JP2004356535A - 指紋センサ - Google Patents

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１０^４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１０^１６Ω−ｃｍ、厚さ１０μｍ程度の接着剤が用いられるから、Ｒｖの値は１０^１６×０．００１＝１０^１３Ω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／ｃｏｓ}θ^２） ・・・（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／ｃｏｓ}θ^５） ・・・（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１０^１２Ω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１０^１６Ω−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

Claims (18)

1. 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指紋センサ。
2. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記指紋の検出に用いる光は、前記指に大略垂直に入射する光であることを特徴とする指紋センサ。
3. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記指紋の検出に用いる光は、前記指に入射する外光であることを特徴とする指紋センサ。
4. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記部材は、半導体基板であることを特徴とする指紋センサ。
5. 請求項４に記載の指紋センサにおいて、前記半導体基板は、シリコン基板であることを特徴とする指紋センサ。
6. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記部材の表面には、汚れ防止用の薄膜が形成されていることを特徴とする指紋センサ。
7. 請求項６に記載の指紋センサにおいて、前記汚れ防止用の薄膜は、シリコン系の化合物やセラミックであることを特徴とする指紋センサ。
8. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記光学センサは、外部電界、静電気等によって前記部材に誘起される電荷から前記光学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を特徴とする指紋センサ。
9. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記部材として低抵抗基板を用いることであることを特徴とする指紋センサ。
10. 請求項９に記載の指紋センサにおいて、前記低抵抗基板の抵抗率は、０．１Ω−ｃｍ以下であることを特徴とする指紋センサ。
11. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記部材はその表面に光学的に透明でない金属薄膜を有することを特徴とする指紋センサ。
12. 請求項１１に記載の指紋センサにおいて、前記金属薄膜の厚さは、前記指紋を検出する光の波長のλ／１０以下であることを特徴とする指紋センサ。
13. 請求項４又は５に記載の指紋センサにおいて、前記部材はその表面に高濃度不純物拡散層を有することを特徴とする指紋センサ。
14. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記部材はその表面にパターニングされた金属薄膜を有し、前記部材の上方には汚れ防止用の薄膜が形成されていることを特徴とする指紋センサ。
15. 請求項１４に記載の指紋センサにおいて、前記部材は、半導体プロセス技術を利用して形成されていることを特徴とする指紋センサ。
16. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記絶縁膜は塗布、スピンオン、印刷等で形成されていることを特徴とする指紋センサ。
17. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記絶縁物は、単位面積当りの抵抗値が１０^１２Ω以上であることを特徴とする指紋センサ。
18. 請求項１に記載の指紋センサにおいて、前記絶縁物は接着剤であることを特徴とする指紋センサ。

Images