KR20190031606A - 다기능 지문 센서 - Google Patents

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Abstract

한 국면에 있어서, 지문 센서 장치는 지문에 관련된 접촉 입력의 검출에 따라 센서 신호를 생성하는 감지 회로를 포함한다. 감지 회로는 접촉 입력을 검출하여 지문의 화상을 나타내는 신호를 생성하는 지문 센서를 포함한다. 감지 회로는 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 출력하는 실제 손가락 센서를 포함한다. 생성된 센서 신호는 지문의 화상을 나타내는 신호와 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 포함한다. 지문 센서 장치는 감지 회로에 통신가능하게 접속되어 생성된 센서 신호를 처리함으로써 접촉 입력이 실제 손가락에 속하는지 여부를 판단하는 처리 회로를 포함한다.

Description

다기능 지문 센서{MULTIFUNCTION FINGERPRINT SENSOR}
본원은 2015년 4월 23일 출원된 미국 가출원번호 제62/151,903호에 대한 우선권을 주장한다. 전술한 출원의 전체 내용은 본원의 기재사항의 일부로 참조 및 포함되어 있다.
본 발명은 일반적으로 모바일(mobile) 및 웨어러블(wearable) 장치들을 포함하는 전자장치에 보안 접근(securely accessing)하기 위한 지문 인식(fingerprint recognition)에 관한 것이다.
랩탑, 태블릿, 스마트폰, 그리고 게임기(gaming system) 등과 같은 휴대용 또는 모바일 연산 장치(computing device)들은 개인 데이터를 보호하고 비인증 접근을 방치하기 위해 사용자 인증 기구(user authentication mechanism)를 채택할 수 있다. 전자 장치 상의 사용자 인증은 하나 또는 복수 형태의 생체 인식자(biometric identifier)를 통해 수행될 수 있는데, 이는 단독적으로 또는 통상적인 패스워드 인증 방법에 추가되어 사용될 수 있다. 생체 인식자의 흔한 형태는 사용자의 지문 패턴이다. 지문 센서는 사용자의 지문 패턴의 독출(read)을 위해 전자 장치에 내장되어 장치는 공인된 사용자의 지문 패턴의 인증을 통해 장치의 공인된 사용자에 의해서만 해제(unlock)될 수 있다.
본 발명은 지문 검출 장치가 설치된 모바일 장치를 포함하는 잠금된 장치로의 접근 시도를 인증하는 인체 지문 검출 및 인증을 수행하는 장치, 시스템, 그리고 기법(technique)을 제공하는 기술을 기재하고 있다. 본원에 기재된 지문 검출 장치는 실제 사람(live person)으로부터의 지문의 감지를, 심박(heart) 또는 맥박(heart rate) 감지, 실시간 손가락 색 감지, 지문 화상 상세의 운동 감지, 그리고 혈구(blood cell) 이동 감지 등과 같은 추가적인 생체 데이터 분석과 조합하는 다기능 지문 센서 장치이다. 실제 사람과 사람의 지문의 복제(예를 들어 복사본) 간을 구별할 수 있으므로 전자 장치에 대한 비인증 접근을 예방하거나 방지할 수 있다. 심박이나 맥박 등의 추가적 생체 분석을 검출할 수 있으므로 실제 사람의 지문 검출 능력이 강화되고 가치 있는 건강진단(health monitoring) (정보가) 제공될 수 있다.
본 발명의 한 국면에 있어서, 지문 센서 장치는 지문에 관련된 접촉 입력(contact input)의 검출에 따라 센서 신호를 생성하는 감지 회로를 포함한다. 이 감지 회로는 접촉 입력을 검출하여 지문의 화상을 나타내는 신호를 생성하는 지문 센서를 포함한다. 감지 회로는 지문이 실제 손가락(live finger)에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 생성하는 실제 손가락 센서를 포함한다. 생성된 센서 신호는 지문의 화상을 나타내는 신호와 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 포함한다. 지문 센서 장치는 감지 회로에 통신가능하게 접속되어(communicatively coupled) 생성된 센서 신호를 처리함으로써 지문에 관련된 접촉 입력이 실제 손가락에 속하는지 여부를 판단(determine)하는 처리 회로를 포함한다.
본 발명에 의한 지문 센서 장치는 하나 이상의 다음 특징들을 포함하는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 지문 센서는 용량 센서(capacitive sensor), 광학 센서, 또는 용량 센서와 광학 센서 양자를 포함한다. 지문 센서는 지문의 산(ridge)과 골(valley)들에 관한 정보를 취득할 수 있다. 실제 손가락 센서는 지문의 화상을 나타내는 신호를 분석하여 시간의 길이(period of time)에 걸친 화상 상세의 동적 거동(dynamics)을 식별할 수 있다. 실제 손가락 센서는 광원과 광 검출기를 포함한다. 광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 광 검출기는 광전 다이오드(photodiode)로 구성될 수 있다. 광원은 지문의 출처(source)를 향해 광(light)을 방출(emit)할 수 있다. 광 검출기는 방출된 광에 따라 지문 출처로부터 분산된 분산광(scattered light)을 검출할 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 있어서, 전자 장치는 중앙 프로세서와, 이 중앙 프로세서와 통신하는 지문 센서 장치를 포함한다. 지문 센서 장치는 지문에 관련된 접촉 입력의 검출에 따른 센서 신호를 생성하는 감지 회로를 포함한다. 감지 회로는 접촉 입력을 검출하여 지문의 화상을 나타내는 신호를 생성하는 지문 센서를 포함한다. 감지 회로는 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 생성하는 실제 손가락 센서를 포함한다. 생성된 센서 신호는 지문의 화상을 나타내는 신호와 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 포함한다. 지문 센서 장치는 감지 회로에 통신가능하게 접속되어 생성된 센서 신호를 처리함으로써 지문에 관련된 접촉 입력이 실제 손가락에 속하는지를 판단하는 처리 회로를 포함한다. 지문 센서 장치는 지문 센서 장치와 전자 장치의 중앙 프로세서 간의 신호 흐름을 중개(bridge)하는 인터페이스를 포함한다.
본 발명에 의한 전자 장치는 하나 이상의 다음 특징을 포함하는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 전자 장치는 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 또는 웨어러블(wearable) 장치로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 있어서, 지문 스캔 중에 실제 손가락을 검출하는 방법은, 지문 센서에 의해 지문 출처에 관련된 접촉 입력을 검출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 검출된 접촉 입력에 따른 지문 센서로부터의 화상 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 지문 센서로부터 생성된 화상 신호는 지문의 하나 이상의 화상을 나타낸다. 방법은 실제 손가락 센서에 의해, 접촉한 지문의 출처가 실제 손가락인지 여부를 나타내는 실제 손가락 검출 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 처리 회로에 의해, 생성된 화상 신호와 실제 손가락 검출 신호를 처리함으로써 검출된 접촉 및 관련된 하나 이상의 지문 화상이 실제 손가락으로부터 유래했는지 여부를 판단하는 처리 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 방법은 하나 이상의 다음 특징을 포함하여 구현될 수 있다. 생성된 실제 손가락 검출 신호의 처리 단계는 지문 화상 동적 거동(dynamics)의 분석 단계를 포함할 수 있다. 지문 화상 동적 거동은 신호 진폭이나 고휘도점(bright point) 좌표의 변화로 구성될 수 있다. 화상 신호의 생성 단계는 지문 화상들의 연속적인(sequence of) 포착(capturing) 단계를 포함할 수 있다. 실제 손가락 검출 신호는 연속적으로 포착된 지문 화상들에 걸친 하나 이상의 화상 상세의 변화의 식별 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 국면에 있어서, 실제 손가락 검출을 수행하는 방법은 지문 센서에 의해 지문에 관련된 접촉 입력을 검출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 실제 손가락 센서에 의해 지문에 관련된 검출된 접촉 입력의 출처에 하나 이상의 파장의 광(light)을 조사(apply)하는 단계를 포함한다. 방법은 실제 손가락 센서에 의해 하나 이상의 파장의 광의 조사에 따라 지문에 관련된 접촉 입력의 출처로부터 분산된 분산광을 검출하는 단계를 포함한다. 검출된 분산광은 지문에 관련된 검출 접촉 입력의 재질에 대한 정보를 포함한다. 방법은 검출된 분산광에 포함된 정보에 근거하여 지문에 관련된 검출 접촉 입력의 출처가 실제 손가락인지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 방법은 하나 이상의 다음 특징들을 포함하는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 지문에 관련된 검출 접촉 입력의 출처의 재질에 대한 정보는 혈구, 심박, 혈류 유발(blood flow induced) 반문 패턴(speckle pattern), 또는 도플러 주파수 변화(Doppler frequency change)로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 있어서, 전자 장치는 보호 커버와; 그리고 보호 커버에 인접하여 배치된 지문 센서를 포함한다. 지문 센서는 지문을 스캔하기 위한 지문 센서 칩(chip)과; 그리고 지문의 출처로부터 정보를 취득하기 위한 실제 손가락 센서를 포함하는데, 이 정보는 지문의 출처가 실제 손가락인지 여부를 나타낸다. 실제 손가락 센서는 지문 출처에 하나 이상의 파장의 광을 방출하는 광원과, 그리고 방출광에 따라 지문 출처로부터 분산된 분산광을 검출하는 광 검출기를 포함한다. 검출된 분산광은 지문 출처가 실제 손가락인지 여부를 나타내는 정보를 포함한다.
본 발명에 의한 전자 장치는 하나 이상의 다음 특징들을 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 지문 센서는 압력 센서로 구성될 수 있다. 지문 센서는 압력 센서 위에 배치되는 연성 인쇄 회로(flexible printed circuit; FPC) (기판)을 포함할 수 있다. 지문 센서는 FPC 위에 배치되는 집적 회로 기판(integrated circuit board)을 포함할 수 있다. 광원과 광 검출기는 이 집적 회로 기판에 통합될 수 있다. 지문 센서 장치는 보호 커버 밑에 배치될 수 있다. 광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 광 검출기는 광전 다이오드로 구성될 수 있다. 광원은 지문 센서 칩에 통합될 수 있다. 보호 커버는 방출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 유리 재질로 구성될 수 있다. 유리 커버는 지문 출처로 전달(travel)되는 광원으로부터의 방출광을 위한 방출광 경로 창(path window)을 포함할 수 있다. 유리 커버는 광 검출기에 수신될 지문 출처로부터의 분산광의 분산광 경로 창을 포함할 수 있다. 지문 센서 장치는 지문 센서 칩 상에 배치된 유색 에폭시 재질 층(colored epoxy material layer)을 포함할 수 있다. 지문 센서 장치는 지문 센서 칩을 둘러싸며 유색 에폭시 재질 층 밑에 배치되는 금속 링 구조(metal ring structure)를 포함할 수 있다. 보호 커버는 지문 센서를 그 구멍(hole) 내에 수납하기 위한 구멍을 형성하도록 배치될 수 있다. 지문 센서 장치는 금속 링을 포함할 수 있으며, 지문 센서 장치는 보호 커버의 구멍 내에 배치되어 금속 링과 보호 커버의 측면 사이에 갭(gap)을 형성함으로써 이 갭이 광원에서 방출된 방출광이 지문의 출처에 도달하는 광 경로를 형성할 수 있다. 지문 센서 장치는 센서 커버를 포함할 수 있다. 이 센서 커버는 방출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명하다. 센서 커버는 방출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 재질의 두 층을 포함할 수 있다. 센서 커버는 출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 재질의 두 층 사이에 유색층(color layer)을 포함할 수 있다. 센서 커버는 망상 재질(mesh material)로 구성될 수 있다.
본 발명의 다기능 지문 센서 장치는 광학 감지, 활성 센서 픽셀과 증폭을 수반하는 자기 용량 감지(self-capacitive sensing), 또는 복수의 지문 감지 기법들의 조합을 포함하는 여러 가지 다른 지문 감지 기법들을 활용할 수 있다. 활성 센서 픽셀과 증폭을 수반하는 자기 용량 감지를 채택한 지문 센서 장치는 잠재적으로 다양하게 유용한 이점들을 얻을 수 있다. 예를 들어, 활성 센서 픽셀과 증폭을 수반하는 자기 용량 감지는 지문 센서 장치 외부의 여기 전극(excitation electrode)을 필요로 하지 않으므로, 전체 지문 센서 장치가 (예를 들어 사파이어 등의) 보호 커버 밑에 배치되도록 구현될 수 있다. 이 커버 하부(under-the cover) 구성은 지문 센서 장치를 손가락, 습기, 먼지 등을 포함하는 환경 위험(environmental hazard)들로부터 보호할 수 있다. 또한 활성 센서 픽셀과 증폭을 수반하는 자기 용량 감지는 스캔되는 행 또는 열의 모든 센서 화소들을 선택적으로 구동할 수 있데 하여 각 독출(read) 센서 신호에 기여하는 센서 화소의 수를 증가시킬 수 있다. 이들 및 다른 잠재적인 이점들은 다음 설명으로 명확해질 것이다.
도 1은 스마트폰에 구현된 예시적인 지문 센서 장치를 보이는 블록도.
도 2A 및 2B는 지문 화상의 분석에 의해 실제 손가락 검출을 수행하는 예시적 과정을 보이는 과정 흐름도.
도 3A는 접촉된 객체의 재질의 분석에 의해 실제 손가락 검출을 수행하는 예시적 과정을 보이는 과정 흐름도.
도 3B는 광의 다른 파장에 대한 피부 반사를 보이는 그래프.
도 4A, 4B, 4C, 및 4D는 스마트폰에 채택되고 압력 센서를 포함하는 예시적 지문 센서 장치를 보이는 블록도.
도 5는 보안 통신 채널을 제공하는 예시적 응용분야를 보이는 블록도.
도 6A 및 6B는 실제 손가락 판단을 위한 광학 감지 기법을 사용하는, 스마트폰에 채택된 예시적 지문 센서 장치를 보이는 블록도.
도 7A 및 도 7B는 샌드위치형 커버 구조를 가지는 지문 센서 장치의 예시적 패키지를 보이는 블록도.
도 8A 및 도 8B는 금속 링을 가지는 지문 센서 장치의 예시적 패키지를 보이는 블록도.
도 9A 및 9B는 망상-유색 커버를 가지는 금속 링을 구비하는 지문 센서 장치의 예시적 패키지를 보이는 블록도.
도 10A는 활성 센서 화소 및 증폭을 수반하는 자기 용량 감지를 구현하는 예시적 지문 센서 장치를 보이는 블록도.
도 10B는 예시적 센서 화소를 보이는 블록도.
도 10C는 도 10B에 도시된 예시적 센서 화소의 등가 회로의 블록도.
도 11A는 각 센서 화소의 광학 센서에 추가하여 용량성 센서를 추가하여 구현한 예시적 지문 센서 장치를 보이는 블록도.
도 11B는 센서 화소 행렬 내의 각 센서 화소에 광학 센서와 용량성 센서를 구조적으로 통합한 예시적 지문 센서 장치를 보이는 블록도.
도 12는 광학 센서와 용량성 센서 양자 모두를 채택한 예시적 하이브리드 지문 센서 장치를 보이는 평면도.
도 13A는 예시적 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소를 보이는 회로도.
도 13B는 다른 예시적 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소를 보이는 회로도.
도 13C는 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소로부터의 센서 신호의 병렬 검출을 수행하기 위한 예시적 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소를 보이는 회로도.
도 14A, 14B, 14C 및 14D는 광학 및 용량성 센서를 채택한 하이브리드 지문 센서에 의해 지문 감지를 수행하는 예시적 과정을 보이는 과정 흐름도.
지문 인증 기구를 장비한 전자 장치는 인증된 사용자의 지문을 얻을 수 있어 절취한 지문 패턴을 인간의 손가락을 닮은 반송 객체(carrier object) 상에 복제한 악의의 사용자에 의해 해킹(hacking)될 수 있는데, 이 복제물은 목표 장치를 해제하는 데 사용될 수 있다. 이에 따라 지문은 독특한 생체 인식 식별자이기는 하지만 그 자체로는 완전히 신뢰성 높거나 안전한 식별 수단(identification)이 되지 못할 수 있다. 본원에 개시되는 기법, 장치 그리고 시스템은 기존의 전자 장치에 사용되는 지문 인증 기술을 개선하여 절취된 지문으로 목표 장치에 근접이 허용되는 것을 잠재적으로 방지한다.
본원에 기재된 실시예들은 인간의 지문 검출과 인증을 위한 다양한 지문 센서 장치를 구현하는 장치, 시스템, 그리고 기법들을 제공한다. 또한 본원에 기재된 실시예들은 검출된 객체가 실제 사람에게 속하는지 여부를 판단하는 다양한 지문 센서 장치를 구현하는 장치, 시스템, 기법들을 제공한다. 본원에 개시된 기술은 인증된 사람이 장치에 접근하는지 여부를 식별하는 조합 인증 방법으로 사람으로부터 얻어진 추가적 측정치를 사람의 지문 패턴과 조합할 수 있다.
또한 지문을 스캔하는 동안의 심박이나 맥박 등의 추가적인 인체 식별 데이터 역시 검출할 수 있는, 개시된 기술을 구현하는 지문 센서 장치의 다양한 예들이 제공된다. 이에 따라 본원에 개시되는 기술의 지문 센서 장치는 전자 장치로의 보안 접근을 제공하며 심박이나 맥박 감지 등의 추가적 인체 식별 데이터를 제공할 수 있는 다기능 지문 센서 장치이다.
지문 식별 회로 및 실제 손가락 검출(Fingerprint Sensor Circuitry and Live Finger Detection)
도 1은 스마트폰에 구현된 예시적 지문 센서 장치(20)를 보이는 블록도이다. 지문 센서 장치(20)는 지문 스캐닝과 실제/모조(live/dead) 손가락 판단(judgement)을 수행하는 감지 유닛(sensing unit) 또는 회로(2)를 포함한다. 감지 유닛(2)은 처리 회로(processing circuitry; 5)와 통신상 연결(couple)되어 지문 스캐닝과 실제/모조 손가락 판단 등에 관련된 신호를 처리한다. 인터페이스(interface; 6)가 지문 센서 장치(20)와, 스마트폰(1)으로 구성될 수 있는 응용 플랫폼(application platform) 또는 호스트 장치(host device) 사이의 신호 흐름을 중개(bridge)한다. 응용 플랫폼(7)의 예는 스마트폰(1), 태블릿 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 웨어러블 장치, 그리고 보안 접근(secure access)이 요구되는 다른 전자 장치들을 포함한다. 예를 들어, 인터페이스(6)는 (직접적으로건 버스나 인터페이스 등의 다른 구성요소를 통하건) 스마트폰(1)의 중앙 프로세서와 통신하여 지문 화상 데이터(fingerprint image data)와 접촉 입력을 형성하는 검출 지문이 실제 손가락에 속하는지 여부를 나타내는 정보를 포함하는 지문 센서 장치(20)로부터의 센서 데이터를 제공한다.
감지 유닛(2)은 지문 센서(3)와 실제 손가락 센서(4)를 포함한다. 지문 센서(3)는 자기 용량 감지(self-capacitive sensing), 상호 용량 감지(mutual-capacitive sensing), 광학 감지 또는 다른 감지 기법들을 포함하는 적용 가능한 감지 기법들의 하나 이상의 조합으로 구현될 수 있다. 실제 손가락 센서(4)는 지문 화상 동적 거동(dynamics)을 분석하는 회로를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 지문 센서(3)에서 취득된 용량성(capacitive) 지문 화상은 손가락 운동 정보를 반송(carry)하므로 신호 진폭과 고휘도점 좌표 등의 화상 상세가 센서 장치를 접촉한 손가락이 살아있는지(alive) 여부를 판단(determine)하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현예들에서, 실제 손가락 센서(4)는 광학 센서 등, 스캔된 지문에서 심박이나 맥박 등의 추가적 생체 식별자(biometric marker)를 감지하는 회로를 포함할 수 있다. 지문 센서(3)와 실제 손가락 센서(4)의 예들은 도 10A 내지 도 14D를 참조하여 제공되어 있다.
실제 손가락 센서(4)는 (살아있는) 실제 손가락이 혈류가 사용자의 인체를 흐를 때 운동하고, 연장(stretch)되거나 맥동(pulsing)한다는 사실에 근거하여 실제 손가락 검출 또는 판단을 수행한다. 실제 손가락 센서는 실제 손가락의 이동, 연장, 맥동을 검출할 수 있는 압력 센서, 광학 센서 또는 다른 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 센서는 광(light)을 방출하는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 광원과, 방출광에 따라 손가락에서 분산된 분산광을 검출하는 광전 다이오드(photodiode) 등의 광 검출기를 포함할 수 있다. 광이 손가락 조직(tissue)이나 혈구(blood cell)를 통해 전파(propagate)될 때 광이 부분적으로 흡수되고 부분적으로 분산된다. 실세 손가락의 운동 또는 혈류는 광 흡수 단면에 변화를 야기한다. 광 검출기는 이 종류의 변화를 검출하여 실제 손가락을 검출한다.
도 2A 및 2B는 지문 화상을 분석함으로써 실제 손가락 검출을 수행하는 예시적 과정(process; 40)을 보이는 과정 흐름도이다. 과정(40)은 지문 센서에 의해 접촉 입력을 검출하는 단계를 포함한다(단계 41). 과정은 검출된 접촉 입력에 따라 지문 센서(3)로부터 화상 신호를 생성하는 단계를 포함한다(단계 42). 과정은 실제 손가락 센서로부터 실제 손가락 검출 신호를 생성하는 단계를 포함한다(단계 43). 지문 센서(3)로부터 생성된 화상 신호는 검출된 접촉의 출처의 하나 이상의 화상을 나타낸다. 접촉이 손가락으로부터 유래했다고 판단(determine)되면 출력 신호는 검출된 손가락 접촉의 하나 이상의 지문 화상을 나타낸다. 과정은 처리 회로(processing circuitry)에 의해 생성된 화상 신호와 실제 손가락 검출 신호를 처리하여 검출된 접촉과 관련 지문 화상이 실제 손가락에서 유래했는지의 여부를 판단하는 단계를 포함한다(단계 44). 생성된 신호의 처리 단계는 지문 화상 동적 거동(dynamics)의 분석 단계를 포함한다(단계 45). 지문 용량성 화상은 손가락 운동 정보를 포함하므로, 신호 진폭과 고휘도점(bright point) 좌표 등의 화상 상세를 포함하는 지문 화상 동적 거동이 지문 센서 장치에 의해 검출된 지문이 실제 손가락에서 유래했는지 여부를 판단하는데 사용될 수 있다.
생성된 출력 신호로부터 지문 용량성 화상의 시퀀스(sequence)가 포착(capture)되어 시간 주기에 걸친 신호 진폭과 고휘도점 분포의 변화(change)를 포함하는 지문 화상 동적 거동이 재현(recover)될 수 있다. 모조 손가락은 실제 손가락과는 다른 동적 거동을 나타낸다. 예를 들어, 실제 손가락으로부터의 지문 화상 동적 거동은 화상의 시퀀스로 포착된 시간 주기에 걸쳐 신호 진폭 또는 고휘도점 분포의 변화를 포함할 것이다. 실제 손가락과 대조적으로, 살아있지 않은 모조 손가락은 어떤 변화를 나타내지 않거나 실제 손가락과 비교하여 다른(합성의) 변화를 나타낼 것이다. 하드웨어, 소프트웨어 또는 양자의 조합을 포함하는 다양한 구현예들이 지문 화상 동적 거동 데이터를 취득하는 데 사용될 수 있다. 초소형(micro) 압력 센서가 지문 센서 장치에 통합되어 실제 손가락 운동 신호의 포착을 보조할 수 있다.
도 3A는 접촉한 객체의 재질을 분석함으로써 실제 손가락 검출을 수행하는 예시적 과정(46)의 과정 흐름도이다. 과정(46)은 검출된 접촉을 유발하는 객체의 재질을 분석하는 데 광학적 접근방법을 사용한다. 과정(46)은 지문 센서에 의해 접촉 입력을 검출하는 단계를 포함한다(단계 47). 하나 이상의 파장의 광이 하나 이상의 광원으로부터 지문 센서 장치와 접촉하는 검출된 객체에 인가되어 객체를 조명한다(단계 48). 하나 이상의 파장의 광의 인가에 따라 객체로부터 분산된 광이 광 검출기에 의해 검출된다(단계 49). 손가락으로부터 분산된 광은 혈구, 심박, 혈류로 유발된 반문 패턴(speckle pattern)과 도플러 주파수 변화(Doppler frequency change) 등을 포함하는 손가락 재질에 대한 정보를 포함한다. 분산광에서 취득된 정보는 검출된 객체가 실제 손가락인지 여부를 판단하는 데 사용된다(단계 50). 예를 들어, 혈구, 심박, 혈류 유발 반문 패턴과 도플러 주파수 변화 정보를 포함하는 어떤 손가락 재질 정보의 존재는 검출된 객체가 실제 손가락임을 확인(confirm)하는 데 사용될 수 있다.
도 3B는 광의 다른 파장에 대한 피부 반사율(skin reflectance)을 보이는 그래프(51)이다. 도 3A의 과정(46)에 기재한 대로, 다른 파장의 광을 (예를 들어 손가락 등의) 객체에 인가하는 광학적 검출 기법이 검출된 객체가 실제 손가락인지 판단(determine or judge)하는 데 사용될 수 있다. 이 광학적 기법은 다른 파장의 빛에 따른 사람 손 피부의 스펙트럼에 기초한다. 도 3B에 도시된 바와 같이, 사람 피부의 반사 스펙트럼 곡선에는“W"형 패턴이 존재한다. 해당하는 좌측 최소 파장은 546,6nm, 국부(local) 최소 파장은 559.4nm, 그리고 우측 최소 파장은 575.5nm이다. 심박의 측정에 단일 또는 복수의 파장의 광이 사용되어 검출된 객체가 실제 손가락인지 판단하는 데 사용될 수 있다.
지문 센서 장치 패키징(Fingerprint Sensor Device Packaging)
도 4A, 4B, 4C, 및 4D는 스마트폰 장치(1)에 채택된, 압력 센서를 포함하는 예시적 지문 센서 장치(20)의 블록도이다. 도 4B는 (도 4A의) 절단선(21)을 따른 스마트폰 플랫폼(1)의 단면도이다. 도 4C 및 4D는 예시적 지문 센서 장치(20)의 평면도이다. 스마트폰 장치(1)는 통합된 지문 센서 모듈(module) 또는 장치(20)을 가지는 터치 패널 조립체(touch panel assembly; 10)를 포함한다. 스마트폰 장치(1)는 카메라 등의 다른 센서(12)를 포함한다. 스마트폰 장치(1)는 또한 사용자의 입력을 수용하는 사이드 버튼(side button) 등의 다양한 버튼(14, 16)들을 포함할 수 있다. 터치 패널 조립체(10)는 지지 유리(54) 위에 배치된 보강 커버 유리(50)를 포함할 수 있다. 유색 에폭시 재질 층(colored epoxy material layer; 52)이 커버 유리(50)를 지지 유리(54)에 부착하는 데 사용될 수 있다. ITO 패턴(56)이 지지 유리(54)의 바닥면 또는 배면에 인쇄될 수 있다. 지지 유리는 지문 센서 모듈 또는 장치(20)을 수납하는 구멍(58)이 형성되도록 배치될 수 있다.
도 4B에 도시된 바와 같이, 지문 센서 장치(20)는 지문 센서 칩(23)을 포함할 수 있다. 집적 회로(integrated circuit; 25)가 탑재된 배면 PCB가 지문 센서 칩(23)의 바닥면 또는 배면에 배치된다. 유연 인쇄 회로(flexible printed circuit; FPC)(27)가 집적회로(25)가 탑재된 배면 PCB와 초소형 압력 센서(micro pressure sensor; 26) 사이에 배치된다. 선택적인 금속 링 구조(metal ring structure; 29)가 지문 센서 칩(23)을 둘러싸도록 유색 에폭시 재질 층(52) 밑에 배치될 수 있다. 얇은 에폭시 재질(31)이 지문 센서 장치(20)를 유색 커버 유리(50)에 접착하는 데 사용될 수 있다.
실제 손가락 판단에 광학 감지 기법을 적용에 있어서, 광전 다이오드(photodiode) 등의 광 감지 소자와, 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 및 레이저 다이오드(laser diodes; LD) 등의 광원이 지문 센서 장치에 다른 방식들로 통합될 수 있다. 도 4C와 4D는 광 검출기와 광원을 지문 센서 장치에 통합하는 두 다른 방식들을 보이는 예시적 지문 센서 장치(20)의 평면도들이다. 도 4C는 광 검출기와 광원을 지문 센서 칩(23)에 통합하는 한 방법을 도시한다. 도 4B 및 4C의 예시적 지문 센서 장치(20)의 평면도들은 LED 또는 LD(33)와 광전 다이오드(35) 등의 이산된(discrete) 구성요소들로 둘러싸인 지문 센서 칩(23)을 도시한다. 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)(33)는 배면 PCB(25) 상에 배치되어 (예를 들어 손가락 등의) 객체에 인가되는 하나 이상의 파장의 광을 방출할 수 있다. 도 4C의 광전 다이오드(35)는 지문 센서 칩(23)에 위치하거나 장착되어 인가된 광에 따라 (예를 들어 손가락 등의) 객체로부터 분산된 광을 검출할 수 있다.
도 4D는 광 검출기와 광원을 지문 센서 칩(23)에 통합하는 다른 방법을 도시한다. 도 4D의 예시적 지문 센서 장치(20)의 평면은 LED 또는 LD(63)과 광전 다이오드(61) 등의 이산된 구성요소들로 둘러싸인 지문 센서 칩(23)을 도시한다. 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)(63)는 배면 PCB(25) 상에 배치되어 (예를 들어 손가락 등의) 객체에 인가되는 하나 이상의 파장의 광을 방출할 수 있다. 도 4D의 광전 다이오드(61)는 지문 센서 칩(23) 밖의 배면 PCB(25) 상에 위치하거나 장착된다. 센서 칩 외부의(off-sensor chip) 광전 다이오드(61)는 인가된 광에 따라 (예를 들어 손가락 등의) 객체로부터 분산된 광을 검출할 수 있다.
실제 손가락 검출을 수행하는 광원과 광 검출기를 채택한 광학 감지 기법은 추가적 응용 분야를 가질 수 있다. 도 5는 보안 통신 채널(secure communication channel)을 제공하는 예시적 응용 분야를 보이는 블록도이다. 두 전자 장치(64, 66)는 광원과 광전 다이오드를 사용하여 제공되는 고속 비화 통신 채널(65)을 통해 서로 통신할 수 있다. 광원은 전송될 데이터를 반송하도록 변조되고, 광전 다이오드는 이 데이터를 수신한다. 전형적인 통신 속도(data rate)가 4.24Mbit/s인 근접장 통신(near field communication; NFC) 모듈과 비교할 때, 광학 통신은 훨씬 더 고속의 통신 속도를 실현할 수 있고 제3의 장치로 포착(capture)하기 더 어렵다. 예를 들어 LED는 50Mbit/s, Vecsel LD는 lOGbit/s 이상의 통신 속도를 구현할 수 있다 (Vecsel; vertical-external-cavity surface-emitting-laser; 수직 외부 캐비티 표면 방출 레이저).
도 6A 및 6B는 스마트폰 장치(1)에 채택된, 실제 손가락 판단에 광학 감지 기법을 사용한 예시적 지문 센서 장치(20)를 보이는 블록도이다. 도 6A 및 6B의 지문 센서 장치920)는 스마트폰 장치(1)의 화면 커버(screen cover) 밑의 패캐지(package)를 사용하여 설치되었다. 도 6B는 (도 6A의) 절단선(21)을 따른 스마트폰 플랫폼(1)의 단면도이다. 스마트폰 장치는 해당 사용자 입력을 수용하는 사이드 버튼 등의 다양한 버튼(14, 16)들을 포함할 수 있다. 터치 패널 조립체(10)는 지지 유리(54) 상에 배치된 보강 커버 유리(50)를 포함할 수 있다. 유색 에폭시 재질 층(52)이 커버 유리(50)를 지지 유리(54)에 부착하는 데 사용될 수 있다. ITO 패턴(56)이 지지 유리(54)의 바닥면 또는 배면에 인쇄될 수 있다. 지지 유리는 지문 센서 모듈 또는 장치(20)을 수납하는 구멍(58)이 형성되도록 배치될 수 있다.
도 6B에 도시된 바와 같이, 지문 센서 장치(20)는 지문 센서 칩(23)을 포함할 수 있다. 집적 회로(25)가 탑재된 배면 PCB가 지문 센서 칩(23)의 바닥면 또는 배면에 배치된다. 유연 인쇄 회로(FPC)(27)가 집적회로(25)가 탑재된 배면 PCB와 초소형 압력 센서(26) 사이에 배치된다. 선택적인 금속 링 구조((29)가 지문 센서 칩(23)을 둘러싸도록 유색 에폭시 재질 층(52) 밑에 배치될 수 있다. 얇은 에폭시 재질(31)이 지문 센서 장치(20)를 유색 커버 유리(50)에 접착하는 데 사용될 수 있다.
실제 손가락 판단에 광학 감지 기법을 적용에 있어서, 광전 다이오드 등의 광 감지 소자(35)와, 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 등의 광원 등의 광원(33)이 지문 센서 장치에 다른 방식들로 통합될 수 있다. 광전 다이오드(35)는 지문 센서 칩(23)에 통합될 수 있다. 도 6A 및 6B의 광전 다이오드(35)는 지문 센서 칩(23) 상에 배치되거나 설치되어 인가된 광에 따라 (예를 들어 손가락 등의) 객체로부터 분산된 광을 검출할 수 있다. 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)(33)는 지문 센서 칩(23)과 떨어져 배면 PCB(25) 상에 배치된다. 광원(33)은 (예를 들어 손가락 등의) 객체에 인가되는 하나 이상의 파장의 광을 방출할 수 있다.
광원(33)을 위한 광 경로 창(light path window; 71)이 광원(33) 위의 상부 커버 유리(top cover glass; 50)를 통해 배치된다. 광 경로 창(71)은 광원(33)에서 방출된 광이 광원(33)으로부터 배출되도록 개방되어 있다. 광 경로 창(71)은 광원(33)에서 방출된 광이 통과하여 (예를 들어 손가락 등의) 객체(77)에 접촉하도록 한다. 예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(35)를 위한 광 경로 창(73)은 광원(33)에서 방출된 방출광(75)에 따라 (예를 들어 손가락 등의) 객체(77)에서 분산된 분산광(79)을 광 검출기(35)에 도달시키도록 광 검출기(35) 상에 배치된다. 광 경로 창(71, 73)은 코팅(coating)이 없는 투명한(clear) 영역이거나 해당 광파에 대해 적어도 부분적으로 투명한(transparent), 코팅된 특정 영역이 될 수 있다.
도 7A 및 7B는 금속 링을 가지는 지문 센서 장치(80)의 예시적 패키지의 블록도들이다. 지문 센서 장치(80)는 도 1 내지 도 6B의 지문 센서 장치(200와 거의 유사하지만 패키지에 금속 링을 채택하고 있다. 도 7A는 지문 센서 장치(80)를 스마트폰 등의 전자 장치에 채택한 평면도이다. 도 7B는 (도 7A의) A-A선을 따른 단면도이다. 금속 링(83)은 지문 센서 칩(89)을 둘러싸도록 배치된다. 유연 회로 기판(FPC)(93)이 금속 커버(95) 상에 배치된다. 센서 트렌치 보어(sensor trench boar 91)가 FPC(93)와 지문 센서 칩(89) 사이에 형성된다. 선택적인 센서 커버(87)가 지문 센서 장치(89) 위에 배치될 수 있다. 지문 센서 장치(80)는 커버(85)에 형성된 경로(via) 또는 구멍을 사용하여 전자 장치의 화면 또는 상부 커버(85)에 매립(embed)될 수 있다. 전자 장치의 화면 또는 상부 커버(85)는 유색 코팅(color coating; 99) 상에 배치되어 화면 커버(85)에 원하는 색과 광 경로를 제공할 수 있다. 화면 유색 코팅(99)는 필요에 따라 광 경로를 형성하도록 변경될 수 있다. (에폭시 등의) 충전재가 센서 장치(80)를 제자리에 고정하도록 주입될 수 있다.
(LED, LD 등의) 광원(97)이 도 7B에 도시된 바와 같이 FPC(93) 상에 배치된다. 금속 링(83)과 화면 커버(85) 사이의 갭(gap; 82)이 광원(97)에 의해 방출된 광 빔(light beam; 105)을 위한 광 경로로 사용된다. 광 경로로 기능하는 갭(82)은 갭(82)에서의 금속 링의 경사된(tilted) 외벽면(103)에 의해 보강(enhance)될 수 있다. (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113)를 위한 광 경로 창(81)이 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113) 위에 배치되어 광원(97)에서 방출된 광 빔(105)에 따라 (예를 들어 손가락 등의) 객체(119)에 의해 분산된 분산광(117)이 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113)에 도달하도록 한다. 광전 다이오드(113)를 위한 광 경로 창(81)은 투명(clear)하거나 분산광이 창(81)을 통과하도록 적어도 부분적으로 투명(transparent)한 코팅을 가질 수 있다.
도 8A 및 8B는 샌드위치형 센서 커버(sandwiched sensor cover)를 가지는 지문 센서 장치(84)의 예시적 패키지의 블록도들이다. 지문 센서 장치(84)는 도 1 내지 도 6B의 지문 센서 장치(20)와 도 7A 및 도 7B의 지문 센서 장치(80)와 거의 유사하지만 패키지에 샌드위치형 센서 커버를 가지는 금속 링을 채택하고 있다. 도 8A는 지문 센서 장치(84)를 스마트폰 등의 전자 장치에 채택한 평면도이다. 도 8B는 (도 8A의) B-B선을 따른 단면도이다. 금속 링(83)은 지문 센서 칩(89)을 둘러싸도록 배치된다. 유연 회로 기판(FPC)(93)이 금속 커버(95) 상에 배치된다. 센서 트렌치 보어(91)가 FPC(93)와 지문 센서 칩(89) 사이에 형성된다. 선택적인 센서 커버(121)가 지문 센서 장치(89) 위에 배치될 수 있다. 센서 커버(121)는 두 층(121) 사이에 유색층(color layer; 115)이 삽입된 샌드위치 구조로 배치될 수 있다. 센서 커버(121)의 유색층(115)은 목표(target) 광을 감쇠(attenuate)시키는 데 사용될 수 있다. 지문 센서 장치(84)는 커버(85)에 형성된 경로(via) 또는 구멍을 사용하여 전자 장치의 화면 또는 상부 커버(85)에 매립될 수 있다. 전자 장치의 화면 또는 상부 커버(85)는 유색 코팅(99) 상에 배치되어 화면 커버(85)에 원하는 색과 광 경로를 제공할 수 있다. 화면 유색 코팅(99)는 필요에 따라 광 경로를 형성하도록 변경될 수 있다. (에폭시 등의) 충전재가 센서 장치(84)를 제자리에 고정하도록 주입될 수 있다.
(LED, LD 등의) 광원(97)이 도 8B에 도시된 바와 같이 FPC(93) 상에 배치된다. 금속 링(83)과 화면 커버(85) 사이의 갭(82)이 광원(97)에 의해 방출된 광 빔(105)을 위한 광 경로로 사용된다. 광 경로로 기능하는 갭(82)은 갭(82)에서의 금속 링의 경사된 외벽면(103)에 의해 보강될 수 있다. (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113)를 위한 광 경로 창(81)이 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113) 위에 배치되어 광원(97)에서 방출된 광 빔(105)에 따라 (예를 들어 손가락 등의) 객체(119)에 의해 분산된 분산광(117)이 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113)에 도달하도록 한다. 광전 다이오드(113)를 위한 광 경로 창(81)은 투명(clear)하거나 분산광이 창(81)을 통과하도록 적어도 부분적으로 투명(transparent)한 코팅을 가질 수 있다.
유색층(115)과의 센서 커버(121)의 샌드위치 구조는 광 경오 창(81)이 커버를 통해 보이지 않게 하는 것을 보조할 수 있다. 샌드위치 구조의 커버(121)에서 유색층(115)은 (유리 등의) 두 투명층 사이에 위치한다. 투명층들은 센서 칩(89)에 접착되어 손가락(119)으로부터 광전 다이오드(들)(113)로의 광 경로를 제공한다. 일부 구현예들에서, 유색층(들)(115)은 모서리 영역에서 변경될 수 있다. 또한 금속 링(83)의 내벽(104)이 손가락 분산광(117)을 광전 다이오드(113)로 반사할 수 있다.
도 9A 및 9B는 망상 유색 커버(mesh-colored cover)를 가지는 금속 링을 구비하는 지문 센서 장치(86)의 예시적 패키지의 블록도들이다. 지문 센서 장치(86)는 도 1 내지 도 6B의 지문 센서 장치(20)와 도 7A 및 도 7B의 지문 센서 장치(80), 그리고 도 8A 및 8B의 지문 센서 장치(84)와 거의 유사하지만 패키지에 망상 유색 커버를 가지는 금속 링을 채택하고 있다. 도 9A는 지문 센서 장치(86)를 스마트폰 등의 전자 장치에 채택한 평면도이다. 도 9B는 (도 9A의) C-C선을 따른 단면도이다. 금속 링(83)이 지문 센서 칩(89)을 둘러싸도록 배치된다. 유연 회로 기판(FPC)(93)이 금속 커버(95) 상에 배치된다. 센서 트렌치 보어(91)가 FPC(93)와 지문 센서 칩(89) 사이에 형성된다. 선택적인 센서 커버(122)가 지문 센서 장치(89) 위에 배치될 수 있다. 센서 커버(122)는 커버(122)와 지문 센서 칩(89) 사이에 유색층(115)을 가지는 망상 커버(mesh cover)로 배치된다. 센서 커버(121)의 유색층(115)은 목표 광을 감쇠시키는 데 사용될 수 있다. 지문 센서 장치(86)는 커버(85)에 형성된 경로(via) 또는 구멍을 사용하여 전자 장치의 화면 또는 상부 커버(85)에 매립될 수 있다. 전자 장치의 화면 또는 상부 커버(85)는 유색 코팅(99) 상에 배치되어 화면 커버(85)에 원하는 색과 광 경로를 제공할 수 있다. 화면 유색 코팅(99)는 필요에 따라 광 경로를 형성하도록 변경될 수 있다. (에폭시 등의) 충전재가 센서 장치(86)를 제자리에 고정하도록 주입될 수 있다.
(LED, LD 등의) 광원(97)이 도 9B에 도시된 바와 같이 FPC(93) 상에 배치된다. 금속 링(83)과 화면 커버(85) 사이의 갭(82)이 광원(97)에 의해 방출된 광 빔(105)을 위한 광 경로로 사용된다. 광 경로로 기능하는 갭(82)은 갭(82)에서의 금속 링의 경사된 외벽면(103)에 의해 보강될 수 있다. (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113)를 위한 광 경로 창이 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113) 위에 배치되어 광원(97)에서 방출된 광 빔(105)에 따라 (예를 들어 손가락 등의) 객체(119)에 의해 분산된 분산광(117)이 망상 커버(122)를 통해 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광 검출기(113)에 도달하도록 한다. 망상 커버(122)는 분산광(117)이 적어도 부분적으로 망상 커버(122)를 통과하도록 하는 망(mesh)으로 구성되어 있다. 예를 들어, 망상 유색층(122)과 유색층(115)은 분산광(117)이 손가락(119)으로부터 광전 다이오드(113)로 전송되는 광 경로가 될 갭들을 남기는 망 구조로 구성되어 있다. 망상 유색 구조(122)는 전체 커버 영역을 점유하거나 광전 다이오드(113) 위의 국부적 영역만을 덮을 수 있다. 또한, 금속 링(83)의 내벽(104)는 손가락 분산광(117)을 광전 다이오드(113)로 반사할 수 있다.
지문 센서 기법들(Fingerprint Sensor Technologies)
본원에 개시된 지문 센서 장치(20, 80, 84 및 86)들은 특히 자기 용량 감지, 상호 용량 감지, 그리고 광학 감지를 포함하는 다양한 감지 기법들의 하나 이상의 조합으로 구현될 수 있다. 실제 손가락을 감지하는 개시된 기술은 특정한 방식의 감지 기법에 의존하지 않으며 다양한 감지 기법들 중의 어느 하나 또는 조합이 채택될 수 있다.
예를 들어, 도 10A는 활성 센서 화소와 증폭을 수반하는 자기 용량성 감지를 구현하는 예시적 지문 감지 센서(200)의 블록도이다. 지문 센서 장치(200)는 자기 용량성 감지를 채택한 도 1 내지 도 9B의 지문 센서 장치(20, 80, 84 및 86)의 한 예이다. 자기 용량성 지문 센서 장치(200)는 기판 캐리어(substrate carrier; 204) 상에 배치된 센서 칩(202)과 센서 칩(202) 위에 배치된 보호 필름 또는 커버 층(206)을 포함한다. 보호 필름 또는 커버 층(206)은 유리, 이산화규소(SiO2), 사파이어, 플라스틱, 폴리머, 거의 유사한 다른 재질 등의 절연체 또는 유전 재질(dielectric material)로 구성될 수 있다. 보호 필름 또는 커버 층(106)은 센서 칩(202)을 보호하고, 손가락(201)의 표면과 센서 칩(202) 내의 개별 센서 화소의 도전성 감지 전극들 사이의 유전층의 일부로 기능하도록 존재할 수 있다. 보호 필름 또는 커버 층(206)은 지문 센서 장치(200)의 응용 분야에 따르는 선택적인 층이다. 일부 구현예들에서, 지문 센서 장치(200)는 휴대폰 등의 전자 장치의 상부 커버 유리의 개구부(opening)를 통하거나 전자 장치의 상부 커버 유리 밑에 배치될 수 있다. 유리 하부(under-the-glass) 응용 분야에 사용될 때는, 전자 장치의 상부 커버 유리가 센서 칩(202)을 보호하고 유전층으로 작용할 것이므로, 보호 필름 또는 커버 층(206)이 필요 없다. 센서 칩(202)은 보호 필름 또는 커버 층(206)에 접촉하는 손가락(201)으로부터의 지문 데이터를 함께(in combination) 감지 또는 포착하는 센서 화소들의 행렬(array)를 포함한다. 센서 칩(202)의 각 센서 화소는 지문(201)의 산(ridge) 또는 골(valley)에 관련된 캐패시터의 정전용량(capacitance)에 기초하여 (예를 들어 전압 등의) 출력 신호를 생성한다. 출력 신호는 조합되었을 때 손가락(201)의 지문 화상을 나타낸다. 센서 화소들의 수가 많을수록 지문 화상의 해상도가 높아진다.
예시적 센서 화소(208)가 도 10B에 도시되어 있다. 센서 칩(202)의 센서 화소 행렬의 각 센서 화소는 예시적 센서 화소(208)와 거의 유사하다. 예시적 센서 화소(208)는 예시적 센서 화소(208)에 의해 검출된 (예를 들어 전압 신호 등의) 용량 관련 신호를 증폭하는 연산 증폭기(operational amplifier; 222)를 포함한다. 다양한 금속 중의 하나 등의 도전성 재질로 구성된 센서 전극(212)이 증폭기(222)의 음(-) 또는 반전 단자(inverting terminal)에 전기적으로 연결된다. 도 10B(및 본원의 다른 도면들)에 관련하여 도시 및 설명된 증폭기 구성은 단지 한 예이며 양(+)의 피드백(positive feedback) 구조를 포함하는 다른 증폭기 구조도 가능하다. 센서 전극(212)와 손가락(201)의 국부 표면(local surface)은 캐패시터(CS)(230)의 대향면들로 작용한다. 캐패시터(CS)(230)의 정전용량은 캐패시터(CS)(230)의 두 판들 사이의 거리가 되는, 손가락(201)의 국부 표면과 센서 전극(212) 간의 거리(d)에 따라 변화된다. 정전용량은 캐패시터(CS)(230)의 두 판들 간의 거리(d)에 반비례한다. 센서 전극(212)이 손가락(201)의 (지문의) 산(ridge)에 대향할 때가 손가락(201)의 (지문의) 골(valley)에 대향할 때보다 정전용량이 커진다.
추가적으로, 예시적 센서 화소(208) 내의 다른 도전성 소자들 간에 다양한 기생 캐패시터(parasitic capacitor)들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 기생 캐패시터(CP1)(226)이 센서 전극(212)과 장치 접지 단자(device ground terminal; 214) 사이에 형성될 수 있다. 다른 기생 캐패시터(217)가 손가락(201)의 국부 표면과 지중 접지(earth ground; 216) 사이에 형성될 수 있다. 장치 접지는 지중 접지에 밀접하게 접속된다. 또 다른 캐패시터(CF)(128)가 증폭기(222)의 출력 도체와 증폭기(222)의 음 또는 반전 단자 사이에 형성되어 증폭기에 대해 피드백 캐패시터(feedback capacitor)로 작용할 수 있다.
증폭기(222)의 양(+)의 단자는 여기 신호(excitation signal)(Vin)(218)에 전기적으로 연결된다. 여기 신호(Vin)(218)는 각 센서 화소 전용의(dedicated) 증폭기의 양(+)의 단자에 직접 공급될 수 있다. 여기 신호(Vin)(218)를 증폭기(222)의 양(+)의 단자에 직접 공급함으로써, 예시적 센서 화소(208)는 활성화된(active) 센서 화소가 된다. 또한 여기 신호(Vin)(218)를 증폭기(222)의 양(+)의 단자에 직접 공급하면, 모든 센서 화소에 공통인 여기 전극의 필요를 생략할 수 있는데, 이는 센서 칩(202)의 반도체 구조로부터 (예를 들어 금속 등의) 도전층을 감소시킨다. 또한 여기 신호(Vin)(218)를 증폭기(222)에 직접 공급하면, 여기 신호(Vin)(218)가 손가락에 직접 인가되지 않으므로 손가락(201)의 잠재적인 자극이나 부상이 방지될 수 있다. 뿐만 아니라, 여기 신호를 손가락에 직접 인가시키기 위한 여기 전극이 사용되지 않으므로, 지문 센서 장치(200)의 모든 구성요소들이 단일하게 패키징된 장치 내에 통합될 수 있고, 전체 지문 센서 장치(200)가 보호 커버 유리 밑에 배치될 수 있다. 전체 지문 센서 장치(200)가 보호 커버 유리 밑에 배치되면, 지문 센서 장치(200)는 손가락이나 잠재적으로 지문 센서를 손상시킬 수 있는 다른 외부 요소들로부터 보호된다.
증폭기(222)는 적어도 가변 캐패시터(CS)(230)의 가변 정전용량에 기초하는 출력 신호를 생성할 수 있는데, 이 출력 신호는 전체 지문 데이터에 기여할 수 있다. 증폭기(222)는 적어도 가변 캐패시터(CS)(230)의 가변 정전용량과, 출력 신호에 기여하는 다른 추가적 비기생 용량(nonparasitic capacitance)이 없이 피드백 캐패시터(CF)의 피드백 용량(feedback capacitance)에 기초하여 출력 신호를 생성할 수 있다. 이는 부분적으로, 전술한 바와 같이 센서 화소(208)에 외부 구동 전극 등의 추가적 전극이 사용되지 않는 것에 기인한다.
도 10C는 도 10B에 도시된 예시적 센서 화소(208)의 등가회로(circuit equivalent)이다. 연산 증폭기(222)는, 기생 캐패시터(CP2)(217)에 직렬인 캐패시터(CS)(230)에 전기적으로 연결되는 음(-) 또는 반전 단자를 가진다. 연산 증폭기(222)의 음(-) 또는 반전 단자는 또한, 캐패시터(CS)(230) 및 (CP2)(217)의 직렬 조합과 병렬인 기생 캐패시터(CP1)(226)에 전기적으로 연결된다. 연산 증폭기(222)의 음(-) 또는 반전 단자는 또한 피드백 캐패시터(CF)(228)에 전기적으로 연결된다. 여기 신호(Vin)(218)는 연산 증폭기(222)의 양(+) 또는 비반전 단자에 직접 인가된다.
증폭기(222)의 출력 신호(224)는 예시적 센서 화소(208)에 의해 검출된 신호의 증폭된 전압이다. 다음 식 1은 도 10C에 도시된 증폭기 출력(224)의 전달 함수(transfer function)를 나타낸다.
Figure pat00001
(식 1)
일반적으로 CP2 > 100 × CS이므로 식 1은 다음 식 2로 간략화된다.
Figure pat00002
(식 2)
지문 데이터가 CS(230)의 정전용량의 변화에 반영되므로, 정전용량의 변화와 지문 데이터는 마찬가지로 출력 신호(Vout)(224)에 반영된다.
지문 센서 기술: 화소에 통합된 광학 센서(Fingerprint Sensor Technologies: Optical Sensors Integrated with Pixels)
본 발명의 다른 국면에 있어서, 지문 센서 장치의 각 센서 화소는 지문 정보를 포착하는 용량 센서(capacitive sensor)와 본원에 개시된 바와 같이 실제 손가락 검출을 포함하는 지문 정보를 포착하는 광학 센서(optical sensor)를 가지는 하이브리드 감지 센서가 될 수 있다. 도 11A 및 11B는 하이브리드 감지 화소 설계의 두 예를 도시한다.
도 11A는 각 센서 화소의 지문 정보의 포착에 광학 센서에 추가하여 용량 센서를 채택한 지문 센서 장치(400)의 일례를 도시한다. 용량 센서와 광학 센서 양자를 조합함으로써, 광학센서로 취득된 지문 화상은 용량 센서로 취득된 3D 지문 화상 구조를 더 잘 분해(resolve)하는 데 사용될 수 있다. 예시적 목적으로 도 11A에 도시된 구조는 센서 화소의 행렬 내의 한 센서 화소를 보이는데, 각 센서 화소는 동일한 화소 내에 나란히 배치된 광학 센서(402)와 용량 센서(414)를 포함한다.
광학 센서(402)는 광검출기(photodetector; 408)와 광검출기(408) 상에 배치되어 손가락(202)로부터의 반사광(424)을 광검출기(408)를 향해 교축(narrow) 또는 집속(focus)시키는 집속기(collimator; 406)를 포함한다. LED 등의 하나 이상의 광원(도시 안됨)이 집속기(406) 주위에 배치되어 광을 방출할 수 있는데, 이는 손가락(202)에 반사광(424)으로 반사되어 대응 광검출기(408)에 지향 또는 집속됨으로써 손가락(202)의 지문 화상의 일부가 포착된다. 집속기(406)는 광섬유 다발(optical fiber bundle) 또는 구멍 또는 개구부(opening)를 가지는 하나 이상의 금속층(들)로 구현될 수 있다. 도 11A는 구멍 또는 개구부(412)를 가지는 하나 이상의 금속층(410)을 사용하여 구현된 집속기(406)를 도시한다.
각 감지 화소의 용량 감지 부분에서, 용량 센서(414)는 감지 화소에 근접하거나 접촉하는 손가락의 일부에 전자기적으로 결합(electromagnetically coupled)되어 용량 감지를 수행하는 용량 센서 판(416)을 포함한다. 더 구체적으로, 용량 센서 판(416)과 손가락(202)은, 손가락(202)이 지문 센서 장치(400)를 구비한 모바일 장치의 선택적 커버(404) 또는 커버에 접촉하거나 아주 근접했을 때 하나 이상의 용량 소자(422)의 두 판으로 작용한다. 용량 센서 판(416)의 수는 용량 센서(414)의 설계에 따라 달라질 수 있다. 용량 센서 판(416)은 하나 이상의 금속층을 사용하여 구현될 수 있다. 용량 센서 판(416)은 용량 센서 회로(420)에 통신가능하게 접속되어 용량 센서 회로(420)가 용량 센서 판(416)으로부터의 신호를 처리하여 3D 지문 구조를 나타내는 데이터를 취득할 수 있다. 라우팅(routing) 또는 차폐(shielding) 재질이 용량 센서 판(416)과 용량 센서 회로 사이에 위치하여 금속판(416)을 전기적으로 차폐한다. 용량 센서 회로(420)는 용량 센서 판(416)과 광검출기(408) 양자에 통신가능하게 접속되어 용량 센서 판(416)으로부터의 신호와 광검출기(408)로부터의 신호 양자 모두를 처리할 수 있다.
도 11A에서 각 하이브리드 감지 화소 내의 용량 센서와 광학 센서는 인접하여 공간적으로 겹치지 않고 서로 이격된다. 도 11B는 센서 화소 행렬 내의 각 하이브리드 센서 화소에서 광학 센서와 용량 센서가 공간적으로 겹치도록 구조적으로 통합함으로써, 각 하이브리드 감지 화소의 크기(footprint)를 감소시킨 지문 센서 장치(430)의 다른 예를 도시한다. 지문 센서 장치(430)는 실리콘 등의 반도체 기판(431)을 포함한다. 기판(431) 위에는 복수의 감지 소자 또는 감지 화소(439)들이 배치된다. 각 감지 소자 또는 감지 화소들은 센서 신호들을 처리하는 CMOS 스위치, 증폭기, 저항 및 캐패시터 등을 포함하는 활성 전자 회로 영역(432)을 포함한다. 각 감지 화소 또는 감지 소자(439)는 활성 전자 회로 영역(432)에 배치 또는 매립된 광검출기(433)를 포함한다. 용량 감지를 위한 용량 센서의 용량 센서 판 또는 상부 전극(434)이 광검출기(433) 위에 배치되고, 역시 광을 광검출기(433)로 지향시키기 위한 광의 집속기로 작용하는 센서 판(434) 상의 구멍 또는 개구부(438)를 포함한다. 도전성 재질로 충전된 경로(via; 435)가 상부 전극(434)를 활성 전자 소자(432)에 전기적으로 연결하도록 배치된다. 개구부 또는 구멍과 상부 전극(434)의 광검출기(433)와의 거리를 조정함으로써, (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광검출기의 광 집속각(light collecting angle; 437)이 조정될 수 있다. 지문 센서 장치(430)는 커버(436)에 덮이는데, 이는 사파이어, 유리 등의 경질 재질로 구성된다. 광검출기(433)의 광 집속각(437)은 광전 다이오드 행렬에 의해 회수(collect)되는 화상의 공간 해상도(spatial resolution )를 유지하도록 설계된다. LED 등의 광원(440)이 커버의 밑, 지문 센서 장치(430) 쪽에 위치하여 광을 방출하고, 이는 손가락에 반사되어 광검출기(433)로 지향됨으로써 지문 화상을 포착하게 된다. 손가락이 보호 커버를 접촉하거나 이에 아주 근접되었을 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 양자 모두를 포함하는 지문 센서 장치(430)는 지문의 광반사 화상뿐 아니라 용량 결합 화상도 모두 취득할 수 있다. 상부 감지 전극(434)은 다음 이중의 목적으로 기능한다: 1) 용량 감지와, 그리고 2) (상부 감지 전극(434)에 하나 이상의 구멍을 형성함으로써) 손가락으로부터의 반사광을 광검출기(433)로 지향, 교축 또는 집속시키는 집속기. 상부 감지 전극(434)의 재사용은 추가적 금속층 또는 광섬유 다발을 필요 없게 함으로써 각 화소 크기와 나아가 지문 센서 장치(430)의 전체적 크기를 축소시킨다.
도 12는 각 하이브리드 감지 화소에 광학 센서와 용량 센서 양자 모두를 채택한 예시적인 하이브리드 지문 센서 장치(500)의 평면도이다. 지문 센서 장치(500)는 하이브리드(광학 센서와 용량 센서 양자 모두를 채택) 감지 소자 또는 화소(522)의 행렬을 포함하는 CMOS 실리콘 칩(521)으로 구현된다. 감지 소자들의 크기 또는 치수는 예를 들어 25μm 내지 250μm의 범위가 될 수 있다. 하이브리드 센서 장치(500)는 측부 영역(524)에 증폭기, ADC들, 그리고 버퍼 메모리를 포함하는 지지 회로의 행렬을 포함할 수 있다. 하이브리드 센서 장치(500)은 추가적으로 배선 접합(wire bonding) 또는 범프 접합(bump bonding)(525)을 위한 영역을 포함할 수 있다. 하이브리드 센서 소자(522)의 상부층(526)은 용량성 감지를 위한 금속 전극을 포함할 수 있다. 각 상부 금속 전극(526)에는 하나 이상의 개구부 또는 구멍(523)이 형성되어 상부 전극 밑의 광검출기를 비추도록 광을 수직 방향으로 지향시키는 집속기로 구조적으로 기능할 수 있다. 이에 따라, 상부층(526) 구조는 광학 및 용량 감지의 이중 목적으로 기능할 수 있다. 센서 장치 프로세서가 구비되어 하이브리드 감지 화소들로부터의 화소 출력 신호를 처리함으로써 지문 정보를 추출하도록 할 수 있다.
동일한 구조를 용량 감지와 광을 수직 방향으로 집속시키는 집속기로 공유(share)하는 것에 부가하여, 센서 신호 검출 회로의 일례는 광검출기와 용량 센서 판 양자로부터 센서 신호를 검출하는 광학 및 용량 센서들 간에 공유될 수 있다.
도 13A는 지문에 대한 용량 감지 및 광학 감지 작용 양자 모두를 가지는 예시적 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(600)의 회로도를 도시한다. 예시적 센서 화소(600)는 용량 감지에 기초하는 (예를 들어 상부 금속층 등의) 상부 감지 전극(608)과 광학 감지에 기초하는 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광검출기(614)로부터의 센서 신호의 검출 또는 취득 간을 선택적으로 스위칭하여 손가락에 대한 광검출기(614)로부터의 반사 광학 화상과 용량 센서 전극(608)로부터의 용량 결합 화상 양자 모두를 취득하는 센서 신호 검출 회로(616)를 포함한다. 특히 도 13A에 도시된 바와 같은 일부 구현예들에서, 각 하이브리드 감지 화소의 두 감지 기구로부터의 두 화상은 센서 신호 검출 회로(616)에서 순차적으로 처리될 수 있다. 도시된 예에서, 스위치(610, 616)들은 각각 상부 감지 전극(608)과 광검출기(614)에 전기적으로 접속된 제1 단자와, 센서 신호 검출 회로(616)의 공통 입력 단자에 접속되어 광검출기(614)로부터의 해당 광학 검출기 신호와 상부 감지 전극(608)으로부터의 용량 감지 신호를 센서 신호 검출 회로(616)에 제공하는 제2 단자를 가진다. 스위치(610)이 꺼지고(Cap_en=0) 스위치(612)가 켜지면(Optical_en=l), 센서 신호 검출 회로(616)는 특정 하이브리드 감지 화소에 수신된 스캔된 지문의 광학적 화상을 나타내는 광학 검출기 신호를 취득한다. 센서 신호 검출 회로(616)는 스위치(610)이 Cap-en=1이고 스위치(612)가 Optical_en=0일 때 스캔된 지문의 용량 화상을 나타내는 용량 감지 신호를 취득할 수 있다. 광학 및 용량 화상 양자 모두가 취득되고 나면, 양 화상들은 하류의 회로에서 별도로 처리되어 함께 지문 특성들을 식별한다.
전술한 하이브리드 감지 화소에 의한 두 방식의 화상 처리(imaging)에 따라, 다른 방식의 두 형식의 화상을 사용함으로써 지문 식별의 성능이 향상될 수 있다. 이 향상된 지문 식별은 하이브리드 감지 화소로부터의 화소 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하는 센서 장치 프로세서(621) 등의 센서 장치 프로세서로 달성될 수 있다. 예를 들어, 용량 화상은 지문 특성의 산과 골의 깊이에 대한 3D 화상을 제공할 수 있다. 3D 용량 화상이 완성되면, 광학 화상은 지문 특성에 대한 고해상도 2D 정보를 제공할 수 있다. 양 화상은 지문의 동일한 산(ridge)에 관한 정보를 가지므로, 더 높은 공간 해상도를 가지는 광학 2D 화상은 용량 감지 화상 해상도를 복구(recover)하는 데 사용될 수 있다. 지문의 골(valley)들을 식별하는 데 용량 감지 방법이 광학 감지 방법보다 더 민감하고 정확한 경우의 일부 실시예들에서, 용량 감지 방법을 사용하여 취득한 화상의 공간 해상도가 커버의 두께에 의해 저하될 수 있다. 용량 감지의 이런 특성(aspect)은 광학 감지에 의해 보완될 수 있다. 작동에 있어서, 센서 응답이 고정되고 용량 센서의 점상 분포 함수(point spread function)가 모든 센서 위치에서 고정될 수 있다. 더 높은 해상도의 광학 감지가 해상도 복구 방법으로 사용될 수 있어서 용량 감지 화상에 적용되어 3D 화상으로 강화할 수 있다. 광학 감지로부터의 부분적 고해상도 화상이 복구 방법에 보조로 사용될 수 있다. 이에 따라 3D 용량 화상이 강화되어 고해상도 2D 화상에 기초하여 보간(interpolating)하거나 복구함으로써 골과 산에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있다.
강화된 3D 화상은 지문 인식과 매칭(matching)을 향상시킬 수 있다. 다른 예에서, 광학 및 용량 화상은 함께 저장되어 지문 인식과 매칭이 수행될 때마다 두 비교치를 제공할 수 있다. 비교에 두 방식의 화상을 사용하면 지문 감지 시스템의 정확성(accuracy)과 보안성(security)이 강화될 수 있다.
센서 신호 검출 회로(616)는 여러 가지 다른 회로 설계를 사용하여 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 한 예로, 적분기 감지 회로(integrator sensing circuitry; 618)는 모바일 장치의 커버의 지문 센장 장치에 접촉하거나 아주 근접하는 산과 골에 의해 유발된 전하(electric charge)를 저장하도록 구현될 수 있다. 적분기 회로(618)의 구비는 신호대잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 향상시킨다. 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 증폭시키는 연산 증폭기(622)를 포함한다. 다양한 금속 중의 하나 등의 도전성 재질로 구성되는 상부 감지 전극(608)은 스위치(610)을 통해 증폭기(622)의 음(-) 또는 반전 단자(628)에 전기적으로 연결된다. 상부 감지 전극(608)과 손가락(202)의 국부 표면은 캐패시터(Cf)(602)의 대향판들로 작용한다. 캐패시터(Cf)(602)의 정전용량은 손가락(202)의 국부 표면과 상부 감지 전극(608) 간의 거리(d), 즉 캐패시터(Cf)(602)의 두 판 사이의 거리에 따라 변화된다. 캐패시터(Cf)(602)의 정전용량은 캐패시터(Cf)(602)의 두 판 사이의 거리(d)에 반비례한다. 캐패시터(Cf)(602)의 정전용량은 상부 감지 전극(608)이 손가락(202)의 산을 대향할 때가 손가락(202)의 골을 대향할 때보다 더 크다.
또한, 다양한 기생 또는 다른 캐패시터들이 예시적 센서 화소(600)의 다른 도전성 소자들 간에 형성될 수 있다. 예를 들어, 기생 캐패시터(CP)(604)가 상부 감지 전극(608)과 장치 접지 단자(605) 사이에 형성될 수 있다. 장치 접지는 지중 접지에 밀접하게 접속된다. 다른 캐패시터(Cr)(624)가 증폭기(622)의 출력 도체와 증폭기(622)의 음(-) 또는 반전 단자(628) 사이에 형성되어 증폭기(622)의 피드백 캐패시터로 작용할 수 있다. 또한, 스위치(626)가 증폭기(622)의 출력과 증폭기(622)의 음(-) 또는 반전 단자(628) 사이에 접속되아 적분기 회로(618)를 이셋(reset)시킬 수 있다.
증폭기(622)의 양(+)의 단자는 여기 신호(Vref)에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기 신호(Vref)는 각 센서 화소에서 전용 증폭기의 양(+)의 단자에 직접 공급될 수 있다. 여기 신호(Vref)를 증폭기(622)의 양(+)의 단자에 직접 공급함에 따라 예시적 센서 화소(600)는 활성 센서 화소가 된다. 또한 여기 신호(Vref)를 증폭기(622)의 양(+)의 단자에 직접 공급함으로써, 모든 센서 화소들에 공통인 여기 전극이 불필요해지는데, 이는 센서 칩의 반도체 구조에서 (예를 들어 금속 등의) 도전층을 감소시킬 수 있다. 일부 구현예들에서, 선택적인 여기 전극(608)이 센서 화소 설계의 설계에 기초한 SNR의 향상을 위해 구비될 수 있다. 또한 여기 신호(Vref)(6300를 증폭기(622)에 직접 공급함으로써, 여기 신호(Vref)(630)가 손가락(202)에 직접 인가되지 않아 손가락(202)의 잠재적인 자극이나 부상이 방지될 수 있다. 뿐만 아니라, 여기 신호를 손가락에 직접 인가시키기 위한 여기 전극이 사용되지 않으므로, 지문 센서 장치(200)의 모든 구성요소들이 단일하게 패키징된 장치 내에 통합될 수 있고, 전체 지문 센서 장치(200)가 보호 커버 유리 밑에 배치될 수 있다. 전체 지문 센서 장치(200)가 보호 커버 유리 밑에 배치되면, 지문 센서 장치(200)는 손가락이나 잠재적으로 지문 센서를 손상시킬 수 있는 다른 외부 환경(external element)들로부터 보호된다.
도 13A에서, 센서 화소(600)의 센서 신호 검출 회로(616)의 (예를 들어 증폭기(622) 등의 Vpo 등의) (광학 및 용량) 출력 신호는 스위치(620)에 전기적으로 접속되어, 센서 화소(600)로부터 필터를 포함하는 신호 처리 회로로 출력 신호(Vpo)를 선택적으로 출력한다. 스위치(620)는 트랜지스터나 다른 스위칭 기구를 사용되어 구현될 수 있고 스위치(6200의 스위칭을 제어하는 제어기(controller0에 전기적으로 접속된다. 스위치(620, 610, 612)를 제어함으로써, 센서 화소 행렬의 센서가 광학 신호와 용량 센서의 취득 사이를 선택적으로 스위칭될 수 있다. 한 구현예에서, 광학 또는 용량 신호는 행렬 내의 센서 화소의 각 라인(line), 행 또는 열에 대해 취득되고, 이어서 그 라인, 행 또는 열의 다른 방식의 신호를 취득하도록 스위칭될 수 있다. 광학 및 용량 신호 취득 간의 스위칭은 한 라인씩(line-by-line) 수행될 수 있다. 다른 구현예에서, 한 방식의 (용량 또는 광학) 신호가 행렬 내의 모든 센서 화소 또는 소자에 대해 취득된 다음, 모든 센서 화소 또는 소자에 대해 다른 방식의 신호를 취득하도록 스위칭 될 수 있다. 이와 같이 다른 신호 방식의 취득 간의 스위칭이 전체 행렬에 대해 이뤄질 수 있다. 두 방식의 센서 신호들 간의 다른 변형 스위칭들도 구현될 수 있다.
도 13B는 다른 예시적 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(640)의 회로도를 도시한다. 이 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(640)는 동일한 부재 번호를 가지는 구성요소들에 대해서는 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(600)와 거의 동일하다. 동일한 부재번호를 가지는 공통의 구성요소에 대해서는 도 13A의 설명을 참조하기 바란다.
하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(640)는 반사광(644)을 (예를 들어 광전 다이오드 등의) 광검출기(614)를 향해 집속 또는 교축시키는 집속기로 작용하는 구멍 또는 개구부(642)를 포함하는 상부 감지 전극(608)을 구비한다. 광검출기(614)는 상부 감지 전극(608)을 사용하여 구현된 집속기 하부에 위치하여 집속기(608)에 의해 집속된 반사광(644)을 포착한다.
일부 구현예들에서, 광학 및 용량 센서들에 대해 별도의 센서 신호 검출 회로가 구비되어 광검출기와 용량 센서 판 양자 모두로부터의 센서 신호들을 병렬로 검출할 수 있다. 도 13C는 광검출기와 용량 센서 판으로부터의 센서 신호들의 병렬 검출을 수행하는 예시적 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(650)의 회로도를 도시한다. 이 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(650)는 동일한 부재 번호를 가지는 구성요소들에 대해서는 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(640)과 거의 동일하다. 동일한 부재번호를 가지는 공통의 구성요소에 대해서는 도 13B의 설명을 참조하기 바란다.
용량 판과 광검출기 양자로부터의 센서 신호 검출을 병렬로 수행하기 위해, 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(650)는 각각 상부 감지 전극(608)과 광검출기(6240에 통신가능하게 접속되는 별도의 센서 신호 검출 회로(616, 617)들을 포함한다. 센서 신호 검출 회로(617)는 센서 신호 검출 회로(616)와 거의 동일하게 구현될 수 있다. 일부 구현예들에서, 스위치(610, 612)들이 각각 상부 감지 전극(608)과 광검출기(614)에 전기적으로 접속되는 제1 단자와, 각 센서 신호 검출 회로(616, 617)에 접속되어 광검출기(614)로부터의 광학 검출기 신호와 상부 감지 전극(608)으로부터의 용량 감지 신호를 각각 센서 신호 검출 회로(616, 617)에 제공하는 제2 단자를 가지도록 배치된다. 스위치(610, 612)가 함께 켜지고 꺼지면 센서 신호 검출 회로(616, 617)들은 용량 판(608)과 광검출기(614)로부터의 센서 신호 검출을 병렬로 수행할 수 있다. 스위치(610, 612)가 서로 엇갈려 켜지고 꺼지면 센서 신호 검출 회로(616, 617)들은 용량 판(608)과 광검출기(614)로부터의 센서 신호 검출을 직렬로 수행할 수 있다. 또한 센서 장치 프로세서(621)이 센서 신호 검출 회로(616, 617)에 직접이건 스위치(620, 621)를 통하건 통신가능하게 접속되어 용량 판(608)과 광검출기(614)로부터 검출된 센서 신호들을 병렬 또는 직렬로 처리할 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 있어서, 도 11A, 11B, 12, 13A 및 13B에 관련하여 설명한 광학 센서들은 심박과 심장의 펌핑 작용에 기인하는 손가락 내의 혈류(blood flow)의 변화로 유발되는, 시간에 따른 반사광 강도의 변화를 측정함으로써 인간의 심박을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이 정보는 손가락에 의해 반사, 분산 또는 산란되어 수신된 광에 포함되어 광학 검출 신호로 반송된다. 이에 따라, 광학 센서는 지문의 광학 화상의 취득과 인간의 심박의 측정을 포함하는 복수의 기능으로 작용할 수 있다. 구현예들에 있어서, 센서 장치 프로세서는 하나 이상의 광학 검출기 신호들을 처리하여 심박 정보를 추출한다. 이 센서 장치 프로세서는 광학 감지 화소 또는 광학 감지 화소로부터의 화소 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하는 것과 동일한 센서 장치 프로세서가 될 수 있다.
도 14A, 14B, 14C 및 14D는 광학 및 용량 센서들을 채택한 하이브리드 지문 센서에 의해 지문 감지를 수행하는 방법(700)의 과정 흐름도를 도시한다. 지문 센서 장치에 의해 수행되는 방법(700)은, 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로 행렬에 의해 지문 스캔을 나타내는 손가락으로부터의 접촉에 관련된 정전용량을 검출하는 단계를 포함한다(단계 702). 방법은 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로 행렬에 의해 손가락으로부터 반사된 광에 관련된 광학 신호를 검출하는 단계를 포함한다(단계 704). 방법(700)은 센서 화소 회로 행렬에 의해 검출된 용량 및 광학 신호에 따른 출력 신호를 출력하는 단계를 포함한다(단계 706). 출력 신호들은 지문 식별을 위해 처리될 수 있다(단계 708). 출력 신호의 처리 단계(단계 708)는 출력 신호를 처리하여 지문의 광학 화상과 지문의 용량 화상을 취득하는 단계를 포함할 수 있다(단계 710). 취득된 광학 화상과 용량 화상은 지문 식별 동안 스캔된 지문과 비교하기 위해 두 방식의 등록된 지문 화상들로 저장될 수 있다(단계 712). 출력 신호의 처리 단계(단계 708)는 광학 화상을 용량 화상 내의 지문의 산에 대한 정보를 복구하는 데 사용하는 단계를 포함할 수 있다(단계 714). 출력 신호들은 센서 화소 회로의 행렬에 대해 집적(integrate)될 수 있다(단계 716). 집적 단계는 행렬 내의 모든 센서 화소 회로의 출력 신호들을 병렬로 집적하는 단계를 포함할 수 있다.
본원이 여러 가지 상세들을 포함하지만, 이들이 본 발명 또는 청구되는 내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 특정한 발명의 특정한 실시예에 특정될 수 있는 특징을 설명하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 본원에 별도의 실시예들의 맥락으로 기재된 어떤 특징들은 단일한 실시예 내에 조합되어 구현할 수도 있다. 역으로 단일한 실시예의 맥락으로 기재된 여러 가지 특징들은 별도로 복수의 실시예들로 구현되거나 하부 조합(subcombination)으로 구현될 수도 있다. 또한 특징들이 어떤 조합으로 작용한다고 위에 설명되거나 처음 그렇게 청구되었더라도, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들이 어떤 경우에 조합으로부터 제외되어, 청구된 조합이 하부 조합 또는 하부 조합의 변형을 나타낼 수도 있다.
이와 유사하게, 작동들이 도면에 특정한 순서로 묘사되었더라도, 바람직한 결과를 달성하기 위해 그 작동이 도시된 특정한 순서 또는 순차적 순서로 수행되어야 하거나 도시된 모든 작동들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한 본원에 기재된 실시예들에서 다양한 시스템 요소들의 분리는 모든 실시예들에서 그러한 분리가 요구되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본원에는 약간의 구현예와 실시예들만이 설명되었지만 본원에 도시 및 설명된 내용에 기초하여 다른 실시예, 개선, 그리고 변형들이 구성될 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 지문 센서 장치로서,
    지문에 관련된 접촉 입력에 따라 센서 신호를 생성하는 감지 회로; 및 처리 회로를 구비하고,
    상기 감지 회로가:
    상기 접촉 입력을 검출하여 상기 지문의 이미지를 나타내는 신호를 생성하는 지문 센서; 및
    상기 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 생성하는 실제 손가락 센서
    를 포함하고,
    상기 실제 손가락 센서는, 광 검출기에 의해 하나 이상의 파장의 광의 인가에 따라 객체로부터 분산된 광을 검출하고,
    손가락으로부터 분산된 상기 광은, 혈구, 심박, 또는 혈류로 유발된 반문 패턴(speckle pattern) 또는 도플러 주파수 변화(Doppler frequency change)를 포함하는 손가락 재질에 대한 정보를 포함하고,
    상기 생성된 센서 신호는, 상기 지문의 화상을 나타내는 신호와 상기 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 포함하고;
    상기 처리 회로는, 상기 감지 회로에 통신 가능하게 접속되어 생성된 센서 신호를 처리함으로써 지문에 관련된 상기 접촉 입력이 실제 손가락에 속하는지 여부를 판단하는,
    지문 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지문 센서가 용량 센서, 광학 센서, 또는 용량 및 광학 센서 양자 모두를 포함하는, 지문 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실제 손가락 센서가 광원 및 광 검출기를 포함하고,
    상기 광원이 지문의 출처를 향해 광을 방출하도록 구성되고;
    상기 광 검출기가 방출광에 따라 지문의 출처로부터 분산된 분산광을 검출하도록 구성되는, 지문 센서 장치.
  4. 전자 장치로서,
    보호 커버; 및 상기 보호 커버에 인접한 지문 센서를 구비하고,
    상기 지문 센서가:
    지문을 스캔하는 센서 칩; 및
    상기 지문이 실제 손가락에 속하는지의 식별을 나타내는 신호를 생성하는 실제 손가락 센서를 포함하고,
    상기 실제 손가락 센서가:
    하나 이상의 파장의 광을 상기 지문의 출처로 방출하는 광원, 및
    상기 방출된 광에 따라 상기 지문의 출처에서 분산된 분산광을 검출하는 광 검출기
    를 포함하고,
    상기 검출된 분산광은 지문의 출처가 실제 손가락인지 여부를 나타내는 정보를 포함하고,
    상기 실제 손가락 센서는 광 검출기에 의해 하나 이상의 파장의 광의 인가에 따라 객체로부터 분산된 광을 검출하고, 손가락으로부터 분산된 상기 광은 혈구, 심박, 또는 혈류로 유발된 반문 패턴(speckle pattern) 또는 도플러 주파수 변화(Doppler frequency change)를 포함하는 상기 손가락 재질에 대한 정보를 포함하는,
    전자 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지문 센서가 압력 센서를 포함하는, 전자 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 보호 커버가 방출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 유리 재질을 포함하는, 전자 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유리 재질의 보호 커버가 광원으로부터 지문의 출처를 향해 전송되는 방출광을 위한 방출광 경로 창과, 지문의 출처로부터 광 검출기에 수신될 분산광을 위한 분산광 경로 창을 포함하는, 전자 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 지문 센서 장치가 지문 센서 칩 위에 배치된 유색 에폭시 재질 층을 포함하는, 전자 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 지문 센서 장치가, 상기 지문 센서 칩을 둘러싸고 유색 에폭시 재질 층 밑에 배치되는 금속 링 구조를 포함하는, 전자 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 보호 커버가 보호 커버의 구멍 내에 상기 지문 센서 장치를 수용하는 구멍을 형성하도록 배치되고;
    상기 지문 센서 장치가 금속 링을 포함하고, 상기 지문 센서 장치가 상기 보호 커버의 구멍 내에 배치되어 상기 금속 링과 상기 보호 커버의 측면 사이에 갭을 형성하며, 상기 갭이 상기 광원으로부터 방출된 방출광이 상기 지문의 출처에 도달하는 광 경로를 형성하는, 전자 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지문 센서 장치가 센서 커버를 포함하고, 상기 센서 커버가 방출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 센서 커버가 방출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 재질의 두 층을 포함하는, 전자 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센서 커버가 방출광과 분산광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 재질의 두 층 사이에 유색층을 포함하는, 전자 장치.
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