EP3210162A1 - Dispositif d'acquisition d'empreintes digitales - Google Patents

Dispositif d'acquisition d'empreintes digitales

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EP3210162A1
EP3210162A1 EP15786904.1A EP15786904A EP3210162A1 EP 3210162 A1 EP3210162 A1 EP 3210162A1 EP 15786904 A EP15786904 A EP 15786904A EP 3210162 A1 EP3210162 A1 EP 3210162A1
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EP
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sensor
finger
matrix
image
active
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Withdrawn
Application number
EP15786904.1A
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German (de)
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Inventor
Yang Ni
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New Imaging Technologies SAS
Original Assignee
New Imaging Technologies SAS
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a fingerprint acquisition device comprising a matrix image sensor, and more particularly to a portable electronic device provided with a fingerprint acquisition device.
  • Many portable electronic devices provide access to digital resources. This is particularly the case of smart mobile phones of the so-called “smartphone” type. Some of the data in these digital resources is confidential, and their access must be secure.
  • the first type of access protection historically used for telephones was to request the identification of a personal identification number (known by the acronym of PIN for "personal identification number”) at four digits.
  • PIN personal identification number
  • this type of protection has proved easy to circumvent, and heavy to implement by the user, in particular because effective protection requires that this number be filled in each session of use of the phone.
  • the fingerprint detection of a user has proved to be one of the simplest and most effective means of protection.
  • portable electronic devices equipped with a fingerprint acquisition device have been proposed. These devices include a fingerprint sensor that must be both inexpensive and as compact as possible, so that it can be incorporated in a mobile device such as a smartphone.
  • the fingerprint sensor must be thin, and have a small footprint.
  • the thin fingerprint sensors embedded in phones mainly use the principle of capacitive fingerprint detection.
  • capacitive sensors suffer from several limitations for this application. Thus, capacitive sensors are sensitive to electrostatic disturbances. In addition, these sensors require a complex and expensive structure, with, for example, an anisotropic single crystal sapphire blade to protect the sensor while allowing the capacitive variation of detection surface to pass.
  • TIR total internal reflection
  • US Pat. No. 7,366,331 presents an example of a thin fingerprint optical sensor. It is proposed to have a transparent film between a detection CMOS chip and the surface of the finger to improve the contrast resulting from the presence or absence of direct contact between the sensor surface and the surface of the finger. Lighting by a light source placed near the detection surface is necessary. In this case, a ring of light-emitting diodes surrounds the detection surface.
  • US patent application 2006/0102974 also has a similar structure. Such optical structures are simple and can have a small footprint, which allows them to be placed on a portable electronic device such as a smartphone. However, the image of fingerprints thus obtained has a very low contrast, which limits the reliability.
  • the contrast between the darkest and the lightest areas of fingerprints is usually less than 20% or even 10%.
  • a strong light intensity gradient appears in particular because the light source illuminating the finger is placed on the periphery of the sensor and the ambient light can also enter in the sensor by the sides of it.
  • the center of the detector surface where is the central area of contact with the finger, which is dark, and other parts of the periphery of the detector surface, very clear due to lighting and ambient light.
  • the exposure of the sensor is chosen according to the light areas in the peripheries, and in this case the central zone is too dark, the exposure of the sensor is chosen according to the central zone, and in this case the high brightness in the periphery areas saturates the sensor.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a finger 2 placed on the surface of a transparent film 105 of a sensor 101, and which matches the curve 102 of the spatial distribution of the light intensity which is recorded by the sensor 101 .
  • the operating range of the sensor is between the two dashed lines. It is observed that the light intensity reaches both ends of the operating range of the sensor. At the edges of the finger 2, the light intensity reaches a ceiling 103 corresponding to the upper limit of the sensitivity of the sensor 101, when the sensor 101 reaches saturation light. The sensor 101 is then no longer able to reproduce the image of the fingerprints, it is dazzled by this too high intensity.
  • the light intensity reaches a floor 104 corresponding to the low limit of the sensitivity of the sensor 101.
  • the sensor 101 is then no longer able to reproduce the image of the fingerprints, it does not distinguish these. Indeed, assuming that the CMOS image detector has a detection threshold 1, a very good conventional CMOS detector can maintain a good operation up to a level 1000 (60dB of dynamics).
  • An example of a typical human finger has a fingerprint contrast of 15%.
  • the edges of the sensor In order to avoid the loss of contrast at the edges of the sensor due to detector saturation, whose dynamic range is limited to 1: 1000, the edges can not have a luminance 33 times greater than the central area of the image corresponding to the center of the finger. However, it often happens that the lighting conditions are such that the difference is higher.
  • the CMOS sensor can in particular be used in a sunny environment.
  • not only the brightness can be very strong, but it can also present very strong variations.
  • the setting of the exposure time in a conventional sensor becomes very difficult, all the more so because, because of the need for a small thickness, an optical system provided with a diaphragm would control the exposure of the sensor.
  • a CMOS sensor generally saturates at a light illumination of less than 10 Lux with a exposure time of 40 ms. When exposed to direct sunlight, the illuminance to which the sensor is exposed can easily reach 100 kLux. In this case, the exposure time should be reduced to 4 is to avoid saturation of the sensor.
  • the luminance can drop to a factor of 1000 in the center of the sensor, but remains that of the ambient lighting on the edges of the finger.
  • the sensors used in the state of the art do not make it possible to respond to such variations in luminance in a sufficiently short time for interactive use by the user.
  • State-of-the-art systems such as that of US Pat. No. 7,366,331, provide a light source for illuminating the finger, in order to reduce the luminance variation, to compensate for the low operating dynamics of linearly rendered CMOS sensors. .
  • the transparent surface film necessary for the coupling required between the finger and the sensor reduces the contrast of the acquired image and thus makes the capture and recognition of fingerprints more difficult.
  • the object of the invention is to remedy at least in part these disadvantages and preferentially to all, by proposing the use of a logarithmic sensor for the acquisition of fingerprints. It is thus proposed a fingerprint acquisition device comprising a matrix image sensor, said sensor being configured to acquire at least one fingerprint image of a finger when said finger is presented to said sensor in its field of view. acquisition, wherein the matrix sensor is an active pixel CMOS sensor comprising a body of semiconductor material on which an array of active pixels is made, the active pixels of said active pixel array each comprising at least one photodiode and being configured to operate in solar cell mode, said photodiodes being configured to present a voltage response in logarithmic relation to the illumination of said pixels.
  • the matrix sensor is an active pixel CMOS sensor comprising a body of semiconductor material on which an array of active pixels is made, the active pixels of said active pixel array each comprising at least one photodiode and being configured to operate in solar cell mode, said photodiodes being configured to present a voltage
  • a logarithmic sensor has the advantage of having a very wide dynamic range of operation. An absence of saturation can be ensured without any control even in case of direct exposure to the sun. This great dynamic of operation provides instant responsiveness for a mobile device.
  • the body of the sensor comprises an upper face at which the matrix of active pixels is formed and a lower face in contact with a substrate provided with connection tracks, in which the upper face of the body of the sensor comprises at least two zones; which have different levels:
  • the lower level zone is covered in the direction of the acquisition field by a protective material;
  • the sensor has no overlay covering the matrix of active pixels, so that when the finger is presented to said sensor, said finger is in contact with the matrix of active pixels;
  • the device comprises an optical fiber plate disposed on the surface of the pixel array and consisting of a bundle of optical fibers oriented in the direction of the acquisition field;
  • the wafer is configured to contact the finger when said finger is presented to the sensor;
  • the device comprises a pressure-sensitive member arranged to emit a signal controlling the acquisition of said image when the finger exerts pressure on the device;
  • the photodiodes of each active pixel of the matrix are connected by an initialization transistor to a common node whose voltage corresponds to the average of the photodiode voltages of the active pixels when the initialization transistors are on;
  • each active pixel comprises at least two analog memories in parallel configured to memorize respectively the values of a first reading of the photodiode and a second reading of the photodiode;
  • each active pixel comprises a digitizing circuit for digitizing the reading value of the photodiode.
  • the invention also relates to a method for acquiring fingerprints by means of a device according to the invention, in which the photodiodes of the active pixels of the image matrix sensor operate in solar cell mode during the acquisition of at least one image of the fingerprints of a finger when said finger is presented to the sensor.
  • FIG. 1 already commented, illustrates a finger placed on the surface of a sensor, and maps the curve of the spatial distribution of the light intensity which is recorded by the sensor;
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a detail of a matrix image sensor according to a possible embodiment of the invention, on which a finger is placed;
  • FIG. 3 illustrates a finger placed on the surface of a sensor according to a possible embodiment of the invention, and maps the curve of the spatial distribution of the light intensity which is recorded by the sensor;
  • FIG. 4 illustrates an example of an active pixel structure for a photodiode in logarithmic mode
  • FIG. 5 illustrates a schematic example of an array of active pixels with a common initialization node
  • FIG. 6a is a timing diagram schematically illustrating the double reading of the active pixels of the matrix of FIG. 5 and FIG. 6b shows the levels of reading obtained following the double reading of FIG. 6a;
  • FIG. 7 schematically illustrates a structure of an active pixel incorporating analog memories
  • FIG. 8 schematically illustrates a structure of an active pixel incorporating a digitizing circuit
  • FIG. 9 is a timing diagram schematically illustrating the operation of the active pixel of FIG. 8;
  • FIGS. 10 to 13 are diagrams illustrating different types of fingerprint acquisition devices according to possible embodiments of the invention.
  • the fingerprint acquisition device comprises an image matrix sensor 1 which is configured to acquire at least one image of the fingerprints of a finger 2 when said finger 2 is presented to said sensor in FIG. its field of acquisition.
  • the matrix sensor 1 comprises a semiconductor material body 3 on which an array of active pixels 4 is made.
  • the sensor 1 is a logarithmic sensor.
  • the pixels of the active pixel array 4 each comprise at least one photodiode 5 and are configured to operate in solar cell mode.
  • the photodiodes 5 are configured to present a voltage response according to a logarithmic law with respect to the illumination of said pixels.
  • the image matrix sensor 1 is a CMOS sensor.
  • Metal interconnections 6 provide the electrical connections between the photodiodes 5. These metal interconnections 6 are represented here in a configuration in which they are in front of the photodiodes 5, that is to say in their field of acquisition, between the finger 2 and said photodiodes 5.
  • back side illumination in which metal interconnects are behind the photodiodes with respect to the field of illumination. acquisition of it, with the photodiodes located between the metal interconnects and the finger.
  • the image matrix sensor 1 is adapted to acquire an image of the surface of a finger placed on its surface.
  • a finger 2 is placed on the surface of the sensor 1, that is to say on the surface of the matrix 4.
  • the skin on the surface of a finger have ridges 21 and papillary ridges 22 forming a dermatoglyph, commonly referred to as a fingerprint, by association with the trace left by said dermatoglyph. While a ridge 21 actually touches the surface of the die 4, air is present between a papillary groove 22 and said surface.
  • the acquired image must therefore restore the contrast of the finger disposed in the acquisition field of the sensor.
  • the resulting contrast depends on the absolute luminance received by the sensor.
  • the contrast is restored independently of the absolute luminance.
  • the great operating dynamics of the logarithmic sensor makes it possible to eliminate the saturations, and the contrast can then be determined as a function of a relative luminance, in the absence of saturation threshold constituting absolute thresholds.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a finger 2 placed on the surface of a sensor 1, and which matches the curve 11 of the spatial distribution of the light intensity which is recorded by the sensor 1.
  • the variations in luminous intensity that is to say the contrast
  • the variations in luminous intensity are maintained despite the great differences in light intensities as a function of the zones of the sensor 1, thanks to the absence of saturation of this one. this.
  • a photodiode In the field of standard CMOS technology, a photodiode is generally formed of a PN junction with N diffusion in a P-type substrate. In operation in solar cell mode, this photodiode generates a negative open-circuit voltage whose absolute value is proportional to the logarithm of the light level of the photodiode.
  • k is the Boltzmann constant
  • q is the elementary charge
  • T is the absolute operating temperature of the photodiode
  • l s represents a reverse current also called saturation current of the junction of the photodiode, observed when a diode is polarized in reverse in total absence of light.
  • the voltage on the photodiode is then proportional to the logarithm of the light intensity. It is said in this case that the photodiode works in a logarithmic zone.
  • the photodiodes 5 are configured to operate in solar cell mode, that is to say to present a voltage response according to a logarithmic law with respect to the illumination of the pixels, for example with a zero or direct polarization.
  • each pixel contains a photodiode and an active amplifier.
  • An example of an active pixel structure is illustrated in FIG. 4.
  • the PN junction forming the photodiode 5 consists of a P-type semiconductor substrate on which an N-type diffusion is carried out.
  • a switch 15 of FIG. The photoelectric element is controlled by a reset command line (reset).
  • a selection switch 16 allows selection of the output of the circuit for its reading.
  • the switch 15 and the switch 16 are constituted by means of N-channel MOS field effect transistors.
  • an active amplifier 14 is produced by two P-channel MOS field effect transistors in series, powered by a supply voltage VCC, the first transistor being connected to a transistor.
  • polarization voltage in English "biasing voltage" for adjusting the additional voltage gain that is to be made to the output voltage Vs. This voltage Vs is connected to the second P-channel MOS field effect transistor of the amplifier, then delivered on the read bus COL.
  • the output voltage Vs of the photodiode 5 is read by the active amplifier 1, which has an infinite input impedance in direct current. Since the photodiodes 5 are configured to operate in solar cell mode, the active amplifier 14 is capable of reading the negative voltage delivered by the photodiode 5.
  • a fingerprint acquisition device it is preferable to obtain an image centered on a mean value common to the photodiodes. This makes it possible in particular to facilitate the binarization of the image, that is to say the classification of the pixels of the image with respect to a threshold, in this case this average value.
  • FIG. 5 illustrates an example of such an embodiment, showing for reasons of simplification only two active pixels schematized by a matrix.
  • the initialization transistors 1 5, controlled by the initialization signal RST, are connected to a floating common node 17 whose voltage is determined by reading the pixels of the matrix. More precisely, this common node 17 corresponds to the pooling of the outputs of each pixel, and its voltage is therefore the average value of the outputs of the pixels.
  • a first reading (read 1) is first performed, makes it possible to recover, on each active pixel, via the bus COL, the measured value of its exposure.
  • the output signals of the different pixels are denoted Sig1, Sig 2, Sig 3 and so on.
  • the values of this first reading correspond to the acquired image.
  • the initialization signal RST maintained, controls the initialization transistors 1 5 in the on state, connecting all the active pixels to the node 17.
  • the voltage of the common node 17 resulting from it corresponds to the average value of the first readings.
  • FIG. 6b shows the result of the differential reading, when the difference between the first reading and the second reading (reading 1 - reading 2) is determined. It can be seen that the different final values of the signals Sig are now centered around a fixed value which corresponds to the average of the signals, and which by the differential reading is zero. It is then easy to assign a symbol, for example "1”, to the signals above zero and another symbol, for example "0", to the signals below zero. A binary image is then easily obtained. Typically, the readings are line by line.
  • the first memory is filled by the first reading before initialization
  • the second memory is filled by the second reading during the activation of the initialization signal RST.
  • FIG. 7 shows an example of possible realization of this configuration.
  • the structure of the pixel is similar to that previously shown, with the exception of the presence of two parallel branches between a first amplifier 14a and a second amplifier 14b.
  • Each branch comprises a capacitance M1, M2 connected to the ground and to the common electrode of two series transistors, one transistor S1, S2 of which is connected to the first amplifier 14a for controlling the writing in memory and the other transistor LS1, LS2 is connected to the second amplifier 14b to control the reading of the memories.
  • the controls of the transistors S1, S2, LS1, LS2 it is possible to perform parallel readings of the pixels with a conventional circuit reading the bus COL.
  • the pixel size for a fingerprint acquisition device is relatively large.
  • the FBI standard imposes a pixel size of 50 ⁇ . This size makes it possible to integrate many more transistors than required for amplification and reading. It is then possible to integrate a scanning circuit in each active pixel of the matrix. The output of the active pixel on the bus COL is then a numerical value determined from the analog value of the reading.
  • An exemplary embodiment is illustrated in FIG. 8.
  • the initialization transistor connects the photodiode to an initialization voltage Vpix, typically between 0 and 0.5 V.
  • the initialization voltage Vpix is preferably slightly positive, for example greater than 0.1 V, such that 0 , 3 V, in order to have a better sensitivity.
  • a capacitor 81 Downstream of the active amplifier 14 to which the photodiode 5 is connected is a capacitor 81 connected to a node X.
  • Another capacitor 82 is connected on the one hand to a voltage RAMP and on the other hand to the node X.
  • the node X is also connected to two transistors in series controlled respectively by the signals RST1 and RST2, and their common electrode constitutes the common node 17.
  • a terminal of a capacity 83 is connected to a comparator CMP in parallel with a transistor controlled by the signal RSTCMP.
  • a binary counter COMP Downstream of the comparator CMP is a binary counter COMP which is provided a clock CLK.
  • the output of the binary counter COMP is connected to the bus COL by the selection transistor 16 controlled by the signal SEL.
  • Figure 9 shows the operation of such a pixel structure.
  • the timing starts at the show.
  • the photodiode 5 is reset by means of the signal RSTPD controlling the on state of the initialization transistor 15.
  • the signals RST1 and RST2 turn on their respective transistors, thus maintaining the node X at the reference voltage REF .
  • the RSTCMP signal also turns on the parallel transistor to the comparator CMP, resetting it.
  • the node X is made floating by the deactivation of signals RST1 and RST2 whose transistors are then made blocking.
  • the RSTCMP signal is deactivated, blocking the parallel transistor to the comparator CMP, making it operational.
  • the signal RSTPD is again activated at t4, turning on the initialization transistor 15.
  • the voltage variation across the photodiode 5 then propagates to the node X, forming the image signal.
  • the signal RST1 is activated, while the signal RST2 remains deactivated.
  • the common node 17 is then connected to the node X.
  • the node X being surrounded by the capacitors 81, 82, 83, only the voltage variations can be propagated therein. As a result, the variation of the voltage on the node X corresponding to the difference between the image signal and the average is found on the input of the comparator CMP.
  • the digitization is done with the activation of the signal RAMP and the binary counter COMP.
  • the RAMP signal is a signal that decreases with time, traversing the possible values of the image signal.
  • the counter COMP is controlled by the output of the comparator CMP.
  • the counter COMP counts the number of clock signals of the clock CLK as long as its input, that is to say the output of the comparator CMP, is not modified.
  • the comparator CMP compares its input with a threshold level, typically zero. The comparator CMP switches to t7 when the level of the signal RAMP matches the difference between the image signal and the average.
  • the application of the RAMP signal will take more or less time to reach the difference between the image signal and the average.
  • the counting stops more or less early.
  • the number of clock signals counted prior to switching the output of the comparator CMP is a digital representation of the difference between the image signal and the average.
  • the reading is done via the selection transistor 16 controlled by the selection signal SEL connecting the counter COMP to the bus COL, except that it is no longer an analog signal but a a digital signal encoding the value of the reading of the pixel.
  • the matrix sensor is mounted on a substrate provided with connection, and the matrix of active pixels is connected to these connection tracks to allow to transmit the images acquired by said sensor.
  • the sensor body has a parallelepipedal shape, with an upper face at which the matrix of active pixels 4 and a lower face in contact with the substrate 9, which are both flat and parallel, are formed.
  • Connecting wires 7 connect the upper surface of the semiconductor body 3 to the connecting tracks of the substrate 9, in order to electrically connect the matrix of active pixels 4 to these tracks.
  • These connection son 7 are embedded in a protective layer 10, typically of polymer resin.
  • FIG. 11 illustrates an improvement in the configuration of FIG. 10, which makes it possible in particular to produce a device of smaller thickness.
  • the upper face of the body 3 of the sensor comprises at least two zones 31, 32 having different levels relative to the substrate 9: a higher level at least for a zone 31 intended to be in contact with the finger 2, and a lower level for a zone 32 intended to receive links 7 to enable the images acquired by said sensor to be transmitted.
  • the lower level zone 32 therefore corresponds to a smaller thickness of the body 3 relative to that of the upper level zone 31.
  • the upper level zone 31 thus has a height relative to the substrate 9 greater than that of the lower level zone 32.
  • Conduction tracks 33 on the surface of the lower level zone 32 connect the connection tracks of the matrix 4 to the links 7, said links 7 connecting said conduction paths 33 to the connection tracks of the substrate 9.
  • the level zone 32 lower is covered in the direction of the acquisition field by a protective material 10, typically of polymer resin, and the links 7 are embedded in said protective layer 10, while the upper level zone 31 is left free by the layer protection 10.
  • Such a structure has a thickness less than that of FIG. 10, since the thicknesses required for the connection wires 7 do not then translate into an excess thickness of the protection layer 10 with respect to the level of the matrix of active pixels 4, which is then the maximum height of the device.
  • Electric conduction tracks 33 are then deposited by selective electro-plating on the surface of the zone 32 of lower level, to extend the connection tracks of the matrix 4 to the lower level zone 32.
  • the links 7 are then conventionally implemented to connect said conduction tracks 33 to the connection tracks of the substrate 9.
  • FIG. 12 illustrates another configuration, in which the semiconductor material body 3 of the sensor is traversed by links 8 for connecting a surface of the body 3 of the sensor to the connecting tracks of the substrate 9.
  • This type of connection 8 is known by the 'acronym TSV, from "through silicon via".
  • the links 8 are perpendicular to the surface of the substrate 9 and to the surface of the body 3 of the sensor 1, other orientations are however possible.
  • This configuration makes it possible to obtain a flat surface, whether for the body 3 of the sensor or for the protective layer 10, which rises on the edges of the body 3, at the same level as this one.
  • the sensor 1 may have no overlay covering the matrix of active pixels 4, so that when the finger 2 is presented to said sensor, said finger 2 is in contact with the matrix of active pixels 4.
  • a protective overlay in the form of a transparent film may however be provided on the surface of the sensor to protect it. Nevertheless, this overlay does not have to present particular characteristics in electrical terms, as is the case for capacitive sensors.
  • FIG. 13 shows another configuration, in which the sensor 1 is mounted on the substrate in a manner similar to that of FIG. 10, but which could equally well be that of FIGS. 11 or 12.
  • An optical fiber plate 12 is disposed on the surface of the sensor 1, so as to conduct the light from the finger receiving zone to the active pixel matrix 4.
  • the optical fiber plate 12 consists of a bundle of optical fibers oriented in the direction of the acquisition field.
  • the optical fibers of the wafer 12 are thus oriented in the direction connecting a detection surface to receive the finger to the matrix of active pixels 4.
  • the wafer 12 is configured to come into contact with the finger 2 when said finger is presented to the sensor .
  • the optical fiber board 12 can be crimped into an embellishment room 1 1 serving to hide from the user the sub-elements. Underlying. This configuration provides excellent protection to the sensor 1, and provides a detection surface for receiving the finger that is flat and smooth.
  • the fingerprint acquisition device may comprise a pressure sensitive member arranged to emit a signal controlling the acquisition of the image when the finger exerts pressure on the device.
  • the pressure sensitive member may for example be an electromechanical switch or a pressure sensor measuring the pressure.
  • FIG. 13 thus shows a pressure-sensitive member 20 under the substrate 9, configured to detect the pressure exerted by a finger 2 on the sensor, and to control the acquisition of an image by the sensor.
  • a fingerprint acquisition device as described herein is preferably incorporated into a portable electronic device such as a smartphone to acquire fingerprints of a user of the electronic device.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant un capteur matriciel d'images (1), ledit capteur étant configuré pour acquérir au moins une image des empreintes digitales d'un doigt (2) lorsque ledit doigt (2) est présenté audit capteur dans son champ d'acquisition, dans lequel le capteur matriciel comprend un corps en matériau semi-conducteur (3) sur lequel est réalisé une matrice de pixels actifs (4), les pixels de ladite matrice de pixels actif comprenant chacun au moins une photodiode (5) et étant configurés pour fonctionner en mode cellule solaire.

Description

DISPOSITIF D'ACQUISITION D'EMPREINTES DIGITALES
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte à un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant un capteur matriciel d'images, et plus particulièrement à un appareil électronique portatif muni d'un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales. De nombreux appareils électroniques portatifs permettent l'accès à des ressources numériques. C'est le cas notamment des téléphones mobiles intelligents de type dit "smartphone". Certaines des données de ces ressources numériques sont confidentielles, et leur accès doit être sécurisé. Le premier type de protection d'accès historiquement utilisé pour les téléphones fut de requérir le renseignement d'un numéro d'identification personnel (plus connu sous l'acronyme anglais de PIN pour "personal identification number") à quatre chiffres. Cependant, ce type de protection s'est avéré facilement contournable, et lourd à mettre en œuvre par l'utilisateur, notamment parce qu'une protection efficace requiert que ce numéro soit renseigné à chaque session d'utilisation du téléphone. Ainsi, d'autres moyens de sécurisation des téléphones ont été explorés afin de permettre des opérations de verrouillage et de déverrouillage du téléphone qui soient plus ergonomiques et plus simples. La détection d'empreintes digitales d'un utilisateur s'est révélée comme l'un des moyens de protection parmi les plus simples et les plus efficaces. Ainsi, des appareils électroniques portatifs munis d'un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales ont été proposés. Ces dispositifs comprennent un capteur d'empreintes digitales qui doit à la fois être peu cher et le moins encombrant possible, afin de pouvoir être incorporé dans un appareil mobile tel qu'un smartphone. Notamment, pour cette application, le capteur d'empreintes digitales doit être fin, et présenter un faible encombrement. Actuellement, les capteurs d'empreintes digitales de faible épaisseur incorporés dans les téléphones utilisent principalement le principe de détection capacitive des empreintes digitales.
Dans ces capteurs, le doigt de l'utilisateur rentre en contact avec un film à la surface du capteur, et les différences de matières entre une électrode de détection sous- jacente et la surface créent une différence de capacitance électrique qui peut être mesurée par un circuit actif du capteur. Cependant, les capteurs capacitifs souffrent de plusieurs limitations pour cette application. Ainsi, les capteurs capacitifs sont sensibles aux perturbations électrostatiques. En outre, ces capteurs nécessitent une structure complexe et onéreuse, avec, par exemple, une lame de saphir monocristal anisotropique pour protéger le capteur tout en laissant passer la variation capacitive surface de détection.
Par conséquent, d'autre capteur d'empreintes digitales utilisant le principe de détection optique ont été développés. Il est à noter que la nécessité d'une faible épaisseur des capteurs ne permet pas d'utiliser les capteurs optiques à réflexion interne totale, ou TIR, acronyme de l'anglais "total internai reflection", dont les éléments optiques sont trop encombrants.
Les demandes de brevet US 201 /036168 et US 2007/252005 présentent des matrices de photodiodes organiques dans lesquels les mêmes photodiodes sont utilisées en affichage et pour capter la lumière. Les circuits des pixels sont réalisés par les technologies OLED. Ces technologies ne sont cependant pas optimales pour acquérir des images, et la qualité de celles-ci sont bien moindre qu'avec la technologie CMOS. De plus, ces configurations ne permettent pas de réaliser des capteurs à matrices de pixels actifs, dans lesquelles chaque pixel comprend un amplificateur actif. Les photodiodes sont alors connectées séquentiellement à un amplificateur commun par un commutateur. Ces photodiodes sont passives, et ne comportent pas d'amplificateur intégré dans les pixels. Ainsi, la lecture des pixels est rendue plus complexe et moins efficace que dans le cas de matrices de pixels actifs CMOS.
Le brevet US 7 366 331 présente un exemple de capteur optique d'empreintes digitales de faible épaisseur. Il y est proposé de disposer une pellicule transparente entre une puce CMOS de détection et la surface du doigt afin d'améliorer le contraste résultant de la présence ou de l'absence de contact direct entre la surface du détecteur et la surface du doigt. L'éclairage par une source lumineuse placée à proximité de la surface de détection est nécessaire. En l'occurrence, un anneau de diodes électroluminescentes entoure la surface de détection. La demande de brevet US 2006/0102974 présente également une structure similaire. De telles structures optiques sont simples et peuvent présenter un faible encombrement, ce qui permet de les disposer sur un appareil électronique portatif tel qu'un téléphone intelligent. Cependant, l'image des empreintes digitales ainsi obtenue présente un très faible contraste, ce qui en limite la fiabilité.
Pour des empreintes digitales d'un doigt humain, le contraste entre les zones les plus sombres et les zones les plus claires des empreintes digitales est en général inférieur à 20%, voire 10%. Quand le doigt est posé sur la surface de détection du capteur d'empreinte digitale, un fort gradient d'intensité lumineuse apparaît notamment du fait que la source lumineuse éclairant le doigt est placée en périphérie du capteur et que la lumière ambiante peut elle aussi rentrer dans le capteur par les côtés de celui-ci. Ainsi, il y a de très fortes différences d'intensité lumineuse détectée par la capteur entre d'une part le centre de la surface du détecteur, où se trouve la zone centrale de contact avec le doigt, qui est sombre, et d'autre part les zones en périphérie de la surface du détecteur, très claires en raison de l'éclairage et de la lumière ambiante.
Ces fortes disparités d'intensité lumineuse nuisent à l'efficacité de ces capteurs. En effet, soit l'exposition du capteur est choisie en fonction des zones claires en périphéries, et dans ce cas la zone centrale est trop sombre, soit l'exposition du capteur est choisie en fonction de la zone centrale, et dans ce cas la forte luminosité dans les zones en périphérie sature le capteur.
La figure 1 est un schéma illustrant un doigt 2 posé à la surface d'un film transparent 105 d'un capteur 101 , et qui met en correspondance la courbe 102 de la répartition spatiale de l'intensité lumineuse qui est relevée par le capteur 101 . La plage de fonctionnement du capteur est comprise entre les deux lignes en tirets. On observe que l'intensité lumineuse atteint les deux extrémités de la plage de fonctionnement du capteur. Au niveau des bords du doigt 2, l'intensité lumineuse atteint un plafond 103 correspondant à la limite haute de la sensibilité du capteur 101 , lorsque le capteur 101 arrive à la saturation lumineuse. Le capteur 101 n'est alors plus capable de restituer l'image des empreintes digitales, il est éblouit par cette trop forte intensité. A l'inverse, au niveau du centre du doigt, l'intensité lumineuse atteint un plancher 104 correspondant à la limite basse de la sensibilité du capteur 101. Le capteur 101 n'est alors plus capable de restituer l'image des empreintes digitales, il ne permet pas de distinguer celles-ci. En effet, en supposant que le détecteur d'image CMOS ait un seuil de détection 1 , un très bon détecteur CMOS classique peut maintenir un bon fonctionnement jusqu'à un niveau 1000 (60dB de dynamique). Un exemple de doigt humain typique présente un contraste d 'empreintes digitales de 1 5%. Un système typique de reconnaissance des empreintes digitales peut fonctionner avec une image médiocre avec un rapport signal sur bruit d'au moins 5. Dans ce cas, le niveau de luminance au centre de l'image doit être au moins 5/1 5% = 33. Afin d'éviter la perte de contraste sur les bords du capteur due à la saturation de détecteur, dont la dynamique est limitée à 1 : 1000, les bords ne peuvent avoir une luminance 33 fois supérieure à la zone centrale de l'image correspondant au centre du doigt. Or, il arrive fréquemment que les conditions d'éclairage soient telles que la différence soit plus élevées.
En effet, le capteur peut notamment être utilisé dans un environnement ensoleillé. Dans ce cas, non seulement la luminosité peut être très forte, mais celle-ci peut également présenter de très fortes variations. Dans cette situation, le réglage du temps de pose dans un capteur classique devient très difficile, d'autant plus qu'en raison de la nécessité d'une faible épaisseur, on ne dispose pas d'un système optique muni d'un diaphragme qui permettrait de contrôler l'exposition du capteur. Par exemple, un capteur CMOS sature généralement à un éclairement lumineux inférieur à 10 Lux avec un temps de pose de 40 ms. Lors d'une exposition directe à la lumière solaire, l'éclairement auquel est exposé le capteur peut atteindre aisément 100 kLux. Dans ce cas, le temps de pose devrait être réduit à 4 is pour éviter la saturation du capteur. Lorsqu'un doigt est posé sur le capteur, la luminance peut chuter jusqu'à un facteur 1000 au centre du capteur, mais reste celle de l'éclairage ambiant sur les bords du doigt. Les capteurs utilisés dans l'état de la technique ne permettent pas de répondre à de telles variations de luminance en un temps suffisamment court pour une utilisation interactive par l'utilisateur. Des systèmes de l'état de la technique, tel que celui du document US 7 366 331 , prévoient une source lumineuse pour éclairer le doigt, afin de réduire la variation de luminance, pour compenser la faible dynamique de fonctionnement des capteurs CMOS à rendu linéaire. Par ailleurs, le film superficiel transparent nécessaire au couplage requis entre le doigt et le capteur réduit le contraste de l'image acquise et rend donc la capture et la reconnaissance des empreintes digitales plus difficiles. PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention a pour but de remédier au moins en partie à ces inconvénients et préférentiellement à tous, en proposant d'utiliser un capteur logarithmique pour l'acquisition des empreintes digitales. Il est ainsi proposé un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant un capteur matriciel d'images, ledit capteur étant configuré pour acquérir au moins une image des empreintes digitales d'un doigt lorsque ledit doigt est présenté audit capteur dans son champ d'acquisition, dans lequel le capteur matriciel est un capteur CMOS à pixels actifs comprenant un corps en matériau semi-conducteur sur lequel est réalisée une matrice de pixels actifs, les pixels actifs de ladite matrice de pixels actif comprenant chacun au moins une photodiode et étant configurés pour fonctionner en mode cellule solaire, lesdites photodiodes étant configurées pour présenter une réponse en tension suivant une loi logarithmique par rapport à l'illumination desdits pixels.
Un capteur logarithmique a l'avantage de présenter une plage dynamique de fonctionnement très étendue. Une absence de saturation peut être assurée sans aucun contrôle même en cas d'exposition directe au le soleil. Cette grande dynamique de fonctionnement procure une réactivité instantanée pour un dispositif mobile.
Ce dispositif est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles:
- des liaisons pour permettre de transmettre les images acquises par ledit capteur traversent le corps en matériau semi-conducteur du capteur pour relier une surface du corps du capteur à un substrat muni de pistes de connexions;
- le corps du capteur comprend une face supérieure au niveau de laquelle est formée la matrice de pixels actifs et une face inférieure au contact d'un substrat muni de pistes de connexions, dans lequel la face supérieure du corps du capteur comprend au moins deux zones dont présentant des niveaux différents :
- un niveau supérieur au moins pour une zone destinée à être en regard du doigt, et
- un niveau inférieur pour une zone destinée à recevoir des liaisons pour permettre de transmettre les images acquises par ledit capteur;
- la zone de niveau inférieur est recouverte dans la direction du champ d'acquisition par un matériau de protection; - le capteur est dépourvu de surcouche couvrant la matrice de pixels actifs, de sorte que lorsque le doigt est présenté audit capteur, ledit doigt est en contact avec la matrice de pixels actifs;
- le dispositif comprend une plaquette de fibres optiques disposée à la surface de la matrice de pixels et constituée d'un faisceau de fibres optiques orientées en direction du champ d'acquisition;
- la plaquette est configurée pour entrer en contact avec le doigt lorsque ledit doit est présenté au capteur;
- le dispositif comprend un organe sensible à la pression disposé de sorte d'émettre un signal commandant l'acquisition de ladite image lorsque le doigt exerce une pression sur le dispositif;
- les photodiodes de chaque pixel actif de la matrice sont connectées par un transistor d'initialisation à un nœud commun dont la tension correspond à la moyenne des tensions aux bornes de photodiodes des pixels actifs lorsque les transistors d'initialisation sont passants;
- chaque pixel actif comprend au moins deux mémoires analogiques en parallèle configurées pour mémoriser respectivement les valeurs d'une première lecture de la photodiode et d'une seconde lecture de la photodiode;
- chaque pixel actif comprend un circuit de numérisation pour numériser la valeur de lecture de la photodiode.
L'invention concerne également un procédé d'acquisition d'empreintes digitales au moyen d'un dispositif selon l'invention, dans lequel les photodiodes des pixels actifs du capteur matriciel d'images fonctionnent en mode cellule solaire lors de l'acquisition d'au moins une image des empreintes digitales d'un doigt lorsque ledit doigt est présenté au capteur.
PRESENTATION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisations et des variantes selon la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels:
- la figure 1 , déjà commentée, illustre un doigt posé à la surface d'un capteur, et met en correspondance la courbe de la répartition spatiale de l'intensité lumineuse qui est relevée par le capteur; - la figure 2 est un schéma illustrant un détail d'un capteur matriciel d'images selon un mode de réalisation possible de l'invention, sur lequel est posé un doigt;
- la figure 3 illustre un doigt posé à la surface d'un capteur selon un mode de réalisation possible de l'invention, et met en correspondance la courbe de la répartition spatiale de l'intensité lumineuse qui est relevée par le capteur;
- la figure 4 illustre un exemple de structure de pixel actif pour une photodiode en mode logarithmique;
- la figure 5 illustre un exemple schématique d'une matrice de pixels actifs avec un nœud d'initialisation commun;
- la figure 6a est un chronogramme illustrant schématiquement la double lecture des pixels actifs de la matrice de la figure 5 et la figure 6b montre les niveaux de lecture obtenus suite à la double lecture de la figure 6a ;
- la figure 7 illustre schématiquement une structure d'un pixel actif incorporant des mémoires analogiques;
- la figure 8 illustre schématiquement une structure d'un pixel actif incorporant un circuit de numérisation;
- la figure 9 est un chronogramme illustrant schématiquement le fonctionnement du pixel actif de la figure 8 ;
- les figures 10 à 13 sont des schémas illustrant différents types de dispositifs d'acquisition d'empreintes digitales selon des modes de réalisation possibles de l'invention.
Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires sont désignés par les mêmes références. DESCRIPTION DETAILLEE
En référence à la figure 2, le dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprend un capteur matriciel d'images 1 qui est configuré pour acquérir au moins une image des empreintes digitales d'un doigt 2 lorsque ledit doigt 2 est présenté audit capteur dans son champ d'acquisition. Le capteur matriciel 1 comprend un corps en matériau semiconducteur 3 sur lequel est réalisée une matrice de pixels actifs 4.
Le capteur 1 est un capteur logarithmique. Les pixels de la matrice de pixels actif 4 comprennent chacun au moins une photodiode 5 et sont configurés pour fonctionner en mode cellule solaire. Ainsi, les photodiodes 5 sont configurées pour présenter une réponse en tension suivant une loi logarithmique par rapport à l'illumination desdits pixels. Typiquement, le capteur matriciel d'image 1 est un capteur CMOS. Des interconnexions métalliques 6 assurent les liaisons électriques entre les photodiodes 5. Ces interconnexions métalliques 6 sont représentées ici dans une configuration dans laquelle elles sont devant les photodiodes 5, c'est-à-dire dans leur champ d'acquisition, entre le doigt 2 et lesdites photodiodes 5. Il est cependant possible d'utiliser une configuration dite d'illumination par l'arrière (plus connu sous le terme anglais de "back side illumination"), dans laquelle interconnexions métalliques sont derrière les photodiodes par rapport au champ d'acquisition de celle-ci, avec donc les photodiodes situées entre les interconnexions métalliques et le doigt.
Le capteur matriciel d'images 1 est adapté pour acquérir une image de la surface d'un doigt posé à sa surface. Ainsi, dans l'exemple de la figure 2, un doigt 2 est posé à la surface du capteur 1 , c'est-à-dire à la surface de la matrice 4. La peau à la surface d'un doigt présentent des crêtes 21 et des sillons papillaires 22 formant un dermatoglyphe, communément désigné en tant qu'empreinte digitale, par association avec la trace laissé par ledit dermatoglyphe. Alors qu'une crête 21 touche effectivement la surface de la matrice 4, de l'air est présent entre un sillon papillaire 22 et ladite surface. Ces différences de configurations se traduisent dans une image acquise par le dispositif d'acquisition par des contrastes différents, qui rendent compte des empreintes digitales du doigt 2.
L'image acquise doit donc restituer le contraste du doigt disposé dans le champ d'acquisition du capteur. Avec un dispositif de l'état de la technique, dont le capteur produit une réponse proportionnelle à l'intensité lumineuse dans son champ d'acquisition, le contraste résultant dépend de la luminance absolue reçue par le capteur. En revanche, avec un capteur logarithmique comme dans le cadre de l'invention, le contraste est restitué indépendamment de la luminance absolue. En effet, la grande dynamique de fonctionnement du capteur logarithmique permet d'éliminer les saturations, et le contraste peut alors être déterminé en fonction d'une luminance relative, en l'absence de seuil de saturation constituant des seuils absolus. Il en résulte que l'image de l'empreinte digitale peut être acquise avec une qualité constante quelque soient les conditions d'éclairement, et notamment malgré les différences de luminance entre les bords du doigt et le centre. La figure 3 est un schéma illustrant un doigt 2 posé à la surface d'un capteur 1 , et qui met en correspondance la courbe 11 de la répartition spatiale de l'intensité lumineuse qui est relevée par le capteur 1. Par comparaison avec la figure 1 , on constate que les variations d'intensité lumineuse, c'est-à-dire le contraste, sont conservées malgré les grande différences d'intensités lumineuses en fonction des zones du capteur 1 , grâce à l'absence de saturation de celui-ci.
Dans le domaine de la technologie CMOS standard, une photodiode est formée généralement d'une jonction PN avec une diffusion N dans un substrat de type P. En fonctionnement en mode cellule solaire, cette photodiode génère une tension négative en circuit ouvert dont la valeur absolue est proportionnelle au logarithme du niveau d'éclairage de la photodiode.
Lors de l'exposition, la photodiode est déchargée complètement et la tension sur la photodiode est alors négative :
où k est la constante de Boltzmann, q est la charge élémentaire, T est la température absolue de fonctionnement de la photodiode et ls représente un courant inverse appelé également courant de saturation de la jonction de la photodiode, observé lorsqu'une diode est polarisée en inverse en absence totale de lumière. La tension sur la photodiode est alors proportionnelle au logarithme de l'intensité lumineuse. Il est dit dans ce cas que la photodiode travaille en zone logarithmique.
Les photodiodes 5 sont configurées pour fonctionner en mode cellule solaire, c'est-à- dire pour présenter une réponse en tension suivant une loi logarithmique par rapport à l'illumination des pixels, par exemple avec une polarisation nulle ou directe.
Dans une matrice de pixels actifs d'un capteur matriciel d'image, chaque pixel contient une photodiode et un amplificateur actif. Un exemple d'une structure de pixel actif est illustré par la figure 4. La jonction PN formant la photodiode 5 est constituée d'un substrat semi-conducteur de type P sur lequel est réalisée une diffusion de type N. Un interrupteur 15 de l'élément photoélectrique est contrôlé par une ligne de commande de remise à zéro (RAZ). Un interrupteur de sélection 16 permet la sélection de la sortie du circuit pour sa lecture. L'interrupteur 15 ainsi que l'interrupteur 16 sont constitués par des transistors à effet de champ MOS à canal N. Enfin, un amplificateur actif 14 est réalisé par deux transistors à effet de champ MOS à canal P en série, alimentés par une tension d'alimentation VCC, le premier transistor étant relié à une tension de polarisation (en anglais "biasing voltage") permettant de régler le gain en tension supplémentaire qu'on veut apporter à la tension de sortie Vs. Cette tension Vs est reliée au second transistor à effet de champ MOS à canal P de l'amplificateur, puis délivrée sur le bus de lecture COL.
La tension de sortie Vs de la photodiode 5 est lue par l'amplificateur actif 1 , qui a une impédance d'entrée infinie en courant continu. Comme les photodiodes 5 sont configurées pour fonctionner en mode cellule solaire, l'amplificateur actif 14 est capable de lire la tension négative délivrée par la photodiode 5.
D'autres circuits pouvant être utilisés sont décrits dans les documents EP1 354360, EP21 86318 ou encore WO201 0/103464. La lecture de l'ensemble des pixels de la matrice permet d'obtenir l'image acquise.
Pour un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales, il est préférable d'obtenir une image centrée sur une valeur moyenne commune aux photodiodes. Cela permet notamment de faciliter la binarisation de l'image, c'est-à-dire la classification des pixels de l'image par rapport à un seuil, en l'occurrence cette valeur moyenne.
La figure 5 illustre un exemple d'une telle réalisation, montrant pour des raisons de simplification seulement deux pixels actifs schématisés d'une matrice. Les transistors d'initialisation 1 5, commandés par le signal d'initialisation RST, sont reliés à un nœud commun 17 flottant dont la tension est déterminée par la lecture des pixels de la matrice. Plus précisément, ce nœud commun 17 correspond à la mise en commun des sorties de chaque pixels, et sa tension est donc la valeur moyenne des sorties des pixels. En référence au chronogramme de la figure 6a, une première lecture (lecture 1 ) est d'abord effectuée, permet de récupérer, sur chaque pixel actif, via le bus COL, la valeur mesurée de son exposition. Les signaux de sorties des différents pixels sont notés Sig1 , Sig 2, Sig 3 etc. Les valeurs de cette première lecture correspondent à l'image acquise. Puis, le signal d'initialisation RST, maintenu, commande les transistors d'initialisation 1 5 en état passant, connectant l'ensemble des pixels actifs au nœud commun 17. La tension du nœud commun 17 en résultant correspond à la valeur moyenne des premières lectures.
Une seconde lecture est alors effectuée (lecture 2) lorsque le signal d'initialisation RST est activé et que les pixels sont connectés au nœud commun 17. Cette seconde lecture donne la valeur moyenne. La figure 6b montre le résultat de la lecture différentielle, lorsqu'est déterminée la différence entre la première lecture et la seconde lecture (lecture 1 - lecture 2). On constate alors que les différentes valeurs finales des signaux Sig sont désormais centrées autour d'une valeur fixe qui correspond à la moyenne des signaux, et qui par la lecture différentielle est nulle. Il est alors aisé d'affecter un symbole, par exemple "1 ", aux signaux au-dessus de zéro et un autre symbole, par exemple "0", aux signaux au-dessous de zéro. On obtient alors aisément une image binaire. Typiquement, les lectures se font ligne par ligne. Afin de rendre cette opération plus efficace, il est possible de prévoir de mettre au moins deux mémoires analogiques dans chaque pixel pour pouvoir faire les lectures en parallèle. La première mémoire est remplie par la première lecture avant l'initialisation, et la seconde mémoire est remplie par la seconde lecture pendant l'activation du signal d'initialisation RST.
La figure 7 montre un exemple de réalisation possible de cette configuration. La structure du pixel est similaire à celle précédemment montrée, à l'exception de la présence de deux branches parallèles entre un premier amplificateur 14a et un second amplificateur 14b. Chaque branche comprend une capacité M1 , M2 reliée à la masse et à l'électrode commune de deux transistors en série, dont un transistor S1 , S2 est relié au premier amplificateur 14a pour commander l'écriture en mémoire et l'autre transistor LS1 , LS2 est relié au second amplificateur 14b pour commander la lecture des mémoires. Par les commandes des transistors S1 , S2, LS1 , LS2, il est possible d'effectuer des lectures parallèles des pixels avec un circuit traditionnel lisant le bus COL.
En général, la taille des pixels pour un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales est relativement grande. Par exemple, la norme FBI impose une taille de pixel de 50 μιη. Cette taille permet d'intégrer beaucoup plus de transistors que requis pour l'amplification et la lecture. Il est alors possible d'intégrer un circuit de numérisation dans chaque pixel actif de la matrice. La sortie du pixel actif sur le bus COL est alors une valeur numérique déterminée à partir de la valeur analogique de la lecture. Un exemple de réalisation est illustré sur la figure 8. Dans le pixel, on retrouve la photodiode 5 ainsi que le transistor d'initialisation 15 commandé par un signal RSTPD. Le transistor d'initialisation relie la photodiode à une tension d'initialisation Vpix, typiquement comprise entre 0 et 0,5 V. La tension d'initialisation Vpix est de préférence légèrement positive, par exemple supérieure à 0,1 V, telle que 0,3 V, afin d'avoir une meilleure sensibilité.
En aval de l'amplificateur actif 14 auquel est reliée la photodiode 5 se trouve une capacité 81 relié à un nœud X. Une autre capacité 82 est reliée d'une part à une tension RAMP et d'autre part au nœud X. Le nœud X est également relié à deux transistors en série commandé respectivement par les signaux RST1 et RST2, et leur électrode commune constitue le nœud commun 17. Enfin, au nœud X est relié un terminal d'une capacité 83. L'autre terminal de la capacité 83 est relié à un comparateur CMP en parallèle avec un transistor commandé par le signal RSTCMP. En aval du comparateur CMP se trouve un compteur binaire COMP auquel est fournie une horloge CLK. La sortie du compteur binaire COMP est reliée au bus COL par le transistor de sélection 16 commandé par le signal SEL.
La figure 9 montre le fonctionnement d'une telle structure de pixel. Le chronogramme commence lors de l'exposition. Dans un premier temps t1 , la photodiode 5 est réinitialisée au moyen du signal RSTPD commandant l'état passant du transistor d'initialisation 15. Les signaux RST1 et RST2 rendent passants leurs transistors respectifs, maintenant ainsi le nœud X à la tension de référence REF. Le signal RSTCMP rend également passant le transistor parallèle au comparateur CMP, réinitialisant celui-ci. Puis à t2, à la fin de l'exposition, le nœud X est rendu flottant par la désactivation des signaux RST1 et RST2 dont les transistors sont alors rendus bloquants. Ensuite à t3, le signal RSTCMP est désactivé, rendant bloquant le transistor parallèle au comparateur CMP, rendant celui-ci opérationnel. Le signal RSTPD est de nouveau activé à t4, rendant passant le transistor d'initialisation 15. La variation de tension aux bornes de la photodiode 5 se propage alors au nœud X, formant le signal image.
Ensuite à t5, le signal RST1 est activé, tandis que le signal RST2 reste désactivé. Le nœud commun 17 est alors relié au nœud X. On obtient donc sur le nœud X la valeur moyenne de l'image. Rappelons que le nœud commun 17 est commun à l'ensemble des pixels. Le nœud X étant entouré par les capacités 81 , 82, 83, seules les variations de tension peuvent y être propagées. De ce fait, on retrouve sur l'entrée du comparateur CMP la variation de la tension sur le nœud X correspondant à la différence entre le signal image et la moyenne.
La numérisation se fait avec l'activation du signal RAMP et du compteur binaire COMP. Le signal RAMP est un signal qui décroit avec le temps, parcourant les valeurs possibles du signal image. Le compteur COMP est commandé par la sortie du comparateur CMP. Le compteur COMP compte le nombre de signaux d'horloge de l'horloge CLK tant que son entrée, c'est-à-dire la sortie du comparateur CMP, n'est pas modifiée. Le comparateur CMP compare son entrée avec un niveau seuil, typiquement zéro. Le comparateur CMP bascule à t7 lorsque le niveau du signal RAMP rejoint la différence entre le signal image et la moyenne. En fonction de la différence entre le signal de pixel et la moyenne des valeurs des sorties des pixels présente sur le nœud commun 17, l'application du signal RAMP mettra plus ou moins de temps à rejoindre la différence entre le signal image et la moyenne. Ainsi, le comptage s'arrête plus ou moins tôt. Il en résulte que le nombre de signaux d'horloge comptabilisés avant le basculement de la sortie du comparateur CMP est une représentation numérique de la différence entre le signal image et la moyenne.
Comme précédemment, la lecture se fait via le transistor de sélection 16 commandé par le signal de sélection SEL connectant le compteur COMP au bus COL, à l'exception du fait qu'il ne s'agit plus ici d'un signal analogique mais d'un signal numérique encodant la valeur de la lecture du pixel.
On peut également remplacer le compteur COMP dans chaque pixel par un seul compteur commun à tous les pixels. Dans ce cas, on connecte à la sortie du comparateur CMP une pluralité de grilles de transistors en parallèle, chaque transistor reliant une capacité à une sortie binaire du compteur COMP. Lors du basculement du comparateur CMP, le pixel stocke alors directement dans ces capacités l'encodage binaire correspondant à sa valeur d'image.
Plusieurs configurations de capteurs comportant des éléments photoélectriques dont la conversion photoélectrique vérifie une loi logarithmique sont possibles. Dans les exemples illustrés le capteur matriciel est monté sur un substrat muni de pistes de connexion, et la matrice de pixels actifs est reliée à ces pistes de connexion pour permettre de transmettre les images acquises par ledit capteur.
Dans l'exemple de la figure 10, le corps du capteur présente une forme parallélépipédique, avec une face supérieure au niveau de laquelle est formée la matrice de pixels actifs 4 et une face inférieure au contact du substrat 9 qui sont toutes deux planes et parallèles. Des fils de connexion 7 relient la surface supérieure du corps semi-conducteur 3 aux pistes de connexion du substrat 9, afin de relier électriquement la matrice de pixels actifs 4 à ces pistes. Ces fils de connexion 7 sont noyés dans une couche de protection 10, typiquement en résine polymère.
La figure 1 1 illustre une amélioration de la configuration de la figure 10, qui permet notamment de réaliser un dispositif de plus faible épaisseur. La face supérieure du corps 3 du capteur comprend au moins deux zones 31 , 32 présentant des niveaux différents par rapport au substrat 9 : un niveau supérieur au moins pour une zone 31 destinée à être au contact du doigt 2, et un niveau inférieur pour une zone 32 destinée à recevoir des liaisons 7 pour permettre de transmettre les images acquises par ledit capteur. La zone 32 de niveau inférieure correspond donc à une épaisseur moindre du corps 3 par rapport à celle de la zone 31 de niveau supérieur. La zone 31 de niveau supérieur présente donc une hauteur par rapport au substrat 9 plus grande que celle de la zone 32 de niveau inférieur.
Des pistes de conduction 33 à la surface de la zone 32 de niveau inférieur relient les pistes de connexion de la matrice 4 aux liaisons 7, lesdites liaisons 7 reliant lesdites pistes de conduction 33 aux pistes de connexion du substrat 9. La zone 32 de niveau inférieur est recouverte dans la direction du champ d'acquisition par un matériau de protection 10, typiquement en résine polymère, et les liaisons 7 sont noyées dans ladite couche de protection 10, tandis que la zone 31 de niveau supérieur est laissée libre par la couche de protection 10.
Une telle structure présente une épaisseur moindre que celle de la figure 10, puisque les surépaisseurs nécessaires aux fils de connexion 7 ne se traduisent alors pas par une surépaisseur de la couche de protection 10 par rapport au niveau de la matrice de pixels actifs 4, qui constitue alors la hauteur maximale du dispositif. Pour obtenir une telle structure, il est possible d'appliquer une gravure, sèche ou humide, du corps 3 autour de la matrice de pixels actifs 4. Des pistes de conduction électrique 33 sont ensuite déposées par électro-plaquage sélectif à la surface de la zone 32 de niveau inférieur, afin de prolonger les pistes de connexion de la matrice 4 jusqu'à la zone 32 de niveau inférieur. Les liaisons 7 sont ensuite mises en place classiquement pour relier lesdites pistes de conduction 33 aux pistes de connexion du substrat 9.
La figure 12 illustre une autre configuration, dans laquelle le corps 3 en matériau semiconducteur du capteur est traversé par des liaisons 8 pour relier une surface du corps 3 du capteur aux pistes de connexion du substrat 9. Ce type de liaison 8 est connu par l'acronyme TSV, de l'anglais "through silicon via". Bien que dans l'exemple illustré, les liaisons 8 sont perpendiculaires à la surface du substrat 9 et à la surface du corps 3 du capteur 1 , d'autres orientations sont cependant possibles. Cette configuration permet d'obtenir une surface plate, que ce soit pour le corps 3 du capteur ou pour la couche de protection 10, qui s'élève sur les bords du corps 3, au même niveau que celui-ci.
Dans ces différents modes de réalisation, le capteur 1 peut être dépourvu de surcouche couvrant la matrice de pixels actifs 4, de sorte que lorsque le doigt 2 est présenté audit capteur, ledit doigt 2 est en contact avec la matrice de pixels actifs 4. L'absence de surcouche simplifie la fabrication, en diminue le coût, et permet de ne pas rajouter de surépaisseur au capteur 1 . Une surcouche de protection sous la forme d'un film transparent peut cependant être prévue à la surface du capteur pour protéger celui-ci. Néanmoins, cette surcouche n'a pas à présenter de caractéristiques particulières en termes électrique, comme c'est le cas pour les capteurs capacitifs.
La figure 13 présente une autre configuration, dans laquelle le capteur 1 est monté sur le substrat de manière similaire à celle de la figure 10, mais qui pourrait tout aussi bien être celle des figures 1 1 ou 12. Une plaquette de fibre optique 12 est disposé à la surface du capteur 1 , de sorte de conduire la lumière depuis la zone de réception du doigt jusqu'à la matrice de pixels actifs 4. La plaquette de fibres optiques 12 est constituée d'un faisceau de fibres optiques orientées en direction du champ d'acquisition. Les fibres optiques de la plaquette 12 sont donc orientées dans la direction reliant une surface de détection pour recevoir le doigt à la matrice de pixels actifs 4. La plaquette 12 est configurée pour entrer en contact avec le doigt 2 lorsque ledit doigt est présenté au capteur. La plaquette de fibre optique 12 peut être sertie dans une pièce d'embellissement 1 1 servant à cacher à l'utilisateur les éléments sous- jacent. Cette configuration offre une excellente protection au capteur 1 , et permet d'obtenir une surface de détection pour recevoir le doigt qui est plate et lisse.
Dans tous les modes de réalisation, le dispositif d'acquisition d'empreintes digitales peut comprendre un organe sensible à la pression disposé de sorte d'émettre un signal commandant l'acquisition de l'image lorsque le doigt exerce une pression sur le dispositif. L'organe sensible à la pression peut par exemple être un commutateur électromécanique ou bien un capteur de pression mesurant la pression. La figure 13 montre ainsi un organe sensible à pression 20 sous le substrat 9, configuré pour détecter la pression exercée par un doigt 2 sur le capteur, et commander l'acquisition d'une image par le capteur.
Un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comme décrit ici est de préférence incorporé à un appareil électronique portatif tel qu'un téléphone intelligent, afin d'acquérir les empreintes digitales d'un utilisateur de l'appareil électronique.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'acquisition d'empreintes digitales comprenant un capteur matriciel d'images (1 ), ledit capteur étant configuré pour acquérir au moins une image des empreintes digitales d'un doigt (2) lorsque ledit doigt (2) est présenté audit capteur dans son champ d'acquisition,
caractérisé en ce que le capteur matriciel est un capteur CMOS à pixels actifs comprenant un corps en matériau semi-conducteur (3) sur lequel est réalisée une matrice de pixels actifs (4), les pixels actifs de ladite matrice de pixels actif comprenant chacun au moins une photodiode (5) et étant configurés pour fonctionner en mode cellule solaire, lesdites photodiodes (5) étant configurées pour présenter une réponse en tension suivant une loi logarithmique par rapport à l'illumination desdits pixels.
2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel des liaisons (8) pour permettre de transmettre les images acquises par ledit capteur traversent le corps (3) en matériau semi-conducteur du capteur pour relier une surface du corps du capteur à un substrat (9) muni de pistes de connexions.
3. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le corps (3) du capteur comprend une face supérieure au niveau de laquelle est formée la matrice de pixels actifs (4) et une face inférieure au contact d'un substrat (9) muni de pistes de connexions, dans lequel la face supérieure du corps (3) du capteur comprend au moins deux zones (31 , 32) dont présentant des niveaux différents :
- un niveau supérieur au moins pour une zone (31 ) destinée à être en regard du doigt (2), et
- un niveau inférieur pour une zone (32) destinée à recevoir des liaisons (7) pour permettre de transmettre les images acquises par ledit capteur.
4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la zone (32) de niveau inférieur est recouverte dans la direction du champ d'acquisition par un matériau de protection (10).
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le capteur (1 ) est dépourvu de surcouche couvrant la matrice de pixels actifs (4), de sorte que lorsque le doigt (2) est présenté audit capteur, ledit doigt (2) est en contact avec la matrice de pixels actifs (4).
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif comprend une plaquette de fibres optiques (12) disposée à la surface de la matrice de pixels et constituée d'un faisceau de fibres optiques orientées en direction du champ d'acquisition.
7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la plaquette (12) est configurée pour entrer en contact avec le doigt (2) lorsque ledit doit est présenté au capteur.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un organe sensible à la pression (20) disposé de sorte d'émettre un signal commandant l'acquisition de ladite image lorsque le doigt exerce une pression sur le dispositif.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les photodiodes de chaque pixel actif de la matrice sont connectées par un transistor d'initialisation (1 5) à un nœud commun (17) dont la tension correspond à la moyenne des tensions aux bornes de photodiodes des pixels actifs lorsque les transistors d'initialisation sont passants.
10. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel chaque pixel actif comprend au moins deux mémoires analogiques en parallèle configurées pour mémoriser respectivement les valeurs d'une première lecture de la photodiode et d'une seconde lecture de la photodiode.
1 1 . Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque pixel actif comprend un circuit de numérisation pour numériser la valeur de lecture de la photodiode.
12. Appareil électronique portatif muni d'un dispositif d'acquisition d'empreintes digitales selon l'une quelconque des revendications précédentes.
13. Procédé d'acquisition d'empreintes digitales au moyen d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel les photodiodes des pixels actifs du capteur matriciel d'images fonctionnent en mode cellule solaire lors de l'acquisition d'au moins une image des empreintes digitales d'un doigt lorsque ledit doigt est présenté au capteur.
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