KR20160055507A - 정전 용량 감지용 전하 전송 회로 및 이를 포함하는 지문인식장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 정전 용량 감지용 전하 전송 회로는 X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터, 상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부, 상기 가변 커패시터에 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 스위치드 캐퍼시터 적분기 및 상기 스위치드 캐퍼시터 적분기의 제1 입력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding)를 포함하되, 상기 제1 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는다.
Description
본 발명은 정전 용량 감지용 전하 전송 기술에 관한 것으로, 더 구체적으로는 스위치드 커패시터 적분기(Switched Capacitor Intergrator) 또는 능동 출력 전압 피드백(Active Output Voltage Feedback) 기술을 이용하는 기생 정전 용량에 둔감한 정전 용량 감지용 전하 전송 회로 및 이를 포함하는 지문인식장치에 관한 것이다.
지문은 높은 식별률과 보안성 및 안정성 때문에 바이오 메트릭스(Biometrics)의 여러 분야 중에서 가장 많이 이용되어 왔으며, 현재 실질적으로 충분한 개개인의 데이타를 보유하고 있다. 근래에 들어서는 지문인식 기술이 자동화되면서 지문을 실시간으로 취득하는 지문인식 시스템이 필요하게 되었다.
이러한 지문인식 시스템에서 사용되는 지문감지 센서는 최근 들어 저가의 센서들이 등장함에 따라 특수 보안장치에만 적용되는데서 벗어나 키보드, 마우스 등 개인용 컴퓨터(Personal Computer) 주변장치에 적용되어 전자상거래 등 사용범위가 점차 확대되고 있다.
따라서, 이러한 시장에 참여하기 위해서는 사용하기 편리하고 소규모, 저전력, 저가 및 고화질의 지문감지 센서 기술을 확보해야 한다. 지난 수십년 동안 전기적으로 지문을 감지하기 위해 많은 방법이 연구되어 왔는데, 현재까지 발표된 방식 중에서 주요한 지문감지방식은 대체적으로 광학식(Optical type), 열감지식(Thermal type) 그리고 정전용량식(Capacitive type) 등으로 구분될 수 있다.
이중, 정전용량식은 두 전극 사이의 거리에 따라 정전용량이 달라지는 원리를 이용하여 감지전극(Sensing electrode)과 지문의 고랑(valley) 사이에서 발생하는 정전용량과, 감지전극과 지문의 융선(ridge) 사이에서 발생하는 정전용량의 차이를 통해 지문의 융선과 고랑을 인식함으로써 지문영상을 얻을 수 있다. 이러한 정전용량식은 표준 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정 기술을 이용하여 구현이 가능하므로, 구조가 간단하고 부가장치 및 특별한 공정이 필요 없어 소규모, 저전력 및 저비용이라는 장점을 갖는다. 그러나, 감지되는 융선과 고랑의 정전용량이 수 펨토 파라드(femto Farad)로 매우 작고, 지문이 접촉되는 터치 스크린 패널 내에 일반적으로 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide : ITO)로 형성되는 전극들은 커패시턴스(capacitance) 및 저항(resistance) 등과 같은 기생(parasitic) 요소들을 포함하기 때문에, 이러한 기생 요소들은 터치 감도(sensitivity) 및 정확성 둘 모두에서 극심한 성능 저하를 야기할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 큰 기생 요소들을 포함하는 터치 장치들에서 넓은 동적 범위에 대한 개선된 터치 감도를 갖는 지문인식장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 큰 기생 요소들을 포함하는 터치 장치들에서 넓은 동적 범위에 대한 개선된 터치 감도를 갖는 지문인식장치에 효과적으로 사용될 수 있는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전 용량 감지용 전하 전송 회로는 X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터, 상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부, 상기 가변 커패시터에 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 스위치드 캐퍼시터 적분기 및 상기 스위치드 캐퍼시터 적분기의 제1 입력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding)를 포함하되, 상기 제1 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는다.
실시 예로서, 상기 제1 입력단은 기준전압(Vref)을 입력받는다.
실시 예로서, 상기 센서 플레이트와 상기 차폐용 플레이트 사이에 기생 커패시터를 갖는다
실시 예로서, 상기 스위치드 캐퍼시터 적분기는 연산증폭기, 일 단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결되고, 타 단은 상기 연산증폭기의 반전 입력단자에 연결된 제 3 스위치, 일 단은 상기 구동 라인의 상기 타 단 및 상기 제 3 스위치의 일 단에 연결되고, 타 단은 상기 연산증폭기의 비반전 입력단자 및 상기 차폐용 플레이트에 연결된 제 4 스위치, 일 단은 상기 제 3 스위치의 타 단과 상기 연산증폭기의 반전 입력단에 연결되고, 타 단이 상기 연산증폭기의 출력단과 연결된 저장 커패시터, 일 단은 상기 제 3 스위치의 상기 타 단과 상기 연산증폭기의 반전 입력단 및 상기 저장 커패시터의 일 단과 연결되고, 타 단이 상기 연산증폭기의 출력단 및 상기 저장 커패시터의 타 단과 연결된 리셋 스위치를 포함하되, 상기 연산증폭기의 비반전 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단 및 상기 차폐용 플레이트에 연결된 구조를 갖는다.
실시 예로서, 상기 X-구동부는 제 1 클럭 신호에 의해 온(on) 상태가 되고, 그리고 제 2 클럭 신호에 의해 오프(off) 상태가 되는 제 1 스위치 및 상기 제 1 클럭 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 상기 제 2 클럭 신호에 의해 온 상태가 되는 제 2 스위치를 포함한다.
실시 예로서, 상기 X-구동부는 제 2 클럭바 신호에 의해 온(on) 상태가 되고, 그리고 제 1 클럭바 신호에 의해 오프(off) 상태가 되는 제 1 스위치 및 상기 제 2 클럭바 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 상기 제 1 클럭바 신호에 의해 온 상태가 되는 제 2 스위치를 포함한다.
실시 예로서, 상기 제 1 클럭 신호 및 상기 제 2 클럭 신호는 서로 중첩되지 않는 클럭 신호들일 수 있다.
실시 예로서, 상기 전압 입력단에는 미리 설정된 전압 또는 다시 설정된 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 정전 용량 감지용 전하 전송 회로는 X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터, 상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부, 상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 능동 출력 전압 피드백부 및 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding)를 포함하되, 상기 구동 라인의 상기 일 단에 대향하는 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는다.
실시 예로서, 상기 능동 출력 전압 피드백부는 상기 구동 라인의 상기 타 단에 병렬로 연결된 제 3 스위치 및 제 4 스위치, 상기 구동 라인에 대향하는 상기 제 3 스위치의 일 단에 연결된 버퍼 회로부, 일 단이 상기 제 3 스위치의 일 단과 상기 버퍼 회로부의 입력단 사이에 연결되고, 그리고 타 단이 접지된 저장 커패시터 및 일 단이 상기 제 3 스위치의 일 단, 상기 버퍼 회로부의 입력단 및 상기 저장 커패시터와 연결되고, 타 단이 접지된 리셋 스위치를 포함하되, 상기 제 3 스위치에 대향하는 상기 버퍼 회로부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는다.
실시 예로서, 상기 제 3 스위치는 제 1 클럭 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 제 2 클럭 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고 상기 제 4 스위치는 상기 제 1 클럭 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고 상기 제 2 클럭 신호에 의해 오프 상태가 될 수 있다.
실시 예로서, 상기 제 3 스위치는 제 2 클럭바 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 제 1 클럭바 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고 상기 제 4 스위치는 상기 제 2 클럭바 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고 상기 제 1 클럭바 신호에 의해 오프 상태가 될 수 있다.
실시 예로서, 상기 제 1 클럭 신호 및 상기 제 2 클럭 신호는 서로 중첩되지 않는 클럭 신호들일 수 있다.
실시 예로서, 상기 버퍼 회로부는 연산증폭기일 수 있다.
실시 예로서, 상기 연산증폭기의 비반전 입력단은 상기 제 3 스위치의 일 단과 연결되고, 그리고 상기 연산증폭기의 반전 입력단은 상기 연산증폭기의 출력단과 상기 제 4 스위치 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지문인식장치는 X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터, 상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부, 상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 스위치드 캐퍼시터 적분기 및 상기 스위치드 캐퍼시터 적분기의 제1 입력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding)를 포함하되, 상기 제1 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로 및 상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 손가락과 직접 접촉할 수 있는 베젤(bezel)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 지문인식장치는 X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터, 상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부, 상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 능동 출력 전압 피드백부 및 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding);를 포함하되, 상기 구동 라인의 상기 일 단에 대향하는 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로 및 상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 손가락과 직접 접촉할 수 있는 베젤(bezel)을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 상기 베젤은 금속 또는 전도성 플라스틱(conductive polymers)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지문인식장치는 X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터, 상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부, 상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 스위치드 캐퍼시터 적분기 및 상기 스위치드 캐퍼시터 적분기의 제1 입력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding)를 포함하되, 상기 제1 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로 및 상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 보호막(passivation layer)를 통해 손가락과 접촉할 수 있는 최상층 메탈(top metal)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지문인식장치는 X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터, 상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부, 상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 능동 출력 전압 피드백부 및 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding)를 포함하되, 상기 구동 라인의 상기 일 단에 대향하는 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로 및 상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 보호막(passivation layer)를 통해 손가락과 접촉할 수 있는 최상층 메탈(top metal)을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 상기 최상층 메탈은 일 단이 X-구동 라인의 일 단에만 연결되고, 타단은 상기 보호막을 통해 손가락에 접촉할 수 있도록 상기 최상층 메탈과 다른 부분의 최상층 메탈과 이격되어 레이아웃(layout)될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지문인식감지 방법은 지문의 융선과 고랑의 커패시턴스를 입력받는 단계, 상기 입력받은 커패시턴스를 가변 클록에 따라 적분하는 단계, 상기 적분된 커패시턴스를 샘플 또는 홀드하는 단계, 상기 샘플 또는 홀드된 커패시턴스를 디지털값으로 변환하는 단계 및 상기 융선과 상기 고랑의 커패시턴스의 차이에 따라 변환된 디지털값으로 지문의 융선인지 고랑인지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예로서, 상기 상기 입력받은 커패시턴스를 가변 클록에 따라 적분하는 단계는 이산 시간으로 적분할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 정전 용량 감지용 전하 전송 회로는 스위치드 커패시터 적분기(switched capacitor integrator)또는 능동 출력 전압 피드백부(active output voltage feedback)를 포함함으로써, 기생 요소들에 의한 기생 효과를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 넓은 동적 범위에 대한 개선된 터치 감도를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로 및 이를 포함한 지문인식장치가 제공될 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문인식장치의 블록도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문인식장치의 블록도이다.
도 2는 도 1a또는 도 1b에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들에 인가되는 스위치 제어 신호들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들의 타이밍도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들에 포함되는 일 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로의 회로도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들에 포함되는 다른 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로들에 인가되는 스위치 제어 신호들 및 지문의 융선, 고랑에 따른 출력전압을 도시한 타이밍도이다.
도 6a는 도 1a에 도시된 직접 방식(direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4a에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 6b는 도 1a에 도시된 직접 방식(direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4b에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 7a는 도 1b에 도시된 유사 직접 방식(pseudo-direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4a에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 7b는 도 1b에 도시된 유사 직접 방식(pseudo-direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4b에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 8은 도 1b에 도시된 유사 직접 방식의 지문인식장치에 대한 레이아웃 평면도(layout top-view)이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문인식장치의 블록도이다.
도 2는 도 1a또는 도 1b에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들에 인가되는 스위치 제어 신호들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들의 타이밍도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들에 포함되는 일 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로의 회로도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들에 포함되는 다른 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로들에 인가되는 스위치 제어 신호들 및 지문의 융선, 고랑에 따른 출력전압을 도시한 타이밍도이다.
도 6a는 도 1a에 도시된 직접 방식(direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4a에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 6b는 도 1a에 도시된 직접 방식(direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4b에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 7a는 도 1b에 도시된 유사 직접 방식(pseudo-direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4a에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 7b는 도 1b에 도시된 유사 직접 방식(pseudo-direct method)에 따른 지문인식장치에 도 4b에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 8은 도 1b에 도시된 유사 직접 방식의 지문인식장치에 대한 레이아웃 평면도(layout top-view)이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문인식장치(1a)의 블록도이다. 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문인식장치(1b)의 블록도이다. 도 2는 도 1a 또는 도 1b에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들(1a, 1b)에 인가되는 스위치 제어 신호들이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지문인식장치(1a)는 제 1 클럭생성부(clock generator1; 10), 제2 클럭생성부(clock generator2; 20), 베젤 드라이버(bezel driver; 30), 베젤(bezel; 40a), 센서 셀 어레이(sensor cell array; 50), Y-구동부(Y-drive part; 60), X-구동부(X-drive part; 70), 카운터(counter; 80), X-멀티플렉서(XMUX; 90) 및 ADC(Analog to Digital Converter; 100)를 포함할 수 있다.
제1 클럭 생성부(10)는 시스템 클럭(CLK)과 동기하여 제1 클럭 신호(φ1) 및/또는 제2 클럭 신호(φ2)를 생성할 수 있다. 또한, 제1 클럭 생성부(10)는 제1 클럭바 신호(
) 및/또는 제2 클럭바 신호(
)를 생성할 수 있다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 클럭 신호(φ1) 및 제 2 클럭 신호(φ2)는 서로 중첩되지 않는 클럭(clock) 신호들일 수 있다. 제1 클럭바 신호(
)는 반전시킨 제1 클럭 신호(φ1)이고, 제2 클럭바 신호(
)는 반전시킨 제2 클럭 신호(φ2)이다.
제2 클럭 생성부(20)는 시스템 클럭(CLK)에 기반하여 가변 주기를 갖는 재설정/측정 펄스(reset / evaluation pulse) 인 clk_i 신호를 생성할 수 있고, PERIOD 신호에 의하여 다양한 주기를 생성할 수 있다. 제2 클럭생성부(20)는 초기에 RESET 신호를 입력받아 동작을 개시할 수 있다.
베젤 드라이버(bezel driver; 30)는 제 1 클럭 신호(φ1) 및/또는 제 2 클럭 신호(φ2)를 입력받아 베젤을 구동하는 신호를 출력할 수 있다. 또한, 베젤 드라이버(30)는 제1 클럭바 신호(
) 및/또는 제2 클럭바 신호(
)를 입력받아 베젤을 구동하는 신호를 출력할 수 있다.
베젤(40a)은 손가락에 직접 전원 입력 신호를 인가하기 위해 사용될 수 있다. 베젤(40a)은 금속일 수도 있고, 전도성 플라스틱(conductive polymers) 또는 전기가 통할 수 있는 물체일 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에서 베젤을 통해 손가락에 직접 접촉하여 동작을 수행하는 방식은 직접 방식(Direct Method)라고 지칭한다.
센서 셀 어레이(50)는 한 화소(pixel) 단위의 행열로 배열된 다수의 센서플레이트(sensor plate)들일 수 있고, 접촉된 지문 부분이 융선, 고랑인지에 따라 형성되는 캐퍼시턴스(capacitance)를 검출할 수 있다.
Y-구동부(Y-drive part; 60)는 순차적으로 센서 셀 어레이(50) 중 행(row)으로 배열되는 각 행의 센서 셀들을 선택하고, 구동(drive)할 수 있다. X-구동부(X-drive part; 70)는 순차적으로 센서 셀 어레이(50) 중 열(column)로 배열되는 각 열의 센서 셀들을 선택하고, 구동(drive)할 수 있다.
카운터(counter; 80)는 접촉된 지문에서 형성된 각 센서 셀의 캐퍼시턴스를 검출하기 위하여 센서 셀 어레이(50)의 각 행과 각 열의 값을 증가시켜 순차적으로 각 센서 셀을 활성화시킬 수 있다.
X-멀티플렉서(XMUX; 90)는 센서 셀 어레이(50)에서 선택된 한 화소의 센서 셀에서 감지한 캐퍼시턴스값을 입력되는 HOLD 신호에 따라 샘플링/홀딩(sample/hold)할 수 있다. ADC(Analog to Digital Converter; 100)는 X-멀티플렉서(90)로부터 샘플링/홀딩된 캐퍼시턴스값을 디지털값으로 변환할 수 있다.
상기 디지털로 변환된 캐퍼시턴스값에 따라 외부 또는 내부에 존재하는 마이크로 프로세서(Micro Processor), CPU(Central Processor Unit), AP(Application Processor) 등이 융선인지 고랑인지 판단할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문인식장치(1b)의 블록도이다. 전술한 본 발명의 실시예를 통해 설명한 구성 요소는 동일한 부호를 사용하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1b를 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문인식장치(1b)가 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 지문인식장치(1a)와 다른 점은, 베젤(300a)을 전극으로 사용하는 방식과는 달리 전원 입력 신호를 인가하는 전극을 칩의 최상층 메탈(top metal)인 Tx 플레이트(Tx plate; 300b)로 대치한다는 점이다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에서 보호막(passivation layer)을 통해 Tx 플레이트에서 손가락을 접촉하여 동작을 수행하는 방식은 유사 직접 방식(Pseudo-Direct Method)이라 지칭한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들(1a, 1b)의 타이밍도이다.
도 3을 참조하면, 처음, RESET 신호가 로우(low)로 지문인식장치(1)에 인가되면, 동작이 개시된다. PERIOD는 신호는 한 주기마다 1씩 증가한다.
CLK_I신호는 시스템 클럭(CLK) 및/또는 PERIOD신호에 의하여 제2 클럭 생성부(20)에 의하여 가변 주기를 갖도록 생성되고, 센서 셀 어레이(50) 각 센서 셀에 재설정/측정 펄스(reset/evalution pulse)를 생성하기 위해 입력될 수 있다. 여기서 재설정(reset) 신호는 프리차지(precharge) 신호일 수 있다. 또한, CLK_I 신호는 카운터(80)에 입력될 수 있다.
CLK_I 신호가 하이(High)이면, 선택된 센서 셀은 프리차지(precharge)되고, 로우(Low)이면, 선택된 센서 셀의 캐퍼시턴스값이 출력될 수 있다.
CLK_I 신호의 한 주기동안 각 센서 셀의 캐퍼시턴스값에 따른 전압값은 HOLD 신호가 로우(low)이면 샘플 및 홀드(sample/hold)될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들(1a, 1b)에 포함되는 일 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로의 회로도(200a)이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들(1a, 1b)에 포함되는 다른 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로의 회로도(200b)이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로들(200a, 200b)에 인가되는 스위치 제어 신호들 및 지문의 융선(Ridge), 고랑(Valley)에 따른 출력전압(Vout)을 도시한 타이밍도이다.
도 4a를 참조하면, 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200a)는 X-구동부(X-drive part, 70), X-구동 라인(X-drive line, 71), 구동 라인(Drive line, 61), X-구동 라인(71)과 구동 라인(61) 사이에 정의되는 가변 커패시터(variable capacitor, Cfinger)와 기생 저항(Rfinger), 후술하는 센서 플레이트(sensor plate)와 차폐용 플레이트(Metal shielding) 사이에서 생성된 기생 커패시터(Cshield) 및 스위치드 캐퍼시터 적분기(switched capacitor integrator; 210a)를 포함할 수 있다.
제 1 스위치(MP1)와 제 4 스위치(TG2)는 제 1 클럭 신호(φ1) 및 제 1 클럭바 신호(
)에 의해 온(on) 또는 오프(off) 상태가 될 수 있다. 제 2 스위치(MN1)와 제 3 스위치(TG1)는 제 2 클럭 신호(φ2) 및 제 2 클럭바 신호(
)에 의해 온(on) 또는 오프(off) 상태가 될 수 있다.
직렬로 연결된 기생 저항(Rfinger)과 가변 캐퍼시터(Cfinger)는 접촉되는 손가락을 단순하게 모델링한 것일 수 있다.
X-구동부(70)는 가변 커패시터(Cfinger)에 대향하는 X-구동 라인(71)의 일 단과 전압 입력단(Vin1) 사이에 배치될 수 있다. X-구동부(70)는 제 1 스위치(MP1) 및 제 2 스위치(MN1)를 포함할 수 있다.
제 1 스위치(MP1)는 가변 커패시터(Cfinger)에 대향하는 X-구동 라인(71)의 일 단과 전압 입력단(Vin1) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 스위치(MN1)는 일 단이 가변 커패시터(Cfinger)에 대향하는 X-구동 라인(71)의 일 단에 연결되면서, 타 단은 접지(ground)에 연결되도록 배치될 수 있다.
전압 입력단(Vin1) 및/또는 접지(ground)에는 미리 설정된 전압(VDD, GND) 또는 다시 설정된 전압이 인가될 수 있다. 여기서, 다시 설정된 전압이란 원하는 전하 전송 정도를 위해 바이어스(bias)를 다르게 가져갈 수 있는 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 전압 입력단(Vin1) 및/또는 접지(ground)에는 제1 전원 입력(Vin1) 및/또는 제2 전원 입력(Vin2)이 입력될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 클럭 신호(φ1) 및 제2 클럭 신호(φ2)는 제1 클럭바 신호(
) 또는 제2 클럭바 신호(
)와 함께 스위치들과 스위치드 커패시터 적분기(210a)의 출력 전압(Vout)을 조정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 클럭 신호(φ1) 및 제 2 클럭 신호(φ2)는 서로 중첩되지 않는 클럭(clock) 신호들일 수 있다. 제1 클럭바 신호(
)는 반전시킨 제1 클럭 신호(φ1)이고, 제2 클럭바 신호(
)는 반전시킨 제2 클럭 신호(φ2)이다.
다시 도 4a를 참조하면, 후술하는 바와 같이 기생 커패시터(Csheild)는 구동 라인(61)에 연결된 센서 플레이트(sensor plate)와 상기 센서 플레이트 하부의 회로로부터 생성되는 노이즈(noise)를 차단하여 터치 감도를 향상시키기 위한 차폐용 플레이트(Metal shielding) 사이에서 생성될 수 있다. 상기 센서 플레이트 하부의 회로는 스위치드 캐퍼시터 적분기(210a), 능동 출력 전압 피드백부(210b) 또는 기타 회로들이 포함될 수 있다. 여기서, 기타 회로들은 손가락으로부터 가변 커패시터(Cfinger)를 추출하는 것과 무관한 기타 회로들이 포함될 수 있다.
스위치드 캐퍼시터 적분기(210a)는 가변 커패시터(Cfinger)의 일 단이 연결된 구동 라인(61)의 타 단과 전압 출력단(Vout) 사이에 배치될 수 있다.
스위치드 캐퍼시터 적분기(210a)는 일 단이 구동 라인(61)과 제 4 스위치(TG2)에 연결되고, 타 단은 연산증폭기(OP-AMP, 211)의 반전 입력단자에 연결되는 제 3 스위치(TG1), 일 단이 구동 라인(61)에 연결되고 타 단은 기준전압 입력단(Vref)과 연결된 제 4 스위치(TG2), 반전 입력단자에 제 3 스위치(TG1)의 타 단이 연결되고, 비반전 입력단자에 기준전압(Vref)이 입력되는 연산증폭기(OP-AMP, 211)를 포함할 수 있다.
또한, 일 단이 제 3 스위치(TG1)의 타 단과 연산증폭기(211)의 반전 단자에 연결되면서, 타 단이 전압 출력단(Vout)에 연결된 저장 커패시터(Cs), 일 단이 제 3 스위치(TG1)의 타 단과 연산증폭기(211)의 반전 입력단자 및 저장 캐퍼시터(Cs)의 일 단에 연결되면서, 타 단이 전압 출력단(Vout) 및 저장 캐퍼시터(Cs)의 타 단에 연결된 리셋 스위치(rst)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 전하들은 높은 전압 측으로부터 낮은 전압 측으로 둘의 전압이 같아질 때까지 흐른다. 따라서, 가변 커패시터(Cfinger)로부터 저장 커패시터(Cs)로 전하들이 전송될 때, 후술하는 바와 같이 구동 라인(61)에 연결된 센서 플레이트(sensor plate)와 차폐용 플레이트(Metal shielding) 사이에서 생성된 기생 커패시터(Cshield)의 기생 효과를 제거하기 위해서, 구동 라인(61)의 전압(vp)은 연산증폭기(211)의 반전 입력단의 전압(vg)과 동일하게 하도록 기생 커패시터(Cshield)를 충전하는 것이 요구될 수 있다.
제1 클럭 신호(φ1)가 온(on)되면, 기생 커패시터(Cshield)의 출력 노드는 기준전압(Vref)으로 충전된다. 연산증폭기(211)의 반전 입력 단자는 기준전압(Vref)이 입력되는 비반전 입력 단자와 가상 단락(virtually short)된다.
따라서, 가변 커패시터(Cfinger)로부터 저장 커패시터(Cs)로 전하들이 전송될 때, 구동 라인(61)의 출력노드 전압(vp)이 연산증폭기(211)의 반전 입력 노드 전압(vg)과 동일하게 되므로 기생 커패시터(Cshield)에서 저장 캐퍼시터(Cs)로 어떤 전하도 전송되지 않는다. 결과적으로, 구동 라인(61)의 기생 커패시터(Cshield) 내에 저장된 전하들은 출력 전압에 영향을 끼치지 못하고, 구동 라인(61)의 기생 커패시터(Cshiled)의 기생 효과는 제거될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200)의 전송 함수는 수학식 1과 같다.
여기서, z는 z-변환(z-transform)의 매개 변수(parameter), Cf는 가변 커패시터(Cfinger)의 커패시턴스, 그리고 Cs는 저장 커패시터(Cs)의 커패시턴스이다.
저장 캐퍼시터(Cs)는 제 2 클럭 신호(φ2)의 상승 시간(rising time)에 가변 캐퍼시터(Cfinger)로부터 전송된 전하를 적분할 수 있다. 여기서, 적분값의 기울기는 가변 커패시터(Cfinger) 값에 따라 달라진다. 가변 커패시터(Cfinger)의 값은 융선에서 큰 값을 갖고, 고랑에서 작은 값을 갖는다.
그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 연산증폭기(211)의 출력 전압값(Vout)은 기준전압(Vref)에서 시작하여 클럭의 회수가 증가함에 따라 융선(Ridge)의 경우는 고랑(Valley)의 경우보다 크게 증가한다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치들(1a, 1b)에 포함되는 다른 실시예에 따른 정전용량감지용 전하 전송회로(200b)의 회로도이다. 전술한 본 발명의 실시예를 통해 설명한 구성 요소는 동일한 부호를 사용하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 4b를 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200b)가 전술한 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200a)와 다른 점은 다음과 같다.
능동 출력 전압 피드백부(210b)를 구성하는 연산증폭기(211)의 비반전 입력단은 제 3 스위치(TG1), 저장 캐퍼시터(Cs) 및 리셋 스위치(rst)의 일 단과 연결되고, 저장 캐퍼시터(Cs) 및 리셋 스위치(rst)의 타 단은 접지(ground)에 연결될 수 있다. 그리고, 제 3 스위치(TG1)의 타 단은 제 4 스위치(TG2)의 일 단 및 기생 커퍼시터(Cshield)의 일 단과 연결될 수 있다.
버퍼 회로부(212)는 연산증폭기(211)의 반전 입력단과 출력단을 연결한 전압 폴로워(voltage follower)일 수 있다.
연산증폭기(211)의 반전 입력단은 연산증폭기(211)의 출력단, 제 4 스위치(TG2) 및 기생 커패시터(Cshield)의 타 단과 연결될 수 있다. 이에 따라, 기생 커패시터(Cshield)로부터 전하들이 전송되는 것을 방지하기 위해, 출력 전압(Vout)이 전압 팔로워(follower)로 공급되고, 제 4 스위치(TG2) 및 기생 커패시터(Cshield)로 피드백될 수 있다. 제 1 스위치(MP1) 및 제 4 스위치(TG2)가 온(on) 상태가 되는 제 1 클럭 신호(φ1)가 높은 상태일 때, 구동 라인(61)의 전압(vp)은 연산증폭기(211)로 이루어진 버퍼회로 입력단(vg)의 전압 팔로워로부터 생성된 피드백 출력 전압에 의해 버퍼 회로의 입력단(vg)의 동일한 전압이 되도록 기생 커패시터(Cshield)가 충전될 수 있다. 결과적으로, 기생 커패시터(Cshield) 내에 저장된 전하들은 출력 전압에 영향을 끼치지 못한다. 이러한 동작들을 수행하는 회로를 본 발명에서는 능동 출력 전압 피드백부(210b)라 지칭한다.
도 6a은 도 1a에 도시된 직접 방식(direct method)에 따른 지문인식장치(1a)에 도 4a에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200a)가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
도 6a를 참조하면, 제 1 클럭바 신호(
)는 제 1 클럭 신호(φ1)를 반전시킨 것이고, 제 2 클럭바 신호(
)는 제 2 클럭 신호(φ2)를 반전시킨 것이다. 제 1 스위치(MP1)는 피모스(P-channel Metal-Oxide-Semiconductor : PMOS) 트랜지스터이고, 제 2 스위치(MN1)는 엔모스(N-channel MOS : NMOS) 트랜지스터이다. 제 3 스위치(TG1) 및 제 4 스위치(TG2)는 피모스 트랜지스터 및 엔모스 트랜지스터가 병렬로 연결된 트랜스미션 게이트(transmission gate)들이다.
제 1 스위치(MP1)와 제 4 스위치(TG2)는 제 1 클럭 신호(φ1) 또는 제 1 클럭바 신호(
)에 의해 온(on) 또는 오프(off) 상태가 될 수 있다. 제 2 스위치(MN1)와 제 3 스위치(TG1)는 제 2 클럭 신호(φ2) 또는 제 2 클럭바 신호(
)에 의해 온(on) 또는 오프(off) 상태가 될 수 있다.
차폐용 플레이트(metal shielding; 500)는 센서 플레이트(sensor plate; 400) 하부의 회로로부터 생성되는 노이즈(noise)를 차단하여 터치 감도를 향상시킬 수 있다. 상기 센서 플레이트 하부의 회로는 스위치드 캐퍼시터 적분기(210a) 또는 손가락으로부터 가변 커패시터(Cfinger)를 추출하는 것과 무관한 기타 회로들이 포함될 수 있다.
이 때, 센서 플레이트(400)와 차폐용 플레이트(500) 사이에 기생 커패시터(Csheild)가 생성될 수 있다. 예를 들면, 기생 캐퍼시터(Cshield)는 센서 셀의 크기에 따라 수십~수백 fF의 범위를 가질 수 있다.
능동 출력 전압 피드백부(210a)는 도 4a에서 설명한 바와 같이 구동 라인(61)에 연결된 센서 플레이트(sensor plate)와 차폐용 플레이트(Metal shielding) 사이에서 생성된 기생 커패시터(Cshield)의 기생 효과를 제거하기 위해서, 구동 라인(61)의 전압(vp)은 연산증폭기(211)의 반전 입력단의 전압(vg)과 동일하게 하도록 기생 커패시터(Cshield)를 충전하는 것이 요구될 수 있다.
제1 클럭 신호(φ1)가 온(on)되면, 기생 커패시터(Cshield)의 출력 노드는 기준전압(Vref)으로 충전된다. 연산증폭기(211)의 반전 입력 단자는 기준전압(Vref)이 입력되는 비반전 입력 단자와 가상 단락(virtually short)된다.
따라서, 가변 커패시터(Cfinger)로부터 저장 커패시터(Cs)로 전하들이 전송될 때, 구동 라인(61)의 출력노드 전압(vp)이 연산증폭기(211)의 반전 입력 노드 전압(vg)과 동일하게 되므로 기생 커패시터(Cshield)의 기생효과를 제거할 수 있다.
베젤(bezel; 300a)은 손가락에 접촉하여 직접 전원 입력신호(Vin1 또는 Vin2)를 인가할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서 베젤을 통해 손가락에 직접 접촉하여 동작을 수행하는 방식은 직접 방식(Direct Method)라고 지칭한다.
베젤(300a)은 금속일 수도 있고, 전도성 플라스틱(conductive polymers) 또는 전기가 통할 수 있는 물체일 수 있다.
손가락은 도 6a에 도시된 바와 같이 간단히 직렬로 연결된 기생 저항(Rfinger)과 가변 캐퍼시터(Cfinger)로 모델링될 수 있다. 여기서, 가변 캐퍼시터(Cfinger)는 융선 캐퍼시터(Cridge) 또는 고랑 캐퍼시터(Cvalley)일 수 있다.
센서 플레이트(400)는 보호막(passivation layer)에 의해 손가락과 분리될 수 있다. 그러므로, 손가락 캐퍼시터(Cfinger)는 칩 표면과 손가락 피부 사이의 공기 캐퍼시터(Cair) 및 센서 플레이트와 칩 표면 사이의 보호막 캐퍼시터(Cpass)가 직렬로 연결된 캐퍼시터로 구성될 수 있다.
X-구동부(70)의 드라이버(driver)로부터 구동된 전원 입력신호(Vin1 또는 Vin2)는 베젤 콘택을 통해 직접 손가락으로 인입된다.
손가락 캐퍼시터(Cfinger)에 축적되는 전하들은 저장 캐퍼시터(Cs)로 전송될 수 있다. 손가락 캐퍼시터(Cfinger)는 각각 융선 캐퍼시터(Cridge) 또는 고랑 캐퍼시터(Cvalley)에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
고랑 캐퍼시터(Cvalley)가 직렬로 연결된 칩 표면과 손가락 피부 사이의 공기 캐퍼시터(Cair) 및 센서 플레이트(400)와 칩 표면 사이의 보호막 캐퍼시터(Cpass)에 대응하는 반면에 융선 캐퍼시터(Cridge)는 센서 플레이트(400)와 칩 표면 사이의 보호막 캐퍼시터(Cpass)에 대응한다. 이는 다음과 같은 수학식으로 나타낼 수 있다.
융선 캐퍼시터(Cridge)와 고랑 캐퍼시터(Cvalley) 사이의 차이로 정의되는 손가락 캐퍼시터(Cfinger)의 변동은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
센서 플레이트(400)와 차폐용 플레이트(500) 사이에 형성된 기생 커패시터(Csheild)는 제 4 스위치(TG2)의 일 단 및 연산증폭기(211)의 비반전 입력단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 기준전압(Vref)이 비반전 입력단자에 입력될 수 있다.
따라서, 제 4 스위치(TG2)가 온(on)이 되는 경우, 구동 라인(61)은 연산증폭기(211)의 비반전 입력단자에 입력되는 기준전압(Vref)으로 센서 플레이트(400)의 전압 및 차폐용 플레이트(500)의 전압이 동일하게 충전되므로, 기생 커패시터(Csheild)는 효과적으로 제거될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 정전 용량 감지용 전하 전송 회로의 단일 전하 전송 당 출력전압(Vout)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 캐퍼시터(Cfinger)는 융선 캐퍼시터(Cridge) 또는 고랑 캐퍼시터(Cvalley)이다. z를 매개변수로 하는 전송함수(transfer function)는 다음과 같이 쓸 수 있다.
수학식 5로부터 융선 캐퍼시터(Cridge)와 고랑 캐퍼시터(Cvalley)의 출력전압들이 얻어질 수 있고, 융선 캐퍼시터(Cridge)와 고랑 캐퍼시터(Cvalley)의 출력전압들의 차이는 다음과 같이 정의될 수 있다.
결론적으로, 융선 캐퍼시터(Cridge)와 고랑 캐퍼시터(Cvalley) 사이의 출력전압 차이인 감지 전압(Vsense)는 n 번째 적분 후에는 다음과 같이 정의된다.
도 6b는 도 1a에 도시된 직접 방식(direct method)에 따른 지문인식장치(1a)에 도 4b에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200b)가 사용되는 상황에 대한 개략도이다. 전술한 본 발명의 실시예를 통해 설명한 구성 요소는 동일한 부호를 사용하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
능동 출력 전압 피드백부(210b)는 도 4b에서 설명한 바와 같이 동작한다. 즉, 제 1 스위치(MP1) 및 제 4 스위치(TG2)가 온(on) 상태가 되는 제 1 클럭 신호(φ1)가 높은 상태일 때, 구동 라인(61)의 전압(vp)은 연산증폭기(211)로 이루어진 버퍼회로 입력단(vg)의 전압 팔로워로부터 생성된 피드백 출력 전압에 의해 버퍼 회로의 입력단(vg)의 동일한 전압이 되도록 기생 커패시터(Cshield)가 충전될 수 있다. 그러므로, 기생 커패시터(Cshield)는 제거될 수 있다.
도 7a는 도 1b에 도시된 유사 직접 방식(pseudo-direct method)에 따른 지문인식장치(1b)에 도 4a에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200a)가 사용되는 상황에 대한 개략도이다. 전술한 본 발명의 실시예를 통해 설명한 구성 요소는 동일한 부호를 사용하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 7a을 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문인식장치(1b)가 전술한 지문인식장치(1a)와 다른 점은, 베젤(300a)을 전극으로 사용하는 방식과는 달리 전원 입력신호(Vin1 또는 Vin2)를 전달하는 전극을 칩의 최상층 메탈(top metal)인 Tx 플레이트(Tx plate; 300b)로 대치한다는 점이다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서 보호막을 통해 Tx 플레이트에서 손가락을 접촉하여 동작을 수행하는 방식은 유사 직접 방식(Pseudo-Direct Method)이라 지칭한다.
이 때, Tx 플레이트(300b)과 손가락 사이에 보호막에 의한 보호막 캐퍼시터(Cperi)가 생길 수 있다. 보호막 캐퍼시터(Cperi)는 도 7에 도시된 바와 같이 손가락과 저항을 통한 접지 노드와 캐퍼시터(Cfinger)에 연결될 수 있다.
따라서, 보호막 캐퍼시터(Cperi)와 손가락 캐퍼시터(Cfinger)는 직렬형태로 연결이 될 수 있고, 총 정전용량(Ctotal)는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
보호막 캐퍼시터(Cperi)의 값이 손가락 캐퍼시터(Cfinger)에 비하여 크다고 가정하면, 총 정전용량(Ctotal)은 대략 손가락 캐퍼시터(Cfinger)를 따른다는 것을 알 수 있다. Tx 플레이트의 크기를 센서 셀의 크기에 비해 충분히 크게 만든다면 보호막 캐퍼시터(Cperi)에 의한 손가락 캐퍼시터(Cfinger)변화의 영향을 충분히 무시할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 유사 직접(pseudo-direct) 방식은 능동 출력 전압 피드백 적분기(Active Output Volrage Feedback Integrator)를 기반으로 하므로, 전압 출력범위는 전원 전압 구간 전부일 수 있다.
도 7b는 도 1b에 도시된 유사 직접 방식(pseudo-direct method)에 따른 지문인식장치(1b)에 도 4b에 도시된 정전 용량 감지용 전하 전송 회로(200b)가 사용되는 상황에 대한 개략도이다.
전술한 본 발명의 실시예를 통해 설명한 구성 요소는 동일한 부호를 사용하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
유사 직접 방식(pseudo-direct method)이므로 베젤을 전극으로 사용하는 방식과는 달리 최상층 메탈(top metal)인 Tx 플레이트(Tx plate; 300b)이 보호막을 통해 접촉되는 손가락에 전원 입력신호(Vin1 또는 Vin2)를 전달한다. 회로의 동작은 도 4b에서 설명한 바와 같다.
도 8은 도 1b에 도시된 유사 직접 방식의 지문인식장치에 대한 레이아웃 평면도(layout top-view)이다.
최상층 메탈(top metal)인 Tx 플래이트가 칩 외부를 감싼 형태이다. 센서 셀 블록과 간격을 두어 공간 캐퍼시터(Cgap)이 충분히 작게 만들어 Tx 전극에 가해진 입력신호가 센서 셀 어레이로 바로 넘어가는 것을 방지할 수 있다. 이 간격은 보호막(passivation)의 두께에 따라 적당하게 조절할 수 있다.
61 : 구동 라인
70 : X-구동부
71 : X-구동 라인
210a : 스위치드 캐퍼시터 적분기
210b : 능동 출력 전압 피드백부
211 : 연산증폭기
212 : 버퍼 회로부
40a, 300a : 베젤
40b, 300b : Tx 플레이트
400 : 센서 플레이트
500 : 차폐용 플레이트
70 : X-구동부
71 : X-구동 라인
210a : 스위치드 캐퍼시터 적분기
210b : 능동 출력 전압 피드백부
211 : 연산증폭기
212 : 버퍼 회로부
40a, 300a : 베젤
40b, 300b : Tx 플레이트
400 : 센서 플레이트
500 : 차폐용 플레이트
Claims (23)
- X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터;
상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부;
상기 가변 커패시터에 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 스위치드 캐퍼시터 적분기; 및
상기 스위치드 캐퍼시터 적분기의 제1 입력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding);를 포함하되,
상기 제1 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 입력단은 기준전압(Vref)을 입력받는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 1항에 있어서,
상기 센서 플레이트와 상기 차폐용 플레이트 사이에 기생 커패시터를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 1항에 있어서,
상기 스위치드 캐퍼시터 적분기는
연산증폭기;
일 단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결되고, 타 단은 상기 연산증폭기의 반전 입력단자에 연결된 제 3 스위치;
일 단은 상기 구동 라인의 상기 타 단 및 상기 제 3 스위치의 일 단에 연결되고, 타 단은 상기 연산증폭기의 비반전 입력단자 및 상기 차폐용 플레이트에 연결된 제 4 스위치;
일 단은 상기 제 3 스위치의 타 단과 상기 연산증폭기의 반전 입력단에 연결되고, 타 단이 상기 연산증폭기의 출력단과 연결된 저장 커패시터;
일 단은 상기 제 3 스위치의 상기 타 단과 상기 연산증폭기의 반전 입력단 및 상기 저장 커패시터의 일 단과 연결되고, 타 단이 상기 연산증폭기의 출력단 및 상기 저장 커패시터의 타 단과 연결된 리셋 스위치; 를 포함하되,
상기 연산증폭기의 비반전 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단 및 상기 차폐용 플레이트에 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 1항에 있어서,
상기 X-구동부는:
제 1 클럭 신호에 의해 온(on) 상태가 되고, 그리고 제 2 클럭 신호에 의해 오프(off) 상태가 되는 제 1 스위치; 및
상기 제 1 클럭 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 상기 제 2 클럭 신호에 의해 온 상태가 되는 제 2 스위치를 포함하는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 1항에 있어서,
상기 X-구동부는:
제 2 클럭바 신호에 의해 온(on) 상태가 되고, 그리고 제 1 클럭바 신호에 의해 오프(off) 상태가 되는 제 1 스위치; 및
상기 제 2 클럭바 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 상기 제 1 클럭바 신호에 의해 온 상태가 되는 제 2 스위치를 포함하는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 5항에 있어서,
상기 제 1 클럭 신호 및 상기 제 2 클럭 신호는 서로 중첩되지 않는 클럭 신호들인 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 1항에 있어서,
상기 전압 입력단에는 미리 설정된 전압 또는 다시 설정된 전압이 인가되는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터;
상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부;
상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 능동 출력 전압 피드백부; 및
상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding);를 포함하되,
상기 구동 라인의 상기 일 단에 대향하는 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 9항에 있어서,
상기 능동 출력 전압 피드백부는:
상기 구동 라인의 상기 타 단에 병렬로 연결된 제 3 스위치 및 제 4 스위치;
상기 구동 라인에 대향하는 상기 제 3 스위치의 일 단에 연결된 버퍼 회로부;
일 단이 상기 제 3 스위치의 일 단과 상기 버퍼 회로부의 입력단 사이에 연결되고, 그리고 타 단이 접지된 저장 커패시터; 및
일 단이 상기 제 3 스위치의 일 단, 상기 버퍼 회로부의 입력단 및 상기 저장 커패시터와 연결되고, 타 단이 접지된 리셋 스위치;를 포함하되,
상기 제 3 스위치에 대향하는 상기 버퍼 회로부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 10항에 있어서,
상기 제 3 스위치는 제 1 클럭 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 제 2 클럭 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고
상기 제 4 스위치는 상기 제 1 클럭 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고 상기 제 2 클럭 신호에 의해 오프 상태가 되는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 10항에 있어서,
상기 제 3 스위치는 제 2 클럭바 신호에 의해 오프 상태가 되고, 그리고 제 1 클럭바 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고
상기 제 4 스위치는 상기 제 2 클럭바 신호에 의해 온 상태가 되고, 그리고 상기 제 1 클럭바 신호에 의해 오프 상태가 되는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 11항에 있어서,
상기 제 1 클럭 신호 및 상기 제 2 클럭 신호는 서로 중첩되지 않는 클럭 신호들인 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 10항에 있어서,
상기 버퍼 회로부는 연산증폭기인 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - 제 14항에 있어서,
상기 연산증폭기의 비반전 입력단은 상기 제 3 스위치의 일 단과 연결되고, 그리고 상기 연산증폭기의 반전 입력단은 상기 연산증폭기의 출력단과 상기 제 4 스위치 사이에 연결되는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로. - X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터;
상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부;
상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 스위치드 캐퍼시터 적분기; 및
상기 스위치드 캐퍼시터 적분기의 제1 입력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding);를 포함하되,
상기 제1 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로; 및
상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 손가락과 직접 접촉할 수 있는 베젤(bezel)을 포함하는 지문인식장치. - X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터;
상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부;
상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 능동 출력 전압 피드백부; 및
상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding);를 포함하되,
상기 구동 라인의 상기 일 단에 대향하는 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로; 및
상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 손가락과 직접 접촉할 수 있는 베젤(bezel)을 포함하는 지문인식장치. - 제 16항에 있어서,
상기 베젤은 금속 또는 전도성 플라스틱(conductive polymers)인 지문인식장치. - X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터;
상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부;
상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 스위치드 캐퍼시터 적분기; 및
상기 스위치드 캐퍼시터 적분기의 제1 입력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding);를 포함하되,
상기 제1 입력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로; 및
상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 보호막(passivation layer)를 통해 손가락과 접촉할 수 있는 최상층 메탈(top metal)을 포함하는 지문인식장치. - X-구동 라인의 일 단 및 구동 라인의 일 단과 연결되는 센서 플레이트(sensor plate)를 통해 정의되는 가변 커패시터;
상기 가변 커패시터에 대향하는 상기 X-구동 라인의 타 단과 전압 입력단 사이에 배치된 X-구동부;
상기 가변 커패시터에 상기 일 단이 연결된 상기 구동 라인의 타 단과 전압 출력단 사이에 배치된 능동 출력 전압 피드백부; 및
상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단에 연결된 차폐용 플레이트(metal shielding);를 포함하되,
상기 구동 라인의 상기 일 단에 대향하는 상기 능동 출력 전압 피드백부의 출력단은 상기 구동 라인의 상기 타 단과 연결된 구조를 갖는 정전 용량 감지용 전하 전송 회로; 및
상기 X-구동 라인의 일 단에 연결되고, 타 단은 보호막(passivation layer)를 통해 손가락과 접촉할 수 있는 최상층 메탈(top metal)을 포함하는 지문인식장치. - 제 19항에 있어서,
상기 최상층 메탈은 일 단이 X-구동 라인의 일 단에만 연결되고, 타단은 상기 보호막을 통해 손가락에 접촉할 수 있도록 상기 최상층 메탈과 다른 부분의 최상층 메탈과 이격되어 레이아웃(layout)되는 지문인식장치. - 지문의 융선과 고랑의 커패시턴스를 입력받는 단계;
상기 입력받은 커패시턴스를 가변 클록에 따라 적분하는 단계;
상기 적분된 커패시턴스를 샘플 또는 홀드하는 단계;
상기 샘플 또는 홀드된 커패시턴스를 디지털값으로 변환하는 단계; 및
상기 융선과 상기 고랑의 커패시턴스의 차이에 따라 변환된 디지털값으로 지문의 융선인지 고랑인지 판단하는 단계를 포함하는 지문인식감지방법. - 제 22항에 있어서,
상기 상기 입력받은 커패시턴스를 가변 클록에 따라 적분하는 단계는 이산 시간으로 적분하는 지문인식감지방법.
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