KR101886318B1 - 능동 센서 어레이용 저 노이즈 판독 구조 - Google Patents

Abstract

센서 장치는 행렬 내에 배열되어 있는 능동 센서 소자 어레이를 포함한다. 각 센서 소자는, 이 센서 소자를 활성화시키기 위한 활성 전류가 제공되는 제 1 전류 경로 내에 배치되어 있는 박막 접속 소자와 연계되어 있다. 각 센서 소자는 각각의 제 2 전류 경로를 통해 판독된다. 제 2 전류 경로는 제 1 전류 경로의 박막 접속 소자를 포함하고 있지 않다. 이에 따라, 박막 접속 소자로부터의 노이즈는 제 2 전류 경로와 이격되어 있다.

Description

능동 센서 어레이용 저 노이즈 판독 구조{LOW NOISE READING ARCHITECTURE FOR ACTIVE SENSOR ARRAYS}

본 출원은 본 명세서에 그 전체 내용이 참고로 통합되어 있는, 발명의 명칭을 "능동 센서 어레이용 저 노이즈 판독 구조"로 하여 2009년 1월 6일자로 미국에 출원된 임시출원 제61/141,716호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 센서 어레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 능동 센서 어레이에 관한 것이다.

대 면적 전자 소자 분야에서, 저비용, 고성능의 센서는 가장 표적이 되는 응용 기술 중 하나이다. 이들 센서는, 몇 개를 예로 들면 열 측정, 엑스-레이 검출 및 압력의 감지와 같은 다양한 포착 기능(acquisition functions)을 위해 사용될 수 있다. 이들 기기들은 다른 분야보다도 의학, 환경, 보안 및 공업 제품을 포함하는 다양한 분야에서 사용된다. 특히, 생체 보안 기술(biometric security)은 최근에 많은 관심을 끌고 있으며, 이 분야의 첨단에는 지문인식 기술이 주요한 기술이다. 손가락 피부에 형성된 융선(ridge)과 골(valley)에 의해 형성된 미세 패턴은 고해상도의 감지 어레이(sensing array)에 의해 도해(mapped)될 수 있다. 이러한 감지 어레이는 이 기술분야에서 여러 해 동안 사용되었지만, 기본적 작동 원리는 다양하다. 일부 센서들은 열 신호를 이용하는 반면, 다른 센서들은 전기적 또는 광학적 신호를 이용한다. 지문 패턴을 판독하는데 사용되는 물리적 원리(예컨대, 광학, 전기용량, 압력 등)에 의하여 정확도 수준이 제한되는데, 대부분의 센서들은 생체 보안 목적을 위해 요구되는 정확도의 수준까지는 미치지 못하고 있다. 아울러, 지문 인식(fingerprint scan)을 수행할 때 먼지나 습도와 같은 환경적 변수에 대한 내성(immunity)이 또한 중요하다.

이들 감지 어레이의 개발 및 상업화는, 감지 어레이의 감지 정확도는 물론이고 감지 어레이를 제조하는데 사용되는 처리 기술 비용에 의해 통상적으로 영향을 받게 된다. 이들 센서는 대 면적에 설치되기 때문에, 수용할 수 있는 비용으로 적절한 정확도 수준을 얻을 수 있는 적당한 기술을 선택하는 것이 종종 어렵다.

가장 효율적이고 정확한 감지 어레이는 능동 원리(active principles)에 근거하고 있다. 능동 센서는 주어진 자극에 대하여 특정한 물리적 파라미터 반응을 정량화한다. 가장 유망한 방법 중의 하나가 능동 열 원리(active thermal principle)이다. 특히, 주어진 열 자극에 대하여 능동 열 센서는 물체의 열전도도(heat conductance)를 측정한다. 이러한 형태의 센서의 예는 "열전도에 기초한 지문 영상을 획득하기 위한 센서"를 발명의 명칭으로 하는 Dinh의 미국특허 제6,091,837호(이하, "Dinh Ⅰ"), "지문 감지와 다른 측정을 위한 장치"를 발명의 명칭으로 하며 역시 Dinh의 WO 2006/033582 A1 (이하, "Dinh Ⅱ")에 개시되어 있는데, 이들 각각의 특허의 전체 내용이 본 명세서에서 참고로 통합되어 있다. 센서 어레이 내의 각각의 감지 부위에 의하여 자극에 대한 반응이 측정된다. 소자(element)의 열 반응은 제공되는 자극에 대하여 부분적으로 상관관계를 가지는데, 즉 자극이 크면 클수록 반응도 커진다. 감지 부위에 전류를 인가함으로써 감지 부위가 발열된다.

고성능 다결정 실리콘(high performance polycrystalline silicon, "폴리실리콘") 박막 트랜지스터(TFTs)와 같은 저비용 반도체 전자 소자에서의 최근의 진보로 인하여, 감소된 비용으로 정확한 감지 어레이를 구현할 수 있게 되었다. 이러한 소자 기술과 지문 인식을 위한 능동 열 원리를 결합하여, 저-프로파일(low profile) 장치, 개선된 견고성(ruggedness) 및 정확도와 같은 이점을 제공할 수 있다. 이러한 기술을 사용하면 또한 감지 어레이와 동일한 패널 상에서 제어 회로를 집적(integrate)할 수 있어서 비용을 더 감소시키고 집적 수준을 증가시킨다. 하지만, 이러한 저비용 기술을 사용하는 경우의 주요한 단점 중의 하나는 종래의 단결정 전자 소자와 비교할 때 소자 성능이 제한된다는 것이다. 비록 최근 몇 년 사이에 물질의 특성이 급속하게 개선되었지만, 여전히 개선책이 필요한 실정이다. 예를 들면, 전기 노이즈가 없는 전기 신호(즉, 양호한 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 가지는 신호)를 획득하는 것이 중요하다. 이 비율은 결국 시스템의 정확도를 결정하며, 최종적으로는 예를 들면 정확한 지문을 검출할 수 있는 시스템의 성능을 결정한다. 다결정 물질을 사용하여 형성된 박막 소자는, 특히 높은 반응을 얻기 위하여 많은 자극(예컨대 전류)을 사용할 때, 많은 양의 전기적 노이즈를 발생할 수 있다. 이러한 점으로 인하여 양호한 신호 대 잡음비를 획득하는 작업이 어려워진다.

개선된 소자 성능을 갖는 감지 구조(sensing architecture)가 요망된다.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위하여, 장치 성능으로서 신호 대 잡음비가 양호한 센서 장치를 제공하는 것이다.

센서 장치는 행렬 내에 배열되어 있는 능동 센서 소자 어레이를 포함한다. 각 센서 소자는, 이 센서 소자를 활성화시키기 위한 활성 전류가 제공되는 제 1 전류 경로 내에 배치되어 있는 박막 접속 소자와 연계되어 있다. 각 센서 소자는 각각의 제 2 전류 경로를 통해 판독된다. 제 2 전류 경로는 제 1 전류 경로의 박막 접속 소자를 포함하고 있지 않다. 이에 따라, 박막 접속 소자로부터 생성된 노이즈는 제 2 전류 경로로부터 격리되어 있다.

본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징은, 첨부하는 도면과 연계되어 제공되는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 후술하는 상세한 설명을 토대로 더욱 잘 이해될 것이다.

본 발명에 따르면 박막 접속 소자에서 형성된 노이즈가 제 2 전류 경로에서 이격되어 있어서, 센서 장치의 성능이 향상되었다.

첨부하는 도면은 본 발명의 개시 내용과 관련한 다른 정보는 물론이고, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한다. 도면에서,
도 1은 종래 능동 감지 부위의 회로도이다.
도 2는 종래 감지 부위 어레이의 회로도이다
도 3은 종래 감지 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 능동 감지 부위의 회로도이다.
도 5는 도 4에 예시되어 있는 감지 부위 어레이를 포함하는 감지 장치 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 능동 감지 부위의 대안적인 실시예의 회로도이다.
도 7은 도 6에 예시되어 있는 감지 부위 어레이의 회로도이다.
도 8a는 폴리실리콘 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 8b는 폴리실리콘 박막 PIN 다이오드의 형성을 예시한 단면도이다.
도 9는 본 명세서에 기재되어 있는 감지 장치를 통합한 지문 인식 시스템을 형성하는 개략적인 블록도 형태로 도시하고 있다.

예시적인 실시예에 대한 후술하는 설명은 전체 기술된 상세한 설명의 일부분으로 고려되어야 하는 첨부하는 도면과 연계되어 읽혀지도록 의도되어 있다.

대 면적 센서 어레이에서, 수평 및 수직 도전성 트레이스(conducting trace)에 의해 접속되고 제어되는 행(rows) 및 열(column) 내에 수천 개의 감지 부위가 배열된다. 각각의 감지 부위가 독립적으로 접속될 수 있으며 정보는 다른 감지 부위로부터 격리되어 있다는 것이 중요하다. 공간의 한계로 인하여, 최소한의 소자(devices)에 의해 모든 기능이 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 감지 부위에 대하여 비선형 접속 소자(non-linear access device)를 구비한 능동 픽셀(active pixel)을 사용하게 되면 이러한 목적 달성이 촉진된다. 다이오드 또는 (도 1의 센서 부위(10)에 도시한 것과 같이) 저항과 같은 선형 소자와 조합되어 있는 다이오드와 같은 비선형 접속 소자를 사용함으로써, 어레이 형태로 연결될 때 다른 감지 부위와의 전기적 격리가 제공된다. 다이오드(D)는 격리/선택 기능을 제공하고, 저항(R)은 열적 발열/감지 소자로서 기능 한다. 2개의 단부(terminals)를 갖는 감지 부위는 수평적으로 (행 라인을 형성하는) 하나의 접속부(connection)와, 수직적으로 (열 라인을 형성하는) 하나의 접속부를 공유할 수 있다. 이는 도 2의 어레이(50)에 도시되어 있다. 수직 도전성 트레이스는 발열 전류(heating current)를 제공하고, 행의 단부 모두를 전기적으로 접지(ground)시키기 위하여 각각의 수평 도전성 라인이 사용된다. 이를 통해 발열 전류는 단지 하나의 감지 부위를 통해서만 흐르게 되는데, 예를 들어 어느 한 감지 부위의 다이오드(D)가 순 바이어스(forward biased)인 감지 부위(10) (즉, 열 라인에 접속된 다이오드의 양극(anode)이 높고 행 라인에 접속된 음극(cathode)이 접지되어 있는 경우)로만 흐르게 된다. 차동 전압(differential voltage) 형태로 측정되는, 주어진 감지 부위(10)에 대한 열 정보는 수직 및 수평 도전성 트레이스 각각의 말단(end)에서 획득될 수 있다.

감지 부위 어레이는 각 열과 각 행을 순차적으로 작동시키는 외부 회로에 의해 제어될 수 있다. 이러한 제어는, 발열 전류를 수직 도전성 트레이스로 인가하고(열 선택), 수평 트레이스를 접지시킴으로써(행 선택) 수행된다. 외부 회로는 선택된 열의 선단(head)과 선택된 행의 말단에서 차동 전압 신호를 측정한다. 이 차동 신호가 각각의 감지 부위에 대한 열 정보를 나타낸다. 예시적인 선택 회로를 구비한 어레이(100)에 대한 더욱 상세한 도면이 도 3에 도시되어 있으며, 아래에서 기술된다.

도 3은 능동 감지 픽셀(ns)로 형성되는 센서 어레이(110) 및 이를 둘러싸는 행 및 열 선택 회로를 포함하는 종래의 감지 장치(100)를 도시하고 있다. 감지 픽셀은 상기 도 1에서 기술된 것과 같이 구성될 수 있는데, 각각 저항(R)과 다이오드(D)를 갖는 형태로 구성될 수 있다. 참조 번호 112는 열 라인 또는 열 트레이스를 나타내며, 참조 번호 114는 행 라인 또는 행 트레이스를 나타낸다. 각각의 감지 부위는 열 라인(112)으로 접속되는 열 단부(column terminal)와, 행 라인(114)으로 접속되는 행 단부(row terminals)를 가지고 있다. 블록(140)은 전류 소스(142)로부터 형성된 자극 전류를 어레이(110) 내의 각 픽셀로 공급한다. 바이어스 전류(biasing current)는 TFT 스위치(s3)에 의하여 정확한 열 라인(112)으로 송신되는데, 디코더(decoder) 또는 시프트 레지스터 회로(shift register circuit)에 의해 다중 송신될 수 있다(multiplexed). 열(112)이 선택되면, TFT 스위치(s3)는 각각의 열 라인(112)을 전류 소스(142)와 접속시킴으로써, 자극 전류가 픽셀 부위로 흐를 수 있게 한다. 열이 선택 해제되면, 상응하는 TFT 스위치가 그라운드(미도시)로 접속되어 해당 열 라인을 접지시킨다. 유사한 방식으로, 행 라인은 TFT 스위치(s1)에 의해 활성화된다. 행 라인이 선택되면 이들 스위치는 그라운드로 접속되어, 열 라인의 전위에 의해 픽셀 부위가 순 바이어스로 될 때 전류가 픽셀(ns)을 통하여 흐른 뒤에, 픽셀 부위로부터 전류가 흘러나올 수 있게 된다. 행이 선택 해제되면, 상응하는 TFT 스위치(s1)가 행 라인을 고(高) 전위(미도시)로 접속시켜, 선택 해제된 행에 연결되었던 픽셀을 역 바이어스 시킨다(reverse biasing).

열 스위칭 모듈(120)의 스위치(s3, s4)와 행 스위칭 모듈(130)의 스위치(s1, s2) 각각을 제어하기 위해서 열 디코더(150) 및 행 디코더(160)가 제공된다. 이들 디코더는 또한 시프트 레지스터의 형태를 취할 수 있다.

이러한 종래의 센서 장치(100)에서, 각각의 픽셀에 존재하는 데이터 신호(즉, 차동 전압 신호)는, 블록(140) 내에 형성된 2개의 고(高) 임피던스 노드(144, 146)에 연결되는 차동 판독 회로(differential reading circuit, 미도시)에 의해 어레이(110)로부터 검출되는데, 이들 2개의 임피던스 노드는 각각 2개의 큰 트랜지스터(s4, s2)를 통하여 각각 열 라인(112) 및 행 라인(114)으로 접속된다.

각각의 감지 부위의 소자(device)를 통하여 (수 밀리암페어까지의) 큰 전류를 전송함으로써 발열 효과(heating effect)가 발생한다. 이러한 소자를 통하여 판독된 전압은, 발열되었을 때 이들 소자가 도달하는 온도의 함수이다. 외부 물체가 이 소자 인근에 위치하면, 발열 전원(heating power)의 일부가 이 소자에서부터 멀어지는 방향으로 흐르고 그 온도는 최대 수준에 도달하지 않는다. 이는 이 소자를 통과한 전압에서의 변화에 의해 전기적으로 반영된다. 어레이 내에서 각각의 감지 부위를 형성하는 이들 소자는 물리적 보호, 전기적 보호 및 열전도와 같은 다양한 기능을 제공하는 일련의 코팅으로 덮여질 수 있다.

고성능 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(TFT)와 같은 저비용 반도체 전자 소재에서의 진보로 인하여, 감소된 비용으로 감지 어레이를 구현할 수 있게 되었다. 하지만, 저비용 기술을 사용함으로 인한 주요한 단점 중의 하나는 종래의 단결정 전자 소재와 비교할 때 소자 성능이 제한된다는 것이다. 이러한 센서를 제조하기 위해 사용되는 다결정 물질에 의해 형성되는 박막은, 특히 높은 열 신호를 얻기 위해 높은 전류를 사용할 때, 많은 양의 전기적 노이즈를 발생시키는 소자를 생산할 수 있다. 이 때문에 양호한 신호 대 잡음비를 얻기 위한 작업이 어려워진다.

종래의 능동 감지 부위(ns)에서, 각각의 감지 부위 또는 픽셀 내부에 다이오드와 같은 비선형 소자가 사용된다. 다이오드와 같은 비선형 소자를 사용함으로써, 어레이 형태로 연결될 때 다른 감지 부위로부터의 전기적 절연이 제공될 수 있다. 이러한 다이오드로 인하여, 선택되었을 때 발열 전류가 흐르게 되고, 전류가 존재하지 않을 때는 절연이 가능하다. 하지만, 많은 양의 전류가 존재하는 경우에 이들 다이오드는 예상된 노이즈보다 큰 노이즈를 발생시키는데, 이는 온도 변화에 대한 전압 신호 반응을 부분적으로 불명료하게 만든다. 다이오드 활성 영역(active region)을 형성하기 위하여 폴리실리콘과 같은 물질을 사용할 때 이러한 효과는 특히 문제가 된다. 박막 폴리실리콘으로 제조된 다이오드의 노이즈 성능은 높은 전류에서 떨어진다는 사실을 실험 결과들은 보여주고 있다. 전류 값(levels)에 따라, 센서가 쓸모없게 되는 지점까지 이 전기적 노이즈가 증가할 수 있다.

본 명세서에서 제시된 본 발명의 실시예에서, 열 센서 부위에 대한 발열 경로는 판독 경로로부터 분할(split)되어 있다. 이러한 분할된 구조의 결과, 다이오드를 통한 발열 전류에 기인하는 큰 노이즈가 측정을 간섭하지 않는다. 이러한 분할된 구조는, 감지 어레이 내에 추가적인 소자와 아울러 추가적인 수직 도전성 트레이스를 추가함으로써 달성될 수 있다. 열 신호를 감지할 때 사용하기 위하여, 낮은 전류, 낮은 노이즈 경로가 만들어진다. 이 기술을 사용하는 지문 인식 센서는 높은 신호 대 잡음비를 나타냈으며, 결과적으로 다양한 불리한 조건하에서 지문을 정확하게 식별할 수 있다.

도 4는 분할된 발열 경로 및 판독 경로가 형성된 구조를 가지는 능동 열 센서 부위(200)에 대한 실시예의 예이다. 이 실시예에서, 1개의 접속 부위 당 (다이오드(D₁)와 같은) 1개의 추가적인 접속 소자가 추가되어 있고, 1개의 어레이 열 당 1개의 수직 도전성 트레이스가 추가되어 있다. 이러한 구성에서, 전압을 측정하는 동안 낮은 전류가 사용될 수 있고, 이 낮은 전류가 추가된 수직 트레이스("Read"로 표시)를 따라 아래로 흐르고 추가된 다이오드(D1)를 통하여 흐를 수 있다. 다이오드(D1)를 통하여 감지 부위 내부로 흐르는 이 낮은 감지 전류는, 접속 다이오드(Da)를 통하여 흐르는 발열 전류만큼 많은 노이즈를 야기하지 않는다.

도 4에 도시된 것과 같이, 감지 부위는 행 트레이스("Row"로 표시)와 발열 트레이스("Heat"로 표시)에 연결되는 저항(R)을 포함하는데, 발열 트레이스를 통하여 상대적으로 높은(예컨대 약 1-5 ㎃) 발열 전류(heating current)가 인가된다. 저항(R)은 다이오드(Da)를 통하여 이 수직 발열 트레이스에 연결된다. 상대적으로 낮은(약 50 내지 수백 ㎂) 감지 전류(sensing current)를 제공하기 위하여 저항은 "Read"로 표시된 추가적인 제 2 수직 트레이스에 연결된다. 저항(R)은 다이오드(D1)를 통하여 이 수직 트레이스에 연결된다. 이들 다이오드는 바람직하게는 폴리실리콘 기반의 물질로 제조되는 박막 다이오드이다. 이러한 구조를 구비하여, 활성을 위하여 저항(R) 내부로 높은 전류를 전송하는 다이오드(Da)는, 다이오드(D1)를 포함하는 낮은 전류 판독(readout) 경로에 있지 않다. 이 판독 경로는, 박막 폴리실리콘 다이오드에서 많은 노이즈를 발생해서는 안 되는 다이오드(D1)에 대해서 낮은 바이어스 전류만을 전송한다. 실시예에서, 판독 전류는 250 ㎂ 미만이고, 더욱 바람직하게는 200 ㎂ 미만이며, 발열 전류는 상기 판독 전류보다 적어도 5 배, 바람직하게는 적어도 10 배, 더욱 바람직하게는 적어도 50 배 크다.

도 4에 도시된 것과 같이, 능동 센서 부위는 1 쌍의 폴리실리콘 접속 소자(D1, Da)를 포함한다. 이들 소자들은 일반적으로 비선형 소자, 능동 반도체 소자 또는 선택 소자로 언급될 수 있다. 도 4에서 비록 다이오드가 도시되어 있기는 하지만, 노이즈 및 제조 요건을 충족시킨다면, 박막 트랜지스터, 금속-절연막-반도체(metal-insulator-semiconductor, MIS) 다이오드와 같은 다이오드/커패시터 하이브리드(diode/capacitor hybrids) 또는 기타 소자와 같은 다른 소자들이 채택될 수 있다는 점을 생각하여야 한다. 뿐만 아니라, 폴리실리콘이 비록 바람직한 기반 물질이기는 하나, 산화아연과 같이 한정되지 않은 다른 저비용 기반 물질이 또한 사용될 수 있다.

도 3과 도 5를 연계하여 위에서 논의된 센서 장치(100)와 관련하여, 각 행의 말단과 추가적인 수직 도전성 트레이스에서의 신호가 어레이의 외부 회로에 의하여 차동적으로 판독된다. 도 5는 행렬 내에 배열되어 있는 능동 감지 부위(200)의 어레이(302)를 가지는 감지 장치(300)를 예시하고 있다. 이 감지 장치는 또한 행 및 열 디코더(150, 160)와, 행 및 열 스위칭 모듈(120, 130)과 같은 스위칭 및 선택 회로를 포함하고 있다. 감지 부위 각각의 접속 다이오드(Da)를 통하여 (높은 발열 전류(I_H)가 흐르는) 열 트레이스(112)와, 감지 부위 각각의 다이오드(D1)를 통하여 (낮은 감지 전류(I_S)가 흐르는) 열 트레이스(116)로 각각의 감지 부위가 접속하고 있다는 점에 특히 유의하여야 한다. 다이오드(D1)를 활성화시키기 위한 크지 않은(modest) 감지 전류에 대한 감지 전류 소스가 블록(140A) 내에 도시되어 있다. 고 임피던스 노드(144, 146) 사이에서 차동 전압이 측정된다. 도 5로부터 명확해지는 것과 같이, 이 차동 경로는 다이오드(Da)를 포함하고 있지 않기 때문에, 높은 활성 전류(I_H)가 이 다이오드를 통하여 흐를 때 유도되는 노이즈를 포함하고 있지 않다.

도 5의 구조를 통하여 박막 기술로 제조되는 능동 열 센서와 관련해서 위에서 논의되었던 노이즈 문제를 해소할 수 있지만, 이 구조는 어레이의 열 라인 당 1개의 추가적인 열 트레이스(116)와, 센서 부위(200) 당 1개의 추가적인 다이오드(Da)를 추가하고 있다. 도 6은 높은 발열 전류가 한 번에 1개를 넘는 감지 부위를 통하여 흐르는 감지 구조(200A)의 대안적인 실시예를 예시한다. 다시 말해, 각각의 감지 부위는 직렬로 접속되어 있다. 이 구조는 감지 부위 당 1개의 추가적인 다이오드를 사용하지만, 도 4에 예시되어 있는 실시예와 달리, 감지 부위 군(grouping of sensing sites) 당 단지 1개의 높은 전류 수직 도전성 트레이스가 요구된다.

도 6을 특히 참조하면, 2개의 저항(저항(R1, R2))에 대하여 1개의 발열 라인이 전류를 전송한다. 각각의 저항은 또한 자체의 판독 라인(각각 Read-1, Read-2로 표시)과 연결되어 있고, 각 판독 라인은 1개의 저항 당 추가적인 접속 다이오드(각각 D1, D2로 표시)를 포함한다. 전체적으로, 2곳의 감지 부위에 대하여 단지 1개의 추가적인 열 라인이 요구되므로, 도 4에 예시되어 있는 장치와 비교할 때 센서 어레이 내에 공간을 상당히 절약한다.

이 구조를 사용하는 어레이(302A)가 도 7에 예시되어 있다. 도 5와 관련하여 위에서 기술한 것과 같이, 도 7의 어레이(302A)는 스위치 모듈, 디코더 모듈, 바이어스 회로 및 감지 회로에 연결되어 센서 장치를 형성할 수 있으며, 물론 다른 수의 수직 열 트레이스를 설명하기 위하여 변형될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 공간의 절약으로 인하여 고해상도 센서 어레이의 구현이 용이해진다.

직렬로 접속될 수 있는 감지 부위의 수는 발열 전력, 저항 값, 시스템 작동 전압과 같은 인자와 상관관계에 있다. 2개 이상의 감지 부위를 직렬로 접속함으로써, 이들 부위에서의 전압이 합쳐진다. 반면, 신호 경로로부터 발열 경로를 이격시킴으로써, 다이오드를 통과한 발열 전류에 의해 생성된 노이즈는 무관하게 된다. 이는 신호 경로에서 노이즈 수준을 증가시키지 않고서도 더욱 높은 발열 전류가 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 전체 시스템 전압을 변경하지 않고서도 원하는 발열 전력 값을 달성할 수 있도록 발열 전류와 저항 전압이 변경될 수 있다. 이는 주로 발열 전력은 발열 전류와 저항 전압의 곱과 관련이 있기 때문에 달성될 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시되어 있는 실시예에서, 도 4의 실시예와 비교하여 발열 전류를 2배로 하고 저항의 저항을 감소시켜 저항 전압을 절반으로 감소시킴으로써, 각각의 부위에서의 발열 전력은 도 4의 실시예와 동일한 수준으로 유지될 것이다(즉, 2 I_H (A) ㅧ R/2 (Ω) = I_H ·R (V)). 따라서 직렬로 접속된 2개의 감지 부위는 개별적으로, 통상의 발열 전류(I_H)로 작동하는 도 4의 단일 부위와 동일하게 작동하게 된다.

도 6의 구조는 공간 절감이라는 점에서는 물론, 용이하게 크기를 조절(scaled)할 수 있기 때문에 매력적이다. 접속 다이오드(Da)로부터 생성되고 전류에 비례하여 그 크기가 증가하는 노이즈는 다수 부위의 판독 경로에 있지 않기 때문에, 다수 직렬 접속 부위로 공급하기 위하여 더욱 많은 발열 전류가 사용될 수 있다. 하지만, 증가된 발열 전류와 관련된 과도한 전력 소모로 인하여, 직렬 접속 부위의 숫자에는 한계가 있다. 현재, 2 또는 3개의 직렬 접속된 감지 부위가 바람직하지만, 이 부위의 실제 숫자는 주어진 응용에 대하여 최적화될 수 있다.

상기에서 논의된 센서 어레이는, 선택 회로와 같은 다른 기능성 회로(functional circuit)와 함께 동일한 기판 상에 집적(integrated)될 수 있다. 예를 들면, 도 5를 참조하면, 어레이(302, 302A)와 함께 디코더 모듈(150, 160) 및/또는 스위칭 모듈(120, 130)이 공통 기판 상에 집적될 수 있다. 어레이(302, 302A)와 같이, 이들 회로는 TFT 또는 박막 다이오드와 같은 박막 소자를 사용한다. 단지 일례로서, 도 8a는 미국특허 제7,229,860호에 개시되어 있는 것과 같은 폴리실리콘 TFT(400)의 단면도인데, 이 폴리실리콘 TFT는 도 5에 도시되어 있는 폴리실리콘 TFT 스위치로서 또는 센서 어레이와 함께 집적된 다른 회로의 트랜지스터로서 사용될 수 있다. 도 8a에 도시된 것과 같이, 예를 들면 글라스, 석영 또는 고분자로 이루어지는 기판(410) 상에 폴리실리콘의 반도체층(420)이 형성된다. 반도체층(420)은 채널 영역(421), 소스 영역(422) 및 채널 영역(421)을 기준으로 소스 영역(422)에 대향하는 드레인 영역(424)을 포함한다. 소스 및 드레인 영역(422, 424)은 n-타입 또는 p-타입 불순물로 도핑되어 있으며, 규소화합물(silicide) 층을 포함할 수 있다. 이 TFT 내에서, 기판(410)과 반도체층(420) 사이에 버퍼 절연층(buffer insulating layer)이 제공될 수 있다.

폴리실리콘 반도체층(420)을 덮을 수 있도록, SiO₂ 또는 SiN_x로 제조되는 게이트 절연막(gate insulting film, 426)이 기판(410) 상에 형성된다. 게이트 전극(428)이 채널 영역(421)에 대향하여 게이트 절연막(426) 위에 형성된다. 게이트 라인(미도시)은 이 게이트 전극(428)에 연결되고, 게이트 절연막(426) 위에 제공될 수 있다.

게이트 전극(428)을 덮을 수 있도록 층간 절연막(interlayer insulating film, 430)이 게이트 절연막(426) 상에 형성된다. 게이트 절연막(426)과 층간 절연막(430)은 반도체층(420)의 소스 및 드레인 영역(422, 424)을 노출시키는 컨택홀(contact holes, 미도시)을 가지고 있어서, 소스 및 드레인 전극(미도시)을 수용한다. 소스 및 드레인 전극에 연결된 데이터 라인(미도시)이 층간 절연막(430) 상에 더욱 형성될 수 있다. 물리적 보호, 전기적 보호 및/또는 열전도를 제공할 수 있도록, SiN_x, SiO₂, SiOC, SiOF 또는 유기 절연 물질로 제조되는 보호막(passivation film, 440)이 층간 절연막(430) 상에 형성될 수 있다.

또 다른 일례로서, 도 8b는 박막 폴리실리콘 PIN 다이오드 구조의 형성 과정을 예시하고 있는데, PIN 다이오드는 위에서 기술되었던 어레이(302, 302A) 내 또는 어레이와 함께 집적되는 다른 회로나 소자의 박막 다이오드로 사용될 수 있다. 비선형 감지 소자 내의 다이오드(D, 도 6a/6b)로서 PIN 다이오드 구조가 또한 사용될 수 있다. 이 다이오드 구조는, 기판 상에 3개의 영역, p 도핑 영역("P 영역"으로 표시), 진성(intrinsic, 비도핑) 영역("i 영역"으로 표시), n 도핑 영역("N 영역"으로 표시)으로 분리되어 있는 연속 폴리실리콘 층에 형성된다. PIN 다이오드는 양호한 전류 구동과 매우 낮은 전류 누설(즉, 신호의 손실이 없음)을 제공한다. 아울러, 도 8b에 도시된 것과 같이, 이 다이오드는 CMOS 폴리실리콘 가공 기술에 의해 용이하게 제조될 수 있다. "p", "i", "n" 영역을 형성하기 위해 폴리실리콘 물질에 어떻게 주입(implant)되는지를 설명하기 위해서 주입(implantation) 마스크가 도시되어 있다. 예를 들면, "n" 도판트가 필요 없는 영역을 보호하기 위해서 우선"n-선택" 주입 마스크가 사용된다. 이 마스크가 적절한 위치에 있을 때, "n" 도판트는 폴리실리콘 층의 보호되지 않은 부분으로 주입된다. 제 2 단계에서, "p" 도판트가 필요 없는 영역을 보호하기 위해서 "p-선택" 마스크가 사용된다. 이 마스크가 적절한 위치에 있을 때, p-도판트가 폴리실리콘 층의 보호되지 않은 부분으로 주입된다. 이들 2개의 마스크를 겹치게 하여, 도핑되지 않은 진성 영역이 정의된다.

도 9는 감지 소자를 통합한 지문 인식 시스템을 형성하는 블록을 개략적으로 도시하고 있는데, 여기서 블록(500)으로 표시되어 있다. 이 시스템은 감지된 지문의 대표적 데이터를 제공할 수 있도록 소자의 감지 회로로부터의 출력에 응답하는 수단과, 상기 대표적 데이터를 하나 이상의 지문에 대하여 저장된 대표 데이터와 비교하기 위한 수단을 포함한다. 감지 소자로부터 얻어진 출력은, 공지된 광학 지문 감지 소자 내의 이미지 센서에 의해 제공된 영상 출력과 호환될 수 있는 형태로 제공된다. 따라서 통상의 기술자에게 자명한 것과 같이, 감지 소자 이외의 시스템의 구성요소들은 광학 감지 소자를 사용하는 시스템에서 일반적으로 채택될 수 있는 종류일 수 있다. 표준 시험(standard practice)에 따른 대표 데이터는, 융선 라인의 방향과, 융선 라인의 끝점(endings)과 분기점(bifurcations)에 관한 정보인 특징점(minutiae)의 상대적인 위치에 관한 정보 형태를 취할 수 있다. 대표 데이터를 생성하고 비교하기 위하여 감지 소자로부터 얻어진 정보의 처리는 알려진 방식(scheme)과 기법(technique)을 따를 수 있다. 본 발명의 감지 소자는 지문의 3차원 프로파일 정보를 제공할 수 있기 때문에, 특징점의 공간적 위치에 더하여 위상적 특징(topological features)을 사용함으로써 식별(identification) 또는 검증(verification)에 관하여 정확도를 개선할 수 있으나, 정확도가 떨어지는 것을 받아들일 수 있다면, 필요한 처리 공정을 단순하게 하기 위하여, 당연히 2차원 융선 패턴에 관한 정보만을 사용할 수 있다.

요약하면, 적절하게 조정된, 소자(500)로부터의 출력은, 특징점의 위치와 같은 감지된 지문의 독특한 특징을 검출하도록 프로그램된 분석 회로(510)로 공급된다. 이 회로(510)로부터의 데이터는 컴퓨터(520) 또는 다른 프로세서로 제공되는데, 컴퓨터 또는 다른 프로세서는 표준 알고리듬을 통하여, 제공된 데이터와, 시스템이 식별을 위해서 사용되는지 또는 단순히 검증 목적을 위해 사용되는지에 따라, 저장 장치(530) 내에 보관되어 있는 다수의 지문 또는 단일 지문에 관한 대표 데이터와 비교하고, 일치하였는지의 여부에 따라 출력을 제공한다.

회로(510)는 높은 정확도를 갖는 인식을 위하여 감지 소자에 의해 제공되는 3차원 정보를 이용하도록 프로그램되거나, 또는 선택적으로 소자(500)에서부터 특정 출력 신호 값을 선택할 수 있도록 적절한 판별부(discrimination)를 구비하여, 알려진 광학적 감지 소자로부터 얻어진 것과 유사한 바이너리 영상(binary image) 특성을 갖는 2차원 융선 패턴으로 표시되는 특정 정보를 이용하도록 프로그램 될 수 있다.

본 명세서에 제시된 센서 구조에서, 발열 경로는 판독 경로로부터 분할되어 있다. 이 구조는 박막 접속 소자를 흐르는 발열 전류에 의해 생성된 커다란 노이즈를 센서 측정부로부터 격리시킨다. 이 분할 구조는 어레이 내에 추가적인 소자와 추가적인 수직 도전성 트레이스를 추가함으로써 달성될 수 있다. 낮은 전류, 낮은 노이즈 경로가 만들어져 열 신호를 감지한다. 이러한 위상을 이용하는 지문인식 센서는 더욱 높은 신호 대 잡음비를 나타내며, 결과적으로 다양한 가혹한 조건에서 지문을 정확하게 식별할 수 있게 된다.

비록 본 발명이 예시적인 실시예를 토대로 기술되었으나, 본 발명이 이들 실시예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 구조의 특정 실시예가 열 센서 및/또는 지문 감지 어레이와 연계하여 설명되었으나, 본 명세서에서 기술된 기본 발상은 비-열적 비선형 감지 기술에도 적용되고, 지문 인식을 뛰어넘는 응용 제품에도 적용된다. 본 명세서에서 기술된 기본 발상은 판독 경로에서 과도한 노이즈가 문제가 되는 구조에 더욱 일반적으로 적용된다. 이에 따라, 첨부한 청구의 범위는 본 발명의 범위와 균등의 범위에 이탈하지 않으면서 통상의 기술자에 의해 추고될 수 있는, 본 발명의 다른 변형과 실시예를 포함하도록 폭넓게 해석되어야 한다.

Claims (29)

1. 행렬(columns and rows) 내에 배열되어 있는 능동 센서 소자(active sensor element)의 어레이로서, 다수의 박막 접속 소자(thin film access devices)를 포함하고, 각각의 센서 소자는 상기 다수의 박막 접속 소자 중 각각 하나의 박막 접속 소자에 연계되어 있는 능동 센서 소자의 어레이를 포함하고,
   각각의 상기 센서 소자는 상기 센서 소자를 활성화시키기 위하여 활성 전류 소스로부터 제공되는 활성 전류가 통과하는 제 1 전류 경로에 배치되는 각각의 박막 접속 소자와 연계되고, 온 상태(on condition)에서 바이어스 될 때, 상기 박막 접속 소자는 상기 센서 소자를 상기 활성 전류 소스로부터 제공되는 상기 활성 전류에 연결시키며,
   각각의 상기 센서 소자는 각각의 제 2 전류 경로를 통하여 판독되며,
   상기 제 2 전류 경로는 상기 제 1 전류 경로의 상기 박막 접속 소자를 배제함으로써, 상기 박막 접속 소자로부터의 노이즈(noise)가 상기 제 2 전류 경로로부터 격리되는 센서 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   각각의 상기 센서 소자는 저항을 포함하고, 상기 박막 접속 소자는 다이오드인 센서 장치.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 전류 경로 각각은, 판독을 위하여 상기 센서 소자에 접속할 때 판독 전류가 통과하는 박막 접속 소자를 포함하고, 상기 활성 전류는 상기 판독 전류보다 큰 센서 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 활성 전류는 상기 판독 전류보다 적어도 100 배 큰 센서 장치.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 제 2 전류 경로의 상기 박막 접속 소자는 다이오드인 센서 장치.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 어레이는 다수의 행 라인(row lines)과 다수의 열 라인(column lines)을 포함하고,
   한 행의 센서 소자들 중 각각의 센서 소자는, 상기 활성 전류가 통과하는 상기 다수의 열 라인 중의 제 1 열 라인 및 상기 판독 전류가 통과하는 상기 다수의 열 라인 중의 제 2 열 라인에 연결되는 센서 장치.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 한 행의 센서 소자들 중 각각의 상기 센서 소자는 상기 활성 전류가 통과하는 각각의 제 1 열 라인에 연결되는 센서 장치.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 한 행의 센서 소자들로부터의 다수의 센서 소자가, 상기 활성 전류가 통과하는 동일한 상기 제 1 열 라인에 직렬로 연결되는 센서 장치.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 접속 소자는 비선형 소자인 센서 장치.
    
11. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 접속 소자는 폴리실리콘 기반 물질로부터 형성되는 센서 장치.
    
12. 행렬(columns and rows) 내에 배열되어 있는 센서 소자의 어레이를 포함하고, 상기 어레이는 다수의 박막 접속 다이오드와, 다수의 박막 판독 다이오드를 포함하는 능동 열 센서 장치로서,
    각각의 센서 소자는 감지 부위로 열을 제공하기 위한 저항을 포함하고,
    각각의 상기 센서 소자는, 순 바이어스(forward biased)가 형성될 때 상기 저항에 활성 전류를 제공하기 위한 각각의 박막 접속 다이오드 및 순 바이어스가 형성될 때 상기 저항을 판독하기 위한 전류 경로를 형성하기 위한 각각의 박막 판독 다이오드에 연계되며,
    한 행의 센서 소자 내부의 저항 각각의 제 1 말단은 행 라인(row lines)에 전기적으로 연결되고,
    상기 한 행의 센서 소자 내부의 저항 각각의 제 2 말단은 제공되는 활성 전류가 통과하는 센서 소자 각각의 박막 접속 다이오드가 통과하는 제 1 열 라인(column line) 및 센서 소자 각각의 박막 판독 다이오드에 제공되는 판독 전류가 통과하는 제 2 열 라인에 전기적으로 연결되며,
    상기 활성 전류는 상기 판독 전류보다 큰 능동 열 센서 장치.
    
13. 삭제
14. 삭제
15. 제 12항에 있어서,
    상기 판독 전류는 250 ㎂ 미만이고, 상기 활성 전류는 상기 판독 전류에 비하여 적어도 5 배 큰 능동 열 센서 장치.
    
16. 제 12항에 있어서,
    상기 박막 접속 다이오드와 상기 박막 판독 다이오드는 폴리실리콘 기반의 물질로 형성되는 센서 장치.
    
17. 물체 표면의 패턴을 측정하기 위한 장치로서,
    행렬(columns and rows) 내에 배열되어 있는 센서 소자의 어레이로서, 각각의 센서 소자는 상기 물체 표면의 물리적 파라미터에 응답하고,
    각각의 상기 센서 소자는 상기 센서 소자를 활성화시키기 위하여 제공되는 활성 전류가 통과하는 제 1 전류 경로 내에 배치되는 각각의 제 1 비선형 박막 접속 소자와 연계되고,
    각각의 상기 센서 소자는, 판독을 위하여 상기 센서 소자에 접속할 때 제공되는 판독 전류가 통과하는 제 2 비선형 박막 접속 소자를 포함하는 각각의 제 2 전류 경로를 통하여 판독되며,
    상기 활성 전류는 상기 판독 전류보다 크고,
    상기 제 2 전류 경로는 상기 제 1 전류 경로의 상기 제 1 비선형 박막 접속 소자를 배제함으로써, 상기 제 1 비선형 박막 접속 소자로부터의 노이즈가 상기 제 2 전류 경로와 격리되는 센서 소자의 어레이;
    상기 활성 전류를 제공하기 위한 제 1 전류 소스; 및
    상기 판독 전류를 제공하기 위한 제 2 전류 소스
    를 포함하는 물체 표면의 패턴을 측정하기 위한 장치.
    
18. 제 17항에 있어서,
    상기 센서 소자로부터 상기 물리적 파라미터를 나타내는 차동 신호를 얻기 위하여 상기 센서 소자에 선택적으로 접속하기 위한 선택 회로와, 상기 센서 소자를 활성화시키기 위하여 상기 센서 소자를 상기 제 1 전류 소스로 선택적으로 연결하기 위한 선택 회로를 더욱 포함하는 물체 표면의 패턴을 측정하기 위한 장치.
    
19. 제 17항에 있어서,
    각각의 상기 센서 소자는 저항을 포함하는 물체 표면의 패턴을 측정하기 위한 장치.
    
20. 제 19항에 있어서,
    상기 제 1 전류 소스에 의하여 상기 센서 소자의 발열 활성이 일어나고, 상기 발열 활성에 의해 야기된 전압의 변화에 기초하여 온도 감지가 수행되는 물체 표면의 패턴을 측정하기 위한 장치.
    
21. 제 17항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전류 경로의 상기 제 1 및 제 2 비선형 박막 접속 소자는 다이오드인 물체 표면의 패턴을 측정하기 위한 장치.
    
22. 제 21항에 있어서,
    상기 판독 전류는 250 ㎂ 미만이고, 상기 활성 전류는 상기 판독 전류에 비하여 적어도 5 배 큰 물체 표면의 패턴을 측정하기 위한 장치.
    
23. 삭제
24. 삭제
25. 제 1항에 있어서,
    상기 활성 전류 소스 및 상기 다수의 박막 접속 소자에 접속되는 제 1 주소화(addressable) 행렬 선택 회로를 더욱 포함하고, 상기 선택 회로는 상기 센서 소자를 상기 활성 전류 소스에 선택적으로 연결시키도록 구성되어 있으며,
    상기 센서 소자와 연계되어 있는 행렬 조합(row and column combination)이 상기 선택 회로를 통하여 선택되는 경우에, 센서 소자에 연계되어 있는 상기 각각의 박막 접속 소자는 온 상태(on condition)에서 바이어스되는 센서 장치.
    
26. 제 25항에 있어서,
    제 2 주소화 행렬 선택 회로를 더욱 포함하고, 상기 센서 소자와 연계되어 있는 상기 행렬 조합이 상기 제 2 주소화 행렬 선택 회로를 통하여 선택되는 경우에, 상기 제 2 주소화 행렬 선택 회로는 각각의 센서 소자를 각각의 제 2 전류 경로에 선택적으로 연결시키는 센서 장치.
    
27. 제 12항에 있어서,
    활성 전류 소스 및 상기 다수의 박막 접속 다이오드에 접속되는 제 1 주소화(addressable) 행렬 선택 회로를 더욱 포함하고, 상기 선택 회로는 상기 센서 소자를 상기 활성 전류 소스에 선택적으로 연결시키도록 구성되어 있으며,
    상기 센서 소자가 연결되는 상기 행 라인 및 상기 제 1 열 라인이 상기 선택 회로를 통하여 선택되는 경우에, 센서 소자에 연계되어 있는 상기 각각의 박막 접속 다이오드가 순 바이어스되는 능동 열 센서 장치.
    
28. 제 27항에 있어서,
    제 2 주소화 행렬 선택 회로를 더욱 포함하고,
    상기 센서 소자가 연결되어 있는 상기 행 라인 및 제 2 열 라인이 상기 제 2 주소화 행렬 선택 회로를 통하여 선택되는 경우에, 상기 제 2 주소화 행렬 선택 회로는 각각의 센서 소자를 각각의 판독 전류 경로에 선택적으로 연결시키는 능동 열 센서 장치.
    
29. 제 28항에 있어서,
    상기 센서 소자가 연결되어 있는 상기 행 라인 및 제 2 열 라인이 상기 제 2 주소화 행렬 선택 회로를 통하여 선택되는 경우에, 상기 센서 소자에 연계된 상기 각각의 박막 판독 다이오드가 순 바이어스되는 능동 열 센서 장치.

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