KR20010105969A - 압저항형 압력센서를 이용한 지문인식장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지문패턴 인식분야에 관한 것으로, 다양한 조절 유니트로서 사용되는 압저항형 압력센서를 지문인식에 적합하게 초집적하여 지문인식을 가능하게 한 지문인식장치를 제공하고 있으며, 또한 상기 지문인식장치를 이용해서 지문의 융선형상 및 모양에 따라 달리 나타나는 접촉압을 이용하여 지문패턴의 입체적인 모양을 디지탈 데이타화하여 저장된 기준데이타와 비교,판독함으로써 지문을 입체적으로 인식할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것으로, 상기한 장치 및 방법을 이용하면 지문의 오인식률을 낮추어 지문인식시스템의 신뢰성을 크게 제고할 수 있게 된다.

Description

압저항형 압력센서를 이용한 지문인식장치 및 그 방법{A finger-pattern cognition device using the piezoresistive type sensor and thereof method}

본 발명은 지문을 인식하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다양한 조절 유니트로 사용되는 압저항형 압력센서(pressure sensor of piezoresistive type)를 지문인식에 적합하게 초집적하여 지문인식을 가능하게 한 지문인식장치와 상기 지문인식장치를 이용해서 지문의 입체적인 모양을 형상화하여 미리 입력되어 있는 비교데이타와 비교함으로써 지문의 오인식률을 낮추어 지문인식시스템의 신뢰성을 크게 제고시킬 수 있는 지문인식방법에 관한 것이다.

일반적으로, 지문은 사람의 신체적 특징 중의 하나로서 사람마다 서로 특징이 다르고, 지문이 손상되지 않는 한 평생동안 변하지 않는 다는 특성을 가지고 있어서, 지문은 개인식별의 유효한 수단으로서 오래전 부터 범죄수사의 물적증거로 활용되어 왔으며, 지문은 손가락당 평균 100개 정도 존재하는 것으로 알려진 특징점을 조사함으로써 식별이 가능한데, 기준데이타와 입력된 지문의 데이타를 비교하여 이 중에서 특징점이 12개 정도(이상) 일치하면 동일한 지문으로 판단하게 된다.

이러한 지문을 자동인식하는 시스템은 식별시스템과 인증시스템으로 구별되며, 식별시스템은 등록된 다수의 지문 중에서 입력된 지문을 부별하는 것으로 범죄수사용으로 많이 이용되는 것이고, 인증시스템은 등록된 지문과 입력된 지문을 대조하여 판별하는 것으로 작업과정이 간단하고 소요시간이 짧아 ID카드 대신 사용할 수 있는 시스템이다.

종래의 지문인식방법으로는 크게 세선화나 주파수 공간에서의 푸리에변환, 또는 신경회로망이나 퍼지논리에 의한 지문인식방법 등이 있으며, 이들은 대부분 잡음을 줄이는 전처리와 보정과정의 후처리를 필요로 하게 된다. 또한, 이들 간에는 통계적 규칙, 신경회로망 구성등의 방법을 혼재하여 사용되는 것이 일반적이며, 일예로 체인코드나 융선추적 등이 사용되고 있다. 이러한 종래의 고속푸리에변환을 기반으로 하는 지문인식방식은 실시간처리에 있어서 매우 우수한 성능을 보이며 보안성에 있어서도 엄지와 검지 손가락 모두에 적절한 인식률을 보장하고는있으나, 지문인식 방법의 특성상 주파수 공간에서 시스템이 운용되므로 지문이 끊기는 단점이 있으며, 분기점의 정확한 위치를 추출하는데 부적합한 문제가 있다.

현재, 지문인식 분야에서 주로 사용되는 방식으로는 프리즘을 이용한 광학적 지문인식방식이 있으며, 이 방식은 프리즘과 지문의 융선이 접촉되는 부분에서 산란된 광을 감지하여 입력된 기준데이타와 비교함으로써 지문을 인식하는 방식으로, 화소방식과 DPI방식이 널리 상용화 되어 있다.

도 1은 종래의 프리즘을 이용한 지문인식장치의 구성도로서, 도면을 보면, 광원(11)과, 상기 광원(11)에서 방출되는 광속(12)을 제1측면으로 입사시켜 경사면의 소정부분에 위치된 손가락(14)의 지문융선(15)과 접촉된 부분에서 산란시키고 나머지 부분에서 전반사시켜 지문의 영상을 발생하는 프리즘(13)과, 상기 전반사된 광속(16)을 결상시키는 결상렌즈(17), 결상된 광속으로 부터 영상을 검출하는 영상검출소자(18)로 이루어진다. 상기 지문인식장치는 프리즘(13)의 경사면에 대응하는 제1측면과 제2측면 사이의 각이 90°인것을 이용한다. 광원(11)으로 부터 방출되어 프리즘(13)의 제1측면을 통해 입사되는 광속(12)이 경사면에서 전반사되고, 이 전반사된 광속이 제2측면을 통해 공기중으로 방출되어 결상렌즈(17)를 통해 결상되도록 배열된다. 따라서, 프리즘(13)의 경사면 표면에 지문검사를 위한 손가락을 위치시키면 지문융선(15)이 접촉되는 부분에서는 입사되는 광속이 전반사되지 않고 산란되어 지문의 영상이 발생된다. 이렇게 발생된 지문영상은 프리즘(13)의제2측면과 결상렌즈(17)를 통해 전하결합소자 등의 영상검출소자(18)에 결상된다. 이러한 지문인식장치는 영상검출소자(18)에서 결상되는 지문의 영상이 지문융선이 접촉되지 않는 부분에서 전반사되는 광속을 이용하여 얻어지므로 지문영상의 밝기가 매우 높게 된다. 그러나, 이러한 지문인식장치는 입사되는 광속이 경사면과 소정의 각도, 예를 들면 45°의 각도를 가지면, 지문융선이 접촉되지 않는 부분에서 전반사된 광속은 반대쪽 45°의 각도로 진행하게 된다. 이 경우 지문의 각 부분들은 결상렌즈로 부터 각기 다른 물체거리를 가지므로 결상된 전체지문영상의 각 부분은 각기 다른 횡배율을 갖게 된다. 즉, 원래의 지문에 비해 지문의 일부분은 확대되며, 나머지 부분은 축소된 형태로 지문영상이 얻어진다. 또한, 같은 이유로 지문영상의 각 부분이 모두 선명하게 형성되는 영역인 상면이 곡면을 이루게 되므로 영상감지소자로 지문영상을 감지할 때 상의 일부분은 선명하게 맺혀지지만 나머지 부분은 뿌옇게 맺히는 형상도 일어난다. 이러한 현상을 사다리꼴 왜곡이라고 하는데, 상기 종래의 지문인식장치에서는 결상렌즈가 지문을 바로보는 각도가 45°이므로 사다리꼴 왜곡이 발생하게 된다. 그리고, 지문인식장치는 앞 사용자의 잠재지문을 수행한 후 프리즘 경사면에 남게 되는 지문의 자국)이 남게 되어 경사면 표면에 손가락을 위치시키지 않는 경우에는 지문영상이 감지되며, 검사하기 위한 손가락을 위치시키는 경우에는 입사되는 광속이 전반사되어야 할 부분에서 산란이 일어날 수 있어 지문인식의 신뢰도가 낮아지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 지문인식장치의 문제점을 해소하기 위해 창안한 것으로, 다양한 조절 유니트로서 사용되는 압저항형 압력센서를 지문인식에 적합하게 초집적하여 지문인식을 가능하게 한 지문인식장치를 제공하고자 하는 것이며, 또한 상기 지문인식장치를 이용해서 지문의 입체적인 모양을 형상화하여 입력된 데이타와 비교함으로써 지문의 오인식률을 낮추어 지문인식시스템의 신뢰성을 크게 제고할 수 있는 지문인식방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지문인식장치는, 융선 사이의 간격과, 융선 사이의 골의 깊이와, 융선 산의 폭이 서로 상이한 손가락 지문에 따라 각기 다르게 나타나는 압력크기에 의한 압저항의 변화를 전압변화로 출력하기 위한 장치로서, 상부 완충산화막과, 상기 산화막에 접촉하는 손가락 지문의 융선을 부분적으로 감지하는데 적합하도록 산화막 하부에 매트릭스형상으로 상기 융선간격과 융선산의 폭보다 작게 형성된 다수의 압저항형 압력센서와, 상기 압력센서를 전기적으로 분리하기 위한 분리막, 및 하부 기판을 포함하는 반도체 지문인식센서와, 지문인식센서에서 감지된 각각의 결과를 스캐닝하여 아날로그 값으로 출력하는 지문스캐닝 출력부와, 상기 스캐닝 출력부의 스캔수단을 순차적으로 구동하기 위한 구동신호 발생부와, 상기 지문인식센서에서 발생하는 옵셋전압과 스팬의 온도보상을 위한 온도보상부와, 상기 온도보상된 아날로그 신호를 디지탈신호로 변환하기 위한 A/D변환기를 구비하여 이루어진다.

또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지문인식방법은, 매트릭스형상으로 다수의 압저항형 압력센서가 집적된 반도체 지문인식장치의 표면에 손가락지문의 융선이 실질적으로 접촉되어 융선에 의해 각 압력센서에 가해지는 압력에 따라 변화하는 압저항을 전압변화로 읽어내어 지문의 패턴을 인식하는 방법에 있어서, 손가락지문에 형성되어 있는 융선간의 간격 및 폭보다 작게 압저항형 압력센서가 집적된 지문인식장치에 접촉된 지문융선의 형상과 모양에 의해 변화되는 압력저항에 따른 아날로그 전압값을 상기 집적된 각각의 압저항형 압력센서에서 출력하면, 상기 각 아날로그 전압값을 구동신호발생부의 구동신호에 따라 스캐닝출력부에서 순차로 스캐닝한 후, 온도보상부에서 옵셋전압과 스팬의 온도보상을 하고, 상기 각 아날로그 전압값을 A/D변환기에서 디지탈화한 디지탈데이타를 이용하여 압력센서에 접촉되는 지문융선의 형상과 모양에 따라 다수의 압력센서에 각각 가해지는 접촉압력 차이를 개별적으로 제어하여 저장된 기준데이타와 비교,판독하여 지문의 패턴을 입체적으로 인식하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 압저항형 압력센서의 단면구조를 나타낸 도면,

도 2a는 일반적인 압저항형 압력센서의 단면구조를 나타낸 도면,

도 2b는 일반적인 압저항형 압력센서의 회로도,

도 3은 압력센서에 인가되는 압력과 출력전압의 상관관계를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 압저항형 반도체 압력센서의 소자배치도,

도 5는 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 손가락지문의 개략적인 융선도,

도 6은 본 발명에 따라 반도체기판 상에 초고집적된 일예의 반도체 압력센서의 단면형상도,

도 7은 본 발명에 따른 지문인식장치의 블럭회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 광원 12, 16 : 광속

13 : 프리즘 14 : 손가락

15 : 지문융선 17 : 결상렌즈

18 : 전하결합소자 21, 63 : 실리콘기판

23, 43 : 압저항 25, 61 : 산화막

27 : 도전층 400,‥, 4nn, 62 : 압력센서

64 : 분리막 71 : 지문인식장치

72 : 스캐닝출력부 72-1,‥, 72-n : 스캔수단

73 : 구동신호발생부 74 : 온도보상부

75 : A/D변환기

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 압저항형 압력센서를 이용한 지문인식장치 및 그 방법을 보다 상세히 설명해 보기로 한다.

첨부도면의 도 1은 일반적인 압저항형 압력센서의 단면구조를 나타낸 도면이고, 도 2a는 일반적인 압저항형 압력센서의 단면구조를 나타낸 도면, 도 2b는 일반적인 압저항형 압력센서의 회로도이다, 또, 도 3은 압력센서에 인가되는 압력과 출력전압의 상관관계를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 압저항형 반도체 압력센서의 소자배치도이고, 도 5는 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 손가락지문의 개략적인 융선도를 나타낸 것이다. 도 6은 본 발명에 따라 반도체기판 상에 초고집적된 일예의 반도체 압력센서의 단면형상도이며, 도 7은 본 발명에 따른 지문인식장치의 블럭회로도이다.

본 발명에 따른 상기 지문인식장치는 다이아프램형 압력센서를 반도체기판에 초고집적하여 이루어진 것인데, 일반적으로 압저항형 압력저항센서는 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘기판(21)을 에칭한 수십 ㎛의 다이아프램 영역상의 압저항(23)이 및 도 2b에 보인 바와 같이 휘스톤 브릿지 형태로 배열되어 있다. 그리고, 상기 압저항이 형성된 실리콘기판의 표면에 산화막(25) 및 도전층(27)이 형성되어서, 다이아프램 영역의 앞면 또는 뒷면에서 압력을 인가하면 인가압력에 따라서 압저항(23)이 변하고, 압저항 변화를 전압의 변화로 검출하는 장치이다. 결과적으로, 본 발명의 압저항형 반도체 압력센서는 압저항 변화에 따른 전압의 변화를 검출함으로써 압력변화를 검출하는 장치이다.

본 발명에서 이용하고자 하는 압저항형 압력센서는 센서에 인가된 압력에 따른 저항의 변화율을 전압의 변화로 나타내는 소자이기 때문에, 결국 전압의 변화율은 실리콘기판 표면의 종방향 및 횡방향 응력성분의 차로 나타낼 수 있게게 되며,압력감도에 영향을 미치는 요소로서는 다이아프램 영역의 모양, 크기 및 두께와, 그리고 압저항의 위치, 모양 및 크기 등의 다양한 변수가 있으므로, 압력센서를 반도체기판에 집적하기 위해서는 이를 고려한 최적의 설계가 필요하다.

압력센서들은 상술한 바와 같이, 센서에 인가된 압력에 따라 전기적인 특성이 변하며, 이 전기적인 특성으로 부터 센서에 인가된 압력을 측정하는 것인데, 근래에는 압력센서를 실리콘에 집적한 실리콘 압력센서가 많이 사용되고 있으며, 이 실리콘 압력센서 또한 실리콘의 압저항 효과를 이용하는 것이다. 즉, 실리콘 압력센서는 상술한 압저항형 압력센서와 같이 센서에 인가되는 압력에 따라 다른 전압을 발생하며, 이 전압을 이용하여 센서에 인가되는 압력을 측정하는 것이다.

그러나, 실리콘의 압저항 효과를 이용하는 압력센서는 실리콘의 압저항계수가 온도변화에 따라 변동하기 때문에 압력센서의 출력전압이 온도에 따라 변하게 된다. 이에 따라 일반적으로 실리콘 압력센서에 신호처리회로를 부가하고 있으나, 압력센서에 부가된 신호처리회로의 출력전압도 변하게 되어 사용자가 원하는 사양과는 다른 특성이 종종 생기게 되므로, 온도를 보상하는 온도보상 메카니즘이 부가되어야 한다.

도 3은 압력센서에 인가된 압력과 신호처리회로의 출력전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 가로축은 압력을 나타내며, 세로축은 압력에 따른 신호처리회로의 출력전압을 나타낸 것이다. 도 3에서 압력이 "0"인 경우, 즉 압력센서에 압력이 인가되지 않은 경우의 신호처리회로의 출력전압을 옵셋전압(offset voltage)이라 하고, 압력의 증가에 대한 출력전압의 증가비, 즉 기울기를 스팬(span)이라 한다.

도 3의 B는 압력센서의 온도변화에 따른 신호처리회로의 출력전압의 일예를 나타낸 것으로, 압력센서의 온도가 변함에 따라 옵셋전압 및 스팬이 변화하여 도 3의 A에 나타낸 바의 최초 사용자가 원하는 사양과는 다른 특성을 나타내게 되는 것이다. 따라서, 신호처리회로에서는 옵셋전압과 스팬의 조정 뿐아니라 옵셋전압 및 스팬의 온도보상도 행해져야 하며, 이러한 실리콘 압력센서의 온도보상을 위한 방법으로 미합중국특허 제4,813,272호에는 NTC(부온도계수) 서미스터를 이용한 온도보상 방법이 개시되어 있으며, 또 미합중국특허 제5,042,307호에는 온도계수가 극히 작은 박막저항을 이용하여 레이저 트리밍(triming)하여 박막저항을 이용한 온도보상 방법 등이 알려져 있다.

먼저, 도 5와 도 6를 참조하여 본 발명에 따른 지문인식장치의 구성요소와 그 지문인식 메카니즘을 살펴보면 다음과 같다. 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 장치는 손가락지문 융선 사이의 간격(A)과, 융선 사이의 골의 깊이(B)와, 융선 산의 폭(C)이 사람마다 서로 상이하며, 손가락 지문의 형상에 따라 각기 다르게 나타나는 압력크기에 의한 압저항의 변화를 전압변화로 출력하기 위한 장치로서, 도 6에서 보는 바와 같이 상부 완충산화막(61)과, 상기 산화막(61)에 접촉하는 손가락지문의 융선을 부분적으로 감지하는데 적합하도록 산화막(61) 하부에 매트릭스형상으로 상기 융선간격과 융선산의 폭보다 작게 형성된 다수의 압저항형 압력센서(62)가 반도체 하부기판(63)에 초고집적되고, 상기 압력센서를 전기적으로 분리하기 위한 분리막(64), 및 하부 기판을 포함하여 압저항의 저항변화를 전압변화로 출력하는 반도체 지문인식장치가 구비된다.

도 7을 참조하여 본 발명에 따른 지문인식장치의 구성요소를 살펴보면, 본 발명에 따른 지문인식장치(71)에서 감지된 각각의 출력전압값을 스캐닝 출력부(72)에서 스캐닝하여 아날로그 값으로 출력한다. 상기 스캐닝 출력부(72)는 구동신호 발생부(73)에서 출력되는 구동신호에 의해 스캔수단(72-1,‥, 72-n)을 순차적으로 구동하며, 상기 지문인식장치(71)에서 발생하는 옵셋전압과 스팬현상은 온도보상부(74)에서 온도보상을 함으로써 지문인식과정에서 발생하는 인식오류를 크게 감소시키게 되며, 상기 온도보상된 아날로그 신호를 A/D변환기(75)에서 디지탈신호로 변환하여 비교,판독기로 출력하게 함으로써, 반도체 칩의 특성으로 인해 야기되는 온도변화를 본 발명에서는 온도보상수단으로 보상할 수가 있으므로 종래 의 방식에 비해 지문인식장치의 제조비용이 크게 절감될 뿐아니라, 반도체 칩 특성의 신뢰성을 크게 제고할 수가 있다.

상술한 바의 본 발명에 따른 압저항형 지문인식센서를 이용한 지문패턴 인식방법은, 지문의 패턴을 인식하는 방법으로서, 매트릭스형상으로 다수의 압저항형압력센서가 집적된 반도체 지문인식센서의 표면에 손가락지문의 융선이 실질적으로 접촉되어, 융선에 의해 각 압력센서에 가해지는 압력에 따라 변화하는 압저항을 전압변화로 읽어내어 지문의 패턴을 인식하는 방법으로, 상기 지문인식장치에 집적된 압저항형 압력센서는 손가락지문에 형성되어 있는 융선간의 간격 및 폭보다 작게 형성되며, 센서에 접촉된 융선의 형상에 따라 변화하는 압력저항에 의한 아날로그 전압값(센서에 접촉되는 부분 및 접촉되지 않는 부분의 각 전압값)을 출력하면, 스캐닝출력부에서는 상기 각 아날로그 전압값을 순차로 스캐닝하한 다음, 온도보상부에서 옵셋전압과 스팬의 온도보상을 하게 된다. 스캐닝출력부에서는 상기 각 아날로그 전압값을 디지탈 변환한 매개변수를 이용하여 압력센서에 접촉되는 지문융선의 형상과 모양에 따라 다수의 압력센서에 각각 가해지는 접촉압력 차이를 개별적으로 제어하여 저장된 기준데이타와 비교,판독하여 지문의 패턴을 입체적으로 인식하게 된다.

상술한 바의 본 발명의 장치 및 방법에 의하면, 다양한 조절 유니트로서 사용되는 압저항형 압력센서를 지문인식에 적합하게 초집적하여 지문인식을 가능하게 할 수 있으며, 반도체 칩의 특성으로 인해 야기되는 온도변화를 통상의 온도보상수단으로 보상할 수가 있으므로 종래의 방식에 비해 지문인식장치의 제조비용이 크게 절감됨과 동시에 반도체 칩 특성의 신뢰성을 크게 제고할 수가 있으며, 종래의 프리즘방식에 비해 지문인식장치의 주변모듈의 구성을 간단하게 하여 제조원가를 크게 줄일 수 있을 뿐아니라, 상기 지문인식장치를 이용해서 지문의 입체적인 모양을 형상화하여 미리 입력된 데이타와 비교,판단함으로써 지문의 오인식률을 낮추어 지문인식시스템의 신뢰성을 크게 제고할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 융선 사이의 간격과, 융선 사이의 골의 깊이와, 융선 산의 폭이 서로 상이한 손가락 지문에 따라 각기 다르게 나타나는 압력크기에 의한 압저항의 변화를 전압변화로 출력하기 위한 장치로서, 상부 완충산화막과, 상기 산화막에 접촉하는 손가락 지문의 융선을 부분적으로 감지하는데 적합하도록 산화막 하부에 매트릭스형상으로 상기 융선간격과 융선산의 폭보다 작게 형성된 다수의 압저항형 압력센서와, 상기 압력센서를 전기적으로 분리하기 위한 분리막, 및 하부 기판을 포함하는 반도체 지문인식센서와, 지문인식센서에서 감지된 각각의 결과를 스캐닝하여 아날로그 값으로 출력하는 지문스캐닝 출력부와, 상기 스캐닝 출력부의 스캔수단을 순차적으로 구동하기 위한 구동신호 발생부와, 상기 지문인식센서에서 발생하는 옵셋전압과 스팬의 온도보상을 위한 온도보상부와, 상기 온도보상된 아날로그 신호를 디지탈신호로 변환하기 위한 A/D변환기를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서를 이용한 지문인식장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 지문인식센서는 다이아프램형 압력센서를 반도체기판에 초고집적하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서를 이용한 지문인식장치.
3. 매트릭스형상으로 다수의 압저항형 압력센서가 집적된 반도체 지문인식장치의 표면에 손가락지문의 융선이 실질적으로 접촉되어 융선에 의해 각 압력센서에 가해지는 압력에 따라 변화하는 압저항을 전압변화로 읽어내어 지문의 패턴을 인식하는 방법에 있어서,

   손가락지문에 형성되어 있는 융선간의 간격 및 폭보다 작게 압저항형 압력센서가 집적된 지문인식장치에 접촉된 지문융선의 형상과 모양에 의해 변화되는 압력저항에 따른 아날로그 전압값을 상기 집적된 각각의 압저항형 압력센서에서 출력하면, 상기 각 아날로그 전압값을 구동신호발생부의 구동신호에 따라 스캐닝출력부에서 순차로 스캐닝한 후, 온도보상부에서 옵셋전압과 스팬의 온도보상을 하고, 상기 각 아날로그 전압값을 A/D변환기에서 디지탈화한 디지탈데이타를 이용하여 압력센서에 접촉되는 지문융선의 형상과 모양에 따라 다수의 압력센서에 각각 가해지는 접촉압력 차이를 개별적으로 제어하여 저장된 기준데이타와 비교,판독하여 지문의 패턴을 입체적으로 인식하는 것을 특징으로 하는 압저항형 지문인식센서를 이용한 지문패턴 인식방법.