WO1998025115A1 - Mikromechanisches bauelement zur erfassung von fingerabdrücken - Google Patents

Mikromechanisches bauelement zur erfassung von fingerabdrücken Download PDF

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    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12—Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13—Sensors therefor
    • G06V40/1306—Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing

Definitions

  • Fingerprinting is a common method of identifying people. There are different methods that use optical, acoustic or mechanical means.
  • EP 0 595 107 A3 describes a sensor arrangement for recording fingerprints, in which a raster-shaped arrangement of membranes as
  • Push button acts.
  • the membranes are each above a cavity and are each provided with a bump-like attachment. If the membranes are deformed according to the surface structure of the finger when a finger is placed on it, this different deformation of the individual membranes can be evaluated as a grid and provide an image of the finger structure.
  • the object of the present invention is to provide a simple to produce and reliable arrangement for taking fingerprints and an associated method for using this device.
  • a large number of individual sensors are arranged as a grid.
  • the width of the grid ie the distance of the individual sensors from one another, is chosen to be so small that a sufficiently precise reproduction of the surface of the finger is possible.
  • the individual sensors are designed as touch sensors with a micromechanical membrane. These membranes can be stamped to make contact with the surface of the fingers. The membranes are excited to vibrate, for which purpose a corresponding control circuit is used. The vibrations of the membranes are influenced in accordance with the contact pressure that is exerted on the stamp on the membrane. From the type of this influencing (eg change in the damping of the vibration) it can be determined whether there is a web or a groove in the finger structure at the point in question.
  • This fingerprint sensor can be manufactured as a micromechanical component in the context of a VLSI process, in particular a CMOS process, so that electronic components of the control and evaluation circuit can be integrated on the same chip.
  • FIGS. 1 and 2 A more detailed description of the fingerprint sensor according to the invention follows with the aid of FIGS. 1 and 2.
  • Figure 1 shows a grid-shaped arrangement of individual sensors in the cutout in supervision.
  • Figure 2 shows a cross section from the sensor in which a
  • FIG. 1 A grid-shaped arrangement of square individual sensors 31 is shown in FIG. In this case, the arrangement is selected as a double grille.
  • the membranes of the individual sensors can basically have any geometrical shapes. In addition to square membranes, rectangular, triangular or hexagonal membranes can also be used for the densest possible tiling of the surface provided for the measurement of the finger structure.
  • the area of the chip surface shown laterally in FIG. 1 is provided for an electronic circuit 32. Electronic components that serve to control the individual sensors can also be arranged in the area between the individual sensors 31 in order to reduce the transit times of the electrical signals.
  • FIG. 2 shows in cross section an individual sensor as a micromechanical component.
  • a substrate 1 including an uppermost semiconductor layer of a substrate, e.g. B.
  • the body silicon layer of an SOI substrate can be understood, there is a doped region 5 z. B. can be produced by diffusion of dopant into the semiconductor material.
  • a spacer layer 7 which, for. B. can be silicon dioxide, which in the case of a substrate 1 made of silicon is most easily produced by thermal local oxidation (LOCOS) of the silicon surface.
  • LOCOS thermal local oxidation
  • the membrane 2, under which a cavity 8 is etched out, is located on this spacer layer 7.
  • a stamp 10 is applied to the membrane 2 and does not cover the entire top of the membrane. This stamp 10 consists, for. B. from dielectric layers, such as in the context of a
  • this stamp 10 is present in a central region of the membrane and almost to the edge of the membrane.
  • the stamp which can be omitted in other embodiments, serves to establish a connection between the membrane and a flexible contact surface provided for the finger.
  • the sensors are preferably covered on the top with a passivation layer (e.g. with a gel).
  • the finger is therefore not directly on the stamps.
  • the surface of the membrane 2 is exposed along the edge, so that sufficient mobility of the membrane is ensured.
  • a pressure F is exerted on the upper side of the stamp 10 in the direction of the arrow shown, the membrane is therefore deformed downward towards the substrate.
  • a voltage can be applied between the membrane 2 and the doped region 5 via connection contacts 4, 6 on the electrically conductive membrane or an electrically conductive layer applied thereon and on the doped region 5 become.
  • a variation of this voltage leads to a change in the electrostatic attraction force exerted on the membrane and excites the membrane to vibrations which are damped by the force F.
  • This damping acts as a change in the impedance of the capacitor formed by the sensor.
  • This change in impedance or a change in the quality, ie the steepness of the resonance curve, of the vibratable membrane structure can be determined in the evaluation circuit. It is therefore possible to determine from the grid of individual sensors a contact pressure which differs locally when a finger is placed. In this way, the structure of the fingerprint can be determined.
  • the advantage of this arrangement is in particular that electronic components of the control and evaluation circuit can be integrated on the same chip together with the micromechanical components that form the individual sensors 31.
  • two MOSFETs 13, the z. B. can be complementary to each other. These transistors can be integrated with the micromechanical structures as part of a CMOS process.
  • a membrane 2 made of polysilicon can then, for. B. applied in the same process step in which the gate electrodes of the transistors are applied.
  • the top of the electronic components is preferably with a planarization layer 11, the z. B. BPSG
  • contacts are z. B. made by filling contact holes with contact metal.
  • a first metallization level which is structured to form conductor tracks and the like, is also shown in FIG. The top is covered with a passivation layer 12 z. B. covered from silicon nitride. Additional levels of milling can be provided which are separated from one another by intermediate dielectrics. separates and the interconnects are connected to each other with further vertical contacts.
  • the excitation frequency with which the membranes vibrate is preferably chosen to be less than or at most equal to the resonance frequency of the membranes. If the vibration of the membranes is influenced by the application of the finger, then characteristic quantities of the vibration of the membrane change, e.g. B. their amplitude, quality, phase or the like. In principle, it is possible to use any of these variables as a basis for the evaluation. Possibly. several of these characteristic quantities can also be used for the evaluation. By combining the data of the evaluation signal and the control circuit, an image of the surface structure of the finger can be generated. The vibrations of a single sensor on which one
  • Finger line is clearly distinguishable from the vibrations of the individual sensors, on which there is no finger line, which can therefore vibrate freely.
  • the local resolution of the fingerprint to be displayed is defined by a suitable placement of the individual sensors and the size of the grid size.
  • a control circuit can be provided which enables a separate control of each individual sensor or groups of individual sensors and the separate evaluation of the measurement signals supplied by the respective controlled individual sensors.

Abstract

Einzelsensoren sind als Tastsensoren mit einer mikromechanischen Membran ausgebildet und in einem Raster angeordnet. Diese Membranen sind mit einem Stempel versehen, um den Kontakt zu einer Auflagefläche herzustellen. Die Membranen werden zu Schwingungen angeregt, wozu eine entsprechende Ansteuerschaltung dient. Die Schwingungen der Membranen werden entsprechend dem Anpressdruck, der auf den auf der Membran vorhandenen Stempel ausgeübt wird, modifiziert. Aus der Art dieser Modifikation kann ermittelt werden, ob an der betreffenden Stelle ein Steg oder eine Furche der Fingerstruktur vorhanden ist.

Description

Beschreibung
MIKROMECHANISCHES BAUELEMENT ZUR ERFASSUNG VON FINGERABDRÜCKEN
Die Aufnahme von Fingerabdrücken ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Identifikation von Personen. Es existieren unterschiedliche Verfahren, die optische, akustische oder mechanische Mittel einsetzen. In der EP 0 595 107 A3 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung von Fingerabdrücken beschrie- ben, bei der eine rasterförmige Anordnung von Membranen als
Tastsensor fungiert. Die Membranen befinden sich jeweils über einem Hohlraum und sind jeweils mit einem höckerartigen Aufsatz versehen. Werden beim Auflegen eines Fingers die Membranen entsprechend der Oberflächenstruktur des Fingers ver- formt, kann diese unterschiedliche Verformung der Einzelmembranen als Raster ausgewertet werden und eine Abbildung der Fingerstruktur liefern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach her- stellbare und zuverlässige Anordnung zur Aufnahme von Fingerabdrücken und ein zugehöriges Verfahren zur Anwendung dieser Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem mikromechanischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensor wird eine Vielzahl von Einzelsensoren als Raster angeordnet. Die Weite des Rasters, d. h. der Abstand der Einzelsensoren voneinander, ist so klein gewählt, daß eine ausreichend genaue Reproduktion der Oberfläche des Fingers möglich ist. Die Einzelsensoren sind als Tastsensoren mit einer mikromechanischen Membran ausgebildet. Diese Membranen können mit einem Stempel verse- hen sein, um den Kontakt zur Fingeroberfläche herzustellen. Die Membranen werden zu Schwingungen angeregt, wozu eine entsprechende Ansteuerschaltung dient . Die Schwingungen der Membranen werden entsprechend dem Anpressdruck, der auf den auf der Membran vorhandenen Stempel ausgeübt wird, beeinflußt. Aus der Art dieser Beeinflussung (z. B. Änderung der Bedämp- fung der Schwingung) kann ermittelt werden, ob an der betreffenden Stelle ein Steg oder eine Furche der Fingerstruktur vorhanden ist. Dieser Fingerabdrucksensor kann als mikromechanisches Bauelement im Rahmen eines VLSI-Prozesses, insbe- sondere eines CMOS-Prozesses, hergestellt werden, so daß auf denselben Chip elektronische Komponenten der Ansteuer- und Auswerteschaltung integriert werden können.
Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensors anhand der Figuren 1 und 2.
Figur 1 zeigt eine rasterförmige Anordnung von Einzelsensoren im Ausschnitt in Aufsicht.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt aus dem Sensor, in dem ein
Einzelsensor und Transistoren der Ansteuerschaltung darge- stellt sind.
In Figur 1 ist eine rasterförmige Anordnung von quadratischen Einzelsensoren 31 dargestellt. Die Anordnung ist in diesem Fall als Doppelgitter gewählt. Die Membranen der Einzelsenso- ren können grundsätzlich beliebige geometrische Formen haben. Für eine möglichst dichte Parkettierung der für die Messung der Fingerstruktur vorgesehenen Fläche kommen außer quadratischen Membranen auch rechteckige, dreieckige oder sechseckige Membranen in Frage. Der seitlich in Figur 1 dargestellte Be- reich der Chipoberfläche ist für eine elektronische Schaltung 32 vorgesehen. Elektronische Bauelemente, die der Ansteuerung der Einzelsensoren dienen, können zur Verminderung der Laufzeiten der elektrischen Signale auch im Bereich zwischen den Einzelsensoren 31 angeordnet sein. Figur 2 zeigt im Querschnitt einen Einzelsensor als mikromechanisches Bauelement. In einem Substrat 1, worunter hier auch eine oberste Halbleiterschicht eines Substrates, z. B. die Body-Siliziumschicht eines SOI-Substrates, verstanden werden kann, befindet sich ein dotierter Bereich 5 der z. B. durch Eindiffusion von Dotierstoff in das Halbleitermaterial hergestellt sein kann. Darüber befindet sich eine Abstands- schicht 7, die z. B. Siliziumdioxyd sein kann, das im Fall eines Substrates 1 aus Silizium am einfachsten durch thermi- sehe lokale Oxidation (LOCOS) der Siliziumoberfläche hergestellt wird. Auf dieser Abstandsschicht 7 befindet sich die Membran 2, unter der ein Hohlraum 8 ausgeätzt ist. Auf der Membran 2 ist ein Stempel 10 aufgebracht, der nicht die gesamte Membranoberseite bedeckt. Dieser Stempel 10 besteht z. B. aus Dielektrikumschichten, wie sie auch im Rahmen eines
VLSI- oder CMOS-Prozesses aufgebracht werden. In dem in Figur 2 dargestellten Beispiel ist dieser Stempel 10 in einem mittleren Bereich der Membran und fast bis zum Rand der Membran hin vorhanden. Der Stempel, der bei anderen Ausführungsformen weggelassen sein kann, dient dazu, eine Verbindung zwischen der Membran und einer für den Finger vorgesehenen flexiblen Auflagefläche herzustellen. Die Sensoren werden vorzugsweise auf der Oberseite mit einer Passivierungsschicht (z. B. mit einem Gel) abgedeckt. Der Finger liegt deshalb nicht direkt auf den Stempeln auf. Die Oberfläche der Membran 2 ist längs des Randes freigelegt, so daß eine ausreichende Beweglichkeit der Membran gewährleistet ist. Bei Ausübung eines Druckes F auf die Oberseite des Stempels 10 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles wird daher die Membran nach unten zum Substrat hin verformt .
Über Anschlußkontakte 4, 6 auf der elektrisch leitenden Membran oder einer darauf aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht und auf dem dotierten Bereich 5 kann eine Spannung zwischen der Membran 2 und dem dotierten Bereich 5 angelegt werden. Eine Variation dieser Spannung führt zu einer Änderung der auf die Membran ausgeübten elektrostatischen Anziehungskraft und regt die Membran zu Schwingungen an, die durch die Kraft F bedämpft werden. Diese Bedämpfung wirkt als Ände- rung der Impedanz des von dem Sensor gebildeten Kondensators . Diese Impedanzänderung oder eine Änderung der Güte, d. h. der Steilheit der Resonanzkurve, der schwingungsfähigen Membranstruktur kann in der Auswerteschaltung festgestellt werden. Es ist daher möglich, aus dem Raster von Einzelsensoren einen bei Auflegen eines Fingers örtlich verschiedenen Auflagedruck festzustellen. Auf diese Weise kann die Struktur des Fingerabdruckes bestimmt werden.
Der Vorteil dieser Anordnung liegt insbesondere darin, daß zusammen mit den mikromechanischen Komponenten, die die Einzelsensoren 31 bilden, elektronische Komponenten der Ansteu- er- und Auswerteschaltung auf demselben Chip integriert werden können. In Figur 2 sind als Beispiel zwei MOSFETs 13, die z. B. zueinander komplementär sein können, eingezeichnet. Diese Transistoren können im Rahmen eines CMOS-Prozesses mit den mikromechanischen Strukturen zusammen integriert werden. Eine Membran 2 aus Polysilizium kann dann z. B. in demselben Verfahrensschritt aufgebracht werden, in dem die Gate- Elektroden der Transistoren aufgebracht werden. Die Oberseite der elektronischen Bauelemente ist vorzugsweise mit einer Planarisierungsschicht 11, die z. B. BPSG
(Borphosphorsilikatglas) sein kann, bedeckt. In dieser Planarisierungsschicht sind Anschlußkontakte z. B. durch Auffüllen von Kontaktlöchern mit Kontaktmetall hergestellt . In Figur 2 ist noch eine erste Metallisierungsebene, die zu Leiterbahnen und dergleichen strukturiert ist, eingezeichnet. Die Oberseite ist mit einer Passivierungsschicht 12 z. B. aus Siliziumnitrid bedeckt. Es können weitere Meallisierungsebenen vorgesehen sein, die voneinander durch Zwischendielektrika ge- trennt und deren Leiterbahnen untereinander mit weiteren vertikalen Kontakten verbunden sind.
Durch die vollständige Integration mikromechanischer Einzel- sensoren ist es bei dem erfindungsgemäßen Sensor möglich, eine Anordnung der Einzelsensoren in einem Rastermaß von ca. 50 μm anzuordnen und eine entsprechend gute Auflösung der Strukturdetails zu erreichen. Die Anregungsfrequenz, mit der die Membranen schwingen, wird vorzugsweise kleiner oder höchstens gleich der Resonanzfrequenz der Membranen gewählt. Wird die Vibration der Membranen durch das Auflegen des Fingers beeinflußt, dann ändern sich charakteristische Größen der Schwingung der Membran, z. B. deren Amplitude, Güte, Phase oder dergleichen. Im Prinzip ist es möglich, die Änderung einer beliebigen dieser Größen als Grundlage für die Auswertung zu nehmen. Ggf. können auch mehrere dieser charakteristischen Größen für die Auswertung herangezogen werden. Durch Kombination der Daten des Auswertesignals und der Ansteuerschaltung kann ein Bild der Oberflächenstruktur des Fingers erzeugt werden. Die Schwingungen eines Einzelsensors, auf dem eine
Fingerlinie liegt, sind eindeutig unterscheidbar von den Schwingungen der Einzelsensoren, auf denen keine Fingerlinie liegt, die also frei schwingen können. Die örtliche Auflösung des wiederzugebenden Fingerabdrucks wird durch eine geeignete Plazierung der Einzelsensoren und die Größe des Rastermaßes definiert. Es kann eine Ansteuerschaltung vorgesehen sein, die eine gesonderte Ansteuerung jedes Einzelsensors oder von Gruppen von Einzelsensoren und die getrennte Auswertung der von den jeweils angesteuerten Einzelsensoren gelieferten Meß- Signale ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanisches Bauelement zur Erfassung von Fingerabdrücken, - bei dem auf einem Substrat eine Vielzahl von Einzelsensoren in einem zweidimensionalen Raster angeordnet ist und diese Anordnung mindestens einen für eine Erfassung von Fingerabdrücken vorgesehenen Bereich einnimmt,
- bei dem jeder Einzelsensor eine senkrecht zu der Fläche des Rasters schwingfähige, in der Fläche des Rasters angeordnete Membran umfaßt,
- bei dem diese Membran zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet und mit einem Anschlußkontakt versehen ist, - bei dem der Membran gegenüber auf der dem Substrat zugewandten Seite mindestens im Bereich der zu der Fläche des Rasters senkrechten Projektion des leitfähigen Teils der Membran in einem Abstand zu der Membran, der für eine vorgesehene Schwingfähigkeit der Membran ausreichend groß ist, ein dotierter Bereich in Halbleitermaterial ausgebildet und mit einem Anschlußkontakt versehen ist und
- bei dem eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, die es gestattet, alle Membranen der Einzelsensoren durch Anlegen variabler elektrischer Spannungen an die Anschlußkontakte in Schwingungen zu versetzen und die Änderung einer physikalischen Größe dieser Schwingungen, die sich bei Auflegen eines Fingers auf die Anordnung aus Einzelsensoren in Abhängigkeit von der Eigenheit des Fingerabdruckes bei verschiedenen Einzelsensoren unterschiedlich ändert, für jeden Einzelsensor gesondert zu erfassen.
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die elektronische Schaltung geeignet ist, die Schwingungen der Membranen mit einer Frequenz anzuregen, die klei- ner oder gleich der niedrigsten Resonanzfrequenz der Membranen ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem die Komponenten der elektronischen Schaltung Bauelemente sind, die im Rahmen eines CMOS-Prozesses hergestellt werden können, und zusammen mit den Einzelsensoren auf demselben Substrat integriert sind.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Mindestabstand zweier Einzelsensoren zwischen 10 μm und 80 μm beträgt.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in dem Raster der geringste Abstand der Mittelpunkte der Membranen zweier Einzelsensoren mindestens 10 μm und höchstens 80 μm beträgt.
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