KR20160144453A - 화소내 광학 센서를 구비한 지문 센서 - Google Patents

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멩타 양
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선전 후이딩 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
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Abstract

한 국면에 있어서, 지문 검출을 위한 지문 센서 장치는 어떤 파장의 빛을 방출하도록 구성된 광원을 포함한다. 지문 센서 장치는 지문을 나타내는 광학 이미지를 취득하는 센서 행렬의 화소를 포함한다. 각 센서 화소는 목표 손가락에서 반사된 방출광을 검출하여 검출된 반사광에 따른 광학 신호를 출력하는 광검출기를 포함한다. 각 센서 화소는 광검출기 위에 위치하여 광검출기 위로부터 광검출기를 향해 거의 수직방향으로 반사광을 지향시키는 집속기를 포함한다. 각 센서 화소는 광검출기에 소통 가능하게 결합되어 출력된 광학 신호를 취득하는 센소 신호 검출 회로를 포함한다.

Description

화소내 광학 센서를 구비한 지문 센서{FINGERPRINT SENSORS HAVING IN-PIXEL OPTICAL SENSORS}
관련 출원과의 상호참조
본원은 전체적 내용이 본원에 참고로 포함된 2014년 12월 24일 출원된 미국 특허출원 제14/583,048호와 2014년 11월 12일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/078,427호에 대해 우선권을 주장한다.
기술분야
본원은 지문 센서(fingerprint sensor)들에 관련된 것이다.
랩탑, 태블릿, 스마트폰, 그리고 게임 시스템 같은 휴대용 또는 모바일 연산 장치를 포함하는 전자 장치들은 개인 정보를 보호하고 인가되지 않은 근접을 방지하기 위해 사용자 인증 메커니즘(user authentication mechanism)을 채용할 수 있다. 전자장치에 대한 사용자 인증은, 단독이거나 통상적인 패스워드 인증 방법에 부가되는 하나 또는 복수 형태의 생체 식별자(biometric identifier)를 통해 수행될 수 있다. 생체 식별자의 일반적 형태는 사용자의 지문 패턴이다. 사용자의 지문 패턴을 판독하는 지문 센서가 전자 장치에 내장되어 인가된 사용자의 지문 패턴의 인증을 통해 장치가 해제(unlock)되도록 할 수 있다.
이 특허 문헌에 기재된 구현예들은 지문을 감지하는 광학 센서 또는 지문을 감지하기 위한 용량 센서(capacitive sensor) 등의 다른 방식의 지문 센서의 조합을 사용하는 지문 센서 설계를 제공한다. 기재된 지문 센서는 다양한 장치, 시스템 또는 응용장치에 사용될 수 있으며, 모바일 응용장치, 그리고 다양한 웨어러블(wearable) 또는 휴대용 장치에 특히 적합하게 구성될 수 있다.
한 국면에 있어서, 지문 검출을 위한 지문 센서 장치는 어떤 파장(a wavelength)으로 빛을 방출하도록 구성된 광원(light source)을 포함한다. 지문 센서 장치는 지문을 나타내는 광학 이미지(optical image)를 취득하기 위한 센서 화소(sensor pixel)의 행렬(array)을 구비한다. 각 센서 화소는 목표 손가락(target finger)에 반사된 방출광을 검출하여 검출된 반사광에 따른 광학 신호를 출력하는 광검출기(photodetector)를 포함한다. 각 센서 화소는 각 광검출기 상에 위치하여 반사광을 광검출기 상의 거의 수직 방향으로부터 광검출기로 지향(direct)시키는 집속기(collimator)를 포함한다. 각 센서 화소는 광검출기에 소통 가능하게(communicatively) 결합되어 출력된 광학 신호를 취득하는 센서 신호 검출 회로를 포함한다.
지문 센서는 하나 이상의 다음 특징들을 포함하는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 광검출기는 발광 다이오드(light emitting diode)를 포함할 수 있다. 집속기는 금속 전극을 관통하는 구멍을 형성하는 구조의 금속 전극을 포함할 수 있다. 집속기는 광섬유 다발(optical fiber bundle)을 포함할 수 있다. 센서 화소의 행렬은 손가락의 접촉부(touched portion)와 용량적으로 결합(capacitively couple)되어 지문을 나타내는 용량값을 가지는 지문 관련 캐패시터(capacitor)들의 행렬을 형성한다. 각 센서 화소는 손가락의 접촉부의 국부적 부분(local part)에 용량 결합되는 도전성 전극을 포함하여, 용량성 신호를 출력하는 지문 관련 캐패시터를 형성한다. 각 센서 화소는 센서 신호 검출회로를 광검출기와 도전성 전극의 전기적 연결 간을 스위칭(switching)하는 센서 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 센서 스위칭 회로는 센서 스위칭 회로에 전기적으로 결합되어 사용자에 의한 접촉에 따른 지문 관련 캐패시터와 관련된 전하(electrical charge)를 저장하는 적분기(integrator)를 포함할 수 있다. 적분기는 기준 전압(reference voltage)을 생성(generate)하는 기준 전압 생성기를 포함할 수 있다. 적분기는 기준 전압 생성기에 전기적으로 결합되어 기준 전압을 수신하는 양의(positive) 입력 단자와; 센서 스위칭 회로에 전기적으로 결합된 음의(negative) 입력 단자와; 그리고 출력 단자를 가지는 증폭기(amplifier)를 포함할 수 있다. 적분 캐패시터(integrating capacitor)가 증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 사이에 전기적으로 결합될 수 있다. 또한 리셋 스위치가 증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 사이에 전기적으로 결합될 수 있다. 기준 전압 생성기는 생성되는 기준 전압을 변경시킬 수 있다. 기준 전압 생성기는 생성되는 기준 전압을 변경시키기 위한 디지털 아날로그 변환기를 포함할 수 있다. 지문 관련 캐패시터에 관련된 용량성 신호는 손가락의 산 또는 골(ridge or a valley)에 관한 정보를 나타낼 수 있다.
다른 국면에 있어서, 지문 식별(fingerprint identification)을 위한 지문 센서 장치는 손가락의 접촉부의 지문 패턴을 포착(capture)하도록 작동될 수 있는 전기적으로 연결된 센서 화소 회로의 그룹들을 형성하도록 배열된 센서 화소 회로의 행렬을 포함한다. 행렬 내의 각 센서 화소 회로는 어떤 파장의 빛을 방출하는 광원을 포함한다. 각 센서 화소는 손가락의 접촉부에 반사된 방출된 빛을 검출하는 광검출기를 포함한다. 각 센서 화소 회로는 손가락의 접촉부의 국부적 부분과 용량 결합되어 지문 관련 캐패시터를 형성하는 도전성 전극을 포함한다. 도전성 전극은 광검출기의 거의 위에 배치되고, 도전성 전극을 관통하여 반사광을 도전성 전극의 위로부터 수직 방향으로 광검출기를 향해 대략 집속시키는 구멍을 형성하도록 구성된다.
지문 센서 장치는 하나 이상의 다음 특징을 포함하는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 행렬 내의 각 센서 화소는 센서 신호 검출 회로를 광검출기와 도전성 전극으로의 전기적 연결 간을 스위칭하는 센서 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 센서 신호 검출 회로는 센서 스위칭 회로를 통해 광검출기에 전기적으로 연결되었을 때 광검출기로부터 광학 신호를 취득하고, 도전성 전극에 연결되었을 때 도전성 전극으로부터 용량성 신호를 취득할 수 있다. 센서 신호 검출 회로는 사용자의 손가락의 접촉에 따라 지문 관련 캐패시터에 대전된(charged) 전하(electric charge)를 저장하는 적분기를 포함할 수 있다. 적분기는 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성기를 포함할 수 있다. 적분기는 기준 전압 생성기에 전기적으로 결합되어 기준 전압을 수신하는 양의 입력 단자와; 센서 스위칭 회로에 전기적으로 결합된 음의 입력 단자와; 그리고 출력 단자를 가지는 증폭기를 포함할 수 있다. 집적 캐패시터가 증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 사이에 전기적으로 결합될 수 있다. 또한 리셋 스위치가 증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 사이에 전기적으로 결합될 수 있다. 지문 센서 장치는 각 센서 화소 회로 내의 센서 스위칭 회로에 결합된 제어 모듈(control module)을 포함할 수 있다. 제어 모듈은 행렬 내의 각 센서 화소를 제어하여 행렬 내의 각 센서 화소 회로의 출력 신호를 병렬로 적분하도록 하는 제어 신호를 생성할 수 있다.
또 다른 국면에서, 지문 센서 장치에 의해 수행되는 방법은, 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로의 행렬에 의해 지문 스캔을 나타내는 손가락으로부터의 접촉에 관련된 캐패시턴스(capacitance)를 검출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로의 행렬에 의해 손가락으로부터의 접촉에 관련된 광학 신로를 검출하는 단계와; 그리고 센서 화소 회로의 행렬에 의해 검출된 캐패시턴스와 광학 신호에 따른 출력 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
이 방법은 하나 이상의 다음 특징들을 포함하는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이 방법은 지문 식별을 수행하기 위해 출력 신호를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 출력 신호의 처리 단계는 지문의 광학 이미지와 지문의 용량 이미지를 취득하기 위해 출력 신호를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 취득된 광학 이미지와 용량 이미지를 지문 식별 동안 스캔된 지문과 비교하기 위한 두 종류의 등록된 지문 이미지들로 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 출력 신호의 처리 단계는 광학 이미지를 용량 이미지 내의 지문의 산(ridge)에 대한 정보의 재생 정보(recover information)로 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1a는 본원에 의한 광학 센서를 구현하는 예시적 지문 센서의 개략 단면도.
도 1b는 광검츨기 장치의 예시적 배열을 보이는 개략 평면도.
도 2는 광섬유 다발을 사용하여 구현된 집속기를 가지는 예시적 지문 센서 장치를 보이는 개략 단면도.
도 3a 및 도 3b는 광검출기를 향한 빛의 전송을 좁히거나 집중시키는 구멍 또는 개구부를 가진 금속층을 사용하여 구현된 집속기를 가지는 다른 예시적 지문 센서 장치를 보이는 개략 단면도와 평면도.
도 4a는 각 센서 화소에 광학 센서에 부가하여 용량 센서를 포함하여 구현된 예시적 지문 센서 장치를 보이는 개략 단면도.
도 4b는 센서 화소 행렬 내의 각 센서 화소에 광학 센서를 용량 센서와 구조적으로 통합한 예시적 지문 센서 장치를 보이는 개략 단면도.
도 5는 광학 센서와 용량 센서 모두를 포함하는 예시적 하이브리드 지문 센서의 평면도.
도 6a는 예시적 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소에 대한 회로도.
도 6b는 다른 예시적 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소에 대한 회로도.
도 6c는 하이브리드 감지 요소 또는 화소로부터의 센서 신호의 병렬 검출을 수행하는 예시적 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소에 대한 회로도.
도 7a, 7b, 7c 및 7d는 광학 및 용량 센서를 포함하는 하이브리드 지문 센서에 의해 지문 감지를 수행하는 예시적 과정의 흐름도.
지문 감지는 모바일 응용장치와 보안 접속(secure access)을 사용하는 다른 응용장치에 유용하다. 예를 들어, 지문 감지는 모바일 장치에 대한 보안 접속과 온라인 구매를 포함한 안전 금융 거래(secure financial transaction)에 사용될 수 있다. 모바일 장치에 적합한 견고하고 신뢰서 높은 지문 센서 특성을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 모바일 장치의 지문 센서는 작은 크기(footprint)와 모바일 장치의 매우 제한된 공간에 맞도록 얇은 것이 바람직하며; 또한 이러한 지문 센서를 다양한 오염물질들로부터 보호하도록 보호 커버를 가지는 게 바람직하다.
수많은 다른 종류의 지문 센서들이 있지만, 이 특허 문헌에 기재된 기술은 용량성 및 광학 방식을 이용한다. 용량성 지문 센서에서는, 감지가 감지 전극과 손가락 표면 간의 용량 결합에 기인하는 캐패시턴스의 측정에 기초한다. 용량 센서 화소 상의 보호 커버가 두꺼워짐에 따라 각 용량 센서 화소에 의해 감지되는 전기장이 공간으로 신속히 분산되어 센서의 공간 해상도(spatial resolution)에 급격한 저하(reduction)를 야기하게 된다. 이 감지 공간 해상도의 저하와 관련하여, 각 센서 화소에서 수신된 센서 신호 강도 역시 보호 커버의 두께 증가에 따라 현저히 저하된다. 이에 따라, 보호 커버 두께가 어떤 임계치(예를 들어 300μm)를 초과하면, 이러한 용량 센서가 지문 패턴 인식에 원하는 높은 공간 해상도를 제공하고 감지된 지문 센서를 허용 가능한 신뢰도(acceptable fidelity)로 신뢰성 높게 분해(resolve)하기 더욱 어려워진다. 지문 센서는 또한 광학 지문 센서를 사용하여 구현될 수 있는데, 광학 지문 모듈의 두께는 광학 지문 센서를 너무 두껍게 하기 쉽고, 광학 지문 센서의 두께는 모바일 폰 장치 내에 통합하기 어렵게 하기 쉽다.
한 국면에 있어서, 개시되는 기술은 모바일 장치에 통합되기 위한 매우 얇은(ultrathin) 광학 지문 센서를 위한 지문 센서 설계를 제공한다. 개시되는 기술의 다른 국면에서는, 화소화된(pixelated) 센서 행렬의 각 감지 화소에 광학 및 용량 센서의 양자를 포함하는 하이브리드 지문 센서가 제공된다.
도 1a는 개시된 기술에 따라 광학 센서를 구현한 예시적 지문 센서 장치(100)의 개략 단면도를 도시한다. 도 1a에 도시한 바와 같은 예시적 지문 센서 장치(100)의 하드웨어 구조는 모바일 장치 또는 다른 웨어러블 또는 휴대용 장치들에 바람직한 매우 얇은(ultrathin) 지문 센서를 제공하도록 구성될 수 있다. 이 지문 센서 장치(100)는, 지문 센서 장치(100)에 내장된 발광 다이오드(LED)(108, 110) 등의 하나 이상의 광원으로부터 방출된 빛에 의해 조명된 손가락으로부터 반사, 산란(scatter), 또는 확산(diffuse)된 빛을 검출하는 광학 감지 장치(optical sensing device) 또는 광검출기 장치(photodetector device; 106)를 포함한다. 광검출기 장치(106)는 관련된 신호 처리 회로를 가지는 광학 감지 화소(optical sensing pixel)들로서 광학 검출기들의 광검출기 행렬(photodetector array)을 포함하도록 구현될 수 있다. 각 광학 감지 화소는 광다이오드(photodiode) 등 하나 이상의 광검출기를 포함할 수 있다. 광검출기 행렬(106)은 활성 지문 감지 영역의 필요한 크기에 따라 다양한 크기로 구현될 수 있는데, 일부 적용예들에서 96x96, 72x128, 또는 96x192 행렬이 될 수 있다. 광학 집속기 층(optical collimator layer; 104)이 광검출기 장치(106) 상에 위치하여 (수직 방향으로 수신된 빛을 포함하여) 수신된 빛을 광검출기 장치(106)로 집광(集光; collect) 및 집속(collimate) 또는 집중(focus)시키도록 구성된다. 이 구현예들에서, 이 광학 집속기 층(104)은 광검출기 행렬(106) 내의 광검출기들에 한 광검출기 당 한 집속기로 각각 대응하는 개별 집속기들의 행렬을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, LED 광원(108, 110)은 집속기 층(104)과 같은 층에 위치하며, 광검출기 장치(106)의 광검출기들의 둘레(periphery) 영역에 위치한다. 적어도 부분적으로 빛을 투과시킬 수 있는 (예를 들어 사파이어 등의) 경질 재질로 구성(include)된 커버(cover; 102)는 집속기 층(104)와 LED 광원(108, 110) 상에 위치한다. 커버(102)는, 지문 센서 장치(100)가 모바일 장치 상에 장착되었을 때 모바일 장치의 커버와 평탄(flush), 즉 같은 수준이 되거나 모바일 장치의 커버의 다음(next to) 수준이 되도록 지문 센서 장치(100)에 통합될 수 있다. 지문 센서 장치(100)가 모바일 장치의 커버 밑에 장착되는 장치에서는, 매우 얇은 지문 센서 장치(100)의 커버(102)는 불필요하므로 생략될 수 있다.
광원(108, 110)은 지문 센서 장치(100) 위에 위치하거나 접촉하는 손가락을 조명하기 위해 위치하여, 손가락에 의해 반사, 산란, 또는 분사된 빛이 집속기 층(104)로 집광되어 광검출기 장치(106)로 검출될 수 있다. 지문 센서 장치(100)에 포함되는 광원의 수는 변화될 수 있는데 예를 들어 원하는 검출 감도(sensitivity) 또는 이미지 해상도에 바람직한 광량에 따라 결정될 수 있다. LED 광원(108, 110)은 집속기를 둘러싸도록 배치되어 커버(102)에 접촉하거나 그 위에 위치하는 (예를 들어 손가락 등의) 객체를 향하여 빛을 방출한다. 방출된 빛은 객체에 반사된 후 지문 센서 장치(100)로 지향된다(direct back). 집속기 층(104)은 수직 방향으로 (예를 들어 객체에 반사된 빛 등) 빛을 집중시키도록 배치 및 구성되어, LED 광원(108, 110)으로부터 광다이오드 행렬(106)를 향해 수평 방향, 수평에 가까운 방향, 또는 수직 방향과 큰 각도를 형성하는 방향으로 직접 방출되는 빛을 포함하는 다른 방향으로부터의 빛을 거의 차단한다.
도 1b는 예를 들어 개별 광검출기 또는 광감지 화소(photosensing pixel)들을 보이는 광검출기 장치(106)의 예시적 배열을 도시하는 개략 평면도이다. 도 1b에 도시된 특정한 예는 아날로그 디지털 변환기(analog-to-digital converters; ADCs)(124)의 열(column) 등의 관련 신호 처리 회로(124)를 가지는 96x96 광다이오드 행렬(122)을 나타낸다. 또한 센서 장치 처리기(sensor device processor)가 ADs(124)에 결합되어 광학 감지 화소들로부터의 화소 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출한다. 행렬(122) 내의 광다이오드 센서들의 소정 행(row)은 ADCs(124) 중의 하나와 관련되어 소통(communicate)된다. 행렬(122) 내의 소정 광다이오드(126)의 예시적 크기는 길이(128) 50μm x 폭(130) 50μm 등 모바일 장치에 적용될 수 있도록 가능한 한 작을 수 있다. 50μm x 50μm 광다이오드의 행렬(122)에서 행렬(122)의 폭은 50μm x 96 광다이오드 = 4.8mm = 0.189인치 = ~ 500 인치당 화소(parts per inch; ppi)가 된다. 이와 유사하게, 행렬(122)의 길이 또는 깊이도 50μm x 96 광다이오드 = 4.8mm = 0.189인치 = ~ 500ppi가 될 수 있다.
집속기 층(104)은 광검출기에 입사되는 빛을 수직 방향 등 원하는 방향으로 집중시킬 수 있는 여러 가지 구조를 사용하여 구현될 수 있다. 도 2는 광섬유 다발을 사용하여 구현된 집속기 층(104)을 가지는 예시적 지문 센서 장치(200)의 개략 단면도이다. 도 1a에 도시된 지문 센서 장치(100)과 유사하게, 지문 센서 장치(200)는 (예를 들어 광다이오드 등) 광검출기(208)의 행렬과, 광검출기(208) 상에 위치하여 빛(210)을 광검출기(208)에 (예를 들어 수직 또는 이에 근접한 방향 등) 원하는 방향으로 지향시키는 집속기(206)의 행렬을 포함하는 집속기 측과, 그리고 집속기(206) 상에 위치하는 선택적인(optional) 커버(204)를 포함한다. 도 2의 이 특정한 예에서, 각 광검출기(208)에 대해 한 광섬유 다발의 광섬유가 집속기(206)로 사용되어, 다발 내의 광섬유들의 상단면(top end facet)이 입사광을 집광하고 다발 내의 광섬유가 집광된 빛(210)을 해당하는 하부의 광검출기(208)에 유도 또는 지향시키게 된다. 이에 따라 이 예에서는 복수의 광섬유 다발이 집속기 행렬을 형성한다.
도 2에는 도시되지 않았지만, 하나 이상의 광원이 집속기 둘레에 배치되어 광검출기(208)가 지문 이미지의 검출 및 광학적 감지를 수행하기에 적절한 빛을 제공한다. 광검출기(208)는 하나 이상의 광원에서 방출된 빛이 손가락 등의 객체(202)에 반사된 다음 이를 검출하는 하나 이상의 광다이오드를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 예에서, 집속기(206)는 수직 방향으로 위치하여 반사광(210)이 광섬유 다발을 따라 수직 방향으로 광검출기(208)를 향한 전송을 좁히거나 집중시키는 광섬유 다발을 사용하여 구현된다. 다른 집속기 설계 역시 구현될 수 있다.
도 3a 및 3b는 광검출기를 향한 빛의 전송을 좁히거나 집중시키는 구멍 또는 개구부를 가지는 금속층을 사용하여 구현된 집속기를 구비하는 다른 예시적 지문 센서 장치(300)을 도시한다. 도 1a 및 도 2에 도시된 지문 센서 장치(100, 200)과 유사하게, 지문 센서 장치(300)는 광검출기(306)의 광검출기 행렬과, 광검출기(306) 위에 위치하여 빛(312)을 광검출기(306)을 향해 (예를 들어 수직 방향 등) 원하는 방향으로 지향시키는 집속기(304)의 집속기 행렬과, 그리고 집속기(304) 위에 위치한 선택적인(optional) 커버(302)를 포함한다. 도 3에는 도시되지 않았지만, 하나 이상의 광원이 집속기(304) 둘레에 위치하여 광검출기(306)에 지문 이미지를 검출 및 광학적 감지할 적절한 빛을 제공한다. 구현예들에서, 각 광검출기(306)는 하나 이상의 광원에서 방출된 빛을 손가락 등의 객체(202)에 반사된 이후 검출하는 하나 이상의 광다이오드를 포함할 수 있다. 도 3a 및 3B에 도시된 실시예에서, 집속기(304)는, 광검출기(308)를 향한 반사광(312)의 전송을 구멍 또는 개구부(310)을 통해 수직으로 좁히거나 집중시키는 구멍 또는 개구부(310)가 하나 이상의 금속층(308)에 형성되도록 구성된 하나 이상의 금속층(308)을 사용하여 구현되었다. 도 3a 및 3B에 도시된 바와 같이, “경로(via)"로 표기된 둘 이상의 구멍 또는 개구부(310)가 각 광검출기에 대한 집속기를 형성한다.
일부 구현예들에서, 금속 구멍 또는 개구부(310)를 가지는 집속기(304)는 예를 들어 서로 분리된 금속벽을 쌓아(build up) 집속기를 형성하는 등 하나 이상의 금속층을 실리콘 내에 위치시켜 구현될 수 있다. 도 3b는 금속벽에 의해 형성된 구멍 또는 개구부(310)을 가지는 금속층(들)을 보이는 지문 센서 장치(300)의 평면도이다.
도 2, 3a 및 3b에 있어서, 집속기(206) 내의 광섬유 다발과 집속기(304)의 금속층(들) 내의 구멍 또는 개구부(310)은 입력광의 수신에 비교적 작은 개구수(Numerical Aperture; NA)를 가질 수 있어서, 보호 커버(208, 306)가 두꺼운 경우라도 보호 커버(204, 302) 또는 그 위에 위치하는 손가락의 지문 이미지가 광검출기(208, 306)에 의해 정확히 저장(preserve) 또는 포착될 수 있다. 집속기(206, 304)는 (예를 들어 지문 센서 장치의 선택적인(optional) 커버 또는 모바일 장치 상의 커버 등의) 두꺼운 보호 커버를 통해 이미지 콘트라스트와 이미지 공간 해상도의 큰 저하 없이 목표 이미지를 취득할 수 있도록 구성된다. 도 2와 도 3a 및 3B 모두에서, 커버(204, 302)는 빛이 커버(204, 302)를 통해 적어도 부분적으로 전송될 수 있는 유리나 다른 유전 재질(dielectric material)을 사용하여 구현될 수 있다.
개시된 기술의 다른 국면에 있어서, 지문 센서 장치의 각 감지 화소는 지문 정보를 포착하는 용량 센서(capacitive sensor)와 지문 정보를 포착하는 광학 센서(optical sensor)를 가지는 하이브리드 감지 화소(hybrid sensing pixel)가 될 수 있다. 도 4a 및 4b는 하이브리드 감지 화소 설계의 두 예들을 도시한다.
도 4a는 지문 정보를 포착하는 데 각 센서 화소에 광학 센서에 추가하여 용량 센서를 통합한 지문 센서 장치(400)의 한 예를 도시한다. 용량 센서와 광학 센서 양자를 조합함으로써, 광학 센서로 얻어진 지문 이미지가 용량 센서로 얻어진 3D 지문 구조를 더 잘 분해(resolve)하는 데 사용할 수 있다. 설명의 목적상, 도 4a에 도시된 구조는 센서 화소의 행렬에서 한 센서 화소만을 표시하고 있는데, 각 센서 화소는 동일한 화소 내에 이웃하여 배치된 광학 센서(402)와 용량 센서(414)를 포함한다.
광학 센서(402)는 광검출기(408)와 광검출기(408) 위에 위치하여 손가락(202)로부터의 반사광(424)을 광검출기(408)를 향해 좁히거나 집중시키는 집속기(406)를 포함한다. LED(도시 안됨) 등의 하나 이상의 광원이 집속기(406) 둘레에 배치되어 빛을 방출할 수 있고, 이 빛은 손가락에서 반사되어 반사광(424)으로 대응 광검출기(408)을 향해 지향 또는 집중됨으로써 손가락(202)의 지문 이미지의 일부가 포착될 수 있다. 집속기(406)는 도 2에 도시된 바와 같은 광섬유 다발 또는 도 3a 및 3B에 도시된 바와 같은 구멍 또는 개구부(310)을 가지는 금속층(들)(308)을 사용하여 구현될 수 있다. 도 4a는 구멍 또는 개구부(412)를 가지는 하나 이상의 금속층(410)을 사용하여 구현된 집속기(406)를 도시하고 있다.
각 감지 화소의 용량 감지 부분에서, 용량 센서(414)는 용량 감지를 수행하는 감지 화소에 근접하거나 접촉하는 손가락의 일부에 전자기적으로(electromagnetically) 결합되는 용량 센서 판(capacitive sensor plate; 416)을 포함한다. 더 구체적으로, 손가락(202)이 선택적인(optional) 커버(404) 또는 지문 센서 장치(400)가 구현된 모바일 장치의 커버에 접촉하거나 거의 근접했을 때, 용량 센서 판(416)과 손가락(202)이 하나 이상의 용량성 요소(capacitive element; 422)의 두 판으로 상호작용한다. 용량 센서 판(416)의 수는 용량 센서(414)의 설계에 따라 변화될 수 있다. 용량 센서 판(416)은 하나 이상의 금속층을 사용하여 구현될 수 있다. 용량 센서 판(416)은 용량 센서 회로(420)에 소통 가능하게(communicatively) 결합되어 용량 센서 회로(420)가 용량 센서 판(416)으로부터의 신호를 처리하여 3D 지문 구조를 나타내는 데이터를 취득할 수 있다. 도통 또는 차폐 재질(routing or shielding material)이 용량 센서 판(416)과 용량 센서 회로 사이에 위치하여 금속 판(416)을 전기적으로 차폐할 수 있다. 용량 센서 회로(420)은 용량 센서 판(416)과 광검출기(408) 양자 모두에 소통 가능하게 결합되어 용량 센서 판(416)과 광검출기(408) 양자로부터의 신호를 처리한다.
도 4a에서, 각 하이브리드 감지 화소의 용량 센서와 광학 센서는 인접하여 공간상 중첩(overlap)되지 않도록 서로 이격된다. 도 4B는 각 하이브리드 감지 화소의 크기를 줄이기 위해 공간상 중첩된 구조 내에 광학 센서와 용량 센서가 구조적으로 통합된 지문 센서 장치(430)의 다른 예를 도시한다. 이 지문 센서 장치(430)는 실리콘 등의 반도체 기판(431)을 포함한다. 기판(431) 상에는 복수의 감지 요소 또는 감지 화소(439)가 배치된다. 각 감지 요소 또는 감지 화소(439)는 CMOS 스위치와, 증폭기와, 저항과 캐패시터들을 포함하여 센서 신호들을 처리하기 위한 활성 전자 회로 영역(432)을 포함한다. 감 감지 화소 또는 감지 요소(439)는 활성 전자 회로 영역(432)에 배치 또는 매립된 광검출기(433)를 포함한다. 용량서 감지를 위한 용량 센서의 용량 센서 판 또는 상부 전극(434)이 광검출기(433) 상에 배치되고, 빛을 광검출기(433) 상으로 지향시키는 빛의 집속기로 작용하는 센서 판(434) 상의 구멍 또는 개구부(438)를 포함한다. 도전성 재질로 충전된 경로(via; 435)가 상부 전극(434)와 활성 회로 요소(432)을 전기적으로 연결하도록 배치된다. 개구부 또는 구멍과 상부 전극(434) 및 광검출기(433)의 거리를 조정함으로써, (예를 들어 광다이오드 등의) 광검출기(433)의 집광각(light collecting angle; 437)이 조정될 수 있다. 지문 센서 장치(430)는 사파이어, 유리 등의 경질 재질로 구성된 보호 커버(436)로 덮인다. 광검출기(433)의 집광각(437)은 광다이오드 행렬에 의해 수집(collect)된 이미지의 공간 해상도를 보존(preserve)하도록 설계될 수 있다. LED 등의 광원(440)은 커버 밑의 지문 센서 장치(430)의 측부에서 빛을 방출하고, 이 빛은 손가락에서 반사되어 광검출기(433)로 지향됨으로써 지문 이미지가 포착된다. 손가락이 보호 커버에 접촉하거나 거의 근접했을 때, 손가락과 상부 감지 전극(434)은 함께, 인체와 상부 감지 전극(434) 사이에 (예를 들어 캐패시터(442) 등의) 용량 결합(capacitive coupling)을 형성한다. 광학 및 용량 센서 양자를 포함하는 지문 센서 장치(430)는 지문의 빛 반사 이미지와 함께 용량 결합 이미지 양자를 취득할 수 있다. 상부 감지 전극(434)은 두 목적에 기여한다: 1) 용량성 감지와, 그리고 2) (상부 감지 전극(434)에 하나 이상의 구멍을 형성함으로써) 손가락으로부터의 반사광을 광검출기(433)를 향해 지향시키고, 좁히거나 집중시키는 집속기로 기능한다. 상부 감지 전극(434)의 재사용은 추가적인 금속층이나 광섬유 다발이 필요 없게 함으로써 각 화소 크기와 이에 따른 지문 센서 장치(430)의 전체적 크기를 축소시킬 수 있다.
도 5는 각 하이브리드 감지 화소에 광학 센서와 용량 센서 양자를 통합한 예시적 하이브리드 지문 센서 장치(500)의 평면도이다. 이 하이브리드 지문 센서 장치(500)는 하이브리드(광학 센서와 용량 센서 양자를 통합) 감지 요소 또는 화소(522)의 행렬을 포함하는 CMOS 실리콘 칩(521)으로 구현되었다. 감지 요소의 크기(size or dimension)는 예를 들어 25μm 내지 250μm의 범위일 수 있다. 하이브리드 센서 장치(500)는 측부 영역(524)에 증폭기, ADCs, 그리고 버퍼 메모리를 포함하는 지원 회로(support circuitry)의 행렬을 포함할 수 있다. 또한 하이브리드 센서 장치(500)는 와이어 접합(wire bonding) 또는 범프 접합(bump bonding)응 위한 영역(525)도 포함할 수 있다. 하이브리드 센서 요소(522)의 상부층(526)은 용량 감지를 위한 금속 전극을 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구부 또는 구멍(523)이 각 상부 금속 전극(526)에 형성되어 상부 전극 밑의 광검출기를 수직 방향으로 비추도록 빛을 지향시키는 구조적인 집속기로 기능하도록 할 수 있다. 이에 따라 상부층(526) 구조는 광학 및 용량 감지의 이중 목적에 기여할 수 있다. 하이브리드 감지 화소로부터의 화소 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하는 센서 장치 처리기가 구비될 수 있다.
용량 감지와 수직방향으로 빛을 집중시키는 집속기로서 동일한 구조를 공유하는 것에 부가하여, 하나의(one instance of) 센서 신호 검출 회로가 광학 및 용량 센서에 공유되어 광검출기와 용량 센서 판 양자로부터의 센서 신호들을 검출할 수 있다.
도 6a는 손가락의 용량 감지와 광학 감지 기능 모두를 가지는 예시적 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(600)의 회로도이다. 예시적 센서 화소(600)는 용량 감지에 기초하는 (예를 들어 상부 금속층 등의) 상부 감지 전극(608)으로부터의 센서 신호의 검출 또는 취득과 광학 감지에 기초하는 (예를 들어 광다이오드 등의) 광검출기(614) 간을 선택적으로 스위칭되어 손가락에 대한 광검출기(614)로부터의 반사 광학 이미지와 용량 센서 전극(608)으로부터의 용량 결합 이미지 양자를 취득하는 센서 신호 검출 회로(616)를 포함한다. 도 6a에 특정하게 도시된 바와 같은 특정한 실시예들에서, 각 하이브리드 감지 화소 내의 두 감지 메커니즘으로부터의 두 이미지들은 센서 신호 검출 회로(611)에 의해 순차적으로 처리될 수 있다. 도시된 예에서, 스위치(610, 612)는 상부 감지 전극(608)과 광검출기(614)에 각각 전기적으로 연결된 제1단자들과, 센서 신호 검출 회로(616)의 공통 입력 단자에 연결되어 광검출기(614)로부터의 대응 광학 검출기 신호와 상부 감지 전극(608)로부터의 용량 감지 신호를 센서 신호 검출 회로(616)에 제공하는 제2 단자들을 가진다. 스위치 610이 꺼지고(Cap_en=0) 스위치 612가 켜졌을 때(Optical_en=1), 센서 신호 검출 회로(616)는 특정한 하이브리드 감지 화소에서 수신된 스캔된 지문의 광학 이미지를 나타내는 광학 검출기 신호를 취득한다. 센서 신호 검출 회로(616)는 스위치 610은 Cap_en=1이고 스위치 612는 Optical_en=0일 때 스캔된 지문의 용량 이미지를 나타내는 용량 감지 신호를 취득할 수 있다. 광학 및 용량 이미지 양자가 취득된 후, 양 이미지는 별도의 하류측 회로에서 처리되어 함께 지문 특성을 식별할 수 있다.
전술한 하이브리드 감지 화소들에 의한 두 방식(modality)의 이미지화(imaging)를 사용하면, 다른 방법으로 얻어진 두 방식의 이미지들을 사용함으로써 지문 식별(fingerprint identification)의 성능(performance)이 강화(enhance)될 수 있다. 이 강화된 지문 식별은 하이브리드 감지 화소들로부터의 화소 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하는 센서 장치 처리기(621) 등의 센서 장치 처리기에 의해 달성된다. 예를 들어, 용량 이미지는 지문 특성의 산(ridge)과 골(valley)의 깊이에 대한 3D 이미지를 제공할 수 있다. 3D 용량 이미지로 보충하면, 광학 이미지는 지문 특성에 관한 고해상도 2D 정보를 제공할 수 있다. 양 이미지는 동일한 산에 대한 정보이므로, 더 높은 공간 해상도를 가지는 광학 2D 이미지는 용량 이미지 해상도를 재생(recover)하는 데 사용될 수 있다. 지문의 골을 식별하는데 광학 감지 방법보다 용량 감지 방법이 더 예민하고 정확할 수 있는 일부 실시예들에서는, 용량 감지 방법에 의해 취득된 이미지의 공간 해상도가 커버의 두께에 따라 저하(degrade)될 수 있다. 용량 감지의 이 특성(aspect)은 광학 감지에 의해 보충될 수 있다. 작동에 있어서, 센서 반응은 고정될 수 있는데 용량 센서의 강도 분포 함수(point spread function)가 모든 센서 위치에서 고정될 수 있다. 더 높은 해상도의 광학 감지가 해상도 재생 방법으로 사용될 수 있는데, 용량 감지 이미지에 적용되어 3D 이미지를 강화시킬 수 있다. 광학 감지로부터의 부분적 고해상도 이미지가 재생 방법을 보조하는 데 사용될 수 있다. 이와 같이, 3D 용량 이미지는 고해상도 2D 이미지에 기초한 보간법(interpolating), 즉 재생법(recovering)에 의해 산과 골에 대한 더 많은 정보를 제공하도록 강화될 수 있다.
강화된 3D 이미지는 지문 인식과 정합(matching)을 향상시킬 수 있다. 다른 예에 있어서, 광학 및 용량 이미지는 함께 저장되어 지문 인식 또는 정합이 수행될 때마다 두 비교를 제공할 수 있다. 비교에 두 방식의 이미지를 사용하면 지문 감지 시스템의 정확도와 보안성이 강화된다.
센서 신호 검출 회로(616)는 수많은 다른 회로 설계를 이용하여 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 한 예에서, 모바일 장치의 커버의 지문 센서 장치에 대한 산과 골의 접촉 또는 거의 근접에 의해 발생된 전하를 저장하는 적분기 감지 회로(integrator sensing circuitry; 618)로 구현될 수 있다. 적분기 회로(618)를 포함하면 신호대잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 향상(enhance)시킬 수 있다. 이 적분기 감지 회로는 예시적 센서 화소(600)의 상부 감지 전극(608) 또는 광검출기(614)에 의해 검출된 (예를 들어 전압 신호 등의) 용량 관련 또는 광학 관련 신호 등의 센서 신호를 증폭하는 연산 증폭기(operational amplifier; 622)를 포함한다. 다양한 금속들 중의 하나 등의 도전성 재질로 구성된 상부 감지 전극(608)은 스위치 610을 통해 증폭기(622)의 음의(negative) 또는 반전(inverting) 단자(628)에 전기적으로 연결된다. 상부 감지 전극(608)과 손가락(202)의 국부적 표면은 캐패시터 Cf(602)의 대향판(opposing plate)들로 기능한다. 캐패시터 Cf(602)의 캐패시턴스(capacitance)는 손가락(202)의 국부적 표면과 상부 감지 전극(608) 간의 거리 'd', 즉 캐패시터 Cf(6020의 두 판들 사이의 거리(d)에 따라 변화된다. 캐패시터 Cf(602)의 캐패시턴스는 캐패시터 Cf(602)이 두 판들 간의 거리 'd'에 반비례한다. 캐패시터 Cf(602)의 캐패시턴스는 상부 감지 전극(608)이 손가락(202)의 산을 대향했을 때 손가락(202)의 골을 대향했을 때보다 더 크다.
또한, 예시적 센서 화소(600)에는 도전성 요소들 간에 다양한 기생(parasitic) 또는 다른 캐패시터들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 감지 전극(608)과 장치 접지 단자(605) 사이에 기생 캐패시터 Cp(605)가 형성될 수 있다. 장치 접지는 지중 접지(earth ground)에 닫힌 상태로(closely) 결합된다. 다른 캐패시터 Cr(624)가 증폭기(622)의 출력 도선과 증폭기(622)의 음의 또는 반전 단자(628) 간에 형성되어 증폭기(622)에 대한 피드백 캐패시터(feedback capacitor)로 기능할 수 있다. 또한, 적분기 회로(618)의 리셋을 위해 증폭기(622)의 출력과 증폭기(622)의 음의 또는 반전 단자(628) 사이에 스위치(626)가 결합될 수 있다.
증폭기(622)의 양의 단자는 여기 신호(excitation signal; Vref)에 전기적으로 연결된다. 여기 신호(Vref)는 각 센서 화소의 전용(dedicated) 증폭기의 양의 단자에 직접 공급될 수 있다. 진폭기(622)의 양의 단자에 여기 신호(Vref)를 직접 공급함으로써 예시적 센서 화소(600)가 활성 센서 화소가 된다. 또한 진폭기(622)의 양의 단자에 여기 신호(Vref)를 직접 공급하면, 모든 센서 화소들에 공통인 여기 전극(excitation electrode)이 필요 없게 되고, 이는 센서 칩의 반도체 구조에서 (예를 들어 금속 등) 도전성 층을 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 센서 화소의 설계에 따라 SNR을 향상시키기 위해 선택적인(optional) 여기 전극(606)이 구현될 수 있다. 또한 증폭기(622)에 여기 신호 Vref(630)를 직접 공급함으로써 여기 신호 Vref(630)이 손가락(202)에 직접 공급되지 않아 손가락(202)에 발생될 수 있는 자극이나 손상을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 손가락에 여기 신호를 직접 공급하기 위한 여기 전극이 사용되지 않으면, 지문 센서 장치의 모든 구성요소들은 단일한 패키지의 장치로 통합될 수 있고, 전체 지문 센서 장치가 보호 커버 글래스 밑에 위치될 수 있게 된다. 전체 지문 센서 장치가 보호 커버 글래스 내에 위치함에 따라, 지문 센서 장치는 손가락이나 지문 센서 장치에 손상을 줄 수 있는 다른 외부 요소들로부터 보호된다.
도 6a에서, 센서 화소(600) 내의 센서 신호 검출 회로(616)의 (예를 들어 증폭기(622)의 Vpo 등의) (광학 및 용량) 출력 신호는 스위치(620)에 전기적으로 결합되어 센서 화소(600)로부터의 출력 신호(Vpo)를 필터를 포함하는 신호 처리 회로로 선택적으로 출력한다. 스위치(620)는 트랜지스터 또는 다른 스위칭 메커니즘을 사용하여 구현되고 스위치(620)의 스위칭을 제어하는 제어기에 전기적으로 결합된다. 스위치(620, 610, 612)들을 제어함으로써 센서 화소 행렬 내의 센서 화소들은 광학 신호와 용량 신호의 취득 간을 선택적으로 스위칭될 수 있다. 한 구현예에서, 광학 또는 용량 신호는 행렬 내의 센서 화소들의 각 라인(line), 행(row), 또는 열(column)에 대해 취득된 뒤, 그 라인, 행, 또는 열에 대한 다른 방식의 신호를 취득하도록 스위칭된다. 광학 및 용량 신호 취득 간의 스위칭은 라인 단위(line-by-line)로 수행될 수 있다. 다른 구현예에 있어서, (용량 또는 광학의) 한 방식의 신호가 행렬 내의 모든 센서 화소 또는 요소에 대해 취득된 후, 스위칭되어 모든 센서 화소 또는 요소들에 대해 다른 방식의 신호를 취득하도록 할 수 있다. 이와 같이, 다른 방식의 신호 취득에 대한 스위칭이 전체 행렬에 대해 이뤄질 수 있다. 두 종류의 센서 신호들의 취득 간의 스위칭의 다른 변형도 구현될 수 있다.
도 6b는 다른 예시적 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(640)에 대한 회로도를 도시한다. 이 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(640)에서 동일한 참조번호를 가지는 구성요소들에 대해서는 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(600)와 거의 동일하다. 동일한 참조번호를 가지는 공통의 구성요소에 대한 설명에 대해서는 도 6a의 설명을 참조하라.
이 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(640)는 상부 감지 전극(608)이 반사광(644)을 (예를 들어 광다이오드 등의) 광검출기(614)를 향해 집중 또는 좁히는 집속기로 기능하는 구멍 또는 개구부(642)를 포함하도록 구현된다. 광검출기(614)는 상부 감지 전극(608)을 사용하여 구현된 집속기 밑에 위치하거나 배치되어 집속기(608)에 의해 집중된 반사광(644)을 포착할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 및 용량 센서들에 대한 별도의(separate instances of) 센서 신호 검출 회로가 포함되어 광검출기와 용량 센서 판 양자로부터의 센서 신호들을 병렬로 검출하도록 할 수 있다. 도 6c는 광검출기와 용량 센서 판 양자로부터의 센서 신호들을 병렬 검출을 수행하는 예시적 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(650)의 회로도를 도시한다. 이 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(650)에서 동일한 참조번호를 가지는 구성요소들에 대해서는 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(600)와 거의 동일하다. 동일한 참조번호를 가지는 공통의 구성요소에 대한 설명에 대해서는 도 6a의 설명을 참조하라.
용량 판과 광검출기 양자로부터 병렬로 센서 신호 검출을 수행하기 위해, 하이브리드 지문 감지 요소 또는 화소(650)는 각각 상부 감지 전극(608) 과 광검출기(624)에 소통 가능하게 결합된 별도의 센서 신호 검출 회로(616, 617)들을 포함한다. 센서 신호 검출 회로 617은 센서 신호 검출 회로 616과 거의 동일하게 구현될 수 있다. 일부 구현예들에서는, 스위치(610, 612)가 상부 감지 전극(608)과 광검출기(614)에 각각 전기적으로 결합된 제1 단자들과, 각 센서 신호 검출 회로(616, 617)에 결합되어 광검출기(614)로부터의 광학 신호와 상부 감지 전극(608)으로부터의 용량 신호를 각각 센서 신호 검출 회로(616, 617)에 공급하는 제2 단자들을 가지도록 배치될 수 있다. 스위치(610, 612)가 함께 켜지고 꺼지면, 센서 신호 검출 회로(616, 617)들은 용량 판(608)과 광검출기(614)로부터 센서 신호 검출을 병렬로 수행할 수 있다. 스위치(610, 612)들이 서로 다른 위상으로(out of phase) 켜지고 꺼지면, 센서 신호 검출 회로(616, 617)들은 용량 판(608)과 광검출기(614)로부터 센서 신호 검출을 직렬로 수행할 수 있다. 또한, 센서 장치 처리기(621)는 센서 신호 검출 회로(616, 617)들에 직접 또는 스위치(620, 621)를 통해 간접적으로 소통 가능하게 결합되어 용량판(608)과 광검출기(614)로부터의 검출된 센서 신호들을 병렬 또는 직렬로 처리할 수 있다.
개시된 기술의 또 다른 국면에 있어서, 도 1a, 1b, 2, 3a, 3b, 4a, 4b, 5, 6a 그리고 6b를 참조하여 설명한 광학 센서는 심장 박동(heart beat)과 심장의 펌핑 작용에 기인하는 손가락 내의 혈류 변동(blood flow)으로 야기되는 시간에 따른 반사광의 강도 변화를 측정함으로써 인간의 심장 박동을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이 정보는 손가락에 의해 반사, 산란, 또는 확산되어 수신되는 빛에 포함되며, 광학 검출기 신호에 의해 반송(carry)된다. 이에 따라, 광학 센서는 지문의 광학 이미지의 취득과 인간의 심작 박동의 측정을 포함하여 복수의 기능을 수행할 수 있다. 구현예들에서, 센서 장치 처리기는 하나 이상의 광학 검출기 신호를 처리하여 심박 정보를 추출하는 데 사용된다. 이 센서 장치 처리기는 광학 감지 화소 또는 하이브리드 감지 화소로부터의 화소 출력 신호로부터 지문 정보를 추출하도록 처리하는 센서 장치 처리기와 동일한 것일 수 있다n.
도 7a, 7b, 7c, 그리고 7d는 광학 및 용량 센서를 통합한 하이브리드 지문 센서에 의한 지문 감지를 수행하는 예시적 공정(700)의 흐름도를 도시한다. 방법(700)은 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로의 행렬에 의해 지문 스캔을 나타내는 손가락의 접촉에 관련된 캐패시턴스를 검출하는 단계를 포함한다(단계 702). 방법(700)은 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로의 행렬에 의해 손가락으로부터 반사된 빛과 관련된 광학 신호를 검출하는 단계를 포함한다(단계 704). 방법은 센서 화소 회로의 행렬에 의해 검출된 캐패시턴스와 광학 신호에 따른 출력 신호를 출력하는 단계를 포함한다(단계 706). 출력된 신호는 지문 식별을 수행하도록 처리될 수 있다(단계 708). 출력신호의 처리(단계 708)는 출력 신호를 지문의 광학 이미지와 지문의 용량 이미지를 취득하도록 처리하는 단계를 포함한다(단계 710). 취득된 광학 이미지와 용량 이미지는 지문 식별 동안 스캔된 지문과 비교될 두 방식의 등록된 지문 이미지들로 저장될 수 있다(단계 712). 출력 신호의 처리(단계 708)은 광학 이미지를 사용하여 용량 이미지 내의 지문의 골에 대한 정보를 재생하는 단계를 포함할 수 있다(단계 714). 출력 신호는 센서 화소 회로의 행렬에 대해 적분될 수 있다(단계 716). 적분은 행렬 내의 모든 센서 화소 회로들에 의해 출력 신호를 병렬로 적분하는 단계를 포함할 수 있다.
이 특허 문서가 여러 가지 상세들을 포함하고 있지만, 이들은 발명이나 청구될 내용의 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안 되며, 특정한(particular) 발명의 특정한(particular) 실시예들에 특정할(specific) 수 있는 특징들의 설명으로 해석되어야 할 것이다. 이 특허 문헌에 별도의 실시예의 문맥으로 기재된 어떤 특징들은 단일한 실시예 내에 조합되어 구현될 수도 있다. 역으로, 단일한 실시예의 문맥 내에 기재된 다양한 특징들은 복수의 실시예로 분리되거나 어떤 적절한 하부 조합(subcombination)으로 구현될 수도 있다. 뿐만 아니라, 특징들이 어떤 조합으로 작용한다고 기재되거나 심지어 처음에 그렇게 청구되었다고 하더라도 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들이 일부 경우에 이 조합으로부터 구현될 수 있고, 청구된 조합이 하부 조합 또는 하부 조합의 변형을 교시(direct to)할 수도 있다.
마찬가지로, 동작들이 도면에 특정한 순서로 도시되어 있지만, 이는 그런 동작들이 도시된 특정한 순서 또는 순차적인 순서로 수행되어야 하거나 바람직한 결과를 얻기 위해서는 도시된 모든 동작을 수행되어야 할 필요가 있다는 것으로 이해되어서는 안 된다. 뿐만 아니라, 이 특허 문헌에 설명된 실시예들의 다양한 시스템 구성요소들의 구분(separation)은 모든 실시예들에서 그러한 구분을 필요로 한다고 이해되어서는 안 된다.
약간의 구현예들과 예들이 기재되었으나, 이 특허 문헌에 기재되고 도시된 사항을 기초로 하여 다른 구현예들, 개선들, 그리고 변형들이 이뤄질 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 어떤 파장의 빛을 방출하도록 구성된 광원과; 그리고
    지문을 나타내는 광하 이미지를 취득하도록 구성된 센서 화소의 행렬을 구비하며,
    각 센서 화소가;
    목표 손가락에서 반사된 방출광을 검출하여 검출된 반사광에 따른 광학 신호를 출력하는 광검출기와;
    광검출기 상에 위치하여 반사광을 광검출기의 상방으로부터 거의 수직한 방향으로 광검출기를 향해 지향시키는 집속기와; 그리고
    광검출기에 소통 가능하게 결합되어 출력된 광학 신호를 취즉하도록 구성된센서 신호 검출 회로를
    포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    광검출기가 발광 다이오드를 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    집속기가 금속 전극을 관통하는 구멍을 형성하도록 구성된 금속 전극을 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    집속기가 광섬유 다발을 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    센서 화소의 행렬이 손가락의 접촉부와 용량적으로 결합되어 지문을 나타내는 캐패시터 값을 가지는 지문 관련 캐패시터들의 행렬을 형성하고.
    각 센서 화소가:
    손가락의 접촉부의 국부적 부분과 용량적으로 결합되어, 용량 신호를 출력하는 지문 관련 캐패시터를 형성하는 도전성 전극을
    포함하는 것을 특징으로 하는 지문 센서 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    센서 신호 검출 회로를 광검출기와 도전성 전극의 전기적 연결 간을 스위칭하도록 구성된 센서 스위칭 회로를 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    센서 스위칭 회로가:
    센서 스위칭 회로에 전기적으로 결합되어 사용자의 손가락에 의한 접촉에 따른 지문 관련 캐패시터에 관련된 전하를 저장하는 적분기를
    포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    적분기가:
    기준 전압을 생성하도록 구성된 기준 전압 생성기와;
    기준 전압 생성기에 전기적으로 결합되어 기준 전압을 수신하는 양의 입력 단자와; 센서 스위칭 회로에 전기적으로 결합된 음의 입력 단자와; 그리고 출력 단자를 포함하는 증폭기와;
    증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 간에 전기적으로 결합된 적분 캐패시터와; 그리고
    증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 간에 전기적 결합된 리셋 스위치를
    구비하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    기준 전압 생성기가 생성되는 기준 전압을 변경할 수 있도록 구성되는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    기준 전압 생성기가 생성되는 기준 전압을 변경시키는 디지털 아날로그 변환기를 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    지문 관련 캐패시터에 관련된 용량 신호가 손가락의 산 또는 골에 대한 정보를 나타내는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 센서 화소의 광검출기의 출력에 따른 센서 신호 검출 회로의 출력을 수신하도록 결합되어 수신된 출력을 심장 박동을 측정하도록 처리하는 센서 처리기를 더 구비하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  13. 손가락의 접촉부의 지문 패턴을 포착하도록 작동하는 전기적으로 연결된 센서 화소 회로의 그룹을 형성하는 센서 화소 회로의 행렬을 구비하고,
    각 센서 화소 회로가:
    어떤 파장의 빛을 방출하도록 구성된 광원과;
    손가락의 접촉부에서 반사된 방출광을 검출하도록 구성된 광검출기와; 그리고
    손가락의 접촉부의 국부적 부분과 용량적으로 결합되어 지문 관련 캐패시터를 형성하는 도전성 전극을 포함하고,
    도전성 전극이 광검출기 거의 위에 위치하고, 도전성 전극을 관통하여 반사광을 도전성 전극 상부로부터 광검출기를 향해 거의 수직으로 집속시키는 구멍을 형성하도록 구성되는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    행렬 내의 각 센서 화소 회로가:
    센서 신호 검출 회로를 광검출기와 도전성 전극의 전기적 접속 간을 스위칭하도록 구성된 센서 스위칭 회로를 구비하고;
    센서 신호 검출 회로가 센서 스위칭 회로를 통해 광검출기에 전기적으로 연결되었을 때 광검출기로부터 광학 신호를 취득하고, 도전성 전극에 전기적으로 연결되었을 때 도전성 전극으로부터 용량 신호를 취득하도록 구성되는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    센서 신호 검출 회로가:
    사용자의 손가락에 의한 접촉에 따라 대전된 지문 관련 캐패시터에 관련된 전하를 저장하는 적분기를 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    적분기가:
    기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성기와;
    기준 전압 생성기와 전기적으로 결합되어 기준 전압을 수신하는 양의 입력 단자와; 센서 스위칭 회로에 전기적으로 결합된 음의 입력 단자와; 그리고 출력 단자를 포함하는 증폭기와;
    증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 간에 전기적으로 결합된 적분 캐패시터와; 그리고
    증폭기의 음의 입력 단자와 출력 단자 간에 전기적으로 결합된 리셋 스위치를
    구비하는 것을 특징으로 하는 지문 센서 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    각 센서 화소 회로의 센서 스위칭 회로에 결합되며, 행렬 내의 각 센서 화소 회로를 제어하는 제어 신호를 생성하여 행렬 내의 각 센서 화소 회로의 출력 신호를 병렬로 적분하도록 하는 제어 모듈을 구비하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    하나 이상의 센서 화소의 광검출기의 출력에 따른 센서 신호 검출 회로의 출력을 수신하도록 결합되어 수신된 출력을 심장 박동을 측정하도록 처리하는 센서 처리기를 더 구비하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치.
  19. 지문 센서 장치의 센서 화소 회로의 행렬에 의해 지문 스캔을 나타내는 손가락으로부터의 접촉에 관련된 캐패시턴스를 측정하는 단계와;
    지문 센서 장치의 센서 화소 회로의 행렬에 의해 손가락으로부터 반사되는 빛과 관련된 광학 신호를 검출하는 단계와; 그리고
    지문 센서 장치의 센서 화소 회로의 행렬에 의해 검출된 캐패시턴스와 광학 신호에따른 출력 신호를 출력하는 단계를
    구비하는 것을 특징으로 하는 지문을 검출하기 위한 지문 센서 장치의 작동방법.
  20. 제19항에 있어서,
    지문 식별을 수행하도록 출력 신호를 처리하는 단계를 구비하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치의 작동방법.
  21. 제20항에 있어서,
    출력 신호의 처리 단계가 지문의 공학 이미지와 지문의 용량 이미지를 취득하도록 출력 신호를 처리하는 단계를 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치의 작동방법.
  22. 제21항에 있어서,
    취득된 광학 이미지와 용량 이미지를 지문 식별 동안 스캔된 지문과 대조하기 위한 두 방식의 등록된 지문 이미지로 저장하는 단계를 구비하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치의 작동방법.
  23. 제20항에 있어서,
    출력 신호의 처리 단계가 광학 이미지를 사용하여 용량 이미지 내의 지문의 산에 대한 정보를 재생하는 단계를 포함하는 것을
    특징으로 하는 지문 센서 장치의 작동방법.
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