(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋による凹凸を電気信号に変換するセンサ回路を有する画素を複数アレイ状に敷き詰め、指を接触させることにより該指の指紋を電気信号として検出するセンサ手段と、
前記画素毎または、該画素のグループ毎に設けられる、予め指紋データを登録する指紋メモリと、
前記画素毎または、該画素のグループ毎に設けられ、照合結果を出力する指紋認識手段と、
前記指紋認識手段の送出する前記照合結果を転送するデータバスと、
前記データバスに接続され、該データバスに送出された前記照合結果を集計すると共に、前記指紋認識手段に書き込み信号を送出する集計手段とを有し、
周囲の画素または、該画素のグループからの信号と前記センサ手段の出力を、前記集計手段からのセレクト信号により切り替えて出力するセレクタと、該集計手段からの書き込み信号で該セレクタの出力を保持し、周囲の画素または、該画素のグループに保持しているデータを出力するレジスタとを具備し、該レジスタの出力と前記指紋メモリの出力とをＡＮＤ素子に入力して得られた照合結果を前記データバスに送出する前記指紋認識手段を具備した前記画素または前記画素のグループがアレイ状に保持したデータを周囲にシフトし、
前記集計手段が前記画素毎または、前記画素のグループ毎に送出された全体の前記照合結果を集計し、
前記画素または、前記画素のグループによるアレイの周囲に、画素または画素のグループと同様に、周囲の画素または、画素のグループからの信号を、前記集計手段からのセレクタ信号により切り替えて出力する第２のセレクタと、
該集計手段からの書き込み信号で該セレクタの出力を保持し、周囲の画素または、画素のグループに保持しているデータを出力するレジスタとからなるバッファ回路を配置し、シフト動作により画素または画素のグループから送られてくるデータを保持する
ことを特徴とする指紋認識集積回路。
【請求項２】
前記センサ手段は、
前記指紋メモリまたは、前記指紋認識手段または、その両方の上に形成される請求項１記載の指紋認識集積回路。
【請求項３】
前記レジスタと前記指紋メモリとを接続し、該レジスタを介して前記指紋メモリのデータの読み書きを行う手段を有する請求項１記載の指紋認識集積回路。
【請求項４】
前記センサ手段は、
接触面を有し、該接触面の凹凸を静電容量に変換する素子を含む請求項１及び２記載の指紋認識集積回路。
【請求項５】
前記センサ手段は、
発光回路及び指の皮膚で反射した該発光回路からの光を受ける受光回路を含む請求項１及び２記載の指紋認識集積回路。
【請求項６】
前記センサ手段は、
２つの金属面と、該金属面の間に充填された緩衝剤とから構成され、指紋の凹凸による緩衝剤の収縮に基づいて、前記金属面間の静電容量変化に変換する請求項１及び２記載の指紋認識集積回路。
【請求項７】
前記センサ手段は、
２つの金属面と、該金属面間に充填された緩衝剤とから構成され、指紋の凹凸に基づいて、前記緩衝剤の空洞部分を介して、上層金属面と下層金属面とが接触することにより、２つの金属面が等電位になるように構成する請求項１及び２記載の指紋認識集積回路。
【請求項８】
前記センサ手段と前記指紋認識手段とを配線により結線し、該センサ手段と、該指紋認識手段との間の該配線が、半導体集積回路の基板上に層間膜を挟んで配置する請求項１及び２記載の指紋認識集積回路。
【請求項９】
接触した指の指紋による凹凸を電気信号に変換するセンサ素子と、
このセンサ素子が変換した電気信号を処理して所定のデータを出力するセンサ回路と、
予め指紋による凹凸を示す指紋データが登録された指紋メモリと、
前記センサ回路から送出されたデータとこの指紋メモリの指紋データとをＡＮＤ素子に入力して得られた照合結果を出力する演算回路と
を備えた、マトリクス状に配置された複数の画素ユニット、
および前記演算回路から出力された照合結果を集計し、集計した各画素ユニットの照合結果の全体を基に指紋認識結果生成する制御回路
を備え、
前記画素ユニット毎に、
同一画素ユニット内のセンサ回路からのデータと周囲の画素ユニットからのデータとが入力され、所定のデータを選択して出力する選択手段と、
この選択手段から出力されたデータを保持するとともに、このデータを前記演算回路と周囲の画素ユニット内の選択手段とに出力する保持転送手段と
を備え、
前記制御回路は、前記選択手段に前記所定のデータの選択させるセレクト信号を出力し、前記保持転送手段に保持しているデータを前記演算回路と周囲の画素ユニット内の選択手段へ出力させる書き込み信号を出力し、
前記マトリクス状に配置された画素ユニットの周囲に配置され、もっとも外側の画素ユニットから出力されたデータを保持するバッファユニットを備えたことを特徴とする指紋認識集積回路。
【請求項１０】
請求項９記載の指紋認識集積回路において、
前記バッファユニットは、
最も外側の画素ユニットから出力されたデータと周囲のバッファユニットから出力されたデータとが入力され、所定のデータを選択して出力する選択手段と、
この選択手段から出力されたデータを保持するとともに、このデータを前記最も外側の画素ユニットと前記周囲のバッファユニットとに出力する保持転送手段と
から構成されたことを特徴とする指紋認識集積回路。
【請求項１１】
請求項９及び１０のいずれか１項に記載の指紋認識集積回路において、
前記センサ素子は、外部に露出した接触面を有する接触電極を備え、この接触電極に発生した静電容量を検出することを特徴とする指紋認識集積回路。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の指紋認識集積回路において、
前記センサ素子は、上部電極とこの上部電極に所定距離離間して対向配置された下部電極とを備え、前記上部電極と前記下部電極との間の容量変化を検出することを特徴とする指紋認識集積回路。
【請求項１３】
請求項１２記載の指紋認識集積回路において、
前記上部電極と前記下部電極の間に、緩衝剤が配置されたことを特徴とする指紋認識集積回路。
【請求項１４】
請求項１２記載の指紋認識集積回路において、
前記上部電極と前記下部電極の間に、空間が設けられたことを特徴とする指紋認識集積回路。
【請求項１５】
請求項９〜１４いずれか１項に記載の指紋認識集積回路において、
前記センサ素子は前記センサ回路の上に配置されたことを特徴とする指紋認識集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指紋認識集積回路に係り、特に、指紋の凹凸を感知するセンサを集積回路上に複数敷き詰めた指紋センサとして用いられる指紋認識集積回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報化社会の進展と現代社会の環境において、セキュリティ技術への関心が高まっている。例えば、情報化社会では、電子現金化などのシステム構築のための本人認証技術が、重要な鍵となってきる。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のが実情である（例えば、清水良真他、個人認証付機能付きＩＣカードに関する一検討、信学技報、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｒｅｐｏｒｔ  ｏｆ  ＩＥＩＣＥ，ＯＦＳ９２−３２，ｐ２５−３０（１９９２））。
このような、不正使用防御策のための認証方式には、指紋や声紋などを利用したものが種々あるが、中でも、指紋認証技術については、これまで多くの技術開発がなされている。この指紋の認証方式は、光学的な読み取り方式と人間の電気特性の利用して指紋の凹凸を電気信号に置き換えて検出する方式とに大別される。
【０００３】
光学的に読み取る方式は、主に光の反射とＣＣＤイメージセンサを用い、指紋を光学像データとして取り込み、照合を行う方式である（特開昭６１−２２１８８３号公報）。他方の方式として、指の指紋の圧力差を読み取るために圧電薄膜を利用した方式も開発されている（特開平５−６１９６５号公報）。また、同じように、皮膚の接触により生じる電気特性の変化を、電気信号の分布に置き換えて指紋の形状を検出する方式として、感圧シートを用いて抵抗変化量もしくは容量変化量による認証方式が提案されている（特開平７−１６８９３０号公報）。しかしながら、以上の技術において、まず、光を用いた方式は小型化することが難しく、汎用的に用いることが困難であり、用途が限定されるという問題がある。次に、感圧シートなどを用いて指の凹凸を感知する方式は、材料が特殊であることや加工性の難しさから、実用化が難しく信頼性に乏しいことが考えられる。
【０００４】
また、従来の指紋読み取り装置は、指紋認識装置と分離されており、指紋の形状を検出する指紋センサは、読みとった指紋データを読み取り装置外に出力する必要がある。これに対しては、指紋センサの各画素ユニットが検知したデータを走査し、外部に出力する手法がある（例えば、田森照彦、特開昭６３−３１００８７）。しかし、この方法では、１画素ユニットに相当するデータ毎に指紋のデータを出力するため、指紋センサの画素ユニット数が多くなる場合、全指紋データを出力するのに多くの時間が必要となってしまう（例えば数秒）。このように多くの時間がかかる状態では、迅速なユーザの指紋認識が困難になってしまうことが考えられる。
【０００５】
一方、指紋認識においては、指紋センサで採取された指紋画像を予め登録しておいたユーザの指紋のデータとの照合が必要である。指紋の照合方法には、指紋画像の特徴点等を抽出して登録してある特徴点との比較を行う方法や、指紋画像を登録してある画像と直接照合する方法などがある。この照合方法を実現するために、従来はマイクロプロセッサ等から構成される指紋認識装置が用いられている。上記の指紋認識の方法では、特徴点の作成や検索または画像の一致率を検出する等の計算量の大きい処理が必要であるため、高性能なプロセッサ等が要求され、指紋認識システムを高価な物にしてしまい、ＩＣカードや携帯機器等の安価であることが要求される物への応用は困難である。
【０００６】
これら指紋読み取り装置や指紋認識装置を用い指紋認識システムを構築する場合、従来の指紋認識システムは、図１６に示すように、指紋を採取する指紋読み取り装置３０１、読みとった指紋をユーザの指紋データが登録されているデータベース３０２内の指紋データと照合して認識結果を出力する指紋認識装置３０３、この認識結果に基づいて処理を行う処理装置３０４から構成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の指紋認識システムにおける構成は、システム全体が大きなものになってしまい、任意の場所に応用することは不可能である。図１６に示した構成では、それぞれの装置が分離しているため、これらの装置間でのデータ転送時に情報を改ざんし、不正な認識をおこなうことを可能にしてしまう。また、図１６の構成では各装置が別になっており、システム全体が大きな物となってしまうため、ＩＣカードや携帯機器などの小さな物への指紋認識の搭載は困難である。
また、それぞれの装置が分離しているため、これらの装置間でのデータ転送時に情報を改ざんし、不正な認識を行うことが可能になってしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、指紋認識システムを集積回路チップ上に構成でき、非常に小さい指紋認識システムを構成することが可能な指紋認識集積回路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理構成図である。
本発明（請求項１）は、指紋による凹凸を電気信号に変換するセンサ回路を有する画素を複数アレイ状に敷き詰め、指を接触させることにより該指の指紋を電気信号として検出するセンサ手段１と、
画素毎または、該画素のグループ毎に設けられる、予め指紋データを登録する指紋メモリ３と、
画素毎または、該画素のグループ毎に設けられ、照合結果を送出する指紋認識手段２と、
指紋認識手段の送出する照合結果を転送するデータバス４と、
データバス４に接続され、該データバス４に送出された全体の照合結果を集計すると共に、指紋認識手段に書き込み信号を送出する集計手段５とを有し、
集計手段５が画素毎または、画素のグループ毎に送出された照合結果を集計する。
さらに本発明は、周囲の画素または、該画素のグループからの信号とセンサ手段１の出力を、集計手段５からのセレクト信号により切り替えて出力するセレクタと、
集計手段５からの書き込み信号でセレクタの出力を保持し、周囲の画素または、該画素のグループに保持しているデータを出力するレジスタと、該レジスタの出力と指紋メモリの出力とを照合し、照合結果をデータバス４に出力する第２の照合手段からなる照合回路からなる第２の認識回路を具備した画素または画素のグループがアレイ状に保持したデータを周囲にシフトし、集計手段がデータバスを介して送信された照合結果を集計し、指紋の認識を行う。
またさらに本発明は、画素または、画素のグループによるアレイの周囲に、画素または画素のグループと同様に、周囲の画素または、画素のグループからの信号を、集計手段５からのセレクタ信号により切り替えて出力するセレクタと、該集計手段からの書き込み信号で該セレクタの出力を保持し、周囲の画素または、画素のグループに保持しているデータを出力するレジスタとからなるバッファ回路を配置し、シフト動作により画素または画素のグループから送られてくるデータを保持する。
【００１０】
本発明（請求項２）は、センサ手段１において、指紋メモリまたは、指紋認識手段または、その両方の上に形成される。
【００１３】
本発明（請求項３）は、レジスタと指紋メモリ３とを接続し、該レジスタを介して指紋メモリ３のデータの読み書きを行う手段を有する。
本発明（請求項４）は、センサ手段１において、
接触面を有し、該接触面の凹凸を静電容量に変換する素子を含む。
本発明（請求項５）は、センサ手段１において、
発光回路及び指の皮膚で反射した該発光回路からの光を受ける受光回路を含む。
【００１４】
本発明（請求項６）は、センサ手段１において、
２つの金属面と、該金属面の間に充填された緩衝剤とから構成され、指紋の凹凸による緩衝剤の収縮に基づいて、金属面間の静電容量変化に変換する。
本発明（請求項７）は、センサ手段１において、
２つの金属面と、該金属面間に充填された緩衝剤とから構成され、指紋の凹凸に基づいて、緩衝剤の空洞部分を介して、上層金属面と下層金属面とが接触することにより、２つの金属面が等電位になるように構成する。
【００１５】
本発明（請求項８）は、センサ手段１と指紋認識手段２とを配線により結線し、該センサ手段１と、該指紋認識手段２との間の該配線が、半導体集積回路の基板上に層間膜を挟んで配置する、
上記のように、本発明は、指紋の凹凸を感知するセンサ手段１を集積回路上に複数敷き詰め、指紋センサとして用いる。また、このセンサが採取した指紋を同じ集積回路に混載した指紋認識手段２で認識し、予め登録しておいた、指紋との照合を高速に行う。これにより、従来より大幅に小さい指紋認識システムを構築でき、ＩＣカード等の指紋認識による認証を取り入れることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の指紋認識集積回路は、接触した指の指紋による凹凸を電気信号に変換するセンサ素子と、このセンサ素子が変換した電気信号を処理して所定のデータを出力するセンサ回路と、予め指紋による凹凸を示す指紋データが登録された指紋メモリと、センサ回路から送出されたデータとこの指紋メモリの指紋データとをＡＮＤ素子に入力して得られた照合結果を出力する演算回路とを備えた複数の画素ユニットから構成されたことを特徴とする指紋認識集積回路。
この発明によれば、１つの画素ユニット内で、画素ユニットの部分における指紋の読み取りから認識までが行える。
上記の発明では、演算回路から出力された照合結果の全体を集計する制御回路を備える。この制御回路は、集計した各画素ユニットの全体の照合結果を基に指紋認識結果生成する。
上記の発明において、複数の画素ユニットはマトリクス状に配置されている。
上記の画素ユニットがマトリクス状に配置される発明の場合、同一画素ユニット内のセンサ回路からのデータと周囲の画素ユニットからのデータとが入力され、所定のデータを選択して出力する画素ユニット毎に設けられた選択手段と、この選択手段から出力されたデータを保持するとともに、このデータを演算回路と周囲の画素ユニット内の選択手段とに出力する画素ユニット毎に設けられた保持転送手段とを備え、制御回路は、選択手段に所定のデータの選択させるセレクト信号を出力し、保持転送手段に保持しているデータを演算回路と周囲の画素ユニット内の選択手段へ出力させる書き込み信号を出力する。
上記の発明では、マトリクス状に配置された画素ユニットの周囲に配置され、もっとも外側の画素ユニットから出力されたデータを保持するバッファユニットを新たに備えてもよい。
【００１９】
上記の発明では、バッファユニットは、最も外側の画素ユニットから出力されたデータと周囲のバッファユニットから出力されたデータとが入力され、所定のデータを選択して出力する選択手段と、この選択手段から出力されたデータを保持するとともに、このデータを最も外側の画素ユニットと周囲のバッファユニットとに出力する保持転送手段とから構成される。
【００２０】
上記の発明において、センサ素子は、外部に露出した接触面を有する接触電極を備え、この接触電極に発生した静電容量を検出する。また、センサ素子は、上部電極とこの上部電極に所定距離離間して対向配置された下部電極とを備え、上部電極と下部電極との間の容量変化を検出する。また、上部電極と下部電極の間に、緩衝剤が配置される。また、上部電極と下部電極の間に、空間が設けられている。また、センサ素子はセンサ回路の上に配置される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の指紋認識集積回路の構成を示す。
同図に示す構成は、指紋を採取するセンサ回路１０２を集積回路チップ上に形成し、読み取ったデータを認識する認識回路１０４、認識する指紋の見本となる指紋メモリ１０３を同じチップ上に形成するものである。
また、センサ回路１０２は、大きさ数μｍのセンサ回路を複数並べたものであり、認識回路１０４は、通常の論理回路で構成された認識を行う回路である。
【００２２】
本実施の形態の指紋認識集積回路は、図２（ａ）に示すように、複数の画素（画素ユニット）１０１がマトリクス状に配置されて画素ユニットアレイを構成している。
この画素ユニット１０１は、まず、図示していない接触した指の指紋による凹凸を電気信号に変換するセンサ素子１０２ａとこのセンサ素子１０２ａが変換した電気信号を処理して所定のデータを出力するセンサ部１０２ｂからなる指紋の形状を検出するためのセンサ回路１０２を備える。また、ユーザの登録指紋を保持する指紋メモリ１０３を備え、そして、センサ回路１０２で検出した指紋データと登録した指紋データとの照合を行う認識回路１０４を備え、制御回路（集計装置）１１１で各画素ユニット１０１の制御および認識結果の集計を行う。
【００２３】
ユーザの登録指紋データは、各画素ユニット１０１内の指紋メモリ１０３に分割して記憶される。図２（ａ）の指紋認識集積回路の上に置かれた指の指紋形状は、全ての画素ユニット１０１の中で、センサ回路１０２により電気信号に変換される。認識回路１０４は、センサ回路１０２で変換された指紋形状に関する電気信号（データ）と、指紋メモリ１０３内の登録指紋データとを用いて信号処理を行い、認識結果を出力する。
【００２４】
各画素ユニット１０１からの認識結果は、制御回路１１１により集計され、集計した結果を基に、制御回路１１１は認識結果を生成して外部へ出力する。上記の処理は同時に超並列的に行うことが可能であり、並列処理することで認識処理時間の短縮や消費電力の削減が実現される。また、各画素ユニット１０１内で、一つの認識回路に対し、複数のセンサ部や指紋メモリを搭載し、制御回路からの制御信号で各センサ回路及び指紋メモリを切り替えて用いることで、面積の削減も可能とする。また、センサ回路が、複数のセンサ素子を備えるようにしてもよい。
【００２５】
上記の画素ユニット１０１は、図２−Ｂ，図２−Ｃに示すように、指紋メモリ１０３や認識回路１０４などの認証回路部分とセンサ回路１０２とを、論理回路層１３０とセンサ層１３１とにわけ、基板１４０上に重ねて配置することで、画素ユニットの集積度を向上させることができる。
上記の構成では、指紋認識システムを集積回路チップ上に構成でき、非常に小さい指紋認識システムが実現可能となる。このため、ＩＣカードのような小さく薄いもの等、任意の場所に指紋認識システムを組み込むことが可能となる。
【００２６】
さらに、センサ回路１０２や認識回路１０４等が一つの集積回路チップ上にあるため、これらの装置間のデータ転送時にデータの改ざんが不可能になり、不正な認識を防ぐことが可能となる。
【００２７】
【実施例】
［第１の実施例］
本実施例は、図２に基づいて説明する。
図２（ａ）は、センサ回路１０２内のセンサ回路個々または、数個毎に認識回路１０４や指紋データを保持する指紋メモリ１０３の組を１つの画素（画素ユニット）に設定するものである。各画素ユニットには一枚または、複数枚の指紋画像の１画素ユニット分のデータを保持することが可能である。この指紋画像がユーザに対する登録指紋データとなり、各画素ユニットで分散して記憶する。
【００２８】
指紋メモリ１０３に集計装置（制御回路）１１１からメモリセレクト信号を送信し、その信号で指紋メモリ１０３が出力するデータを切り替えることで複数のデータを区別して出力することができる。
図２（ｃ）は、基板１４０上に設けられた論理回路装置の上層のセンサ層に認識回路１０４を設け、さらに、当該論理回路装置の上層のセンサ層にセンサ回路１０２を搭載し、１つの画素ユニットに設定するものである。
【００２９】
センサ回路１０２と認識回路１０４と指紋メモリ１０３の組を画素（画素ユニット）と呼び、認識は画素ユニット毎、あるいは、周囲の画素ユニットとの協力によって行われる。認識結果は制御回路に送られ、全体の認識結果が集計される。
この構成では、最終集計以前の処理は、各画素ユニット単位で行われるため、並列処理が可能となり、全体の認識処理時間を短縮することが可能である。
また、画素ユニットの数を変えることで、容易に読み取り部の面積を変更したり、読み取りの解像度を変更したりすることが可能である。
図２（ｃ）に示すように、センサ回路１０２と認識回路１０４等の論理回路を重ねることにより、面積や消費電力を削減することが可能となる。
【００３０】
センサ層に配置するセンサ回路におけるセンサ素子は、図３に示すように、層間絶縁膜２０１上に配置された接触面を有する接触電極２０２と、接触電極２０２に接続する配線層２０２ａとから構成され、接触電極２０２と配線層２０２ａでセンサ回路の一部が構成されている。接触電極２０２は、画素ユニットユニットの最表面に配置され、指紋認識対象の指が直接触れ、指が接触することで発生する静電容量を検知する。接触電極２０２で検知された信号は、配線層２０２ａで認識回路に伝搬される。
このセンサ素子では、接触電極２０２の静電容量を測定し、接触面が触れている部分の指紋の凹凸を検知するものである。図３の構造は非常に単純であり、微細化が可能であるため、検知する指紋に対するデータの解像度を向上させることが可能である。
【００３１】
［第２の実施例］
図４は、本発明の第２の実施例の指紋認識集積回路の構成を示す。
同図に示す指紋認識集積回路は、指紋の採取から指紋データの照合まで行う各画素ユニット１０１として、指紋の形状を検出するセンサ回路１０２、登録指紋を保持する指紋メモリ１０３、レジスタ１０５と演算回路（照合回路）１０６からなり、検出した指紋データと登録した指紋データとの照合を行う認識回路１０４から構成される。レジスタ１０５は、センサ回路１０２の出力を保持し、演算回路１０６は、レジスタ１０５の出力と指紋メモリ１０３の出力とを照合する。
【００３２】
各画素ユニット１０１の演算回路１０６は、照合の結果データをデータバス１１２に出力し、制御回路１１１が各画素ユニット１０１の照合結果を集計する。また、この制御回路１１１は認識回路１０４内のレジスタ１０５の書き込み信号も発生する。この画素ユニット１０１を複数アレイ状に配置し、制御回路１１１とデータバス１１２で接続することで、指紋の検出から認証までを行う指紋認識集積回路が実現される。
【００３３】
指紋メモリ１０３の回路構成を図５（ａ）に示す。
指紋メモリ１０３は、単純なインバータ素子により実現可能である。同図の回路では、１ビットの指紋データを保持できるが、この容量を増やすことで、複数の指や複数の人に対する指紋データを保持することが可能となる。
演算回路１０６の構成を図５に示す。同図に示す演算回路１０６は、ＡＮＤ素子により実現可能である。
【００３４】
ところで、上記では、センサ素子として１つの接触電極を備えるものを用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、図６に示すように、層間絶縁膜２０１上に発光素子（発光回路）６０２と受光素子（受光回路）６０３を備え、発光素子６０２と受光素子６０３は透明な保護膜６０４で保護されている。発光素子６０２は配線層６０２ａにより発光のための電源が供給される。また、受光素子６０３は、配線層６０３ａにより層間絶縁膜２０１の下に配置されている認識回路（図示せず）に接続している。このセンサ素子は、発光素子６０２を光源とし、受光素子６０３により指紋の凹凸を光学的に検出する。
【００３５】
同図に示すセンサ素子は、発光素子６０２が発光し、指の皮膚に反射して、当該センサ素子の上部の指紋の凹凸を検知するものである。集積回路が形成されたの基板上に層間絶縁膜２０１を挟み、センサ回路１１１と認識回路１０４間を結ぶ配線が通る２つの配線層６０２ａ，６０３ａが形成され、この配線を用いて、認識回路１０４は、発光素子６０２の発光の制御や、各受光素子６０３の受光強度の測定を行う。発光素子６０２と受光素子６０３は、透明な保護膜で覆われる。発光素子６０２が発する光は、保護膜６０４を透過し、指に反射し、再び保護膜６０４を透過して受光素子６０３に届く。
上記の構成は、センサ回路１１１に対し、非接触であり、測定時にセンサ回路１１１の形状を変化させる必要もないため、信頼性の高いセンサ回路１０２を構成することが可能となる。
【００３６】
また、図７に示すように、層間絶縁膜２０１上に下部電極２０４と下部電極２０４上部に離間して配置された上部電極２０５とを備えるようにしてもよい。なお、上部電極２０５と下部電極２０４との間には、緩衝剤２０６が充填され、上部電極２０５上は保護膜２０７で保護されている。図７のセンサ素子表面（保護膜２０７表面）に指紋の凹凸が触れると、凹凸の形状の合わせて緩衝剤２０６が収縮して上部電極２０５がたわみ、上部電極２０５と下部電極２０４との間隔が変化する。指紋の凹凸が触れて間隔が変化すれば、下部電極２０４上に発生している容量も変化する。したがって、下部電極２０４に発生している容量変化を、配線層２０４ａを介して下部電極２０４に接続する認識回路で検出測定することで、このセンサ素子を備えたセンサ回路に触れている部分の指紋の凹凸を検知することが可能となる。
【００３７】
上記の構成は、非常に単純であり、微細化が可能なため、読み込む指紋データの解像度を向上させることが可能である。
また、保護膜２０７で保護することが可能なために金属等に直接触れることがなく、センサ素子の劣化を防ぐことが可能である。
さらに、保護膜２０７は不透明でよく、保護膜２０７上への印刷等も可能である。
【００３８】
また、図８に示すように、図７に示したセンサ素子の構成において、下部電極２０４と上部電極２０５との間の緩衝剤２０６を除去し、下部電極２０４と上部電極２０５との間に空間２０６ａを備えるようにしても同様の効果が得られる。このセンサ素子は、図７に示すセンサ素子と同様の構成であるが、下部電極２０４と上部電極２０５との２つの金属面を下部電極２０４上は空間２０６ａになるように、柔軟な緩衝剤２０６で挟んだもので、指紋の凸部が触れると、その圧力により緩衝剤２０６が収縮し、適当な電位の与えられた上部電極２０５が下部電極２０４に接触し、このとき変化する下部電極２０４の電位を測定した指紋認識集積回路に触れている指紋の凹凸を検知するものである。
【００３９】
集積回路が形成された基板上に層間膜２０１等を挟み、センサ回路１１１と認識回路１０４とを結ぶ配線が通る配線層２０４ａが形成され、この配線を用いて認識回路１０４は、各センサ素子の電位を測定する。
上記の構成は、非常に単純であり、微細化が可能なために読み込む指紋データの解像度を向上させることが可能である。
また、保護膜で保護することが可能であるため金属等に直接触れることがなく、センサ素子の劣化を防ぐことができる。さらに、保護膜２０７は不透明でよく、保護膜２０７への印刷等も可能である。
【００４０】
［第３の実施例］
次に第３の実施例を説明する。
上記の指紋認識集積回路は、画素ユニットがマトリクス状に配置された指紋認識領域に指を載せることで、各画素ユニットごとに、おかれた指の指紋形状と指紋メモリに格納されているデータとを比較する。指紋認証領域は、例えば、図９に示すように、指９０１の指紋がある領域全てを認識対象とするのではなく、指紋がある領域の一部の認識対象としている。指紋がある領域全てを認識対象とすると指紋認識集積回路が大きくなるので、指紋認証が可能な範囲で認識対象領域を小さくしている。このような背景の中で、指紋メモリに格納されているデータは、指紋認識領域と指との相対的な位置関係が所定の状態におけるデータが格納されているため、指紋認識領域に対する指の位置が、指紋メモリに格納されているデータによる位置と異なる場合、正しい指紋認証が行えない。
したがって、以降に説明するように、本実施例３では、検出した指紋データを、上下左右の画素ユニットにシフトするようにした。
【００４１】
本実施例の指紋認識集積回路は、図２（ａ）に示した指紋認識集積回路の各画素ユニット１０１を図１０に示す構成の画素ユニット１０１ａとし、図１１に示すように各画素ユニット１０１ａ間を接続した。図１０は、本発明の第３の実施例の指紋認識集積回路の構成を示す。同図に示す構成は、図４に示す認識回路１０４にセレクタ１０７を付加すると共に、レジスタ１０５の出力を、上下左右の画素ユニットに渡す構成としたものである。
図１０に示す構成は、第１の実施例に対し、センサ回路１０２の出力とレジスタ１０５の入力との間にセレクタ１０７を挿入し、上下左右の他の画素ユニットらの信号をセレクタ１０７に入力し、レジスタ１０５の出力を上下左右の画素ユニットに送信するようにしたものである。
【００４２】
まず、画素ユニット１０１ａの構成に関して説明すると、本実施例においては、新たにセレクタ１０７を設けるようにした。また、センサ回路１０２の出力される信号（データ）を保持するとともに、このデータを上下左右の画素ユニットのセレクタに出力（送信）するレジスタ（保持転送手段）１０５ａを設けるようにした。したがって、画素ユニット１０１ａのセレクタ１０７には、センサ回路１０２からの信号とともに、上下左右の画素ユニットのレジスタの出力が入力される。また、本実施例では、制御回路１１１が、レジスタ１０５ａに対する書き込み信号に加え、セレクタ１０７に対するセレクト信号を出力する。
【００４３】
図１０の画素ユニットにおいても、センサ回路１０２で検出・変換された指紋データは、初期の段階（指紋の検出段階）において、セレクタ１０７を介してレジスタ１０５ａに保持される。この初期の段階では、制御回路１１１のセレクト信号により、セレクタ１０７はセンサ回路１０２からの信号をレジスタ１０５ａに接続する。本実施例では、レジスタ１０５ａに指紋データが保管されると、この後、制御回路１１１がセレクト信号でセレクタ１０７制御することで、他の画素ユニットからの指紋データを選択し、選択した指紋データをレジスタ１０５ａに出力する。
【００４４】
この制御回路１１１の制御により、レジスタ１０５ａは初期の検出段階とは異なり、例えば、左隣の画素ユニットのセンサ回路が検出した指紋データを保持する。つまり、制御回路１１１からのセレクト信号により、検出したデータが上下左右の画素ユニットにシフトされる。したがって、本実施例によれば、初期の段階で検出した指紋データを、制御回路１１１の制御により上下左右の所望の方向にシフトすることが可能となる。このシフトにより、センサ回路１０２で検出した指紋データの位置と、指紋メモリ１０３に保持された指紋データの位置とのずれを修正することが可能となり、認証率の向上が図れる。
【００４５】
［第４の実施例］
【００４６】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。
この実施例４の指紋認識集積回路では、マトリクス状に配置した画素ユニット１０１ａからなる画素ユニットアレイの周囲に、画素ユニットを延長して配置するようにバッファ（バッファユニット）１４１を付加した。バッファユニット１４１は、画素ユニットアレイの再外周に配置された画素ユニット１０１ａに接続されている。バッファユニット１４１は、少なくともシフトする回数の最大数の段数を、アレイ（画素ユニットアレイ）の周囲に配置することによりシフト動作により溢れたデータを全て保持することが可能となる。
【００４７】
バッファユニット１４１に関して説明すると、図１３に示すように、セレクタ１４１ａとレジスタ１４１ｂからなり、制御回路１１１が発生する各画素ユニットのセレクタに対するセレクタ信号，レジスタに対する書き込み信号と同様の信号で動作する。このバッファユニット１０１を画素ユニットによる画素ユニットアレイの周囲に配置し、画素ユニット同様上下左右に接続することで、検出指紋データのシフト動作時に、画素ユニットアレイからはみ出してしまうデータを保持することが可能となり、シフト時のデータ欠落を防ぐことが可能となる。
【００４８】
［第５の実施例］
図１４は、本発明の第５の実施例の指紋認識集積回路の構成を示す。同図に示す指紋認識集積回路は、前述の第２の実施例の構成におけるレジスタ１０５と指紋メモリ１０３を接続したものである。これにより、指紋メモリ１０３内のデータの読み書きをレジスタ１０５を介して行うことが可能となる、
この実施例５の指紋認識集積回路では、マトリクス状に配置する各画素ユニット１０１を、図１４に示すように、指紋メモリ１０３とレジスタ１０５を接続した画素ユニット１０１ｂとした。前述したように、指紋メモリ１０３には認証のもととなるユーザの登録指紋データが予め格納されているが、レジスタ１０５と接続することで、センサ回路１０２により新たに取り込んだ指紋のデータを、新たに登録指紋データとして格納することが容易にできるようになる。
【００４９】
［第６の実施例］
上記の実施例５の指紋メモリとレジスタとの接続は、図１０に示した指紋認識集積回路にも適用でき、図１５に示すように、指紋メモリ１０３とレジスタ１０５ａとを接続した画素ユニット１０１ｃとすればよい。そして、セレクタ１０７を備えた図１５の画素ユニット１０１ｃからなる指紋認識集積回路では、画素ユニットアレイの中の１つの画素ユニットに制御回路１１１からのデータ書き込み線を接続すれば、制御回路１１１から新たな登録指紋データを指紋メモリに格納することができる。制御回路１１１からのデータ書き込み線を１つの画素ユニットに接続すれば、図１５の画素ユニットではシフトができるので、このシフト動作を用いて全ての画素ユニットに順次に新たな登録指紋データを書き込むことが可能となる。
なお、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内で種々変更・応用が可能である。
【００５０】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、指紋を採取するセンサ回路を集積回路上に形成し、認識回路、指紋メモリを同じ集積回路上に形成することにより、指紋認識システムを集積回路上に構成でき、非常に小さい指紋認識システムを実現することができる。
【００５１】
また、ユーザの登録指紋データの保持、指紋データの検出、保持したユーザの登録指紋データと検出データとの照合を行う照合回路を持つ画素（画素ユニット）、または、この画素（画素ユニット）のグループからなるアレイを用いることで、指紋データの検出から認証までを並列・高速に行うことが可能となる。
また、集積回路の基板上に層間膜等を挟み、センサ回路と認識回路とを挟む配線層を形成して、認識回路がセンサ回路の容量を測定することにより、単純な構成で微細化を可能とし、指紋データの解像度を向上させることが可能である。
【００５２】
さらに、発光回路が発光し、指の反射に対して受光回路での受光強度で指紋の凹凸を検知することにより、センサ回路に対して指を直接接触させないため、センサ回路の形状を変化させる必要がなく、高信頼性のセンサ回路を構成することができる。
また、センサ回路に金属パッドと上層金属の２つの金属面を緩衝剤で挟むことにより、指が触れると緩衝剤の収縮により、金属間の距離が変化することにより、指の接触部分の指紋の凹凸を検知することが可能であり、微細化が可能であるため、指紋データの解像度を向上させることができると共に、保護膜で保護することで、金属等に直接指が触れることがなく、センサ回路の劣化を防止できる。
【００５３】
また、センサ回路に金属パッドと上層金属の２つの金属面の間が空洞となるように、緩衝剤２０６で挟む構成とすることにより、指の接触時における緩衝剤２０６の収縮による電位の変化を測定することにより、指の接触部分の指紋の凹凸を検知することが可能であるとともに微細化が可能であり、指紋データの解像度を向上させることが可能である。
さらに、センサ回路、認識回路、指紋メモリの組を１つの画素（画素ユニット）とすることにより、並列処理が可能となり、全体の認識処理時間を短縮することができる、また、画素（画素ユニット）数を変更することにより、容易にセンサ回路の面積の変更、解像度の変更が容易になる。
【００５４】
本発明では、接触した指の指紋による凹凸を電気信号に変換するセンサ素子と、このセンサ素子が変換した電気信号を処理して所定のデータを出力するセンサ回路と、予め指紋による凹凸を示す指紋データが登録された指紋メモリと、センサ回路から送出されたデータとこの指紋メモリの指紋データとの照合を行い照合結果を出力する演算回路からなる複数の画素ユニットを備えるようにした。
このように構成した結果、この発明によれば、１つの画素ユニット内で、画素ユニットの部分における指紋の読み取りから認識までが行える。したがって、複数の画素ユニットを同じ半導体集積回路上に形成することで、指紋認識のためのシステムを１つの半導体チップ上に構成できるようになる。この結果、この発明によれば、指紋認識のためのシステムを、ＩＣカードや携帯機器等の小型機器に安価に搭載できるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成図である。
【図２】本発明の指紋認識集積回路の構成図である。
【図３】本発明におけるセンサ素子の構成を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明における画素ユニットの構成を示す構成図である。
【図５】本発明における画素ユニットの一部構成を示す構成図である。
【図６】本発明におけるセンサ素子の他の構成を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明におけるセンサ素子の他の構成を概略的に示す断面図である。
【図８】本発明におけるセンサ素子の他の構成を概略的に示す断面図である。
【図９】本発明の指紋認識装置と指との関係を示す説明図である。
【図１０】本発明の他の形態の指紋認識集積回路を構成する画素ユニットの構成図である。
【図１１】本発明の他の形態における画素ユニットの配置構成を示す構成図である。
【図１２】本発明の他の形態における画素ユニットの配置構成を示す構成図である。
【図１３】バッファユニットの構成を示す構成図である。
【図１４】本発明の他の形態の指紋認識集積回路を構成する画素ユニットの構成図である。
【図１５】本発明の他の形態の指紋認識集積回路を構成する画素ユニットの構成図である。
【図１６】従来の指紋識別システム構成図である。
【符号の説明】
１…センサ手段、２…指紋認識手段、３…指紋メモリ、４…データバス、５…集計手段、１０１…画素（画素ユニット）、１０２…センサ回路、１０２ａ…センサ素子、１０２ｂ…センサ部、１０３…指紋メモリ、１０４…認識回路、１０５…レジスタ、１０６…演算回路（照合回路）、１１１…制御回路（集計装置）、１１２…データバス、１３０…論理回路層、１３１…センサ層、１４０…基板、２０１…層間絶縁膜、２０２ａ…配線層、２０２…接触電極、２０４…下部電極、２０５…上部電極、２０６…緩衝剤、２０６ａ…空間、２０７…保護膜、６０２…発光素子、６０２ａ，６０３ａ…配線層、６０３…受光素子、６０４…保護膜。
【図１】
0003549795.tif 000002
【図２】
0003549795.tif 000003
【図３】
0003549795.tif 000004
【図４】
0003549795.tif 000005
【図５】
0003549795.tif 000006
【図６】
0003549795.tif 000007
【図７】
0003549795.tif 000008
【図８】
0003549795.tif 000009
【図９】
0003549795.tif 000010
【図１０】
0003549795.tif 000011
【図１１】
0003549795.tif 000012
【図１２】
0003549795.tif 000013
【図１３】
0003549795.tif 000014
【図１４】
0003549795.tif 000015
【図１５】
0003549795.tif 000016
【図１６】
0003549795.tif 000017