FI115109B

FI115109B - Tunnistusjärjestely ja tunnistusjärjestelyn käsittävä matkaviestin

Info

Publication number: FI115109B
Application number: FI20030101A
Authority: FI
Inventors: Tapani Ryhaenen; Kari Hjelt
Original assignee: Nokia Corp
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2005-02-28
Also published as: US7813534B2; JP2004223263A; JP2011050757A; EP1586075B1; WO2004066194A1; KR20050092050A; CN1816814A; FI20030101A0; CN100487719C; KR100751069B1; DE602004013538D1; EP1586075A1; CA2513908A1; AU2004205963B2; US8148686B2; US20050030724A1; FI20030101L; JP5491356B2; AU2004205963A1; WO2004066194A8

Description

Tunnistusjärjestely ja tunnistusjärjestelyn käsittävä matkaviestin - Sensor ar- rangemang och mobilkomunikator som omfattar ett sensorarrangemang 115109

Keksintö koskee järjestelyä ympäristöolosuhteiden mittaamiseksi sähkölaitteissa 5 ja/tai käyttäjän biometristen muuttujien mittaamiseksi. Näihin olosuhteisiin voi sisältyä käyttäjän tunnistus, laitteen sijainti ja ympäristön erilaiset ominaisuudet. Keksintöä sovelletaan edullisesti matkaviestimiin.

On olemassa tarve varustaa matkaviestimet mittauslaitteilla, jotta matkaviestin pystyisi mittaamaan ympäristönsä olosuhteita. Tarvitaan myös sormenjälki tunnistimia 10 ja muita biometrisia tunnistimia, joita voidaan käyttää matkaviestimen käyttäjän tunnistamiseen ja muiden biometristen muuttujien mittaamiseen käyttäjästä. Näitä tietoja voidaan käyttää kontekstiriippuvissa sovelluksissa, joissa käytetään ympäristön tietoja ja/tai käyttäjän tietoja esimerkiksi käyttöliittymäprofiilin säätämiseen ja matkaviestimen käyttöliittymän erilaisiin asetuksiin. Tämä keksintö liittyy yleisiin 15 mittausjärjestelyihin, mutta seuraavaksi kuvataan tunnettua tekniikkaa käyttäen ensin sormenjälkitunnistinta esimerkkinä.

On olemassa useita erityyppisiä sormenjälkitunnistimia, kuten ihon impedanssiin perustuva tunnistin, lämpötunnistimet ja optiset tunnistimet. Käytännöllisin ratkaisu : pienten laitteiden, kuten matkaviestimien, käyttäjän tunnistamiseen perustuu kapasi- 20 tiiviseen impedanssin mittaukseen. Ihon impedanssin muutoksia mittaavan, kapasi-tiivisen sormenjälkitunnistimen perusajatusta havainnollistetaan kuvissa IA ja IB. Rivi tunnistimia 120 mittaa ihon impedanssiarvoja, kun sormi 101 vedetään vähitellen tunnistinrivin yli. Elektrodin pinnan ja ihon pinnan alla olevan johtavan suola-kerroksen välinen kapasitanssi vaihtelee johtavaan kerrokseen olevan etäisyyden • 25 funktiona. Ihon pinnassa vuorottelevat ilmaraot ja kuolleet sarveissolut muodostavat kapasitanssin 125 johtaviin kerroksiin 121, 122, jotka muodostavat kapasitiivisen tunnistimen elektrodit.

Kuva 2 esittää toista esimerkkiä, joka sisältää ihon impedanssin karkean vastinpiirin ja impedanssin mittausperiaatteen. Iholla on kiinteä, resistiivinen kudoskomponentti 30 202 ja kiinteä, resistiivinen pintakomponentti 203. Mittauskapasitanssilla on myös ; kiinteä komponentti 272 ja komponentti 271, joka vaihtelee sormen pinnanmuodon mukaan. Kapasitiivinen sormenjälkitunnistin mittaa vaihtelevan, kapasitiivisen komponentin syöttämällä vaihtojännitettä 281 syöttöelektrodiin 222 ja mittaamalla tunnistinelektrodista 221 tulevan signaalin. Signaalia vahvistetaan pienikohinaisella 35 vahvistimella 282, ja syöttö- ja tunnistuselektrodin välinen vaihe-ero mitataan, 283.

2 115109 Häiriöt voidaan vaimentaa suojaelektrodilla, joka pidetään samassa potentiaalissa kuin signaalinsyöttö käyttämällä puskuria 285.

Sormenjälkitunnistin ja useimmat muut tunnistimet tarvitsevat myös signaalinkäsit-telypiirin, joka on edullisesti piipohjainen integroitu piiri. Eräs ratkaisu sormenjälki-5 tunnistimen rakentamiseksi olisi käyttää integroitua piiriä, joka sisältäisi sekä kapa-sitiiviset mittauselektrodit että signaalinkäsittelyelektroniikan. Tämä integroitu piiri asennettaisiin sitten laitteen pinnalle. Kapasitiivisen sormenjälkikuvan saamiseen tarvittava pinta-ala on kuitenkin yhden neliösenttimetrin luokkaa. Tämä on hyvin suuri pinta-ala piipohjaisen integroidun piirin käyttämiseen mittauselektrodeina.

10 Mittaus koostuu lisäksi sadoista kapasitiivisista pikseleistä, jotka on järjestetty riviksi tai matriisiksi mittausperiaatteesta riippuen. Tarvitaan paljon johdotusta, ja mittauselektrodit on eristettävä integroiduista piireistä. Siksi tarvitaan kustannustehokas menetelmä kapasitiivisten elektrodien kytkemiseksi signaalinkäsittelyyn käytettävään piipohjaiseen integroituun piiriin.

15 Eräs tyypillinen tunnetun tekniikan ratkaisu on kuvattu patenttiasiakirjoissa US 5 887 343 ja US 60673268. Ongelma on ratkaistu käyttämällä erillistä, eristävää tasomaista pohjalevyä mittauselektrodin muodostamiseksi. Tämä pohjalevy sisältää yhdistävän johdotuksen ja läpivientiaukot pohjalevyn läpi. Pohjalevy on kytketty piipohjaiseen integroituun piiriin, joka sisältää signaalin- ja tietojenkäsittelytoimin- 20 not. Tämän ratkaisun valmistusprosessi on kuitenkin monimutkainen, koska pieneen : tilaan on kytkettävä suuri määrä yhdistävää johdotusta. Sellainen johdotus ei myös- kään ole kovin kestävä, jolloin rakenne helposti särkyy mobiilikäytössä.

·_ Toisen tunnetun ratkaisun mukaan mittauselektrodit muodostetaan suoraan piilevyn pinnalle. Tällöin yhdistävän johdotuksen kokoonpano on yksinkertainen, mutta rat- 25 kaisu vaatii suuren piipinnan, koska elektrodit tarvitsevat suuren pinta-alan.

Tunnettujen ratkaisujen eräs haittapuoli liittyy tunnistimen ergonomiaan. Sormea on · painettava melko voimakkaasti litteää tunnistinta vasten, jotta saadaan riittävä kos- » * » » .' ‘ ketusalue tunnistimen ja sormen välille. Siksi mittaus voi usein epäonnistua, jos sor- ,· , mea ei paineta ja liu'uteta oikein tunnistimen pintaa pitkin.

30 Toinen sormenjälkitunnistimiin liittyvä ongelma on se, että on helppo valmistaa .Λ keinotekoinen sormi käyttäjän henkilöllisyyden väärentämiseksi. Tunnetut sormen- '. ’. jälkitunnistimet eivät voi luotettavasti erottaa sormen elävää kudosta keinotekoises- ’ · ta muovijäljennöksestä.

3 115109

Toinen tunnettujen ratkaisujen ongelma liittyy erilaisten tunnistimien sijoittamiseen. Ympäristöolosuhteiden tunnistamiseksi tunnistimien on oltava vuorovaikutuksessa laitteen ulkopuolisen ympäristön kanssa. Siksi tunnistimet pitäisi sijoittaa laitteen kuoreen. Tämäntyyppiset tunnistimet kiinnitetään tavallisesti laitteen pääpiirilevyyn 5 (pwb), ja tunnistimet ulottuvat laitteen kotelon pintaan kuoressa olevien aukkojen kautta. Modernien laitteiden, kuten matkaviestimien, pinnat on usein muotoiltu kolmiulotteisesti kaareviksi. Siksi piirilevyn ja kuoren pinnan välinen etäisyys vaih-telee, jolloin tunnistimen rakenteen suunnittelu on vaikeaa. Tunnistimilla pitäisi myös olla määrätyt paikat laitteen kuoren pinnalla, ja voi olla vaikeaa suunnitella 10 pääpiirilevyn komponenttien sijoittelu niin, että määrätyt tunnistimen paikat saavutetaan. Eräs ratkaisu tähän ongelmaan on kiinnittää tunnistimet laitteen kuoreen, mutta silloin tunnistimien kiinnitys kuoreen ja johdotuksen järjestäminen tunnistimien ja pääpiirilevyn välille olisi vaikea toteuttaa massatuotannossa.

Keksinnön tarkoituksena on esittää tunnistinjärjestely, jossa on edellä mainittuihin 15 epäkohtiin liittyviä parannuksia. Nyt keksitty tunnistinjärjestely parantaa turvaominaisuuksia ja ergonomiaa ja soveltuu hyvin sarjatuotantoon. Keksintö siis parantaa huomattavasti tunnistimien kustannustehokkuutta ja luotettavuutta erityisesti mobii-lisovelluksissa.

Tunnistinjärjestely, jossa on ainakin yksi tunnistin, ainakin yksi integroitu signaa-20 linkäsittelypiiri ainakin yhdestä tunnistimesta tulevien signaalien mittaamiseksi sekä ; yhdistävä johdotus ainakin yhden tunnistimen ja integroidun piirin välillä, on tun- : nettu siitä, että järjestely käsittää pohjalevyn, joka muodostaa ainakin osan maini- tusta yhdistävästä johdotuksesta, ja mainittu pohjalevy on lisäksi järjestetty toimi- . ’'. maan ainakin yhden mainitun tunnistimen toiminnallisena osana.

: ‘ 25 Keksintö koskee myös matkaviestintä, jossa on keksinnön mukainen tunnistinjärjes- tely.

Keksinnön eräässä edullisessa toteutusmuodossa on ainakin tunnistin, elektrodit ja *···, integroitu piiri taipuisalla pohjalevyllä. Sellainen järjestely voidaan toteuttaa esi- '! merkiksi matkaviestimen kuoreen muottiin valamalla.

• · 30 Keksinnön muita edullisia toteutusmuotoja on kuvattu epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

f ' I

Keksinnön yhtenä ajatuksena on esittää tunnistinjärjestely pohjalevyllä, joka muodostaa ainakin osan tunnistimesta ja toimii edullisesti myös pohjalevynä muille tunnistimille. Pohjalevy on edullisesti taipuisa, jolloin se voidaan muotoilla noudatta- 4 115109 maan laitteen kuoren muotoa. Keksinnössä kuvataan myös tapaa luoda kaksi- tai kolmiulotteisia muotoja elektrodirakenteille tunnistimen suorituskyvyn optimoimiseksi. Kun kaksi- tai kolmiulotteinen pintarakenne suunnitellaan noudattamaan sormen muotoa, tarvitaan hyvin pieni paine liuotettaessa sormea tunnistimen pintaa 5 pitkin. Näin tunnistimen käyttö on ergonomista, ja mittauksesta tulee hyvin luotettava.

Keksintö helpottaa myös usealla tunnistimella varustetun mikrojärjestelmän toteuttamista. Tunnistinelementit ja mittauselektroniikka, kuten ASIC-piirit, voidaan integroida kolmiulotteiseen moduuliin käyttämällä COF (chip-on-flex) -tekniikkaa. 10 COF-tekniikka perustuu esimerkiksi taipuisan Kapton-kalvon käyttämiseen pohja-levynä johdotukselle ja tunnistimen ja ASIC-piirien kiinnitykselle. Integroidut piirit ja tunnistimet voidaan suojata muottiin valetulla polymeerikuorella. Taipuisa piirilevy (esimerkiksi Kapton-kalvo) mahdollistaa kaksi- tai kolmiulotteisten rakenteiden muodostamisen niin, että osa tunnistimista ja elektroniikasta voidaan sijoittaa 15 laitteen kuoren läheisyyteen.

Mahdollisuus valmistaa kaareva pinta sormenjälkitunnistimeen tekee myös mahdolliseksi integroida siihen verenkierron optinen tunnistus valon absorption avulla. Tällä tavalla voidaan varmistaa, että sormi kuuluu elävälle ihmiselle.

Tunnistinyksikköön voidaan myös integroida muuntyyppisiä tunnistimia. Esimer-20 kiksi keksinnön eräässä toteutusmuodossa sijoitetaan valodiodi ja valoherkkä tunnistin sormiuran vastakkaisille puolille valon absorption mittaamiseksi sormen läpi.

; Käytettävän valon aallonpituus on sellainen, että elävässä sormessa oleva veri aihe- ,, uttaa suurimman absorptiosignaalin. Näin voidaan tunnistaa hapettunut hemoglobii- ni käyttäjän sormesta. Tällä menetelmällä voidaan siis tarkkailla myös pulssia. Tä- 25 mä tekee keinotekoisten sormien käyttämisen tunnistuksen väärentämiseen hyvin vaikeaksi. Myös muita tunnistimia, kuten lämpötilan (TS) ja valon (LS) tunnistimia, voidaan integroida sormi uraan ja sisällyttää sormenjälkitunnistinpakettiin. Taipui-,,;; ’ san kalvon käyttäminen pohjalevynä antaa yleisesti joustavuutta tunnistimien sijoit- tamiseen tarvittaviin paikkoihin. Taipuisa kalvo voi esimerkiksi noudattaa laitteen . ’ . 30 kuoren muotoa.

Keksinnön toinen ajatus on induktiivisesti viritetty kapasitiivinen tunnistin, joka r.·. voidaan integroida esimerkiksi matkapuhelimen kuoreen. Viritetyn kondensaattori- ,·, ; tunnistimen on osoitettu olevan hyvin herkkä resistiivisille häviöille, jotka johtuvat siitä, että resistiivinen materiaali koskettaa kondensaattorin elektrodeja. Impedans-35 simittauksen perusteella todettu viritetyn tunnistimen Q-arvon aleneminen ilmaisee 5 115109 koskettavan materiaalin: galvaanista kosketusta tunnistimen elektrodeihin ei tarvita. Induktiivinen kytkentä voidaan tehdä useisiin viritettyihin tunnistimiin samoilla tai eri resonanssitaajuuksilla, tai kytkentää voidaan moduloida tunnistimen puolelta. Eri resonanssitaajuuksien käyttö mahdollistaa eri tunnistinelementtien erottamisen 5 toisistaan. Koska induktiivisesti viritetyt kapasitiiviset tunnistimet voidaan kytkeä induktiivisesti mittauselektroniikan sisältävään monisirumoduuliin, lisäjohdotusta kokoonpanovaiheessa ei tarvita. Näin on mahdollista muodostaa kokonaan tiivistetty, vesitiivis laite.

Keksinnön valmistusprosessi soveltuu massatuotantoon, ja keksintöä voidaan sovel-10 taa nykyisiin tunnistinmittauskonsepteihin ja elektroniikkaan laitteen valmistuksen tekemiseksi kustannustehokkaammaksi.

Seuraavaksi keksintöä kuvataan tarkemmin viitaten esimerkinomaisiin toteutusmuotoihin oheisten piirustusten mukaan, joissa

Kuva IA esittää kapasitiivisen sormenjälkitunnistimen käyttöä, 15 Kuva IB esittää tunnetun, kapasitiivisen sormenjälkitunnistimen toimintaperi aatetta,

Kuva 2 on lohkokaavio ihon impedanssin mittauksesta, jossa käytetään aktiivista suojausta, . , Kuva 3 esittää poikkileikkauksena keksinnön mukaista, esimerkinomaista jär- ; 20 jestelyä, jossa käytetään taipuisaa pohjalevyä pintana yksikön elektro deille ja sähkökytkennöille, ; : Kuva 4 esittää poikkileikkauksena keksinnön mukaista, esimerkinomaista jär- :" : jestelyä, jossa käytetään taipuisaa pohjalevyä taivutettuna niin, että se toimii elektrodeina ja pintana yksikön sähkökytkennöille, ·;;; 25 Kuva 5 esittääpoikkileikkauksenakeksinnönmukaistaesimerkinomaistajär- ’ · · ·' jestelyä, jossa taipuisalle pohjalevylle on sijoitettu lisätunnistimia, • · • ! *

Kuva 6a esittää ylhäältä katsottuna keksinnön mukaista esimerkinomaista jär-•y’ jestelyä, jossa taipuisalle pohjalevylle on sijoitettu sormenjälkitunnis- j ',: tin, optinen tunnistin ja muita tunnistimia, 6 115109

Kuva 6b on perspektiiviesitys keksinnön mukaisesta esimerkinomaisesta järjestelystä, jossa taipuisalle pohjalevylle on sijoitettu sormenjälkitunnis-tin, optinen tunnistin ja muita tunnistimia,

Kuva 6c esittää poikkileikkauksena keksinnön mukaista esimerkinomaista jär-5 jestelyä, jossa taipuisalle pohjalevylle on sijoitettu sormenjälkitunnis- tin, optinen tunnistin ja muita tunnistimia,

Kuva 7a esittää ylhäältä katsottuna esimerkinomaista kosketuselektrodia keksinnön mukaiselle järjestelylle,

Kuva 7b esittää poikkileikkauksena esimerkinomaista kosketuselektrodia kek-10 sinnön mukaiselle järjestelylle,

Kuva 7c esittää vastinpiiriä kosketusmittaukselle kuvien 7a ja 7b mukaisella esimerkinomaisella kosketuselektrodilla,

Kuva 8 esittää poikkileikkauksena keksinnön mukaista esimerkinomaista järjestelyä, jossa taipuisaa pohjalevyä käyttämällä on sijoitettu induktii-15 vinen ihokosketustunnistin, optinen tunnistin ja muita tunnistimia,

Kuva 9a esittää erästä piiriä ensimmäisestä induktiivisen kosketusmittauksen toteutusmuodosta,

Kuva 9b esittää erästä piiriä toisesta induktiivisen kosketusmittauksen toteutusmuodosta, . 20 Kuva 10 esittää erästä piiriä esimerkinomaisesta usean kanavan induktiivisesta mittauksesta, jossa on tunnistimet useiden tunnistimien mittausta var-’ . ten,

Kuva 11a esittää esimerkinomaista piiriä keksinnön mukaista passiivista, induk- '; ’ tiivistä kosketusmittausta varten, • » ·· • » » ♦ T 25 Kuva 11b esittää esimerkinomaista piiriä keksinnön mukaista aktiivista, induk-

I I

•. ’ : tiivistä kosketusmittausta varten, • » • *

Kuva 12 esittää suojausta keksinnön mukaisessa esimerkinomaisessa järjeste- • * : ·’ lyssä, • » I » » • ‘ » • »

Kuva 13a esittää poikkileikkauskuvana ensimmäistä toteutusmuotoa elektrodien 30 järjestämiseksi keksinnön mukaan, 7 115109

Kuva 13b esittää ylhäältä kuvattuna ensimmäistä toteutusmuotoa elektrodien järjestämiseksi keksinnön mukaan,

Kuva 14a esittää poikkileikkauskuvana toista toteutusmuotoa elektrodien järjestämiseksi keksinnön mukaan, 5 Kuva 14b esittää ylhäältä kuvattuna toista toteutusmuotoa elektrodien järjestämiseksi keksinnön mukaan,

Kuva 15a esittää poikkileikkauskuvana kolmatta toteutusmuotoa elektrodien järjestämiseksi keksinnön mukaan,

Kuva 15b esittää ylhäältä kuvattuna kolmatta toteutusmuotoa elektrodien järjes-10 tämiseksi keksinnön mukaan,

Kuva 16a esittää ylhäältä kuvattuna neljättä toteutusmuotoa elektrodien järjestämiseksi keksinnön mukaan,

Kuva 16b esittää poikkileikkauskuvana neljättä toteutusmuotoa elektrodien järjestämiseksi keksinnön mukaan, 15 Kuva 17 esittää taipuisalla pohjalevyllä varustetun piirin valmistusprosessia.

Kuvia IA, IB ja 2 selostettiin edellä tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

, Kuva 3 esittää keksinnön toteutusmuotoa, joka mahdollistaa elektrodin ja sormen . välisen rajapinnan kaksi- tai kolmiulotteisen muodon. Taipuisan, painetun ja johdo- tetun pohjalevyn yhtä päätä käytetään elektrodeille 322, ja pohjalevyn 363 muita | 20 osia käytetään ulkoisiin yhteyksiin. Kuva 3 esittää myös taipuisan pohjalevyn ja : ' ASIC-piirin 380 metalloitujen pintojen välisiä yhteyksiä. Elektrodien 322 johdotus :' ja suojaus 330 on järjestetty käyttämällä taipuisan kalvon ja läpivientiaukkojen 323, 324 kaksipuolista metallointia. Tämä järjestely, joka sisältää taipuisan pohjalevyn, tunnistimen ja ASIC-piirin, voidaan valaa suoraan esimerkiksi matkapuhelimen 25 kuoreen 368.

9 ( V': Kuva 4 esittää erästä toteutusmuotoa keksinnön mukaisesta järjestelystä, jossa yhte- ys muuhun elektroniikkaan on muodostettu taivuttamalla taipuisa, painettu piirilevy ;v. (PWB) tai kalvomainen pohjalevy 463 yksikön alle ja kiinnittämällä kalvoon juo- * ·, ; tospallot 478. Tässä toteutusmuodossa kalvon toinen pää on taivutettu yksikön pääl- 30 le kalvon pään käyttämiseksi elektrodeina. Yhteydet 423, 424 ASIC-piiriin 480 voidaan tehdä samalla tavalla kuin kuvan 3 toteutusmuodossa. Kalvon elektrodipäässä 8 115109 yksi metalloitu pinta 430 toimii tunnistuselektrodina ja kalvon toinen metalloitu pinta 434 toimii suojauselektrodina. Tämä järjestely voidaan valaa muoviin 468 yhtenäisen komponentin muodostamiseksi.

Kuva 5 esittää keksinnön mukaisen järjestelyn toteutusmuotoa, jossa taipuisalla 5 pohjalevyllä 563 on sormenjälkitunnistinelektrodien 520 lisäksi joukko 591 muita tunnistimia. Tunnistimiin voi sisältyä optisia tunnistimia, lämpötilatunnistin, koste -ustunnistin, paineentunnistin, kiihdytystunnistin, kohdistustunnistin, biometrisia tunnistimia jne. Taipuisassa pohjalevyssä on aukko 592 tunnistusliitännän tarjoamiseksi laitteen ulomman osan ja tunnistimien välille. Taipuisan pohjalevyn 563 toi-10 nen pää käsittää ASIC-piirin 580 ja sähköliitännän 578 ulkoisiin piireihin.

Kuvat 6a, 6b ja 6c esittävät keksinnön mukaista esimerkinomaista järjestelyä, jossa taipuisalle pohjalevylle on sijoitettu sormenjälkitunnistin, optinen tunnistin ja muita tunnistimia. Kuvassa 6a järjestely on kuvattu ylhäältä päin, kuva 6b on perspektiivi-esitys ja kuva 6c on poikkileikkaus. ASIC-piiri 680 on asennettu piirilevylle (PWB) 15 699, joka voi olla laitteen muulle elektroniikalle käytettävä piirilevy. ASIC on liitet ty taipuisaan pohjalevyyn 663, joka kytkee ASIC-piirin tunnistimiin ja elektrodei-hin. Tunnistimen pohjalevy 668 voi myös olla valmistettu taipuisasta pohjalevystä. Pohjalevyllä on kaareva muoto, jotta se tarjoaisi sopivan pinnan sormelle 601. Tässä esimerkinomaisessa järjestelyssä taipuisalla pohjalevyllä on kahdeksan elektrodia 20 622 sormenjälkitunnistinta varten. Optinen pulssioksimetritunnistin on muodostettu * infrapuna-LEDillä 695 ja valodiodilla 696. LEDin tuottama pulssitettu infrapunava- *; lo mitataan valodiodilla sen jälkeen, kun säde on tunkeutunut sormen 601 läpi. Näin • on mahdollista varmistaa, että sormi sisältää verta, jonka pitoisuus vaihtelee sydän- . pulssin mukaan. Järjestelyssä on myös lämpötilatunnistin, jota voidaan käyttää ym- : ·. , 25 päristön lämpötilan tai sormen lämpötilan mittaamiseen. Järjestely voi sisältää myös /··, valotunnistimen 698 ympäristön valoisuuden mittaamiseksi. Näitä tietoja voidaan käyttää esimerkiksi laitteen näytön kirkkauden säätämiseen. Järjestely voi sisältää myös kosteustunnistimen ympäristön kosteuden mittaamiseksi.

IM

: Sormenjälkitunnistimen sijasta tai sen lisäksi voi olla edullista järjestää yksi tai . 30 useita ihokosketustunnistimia. Ihokosketustunnistimella voidaan esimerkiksi tarkis- • * * taa, pidetäänkö laitetta kädessä tai koskettaako matkaviestin käyttäjän korvaa (eli * * * ·; · ’ käytetäänkö matkaviestintä puhelinkeskusteluun).

• » « • » *· Kuvat 7a ja 7b esittävät esimerkkiä ihokosketuselektrodista. Kuva 7a esittää elekt- • « » rodeja ylhäältä kuvattuna, ja kuva 7b esittää poikkileikkausta elektrodeista ja niiden 35 johdotuksesta. Ihokosketus määritetään mittaamalla keskuselektrodin 710 ja uiko- 9 115109 kehän muodostavan elektrodin 712 välinen impedanssi. Elektrodi 711 toimii suoja-renkaana. Suojaelektrodi muodostaa myös suojalevyn 713 aktiivisten elektrodien 710 ja 712 alapuolelle. Elektrodit voidaan valaa muoviin 714, jolloin ne muodostavat esimerkiksi erillisen komponentin tai ne integroidaan laitteen kuoreen.

5 Kuva 7c esittää vastinpiiriä ihokosketusmittaukselle kuvien 7a ja 7b mukaisella esimerkinomaisella kosketuselektrodilla. Varsinainen ihon impedanssi R_sk_l mitataan johtamalla vaihtovirtaa I_ac_in keskus- ja ulkoelektrodeihin. Kosketuska-pasitanssit C_contact_l ja C_contact_2 ovat sarjassa ihon impedanssin kanssa. Kohdassa n3 mitattavaan jännitteeseen vaikuttaa myös elektrodien R_s resistanssi, 10 samoin kuin pohjalevyn induktiivinen komponentti L_p, resistiivinen komponentti R_p ja kapasitiivinen komponentti C_p.

Kuva 8 esittää poikkileikkauksena keksinnön mukaista esimerkinomaista järjestelyä, jossa taipuisaa pohjalevyä käyttämällä on sijoitettu induktiivinen ihokosketus-tunnistin, optinen tunnistin ja muita tunnistimia. Ihokosketus mitataan johtamalla 15 vaihtovirtaa johtaviin elektrodeihin 810 ja 812, jotka on valmistettu esimerkiksi johtavasta polymeeristä. Elektrodit on kytketty tasomaisen kelan 816 päihin, ja tämä kela vastaanottaa induktiivista energiaa toisesta kelasta 815. Kela 815 sijaitsee taipuisalla pohjalevyllä 863, joka voi olla lyhyen etäisyyden päässä laitteen kuoresta 814. Muut tunnistimet on asennettu taipuisalla pohjalevyllä olevaan tunnistinkote-20 loon 892. Pohjalevyssä ja laitteen kuoressa on läpivientiaukko 892 tunnistusliitän-i nän tarjoamiseksi tunnistimien ja laitteen ympäristön välille. Taipuisa pohjalevy on lisäksi liitetty ASIC-piiriin 880, joka tarjoaa mittauselektroniikan ja piirit mittaus-* tietojen käsittelemiseksi. Taipuisa pohjalevy tarjoaa johdotuksen tunnistimien ja , ASIC-piirin välille. ASIC-piiri ja pohjalevy on lisäksi kytketty 878 laitteen piirile- 25 vyyn (PWB) 899.

: Kuvat 9a ja 9b esittävät ihokosketuksen induktiivisen mittauksen kahta perusperiaa tetta. Kuvassa 9a piirillä on kiinteät kapasitanssit ja siten myös kiinteä resonanssi-;· taajuus. Ihokosketuksella on siten päälle/pois kytkevä vaikutus resonanssipiiriin.

Kuvassa 9b piirillä on vaihtuvat kondensaattorit ja pieni Q-arvo, joten resonanssi-

* * I

, 30 taajuutta voidaan muuttaa ihokosketuksen vaikutuksen mukaan. Tämä piiri antaa I t » tarkemmat tiedot ihokosketuksen vaikutuksesta, mutta toisaalta se on monimutkai- 9 * sempi ja kuluttaa enemmän energiaa. Kuvat 9a ja 9b esittävät piirejä, joissa tunnis- tinpuoli on passiivinen LC-resonaattori. On kuitenkin mahdollista käyttää myös ak- * * ,; tiivistä mittauspiiriä, kuten kuvassa 1 Ib on esitetty.

» · 115109 ίο

Kuva 10 esittää induktiivisen tunnistimen kytkentäjärjestelyä, jossa on piirit useiden tunnistimien mittaamiseksi käyttämällä erilaisia mittaustaajuuksia. Tässä järjestelyssä on kolme tunnistinpiiriä, joista kukin muodostaa resonanssipiirin Cbl-Lbl-Sl, Cb2-Lb2-S2 ja Cb3-Lb3-S3. Primääristä resonanssipiiriä La-Ca voidaan säätää eri 5 taajuuksille säätämällä kapasitanssia Ca. Taajuuspyyhkäisylogiikka F1 ohjaa sekä resonanssitaajuutta että sen itsevärähtelevän järjestelmän taajuutta, jossa on vahvistin G1 ja ohjauslohko CN1. Taajuus pyyhkäistään taajuusalueella, joka kattaa jokaisen tunnistimen resonanssitaajuudet. Korrelaattorilla voidaan sitten määrittää, mitkä tunnistimet resonoivat omilla resonanssitaajuuksillaan, tai määrittää tarkka reso-10 nanssitaajuus jokaiselle tunnistinpiirille.

Kuva 11a esittää vastinpiiriä ihokosketusmittaukselle passiivisella, induktiivisella järjestelyllä. Varsinainen ihon impedanssi R_sk mitataan johtamalla vaihtovirtaa ensiökelaan L_15, C_15 ja mittaamalla impedanssi Z. Koska energiaa siirtyy kelojen välillä, mittausvirta indusoituu toisiokelaan L_16, C_16. Toisioimpedanssiin 15 vaikuttaa varsinainen ihon resistanssi R_sk ja kosketuskapasitanssit C_contact_l ja C_contact_2, jotka esiintyvät iho-elektrodikosketuksessa. Ihon resistanssin R_sk arvo on tyypillisesti yksi kilo-ohmi. Kun iho tulee kosketukseen elektrodien kanssa, vaikutus on sama kuin jos kytkettäisiin kytkimellä S impedanssi Z_eq rinnakkain toisiokelan kanssa. Z_eq:n arvon määrittävät ihon resistanssi ja kosketuskapasitans-20 sit, ja sen arvo on tyypillisesti esimerkiksi 200 kilo-ohmia. Toisioimpedanssin muu-, tos voidaan sitten havaita mittaamalla ensiöimpedanssi Z.

: Kuva 11b esittää vastinpiiriä ihokosketusmittaukselle aktiivisella, induktiivisella *:· I järjestelyllä. Tässä järjestelyssä on aktiivinen mittauspiiri 1145, joka saa käyttövoi- . mansa induktiivisella kytkennällä lähtöpiiristä. Piiri 1145 mittaa pisteiden 1110 ja : v. 25 1112 välisen impedanssin ja siirtää mittausarvot moduloimalla induktiivista kytken- ' · · , tää. Modulointi voi muuttaa ilmaisinpuolelta mitattua impedanssia, tai modulointi voi muuttaa lähtöpiirin värähtelytaajuutta. Taajuuden vaihtelemiseksi piirit C-L_15 ja L_16 - C_16 on suunniteltu värähtelemään leveällä taajuuskaistalla. On myös ·;;; mahdollista käyttää yhtä piiriä 1145 useiden tunnistimien mittaamiseen. Mittausar- ' · · * 30 vot kultakin tunnistimelta voidaan siirtää ilmaisimelle peräkkäin moduloinnilla.

I : I

Edellisissä kuvissa induktiivisen kytkennän ajatusta on selitetty ihokosketusmitta-ukseen sovellettuna. Induktiivisen mittauksen keksinnöllistä ajatusta ei ole kuiten-kaan millään tavalla rajattu ihokosketusmittauksiin, vaan induktiivista järjestelyä : ’ ·,: voidaan käyttää energian syöttämiseen minkä tahansa tyyppisiin tunnistimiin ja tun- 35 nistimen annon mittaamiseen. Induktiivisen mittauksen keksinnöllistä ajatusta ei ole myöskään rajattu käytettäväksi ainoastaan pohjalevyn sisältävän keksinnöllisen tun- 11 115109 nistinjärjestelyn kanssa. Induktiivisen kytkennän ansiosta on mahdollista muodostaa täysin suljettu kuorirakenne, jossa ei ole mitään tunnistinjohdotusta kuoressa olevien tunnistimien ja sisemmän elektroniikan välillä.

Seuraavassa esitetään joitakin ratkaisuja suojauksen järjestämiseksi elektrodeille 5 keksinnön mukaisessa järjestelyssä. Nämä esimerkit liittyvät sormenjälkitunnisti-miin, mutta ratkaisuja voidaan käyttää myös esimerkiksi ihokosketusmittauksissa.

Kuva 12 esittää päältä kuvattuna ja poikkileikkauksena esimerkinomaisia tunnis-tuselektrodeja 1222 ja suojauselektrodeja 1228 pohjalevyllä 1263. Suojauselektrodit 1228 on sijoitettu tunnistuselektrodien 1222 alle siten, että elektrodien välissä on 10 eristyskerros 1229. Tässä toteutusmuodossa suojauselektrodeilla on suurempi pinta-ala. Puskurivahvistin 1285 pitää suojauselektrodit samassa potentiaalissa kuin tun-nistinelektrodit, ja siten viereiset materiaalit tai häiriöt kuormittavat tunnistinelekt-rodeja vähemmän.

Kuvat 13a ja 13b esittävät keksinnön mukaisen elektrodijärjestelyn ensimmäistä to-15 teutusmuotoa poikkileikkauksena ja päältä katsottuna. Tässä toteutusmuodossa tun-nistuselektrodi s viedään johtavaan kerrokseen, joka on kahden suojauskerroksen g välissä. Näin on mahdollista saada aikaan tehokas suojaus tunnistuselektrodille. Syöttöelektrodit D viedään päällimmäiseen johtavaan kerrokseen.

, Kuvat 14a ja 14b esittävät keksinnön mukaisen elektrodijärjestelyn toista toteutus- 20 muotoa poikkileikkauksena ja päältä katsottuna. Tässä toteutusmuodossa tunnis-tinelektrodi s viedään johtavaan kerrokseen, joka on suojauskerroksen g ja maadoi-: tetun EMC-kerroksen välissä. Syöttöelektrodit D viedään päällimmäiseen johtavaan : kerrokseen.

‘ Kuvat 15a ja 15b esittävät keksinnön mukaisen elektrodijärjestelyn kolmatta toteu- 25 tusmuotoa poikkileikkauksena ja päältä katsottuna. Tässä toteutusmuodossa tunnis-tinelektrodi s viedään johtavaan kerrokseen, joka on kahden maadoitetun EMC-·; kerroksen välissä. Suojauksella ei ole omaa kerrostaan, vaan se viedään samoihin ‘ kerroksiin kuin tunnistin- ja syöttöelektrodit. Tämä on mahdollista, kun suojaus- :'· · elektrodin ja tunnistuselektrodin johdotukset ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan.

30 Kuvat 16a ja 16b esittävät keksinnön mukaisen elektrodijärjestelyn neljättä toteu- : tusmuotoa päältä katsottuna ja poikkileikkauksena. Tässä toteutusmuodossa suo- jaus- ja syöttöelektrodien johdotukset ovat päällimmäisessä kerroksessa ja kohti- » · suorassa tunnistuselektrodin johdotusta vastaan. Tunnistuselektrodin johdotus vie- 12 115109 dään kahden maadoitetun EMC-kerroksen väliin, ja näin saadaan koaksiaalityyppi-nen suojaus tunnistuselektrodin johdotukselle.

Tehokkaimman suojauksen aikaansaamiseksi tunnistuselektrodeilla pitäisi olla erillinen suojaus, jota säätää erikseen suojaus vahvistin. Koska tunnistuselektrodeja kui-5 tenkin luetaan usein aikajakoisesti, voisi olla edullista käyttää yhtä suojausvahvis-tinta ja kytkeä se aina sen tunnistuselektrodin suojauselektrodiin, jota sillä hetkellä luetaan. Toinen mahdollisuus on käyttää siirtyvää pikselisuojausta.

Jos suojauselektrodi on yhteinen kaikille tunnistuselektrodeille, suojauselektrodi voidaan kytkeä esimerkiksi maahan (passiivinen suojaus) tai tunnistuselektrodien 10 keskiarvopotentiaaliin. Vielä yksi mahdollisuus vähentää häiriöitä on kytkeä syöttö-elektrodi käyttäjän käteen esimerkiksi laitteen kuoren kautta.

Kuva 17 esittää esimerkinomaista prosessia keksinnön mukaisen järjestelyn valmistamiseksi käyttämällä taipuisaa pohjalevyä. Kuvat esittävät poikkileikkausta valmistettavasta yksiköstä sen jälkeen, kun kyseinen valmistusvaihe on suoritettu. Ensin 15 valmistetaan päällyskerros vaiheessa 11 käyttämällä polyimidipohjalevyjä. Johdo-tuskuviot tehdään kuparista. Vaiheessa 12 lisätään liima-aine ja sirut liitetään pääl-lyskerrokseen. Vaiheessa 13 valetaan muovinen pohjalevy sirujen ympärille. Vaiheessa 14 porataan läpivientiaukot ja metallisointi sputteroidaan sähkökytkentöjen muodostamiseksi. Lopuksi vaiheessa 15 tapahtuu passivointi ja juotospallojen si-: 20 joittaminen ulkoisen liitännän järjestämiseksi.

' Keksintöä on kuvattu edellä viitaten mainittuihin toteutusmuotoihin, ja useita kek- : sinnön teollisia etuja on osoitettu. On selvää, ettei keksintö ole rajattu vain mainit- .: tuihin toteutusmuotoihin, vaan se käsittää kaikki mahdolliset toteutusmuodot kek- : sinnöllisen idean ja seuraavien patenttivaatimusten hengessä ja suojapiirissä. Esi- : 25 merkiksi tunnistinjärjestelyn keksinnöllistä ajatusta ei ole rajattu käytettäväksi mat kaviestimissä, vaan sitä voidaan käyttää myös monissa muissa komponenteissa ja muihin tarkoituksiin. Keksintöä ei ole myöskään rajattu mainittujen materiaalien käyttöön. Induktiivisen mittauksen keksinnöllistä ajatusta voidaan myös pitää itsenäisenä keksintönä, joka sisältää sellaiset toteutukset, joissa ei ole tunnistinjärjeste-: 30 lyä tämän keksinnöllisen pohjalevyn käytön kanssa.

Claims

115109

1. Tunnistinjärjestely, jossa on ainakin yksi tunnistin (322, 622, 696), ainakin yksi integroitu signaalinkäsittelypiiri (380, 680) ainakin yhdestä tunnistimesta tulevien signaalien mittaamiseksi, ja yhdistävä johdotus (323, 324) ainakin yhden tunnisti- 5 men ja integroidun piirin välillä, tunnettu siitä, että järjestely käsittää pohjalevyn, joka muodostaa ainakin osan mainitusta yhdistävästä johdotuksesta, ja mainittu pohjalevy on lisäksi järjestetty toimimaan ainakin yhden mainitun tunnistimen toiminnallisena osana.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu integ-10 roitu piiri on kiinnitetty mainittuun pohjalevyyn.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu pohja-levy on valmistettu taipuisasta kalvosta, joka käsittää mainitun johdotuksen ainakin yhden tunnistimen ja integroidun piirin välissä.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että taipuisassa kal-15 vossa on ainakin yhden mainitun tunnistimen elektrodi (322, 422).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että taipuisa pohja-levy käsittää johdotuksen (363, 463, 878) ulkoista yhteyttä varten.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitut yhdis tävät johdot ovat metallisointeja polymeerikerroksissa.

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että siinä on suoja- ;rengas (827, 828) ainakin yhden tunnistinelektrodin läheisyydessä.

, , 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitun suoja- • I renkaan johdotus on kohtisuorassa mainitun tunnistinelektrodin johdotusta vastaan.

9. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että tunnisti- : : 25 messa on useita tunnistinelektrodeja ja suojarengas kullekin tunnistinelektrodille, ja X ; suojarenkaita säädetään erikseen kunkin tunnistinelektrodin potentiaalin mukaan.

10. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että tunnisti- ;.·. messa on useita tunnistinelektrodeja, jotka mitataan peräkkäin, ja useita suojaren- *·. : kaita, jolloin tunnistimen suojarengas säädetään aikajakoisesti tunnistimen potenti- 30 aaliin tunnistimen mittauksen ajaksi. 115109

11. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että tunnistimessa on useita tunnistinelektrodeja ja suojarenkaita, ja kaikki suojarenkaat säädetään tunnistinelektrodien keskiarvopotentiaaliin.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitun pohja-5 levyn pinnalla on kaareva muoto ainakin kahdessa suunnassa.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu muoto muistuttaa sormen muotoa.

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että siinä on sor-menjälkitunnistin, jossa on ainakin yksi syöttöelektrodi ja rivi tunnistuselektrodeja.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu mit- tauspiiri on sovitettu mittaamaan peräkkäisiä signaaleja liikutettaessa sormea kohtisuorassa suunnassa suhteessa mainittuun tunnistuselektrodien riviin kaksiulotteisen matriisin esittämiseksi sormen kapasitiivisista mittaustuloksista.

16. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestelyssä on 15 lisäksi infrapunavalolähde, infrapunavaloiImaisin ja toiset mittausvälineet infrapunavalon absorption mittaamiseksi sormesta.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu inf-rapunavalolähde ja mainittu infrapunavaloilmaisin sijaitsevat sormelle suunnitellun uran vastakkaisilla puolilla. • 20

18. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa jär- jestelyssä on lisäksi lämpötilatunnistin ympäristön lämpötilan mittaamiseksi.

[· ·. 19. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa jär jestelyssä on lisäksi kosteustunnistin ympäristön kosteuden mittaamiseksi.

20. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa jär-25 jestelyssä on myös painetunnistin. :.i

21. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa jär- \: jestelyssä on myös ihokosketuksen tunnistin.

: ·’ 22. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa jär- ·. i jestelyssä on myös pohjalevyyn kiinnitetty tunnistin. 115109

23. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa järjestelyssä on biometrinen tunnistin.

24. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa poh-jalevyssä on välineet tunnistimen muodostamiseksi yhdessä tunnistinosan kanssa, 5 jolloin mainittu pohjalevy ja mainittu tunnistinosa on galvaanisesti erotettu, ja mainitussa pohjalevyssä ja mainitussa tunnistinosassa on välineet energian ja mittaus-tietojen siirtämiseksi induktiivisesti mainitun pohjalevyn ja mainitun tunnistinosan välillä.

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu tun-10 nistinosa on passiivinen piiri.

26. Patenttivaatimuksen 24 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitussa tunnistinosassa on aktiivinen piiri, joka sisältää välineet tunnistintietojen mittaamiseksi ja välineet mittaustietojen siirtämiseksi induktiivisesti mainittuun pohjale-vyyn.

27. Patenttivaatimuksen 24 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu tun nistin on ihokosketuksen tunnistin.

28. Matkaviestin, tunnettu siitä, että siinä on minkä tahansa edellä olevan vaatimuksen mukainen tunnistinjärjestely.

29. Patenttivaatimuksen 28 mukainen matkaviestin, tunnettu siitä, että ainakin : 20 osa tunnistinjärjestelystä on koteloitu, esimerkiksi valettu, matkaviestimen kuoreen.

30. Patenttivaatimuksen 28 mukainen matkaviestin, tunnettu siitä, että tunnistin-järjestelyssä on taipuisa kalvopohjalevy, ja taipuisa kalvopohjalevy on koteloitu :’ matkaviestimen kuoreen. 115109