WO2016204416A1 - 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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WO2016204416A1
WO2016204416A1 PCT/KR2016/005429 KR2016005429W WO2016204416A1 WO 2016204416 A1 WO2016204416 A1 WO 2016204416A1 KR 2016005429 W KR2016005429 W KR 2016005429W WO 2016204416 A1 WO2016204416 A1 WO 2016204416A1
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WO
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amplifier
fingerprint
electrode
switch
sensing element
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/005429
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English (en)
French (fr)
Inventor
김정현
김택무
김동운
Original Assignee
크루셜텍(주)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a fingerprint detection device and a driving method thereof, and more particularly, to a fingerprint detection device and a driving method thereof in which a bias signal corresponding to a driving signal is supplied inside each fingerprint sensing element.
  • fingerprints Since the pattern of the fingerprint varies from person to person, it is widely used in the field of personal identification. In particular, fingerprints are widely used in various fields such as finance, criminal investigation, and security as a means of personal authentication.
  • Fingerprint sensors have been developed to identify individuals by recognizing these fingerprints.
  • the fingerprint sensor is a device for touching a human finger and recognizing a finger fingerprint, and is used as a means for determining whether the user is a legitimate user.
  • various recognition methods such as an optical method, a thermal sensing method, and a capacitive method are known.
  • the principle of the capacitive fingerprint sensor is to convert the difference between the capacitance formed between the uppermost metal plate and the ridge of the fingerprint and the capacitance formed between the uppermost metal plate and the valley of the fingerprint to an electrical signal to convert the difference between the reference signal and the reference signal. After comparing the sizes of the digitized and imaged to form a fingerprint image.
  • FIG. 1 is a view showing an electronic device having a general capacitive fingerprint recognition device.
  • the fingerprint recognition device provided in a portion of the electronic device 1 includes a sensor array 10 including a plurality of fingerprint sensing elements and an external electrode 20 formed around the sensor array 10. do.
  • a driving signal is applied to the external electrode 20, and the driving signal is transmitted to the finger through the external electrode 20.
  • the response signal from the finger in response to the driving signal is received by the sensor array 10.
  • the signal received by each fingerprint sensing element of the sensor array 10 varies depending on whether the ridge of the finger touches or the bone of the fingerprint sensing element, and is received by all fingerprint sensing elements included in the sensor array 10. By combining the signals, a fingerprint image can be obtained.
  • the fingerprint recognition device of this type increases the size and manufacturing cost of the fingerprint recognition device since the external electrode 20 is essential for applying the driving signal.
  • the formation of 20 results in design constraints.
  • the drive signal from the external electrode 20 is used to charge the capacitance formed between some fingers and the case.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a fingerprint sensing element constituting the sensor array shown in FIG. 1.
  • Each of the fingerprint sensing elements 11 constituting the sensor array 10 has a sensing electrode P, which forms a sensing capacitance Cf, and an inverting input terminal N1 connected to the sensing electrode P in a relationship with a finger.
  • the amplifier A to which the reference voltage Vref is input the feedback capacitance Cfb formed between the inverting input terminal N1 of the amplifier A and the output terminal N2, and the amplifier A
  • the first switch S1 for turning on / off the connection between the first input terminal N1 and the sensing electrode P, the second switch S2 for resetting the potential across the feedback capacitance Cfb, and the amplifier A
  • the third switch S3 controls the on / off control of the output voltage Vout.
  • a driving signal Tx having a size of 'VdrvH-VdrvL' is supplied from an external electrode.
  • FIG. 3 is a timing diagram illustrating an operation of the fingerprint sensing element illustrated in FIG. 2.
  • the high state for each switch S1 to S3 represents an on state
  • the low state represents an off state
  • the second switch S2 is turned on during the first period T1, and the first switch S1 and the third switch S3 are turned off. As the second switch S2 is turned on, the feedback capacitance of the amplifier A is reset.
  • the second switch S2 is turned off and the first switch S1 is turned on. Accordingly, the sensing electrode P and the first input terminal N1 of the amplifier A are connected, and the feedback capacitance Cfb is formed at the amplifier A, so that the output voltage Vout of the amplifier A is Is formed.
  • the first and second switches S1 and S2 are turned off, and the third switch S3 is turned on, so that the amplifier A formed in the second section T2 is
  • the output voltage Vout is output, which can be expressed as follows.
  • the output voltage Vout of the amplifier A may be represented as follows.
  • the output voltage Vout of the amplifier A depends on the magnitude of the capacitance Cf formed in the relationship between the sensing electrode P and the finger, and this value is used to acquire a fingerprint image.
  • the driving voltage applied from the external electrode is affected by the reduction of the predetermined potential Vd, so that the output voltage Vout of the fingerprint sensing element 11 may also be reduced.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art.
  • Another object of the present invention is to provide a fingerprint detection device capable of fingerprint sensing without an external electrode for applying a driving signal.
  • Still another object of the present invention is to prevent the output signal from being degraded due to the input signal dispersion even when the electronic device to which the fingerprint detection device is applied is made of a metallic material.
  • Still another object of the present invention is to eliminate the charge pump for driving signal generation by not using a driving signal application method through an external electrode, thereby enabling a simplified design.
  • a fingerprint detection device including a plurality of fingerprint sensing elements, each fingerprint sensing element, the sensing electrode for forming a sensing capacitance in relation to the subject; A first input terminal connected to the sensing electrode, and a second input terminal configured to receive a bias signal having a potential changed from a high level to a low level or a low level to a high level while a fingerprint detection operation is performed; And a gain controller comprising a plurality of sub-feedback capacitances selectively connected between the first input end and the output end of the amplifier.
  • the fingerprint detection device may include a first switch connected between both ends of the gain controller; And a second switch connected to an output terminal of the amplifier and switched to an on state in a section in which the first switch is maintained in an off state.
  • the bias signal may have a high level and a low level, and may be switched from a high level to a low level, or from a low level to a high level at a time when the first switch is turned off or after being switched.
  • the gain controller may include a plurality of third switches for selectively connecting the other ends of the plurality of sub-feedback capacitances, one end of which is connected to the first input terminal of the amplifier, to the output terminal of the amplifier.
  • the fingerprint detection device may include: a fourth switch for turning on / off a bias signal supply to a first input terminal of the amplifier; And a fifth switch that turns on / off a bias signal supply to a second input terminal of the amplifier and operates alternately with the fifth switch.
  • the fourth switch is maintained in the at least one adjacent fingerprint sensing element.
  • the fingerprint detection device further includes a guard ring formed to surround the sensing electrode of the other fingerprint sensing element, and the bias signal is also applied to the guard ring of the other fingerprint sensing element while the fourth switch is kept in an on state. Can be supplied.
  • a ground potential may be applied or floated to a sensing electrode of at least one fingerprint sensing element which is not selected as a fingerprint detection operation target.
  • a fingerprint detection device including a plurality of fingerprint sensing elements, each fingerprint sensing element, the uppermost conductive layer on which a sensing electrode for forming a sensing capacitance in relation to the subject is disposed ; A first input terminal connected to the sensing electrode, and a second input terminal configured to receive a bias signal having a potential changed from a high level to a low level or a low level to a high level while a fingerprint detection operation is performed; And a gain controller formed between a plurality of conductive layers disposed below the uppermost conductive layer, the gain controller including a plurality of sub-feedback capacitances selectively connected between the first input terminal and the output terminal of the amplifier.
  • the gain controller may include a first conductive layer having a lowermost electrode connected to an output terminal of the amplifier; A plurality of switches for selectively connecting each of the plurality of sub-electrodes disposed on the second conductive layer above the first conductive layer and the lowermost electrode; And a feedback capacitance electrode disposed on the third conductive layer on the second conductive layer and a plurality of feedback capacitances connected between the plurality of sub-electrodes.
  • At least one of the plurality of sub-electrodes or the lowermost electrodes may be formed by a metal insulator metal (MIM) method.
  • MIM metal insulator metal
  • the fingerprint detection device may further include a shield electrode disposed under the uppermost conductive layer and connected to a ground potential.
  • a method of driving a fingerprint detection device including a plurality of fingerprint sensing elements comprising: selecting a specific fingerprint sensing element as a fingerprint detection operation target; Determining a gain of a gain controller for varying a gain of an amplifier connected to a sensing electrode of the specific fingerprint sensing element by a first input terminal; Resetting the gain controller coupled between the input and output ends of the amplifier; Switching the bias signal supplied from the high level to the low level when the reset is completed; And connecting with an external device such that the output signal of the amplifier is output while the bias signal is maintained at the low level.
  • the driving method of the fingerprint detection device may further include supplying the bias potential to a sensing electrode of at least one other fingerprint sensing element except for the specific fingerprint sensing element after the selecting step.
  • the bias potential supplying step may include supplying the bias signal to a guard ring formed to surround the sensing electrode of the sensing electrode of the another fingerprint sensing element.
  • the gain determining step may include selectively coupling a plurality of feedback capacitances, one end of which is connected to the first input terminal of the amplifier, to an output terminal of the amplifier.
  • the gain determining step may include adjusting a difference value between a high level and a low level of the bias signal.
  • the external electrode for applying the driving signal can be removed, thereby eliminating the design constraint.
  • the driving signal application method through the external electrode is not used, even if the electronic device to which the fingerprint detection device is applied is made of a metallic material, the output signal is not degraded due to signal dispersion. Even when parasitic capacitance components are present, a constant gain can always be maintained in the output signal.
  • the charge pump for supplying the external drive signal can be omitted, the chip area is reduced, which enables a simplified design.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an electronic device including a general fingerprint recognition device.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of the fingerprint recognition device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a timing diagram for describing an operation of the fingerprint recognition device of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a configuration of a fingerprint detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a fingerprint sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration of a fingerprint sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a timing diagram illustrating a fingerprint detection method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a change in output voltage of a fingerprint sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a configuration of a fingerprint sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a schematic configuration of a fingerprint detection device according to an embodiment of the present invention.
  • the fingerprint detection apparatus includes a sensor array 100 including a plurality of fingerprint sensing elements 110 forming a plurality of rows and columns.
  • Each fingerprint sensing element 110 is enabled by the horizontal scan unit 120 and the vertical scan unit 130 to output a signal related to fingerprint detection.
  • the signal from the fingerprint sensing element 110 is output through the buffer 140.
  • One buffer 140 is disposed for each fingerprint sensing element 110 in a row. That is, the signal from the fingerprint sensing element 110 disposed in one column is output through the one buffer 140.
  • the fingerprint detection apparatus does not include an external electrode for applying a driving signal, and a driving signal is applied inside each fingerprint sensing element 110. This will be described in detail.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the fingerprint sensing device 110 of FIG. 4.
  • the fingerprint sensing element 110 is formed in a structure consisting of a plurality of conductive layers M1 to M5 sequentially disposed from the bottom.
  • the space between the conductive layers M1 to M5 may be filled with an insulating material, for example, SiO 2, SiN, SiNO X, or glass.
  • the sensing electrode 111 forming the sensing capacitance Cf in relation to the finger F as the subject is formed on the fifth conductive layer M5, which is the uppermost conductive layer.
  • the sensing electrode 111 is connected to the first input terminal N1 of the amplifier A.
  • An operation switch (not shown) may be formed between the sensing electrode 111 and the first input terminal N1 of the amplifier A.
  • the operation is performed in the fingerprint sensing element 110 that is currently subjected to the fingerprint detection operation.
  • the switch is turned on so that the sensing electrode 111 may be connected to the first input terminal N1 of the amplifier A.
  • the operation switch is maintained in the off state, and a ground potential may be applied or floated to the sensing electrodes 111 of the fingerprint sensing device 110. have.
  • the conductive wire for connecting the sensing electrode 111 and the first input terminal N1 of the amplifier A passes through the third conductive layer M3 and the fourth conductive layer M4. Via holes V1 and V2 may be formed in M3 and the fourth conductive layer M4.
  • a shield electrode surrounding the sensing electrode 111 that is, a guard ring G1 is formed on the fifth conductive layer M5, which is connected to a ground potential or other appropriate potential to be adjacent to the fingerprint sensing element 110. Minimize the formation of parasitic capacitances.
  • a protective layer (not shown) for protecting the sensing electrode 111 may be further formed on the fifth conductive layer M5.
  • the protective layer protects the sensing electrode 111 from ESD and external wear.
  • the shield electrode 113 is formed in the fourth conductive layer M4 below the fifth conductive layer M5.
  • the shield electrode 113 is connected to the ground potential.
  • the potentials of the first feedback capacitance electrode 115 formed on the third metal layer M3 and the sensing electrode 111 formed on the fifth metal layer M5 are changed, so that the sensing electrode 111 and the shield are changed.
  • Parasitic capacitances Cp1 and Cp2 are formed between the electrodes 113 and between the shield electrode 113 and the first feedback capacitance electrode 115.
  • the first parasitic capacitance Cp1 formed by the relationship between the sensing electrode 111 and the shield electrode 113 is affected by whether the finger F approaches or other external noise. Since 113 is connected to the ground potential, the charge stored in the first parasitic capacitance Cp1 exits to the ground potential. That is, the influence of the first parasitic capacitance Cp1 may be minimized during the fingerprint detection operation by the shield electrode 113.
  • the shield electrode 113 is connected to the ground potential, and the first feedback capacitance electrode 115 is connected to the first input terminal N1 of the amplifier A, so that the potential of the second input terminal N2 of the amplifier A is It has the same potential as. Since the bias signal Vbs output from the bias signal generator 114 is applied to the second input terminal N2 of the amplifier A, the potential difference between the first feedback capacitance electrode 115 and the shield electrode 113 ( Voltage) becomes equal to the potential of the bias signal Vbs.
  • the width of each of the shield electrode 113 and the first feedback capacitive electrode 115, the distance between both electrodes, and the dielectric constant of an insulating layer (not shown) existing between the two electrodes are values that are known by design. Therefore, the second parasitic capacitance Cp2 becomes a value that can be calculated.
  • the parasitic capacitance Cp2 that can be calculated in this way can be easily removed through a separate parasitic capacitance removing circuit, or can be used as a value to be taken into consideration when detecting a fingerprint through the calculation. In consideration of this through the calculation, the capacitance of the gain controller 112, which will be described later, may be adjusted.
  • the noise caused by the first parasitic capacitance Cp1 is naturally removed by the shield electrode 113, and the noise caused by the second parasitic capacitance Cp2 can be easily removed or taken into account. Will be. That is, through the shield electrode 113, the effect of minimizing the influence on noise can be obtained, and the accuracy in fingerprint detection can be improved.
  • the fingerprint detection device may remove noise due to static electricity or external factors including the human body through the fourth conductive layer M4 connected to the ground potential. Accurate fingerprint detection is possible without the need for a bezel.
  • the first to third conductive layers M1 to M3 disposed in order from the bottom function as the gain controller 112 that determines the magnitude of the feedback capacitance of the amplifier A.
  • first feedback capacitance electrode 115 and the second feedback capacitance electrode 117 are disposed on the third conductive layer M3 and the second conductive layer M2 disposed below the third conductive layer M3.
  • the first feedback capacitance electrode 115 is connected to the first input terminal N1 of the amplifier A
  • the second feedback capacitance electrode 117 is connected to the output terminal N3 of the amplifier A.
  • a plurality of sub-feedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 are formed between the first feedback capacitance electrode 115 and the second feedback capacitance electrode 117.
  • the second feedback capacitance electrode 117 is composed of the sub electrodes 117_1, 117_2, 117_3, and 117_4, and one end of each of the subfeedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 has one sub-electrode 117_1. , 117_2, 117_3, 117_4).
  • Each of the sub-feedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 may have the same size but may have different values.
  • the sizes of the second to fourth sub-feedback capacitances Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 may be X2, X3, and X4, respectively, but are not limited thereto. It doesn't happen.
  • the sub electrodes 117_1, 117_2, 117_3, and 117_4 constituting the second feedback capacitance electrode 117 are formed according to the number of subfeedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4.
  • four sub-feedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 are exemplified.
  • the number of sub-feedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 may be different.
  • the number of sub-electrodes 117_1, 117_2, 117_3, and 117_4 constituting the feedback capacitance electrode 117 also varies.
  • Each of the sub electrodes 117_1, 117_2, 117_3, and 117_4 is selectively connected to the output terminal N3 of the amplifier A. That is, the sub-electrodes 117_1, 117_2, 117_3, and 117_4 may be selectively connected to the output terminal N3 of the amplifier A by the plurality of third switches S3_1, S3_2, S3_3, and S3_4.
  • the synthesized capacitances of the selected sub-feedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 are determined as feedback feedback of the amplifier A.
  • the parallel composite capacitance of the two sub-feedback capacitances is the feedback of the amplifier A. It functions as a capacitance.
  • the output voltage Vout of the amplifier A is inversely proportional to the magnitude of the feedback capacitance determined by the gain controller 112, and the magnitude of the feedback capacitance is controlled by the third switches S3_1, S3_2, S3_3, and S3_4. As it varies, the output voltage range of the amplifier A may also vary.
  • the third switches S3_1, S3_2, S3_3, and S3_4 are used to reduce the magnitude of the feedback capacitance.
  • the third switches S3_1, S3_2, S3_3, and S3_4 are used to reduce the magnitude of the feedback capacitance.
  • the sensitivity of fingerprint detection can be made optimal.
  • the sensitivity of the fingerprint detection can be optimized by appropriately adjusting the magnitude of the feedback capacitance of the amplifier A according to factors such as the power supply voltage of the electronic device on which the fingerprint detection device is mounted, the thickness of the coating layer, and various noises. have.
  • a first switch S1 is connected between the first input terminal N1 and the output terminal N3 of the amplifier A.
  • the first switch S1 is a switch for resetting the feedback capacitance of the amplifier A and is turned on in the preparation step of fingerprint detection, and is turned off in the fingerprint detection process.
  • the third conductive layer M3 includes a guard ring G2 surrounding the first feedback capacitive electrode 115, which is connected to a ground potential or other suitable potential to connect from adjacent sensing pixels. To block interference.
  • a guard ring for the same purpose is provided between the sub-electrodes 117_1, 117_2, 117_3, and 117_4 of the second feedback capacitance electrode 117 and adjacent to the entire second feedback capacitance electrode 117. Can be further formed.
  • the second feedback capacitance electrode 117 formed on the second conductive layer M2 may be manufactured by a metal insulator metal (MIM) method.
  • MIM metal insulator metal
  • the second feedback capacitance electrode 117 has a capacitance itself, and thus at least some of the sub-feedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 may be omitted.
  • the first conductive layer M1 which is the lowermost conductive layer, is formed under the second conductive layer M2 on which the second feedback capacitance electrode 117 is disposed.
  • the first conductive layer M1 includes a third switch S3_1.
  • the lowest electrode 119 selectively connected to at least one of the sub-electrodes 117_1, 117_2, 117_3, and 117_4 of the second feedback capacitive electrode 117 is disposed by S3_2, S3_3, and S3_4.
  • an electrode for routing an operating power source or other signals of the amplifier A, an electrode connected to a ground potential, or the like may be further disposed in the first conductive layer M1.
  • the lowermost electrode 119 may also be manufactured by the MIM method similarly to the second feedback capacitance electrode 117.
  • the bias signal Vbs is input to the second input terminal N2 of the amplifier A.
  • the bias signal Vbs is a signal generated by the bias signal generator 114, and the level of the signal is adjustable by the bias signal generator 114.
  • the bias signal Vbs may be a square wave signal having a potential change.
  • the bias signal Vbs may be a signal having two potential levels, that is, a high level VbsH and a low level VbsL.
  • the circuit characteristics or the relationship with the adjacent fingerprint sensing device 110 may be used.
  • a parasitic capacitance Cp3 may be formed, and this parasitic capacitance Cp3 may be equivalent to being connected to the first input terminal N1 of the amplifier A.
  • the parasitic capacitance Cp3 of the fingerprint sensing device 110, which is the target of the fingerprint detection operation, may have a value of about several tens to about fF.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the fingerprint sensing device of FIG. 5, and FIG. 7 is a timing diagram for describing a fingerprint detection operation of the fingerprint sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 8 is a graph showing a change in the output voltage value of the fingerprint sensing element.
  • the metal capacitance Cm means a capacitance formed in relation to a finger when the electronic device on which the fingerprint detection device is mounted is made of a metallic material.
  • the gain controller 112 formed between the first input terminal N1 and the output terminal N3 of the amplifier A functions as a feedback capacitance of the amplifier A as a variable capacitance.
  • the capacitance of the gain controller 112 may include one or more sub-feedback capacitances Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, and Cfb_4 selected by the third switches S3_1, S3_2, S3_3, and S3_4 described with reference to FIG. 5. Their composite capacitance.
  • the feedback capacitance of the amplifier A formed by the gain controller 112 will be referred to as 'Cfb'.
  • the bias signal Vbs is a signal supplied by the bias signal generator 114 and has a characteristic of being maintained at the high level VbsH and falling to the low level VbsL at the time of sensing at a predetermined period, or low level.
  • the signal is maintained at (VbsL) and rises to a high level (VbsL) at a sensing point at a predetermined period.
  • the bias signal Vbs may be a signal controlled by a clock signal, and may be variously implemented such as an AC voltage or a DC voltage.
  • the bias signal Vbs is a signal having a characteristic of being maintained at the high level VbsH and falling to the low level VbsL at the time of sensing at a predetermined period, for example.
  • the following description applies equally to the reverse case.
  • the high levels of the first and second switches S1 and S2 represent an on state, and the low levels represent an off state.
  • both the first switch S1 and the second switch S2 are maintained in the OFF state in the first period T1 which is the idle period.
  • the sensing capacitance Cf and the parasitic capacitance Cp3 formed by the relationship between the sensing electrode 111 and the finger are charged by the bias signal Vbs maintained at the high level VbsH.
  • the charge amount is as follows.
  • the first switch S1 is switched from the off state to the on state.
  • the potential across the gain controller 112 becomes the coin position and is reset.
  • the output voltage Vout of the amplifier A becomes equal to the potential of the first input terminal N1 and the second input terminal N2 of the amplifier A. That is, as shown in FIG. 8, the output voltage Vout maintains the potential of the bias signal Vbs input to the second input terminal N2 of the amplifier A, that is, the value of the high level VbsH. do.
  • the third section T3, which is an operation section, is started at the same time as the first switch S1 is turned off or immediately after the first switch S1 is turned off.
  • the bias signal Vbs falls to the low level VbsL.
  • the amount of charge Q2 that can be stored in the sensing capacitance Cf and the parasitic capacitance Cp3 becomes as follows.
  • the second switch S2 is immediately after the bias signal Vbs is switched to the low level VbsL, or maintained at the low level VbsL. It is turned on at a special time during operation. As the second switch S2 is turned on, the output voltage Vout of the amplifier A may be transmitted to an external device that stores, processes, or processes the received signal.
  • the bias signal Vbs maintains the low level VbsL even during the fourth period T4, which is an output period, so that the potential of the first input terminal N1 of the amplifier A and the low level of the bias signal Vbs are maintained. Lasts (VbsL). In this period, the second switch S2 for acquiring the output voltage Vout of the amplifier A is kept on, and at this time, the amount of charge Q4 stored in the feedback capacitance Cfb of the amplifier A is maintained. Since the charge amount Q3 moved in the third section T3 is maintained as it is, the following equation is established.
  • the gain of the amplifier A is Becomes Referring to Equation 7, it can be seen that the gain of the amplifier A is always the same regardless of the value of the parasitic capacitance Cp3. That is, even in the presence of parasitic capacitance Cp3, which may be equivalent to being connected to the first input terminal N1 of the amplifier A, its gain is always the same.
  • the distance between the sensing electrode 111 and the skin of the finger becomes relatively farther than when the ridge touches, thereby reducing the sensing capacitance Cf. Therefore, in Equation 7, the output voltage Vout of the amplifier A becomes relatively larger than when the ridge is touched.
  • the output voltage Vout of the amplifier A is proportional to the difference between the high level VbsH and the low level VbsL of the bias signal Vbs. Therefore, the gain of the amplifier A can be controlled by appropriately adjusting the high level VbsH and the low level VbsL of the bias signal Vbs. That is, the gain of the amplifier A may be controlled through the third switches S3_1, S3_2, S3_3, and S3_4 (see FIG. 5) included in the gain controller 112, but also through the adjustment of the bias signal Vbs. Is possible. As described above, since the gain applied to the output voltage Vout of the fingerprint sensing element 110 can be controlled in various ways, the fingerprint detection apparatus according to the present invention can be applied to various devices as well as portable devices.
  • the electronic device on which the fingerprint detection device is mounted is made of a metallic material
  • a driving signal required for the fingerprint detection operation is supplied through an external electrode provided separately from the fingerprint sensing element 110
  • some of the corresponding driving signals may be metallic.
  • the metal capacitance (Cm) formed by the material Used to charge the metal capacitance (Cm) formed by the material, as a result occurs a phenomenon that the maximum potential of the drive signal is partially lowered, and accordingly, the output voltage of the fingerprint sensing element 110 Vout may also be lowered.
  • the bias signal Vbs corresponding to the driving signal is supplied through the amplifier A provided in the fingerprint sensing element 110, the electronic device Is made of a metallic material, the bias signal (Vbs) is not dispersed to the metal capacitance (Cm) or other parasitic capacitance generated by the external environment . Therefore, under any circumstances, a phenomenon in which the output voltage Vout of the fingerprint sensing element 110 is lowered can be prevented.
  • an external electrode for supplying a driving signal is not required, an electronic device has an advantage in design, and a charge pump circuit necessary for supplying a driving signal through the external electrode is unnecessary, thereby reducing the total chip area. And the cost of parts is also reduced.
  • the bias signal Vbs is changed to the high level VbsH again when or before the next sensing period, that is, the first period T1 in FIG. 7 is repeated again.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a fingerprint sensor array of a fingerprint detection device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the first input terminals N1a and N1b and the second input terminals N2a and N2 of the amplifiers Aa and Ab of the fingerprint sensing elements 110a and 110b may be used.
  • the fourth switches S4a and S4b and the fifth switches S5a and S5b are respectively connected to N2b).
  • one end of the fourth switches S4a and S4b is connected to the first input terminals N1a and N1b of the amplifiers Aa and Ab, and the bias signal Vbs is supplied to the other end. That is, the fourth switches S4a and S4b have a function of turning on / off the supply of the bias signal Vbs to the first input terminals N1a and N1b of the amplifiers Aa and Ab.
  • the fifth switches S5a and S5b are connected to the second input terminals N2a and N2b of the amplifiers Aa and Ab, and the bias signal Vbs is supplied to the other end thereof. That is, the fifth switches S5a and S5b have a function of turning on / off the supply of the bias signal Vbs to the second input terminals N2a and N2b of the amplifiers Aa and Ab.
  • the fourth switches S4a and S4b and the fifth switches S5a and S5b are alternately turned on / off.
  • the bias signal Vbs is applied to the second input terminal N2a of the amplifier Aa included in the first fingerprint sensing device 110a. Since it must be supplied, the fifth switch S5a of the first fingerprint sensing element 110a is turned on.
  • the bias signal (2) is applied to the second input terminal N2b of the amplifier Ab. Since Vbs) does not need to be supplied, the fifth switch S5b is kept in the off state. While the fifth switch S5b is maintained in the off state, the fourth switch S4b is turned on so that the bias signal Vbs is supplied to the first input terminal N1b of the amplifier Ab. Accordingly, the potential of the sensing electrode 111b of the second fingerprint sensing element 110b connected to the first input terminal N1b of the amplifier Ab is always biased while the fourth switch S4b is turned on. It becomes equal to the potential of Vbs).
  • the bias signal Vbs is also supplied to the second input terminal N2a of the amplifier Aa in the first fingerprint sensing element 110a which is the target of the fingerprint detection operation, the first input terminal N1a of the amplifier Aa.
  • the potential of the sensing electrode 111a connected to is also equal to the bias signal Vbs potential.
  • the sensing electrodes 111a and the second of the first fingerprint sensing element 110a are synchronized.
  • the potential of the sensing electrode 111b of the fingerprint sensing element 110b is maintained the same. That is, when the fingerprint detection operation is performed on the first fingerprint sensing element 110a, the potential of the sensing electrode 111a of the first fingerprint sensing element 110a is maintained to be the same as the potential of the other sensing electrode 111b adjacent thereto. .
  • FIG. 9 illustrates a case in which the sensing electrode 111a of the first fingerprint sensing element 110a and the sensing electrode 111b of the second fingerprint sensing element 110b are adjacent to each other, according to an embodiment of the present invention.
  • the sensing electrodes 111a and 111b may be spaced apart from each other. It is possible to maintain accurate sensing.
  • the sensing electrode 111b adjacent to the potential of the sensing electrode 111a of the first fingerprint sensing element 110a is detected. If the potential is maintained on the coin, the parasitic capacitance formed by the relationship between the adjacent sensing electrodes 111a and 111b is removed.
  • the parasitic capacitance between the sensing electrodes 111a and 111b is removed by keeping the sensing electrodes 111a and 111b on a coin. Without the guard ring (G1, see Fig. 5) surrounding the), it is possible to remove the noise.
  • the guard rings G1 and FIG. 5 surround the sensing electrodes 111a and 111b around the sensing electrodes 111a and 111b of the respective fingerprint sensing elements 110a and 110b.
  • the bias signal Vbs may also be supplied to the guard ring G1 surrounding the sensing electrode 111b of the second fingerprint sensing element 110b which is not selected as a fingerprint detection operation target.
  • the guard ring G1 formed around the sensing electrode 111a of the first fingerprint sensing element 110a to be the fingerprint detection operation may be connected to a ground potential to block external noise.
  • a plurality of first fingerprint sensing elements 110a may be a plurality of fingerprint detection operations. That is, the fingerprint detection operation may be performed at the plurality of first fingerprint sensing elements 110a at the same time.
  • the fifth switch S5a of each of the plurality of simultaneously selected first fingerprint sensing elements 110a is turned on.
  • the fourth switch S4b may be maintained in the second fingerprint sensing device 110b that is not selected as the target of the fingerprint detection operation.
  • mutual interference may occur or the fingerprint sensing elements 110a may occur according to the flow of signals generated during the fingerprint detection operation.
  • the parasitic capacitance may be formed in the liver to reduce the accuracy of fingerprint detection.
  • the first fingerprint sensing element It is preferred to select 110a to be spaced apart from each other.

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Abstract

일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센싱 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극; 제1 입력단이 상기 센싱 전극과 연결되고, 제2 입력단에는 지문 검출 동작이 수행되는 동안 하이 레벨에서 로우 레벨로, 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 전위가 변화되는 바이어스 신호가 입력되는 증폭기; 및 상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 선택적으로 연결되는 복수개의 서브 피드백 정전용량으로 구성되는 이득 컨트롤러를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.

Description

지문 검출 장치 및 이의 구동 방법
본 발명은 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 각 지문 센싱 소자의 내부에서 구동 신호에 해당하는 바이어스 신호가 공급되는 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
지문의 무늬는 사람마다 다르기 때문에, 개인 식별 분야에 많이 이용되고 있다. 특히, 지문은 개인 인증 수단으로서 금융, 범죄수사, 보안 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
이러한 지문을 인식하여 개인을 식별하기 위해 지문 인식 센서가 개발되었다. 지문 인식 센서는 사람의 손가락을 접촉하고 손가락 지문을 인식하는 장치로서, 정당한 사용자인지 여부를 판단할 수 있는 수단으로 활용되고 있다.
최근에는 모바일 시장에서도 개인 인증 및 보안 강화의 필요성이 급격히 증대되고 있으며, 모바일을 통한 보안 관련 사업이 활발히 진행되고 있다.
지문 인식 센서를 구현하는 방식으로는 광학방식, 열감지 방식 및 정전용량 방식 등의 다양한 인식 방식이 알려져 있다.
이 중, 용량형 지문센서의 원리는 최상위 금속판과 지문의 융선(ridge) 간에 형성되는 정전용량, 최상위 금속판과 지문의 골(valley) 간에 형성되는 정전용량의 차이를 전기적 신호로 변환하여 기준 신호와의 크기를 비교한 후 디지털화 및 이미지화함으로써 지문 이미지를 형성하게 된다.
도 1은 일반적인 용량형 지문 인식 장치를 구비한 전자기기를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 전자기기(1)의 일부분에 구비되는 지문 인식 장치는 다수개의 지문 센싱 소자로 이루어지는 센서 어레이(10), 센서 어레이(10)의 주변에 형성되는 외부 전극(20)을 포함한다.
외부 전극(20)에는 구동 신호가 인가되는데, 이러한 구동 신호가 외부 전극(20)을 통해 손가락으로 전달된다. 구동 신호 인가에 따른 손가락으로부터의 응답 신호는 센서 어레이(10)에 의해 수신된다. 센서 어레이(10)의 각 지문 센싱 소자가 수신하는 신호는 해당 지문 센싱 소자에 손가락의 융선이 닿았는지 또는 골이 닿았는지 여부에 따라 달라지는데, 센서 어레이(10)에 포함되는 모든 지문 센싱 소자로 수신되는 신호들을 종합하면 지문 이미지가 획득될 수 있다.
그러나, 이러한 방식의 지문 인식 장치는 구동 신호 인가를 위한 외부 전극(20)이 필수적으로 필요하기 때문에 지문 인식 장치의 크기와 제작 비용을 증가시키게 되며, 전자기기(1)의 디자인 관점에서도 외부 전극(20)의 형성은 디자인 상 제약 사항을 가져오게 된다.
한편, 전자기기(1)의 케이스가 금속성일 경우에는 외부 전극(20)으로부터의 구동 신호가 일부 손가락과 케이스 사이에 형성되는 정전용량을 충전시키는 데에 사용되어 버리게 된다.
도 2는 도 1에 도시되는 센서 어레이를 구성하는 지문 센싱 소자의 구성을 나타내는 회로도이다.
센서 어레이(10)를 구성하는 각각의 지문 센싱 소자(11)는 손가락과의 관계에서 센싱 정전용량(Cf)을 형성하는 센싱 전극(P), 반전 입력단(N1)이 센싱 전극(P)과 연결되며 비반전 입력단에는 기준 전압(Vref)이 입력되는 증폭기(A), 증폭기(A)의 반전 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에 형성되는 피드백 정전용량(Cfb), 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 센싱 전극(P) 간의 연결을 온/오프시키는 제1 스위치(S1), 피드백 정전용량(Cfb) 양단의 전위를 리셋시키기 위한 제2 스위치(S2), 증폭기(A)의 출력 전압(Vout) 획득을 온/오프 제어하는 제3 스위치(S3)로 구성된다. 지문 검출 동작 시 외부 전극으로부터는 'VdrvH-VdrvL'의 크기를 갖는 구동 신호(Tx)가 공급된다.
도 3은 도 2에 도시된 지문 센싱 소자의 동작을 설명하는 타이밍도이다.
도 3에서 각 스위치(S1~S3)에 대해 하이로 표현된 것은 온 상태를 의미하며, 로우로 표현된 것은 오프 상태를 의미한다.
먼저, 제1 구간(T1) 동안 제2 스위치(S2)가 온 되고, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 오프된다. 제2 스위치(S2)가 온 상태로 됨에 따라 증폭기(A)의 피드백 정전용량이 리셋된다.
다음으로, 제2 구간(T2)에서는 제2 스위치(S2)가 오프 상태로 전환되고, 제1 스위치(S1)가 온 상태로 전환된다. 이에 따라, 센싱 전극(P)과 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)이 연결되고, 증폭기(A)에는 피드백 정전용량(Cfb)이 형성되어, 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)이 형성된다.
제3 구간(T3)에서는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 오프 상태로 전환되고, 제3 스위치(S3)가 온 상태로 전환되어 제2 구간(T2)에서 형성된 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)이 출력되는데, 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016005429-appb-M000001
증폭기(A)의 입력 전압은 기준 전압(Vref)이기 때문에, 증폭기(A)의 이득은
Figure PCTKR2016005429-appb-I000001
가 된다.
한편, 전자기기의 케이스가 금속성일 경우에는 손가락과 케이스 간에 금속 정전용량(Cm)이 형성되기 때문에, 외부 전극으로부터 공급되는 구동 신호(Tx) 중 일부가 금속 정전용량(Cm)을 충전시키는 데에 사용된다.
따라서, 구동 신호(Tx)가 일정 전위(Vd)만큼 낮아진 상태로 손가락에 인가되는 것과 같은 결과가 초래된다.
이 때, 지문 검출 동작을 수행하게 되면, 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016005429-appb-M000002
증폭기(A)의 입력 전압은 기준 전압(Vref)이기 때문에, 증폭기(A)의 이득은
Figure PCTKR2016005429-appb-I000002
가 된다.
증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 센싱 전극(P)과 손가락 간의 관계에서 형성되는 정전용량(Cf)의 크기에 따라 달라지고, 이 값이 지문 이미지 획득에 활용되는데, 전자기기가 금속성으로 이루어져 금속 정전용량(Cm)이 형성됨에 따라, 외부 전극으로부터 인가되는 구동 전압이 일정 전위(Vd) 감소하는 영향을 받게 되므로, 지문 센싱 소자(11)의 출력 전압(Vout) 또한 저하될 수밖에 없다.
따라서, 전자기기의 재질에 따라 성능 저하가 발생하지 않으면서도 그 설계가 간소화되고, 디자인 상 제약 사항이 없는 지문 검출 장치에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 구동 신호 인가를 위한 외부 전극 없이도 지문 센싱이 가능한 지문 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 지문 검출 장치가 적용되는 전자기기가 금속성 재질로 이루어지더라도 입력 신호 분산에 따른 출력 신호의 저하가 발생하지 않도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 지문 검출 장치에 기생 정전용량 성분이 존재하더라도 출력 신호에 있어서 항상 일정한 이득을 유지하도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 외부 전극을 통한 구동 신호 인가 방식을 사용하지 않음으로써, 구동 신호 생성을 위한 차지 펌프를 생략할 수 있도록 하여, 간소화된 설계를 가능하게 하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센싱 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극; 제1 입력단이 상기 센싱 전극과 연결되고, 제2 입력단에는 지문 검출 동작이 수행되는 동안 하이 레벨에서 로우 레벨로, 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 전위가 변화되는 바이어스 신호가 입력되는 증폭기; 및 상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 선택적으로 연결되는 복수개의 서브 피드백 정전용량으로 구성되는 이득 컨트롤러를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 이득 컨트롤러 양단 사이에 연결되는 제1 스위치; 및 상기 증폭기의 출력단에 연결되며, 상기 제1 스위치가 오프 상태로 유지되는 구간에 온 상태로 전환되는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 바이어스 신호는 하이 레벨과 로우 레벨을 가지며, 상기 제1 스위치가 오프 상태로 전환되는 시점 또는 전환된 이후 시점에는 하이 레벨에서 로우 레벨로, 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 전환될 수 있다.
상기 이득 컨트롤러는, 일단이 상기 증폭기의 제1 입력단과 연결되는 복수개의 서브 피드백 정전용량의 타단을 상기 증폭기의 출력단과 선택적으로 연결시키는 복수개의 제3 스위치를 포함할 수 있다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 증폭기의 제1 입력단으로의 바이어스 신호 공급을 온/오프 시키는 제4 스위치; 및 상기 증폭기의 제2 입력단으로의 바이어스 신호 공급을 온/오프 시키며, 상기 제5 스위치와는 교번하여 동작하는 제5 스위치를 더 포함할 수 있다.
지문 검출 동작 대상으로 선택된 지문 센싱 소자의 제5 스위치가 온 상태로 유지되는 동안, 인접하는 적어도 하나의 지문 센싱 소자에서는 상기 제4 스위치가 온 상태로 유지된다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 다른 지문 센싱 소자의 센싱 전극을 감싸도록 형성되는 가드링을 더 포함하며, 상기 제4 스위치가 온 상태로 유지되는 동안 상기 다른 지문 센싱 소자의 가드링에도 상기 바이어스 신호가 공급될 수 있다.
지문 검출 동작 대상으로 선택되지 않은 적어도 하나의 지문 센싱 소자의 센싱 전극에는 그라운드 전위가 인가되거나 플로팅될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센싱 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극이 배치되는 최상위 도전층; 제1 입력단이 상기 센싱 전극과 연결되고, 제2 입력단에는 지문 검출 동작이 수행되는 동안 하이 레벨에서 로우 레벨로, 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 전위가 변화되는 바이어스 신호가 입력되는 증폭기; 및 상기 최상위 도전층 하부에 배치되는 복수개의 도전층 사이에 형성되며, 상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 선택적으로 연결되는 복수개의 서브 피드백 정전용량을 포함하는 이득 컨트롤러를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.
상기 이득 컨트롤러는, 상기 증폭기의 출력단과 연결되는 최하단 전극이 배치된 제1 도전층; 상기 제1 도전층 상부의 제2 도전층에 배치되는 복수개의 서브 전극들 각각과 상기 최하단 전극을 선택적으로 연결시키는 복수개의 스위치; 및 상기 제2 도전층 상부의 제3 도전층에 배치되는 피드백 정전용량 전극과 상기 각 복수개의 서브 전극 사이에 연결되는 복수개의 피드백 정전용량을 포함할 수 있다.
상기 복수개의 서브 전극 또는 최하단 전극 중 적어도 하나는 MIM(Metal Insulator Metal) 공법으로 형성될 수 있다.
상기 지문 검출 장치는, 상기 최상위 도전층 하부에 배치되며, 그라운드 전위와 연결되는 실드 전극을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 복수개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치의 구동 방법으로서, 특정 지문 센싱 소자를 지문 검출 동작 대상으로 선택하는 단계; 제1 입력단이 상기 특정 지문 센싱 소자의 센싱 전극과 연결되는 증폭기의 이득을 가변시키는 이득 컨트롤러의 이득을 결정하는 단계; 상기 증폭기의 입력단과 출력단 사이에 연결된 상기 이득 컨트롤러를 리셋하는 단계; 상기 리셋이 완료되면, 상기 증폭기의 제2 입력단에 공급되는 바이어스 신호를 하이 레벨에서 로우 레벨로 전환하는 단계; 및 상기 바이어스 신호가 로우 레벨로 유지되는 동안 상기 증폭기의 출력 신호가 출력되도록 외부 장치와 연결하는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법이 제공된다.
상기 지문 검출 장치의 구동 방법은, 상기 선택 단계 이후에, 상기 특정 지문 센싱 소자를 제외한 적어도 하나의 다른 지문 센싱 소자의 센싱 전극에 상기 바이어스 전위를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 바이어스 전위 공급 단계는, 상기 다른 지문 센싱 소자의 센싱 전극을 센싱 전극을 감싸도록 형성되는 가드링에 상기 바이어스 신호를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이득 결정 단계는, 일단이 상기 증폭기의 제1 입력단과 연결된 복수개의 피드백 정전용량을 상기 증폭기의 출력단에 선택적으로 연결시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이득 결정 단계는, 상기 바이어스 신호의 하이 레벨과 로우 레벨의 차이값을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 각 지문 센싱 소자의 내부에서 구동 신호에 해당하는 바이어스 신호가 공급되기 때문에, 구동 신호 인가를 위한 외부 전극이 제거될 수 있고, 이에 따라 디자인 상 제약이 없어지게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 외부 전극을 통한 구동 신호 인가 방식을 사용하지 않기 때문에, 지문 검출 장치가 적용되는 전자기기가 금속성 재질로 이루어지더라도 신호 분산에 따른 출력 신호의 저하가 발생하지 않게 되며, 기생 정전용량 성분이 존재하더라도 출력 신호에 있어서 항상 일정한 이득이 유지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 외부 구동 신호 공급을 위한 차지 펌프가 생략될 수 있기 때문에, 칩 면적이 감소되어, 간소화된 설계가 가능해진다.
도 1은 일반적인 지문 인식 장치를 구비하는 전자기기를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 지문 인식 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 지문 인식 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센싱 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센싱 소자의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센싱 소자의 출력 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문 센싱 소자의 구성을 나타내는 회로도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 지문 검출 장치는 복수의 행과 열을 이루는 복수 개의 지문 센싱 소자(110)로 이루어지는 센서 어레이(100)를 포함한다. 각각의 지문 센싱 소자(110)는 수평 스캔부(120)와 수직 스캔부(130)에 의해 인에이블되어 지문 검출과 관련된 신호를 출력한다. 지문 센싱 소자(110)로부터의 신호는 버퍼(140)를 통해 출력된다. 버퍼(140)는 일 열의 지문 센싱 소자(110)마다 하나씩 배치된다. 즉, 하나의 열에 배치된 지문 센싱 소자(110)로부터의 신호가 하나의 버퍼(140)를 통해 출력된다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치는 구동 신호 인가를 위한 외부 전극을 포함하지 않으며, 각각의 지문 센싱 소자(110) 내부에서 구동 신호가 인가되는데, 이하, 이에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 도 4의 지문 센싱 소자(110)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 지문 센싱 소자(110)는 하부로부터 순차적으로 배치되는 복수 개의 도전층(M1~M5)으로 이루어지는 구조로 형성된다. 각 도전층(M1~M5) 간의 공간은 절연 물질, 예를 들면, SiO2, SiN, SiNOX, 유리 등의 물질로 채워져 있을 수 있다.
피사체인 손가락(F)과의 관계에서 센싱 정전용량(Cf)을 형성하는 센싱 전극(111)은 최상위 도전층인 제5 도전층(M5)에 형성된다. 센싱 전극(111)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결된다. 센싱 전극(111)과 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 사이에는 동작 스위치(미도시됨)가 형성될 수도 있는데, 현재 지문 검출 동작의 대상이 되는 지문 센싱 소자(110)에 있어서는 상기 동작 스위치가 온 상태로 전환되어 센싱 전극(111)이 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결될 수 있다. 반면, 현재 지문 검출 동작 대상이 아닌 지문 센싱 소자(110)에 있어서는 동작 스위치가 오프 상태로 유지되며, 해당 지문 센싱 소자(110)의 센싱 전극(111)들에는 그라운드 전위가 인가되거나, 플로팅될 수 있다.
센싱 전극(111)과 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)을 연결하기 위한 도선은 제3 도전층(M3) 및 제4 도전층(M4)을 관통하게 되는데, 이를 위해 제3 도전층(M3)과 제4 도전층(M4)에는 비아홀(V1, V2)이 형성될 수 있다.
한편, 제5 도전층(M5)에는 센싱 전극(111) 주변을 감싸는 실드 전극, 즉, 가드링(G1)이 형성되는데, 이는 그라운드 전위 또는 그 외 적절한 전위와 연결되어 인접하는 지문 센싱 소자(110) 간 관계에 따른 기생 정전용량의 형성을 최소화한다.
제5 도전층(M5) 상에는 센싱 전극(111) 보호를 위한 보호층(미도시됨)이 더 형성될 수 있다. 보호층은 ESD와 외부 마모로부터 센싱 전극(111)을 보호한다.
제5 도전층(M5) 하부의 제4 도전층(M4)에는 실드 전극(113)이 형성된다. 실드 전극(113)은 그라운드 전위와 연결된다. 지문 검출 동작 시에는 제3 금속층(M3)에 형성된 제1 피드백 정전용량 전극(115) 및 제5 금속층(M5)에 형성된 센싱 전극(111)의 전위가 변동하게 되므로, 센싱 전극(111)과 실드 전극(113) 사이, 실드 전극(113)과 제1 피드백 정전용량 전극(115) 사이에 기생 정전용량(Cp1, Cp2)이 형성되게 된다.
먼저, 센싱 전극(111)과 실드 전극(113) 간의 관계에 의해 형성되는 제1 기생 정전용량(Cp1)은 손가락(F) 접근 여부 또는 이와 다른 외부 노이즈에 의해 영향을 많이 받게 되는데, 실드 전극(113)이 그라운드 전위와 연결되므로, 제1 기생 정전용량(Cp1)에 저장되는 전하는 그라운드 전위로 빠져나가게 된다. 즉, 실드 전극(113)에 의해 지문 검출 동작 시 제1 기생 정전용량(Cp1)의 영향이 최소화될 수 있다.
한편, 제2 기생 정전용량(Cp2)에 대해 살펴보면 다음과 같다. 실드 전극(113)은 그라운드 전위와 연결되고, 제1 피드백 정전용량 전극(115)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결되어, 증폭기(A)의 제2 입력단(N2)의 전위와 동일한 전위를 갖게 된다. 증폭기(A)의 제2 입력단(N2)에는 바이어스 신호 생성부(114)로부터 출력되는 바이어스 신호(Vbs)가 인가되기 때문에, 제1 피드백 정전용량 전극(115)과 실드 전극(113) 간의 전위차(전압)는 바이어스 신호(Vbs)의 전위와 동일해진다. 또한, 실드 전극(113)과 제1 피드백 정전용량 전극(115) 각각의 넓이, 양 전극 간의 거리, 두 전극 사이에 존재하는 절연층(미도시됨)의 유전율 등은 설계상 알 수 있는 값이기 때문에 제2 기생 정전용량(Cp2)은 계산이 가능한 값이 된다. 이렇게 계산이 가능한 기생 정전용량(Cp2)은 별도의 기생 정전용량 제거 회로를 통해 용이하게 제거할 수 있으며, 또는 그 계산을 통해 지문 검출 시에 감안하여야 하는 값으로 활용할 수도 있다. 그리고, 그 계산을 통해 이를 감안하여 후에 설명할 이득 컨트롤러(112)의 정전용량 크기를 조절할 수도 있다.
요약해 보면, 제1 기생 정전용량(Cp1)에 의한 노이즈는 실드 전극(113)에 의해 자연스럽게 제거되고, 제2 기생 정전용량(Cp2)에 의한 노이즈는 계산 가능한 값이기 때문에 용이하게 제거 또는 감안할 수 있게 된다. 즉, 실드 전극(113)을 통해 노이즈에 대한 영향을 최소화할 수 있는 효과를 얻게 되고, 지문 검출에 있어서의 정확도가 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치는 그라운드 전위와 연결된 제4 도전층(M4)을 통해 정전기 또는 사람의 신체를 비롯한 외부 요인에 의한 노이즈 등을 제거할 수 있으므로, 별도의 베젤의 구성 없이도 정확성이 향상된 지문 검출이 가능하다.
하부로부터 순서대로 배치되는 제1 내지 제3 도전층(M1~M3)은 증폭기(A)의 피드백 정전용량의 크기를 결정하는 이득 컨트롤러(112)로 기능한다.
구체적으로, 제3 도전층(M3) 및 그 하부에 배치되는 제2 도전층(M2)에는 제1 피드백 정전용량 전극(115) 및 제2 피드백 정전용량 전극(117)이 배치된다. 제1 피드백 정전용량 전극(115)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 연결되고, 제2 피드백 정전용량 전극(117)은 증폭기(A)의 출력단(N3)과 연결된다. 제1 피드백 정전용량 전극(115)과 제2 피드백 정전용량 전극(117) 사이에는 다수개의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)이 형성된다. 제2 피드백 정전용량 전극(117)은 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들로 구성되는데, 각각의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 일단이 하나씩의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)에 연결된다. 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 각각의 크기는 동일할 수도 있으나, 서로 다른 값을 가질 수도 있다. 예를 들어, 제1 서브 피드백 정전용량(Cfb_1)의 크기가 X라면, 제2 내지 제4 서브 피드백 정전용량(Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 크기는 각각 X2, X3, X4일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 피드백 정전용량 전극(117)을 구성하는 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)은 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 개수에 따라 형성된다. 도면에서는 4개의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)이 형성되는 경우가 예시되었으나, 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)의 개수는 이와 달라질 수도 있으며, 이에 따라 제2 피드백 정전용량 전극(117)의 구성하는 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4) 개수도 달라진다. 각각의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)은 증폭기(A)의 출력단(N3)과 선택적으로 연결된다. 즉, 복수 개의 제3 스위치(S3_1, S3_2, S3_3, S3_4)에 의해 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들과 증폭기(A)의 출력단(N3)이 선택적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 중 일부만이 선택되게 되고, 선택된 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)들의 합성 정전용량이 증폭기(A)의 피드백 정전용량으로 기능하게 된다. 예를 들어, 제1 서브 피드백 정전용량(Cfb_1)과 제2 서브 피드백 정전용량(Cfb_2)이 선택되는 경우를 가정하면, 이 2개의 서브 피드백 정전용량의 병렬 합성 정전용량이 증폭기(A)의 피드백 정전용량으로서 기능하게 된다.
증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 이득 컨트롤러(112)에 의해 결정되는 피드백 정전용량의 크기에 반비례하게 되는데, 피드백 정전용량의 크기가 제3 스위치(S3_1, S3_2, S3_3, S3_4)에 의해 가변됨에 따라 증폭기(A)의 출력 전압 범위도 달라질 수 있게 된다.
예를 들어, 지문 검출의 감도를 높일 필요가 있을 때(증폭기 출력 전압의 범위를 넓힐 필요가 있을 때)에는 피드백 정전용량의 크기를 감소시키기 위해 제3 스위치(S3_1, S3_2, S3_3, S3_4)를 이용하여 현재 연결되어 있는 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 중 일부의 연결을 차단하고, 반대로 지문 검출의 감도를 낮출 필요가 있을 때(증폭기 출력 전압의 범위를 좁힐 필요가 있을 때)에는 피드백 정전용량의 크기를 증가시키기 위해 제3 스위치(S3_1, S3_2, S3_3, S3_4)를 이용하여 현재 차단되어 있는 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 중 일부를 더 연결시킨다. 즉, 이득 컨트롤러(112)에 의해 증폭기(A)의 피드백 정전용량이 가변되기 때문에, 지문 검출의 감도를 최적으로 만들 수 있게 된다. 예를 들어, 지문 검출 장치가 탑재되는 전자기기의 전원 전압, 코팅층의 두께, 각종 노이즈 등의 요인에 따라 증폭기(A)의 피드백 정전용량의 크기를 적절하게 조절하여 지문 검출의 감도를 최적화시킬 수 있다.
한편, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N3) 사이에는 제1 스위치(S1)가 연결된다. 제1 스위치(S1)는 증폭기(A)의 피드백 정전용량을 리셋시키기 위한 스위치로서 지문 검출의 준비 단계에서 온되며, 지문 검출 과정에서는 오프된다.
제3 도전층(M3)은 제1 피드백 정전용량 전극(115)을 둘러싸는 가드링(G2)을 포함하며, 이러한 가드링(G2)은 그라운드 전위 또는 이 외의 적절한 전위와 연결되어 인접한 센싱 픽셀로부터의 간섭을 차단한다.
도면에는 도시하지 않았으나, 제2 피드백 정전용량 전극(117)의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들 사이 및 전체 제2 피드백 정전용량 전극(117)에 인접한 영역에도 동일한 용도의 가드링이 더 형성될 수 있다.
한편, 제2 도전층(M2)에 형성되는 제2 피드백 정전용량 전극(117)은 MIM(Metal Insulator Metal) 공법으로 제조될 수 있다. 제2 피드백 정전용량 전극(117)이 MIM 공법으로 제조되는 경우에는 그 자체로서 정전용량을 가지는 바, 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4) 중 적어도 일부가 생략될 수 있다.
최하부 도전층인 제1 도전층(M1)은 제2 피드백 정전용량 전극(117)이 배치된 제2 도전층(M2) 하부에 형성되는데, 이러한 제1 도전층(M1)에는 제3 스위치(S3_1, S3_2, S3_3, S3_4)에 의해 제2 피드백 정전용량 전극(117)의 서브 전극(117_1, 117_2, 117_3, 117_4)들 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되는 최하단 전극(119)이 배치된다. 또한, 제1 도전층(M1)에는 증폭기(A)의 동작 전원 또는 그 밖의 신호들을 라우팅하기 위한 전극, 및 그라운드 전위와 연결되는 전극 등이 더 배치될 수도 있다. 최하단 전극(119) 또한 제2 피드백 정전용량 전극(117)과 마찬가지로 MIM 공법으로 제조될 수 있다.
증폭기(A)의 제2 입력단(N2)에는 바이어스 신호(Vbs)가 입력된다. 바이어스 신호(Vbs)는 바이어스 신호 생성부(114)에 의해 생성되는 신호로서, 그 신호의 레벨은 바이어스 신호 생성부(114)에 의해 조절 가능하다. 일 실시예에 따르면, 바이어스 신호(Vbs)는 전위 변화를 갖는 구형파 신호일 수 있다. 구체적으로, 바이어스 신호(Vbs)는 2가지 전위 레벨, 즉, 하이 레벨(VbsH)과 로우 레벨(VbsL)을 갖는 신호일 수 있다.
또한, 센싱 전극(111)과 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)이 연결되어 있는 지문 검출 동작 대상인 지문 센싱 소자(110)에 있어서는 회로적 특성 또는 인접 지문 센싱 소자(110)와의 관계 등에 따른 기생 정전용량(Cp3)이 형성될 수 있는데, 이러한 기생 정전용량(Cp3)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)에 연결된 것으로 등가화될 수 있다. 지문 검출 동작 대상이 되는 지문 센싱 소자(110)의 기생 정전용량(Cp3)은 약 수십 내지 백 fF 내외의 값을 가질 수 있다.
도 6은 도 5의 지문 센싱 소자의 등가 회로도를 나타내며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 지문 센싱 소자의 지문 검출 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 또한, 도 8은 지문 센싱 소자의 출력 전압 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6에서, 금속 정전용량(Cm)은 지문 검출 장치가 탑재되는 전자기기가 금속성 재료로 이루어지는 경우, 손가락과의 관계에서 형성되는 정전용량을 의미한다. 한편, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N3) 사이에 형성되는 이득 컨트롤러(112)는 가변 정전용량으로서 증폭기(A)의 피드백 정전용량으로서 기능한다. 구체적으로, 이득 컨트롤러(112)가 가지는 정전용량은 도 5를 참조하여 설명한 제3 스위치(S3_1, S3_2, S3_3, S3_4)에 의해 선택되는 일 이상의 서브 피드백 정전용량(Cfb_1, Cfb_2, Cfb_3, Cfb_4)들의 합성 정전용량이 된다. 이하에서는, 이득 컨트롤러(112)에 의해 형성되는 증폭기(A)의 피드백 정전용량을 'Cfb'로 표기한다.
한편, 바이어스 신호(Vbs)는 바이어스 신호 생성부(114)에 의해 공급되는 신호로서, 하이 레벨(VbsH)로 유지되다가 일정 주기로 센싱 시점에 로우 레벨(VbsL)로 떨어지는 특성을 갖는 신호, 또는 로우 레벨(VbsL)로 유지되다가 일정 주기로 센싱 시점에 하이 레벨(VbsL)로 상승하는 특성을 갖는 신호이다. 이러한 바이어스 신호(Vbs)는 클록 신호에 의해 제어되는 신호일 수도 있으며, AC 전압 또는 DC 전압 등 다양하게 구현될 수 있다. 이하에서는, 바이어스 신호(Vbs)가 하이 레벨(VbsH)로 유지되다가 일정 주기로 센싱 시점에 로우 레벨(VbsL)로 떨어지는 특성을 갖는 신호인 것으로 예를 들어 설명한다. 그러나, 그 반대의 경우에도 이하의 설명이 동일하게 적용된다.
이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 일 실시예에 따른 지문 센싱 소자(110)의 지문 검출 동작을 설명한다.
도 7에서 제1 및 제2 스위치(S1, S2)에 대하여 하이 레벨로 표현된 것은 온 상태를 의미하며, 로우 레벨로 표현된 것은 오프 상태를 의미한다.
먼저, 휴지 구간인 제1 구간(T1)에서는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)가 모두 오프 상태로 유지된다.
이 때, 하이 레벨(VbsH)로 유지되는 바이어스 신호(Vbs)에 의해 센싱 전극(111)과 손가락 간의 관계에 의해 형성되는 센싱 정전용량(Cf)과 기생 정전용량(Cp3)이 충전되는데, 충전되는 전하량은 다음과 같아진다.
Figure PCTKR2016005429-appb-M000003
리셋 구간인 제2 구간(T2)에서는 제1 스위치(S1)가 오프 상태에서 온 상태로 전환된다. 이에 따라, 이득 컨트롤러(112) 양단 전위가 동전위가 되어 리셋된다. 또한, 제2 구간(T2) 동안 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 및 제2 입력단(N2)의 전위와 동일해진다. 즉, 출력 전압(Vout)은 도 8에 도시되는 바와 같이, 증폭기(A)의 제2 입력단(N2)에 입력되는 바이어스 신호(Vbs)의 전위, 즉, 하이 레벨(VbsH)의 값을 유지하게 된다.
동작 구간인 제3 구간(T3)은 제1 스위치(S1)가 오프 상태로 전환됨과 동시에, 또는 제1 스위치(S1)가 오프 상태로 전환된 직후에 개시된다. 제3 구간(T3)에서 바이어스 신호(Vbs)는 로우 레벨(VbsL)로 떨어진다. 바이어스 신호(Vbs)가 로우 레벨(VbsL)로 떨어졌을 때, 센싱 정전용량(Cf)과 기생 정전용량(Cp3)에 저장될 수 있는 전하량(Q2)은 다음과 같아진다.
Figure PCTKR2016005429-appb-M000004
수학식 3과 수학식 4를 참조하면, VbsH>VbsL 이므로, Q1>Q2의 관계가 된다. 즉, 제3 구간(T3)에서 바이어스 신호(Vbs)가 로우 레벨(VbsL)로 떨어짐에 따라, 제2 구간(T2)에서 센싱 정전용량(Cf)에 충전되었던 전하량(Q1) 중 일부가 빠져나가게 되는데, 빠져나간 전하량(Q1-Q2)은 증폭기(A)의 피드백 정전용량(Cfb)으로 이동하게 되며, 이동되는 전하량(Q3)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016005429-appb-M000005
한편, 동작 구간에서의 증폭기(A)의 출력 전압(Vout) 획득을 위해 제2 스위치(S2)는 바이어스 신호(Vbs)가 로우 레벨(VbsL)로 전환된 직후, 또는 로우 레벨(VbsL)로 유지되는 동안의 특 시점에 온 상태로 전환된다. 제2 스위치(S2)가 온 상태로 전환됨에 따라 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 수신되는 신호를 저장, 처리 또는 가공하는 외부 장치로 전송될 수 있다.
출력 구간인 제4 구간(T4) 동안에도 바이어스 신호(Vbs)는 로우 레벨(VbsL)을 유지하는데, 이에 따라, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1) 전위 또한 바이어스 신호(Vbs)의 로우 레벨(VbsL)로 지속된다. 이 구간에서 증폭기(A)의 출력 전압(Vout) 획득을 위한 제2 스위치(S2)는 온 상태로 유지되는데, 이 때, 증폭기(A)의 피드백 정전용량(Cfb)에 저장되는 전하량(Q4)은 제3 구간(T3)에서 이동된 전하량(Q3)을 그대로 유지하므로, 아래와 같은 수학식이 성립한다.
Figure PCTKR2016005429-appb-M000006
여기서, 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 다음과 같이 정리된다.
Figure PCTKR2016005429-appb-M000007
증폭기(A)의 입력 전압이 바이어스 신호(Vbs)의 로우 레벨(VbsL) 전위이므로, 증폭기(A)의 이득은
Figure PCTKR2016005429-appb-I000003
가 된다. 수학식 7을 참조하면, 기생 정전용량(Cp3)의 값과 관계없이 증폭기(A)의 이득은 항상 동일하다는 것을 알 수 있다. 즉, 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)에 연결된 것으로 등가화될 수 있는 기생 정전용량(Cp3)의 존재 하에서도 그 이득은 언제나 동일해진다.
도 8을 참조하면, 증폭기(A)의 출력단(N3)에 결되어 있는 제2 스위치(S2)가 온 상태로 전환된 이후 정상 상태에 도달한 경우, 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 수학식 7로 표현되는 값이 된다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 센싱 전극(111)에 손가락의 골이 닿는지 융선이 닿는지 여부에 따라, 제2 스위치(S2)가 온 상태로 전환된 이후 정상 상태에 도달하였을 때 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)이 상이하다는 것을 알 수 있다.
손가락의 골이 닿으면 센싱 전극(111)과 손가락의 피부 간의 거리가 융선이 닿았을 때보다 상대적으로 멀어지게 되고, 이에 따라 센싱 정전용량(Cf)이 작아지게 된다. 따라서, 수학식 7에서 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 융선이 닿았을 때보다 상대적으로 커지게 된다. 이러한 원리로 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)을 통해 각 센싱 전극(111)에 손가락 지문 중 어느 부분이 닿았는지를 파악할 수 있고, 전체 지문 센싱 소자(110)들로부터의 출력 전압(Vout)을 종합하여 지문 이미지를 획득할 수 있다.
한편, 수학식 7을 참조하면, 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 바이어스 신호(Vbs)의 하이 레벨(VbsH)과 로우 레벨(VbsL)의 차이값에 비례한다. 따라서, 바이어스 신호(Vbs)의 하이 레벨(VbsH)과 로우 레벨(VbsL)을 적절히 조절함으로써, 증폭기(A)의 이득을 제어할 수 있다. 즉, 증폭기(A)의 이득은 이득 컨트롤러(112)에 포함되는 제3 스위치(S3_1, S3_2, S3_3, S3_4; 도 5 참조)를 통해 제어할 수도 있지만, 바이어스 신호(Vbs)의 조절을 통해서도 제어가 가능하다. 이처럼, 다양한 방법으로 지문 센싱 소자(110)의 출력 전압(Vout)에 가해지는 이득을 제어할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 지문 검출 장치는 휴대 기기뿐만 아니라 다양한 기기에 적용 가능하다.
또한, 지문 검출 장치가 탑재되는 전자기기가 금속성 재질로 이루어지는 경우, 지문 검출 동작 시 필요한 구동 신호를 지문 센싱 소자(110)와 별도로 구비되는 외부 전극을 통해 공급하게 되면, 해당 구동 신호 중 일부가 금속성 재질로 인해 형성되는 금속 정전용량(Cm)을 충전하는 데에 사용되어, 결과적으로는 구동 신호의 최대 전위가 일부 저하되는 것과 같은 현상이 발생하고, 이에 따라, 지문 센싱 소자(110)의 출력 전압(Vout) 또한 저하될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 구동 신호에 해당하는 바이어스 신호(Vbs)가 지문 센싱 소자(110)의 내부에 구비되는 증폭기(A)를 통해 공급되므로, 전자기기가 금속성 재질로 이루어지더라도 바이어스 신호(Vbs)가 금속 정전용량(Cm) 또는 외부 환경에 따라 발생하는 그 밖의 기생 정전용량으로 분산되지 않게 된다. 따라서, 어떠한 환경 하에서도 지문 센싱 소자(110)의 출력 전압(Vout) 저하 현상이 방지될 수 있다. 또한, 구동 신호 공급을 위한 외부 전극을 별도로 두지 않아도 되므로, 전자기기의 디자인 상 이점을 갖게 되며, 외부 전극을 통한 구동 신호 공급 시에 필요한 차지 펌프 회로 등이 불필요하게 되어, 전체 칩 면적을 감소시킬 수 있고, 부품 비용도 절감된다.
한편, 바이어스 신호(Vbs)는 다음 센싱 구간, 즉, 도 7에서의 제1 구간(T1)이 다시 반복될 때, 또는 그 이전에 다시 하이 레벨(VbsH)로 변경된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문 검출 장치의 지문 센서 어레이를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 지문 검출 장치에 있어서는 지문 센싱 소자(110a, 110b)의 증폭기(Aa, Ab)의 제1 입력단(N1a, N1b) 및 제2 입력단(N2a, N2b)에 각각 제4 스위치(S4a, S4b) 및 제5 스위치(S5a, S5b)가 연결된다.
구체적으로, 제4 스위치(S4a, S4b)의 일단은 증폭기(Aa, Ab)의 제1 입력단(N1a, N1b)에 연결되며, 타단에는 바이어스 신호(Vbs)가 공급된다. 즉, 제4 스위치(S4a, S4b)는 증폭기(Aa, Ab)의 제1 입력단(N1a, N1b)으로의 바이어스 신호(Vbs) 공급을 온/오프 시키는 기능을 한다.
한편, 제5 스위치(S5a, S5b)의 일단은 증폭기(Aa, Ab)의 제2 입력단(N2a, N2b)에 연결되며, 타단에는 바이어스 신호(Vbs)가 공급된다. 즉, 제5 스위치(S5a, S5b)는 증폭기(Aa, Ab)의 제2 입력단(N2a, N2b)으로의 바이어스 신호(Vbs) 공급을 온/오프 시키는 기능을 한다.
이러한 제4 스위치(S4a, S4b)와 제5 스위치(S5a, S5b)는 서로 교번하여 온/오프 된다.
만약, 현재 제1 지문 센싱 소자(110a)에 대해 지문 검출 동작을 실시하고자 한다면, 제1 지문 센싱 소자(110a)에 포함되는 증폭기(Aa)의 제2 입력단(N2a)에 바이어스 신호(Vbs)가 공급되어야 하므로, 제1 지문 센싱 소자(110a)의 제5 스위치(S5a)가 온 상태로 전환된다.
반면, 현재 지문 검출 동작의 대상이 되지 않으며 제1 지문 센싱 소자(110a)와 인접한 적어도 하나의 제2 지문 센싱 소자(110b)에 있어서는, 증폭기(Ab)의 제2 입력단(N2b)에 바이어스 신호(Vbs)가 공급될 필요가 없으므로, 제5 스위치(S5b)가 오프 상태로 유지된다. 제5 스위치(S5b)가 오프 상태로 유지되는 동안 제4 스위치(S4b)가 온 상태로 전환되어 증폭기(Ab)의 제1 입력단(N1b)에 바이어스 신호(Vbs)가 공급된다. 이에 의해, 증폭기(Ab)의 제1 입력단(N1b)에 연결된 제2 지문 센싱 소자(110b)의 센싱 전극(111b)의 전위는 제4 스위치(S4b)가 온 상태로 유지되는 동안 언제나 바이어스 신호(Vbs)의 전위와 동일해진다.
한편, 지문 검출 동작 대상이 되는 제1 지문 센싱 소자(110a)에 있어서도 증폭기(Aa)의 제2 입력단(N2a)에 바이어스 신호(Vbs)가 공급되므로, 증폭기(Aa)의 제1 입력단(N1a)에 연결된 센싱 전극(111a) 전위 또한 바이어스 신호(Vbs) 전위와 동일해진다.
제1 지문 센싱 소자(110a)와 제2 지문 센싱 소자(110b)에 공급되는 바이어스 신호(Vbs)는 동기화되어 있기 때문에, 결과적으로 제1 지문 센싱 소자(110a)의 센싱 전극(111a)과 제2 지문 센싱 소자(110b)의 센싱 전극(111b)의 전위는 동일하게 유지된다. 즉, 제1 지문 센싱 소자(110a)에 대해 지문 검출 동작이 실시될 때, 제1 지문 센싱 소자(110a)의 센싱 전극(111a) 전위는 인접한 다른 센싱 전극(111b)의 전위와 동일하게 유지된다.
도 9에서는 제1 지문 센싱 소자(110a)의 센싱 전극(111a) 및 제2 지문 센싱 소자(110b)의 센싱 전극(111b)이 인접하는 경우를 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이 제1 지문 센싱 소자(110a)와 제2 지문 센싱 소자(110b)에 공급되는 바이어스 신호(Vbs)가 동기화되어 있기 때문에, 상기 센싱 전극들(111a, 111b)은 이격되어 배치되더라도 동전위를 유지하여 정확한 센싱이 가능하다.
두 개의 도체가 소정의 유전율을 갖는 물질을 사이에 두고 인접하여 배치되는 경우, 두 도체 간의 전위차를 0에 가깝게 수렴시키면, 양 도체 간의 전위차에 의해 유도되는 전하량 또한 0에 가깝게 수렴되므로, 양 도체 간의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량은 제거되게 된다.
따라서, 도 9에 도시되는 실시예에 따라, 제1 지문 센싱 소자(110a)에 대한 지문 검출 동작 시 제1 지문 센싱 소자(110a)의 센싱 전극(111a)의 전위와 인접한 센싱 전극(111b)의 전위를 동전위로 유지해준다면, 인접한 센싱 전극들(111a, 111b) 간의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량이 제거되는 효과를 얻게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 구동 방법은 센싱 전극(111a, 111b)들을 동전위로 유지함으로써, 센싱 전극들(111a, 111b) 간의 기생 정전용량을 제거하기 때문에 각 센싱 전극(111a, 111b)을 감싸는 가드링(G1, 도 5 참조) 없이도, 노이즈 제거가 가능하다.
한편, 다른 실시예에 따르면, 전술한 바와 같이 각 지문 센싱 소자(110a, 110b)의 센싱 전극(111a, 111b) 주변에 해당 센싱 전극(111a, 111b)을 감싸도록 가드링(G1, 도 5 참조)이 형성될 수도 있는데, 이 경우에는 지문 검출 동작 대상으로 선택되지 않은 제2 지문 센싱 소자(110b)의 센싱 전극(111b)을 감싸는 가드링(G1)에도 바이어스 신호(Vbs)가 공급될 수 있다. 지문 검출 동작 대상이 되는 제1 지문 센싱 소자(110a)의 센싱 전극(111a) 주변에 형성되는 가드링(G1)은 그라운드 전위와 연결되어, 외부 노이즈를 차단하는 역할을 할 수 있다.
실시예에 따르면, 지문 검출 동작 대상이 되는 제1 지문 센싱 소자(110a)는 복수개가 될 수도 있다. 즉, 동시에 복수개의 제1 지문 센싱 소자(110a)에서 지문 검출 동작이 이루어질 수 있는데, 이 경우에는 동시에 선택되는 복수개의 제1 지문 센싱 소자(110a) 각각의 제5 스위치(S5a)가 온 상태로 유지되며, 그 동안 지문 검출 동작 대상으로 선택되지 않은 제2 지문 센싱 소자(110b)에 있어서는 제4 스위치(S4b)가 온 상태로 유지될 수 있다. 한편, 지문 검출 동작의 대상으로 선택되는 복수개의 제1 지문 센싱 소자(110a)가 상호 인접하여 배치된다면, 지문 검출 동작 시 발생하는 신호의 흐름 등에 따라 상호 간섭이 일어나거나, 지문 센싱 소자(110a) 간에 기생 정전용량이 형성되어 지문 검출의 정확성이 떨어질 수 있는데, 이를 방지 하기 위해, 복수개의 제1 지문 센싱 소자(110a)를 지문 검출 동작의 대상으로 동시에 선택하는 경우에는, 제1 지문 센싱 소자(110a)들이 상호 이격되도록 선택하는 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서,
    각각의 지문 센싱 소자는,
    피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극;
    제1 입력단이 상기 센싱 전극과 연결되고, 제2 입력단에는 지문 검출 동작이 수행되는 동안 하이 레벨에서 로우 레벨로, 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 전위가 변화되는 바이어스 신호가 입력되는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 선택적으로 연결되는 복수개의 서브 피드백 정전용량으로 구성되는 이득 컨트롤러를 포함하는, 지문 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이득 컨트롤러 양단 사이에 연결되는 제1 스위치; 및
    상기 증폭기의 출력단에 연결되며, 상기 제1 스위치가 오프 상태로 유지되는 구간에 온 상태로 전환되는 제2 스위치를 더 포함하는, 지문 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이어스 신호는 하이 레벨과 로우 레벨을 가지며,
    상기 제1 스위치가 오프 상태로 전환되는 시점 또는 전환된 이후 시점에 하이 레벨에서 로우 레벨로, 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 전환되는, 지문 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이득 컨트롤러는,
    일단이 상기 증폭기의 제1 입력단과 연결되는 복수개의 서브 피드백 정전용량의 타단을 상기 증폭기의 출력단과 선택적으로 연결시키는 복수개의 제3 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기의 제1 입력단으로의 바이어스 신호 공급을 온/오프 시키는 제4 스위치; 및
    상기 증폭기의 제2 입력단으로의 바이어스 신호 공급을 온/오프 시키며, 상기 제4 스위치와는 교번하여 동작하는 제5 스위치를 더 포함하는, 지문 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    지문 검출 동작 대상으로 선택된 지문 센싱 소자의 제5 스위치가 온 상태로 유지되는 동안, 인접하는 적어도 하나의 지문 센싱 소자에서는 상기 제4 스위치가 온 상태로 유지되는, 지문 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다른 지문 센싱 소자의 센싱 전극을 감싸도록 형성되는 가드링을 더 포함하며,
    상기 제4 스위치가 온 상태로 유지되는 동안 상기 다른 지문 센싱 소자의 가드링에도 상기 바이어스 신호가 공급되는, 지문 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    지문 검출 동작 대상으로 선택되지 않은 적어도 하나의 지문 센싱 소자의 센싱 전극에는 그라운드 전위가 인가되거나 플로팅되는, 지문 검출 장치.
  9. 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서,
    각각의 지문 센싱 소자는,
    피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극이 배치되는 최상위 도전층;
    제1 입력단이 상기 센싱 전극과 연결되고, 제2 입력단에는 지문 검출 동작이 수행되는 동안 하이 레벨에서 로우 레벨로, 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 전위가 변화되는 바이어스 신호가 입력되는 증폭기; 및
    상기 최상위 도전층 하부에 배치되는 복수개의 도전층 사이에 형성되며, 상기 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 선택적으로 연결되는 복수개의 서브 피드백 정전용량을 포함하는 이득 컨트롤러를 포함하는, 지문 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이득 컨트롤러는,
    상기 증폭기의 출력단과 연결되는 최하단 전극이 배치된 제1 도전층;
    상기 제1 도전층 상부의 제2 도전층에 배치되는 복수개의 서브 전극들 각각과 상기 최하단 전극을 선택적으로 연결시키는 복수개의 스위치; 및
    상기 제2 도전층 상부의 제3 도전층에 배치되는 피드백 정전용량 전극과 상기 각 복수개의 서브 전극 사이에 연결되는 복수개의 피드백 정전용량을 포함하는, 지문 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수개의 서브 전극 또는 최하단 전극 중 적어도 하나는 MIM(Metal Insulator Metal) 공법으로 형성되는, 지문 검출 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 최상위 도전층 하부에 배치되며, 그라운드 전위와 연결되는 실드 전극을 더 포함하는, 지문 검출 장치.
  13. 복수개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치의 구동 방법으로서,
    특정 지문 센싱 소자를 지문 검출 동작 대상으로 선택하는 단계;
    제1 입력단이 상기 특정 지문 센싱 소자의 센싱 전극과 연결되는 증폭기의 이득을 가변시키는 이득 컨트롤러의 이득을 결정하는 단계;
    상기 증폭기의 입력단과 출력단 사이에 연결된 상기 이득 컨트롤러를 리셋하는 단계;
    상기 리셋이 완료되면, 상기 증폭기의 제2 입력단에 공급되는 바이어스 신호를 하이 레벨에서 로우 레벨로 전환하는 단계; 및
    상기 바이어스 신호가 로우 레벨로 유지되는 동안 상기 증폭기의 출력 신호가 출력되도록 외부 장치와 연결하는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 선택 단계 이후에,
    상기 특정 지문 센싱 소자를 제외한 적어도 하나의 다른 지문 센싱 소자의 센싱 전극에 상기 바이어스 전위를 공급하는 단계를 더 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 바이어스 전위 공급 단계는,
    상기 다른 지문 센싱 소자의 센싱 전극을 센싱 전극을 감싸도록 형성되는 가드링에 상기 바이어스 신호를 공급하는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 이득 결정 단계는,
    일단이 상기 증폭기의 제1 입력단과 연결된 복수개의 피드백 정전용량을 상기 증폭기의 출력단에 선택적으로 연결시키는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 이득 결정 단계는,
    상기 바이어스 신호의 하이 레벨과 로우 레벨의 차이값을 조절하는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
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