KR20110138258A - 압전 세라믹 식별 장치용의 개량된 멀티플렉서 - Google Patents

Abstract

음향 임페디오그래피를 이용한 지문 센서가 제공된다. 센서는 주문형 집적 회로(ASIC 또는IC) 및 감지 요소로서 사용되는 기계적 공진기 어레이를 포함한다. 감지 요소의 어레이는 행과 열로 배열된 복수의 감지 요소를 포함한다.

Description

압전 세라믹 식별 장치용의 개량된 멀티플렉서{IMPROVED MULTIPLEXER FOR A PIEZO CERAMIC IDENTIFICATION DEVICE}

본 발명은 일반적으로 압전 식별 장치 및 그 응용에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 지문과 같은 생체인식 정보를 획득하고 획득된 정보를 이용하여 개인을 인식 및/또는 식별하는 압전 장치에 관한 것이다.

생체인식(biometrics)은 고도의 보안 레벨을 제공하는 기술 그룹이다. 지문 포착 및 인식은 중요한 생체인식 기술이다. 법의 집행, 은행 거래, 투표 및 기타의 산업에서 신원을 인식하거나 증명하기 위한 생체인식으로서 지문에 대한 의존이 증가하고 있다. 1998년 펜실베니아 칼라일에 소재하는 국제 컴퓨터 사회 연합(International Computer Society Assn.)에서 G. Roethenbaugh가 기고한 Biometrics Explained, v. 2.0, 1~34 페이지를 참조한다(이 문헌은 인용에 의해 그 전체가 여기에 통합된다).

지문의 반사된 광학 영상을 검출하는 광학 지문 스캐너를 이용할 수 있다. 고품질 영상을 충분히 높은 해상도로 포착하기 위해, 광학 지문 스캐너는 최소한의 광학 구성요소(예를 들면, 렌즈), 조명원 및 촬상 카메라를 필요로 한다. 이러한 구성요소는 지문 스캐너의 전체 가격을 상승시킨다. 얼라인먼트(alignment)를 유지하기 위한 기계적 구조도 또한 제조 및 유지 비용을 증가시킨다.

반도체 실리콘 기반 변환기가 상업적으로 판매되고 있는 지문 스캐너에 또한 이용되고 있다. 이러한 실리콘 변환기는 용량(capacitance)을 측정한다. 이것은 부서지기 쉬운 실리콘 변환기가 그들의 내구성을 감소시키는 수 미크론의 지문 감지 회로 내에 있어야 할 것을 요구한다. 눌린 지문(rolled fingerprint)을 검출하기 위해, 반도체 변환기의 감지 어레이는 1인치×1인치의 면적과 약 50 미크론의 두께를 가져야 한다. 이것은 실리콘에 대해서 큰 지오메트리(geometry)이고, 이러한 큰 지오메트리는 지문 스캐너의 기초 비용을 증가시키고 유지 비용을 상승시킨다. 또한, 내구성 및 구조적 집적도는 그러한 대형 실리콘 지오메트리에서 악화되기 더 쉽다.

낮은 유지 비용과 함께 저가의 내구성있는 지문 스캐너가 필요하다. 또한 물리적인 위험, 사기 및 도난(특히, 전자 상거래 분야에서)에 대해서 개인 및 일반 대중을 보호할 수 있는 저가의 생체인식 장치가 필요하다.

본 발명은 음향 임페디오그래피(Acoustic Impediography)를 이용하는 지문 센서를 제공한다. 상기 센서는 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit)(ASIC 또는 IC) 및 감지 요소로서 사용되는 기계적 공진기 어레이를 구비한다. 감지 요소 어레이는 행(row)과 열(column)로 배열된 복수의 감지 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 특징과 장점 및 본 발명의 각종 실시예의 구조와 동작은 이하에서 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명된다.

여기에 포함되어 이 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명을 예시한 것이고, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위해 사용되며, 당업자가 본 발명을 구성하고 이용할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 식별 장치를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 요소를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 1행의 압전 요소를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직사각형 압전 요소의 어레이를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원형 압전 요소의 어레이를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 요소들 사이에 충전제가 있는 1행의 직사각형 압전 요소를 나타낸 도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이를 나타낸 도이다.
도 8은 도 7a의 센서 어레이를 더 자세히 나타낸 도이다.
도 9는 도 8의 센서 어레이가 주문형 집적 회로에 어떻게 접속되는지를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 멀티플렉서에 센서 어레이를 접속하는 방법을 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치를 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치의 회로 구성요소를 나타낸 도이다.
도 13a는 본 발명의 실시예에 따른, 도 12의 센서 어레이에 입력 신호를 인가하고 센서 어레이로부터 출력 신호를 수신하는 방법을 나타낸 도이다.
도 13b는 본 발명의 실시예에 따른, 도 13a의 스위치를 제어하는 방법을 나타낸 도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 전압 감지 회로를 나타낸 도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이에서 누화를 최소화하는 방법을 나타낸 도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른, 식별 장치를 이용하여 생체인식 정보를 획득하는 것을 나타낸 도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치 소생 회로를 나타낸 도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른, 지문 골에 의해 로드된 압전 요소의 임피던스를 나타낸 도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른, 지문 산에 의해 로드된 압전 요소의 임피던스를 나타낸 도이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이 입력 신호를 나타낸 도이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이 출력 신호를 나타낸 도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치가 생체인식 정보를 획득하기 위해 어떻게 사용되는지를 나타낸 도이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치가 뼈 지도를 획득하기 위해 어떻게 사용되는지를 나타낸 도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 송신 및/또는 수신 빔 방향성을 나타낸 도이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치가 소동맥 혈류 정보를 획득하기 위해 어떻게 사용되는지를 나타낸 도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 송신 빔 방향성 및 수신 빔 방향성을 나타낸 도이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 송신 및/또는 수신 빔 방향성을 나타낸 도이다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치가 모세혈관 혈류 정보를 획득하기 위해 어떻게 사용되는지를 나타낸 도이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 송신 및/또는 수신 빔 방향성을 나타낸 도이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 생체인식 장치를 나타낸 도이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 모바일 생체인식 장치를 나타낸 도이다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른 무선 송수신기 생체인식 장치를 나타낸 도이다.
도 35는 도 34의 무선 송수신기 생체인식 장치를 더 자세히 나타낸 도이다.
도 36은 도 34의 무선 송수신기 생체 인식 장치를 이용하여 전자 상거래를 완성하는 것을 나타낸 도이다.
도 37은 도 34의 무선 송수신기 생체인식 장치의 각종 응용을 나타낸 도이다.
도 38은 본 발명의 실시예에 따른 무선 송수신기 생체인식 장치를 나타낸 도이다.
도 39는 블루투스 장치를 공공 서비스 계층과 결합하는 예시적인 피코넷을 나타낸 도이다.
도 40은 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이를 나타낸 도이다.
도 41은 본 발명에 따른 ASIC에 대한 기계적 공진기 감지 요소 상호접속 매트릭스를 나타낸 도이다.
도 42는 음향 임피던스 디지트 센서의 디지트를 나타낸 도이다.
도 43은 ASIC 송신기의 블록도이다.
도 44는 ASIC 수신기 파이프라인의 블록도이다.
도 45는 본 발명에 따른 감쇠된 기계적 공진기 감지 요소의 임피던스의 성능을 보인 그래프도이다.
도 46은 감쇠된 기계적 공진기 감지 요소를 통한 전류를 보인 그래프도이다.
도 47은 ASIC 수신기 파이프라인 멀티플렉서의 블록도이다.
도 48은 본 발명에 따른 ASIC 수신기 파이프라인 멀티플렉서의 대안적 배치를 나타낸 블록도이다.
도 49는 성능 개선을 위한 샘플 및 홀드 기능이 있는 ASIC 수신기 파이프라인의 블록도이다.
도 50은 샘플 및 홀드를 일반화한 ASIC 수신기 파이프라인을 나타낸 도이다.
도 51은 본 발명에 따른 샘플 및 홀드 기능없이 Tx[N-1] 및 Tx[N]에서 감지 요소의 샘플링을 나타낸 도이다.
도 52는 1 세트의 샘플 및 홀드를 가지고 Tx[N-1] 및 Tx[N]에서 감지 요소의 샘플링을 나타낸 도이다.

발명의 개관

본 발명은 일반적으로 압전 식별 장치 및 그 응용에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 지문과 같은 생체인식 데이터 또는 정보를 획득하고 획득된 정보를 이용하여 개인의 신원을 인식 및/또는 증명하는 압전 장치에 관한 것이다.

발명에 따른 예시적 장치 및 시스템

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 식별 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도이다. 식별 장치(100)는 압전 센서(110), 센서 입력 신호 발생기(120), 센서 출력 신호 처리기(130) 및 메모리(140)를 구비한다. 입력 신호 발생기(120)에서 발생된 입력 신호는 2개의 멀티플렉서(150)에 의해 센서(110)에 결합된다. 센서(110)의 출력 신호는 유사하게 2개의 멀티플렉서(150))에 의해 출력 신호 처리기(130)에 결합된다.

압전 세라믹 센서

센서(110)는 압전 세라믹 요소의 어레이가 바람직하다. 예를 들면, 센서(110)는 화학적으로 비활성이고 습기 및 기타의 대기 조건에 면역성이 있는 다결정 세라믹 요소의 어레이를 포함할 수 있다. 다결정 세라믹은 특정의 물리적, 화학적 및/또는 압전 특성을 갖도록 제조될 수 있다. 그러나, 센서(110)는 압전 세라믹 요소의 어레이를 포함하는 것에 한정되지 않는다. 센서(110)는 예를 들면 압전막을 포함할 수 있다. 폴리비닐리덴 불소(PVDF) 막 또는 그 공중합체와 같은 분극 불소중합체 막을 사용할 수 있다.

도 2는 표면(210, 220, 230, 240)을 가진 단일 직사각형 압전 세라믹 요소(200)의 동작 특성을 나타낸 것이다. 표면(210, 220)에 힘이 인가된 때, 인가된 힘에 비례하는 전압이 표면(210, 220) 사이에서 발생된다. 이것이 발생할 때, 표면(230, 240)은 서로로부터 멀어지게 이동한다. 표면(210, 220)에 전압이 인가된 때, 표면(230, 240)은 서로를 향하여 이동하고, 표면(210, 220)은 서로로부터 멀어지게 이동한다. 표면(210, 220)에 교류 전압이 인가되면 압전 세라믹 요소(200)는 관련 기술 분야에서 잘 알려진 방식으로 진동한다.

도 3은 1행의 5개의 직사각형 압전 세라믹 요소(200A, 200B, 200C, 200D, 200E)를 나타낸 것이다. 이들 직사각형 압전 세라믹 요소(200)들은 각각 지지체(302)에 부착되거나 일체화된다. 지지체(302)는 각 직사각형 압전 세라믹 요소(200)의 하나의 표면의 이동을 금지시킨다. 따라서, 압전 세라믹 요소(200C)의 표면(210, 220)에 교류 전압이 인가된 때, 압전 세라믹 요소(200C)의 표면(210)에서 음파(sonic wave)가 발생된다. 발생된 음파의 주파수는 압전 세라믹 요소(200C)의 물리적 특성에 의존한다.

도 4는 직사각형 압전 세라믹 요소(200)의 2차원 어레이(400)를 나타낸 것이다. 어레이(400))는 납 지르콘산염 티탄산염(PZT)으로 제조될 수 있다. PZT는 저가의 물질이다. 실시예에 있어서, 어레이(400)는 의료용으로 사용되는 PZT 1-3 복합체와 유사하다. 본 발명에 따른 센서(110)의 압전 세라믹 요소는 직사각형이 아닌 다른 형상을 가질 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 센서(110)는 원형 압전 세라믹 요소의 어레이(500)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 어레이(400)는 약 40 제곱 미크론의 표면적과 100 미크론의 깊이를 가진 직사각형 압전 세라믹 요소를 구비하여 20 MHz 기본 주파수 음파를 생성할 수 있다. 이 실시예의 요소들 사이에는 요소들 간에 50 미크론 피치를 제공하기 위해 10 미크론의 간격(spacing)을 사용한다. 50 미크론의 피치는 본 발명에 따른 식별 장치가 지문에 대한 미 연방수사국의 품질 표준에 부합하게 한다.

본 발명의 다른 실시예는 양호한 실시예와 다른 지오메트리(geometry)를 사용한다. 예를 들면, 50 미크론보다 더 큰 피치를 사용할 수 있다. 다른 실시예들도 또한 20 MHz가 아닌 다른 주파수에서 동작한다. 예를 들면, 실시예들은 30 MHz, 40 MHz 또는 다른 주파수에서 동작할 수 있다.

또한, 예를 들면, 다른 실시예로서, 어레이(400)는 약 80 제곱 미크론의 표면적 및 220 미크론의 깊이를 가진 입방형(직육면체) 압전 세라믹 요소를 포함할 수 있다. 이 실시예의 요소들 사이에는 약 을 제공하기 위해 약 20 미크론의 간격이 사용된다.

또다른 실시예로서, 어레이(400)는 약 200 제곱 미크론의 표면적 및 500 미크론의 깊이를 가진 직사각형 압전 세라믹 요소를 포함할 수 있다. 입방형은 프리즘 또는 사출성형된 별 모양으로 변형될 수 있고, 또는 챔버링된 코너를 가져서 누화(cross talk)를 감소시키고 몰딩을 용이하게 할 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서 어레이의 요소들 간의 간격은 임의의 횡파(shear wave)를 억제하고 센서에 개선된 기계적 특성을 제공하기 위해 가요성 물질 또는 충전제(602)로 충전될 수 있다. 미소구(604)는 중량을 감소시키고 및/또는 횡파의 억제를 향상시키기 위해 충전제(602)에 첨가될 수 있다(예를 들면, 비닐 미소구). 식별 장치의 신호대 잡음비 및 장치 감응도를 최적화하기 위해, 높은 음향 감쇠 및 전기 절연을 제공하는 충전제(예를 들면, 공기 충전 비닐 미소구로 충전된 애럴다이트(araldite)를 사용하여야 한다.

어레이(400)를 제조하는 데는 적어도 4가지의 제조 방법이 있다. 이 방법들은 레이저 커팅, 다이싱, 몰딩 및 스크린 인쇄이다. 레이저 커팅은 작은 홈을 커트하여 어레이(400)의 요소들을 형성하기 위해 엑사이머 레이저를 사용한다. 다이싱은 그로브(grove) 및 어레이(400)의 요소들을 형성하기 위해 고성능 다이싱 장비를 사용한다. 몰딩은 어레이(400)를 형성하기 위해 인젝션 몰딩 장비를 사용한다. 스크린 인쇄는 인쇄 회로 기판의 조립시의 솔더 프린팅 기술과 유사한 기술이고, 고도의 자동화 스크린 인쇄기는 레이저 컷 형판(stencil)으로 이루어진다. 이 방법은 세라믹 요소가 단지 100 미크론 두께이기 때문에 20 MHz 음파 요소를 생성하는 데 특히 적합하다.

이 방법은 적절한 농도의 세라믹 슬러리의 생성을 수반하고, 몰딩 방법에서 필요로 하는 표면 연마를 필요로 하지 않는 장점이 있다.

도 7a는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 직사각형 압전 세라믹 요소를 포함한 센서 어레이(700)를 나타낸 것이다. 센서 어레이(700)는 어레이(400)와 마찬가지로 직사각형 압전 세라믹 요소(200)의 2차원 어레이를 포함한 다층 구조이다. 도체(706, 708) 등의 도체는 각각의 직사각형 압전 세라믹 요소(200)에 접속된다. 각 요소(200)의 일단부에 접속된 도체(예를 들면 도체(706))는 각 요소(200)의 다른 단부에 접속된 도체(예를 들면 도체(708))에 대해 직교하도록 방위설정된다. 차폐층(702)은 손가락이 센서 어레이(700)에 근접하게 놓여질 수 있는 곳에 보호 코팅을 제공하도록 일측면에 추가될 수 있다. 지지체(704)는 센서 어레이의 반대쪽 단부에 부착될 수 있다. 센서 어레이(700)는 뒤에서 더 자세히 설명된다.

압전 막 센서

도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 압전 막(피에조 막)을 포함한 센서 어레이(750)를 나타낸 것이다. 도 7b는 센서 어레이(750)의 횡단면도이다. 센서 어레이(750)는 2개의 도체 그리드(754, 756)에 의해 샌드위치된 압전층(752)을 포함하는 다층 구조이다. 도체 그리드(754, 756)는 각각 평행한 도전성 라인의 행으로 구성된다. 바람직하게, 그리드(754)의 라인은 그리드(756)의 라인에 대하여 직교하게 방위설정된다(즉, 각각 x와 y 방향으로 설치된다). 이 방위는 압전막에서 복수의 개별적으로 어드레스가능한 영역 또는 요소를 생성한다. 여기에서 사용하는 용어 요소는 평행한 도전성 라인(도체)의 행을 이용하여 개별적으로 또는 큰 영역의 일부로서 어드레스될 수 있는 센서 어레이의 임의의 영역을 말한다. 압전 중합체 막 센서는 REVB 1999년 4월 2일자 펜실바니아 노리스타운에 소재하는 메져먼트 스페셜리티즈사(Measurement Specialities, Inc.)의 기술 매뉴얼인 압전막 센서에서 자세히 설명되어 있다(이 문헌은 인용에 의해 그 전체 내용이 여기에 통합된다).

차폐층(758)은 보호 코팅을 제공하기 위해 손가락이 놓여지는 일측면에 추가될 수 있다. 폼 기판(foam substrate)(760)은 지지체로서 사용될 수 있다. 도 7b에 도시한 바와 같이, 센서 어레이(750)의 복수의 층들은 하나의 방향(예를 들면, z 방향)을 따라서 적층된다.

일 실시예로서, 압전층(752)은 폴리비닐리덴 불소(PVDF) 막 또는 그 공중합체와 같은 분극 불소중합체 막이다. 도체 그리드(754, 756)는 PVDF 막(752)의 양 측면에 인쇄된 은 잉크 전극이다. 차폐층(758)은 우레탄 또는 다른 플라스틱으로 제조된다. 폼 기판(760)은 테프론으로 제조된다. 접착제(762, 764)는 차폐층(758) 및 폼 기판(760)을 도 7b에 도시된 바와 같이 인쇄된 PVDF 막(752)의 양 측면에서 유지한다.

일 실시예로서, 인쇄된 전극을 포함하는 PVDF 막은 용이한 교체를 위해 라벨처럼 벗겨내질 수 있다. 도 7b에 도시한 바와 같이, 센서 어레이(750)는 쉽게 벗겨내질 수 있도록 왁스 페이퍼 또는 다른 재질(도시 생략됨) 위에서 접착제(766)에 의해 장착될 수 있다. 이것은 압전 센서가 최소의 가격으로 간단히 및 용이하게 설치 및/또는 교체될 수 있게 한다. 광학 기술 및 실리콘 기술과 비교하면 압전 센서 어레이(750)의 유지는 사소한 것이다.

센서 어레이 어드레스 라인

도 8은 센서 어레이(700)를 더 구체적으로 도시한 것이다. 전술한 바와 같이, 센서 어레이(700)는 충전제(602)를 구비한 압전 세라믹 요소를 포함한다. 충전제(602)는 미소구(604)를 내포하는 것이 바람직하다. 이 구조물은 그 다음에 여러 층 사이에 샌드위치된다. 상기 중앙 복합층은 예를 들면 전기 임피던스 값의 매트릭스에 지문 기계적 임피던스를 맵하기 위해 사용될 수 있는 활성 구조물이다.

센서 어레이(700)의 각 직사각형 압전 세라믹 요소(200)는 2개의 전극 라인(예를 들면, 도체(706, 708))에 접속된다. 센서 어레이(700)의 일단부에 있는 전극 라인은 센서 어레이(700)의 다른 단부에 있는 전극 라인에 수직하게 연장한다. 따라서, 어레이의 임의의 단일 요소(200)는 그 요소에 접속된 2개의 전극 라인을 선택함으로써 어드레스될 수 있다. 전극 라인은 진공 파괴(vacuum despoliation) 및 리소그래피에 의해 생성되는 것이 좋고, 이 전극 라인들은 뒤에서 설명하는 상호접속 기술에 의해 스위칭 전자소자에 접속된다.

1 세트의 전극 라인 위에는 보호층(702)이 있다. 보호층(702)은 우레탄으로 제조되는 것이 바람직하다. 이 보호층(702)은 센서의 동작 중에 손가락과 접촉하도록 의도된다.

지지체(704) 또는 배면층은 각각의 직사각형 압전 세라믹 요소(200)에 대한 후방 음향 임피던스로서 사용된다. 양호한 실시예에 있어서, 지지체(704)는 테프론 폼으로 제조된다. 로드되거나 언로드될 때 요소의 전기 임피던스의 큰 변화를 제공하기 위해, 음향 임피던스 지지체(704)는 센서 요소 물질에 음향적으로 불일치(mismatch)되어야 한다. 매우 낮거나 매우 높은 음향 임피던스 물질을 사용할 수 있다. 압전 세라믹 물질을 사용하는 실시예에 있어서, 양호한 임피던스 불일치는 하드 배킹(hard backing)에 의해서 보다는 에어 배킹(air backing)에 의해서 획득될 수 있다. 이것은 센서가 높은 음향 임피던스를 갖기 때문이다.

센서 어레이(700)를 구성하기 위한 것으로 여기에서 설명한 물질은 예시적인 것이고 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 당업자에게 공지된 다른 물질을 사용하여도 좋다.

도 9는 센서 어레이가 주문형 집적 회로에 어떻게 접속될 수 있는지를 나타낸 도이다. 여기에서 설명하는 것처럼, 센서 어레이(700)의 개별 압전 세라믹 요소(m, n)는 센서 어레이(700)의 상부에서 도체 m을 선택(어드레싱)하고 센서 어레이(700)의 바닥에서 도체 n을 선택함으로써 어드레스될 수 있다. 다른 도체들은 접지되거나 개방(높은 임피던스 상태)될 수 있고, 특히, 요소의 이웃에 있는 요소들을 어드레스하기 위해 사용하는 도체들은 누화를 감소시키기 위해 선택된다. 선택된 요소의 이웃에서의 기생 전류는 도 6 및 도 7a를 참조하여 위에서 설명한 간극 충전제(interstitial filler)(602)에 의해 기계적으로 최소화된다. 일 실시예에서, 요소들 간의 간격(피치)은 약 50 미크론이고 표준 결합 기술은 약 100 미크론의 피치를 필요로하기 때문에, 도 9에 도시한 바와 같이 센서 어레이(700)의 "동쪽"과 "서쪽"에서의 교호 행과 "남쪽"과 "북쪽"에서의 교호 열이 센서를 "외부 세계"에 연결한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이러한 도체들은 ASIC 멀티플렉서(902)의 3개의 엣지(908) 주변의 "범프" 기술로 종결될 수 있다. 실시예에 있어서, ASIC 멀티플렉서(902)의 측면(908)은 약 3 mm이다.

실시예에 있어서, ASIC 멀티플렉서(902)는 고밀도 플렉스(906)에 접속된다. 고밀도 플렉스(906)는 에폭시 기판(904)에 접속된다. 도체는 어레이의 도체들을 ASIC 멀티플렉서(902)에 결합하기 위해 고밀도 플렉스에 형성 또는 부착될 수 있다. 예를 들면, 고밀도 플렉스(906) 위의 도체는 도 9에서 도체(708)를 ASIC 멀티플렉서(902)에 결합하는 것으로 도시되어 있다. 도체는 범프 솔더링에 의해 ASIC 멀티플렉서(902)에 결합된다. 고밀도 플렉스(906) 위의 도체를 센서 어레이의 도체(708)에 결합하기 위해 이방성 아교를 사용할 수 있다. ASIC 멀티플렉서(902)를 센서 어레이(700)에 접속하거나 전기적으로 결합하는 다른 수단들은 관련 기술 분야에서 잘 알려져 있고, 이 수단들을 본 발명에 따라서 또한 사용할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따라서 센서 어레이(1002)를 4개의 ASIC 멀티플렉서(902)에 어떻게 접속하는지를 보여주는 도이다. 여기에서 설명하는 것처럼, 전극 라인 또는 도체는 기판(902)의 양 측면에 증착되고(도 10에는 도시되지 않음), 그 다음에 원하는 패턴으로 에칭될 수 있다. 라인 및 행 패턴이 에칭되기 전에, 기판(902)은 의료용 변환기의 그것과 유사한 방식으로 분극되어야 한다.

분극 기판은 가용 인쇄 회로 기판 기술과 호환되는 소켓 또는 멀티칩 모듈 케이스에 접속된다. 압전 세라믹 매트릭스 또는 센서 어레이(1002)는 공기와 같은 폼(foam) 또는 산화 알루미늄으로 배킹될 수 있다. 배킹은 예를 들면 지문이 스캔되는 지점에서 임의의 에너지 결합이 센서 어레이(1002)의 전면(front face)에서만 발생하도록 8 Mrayls로 복합 압전 물질을 미스매치하도록 설계된다. 도 10에서 센서 어레이(1002)의 상부와 바닥 양측의 도체는 위에서 설명한 방식으로 끼워져서 약 100 미크론의 피치를 필요로 하는 결합 기술을 용이하게 한다는 것이 주목되어야 한다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치(1100)를 나타낸 것이다. 양호한 실시예에 있어서, 장치(1100)는 센서 어레이(1102) 상에서 정확성 없이 놓여지는 임의의 지문을 포착하기에 충분한 물리적으로 더 큰(예를 들면, 약 25 제곱 밀리미터) 압전 세라믹 센서 어레이(1102)를 구비한다. 센서 어레이(1102)는 해상도(25.4 mm당 500 포인트)에 있어서 CJIS ANSII NIST 표준과 호환되는 것이 바람직하고, 256개의 별개의 회색 음영을 제공하기에 충분한 픽셀 동적 범위를 갖는다.

도 11에 도시한 바와 같이, 실시예에 있어서, 기판(1110)은 인쇄 회로 기판(1104)에 부착된다. 센서 어레이(1102)의 도체들은 2개의 집적 회로(1106) 및 2개의 집적 회로(1108)에 결합되고, 이것은 센서 어레이(1102)를 다른 회로에 결합하고, 이것은 이 명세서의 다른 부분에서 설명한다. 집적 회로(1112)는 발명의 실시예가 개인 통신망의 일부로서의 다른 장치와 통신할 수 있게 하는 무선 송수신기이다. 이러한 접속은 본 발명의 실시예가 예를 들면 표준 보안 식별 및/또는 인증 토큰을 이것을 필요로 하거나 요구하는 임의의 처리 또는 거래에 제공하게 한다. 도 11에 도시한 접속 방식은 본 발명의 실시예를 구현하기 위해 사용할 수 있는 대안적인 접속 방식이다.

상기 센서 어레이에 관한 설명은 예시적인 것이고 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 예를 들면, 압전층(752)은 압전 중합체를 포함하지만 그것에 한정되지 않는 압전 효과를 나타내는 임의의 물질일 수 있다. 도체 그리드(706, 708, 754, 756)는 금속을 포함하지만 그것에 한정되지 않는 임의의 도전성 물질일 수 있다. 마찬가지로, 당업자에게는 명백한 바와 같이 다른 유형의 보호성 물질을 차폐층(702, 758)으로서 사용할 수 있다. 다른 유형의 지지성 물질이 지지체(704) 또는 폼 기판(760) 대신에 사용될 수 있다.

예시적인 식별 장치

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 식별 장치(1200)를 나타낸 것이다. 장치(1200)는 입력 신호 발생기(1202), 센서 어레이(1220), 출력 신호 처리기(1240), 메모리 제어기(1260) 및 메모리(1270)를 포함한다. 센서 어레이(1202)는 멀티플렉서(1225A, 1225B)에 의해 입력 신호 발생기(1202) 및 출력 신호 처리기(1240)에 각각 결합된다. 제어기(1230)는 멀티플렉서(1225A, 1225B)의 동작을 제어한다. 식별 장치(1200)의 동작은 뒤에서 자세히 설명된다.

실시예에 있어서, 입력 신호 발생기(1202)는 입력 신호 발생기 또는 발진기(1204), 가변 증폭기(1206) 및 스위치(1208)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 발진기(1204)는 20 MHz 신호를 생성하고, 이 신호는 장치(1200)가 동작하는 모드에 따라서 가변 증폭기(1206)에 의해 저전압 또는 고전압(예를 들면, 약 4 볼트 또는 8 볼트)으로 증폭된다. 스위치(1208)는 입력 신호를 제공하지 않거나 펄스 입력 신호 또는 연속파 입력 신호를 제공하기 위해 사용된다. 스위치(1208)는 관련 기술 분야에서 잘 알려져 있는 방식으로 여기에서 설명한 각종 유형의 입력 신호를 생성하도록 제어된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 입력 신호 발생기(1202)에 의해 발생된 입력 신호는 멀티플렉서(1225A)를 통하여 센서 어레이(1220)에 제공됨과 아울러 제어기(1230) 및 출력 신호 처리기(1240)에 제공된다.

예시적인 멀티플렉서

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 실시예에 따라서 입력 신호 발생기(1202)에서 발생된 입력 신호가 어떻게 센서 어레이(1220)에 인가되고, 센서 어레이(1220)로부터 출력 신호를 어떻게 수신하는지를 나타낸 것이다. 일 실시예에 있어서, 센서 어레이(1220)는 이차원 어레이(즉, 500×400 요소 어레이)로 배열된 200,000개의 요소(200)를 포함한다. 예를 들면, 어레이(1220)의 바닥에 있는 요소 행에 접속되는 어레이(1220)의 500개의 도체는 한번에 하나씩 또는 각종 그룹으로 입력 신호 발생기(1202)에 접속되어야 하고, 어레이(1220)의 상부에 있는 열에 접속되는 400개의 라인은 예를 들면 한번에 하나씩 또는 각종 그룹으로 임피던스 메터 또는 도플러 회로에 접속되어야 한다. 이 작업은 멀티플렉서(1225)에 의해 달성된다.

다른 실시예로서, 센서 어레이(1220)는 약 25,000개 내지 64,000개의 요소(200)를 포함할 수 있다(예를 들면, 80×80×200 미크론 요소). 또다른 실시예는 약 16,000개의 요소(200)를 포함할 수 있다(예를 들면, 200×200×500 미크론 요소).

실시예에 있어서, 멀티플렉서(1225)는 4개의 동일한 ASIC에 통합된다(도 10 참조). 상기 4개의 ASIC는 아날로그 멀티플렉서, 증폭기, 검출 회로 및 로직을 포함한다. 양호한 실시예에 있어서, 센서 어레이(1220)의 입력 신호의 전압은 8 볼트 미만으로 제한되고, 이것은 ASIC가 3-미크론 지오메트리를 이용하여 구성되고 5 오옴 미만의 스위치 임피던스를 달성하게 한다. 상기 각 ASIC의 4개의 기본 섹션은 (1) 여기에서 설명하는 멀티플렉서, (2) 증폭기/자동 이득 제어기, (3) 도플러 검출기 및 (4) 디지털 신호 처리기(DSP) 인터페이스이다. 항목 (2) 내지 (4)의 구조 및 구현에 대해서는 당업자에게 잘 알려져 있다.

실시예에 있어서, 멀티플렉서(1225)는 17개의 16:1 멀티플렉서를 포함하고, 따라서 선택된 1개의 출력 또는 16개의 출력을 제공한다. 멀티플렉서의 각 스위치의 기능은 272 비트 길이 및 2 비트 폭을 가진 시프트 레지스터(1302)에 의해 달성된다(도 13b 참조). 시프트 레지스터(1302)의 로딩 및 클럭킹은 제어기(1230)에 의해 수행되고, 상기 제어기는 당업자에게 잘 알려져 있는 카운터 및 로직을 포함한다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 센서 어레이(1220)의 도체들은 접지 또는 신호 입력 발생기(1202)에 접속되거나 어디에도 접속되지 않을 수 있다(높은 임피던스). 멀티플렉서(1225A)는 최저 "온" 저항용으로 설계된다. 멀티플렉서(1225B)는 센서 어레이(1220)의 일측면에 있는 모든(256개) 도체를 1개 또는 16개의 감지 노드에 접속한다. 2개의 멀티플렉서(1225A, 1225B)는 동일한 기능 로직(즉, 제어기(1230))에 접속되어 적절한 센서 요소가 예컨대 전압 감지용으로 선택되고 사용되게 한다. 감지용으로 선택된 요소 또는 요소 그룹 부근에 있는 요소 열 및 행은 결합 및 간섭을 방지하기 위해 접지로 스위칭될 수 있다.

도 13b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉서(1225)의 스위치를 어떻게 제어하는지를 나타낸 것이다. 여기에서 설명하는 것처럼, 어레이(1220)의 도체에 접속된 멀티플렉서(1225)의 각 스위치는 3가지 상태, 즉 접지에 접속된 상태, 입력 신호 발생기(1202)에 접속된 상태 및 개방 상태(높은 임피던스) 중의 하나에 있을 수 있다. 이것은 도 14에 도시한 바와 같이 예를 들면 2개의 CMOS 게이트를 이용하여 구현될 수 있다. 이때 각 스위치의 위치를 제어하기 위해 272 비트 길이 × 2 비트 폭의 시프트 레지스터를 사용할 수 있다. 제어기(1230)로부터의 비트들은 시프트 레지스터(1302)로 시프트하여 멀티플렉서(1225)의 스위치의 위치를 제어한다. 실시예에 있어서, 시프트 레지스터(1302)는 래치를 이용하여 멀티플렉서(1225)의 스위치에 결합되어 새로운 비트가 시프트 레지스터(1302)에 시프트될 때 멀티플렉서 스위치의 위치가 일정하게 유지되게 한다. 이 실시예를 구현하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다. 멀티플렉서(1225)의 기능성을 구현하기 위한 다른 수단이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 전압 검출기(1244)를 나타낸 것이다. 당업자라면 이해하는 바와 같이, 센서 어레이(1220)의 각 도체에서의 전압 강하는 특정 도체에 결합된 모든 요소들이 신호원(즉, 입력 신호 발생기(1202))로부터 나오기 때문에 어레이의 요소들의 전압 강하에 비하여 크다. 만일 각 요소가 500 오옴의 임피던스를 가지면, 병렬 접속된 400개 요소의 임피던스는 1.25 오옴이다. 그러나, 이 상황은 요소의 진정한 출력 전압을 측정하기 위한 제2 멀티플렉서를 사용함으로써 보상될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 멀티플렉서(1402)는 멀티플렉서(1406)의 스위치 앞에서 증폭기(1404)의 가상 제로 포인트를 이동시키기 위해 사용된다.

여기에서 설명하는 것처럼, 센서 어레이(1220) 내에서 그들의 관련 위치인 애퍼쳐(aperture)의 선택 및 동시에 동작하도록 의도되는 애퍼쳐의 수는 멀티플렉서(1225)의 로직의 복잡도에 영향을 준다. 따라서, 양호한 실시예에 있어서, 이 로직은 DSP를 이용하여 구현된다. 장치(1200)의 동작 모드는 모드 스위치를 이용하여 위에서 설명한 4개의 동일한 ASIC에서 선택될 수 있다. 이 모드 스위치들은 멀티플렉서(1225)의 출력을 출력 신호 처리기(1240)의 적절한 검출기에 지향시키도록 스위치(1250)(도 12 참조)를 동작시키기 위해 사용될 수 있다.

임피던스 검출기(1242), 이동 신호 시간(signal time of travel) 검출기(1246) 및 도플러 시프트 검출기(1248)의 동작은 뒤에서 설명한다. 상기 검출기들의 기능성을 구현하기 위한 회로는 여기에서 설명하는 관련 기술의 당업자에게 잘 알려져 있다.

출력 신호 처리기(1240)의 출력은 생체인식 데이터이다. 이 데이터는 메모리 제어기(1260)를 이용하여 메모리(1270)에 저장될 수 있다. 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다. 상기 생체인식 데이터의 이용에 대해서는 뒤에서 설명된다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이(1500)에서 스캐닝 속도를 증가시키고 누화를 최소화하는 수단을 나타낸 것이다. 도 15에 도시한 바와 같이, 복수의 요소가 동시에 활성화될 수 있고 누화를 최소화하기 위한 제1 수단은 어레이(1500)의 활성 요소(1502)를 지리적으로 분리하는 것이다. 여기에서 설명하는 것처럼, 동적 접지 방식(즉, 활성 요소(1502)의 이웃에 있는 요소(1504)들을 접지에 결합하는 것)은 그들이 센서 어레이(1500)를 횡단하여 스캔될 때 활성 요소(1502)와 함께 이동하도록 사용될 수 있다. 이것은 모든 감지 주파수에 대한 패러데이 케이지를 유지하면서 접지에 대한 용량 결합 및 전기적 누화를 감소시킨다. 또한, 누화를 감소시키고 그에 따라서 선택된 요소(1502)의 이웃에서의 기생 전류를 감소시키기 위해 간극 충전제를 사용할 수 있다. 어레이(1500)의 다른 요소, 예를 들면 요소(1506)는 개방된 도체에 접속된다.

발명의 예시적인 방법 실시예

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 방법(1600)의 흐름도이다. 이 방법(1600)은 2개의 단계(1610, 1620)를 포함한다. 단계 1610에 있어서, 생물학적 물체, 예를 들면 손가락 또는 손이 압전 세라믹 어레이 부근에 놓여진다. 단계 1620에 있어서, 출력이 센서 어레이로부터 획득된다. 획득된 출력은 뒤에서 설명하는 것처럼 처리되어 예컨대 손가락 또는 손을 센서 어레이 부근에 놓은 사람의 신원을 인식 또는 증명하기 위해 사용될 수 있는 생체인식 데이터를 획득한다.

각 단계(1610, 1620)에 대해서는 위에서 설명한 장치(1200)의 각종 동작 모드와 관련하여 뒤에서 자세히 설명한다.

여기에서 설명하는 것처럼, 식별 장치(1200)는 획득되는 생체인식 데이터에 따라서 다른 모드로 동작한다. 장치(1200)를 이용하여 획득될 수 있는 생체인식 데이터는 지문, 뼈 지도, 소동맥 혈류 및/또는 모세혈관 혈류를 포함한다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따라 식별 장치(1200)를 이용하여 손가락의 지문을 획득하는 것을 나타낸 것이다. 도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 손가락(1702)은 장치(1200)의 센서 어레이(1220) 부근에 놓여진다. 양호한 실시예에 있어서, 센서 어레이(1220)는 압전 세라믹 센서 어레이(700)와 유사하다.

손가락(1702)의 2개의 지문 산(1704)은 보호 차폐층(702)에 직접 접촉한다. 손가락(1702)의 지문 골(즉, 공동(cavity))(1706)은 보호 차폐층(702)과 직접 접촉하지 않는다. 도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 인접하는 지문 산(1704) 사이에는 약 6개의 압전 세라믹 요소(200)가 있다.

초기에, 장치(1200)는 절전 모드에 있다. 이 모드는 장치(1200)의 모바일 버전에서 배터리 수명을 연장하기 위해 특히 유용하다. 손가락(1702)이 센서 어레이(1220)에 힘을 인가하면, 소생 회로(1800)(도 18 참조)가 동작하여 장치(1200)를 턴온시킨다.

소생 회로(1800)는 커패시터(1802), 다이오드(1804) 및 스위치(1806)를 포함한다. 손가락(1702)이 압전 세라믹 요소(200)에 힘을 인가하면, 요소들에 의해 전압이 발생하여 커패시터(1802)가 전하를 축적하게 한다. 충분한 전하가 축적되었을 때, 생성된 전압은 스위치(1806)를 턴온시킨다. 전압원(1808)은 스위치(1806)가 턴온되었을 때 장치(1200)에 전력을 공급하기 위해 사용된다. 전력은 커패시터(1802)가 턴오프 회로(도시 생략된 방전 저항)를 이용하여 방전될 때까지 장치(1200)에 계속하여 공급된다.

장치(1200)가 소생한 후에, 장치(1200)는 센서 어레이(1220)로부터 출력을 획득하기 위해 임피던스 검출 모드 또는 감쇠 모드(전압 모드)로 동작하고, 상기 획득된 출력은 손가락(1702)의 지문을 획득하기 위해 처리된다. 상기 각 모드에 대해서는 뒤에서 설명한다.

압전 센서(200)의 요소들의 출력은 합산되어 장치와 손가락의 접촉 지점의 무게중심(centroid)을 결정할 수 있다. 따라서 장치를 가로지르는 임의의 손가락 이동이 감지될 수 있고, 센서(200)는 포인팅 장치로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 압전 센서(200)와 접촉하는 손가락의 무게중심은 상호접속된 뷰잉 장치에서 지시(point)하기 위해 사용될 수 있다. 센서 요소들의 합은 사용자가 너무 작은 힘으로 또는 너무 많은 힘으로 누르는지를 결정하기 위해 사용될 수 있고, 그 결과가 사용자에게 피드백된다.

도 18에 도시한 실시예는 상호접속된 뷰잉 장치에서 선택을 행하기 위한 스위치로서 또한 사용될 수 있다. 예를 들어서, 만일 아날로그-디지털 변환기(도시 생략됨)가 커패시터(1802)에 결합되어 있으면, 커패시터(1802)의 전압은 디지털 신호로 변환되어 사용자가 선택을 하기 위한 대화식으로 사용될 수 있다. 사용자가 센서(200)에 인가하는 압력이 다를 수 있기 때문에, 커패시터(1802)의 전압도 다를 것이다. 아날로그-디지털 변환기는 이러한 시변 전압(time varying voltage)을 예를 들면 00000000(베이스 2)과 11111111(베이스 2) 사이의 일련의 수로 변환한다. 아날로그-디지털 변환기의 출력은 주기적으로 샘플링되어 선택을 행하거나 및/또는 선택을 표시하기 위해 사용된다(예를 들면, 상기 수는 프로세서에 입력되어 특정의 선택을 행하거나 및/또는 표시하기 위해 사용된다). 뷰잉 장치의 그래픽 사용자 인터페이스는 사용자에게 피드백을 제공하고, 센서(200)에 인가된 압력에 기초해서 가능한 선택 중의 어느 것이 사용자에 의해 선택되었는지를 사용자에게 표시한다. 선택을 변경하기 위해서는 사용자가 센서(200)에 인가하는 압력을 단순히 더 크게 또는 더 작게하면 된다.

임피던스 모드

도 19는 본 발명의 실시예에 따른, 지문 골(1706)에 의해 로드되는 단일 압전 세라믹 요소(200)의 임피던스를 나타낸 것이다. 약 19.8 MHz의 주파수에서 지문 골에 의해 로드되는 요소(200)의 임피던스는 약 800 오옴이다. 20.2 MHz의 주파수에서는 임피던스가 약 80,000 오옴이다. 20 MHz의 주파수에서는 임피던스가 약 40,000 오옴이다. 도 19와 도 20의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 지문 골에 의해 로드되는 요소(200)의 절대 임피던스와 지문 골에 의해 로드되는 요소(200)의 주파수에 따른 임피던스의 변화는 둘 다 지문 산에 의해 로드되는 요소와 현저히 다르다. 이 차이는 센서 어레이(1220)로부터 출력을 획득하는데 사용될 수 있고, 상기 출력은 출력 신호 처리기(1240)에서 처리되어 지문 데이터를 생성할 수 있다.

도 20은 본 발명의 실시예에 따른, 지문 산(1704)에 의해 로드되는 단일 압전 세라믹 요소(200)의 임피던스를 나타낸 것이다. 도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 약 19.8 MHz의 주파수에서 지문 산에 의해 로드되는 요소(200)의 임피던스는 약 2,000 오옴이다. 20.2 MHz의 주파수에서는 임피던스가 약 40,000 오옴이다. 20 MHz의 주파수에서는 임피던스가 약 20,000 오옴이다. 따라서, 지문 산에 의해 로드되는 요소(200)의 절대 임피던스와 지문 산에 의해 로드되는 요소(200)의 주파수에 따른 임피던스의 변화는 둘 다 지문 골에 의해 로드되는 요소와 현저히 다르다.

임피던스 모드에서 동작할 때, 식별 장치(1200)는 요소(200)의 절대 임피던스 및/또는 주파수에 따른 요소(200)의 임피던스의 변화를 결정하여 주어진 요소(200)가 지문 산(1704)에 의해 로드되었는지 또는 지문 골(공동)(1706)에 의해 로드되었는지를 결정한다. 요소(200)의 임피던스의 측정치를 얻기 위해, 입력 신호 발생기(1202)는 멀티플렉서(1225A)를 이용하여 센서 어레이(1220)의 요소들에 입력되는 저전압 펄스를 생성한다.

멀티플렉서(1225B)에서 획득된 출력 신호는 어레이(1220)의 요소(200)들의 절대 임피던스에 관련된다. 이 출력 신호들은 스위치(1250)에 의해 임피던스 검출기(1242)로 전달되어 어레이(1220)의 요소들의 절대 임피던스의 측정치를 결정한다. 지문을 얻기 위해, 임피던스 검출기(1242)는 주어진 요소(200)가 지문 산에 의해 로드되었는지 지문 골에 의해 로드되었는지를 결정할 수 있으면 된다. 특정의 요소(200)가 지문 산에 의해 로드되었는지 지문 골에 의해 로드되었는지에 대한 이러한 결정은 손가락(1702)의 지문을 나타내는 픽셀 데이터를 발생하는데 사용될 수 있다. 지문은 메모리(1270)에 저장된다. 지문은 또한 뒤에서 설명하는 다른 장치에 또한 전송될 수 있다.

만일 손가락(1702)의 지문이 2개의 다른 입력 신호 주파수를 이용하여 2회 스캔되면, 주파수에 따른 요소(200)들의 임피던스의 변화를 계산할 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 주파수에 따른 요소(200)들의 임피던스의 변화는 요소(200)가 지문 산에 의해 로드되었는지 지문 골에 의해 로드되었는지에 따라서 달라진다. 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 입력 신호 발생기(1202)에서 발생된 입력 신호는 출력 신호 처리기(1240)에 공급된다. 따라서, 출력 신호 처리기(1240)는 센서 어레이(1220)에 입력되는 신호의 주파수 및 전압을 결정할 수 있다.

임피던스 검출 회로(도시 생략됨)는 연산 증폭기를 이용하여 구현될 수 있다. 멀티플렉서(1225B)의 출력은 연산 증폭기의 음극 포트에 공급되고 증폭된 신호가 출력 포트에서 획득된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 연산 증폭기의 양극 포트는 접지되고 연산 증폭기의 음극 포트와 출력 포트 사이에는 저항이 배치된다.

만일 출력 포트에서의 증폭 전압이 소정의 임계 전압을 초과하면, 측정 대상의 특정 요소(200)는 지문 산에 의해 로드된다. 이것은 (주어진 주파수에 대하여) 지문 산에 의해 로드된 요소(200)의 절대 임피던스가 지문 골에 의해 로드된 요소(200)의 임피던스의 약 절반이라는 사실에 기인한다. 따라서, 지문 산에 의해 로드된 요소(200)로부터 연산 증폭기에 제공되는 출력 신호의 전압은 지문 골에 의해 로드된 요소(200)로부터 연산 증폭기에 제공된 출력 신호의 전압의 약 2배이다.

일반적으로, 대형 개별 요소(예를 들면, 약 40 미크론 × 100 미크론 이상의 것)를 포함한 소형 압전 세라믹 센서 어레이(예를 들면, 약 10000개 미만의 요소를 갖는 것)와 관련하여 약간 다른 처리 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면, 예시적인 압전 세라믹 요소는 유전체로서 PZT를 구비한 커패시터로 구성될 수 있다. PZT의 유전율(permitivity)은 비교적 높다(예를 들면, 1500 쿨롱/볼트-메터 이상).

1500에서, 압전 효과는 커패시터가 소정 전압 하에서 기계적으로 팽창하거나 수축하게 한다. 각종 주파수에서, 요소는 파장의 상호작용, 요소에서의 음속 및 요소의 물리적 치수에 기초하여 선택적 진동 또는 클램핑을 나타낼 것이다. 가장 유용한 진동은 하나의 예시적인 실시예에서 7.6 MHz 및 8.3 MHz인 직렬 공진 및 병렬 공진이다. 주파수의 증가에 따른 커패시터 임피던스의 예상된 지수적 저하는 에너지가 소비되거나 소비되지 않기 때문에 상기 2개의 주파수에서 편차를 갖는다.

지문 산에 대한 기계적 결합의 포인트 확산 가설(point spread fiction)은 병렬 공진에 대한 옵셋임을 깨달았다. 이 개념은 공간 요소 주파수의 최대 4배까지의 공간 샘플링 주파수를 가능하게 한다. 또한, 산과 골에 대한 민감도는 골이 에너지의 전달이 없기 때문에 매우 편향된다. 그러나, 산은 고주파를 발사할 것이고, 이격된 골은 산을 통해 검출될 수 있다. 그 결과 센서는 산보다는 골을 검출할 수 있고 골은 요소 피치보다 훨씬 더 작을 수 있다.

감쇠/전압 모드

전술한 바와 같이, 장치(1200)는 감쇠 또는 전압 모드에서 동작하여 손가락(1702)의 지문을 획득할 수 있다. 이 동작 모드는 센서 어레이(1220)가 압전 세라믹 어레이(예를 들면, 어레이(700))이든지 또는 압전막 어레이(예를 들면, 어레이(750))이든지간에 이용할 수 있다. 장치(1200)의 감쇠 모드는 지문 산(1704)에 의해 로드된 요소(200)에 부여되는 에너지가 손가락(1702)에 전달될 수 있고, 지문 골(1706)에 의해 로드된 요소(200)에 부여되는 에너지가 손가락(1702)에 전달될 수 없다는 원리에 기초를 둔다.

감쇠 모드에 있어서, 입력 신호 발생기(1202)는 고전압 펄스 신호를 생성하고, 이 신호는 멀티플렉서(1225A)를 통하여 센서 어레이(1220)의 요소들에 제공된다. 도 21은 1 사이클의 입력 펄스를 나타낸 것이다. 그러나 입력 신호는 전형적으로 1 사이클보다 더 길다. 실시예에 있어서, 입력 신호는 약 10 사이클 길이이다. 이 입력 신호는 어레이의 요소들이 진동하여 음파를 생성하게 한다. 이 음파는 요소로부터 차폐층을 통하여 요소 위의 지문 산(1704)으로 이동할 수 있다. 상기 음파는 차폐층의 음향 임피던스가 손가락(1702)의 음향 임피던스와 일치하기 때문에 지문 산(1704)으로 통과할 수 있다. 지문 산(1704)과 차폐층 간의 인터페이스에 의해 음파에 대한 음향 장벽은 형성되지 않는다. 따라서, 지문 산에 의해 로드된 요소에 부여되는 에너지는 소산된다. 지문 골에 의해 로드된 요소의 경우에는 요소에 부여된 에너지가 더 긴 시간 동안 요소에 포획(trap)되어 유지된다. 이것은 지문 골에 있는 공기가 음향 장벽으로서 작용하기 때문이다.

다수의 사이클 후에, 어레이에 대하여 획득된 출력 신호의 전압이 결정되고 처리되어 손가락(1702)의 지문을 획득한다. 도 22는 예시적인 출력 신호를 나타낸 것이다. 실시예에 있어서, 지문 산(1704)에 의해 로드된 요소에 부여된 에너지가 지문 골(1706)에 의해 로드된 요소에 부여된 에너지보다 더 빨리 소산되기 때문에, 지문 산(1704)에 의해 로드된 요소로부터 획득된 출력 신호의 전압은 입력 신호 전압의 약 1/10에 불과하다. 이 실시예에 있어서, 지문 골(1706)에 의해 로드된 요소로부터 획득된 출력 신호의 전압은 입력 신호 전압의 약 1/2이다. 이 전압차는 전압 검출기(1244)에 의해 검출되고 처리되어 손가락(1702)의 지문을 발생할 수 있다. 전압 검출기(1244)를 구현하는 수단은 위에서 설명하였다. 다른 수단들이 또한 관련 기술 분야에 공지되어 있다.

도플러 시프트 및 에코 모드

식별 장치(1200)는 적어도 2개의 다른 모드에서 동작할 수 있다. 그 모드는 이동 신호 시간(에코) 모드와 도플러 시프트 모드이다. 에코 모드는 촬상 모드라고도 부른다. 이 모드들은 뒤에서 설명하는 것처럼 뼈 지도, 소동맥-정맥 지도, 소동맥 혈류 및 모세혈관 혈류와 같은 생체인식 데이터를 획득하기 위해 사용된다. 상기 생체인식 및/또는 기타 데이터의 조합이 또한 획득될 수 있다. 예를 들면, 소동맥 혈류 대 모세혈관 혈류의 비를 구하여 호스트의 감정 상태 또는 웰-빙(well-being)을 표시하기 위해 사용할 수 있다.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른, 에코 모드 또는 도플러 시프트 모드에서 동작하는 식별 장치(1200)가 생체인식 정보를 획득하기 위해 어떻게 사용될 수 있는지를 나타낸 것이다. 여기에서 설명하는 것처럼, 고전압 신호는 센서 어레이(1220)의 요소들에 입력되어 음파를 생성할 수 있다. 이 음파는 손가락(1702)을 통하여 이동하고 손가락(1702)의 각종 특징, 예를 들면 손가락(1702)의 뼈, 손가락(1702)의 손톱, 또는 손가락(1702)의 혈류 등에 의해 반사된다.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른, 식별 장치(1200)가 3차원 뼈 지도를 획득하기 위해 어떻게 사용될 수 있는지를 나타낸 것이다. 손가락(1702)의 뼈(2402)의 지도를 생성하기 위해, 장치(1200)는 에코 모드에서 동작한다. 피부면으로부터 손가락(1702)으로 이동하는 음파는 뼈(2402)의 뼈 구조로부터 반사될 것이다. 이 구조는 야기된 큰 에코 진폭으로부터 식별될 수 있다. 에코 이동 시간은 뼈 거리에 대한 센서의 측정치이므로, 뼈(2402)의 형상에 대한 3차원 지도가 달성될 수 있다.

뼈(2402)의 지도를 얻기 위해, 고전압 펄스 입력 신호가 입력 신호 발생기(1202)에 의해 발생되어 어레이(1220)의 요소들에 제공된다. 이 입력 신호는 손가락(1702)으로 이동하는 음파를 요소들이 발생하게 한다. 도 24에 도시한 바와 같이, 어레이(1220)의 특정 요소(200)만이 임의의 주어진 시간에 음파를 활동적으로 발생한다. 본 발명에 따라서 및 여기에서 설명하는 것처럼, 활성 음파를 송신 및 수신하는 애퍼쳐가 구성되고 제어기(1230) 및 멀티플렉서(1225)를 이용하여 센서 어레이(1220)를 가로질러 이동(스캔)된다. 발생된 음파는 손가락(1702)을 통하여 이동하고 뼈(2402)의 구조에 의해 반사된다. 반사된 음파는 수신 애퍼쳐에 의해 검출된다. 음파의 이동 시간은 장치(1200)의 검출기(1246)에 의해 검출되고 뼈 구조가 어레이(1220)로부터 각종 거리에 위치되었는지를 검출하기 위해 사용된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 이 동작 모드는 레이더가 동작하는 방법과 유사하다.

음파의 파장 및 선택된 애퍼쳐는 송신 및 수신 빔 형상을 규정한다. 각종 애퍼쳐의 크기 및 빔 방향성은 본 발명에 따라서 형성될 수 있다. 도 25는 본 발명의 실시예에 따라서 뼈(2402)의 뼈 지도를 획득하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 빔 방향성을 나타낸 것이다. 다른 빔을 또한 사용할 수 있다.

도 26은 본 발명에 따라서 식별 장치(1200)가 소동맥 혈류 정보를 획득하기 위해 어떻게 사용되는지를 나타낸 것이다. 손가락(1702)에 대하여 동맥(2602)과 모세혈관(2604)이 도시되어 있다. 도 26에서 알 수 있는 바와 같이, 소동맥 혈류는 센서 어레이(1220)의 표면과 평행하다.

소동맥 혈류 데이터는 장치(1200)가 도플러 시프트 모드에서 동작하는 동안 장치(1200)로부터 획득된다. 동맥(2602) 내에서 흐르는 적혈구로부터 후방 산란(back-scattered)된 도플러 시프트 신호를 수신하기 위해, 센서 어레이(1220)의 송신 및 수신 방향성 빔 패턴은 하나 이상의 중첩 볼륨(2606)을 형성하여야 한다.

도 27은 중첩 볼륨(2606)을 형성하는 본 발명의 실시예에 따른 송신 애퍼쳐(2610A) 및 수신 애퍼쳐(2610B)를 나타낸 것이다. 송신 애퍼쳐(2610A) 및 수신 애퍼쳐(2610B)를 생성하는 하나의 방법은 약 6 파장 스퀘어 미만의 애퍼쳐(예를 들면, 한 측면에 300 미크론 또는 6개의 요소)을 만들고 2 파장(600 미크론)의 피치로 이격시키는 것이다. 이 애퍼쳐들은 약 30도로 사이드 빔 또는 격자 로브(grating lobe)를 생성하고 소동맥 혈류를 검출하기에 적당한 깊이에서 중첩 영역(2606)을 형성한다. 도 28은 본 발명의 실시예에 따라서 상기 애퍼쳐에 의해 형성된 송신 및/또는 수신 빔을 나타낸 것이다. 다른 애퍼쳐를 또한 사용할 수 있다. 격자 로브가 생성될 수 있는 각도는 여기에서 발명의 설명으로 주어지는 당업자에게 잘 알려져 있는 애퍼쳐들간의 피치의 비율 및 생성된 음파의 파장에 의해 제어된다.

도 26 및 도 27에 도시한 바와 같이, 애퍼쳐(2610A)에 의해 생성된 소닉 에너지(sonic energy)는 동맥(2602) 내의 혈구에 의해 산란되고 애퍼쳐(2610B)에서 수신된다. 애퍼쳐(2610A)를 구성하는 어레이(1220)의 요소에 제공된 입력 신호는 고전압의 연속파 신호이다. 이 입력 신호는 도플러 시프트 검출기(1248)의 기준 신호로서 출력 신호 처리기(1240)에 또한 제공된다. 이 입력 또는 기준 신호는 애퍼쳐(2610B)로부터 수신된 출력 신호와 도플러 시프트 검출기(1248)에 의해 혼합되어 도플러 시프트 정보를 획득한다. 도플러 시프트 검출기(1248)를 구현하는 회로는 당업자에게 잘 알려져 있으므로 여기에서 구체적으로 설명하지 않는다.

도 29는 본 발명의 실시예에 따라서 식별 장치(1200)가 모세혈관 혈류 정보를 획득하기 위해 어떻게 사용되는지를 나타낸 것이다. 도 29에서 알 수 있는 바와 같이, 모세혈관 혈류는 센서 어레이(1220)의 표면에 수직한 방향으로 된다. 모세혈관 혈류를 소동맥 혈류와 분리하기 위해, 9개 요소(3×3, 150 제곱 미크론)의 복수의 애퍼쳐가 선택될 수 있다. 이 애퍼쳐는 센서(1220)의 많은 부분에서 동시에 복제될 수 있는 매우 작고 밀접한 민감도 영역을 생성할 것이다. 애퍼쳐의 민감도는 복수의 애퍼쳐의 도플러 신호를 함께 추가함으로써 증가될 수 있다. 민감도 애퍼쳐는 어레이(1220)의 표면에 가장 가까운 손가락(1702)의 최초 0.5 밀리미터에서 집중된다. 도 30은 본 발명의 실시예에 따라서 모세혈관 혈류를 검출하기 위해 사용될 수 있는 송신 및/또는 수신 빔 방향성을 나타낸 것이다.

장치(1200)를 이용하여 혈류를 검출할 때, 펄스형 도플러 실시예를 이용하면 동일한 애퍼쳐가 송신 및 수신 기능을 둘 다 수행하는 장점이 있다. 또한, 수신 신호를 게이팅함으로써, 잘 정의된 샘플 볼륨으로부터 야기되는 후방 산란 정보만이 혈류 패턴을 얻기 위해 분석된다.

도 31은 장치(1200)를 이용하여 생체 인식 데이터를 획득하는 더 구체적인 방법(3100)의 흐름도이다. 이 방법(3100)은 압전막 센서 어레이를 가진 장치(1200)의 특정 실시예를 참조하여 설명된다.

단계 3102에서, 장치(1200)는 소생되고 압전막 센서 어레이(1220)가 초기 픽셀 또는 픽셀 그룹을 검출하도록 스위칭된다. 제어기(1230)는 지정된 초기 픽셀 또는 픽셀 그룹으로 멀티플렉서(1225A, 1225B)를 스위칭한다. 일례에 있어서, 압전막 센서 어레이(1220)는 512×512 픽셀 어레이이다. 멀티플렉서(1225A, 1225B)는 각각 검출된 초기 픽셀 또는 픽셀 그룹의 지정된 어드레스로 특정 그리드 라인(도체)을 어드레스 및/또는 선택하기 위해 사용된다.

단계 3104에서, 입력 신호가 압전막 어레이(1220)에 인가된다. 펄스는 하나의 30 MHz 사이클로 인가된다. 발진기(1204)는 30 MHz의 진동 신호를 발생한다. 멀티플렉서(1225A)는 입력 펄스를 초기 픽셀 또는 픽셀 그룹에 전송한다. 이 입력 신호는 제어기(1230) 및 출력 신호 처리기(1240)에도 또한 전송된다.

단계 3106에서, 출력 신호가 압전막 센서 어레이(1220)로부터 획득된다. 출력 신호 처리기(1240)는 픽셀에서 신호를 검출하기 전에 다수의 사이클을 대기한다. 예를 들면, 입력 신호 발생기(1202)로부터 전송된 신호에 응답해서, 출력 신호 처리기(1240)는 입력 펄스가 픽셀(또는 픽셀 그룹)에 인가된 후에 다수의 사이클을 대기한다. 단계 3108에서, 대기가 종료한 때, 예를 들면 전압이 전압 검출기(1244)를 이용하여 평가된다.

예를 들면, 하나의 30 MHz 사이클은 약 33 나노초에 대응한다. 대기는 약 5 사이클 즉 150 나노초일 수 있다. 다른 대기 기간(예를 들면, 더 많거나 더 적은 수의 주기)은 발진기 주파수 및/또는 다른 설계 조건에 따라서 사용될 수 있다. 상기 대기는 전술한 바와 같이 픽셀에서의 인가된 전기 펄스에 응답해서 발생하는 지문 산의 존재에 기인하는 링 다운 발진(ring down oscillation)을 가능하게 한다.

단계 3108에서, 필터링된 전압이 출력 신호 처리기(1240)에 의해 평가되고 그레이 스케일 또는 이진 픽셀 값은 검출된 전압을 나타내는 출력이다(단계 3110). 필터 회로(도시 생략됨)는 출력 전압을 필터링하여 약 30 MHz의 주파수 부근에서 중심이 맞춰진 통과대역 내의 출력 전압 신호를 검출하는 대역 통과 필터이다. 그레이 스케일 또는 이진 픽셀 값은 메모리 제어기(1260)에 출력되어 영상 메모리(1270)에 저장된다. 일례에 있어서, 출력 그레이 스케일 또는 이진 픽셀 값은 검출된 픽셀에 대응하는 영상 메모리(1270)의 어드레스에 저장된다.

단계 3112에서, 스캔이 종료되었는지 결정하기 위한 체크가 이루어진다. 다시 말해서, 500×400 센서 어레이(1220)의 각 픽셀이 스캔되었고 대응하는 출력 값이 영상 메모리에 저장 및 축적되었는지를 결정하기 위한 체크가 이루어진다. 만일 스캔이 종료하였으면 루틴이 끝난다. 그 다음에, 예를 들면 지문 영상이 성공적으로 포착되었음을 표시하는 신호 또는 다른 표시가 발생되어 장치(1200)로부터 출력될 수 있다. 만일 스캔이 종료하지 않았으면, 압전막 센서 어레이(1220)가 다음 픽셀 또는 다음 픽셀 그룹을 검출하도록 스위칭된다(단계 3114). 그 다음에 제어는 다음 픽셀 또는 다음 픽셀 그룹에 대하여 단계 3104 내지 3112를 수행하도록 복귀한다.

전술한 바와 같이, 압전막 센서 어레이(1220)는 단일 픽셀 또는 픽셀 그룹의 전압 값을 검출하도록 멀티플렉서(1225)에 의해 스위칭될 수 있다. 일반적으로, 픽셀을 스캔하는 임의의 방식을 사용할 수 있다. 예를 들면, 픽셀의 라스터 스캔이 수행될 수 있다. 픽셀은 행마다 또는 열마다 스캔될 수 있다.

하나의 양호한 예에서, 소정의 순간에 복수의 픽셀 그룹이 판독될 때, 픽셀 그룹 내의 각 픽셀은 소정의 거리만큼 분리된다. 이 방법으로 이웃 픽셀의 링 다운 발진으로부터의 간섭 효과가 최소화되거나 회피된다. 일례에 있어서, 주어진 사이클에서 검출된 픽셀들은 적어도 8 픽셀의 최소 거리만큼 분리된다. 이 방법으로 이웃 픽셀들 간의 임의의 링 다운 발진이 크게 감쇠된다.

발명의 예시적인 응용

생체인식 포착 장치

도 32는 본 발명의 실시예에 따른 생체인식 장치(3202)를 나타낸 것이다. 장치(3202)는 본 발명에 따른 센서 어레이(3204)를 구비한다. 장치(3202)는 특히 본 발명에 따른 지문 데이터를 획득 및 저장하도록 이루어진다. 장치(3202)는 예를 들면 법 집행관이 사용하도록 의도된다.

모바일 생체인식 포착 장치

도 33은 본 발명의 실시예에 따른 모바일 생체인식 장치(3300)를 나타낸 것이다. 장치(3300)는 장치의 한쪽에 본 발명에 따른 센서 어레이(3302)를 구비하고 다른쪽에 핸들(3306)을 구비한다. 장치의 회로는 장치의 한쪽 부분(3304)에 위치된다. 장치(3300)는 배터리 구동형이다. 장치(3300)는 예를 들면 법 집행관이 사용하도록 또한 의도된다.

무선 송수신기 생체인식 장치

도 34는 본 발명의 실시예에 따른 무선 송수신기 생체인식 장치(3400)를 나타낸 것이다. 장치(3400)는 예를 들면 전자 서명 장치로서 일반 대중이 사용하도록 의도된다.

장치(3400)는 본 발명에 따라서 지문과 같은 생체인식 데이터를 획득하기 위한 센서(3402)를 구비한다. 장치(3400)는 사용자에게 정보를 전달하기 위한 3개의 표시등(3404)을 구비한 것으로 또한 도시되어 있다.

도 35는 무선 송수신기 생체인식 장치(3400)의 더 구체적인 모습을 나타낸 것이다. 도 35에서 알 수 있는 바와 같이, 센서(3402)는 배터리(3504)에 의해 전원이 공급된다. 장치(3400)는 다른 장치에 정보를 전송하고 다른 장치로부터 정보를 수신하기 위해 사용될 수 있는 안테나(3502)를 구비한다. 장치(3400)는 블루투스 무선 기술과 호환하도록 제조될 수 있다. 열쇠 고리(3506)가 장치(3400)에 부착될 수 있다. 도 36 및 도 37에서 설명하는 바와 같이, 장치(3400)는 다수의 가능한 용도를 갖는다.

전자 상거래

도 36은 무선 송수신기 생체인식 장치(3400)를 이용하여 전자 상거래를 수행하는 것을 나타낸 것이다. 거래의 제1 단계에서, 장치(3400)는 거래를 원하는 사람의 지문을 획득한다. 장치(3400)는 그 다음에 금전 등록기(3602)에 결합된 장치에 지문을 전송하고(제2 단계), 금전 등록기에 결합된 장치는 지문을 제3자 검증 서비스(3604)에 전송한다(제3 단계). 제3자 검증 서비스는 수신된 지문을 이용하여 수신된 지문을 데이터베이스에 저장된 지문 데이터와 비교함으로써 구매자의 신원을 검증한다(제4 단계). 그 다음에 구매자의 신원이 금전 등록기(3602)에(제5 단계) 및 신용카드 서비스(3606)에(제6 단계) 전송될 수 있다. 신용카드 서비스는 제3자 검증 서비스로부터의 데이터를 이용하여 금전 등록기(3602)로부터 수신된 판매 정보를 승인하거나(제7 단계) 신용카드의 권한없는 사용을 금지한다. 금전 등록기(3602)가 구매자 신원 검증을 수신하고 구매자가 신용카드 서비스를 이용할 권한이 있다는 검증을 수신하면, 금전 등록기(3602)는 신용카드 번호를 전송하도록 장치(3400)에 통지할 수 있다(제8 단계). 그 다음에 금전 등록기(3602)는 신용카드 번호를 신용카드 서비스(3606)에 보내고(제9 단계), 신용카드 서비스는 대금을 판매자 은행 계좌에 입금하고(제10 단계) 상거래를 종료한다. 상기 단계들은 장치(3400)가 어떻게 전자 서명 장치로서 사용될 수 있는지를 나타낸 것이지만, 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는다.

다른 무선 송수신기 생체인식 장치 응용

도 37은 무선 송수신기 생체인식 장치(3400)가 잘 적용될 수 있는 다른 응용을 나타낸 것이다. 예를 들면, 장치(3400)는 건물 접근 제어; 법 집행; 전자 상거래; 금융 거래 보안; 피고용자의 근무시간 및 출석 추적; 법적 기록, 개인 기록 및/또는 의료 기록에 대한 접근 제어; 운송 보안; 이메일 서명; 신용카드 및 ATM 카드의 사용 제어; 파일 보안; 컴퓨터 네트워크 보안; 알람 제어; 및 개인의 식별, 인식 및 검증을 위해 사용될 수 있다. 상기의 응용들은 특히 장치(3400) 및 일반적으로 본 발명의 많은 유용한 응용들 중의 일부에 불과하다. 장치(3400) 및 본 발명의 추가적인 응용은 여기에서 본 발명의 설명으로 주어진 당업자에게 자명할 것이다.

개인 통신망 응용

여기에서 설명하는 것처럼, 본 발명의 실시예는 개인 통신망의 일부로서 다른 장치와 상호작용할 수 있다. 도 38은 본 발명에 따른 무선 송수신 생체인식 장치(3800)의 일 실시예를 나타낸 것이다. 장치(3800)는 위에서 설명한 장치(1200)와 유사한 생체인식 장치, DSP 칩(3802), 블루투스 칩(3804), 디스플레이(3806) 및 배터리(3808)를 포함한다. 위에서 설명한 것처럼 장치(1200)는 본 발명에 따른 압전 세라믹 센서 어레이(700) 및 4개의 멀티플렉서(1225)를 구비한다.

생체인식 장치(1200)는 DSP(3802)에 결합된다. DSP(3802)는 장치(1200)를 제어하고 생체인식 데이터를 저장한다. DSP(3802)는 또한 데이터를 전송 및 수신하기 위한 블루투스 칩(3804)에 결합된다. 디스플레이(3806)는 장치(3800)의 사용자에게 정보를 전달하기 위해 사용된다. 장치(3800)는 배터리(3808)에 의해 전원이 공급된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 블루투스는 단거리 무선 통신 기술의 프로토콜 및 하드웨어를 통제하는 협약이다. 본 발명은 블루투스 기술을 구현하는 것으로만 한정되지 않는다. 다른 무선 프로토콜 및 하드웨어를 또한 사용할 수 있다.

무선 송수신기 생체인식 장치(3800)는 개인이 장치(3800)로부터 약 30 피트 이내에 있는 호환성 장치와 통신할 수 있게 한다. 장치(3800)는 예를 들면 전화기, 셀폰, 개인 컴퓨터, 프린터, 가스 펌프, 금전 등록기, 자동화 텔러 머신, 도어록, 자동차 등에 접속될 수 있다. 장치(3800)가 개인 통신망 또는 피코넷 내의 임의의 호환성 장치와 접속하여 이들과 정보 또는 데이터를 교환할 수 있기 때문에, 장치(3800)는 필요로 하는 임의의 처리 또는 거래를 위해 임의의 장치에 표준화 보안 식별 또는 권한 토큰을 공급할 수 있다.

공공 서비스 계층 응용

본 발명은 블루투스 스택에 "공공 서비스 계층"(public services layer; PSL) 하이업(high up)을 제공한다. PSL 계층은 서로 통신가능하게 결합된 블루투스 장치의 식별 및 액세스 제어를 합리화한다. 실시예에 있어서, PSL 계층은 지문 스캐너에 의해 제공된 지문 생체인식 신호에 기초한 권한 및 식별을 지원한다. 일례로서, 무선 송수신기 생체인식 장치(3800)는 블루투스 프로토콜 스택을 포함한 블루투스 모듈과 함께 사용되어 지문 생체인식 신호를 제공할 수 있다. 예를 들면 제니퍼 브레이 및 챨즈 스터맨이 기고한 2001년 뉴저지주 어퍼 새들 리버 프랜티스 홀의 케이블없는 블루투스™ 접속(그 전체 내용을 포함한 책 전부가 인용에 의해 여기에 통합된다), 및 브렌트 밀러 및 채트쉬크 비지키안(Chatschik Bisdikian)이 기고한 2001년 뉴저지주 어퍼 새들 리버 프랜티스 홀의 블루투스 리빌드(그 전체 내용을 포함한 책 전부가 인용에 의해 여기에 통합된다)의 블루투스 모듈, 프로토콜 스택 및 호환 장치의 설명을 참조한다.

실시예에 있어서, PSL 계층 기능성은 프로토콜에 의해 규정된다(명세서라고도 부름). PSL 계층은 피코넷의 장치로부터의 단순 요구를 해석하고 미리 규정된 형태로 능력 및 능력의 레벨을 역으로 통지한다. 블루투스 설비의 판매자는 그들의 제품의 특징을 향상시키기 위해 본 발명의 PSL 계층에 서비스를 추가할 수 있다.

PSL 계층은 대부분의 경우에 장치가 지원하는 기능성 그룹 중의 하나를 요청한 PSL 요청이 방송될 때까지 장치의 정상 기능에 대해 투명하게 동작한다. 하나의 최소 지원 레벨은 요청된 기능을 가진 장치를 종국적으로 찾아내기 위해 스캐터넷 연장의 도움으로 만족되지 않은 요청을 재방송한다. 이 방법으로, 요청 장치의 범위 밖의 다른 장치들이 PSL 요청을 이행하기 위해 접촉될 수 있다.

도 39는 본 발명에 따라서 블루투스 장치(3910, 3920)와 결합된 예시적인 피코넷(3900)을 나타낸 도이다. 장치 블루투스는 공공 서비스 계층 및 블루투스 스택 또는 칩세트를 가진 지문 스캐너이다. 공공 서비스 계층은 권한 및 식별을 지원할 수 있다. 장치(3920)는 임의의 블루투스 설비이다. 장치(3920)는 PSL 계층 및 블루투스 스택 또는 칩세트를 포함한다. 피코넷(3900)은 스캐터넷 내에서 피코넷 영역 내에 임의 수의 블루투스 장치를 포함하거나 다른 통신 링크를 통하여 피코넷에 결합될 수 있다.

작업의 종료는 분산형 블루투스 설비의 배열(constellation) 중에서 많은 기능들이 공동으로 수행될 것을 요구한다. 사용자는 작업의 모든 기능들을 커버하기 위한 충분한 설비들을 구매하여 설치하여야 한다. PSL 방식은 설비들이 사용자들 간에 공유되고 일부 경우에는 복수의 용도를 제공하기 때문에 효율성이 있고 비용 절약적이다.

PSL 계층의 한가지 예시적인 동작은 물리적 액세스 제어이다. 무선 송수신기 생체인식 장치(3920)의 PSL 계층은 하나 이상의 요청 액세스 신호를 전송 또는 방송한다. PSL 계층의 이러한 요청 액세스 신호는 추출/정합/액세스에 대한 요청 및 블루투스를 통한 보안 주계(secured perimeter) 외측으로부터의 검출 지문을 나타내는 데이터를 포함할 수 있다. 보안 영역 내측에서 블루투스를 구비한 데스크톱 PC의 PSL 계층은 추출/정합/액세스를 위한 무선 송수신기 생체인식 장치(3920)로부터의 요청을 수신하고 서버에 저장된 개인 데이터베이스에 인쇄 데이터를 정합시키며 허가된 액세스를 도어에 전송한다. 이때 블루투스 도어록은 개방되고 작업이 종료된다.

세이빙(saving)은 액세스 제어, 시간 및 출석, 개인 추적 및 보안의 기능을 수행하기 위해, 다른 용도로 사용되는 데스크톱 PC를 이용하여 설명된다. 유일한 전용 하드웨어는 PC 및 무선 송수신기 생체인식 장치(3800)가 다른 작업을 위해 사용되기 때문에 블루투스 도어록이다. 설치 비용은 최소이고 기록 유지 및 데이터베이스 관리의 편리성이 또한 최소이다. 이 작업에 수반되는 3개의 설비는 PSL 표준하고만 통신하는 다른 판매자로부터 구매할 수 있다. 지문 추출/정합/액세스의 기능은 패턴, 세목(minutiae), 국소 또는 중앙일 수 있고 또는 도어록 또는 무선 송수신기 생체인식 장치(3800)에 영향을 주지 않고 더 큰 보안 및 편리성 등을 위해 언제든지 변경될 수 있다. 조명등, 공기 조절기 및 전화기의 턴오프 또는 턴온 기능은 만일 필요하다면 상기 작업에 모두 추가될 수 있다.

세이빙의 다른 장점은 노후화(obsolescence)이다. 블루투스 도어록, 블루투스 공기 조절기, 블루투스 연기 검출기, 블루투스 조명 등을 설치한 건물은 설치 비용없이 생체인식 제어로 업그레이드될 수 있다.

연기 경보기 및 조명 기구와 같은 설비들은 경보기로서 작용할 수 있고, 피코넷을 스캐터넷으로 연장하여 원격 지역에서 제어하는 보안 기능성을 추가하여 공원, 정원 및 주차장에서의 갭을 메울 것이다.

전화기는 블루투스 PSL 기능을 구비한 채로 매매될 수 있고, 이것은 긴급 코드를 수신한 경우 전화기가 911에 전화를 걸 수 있음을 의미한다. 블루투스 PSL은 개인 긴급 서비스용의 특수 번호로 다이얼하도록 프로그램되는 기능을 가질 수 있다.

프로토콜은 FIFO 내의 로그 이벤트(log event)를 규정할 수 있고, 그래서 잘못된 경보가 추적되고 최소화될 수 있다.

일 실시예에 있어서, PSL 명세서는 아래에서 설명하는 요소들을 갖는다.

소수 파일링 시스템(decimal filing system)이 포함된다. 요청은 요청에서 소수 자리의 수와 같이 특정될 수 있는 기능을 방송한다. 이 방법으로, 제조자는 만일 장치가 예상한 대로 이용할 수 있으면 그의 장치 배열에서 작업을 유지할 수 있다. 만일 요청이 필요한 정확한 함수 번호(function number; FN)로 서비스되지 못하면, 스캐터넷 내의 다음 가장 가까운 FN이 사용된다. FN의 클러스터는 개발 지역 주변에서 사용된다. 예를 들면, 조명 기구는 551.263의 FN을 가질 수 있고, 이것은 500 퍼실리티 유틸리티, 550 라이트, 551 플러그 인, 551.2 테이블 램프, 551.26 할로겐 저전압, 개인 또는 회사(배타적이지 않음)에 의해 제조된 551.263을 나타낸다. 551.263으로 전환하는 상기 특수 함수에 대한 요청은 비록 55X 조명(lighting)의 그룹으로 제한되기는 하지만 이것이 그 시간에 및 수치적으로 가장 가까운 수로 이용가능한 모두이기 때문에 557.789 월 네온(wall neon)에 의해 서비스될 수 있다. FN 551.26은 PSL 명세서에서 규정될 수 있고, 이것 이후의 디지트는 제조자 용도이며 등록될 수 있다. 이 방법으로 조명 제조자는 시각적 효과를 조직화(crchestrate)하는 PC용 소프트웨어를 공급할 수 있다.

요청 장치 또는 PSL 관리자(피코넷 마스터 장치)는 요청과 기능을 정합시키도록 스캐너넷에서 중재할 수 있다.

PSL은 기능들이 할당되는 구조를 또한 규정할 수 있다. FN은 누군가가 최소의 노력으로 도어록 판매자와 협상할 수 있게 한다. PSL은 또한 무선 송수신기 생체인식 장치(3800)가 키롤(key roll)을 수행하는 작업 구현에 대한 다른 설비 식견을 제조자에게 또한 제공한다.

PSL의 함수 번호는 일례로서 하기와 같이 요청 및 기능 적합성에 대해 그룹화된다.

100 긴급

200 통신

300 보안

400 위치적(positional)

500 설비 및 유틸리티

600 오락

700 연산 및 정보

800 운송

900 잡다한 것(miscellaneous)

부함수 그룹은 일례로서 하기와 같이 규정된다.

210 인터넷 접속(로컬 DB에 증명서를 전달하기 위해)

310 PIN에 의한 개인 식별

311 서명에 의한 개인 식별

312 지문에 의한 개인 식별

313 음성에 의한 개인 식별

314 얼굴에 의한 개인 식별

315 눈에 의한 개인 식별

342 지문 특징 추출 정합

520 도어록

550 조명

요청 및 이벤트는 PSL 명세서에서 또한 사용될 수 있다.

오프/온/더 많은/더 적은(Off/On/More/Less)은 범용 요청이다. 사용자 지정 요청은 명세서에 없다. ACK, NAC와 같은 이벤트는 PSL 명세서에 추가될 수 있다.

요청 및 승인응답의 프로토콜 또는 구조는 패킷에서 방송되는 하기의 특징들을 포함한다.

(a) PSL은 이 패킷이 PSL 함수 요청임을 표시한다.

(b) 함수 번호(FUNCTION NUMBER)는 요청된 함수를 표시한다.

(c) 리큐(REQUE)는 수행될 동작을 표시한다(오프/온, 록/언록).

(d) 키(KEYS)는 패킷의 권리를 인증한다.

(e) 페이로드(PAYLOAD) 데이터(만일 적용가능하면).

PSL 명세서는 블루투스 암호화 구조, 에러 체킹 등을 반복할 수 있지만 반복할 필요가 없다.

하기의 일련의 예들은 몇가지 실제 응용에서 PSL 계층을 설명하기 위한 것이다.

도와주세요, 나는 넘어졌고 일어설 수 없습니다.

a) 나는 나의 블루투스 경고 버튼을 눌러 긴급 서비스가 요청된다.

b) 스캐터넷 내의 PC가 월드 와이드 웹(world wide web)에 접속하여 계약 서비스 공급자에 대한 호출을 실행하거나(제1 레벨(우선 레벨) 블루투스 서비스) 추가적으로 또는 실패시에 다음 레벨이 발생한다.

c) 블루투스를 구비한 전화기가 911 또는 기록된 메시지가 있는 서비스 공급자를 호출하거나(제2 레벨 블루투스 서비스) 또는 실패시에 다음 레벨이 발생한다.

d) 블루투스에 의한 화재 경보가 발생하거나(제3 레벨의 선호되지 않지만 적용가능한 블루투스 서비스) 또는 실패시에 다음 레벨이 발생한다.

e) 연기 검출기가 주의를 끌 목적으로 음성 경보를 작동시킨다(제4 레벨의 선호되지 않지만 적용가능한 블루투스 서비스).

f) 스캐터넷 내의 자동차가 긴급 상황을 사람들에게 알리기 위해 경음기를 울리고 라이트를 점등한다(제5 레벨의 선호되지 않지만 적용가능한 블루투스 서비스).

나는 나의 사무실에 접근하고 싶습니다.

a) 나는 나의 무선 송수신기 생체인식 장치(3800)를 누른다.

b) 무선 송수신기 생체인식 장치(3800)는 사무실의 서버에 접속된 블루투스를 구비한 PC로부터 지문 식별 기능을 요청하고 협상한다.

c) 서버는 블루투스를 구비한 도어록에 권한을 주어서 걸쇠를 벗기게 한다.

나는 공항을 나가고 싶습니다.

a) 알려지지 않은(non reputable) ID로 키오스크(kiosk)를 통한 수화물 체크인

b) 키오스크에서 ID에 의한 좌석 배정 및 게이트 통과

c) ID로 수화물 청구

텔레비전 프로그램은 13일의 금요일의 미래 버전을 보조하도록 블루투스 홈에 효과를 더하는 블루투스 TV에 방송할 수 있다.

나는 상당한 액수의 신용 거래를 하고 싶습니다.

a) 나는 나의 PC에 무선 송수신기 생체인식 장치(3800)를 통하여 나의 신원을 증명한다.

b) PC는 거래 증명의 로그를 위해 추가적인 GPS 위치를 요청한다.

다른 예시적인 용도는 여기에서 발명의 설명으로 주어지는 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명에 따른 공공 서비스 계층은 임의 유형의 지문 스캐너를 포함한 임의의 무선 송수신기 생체인식 장치와 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 사용가능한 지문 스캐너는, 실리콘 기반 지문 스캐너, 광학 지문 스캐너, 압전 지문 스캐너, 압전막 지문 스캐너 및 압전 세라믹 지문 스캐너를 포함하지만 그것에 한정되지 않는다.

음향 임페디오그래피(acoustic impediography)를 이용한 지문 센서

시장에는 광학식, 용량식, RF식, 열식 및 적외선식 등과 같은 몇 가지 다른 유형의 지문 센서 전기 시스템이 있다. 이 특허는 음향 임페디오그래피의 원리에 기반한 새로운 지문 센서 기술의 전기 시스템을 설명한다.

음향 임페디오그래피를 이용한 지문 센서는 주문형 집적 회로(ASIC 또는 IC) 및 감지 요소로서 사용되는 기계적 공진기 어레이를 포함한다. 감지 요소의 어레이는 도 40에 도시한 것처럼 열과 행으로 배열된 복수의 감지 요소를 포함한다.

각 감지 요소는 IC 내측의 송신기 및 수신기를 이용하여 집적 회로에 의해 독특하게 어드레스 가능하다. 각 행의 감지 요소는 IC 내의 단일 송신기에 접속된다. 또한 각 열의 감지 요소는 도 41에 도시한 것처럼 IC 내의 단일 수신기에 접속된다.

IC는 그 집적된 송신기를 이용하여 감지 요소의 기계적 발진을 생성하는 전기 신호를 발생한다. 이 기계적 발진은 각 감지 요소의 위와 아래에서 음향파를 발생한다. 지문 산과 지문 골은 각 감지 요소에서 상이한 음향 로드(또는 임피던스)를 나타낼 것이다. 센서에서의 지문 산과 지문 골의 상기 음향 임피던스에 따라서, 감지 요소에 의해 발생된 음향파는 도 42에 도시한 것처럼 달라질 것이다.

ASIC는 각 행의 센서 어레이에 접속되는 집적된 송신기를 구비한다. 각 송신기는 "송신기 제어" 블록에 의해 개별적으로 제어된다. 이 제어 블록은 각 개별 송신기의 타이밍을 결정한다. 제어 블록은 각 송신기에서 발생된 신호의 진폭을 또한 제어한다. 송신기가 감지 요소의 공진 주파수와 일치하는 주파수를 가진 사인파 신호를 발생하는 것이 유리하다. 기계적 공진기 감지 요소의 직렬 공진 또는 병렬 공진 또는 둘 다를 사용할 수 있다. 도 43에 도시한 것처럼 송신기에서 발생되는 소망의 주파수를 발생하기 위해 프로그래머블 "위상 고정 루프"(PLL)가 사용된다.

ASIC는 각 열의 센서 어레이에 접속된 수신기를 구비한다. 하나의 송신기가 인에이블될 때, 수신기는 단일 감지 요소를 통하는 전류의 양을 측정하도록 사용된다. 각 수신기 파이프라인은 하기의 요소들을 포함한다.

입력 핀,

전류-전압 변환기/증폭기,

노이즈 필터,

신호 조절 회로,

조정가능한 이득 및 옵셋,

아날로그-디지털 변환기.

아날로그 신호가 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털 신호로 변환되면, 상기 디지털 신호는 도 44에 도시한 것처럼 지문 영상으로 처리 및 변환되기 위해 데이터 저장 시스템에 저장된다.

수신기에 의해 측정된 전류량은 각 감지 요소의 임피던스에 역비례한다. 그 자체는 이 감지 요소에서 산 또는 골의 음향 임피던스에 비례한다. 직렬 공진 주파수에서, 지문 골 임피던스는 지문 산 임피던스보다 적다. 또한 병렬 공진 주파수에서, 지문 산 임피던스는 도 45에 도시한 것처럼 지문 골 임피던스보다 적다.

감지 요소를 통한 전류 흐름은 송신기가 인에이블되는 시점으로부터 송신기가 안정 상태에 도달할 때까지 구축될 것이다. 이 구축 시간은 감지 요소의 기계적 특성에 기인한다. 산과 골 간의 임피던스 차는 도 46에 도시한 것처럼 선택된 감지 요소에서 상이한 전류 진폭을 생성할 것이다.

수신기 파이프라인의 각 컴포넌트는 다른 수신기 파이프라인과 공유될 수 있다. 컴포넌트를 공유하는 능력은 ASIC 내의 회로의 양을 감소시킨다. 도 8은 "조정가능 이득 및 옵셋"과 "아날로그-디지털 변환기"가 다른 수신기와 공유되는 예를 보인 것이다. 멀티플렉서는 "조정가능 이득 및 옵셋"과 "아날로그-디지털 변환기"를 구비한 각 수신기로부터 오는 신호를 스위칭하기 위해 사용된다.

파이프라인 내에서의 멀티플렉서 배치는 응용 및 성능 필요조건에 따라서 달라질 수 있다. 도 47은 입력 핀을 제외한 파이프라인 내의 각 컴포넌트가 수신기들 사이에서 공유되는 예를 보인 것이다.

성능을 개선하기 위해 샘플 및 홀드 회로를 이용하여 파이프라인을 타임 슬라이스로 분할할 수 있다. 수신기 파이프라인의 다른 섹션은 다른 시간에 다른 감지 요소 데이터에 대해 작용할 수 있다. 도 48은 "샘플 및 홀드 회로"가 "신호 조절" 블록과 "조정가능 이득 및 옵셋" 블록 사이에 삽입된 예를 보인 것이다. 그러므로, 수신기 입력 핀으로부터 "신호 조절" 블록까지의 섹션은 다음 센서 요소 데이터에 대해 작용하고, "조정가능 이득 및 옵셋" 블록으로부터 "아날로그-디지털 변환기"까지의 섹션은 현재 센서 요소 데이터에 대해 작용한다.

수신기 파이프라인을 타임 슬라이싱하는 상기 개념은 도 50에 도시한 것처럼 수정 및 확장될 수 있고, 여기에서 복수의 "샘플 및 홀드" 회로가 파이프라인을 따라서 사용된다. "전자 구름"(electronic cloud)은 수신기 파이프라인 내의 임의의 전기 컴포넌트를 표시한다.

도 51은 "샘플 및 홀드" 회로 없이 시간에 따른 수신기 파이프라인 내의 감지 요소로부터의 전류를 나타낸 것이다.

도 52는 도 49에 도시한 것과 동일한 세트의 "샘플 및 홀드" 회로를 갖고서 시간에 따른 수신기 파이프라인 내의 감지 요소로부터의 전류를 나타낸 것이다. 2개의 다른 감지 요소로부터의 2개의 데이터 집합 사이에는 시간상의 중첩이 있음을 알 수 있다. 중첩의 크기는 센서 어레이 내의 각 감지 요소를 샘플링하는데 걸리는 시간량에 비례한다. 그 자체는 시스템 성능에 비례한다.

결론

지금까지 본 발명의 각종 실시예에 대하여 설명하였지만, 전술한 실시예들은 단지 예시 목적으로 제시된 것이고 발명을 한정하도록 의도되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 당업자라면 첨부된 청구범위에서 정의되는 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 전술한 실시예의 형태 및 세부에 대한 각종 변화가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 외연 및 범위는 전술한 예시적인 실시예에 의해 한정되지 않아야 하고 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 따라서만 규정되어야 한다.

Claims (2)

1. 하나 이상의 기계적 공진기를 각각 구비하는 감지 요소들의 어레이를 포함하는 감지 장치로서,
   상기 감지 요소는 음향 임페디오그래피 원리에 따라서 동작하고;
   상기 감지 장치는 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit)에 형성되는 것인 감지 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 감지 요소는 행과 열로 배열된 것인 감지 장치.

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