KR200392690Y1 - 지문영상 강화를 위한 정전용량방식 지문센서 - Google Patents

Abstract

본 고안은 정전용량 방식 지문센서의 문제점인 기생성분 제거 및 손가락 표면의 습도 등에 의해서 지문영상이 부분적으로 흐려진 경우 지문의 골과 마루를 쉽게 판단하기 쉽도록 하기 위한 지문영상의 개선에 관한 것이다.

먼저 지문영상과 상관없이 고정된 노이즈로 작용하는 손가락과 감지판 사이에 형성되는 기생 캐패시턴스를 검출하고 이를 감지판과 기판 사이에 금속배선을 삽입하여 피이드백 시킴으로써 항상 같은 전압이 유지되도록 한다. 이를 통하여 간지판과 기판사이에 직렬로 연결된 기생 캐패시턴스는 상쇄된다. 또한 손가락 표면의 부분적인 상태차이로 인해 골과 마루가 형성하는 캐패시턴스가 지역적으로 다르게 분포하는 경우에 획득된 신호를 확산하여 변조시키고 두 신호의 차이를 형성하면 전체 영상에 대해 같은 기준점으로 지문영상의 골과 마루를 판단할 수 있다.

Description

지문영상 강화를 위한 정전용량방식 지문센서{FINGERPRINT SENSOR OF ELECTRONIC CAPACITY METHOD FOR SUPERIOR FINGERPRINT IMAGE}

지문인식은 보안 및 인증시스템에서 널리 사용되는 방법으로서 이를 위한 시스템은 영상센서와 지문의 광학적 영상을 만들기 위한 광원 및 렌즈와 같은 부가장치로 구성된 시스템이 일반적인 형태이다.

최근 이러한 시스템을 핸드폰이나 스마트 카드와 같은 휴대형 기기에 응용하기 위해서 기존의 광학방식에 요구되는 부가장치 없이 하나의 칩으로 지문을 습득하기 위한 반도체식 센서가 연구되고 있다. 이중 CMOS 정전용량 방식의 지문센서는 특별히 추가되는 별도의 공정 없이 기존의 CMOS회로공정으로 구현할 수 있는 장점 등으로 인해 가장 널리 사용되고 있으나 손가락 표면의 습도 등의 영향이 영상에 미치는 영향이 크고 지문에 의해 존재하는 정전용량에 있는 기생성분을 제거하여 좀더 나은 지문 영상을 얻어내는 것이 중요하다.

기본적인 정전용량 방식 지문센서의 구조는 1980년 독일의 Siemens사에서 특허를 등록 한 바 있으며 (US4,353,056) 1999년 IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 34, no.7, pp.978-984에 게제된 S. Jung의 논문은 지문센서 영상 강화 및 특징점 추출을 위한 구조에 대해 기술하고 있다. 또한IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 34, no.7, pp.469-475에 게제된 J. Lee의 논문은 정전용량방식 지문센서의 기생성분 제거 방법에 대해 기술하고 있다.

본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 정전용량 방식 지문센서의 문제점인 기생성분 제거 및 손가락 표면의 습도 등에 의해서 지문영상이 부분적으로 흐려진 경우 지문의 골과 마루를 쉽게 판단하기 쉽도록 하기 위하여 지문영상을 개선하는데 있다.

본 고안은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해 지문이 형성된 피부표면과 감지판 사이의 캐패시턴스와 병렬로 연결되어 있는 기생 캐패시턴스를 상쇄하고 지문영상이 피부표면의 건조도 등의 요인에 의해 명확하지 않은 경우 지문의 골과 마루부분을 공통된 기준에 의해 구별할 수 있도록 지문영상을 개선하는 회로로 구성됨을 특징으로 한다.

도 1a는 정전용량 방식 지문센서의 기본적인 구조로 손가락 피부표면과 감지판으로 사용되는 최상위 금속배선(101) 사이에 형성된 캐패시턴스를 검출 함으로서 지문영상을 습득한다. 감지판(101) 은 이차원으로 배열되어 있으며 하단에는 캐패시턴스를 검출하는 회로가 화소마다 구성되어 있다. 각 화소의 검출회로의 출력은 행방향 선택구동부(110)에 의해 열방향 선택구동부(111

)에 접속되며 열방향 선택구동부에 의해 배열된 화소의 출력신호는 순차적으로 출력된다.

도 1b는 구조의 단면으로 절연층(104)안에 형성되어 있는 감지판(101)과 기판(103)상에 구성된 검출회로(102)로 구성되어 있다. 손가락(100) 과 감지판 사이의 지문영상을 구성하는 캐패시턴스(201) 이외에 감지판과 하단의 기판 및 검출회로 사이에도 기생 캐패시턴스(202)가 형성되며 이는 지문영상과는 관계없는 고정된 신호로 작용한다. 도 2는 상기의 기생 캐패시턴스를 상쇄하기 위한 검출회로 구조의 실시 예로 감지판(101)과 기판(103) 사이에 금속배선(105)을 삽입하여 이를 증폭기(301)의 양극에 접속하고 감지판은 증폭기의 음극에 접속하여 이 사이의 전압이 증폭기의 피이드백 동작에 의하여 항상 같은 전압으로 유지되도록 한다. 이 구조를 통하여 감지판과 기판사이에 직렬로 연결된 기생 캐패시턴스(203, 204)는 상쇄된다. 손가락 표면(100)과 감지판 사이의 캐패시턴스를 검출하여 지문 영상을 습득하기 위해서 처음에 스위치(310)를 단속하고 증폭기의 양극에 전압 V1을 인가한다. 이후 스위치를 개방하고 증폭기 양극에 전압 V2를 인가하면 증폭기의 음극도 피이드백에 의해 전압 V2가 되며 이때 캐패시턴스(201)의 전압변화에 의한 전하가 피이드백 캐패시터(210)로 이동하여 출력전압이 변화한다. 이동하는 전하량은 손가락과 감지판 사이의 캐패시턴스(201) 에 따라 달라지므로 증폭기의 출력은 지문의 형상에 따라 변화하게 된다.

도 3은 지문영상 강화의 방법을 나타낸 것으로 손가락 표면의 부분적인 상태 차이로 인해 골과 마루가 형성하는 캐패시턴스가 지역적으로 다르게 분포하는 경우에 얻어진 신호(401)를 확산하여 (402)와 같이 변화시키고 두 신호(401, 402)의 차이(403)를 형성하면 전체 영상에 대해 같은 기준점(410)으로 지문영상의 골과 마루를 판단할 수 있다.

도 4는 지문영상 강화를 위한 검출회로의 실시 예로 손가락 표면과 감지판 사이의 캐패시턴스(201)는 증폭기(301)의 음극에 접속되고 감지판과 기판 사이의 금속배선은 신호선(501)로 연결된다. 증폭기의 출력과 음극 사이에는 피이드백 캐패시터(210)와 스위치(310)가 병렬로 접속되며 피이드백 캐패시터 양단은 스위치들(311, 312)로 단속된다. 각 화소의 피이드백 캐패시터 사이에는 전하확산을 위한 캐패시터(211)가 접속되어 있다. 증폭기의 출력에는 스위치(313)가 연결되어 열방향의 출력선 (503)으로의 신호전달을 단속하며 이 출력선 하단에는 버퍼(302)가 연결된다. 행방향 구동기(110)은 같은 행에 있는 스위치(313) 만을 개방하여 하나의 행의 출력을 순차적으로 열방향 구동기(111)로 전달할 수 있도록 하며 열방향 구동기는 순차적으로 출력 증폭기(112)에 신호를 전달하여 2차원으로 배열된 검출회로의 출력신호를 순차적으로 얻을 수 있도록 한다.

도 5는 지문영상 강화를 위한 검출회로 동작순서로 구간(510)에서 도 4의 스위치들(310, 311, 312)는 모두 단속된다. 이때 도 4의 전극(501)에는 전압 V1가 인가되며 도 4의 증폭기(301)의 음극 전압도 피이드백에 의하여 전압 V1을 유지하여 지문에 따라 형성되는 도 4의 캐패시턴스(201) 양단에는 전압 V1이 형성된다. 구간 (511)에서 도 4의 스위치(310)가 개방되며 이후 도 4의 전극(501) 에 전압 V2을 인가한다.

도 4의 증폭기의 피이드백에 의해 증폭기의 음극 전압도 전압 V2로 변화하며 이때 도 4의 손가락과 감지판 사이의 캐패시턴스(201)의 전압변화에 의한 전하가 증폭기의 피이드백 캐패시터(210)로 이동하여 출력전압이 변화한다. 이후 스위치(311)을 개방하여 도 4의 피이드백 캐패시터(210)내의 전하가 변화하지 않도록 한다. 구간(512)에서는 구간(511)에서 개방한 스위치(310)를 단속하여 피이드백 캐패시터(210)의 스위치(312)쪽에 연결된 접점의 전압이 증폭기의 피이드백에 의해서 전압 V2로 변화하도록 한다. 이때 피이드백 캐패시터(210)이 확산 캐패시터(211)로 다른 화소와 연결되어 있지 않다면 피이드백 캐패시터의 전하가 변화할 수 없지만 확산 캐패시터로 연결되어 있기 때문에 전하가 일부 확산 캐패시터로 이동하여 피이드백 캐패시터의 전하가 확산되는 효과가 나타난다. 이후 스위치(312)를 개방하여 피이드백 캐패시터의 전하 이동경로를 차단한다. 구간 (513)에서는 스위치(311)를 단속하여 피이드백 캐패시터가 스위치(311)에 연결된 접점의 전압을 다시 전압 V2로 환원한다. 이때의 상태를 구간 (511)과 비교하면 구간 (511)내에서는 피이드백 캐패시터 내의 전하는 지문에 의해 형성된 캐패시터(201)의 전압변화에 의한 전하가 존재하지만 구간 (513)에서는 이 전하가 주변화소로 확산되어 있다는 차이가 있다. 구간(514)에서는 스위치(310)을 개방하고 스위치 (312)를 단속한 후 증폭기의 양극을 다시 전압 V1으로 환원한다. 그러면 피이드백 캐패시터(210)내의 전하는 구간 (511)에서 주입된 양과 반대 방향으로 빠져나가게 되고 확산되어 나간 양이 남아 있게 된다.

상기의 동작을 통하여 도 3에서 기술한 지문영상의 확산과 확산되기 전 영상의 차이를 얻어낼 수 있다.

도6a와 6b는 도 4의 감지판과 기생용량 감쇄전극, 증폭기의 피이드백 캐패시터 및 확산 캐패시터의 구현에 대한 실시 예이다. 각각의 전극은 회로공정상의 절연체(104)내의 금속층을 이용하여 구현되며 손가락과 함께 캐패시턴스를 형성하는 감지판(101)과 확산 캐패시터를 구성하는 전극(106)으로 구성된다.

도 6b는 도6a의 (120)면에 따른 단면도로 인접한 두 화소에 대한 구조이다. 최상단 전극(101a, 101b)은 감지판으로서 손가락과 함께 지문형태에 따른 캐패시턴스를 형성하며 그 아래에는 기생 캐패시턴스를 상쇄하기 위한 전극(105a, 105b)이 위치한다.

검출회로의 피이드백 캐패시턴스는 전극(108a, 108b)와 전극 (106a, 106b)사이의 캐패시턴스, 그리고 전극(108a, 108b)와 전극 (107a, 107b) 사이의 캐패시턴스의 병렬연결된 캐패시턴스로 형성된다. 확산 캐패시터는 전극 (108a)와 전극 (108b)사이의 캐패시턴스로 형성되며 이를 증가시키기 위해 도 6a의 (106)패턴과 같이 인접한 면이 증가할 수 있도록 구성한다.

상기의 설명과 같이, 본 고안에 따른 지문센서는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 정전용량 방식의 지문 센서에 있어서 감지판과 기판 및 검출회로 사이에 존재하는 기생 캐패시턴스를 상쇄 함으로써 지문형상과 관계없는 불필요한 신호를 제거하여 감지회로의 증폭률을 증가시켜 더욱 명확한 지문 영상을 습득할 수 있다.

둘째, 정전용량 방식의 지문 센서에 있어서 부분적인 손가락 표면의 습도차등의 요인으로 지문형상의 명확한 판단이 어려운 경우 영상의 확산과정을 통하여 쉽게 형상을 판단할 수 있는 지문영상을 습득할 수 있다.

이상에서 설명한 본 고안은 앞서 설명한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환과 변경이 가능함이 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1a는 정전용량방식 지문센서의 기본구조이다.

도 1b는 정전용량방식 지문센서의 기본구조에 대한 단면도이다.

도 2는 기생성분 제거를 위한 검출회로의 실시 예이다.

도 3은 지문영상 강화의 원리이다.

도 4는 지문영상 강화를 위한 검출회로의 실시 예이다.

도 5는 지문영상 강화를 위한 검출회로의 동작 예이다.

도 6a는 검출회로상의 캐패시터를 구현하기 위한 실시 예이다.

도 6b는 검출회로상의 캐패시터 구현에 대한 단면도이다.

Claims (6)

1. 정전용량 방식 지문센서에 있어서 감지판이 검출회로의 증폭기의 음극에 연결되고 증폭기의 출력에 피이드백 캐패시터와 스위치가 접속되어 있으며 증폭기 양극의 전압변화로 발생하는 감지판과 손가락 사이의 캐패시터의 전하의 이동으로 지문형상을 감지하는 2차원 배열의 센서 구조
2. 제 1 항에 있어서 감지판과 기판 사이에 기생성분 제거를 위한 전극이 위치하고 이를 증폭기의 양극에 연결하여 기생성분을 제거하는 구조
3. 제 1 항에 있어서 각 화소의 피이드백 캐패시터가 인접 화소의 피이드백 캐패시터와 확산 캐패시터를 통하여 연결되어 있는 구조
4. 제 3항에 있어 검출회로의 증폭기와 스위치의 동작에 의하여 피이드백 캐패시터의 전하를 확산하고 확산되기 전의 전하량와 확산된 전하량의 차이를 얻어 낼 수 있는 검출회로
5. 제 4항의 구조를 통하여 지문영상이 손가락 습도등의 요인으로 명확하지 않은 경우에 지문영상을 강화할 수 있도록 하는 구조
6. 제 4항의 구조에 있어서 회로공정상의 3개의 금속층을 이용하여 피이드백 캐패시턴스와 확산 캐패시터를 구성하는 구조에 있어서,

   최 상단의 제3금속층을 감지판으로 하여 이를 격자형태로 배열하고 손가락과 금속층 사이에 지문형상에 따른 캐패시턴스를 형성하는 구조,

   상기 제 3 금속층을 검출회로 증폭기의 음극에 접속하는 구조,

   상기 제3 금속층 아래에 동일 면적의 기생성분 제거를 위해 제2금속층으로 금속판을 배치하여 증폭기의 양극에 연결하여 증폭기의 피이드백에 의해 감지판과 기생성분 제거를 위한 금속판의 전압이 항상 동일하도록 하여 기생성분을 제거하는 구조,

   상기 제2금속층을 기생성분 제거를 위한 금속판 주변을 감싸는 형태로 구성하고 인접한 화소의 동일부분과 마주보는 부분을 머리빗 형태로 구성하여 증가된 캐패시턴스로써 확산 캐패시터를 구성하는 구조, 및

   상기 확산 캐패시터 구조의 상부과 하부에 제1 금속층과 제3금속층을 동일한 형태로 위치하게 하여 발생하는 캐패시턴스로써 피이드백 캐패시터를 구성하는 구조