KR20160109258A - 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents

지문 검출 장치 및 이의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센서 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하며, 전원 전압을 선택적으로 공급받는 센싱 전극; 상기 센싱 전극의 하부에 배치되며, 상기 센싱 전극과 항상 동전위로 유지되는 실드층; 및 상기 센싱 전극과 선택적으로 연결되는 제1 입력단 및 기준 전위가 공급되는 제2 입력단을 가지며, 상기 센싱 정전용량에 따라 상이한 전압을 출력하는 증폭기를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.

Description

지문 검출 장치 및 이의 구동 방법{FINGERPRINT DETECTING APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 간소화된 회로 설계로 정확한 지문 검출이 가능하며, 노이즈에 따른 영향이 최소화된 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
지문의 무늬는 사람마다 다르기 때문에, 개인 식별 분야에 많이 이용되고 있다. 특히, 지문은 개인 인증 수단으로서 금융, 범죄수사, 보안 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
이러한 지문을 인식하여 개인을 식별하기 위해 지문 인식 센서가 개발되었다. 지문 인식 센서는 사람의 손가락을 접촉하고 손가락 지문을 인식하는 장치로서, 정당한 사용자인지 여부를 판단할 수 있는 수단으로 활용되고 있다.
최근에는 모바일 시장에서도 개인 인증 및 보안 강화의 필요성이 급격히 증대되고 있으며, 모바일을 통한 보안 관련 사업이 활발히 진행되고 있다.
이러한 경향을 반영하여 기업에서는 반도체 방식의 단일 칩 지문센서 제품화를 위한 연구를 활발히 진행하고 있다. 그러나, 모바일 단말기에 지문인식 센서 칩을 사용하기 위해서는 안정적인 지문 이미지를 얻기 위한 고감도 용량 센서 회로 및 노이즈에 둔감한 회로들이 요구된다. 또한, 일반적으로 모바일 기기에 지문인식 칩이 탑재되기 때문에 저전력은 기본적인 칩의 특성이 된다.
지문 인식 센서를 구현하는 방식으로는 광학방식, 열감지 방식 및 정전용량 방식 등의 다양한 인식 방식이 알려져 있다.
이 중, 용량형 지문센서의 원리는 최상위 금속판과 지문의 융선(ridge) 간에 형성되는 정전용량, 최상위 금속판과 지문의 골(valley) 간에 형성되는 정전용량의 차이를 전기적 신호로 변환하여 기준 신호와의 크기를 비교한 후 디지털화 및 이미지화함으로써 지문 이미지가 형성되게 되는 것이다.
최상위 금속판에 의해 센싱되는 신호를 처리하기 위한 방식으로서는 전하 공유(Charge Sharing) 방식, 피드백 정전용량 센싱(Feedback Capacitive Sensing) 방식, 샘플 앤드 홀드(Sample and Hold) 방식, 전하 전송(Charge Transfer) 방식 등이 있다.
이 중 피드백 정전용량 센싱 방식은 회로가 간단하여 센서 전극, 즉, 최상위 금속판 면적을 감소시킬 수 있으면서 고화질의 이미지를 얻을 수 있다는 장점을 갖지만, 피드백 정전용량 센싱 방식을 이용한 지문 센서는 신호처리에 있어서 최상의 감도를 제공하지 못하는 문제를 갖는다.
이는 최상위 금속판 주변에 존재하는 기생 정전용량, 손가락의 접촉 및 이와 다른 영향에 따라 발생하는 노이즈, 최상위 금속판과 피드백 정전용량 간의 관계에 따른 기생 정전용량 및 노이즈 등에 따른 영향이다.
따라서, 간소화된 회로 설계만으로도 정확한 지문 검출이 가능하며, 노이즈의 영향이 최소화될 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 간소화된 회로 설계만으로도 고감도의 지문 검출이 가능하며, 기생 정전용량 및 노이즈에 따른 영향이 제거된 지문 검출 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센서 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하며, 전원 전압을 선택적으로 공급받는 센싱 전극; 상기 센싱 전극의 하부에 배치되며, 상기 센싱 전극과 항상 동전위로 유지되는 실드층; 및 상기 센싱 전극과 선택적으로 연결되는 제1 입력단 및 기준 전위가 공급되는 제2 입력단을 가지며, 상기 센싱 정전용량에 따라 상이한 전압을 출력하는 증폭기를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 전원 전압을 각각 상기 센싱 전극 및 상기 실드층에 동기화시켜 공급하는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 트랜지스터의 소스 단자 및 드레인 단자는 각각 전원 전압 연결단 및 상기 센싱 전극과 연결되고, 상기 제2 트랜지스터의 소스 단자 및 드레인 단자는 각각 전원 전압 연결단 및 상기 실드층과 연결될 수 있다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 센싱 전극과 상기 증폭기의 제1 입력단 간의 연결 및 상기 실드층과 기준 전위와의 연결을 각각 동기화시켜 제어하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터가 온 상태로 유지되는 구간과 상기 제1 스위치와 제2 스위치가 온 상태로 유지되는 구간은 상호 배치될 수 있다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결되는 피드백 정전용량을 더 포함할 수 있다.
상기 전원 전압에 의해 센싱 정전용량에 충전된 전하는 상기 센싱 전극과 상기 증폭기의 제1 입력단이 연결된 구간 동안 상기 피드백 정전용량과 공유될 수 있다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 피드백 정전용량을 리셋 시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 피드백 정전용량은 상기 실드층 하부에 형성되며 각각 상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단에 연결되는 복수개의 도전층에 의해 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센서 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극; 상기 센싱 전극 하부에 이격되어 배치되는 실드층; 상기 센싱 전극과 선택적으로 연결되는 제1 입력단 및 기준 전위가 공급되는 제2 입력단을 가지는 증폭기; 제1 제어 신호에 의해 온/오프 제어되어, 전원 전압을 상기 센싱 전극과 상기 실드층에 공급하는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터; 및 상기 제1 제어 신호와 상호 배치되도록 공급되는 제2 제어 신호에 의해 온/오프 제어되며, 상기 센싱 전극과 상기 증폭기의 제1 입력단 간 연결 및 상기 실드층과 기준 전위와의 연결을 각각 제어하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치의 지문 검출 방법으로서, 센싱 전극과 상기 센싱 전극 하부에 배치되는 실드층에 전원 전압을 동시에 공급하여, 상기 센싱 전극과 피사체 간에 형성되는 센싱 정전용량을 충전시키는 단계; 상기 센싱 전극과 증폭기의 제1 입력단 및 상기 실드층과 기준 전위를 연결시켜, 상기 센싱 정전용량에 충전된 전하가 상기 증폭기의 피드백 정전용량과 공유되도록 하는 단계; 및 상기 증폭기의 출력단 전압을 토대로 상기 센싱 전극에 접촉된 피사체의 패턴을 파악하는 단계를 포함하는, 지문 검출 방법이 제공된다.
상기 지문 검출 방법은, 상기 센싱 정전용량 충전 단계 이전에, 상기 피드백 정전용량 양단을 동전위로 제어하여, 상기 피드백 정전용량을 리셋시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 지문 센서 소자의 센싱 전극 하부에 실드층을 두고 센싱 전극과 실드층을 동전위로 제어함으로써, 지문 검출에 있어서 노이즈 및 기생 정전용량의 영향을 제거할 수 있고, 간소화된 회로 설계만으로 고감도의 지문 검출이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서 소자의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 지문 검출 장치는 복수의 행과 열을 이루는 복수 개의 지문 센서 소자(110)로 이루어지는 센서 어레이(100)를 포함한다. 각각의 지문 센서 소자(110)는 수평 스캔부(120)와 수직 스캔부(130)에 의해 인에이블되어 지문 검출과 관련된 신호를 출력한다. 지문 센서 소자(110)로부터의 신호는 버퍼(140)를 통해 출력된다. 버퍼(140)는 일 열의 지문 센서 소자(110)마다 하나씩 배치된다. 즉, 하나의 열에 배치된 지문 센서 소자(110)로부터의 신호가 하나의 버퍼(140)를 통해 출력된다.
도 2는 도 1의 지문 센서 소자(110)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 지문 검출 장치의 센서 어레이(100)는 전술한 바와 같이 행과 열을 이루는 복수 개의 지문 센서 소자(110)를 포함하는데, 각각의 지문 센서 소자(110)는 센싱 전극(111)을 포함한다. 센싱 전극(111)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 선택적으로 연결된다.
증폭기(A)의 제2 입력단에는 기준 전위(Vref)가 공급된다. 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 및 제2 입력단은 각각 반전 입력단 및 비반전 입력단일 수 있다. 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에는 피드백 정전용량(Cs)이 연결된다. 피드백 정전용량(Cs)의 크기에 따라 증폭기(A)의 이득이 가변될 수 있다. 또한, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에는 피드백 정전용량(Cs)과 병렬로 리셋 트랜지스터(NT3)가 연결된다. 리셋 트랜지스터(NT3)에 따라 피드백 정전용량(Cs)의 양단 전압이 제어된다. 구체적으로, 리셋 트랜지스터(NT3)는 스위치 기능을 하는데, 리셋 트랜지스터(NT3)가 온 상태로 되었을 때, 피드백 정전용량(Cs) 양단 전압은 0V로 되어 리셋될 수 있다. 리셋 트랜지스터(NT3)는 리셋 신호(rst)에 의해 온/오프가 제어될 수 있다. 증폭기(A)의 출력단(N2)은 센싱 전극(111)의 출력단으로서 기능한다. 즉, 증폭기(A)의 출력단(N2)은 센싱 전극(111)으로부터의 최종 응답 신호를 버퍼(140)로 출력한다.
한편, 센싱 전극(111)은 제1 트랜지스터(PT1)의 일단(N3)과도 연결된다. 제1 트랜지스터(PT1)는 PMOS 트랜지스터일 수 있는데, 이 때, 제1 트랜지스터(PT1)의 드레인 단자(N3)가 센싱 전극(111)과 연결된다. 제1 트랜지스터(PT1)의 소스 단자는 전원 전압 공급단(Vdd)과 연결되며, 게이트 단자에는 제1 제어 신호(CON1)의 반전 신호가 공급된다.
제1 트랜지스터(PT1)의 게이트 단자는 제2 트랜지스터(PT2)의 게이트 단자와 공통으로 연결된다. 제2 트랜지스터(PT2) 역시 PMOS 트랜지스터일 수 있고, 이 경우, 제2 트랜지스터(PT2)의 소스 단자는 전원 전압 공급단(Vdd)에 연결된다. 제2 트랜지스터(PT2)의 드레인 단자(N4)에는 증폭기(A)의 제2 입력단에 입력되는 것과 동일한 크기를 갖는 기준 전위(Vref)가 선택적으로 입력될 수 있다.
제1 트랜지스터(PT1)와 제2 트랜지스터(PT2)는 게이트에 입력되는 제1 제어 신호(CON1)의 반전 신호가 로우(low) 레벨 신호일 때, 즉, 제1 제어 신호(CON1)가 하이(high) 레벨 신호일 때 턴 온(on)될 수 있다.
도 2에서는 제1 트랜지스터(PT1)의 드레인 단자(N3)와 제2 트랜지스터(PT2)의 드레인 단자(N4) 사이에 정전용량(C1)이 형성되는 것으로 도시되었으나, 이 정전용량(C1)은 회로 설계상 실제로 구현되는 정전용량이 아니며, 제2 트랜지스터(PT2)의 드레인 단자(N4)와 연결되는 도전층과 센싱 전극(111)으로서 기능하는 도전층 간의 관계에 따라 형성되는 정전용량이다. 이에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.
제1 트랜지스터(PT1)의 드레인 단자(N3)와 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 간 연결은 제1 스위치(SW1)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 제2 트랜지스터(PT2)의 드레인 단자(N4)와 기준 전위(Vref) 간 연결은 제2 스위치(SW2)에 의해 제어될 수 있다.
제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 제2 제어 신호(CON2)에 의해 제어되며, 온/오프 동작은 동기화되어 이루어지게 된다. 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 모두 제2 제어 신호(CON2)가 공급될 때 동기화되어 온 상태로 전환되고, 그 외의 경우에서는 모두 오프 상태로 유지된다.
제1 트랜지스터(PT1)와 제2 트랜지스터(PT2)의 온/오프 동작을 제어하는 제1 제어 신호(CON1)와 제2 제어 신호(CON2)는 서로 다른 시간에 공급된다. 이에 따라, 제1 트랜지스터(PT1)와 제2 트랜지스터(PT2)가 온 상태로 유지되는 구간과 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 유지되는 구간은 상호 배치(背馳)된다. 제1 및 제2 트랜지스터(PT1, PT2)와 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)의 동작에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 상세 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 지문 센서 소자(110)는 센싱 전극(111)이 형성되는 제1 도전층(M1), 제1 도전층(M1) 하부에 이격되어 배치되며 실드층(113)이 형성되는 제2 도전층(M2)을 포함할 수 있다.
제1 도전층(M1)에 형성되는 센싱 전극(111)과 제2 도전층(M2)에 형성되는 실드층(113)은 모두 도전성을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 제1 도전층(M1)과 제2 도전층(M2) 사이에는 절연층(I)이 형성된다. 절연층(I)은 통상적으로 사용되는 절연 물질, 예를 들면, SiO2, SiN, SiNOX, 유리 등의 물질로 이루어질 수 있다.
제1 도전층(M1) 상부에는 보호층(P)이 형성된다. 보호층(P)은 ESD(Electrostatic Discharge)와 외부 마모로부터 센싱 전극(111)을 보호한다.
센싱 전극(111)은 접촉되는 손가락(F)과의 관계에서 정전용량을 형성하게 된다. 손가락(F)은 융선(ridge)과 골(valley)로 이루어지는데, 각각의 센싱 전극(111)은 손가락(F)의 융선과 닿을 때와 골과 닿을 때 서로 다른 정전용량이 형성된다.
센싱 전극(111) 상부 보호층(P)에 손가락(F)의 융선이 닿으면, 센싱 전극(111)과 손가락(F) 사이에는 정전용량(Cr)이 형성된다. 이러한 정전용량(Cr)은 보호층(P)의 재질 및 두께에 따라 달라질 수 있다. 또한, 센싱 전극(111) 상부에 손가락(F)의 골 부분이 닿으면, 손가락(F)과 센싱 전극(111) 사이에는 보호층(P) 뿐만 아니라, 보호층(P)의 상면과 손가락(F) 골 사이의 공기층이 존재하게 된다. 따라서, 센싱 전극(111)과 손가락(F) 골 사이에 형성되는 정전용량은 센싱 전극(111)으로부터 보호층(P) 상면까지의 정전용량(Cp)과 보호층(P) 상면으로부터 손가락(F) 골까지의 정전용량(Cv)을 합성한 값이 된다.
이처럼 지문의 어느 부분이 센싱 전극(111)의 상부와 맞닿는 지에 따라 센싱 전극(111)과 손가락(F) 사이에 형성되는 정전용량이 달라지게 되고, 그 정전용량에 따라 출력되는 신호(Vout)가 달라지기 때문에 그 출력 신호 크기를 통해서 손가락(F)의 융선과 골에 대한 패턴을 파악할 수 있게 된다.
제2 도전층(M2)에 형성된 실드층(113)은 지문 센싱 시 발생할 수 있는 노이즈를 차단하는 기능을 한다. 지문 검출 동작 시에는, 센싱 전극(111)과 실드층(113)간에 생기는 기생 정전용량에 의해 증폭기(A)의 출력단 값이 영향을 받게 된다. 그러나, 센싱 전극(111)과 실드층(113)이 언제나 동일한 전위로 유지될 수 있다면, 센싱 전극(111)에 형성되는 기생 정전용량 등의 성분이 사라지게 된다.
구체적으로, 두 개의 도체의 전위가 동일하다면, 양 도체의 관계에 의해 형성되는 전기적 특성 변화량이 '0'이 되기 때문에, 이러한 원리에 따라, 센싱 전극(111)과 실드층(113)간의 전위를 동전위로 유지시켜 준다면, 센싱 전극(111)과 실드층(113) 사이의 기생 정전용량에 의한 영향이 제거될 수 있다.
제1 트랜지스터(PT1)의 드레인 단자(N3) 및 제2 트랜지스터(PT2)의 드레인 단자(N4)가 각각 센싱 전극(111)과 실드층(113)에 연결되며 동기화되어 온/오프되고, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 각각 센싱 전극(111)과 실드층(113)에 연결되어 동기화되어 온/오프되기 때문에, 센싱 전극(111)과 실드층(113)은 항상 동일한 전위로 유지될 수 있다. 이에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.
한편, 도 3에는 도시되지 않았지만 피드백 정전용량(Cs)은 제2 도전층(M2) 하부에 배치되는 복수개의 도전층(미도시됨)을 통해 구현될 수도 있다. 구체적으로, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N2)을 각각 제2 도전층(M2) 하부에 배치되는 도전층들에 연결시킴으로써 피드백 정전용량(Cs)을 구현할 수 있다. 이 때, 복수개의 도전층 사이에는 절연 물질이 충진되어야 할 것이다.
도 4는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 지문 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 4에서 'CON1'은 제1 트랜지스터(PT1) 및 제2 트랜지스터(PT2)의 게이트에 인가되는 제1 제어 신호의 레벨을 나타내는 것으로, 전술한 바와 같이, 'CON1'이 하이(high)일 때 제1 트랜지스터(PT1) 및 제2 트랜지스터(PT2)가 온 상태로 유지된다. 'CON2'는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)에 인가되는 제2 제어 신호의 레벨을 나타내는 것으로, 'CON2'이 하이(high)일 때 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 유지된다. 한편, 'rst'는 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에 연결된 피드백 정전용량(Cs)의 양단 전위를 제어하는 리셋 트랜지스터(NT3)의 게이트 단자에 입력되는 리셋 신호의 레벨을 나타내는 것으로, 'rst'가 하이(high)일 때 온 상태로 유지되어 피드백 정전용량(Cs)을 리셋한다.
먼저, 리셋 구간(Trst) 동안에는 리셋 신호(rst)가 하이(high)로 전환되어 리셋 트랜지스터(NT3)가 온 상태가 됨으로써 피드백 정전용량(Cs)이 리셋된다. 이 전의 지문 검출 동작 또는 이와는 다른 영향 등에 의해 피드백 정전용량(Cs)에는 일부의 전하들이 존재할 수 있는데, 리셋 트랜지스터(NT3)에 의해 양단 전위가 동전위로 유지됨에 따라 피드백 정전용량(Cs)이 리셋될 수 있다. 도 4에서는 피드백 정전용량(Cs)이 리셋되는 구간을 별도로 설정하는 것으로 도시하였으나, 피드백 정전용량(Cs)의 리셋은 이후에 설명하는 제1 구간(T1)에서 동시에 이루어질 수도 있다. 이 경우, 제1 구간(T1)에서 제1 제어 신호(CON1)와 리셋 신호(rst)가 동시에 하이(high)로 유지된다.
제1 구간(T1) 동안에는 제1 제어 신호(CON1)가 하이(high) 상태로 유지되며, 이 때, 제1 트랜지스터(PT1) 및 제2 트랜지스터(PT2)가 온 상태로 전환된다. 이에 따라, 제1 트랜지스터(PT1)의 드레인 단자(N3) 전위가 전원 전압(Vdd)과 같아진다.
제1 구간(T1) 동안 제2 제어 신호(CON2)가 로우 레벨로 유지되고, 이에 따라, 센싱 전극(111)과 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 간 연결이 차단되므로, 센싱 전극(111)은 제1 트랜지스터(PT1)의 드레인 단자(N3)와만 연결되게 된다.
따라서, 센싱 전극(111)과 손가락(F) 간에 형성되는 정전용량(Cr, Cp, Cv)이 전원 전압(Vdd)에 의해 충전되게 된다. 센싱 전극(111)에 형성되는 상기 정전용량(Cr, Cp, Cv)에 제1 구간(T1) 동안 충전되는 전하량에 따라 최종적으로 증폭기(A)로부터 출력되는 출력 전압(Vout)의 크기가 달라지므로 전원 전압(Vdd)은 지문 검출 동작에 있어서 센싱 전극(111)에 공급되는 구동 신호라고 할 수 있다.
센싱 전극(111)과 손가락(F) 간에 형성되는 정전용량(Cr, Cp, Cv)들을 모두 합성한 결과를 센싱 정전용량(Cf)으로 칭한다면, 제1 구간(T1) 동안 센싱 정전용량(Cf)에 충전되는 전하량(Q1)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
한편, 제2 트랜지스터(PT2)도 온 상태로 전환됨에 따라, 제2 트랜지스터(PT2)의 드레인 단자(N4)와 연결된 실드층(113) 또한 전원 전압(Vdd)과 같은 전위가 된다.
따라서, 제1 구간(T1) 동안 센싱 전극(111)과 실드층(113)은 모두 전원 전압(Vdd)으로 유지되게 되며, 센싱 전극(111)과 실드층(113)이 동전위로 유지되기 때문에, 센싱 전극(111)과 실드층(113) 사이에 형성되는 정전용량(C1)을 비롯하여 센싱 전극(111) 주변에 형성될 수 있는 기생 정전용량들이 제거될 수 있다. 즉, 센싱 전극(111) 주변에 형성되는 기생 정전용량 또는 이와 다른 노이즈에 의한 영향이 제거될 수 있다.
제1 구간(T1) 동안 제1 제어 신호(CON1)를 제외한 제2 제어 신호(CON2) 및 리셋 신호(rst)는 로우(low) 레벨로 유지된다.
제2 구간(T2) 동안에는 제2 제어 신호(CON2)가 하이(high)로 유지되어, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환된다. 이 때, 제1 제어 신호(CON2) 및 리셋 신호(rst)는 로우(low) 상태로 유지된다. 즉, 제1 제어 신호(CON1)와 제2 제어 신호(CON2)는 상호 배치되도록 공급된다.
증폭기(A)의 제1 입력단(N1)은 기준 전위(Vref)로 유지되는데, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 센싱 전극(111)을 선택적으로 연결해주는 제1 스위치(SW1)가 온 상태로 전환됨으로써, 센싱 전극(111)은 기준 전위(Vref)로 설정된다.
제1 스위치(SW1)가 온 상태로 전환됨에 따라, 센싱 전극(111)은 증폭기(A)의 피드백 커패시터와 연결된다. 이에 따라, 제1 구간(T1) 동안 센싱 정전용량(Cf)에 충전되었던 전하들이 피드백 정전용량(Cs)과 공유될 수 있다. 전하량 보존 법칙에 따라 제1 구간(T1) 동안 센싱 정전용량(Cf)에 충전되었던 전하는 제2 구간(T2) 동안 센싱 정전용량(Cf)과 피드백 정전용량(Cs)에 저장되는 전하의 합과 동일해진다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같아진다.
[수학식 2]
Figure pat00002
상기 수학식 2에서 증폭기(A)의 출력 전압(Vout), 즉, 지문 센서 소자(110)의 출력 전압(Vout)이 도출될 수 있으며, 이는 다음과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00003
상기 수학식 3을 참조하면, 출력 전압(Vout)은 센싱 정전용량(Cf)의 크기에 비례하게 된다. 즉, 손가락(F)과 센싱 전극(111) 간 관계에 따라 형성되는 센싱 정전용량(Cf)의 크기에 따라서 출력 전압(Vout)이 달라지기 때문에, 이러한 출력 전압(Vout)을 통해 센싱 전극(111) 상부에 손가락(F) 지문이 닿는 패턴에 대해 파악할 수 있게 된다.
한편, 제2 구간(T2) 동안 제2 스위치(SW2) 또한 온 상태로 유지되기 때문에 실드층(113)의 전위도 센싱 전극(111)과 동일하게 기준 전위(Vref)로 유지된다. 제2 구간(T2)에서도 제1 구간(T1)에서와 같이 센싱 전극(111)과 실드층(113)이 동전위로 유지되기 때문에, 센싱 전극(111)과 실드층(113) 간의 관계에 따라 형성되는 정전용량(C1)을 비롯한 센싱 전극(111) 주변 기생 정전용량에 의한 영향이 제거될 수 있다.
제2 구간(T2)이 완료되면 다시 리셋 구간(Trst), 제1 구간(T1) 및 제2 구간(T2)이 순차적으로 반복될 수도 있으며, 리셋 구간(Trst)은 매주기로 실시되지 않고, 제1 구간(T1) 및 제2 구간(T2)이 기 설정된 횟수로 반복될 때마다 실시될 수도 있다. 리셋 구간(Trst)이 수행되는 주기가 길어질수록 스캔 속도는 향상될 수 있으며, 리셋 구간(Trst)이 수행되는 주기가 짧아질수록 지문 검출의 정확도가 향상될 수 있으므로, 리셋 구간(Trst)이 수행되는 주기는 필요에 따라 적절히 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 간소화된 회로 설계만으로 센싱 전극(111)에 대한 충전 및 충전된 전하에 대한 공유 과정을 통해 지문 검출 동작을 수행할 수 있다.
또한, 센싱 전극(111) 하부에 실드층(113)을 형성하고, 센싱 전극(111)과 실드층(113)을 항상 동전위로 유지시킴으로써, 센싱 전극(111) 주변에 형성될 수 있는 기생 정전용량 또는 노이즈에 따른 영향이 제거될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 센서 어레이
110: 지문 센서 소자
111: 센싱 전극
113: 실드층
120: 수평 스캔부
130: 수직 스캔부
140: 버퍼
200: 외부 전극

Claims (12)

  1. 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서,
    각각의 지문 센서 소자는,
    피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하며, 전원 전압을 선택적으로 공급받는 센싱 전극;
    상기 센싱 전극의 하부에 배치되며, 상기 센싱 전극과 항상 동전위로 유지되는 실드층; 및
    상기 센싱 전극과 선택적으로 연결되는 제1 입력단 및 기준 전위가 공급되는 제2 입력단을 가지며, 상기 센싱 정전용량에 따라 상이한 전압을 출력하는 증폭기를 포함하는, 지문 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원 전압을 각각 상기 센싱 전극 및 상기 실드층에 동기화시켜 공급하는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 더 포함하는, 지문 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터의 소스 단자 및 드레인 단자는 각각 전원 전압 연결단 및 상기 센싱 전극과 연결되고, 상기 제2 트랜지스터의 소스 단자 및 드레인 단자는 각각 전원 전압 연결단 및 상기 실드층과 연결되는, 지문 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 센싱 전극과 상기 증폭기의 제1 입력단 간의 연결 및 상기 실드층과 기준 전위와의 연결을 각각 동기화시켜 제어하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 더 포함하는, 지문 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터가 온 상태로 유지되는 구간과 상기 제1 스위치와 제2 스위치가 온 상태로 유지되는 구간은 상호 배치되는, 지문 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결되는 피드백 정전용량을 더 포함하는, 지문 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전원 전압에 의해 센싱 정전용량에 충전된 전하는 상기 센싱 전극과 상기 증폭기의 제1 입력단이 연결된 구간 동안 상기 피드백 정전용량과 공유되는, 지문 검출 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 피드백 정전용량을 리셋 시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는, 지문 검출 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 피드백 정전용량은 상기 실드층 하부에 형성되며 각각 상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단에 연결되는 복수개의 도전층에 의해 형성되는, 지문 검출 장치.
  10. 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서,
    각각의 지문 센서 소자는,
    피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극;
    상기 센싱 전극 하부에 이격되어 배치되는 실드층;
    상기 센싱 전극과 선택적으로 연결되는 제1 입력단 및 기준 전위가 공급되는 제2 입력단을 가지는 증폭기;
    제1 제어 신호에 의해 온/오프 제어되어, 전원 전압을 상기 센싱 전극과 상기 실드층에 공급하는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터; 및
    상기 제1 제어 신호와 상호 배치되도록 공급되는 제2 제어 신호에 의해 온/오프 제어되며, 상기 센싱 전극과 상기 증폭기의 제1 입력단 간 연결 및 상기 실드층과 기준 전위와의 연결을 각각 제어하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치.
  11. 복수 개의 지문 센서 소자를 포함하는 지문 검출 장치의 지문 검출 방법으로서,
    센싱 전극과 상기 센싱 전극 하부에 배치되는 실드층에 전원 전압을 동시에 공급하여, 상기 센싱 전극과 피사체 간에 형성되는 센싱 정전용량을 충전시키는 단계;
    상기 센싱 전극과 증폭기의 제1 입력단 및 상기 실드층과 기준 전위를 연결시켜, 상기 센싱 정전용량에 충전된 전하가 상기 증폭기의 피드백 정전용량과 공유되도록 하는 단계; 및
    상기 증폭기의 출력단 전압을 토대로 상기 센싱 전극에 접촉된 피사체의 패턴을 파악하는 단계를 포함하는, 지문 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 센싱 정전용량 충전 단계 이전에,
    상기 피드백 정전용량 양단을 동전위로 제어하여, 상기 피드백 정전용량을 리셋시키는 단계를 더 포함하는, 지문 검출 방법.
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