專利名稱：用于指紋圖象提取的半導(dǎo)體集成檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種指紋識別系統(tǒng)，尤其涉及一種指紋識別系統(tǒng)中的用于指紋圖象提取的半導(dǎo)體集成檢測器。
指紋識別系統(tǒng)應(yīng)用很廣泛，可用于高保密性的地方，如銀行或低保密性的地方，如替代常規(guī)的門戶鎖等等。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)使用起來方便，簡單，既不需要鑰匙也不需要密碼，并且可以大大減小欺騙性使用。檢測器是指紋識別系統(tǒng)非常重要的部分，由它提取出的指紋圖象的質(zhì)量，直接影響了后面的圖象處理和鑒別能力。
常規(guī)的指紋檢測裝置依賴于光學(xué)檢測的方法。一個(gè)簡單的光學(xué)檢測裝置很容易被指紋的復(fù)制圖片所欺騙，另一種更安全和常用的方法是采用了一個(gè)玻璃棱鏡，通過內(nèi)部的受抑全反射提取指紋圖象。光線從第一面進(jìn)入，在第二面處發(fā)生受抑全反射，并從第三面輸出。手指放在第二面上，凡是手指與第二面完全接觸的部分都沒有反射光線，只有在指紋的凹陷處與玻璃面不接觸的地方才有反射光線。通過這種方法可以獲取黑白相間的二進(jìn)制指紋圖象。但是這種光學(xué)檢測系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)，首先它的體積太苯重，其次它要求接觸面必須很整潔并且沒有污垢，另外，當(dāng)手指很干燥的時(shí)候，會產(chǎn)生指紋線不連續(xù)間斷點(diǎn)。這樣加大了圖象處理的難度。
本發(fā)明的目的在于，設(shè)計(jì)一種體積小、易于裝在各種指紋識別系統(tǒng)上的新式的指紋檢測器。使之能減少指紋溫度與灰塵對提取指紋圖象的影響并能得到二進(jìn)制指紋圖象及能提供二維和三維的指紋圖象。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，新設(shè)計(jì)的檢測器包括敏感檢測單元若干個(gè)、驅(qū)動電路、表面增強(qiáng)元件三部分組成。每個(gè)敏感檢測單元又包括敏感電極、開關(guān)器件和泄放電阻，驅(qū)動電路包括行移位寄存器、列移位寄存器、列切換開關(guān)、列電荷放大電路，表面增加元件中包括附加電極、增強(qiáng)金屬網(wǎng)格。在敏感電極上面有絕緣材料，在其上有附加電極，在其空格之間加有金屬網(wǎng)格線。開關(guān)元件選用場效應(yīng)管(晶體管也可)。在同一行的場效應(yīng)管柵極接同一條行尋址線，同一列的場效應(yīng)管源極接同一條列尋址線，每一場效應(yīng)管的漏極接敏感電極，每一個(gè)場效應(yīng)管的漏極與公共地間接泄放電阻，在每一列共用了切換開關(guān)和電荷放大電路，在行間行的驅(qū)動電路用了移位寄存器來驅(qū)動，而列的驅(qū)動電路用位移位寄存器，開關(guān)檢測器，采用二維矩陣結(jié)構(gòu)。所以，每一列敏感檢測單元都連有驅(qū)動電路。每一個(gè)敏感檢測單元含有一個(gè)敏感檢測電極，電極覆蓋有絕緣材料，并連有一個(gè)開關(guān)器件。每個(gè)單元皆可尋址，通過驅(qū)動電路給每個(gè)電極加一電壓。當(dāng)手指放在檢測器上時(shí)，可以測量出手指與檢測電極之間的電容變化。
驅(qū)動電路按一定的時(shí)間間隔給敏感電極預(yù)加一個(gè)電壓，在連續(xù)的指紋圖象提取操作中，需要清除或減少敏感電極上的預(yù)加電勢。這可以通過接一個(gè)接地電阻或者改變預(yù)加電位值來實(shí)現(xiàn)。在指紋與敏感電極所形成的電容中，流入該電容的充電電流取決于該電容的大小，而電容大小又取決于指紋表面與檢測器件表面之間的空間距離。驅(qū)動電路內(nèi)的電荷敏感放大器可以檢測出流向每個(gè)敏感電極的充電電流，當(dāng)然也可以采用其它類似的方法來檢測充電電流。
敏感單元的開關(guān)器件為一個(gè)三端器件，如場效應(yīng)管其源極和漏極分別通過尋址導(dǎo)線連到驅(qū)動電路和敏感電極，控制信號通過驅(qū)動電路及尋址導(dǎo)線加到柵極，敏感單元排列成矩陣結(jié)構(gòu)。
由于每一行晶體管的源極連在一起共用一條尋址導(dǎo)線，每一列晶體管的柵極連在一起共用一條尋址導(dǎo)線。這樣每個(gè)敏感單元皆可依次尋址一遍來獲得一幅完整的電容值圖象。
絕緣材料可以選用任何適當(dāng)?shù)慕^緣材料，如聚酰亞胺形成一層厚度均勻的連續(xù)層覆蓋在敏感電極上。此外，可以在絕緣材料表面制作一層金屬網(wǎng)狀導(dǎo)線，以提高指紋表面的電接觸性。這些網(wǎng)狀導(dǎo)線與地線相接。一個(gè)完整的指紋控制系統(tǒng)，一般包括三個(gè)部分。一是指紋圖象提取部分，這一部分采用本發(fā)明的檢測裝置可實(shí)現(xiàn)，另外兩部分為指紋圖象處理和指紋圖象鑒別，從本發(fā)明的指紋檢測器輸出的信號類似于通過光學(xué)系統(tǒng)提取的指紋圖象信息?？刹捎贸Ｒ?guī)的用于光學(xué)系統(tǒng)的方法對指紋檢測器輸出的圖象信號進(jìn)行處理和鑒別。
本發(fā)明的檢測器可提供三維的指紋圖象，所以可以大大提高識別精度，當(dāng)然在精度要求不太高的地方采用其二維圖象也可以滿足需要。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，該檢測器件與有源矩陣尋址顯示器件采用了相似的尋址技術(shù)。所以該檢測器件可使用類似的技術(shù)來制造，用薄膜淀積和光刻在絕緣基底上形成敏感電極，尋址導(dǎo)線和薄膜晶體管。另外也可采用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。這兩種方法都大大減小了指紋圖象檢測器件的體積。
采用有源尋址結(jié)構(gòu)制作的檢測單元大大減少了驅(qū)動電路及連線，使得該檢測器可以做得很小。易于裝在各種指紋識別系統(tǒng)上。
在應(yīng)用時(shí)，手指表面與檢測電極之間形成了一個(gè)電容。指紋表面與敏感電極之間因其距絕緣層表面的距離不一樣而形成不同容量的電容，指紋表面與敏感電極表面分別為電容的兩個(gè)極。指紋表面為零電位。在指紋凸起的地方電容量取決于絕緣層的厚度。在指紋凹陷的地方，電容量決定于絕緣層和絕緣層與指紋凹陷之間的空間距離，通過這樣一個(gè)敏感單元陳列，測出的電容代表了指紋表面與絕緣層表面之間的空間距離變化，從而獲得了以電容值表示的指紋的三維圖象信息。由于所獲得的圖象是三維的，比起前面提到的光學(xué)檢測系統(tǒng)來說，大大減少了欺騙性操作。同時(shí)也大大減少了指紋的溫度和灰塵對提取指紋圖象的影響。
另外，還可在每個(gè)敏感電極正對的絕緣層表面制作一個(gè)人的附加電極。這樣，每一個(gè)附加電極與敏感電極間形成一個(gè)電容，中間隔著絕緣層。根據(jù)指紋的凸起是否與附加電極接觸獲取不同的電容值。這樣，更清楚地表明了指紋凸起出現(xiàn)的地方，這樣，很容易獲得一個(gè)二進(jìn)制指紋圖象。
下面將結(jié)合附圖例詳細(xì)說明本發(fā)明的指紋檢測器。


圖1是一個(gè)完整的指紋識別系統(tǒng)實(shí)施框圖。
圖2是檢測器的使用示意圖。
圖3是本檢測器實(shí)現(xiàn)的全部原理圖，上面有檢測單元及驅(qū)動電路。
圖1畫出了一個(gè)完整的指紋識別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖。其中的指紋檢測器件66采用了本發(fā)明的檢測器，從檢測器66輸出的信號與常規(guī)的光學(xué)檢測器輸出的指紋信號相似。因此，除了指紋檢測器以外的其他電路都與常規(guī)光學(xué)指紋識別系統(tǒng)類似。檢測器66的輸出送到圖象處理電路67，以提取指紋特征，然后指紋鑒別電路68將新輸入的指紋特征數(shù)據(jù)與預(yù)先存貯在存貯器69中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較達(dá)到鑒別之目的。
如圖2、3所示每一個(gè)敏感檢測單元有一個(gè)敏感電極3連接到一個(gè)有源器件上，該有源器件是一個(gè)三端開關(guān)器件2是場效應(yīng)晶體管(FET)。每個(gè)敏感檢測單元相連的行、(選擇)和列(檢測)尋址線7和8進(jìn)行尋址，同一行的所有敏感檢測單元都連續(xù)到同一條行尋址線7上，同一列的所有敏感檢測單元都連接到同一條列尋址線8上，行尋址線7的一端連到行驅(qū)動電路11上。列尋址線8的一端連續(xù)到檢測電路12上。如圖2所示，場效應(yīng)管FET的柵極接行尋址線7，源極接到行尋址線8，漏極接敏感電極3。
參見圖3檢測器為一有源尋址檢測器9，由X—Y方向的敏感檢測單元1形成為r行(1～r)，C列(1～C)當(dāng)然圖中只畫了一部分行、列，具體實(shí)施為300行200列形成一個(gè)有規(guī)則的3CM×2CM的陣列。
圖3是本檢測器實(shí)現(xiàn)的簡單原理圖，這雖然是一個(gè)檢測晶片但基本上反映了整個(gè)檢測器原理，它包含了檢測敏感單元1，其中包括開關(guān)器件2及相連的敏感電極3和泄放電阻4，7、8分別為行、列導(dǎo)線。行列移位寄存器11、12和列電荷放大器40，列切換器15組成為驅(qū)動電路，并分別與敏感單元相連，14為信號輸出，16為輸出線，而控制電路10提供移位寄存器脈沖和電荷放大器的復(fù)位信號。46為附加電極，而45金屬網(wǎng)格線。
本檢測器的制造可采用類似于有源矩陣尋址顯示器件，如液晶顯示器件的制造技術(shù)。該技術(shù)現(xiàn)在廣泛用于生產(chǎn)大面積有源矩陣陣列簡言之，可采用光刻技術(shù)在半導(dǎo)體基底上可形成敏感電極3和尋址導(dǎo)線7、8。
圖2是一個(gè)具體的實(shí)施例，這是檢測器的局部橫截面圖，含有幾個(gè)敏感電極3在基底21上形成薄膜晶體管TFT。先在基底上濺射一層多晶硅材料，然后將其切割為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的TFT溝道。類似地可采用適當(dāng)?shù)母綦x材料形成柵極隔離層。敏感電極3和尋址線7、8是金屬層形成二者的內(nèi)部延展形成TFT的漏極和源極。然后在列尋址線8上與行尋址線7交叉的地方覆蓋上一層隔離材料，在這層隔離材料上由濺射的金屬層光刻出行尋址線7，其內(nèi)部延展為TFT的柵極。
在基底21之上覆蓋了一層隔離膜22，該隔離膜由聚酰亞胺沉淀在基底21上形成一層連續(xù)的檢測面23，手指就放在上面。
本檢測器采用行列間隔為100μM的敏感電極陣列結(jié)構(gòu)。隔離層22的厚度和材料都有一定要求。本實(shí)施例選用介電常數(shù)為4，厚度為4μM的隔離層實(shí)現(xiàn)。
本檢測器的操作過程如下，待檢測的手指放在檢測面23上，從圖2可看到手指表面24的指紋凸起與檢測面23接觸在一起，指紋凹陷離檢測面有一定的距離。指紋的凸起距敏感電極3的最小距離為隔離層22的厚度，每一個(gè)敏感電極3和其上面對應(yīng)的手指表面分別為一個(gè)電容26的兩極。如圖2中虛線所示，指紋表面這一極為地電位，隔離層22與檢測面23和指紋表面之間的空隙成了電容26的絕緣材料，電容的變化與指紋表面和檢測面23之間的空間距離d成一定的函數(shù)關(guān)系，在指紋的凸起處電容大，在指紋的凹陷處電容小。
具體的電容變化是電容Cx為PF/mm，隔離材料22介電常數(shù)為4，厚度為4μM。因此，敏感單元檢測到的電容的變化形成了指紋表面的一幅三維電子圖象。因?yàn)殡娙萘康淖兓@示了指紋的三維信息，所以，無法用指紋的復(fù)制品進(jìn)行欺騙性操作。
檢測每個(gè)敏感檢測單元的電容變化的電路如下，每個(gè)敏感單元可由它相連的行(選擇)列(檢測)尋址線7和8尋址。通過驅(qū)動電路11向行尋址線7加上一個(gè)門脈沖，使得該行上所有敏感單元品的場效應(yīng)管2(FET)導(dǎo)通。與此同時(shí)，通過電路12對所有的列尋址線8加一個(gè)10V左右的電壓，這樣與所有的場效應(yīng)管2相連的電容26立即被充電。電路12可檢測出流過列尋址線8的充電電流。充電電流的大小取決于電容26的大小。
因此，通過測量每一列尋址線上的充電電流即可測得每個(gè)電容的大小。重復(fù)進(jìn)行該過程直到所有的行掃描一遍。則可獲得一幅完整的指紋圖象。
圖3畫出了用于兩相鄰的列導(dǎo)線的電荷檢測電路。在這個(gè)方案中，列尋址導(dǎo)線8連接到帶電容反饋的運(yùn)放40。通過移位寄存器12和切換開關(guān)15輸出到輸出線16上。在連續(xù)的行尋址間隙需要對運(yùn)放40復(fù)位。這通過在復(fù)位線41上加一個(gè)復(fù)位脈沖來控制復(fù)位開關(guān)釋放反饋電容上的電荷。
在連續(xù)輸入幾幅指紋圖象，需要及時(shí)消除敏感電極3上的電荷。本發(fā)明通過在敏感電極與其相鄰的行導(dǎo)線7或另加一所有敏感單元的公有地線相連的泄電電阻4與來消除敏感電極3上的電荷。
當(dāng)然，為解決連續(xù)輸入指紋圖象的問題，也可采用其它諸如改變加在列尋線上的電壓的方法來解決。也可以采用全部敏感檢測單元復(fù)位一次的方法來解決連續(xù)輸入問題。
對現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方案也可做如下改進(jìn)，可以在檢測器的檢測接觸面上再加一層金屬網(wǎng)格線45覆蓋在敏感檢測單元的間隙。
將這些金屬線接地，這樣，可提高手指表面的電接觸程度。
另外，為了獲得更加清晰的指紋圖象，可以在原有的敏感電極3對應(yīng)的檢測面上再迭加相同大小的金屬電極46。(又日附加電極)。
本發(fā)明實(shí)施方案，采用的半導(dǎo)體集成電路技術(shù)在石英基底上制造TFT晶體管，并將驅(qū)動電路11和檢測電路12全部集成到一片芯片實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種指紋圖象提取的半導(dǎo)體集成檢測器，其特征在于它包括驅(qū)動電路、表面增加元件和若干敏感檢測單元，每個(gè)敏感檢測單元含有敏感電極、開關(guān)器件和泄放電阻；驅(qū)動電路含有行、列移位寄存器、列切換開關(guān)、列電荷放大電路；表面增強(qiáng)元件含有附加電極、增強(qiáng)金屬網(wǎng)格；開關(guān)器件為場效應(yīng)管，同一行場效應(yīng)管的柵極接同一條行尋址線，同一列場效應(yīng)管的源極接同一條列尋址線，漏極接敏感電極，漏極與公共地間接泄放電阻，每列共用了切換開關(guān)與電荷放大電路，該檢測器采用二維矩陣結(jié)構(gòu)，每一列敏感檢測單元都連有驅(qū)動電路，每個(gè)敏感檢測單元的敏感檢測電極，連接一個(gè)開關(guān)器件，每個(gè)單元皆可尋址，通過驅(qū)動電路給每個(gè)電極加一電壓，可測手指與電極間電容變化，在敏感電極上面有絕緣材料，在其上有附加電極，在其空格之間加有金屬網(wǎng)格線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于行的驅(qū)動電路用了位移位寄存器驅(qū)動，列的驅(qū)動電路用了位移位寄存器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于敏感電極上的絕緣材料，可以選用任何適當(dāng)絕緣材料，如聚酰亞胺形成一層厚度均勻連續(xù)層覆蓋在敏感電極上，可以在絕緣材料表面制作一層金屬網(wǎng)狀導(dǎo)線，并與地線連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于檢測器是用薄膜淀積和光刻在絕緣基底上形成敏感電極，尋址導(dǎo)線和薄膜晶體管或用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于附加電極是在每個(gè)敏感電極正對的絕緣層表面上制作的，這樣每個(gè)附加電容與敏感電極間形成一個(gè)電容，中間隔著絕緣層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于電荷檢測電路列尋址導(dǎo)線(8)連到帶電容反饋的運(yùn)放(40)，通過移位寄存器(12)和切換開關(guān)(15)連到輸出線(16)上，復(fù)位線(41)連到復(fù)位開關(guān)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于可在檢測器的檢測接觸面上再加一層金屬網(wǎng)格線，覆蓋在敏感檢測單元的間隙，并將這些金屬線接地。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于可在原有的敏感電極(3)對應(yīng)的檢測面上，再迭加相同大小的金屬電極(46)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于采用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)在石英基底上制造TFT晶體管，并將驅(qū)動電路(11)和檢測電路(12)全部集成到一塊芯片上。
全文摘要
一種指紋圖象提取的半導(dǎo)體集成檢測器，包含有由敏感電極，開關(guān)器件，泄放電阻組成的敏感單元，由行、列移位寄存器，列切換開關(guān)，列電荷放大電路組成的驅(qū)動電路和由附加電極、增強(qiáng)金屬網(wǎng)格組成的表面增強(qiáng)元件三部分。通過本發(fā)明輸出送到圖象處理器提取指紋特征，而指紋鑒別器將新輸入的指紋特征數(shù)據(jù)與預(yù)先存貯的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，達(dá)到鑒別的目的。本發(fā)明比用光學(xué)系統(tǒng)提取指紋圖象方法，體積小、圖象真實(shí)。
文檔編號G06K9/00GK1125872SQ9411900
公開日1996年7月3日 申請日期1994年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月26日
發(fā)明者馮亮, 陳文輝 申請人:陳文輝, 馮亮