KR20160135172A - 향상된 감지소자를 갖는 정전용량 지문센서 - Google Patents

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KR20160135172A
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Abstract

본 발명은 반도체 기판 및 상기 반도체 기판에 형성된 감지소자 어레이를 포함한 정전용량식 지문감지장치에 관한 것이다. 감지소자들 각각은 보호 유전체 상단층; 상단층 아래에 설비된 감지구조물; 및 감지구조물에 연결된 전하증폭기를 포함한다. 전하증폭기는 감지구조물에 연결된 음의 입력부; 양의 입력부; 감지신호를 제공하는 출력부; 피드백 커패시터; 및 음의 입력부를 구성하는 게이트를 갖는 감지 트랜지스터를 포함한다. 감지 트랜지스터는 반도체 기판내 절연 웰에 형성된다. 지문감지장치는 감지구조물과 웰의 전기적 전위를 변경하기 위해 전하증폭기의 양의 입력부와 웰에 연결된 여기신호 제공회로를 더 포함하며, 이로써 감지소자에서 기생 정전용량의 영향을 줄인다.

Description

향상된 감지소자를 갖는 정전용량 지문센서{CAPACITIVE FINGERPRINT SENSOR WITH IMPROVED SENSING ELEMENT}
본 발명은 정전용량식 지문감지장치 및 지문패턴을 감지하는 방법에 관한 것이다.
높아진 보안 및/또는 강화된 사용자 편의를 제공하기 위해 다양한 타입의 생체측정 시스템들이 더욱더 사용된다.
특히, 지문감지 시스템들은 가령 작은 폼팩터, 고성능 및 사용자 승인으로 인해 소비자 전자디바이스들에 채택되어 왔다.
정전용량, 광학, 및 열 등과 같이 다양한 이용가능한 지문감지 원리들 중에, 특히 크기 및 전력소비가 중요한 문제인 애플리케이션에서, 정전용량감지가 가장 통상적으로 사용된다.
모든 정전용량식 지문센서들은 다수의 감지구조물들 각각과 지문센서의 표면에 놓이거나 가로질러 움직이는 손가락 간에 정전용량을 나타내는 측정을 제공한다.
몇몇 정전용량식 지문센서는 수동으로 감지구조물과 손가락 간에 정전용량을 판독한다. 그러나, 이는 상대적으로 큰 정전용량을 필요로 한다. 따라서, 이런 수동 정전용량 센서들에 대표적으로 감지구조물을 덮는 매우 얇은 보호층이 제공되는데, 이는 이런 센서들을 스크래칭 및/또는 ESD(정전방전)에 오히려 민감하게 한다.
US 7 864 992는 센서 어레이 부근에 설비된 도전성 구동구조물에 펄스를 가하고 센서 어레이에서 감지구조물에 의해 전달된 전하의 최종 변화를 측정함으로써 구동신호가 손가락에 주입되는 눙동 정전용량식 지문감지장치를 개시하고 있다.
US 7 864 992에 따른 지문감지 시스템이 지문 이미지 품질과 센서 보호의 우수한 조합을 제공하나, 몇몇 애플리케이션에서, 별도의 도전성 구동구조를 사용하지 않고도 고품질의 지문 이미지를 획득할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 특히, 건조한 손가락과 같이 "판독이 어려운" 손가락들에 향상의 여지가 있는 것으로 보인다.
대안적인 활성 지문감지장치는 이강현 및 윤의식의 "A 500 dpi Capacitive-Type CMOS Fingerprint Sensor with Pixel-Level Adaptive Image Enhancement Scheme"라는 제목의 논문(ISSCC 2002 / Session 21 / TD: Sensors and microsystems / 21.3)에 기술되어 있다. 이 지문감지장치에서, 여기 펄스가 손가락 대신 각 픽셀의 감지전극에 가해진다. 손가락의 전위는 실질적으로 일정한 것으로 가정된다.
이 지문센서는 별개의 도전성 구동 구조물업이 이용할 수 있는 것으로 보인다. 그러나, "A 500 dpi Capacitive-Type CMOS Fingerprint Sensor with Pixel-Level Adaptive Image Enhancement Scheme"에 기재된 지문센서는 0fF에서 200fF 범위의 손가락에 대한 정전용량(측정된 정전용량)을 나타내도록 구성된다고 한다. 지문감지 분야에서, 이는 상대적으로 큰 정전용량으로, 이는 감지전극의 상단에 제공된 보호코팅이 매우 얇은 것을 나타낸다. 실제로, 보호코팅을 "패시베이션층"이라 하는데, 일반적으로 두께가 약 1㎛인 SiO 또는 SiN층인 것으로 이해된다. 이러한 얇은 보호코팅을 갖는 지문센서는 모바일장치 애플리케이션을 포함한 많은 중요한 애플리케이션들에 충분히 튼튼하지 못할 수 있다.
따라서, 여기펄스가 감지전극에 가해지고, 동시에 고품질의 지문표현을 달성할 수 있는 더 강건한 정전용량식 지문감지장치를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
종래 기술의 상술한 및 기타 단점을 고려해, 본 발명의 목적은 향상된 정전용량식 지문감지장치를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 제 1 태양에 따르면, 반도체 기판 및 상기 반도체 기판에 형성된 감지소자 어레이를 포함한, 손가락의 지문패턴을 감지하기 위한 정전용량식 지문감지장치로서, 상기 감지소자 어레이들 각각은: 상기 손가락에 의해 터치되는 보호 유전체 상단층; 상기 상단층 아래에 설비된 전기도전성 감지구조물; 및 상기 손가락과 상기 감지구조물 간에 전위차의 변화로 인해 발생한 상기 감지구조물에 의해 전달된 전하의 양을 나타내는 감지신호를 제공하기 위해 상기 감지구조물에 연결된 전하증폭기를 포함하고, 상기 전하증폭기는: 상기 감지구조물에 연결된 음의 입력부; 양의 입력부; 상기 감지신호를 제공하는 출력부; 상기 음의 입력부와 상기 출력부 간에 연결된 피드백 커패시터; 및 상기 음의 입력부를 구성하는 게이트를 갖는 감지 트랜지스터를 포함하며, 상기 감지 트랜지스터는 상기 반도체 기판내 웰에 형성되고, 상기 웰과 상기 기판 간의 인터페이스는 상기 웰과 상기 기판 간에 전류가 흐르는 것을 막을 수 있는 식으로 구성되며, 상기 전하증폭기는 상기 음의 입력부에서의 전위가 실질적으로 상기 양의 입력부에서의 전위를 따르는 식으로 구성되고, 상기 지문감지장치는: 여기신호 제공회로를 더 포함하고, 상기 여기신호 제공회로는: 상기 양의 입력부에 연결되고 상기 양의 입력부에서의 전위를 제 1 전위에서 제 2 전위로 변경하도록 구성됨으로써, 상기 감지구조물의 전위를 변경하고, 이로써 상기 손가락과 상기 감지구조물 간의 전위차에서의 상기 변화를 제공하며, 제 3 전위에서 제 4 전위로 상기 웰의 전위를 변경하기 위해 상기 웰에 연결되고, 상기 제 3 전위 및 상기 제 4 전위간의 차이는 실질적으로 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차와 같으므로, 상기 감지구조물과 상기 웰 간의 기생 정전용량의 영향을 줄이는 정전용량식 지문감지장치가 제공된다.
반도체 기판은 이점적으로 도핑된 반도체 기판일 수 있고, 웰은 반도체 기판에 대해 반대 극성으로 도핑된 (반도체 기판이 p-도핑되면, 웰은 n-도핑될 수 있고, 반도체 기판이 n-도핑되면, 웰은 p-도핑될 수 있는) 기판의 일부일 수 있다. 이는 웰과 기판 간에 전류가 흐르는 것을 막을 수 있는 식으로 구성된 웰과 기판 간에 인터페이스를 달성하는 한가지 방식이다. 특히, 웰과 기판은 상기 기판과 상기 웰 간에 인터페이스에 형성된 다이오드를 통해 전류가 전혀 흐르지 않게 전위가 유지될 수 있다.
대안으로, 가령, 얇은 유리층의 형태로 절연층이 기판과 웰 간에 제공될 수 있다. 이런 절연층은 또한 웰과 기판 간에 전류가 흐르는 것을 방지한다.
전하증폭기는 음의 입력부에서의 전하를 출력부에서의 전압으로 변환시킨다. 전하증폭기의 이득은 피드백 커패시터의 정전용량에 의해 결정된다.
전하증폭기는 음의 입력부에서의 전위가 실질적으로 양의 입력부에서의 전위를 따르는 식으로 구성된다는 것은 양의 입력부에서 전위의 변화로 음의 입력부에서 전위의 변화가 실질적으로 일치하는 것을 말하는 것으로 이해되어야 한다. 전하증폭기의 실제 구성에 따라, 음의 입력부에서의 전위는 실질적으로 양의 입력부에서 전위와 실질적으로 같을 수 있거나, 양의 입력부와 음의 입력부 간에 전위차가 실질적으로 일정할 수 있다. 가령, 전하증폭기가 일단증폭기로 구성되면, 전위차는 감지 트랜지스터의 게이트-소스 전압일 것이다.
전하증폭기의 출력이 직접 피드백 커패시터에 연결될 필요가 없고, 출력 및 피드백 커패시터 간에 회로가 추가될 수 있음에 유의해야 한다. 이 회로는 또한 감지소자 매트릭스의 외부에 놓일 수 있다.
여기신호 제공회로는 다른 라인에 제공된 2 이상의 다른 전위들 간에 전환하도록 구성된 스위칭 회로일 수 있다. 대안으로 또는 조합으로, 여기신호 제공회로는 정사각파 전압신호 또는 사인파 전압신호와 같이 시간가변 전위를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 신호소스를 포함할 수 있다.
감지구조물은 이점적으로 금속 플레이트 형태로 제공될 수 있어, 감지구조물(감지 플레이트), 국지적 손가락 표면, 및 보호코팅(및 국지적 손가락 표면과 보호코팅 간에 국지적으로 있을 수 있는 임의의 공기)에 의해 일종의 평행한 플레이트 커패시터가 형성된다.
보호코팅은 이점적으로 두께가 적어도 20㎛이고 마모와 파열 및 ESD로부터 지문감지장치의 하부구조물을 보호하기 위해 높은 유전적 강도를 가질 수 있다. 더 이점적으로, 보호코팅은 두께가 적어도 50㎛일 수 있다. 실시예에서, 보호코팅은 두께가 수백 ㎛일 수 있다.
본 발명은 감지전극(및 감지 트랜지스터)에 여기신호의 인가는 여기신호가 손가락에 대신 가해질 경우 보이지 않을 수 있는 실제 기생 정전용량에 주의를 필요로 하고, 이러한 기생 정전용량의 영향은 감지구조물과 손가락 간에 0.1fF 크기의 매우 작은 정전용량을 감지할 수 있도록 상당히 감소되어야 할 필요가 있다는 현실에 기초한다. 이런 작은 정전용량을 감지하는 것은 차례로 두꺼운 보호코팅의 사용을 가능하게 해 향상된 강건성을 제공할 수 있다.
여기신호가 손가락에 가해지고 감지구조물이 고정된 전위, 소위 접지로 유지되면, 감지구조물과 전하증폭기(및 반도체 기판)의 관련된 부분들의 전위가 같아지기 때문에(또는 감지구조물과 전하증폭기 및 반도체 기판의 입력단 간에 전위차가 일정해지기 때문에), 감지구조물과 손가락 간에 정전용량 측정은 감지구조물과 전하증폭기 간에 및/또는 감지구조물과 전하증폭기가 형성된 반도체 기판 간에 임의의 기생 정전용량에 의해 방해받지 않게 된다. 그러나, 여기신호가 감지구조물에 인가되면, 감지구조물과 반도체 기판 간에 시간가변 전위차가 있게 된다. 시뮬레이션에 따르면 감지구조물과 전하증폭기의 입력단 간의 연결에 인접한 감지구조물과 반도체 구조물(대표적으로, n-웰, p-웰, 및/또는 반도체 기판) 간의 기생 정전용량은 10fF의 크기로 될 수 있는 반면, (감지구조물과 손가락 간에) 감지된 정전용량은 0.1fF 이하와 같이 낮을 수 있다. 더욱이, 상술한 기생 정전용량은 일반적으로 알려져 있지 않을 수 있고 반도체 제조공정에서 변화로 인해 다른 감지소자들에 대해 달라질 수 있다.
본 발명자는 전하증폭기의 감지 트랜지스터가 형성되는 웰의 전위를 변경하도록 구성된 여기신호 제공회로를 제공함으로써 지문감지장치에서 감지구조물과 반도체 구조물간의 이 기생 정전용량의 영향이 상당히 감소될 수 있음을 알았다. 이로써, 감지구조물과 감지 트랜지스터(전하증폭기의 입력단) 간에 연결에 인접한 반도체 구조물인 웰의 전위가 감지구조물의 전위를 따르도록 제어될 수 있어 웰과 감지구조물 간의 전위차가, 감지구조물과 손가락 간에 정전용량의 측정과 관련된 적어도 시점(時點)에서, 실질적으로 일정하게 유지된다.
어떤 시점이 측정과 관련된 것은 사용된 측정방법에 따라 다를 수 있고 당업자는 별 부담없이 가령 회로 시뮬레이션을 기초로 이런 시점을 결정할 수 있다. 예컨대, 소위 감지신호가 2개의 샘플링 타임들에서 샘플화되는 상관 이중샘플링의 경우, 이들 샘플링 타임들은 측정과 관련된 시점일 수 있다.
직접 도전성 전기연결을 통해 여기신호를 손가락에 제공할 때 또는, 다시 말하면, 손가락을 갈바닉적으로 구동시킬 때, 센서 어레이에 접촉한 손가락 표면과 센서 어레이에서 감지구조물들 간의 전위차는 다른 전위를 가진 손가락들에 대해 다를 수 있다. 예컨대, 전위차는 건조한 손가락에 대해 낮을 수 있어, 지문 이미지가 "더 약해져" 분석하기 어려울 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 손가락과 갈바닉 연결시 도전성 구동전극에 대한 필요성 없이 고품질의 지문 표현을 획득할 수 있는 강건한 정전용량식 지문센서를 제공한다. 이는 "판독이 어려운" 손가락(특히 건조한 손가락)으로부터 향상된 지문획득을 제공한다. 손가락 패턴의 표현은, 가령, 미가공 지문 이미지 데이터일 수 있거나, 상기 데이터는 지문 템플레이트 데이터로서 또는 임의의 다른 형태로 조건화된 이미지 데이터의 형태로 처리된 후 제공될 수 있다.
추가로, 본 발명의 실시예에 따른 지문감지장치의 성공적인 동작은 손가락의 가변전위에 따르지 않기 때문에, 손가락은 지문감지장치가 포함된 제품의 도전부에 의해 접지되게(또는 적어도 짙게 도핑되게) 허용될 수 있다.
더욱이, (센서 어레이를 둘러싼 도전성 프레임과 같은) 도전성 구조물의 부재로 지문센서를 다양한 장치들, 가령 휴대폰 및 컴퓨터에 통합하는 것이 간단해 진다. 게다가, 지문센서 시스템의 설계가 덜 강요될 수 있어 지문센서 시스템을 포함한 제품이 마감이 향상될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 여기신호 제공회로는 전하증폭기의 상기 양의 입력부를 제 1 전위로 그리고 상기 웰을 제 3 전위로 동시에 유지하고; 전하증폭기의 상기 양의 입력부를 제 2 전위로 그리고 상기 웰을 제 4 전위로 동시에 유지하도록 더 구성될 수 있다. 이로써, 웰은 감지구조물이 전압 스윙과 실질적으로 동일한 크기로 된 전압 스윙을 받을 수 있다. 이는 감지구조물과 웰 간의 기생 정전용량의 영향이 제거되거나 적어도 상당히 감소되게 한다.
본 발명에 따른 지문감지장치의 다양한 실시예들은 전하증폭기의 출력부에 연결되고, 전하증폭기의 양의 입력부가 제 1 전위로 유지되고 웰이 제 3 전위로 유지될 때 제 1 샘플링 타임에서 그리고 전하증폭기의 양의 입력부가 제 2 전위로 유지되고 웰이 제 4 전위로 유지될 때 제 2 샘플링 타임에서 감지신호를 샘플링하도록 구성되는 샘플링 회로를 더 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 샘플링 타임에서 감지신호를 샘플링하는 절차를 일반적으로 상관 이중샘플링이라 하며 지문감지장치가 받을 수 있는 공통모드 노이즈의 적어도 저주파 성분뿐만 아니라 대부분의 오프세트를 제거한다. 감지구조물과 웰의 전위 각각은 적어도 샘플링 타임과 동기화되는 것을 보장함으로써, 감지구조물과 웰 간에 기생 정전용량의 영향이 제거되거나 적어도 상당히 감소될 수 있다.
더욱이, 다양한 실시예에서, 제 3 전위는 이점적으로 제 1 전위와 실질적으로 같고, 제 4 전위는 제 2 전위와 실질적으로 같을 수 있다.
게다가, 여기신호 제공회로는 양의 입력부에서의 전위와 웰의 전위를 제 1 전위에서 제 2 전위로 동시에 변경하기 위해 양의 입력부와 웰 각각에 연결된 출력부를 가질 수 있다.
더욱이, 다양한 실시예에 따르면, 지문감지장치는 감지구조물과 기판 사이에 설비된 실딩 구조물을 더 포함할 수 있다. 여기신호 제공회로는 실딩 플레이트에 더 연결되며 상기 실딩 플레이트의 전위를 제 5 전위에서 제 6 전위로 변경하도록 구성될 수 있고, 상기 제 5 전위 및 상기 제 6 전위 간의 차이는 실질적으로 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차이와 같다.
이로써, 감지구조물은 금속층에 있는 연결라인들 및/또는 반도체 기판에 형성된 연결라인들 및/또는 반도체 회로와 같이 감지소자의 기타 있을 수 있는 아래 부분들로부터 효과적으로 실딩될 수 있다. 이는 감지소자에서 기생 정전용량의 영향을 더 줄인다.
제 5 전위는 이점적으로 상술한 제 3(및/또는 제 1) 전위와 같을 수 있고, 제 6 전위는 이점적으로 상술한 제 4(및/또는 제 2) 전위와 같을 수 있다. 예컨대, 실딩 플레이트는 직접 웰에 도전성으로 연결될 수 있다.
실시예들의 제 1 세트에 따르면, 감지 트랜지스터는 NMOS-트랜지스터 또는 PMOS-트랜지스터이고, 상기 웰은 각각 p-웰 또는 n-웰일 수 있다.
실시예들의 제 2 세트에 따르면, p-웰 및/또는 n-웰은 여기신호 제공회로에 연결된 웰에 형성될 수 있다. 적어도 하나의 p-웰 및 적어도 하나의 n-웰이 웰에 형성될 때, 상기 웰을 때로 iso-웰이라 한다.
더욱이, 웰은 복수의 감지소자들의 어레이에 공통일 수 있다. 예컨대, 웰은 복수의 감지소자들의 n-웰 및 p-웰을 둘러싼 iso-웰일 수 있다. 여기신호 제공회로는 iso-웰 및 상기 iso-웰 내부에 형성된 웰(들)에 연결될 수 있고, iso-웰 및 iso-웰 내부에 형성된 웰(들)의 전압을 변경하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 감지소자들 각각은 전하증폭기의 음의 입력부와 출력부 간에 연결되고 피드백 커패시터를 방전시키도록 제어할 수 있는 적어도 하나의 리셋 트랜지스터를 구비한 리셋 스위치를 더 구비할 수 있고, 상기 리셋 트랜지스터는 웰에 형성된다.
리셋 트랜지스터의 게이트는 피드백 커패시터를 방전하도록 제어될 경우 상술한 제 3 및 제 4 전위에 대해 선택된 고정전위에, 그리고 피드백 커패시터의 충전을 허용하도록 리셋 트랜지스터를 비도전성으로 유지하도록 여기신호 제공회로에 의해 제공될 수 있는 가변전위에 연결될 수 있다.
더욱이, 다양한 실시예에 따르면, 상기 감지소자들 각각은 추가로 감지구조물에 연결되고 감지구조물에 직접 구동신호를 제공하도록 제어될 수 있는 적어도 하나의 구동 트랜지스터를 포함한 구동신호 제공회로를 추가로 포함할 수 있고, 구동 트랜지스터는 웰에 형성된다.
예컨대, 구동 트랜지스터는 감지소자가 '구동'상태에 있을 때 감지구조물을 구동신호 제공회로에 연결시키고 감지소자가 '감지'상태에 있을 때 감기구조물을 구동신호 제공회로로부터 연결해제시키도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 구동 트랜지스터의 게이트는 구동 트랜지스터를 '구동'상태의 도전성으로 유지하기 위해 상술한 제 3 및 제 4 전위에 대해 선택된 고정전위로 그리고 구동 트랜지스터를 '감지'상태의 비도전성으로 유지하기 위해 구동신호 제공회로에 의해 제공될 수 있는 가변전위에 연결될 수 있다.
구동신호 제공회로의 제공을 통해, 현재 감지되는 감지소자(픽셀)를 둘러싼 감지소자들(픽셀들)의 감지구조물은 감지소자의 전하증폭기를 동작시켜야 하지 않고도 현재 감지되는 감지소자의 감지구조물의 전위를 "따르게" 될 수 있다. 이는 지문감지장치의 절감된 전력소비를 제공한다. 각 감지소자는 이점적으로 적어도 '감지'상태와 '구동'상태 간에 프로그램될 수 있다. 감지구조물이 고정전위에 연결될 수 있거나 전기적으로 플로팅될 수 있는 제 3 상태가 또한 있을 수 있다. 이로써, 감지구조물과 인접한 감지소자의 감지구조물들 간에 기생 정전용량의 영향이 없어지거나 적어도 상당히 감소될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 지문감지장치는 각각의 감지소자에 연결되고 상기 감지소자들 각각으로부터의 상기 감지신호를 기초로 상기 지문패턴의 표현을 제공하도록 구성된 판독회로를 이점적으로 더 포함할 수 있다.
지문감지장치는 지문감지장치로부터 상기 지문패턴의 상기 표현을 획득하고, 상기 표현을 기초로 사용자를 인증하며, 상기 사용자가 상기 표현을 기초로 인증될 경우에만 적어도 하나의 사용자 요청 프로세스를 수행하도록 구성된 처리회로를 더 포함하는 전자장치에 포함될 수 있다. 전자장치는 가령 휴대폰 또는 태블릿, 컴퓨터, 또는 시계 등과 같은 전자 웨어러블 아이템과 같은 휴대용 통신장치일 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 도핑된 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판에 형성된 감지소자 어레이를 포함한 지문감지장치를 이용해 손가락의 지문패턴을 감지하는 방법으로서, 상기 감지소자들 각각은 상기 반도체 기판에 있는 웰에 형성된 감지 트랜지스터의 게이트에 연결된 전기 도전성 감지구조물을 포함하고, 상기 웰은 상기 반도체 기판에 대해 반대 극성으로 도핑되며, 상기 방법은 상기 감지소자들 각각에 대해: 상기 감지구조물의 전위를 제 1 전위에서 제 2 전위로 변경하는 단계; 상기 웰의 전위를 제 3 전위에서 제 4 전위로 변경하는 단계; 및 제 1 전위에서 제 2 전위로 감지구조물의 전위에서의 상기 변경에 의해 달성된 상기 손가락과 상기 감지구조물 간에 전위차의 변화로 인해 발생한 상기 감지구조물에 의해 전달된 전하의 변화를 나타내는 감지신호를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제 3 전위 및 상기 제 4 전위 간의 차이는 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차이와 실질적으로 같은 손가락의 지문패턴을 감지하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 방법의 일실시예로, 웰의 전위는 감지구조물이 제 1 전위에 있는 것과 동시에 웰이 제 3 전위에 있고; 감지구조물이 제 2 전위에 있는 것과 동시에 웰이 제 4 전위에 있는 식으로 변경될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 방법은 복수의 인접한 감지소자들의 각 감지구조물의 전위를 제 7 전위에서 제 8 전위로 변경하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제 7 전위 및 상기 제 8 전위 간의 차이는 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차이와 실질적으로 같다.
이로써, 감지구조물과 인접한 감지소자들의 감지구조물 간에 기생 정전용량의 영향이 제거되거나 적어도 상당히 감소될 수 있다.
본 발명의 제 2 태양을 통해 얻은 효과 및 다른 실시예들은 본 발명의 제 1 태양에 대해 상술한 바와 대개 유사하다.
요약하면, 본 발명은 반도체 기판 및 상기 반도체 기판에 형성된 감지소자 어레이를 포함한 정전용량식 지문감지장치에 관한 것이다. 감지소자들 각각은 보호 유전체 상단층; 상단층 아래에 설비된 감지구조물; 및 감지구조물에 연결된 전하증폭기를 포함한다. 전하증폭기는 감지구조물에 연결된 음의 입력부; 양의 입력부; 감지신호를 제공하는 출력부; 피드백 커패시터; 및 음의 입력부를 구성하는 게이트를 갖는 감지 트랜지스터를 포함한다. 감지 트랜지스터는 반도체 기판내 절연 웰에 형성된다. 지문감지장치는 감지구조물과 웰의 전기적 전위를 변경하기 위해 전하증폭기의 양의 입력부와 웰에 연결된 여기신호 제공회로를 더 포함하며, 이로써 감지소자에서 기생 정전용량의 영향을 줄인다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 첨부도면을 참조로 본 발명의 이들 및 기타 측면들을 더 상세히 설명한다:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 지문감지장치에 대한 애플리케이션을 개략적으로 예시한 것이다.
도 2는 도 1의 지문감지장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a는 도 2의 지문감지장치의 일부의 개략 횡단면도이다.
도 3b는 지문감지장치에서 다양한 정전용량을 도시한 도 3a의 횡단면도의 일부에 대한 확대도이다.
도 4a는 도 2의 지문감지장치에 포함된 감지소자의 부분 구조도 및 부분 회로 개략도의 혼합이다.
도 4b는 고차 심볼을 이용해 전하증폭기가 도시된 도 4a의 버전이다.
도 5는 n-웰을 포함한 도 4a에서 감지소자의 일부의 개념적 횡단면도이다.
도 6은 iso-웰을 포함한 도 4a에서 감지소자의 일부의 개념적 횡단면도이다.
도 7a-c는 '구동'상태 및 '감지'상태 간에 도 4a에서 감지소자를 제어하는 것을 개략 도시한 타이밍 도표이다.
도 8a-c는 감지소자로부터 출력된 감지 구조물/우물 및 해당 감지신호에 제공된 신호를 개략 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
본 상세한 설명에서, 전하증폭기에 포함된 감지 트랜지스터가 형성된 웰과 전하증폭기의 양의 입력부가 함께 연결되고 이에 따라 (전기접지와 같이 기준전위에 관한) 동일한 시간가변 전위를 따르도록 회로를 제공한 여기신호에 의해 제어된 지문감지장치를 참조로 본 발명에 따른 지문감지장치 및 방법의 다양한 실시예들을 주로 설명한다. 감지구조물(플레이트) 및 지문감지장치에 있는 하부 구조물 간에 실딩 플레이트도 또한 전하증폭기의 양의 입력부에 연결된다. 더욱이, 피드백 커패시터는 감지 플레이트, 상술한 실딩 플레이트와 동일한 금속층에 있는 기준 플레이트 및 감지 플레이트와 기준 플레이트 사이에 유전체층에 의해 형성된다. 게다가, 지문감지장치는 정주한 손가락으로부터 지문표현을 획득하도록 치수화되고 구성된 터치센서로 도시되어 있다.
이는 결코 각각에 대한 전위 스텝이 실질적으로 같은 한 전하증폭기, 상술한 웰 및/또는 실딩 플레이트의 양의 입력부의 전위들이 다른 전위들 사이에서 변하는, 가령, 지문감지장치를 동일하게 잘 포함한 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아님에 주목해야 한다. 더욱이, 피드백 커패시터는 감지소자에서 다른 구조물들을 이용해 형성될 수 있다. 예컨대, 감지소자는 감지 트랜지스터의 게이트와 드레인이 피드백 커패시터로서 사용될 수 있도록 구성될 수 있다. 움직이는 손가락으로부터 지문표현을 획득하기 위한 소위 스와이프 트랜지스터(또는 라인 센서)와 같은 다른 센서 어레이 구성들도 또한 특허청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있다.
도 1은 통합형 지문감지장치(2)를 갖는 휴대폰(1) 형태의 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 지문감지장치에 대한 애플리케이션을 개략 도시한 것이다. 지문감지장치(2)는, 가령, 휴대폰(1)을 잠금해제 및/또는 휴대폰을 이용해 실행된 거래 등을 승인하기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 도 1의 휴대폰(1)에 포함된 지문감지장치(2)를 개략 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 지문감지장치(2)는 센서 어레이(5), 전원 인터페이스(6), 및 통신 인터페이스(7)를 포함한다. 센서 어레이(5)는 매우 많은 감지소자들(8)을 포함하고(도면을 혼동스럽게 하지 않기 위해 감지소자들 중 하나만 참조부호로 나타내었다), 각 감지소자는 감지소자(8)에 포함된 감지구조물(상단 플레이트) 및 센서 어레이(5)의 상단면과 접촉한 손가락 표면 간에 거리를 감지하도록 제어될 수 있다. 도 2의 센서 어레이(5)의 확대부에서, 제 1 감지소자는 감지에 대해 'S'로 표시되고 이웃한 감지소자들의 제 2 그룹은 구동을 위해 'D'로 표시된다.
전원 인터페이스(6)는 공급전압(Vsuppl)을 연결하기 위해 지문센서(2)에 본드패드로 도시된 제 1 및 제 2 접촉패드(10a,10b)를 포함한다.
통신 인터페이스(7)는 지문센서(2)의 제어를 허용하고 지문센서(2)로부터 지문데이터의 획득하기 위한 많은 본드패드들을 포함한다.
도 3a는 손가락(11)이 센서 어레이(5)의 상단에 놓인 도 2에 나타낸 선 A-A'를 따라 도 2의 지문감지장치(2)의 일부에 대한 개략 횡단면도이다. 도 3a를 참조하면, 지문감지장치(2)는 도핑된 반도체 기판(12), 반도체 기판(12)에 형성된, 복수의 감지소자들(8) 및 감지소자들의 상단에 보호코팅(13)을 포함한다. 손가락(11)의 표면은 보호코팅(13)과 접촉하는 융선들(14)과 보호코팅(13)에서 떨어져 있는 골들(15)을 포함한다.
도 3a에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 각 감지소자(8)는 보호코팅(13)에 인접한 감지 플레이트(17)의 형태로 감지 구조물을 포함한다. 감지 플레이트(17) 아래에 도 3a에서 빗금친 영역(18)으로 개략적으로 표시된 추가 금속구조물과 반도체 회로가 있다.
도 3a는 보호코팅(13), 감지소자들(8) 및 손가락(11)의 유선(14)과 골(15)의 상대 치수를 나타내기 위해 대략적인 비율로 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 보호코팅(13)은 마모 및 파열과 ESD로부터 감지소자를 보호하기 위해 오히려 두껍다. 말할 필요도 없이, 보호코팅(13)은 지문감지장치(2)의 강건성에 중요하다. 도 3a에서 상대 치수로부터 감지구조물(17)과 손가락(11) 간에 정전용량은, 특히, 감지 플레이트(17)와 상기 감지 플레이트(17)에 인접한 다른 도전성 구조물들 간에 기생 정전용량에 비해 매우 작은 것을 또한 안다. 이런 도전성 구조물의 예들은 이웃한 감지 플레이트들, 상술한 추가 금속구조물들, 능동 반도체 회로(18) 및 기판(12)을 포함한다.
도 3b에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 감지소자(8)는 감지 플레이트(17) 이외에, 실딩 플레이트(20), 기준 플레이트(21), 및 전하증폭기(22)를 포함한다. 도 3b에서 전하증폭기(22)는 유일하게 아주 개략적으로 점선으로 나타나 있다. 더 세부적으로 도시된 유일한 전하증폭기(22)의 일부는 감지 플레이트(17)가 연결된 센서 트랜지스터(MOSFET)(23)이다. 이런 타입의 도면에 대한 이유는 감지소자(8)에 영향을 주는 가장 중요한 기생 정전용량의 표시를 하도록 하기 위해서이다.
감지 플레이트(17)와 손가락(11) 간에 손가락 정전용량(Cf), 감지 플레이트(17)와 기준 플레이트(21) 간에 손가락 정전용량(Cref), 감지 플레이트(17)와 실딩 플레이트(20) 간에 제 1 기생 정전용량(Cp1), 감지 플레이트와 실딩 플레이트 간에 제 2 기생 정전용량(Cp2), 감지 플레이트와 감지 트랜지스터(23)가 (실제로 웰 및 감지 트랜지스터(23)의 게이트와 감지 플레이트(17)를 연결한 라인 사이에) 형성된 웰 간에 제 3 기생 정전용량(Cp3)가 도 3b에 나타나 있다. Cp3는 또한 감지 트랜지스터 그 자체에 내부 커패시터들을 포함한다.
도 3a-b에서 강건한 지문감지장치(2)를 이용해 고품질의 지문감지를 달성하기 위해, 감지 플레이트(17)에 대한 기생 정전용량의 영향을 없애거나 적어도 줄이는 것이 가장 중요하다. 이는 도 3b에서 다양한 정전용량들의 대략 크기 비교를 기초로 명확히 이해될 것이다. 기생 정전용량(Cp1)은 100fF 크기이고, Cp2은 10fF 크기이며, Cp3은 5-10fF 크기인 반면, 손가락 정전용량(Cf)은 0.1fF 크기로 감지된다.
도 4a-b를 참조로 다양한 기생 정전용량의 영향을 없애거나 적어도 상당히 줄이기 위해 감지소자(8)의 예시적인 구성을 설명한다.
도 4a는 도 3a-b의 감지소자(8)의 부분 구조도 및 부분 회로 개략도의 혼합이다. 보호코팅(13), 감지 플레이트(17), 실딩 플레이트(20) 및 기준 플레이트(21)가 분해 사시도로 개략 도시된 반면, 전하증폭기(22)는 트랜지스터 레벨 회로 구성도 형태로 도시되어 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 간단한 제 1 예의 전하증폭기(22)는 감지 트랜지스터(23), 캐스코드 트랜지스터(27), 리셋 트랜지스터(28), 및 바이어스 전류소스(29)를 포함한다. 감지 트랜지스터(23), 캐스코드 트랜지스터(27) 및 리셋 트랜지스터(28)는 모두 동일한 웰(25)에 형성된다.
도 4a에서 부분과 연결을 이해하도록 돕기 위해, 동일한 구성도가 또한 음의 입력부(30)는 감지 플레이트(17)에 연결되고, 양의 입력부(31)는 여기서 펄스 발생기 형태의 여기신호 공급회로(32)에 연결되고, 출력부(33)는 손가락(11)과 감지 플레이트(17) 간에 전위차의 변화로 인해 발생한 감지 플레이트(17)에 의해 운반된 전하의 변화를 나타내는 감지신호(Vout)을 제공하는 전하증폭기에 대한 전반적인 심볼로 대체된 도 4a의 트랜지스터 회로와 함께 더 추상적인 수준으로 도 4b에 도시되어 있다. 손가락(11)과 감지 플레이트(17) 간에 전위차의 변화는 전하증폭기를 통해 펄스 발생기(32)에 의해 감지 플레이트(17)에 가해진 가변 전위로 인해 발생한다. 감지 플레이트(17)와 기준 플레이트(21)에 의해 형성된 피드백 커패시터는 전하증폭기(22)의 음의 입력부(30)와 출력부(33) 사이에 연결된다. 전하증폭기의 전체 기능은 관련된 기술분야에서 통상적인 기술 중 하나로 잘 알려져 있음에 유의해야 한다. 도 4b는 또한 웰(25)이 여기신호 공급회로(32)에 연결된 것을 개략적으로 나타낸다.
도 4a로 돌아가서, 감지 트랜지스터(23)의 게이트는 전하증폭기(22)의 음의 입력부(30)를 구성하고 감지 트랜지스터(23)의 소스는 전하증폭기(22)의 양의 입력부(31)를 구성하는 것을 알 수 있다. 전하증폭기(22)의 양의 입력부(31)는 실딩 플레이트(20)에 연결되고, 차례로 상기 실딩 플레이트는 감지 트랜지스터(23)가 형성된 웰(25) 및 펄스 발생기(32)에 연결된다.
감지소자(8)는 구동 트랜지스터(26), 구동제어스위치(35), 및 리셋제어스위치(36)를 더 포함한다. 구동제어스위치(35)는 구동 트랜지스터(26)의 게이트가 펄스 발생기(32)에 연결된 제 1 상태와 구동 트랜지스터(26)의 게이트가 접지된 제 2 상태 사이를 제어할 수 있다. 구동제어스위치(35)가 제 1 상태에 있을 때, 구동 트랜지스터(26)는 도전되며 따라서 감지 구조물(17)을 직접 펄스 발생기(32)에 연결한다. 구동제어스위치가 제 2 상태에 있을 때, 구동 트랜지스터(26)는 비도전적이게 된다. 제 2 상태에 있을 경우, 따라서 감지 구조물(17)과 펄스 발생기(32) 간에 구동 트랜지스터(26)를 통해 직접연결이 없게 된다. 도 4a에서 알 수 있는 바와 같이, 구동 트랜지스터(26)는 웰(25)에 형성된다. 바이어스 전류소스(29)가 감지소자 안에 또는 센서 어레이(5) 밖에 있을 수 있다.
동일한 방식으로, 리셋제어스위치(36)는 리셋 트랜지스터(28)가 감지 플레이트(17)와 피드백 플레이트(21) 간에 전위차를 허용하도록 비도전적인 제 1 상태 및 리셋 트랜지스터(28)가 감지 플레이트(17)와 피드백 플레이트(21) 간에 전위를 동일하게 하도록 도전적인 제 2 상태 사이를 제어할 수 있다.
도 4a에서 감지소자(8)의 구성을 통해, 내부 기생 정전용량(Cp1 및 Cp3)의 영향은 제거되거나 적어도 상당히 감소된다. 더욱이, 이웃한 구동감지구조물들도 도 3b에 나타낸 이웃한 감지 플레이트들(17) 간에 기생 정전용량(Cp2)의 영향을 제거하거나 적어도 상당히 줄인다. 이는 이웃한 감지소자들 중 어느 하나가 '감지'상태 또는 '구동'상태에 있게 제어함으로써 달성될 수 있고, '구동'상태는 지문감지장치(2)의 낮은 전류소비를 제공하는 이점이 있다.
본 발명은 도 4a의 특별한 감지소자 설계에 국한되지 않으나, 감지소자의 다양한 소자들이 본원에 기초한 해당기술분야의 통상적인 기술 중 하나로 쉽게 명백해지는 다른 많은 방식들로 구현될 수 있음에 유의해야 한다. 예컨대, 전하증폭기는 다른 입력부들과 함께 2단 증폭기 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들의 이해를 더 돕기 위해, 도 4a에서 감지소자(8)의 제 1 구현의 또 다른 횡단면이 도 5에 제공된다. 도 5의 도면은 전하증폭기(22)에 포함된 몇몇 트랜지스터들(감지 트랜지스터(23) 및 캐스코드 트랜지스터(27)의 물리적 트랜지스터 구성이 도시된 반면, 감지소자(8)의 다양한 부분들의 전위를 고려한 관계들은 개념상 "부트스트랩들"(50,51,52)을 이용해 표시되는 점에서 도 4a의 도면과 크게 다르다.
도 5의 주요 목적은 감지 플레이트(17)의 전위를 따르도록 제어되는 상술한 웰(25)이 본 명세서에서 p도핑된 기판(12)에 형성된 n-웰인 것을 나타내는 것이다. 명백히, 웰(25)은 대안으로 n도핑된 기판에 형성된 p-웰일 수 있다.
도 6은 도 5와 유사한 도면이며 도 4a의 감지소자(8)의 제 2 구현을 개략적으로 도시한 것으로, n-웰(25) 및 p-웰(54)이 기판(12)에 형성된 (n도핑되거나, p도핑되거나, 도핑되지 않을 수 있는) iso-웰(55)에 모두 형성된 점에서 도 6에 도시된 것과는 다르다. 이 구현에서, iso-웰(55) 뿐만 아니라 n-웰(25) 및 p-웰(54)은 "부트스트랩"(53,54)으로 개략적으로 도시된 바와 같이 감지 플레이트(17)의 전위를 따르도록 제어된다. 특히, 웰들 간에 전위차가 있을 수 있다.
예컨대, 도 6을 참조하면, iso-웰(55) 및 n웰(25)은 동일한 전위로 유지될 수 있는 반면, p웰(54)의 전위는 iso-웰/n-웰의 전위를 따를 수 있으나 다른(대표적으로 더 낮은) 전위를 따를 수 있다.
도 7a-c 및 도 8a-c의 기능 타이밍도를 참조로 본원의 다양한 실시예에 따른 지문감지장치(2)의 예시적인 동작을 설명한다.
도 4a를 또한 참조하면, 도 7a는 웰(25)(및 오프세트된 감지 플레이트(17))의 행동 전위를 개략 도시한 것이고, 도 7b는 구동제어스위치(35)의 상태를 개략 도시한 것이며, 도 7c는 리셋제어스위치(36)의 상태를 개략 도시한 것이다.
도 7a-c에서 t0에서 t1까지, 감지소자(8)는 t1에서 '구동'상태에 있고, 감지소자(8)는 t2에서 구동제어스위치(35)를 작동시킴으로써 '감지'상태에 있으며, 감지소자(8)는 구동 트랜지스터(26)를 통해 펄스 발생기(32)에 감지 플레이트(17)를 연결하도록 구동제어스위치를 다시 작동시킴으로써 '구동'상태로 다시 전환된다.
도 7a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 웰(25)(및 감지 플레이트(17))은 '감지'상태와 '구동'상태에서 실질적으로 동일한 행동을 갖는 시간가변 전위를 나타낸다. '구동'상태에서, 시간가변전위는 구동 트랜지스터(26)를 통해 감지 플레이트(17)에 가해지고, '감지'상태에서, (가능하게는 전하증폭기 구성에 따라 오프세트된) 시간가변전위는 전하증폭기(22)를 통해 감지 플레이트(17)에 가해진다.
도 7c에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 리셋제어스위치(36)는 감지소자(8)가 '구동'상태에 있을 때 리셋 트랜지스터(28)를 비도전성으로 유지하고 감지소자(8)가 '감지'상태에 있을 때 도전과 비도전 사이를 교번하도록 제어된다. 아래의 도 8a-c를 참조로 감지동안 감지 플레이트(17)에 가해진 여기신호와 리셋 트랜지스터(27)의 동작 간에 예시적인 타이밍 관계를 설명한다.
도 8a는 도 7a의 확대부이고, 도 8b는 감지신호, 즉, 도 4a의 전하증폭기(22)의 출력부(33)에서의 신호의 시뮬레이션을 개략 도시한 것이며, 도 8c는 (도 4a의 전하증폭기(22)에 대한 로컬 기준전위인)웰(25)에 가해진 신호보다는 (접지와 같은) 고정된 기준전위를 말하는 감지신호의 시뮬레이션된 "보정"신호를 개략적으로 도시한 것이다.
먼저 도 8a를 참조하면, 감지 플레이트(17)에 가해진 여기신호는 t3에서 로우에서 하이 전위로 가고, 그런 후 t4에서 다시 하이에서 로우로 간다. t3에서, 리셋제어스위치(36)는 리셋 트랜지스터(28)을 도전적이게 하도록 동작한다. 즉, 리셋 트랜지스터(28)를 통해 기준 플레이트(21)를 감지 플레이트(17)에 연결한다. t5에서, 리셋제어스위치(36)는 리셋 트랜지스터(28)을 비도전적이게 하도록 동작한다. 즉, 감지 플레이트(17) 상에 전하가 바뀌면 출력이 신호를 나타내는 이와 같은 상태로 전하증폭기를 이르게 한다. t6에서, 감지신호는 제 1 시간으로 샘플화되고, 제 1 샘플화 값(S1)이 된다. 여기신호가 t4에서 하이에서 로우로 가면, 이는 (적어도 샘플링 이벤트의 타임 스케일에 대한) 실질적으로 고정된 전위에 있는 것으로 추정되는 손가락(11)과 정전용량 결합으로 인해 발생한 감지 플레이트(17) 상의 전하에 변화가 있게 될 것이다. 전하에서의 이런 변화는 전하증폭기에 의해 제공된 전압에서의 변화, 즉, 감지신호(Vout)에서의 변화로 전환된다. 여기신호의 하이에서 로우로 전환에 이어 t7에서 감지신호의 전위(S2)가 샘플화된다. 도 4a로부터 명백한 바와 같이, 감지신호는 웰의 전위와 관련 있다(도 8a). '보정된' 감지신호(도 8c)를 얻기 위해, 여기신호는 전하증폭기(22)의 출력(33)에 있는 감지신호로부터 빼질 수 있어, 전압이 보정되어 샘플화(S1' 및 S2')된다. S1' 및 S2' 간의 차이는 감지 플레이트(17)와 손가락(11) 간의 정전용량 결합을 나타내는 측정이다.
도 8c의 보정신호와 적어도 보정된 샘플들은 가령 계측 증폭기의 사용을 통해 또는 샘플링 커패시터용의 기준 전압으로서 여기신호를 이용해 다양한 방식으로 얻어질 수 있다.
도 9의 흐름도를 참조로 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예를 설명한다. 제 1 단계(101)에서, 감지 플레이트(17), 실딩 플레이트(20), 웰(도 6의 n웰 또는 도 7의 iso-웰(54)) 및 이웃한 감지 플레이트들의 전위들은 제 1 전위(V1)에서 제 2 전위(V2)로 동시에 변경된다(이들 전위들 모두를 전기 접지와 같은 고정 전위라 한다). 연이은 단계(102)에서, 감지신호(Vout)가 제공되며, 이는 단계(101)에서 전위 변화로 인해 발생한 감지 플레이트(17)와 손가락(11) 간의 전위차의 변화로 인해 감지 플레이트(17)에 의해 전달된 전하의 변화를 나타낸다.
당업자는 본 발명이 결코 상술한 바람직한 실시예들에 국한되지 않음을 안다. 반대로, 특허청구범위 내에서 많은 변형 및 변경들이 가능하다.
청구항에서, "포함하는"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사 "a" 또는 "an"도 복수를 배제하지 않는다. 하나의 프로세서 또는 다른 유닛은 청구항에 언급된 여러 항목들의 기능들을 수행할 수 있다. 소정의 수단들이 서로 다른 종속항에서 언급된 사실은 이들 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없을 나타내지 않는다. 컴퓨터 프로그램 제품이 다른 하드웨어와 함께 또는 다른 하드웨어의 일부로서 제공된 광학저장매체 또는 고체상태매제와 같은 적절한 매체에 저장/배포될 수 있으나, 가령 인터넷 또는 기타 유무선 통신을 통해 다른 형태로 또한 배포될 수 있다. 청구항에서 임의의 참조부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (15)

  1. 반도체 기판 및 상기 반도체 기판에 형성된 감지소자 어레이를 포함한, 손가락의 지문패턴을 감지하기 위한 정전용량식 지문감지장치로서,
    상기 감지소자 어레이들 각각은:
    상기 손가락에 의해 터치되는 보호 유전체 상단층;
    상기 상단층 아래에 설비된 전기도전성 감지구조물; 및
    상기 손가락과 상기 감지구조물 간에 전위차의 변화로 인해 발생한 상기 감지구조물에 의해 전달된 전하의 변화를 나타내는 감지신호를 제공하기 위해 상기 감지구조물에 연결된 전하증폭기를 포함하고,
    상기 전하증폭기는:
    상기 감지구조물에 연결된 음의 입력부;
    양의 입력부;
    상기 감지신호를 제공하는 출력부;
    상기 음의 입력부와 상기 출력부 간에 연결된 피드백 커패시터; 및
    상기 음의 입력부를 구성하는 게이트를 갖는 감지 트랜지스터를 포함하며,
    상기 감지 트랜지스터는 상기 반도체 기판내 웰에 형성되고, 상기 웰과 상기 기판 간의 인터페이스는 상기 웰과 상기 기판 간에 전류가 흐르는 것을 막을 수 있는 식으로 구성되며,
    상기 전하증폭기는 상기 음의 입력부에서의 전위가 실질적으로 상기 양의 입력부에서의 전위를 따르는 식으로 구성되고,
    상기 지문감지장치는:
    여기신호 제공회로를 더 포함하고,
    상기 여기신호 제공회로는:
    상기 양의 입력부에 연결되고 상기 양의 입력부에서의 전위를 제 1 전위에서 제 2 전위로 변경하도록 구성됨으로써, 상기 감지구조물의 전위를 변경하고, 이로써 상기 손가락과 상기 감지구조물 간의 전위차에서의 상기 변화를 제공하며,
    제 3 전위에서 제 4 전위로 상기 웰의 전위를 변경하기 위해 상기 웰에 연결되고, 상기 제 3 전위 및 상기 제 4 전위간의 차이는 실질적으로 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차와 같으므로, 상기 감지구조물과 상기 웰 간의 기생 정전용량의 영향을 줄이는 정전용량식 지문감지장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 여기신호 제공회로는:
    전하증폭기의 상기 양의 입력부를 제 1 전위로 그리고 상기 웰을 제 3 전위로 동시에 유지하고;
    전하증폭기의 상기 양의 입력부를 제 2 전위로 그리고 상기 웰을 제 4 전위로 동시에 유지하도록 더 구성되는 정전용량식 지문감지장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전하증폭기의 상기 출력부에 연결되고, 전하증폭기의 상기 양의 입력부가 제 1 전위로 유지되고 상기 웰이 제 3 전위로 유지될 때 제 1 샘플링 타임에서 그리고 전하증폭기의 상기 양의 입력부가 제 2 전위로 유지되고 상기 웰이 제 4 전위로 유지될 때 제 2 샘플링 타임에서 상기 감지신호를 샘플링하도록 구성되는 샘플링 회로를 더 구비하는 정전용량식 지문감지장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 전위는 실질적으로 제 1 전위와 같고, 제 4 전위는 실질적으로 제 2 전위와 같은 정전용량식 지문감지장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기신호 제공회로는 상기 양의 입력부에서의 전위와 상기 웰의 전위를 제 1 전위에서 제 2 전위로 동시에 변경하기 위해 상기 양의 입력부와 상기 웰 각각에 연결된 출력부를 포함하는 정전용량식 지문감지장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지구조물과 상기 기판 사이에 설비된 실딩 구조물을 더 포함하고,
    상기 여기신호 제공회로는 상기 실딩 플레이트에 더 연결되며 상기 실딩 플레이트의 전위를 제 5 전위에서 제 6 전위로 변경하도록 구성되고, 상기 제 5 전위 및 상기 제 6 전위 간의 차이는 실질적으로 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차이와 같은 정전용량식 지문감지장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 트랜지스터는 NMOS 트랜지스터 또는 PMOS 트랜지스터이고, 상기 웰은 각각 p-웰 또는 n-웰인 정전용량식 지문감지장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    p-웰 및 n-웰 중 적어도 하나가 상기 웰에 형성되는 정전용량식 지문감지장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 웰은 복수의 감지소자들에 공통인 정전용량식 지문감지장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지소자들 각각은:
    전하증폭기의 상기 음의 입력부와 상기 출력부 간에 연결되고 상기 피드백 커패시터를 방전시키도록 제어할 수 있는 적어도 하나의 리셋 트랜지스터를 구비한 리셋 스위치를 더 구비하고,
    상기 리셋 트랜지스터는 상기 웰에 형성된 정전용량식 지문감지장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지소자들 각각은:
    상기 감지구조물에 연결되고 상기 감지구조물에 직접 구동신호를 제공하도록 제어할 수 있는 적어도 하나의 구동 트랜지스터를 구비한 구동신호 제공회로를 더 포함하고,
    상기 구동 트랜지스터는 상기 웰에 형성된 정전용량식 지문감지장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지소자들 각각에 연결되고 상기 감지소자들 각각으로부터의 상기 감지신호를 기초로 상기 지문패턴의 표현을 제공하도록 구성된 판독회로를 더 포함한 정전용량식 지문감지장치.
  13. 제 12 항에 따른 지문감지장치; 및
    지문감지장치로부터 상기 지문패턴의 상기 표현을 획득하고, 상기 표현을 기초로 사용자를 인증하며, 상기 사용자가 상기 표현을 기초로 인증될 경우에만 적어도 하나의 사용자 요청 프로세스를 수행하도록 구성된 처리회로를 구비하는 전자디바이스.
  14. 도핑된 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판에 형성된 감지소자 어레이를 포함한 지문감지장치를 이용해 손가락의 지문패턴을 감지하는 방법으로서,
    상기 감지소자들 각각은 상기 반도체 기판에 있는 웰에 형성된 감지 트랜지스터의 게이트에 연결된 전기 도전성 감지구조물을 포함하고, 상기 웰은 상기 반도체 기판에 대해 반대 극성으로 도핑되며, 상기 방법은 상기 감지소자들 각각에 대해:
    상기 감지구조물의 전위를 제 1 전위에서 제 2 전위로 변경하는 단계;
    상기 웰의 전위를 제 3 전위에서 제 4 전위로 변경하는 단계; 및
    제 1 전위에서 제 2 전위로 감지구조물의 전위에서의 상기 변경에 의해 달성된 상기 손가락과 상기 감지구조물 간에 전위차의 변화로 인해 발생한 상기 감지구조물에 의해 전달된 전하의 변화를 나타내는 감지신호를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 제 3 전위 및 상기 제 4 전위 간의 차이는 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차이와 실질적으로 같은 손가락의 지문패턴을 감지하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    복수의 인접한 감지소자들의 각 감지구조물의 전위를 제 7 전위에서 제 8 전위로 변경하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 7 전위 및 상기 제 8 전위 간의 차이는 상기 제 1 전위 및 상기 제 2 전위 간의 차이와 실질적으로 같은 손가락의 지문패턴을 감지하는 방법.
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