| 【発明の名称】 |
表面形状認識用センサ |
| 【発明者】 |
【氏名】森村 浩季
【氏名】重松 智志
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| 【要約】 |
【課題】指紋のような微小な凹凸を精度よく検出できるようにする。
【解決手段】下部電極１０４の周囲を囲うように、下部電極１０４および支持部材１０３とは離間して、絶縁層１０２上に参照電極１０４ａを配置する。そして、上部電極１０５および下部電極１０４の間の容量Ｃｆと、上部電極１０５および参照電極１０４ａの間の容量Ｃｒとの差を、センサ回路１１０により検出する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基板上の同一平面上にそれぞれが絶縁分離されて複数配置された複数の下部電極と、前記下部電極上に離間して対向配置された上部電極と、前記基板上に前記下部電極毎に前記下部電極とは離間して配置されて前記上部電極を支持する支持部材と、前記下部電極と前記支持部材との間に前記下部電極毎に前記基板上に前記下部電極および前記支持部材とは離間して前記下部電極毎に配置された参照電極と、前記上部電極と前記下部電極との間の第１の容量と前記上部電極と前記参照電極との間の第２の容量との差を検出するセンサ回路とを備え、前記上部電極は、前記下部電極それぞれの上で前記支持部材を支点に、前記下部電極方向に変形可能に形成されていることを特徴とする表面形状認識用センサ。
【請求項２】 請求項１記載の表面形状認識用センサにおいて、前記下部電極と前記参照電極は、前記上部電極に対向する面の面積が同一に形成されていることを特徴とする表面形状認識用センサ。
【請求項３】 請求項１または２記載の表面形状認識用センサにおいて、前記参照電極は、前記下部電極周囲を囲うように形成されていることを特徴とする表面形状認識用センサ。
【請求項４】 請求項１〜３いずれか１項記載の表面形状認識用センサにおいて、前記下部電極は、マトリクス状に複数配置されていることを特徴とする表面形状認識用センサ。
【請求項５】 請求項１〜４いずれか１項記載の表面形状認識用センサにおいて、前記支持部材は格子状に形成されてそのマスの中央部に前記下部電極が配置されていることを特徴とする表面形状認識用センサ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、人間の指紋や動物の鼻紋などの微細な凹凸を有する表面形状を認識する表面形状認識用センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】情報化社会の進展により、現代社会においては機密保持技術への関心が高まっている。例えば、電子現金化などのシステム構築のためには、本人認証技術が重要な鍵となってくる。また、盗難やカードの不正使用の防御策のための認証技術についても、研究開発が活発になっているそれら認証方式としては、指紋や声紋を利用するものなど、種々の方式が提案されている。中でも指紋認証技術については、多くの技術開発がなされている。
【０００３】以下、従来より開発されている種々の指紋の認証方式について説明する。まず、従来の指紋認証方式を大別すると、光学的に指紋の凹凸を読みとる方式、指紋の圧力差を読みとる方式、人間の電気特性を利用して指紋の凹凸を検出する方式などに分けられる。はじめに、光学的に読みとる方式では、指紋の反射光学像をＣＣＤなどのイメージセンサに取り込み、あらかじめ用意してある指紋のパターンと照合を行う方式である。
【０００４】また、指紋の圧力差を読みとる方式では、圧電薄膜を利用して指の指紋の圧力差を読みとるようにしている。さらに、人間の電気特性を利用する方式では、感圧シートを用いて皮膚の接触によって生じた電気特性の変化を電気信号の分布に置き換えて指紋を検出するようにしている。この方式では、抵抗変化量もしくは容量変化量によって、指紋のパターンを認識するようにしている。
【０００５】しかしながら、以上の従来技術には種々の問題点があり、例えば光を用いた方式では、光源や光学系および光学イメージの処理手段が必要になるなど、小型化，汎用化が難しく、用途が限定されるという問題がある。また、感圧シート等を用いて指の凹凸を感知する方式では、感圧シートなど材料が特殊であることや、それらの加工性の難しさから実用化が困難であり、また信頼性に乏しいという問題もある。そこで、このような問題を解決すべく、ＬＳＩ製造技術を用いた容量型の指紋センサが新たに提案された。これは、ＬＳＩチップ上に２次元に配列された小さなセンサ素子の静電容量を検出し、皮膚の凹凸パターンを検出する方式である。
【０００６】これは、変形可能な上部電極と半導体基板上に配置された下部電極により構成される容量センサ素子が、ＬＳＩチップの上に２次元に配列された構造となっている。そして、触れた指の皮膚の凹凸に対応して上部電極が変形するように構成されている。ここで、上部電極の変形により、上部電極と下部電極との間の容量値が変化するため、この容量差を検出することで指紋の凹凸を感知することができる。
【０００７】このような、従来よりある容量型の表面形状認識用センサについて、より詳細に説明すると、図５（ａ）の断面図に示すように、半導体基板５０１上に絶縁層５０２を介し、格子状に導電性材料からなる支持部材５０３が形成されている。そして、その支持部材５０３で囲われた各格子の中央部の絶縁層５０２上には、下部電極５０４が支持部材５０３とは離間して形成されている。また、支持部材５０３上には、上部電極５０５が形成されている。この上部電極５０５は、下部電極５０４とは所定距離だけ離れて形成され、下部電極５０４と上部電極５０５とで容量Ｃｆが形成されている。
【０００８】そして、この表面形状認識用センサは、突起５０６ａを有した保護膜５０６が上部電極５０５上に形成されている。また、下部電極５０４上の領域に配置されるように、その突起５０６ａは形成されている。そして、上部電極５０５と下部電極５０４との間の容量が、センサ回路５１０により検出される。その容量とセンサ回路５１０との等価回路は、図５（ｂ）に示すようになる。また、図６に示すように、支持部材５０３は格子状に形成され、そのマスの中央部それぞれに、下部電極５０４が形成されてマトリクス状に配置されている。すなわち、この表面形状認識用センサは、下部電極５０４とその上部にある上部電極５０５とからなるセンサ素子複数から構成されているものである。
【０００９】そして、たとえば、１個の下部電極５０４に対して１個のセンサ回路５１０が備えられている。また、複数個の下部電極５０４に対して、１個のセンサ回路５１０が備えられている場合もある。なお、センサ回路５１０は、半導体基板５０１上の絶縁層５０２下に集積されて形成されていてもよく、また、半導体基板５０１の、センサ素子が配置されていない領域に形成されていてもよい。また、そのセンサ回路５１０は、半導体基板５０１以外に用意するようにしてもよい。
【００１０】以下、それら複数のセンサ素子からなる表面形状認識用センサの動作について説明する。突起５０６ａが対象物に触れることで保護膜５０６が変形すると、同時に上部電極５０５も変形する。この結果、下部電極５０４と上部電極５０５との距離が変化し、その間の容量Ｃｆも変化する。そして、その容量変化をセンサ回路５１０が電気信号として検出し、その値がしきい値以上となったらその突起５０６ａ部分が変形されたものと検知でき、結果として、対象物の凹凸を検出することができる。
【００１１】ここで、指先の指紋は皮膚の凹凸により形成されているので、保護膜５０６に指を接触させた場合、指紋を形成している突部に突起５０６ａが触れた場合と、凹部に突起５０６ａが触れた場合とで、突起５０６ａの部分の変形量が異なることになる。そして、この変形量の違いは下部電極５０４と上部電極５０５との間の距離の違いとなり、結果として、容量の違いとして検出されることになる。したがって、複数配列されたセンサ素子それぞれの異なる容量の分布を、しきい値を境に判別して検出していけば、それは指紋の突部の形状となる。すなわち、この容量型の表面形状認識用センサにより、皮膚の微細な凹凸状態を検知することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来の表面形状認識用センサでは、製造バラツキのために、センサ素子の初期容量値が設計値と異なって製造される場合がある。特に、図５に示した支持部材５０３の高さが設計値と異なり易く、下部電極５０４と上部電極５０５との無変形時の間隔が、設計値より大きく異なってしまうときがある。このように、無変形時の下部電極５０４と上部電極５０５との間隔が設計値と異なると、対象物に接触することで上部電極５０５が変形しても、その容量変化が設定されているしきい値以上とならず、センサ回路５１０の出力では、上部電極５０５が変形していないものと検知されてしまう場合がある。これでは、対象物の形状を誤認識してしまう。
【００１３】そして、多数のセンサ素子により表面形状を認識するため、センサ素子のばらつきも小さく抑える必要がある。特に指紋のように微小な凹凸を検出しようとする場合、上部電極５０５の変形量差が小さいため、検出できる容量差も小さい。従って、各センサ素子間のバラツキが大きいと、上部電極５０５の変形量が同一であっても、あるセンサ素子では容量変化がしきい値を越えず、あるセンサ素子では容量変化がしきい値を越えるという場合が発生してしまう。これでは、指紋パターンの検出精度を低下させてしまい、場合によっては、検出できなくなる。
【００１４】この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、指紋のような微小な凹凸を精度よく検出できるようにすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明の表面形状認識用センサは、基板上の同一平面上にそれぞれが絶縁分離されて配置された複数の下部電極と、その下部電極上に離間して対向配置された上部電極と、基板上に下部電極毎に下部電極とは離間して配置されて上部電極を支持する支持部材と、下部電極と支持部材との間に下部電極毎に基板上に下部電極および支持部材とは離間して下部電極毎に配置された参照電極と、上部電極と下部電極との間の第１の容量と上部電極と参照電極との間の第２の容量との差を検出するセンサ回路とを備え、上部電極は、下部電極それぞれの上で支持部材を支点に、下部電極方向に変形可能に形成されている状態とした。すなわち、上部電極が変形したとき、第１の容量は第２の容量に比較して大きく変化する。また、下部電極と参照電極は、上部電極に対向する面の面積が同一に形成されているようにした。この結果、上部電極の変形による第１の容量の変化および第２の容量の変化の初期値が同一になる。また、参照電極は、下部電極周囲を囲うように形成されているようにした。この結果、下部電極と参照電極の面積を同一にしやすい。また、下部電極は、マトリクス状に複数配置されているようにしたので、平面的に形状認識がされる。また、支持部材は格子状に形成されてそのマスの中央部に下部電極が配置されているようにしたので、上部電極の支持が安定する。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、この発明の実施の形態における表面形状認識用センサの一部構成を示す断面図、および等価回路である。この実施の形態における表面形状認識用センサは、図１に示すように、半導体基板１０１上に絶縁層１０２を介し、格子状に導電性材料からなる支持部材１０３が形成されている。そして、その支持部材１０３で囲われた各格子（マス）の中央部の絶縁層１０２上には、下部電極１０４が支持部材１０３とは離間して形成されている。また、支持部材１０３上には、上部電極１０５が形成されている。
【００１７】この上部電極１０５は、下部電極１０４とは所定距離だけ離れて形成され、下部電極１０４と上部電極１０５とで容量Ｃｆが形成されている。 そして、この表面形状認識用センサは、突起１０６ａを有した保護膜１０６が上部電極１０５上に形成されている。また、下部電極１０４上の領域に配置されるように、その突起１０６ａは形成されている。そして、この実施の形態では、下部電極１０４の周囲を囲うように、下部電極１０４および支持部材１０３とは離間して、絶縁層１０２上に参照電極１０４ａを配置するようにした。
【００１８】また、この実施の形態では、上部電極１０５および下部電極１０４の間の容量Ｃｆと、上部電極１０５および参照電極１０４ａの間の容量Ｃｒとの差を、センサ回路１１０により検出するようにした。その容量とセンサ回路１１０との等価回路は、図１（ｂ）に示すようになる。また、図２に示すように、支持部材１０３は格子状に形成され、そのマスの中央部それぞれに、下部電極１０４および参照電極１０４ａが形成されてマトリクス状に配置されている。すなわち、この表面形状認識用センサは、下部電極１０４および参照電極１０４ａと、その上部にある上部電極１０５とからなるセンサ素子複数から構成されているものである。
【００１９】そして、たとえば、１個の下部電極１０４および参照電極１０４ａに対して１個のセンサ回路１１０が備えられている。また、複数個の下部電極１０４および参照電極１０４ａに対して、１個のセンサ回路１１０が備えられている場合もある。なお、センサ回路１１０は、半導体基板１０１上の絶縁層１０２下に集積されて形成されていてもよく、また、半導体基板１０１の、センサ素子が配置されていない領域に形成されていてもよい。また、そのセンサ回路を半導体基板１０１以外に用意するようにしてもよい。なお、図１には示していないが、各電極とセンサ回路との接続などのための配線構造が、半導体基板１０１上に配置されている。
【００２０】以下、この実施の形態における複数のセンサ素子からなる表面形状認識用センサの動作について説明する。図３に示すように、突起１０６ａが対象物に触れることで保護膜１０６が変形すると、同時に上部電極１０５も変形する。この結果、下部電極１０４と上部電極１０５との距離が変化し、その間の容量Ｃｆが変化する。同時に、参照電極１０４ａと上部電極１０５との距離が変化し、その間の容量Ｃｒも変化する。このとき、図３から明らかなように、支持部材１０３近傍では、上部電極１０５の変化量は小さい。すなわち、下部電極１０４と上部電極１０５との距離の変化に比較して、参照電極１０４ａと上部電極１０５との距離の変化は小さい。
【００２１】従って、突起１０６ａが対象物に触れたときの突起部１０６ａ下部の上部電極１０５の部分（上部電極中央部）の下部電極１０４方向への移動量に対し、容量Ｃｆと容量Ｃｒは、それぞれ図４に示すように変化する。そして、参照電極１０４ａの表面積を下部電極１０４の表面積と同一にしておけば、図４に示すように、容量Ｃｆと容量Ｃｒの初期値を等しくすることができる。ここで、図４に示した容量Ｃｆの変化と容量Ｃｒの変化との間の関係は、支持部材１０３の高さ（厚さ）に関わらない。従って、センサ回路１１０により、それらの差を検出するようにすれば、支持部材１０３の高さが変化しても、その検出結果は一定となる。言い換えると、容量Ｃｒを基準として容量Ｃｆの大小を検出するようにすれば、その絶対値の変化は、センサ回路１１０の検出結果に影響を与えない。
【００２２】以上のことにより、その容量変化の差をセンサ回路１１０が電気信号として検出し、その値がしきい値以上となったらその突起１０６ａ部分が変形されたものと検知でき、結果として、対象物の凹凸を検出することができる。ここで、指先の指紋は皮膚の凹凸により形成されているので、保護膜１０６に指を接触させた場合、指紋を形成している突部に突起１０６ａが触れた場合と、凹部に突起１０６ａが触れた場合とで、突起１０６ａの部分の変形量が異なることになる。そして、この変形量の違いは、上述した容量変化の差の違いとして検出されることになる。
【００２３】したがって、複数配列されたセンサ素子それぞれの異なる検出結果の分布を、たとえば、しきい値を境に判別して検出していけば、それは指紋の突部の形状を示すものとなる。すなわち、この実施の形態の容量型の表面形状認識用センサにより、皮膚の微細な凹凸状態を検知することができる。そして、この実施の形態の表面形状認識用センサによれば、支持部材の高さに製造バラツキがあっても、センサ回路１１０の検出結果にはそれが影響しないので、対象物の形状を誤認識してしまうことがない。また、複数のセンサ素子それぞれの検出結果に、バラツキがほとんどない状態とできるので、たとえば指紋検出の場合、指紋パターンの検出精度を向上させることができる。
【００２４】ところで、上記実施の形態では、１つのセンサ素子において、参照電極を下部電極の周囲を囲うようなリング状の一体構造としたが、これに限るものではない。１つのセンサ素子において、下部電極の周囲に複数分割された状態の参照電極を配置するようにしても、上述の実施の形態と同様である。また、１つのセンサ素子において、支持部材と下部電極の間の一箇所に、たとえば矩形状の参照電極を１つ配置するようにしても、上述の実施の形態と同様である。この場合、下部電極毎に参照電極を複数備え、上部電極と複数の参照電極との間の複数容量と上部電極と下部電極の容量とを比較するようにしてもよい。また、上記実施の形態では、上部電極上に突起を備えた保護膜を配置するようにしたが、これに限るものではない。上部電極上に平坦な保護膜を配置するようにしてもよい。また、上部電極に、耐腐食性を有する金属材料を用いるようにすれば、上部電極上に保護膜を配置しなくてもよい。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、基板上の同一平面上にそれぞれが絶縁分離されて配置された複数の下部電極と、その下部電極上に離間して対向配置された上部電極と、基板上に下部電極毎に下部電極とは離間して配置されて上部電極を支持する支持部材と、下部電極と支持部材との間に下部電極毎に基板上に下部電極および支持部材とは離間して配置された参照電極と、上部電極と下部電極との間の第１の容量と上部電極と参照電極との間の第２の容量との差を検出するセンサ回路とを備え、上部電極は、下部電極それぞれの上で支持部材を支点に、下部電極方向に変形可能に形成されている状態とした。
【００２６】すなわち、上部電極が変形したとき、第１の容量は第２の容量に比較して大きく変化する。この結果、この発明によれば、センサ回路によりそれらの差を検出しているので、支持部材の高さが変化してもその検出結果は一定となり、複数の下部電極によるそれぞれの検出結果が、再現性よくほとんどバラツキのない状態で得られるようになる。この結果、この発明によれば、指紋のような微小な凹凸を、より精度よく検出できるようになる。また、上記のことに加え、下部電極と参照電極は上部電極に対向する面の面積が同一に形成されているようにした。この結果、上部電極の変形による下部電極と上部電極との間の容量変化および参照電極と上部電極との間の容量変化の初期値が同一になり、第１の容量と第２の容量との差を、より容易に検出できるようになる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２２６
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年７月２日（１９９８．７．２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４６２１
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１８９０８（Ｐ２０００−１８９０８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１月２１日（２０００．１．２１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１８７２２７ |
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