KR20140142370A - 생체정보의 감지 - Google Patents

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프레드 쥐. 3세 벤클리
데이비드 조셉 게오프로이
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이덱스 아사
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Abstract

근접해 있는 물체의 표면으로 신호를 송출하도록 구성되는 실질적으로 평행한 다수의 구동 라인과, 상기 구동 라인과 가깝게 배향되며 픽업 라인과 전기적으로 분리되어서 각 구동 및 픽업 라인의 근접 지점에서 임피던스 감지가 가능한 내재적인 전극 쌍을 구성하는 실질적으로 평행한 다수의 픽업 라인을 포함하는 신규한 센서가 제공된다.

Description

생체정보의 감지 {Biometric Sensing}
본 발명은 전반적으로 전자식 감지 장치에 관련된 것으로서, 특히, 가깝게 또는 주위에 위치한 물체를 감지하며, 미디어 검색, 지문 인식, 및 그 밖의 전자 기기 및 기타 제품의 동작에 사용되는 센서에 관한 것이다.
<관련 출원>
본 출원은 미국 임시출원 61/622,474(출원일 2012.4.10.)의 이익을 주장한다. 이 임시출원의 전체 내용을 본 출원에 포함시킨다.
전자식 센서 시장에서, 특정 위치에 있는 물체를 감지하기 위한 다양한 센서가 있다. 이러한 센서는 센서에 근접해 있거나 부근에 있는 물체의 존재, 물체의 물리적 특성, 형상, 물체의 표면 질감, 재료의 조성, 생체 정보, 및 그 밖의 감지 대상 물체의 특징과 특성을 감지하기 위해 물체의 전자적 특성을 감지하도록 구성된다.
특정 센서는 센서에 근접해 있거나 접촉해 있는 물체의 온도, 중량, 또는 각종 방출선(예를 들면, 광자, 자기, 또는 원자)을 측정함으로써 물체의 특성 또는 그 밖의 특성을 수동적으로 검출하도록 구성된다. 이러한 센서의 예로서, 물체로부터 방출되는 흑체 복사 스펙트럼을 검출하는 비접촉식 적외선 온도계(이로부터 그 온도를 계산할 수 있음)가 있다.
다른 센서는 물체에 전압 또는 전류와 같은 자극을 직접적으로 인가하여서 동작하며, 이때 출력되는 신호를 이용하여 물체의 물리적 또는 전기적 특성을 파악한다. 이러한 센서의 예로서, 전압원을 매체에 인가하는 한 단자와 전류 흐름을 측정하여서 도전성 유체(가령, 물)의 존재를 파악하는 다른 단자를 갖는 두 개 단자로 구성되는 유체 검출기가 있다.
물체의 단일점 측정(single point measurement)이 종종 실제 응용에 있어서는 물체에 대한 충분한 정보를 제공해주지 않기 때문에, 측정값의 2차원 배열을 수집하는 것이 종종 바람직하다. 임피던스의 2차원 배열은, 물체의 표면에서 라인 감지 어레이를 이동시킨 다음에, 팩스 기계가 하는 것처럼 2차원 영상을 라인별로 재구성하여서 생성될 수 있다. 이러한 예로서, 손가락을 문지를 때에 지문의 융선(ridge)과 골(valley) 사이의 정전용량 차를 측정하는 정전용량형 스와이프 지문 센서(swiped capacitive fingerprint sensor)가 있다. 사용자가 지문을 문지르면(swipe) 센서 점들의 1차원 라인이 사용자의 지문 표면으로부터 다수의 데이터 포인트들을 캡처한다. 이러한 센서는 캡처된 데이터 포인트들의 개별 라인을 이용하여 2차원 지문 영상을 재구성한다. 이러한 재구성 처리는, 장치에서 매우 많은 처리과정을 필요로 하며, 문지르는 동작과 상태가 최적이 아닌 경우에는 오류가 일어나게 된다.
2차원 영상을 얻기 위한 보다 더 사용자 친화적인 방법은, 사용자가 지문 표면을 센서에 문지르지 않고 센서 표면에 정치해 놓은 동안에 사용자의 지문 데이터를 캡처할 수 있는 2차원 감지 어레이를 생성하는 것이다. 그러나 이러한 센서는, 검출에 필요한 감지 점들이 어레이에서 매우 많이 필요하게 됨에 따라 비용이 너무 올라갈 수 있다. 이러한 센서의 예로, 2차원 정전용량형 지문 센서가 있다. 현재 이러한 센서가 많이 제조되고 있다. 그러나 이 센서는, 150mm2 이상의 실리콘 면적을 사용하기 때문에 많은 응용에서 그 가격이 엄청 높다. 또한 이 센서는 섬세하고 파손이 쉽고 충격 및 온도 변화에 민감하며, 따라서 사용자가 손에 쥐어서 사용하며 가끔은 떨어뜨리게 되는 스마트폰 및 기타 모바일 전자 기기와 같은 대부분의 응용에서 충분한 내구성을 갖지 못한다.
이러한 다양한 종류의 전자식 센서가, 지문, 의료 분야(가령, 의료 감시 장치), 유체 측정 감시, 및 그 밖의 많은 센서 응용 등과 같이 사람들의 생물학적 특징 및 특성을 측정하기 위한 생체 인식 센서 등의 다양한 응용에 사용되어 왔다. 통상적으로, 각종 장치의 감지 요소들은, 물체 정보를 처리하고 물체의 특징과 특성을 해독하도록 구성되는 프로세서에 연결된다. 지문의 융선과 골, 온도, 존재, 또는 부존재의 일괄 판독, 및 그 밖의 특징과 특성을 예로 들 수 있다.
특정 예로서, 2차원 영상 센서를 위한 많은 응용이 있으며, 원하는 특징과 기능이 결여된 종래 기술을 혁신으로 극복하여 왔다. 지문 센서는, 예를 들면, 신원 확인(ID 인증), 제한된 영역 및 정보에의 접근, 그 밖의 많은 용도를 위해 오랫동안 존재하였으며 많은 환경에서 사용되어 왔다. 본 특허 출원에서는, 설명의 단순화를 위해 본 발명을 지문 센서의 다양한 유형을 센서 응용을 예로 들어 강조할 것인바, 이와 다른 형태의 응용도 또한 본 배경 기술 항목에 관련될 것이며 발명의 상세한 설명에 의해 다루게 될 것이다. 이러한 정치 센서(placement sensor)는, 센서에 근접하거나 주변에 위치한 물체를 감지하도록 구성될 수 있다. 가령, 사용자의 손가락으로부터 지문의 전체 영상을 캡처하고 이 캡처 영상을 저장 영상과 비교하여 인증을 행하도록 지문 정치 센서를 구성할 수 있다. 또는 이와 달리, 지문의 부분 영상을 캡처하는 지문 스와이프 센서(swipe sensor)와 같이, 센서에서의 물체의 동적 움직임을 감지하여서 지문 영상을 재구성하고 캡처 영상을 저장 영상과 비교하여 인증을 행하도록 센서를 구성할 수 있다.
상용 제품에서는 가격이 항상 주요 인자이지만, 이러한 응용에 있어서는 그것이 그다지 중요하지 않았고, 정확성과 신뢰성이 가장 중요한 인자이었으며 현재도 그러하다. 통상적으로, 정치 센서, 즉, 사용자의 지문 표면으로부터 지문 영상을 한 번에 모두 감지하는 2차원의 센서 망(그리드)이 자명한 선택이었으며, 대부분의 응용에서는 이러한 많은 설계가 표준이 되었다. 지문 영상이 장치에서 감지되어 디지털 형태로 재생되면, 미리 기록되고 저장된 영상과 비교되어, 캡처된 지문 영상과 저장된 영상이 일치하면 인증이 완료된다. 최근, 지문 센서는 랩톱 컴퓨터, 휴대형 기기, 셀룰러 전화, 및 기타 기기 등의 휴대 기기에 적용되고 있다. 정확성과 신뢰성이 여전히 중요하지만, 시스템 구성요소들의 가격이 매우 중요하다. 기존의 정치 센서들이 매우 비쌌으며 지금도 그러한 주요 이유는, 이들 모두는 실리콘 센서 표면을 사용하였기 때문이다(이 예에서 광 센서는 제외한다. 왜냐하면 광 센서는, 여러 이유가 있지만 그 중에서도 휴대 기기가 감당할 수 있는 것보다 크기가 훨씬 더 크고 전력을 더 많이 필요로 하여서, 상용으로 유통되는 대부분의 기기에서는 일반적으로 사용할 수 없기 때문이다). 실리콘 재료는 컴퓨터 칩을 만들기 위한 재료만큼이나 고가이기 때문에 상기 실리콘 표면은 매우 비싸다. 물론 컴퓨터 칩은 수년에 걸쳐 소형화되어서 원가가 절감되고 성능이 향상되어 왔다. 지문 실리콘을 소형화할 수 없었던 이유는, 그 크기를 평균적인 지문의 크기에 맞게 유지시켜야 하며, 단순히 사용자 지문의 전체적인 스캔에 대한 요구 조건을 훼손시킬 수 없기 때문이다. 인증시의 적정한 보안을 위해서는 사실상 전체적인 지문이 필요한 것이다.
지문 스와이프 센서가 시장에 진입하였다. 스와이프 센서는 기본적으로, 사용자가 센서 라인에 대해 수직 방향으로 자신의 손가락을 문지를 때에 지문 특징을 감지하도록 구성되는 라인 센서(line sensor)로 설계된다. 비용이 절감되는데, 스와이프 센서는 화소 센서들이 배열되어 있는 라인 센서를 구성하기만 하면 되므로 필요한 실리콘의 양이 훨씬 적기 때문이다. 그 폭은 여전히 평균적인 지문의 폭에 맞게 고정되지만, 그 깊이는 정치 센서에 비해서 상당량 줄어든다. 일부 스와이프 센서들은 정전용량형 센서이며, 여기서는 지문 표면의 정전용량을 측정하여 라인 단위로 기록한다. 다른 센서에서는 지문면의 표면에 작은 신호 펄스 버스트(signal pulse burst)를 조사하고 그 반응을 픽업 라인(pickup line)에서 측정한 후에 지문 특징을 라인 단위로 기록한다. 어느 경우든, 정치 센서와는 달리, 전체 지문 영상은 사용자가 지문을 문지른 후에 재구성되며, 각 개별 라인을 재조합하고 렌더링하여 전체 지문 영상을 생성한다. 이 영상은 랩톱 또는 다른 기기에 저장된 지문 영상과 비교되어서 적정하게 일치된 경우에 사용자 인증이 완료될 것이다.
정전용량형 스와이프 센서에 있어서, 1세대 센서는 직류(DC) 스위칭 커패시터 기술(예를 들어, 미국특허 6,011,859)로 구성되었다. 이 방법에서는 화소 당 두 개의 판으로 커패시터를 구성하여서, 지문 융선의 국지적 존재에 의해 공기에 대한 커패시터의 상대 값이 변화되도록 한다. 이러한 DC 정전용량 구성은 손가락 표면 속으로는 침투하지 않고 지문 표면에서 영상을 취득하였다. 따라서, 다양한 기만적 수법에 의해서 지문을 모조하거나 위조하는 것이 용이하였고, 또한 사용자의 손가락이 건조한 경우에는 그 성능이 나빴다. RF(무선 주파수) 센서는 그 이후에 소개되었는데, 그 일부 센서는 사용자 손가락의 일부 표면을 통과하여서 내층 속을 판독하여 지문을 감지할 수 있었다. 다양한 기기에서, 진폭 변조(AM) 및 위상 변조(PM) 등의 다양한 검출 형태와 함께 상이한 무선 주파수가 이용되어 왔다. 또한 상이한 구성의 송신기들 및 수신기들이 있다. 한 가지 유형(예를 들어, 미국특허 5,963,679)에서는 단일의 송신기 링(transmitter ring)과, 온칩 감지(on chip sensing)에 최적화된 저품질 수신기들의 다수의 배열을 사용한다. 이와 달리, 다른 유형(예를 들어, 미국특허 7,099,496)에서는 오프칩 감지(off chip sensing)에 최적화된 빗형 판(comb like plate) 구조를 갖는 매우 높은 품질의 수신기 하나와 함께 다수의 RF 송신기 배열을 사용한다.
저가 정치 센서의 개발에 대한 하나의 주된 장애물은 화소 밀도의 문제와, 센서 장치의 층들 간의 매우 많은 상호연결이 필요하다는 것이다. 지문 응용을 위한 전형적인 센서는 500 dpi의 해상도를 갖는 대략 10mm×10mm의 크기이다. 이러한 센서 어레이는 대략 200개 행과 200개 열을 갖게 될 것인데, 이는, 장치 내의 층간에 200개의 비아(via) 연결이 필요하다는 것을 의미한다. 반도체의 비아는 매우 작을 것이지만, 실리콘 센서를 구현하기 위한 비용은 상술한 바와 같이 엄청난 것으로 밝혀져 있다.
양산 시장에의 적용을 위해 필요한 충분히 낮은 가격의 정치 센서를 생산하기 위하여, 회로 기판 에칭 등의 저비용 공정을 채용하여야 한다. 회로 기판 비아 간격에 관한 현재 기술은 200um대로서, 이는 센서 어레이 자체의 50um 간격에 대비된다. 또한, 회로 기판의 층간에 비아를 형성하는 데에 필요한 추가 공정 단계들은, 각 층 상의 선로들의 최소 간격의 허용공차를 크게 증가시킨다. 단면 회로는 35um 정도의 좁은 선 간격을 높은 수율로 생산할 수 있는 반면, 양면 회로는 최소 선 간격이 60um 이상이 되어야 해서 총 500 dpi의 센서 어레이를 구현하기에는 너무 간격이 크다. 하나 더 고려해야 할 것은, 유사한 선 밀도면에서, 비아가 있는 양면 회로는 단면 회로보다 단위 면적당 가격이 수 배 더 비싸다. 이에, 저가 센서 응용에 있어서 고밀도 양면 회로는 과도하게 고가가 된다.
랩톱 기기의 경우, 스와이프 센서의 도입은 비용에 의해 주도되었다. 스와이프 센서는 정치 센서에 비해 실질적으로 더 저렴했고, 대부분의 랩톱 제조 업체는 가격만을 기준으로 정치 센서를 채택했다. 비용 절감의 이유는 작은 실리콘 면적을 사용하기 때문이다. 최근에는, 실리콘 센서를 대체하여, 개별 프로세서 칩에 연결되며 표면에 감지 판이 에칭된 플라스틱 Kapton™ 테이프를 사용하게 되었다(예를 들어, 미국특허 7,099,496). 여기서는 센서의 실리콘 부분이 감지 소자(sensing element)로부터 분리될 수 있고, 이 실리콘은, 실리콘 공정 기술의 발전에 비례하여 길이, 폭, 깊이가 최적의 크기로 축소된다는 무어의 법칙을 따르게 된다. 당업계에서의 이러한 진보는 저렴하고 내구성있는 스와이프 센서를 가능하게 했지만, 단순한 2차원 정치 센서로부터의 변화에 따른 기본적인 영상 재구성 및 인체 공학적 문제가 극복되지는 못하였다. 스와이프 센서는 저렴할 뿐만 아니라, 랩톱이나 소형 기기(셀룰러 폰이나 개인 데이터 기기 등)의 호스트 장치에서 작은 면적을 차지한다.
대부분의 스와이프류 센서에서, 지문 재구성 프로세스는, 처음에 예상했던 것보다, 사용자에게 더 인체공학적으로 문제가 되며 품질 관리(QC) 기술자에게 더 많은 부담을 주는 것으로 밝혀졌다. 사용자는 센서에의 접촉 압력을 조절하면서 동시에 센서 라인에 수직으로 거의 직선 방향으로 자신의 지문을 문지를 수 있도록 훈련될 필요가 있었다. 사용자가 더 능숙하게 동작을 할 수 있도록 돕기 위해 소프트웨어 교육 프로그램이 작성되었지만, 상이한 환경 요인 및 반복 동작을 제대로 행하기에 장애가 있는 일부 사람들 때문에 스와이프 센서는 사용이 어렵다는 평판을 받았다. 이 분야에서의 초기 자료는, 많은 사람들이 자신이 구입한 기기에 있는 스와이프 센서를 정상적으로 사용하지 않았으며 암호를 사용하는 것으로 되돌아갔음을 알려준다. 캡처 영상 및 재구성 영상 간의 일치여부 판단 프로세스에서 최적의 정확도 및 성능을 얻기 위해 노력하는 품질관리 기술자들은 본인거부율(FRR: false reject rate) 및 타인수락율(FAR: false acceptance rate)이 정치 센서에서보다 스와이프 센서에서 훨씬 더 높음을 알아내었다. 재구성 알고리즘들을 개선하는 시도를 하였지만 정치 센서와 동등한 통계적 성능을 만드는 데는 실패했다.
기기에서 적은 공간을 차지하는 센서의 개발에 대해 노력이 있었지만 성공은 거의 없었다. 사용자가 손가락을 놓고 문지르는 것을 돕고자 각종 경사면(ramp), 오목홈(well), 손가락 안내부(finger guide)를 호스트 장치의 표면에 적용하여야 했다. 이러한 구조물은 실제의 센서 면적에 덧붙여 상당한 공간을 소요하게 되었다. 결국, 스와이프 센서는 정치 센서만큼이나 넓은 공간을 차지하게 되었다. 이는 풀사이즈 랩톱에서는 큰 문제가 아니었지만, 현재의 소형 랩톱과 넷북, 휴대 전화, PDA, 그 밖의 전자 키홀더(key fob) 등과 같은 소형 기기에서는 큰 문제가 된다.
공간 점유 문제는, 랩톱에서 마우스나 터치패드가 수행하는 것과 같이 지문 센서가 탐색 장치로서도 작동되어야 할 것을 요구하는 현재의 휴대 기기 제조업체에게는 더욱 문제가 되었다. 스와이프 센서는, 화소들이 비대칭 배열로 구성되기 때문에 마우스 또는 터치패드에 대한 좋은 대체물은 아닌 것으로 판명되었다. 스와이프 센서는 손가락을 미는 정상 축으로의 움직임은 제대로 감지하지만 그 측방으로의 움직임을 추적하는 데는 어려움이 있다. 축에서 벗어나 기울어진 손가락 움직임은 한층 더 감지하기가 어렵고, 센서 라인에 대해서 해당 움직임을 보간(interpolate)하기 위한 상당량의 프로세서 자원을 필요로 하게 되며, 큰 각도를 처리하기가 종종 어려웠다. 이러한 모든 문제들의 부차적 결과는, 순조롭지 않으며 행하기 어려운 손가락 동작이다.
저가의 2차원 지문 센서 어레이가 시장의 요구를 수용하지만, 현재의 기술은 그 요구를 충족하지 못하고 있다는 것이 분명하다. 종래의 정전용량형 지문 센서는 일반적으로 감지 화소 어레이를 형성하기 위해 별개의 전극 구조물들을 사용한다. 이들 전극 구조물들은 일반적으로 정사각형 또는 원형일 수 있으며, 평행한 평판(parallel plate) 형태(예를 들어, 미국특허 5,325,442 및 5,963,679)로, 또는 동평면(coplanar) 형태(예를 들어, 미국특허 6,011,859 및 7,099,496)로 구성될 수 있다.
이러한 선행기술의 방식은 저가의 2차원 감지 소자 배열로 구현할 수 없다. 많은 정전용량형 지문 센서(예를 들어, US 5,963,679 및 6,011,859)는 실리콘 칩의 미세 라인 다층의 배선 수단을 사용하지 않고는 그 구현에 있어서 실용적이지 못한 상호연결 밀도를 갖는 구동 및 감지(drive and sense) 전자회로에 연결되어야 하는 판형 구조를 갖기 때문에 앞에서 언급한 것과 같이 고가의 실리콘 다이를 많이 필요로 한다. 다른 센서(예를 들어, 미국특허 7,099,496)는 저렴한 폴리머 필름 상의 오프칩 감지 소자를 사용하지만, 센서 셀의 구조가 내재적으로 1차원으로서 2차원 행렬로 확장될 수 없다.
정전용량형 감지 어레이에 대한 다른 응용은 터치패드와 터치스크린의 분야이다. 터치패드 및 터치스크린 장치는 구동 및 감지 선로 및 개별 감지 전극의 어레이 형태로 구성되어 있기 때문에, 수백 미크론 이하의 해상도는 불가능한바, 이 기술은 미세한 영상화 응용을 위하여는 적합하지 않다. 이러한 장치는 손가락의 접촉 또는 근접을 검출할 수는 있지만, 융선이나 골과 같은 미세한 특징을 검출하는 데 필요한 감지 대상 물체 내의 공간 해상도(spatial resolution) 및 그레이스케일 해상도(gray-scale resolution)를 제공해주지는 못한다.
터치패드 분야에서의 종래 기술에서는 도전형(예를 들어, 미국특허 5,495,077) 또는 정전용량형(예를 들어, 미국 공개출원 2006/0,097,991)의 일련의 전극을 이용한다. 이들 일련의 전극은 일반적으로 구동 및 감지 선로에 연결된다. 동작에 있어서, 이들 장치들은 그들 자체의 상호연결 선로보다 크기가 상당히 큰 화소를 생성한다. 그 목적은, 사용자가 커서를 이동시키거나 화면에서 객체를 선택하거나 화면에 표시되는 페이지를 이동할 수 있도록 하기 위하여 물체의 존재 및 움직임을 대략적으로 감지하기 위한 것이다. 따라서 인접한 물체를 감지하는 경우에 이들 장치는 낮은 해상도로 동작한다.
따라서, 당해 기술계에서는, 예를 들어 지문 감지 및 인증과 같은 다양한 응용에서 사용을 위한 고품질의 정확한 정치 센서를 제공할 수 있고, 각종 응용에서의 마우스나 터치패드와 같은 네비게이션 장치로서도 동작할 수 있는 개선된 장치에 대한 요구가 존재한다. 이하 알게 될 바와 같이, 본 발명의 실시예는 이들 및 다른 요구들을 세련되게 충족시킬 장치를 제공한다. 모바일 기기의 작은 크기와 기능적 요구사항을 고려할 때, 공간 절약이 중요하다. 따라서, 센서의 기능과 다른 구성요소들, 예컨대, 전력 스위치, 선택기 스위치 등의 기능을 결합함으로써 공간을 차지하는 구성요소들을 더 많이 필요로 하지 않으면서도 사용자에게 다양한 기능을 줄 수 있도록 하는 것이 유용할 것이다
또한, 터치 센서의 여러 실시예들이 다양한 응용에서 사용하기 쉽고 실현 가능한 생체정보 센서를 제공하기 위한 다양한 대안들을 제공하는 것이 유용할 것이다.
더욱이, 센서가 영상 캡처 요소로서의 역할을 할 뿐만 아니라, 예컨대 iPad™, iPod™, 아이폰™ 등의 스마트폰과, 애플주식회사™, 갤럭시™에서 생산한 터치 감응 장치 및 삼성™이 생산한 파생 제품, 그리고 그 밖의 유사 장치들에 사용되는 터치스크린으로써 다양한 미디어를 감상하고 검색하기 위한 네비게이션 동작을 제공하는 것이 유용할 것이다.
도 1은 구동 및 픽업 라인을 분리하는 절연 유전층을 갖는 구동 및 픽업 플레이트 구조를 나타내는 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 전압원에 의해 에너지를 공급받은 하나의 구동 플레이트를 갖는 구동 및 픽업 플레이트 구조에 근접한 물체가 없을 때의 기본적인 전기장 작용을 나타내는 일 실시예의 기본적인 개략도이다.
도 3은 전압원에 의해 에너지를 공급받은 하나의 구동 플레이트를 갖는 구동 및 픽업 플레이트 구조에 근접한 물체가 있을 때의 기본적인 전기장 작용을 나타내는 일 실시예의 기본적인 개략도이다.
도 4는 전압원에 의해 에너지를 공급받은 하나의 구동 플레이트를 갖는 구동 및 픽업 플레이트 구조에 근접한 물체가 있는 때와 없는 때의 전기장 강도의 차이를 나타내는 센서의 일 실시예의 기본적인 개략도이다.
도 5는 선택된 픽업 플레이트는 증폭되고 모든 비활성된 구동 및 픽업 플레이트는 접지되는 구동 및 픽업 플레이트 구조에 근접한 물체가 있을 때의 기본적인 전기장 작용을 나타내는 일 실시예의 기본적인 개략도이다.
도 6a는 활성된 전극쌍에 근접한 융선 표면 특징을 갖는 손가락 또는 물체가 있을 때의 기본적인 전기장 작용을 나타내는 일 실시예의 기본적인 개략도이다.
도 6b는 활성된 전극쌍에 근접한 골 표면 특징을 갖는 손가락 또는 물체가 있을 때의 기본적인 전기장 작용을 나타내는 일 실시예의 기본적인 개략도이다.
도 7은 각 구동/픽업의 교차 지점에서의 센서의 전기장 결합을 나타내는 집중회로 요소에 의해 묘사한 플레이트 행과 열의 xy 그리드의 예를 도시한다.
도 8은 노이즈를 감소시키기 위하여, 선택된 픽업 플레이트로부터의 신호를 취하여 이를 기준 신호 플레이트에서 감산하는 차동 증폭기를 사용하는 정치 센서의 실시예를 도시한다.
도 9a는 입력 부하 효과를 보상하기 위한 탱크 회로를 통합한 실시예의 구동 및 감지 다중화 회로를 나타낸다.
도 9b는 입력 부하 효과를 최소화하기 위한 직렬 버퍼를 통합한 실시예의 구동 및 감지 다중화 회로를 나타낸다.
도 9c는 입력 부하 효과를 최소화하기 위하여 각 감지별 전용 버퍼를 통합한 실시예의 구동 및 감지 다중화 회로를 나타낸다.
도 10은 감지된 신호를 처리하는 아날로그 수신기와, 구동 및 감지 라인의 스캐닝 기능을 수행하는 프로세싱 회로를 통합한 실시예를 나타낸다.
도 11은 감지된 신호를 처리하는 직접 디지털 변환 수신기와, 구동 및 감지 라인의 스캐닝 기능을 수행하는 프로세싱 회로를 통합한 실시예를 나타낸다.
도 12a는, 접기 전에는 평평한 레이아웃으로 설계된 실시예의 절첩 개념을 통합한 일 실시예의 구동 및 감지 선로 레이아웃의 일례를 도시한다.
도 12b는, 접기 전에는 평평한 레이아웃으로 설계된 실시예의 절첩 개념을 통합한 일 실시예의 구동 및 감지 선로 레이아웃의 일례를 도시한다.
도 13a는 접은 후의 절첩 개념을 통합한 실시예의 층 적층 구조를 도시한다.
도 13b는 접은 후의 절첩 개념과 어셈블리를 경질 모듈에 통합한 실시예를 도시한다.
도 14는 물체의 특징을 감지하는 목적의 실시예에 따라 구성된 센서 시스템을 도시한다.
도 15는 지문 특징의 감지의 예를 도시한다.
도 16은 일 실시예에 따라 구성된 센서 시스템으로 2차원 영상을 수집하는 데 필요한 프로세스 흐름 단계를 나타낸다.
도 17a는 일 실시예에 따라 구성된 지문 센서 시스템으로 사용자 인증을 하는 데 필요한 프로세스 흐름 단계를 나타낸다.
도 17b는 사용자 인증 응용에 이용된 지문 영상으로부터 템플릿을 추출하는 프로세스를 도시한다.
도 18a-18d는, 사용자로 하여금 지문 센서에 접촉할 수 있도록 하고 동시에 스위치를 작동시키도록 하는 통합 스위치가 있는 지문 센서 시스템의 예를 도시한다.
도 19a-j는, 사용자로 하여금 지문 센서에 접촉할 수 있도록 하고 동시에 스위치를 작동시키도록 하는 통합 스위치(이 예에서는 반구형 스위치)가 있는 지문 센서 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 20은, 지문 센서와 같은 기판 상에 형성된 스위치의 일 실시예의 평면도이다.
도 21a 및 b는 도 20에 도시된 내장 스위치의 동작을 보여주는 상세한 도면이다.
도 22-26은 본 발명의 다른 실시예를 도시한다.
도 27-29는 터치스크린 장치 상에 접힌 연질체 지문 센서를 직접 통합하기 위한 방법을 도시한다.
도 30-32는 종래의 터치스크린과 같은 기판 층에 통합된 지문 센서를 도시한다.
도 33 및 34는 신규한 "2중 그리드" 터치스크린을 예시한다.
도 35-37은 공통의 구동 및 감지 회로를 공유하는 장점을 갖는, 2중 그리드 터치스크린 및 지문 센서의 완전 통합형 구조를 보여준다.
도 38-40은 전체 디스플레이 영역에 터치스크린과 지문 감지 기능이 완전하게 통합된 디스플레이를 보여준다.
도 41-50은 2중 그리드 손가락 움직임 추적 프로세스가 어떻게 동작하는지를 보여준다.
도 51은 터치스크린과 통합된 플렉시블 지문 센서를 도시한다.
도 52는 기판 층을 터치스크린과 함께 공유하는 지문 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 53은 공통의 컨트롤러 칩을 이용하여 공통의 기판 층에 구현된 센서와 터치스크린을 도시한다.
배경기술 항목에서 논의한 바와 같이, 2차원 임피던스 센서에 대한 많은 응용이 있으며, 본 명세서에 기재된 실시예들은 많은 응용에서의 선행기술의 단점에 대한 광범위한 해결책을 제공한다. 애플™의 아이패드™, 삼성™의 갤럭시™와 같은 모바일폰, 스마트폰, 플립폰, 태블릿 컴퓨터와, 문 손잡이, 담장, 약품 캐비닛, 자동차의 출입 통제 장치, 그리고 시건장치가 필요하며 접근 인증을 요하는 현장 또는 물건 등의 많은 제품에서 사용되는 다양한 센서 기능의 응용에 사용되는 바탕 기술이 있다.
전반적으로, 일 실시예는 2차원 센서로서, 정치 센서, 터치 센서, 면 센서, 또는 2D 센서라고도 부르는 센서에 관한 것으로서, 여기서, 물체(가령, 사용자의 손가락)의 상당 영역은, 점이나 선이 아닌, 인증에 적합한 특징적 샘플을 산출할 수 있거나 없는 공간 부분으로 감지된다. 센서는 하나 이상의 기판, 예로서, 자체적으로 접힐 수 있어서 서로 직교하는 개별 센서 라인들로 그리드 어레이를 형성할 수 있는 플렉시블 기판 상에 위치하는 센서 라인들을 가질 수 있다. 이와 달리 센서 라인들은 분리된 기판들에 형성될 수도 있다. 이들 두 구성 또는 어떠한 구성에서든, 상이한 센서 라인들의 교차 지점이, 물체의 특징 및/또는 특성 정보(예컨대, 손가락의 융선과 골 패턴)를 취합하는 감지 지점(sensing location)이 된다.
다른 실시예들에서는, 터치스크린과 연결되는 공통 전기 연결선을 갖는 터치 센서가 제공된다. 예를 들어, 많은 터치스크린 장치에 사용되는 보호 유리(예컨대, Gorilla Glass™) 아래에 있는 터치스크린 회로는, 검색(네비게이션), 및/또는 지문 감지, 또는 다른 동작에 사용되는 2차원 센서와 공통 전기 연결선을 공유할 수 있다. 이로써 터치스크린과 지문 센서가 모두 있는 기기를 제조하는 데 이점을 주며, 이러한 장치의 전기적 구성(레이아웃)을 간소화해 준다. 예시적 구성은 아래에서 설명하고 도시할 것이다.
다른 실시예들에서는, 하나의 모드에서는 지문 영상을 캡처할 수 있는 기능을 제공하며 다른 모드에서는 종래의 터치스크린으로서 동작하는 터치스크린에 통합된 2차원 센서에 대한 새로운 접근 방법이 제공된다. 일 예에서, 센서 그리드는 사용자의 손가락(들)의 존재 및 손가락의 위치 이동 및 그 속도를 감지하여서 손가락의 미는 동작의 방향과 속도를 파악하는 터치스크린으로서 작용할 수 있다. 다른 모드에서는, 동일한 센서 라인들이 구동 라인 및 픽업 라인으로 동작할 수 있는데, 여기서 신호는 화면으로부터 사용자의 손가락(들)으로 전송되고, 이 신호는 지문 표면의 임피던스를 결정하기 위하여 픽업 라인에 의해 수신 및 계측된다. 지문 융선의 임피던스 값은 지문 골의 임피던스 측정값과 다르기 때문에, 먼저 임피던스 값을 캡처한 다음에 지문 영상을 지문 표면의 2차원 표면으로 매핑할 수 있다. 그 다음에, 생성된 지문 영상을 저장된 지문 영상과 비교하여서 사용자 인증을 할 수 있는데, 이는, 숫자 및 영문자 암호를 사용하여 전자 장치에서 사용자 인증을 수행할 때에 사용자의 암호를 저장된 암호와 비교하는 방식과 흡사하다. 그 차이점은 암호 대신에 사용되는 지문이 훨씬 더 보안성이 높다는 것이다.
2차원 센서는, 예를 들어서, 휴대용 기기에 통합될 수 있는 구성요소, 휴대용 기기 내에서 전자적 컨텐츠의 검색 및 조작을 위한 터치 감응 표면 역할을 하기 위해 사용되는 터치스크린에 통합되는 센서, 또는 인증, 활성화, 네비게이션, 및 기타 동작을 위한 정보를 송수신하는 시스템이나 장치에 전기적으로 연결될 수 있는 독립형 구성요소 등과 같이 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 구동 라인 및 픽업 라인은, 서로 도통될 수 있도록 전기적으로 교차하거나 연결되지 않으며, 구동 라인이 전기장을 송출하고 픽업 라인은 전기장을 수신함으로써 별개의 전극 구조의 필요성이 없도록 분리된 임피던스 감지 전극쌍을 구성한다. 산재된 유전체와 교차하는 두 라인이 본연적으로 임피던스 감지 전극쌍을 이룬다. 따라서, 센서는 두 개의 1차원 센서 라인을 활성화하여서 물체의 특징 및/또는 특성을 식별하는 한 화소의 정보를 얻도록 구성된다. 종래의 센서와는 달리, 특정 실시예에 따라 구성된 센서는 구동 및 픽업 라인의 개별 쌍을 활성화시키고 최종 신호를 캡처함으로써, 물체로부터 여러 화소의 정보를 얻을 수 있는 2차원 그리드를 제공할 수 있다. 이 신호는, 물체의 존재 및 부존재, 물체의 특징 및/또는 특성을 정의하는 로직 또는 프로세서 회로로 처리할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 터치스크린은, 한 모드에서는 근접 물체에 대한 정보(가령, 지문 영상을 구성하는 정보)를 캡처하고 다른 모드에서는 검색(네비게이션) 또는 기타 동작들을 수행하도록 동작하도록 구성되는 센서로서 동작할 수 있다. 일 예에서, OLED 터치스크린은 적어도 두 개의 모드, 즉, 하나는 터치스크린, 또 하나는 지문 센서로 동작하도록 구성되는데, 여기서 지문은 OLED 터치스크린의 임의의 원하는 부분에서 캡처될 수 있으며, 사용자의 두 개 이상의 손가락으로부터 다수의 지문을 캡처할 수도 있다.
본원에 기재된 예에서, 센서는 근접 물체의 정보를 캡처하고, 이 정보를 사용하여 물체(가령, 지문)의 렌더링을 행하고, 이 렌더링을 보안 인증 정보와 비교할 수 있도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 종래의 방법과 대조적으로, 장치는 구동 라인 및 픽업 라인 사이의 교차점에 형성된 내재적인(intrinsic) 임피던스 감지 전극쌍을 이용할 수 있다. 동작에 있어서, 특정 교차 지점에 의해 감지되는 영역의 근처 또는 주변에 있는 구동 및 픽업 라인을 한 번에 접지함으로써 전기장을 보다 더 집속(focus)시킬 수 있다. 이로써 다른 구동 및 픽업 라인들이 동시에 전기장을 감지할 경우 발생할 수 있는 간섭을 방지할 수 있다. 하나 이상의 전극쌍이 동시에 감지될 수 있다. 그러나 해상도가 중요한 인자인 경우에는, 서로 간섭을 회피하고 특정 해상도면에서의 물체 특징을 감지하는 데 있어서의 정확도를 유지하기 위하여 감지 전극쌍이 너무 가까이 있는 것을 피하는 것이 바람직할 수 있다. 설명의 목적상, "내재적인 전극쌍"이란 구동 및 픽업 라인의 각 교차 지점에 형성된 임피던스 감지 전극쌍을 의미한다. 각 교차점에서의 각 내재적인 전극쌍을 감지 소자로서 사용함으로써, 각각의 감지 노드에는 상호연결선들과 구별되는 기하학적 특징의 차이가 존재하지 않는다. 결과적으로, 구동 층과 감지 층 사이의 정렬이 중요해지지 않게 되어서 제조 공정이 크게 단순화된다.
인접한 비활성 상태의 구동 및 픽업 라인을 접지하면, 종래 기술에서 사용되는 전용의 가드 링(예를 들어, 미국특허 5,963,679)과 같은 복잡한 수단없이도 각각의 내재적 전극쌍에 형성된 화소를 제한한다. 대신에, 화소 주위의 가드 접지가, 인접한 비활성 상태의 구동 및 픽업 라인을 접지 전위로 스위칭하여서 동적으로 형성된다. 이에, 특정 공정에 대한 최소 화소 간격이 최소 특징 간격과 동일하게 되어서, 비교적 낮은 해상도의 제조 공정을 갖는 고밀도 화소 영역이 형성될 수 있다. 이에, 저비용의 제조 공정 및 재료의 사용이 가능하게 되는데, 이는 저가의 정치 센서를 만드는 핵심 요인이 된다.
일 예에서, 센서 라인은 한 층의 구동 라인과 다른 층의 픽업 라인으로 구성될 수 있는데, 이들 층들은, 별개의 센서 라인과 구동 및 픽업 라인이 서로 교차하여서 각 교차 지점에서 임피던스 감지 전극쌍을 형성할 수 있도록 서로 상하로 위치한다. 이들 교차 지점은, 개별적으로 집속된 전기적 픽업 지점 또는 화소가 되거나, 또는, 물체 특징 및/또는 특성의 다수의 개별적인 데이터 포인트들을 캡처할 수 있는 전극쌍이 된다. 내재적 전극쌍의 크기가 작고 비활성 상태의 판에 의해 제공되는 인접하는 접지의 밀도가 높기 때문에 전기장 집속의 정도가 높다. 플렉시블 기판은, 물체에 관한 정보를 전자적으로 캡처하기 위하여 센서 라인으로 신호를 송신하고 수신하기 위한 로직 또는 프로세서 회로가 구성되는 제2 기판을 가질 수 있다. 또는 이와 달리, 별도의 센서 라인을 갖고 서로 상하로 층을 이루는 두 개의 개별 기판일 수도 있고, 로직 또는 프로세서 회로와의 연결을 위하여 제3 기판에 연결될 수도 있다.
픽업 셀에 대한 인접 층에 있는 수직 라인들 사이의 교차 지점의 사용에 의해서 층간의 정렬의 요구조건이 크게 감소된다. 센서 화소 위치에서 정렬할 고유 특징들이 없기 때문에, 층간의 유일한 정렬 요구조건은 직각을 유지하는 것뿐이다. 만일 감지 셀의 위치가 특정의 특징(가령, 종래의 지문 센서의 전형적인 평행 판 특징)을 가지고 있다면, 정렬 요구조건은 화소 크기의 1/4 미만의 X 및 Y 위치 공차를 포함할 것이며, 이는 500 dpi 해상도의 지문 응용에서는 각 축에서 +/- 12um 미만에 해당되는 것이다.
동작에 있어서, 구동 라인은 예를 들면 전류원으로 활성화되고 픽업 라인은 수신 회로(가령, 증폭기/버퍼 회로)에 연결되어서 이에 의하여 발생하는 전기장이 캡처될 수 있다. 전기장은 중간 유전체 절연층을 통해서 구동 라인에서부터 픽업 라인으로 전개된다. 물체가 존재하는 경우, 전기장의 일부 또는 전부는 물체에 의해 흡수되어서, 전기장이 픽업 라인에 의해 수신되는 방식이 변화된다. 이는 픽업 라인 및 수신 회로에 의해 캡처되고 처리된 신호를 변화시키며, 따라서 이는 물체의 존재를 나타내는 것이고, 신호를 처리함으로써 물체의 특징 및 특성이 감지되고 식별될 수 있다. 이 처리는 일정 형태의 로직 또는 처리 회로에 의해서 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 구동 라인을 구동하는 신호는 복소 신호(complex signal)일 수 있으며, 가변 주파수 및/또는 진폭의 신호, 또는 다른 신호일 수 있다. 이것은 센서로 하여금, 가변 또는 복소 신호를 이용하는 여러 관점으로부터 물체의 특징 및/또는 특성을 분석할 수 있도록 할 것이다. 신호에는, 물체에 부분적으로 또는 완전히 흡수된 후에 물체의 상이한 특징 및 특성을 나타내도록 변동하는 결과 신호를 생성할 상이한 주파수 및/또는 진폭의 동시 신호들이 포함될 수 있다. 신호에는 여러 톤(tone)들, 처프 램프(chirp ramp)로서 구성된 신호들, 및 그 밖의 신호들이 포함될 수 있다. 그 다음에 결과 신호로부터 다양한 정보와 데이터 포인트를 배포하기 위하여 처리 또는 로직 회로가 사용될 수 있다.
동작에 있어서, 가변 또는 복소 신호는 구동 라인에 적용될 수 있으며, 픽업 라인은 처리하고자 할 결과 전기장을 수신할 것이다. 로직 또는 처리 회로는 물체의 특징 및/또는 특성을 다양한 관점에서 얻을 수 있도록 결과 신호를 처리하게 구성될 수 있다. 가령, 동시 신호가 사용되는 경우 상이한 주파수를 분리해 내도록 구성될 수 있다.
각각의 쌍에서 활성화될 수 있는 화소들의 그리드를 감안할 때, 각각의 화소는 다수의 방식으로 캡처될 수 있다. 일 실시예에서, 구동 라인이 활성화될 수 있고, 픽업 라인은 화소들의 라인을 캡처하기 위하여 순차적으로 온 및 오프될 수 있다. 이 때의 순차적 온 오프는 스캐닝 순서에 따라 동작할 수 있다. 여기에서 제1 구동 라인은 신호원에 연결됨으로써 활성화되고, 그 다음에 하나의 픽업 라인이 동시에 증폭기/버퍼 회로에 연결되며, 두 라인의 교차점에 형성된 화소로부터 정보가 캡처된 다음에 연결이 해제된다. 그 후 전체 픽업 라인의 전체 어레이가 처리될 때까지 다음 화소가 차례로 처리되고, 그 다음 다른 화소, 그 다음 다른 화소가 처리된다. 그 다음에 상기 구동 라인이 비활성화되고, 다른 구동 라인이 활성화되고, 픽업 라인은 이 활성화된 구동 라인을 다시 스캔한다. 이러한 과정은 순서대로 한 번에 하나씩 수행될 수 있거나, 여러 개의 비인접 화소들이 동시에 처리될 수 있거나, 특정 응용에서는 이와 다른 변형도 가능하다. 화소들의 그리드가 처리된 후에 물체 정보의 렌더링이 가능할 것이다.
도 1에, 일 실시예에 따라 구성된 센서(100)의 일 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 이 구성에서 픽업 라인 또는 상부 플레이트(102a[m], 102b[m+1])가 절연 유전체 기판 층(104) 위에 위치하고 센서 라인에 근접해 있는 물체의 표면으로 신호를 송신하도록 구성된다. 구동 라인 또는 하부 플레이트(106a[n], 106b[n+1])가 구동 라인 또는 판에 평행하게 실질적으로 수직으로 설치되는데, 이는 절연 유전체 기판의 반대측 면에 위치하며 일종의 그리드를 구성한다. 픽업 라인은 해당 전기장의 범위 내에 위치한 물체의 임피던스 특성에 의해 변형된 송신된 전자기장을 수신하도록 구성된다.
도 2에, 픽업 라인 또는 상부 플레이트(202a, 202b) 및 절연층(204), 그리고 구동 라인 또는 하부 플레이트(206a, 206b)을 갖는 센서(200)의 개략도가 있다. 이 도면은 또한, 전자기장(208a, 208b)이 기판을 통해 구동 라인과 픽업 플레이트 사이에서 어떻게 전개되는지를 도시한다. 근접한 물체가 없으면 전기력선은 센서 구조 내에서 그리고 상이한 라인 사이에서 균일하다. 물체가 존재하는 경우에는 전기력선의 일부분이 물체에 의해 흡수되며 절연층을 통해서 픽업 플레이트로 돌아오지 않는다.
도 3을 참조하면, 물체(310)가 센서(300)에 인접하여 있는 것이 도시되어 있다. 센서(300)에는 픽업 라인 또는 상부 플레이트(302a, 302b), 절연 유전층(304), 및 구동 라인 또는 하부 플레이트(306a, 306b)가 있다. 동작에 있어서, 이 장치의 예에서 구동 라인과 픽업 라인은 개별적으로 활성화될 수 있는데, 구동 라인/픽업 라인의 쌍이 활성화되어 활성 상태의 회로를 구성한다. 그 결과, 활성화된 구동 플레이트(316)로부터의 전기장이 전기력선(306a, 306b)을 통해서 절연층(304)과 물체(310)의 결합된 유전체로 전송되고, 이를 활성화된 픽업 플레이트가 수신한다. 도면에서 보듯이, 전기력선들의 일부는 활성상태의 전극쌍 주변에 물체가 배치될 때에 이 물체에 의해 캡처된다. 물체에서의 변화(가령, 물체 표면의 산과 골 및 기타 특징)는, 구동 및 픽업 라인의 여러 교차 지점에서 발생되는 전기장의 변화를 캡처하고 기록함으로써 전자적으로 검출 및 캡처된다. 일반적인 정전용량 기반 정치 센서와 유사하게, 이 센서는 물체 표면의 영상의 형태를 전자적으로 캡처할 수 있고, 물체의 특징 및 특성(예컨대, 후술하는 예시 지문 센서에서의 지문의 특징과 특성)을 표시할 수 있다.
도 3에 나타낸 이 구성에서는, 단 하나의 활성 전극쌍에 대해서 설명한다. 그러나, 이 실시예가 특정 구성에 한정되는 것은 아니며, 하나의 단일 전극쌍, 수 개의 전극쌍, 또는 심지어는 모든 전극쌍들이 상이한 작용을 위해서 동시에 활성화될 수도 있다. 실제로는, 주어진 시간에 활성화되어야 할 모든 전극쌍보다 적은 것이 바람직할 수 있다. 이로써 근접한 화소들 사이에 발생할 수 있는 모종의 간섭이 최소화될 것이다. 일 실시예에서, 구동 라인이 활성화되고 픽업 라인이 한 번에 하나 이상 스캔되어서, 교차 지점에서 라인을 따라 쌍을 이룸에 따라 구동 라인 및 픽업 라인을 따라 일렬의 화소 라인이 캡처될 수 있다. 이것은 도 5와 관련하여 이하에서 보다 상세히 논의한다.
일반적으로, 동작에 있어서, 특정 구동 라인이 절연 유전체 기판의 분리에 의해서 픽업 라인과 중첩되는 각 영역은, 이 영역 주위에 있는 물체의 특성 또는 특징을 정의하는 감지 지점을 캡처하고 설정할 수 있는 영역이다. 센서 그리드의 영역에 걸쳐 다수의 감지 지점들이 존재하기 때문에, 주변 물체의 특징 또는 특성을 정의하는 다수의 데이터 포인트가 센서 구성에 의해 캡처될 수 있다. 따라서, 이 센서는, 센서 위에 또는 그 주변에 위치한 물체를 검출할 수 있고 그 특징과 특성을 결정할 수 있는 평면 2차원 센서로서 동작할 수 있게 된다.
이하의 실시예 및 예에 기재된 바와 같이, 이 실시예는 기재된 특정의 구성 또는 방식에 한정되지 않고, 단지 첨부된 청구 범위, 그 등가물, 그리고 이 출원 및 관련 출원에 제출될 향후의 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다. 또한, 많은 구성, 치수, 형상, 및 특정 실시예 또는 예의 그 밖의 특징과 물리적 동작 특성은, 실시예의 사상 및 범위(이도 또한 첨부된 청구 범위, 그 등가물, 그리고 이 출원 및 관련 출원에 제출될 향후의 청구범위 및 그 등가물에 의해서 정의됨)를 벗어나지 않고 다양한 응용에 따라 변경될 수 있다.
이하의 설명에서, 다수의 특정 세부 사항들을 실시예의 완전한 이해를 위해 제시한다. 그러나, 이들 특정 세부 사항 없이도 실시예를 실시할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 다른 예에서, 실시예를 불필요하게 자세히 설명하여 불명료하게 되지 않도록 하기 위하여 잘 알려진 회로, 구성요소, 알고리즘 및 프로세스는 상세히 도시하지 않거나 개략도 또는 블록도 형태로 도시하였다. 또한, 대부분의 경우에, 재료, 장비 운용, 프로세스 타이밍, 회로 레이아웃, 다이 설계 등에 대해서는 실시예의 완전한 이해를 위하여 필요한 것으로 참작되지 않는 한, 그리고 당업자의 이해 범위 내에 드는 것으로 간주되는 한 그 설명을 생략하였다. 이하의 설명 및 청구범위 전체에서 사용된 특정 용어들은 특정 시스템의 구성요소들을 지칭하기 위하여 사용된 것이다. 당업자는 구성요소들을 다른 명칭으로 지칭할 수도 있음을 알 것이다. 본 이 문서는 명칭이 다른 구성요소들을 구별하고자 하는 것이 아니라 그 기능이 다른 것들을 구별하고자 의도하고 있는 것이다. 이하의 설명 및 청구범위에서, "포함하다(including 및 comprising)"라는 용어는 개방형으로 사용된 것이며, 따라서 "~을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다"라고 해석되어야 한다.
실시예의 구현이 여기에 설명되어 있다. 당업자는 이하의 실시예의 상세한 설명이 단지 예시인 것이며 어떠한 방식으로든 제한적으로 의도되지 않았음을 이해할 것이다. 본 발명의 이익을 갖는 기술자들에게는 실시예의 그 밖의 구현이 자명할 것이다. 첨부된 도면을 참조하여 실시예의 구현에 대해서 상세하게 설명할 것이다. 도면 및 이하의 상세한 설명 전체에서 동일화거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 것이다.
명확성을 위해서, 본원에서는 모든 통상적인 기능에 대해서 도시하고 설명하지는 않았다. 이것은, 물론, 실제 구현예의 개발에 있어서, 개발자의 특정 목표를 달성하기 위하여 수많은 구현에 특정된 결정을 행해야 할 것임을 이해하게 될 것이다. 더욱이, 이러한 개발의 노력은 복잡하고 시간 소모적일 것이지만, 그럼에도 불구하고 본 발명의 이익을 갖는 당업자에게는 일상적인 엔지니어링의 수행이 될 것이다.
일 실시예에서, 센서 장치는 절연 유전체 기판 위에 또는 주변에 위치한 구동 라인을 포함하며, 감지하고자 할 물체의 표면 상으로 신호를 송신하도록 구성된다. 픽업 라인은 구동 라인의 근처 또는 주변에 위치하며 물체의 표면으로부터 전송된 신호를 수신하도록 구성된다. 구동 라인과 픽업 라인 사이의 분리를 유지하기 위하여, 기판은 절연 유전체 또는 이격 층으로서 작용할 수 있다. 기판은, 예를 들어 가요성 중합체를 기반으로 한 기판일 수 있다. 하나의 예로서 Kapton™ 테이프가 있는데, 이는 프린터 카트리지 및 기타 장치에서 사용되는 것과 같은 플렉시블 회로에 널리 사용된다. 패키지에 이러한 플렉시블 기판이 포함될 수 있는데, 여기서 구동 라인은 기판의 일측에 위치할 수 있고, 픽업 라인은 기판의 반대측에 위치할 수 있다.
구동 라인은 픽업 라인에 대하여 직교 방향으로 있을 수 있고, 픽업 라인에 실질적으로 수직일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 장치는 절연 유전체 기판의 대향측 위에 또는 그 주변에 위치하는 구동 라인 및 픽업 라인으로 구성될 수 있는데, 여기서 이들 세 구성요소의 조합에 의해 정전용량 특성이 나온다. 구동 라인은 물체 위로 또는 속으로 또는 주위로 전기장을 보내도록(drive) 활성화될 수 있다. 픽업 라인은 구동 라인으로부터 온 전자장을 수신할 수 있고, 이 전자장은 피감지 물체의 특징 또는 특성을 해석하는 처리 또는 로직 회로에 의해 해석될 수 있다.
따라서, 일 실시예에서 픽업 라인과 구동 라인을 분리하는 층에 의해 이 장치는 정전용량 특성을 갖게 된다. 구동 라인의 일부 또는 전부가 픽업 라인에 전체적으로 또는 부분적으로 거의 수직인 경우에 그리드가 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 3차원적 관점에서 볼 때, 구동 라인들은 제1 평면에서 서로 간에 거의 평행하게 위치하고 배향된다. 기판의 한쪽면은 구동 라인에 대해 거의 평행한 제2 평면에 있는 구동 라인 측에 위치한다. 픽업 라인은 제1 및 제2 평면에 거의 평행한 제3평면에서 서로 거의 평행하게 위치하고 배향되며, 또한 구동 라인의 표면에 대향하는 기판의 다른 표면에 위치하게 되어서, 기판은 구동 라인과 픽업 라인 사이에 대략 위치하게 된다.
실시예 및 예에 대한 설명이 포함된 본 명세서에서는, 평행, 수직, 직교라는 용어 및 이와 관련된 용어 및 설명을 참조할 것이다. 이들 설명은 전혀 제한적인 것으로 의도된 것이 아님을 당업자는 이해할 것이다. 반대로, 실시예는, 구동 라인, 픽업 라인, 기판 또는 관련 구조와, 구성요소들의 다양한 조합 및 치환, 그 배치, 서로 간의 거리, 그리고 센서의 여러 장치들의 순서의 배향 및 구성으로 확장된다. 비록 실시예가 화소 위치에서 서로 대략 교차하는 다수의 구동 및 픽업 라인으로 구성되는 센서에 관한 것이며 인접한 물체의 존재 및 그 밖의 특징과 특성을 검지하도록 구성되지만, 실시예는 임의의 특정 구성 또는 배향에 한정되지 않고, 첨부된 청구 범위, 그 등가물, 그리고 이 출원 및 관련 출원에 제출될 향후의 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.
또한, 다양한 구성요소들(가령, 구동 및 픽업 라인과 구동 및 픽업 라인의 집합체 사이에 배치될 수 있는 기판)이 위치할 기하학적 평면의 상이한 배향에 대해서 참조할 것이다. 예를 들어 플렉시블 기판이 사용되는 경우, 이러한 구조의 사용에 의해서 플렉시블 구조가 만곡되거나 아니면 다르게 형성 또는 구성되기 때문에, 평면은 변화될 수 있게 된다. 이러한 실시예에서, 실시예의 특정 양태는 구동 라인과 픽업 라인의 각 교차점에 있는 물체의 특정 특징 및/또는 특성을 감지할 수 있도록 기판의 양측에 구성되는 구동 라인과 픽업 라인에 관한 것임을 알 수 있을 것이다. 따라서, 구성요소군(가령, 구동 라인 또는 픽업 라인) 또는 기판의 평면(변형가능한 시트로서, 따라서 거의 일정한 거리로 분리된 시트일 수 있음)의 배향은 본 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 응용으로 변형시킬 수 있다.
또한, 픽업 라인, 픽업 플레이트, 구동 라인, 구동 플레이트 등에 대해서 참조할 것인데, 라인 또는 플레이트에 대한 다양한 참조는 상호 교환적으로 사용될 수 있으며 본 실시예를 특정의 형태, 기하 형상, 단면 형상, 다양한 직경 또는 단면 사이즈, 길이, 폭, 높이, 깊이, 또는 구성요소의 그 밖의 물리적 차원으로 제한시키는 것이 아님을 이해할 것이다. 또한, 보다 복잡한 구성요소를, 본 실시예에 따라 구성된 장치의 성능을 향상시키기 위해 구현할 수 있다. 예를 들면 작은 65, 45, 32, 또는 22 나노미터의 도전선 또는 탄소 나노튜브에 의해서, 장치를, 작은 크기와 형상 및 저전력 응용이 원하는 특성 및 특징의 응용에 보다 용이하게 적용할 수 있다. 당업자는, 이러한 크기가 다양한 응용마다 달라질 수 있으며, 심지어는 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 일부 응용에서의 성능을 개선하고 전력 소비를 감소시키는 것이 가능함을 알 것이다.
또한, 병치, 층상 구성, 또는 그 밖에 상호 배치되는 다양한 구성요소에 대해서도 참조할 것이다. 실시예의 일례에서, 다수의 구동 라인은 대체로 평면인 기판의 일면에 평행 배치(병치)되고, 다수의 픽업 라인은 평면 기판의 대향 면 상에 병치된다. 구동 라인은 픽업 라인에 거의 직교하는데, 픽업 라인에 거의 수직한 것으로 설명될 수 있다. 구동 라인 및 픽업 라인 사이의 간격에는 정전용량을 형성하게 될 기판 또는 절연질 재료가 충전될 수 있다. 여기서, 기판의 한면에 있는 구동 라인은 하나의 정전용량 판을 구성하고, 반대면의 픽업 라인은 그 대응 정전용량 판을 구성한다. 동작에 있어서, 구동 플레이트가 활성화되면, 전기장이 구동 라인과 픽업 라인 사이에서 발생되고 기판을 통해 다수의 정전용량 소자를 형성한다. 이러한 정전용량 소자는 구동 라인과 픽업 라인 및 그 사이에 위치하는 기판의 일부분의 각 단면 영역에 위치하게 된다. 이 위치는 각각의 구동 라인과 픽업 라인이 서로 중첩하는 위치이다. 임의의 특정 응용에서, 동작시에 세 구성요소가 상호 작용하는 이들 영역은 센서 판독이 이루어질 수 있는 데이터 위치를 정의한다.
또한 센서 라인에 대해서 참조할 것인데, 가령, 센서의 구동 라인 및 센서의 픽업 라인, 그리고 이들 간의 배향에 대해서 참조할 것이다. 예를 들어, 거의 평행한 구동 라인에 대하여 설명할 것이다. 이들 구동 라인은 구리, 주석, 은, 금 등과 같은 표면에 형성, 에칭, 증착, 또는 인쇄된 도전성 재료로 이루어진 거의 평행한 도전선으로 기술하고자 한다. 대부분의 제조 공정에 내재하는 결점 때문에 상기 도전선은 그 속성상 "완벽"하기가 드물며 따라서 실제로는 정확하게 평행하게 되지 않음을 당업자는 이해할 것이다. 따라서 이들을 "실질적으로(거의) 평행하다"라고 기술하였다. 여러 응용에서, 평행하지도 않은 몇 가지 구동 라인을 라인의 일부분에 대해서 평행하게 되도록 구성할 수 있으며, 이 라인은 장치의 동작을 위해 다른 구성요소와 연결하기 위하여, 또는 기판이 형성 또는 배선된 기판 위에 또는 주위에 배선을 하기 위하여, 필요에 따라 평행에서 벗어날 수도 있다. 이와 유사하게, 구동 라인이 픽업 라인에 실질적으로(거의) 직교 또는 수직인 경우에, 별개의 라인 배열을 직교 또는 수직이라고 기술할 수 있다. 당업자는, 여러 라인들은 서로 완전하게 직교하지 않을 수 있음을, 그리고 그들을 수직에서 벗어나거나 아니면 특정 응용에서는 다양한 각도로 교차하도록 구성할 수 있음을 이해할 것이다. 또한 라인들은 부분적으로 수직일 수 있는데, 여기서, 구동 라인의 일부분은 픽업 라인의 대응 부분에 실질적으로 수직일 수 있고, 기판 위에 또는 주위에 배선을 하기 위하여 또는 상이한 라인의 다른 부분들은 장치의 동작을 위해 다른 구성요소와 연결하기 위하여 수직에서 벗어날 수도 있다.
실시예에 의해 제공되는 이들 및 기타 장점을 실시예의 구현형태 및 이 실시예에 따라 구성되는 장치 및 시스템의 의도된 특징 및 특성의 기술을 참조하여 설명할 것이다.
동작에 있어서, 전반적으로, 구동 라인은 장치에 가깝게 있는 물체를 향해 전자기장을 송출할 수 있다. 픽업 라인은 구동 라인으로부터 발신되어서 물체를 투과하고 기판을 통과하여 픽업 라인 위로 도착한 신호를 수신할 수 있다. 이와 달리, 픽업 라인은 구동 라인으로부터 발신되어 기판을 통과하였으나 물체를 투과하지는 않은 신호를 수신할 수 있다. 이 전기장은 그리드의 상이한 위치에서 변함으로써, 이 장치에 근접한 물체의 특징 및/또는 특성을 정의하는 특정 형식의 로직 또는 처리 회로에 의해 해석될 수 있는 결과 신호를 제공한다.
구동 라인 및 픽업 라인은, 구동 라인을 통해 물체로 신호를 송신하게 하고, 픽업 라인을 통해 물체로부터 결과 신호를 수신하도록 하고, 결과 신호를 처리하여 물체 영상을 정의하도록 하는 하나 이상의 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 프로세서는, 구동 라인 및 픽업 라인이 프로세서 패키지 내에 통합된 하나의 모놀리틱 소자 내에서 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 구동 라인, 픽업 라인, 및 기판은 독자적으로 패키지 내에 조립될 수 있는데, 여기서 패키지는 전체적인 시스템 기능을 제어하는 시스템 프로세서에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 패키지는, 시스템과 통신하기 위해 시스템의 입력/출력 연결부와 연결함으로써 시스템의 일부가 될 수 있다. 이는 예를 들어, 랩톱 컴퓨터 내의 시스템 프로세서가 사용자의 음성을 사용하기 위해서 오디오 신호를 수신하는 랩톱에 마이크로폰을 연결하는 것과 그 성질상 유사할 것이다. 본 실시예에 따르면, 센서는, 시스템 프로세서와 협력하여 센서 동작을 수행하는 시스템 프로세서와 통신하는 독립형 구성요소로서 연결될 수 있다.
다른 실시예에서, 센서는, 대부분의 물체, 특히 인체 조직 및 장기의 임피던스가 주파수에 따라 크게 변하기 때문에, 상이한 주파수에서 신호를 구동하도록 구성될 수 있다. 감지대상 물체의 하나 또는 그 이상의 주파수에서의 복소 임피던스를 측정하기 위해, 수신기는 또한 진폭 뿐만 아니라 위상도 측정할 수 있어야 한다. 일 실시예에서, 주어진 임피던스 감지 전극쌍으로부터 생성된 결과 신호는 변화하는 주파수로부터 발생할 수 있는데, 이는, 당업계에서 주파수 호핑(frequency hopping)이라고 하며, 여기서 수신기는 주파수의 랜덤, 의사 랜덤, 또는 비 랜덤 시퀀스를 추적하도록 설계된다. 본 실시예의 변형예로는 선형 또는 비선형의 주파수 스위프(sweep)가 있을 수 있는데, 이를 쳐프(chirp)라고 한다. 이러한 실시예에서, 연속적인 범위의 주파수의 임피던스를 매우 효과적으로 측정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 전술한 바와 같은 그리드 센서는 포인팅 장치로서도 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 장치는 데스크톱 및 랩톱 컴퓨터에 사용되는 잘 알려진 터치패드, 트랙볼, 또는 마우스 등의 기능을 수행할 수 있다.
본 실시예의 한 예에서, 손가락 끝의 융선과 골을 측정할 수 있는 2차원 임피던스 센서는 지문 패턴의 움직임을 추적하도록 구성될 수 있다. 종래 기술의 스와이프 지문 센서가 이 기능을 수행할 수 있지만, 어레이의 물리적 비대칭과 속도 보정의 필요성, 또는 실시간으로 영상을 '재구성'해야 하기 때문에 이 구현예는 아주 어색하다. 이 센서도 또한 지문 센서 및 고품질의 포인팅 장치 모두의 이중 기능을 할 수 있을 것이다.
실시예에 따라 구성된 한 장치는, 플렉시블 기판 상의 제1 센서 라인 어레이와, 플렉시블 기판 상의 제2 센서 라인 어레이를 포함하며, 또한, 제1 센서 라인 어레이와 제2 센서 라인 어레이로부터의 지문 데이터를 처리하도록 구성되는 프로세서를 포함한다. 하나의 플렉시블 기판의 경우에 이를 자체적으로 접을 때 또는 별도의 기판의 경우에 이를 병치할 때, 별도의 센서 라인들은 전기적으로 단락되지 않고 서로 교차되어서, 지문 특징을 감지할 수 있는 화소 역할을 하는 교차 지점들이 있는 그리드가 형성된다. 일 실시예에서, 실질적으로 평행한 센서 구동 라인 어레이는 플렉시블 기판의 표면 상에 위치한다. 이들 구동 라인은 사용자의 손가락의 표면 속으로 신호를 순차적으로 송출하도록 한번에 한 라인씩 활성화되도록 구성된다. 제2 센서 라인 어레이는 구동 라인에 거의 수직한, 실질적으로 평행하게 배열된 센서 픽업 라인들로 구성되는 제1 센서 라인 어레이와 유사하다. 이들 픽업 라인은 제1 센서 라인 어레이로부터 전송된 신호를 픽업하도록 구성된다.
제1 및 제2 세트의 센서 라인, 예컨대 구동 라인 및 픽업 라인이 플렉시블 기판의 확장된 표면의 상이한 부분에 위치하는 구성에서, 플렉시블 기판은 자체적으로 접혀서 2층 구조를 형성하도록 구성된다. 여기서 플렉시블 기판이 그 자체로 절첩될 때에 센서 구동 라인의 제1 어레이는 픽업 센서 라인의 제2 어레이에 거의 수직이 된다. 이러한 절첩 공정은 개별 센서 라인 어레이 간에 교차 지점을 생성한다 - 단, 이들은 전기적으로 접촉되지 않고 독립적으로 작동되어야 한다. 이들 교차 지점은 물체의 화소 및 플렉시블 기판의 표면에 대해서 병치되는 물체의 특징을 감지하도록 구성되는 임피던스 감지 전극쌍을 나타낸다. 이들 화소의 스캐닝은 개별 행과 열을 순차적으로 활성화시킴으로써 이루어진다. 구동 신호에 의해서 구동 열들이 활성화되면, 수직한 픽업 행들은 선택된 드라이버의 전체 길이에 걸쳐서 한 번에 하나씩 스캐닝된다. 한 번에 한 행만이 전기적으로 활성화(높은 임피던스)되고, 활성화되지 않은 행들은 접지와 연결되거나 커플 신호(couple signal)와 교차되지 않는 상태로 다중화(multiplex)된다. 활성화된 어레이 교차 지점 위에 지문 융선이 위치하면, 활성화된 구동 열로부터 선택된 픽업 행으로 표면 막을 통해 방출될 전기장의 일부가 차단된다. 임피던스 감지 전극쌍 위에 물체의 특징(예컨대, 지문 센서의 경우에는 융선과 골)이 놓이면 전기장의 일부가 인체를 통해 접지로 통하게 되기 때문에 순 신호(net signal)의 감소가 일어난다. 지문 센서의 경우 임피던스 감지 전극쌍에 지문의 융선/골이 놓이면, 골은 융선보다도, 선택된 구동 라인으로부터 선택된 픽업 라인으로의 전기장의 방출에 훨씬 적은 영향을 미친다. 융선의 화소와 골의 화소 간의 상대적 신호 강도를 비교함으로써, 손가락 표면의 2차원 영상이 생성될 수 있다.
이제 도 1을 다시 참조하여, 그리드 센서의 이러한 일반적인 예를 참조하여 본 실시예에 따라 구성된 센서가 어떻게 지문 센서로서 구현될 수 있는지를 설명한다. 이 지문 센서에서 물체는 단순히 사용자 손가락의 지문 표면이 된다. 이 예는 본 실시예에 따라 구성되는 임피던스 센서의 장점 및 신규한 특징을 설명하기 위하여 이후의 도면에서도 거론할 것이다. 그러나, 당업자는 본 실시예에 따라 구성된 장치에 의해서 어떠한 물체라도 감지할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다시 말하지만, 여기서의 예시 및 설명은 예시적 목적으로 의도된 것일 뿐이다.
동작에 있어서, 센서는 센서 표면에 근접하게 위치한 손가락 표면의 존재를 검출하도록 구성될 수 있는데, 여기서 구동 라인은 손가락 표면으로 활성화된 상태의 전자기장을 송출할 수 있고 픽업 라인은 도달한 전자파 신호를 수신할 수 있다. 동작에 있어서, 구동 라인은 손가락 표면 상으로 전달되는 전기장을 생성할 수 있고, 지문의 상이한 특징들(가령, 지문 표면의 융선과 골 그리고 가능하면 인체 표면의 특성들)은 결과 신호를 변화시켜서 지문 특징에 관한 정보를 생성하기 위해 신호를 해석하는 기초를 제공한다.
지문 센서의 일 실시예에 있어서, 지문 센서의 맥락에서 도 1을 다시 참조하면, 플렉시블 기판은 내구성, 저비용, 유연질의 이로운 속성을 주기 위하여 절연 유전층(104)으로서 사용된다. 구동 라인 또는 구동 플레이트(106a, 106b)는 플렉시블 기판 위에 위치하며 센서 라인 위에 또는 주위에 놓인 사용자의 지문 특징(융선과 골)의 표면으로 신호를 전송하도록 구성된다. 픽업 라인(102a, 102b)은 사용자의 손가락면으로부터 전송된 신호를 수신하도록 구성된다. 프로세서(도시하지 않았음)은 픽업 라인으로부터 수신된 신호에 기초하여 지문 영상을 수집하고 저장하도록 구성된다.
도 4를 참조하면, 센서(400)는 상부 플레이트 또는 픽업 라인(402a, 402b, ..., 402n)이 절연 유전층 또는 기판(404) 위에 위치하는 물체 센서로서 구성된다. 하부 플레이트 또는 픽업 라인(406a, 406b, ..., 406n)은 기판(404)의 반대편에 위치한다. 전기장(408a, 408b)은 하부 플레이트 또는 구동 라인(406a, 406b)에서부터 절연층 또는 기판(404)을 통해 활성상태의 상부 플레이트(402a)로 전개될 수 있다. 실시예에 따르면, 이들 구동 라인은 간섭 효과를 줄이기 위해 한 번에 하나씩 활성화될 수 있으나, 여기에 설명의 목적으로 표시해 놓은 전기장은 물체에 의해 부분적으로 또는 완전히 흡수된 전기장과 물체에서 전혀 흡수되지 않은 전기장 사이에 콘트라스트를 만든다. 이 정보는 센서 라인에 근접한 물체의 특징 및 특성을 감지하기 위한 각 교차 지점에서 구동 및 픽업 플레이트 전극쌍에 의해 취합될 수 있다. 부분적으로 덮여 있는 상부 플레이트 또는 픽업 라인(402b)은 전압계 417과 연결시키고, 덮여 있지 않은 상부 플레이트(402a)는 전압계 418과 연결시킨다. 활성화된 구동 라인 또는 하부 플레이트(406b)는 AC 신호원(416)에 연결되어서, 활성화된 플레이트(406b)로부터 전기장이 방출한다. 특정 응용에 따라서는, 구동 라인 및 픽업 라인의 수는 응용에 따라 다를 수 있으며, 이는 원하는 비용 및 해상도에 좌우될 수 있다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 전기력선(408a)은 부분적으로 픽업 라인(402a 및 402b)에 의해 캡처되고, 일부는 물체(이 경우에는 손가락(410))에서 캡처된다. 또한, 물체(또는 물체의 특징)가 특정 교차 지점에 존재하거나 하지 않거나 또는 근접 위치한 경우에 픽업 라인은 상이한 판독을 할 것이라는 것을 설명하기 위하여 전압계 417은 상부 플레이트 또는 구동 라인 402b에 대한 반응을 지시하고 전압계 418은 상부 플레이트 또는 구동 라인 402a의 반응을 지시한다. 전압계 418과 417의 지시값의 차이는 하나는 손가락이 놓여있고 다른 하나는 손가락이 놓여있지 않은 두 전극쌍 위치 간의 전기장 강도의 차이를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 물체의 존재를 검출할 때에, 실시예에 따라 구성된 센서의 또 다른 예의 구동 및 픽업 구성을 도시한다. 센서(500)가 도시되어 있는데, 상부 플레이트 또는 픽업 라인(502a, 502b, ..., 502n)이 절연층 또는 기판(504) 위에 위치하며, 하부 플레이트 또는 구동 라인(506a, 506b, ..., 506n)이 기판(504)의 반대측에 위치한다. 또한, 픽업 라인들은 최대 감도를 위해 피감지 물체에 가장 가까운 층에 있는 것으로, 그리고 구동 라인은 기판의 반대측에 있는 것으로 도시되어 있다. 전기장(508a, 508b)은 하부 플레이트 또는 구동 라인(506a, 506b)으로부터 절연층 또는 기판(504)을 통해 활성상태의 상부 플레이트(502b)로 전개된다. 구동 플레이트가 상부에 위치하고 픽업 플레이트 하부에 위치하는 등의 다른 구성도 가능하다. 그러나, 여기서 개시하고 청구한 예 및 실시예와 비현실적으로 다른 특정 형태에 의해서는 제한되지 않는다.
도 5는 또한, 픽업 라인(502b) 및 구동 라인(506b)의 교차 지점에 있는 하나의 선택된 개별 전극쌍을 나타내는데, 나머지 픽업 및 구동 라인들은 활성화되지 않고 도 5에서는 접지되어 있다. 구동 라인(506b)은 AC 전압원(516)에 연결되고, 픽업 라인(502b)은 증폭기/버퍼(514)에 연결된다. 여기서 나타낸 것과 같이 활성화되면, 전기력선(508a, 508b)이 발생되고, 이들은 구동 라인(506b)에서 방출되어서 픽업 라인(502b)에 의해 감지되어 그 결과 신호는 증폭기/버퍼(514)로 전송된 다음에 아날로그 및 디지털 회로 기능에 의해 처리되다. 인접한 비활성의 구동 및 픽업 라인을 접지함으로써 활성상태의 구동 및 픽업 플레이트 사이의 교차 지점에 전기장(508a 및 508b)이 집중되도록 하여서, 피감지 물체 상의 인접 영역으로부터의 누화(crosstalk)를 제한한다. 본 실시예에서 감지 동작이 진행됨에 따라, 상이한 구동 라인/픽업 라인 교차 쌍들이 활성화되어서 물체로부터의 상이한 화소 정보를 캡처할 수 있다. 물체 센서의 경우에, 이 센서는 물체의 형상에 관한 정보를 캡처할 수 있으며, 만일 전기적 특성이 그 표면에 걸쳐 균일하지 않은 경우에는 그것을 합성한다. 또한, 이 실시예가 이러한 특정 구성에 한정되지는 않는다. 하나의 전극쌍, 수 개의 전극쌍, 또는 심지어 모든 전극쌍들이 여러 동작을 위해서 동시에 활성화될 수 있는 것이다. 실제적으로는, 주어진 시간에 모든 임피던스 감지 전극쌍들보다는 적은 수가 활성화되는 것이 바람직할 수 있다. 그래야 근접 화소들 사이에 발생할 수 있는 간섭이 최소화될 것이다. 일 실시예에서는, 구동 라인이 활성화될 수 있고, 픽업 라인은 한번에 하나 이상을 스캔할 수 있다. 이에, 구동 라인 및 픽업 라인이 교차 지점에서 라인을 따라 쌍을 맺은 상태에서 화소 선이 이들 라인을 따라 캡처될 수 있다. 따라서, 도 5를 참조하면, AC 전압원(516)은 구동 라인(506b)에 연결되어 있고, 증폭기/버퍼(516)의 연결선은 순차적인 픽업 라인 위를 순환 즉 스캔할 수 있다. 이에, 다른 픽셀 정보는 구동 라인(506b)과 교차점에서 쌍을 이루는 다른 픽업 라인 교차점으로부터 캡처될 수 있다. 거의 모든 픽업 라인(506a-n)이 스캔되고 나면 구동 라인(506b)은 비활성화될 수 있으며, 그 다음에, 순차적으로 다른 구동 라인이 AC 전압원에 의해 활성화될 수 있고 새로운 스캐닝이 픽업 라인을 통해 시작될 수 있다. 거의 모든 구동 라인/픽업 라인 쌍이 전체 2차원 화소 배열을 캡처하고 나면, 물체의 특징 및 특성의 2차원 영상 또는 렌더링(예컨대, 물체 형상의 렌더링, 또는 합성 맵도 가능함)이 만들어질 수 있다.
실시예의 장점을 갖는 센서의 다른 예로서, 가격이 감소된 지문 스와이프 센서는, 실시예에 의해 제공되는 동일한 기술 혁신을 이용하여 구성할 수 있다. 이 실시예에서, 감소된 수의 픽업 라인을 직교 구동 라인의 전체 개수로 구성할 수 있다. 이러한 구성은, 준(pseudo) 2차원 센서의 형태를 취할 멀티 라인 스와이프 센서를 만들 것이며, 손가락을 그 위에서 밀면 부분 영상의 모자이크 또는 조각(슬라이스)을 만들 것이다. 이것의 장점은 하나의 전체 영상 라인에 의존하는 현재의 비접촉식 실리콘 센서의 문제가 되는 영상 재구성 작업 및 속도 검출을 위한 두 번째 부분의 복잡성을 감소시키는 것이다.
이러한 준 2차원 센서 어레이는 센서 위에서 문질러야 하는 손가락의 속도 변화에 대처하기 위하여 훨씬 더 빠른 속도로 스캔할 필요가 있는 것과 트레이드오프 해야 할 것이다.
도 6a 및 6b는 지문 융선과 골 등과 같은 물체의 표면 특징을 검출할 때의 센서의 동작을 나타낸다. 센서는 도 5에 나타낸 앞의 예와 동일하게 구성되어 있다. 그러나 이 경우에는, 예컨대, 지문과 같은 표면 질감과 상호 작용한다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 실시예에 따라 구성된 센서의 또 다른 예가 도시되어 있다. 센서(600)는 상부 플레이트 또는 픽업 라인(602a-n)이 절연층 또는 기판(604)의 일면에 위치하고, 하부 플레이트 또는 구동 라인(606a-n)은 기판(604)의 반대측에 위치한다. 최대 감도를 위해서 픽업 라인은 피감지 물체에 가장 가까운 층에 있는 것으로 도시되어 있고, 구동 라인은 기판의 반대측에 있는 것으로 도시되어 있다. 도 6a는 근접한 물체의 골과 상호 작용하는 전기력선(620)을 나타내고, 도 6b는 근접한 물체의 융선과 상호 작용하는 전기력선(621)을 나타낸다. 여기서 전기력선은 하부 플레이트 구동 라인(606b)로부터 절연층 또는 기판(604)을 통해 활성 구동 라인(606b)으로 전개된다. 지문을 검출하는 경우, 지문 표면 위의 융선과 골은 구동 라인/픽업 라인의 교차 지점의 그리드에 의해 캡처될 수 있고, 얻어진 결과 데이터는 지문의 영상을 렌더링하는 데 이용될 수 있다. 그 다음, 저장된 지문을 캡처된 지문과 비교하여 인증을 행할 수 있다. 이는 독립 제품으로서 공급 업체로부터 입수할 수 있는 많은 지문 매칭 알고리즘을 이용하여 수행된다. 이러한 공급 업체의 몇 가지 이름을 들자면, 디지털 페르소나(Digital Persona), 바이오키(BioKey), 코전트 시스템스(Cogent Systems)를 들 수 있다.
또한 도 6a와 6b에는, 픽업 라인(602b)과 구동 라인(606b)의 각 센서 라인 쌍이 도시되어 있다. 이들의 교차 지점은 활성 전극쌍을 구성하며, 그 나머지 픽업 및 구동 라인은 활성화되지 않으며, 전자 스위치에 의해 명목상으로 접지된다. 구동 라인(606b)은 AC 전압원(616)에 연결되고, 픽업 라인(602b)은 증폭기/버퍼(605)에 연결된다. 여기에 나타낸 바와 같이 활성화되면, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 전기력선(620 및 621)이 생성되어서, 구동 라인(606b)과 픽업 라인(602b) 사이에 방출되어, 픽업 라인(602b)으로 방사되고 증폭기/버퍼(605)에 연결되는 결과 신호가 전송되어서 이후, 아날로그 및 디지털 처리 회로에 의해 처리된다.
본 실시예에서 감지 동작이 진행됨에 따라, 상이한 구동 라인/픽업 라인 교차 쌍들이 활성화되어서 물체로부터의 상이한 화소 정보를 캡처할 수 있다. 지문의 경우에, 센서는 지문의 상이한 특징 및 특성에 관한 정보 및 심지어는 손가락 자체를 캡처할 수 있다. 또한, 이 실시예는 이러한 특정 구성에 한정되지는 않는다. 하나의 전극쌍, 수 개의 전극쌍, 또는 심지어 모든 전극쌍들이 여러 동작을 위해서 동시에 활성화될 수 있는 것이다. 실제적으로는, 주어진 시간에 모든 임피던스 감지 전극쌍들보다는 적은 수가 활성화되는 것이 바람직할 수 있다. 그래야 근접 화소들 사이에 발생할 수 있는 간섭이 최소화될 것이다. 일 실시예에서는, 구동 라인이 활성화될 수 있고, 픽업 라인은 한번에 하나 이상을 스캔할 수 있다. 이에, 구동 라인 및 픽업 라인이 교차 지점에서 라인을 따라 쌍을 맺은 상태에서 화소 선이 이들 라인을 따라 캡처될 수 있다. 따라서, 도 6a를 참조하면, 전압원(616)은 구동 라인(606b)에 연결되어 있고, 증폭기/버퍼(605)로의 연결선은 다른 픽업 라인 위를 순환 즉 스캔할 수 있다. 이에, 다른 픽셀 정보를 구동 라인(606b)을 이용하여 다른 전극쌍으로부터 캡처할 수 있다.
도 6a 및 6b의 순간포착도면에서, 미사용 구동 플레이트(606a,c~n 등)는 분리 목적으로 접지로 스위칭되는 반면, 구동 플레이트(606b)는 화소의 전체 열이 스캔될 때까지 AC 신호원(616)으로부터 에너지 공급을 받는다. 마찬가지로, 일 실시예에서는 누화를 최소화하기 위하여 한번에 하나의 픽업 플레이트만 활성화되고 일부 또는 거의 모든 픽업 플레이트는 접지로 스위칭된다.
스캐닝 과정은 순서상의 다른 열 606c가 활성화되어서, 도 6a 및 6b의 순간포착도에 도시된 것을 넘어 계속된다(비록 그 순서는 임의적이지만). 픽업 플레이트(602a-n)의 전체 순서가 스캔되면 다음의 구동 라인(606d)이, 모든 또는 거의 모든 구동 라인(606a-n)의 순서가 다 될 때까지 활성화될 것이다. 모든 구동 열이 활성화되었고 픽업 플레이트가 각 열에 대해서 스캔하였으면, (구동 행의 수)×(픽업 열의 수)와 같은 완전한 2차원 화소 배열이 수집되었을 것이다. 40,000개의 개별 화소로 구성된 10×10mm 어레이, 즉, 100mm2가 500 dpi 센서에서 만들어질 것이다. 응용에 따라서는, 모든 구동 라인들이 순서화될 수 있거나, 그들 중 가능한 일부 또는 대부분이 순서화될 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 다시 참조하면, 두 도전층 즉, 구동 층(606) 및 픽업 층(602)은 전기 절연층(604)에 의해 분리된다. 이 절연층(604)은 높은 DC 저항을 가지며, 그것을 통해 고주파 전기장이 전송될 수 있도록 1보다 큰 유전 상수를 갖는다. 일 실시예에서, 이 절연층(602)은 단면의 연질 인쇄 회로 기판을 자체적으로 접어서 만든다. 다른 실시예에서 이 절연층은 양면 회로 기판을 형성하는 두 개의 전기적 활성층 사이에 유전체 층을 배치하여서 만든다.
도 7은 각 구동/픽업의 교차 지점에서의 센서의 전기장 결합을 나타내는 집중회로(lumped circuit) 구성요소에 의해 묘사한 플레이트 행과 열의 xy 그리드의 예를 도시한다.
하부 플레이트(701a,b,c,...)는 스위치 매트릭스(740a-n)를 통해 AC 신호원(716)에 의해 한 번에 하나씩 구동된다. 도 7은 한 구동 스위치(740b)가, 신호원에 대응하는 플레이트를 연결하는 온 상태에 있는 것을 나타내는 순간포착도이다. 이것은 1차원적으로 센서 폭과 동일한 플레이트의 전체 길이에 걸쳐 AC 신호에 의해 한 행(740b) 전체를 활성화시킨다. 이에 따라, 각 열 플레이트(703a,b,c,...)는 절연층(704) 및 결합 커패시터(761a,b,c,...,n)를 통해 AC 신호를 픽업할 것이다. 한 번에 하나의 픽업 플레이트만이 활성화 상태로 버퍼 증폭기(716)로 스위칭된다. 모든 또는 거의 모든 다른 픽업들이 스위치 매트릭스(730a-n)를 통해 접지로 단락되어 있는 것으로 도시되어 있는 반면, 상부 플레이트(702b)는 도 7에서와 같이 활성 상태의 플레이트로 도시되어 있다. 따라서, x-y 화소로부터의 정보가 캡처된다.
단일 행은 이것이 스캔해야 할 픽업 플레이트/열의 전체 수를 취하는 한은 활성 상태를 유지한다. 화소 당 스캔 시간은 동작 주파수 및 검출 전자회로의 정착 시간(settling time)에 따라 달라지지만, 종래의 스와이프 센서에서 전형적으로 스캔하는 것처럼 과도하게 빨리 스캔할 필요는 없다. 반면에 종래의 스와이프 센서는, 20cm/초보다 빠를 수 있는 손가락 속도에 상대적인 언더샘플링으로 인해 정보가 손실되지 않도록 매우 높은 화소 레이트로 스캔해야 한다. 스와이프 센서에 대한 캡처 속도의 감소는 아날로그 전자회로의 요구를 완화시키며 호스트 프로세서가 실시간으로 캡처해야 할 데이터 레이트를 감소시킨다. 이에 시스템 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 적은 CPU 전력 및 메모리를 갖는 호스트 장치로도 동작이 가능해진다. 이는 모바일 기기에 대해서는 특히 중요하다.
전체 행(706b)이 모든 또는 거의 모든 대응하는 픽업 플레이트(702a-n)로 스캔되었으면, 이 순서상의 다음번 행이 스위치 매트릭스(740)를 통해 활성화된다. 이 과정은 모든 또는 거의 모든 행과 열이 스캔될 때까지 계속된다.
버퍼 증폭기(716)에 입력되는 신호의 크기는, 절연층 및 근접한 지문 융선이나 골에 의해 형성되는 정전용량 크기의 함수이다. 이러한 전기장이 어떻게 방출되는지의 상세한 작용은 도 6a와 b에 도시되어 있다. 전체 결합 정전용량은, 소정의 두께에 대한 고정값인 절연층 정전용량(704)과 피감지 물체의 가변 토폴로지 정전용량의 직렬 결합에 해당된다. 이 가변 부분은 도 7에 2차원 배열된 일련의 가변 커패시터(760a-n, 761a-n, 762a-n 등)로서 도시되어 있다.
도 8은, 선택된 픽업 플레이트(802a-n)로부터의 신호를 취하여 이를 플레이트(805)의 기준 신호에서 빼는(감산) 차동 증폭기(880)를 사용하는 정치 센서의 실시예를 도시한다. 이들 신호의 전기적 감산은 여러 기능을 수행한다. 첫째, 넓은 대역의 공통 모드(common mode)가 감산되어 제거된다. 둘째, 기준 플레이트(805)에 대한 감산에 의해서 이상적인 융선 및 골에 등가인 상대 기준 신호가 출력된다. 셋째, 손가락을 통하지 않고 두 플레이트로 연결되는 공통 모드 캐리어 신호도 또한 감산되어 제거된다. 센서에 올려진 손가락을 통해서가 아닌 다른 방법에 의해서 연결되는 캐리어를 감산하여 제거할 경우에는 픽업 플레이트의 에칭의 편차의 제1차 캐리어 취소(first order carrier cancellation)도 또한 일어난다. 이는 저비용으로의 대량 생산에 중요하다.
기준 플레이트(805)는 의도적으로 간극(885)을 통해서 픽업 플레이트(802a-n)에서 분리하여, 센서의 손가락 접촉 영역의 외부에 위치한다. 간극(885)은 일반적으로 50um인 픽업 플레이트 사이의 공칭 간격보다 훨씬 더 크다. 실제의 실시예에서, 플레이트(805)는 손가락의 접촉을 방지하기 위하여 플라스틱제 베젤(bezel)의 아래에 다른 픽업 플레이트들로부터 적어도 500um 떨어져 위치한다.
픽업 플레이트(802a-n) 중 하나는, 이들을 차동 증폭기(880)에 연결하는 픽업 스위치(830a-n)를 통해 순차적으로 스캔되어 스위칭된다. 전체 픽업 행의 스캐닝 과정 중에, 차동 증폭기의 양극 단자는, 픽업 플레이트들 모두로 동일한 기준 신호를 출력하기 위하여 기준 플레이트(805)에 연결된 상태로 유지된다.
도 9a는 픽업 플레이트의 행을 스캔하는 일렬의 단극쌍투(SPDT: single pole double throw) 스위치와 픽업 플레이트 열을 다중화하는 단극단투(SPST: single pole single throw) 스위치를 사용한 토폴로지로 구성된 정치 센서 전단의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 9a에서, 검색 프로세스가 시작될 때의 아날로그 스위치의 순간포착도를 볼 수 있다. 첫 번째 SPDT 스위치(1044a)만이 '온' 위치에 있는 것으로 표시되어 있고, 이에 픽업 플레이트(902a)는 차동 증폭기로(980)로 그 플레이트 신호를 도통시킬 수 있다. 나머지 픽업 플레이트는 스위치(944a-944n)를 통해서 접지된다. 이에, 수신되는 모든 픽업 신호가 차동 증폭기(980)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
각 SPDT는 현실 세계의 스위치가 완벽하게 분리되지 않는 이유로 인해서 기생 정전용량(945)을 갖는다. 사실상, 이 분리의 정도는 주파수에 따라 감소되며, 전형으로서, 스위치 단자 양단의 병렬 커패시터로 모델링된다. 개개의 플레이트가 활성화되지 않은 경우, SPDT 스위치를 사용하여서 이 정전용량을 접지로 션트(shunt)시킬 수 있다. 픽업 플레이트의 수(일반적으로 500dpi 센서의 경우 200개)와 동일한 대형 스위치 어레이가 있기 때문에, 접지되는 실효 션트 정전용량에 그 수를 곱해야 한다. 따라서 주어진 스위치의 기생 용량이 0.5 피코패럿(pF)이고 200개의 픽업이 있다면 총 션트 정전용량의 최대 100 피코패럿이 더해질 것이다.
이렇게 큰 정전용량이, 접지된 활성 픽업으로부터 수신된 신호의 대부분을 방향전환시키는 것을 방지하기 위하여, 본 예에서는 보정 회로를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 기생 커패시터(945)(스위치 당 하나)와 동조 커패시터(934 및 937)와 함께 기존의 대역통과 필터 회로를 형성하는, 공진 인덕터(939)를 사용함으로써 달성된다. 2단계의 널 및 피크 동조 교정(null & peak tuning calibration) 절차가 사용되는데, 여기서 공진 커패시터(934 및 937)는, 차동 증폭기(980)로의 두 +, - 입력에 있는 동일한 구동 신호를 사용하여 개별적으로 인덕터(939)에 동조된다. 차동 증폭기(980)의 출력 신호가 0일 때, 인덕터(1039)와 공진 커패시터 934 및 937로 각각 형성된 두 개의 대역통과 필터는 동일한 중심 주파수에 동조된다. 다음, 커패시터(934 및 937) 및 인덕터(939)는 차동 증폭기(980)로의 +, - 입력의 180도 반대 위상의 차동 입력 신호를 이용하여 서로 동조된다. 이들은 정확한 구동 캐리어 주파수에 도달할 때까지 고정 단계(lock step)로 증분(increment)되는데, 이는, 차동 증폭기(980)의 출력이 그 피크에 있을 때 발생하여서, 중심 주파수가 캐리어 구동 신호(916)의 정확한 중심과 동일해지도록 한다.
시스템 구현시에, 교정 루틴은 시간 및 온도에 의한 이 필터의 편차를 최소화하기 위해 각각의 지문 스캔 이전에 수행될 것이다. 공진 인덕터(939)는 필터로 하여금 신호대 잡음비를 최적화하는 데 필요한 필터에게 적절한 대역폭 특성을 갖도록 하기 위해 적어도 10의 Q(즉, 품질 팩터)를 가져야 한다.
또는 이와 달리, 캐리어 신호원(916)은 가변되는 주파수 발생원일 수 있고, 커패시터(937 및 934)는 고정값일 수 있다. 이 실시예에서, 동조는, 차동 증폭기(980)로부터 최대 출력이 나올 때까지 캐리어 신호원(916)의 주파수를 변화시킴으로써 달성된다.
도 9b는 서로 그룹화된 다수 열의 플레이트가 있는 다른 예를 나타내는 것으로서, 각각 하나씩의 차동 증폭기가 있다.
많은 수의 평행 픽업 플레이트를 그룹으로 나누어 각 그룹마다 소수의 플레이트가 포함되도록 하면, 기생 스위치의 정전용량이 크게 감소될 수 있기 때문에 동조된 대역통과 필터를 전단에 사용할 필요가 없는 다른 구조가 나온다. 이것은, 두 가지 가능한 장점을 갖게 될 수 있다. 첫째는 낮은 비용이며, 둘째는 주파수에 민첩한 전단(front end)을 갖게 되는 것이다. 이 도면은, 스위치 열(907a)의 첫 번째 스위치(944a)가 활성화되어 있는 전단의 순간포착도이다. 다른 모든 스위치 열(907a-907n)은 그 각각의 플레이트가 접지되어 있는 비활성 상태인 것으로 도시되어 있다. 따라서, 전압 또는 전류 차동 증폭기 980a만으로만 플레이트 신호가 도통되며, 전압 또는 전류 차동 증폭기 980b-980n은 그 양극과 음극 입력이 각각의 스위치(945a-n 및 945r)를 통해 접지에 연결되어서, 이들 열에서 나오는 여하한 신호라도 전체 출력에 영향을 주는 것을 방지한다.
각 차동 증폭기(980a-980n)는 저항(987a-987n)을 통해 합산 증폭기(985)로 들어가 합산된다. 이 순간포착도면에서는 차동 증폭기 980a만으로만 플레이트 신호가 연결되므로, 이 차동 증폭기는 합산 증폭기(985)로 입력되는 신호를 독립적으로 출력한다. 이 과정은, 전체 어레이의 스위치 열(907a-n)과 스위치 플레이트(944a-n, 945a-n, ...)의 전부 또는 거의 전부가 완전히 스캔될 때까지 순차적으로 반복된다. 다른 실시예에서는, 모든 또는 거의 모든 어레이가 스캔될 수 있고, 또는 다양한 응용에서 전체 어레이보다 적은 수가 스캔될 수도 있다. 일부 응용에서는, 낮은 해상도가 바람직할 수 있기 때문에, 모든 어레이를 스캔할 필요가 없다. 다른 응용(가령, 네비게이션(웹서핑) 응용)에서는 전체 영상을 필요로 하지 않을 수도 있다. 이때에는 컴퓨터 터치패드 또는 마우스와 유사한 디스플레이 상의 커서를 움직이는 포인팅 장치의 입력으로서 사용하기 위한 속도, 거리, 및/또는 방향의 움직임을 감지하기 위하여 한정된 영상이 사용될 수 있다.
픽업 어레이를 분할함으로써, 각 플레이트에 걸리는 용량성 부하가, 전체 스위치 어레이로부터 특정 플레이트 그룹 내의 스위치의 수로 감소된다. 예를 들어 196개의 잠재 픽업 플레이트를 14개 플레이트의 14개 열로 분할한다면, 14개 스위치(944)의 기생 정전용량과 동일한 용량성 부하 플러스 차동 증폭기의 용량성 부하가 나온다. 아날로그 스위치(944)를 매우 낮은 기생 정전용량값으로 구성하는 경우에는, 전체 입력 부하는 부하 용량을 공진시키기 위해 전단에 대역통과 회로를 넣어야 할 필요가 없을 정도로 충분히 작을 것이다. 집적회로 제조 기술이 발달함에 따라 적은 기생 용량을 갖는 보다 작은 스위치를 설계할 수 있게 될 것인바, 이 기술은 보다 더 매력적인 기술이 된다.
도 9c는 두 번째 단의 차동 증폭기로 다중화되는 각각의 플레이트 버퍼를 이용한 전단 회로의 다른 예를 도시한다.
도시된 버퍼(982a 내지 982n)는 매우 낮은 입력 정전용량을 갖도록 설계된 특수한 버퍼이다. 일 실시예에서, 이들 버퍼는 드레인-게이트간 밀러(Miller) 용량 및 다이 면적을 최소화하기 위해 단일 스테이지의 직렬(cascaded) 증폭기로서 구성될 수 있을 것이다. 플레이트간의 분리를 극대화하기 위해서, 두 세트의 스위치들을 각각의 입력에 사용할 수 있을 것이다. 이 예에서는 아날로그 스위치(930a-930n)들이 사용되는데, 이들은 차동 증폭기(980)로의 각 선택된 버퍼를 다중화한다. 다수의 스위치(932)는 선택되지 않은 다른 모든 입력 버퍼로의 전원을 동시에 차단하기 위한 것이다. 이를 통해 효과적으로 접지 전위로 떨어진다. 이와 다른 실시예에서는, 사용하지 않는 플레이트를 직접 접지로 단락시킬 수 있도록, 각 증폭기 앞에 입력 아날로그 스위치를 넣을 수 있다. 이러한 방식의 효과 중 하나는 각 플레이트에 대한 입력 부하 용량이 증가될 수 있다는 것이다.
도 9c는 스위치 932a를 통해 전력이 공급된 버퍼(982a)를 통해 상부 플레이트(902a)가 감지되는 스캔 과정의 순간포착도이다. 아날로그 스위치 930a는 차동 증폭기(980)로 신호를 전달하도록 닫혀있다. 다른 모든 버퍼 출력은 아날로그 스위치(930b-n) 및 전력 스위치(982b-n)를 통해 차동 증폭기(980)와 분리되어 있다.
차동 증폭기(980)의 + 입력은, 이 증폭기로의 "공(air)" 신호의 기준이 되는 기준 플레이트(902r)에 항상 연결된다. 차동 증폭기(980)는 "공" 기준 캐리어 값을 제공할 뿐만 아니라, 노이즈 및 공통 모드 캐리어 신호를 빼내는(감산) 역할을 한다.
도 10은 기존의 아날로그 수신기 기술로 구현된 정치 센서의 특정 실시예를 보여준다. 아날로그 전단은, 선택된 픽업 플레이트(1002a-n)를, 손가락 접촉 영역 밖에 위치하여 이상적인 손가락 골과 동일한 기준 신호를 출력하는 기준 플레이트(1005)로부터 감산하는 차동 증폭기(1080)로부터 시작한다. 프로그래머블 이득단, 즉, PGA(1090)가 차동 증폭기(1090) 다음에 위치한다. 그러나 이들 둘은 한 단계에서 감산을 수행하도록 동일한 블록에 통합시킬 수도 있다. PGA(1090)는 층과 층 사이의 플레이트 에칭 및 솔더마스크 두께의 제조 편차를 보상하기에 충분한 넓은 이득 범위를 갖도록 설계된다.
제어 프로세서(1030)는 2차원 센서 플레이트 어레이의 스캐닝을 관장한다. 구동 플레이트/열(1002a-1002n)은 제어 프로세서(1030)의 구동 플레이트 스캐닝 로직(1040)에 의해 순차적으로 스캔된다. 선택된 구동 플레이트가 활성화될 때, 이는 캐리어 신호원(1016)에 연결된다. 모든 비활성의 구동 플레이트들은 접지에 연결된다. 순서에 따라 다음 구동 플레이트가 활성화되기 전에, 활성 구동 플레이트는 전체 행의 픽업 플레이트(1002a-n)가 픽업 플레이트 로직(1045)에 의해 스캔될 수 있도록 충분히 오랫동안 유지된다.
아날로그 혼합기(1074)는 이득 증가된 플레이트 신호를 기준 캐리어(1013)에 곱한다. 그 결과, 기저대역과, 캐리어 주파수의 배수에서의 고조파 발생분으로 구성되는 종래의 스펙트럼이 나온다. 아날로그 저역통과 필터(1025)는 불필요한 고조파를 필터링하기 위해서 사용되며, 기저대역 정보를 잃지 않고 제2고조파와 연관된 정보를 감쇠시키기에 충분한 날카로운 특성을 가져야 한다.
저역통과 필터 다음에 있는 A/D 변환기(1074)는 나이퀴스트 기준(Nyquist criteria)을 만족시키기 위하여 화소 레이트의 적어도 두 배로 샘플링되어야 한다. 메모리 버퍼(1032)는 호스트 컨트롤러의 최악의 경우의 지연에 대처하기에 충분한 크기의 A/D 샘플을 국지적으로 저장한다. A/D 샘플 제어선(1078)은 플레이트 행과 열의 순서에 의해 생성되는 순차적인 화소 정보를 취득하기 위하여 변환기로 샘플링 클럭을 제공한다.
도 11은 직접 디지털 변환 수신기(direct digital conversion receiver) 기술로 구현된 정치 센서의 일 실시예를 나타낸다. 이 예에서, 아날로그 전단은 차동 증폭기(1180)에서 시작되는데, 여기서는, 선택된 픽업 플레이트(1102a-n)가, 손가락 접촉 영역의 바깥에 위치하여 이상적인 손가락 골에 등가인 기준 신호를 출력하는 기준 플레이트(1105)로부터 감산된다. 이들 신호의 전기적 감산은 여러 기능을 수행한다. 첫째, 넓은 대역의 공통 모드가 감산되어 제거된다. 둘째, 기준 플레이트(1105)에 대한 감산에 의해서 이상적인 융선 및 골에 등가인 상대적 기준 신호가 출력된다. 셋째, 손가락을 통하지 않고 두 플레이트로 연결되는 공통 모드 캐리어 신호도 또한 감산되어 제거된다. 공통 모드의 제거는 RF 노이즈 환경에서 특히 중요하다. 센서에 올려진 손가락을 통해서가 아닌 다른 방법에 의해서 연결되는 캐리어를 감산하여 제거할 경우에는 픽업 플레이트의 에칭의 편차의 제1차 캐리어 취소도 또한 일어난다. 이는 저비용으로의 대량 생산에 중요하다.
프로그래머블 이득단, 즉, PGA(1190)가 차동 증폭기 다음에 위치한다. 이는, 층과 층 사이의 플레이트 에칭 및 솔더마스크 두께의 제조 편차를 보상하기에 충분한 넓은 이득 범위를 갖도록 설계되는 현대의 집적회로 PGA(1190)에서 일반적으로 이루어지는 것과 같이, 프로그램가능한 이득 기능이 포함된 하나의 차동 증폭기 내에 용이하게 통합할 수도 있을 것이다.
제어 프로세서(1130)는 2차원 센서 플레이트 어레이의 스캐닝을 관장한다. 구동 플레이트/열(1102a-1102n)은 제어 프로세서(1130)의 구동 플레이트 스캐닝 로직(1140)에 의해 순차적으로 스캔된다. 선택된 구동 플레이트가 활성화될 때, 이는 캐리어 신호원(1116)에 연결된다. 모든 비활성의 구동 플레이트들은 접지에 연결된다. 순서에 따라 다음 구동 플레이트가 활성화되기 전에, 활성 구동 플레이트는 전체 행의 픽업 플레이트(1102a-n)가 픽업 플레이트 로직(1145)에 의해 스캔되고 A/D 변환기(1125)에 의해 캡처될 수 있도록 충분히 오랫동안 유지된다.
A/D 변환기(1125)는 나이퀴스트 기준을 만족시키기 위하여 캐리어 주파수의 두 배의 레이트로 샘플링되어야 한다. A/D 샘플 제어선(1107)은 플레이트 행과 열의 순서대로 생성되는 순차적인 화소 정보를 취득하기 위하여 변환기로 샘플링 클럭을 제공한다.
A/D 변환기 다음에 디지털 혼합기(1118)가 있다. 이는, 캐리어 주파수인 A/D 변환기의 출력을 디지털 제어 발진기(1110)에서 생성된 기준 캐리어에 곱한다. 그 결과, 신호는 캐리어 주파수가 제거된 기저대역으로 하향 변환(down convert)된다. 이 과정에 의해서 여타 불필요한 스펙트럼 성분, 즉, 2배 시간의 캐리어 측대파(carrier side band)가 생성되지만 이는 용이하게 필터링 제거할 수 있다.
디지털 혼합기(1118) 다음에 통합 데시메이터 및 디지털 필터(1120)가 있다. 이 블록은 샘플링 레이트를 캐리어 주파수의 적어도 두 배로부터 이보다 훨씬 낮은 화소 레이트의 적어도 두 배로 감소시키는 샘플링 하향 변환을 수행한다. 디지털 필터는 일반적으로, 수신기의 신호대잡음비를 개선할 뿐 아니라 불필요한 스펙트럼 부산물이 혼입되는 것을 제거하는 CIC(cascaded integrator comb) 필터를 포함할 것이다. CIC 필터는, 디지털 혼합기를 써서 신호를 기저대역 신호로 낮추는 혼합을 행한 후의 좁은 통과 대역 필터를 생성하는 매우 효율적인 방법을 제공한다. CIC 필터 다음에는 통과 대역의 드룹(droop)을 해결하기 위해 느린 데시메이팅 속도(decimated rate)로 동작하는 FIR 필터가 올 수 있다.
대략 100:1의 샘플 레이트의 감소에 의해, 비교적 작은 제어 프로세서 버퍼(1132)를 전체 지문을 캡처하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 40k의 화소를 산출하는 200×200 어레이가 40kb 버퍼에 저장될 수 있다. 이것은, 가장 빠른 스와이프 속도(보통, 200ms)에 대응하기에 충분한 속도로 부분 영상 프레임을 스캔해야 하는 스와이프 센서와 대조적이다. 동시에, 2초대의 느린 스와이프도 또한 수용되어야 하는데, 이때는 가장 빠른 스와이프에 대한 메모리에 비해 10배의 메모리가 요구된다. 샘플 라인을 저장하기 전에 잉여 샘플 라인을 버리는 다양한 기술들이 개발되었지만, 이러한 기술을 사용하여도 스와이프 센서의 경우에는 실시간 저장 요구가 훨씬 크다. 이는 메모리 용량이 제한되는 칩상 매칭(match on chip) 응용에서는 중요한 인자이다. 또한, 정치 센서에는, 정위치에 손가락을 유지시켜야 하는 사용자의 인내를 넘는, 호스트 프로세서에 요구되는 실시간 데이터 취득 또는 처리 필요성이 없다.
도 12를 참조하면, 일 실시예에 따라, 반도체 산업에서 공지된 연질체상 칩(CoF: chip on flex)으로 구성된 센서 배치(1200)가 도시되어 있다. 연질체상 칩은, 프로세서 칩이 Kapton™ 테이프 등의 연질(플렉시블) 기판에 부착되며 플렉시블 기판에 있는 도전선 및 그 밖의 요소에 전기적으로 연결되는 구성을 말한다. 이 예에서, 센서 배치(1200)는 슬롯(1206)이 형성되어 있는 피치 레일(pitch rail)(1202, 1204)이 양쪽에 있는 Kapton 테이프의 내에 있다. 이들 슬롯은 제조시 테이프에 라인과 구성요소들을 형성하기 위하여 제조 공정에 테이프를 투입할 때에 사용된다. 소자의 피치는 CoF에 소자를 형성하는 데 필요한 Kapton 테이프의 길이를 말한다. 거리(distance) "d"(1208), 즉, 슬롯 1207 및 1209 사이의 거리는 각 레일에 있어서 거의 일정하며, 피치(pitch)는 연질 기판의 길이를 소자가 차지하는 길이로서 정하는 편법이다. 이 예에서 나타낸 소자의 경우 피치(1212)는 슬롯 1207과 1214 사이의 8개의 슬롯 거리를 나타내며, 따라서 이는 8피치 소자가 된다. 지문 센서 또는 다른 형태의 2차원 또는 면상 정치 센서일 수 있는 예시의 센서 소자는 집적회로(1210)를 나타내는 것으로서, 예컨대, 실리콘 기판 상에 형성된 로직 회로, 마이크로프로세서, 또는 그 밖에 센서 회로에서 캡처된 화소 정보를 처리하는 회로일 수 있다. 이 예는 또한, 플렉시블 기판 또는 Kapton 테이프 이외의 기판 상에도 형성 또는 제조될 수 있다. 실제로, 실리콘 기판, 경질 기판, 그 밖에 다양한 응용을 위해 구성된 모든 기판 상에 형성될 수 있다.
지문 센서 또는 그 밖의 정치 센서로 구성할 경우에, 집적회로(1210)는 아래의 도 16에 설명된 기능 전부 또는 일부를 가능하게 하는 혼합 신호 칩이 될 수 있다. 일 실시예에서는, 구동 및 픽업 라인의 200×200 라인 어레이를 구동하기에 충분한 입력과 출력을 가지며, 이들 라인보다 더 많거나 적을 수도 있다. 상부 층(1220)은 집적회로(1210)에 직접 연결되는 픽업 라인 어레이에 의해 형성된다. 이는 접합 와이어 없이 플렉시블 기판에 직접 플립칩 방식으로 탑재될 수 있다. 이 예에서, 하부 층은, 2중 층의 능동형 센서 영역(1255)을 형성하기 위하여 한 층을 절첩선(1230)을 따라 등이 마주하도록 접음으로써 형성된다. 구동 라인이 접혀서 하부층(1225)을 형성한다. 이 예에서의 구동 라인은 배치상의 균형을 위해서 좌우 그룹(1240 및 1242)으로 나뉘어 있지만, 감지 영역의 왼쪽 또는 오른쪽에 모두 있을 수도 있다. 좌측의 구동 플레이트 다발(1240) 및 우측의 구동 플레이트 다발(1242)은 좌우 선이 교대로 맞물려서 하부층(1225)에 연속 라인 어레이를 구성하고 있다.
플렉시블 기판에 기반한 커넥터(1235)는 외부 호스트로, 또는 도 16에 도시하고 이하에서 설명하는 그 밖의 시스템 차원의 구성요소들로 전력, 접지, 및 인터페이스 신호를 전달한다. 여기서 시스템 차원의 구성요소들은 메모리가 포함된 프로세서, 내장된 매칭 알고리즘(들)을 동작시키는 로직, 및 암호화/복호화 기능들이지만 이에만 한정되는 것은 아니다. 또 다른 예에서, 커넥터(1235)는, 이방성 도전 필름(ACF: anisotropic conductive film)이라고도 하는 도전성 접착제(일부 제품에는 "high density"라고 표기되어 있기도 함)를 이용하여 호스트 기판에 부착할 수도 있다.
도 12b를 참조하면, 센서(1250)의 다른 예가 기판 상에 상이한 방향 및 구성으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있다. 위의 예와 유사하게, 센서(1250)는 정치 센서이며, 절첩선(1251)을 따라 자체적으로 접혀서 2개 층, 즉, 구동 라인(1256)이 있는 하부층(1252)과 픽업 라인(1257)이 있는 상부층(1254)과, 집적회로(1258), 기판의 외부 연결부(1262), 그리고 외부 기기로 이 집적회로를 연결(예를 들어, 제조시 테스트를 위하여)하기 위해 사용할 수 있는 프로세서 연결부(1260)를 구성한다. 그러나 이 구성에서는 그 피치가 훨씬 작다. 다시 말하지만, 거리 "d"는 각 쌍의 슬롯과 슬롯(1206) 사이의 거리이며, 피치는 이 예에서는 슬롯 1270과 1272 사이의 간격을 의미한다. 따라서 이 소자는 5피치 소자가 된다. 이 예의 소자는, 도 12a의 다른 예시 소자(1200)가 8 피치의 Kapton 테이프를 차지하는 것에 비해 5 피치의 Kapton 테이프를 소요하고 있다. 이 소자는 도 12a의 예시 소자(1200)와 사실상 동일한 기능을 Kapton 테이프를 적게 차지하므로 자재 비용을 절감한다. 만일 이 센서의 최종 센서면의 크기를 줄인다면 그 테이프의 피치가 더 줄어들 수 있어서, 픽업 라인, 구동 라인, 및 그 밖의 구성요소를 수용하는 데 필요한 공간이 더 줄어들 수 있을 것이다. 이 예에서, 유효 센서면은 10mm2일 수 있으며, 9mm2로, 심지어는 8mm2로 감소시킬 수도 있을 것이다. 상기 구조는 상기 소자의 총 면적이 줄어듦에 따라 줄어들 수 있을 것이고, 마찬가지로 전체 소자를 수용하는 데 필요한 기판의 면적이 줄어들 것이다.
당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 이들 예에서, 본 발명의 다양한 특징을 최적화하기 위해, 소자에 사용되는 기판의 크기와, 감지 영역의 크기 및 화소 밀도 모두를 포함하는 다양한 설계를 행할 수 있다. 그러나, 본 발명은, 다른 것들에 의해 수행되는 특정의 최적화에 한정되지 않으며, 실제로, 본 발명은 잘 알려지고 대안적인 공정, 재료, 및 이들을 사용하는 노하우를 이용하여 설계 개선을 하기 위한 다른 것들을 고무시킬 수 있다. 본 발명의 범위는, 여기에 첨부되거나 또는 장래에 심사를 위해 제출되는 청구 범위에 의해서만 제한되며, 본 명세서에 대한 즉흥적인 정보에 의해서는 제한되지 않는다.
도 13a를 참조하면, 연질체 구조(1300)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 연질체 구조(1300)는 구동 라인과 픽업 라인이 교차 지점을 형성하는 촬상 영역(1350)을 포함하는데, 여기서 교차 지점은, 상부층(1370)을 하부층(1372) 위에서 접어서 형성되는데, 접을 때에는 플렉시블 기판 자체를 연질체 구부림 반경(1374)을 중심으로 접는다. 측면에서 보면, 상부 연질체(1364)는, 상부 구리 또는 픽업 라인(1360) 위에 적층된 상부 솔더마스크(1362) 위에 적층된다. 하부 솔더마스크(1370)는 상부 구리(1360) 아래로 접혀지며, 하부 구리(1372)는 솔더마스크(1370) 아래와 하부 연질체(1375) 위에 형성된다.
도 13b를 참조하면, 도 13a의 연질체 구조(1300)를 장착하기 위한 모듈 구조(1301)의 예가 도시되어 있다. 당업자는, 특정 모듈의 구조가 실시예에 따라 달라질 수 있음을, 그리고 이 예에서, 실제 실시를 위한 모듈의 거의 완전한 예를 나타내고는 있지만, 이는 하나의 예로서 의도된 것이며 본 실시예를 어떻게든 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다. 이 예의 구조(1301)에는 경질 기판(1330)이 포함되는데, 그 상부 층에 연질체 상부 층(1370)이 연질체 위치결정 핀, 또는 픽업 플레이트와 구동 플레이트의 정렬을 보장하도록 구성된 플라스틱 프레임(1337)을 써서 수용된다. 감지 전극쌍은 두 층에 있는 구동 및 픽업 라인들이 교차함에 의해 형성되기 때문에, xy 정렬의 허용 공차 요구조건은, 두 층 사이에 일치되어야 할 특징이 있을 때 필요한 화소미만 급의 정렬 공차는 아니고, 대략 수개 화소급이면 된다. 각도 정렬 및 xy 정렬을 보장하기 위해서 각 층에 4개의 장착 구멍(1337)이 있으면 충분하다. 또한 도면에는 구동 칩(1310)과 촬상 영역(1350)이 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 도시된 도면은 전반적으로 본 실시예에 따라 구성된 센서 시스템(1402)을 통합한 예시적인 시스템(1400)을 제공한다. 센서 장치는 시스템으로 통합될 수 있으며, 또는 독립형 제품으로 구성될 수도 있다. 독립형 제품으로의 센서 요소는 하우징(도시하지 않았음) 내에 설치될 수 있고, 센서 장치를 사용할 장치 또는 시스템에 연결하기 위한 전기 연결부가 노출 설치될 수 있다. 당업자는 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 센서를 다양한 산업부문에서 폭넓게 사용되는 하우징 내에 어떻게 통합시킬 수 있을지 즉시 알게 될 것이다. 따라서, 예를 들어, 시스템 내에서, 기계적 연결, 설계, 및 구조는 특정 응용에 따라 반드시 달라질 수 있는 것이다. 예로서, 지문 센서로 사용하기 위해 랩톱에 통합시킬 경우, 표면 장착 모듈이, 사용자에게 센서 그리드 라인을 노출시키기 위해 사용되어야 한다. 만일 이동 전화, 개인 정보 단말기(PDA) 등에 통합시킬 경우는, 센서의 동작 기능을 제공하면서도 특정 기기 설계에 부합하기 위해 또 다른 형식의 장착 모듈이 필요할 것이다. 또한, 도 14는 상부 층(1406)과 하부 층(1408)을 갖는 접은 상태의 연질 기판 또는 경질 기판(1404)으로 실시예에 따라 구성된 센서(1402)를 포함하는 시스템(1400)의 개략도를 도시하는데, 여기서 상부 층과 하부 층은 각각, 그 응용에 따라 픽업 라인 또는 플레이트와 구동 라인 또는 플레이트(도시하지 않았음)를 갖는다. 2차원 감지 영역(1411)과 그 위에 놓인 물체(1410)가 도시되어 있는데, 이 물체는 지문 센서의 경우에는 손가락이며, 다른 응용에서는 다른 물체이다. 상부층의 픽업 플레이트 또는 라인(도시하지 않았음)은, 수신된 결과 신호를 송신하기 위하여 통신 링크(1412)를 통해 상부 플레이트 프로세싱 회로(1410)와 통신한다. 구동 라인 또는 플레이트는 하부층(1408)에 위치하고 있으며(도시하지 않았음), 통신 라인(1416)을 통해 하부 플레이트 프로세싱 회로(1414)로부터 구동 신호를 수신한다. 상부 플레이트 프로세싱 회로(1410)는 픽업 플레이트 또는 라인으로부터 오는 결과 신호를 수신, 증폭, 및/또는 버퍼링 또는 저장하도록 구성된 전단 버퍼 및 증폭기(1416)를 포함한다. 스위치 어레이(1418)(도 9에 도시된 것과 같은)는 전단(1416)으로부터 신호를 수신하고, 디지털 신호로의 변환을 위해 아날로그-디지털(A/D) 변환기(1420)로 스위칭 신호를 송신하도록 구성된다. 디지털 신호 프로세서(DSP)(1422)는 A/D 변환기(1420)로부터의 디지털 신호를 수신하고 송신을 위하여 신호를 처리하도록 구성된다.
하부 플레이트 프로세싱 회로(1414)는, 센서 기판(1404)의 하부 층(1408)에 있는 구동 플레이트 또는 라인에 의해 사용되는 구동 신호를 생성하도록 구성되며, 신호를 생성하기 위한 구동기 및 스캐닝 로직(1424)과, 구동 신호의 설정 주파수를 프로그램가능하도록 설정하는 프로그래머블 주파수 발생기(1426)를 포함한다. 하부 플레이트 프로세싱 회로(1414)는 통신 링크(1428)를 포함하며, 마찬가지로, 상부 플레이트 회로는, 시스템(프로세서, 메모리 모듈 등) 간의 통신 신호를 송수신하는 시스템 버스(1432)와 통신하기 위한 통신 링크(1420)를 갖는다. 시스템 버스(1432)는, 프로세서에 의해 지속적이고 빈번하게 사용되는 알고리즘(1428), 응용 소프트웨어(1440), 템플릿(1442), 및 프로세서(1444)에 의한 지속적이며 빈번한 사용을 위한 그 밖의 코드를 저장하기 위하여 통신링크(1436)를 통해서 영구 메모리(1434)와 통신한다. 프로세서(1444)는, 시스템 버스로부터 수신된 또는 센서(1402)로부터 발신된 신호를 처리하는 로직 회로 및 기타 회로를 갖는 프로세서 로직을 포함하며, 아울러, 프로세서와 함께 기본적이고 복잡한 산술 연산을 수행하기 위하여 로직 회로들로 구성된 산술 로직 유닛(1450)을 포함한다. 프로세서 메모리(1452)는, 예컨대, 계산 결과를 저장하고 향후 계산을 위한 검색을 위하여 프로세서(1444)의 로컬 저장소 역할을 하도록 구성된다.
동작에 있어서, 구동 신호는 프로세서(1444)에 의해 제어되며, 하부 플레이트 프로세싱 회로(1414)에서 전송된 구동 신호에 대한 파라미터는 프로세서(1444)에 의해서 하부 플레이트 프로세싱 회로(1414)에 설정된다. 구동 신호는 주파수 발생기(1426)에 설정된 파라미터 내의 로직(1424)에 의해 발생되며 통신 링크(1416)를 통해 하부 플레이트(1408)로 전송된다. 이들 신호는 감지 영역(1411) 주변의 상부 층에 있는 픽업 라인으로 전개되는 전자기장을 생성한다. 이들 신호는 센서 그리드 상의 여러 화소 전극쌍을 통해 순환되고(여기서 도시하지는 않았지만 위에서 설명하였음), 전자기장의 일부는 물체(1410)(예를 들어 지문)에 흡수된다. 생성된 결과 신호는 감지 영역 주변의 상부 층(1406)에 있는 픽업 플레이트 또는 라인에 의해 픽업된다(여기에 도시하지는 않았지만, 위에서 설명하였음). 그 다음, 결과 신호는 통신 라인(1412)을 통해 상부 플레이트 프로세싱 회로(1410)로 전송되고, 처리되어서, 추가적 처리를 위해 저장 장치 또는 프로세서(1444)로 전송된다. 구동기와 스캐닝 로직이 그리드 센서 상의 화소들을 통해서 순환을 완료하면, 물체의 특징 및 특성에 연관된 데이터를 시스템이 정의하고 사용할 수 있다. 예를 들어, 지문 센서 시스템에서 영상은 지문 영상이며, 이 지문 영상을 저장된 지문 영상과 비교할 수 있고, 만일 이들이 매칭된다면, 이 지문을 사용하여 사용자 인증을 할 수 있다.
도 15는 실시예에 따라 구성된 장치가 지문 감지 응용에 어떻게 적용될 수 있는지를 보여준다. 사용자는 구동 플레이트(1506a-1506n) 및 픽업 플레이트(1502a- 1502m)의 교차 지점에 형성되는 센서 그리드 위에 지문(1510)이 있는 손가락을 올려 놓는다. 영상 화소(1561a)는 구동 플레이트 1506a와 픽업 플레이트 1502a의 전극쌍 위의 지문 영역을 감지하고, 화소 1561a은 구동 플레이트 1506n 및 픽업 플레이트 1502a의 교차 지점 위의 영역을 감지하고, 화소 1562n은 구동 플레이트 1506n 및 픽업 플레이트 1502m의 교차 지점 위의 영역을 감지한다.
도 16은 도 11과 도 14의 실시예를 사용하여, 도 15에 도시한 지문 영상을 수집하는 절차를 나타낸다. 단계 1601에서 영상 캡처가 시작된다. 초기화의 일부로서, 행 카운터는 단계 1602에서 "1"로 초기화된다. 단계 1603에서 연속 스캔 절차가 시작된다. 각 행의 시작 부분에서, 열 카운터는, 단계 1603에서, 1로 설정된다. 단계 1604에서는, 상부 플레이트 스캐닝 로직(1145)이, 선택된 행에 대한 적절한 아날로그 스위치(1103a~1103n 중 하나)를 활성화한다. 하부 플레이트 스캐닝 로직(1140)이 캐리어 신호(1116)로써 해당 구동 플레이트(1106a~1106n 중 하나)를 활성화하면, 단계 1605에서, 개별 화소의 감지가 시작된다. 단계 1606에서, 차동 증폭기(1180)로부터의 신호는, 프로그래머블 이득 증폭기(1190)를 통해 처리한 후에 A/D 변환기(1125)에 의해 반복적으로 샘플링된다. 디지털 혼합기(1118)는 샘플들을 디지털 발진기(1110)에 의해 설정된 기저대역 주파수로 하향 혼합한다. 기저대역 신호는, 현재 화소의 신호 레벨 값을 생성하기 위해 디지털 데시메이팅 필터(1120)에 의해 필터링된다. 이와 달리, 도 11의 실시예에서 본 단계를 위해 수행되는 기능은 도 10에 나타낸 해당 아날로그 수신기 또는 그 밖의 기능적으로 유사한 구성요소에 의해 수행될 수도 있다. 단계 1607에서, 단계 1606에서 도출된 신호 레벨 값은, 현재 선택된 행 및 열에 상응하는 메모리 버퍼(1132) 내의 적절한 위치에 저장된다. 단계 1608에서, 열 번호가 증분 증가(increment)되고, 단계 1609에서는, 열 번호를 테스트하여 현재의 행 수집이 완료되었는지 여부를 판단한다. 행이 완료되지 않았다면 단계 1605로 되돌아가 행에 있는 다음 화소를 수집한다. 행이 완료되었으면, 단계 1610로 진행하고 행 번호를 증분 증가시킨다. 단계 1611에서, 행 번호를 테스트하여 모든 행이 스캔되었는지 판단한다. 그렇지 않다면, 절차는 다시 1603으로 되돌아가서 첫 번째 열에 있는 다음 번 행을 다시 시작한다. 모든 행이 스캔되었으면, 영상 캡처가 완료된 것이며, 단계로 1612로 간다. 여기서, 영상은 추가적 처리를 할 준비 또는 장기 보관을 위해 전달할 준비가 된다.
당업자는, 행 및 열의 스캐닝 순서는 어레이 내의 물리적 위치에 직접적으로 의존하지 않음을 알 것이다. 왜냐하면, 일부 구현의 경우에는 인터리빙 방식으로 샘플링하는 것이 보다 더 치상적일 수 있기 때문이다.
도 17은 도 14에 도시된 예를 사용자 인증 응용에 적용한 예를 나타낸다. 단계 1701에서, 프로세서(1444) 상의 시스템 수준의 응용 프로그램(1440)은 사용자 인증을 필요로 한다. 단계 1702에서, 사용자 인증을 위해 손가락을 올리라는 요청 메시지가 표시된다. 단계 1703에서는 감지해야 할 손가락이 놓일 때까지 시스템이 대기한다. 이는, 도 16에서 설명한 것과 같은 축소된 크기의 영상을 수집함으로써 그리고 손가락 영상을 테스트함으로써 또는 다른 전용 하드웨어를 통해서 수행될 수 있다. 손가락의 존재가 감지되면, 도 16의 방법 또는 이와 다르지만 실질적으로 동일한 방법을 사용하여, 단계 1704에서 완전한 영상이 수집된다. 그 다음, 이 영상은 저장되고, 단계 1705에서, 도 17b에 나타낸 것과 같이 템플릿(1712)으로 변환된다. 이 템플릿은 전형적으로, 특징점(예컨대, 분지(1710), 종단점(1711))의 위치와 형태의 맵, 또는 융선의 빈도 및 배향의 맵, 또는 이들의 일부 조합으로 이루어진다. 단계 1707에서, 템플릿은, 단계 1706의 영구 템플릿 저장소(1142)에서 검색된 하나 이상의 등록 템플릿과 비교된다. 매칭되는 것이 찾아지면, 단계 1708에서 사용자 인증이 이루어지며 응용 프로그램으로의 액세스 권한을 받게 된다. 매칭이 안 되면, 사용자는 단계 1709에서 거부되고 액세스가 거절된다.
도 16 및 17a,b로 설명한 인증 시스템에 있어서, 보안과 동작 속도 간에는 트레이드오프(절충)가 있을 수 있다. 스마트폰과 같은 기기는 상이한 동작 모드마다 상이한 보안성과 편의성(속도)의 요구조건을 가질 수 있다. 이러한 절충 관계는 상이한 정보 유형마다의 보안 값에 의해 규율될 수 있다. 예로서, 사용자는 자신의 스마트폰 또는 다른 기기를 단순히 전원 ON하는 데는 낮은 보안 값을 줄 것이지만, 금융 거래 또는 다른 민감한 전송을 행할 때에는 훨씬 더 높은 값을 줄 것이다. 개인 연락처 정보 또는 고객 목록에 대해 접근하지 못하도록 막길 원할 수도 있고, 또한, 다른 사람들이 근거리 통화, 장거리 통화, 개인 사진 접속, 소셜네트워크 웹사이트 접속, 문자 메시지 또는 이메일 발신 및 수신을 하지 못하도록 막길 원할 수도 있고, 다양한 정보에 대한 접근을 위한 다양한 보안 프로토콜을 갖기를 원할 수도 있다. 생체정보의 장점을 사용하지 않는 기존의 시스템을 사용하는 사용자는 일반적으로, 네 자리수의 PIN 번호로 자신의 전화기 핸드셋을 잠글 것인바, 이는 상당히 낮은 수준의 보안 등급이다. 이와 동일한 장치를 통한 금융 거래의 보안을 위해서 업계에서 요구되는 새로운 발전은 사용자로 하여금 훨씬 높은 보안 수준을 원하게 할 것이다. 반대로, 사용자가 단순 통화를 위해 전화기 잠금을 해제하는 데 용인가능하다고 생각하는 시간은, 높은 수준의 거래를 안전하게 하기 위해 기다려야 하는 시간보다는 훨씬 짧을 것이다. 사용자는 금융 거래를 위하여 사용자 인증을 하기 위하여 더 많은 소요되는 시간에 보다 더 관용적일 것이다.
여기서 설명한 실시예들은 가변적인 캡처 영상 해상도와 매칭 알고리즘 보안 수준을 제공함으로써 이러한 요구조건을 모두 지원한다. 일 예에서, 높은 보안 모드에서 동작시에(예컨대, 사용자를 등록하거나 고가의 트랜잭션을 인증할 경우), 도 16에 기재된 영상 캡처 절차 및 도 17a-b에 기재된 매칭 절차를 전 해상도 모드(full resolution mode)에서 실행할 수 있다. '간편' 모드에서 동작시에(예컨대, 전화기 잠금 해제, 사진 조회, 인터넷 서핑, 또는 사용자 전환 등의 경우)에는, 지문 영상을, 각 다른 열마다 그리고 각 다른 행마다 스킵하여서(예를 들어, 단계 1608 및 1610에서 열 카운터 및 행 카운터를 1이 아니라 2씩 증분 증가시킬 수 있음) 반 해상도 모드(half resolution mode)에서 취득할 수 있다. 이로써, 높은 보안 모드에 비교하여 각 축에서 절반의 해상도를 갖는 영상, 즉, 1/4 크기의 영상을 얻게 된다. 이에 영상을 취득하는 데 필요한 시간(도 16) 그리고 영상에서 템플릿을 추출(단계 1705)하는 데 필요한 시간을 모두 4배만큼 줄일 수 있다. 영상의 감소된 해상도로 인해, 그리고 상기 간편 모드를 위한 보안성 완화의 요구조건으로 인해, 단계 1707에서 적용되는 정합 임계값은 그에 따라 감소될 수 있다.
도 18a-d를 참조하면, 센서 모듈 또는 장치의 다른 실시예가 센서 1800으로 도시되어 있다. 먼저 도 18a의 확대도에 도시된 것은, 절첩된 연질체 센서(1802), 모듈 절첩 베이스(1804), 및 장착 기판(1806)이다. 이 실시예에서, 플런저(1812) 및 베이스(1813)를 갖는 스위치는 센서 조립체(어셈블리)에 포함시켜서, 기기의 동작과 센서 동작(가령, 지문 센서의 동작)을 함께 통합할 수 있다. 또한, 이 어셈블리는 생체 동작 기능을 포함한 확장된 기능을 갖는 휴대 전화기나 스마트폰 등의 기기에의 사용을 위한 개인화 전환의 구성을 가능하게 한다. 전원 스위치 또는 선택 스위치와 함께 사용할 경우, 예를 들어, 애플컴퓨터사에서 만든 아이폰™에 있는 메인 셀렉션 스위치 또는 리서치인모션(RIM™)에서 만든 블랙베리™ 스마트폰에서 사용되는 네비게이션 선택 스위치를 이들 기기의 표시 화면의 옆에 모듈식으로 교체하여서 이들 개인용 기기를 사용함과 함께 지문 인증 센서를 사용할 수 있다. 인증은 기기 전체에 액세스하는 데 사용될 수도 있고, 또는 예컨대 사용자가 보호하고 싶어하는 상이한 등급의 정보에 레벨에 액세스하는 데 사용될 수도 있고, 또는 더 높은 수준의 보안을 필요로 하는 금융 거래를 위한 사용자 인증에 사용될 수도 있다. 이러한 설정은, 제조자가 미리 설정할 수도 있고, 사용자에 의해 재설정될 수도 있으며, 또는 사용자 또는 기기와 연관된 금융 기관에 의해 설정될 수도 있고, 정보를 보호하는 데 이해관계를 가진 누구나 설정할 수도 있다.
계속 도 18a를 참조하면, 절첩된(접혀 있는) 연질체 센서(1802)는, 모듈 절첩 베이스(1804)의 장착 위치에서 루프 브레이스(1805-A)와 절첩 변(1807-A)을, 연질체를 모듈의 정위치에 위치시키고 결합시키는 장착 구멍(1808)와 함께 각각 들어맞도록, 1805와 1807에서 절첩되어 있다. 연질체 센서가 도 12a 또는 도 12b의 실시예에 따라 구성되거나 또는 다른 기판상 구조로 구성되는 경우에는, 상기 설계에서 다른 장착 방식이 요구되거나 다른 기판 절첩 또는 구성 방식을 요하는 다른 설계가 요구될 것이다. 상기에서 유사한 실시예들을 설명한 바와 같이 센서(1802)는 프로세서(1810)를 포함할 수 있다. 장착 판(1806)은 스위치(1813)를 포함하는데, 이 스위치의 플런저(1812)는 스위치 개구부(1811)로 들어가도록 장착된다. 장착 판(1806)에는 또한, 프로세서(1810)가 들어가도록 형성된 프로세서 개구부(1814)가 있다.
도 18b는 도 18a의 센서를 다른 각도면에서 본 또다른 확대도로서, 연질체 센서(1802)의 일측에서 개구부(1808)와 프로세서(1810)를 보다 명확하게 볼 수 있다. 여기서 개구부(1808)는, 센서(1802)를 기판의 정위치에 고정하며 장착 구멍 1818에 들어가는 배치 또는 장착 페그 1816을 수용하도록 구성된다. 다른 배치 또는 장착 페그 1820은 장착 구멍 1822에 들어간다. 스위치 몸체 개구부(1824)는 스위치 몸체(1813)가 들어가도록 구성된다. 다른 실시예에서는, 플런저(1812) 및 스위치 몸체(1813)를 위한 개구부를 하나의 크기로 형성하여서 스위치 전체가 들어가도록 할 수도 있고, 스위치 몸체의 직경과 플런저의 직경과 동일한 형태의 스위치를 사용하는 경우에는 이러한 스위치가 들어가도록 개구부를 하나의 원통형, 직사각형, 또는 그 밖의 형상으로 형성하면 충분할 수도 있다.
도 18c는 베이스(1806) 및 모듈 절첩 베이스(1804) 위에 탑재된 센서 기판(1802) 및 스위치 플런저(1812) 및 스위치 몸체(1813)를 수용하는 개구부(1811 및 1824)와 조립된 센서 어셈블리의 측단면도이다. 도 18d는 도 18C의 측면도의 확대도이다.
도 19a-j는 어셈블리에 통합되되 기본 스위치로서 반구형(돔) 스위치가 사용되는 다른 센서/스위치 어셈블리를 나타낸다. 도 19a를 참조하면, 이 어셈블리(1900)는 장착 판(1906) 위에 장착된 모듈 절첩 베이스(1904)에 통합된 반구형 스위치(1912)를 포함한다. 이 실시예에서, 스위치는 반구형 플런저(1912)를 가지며, 몸체(1913)(도 19c 참조)는 센서 동작의 통합(가령, 지문 센서의 동작과 기기의 기타 동작)을 가능하게 하는 센서 어셈블리에 통합된다.
도 19a, b 및 c를 참조하면, 절첩된(접혀 있는) 연질체 센서(1902)는, 모듈 절첩 베이스(1904)의 장착 위치에서 루프 브레이스(1905-A)와 절첩 변(1907-A)을, 연질체를 모듈의 정위치에 위치시키고 결합시키는 장착 구멍(1908)(도 19d 참조)과 함께 각각 들어맞도록, 1905와 1907에서 절첩되어 있다. 연질체 센서 회로가 도 12a 또는 도 12b의 실시예에 따라 구성되거나 또는 다른 기판상 구조로 구성되는 경우에는, 상기 설계에서 다른 장착 방식이 요구되거나 다른 기판 절첩 또는 구성 방식을 요하는 다른 설계가 요구될 것이다. 상기에서 유사한 실시예들을 설명한 바와 같이 센서(1902)는 프로세서(1910)를 포함할 수 있다. 장착 판(1906)은 스위치(1913)를 포함하는데, 이는 플런저(1912) 아래에 장착되며, 프로세서(1910)가 들어가도록 형성된 프로세서 개구부(1914)가 있다(도 19d 참조).
도 19g,h,i는 센서의 측면도로서, 연질체 센서(1902)와 개구부(1908) 및 프로세서(1910)를 나타내고 있다. 여기서 개구부(1908)는, 센서(1902)를 기판의 정위치에 고정하며 장착 구멍 1918에 들어가는 배치 또는 장착 페그 1916을 수용하도록 구성된다. 배치 또는 장착 페그 1920은 장착 구멍 1922로 들어간다. 스위치 몸체 개구부(1924)는 스위치 몸체(1913)가 들어가도록 구성된다. 다른 실시예에서는, 플런저(1912) 및 스위치 몸체(1913)를 위한 개구부를 하나의 크기로 형성하여서 스위치 전체가 들어가도록 할 수도 있고, 스위치 몸체의 직경과 플런저의 직경과 동일한 형태의 스위치를 사용하는 경우에는 이러한 스위치가 들어가도록 개구부를 하나의 원통형, 직사각형, 또는 그 밖의 형상으로 형성하면 충분할 수도 있다.
도 19e,f,j는, 스마트폰 등의 기기에 장착된 센서 어셈블리의 수직 단면 확대도인데, 센서 어셈블리는, 베이스(1906) 및 모듈 절첩 베이스(1904) 위에 탑재된 센서 기판(1902) 및 스위치 반구형 플런저(1912) 및 스위치 몸체(1913)를 각각 수용하는 개구부(1911 및 1924)와 조립된다. 센서 영역(1901)으로의 접근은, 기기의 완성 케이스(1925)에 통합되는 베젤(bezel) 개구부(1909)를 통해서 가능하다. 사용자가 센서면(1901) 상에 손가락을 올려 놓으면 이와 동시에 스위치 플런저(1912)가 눌러진다.
도 20은 센서(여기서는 도시하지 않았으나 도전층(2002)의 위에 있는 층일 수 있음)의 표면을 사용자가 접촉할 때에 상부 도전층(2002)을 절연층(2004)을 통해 하부 도전층(2006)에 전기적으로 연결하는 수단을 제공할 수 있는 내장 스위치(2000)의 일 실시예를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 이중 적층된 지문 센서 내에 스위치가 위치하도록 하기 위하여 세 개의 층이 지문 센서 내에 내장될 수 있음으로써, 사용자는 접촉에 의해서 기능(가령, 전원, 선택, 시작, 입력, 또는 기기의 기타 스위치 기능)을 활성화할 수 있다. 세 개의 층은 모듈(2008)의 표면(2006) 상에 배치될 수 있다(모듈은 기판(2012)의 표면(2010) 상에 위치함).
도 21a 및 도 21b는 센서와 동일한 기판 상에 스위치가 구성되는 실시예를 나타낸다. 이들 도면은 연질체 기판(2102 및 2103)(일반적으로 Kaptonⓒ이지만 꼭 이에 한정되는 것은 아님)으로 이루어지는 절첩된 연질체의 적층 구성을 나타낸다. 금속 층(2104 및 2105)은 전형적으로 에칭된 또는 형성된 구리 선로이며, 절연층(2106 및 2107)은 전형적으로 솔더마스크이다. 절연층(2106 및 2107)은 도전층(2104 및 2105) 밖으로 노출되는 절개부(2110)를 가지고 있다. 이 절개부 간극(2110)에 수직 압력이 가해지지 않으면 도전층(2104 및 2105)은 서로 전기적으로 접촉되지 않아서, 오프 위치에 있게 된다.
도 21b는 손가락 등의 물체에 의해 접촉되어 기계적으로 눌린 연질 상부층(2103) 및 도전층(2112)을 보여준다. 상부 도전층(2107)은 압력 집속 지점(2112)에서 물리적으로 눌려서 도전층(2106)과 전기적으로 접촉된다. 이는 온 위치에 있는 내장 연질체 스위치를 구성한다.
도 22-26은 다른 실시예 및 추가 예를 보여준다. 이들 예는 다양한 재료와 구조를 이용하여 구성할 수 있으며, 모바일 기기, 고정형 기기, 컴퓨터, 랩톱, 접근 장치(문손잡이, 출입구 등)에서의 전원 버튼 등과 같이 다양한 구조로 방향 설정되거나 통합될 수 있다. 이들 도면에서는 도면 단순화를 위해 플레이트의 수를 크게 줄였으며 편의상 각 구동 플레이트와 픽업 플레이트의 크기를 키웠음을 유의해야 한다. 실제로는, 구동 및 픽업 플레이트는 도면과 달리 일정한 피치로 또는 가변 피치로 형성할 수 있으며, 플레이트 사이의 간격은 각각의 플레이트 크기보다 크거나 작을 수 있다.
도 22는 구동 전자부와 검출 전자부가 별도의 실리콘 구성요소 상에 구현되는 실시예를 도시한다. 이 구성은, 구동 라인을 위한 기판 층에 구동 다이를 직접 장착하고 픽업 라인을 위한 기판 상에 픽업 다이를 직접 장착함으로써 층간 상호연결을 최소화하고 있다. 구동 플레이트용 경질 기판은 또한, 호스트 장치로의 전력 공급 및 통신과 함께, 두 서브 시스템들 사이의 신호를 동기시키기 위한 상호연결을 제공하는 공통 기판 층의 역할을 한다.
이 특정 예에서, 공통 기판(2201)은, 센서를 위한 기계적 베이스 기능을 하기도 하는 2층 경질 회로판이다. 구동 회로는, 경질의 구동 기판(2201) 상에 장착되는 집적회로 다이(2204)로 구현된다. 다이는 표준 플립칩 실장 공정을 이용하여 많은 수의 본딩 패드(2206)를 통해 경질 기판상의 회로에 연결된다. 많은 수의 구동 라인(일반적으로 100개 이상)은, 경질 기판의 상면에 형성되는 구동 플레이트(2209)에 연결된다.
유전층(2208)은 픽업 플레이트(2210)와 구동 플레이트(2209)를 분리한다. 이때, 유전층(2208)은 구동 플레이트(2209)와 경질 기판(2201)에 적용되는 솔더마스크 층에 의해 제공된다.
사전 부착된 픽업 회로 다이(2205)가 있는 픽업 기판 어셈블리(2202)가 구동 기판(2201)의 상부에 장착되어 있다. 이 다이는 표준 플립칩 장착 공정을 이용하여 다수의 본딩 패드(2216)를 통해 플렉시블 기판상의 회로에 연결된다. 기판(2202)이 플렉시블하기 때문에, 부착 패드(2211)는 베이스 기판(2201) 상의 대응하는 패드(2212)와의 상호연결부 역할을 할 수 있다. 픽업 칩(2205)을 수용하기 위한 절개부(2203)가 베이스 기판(2201)에 형성되어서, 어셈블리가 평평하게 될 수 있다. 부착 패드(2211)는 기판 층(2201) 상의 결합 패드(2212)에 상호연결된다.
베이스 기판(2201)의 상층에 형성된 상호연결 선로 2214는 집적회로 2204와 2205 사이에 동기 신호를 제공한다.
베이스 기판(2201)의 상호연결 선로 2215는 호스트 시스템으로의 전원, 접지, 및 통신용 상호연결 패드(2213)로 신호를 전달한다.
도 23a-f는 2개 칩의 적층 어셈블리의 일례를 도시한다. 도 23a는 구동 플레이트(2209), 호스트 상호연결 선로(2215) 및 접촉 패드(2213), 픽업 통신 선로(2214) 및 접촉 패드(2212)가 있는 경질 베이스(2201)를 보여준다. 절개부(2203)가 베이스(2201)에 형성되어서 이후의 단계에서 첨부될 픽업 IC를 수용한다.
경질 베이스(2201)는, 표준 회로기판 재료(예컨대, FR4)로 제조될 수 있는데, 이 경우에 기판 재료에는 일반적으로, 회로기판 에칭 기술을 이용하여 구리를 써서 플레이트(2209), 상호연결(2213 및 2214), 그리고 패드(2213 및 2212)가 형성될 것이다. 경질 베이스(2201)는 또한 글라스 재료로 형성할 수도 있는데, 이 경우에는 일반적으로, 플레이트(2209), 상호연결(2213 및 2214), 그리고 패드(2213 및 2212)가 투명한 도전성 재료(가령, 인듐-주석 산화물(ITO))로써 형성될 것이다.
도 23b는 도 23a에서 조립된 어셈블리 상의 선로에 연결된 구동 전자부 다이(2204)를 보여준다. 다이가 표준 플립칩 장착 공정을 통해 선로에 부착된 것이 도시되어 있다.
도 23c는 유전층(2208)을 추가한 후의 어셈블리를 예시적으로 도시한다. 이 유전층은 표준 솔더마스크 공정(예컨대, LPI)에 의해서 또는 Kapton 필름과 같은 유전체 제품을 도포함으로써 형성할 수 있다.
도 23d는 픽업 플레이트(2210)와 픽업 통신 패드(2211)가 형성되어 있는 예시적 플렉시블 기판(2202)의 절단도를 보여준다. 플렉시블 기판(2202)은 Kapton 필름으로부터 형성될 수도 있는데, 이 경우에 플레이트(2210), 선로, 그리고 패드(2211)는 표준 에칭 기술에 의해 구리로부터 형성될 것이다. 플렉시블 기판(2202)은 또한, 폴리에스터 등의 글라스 재료로 형성할 수도 있는데, 이 때에 플레이트, 선로, 그리고 패드는 투명 도전 재료(가령, ITO)의 막을 증착하여서 형성된다.
도 23e는 픽업 전자부 다이(2205)가 추가된 예시적 플렉시블 기판의 절단도를 보여준다. 연질체 상에서 다이와 부품들 간의 전기 연결은, 도 22e에 도시된 바와 같이, 연질체 어셈블리 상의 다이 접촉부(2217)에 상호연결 범프(2216)를 접합(본딩)하여서 이루어진다. 접촉부(2217)는 플레이트 및 선로와 동일한 재료로 형성되는 반면에, 상호연결 범프(2216)는 통상적으로 금으로 이루어진다.
도 23f는 연질체가 경질 어셈블리 상에 장착된, 완성된 어셈블리의 예시적 절단도이다. 두 서브 어셈블리 사이의 전기적 연결은, 경질 어셈블리 패드(2212)에 연질체 어셈블리 패드(2211)를 접합하여서 이루어진다.
도 24는 도 22 및 23에 도시된 예시적 실시예를 조립하는 절차의 예를 나타낸다. 단계 2401에서 선로(2214 및 2215), 호스트 접촉 패드(2213), 층 상호연결 패드(2212), 및 구동 플레이트(2209)는 모두 에칭 공정에 의해 기판(2201) 상에 형성된다. 대형의 모재 패널에 패턴을 반복해서 형성함으로써, 많은 수의 기판 어셈블리를 동시에 만들 수 있다. 단계 2402에서, 절개부(2203)가, 표준 회로기판 라우팅 공정에 의해 기판(2203)에 형성된다. 이 단계는, 공통 패널 기판에서 여러 개의 기판(2201)의 외곽을 절단하여 분리할 때에 동시에 수행될 있다. 단계 2403에서, 기판(2201) 및 구동 플레이트(2209)에 LPI 등의 솔더마스크 재료 층을 적용하여서 유전층(2208)이 생성된다. 단계 2404에서, 픽업 플레이트(2210), 상호연결 패드(2211), 및 본딩 패드(2217)가 에칭 공정에 의해 기판(2202) 상에 형성된다. 단계 2405에서, 표준 COB(chip-on-board) 플립칩 본딩 공정을 이용하여, 기판 어셈블리(2201) 상에 구동 전자부 다이(2204)가 실장된다. 단계 2406에서 표준 COB 플립칩 본딩 공정을 이용하여, 기판 어셈블리(2202) 상에 픽업 전자부 다이(2205)가 실장된다. 단계 2407에서, 연질체 기판 어셈블리(2202)가 베이스 기판 어셈블리(2201)에 장착된다. 단계 2408에서는 패드 2211과 2212가 이방성 도전막(ACF: anisotropic conducting film) 부착 공정을 통해 전기적으로 연결된다.
도 25는 구동 및 검출 전자부가 별도의 구조(예를 들어 별도의 실리콘 구성요소) 상에 구현되는 실시예를 도시한다. 이 구성은, 구동 라인을 위한 기판 층에 구동 다이를 직접 장착하고 픽업 라인을 위한 기판 상에 픽업 다이를 직접 장착함으로써 층간 상호연결을 최소화하고 있다. 구동 및 픽업 층 모두는 호스트 장치로의 전력 공급 및 통신과 함께, 두 서브 시스템들 사이의 신호를 동기시키기 위한 상호연결을 제공하는 공통 기판 층에 연결될 수 있다. 이 특정 예에서, 공통 기판(2500)은, 센서를 위한 기계적 베이스 기능을 하기도 하는 2층 경질 회로기판일 수 있다. 구동 회로는, 플렉시블 구동 기판(2501) 상에 장착되는 집적회로 다이(2504)로 구현된다. 다이는 표준 플립칩 실장 공정을 이용하여 많은 수의 본딩 패드(2506)를 통해 플렉시블 기판상의 회로에 연결된다. 많은 수의 구동 라인(아마 100개 이상일 것임)은, 동일한 플렉시블 기판에 형성될 수도 있고 아닐 수도 있는 구동 플레이트(2209)에 연결된다. 부착 패드(2511)가 기판 층(2500)에 있는 결합 패드(2512)로의 상호연결부 역할을 할 수 있다. 기판(2500)에는 절개부(2513)가 포함될 수 있다. 일 예에서, 절개부는, 구동 기판(2501)을 부착시에 구동 전자부 칩(2504)이 기판(2501)에 접촉하지 않도록 구성될 수 있으며, 이 어셈블리는 평면 또는 평평하다. 다른 실시예에서, 표면은 완전히 평면이 아닐 수도 있으며 심지어는 전원 버튼과 같은 물체 위에 성형될 수도 있으며, 층마다 상이한 구조(예컨대, 구동 전자부)를 수용할 수 있는 절개부를 별도로 형성할 수도 있다. 사전 부착된 픽업 회로 다이(2505)가 있는 픽업 기판 어셈블리(2502)를 구동 기판(2501) 및 베이스 기판(2500)의 상부에 장착할 수 있다. 이 실시예에서, 앞에서 설명한 실시예에서와 같이 별도의 유전층을 사용할 필요없이, 구동 기판(2501)에는 구동 및 픽업 플레이트 사이에 유전층이 제공된다. 기판(2502)이 플렉시블하다면, 부착 패드(2507a)는 베이스 기판(2500)에 있는 대응 패드(2507b)와 결합될 수 있다. 절개부(2503)가 베이스 기판(2500)에 형성되어 픽업 칩(2505)을 수용할 수 있고, 따라서 이 어셈블리는 평평하게 된다. 베이스 기판(2500)의 상부 층에는 집적회로 2504와 2505 사이에 동기화 신호를 제공하는 상호연결 선로(2514)가 구비될 수 있다. 베이스 기판(2500)에 형성된 비아(2507c) 또는 다른 개구부를 사용하여 하부 층으로의 신호 전달을 할 수 있는데, 여기서, 하부 층의 선로(2509)는 상기 신호를 아마도 호스트 시스템으로의 전력, 접지, 통신 상호연결 또는 그 밖의 연결선을 위한 상호연결 패드(2508)로 연결할 수 있다.
도 26은 구동 및 검출 전자부 모두가 하나의 집적회로로서 제작되는 예시적인 실시예를 도시한다. 일 예시에서, 기판(2601)은 구동 플레이트(2602) 및 픽업 플레이트(2603)를 분리하는 유전체 재료로 구성될 수 있다. 기판(2601)은 예컨대 Kapton과 같은 연질 재료일 수도 있고, 예컨대 플립칩 패키지 내의 아라미드 적층과 같은 얇은 경질 재료일 수도 있고, 그 밖의 다른 재료일 수도 있다. 집적회로 다이(2604)에는 기판의 하부 층에 있는 본딩 패드(2605)에 장착되는 접촉 패드(2611)가 포함된다. 본딩 패드는 다이(2604)로부터 상호연결 선로(2606), 구동 플레이트(2602), 그리고 픽업 상호연결 선로(2607)로의 연결부 역할을 한다. 다수의 비아(2609)들은 하부 층의 픽업 상호연결(2607)과 상부 층에 위치할 수 있는 픽업 플레이트(2602)를 전기적으로 연결한다. 상호연결 선로(2606)는 호스트 커넥터 패드(2608)와 다이(2604)를 연결할 수 있다. 픽업 플레이트에의 손가락의 직접적인 접촉을 방지하기 위해 픽업 플레이트(2603)의 상부에 유전층(2610)이 형성될 수 있다. 유전층(2610)은 LPI 솔더마스크 재료, 잉크, 또는 Kapton제 상부 커버시트 등의 다양한 재료로 형성할 수 있지만, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서, 표면은 완전히 평면일 수도 있지만, 전원 버튼 등의 물체 위에 성형할 수도 있다.
도 27-29는 접히는 연질체 지문 센서를 터치스크린 장치 상에 직접적으로 통합하기 위한 방법을 도시한다. 도 28에는 접지 않은 연질체상 칩(COF: chip on flex)을 나타내고 이것이 접힌 것은 도 27의 콜아웃(callout)(2701~2705)에 도시하였다. 에칭형성된 연질의 호스트 인터페이스 탭(2705)은, 이 탭을 커넥터에 직접 삽입하여서, 또는, 산업 표준인 도전성 접착제(ACF라고 함)를 이용하여 이 탭을 호스트 회로기판에 부착하여서 센서를 호스트 회로기판에 연결한다. 도 28은 이 기판의 끝단끼리 접히도록 구성된 COF를 나타내고 있지만, 다른 축으로 접히도록(가령, 측면끼리 접하도록) 재구성할 수도 있을 것이다.
도 30-32는 종래의 터치스크린과 같은 기판 층에 지문 센서가 통합된 것을 도시하고 있다.
도 51은 보호 커버층을 이용하는 터치스크린 장치에, 접히는 연질체 지문 센서를 통합하기 위한 방법을 도시한다. 디스플레이 기판(5106)은, 터치스크린이 선택적으로 포함될 수 있는 종래의 디스플레이 장치이다. 플렉시블 기판(5120)은 그 위에 실장된 구동기/수신기 칩(5104)을 가지며, 지문 센서의 구동 및 픽업 라인 모두에 대한 기판의 역할을 한다. 기판(5120)은 접힌 상태로 디스플레이 기판(5106)의 상부에 장착되어 있다. 호스트 인터페이스 커넥터(5205)는 지문 센서 어셈블리와 호스트 장치 사이의 데이터 및 제어신호의 상호연결 역할을 한다. 광학적으로 투명한 유전체 스페이서(5130)가 디스플레이 기판의 상부에 배치된다. 이 유전체 스페이서는 적층된 지문 센서 기판(5112)과 같은 두께를 갖는다. 유전체 스페이서에 형성된 절개부(5108)는 지문 센서의 감지 영역(5112)이 유전체 스페이서의 상부와 같은 높이의 동평면 상에 있도록 해준다. 상부 층(5107)은 코닝 고릴라 유리(Corning Gorilla Glass) 또는 보호용 폴리머 필름 등의 보호 재료로 제작될 수 있다. 이 상부 층에는 손가락 감지 영역(5112)에 손가락이 접촉되도록 유도하는 절개부(5109)가 있다.
도 52는 터치스크린과 같은 기판 층에 지문 센서를 통합하기 위한 방법을 도시한다. 디스플레이 기판(5206)에는 표준 LCD 모듈이 포함되어 있다. 지문 센서의 하층 플레이트(5211)는 인듐 주석 산화물(ITO) 등의 도전성 재료로써, 디스플레이 기판 위에 형성되거나 에칭된다. 플렉시블 기판(5520)은 그 위에 실장된 구동기/수신기 칩(5204)이 있다. 구동기/수신기 칩(5502)은, 하층 측변 커넥터(5210)를 통해 하층 플레이트(5211)와 연결된다. 이 커넥터는 이방성 도전 필름(ACF) 또는 다른 수단을 통해 부착될 수 있다. 광학적으로 투명한 유전체 스페이서(5230)가 디스플레이 기판의 상부에 배치된다. 이 스페이서에는 하부 측변 커넥터(5510)와 상부 측변 커넥터(5221)를 수용하는 절개부(5209)가 형성된다. 상부 층(5210)은 얇은 글라스 또는 투명 폴리머 필름으로부터 만들어진다. 이 층(5510)의 하부 표면에는, 상부 층 센서 플레이트(5212)가 인듐 주석 산화물(ITO) 등의 도전성 재료로 형성 또는 에칭된다. 플렉시블 기판(5520)은 상부 측변 커넥터(5221)를 통해서 그리고 다시 ACF 또는 다른 수단을 통해서 구동기/수신기 칩(5204)으로부터의 신호들을 연결한다.
도 53은 지문 센서 및 터치스크린이 공통의 컨트롤러 칩을 이용하여 공통의 기판 층에 구현되는 구성을 나타낸다. 구동기/수신기 칩(5304)이, 호스트 인터페이스 커넥터(5305)를 통해 호스트와 칩을 상호연결하는 플렉시블 기판(5320)에 실장된다. 디스플레이 기판(5306)은 디스플레이 모듈의 상부 표면이다. 하부 터치스크린 플레이트(5330)와 하부층 지문 센서 플레이트(5311) 모두가 디스플레이 기판(5306) 위에 형성 또는 에칭되어 있다. 이들 플레이트는 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투명 재료 또는 다른 적절한 도전성 재료로부터 형성되거나 에칭될 수 있다. 상부 지문 센서 플레이트(5312)와 상부 터치스크린 플레이트(5331)는 모두, 상부 층(5307)의 하부 면에 에칭 또는 형성되어 있다. 유전층(5330)은 두 센서의 하부에 있는 플레이트 세트를, 상부에 있는 플레이트 세트와 분리한다. 플렉시블 기판은, 구동기/수신기 칩(5304) 사이의 신호를, 하부 측변 커넥터(5310)를 통해서 하부 플레이트 세트로 그리고 상부 측변 커넥터(5321)를 통해서 상부 플레이트 세트로 연결시킨다. 이들 측변 커넥터는 이방성 도전 필름(ACF) 접착제 또는 다른 적절한 수단을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
도 33, 34는 신규한 "2중 그리드" 터치스크린을 도시한다.
각종 기능을 위하여 터치스크린 장치에는 사용자 동작 추적(예컨대, 아이콘 선택 및 이동, 제어 선택, 제스처 인식, 텍스트 선택 등)이 필요하다. 대부분의 동작 추적 기능에서는 대략적인(coarse) 위치 결정만 하면 되지만, 높은 속도로 수행될 수도 있다. 이는 제스처 인식의 경우에는 특히 그러하다. 다른 기능들에서는 훨씬 더 정밀한 위치 결정이 필요할 수 있지만, 이는 일반적으로, 사용자가 보다 정확한 제어를 할 수 있도록 낮은 동작 속도에서 수행된다. 이러한 기능에는 텍스트 선택 및 도면 작업 등이 포함된다.
고속으로 샘플링해야 할 필요가 있는 위치의 수가 매우 많기 때문에 고속으로 정밀하게 동작을 추적하는 것은 어려울 수 있지만, 실제적으로는 고속과 고정밀도가 동시에 필요하지는 않다.
일반적인 터치스크린의 화소의 크기에 비해 손가락의 크기가 상대적으로 큰 것을 감안하면, 손가락의 정밀 위치를 정확하게 결정하는 것은 어렵다. 실제적으로는, 사용자는 정확한 작업을 수행할 수 있는 정확한 손가락 위치 결정에 의존하지 않는다. 대신에, 사용자는 터치스크린 상의 대략적인 위치에 손가락을 올려놓고, 정확한 위치결정 작업을 완료하기 위해 화면에 표시되는 시각적 피드백에 의존한다.
터치스크린 디스플레이 입력의 중요한 특성은, 양호하며 고속의 대략적인 절대 위치 결정이며, 그리고 높은 응답성 및 저속의 고해상도의 상대적 움직임 결정인 것이다.
본 발명은 2중의 해상도 감지 시스템을 제공함으로써, 고속의 대략적인 절대 위치 결정 및 고응답성의 저속의 고해상도 움직임 추적에 대한 요구를 해소해준다. 기본 그리드가 인치당 5-10 라인의 간격을 갖는 상용의 터치스크린에서 사용되는 것과 동일한 간격으로 형성되는 반면에, 보조 그리드는 인치당 500라인인 상용 지문 센서의 해상도와 동일한 훨씬 더 미세한 해상도로써 기본 선 주위에 형성된다. 이 결과, 기본 그리드를 사용하여서 손가락의 큰 움직임을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 지문 특징인 융선과 골의 움직임을 추적하는 보조 그리드를 사용하여서 작은 증분의 움직임을 검출할 수 있는 센서가 얻어진다.
도 33은 커버 층이 생략된 터치스크린 응용에서의 2중 그리드 개념의 일 실시예를 도시한다. 터치스크린은 절대 위치의 대략 검출 및 상대 움직임의 고해상도 추적 모두를 용이하게 하기 위한 패턴으로 배열된 각 행과 열의 교차점에서 형성된 수동형 정전용량 감지 접합부의 행렬로 구성된다. 이 도면은 감지 및 구동 라인이, 일정하게 간격을 둔 일련의 3×3 화소 고해상도 패치들을 제공하도록 구성되는 것을 개략적으로 도시한다(여기서, 고해상도 화소들은 지문의 국지적인 특징을 검출할 수 있도록 간격을 두고 있다). 이렇게 모여있는(클러스터) 화소들은 일반적으로 대략 50~100 미크론의 간격을 두고 있다. 이들 화소들의 클러스터는 손가락에 여러 개의 접촉점이 생기도록 간격을 두고 있는데, 일반적으로, 1~3mm의 간격으로 이격되도록 한다. 활성화된 회로는 감지 영역 바깥의 어레이 주변부에 위치하며, 이를 이용하여서 전체 배열을 스캔할 뿐만 아니라 근접 위치한 물체에 민감한 개별적인 교차점 임피던스를 만든다.
도 34는 도 33에 도시된 실시예의 분해도로서, 상부에 구동 라인이 있는 기판과, 구동 플레이트에 공급하는 공급선에 실장된 프로세싱 전자부가 포함된 칩과, 상부 층의 감지 라인과 호스트 상호연결을 연결시키는 공급선들의 적층 구조를 나타낸다. 유전층은 구동 및 픽업 라인을 분리한다. 유전층에는 상호연결 패드가 픽업 신호를 프로세싱 전자부로 역 공급할 수 있도록 하는 절개부가 있다. 얇은 보호층은 일반적으로, 폴리머 필름 또는 매우 얇은 글라스로 형성되며 감지 플레이트의 상부에 형성된다.
도 35-37은 공통의 구동 및 감지 회로의 장점을 공유하는 2중 그리드 터치스크린과 지문 센서가 완전히 통합된 예를 보여준다. 이 실시예에서, 사용자 인등 또는 다른 유사 목적을 위해 지문 감지 영역을 생성하기 위하여, 고밀도 화소의 전용 영역이, 도 33과 같이 구성된 2중 그리드 터치스크린 어레이에 인접하여 구비된다. 도 36 및 도 37은 도 35에 도시된 실시예의 분해도이다.
도 38-40은 전체 디스플레이 영역에 걸쳐서 터치스크린과 지문 감지 기능이 완벽하게 통합된 디스플레이를 보여준다. 이 실시예에서, 픽업 플레이트는 OLED 발광층 위에 ITO와 같은 투명 도전체로써 형성되는 반면, 구동 플레이트는 OLED 발광 화소 아래에 형성된다.
도 41-46은 2중 그리드에서의 손가락 동작 추적 과정이 어떻게 진행되는지를 보여준다.
도 41과 42는 손가락의 대략적 위치 변경의 전과 후의 2중 그리드 센서에 있는 손가락의 위치를 나타낸다. 대략적 위치 결정 및 고속의 움직임 추적은, 클러스터 내의 모든 화소를 동시에 활성화함으로써 그리고 해당 클러스터를 손가락이 덮고 있는지를 판단하기 위하여 단일의 측정을 취함으로써 수행된다. 도 43은 이러한 대략 스캔 프로세스의 흐름도이다. 도 44는 손가락의 이동 전과 후에 수집된 두 가지 샘플에서의 손가락에 대한 중심궤적 위치의 계산치를 나타낸다. 두 번의 스캔 사이에서 손가락이 덮는 대략적인 범위가 변동된다면, 손가락이 빠르게 이동하는 것이며, 미세한 위치 추적은 필요치 않다. 이 경우에, 장치는 각 피감지 손가락에 대한 새로운 절대 위치를 호스트 시스템으로 보고할 것이다.
손가락의 대략적인 위치가 변동되지 않으면, 사용자는 미세한 위치결정 작업을 수행하고 있을 가능성이 있다. 도 45는 하나의 고해상도 클러스터 위를 손가락이 이동시에 취득한 영상의 시퀀스를 도시한다. 대략적 중심궤적 측정으로는 손가락의 움직임을 검출하지 못할 것이지만, 세밀한 화소 해상도에서의 융선 패턴을 검사하여서 손가락의 상대 운동을 검출할 수 있음을 알 수 있다. 도 46은 매우 세밀한 움직임의 전과 후에 세 가지 상이한 고해상도 클러스터에서 수입한 로컬 영상들을 도시한다. 이 예에서, 성긴 그리드상의 각 위치에서의 고해상도 화소의 4×4 클러스터를 검사한다. 여러 위치에서 샘플을 취득하는 경우의 장점은, 개별적으로 각각의 셀로부터의 결과를 검사함으로써 입증된다. 샘플 레이트가 1개 또는 그 보다 적은 화소에 대한 모든 움직임을 캡처하기에 충분하다고 가정하면, 두 개의 순차 샘플과 비교할 때, 샘플들 사이에서의 손가락의 움직임을 결정하기 위해서 검사를 해야 할 9가지 가능한 상대 위치가 있다. 각각의 가능한 인접 이동에 대해서, 영상을 인접 위치로 이동시킨 다음에 중첩 영역에서 매칭되는 화소들을 카운트함으로써 매칭 스코어(점수)를 계산한다. 매칭되는 화소들의 수를, 이동된 영상과 이동되지 않은 영상 사이의 중첩 영역 내에 있는 총 화소 수로 나누어서 상대 매칭 점수를 산출한다. 매칭 점수 1은 완벽한 매칭을 의미한다. 이러한 방식을 도 47에 예시한 셀 1과 도 48에 예시한 셀 2에 적용하면, 하나의 위치에서 다른 가능성에 비해 높은 점수를 받게 된다. 그러나 이 방식을 셀 3(도 49)에 적용하면, 가능한 최종 위치에 대한 세 개의 동일한 높은 점수가 나오게 된다. 로컬 영역에서의 이러한 결과는, 지문과 같이 규칙적인 패턴을 추적할 때에는 매우 일반적인 것일 수 있다. 도 49의 예에서는 융선 추적 시스템이 국지적인 융선 방향에 평행한 움직임에 대해서는 국지적으로 둔감할 수 있다는 것을 설명하고 있다. 따라서 안정적으로 지문의 움직임을 추적하기 위해서, 따라서, 여러 다른 위치에서 손가락을 샘플링하는 것이 매우 유리하다. 이는, 2중 그리드 구성을 이용하여, 손가락에 대해서 화소 클러스터를 널리 분산시켜서, 높은 해상도로 손가락 전체 영역을 커버하는 리소스의 필요 없이, 다양한 국지적 방향이 있는 위치에서 손가락을 샘플링함으로써 가능해진다. 도 50은, 패턴이 고정 상태로 있는지 또는 이동되었는지를 판단하기 위하여, 세 개의 측정 셀들로부터의 결과를 결합하여서 하나의 강한 점수를 산출하는 것을 나타낸다. 움직임이 검출되면, 검출된 움직임으로, 이전에 계산된 위치(처음의 대략 위치)를 조정하여, 업데이트된 위치를 호스트로 전송한다.
장치의 많은 동작 모드에서는 터치 센서로부터의 대략적인 위치 정보만이 필요할 수 있음을 주목해야 한다. 이러한 경우, 시스템은 전력을 절약하기 위해서 위치 센서의 미세 움직임 추적 동작을 생략할 수 있는 장점을 갖는다.
첨부 도면에서 특정 예시적인 실시예들을 설명하고 도시하였지만, 이 실시예들은 단순히 예시적인 것일 뿐, 그 넓은 실시예로 한정되는 것이 아니며, 이 실시예는 설명된 특정 구조 및 배치에만 한정되지 않음을 이해해야 한다. 당업자는 다양한 다른 변형을 행할 수 있기 때문이다. 따라서, 회로를 구성하는 트랜지스터 및 다른 특징과 기능들의 다양한 유형, 구조, 및 수량에 대한 대체 구조 및/또는 수량, 결합을, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 도출할 수 있다. 마찬가지로, 본 명세서에서 명시적으로 언급되지 않은 구성요소들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 다양한 실시예에 포함될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서의 특정 구성요소를 제작하기 위해 수행되는 것으로 기재된 다양한 공정 단계와 집적회로 제조 과정은, 본 명세서에 언급되지 않은 다른 구성요소들 또는 다른 구성의 전체 또는 일부로서 즉시 실행될 수 있을 것이며, 이는 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
첨부 도면에서 특정 예시적인 실시예들을 설명하고 도시하였지만, 이 실시예들은 단순히 예시적인 것일 뿐, 그 넓은 실시예로 한정되는 것이 아니며, 본 발명은, 설명된 특정 구조 및 배치에만 한정되지 않음을 이해해야 한다. 당업자는 다양한 다른 변형을 행할 수 있기 때문이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
또한, 본 발명은, 특히 생체 인식 센서 등, 많은 분야에서 응용될 수 있다. 예를 들어, 지문 센서 및 다른 생체 인식 센서는, 보안과 편의성의 이유로 다양한 응용에의 수요가 증가하고 있다. 본 발명에 따라 구성된 장치, 시스템, 및 방법은 시스템 비용을 증가시키지 않으면서 생체 인증 프로세스의 보안성을 향상시킬 것이다. 또한, 본 발명은 구성요소의 유효성으로부터 이익을 받을 수 있는 장치, 시스템, 및 방법으로 확장될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명에는, 시스템의 의도된 응용에 가장 적합한 방식으로 배치 및 구성될 수 있는 상술한 구성요소들의 여하한 조합 또는 그 하위 요소들을 포함하기 위한 호스트 및 센서의 능력이 포함된다. 본원에 기술된 구성요소들의 조합 및 치환은 첨부된 청구범위 및 그 등가물, 그리고 향후의 출원에 관련하여 제출될 청구범위 및 그 등가물에 의해 정의되는 발명의 사상 및 범위 내에서 가능함을 당업자는 이해할 것이다.
본 발명은 또한, 컴퓨터 프로세서, 예컨대, 마이크로프로세서에 의해 수행될 수 있는 많은 기능들을 포함할 수 있다. 마이크로프로세서는, 본 발명에 의해 구현되는 특정 태스크를 정의하는 기계가 판독가능한 소프트웨어 코드를 실행함으로써, 본 발명에 의해 따른 특정 태스크를 수행하도록 구성되는 전문 또는 전용 마이크로프로세서일 수 있다. 마이크로프로세서는 또한, 직접 메모리 액세스 모듈, 메모리 저장 장치, 인터넷 관련 하드웨어, 본 발명에 따른 데이터 전송에 관련된 기타 장치와 같은 다른 장치들과 함께 동작 및 통신하도록 구성될 수 있다. 소프트웨어 코드는, 본 발명에 관련된 기능적 연산을 수행하는 데 필요한 장치들의 동작에 관련된 기능을 정의하는데 사용될 수 있는 소프트웨어 형식, 예컨대, 자바, C++, XML(Extensible Mark-up Language) 및 그 밖의 언어 같은 소프트웨어 포맷을 사용하여 구성될 수 있다. 소프트웨어 코드는 다양한 형태와 스타일로 작성될 수 있으며, 많은 것들이 당업자에게 공지되어 있다. 다른 코드 포맷, 코드 구성, 소프트웨어 프로그램의 스타일 및 형태, 그리고 본 발명에 따른 마이크로프로세서의 동작을 정의하기 위한 코드를 구성하는 다른 수단들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않을 것이다.
랩톱 또는 데스크톱 컴퓨터, 프로세서 또는 프로세싱 로직을 갖는 휴대 기기, 및 본 발명을 활용하게 될 컴퓨터 서버 또는 기타 장치 등의 다양한 유형의 장치 내에는, 본 발명에 따른 기능들을 수행하는 동안에 정보를 저장하고 검색하기 위한 다양한 종류의 메모리 장치가 포함된다. 이러한 컴퓨터에는 종종, 빈번하게 저장 및 검색되는 정보에 대한 편리한 저장 장소로서 캐시 메모리 장치가, 중앙처리 장치의 사용을 위해 포함된다. 이와 유사하게, 영구 메모리도 또한, 중앙처리 장치에 의해 빈번히 검색되지만 캐시 메모리에서와 같이 정보를 자주 변경하지는 않는 경우를 위해 상기 컴퓨터에 자주 사용된다. 메인 메모리도 또한 일반적으로, 중앙처리 장치에 의해 실행되어서 본 발명에 따른 기능을 실행하기 위해 구성된 데이터 및 소프트웨어 응용 프로그램과 같은 큰 정보를 저장하고 검색하기 위해 포함된다. 이러한 메모리 장치는, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM), 플래시 메모리, 그리고 정보의 저장 및 검색을 위해 중앙처리 장치에 의해서 액세스될 수 있는 그 밖의 메모리 저장 장치로서 구성될 수 있다. 데이터 저장 및 검색 동작시에, 이러한 메모리 장치들은 상이한 상태(가령, 상이한 전하, 상이한 자성 극성 등)로 변환된다. 따라서, 본원에 기재된 발명에 따라 구성된 시스템 및 방법은 이러한 메모리 장치를 물리적 변환시킬 수 있다. 따라서, 본원에 기재된 발명은 그 하나 이상의 실시예에서, 메모리 장치를 다양한 상태로 변환시킬 수 있는 신규하고 유용성있는 시스템 및 방법에 관하여 제시하고 있다. 본 발명은 특정 형태의 메모리 장치 또는 이들 메모리 장치로 정보를 저장하고 이들로부터 정보를 검색하기 위하여 널리 사용되는 특정 프로토콜에 국한되지 않는다.
"기계가 판독가능한 매체"라는 용어는 하나 이상의 명령어 세트를 저장하는 단일 매체 또는 다수 매체(예를 들어, 중앙 집중 또는 분산 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 포함하는 것으로 받아들여야 한다. "기계가 판독가능한 매체"라는 용어는 또한, 기계에 의한 실행을 위하여 명령어 세트를 저장, 인코딩, 또는 전달할 수 있으며 기계로 하여금 본 실시예의 방법 중 어느 하나 이상을 실행할 수 있도록 하는 모든 매체를 포함하는 것으로 받아들여야 한다. 기계가 판독가능한 매체는, 기계(예를 들면, 컴퓨터, PDA, 셀룰러폰 등)가 판독가능한 형태의 정보를 제공(즉, 저장 및/또는 송신)하는 모든 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 기계가 판독가능 매체는, 메모리(위에서 설명한 것들), 자기 디스크 저장 매체, 광학식 저장 매체, 플래시 메모리 장치, 생물학적 전기적 기계적 시스템, 전기적 광학식 음향학적 또는 그 밖의 형태로 전파되는 신호(예를 들어, 캐리어 웨이브, 적외선 신호, 디지털 신호 등)를 포함한다. 장치 또는 기계가 판독가능한 매체는, 미세 전기 기계 시스템(MEMS), 나노기술 장치, 유기, 홀로 그래픽, 반도체 메모리 장치, 및/또는 회전식 자기 또는 광학 디스크 등을 포함할 수 있다. 명령어의 파티션들이 여러 기계들로 분할될 때에는(가령, 컴퓨터의 상호연결을 통하여서 또는 상이한 가상 기계로서), 장치 또는 기계 판독가능한 매체는 분산될 수 있다.
첨부 도면에서 특정 예시적인 실시예들을 설명하고 도시하였지만, 이 실시예들은 단순히 예시적인 것일 뿐, 그 넓은 실시예로 한정되는 것이 아니며, 본 발명은, 설명된 특정 구조 및 배치에만 한정되지 않음을 이해해야 한다. 당업자는 다양한 다른 변형을 행할 수 있기 때문이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
명세서에 기재된 "실시예", "일 실시예", "일부 실시예", 또는 "다른 실시예"는, 실시예에 관련하여 기재한 구체적인 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 일부의 실시예에 포함된다는 것을 의미하지, 모든 실시예에 포함되어야 하는 것을 의미하는 것은 아니다. "실시예", "일 실시예" 또는 "일부 실시예"라고 기재하였다 하여 이들이 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 명세서에서, 구성요소, 특징, 구조, 또는 특성이 "...할 수 있다(may)", "...할 수도 있다(might or could)"라고 기재한 경우에는, 이 특정의 구성요소, 특징, 구조, 또는 특성이 포함되어야 할 필요는 없다. 명세서 또는 청구범위에 "a" 또는 "an"이 기재된 경우, 하나의 구성요소만이 있다는 것을 의미하는 것은 아니다. 명세서 또는 청구범위에 "추가적인" 또는 "추가의"(additional)가 기재된 경우, 이는 그 추가된 구성요소 이외에 구성요소가 더 존재하는 것을 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 방법, 시스템, 및 장치는 생체 인식 시스템의 새로운 접근이 포함된 개선된 보안 동작 및 구성을 포함한다. 본 시스템은 증가하는 보안 기능, 특히 금융 거래에서, 큰 장점을 얻게 될 것이다. 본 발명을 장치, 시스템, 및 이에 연관하여 지문 센서 등의 생체측정 장치에서의 인증 방법의 측면에서 설명하고 도시하였지만, 본 발명의 범위는 이러한 기능들이 유용하게 사용되는 다른 응용 분야로도 확대된다. 나아가, 이상의 설명은 본 발명의 특정 실시예들을 참조하였지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 이들 실시예에 대한 변경을 행할 수 있음을 알게 될 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구 및 그 등가물에 의해 정해진다.

Claims (1)

  1. 근접해 있는 물체로 신호를 송출하도록 구성되는 실질적으로 평행한 다수의 구동 라인과,
    결과 신호를 수신하도록 구성되며 상기 구동 라인에 실질적으로 수직으로 배향되는 실질적으로 평행한 다수의 픽업 라인을 포함하되, 이 픽업 라인은, 각 구동 및 픽업 라인의 교차 지점에 구성된 하나 이상의 교차점을 활성화하기 위하여, 감지 영역의 외부에 위치하며 각 구동 및 픽업 라인에 연결된 회로에 의해 구동될 때에, 근접해 위치한 손가락의 융선 및 골 특징을 검출하기 위하여 임피던스 감지가 가능한 내재적 전극 쌍의 2차원 배열을 구성하도록 상기 구동 라인과 픽업 라인 사이에 위치한 실질적으로 압축성이 없는 유전체에 의해서 다른 층에 있는 픽업 라인과 물리적으로 분리되며, 상기 회로는 각 구동 라인에 연결된 구동기 또는 구동 다중화기와, 각 픽업 라인에 부착된 버퍼, 스위치, 또는 입력 다중화기와, 입력 버퍼 또는 입력 다중화기로부터 입력을 수신하는 적어도 하나의 차동 증폭기를 포함하되, 여기서, 상대적인 물체 근접도를 판단하기 위해 임피던스 값을 감산하기 위하여 각 구동 라인 및 픽업 교차 지점 주위의 임피던스에 비례하는 신호를, 다른 구동 라인 및 픽업 교차 지점 주위의 임피던스에 비례하는 신호로써 감산할 수 있는, 임피던스 센서.
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