전용량 사이의 차이를 통해 지문영상를 얻을 수 있다.

이 방식은 CMOS 공정만으로 부가적 장치없이 센서를 구현할 수 있으나, 감지전극에서 발생하는 기생 정전용량(Parastic capacitance)의 영향에 민감하게 반응함으로써, 감지도(Sensitivity)가 저하될 가능성이 높다.

특히, 지문감지센서에서 소스 팔로워(Source follower)를 이용하거나, 감지된 값을 그대로 전달하는 방식을 이용하였으므로, 특히 기생 정전용량에 의해 감지된 데이타로부터 정확한 지문영상인식이 불가능한 문제점이 발생하게 된다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 비교적 간단한 공정에 의해 제작이 가능하고, 기생 정전용량을 제거하여 감지도를 향상시킨 반도체 지문감지센서의 단위화소를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전술한 단위화소를 포함하는 정전용량식 지문감지장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

도 1은 다른 전압을 가진 두 평행평판에서 발생하는 전기장의 흐름을 도시한 개념도,

도 2는 인접한 두 평행평판에서 발생하는 전기장의 흐름을 도시한 개념도,

도 3은 두 인접평판 위에 손가락의 마루와 골이 놓인 단면과 전기장의 흐름을 도시한 개념도,

도 4는 여러 유형의 감지전극의 일예를 도시한 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 도시한 상세회로도,

도 6은 도 5의 단위화소에서 발생 가능한 기생 캐패시터를 도시한 상세회로도,

도 7은 도 5의 단위화소를 포함하는 지문감지장치를 도시한 블럭도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

50 : 감지부

51 : 적분부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 센싱 여부를 제어하는 제1 제어신호와 센싱된 데이타의 전달 여부를 제어하는 제2 제어신호에 응답하여 지문영상을 센싱하는 감지부; 및 상기 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱된 지문영상 데이타를 증폭 및 전달하는 스위치드 캐패시터 형의 적분부를 포함하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 단위화소가 다수 배열된 화소어레이; 상기 화소어레이 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택부; 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달부; 상기 저장 및 전달부에 일시 저장된 상기 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택부; 및 상기 열선택부에 의해 선택되어 상기 저장 및 전달부로 부터 전달되는 상기 데이타를 증폭하여 출력하는 출력부를 포함하는 지문감지장치를 제공한다.

본 발명은, 지문감지센서의 단위화소를 스위치드 캐패시터형의 적분부를 포함하도록 구성함으로써, CMOS 공정상 단위화소 내에 존재하는 금속 콘택 또는 감지전극과 연산증폭기 등에 존재하는 기생 정전용량을 효과적으로 제거하며, 두 평판을 이용하여 보다 효과적으로 지문영상의 감지도를 높이는 것을 기술적 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 다른 전압을 가진 두 평행평판에서 발생하는 전기장의 흐름을 도시한 개념도이며, 도 2는 인접한 두 평행평판에서 발생하는 전기장의 흐름을 도시한 개념도이며, 도 3은 두 인접평판 위에 손가락의 마루와 골이 놓인 단면과 전기장의 흐름을 도시한 개념도이다.

일반적으로, 다른 전압을 가진 두 평행평판 사이에서는 도 1에 도시된 바와 같이 평판 중심에서는 직선형의 전기장(Electric field)이 발생하고, 평판 테두리에서는 유선형의 프린징필드(Fringing field)가 발생하는 바, 이러한 전기장은 정전용량의 변화에 영향을 준다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이 인접한 두 평판에서는 프린징필드에 의한 전기장이 주로 발생하게 되고, 또한 그에 해당하는 정전용량이 형성된다. 한편, 이러한 정전용량은 두 평판 사이에 존재하는 비유전물질의 종류에 따라 상이하게 다른 값을 갖는다.

즉, 인체에 피부와 같은 상대적으로 큰 비유전율(Dielectric constant)을 가진 물질이 평판 사이에 존재하는 경우에는 큰 정전용량 값을 갖지만 공기(Air)와 같이 상대적으로 작은 비유전율을 가진 물질이 평판 사이에 존재하는 경우에는 작은 정전용량 값을 갖게 된다.

전술한 현상은 도 3에 도시된 바와 같이, 두 평판 위에 손가락이 접촉되어 있는 경우에도 적용이 된다. 손가락 지문의 마루영역과 접촉하는 평판영역에서는 직접 접촉한 표피의 높은 비유전율 때문에 큰 정전용량 값을 갖지만 골영역에 해당하는 평판영역에서는 표피와 직접 닿지 않고 낮은 비유전율을 갖는 공기가 채워져 있기 때문에 작은 정전용량을 갖는다.

따라서, 지문의 골과 마루의 영역에 따라 다르게 나타나는 정전용량의 차이를 통해 지문영상을 얻을 수 있으며, 정전용량의 변화 및 증대를 위해 감지전극의 유형을 여러가지로 하고 있는 바, 도 4는 이러한 여러 유형의 감지전극의 일예를 도시한 평면도인 바, 정전용량의 변화 및 증대를 위해 다양한 유형의 평판을 레이아웃함으로써 프린징필드를 증가시킬 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 도시한 상세회로도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 단위화소는, 센싱 여부를 제어하는 제1 제어신호(φ₁)와 센싱된 데이타의 전달 여부를 제어하는 제2 제어신호(φ₂)에 응답하여 지문영상을 센싱하는 감지부(50)와, 제2 제어신호(φ₂)에 응답하여 센싱된 지문영상 데이타를 증폭 및 전달하는 스위치드 캐패시터 형의 적분부(51)를 구비하여 구성된다.

여기서, 감지부(50)는 두 평판을 감지전극으로 하는 핑거 캐패시터(Cf)를 이용하여 상기 지문영상을 센싱하는 바, 전술한 두 평판은 사각형의 평행평판(도 4의 (a)), 사각고리형의 평판(도 4의 (b)) 또는 육각고리형의 평판(도 4의 (c)) 등을 이용하는 것이 바람직하며, 두 평판 사이의 인접면을 늘려 프린징필드를 증가시킬 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 본 발명의 일실시예에서의 감지부(50)는 제1 제어신호(φ₁)를 게이트 입력으로 하고 프리차지신호(Vpre)를 일입력으로 하는 제1 트랜지스터(TR1)와, 제2 제어신호(φ₂)를 게이트 입력으로 하고, 그 일측이 제1 트랜지스터(TR1)와 핑거 캐패시터(Cf)의 일측에 공통접속되고 타측이 접지전원단에 접속된 제2 트랜지스터(TR2)와, 제1 제어신호(φ₁)를 게이트 입력으로 하고, 핑거 캐패시터(Cf)의 타측과 접지전원단 사이에 접속된 제3 트랜지스터(TR3)와, 제2 제어신호(φ₂)를 게이트 입력으로 하고, 핑거 캐패시터(Cf)의 타측에 그 일측이 접속된 제4 트랜지스터(TR4)를 포함하며,

전술한 적분부(51)는, 제4 트랜지스터(TR4)의 타측과 그 부입력단이 접속되고, 그 정입력단이 접지전원단에 접속된 연산증폭기(Amp)와, 연산증폭기(Amp)에 부궤환 루프를 이루는 궤환 캐패시터(Cr)와, 제2 제어신호(φ₂)를 게이트 입력으로 하고 궤환 캐패시터(Cr)와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터(TR5)를 포함한다.

한편, 도시된 트랜지스터'TR6'은 행선택신호(RS)에 의해 스위칭 동작을 하여 전술한 단위화소에서 감지된 지문영상 데이타를 후단으로 전달한다.

이하, 전술한 구성을 갖는 단위화소의 동작을 상세히 살펴본다.

초기에, 제1 제어신호(φ₁)를 "로직 하이"로 제2 제어신호(φ₂)를 "로직 로우"로 하면, TR1과 TR3 및 TR5는 턴-온되므로 프리차지신호(Vpre)에 의해 핑거 캐패시터(Cf)가 "Vpre"로 충전되고, 궤환 캐패시터(Cr)는 완전 방전된다.

다음으로, 제1 제어신호(φ₁)를 "로직 로우"로 제2 제어신호(φ₂)를 "로직 하이"로 하면, TR2와 TR4는 턴-온되고 TR1, TR3, TR5는 턴-오프되어 핑거캐패시터(Cf)의 양단이 접지전압단과 동일한 전압 레벨을 갖게되므로, 핑거 캐패시터(Cf)에 충전되어 있던 전하(Charge)들은 궤환 캐패시터(Cr)로 이동하게 되고, 출력전압(Vout)은 이동한 전하의 양만큼 상승하게 된다.

이상의 동작이 완료되면 행선택신호(RS)에 의해 TR6이 턴온되어 출력전압(Vout)이 버스라인을 통해 후단으로 전달되는 바, 전술한 동작을 통해 큰 정전용량 값을 갖는 마루영역에서는 큰 출력전압을 얻을 수 있고, 작은 정전용량 값을 갖는 골영역에서는 작은 출력전압을 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 출력전압 값을 통해 지문의 골과 마루를 구별할 수 있다

도 6은 도 5의 단위화소에서 발생 가능한 기생 캐패시터를 도시한 상세회로도이다.

도 6을 참조하면, 이는 발생 가능한 기생 캐패시터의 위치를 보여주고 있다. 그러나, 이러한 기생 캐패시터들은 전술한 회로 동작으로 모두 제거가 가능해진다.

즉, 감지전극으로 작용하는 한쪽 평판에서 발생 가능한 기생 캐패시터(Cp1)은 초기에 Vpre로 충전되지만 다음 상태에서 제2 제어신호(φ₂)가 "로직 하이"가 되면 Cp1에 존재하는 모든 전하는 TR2를 통해 모두 방전되며, 또한 다른 감지전극으로 작용하는 다른 평판에서 발생 가능한 기생 캐패시터(Cp2)와 연산증폭기(Amp)의 부입력단자에서 발생하는 기생 캐패시터(Cp3)는 회로 동작 동안 양단이 모두 접지전압단과 동일한 전압 레벨을 갖게되어 전하 이동에 관여를 할 수 없게 되므로, 기생 효과에 의한 영향이 모두 제거됨을 알 수 있다.

도 7은 도 5의 단위화소를 포함하는 지문감지장치를 도시한 블럭도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 지문감지장치는 전술한 단위화소(700)가 다수 배열된 화소어레이(70)와, 화소어레이(70) 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택부(71)와, 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달부(72)와, 저장 및 전달부(72)에 일시 저장된 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택부(73)와, 열선택부(73)에 의해 선택되어 저장 및 전달부(72)로 부터 전달되는 데이타를 증폭하여 출력하는 출력부(74)를 구비하여 구성되며,

전술한 저장 및 전달부(72)는, 상기 버스라인을 통해 전달된 데이타를 버퍼링하는 버퍼(720)와, 버퍼링된 데이타를 저장한 후, 열선택부(73)의 선택신호에 응답하여 출력부로 전달하는 저장부(721)를 포함하는 바, 저장부(721)는 샘플앤드홀드 회로를 포함하는 구성을 갖는다.

상기한 구성을 갖는 지문감지장치의 동작을 살펴 본다.

먼저, 전술한 동작에 의해 발생한 각 단위화소(700)의 출력전압(Vout)은 행선택부(71)의 행선택신호(RS)에 의해 순서대로 한 행씩 행버스라인(Column bus line)에 전달되고, 그 값은 버퍼(720)를 거쳐 샘플앤드홀드 내의 캐패시터(C1 ∼ Cn)에 저장된다. 이 값은 열선택부(73)에 의해 순차적으로 선택된 후, 제3 제어신호(Φ₃)에 응답하여 동작하는 적분기 형태의 출력부(74)를 통해 증폭되어 "V0"로 출력된다.

전술한 본 발명은, 종래의 지문감지장치들이 가지고 있는 여러가지 문제점 특히, 기생 캐패시터 효과를 단위화소의 변경을 통해 효과적으로 제거하며, 감지도를 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 지문감지장치의 감지도를 높여 지문인식 데이타에 기초한 인증의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 간단하고 별도의 부가장치가 필요없어 지문감지장치의 생산 비용을 감소시켜 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (8)

1. 센싱 여부를 제어하는 제1 제어신호와 센싱된 데이타의 전달 여부를 제어하는 제2 제어신호에 응답하여 지문영상을 센싱하는 감지부; 및

   상기 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱된 지문영상 데이타를 증폭 및 전달하는 스위치드 캐패시터 형의 적분부

   를 포함하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 감지부는 두 평판을 감지전극으로 하는 핑거 캐패시터를 이용하여 상기 지문영상을 센싱하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 감지부는,

   상기 제1 제어신호를 게이트 입력으로 하고 프리차지신호를 일입력으로 하는 제1 트랜지스터;

   상기 제2 제어신호를 게이트 입력으로 하고, 그 일측이 상기 제1 트랜지스터와 상기 핑거 캐패시터의 일측에 공통접속되고 타측이 접지전원단에 접속된 제2 트랜지스터;

   상기 제1 제어신호를 게이트 입력으로 하고, 상기 핑거 캐패시터의 타측과 접지전원단 사이에 접속된 제3 트랜지스터; 및

   상기 제2 제어신호를 게이트 입력으로 하고, 상기 핑거 캐패시터의 타측에 그 일측이 접속된 제4 트랜지스터

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 적분부는,

   상기 제4 트랜지스터의 타측과 그 부입력단이 접속되고, 그 정입력단이 접지전원단에 접속된 연산증폭기;

   상기 연산증폭기에 부궤환 루프를 이루는 궤환 캐패시터; 및

   상기 제2 제어신호를 게이트 입력으로 하고 상기 궤환 캐패시터와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 평판은 사각형의 평행평판, 사각고리형의 평판 또는 육각고리형의평판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 의한 단위화소가 다수 배열된 화소어레이;

   상기 화소어레이 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택수단;

   상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달수단;

   상기 저장 및 전달수단에 일시 저장된 상기 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택수단; 및

   상기 열선택수단에 의해 선택되어 상기 저장 및 전달수단으로 부터 전달되는 상기 데이타를 증폭하여 출력하는 출력수단

   을 포함하는 지문감지장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 저장 및 전달수단은,

   상기 버스라인을 통해 전달된 상기 데이타를 버퍼링하는 버퍼; 및

   상기 버퍼링된 데이타를 저장한 후, 상기 열선택수단의 선택신호에 응답하여상기 출력수단으로 전달하는 저장부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문감지장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 저장부는 샘플앤드홀드 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문감지장치.