JP2000513839A - 接触撮像装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
指紋知覚装置と認識システムが、基板に結合された緊密な間隔で置かれた半導体のダイスの配列を含む。これらのダイスは、指が押しつけられたときにダイスの隣接するエッジが互いに接触しないようにするために最小間隔で置かれる。ダイスはおのおのが、それぞれ行導体と列導体の集合で駆動回路と知覚回路に結合されている知覚素子の行/列の配列を含む。知覚素子は駆動回路によって能動的にアドレス指定される。知覚電極と共に個々の指表面部分に起因する容量は、知覚電極に電位を印加して荷電特性を測定することによって知覚回路によって知覚される。
Description
【発明の詳細な説明】
接触撮像装置発明の分野
本発明は一般に撮像装置に関し、より特定的には指紋またはそれと同種のもの
の接触撮像装置に関する。発明の背景
指紋入力トランスジューサまたはセンサにおいて、検査される指は、通常、ガ
ラス板のような平らな面に対して押され、指先端の山と谷のパターンは探索光ビ
ームのような知覚手段によって知覚されている。
プリズムを使用し、識別すべき指紋の指をその上に置く、種々の光学式装置は
周知である。プリズムは、指が置かれる第一表面と、第一表面と鋭角をなして指
紋がみえる第二表面および光がプリズムに向けられる第三照射表面を持っている
。ある場合には、照射表面は、例えば、米国特許第5,187,482号と第5
,187,748号に見られるように、第一表面と鋭角をなしている。他の場合
では、照射表面は、例えば、米国特許第5,109,427号と第5,233,
404号に見られるように、第一表面と平行である。この種の指紋識別装置は、
コンピュータ・ターミナルのような建物、部屋および装置への建物アクセスまた
は個人の情報アクセスを制御するために一般に使われてる。
指紋センサに関連する問題の1つは、デジタル形式で保存される電気的または
光学的信号への指先端の山と谷のパターンの変換の信頼性および正確性について
の懸念である。上述したように、例えばプリズムを使った光学式システムは、精
巧な装置を必要とし、装置が大きく、高価となる傾向がある。
指先端の照射に基づく光学式システムを使うことについての制限および不利を
克服する試みとして、米国特許第4,353,056号が1982年10月5日
にTsikosの名義で公表され、容量性の知覚アプローチを使う指紋センサの代案の
1種が開示された。この記述されたセンサは二次元で、行と列からなるそれぞれ
一対の間隙を持つ電極からなるキャパシタの配列で、知覚部材に載せられ、絶縁
膜によってカバーされている。そのセンサは、指紋のリッジ/トラフパターンに
よりキャパシタ電極間の間隙を局部的に変化させるようにそこに置かれた指によ
り起こされた知覚部材の変形にそしてその結果としてのキャパシタの容量の変化
に依存している。一つの実施形態では、それぞれの列のキャパシタは、並列に接
続されたキャパシタの列と直列に接続され、電圧が列にまたがって印加される。
別の実施形態として、電圧が配列においてそれぞれの個別のキャパシタに印加さ
れる。それぞれの実施形態での知覚は、直列に接続されたキャパシタの電圧分布
変化の検知、または局部変形の結果として個別の容量の電圧値を測定することに
よって達成される。これを成し遂げるために、検知回路からそれぞれのキャパシ
タまでの個別接続が必要である。
記述されたセンサは、光学式知覚技術を使用するサンサの種類に関連する問題
はないが、それ自身の問題を持つ。例えば、センサは変形の操作に依存し、弾性
材料の使用を必要とするので、耐久性および信頼性の問題がある。さらに、配列
中のそれぞれの個別のキャパシタにそれぞれの接続を提供することは、非常に大
きい数のラインの接続が必要であることを意味する。これは検知回路において、
知覚部材とその相互関連の両方の製作に、困難をもたらす。実際に接続部が多い
と、浮遊容量のため、多分操作上の困難を起こすであろう。
前述および従来技術の欠陥と制限に対して、改善すべき別の試みとして、19
94年6月28日Knappの名義で公表された米国特許第5,325,442号に
接触撮像装置が記述されている。
本明細書に含まれていないその特許の開示事項は、参照によって本明細書に含
まれるものとする。
Knappは単一の大きい絶縁基板の上に多層の光露光プロセスによって堆積と鮮
明度を伴うひとつの大きい能動的マトリクス配列の形で撮像装置を作ることを記
述している。金属と電界効果トランジスタから形成した電極とアドレス指定導体
の集合が、例えばガラスまたは石英の適切な基板を使って、無定形のシリコンま
たは多結晶のシリコン薄膜トランジスタ(TFT)として形成された。
Knappが上述したTsikosの改良を提供しようと試みるけれども、Knappの開示し
た装置の製造において他の不利と制限が明白となる。第一に、例えば、シリコン
ウエハから切り取られたシリコンダイスで構成される大きい撮像接触装置を作る
ことは非常に難しい。指紋を撮像するためにほぼ必要とされる寸法である、0.
75インチ×0.75インチまたはそれ以上の接触面積の装置を製造することは
、シリコンデバイスのもろい性質のために非実用的である。大きいダイスは、製
造するのにコストがかかるのは別として、小さいダイスより低い製造歩留まりし
か持っていない。正方形あるいは長方形のダイスが十分に丸いシリコンウエハか
ら切り取られる場合は、小さいダイスで切られるウエハのエッジではロスが少な
い。これらのチップの機械的強度は、またそれらの接触用途を制限する;例えば
、大きいダイス上に指を接触および置くことによる力は、クラックまたはストレ
ス破壊を起こし得る。さらに、現在の、通常の光露光のシステムは、典型的にお
よそ0.4インチから0.5インチの最大の寸法を持っているダイスの生産に対
して適応するよう装備されている。発明の目的
したがって、周知の先行技術による装置の上記および他の制限を克服すること
に鑑み、本発明の目的はより丈夫な接触撮像装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、配列状に配置された複数の小型のダイスを利用すること
によって、単一の大型のダイスの利用に伴う上記の制限の一部を克服する装置を
提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、比較的安価で製造しやすい接触撮像装置を提供す
ることにある。発明の概要
本発明の態様に従えば、接触面積が、互いに接近して結合されたチップ配列と
いう形状で与えられている複数のシリコン接触撮像ダイスから成り、好ましくは
シリコンまたはその配列を成している材料に近い熱膨張係数(CTE)を持つ背
面材料に接着させられている接触撮像装置が提供される。これらの配列を単一の
基板上に組み立てるためには、おのおののダイスを、その入出力(I/O)導体
が接触撮像シリコン装置に対してただ2辺できれば1辺に存在するように設計す
るのが望ましい。
本発明の別の態様に従えば、互いに近接して配置され、単一の指紋を知覚する
ために基板に対して配列状に接着し、おのおのが指紋が装置上に存在することを
知覚するための知覚素子の配列を有する複数のダイスから成る配列を有する接触
撮像装置が提供される。
本発明に従えば、さらに、複数の半導体ダイスであり、ダイスおのおのが知覚
素子の配列を持ち、素子おのおのが互いに結合された知覚電極とスイッチング装
置を含み、前記知覚素子の知覚電極のすべてが、個々の指表面部分を持つ指を受
容する知覚表面の輪郭を定める誘電体材料によって覆われる半導体ダイスを有す
る指紋知覚装置が提供される。本装置はさらに、知覚される指紋とは無関係なシ
ーケンスに従っておのおののスイッチング装置を制御しアドレス指定するために
、前記知覚素子のすべてのスイッチング装置に結合され、結合されている知覚電
極にアドレス指定されたときにおのおののスイッチング装置を介して事前決定さ
れた電位が印加されるようにする駆動手段;および前記知覚素子の知覚電極と一
緒になって前記個々の指表面部分に基づく容量を知覚するための前記知覚素子の
す
べてのスイッチング装置に結合された知覚手段とを含む。これらのダイスは接近
して間隔付けされた配列状に配置されて基板に結合されている。
本発明に従えば、さらに、基板と、分離して置かれて該基板に接合された少な
くとも4つのダイスの配列とを有する指紋獲得装置が提供される。ダイスはおお
おのが、指紋リッジが直上に存在することを知覚する知覚素子の配列を有し、基
板は、これら4つの間隔付けされたダイスのおのおのの知覚素子から駆動・知覚
回路に至る複数の電気的経路となる複数の導体を含み、指紋獲得装置は、知覚回
路から得られた信号を処理するための駆動・知覚回路に結合されたプロセッサ手
段を含む。図面の簡単な説明
本発明の例示実施態様を以下の図面を参照にして説明する。
図1は、関連のアドレス指定回路と一緒になった知覚素子の配列を示す先行技
術による装置の簡略図;
図1aは、関連のアドレス指定回路と一緒になった4つの知覚素子の配列を示
す本発明による知覚装置の簡略図;
図1bは、本発明に従ってセラミック(Al2O3)製のキャリヤによってFR
4のキャリヤ・ボード上に組み立てられた、図1aに示す接触撮像装置の内の1
つを示す破断側面図;
図1cは、図1aの4チップ配列を結合するのに用いられるエポキシ分散パタ
ーンを示す簡略図;
図1dは、エポキシ・ダイス取り付け材で基板に取り付けられたシリコン・チ
ップの破断側面図;
図1eは、撓み位置で示す図1dに図示されたシリコン・チップの破断側面図
;
図1fは、走査される2本の指を受容するダイスの配列を含む本発明による代
替実施態様を示す平面図;
図1gは、2つの異なった寸法のシリコン・ウエハの歩留まりの差を示す図;
図2は、知覚電極と関連のスイッチング装置を有する、図1と図1aに示す装
置の典型的な知覚素子の先行技術による略等価回路図;
図3は、知覚素子の動作を示す、その配列の内の1つの一部分を示す略断面図
;
図4は、本発明による装置の典型的な知覚電極の場合の容量と指表面距離の間
の関係を示すグラフ;
図5aと5bは、本発明の知覚装置に利用される代替先行技術による2つの知
覚回路のそれぞれの部分を示す図;
図6a−cは、知覚装置の動作で認められる典型的な波形を示す図;
図7a−7bは、知覚装置の先行技術による2つの変形形態をそれぞれ示す略
平面図;
図8は、知覚装置の先行技術による別の実施態様の一部を示す略断面図;
図9は、知覚装置を内蔵する典型的な指紋認識システムの略ブロック図。詳細な説明
図1には、それぞれの行にC個の知覚素子12を持つr個の行(1からr)か
らなる知覚素子のX−Y配列を有する単一の能動的マトリクスアドレス付き検出
パッド10を有する従来の技術の知覚装置が示されている。実際は、およそ2c
m×3cmの領域に規則的に配置された知覚素子の約300行200列があるこ
とになるだろう。発明の背景において説明したように、このように大きな単一チ
ップの装置は製造するのに困難でまた費用もかかる。図1gは、0.35×0.
35インチのダイス(図の左)を用いて、0.75×0.75インチのダイス(
図の右)の場合より歩留まりを28%増加させることを示す。さらに、より大き
な装置は亀裂や破損を起こしやすく、このため単一チップ装置の寿命に心配が
ある。
対照的に、図1aには、次々に配置された別々の接触撮像ダイスの配列の形態
での(4つの知覚パッドを有するがそれに限られたわけではない)、本発明に従
った知覚装置が示される。それは接近しているが、しかし非接触の関係である。
好ましくは、知覚パッド10a,10b,10c,および10d、(一般に10
として参照される)は、指を収容するのに十分な大きさの総表面積をもち、互い
に可能な限り接近させる;しかし、すべての条件下において、隣接する端の接触
を避けるために隣接するダイス間に小さな間隙がなければならない。その間隙は
また、その上を通過した指の力によって少なくとも1つの隣接知覚パッドが曲げ
られるときに、隣接端が当たらないように、調節されなければならない。こうし
て、隣接する知覚パッド間には、およそ0.0020インチまたはそれ以上の間
隙があることが好ましい。他方では、もしその間隙が大きすぎると、その間隙を
覆う指の範囲が知覚されない。図10aおよび10bでは、隣接するシリコン・
チップの知覚パッド10aおよび10b間の0.0020インチの間隙は、知覚
パッドの隣接端10aおよび10bが物理的に互いに接触することなしに、上限
5までの撓みが許されるということを示している。図1aおよび1eに示される
実施態様において、各々の知覚パッドは規則正しく配置された知覚素子のおよそ
100行100列を含み、およそ0.4インチ×0.4インチの面積を占める。
従来の技術によるおよそ0.75インチ×0.75インチまたはそれ以上大きさ
のシングル・シリコン知覚パッドを有するシステムは実用的でないことが分かっ
た。図1bに示されるように、4つの接触撮像装置は、FR4またはセラミック
(Al2O3)のキャリア・ボード上に組立てられる。ダイス10aから10dま
で、エポキシ7のような適切な接着剤を用いて基板8に接合される。ダイスから
接地面への背側面接合を要する部位には、差込み可能な84LMITエポキシが
用いられる。ほとんど隙間がないダイスの結合を得るために、各々のダイスの
下にX−パターンのエポキシ7が塗布される。これが図1cに示される。半径0
.0178インチの針をもつ注入器(図示せず)から、エポキシが注入される。
図示されるX−パターンを形作る0.4インチの長さのエポキシの2本のライン
を作るのに、およそ0.0008立方インチのエポキシが必要とされる。ダイス
10は、真空グリッパ(図示せず)を用いてエポキシ7の中に押し込まれる。最
終的なダイスの高さは、ロボット配置素子(図示せず)を使いダイスをエポキシ
の中に予め決められた深さに押し込んで調節するか、またはダイスが基板から、
必要とされる高さで接着されるように、決められた直径のガラス玉をスタンド・
オフの状態でエポキシ中に配置することによって調節する。
ダイス10a,10b,10c、および10dは、キャリア基板8に接着され
た後に、基板上に配置されたルーティング・トラック(18または20)と電気
的に結合される。ダイス・ボンディング・パッド9aおよび基板ボンディング・
パッド9bのあいだの電気的結合が、図1cに示されるようにワイヤ・ボンド1
3を通ってなされる。腐食しない金のワイヤ・ボンド13が好ましい。
シリコン・ダイスを保護するためには、通常指先からくる湿気、油、および塩
から守るためにチップの表面に窒化珪素の不動態化コーティングが加えられる。
ガスが溜まったパーラインCのさらなるコーティングが、部品上のピンホールお
よび掻き傷のような傷から保護するための最終的な表面コーティングとして用い
られる。
次に図1fを参照すると、本発明に従った知覚素子は、シリコン・ダイスの4
×4配列10a−10dおよび10e−10hを含んでいることが示されている
。ダイスの各々の4×4配列は、上述されたように間隔を置いて配置される。そ
の間隔はできるだけ小さく、しかも隣接する端が互いに接触しないように小さな
間隙をもつというものである。この実施態様に従った装置が、2本の指例えば人
差指および隣の2番目の指を受容するようにすれば本発明の長所が生かされる。
標
準のアルゴリズムを通じて適正にプログラムされたソフトウェアが、2本の指か
らのデータを、前もって保存された1つまたは複数の指紋の特徴を示すデータと
比較する。さらに、隣合う指の最も外側に検出される***部のあいだの相対距離
が、前に記憶されたデータに対応するさらなる指標として用いられる。
図2に示されるように、配列の各々の知覚素子は、3つの端末切替装置16を
電界効果トランジスタ(FET)の形態でもつ起動装置に結合した知覚電極14
を含む。知覚素子のX−Y配列は、行(選択)および列(知覚)アドレス指定線
18および20を経由してアドレス指定される。それぞれ、個々の知覚素子は導
体のそれぞれの交差点に設置される。おなじ行のすべての知覚素子はそれぞれの
共通の行の導体18に結合され、同じ列のすべての知覚素子はそれぞれの共通の
列の導体20に結合される。行の導体18はそれらの一方の端が、一般に22で
参照されるような、行の駆動回路に結合され、列の導体20はそれらの一方の端
において、図1の中の知覚回路24に結合される。
図示されるように、知覚素子のFETのゲートおよび電源はそれぞれ行の導体
18および列の導体20に結合している。FETのドレイン電極は知覚電極14
に結合している。
知覚素子12および10aから10dまでのパッドのアドレス指定導体18お
よび20の組立ては、液晶ディスプレイ装置のようなディスプレイ装置にアドレ
スされた能動的配列に用いられる技術に基づいて行われる。この技術は現在では
能動的マトリクス配列の製造のための手段として十分に確立されており、したが
って、知覚素子が組立てられる方法を詳細に説明することは必要でないと思われ
る。簡潔にいえば、この方法は、絶縁基板上の複数の層の光露光プロセスによる
堆積および輪郭化を典型的に含む。電極14およびアドレス導体18および20
は金属から形成でき、FETは適切な(例えばガラスまたは石英)基板を用いた
無定型シリコンまたは多結晶シリコンの薄膜トランジスタ(TFTs)として形
成することができる。
構造形態の1例が、図3において略図として示される。これは3つの完全な知
覚電極14を含むパッド10aの表示部分を通る断面図である。TFTの構造は
、明瞭化のために省略されたが、無定型または多結晶のシリコンの層を基板上に
堆積させ、この層をTFTのチャネルを形成する個々の島状構造となるように輪
郭化することによって、ガラスまたは石英の基板30の上に形成される。同様に
して、絶縁材、例えば窒化珪素の層が、TFTのゲート絶縁層を形成するために
堆積され輪郭化される。規則正しく配置され同じ大きさの矩形パッドを含む電極
14、およびそれらの間に展開するアドレス導体20は、堆積金属層から輪郭化
される。電極14と導体20を一体に延長して、それぞれTFTのドレインとソ
ースの接点を形成する。さらに、少なくとも、それらがアドレス導体と交差する
領域において、導体20を覆って絶縁材が与えられる。次に、これら導体18の
集合は、図3には示されていないが、おのおのの導体といっしょに堆積金属層か
ら形成される。これら導体の集合は、隣接する行の電極14間に展開し、それぞ
れの半導体の島状構造にまたがり、一体に延長されてTFTのゲート電極として
の役割をその長さにわたって有する。この結果、構造は、アドレス導体18およ
び20、および知覚電極14の集合をもつ、表示装置の能動的マトリクス構造に
似たものになる。それらの集合は、それぞれゲーティングおよび信号導体、およ
びディスプレイ装置の表示素子電極の集合に類似している。製造は、しかしなが
ら、電極には表示装置の表示素子電極には必ず使われるITOのような透明導電
材よりもむしろ金属が使われるという事実を観れば単純となっている。
知覚装置の構造を完成するために、基板表面に実質的に平行に位置する連続的
知覚表面34を提供するため、例えば、窒化シリコンまたはポリイミドの絶縁膜
32を基板30の構造上に完全に堆積させる。堆積したパーリンCコーティング
(表記せず)は組み立てた装置上最終的な傷防止用コーティングとして用いられ
る。
知覚電極の物理的寸法は指紋知覚の望ましい分解能特性に従って選ばれる。1
例として、知覚電極は行方向・列方向ともに約100マイクロメータのピッチが
よい。絶縁膜32の厚さは本膜に用いられた特定物質を考慮して選ばれる。例え
ば、約4の誘電率をを持つ物質の場合は、約4マイクロメータの膜厚が選ばれる
。
この知覚装置の操作では、指紋を知覚すべき指を知覚表面34に置く。すると
、表面34との実際のまたは密な接触が、図3に例証されるように、指表面のリ
ッジで起こり、指表面37の部分のリッジ36が描写される。リッジ(山部)に
隣接する指表面中のトラフ(谷部)は、表面34からかなり大きな距離だけ離れ
る。指表面のリッジは、薄い絶縁膜32の厚さにより決まる最小距離だけ電極配
列14から離れる。各知覚電極14およびその上の指表面のそれぞれの部分は、
図3中点線で示されるキャパシタ35の対プレートを形成し、指表面部部分に相
当するプレートが基本電位である。絶縁膜32の介在物質と、もしあるとすれば
指表面部と知覚表面34との間の空気ギャップがキャパシタの誘電体となる。こ
れら各キャパシタの静電容量は、指表面と知覚表面34間の図3中dに示す空間
の関数として変化し、指表面リッジが表面34と接触しているときは大きな静電
容量が生じ、指表面のトラフが知覚電極24上に重なるとより小さな静電容量を
生ずる。
静電容量のこの変化を図4に示すが、その中で、キャパシタ35のミリメータ
平方当たりピコファラドで表す静電容量Cxとマイクロメータで表す空間dとの
間の関係を、絶縁膜が相対誘電率4を持つ物質で、厚さが4マイクロメータであ
る場合についてグラフで示した。指紋リッジパターンによりパッド10の知覚素
子配列12上に生ずる静電容量の変化は、事実上このように指紋表面の三次元的
電子「画像」を構成する。これらの静電容量は知覚装置内で知覚され、変化を示
す出力、すなわち指紋の三次元プロファイルが提供される。指紋の三次元リッジ
パターンは、個々の知覚電極と指表面のリッジ間の静電容量の変化を検査するこ
とにより電子画像の形で再生される。静電容量の変化は指の三次元的形で決まる
ので、ダミーの指を作ることによる不正使用の試みは非常に難しくなる。
配列中の種々の知覚素子12間の静電容量変化の知覚は次のように行われる。
各知覚素子は関連する行(選択)および列(知覚)の導体18と20を通じてア
ドレスが指定される。行ドライバサーキット22により行導体18に発せられた
ゲーティングパルスは行導体に関連する素子列中の全知覚素子12のFET16
をターンオンする。
事前に決められた約10ボルトの電位が同時に回路24により全ての列導体2
0にかけられ、FET16がターンオンすると、その行の知覚素子12と関連す
るキャパシタ35は列キャパシタの電位に荷電される。キャパシタへの荷電電流
は列導体20に流れ、回路24中の適当な増幅器により知覚される。各キャパシ
タ35へ流れる荷電の大きさはキャパシタの大きさによる。従って、各列キャパ
シタ20中の荷電流を測ることにより、各キャパシタの大きさが判る。この方法
は各行知覚素子配列について次々に規則的に反復されるので、キャパシタ特性の
完全な「画像」が、全フィールド期間中配列中の全ての行のアドレスに従って構
成される。
本発明の図1a中のアドレス指定スキームは、本発明中の行ドライバ22と知
覚回路24が複合ダイス10aと10d間で分割されていることを除いて、米国
特許第5,325,442中に記載されているものと同様である。操作中、10
aから10dの接触画像配列から画像が走査されると、行ドライバ22と素子知
覚回路24はキャリヤ基板上のルートを通じて接触画像ダイス10a、10b、
10cおよび10d間の境界を基本的に超える。このように、画像配列中の装置
数とは関係なくドライバおよび知覚回路22および24により制御される。
図5aおよび5bは、それぞれキャパシタの荷電特性の知覚に用いられる二つ
の別の知覚回路を例示する。図5aは、3つの隣接する列導体20に対する電流
知覚回路構造の一部を示す。列導体20は、出力がサンプルおよび休止回路41
に供給される抵抗フィードバックでそれぞれの電流増幅器40に接続される。増
幅器のバイアス条件は列導体20に前述の事前に設定された電位水準をセットす
る。これらの回路41は同時に操作され、共通ライン42に沿って供給されるサ
ンプリングパルスにより、ゲーティングパルスと同調して行導体18に適用され
る。回路41のアナログ出力は、各導体20中の瞬間電流値を示すライン47に
沿う一連のパルス出力を提供するために、シフトレジスタ45操作スイッチ46
により連続的に通電する。
図5bは電荷増幅回路構造を例示し、二つの隣接する列導体20に働く部分を
示す。この回路では、列導体20は増幅器50に静電フィードバックを荷電する
ために接続され、そのアナログ出力は、各列導体中の荷電流の大きさを示す一連
のパルスをシフトレジスタ45操作スイッチ46により連続して同様に供給され
る。荷電増幅器50は、増幅器のシャントキャパシタを放電するためにスイッチ
52を操作するライン51をリセットするためのリセットパルスにより連続的な
行知覚素子にアドレスしている間の期間にリセットされる。
指紋の静電容量画像の読み込み、または連続的に異なった指紋の読み込みをを
可能にするために、電極14の荷電が、知覚素子が再び使われる前に、除去され
るか減らされているかを確かめることが必要である。これは、知覚電極14と、
各行の全知覚素子に共通な設置された導体かまたは次に隣接する行導体18のい
ずれかの間に接続された各知覚素子中に抵抗器を入れることにより行われる。こ
のような配置は、抵抗器および付加的隣接行導体それぞれ15および17を参照
として、図2中点線で示される。抵抗器は、TFTを制作するのに用いられる適
切にドープされた半導体物質からなる。
しかしながら、他の方法も用いられる。列導体に負荷された事前に定めた電位
は、連続する読みとりサイクルで二つの異なった水準間で変え得る。増幅器のバ
イアス条件もこれらの水準の一つを提供するのに用いられる。他の水準は、導体
20とそれに関連する増幅器40または50間に挿入されたスイッチによっても
提供される。また別に、中間的なリセットサイクルもこのアドレススキームに含
め得る。
これら全てのアプローチは、知覚素子が働くときはいつも荷電電流がその静電
容量を決めるのに用いられるように、キャパシタの荷電が起こることを保証する
。
知覚装置の操作中に存在する典型的な波形を、例として、図6に示す。より詳
細には、3組の波形、A、BおよびCが異なる操作モードに対して示され、ここ
で、Aは各知覚素子中に抵抗器15が含まれる場合であり、Bは列電位が連続す
る読みとりサイクル間で逆にする場合で、Cは中間リセットサイクルを持つ場合
である。VrおよびVcはそれぞれ行導体18と列導体20に用いられる電位で
あり、Vsは知覚電極14に現れる結果の電圧である。IaおよびIbはそれぞ
れ比較的低いおよび高い静電容量Cxに対する列導体20に流れる結果としての
電流である。図6に参照された特定の電位は例としてのみであると認識すべきで
ある。
知覚装置にはさまざまな修正が可能である。上記の実施態様では、知覚表面3
4は、絶縁膜32の露出表面だけから成っている。図7aと7bの略平面図は、
図7aでは格子導体のパターンで図7bでは線形導体のパターンで、金属膜導体
53が、知覚電極14の隣接する行と列の間の間隔を埋める膜32の露出表面上
に直接に堆積されている。動作中は、これらの導体パターンは、指表面に対する
電気的接触性を向上させるために接地される。
次に図8を参照すると、知覚装置の別の実施態様の、図3に類似の略断面図が
示されている。この実施態様は、絶縁膜32の表面上に実現されたさらに別の電
極配列を含む。この配列は、知覚電極14とほぼ同一の寸法と形状を持ち実質的
にこれを覆っている分離され電気的に絶縁された導体パッド54から成っている
。これらのパッド54は、電極14と一体になって、キャパシタ35の反対側プ
レートを形成している。パッド54を別にすれば、本実施態様は前述の実施態様
と同一であり、知覚素子の能動的マトリクス配列の動作は概して同一である。使
用に際しては、指が表面34上のパッド配列54に置かれる。次に指紋のリッジ
が配列の特定のパッド54に接触してこれを接地させ、これによって関連の知覚
素子のところに存在するキャパシタ35の容量が、対面するキャパシタ14およ
び54ならびに膜32の厚さによって測定される。前の実施態様と比較して、す
べてのリッジ接触位置における実質的に同一でより明瞭な容量値が得られる。そ
の他の位置においては、指の表面部分はその下に位置するパッド54から離れて
置かれていて、容量値は前と同じくこの間隔によって異なる。したがって、配列
全体の容量変動は指表面の外観を示すことになる。
上述のすべての知覚装置に関して、FET16はすでに述べたように、表示装
置用の技術上周知の標準技術で製造される無定形シリコンまたは多結晶シリコン
TFTから成る。しかしながら、FET16の配列はその代わりに、例えばシリ
コン・ウエハ基板を用いた従来の半導体集積回路の一部を形成することがある。
多結晶シリコンを用いる場合、アドレス指定回路22および24は基板30の
周辺でFET16と同時に形成し能動的マトリクスと一体に集積して非常にコン
パクトな知覚装置とすれば便利である。
図9の略ブロック図に、すでに述べ図9では参照符号60で示される知覚装置
を用いる指紋認識システムを示す。知覚装置60から出力される信号は、画像セ
ンサを用いる周知の光学式指紋知覚装置のビデオ式の出力に類似の形態である。
したがって、知覚装置を別にすれば、システムの構成部品は一般に、当業者には
明らかなように従来の手続きを踏襲しており、したがって、これら構成部品を詳
細に説明する必要はないと考えられる。簡単に言えば、適切に調整された装置6
0の出力は、細かい位置などの知覚された指紋の特徴を検出するようにプログラ
ムされている分析回路61に入力される。回路61から出力されたデータはコン
ピュータ62に送られ、そこで標準アルゴリズムによってそのデータを、システ
ムが識別用であるか単に検証用であるかによって、記憶装置63に保存されてい
る複数または単数の指紋の特徴的データと比較して、一致したか否かにしたがっ
て結果を出力する。
回路61は、認識の正確度を高めるために知覚装置から得られた三次元情報を
利用するかまたはその代わりに、装置60から得られた特定の出力信号値を選択
するように適切に識別して、周知の光学知覚装置から得られるものと類似の二進
法画像の性質を帯びた二次元リッジ・パターンを表す特定の情報を利用するよう
にプログラムすることができる。
本発明の精神と範囲から逸脱することなく多くの他の実施態様が可能である。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】平成9年7月30日(1997.7.30)
【補正内容】
ある。
対照的に、図1aには、次々に配置された別々の接触撮像ダイスの配列の形態
での(4つの知覚パッドを有するがそれに限られたわけではない)、本発明に従
った知覚装置が示される。それは接近しているが、しかし非接触の関係である。
好ましくは、知覚パッド10a,10b,10c,および10d、(一般に10
として参照される)は、指を収容するのに十分な大きさの総表面積をもち、互い
に可能な限り接近させる;しかし、すべての条件下において、隣接する端の接触
を避けるために隣接するダイス間に小さな間隙がなければならない。その間隙は
また、その上を通過した指の力によって少なくとも1つの隣接知覚パッドが曲げ
られるときに、隣接端が当たらないように、調節されなければならない。こうし
て、隣接する知覚パッド間には、およそ0.005cmまたはそれ以上の間隙が
あることが好ましい。他方では、もしその間隙が大きすぎると、その間隙を覆う
指の範囲が知覚されない。図10aおよび10bでは、隣接するシリコン・チッ
プの知覚パッド10aおよび10b間の0.005cmの間隙は、知覚パッドの
隣接端10aおよび10bが物理的に互いに接触することなしに、上限5までの
撓みが許されるということを示している。図1aおよび1eに示される実施態様
において、各々の知覚パッドは規則正しく配置された知覚素子のおよそ100行
100列を含み、およそ1cm×1cmの面積を占める。従来の技術によるおよ
そ1.9cm×1.9cmまたはそれ以上大きさのシングル・シリコン知覚パッ
ドを有するシステムは実用的でないことが分かった。図1bに示されるように、
4つの接触撮像装置は、FR4またはセラミック(Al2O3)のキャリア・ボー
ド上に組立てられる。ダイス10aから10dまで、エポキシ7のような適切な
接着剤を用いて基板8に接合される。ダイスから接地面への背側面接合を要する
部位には、差込み可能な84LMITエポキシが用いられる。ほとんど隙間がな
いダイスの結合を得るために、各々のダイスの下にX−パターンのエポキシ7
が塗布される。これが図1cに示される。半径0.0452cmの針をもつ注入
器(図示せず)から、エポキシが注入される。図示されるX−パターンを形作る
1cmの長さのエポキシの2本のラインを作るのに、およそ0.0131cm3
のエポキシが必要とされる。ダイス10は、真空グリッパ(図示せず)を用いて
エポキシ7の中に押し込まれる。最終的なダイスの高さは、ロボット配置素子(
図示せず)を使いダイスをエポキシの中に予め決められた深さに押し込んで調節
するか、またはダイスが基板から、必要とされる高さで接着されるように、決め
られた直径のガラス玉をスタンド・オフの状態でエポキシ中に配置することによ
って調節する。
ダイス10a,10b,10c、および10dは、キャリア基板8に接着され
た後に、基板上に配置されたルーティング・トラック(18または20)と電気
的に結合される。ダイス・ボンディング・パッド9aおよび基板ボンディング・
パッド9bのあいだの電気的結合が、図1cに示されるようにワイヤ・ボンド1
3を通ってなされる。腐食しない金のワイヤ・ボンド13が好ましい。
シリコン・ダイスを保護するためには、通常指先からくる湿気、油、および塩
から守るためにチップの表面に窒化珪素の不動態化コーティングが加えられる。
ガスが溜まったパーラインCのさらなるコーティングが、部品上のピンホールお
よび掻き傷のような傷から保護するための最終的な表面コーティングとして用い
られる。
次に図1fを参照すると、本発明に従った知覚素子は、シリコン・ダイスの4
×4配列10a−10dおよび10e−10hを含んでいることが示されている
。ダイスの各々の4×4配列は、上述されたように間隔を置いて配置される。そ
の間隔はできるだけ小さく、しかも隣接する端が互いに接触しないように小さな
間隙をもつというものである。この実施態様に従った装置が、2本の指例えば人
差指および隣の2番目の指を受容するようにすれば本発明の長所が生かされる。
標
0の出力は、細かい位置などの知覚された指紋の特徴を検出するようにプログラ
ムされている分析回路61に入力される。回路61から出力されたデータはコン
ピュータ62に送られ、そこで標準アルゴリズムによってそのデータを、システ
ムが識別用であるか単に検証用であるかによって、記憶装置63に保存されてい
る複数または単数の指紋の特徴的データと比較して、一致したか否かにしたがっ
て結果を出力する。
回路61は、認識の正確度を高めるために知覚装置から得られた三次元情報を
利用するかまたはその代わりに、装置60から得られた特定の出力信号値を選択
するように適切に識別して、周知の光学知覚装置から得られるものと類似の二進
法画像の性質を帯びた二次元リッジ・パターンを表す特定の情報を利用するよう
にプログラムすることができる。
本発明は寸法は変えることができる。しかし、ダイは6cm2より小さいこと
が好ましい。
請求の範囲(補正)
1. 基板と;
基板によって支持される撮像手段であり、撮像手段が、指紋を知覚するための
互いに緊密に置かれているダイス(10a;10b;10c;10d;10e;
10f;10g;10h)の配列を有し、ダイスの配列が基板(8)に結合され
ており、おのおののダイスが、ダイス配列(10a;10b;10c;10d;
10e;10f;10g;10h)中の隣接するダイスが、その隣接するエッジ
が指がダイスに押しつけられたときに互いに接触しないように間隔を置いて置か
れている装置上に指紋のリッジが存在することを知覚するための知覚素子の配列
(12)を有する撮像手段と;
を有することを特徴とする指紋知覚装置。
2. ダイス(10a;10b;10c;10d;10e;10f;10g;
10h)の互い同士の間隔が、指から力がダイスに印加されたときに隣接するダ
イスの隣接するエッジが互いに接触しないようにするために約0.005cmよ
り大きく、知覚素子のない状態のダイス同士間の間隔を覆う指の部分が最小とな
るように約0.0254cm未満であることを特徴とする請求の範囲第1項記載
の指紋知覚装置。
3. ダイスの配列(10a;10b;10c;10d;10e;10f;1
0g;10h)が4つのダイス(10a;10b;10c;10d;10e;1
0f;10g;10h)を含み、隣接するダイスの隣接するエッジ同士の間隔が
約0.005cm以上であることを特徴とする請求の範囲第1項記載の指紋知覚
装置。
4. 隣接するダイスの隣接するエッジ同士の間隔が0.0254cm未満で
あることを特徴とする請求の範囲第1項記載の指紋知覚装置。
5. ダイス(10a;10b;10c;10d;10e;10f;10g;
10h)のおのおのの表面積が約6cm2以下であることを特徴とする請求の範
囲第4項記載の指紋知覚装置。
6. a) おのおのが、互いに結合された知覚電極(14)とスイッチング
装置(16)を含む、複数の知覚素子(12)を有する撮像手段と;
b) 知覚される指紋とは無関係なシーケンスに従っておのおののスイッチン
グ装置(16)を制御してアドレス指定し、これによって結合されている知覚電
極(14)にアドレス指定されたときに、事前決定された電位がおのおののスイ
ッチング装置(16)を介して印加されるようにするための、前記知覚素子(1
2)のスイッチング装置(16)のすべてに結合される駆動手段と;
c) 前記知覚素子(12)のスイッチング装置(16)のすべてに結合され
、前記知覚素子(12)の知覚電極(14)と協働して指表面部分に基づいて容
量を知覚するための知覚手段と;を有する改良点を有する指紋接触撮像装置にお
いて、
撮像装置が半導体の分離して置かれた複数のダイス(10a;10b;10c
;10d;10e;10f;10g;10h)を有し、おのおののダイスが複数
の知覚素子から得られた知覚素子(12)の配列を持ち、前記知覚素子(12)
の知覚電極(14)のすべてが、個々の指表面部分を持つ少なくとも指の部分を
受容する知覚表面(34)の輪郭を定める誘電体材料(32)によって覆われて
おり、ダイス(10a;10b;10c;10d;10e;10f;10g;1
0h)が緊密に間隔付けされた配列中に配置され、基板(8)に結合されている
ことを特徴とする指紋接触撮像装置。
7. 基板(8)と;
駆動・知覚回路を有する撮像手段と;
知覚回路から与えられた信号を処理するために、駆動・知覚回路に結合された
プロセッサ手段(61、62)を備える指紋獲得装置において、
撮像手段が、基板(8)に結合された分離して置かれた少なくとも4つのダイ
ス(10a;10b;10c;10d;10e;10f;10g;10h)の配
列を有し、装置上に指紋のリッジが存在することを知覚するための知覚素子(1
2)の配列をおのおののダイス(10a;10b;10c;10d;10e;1
0f;10g;10h)が有し、間隔付けされた4つのダイスのおのおのの上の
知覚素子から駆動・知覚回路に至る複数の電気経路となる複数の導体(18;2
0)を基板(8)が含むことを特徴とする指紋獲得装置。
8. ダイス(10a;10b;10c;10d;10e;10f;10g;
10h)同士の分離間隔が、指から力がダイスに印加されたときに隣接するダイ
スの隣接するエッジが互いに接触しないように、約0.005cmより大きく、
知覚素子(12)のない状態のダイス同士間の間隔を覆う指の部分が最小となる
ように、約0.0254cm未満であることを特徴とする請求の範囲第7項記載
の装置。
9. ダイスの配列が8個のダイス(10a;10b;10c;10d;10
e;10f;10g;10h)を含み、ダイスの隣接するエッジ同士の間隔が約
0.005cm以上であり、ダイスが少なくとも2本の指の部分を収容するよう
に配置されていることを特徴とする請求の範囲第3項記載の指紋知覚装置。
10. ダイス(10a;10b;10c;10d;10e;10f;10g
;10h)がシリコンからできていることを特徴とする請求の範囲第7項記載の
指紋獲得装置。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S
Z,UG),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD
,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ
,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ,
DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I
S,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LR
,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,
MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,S
D,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR,TT
,UA,UG,US,UZ,VN
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 基板と; 指紋を知覚するための互いに近接して置かれたダイスの配列を備え;前記ダイ スの配列が基板の結合されており、ダイスはおのおのが、指紋のリッジが装置上 に存在することを知覚するための知覚素子の配列を有することを特徴とする指紋 知覚装置。 2. ダイス配列中の隣接するダイス同士が、指がダイスに押しつけられたと きに隣接するエッジが互いに接触しないように間隔をおいて置かれることを特徴 とする請求の範囲第1項記載の指紋知覚装置。 3. ダイス配列が4つのダイスを含み、隣接するダイスの隣接するエッジ同 士の間隔が約0.0020インチ以上であることを特徴とする請求の範囲第1項 記載の指紋知覚装置。 4. 隣接するダイスの隣接するエッジ同士の間隔が0.01インチ未満であ ることを特徴とする請求の範囲第3項記載の指紋知覚装置。 5. おのおののダイスの表面積が約6cm2以下であることを特徴とする請 求の範囲第4項記載の指紋知覚装置。 6. a) おのおのが知覚素子の配列を持ち、その知覚素子のおのおのが互 いに結合された知覚電極とスイッチング装置を含み、前記知覚素子の知覚電極の すべてが誘電体材料で覆われて、指の少なくとも一部分を受容し知覚表面の輪郭 を求める、分離されて配置されている半導体からなる複数のダイスと; b) 知覚される指紋とは無関係なシーケンスに従っておのおののスイッチン グ装置を制御してアドレス指定し、これによって結合されている知覚電極にアド レス指定されたときに、事前決定された電位がおのおののスイッチング装置を介 して印加されるようにするための、前記知覚素子のスイッチング装置のすべてに 結合されている駆動手段と; c) 前記知覚装置のスイッチング装置のすべてに結合され、前記知覚素子の 知覚電極と協働して指表面部分に基づいて容量を知覚するためにダイスとして形 成され、それらのダイスが互いに緊密に間隔付けされた配列として配置されて基 板に結合されている知覚手段と; を有することを特徴とする指紋接触撮像装置。 7. 基板と; 基板に結合され、離れて置かれた少なくとも4つのダイスの配列であり、おの おののダイスが、装置上に指のリッジが存在することを知覚する知覚素子の配列 を有し、基板が、離れて置かれた4つのダイスのおのおのの知覚素子から駆動・ 知覚回路までの複数の電気経路となる複数の導体を含むダイス配列と; 知覚回路から与えられた信号を処理するための、駆動・知覚回路に結合された プロセッサ手段と; を有することを特徴とする指紋獲得装置。 8. 隣接するダイスの隣接するエッジが互いに接触しないようにするために 、ダイスに対して指から力が印加されたときにダイス同士の分離間隔が約0.0 020インチより大きく、知覚素子のない状態のダイス同士間の間隔を覆う指の 部分が最小となるように前記分離間隔が0.010インチ未満であることを特徴 とする請求の範囲第7項記載の装置。 9. ダイスの配列が8個のダイスを含み、ダイスの互いに隣接するエッジ同 士の間隔が約0.0020インチ以上であり、ダイスが少なくとも2本の指の部 分を受容できるように配置されていることを特徴とする請求の範囲第3項記載の 指紋知覚装置。 10. ダイスがシリコンからできていることを特徴とする請求の範囲第7項 記載の指紋獲得装置。
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