KR101928319B1 - 광 감지 능력을 가지는 다기능 지문 센서 - Google Patents

Abstract

하나의 측면에서, 지문 센서 장치는 터치 센서 모듈이 통합된 터치 패널을 포함한다. 상기 터치 센서 모듈은, 지문과 관련된 접촉 입력을 검출하는 것에 응답하여 센서 신호를 생성하는 감지 회로를 포함한다. 감지 회로는 접촉 입력을 검출하고 지문의 이미지를 나타내는 신호를 생성하는 지문 센서 및 상기 지문과 다른 생체 인식 마커를 나타내는 신호를 생성하는 생체 인식 센서를 포함한다. 생성된 센서 신호는 상기 지문의 이미지를 나타내는 신호 및 상기 지문과 다른 생체 인식 마커를 나타내는 신호를 포함한다. 상기 감지 회로는 상기 감지 회로에 통신 가능하게 연결되어, 지문과 관련된 접촉 입력이 라이브 핑거에 속하는지 여부를 결정하기 위하여 생성된 센서 신호를 처리하는 처리 회로를 포함한다. 다른 측면에서, 장치는 광 지문 감지를 제공하기 위하여 터치 스크린 및 터치 스크린 아래에 위치되는 광 센서 모듈을 포함한다.

Description

광 감지 능력을 가지는 다기능 지문 센서

본 명세서는 포괄적으로는 모바일 및 웨어러블 장치를 포함하는 전자 장치에 안전하게 액세스하기 위한 지문 인식에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 본 명세서는, 명칭이 "다기능 지문 센서 및 패키지"이고, 2015년 6월 18일에 출원된 미국 가출원 특허 출원 No. 62/181,718에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 내용은 참조로서 본 특허 문헌에 병합된다.

랩탑, 태블릿, 스마트폰 및 게임 시스템과 같은 휴대용 또는 모바일 컴퓨팅 장치를 포함하는 전자 장치는, 사용자 인증 메커니즘을 사용하여 개인 데이터를 보호하고 무단 액세스를 방지할 수 있다. 전자 장치 상에서의 사용자 인증은 하나 또는 여러 형태의 생체 인식 식별자를 통해 수행될 수 있고, 이러한 인증은 단독으로 또는 기존의 암호 인증 방법과 함께 사용될 수 있다. 생체 인식 식별자의 보편적인 형태는 사람의 지문 패턴이다. 전자 장치에 지문 센서를 내장하여 사용자의 지문 패턴을 읽음으로써, 상기 장치는, 인가된 사용자의 지문 패턴의 인증을 통해 장치의 인가된 사용자에 의해서만 잠금이 해제될 수 있다.

본원 본 명세서에 기술된 실시예는 지문을 감지하기 위한 광 센서 또는 광 센서의 조합 및 지문을 감지하기 위한 용량형 센서와 같은 다른 유형의 지문 센서를 사용하는 지문 센서 디자인을 제공한다. 상술한 지문 센서 디자인은 다양한 장치, 시스템 또는 애플리케이션에서 사용될 수 있으며, 모바일 애플리케이션 및 다양한 웨어러블 또는 휴대용 장치에 특별히 적합하도록 구성될 수 있다.

한 측면에서, 터치 감지 및 지문 감지 능력을 가지는 전자 장치는, 터치 감지 동작을 제공하는 터치 스크린을 포함하도록 제공된다. 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 접촉되는 인터페이스로서 터치 스크린 위에 형성되는 상부 투명층; 및 상부 투명층으로부터 반환되는 빛을 수신하는 터치스크린 아래에 위치하고 터치 스크린을 통해 전송하는 광 센서 모듈을 포함한다. 광 센서 모듈은 지문을 검출하기 위하여 귀환광의 적어도 일부를 수신하도록 위치된 포토디텍터의 광 검출기 어레이를 포함한다. 하나의 실시예에서, 광 센서 모듈은, 광 시준기를 통해 포토디텍터에 귀환광의 수신된 일부를 인도하기 위하여 터치 스크린 및 광 검출기 어레이 사이에 위치하는 광 시준기의 어레이를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 터치 스크린은 지문을 검출하기 위하여 광 검출기 어레이에 의해 수신된 귀환광을 생성하기 위해 사용자가 지문 감지를 접촉하는 지문 감지 영역을 포함한다. 제1 광 감지 영역 및 제2 광 감지 영역; 상기 광 모듈은 제1 광 감지 영역으로부터 귀환광의 일부를 수신하기 위해 광 검출기 어레이의 제1 측면 상에 위치하는 (1) 제1 추가 광 검출기 및 제2 광 감지 영역으로부터 귀환광의 일부를 수신하기 위해 광 검출기 어레이의 제2 반대쪽에 위치하는 (2)제2 추가 광 검출기를 포함한다. 제1 및 제2 추가 광 검출기는 귀환광이 살아 있는 사람의 손가락으로부터 반사되는지 여부를 나타내는 검출기 신호를 제공한다. 또 다른 실시예에서, 터치 스크린은 귀환광을 제공하기 위해 상부 투명층과 접촉하여, 이미지를 디스플레이하고 사용자의 손가락에 비추기 위한 빛을 제공하는 디스플레이 화소를 포함한다. 그리고 터치 스크린은 사용자가 하나 이상의 디스플레이 화소로부터 조명광을 수신하기 위하여 지문 감지를 접촉하도록 하는 지문 감지 영역을 포함한다. 여기서 디스플레이 화소는, 지문을 검출하기 위하여 전반사광을 광 검출기 어레이에 인도하기 위해, 조명광이 상부 투명층의 상부 표면에서 전 광 반사를 겪는 방식으로 지문 감지 영역으로 조명광을 생성하도록 위치된다.

다른 측면에서, 지문 센서 장치는 터치 센서 모듈이 통합된 터치패널을 포함한다. 터치 센서 모듈은 지문과 관련된 접촉 입력을 검출하는 것에 응답하여 센서 신호를 생성하는 감지 회로를 포함한다. 감지 회로는 접촉 입력을 검출하고 지문의 이미지를 나타내는 신호를 생성하는 지문 센서 및 지문과 다른 생체 인식 마커를 나타내는 신호를 생성하는 생체 인식 센서를 포함한다. 생성된 센서 신호는 지문의 이미지를 나타내는 신호 및 지문과 다른 생체 인식 마커를 나타내는 신호를 포함한다. 감지 회로는 감지 회로에 연결되어, 지문과 관련된 접촉 입력이 라이브 핑거에 속하는 지 여부를 결정하기 위하여 생성된 센서 신호를 처리하는 처리 회로를 포함한다. 실시예에서, 감지 회로의 지문 센서 또는 생체 인식 센서는 광 센서를 포함한다.

다른 측면에서, 전자 장치는 중앙 프로세서; 중앙 프로세서와 통신하는 터치 패널; 및 상기 중앙 프로세서와 통신하고 상기 터치 패널에 통합된 지문 센서 장치를 포함하도록 제공된다. 지문 센서 장치는 지문과 관련된 접촉 입력을 검출하는 것에 응답하여 센서 신호를 생성하는 감지 회로를 포함한다. 상기 감지 회로는 접촉 입력을 검출하고 지문의 이미지를 나타내는 신호를 생성하는 지문 센서 및 지문과 다른 생체 인식 마커의 식별을 나타내는 신호를 생성하는 생체 인식 센서를 포함한다. 상기 생성된 센서 신호는, 지문의 이미지를 나타내는 신호 및 상기 지문과 다른 생체 인식 마커를 나타내는 신호를 포함한다. 처리 회로는 감지 회로에 통신 가능하게 연결되어, 지문과 관련된 접촉 입력이 라이브 핑거에 속하는지 여부를 결정하기 위하여 생성된 센서 신호를 처리한다. 실시예에서, 상기 지문 센서 또는 상기 감지 회로의 생체 인식 센서는 광 센서를 포함한다.

다른 측면에서, 지문을 스캔하는 동안 라이브 핑거를 검출하기 위한 방법이 제공되고 지문 센서에 의해서 지문의 소스와 관련된 접촉 입력을 검출하는 단계를 포함하고, 검출된 접촉 입력에 응답하여 지문 센서로부터 이미지 신호를 생성하는 단계; 상기 지문 센서로부터 생성된 이미지 신호는 지문의 하나 이상의 이미지를 나타내는 단계; 생체 인식 센서에 의해서 지문과 다른 생체 인식 마커를 나타내는 생체 인식 마커 검출 신호를 생성하는 단계; 및 상기 검출된 접촉 및 상기 관련된 하나 이상의 지문 이미지가 라이브 핑거인지 여부를 결정하기 위하여, 처리 회로에 의해서 상기 생성된 이미지 신호 및 생체 인식 마커 검출 신호를 처리하는 단계를 포함한다. 실시예에서, 감지 회로의 지문 센서 또는 생체 인식 센서는 광 센서를 포함한다.

또 다른 측면에서, 손가락 스캐닝 방법이 제공되고 광원 및 광 검출기를 포함하는 센서 모듈을 활성화시키기 위하여 센서 검출을 시작하는 단계; 진폭, 위상 변이, 주파수 변화 또는 조합을 포함하는 변조된 신호 정보를 운반하기 위해 상기 광원에 의해 방출된 광 빔을 변조하는 상기 광원을 제어하는 단계; 방출된 변조 광 빔에 응답하여 광 신호를 획득하는 단계; 획득된 광 신호를 복조하는 단계; 지문 이미지를 생성하고 상기 지문과 다른 생체 인식 마커를 획득하기 위하여 복조된 신호를 처리하는 단계를 포함한다.

상기 및 다른 측면들, 구현들 및 애플리케이션들은 도면, 설명 및 청구범위에서 보다 상세하게 설명된다.

도 1은 모바일 장치에서 가시적인 광 지문 센서 패키지의 예를 보여주며, 가시적 광 지문 센서 패키지와 관련된 특징에 대한 3가지 상이한 관점에서의 도면을 보여주는 (a), (b), (c)를 포함한다.
도 2의 (a) 및 (b)는 도 1의 모바일 장치와 같은 모바일 장치에 설치하기 위한 가시적 패키지에서의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다.
도 3은 심장 박동 감지를 위한 가시적 패키지 내의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다.
도 4는 혈류 속도 감지를 위한 가시적 패키지 내의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다.
도 5는 혈류 속도 감지로부터의 예시적 신호를 나타내는 그래프이다.
도 6은 모바일 장치에서 비가시적 지문 센서 패키지의 예를 나타내는 블록도이며, 비가시적 광 지문 센서 패키지와 관련된 특징에 대한 3가지 상이한 관점에서의 도면을 보여주는 (a), (b), (c)를 포함한다.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 6의 모바일 장치와 같은 모바일 장치에 설치하기 위한 비가시적 패키지내의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다.
도 8은 심장 박동 감지를 위한 비가시적 패키지 내의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다.
도 9는 혈류 속도 감지를 위한 비가시적 패키지 내의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다.
도 10a 및 10b는 전반사 지문 감지 기술을 구현하는 예시적 지문 센서 모듈의 단면도 및 평면도이다.
도 11a 및 11b는 전반사 지문 검출 스캐닝을 구현하는 예시적인 지문 센서 모듈의 단면도 및 평면도이다.
도 12의 (a) 및 (b)는 모바일 장치에 설치되고 전반사 지문 검출 스캐닝을 구현하는 예시적인 지문 센서 모듈을 나타낸다.
도 13은 전반사 지문 검출 스캐닝의 결과를 나타내는 이미지이다.
도 14의 (a), (b) 및 (c)는 모바일 장치에 설치되고 전반사 지문 검출을 구현하는 또 다른 예시적 지문 센서 모듈이다.
도 15a 및 15b는 모바일 장치에 설치되고 전반사 지문 감지를 구현하는 또 다른 예시적 지문 센서 모듈을 나타낸다.
도 16은 지문 검출을 위한 예시적 프로세스(1600)를 나타내는 프로세스 흐름도이다.
도 17, 18의 (a) 및 (b)는 전반사 터치 감지-굴절률 보상 기술의 예를 나타내는 도면이다.
도 19의 (a), 19b 및 19c는 전반사 터치 감지-굴절률 보상 기술의 예를 나타내는 도면이다.
도 20의 (a)는 능동 센서 화소 및 증폭을 가지는 자기-용량 감지를 구현하는 예시적인 지문 센서 장치의 블록도이다.
도 20b는 센서 화소의 예시를 나타낸다.
도 20c는 센서 화소에 대응하는 회로를 나타낸다.
도 21a는 지문 정보를 포착하는 각각의 센서 화소에 대한 광 센서 이외에도 용형량 센서를 통합한 지문 센서 장치의 예를 나타낸다.
도 21b는 광 센서 및 각각의 하이브리드 감지 화소의 풋프린트를 감소시키기 위하여 센서 화소의 어레이에서 공간적으로 중첩시키는 구성으로 각각의 하이브리드(hybrid) 센서 화소에서의 용량형 센서를 구조적으로 통합하는 지문 센서 장치의 다른 예를 도시한다.
도 22는 각각의 하이브리드 감지 화소 내의 광 센서 및 용량형 센서 모두를 포함하는 하이브리드 지문 센서 장치의 예시적인 평면도이다.
도 23a는 지문에 대한 용량 감지 및 광 감지 동작을 모두 가지는 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소의 예시적인 회로도를 도시한다.
도 23b는 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소의 또 다른 예시적 회로도를 도시한다.
도 23c는 포토디텍터 및 용량형 센서 플레이트(plate)로부터 센서 신호의 병렬 검출을 수행하기 위한 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소의 예시적인 회로도를 도시한다.
도 24a, 24b, 24c 및 24d는 광 센서 및 용량형 센서를 포함하는 하이브리드 지문 센서에 의해 지문 감지를 수행하기 위한 프로세스의 예시적인 프로세스 흐름도를 보여준다.
도 25a 및 24b는 모바일 폰, 태블릿 또는 광 센서 모듈이 별도의 구조로서 디스플레이 스크린 어셈블리(10) 외부에 있는 다른 장치에 대하여 이러한 디자인의 예를 도시한다.

지문 감지는 모바일 애플리케이션 및 보안 액세스를 사용하거나 제공하거나 요구하는 다른 애플리케이션에서 유용하게 사용하는 인증 도구이다. 예를 들어, 지문 감지는 모바일 장치, 전자 장치 또는 시스템에의 안전한 액세스, 또는 하나 이상의 시스템 또는 데이터베이스에의 전자 포털을 제공하는 데 사용될 수 있으며, 온라인 구매 및 다른 디지털 정보를 포함하는 금융 거래를 보호하는 데 사용될 수 있다. 모바일 또는 휴대용 장치 및 다른 소형 장치 내의 고도로 제한되는 공간에 들어가도록 하는 얇은 구조를 가지는 지문 센서와 같은 작은 풋프린트를 제공하는 한편 모바일 장치 또는 휴대용 장치에 적합한 견고하고 신뢰성 있는 지문 센서 특징을 포함하는 것이 바람직하다. 일부 애플리케이션에서는, 또한 지문 센서를 다양한 오염물로부터 보호하고 접촉 감지 및 특정 사용자 동작을 위한 사용자 인터페이스를 제공하는 보호 커버를 포함하는 것이 바람직하다.

본 명세서에 개시된 기술은 용량형 지문 센서 및 광학 지문 센서를 포함하는 상이한 유형의 지문 센서를 개별적으로 또는 조합하여 구현하는 데 사용될 수 있다. 감지 전극 및 손가락 표면 사이의 용량 결합(capacitive coupling)에 의한 용량값, 및 용량형 지문에서, 감지는 지문 융기 부분 및 골 부분의 위치와 모양을 포함하는 지문 패턴의 표면 토폴로지(topology)로 인한 용량 결합 강도의 변화를 측정하는 것에 기반으로 한다. 용량형 지문 센서를 보호하기 위하여 용량형 센서 화소 위에 보호 커버를 위치할 수 있다. 이 보호 커버가 더 두꺼워짐에 따라, 각각의 용량형 센서 화소에 의해 감지되는 전기장은 공간에서 빠르게 분산되고, 각각의 센서 화소에서 수신되는 센서 신호 강도 또한 보호 커버의 두께가 증가함에 따라 크게 감소한다. 또한, 증가된 보호 커버 두께는 센서의 공간 분해능에서 원하지 않은 가파른 감소를 초래할 수 있다. 일부 장치에서, 보호 커버 두께가 특정 임계값(예를 들어, 300 마이크로미터)을 초과할 때, 이러한 용량형 센서가 지문 패턴을 감지하는 데 원하는 높은 공간 분해능을 제공하고 적당한 정확도를 가지고 감지된 지문 패턴을 신뢰 가능하게 해결하는 것이 어려워질 수 있다.

본 명세서의 개시된 기술의 일부로서, 지문 센서는 또한 지문을 광학적으로 포착하기 위하여 구현될 수 있다. 광학 지문 인식을 위한 광학 지문 모듈의 두께는 광학 지문 센서가 특정 애플리케이션을 위해 또는 어떤 기술 하에서 또는 엔지니어링 제약으로 인해 너무 두꺼워지는 원인이 되기도 하고, 광학 지문 센서의 두께는 기술 및 엔지니어링의 한계 또는 요구사항으로 인해 모바일 폰 장치나 소형 장치로 통합되기도 한다.

하나의 측면에서, 개시된 기술은 모바일 또는 소형 장치에 통합하기 위한 초박형 광학 지문 센서를 위한 지문 센서 디자인을 제공한다. 개시된 기술의 다른 측면에서, 하이브리드 지문 센서는 화소로 된 센서 어레이의 각각의 감지 화소에 광 센서 및 용량형 센서 모두를 포함하도록 제공된다. 광 센서는 디스플레이(예를 들어, 디스플레이의 가장자리 또는 주변 영역) 아래의 위치 또는 디스플레이 외측이지만 디스플레이에 인접한 위치의 검출기를 포함하여, 적절한 위치에서 포토다이오드 어레이로서 패키징될 수 있다. 윈도우 또는 부분적으로 투명한 코팅이 검출기와 함께 또는 검출기 내에서 사용될 수 있다. 개시된 기술의 구현예에서 지문 검출을 포함한 지문 영역을 감지하기 위한 광학 기술을 소개하는 데 사용될 수 있다. 광학 지문 감지 기술은 디스플레이 구조를 가지는 장치의 광범위한 범위에서 사용될 수 있다. 광학 지문 감지 기술은 일부 설계에서 디스크리트 장치로 패키징 될 수 있다.

가시적 광학 지문 센서 패키지

가시적 광학 지문 센서 패키지는 광학 지문 센서 모듈이 부분적으로 또는 전체적으로 디스플레이 스크린 영역 밖에 있다는 점에서 광학 지문 센서의 존재를 장치 상에 "가시적"으로 만들기 위하여 광학 지문 센서의 하나 이상의 포토다이오드 어레이를 디스플레이 스크린 영역 외부의 하나 이상의 디스플레이 측변 또는 가장자리 위치 상에 배치하도록 사용될 수 있다. 윈도우 또는 부분적으로 투명한 코팅 또는 커버가 가시적 광학 지문 센서 패키지와 같은 검출기 어레이로서 사용될 수 있다.

도 1은 가시적 광학 지문 센서 패키지와 관련된 특징을 3가지 다른 관점에서의 도면을 가지고 모바일 장치의 가시적 광학 지문 센서 패키지의 예를 보여준다. 도 1은 (a)(모바일 장치의 디스플레이 측의 평면도), (b)(지문 센서에서 다른 층을 보여주기 위한 도 1의 (a)에서의 B-B'선에 따른 측면도) 및 (c)(지문 센서의 광학 검출기 어레이의 상세한 일부 예를 보여주는)의 3가지의 다른 도면을 포함한다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 이 모바일 장치의 예는 통합된 손가락 특성 센서 콤포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)를 포함한다. 상기 디스플레이 어셈블리(10)는 LCD 스크린, OLED 스크린 또는 다른 디스플레이 스크린 디자인에 의해 구현될 수 있는 디스플레이 스크린을 포함한다. 디스플레이 어셈블리(10)의 디스플레이 스크린은 모바일 장치를 조작함에 있어 터치 감지 사용자 인터페이스를 제공하는 터치 감지 스크린일 수 있다. 도 1의 (b)를 참조하면, 상기 디스플레이 어셈블리(10)는 상부에 강화된 커버 유리(50) 및 강화된 커버 유리(50) 아래에 배치된 디스플레이 스크린을 위한 다른 디스플레이 층(54)을 포함한다. 도 1의 (a)에서 나타난 바와 같이, 참조 번호 12는 다른 센서의 위치의 하나의 예를 나타내고, 2개 이상의 다른 센서는 지문 센서 건너편에 모바일 장치 상에 배치될 수 있다. 모바일 장치는 또한, 스마트 단자를 위해 준비된 사이드 버튼(14,16)과 같은 광학적 사용자 입력 메커니즘을 포함할 수 있다. 참조 번호 21은 지문 센서가 위치하는, 지문 센서 영역을 나타낸다. 참조 번호 23은 어떤 지문 센서 구현예(도 1의 (c))에서 지문 센서와 관련된 검출기 어레이을 나타낸다. 지문 센서 영역(21)은, 지문을 포착하기 위한 지문 센서 영역(21) 내의 광 검출기가 지문 감지 동작을 위하여 사용자의 손가락으로부터 반사광 또는 산란광을 수신할 수 있도록 선택된 위치에서 디스플레이 어셈블리(10)의 디스플레이 스크린 외부에 위치한다. 도 1의 (b)의 삽입 도면에서 나타난 바와 같이, 광 검출기 어레이(23) 위에 배치되는 것은, 손가락 같은 타겟으로부터 반사되는 빛을 검출하기 위한 광 검출기인 수신 광학기(24)(예를 들어, 광학 렌즈 또는 광학 시준기)이다. 포토디텍터 어레이(23) 위의 수신 광학기(24)는 다양한 구성으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 일부 디자인에서 하나 이상의 렌즈, 렌즈 없는 광학 시준기, 또는 렌즈 및 시준기의 조합을 포함할 수 있다. 집적 회로를 가지는 백보드(back board)(25)는 도 1의 (b)에서 나타난 바와 같이 검출기 어레이(23) 아래에 배치된다. 일부 실시예에서, 검출기 배열(23)은 백보드(25)에 통합될 수 있다. 백보드(25)는 연성 회로 기판(FPC)(27) 위에 배치될 수 있다. 광학 지문 감지를 위한 광 검출기 어레이(23)가 디스플레이 스크린 구조(54)의 한 쪽 끝의 옆에 위치하는 도 1의 (a) 및 (b)에서 나타난 특정 디자인에 대하여, 광학 지문 센서 모듈 영역에서 전체적인 어셈블리의 기계적 힘을 강화시키고 전체적 패키징의 구조적 무결성을 향상시키기 위하여 서포트 유리(support glass)(56)가 커버 유리(50) 아래에 광학 지문 센서 모듈의 다른 쪽에 배치될 수 있다. 고강도 재료 또는 충분히 두꺼운 유리로 커버 유리(50)를 사용하는 장치에 대하여, 이 서포트 유리(56)는 제거될 수 있다.

도 1의 (a)를 다시 참조하면, 디스플레이 어셈블리(10)의 디스플레이 스크린 내의 지문 센서 영역(21) 근처에는, 바로 아래의 지문 센서에 의한 광학 지문 감지에 기초한 지문 검출을 위하여 지문 검출에 대하여 사용자가 손가락을 위치시키는 손가락 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)이 있다. 지문 검출을 위한 이 특정 디스플레이 영역(29)은 디스플레이 스크린의 일부분이며 이로써 이미지를 디스플레이하고 사용자의 손가락으로부터 지문 패턴을 수신하는 데 사용된다. 디스플레이 스크린의 일부로서 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)은 디스플레이 어셈블리(10)의 디스플레이 스크린 외부에 위치한 지문 센서 영역(21)에 인접하여 위치하고 이로써 디스플레이 영역(29)에 누르는 손가락의 조명되는 부분으로부터 반사된 또는 산란된 광은 광학 감지 동작을 위한 광 검출기 어레이(23)에 도달하기 위하여 지문 센서 영역(21)에 진입할 수 있다. 도 1의 (b)에서 나타난 바와 같이, 광 통로 윈도우(31)는 수신 광학기 위 및 지문 검출을 위한 장치 디스플레이 내의 특정 디스플레이 영역(29) 근처에 배치된다. 검출기 어레이(23)는 지문 및 지문 특성 검출을 위해 검출기 어레이(23)의 중심 영역에 위치된 지문 검출기 영역(33) 및 다른 광 감지 동작을 위한 하나 이상의 부가적 검출기 영역(41 및 43)을 포함하는 상이한 검출 영역에 배치되는 다수의 검출기 소자를 포함한다. 여기서는, 도 1의 (c)에서 도시된 바와 같이, 부가적 검출기 영역(41 및 43)은, 환경 및 혈류 속도 검출을 위한 혈류 속도 검출기 영역(41 및 43)일 수 있다. 또한, 참조 번호 37 및 39는 혈류 속도 검출과 같은 일부 실시예에서 다른 광 감지 동작을 위해 향상된 커버 유리(50) 위에 배치될 수 있는 부가적 특정 영역을 나타낸다. 일부 실시예에서, 부가적 감지 영역(37 및 39)의 각각은 부가적 광 감지 예를 들어, 적색 광이나 혈류 속도 또는 포도당 레벨을 감지하도록 사용자의 손가락에 비추어 원하는 스펙트럼 범위의 빛을 방출하기 위해, 원하는 조명을 생성하도록 동작할 수 있는 디스플레이 화소 패치를 디스플레이 스크린 구조(54)내에서 포함할 수 있다. 이 디자인은 발광 터치 스크린(예를 들어, OLED 터치 스크린)이 지문 검출을 위해 광 검출기 어레이에 의해 수신된 귀환광을 생성하기 위해 사용자가 지문 감지를 터치하는 지문 감지 영역(29), 지문 감지 위에 부가적 광 감지를 위해 제공하는, 2개의 반대 측면 상에 제1 광학 감지 영역(37) 및 제2 광학 감지 영역(39)을 포함한다.

도 1의 (b)에서 나타난 바와 같이, 이 특정 광학 감지 센서 디자인은 모바일 장치의 표면의 디스플레이 스크린 및 지문 센서(예를 들어, 일부 모바일 폰 디자인의 상단 유리 커버의 개구부의 구조와 같은 버튼) 사이에서 물리적 구분을 갖는 디스플레이 스크린으로부터 별도의 지문 센서 구조를 사용하는 일부 다른 지문 센서 디자인과는 상이하다. 도 1에서 도시된 디자인 하에서, 지문 감지 및 다른 광학 신호를 검출하기 위한 지문 센서 영역(21) 및 관련된 광 검출기 센서 모듈(23)은 상부 커버 유리 또는 층(50) 아래에 위치된다. 이로써, 커버 유리 또는 층(50)의 상부 표면은 디스플레이 어셈블리(10)의 디스플레이 스크린(디스플레이 스크린 가장자리 근처에 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)을 포함함) 및 지문 센서 영역(21) 및 관련된 광 검출기 센서 모듈(23)을 가로지르는 연속적이고 균일한 유리 표면으로서 모바일 디스플레이의 상부 표면으로서 작용한다. 공통의 균일한 표면 아래에서 광학 지문 감지 및 터치 감지 디스플레이 스크린을 통합하기 위한 이 디자인은 향상된 장치 통합, 개선된 장치 패키징, 장애 및 마모에 대한 장치 내성 향상 및 향상된 사용자 경험을 포함하는 이점들을 제공한다. 이 특징은 이 문서의 개시된 기술의 다른 실시예에서도 존재한다. 그러나, 지문 및 다른 감지 동작의 광학 감지의 일부 실시예에서, 광학 센서 모듈은 개별 장치 구성으로 패키징될 수 있는데, 이 구성에서는, 예를 들어 용량형 감지 및 광학 감지 모두를 갖는 모든 광학 감지 또는 하이브리드 감지에 기반으로 하는 일부 모바일 폰 디자인에서 상단 유리 커버의 개구부에 있는 버튼 같은 지문 센서 구조와 같은, 디스플레이 스크린과 구조적 경계 또는 구분을 갖는 별개의 구조이다.

지문 센서의 가시적 패키지는 디스플레이 또는 유사한 광원을 갖는 임의의 장치에 사용될 수 있다. 도 1에서 광학 감지는 사용자의 손가락의 조명에 기초한다. 다른 조명 메커니즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광학 감지를 위한 디스플레이 스크린 내에서 도 1의 (a)의 여러 영역(29, 37,39)에 위치하는 디스플레이 스크린의 디스플레이 소자는 사용자의 손가락을 비추는 데 사용될 수 있다. 디스플레이 스크린의 디스플레이 소자 등으로부터의 빛은 모바일 장치 동작의 일부로서 디스플레이 스크린 상의 디스플레이된 이미지의 일부를 형성하는 데 사용되며, 스크린의 상부 층을 통해 전송한 후의 빛은 검출기 영역(23) 및 다른 검출기(41,43,37 및 39)에 의해 광 감지를 허용하도록 조명된 손가락으로부터 반사된 또는 흩어지는 광을 야기하기 위해 사용자의 손가락을 비출 것이다. 개시된 광학 센서 기술을 구현하는 적절한 디스플레이 스크린은 백라이트를 사용하지 않고 발광 디스플레이 소자를 갖는 디스플레이 스크린을 포함하는 다양한 디스플레이 기술 또는 형태에 기반할 수 있으며, 여기서 각각의 개별 화소는 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 스크린 또는 전자 발광 디스플레이 스크린과 같은 스크린 상에 디스플레이 이미지를 형성하도록 빛을 생성한다. 개시된 광 센서 기술은 또한 하나 이상의 조명 광원(예를 들어, LED)을 사용하여 백라이트 또는 가장자리 조명 형태에 조명광을 생성하여, 이미지를 디스플레이하기 위하여 각각의 LCD 화소에 조명광을 필터링하고 변조하는 LCD 디스플레이 화소를 비추는 LCD 디스플레이 스크린과 같은 다른 디스플레이 스크린을 사용하도록 적용될 수 있다.

사용자의 지문 또는 다른 생체 인식 파라미터의 광 감지를 위하여 디스플레이 조명광이 사용자의 손가락을 비추도록 사용될 때, 디스플레이 화소(예를 들어, OLED 디스플레이 화소)에 의해 직접적으로 방출될 수 있거나 디스플레이 화소(예를 들어, 백라이트(backlighting) 또는 엣지 라이팅(edge lighting) 디자인을 기반으로 한 LED 디스플레이 화소)에 의해 광학적으로 필터링 될 수 있는 디스플레이의 빛은, 다른 색 예를 들어, 적색(575nm-660nm), 녹색(490nm-575nm) 및 청색(410nm-490nm) 빛을 함유한다. 혈류 속도 또는 심장 박동률과 같은 지문 이외의 광 감지의 경우, 사용자의 손가락을 비추는 빛에 대한 광학 파장은 특정 광학 파장, 예를 들어 사용자의 혈액을 감지하여 적색 스펙트럼에서 심장 박동률, 산소 수준, 포도당 수준 등을 획득하기 위하여 선택될 수 있다. OLED 디스플레이 스크린에서, 각각의 디스플레이 컬러 화소는 3가지 상이한 색에서 적어도 하나의 OLED 화소를 포함하고 적색 OLED 화소로부터의 적색 빛은 사용자의 혈액 정보를 측정할 수 있다.

다수의 통합된 검출기 어레이(23,33,41,43)(예를 들어, 포토다이오드)는 손가락 조직으로부터 흩어지는 빛을 검출하고 주변 환경의 빛을 검출하도록 사용될 수 있다. 검출기 어레이(23,33,41,43)는 광 검출 효율을 향상시키기 위하여 특정 디스플레이 영역(29,37,39)에 근접하여 배치되고 패키징될 수 있다. 애플리케이션 및 특정 장치 디자인에 따라, 도 1에 나타난 특정 디스플레이 영역의 위치는 도 1의 (a)에서 나타난 예시적인 위치로 수정될 수 있고 디스플레이 어셈블리(10) 상의 다른 적절한 위치에 배치될 수 있다.

다양한 실시예에서, 하나 이상의 다른 광원이 사용자의 지문 또는 다른 생체 인식 파라미터를 광학적으로 감지하기 위하여 사용자의 손가락을 비추는 빛을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 광 감지를 위한 빛은 디스플레이 화소(예를 들어 OLED 디스플레이 화소)에 의해 방출되거나 조명 광원으로부터 디스플레이 화소(예를 들어, 백라이트 또는 엣지 라이팅 디자인을 기반으로 한 LED 디스플레이 화소)로 인도되는 디스플레이 조명광과는 다르며 분리된다. 광 감지를 위한 사용자의 손가락에 특수 조명을 제공하기 위하여 광 감지를 위한 하나 이상의 광원은 도 1의 디스플레이 또는 모바일 장치에 통합될 수 있다. 이러한 광학 감지를 위한 광원의 광학 파장은 광 감지 요구사항을 충족시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 적색 광원은 사용자의 혈액 정보를 광학적으로 감지하기 위하여 사용자의 손가락에 적색광을 비추는 데 사용될 수 있다. 이러한 다른 광원으로부터의 조명광은 변조되어 광 감지 검출을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 광원은 적절한 패턴으로 변조되어 검출 도중에 배경광을 거절할 수 있다. 센서 모듈은 지문, 심장 박동 및 혈류 속도 등을 검출할 수 있다. 특정 파장 광원이 디스플레이에 통합되는 경우, 센서 모듈은 포도당 및 혈중 산소 포화도와 같은 기타 생체 파라미터를 모니터링할 수 있다.

도 2의 (a) 및 (b)는 도 1의 모바일 장치와 같은 모바일 장치에 설치하기 위한 가시적 지문 센서 패키지 내의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다. 도 2의 (a)는 가시적 패키지내의 지문 감지 모듈의 평면도이다. 도 2의 (b)는 광 검출기 어레이(23)에 의해 귀환광을 검출하는 것에 기반으로 하는 예시적 지문 감지 동작을 나타내는 디스플레이 스크린 표면에 평행한 방향을 따르는 측면도이다. 도 2의 (a)에 나타난 바와 같이, 통합된 손가락 특성 센서를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)는 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)을 포함한다. 참조 번호 62는 센서를 누르는 손가락을 나타낸다. 도 1과 유사하게, 특정 디스플레이 영역(29) 근처에 배치된 검출기 어레이(23)는 지문 검출을 위한 지문 검출기 영역(33)내의 검출기 소자를 포함하는 다수의 검출기 소자 및 센서를 누르는 손가락(62)에 응답하는 지문 특성 검출을 포함한다. 검출기 어레이(23)는 또한 환경 및 혈류 속도 검출을 위한 환경 및 혈류 영역(41 및 43)내의 검출기 소자도 포함한다. 검출기 어레이(23)의 검출기 소자의 예는 포토다이오드와 같은 광학 장치를 포함한다.

도 2의 (b)에서 나타난 바와 같이, 통합된 손가락 특성 센서 콤포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)는 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)을 포함한다. 디스플레이 어셈블리(10)내의 디스플레이 스크린의 디스플레이 소자(71 및 73)는 디스플레이 층(54)에 배치될 수 있고 디스플레이 상에 이미지를 디스플레이 하기 위하여 변조된 빛을 방출하도록 동작된다. 이미지를 디스플레이하는 기능에 추가하여, 디스플레이 스크린의 가장자리 근처의 지문 검출을 위해 특정 디스플레이 영역(29) 내의 디스플레이 스크린의 상부면을 빠져나가는, 디스플레이 소자(71 및 73)로부터의 빛은, 또한 사용자의 손가락이 누르는 영역(29)을 비추는 데 사용되어 지문 전송 및 다른 광 감지 동작을 위해 손가락으로부터 광 검출기 어레이(23)를 향해 반사되거나 흩어지는 빛을 생성한다. 디스플레이 소자(71 및 73)의 예는 발광 다이오드(LED) 및 유기 LED(OLED)와 같은 다양한 유형의 발광 장치를 포함한다. 또한, 검출기 어레이(23)는 커버 유리(50)의 아래에 배치된다. 디스플레이 소자(71 및 73)로부터 방출되는 광 빔(80및 82)은 커버 유리(50)와 상호 작용하고, 그 중 일부는 상부 유리(10)를 관통하여 손가락(60)의 상이한 부분과 상호작용한다. 예를 들어, 디스플레이 소자(71)로부터 방출되는 광 빔(80)의 적어도 일부는 커버 유리(50)를 관통하여 손가락 피부 융기 부분(61)과 상호작용할 수 있다. 손가락 피부 융기 부분(61)과 상호작용하는 광 빔(80)의 일부는 손가락 조직(60)내로 결합되거나 흡수되는 빛(83)이다. 광 빔(80)의 다른 부분은 커버 유리(50)로부터 반사하는 반사광(81)이다.

디스플레이 소자(73)로부터 방출되는 광 빔(82)의 일부는 커버 유리(50)를 관통하여 손가락 피부의 골 부분(63)과 상호작용한다. 손가락 피부의 골 부분(63)과 상호작용하는 광 빔(82)의 부분은 손가락 조직(60) 내로 결합되거나 흡수되는 빛(89)으로 나타난다. 광 빔(82)의 다른 부분은 커버 유리(50)로부터 반사되는 반사광(85)으로 나타난다. 광 빔(82)의 또 다른 부분은 손가락 피부 골 부분(63)으로부터 반사되는 손가락 피부 반사광(87)으로 나타난다. 광 빔(82)의 또 다른 부분은 포토다이오드와 같은 검출기 어레이(23) 내로 흩어지는 산란광(91)으로 끝난다.

특정 영역(29)내의 디스플레이 소자(71 및 73) 및 영역(33)내의 검출기 소자는 지문을 측정하는 데 사용된다. 영역(41 또는 43) 또는 (41 및 43)내의 검출기 소자는 환경 광 조명을 모니터링 하는 데 사용된다. 특정 영역(29)내의 디스플레이 소자는 지문, 환경 및 혈류 검출에 적합한 하나 이상의 패턴으로 형성된다. 예를 들어, 영역(29)내의 디스플레이 소자는 작은 그룹으로 나눠질 수 있으며, 각각의 그룹은 적절한 수의 검출기 소자를 가진다. 검출기 소자의 작은 그룹은 차례로 켜져 센서 영역 위 또는 근처에 배치된 손가락을 비출 수 있다. 검출기 어레이(23)내의 검출기 소자는 손가락으로부터 흩어지는 산란광(91)을 검출한다. 영역(33)내의 검출기 어레이(23) 소자로부터의 검출기 신호는 지문 정보를 운반한다. 영역 41,43 또는 둘 모두 내의 검출기 소자로부터의 검출기 신호는 영역(33)으로부터 지문 신호를 교정하는 데 사용되어 다른 디스플레이 영역으로부터의 영향을 포함하는 환경 광의 영향을 제거할 수 있게 된다.

도 2의 (a) 및 (b)에서 도시된 바와 같이, 디스플레이 스크린 및 포토다이오드 영역 상에 배치된 손가락에 응답하여, 디스플레이 소자 또는 광원(71 및 73)은 손가락을 향해 빛을 방출하여 지문 및 지문 특성 검출을 수행할 수 있다. 손가락 피부의 동등한 굴절률은 약 633nm에서 1.42이다. 일반적인 맨 커버 유리의 굴절률은 약 1.51이다. 일부 디스플레이 소자(71)가 손가락 피부 융기 부분 위치(61)에서 비춰질 때, 손가락 융기-커버 유리 계면 반사광(81)은 입사광(80)의 전력을 거의 소비하지 않는다(~0.1%). 광 빔의 대부분은 손가락 조직(60)으로 전송된다(83). 빛(80)의 일부는 포토 다이오드 어레이(23)로 흩어진다(91).

디스플레이 소자(73)의 일부가 손가락 피부 골 부분(63)에서 비춰질 때, 커버 유리 표면은 반사광(85)으로서 입사광(82)의 약 3.5%를 반사하고, 손가락 골 표면 부분은 반사된 광 빔(87)으로서 입사광의 약 3.3%를 반사한다. 전체적으로, 빛(82)의 약 6.8%는 표면 반사에 의해 손실된다. 빛(82)의 대부분은 손가락 조직(60)으로 전송된다(89). 빛(82)의 일부는 포토다이오드 어레이(23)로 흩어진다(91). 손가락 골 부분 및 손가락 융기 부분 사이의 표면 반사율 차이는 지문지도 정보를 운반한다.

디스플레이 소자(71 및 73)는 예를 들어 상이한 위치에서 상이한 코드를 가지는 변조 패턴을 사용하여 순차적으로 켜질 수 있다. 또한, 포토다이오드의 검출기 어레이(23)는 디스플레이 스캔과 동기화될 수 있다. 디스플레이 소자(71 및 73), 검출기 어레이(23) 동기화, 또는 둘 모두의 변조 패턴은 신호의 순서를 획득하는 데 사용될 수 있다. 신호의 순서는 신호의 진폭을 비교함으로써 손가락 융기 부분 및 골 부분의 지도를 획득하도록 복조될 수 있다.

조명 디스플레이 소자와 검출기(예를 들어, 포토다이오드) 사이의 거리가 변할 때, 손가락 조직의 광 흡수도 변화하여 포토다이오드 검출 광 강도가 영향을 받게 된다. 디스플레이 소자(71 및 73)의 밝기를 조절하면 조명된 디스플레이 소자 및 검출기 사이의 거리 변화의 영향을 맞추거나 제거할 수 있다. 예를 들어, 검출기 어레이로부터 더 멀리 있는 디스플레이 소자는, 검출기 어레이(23)에 더 가까운 디스플레이 소자보다 더 밝아지도록 비춰질 수 있다. 방출된 광 빔 디스플레이 소자의 발산으로 인해, 그리고 지문 이미지 대조를 향상시키기 위하여, RGB(red green blue)소자와 같은 디스플레이 소자가 손가락 피부에 가깝게 설정되거나 광 빔이 시준된다.

도 3은 심장 박동 감지를 위한 가시적 패키지 내의 예시적 지문 감지 모듈의 블록도이다. 지문 감지 모듈은 통합된 지문 특성 센서 컴포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)를 포함한다. 검출기 어레이(23)는 디스플레이 어셈블리 근처에 배치되고 손가락(62)에 의해 상부 커버 표면에 접촉되는 반사광 또는 산란광을 수신하도록 위치된다. 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)은 검출기 어레이(23) 근처의 디스플레이 스크린 내의 위치에서 디스플레이 어셈블리(10) 상에 지정된다. 터치에 응답하여, 디스플레이 영역(29)의 디스플레이 화소는 디스플레이 상부 커버 표면을 향해 빛을 투사하여 디스플레이 영역(29)내의 상부 커버 표면 영역을 비춰 사용자의 손가락(62)을 비춘다. 디스플레이 영역(29)의 상부 커버 표면과 접촉하는 사용자의 손가락(62)으로부터 반사되거나 산란되는 광의 일부는 검출기 어레이(23)의 근처에 도달할 수 있다. 검출기 어레이(23)는 지문 및 지문 특성 검출을 위하여 지문 검출기 영역(33)내에 검출기 소자를 포함한다. 영역(41 및 43)의 검출기 소자는 환경 및 혈류 속도 검출 용이다.

심장 박동 신호를 검출하기 위하여, 더 많은 디스플레이 소자들을 동시에 켜서 심장 박동 신호의 광학적 감지를 위한 충분한 입사 광 전력을 생성한다. 손가락 조직의 광 흡수율은 심장 박동에 의해 제어되는 혈류에 따라 달라진다. 광 흡수 변동 신호는 심장 박동 속도를 반영한다. 개시된 기술에서, 디스플레이 소자에 의해 방출되는 광의 광 파장은, 검출을 최적화하도록 선택될 수 있다. 또한, 조명광은 환경의 영향을 더욱 감소시키기 위하여 주파수에서 변조될 수 있다. 예를 들어, 지정된 디스플레이 영역은 변조를 실현시키기 위하여 매우 높은 프레임 속도로 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이의 광원은 변조될 수 있다. 일부 실시예에서, 여분의 변조된 광원은 디스플레이 어셈블리(10)에 통합될 수 있다. 지문 획득과 동시에 심장 박동 감지를 수행하면 라이브 손가락으로부터 가짜 지문과 지문을 구별함으로써 모바일 장치의 보안 액세스를 크게 향상시킬 수 있다.

도 4는 혈류 속도 감지를 위한 가시적 패키지 내의 예시적 지문 감지 모듈을 나타낸다. 손가락 감지 모듈은 통합된 손가락 특성 센서 컴포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)를 포함한다. 검출기 어레이(23)는 디스플레이 어셈블리 근처에 배치되고 모니터링되는 손가락(101)을 수신하도록 위치된다. 검출기 어레이(23)는 지문 및 지문 특성 검출을 위하여 지문 검출기 영역(33)에서 검출기 소자를 포함한다. 영역(41 및 43)내의 검출기 소자는 환경 및 혈류 속도 검출용이다. 디스플레이 어셈블리(10)는 또한 혈류 속도 검출을 위한 디스플레이 스크린 영역 내의 특정 영역(37 및 39)을 포함한다.

도 4에서 지문 센서 어셈블리는 센서 영역(101)상에서 손가락을 수신하도록 구성되고, 한 쪽은 영역(37 및 39)의 디스플레이 소자와 겹치고 다른 한 쪽은 영역(41 및 43) 각각에 검출기(예를 들어 포토다이오드)와 겹친다. 영역(37)내의 디스플레이 소자 및 영역(41)내의 검출기는 손가락의 한 위치에서 펄스 신호를 측정하도록 협동한다. 영역(39)내의 디스플레이 소자 및 영역(43)내의 검출기는 손가락의 다른 위치에서 펄스 신호를 측정하도록 협동한다. 맥박 신호는 동맥에서 생성된다. 도 4에서, 손가락은 도시된 바와 같이, 2개의 영역(37 및 39)의 방향을 따라 배치될 수 있다. 동맥에서 혈액은 좌측 영역(37)에서 우측 영역(39)으로 가로 질러 흐르는 혈액을 나타내면서 좌측 영역(37)과 우측 영역(39)에서 검출된다. 혈액이 우측 영역(39)에서 좌측 영역(37)으로 역류할 때, 혈액이 정맥에 흐르고 맥박 신호는 명확하지 않다. 2개의 위치(37 및 39) 사이에서 맥박 지연 시간을 비교함으로써, 혈류 속도 정보가 획득될 수 있다. 혈압이 혈류 속도와 상관관계가 있기 때문에, 도 4에서 나타난 센서 또한 혈압을 모니터링할 수 있다.

일부 실시예에서, 디스플레이 소자에 의해 방출되는 조명광은 배경 잡음을 감소시키거나 제거하도록 변조될 수 있다. 예를 들어, 방출된 빛은 주변 환경 조건의 영향을 더 감소시키기 위하여 미리 결정된 주파수에서 변조될 수 있다. 방출된 빛을 주파수 변조하는 것은 원하는 변조를 달성하기 위하여 매우 높은 프레임 속도로 특정 디스플레이 영역에서 디스플레이 소자를 동작하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 광원도 변조될 수 있다. 일부 실시예에서, 특정 변조된 광원은 디스플레이 어셈블리(10)에 통합될 수 있다.

도 5는 도 4에서 수행되는 혈류 속도 감지로부터의 예시적 신호를 나타내는 그래프이다. 도 5는 도 4에서의 센서 모듈에 의해 측정되는 신호에서 손가락을 따라 두 위치(예를 들어 위치 1 및 위치 2) 사이에 시간 지연이 있음을 나타낸다. 사람의 전형적인 혈류 속도는 손가락의 주요 동맥에서 초당 약 20cm이다. 두 위치 사이의 거리가 약 20mm이면, 시간 지연은 약 100ms이다. 시간 지연은 도 4 및 이 문서의 다른 디자인에 개시된 지문 센서 모듈을 사용하여 검출될 수 있다.

비가시적 광학 지문 센서 패키지

지문 감지 및 다른 생체 인식 마커 감지와 관련된 상기 개시된 광학 감지 기능은 대안적으로 "비가시적" 광학 지문 센서 패키지를 사용하여 하나 이상의 검출기 어레이(예를 들어, 포토다이오드를 포함하는 어레이)를 디스플레이 바로 아래에 매칭하여 달성될 수 있다. 이로써, 광학 지문 센서 패키지는 장치 디스플레이 스크린 바로 아래에 있게 된다. 광학 감지 모듈이 디스플레이 스크린 아래에 있고 휴대폰의 상부 표면으로부터 평면에서 보이지 않기 때문에, 이 디자인은 "비가시적" 광학 지문 센서 패키지이다. 이러한 언더-스크린 광학 지문 감지 패키지의 구현은 지문 센서 모듈을 위한 윈도우 개방 또는 지정된 영역에 대한 필요성을 제거하는 데 사용될 수 있다. 이로써, 모바일 장치의 전체 상부면이 디스플레이 스크린 크기를 확대하는 데 사용될 수 있고 여전히 지문 및 다른 생체 인식 마커 측정의 광 감지를 제공한다.

도 6은 모바일 장치에서 비가시적 광학 지문 센서 패키지의 예를 나타내는 블록도이다. 도 6은 3가지 다른 도면 즉, (a)(모바일 장치의 디스플레이 측에서의 평면도), (b)(지문 센서의 다른 층을 보여주는 도 6의 (a)의 B-B'선을 따른 측면도) 및 (c)(지문 센서의 광 검출기 어레이의 예에 대한 몇 가지 세부사항을 보여주는 도면)를 포함한다. 도 6의 (a)를 참조하면, 지문 센서의 비가시적 패키지를 이용하는 모바일 장치는 통합된 손가락 특성 센서 콤포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)를 포함한다. 참조 번호 12는 모바일 장치 상의 하나 이상의 다른 센서를 나타낸다. 모바일 장치는 또한, 스마트 단자를 위해 준비된 사이드 버튼(14,16)과 같은 사용자 입력 메커니즘을 포함할 수 있다. 참조 번호 21은 지문 센서 영역을 나타내고, 여기서 지문 센서는 디스플레이 스크린 아래에 위치된다. 지문 센서 영역(21) 근처에는 사용자의 손가락을 받아들이고 조명하기 위한, 지문 검출을 위한 디스플레이 스크린 내의 특정 디스플레이 영역(29)이 위치하며 따라서, 조명 영역(29)으로 지칭될 수 있다. 영역(21)은 조명 영역(29)과 접촉하여 조명된 손가락으로부터 반사 또는 산란되는 광의 일부를 수신하며 조명 영역(29)에 겹치거나 부분적으로 겹칠 수 있다. 도 6의 (b)에서 나타난 바와 같이, 참조 번호 123은 지문 센서와 관련된 광 검출기 어레이를 나타낸다. 검출기 어레이(123)위에는, 손가락과 같은 타겟으로부터 반사된 광을 검출하기 위한 광 검출기인 수신 광학기(124)가 배치된다. 통합된 회로를 가지는 백보드는 검출기 어레이 아래에 배치된다. 일부 실시예에서, 검출기 어레이(123)는 백보드(125)에 통합될 수 있다. 백보드(125)는 연성 회로 기판(FPC)(127) 위에 배치될 수 있다.

검출기 어레이(123)는 지문 및 지문 특성 검출을 위한 지문 검출 영역(133)과, 환경 및 혈류 속도 검출을 위한 환경 및 혈류 속도 검출기 영역(141 및 143)을 포함하는 서로 다른 검출기 영역 내에 배치된 다수의 검출기 소자를 포함한다. 도 6의 (c)를 참조하면, 참조 번호 37 및 39는 혈류 속도 검출을 위한 향상된 커버 유리(50) 상의 특정 영역을 나타낸다. 디스플레이 어셈블리(10)는 향상된 커버 유리(10) 및 향상된 커버 유리(50) 아래에 배치되는 다른 디스플레이 층(54)을 포함한다. 일부 실시예에서 서포트 유리(56)는 커버 유리(50)의 아래에 배치될 수 있다.

도 6의 (b)에서 나타난 바와 같이, 지문 센서 영역(21) 및 지문 감지 및 다른 광 신호를 검출하기 위한 관련된 광 검출기 센서 모듈(123)은 상단 커버 유리 또는 층(50)의 아래에 위치하여, 커버 유리 또는 층(50)의 상단부는 디스플레이 어셈블리(10)의 디스플레이 스크린(디스플레이 스크린의 가장자리 근처에서 지문 검출을 위해 특정 디스플레이 영역(29)을 포함하는)과 지문 센서 영역(21)및 관련된 광 검출기 센서 모듈(123)에 인접한 그리고 균일한 유리 표면으로서 모바일 장치의 상단부로서 기능하게 된다.

비가시적 광학 지문 센서 패키지는 디스플레이 또는 유사한 광원을 가지는 임의의 장치에 사용될 수 있다. 몇몇 영역(29,37,39)의 디스플레이 소자는 사용자의 손가락을 비추는 데 사용된다. 디스플레이 스크린 아래의 몇몇 통합된 검출기(예를 들어, 포토다이오드) 어레이(123,133,141,143)는 손가락으로부터 흩어지는 빛을 검출하고 환경 내의 빛을 검출하는 데 사용된다. 포토다이오드 어레이(123,133,141,143)는 특정 디스플레이 영역(29,37,39)에 가깝게 패키징되고 디스플레이 어셈블리(10) 아래에 고정되어, 높은 광 검출 효율을 달성하게 된다. 특정 디스플레이 영역(29,37,39)의 위치는 도 6에서 나타난 예에 한정되지 않으며 지문 검출 및 다른 광학 감지 동작을 수행하기 위하여 다양하게 적절한 위치에 배치되도록 조정될 수 있다.

도 1의 디자인과 유사하게, 광 지문 감지 및 다른 광 감지를 위한 조명광은 다른 방법으로 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이 화소는 조명광을 손가락에 제공하도록 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 특별한 조명을 제공하기 위하여 추가적 광원이 디스플레이에 통합될 수 있다. 또한, 추가된 광원은 변조될 수 있다. 예를 들어 디스플레이 광원은 검출 도중에 배경광을 거부하도록 적절한 패턴을 사용하여 변조될 수 있다.

도 6에서 나타난 바와 같이 센서 모듈은 지문 및 심장 박동 및 혈류 속도와 같은 추가 생체 인식 마커를 검출할 수 있다. 특정 파장의 광원이 디스플레이에 통합된 경우, 센서 모듈은 포도당 및 혈중 산소 포화도와 같은 추가 생체-파라미터를 더 모니터링 할 수 있다.

도 7의 (a) 및 (b)는 도 6의 모바일 장치와 같은 모바일 장치에 설치하기 위한 비가시적 패키지 내의 예시적 지문 감지 모듈의 블록도이다. 도 7의 (a)는 가시적 패키지 내의 지문 감지 모듈의 평면도이다. 도 7의 (b)는 도 7의 (a)의 B-B'선에 따른 비가시적 광학 지문 센서 패키지의 단면도를 나타내는 블록도이고, 지문 감지 동작의 예시를 더 설명한다. 도 7의 (a)에 나타난 바와 같이, 통합된 손가락 특성 센서를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)는, 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)을 포함한다. 참조 번호 62는 센서 상에서 누르는 손가락을 나타낸다. 도 6과 유사하게, 특정 디스플레이 영역(29) 근처에 배치된 검출기 어레이(123)는 지문 및 센서에 누르는 손가락(62)에 응답하는 지문 특성 검출을 위하여 지문 검출 영역(133)에 검출 소자를 포함하는 다수의 검출 소자를 포함한다. 검출기 어레이(123)는 또한 환경 내의 검출기 소자 및 환경 및 혈류 속도 검출을 위한 혈류 영역(141 및 143)을 포함한다. 검출기 어레이(123)의 검출기 소자의 예는 포토다이오드와 같은 광학 장치가 포함된다.

도 7의 (b)에서 나타난 바와 같이, 통합된 손가락 특성 센서 컴포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)는 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)을 포함한다. 디스플레이 소자(71 및 73)는 다른 디스플레이 층(54)에 배치될 수 있다. 디스플레이 소자(71 및 73)의 예는 발광 다이오드(LED)와 같은 다양한 유형의 발광 소자를 포함한다. 또한, 검출기 어레이(123)는 커버 유리(50)의 아래에 배치된다. 디스플레이 소자(71 및 73)로부터 방출되는 광속(80 및 82)은 커버 유리(50)와 상호작용하고, 그 중 일부는 상부 유리(10)를 통과하여 손가락(60)의 상이한 부분과 접촉한다. 예를 들어, 디스플레이 소자(71)로부터 방출되는 광 빔(80)의 적어도 일부는, 커버 유리(50)를 통과하고 손가락 피부 융기 부분(61)과 접촉할 수 있다. 손가락 피부 융기 부분(61)과 접촉하는 광 빔(80)의 일부는 손가락 조직(60) 내로 결합되거나 흡수되는 빛(183)이다. 광 빔(80)의 다른 부분은 커버 유리(50)로부터 반사되는 반사광(181)이다.

디스플레이 소자(73)로부터 방출되는 광 빔(82)의 일부는 커버 유리(50)를 관통하고 손가락 피부 융기 부분(63)과 접촉한다. 손가락 피부 융기 부분과 접촉하는 광 빔(82)의 일부는 손가락 조직(60) 내로 결합되거나 흡수되는 빛(189)으로 나타난다. 광 빔(82)의 또 다른 부분은 커버 유리(50)로부터 반사되는 반사광(185)으로 나타난다. 광 빔(82)의 또 다른 부분은 손가락 피부 골 부분(63)으로부터 반사하는 손가락 피부 반사광(187)으로 나타난다. 광 빔(82)의 또 다른 부분은 포토다이오드와 같은 검출기 어레이(123) 내로 흩어지는 산란광(191)으로 끝난다.

특정 영역(29)의 디스플레이 소자(71 및 73) 및 영역(133)의 검출기 소자는 지문을 측정하는 데 사용된다. 영역(141, 143 또는 둘 모두)내의 검출기 소자는 환경 광 조명을 모니터링하는 데 사용된다. 특정 영역(29)내의 디스플레이 소자는 지문, 환경 및 혈류 검출에 적합한 하나 이상의 패턴으로 형성된다. 예를 들어, 영역(29)내의 디스플레이 소자는 작은 그룹으로 나눠질 수 있으며, 각각의 그룹은 적절한 수의 검출기 소자를 가진다. 검출기 소자의 작은 그룹은 차례로 켜져 센서 영역 위 또는 근처에 배치된 손가락을 비출 수 있다. 검출기 어레이(23)내의 검출기 소자는 손가락으로부터 흩어지는 산란광(91)을 검출한다. 영역(133)내의 검출기 어레이(23) 소자로부터의 검출기 신호는 지문 정보를 운반한다. 영역 141, 143 또는 둘 모두내의 검출기 소자로부터의 검출기 신호는 영역(133)으로부터 지문 신호를 교정하는 데 사용되고 이로써 다른 디스플레이 영역으로부터의 영향을 포함한 환경 빛의 영향을 제거할 수 있게 된다.

도 7의 (a) 및 (b)에서 나타난 바와 같이, 디스플레이 스크린 및 포토다이오드 영역 상에 배치되는 손가락에 응답하여, 디스플레이 소자 또는 광원(71 및 73)은 지문 및 지문 특성 검출을 수행하기 위하여 손가락을 향해 빛을 방출할 수 있다. 손가락 피부의 동등한 굴절률은 633nm에서 약 1.43이다. 일반적인 맨 커버 유리의 굴절률은 약 1.51이다. 일부 디스플레이 소자(71)가 손가락 피부 융기 위치(61)에서 비춰질 때, 손가락 융기-커버 유리 계면 반사광(181)은 입사광(80)의 전력(~0.1%)을 거의 소비하지 않는다. 광 빔(80)의 대부분은 손가락 조직(60)으로 전송된다(83). 빛(80)의 일부는 포토 다이오드 어레이(123)로 흩어진다(191).

디스플레이 소자(73)의 일부가 손가락 피부 골 위치(63)에서 비춰질 때, 커버 유리 표면

입사광(82)의 약 3.5%를 반사광(185)으로서 반사하고, 손가락 골 표면은 입사광의 약 3.3%를 반사광 빔(187)으로서 반사한다. 총합하면, 빛(82)의 약 6.8%가 표면 반사에 의해 손실된다. 빛(82)의 대부분은 손가락 조직(60)으로 전달되어져 버린다(189). 빛(82)의 일부는 포토 다이오드 어레이(23)로 흩어진다(191). 손가락 골 부분 및 손가락 융기 부분 사이의 표면 반사율 차이는 지문 지도 정보를 운반한다.

디스플레이 소자(71 및 73)는 예를 들어, 다른 위치에서 다른 부호로, 변조 패턴을 사용하여 순차적으로 켜질 수 있다. 또한, 포토다이오드의 검출기 어레이(123)는 디스플레이 스캐닝과 동기화될 수 있다. 디스플레이 소자(71 및 73), 검출기 어레이(123) 동기화, 또는 둘 모두의 변조 패턴은, 신호의 순서를 획득하는 데 사용될 수 있다. 신호의 순서는 신호의 진폭을 비교함으로써 손가락의 융기 부분 및 골 부분의 지도를 획득하도록 복조될 수 있다.

조명 디스플레이 소자 및 검출기(예를 들어, 포토다이오드) 사이의 거리가 변할 때, 손가락 조직의 빛 흡수 또한 변화하여 포토다이오드 검출 광 전력이 영향을 받는다. 디스플레이 소자(71 및 73)의 밝기를 조정하면 조명 디스플레이 소자 및 검출기 사이의 거리 변화의 영향을 보정하거나 제거할 수 있게 된다. 예를 들어, 검출기 어레이로부터 더 멀리 떨어진 디스플레이 소자는 검출기 어레이(123)에 더 가까운 디스플레이 소자보다 더 밝게 조명될 수 있다. 디스플레이 소자 방출 광 빔의 발산으로 인해, 그리고 지문 이미지를 향상시키기 위하여, 대조적으로, RGB(red green blue) 소자와 같은 디스플레이 소자가 손가락 피부에 가깝게 설정되거나 광 빔이 시준된다.

도 8은 심장 박동 감지를 위한 비가시적 패키지내의 지문 감지 모듈의 예시적 블록도이다. 지문 감지 모듈은 통합된 손가락 특성 센서 컴포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)를 포함한다. 검출기 어레이(123)은 디스플레이 어셈블리 근처에 배치되고 손가락(62)에 의해 접촉을 수용하도록 위치된다. 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)은 검출기 어레이(123) 근처에 어레이되도록 디스플레이 어셈블리(10) 상에 배치된다. 검출기 어레이(123)는 지문 및 지문 특성 검출을 위하여 지문 검출 영역(133)에서 검출기 소자를 포함한다. 영역(141 및 143)의 검출기 소자는 환경 및 혈류 속도 검출 용이다.

심장 박동 신호를 검출하기 위하여, 더 많은 디스플레이 소자가 동시에 켜져 충분한 입사광 전력을 생성하게 된다. 손가락 조직 광 흡수율은 심장 박동에 의해 제어되는 혈류에 따라 변화한다. 광 흡수 변동 신호는 심장 박동 속도를 반영한다. 개시된 기술에서, 디스플레이 소자에 의해 방출되는 빛의 광 파장은 검출을 최적화하도록 선택될 수 있다. 또한, 광 조명은 환경의 영향을 더욱 감소시키기 위하여 주파수에서 변조될 수 있다. 예를 들어, 특정 디스플레이 영역은 변조를 실현하기 위하여 매우 높은 프레임 속도로 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이의 광원은 변조될 수 있다. 일부 실시예에서는, 여분의 변조된 광원은 디스플레이 어셈블리(10)에 통합될 수 있다. 지문 획득과 동시에 심장 박동 감지를 수행하면 라이브 손가락으로부터 가짜 지문과 지문을 구별함으로써 모바일 장치의 보안 액세스를 크게 향상시킬 수 있다.

도 9는 혈류 속도 감지를 위한 비가시적 패키지 내의 예시적 지문 감지 모듈의 블록도이다. 지문 감지 모듈은 통합된 손가락 특성 센서 컴포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)를 포함한다. 검출기 어레이(123)는 디스플레이 어셈블리 근처에 배치되고 모니터링되는 손가락(101)을 수신하도록 위치된다. 검출기 어레이(123)는 지문 및 지문 특성 검출을 위하여 지문 검출기 영역(133)에 검출기 소자를 포함한다. 영역(141 및 143)의 검출기 소자는 환경 및 혈류 속도 검출 용이다. 디스플레이 어셈블리(10)는 또한 혈류 속도 검출을 위한 특정 영역(137 및 139)을 포함한다.

도 9에서 도시된 바와 같이, 지문 센서 어셈블리는 센서 영역(101)상의 손가락을 수신하도록 구성되고, 일 측면은 영역(137 및 139)의 디스플레이 소자와 겹치고 다른 측면은 각각의 영역(41 및 43)의 검출기(예를 들어, 포토다이오드)의 검출기와 겹친다. 영역(137)의 디스플레이 소자 및 영역(141)의 검출기는 손가락의 한 위치에서 펄스 신호를 측정하도록 협동한다. 펄스 신호는 동맥에서 생성된다. 도 9에서, 동맥을 흐르는 혈액은 좌측 영역(137) 및 우측 영역(139)에서 검출되고 좌측 영역(137)에서 우측 영역(139)으로 가로 질러 흐르는 혈액을 나타낸다. 우측 영역(139)에서 좌측 영역(137)으로 혈액이 역류할 때, 혈액은 정맥에서 흐르고 맥박 신호는 명백하지 않다. 2개의 위치(137 및 139) 사이의 맥박 지연 시간을 비교함으로써, 혈류 속도 정보가 획득될 수 있다. 혈압이 혈류 속도와 상관관계가 있기 때문에, 도 9에서 나타난 센서 또한 혈압을 모니터링 할 수 있다.

일부 실시예에서, 디스플레이 소자에 의해 방출되는 조명 광은 배경 잡음을 감소시키거나 제거하도록 변조될 수 있다. 예를 들어, 방출 광은 환경 조건의 영향을 더욱 감소시키기 위하여 미리 결정된 주파수에서 변조될 수 있다. 방출된 광을 주파수 변조하는 것은 원하는 변조를 달성하기 위하여 매우 높은 프레임 속도로 특정 디스플레이 영역에서 디스플레이 소자를 동작하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 광원은 변조될 수 있다. 일부 실시예에서, 특정 변조된 광원은 디스플레이 어셈블리(10)에 통합될 수 있다.

전체 광 반사 지문 감지

또 다른 측면에서, 모바일 장치의 커버 유리에서의 총 광학 반사 효과는 지문 신호를 획득하는 데 사용될 수 있다. 검출기 어레이는 OLED 디스플레이와 같은 일부 상황에서 디스플레이 아래에 직접 통합되거나 디스플레이 가장자리 위치에 고정될 수 있다.

도 10a 및 10b는 비가시적 광학 지문 센서 패키지에서 전반사 지문 감지 기술을 구현하는 예시적인 지문 센서 모듈의 단면도 및 평면도이다. 도 10a에서 나타난 바와 같이, 통합된 손가락 특성 센서를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)는 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)을 포함한다. 참조 번호 62는 손가락(60)이 센서를 누를 수 있는 디스플레이 상의 위치를 나타낸다. 도 1 및 도 6과 유사하게, 특정 디스플레이 영역(29) 근처에 배치된 검출기 어레이(123)는 손가락(60)이 위치(62)에서 센서를 누르는 것에 응답하여 지문 및 지문 특성 검출을 위한 지문 검출기 영역(133)의 검출기 소자를 포함하는 다수의 검출기 소자를 포함한다. 검출기 어레이(123)는 또한 환경 내의 검출기 소자 및 환경 및 혈류 속도 검출을 위한 혈류 영역(141 및 413)을 포함한다. 검출기 어레이(123)의 검출기 소자의 예는 포토다이오드와 같은 광학 장치를 포함한다.

도 10b에서 나타난 바와 같이, 통합된 손가락 특성 센서 콤포넌트를 가지는 디스플레이 어셈블리(10)는 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)을 포함한다. 디스플레이 소자(73)는 다른 디스플레이 층(54)에 배치될 수 있다. 디스플레이 소자(73)의 예는 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 장치의 다양한 유형을 포함한다. 또한, 검출기 어레이(123)는 커버 유리(50) 아래 및 디스플레이 스크린 층(54) 아래에 배치된다.

도 10a 및 10b에서 도시된 바와 같이, 손가락(60)을 포토다이오드 영역(62)에서 디스플레이 스크린 상에 누른다. 손가락 피부의 동등한 굴절률은 633nm에서 약 1.43이다. 일반적인 맨 커버 유리의 굴절률은 약 1.51이다. 커버 유리(50) 및 디스플레이 층(54)이 에어 갭(air gap) 없이 함께 접착되는 경우, 입사광이 큰 디스플레이 소자(73)에 의해 방출되는 빛은 스크린-에어 인터페이스에 전반사될 것이다.

디스플레이 소자(73)가 켜질 때, 발산된 광 빔은 2개의 그룹으로 나눠질 수 있다: 전체적으로 반사되지 않는 중심 빔(82)과 스크린 표면에 아무런 터치가 없을 때 전체적으로 반사되는 외측 빔(201, 202,211,212). 중심 광 빔(82)의 경우, 스크린 표면은 포토다이오드(193)에 의해 수신되는 광 빔(185)으로서 약 0.1%~3.5%의 빔(82)을 반사하며, 손가락 피부는 포토다이오드(195)에 의해 수신될 수 있는 광 빔(187)으로서 약 0.1%~3.3%의 빔(82)을 반사한다. 반사 차이는 적어도 광 빔(82)이 손가락 피부 융기 부분(61) 또는 골 부분(63)과 만나는 지의 여부에 의존한다. 나머지 광 빔(82)은 손가락 조직에 결합된다(189).

외측 광 빔(201 및 202)의 경우, 스크린 표면에 아무것도 터치되지 않을 경우 스크린 표면은 광 빔(205 및 206)으로서 ~100%를 각각 반사한다. 손가락 피부 융기 부분이 광 빔(201 및 202) 근처의 스크린 표면에 터치될 때, 대부분의 광 강도는 광 빔(203 및 204)으로서 손가락 조직(60)에 결합된다.

외측 광 빔(211 및 212)에서, 스크린 표면에 아무것도 터치되지 않는 경우, 스크린 표면은 광 빔(213 및 214)으로서 높은 반사율(예를 들어, 100% 근처)에서 각각 반사한다. 손가락이 스크린 표면을 터치하고 손가락 피부 골 부분이 광 빔(211 및 212) 위치에 있는 경우, 광 강도가 손가락 조직(60)에 결합되지 않는다.

손가락 조직(60)에 결합되는 모든 광 빔은 무작위로 흩어져 낮은 콘트라스트(contrast)를 가진 광(191)을 형성하고 다수의 포토 다이오드(207,215 등)에 의해 수신될 수 있다. 외측 광 빔 조명 영역에서, 손가락 피부 융기 부분 및 골 부분은 수신 포토다이오드에 상응하여 검출되는 명백한 반사 차이를 야기한다. 디스플레이 방출 소자 및 처리 포토 다이오드의 좌표를 알고 있기 때문에, 지문 신호는 디스플레이 소자 및 검출기 소자의 공지된 위치에 기초하여 차이를 비교함으로써 획득된다.

검출기 어레이는 디스플레이 아래에 배치될 수 있거나 디스플레이 옆에 또는 전반사가 검출될 수 있는 임의의 위치에 배치될 수 있다. 검출기 어레이는 광학 쐐기, 프리즘, 렌즈 등을 사용하여 디스플레이 층에 접착되거나 디스플레이 층에 부착될 수 있다.

도 11a 및 11b는 비가시적 광학 지문 센서 패키지에서 전반사 지문 검출 스캐닝을 구현하는 예시적인 지문 센서 모듈의 단면도 및 평면도이다. 도 11a에서 나타난 바와 같이, 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)은 커버 유리 표면에서 전반사를 가능하도록 함께 접착된다. 디스플레이 소자(예를 들어, 발광 소자)(241) 및 검출기 소자(예를 들어, 처리용 포토다이오드)(233)가 커버 유리(50) 표면과 각각의 디스플레이 소자 및 검출기 소자(예를 들어, 각각은 H1, H2 및 L로 정의된다) 사이의 거리에 대하여 정의될 때, 해당 전반사 영역(231)의 좌표(LF)가 산출될 수 있다. 발광 소자(241)의 크기(A) 및 처리용 포토다이오드(233)의 크기(D)가 알려질 때, 해당 전반사 영역(231)의 크기(W) 또한 산출될 수 있다. 다양한 실시예에서, 발광 소자 크기가 충분히 작은 경우, W는 D보다 작을 수 있다. 디스플레이 스크린 구조(54)내의 조명 화소(241)의 어레이에 대하여, 조명 화소(241)로부터의 빛이 완전히 반사되도록 조명 화소(241)로부터 충분히 떨어져 있는 해당 영역(245)이 있다. 지문 감지 및 다른 광학 감지를 위한 광 검출기는 영역(245)으로부터의 전반사된 광 빔의 경로 내의 위치에서 디스플레이 스크린 구조(54) 아래에 배치될 수 있다.

발광 소자(241)의 크기(A) 및 처리용 포토다이오드(233)의 크기(D)가 확장되면, 해당 전반사 영역(231)의 크기(W) 또한 확장된다. 이는 해상도가 감소함을 의미한다. 환경이 굴절 지수가 거의 1을 가지는 공기이고, 커버 유리의 굴절률이 n이라고 가정하면, 최소 전반사 입사각 θ이 식 ⁾

에 따라 계산된다. 그 결과, 중앙 광 빔 영역(243) 또한 산출될 수 있다. 나머지 위치는 전반사 영역(245)에 위치한다. 예를 들어, n=1.51 이고 H1=0.6mm인 경우, 점 광원에 대하여, 중앙 광 빔 영역의 지름은 약 1.06mm이다. 만약, H2가 주어지면, 가장 가까운 포토 다이오드 거리 Lmin이 산출될 수 있다. 예를 들어, H2=1.2mm일 때, 최소 Lmin은 약 1.59mm이다.

하나의 디스플레이 소자가 켜질 때, 다수의 포인트 지문 신호는 다수의 소자 검출기 어레이(123)와 동시에 획득될 수 있다. 또는, 공지된 포토 다이오드에 대하여, 다수의 포인트 지문 신호는 다수의 디스플레이 소자를 순차적으로 조명함으로써 동시에 획득될 수 있다.

도 12의 (a), (b) 및 (c)는 모바일 장치에 설치되고 전반사 지문 검출 스캐닝을 구현하는 예시적 지문 센서 모듈을 나타낸다. 나타난 바와 같이, 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)은 커버 유리 표면에서 전반사가 발생할 수 있도록 함께 접착되거나 결합된다. 디스플레이 스크린 구조(54)의 아래에는 포토디텍터(233)의 그룹과 포토디텍터(235)의 다른 그룹과 같은 다수의 포토디텍터를 가지는 2D 검출기 어레이(261)가 있다. 하나 이상의 발광 소자(241)는 장치가 터치될 때 켜진다. 발광 소자(241)로부터의 각각의 광 빔은 전반사 영역(245)내에서 디스플레이 스크린 구조체(54) 아래에 배치된 검출기 어레이(261)로 향하는 대응하는 방향으로 영역(263)에서 전반사된다. 예를 들어, 광 빔(221 및 223)은 각각의 광 빔(222 및 224)으로 반사된다. 반사된 광 빔(222 및 224)은 포토다이오드(233)에 의해 수신된다. 유사하게, 발광 소자(예를 들어, 광원)(241)로부터의 다른 광 빔은 포토다이오드(235)에 의해 수신된다.

2D 검출기 어레이(261)는 영역(263) 또는 영역(245)내의 다른 영역으로부터 전반사광을 검출하는 데 사용된다. 대응하는 검출 영역(263)의 지문은 검출될 수 있다. 반사에 의한 빛 굴곡 및 프로빙(probing) 광속의 발산 때문에, 지문 이미지에 약간의 왜곡이 있다. 이 왜곡은 광원 및 포토다이오드의 좌표에 따라 보정될 수 있다. 대칭적으로, 단일 소형 포토다이오드를 사용하고 2차원의 광원으로 스캐닝함으로써, 지문을 또한 검출할 수 있다.

일부 실시예에서, 광원 또는 추가의 광원은 디스플레이의 한 단부에서 242와 같은 다른 위치에 패키징될 수 있다. 추가된 광원은 디스플레이의 일부이거나 LED와 같은 별개의 광원일 수 있다. 광원이 검출기 어레이로부터 멀리 떨어질 때, 왜곡은 감소된다.

전술한 바와 같이, 2D 검출기 어레이 위치는 또한 유연하다. 전반사가 수신될 수 있는 임의의 위치는 검출기 어레이를 배치하는 데 사용될 수 있다.

스마트폰, 태블릿 등과 같은 일부 애플리케이션에서, 지문 왜곡은 터치 손가락 위치를 식별하는 터치 센서의 도움으로 제거될 수 있다.

도 13은 도 11a, 11b, 및 12의 (a)~(c)에서 나타난 장치를 동작시키는 전반사 지문 검출 스캐닝의 결과를 나타내는 이미지의 예를 보여준다. 전반사를 사용하여 얻어진 지문의 이미지 결과는 후속 지문 감지 동작을 위한 2D 광 검출기 어레이에 의해 포착된다. 상기 지문 이미지의 결과는 향상된 품질의 지문 이미지를 보여준다.

도 14의 (a), (b) 및 (c)는 모바일 장치에 설치되고 전반사 지문 검출을 구현하는 또 다른 예시적 지문 센서 모듈을 나타낸다. 도 14의 (a)-(c)에서 나타난 바와 같이, 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)은 커버 유리 표면에서 전반사를 가능하게 하도록 함께 접착된다. 발광 소자(즉, 광원)(241)가 켜진다. 소스(241)로부터의 각각의 광 빔은 적절한 방향으로 반사된다. 예를 들어, 광 빔(221 및 223)은 각각 광 빔(222 및 224)으로 반사된다. 반사된 광 빔(222 및 224)은 포토 다이오드(233)에 의해 수신된다. 유사하게, 광원(241)으로부터의 다른 광 빔은 포토 다이오드(235)에 의해 수신된다.

선형 검출기 어레이(271)가 전반사광을 검출하는 데 사용될 때, 해당 검출 라인(273)의 지문이 검출될 수 있다. 반사에 의한 빛 굴곡 및 프로빙 광 빔의 발산 때문에, 지문 이미지에 약간의 왜곡이 있다. 왜곡은 광원 및 포토 다이오드의 좌표에 따라 보정될 수 있다. 광원(241)이 선형 방향(275)에 따라 스캐닝될 때, 검출 라인(273)은 또한 2D 검출 영역을 커버하도록 스캐닝된다.

일부 실시예에서, 광원 또는 추가의 광원은 디스플레이의 한 단부에서 281과 같은 다른 위치에 패키징될 수 있다. 광원은 디스플레이의 일부이거나 선형 LED 어레이와 같은 별개의 광원일 수 있다. 광원이 검출기 어레이에서 멀리 떨어져 있으면, 왜곡은 감소된다.

광원 소자로부터 방출된 광은 코드 분할 다중 접속(CDMA)을 포함하는 확산 스펙트럼 코드 시스템(spread spectrum code system) 중 임의의 하나와 같은 코드 시스템에 기반하여 변조되어 지문 이미지 검출을 단순화할 수 있게 된다. CDMA 및 하이브리드 CDMA 기술 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 적응형 FHSS를 포함하는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum) 및 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSSS: Frequency Hopping Spread Spectrum)이 사용될 수 있다. 확산 스펙트럼 기술 중 임의의 것을 사용하여, 광원 소자로부터 방출된 빛은 별개의 직교 의사 랜덤 확산 코드, 상이한 주파수, 진폭, 위상 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 변조될 수 있다.

또한, 검출기 어레이 위치는 가변적이다. 전반사가 수신될 수 있는 임의의 위치는 검출기 어레이를 배치하는 데 사용될 수 있다.

스마트폰, 태블릿 등과 같은 일부 애플리케이션에서, 지문 왜곡은 터치 손가락 위치를 식별할 수 있는 터치 센서의 도움으로 제거될 수 있다.

도 15a 및 15b는 모바일 장치에 설치되고 전반사 지문 감지를 구현하는 또 다른 예시적 지문 센서 모듈을 나타낸다. 하부의 광 검출기 모듈은 부분적으로 “비가시적”인 것으로서 디스플레이 스크린 구조(54) 아래에 있고, 이에 반해 광 검출기 모듈의 일부는 “가시적”인 것으로서 디스플레이 스크린 구조(54)의 풋프린트 외부에 있어, 이 패키지는 부분적으로 가시적이거나 부분적으로 비가시적인 패키지가 된다. 도 15A 및 15B의 지문 센서는 지문 감지 영역(21) 근처에 배치되는 검출기 어레이(123) 및 지문 검출을 위한 특정 디스플레이 영역(29)을 포함한다. 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)은 커버 유리 표면에서 전반사를 가능하게 하도록 함께 접착된다. 디스플레이 소자(72,74)는 다른 디스플레이 층(54)에 내장되고 지문 검출에 사용되는 광 빔(221, 223)을 방출할 수 있다. 방출 광 빔(221 및 223)은 포토 다이오드(233 및 235)에 의해 포착되거나 검출되는 커버 글래스 전반사광(222 및 224)으로 거의 100% 반사된다. 연결 블록(251)은 디스플레이 층에 접착되어 치수 H2(커버 유리(50) 표면 및 디스플레이 소자 사이의 거리)가 증가된다. 그 결과, 최소값 L(광원 및 검출기 사이의 거리) 또한 증가한다. 따라서, 처리용 포토다이오드는 디스플레이 영역의 밖으로 이동될 수 있다. 포토 다이오드가 전반사 광만을 검출하기 때문에, 커버 유리 색상 층에는 윈도우가 요구되지 않는다. 그러므로, 디자인은 비가시적 패키지로 간주된다.

일부 실시예에서, 연결 블록(251)은 쐐기 형상이거나 프리즘일 수 있다. 연결 블록의 도움으로, 검출기 어레이는 지문 이미지 왜곡을 줄이기 위하여 적절한 각도로 기울어질 수 있다.

도 16은 지문 검출을 위한 예시적인 프로세스(1600)를 나타내는 처리 흐름도이다. 센서 검출은 광원, 검출기 어레이, 변조기, 처리 회로, 메모리, 터치 센서 등을 포함하는 관련 기능 모듈을 활성화시키기 위하여 시작될 수 있다(1602). 변조 또는 인코딩 기능(1604)은 진폭, 위상 시프트, 주파수 변경 또는 조합을 포함하는 변조 신호 정보를 운반하는 광 빔을 방출하도록 광원을 제어하도록 수행될 수 있다. 신호 획득(1606)은 검출기 어레이가 광 신호를 수신하도록 함으로써 수행될 수 있다. 복조(1608)는 처리 회로가 신호를 증폭시키고 전기적 효과를 체크하도록 함으로써 수행될 수 있다. 검출 결과 평가(1610)는 지문 이미지, 신호 강도 시간 의존성(심장 박동, 혈류 속도)을 달성하고, 신호를 기준과 비교하도록 수행될 수 있다.

검출이 반복되어야 하는지(1612)의 여부를 결정하기 위하여, 다음 동작이 수행된다. 초기 검출 결과가 평가되면, 프로세서는 다음 동작에 대한 결정을 내린다. 예를 들어, 프로세서는 스위치 제어 또는 보안 제어를 위해 지문 이미지를 메모리에 전송하여, 사용자의 혈류 속도 등을 결정한다. 검출 결과의 애플리케이션에 따라, 프로세스는 검출을 계속할 지의 여부를 결정한다. 프로세서가 검출을 반복하거나 계속하지 않을 것으로 결정하면, 검출 결과에 따라 새로운 작업 활성화(1616)가 수행되어, 다양한 동작이 활성화될 수 있다.

전반사 터치 감지-굴절률 매칭

커버 유리 전반사 효과는 지문 및 터치 신호를 획득하는 데 사용될 수 있다. 검출기 어레이는 OLED 디스플레이와 같은 일부 상황에서는 디스플레이 바로 아래에 통합되거나 디스플레이 가장자리 위치에 고정될 수 있다. 광원이 너무 멀리 떨어져있어 국소 입사각이 너무 큰 경우, 굴절률 매칭은 이 개념의 성능을 보장할 수 있게 된다.

도 17은 광 감지 모듈이 전반사 터치 감지-굴절률 매칭 기술이 제공되는 다른 장치 디자인의 단면을 나타낸다. 도 18의 (a) 및 (b)는 전반사 터치 감지-굴절률 매칭 기술에 기반하여 도 17에서의 디자인을 구현하는 장치의 예를 나타낸다. 도 17, 18의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)은 함께 접착되어 전반사가 커버 유리 표면에서 발생할 수 있게 된다. 커버 유리(50) 및 디스플레이 층(54)을 연결하는 접착제는 굴절률 n1을 갖고, 커버 유리(50)는 굴절률 n을 가지며, 터치 재료(60a)(손가락 등)는 n2의 굴절률을 갖는다. 만약 국소 입사각이 n 및 n2에 의해 결정되는 전반사 각도보다 크다면, 터치 재료에 의해 빛을 결합시킬 수 없게 된다. n1이 n2보다 크지 않을 때, 임의의 국소 입사각은 허용된다. 따라서, 적절한 접착제 재료는 굴절률을 매칭하여 성능을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다. 방출 소자(241)로부터의 각각의 광 빔은 적절한 방향으로 반사된다. 예를 들어, 광 빔(301 및 303)은 포토 다이오드(235)로 반사된다. 선형 검출기 어레이(271)가 전반사광을 검출하는데 사용되는 경우, 해당 검출 라인(273)의 지문이 검출될 수 있다. 광원(241)이 방향(275)을 따라 스캐닝 될 때, 검출 라인(273)은 또한 2차원(2D) 검출 영역을 커버하도록 스캐닝된다. 검출기 어레이(271)가 2D일 때, 해당 검출 영역(273) 또한 2D이다. 광원(241)이 스캐닝될 때, 검출 영역(273) 또한 스캐닝된다.

도 19의 (a), (b) 및 (c)는 전반사 터치 감지-굴절률 매칭 기술의 예를 나타내는 도면이다. 도 19의 (a)-(c)에서 나타난 바와 같이, 커버 유리(50) 및 다른 디스플레이 층(54)은 함께 조립된다. 연결 블록(252)은 감지 윈도우(50a) 아래의 커버(50)에 접착되어, 전반사가 감지 윈도우에서 발생할 수 있다. 연결 블록(252)은 굴절률 n1을 갖고, 커버 유리(50)는 n의 굴절률을 가지며, 터치 재료(60a)(손가락 등)는 n2의 굴절률을 갖는다. n1이 n2보다 크지 않을 때, 모든 국소 입사각이 허용된다. 굴절률을 매칭하기 위하여 적절한 연결 블록 재료를 사용하면 성능을 향상시킬 수 있다. 방출 소자(241)로부터의 각각의 광 빔은 적절한 방향으로 반사된다. 예를 들어, 광 빔(305 및 307)은 포토 다이오드(235)에 반사된다. 선형 검출기 어레이(271)가 전반사광을 검출하도록 사용될 때, 해당 검출 영역(273)의 지문은 검출될 수 있다. 광원(241)이 방향(275)에 따라 스캐닝될 때, 검출 라인(273) 또한 2D 검출 영역을 커버하도록 스캐닝될 수 있다. 또한, 검출 어레이(271)가 2D일 때, 해당 검출 영역(273) 또한 2D이다. 광원(241)이 스캐닝될 때, 검출 영역(273) 또한 스캐닝된다.

손가락 감지 기술

지문 및 다른 생체 인식 파라미터를 검출하기 위한 상기 예에서, 지문 센서는 광학 감지에 기초한다. 광학 지문 감지는 용량 지문 센서 또는 지문을 감지하기 위한 광학 감지 및 용량 감지 모두를 갖는 하이브리드 지문 센서와 같은 다른 지문 센서에 의해 일부 구현에서 대체될 수 있다. 따라서, 이 명세서에서 개시된 지문 센서 모듈은 자기 용량(self-capacitive) 감지, 상호 용량 감지 및 광학 감지와 같은 다양한 감지 기술 중 하나 또는 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 라이브 핑거를 검출하기 위한 개시된 기술은 특정 유형의 감지 기술에 의존하지 않으며, 다양한 감지 기술 중 하나 또는 조합이 포함될 수 있다.

예를 들어, 도 20의 (a)는 능동 센서 화소 및 증폭을 가지는 자기-용량 감지를 구현하는 예시적인 지문 센서 장치(2000)의 블록도이다. 지문 센서 장치(2000)는 자기-용량 감지를 구현하는 지문 센서의 일 예이며, 19의 (c)를 통해 도 1에서 나타난 광학 지문 센서를 대체하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 20의 (a)에서 용량 감지 지문 센서는 도 1에서 나타난 가시적 지문 센서 패키지 내의 얇은 상부 커버 유리 층(50) 아래의 디스플레이 스크린 구조(54)의 일 단부에 광학 센서(41 및 43)를 배치함으로써 광 센서(41 및 43)를 조합으로 사용될 수 있다. 다른 예를 들면, 도 20의 (a)의 용량 감지 지문 센서는 일부 모바일 폰 디자인에서 상부 유리 커버(50)의 개구에서 지문 센서 구조 같은 버튼과 같은 별도의 센서 구조에 배치함으로써 광학 센서(41 및 43)를 조합하여 사용될 수 있다. 자기-용량 지문 센서 장치(2000)는 기판 캐리어(2004) 위에 배치되는 센서 칩(2002) 및 센서 칩(2002) 위에 배치되는 보호 필름 또는 커버 층(2006)을 포함한다. 보호 필름 또는 커버 층(2006)은 유리, 이산화 규소(SiO2), 사파이어, 플라스틱, 중합체, 기타 실질적으로 유사한 재료와 같은 절연체 또는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 보호 필름 또는 커버 층(2006)은 센서 칩(2002)을 보호하고 손가락(2001)의 표면 및 센서 칩(2002)의 개별 센서 화소의 전도성 감지 전극 사이에서 유전체 층의 일부로서 기능하도록 존재할 수 있다. 보호 필름 또는 커버층(2006)은 지문 센서 장치(2000)의 애플리케이션에 따라 선택적인 층이다. 일부 실시예에서, 지문 센서 장치(2000)는 모바일 폰과 같은 전자 장치의 상부 커버 유리의 개구를 통해 또는 전자 장치의 상부 커버 유리 아래에 배치될 수 있다. 언더 더 글래스(under the glass) 적용 방식에 사용될 때, 보호 필름 또는 커버(2006)는 전자 장치의 상부 커버 글래스가 센서 칩(2002)을 보호하고 유전체 층으로서 작용하기 때문에 필요하지 않게 된다.

센서 칩(2002)은 보호 필름 또는 커버 층(2006)과 접촉하는 손가락(2001)으로부터의 지문 데이터를 조합하여 감지 또는 포착하는 센서 화소의 어레이를 포함한다. 센서 화소(2008)의 예시는 도 20의 (b)에서 나타난다. 센서 칩(2002)의 각각의 센서 화소(2008)는 손가락(2001)의 융기 부분 도는 골 부분과 관련된 커패시터(capacitor)의 용량(capacitance)에 기초하여 출력 신호(예를 들어, 전압)를 생성한다. 출력 신호가 함께 결합될 때, 손가락(2001)의 지문 이미지를 나타낼 수 있다. 화소 센서의 수가 많을수록 지문 이미지의 해상도가 높아진다.

도 20의 (c)는 센서 화소의 등가 회로를 나타낸다. 센서 칩(2002)의 센서 화소의 어레이에서 각각의 센서 화소는 예시적인 센서 화소(2008)에 실질적으로 유사할 수 있다. 예시적인 센서 화소(108)는 예시적인 센서 화소(2008)에 의해 검출되는 용량 관련 신호(예를 들어, 전압 신호)를 증폭시키기 위한 연산 증폭기(2002)를 포함한다. 다양한 금속 중 하나와 같은 도전성 재료를 포함하는 센서 전극(2012)은 증폭기(2022)의 음극 또는 반전 단자에 전기적으로 연결된다. 도 20B(본 명세서의 다른 특징들)에 대하여 나타나고 설명되는 증폭기 형태는 단지 일례이며 다른 증폭기 형태는 긍정적 피드백 형태를 포함하는 것이 가능하다. 센서 전극(2012) 및 손가락(2001)의 국소 표면은 커패시터 CS(2030)의 반대하는 플레이트로서 기능한다. 커패시터 CS(2030)의 용량은 손가락(2001)의 국소 표면과 센서 전극(2012) 사이의 거리, 커패시터 CS(2030)의 2개의 플레이트 사이의 거리 'd'를 기반으로 달라진다. 용량은 커패시터 CS(2030)의 2개의 플레이트 사이의 거리 'd'에 반비례한다. 용량은, 센서 전극(2012)이 손가락(2001)의 골 부분 반대 쪽보다 손가락(2001)의 융기 부분에 대면될 때 더 크다.

또한, 예시적인 센서 화소(2008)에서 상이한 전도성 소자들 사이에서 다양한 기생 커패시터(parasitic capacitors)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 기생 커패시터 CP1(2026)는 센서 전극(2012)과 장치 접지 단자(2014) 사이에 형성될 수 있다. 다른 기생 커패시터 CP2(2017)는 손가락(2001)의 국소 표면과 접지(2016)사이에서 형성될 수 있다. 장치 접지는 접지에 밀접하게 결합된다. 또 다른 커패시터 CF(128)는 증폭기(2022)의 출력 도체와 증폭기(2022)의 네거티브 또는 반전 단자 사이에서 형성될 수 있고 증폭기(2022)에 대한 피드백 커패시터로 기능할 수 있다.

증폭기(2022)의 양의 단자는 여기 신호(Vin)(2018)에 전기적으로 연결된다. 여기 신호(Vin)(2018)는 각각의 센서 화소의 전용 증폭기의 양의 단자에 직접적으로 제공될 수 있다. 여기 신호(2018)를 증폭기(2022)의 양의 단자에 직접적으로 제공함으로써, 예시적 센서 화소(2008)는 능동 센서 화소가 된다. 또한, 자기신호(2018)를 증폭기(2022)의 양의 단자에 직접적으로 제공하는 것은 센서 칩(2002)의 반도체 구조로부터 전도성(예를 들어, 금속) 층을 감소시키는 모든 센서 화소에 공통되는, 여기 전극을 포함할 필요성을 제거한다. 또한, 여기 신호(2018)를 증폭기(2022)에 직접적으로 제공함으로써, 여기 신호(2018)는 손가락(2001)에 자극을 가하거나 손상시킬 가능성을 피하기 위하여 손가락에 직접적으로 적용되지 않는다. 또한, 여기 신호를 손가락에 직접적으로 적용하는 여기 전극이 사용되지 않기 때문에, 지문 센서 장치(2000)의 모든 구성요소는 단일 패키지 장치에 통합될 수 있고 지문 센서 장치(2000)의 전체는 보호 커버 유리 아래에 배치될 수 있다. 지문 센서 장치(2000)의 전체가 보호 커버 유리 아래에 배치되면, 지문 센서 장치(2000)가 손가락 및 지문 센서를 잠재적으로 손상시킬 수 있는 다른 외부 요소로부터 보호된다.

증폭기(2022)는 가변 커패시터 CS(2030)의 적어도 가변 용량에 기반하여 출력 신호를 생성할 수 있고, 출력 신호는 전반적인 지문 데이터에 기여할 수 있다. 증폭기(2022)는 적어도 출력 신호에 기여하는 추가적인 비-기생 용량 없이 적어도 피드백 커패시터(CF)의 가변 용량 및 피드백 용량에 기반하여 출력 신호를 생성할 수 있다. 이것은, 상기 전술한 바와 같이, 외부 구동 전극과 같은 추가 전극이 센서 화소(2008)에서 사용되지 않기 때문이다.

지문 센서 기술: 화소와 통합된 광학 센서

개시된 기술의 또 다른 측면에서, 지문 센서 장치의 감지 화소 어레이의 각각의 감지 화소는, 지문 정보를 포착하기 위한 용량 센서 및 본 명세서에서 개시된 라이브 핑거 검출을 포함하는 지문 정보를 포착하기 위한 광 센서를 가지는 하이브리드 감지 화소일 수 있다.

도 21a 및 21b는 동일한 감지 화소 내에서 용량 감지 및 광학 감지를 결합하는 하이브리드 감지 화소 디자인의 2가지 예시를 보여준다.

도 21a는 지문 정보를 포착하는 센서 화소의 어레이의 각각의 센서 화소에 대한 광 센서 외에도 용량 센서를 통합한 지문 센서 장치(2100)의 예를 보여준다. 용량 센서 및 광학 센서 둘 모두를 결함 함으로써, 광학 센서로 얻어진 지문 이미지는 용량형 센서로 얻어진 3D 지문 구조를 더 잘 해결하도록 사용될 수 있다. 설명을 용도로, 도 21a에서 나타난 구조는 센서 화소의 어레이 내의 하나의 센서 화소를 나타내고 각각의 센서 화소는 광 센서(2102) 및 동일한 화소 내에서 서로 옆에 배치되는 용량형 센서(2114)를 포함한다.

광 센서(2102)는 손가락(2102)으로부터 반사광(2124)을 포토디텍터(2108)를 향해 좁히거나 집중시키도록 포토디텍터(2108) 위에 배치되는 포토디텍터(2108) 및 시준기를 포함한다. LED(도시되지 않음)와 같은 하나 이상의 광원은, 빛을 방출하도록 시준기(2106) 주위에 배치될 수 있다. 이는 반사광(2124)으로서 손가락에서 반사되고 손가락(2102)의 지문 이미지의 일부를 포착하기 위하여 해당 포토디텍터(2108)를 향하여 직접 연결되거나 집중된다. 시준기(2106)는 구멍 또는 개구부를 갖는 하나 이상의 금속층(들) 또는 광 섬유 다발을 사용하여 구현될 수 있다. 광 검출기 어레이 위의 다중 광학 시준기의 이러한 사용은 신뢰성 있는 광학 지문 감지를 위하여 원하는 공간 해상도로 지문 이미지를 포착하기 위한 렌즈 없는 광학 디자인으로 사용될 수 있다. 도 21A는 구멍 또는 개구부(2112)를 갖는 하나 이상의 금속층을 사용하여 구현되는 시준기(2106)를 나타낸다. 도 21의 상부 구조 또는 층(2104) 및 포토디텍터(2108) 사이의 층의 시준기(2106)는 광 섬유 또는 하나 이상의 층(예를 들어, 실리콘 또는 금속)의 구멍 또는 개구부에 의해 형성되는 다수의 개별 광학 시준기를 포함하고, 이러한 각각의 개별 광학 시준기는 각각의 광학 시준기의 길이 방향을 따른 방향으로, 또는 개구 또는 구멍의 상부 개구 및 관형 구조에 의해 포착될 수 있는 작은 각도 범위 내에서 광선(2124)을 수신하여, 각각의 광학 시준기의 종 방향으로부터 큰 각도로 입사하는 광선은 각각의 시준기에 의해 광 시준기의 다른 단부 상의 광학 포토다이오드에 도달하는 것이 거절된다.

각각의 감지 화소의 용량 감지 부에서, 용량형 센서(2114)는 용량 감지를 수행하기 위해 감지 화소에 근접하거나 접촉하는 손가락 부분에 전자기적으로 결합되는 용량형 센서 플레이트(2116)를 포함한다. 보다 구체적으로, 용량형 센서 플레이트(2116) 및 손가락(2102)은, 손가락(2102)이 광학 커버(2104) 또는 지문 센서 장치(2100)를 구현하는 모바일 장치 상의 커버와 접촉하거나 실질적으로 근접할 때, 하나 이상의 용량형 소자(2122)의 2개의 플레이트로서 상호작용한다. 용량형 센서 플레이트(2116)의 개수는 용량형 센서(2114)의 디자인에 기반하여 달라질 수 있다. 용량형 센서 플레이트(2116)는 하나 이상의 금속 층을 사용하여 구현될 수 있다. 용량형 센서 플레이트(2116)는 용량형 센서 회로(2120)에 연결되어 결합되어, 용량형 센서 회로(2120)는 용량형 센서 플레이트(2116)로부터의 신호를 처리하여 3D 지문 구조를 나타내는 데이터를 얻을 수 있다. 라우팅 또는 차폐(shielding) 재료는 용량형 센서 플레이트(2116)와 용량형 센서 회로 사이에 배치되어 금속 플레이트(2116)를 전기적으로 차폐할 수 있다. 용량형 센서 회로(2120)는 용량형 센서 플레이트(2116) 및 포토디텍터(2108) 모두를 연결하여 결합되어 용량형 센서 플레이트(2116)로부터의 신호 및 포토디텍터(2108)로부터의 신호 둘 모두를 처리할 수 있게 된다. 도 21a에서, 각각의 하이브리드 감지 화소 내의 용량형 센서 및 광 센서는 공간적으로 중첩되지 않고 서로 인접하여 변위된다.

실시예에서, 도 21a의 하이브리드 센서 디자인의 특징부는 도 1의 예에서 나타난 바와 같은 상부 커버 유리 아래의 디스플레이 스크린 구조의 일 단부에 있는 가시적 지문 센서 패키지 및 도 6의 예에서 나타난 바와 같은 디스플레이 스크린 구조 아래의 비가시적 지문 센서 패키지 모두에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 (b)에 도시된 상부 유리(50) 아래 및 디스플레이 스크린 구조(54)의 위쪽에서 광 지문 센서가 광 시준기 소자에 의해 각각의 광 검출기 소자를 검출기 어레이(123) 내에 구축할 수 있다. 따라서, 도 21a의 광 시준기 특징부를 가지고 모바일 장치 상에서 광 감지가 구현될 수 있거나 전자 장치는 디스플레이 스크린 구조를 포함하기 위하여 광 감지에 의해 지문을 검출하는 것이 가능하다; 사용자에 의해 터치되고 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 스크린 구조로부터 사용자에게 빛을 전송하기 위하여 인터페이스로서 디스플레이 스크린 구조 위에 형성되는 상부 투명층; 및 지문을 검출하기 위해 상부 투명층으로부터 반사되는 빛을 수신하기 위해 디스플레이 스크린 구조 아래에 위치되는 광 센서 모듈. 광 센서 모듈은 반사광 및 디스플레이 스크린 구조를 통하여 상부 투명층으로부터 반사광을 수집하고 광 시준기를 통해 수집된 반사광을 광 센서 어레이의 포토디텍터로 향하게 하는 동안 상부 투명층 내의 상이한 위치로부터 빛을 분리시키기 위하여 광 시준기의 어레이를 수신하는 포토디텍터의 광 센서 어레이를 포함한다.

도 21b는 각각의 하이브리드 감지 화소의 풋프린트를 감소시키기 위하여 센서 화소의 어레이에서 공간적으로 중첩된 형태로 각각의 하이브리드 센서 화소에서 광 센서 및 용량형 센서를 구조적으로 통합하는 지문 센서 장치(2130)의 다른 예를 도시한다. 일부 실시예에서, 도 21b의 하이브리드 광학-용량 감지 지문 센서는 도 1에서 나타난 바와 같이 가시적 지문 센서 패키지의 얇은 상부 커버 유리 층(50) 아래의 디스플레이 스크린 구조(54)의 일단부에 배치함으로써 광 센서(41 및 43)와 조합하여 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 21b에서의 광학-용량 감지 지문 센서는 일부 모바일 폰 디자인에서 상부 유리 커버(50)의 개구부에서 버튼형 지문 센서 구조와 같은 별도의 센서 구조에 배치함으로써 광 센서(41 및 43)와 조합하여 사용될 수 있다. 지문 센서 장치(2130)는 실리콘과 같은 반도체 기판(2131)을 포함한다. 기판(2131) 위에, 다수의 감지 소자 또는 감지 화소(2139)가 배치된다. 각각의 감지 소자 또는 감지 화소(2139)는 센서 신호를 처리하기 위한 CMOS 스위치, 증폭기, 저항기 및 커패시터를 포함하는 능동 전자 회로 영역(2132)을 포함한다. 각각의 감지 화소 또는 감지 소자(2139)는 능동 전자 회로 영역(2132)에 배치되거나 내장되는 포토디텍터(2133)를 포함한다. 용량형 감지를 위한 용량 센서의 용량형 센서 플레이트 또는 상부 전극(2134)은 포토디텍터(2133) 위에 배치되고 빛을 포토디텍터(2133) 상으로 연결하기 위한 빛 시준기로서 또한 기능하기 위하여 센서 플레이트(2134) 상에 구멍 또는 개구부(2138)를 포함한다. 도전성 재료로 채워진 via(2135)는 상부 전극(2134)을 능동 회로 소자(2132)에 전기적으로 연결하도록 배치된다. 포토디텍터(2133)와 함께 상부 전극(2134)의 개구부 또는 구멍 및 거리를 조정함으로써, 포토디텍터(예를 들어, 포토다이오드)(2133)의 광 수집 각(2137)은 조정될 수 있다. 지문 센서 장치(2130)는 사파이어, 유리 등과 같은 경질 재료를 포함하는 보호 커버(2136)에 의해 커버된다. 포토디텍터(2133) 광 수집 각(2137)은 포토다이오드 어레이에 의해 수집되는 이미지의 공간 해상도를 보존하도록 설계될 수 있다. LED와 같은 광원(2140)은, 손가락으로부터 반사되고 지문 이미지를 포착하기 위해 포토디텍터로 향해 비춰지는 빛을 방출하기 위해 지문 센서 장치(2130)의 한 측 상에서 커버 아래에 위치된다. 손가락이 보호 커버와 접촉하거나 실질적으로 가까워질 때, 손가락 및 감지 상부 전극(2134)이 조합되어 인체와 감지 상부 전극(2134) 사이에서 용량 결합(예를 들어, 커패시터(2142))을 형성한다. 광학 및 용량형 센서 모두를 포함하는 지문 센서 장치(2130)는 지문의 빛 반사 이미지 및 용량성 결합 이미지 모두를 획득할 수 있다. 감지 상부 전극(2134)은 이중 목적을 제공한다: 1)용량 감지용, 및 2)손가락으로부터 반사광을 포토디텍터(2133)쪽으로 직접 연결, 좁히거나 집중시키는 시준기(감지 상부 전극(2134) 상에서 하나 이상의 구멍을 제조함으로써). 감지 상부 전극(2134)을 재사용함으로써 추가적인 금속 층 또는 광 섬유 다발의 필요성을 제거하고 따라서, 각각의 화소 크기를 줄이고 이에 따라 지문 센서 장치(2130)의 전체 크기를 감소시킨다.

도 21b에서, 광 감지 디자인은 도시된 포토디텍터 어레이에서 포토디텍터(2133)에 의해 수집된 이미지의 공간 해상도를 보존하기 위하여 특정 각도(2137)내의 광선만을 선택하기 위하여 포토디텍터(2133)의 상부층(2136) 및 하부 어레이 사이에 형성된 구멍 또는 개구부(2138)를 사용한다. 도 21A에서 섬유 또는 다른 튜브형 광학 시준기와 유사하게, 포토디텍터(2133)의 상부 층(2136) 및 하부 어레이 사이에 형성된 구멍 또는 개구부(2138)는 광 시준기를 구성하여 디스플레이 스크린 구조를 경유하여 상부 투명층으로부터 반사되는 광을 수집하고 광 시준기를 통해 수집된 반사광을 포토디텍터(2133)로 직접 인도하는 동안 상부 투명층의 상이한 위치로부터 빛을 분리하게 된다.

도 22는 각각의 하이브리드 감지 화소 내에 광 센서 및 용량형 센서 모두를 포함하는 예시적인 하이브리드 지문 센서 장치(2200)의 상평면도이다. 지문 센서 장치(2200)는 하이브리드(광 센서 및 용량형 센서 모두를 포함하는) 감지 소자 또는 화소(2222)의 어레이를 포함하는 CMOS 실리콘 칩(2221)으로 구현된다. 대안적으로, 도 22의 레이아웃은 개구부 또는 구멍(2223)이 도 21a 또는 21b에서 광 시준기를 나타내는 이 문서에서 개시된 모든 광 감지 디자인이 될 수 있다. 감지 소자의 크기 또는 치수는 예를 들어, 25 μm 내지 250μm일 수 있다. 하이브리드 센서 장치(2200)는 측면 영역(2224)에 증폭기, ADC 및 버퍼메모리를 포함하는 서포트 회로의 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 하이브리드 센서 장치(2200)는 와이어 본딩(wire bonding) 또는 범프 본딩(bump bonding)(2225)을 위한 영역을 포함할 수 있다. 하이브리드 센서 소자(2222)의 상부 층(2226)은 용량 감지를 위한 금속 전극을 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구부 또는 구멍(2223)은 상부 전극 아래의 포토디텍터 상에서 빛을 내기 위하여 수직 방향으로 광을 전달하는 시준기로서 구조적으로 기능하도록 각각의 상부 금속 전극(23) 상에 제조될 수 있다. 따라서, 상부 층(2226) 구조는 광학성 및 용량성 감지의 이중 목적을 제공할 수 있다. 센서 장치 프로세서는 하이브리드 감지 화소로부터의 화소 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하기 위하여 제공될 수 있다.

용량형 감지를 위한 동일한 구조를 공유하고 시준기로서 수직 방향으로 빛을 집중시키는 것 이외에, 센서 신호 검출 회로의 일례가 광 센서 및 용량형 센서 사이에서 공유되어 포토디텍터 및 용량형 센서 플레이트 둘 모두로부터 센서 신호를 검출할 수 있다.

도 23a는 지문에 대한 용량 감지 및 광 감지 기능을 모두 갖는 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2300)의 예시적 회로도를 도시한다. 예시적 센서 화소(2300)는 포토디텍터(2314) 및 손가락으로부터 용량형 센서 전극(2308)으로부터 용량 결합되는 이미지를 획득하는 광 감지에 기초하는 용량 감지 및 포토디텍터(예를 들어, 포토다이오드)(2314)에 기반하는 감지 상부 전극(예를 들어, 상부 금속층)(2308)으로부터의 센서 신호를 검출하거나 획득하는 것을 선택적으로 스위칭하는 센서 신호 검출 회로(2316)를 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 하이브리드 감지 화소 내의 2개의 감지 메커니즘으로부터의 2개의 이미지는, 센서 신호 검출 회로에 의해 직렬 처리될 수 있다. 도시된 예에서, 스위치(2310 및 2312)는 각각 감지 상부 전극(2308) 및 포토디텍터(2314)에 전기적으로 결합되는 제1 단자를 가지고, 센서 신호 검출 회로(2316)의 공통 입력 단자에 결합되어 해당 광 검출기 신호를 감지 상부 전극(2308)으로부터의 포토디텍터(2314) 및 해당 용량 감지 신호에서 센서 회로 검출 회로(2316)로 제공되는 제2 단자를 갖는다. 스위치(2310)가 꺼지고(CAP_EN=0) 스위치(2312)가 켜질 때(Optical_en=1), 센서 신호 검출 회로(2316)는 특정 하이브리드 감지 화소에서 수신하는 스캐닝 지문의 광학 이미지를 나타내는 광 검출기 신호를 획득한다. 센서 신호 검출 회로(2316)는 스위치(2310) CAP_EN=1 및 Optical_en=0 일 때, 스캐닝 지문의 용량 이미지를 나타내는 용량 감지 신호를 획득할 수 있다. 광학 및 용량 이미지가 획득되었을 때, 둘 모두의 이미지는 다운스트림(downstream) 회로에서 개별적으로 및 조합하여 지문의 특성을 식별하도록 처리될 수 있다.

상기 하이브리드 감지 화소에 의한 2가지 영상 이미지로, 2가지 유형의 이미지의 상이한 방식을 사용하여 지문 식별 성능을 향상시킬 수 있다. 이 향상된 지문 식별은 하이브리드 감지 화소로부터 지문 정보를 추출하기 위해 화소 출력 신호를 처리하는 데, 센서 장치 프로세서(2321)와 같은 센서 장치 프로세서에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 용량 이미지는 지문 특성의 융기 부분 및 골 부분의 깊이에 3D 이미지를 제공할 수 있다. 3D 용량 이미지를 보완하여, 광학 이미지는 손가락 특성에 대한 고해상도 2D 정보를 제공할 수 있다. 더 높은 공간 해상도를 가지는 광학 2D 이미지는 지문의 동일한 융기 부분 상에 이미지 정보를 가지기 때문에, 용량 감지 이미지 해상도를 복구하는 데 사용될 수 있다. 용량 감지 방법이 광학 감지 방법보다 지문의 골 부분을 식별하는 데 더 민감하고 정확할 수 있는 일부 실시예에서, 용량 감지 방법을 사용하여 획득되는 이미지의 공간 해상도는 커버의 두께에 기반하여 저하될 수 있다. 용량 감지의 이러한 측면은 광학 감지에 의해 보완될 수 있다. 동작 시, 센서 응답은 고정될 수 있고 용량형 센서의 포인트 스프레드 기능은 모든 센서 위치에서 고정될 수 있다. 고해상도 광 감지는 해상도 복원 방법으로 사용될 수 있고 3D 이미지를 향상시키기 위하여 용량 감지 이미지에 적용될 수 있다. 광학 감지로부터 일부 고해상도 이미지는 복구 방법을 돕는 것이 가능하다. 따라서, 3D 용량 이미지는 고해상도 2D 이미지에 기반하여 보간 또는 복구함으로써 골 부분 및 융기 부분에 대한 더 많은 정보를 제공하도록 향상될 수 있다.

향상된 3D 이미지는 향상된 지문 인식 및 매칭을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 광학 및 용량 이미지는 함께 저장되어 지문 인식 및 매칭이 수행될 때마다 2개의 비교를 제공할 수 있다. 비교를 위해 2가지 유형의 이미지를 사용하는 것은 지문 감지 시스템의 정확성과 보안성을 향상시킨다.

센서 신호 검출 회로(2316)는 다수의 상이한 회로 디자인을 사용하여 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 적분기 감지 회로(2318)는 모바일 장치의 커버의 지문 센서 장치의 커버에 터치하거나 실질적으로 근처에 있는 융기 부분 및 골 부분에 의하여 발생되는 전하를 저장하도록 구현될 수 있다. 적분기 회로(2318)의 포함은 신호대 잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)를 향상시킨다. 적분기 감지 회로는 예시적인 센서 화소(2300)의 감지 상부 전극(2308) 또는 포토디텍터(2314)에 의해 검출되는, 용량 관련 또는 광학 관련 신호(예를 들어, 전압 신호)와 같은, 센서 신호를 증폭시키는 연산 증폭기(2322)를 포함한다. 다양한 금속들 중 하나와 같은 전도성 재료를 포함하는 감지 상부 전극(2308)은 스위치(2310)를 통해 증폭기(2322)의 음극 또는 반전 단자(2328)에 전기적으로 연결된다. 감지 상부 전극(2108) 및 손가락(2302)의 국소 표면(2302)은 커패시터 Cf(2302)의 반대되는 플레이트로서 기능한다. 커패시터 Cf(2302)의 용량은 손가락의 국소 표면과 감지 상부 전극(2308) 사이의 거리 'd', 커패시터 Cf(2302)의 2개의 플레이트 사이의 거리에 따라 달라진다. 커패시터 Cf(2302)의 용량은 커페시터 Cf(2302)의 2개의 플레이트 사이의 거리 'd'에 반비례한다. 커패시터 Cf(2302)의 용량은 감지 상부 전극(2308)이 손가락의 골 부분과 반대일 때보다 손가락의 융기 부분에 대면할 때 더 크다.

또한, 다양한 기생 또는 다른 커패시터는 예시적 센서 화소(2300)에서 상이한 전도성 소자 사이에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 기생 커패시터 CP(2304)는 감지 상부 전극(2308) 및 장치 접지 단자(2305) 사이에서 형성될 수 있다. 장치 접지는 접지에 밀접하게 결합된다. 다른 커패시터 Cr(2324)는 증폭기(2322)의 출력 도체 및 증폭기(2322)의 음극 또는 반전 단자(2328) 사이에서 형성될 수 있고 증폭기(2322)에 피드백 커패시터로서 기능할 수 있다. 또한, 스위치(2326)는 증폭기(2322)의 출력 및 증폭기(2322)의 음극 또는 반전 단자(2328) 사이에서 결합되어 적분기 회로(2318)를 리셋시킬 수 있다.

증폭기(2322)의 양의 단자는 여기 신호 Vref에 전기적으로 연결된다. 여기 신호 Vref는 각각의 센서 화소 내의 전용 증폭기의 양의 단자에 직접적으로 제공될 수 있다. 여기 신호 Vref를 증폭기(2322)의 양의 단자에 직접적으로 제공함으로써, 예시적 센서 화소(2100)는 능동 센서 화소가 된다. 또한, 여기 신호 Vref를 증폭기(2322)의 양의 단자에 직접적으로 제공하는 것은 센서 칩의 반도체 구조로부터 전도성(예를 들어, 금속) 층을 감소시키는 모든 센서 화소에 공통인 가진전극을 포함할 필요를 제거한다. 일부 실시예에서, 선택적 여기 전극(2306)은 센서 화소의 디자인에 기초한 SNR을 향상시키도록 구현될 수 있다. 또한, 여기 신호 Vref(2330)를 직접적으로 증폭기(2322)에 제공함으로써, 여기 신호 Vref(2322)는 손가락에 직접적으로 적용되지 않아 손가락의 잠재적 자극이나 손상시키는 것을 피할 수 있게 된다. 또한, 손가락에 직접 여기 신호를 적용하는 여기 전극을 사용하지 않을 때, 지문 센서 장치의 모든 구성요소는 단일 패키지 장치에 통합될 수 있고, 지문 센서 장치 전체는 보호 커버 유리 아래에 배치될 수 있다. 지문 센서 장치의 전체가 보호 커버 유리 아래에 배치되면, 지문 센서 장치는 지문 센서를 잠재적으로 손상시킬 수 있는 손가락 및 다른 외부 소자로부터 보호된다.

도 23a에서, 센서 화소(2300) 내의 센서 신호 검출 회로(2316)(예를 들어, 증폭기(2322)의 Vpo)의 출력 신호는 스위치(2320)에 전기적으로 결합되어 출력 신호 Vpo를 센서 화소(2300)로부터 필터를 포함하여 신호 처리 회로에 선택적으로 출력하게 된다. 스위치(2320)는 트랜지스터 또는 다른 스위칭 메커니즘을 사용하여 구현될 수 있고 스위치(2320)의 스위칭을 제어하도록 제어기에 전기적으로 결합된다. 스위치(2320, 2310 및 2312)를 제어함으로써, 센서 화소의 어레이 내의 센서 화소는 광학 신호 및 용량 신호를 획득하는 것 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있다. 하나의 실시예에서, 광학 또는 용량 신호는 어레이 내의 센서 화소의 각 라인, 열 또는 행에 대해 획득될 수 있고, 라인, 열 또는 행에 대하여 다른 종류의 신호를 획득하도록 스위칭될 수 있다. 광학 및 용량 신호 획득 사이의 스위칭은 라인별로 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 신호(용량 또는 광학)의 하나의 유형은, 어레이 내에서 모든 센서 화소 또는 소자에 대해 획득될 수 있고, 이에 따라, 모든 센서 화소 또는 소자에 대해 다른 종류의 신호를 획득하도록 스위칭될 수 있다. 따라서, 상이한 유형의 획득 사이의 스위칭은 전체 어레이에 대해 발생할 수 있다. 센서 신호의 2가지 유형의 획득 사이에서 스위칭의 다른 변형이 구현될 수 있다.

도 23b는 또 다른 예시적 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2340)의 회로도를 도시한다. 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2340)는 동일한 참조 번호를 가지는 구성요소에 대하여 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2300)와 실질적으로 동일하다. 동일한 참조 번호를 가지는 공통 구성요소의 설명에 대해서는, 도 23A의 설명을 참조한다.

하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2340)는 감지 상부 전극(2308)을 구현하여 포토디텍터(2314)(예를 들어, 포토다이오드)를 향하여 반사광(2344)을 맞추거나 좁히는 시준기로서 기능하는 구멍 또는 개구부(2342)를 포함한다. 포토디텍터(2314)는 감지 상부 전극(2308)을 사용하여 구현되는 시준기 아래에 위치되거나 배치되어, 시준기(2308)에 의해 맞춰지는 반사광(2344)을 포착한다.

일부 실시예에서, 센서 신호 검출 회로의 개별 인스턴스가 포토디텍터 및 용량형 센서 플레이트 모두로부터의 센서 신호를 병렬로 검출하기 위하여 광 센서 및 용량형 센서를 포함할 수 있다.

도 23c는 포토디텍터 및 용량형 센서 플레이트로부터의 센서 신호의 병렬 검출을 수행하기 위한 예시적인 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2350)의 회로도를 도시한다. 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2350)는 동일한 참조 번호를 가지는 구성요소에 대하여 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2340)와 실질적으로 동일하다. 동일한 참조 번호를 가지는 공통 구성요소의 설명에 대해서는, 도 23A의 설명을 참조한다.

용량 플레이트 및 포토디텍터 모두로부터의 센서 신호 검출을 병렬로 수행하기 위하여, 하이브리드 지문 감지 소자 또는 화소(2350)는 각각 감지 상부 전극(2308) 및 포토디텍터(2324)에 연결되어 결합하도록 별도의 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)를 포함한다. 센서 신호 검출 회로(2317)는 센서 신호 검출 회로(2316)에 실질적으로 유사하게 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 스위치(2310 및 2312)는 각각 감지 상부 전극(2308) 및 포토디텍터(2314)에 전기적으로 결합되는 제1 단자를 갖도록 배치될 수 있고, 각각의 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)에 결합되어 포토디텍터(2314)로부터의 광 검출기 신호 및 감지 상부 전극(2308)으로부터 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)로 각각 용량 감지 신호를 제공하는 제2 단자를 갖도록 배치될 수 있다. 스위치(2310 및 2312)가 함께 켜지거나 꺼질 때, 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)는 용량 플레이트(2308) 및 포토디텍터(2314)로부터의 센서 신호 검출을 병렬 수행할 수 있다. 스위치(2310 및 2312)가 서로 위상 차로 켜지거나 꺼질 때, 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)는 용량 플레이트(2308) 및 포토디텍터(2314)로부터 센서 신호 검출을 직렬 수행할 수 있다. 또한, 센서 장치 프로세서(2321)는 스위치(2320A)를 통해 직접적으로 또는 간접적으로 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)에 연결되어 결합될 수 있으며, 용량 플레이트(2308) 및 포토디텍터(2314)로부터 검출된 센서 신호를 병렬 또는 직렬로 처리한다.

개시된 기술의 다른 측면에서, 도 21a, 21b, 22, 23a 및 23b에 대하여 설명되는 광학 센서는, 심장의 심장박동 및 펌핑 작용에 의한 손가락의 혈류 변동에 의해 야기되는 시간에 따른 반사광 강도 변화를 측정함으로써 인간의 심장 박동을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이 정보는 손가락에 의해 반사되고, 흩어지거나 확산되고 광 검출기 신호에 의해 운반되는 반사광에 포함된다. 따라서, 광 센서는 인간의 심장박동을 측정하기 위하여 지문의 광학 이미지를 획득하는 것을 포함하는 다수의 기능을 수행할 수 있다. 실시예에서, 센서 장치 프로세서는 심장박동 정보를 추출하기 위하여 하나 이상의 광 검출기 신호를 처리하는 데 사용된다. 이 센서 장치 프로세서는 지문 정보를 추출하기 위하여 광학 감지 화소 또는 하이브리드 감지 화소로부터의 화소 출력 신호를 처리하는 동일한 센서 장치 프로세서일 수 있다.

도 24a, 24b, 24c 및 24d는 광 센서 및 용량형 센서를 포함하는 하이브리드 지문 센서에 의해 지문 감지를 수행하는 프로세스(2400)의 예시적 프로세스 처리도를 나타낸다. 지문 센서 장치에 의해 형성된 방법(2400)은, 지문 스캔(2402)을 나타내는 손가락으로부터의 터치와 관련된 용량을, 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로의 어레이에 의해 검출하는 것을 포함한다. 이 방법은 지문 센서 장치 내의 센서 화소 회로의 어레이에 의해 손가락(2404)으로부터 반사되는 빛과 관련된 광 신호를 검출하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 센서 화소 회로의 어레이에 의해, 검출된 용량 및 광 신호(2406)에 응답하는 출력 신호를 출력하는 단계를 포함한다. 출력 신호는 지문 식별(2408)을 수행하기 위해 처리될 수 있다. 출력 신호(2408)을 처리하는 단계는 지문(2410)의 지문 및 용량 이미지의 광학 이미지를 획득하는 출력 신호를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 획득된 광학 이미지 및 용량 이미지는 지문 식별(2412) 동안, 스캐닝 된 지문을 비교하도록 등록된 지문 이미지의 2가지 유형으로 저장될 수 있다. 출력 신호(2408)을 처리하는 단계는 용량 이미지(2414)내의 지문의 융기 부분 상에 정보를 복구하기 위해 광학 이미지를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 출력 신호는 센서 화소 회로(2416)의 어레이에 대하여 통합될 수 있다. 통합은 어레이 내에서 모든 센서 화소 회로가 출력 신호를 병렬 통합하는 단계를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 지문 및 다른 감지 기능의 광 감지의 일부 실시예에서, 광 감지 모듈은 광 센서 모듈이 디스플레이 스크린과 구별되는 구조인 디스크리트 장치 형태로 패키징될 수 있으며, 일부 모바일 폰 디자인에서 상부 유리 커버의 개구부 내의 지문 센서 구조와 같은 버튼과 같은 디스플레이 스크린과의 구조적 보더 또는 경계를 갖는다. 도 25a 및 25b는 광 센서 모듈이 별도의 구조로서 디스플레이 스크린 어셈블리(10) 외부에 있는 모바일 폰, 태블릿 또는 다른 장치에 대해 그러한 디자인의 예를 도시한다. 상부 커버 유리 층(50)은 광 센서 모듈의 적어도 상부 구조를 수용하기 위한 개구 또는 관통 구멍(2510)을 포함하도록 제조된다. 이 개구 또는 관통 구멍(2510)은 버튼과 같은 원형, 도 25a에서 나타난 기다란 직사각형과 같은 직사각형 형태와 같은 원하는 형태이거나 다른 적절한 형태일 수 있다.

광학 센서 모듈은 도 25a 및 25b에서 라인 BB'에 따른 단면도로 나타난다. 광학 검출 어레이(23) 위에는, 수신 광학기(24)(예를 들어, 광학 렌즈 또는 광 시준기), 광학기(24) 위의 광학 투명층 또는 구멍(31) 및 지문 감지 및 다른 광 감지를 위한 광학 입력 인터페이스를 형성하는 상부 광학 투명층(2520)이 있다. 통합된 회로를 가지는 백보드(25)는 검출기 어레이(23) 아래에 배치된다. 일부 실시예에서, 검출기 어레이(23)는 백보드(25)에 통합될 수 있다. 백보드(25)는 연성회로기판(FPC)(27) 위에 배치될 수 있다.

도 25a를 참조하면, 검출기 어레이(23)는 지문 및 지문 특성 검출을 위한 검출기 어레이(23)의 중심 영역에 배치되는 지문 검출기 영역(33)을 포함하는 상이한 검출기 영역 내에 배치되는 다수의 검출기 소자를 포함하고 도 1의 (c)에서 도시된 추가적 검출기 영역(41 및 43)에 있는 다른 광학 감지 기능에 대한 하나 이상의 추가적 검출기 영역(41 및 43)은, 환경 그리고 환경 및 혈류 검출을 위한 혈류 검출기 영역(41 및 43)일 수 있다. 또한, 참조 번호(37 및 39)는 추가적 광학 감지 예를 들어, 혈류 속도 또는 포도당 레벨을 감지하기 위한 사용자의 손가락을 비추는 적색광 또는 원하는 스펙트럼 범위의 빛을 방출하기 위한 원하는 조명을 제공하기 위한 광학 조명 영역을 나타낸다.

개시된 기술은 스마트폰, 태블릿, 랩톱, 휴대용 게임기, 휴대용 컨트롤러 및 보안 액세스를 사용하는 다른 전자 장치에서 지문 센서를 구현하는 데 적용될 수 있다. 개시된 기술에 기초한 장치에서, 제어 프로세서를 포함할 수 있는 제어 회로는, 예를 들어 광학 지문 감지 및 다른 제어 기능 및 동작에서 조명광의 변조와 같은 개시된 제어 동작을 제공하는 데 사용될 수 있다.

본 명세서는 많은 세부 사항을 포함하지만, 이들은 임의의 발명 또는 청구될 수 있는 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안되며, 오히려 특정 발명의 특정 실시예에 특정될 수 있는 특징에 대한 설명으로 해석되어야 한다. 별도의 실시예와 관련하여 본 명세서에 기술된 특정 특징은 또한 단일 실시예에서 조합하여 구현될 수 있다. 다르게는, 단일 실시예의 문맥에서 설명된 다양한 특징들은 또한 다수의 실시예에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 서브조합으로 구현될 수 있다. 또한, 특징들이 특정 조합으로 작용하고 초반에는 그러한 것으로 주장되는 경우도 상기에서 설명될 수 있지만, 청구된 조합으로부터 하나 이상의 특징은 일부 경우에 조합으로부터 제거될 수 있으며, 청구된 조합은 서브조합 또는 서브조합의 변형으로 인도될 수 있다.

유사하게, 동작들이 특정 순서로 도면들에 도시되어 있지만, 이는 그러한 동작들이 도시된 특정 순서 또는 순차적 순서로 수행되거나, 또는 원하는 결과를 달성하기 위하여 모든 예시 동작들이 수행될 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안된다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예에서 다양한 시스템 구성요소의 분리는 모든 실시예에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안된다.

단지 일부 실시예 및 예시만이 설명되고, 다른 실시예, 개선 및 변형은 본 명세서에서 설명되고 도시된 것에 기초하여 이루어질 수 있다.

Claims (61)

1. 터치 감지 및 지문 감지 능력을 가지는 전자 장치로서,
   터치 감지 기능을 제공하고, 이미지를 디스플레이하기 위한 빛을 생성하는 터치 스크린;
   상기 터치 감지 기능을 위해 사용자에 의해 접촉되는 인터페이스로서 상기 터치 스크린 위에 형성되는 상부 투명층; 및
   상기 터치 스크린 아래에 위치하여 상기 상부 투명층으로부터 되돌아오고 상기 터치 스크린을 통해 전달되는 귀환광을 수신하는 광 센서 모듈
   을 포함하고,
   상기 터치 스크린은 특정 디스플레이 영역을 포함하고, 상기 특정 디스플레이 영역 내의 하나 이상의 디스플레이 화소는 상기 귀환광을 생성하기 위해, 상기 상부 투명층과 접촉한 사용자의 손가락을 비추기 위한 빛을 생성하기 위해 사용되고,
   상기 광 센서 모듈은,
   상기 특정 디스플레이 영역에 겹치거나 부분적으로 겹치는 지문 센서 영역을 포함하고,
   지문을 검출하기 위하여 상기 귀환광의 적어도 일부를 수신하도록 배치된, 상기 지문 센서 영역 내의 포토디텍터(photodetector)로 된 광 검출기 어레이를 포함하는,
   전자 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광 센서 모듈은, 상기 터치 스크린 및 상기 광 검출기 사이에 위치한 광 시준기(optical collimator) 어레이를 포함하며, 상기 귀환광 중 수신된 빛을 상기 광 시준기를 통해 상기 포토디텍터로 인도하는,
   전자 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광 시준기는 광섬유를 포함하는,
   전자 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 광 시준기는 하나의 층 및 상기 층을 관통하는 홀의 어레이를 포함하는,
   전자 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 터치 스크린은, 상기 귀환광을 생성하기 위해, 상기 상부 투명층과 접촉한 사용자의 손가락을 비추기 위한 빛을 생성하는 디스플레이 화소를 포함하는,
   전자 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 터치 스크린의 디스플레이 화소로부터 분리되고, 상기 귀환광을 생성하기 위해 상기 상부 투명층과 접촉한 사용자의 손가락을 비추는 조명광을 생성하는 하나 이상의 조명 광원을 더 포함하는 전자 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 터치 스크린은,
   사용자가 지문 감지를 위해 접촉하는 영역으로서, 지문을 검출하기 위해 상기 광 검출기 어레이에 의해 수신된 상기 귀환광을 생성하는 지문 감지 영역;
   제1 광 감지 영역; 및
   제2 광 감지 영역
   을 포함하고,
   상기 광 센서 모듈은,
   상기 제1 광 감지 영역으로부터 상기 귀환광의 일부를 수신하기 위해 상기 광 검출기 어레이의 제1 측에 위치하는 제1 부가 광 검출기; 및
   상기 제2 광 감지 영역으로부터 상기 귀환광의 일부를 수신하기 위해 상기 광 검출기 어레이의 반대쪽의 제2 측에 위치하는 제2 부가 광 검출기
   를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 부가 광 검출기는, 살아있는 사람의 손가락으로부터 상기 귀환광이 반사되는지 여부를 나타내는 검출기 신호를 생성하는,
   전자 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 부가 광 검출기는, 살아있는 사람의 심장 박동을 나타내는 검출기 신호를 제공하는,
   전자 장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 부가 광 검출기는, 살아있는 사람의 혈류 속도를 나타내는 검출기 신호를 제공하는,
   전자 장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 광 센서 모듈은, 상기 터치 스크린 및 상기 광 검출기 어레이 사이에 위치하는 광 시준기의 어레이를 포함하며, 상기 귀환광의 수신된 일부를 상기 광 시준기를 통해 상기 포토디텍터로 안내하는,
    전자 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 터치 스크린은, 상기 귀환광을 생성하기 위해, 상기 상부 투명층과 접촉한 사용자의 손가락을 비추기 위한 빛을 생성하는 디스플레이 화소를 포함하고,
    상기 터치 스크린은, 사용자가 지문 감지를 위해 접촉하는 영역으로서, 하나 이상의 디스플레이 화소로부터 조명광을 수신하는 지문 감지 영역을 포함하고,
    상기 하나 이상의 디스플레이 화소는, 상기 상부 투명층에서 상기 조명광이 전반사로 진행하고 전반사로 반사된 광을 지문 검출을 위해 상기 광 검출기 어레이로 향하도록 하는 방식으로, 상기 지문 감지 영역에 조명광을 생성하도록 배치되는,
    전자 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 광 센서 모듈에 의한 지문 감지에서 조명광을 제어하는 제어부를 더 포함하는
    전자 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 지문 감지에서 상기 조명광을 변조하는,
    전자 장치.
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