KR100473383B1 - 정전용량식 지문감지센서의 단위화소 및 그를 이용한지문감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비교적 간단한 공정에 의해 제작이 가능하고, 기생 정전용량을 제거하여 감지도를 향상시킨 지문감지센서의 단위화소와 이를 이용한 정전용량식 지문감지장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 감지센서의 최상단에 위치한 금속 평판을 감지전극으로 하여 손가락 표면과 감지전극에서 발생하는 핑거 캐패시턴스를 감지 및 저장하는 핑거 캐패시터; 상기 핑거 캐패시턴스를 부입력으로 하고, 정입력단에 입력되는 입력전압에 따라 상기 핑거 캐패시턴스를 증폭 및 전달하는 증폭기; 상기 증폭기에 피드백 루프를 이루는 피드백 캐패시터; 및 프리챠지신호를 게이트 입력으로 하고 상기 피드백 캐패시터와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터를 포함하며, 상기 감지전극으로 사용되는 상부금속플레이트 하부의 회로영역은 쉴드금속플레이트로 덮혀 있으며, 상기 쉴드금속플레이트는 상기 증폭기의 부입력단에 접속된 것을 특징으로 하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 제공한다.

또한, 본 발명은, 전술한 단위화소가 다수 배열된 화소어레이; 상기 화소어레이 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택부; 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달부; 상기 저장 및 전달부에 일시 저장된 상기 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택부; 및 상기 열선택부에 의해 선택되어 상기 저장 및 전달부로부터 전달되는 상기 데이타를 증폭하여 출력하는 출력부를 포함하는 지문감지장치를 제공한다.

Description

정전용량식 지문감지센서의 단위화소 및 그를 이용한 지문감지장치{Unit fixel for capacitive fingerprint sensor and fingerprint sensing device having the same}

본 발명은 정전용량식 지문가지 기술에 관한 것으로, 특히 지문감지센서의 최상단에 위치한 감지전극과 손가락 표면 사이에서 발생하는 정전용량(Capacitance)의 차이를 이용하여 간단하게 지문을 습득할 수 있는 정전용량식 지문감지센서와 이를 이용하여 지문의 골(Valley)과 마루(Ridge)에서 발생하는 정전용량의 차이를 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 구현할 수 있는 검출회로를 통해 지문영상을 얻을 수 있는 정전용량식 지문감지장치에 관한 것이다.

지문은 개개인마다 각기 다른 모양과 특징을 가지고 있기 때문에 개개인의 신분확인 및 인증자료로 널리 사용되어 왔는 바, 근래에 들어서는 지문을 전기적으로 감지하여 지문영상을 습득함으로써 빠른 시간 내에 신분확인 작업을 마칠 수 있게 되었다.

이울러, 최근들어 저가의 센서들이 등장함에 따라 지문감지센서는 특수보안장치에만 응용되는 데서 벗어나 키보드, 마우스 등 PC(Personal Computer) 주변장치에 사용되는 등 점차 사용범위가 확대되고 있다. 따라서, 이러한 시장에 참여하기 위해서는 사용하기 편리하고 소규모, 저전력, 저가의 지문감지센서 기술을 확보해야 한다.

한편, 지난 수 십년 동안 전기적으로 지문을 감지하기 위해 많은 방법이 연구되어 왔는데, 현재까지 발표된 방식 중에서 주요한 지문감지방식은 대체적으로 광학식(Optical type), 열감지식(Thermal type) 그리고, 정전용량식(Capacitive type) 등으로 크게 구분될 수 있다.

초기에 주로 사용된 광학방식은 가시광선이나 적외선을 이용하여 손가락 표면을 비추면, 반사된 빛이 광전장치(Opto-electric element)에 포착되어 지문영상을 얻을 수 있게 된다. 그러나, 이 방식은 광학장치와 광전장치가 별도로 필요하게 되므로 부피상의 그 사용범위가 제한되는 바, 특히 소형의 주변장치나 스마트카드 등에 응용되기 위해서 소형의 칩으로 제작 가능한 방식이 요구된다.

이에 반해, 열감지식은 반도체공정에서 초전물질(Pyroelectric material)을 이용하여 지문의 골과 마루 사이의 온도차를 전압차로 변환시켜서 지문영상을 얻을 수 있는 방식으로 센서의 크기가 작아 부피로 인한 사용 상의 제약은 덜 받는다. 그러나, 이 방식으로 온도변화를 감지하기 위해서는 동작원리상 2차원 배열이 아닌 1차원 배열로 손가락을 센서 표면에 스캔(Scan)해야 하므로 습득된 1차원 데이타(Data)를 2차원 영상으로 변환해 주는 프로그램이 필요할 뿐만 아니라 스캔속도와 스캔압력에 따라 얻어진 영상이 다르게 나타날 수 있는 단점을 가지고 있다.

마지막으로, 정전용량식은 두 전극 사이의 거리 또는 그 사이에 존재하는 비유전물질(Dielectric material)의 종류에 따라 정전용량이 달라지는 원리를 이용하여 감지전극(Sensing electrode)과 지문의 골 사이에서 발생하는 정전용량과, 감지전극과 지문의 마루 사이에서 발생하는 정전용량 사이의 차이를 통해 지문영상를 얻을 수 있다.

이 방식은 CMOS 공정만으로 부가적 장치없이 센서를 구현할 수 있으나, 감지전극에서 발생하는 기생 정전용량(Parasitic capacitance)의 영향에 민감하게 반응함으로써, 감지도(Sensitivity)가 저하될 가능성이 높다.

특히, 지문감지센서에서 소스 팔로워(Source follower)를 이용하거나, 감지된 값을 그대로 전달하는 방식을 이용하였으므로, 기생 정전용량에 의해 감지된 데이타로부터 정확한 지문영상인식이 불가능한 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 비교적 간단한 공정에 의해 제작이 가능하고, 기생 정전용량을 제거하여 감지도를 향상시킨 지문감지센서의 단위화소를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전술한 단위화소를 포함하는 정전용량식 지문감지장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 감지센서의 최상단에 위치한 금속 평판을 감지전극으로 하여 손가락 표면과 감지전극에서 발생하는 핑거 캐패시턴스를 감지 및 저장하는 핑거 캐패시터; 상기 핑거 캐패시턴스를 부입력으로 하고, 정입력단에 입력되는 입력전압에 따라 상기 핑거 캐패시턴스를 증폭 및 전달하는 증폭기; 상기 증폭기에 피드백 루프를 이루는 피드백 캐패시터; 및 프리챠지신호를 게이트 입력으로 하고 상기 피드백 캐패시터와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터를 포함하며, 상기 감지전극으로 사용되는 상부금속플레이트 하부의 회로영역은 쉴드금속플레이트로 덮혀 있으며, 상기 쉴드금속플레이트는 상기 증폭기의 부입력단에 접속된 것을 특징으로 하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전술한 단위화소가 다수 배열된 화소어레이; 상기 화소어레이 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택부; 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달부; 상기 저장 및 전달부에 일시 저장된 상기 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택부; 및 상기 열선택부에 의해 선택되어 상기 저장 및 전달부로부터 전달되는 상기 데이타를 증폭하여 출력하는 출력부를 포함하는 지문감지장치를 제공한다.

본 발명은, 2차원 배열의 정전용량식 지문감지센서를 통해 종래의 큰 부피를 가지는 지문감지센서에 비해 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 구현하여 간단하고 부가장치가 별도로 필요없을 뿐만아니라 기생캐패시턴스를 최대한 제거하여 감지도를 향상시키고자 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 감지전극에 손가락이 닿은 모습을 도시한 개념도이다.

일반적으로, 다른 전압을 가진 두 평행평판 사이에서는 정전용량(Capacitance)이 형성된다. 이러한 현상은 도 1에 도시된 바와 같이 2차원 배열의 평판위에 손가락이 접촉되어 있는 경우에도 적용이 된다. 손가락 지문의 마루영역(Ridge)과 접촉하는 평판영역에서는 접지(Ground) 역할을 하는 손가락 표면과의 거리가 가깝기 때문에 상대적으로 큰 정전용량을 발생시키는 반면, 골영역(Valley)에 해당하는 평판영역에서는 손가락 표면과의 거리가 상대적으로 멀기 때문에 작은 정전용량을 발생한다. 이러한 지문의 골과 마루의 영역에 따라 다르게 나타나는 정전용량의 차이를 통해 지문영상을 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 도시한 상세회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 정전용량식 지문감지센서의 단위화소는, 감지센서의 최상단에 위치한 금속 평판을 감지전극으로 하여 손가락 표면과 감지전극에서 발생하는 핑거 캐패시턴스를 감지 및 저장하는 핑거 캐패시터(Cf)와, 핑거 캐패시턴스를 부입력으로 하고, 정입력단(+)에 입력되는 입력전압에 따라 핑거 캐패시턴스를 증폭 및 전달하는 증폭기(Amp)와, 증폭기(Amp)에 피드백 루프를 이루는 피드백 캐패시터(Cfb)와, 프리챠지신호(Φpre)를 게이트 입력으로 하고 피드백 캐패시터(Cfb)와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터(TR1)을 구비하여 구성된다.

한편, 행선택 트랜지스터(TR2)는 행선택신호(Φrow)에 따라 각 행에서 출력되는 신호 'Vout'을 버스라인을 통해 출력한다.

이하, 전술한 구성을 갖는 단위화소의 동작을 상세히 살펴본다.

초기화단계(Reset stage)에서는, 프리챠지신호 'Φpre'를 통해 스위칭 트랜지스터(TR1)을 온시켜 피드백 캐패시터(Cfb)에 저장되어 있는 초기전하를 방전시킨다. 또한, 증폭기(Amp)의 부입력단자(-)와 출력단자를 직접 연결하여 증폭기(Amp)가 버퍼(Buffer)로 동작케 함으로써 증폭기(Amp)의 DC 바이어스(Bias)를 잡아준다. 이 때, 입력전압(Vin)인 증폭기의 정입력단자(+)의 전압을 'Vh'로 설정해 놓으면, 증폭기(Amp)의 정입력단자(+)와 부입력단자(-) 사이의 가상접속(Virtual short) 현상에 의해 부입력단자(-)도 'Vh'가 된다.

다음 단계인 전하이동단계(Charge Trasnfer stage)에서는 프리챠지신호'Φpre'는 오프시키고 입력전압(Vin)을 'Vl'로 낮춘다. 그러면, 핑거캐패시터(Cf)의 전압(Vf)은 'Vl'로 되고, 떨어진 전압 'Vh-Vl' 만큼에 해당하는 전하 'Cf(Vh-Vl)'가 피드백 캐패시터(Cfb)로 이동하게 된다. 따라서, 피드백 캐패시터(Cfb)에는 'Cf(Vh-Vl)'의 전하가 저장되게 되고 출력단에서는 'Vh'로부터 'Cf(Vh-Vl)/Cfb' 만큼의 전압강하가 발생하게 되어 출력전압(Vout)은 'Vh - Cf(Vh-Vl)/Cfb'가 된다. 이 때, 큰 핑거 캐패시턴스를 갖는 마루의 경우에는 그 만큼 많은 양의 전하가 이동하게 되어 출력전압의 강하가 더 크게 일어나는 반면, 작은 핑거 캐패시턴스를 갖는 골의 경우에는 적은 양의 전하가 이동하게 되므로 출력단에서는 전압강하가 조금 일어난다. 따라서, 이 단계에서 골과 마루의 분포에 따른 출력전압값을 행성택신호인 'Φrow'를 통해 행선택 트랜지스터(TR2)를 온시킴으로써, 버스라인에 실어 검출해 냄으로써 지문의 골과 마루를 구별할 수 있다.

한편, 입력전압(Vin)을 'Vh'에서 'Vl'로 낮춤으로써 출력단에서 'Cf(Vh-Vl)/Cfb' 만큼의 전압강하를 얻는 것 뿐만아니라, 'Vl'에서 'Vh'로 올려줌으로써 'Cf(Vl-Vh)/Cfb' 만큼의 전압 상승도 얻을 수 있다.

도 3은 도 2의 단위화소를 2차원 배열하여 각 센서의 출력값을 읽어들임으로써 지문영상을 습득하기 위한 정전용량식 지문감지장치를 도시한 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 지문감지장치는 전술한 단위화소(400)가 다수 배열된 화소어레이(40)와, 화소어레이(40) 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택부(41)와, 상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달부(42)와, 저장 및 전달부(42)에 일시 저장된 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택부(43)와, 열선택부(43)에 의해 선택되어 저장 및 전달부(42)로 부터 전달되는 데이타를 증폭하여 출력하는 출력부(44)와, 행선택부(41)와 저장 및 전달부(42) 및 열선택부(42)를 제어하는 제어부(45)를 구비하여 구성된다.

상기한 구성을 갖는 지문감지장치의 동작을 살펴 본다.

먼저, 전술한 동작에 의해 발생한 각 단위화소(400)의 출력전압은 행선택부(41)의 행선택신호(Φrow)에 의해 순서대로 한 행씩 행버스라인(Column bus line)에 전달되고, 그 값은 저장 및 전달부(42) 구체적으로, 저장 및 전달부(42)의 버퍼를 거쳐 샘플앤드홀드 내의 캐패시터에 저장된다. 이 값은 열선택부(43)에 의해 순차적으로 선택된 후, 출력부(44)를 통해 증폭되어 "Vout"으로 출력된다.

이상의 회로 동작을 거침으로써 지문의 골과 마루영역을 구별할 수 있는 지문영상을 얻을 수 있다.

도 4는 CMOS 공정을 이용하여 본 발명의 정전용량식 지문감지센서 칩 제작시에 존재 가능한 층별 단면도이며, 도 5는 도 4에서 발생 가능한 기생 캐패시터를 도시한 회로도이다.

본 발명의 정전용량식 지문감지센서는 실리콘기판(SUB) 위에 여러개의 금속층(SM, TP)과 폴리실리콘층(Poly)으로 이루어져 있으며, 센서 표면은 보호를 위해 특정물질 즉, 패시베이션층(PL, Passivation Layer)로 덮혀 있다. 핑거 캐패시턴스(Cf)는 감지전극으로 작용하는 상부금속플레이트(TP, Top metal plate)와 센서 표면사이에서 발생하는 패시베이션 캐패시턴스(Cpass) 및 센서 표면과 손가락 표면 사이에서 발생하는 캐패시턴스(Cf,eff)와의 합 뿐만아니라, 상부금속플레이트(TP) 하단에 존재하는 각 금속층(SM)과 폴리실리콘층(Poly) 및 기판(SUB)간에 존재하는 기생 캐패시턴스도 존재하게 된다. 이러한 기생 캐패시턴스는 핑거 캐패시턴스의 변화를 둔화시켜 감지도를 떨어뜨리는 역할을 하게 된다. 따라서, 이러한 기생 캐패시턴스의 영향을 줄이면 손가락 표면과 감지전극 사이의 피거 캐패시턴스를 효과적으로 감지할수 있으므로 감지도를 향상시켜 출력범위를 크게 할 수있다.

이를 위해 감지전극으로 사용되는 상부금속플레이트(TP) 바로 아래에 쉴드금속플레이트(SM, Shieldmetal plate)로 각 화소를 덮은 뒤 증폭기(Amp)의 정입력단자(+)에 연결한다. 증폭기(Amp)의 정입력단자(+)는 가상접속으로 인해 상부금속플레이트(TP)가 연결되어 있는 부입력단자(-)와 동일한 전압을 가지게 되므로 쉴드금속플레이트(SM)와 상부금속플레이트(TP)는 동일한 전압이 유지되어 그 사이에 존재 가능한 캐패시턴스(Csh)는 발생하지 않는다. 또한, 쉴드금속플레이트(SM) 아래에 발생 가능한 캐패시턴스(Cp1)는 증폭기(Amp)의 부입력단자(-)와 연결되어 있는 핑거 캐패시터(Cf)와 직접적으로 연결되어 있지 않으므로 회로동작에 영향을 주지 않는다. 그러나, 공정특성 및 회로 설계상의 문제로 쉴드금속플레이트(SM)가 존재하지 않아 상부금속플레이트(TP)와 그 아래 영역에 존재하는 기생 캐패시턴스(Cp2)는 제거가 어렵다. 그러나, 쉴드금속플레이트(SM)를 최대한 넓게 배치하여 덮히지 않는 부분을 최소화시키면 Cp2는 작아지게 되어 그 영향은 감소하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 쉴드금속플레이트를 사용하여 구조적으로 배치함으로써 발생 가능한 큰 캐패시턴스를 작은 값으로 줄여 핑거 캐패시턴스의 변화에 민감한 출력을 얻을 수 있다.

전술한 본 발명은, 종래의 지문감지장치들이 가지고 있는 여러가지 문제점 특히, 기생 캐패시터 효과를 단위화소의 변경을 통해 효과적으로 제거하며, 감지도를 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 지문감지장치의 감지도를 높여 지문인식 데이타에 기초한 인증의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 표준 CMOS 공정기술을 바탕으로 간단하고 별도의 부가장치가 필요없어 지문감지장치의 생산 비용을 감소시켜 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 감지전극에 손가락이 닿은 모습을 도시한 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량식 지문감지센서의 단위화소를 도시한 상세회로도.

도 3은 도 2의 단위화소를 2차원 배열하여 각 센서의 출력값을 읽어들임으로써 지문영상을 습득하기 위한 정전용량식 지문감지장치를 도시한 블럭도.

도 4는 CMOS 공정을 이용하여 본 발명의 정전용량식 지문감지센서 칩 제작시에 존재 가능한 층별 단면도.

도 5는 도 4에서 발생 가능한 기생 캐패시터를 도시한 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

Cf : 핑거 캐패시터 Cfb : 피드백 캐패시터

Amp : 증폭기 TR1 :스위칭 트랜지스터

TR2 : 행선택 트랜지스터

Claims (3)

1. 삭제
2. 감지센서의 최상단에 위치한 금속 평판을 감지전극으로 하여 손가락 표면과 감지전극에서 발생하는 핑거 캐패시턴스를 감지 및 저장하는 핑거 캐패시터;

   상기 핑거 캐패시턴스를 부입력으로 하고, 정입력단에 입력되는 입력전압에 따라 상기 핑거 캐패시턴스를 증폭 및 전달하는 증폭기;

   상기 증폭기에 피드백 루프를 이루는 피드백 캐패시터; 및

   프리챠지신호를 게이트 입력으로 하고 상기 피드백 캐패시터와 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터를 포함하며,

   상기 감지전극으로 사용되는 상부금속플레이트 하부의 회로영역은 쉴드금속플레이트로 덮혀 있으며, 상기 쉴드금속플레이트는 상기 증폭기의 부입력단에 접속된 것을 특징으로 하는 정전용량식 지문감지센서의 단위화소.
3. 제 2 항에 의한 단위화소가 다수 배열된 화소어레이;

   상기 화소어레이 중 한 행을 선택하여 그 데이타를 버스라인에 전달하는 행선택수단;

   상기 버스라인을 통해 전달된 신호를 저장 및 전달하는 저장 및 전달수단;

   상기 저장 및 전달수단에 일시 저장된 상기 데이타를 순차적으로 출력하도록 열을 지정하는 열선택수단; 및

   상기 열선택수단에 의해 선택되어 상기 저장 및 전달수단으로 부터 전달되는 상기 데이타를 증폭하여 출력하는 출력수단

   을 포함하는 지문감지장치.