KR20040008670A - Unit fixel for capacitive fingerprint sensor and fingerprint sensing device having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 정전용량식 지문습득에 관한 것으로, 특히 지문감지센서의 최상단에 위치한 감지전극과 손가락 표면 사이에서 발생하는 정전용량(Capacitance)의 차이를 이용하여 간단하게 지문을 습득할 수 있는 정전용량식 지문감지센서와 이를 이용하여 지문의 골(Valley)과 마루(Ridge)에서 발생하는 정전용량의 차이를 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 구현할 수 있는 검출회로를 통해 지문영상을 얻을 수 있는 정전용량식 지문감지장치에 관한 것이다.The present invention relates to capacitive fingerprint acquisition, and in particular, a capacitive type that can acquire a fingerprint simply by using a difference in capacitance generated between a sensing electrode located at the top of the fingerprint sensor and a finger surface. Capacitive fingerprints to obtain fingerprint images through the detection circuit that can realize the difference in capacitance generated in the valley and ridge of the fingerprint based on the standard CMOS process technology using the fingerprint sensor It relates to a sensing device.
지문은 개개인마다 각기 다른 모양과 특징을 가지고 있기 때문에 개개인의 신분확인 및 인증자료로 널리 사용되어 왔는 바, 근래에 들어서는 지문을 전기적으로 감지하여 지문영상을 습득함으로써 빠른 시간 내에 신분확인 작업을 마칠 수 있게 되었다.Since fingerprints have different shapes and characteristics, each of them has been widely used for identification and authentication of individuals. In recent years, fingerprints can be electrically detected to acquire a fingerprint image to complete identification work in a short time. It became.
이울러, 최근들어 지문감지센서는 저가의 센서들이 등장함에 따라 특수보안장치에만 응용되는 데서 벗어나 키보드, 마우스 등 PC(Personal Computer) 주변장치에 사용되는 등 점차 사용범위가 확대되고 있다. 따라서, 이러한 시장에 참여하기 위해서는 사용하기 편리하고 소규모, 저전력, 저가의 지문감지센서 기술을 확보해야 한다.In recent years, with the introduction of low-cost sensors, the fingerprint sensor sensor is being used in a PC (Personal Computer) peripheral device such as a keyboard and a mouse, and has been gradually expanded from being applied only to a special security device. Therefore, in order to participate in such a market, it is necessary to secure a fingerprint sensor technology that is easy to use and small, low power, and low cost.
한편, 지난 수 십년 동안 전기적으로 지문을 감지하기 위해 많은 방법이 연구되어 왔는데, 현재까지 발표된 방식 중에서 주요한 지문감지방식은 대체적으로광학식(Optical type), 열감지식(Thermal type) 그리고, 정전용량식(Capacitive type) 등으로 크게 구분될 수 있다.On the other hand, many methods have been studied to detect fingerprints electrically over the last few decades. Among the published methods, the major fingerprint detection methods are generally optical type, thermal type and capacitive type. (Capacitive type) can be largely divided.
초기에 주로 사용된 광학방식은 가시광선이나 적외선을 이용하여 손가락 표면을 비추면, 반사된 빛이 광전장치(Opto-electric element)에 포착되어 지문영상을 얻을 수 있게 된다. 그러나, 이 방식은 광학장치와 광전장치가 별도로 필요하게 되므로 부피상의 그 사용범위가 제한되는 바, 특히 소형의 주변장치나 스마트카드 등에 응용되기 위해서 소형의 칩으로 제작 가능한 방식이 요구된다.In the early optical method, the reflected light is captured by an opto-electric element when the surface of the finger is illuminated by using visible light or infrared light to obtain a fingerprint image. However, since this method requires an optical device and a photoelectric device separately, its use range in volume is limited. In particular, a method capable of manufacturing a small chip is required in order to be applied to a small peripheral device or a smart card.
이에 반해, 열감지식은 반도체공정에서 초전물질(Pyroelectric material)을 이용하여 지문의 골과 마루 사이의 온도차를 전압차로 변환시켜서 지문영상을 얻을 수 있는 방식으로 센서의 크기가 작아 부피로 인한 사용 상의 제약은 덜 받는다. 그러나, 이 방식으로 온도변화를 감지하기 위해서는 동작원리상 2차원 배열이 아닌 1차원 배열로 손가락을 센서 표면에 스캔(Scan)해야 하므로 습득된 1차원 데이타(Data)를 2차원 영상으로 변환해 주는 프로그램이 필요할 뿐만 아니라 스캔속도와 스캔압력에 따라 얻어진 영상이 다르게 나타날 수 있는 단점을 가지고 있다.On the other hand, thermal sensing formula uses a pyroelectric material to convert the temperature difference between the valley of the fingerprint and the floor into a voltage difference to obtain a fingerprint image. Receives less. However, in order to detect the temperature change in this manner, it is necessary to scan the finger on the surface of the sensor in a one-dimensional array rather than a two-dimensional array in order to convert the acquired one-dimensional data into a two-dimensional image. In addition to the need for a program, the obtained image may be different depending on the scanning speed and the scanning pressure.
마지막으로, 정전용량식은 두 전극 사이의 거리 또는 그 사이에 존재하는 비유전물질(Dielectric material)의 종류에 따라 정전용량이 달라지는 원리를 이용하여 감지전극(Sensing electrode)과 지문의 골 사이에서 발생하는 정전용량과, 감지전극과 지문의 마루 사이에서 발생하는 정전용량 사이의 차이를 통해 지문영상를 얻을 수 있다.Finally, the capacitance is generated between the sensing electrode and the valley of the fingerprint by using the principle that the capacitance varies depending on the distance between the two electrodes or the type of non-electric material existing therebetween. The fingerprint image can be obtained through the difference between the capacitance and the capacitance generated between the sensing electrode and the floor of the fingerprint.
이 방식은 CMOS 공정만으로 부가적 장치없이 센서를 구현할 수 있으나, 감지전극에서 발생하는 기생 정전용량(Parasitic capacitance)의 영향에 민감하게 반응함으로써, 감지도(Sensitivity)가 저하될 가능성이 높다.This method can realize a sensor without an additional device by using a CMOS process alone, but it is highly sensitive to the influence of parasitic capacitance generated from the sensing electrode, thereby reducing the sensitivity.
특히, 지문감지센서에서 소스 팔로워(Source follower)를 이용하거나, 감지된 값을 그대로 전달하는 방식을 이용하였으므로, 특히 기생 정전용량에 의해 감지된 데이타로부터 정확한 지문영상인식이 불가능한 문제점이 발생하게 된다.In particular, since a fingerprint follower uses a source follower or a method of transferring a sensed value as it is, in particular, accurate fingerprint image recognition is impossible from data sensed by parasitic capacitance.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 비교적 간단한 공정에 의해 제작이 가능하고, 기생 정전용량을 제거하여 감지도를 향상시킨 지문감지센서의 단위화소를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention proposed to solve the conventional problems as described above, it is possible to manufacture by a relatively simple process, to provide a unit pixel of the fingerprint sensor that improves the sensitivity by removing the parasitic capacitance It is done.
또한, 본 발명은 전술한 단위화소를 포함하는 정전용량식 지문감지장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a capacitive fingerprint sensing device including the unit pixel described above.
도 1은 감지전극에 손가락이 닿은 모습을 도시한 개념도.1 is a conceptual diagram illustrating a state in which a finger touches the sensing electrode.
도 2는 본 발명에 따른 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 도시한 상세회로도.Figure 2 is a detailed circuit diagram showing a unit pixel of the capacitive fingerprint sensor according to the present invention.
도 3은 도 2의 단위화소를 2차원 배열하여 각 센서의 출력값을 읽어들임으로써 지문영상을 습득하기 위한 정전용량식 지문감지장치를 도시한 블럭도.3 is a block diagram illustrating a capacitive fingerprint sensing device for acquiring a fingerprint image by reading the output values of each sensor by arranging the unit pixels of FIG.
도 4는 CMOS 공정을 이용하여 본 발명의 정전용량식 지문감지센서 칩 제작시에 존재 가능한 층별 단면도.Figure 4 is a cross-sectional view that can be present during the fabrication of the capacitive fingerprint sensor chip of the present invention using a CMOS process.
도 5는 도 4에서 발생 가능한 기생 캐패시터를 도시한 회로도.FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a parasitic capacitor that may occur in FIG. 4. FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
Cf : 핑거 캐패시터Cfb : 피드백 캐패시터Cf: Finger Capacitor Cfb: Feedback Capacitor
Amp : 증폭기TR1 :스위칭 트랜지스터Amp: Amplifier TR1: Switching Transistor
TR2 : 행선택 트랜지스터TR2: Row Select Transistor
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 감지센서의 최상단에 위치한 금속 평판을 감지전극으로 하여 손가락 표면과 감지전극에서 발생하는 핑거 캐패시턴스를 감지 및 저장하는 핑거 캐패시터; 상기 핑거 캐패시턴스를 부입력으로 하고, 정입력단에 입력되는 입력전압에 따라 상기 핑거 캐패시턴스를 증폭 및 전달하는 증폭기; 상기 증폭기에 피드백 루프를 이루는 피드백 캐패시터; 및 프리챠지신호를 게이트 입력으로 하고 상기 피드백 캐패시터와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터를 포함하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 제공한다.The present invention for achieving the above object is a finger capacitor for sensing and storing the finger capacitance generated from the finger surface and the sensing electrode using a metal plate located on the top of the sensing sensor as a sensing electrode; An amplifier configured to take the finger capacitance as a negative input and amplify and transfer the finger capacitance according to an input voltage input to a positive input terminal; A feedback capacitor forming a feedback loop to the amplifier; And a switching transistor connected to the feedback capacitor in parallel with the precharge signal as a gate input.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전술한 단위화소가 다수 배열된 화소어레이; 상기 화소어레이 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택수단; 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달수단; 상기 저장 및 전달수단에 일시 저장된 상기 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택수단; 및 상기 열선택수단에 의해 선택되어 상기 저장 및 전달수단으로 부터 전달되는 상기 데이타를 증폭하여 출력하는 출력수단을 포함하는 지문감지장치를 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object is a pixel array in which a plurality of the unit pixels described above; Row selection means for selecting one row of the pixel array and transferring the data to a bus line; Storage and transmission means for storing and transmitting a signal transmitted through the busline; Column selecting means for designating a column to sequentially output the data temporarily stored in the storing and transferring means; And output means for amplifying and outputting the data selected by the heat selecting means and transmitted from the storing and transferring means.
본 발명은, 2차원 배열의 정전용량식 지문감지센서를 통해 종래의 큰 부피를 가지는 지문감지센서에 비해 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 구현하여 간단하고 부가장치가 별도로 필요없을 뿐만아니라 기생캐패시턴스를 최대한 제거하여 감지도를 향상시키고자 한다.The present invention is simple and does not require additional equipment as well as the parasitic capacitance as it is implemented based on the standard CMOS process technology compared to the conventional fingerprint sensor having a large volume through the two-dimensional capacitive fingerprint sensor. To improve the detection by removing.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도 1은 감지전극에 손가락이 닿은 모습을 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating how a finger touches a sensing electrode.
일반적으로, 다른 전압을 가진 두 평행평판 사이에서는정전용량(Capacitance)이 형성된다. 이러한 현상은 도 1에 도시된 바와 같이 2차원 배열의 평판위에 손가락이 접촉되어 있는 경우에도 적용이 된다. 손가락 지문의 마루영역(Ridge)과 접촉하는 평판영역에서는 접지(Ground) 역할을 하는 손가락 표면과의 거리가 가깝기 때문에 상대적으로 큰 정전용량을 발생시키는 반면, 골영역(Valley)에 해당하는 평판영역에서는 손가락 표면과의 거리가 상대적으로 멀기 때문에 작은 정전용량을 발생한다. 이러한 지문의 골과 마루의 영역에 따라 다르게 나타나는 정전용량의 차이를 통해 지문영상을 얻을 수 있다.Generally, a capacitance is formed between two parallel plates with different voltages. This phenomenon is also applied to the case where the finger is in contact with the plate in the two-dimensional array as shown in FIG. In the flat area that is in contact with the Ridge of the finger fingerprint, the distance from the finger surface that acts as the ground is close, which generates relatively large capacitance, while in the flat area corresponding to the Valley area, Since the distance from the finger surface is relatively large, a small capacitance is generated. Fingerprint images can be obtained through the difference in capacitance that appears differently depending on the valley and the floor of the fingerprint.
도 2는 본 발명에 따른 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 도시한 상세회로도이다.2 is a detailed circuit diagram illustrating a unit pixel of a capacitive fingerprint sensor according to the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 정전용량식 지문감지센서의 단위화소는, 감지센서의 최상단에 위치한 금속 평판을 감지전극으로 하여 손가락 표면과 감지전극에서 발생하는 핑거 캐패시턴스를 감지 및 저장하는 핑거 캐패시터(Cf)와, 핑거 캐패시턴스를 부입력으로 하고, 정입력단(+)에 입력되는 입력전압에 따라 핑거 캐패시턴스를 증폭 및 전달하는 증폭기(Amp)와, 증폭기(Amp)에 피드백 루프를 이루는 피드백 캐패시터(Cfb)와, 프리챠지신호(Φpre)를 게이트 입력으로 하고 피드백 캐패시터(Cfb)와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터(TR1)을 구비하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the unit pixel of the capacitive fingerprint sensor according to the present invention detects and stores a finger capacitance generated from a finger surface and a sensing electrode by using a metal plate positioned at the top of the sensing sensor as a sensing electrode. (Cf), an amplifier (Amp) for amplifying and transferring the finger capacitance according to an input voltage input to the positive input terminal (+) as a negative input, and a feedback capacitor for forming a feedback loop in the amplifier (Amp). Cfb and the switching transistor TR1 connected in parallel with the feedback capacitor Cfb with the precharge signal? Pre as a gate input.
한편, 행선택 트랜지스터(TR2)는 행선택신호(Φrow)에 따라 각 행에서 출력되는 신호 'Vout'을 버스라인을 통해 출력한다.Meanwhile, the row select transistor TR2 outputs a signal 'Vout' output from each row through the bus line according to the row select signal .phi.row.
이하, 전술한 구성을 갖는 단위화소의 동작을 상세히 살펴본다.Hereinafter, the operation of the unit pixel having the above-described configuration will be described in detail.
초기화단계(Reset stage)에서는, 프리챠지신호 'Φpre'를 통해 스위칭 트랜지스터(TR1)을 온시켜 피드백 캐패시터(Cfb)에 저장되어 있는 초기전하를 방전시킨다. 또한, 증폭기(Amp)의 부입력단자(-)와 출력단자를 직접 연결하여 증폭기(Amp)가 버퍼(Buffer)로 동작케 함으로써 증폭기(Amp)의 DC 바이어스(Bias)를 잡아준다. 이 때, 입력전압(Vin)인 증폭기의 정입력단자(+)의 전압을 'Vh'로 설정해 놓으면, 증폭기(Amp)의 정입력단자(+)와 부입력단자(-) 사이의 가상접속(Virtual short) 현상에 의해 부입력단자(-)도 'Vh'가 된다.In the reset stage, the switching transistor TR1 is turned on through the precharge signal φpre to discharge the initial charge stored in the feedback capacitor Cfb. In addition, by connecting the negative input terminal (-) and the output terminal of the amplifier (Amp) directly to the amplifier (Amp) to operate as a buffer (Buffer) to obtain a DC bias (Bias) of the amplifier (Amp). At this time, if the voltage of the positive input terminal (+) of the amplifier, which is the input voltage Vin, is set to 'Vh', the virtual connection between the positive input terminal (+) and the negative input terminal (-) of the amplifier Amp ( Due to the virtual short phenomenon, the negative input terminal (-) also becomes 'Vh'.
다음 단계인 전하이동단계(Charge Trasnfer stage)에서는 프리챠지신호'Φpre'는 오프시키고 입력전압(Vin)을 'Vl'로 낮춘다. 그러면, 핑거캐패시터(Cf)의 전압(Vf)은 'Vl'로 되고, 떨어진 전압 'Vh-Vl' 만큼에 해당하는 전하 'Cf(Vh-Vl)'가 피드백 캐패시터(Cfb)로 이동하게 된다. 따라서, 피드백 캐패시터(Cfb)에는 'Cf(Vh-Vl)'의 전하가 저장되게 되고 출력단에서는 'Vh'로부터 'Cf(Vh-Vl)/Cfb' 만큼의 전압강하가 발생하게 되어 출력전압(Vout)은 'Vh - Cf(Vh-Vl)/Cfb'가 된다. 이 때, 큰 핑거 캐패시턴스를 갖는 마루의 경우에는 그 만큼 많은 양의 전하가 이동하게 되어 출력전압의 강하가 더 크게 일어나는 반면, 작은 핑거 캐패시턴스를 갖는 골의 경우에는 적은 양의 전하가 이동하게 되므로 출력단에서는 전압강하가 조금 일어난다. 따라서, 이 단계에서 골과 마루의 분포에 따른 출력전압값을 행성택신호인 'Φrow'를 통해 행선택 트랜지스터(TR2)를 온시킴으로써, 버스라인에 실어 검출해 냄으로써 지문의 골과 마루를 구별할 수 있다.In the next stage, the charge transfer stage (Charge Trasnfer stage), the precharge signal 'Φpre' is turned off and the input voltage Vin is reduced to 'Vl'. Then, the voltage Vf of the finger capacitor Cf becomes 'Vl', and the charge 'Cf (Vh-Vl)' corresponding to the dropped voltage 'Vh-Vl' is moved to the feedback capacitor Cfb. Therefore, the charge of 'Cf (Vh-Vl)' is stored in the feedback capacitor Cfb, and the voltage drop from 'Vh' to 'Cf (Vh-Vl) / Cfb' is generated at the output terminal, thereby output voltage Vout. ) Becomes 'Vh-Cf (Vh-Vl) / Cfb'. At this time, in the case of the floor having a large finger capacitance, a large amount of charge is moved to cause a large drop in the output voltage, whereas in the case of a valley having a small finger capacitance, a small amount of charge is moved in the output stage. There is a slight voltage drop at. Therefore, at this stage, the row select transistor TR2 is turned on through the planetary signal 'Φrow' to output the output voltage value according to the distribution of the valleys and the floor, so that the valley and the floor of the fingerprint can be distinguished. Can be.
한편, 입력전압(Vin)을 'Vh'에서 'Vl'로 낮춤으로써 출력단에서 'Cf(Vh-Vl)/Cfb' 만큼의 전압강하를 얻는 것 뿐만아니라, 'Vl'에서 'Vh'로 올려줌으로써'Cf(Vl-Vh)/Cfb' 만큼의 전압 상승도 얻을 수 있다.On the other hand, by lowering the input voltage (Vin) from 'Vh' to 'Vl', you not only get a voltage drop of 'Cf (Vh-Vl) / Cfb' at the output, but also raise it from 'Vl' to 'Vh'. A voltage rise by 'Cf (Vl-Vh) / Cfb' can also be obtained.
도 3은 도 2의 단위화소를 2차원 배열하여 각 센서의 출력값을 읽어들임으로써 지문영상을 습득하기 위한 정전용량식 지문감지장치를 도시한 블럭도이다.3 is a block diagram illustrating a capacitive fingerprint sensing device for acquiring a fingerprint image by reading the output value of each sensor by arranging the unit pixels of FIG. 2.
도 3을 참조하면, 본 발명의 지문감지장치는 전술한 단위화소(400)가 다수 배열된 화소어레이(40)와, 화소어레이(40) 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택부(41)와, 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달부(42)와, 저장 및 전달부(42)에 일시 저장된 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택부(43)와, 열선택부(43)에 의해 선택되어 저장 및 전달부(42)로 부터 전달되는 데이타를 증폭하여 출력하는 출력부(44)와, 행선택부(41)와 저장 및 전달부(42) 및 열선택부(42)를 제어하는 제어부(45)를 구비하여 구성된다.Referring to FIG. 3, the fingerprint sensing device of the present invention selects a pixel array 40 including a plurality of unit pixels 400 and one row of the pixel array 40 to transfer the data to a bus line. A row selector 41, a storage and transfer unit 42 for storing and transmitting a signal transmitted through the bus line, and a column for sequentially outputting data temporarily stored in the storage and transfer unit 42 An output unit 44 for amplifying and outputting the data selected by the column selector 43, the column selector 43, and transmitted from the storage and transfer unit 42, and the row selector 41 and the storage. And a control unit 45 for controlling the transfer unit 42 and the heat selector 42.
상기한 구성을 갖는 지문감지장치의 동작을 살펴 본다.The operation of the fingerprint sensing device having the above configuration will be described.
먼저, 전술한 동작에 의해 발생한 각 단위화소(400)의 출력전압은 행선택부(41)의 행선택신호(Φrow)에 의해 순서대로 한 행씩 행버스라인(Column bus line)에 전달되고, 그 값은 저장 및 전달부(42) 구체적으로, 저장 및 전달부(42)의 버퍼를 거쳐 샘플앤드홀드 내의 캐패시터에 저장된다. 이 값은 열선택부(43)에 의해 순차적으로 선택된 후, 출력부(44)를 통해 증폭되어 "Vout"으로 출력된다.First, the output voltage of each unit pixel 400 generated by the above-described operation is transmitted to the column bus lines one by one in order by the row selection signal .phi.row of the row selector 41. The value is stored in the storage and delivery section 42, specifically, the capacitor in the sample and hold via the buffer of the storage and delivery section 42. These values are sequentially selected by the column selector 43, and then amplified by the output unit 44 and output as "Vout".
이상의 회로 동작을 거침으로써 지문의 골과 마루영역을 구별할 수 있는 지문영상을 얻을 수 있다.By going through the above circuit operation, a fingerprint image that can distinguish the valley and the floor area of the fingerprint can be obtained.
도 4는 CMOS 공정을 이용하여 본 발명의 정전용량식 지문감지센서 칩 제작시에 존재 가능한 층별 단면도이며, 도 5는 도 4에서 발생 가능한 기생 캐패시터를 도시한 회로도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view of layers that may exist when fabricating the capacitive fingerprint sensor chip of the present invention using a CMOS process, and FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a parasitic capacitor that may occur in FIG. 4.
본 발명의 정전용량식 지문감지센서는 실리콘기판(SUB) 위에 여러개의 금속층(SM, TP)과 폴리실리콘층(Poly)으로 아루어져 있으며, 센서 표면은 보호를 위해 특정물질 즉, 패시베이션층(PL, Passivation Layer)로 덮혀 있다. 핑거 캐패시턴스(Cf)는 감지전극으로 작용하는 상부금속플레이트(TP, Top metal plate)와 센서 표면사이에서 발생하는 패시베이션 캐패시턴스(Cpass) 및 센서 표면과 손가락 표면 사이에서 발생하는 캐패시턴스(Cf,eff)와의 합 뿐만아니라, 상부금속플레이트(TP) 하단에 존재하는 각 금속층(SM)과 폴리실리콘층(Poly) 및 기판(SUB)간에 존재하는 기생 캐패시턴스도 존재하게 된다. 이러한 기생 캐패시턴스는 핑거 캐패시턴스의 변화를 둔화시켜 감지도를 떨어뜨리는 역할을 하게 된다. 따라서, 이러한 기생 캐패시턴스의 영향을 줄이면 손가락 표면과 감지전극 사이의 피거 캐패시턴스를 효과적으로 감지할수 있으므로 감지도를 향상시켜 출력범위를 크게 할 수있다.The capacitive fingerprint sensor of the present invention is made of a plurality of metal layers (SM, TP) and a polysilicon layer (Poly) on a silicon substrate (SUB), the surface of the sensor is a specific material, that is, passivation layer (PL) , Passivation Layer). Finger capacitance (Cf) is between the passivation capacitance (Cpass) generated between the top metal plate (TP) serving as the sensing electrode and the sensor surface, and the capacitance (Cf, eff) generated between the sensor surface and the finger surface. In addition to the sum, parasitic capacitance existing between the metal layer SM, the polysilicon layer Poly, and the substrate SUB existing under the upper metal plate TP is also present. This parasitic capacitance slows the change in finger capacitance and serves to reduce the sensitivity. Therefore, if the influence of the parasitic capacitance is reduced, it is possible to effectively detect the pigger capacitance between the surface of the finger and the sensing electrode, thereby improving the sensitivity and increasing the output range.
이를 위해 감지전극으로 사용되는 상부금속플레이트(TP) 바로 아래에 쉴드금속플레이트(SM, Shieldmetal plate)로 각 화소를 덮은 뒤 증폭기(Amp)의 정입력단자(+)에 연결한다. 증폭기(Amp)의 정입력단자(+)는 가상접속으로 인해 상부금속플레이트(TP)가 연결되어 있는 부입력단자(-)와 동일한 전압을 가지게 되므로 쉴드금속플레이트(SM)와 상부금속플레이트(TP)는 동일한 전압이 유지되어 그 사이에 존재가능한 캐패시턴스(Csh)는 발생하지 않는다. 또한, 쉴드금속플레이트(SM) 아래에 발생 가능한 캐패시턴스(Cp1)는 증폭기(Amp)의 정입력단자(+)와 연결되어 있는 핑거 캐패시터(Cf)와 직접적으로 연결되어 있지 않으므로 회로동작에 영향을 주지 않는다. 그러나, 공정특성 및 화로설계상의 문제로 쉴드금속플레이트(SM)가 존재하지 않아 상부금속플레이트(TP)와 그 아래 영역에 존재하는 기생 캐패시턴스(Cp2)는 제거가 어렵다. 그러나, 쉴드금속플레이트(SM)를 최대한 넓게 배치하여 덮히지 않는 부분을 최소화시키면 Cp2는 작아지게 되어 그 영향은 감소하게 된다.For this purpose, each pixel is covered with a shield metal plate (SM) directly below the upper metal plate (TP) used as a sensing electrode, and connected to the positive input terminal (+) of the amplifier (Amp). Since the positive input terminal (+) of the amplifier (Amp) has the same voltage as the negative input terminal (-) to which the upper metal plate (TP) is connected due to the virtual connection, the shield metal plate (SM) and the upper metal plate (TP). The same voltage is maintained so that no capacitance Csh that can exist between them is generated. In addition, the capacitance Cp1 generated under the shield metal plate SM is not directly connected to the finger capacitor Cf connected to the positive input terminal (+) of the amplifier Amp, and thus does not affect the circuit operation. Do not. However, due to process characteristics and furnace design problems, the shield metal plate SM does not exist, so that the parasitic capacitance Cp2 existing in the upper metal plate TP and the region below it is difficult to remove. However, if the shield metal plate SM is placed as wide as possible to minimize the uncovered portion, the Cp2 becomes small and the influence is reduced.
이상에서 설명한 바와 같이 쉴드금속플레이트를 사용하여 구조적으로 배치함으로써 발생 가능한 큰 캐패시턴스를 작은 값으로 줄여 핑거 캐패시턴스의 변화에 민감한 출력을 얻을 수 있다.As described above, the large capacitance that can be generated by the structural arrangement using the shield metal plate is reduced to a small value, thereby obtaining an output sensitive to the change of the finger capacitance.
전술한 본 발명은, 종래의 지문감지장치들이 가지고 있는 여러가지 문제점 특히, 기생 캐패시터 효과를 단위화소의 변경을 통해 효과적으로 제거하며, 감지도를 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.The present invention described above has been described through various embodiments of the present invention, which can effectively remove various problems of the conventional fingerprint sensing devices, in particular, by changing the unit pixel, and improve the sensitivity.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 지문감지장치의 감지도를 높여 지문인식 데이타에 기초한 인증의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.The present invention as described above can be expected to increase the sensitivity of the fingerprint detection device to improve the reliability of the authentication based on the fingerprint recognition data.
또한, 본 발명은 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 간단하고 별도의 부가장치가 필요없어 지문감지장치의 생산 비용을 감소시켜 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.In addition, the present invention can be expected to improve the price competitiveness by reducing the production cost of the fingerprint sensing device is simple and does not require an additional device based on the standard CMOS process technology.
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