(57)【要約】【課題】高い受光効率で指紋又は静脈パターンを読み取ることができる光学式の生体センサーを提供する。【解決手段】バックライトユニット１より出射した光が基板３を透過し、保護層１３ａの上面に接触した指紋に照射され、指紋の凹凸に応じて反射した反射光を受光素子である半導体層７で受光することにより指紋を認識するセンサーにおいて、バックライトユニット１と基板３との間にルーバー２を設けることで、出射光は鋭く指向されるため、センサーの受光効率が高くなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する基板上に受光素子が形成された受光基板と、前記受光素子を被覆する保護層と、前記基板の裏面から光を照射するバックライトと、前記バックライトと前記基板との間に設けられ前記バックライトからの出射光を指向させるルーバーと、を有し、前記ルーバーにより指向性を付与された光を前記保護層の上に置かれた生体部分に照射し、その反射光を前記受光素子で受光し、その強度を検出することにより指紋又は静脈パターンを検出することを特徴とする生体センサー。
【請求項２】
前記基板の表面に光が通過する開口部を有する遮光膜が形成されており、前記保護層の上の前記生体部分と前記開口部とを結ぶ方向が前記ルーバーにより指向された光の出射方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
【請求項３】
前記受光素子は、下部電極と、透明上部電極と、これらの下部電極と上部電極との間に形成された半導体層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の生体センサー。
【請求項４】
前記バックライトが発する光は波長が７６０ｎｍ付近又は６００乃至７００ｎｍの近赤外光であり、これを用いて生体部分の静脈パターンを検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の生体センサー。
【請求項５】
前記バックライトの発する光の波長は４００乃至７６０ｎｍであり、これを用いて生体部分の指紋を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の生体センサー。
【請求項６】
前記バックライトは、波長が７６０ｎｍ付近又は６００乃至７００ｎｍの近赤外光を発する第１の光源と、波長が４００乃至７６０ｎｍの光を発する第２の光源との２種類の光源を持ち、第１及び第２の光源を切り替えて静脈パターンと指紋の両方を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の生体センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指紋又は静脈パターンを読み取る光学式の生体センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、指紋又は静脈認識による生体認証を利用して、携帯電話及びパソコンのセキュリティを確保しようとする動きがある。指紋センサーには光学式、容量式（例えば、特許文献１参照）及び圧接式等があり、指紋検出精度の点では光学式及び容量式が有利であるが、容量式指紋センサーは静電気放電に弱いという欠点があり、また、光学式指紋センサーはセンサー基板が半導体であるため、大きなセンサーは極めて高価であった。更に、静脈センサーの場合は、従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサー等の光学式静脈センサーに限られていた。生体センサーが、例えばドアの鍵代わりになるほど広く普及するためには、センサー上に指を固定し、安定に指紋が検出できる耐久性と精度を備えることが要求され、更に低価格なものが望まれる。
【０００３】
光学式センサーにおいては、指紋を読み取るフォトセンサー部に光透過性を高めたものが開発されている。即ち、フォトセンサー部の背面にバックライトを設け、このバックライトより光をフォトセンサー部に出射し、フォトセンサー部を透過した光はフォトセンサー部の表面に接触した指先にあたって反射する。この反射光をフォトセンサーで検出することにより指紋を認識する。このようなフォトセンサーには、指先面に対して法線方向からの光を照射して指紋の凸部で反射する光を読み取るものと、プリズムを利用して全反射臨界角の光を照射して指紋の凹部で反射する光を読み取るものなどが存在する。
【０００４】
図５は、特許文献２に記載されている従来の指紋センサーにおけるバックライトの構成を示す斜視図であり、図６は同特許文献に記載の受光シートを示す平面図である。図５に示すように、バックライトは光源１００、導光板１０１、プリズム１０２及び拡散シート１０３を備えている。光源１００から出射した光は導光板１０１に入射し、導光板１０１の底部に設けられた反射パターンに従って導光板１０１からプリズム１０２に向けて出射される。プリズム１０２に入射した光はプリズム部で指向性を与えられ、拡散シート１０３に出射される。そして、拡散シート１０３で散乱された光は受光基板を通過し、受光基板の表面に接触した指紋に照射され、その反射光を受光することによって指紋を読み取る。更に、図６に示すように、受光シートは、ボトムゲート１０４、ドレイン１０５及びソース１０６からなる通常の逆スタガー型のＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）を２個並列接続した構造に加え、平面視して、ＴＦＴの上方にトップゲート１０７を有しており、ＴＦＴのドレイン１０５及びソース１０６は、夫々ドレイン線１０８及びソース線１０９に接続されている。バックライトから入射した光は受光基板の配線の隙間から指紋に向けて出射し、指と基板表面との間で反射され、反射光はＴＦＴに入射された光量に応じた電荷として計測され、これにより指紋を読み取ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２６７４０８号公報
【特許文献２】特開２００３−６０８４４号公報
【非特許文献１】生体情報の可視化技術編集委員会編、「生体情報の可視化技術」コロナ社、１９９７。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。
【０００７】
図５に示すように、特許文献２に記載の従来の指紋センサーはプリズム１０２を使ってバックライト光に指向性を持たせるため鋭い指向性は得られない。また、出射される方向も光路追跡等で確認する必要があり、出射方向も自由に設定することが難しい。更に、受光基板のレイアウトも出射方向とは関連のないパターンが用いられており、従来技術では受光効率が悪いという問題点がある。
【０００８】
また、上述のように、容量式の指紋センサーは静電気放電に弱いという問題点がある。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高い受光効率で指紋又は静脈パターンを読み取ることができる光学式の生体センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る生体センサーは、透光性を有する基板上に受光素子が形成された受光基板と、前記受光素子を被覆する保護層と、前記基板の裏面から光を照射するバックライトと、前記バックライトと前記基板との間に設けられ前記バックライトからの出射光を指向させるルーバーと、を有し、前記ルーバーにより指向性を付与された光を前記保護層の上に置かれた生体部分に照射し、その反射光を前記受光素子で受光し、その強度を検出することにより指紋又は静脈パターンを検出することを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、バックライトから出射した光はルーバーを通過することにより、鋭く指向される。ルーバー通過後の光は受光基板を透過し、保護層の上に置かれた生体部分に照射され、反射された後、受光素子に検出される。例えば指紋センサーにおいては、指紋の凹凸に応じた反射光を受光素子で検出し、その強度を２次元的にスキャンすることで指紋を読み取る。この際、照射光が指向しているために、受光効率が高くなり高精度な指紋検出が可能となる。
【００１２】
また、基板の表面に光が通過する開口部を有する遮光膜が形成されており、保護層の上に置かれた生体部分と開口部とを結ぶ方向がルーバーにより指向された光の出射方向とほぼ平行になるようにセンサーを構成することができる。これにより、受光の効率が非常に高くなる。
【００１３】
また、受光素子は下部電極と、透明上部電極と、これらの下部電極と上部電極との間に形成された半導体層を有する受光素子であってもよい。例えば、半導体層をｐ−i−ｎ型受光素子とすることで、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）のアレイ工程を多少変更して受光基板を製造することができ、大面積でも安価な生体センサーを作ることができる。
【００１４】
また、バックライトの発する光を、例えば波長７６０ｎｍ付近又は６００乃至７００ｎｍの近赤外光とすることもできる。これにより、生体センサーは静脈パターンの検出に好適となる。静脈には還元ヘモグロビンが多く流れ、一方、動脈には酸化ヘモグロビンが多く流れており、上記波長域においては両者の吸収係数の差が大きいため、静脈パターンの検出に適するからである。
【００１５】
更に、バックライトの発する光の波長を４００乃至７６０ｎｍとしてもよい。この波長領域は、指紋の検出に適する。
【００１６】
更にまた、バックライトとして、波長が７６０ｎｍ付近又は６００乃至７００ｎｍの近赤外光を発する第１の光源と、波長が４００乃至７６０ｎｍの光を発する第２の光源との２種類の光源を設けることもできる。第１及び第２の光源を切り替えれば、静脈パターン及び指紋の両方を検出可能な生体センサーとなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、バックライトからの出射光をルーバーにより鋭く指向させることにより、生体センサーの受光効率を高くすることができる。また、鋭く指向した光を被検体に照射してその反射光を受光することで指紋又は静脈を認識するため、光路と受光基板上の各構成部分との関係が幾何学的に簡明となり、受光効率に優れた生体センサーを構成することができる。また、基板上に部分的に形成した半導体層をｐ−i−ｎ型受光素子とすることで、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）のアレイ工程を多少変更することでセンサーを製造することができ、大面積でも安価な生体センサーを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照にして具体的に説明する。図１は、本実施形態に係る生体センサーにおける指紋又は静脈検出部を示す平面図であり、図２は、図１に示されたＡ−Ａ'線に沿った縦断面図である。
【００１９】
図２に示すように、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）からなるバックライトユニット１の上に、ルーバー２が重ねられている。このルーバー２は、例えば透過部と遮光部が交互に積層されたフィルムからなる厚さ約３００μｍのルーバーフィルムである。更に、このルーバー２の上には、受光基板が重ねられている。この受光基板は、例えばガラスからなる透明絶縁性基板３上にセンサー素子が形成されている。即ち、基板３上には開口部１２を有する遮光膜４が形成されており、この遮光膜４上及び開口部１２内には透明絶縁膜５が形成され、更に絶縁膜５の上の遮光膜４の直上の位置には下部電極６及びデータ線８が形成されている。下部電極６は図１に示すように、データ線８に直交する方向に延び、信号取出線１８に接続されている。下部電極６の上には、下部電極６及び後述する上部電極としてのＩＴＯ膜１１と共に受光素子を構成する半導体層７が形成されている。この半導体層７は、例えばｐ−ｉ−ｎ層がこの順に下方から上方に積層されたｐ−ｉ−ｎ接合を有するダイオードである。そして、全面に透明なパッシベーション膜９が形成されており、このパッシベーション膜９における半導体層７及びデータ線８の上部は局所的に除去されて、コンタクトホール１０が形成されている。更に、半導体層７及びデータ線８上にＩＴＯ膜１１が形成されており、このＩＴＯ膜１１により半導体層７及びデータ線８のコンタクトホール１０を埋めるようにして、データ線８が電気的に接続されている。そして、受光基板全体を覆うようにして保護層１３ａが形成されている。保護層１３ａの上面には指を接触させる指紋検出部が設けられている。このようにして、図１に示すように、格子状に設けられたデータ線８と信号取出線１８とにより区画された各部分が、開口部１２及び半導体層７（ハッチングされた領域）を有するセンサーとなっている。なお、検出すべき生体部分の例として指紋の凹部を図示したため、指紋１５と保護層１３ａの上面との間には空気層からなる隙間１６が形成されている。なお、本実施形態では、下部電極６を信号取り出し線として使っているが、遮光膜４又は他の配線を使うことで、信号取り出し線を下部電極６とは別の配線とすることもできる。次に、各構成要素について詳しく説明する。
【００２０】
保護層１３ａとしては、例えばアクリル等の樹脂を２ｕｍ程度コートして表面を平坦化した層を用いることができる。基板を透過した光が保護層１３ａ上面で反射される際の出射角は、保護層の材質に依存するが、殆どの場合その出射角は±３０度以下である。
【００２１】
上述のように、ガラス又はプラスチック等の透明性及び絶縁性を有する基板３上には遮光膜４となる金属（信号取り出し電極として使うこともできる）が形成されている。これは、例えばＣｒをスパッタ法で約２００ｎｍの厚さに成膜し、通常のフォトレジスト工程で配線するか、又は、遮光膜として残す部分にレジストを選択的に残し、硝酸セリウム系エッチング液でエッチング後にレジストを剥離することで形成される。
【００２２】
絶縁膜５は、例えば窒化膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気層成長）法により約３００ｎｍの厚さに成膜して形成する。絶縁膜５は酸化膜１００ｎｍと窒化膜２００ｎｍのように積層してもよい。
【００２３】
下部電極６は、例えばＣｒをスパッタ法で約１００ｎｍの厚さに成膜し、フォトレジスト工程、エッチング工程及び剥離工程を経て形成する。下部電極６を形成するには、Ｃｒ等の金属の他、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、ＣｕＡｌＯ２若しくはＳｒＣｕ２Ｏ２等の酸化物半導体又は化合物半導体を用いてもよい。
【００２４】
半導体層７は例えば以下のように形成される。まず、ボロンを含んだガス（例えば、ジボランＢ２Ｈ６）中で基板全面をプラズマ処理する。下部電極６の上にＮ型の半導体層を形成する場合は、リンを含んだガス（例えばフォスフィンＰＨ３）中でプラズマ処理が行われる。プラズマ処理は下部電極６のパターニング後に行うが、成膜後に、パターニング処理する前に行うことも可能である。そして、ＣＶＤ法で例えばノンドープ水素化アモルファスシリコンを約２００ｎｍ堆積させ、続けてリンドープ水素化アモルファスシリコンを約５０ｎｍ堆積させ、通常のフォトレジスト工程とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）工程により半導体層７を形成する。ここでは、水素化アモルファスシリコンを例にしたが、微結晶シリコン又は多結晶シリコン等でも同様に適用可能である。
【００２５】
次に、データ線８としては、例えばＣｒをスパッタ法で約１４０ｎｍの厚さに成膜し、通常のフォトレジスト工程の後、硝酸セリウム系のエッチング液でＣｒをエッチングして形成する。
【００２６】
さらに、パッシベーション膜９としては、例えば窒化膜をＣＶＤ法により１５０ｎｍの厚さに堆積させることで形成し、さらに、通常のフォトリソグラフィ工程とフッ酸系のエッチング液でコンタクトホール１０を形成する。また、半導体層７の上部電極としてＩＴＯ膜１１を、例えばスパッタ法により約５０ｎｍの厚さに成膜し、通常のフォトレジスト工程と王水系エッチング液によりエッチングし、レジストを除去する。
【００２７】
次に、指紋又は静脈を検出するために用いられる光の波長について説明する。指紋センサーにおいては、光源となるＬＥＤの発光波長域、半導体の受光波長域等を考慮して、例えば４００ｎｍ−７６０ｎｍの波長の光を用いて指紋を検出できる。一方、静脈センサーにおいては、例えば７６０ｎｍ付近又は６００−７００ｎｍの波長の光を使うことで静脈のパターンを検出することができる。これは次のような理由による。図４は、非特許文献１に記載されている酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの吸収係数の波長依存性を示すグラフである。静脈には還元ヘモグロビンが多く流れ、動脈には酸化ヘモグロビンが多く流れているため、両者の吸収係数の差が大きい所の波長、例えば７６０ｎｍ付近又は６００−７００ｎｍ、を使うことで、静脈パターンを検出に適するからである。
【００２８】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係る生体センサーの動作について説明する。図２に示すように、バックライトユニット１と基板３との間には、光の出射方向を制限するためのルーバー３が配置されている。バックライトユニット１から出射した光は、ルーバー２により指向され、基板３の開口部１２から受光基板に入射する。ここで、ルーバー３の指向方向に対して斜め方向の光は遮蔽され、ほぼ指向方向の光がルーバー３から出射される。出射光はさらに受光基板を透過し、保護層１３ａ上に置かれた指の指紋１５又は静脈パターンに応じて反射され、反射光は半導体層７によって受光される（光路１７参照）。指紋検出を例にとると、指紋の凹部では、保護層１３ａの上面との間に空気層の隙間１６が形成されるため光はほぼ全反射され反射光は強く、一方、指紋の凸部では、保護層１３ａの上面との間に空気層の隙間ができないため、光は指で吸収され反射光は弱い。半導体層７によって受光された反射光は、その強度に応じた電圧又は電流として下部電極６及びデータ線８を使って検出される。そこで、下部電極６とデータ線８をスキャンすることにより、２次元的な指紋のデータ又は静脈パターンを得ることができる。
【００２９】
なお、ルーバーの角度は、指紋を検出する場合、指紋の凹部に空気層による隙間が形成され光が強く反射される場合と、指紋の凸部で光が指に吸収されて弱く反射する場合との比（コントラスト）が最も高くなるような角度に選ばれる。また、静脈を検出する場合は、静脈のコントラストが最も高くなるような角度に設定され、指紋及び静脈の両方を検出する場合には、指紋及び静脈のコントラストがそれぞれ高くなるような角度に選ばれる。光の波長にも依存するが、両者の角度にそれほど大きな違いはない。
【００３０】
次に本実施形態の効果について説明する。本実施形態に係る生体センサーにおいては、バックライトユニット１からの出射光をルーバーにより鋭く指向させるため、反射光の受光効率が高くなり、高精度な指紋及び静脈パターンの検出が可能となる。また、出射方向の設定が容易となるので、出射方向を考慮して受光基板のレイアウトを構成すれば、受光効率を高くすることができる。例えば、発光点を基準にしたときの基板３上の開口部１２の方向と、受光素子である半導体層７の方向と、ルーバー２により指向された出射光の方向とがほぼ同じ方向になるように構成することができる。これにより、受光の効率が非常に高くなる。また、レンズ等の結像光学系を使用する従来技術に比べて、センサーの構造が簡単になる。さらに、半導体層７をｐ−i−ｎ型受光素子とすることで、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）のアレイ工程を多少変更することにより、大面積でも安価な生体センサーを提供することができる。また、容量型のように静電気放電に弱いという欠点もない。
【００３１】
なお、静脈パターンのデータを取得する際には、指を接触させた界面における反射により、指紋に関する情報も重畳されることがあるが、指紋パターン（検出されたパターン又は登録されたパターン）との差分データを使うことにより、静脈パターンの検出精度を向上させることが可能である。また、指紋の凹部に空気層ができないように、指を液体で濡らすなどの方法を取ることで、静脈パターンの検出精度を向上させることも可能である。
【００３２】
なお、本実施形態においては、下部電極６を信号取り出し線として使っているが、遮光膜４や他の配線を使うことで、信号取り出し線を下部電極６とは別の配線とすることも可能である（信号取り出し線と下部電極は電気的に接続されている）。
【００３３】
次に、本発明の実施形態の変形例について説明する。図３は本変形例を示し、図２と同様な縦断面図である。前述の実施形態と比較して、保護膜１３ｂと基板３との間にスペーサー１４が配置されている点が異なっている。本変形例における上記以外の構成は、前述の実施形態と同様である。スペーサー１４は例えば直径４ｕｍ程度の大きさであり、球状でも柱状でもよく、ＩＴＯ膜１１を形成した後、基板の周辺に幅約２ｍｍのシール材をパターニングしてから散布し、ガラス又はプラスチック等の透明な基板を張り合わせて保護層とする。アクリル樹脂に比べ、材質の硬いガラス等を保護膜１３ｂとして使うことができるので、耐久性及び耐湿性が向上する。スペーサー１４は保護膜１３ｂと半導体層７とのギャップを決めるために使われ、ルーバーの角度と併せてギャップが決められるのは言うまでもない。
【００３４】
なお、前記実施形態及びその変形例における半導体層７は、下部電極６よりも大きくパターニングすることで、ｐ−ｉ接合がエッチングされた面に現れないため、再結合中心を接合付近に作らず、リーク電流の増加を抑えることができる。また、半導体層７は平面上の異なる位置に配置されたものを、下部電極、上部電極、ドレイン電極及びコンタクト等を使って複数個接続し、起電力を大きくすることもできる。
【００３５】
なお、前記実施形態及びその変形例においては、積層型ダイオードを下からｐ−ｉ−ｎとしたが、逆にｎ−ｉ−ｐとできることは言うまでもない。また、下部電極６（あるいは信号取り出し電極）にＴＦＴのゲートを接続し、データ線８にＴＦＴのドレインを接続し、ＴＦＴのソースと下部電極６との間に受光用の半導体層７を接続して受光素子を選択することもできる。また、指が触れるセンサー最表面にＩＴＯ膜等の透明電極を形成し、抵抗を介して接地することにより、静電気によるショックを和らげることもでき、さらに、タッチセンサーの電極とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、生体認証を使った、携帯電話、パソコン及びドアの鍵等に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る生体センサーにおける指紋又は静脈検出部を示す平面図である。
【図２】図１に示されたＡ−Ａ'線に沿った縦断面図である。
【図３】本発明の実施形態の変形例に係る生体センサーを示し、図２と同様な縦断面図である。
【図４】非特許文献１に記載の酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの吸収係数の波長依存性を示すグラフである。
【図５】特許文献２に記載の指紋センサーにおけるバックライトの構成を示す斜視図である。
【図６】特許文献２に記載の受光シートを示す平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１；バックライトユニット
２；ルーバー
３；基板
４；遮光膜
５；絶縁膜
６；下部電極
７；半導体層
８；データ線
９；パッシベーション膜
１０；コンタクトホール
１１；ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）膜
１２；開口部
１３ａ；保護層
１３ｂ；保護膜
１４；スペーサー
１５；指紋
１６；隙間
１７；光路
１８；信号取出線
１００；光源
１０１；導光板
１０２；プリズム
１０３；拡散シート
１０４；ボトムゲート
１０５；ドレイン
１０６；ソース
１０７；トップゲート
１０８；ドレイン線
１０９；ソース線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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