KR20160144135A - 지문 검출 장치 및 지문 검출 방법 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따르면, 일 이상의 고정 연결 전극을 포함하며, 복수개의 행과 열로 배치되는 복수개의 센싱 전극; 상기 고정 연결 전극과 일측의 입력단이 고정적으로 연결되며, 상기 센싱 전극의 개수보다 적은 복수개의 증폭기; 및 인접 센싱 전극 간에 배치되고 각각의 센싱 전극에 동일한 개수로 연결되며, 제어에 따라 상기 센싱 전극을 상기 증폭기의 일측의 입력단에 직접 또는 간접적으로 연결하는 복수개의 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.

Description

지문 검출 장치 및 지문 검출 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FINGERPRINT}

본 발명은 지문 검출 장치 및 지문 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지문 검출의 정확도를 향상시킴과 동시에 안정적인 해상도를 유지할 수 있고, 설계 또한 간소화된 지문 검출 장치 및 지문 검출 방법에 관한 것이다.

지문의 무늬는 사람마다 다르기 때문에, 개인 식별 분야에 많이 이용되고 있다. 특히, 지문은 개인 인증 수단으로서 금융, 범죄수사, 보안 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 지문을 인식하여 개인을 식별하기 위해 지문 인식 센서가 개발되었다. 지문 인식 센서는 사람의 손가락을 접촉하고 손가락 지문을 인식하는 장치로서, 정당한 사용자인지 여부를 판단할 수 있는 수단으로 활용되고 있다.

최근에는 모바일 시장에서도 개인 인증 및 보안 강화의 필요성이 급격히 증대되고 있으며, 모바일을 통한 보안 관련 사업이 활발히 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 지문 검출 장치는 복수의 행과 열을 이루는 복수 개의 지문 센서 소자(10)로 이루어지는 센서 어레이(1)를 포함한다. 각각의 지문 센서 소자(10)는 수평 스캔부(20)와 수직 스캔부(30)에 의해 인에이블되어 지문 검출과 관련된 신호를 출력한다. 지문 센서 소자(10)로부터의 신호는 버퍼(40)를 통해 출력된다. 버퍼(40)는 일 열의 지문 센서 소자(10)마다 하나씩 배치된다. 즉, 하나의 열에 배치된 지문 센서 소자(10)로부터의 신호가 하나의 버퍼(40)를 통해 출력된다.

도 2는 도 1에 도시된 지문 센서 소자(10) 각각에 대한 회로도를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 각각의 지문 센서 소자(10)는 센싱 전극(11) 및 증폭기(A)를 포함한다. 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)은 센싱 전극(11)과 연결되고, 제2 입력단에는 기준 전위(Vref)가 입력된다. 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에는 피드백 정전용량(Cfb)이 연결된다.

손가락이 접촉되면, 외부 구동 신호에 따른 손가락으로부터의 응답 신호가 센싱 전극(11)을 통해 증폭기(A)의 제1 입력단(N1)으로 입력된다. 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)은 센싱 전극(11)과 손가락 사이에 형성되는 정전용량에 따라 달라지는데, 센싱 전극(11)과 손가락 사이의 정전용량은 해당 센싱 전극(11)에 손가락의 융선(ridge)이 닿는지 또는 골(valley)이 닿는지에 따라 다르게 형성되기 때문에, 증폭기(A)의 출력 전압(Vout)을 확인함으로써 해당 센싱 전극(11)에 손가락 지문의 어떠한 부분이 닿는지를 판단할 수 있다.

센싱 전극(11)에 손가락의 융선이 닿는 경우와 골이 닿는 경우 각각의 출력 전압(Vout) 차이가 클수록 지문 검출의 정확도는 향상되게 된다. 이를 위해서는, 센싱 전극(11)에 융선이 닿을 때 형성되는 정전용량과 골이 닿을 때 형성되는 정전용량의 차가 커야 한다.

이를 위해서는 센싱 전극(11)과 손가락 간의 간격을 좁히는 방법, 센싱 전극(11)과 손가락 사이에 존재하는 유전율을 증가시키는 방법, 센싱 전극(11)의 크기를 증가시키는 방법 등이 있을 수 있다.

그러나, 센싱 전극(11)과 손가락 간의 간격 단축에는 한계가 존재하고, 재료의 유전율을 증가시키는 방법은 한정적이며 고비용을 초래하는 문제점을 야기시킨다. 또한, 센싱 전극(11)의 크기를 증가시키게 되면 지문 검출의 해상도가 저하되기 때문에, 통상적으로는 약 50×50㎛의 크기로 센싱 전극(11)을 형성할 수밖에 없는 한계점이 존재한다.

또한, 각각의 센싱 전극(11)마다 하나씩의 증폭기(A)가 연결되어야 하므로, 증폭기(A)가 센싱 전극(11)의 크기 내에서 구현되어야 하는 문제점도 존재하였다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지문의 융선과 골을 명확하게 구별하며, 피사체로부터의 응답 신호 손실을 최소화하여 지문 검출의 정확성을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 지문 검출 정확도를 향상시키면서도 해상도를 안정적으로 유지하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 지문 검출 장치에 활용되는 증폭기의 개수를 최소화시켜, 전체 회로 설계를 간소화하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 일 이상의 고정 연결 전극을 포함하며, 복수개의 행과 열로 배치되는 복수개의 센싱 전극; 상기 고정 연결 전극과 일측의 입력단이 고정적으로 연결되며, 상기 센싱 전극의 개수보다 적은 복수개의 증폭기; 및 인접 센싱 전극 간에 배치되고 각각의 센싱 전극에 동일한 개수로 연결되며, 제어에 따라 상기 센싱 전극을 상기 증폭기의 일측의 입력단에 직접 또는 간접적으로 연결하는 복수개의 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.

적어도 하나의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며, 센싱 그룹 마다 상기 고정 연결 전극과 가장 먼 거리에 위치한 센싱 전극이 상기 고정 연결 전극에 연결된 증폭기와 연결되기 위한 경로에 포함되는 스위치의 개수는 동일하거나, 1개 이하의 차이를 보이는 것이 바람직하다.

적어도 하나의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며, 일부가 중첩적으로 지정되는 상기 센싱 그룹의 중심점 간 거리는 상기 센싱 전극 간의 거리와 동일한 것이 바람직하다.

N×M(N 또는 M 중 적어도 하나는 2 이상의 정수)의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며, 행 방향으로 M개, 열 방향으로 N개 마다 하나씩의 센싱 전극은 상기 고정 연결 전극으로서 배치될 수 있다.

적어도 하나의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며, 상기 센싱 그룹에 속하는 복수개의 센싱 전극은 일 이상의 상기 스위치를 통해 상기 고정 연결 전극과 연결된 증폭기의 입력단에 병렬로 연결될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 증폭기의 입력단과 고정적으로 연결되는 일 이상의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극으로 이루어지며, 상호 일부가 중첩되게 지정되는 복수개의 센싱 그룹; 및 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 상기 센싱 그룹 각각의 복수개의 센싱 전극을 상기 증폭기의 일측의 입력단에 직접 또는 간접적으로 연결시키기 위해 인접 센싱 전극 간에 배치되며, 각각의 센싱 전극에 동일한 개수로 배치되는 복수개의 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 최상위층에 배치되어, 센싱 그룹 단위로 활성화되는 복수개의 센싱 전극; 상기 센싱 전극의 개수보다 적게 구비되며, 입력단이 상기 센싱 그룹 내에서 특정 센싱 전극과 고정적으로 연결되고 나머지 센싱 전극과는 직접 또는 간접적으로 연결되는 복수개의 증폭기; 제1 금속층에 배치되며, 상기 증폭기의 입력단과 연결되는 일 이상의 제1 피드백 정전용량 전극; 상기 제1 금속층과 다른 층의 제2 금속층에 배치되며, 상기 증폭기의 출력단과 연결되는 일 이상의 제2 피드백 정전용량 전극; 및 상기 나머지 센싱 전극들을 상기 증폭기의 입력단에 직접 또는 간접적으로 연결시키기 위해 배치되며, 각각의 센싱 전극에 동일한 수로 연결되는 복수개의 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전체 센서 어레이에서 고정 연결 전극을 포함하여 복수개의 센싱 전극을 일부가 중첩되도록 센싱 그룹으로 지정하여, 상기 센싱 그룹을 활성화하는 단계; 상기 각 센싱 그룹마다 모든 센싱 전극들을 상기 고정 연결 전극과 연결된 증폭기의 입력단과 직접 또는 간접적으로 연결시키는 복수개의 스위치 중 상기 각 센싱 그룹에 속한 센싱 전극들의 스위치를 온 상태로 전환시키는 단계; 상기 각 센싱 그룹마다 해당 센싱 그룹에 속하는 복수개의 센싱 전극으로부터의 응답 신호가 상기 증폭기로 입력되도록 하는 단계; 및 상기 전체 센서 어레이로부터 얻은 상기 증폭기의 출력 신호를 기초로 지문 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 지문 검출 방법이 제공된다.

상기 센싱 그룹은, 인접한 센싱 그룹의 중심점 간 간격이 상기 센싱 전극 간 간격과 동일해지도록 지정될 수 있다.

상기 센싱 전극마다 직접적으로 연결된 상기 스위치의 개수가 동일할 수 있다.

본 발명에 따르면, 단위 지문 검출 동작 시 사용되는 센싱 전극의 면적이 넓어지는 것과 같아지기 때문에, 지문의 융선과 골을 명확하게 구별할 수 있고, 피사체로부터의 응답 신호 손실이 최소화될 수 있으며, 이에 따라 지문 검출의 정확성이 향상될 수 있다. 또한, 센싱 전극의 면적이 넓어지는 효과를 얻을 수 있기 때문에, 저유전율 재료로 보호층을 구현할 수도 있고, 보호층이 상대적으로 두꺼워도 피사체로부터의 응답 신호 손실을 막을 수 있다.

본 발명에 따르면, 지문에 대한 센싱 전극의 면적을 넓히면서도 복수개의 센싱 전극을 상호 중첩적으로 활성화하여 지문 검출 동작을 수행하기 때문에 지문 검출 해상도를 확보할 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 단위 지문 검출 동작의 대상이 되는 센싱 그룹마다 하나씩의 증폭기만 필요하게 되므로, 지문 검출 장치에 활용되는 증폭기의 개수가 최소화된다.

도 1은 일반적인 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 지문 센서 소자 각각에 대한 회로도를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치에 있어서 센서 어레이의 구조도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 회로 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 도면에서 일부 스위치를 동작시켰을 때의 등가 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 전극 간 스위치 연결 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 지문 검출 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 효과를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 통상적인 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 방식으로의 지문 검출 결과를 비교하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 장치에 있어서 센서 어레이의 구조도를 나타내는 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 센서 어레이(100)는 복수개의 행과 열을 이루며 배치되는 센싱 전극(110)을 포함하여 구성된다. 또한, 각각의 센싱 전극(110)은 도 3 및 도 4에 도시된 스위치(SW) 연결 패턴과 같이, 인접한 센싱 전극(110)과 스위치(SW)를 통해 연결 또는 차단될 수 있다. 구체적으로, 각각의 센싱 전극(110)은 인접한 센싱 전극(110) 중 적어도 하나와 스위치(SW)를 통해 연결 또는 차단될 수 있다.

스위치(SW)는 BJT(Bipolar Jucntion Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 등으로 구현될 수 있으며, 이 외에도 제어 신호를 가하여 인접한 센싱 전극(110)들을 연결 또는 차단할 수 있다면, 본 발명의 스위치(SW)로서 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 지문 검출 장치에 있어서는 인접한 복수개의 센싱 전극(110)들이 일회의 지문 검출 동작의 대상이 된다. 설명의 편의를 위해, 3×3형태로 센싱 전극을 활성화하는 경우를 예로 들어 설명하나 본 발명의 범위가 이에 한정되지는 아니하고, 2×2 또는 K×K(K는 2이상의 정수) 형태로 센싱 전극을 활성화할 수 있다. 도 3 및 도 4에서 파선으로 표시된 영역 내의 3×3형태, 즉, 활성화되는 9개의 센싱 전극(110)들이 단위 지문 검출 동작 대상이 될 수 있다. 이하에서는, 단위 지문 검출 동작의 대상이 되는 복수개의 센싱 전극(110)을 '센싱 그룹'이라 칭하기로 한다.

지문 검출 동작은 센싱 전극(110)과 손가락 지문 간의 정전용량 변화에 기초하여 이루어진다. 즉, 센싱 전극(110)과 지문의 융선(ridge) 간에 형성되는 정전용량, 센싱 전극(110)과 지문의 골(valley) 간에 형성되는 정전용량의 차이에 기초하여 이루어지는데, 그 정전용량 차이를 증가시킬수록 지문 검출의 감도가 향상되게 된다.

정전용량 차이를 증가시키기 위해서는 센싱 전극의 면적을 증가시키는 것이 효과적인데, 본 발명의 실시예에서는, 복수개의 센싱 전극(110)으로 구성되는 센싱 그룹을 단위 지문 검출 동작의 대상으로 하기 때문에, 단일 센싱 전극(110)만을 지문 검출 동작의 대상으로 하는 경우에 비해 손가락과의 관계에서 형성되는 정전용량의 크기가 증가되는 효과를 얻게 된다. 구체적으로, 하나의 센싱 그룹이 N개(N은 1이상의 자연수)의 센싱 전극(110)으로 구성된다면, 손가락과의 관계에서 형성되는 정전용량은 단일 센싱 전극(110)을 대상으로 지문 검출 동작을 하는 경우에 비해 N 배 증가하게 되며, 이에 따라 지문 검출의 감도가 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 센싱 그룹들을 상호 중첩적으로 활성화하여 지문 검출 동작을 수행함으로써 손가락 지문의 융선과 골에 대한 지문 이미지의 해상도를 유지할 수 있다.

구체적으로는, 상호 인접한 센싱 그룹의 중심점 간 간격을 센싱 전극(110) 간의 거리 단위로 활성화 함으로써, 단일 센싱 전극(110)에 대해 지문 검출 동작을 실시하는 경우와 동일한 해상도를 유지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 동작에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.

지문 이미지 획득은 센싱 그룹에 의해 획득된 신호를 입력받은 증폭기의 출력 전압에 기초하여 이루어지기 때문에, 하나의 센싱 그룹에 속하는 복수개의 센싱 전극(110)들은 하나의 증폭기와 연결된다.

이를 위해, 하나의 센싱 그룹에 속하는 복수개의 센싱 전극(110) 중 적어도 하나(도 3 및 도 4에서 'a'로 표시된 센싱 전극)는 증폭기와 고정적으로 연결되며, 나머지 센싱 전극(110)들은 증폭기와 연결되는 센싱 전극(110)과 직접 또는 간접적으로 연결된다. 직접 연결된다는 것은 센싱 전극(110)들이 하나의 스위치(SW)로서 연결된다는 것을 의미하고, 간접 연결된다는 것은 제1 및 제2 센싱 전극(110)이 제3 센싱 전극(110)과 연결되어 있는 스위치(SW)를 포함하여 둘 이상의 스위치(SW)를 통해 연결된다는 것을 의미한다.

이하, 센싱 전극(110)들의 연결 방법에 대해 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 전극(110) 간 연결 방식을 설명하기 위한 지문 검출 장치의 회로 구성을 나타내는 단면도이다.

도 5를 참조하면, 증폭기(A1, A2)는 소정의 센싱 전극들(110a~110d) 중 어느 하나와 고정적으로 연결되고, 나머지 센싱 전극들과 스위치를 통해 선택적으로 연결된다. 보다 상세히 설명하면, 최상위 금속층(M4)에 복수개의 센싱 전극(110a~110d)이 배치되는데, 제1 내지 제4 센싱 전극(110a~110d) 중 제3 센싱 전극(110c) 및 제4 센싱 전극(110d)이 증폭기(A1, A2)의 입력단(N1)과 고정적으로 연결된다는 것을 알 수 있다. 이러한 의미에서 제3 센싱 전극(110c) 및 제4 센싱 전극(110d)을 '고정 연결 전극'이라 칭할 수도 있다.

구체적으로, 제3 센싱 전극(110c)은 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N1)과 연결될 수 있고, 제4 센싱 전극(110d)은 제2 증폭기(A2)의 제1 입력단(N1)과 연결될 수 있다. 이 때 제1 센싱 전극(110a), 제2 센싱 전극(110d)은 선택적으로 스위치(SW1~SW3)를 통해 제1 증폭기(A1) 또는 제2 증폭기(A2)의 제1 입력단(N1)과 연결될 수 있다. 증폭기(A1, A2)의 제2 입력단(N2)은 도 5에 도시되는 바와 같이 그라운드 전위와 연결되거나, 기준 전압 공급단과 연결될 수 있다.

증폭기(A1, A2)와 스위치(SW1~SW3)는 액티브 영역(Active area)에 형성되며, 증폭기(A1, A2)는 센싱 전극(110a~110d)들로부의 신호를 증폭시켜 출력 전압을 생성해내는데, 이를 위해 제1 입력단(N1)과 출력단(N3) 사이에는 피드백 정전용량이 형성되어야 한다. 피드백 정전용량은 액티브 영역(Active area)의 상부에 형성되는 제1 금속층(M1)의 제1 피드백 정전용량 전극(Efb1)과, 상기 제1 금속층(M1)의 상부에 위치하는 제2 금속층(M2)에 배치된 제2 피드백 정전용량 전극(Efb2)에 의해 형성된다.

제1 금속층(M1)과 제2 금속층(M2) 사이에는 소정의 유전율을 갖는 재료가 충진될 수 있는데, 이에 의해 제1 피드백 정전용량 전극(Efb1)과 제2 피드백 정전용량 전극(Efb2) 사이에 일정 정전용량이 형성되게 된다. 증폭기(A1, A2)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N3)이 각각 제1 피드백 정전용량 전극(Efb1)과 제2 피드백 정전용량 전극(Efb2)에 연결됨으로써, 증폭기(A1, A2)에는 피드백 정전용량이 형성된다. 또 다른 실시예에 따라 제1 금속층(M1) 및 제2 금속층(M2) 및 이에 배치되는 제1 피드백 정전용량 전극(Efb1) 및 제2 피드백 정전용량 전극(Efb2)은 MIM(Metal Insulator Metal) 공법으로도 제조될 수 있다.

한편, 증폭기(A1, A2)의 피드백 정전용량을 형성하기 위한 제1 피드백 정전용량 전극(Efb1)과 제2 피드백 정전용량 전극(Efb2)의 배치 위치는 상호 교환될 수도 있으며, 적어도 하나가 최상위 금속층(M4) 또는 제2 금속층(M2)과 최상위 금속층(M4) 사이에 형성되는 다른 금속층(M3) 등 다른 위치에 배치될 수도 있다.

예를 들어, 전체 구성의 구현을 위한 기술적 프로세스 또는 필요 등에 따라 제1 피드백 정전용량 전극(Efb1) 및 제2 피드백 정전용량 전극(Efb2)은 각각 제2 금속층(M2)과 제3 금속층(M3)에 배치될 수고 있고, 제3 금속층(M3) 및 최상위 금속층(M4)에 배치될 수도 있다.

제2 센싱 전극(110b)과 제3 센싱 전극(110c)은 상호 간에 형성되어 있는 제2 스위치(SW2)를 통해 연결된다. 즉, 상호 간에 형성되어 있는 스위치를 통해 연결되는데, 이를 직접 연결된다고 표현하기로 한다. 한편, 제1 센싱 전극(110a)과 제3 센싱 전극(110c) 사이에는 스위치가 형성되어 있지 않지만, 제1 센싱 전극(110a)은 제2 센싱 전극(110b)과 연결되어 있는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW1)를 통해 제3 센싱 전극(110c)과 간접적으로 연결될 수 있다.

또한, 제4 센싱 전극(110d)은 제2 증폭기(A2)의 제1 입력단(N1)과 고정적으로 연결되지만, 제3 스위치(SW3)를 통해 제3 센싱 전극(110c)과도 연결될 수 있다.

스위치(SW1~SW3)를 통해 상호 연결된 센싱 전극(110a~110d)들은 증폭기(A1, A2)의 제1 입력단(N1)에서 바라보았을 때 서로 병렬로 연결된 것으로 등가화시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 하나의 센싱 그룹에는 증폭기(A1, A2)와 고정적으로 연결된 센싱 전극(110c, 110d)이 일 이상 존재하여야 하는데, 해당 센싱 그룹에 속하는 센싱 전극(110a~110d)들이 어떠한 경로로든 증폭기(A1, A2)와 연결된 센싱 전극(110c, 110d)과 연결될 수 있도록 스위치(SW1~SW3)가 배치된다면, 결과적으로 해당 센싱 그룹에 속하는 센싱 전극(110a~110d)들은 증폭기(A1, A2)와 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다.

각각의 스위치(SW1~SW3)는 칩 외부 제어에 의해 병렬적으로 온/오프가 제어될 수도 있지만, 시프트 레지스터 등을 통해 순차적으로 온/오프 제어가 될 수도 있다. 시프트 레지스터를 사용하는 경우에는 각 스위치(SW1~SW3)마다 제어 회로를 구비할 필요가 없어지기 때문에, 회로 구성이 간소화될 수 있어, 센서 어레이의 면적이 커지는 경우에 유리해진다. 또한, 시프트 레지스터를 활용한 순차적 제어 방식에 따르면, 일회의 시프트 연산만으로 인접한 센싱 그룹을 대상으로 하는 스위치 제어가 가능하여, 초기 스위치 제어를 제외한 이후의 스위치 제어에 있어서는 그 시간이 단축될 수 있고, 이에 따라 스위치 제어에 소요되는 시간이 절약될 수 있다.

도 6는 도 5에 도시한 도면에서 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 온 상태로 전환시켰을 경우, 즉, 제2 센싱 전극(110b)과 제3 센싱 전극(110c)은 제2 스위치(SW2)를 통해 직접 연결시키고, 제1 센싱 전극(110c)과 제3 센싱 전극(110c)은 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)를 통해 간접적으로 연결시킨 경우의 등가 회로도를 나타낸다.

도 6에서, 제1 내지 제3 센싱 정전용량(Cf1~Cf3)은 각각 도 5에서의 제1 내지 제3 센싱 전극(110a~110c)과 손가락 간에 형성되는 정전용량을 의미한다. 또한, 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb)은, 도 5에서 제1 피드백 정전용량 전극(Efb1)과 제2 피드백 정전용량 전극(Efb2)에 의해 형성되는 정전용량을 의미한다.

도 6을 참조하면, 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)가 온 상태로 전환됨에 따라 제1 내지 제3 센싱 전극(110a~110c) 각각과 손가락 간에 형성되는 센싱 정전용량(Cf1~Cf3)이 증폭기(A1)의 제1 입력단(N1)을 기준으로 상호 병렬 연결된 것으로 등가화시킬 수 있다.

따라서, 증폭기(A1)의 제1 입력단(N1)에 연결되는 정전용량은 제1 내지 제3 센싱 정전용량(Cf1~Cf3)의 합이 되고, 증폭기(A1)의 출력 신호(Vout)는 그에 비례하여 커지게 된다.

증폭기(A1)로부터의 출력 신호(Vout)는 일정 기준에 따른 변환, 필터링, 기 설정된 프로그램에 따른 증폭, 디지털 신호로의 변환 중 적어도 하나의 과정을 거친 후, 메모리에 저장된다. 메모리에 저장된 값들은 신호처리되어 지문 이미지 형성에 필요한 정보로 생성된다.

이하에서는 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어레이에서의 스위치 배치 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 7에서 작은 사각형으로 표시된 지점은 복수개의 센싱 전극 각각이 배치되는 지점을 나타낸 것으로, 해당 센싱 전극의 무게 중심점을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 원으로 표시된 지점은 증폭기와 고정적으로 연결된 센싱 전극, 즉, 고정 연결 전극이 배치되는 위치를 의미한다. 그리고, 각각의 실선은 스위치를 의미하는 것으로, 도 7에서는 센서 어레이에 배치되는 스위치 중 일부만을 도시하였다.

도 7에서의 증폭기 배치는 3×3=9개의 센싱 전극이 하나의 센싱 그룹을 이루는 실시예를 가정한 것이다. 전술한 바와 같이, 해상도 확보를 위해 인접한 센싱 그룹은 그 중심점 간 거리가 단일 센싱 전극 간의 거리와 동일해지도록 설정되는 것이 바람직하므로, 센싱 그룹이 N×M개의 센싱 전극으로 이루어지는 경우, 행 방향으로는 M개마다 하나씩, 열 방향으로는 N개마다 하나씩의 센싱 전극이 증폭기와 고정적으로 연결되어야 한다. 따라서, 3×3=9개의 센싱 전극이 하나의 센싱 그룹을 이루는 경우에는, 행 방향 및 열 방향으로 3개마다 하나씩의 센싱 전극이 증폭기와 고정적으로 연결되어야 한다. 물론 이는 최소 개수의 증폭기를 사용하기 위한 조건이며, 이보다 많은 개수의 센싱 전극이 증폭기와 고정적으로 연결되어 있어도 무방하다.

도 7을 참조하면, 복수개의 센싱 전극 각각에 3개씩의 스위치가 연결된 것을 알 수 있다. 도 7에서는 최외곽 센싱 전극을 제외한 모든 센싱 전극이 3개씩의 스위치를 통해 인접한 3개의 센싱 전극과 연결되는 것으로 도시되었다. 이는 최외곽 센싱 전극에 인접하는 센싱 전극의 개수가 내측에 존재하는 센싱 전극 마다의 인접 센싱 전극 개수와 차이를 보이기 때문이다. 만약, 도 7에 도시되는 최외곽 센싱 전극들의 외부에 추가적으로 더미 센싱 전극들을 배치한다면, 더미 센싱 전극들을 제외한 센싱 전극들, 즉, 실제 지문 검출 동작에 활용되는 센싱 전극들에 연결되는 스위치의 개수는 동일해질 수 있다. 더미 센싱 전극은 지문 검출 동작의 대상이 되는 모든 센싱 전극들의 회로적 특성, 예를 들면, 기생 정전용량 또는 신호 전달 측면에서의 임피던스 특성들을 동일하게 하기 위해 구비될 수 있다.

이러한 스위치 연결에 따라 각각의 센싱 전극은 센서 어레이에 포함되는 모든 센싱 전극들 각각과 일 이상의 스위치를 통해 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있는데, 이와 동시에 모든 센싱 전극에 직접적으로 연결된 스위치의 개수가 동일하기 때문에, 센싱 전극의 배치 위치에 따른 기생 정전용량의 크기 차이가 최소화될 수 있고, 따라서, 최종적인 지문 이미지 획득 과정에서 센싱 전극 위치별 기생 정전용량 차이에 따른 조정 과정이 생략될 수 있다.

한편, 다시 도 7을 참조하면, 3×3의 센싱 그룹을 어떠한 방식으로 설정하더라도 증폭기와 가장 먼 거리에 위치한 센싱 전극 간의 연결을 위한 스위치의 개수는 3개 내지 4개로 한정된다. 예를 들어, 도 7에서 굵은 실선으로 표시된 스위치를 포함하는 영역이 하나의 센싱 그룹으로 지정되었을 경우를 가정하면, 해당 영역 내에서 원으로 표시된 지점, 즉, 증폭기와 고정적으로 연결된 센싱 전극과 가장 먼 위치에 배치된 센싱 전극(3행 3열에 배치된 센싱 전극)이 증폭기와 연결되기 위해서는 총 4개의 스위치를 거쳐야 한다. 즉, 모든 센싱 그룹 내에서 증폭기와 고정적으로 연결된 고정 연결 전극과 가장 멀리 떨어져 배치되는 센싱 전극이 상기 증폭기와 연결되는 경로에 포함되는 스위치의 개수는 1개 이하의 차이를 보인다.

이렇게, 모든 센싱 그룹 내에서 증폭기 및 해당 증폭기와 가장 먼 거리에 위치하는 센싱 전극 간 연결 경로에 포함되는 스위치의 개수가 동일하거나, 특정 범위 내로 한정된다면, 모든 센싱 그룹에서 증폭기에 신호가 입력되는 특성, 예를 들면, 모든 센싱 전극들로부터의 신호가 증폭기로 입력되기 위한 딜레이 등의 특성이 동일 또는 유사해질 수 있다.

도 7에 예시된 스위치 배치 방법은 일례에 불과하며, 센싱 전극의 위치 별로 형성되는 기생 정전용량의 차이가 최소화될 수 있도록 스위치를 배치하거나, 증폭기와 가장 먼 경로로 연결되는 센싱 전극 사이의 스위치 개수를 모든 센싱 그룹에서 동수에 가깝게 할 수 있다면, 어떠한 스위치 배치도 가능하다.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 과정에 대해 설명하기로 한다.

도 8에는 행 방향으로 3개, 열 방향으로 3개, 총 9(=3×3)개의 센싱 전극(110)이 하나의 센싱 그룹으로 설정되는 경우가 예시되었다.

하나의 센싱 그룹에서는 중심부에 위치하는 센싱 전극(110)이 기준 전극인 것으로 정의한다.

또한, 도 8에는 인접한 센싱 전극(110)들이 서로 접촉되어 있는 것으로 도시되었으나, 이는 도시의 간소화를 위한 것이며, 센싱 전극(110)들은 절연체(예를 들면, 절연물질로 이루어진 가드부(guard unit)) 사이에 서로 이격되어 형성된다. 한편, 도 8에서 'a'로 표시된 센싱 전극(110)은 증폭기와 고정적으로 연결된다.

먼저, 2행 2열에 존재하는 제1 센싱 전극(110a)을 기준 전극으로 하여 3×3=9개의 센싱 전극(110)을 포함하는 제1 센싱 그룹(G1)이 지정된다. 제1 센싱 그룹(G1)을 구성하는 센싱 전극(110)들은 제1 센싱 전극(110a)에 연결된 증폭기와 직접 또는 간접적으로 연결된다. 이러한 연결을 위해 제1 센싱 그룹(G1)의 영역 내에 존재하는 스위치들을 온 상태로 전환하기 위한 제어 신호가 공급될 수 있다. 스위치가 온 상태로 전환됨에 따라 제1 센싱 전극(110a)에 고정적으로 연결된 증폭기의 입력단 기준으로는 제1 센싱 그룹(G1)을 구성하는 9개의 센싱 전극(110)들이 병렬로 연결되게 된다.

제1 센싱 그룹(G1)의 선택 및 제1 센싱 그룹(G1)에 속하는 센싱 전극(110)들 간의 스위치(SW) 제어가 완료되면, 구동 신호를 인가하여, 상기 구동 신호 인가에 따른 손가락으로부터의 응답 신호가 제1 센싱 그룹(G1) 내에 속하는 9개의 센싱 전극(110)을 통해 제1 센싱 전극(110a)과 연결된 증폭기의 입력단에 입력되도록 한다. 구동 신호 인가는 외부 전극(미도시됨)을 통한 인가, 적어도 하나의 센싱 전극(110) 자체를 통한 인가 또는 특정 센싱 전극(110)과 함께 배치되는 구동 전극을 통한 인가 등으로 구현될 수 있다.

제1 센싱 전극(110a)과 연결된 증폭기는 제1 센싱 그룹(G1)으로부터 획득되는 신호를 증폭하여 전압으로서 출력 신호를 생성해낸다. 전술한 바와 같이, 증폭기의 출력 신호는 제1 센싱 그룹(G1)을 구성하는 센싱 전극(110)의 개수, 즉, 9로 나누어져 그 평균값으로서 지문 이미지 획득이 이용된다.

제1 센싱 그룹(G1)에 대한 지문 검출 동작이 완료되면, 2행 3열에 존재하는 제2 센싱 전극(110b)을 기준 전극으로 3×3=9개의 센싱 전극(110)을 포함하는 제2센싱 그룹(G2)을 선택한다. 제2 센싱 그룹(G2)의 영역에 배치된 스위치들을 온 상태로 전환하기 위한 제어가 이루어지고, 제2 센싱 그룹(G2)에 속하는 센싱 전극(110)들이 제1 센싱 전극(110a)과 고정적으로 연결된 증폭기의 입력단에 병렬로 연결되게 된다. 제1 센싱 전극(110a)에 고정된 증폭기는 제1 센싱 그룹(G1)으로부터의 신호 및 제2 센싱 그룹(G2)으로부터의 신호를 순차적으로 입력받게 된다. 구동 신호 인가 및 이에 대한 제2 센싱 그룹(G2)으로부터의 응답 신호 추출은 제1 센싱 그룹(G1)에 대한 지문 검출 동작과정과 동일하게 이루어진다.

그 후, 2행 4열에 존재하는 제3 센싱 전극(110c)을 기준 전극으로 3×3=9개의 센싱 전극(110)을 포함하는 제3센싱 그룹(G3)을 지정하게 되는데, 제3 센싱 그룹(G3)에는 증폭기와 고정적으로 연결되는 센싱 전극(110)으로서 제4 센싱 전극(110d)만이 포함되어 있으므로, 스위치 제어를 통해 제3 센싱 그룹(G3)에 속하는 센싱 전극(110)들이 제4 센싱 전극(110d)에 연결된 증폭기와 직접 또는 간접적으로 연결되게 된다. 제3 센싱 그룹(G3)에 대한 지문 검출 동작 또한 앞서 설명한 제1 및 제2 센싱 그룹(G1, G2)에 대한 지문 검출 동작과 동일하게 이루어진다.

인접한 센싱 그룹(G1, G2, G3)에 있어서의 기준 센싱 전극(110a, 110b, 110c) 간 거리를 단일 센싱 전극(110) 간의 거리와 동일하게 함으로써, 최대한 많은 수의 센싱 그룹으로부터 출력 신호를 획득할 수 있다. 즉, 서로 다른 센싱 그룹(G1, G2, G3)들을 서로 중첩되게 설정하여 최대한 많은 수의 출력 신호를 얻음으로써 단일 센싱 전극(110)을 단위 지문 검출 동작의 대상으로 하는 경우와 동일 또는 유사한 해상도를 유지할 수 있다.

한편, 센싱 그룹의 지정 순서는 랜덤하게 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 2행 2열에 존재하는 제1 센싱 전극(110a)을 기준 전극으로 하는 제1 센싱 그룹(G1)을 지정한 후, 3행 2열에 존재하는 센싱 전극(110)을 기준 전극으로 센싱 그룹을 지정할 수도 있고, 이와 다른 순서로의 센싱 그룹 지정 또한 가능하다.

지문 검출 동작의 대상이 되는 센싱 그룹(G1, G2, G3)의 면적이 단일 센싱 전극(110)에 비해 9배 커지기 때문에, 단위 지문 검출 동작 시 손가락과의 관계에서 형성되는 정전용량이 커지게 되고, 이에 따라, 지문 검출 동작에서의 감도가 향상될 수 있다.

한편, 각각의 센싱 그룹(G1, G2, G3)이 N×M개의 센싱 전극(110)으로 이루어지는 경우, 행 방향 및 열 방향으로 각각 M개 및 N개마다 하나씩의 센싱 전극(110)만이 증폭기와 연결되면 족하므로, 증폭기의 개수가 최소화될 수 있고, 이에 따라, 전체 회로 설계에 필요한 면적이 최소화될 수 있다.

이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 효과를 추가적으로 설명하면 다음과 같다.

도 9의 (a) 및 (b)에서 'F'는 손가락을 모식적으로 도시한 것으로, 'R'은 손가락의 융선 부분, 'V'는 손가락의 골 부분을 나타낸다.

구동 신호 인가에 따른 손가락(F)으로부터의 응답 신호(S)는 전기장이 확산되는 형태로 센싱 전극(E1, E2)에 전달되는데, 도 9의 (a)에 도시되는 바와 같이, 센싱 전극(E1) 면적이 작으면, 손가락(F)으로부터의 응답 신호(S) 중 센싱 전극(E1) 외부로 빠져나가는 신호들이 많아질 수밖에 없다.

반면, 도 9의 (b)에 도시되는 바와 같이, 센싱 전극(E2)의 면적이 커지면, 손가락(F)으로부터의 응답 신호(S) 중 센싱 전극(E2) 외부로 빠져나가는 양이 도 9의 (a)의 경우에 비해 훨씬 적어지게 된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복수개의 센싱 전극으로 구성되는 센싱 그룹이 지문 검출 동작의 단위로서 설정되기 때문에, 센싱 전극의 면적이 도 9의 (b)에 도시되는 바와 같이 넓어지는 효과를 얻게 되고, 이에 따라, 지문 검출 동작 시 손가락(F)으로부터의 응답 신호(S) 중 손실되는 양이 최소화될 수 있으며, 지문 검출에 있어서의 SNR(Signal to Noise Ratio)이 향상될 수 있다.

도 10은 통상적인 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 방식으로의 지문 검출 결과를 비교하기 위한 도면이다.

도 10의 (a)는 통상적인 방식으로서, 단일 센싱 전극을 선택하여 지문 검출 동작을 실시한 결과로서 획득되는 지문 이미지를 나타내며, 도 10의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 방식으로서, 3×3=9개의 센싱 전극을 하나의 센싱 그룹으로 지정하여 얻어지는 출력 신호를 활용한 지문 이미지를 나타낸다.

도 10의 (a)와 (b)를 비교해보면, 본 발명의 실시예에 따를 경우, 지문 이미지에 있어서의 노이즈가 상대적으로 작은 것을 알 수 있으며, 이에 따라 손가락 지문에 있어서의 융선과 골 간 구별이 뚜렷해지게 된다. 한편, 그 해상도 역시 통상적인 방법에서의 해상도를 거의 그대로 유지하고 있음을 알 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 센서 어레이
110: 센싱 전극

Claims (10)

1. 일 이상의 고정 연결 전극을 포함하며, 복수개의 행과 열로 배치되는 복수개의 센싱 전극;
   상기 고정 연결 전극과 일측의 입력단이 고정적으로 연결되며, 상기 센싱 전극의 개수보다 적은 복수개의 증폭기; 및
   인접 센싱 전극 간에 배치되고 각각의 센싱 전극에 동일한 개수로 연결되며, 제어에 따라 상기 센싱 전극을 상기 증폭기의 일측의 입력단에 직접 또는 간접적으로 연결하는 복수개의 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치.
2. 제1항에 있어서,
   적어도 하나의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며,
   센싱 그룹 마다 상기 고정 연결 전극과 가장 먼 거리에 위치한 센싱 전극이 상기 고정 연결 전극에 연결된 증폭기와 연결되기 위한 경로에 포함되는 스위치의 개수는 동일하거나, 1개 이하의 차이를 보이는, 지문 검출 장치.
3. 제1항에 있어서,
   적어도 하나의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며,
   일부가 중첩적으로 지정되는 상기 센싱 그룹의 중심점 간 거리는 상기 센싱 전극 간의 거리와 동일한, 지문 검출 장치.
4. 제1항에 있어서,
   N×M(N 또는 M 중 적어도 하나는 2 이상의 정수)의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며,
   행 방향으로 M개, 열 방향으로 N개 마다 하나씩의 센싱 전극은 상기 고정 연결 전극으로서 배치되는, 지문 검출 장치.
5. 제1항에 있어서,
   적어도 하나의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극이 단위 지문 검출 동작 대상이 되는 센싱 그룹으로 지정되며,
   상기 센싱 그룹에 속하는 복수개의 센싱 전극은 일 이상의 상기 스위치를 통해 상기 고정 연결 전극과 연결된 증폭기의 입력단에 병렬로 연결되는, 지문 검출 장치.
6. 증폭기의 입력단과 고정적으로 연결되는 일 이상의 고정 연결 전극을 포함하는 복수개의 센싱 전극으로 이루어지며, 상호 일부가 중첩되게 지정되는 복수개의 센싱 그룹; 및
   단위 지문 검출 동작 대상이 되는 상기 센싱 그룹 각각의 복수개의 센싱 전극을 상기 증폭기의 일측의 입력단에 직접 또는 간접적으로 연결시키기 위해 인접 센싱 전극 간에 배치되며, 각각의 센싱 전극에 동일한 개수로 배치되는 복수개의 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치.
7. 최상위층에 배치되어, 센싱 그룹 단위로 활성화되는 복수개의 센싱 전극;
   상기 센싱 전극의 개수보다 적게 구비되며, 입력단이 상기 센싱 그룹 내에서 특정 센싱 전극과 고정적으로 연결되고 나머지 센싱 전극과는 직접 또는 간접적으로 연결되는 복수개의 증폭기;
   제1 금속층에 배치되며, 상기 증폭기의 입력단과 연결되는 일 이상의 제1 피드백 정전용량 전극;
   상기 제1 금속층과 다른 층의 제2 금속층에 배치되며, 상기 증폭기의 출력단과 연결되는 일 이상의 제2 피드백 정전용량 전극; 및
   상기 나머지 센싱 전극들을 상기 증폭기의 입력단에 직접 또는 간접적으로 연결시키기 위해 배치되며, 각각의 센싱 전극에 동일한 수로 연결되는 복수개의 스위치를 포함하는, 지문 검출 장치.
8. 전체 센서 어레이에서 고정 연결 전극을 포함하여 복수개의 센싱 전극을 일부가 중첩되도록 센싱 그룹으로 지정하여, 상기 센싱 그룹을 활성화하는 단계;
   상기 각 센싱 그룹마다 모든 센싱 전극들을 상기 고정 연결 전극과 연결된 증폭기의 입력단과 직접 또는 간접적으로 연결시키는 복수개의 스위치 중 상기 각 센싱 그룹에 속한 센싱 전극들의 스위치를 온 상태로 전환시키는 단계;
   상기 각 센싱 그룹마다 해당 센싱 그룹에 속하는 복수개의 센싱 전극으로부터의 응답 신호가 상기 증폭기로 입력되도록 하는 단계; 및
   상기 전체 센서 어레이로부터 얻은 상기 증폭기의 출력 신호를 기초로 지문 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 지문 검출 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 센싱 그룹은,
   인접한 센싱 그룹의 중심점 간 간격이 상기 센싱 전극 간 간격과 동일해지도록 지정되는, 지문 검출 방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 센싱 전극마다 직접적으로 연결된 상기 스위치의 개수가 동일한, 지문 검출 장치의 지문 검출 방법.
    

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