JP2004356535A - Fingerprint sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストで、静電気等に強い、解像度やコントラストに優れた指紋センサを安定して提供する。
【解決手段】指紋を光学的に検出する指紋センサにおいて、複数の光電変換素子からなる光学センサ11と、光学センサ11の上方に配置され指と接触を行う部材とを有し、部材は、指の屈折率よりも高い屈折率であって、導電性を有するシリコン基板13が用いられ、且つシリコン基板13は光学センサ11とは絶縁物たる接着剤12を介して貼り合わされている。シリコン基板13は接地されている。部材は、半導体基板である。部材の表面には、汚れ防止用の薄膜が形成されている。
【選択図】 図1An object of the present invention is to stably provide a fingerprint sensor that is low in cost, resistant to static electricity and the like, and excellent in resolution and contrast.
A fingerprint sensor for optically detecting a fingerprint includes an optical sensor (11) including a plurality of photoelectric conversion elements, and a member disposed above the optical sensor (11) and making contact with a finger. A silicon substrate 13 having a refractive index higher than the above and having conductivity is used, and the silicon substrate 13 is bonded to the optical sensor 11 via an adhesive 12 which is an insulator. The silicon substrate 13 is grounded. The member is a semiconductor substrate. A thin film for preventing contamination is formed on the surface of the member.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は指紋を検出する指紋センサ、特に光学式の指紋センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の指紋センサには、プリズム等を用い指紋の山谷を画像で検出する光学式センサや、指紋の山谷とのギャップ差により生ずる静電容量の差を検出する静電容量センサ、指の電位を固定し生じた電界の強度を検出する電界強度センサ、指が接触することにより生じる温度上昇を検出する温度センサ等がある。
その中でも光学式センサは、原理が単純なため多くのバリエーションが生じている。例えばプリズムの代わりにFOP(ファイバーオプティカルプレート)を用いた指紋センサは、特許文献1等に開示されている。また光学式センサが形成されたシリコン基板の裏側から光を入射する例には、例えば赤外線を検出する裏面入射型CCD等が有り、これらは既に製品化されている。また、FOPの代わりに他の光学部材、薄板を使用する例は、例えば特許文献2に開示されている。
また指紋センサにおいては、センサを形成する半導体集積回路が指に近接して配置されているため、一般には静電気に非常に弱い。そして直接接触を行う指や人体には大量の静電気が蓄積するため、指からセンサに直接ESD(エレクトロスタティックディスチャージ)が生じないような工夫が成されているのが通常である。
【0003】
例えば、静電容量センサや電界強度センサにおいては、指の電位を取るための金属電極がセンサ最表面に形成されている。
また他のセンサにおいては、センサを前記指紋を検出する人の人体に対して直接暴露させず、センサの上方にシャッターを設け、シャッターに指を触れて静電気を除去した後に指紋センサに改めて触れる構成としている。
また光学式センサの場合には、静電気を除去するための電極として特許文献2にも記述されているように、ITO(インジウム錫酸化膜)等の透明金属薄膜を、前記指が接触する最表面に形成することも広く行われている。
【0004】
【特許文献1】
特許番号第3045629号
【特許文献2】
特開2003−6627号
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した光学式指紋センサには、以下に示すような問題点がある。
1)プリズムやFOP基板は高価である
2)プリズムやFOP基板はかさばる(実装大きさが大)
3)薄板を光学式センサ上に積層した場合には、解像度が劣化する
4)薄板を光学式センサ上に積層した場合には、コントラストも低下する
5)薄板を光学式センサ上に形成しただけでは静電気に弱く、またノイズ発生を防げない
6)透明電極の形成は高価であり、また半導体プロセスの制約も大きい
7)薄板の材質によっては指の油脂の付着により、光学残像が生じる
しかしながら、プリズムやFOPは元々高価な光学部品である。高精度なガラスプリズムを、例えばプラスチック等で代用する技術も存在するが、指紋センサに要求される高精度なそれを作成することは容易ではない。またFOPはグラスファイバーを束ねて作るので、FOPの板厚を薄くしても思ったほどは安価にはならない。両者はmmオーダーの大きさを有するために、例えば指紋センサを携帯用機器に実装する際には、その大きさは無視することができない。
また特許文献2に開示されている薄板型指紋センサは、本質的にはFOP型のそれと比べると、解像度やコントラストが悪化しがちである。その理由は、FOP型が指の凹凸、機械的形状を検出する接触、非接触センサであるのに対して、薄板型は透過してくる光量を画像として検出する本質的に光学的なセンサであるからである。このため前者では104近いコントラストが得られるのに対して、後者は1から10程度のコントラストしか有しないのが通常である。
またFOP型では、指紋を検出する光は厚い板厚のFOPを透過する際には大部分の光がグラスファイバー中を混合、減衰せず通過するのに対して、薄板型では光学的な工夫が無い薄板中を単に光が拡散して通過する。そのため前者では本質的には空間解像度の劣化が生じないのに対して、後者では大幅な空間解像度の劣化が生じる。
【0006】
また特許文献2には薄板の屈折率や板厚の設計指針が一部述べられているが、それらは単に2つの界面、指−エアギャップ、エアギャップ−薄板界面における光の散乱式を掛け合わせただけのものであり、理論の精度に欠けている。より具体的には、指紋の幾何学的な考察の欠如、光線追跡の不採用等である。また指紋画像のコントラストには言及しているものの、指紋検出の際に最も問題となる空間解像度には全く触れていない。また指を照明する光の質にも言及しておらず、特許文献2の中では照明光は指の中を通る拡散光として取り扱われている。
また薄板型はFOP型と比べると、板厚がより薄いため静電気や外部電界に弱い。そして薄板の材料に例えばシリコンのように高屈折率、高誘電性、高導電性材料を用いた場合には、その電気的取り扱いも問題となる。
静電気や外部電界を防ぐためにITO等の透明電極を形成することは、透明電極の形成方法が従来の半導体ICプロセスと整合性が無いために、一般に高価困難である。そのため透明金属は、従来ではどちらかというと光学センサが形成されている半導体IC側よりも薄板側に形成され勝ちであった。また静電気や外部電界の悪影響は、何も指紋画像光が入射する画素部だけでは無い。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の指紋センサは、指紋を光学的に検出する指紋センサにおいて、複数の光電変換素子からなる光学センサと、前記光学センサの上方に配置され前記指と接触を行う部材とを有し、前記部材は、指の屈折率よりも高い屈折率であって、導電性を有しており、且つ前記部材は前記光学センサとは絶縁物を介して貼り合わされていることを特徴とする。
高屈折率な物質は、以下の式
n=√(ε×μ) ・・・(1)
n:屈折率 ε:誘電率 μ:透磁率
から本質的に高誘電性物質である。従って静電気や外部電界の影響で、部材中に電荷や電気ノイズを発生し易い物質である。
【0008】
図5は、本発明の指紋センサの部材と絶縁物の部分を模式化した図である。51は指紋センサの部材と絶縁物の部分を合わせたものを示し、52(Rh)は部材のシート抵抗を表す抵抗である。また53(Rv)は絶縁物の単位面積当りの抵抗を表す抵抗である。
【0009】
また、54は指55と接触する電気的接点であり、56は指紋センサを形成する光学センサの上部と接触する接点である。抵抗52(Rh)は部材の末端で、公知のように接地電位に接続されている。
本発明では、例えば、部材には抵抗率0.1Ω−cm、厚さ100μm程度の基板が使用される。従ってRhの値は、0.1/0.01=10Ωである。また指紋を検出する領域の大きさは大略2cm×1cm程度であるから、この直方体全体の抵抗値は、10Ω×2=20Ωとなる。
それに対して、絶縁物には抵抗率1016Ω−cm、厚さ10μm程度の接着剤が用いられるから、Rvの値は1016×0.001=1013Ωと、前記Rvと比べると大変大きな値となっている。
【0010】
本発明においては部材は導電性を有し(電気抵抗を低減する工夫が成されており)、これにより部材中の任意の場所の電位は、電位が固定された外部の電位とほぼ同電位となる。このため、部材中で生じた電荷等は、速やかに電位固定された外部へと移送除去される。また絶縁体の介在により、導電性部材と光学センサとは充分電気的に分離されているため、電荷等が光学センサに対して悪影響を与えることがない。
また部材の電位を固定したことで、光学センサの電気回路との電気的リーク、ショートが懸念されるが、上述したように絶縁物の抵抗値が充分に高いために、漏れるリーク電流の値は問題とならない値に押さえ込むことができる。
また、指紋の検出に用いる光とは、指に大略垂直に入射する光である。
以下に簡単なモデルを用いて、指を照明する照明光の質が如何に重要であるかを説明する。
【0011】
図6は指紋構造に散乱光が入射した時のモデルである。
図6において、63は指紋の谷部を表す半径rの半円柱の表面である。その上方は指の内部65である。指の内部65の屈折率には、水と大略同じで有るとして値1.3を用いている。その下方は谷部のエアギャップ64であり、屈折率1.0の空気が満たされた空洞である。指紋の山部は部材62と接している。
62は厚さtを有する部材であり、その屈折率は単結晶シリコンと同じ3.448である。61は絶縁物を示す。θ1はエアギャップ64から部材62への光66の入射角(部材62の法線方向に対する入射光66の角度)、θ2は部材62での屈折角(部材62の法線方向に対する屈折光67の角度)である。tは部材62の厚さ、xは部材62の光の入射位置(半径rの半円柱の円弧の中心)と部材62の光の出射位置との距離である。
【0012】
本モデルでは問題を簡単にするため、指の内部65から円柱の表面63に垂直に、均一な照明光が入射すると仮定している(実際には前記散乱光は、前記表面に垂直な光を中心にして任意の入射角度の光を含む)。また指紋の山谷のピッチは同じ(2×r)であると仮定している。
まず指紋の山部に入射する光量Phiは、単位長さ当りの入射光密度をPiとすると、
Phi=∫Pidl ・・・(2)
dl:積分長さ
で表される。この積分範囲は(−r,+r)である。
結局山部での入射光量Phiの値は、2×Pi×rとなる。
山部で問題とするファクタは、
1)指−部材界面(内部65と部材62との界面)での界面反射
2)部材62中での減衰
である。
上記1)の指−部材界面の透過率は下記の式
で表すことができる。この値は表1に示したように、0.795333325である。
【0013】
【表1】
【0014】
また上記2)の部材中での透過率は下記の式
Th2=exp(−αt) ・・・(4)
で表すことができる。単結晶シリコンのλ=850nmでのαの値は、0.6dB/μm程度である。従ってt=100μmの板厚では、Th2の値は−60dB、0.001になる。
以上から、光学センサに入射する山部の光量Phは、
Ph=∫(Pi×Th1×Th2)dl ・・・(5)
となる。この値は、2×Pi×r×0.795333325×0.001であるから、表1に示したように、
2×Pi×r×0.00079533となる。
一方、谷部での入射光量Pviは、
Pvi=∫Pidl ・・・(6)
dl:積分長さ
であり、積分範囲は半円柱の表面63に沿った角度πの円弧である。
【0015】
また谷部で問題とするファクタは、
3)指−空気界面(内部65とエアギャップ64との界面)での界面反射
4)空気−部材界面(エアギャップ64と部材62との界面)での界面反射
5)部材62中での減衰
である。
上記3)の指−空気界面では、入射光は界面に対して垂直に入射する。従って透過率Tv1は、
Tv1=(2/(1+1/1・3))2×(1/1.3) ・・・(7)
と表される。この値は、表1に示したように0.982986767である。
また上記4)の空気−部材界面の透過率Tv2は入射角θ1と屈折角θ2に依存し、下記のように書ける。
ここでtsはs波の、tpはp波のそれである。
ここでは入射光は、s波とp波が半々に含まれると仮定している。
ts、tpはそれぞれ
と表される。
【0016】
表1中ではTv2(θ1,θ2)の値は、θ1の値のπ/100毎に0からπ/2まで計算している。
上記5)の部材62中の減衰は、透過率Tv3
Tv3=exp(−αt(θ2)) ・・・(11)
で表される。ここでt(θ2)は屈折のために延長された光路長であり、
t(θ2)=t/cosθ2 ・・・(12)
である。
また(11)式と(12)式を用いて適当に変形すると、以下のように簡単化される。
Tv3=(0.001)(1/cosθ2) ・・・(13)
谷部の全体の透過率Tvを
Tv=Tv1×Tv2×Tv3 ・・・(14)
で定義すると、前記光学センサに入射する谷部の光量Pvは、
となる。Tv1からTvの値を、表1に示す。
【0017】
本散乱モデルの傾向を図に示すと、図8から図10のようになる。
まず入射角度θ1に対する透過率Tv(図8)であるが、TvはThに比べると小さく、θ1=0の垂直入射の時が最大でThの値の86%程度である。以下順次低減してθ1=π/2の時に0となる。
これは谷部に入射する入射光では、部材に垂直に入射する光の寄与が大きいということである。但しその低減の仕方は緩やかであるため、かなりの角度の光まで谷部の画像形成に寄与している。
【0018】
次に、入射光が光学センサに入射する位置(受光位置)x(図9)であるが、入射光は垂直入射の場合には真下(x=0μm)に入射し、以下、順次谷部の中心x=0から30μmの間に入射している。これは指紋のピッチ(2r×2、400μm程度)に比べるとかなり小さな値である。
この原因は、部材の材質に高屈折率物質である単結晶シリコンを用いたことと比較的薄い板厚(t=100μm)を採用したことに有る。
いま仮に指紋のピッチを山部、谷部200μm(r=100μm)とすると、本散乱モデルでは30−70μmの間には光が入射しないことになる。(図10)それどころか谷部の中央には多くの光量が集中して受光されることになる。これは前記山部と山部の丁度中間に、偽山部、偽隆線を発生させてしまう。
【0019】
以上の結果を元に、前記散乱モデルのコントラストとMTFを議論する。
まず山部と谷部のコントラストを比較する。
山部に入射する光量は前述のようにPhであるから、2×Pi×r×0.00079533である。
ここでPi=1W/μm、r=100μmとすると、Ph=0.159066Wである。
それに対してPvは、(15)式で表される。
今ここで、前記積分値を以下の近似式で代用すると、
この値は表1に示したように、Pv=0.175135165Wである。
ここでコントラストを山部全体が示す光量/谷部全体が示す光量と定義すると、
コントラスト=Ph/Pv ・・・(17)
となる。
【0020】
この量は本モデルでは1以下の、0.908である。即ち本散乱モデルでは、通常の実験結果が示すPv<Phという関係ではなく、Pv>Phという実験事実とは反する反対の結論が導かれる。
勿論これはモデルの精度であるが、「薄板型指紋センサは、FOPを使用したそれと比べるとコントラストが悪い」という事実を証明するそれでもある。現に我々は類似の系の試作評価結果で、コントラスト1.3という値を得ている。
次にMTFであるが、本散乱モデルでは谷の中心によって生じる指紋ピッチと同じピッチのλ=400μm(谷部中心間距離)の偽信号と、谷部の境界に存在する2つの暗部(図10)に起因するλ=130μm(同一の谷の暗部間距離)とλ=270μm(隣り合う谷の暗部間距離)との偽信号を発生させる。
前者は指紋ピッチと位相の異なる偽信号であり、また後者はより高周波の偽信号であり、前記指紋画像の画質を悪化させる。即ち、本散乱光を用いた薄板型指紋センサのMTF特性は不満足である。
【0021】
次に、図7は指紋/指構造に垂直光が入射した時のモデルである。指紋構造や部材の構造は、図6に示した散乱光モデルと同一である。
図7において、73は指紋の谷部を表す半径rの半円柱の表面である。その上方は指の内部75である。指の内部75の屈折率には、水と大略同じで有るとして値1.3を用いている。その下方は谷部のエアギャップ74であり、屈折率1.0の空気が満たされた空洞である。指紋の山部は部材72と接している。
72は厚さtを有する部材であり、その屈折率は単結晶シリコンと同じ3.448である。71は絶縁物、78は指の上方の空間(空気)を示す。θ1は部材72の法線方向と光入射部での表面73の法線方向とのなす角度、θ2は指の内部75からエアギャップ74への光の入射角(光入射部での表面73の法線方向に対する入射光76の角度)、θ3はエアギャップ74での屈折角(表面73の法線方向に対する屈折光の角度)、θ4はエアギャップ74から部材72への光の入射角(部材72の法線方向に対する入射光の角度)、θ5は部材72での屈折角(部材72の法線方向に対する屈折光77の角度)である。tは部材72の厚さ、xは半径rの半円柱の円弧の中心と部材72の光の出射位置との距離、yは半径rの半円柱の円弧の中心と表面73への光の入射位置との距離である。
本モデルでは指の内部75から円柱の表面63に、部材72の法線方向と平行に、均一な照明光が入射するとしている。
【0022】
まず山部に入射する入射光であるが、これはすでに図6を用いて説明した散乱光モデルと同一である。
次に谷部であるが、考慮するファクタは、
3′)指−空気界面(内部75とエアギャップ74との界面)での反射
4′)空気−部材界面(エアギャップ74と部材72との界面)での反射
5′)部材72内部での減衰
である。
上記3′)の指−空気界面では、透過率Tv1は、
上記4′)の空気−部材界面では、透過率Tv2は、
上記5′)の部材62中の減衰では、透過率Tv3は、
Tv3=(0.001)(1/cosθ5) ・・・(20)
で表される。
これらの計算結果を表2に示す。
【0023】
【表2】
【0024】
また図11から図13に、これらの結果をグラフ化して示す。
まず入射位置y−透過率Tのグラフ(図11)であるが、Tv(y=0μm)の値は、散乱光モデルと同一の値である。(Thの値の86%程度)またTvはy=0μmからほぼ一定の値を保ち、80μm近傍でストンと落ちている。これ以上では入射光は指−空気界面で全反射を行うため、光学センサの受光面には到達しない。
【0025】
図12は入射位置yと受光位置xとの対応を表している。これから両者にはほぼ線形の対応が有るものの、谷部の境界付近では受光光は谷部を越えて山部の受光部で検出されることが分かる。その最大の大きさは40μm程度(オフセット、x−yは60μm程度)である。
【0026】
また図13は受光位置xに対応する透過率Tであるが、全体になだらか、一定であり、散乱光モデルのように急激なTの変化は観察されていない。
図の0から100μmは谷部を表すデータ(測定量)であり、100μmを越える部分は逆の山部を表すデータである。従って谷部のカーブの100μmから140μmの透過率Tvは、Thに寄与する部分である。前記0.00065から0.0004に相当する光量は、前記Thの0から40μmの光量を持ち上げる働きを示し、両者のエッジを強調する働きを示す。
【0027】
以上の結果から、同様にコントラストとMTFを議論する。
まずコントラスト、Ph/Pvであるが、これは表2から0.159066/0.101550271=1.57という値が得られている。
この値は前記散乱光モデルよりも高コントラストであり、垂直入射の照明光を採用するとコントラストが向上することを示している。また現実に我々の試作評価結果においても、「直進性の高い遠距離に有る照明光源を用いた方がコントラストが向上する」という実験結果が得られている。
【0028】
またMTFであるが、図13に示したグラフが物語るように、散乱光モデルで見られたような不連続な画像特性(図9)は見られない。また前述の100から140μmにかけてのTvの漏れこみも前記MTFを悪化させるが、幸いなことにピッチがλ=240μm(同一谷部の両側の距離)とλ=160μm(隣接する谷部間の距離)と指紋ピッチに近いことと、エッジ強調の働きを有していることである。従ってこれによるMTFの悪化は致命的ではない。
【0029】
以上説明したように、コントラスト、MTF向上のためには、照明に用いる光は散乱光よりも垂直入射光であることが望ましい。
また指紋の検出に用いる光は、指に入射する外光であることが望ましい。これにより、指を例えばLED等で側面から照明した例よりもより垂直に入射する照明光を期待することができる。
【0030】
また部材は、半導体基板であることが望ましい。半導体基板は本質的に誘電体基板であり、高い屈折率を期待することができる。また高純度であり、化学的な安定性や機械的な強度も期待することができる。半導体基板は、特にシリコン基板であることが望ましい。シリコン基板の屈折率は前述のように3.448とかなり高く、理想的である。
【0031】
また部材の表面には、汚れ防止用の薄膜が形成されていることが望ましい。これにより部材表面に残留する残留指紋の影響を最小にすることができる。汚れ防止用の薄膜は、シリコン系の化合物やセラミック等を用いることができる。これにより充分な硬度と安定性を得ることができる。また半導体プロセス技術の援用も容易である。
【0032】
また光学センサは、外部電界、静電気等によって部材に誘起される電荷から前記センサを保護するために、その内部にシールドプレートが設けられていることが望ましい。これにより前記電荷等の影響をより小さくすることができる。
また部材に導電性を持たせるには、部材に低抵抗基板を用いることが挙げられる。
【0033】
また低抵抗基板の抵抗率は、0.1Ω−cm以下であることが望ましく、これにより前述の通り低抵抗な電気的導通が確保される。
また部材の電気抵抗を低減する工夫には、部材の表面が光学的に透明でない金属薄膜であることが挙げられる。金属薄膜の厚さは、指紋を検出する光の波長のλ/10以下であることが望ましい。これにより金属薄膜を前記検出する光が部分的に透過可能となり、指紋/光学センサが実現される。
また部材の電気抵抗を低減する工夫には、部材の表面に高濃度不純物拡散層を設けることが挙げられる。これにより部材の電気抵抗を低減することができる。
また部材の電気抵抗を低減する工夫には、部材の表面にパターニングされた金属薄膜を形成することがあげられ、その上方には汚れ防止用の薄膜が形成されていることが望ましい。これにより、前記電気抵抗低減と指の油脂による汚れ、残留指紋を防止することができる。
【0034】
また部材は、半導体プロセス技術を利用して形成されていることが望ましい。これにより前記薄膜の蒸着やパターニングを安定して安価に製造可能である。
また絶縁物は、半導体プロセスで形成されていないことが望ましい。塗布法、スピンオン法、印刷等により比較的厚膜な絶縁物を形成可能である。
絶縁物は、単位面積当りの抵抗値が1012Ω以上であることが望ましい。これにより前記光学センサ動作にとって有害である前記絶縁物を貫通するリーク電流を、pA台に押さえ込むことができる。
【0035】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
[第一実施例]
図1に本発明の第一実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。図1において、11は大きさ2cm×1cmの単結晶シリコン基板上に形成された光学センサである。光学センサは2次元アレー状に配列された大きさ30μm角の単位画素を、600×300=180000個有している。
12は抵抗率1016Ω−cm、厚さ10μmの半導体グレードの接着剤であり、接着剤12により、基板11に、p型、抵抗率0.01Ω−cm、厚さ100μmの単結晶シリコンからなる薄板13を貼り合わせている。
貼り合わされた薄板13は、指紋センサの末端でアース電位に接地されている。また薄板13の表面には、指紋等による汚れを防止するための厚さ2000Åのシリコン窒化膜14が形成されている。15は指紋を検出するための指であり、シリコン窒化膜14上に載せられる。
【0036】
本指紋センサの分光感度を図14に示す。図から分かるように、本センサでは波長1030nmの赤外光に感度のピークを有し、波長800nmから1200nmの赤外光に感度を有している。このグラフの左側の感度低下は薄板13を赤外光が透過しないために生じ、右側のそれは光学センサ11の光電変換特性が低下するために生じている。
【0037】
本実施例の指紋検出のための照明光16には、例えば大略垂直光からなる外光を使用する。外光には主に太陽からの屋外光と、蛍光灯等の照明からの室内光等がある。太陽光のスペクトルはブロードであり連続であるが、図14に示したように本実施例の指紋検出センサにおいてはバンドパスフィルタのような狭い分光感度しか有していないため、実質は波長800nmから1200nmの光を照明したことに等しい。また後者の蛍光灯の光質は、主に可視光領域に存在する離散スペクトルである。
【0038】
本実施例の指紋センサの、室内光での指紋撮像例を図15に示す。
図15から分かるように画像は指紋の山谷だけでなく汗腺の穴までをも撮像出来ており、空間解像度的は充分である。また山部(明部)と谷部(暗部)の明るさの比は1.5程度であり、これも前述したモデルで説明可能なコントラスト値となっている。
【0039】
本発明に用いる薄板の材質はp型単結晶シリコン基板以外に、n型、i型、その他の高誘電性物質のいずれかで良い。特に半導体基板は本質的に高誘電率であるので好適である。Geやダイヤモンド等は人体に悪影響を与えず好適に用いることができる。
【0040】
また汚れ防止用の薄膜は、前記シリコン窒化膜以外にシリコン酸化膜等のシリコン系のガラス、セラミック等が適当である。
これらは半導体基板上に公知の半導体プロセス技術を援用することにより、簡単安価に製造可能である。
また指紋の照明に用いる光は、室内光のように大略垂直光であれば良く、例えば専用の赤外光源を用意しても良い。その場合には、赤外光を発する赤外LEDを筒状の反射容器の奥底に埋め込んで使用するのが、指紋のMTFとコントラストを上げるうえで望ましい。
【0041】
[第二実施例]
図2に本発明の第二実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。
21は光学センサ、22は接着剤、23は抵抗率100Ω−cmの単結晶シリコン基板、24は厚さ50Åの金の薄膜である。光学センサ21、接着剤22は第一実施例と同様のものを用いることができる。
薄膜24の膜厚は指紋を検出するための照明光の波長1030Åの1/20以下であり、充分に前記照明光を透過する。また薄膜24のシート抵抗は5Ω程度であるので、指紋センサは充分に低い値で接地可能である。
本実施例によれば、薄板24の抵抗率が多少高めであっても、指紋センサに用いることができる。本実施例に用いる薄膜の材質は、低抵抗でありまた化学的にも安定な銀、銅等の貴金属が好適である。またチタンやタングステン等の高融点金属もその候補である。
【0042】
[第三実施例]
図3に本発明の第三実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。
31は光学センサ、32は接着剤、33は単結晶シリコン基板であり、その表面近傍には公知の半導体プロセス技術によって深さ1μmのAlからなるp型不純物拡散層36が形成されている。
また拡散層36は、センサの末端で電気的に接地されている。拡散層36の上方には、同様に半導体プロセス技術によって厚さ1μmのシリコン酸化膜34が形成されている。酸化膜34は同様に、指による前記センサの汚れを防止する。
本実施例によれば、電気的に低抵抗な不純物拡散層36によって薄板33の導電性を向上可能である。
拡散層を形成する不純物は、ドーパントである3価(B,Al,Ga)や5価(P,As)の原子、あるいは導電性の金属原子等でよい。
【0043】
[第四実施例]
図4に本発明の第四実施例である、指紋検出センサの概略断面図を示す。
41は光学センサが形成された半導体基板であり、47はそのセンサを形成する大きさ50μm角の単位画素である。42は基板41と高屈折率を有する厚さ150μmの薄板43とを接着するための接着剤である。43は屈折率4.092の、半導体ゲルマニウム基板である。
46は薄板43上に公知の半導体プロセス技術によって積層、パターニングされた、厚さ1000Åのアルミ膜である。またアルミ膜46のパターンは、開口大きさ40μm角、開口ピッチ50μmである。
アルミ膜46のパターンと光学センサの画素47との位置は対応するように、接着は行われる。その結果、アルミ膜46の開口から入射する指紋画像光は、画素47へと無駄なく導かれるようになっている。
44は前記アルミ膜46上に形成された、汚れ防止のためとアルミ膜パターンの指の摩擦による磨耗を防ぐための、シリコン窒化膜からなる厚さ2000Åのオーバーコートである。
【0044】
本実施例によれば薄板43の抵抗を、ITO等の透明金属を用いずに下げることが可能である。
パターニングされた薄膜に要求される品質は、例えば良好な密度と接着性である。
薄膜化することによって密度が低下するような疎な膜は、指の摩擦に耐えることが出来ない。また下地やオーバーコートとの接着性が悪い場合には、パターンは容易に剥離変形を生じ、指紋画像の品質の低下を生じさせてしまう。
このような特性を満足する膜としては、アルミ以外にタングステンやモリブデン等の高融点金属が挙げられる。
【0045】
また本実施例においては、他の実施例とは異なり、全面に低抵抗な導体層が設けられていない。その為静電気には問題が無くとも、入射する電界、電磁波に対しては万全ではない。
従って前述したパターニングされた導体以外に、光学センサ内部に電気的なシールド、シールドプレートを設けることも有効である。
シールドプレートは、前記指紋画像光が入射する画素部だけでなく、その周辺の電気回路部(周辺回路部)にも設けることが望ましい。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストで、静電気等に強い、解像度やコントラストに優れた指紋センサを安定して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図2】本発明の第二実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図3】本発明の第三実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図4】本発明の第四実施例である、指紋検出センサの概略断面図である。
【図5】本発明の指紋センサの部材と絶縁物の部分を模式化した図である。
【図6】指紋構造に散乱光が入射した時のモデルである。
【図7】指紋/指構造に垂直光が入射した時のモデルである。
【図8】散乱モデルの入射角−透過率特性を示す図である。
【図9】散乱モデルの谷部入射光の入射角と光学センサに入射する位置との関係を示す図である。
【図10】散乱モデルの受光位置と透過率との関係を示す図である。
【図11】垂直入射モデルの入射位置と透過率との関係を示す図である。
【図12】入射位置yと受光位置xとの対応を表す図である。
【図13】垂直入射モデルの受光位置と透過率との関係を示す図である。
【図14】指紋センサの分光感度を示す図である。
【図15】本実施例の指紋センサの、室内光での指紋撮像例を示す図である。
【符号の説明】
11、21、31、41 基板
12、22、32、42 接着剤
13、23、33、43 薄板
14、24、34、44 薄膜
15、25、35、45 指
16 照明光
36 拡散層
46 パターン
51 薄板
52 抵抗
53 抵抗
54 指側端子
55 指
56 光学センサ側端子
57 接地
61、71 光学センサ
62、72 薄板
63、73 界面
64、74 空洞
65、75 指の内部
66、76 入射光
67、77 屈折光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fingerprint sensor for detecting a fingerprint, and more particularly to an optical fingerprint sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventional fingerprint sensors include an optical sensor that detects a peak and a valley of a fingerprint in an image using a prism or the like, a capacitance sensor that detects a capacitance difference caused by a gap difference between the fingerprint and a valley, and a potential of a finger. There are an electric field intensity sensor for detecting the intensity of the fixed electric field, a temperature sensor for detecting an increase in temperature caused by contact with a finger, and the like.
Among them, the optical sensor has many variations due to its simple principle. For example, a fingerprint sensor using an FOP (fiber optical plate) instead of a prism is disclosed in Patent Document 1 and the like. In addition, as an example in which light is incident from the back side of the silicon substrate on which the optical sensor is formed, there is, for example, a back-illuminated CCD for detecting infrared rays, and these have already been commercialized. Further, an example in which another optical member or thin plate is used instead of the FOP is disclosed in, for example, Patent Document 2.
In a fingerprint sensor, since a semiconductor integrated circuit forming the sensor is arranged close to a finger, the fingerprint sensor is generally very weak to static electricity. Since a large amount of static electricity accumulates in a finger or a human body that makes direct contact, a device is usually designed so that an ESD (electrostatic discharge) does not directly occur from the finger to the sensor.
[0003]
For example, in a capacitance sensor or an electric field strength sensor, a metal electrode for taking a potential of a finger is formed on the outermost surface of the sensor.
In other sensors, the sensor is not directly exposed to the human body for detecting the fingerprint, a shutter is provided above the sensor, and a finger is touched on the shutter to remove static electricity and then touch the fingerprint sensor again. And
In the case of an optical sensor, a transparent metal thin film such as ITO (indium tin oxide film) is used as an electrode for removing static electricity, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-216, as an electrode. It is also widely formed.
[0004]
[Patent Document 1]
Patent No. 3045629
[Patent Document 2]
JP-A-2003-6627
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned optical fingerprint sensor has the following problems.
1) Prisms and FOP substrates are expensive
2) The prism and FOP board are bulky (large mounting size)
3) When thin plates are stacked on the optical sensor, the resolution is deteriorated.
4) When the thin plate is laminated on the optical sensor, the contrast is also reduced.
5) Simply forming a thin plate on an optical sensor is susceptible to static electricity and does not prevent noise generation
6) The formation of the transparent electrode is expensive, and the restrictions on the semiconductor process are great.
7) Depending on the material of the thin plate, an optical afterimage occurs due to the adhesion of finger oil or fat.
However, prisms and FOPs are originally expensive optical components. Although there is a technique of substituting a high-precision glass prism with, for example, plastic or the like, it is not easy to produce a high-precision glass prism required for a fingerprint sensor. In addition, since the FOP is made by bundling glass fibers, even if the thickness of the FOP is reduced, it is not as inexpensive as expected. Since both have a size on the order of mm, for example, when a fingerprint sensor is mounted on a portable device, the size cannot be ignored.
In addition, the thin-plate fingerprint sensor disclosed in Patent Document 2 is liable to deteriorate in resolution and contrast as compared with the FOP-type fingerprint sensor. The reason is that the FOP type is a contact / non-contact sensor that detects the unevenness and mechanical shape of the finger, while the thin plate type is an essentially optical sensor that detects the amount of transmitted light as an image. Because there is. Therefore, the former is 10 4 While the contrast is close, the latter usually has only about 1 to 10 contrasts.
In the case of the FOP type, most of the light for detecting a fingerprint passes through the glass fiber without mixing and attenuating when transmitting through a thick FOP, whereas in the case of the thin type, an optical device is used. Light simply diffuses and passes through a thin plate with no voids. Therefore, in the former, the spatial resolution is not substantially deteriorated, whereas in the latter, the spatial resolution is largely deteriorated.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-163873 describes some design guidelines for the refractive index and thickness of a thin plate, but they simply multiply the light scattering formula at two interfaces, a finger-air gap and an air gap-thin plate interface. It's just that, and lacks the accuracy of theory. More specifically, the lack of geometrical considerations of fingerprints, the elimination of ray tracing, and the like. Although it mentions the contrast of a fingerprint image, it does not mention the spatial resolution, which is the most problematic in fingerprint detection. In addition, it does not mention the quality of light for illuminating a finger, and Patent Document 2 treats illumination light as diffused light passing through the finger.
Further, the thin plate type is weaker against static electricity and an external electric field because the plate type is thinner than the FOP type. When a material having a high refractive index, a high dielectric property, and a high conductivity such as silicon is used as the material of the thin plate, its electrical handling becomes a problem.
Forming a transparent electrode such as ITO to prevent static electricity and an external electric field is generally expensive and difficult because the method of forming the transparent electrode is not compatible with the conventional semiconductor IC process. For this reason, in the past, the transparent metal was more likely to be formed on the thinner side than on the semiconductor IC side where the optical sensor was formed. The adverse effects of static electricity and an external electric field are not limited to only the pixel portion where the fingerprint image light is incident.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The fingerprint sensor of the present invention, in a fingerprint sensor that optically detects a fingerprint, includes an optical sensor including a plurality of photoelectric conversion elements, and a member that is disposed above the optical sensor and makes contact with the finger, The member has a higher refractive index than the finger and has conductivity, and the member is attached to the optical sensor via an insulator.
The material with a high refractive index is
n = √ (ε × μ) (1)
n: refractive index ε: dielectric constant μ: magnetic permeability
Is essentially a high dielectric substance. Therefore, it is a substance that easily generates electric charge and electric noise in a member due to the influence of static electricity and an external electric field.
[0008]
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a member and an insulator portion of the fingerprint sensor of the present invention.
[0009]
In the present invention, for example, a substrate having a resistivity of 0.1 Ω-cm and a thickness of about 100 μm is used for the member. Therefore, the value of Rh is 0.1 / 0.01 = 10Ω. Since the size of the area for detecting the fingerprint is approximately 2 cm × 1 cm, the resistance value of the entire rectangular parallelepiped is 10Ω × 2 = 20Ω.
In contrast, insulators have a resistivity of 10 16 Since an adhesive having a resistance of about Ω-cm and a thickness of about 10 μm is used, the value of Rv is 10 16 × 0.001 = 10 Thirteen Ω has a very large value as compared with Rv.
[0010]
In the present invention, the member has conductivity (consideration is made to reduce the electric resistance), so that the potential at any place in the member is substantially the same as the external potential at which the potential is fixed. Become. For this reason, the charges and the like generated in the member are quickly transferred to and removed from the outside where the potential is fixed. In addition, since the conductive member and the optical sensor are sufficiently electrically separated by the interposition of the insulator, electric charge and the like do not adversely affect the optical sensor.
In addition, when the potential of the member is fixed, there is a concern about electric leakage with the electric circuit of the optical sensor and short circuit. However, as described above, since the resistance value of the insulator is sufficiently high, the value of the leak current leaks is It can be suppressed to a value that is not a problem.
In addition, the light used for detecting a fingerprint is light that is incident on a finger substantially vertically.
The following describes how important the quality of illumination light for illuminating the finger is with a simple model.
[0011]
FIG. 6 is a model when scattered light enters the fingerprint structure.
In FIG. 6,
[0012]
In order to simplify the problem, the model assumes that uniform illumination light is incident perpendicularly to the
First, the amount of light Phi incident on the peak portion of the fingerprint is represented by the following equation, where Pi is the incident light density per unit length.
Phi = ∫Pidl (2)
dl: integral length
Is represented by This integration range is (-r, + r).
Eventually, the value of the incident light amount Phi at the peak is 2 × Pi × r.
Factors that matter in the mountains are:
1) Interface reflection at the finger-member interface (interface between
2) Damping in the
It is.
The transmittance at the finger-member interface in the above 1) is expressed by the following equation.
Can be represented by This value is 0.795333325 as shown in Table 1.
[0013]
[Table 1]
[0014]
The transmittance in the member of the above 2) is expressed by the following equation.
Th2 = exp (−αt) (4)
Can be represented by The value of α at λ = 850 nm of single crystal silicon is about 0.6 dB / μm. Therefore, at a plate thickness of t = 100 μm, the value of Th2 is −60 dB and 0.001.
From the above, the light quantity Ph of the peak incident on the optical sensor is
Ph = ∫ (Pi × Th1 × Th2) dl (5)
It becomes. Since this value is 2 × Pi × r × 0.795333325 × 0.001, as shown in Table 1,
It becomes 2 × Pi × r × 0.0079533.
On the other hand, the incident light amount Pvi at the valley is
Pvi = ∫Pidl (6)
dl: integral length
Where the integration range is an arc of angle π along the
[0015]
The factor that matters in the valley is
3) Interface reflection at the finger-air interface (interface between
4) Interface reflection at air-member interface (interface between
5) Damping in the
It is.
At the finger-air interface of the above 3), the incident light is perpendicularly incident on the interface. Therefore, the transmittance Tv1 is
Tv1 = (2 / (1 + 1 / 1.3)) 2 × (1 / 1.3) (7)
It is expressed as This value is 0.982986767 as shown in Table 1.
Further, the transmittance Tv2 of the above-mentioned 4) at the air-member interface depends on the incident angle θ1 and the refraction angle θ2, and can be written as follows.
Here, ts is that of the s-wave and tp is that of the p-wave.
Here, it is assumed that the incident light contains the s-wave and the p-wave in half.
ts and tp are respectively
It is expressed as
[0016]
In Table 1, the value of Tv2 (θ1, θ2) is calculated from 0 to π / 2 for each π / 100 of the value of θ1.
The attenuation in the
Tv3 = exp (−αt (θ2)) (11)
Is represented by Here, t (θ2) is an optical path length extended due to refraction,
t (θ2) = t / cos θ2 (12)
It is.
Further, when appropriately modified using the equations (11) and (12), the following simplification is achieved.
Tv3 = (0.001) (1 / cos θ 2) ... (13)
The total transmittance Tv of the valley
Tv = Tv1 × Tv2 × Tv3 (14)
The light quantity Pv of the valley incident on the optical sensor is defined as
It becomes. Table 1 shows the values of Tv1 to Tv.
[0017]
FIGS. 8 to 10 show the tendency of the present scattering model.
First, the transmittance Tv with respect to the incident angle θ1 (FIG. 8) is smaller than Th, and is approximately 86% of the value of Th at the time of perpendicular incidence at θ1 = 0 at the maximum. Thereafter, it is sequentially reduced and becomes 0 when θ1 = π / 2.
This means that, in the incident light incident on the valley, the contribution of light incident perpendicularly to the member is large. However, since the reduction method is gradual, even a light at a considerable angle contributes to the image formation of the valley.
[0018]
Next, the position where the incident light is incident on the optical sensor (light receiving position) x (FIG. 9). In the case of vertical incidence, the incident light is incident immediately below (x = 0 μm). The light is incident between the center x = 0 and 30 μm. This value is considerably smaller than the fingerprint pitch (2r × 2, about 400 μm).
This is due to the fact that single-crystal silicon, which is a high-refractive-index substance, was used for the material of the member, and that a relatively thin plate thickness (t = 100 μm) was employed.
If the pitch of the fingerprint is 200 μm (r = 100 μm), the light does not enter between 30 and 70 μm in the present scattering model. (FIG. 10) On the contrary, a large amount of light is concentrated and received at the center of the valley. This causes a false mountain part and a false ridge just in the middle of the mountain part.
[0019]
Based on the above results, the contrast and MTF of the scattering model will be discussed.
First, the contrast between the peak and the valley is compared.
Since the amount of light incident on the peak is Ph as described above, it is 2 × Pi × r × 0.0079533.
If Pi = 1 W / μm and r = 100 μm, then Ph = 0.159066 W.
On the other hand, Pv is expressed by equation (15).
Now, if the above integral value is substituted by the following approximate expression,
This value is Pv = 0.175135165W as shown in Table 1.
Here, if the contrast is defined as the amount of light indicated by the entire peak / the amount of light indicated by the entire valley,
Contrast = Ph / Pv (17)
It becomes.
[0020]
This amount is 0.908, which is 1 or less in the present model. That is, in the present scattering model, the opposite conclusion that is contrary to the experimental fact that Pv> Ph is derived, not the relation of Pv <Ph shown by the ordinary experimental result, is derived.
Of course, this is the accuracy of the model, but it also proves the fact that "thin-plate fingerprint sensors have poor contrast compared to those using FOP". As a matter of fact, we have obtained a value of 1.3 in contrast in the evaluation results of prototypes of similar systems.
Next, regarding the MTF, in this scattering model, a false signal of λ = 400 μm (distance between valley centers) having the same pitch as the fingerprint pitch generated by the center of the valley, and two dark portions existing at the boundary of the valley (FIG. 10) ) And a false signal of λ = 270 μm (distance between dark parts of adjacent valleys) and λ = 270 μm (distance between dark parts of the same valley).
The former is a false signal having a different phase from the fingerprint pitch, and the latter is a higher frequency false signal, which deteriorates the image quality of the fingerprint image. That is, the MTF characteristics of the thin fingerprint sensor using the scattered light are unsatisfactory.
[0021]
Next, FIG. 7 is a model when vertical light is incident on the fingerprint / finger structure. The fingerprint structure and the structure of the member are the same as those of the scattered light model shown in FIG.
In FIG. 7,
In this model, it is assumed that uniform illumination light is incident on the
[0022]
First, the incident light incident on the peak portion is the same as the scattered light model already described with reference to FIG.
Next is the valley, but the factors to consider are:
3 ') Reflection at finger-air interface (interface between
4 ') Reflection at air-member interface (interface between
5 ′) Damping inside the
It is.
At the finger-air interface of 3 ′), the transmittance Tv1 is
At the air-member interface in 4 ′) above, the transmittance Tv2 is
In the attenuation in the
Tv3 = (0.001) (1 / cos θ 5) ... (20)
Is represented by
Table 2 shows the results of these calculations.
[0023]
[Table 2]
[0024]
FIGS. 11 to 13 graphically show these results.
First, a graph of the incident position y-transmittance T (FIG. 11), the value of Tv (y = 0 μm) is the same value as the scattered light model. (Approximately 86% of the value of Th) Further, Tv keeps a substantially constant value from y = 0 μm, and drops down near 80 μm. Above this point, the incident light is totally reflected at the finger-air interface and does not reach the light receiving surface of the optical sensor.
[0025]
FIG. 12 shows the correspondence between the incident position y and the light receiving position x. From this, it can be seen that although there is a substantially linear correspondence between the two, the received light near the boundary of the valley crosses the valley and is detected by the light receiving portion at the peak. Its maximum size is about 40 μm (offset, xy is about 60 μm).
[0026]
FIG. 13 shows the transmittance T corresponding to the light receiving position x, which is gentle and constant as a whole, and a sharp change in T is not observed as in the scattered light model.
In the figure, 0 to 100 μm is data representing a valley (measured amount), and a portion exceeding 100 μm is data representing an opposite peak. Therefore, the transmittance Tv of the valley curve from 100 μm to 140 μm is a portion that contributes to Th. The light amount corresponding to 0.00065 to 0.0004 indicates a function of increasing the light amount of Th of 0 to 40 μm, and indicates a function of enhancing both edges.
[0027]
From the above results, the contrast and the MTF will be similarly discussed.
First, the contrast, Ph / Pv, is obtained from Table 2 as 0.159066 / 0.1015550271 = 1.57.
This value is higher in contrast than the scattered light model, and indicates that the use of vertically incident illumination light improves the contrast. Actually, in our prototype evaluation results, there is also obtained an experimental result that "contrast is improved by using an illumination light source located at a long distance with high straightness".
[0028]
As for the MTF, as shown in the graph of FIG. 13, the discontinuous image characteristic (FIG. 9) as seen in the scattered light model is not seen. In addition, the leakage of Tv from 100 to 140 μm described above also deteriorates the MTF. Fortunately, the pitches are λ = 240 μm (distance on both sides of the same valley) and λ = 160 μm (distance between adjacent valleys). ) And close to the fingerprint pitch, and has the function of edge enhancement. Therefore, the deterioration of MTF due to this is not fatal.
[0029]
As described above, in order to improve the contrast and the MTF, it is preferable that the light used for the illumination be vertically incident light rather than scattered light.
The light used for detecting the fingerprint is preferably external light incident on the finger. Thereby, it is possible to expect illumination light that is incident more perpendicularly than the case where the finger is illuminated from the side by, for example, LEDs.
[0030]
Preferably, the member is a semiconductor substrate. The semiconductor substrate is essentially a dielectric substrate, and a high refractive index can be expected. It is also highly pure and can be expected to have chemical stability and mechanical strength. The semiconductor substrate is particularly preferably a silicon substrate. As described above, the refractive index of the silicon substrate is as high as 3.448, which is ideal.
[0031]
Further, it is desirable that a thin film for preventing contamination is formed on the surface of the member. Thereby, the influence of the residual fingerprint remaining on the member surface can be minimized. As the thin film for preventing contamination, a silicon-based compound, ceramic, or the like can be used. Thereby, sufficient hardness and stability can be obtained. It is also easy to use semiconductor process technology.
[0032]
Further, it is preferable that the optical sensor is provided with a shield plate inside the optical sensor in order to protect the sensor from electric charges induced in the member due to an external electric field, static electricity or the like. Thereby, the influence of the charge and the like can be further reduced.
In order to make the member conductive, a low-resistance substrate may be used for the member.
[0033]
Also, the resistivity of the low-resistance substrate is desirably 0.1 Ω-cm or less, thereby ensuring low-resistance electrical conduction as described above.
In order to reduce the electric resistance of the member, the surface of the member may be a metal thin film that is not optically transparent. It is desirable that the thickness of the metal thin film is λ / 10 or less of the wavelength of light for detecting a fingerprint. Thereby, the light for detecting the metal thin film can be partially transmitted, and a fingerprint / optical sensor is realized.
In order to reduce the electric resistance of the member, a high-concentration impurity diffusion layer may be provided on the surface of the member. Thereby, the electric resistance of the member can be reduced.
In order to reduce the electric resistance of the member, a patterned metal thin film may be formed on the surface of the member, and a thin film for preventing contamination is preferably formed above the metal thin film. As a result, it is possible to reduce the electric resistance, prevent the finger from being stained with oil and fat, and prevent the remaining fingerprint.
[0034]
Further, it is desirable that the member is formed using a semiconductor process technology. This makes it possible to stably deposit and pattern the thin film at low cost.
It is desirable that the insulator is not formed by a semiconductor process. A relatively thick insulator can be formed by a coating method, a spin-on method, printing, or the like.
The insulator has a resistance value of 10 per unit area. 12 It is desirable that it be Ω or more. This makes it possible to suppress the leakage current that penetrates the insulator, which is harmful to the operation of the optical sensor, to the pA level.
[0035]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1,
12 is
The laminated thin plate 13 is grounded to the ground potential at the end of the fingerprint sensor. A 2000 nm thick
[0036]
FIG. 14 shows the spectral sensitivity of the fingerprint sensor. As can be seen from the figure, this sensor has a sensitivity peak in the infrared light having a wavelength of 1030 nm, and has a sensitivity in the infrared light having a wavelength of 800 nm to 1200 nm. The sensitivity drop on the left side of this graph is caused by the fact that infrared light does not pass through the thin plate 13, and that on the right side is caused by the deterioration of the photoelectric conversion characteristics of the
[0037]
As the
[0038]
FIG. 15 shows an example of fingerprint imaging with room light of the fingerprint sensor of this embodiment.
As can be seen from FIG. 15, the image can capture not only the peaks and valleys of the fingerprint but also the holes of the sweat glands, and the spatial resolution is sufficient. Further, the ratio of the brightness between the peaks (bright portions) and the valleys (dark portions) is about 1.5, which is also a contrast value that can be explained by the aforementioned model.
[0039]
The material of the thin plate used in the present invention may be any of n-type, i-type, and other high-dielectric substances other than the p-type single crystal silicon substrate. In particular, a semiconductor substrate is preferable because it has a substantially high dielectric constant. Ge, diamond, and the like can be suitably used without adversely affecting the human body.
[0040]
In addition to the silicon nitride film, a silicon-based glass such as a silicon oxide film, ceramic, or the like is suitable for the thin film for preventing contamination.
These can be easily and inexpensively manufactured on a semiconductor substrate by using a known semiconductor process technology.
The light used for illuminating the fingerprint may be substantially vertical light such as indoor light, and for example, a dedicated infrared light source may be prepared. In that case, it is desirable to use an infrared LED that emits infrared light by embedding it in the bottom of a cylindrical reflecting container in order to increase the MTF of the fingerprint and the contrast.
[0041]
[Second embodiment]
FIG. 2 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a second embodiment of the present invention.
21 is an optical sensor, 22 is an adhesive, 23 is a single crystal silicon substrate having a resistivity of 100 Ω-cm, and 24 is a gold thin film having a thickness of 50 °. The same
The thickness of the
According to this embodiment, even if the resistivity of the
[0042]
[Third embodiment]
FIG. 3 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a third embodiment of the present invention.
The diffusion layer 36 is electrically grounded at the end of the sensor. Above the diffusion layer 36, a
According to the present embodiment, the conductivity of the
The impurity forming the diffusion layer may be a trivalent (B, Al, Ga) or pentavalent (P, As) atom as a dopant, or a conductive metal atom.
[0043]
[Fourth embodiment]
FIG. 4 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
41 is a semiconductor substrate on which an optical sensor is formed, and 47 is a 50 μm square unit pixel forming the sensor.
The bonding is performed so that the pattern of the
[0044]
According to this embodiment, the resistance of the
The quality required for the patterned thin film is, for example, good density and adhesion.
A sparse film whose density is reduced by thinning cannot withstand finger friction. If the adhesion to the base or overcoat is poor, the pattern is easily peeled and deformed, and the quality of the fingerprint image is reduced.
As a film satisfying such characteristics, a metal having a high melting point such as tungsten or molybdenum other than aluminum may be used.
[0045]
In this embodiment, unlike the other embodiments, a low-resistance conductor layer is not provided on the entire surface. Therefore, even if there is no problem with static electricity, it is not perfect against incident electric fields and electromagnetic waves.
Therefore, it is effective to provide an electric shield and a shield plate inside the optical sensor in addition to the above-described patterned conductor.
It is desirable that the shield plate is provided not only in the pixel portion where the fingerprint image light is incident, but also in an electric circuit portion (peripheral circuit portion) around the pixel portion.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to stably provide a fingerprint sensor that is low in cost, resistant to static electricity and the like, and excellent in resolution and contrast.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a fingerprint detection sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a member and an insulator portion of the fingerprint sensor of the present invention.
FIG. 6 is a model when scattered light is incident on a fingerprint structure.
FIG. 7 is a model when vertical light is incident on a fingerprint / finger structure.
FIG. 8 is a diagram showing an incident angle-transmittance characteristic of a scattering model.
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between an incident angle of valley incident light and a position of incidence on an optical sensor in a scattering model.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between a light receiving position and a transmittance of a scattering model.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the incidence position and the transmittance of the normal incidence model.
FIG. 12 is a diagram illustrating a correspondence between an incident position y and a light receiving position x.
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between a light receiving position and a transmittance of a normal incidence model.
FIG. 14 is a diagram showing the spectral sensitivity of a fingerprint sensor.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of fingerprint imaging with room light of the fingerprint sensor according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
11, 21, 31, 41 substrate
12, 22, 32, 42 adhesive
13,23,33,43 Thin plate
14, 24, 34, 44 thin film
15, 25, 35, 45 fingers
16 Illumination light
36 Diffusion layer
46 patterns
51 Thin plate
52 resistance
53 Resistance
54 finger side terminal
55 fingers
56 Optical sensor side terminal
57 Ground
61, 71 Optical sensor
62, 72 thin plate
63, 73 interface
64, 74 cavities
65, 75 finger inside
66, 76 Incident light
67, 77 Refracted light
Claims (18)
複数の光電変換素子からなる光学センサと、前記光学センサの上方に配置され前記指と接触を行う部材とを有し、
前記部材は、指の屈折率よりも高い屈折率であって、導電性を有しており、且つ前記部材は前記光学センサとは絶縁物を介して貼り合わされていることを特徴とする指紋センサ。In a fingerprint sensor that optically detects a fingerprint,
An optical sensor including a plurality of photoelectric conversion elements, and a member that is disposed above the optical sensor and makes contact with the finger,
A fingerprint sensor, wherein the member has a refractive index higher than that of a finger and has conductivity, and the member is bonded to the optical sensor via an insulator. .
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