KR20010012635A - 이득 제어 특성을 가지는 지문 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

이득 제어 특성을 가지는 지문 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20010012635A
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데일 알. 세틀락
존 코넷
브라이언 킬코어
데릴 윌리엄스
데이비드 씨. 지바우어
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에프. 스코트 무디
오쎈테크, 인코포레이티드
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Abstract

지문 센서는 지문 감지 엘리먼트의 어레이, 제어가능한 범위를 가지는 아날로그대 디지털 컨버터, 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하기 위한 스캐너, 및 향상된 변환 분해능을 제공하기 위하여 이전의 A/D 변환을 기초로하여 A/D 컨버터의 범위를 제어하기 위한 범위 결정 및 세팅 수단을 포함한다. 복수의 A/D 컨버터는 상응하는 복수의 지문 감지 엘리먼트로부터 아날로그 신호를 동시에 변환하는데 사용된다. A/D 컨버터는 범위의 제1 및 제2 포인트의 세팅을 허용하기 위한 적어도 하나의 기준전압을 포함할 수 있다. 범위 스케일 결정 및 세팅 회로는 이전의 A/D 변환을 기초로하여 히스토그램을 발생한다.

Description

이득 제어 특성을 가지는 지문 센서 및 그 제조방법{FINGERPRINT SENSOR WITH GAIN CONTROL FEATURES AND ASSOCIATED METHODS}
지문 감지 및 매칭은 개인 식별 또는 검증에 있어서 신뢰할 수 있으며 광범위하게 사용되는 기술이다. 특히, 지문 식별에 대한 공통 방법은 샘플 지문 또는 지문의 이미지를 스캐닝하고 단계 및 이미지 및/또는 지문 이미지의 고유 특성을 저장하는 단계를 포함한다. 샘플 지문의 특성은 데이터베이스에 이미 저장된 기준 지문에 대한 정보와 비교되어 예를 들어 검증을 위하여 개인에 대한 적당한 식별을 결정할 수 있다.
일반적인 전자 지문 센서는 가시광, 적외선광 또는 자외선 방사선을 이용하여 손가락 표면을 조사하는 것을 기초로 한다. 반사 에너지는 예를 들어 일부 형태의 카메라에 의하여 포착되고 이에 따른 이미지가 형성되고 디지털화되어 정적 디지털 이미지로서 저장된다. 미국특허 4,210,899는 예를 들어 개인이 소정 위치의 접근을 허용하거나 또는 컴퓨터 단말기에 접근을 허용하는 것과 같은 보안 접근 응용분야에 사용하기 위하여 중앙 처리 스테이션과 조합되는 광학 스캐닝 지문 판독기를 개시한다. 미국특허 4,525,859는 지문 이미지를 포착하는 비디오 카메라를 개시하며, 지문의 상세부분, 즉 지문 리지(ridge)의 가지 및 끝부분을 이용하여 기준 지문의 데이터베이스와 매칭되는 지를 결정한다.
불행하게도, 광학 감지는 오염된 손가락에 의하여 영향을 받을 수 있거나 또는 광학 센서는 실제 사람 지문이 아닌 지문의 사진 또는 인쇄된 이미지에 의하여 오인될 수 있다. 이외에도, 광학 구성은 지문 접촉면 및 연관된 이미징 성분 사이에 빅적 큰 공간을 필요로한다. 더욱이, 이러한 센서는 전형적으로 광학 빔의 정밀한 정렬 및 복잡한 스캐닝을 필요로한다.
미국특허 4,353,056은 진짜 지문을 감지하는 다른 방법을 개시한다. 특히, 상기 특허는 장치의 감지면과 평행한 면에 배치된 극소형 캐패시터의 어레이를 개시한다. 손가락이 감지면을 터치하여 표면을 변형시키면, 직렬 접속된 캐패시터의 전압 분포가 변화될 수 있다. 각각의 캐패시터상의 전압은 멀티플렉서 기술에 의하여 결정된다. 불행히도, 센서에 요구되는 탄성재료는 장기간 신뢰성 문제를 가질 수 있다.
미국특허 5,325,442는 다수의 감지 전극을 포함하는 지문 센서를 개시한다. 감지 전극의 능동 어드레싱은 각각의 감지 전극과 관련된 스위칭 장치의 공급에 의하여 가능하다. 캐패시터는 손가락 표면의 각각의 중첩 부분과 결합되는 각각의 감지 전극에 의하여 형성되며, 상기 손가락 표면은 접지 전위이다. 센서는 반도체 웨이퍼 및 집적 회로 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 손가락이 위치하는 유전체는 감지 센서 어레이 위에 연속층으로서 제공될 수 있는 실리콘 질화물 또는 폴리이미드에 의하여 제공될 수 있다.
불행히도, 밀접하게 간격진 감지 전극의 어레이를 구동하는 것은 인접한 전극이 서로 영향을 미칠 수 있기 때문에 어려울 수 있다. 이러한 센서가 가지는 다른 어려움은 피부의 도전성 및 어떤 오염물이 단일 지문에 걸치더라도 사람들 간에 폭넓게 변화할 수 있을 때 지문의 리지 및 밸리를 구별하는 능력일 수 있다. 미국특허 제 4,811,414호의 명세서는 잡음을 평균화하고 조명을 등화시키고, 지향적인 필터링을 하고, 곡률반경을 정확하게 하고, 광학적으로 발생된 지문 이미지에 대한 스케일을 정확하게 하는 방법을 개시하고 있다.
본 발명은 개인 식별 및 검증 분양에 관한 것이며, 특히 지문 감지 및 처리 분야에 관한 것이다.
도 1은 지문 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 지문 센서의 회로 부분의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 지문 센서의 감지 부분의 확대된 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 지문 센서의 다른 회로 부분의 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시된 지문 센서의 일부분에 대한 확대된 측단면도이다.
도 6은 선택적인 실시예의 지문 센서의 일부분에 대한 확대된 측단면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 지문 센서의 다른 부분에 대한 확대된 측단면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 지문 센서의 다른 회로 부분에 대한 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시된 회로 부분에 대한 개략도이다.
도 10은 도 1에 도시된 지문 센서의 다른 회로 부분에 대한 개략도이다.
도 11은 도 10에 도시된 회로 부분의 다른 실시예에 대한 개략도이다.
도 12는 도 1에 도시된 지문 센서의 추가 회로 부분에 대한 개략도이다.
도 13은 도 12에 도시된 회로 부분의 다른 실시예에 대한 개략도이다.
본 발명은 지문 감지 엘리먼트의 어레이, 제어가능한 범위를 가지며 상기 범위를 기초로하여 지문 감지 엘리먼트의 어레이로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 대 디지털(A/D) 변환 수단, 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하기 위하여 상기 A/D 변환 수단 및 상기 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 동작시키는 스캐닝 수단, 및 이전의 A/D 변환을 기초로하여 상기 A/D 변환 수단의 범위를 제어하고 그것에 의해 보강된 변환 분해능을 제공하는 범위 결정 및 세팅 수단을 포함하는 지문 센서를 제공하며, 상기 A/D 변환 수단은 상응하는 복수의 지문 감지 엘리먼트로부터의 아날로그 신호를 동시에 변환하기 위한 복수의 A/D 컨버터를 포함한다.
본 발명은 또한 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 포함하는 타입의 지문 센서를 동작시키기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 제어가능한 범위를 가지는 적어도 하나의 A/D 컨버터를 이용하여 지문 감지 엘리먼트의 어레이로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계; 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하는 단계; 및 이전의 A/D 변환을 기초로하여 적어도 하나의 A/D 컨버터이 범위를 결정하고 제어하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 A/D 컨버터의 범위는 적어도 하나의 기준전압을 기초로하여 제어가능하며, 상기 범위 결정 및 제어 수단은 적어도 하나의 기준전압을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 목적은 예를 들면 제조 처리 변화를 기초로하여 또는 상이한 감지 상태에 대해 상이한 손가락들 사이에서와 같이 이미지 신호 세기의 변화를 수용할 수 있는 지문 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
편리하게, 지문 센서는 지문 감지 엘리먼트의 어레이, 제어가능한 범위를 가지는 아날로그 대 디지털(A/D) 변환 수단, 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하기 위한 스캐닝 수단, 및 이전의 A/D 변환을 기초로하여 상기 A/D 변환 수단의 범위를 제어하고 그것에 의해 보강된 변환 분해능을 제공하는 범위 결정 및 세팅 수단을 포함한다. 변환 분해능은 감지된 손가락, 상태 또는 제조시 처리 변화에도 불구하고 향상된다.
일 실시예에서, A/D 변환 수단은 상응하는 복수의 지문 감지 엘리먼트로부터의 아날로그 신호를 동시에 변환시키기 위하여 복수의 A/D 컨버터를 포함한다. A/D 컨버터의 완전 분해능 범위의 동적 이용을 인에이블함으로써, 감지의 정확도가 상당히 개선될 수 있다.
A/D 변환 수단은 이미지의 세팅을 허용하기 위한 적어도 하나의 기준 전압 입력을 포함한다. 따라서, 범위 결정 및 세팅 수단은 처리기, 및 처리기와 적어도 하나의 기준 전압 입력 사이에 연결된 적어도 하나의 디털 대 아날로그 컨버터를 포함할 수 있다. 특히, A/D 컨버터는 제1 기준 전압 입력과 상응하는 제1 및 제2 범위를 세팅하기 위한 제2 기준 전압 입력을 포함하며 그것에 의해 범위를 한정한다. 택일적으로, 또는 그것에 더하여, A/D 변환 수단은 범위의 세팅을 허용하기 위한 제어가능한 이득을 가지는 적어도 하나의 증폭기를 포함할 수 있다.
범위 결정 및 세팅 수단은 이전의 A/D 변환을 기초로하여 히스토그램을 발생하기 위한 히스토그램 발생 수단을 포함할 수 있다. 이외에도, 범위 결정 및 세팅 수단은 지문 감지 엘리먼트의 초기 하나의 디폴트 범위를 세팅하기 위한 디폴트 세팅 수단을 포함할 수 있다.
지문 감지 엘리먼트의 각각은 전계 감지 전극 및 그것에 연관된 증폭기에 의해 제공될 수 있다. 또한 실드 전극은 각 전계 감지 전극과 연관될 수 있으며 각 증폭기에 연결될 수 있다.
본 발명의 방법 특성은 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 포함하는 타입의 지문 센서를 동작시키는 것이다. 상기 방법은 제어가능한 범위를 가지는 적어도 하나의 A/D 컨버터를 이용하여 지문 감지 엘리먼트의 어레이로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계; 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하는 단계; 및 이전의 A/D 변환을 기초로하여 적어도 하나의 A/D 컨버터이 범위를 결정하고 제어하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 설명한다.
도 1-3은 지문 센서(30)를 도시하는데, 상기 지문 센서는 하우징 또는 패키지(51), 손가락 배치 표면을 제공하는 패키지의 상부 표면상에 노출된 유전체층(52) 및 다수의 외부 핀(도시안됨)을 포함한다. 상기 유전체층(52) 주위에 배치된 제 1도전 스트립 또는 회부 전극(54) 및 제 2외부 전극(53)은 손가락(79)에 대한 접촉 전극을 제공한다. 센서(30)는 처리 레벨에 따라 정교한 레벨 범위의 출력 신호를 제공할 수 있다.
지문 센서(30)는 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이 어레이 패턴 형태로 배열된 다수의 개별 화소 또는 감지 엘리먼트(30a)를 포함한다. 이들 감지 엘리먼트는 지문의 리지(59)를 감지하고 지문의 밸리(valley:60) 사이에 놓이도록 상대적으로 작다. 전자기 센서(30)에 의한 진짜 지문의 판독은 광학 감지보다 신뢰성이 있는데, 이는 리지와 밸리로된 패턴에서 손가락 피부의 임피던스를 모방하기가 힘들기 때문이다. 반대로, 광학 센서는 예를 들어 지문의 사신 또는 다른 유사한 이미지에 의하여 쉽게 오인될 수 있다.
센서(30)는 기판(65) 및 상기 기판 상에 형성된 하나 이상의 능동 반도체 디바이스, 예를 들어 도시된 증폭기(73)를 포함한다. 제 1금속층(66)은 능동 반도체 디바이스를 상호접속한다. 제 1 또는 접지면 전극층(68)은 제 1금속층(66)상에 위치하며 유전체층(67)에 의하여 분리된다. 제 3금속층(71)은 다른 유전체층970)위에 배치된다. 도시된 실시예에서, 제 1외부 전극(54)은 여기 구동 증폭기(74)에 연결되며, 상기 증폭기는 약 1KHz 내지 1MHz 범위인 신호로 손가락(79)을 구동시킨다. 따라서, 구동 또는 여기 전자회로부분은 상대적으로 간단하여 지문 센서(30)의 전체 비용은 낮아지고, 신뢰성은 커진다.
실시예의 원형 전계 감지 전극(78)은 절연층(70)상에 배치된다. 감지 전극(78)은 개략적으로 도시된바와 같이 기판(65)에 인접하게 형성된 증폭기(73)와 같은 감지 집적 전자 회로에 연결될 수 있다.
환형 실드 전극(80)은 일정한 간격을 유지하면서 감지 전극(78)을 감싼다. 공지된 바와 같이, 감지 전극(78) 및 그 주위를 감싸는 실드 전극(80)은 예를 들어 6각형과 같은 다른 형상을 가질 수 있어 화소 또는 감지 엘리먼트(30a)의 어레이 또는 배열이 조밀하게 배치하도록 할 수 있다. 실드 전극(80)은 증폭기(73)의 출력에 의하여 구동되는 능동 실드 전극이어서 전계 에너지를 포커싱하도록 하며 따라서 인접 전계 감지 전극(78)을 구동할 필요성을 감소시킨다.
센서(30)는 세 개의 금속 또는 도전층(66, 68, 71)만을 포함한다. 센서(30)는 추가의 금속층이 필요 없이 만들어질 수 있으며, 추가의 금속층이 요구될 경우 제조비용이 증가하고 수율이 감소할 것이다. 따라서, 본 발명의 센서(30)는 4개 이상의 금속층을 포함하는 센서보다 비용이 적게들며, 튼튼하며 신뢰성이 있다.
증폭기(73)는 실드 전극(80)을 구동하도록 일 이상의 이득에서 동작될 수 있다. 안정성 문제는 증폭기(73)의 동작에 악영향을 미치지 못한다. 또한, 공통 모드 및 잡음 방지가 본 발명의 이러한 특성에 따라 향상된다. 또한, 일 이상의 이득은 공지된 바와 같이 감지 전극(78)에 전계를 포커싱하도록 한다.
감지 엘리먼트(30a)는 매우 낮은 전류 및 매우 낮은 임피던스에서 동작한다. 예를 들어, 각각의 감지 전극(78)으로부터의 출력 신호는 바람직하게 5 내지 10밀리볼트이어서 잡음 영향을 감소시키고 신호를 양호하게 처리하도록 한다. 각각의 감지 엘리먼트(30a)의 근사치 직경은 실드 전극(80)의 외경에 의하여 한정되는데, 이는 약 0.002 내지 0.005인치이다. 접지면 전극(68)은 예기치 않은 여기상태로부터 능동 전자 소자를 보호한다. 전극(78, 80)으로부터 능동 전자 회로로의 여러 가지 신호 공급 도체는 용이하게 형성될 수 있다.
센서(30)의 전체 접촉 또는 감지 표면은 바람직하게 사이즈가 0.5인치×0.5인치인데, 상기 사이즈는 용이하게 제조될 수 있으며 정확한 지문 감지 및 식별에 충분한 크기의 표면을 제공한다. 본 발명의 센서(30)는 무효 화소 또는 감지 엘리먼트(30a)에 대하여 충분한 공차를 제공한다. 일반적인 센서(30)는 약 256×256 화소 또는 센서 엘리먼트 어레이를 포함하지만, 다른 어레이 사이즈는 본 발명에 의하여 고려될 수 있다. 센서(30)는 또한 일차적으로 통상적인 반도체 제조 기술을 이용하여 한번에 제조될 수 있어 제조 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.
도 4에서, 본 발명의 센서(30)의 다른 특징이 설명된다. 센서는 손가락 감지 블록 또는 회로(101)에 의하여 결정되는 바와 같이 손가락이 제 1외부 전극(54)과 접촉할 때를 기초로 능동회로부(100)의 동작을 제어하는 파워 제어 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 손가락 감지 회로(101)는 발진기에 대한 임피던스 변화에 기초하여 동작될 수 있어 손가락 접촉을 결정한다. 물론, 손가락과의 접촉을 감지하는 다른 방법이 본 발명에서 고려될 수 있다. 파워 제어 수단은 손가락이 제 1외부 전극과 접촉했는지를 감지했을 때만 능동회로부에 전원을 공급하는 웨이크업 수단을 포함하여 파워 소모를 감소시킬 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 파워 제어 수단은 또한 손가락이 제 1외부 전극과 접촉하지 않았다는 것을 감지할 때 능동회로부를 접지시키는 보호 수단을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 웨이크업 및 보호 제어 회로(101)의 결합이 도시되어 있다.
지문 센서(30)는 접촉시 손가락 또는 다른 대상물로부터 전하를 방출시키는 손가락 전하 방출 수단을 더 포함한다. 손가락 전하 방출 수단은 손가락에 의하여 접촉하도록 패키지(51)에 제공된 제2 외부 전극(53) 및 제2 외부 전극과 접지사이에 연결된 전하 방출 저항기(104)에 의하여 제공된다. 도 4의 상부우측에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제 2전극은 선택적으로 노출된 상부 유전체층(52)에 대한 개구를 커버링하도록 패키지(51)에 미끄러지도록 접속된 도전성 이동가능 덮개(53')에 의하여 제공될 수 있다. 피봇적으로 접속된 덮개가 또한 본 발명에서 고려될 수 있다. 따라서, 정상 조건에서, 전하는 덮개(53')가 센서(30)의 감지 부분을 노출하도록 이동될 때 손가락으로부터 방출된다.
손가락 전하 방출 수단 및 파워 제어 수단은 예를 들어 웨이크업 중에 당업자가 잘 알고 있는 바와 같이 전하가 저항기(104)를 통하여 방전되기에 충분한 짧은 지연을 제공함으로써 능동회로부를 파워링하기 전에 전하 방출 수단이 손가락상의 전하를 제거할 수 있을 때 까지 능동회로부가 접지상태를 유지하도록 한다. 따라서, 센서(30)에서 파워 소모가 감소되고 센서에 의하여 ESD 보호가 제공되어, 센서는 상대적으로 비용이 적게들고, 튼튼하며, 파워 소모가 적어진다.
도 5와 관련하여, 센서(30)의 다른 특징이 설명된다. 유전체 덮개(52)는 바람직하게 각각의 전계 감지 전극(78)에서, 도시된 필드 라인으로 도시된 전계를 포커싱하는 z-축 이방성 유전층(110)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 유전층(110)은 상대적으로 두껍지만, 이를 통하여 전파되는 전계를 디포커싱하지는 않는데, 이는 z-축의 이방성 재료 때문이다. 일반적으로 필드 포커스와 기계적 보호는 상충된다. 불행하게도, 포커싱에 적합한 얇은 막은 하부의 회로를 쉽게 손상되도록 할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 z-축 이방성 유전층(110)은 약 0.0001 내지 0.004인치의 두께를 가질 수 있다. 물론, z-축 이방성 유전층(110)은 바람직하게 화학적 기계적으로 강해서 손가락과의 접촉에 견디고 솔벤트로 주기적으로 세척가능하다. z-축 이방성 유전층(110)은 바람직하게 집적 회로 다이(120)에 대한 최외각 보호면을 한정할 수 있다. 따라서, 전체 유전체 커버링(52)은 또한 집적 회로 다이(120) 위에 그리고 z-축 이방성 유전층(110) 뒤에 적어도 하나의 상대적으로 얇은 산화물, 질화물 카바이드 또는 다이아몬드층(111)을 포함할 수 있다. 박층(111)은 일반적으로 상대적으로 경질이며, z-축 이방성 유전체층(110)은 바람직하게 연질이어서 기계적 충격을 더 흡수한다.
z-축 이방성 유전층(110)은 경화된 매트릭스에서 배향된 다수의 유전체 입자에 의하여 제공될 수 있다. 예를 들어, z-축 이방성 유전층(110)은 폴리이미드 매트릭스에 바륨 티탄에이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 세라믹은 유전체 이방성을 나타낸다.
도 6에서, z-축 유전체 덮개(52')의 다른 변형이 대응하는 전계 감지 전극(78)과 정렬된 다수의 고유전체 부분(112) 및 이를 감싸는 저 유전체 매트릭스 부분(113)으로 도시되어 있다. 본 실시예의 유전체 덮개(52')는 예를 들어 고유전체 부분 또는 저 유전체 부분중 하나로된 층을 형성하고, 이를 선택적으로 에칭하고 그리고 개구부를 반대 물질로 채움으로써 형성될 수 있다. 다른 방법은 분극가능한 마이크로캡슐을 이용하고 매트릭스 물질의 경화 중에 마이크로캡슐에 전계를 가하는 것이다. 물질은 z-축 이방성이 되도록 압축될 수 있다. 당업자에게 명확한 바와 같이 레이저 및 다른 선택적인 처리 기술이 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 집적 회로 다이(120)의 전체 상부면을 완전하게 커버하고 보호할 수 있다는 것이며 그리고 도 7을 참조로 설명되는 바와 같이 외부 디바이스 및 회로와 접속 및 소통된다는 것이다. 제 3금속층(71)(도 2)은 바람직하게 집적 회로 다이(120)의 용량성 결합을 허용하는 다수의 용량성 결합 패드(116a-118a)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 유전체 덮개(52)는 바람직하게 용량성 커플링 패드(116a-118a) 및 화소(30a)(도 1)의 전계 감지 전극(78) 어레이 위에서 연속된다. 본 발명의 이러한 특징과 대조적으로, 종래에는 본드 패드에 전기적으로 연결하기 위한 외부 코팅을 통해 개구를 형성하였다. 불행하게도, 이러한 개구는 물 및/또는 다른 오염물에 대한 경로를 제공하여 다이가 이와 접촉하게 되어 손상되도록 하였다.
패키지(51) 부분은 대응하는 패드(115b-118b)를 가진 인쇄 회로 보드(122)를 포함한다. 파워 변조 회로(124)는 패드(115b-116b)에 결합되는 반면, 신호 변조 회로(126)는 패드(117b-118b)에 결합된다. 당업자에게 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 신호 및 파워는 인쇄회로기판(122)과 집적회로 다이(120) 사이에 용이하게 결합될 수 있으며, 파워 변조/조절 회로(127), 및 신호 변조 회로(128)를 추가로 이용할 수 있다. z-축 이방성 유전층(110)은 인접한 용량성 결합 패드들 사이의 혼선을 이롭게 감소시킨다. 본 발명의 이 실시예는 집적회로 다이(120)에 들어가서 다이를 손상시키는 습기를 유전성 덮개(52)를 통해 침투하지 못하도록 한다.
도시한 지문 센서(30)에 대하여, 패키지(51)는 전계 감지 전극(78)의 어레이로 정렬된 개구를 가진다(도 1-3). 용량성 결합 및 z-축 이방층(110)은 지문 센서(30)외에도 여러 가지 적용분야에 이롭게 사용될 수 있으며, 특히, 집적회로 다이(120) 및 패드(116a-118a)의 상부면을 덮는 연속막을 가지는 것이 바람직하다.
도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 임피던스 매트릭스 필터링 특성을 설명한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 지문 센서(30)는 지문 이미지에 관련된 신호를 발생하기 위한 관련 능동 회로(131) 및 지문 감지 엘리먼트(130)의 어레이를 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 도시된 센서(30)는 그것으로부터 신호를 필터링하기 위한 능동 회로에 연결된 임피던스 매트릭스(135)를 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 임피던스 매트릭스(135)는 복수의 임피던스 엘리먼트를 가지며 각 임피던스 엘리먼트는 중앙 노드(138)에 의해 지시된 바와 같이 각각의 지문 감지 엘리먼트의 각 능동회로와 다른 능동 회로(외부 노드(140)) 사이에 연결가능하다. 임피던스 매트릭스(135)는 또한 복수의 스위치(137)를 가지며 각 스위치는 각 임피던스 엘리먼트(136)와 직렬로 접속된다. 입력 신호는 스위치(142) 및 연관된 임피던스 엘리먼트(143)를 경유하여 중앙 노드(138)에 공급될 수 있다. 임피던스 엘리먼트는 도시된 바와 같이 하나이상의 저항 및 캐패시터(134)일 수 있다.
필터 제어 수단은 능동 회로(131)에 의해 발생된 신호의 처리를 수행하기 위하여 스위치(137)를 동작시킨다. 일 실시예에서, 지문 감지 엘리먼트(130)는 전계 감지 전극(78)일 수 있으며, 능동 회로(131)는 증폭기(73)일 수 있다. 물론 다른 감지 엘리먼트 및 능동 회로는 본 발명의 임피던스 매트릭스 필터링으로부터 이점을 제공할 것이다.
리지 흐름 결정수단(145)은 지문 이미지의 리지 흐름 방향을 결정하기 위하여 매트릭스(137)의 스위치를 선택적으로 동작시키기 위해 제공될 수 있다. 특히, 리지 흐름 결정 수단(145)은 지문 이미지의 리지 흐름 방향에 관한 신호 세기 벡터를 결정하기 위해 스위치(137)를 선택적으로 동작시킬 수 있다. 리지 흐름 방향은 공지된 회전 슬릿 원리를 기초로하여 결정될 수 있다.
센서(30)는 지문 이미지의 코어 위치를 결정하기 위해 리지 흐름 결정 수단(145)과 협조하는 코어 위치 결정 수단(146)을 포함할 수 있다. 코어의 위치는 예를 들면 지문 이미지로부터 상세한 내용을 추출 및 처리하는데 도움이 된다.
도 8에 개략적으로 도시된 바와 같이, 이진 필터(150)는 그레이 스케일 지문 이미지를 이진화된 지문 이미지로 변환하기 위하여 스위치(137)를 선택적으로 동작시키기 위해 제공된다. 다른 방법을 고려하면, 임피던스 매트릭스(135)는 동적 이미지 콘트라스트 향상을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 그밖에도, 에지 평활 필터(155)는 이미지를 개선시키도록 수행된다. 개략적으로 도시한 바와 같이, 다른 공간 필터(152)들은 당업자가 쉽게 인지할 수 있는 바와 같이 지문 이미지를 공간적으로 필터링하기 위하여 스위치를 효과적으로 동작시키기 위해 임피던스 매트릭스(135)룰 이용하여 실시될 수 있다. 따라서, 지문 이미지의 처리는 센서(30)에서 수행될 수 있으며 그것에 의해 부가적인 다운스트림 계산 요건을 감소시킬 수 있다.
도 9에서 임피던스 매트릭스(135)는 복수의 임피던스 엘리먼트를 포함하며 각 임피던스 엘리먼트는 소정의 지문 감지 엘리먼트(130)에 대한 각 능동회로와 각각의 인접한 지문 감지 엘리먼트에 대한 8개의 다른 능동회로 사이에 연결가능하다.
본 발명의 다른 특징은 능동회로(131)를 순차적으로 파워링하여 파워를 보존하기 위한 제어수단(153)이다. 각 임피던스 엘리먼트(136)는 필터링 기능을 수행하기 위하여 순차적으로 연결된다. 파워링된 능동회로는 클라우드(cloud)나 커넬(kernel)를 한정하도록 고려될 수 있다. 파워 제어 수단(153)은 어댑티브 방식으로 동작될 수 있으며 그것에 의해 필터링을 위해 사용된 영역의 크기는 바람직한 이미지 특성을 위해 동적으로 변화된다. 이외에도, 파워 제어 수단(153)은 감지 엘리먼트(130)의 어레이의 소정의 영역에 상응하는 능동회로중 임의의 하나만을 파워링할 수 있다. 예를 들면, 모든 다른 능동회로는 큰 영역의, 감소된 파워 소모를 제공하도록 파워링될 수 있다.
판독기 제어 수단(154)은 인접한 능동회로로부터의 기여가 필터링을 위해 사용될 수 있도록 각 세트의 능동회로(131)중 소정의 서브세트만을 판독하도록 제공될 수 있다. 즉, 인접한 능동회로(131) 및 연관된 임피던스 엘리먼트(136)가 각각 파워링되고 연결된다 하더라도 서브세트의 능동회로(131)만이 동시에 판독된다. 예를 들면, 16 임피던스 엘리먼트(136)는 서브세트를 한정하며 동시에 쉽게 판독될 수 있다. 서브세트 크기는 결정될 상이한 크기의 특성을 위해 최적화될 수 있다.
따라서, 감지 엘리먼트(130)의 어레이는 빨리 판독될 수 있으며, 모든 능동회로(131)들이 소정 세트의 능동회로를 판독하기 위해 파워링될 필요가 없기 때문에 파워 소모가 실질적으로 감소된다. 일반적인 센서에 대하여, 파워 제어 및 임피던스 매트릭스 특성의 조합은 전체 어레이를 파워링하는 것과 비교할 때 약 10의 팩터만큼 파워를 절약할 수 있을 것이다.
지문 센서(30)는 진짜 지문 이미지로서 시뮬레이트된 이미지를 부정확하게 처리하게 되어 센서가 속는 것을 보호하는 것이다. 예를 들면, 광학 센서는 지문 이미지를 가진 종이를 사용함으로써 속을 수 있다. 본 발명의 지문 센서(30)의 단일 전계 감지는 손가락의 합성 임피던스를 기초로하여 속는 것을 방지하기 위한 효과적인 방법을 제공한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 지문 센서(30)는 손가락(79)이나 그것에 인접하게 위치된 대상물에 관한 신호를 발생하기 위해 임피던스 감지 엘리먼트(160)의 어레이를 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 여기에 개시된 실시예에서, 임피던스 감지 엘리먼트(160)는 전계 감지 전극(78) 및 그것에 연관된 증폭기(73)(도 2)에 의해 제공된다. 그외에도, 보호 실드(80)는 각 전계 감지 전극과 연관되며 각 증폭기(73)에 연결될 수 있다. 속임 방지 수단(161)은 임피던스 감지 엘리먼트(160)의 어레이에 인접하게 위치된 대상물의 임피던스가 진짜 손가락(79)에 상응하는지를 결정하기 위해 제공되며 그것에 의해 진짜 손가락보다 대상물에 의해 지문 센서의 속임을 방지한다. 속임은 개략적으로 도시된 램프(163)에 의해서와 같이 지시될 수 있으며 및/또는 부가 처리를 차단하는데 사용될 수 있다. 택일적으로, 진짜 지문 결정은 램프(164)에 의해 지시될 수 있으며 및/또는 지문 이미지의 부가 처리를 하는데 사용될 수 있다. 진짜 지문이나 시도된 속임을 지시하기 위한 많은 다른 옵션은 당업자에게 쉽게 인지될 것이다.
일 실시예에서, 속임 방지 수단(161)은 진짜 손가락(79)에 상응하는 약 10 내지 60도의 범위에서 위상각을 가지는 합성 임피던스를 검출하기 위하여 임피던스 결정 수단을 포함할 수 있다. 택일적으로, 속임 방지 수단(161)은 예를 들면 이미지를 가지는 종이 시트와 같은 진짜 손가락과는 달리 어떤 대상물에 상응하는 약 0도의 위상각을 가지는 임피던스를 검출할 수 있다. 그외에도, 속임 방지 수단(161)은 다른 대상물에 상응하는 90도의 임피던스를 검출할 수 있다.
도 11에서, 속임 방지 수단의 다른 실시예가 설명된다. 지문 센서(30)는 도시된 여기 증폭기(74)(도2)와 같이 임피던스 감지 엘리먼트(160)의 어레이를 구동하기 위한 구동수단을 포함한다. 센서는 또한 임피던스 감지 엘리먼트(160)의 어레이로부터 신호를 동기적으로 복조하기 위한 동기 복조 수단(170)을 포함한다. 따라서, 본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 속임 방지 수단은 적어도 하나의 소정의 위상 회전각으로 동기 복조 수단(170)을 동작시키기 위한 수단을 포함한다. 예를 들면, 동기 복조 수단(170)은 약 10 내지 60도의 범위에서 동작될 수 있으며, 크기는 진짜 지문을 나타내는 소정 임계치에 비교된다. 진짜 지문은 전형적으로 10 내지 60도 범위내의 합성 임피던스를 가진다.
택일적으로, 비율 발생 및 비교 수단(172)은 제1 및 제2 위상각 θ1,θ2으로 신호를 동기적으로 복조하고, 그 진폭 비율을 발생하며, 대상물이 진자 지문인지 다른 대상물인지를 결정하기 위하여 진폭비율과 소정의 임계치를 비교하기 위해 동기 복조 수단(170)과 협조하도록 제공된다. 따라서, 동기 복조기(170)는 진짜 손가락이 아닌 다른 대상물에 의해 센서(30)의 속임을 방지하기는데 적정한 임피던스 정보를 발생하는데 사용된다. 제1 및 제2 위상각 θ1,θ2은 예를 들면, 45 내지 90도의 범위에서 차이를 가질 수 있다. 다른 각들은 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이 본 발명에 의해 예상된다.
지문 센서(30)는 상이한 손가락에 의해 또는 상이한 상태하에서 발생된 이미지 신호의 세기의 차를 처리하고, 처리 변화에 의해 초래되는 센서의 차를 처리하기 위하여 자동 이득 제어 특성부를 포함한다. 지문 이미지를 정확하게 생성하기 위하여, 센서는 지문의 리지와 밸리 사이를 식별할 수 있는 것이 중요하다. 따라서, 센서(30)는 이득 제어 특성부를 포함하며, 그 제1 실시예가 도 12를 참조로 이해될 것이다.
도 12에 도시된 바와같이, 지문 센서(30)의 설명된 부분은 전계 감지 전극(78)의 형태로 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 포함하며 증폭기(73)에 연결된 실드 전극(80)을 에워싼다. 다른 지문 감지 엘리먼트는 자동 이득 제어 실시로부터 유리할 것이다.
센서(30)의 신호 처리 회로는 도시한 바와 같이 복수의 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터(180)를 포함한다. 더욱이, 이들 A/D 컨버터(180)의 각각은 제어가능한 스케일을 가질 수 있다. 스캐닝 수단(182)은 A/D 컨버터(180)의 뱅크에 다른 엘리먼트를 순차적으로 연결시킨다. 이득 처리기(185)는 이전의 A/D 변환을 기초로 A/D 컨버터(180)의 범위를 제어하기 위한 범위 결정 및 세팅수단을 제공하며 그것에 의해 향상된 변환 분해능을 제공한다. A/D 컨버터(180)는 범위의 세팅을 허용하기 위해 기준 전압 입력 Vref과 오프셋 전압 입력 Voffset을 포함한다. 따라서, 범위 결정 및 세팅 수단은 A/D 컨버터(180)의 기준 전압 입력 Vref과 이득 처리기(185) 사이에 연결된 제1 디지털 대 아날로그(D/A) 컨버터(186)를 포함한다. 이외에도, 제2 D/A 컨버터(189)는 이득 처리기(185)로부터 오프셋 전압 입력 Voffset에 연결되어 있다.
이득 처리기(185)는 이전 A/D 변환을 기초로하여 상기한 바와 같이 히스토그램을 발생하기 위한 히스토그램 발생 수단을 포함할 수 있다. 도 12에서 이득 처리기(185)에 인접한 그래프는 일반적인 히스토그램 플롯(191)을 도시한다. 히스토그램 플롯(191)은 지문의 감지된 리지 및 밸리에 상응하는 두 개의 피크를 포함한다. A/D 컨버터(180)에 대한 범위를 세팅함으로써, 피크는 원하는대로 쉽게 위치설정되며 그것에 의해 상기한 변화를 처리하고 A/D 컨버터(180)의 전체 분해능을 사용하게 된다.
도 13에서, A/D 컨버터(180)는 범위의 세팅을 허용하기 위해 연관된 입력 증폭기를 포함할 수 있다. 이 변화에서, 범위 결정 및 세팅 수단은 이득 처리기(185)를 포함할 수 있으며, 증폭기는 처리기에 연결된 프로그램가능한 이득 증폭기(PGA)(187)이다. 이득 처리기(185)로부터 출력된 디지털 워드는 A/D 컨버터(180)의 분해능의 완전 사용이 최상의 정확도를 위해 얻어지도록 PGA(187)의 이득을 세팅한다. D/A 컨버터(192)를 통해 증폭기(187)에 연결되고 이득 처리기(185)로부터 출력된 제2 디지털 워드는 증폭기의 오프셋을 제어할 수 있다.
이득 처리기(185)의 범위 결정 및 세팅 수단은 지문 감지 엘리먼트의 초기 하나에 대한 디폴트 범위를 세팅하기 위한 디폴트 세팅 수단을 포함할 수 있다. 본 발명의 자동 이득 제어 특성부는 D/A 컨버터(180)가 완전 분해능 범위에 걸쳐 동작되도록 하며 그것에 의해 이미지 신호 처리의 정확도가 증가된다.
지문 센서는 지문 감지 엘리먼트의 어레이, 제어가능한 범위를 가지는 아날로그 대 디지털 컨버터, 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하기 위한 스캐너, 및 이전의 A/D 변환을 기초로하여 A/D 컨버터의 범위를 제어하기 위한 범위 결정 및 세팅 수단을 포함한다. 복수의 A/D 컨버터는 지문 감지 엘리먼트이 어레이로부터 아날로그 신호를 동시에 변환하는데 사용된다. A/D 컨버터는 범위의 제1 및 제2 포인트의 세팅을 허용하기 위한 적어도 하나의 기준 전압 입력을 포함할 수 있다. 범위 스케일 결정 및 세팅 회로는 이전의 A/D 변환을 기초로하여 히스토그램을 발생한다.

Claims (12)

  1. 지문 감지 엘리먼트의 어레이;
    제어가능한 범위를 가지며 상기 범위를 기초로하여 상기 지문 감지 엘리먼트의 어레이로부터 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 대 디지털(A/D) 변환 수단;
    지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하기 위하여 상기 A/D 변환 수단 및 상기 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 동작시키기 위한 스캐닝 수단; 및
    이전의 A/D 변환을 기초로 하여 상기 A/D 변환 수단의 범위를 제어하기 위한 범위 결정 및 세팅 수단을 포함하며,
    상기 A/D 변환 수단은 상응하는 복수의 지문 감지 엘리먼트로부터의 아날로그 신호를 동시에 변환시키기 위한 복수의 A/D 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 A/D 변환 수단은 적어도 하나의 범위 포인트의 세팅을 허용하기 위한 적어도 하나의 범위 입력을 포함하며, 상기 범위 결정 및 세팅 수단은 처리기, 및 상기 처리기와 적어도 하나의 범위 입력 사이에 연결된 적어도 하나의 아날로그 대 디지털 컨버터를 포함하며, 상기 A/D 변환 수단은 제1 범위 포인트의 세팅을 허용하기 위한 제1 기준 전압 입력을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 A/D 변환 수단은 제2 범위 포인트의 세팅을 허용하기 위한 제2 기준 전압 입력, 및 범위의 세팅을 허용하기 위한 적어도 하나의 증폭기를 포함하며, 상기 범위 결정 및 세팅 수단은 이전의 A/D 변환을 기초로하여 히스토그램을 발생하기 위한 히스토그램 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  4. 제1항 내지 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 범위 결정 및 세팅 수단은 상기 지문 감지 엘리먼트중 초기 하나에 대한 디폴트 범위를 세팅하기 위한 디폴트 세팅 수단을 포함하며, 상기 지문 감지 엘리먼트의 각각은 전계 감지 전극 및 그것과 연관된 증폭기, 그리고 상기 각 전계 감지 전극과 연관되고 각 증폭기에 연결된 실드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  5. 지문 감지 엘리먼트의 어레이;
    적어도 하나의 기준 전압을 가지며 적어도 하나의 기준 전압을 기초로하여 적어도 하나의 지문 감지 엘리먼트의로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 적어도 하나의 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터;
    상기 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하기 위하여 상기 적어도 하나의 A/D 컨버터 및 상기 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 동작시키기 위한 스캐닝 수단; 및
    이전의 A/D 변환을 기초로하여 상기 적어도 하나의 A/D 컨버터의 적어도 하나의 기준 전압을 제어하기 위한 기준 전압 결정 및 세팅 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 A/D 컨버터는 상응하는 복수의 지문 감지 엘리먼트로부터 아날로그 신호를 동시에 변환하기 위한 복수의 A/D 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  7. 제 5항 또는 6항에 있어서, 상기 기준 전압 결정 및 세팅 수단은 처리기, 상기 처리기와 적어도 하나의 기준전압 입력 사이에 연결된 적어도 하나의 디지털 대 아날로그 컨버터, 그 범위의 세팅을 허용하기 위하여 상기 적어도 하나의 A/D 컨버터와 협조하는 적어도 하나의 증폭기, 및 이전의 A/D 변환을 기초로하여 히스토그램을 발생하기 위한 히스토그램 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  8. 제 5항 내지 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기준전압 결정 및 세팅 수단은 상기 지문 감지 엘리먼트중 초기 하나에 대해 적어도 하나의 디폴트 기준전압을 세팅하기 위한 디폴트 세팅 수단을 포함하며, 상기 지문 감지 엘리먼트의 각각은 전계 감지 전극, 그것과 연관된 증폭기, 및 상기 각 전계 감지 전극과 연관되고 각 증폭기에 연결된 실드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  9. 지문 감지 엘리먼트의 어레이,
    적어도 하나의 기준전압을 각각 가지며 상기 적어도 하나의 기준전압을 기초로하여 적어도 하나의 지문 감지 엘리먼트이 어레이로부터 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 복수의 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터;
    상기 지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하기 위하여 상기 복수의 A/D 컨버터 및 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 동작시키기 위한 스캐닝 수단; 및
    향상된 변환 분해능을 제공하기 위하여 이전의 A/D 변환을 기초로하여 상기 적어도 하나의 A/D 컨버터의 적어도 하나의 기준전압을 제어하기 위한 기준전압 결정 및 세팅 수단을 포함하며,
    상기 기준전압 결정 및 세팅수단은 이전의 A/D 변환을 기초로하여 히스토그램을 발생하기 위한 히스토그램 발생수단, 처리기, 상기 처리기와 적어도 하나의 기준전압 입력 사이에 연결된 적어도 하나의 디지털 대 아날로그 컨버터, 및 그 범위의 세팅을 허용하기 위해 각 A/D 컨버터와 협조하는 각각의 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 기준전압 결정 및 세팅 수단은 상기 지문 감지 엘리먼트중 초기 하나에 대해 적어도 하나의 디폴트 기준전압을 세팅하기 위한 디폴트 세팅 수단을 포함하며, 상기 지문 감지 엘리먼트의 각각은 전계 감지 전극 및 그것에 연관된 증폭기, 그리고 각 전계 감지 전극에 연관되고 각 증폭기에 연결된 실드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서.
  11. 지문 감지 엘리먼트의 어레이를 포함하는 타입의 지문 센서를 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    제어 범위를 가지는 적어도 하나의 A/D 컨버터를 이용하여 지문 감지 엘리먼트의 어레이로부터 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계;
    지문 감지 엘리먼트의 어레이중 소정의 하나의 순차적인 A/D 변환을 수행하는 단계; 및
    향상된 변환 분해능을 제공하기 위하여 이전의 A/D 변환을 기초로하여 적어도 하나의 A/D 컨버터의 범위를 결정하고 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 A/D 컨버터의 범위는 적어도 하나의 기준전압을 기초로하여 제어가능하며, 상기 범위 결정 및 세팅 단계는 적어도 하나의 기준전압을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서 동작 방법.
  12. 제 12항에 있어서, 상기 아날로그 신호 변환 단계는 범위의 세팅을 허용하는 제어가능한 이득을 가지는 적어도 하나의 증폭기를 이용하여 동일하게 변환하는 단계를 포함하며, 상기 범위 결정 및 세팅 단계는 증폭기를 이용하여 범위를 제어하는 단계, 이전의 A/D 변환을 기초로하여 히스토그램을 발생하는 단계, 및 지문 감지 엘리먼트중 초기 하나에 대한 디폴트 범위를 세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서 동작 방법.
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