KR101502911B1

KR101502911B1 - 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법

Info

Publication number: KR101502911B1
Application number: KR20130149956A
Authority: KR
Inventors: 김경생; 김정민
Original assignee: 크루셜텍 (주)
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-03-16

Abstract

일 실시예에 따르면, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센서 소자는, 구동 전압 인가에 따른 피사체로부터의 응답 신호를 수신하는 센싱 전극이 형성되는 제1 도전층; 상기 제1 도전층의 하부에 형성되어, 그라운드 전위가 인가되는 실드 레이어; 상기 실드 레이어의 하부에 형성되는 제2 도전층과 상기 제2 도전층 하부의 일부 영역에 형성되는 제3 도전층 사이에 형성되어 이득을 선택적으로 가변하는 이득 컨트롤러; 상기 응답 신호를 상기 이득만큼 증폭한 출력신호를 생성하는 증폭기를 포함하고, 상기 응답 신호 및 상기 출력신호는 인접한 지문 센서 소자와 독립적으로 수신 및 출력되는 지문 검출 장치가 제공된다.

Description

지문 검출 장치 및 이의 구동 방법{FINGERPRINT DETECTING APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 발명은 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피드백 정전용량 지문 검출 방식에 있어서 감도를 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있으며 외부 노이즈 및 정전기 등의 영향이 억제된 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.

지문의 무늬는 사람마다 다르기 때문에, 개인 식별 분야에 많이 이용되고 있다. 특히, 지문은 개인 인증 수단으로서 금융, 범죄수사, 보안 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 지문을 인식하여 개인을 식별하기 위해 지문 인식 센서가 개발되었다. 지문 인식 센서는 사람의 손가락을 접촉하고 손가락 지문을 인식하는 장치로서, 정당한 사용자인지 여부를 판단할 수 있는 수단으로 활용되고 있다.

최근에는 모바일 시장에서도 개인 인증 및 보안 강화의 필요성이 급격히 증대되고 있으며, 모바일을 통한 보안 관련 사업이 활발히 진행되고 있다.

이러한 경향을 반영하여 기업에서는 반도체 방식의 단일 칩 지문센서 제품화를 위한 연구를 활발히 진행하고 있다. 그러나, 모바일 단말기에 지문인식 센서 칩을 사용하기 위해서는 안정적인 지문 이미지를 얻기 위한 고감도 용량 센서 회로 및 노이즈에 둔감한 회로들이 요구된다. 또한, 일반적으로 모바일 기기에 지문인식 칩이 탑재되기 때문에 저전력은 기본적인 칩의 특성이 된다.

지문 인식 센서를 구현하는 방식으로는 광학방식, 열감지 방식 및 정전용량 방식 등의 다양한 인식 방식이 알려져 있다.

이 중, 용량형 지문센서의 원리는 최상위 금속판과 지문의 융선(ridge) 간에 형성되는 정전용량, 최상위 금속판과 지문의 골(valley) 간에 형성되는 정전용량의 차이를 전기적 신호로 변환하여 기준 신호와의 크기를 비교한 후 디지털화 및 이미지화함으로써 지문 이미지가 형성되게 되는 것이다.

최상위 금속판에 의해 센싱되는 신호를 처리하기 위한 방식으로서는 전하 공유(Charge Sharing) 방식, 피드백 정전용량 센싱(Feedback Capacitive Sensing) 방식, 샘플 앤드 홀드(Sample and Hold) 방식, 전하 전송(Charge Transfer) 방식 등이 있다. 이 중 피드백 정전용량 센싱 방식은 회로가 간단하여 센서 전극, 즉, 최상위 금속판 면적을 감소시킬 수 있으면서 고화질의 이미지를 얻을 수 있다는 장점을 갖지만, 피드백 정전용량 센싱 방식을 이용한 지문 센서는 신호처리에 있어서 최상의 감도를 제공하지 못하는 문제를 갖는다. 이는 최상위 금속판 상부에 형성되는 몰딩 구조의 두께 때문에, 최상위 금속판과 손가락의 융선 및 골 간의 관계에 의해 형성되는 응답신호의 차이를 정확하게 감지하기가 어렵기 때문이다. 즉, 손가락과 최상위 금속판 사이의 몰딩 두께 변화가 기준 전압의 동작 범위에 제한을 주게 되고, 전체적으로 지문 검출 장치가 형성하는 지문 이미지의 질을 저하시키는 결정적인 요인으로 작용하게 된다.

따라서, 피드백 정전용량 센싱 방식의 지문 검출 장치에 있어서, 주변 환경의 다양한 변화에 둔감하며, 최적의 감도를 얻을 수 있도록 하는 기술이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 피드백 정전용량 센싱 방식의 지문 검출 장치에 있어서 그 감도를 상황에 따라 가변적으로 최적화할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 지문 검출 장치에 있어서 외부 노이즈의 영향을 억제하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센서 소자는, 구동 전압 인가에 따른 피사체로부터의 응답 신호를 수신하는 센싱 전극이 형성되는 제1 도전층; 상기 제1 도전층의 하부에 형성되어, 그라운드 전위가 인가되는 실드 레이어; 상기 실드 레이어의 하부에 형성되는 제2 도전층과 상기 제2 도전층 하부의 일부 영역에 형성되는 제3 도전층 사이에 형성되어 이득을 선택적으로 가변하는 이득 컨트롤러; 상기 응답 신호를 상기 이득만큼 증폭한 출력신호를 생성하는 증폭기를 포함하고, 상기 응답 신호 및 상기 출력신호는 인접한 지문 센서 소자와 독립적으로 수신 및 출력되는 지문 검출 장치가 제공된다.

상기 지문 검출 장치는, 상기 구동 전압을 상기 피사체로 인가하는 외부 전극을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 도전층은, 상기 구동 전압을 상기 피사체로 인가하는 구동 전압 인가 전극; 및 상기 구동 전압 인가 전극과 이격되어 상기 피사체로부터의 상기 응답신호를 수신하는 상기 센싱 전극을 포함할 수 있다.

상기 제3 도전층은, 상기 제2 도전층 하부의 일부 영역에 형성되는 N 개의 서브 전극을 포함하여, 상기 제2 도전층과 N 개의 피드백 정전용량들을 형성하고, 상기 N개의 서브 전극들 각각은 상기 증폭기의 출력단과 선택적으로 연결되어 상기 이득을 가변할 수 있다.

상기 지문 검출 장치는, 상기 증폭기의 출력단과 연결되며, 상기 N개의 서브 전극들 각각과는 선택적으로 연결되는 제4 도전층을 더 포함할 수 있다.

상기 제3 도전층에는, 상기 각각의 서브 전극들 사이에 이격되어 형성되며 그라운드 전위와 연결되는 가드 전극이 형성될 수 있다.

상기 지문 검출 장치는, 상기 제1 도전층과 상기 증폭기의 입력단 사이의 연결을 스위칭하는 제1 스위치; 상기 증폭기의 입력단과 상기 증폭기의 출력단 사이에 연결되어 상기 이득 컨트롤러를 리셋하는 제2 스위치; 상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 출력신호를 선택적으로 출력하는 제3 스위치; 및 상기 각 서브 전극과 상기 제4 도전층 사이에 각각 연결되어 선택적으로 이득을 가변하는 N개의 제4 스위치들을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 스위치는 상기 구동 전압 인가 시에만 온 상태로 유지되고, 상기 센싱 전극으로부터의 응답 신호를 인접한 센싱 전극과 독립적으로 상기 증폭기에 입력하고, 상기 제2 스위치는 상기 구동 전압 인가 전에 온 상태로 유지되어 상기 이득 컨트롤러를 리셋하며, 상기 제3 스위치는 상기 구동 전압 인가 후에만 온 상태로 유지되어 상기 증폭기의 출력 신호가 인접한 센싱 전극과 독립적으로 출력되도록 할 수 있다.

상기 제3 도전층은 금속 분말 사출성형 공법(MIM 공법: Metal Injection Molding Process)으로 형성될 수 있다.

상기 제1 도전층은, 상기 센싱 전극과 이격되어 둘러싸도록 형성되며 그라운드 전위와 연결되는 가드링을 포함할 수 있다.

상기 제2 도전층은, 상기 제3 도전층과 피드백 정전용량을 형성하는 피드백 정전용량 전극; 및 상기 피드백 정전용량 전극과 이격되어 둘러싸도록 형성되며 그라운드 전위가 인가되는 가드링을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상부로부터 하부로 순차적으로 배치되는 제1 내지 제3 도전층을 포함하는 지문 센서 소자를 복수 개 포함하는 지문 검출 장치의 구동 방법으로서, 제2 도전층과 상기 제2 도전층 하부의 일부 영역에 형성되는 제3 도전층 사이에 형성되어 증폭기의 이득을 가변시키는 이득 컨트롤러의 이득을 결정하는 단계; 상기 증폭기의 입력단과 출력단 사이에 연결된 상기 이득 컨트롤러를 리셋하는 단계; 상기 제1 도전층에 형성되는 센싱 전극과 상기 증폭기의 입력단을 연결하여, 구동 전압 인가에 따른 피사체로부터의 응답 신호가 상기 센싱 전극으로부터 상기 증폭기에 입력되도록 하는 단계; 및 상기 증폭기의 출력단과 외부 장치를 연결시켜 상기 증폭기의 출력 신호를 출력하는 단계를 포함하는 지문 검출 장치의 구동 방법이 제공된다.

상기 제1 도전층과 제2 도전층 사이에는 그라운드 전위가 인가되는 실드 레이어가 더 형성될 수 있다.

상기 구동 전압은 외부 전극을 통해 상기 피사체로 인가될 수 있다.

상기 구동 전압은 상기 제1 도전층 내에서 상기 센싱 전극과 이격되어 형성되는 구동 전압 인가 전극을 통해 상기 피사체로 인가될 수 있다.

상기 이득 컨트롤러의 이득 결정 단계는, 상기 제3 도전층에 형성된 N개의 서브 전극과 상기 제2 도전층 사이에 형성된 N 개의 피드백 정전용량을 상기 증폭기의 출력단과 선택적으로 연결시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이득 컨트롤러의 이득 결정 단계는, 상기 제3 도전층 하부에 형성되어 상기 증폭기의 출력단과 연결된 제4 도전층과 상기 N개의 피드백 정전용량을 선택적으로 연결시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이득 컨트롤러 리셋 단계, 상기 응답 신호가 상기 증폭기에 입력되도록 하는 단계, 및 상기 증폭기의 출력 신호가 외부 장치로 전달될 수 있도록 하는 단계는 상호 배타적으로 수행될 수 있다.

상기 응답 신호가 상기 증폭기에 입력되도록 하는 단계 및 상기 증폭기의 출력 신호가 외부 장치로 출력되는 단계는 인접한 지문 센서 소자에서의 동작과 독립적으로 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 피드백 정전용량 센싱 방식의 지문 검출 장치에 있어서 증폭기의 피드백 정전용량이 가변적이기 때문에, 지문 검출 감도를 상황에 따라 가변적으로 최적화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 외부 노이즈의 영향, 소자 설계 상의 기생 정전용량의 영향, 정전기의 영향 등이 최소화된 지문 검출 장치를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지문 센서 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지문 센서 소자의 구성을 나타내는 단면도 및 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지문 센서 소자의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 지문 센서 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 지문 센서 소자의 구성을 나타내는 단면도 및 사시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 지문 검출 장치는 복수의 행과 열을 이루는 복수 개의 지문 센서 소자(110)로 이루어지는 센서 어레이(100)를 포함한다. 각각의 지문 센서 소자(110)는 수평 스캔부(120)와 수직 스캔부(130)에 의해 인에이블되어 지문 검출과 관련된 신호를 출력한다. 지문 센서 소자(110)로부터의 신호는 버퍼(140)를 통해 출력된다. 버퍼(140)는 일 열의 지문 센서 소자(110)마다 하나씩 배치된다. 즉, 하나의 열에 배치된 지문 센서 소자(110)로부터의 신호가 하나의 버퍼(140)를 통해 출력된다.

도 2는 도 1의 지문 센서 소자(110)의 구성으로서 제1 실시예에 따른 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 지문 검출 장치가 센서 어레이(100) 및 외부 전극(또는 베젤, 200)을 포함한다는 것을 알 수 있다. 외부전극(200)은 센서 어레이(100)와 절연되어 그 주변에 배치된다. 외부전극(200)은 지문 감지를 위한 구동 전압(Vdrv)을 피사체(손가락)로 송출하는 기능을 한다. 즉, 외부전극(200)에는 구동 전압(Vdrv)이 인가되는데, 이러한 구동 전압(Vdrv)이 외부전극(200)을 통해 사람의 손가락으로 공급되고 이에 따른 응답으로 소정의 신호가 센서 어레이(100)의 각 지문 센서 소자(110)로부터 출력된다.

한편, 센서 어레이(100)는 전술한 바와 같이, 행과 열을 이루는 복수 개의 지문 센서 소자(110)를 포함하는데, 제1 실시예에 따른 지문 센서 소자(110)는 센싱 전극으로서 하나의 전극(111)을 갖는다. 센싱 전극(111)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 선택적으로 연결된다. 증폭기(A)의 제2 입력단에는 기준 전압(Vref)이 공급된다. 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 및 제2 입력단은 각각 반전 입력단 및 비반전 입력단일 수 있다. 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에는 이득 컨트롤러(Gain Controller; 112)가 연결된다. 이득 컨트롤러(112)는 증폭기(A)의 이득을 가변시키기 위한 구성요소이며, 이에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.

한편, 센싱 전극(111)과 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 사이에는 ESD(Electro Static Discharge) 보호회로(114)가 더 형성될 수 있다.

ESD 보호회로(114)는 센싱 소자(111)와 증폭기(A) 사이에 발생하는 정전기, 즉, ESD를 방지하기 위한 회로로서, 전원 전압(VDD)과 그라운드 전위 사이에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터(PT)와 NMOS 트랜지스터(NT)를 포함한다. PMOS 트랜지스터(PT)와 NMOS 트랜지스터(NT)의 게이트 각각은 자신의 소스와 공통으로 연결된다.

센싱 소자(111)와 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 사이에서 전원 전압(VDD)보다 높은 양극성 정전기가 발생하면, PMOS 트랜지스터(PT)가 턴온되고, NMOS 트랜지스터(NT)는 턴오프된다. 이 때, PMOS 트랜지스터(PT)와 NMOS 트랜지스터(NT) 사이의 노드(N3)의 최대 전위는 전원 전압(VDD)에 PMOS 트랜지스터(PT)의 문턱 전압이 더해진 값으로 제한된다.

한편, 센싱 소자(111)와 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 사이에서 그라운드 전위보다 낮은 음극성 정전기가 발생하면, NMOS 트랜지스터(NT)가 턴온되고, PMOS 트랜지스터(PT)는 턴오프된다. 이 때, PMOS 트랜지스터(PT)와 NMOS 트랜지스터(NT) 사이의 노드(N3)의 최소 전위는 그라운드 전위에 NMOS 트랜지스터(NT)의 문턱 전압이 감해진 값으로 제한된다.

따라서, 양극성 정전기 또는 음극성 정전기가 입력되더라도 일정 레벨 이하 또는 이상으로 제한된 전위의 전압만이 전달되기 때문에, 정전기, 즉, ESD가 방지될 수 있다.

한편, 상기에서는 ESD 보호회로(114) 구성의 일례를 설명한 것으로, ESD 보호회로(114)는 이와 다른 통상적인 구성으로 구현될 수도 있으며, 배치되는 위치 또한 이와는 다른 위치에 배치될 수도 있다. ESD 보호회로(114)가 생략될 수 있음은 물론이다. 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 센싱 전극(111) 간의 연결은 제1 스위치(S1)에 의해 온/오프되고, 이득 컨트롤러(112) 양단 사이에는 제2 스위치(S2)가 연결된다. 또한, 증폭기(A)의 출력단(N2)에는 제3 스위치(S3)가 연결된다. 제1 스위치(S1)는 지문 센서 소자(110)가 구동 전압(Vdrv)에 따른 손가락으로부터의 신호를 입력받을 수 있도록 하는 스위치이고, 제2 스위치(S2)는 증폭기(A)의 이득 컨트롤러(112)에 저장된 데이터를 리셋시키는 스위치이다. 또한, 제3 스위치(S3)는 지문 센서 소자(110)의 출력을 선택적으로 개방시키는 스위치, 즉, 지문 센서 소자(110) 출력 신호가 외부 장치로 전달될 수 있도록 선택적으로 제어하는 스위치라고 할 수 있다. 지문 검출 시 제1 내지 제3 스위치(S1~S3)의 동작에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.

이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 도 2의 지문 센서 소자(110)의 구성에 대해 더욱 상세히 설명한다.

도 3 및 도 4는 각각 지문 센서 소자(110)의 구성을 나타내는 단면도 및 사시도이다. 도 4는 도면의 명확화를 위해 도 3에서 도전층(M1~M4) 및 실드 레이어층(SL)의 구성만을 나타내었다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 지문 센서 소자(110)는 복수 개의 도전층(M1~M4)과 실드 레이어층(SL)으로 이루어지는 구조로 형성된다. 상기 도전층(M1~M4)은 임의의 전압이 인가되는 메탈층이고, 실드 레이어층은 그라운드 전위가 인가되는 메탈층일 수 있다. 각 도전층(M1~M4) 사이, 도전층(M1, M2)과 실드 레이어층(SL) 사이에는 절연층(I1, I2, I3, I4)이 형성된다. 절연층(I1, I2, I3, I4)은 통상적으로 사용되는 절연 물질, 예를 들면, SiO2, SiN, SiNOX, 유리 등의 물질로 이루어질 수 있다.

제1 도전층(M1)은 최상부 도전층으로서 이에는 센싱 전극(111)이 배치된다. 센싱 전극(111)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결되되, 그 연결이 제1 스위치(S1)에 의해 온/오프된다. 센싱 전극(111)과 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)을 연결하기 위한 도선은 실드 레이어층(SL)의 실드 전극(113)과 제2 도전층(M2)의 제1 피드백 정전용량 전극(115)을 관통하게 되는데, 이를 위해 실드 전극(113)과 제1 피드백 정전용량 전극(115)에는 비아홀(V1, V2)이 형성될 수 있다.

한편, 제1 도전층(M1)에는 센싱 전극(111) 주변을 감싸는 실드 전극, 즉, 가드링(G1)이 형성되는데, 이는 그라운드 전위 또는 그 외 적절한 전위와 연결되어 인접하는 지문 센서 소자(110) 간 관계에 따른 기생 정전용량의 형성을 최소화한다. 가드링(G1)은 복수 개로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 가드링(G1)이 형성되고, 센싱 전극(111)과 제1 가드링(G1) 주변을 감싸도록 제2 가드링(미도시됨)이 형성될 수도 있다. 이 경우에는 제1 가드링(G1)이 그라운드 전위와 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 G1을 링(Ring) 형태로 도시하였으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되지는 아니하고, 원형, 비원형, 다각형 등 다양한 형태로 인접 메탈로부터 간섭을 최소화하는 보호 전극으로서 형성될 수 있다.

최상부 도전층(M1) 상에는 센싱 전극(111) 보호를 위한 보호층(m)이 형성된다. 보호층(m)은 ESD와 외부 마모로부터 센싱 전극(111)을 보호한다.

센싱 전극(111)은 접촉되는 손가락(F)과의 관계에서 정전용량을 형성하게 된다. 손가락(F)은 융선(ridge)과 골(valley)로 이루어지는데, 각각의 센싱 전극(111)은 손가락(F)의 융선과 닿을 때와 골과 닿을 때 서로 다른 정전용량이 형성된다. 센싱 전극(111)이 손가락(F)의 융선과 닿으면, 센싱 전극(111)과 손가락(F) 사이에는 몰딩층(m)의 두께에 해당하는 것만큼의 정전용량(Cm)이 형성되고, 센싱 전극(111)이 손가락(F)의 골과 닿으면, 센싱 전극(111)과 손가락(F) 사이에는 몰딩층(m)의 두께에 해당하는 것만큼의 정전용량(Cm), 몰딩층(m)과 손가락(F) 골 사이의 공기층에 해당하는 것만큼의 정전용량(Cair)이 형성된다. 이처럼 지문의 어느 부분이 센싱 전극(111)과 맞닿는 지에 따라 센싱 전극(111)과 손가락(F) 사이에 형성되는 정전용량이 달라지게 되고, 그 정전용량에 따라 출력되는 신호(Vout)가 달라지기 때문에 그 출력 신호 크기를 통해서 융선(ridge)과 골(valley)의 생김새를 알 수 있게 된다.

실드 레이어층(SL)은 제1 도전층(M1) 하부에 형성되며, 실드 전극(113)을 갖는다. 실드 전극(113)은 그라운드 전위와 연결된다. 후술할 바와 같이 증폭기(A)의 피드백 정전용량은 제2 도전층(M2)에서부터 제4 도전층(M4)에 걸쳐 구성되는 이득 컨트롤러(112)에 의해 형성되는데, 제1 도전층(M1)의 센싱 전극(111)과 제2 도전층(M2)의 제1 피드백 정전용량 전극(115) 사이에는 기생 정전용량(Cp1, Cp2)이 존재하게 된다. 제1 기생 정전용량(Cp1)은 센싱 전극(111)과 실드 전극(113) 간의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량이며, 제2 기생 정전용량(Cp2)은 실드 전극(113)과 제1 피드백 정전용량 전극(115) 간의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량이다.

먼저, 제1 기생 정전용량(Cp1)에 대해 살펴보면, 센싱 전극(111)이 손가락(F)과 가장 근접하게 되는 전극이므로 제1 기생 정전용량(Cp1)은 손가락(F) 접근 여부 또는 이와 다른 외부 노이즈에 의해 영향을 많이 받게 된다. 그러나, 실드 전극(113)이 그라운드 전위와 연결되므로, 제1 기생 정전용량(Cp1)에 저장되는 전하는 그라운드 전위로 빠져나가게 된다. 즉, 실드 전극(113)에 의해 지문 검출시 제1 기생 정전용량(Cp1)의 영향이 최소화될 수 있다.

다음으로, 제2 기생 정전용량(Cp2)에 대해 살펴보면 다음과 같다. 실드 전극(113)과 제1 피드백 정전용량 전극(115) 사이에는 제2 기생 정전용량(Cp2)이 형성된다. 실드 전극(113)은 그라운드 전위와 연결되고, 제1 피드백 정전용량 전극(115)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결되어 이상적인 경우에는 레퍼런스 전압(Vref)의 전위를 갖게 된다. 즉, 실드 전극(113)과 제1 피드백 정전용량 전극(115) 간의 전위차(전압)는 일정하게 유지될 수 있고, 또한, 실드 전극(113)과 제1 피드백 정전용량 전극(115) 각각의 넓이, 양 전극 간의 거리, 두 전극 사이에 존재하는 절연층(I2)의 유전율 등은 설계상 알 수 있는 값이기 때문에 제2 기생 정전용량(Cp2)은 계산이 가능한 값이 된다. 이렇게 계산이 가능한 기생 정전용량(Cp2)은 별도의 기생 정전용량 제거 회로를 통해 용이하게 제거할 수 있으며, 또는 그 계산을 통해 지문 검출 시에 감안하여야 하는 값으로 활용할 수도 있다. 그리고, 그 계산을 통해 이를 감안하여 후에 설명할 이득 컨트롤러(112)의 정전용량 크기를 조절할 수도 있다.

요약해 보면, 제1 도전층(M1)과 제2 도전층(M2) 사이의 기생 정전용량 중 제1 기생 정전용량(Cp1)에 의한 노이즈는 실드 전극(113)에 의해 자연스럽게 제거되고, 제2 기생 정전용량(Cp2)에 의한 노이즈는 계산 가능한 값이기 때문에 용이하게 제거 또는 감안할 수 있게 된다. 즉, 제1 도전층(M1)과 제2 도전층(M2) 사이에 실드 레이어층(SL)을 개재함으로써, 외부 노이즈에 대한 영향을 최소화할 수 있는 효과를 얻게 되고, 지문 검출에 있어서의 정확도가 향상될 수 있다.

제2 도전층(M2)에서부터 제4 도전층(M4)까지의 구성은 증폭기(A)의 피드백 정전용량의 크기를 결정하는 이득 컨트롤러(112)이다. 이하, 이에 대해 상세히 설명한다.

제2 도전층(M2) 및 제3 도전층(M3)은 각각 제1 피드백 정전용량 전극(115) 및 제2 피드백 정전용량 전극(117)을 포함한다. 제1 피드백 정전용량 전극(115)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결되고, 제2 피드백 정전용량 전극(117)은 증폭기(A)의 출력단(N2)과 연결된다. 제1 피드백 정전용량 전극(115)과 제2 피드백 정전용량 전극(117) 사이에는 다수개의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)이 형성된다. 제2 피드백 정전용량 전극(117)은 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들로 구성되는데, 각각의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 일단이 하나씩의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)에 연결된다. 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 각각의 크기는 동일할 수도 있으나, 서로 다른 값을 가질 수도 있다. 예를 들어, 제1 서브 피드백 정전용량(Cfb_1)의 크기가 X라면, 제2 내지 제4 서브 피드백 정전용량(Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 크기는 각각 X2, X3, X4일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

제2 피드백 정전용량 전극(117)을 구성하는 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)은 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 개수에 따라 형성된다. 도면에서는 4개의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)이 형성되는 경우가 예시되었으나, 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 개수는 이와 달라질 수도 있으며, 이에 따라 제2 피드백 정전용량 전극(117)의 구성하는 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4) 개수도 달라진다. 각각의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)은 증폭기(A)의 출력단(N2)과 선택적으로 연결된다. 즉, 복수 개의 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)에 의해 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들과 증폭기(A)의 출력단(N2)이 선택적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 중 일부만이 선택되게 되고, 선택된 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)들의 합성 정전용량이 증폭기(A)의 피드백 정전용량으로 기능하게 된다. 예를 들어, 제1 서브 피드백 정전용량(Cfb_1)과 제2 서브 피드백 정전용량(Cfb_2)이 선택되는 경우를 가정하면, 이 2개의 서브 피드백 정전용량의 병렬 합성 정전용량이 증폭기(A)의 피드백 정전용량으로서 기능하게 된다.

증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 피드백 정전용량의 크기에 따라 달라지고, 구체적으로는 아래와 같이 표현될 수 있다. 여기서, Vdrv은 외부전극(도 2의 200)에 인가되는 구동 전압의 크기이다. 또한, Cdrive는 증폭기(A)의 입력 정전용량으로서 센싱 전극(111)과 손가락(F) 사이에 형성되는 정전용량, 몰딩층(m)에 의해 형성되는 정전용량 등이 직렬로 합성된 정전용량이다.

즉, 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 이득 컨트롤러(112)에 의해 결정되는 피드백 정전용량 Cfb의 크기에 반비례하게 되는데, 피드백 정전용량의 크기가 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)에 의해 가변됨에 따라 증폭기(A)의 출력 전압 범위도 달라질 수 있게 된다.

예를 들어, 지문 검출의 감도를 높일 필요가 있을 때(증폭기 출력 전압의 범위를 넓힐 필요가 있을 때)에는 피드백 정전용량의 크기를 감소시키기 위해 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)를 이용하여 현재 연결되어 있는 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 중 일부의 연결을 차단하고, 반대로 지문 검출의 감도를 낮출 필요가 있을 때(증폭기 출력 전압의 범위를 좁힐 필요가 있을 때)에는 피드백 정전용량의 크기를 증가시키기 위해 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)를 이용하여 현재 차단되어 있는 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 중 일부를 더 연결시킨다. 즉, 이득 컨트롤러(112)에 의해 증폭기(A)의 피드백 정전용량이 가변되기 때문에, 지문 검출의 감도를 최적으로 만들 수 있게 된다.

지문 검출 장치는 다양한 기종의 디바이스에 장착되게 되는데, 디바이스의 종류에 따라 전원 전압, 코팅층의 두께 등이 다양할 수 있다. 또한, 전원 노이즈, 패키징에 의한 노이즈, 외부 노이즈 등 환경적인 요인에 영향을 받는 정도도 다를 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 다양한 요인에 의해 발생하는 차이에 따라 증폭기(A)의 피드백 정전용량의 크기를 알맞게 조절하여 감도를 최적화시킬 수 있다.

몰딩층(m)의 두께를 예로 들면, 제1 도전층(M1) 상부에 형성되는 몰딩층(m)의 두께로 인해 지문 검출의 감도가 영향을 받게 되는데, 설계상으로 몰딩층(m)의 두께를 두껍게 형성하여야 할 시에는 증폭기(A)의 피드백 정전용량을 감소시켜 감도를 높이고, 반대로 몰딩층(m)의 두께를 얇게 형성해도 무방할 시에는 증폭기(A)의 피드백 정전용량을 상대적으로 증가시키는 방식으로 감도를 최적화시킬 수 있다.

한편, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에는 제2 스위치(S2)가 연결된다. 제2 스위치(S2)는 증폭기(A)의 피드백 정전용량을 리셋시키기 위한 스위치로서 지문 검출의 준비 단계에서 온되며, 지문 검출 과정에서는 오프된다. 이러한 스위치의 동작에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.

제2 도전층(M2)은 제1 피드백 정전용량 전극(115)을 둘러싸는 가드링(G2)을 포함하며, 이러한 가드링(G2)은 그라운드 전위 또는 이 외의 적절한 전위와 연결되어 인접한 센싱 픽셀로부터의 간섭을 차단한다. 본 실시예에서는 G2를 링(Ring) 형태로 도시하였으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되지는 아니하고, 원형, 비원형, 다각형 등 다양한 형태로 인접 메탈로부터 간섭을 최소화하는 보호 전극으로서 형성될 수 있다.

제2 피드백 정전용량 전극(117)의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들 사이 및 전체 제2 피드백 정전용량 전극(117)에 인접하여 가드링(G3)이 형성된다. 가드링(G3)은 그라운드 전위 또는 그 외 적절한 전위와 연결되어 인접하는 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4) 간 관계에 따른 기생 정전용량의 형성을 최소화한다. 또한, 인접한 지문 센서 소자(110)와의 관계에 따른 기생 정전용량 형성도 최소화할 수 있다. 가드링(G3)은 복수 개로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서는 G3를 링(Ring) 형태로 도시하였으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되지는 아니하고, 원형, 비원형, 다각형, 이어지지 않은 형태의 월(wall) 등 다양한 형태로 인접 메탈로부터 간섭을 최소화하는 보호 전극으로서 형성될 수 있다.

가드링(G3)은 일 실시예에 따라 제2 피드백 정전용량 전극(117)의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)과 동일하게 제3 도전층(M3)에 형성되나, 다른 실시예에 따라 공법 상 동일한 높이로 형성되지 못할 수도 있다. 이 때에는 도 3에 도시된 바와 같이 가드링(G3)을 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)보다 다소 낮은 위치에 형성시키거나, 다소 높은 위치에 형성시켜도 무방하며, 이렇게 다른 높이로 형성하게 되면, 인접한 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들 간의 기생 정전용량 방지에 더욱 탁월한 효과를 낼 수 있게 된다. 이러한 가드링(G3)은 또다른 실시예에 따라 생략되어도 무방하다.

한편, 가드링(G3)과 마찬가지로 각 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4) 또한 서로 다른 높이로 형성될 수 있다. 즉, 도 3 및 도 4에서는 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)이 모두 동일 평면 상에 형성되는 것으로 예시하였으나, 다른 실시예에 따르면 각 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)은 동일 평면이 아닌 다른 높이로 형성될 수도 있다.

한편, 제3 도전층(M3), 즉 서브 전극 및 가드링(G3)은 금속 분말 사출성형 공법(MIM 공법: Metal Injection Molding Process)으로 형성될 수 있다.

금속 분말 사출성형 공법은 사출 성형을 위한 금속 분말 원료, 사출 성형 시 유동성을 제공하고 원료 분말을 단단하게 유지하기 위한 바인더를 준비하는 것에서부터 시작된다. 준비가 완료되면, 금속 분말 원료 표면에 바인더가 고루 도포되도록 가열시키면서 혼합한다. 그 후, 미리 준비된 금형에 혼합물을 주입하여 사출성형을 한다. 금형은 제조하고자 하는 제3 도전층(M3)의 형상에 따라 준비될 수 있다. 사출성형이 완료되면 불가결한 바인더를 제거하는 탈지 공정을 거친 후, 소결시킨다.

금속 분말 사출성형 공법은, 작은 구성요소를 높은 정밀도로 대량생산할 수 있는 특징을 가지며, 분말제조기술, 성형기술, 소결기술 등의 발전으로 인해 저가격으로도 활용할 수 있는 이점이 있다. 복수 개의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)을 포함하는 제3 도전층(M3)을 금속 분말 사출성형 공법을 이용하여 제조함으로써, 그 정밀도가 향상될 수 있으며, 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)이 개수가 많아지더라도 서로 간의 단락 또는 간섭 등의 영향이 방지될 수 있다.

제4 도전층(M4)은 제3 도전층(M3) 하부에 형성된다. 전술한 바와 같이 복수 개의 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)에 의해 복수 개의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)이 선택적으로 증폭기(A)의 출력단(N2)과 연결되는데, 일단이 각각 제2 피드백 정전용량 전극(117)의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)과 연결된 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)의 타단이 제4 도전층(M4)에 포함되는 최하단 전극(119)을 통해 증폭기(A)의 출력단(N2)과 연결될 수 있다. 또한, 제4 도전층(M4)은 증폭기(A)의 동작 전원 또는 그 밖의 신호들을 라우팅하기 위한 전극, 및 그라운드 전위와 연결되는 전극 등을 더 포함할 수도 있다. 제4 도전층(M4)에 포함되는 전극의 역할을 제3 도전층(M3)에 포함되는 기타 전극(미도시됨)이 대신할 수도 있으며, 이 경우에는 제4 도전층(M4)이 생략될 수 있다. 제4 도전층(M4)이 생략되면, 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)의 타단은 증폭기(A)의 출력단(N2)과 직접 연결된다.

이하에서는, 일 실시예에 따른 지문 검출 장치에 포함되는 제1 내지 제3 스위치(S1~S3)의 동작에 대해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치에서 각 스위치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.

도 5에서 각 스위치(S1~S3)에 대해 하이(high)로 표현된 것은 온 상태를 의미하며, 로우(low)로 표현된 것은 오프 상태를 의미한다. 또한, 외부전극에 대해 하이로 표현된 것은 외부전극(200)에 구동 전압(Vdrv)이 인가되는 것을 의미하며, 로우(low)로 표현된 것은 구동 전압(Vdrv)이 인가되지 않는 상태를 의미한다. 실시예에 따르면, 구동 전압(Vdrv)은 클록 신호에 의해 제어되는 펄스 신호일 수도 있으며, 기 설정된 주파수를 갖는 AC 전압 또는 DC 전압 등 다양하게 구현될 수 있다.

도 2 내지 도 5를 참조하여 살펴보면, 먼저 T1 구간 동안 제2 스위치(S2)가 온 되고, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 오프된다. 제2 스위치(S2)가 온 상태로 됨에 따라 증폭기(A)의 피드백 정전용량이 리셋된다. 이 때, 제1 스위치(S1)가 오프되기 때문에, 센싱 전극(111)으로부터 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)까지 전류가 흐르지 않게 된다. 센서 어레이(100)에는 복수 개의 지문 센서 소자(110)가 매우 좁은 간격으로 배치되는데, 이에 따라 인접한 지문 센서 소자(110)에 흐르는 전류에 의한 영향을 받게 된다. 즉, 인접한 지문 센서 소자(110)에 전류가 흐르게 되면, 이와의 관계에 의해 기생 정전용량이 형성되어 지문 검출 정확성에 악영향을 미치게 된다. 본 발명에서는 이를 해결하기 지문 검출 준비 단계 등 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)에 신호를 가해줄 필요가 없을 경우에는 제1 스위치(S1)를 오프시켜 전류 흐름을 차단하고, 인접한 지문 센서 소자(110)에 줄 수 있는 영향을 최소화시킨다. 예를 들면, 인접한 지문 센서 소자(110)가 지문 검출 동작을 하고 있는 동안에는 당해 지문 센서 소자(110)의 제1 스위치(S1)가 오프되도록 조절할 수 있다.

증폭기(A)의 피드백 정전용량에 대한 리셋이 완료되면, T2 구간이 시작된다. T2 구간은 구동 전압(Vdrv) 인가에 따른 응답 신호를 센싱 전극(111)을 통해 수신하여 증폭기(A)가 출력 전압을 형성하는 구간이다. T2 구간이 시작되면 제1 스위치(S1)가 온 상태로 전환되어 구동 전압(Vdrv)에 따른 응답 신호를 입력받을 준비를 하게 된다. 외부전극(200)을 통한 구동 전압(Vdrv) 인가는 제1 스위치(S1)가 온 상태로 되는 동시에 또는 그 후에 이루어질 수 있다. T2 구간 동안 제2 스위치(S2)는 오프되어 증폭기(A)에 피드백 정전용량이 형성된다. 피드백 정전용량의 크기는 전술한 바와 같이 이득 컨트롤러(112)에 포함되는 복수 개의 제4 스위치(S4_1, S4_2, S4_3, S4_4)에 의해 가변될 수 있다. 한편, T2 구간 동안 제3 스위치(S3)도 오프된다.

T3 구간은 T2 구간에서 증폭기(A)에 의해 형성된 출력 전압(Vout)을 연산을 위해 출력시키는 구간이다. T3 구간에서는 증폭기(A)의 출력단(N2)에 연결된 제3 스위치(S3)가 온 상태로 전환되고, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 오프된다. 제3 스위치(S3)는 외부전극(200)을 통해 인가된 구동 전압(Vdrv)에 따른 응답 신호가 충분히 전달될 수 있도록 적절한 시간 동안 온 상태를 유지한다. 예를 들면, 외부전극(200)의 전위가 0V(또는 그라운드 전압)로 떨어질 때까지 온 상태를 유지할 수 있다. 외부전극(200)을 통해 구동 전압(Vdrv)이 인가되는 구간과 제3 스위치(S3)가 온 상태로 유지되는 구간은 도면에 도시된 바와 같이 일정 시간 겹칠 수 있으나, 그렇지 않을 수도 있다.

도 6은 도 1의 지문 센서 소자(110)의 구성으로서 제2 실시예에 따른 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 제2 실시예 또한 복수 개의 지문 센서 소자(110)가 행과 열을 이루도록 배치되어 센서 어레이를 구성한다. 도 2를 참조하여 설명한 제1 실시예와 다른 점은 외부전극(200; 도 2 참조)이 생략되어 있으며, 하나의 지문 센서 소자(110)가 구동 전압 인가 전극(111_1) 및 센싱 전극(111_2)으로 구성된다.

제2 실시예에 따르면, 각 지문 센서 소자(110)의 구동 전압 인가 전극(111_1)을 통해 구동 전압(Vdrv)이 인가되며, 손가락(F)으로부터의 응답 신호가 센싱 전극(111_2)을 통해 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)으로 입력된다. 즉, 제1 실시예에서 외부전극(200)의 역할을 제2 실시예에서는 지문 센서 소자(110)의 구동 전압 인가 전극(111_1)이 대신한다고 볼 수 있다.

또한, ESD 보호회로(114_1, 114_2)가 센싱 전극(111_2)과 증폭기(A) 사이 뿐만 아니라, 구동 전압 인가 전극(111_1)에 구동 전압(Vdrv)이 인가되는 경로에 추가적으로 형성될 수도 있다. 그 외의 모든 구성은 도 2에 도시된 구성과 동일하므로 여기서는 그 설명을 생략한다.

도 7 및 도 8은 도 6의 지문 센서 소자(110)의 구성을 나타내는 단면도 및 사시도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 제2 실시예에 따른 지문 센서 소자(110)의 구성은 제1 도전층(M1)의 구성을 제외하고는 제1 실시예에 따른 지문 센서 소자(110)의 구성과 동일하다는 것을 알 수 있다.

제1 도전층(M1)은 구동 전압 인가 전극(111_1)과 센싱 전극(111_2)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 구동 전압 인가 전극(111_1)에는 구동 전압(Vdrv)이 인가되며, 센싱 전극(111_2)은 구동 전압(Vdrv) 인가에 따른 손가락(F)으로부터의 응답 신호를 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)으로 전달한다. 즉, 센싱 전극(111_2)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결되며, 그 연결은 제1 스위치(S1)에 의해 온/오프된다. 제1 내지 제3 스위치(S1~S3)의 동작은 도 5를 참조하여 설명한 바와 동일하다. 구동 전압 인가 전극(111_1)의 가장자리 및 센싱 전극(111_2)의 가장자리에는 가드링(G1)이 형성된다. 구동 전압 인가 전극(111_1)과 센싱 전극(111_2) 사이에도 가드링(G1)이 형성됨으로써 구동 전압 인가 전극(111_1)과 센싱 전극(111_2) 간 관계에 따른 기생 정전용량 형성이 억제될 수 있다.

제2 내지 제5 도전층(M2~M5)에 대해서는 제1 실시예에 대한 설명과 동일하므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 센서 어레이
110: 지문 센서 소자
111: 센싱 전극
113: 실드 전극
115: 제1 피드백 정전용량 전극
117: 제2 피드백 정전용량 전극
119: 최하단 전극
120: 수평 스캔부
130: 수직 스캔부
140: 버퍼
200: 외부전극

Claims

복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서,
각각의 지문 센서 소자는,
구동 전압 인가에 따른 피사체로부터의 응답 신호를 수신하는 센싱 전극이 형성되는 제1 도전층;
상기 제1 도전층의 하부에 형성되어, 그라운드 전위가 인가되는 실드 레이어;
상기 실드 레이어의 하부에 형성되는 제2 도전층과 상기 제2 도전층 하부의 일부 영역에 형성되는 제3 도전층 사이에 형성되어 이득을 선택적으로 가변하는 이득 컨트롤러;
상기 응답 신호를 상기 이득만큼 증폭한 출력신호를 생성하는 증폭기를 포함하고,
상기 응답 신호 및 상기 출력신호는 인접한 지문 센서 소자와 독립적으로 수신 및 출력되는 지문 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동 전압을 상기 피사체로 인가하는 외부 전극을 더 포함하는 지문 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 도전층은,
상기 구동 전압을 상기 피사체로 인가하는 구동 전압 인가 전극; 및
상기 구동 전압 인가 전극과 이격되어 상기 피사체로부터의 상기 응답신호를 수신하는 상기 센싱 전극을 포함하는, 지문 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 제3 도전층은,
상기 제2 도전층 하부의 일부 영역에 형성되는 N 개의 서브 전극을 포함하여, 상기 제2 도전층과 N 개의 피드백 정전용량들을 형성하고,
상기 N개의 서브 전극들 각각은 상기 증폭기의 출력단과 선택적으로 연결되어 상기 이득을 가변하는, 지문 검출 장치.
제4항에 있어서,
상기 증폭기의 출력단과 연결되며, 상기 N개의 서브 전극들 각각과는 선택적으로 연결되는 제4 도전층을 더 포함하는, 지문 검출 장치.
제4항에 있어서,
상기 제3 도전층에는 상기 각각의 서브 전극들 사이에 이격되어 형성되며 그라운드 전위와 연결되는 가드 전극이 형성되는, 지문 검출 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 도전층과 상기 증폭기의 입력단 사이의 연결을 스위칭하는 제1 스위치;
상기 증폭기의 입력단과 상기 증폭기의 출력단 사이에 연결되어 상기 이득 컨트롤러를 리셋하는 제2 스위치;
상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 출력신호를 선택적으로 출력하는 제3 스위치; 및
상기 각 서브 전극과 상기 제4 도전층 사이에 각각 연결되어 선택적으로 이득을 가변하는 N개의 제4 스위치들을 더 포함하는, 지문 검출 장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 스위치는 상기 구동 전압 인가 시에만 온 상태로 유지되고, 상기 센싱 전극으로부터의 응답 신호를 인접한 센싱 전극과 독립적으로 상기 증폭기에 입력하고,
상기 제2 스위치는 상기 구동 전압 인가 전에 온 상태로 유지되어 상기 이득 컨트롤러를 리셋하며,
상기 제3 스위치는 상기 구동 전압 인가 후에만 온 상태로 유지되어 상기 증폭기의 출력 신호가 인접한 센싱 전극과 독립적으로 출력되도록 하는, 지문 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 제3 도전층은 금속 분말 사출성형 공법(MIM 공법: Metal Injection Molding Process)으로 형성되는, 지문 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 도전층은,
상기 센싱 전극과 이격되어 둘러싸도록 형성되며 그라운드 전위와 연결되는 가드링을 포함하는, 지문 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 도전층은,
상기 제3 도전층과 피드백 정전용량을 형성하는 피드백 정전용량 전극; 및
상기 피드백 정전용량 전극과 이격되어 둘러싸도록 형성되며 그라운드 전위가 인가되는 가드링을 포함하는, 지문 검출 장치.
상부로부터 하부로 순차적으로 배치되는 제1 내지 제3 도전층을 포함하는 지문 센서 소자를 복수 개 포함하는 지문 검출 장치의 구동 방법으로서,
제2 도전층과 상기 제2 도전층 하부의 일부 영역에 형성되는 제3 도전층 사이에 형성되어 증폭기의 이득을 가변시키는 이득 컨트롤러의 이득을 결정하는 단계;
상기 증폭기의 입력단과 출력단 사이에 연결된 상기 이득 컨트롤러를 리셋하는 단계;
상기 제1 도전층에 형성되는 센싱 전극과 상기 증폭기의 입력단을 연결하여, 구동 전압 인가에 따른 피사체로부터의 응답 신호가 상기 센싱 전극으로부터 상기 증폭기에 입력되도록 하는 단계; 및
상기 증폭기의 출력단과 외부 장치를 연결시켜 상기 증폭기의 출력 신호를 출력하는 단계를 포함하는 지문 검출 장치의 구동 방법.
제12항에 있어서,
상기 제1 도전층과 제2 도전층 사이에는 그라운드 전위가 인가되는 실드 레이어가 더 형성되는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
제12항에 있어서,
상기 구동 전압은 외부 전극을 통해 상기 피사체로 인가되는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
제12항에 있어서,
상기 구동 전압은 상기 제1 도전층 내에서 상기 센싱 전극과 이격되어 형성되는 구동 전압 인가 전극을 통해 상기 피사체로 인가되는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
제12항에 있어서,
상기 이득 컨트롤러의 이득 결정 단계는,
상기 제3 도전층에 형성된 N개의 서브 전극과 상기 제2 도전층 사이에 형성된 N 개의 피드백 정전용량을 상기 증폭기의 출력단과 선택적으로 연결시키는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
제16항에 있어서,
상기 이득 컨트롤러의 이득 결정 단계는,
상기 제3 도전층 하부에 형성되어 상기 증폭기의 출력단과 연결된 제4 도전층과 상기 N개의 피드백 정전용량을 선택적으로 연결시키는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
제12항에 있어서,
상기 이득 컨트롤러 리셋 단계, 상기 응답 신호가 상기 증폭기에 입력되도록 하는 단계, 및 상기 증폭기의 출력 신호가 외부 장치로 전달될 수 있도록 하는 단계는 상호 배타적으로 수행되는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
제12항에 있어서,
상기 응답 신호가 상기 증폭기에 입력되도록 하는 단계 및 상기 증폭기의 출력 신호가 외부 장치로 출력되는 단계는 인접한 지문 센서 소자에서의 동작과 독립적으로 수행되는, 지문 검출 장치의 구동 방법.