NO316796B1 - Sensormodul for maling av strukturer i en overflate, saerlig en fingeroverflate - Google Patents

Abstract

Denne oppfinnelsen angår en sensormodul for måling av strukturer i en overflate, særlig en fingeroverflate, som beveges over sensormodulen, omfattende et antall sensorelementer og en ytre elektrode plassert ved siden av sensorelementene, der sensorelementene er er koblet til minst en AC driverkrets som påtrykker en varierende strøm eller spenning, for derved å koble et signal gjennom sensorelementene til den ytre elektroden. Sensorelementene er også koblet, til en elektronisk krets plassert på et substrat, hvilket substrat omfatter leder som kobler sensorelementene til den elektroniske kretsen, og der den elektroniske kretsen er innrettet til å måle størrelsen til kapasitansen eller AC impedansen mellom hvert sensorelement og den ytre elektroden. Sensorelementene utgjør et i det vesentlige lineært array, der arrayet er innrettet til å måle kapasitansen eller impedansen mellom hvert sensorelement og den ytre elektroden ved valgte tidspunkter, og at de målte verdiene blir kombinert for å danne en representasjon av overflatemønsteret.

Description

Denne oppfinnelsen angår en sensormodul som kan måle topologiske mønstre i en overflate med direkte kontakt med denne, for eksempel et fingeravtrykk.

Markedet for biometri utvikler seg raskt. Imidlertid, for at det skal komme inn på konsumentmarkedet er det strenge krav til for eksempel sensorens pris, størrelse, kvaliteten på fingeravtrykk-avbildningen og kraftbehovet.

AC-kapasitive fingeravtrykksensorer er en av de mest lovende teknologiene for å realisere kompakte og billige fingeravtrykksensorer for konsumentmarkedet, og flere konsepter har vært foreslått i de siste årene. Sensorkonseptene deles grovt i to kategorier: matrisesensorer, der fingeren plasseres på en todimensjonal sensorflate, og skannere eller sveipende sensorer, der brukeren må trekke fingeren sin over sensoren for å danne et bilde.

US Patent 6,069,070 beskriver en typisk matrise-type AC-kapasitiv fingeravtrykksensor. Sensorbrikken er hovedsakelig en silisiumbrikke (IC) forsynt med en todimensjonal matrise av sensorelementer ("piksler") i tillegg til forsterkere og andre kretser. En driverelektrode plassert i sensorpakken, utenfor det aktivt følende området, blir brukt for å koble en AC-spenning inn i fingeren. AC-signalet penetrerer fingeren og kobles gjennom et dielektrisk lag til sensorelementer (områder) på sensorens overflate. Sensorområdene er koblet til forsterkende kretser på silisiumbrikken.

Denne sensorkonfigurasjonen har imidlertid flere ulemper. Av opplagte grunner må den aktive overflaten på matrisesensoren være like stor som den delen av fingeren som skal avbildes, med andre ord i størrelsesorden lOOmm . På grunn av at prisen på silisium ICer øker proporsjonalt med brikkestørrelsen kan en så stor brikke være svært kostbar for mange forbrukeranvendelser.

I tillegg legger det faktum at fingeren er i direkte kontakt med overflaten til den aktive silisiumbrikken strenger krav til materialene som brukes for å beskytte brikken mot sliasje, mekanisk støt, fuktighet, kjemiske midler og elektrostatiske utladninger (ESD). Dette gjør det nødvendig med ikke-standard løsninger og dyre beskyttelsen materialer, eller så kan det føre til redusert pålitelighet og levetid for sensorene.

Fingeravtrykkskannere, der brukeren skal trekke sin finger over sensoren behøver ikke hå ha samme lengde som fingeravtrykket og kan derfor være mindre og mer kostnadseffektive. På grunn av deres reduserte størrelse og lavere pris kan skannersensorene være et bedre valg for forbrukeranvendelser. Skannere krever bare et svært begrenset antall sensorlinjer og mens bredden på sensoren fremdeles må tilsvare bredden på et fingeravtrykk kan sensorlengden være så kort som noen få millimeter eller til og med mindre. Det "lineære" arrangementet av sensorer gir også mer fleksibilitet ved konstruksjonen av koblingen mellom fingeren og sensoren - den må ikke nødvendigvis være en flat overflate slik matrisesensorer ofte er.

Patentsøknaden W098/58342 viser et eksempel på en skanner-sensor der den forsterkende integrerte kretsen er plassert på et kretskort og der kanten på kortet utgjør kontaktflaten mellom sensoren og fingeren. I denne sensoren er hvert sensorelement en tynn bane på kortet som strekker seg perpendikulært på fingeroverflaten. De ytre endene er dekket med et dielektrisk lag for å sikre kapasitiv kobling mot fingeroverflaten. For å bestemme farten til fingeren brukes to linjer med sensorelementer, én på hver side av kortet. Hastighetsmålingene behøves for å bygge opp et todimensjonalt bilde basert på avlesningene fra sensoren. Eksempler på andre skannende sensorer er gitt i US 6,289,114, WOO1/99036 og EP 0 735 502 A2.

I sensorkonfigurasjonen beskrevet i W098/58342 er størrelsen til de forsterkende og signalbehandlende kretsene verken knyttet til bredden eller lengden til fingeravtrykket som skal avleses. Dette gjør det mulig å lage en mye mindre integrert krets (IC) og dermed kutte i kostnadene.

Den beskrevne sensoren har imidlertid den ulempen at den er relativt stor, og at kretskortet som strekker seg i en retning perpendikulært på fingeroverflaten gir sensoren en høy profil. For mange anvendelser, for eksempel i mobiltelefoner, ønskes en sensorprofil som er mindre enn noen millimeter for å få plass tilsensoren i telefonen.

Dette problemet blir løst i sensoren beskrevet i patentsøknad nr WO01/99035. Denne løsningen beskriver en fingeravtrykkskanner der den integrerte kretsen med forsterkere osv (ASIC) er montert på baksiden av et substrat. Dette substratet er for eksempel silisium, keramikk eller glass. På oversiden av substratet er det plassert et antall sensorområder for måling av kapasitans, og ledere er laget gjennom substratet for å koble hvert sensorområde eller element til en tilsvarende inngang på ASICen. Sensorområdene er dekket med et dielektrisk materiale.

Denne substratbaserte sensoren har flere fordeler: først og frem beholder den alle fordelene ved skanneren, der størrelsen til den dyre ASICen er "frakoblet" størrelsen på fingeren. I tillegg gir substratet, som er langt mindre kostbart pr areal å produsere, mekanisk og annen beskyttelse fra omgivelsene for den sårbare ASICen på sin bakside. Sensoren har en lav profil, og, hvis koblet med f.eks BGA-baller, trenger ikke å være bedre pakket før den monteres på et hovedkort, for eksempel i en telefon.

Sensoren har også den fordelen at driverelektrodene for stimulering av fingeren kan integreres direkte på overflaten av substratet. Disse driverelektrodene kan kobles til jord via en ESD beskyttende halvlederinnretning, slik at ESD-utladningerfra fingeren vil gå til elektroden heller enn til sensorområdene. Ulikt en matrisesensor kan åpningen i driverelektroden rundt sensorområdene være små, og minimere risikoen for ESD-introduserte skader selv for svært lokale elektriske utladninger.

Alle de tre ovennevnte prinsippene krever imidlertid at fingeren er stimulert direkte med en AC-spenning. Dette trenger ikke alltid være en fordel. For eksempel kan signalet fra en uskjermet driverelektrode i noen tilfeller danne elektriske forstyrrelser i annet elektronisk utstyr..

For den substratbaserte sensoren beskrevet i patentsøknad WOO 199035 er det nok en ulempe: For skjerming vil det ofte være nødvendig å plassere et jordet lag (eller et lag med et annet fast potensial) mellom driverelektroden og de underliggende kretsene. Dette betyr imidlertid at AC signalet fra driverelektrodene vil koble kapasitivt til dette jordede laget og dermed øke sensorens strømforbruk. Dette kan være en ulempe, særlig for håndholdt utstyr der batterienes levetid er svært viktig. Den forbrukte strømmen kan bli særlig stor for store stimuleringselektroder med dielektrikum, tynne dielektrika og høye driverspenninger. Tilsvarende ulemper er relatert til den lignende løsningen beskrevet i WO0199036.

De tre mulige løsningene på dette problemet er å senke driverspenningen, redusere størrelsen på driverelektrodene eller øke tykkelsen på dielektrikummet mellom de to metall-planene. Alle disse innfallsvinklene har imidlertid sine ulemper: En lavere spenning vil redusere signal/støy-forholdet og begrense systemets evne til å se visse typer avtrykk, for eksempel svært tørre fingre. Hvis driverelektroden er for liten vil signalnivået også reduseres fordi kontaktområdet for kobling av AC-spenningen inn i fingeren er utilstrekkelig. I tillegg, når fingeren er til stede vil AC-signalet kobles fra fingeren til det underliggende jordingsnivået uansett, uavhengig av tilstedeværelsen av driverelektroden. Så effekten med hensyn til strømforbruket er tvilsom. Å bruke et tykkere dielektrikum kan være upraktisk i forhold til prosessering. Hard, varig dielektrisk materiale som er kompatible med f.eks silisiumsubstrat-teknologi, slik som Si02 eller SiN, er sjelden mer enn et par mikrometer tykke. Polymermaterialer slik som polyimid kan være tykkere men er ikke så pålitelige med hensyn til slitasje.

Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en sensormodul i hvilken den eksterne elektroden i direkte kontakt med fingeren kan være jordet eller koblet til et fast potensiale i stedet for å bære en AV-spenning. Dette ville også ha en fordel med hensyn til ESD siden utladningene ville gå direkte gjennom uten å risikere at driverkretsen vil bli skadet av slike utladninger.

Et sensorprinsipp der elektroden som er i kontakt med fingeren er jordet er beskrevet i US patent 5.862.248. Denne sensoren er imidlertid ikke en skanner og har derfor de ulempene relatert til matrisesensorer som er beskrevet over.

Den foreliggende oppfinnelsen har som formål et skannersensor-prinsipp som omfatter lave kostnader, høy pålitelighet mot mekaniske og andre påvirkninger fra omgivelsene, enkel pakking og montering, lav elektromagnetisk stråling til omgivelsene og høy toleranse for ESD. Oppfinnelsen er kjennetegnet slik som angitt i det uavhengige kravet.

Ifølge en foretrukket utførelse av denne oppfinnelsen.er substratet til sensormodulen forsynt med et antall åpninger gjennom hvilke elektriske kontakter koblet ti sensorelementene er ledet, og at de elektroniske kretsene er plassert på den andre siden av av substratet i forhold til sensorelementene.

Ifølge en alternativ utførelse av oppfinnelsen omfatter modulen minst én AC driverelektrode og et array av kapasitanser, resistanser og andre impedans-nettverk for kobling av signalet på nevnte driverelektroder til sensorelementene. Substratet er lagete i silisium, glass, keramikk eller i et polymermateriale.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfatter modulen en eller flere elektroder som kan eksitere hvert sensorelement, slik at responsen fra hvert sensorelement kan kalibreres.

Oppfinnelsen er beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Figur 1 illustrerer en skjematisk krets ifølge oppfinnelsen.

Figur 2 illustrerer et langsgående snitt av sensoren.

Figur 3 illustrerer et tverrsnitt av oppfinnelsen.

Figur 4 illustrerer en sensor ifølge oppfinnelsen som sett ovenfra.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen beskrevet i detalj i figurene 2, 3 og 4 består oppfinnelsen av et substrat 2 som kan lages av for eksempel silisium, glass, keramikk, flexprints eller et laminert kort. På oversiden av substratet, der fingeren som skal trekkes over, er et antall sensorelementer S definert, for eksempel som ledende sensorområder lagete i en planar prosess. Sensorelementene kan enten være dekket av et dielektrikum slik som Si02 eller SiN eller kan være i galvanisk kontakt med fingeren. Sensorelementene er fortrinnsvis arrangert langs en enkelt linje med ytterligere sensorelementer 6 for deteksjon av hastigheten og/eller retningen til bevegelsen, inkludert rotasjon, til fingeren over sensoren. Disse bevegelsesmålingene kan enten brukes for å korrigere bildet med hensyn til variasjoner i fingerens hastighet, trekkeretningen eller rotasjon, eller for eksempel for å bevege en peker på en skjerm ("mus").

Den øvre overflaten på sensoren omfatter fortrinnsvis en jordet elektrode 7, fortrinnsvis i direkte kontakt med omgivelsene, som dekker en i det minste signifikant del av substratets overflate. Alternativt kan elektroden være dekket av et tynt dielektrisk materiale 8.

Substratet omfatter videre et antall gjennomgående hull 3 gjennom hvilke koblingen fra sensorområdene 5 ledes gjennom substratet 2 til baksiden. De gjennomgående hullene 3 er generert ved laser- eller mekanisk drilling, eller med en etseprosess an må deretter bli elektrisk isolert fra substratet hvis det er elektrisk ledende. Dette kan for eksempel gjøres ved oksidasjons- eller deponeringsteknikker. Hvis nødvendig kan tilleggs-ledningbaner inkluderes mellom den nedre enden av hullene og substratets bondingsområder på ASIC 4, som er montert på baksiden av substratet (for eksempel fiip-chip eller ledningsbonding). Alternativt kan det være ruting på toppen av substratet også, fortrinnsvis i et tilleggslag under det jordede laget 7. I tilfellet med silisium eller andre ledende eller halvledende substrat-typer holdes substratet 2 på et fast potensial.

ASICen inneholder et antall forsterkere 16 for å forsterke signalete tilhørende hver avbildende kanal (sensor element), i tillegg til andre signalbehandlingskretser..

Endelig inneholder sensoren en eller flere driver kretser 11 av en hvilken som helst kjent type som kan brukes for å koble et AC-signal (strøm eller spenning) til hver node IS tilhørende et sensorområde. For hver node vil dette signalet kobles gjennom sensorens dielektrikum (hvis dette er anvendt), gjennom fingeren og til den jordede elektroden 7 på sensoroverflaten. Disse driverkretsene kan for eksempel bli realisert som en AC strømkilde med konstant amplitude. Strømkildene kan være koblet til sensorområdenes noder 15 enten direkte eller gjennom et impedans-nettverk. Alternativt kan driverkretsene realiseres som AC spennings-elektroder koblet til de individuelle kanalene (sensorområdene) gjennom kapasitanser eller andre impedans-nettverk. Driverkretsene kan enten være lokalisert i kretsene på ASICen eller hvilken som helst side av substratet. AC spenningselektroder med en rent kapasitive kobling, som vist på figur 1, kan for eksempel oppnås ved å produsere platekapasitorer i en to-lags metalliseringsprosess. For å minimere strømforbruket er det imidlertid viktig at den parasittiske koblingen fra disse driverelektrodene til jord er så liten som mulig. Alternativt kan en resistiv kobling eller mer kompliserte impedans-nettverk brukes.

En skjematisk versjon av et foretrukket måleprinsipp er vist i figur 1. Et AC spennings-signal 11 fra driverelektroden kobles til sensoromårdet/forsterkeirnngangs-noden 15. I en alternativ utførelse kan kombinasjonen av 11 og 12 erstattes med for eksempel en AC strømkilde med konstant amplitude. I det viste tilfellet i figur 1 er inngangssignal-spenningen til ASIC-forsterkeren 16 gitt av spenningsdelingen mellom kapasitoren 12 og den kombinerte kapasitansen til kapasitoren mot jord 17 parallelt med seriekapasitansen til 13 (gjennom sensorens dielektrikum 8), og 14 (gjennom fingerens topper eller gjennom luftrommet i en dal). Den ytterligere serie-impedansen 18 gjennom fingeren er i denne diskusjonen antatt å være neglisjerbar. På grunn av at alle andre elementer er faste vil størrelsen på inngangs-signalet endre seg avhengig av størrelsen på kapasitansen 14, som varierer avhengig av om det er en topp eller dal i fingeravtrykket tilstede. Spenning-inngangssignalet ved 15 kan forsterkes, for eksempel ved en ikke-inverterende spenningsforsterkende krets.

For å maksimere følsomheten bør størrelsen på kapasitansen 12 være sammenlignbar med kapasitansen 17.1 noen tilfeller er kapasitansen 17b dominert av inngangs-kapasitansen til ASIC forsterkeren, og kan derfor av praktiske grunner ha en minimums-størrelse (for eksempel noen få pF). I dette tilfellet vil kapasitoren 12 også måtte være forholdsvis stor. I det generelle tilfellet behøver ikke 17 å være en kapasitor, men kan være et hvilket som helst impedans-nettverk eller andre kretser med et kontrollert forhold mellom strøm og spenning.

Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til koblingen som er beskrevet i figur 1, og andre skjemaer, inkludert måleteknikkene som kan brukes for å måle størrelsen på den variable kapasitansen 14, som er hovedmålet.

For å kalibrere responsen fra sensoren kan en kalibreringskapasitor være koblete mellom 15 og en annen AC elektrode som kan skrus på eller av. Når elektroden er skrudd på vil endringen i nivået på inngangssignalet 15 representere de generelle variasjonene i størrelsen til 12,17 og 13, i tillegg til gainet fra forsterkeren. Denne lesningen kan derfor brukes for å normalisere utgangssignalet fra hver kanal. For at kalibrering skal bli mindre følsom for fingerens tilstedeværelse under kalibreringen bør 17 fortrinnsvis være stor sammenlignet med 13. Alternativt kan en AC strømkilde brukes for å kalibrere.

Den foreliggende oppfinnelsen kombinerer mange av fordelen til sensorteknologiene beskrevet i WO01/99035, US 5,862,248 og W098/58342.mens ulempene reduseres eller elimineres. For eksempel kan den foreslåtte sensoren være en i det vesentlige lineær skannersensor med en liten størrelse og lav pris, i motsetning til løsningen som er foreslått i US 6,069,070 eller US 5,862,248. Ulik sensoren i W098/58342 har denne en lav profil, og ulik sensoren i WOO1/99035 er det ikke noe ekstra strømforbruk knyttet til driverelektroden eller en finger i nær kontakt med et jordet lag. Den eliminerer også behovet for en aktiv driverelektrode i direkte kontakt med fingeren slik som foreslått i både WO01/99035, US 6,069,070 og W098/58342. Hvis den eksterne elektroden er jordet vil dette gjøre bruk av ytterligere ESD-beskyttelseskretser mindre nødvendige siden utladninger fra fingeren vil gå direkte til jord. Bruken av et jordet topplag kan også være en fordel med hensyn til elektromagnetisk stråling fra omgivelsene.

Fordelene med den foreliggende oppfinnelsen i forhold til andre diskuterte prinsipper er imidlertid ikke begrenset til situasjoner der det er ønskelig å ha et jordet lag i kontakt med fingeren. Ved å forsyne den ytre elektroden 7 med et AC-signal som er invertert i forhold til signalet 11 vil en større strøm gå ut av 7 gjennom fingeren, og dette vil resultere i en økning i signalet ved forsterkerens inngang. Hvis størrelsene til 12 og 17 er sammenlignbare vil det være mulig å øke signalstyrken med en faktor på omkring 3 i forhold til situasjonen der 7 er ved et fast potensial. I en praktisk innretning kan dette for eksempel være et valg som kan bli slått på hvis sensoren detekterer at signalnivået er under en kritisk verdi.

I andre utførelser kan kontakten mellom fingeren og sensorområdet også være galvanisk, og en shunt kapasitans eller impedans (tilsvarende 13) plassert mellom sensorområdet og forsterkerens inngangsterminal. I tillegg kan det dielektriske laget 8 være forsynt med øvre ledere støpt i et isolerende materiale så som plast, for direkte kontakt med fingeren eller for å gi en struktur på sensorelementene som er forskjellig fra strukturen tilveiebrakt med plasseringen av sensorene 5. Dette gir en sensoroverflate som beholder sine elektriske egenskaper selv om overflaten slites ned..

Selv om WO01/99035 er beskrevet her kan den alternative utførelsen gitt i WOO 1/99036 også brukes i henhold til oppfinnelsen. I denne utførelsen er substratet en halvleder og de elektroniske kretsene er plassert oppå eller på samme side av substratet som sensorelementene, og er forsynt med lag av elektrisk ledende og isolerende lag for plassering av elektrodene og skjerming av systemet.

Claims (8)

1. Sensormodul for måling av strukturer i en overflate, særlig en fingeroverflate, som beveges over sensormodulen, omfattende et antall sensorelementer og en ytre elektrode plassert ved siden av sensorelementene, der sensorelementene er koblet til minst en AC driverkrets som påtrykker en varierende strøm eller spenning, for derved å koble et signal gjennom sensorelementene til den ytre elektroden, der sensorelementene også er koblet til en elektronisk krets plassert på et substrat, hvilket substrat omfatter leder som kobler sensorelementene til den elektroniske kretsen, og der den elektroniske kretsen er innrettet til å måle størrelsen til kapasitansen eller AC impedansen mellom hvert sensorelement og den ytre elektroden, karakterisert ved at sensorelementene utgjør et i det vesentlige lineært array og den ytre elektroden utgjøres av en større elektrode plassert på utsiden av dette arrayet og påtrykket en valgt spenning, evt jordet, der arrayet er innrettet til å måle kapasitansen eller impedansen mellom hvert sensorelement og den ytre elektroden ved valgte tidspunkter, og at de målte verdiene blir kombinert for å danne en representasjon av overflatemønsteret.

2. Sensormodul ifølge krav 1, der substratet er forsynt med et antall åpninger gjennom hvilke elektriske ledere koblet til sensorelementene føres, og at den elektroniske kretsen er plassert på den motsatte siden av substratet i forhold til sensorelementene.

3. Sensormodul ifølge krav 1, der modulen omfatter minst én AC driverelektrode og et array av kapasitanser, resistanser eller andre impedansnettverk for kobling av signalet i driverelektroden til sensorelementene.

4. Sensormodul ifølge krav 1, der substratet er laget av silisium, glass, keramikk eller et polymermateriale.

5. Sensormodul ifølge krav 1, der et tidsvarierende signal påtrykkes den ytre elektroden.

6. Sensormodul ifølge krav 1, i hvilken modulen omfatter en eller flere elektroder som kan eksitere hvert sensorelement, slik at responsen fra hvert sensorelement kan kalibreres.

7. Sensormodul ifølge krav 1, der substratet er en halvleder, og der de elektroniske kretsene er definert på den øvre overflaten på substratet.

8. Sensormodul ifølge krav 1, der driverkretsene er AC strømkilder.