(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料からなる被覆を有するデバイスへの統合のために構成された指紋センサであって、前記指紋センサが、
前記被覆の第１の面側に位置する複数の感知素子であって、前記複数の感知素子が、
第１の導電層に画定された感知電極と、
前記感知電極の下の第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の反対側において第２の導電層に画定され、前記感知電極によって少なくとも部分的に覆われる、活性化電極及びピックアップ電極と、を含む、複数の感知素子と、
前記被覆の第２の面側に指紋感知領域を画定する所定のパターン内に位置する複数のプローブであって、前記複数のプローブが、前記被覆を少なくとも部分的に通って、前記被覆の前記第１の面から延設する、複数のプローブと、
前記被覆の前記第１の面側において、前記複数のプローブを前記複数の感知素子と相互接続する複数の導体配線と、を含む、指紋センサ。
【請求項２】
前記複数のプローブの全てが、前記被覆を部分的に通って延設する、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項３】
第１の数の前記複数のプローブが前記被覆を部分的に通って延設し、
第２の数の前記複数のプローブが前記被覆を通って延設する、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項４】
ある数の前記複数のプローブが前記被覆を通って延設し、
前記被覆を通って延設する前記ある数のプローブのうち少なくとも１つが、誘電体層で覆われる、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項５】
前記絶縁材料が、ガラス、ポリメチルメタクリレート及びポリカーボネートからなる群から選択される、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項６】
各感知素子が、
交流電流または電圧信号によって活性化されるように適合され、活性化された場合には活性化信号によって変調された応答信号を出力し、活性化されない場合には信号を出力しない、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項７】
前記感知素子が複数の組の感知素子にグループ化され、１組の感知素子のそれぞれの感知素子が、前記１組の感知素子の全ての感知素子に共通な活性化信号によって同時に活性化されるように構成される、請求項６に記載の指紋センサ。
【請求項８】
前記第１の導電層が、前記被覆の第１の面側において導体配線層に画定される、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項９】
前記複数の感知素子が、第２の基板上に位置し、前記被覆の第１の面側の導体配線層に電気的に接続される、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項１０】
前記第２の基板が多層ポリマー基板である、請求項９に記載の指紋センサ。
【請求項１１】
前記複数の感知素子がさらに、
前記第２の導電層の下の第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の反対側において第３の導電層に画定され、前記活性化電極と電気的に接続された、活性化配線と、を含む、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項１２】
前記活性化配線が、導体ビアを通して前記活性化電極と電気的に接続される、請求項１１に記載の指紋センサ。
【請求項１３】
前記活性化配線が、前記第２の誘電体層の上の静電容量結合によって、前記活性化電極と電気的に接続される、請求項１１に記載の指紋センサ。
【請求項１４】
前記プローブが前記被覆の透明部に位置し、前記導体配線が前記透明部の外側で処理ユニットに配線され、
前記プローブ及び前記導体配線が、透明な材料からなる、請求項１に記載の指紋センサ。
【請求項１５】
絶縁材料からなる被覆を有するデバイスへの統合のために構成された指紋センサシステムであって、前記指紋センサシステムが、
前記被覆の第１の面側に位置する複数の感知素子と、
前記被覆の第２の面側において指紋感知領域を画定する所定のパターン内に位置する複数のプローブであって、前記複数のプローブが、前記被覆の前記第１の面から少なくとも部分的に前記被覆を通して延設する、複数のプローブと、
前記被覆の前記第１の面側において前記複数のプローブを前記複数の感知素子と相互接続する複数の導体配線と、
前記複数の感知素子に接続された複数の増幅器であって、前記増幅器の数が前記感知素子の数よりも小さい、複数の増幅器と、
前記複数の感知素子に接続され、少なくとも１つの活性化信号を出力するように適合された、活性化回路と、を含み、
前記複数の感知素子がさらに、
第１の導電層に画定された感知電極と、
前記感知電極の下の第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の反対側において第２の導電層に画定され、前記感知電極によって少なくとも部分的に覆われた活性化電極及びピックアップ電極と、を含み、
前記活性化電極が前記活性化回路に接続され、
前記ピックアップ電極が前記複数の増幅器の１つに接続される、指紋センサシステム。
【請求項１６】
各感知素子が前記活性化回路からの交流電流または電圧信号によって活性化されるように適合され、活性化されると前記複数の増幅器の１つに前記活性化信号によって変調された応答信号を出力し、活性化されない場合、信号を出力しない、請求項１５に記載の指紋センサシステム。
【請求項１７】
前記感知素子が複数の組の感知素子にグループ化され、１組の感知素子内の各感知素子が、前記１組の感知素子の全ての感知素子に共通な、前記活性化回路からの活性化信号によって同時に活性化されるように適合される、請求項１６に記載の指紋センサシステム。
【請求項１８】
前記活性化回路がさらに、前記感知素子の組のそれぞれに対して１つの活性化信号を出力し、
前記活性化信号間で順次切り替えを行い、前記感知素子の組の１つを一度に活性化するように適合された、請求項１７に記載の指紋センサシステム。
【請求項１９】
前記複数の感知素子がさらに、
前記第２の導電層の下の第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の反対側において第３の導電層に画定された活性化配線であって、前記活性化電極が前記活性化配線を通して前記活性化回路に接続されるように、前記活性化配線が前記活性化電極に電気的に接続される、請求項１５に記載の指紋センサシステム。
【請求項２０】
前記複数のプローブが、１次元または２次元パターンに配置され、前記２次元パターンが、ｍ行ｎ列の感知素子に対応し、ｍ≧１かつｎ＞１であり、
１つの列内の各感知素子の前記ピックアップ電極が、共通ピックアップ配線を通してｎ個の増幅器の１つに接続され、
１つの行内の各感知素子の前記活性化電極が、共通活性化配線を通してｍ個の活性化信号の１つに接続され、
前記活性化回路が、ｍ個の活性化信号間で順次切り替えるように構成され、得られる信号が前記各ピックアップ電極によって感知され、前記各列の増幅器によって増幅されるように、活性化信号が１つの行内の前記感知素子のそれぞれを活性化する、請求項１６または１９に記載の指紋センサシステム。
【請求項２１】
複数の組の感知素子が線形配列に構成され、前記感知素子の各組がスワイプ型指紋センサを画定する、請求項１６に記載の指紋センサシステム。
【請求項２２】
前記活性化回路がさらに、タッチ可能なディスプレイからの入力を受けるように適合され、前記活性化回路が、前記タッチ可能なディスプレイからの入力信号に基づいて、前記感知素子の組の１つを活性化する、請求項２１に記載の指紋センサシステム。
【請求項２３】
前記タッチ可能なディスプレイからの入力が、前記タッチ可能なディスプレイの上で動く指の速度及び方向を含む、請求項２２に記載の指紋センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スマートフォンまたは類似のものに統合される指紋センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
指の表面の特性を測定するための電極を含む指紋センサは周知であり、例えば、特許文献１から３は、いくつかの個別のセンサ素子を含むストライプ形状またはマトリックスセンサを有する、異なるインピーダンスまたは静電容量測定原理に基づいたセンサを開示している。
【０００３】
現在の指紋センサのセンサ表面は一般に、環境に幅広く直接接触するのに適しておらず、回路を湿度、損耗、腐食、化学物質、電気的ノイズ、機械的な影響、太陽光による放電などから保護する筐体内に設けられなければならないことが多い。特許文献４は、この問題に対して可能な解決手段を提示しており、その解決手段では、指が筐体頂部の開口を通してセンサの感応表面に直接接触することができるように、回路が収容される。
【０００４】
多くの場合、この解決手段は、必要な信頼性をもたらすのに十分ではないだろう。集積回路の表面に使用される材料（半導体、金属、誘電体）は、外部環境への暴露及び長期間にわたる指との接触に耐性を有するほどに十分信頼性がない場合が多く、そのためこの解決手段もまた信頼性の問題を引き起こすことになる。特許文献３に記載されるように、チップ表面上に金属及び誘電体の追加的な層を付加するという別の解決手段もありうる。しかし、厚い誘電体層を追加することは、一般に測定信号の劣化をもたらし、そのため、指紋センサの性能の劣化をもたらすこととなる。そのような層はまた、製造コストの増加及び一般的な半導体プロセスとの互換性の問題（プロセス温度、温度差による寸法の変化など）の発生につながる傾向にある。またさらに別の解決手段が、特許文献５に記載されており、この解決手段では、基板を通して導体をプロセッサまで配線し、そのためプロセッサは基板の別の面上、すなわちデバイス内部に安全に配置される。
【０００５】
スマートフォンやタブレット型パーソナルコンピュータデバイスなどの、タッチスクリーン動作デバイスは、典型的には、表示領域の利用が１００％に達しようとし、表示領域の外側に物理的なボタンまたはその他のユーザーインタラクションデバイスのために利用可能な空間が非常に限られている、前面部を有する。特許文献６は、スマートフォンのタッチスクリーンを覆う透明な指紋センサの、１つの可能な実装例を開示している。特許文献７は、センサがガラスの下部に配置される、静電容量型接触位置センサに統合された指紋センサの、別の可能な実装例を開示している。しかし、この特許文献は、厚い保護カバーガラスによって引き起こされるセンサ性能の重大な低下を解決するための解決手段について何ら開示も提案もしていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０９８８６１４号明細書
【特許文献２】米国特許第５９６３６７９号明細書
【特許文献３】米国特許第６０６９９７０号明細書
【特許文献４】米国特許第５８６２２４８号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１３０３８２８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１３／０１８１９４９号明細書
【特許文献７】米国特許第８５６４３１４号明細書
【特許文献８】米国特許第６２８９１１４号明細書
【特許文献９】欧州特許出願公開第１３２８９１９号明細書
【特許文献１０】米国特許第６５１２３８１号明細書
【特許文献１１】米国特許第６８６２９４２号明細書
【特許文献１２】米国特許第６５２５５４７号明細書
【特許文献１３】米国特許第６３２７３７６号明細書
【特許文献１４】国際出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０７０７８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特に、タッチスクリーンデバイスの前面ガラスまたは保護カバーを通して感知するための、携帯電話やタブレット型パーソナルコンピュータなどのタッチスクリーンデバイスのガラス内に統合された指紋センサは、外部環境に対して指紋センサを保護するコストに優れた解決手段並びに、様々な携帯機器製造者のための様々な設計及び人間工学的なキーの設計基準の多様性を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの目的は、特に、絶縁材料からなる被覆を有するデバイス内に統合するための指紋センサを提供することによって得られ、この指紋センサは、被覆の第１の面側に位置する複数のセンサ素子と、被覆の第２の面側に指紋感知領域を画定する所定のパターン内に配置された複数のプローブと、を含み、複数のプローブは被覆を少なくとも部分的に通して被覆の第１の面側から延設し、被覆の第１の面側の複数の導体配線が、複数のプローブを複数の感知素子と相互接続する。
【０００９】
本発明のさらなる対象は、特に、絶縁材料からなる被覆を有するデバイス内に統合されるための指紋センサシステムを提供することであり、この指紋センサシステムは、被覆の第１の面側に位置する複数の感知素子と、被覆の第２の面側に指紋感知領域を画定する所定のパターン内に配置された複数のプローブであって、複数のプローブは被覆を少なくとも部分的に通して被覆の第１の面側から延設し、被覆の第１の面側の複数の導体配線が、複数のプローブを複数の感知素子と相互接続する、複数のプローブと、複数の感知素子に接続された複数の増幅器であって、増幅器の数が好適には感知素子の数よりも少なく、活性化回路が複数の感知素子に接続され、活性化回路が少なくとも１つの活性化信号を出力するように適合された、複数の増幅器と、を含む。
【００１０】
本発明のまたさらなる対象は、添付された特許請求の範囲に記載されているように得られる。
【００１１】
本発明は、本発明を例としてのみ示す、添付した図面を参照して、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に従う指紋センサを含む例示的なデバイスを示す。
【図２】本発明に従う回路の例示的なレイアウトを示す。
【図３ａ】本発明に従う指紋センサの例示的な実施形態の断面を示す。
【図３ｂ】本発明に従う指紋センサの例示的な実施形態の断面を示す。
【図３ｃ】本発明に従う指紋センサの例示的な実施形態の断面を示す。
【図３ｄ】本発明に従う指紋センサの例示的な実施形態の断面を示す。
【図４ａ】本発明に従う指紋センサの１つの例示的なセンサ素子またはセンサ画素を示す。
【図４ｂ】本発明に従う指紋センサの１つの例示的なセンサ素子またはセンサ画素を示す。
【図５】本発明に従う指紋センサの他の例示的なセンサ素子またはセンサ画素を示す。
【図６】本発明に従う例示的な測定原理の概略的な図である。
【図７】本発明に従うセンサ素子アレイのための例示的な測定原理の概略的な図である。
【図８】本発明に従う例示的な指紋センサシステムの概略的な図である。
【図９】本発明に従う他の例示的な指紋センサシステムの概略的な図である。
【図１０】スマートフォンに実装された本発明の例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、以下でガラスとして呼称する、ガラス、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリカーボネートまたはその他の透明なガラスと等価な物質からなる前面部１１を有するスマートフォン１０を示している。前面部１１は、好適には当業者が了解するように、タッチスクリーン可能なディスプレイへのインターフェースである。前面部１１は、典型的には、一片のガラスからなり、典型的には、以下でそれぞれディスプレイ１２及びボタン領域１３として呼称する透明部１２及び不透明部１３に視覚的に分けられている。スマートフォン１０は、当業者が了解するように、さらにプロセッサ、メモリ、無線送受信機、タッチスクリーンドライバ及び対応する相互接続する回路を含む。本明細書で説明される指紋センサは、必要に応じて、ディスプレイ領域１２またはボタン領域１３内に配置可能であり、以下でさらに開示するように、代替的に、タッチスクリーンドライバに接続することが可能である。
【００１４】
図２は、図１に例示的に示されたスマートフォンのようなデバイスを覆う筐体または被覆２０、例えばガラスの前面側に感知領域を画定する所定のパターン内に配置された複数のプローブ２１を示している。複数のプローブ２１のそれぞれは、被覆２０を少なくとも部分的に通して被覆の背面から延設し、さらにプローブ２１を背面の複数の感知素子に相互接続する背面上の複数の導体配線２２に接続される。プローブ２１は、当業者が了解するように、静電容量または電気抵抗測定などの様々な指紋測定原理に従い、指紋などの測定を可能にする感知領域上に位置する指の表面（図示されない）との電気的な結合を提供する。
【００１５】
図２に示されるように感知領域を画定する所定のパターンは、本発明で例示される単純化されたプローブ配置である。本明細書で開示されるような指紋センサは、いかなる特定のプローブ配置にも感知原理にも限定されない。ストライプまたはスワイプ型指紋センサの１つの例示的な実施形態において、上述の特許文献１または５で議論されるように、センサに対する指の移動を測定するために、いくつかのセンサ素子が採用される。代替的に、センサは特許文献８に示すように表面の画像の順列をサンプリングする部分的な行列であってもよい。さらに他のプローブ配置は特許文献９に開示されており、２つの線状のセンサ素子が、ナビゲーションの目的のために指の移動を測定するために使用される。タッチスクリーンセンサのさらに他の実施形態では、プローブは、特許文献１０から１３において議論されているように、完全な、動かない指紋を覆うマトリックスとして配置される。
【００１６】
図３ａから３ｄは、例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリカーボネートまたはその他の透明なガラスと等価な物質などの絶縁材料からなる被覆２０と統合された指紋センサの例示的な実施形態の断面図を示している。複数の感知素子２７は、被覆２０の第１の面側に位置する。感知領域は、被覆２０を少なくとも部分的に通って延設し、被覆の第１の面側において導体配線２２と接続されるプローブ２１、２１’によって被覆の第２の面側に画定される。導体配線２２は、プローブ２１、２１’から複数の感知素子２７へ信号を伝送する配線または再分配層を構成する。感知素子は、例えば、アナログ信号調整のための、被覆の第１の面側に位置する信号プロセッサ３（図示されない）にさらに接続される。信号プロセッサはＣＭＯＳ  ＡＳＩＣまたはその他任意の適切なＩＣであってよい。しかし、導体配線層は、本発明の特定の実施形態に従う感知素子の一部であってもよいことに注意すべきである。プローブ２１、２１’及び導体配線２２は、導電材料からなり、小さな特徴体またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明材料が、使用者に本質的に見えない導体の状態にするようにされてもよい。そのため、本発明の１つの例示的な実施形態によれば、被覆２０の透明部１２に位置するプローブ２１、２１’及び導体配線２２は、透明領域の外側の処理ユニット２３に接続される。
【００１７】
本明細書に記載されるように、指紋センサの例示的な製造プロセスは、市販のカバー材料及び微細加工プロセスを利用する。まず、穴及び／または止まり穴が、レーザー穴加工、機械的穴加工、イオン穴加工、イオンエッチングなどの当業者に知られた方法によって、プローブの位置及び深さを画定するために基板材料に形成される。次に、穴及び表面が、堆積、イオン交換メタライゼーションなどの当業者に知られた方法によって導電材料で埋められ及び／または覆われる。次に、電極及び導電配線が、当業者に知られた標準的なリソグラフィ及びエッチングプロセスで、基板の前面及び／または背面に部分的に処理されてもよい。
【００１８】
ここで、ガラスなどの絶縁材料からなる被覆２０と統合された指紋センサの第１の例示的な実施形態を示す図３ａに戻る。プローブ２１は、被覆を通して延設し、被覆２０の第２の面側、または上面側の表面と本質的に平坦である。選択される指紋感知原理に応じて、特に静電容量感知に関して、誘電体層３１も、プローブ２１を覆って指の表面に対する静電容量結合を提供してもよい。誘電体層３１は、プローブ２１の全てまたはほとんどを覆ってもよい。覆われていないプローブ２１は、指の表面に対して流電結合を提供することができる。
【００１９】
図３ｂは、ガラスなどの絶縁材料からなる被覆２０と統合された指紋センサの第２の例示的な実施形態を示す。第２の実施形態は、プローブ２１が被覆２０の上面側の上方まで延設する点のみが、第１の実施形態と異なる。これによって、被覆の上面側にプローブ２１の配線が可能となる。再び、選択される指紋感知原理に応じて、特に静電容量感知に関して、誘電体層３１も、プローブ２１を覆って指の表面に対する静電容量結合を提供してもよい。誘電体層３１は、プローブ２１の全てまたはほとんどを覆ってもよい。覆われていないプローブ２１は、指の表面に対して流電結合を提供することができる。ここで示されているが、２つの第１の実施形態の組み合わせもまた可能である。例えば、複数のプローブが被覆の上面側の表面とともに平坦である一方で、いくつかのプローブは表面の上方まで延設させることができる。
【００２０】
図３ｃは、ガラスなどの絶縁材料からなる被覆２０と統合された指紋センサの第３の例示的な実施形態を示している。この実施形態において、プローブ２１’は、被覆２０を部分的に通って延設する。プローブ２１’の端部と被覆２０の上面側の表面との間の距離ｄ２１’４８は、プローブ２１’が指の表面に対する静電容量結合を提供できるように選択される。これによって、被覆２０の上面の頂部に誘電体層を追加することなく、静電感知原理を使用した指紋センサが可能となる。
【００２１】
図３ｄは、ガラスなどの絶縁材料からなる被覆２０と統合された指紋センサの第４の例示的な実施形態を示している。この実施形態においては、被覆２０を通して部分的に延設するプローブ２１’及び被覆２０を通して延設するプローブ２０が存在する。図３ｃに関して上述したように、プローブ２１’の端部と被覆２０の上面側の表面との間の距離ｄ２１’４８は、プローブ２１’が指の表面に対して静電容量結合を提供することができるように選択される。プローブ２１は、指の表面に対して流電結合を提供することができる。図示されてはいないが、プローブ２１は、前述の図３ｂに関してさらに詳細に説明されたように、表面の上方まで延設することもでき、被覆２０の上面側の配線及びプローブ構造を可能にする。
【００２２】
本発明の１つの例示的な実施形態における導電配線２２は、当業者に知られた方法によって導電材料の少なくとも１つの層を適用し、パターニングすることによって、被覆２０の上に直接加工された少なくとも１つの導電層からなる。導電配線は、典型的にはプローブ２１、２１’の非常に狭い間隔を扇状に広げて、後続の信号処理ユニットへの相互接続を容易にする再分配層として使用されてもよい。このように、再分配層もまた、後続の信号処理ユニットの大きさを感知領域の大きさから切り離している。代替的に、導電配線２２は、例えば、後続の信号処理ユニットへの相互接続のためのＢＧＡボールで供給されてもよい。図４ａ及び４ｂを参照して以下でさらに詳細に説明するように、さらに他の実施形態において、導電配線は感知素子の一部である。
【００２３】
図４ａは、本発明に従う指紋センサの１つの例示的な感知素子または感知画素４０を示す。センサ素子は、ガラスなどの絶縁材料からなる被覆２０と、カバーの背面から被覆２０を部分的に通って延設する導電材料からなるプローブ２１’と、から構成される。プローブ２１’は、第１の誘電体層４２の上で第１の導電層に画定された導体配線または感知電極２２に接続される。感知電極２２は、第１の誘電体層４２の反対側の第２の導電層に画定された活性化電極４３及びピックアップ電極４４を少なくとも部分的に覆う。活性化電極４３及びピックアップ電極４４は、同一の水平な層に画定され、導電材料からなる。感知素子はまた、第２の誘電体層４５の反対側において活性化電極４３の下に位置する第３の導電層に画定された第３の導体または活性化配線４６を含んでもよい。活性化配線４６は、誘電体層４５の上で静電容量的に、または導電ビア４７を通して、活性化電極４３にガルバニックに電気接続される。活性化電極４３及びピックアップ電極４４は、特定の実装例に基づいて機能を切り替えてもよいことに注意すべきである。さらに他の例示的な実施形態において、感知ユニット４０は、第２の導電層と第３の導電層との間に位置する第４の導電層（図示されない）を有して提供される。第４の導電層は、活性化配線４６とピックアップ電極４４との間のシールド層として働くこととなる。図４ｂは、指紋センサの代替的な実施形態を示しており、感知素子４０はさらに、被覆２０の背面から被覆２０を通して延設する導電材料からなるプローブ２１を含む。ここで、センサ素子またはセンサ画素毎に１つの貫通プローブ２１が示されているが、指紋センサは、特定の実施形態において適用可能であるように、これらのプローブのうちの１つまたは数個のみを有するだけであることもできることに注意すべきである。
【００２４】
図５は、本発明の代替的な実施形態を示しており、図４ａ及び４ｂを参照して説明したような感知素子またはセンサ画素５０が、例えば特許文献１４に開示されたような、容易に利用可能な技術を使用した多層ポリマー基板からなるものである。ポリマー基板は、バンプボンド５８によって示されるように、当業者に知られた容易に利用可能なチップ積載技術によってプローブ２１、２１’及び導体配線２２に接続される。感知素子５０は、第１の誘電体層５２の上方で第１の導電層に画定された感知電極５１からなる。感知電極５１は、第１の誘電体層５２の反対側において第２の導電層に画定された活性化電極５３及びピックアップ電極５４を少なくとも部分的に覆う。活性化電極５３及びピックアップ電極５４は、同一の水平層に画定され、導体材料からなる。感知素子はまた、第２の誘電体層５５の反対側において活性化電極５３の下に位置する第３の導電層に画定された第３の導体または活性化配線５６を含んでもよい。活性化配線５６は、活性化電極５３に、誘電体層５５の上で静電容量的に、または導電ビア５７を通してガルバニックに電気接続される。活性化電極５３及びピックアップ電極５４は、特定の実装例に基づいて、機能を切り替えてもよいことに注意すべきである。さらに他の例示的な実施形態において、感知素子５０は、第２の導電層と第３の導電層との間に位置する第４の導電層（図示されない）を有して提供される。第４の導電層は、活性化配線５６とピックアップ電極５４との間のシールド層として働くこととなる。
【００２５】
本発明に従う例示的な測定原理は、図４ａ及び４ｂを参照して図６に示されている。信号処理ユニット２３、例えばＡＳＩＣは、ピックアップ電極４４に接続されて、そこからの信号を増幅する増幅器６６を、他の信号調整回路とともに含む。活性化電極４３からのＡＣ電圧信号は、感知電極２２に結合する。増幅器６６への入力信号電流は、プローブ２１’の端部からグランド電位までの全静電容量と直列なキャパシタ６２によって決定される。この全静電容量は、６３の（センサ誘電体４８を通した）静電容量及び６４の（指４１の尾根部分を通した、または谷の空隙を通した）静電容量の直列接続と並列な６７によって与えられる。指を通して外部電位までの追加的な直列インピーダンス６８は、この議論のために無視できるものと仮定する。他の全ての素子は固定されているため、入力信号電流の大きさは、静電容量６４の大きさに応じて変化し、静電容量６４の大きさは、プローブ２１’の上に指の尾根部分があるか谷部分があるかによって変化することとなる。信号電流は、ＡＳＩＣによって（例えば同期的に）増幅され、フィルタリングされ、復調されることができる。すなわち、ＡＣ電圧が活性化電極４３に印加されると、センサ電極２２を通して、活性化電極４３からピックアップ電極４４へ電流の静電容量的な流れが存在することとなる。空気で満たされた指紋の谷の部分がプローブ２１’の直上に位置する場合、指４１を通してセンサ素子から外部電位６１までのインピーダンスは実際上無限大になる。一方、指紋の尾根の部分が存在すると、指４１を通してプローブ２１’から外部電位６１までのインピーダンスはずっと低く、有限になる。これは、ピックアップ電極４４によって受け取られる信号電流が減少することにつながる。この信号電流の減少が、信号が増幅され、デジタル化される場合には例えば「グレースケール」指紋画像として視覚化され得る、尾根と谷との間の信号コントラストを引き起こすこととなる。外部電位６１は、本発明の１つの例示的な実施形態に従って、貫通プローブ２１から指４１に静電容量的にまたはガルバニックに結合する。代替的に、本発明の他の例示的な実施形態によれば、指４１は人体を通して実際のグランドに結合される。
【００２６】
図７は、本発明に従う感知素子またはセンサ画素４０のアレイを示しており、感知素子４０ａからｄのそれぞれは、同一のピックアップ電極４４に静電容量的に結合されている。感知素子のそれぞれは、関連する活性化電極４３ａからｄによって活性化されうる。図７から分かるように、活性化電極（例えば４３ａ）が浮遊または固定電位に維持されたままにされた場合、対応する感知素子４０ａからピックアップ電極４４への信号電流は実際上存在しないこととなる。このような信号電流が存在しないことは、素子４０ａの上に指の尾根があるか谷があるかには関連しない。このことは、ＡＣ電圧によって活性化された感知素子４０のみが、信号応答、具体的には信号電流を引き起こすことを意味しており、これは活性化信号によって変調される。一組の感知素子におけるそれぞれの感知素子が、その組の感知素子の全ての感知素子に共通な活性化信号によって同時に活性化されることができるように、感知素子４０は、複数の感知素子の組にグループ化されうる。このことによって、活性化電極４３の信号を活性化信号と制御信号の組み合わせとして使用して、共通ピックアップ配線４４上の異なる感知素子４０の間の効果的な受動多重化が可能になる。この受動多重化は、各センサ素子に対して追加的な能動スイッチ及び関連する制御回路が必要でないので、信号処理ユニットの大きさを大幅に低減する。
【００２７】
図８は、本発明に従う指紋システムの例示的な実施形態に概略図である。指紋システムは、ガラスなどの絶縁材料からなる被覆２０の第２の面側に指紋感知領域を画定する所定のパターンに位置する複数のプローブ２１’を含み、複数のプローブ２１’は、被覆２０の第１の面側から被覆２０を少なくとも部分的に通して延設する。被覆２０の第１の面側の複数の導体配線２２は、複数のプローブ２１’を被覆の第１の面側の複数の感知素子４０に相互接続する。図８は、被覆２０の第１の面側の複数の感知素子４０と、複数の感知素子に接続された複数の増幅器６６ａからｄを示しており、増幅器６６ａからｄの数は、感知素子４０の数より少ない。また図８に示されるように、活性化回路は、複数の感知素子４０に接続され、活性化回路は少なくとも１つの活性化信号を出力するように適合される。感知素子４０、信号処理ユニット２３及び関連する相互接続回路は、本発明の範囲内で、前述のように、線状センサ構成、部分行列センサ構成及び行列構成を含むがそれに限定されない、多数の異なる構成に構成することができる。図８に示される指紋センサは、単純化のために、感知素子４０の２×４マトリックスと、４つのピックアップ電極４４ａからｄにそれぞれ接続された４つの増幅器６６ａからｄを有する信号処理ユニット２３と、活性化電極４３に給電するための活性化回路と、からなる。しかし、行列は任意の大きさ及び形態、例えば１×ｎ及びｍ×ｎの形態をとってもよい。活性化回路は例えば図示されるように、マルチプレクサ８２を通してｍ個の出力チャネルに結合されたＡＣ駆動回路８１の形態を有してもよい。図８の概略的な図において、ｍ＝２の駆動配線４６ａからｂが、活性化電極４３を、ビア４７を通してＡＣ駆動回路に接続する。ＡＣ駆動回路は駆動配線４６ａに接続され、そのためその行の感知素子（４０ａａ、４０ａｂ、４０ａｃ及び４０ａｄ）が、それぞれの活性化電極４３によって活性化され、その結果得られる信号が、それぞれのピックアップ配線または列４４ａからｄにおいて感知され、対応する列増幅器６６ａからｄによって増幅される。次いで、ＡＣ駆動回路が駆動配線４６ｂに接続され、その行の感知素子（４０ｂａ、４０ｂｂ、４０ｂｃ及び４０ｂｄ）がそれぞれの活性化電極４３によって活性化され、その結果得られる信号が、それぞれのピックアップ配線または列４４ａからｄにおいて感知され、対応する列増幅器６６ａからｄによって増幅される。
【００２８】
活性化回路はさらに、一組の感知素子のそれぞれに関して１つの活性化信号を出力し、次いで一度に一組の感知素子の１つを活性化するために活性化信号の間で切り替えるように適合されてもよい。
【００２９】
図８を参照した上記記載は、１×ｎ行列の感知素子を説明しており、行内の感知素子４０の全てが共通駆動配線４６を通して１つの駆動回路８１に接続されている。しかし、本発明の他の例示的な実施形態によれば、感知素子４０の線形配列が、複数の駆動配線４６に接続されて、１つの線状センサ内でピックアップ電極４４の多重化を可能にする。そのような構成において、例えば駆動配線４６ａは、感知素子４０ａａ及び４０ａｃに接続されることができ、その一方で、駆動配線４６ｂは感知素子４０ａｂ及び４０ａｄに接続されることができる。さらに他の本発明に従う線形配列構成において、駆動配線４６は、活性化電極４３及びピックアップ電極４４と同じ水平層、すなわち第２の導電層に画定され、そのため第３の導電層を排除できる。
【００３０】
図９は、本発明に従う指紋センサシステムの他の例示的な実施形態を示す。指紋センサ９０は、本質的に感知素子４０の線形配列からなり、線形配列は本質的にタッチスクリーンデバイス９１の幅に渡って延びる。感知素子４０は、感知素子の複数のグループ９２ａから９２ｎにまとめられ、グループのそれぞれは、本質的にスワイプ型指紋センサを画定する。１つのグループ９２内の各感知素子の活性化電極４３は、共通駆動配線に接続され、その一方１つのグループ内の各感知素子のピックアップ電極４４は、信号処理ユニット２３の増幅器６６の列に配線される。信号処理ユニット２３における増幅器６６の列は、感知素子のグループ９２のそれぞれに関して共通である。そのため、指紋センサ９０は、複数の多重化されまたは切り替えられるスワイプ型指紋センサからなる。１つの例示的な実施形態において、このことによって並列に複数の指の測定が可能になる。他の例示的ない実施形態において、信号処理ユニット２３はまた、タッチ可能なディスプレイからの指の速度及び／または方向などの入力を受け取り、信号処理ユニット２３が適切な感知素子のグループ９２を活性化することを可能にする。
【００３１】
このユニットはまた、安全な生体認証のための任意のシリコンダイ及び回路２４を含んでもよい。典型的な選択肢は、生体アルゴリズム、通信及び論理処理を必要とするその他の機能を実行するためのマイクロコントローラ、金融取引認証またはサービス提供者の特定のための様々なセキュアエレメント及びＵＳＩＭチップ並びに無線周波数通信のためのＮＦＣコントローラを含む。
【００３２】
図２に示されるように、ユニットはまた、スマートフォンの他の部品または外部コネクター及び装置へのインターフェース２５を含んでもよい。ＮＦＣコントローラと通信するアンテナ（図示されない）もまた統合することができる。
【００３３】
そのため、指紋センサを、携帯電話やタブレット型パーソナルコンピュータなどのタッチスクリーンデバイスの筐体内に統合することが可能であり、その一方設計及び人間工学を考慮に入れることが、携帯機器製造者にとってのキーとなる設計基準である。これは、設計、人間工学及び使用可能性、単純化された統合及び優れた耐久性、生体性能向上のための使用者のフィードバック、並びにアプリケーショングラフィック及びアニメーションとの直接的な相互作用などの追加的な利点をもたらすこととなる。
【００３４】
図１０は、スマートフォン１００を示しており、本発明に従うユニットは、アンテナを有し、自律的、生体的な標準ＥＭＶカードを模擬するために結合された標準的なスマートカードコントローラ及びＮＦＣチップセットを使用する携帯電話において、カバーガラス１０１内に実装される。
【符号の説明】
【００３５】
３  信号プロセッサ
１０  スマートフォン
１１  前面部
１２  ディスプレイ領域
１３  ボタン領域
２０  被覆
２１  プローブ
２１’  プローブ
２２  導体配線
２３  処理ユニット
２５  インターフェース
２７  感知素子
３１  誘電体層
４０  感知素子
４１  指
４２  第１の誘電体層
４３  活性化電極
４４  ピックアップ電極
４５  誘電体層
４６  活性化配線
４７  導電ビア
５０  感知素子
５１  感知電極
５２  第１の誘電体層
５３  活性化電極
５４  ピックアップ電極
５５  第２の誘電体層
５６  活性化配線
５７  導電ビア
６１  外部電位
６２  キャパシタ
６３  静電容量
６４  静電容量
６６  増幅器
６７  静電容量
６８  直列インピーダンス
１００  スマートフォン
１０１  カバーガラス
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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