KR19990013829A - 대상물의 위상적 특징을 감지하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 감지기의 기생 용량과 관련해서 차동 캐패시턴스를 제공하는 적어도 하나의 절연 영역을 갖는 위상적 감지기를 포함하며, 상기 차동 용량은 조사중인 대상물의 감지기에 의해 용량 측정 감도를 향상시킨다. 상기 감지기는 기판 위에 형성된 하부 절연 영역, 상부 절연 영역, 및 이들 영역 사이에 일반적으로 설치되는 감지 소자의 어레이를 포함한다. 상부 영역은 관련 두께와 절연 상수를 가지고 있어서 대상물 특징 용량, C_I를 제공하며, 상기 용량은, 주어진 감지기 소자로부터 상기 상부 절연 영역을 통해 상기 상부 절연 영역의 표면에 근처에 있거나 접촉하고 있는 조사중인 대상물까지 일반적으로 측정된다. 상기 하부 절연 영역은 관련 두께와 절연 상수를 가지고 있어서 전체 기생 용량, C_P의 많은 부분을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따라, 상기 상부 및 하부 절연 영역의 두께와 절연 성분은 C_I가 C_P보다 크도록 선택된다. 이 방법에서, 차동 용량(C_I­C_P)은 상기 상부 절연 영역의 근처에 있거나 접촉하고 있는 대상물의 위상적 특징의 용량 측정을 향상시킨다. 이롭게, 차동 용량의 크기를 증가하면 감지기의 측정 감도가 향상된다. 부가적으로, 본 발명의 실시예는 수분, 피부 기름, 염소, 및 다른 불순물에 대한 장벽 또는 이것들의 이동을 지연시키는 장벽의 역할을 하는 하나 이상의 절연 영역을 제공한다.

Description

대상물의 위상적 특징을 감지하는 장치

본 발명은 지문(fingerprint)와 같은 형태상의 특징(topographic features)의 변동을 양적으로(capacitively) 감지하는 감지기에 관한다. 상세히 설명하면, 본 발명은 지문과 같은 형태상의 변동(topographic variations)을 감지하는 용량성 감지기(capacitive sensors)에서 사용되는 유전체(dielectrics)의 구성과 재료에 관한다.

두 개의 전도성 표면이나 판 사이에 유전 재료를 삽입시킴으로써 캐패시터를 형성한다. 캐패시터는 두 개의 전도성 판의 겹쳐지는 부분에서 전하를 저장하여 상기 유전 재료 양단에 전계를 형성한다. 캐패시터의 용량은 일반적으로 3가지의 요인에 좌우된다. 상기 용량(capacitance)은 상기 전도성 판의 겹치는 영역에 비례하며, 유전 재료의 유전 상수(dielectric constant)(주어진 재료의 고정값)의 크기에 비례하며, 상기 유전 재료의 두께에 반비례한다.

용량성 형태 감지기 또는 지문 획득 시스템(fingerprint acquisition system)과 같은 감지 시스템은 이미징 감지기(imaging sensor)에 접촉된 상태에 있는 지문의 이미지를 필요로 한다. 예를 들어, 상기 감지기로는 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS) 칩이나 픽셀 각각이 금속판을 구비하는 2 차원 픽셀 어레이가 있다. 금속판의 어레이는 그 위에 형성된 유전 재료 층을 구비하는데, 여기서 지문의 팁부(tip)가 상기 금속판에 매우 근접해 있을 때 각각의 픽셀이 그라운드(ground)에 대한 용량(capacitance)을 측정한다. 손가락 팁 상의 조그만 융기 부분들(ridges)과 골 부분들(valleys)은 상기 CMOS 칩의 표면과 접촉하면서 상기 칩을 걸치는 용량 면에서 변동이 형성되는데 이 용량 변동은 종래의 전류원을 사용해서 선정된 시간 간격 동안 각각의 전도성 금속판으로부터 고정된 전하량을 뺌으로써 측정할 수 있다. 감지기에 의해 출력되는 결과적인 전압(픽셀 신호) 출력은 지문의 이미지를 형성하는데 사용된다.

예를 들어, 치코스가 발행한 미국 특허 제 4,353,056호에서, 용량성 감지기는 2차원의 캐패시터 어레이를 가지는데, 캐패시터 각각은 탄력적으로 실행되며, 전기적으로 절연되어 있고, 부재를 감지하며, 전기적으로 절연된 보호막에 의해 덮여 있는 한 쌍의 스페이스 전극을 포함한다. 감지기 위에 손가락을 놓으면 감지 부재(sensing member)에 변형이 발생하고, 이 변형은 지문의 융기 부분 패턴과 골 부분 패턴에 따라 캐패시터 전극들 사이의 공간(spacing)이 국부적으로 변하고 따라서 캐패시터들의 용량이 변한다. 용량 분배(capacitance distribution)와 관련된 정보는 전기 신호로 바뀐다.

유사하게, 내프가 발행한 미국 특허 제 5,325,442호에서, 용량성 감지기가 유리나 수정 기판 위에 형성된 감지 소자 어레이로 특징되어 있다. 상기 감지 소자는 실리콘 질화물이나 폴리이미드와 같은 절연막에 의해 덮여 있으며 장치에 감지 표면(sensing surface)을 제공한다.

그렇지만, 용량성 감지기들이 지문과 같은 위상적 특징을 판정하기 위해 공지되어 있기는 하지만 현재의 지문 검출 시스템은 매우 효과적이지 못하다. 예를 들어, 많은 용량성 시스템은 측정된 위상적 특징의 콘트라스트 감도(contrat sensitivity)(예를 들어, 신호 대 잡음 비)가 형편없기 때문에 이로 인해 시스템 전체의 정확성이 감소된다. 게다가, 많은 용량성 시스템은 손가락의 표면 및/또는 동작 환경으로부터 절연막을 통해 감지 소자들로 이동하는 불순물등과 같은 오염 물질에 약하기 때문에, 이것은 결국 정확성을 떨어뜨리고 시스템의 전체 수명을 감소시킨다. 게다가, 정전기는 지문 획득 시스템의 정확성에 악영향을 끼친다. 그러므로, 위에서 언급한 문제가 극복되는, 지문과 같은 위상적 특징을 감지하는 개선된 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 청구범위에 규정되어 있다. 본 발명의 실시예는 적어도 하나의 절연 영역을 가지며 위상 감지기의 기생 용량과 관련한 차동 용량을 제공하는 위상 감지기를 구비하며 여기서 상기 차동 용량은 조사 중인 대상물의 감지기에 의해 용량 측정 감도(capacitance measuring sensitivity)를 향상시킨다. 상기 감지기는 기판 위에 형성된 적어도 하나의 하부 절연 영역과, 적어도 하나의 상부 절연 영역과, 상기 영역들에 통상적으로 배치된 감지 소자 어레이를 구비한다. 상부 영역은 상호 관련된 두께와 절연 상수를 가지고 대상물 특징 용량, C_I를 제공하며, 상기 대상물 특징 용량은 주어진 감지 소자로부터 상기 상부 절연 영역을 통해 상기 상부 절연 영역의 표면의 근처에 있거나 접촉해 있는, 조사중인 대상물까지 통상적으로 측정된다. 상기 하부 절연 영역은 상호 관련된 두께와 절연 상수를 가지며 장치의 전체 기생 용량, C_P의 대부분을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따라, 상기 상부 및 하부의 두께와 절연 성분은 C_I가 C_P보다 크도록 선택된다. 이 방법에서, 차동 용량(C_I­C_P)은 상부 영역의 근처에 있거나 접촉해 있는 대상물의 위상적 특징의 용량 측정을 향상시킨다.

유익하게도, 상기 차동 용량의 크기를 증가시키면 감지기의 측정 감도가 향상된다. 또한, 본 발명의 실시예는 수분, 피부의 기름, 염소(chlorine), 나트륨(sodium) 및 다른 불순물에 대해 장벽의 역할을 하거나 이들 불순물들이 이동되는 것을 차단하는 역할을 하는 하나 이상의 절연 영역을 제공한다.

도 1은 종래의 용량성 감지기에 대한 단면도.

도 2는 용량성 감지기에서 사용되는 회로의 개략도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용량성 감지기의 단면도.

* 도면의 주요 부호에 대한 개략적 설명 *

12 : 감지 소자 14 : 감지 영역

15 : 표면 16 : 손가락

20 : 전원 22 : 스위치

24 : 전류원

후술하는 설명에서 도면에 대한 서술을 통한 본 발명의 이해를 돕기 위해 유사한 도면 부호는 유사한 성분을 표시한다.

본 발명의 실시예의 특정한 특징, 구성, 및 장치가 이후로 서술되겠지만 이것은 예시적인 목적만을 위한 것임을 이해해야 한다. 관련 분야의 기술인은 본 발명의 정신 및 범주를 벗어남이 없이 다른 단계, 구성, 및 장치를 이용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어 후술하는 내용은 특정한 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS)의 배경(context)에서 본 발명의 예시적 실시예를 서술한다. 그렇지만, 후술하는 설명에서 분명하게 되는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 예를 아키텍처는 상이하지만 지문과 같은 이미지를 포착하도록 설계된 CMOS 칩과 같은 여러 가지 상이한 장치에 쉽게 채용될 수 있기 때문에 서두에서 설명한 칩의 배경에서 본 발명을 설명하는 실시예를 제한으로 파악해서는 안된다. 본 발명의 실시예를 위한 다른 기술을 Bi-CMOS 기술, 바이폴라 기술 및 박막 트랜지스터(TFT) 기술과 함께 사용하는 것이 적절하다.

도 1은 감지 소자 어레이(12)과, 표면(15)을 갖는 감지 영역(14)을 포함하는 종래의 위상 감지기(10)를 도시한다. 개개의 감지 소자(12)는 조사중인 대상물보다 통상적으로 작은 치수를 갖는다. 예를 들어, 지문 감지기의 일부로서 사용될 때, 감지 소자(12)는 지문의 융기 부분들과 골 부분들 보다 작은 치수를 갖는다. 지문 감지기와 대해서 본 발명의 실시예를 서술하는 동안, 당 분야에 익숙한 기술인은 지문이 아닌 다른 대상물의 위상적 변동을 검출하는 것에도 본 발명을 적용할 수 있다는 것을 인식하게 될 것이다. 그러한 경우에, 감지 소자(12)의 치수는 선택된 대상물이나 대상물들에 대해 적절하게 선택되어야 한다. 감지 소자(12)위에 설치된 감지 영역(14)는 적절한 절연 재료로 만들어진다.

조사중인 손가락(16)이 감지 영역(14)의 표면(15)과 접촉하는 것으로 도시되어 있다. 손가락(16)의 표면이 울퉁불퉁하기 때문에 손가락의 어떤 부위는 표면(15)와 접촉하고(예를 융기 부분(18)), 다른 부분은 표면(15)로부터 공간적으로 떨어져 있다(예를 들어, 골 부분(19)). 각각의 감지 소자(12)는 손가락 표면의 각각의 겹치는 부위와 결합하여 캐패시터를 형성한다. 그러한 구성에서, 감지 소자(12)는 상기 캐패시터에 대해 한 세트의 전극 또는 판(plates)을 형성하고 손가락(16)의 융기 부분(18)과 골 부분(19)은 상기 캐패시터에 대해 다른 한 세트의 전극 또는 판을 형성한다. 따라서, 손가락의 일부가 감지 소자(14)의 표면(15)에 접촉하는 융기 부분(18)이 되는, 손가락(16) 표면의 경우에는, 캐패시터 판들은 판들간의 절연 재료의 두께에 의해 분리된다. 손가락 표면 일부가 골 부분(19)이 되는 경우에는, 상기 캐패시터 판들은 판들간의 절연 재료의 결합된 두께에 의해 또한 손가락 표면 부분과 감지 소자(14)의 표면(15) 사이의 에어 갭(air gap)에 의해 분리된다.

알려진 바와 같이, 캐패시터의 용량은 다음과 같이 정의될 수 있다.

C = k(A/d) (1)

여기서, C는 용량, k는 절연 상수, A는 캐패시터의 표면 영역, d는 전극들 사이의 거리이다. 캐패시터는 다음의 식에 의해 결정될 수 있는 전하량 Q를 저장한다.

Q = CV (2)

여기서 Q는 저장된 전하량이고 V는 전극 양단에 인가된 전압이다.

(1)로부터 C의 값은 절연 상수 k에 비례하고 전극 사이의 거리에 반비례한다는 것을 알 수 있다. 이러한 배경으로, 감지 소자(14)의 표면(15)와 접촉하고 있는 손가락(16)의 골 부분(19)와 감지 소자(12) 사이에 형성된 캐패시터의 용량은 손가락(16)의 융기 부분(18)과 감지 소자(12) 사이에 형성된 캐패시터의 용량보다 작다. 따라서, 융기 부분들(18)과 골 부분(19)의 중간에 있는 손가락(16)의 영역들과 감지 소자들(12) 사이에 형성된 캐패시터는 융기 부분들과 골 부분들에 의해 한정된 제한들(limits) 사이의 용량을 가지게 된다.

형성된 캐패시터들의 용량은 도 2에 도시된 회로와 같은 회로에 의해 측정된다. 손가락(16)이 감지 소자(14)의 표면 위에 놓이고 스위치(22)를 통해 감지 소자 어레이(12)를 전원(20)에 접속함으로써 형성된 캐패시터들이 공지의 전위 Vi로 활성화되면, 용량 C를 갖는 특정한 캐패시터(26)는 전하량 Qi=CVi를 포함하게 된다.

손가락(16)이 여전히 표면(15)과 접촉해 있게 되면, 감지 소자 어레이(12)는 전원(20)과는 접속이 끊어지고 스위치(22)를 통해 전류원(24)과 접속하게 된다. 감지 소자(12)와 전류원(24)간의 접속은 고정된 주기 시간 t동안 유지된다. 주어진 캐패시터로부터 빠져나간 전하량이 Qk = it 이 되며, 여기서 i 는 전류원(24)가 발생한 전류이다. 시간 주기 t 의 종료에서, 감지 소자(12)의 전위가 측정되어 값 Vf가 얻어진다. 그런 다음 캐패시터(26)의 용량이 Q = CV 로부터 산출되며, 여기서 Q는 캐패시터로부터 빠져나간 전하 Qk이며, V는 전극 양단의 초기 전위 Vi와 최종 전위 Vf간의 전위차이다. 그래서 캐패시터(26)의 용량은 다음의 식으로 주어진다.

C = Qk/(Vi - Vf) (3)

캐패시터 어레의 용량을 측정함으로써 필요하다면, 각각의 감지 소자(12)와 그 위에 위치한 손가락(16)의 일부간의 거리 d를 식(1)로부터 산출할 수 있다. 그렇지만, 조사중인 대상물(예를 들어 손가락(16))의 형태상의 이미지를 얻는데 필요한 모든 것은 감지 소자 어레이(12)에 걸쳐 분산되어 있는 용량간의 상대적 크기를 결정하는 것이다. 캐패시터 어레이의 용량을 이미지를 나타내는 신호로 바꾸어서 그 형태를 볼 수 있는 표시(visual representation)로 형성하는 것이 가능하다.

감지 소자(12)가 장치의 다른 소자와 관련하여 소자들간의 관련 기생 용량을 갖는다는 것은 당 분야에 익숙한 기술인들 이해하고 있다. 예를 들어, 융기 부분(18)의 존재를 검출하기 위해, 융기 부분(18)의 존래로 인한 감지 소자의 용량에서의 변화는 기생 용량과 관련해서 측정될 수 있을 만큼 충분히 커야만 한다.

예를 들어, 감지기(10)는 통상적으로 종래 CMOS 프로세스에 의해 제조되며 감지 소자(12)는 거의 500 마이크론 정도로 서로 떨어져 있어서 300 - 500 dpi의 해상도를 달성한다. 그러한 장치에서, 손가락(16)이 표면(15)과 접촉하지 않는 감지 소자(12)의 기생 용량은 거의 180 fF가 된다. 손가락(16)의 팁부가 감지 소자(15)를 건드릴 때, 손가락(16) 바로 아래에 있는 감지 소자(12)의 용량은 통상적인 환견 조건하에서 거의 350 fF로 증가한다.

본 발명의 실시예는 개별적인 용량 측정에 의해 결정된 바와 같은 조사중인 대상물의 특징들 사이의 콘트라스트는 절연 영역을 사용함으로써 향상되며, 여기서 상기 용량성 감지기와 조사중인 대상물 사이의 상부 절연 영역과 관련된 캐패시턴스는 감지 소자의 기생 용량보다 충분히 더 크다(예를 들어, 적어도 거의 2 가지의 요인에 의해)는 것에 현실성에 근거를 두고 있다. 절연 영역이 예를 들어 서로 간에 상대적으로 높은 용량을 갖는 적어도 하나의 상부 절연 영역과 상기 상부 절연 영역과 관련해서 서로간에 상대적으로 낮은 용량을 갖는 적어도 하나의 하부 절연 영역을 구비하고, 상기 감지 소자(12)의 어레이가 상기 상부 및 하부 영역 사이에 통상적으로 배치될 때, 조사중인 대상물의 특징들간의 용량의 측정 가능한 콘트라스트는 향상된다. 상기 상부 및 하부 영역과 관련되어 있는 용량은 특정한 영역의 두께와 상기 특정한 영역을 구성하는 재료 또는 재료들의 절연 콘트라스트에 의해 결정된다.

또한 본 발명의 실시예는 기계적으로 유연성이 있으며 또한 수분, 피부 기름, 염소, 나트륨, 및 다른 이동하는 불순물 등의 부식성 화학 작용(corrosive chemicals)에 대해 장벽을 형성하는 상부 절연 영역을 형성한다. 또한, 상기 하부 절연 영역은 감지 소자 회로 및 다른 시스템 회로로 부식성 재료들이 이동하는 것을 지연시키거나 방지하도록 만들어진다. 절연 영역들은 원하는 유연성 및 장벽 특성을 갖추는데 적절한 하나 이상의 절연 재료들을 포함한다.

또한, 본 발명의 대안적 실시예는 감지 소자와 하나 이상의 절연 영역 사이에 부가의 접착층을 포함한다. 접착층은 절연 영역들과 그 안에 설치된 감지 소자들(12) 사이의 접착력을 향상시킨다.

도 3에는 본 발명에 실시예에 따른 용량성 감지기(30)의 단면도를 도시한다. 용량성 감지기는 상부 절연 영역(32)과 하부 절연 영역과 같은 하나 이상의 절연 영역과 통상적으로 이들 절연 영역 사이에 형성되는 감지 소자(12)의 어레이를 구비한다. 절연 영역들은 기판(36) 위에 형성되는데, 상기 기판은 실리콘, 실리콘을 포함하는 재료, 수정, 유리 또는 통상적인 반도체 프로세싱을에 적합한 다른 재료로 만들어진다. 손가락(16)과 같은 조사중인 대상물은 상부 절연 영역(32)의 최상부 표면(15)과 접촉해서 도시된다. 손가락(16)은 통상적으로 적어도 하나의 융기 부분(18)과 적어도 하나의 골 부분(19)을 갖는다.

하부 절연 영역(34)은 종래의 방법, 예를 들어 화학적 증기 증착법(chemical vapor deposition)(CVD), 스퍼터링 법, 양극 산화법(anodic oxidation), 솔-겔 증기 증착법(sol-gel vapor deposition)(JVD), 또는 다른 적절한 기술에 의해 기판(36) 위에 형성된 단층 또는 다층 구조의 절연 영역이다. 하부 절연 영역(34)은 두께 d_L과 관련 절연 상수 K_L을 가지며, 절연 상수는 영역의 성분 구매(component constituency)에 의해 결정된다. 하부 절연 영역(34)은 예를 들어, 테트라에틸 정규산염(tetraethyl orthosilicate)(TEOS)을 프리커서(precursor)로서 사용한 인이 도핑된 유리(P-유리)의 하나 이상의 층이나, 전체 두께가 약 0.5 마이크론(㎛) 내지 약 2.0 마이크론(㎛)의 범위에 있는 다른 적절한 재료의 하나 이상의 층을 갖는 층간 절연체(ILD)이다. 그러한 영역을 위한 형성 기술은 예를 들어, 테트라에틸 정규산염을 사용한 지원-플라즈마 증착법(plasma-assited deposition) 및 테트라에틸 정규산염(PETEOS)과 적절한 도핑제(dopant)(P-PETEOS)를 사용한 인이 도핑된 지원-플라즈마 증착법을 포함한다. 또한, 하부 절연 영역(34)은 예를 들어 약 1.0 내지 약 4.0의 범위에 있는 값을 갖는 전체 절연 상수 K_L을 갖는다. 대안적으로, 이후 상세히 설명할 바와 같이, 하부 절연 영역(34)은 예를 들어 장벽 보호(barrier protection) 또는 영역과 관련된 유효 용량의 감소의 목적으로 하나 이상의 층을 구비한다.

상부 절연 영역(32)은 예를 들어 종래의 기술, 즉 CVD 법, 스퍼터링 법, 양극 산화법, 플라즈마 증착법 또는 솔-겔법, JVD 법 또는 다른 적절한 기술로 하부 절연 영역(34) 위에 형성되는 하나 이상의 절연층을 포함한다. 상부 절연 영역(32)은 두께 d_U및 관련 절연 상수 K_U를 갖는다. 본 발명의 실시예에 따라, 상부 절연 영역(32)에서 사용하기에 적절한 재료로는 저압 실리콘 질화물(low stress silicon nitride)(SiN), 탄탈 산화물(tantalum oxide)(Ta₂O₅), 티타늄 산화물(titanium oxide)(TiO₂), 알루미늄 산화물(Al₂O₃), 실리콘 탄화물(silicon carbide)(SiC) 및 다이아몬드 또는 다른 적절한 재료가 있다.

감지 소자(12)는 예를 들어 도시된 바와 같이 상부 절연 영역(32)과 하부 절연 영역(34) 사이에 통상적으로 배치된다. 그렇지만, 하부 절연 영역(34) 및/또는 상부 절연 영역(32)의 다양한 층 내에 있는 임의의 적절한 재료 위에 통상적인 방법으로 상기 감지 소자(12)를 형성할 수도 있다. 감지 소자(12)는 본 문헌에서 이미 언급한 바와 같이, 용량을 측정하기 위한 기판(36) 내에 또는 기판을 통해 관련 회로와의 동작 가능한 접속(도시되지 않음)을 갖는다. 유사하게, 기판(36)은 도 2에 도시되어 본 문헌에서 이미 언급한 바와 같이, 용량을 결정하기 위해 적절한 전자 장치나 다른 적절한 회로에 동작 가능하게 접속되거나 그 안에 포함된다.

이미 언급한 바와 같이, 감지 소자(12) 아래의 영역은 관련 기생 용량 C_P를 갖는다. 일반적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 절연 영역(34) 아래의 소자들을 전도시킴으로써 기생 용량의 제 1 부분(C_P1으로 도시됨)이 생긴다. 기생 용량의 제 2 부분(C_P2으로 도시됨)은 기판(36)내에 포함되어 있는 감지기(30) 내의 잔여 전자 장치들에 의한 것으로 볼 수 있다. 하부 절연 영역(34)와 관련된 기생 용량(C_P1)은 감지기(30)의 전체 기생 용량의 대부분을 차지한다.

기생 용량 C_P은 감지기가 용량을 판독하는데 있어서 손상을 주거가 정확성을 저하시키므로 대상물 특징 용량 C_I을 임의의 기생 용량과 구별할 수 있을 정도로 매우 크게 할 필요가 있다(예를 들어 거의 2 내지 4배정도로). 대상물 특징 용량은 일반적으로 도 3에 도시된 바와 같이 측정되며, 상부 절연 영역(32)과 대상물(16) 사이에 제공된 임의의 공간과 상기 상부 절연 영역(32)에 기인한 용량을 갖는다.

본 발명의 실시예에 따라, 주어진 영역에 있어서, C_I는 상부 절연 영역(32)과 관련되어 있는 용량에 일반적으로 대응하고 C_P는 하부 절연 영역(34)과 관련되어 있는 용량에 일반적으로 대응하는 식으로 해서 대상물 특징 용량 C_I과 용량 C_P사이의 차동 용량은 상부 절연 영역(32)과 하부 절연 영역(34) 사이의 차동 용량이 된다. 그러므로, 상부 절연 영역(32)과 관련되어 있는 용량과 하부 절연 영역(34)과 관련되어 있는 용량 사이의 차동 용량(△C)을 매우 크게 유지하면 이미지 감도를 향상시킬 수 있다. 상세히 설명하면, 상부 절연 영역(32)과 하부 절연 영역(34)를 형성하는데 사용하는 재료와 재료의 특정한 두께는 상부 절연 영역(32)과 관련되어 있는 용량 C_U가 하부 절연 영역(34)과 관련되어 있는 용량 C_L보다 크게 되도록 선택된다.

위의 식(1)로부터 절연 영역과 관련되어 있는 용량은 영역의 두께와 영역의 전체 절연 상수 K에 의해 영향을 받는다. 영역의 절연 상수는 영역을 형성하는데 사용되는 재료의 절연 상수에 의해 결정된다. 따라서, 상부 절연 영역(32)의 두께 d_U와 상부 절연 영역(32)이 만들어진 재료 또는 재료들에 의해 결정된 바와 같은 상부 절연 영역(32)의 절연 상수는 상부 절연 영역(32)과 관련되어 있는 용량 C_U가 하부 절연 영역(34)과 관련되어 있는 용량보다 훨씬 크게 되도록(예를 들어, 적어도 거의 2 가지의 요인에 의해) 선택된다.

상세히 설명하면, 상부 절연 영역(32)의 두께는 합리적인 파라미터에 따라 최소가 되도록 유지된다. 예를 들어, 저압 실리콘 질화물(SiN)을 사용하면, 본 발명의 실시예에 따라, 용량성 감지기에서의 상부 절연 영역(32)의 두께는 약 3000 옹스트롬(Å) 내지 약 6000(Å)의 범위에 통상적으로 있다. 또한, 상부 절연 영역(32)은 비교적 높은 절연 상수(예를 들어, 약 4 내지 10,000의 범위에 있지만 통상적으로는 약 5 내지 30의 범위에 있는)를 갖는 재료로 형성된다. 적절한 재료로는 예를 들어, 저압 실리콘 질화물(SiN), 탄탈 산화물(Ta₂O₅), 티탄 산화물(TiO₂), 알루미늄 산화물(Al₂O₃), 다이아몬드 또는 K가 높은 다른 적절한 재료가 있다.

반대로, 하부 절연 영역(34)과 관련있는 용량은 비교적 낮게(예를 들어, 약 4 미만으로) 유지되도록 해서 더 이상 현재의 기생 용량 C_P에 기여하지 않도록 한다. 따라서, 하부 절연 영역(34)의 두께는 주어진 응용에 대해 될 수 있는 한 증가되거나 최대가 되도록 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상부 및 하부 절연 영역(32, 34)의 재료 구성은 부가적인 속성, 예를 들어 기계적 강도, 기계적 구성, 열 팽창 계수의 차이로 인해 생기는 크래킹(cracking)에 대한 저항성, 및 이온 불순물의 이동에 대한 제어 능력 또는 방지 능력에 근거해서 영역을 형성하도록 선택된다. 예를 들어, 하부 절연 영역(34)으로 사용되는 P-유리는, 비교적 낮은 절연 상수(즉, 거의 3.8)를 가지며 예를 들어 나트륨 이온에 대해 보호를 제공한다는 이점을 가지고 있다.

그렇지만, 본 발명의 대안적 실시예에 따라, 하부 절연 영역(32)은 다수의 절연층을 포함하여 불순물 이동에 대한 부가적인 장벽을 제공하면서 받아들일 수 있는 절연 상수보다 약간 더 높은 절연 상수를 갖는다. 그렇지만, 상기 약간 더 높은 절연 상수의 효과가 그에 따라서 층 두께를 조절함으로서 오프셋 된다. 따라서, 영역의 전체 절연 상수가 약간 증가하더라도, 하부 영역의 두께도 약간 더 증가하게 되어 영역과 관련되어 있는 원하는 용량을 얻을 수 있다.

대안적으로, 정전기 방전(ESD)에 대한 보호를 제공하는 재료 성분의 기계적 및 전기적 능력도 또한 고려되어야 한다.

일반적으로, 본 발명의 실시예에 따라, 상부 절연 영역(32)은 조사중인 손가락(16) 또는 다른 대상물에 의해 반복된 접촉을 견디는, 기계적으로 견고하면서 유연성을 갖춘 영역임을 특징으로 한다. 또한, 상부 절연 영역(32)의 적어도 일부는 수분 및 알카리 이온 등의 이온 불순물의 이동에 대해 강한 물리적 장벽을 제공한다. 게다가, 이미 본 문헌에서 언급한 바와 같이, 상부 절연 영역(32)은 하부 절연 영역(34)의 절연 상수 K_L에 비해 비교적 높은 절연 상수 K_U를 갖는다.

본 발명의 대안적 실시예에서, 상부 절연 영역(32)과 하부 절연 영역(34) 사이를 보다 효과적으로 결합시키기 위해 접착층(38)을 제공한다. 도시된 바와 같이, 하부 절연 영역(34)과 감지 소자(12) 위에 상부 절연 영역(32)을 형성하기 전에 상기 하부 절연 영역(34)과 감지 소자(12) 위에 접착층(38)을 형성한다. 접착층(38)으로 사용되기에 적합한 재료로는 티탄 이산화물(TiO₂), 실리콘 이산화물(SiO₂), 및 금속과 절연체 둘 사이를 강하게 결합시키는데 적합한 재료가 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 예를 들어 상부 영역(32)의 하나 이상의 성분 층과 하부 영역(34)의 하나 이상의 성분 층을 형성하는 종래의 형성 기술과 일치한다는 것을 유념해야 한다. 즉, 종래의 층 형성 기술은 통상적으로 한 층에서 다른 층으로 평탄화를 유지하도록 되어 있고, 따라서 창조적인 감지기의 전체적인 정확성, 신뢰성, 및 콘트라스트 감도는 절연 영역들의 층들의 평탄화가 유지된다면 향상된다.

첨부된 클레임에 규정된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범주와 동등한 발명의 모든 범주를 벗어남이 없이 본 문헌에서 기재한 용량성 감지기의 실시예에 대해 많은 변형과 대체가 이루어질 수 있다는 것은 당 분야에 익숙한 기술인에게는 자명하다. 예를 들어, 이것 및 저것을 적용하는 것이 가능하다. 또한, 이전에 언급되 실시예에 이것 및 저것이 이용될지라도 다른 형태의 것들이 본 발명에 따라 이용할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (3)

1. 대상물(16)의 위상적 특징(18, 19)을 감지하는 장치(10)에 있어서,

   기판(36) 위에 설치되며 두께 d_L와 절연 상수 K_L을 갖는 하부 절연 영역(34);

   상기 하부 절연 영역 위에 설치되며 두께 d_U와 절연 상수 K_U을 갖는 상부 절연 영역(32)으로서, 상기 상부 절연 영역과 관련되어 있는 용량 C_U가 상기 하부 절연 영역과 관련되어 있는 용량 C_L보다 더 크게 되도록 또한 상기 장치의 기생 용량 C_P보다 2.0 만큼 또는 2.0보다 더 크게 되도록, 상기 상부 절연 영역의 두께 d_U와 절연 상수 K_U및 상기 하부 절연 영역의 두께 d_L와 절연 상수 K_L가 선택되며, 상기 대상물을 수신하는 감지 표면을 갖는 상기 상부 절연 영역(32); 및

   상기 절연 영역들 내의 사이에 설치되는 감지 소자(12)의 어레이로서, 상기 감지 소자의 어레이는 상기 상부 절연 영역의 제 1 측면 위에 있는 감지 소자와 상기 상부 절연 영역의 반대측의 제 2 측면 위에 있는 대상물에 의해 형성되는 용량을 측정하기 위한 전자 회로에 결합될 수 있는 상기 감지 소자(12)의 어레이를 포함하는 감지 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 절연 영역은 거의 4 이상 큰 절연 상수 K를 갖는 재료로 구성되며, 상기 하부 절연 영역은 거의 4 이하 작은 절연 상수 K를 갖는 재료로 구성되는 감지 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 영역들은 실리콘 질화물(SiN), 저압 실리콘 질화물(SiN), 탄탈 산화물(Ta₂O₅), 티탄 산화물(TiO₂), 알루미늄 산화물(Al₂O₃), 실리콘 탄화물(SiC), 인이 도핑된 유리(P-유리) 및 다이아몬드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 재료로 구성되는 감지 장치.