(57)【要約】      （修正有）【課題】乾燥した指のような“難しい”指の指紋の感知の向上を備える指紋感知システムを提供する。【解決手段】電源電圧を実質的に維持しつつ、低電位ＶＬおよび高電位ＶＨが可変であるように、また、低電位ＶＬおよび高電位ＶＨの変動が、電源電圧を実質的に維持しつつ、読み出し回路に接続する感知構造１５ａ〜１５ｃが帯びる電荷の変化をもたらすよう、読み出し回路構成が感知構造１５ａ〜１５ｃのそれぞれに接続可能であるように構成される。電荷の変化は、感知構造１５ａ〜１５ｃと指との容量結合を示す。【選択図】図３
2019012075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋感知システムにおいて、
センサアレイであって、
それぞれが前記センサアレイの表面に面し、前記センサアレイの前記表面に触れる指に容量的に結合するよう配置される複数の感知構造と、
前記感知構造のそれぞれに接続され、前記感知構造のそれぞれが帯びる電荷の変化を示す感知信号を提供するための読み出し回路構成と、を有するセンサアレイと、
前記読み出し回路構成に、高電位と低電位との電位差である、略一定の電源電圧を提供するよう配置される電源回路構成と、を備える指紋感知システムであって、
前記指紋感知システムは、前記電源電圧を実質的に維持しつつ、前記低電位および前記高電位が、前記指紋感知システムを備える装置の装置グラウンド電位に関して可変であるように構成されており、
前記読み出し回路構成は、前記電源電圧を実質的に維持しつつ、前記低電位と前記高電位の変動が、前記読み出し回路構成に接続された感知構造が帯びる前記電荷の変化をもたらすよう、前記感知構造のそれぞれに接続され、前記感知構造が帯びる前記電荷の変化は、前記感知構造と前記指との容量結合を示している、指紋感知システム。
【請求項２】
前記電源回路構成は、前記装置グラウンド電位に関して変動する、前記低電位としての第一時変電位および前記高電位としての第二時変電位を提供するよう構成される、請求項１に記載の指紋感知システム。
【請求項３】
前記読み出し回路構成は、
前記低電位と前記高電位の前記変動が、前記装置グラウンド電位に関する、第一組の各感知構造の電位の変動をもたらし、前記読み出し回路構成が、前記第一組の各感知構造が帯びる電荷の前記変化を示す信号を提供するように、前記第一組の感知構造に接続され、および
前記低電位と前記高電位の前記変動が、前記装置グラウンド電位に関する、第二組の各感知構造の電位の変動をもたらすように、前記第一組の感知構造と異なる前記第二組の感知構造に接続されるように、制御可能である、請求項１または２に記載の指紋感知システム。
【請求項４】
前記読み出し回路構成は、前記第一組の各感知構造が帯びる電荷の前記変化を示す信号のみを提供する、請求項３に記載の指紋感知システム。
【請求項５】
前記電源回路構成は、電圧源に接続するための入力側と、前記センサアレイに接続する出力側とを有する絶縁回路構成を備え、
前記絶縁回路構成は、電流が前記出力側から前記入力側に流れるのを防ぎ、前記出力側の出力電位が前記入力側の入力電位と異なることを可能にするよう構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項６】
前記絶縁回路構成は、前記入力側と前記出力側とのガルバニック絶縁を提供するよう構成される、請求項５に記載の指紋感知システム。
【請求項７】
前記センサアレイは、駆動回路構成をさらに備え、前記駆動回路構成は、前記感知構造のそれぞれに接続可能であり、前記駆動回路構成に接続する感知構造の電位を、前記低電位に関して、変化させるよう制御可能である、請求項１から６のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項８】
前記センサアレイから指紋データを取得するための通信インターフェースを介して前記センサアレイに接続される処理回路構成をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項９】
前記センサアレイと前記処理回路構成とのガルバニック絶縁を提供するための絶縁回路構成をさらに備える、請求項８に記載の指紋感知システム。
【請求項１０】
前記低電圧および前記高電位は、前記処理回路構成の基準電位に関して可変である、請求項８または９に記載の指紋感知システム。
【請求項１１】
前記電源回路構成は、前記処理回路構成が前記センサアレイから指紋データを取得する期間中に、前記低電位および前記高電位のそれぞれを、前記処理回路構成の前記基準電位に関して、略一定に保つよう構成される、請求項８から１０のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項１２】
前記指が前記センサアレイの前記表面に置かれた時に、前記指に電気接触するよう配置された導電構造をさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項１３】
前記センサアレイは、
前記低電位に関して時間変動する、前記読み出し回路構成の動作を同期させるための励振信号を発生させる励振信号発生回路構成と、
前記センサアレイから前記励振信号を出力するための励振信号出力と、を備え、
前記励振信号出力は、前記装置グラウンド電位に導電接続し、それによって、前記低電位および前記高電位を前記装置グラウンド電位に関して時間変動させる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項１４】
前記指紋感知システムは、前記センサアレイに近接して配置される、前記指に導電接触するための導電性の指接触構造をさらに備え、
前記センサアレイは、
前記低電位に関して時間変動する、前記読み出し回路構成の動作を同期させるための励振信号を発生させる励振信号発生回路構成と、
前記センサアレイから前記励振信号を出力するための励振信号出力と、を備え、
前記励振信号出力は、前記指接触構造に導電接続し、それによって、前記低電位および前記高電位を前記指の電位に関して時間変動させる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項１５】
請求項１３に記載の指紋感知システムと、
処理回路構成であって、
前記指紋パターンの表示を前記指紋感知システムから取得し、
前記表示に基づいてユーザを認証し、
前記ユーザが前記表示に基づいて認証された場合のみ少なくとも一つのユーザ要求処理を実行するよう構成された処理回路構成と、を備える電子装置であって、
前記指紋感知システムに備えられる前記センサアレイの前記励振信号出力は、前記電子装置の前記装置グラウンド電位に導電接続される、電子装置。
【請求項１６】
それぞれが指紋センサの表面に面する感知構造を備える複数のセンサ素子を備え、前記センサ素子のそれぞれは前記感知構造と前記指紋センサの前記表面に置かれた指との容量結合を示す信号を提供するよう構成されるセンサアレイと、
低電位入力および高電位入力を有する、前記センサアレイに電力を供給するための電源インターフェースと、を備える指紋センサを動作させる方法であって、
前記指紋センサを備える装置の装置グラウンド電位に関する第一時変電位を前記電源インターフェースの前記低電位入力に提供し、前記指紋センサを備える装置の装置グラウンド電位に関する第二時変電位を前記電源インターフェースの前記高電位入力に提供し、前記第二時変電位と前記第一時変電位との電位差は略一定電圧である、工程と、
前記感知構造と前記指紋センサの前記表面に置かれた前記指との前記容量結合を示す前記信号を、前記第一時変電位および前記第二時変電位を提供しつつ、前記センサ素子のそれぞれから取得する工程と、を備える方法。
【請求項１７】
前記取得する工程は、
第一組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子を、前記低電位と前記高電位の変動が、前記第一組のそれぞれのセンサ素子の前記感知構造の電位の変動をもたらすように、および前記第一組のそれぞれのセンサ素子が、前記感知構造と前記指紋センサの前記表面に置かれた前記指との前記容量結合を示す前記信号を提供するように制御する工程と、
前記第一組の感知構造と異なる第二組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子を、前記低電位と前記高電位の前記変動が、前記第二組のそれぞれのセンサ素子の前記感知構造の電位の変動をもたらすよう制御する工程と、を備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第二組のセンサ素子は、前記第一組の少なくとも一つのセンサ素子に近接して配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記取得する工程は、
第三組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子を、前記センサ素子の前記感知構造の電位が、前記装置グラウンド電位に関して、一定または、前記第一組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子の前記感知構造の電位のピーク間振幅よりも低いピーク間振幅で時間によって変動するよう制御する工程をさらに備える、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記指紋センサに備えられる通信インターフェースを介して、前記指の指紋パターンを示す信号を提供する工程をさらに備え、
前記指の前記指紋パターンを示す前記信号は、誤差修正を可能にするための誤差修正データをさらにエンコードする、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
それぞれが指紋センサの表面に面する感知構造を備える複数のセンサ素子を備え、前記センサ素子のそれぞれは、前記感知構造と前記指紋センサの前記表面に置かれた指との容量結合を示す信号を提供するよう構成されるセンサアレイと、
低電位を受け取る低電位入力および高電位を受け取る高電位入力を有する、前記センサアレイに電力を供給するための電源インターフェースと、
前記低電位に関して時間変動する、前記指紋センサの動作を同期化する励振信号を発生させるための励振信号発生回路構成と、
前記励振信号を前記指紋センサから出力するための励振信号出力と、を備える指紋センサを動作させる方法であって、
前記指紋センサを備える装置の装置グラウンド電位に前記励振信号出力を導電接続し、前記低電位および前記高電位の、前記装置グラウンド電位に関する時間変動をもたらす工程と、
前記高電位と前記低電位との略一定の電位差を提供する工程と、
前記励振信号を提供しつつ、前記感知構造と前記指紋センサの前記表面に置かれた前記指との前記容量結合を示す前記信号を、前記センサ素子のそれぞれから取得する工程と、を備える方法。
【請求項２２】
指紋感知システムにおいて、
センサアレイであって、
複数の感知構造と、
前記感知構造のそれぞれに接続され、感知信号を提供するための読み出し回路構成と、を有するセンサアレイと、
前記読み出し回路構成に、高電位と低電位との電位差である、略一定の電源電圧を提供するよう配置される電源回路構成と、を備える指紋感知システムであって、
前記指紋感知システムは、前記指紋感知システムの動作中に、前記電源電圧を実質的に維持しつつ、前記低電位および前記高電位が、前記指紋感知システムを備える装置の装置グラウンド電位に関して同相で振動するように構成されている、指紋感知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指紋感知システムおよび指紋センサの動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプの生体認証システムが、安全性を向上するためおよび／またはユーザの利便性を高めるために、ますます用いられている。
【０００３】
特に、指紋感知システムは、その小さな形状因子、高い性能およびユーザ受け入れのため、例えば家電装置に採用されている。
【０００４】
（例えば静電容量式、光学式、熱式のような）様々な利用可能な指紋感知原理の中でも、静電容量感知が最も一般的に用いられており、特に、大きさおよび消費電力が重要な課題であるアプリケーションに用いられている。
【０００５】
すべての静電容量指紋センサは、いくつかの感知構造と、指紋センサの表面に乗せられる、または指紋センサの表面を横切って動く指との間の静電容量を示す測定値を提供する。
【０００６】
いくつかの静電容量指紋センサは、感知構造と指との間の静電容量を受動的に読み取る。しかしながら、これは、比較的大きな静電容量を必要とする。したがって、そのような受動的な静電容量センサは概して、感知構造を覆う非常に薄い保護層を備える。そうすると、そのようなセンサはスクラッチングおよび／またはＥＳＤ（静電放電）に対して幾分敏感になる。
【０００７】
米国特許ＵＳ７８６４９９２は、センサアレイの近傍に配置された導電構造をパルス操作して、センサアレイの感知構造が帯びる電荷の結果変化を測定することによって、駆動信号が指に注入される指紋感知システムを開示する。
【０００８】
ＵＳ７８６４９９２による指紋感知システムは、指紋画質とセンサ保護との優れた組み合わせを備えるが、特に乾燥した指などの“難しい”指への改善の余地が見られる。
【発明の概要】
【０００９】
従来技術の、上述のおよび他の欠点に鑑みて、本発明の目的は、特に、乾燥した指のような“難しい”指の指紋の感知の向上を備える、向上した指紋感知システムを提供することである。
【００１０】
したがって、本発明の第一の態様によれば、それぞれがセンサアレイの表面に面し、前記センサアレイの前記表面に触れる指に容量的に結合するよう配置される複数の感知構造と、前記感知構造のそれぞれに接続可能な、前記感知構造のそれぞれが帯びる電荷の変化を示す感知信号を提供するための読み出し回路構成と、を有する前記センサアレイと、前記読み出し回路構成に、高電位と低電位との電位差である、略一定の電源電圧を提供するよう配置される電源回路構成と、を備える指紋感知システムが提供され、前記指紋感知システムは、前記読み出し回路構成が、前記低電位および前記高電位が前記電源電圧を実質的に維持しつつ可変であり、また前記低電位と前記高電位の変動が、前記電源電圧を実質的に維持しつつ、前記読み出し回路構成に接続する感知構造が帯びる前記電荷の変化をもたらすよう、前記感知構造のそれぞれに接続可能であり、前記感知構造が帯びる前記電荷の変化は、前記感知構造と前記指との容量結合を示すよう構成される。
【００１１】
上述した“低電位”は、本明細書において、センサアレイの基準電位と称されることもある。
【００１２】
なお、低電位および高電位は、指紋感知システムを備える装置の基準電位に関して時間変動する。そのような装置の基準電位は、“装置グラウンド”とも称されうる。また、時変低電位は、“センサグラウンド”と称されうる。本発明の種々の実施形態によれば、“センサグラウンド”は“装置グラウンド”に関して変動しうる。指の電位は、“装置グラウンド”に関して、少なくとも指紋取得のための関連時間スケールの間、概して略一定のレベルにある。例えば、ユーザの身体は、（本線グラウンドのような）グローバル基準電位に接続していない携帯装置の“装置グラウンド”を実際に画定しうる。
【００１３】
読み出し回路構成は、例えば、指とセンサアレイに備わる感知構造との容量結合を示す電圧レベルの形で、アナログ感知信号を提供しうる。
【００１４】
しかしながら、種々の実施形態によれば、読み出し回路構成はアナログ信号をデジタル信号に変換する回路構成を含みうる。そのような回路構成は、例えば、少なくとも一つのサンプルホールド回路および少なくとも一つのアナログ−デジタル変換回路を含みうる。
【００１５】
本発明は、センサアレイの基準電位（センサグラウンド）を一定に保ちつつ指の電位を変動させる代わりに、センサアレイの基準電位が指の電位に関して“揺動”できるようにすることで、指紋感知性能の向上が達成できるという認識に基づく。
【００１６】
本発明の発明者は、指に信号を供給する導電構造を有することなく、また保護層の厚さを減らすことなく高画質の指紋画像を読み出せるように、センサアレイの基準電位が“揺動”できるようにした指紋感知システムが設計できることをさらに認識した。
【００１７】
（センサアレイを囲む導電フレームのような）導電構造がないと、指紋センサの、携帯電話やコンピュータのような種々の装置への統合が簡略化される。さらに、指紋センサシステムの設計をより目立たないようにすることができ、指紋センサシステムを含む製品の仕上がりを向上することができる。
【００１８】
加えて、ユーザの手の指または他の部分が、指紋感知システムを含む製品の導電部分に触れるアプリケーションにおいて、感知性能を向上することができる。本発明による指紋感知システムの種々の実施形態においては、指紋感知は指の変動電位に依らないため、指は、そのような製品の導電部分によってグラウンドされるようにできる（または少なくとも重負荷をかけられるようにできる）。そのようなアプリケーションの例は、露出した導電部分を有する携帯電話を含む。
【００１９】
直接導電接続を介して励振信号を指に提供する際、もしくは言い換えれば指を直流的に駆動する際、センサアレイに触れる指の表面とセンサアレイの感知構造との電位差は、電位の異なる指によって異なる。例えば、乾燥した指では電位差は低くなりうるので、解析が困難な“より弱い”指紋画像になる。
【００２０】
本発明の種々の実施形態においては、指の電位は略一定と見なされうる。そしてセンサアレイの基準電位は代わりに変動しうる。そのような実施形態では、センサアレイに触れる指の表面とセンサアレイの感知構造との電位差は、代わりに、電位の異なる指によって同じになる。実験によって、このことが、乾燥した指の指紋画像の向上をもたらすと証明された。
【００２１】
本発明の種々の実施形態においては、電源回路構成は、低電位としての第一時変電位および高電位としての第二時変電位を提供するよう構成されうる。
【００２２】
このように、励振信号は指への代わりにセンサアレイへ提供されうる。電源回路構成はセンサアレイの基準電位（“可変センサグラウンド”）を適宜パルスにしうるため、励振信号の振幅は、センサアレイへの電源電圧に制限されず、著しく高くなりうる。このことで、感知構造を覆うより厚い保護被膜の使用が可能になり、および／または、新しい材料の使用が可能になる。それによって、より強固であるいは視覚的により魅力的な指紋センサが提供される。
【００２３】
いくつかの実施形態においては、励振信号はセンサアレイおよび指の両方または指だけに提供され得る。励振信号は、例えば、センサアレイの外部の指励振構造を用いて、および／または現在感知していない感知構造を用いて指に提供されうる。
【００２４】
種々の実施形態によると、低電位と高電位の変動が第一組の各感知構造の電位の変動をもたらすように、そして読み出し回路構成が第一組の各感知構造が帯びる電荷の変化を示す信号を提供するように、第一組の感知構造に接続するよう、および低電位と高電位の変動が第二組の各感知構造の電位の変動をもたらすように、第一組の感知構造と異なる第二組の感知構造に接続するよう、読み出し回路構成が制御可能でありうる。
【００２５】
これによって、感知するセンサ素子と感知しないセンサ素子との間の不要な結合の発生を減らすことができる。これによって、指紋感知システムが実行する指紋感知の質が向上する。これは特に、感知するセンサ素子と感知しないセンサ素子が互いの隣に配置された場合、言い換えれば、第二組の感知構造が第一組の感知構造に近接して配置された場合である。
【００２６】
有利には、第一組の各感知構造の電位の変動と第二組の各感知構造の電位の変動は、実質的に同等でありうる。
【００２７】
さらに、指紋感知システムは、有利には、感知構造のそれぞれに接続可能であり駆動回路構成に接続する感知構造の電位を変化させるよう制御可能な駆動回路構成を備える。そのような駆動回路構成は、上記の励振信号を指に提供するのに使用されうる。駆動回路構成はまた、センサアレイの基準電位の変動に起因する不要な指の励振を減らすのに使用されうる。
【００２８】
したがって、本発明の種々の実施形態において、読み出し回路構成は、第一感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を提供するよう構成されうる。そして、駆動回路構成は、時間変化する駆動信号を第二感知構造に提供するよう構成されうる。駆動信号は、第二感知構造の電位が一定であるかまたは、第一感知構造の電位のピーク間振幅よりも低いピーク間振幅で時間変動するものである。
【００２９】
この効果を達成するために、駆動回路構成は例えば、センサアレイの基準電位の変動と実質的に逆位相にある駆動信号で、第二感知構造を駆動するよう構成されうる。センサアレイの基準電位の変動が、センサアレイの電源電圧よりも大きいピーク間振幅を有する実施形態においては、駆動回路構成は、基準電位の変動を、駆動信号を用いて十分に補償することができない。しかしながら、そのような実施形態においても、指の不要な励振（容量駆動）を著しく減らすことができる。
【００３０】
なお、読み出し回路構成および駆動回路構成は、有利には、感知状態と駆動状態との間で制御可能でありうる画素回路構成として組み合わせられうる。
【００３１】
駆動回路構成は、有利には、時間変化する駆動信号を複数の感知構造に同時に提供するよう構成されうる。例えば、時間変化する駆動信号は、現在感知している第一感知構造と周囲の感知構造以外の全ての感知構造に提供されうる。
【００３２】
本発明による指紋感知システムの実施形態においては、電源回路構成は、略一定の電源電圧を提供するよう構成され、専らセンサアレイへ電力を供給する、一定の電圧源を備えうる。
【００３３】
あるいは、電源回路構成は、電圧源に接続するための入力側と、センサアレイに接続した出力側とを有する絶縁回路構成を備えうる。絶縁回路構成は、電流が出力側から入力側に流れるのを防ぎ、それによって出力側の出力電位が入力側の入力電位と異なることを可能にするよう構成される。
【００３４】
絶縁回路構成は、例えば、電圧源とセンサアレイとの間に配置される少なくとも一つのダイオードを備え、それによって、ダイオードの異なる側で異なる電位が達成できる。
【００３５】
一実施形態では、絶縁回路構成は、電圧源と読み出し回路構成とのガルバニック絶縁を提供するよう構成されうる。
【００３６】
そのようなガルバニック絶縁を提供する絶縁回路構成は、当業者には周知であり、例えば、オプトカプラ、または一つ以上の（マイクロ）コイルおよび／または一つ以上のコンデンサに基づいた回路構成を含みうる。
【００３７】
種々の実施形態によれば、指紋感知システムは、センサアレイから指紋データを取得するための通信インターフェースを介してセンサアレイに接続する処理回路構成をさらに備えうる。
【００３８】
指紋データは、生の指紋画像データであってもよく、または、処理されてから、指紋テンプレートデータまたは任意の他の形式として、調整された画像データの形で提供されてもよい。
【００３９】
通信インターフェースは、パラレルインターフェースまたはシリアルインターフェースでありうる、任意の適切な通信インターフェースでありうる。適切な通信インターフェースの一例は、ＳＰＩインターフェース（シリアル周辺インターフェース）でありうる。
【００４０】
上述のように、読み出し回路構成によって提供される感知信号は、通信インターフェースに直接提供されうるアナログ信号でありうる。そのような実施形態においては、指紋感知システムは、アナログ感知信号をデジタル信号に変換するための外部回路構成をさらに備えうる。
【００４１】
センサアレイの基準電位が指紋データと同時に変動する実施形態においてセンサアレイから指紋データを阻害されずに取得できるようにするために、本発明の種々の実施形態による指紋感知システムは、有利には、センサアレイと処理回路構成とのガルバニック絶縁を提供するための絶縁回路構成をさらに備えうる。
【００４２】
そのような絶縁回路構成は、当業者には周知であり、例えば、オプトカプラまたは一つ以上の（マイクロ）コイルおよび／または一つ以上のコンデンサに基づく回路構成を含みうる。
【００４３】
代わりに、または上記の絶縁回路構成と組み合わせて、電源回路構成は、処理回路構成がセンサアレイから指紋データを取得する期間中に低電位および高電位のそれぞれを略一定に保つよう構成されうる。
【００４４】
取得中のセンサアレイの基準電位を一定に（および指紋データを取得する処理回路構成のグラウンドレベルと実質的に同じ電位に）保つよう電源を構成することによって、指紋感知イベント中に変動する基準電位によって阻害されることなく取得できる。言い換えれば、センサアレイからの完全な指紋画像の読み取り／取得は、異なるアクティビティが許可および禁止される異なるタイムスロットにそれぞれ分割されうる。例えば、感知時間スロットは、再び感知時間スロットの時間になりうる前に、取得時間スロットが続きうる。タイムスロットの数および持続時間は、センサアレイの大きさおよびセンサアレイの緩衝能力による。スワイプセンサ（ストリップセンサまたはラインセンサと称することもある）には、単一の取得タイムスロットが続く単一の感知タイムスロットで十分でありうるが、タッチセンサ（エリアセンサ）には、交互配置されたいくつかの感知タイムスロットおよびいくつかの取得タイムスロットを有することが必要でありうる。
【００４５】
本発明の種々の実施形態によれば、センサアレイは有利には、低電位（センサグラウンド電位）に関して時間変動する読み出し回路構成の動作を同期させるための励振信号を発生させるための励振信号発生回路構成と、センサアレイから励振信号を出力するための励振信号出力と、を備えうる。
【００４６】
実施形態において、励振信号は、指紋感知システムに備わった電源回路を制御またはトリガして、上記の、指紋感知システムが含まれる電子装置の基準電位に関して時間変動する低電位および高電位をセンサアレイに提供するのに使われうる。
【００４７】
他の実施形態では、励振信号出力は、指紋感知システムが含まれる装置の基準電位に導電接続され、それによって、低電位および高電位を、基準電位に関して時間変動させうる。
【００４８】
励振信号は、例えば、センサグラウンド電位に関する矩形波信号でありうる。
【００４９】
センサアレイのセンサグラウンド電位は、指紋感知システムを含む電子装置の電位に関して可変であるため、励振信号出力を装置基準電位につなげると、装置基準電位に関して上下に揺動するセンサグラウンド電位をもたらす。
【００５０】
装置基準電位に関してセンサグラウンド電位を揺動すると、センサアレイの感知構造（画素プレート）の電位をもまた装置基準電位に関して上下に揺動させ、したがってセンサアレイの上面に触れる指の電位に関しても揺動させる。
【００５１】
ゆえに、励振信号出力を装置基準電位につなげると、指とセンサアレイの感知構造のうち少なくとも選択したものとの間に時間変動する電圧をもたらす。指と当該感知構造との間の電圧の変化に起因する、感知構造が帯びる電荷の変化を測定することによって、感知構造、指および感知構造の誘電化被膜によって形成されるコンデンサの静電容量を示す測定値が推定できる。この測定値はまた、指の表面と感知構造との距離も示す。
【００５２】
さらに、本発明の種々の実施形態による指紋感知システムは、有利には、電子装置に含まれうる。そして指紋パターンの表示を指紋感知システムから取得し、表示に基づいてユーザを認証し、ユーザが表示に基づいて認証された場合のみユーザの要求する少なくとも一つの処理を実行するよう構成された処理回路構成をさらに備える。
【００５３】
センサアレイが上述の励振信号発生回路構成と励振信号出力とを備える実施形態において、励振信号出力は有利には、例えば装置グラウンドまたは電子装置のより高い基準電位（例えば装置グラウンド電位に関して３．３Ｖ、２．５Ｖまたは１．８Ｖ）のような電子装置の基準電位に接続しうる。
【００５４】
指紋感知システムの（および指紋感知システムを備える電子装置の）これらの実施形態において、センサアレイ（指紋センサ）の全ての端子（励振信号出力を除く）は、装置グラウンド電位に関して時間変動する電位レベルを呈する。センサアレイへの連続した電力の供給および処理回路構成とセンサアレイとの通信を提供するために、指紋感知システムは、上述のように、絶縁回路構成を含みうる。
【００５５】
種々の実施形態において、さらに、指紋感知システムは、センサアレイに近接して配置される、指紋感知システムが使用される時にユーザの指に導電接触するための導電性の指接触構造を備えうる。そのような指接触構造は、例えば、ベゼルまたはフレームもしくは一つまたは数個の細片として提供されうる。励振信号出力を電子装置への基準電位端子に接続する（励振信号出力を装置グラウンドに関して一定の電圧で保つ）別の方法として、励振信号出力は指紋接触構造に導電接続されうる。そのような実施形態では、ユーザの指は指紋センサグラウンドが相関して変動する基準レベルになる。この構成は、指紋感知における装置グラウンドのコモンコードノイズの影響を減らしうるため、有利になりうる。
【００５６】
本発明の第二の実施形態によれば、それぞれが指紋センサの表面に面する感知構造を備える複数のセンサ素子を有し、前記センサ素子のそれぞれが、前記感知構造と前記容量指紋センサの表面に置かれた指との容量結合を示す信号を提供するよう構成されるセンサアレイと、電力を前記センサアレイに提供するための低電位入力および高電位入力を有する電源インターフェースと、を備える前記指紋センサを動作させる方法が提供され、前記方法は、第一時変電位を前記電源インターフェースの前記低電位入力に提供し第二時変電位を前記電源インターフェースの前記高電位入力に提供し、前記第二時変電位と前記第一時変電位との電位差は略一定電圧である工程と、前記感知構造と前記容量指紋センサの表面に置かれた指との容量結合を示す信号を、前記第一時変電位および前記第二時変電位を提供しつつ前記センサ素子のそれぞれから取得する工程と、を備える。
【００５７】
センサ素子のそれぞれから取得される上記の信号は、一つのセンサ素子から一度に、またはいくつかのセンサ素子から同時に一度に取得されうる。いくつかのセンサ素子から同時に取得すると、指紋センサからのより速い読み出しが可能になる。
【００５８】
第二時変電圧は、第一時変電圧よりも高く、第二時変電圧と第一時変電圧との電圧差は電源電圧である。電源電圧は、例えば、３．３Ｖ、２．５Ｖまたは１．８Ｖでありうる。
【００５９】
種々の実施形態によれば、取得の工程は、第一組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子を、前記低電位と前記高電位の変動が前記第一組のそれぞれのセンサ素子の前記感知構造の電位の変動をもたらし、前記第一組のそれぞれのセンサ素子が前記感知構造と前記指紋センサの表面に置かれた指との容量結合を示す信号を提供するように制御する工程と、前記第一組の感知構造と異なる第二組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子を、前記低電位と前記高電位の変動が前記第二組のそれぞれのセンサ素子の前記感知構造の電位の変動をもたらすよう制御する工程と、を備えうる。前記第二組のセンサ素子は、それらの感知構造と指との容量結合を示す信号を提供しない。
【００６０】
さらに、取得の工程は、第三組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子を、前記センサ素子の前記感知構造の電位が、一定または前記第一組のセンサ素子のそれぞれのセンサ素子の前記感知構造の電位のピーク間振幅より低いピーク間振幅で時間によって変動するよう、制御する工程を追加で備えてもよい。
【００６１】
さらに、本発明の実施形態による方法は、有利には、前記指紋センサに備えられる通信インターフェースを介して、指の指紋パターンを示す信号を提供する工程をさらに備え、前記指の指紋パターンを示す信号は、誤差修正を可能にするための誤差修正データをさらにエンコードする。
【００６２】
本発明のこの第二の態様のさらなる実施形態および本発明の第二の態様を介して得られる効果は、本発明の第一の態様について上記したものと大部分が類似している。
【００６３】
本発明の第三の実施形態によれば、それぞれが指紋センサの表面に面する感知構造を備える複数のセンサ素子を備え、前記センサ素子は前記感知構造と前記容量指紋センサの表面に置かれた指との容量結合を示す信号を提供するよう構成されるセンサアレイと、低電位を受け取る低電位入力および高電位を受け取る高電位入力を有する、前記センサアレイに電力を供給するための電源インターフェースと、前記低電位に関して時間変動する、前記指紋センサの動作を同期化するための励振信号を発生させるための励振信号発生回路構成と、前記励振信号を前記指紋センサから出力するための励振信号出力と、を備える前記指紋センサを動作させる方法であって、前記指紋センサを備える装置の基準電位に前記励振信号出力を導電接続し、前記低電位および前記高電位の、前記基準電位に関する時間変動をもたらす工程と、前記高電位と前記低電位との略一定の電位差を提供する工程と、前記励振信号を提供しつつ、前記感知構造と前記指紋センサの表面に置かれた指との容量結合を示す信号を前記センサ素子のそれぞれから取得する工程と、を備える方法が提供される。
【００６４】
要約すると、本発明は、複数の感知構造および感知構造のそれぞれに接続可能な読み出し回路構成を有するセンサアレイと、高電位と低電位との電位差である略一定の供給電圧を前記読み出し回路に提供するよう配置される電源回路構成と、を備える指紋感知システムに関する。指紋感知システムは、電源電圧を実質的に維持しつつ低電位および高電位が可変であるように、また、低電位および高電位の変動が、電源電圧を実質的に維持しつつ、読み出し回路に接続される感知構造が帯びる電荷の変化をもたらすよう、読み出し回路構成が感知構造のそれぞれに接続可能であるように構成される。電荷の変化は、感知構造と指との容量結合を示す。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
本発明の、これらのおよび他の態様は、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して、ここでより詳細に説明する。
【図１】本発明の例示的実施形態による指紋感知システムのアプリケーションの模式図。
【図２】図１の指紋感知システムに備えられるセンサアレイの模式図。
【図３】感知構造と指紋隆線が断面で示される、本発明の例示的実施形態による指紋感知システムの機能的模式図。
【図４】指の不要な容量駆動を減らすための方法の模式図。
【図５】本発明による指紋感知システムの第一の実施形態の模式図。
【図６】本発明による指紋感知システムの第二の実施形態の模式図。
【図７】本発明による指紋感知システムの第三の実施形態の模式図。
【図８】指紋感知システムに備えられる電源回路構成の例示的実施形態の模式図。
【図９】本発明の実施形態による指紋感知システムの、読み出しおよびセンサアレイとの通信の有利なタイミングの模式図。
【図１０】本発明による指紋感知システムの実施形態に備えられる感知素子の例示的公正の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
この詳細な説明では、本発明による指紋感知システムおよび方法の種々の実施形態が、主に、センサアレイに電力を供給するための電源電圧の低電位および高電位がセンサアレイの個々の感知構造からの読み出しと同期して変動するよう能動的に制御される指紋感知システムを参照して説明される。さらに、センサアレイは、静止した指から指紋表示を取得するよう寸法設定され構成されるタッチセンサとして図示される。
【００６７】
なお、このことは、決して本発明の範囲を限定せず、例えば、指の電位が能動的に変動し、センサアレイに電力を供給するための電源電圧の低電位および高電位が指電位の変動に従う指紋感知システムを含んでもよい。動く指から指紋表示を取得するための、いわゆるスワイプセンサ（またはラインセンサ）のような他のセンサアレイ構成もまた、添付の請求の範囲で定義されるように、本発明の範囲内である。
【００６８】
図１は、本発明の例示的実施形態による指紋感知システムのアプリケーションの模式図であり、指紋感知システム２が組み込まれたを携帯電話１の形状で示す。指紋感知システム２は、例えば、携帯電話１のロックを解除するためおよび／または携帯電話を使って実行される処理を認証するため等に使われうる。
【００６９】
図２は、図１の指紋感知システム２に備えられる容量指紋センサ４の模式図である。図２からわかるように、指紋センサ４は、センサアレイ５、電源インターフェース６、および通信インターフェース７を備える。センサアレイ５は、多数の画素８を備える（図の散らかりを避けるために、一つの画素のみ参照記号を示す）。画素８のそれぞれは、画素８に備えられる感知構造（トッププレート）と、センサアレイ５の上面に接触する指の表面との距離を感知するよう制御可能である。図２のセンサアレイ５の拡大部分では、第一組の画素は感知することを示す‘Ｓ’の印、第二組の画素は感知しないことを示す‘Ｎ’の印、第三組の画素は駆動を意味する‘Ｄ’の印を付けられる。
【００７０】
電源インターフェース６は、第一接触パッド１０ａ、第二接触パッド１０ｂを備え、ここでは、電源電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを指紋センサ４に接続するためのボンドパッドとして示す。
【００７１】
通信インターフェース７は、指紋センサ４の制御を可能にし、指紋センサ４から指紋データを取得するための多くのボンドパッドを備える。
【００７２】
図２の指紋センサ４は、有利には、ＣＭＯＳ技術を用いて製造されうるが、他の技術および手法もまた実行可能である。例えば、指紋センサ４を製造するのに必要な処理工程のいくつかまたは全てに、絶縁基板が使われうるおよび／または薄膜技術が利用されうる。
【００７３】
図１の指紋感知システム２の機能構成は、ここで図３を参照してより詳細に説明される。
【００７４】
読者の理解を助けるために、図３は模式的断面図と機能ブロック図とを混成している。図３を参照すると、指紋隆線１２は、感知構造１５ａ−ｃを保護する誘電層１４の上面１３に接触する。図３では明示されていないが、指紋隆線１２はもちろん指表面がセンサアレイ５の上面１３からと離間している指紋谷に囲まれている。感知構造１５ａ−ｃのそれぞれに接続しているのは、対応する画素回路１６ａ−ｃである。画素回路１６ａ−ｃは、第一電力線１８ａおよび第二電力線１８ｂを介して電源１７によって電力を供給される。図３に示すように、各画素回路１６ａ−ｃは、対応する感知構造１５ａ−ｃと指１２との容量結合を示す信号を提供するための制御入力１９ａ−ｃおよび制御出力２０ａ−ｃを有する。
【００７５】
図３の例示的実施形態では、各画素回路１６ａ−ｃは、対応する制御信号を各制御入力１９ａ−ｃに提供することによって、感知状態、非感知状態、駆動状態の間で制御可能である。
【００７６】
例えば画素回路１６ｂが感知状態にあり、画素が感知画素（図２で‘Ｓ’と示される）である時、画素回路１６ｂは、その出力２０ｂで、画素回路１６ｂが接続する感知構造１５ｂが帯びる電荷の変化を示す感知信号を提供するよう構成される。電荷の変化は、今度は感知構造（プレート）１５ｂと指１２との容量結合を示す。容量結合は、センサ４の上面１３と指の表面との距離を示す。
【００７７】
例えば画素回路１６ａおよび１６ｃが非感知状態にある時、画素は非感知画素（図２で‘Ｎ’と示される）である。画素回路１６ａ、ｃはその時、感知信号が全く出力されない状態にある。他の画素回路（図３には示さない）は、画素が駆動画素（図２で‘Ｄ’と示される）である駆動状態にありうる。駆動画素回路は、駆動画素回路が接続する感知構造（プレート）に信号を提供する。
【００７８】
感知動作の間、電源電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを画定する低電位ＶＬおよび高電位ＶＨは、図３に模式的に示すように、変動できるようになっている。したがって、画素回路１６ａ−ｃのそれぞれは、略一定の電源電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを用いて電力を供給され、図３に模式的に示すように、電位が上下する。
【００７９】
画素回路１６ａ−ｃは、指紋感知システム２が含まれる電子装置１の基準電位に関する、電源電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを実質的に維持しながらの低電位ＶＬおよび高電位ＶＨの変動が、画素回路１６ａ−ｃに接続する各感知構造１５ａ−ｃの電位の変動ももたらすように、画素回路１６ａ−ｃの各感知構造１５ａ−ｃに接続される。
【００８０】
なお、図３に関連した説明は、センサアレイへの電力の供給を重視しており、正確な回路および／またはそれぞれのセンサ素子／画素の物理レイアウトは詳細に説明されない。
【００８１】
当業者に認識されるように、多くの異なる回路レイアウトおよび／または物理レイアウトは、本発明の範囲内である。適切な画素レイアウトの一例は、ＵＳ特許７８６４９９２に提供されており、全体を参考として本明細書に組み込む。この例示的な画素構成はまた、図１０ａ−ｂを参照して以下にさらに説明する。
【００８２】
いくつかの実施形態において、指の容量駆動を減らすために、各感知構造に変動する電位を呈する画素数を減らすことが望ましい。これは、センサアレイの一つのセグメントのみを電位変動するようにする、または画素回路が有しうる駆動容量を用いることで達成されうる。
【００８３】
全ての画素回路が同じ電源線１８ａ−ｂに接続する実施形態においては、それぞれの画素回路の基準電位（局所グラウンド）は、指紋感知システム２が含まれる電子装置１の基準電位に関する、電源線１８ａ−ｂの電位の変動に従う。もしセンサアレイ５のすべての感知構造が電源線１８ａ−ｂの電位の変動に従うようにできるとすれば、感知構造は、指１２を連帯して容量的に駆動しうる。指１２のこの容量駆動は、指と現在感知している画素（‘Ｓ’）の感知構造１５ｂとの所望の電位差を減らしうる。
【００８４】
指１２のこの不要な容量駆動の効果を減らす例示的な方法は、選択した画素回路をそれらの駆動状態に制御して駆動信号Ｖｄｒｉｖｅを駆動（‘Ｄ’）画素の感知構造に提供することである。その駆動信号Ｖｄｒｉｖｅは、変動する低電位ＶＬおよび高電位ＶＨによって誘起される電位ＶＳの変動と実質的に逆位相にある。
【００８５】
駆動（‘Ｄ’）画素の感知構造の結果電位ＶＮは、低電位ＶＬおよび高電位ＶＨの変動の振幅によって、略一定であるか、または図４に模式的に示すように、感知（‘Ｓ’）画素の感知構造１５ｂの電位ＶＳより低いピーク間振幅で変動しうる。
【００８６】
以下では、本発明による指紋感知システムの三つの例示的実施形態を、図５、６、および７ａ−ｃに提供される模式的機能図を参照して説明する。
【００８７】
第一の例示的実施形態から説明すると、図５は、指紋センサ４、ここではマイクロプロセッサの形態である処理回路構成２５、および電源回路構成２６を備える指紋感知システム２を模式的に示す。
【００８８】
指紋センサ４は、図２を参照して上述したように、センサアレイ５、電源インターフェース６、および通信インターフェース７を備える。通信インターフェース７は、本例では、ＳＰＩインターフェース（シリアル周辺インターフェース）の形態で提供される。
【００８９】
マイクロプロセッサ２５は、指紋センサ４から指紋データを取得し、アプリケーションによって要求されるように指紋データを処理しうる。例えば、マイクロプロセッサ２５は、指紋照合（検証および／または識別）アルゴリズムを実行しうる。
【００９０】
電源回路構成２６は、電源電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを出力するよう構成されたセンサ電圧源２７と、センサ電圧源２７の低電位側を、指紋感知システム２が含まれる電子装置１の基準電位ＤＧＮＤに関して変調するための、ここでは矩形波パルス発生器２８であるパルス発生器とを備える。
【００９１】
矩形波信号の代替として、パルス発生器は、正弦波または鋸歯信号等のような任意の他の適切なパルス形状を発生させうる。
【００９２】
センサ電圧源２７は、専ら指紋センサ４に電力を供給する、電池のような一定電圧源の形態で提供されうる。あるいは、センサ電圧源２７は、電圧源を指紋センサ４から少なくとも部分的に絶縁するための絶縁回路構成を備えうる。
【００９３】
絶縁回路構成を備えるセンサ電圧源２７の例示的構成は、図８ａ−ｂを参照して以下にさらに説明する。
【００９４】
この第一の実施形態では、指紋感知システム２は、指１２に電気接触するための任意の外部構造を備えない。図５の指紋感知システム２には、したがって、例えば図４を参照して上述したように、不要な容量駆動を減らすことが有益でありうる。
【００９５】
破線の境界線を有するボックスを用いて模式的に示すように、指紋感知システム２は、センサアレイ５とマイクロプロセッサ２５とのガルバニック絶縁またはレベルシフトを提供するための絶縁回路構成２９を、任意で付加的に含みうる。絶縁回路構成２９を使用することで、マイクロプロセッサ２５は、ＤＧＮＤに関して変動するセンサアレイ５の基準電位ＶＬから独立して作動することができる。
【００９６】
発明の概要で述べたように、絶縁回路構成２９は、当業者に知られている多くの異なる方法で実装することができる。例えば、絶縁回路構成２９は、オプトカプラ、コイル、および／またはコンデンサのような部品を用いて実装されうる。ここでは分離した回路構成として示されるが、絶縁回路構成２９は、指紋センサ４またはマイクロプロセッサ２５と一体化しうると解されたい。
【００９７】
図６は、図１の指紋感知システム２の第二実施形態を模式的に示す。第二実施形態は、指紋センサ４に近接して配置される導電ベゼルまたはフレーム３０を付加的に備えることで、指１２が指紋センサ４に置かれた時に、指１２がベゼル３０に接触できるようにする点が、図５を参照して上述した第一の実施形態と異なる。
【００９８】
さらに、パルス発生器２８は、図５の第一の実施形態のように電圧源２７とグラウンドの間ではなく、電圧源２７とベゼル３０との間に接続する。
【００９９】
指１２と導電ベゼル３０との接続を介して、任意の不要な容量駆動の効果を軽減することができる。
【０１００】
任意で、導電ベゼル３０はグラウンドしてよく、それはＥＳＤを扱うのに有利でありうる。指紋感知システム２を使用すると、導電ベゼル３０はユーザの指に導電接触する。ユーザの指（体）は、指紋センサ４よりもかなり大きな導電体であり、それは、指電位はパルス発生器２８に提供されるパルスによって大部分が影響されないことを意味し、センサグラウンド電位ＶＬは、図６に模式的に示すように、上下に揺動する。
【０１０１】
図７ａ−ｃは、図１の指紋感知システム２の第三の実施形態を模式的に示す。第三の実施形態は、指紋センサ４への電源入力が装置グラウンドＤＧＮＤに関して能動的に変動しない点と、指紋センサ４が、センサアレイ５に備えられる感知構造と指表面との距離を示す信号の測定および（サンプリングおよびアナログ／デジタル変換のような）読み出しを同期させるための励振信号発生回路構成（図７ａには図示せず）を付加的に備える点が、図５を参照して上述した第一の実施形態と異なる。図７ａの指紋センサ４は、励振信号ＴＸを指紋センサ５から出力するための励振信号出力３２をさらに備える。
【０１０２】
装置グラウンドＤＧＮＤに関する一定の電源電位ＶＣＣを提供する電圧電源と指紋センサ４の電圧電源インターフェース６との間では、指紋センサ側の電位レベルを装置側（図７ａの左）の電位レベルから独立させる電圧絶縁回路構成３３が提供される。電圧絶縁回路構成は、当業者に知られる多くの様々な方法で実現しうる。適切な回路構成の一例を、８ｂを参照して以下に説明する。他の適切な回路構成は、種々の変圧器ソリューションまたは交換網を含む。
【０１０３】
図７ａの指紋感知システム２の動作を、図７ｂ−ｃのタイミングダイアグラムを参照してここで説明する。
【０１０４】
図７ｂ−ｃのタイミングダイアグラムは、どちらも時間関数としての電位を示すが、異なる基準電位に関する。
【０１０５】
図７ｂでは、例示的な励振信号ＴＸが指紋センサ４の基準電位ＶＬ（センサグラウンドとも称される）に関して示される。図７ｂからわかるように、励振信号ＴＸは、低レベルＶＬと高レベルＶＨとの間で時間変動する矩形波信号である。
【０１０６】
図７ｃは、図７ｂと同じ励振信号を示すが、ここでは装置グラウンドＤＧＮＤに関する。図７ａに模式的に示したように、励振信号出力３２は、装置グラウンドＤＧＮＤに関して一定の電位である装置１の電源電位ＶＣＣに導電接続し、指紋感知システム２は指紋センサ４の電位レベルが上下に揺動できるよう構成されるため、励振信号ＴＸは、装置グラウンドに関して略一定の電位を呈する。従って、センサグラウンドＶＬは、図７ｃに模式的に示すように、装置グラウンドＤＧＮＤに関して時間変動する。
【０１０７】
図８ａは、電池のような電圧源３７および絶縁回路構成３８を備えるセンサ電圧源２７の第一の実施形態を模式的に示す。絶縁回路構成３８は、電圧源３７が接続される入力側と図５および図６に示すようにセンサ４に接続する出力側とのガルバニック絶縁を提供するよう構成される。図８ａの絶電回路構成３８は、当業者に知られる多くの異なる方法で実装されうる。例えば、絶縁回路構成３８は、オプトカプラ、コイルおよび／またはコンデンサのような部品を用いて実装されうる。ここでは分離した回路構成として示されるが、絶縁回路構成３８は、指紋センサ４と一体化しうると解されたい。
【０１０８】
図８ｂは、入力３９、ダイオード４０、コンデンサ４１を備えるセンサ電圧源２７の第二の実施形態を模式的に示す。ダイオード４０は、センサ電圧源２７の入力３９と指紋センサ４の高電位入力との間に接続し、コンデンサ４１は、指紋センサ４の電源電圧の低電位ＶＬと高電位ＶＨとの間に接続する。入力３９は、図７ａ−ｃを参照して上述したように、指紋感知システム２を備える装置の電源電圧ＶＣＣを接続するためのものである。
【０１０９】
図８ｂの絶縁回路構成は、電源電圧ＶＣＣと指紋センサ４との完全なガルバニック絶縁を提供するものではないが、電源電圧（もしくは電源電位）ＶＣＣが一定のままであっても、時間変動する低電位ＶＬおよび高電位ＶＨを指紋センサ４に提供することを可能にする。
【０１１０】
なお、図８ａの電圧源３７および図８ｂの入力３９に提供される電源電圧ＶＣＣは、概して、マイクロプロセッサ２５および／または指紋感知システム２を備える装置の他の部品のような付加的な装置に電力を供給するのに使われうる。
【０１１１】
上記では、絶縁回路構成２９の使用は、基準電位が変動する（揺動する）センサアレイからの指紋データの取得を可能にするための手段として述べた。あるいは、センサアレイ５からの指紋データは、絶縁回路構成２９を使わずに、マイクロプロセッサ２５によって、画素８からの読み出しと指紋データのセンサアレイ５からの取得を異なるタイムスロットにスケジュールすることで取得しうる。
【０１１２】
これは、図８のタイミングダイアグラムを参照してここで説明する。センサ読み出しの各タイムスロット３５ａ−ｄには、指紋データをセンサアレイから取得するタイムスロット３６ａ−ｄが続く。すべての画素からの信号は、センサ読み出しの各タイムスロット３５ａ−ｄ中にサンプルされ、処理され（例えばデジタル変換され）うる。または、センサのセグメントは、センサ読み出しの各タイムスロット３５ａ−ｄ中にサンプルされ、処理されうる。後者の場合、特定の読み出しのタイムスロット３５ａ−ｄ中にサンプルされ処理されるセグメントに対応する指紋データは、それに続く、指紋データを取得するタイムスロット３６ａ−ｄ中に取得される。
【０１１３】
センサ読み出しのタイムスロット３５ａ−ｄ中は、電源回路構成２６は、電源電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを画定する低電位ＶＬおよび高電位ＶＨが変動できるよう制御され、指紋データ取得のタイムスロット３６ａ−ｄ中は、電源回路構成２６は、低電位ＶＬおよび高電位ＶＨを一定に保つよう制御される。特に、電源回路構成２６は、低電位ＶＬを、マイクロプロセッサ２５のグラウンド電位（装置グラウンドＤＧＮＤ）と同じ電位に設定するよう制御されうる。
【０１１４】
指紋センサ４の上述の実施形態に備えられる感知素子８の例示的な構成が、図１０ａ−ｂを参照してここで説明される。
【０１１５】
図１０ａでわかるように、感知素子は、三つの導電層を備える層構造に形成される。三つの導電層は、最上部の導電層Ｍ３、中間部の導電層Ｍ２、下部導電層Ｍ１であり、導電層Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１は、それぞれの下に、絶縁誘電材料の第一層５１、第二層５２、第三層５３を有する。導電層の材料の例としては、一般的に、銅、アルミニウム、ドープ多結晶シリコンが挙げられる。絶縁層の材料の例としては、一般的に、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＮＯｘ、スピンオンガラスが挙げられる。
【０１１６】
加えて、感知素子３を形成するのに用いられる層構造は、センサグラウンドＶＬに関して特定のアナログ電圧電位ＡＶｄｄで維持される導電層からなる第四の層Ｐ２（第二ポリシリコン）を備えうる。さらに、やはりセンサグラウンド電位ＶＬで維持される導電層からなる第五の層Ｐ１（第一ポリシリコン）も在り、電気シールドとして作用する。これらの層Ｐ２、Ｐ１のそれぞれの下には、絶縁誘電材料の第四層６３および第五層６４が在る。最下部には、チャージアンプ５４のような能動部品を備える半導電基板層Ｄ１が在る。上述した導電層Ｐ２、Ｐ１および下部導電層Ｍ１は、例えば、電気接続、抵抗器、電気シールドのルーティングに使われうる。導電層Ｐ２、Ｐ１の一つは、第二金属層Ｍ２の代わりに、各感知素子８の下部電極５５を形成するのにも使われうる。
【０１１７】
１０ａに示す感知素子８は、最上導電層Ｍ３に形成される感知構造１５ｂを備える。感知構造１５ｂは、チャージアンプ５４、下部電極５５、リセットスイッチ５６、サンプルホールド回路構成６５を備える感知素子回路１６ｂに接続する。
【０１１８】
図１０ａでわかるように、感知構造１５ｂは、チャージアンプ５４のマイナス入力端子５８に接続する。チャージアンプ５４のプラス入力端子５９は、センサグラウンド電位ＶＬに接続する。よって、チャージアンプ５４の入力端子５８、５９の電圧はほとんどゼロであるため、チャージアンプ５４によって、対応する感知構造１５は、事実上グラウンドされる（センサグラウンド）。チャージアンプの回路実装に依って、オペアンプのマイナス入力端子５８とプラス入力端子５９との間に、ＣＭＯＳトランジスタのゲート電圧のような小さな略一定電圧が生じうる。
【０１１９】
図１０ｂでもわかるように、各感知構造１５ｂは、最上導電層Ｍ３に形成されるシールドフレーム６０に囲まれうる。シールドフレーム６０は、近接する感知構造１５ｂ間の横寄生容量を防ぐ導電シールドとしてセンサグラウンド電位ＶＬに接続することで、感知素子８間のいわゆるクロストークを防ぐか、または少なくとも減らす。シールドフレーム６０はまた、別の適切な電位に接続しうる。
【０１２０】
さらに、図１０ａを再び参照すると、感知構造１５ｂのそれぞれを覆う保護誘電層１４が在り、感知素子８をＥＳＤ（静電気放電）および外部摩耗から保護する。保護層１４の上面の近郊に進入する指１２は、指１２と感知構造１５ｂとの間に静電容量Ｃｆｉｎｇｅｒを生じさせる。
【０１２１】
図１０ａで分かるように、感知素子回路１６ｂに備えられる下部電極５５は、中間導電層Ｍ２に形成される。下部電極５５は、チャージアンプ５４の出力端子２０ｂに接続する。感知構造１５ｂと各下部電極５５との間には帰還容量Ｃｒｅｆが形成され、帰還容量Ｃｒｅｆは、チャージアンプ５４のマイナス入力端子５８と出力端子２０ｂとの間に接続する。
【０１２２】
補助下部電極５５ａもまた、中間導電層Ｍ２に、下部電極５５に近接して形成される。下部電極５５は概して感知構造１５ｂよりも小さい面積を有しうるため、補助下部電極５５ａはセンサグラウンド電位ＶＬに接続し、臨時シールドとして使用される。
【０１２３】
下部電極５５は、センサ素子回路構成１６ｂの所望のゲインを達成するよう構成されうる。特に、ゲインは、感知構造１５ｂと下部電極５５と第一絶縁層５１の物理的寸法による帰還容量Ｃｒｅｆによるため、下部電極５５の大きさは、適切に選択されうる。補助下部電極５５ａの大きさは、下部電極５５にぴったり沿うよう調節されうる。
【０１２４】
上記のように、センサグラウンド電位ＶＬを指１２の電位に関して揺動すると、各感知構造１５ｂと指１２との電圧の変化が起こり、それが、感知構造１５ｂが帯びる電荷の変化をもたらす。
【０１２５】
感知構造１５ｂが帯びる電荷の変化は、肌と感知構造１５ｂとの静電容量Ｃｆｉｎｇｅｒに比例する。感知構造１５ｂは事実上センサグラウンドＶＬに関してグラウンドされるため、その電荷はチャージアンプ５４によって下部電極５５に転送される。そうすると、チャージアンプ５４からの電圧出力を、
Ｕｏｕｔ＝（Ｃｆｉｎｇｅｒ／Ｃｒｅｆ）Ｕｉｎ
のように計算しうる。
【０１２６】
出力電圧Ｕｏｕｔは、好ましくはコモンモードノイズの低周波成分を除去する相関二重サンプリングを用いて、サンプルホールド回路構成６５によってサンプルされる。
【０１２７】
サンプルホールド回路構成６５は、制御信号によって制御され、感知構造１５ｂと指１２との容量結合を示す画素信号Ｓｐｉｘｅｌを、アナログ／デジタル変換器（図示せず）に出力する。
【０１２８】
当業者は、本発明が決して上述の例示的実施形態に限定されないことを認識する。例えば、読み出し回路構成および駆動回路構成は、分離した回路として提供されうる。
【０１２９】
請求の範囲では、“備える”という文言は他の要素または工程を除外するものではなく、不定冠詞“ａ”または“ａｎ”は、複数を除外するものではない。単に特定の手段が相互に従属する異なる請求項に記載されるというだけでは、それらの手段の組み合わせを有利に使うことができないことを示すことにならない。
【図１】
2019012075.tif 000003
【図２】
2019012075.tif 000004
【図３】
2019012075.tif 000005
【図４】
2019012075.tif 000006
【図５】
2019012075.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019012075.tif 000009
【図８】
2019012075.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019012075.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月4日(2018.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋感知システムにおいて、
センサアレイであって、
複数の感知構造と、
前記複数の感知構造のそれぞれに接続され、感知信号を提供するための読み出し回路構成と、を有するセンサアレイと、
前記読み出し回路構成に、高電位と低電位との電位差である、略一定の電源電圧を提供するよう配置される電源回路構成と、を備える指紋感知システムであって、
前記指紋感知システムは、前記電源電圧を実質的に維持しつつ、前記低電位および前記高電位が、前記指紋感知システムを備える装置の装置グラウンド電位に関して可変であるように構成される、
指紋感知システム。
【請求項２】
前記電源回路構成は、前記装置グラウンド電位に関して変動する、前記低電位としての第一時変電位および前記高電位としての第二時変電位を提供するよう構成される、請求項１に記載の指紋感知システム。
【請求項３】
前記電源回路構成は、電圧源に接続するための入力側と、前記センサアレイに接続する出力側とを有する絶縁回路構成を備え、
前記絶縁回路構成は、電流が前記出力側から前記入力側に流れるのを防ぎ、前記出力側の出力電位が前記入力側の入力電位と異なることを可能にするよう構成される、請求項１又は２に記載の指紋感知システム。
【請求項４】
前記絶縁回路構成は、前記入力側と前記出力側とのガルバニック絶縁を提供するよう構成される、請求項３に記載の指紋感知システム。
【請求項５】
前記センサアレイは、駆動回路構成をさらに備え、前記駆動回路構成は、前記複数の感知構造のそれぞれに接続可能であり、前記駆動回路構成に接続する感知構造の電位を、前記低電位に関して、変化させるよう制御可能である、請求項１から４のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項６】
前記センサアレイから指紋データを取得するための通信インターフェースを介して前記センサアレイに接続される処理回路構成をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項７】
前記センサアレイと前記処理回路構成とのガルバニック絶縁を提供するための絶縁回路構成をさらに備える、請求項６に記載の指紋感知システム。
【請求項８】
前記低電圧および前記高電位は、前記処理回路構成の装置グラウンド電位に関して可変である、請求項６に記載の指紋感知システム。
【請求項９】
前記電源回路構成は、前記処理回路構成が前記センサアレイから指紋データを取得する期間中に、前記低電位および前記高電位のそれぞれを、前記処理回路構成の前記装置グラウンド電位に関して、略一定に保つよう構成される、請求項６に記載の指紋感知システム。
【請求項１０】
前記指が前記センサアレイの前記表面に置かれた時に、前記指に電気接触するよう配置された導電構造をさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項１１】
前記センサアレイは、
前記低電位に関して時間変動する、前記読み出し回路構成の動作を同期させるための励振信号を発生させる励振信号発生回路構成と、
前記センサアレイから前記励振信号を出力するための励振信号出力と、を備え、
前記励振信号出力は、前記装置グラウンド電位に導電接続し、それによって、前記低電位および前記高電位を前記装置グラウンド電位に関して時間変動させる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項１２】
前記指紋感知システムは、前記センサアレイに近接して配置される、前記指に導電接触するための導電性の指接触構造をさらに備え、
前記センサアレイは、
前記低電位に関して時間変動する、前記読み出し回路構成の動作を同期させるための励振信号を発生させる励振信号発生回路構成と、
前記センサアレイから前記励振信号を出力するための励振信号出力と、を備え、
前記励振信号出力は、前記指接触構造に導電接続し、それによって、前記低電位および前記高電位を前記指の電位に関して時間変動させる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の指紋感知システム。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の指紋感知システムと、
処理回路構成であって、
前記指紋パターンの表示を前記指紋感知システムから取得し、
前記表示に基づいてユーザを認証し、
前記ユーザが前記表示に基づいて認証された場合のみ少なくとも一つのユーザ要求処理を実行するよう構成された処理回路構成と、を備える電子装置であって、
前記指紋感知システムに備えられる前記センサアレイの前記励振信号出力は、前記電子装置の前記装置グラウンド電位に導電接続される、電子装置。
【請求項１４】
複数のセンサ素子を備えるセンサアレイと、
低電位入力および高電位入力を有する、前記センサアレイに電力を供給するための電源インターフェースと、を備える指紋センサを動作させる方法であって、
前記指紋センサを備える装置の装置グラウンド電位に関する第一時変電位を前記電源インターフェースの前記低電位入力に提供し、前記指紋センサを備える装置の装置グラウンド電位に関する第二時変電位を前記電源インターフェースの前記高電位入力に提供し、前記第二時変電位と前記第一時変電位との電位差は略一定電圧である、工程と、
前記第一時変電位および前記第二時変電位を提供しつつ、前記センサ素子のそれぞれから感知信号を取得する工程と、を備える方法。
【請求項１５】
前記指紋センサに備えられる通信インターフェースを介して、前記指の指紋パターンを示す信号を提供する工程をさらに備え、
前記指の前記指紋パターンを示す前記信号は、誤差修正を可能にするための誤差修正データをさらにエンコードする、請求項１４に記載の方法。