KR101855648B1 - 향상된 지문 인식 센서 및 이에 포함되는 전하 누적 감지 회로 - Google Patents

향상된 지문 인식 센서 및 이에 포함되는 전하 누적 감지 회로 Download PDF

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Abstract

향상된 지문 인식 센서 및 이에 포함되는 전하 누적 감지 회로가 게시된다. 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 센싱 타이밍의 수행에 따라, 상기 보호 상단층의 상부면에 접촉된 손가락의 부위에 따른 상기 감지 신호의 전압 레벨의 차이가 점점 크게 된다. 이에 따라, 본 발명의 지문 인식 센서에 의하면, 감지 캐패시터를 생성하는 손가락의 부위가 벨리인지 릿지인지에 따른 감지 신호의 전압 레벨의 차이가 크게 된다. 결과적으로, 본 발명의 지문 인식 센서에 의하면, 고품질의 지문 패턴이 확보되어 효과적인 지문 인식 가능하다.

Description

향상된 지문 인식 센서 및 이에 포함되는 전하 누적 감지 회로{IMPROVED FINGERPRINT RECOGNITION SENSOR AND CHARGE INTEGRATED SENSING CIRCUIT USED THEREIN}
본 발명은 지문 인식 센서에 관한 것으로, 더 구체적으로는 효과적인 지문 인식이 가능한 지문 인식 센서 및 이에 포함되는 전하 누적 감지 회로에 관한 것이다.
손가락의 지문을 인식하는 지문 인식 시스템은 높은 식별률과 보안성 및 안정성 때문에 바이오 메트릭스(Biometrics)의 여러 분야에 널리 사용되고 있다. 그리고, 최근 지문인식 시스템에서 사용되는 지문 인식 센서는 특수 보안 장치뿐만 아니라, 키보드, 마우스 등 개인용 컴퓨터(Personal Computer) 주변장치에 적용되어 전자상거래 등으로 사용범위가 점차 확대되고 있다.
지문 감지 방식은 크게 광학식(Optical type), 열감지식(Thermal type) 그리고 정전용량식(Capacitive type) 등으로 구분될 수 있다. 이중, 정전 용량식은 손가락과 감지전극(Sensing electrode) 사이에 형성되는 감지 캐패시터의 캐패시턴스가 손가락과 감지전극 사이의 거리에 따라 달라지는 원리를 이용한다. 즉, 감지 전극(Sensing electrode)과 지문의 벨리(valley) 사이에서 발생하는 감지 캐패시터의 캐패시턴스와 감지 전극과 지문의 릿지(ridge) 사이에서 발생하는 감지 캐패시터의 캐패시턴스의 차이를 반영하는 감지 신호의 전압 레벨의 차이를 확인함으로써, 손가락 지문의 벨리 및 릿지를 인식하여 지문 패턴을 인식할 수 있다.
그런데, 정전 용량식 지문 인식 센서에서, 손가락에 의해 형성되는 감지 캐패시터의 캐패시턴스는 그 크기가 매우 작으며, 이에 따라, 노이즈에 취약하다.
이러한 정전 용량식의 지문 인식 센서에서의 양질의 지문 패턴을 확보하기 위해서는, 감지 캐패시터를 생성하는 손가락의 부위가 벨리인지 릿지인지에 따른 감지 신호의 전압 레벨의 차이를 크게 하는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로, 감지 캐패시터를 생성하는 손가락의 부위가 벨리인지 릿지인지에 따른 감지 신호의 전압 레벨의 차이를 크게 하여 효과적으로 지문을 인식할 수 있는 지문 인식 센서 및 이에 포함되는 전하 누적 감지 회로를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 손가락의 지문 패턴을 인식하기 위한 지문 인식 센서에 관한 것이다. 본 발명의 지문 인식 센서는 어레이의 형태를 이루는 복수개의 감지 소자들; 및 상기 복수개의 감지 소자들의 상부에 형성되는 보호 상단층으로서, 상기 손가락에 의해 터치되며, 유전체를 포함하여 구성되는 상기 보호 상단층을 포함한다. 상기 복수개의 감지 소자들 각각은 상기 보호 상단층의 하부에 설치되는 감지 전극; 상기 감지 전극의 하부에 설치되며, 기준 캐패시터의 일측 단자로 작용하는 기준 전극으로서, 상기 감지 전극은 상기 기준 캐패시터의 다른 일측 단자로 작용되는 상기 기준 전극; 및 상기 손가락과 상기 감지 전극에 의하여 형성되는 감지 캐패시터의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨을 가지는 감지 신호를 발생하도록 구동되는 전하 누적 감지부를 구비한다. 상기 전하 누적 감지부는 구동 신호를 제공하는 구동 신호 제공수단; 제1 입력단과 제2 입력단 사이의 전압 레벨 차이를 증폭하여 출력단으로 제공하도록 구동되는 전하 증폭기로서, 상기 제1 입력단은 상기 감지 전극에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 입력단은 상기 구동 신호를 수신하며, 상기 출력단은 상기 감지 신호를 제공하도록 구동되는 상기 전하 증폭기; 및 상기 제1 입력단과 상기 출력단을 동일한 레벨로 리셋시키도록 구동되는 리셋 스위치를 구비한다. 상기 감지 신호의 전압 레벨은 상기 구동 신호의 제1 전압에서 제2 전압으로의 변경에 응답하여 상기 감지 캐패시터의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨로 변화된다. 상기 전하 누적 감지부는 상기 기준 전극과 상기 출력단 사이에 상기 기준 캐패시터와 직렬로 형성되는 피드백 스위치로서, 상기 리셋 스위치가 상기 전하 증폭기의 상기 제1 입력단과 상기 출력단을 동일한 레벨로 리셋하는 동안에, 턴오프되는 상기 피드백 스위치를 더 구비한다. 그리고, 상기 복수개의 감지 소자들 각각은 상기 감지 전극의 하부에 형성되며, 상기 구동 신호와 동일한 전압으로 제어되는 실딩 전극으로서, 상기 기준 전극과 동일한 공정에서 형성되되, 상기 기준 전극보다 큰 면적을 가지도록 형성되는 상기 실딩 전극을 더 구비한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일면은 감지 캐패시터의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨을 가지는 감지 신호를 발생하도록 구동되는 전하 누적 감지 회로에 관한 것이다. 본 발명의 전하 누적 감지 회로는 구동 신호를 제공하는 구동 신호 제공수단; 제1 입력단, 제2 입력단, 출력단을 포함하는 전하 증폭기로서, 상기 제1 입력단은 상기 감지 캐패시터의 일측 단자인 상기 감지 전극의 전하를 수신하며, 상기 제2 입력단은 상기 구동 신호를 수신하며, 상기 감지 신호는 상기 출력단으로부터 제공되도록 구동되는 상기 전하 증폭기; 상기 제1 입력단과 상기 출력단을 실질적으로 동일한 레벨로 리셋시키는 리셋 스위치; 및 상기 제1 입력단과 상기 출력단 사이에 상기 리셋 스위치와 병렬로 형성되는 피드백 축전 수단으로서, 상기 제1 입력단과 상기 출력단 사이에 직렬로 연결되는 기준 캐패시터 및 피드백 스위치를 포함하는 상기 피드백 축전 수단을 구비한다. 상기 감지 신호의 전압 레벨은 상기 구동 신호의 제1 전압에서 제2 전압으로의 변경에 응답하여 상기 감지 캐패시터의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨로 변화된다. 상기 피드백 스위치는 상기 전하 증폭기의 상기 제1 입력단과 상기 출력단을 리셋하는 동안에, 상기 기준 캐패시터에 저장된 전하가 유지되도록 구동된다.
상기와 같은 구성의 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 센싱 타이밍의 반복적인 수행에 따라, 상기 보호 상단층의 상부면에 접촉된 손가락의 부위에 따른 상기 감지 신호의 전압 레벨의 차이가 점점 크게 된다. 즉, 접촉된 손가락의 부위에 따른 감지 신호의 전압 레벨의 차이를 반복해서 확인하여 누적함으로써, 노이즈에 따른 영향은 감소되고, 접촉된 손가락의 부위에 따른 감지 신호의 전압 레벨의 차이는 점점 크게된다. 이에 따라, 본 발명의 지문 인식 센서에 의하면, 보다 선명한 고품질의 지문 패턴이 확보되어 효과적인 지문 인식 가능하다.
본 발명에서 사용되는 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 복수개의 감지 소자들이 어레이의 형태로 구성됨을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 1의 지문 인식 센서의 복수개의 감지 소자들 중의 하나를 그 상부에 형성되는 보호 상단층과 함께 나타내는 도면 및 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 지문 인식 센서에서 지문 인식을 위한 동작에서의 주요신호의 타이밍도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
그리고, 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
그리고, 도면에서 여러 층(또는 막) 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 관점에서 설명하였고, 층 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 하부에" 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
<지문 인식 센서의 기본 구성>
본 발명의 지문 인식 센서는 손가락의 지문 패턴을 인식하기 위한 것이다. 본 발명의 지문 인식 센서는 센싱을 위한 구동에서 손가락에 가변 전위를 가지는 신호가 인가되지 않는다.
그러므로 본 발명의 지문 인식 센서가 포함된 제품에서는, 손가락의 접지가 허용될 수 있다. 이에 따라, 손가락에 신호를 인가하기 위한 별도의 전극이 요구되지 않아, 본 발명의 지문 인식 센서를 포함하는 제품은 보다 편안하고 자유로운 외관으로 디자인될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지문 인식 센서의 단면을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 지문 인식 센서는 보호 상단층(LPT) 및 복수개의 감지 소자(DSEN)들을 구비하다.
상기 보호 상단층(LPT)은 복수개의 감지 소자(DSEN)들의 상부에 형성된다. 이때, 상기 보호 상단층(LPT)은 상기 손가락(FGR)에 의해 터치되며, 유전체를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서, 상기 보호 상단층(LPT) 및 상기 복수개의 감지 소자(DSEN)들에 적층될 수도 있으며, 또는 열처리 및 화학 처리에 의하여 반도체 기판의 내부에 생성될 수도 있다.
바람직하기로는, 상기 보호 상단층(LPT)은 반도체 기판의 내부에 생성된 수 um의 유전층에, 가공이 완료된 웨이퍼 위에 보호를 위하여, 추가적으로 형성되는 수 100um의 유전층이 더하여 형성된다.
상기 복수개의 감지 소자(DSEN)들은, 도 2에 도시되는 바와 같이, 어레이의 형태로 구성된다.
참고로, 도 1은 도 2에 나타난 선 A-A'의 일부에 대한 개략적인 단면도이다. 그리고 도 1 및 도 2에서는, 혼동을 피하기 위하여 하나의 감지 소자에 대해서만 참조부호가 도시된다. 또한, 도 2에서, 제1 감지 소자는 'R'로 표시되었으며, 인접하는 제2 감지 소자들은 'V'로 표시되었다.
각 감지 소자(DSEN)는 감지 소자에 포함되는 감지 전극(ELDT) 및 보호 상단층(LPT)의 상단면에 접촉되는 손가락(FGR) 부위 사이의 거리 차이에 따른 캐패시턴스를 감지하도록 제어될 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 도 1의 지문 인식 센서의 복수개의 감지 소자(DSEN)들 중의 하나를 그 상부에 형성되는 보호 상단층(LPT)과 함께 나타내는 도면 및 등가 회로도이다.
도 3 및 도 4를 도 1과 함께 참고하면, 상기 복수개의 감지 소자(DSEN)들 각각은 감지 전극(ELDT), 기준 전극(ELRF) 및 전하 누적 감지부(100)를 구비한다.
상기 감지 전극(ELDT)은 상기 보호 상단층(LPT)의 하부에 설치된다. 이 경우, 상기 감지 전극(ELDT)과 상기 보호 상단층(LPT)의 상단면에 접촉되는 손가락(FGR)의 표면을 양측 단자로 하는 전하 저장 요소인 '감지 캐패시터(CP_F)'가 생성된다. 이때, 상기 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스는 상기 보호 상단층(LPT)의 상단면에 접속되는 손가락(FGR)의 부위가 벨리(valley)인지 릿지(ridge)인지 등에 따라 상이한 값으로 된다.
상기 기준 전극(ELRF)은 상기 감지 전극(ELDT)의 하부에 설치된다. 이때, 상기 기준 전극(ELRF)와 상기 감지 전극(ELDT) 사이에는 유전체가 형성된다. 이에 따라, 상기 기준 전극(ELRF)와 상기 감지 전극(ELDT)을 양측 단자로 하는 전하 저장 요소인 '기준 캐패시터(CP_R)'가 생성된다. 즉, 상기 기준 전극(ELRF) 및 상기 감지 전극(ELDT)은 상기 기준 캐패시터(CP_R)의 일측 및 다른 일측 단자로 작용한다.
상기 전하 누적 감지부(100)는 상기 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨을 가지는 감지 신호(XDET)를 발생한다.
상기 전하 누적 감지부(100)는 구체적으로 구동 신호 제공 수단(110), 전하 증폭기(130), 리셋 스위치(SWR) 및 피드백 스위치(SWF)를 구비한다.
상기 구동 신호 제공 수단(110)은 구동 신호(XDR)를 제공한다. 본 실시예에서, 상기 구동 신호(XDR)는 센싱 구간(P_SEN, 도 5 참조)에서 제1 전압(LV1, 도 5 참조)에서 제2 전압(LV2, 도 5 참조)로의 변경을 반복적으로 수행한다.
여기서, 상기 구동 신호 제공 수단(110)은 별개의 신호선을 통하여 제공되는 2 이상의 서로 다른 전압들 간에 전환하도록 구성된 스위칭 요소일 수 있다. 또한, 대안 또는 조합으로, 상기 구동 신호 제공 수단(110)은 정사각파 전압 신호 또는 사인파(sine wave) 전압 신호와 같이 시간 가변 전압을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 신호 소스로 구성될 수도 있다.
상기 전하 증폭기(130)는 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2) 사이의 전압 레벨 차이를 증폭하여 출력단(UT)으로 제공하도록 구동된다. 이때, 상기 제1 입력단(IN1)은 상기 감지 전극(ELDT)에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 입력단(IN2)은 상기 구동 신호(XDT)를 수신한다. 그리고 상기 출력단(UT)으로 감지 신호(XDET)가 제공된다.
상기 리셋 스위치(SWR)는 상기 전하 증폭기(130)의 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT) 사이에 형성된다. 이에 따라, 상기 리셋 스위치(SWR)의 턴온 상태에서는, 상기 전하 증폭기(130)의 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT)은 실질적으로 동일한 레벨로 리셋된다.
상기 피드백 스위치(SWF)는 상기 기준 전극(ELRF)과 상기 전하 증폭기(130)의 상기 출력단(UT) 사이에 상기 기준 캐패시터(CP_R)와 직렬로 형성된다. 본 실시예에서, 상기 피드백 스위치(SWF)의 일측은 상기 기준 캐패시터(CP_R)의 다른 일측 단자인 상기 기준 전극(ELRF)에 연결되며, 상기 피드백 스위치(SWF)의 다른 일측은 상기 전하 증폭기(130)의 출력단(UT)에 연결된다. 이때, 리셋 타이밍(T_RST, 도 5 참조)에서 상기 리셋 스위치(SWR)가 턴온 상태일 때, 즉, 상기 전하 증폭기(130)의 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT)이 동일한 레벨로 리셋되는 동안에, 상기 피드백 스위치(SWF)는 턴오프 상태이다. 이에 따라, 상기 기준 캐패시터(CP_R)는 이전의 저장된 상태의 전하를 그대로 보존하게 된다.
바람직하기로는, 상기 리셋 스위치(SWR)가 턴온되기 이전에, 상기 피드백 스위치(SWF)는 턴오프 상태로 된다. 이에 따라, 상기 피드백 스위치(SWF)의 턴오프 상태는 상기 리셋 스위치(SWR)의 턴오프 상태와 적어도 일부분에서 중첩된다.
본 실시예에서는, 상기 제1 입력단(IN1)은 음(-)의 입력단이며, 제2 입력단(IN2)은 양(+)의 입력단이다.
상기와 같은 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 상기 구동 신호(XDR)의 전압 레벨의 제1 전압(LV1, 도 5 참조)에서 제2 전압(LV2, 도 5 참조)으로의 변경에 응답하여, 상기 손가락(FGR)과 상기 감지 전극(ELDT)의 전위차의 변경이 발생된다.
즉, 본 실시예에서는, 상기 제1 입력단(IN1)의 전압 레벨은 상기 제2 입력단(IN2)의 전압 레벨을 실질적으로 추종하게 된다.
<지문 인식 센서의 동작>
도 5는 본 발명의 지문 인식 센서에서 지문 인식을 위한 동작에서의 주요신호의 타이밍도이다.
먼저, 준비 구간(P_PRE)에서는, 상기 리셋 스위치(SWR) 및 상기 피드백 스위치(SWF)가 모두 "온(ON)" 상태이며, 상기 구동 신호(XDR)는 제1 전압(LV1, 본 실시예에서는, 1V)이다.
이 경우, 상기 전하 증폭기(130)의 상기 제1 입력단(IN1)은 상기 제2 입력단(IN2)에 제공되는 상기 구동 신호(XDR)의 전압 레벨을 따르게 된다. 이에 따라, 상기 전하 증폭기(130)의 상기 제1 입력단(IN1), 상기 제2 입력단(IN2)과, 상기 출력단(UT)에서 제공되는 상기 감지 신호(XDET)는 거의 1V로 된다.
이후, 센싱 구간(P_SEN)이 진행된다. 센싱 구간(P_SEN)에서는 센싱 타이밍(T_SEN)과 리셋 타이밍(T_RST)이 교번적으로 수행된다.
상기 센싱 타이밍(T_SEN)에서는, 상기 리셋 스위치(SWR)는 "오프(off)" 상태이며, 상기 피드백 스위치(SWF)는 상기 리셋 스위치(SWR)가 "오프" 상태에서 "온(on)" 상태로 된다. 이때, 상기 구동 신호(XDR)는 제1 전압(LV1)에서 제2 전압(LV2, 본 실시예에서는, 2V)로 변경된다.
이때, 상기 감지 신호(XDET)는 이전의 상태의 전압 레벨에서 단위 상승 전압(ΔV) 만큼 상승된다.
여기서, 단위 상승 전압(ΔV)은 (수학식 1)과 같다.
(수학식 1)
ΔV= (Cf/Cr)*(LV2-LV1)
여기서, Cf는 상기 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스이며, Cr은 상기 기준 캐패시터(CP_R)의 캐패시턴스이다.
이때, 상기 기준 캐패시터(CP_R)에 저장된 전하의 증가량인 단위 증가 전하량(ΔQ)은 (수학식 2)와 같다.
(수학식 2)
ΔQ= Cr * ΔV
상기 리셋 타이밍(T_RST)에서는, 상기 리셋 스위치(SWR)가 '턴온'된다. 이때, 상기 구동 신호(XDR)는 상기 제2 전압(LV2)에서 상기 제1 전압(LV1)으로 변경된 상태이다.
이에 따라, 상기 전하 증폭기(130)의 상기 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT)은 상기 구동 신호(XDR)가 인가되는 제2 입력단(IN2)의 전압 레벨인 1V로 리셋된다.
한편, 상기 피드백 스위치(SWF)는 상기 리셋 타이밍(T_RST)에서 상기 리셋 스위치(SWR)가 '턴온'되기 이전에 '오프'상태로 된다. 이에 따라, 상기 리셋 타이밍(T_RST)에서 상기 리셋 스위치(SWR)가 '온'상태로 되더라도, 상기 기준 캐패시터(CP_R)에 저장된 전하량은 그대로 보존된다.
이에 따라, 상기 센싱 타이밍(T_SEN)의 수행이 반복됨에 따라, 상기 감지 신호(XDET)의 전압 레벨(Vdt)은 (수학식 3)과 같이 점점 상승하게 된다.
(수학식 3)
Vdt= LV1 + n*ΔV
= LV1 + n*(Cf/Cr) * (LV2-LV1)
여기서, n은 상기 센싱 타이밍(T_SEN)의 수행 횟수를 나타낸다.
참고로, 기준 캐패시터(CP_R)에 저장된 전하량도 센싱 타이밍(T_SEN)의 수행시 마다 ΔQ 만큼 점점 증가된다.
한편, 상기 기준 캐패시터(CP_R)의 캐패시턴스(Cr)는 접촉되는 손가락(FGR)의 부위에 관계없이 거의 일정하다. 하지만, 상기 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스(Cf)는 상기 보호 상단층(LPT)의 상부면에 접촉된 손가락(FGR)의 부위에 따른 값을 가진다. 예를 들어, 상기 보호 상단층(LPT)의 상부면에 접촉된 손가락(FGR)의 부위가 릿지(ridge)인 경우의 상기 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스(Cf)는, 상기 보호 상단층(LPT)의 상부면에 접촉된 손가락(FGR)의 부위가 벨리(valley)인 경우에 비하여, 큰 값을 가진다.
즉, 상기 보호 상단층(LPT)의 상부면에 접촉된 손가락(FGR)의 부위에 따라, 상기 감지 신호(XDET)의 전압 레벨(Vdt)의 차이가 발생된다.
즉, 상기 보호 상단층(LPT)의 상부면에 접촉된 손가락(FGR)의 부위에 따라, 상기 감지 신호(XDET)의 전압 레벨(Vdt)의 차이가 발생된다.
정리하면, 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 센싱 타이밍(T_SEN)의 수행에 따라, 상기 기준 캐패시터(CP_R)에 저장되는 전하량은 점점 증가하게 되며, 또한, 상기 감지 신호(XDET)의 전압 레벨(Vdt)은 점점 크게 된다.
다시 기술하자면, 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 센싱 타이밍(T_SEN)의 수행에 따라, 상기 보호 상단층(LPT)의 상부면에 접촉된 손가락(FGR)의 부위에 따른 상기 감지 신호(XDET)의 전압 레벨(Vdt)의 차이도 점점 크게 된다.
정리하면, 접촉된 손가락의 부위에 따른 감지 신호(XDET)의 전압 레벨의 차이를 반복해서 확인하여 누적함으로써, 노이즈에 따른 영향은 감소되고, 접촉된 손가락의 부위에 따른 감지 신호(XDET)의 전압 레벨의 차이는 점점 크게된다. 이에 따라, 본 발명의 지문 인식 센서에 의하면, 보다 선명한 고품질의 지문 패턴이 확보되어 효과적인 지문 인식 가능하다.
한편, 본 발명의 지문 인식 센서는 각각의 감지 소자에 연결되고 상기 감지 소자들 각각으로부터의 상기 감지 신호를 기초로 상기 지문 패턴의 표현을 제공하도록 구성된 판독 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이러한 판독 회로의 구성 및 작용은 당업자에게는 자명하므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여, 이에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
또한, 본 발명의 지문 인식 센서는 모바일폰 등 다양한 형태로 이용될 수 있다. 예를 들어, 모바일폰의 잠금 해제 및/또는 모바일폰을 이용하여 실행된 거래 등의 승인을 위해서도 사용될 수 있다.
그리고 본 발명의 지문 인식 센서를 사용하는 제품으로는, 휴대폰 또는 태블릿, 컴퓨터 또는 시계 등과 같은 전자 웨어러블 아이템과 같은 휴대용 통신 장치일 수 있다
<지문 인식 센서에 추가될 수 있는 실딩 전극>
한편, 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 감지 전극(ELDT)에 구동 신호(XDR)가 인가된다. 그러므로 의도하지 않은 기생 캐패시턴스에 주의할 필요가 있다.
일반적인 설계 및 공정에 의하면, 상기 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스(Cf)는 0.1fF 정도로 매우 작은 값이다. 하지만, 상기 감지 전극(ELDT)에 발생되는 기생 캐패시턴스는 100fF 정도로 매우 큰 값이다.
이에 따라, 본 발명의 지문 인식 센서에서, 상기 감지 전극(ELDT)에 발생될 수 있는 상기 기생 캐패시턴스의 영향을 없애거나 적어도 감소시키는 것은 매우 중요하다.
다시 도 1 및 도 3을 도 4와 함께 참조하면, 본 발명의 지문 인식 센서에서의 상기 복수개의 감지 소자(DSEN)들 각각은 실딩 전극(ELSD)을 더 구비한다.
상기 실딩 전극(ELSD)은 상기 기준 전극(ELRF)과 전기적으로 분리되어 상기 감지 전극(ELDT)의 하부에 설치된다. 이때, 상기 실딩 전극(ELSD)과 상기 감지 전극(ELDT) 사이에는 유전체가 형성된다.
더욱 바람직하기로는, 상기 실딩 전극(ELSD)은 상기 기준 전극(ELRF)과 동일한 공정에서 생성된다.
이때, 상기 실딩 전극(ELSD)은 금속층에 있는 연결 라인들 및/또는 반도체 기판에 형성된 연결 라인들 및/또는 반도체 회로와 같이 있을 수 있는 아래 부분으로부터의 노이즈 전하의 주입을 효과적으로 실딩할 수 있다. 이는 감지소자에서 기생 캐패시턴스의 영향을 더 줄이는 효과로 나타난다.
즉, 상기와 같은 실딩 전극(ELSD)에 의하여, 상기 실딩 전극(ELSD)과 상기 감지 전극(ELDT)을 양측 단자로 하는 전하 저장 요소인 '실딩 캐패시터(CP_S)'가 생성된다. 즉, 상기 기준 전극(ELRF) 및 상기 실딩 전극(ELSD)은 상기 실딩 캐패시터(CP_S)의 일측 및 다른 일측 단자로 작용한다.
이때, 상기 센싱 타이밍(T_SEN)에서, 상기 실딩 캐패시터(CP_S)의 일측 및 다른 일측에 연결되는 상기 전하 증폭기(130)의 제1 입력단(IN1) 및 제2 입력단(IN2)의 전압 레벨은 실질적으로 모두 상기 구동 신호(XDR)의 전압 레벨과 동일하다.
즉, 상기 실딩 캐패시터(CP_S)의 양측 단자의 전압이 동일한 레벨로 제어됨으로써, 비록 상기 실딩 캐패시터(CP_S)의 캐패시턴스가 크게 되더라도, 상기 실딩 캐패시터(CP_S)에 저장되는 전하는 거의 '0'으로 된다.
그러므로 상기 실딩 전극(ELSD)이 구비되더라도, 본 발명의 지문 인식 센서는 전술한 바와 같은 동작에 의하여 접촉되는 손가락의 지문 패턴을 확보할 수 있다.
정리하면, 상기 실딩 전극(ELSD)을 구비하는 본 발명의 지문 인식 센서에 의하면, 상기 감지 전극(ELDT)에 발생될 수 있는 기생 캐패시턴스의 영향이 완화될 수 있으며, 따라서, 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 노이즈에 따른 영향이 완화될 수 있다.
또한, 본 발명의 지문 인식 센서에서는, 상기 실딩 전극(ELSD)는 상기 감지 전극(ELDT)의 하부에 상대적으로 넓은 면적으로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 기준 전극(ELRF)은 상대적으로 좁은 면적으로 형성된다. 이에 따라, (수학식 1)에서의 상기 기준 캐패시터(CP_R)의 캐패시턴스(Cr)가 최소화되므로, 단위 상승 전압(ΔV)이 증가하게 된다.
즉, 실딩 전극(ELSD)을 구비하는 본 발명의 지문 인식 센서에 의하면, 접촉되는 손가락의 부위에 따른 감지 신호(XDET)의 전압 레벨의 차이가 크게 된다. 그 결과, 실딩 전극(ELSD)을 구비하는 본 발명의 지문 인식 센서에 의하면, 더욱 고품질의 지문 패턴이 확보되어 더욱 효과적인 지문 인식 가능하다.
<지문 인식 센서에 내포되는 전하 누적 감지 회로>
한편, 도 4의 등가회로를 참조하면, 본 발명의 지문 인식 센서에는, 본 발명의 다른 일면인 전하 누적 감지 회로(CTDQ)의 실시예가 내포되고 있다.
이때, 도 4에 도시되는 본 발명의 전하 누적 감지 회로(CTDQ)는 감지 전극(ELDT)에 생성된 전하량의 변화에 따른 상기 감지 전극(ELDT)의 전압 레벨의 변경을 감지하여 상기 감지 신호(XDET)를 발생한다.
즉, 도 4에 도시되는 본 발명의 전하 누적 감지 회로(CTDQ)는 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨을 가지는 감지 신호(XDET)를 발생하도록 구동된다.
본 발명의 전하 누적 감지 회로(CTDQ)는 구동 신호 제공 수단(110), 전하 증폭기(130), 리셋 스위치(SWR) 및 피드백 축전 수단(140)을 구비한다.
상기 구동 신호 제공수단(110)은 상기 구동 신호(XDR)를 제공한다.
상기 전하 증폭기(130)는 제1 입력단(IN1), 제2 입력단(IN2), 출력단(UT)을 포함한다. 이때, 상기 제1 입력단(IN1)은 상기 감지 전극(ELDT)의 전하를 수신하며, 상기 제2 입력단(IN2)은 상기 구동 신호(XDR)를 수신한다. 그리고 상기 출력단(UT)을 통하여 상기 감지 신호(XDET)가 제공되도록 구동된다.
본 실시예에서는, 상기 제1 입력단(IN1)은 음(-)의 입력단이며, 제2 입력단(IN2)은 양(+)의 입력단이다.
상기 리셋 스위치(SWR)는 상기 전하 증폭기(130)의 상기 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT) 사이에 형성된다. 이에 따라, 상기 리셋 스위치(SWR)의 턴온 상태에서는, 상기 전하 증폭기(130)의 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT)은 실질적으로 동일한 레벨로 리셋된다.
상기 피드백 축전 수단(140)은 상기 전하 증폭기(130)의 상기 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT) 사이에 상기 리셋 스위치(SWR)와 병렬로 형성되며, 기준 캐패시터(CP_R)를 포함한다.
이때, 상기 피드백 축전 수단(140)은 상기 전하 증폭기(130)의 상기 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT)이 동일한 레벨로 리셋되는 동안에, 상기 기준 캐패시터(CP_R)에 저장된 전하를 유지하도록 구동된다.
상기 피드백 축전 수단(140)은 구체적으로 상기 기준 캐패시터(CP_R) 및 피드백 스위치(SWF)를 구비한다. 이때, 상기 피드백 스위치(SWF)는 상기 전하 증폭기(130)의 상기 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT) 사이에 상기 기준 캐패시터(CP_R)와 직렬로 형성된다.
이때, 센싱 타이밍(T_SEN, 도 5 참조)에서 상기 리셋 스위치(SWR)가 턴온 상태로 되기 이전에, 상기 피드백 스위치(SWF)는 턴오프 상태이다. 이에 따라, 상기 전하 증폭기(130)의 제1 입력단(IN1)과 상기 출력단(UT)이 동일한 레벨로 리셋되는 동안에, 상기 기준 캐패시터(CP_R)는 이전의 저장된 상태의 전하를 그대로 보존하게 된다.
이때, 상기 제1 입력단(IN1)의 전압 레벨은 상기 제2 입력단(IN2)의 전압 레벨을 실질적으로 추종하게 된다.
즉, 상기 감지 전극(ELDT)의 전압 레벨의 변경은 상기 구동 신호(XDR)의 제1 전압(LV1, 예, 1V, 도 5 참조)에서 제2 전압(LV2, 예, 2V, 도 5 참조)로의 변경에 응답하여 발생된다.
이러한 본 발명의 전하 누적 감지 회로(CTDQ)의 작용 및 효과는 전술한 바와 같은 본 발명의 지문 인식 센서와 관련한 기술과 도 5를 통하여 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 그러므로, 본 명세서에서는, 설명의 간략화를 위하여, 이에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
상기와 같은 본 발명의 전하 누적 감지 회로(CTDQ)에서는, 상기 리셋 타이밍(T_RST)이 수행되더라도, 상기 기준 캐패시터(CP_R)에 저장된 전하는 그대로 유지된다. 즉, 본 발명의 전하 누적 감지 회로(CTDQ)에서는, 센싱 타이밍(T_SEN)의 수행에 따라, 상기 기준 캐패시터(CP_R)에 저장되는 전하량은 점점 증가하게 된다. 그 결과, 상기 감지 신호(XDET)의 전압 레벨(Vdt)은 점점 크게 된다.
이에 따라, 본 발명의 전하 누적 감지 회로(CTDQ)에 의하면, 상기 감지 신호(XDET)를 통하여, 상기 감지 전극(ELDT)에 생성되는 감지 캐패시터(CP_F)의 캐패시턴스의 변화를 용이하게 감지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 손가락의 지문 패턴을 인식하기 위한 지문 인식 센서에 있어서,
    어레이의 형태를 이루는 복수개의 감지 소자들; 및
    상기 복수개의 감지 소자들의 상부에 형성되는 보호 상단층으로서, 상기 손가락에 의해 터치되며, 유전체를 포함하여 구성되는 상기 보호 상단층을 포함하며,
    상기 복수개의 감지 소자들 각각은
    상기 보호 상단층의 하부에 설치되는 감지 전극;
    상기 감지 전극의 하부에 설치되며, 기준 캐패시터의 일측 단자로 작용하는 기준 전극으로서, 상기 감지 전극은 상기 기준 캐패시터의 다른 일측 단자로 작용되는 상기 기준 전극; 및
    상기 손가락과 상기 감지 전극에 의하여 형성되는 감지 캐패시터의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨을 가지는 감지 신호를 발생하도록 구동되는 전하 누적 감지부를 구비하며,
    상기 전하 누적 감지부는
    구동 신호를 제공하는 구동 신호 제공수단;
    제1 입력단과 제2 입력단 사이의 전압 레벨 차이를 증폭하여 출력단으로 제공하도록 구동되는 전하 증폭기로서, 상기 제1 입력단은 상기 감지 전극에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 입력단은 상기 구동 신호를 수신하며, 상기 출력단은 상기 감지 신호를 제공하도록 구동되는 상기 전하 증폭기; 및
    상기 제1 입력단과 상기 출력단을 동일한 레벨로 리셋시키도록 구동되는 리셋 스위치를 구비하며,
    상기 감지 신호의 전압 레벨은
    상기 구동 신호의 제1 전압에서 제2 전압으로의 변경에 응답하여 상기 감지 캐패시터의 캐패시턴스에 따른 전압 레벨로 변화되며,
    상기 전하 누적 감지부는
    상기 기준 전극과 상기 출력단 사이에 상기 기준 캐패시터와 직렬로 형성되는 피드백 스위치로서, 상기 리셋 스위치가 상기 전하 증폭기의 상기 제1 입력단과 상기 출력단을 동일한 레벨로 리셋하는 동안에, 턴오프되는 상기 피드백 스위치를 더 구비하며,
    상기 복수개의 감지 소자들 각각은
    상기 감지 전극의 하부에 형성되며, 상기 구동 신호와 동일한 전압으로 제어되는 실딩 전극으로서, 상기 기준 전극과 동일한 공정에서 형성되되, 상기 기준 전극보다 큰 면적을 가지도록 형성되는 상기 실딩 전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전하 증폭기의 제1 입력단은 음(-)의 입력단이며,
    상기 전하 증폭기의 제2 입력단은 양(+)의 입력단인 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피드백 스위치의 턴오프 상태는
    상기 리셋 스위치의 턴오프 상태와 적어도 일부분에서 중첩되는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서.
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