JP3003311B2 - 指紋センサ - Google Patents
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
- G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
- G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
- G06V40/12—Fingerprints or palmprints
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- G06V40/1306—Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電薄膜を利用した指
紋センサに関し、特に指の指紋パターンを検出するため
のセンサ部の構成に関する。
紋センサに関し、特に指の指紋パターンを検出するため
のセンサ部の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、情報システムの発展、普及、多様
化に伴って、「万人不同」、「終生不変」という指紋情
報を用いた情報セキュリティが注目を集めている。現
在、実用化されている指紋照合システムは、各種端末に
組み込むためには形状も大きく高価であり、今後、情報
システム機器に組み込み可能な、小型化あるいはカード
形状の指紋センサが切望されている。
化に伴って、「万人不同」、「終生不変」という指紋情
報を用いた情報セキュリティが注目を集めている。現
在、実用化されている指紋照合システムは、各種端末に
組み込むためには形状も大きく高価であり、今後、情報
システム機器に組み込み可能な、小型化あるいはカード
形状の指紋センサが切望されている。
【０００３】従来の指紋検出方法は、指先をガラス面な
どに押し当てて、その部分を光源で照射し、その反射光
をＣＣＤ等により光電変換して電気出力信号とし、この
電気出力信号を処理することにより、指紋を検出してい
る（例えば特開昭６０−１１４９７９号公報）。この様
な光学式の指紋センサ以外には、感圧シートにマトリッ
クス電極を形成し、感圧シートの抵抗値を電気的に取り
出すこよにより、指紋パターンを圧力的に検出する方法
（例えば特開昭６３−２０４３７４号公報）なども提案
されている。
どに押し当てて、その部分を光源で照射し、その反射光
をＣＣＤ等により光電変換して電気出力信号とし、この
電気出力信号を処理することにより、指紋を検出してい
る（例えば特開昭６０−１１４９７９号公報）。この様
な光学式の指紋センサ以外には、感圧シートにマトリッ
クス電極を形成し、感圧シートの抵抗値を電気的に取り
出すこよにより、指紋パターンを圧力的に検出する方法
（例えば特開昭６３−２０４３７４号公報）なども提案
されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の光
学式指紋センサにおいては、光源およびその電源やレン
ズなどを含む光学系とＣＣＤなどの光電変換素子が必要
であるため、センサ部が大型化すると共にコスト高とな
るという問題点を有していた。また上記の感圧式指紋セ
ンサにおいては、感圧シートを用いているためセンサ部
の構成が簡素であり薄型化が可能であるが、センシング
に感圧導電ゴムを用いるため、再現性、クリープなど信
頼性に欠けるという問題点を有していた。
学式指紋センサにおいては、光源およびその電源やレン
ズなどを含む光学系とＣＣＤなどの光電変換素子が必要
であるため、センサ部が大型化すると共にコスト高とな
るという問題点を有していた。また上記の感圧式指紋セ
ンサにおいては、感圧シートを用いているためセンサ部
の構成が簡素であり薄型化が可能であるが、センシング
に感圧導電ゴムを用いるため、再現性、クリープなど信
頼性に欠けるという問題点を有していた。
【０００５】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、小型化が可能でかつ高分解能で信頼性の高い指紋セ
ンサを提供することを目的とする。
で、小型化が可能でかつ高分解能で信頼性の高い指紋セ
ンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の指紋センサは、複数個のセンサ素子と、各セ
ンサ素子の出力信号を増幅する増幅素子またはインピー
ダンス変換するインピーダンス変換素子と、増幅素子ま
たはインピーダンス変換素子の出力を順次走査するスイ
ッチング素子とを備え、上記センサ素子は圧電薄膜より
構成されていることを特徴とする。
に本発明の指紋センサは、複数個のセンサ素子と、各セ
ンサ素子の出力信号を増幅する増幅素子またはインピー
ダンス変換するインピーダンス変換素子と、増幅素子ま
たはインピーダンス変換素子の出力を順次走査するスイ
ッチング素子とを備え、上記センサ素子は圧電薄膜より
構成されていることを特徴とする。
【０００７】
【作用】この構成によって、圧電薄膜よりなる圧電素子
が指紋の山部（隆線）と接触し、各圧電素子における圧
電効果により、指紋の山部と接触している各圧電素子の
圧力が電気出力信号として検出される。この圧電素子は
マトリックス状に複数個配置されており、各圧電素子は
増幅素子またはインピーダンス変換素子とスイッチング
素子とを備えているため、指の指紋パターンに応じた圧
力分布を検出するこができる。
が指紋の山部（隆線）と接触し、各圧電素子における圧
電効果により、指紋の山部と接触している各圧電素子の
圧力が電気出力信号として検出される。この圧電素子は
マトリックス状に複数個配置されており、各圧電素子は
増幅素子またはインピーダンス変換素子とスイッチング
素子とを備えているため、指の指紋パターンに応じた圧
力分布を検出するこができる。
【０００８】
【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【０００９】図１は、本発明の指紋センサのマトリック
ス単位つまり１つのセンサ素子部分の構成を示す平面図
である。同図において、１は上下面に電極を備えた圧電
薄膜より構成されるセンサ素子であり、２はこのセンサ
素子１を走査するためのスイッチング用のＭＯＳ型電界
効果トランジスタ（以下ＦＥＴと記す）であり、３はこ
のセンサ素子１の出力信号のインピーダンスを低くして
信号処理しやすくするためのインピーダンス変換用ＦＥ
Ｔであり、また３はセンサ素子１の出力信号を増幅する
増幅用ＦＥＴであってもよい。
ス単位つまり１つのセンサ素子部分の構成を示す平面図
である。同図において、１は上下面に電極を備えた圧電
薄膜より構成されるセンサ素子であり、２はこのセンサ
素子１を走査するためのスイッチング用のＭＯＳ型電界
効果トランジスタ（以下ＦＥＴと記す）であり、３はこ
のセンサ素子１の出力信号のインピーダンスを低くして
信号処理しやすくするためのインピーダンス変換用ＦＥ
Ｔであり、また３はセンサ素子１の出力信号を増幅する
増幅用ＦＥＴであってもよい。
【００１０】圧電薄膜より構成されるセンサ素子１の出
力は非常に小さく、しかも出力インピーダンスがきわめ
て大きいので、センサ素子１の出力を正確に読み出すた
めには、出力の増幅かインピーダンスの変換またはこれ
らの両方が必要であり、本実施例の指紋センサの特徴と
しては、このセンサ素子１と１対１に対応するスイッチ
ング用ＦＥＴ２と増幅用ＦＥＴまたはインピーダンス変
換用ＦＥＴ３を同一の半導体基板上に構成している。
力は非常に小さく、しかも出力インピーダンスがきわめ
て大きいので、センサ素子１の出力を正確に読み出すた
めには、出力の増幅かインピーダンスの変換またはこれ
らの両方が必要であり、本実施例の指紋センサの特徴と
しては、このセンサ素子１と１対１に対応するスイッチ
ング用ＦＥＴ２と増幅用ＦＥＴまたはインピーダンス変
換用ＦＥＴ３を同一の半導体基板上に構成している。
【００１１】同実施例において、センサ素子１は、真空
蒸着法あるいはスパッタリング法により、アルミニウム
等からなる下面電極４を形成し、この電極上にスパッタ
リング法により酸化亜鉛あるいはジルコンチタン酸鉛か
らなる一辺が約３０μｍで厚さが約１μｍの圧電薄膜５
を形成し、さらにこの圧電薄膜５上に真空蒸着法あるい
はスパッタリング法により、アルミニウム等からなる上
面電極６を形成し、さらに上面電極６上には図示しない
絶縁性保護膜を被覆形成することにより構成されてい
る。
蒸着法あるいはスパッタリング法により、アルミニウム
等からなる下面電極４を形成し、この電極上にスパッタ
リング法により酸化亜鉛あるいはジルコンチタン酸鉛か
らなる一辺が約３０μｍで厚さが約１μｍの圧電薄膜５
を形成し、さらにこの圧電薄膜５上に真空蒸着法あるい
はスパッタリング法により、アルミニウム等からなる上
面電極６を形成し、さらに上面電極６上には図示しない
絶縁性保護膜を被覆形成することにより構成されてい
る。
【００１２】ここで、センサ素子１が指紋パターンの山
部と接触し、圧電薄膜５に圧力が加えられた際に、下面
電極４と上面電極６との間に発生する電位差つまり出力
電圧は、圧電材料の圧電定数に比例し、圧電材料の厚み
に反比例するため、この圧電薄膜の材料としては、厚さ
が均一でしかも薄く、圧電定数の大きな材料である必要
がある。これに加えて、成膜の容易性、成膜温度、膜の
均一性などを考慮すると、酸化亜鉛あるいはジルコンチ
タン酸鉛が望ましく、これらの厚みとしては１μｍ程度
が適している。
部と接触し、圧電薄膜５に圧力が加えられた際に、下面
電極４と上面電極６との間に発生する電位差つまり出力
電圧は、圧電材料の圧電定数に比例し、圧電材料の厚み
に反比例するため、この圧電薄膜の材料としては、厚さ
が均一でしかも薄く、圧電定数の大きな材料である必要
がある。これに加えて、成膜の容易性、成膜温度、膜の
均一性などを考慮すると、酸化亜鉛あるいはジルコンチ
タン酸鉛が望ましく、これらの厚みとしては１μｍ程度
が適している。
【００１３】また、スイッチング用ＦＥＴ２および増幅
用またはインピーダンス変換用ＦＥＴ３は、単結晶シリ
コン基板７上にイオン注入法により形成されたｎ型ある
いはｐ型のソースおよびドレインと多結晶シリコンゲー
トにより構成され、増幅用またはインピーダンス変換用
ＦＥＴ３のゲート８からセンサ部の下面電極４が取り出
され、ソース９からセンサ部の上面電極６が取り出さ
れ、ドレイン１０は電極１１を介してスイッチング用Ｆ
ＥＴのドレイン１２と接続され、かつこの電極１１を介
してドレイン抵抗１３が接続されており、電極１４は図
示しない電源のプラス側に接続されている。
用またはインピーダンス変換用ＦＥＴ３は、単結晶シリ
コン基板７上にイオン注入法により形成されたｎ型ある
いはｐ型のソースおよびドレインと多結晶シリコンゲー
トにより構成され、増幅用またはインピーダンス変換用
ＦＥＴ３のゲート８からセンサ部の下面電極４が取り出
され、ソース９からセンサ部の上面電極６が取り出さ
れ、ドレイン１０は電極１１を介してスイッチング用Ｆ
ＥＴのドレイン１２と接続され、かつこの電極１１を介
してドレイン抵抗１３が接続されており、電極１４は図
示しない電源のプラス側に接続されている。
【００１４】ドレイン抵抗１３の大きさにより、センサ
出力の増幅かインピーダンス変換が実現される（当然増
幅とインピーダンス変換の両方の機能を実現することも
できる）。またスイッチング用ＦＥＴ２のゲート１５に
は電極１６を介して制御信号が印加され、ソース１７か
ら電極１８を介して出力信号を検出している。
出力の増幅かインピーダンス変換が実現される（当然増
幅とインピーダンス変換の両方の機能を実現することも
できる）。またスイッチング用ＦＥＴ２のゲート１５に
は電極１６を介して制御信号が印加され、ソース１７か
ら電極１８を介して出力信号を検出している。
【００１５】ここで、指紋の山部の構造（隆線構造）
は、空間周波数２〜３本／ｍｍの細かいパターンであ
り、指紋の谷部（谷線）の幅は狭い所では１００μｍ程
度になるため、指紋パターンを再現性良く正確に入力す
るためには、センサとして５０μｍ（２０本／ｍｍ）程
度の分解能が必要になってくる。従って、検出面積を２
０×２０〜２５×２５ｍｍとし分解能を５０μｍとする
と、４００×４００〜５００×５００個（１６万画素〜
２５万画素）のセンサ単位を構成する必要がある。
は、空間周波数２〜３本／ｍｍの細かいパターンであ
り、指紋の谷部（谷線）の幅は狭い所では１００μｍ程
度になるため、指紋パターンを再現性良く正確に入力す
るためには、センサとして５０μｍ（２０本／ｍｍ）程
度の分解能が必要になってくる。従って、検出面積を２
０×２０〜２５×２５ｍｍとし分解能を５０μｍとする
と、４００×４００〜５００×５００個（１６万画素〜
２５万画素）のセンサ単位を構成する必要がある。
【００１６】つまり、図１に示した一辺が約３０μｍの
センサ素子１と、スイッチング用ＦＥＴ２と、増幅用ま
たはインピーダンス変換用ＦＥＴ３とにより構成される
一辺が約５０μｍの１つのセンサ単位（図中の斜線部領
域）を、図２に示した様にマトリックス状に複数個配置
することにより、本実施例の指紋センサを構成してい
る。
センサ素子１と、スイッチング用ＦＥＴ２と、増幅用ま
たはインピーダンス変換用ＦＥＴ３とにより構成される
一辺が約５０μｍの１つのセンサ単位（図中の斜線部領
域）を、図２に示した様にマトリックス状に複数個配置
することにより、本実施例の指紋センサを構成してい
る。
【００１７】上記構成とすることにより、指紋の山部と
谷部とを、十分な精度で検出することが可能となり、指
の指紋パターンに応じた圧力分布を精度良く検出するこ
とができる。なお、上記実施例においては、１つのセン
サ単位をマトリックス状に整列配置しているが、これに
限定されるものではなく、例えば千鳥形状に配列させる
ことも可能である。
谷部とを、十分な精度で検出することが可能となり、指
の指紋パターンに応じた圧力分布を精度良く検出するこ
とができる。なお、上記実施例においては、１つのセン
サ単位をマトリックス状に整列配置しているが、これに
限定されるものではなく、例えば千鳥形状に配列させる
ことも可能である。
【００１８】また、同実施例においては、電気出力信号
の検出手段として、単結晶シリコンのＦＥＴアレイを用
いたが、この理由について説明する。上記ＦＥＴアレイ
以外の検出方法としては、ＣＣＤにより出力信号を転送
する方法もあるが、最小取扱電荷が約６．３×１０−１
７Ｃであるため、圧電薄膜による小さな出力電荷を正確
に検出するための充分な階調が得られないという問題点
がある。
の検出手段として、単結晶シリコンのＦＥＴアレイを用
いたが、この理由について説明する。上記ＦＥＴアレイ
以外の検出方法としては、ＣＣＤにより出力信号を転送
する方法もあるが、最小取扱電荷が約６．３×１０−１
７Ｃであるため、圧電薄膜による小さな出力電荷を正確
に検出するための充分な階調が得られないという問題点
がある。
【００１９】さらに、アモルファスシリコンあるいは多
結晶シリコンの薄膜トランジスタ（ＴＥＴ）を用いてス
イッチング素子を構成する方法もあるが、両者とも単結
晶シリコンのＦＥＴに比較して、漏れ電流が大きいた
め、μｓｅｃオーダの非常に短時間の間に出力信号を読
み出す必要があるという問題点がある。
結晶シリコンの薄膜トランジスタ（ＴＥＴ）を用いてス
イッチング素子を構成する方法もあるが、両者とも単結
晶シリコンのＦＥＴに比較して、漏れ電流が大きいた
め、μｓｅｃオーダの非常に短時間の間に出力信号を読
み出す必要があるという問題点がある。
【００２０】これに比較して、単結晶シリコン上に増幅
素子またはインピーダンス変換素子とスイッチング素子
とを構成することにより、単結晶シリコンはアモルファ
スシリコンあるいは多結晶シリコンと比較して、漏れ電
流が１０2 〜１０4 倍程度少なく、出力信号の読み取り
時間がｍｓｅｃ〜ｓｅｃオーダになるため、圧電薄膜に
よる小さな出力電荷を正確に検出することが可能とな
る。
素子またはインピーダンス変換素子とスイッチング素子
とを構成することにより、単結晶シリコンはアモルファ
スシリコンあるいは多結晶シリコンと比較して、漏れ電
流が１０2 〜１０4 倍程度少なく、出力信号の読み取り
時間がｍｓｅｃ〜ｓｅｃオーダになるため、圧電薄膜に
よる小さな出力電荷を正確に検出することが可能とな
る。
【００２１】次に、この指紋センサの出力信号の検出方
法を説明する。説明を簡略化するために、３行×３列の
マトリックス状の検出素子から構成される指紋センサの
回路図を図３に示す。
法を説明する。説明を簡略化するために、３行×３列の
マトリックス状の検出素子から構成される指紋センサの
回路図を図３に示す。
【００２２】同図において、まず制御端子Ｃ1 、Ｃ2 、
Ｃ3 のうち１つの制御端子例えばＣ 1 に正電圧を加え、
他の制御端子Ｃ2 、Ｃ3 を０電圧にすると、制御端子Ｃ
1 に接続されているスイッチング用ＦＥＴ２１１、２１
２、２１３のみがオン状態となり、インピーダンス変換
用ＦＥＴ３１１、３１２、３１３によりセンサ素子１１
１、１１２、１１３の出力をインピーダンス変換して、
ドレイン抵抗４１１、４１２、４１３を介してセンサ素
子１１１、１１２、１１３の出力信号の読み出しが可能
な状態となる。
Ｃ3 のうち１つの制御端子例えばＣ 1 に正電圧を加え、
他の制御端子Ｃ2 、Ｃ3 を０電圧にすると、制御端子Ｃ
1 に接続されているスイッチング用ＦＥＴ２１１、２１
２、２１３のみがオン状態となり、インピーダンス変換
用ＦＥＴ３１１、３１２、３１３によりセンサ素子１１
１、１１２、１１３の出力をインピーダンス変換して、
ドレイン抵抗４１１、４１２、４１３を介してセンサ素
子１１１、１１２、１１３の出力信号の読み出しが可能
な状態となる。
【００２３】次に出力端子Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 のうち１つ
の出力端子例えばＲ1 を選択することにより、センサ素
子１１１の出力信号のみが読み出されることになる。こ
の様に、制御端子Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 を用いて行を選択
し、出力端子Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3を用いて列を選択するこ
とにより、この行と列との交差する部分に接続された特
定のセンサ素子の出力信号を順次読み出すことが可能と
なる。
の出力端子例えばＲ1 を選択することにより、センサ素
子１１１の出力信号のみが読み出されることになる。こ
の様に、制御端子Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 を用いて行を選択
し、出力端子Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3を用いて列を選択するこ
とにより、この行と列との交差する部分に接続された特
定のセンサ素子の出力信号を順次読み出すことが可能と
なる。
【００２４】なお、上記実施例においては、センサ部本
体の構成のみについて記載したが、上記回路構成以外に
も、制御端子を用いて行を選択する回路と出力端子を用
いて列を選択する回路および出力信号の処理回路が別途
必要であるが、これらの周辺回路構成については、特に
限定されるものではなく、本実施例においては、センサ
基板として半導体基板を用いているため、上記周辺回路
部をセンサの周辺部に一体形成することも可能である。
体の構成のみについて記載したが、上記回路構成以外に
も、制御端子を用いて行を選択する回路と出力端子を用
いて列を選択する回路および出力信号の処理回路が別途
必要であるが、これらの周辺回路構成については、特に
限定されるものではなく、本実施例においては、センサ
基板として半導体基板を用いているため、上記周辺回路
部をセンサの周辺部に一体形成することも可能である。
【００２５】
【発明の効果】以上のように本発明は、マトリックス状
に配置された複数個の圧電薄膜センサと、上記各圧電薄
膜センサの出力信号を増幅またはインピーダンス変換す
る増幅素子またはインピーダンス変換素子と、上記増幅
素子またはインピーダンス変換素子の出力を順次走査す
るスイチング素子とを同一の半導体基板上に構成するこ
とにより、各圧電薄膜センサによる指の指紋パターンに
応じた圧力分布を精度良く検出することができるため、
小型化が可能でありかつ高分解能で指紋パターンを検出
することができる優れた指紋センサを実現できるもので
ある。
に配置された複数個の圧電薄膜センサと、上記各圧電薄
膜センサの出力信号を増幅またはインピーダンス変換す
る増幅素子またはインピーダンス変換素子と、上記増幅
素子またはインピーダンス変換素子の出力を順次走査す
るスイチング素子とを同一の半導体基板上に構成するこ
とにより、各圧電薄膜センサによる指の指紋パターンに
応じた圧力分布を精度良く検出することができるため、
小型化が可能でありかつ高分解能で指紋パターンを検出
することができる優れた指紋センサを実現できるもので
ある。
【図１】本発明の一実施例における指紋センサの１つの
センサ素子部分の平面図
センサ素子部分の平面図
【図２】同実施例センサの全体構成を示す平面図
【図３】同実施例センサの回路図
１ センサ素子 ２ スイッチング用ＦＥＴ ３ インピーダンス変換用ＦＥＴ ４ 下面電極 ５ 圧電薄膜 ６ 上面電極 ７ シリコン基板 ８ インピーダンス変換用ＦＥＴのゲート ９ インピーダンス変換用ＦＥＴのソース １０ インピーダンス変換用ＦＥＴのドレイン １１、１４、１６、１８ 電極 １２ スイッチング用ＦＥＴのドレイン １３ ドレイン抵抗 １５ スイッチング用ＦＥＴのゲート １７ スイッチング用ＦＥＴのソース １１１、１１２、１１３ センサ素子 １２１、１２２、１２３ センサ素子 １３１、１３２、１３３ センサ素子 ２１１、２１２、２１３ スイッチング用ＦＥＴ ２２１、２２２、２２３ スイッチング用ＦＥＴ ２３１、２３２、２３３ スイッチング用ＦＥＴ ３１１、３１２、３１３ インピーダンス用ＦＥＴ ３２１、３２２、３２３ インピーダンス用ＦＥＴ ３３１、３３２、３３３ インピーダンス用ＦＥＴ ４１１、４１２、４１３ ドレイン抵抗 ４２１、４２２、４２３ ドレイン抵抗 ４３１、４３２、４３３ ドレイン抵抗 Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 制御端子 Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 出力端子 Ｖ 電源端子 Ｇ アース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−253624（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−27277（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−61966（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G06T 1/00 G06F 3/03 315 G06F 3/03 345
Claims (4)
- 【請求項１】 指紋情報を電気出力信号に変換する指紋
センサであって、複数個のセンサ素子と、上記各センサ
素子の出力信号を増幅する増幅素子またはインピーダン
ス変換するインピーダンス変換素子と、上記増幅素子ま
たはインピーダンス変換素子の出力を順次走査するスイ
ッチング素子とを備え、上記センサ素子は圧電薄膜より
構成されていることを特徴とする指紋センサ。 - 【請求項２】 圧電薄膜が酸化亜鉛薄膜であることを特
徴とする請求項１に記載の指紋センサ。 - 【請求項３】 圧電薄膜がジルコンチタン酸鉛薄膜であ
ることを特徴とする請求項１に記載の指紋センサ。 - 【請求項４】 センサ素子と、増幅素子またはインピー
ダンス変換素子と、スイッチング素子とが同一の半導体
基板上に構成されていることを特徴とする請求項１に記
載の指紋センサ。
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