專利名稱：指紋傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于用于測量部分導(dǎo)熱表面中的圖形、尤其是指紋的方法和設(shè)備。
近來由于偽造信用卡的危險增加以及圖形識別算法的可用性的提高，利用指紋進(jìn)行識別變得突出。一些指紋識別系統(tǒng)已進(jìn)入市場供應(yīng)階段。用于登記指紋的技術(shù)各種各樣。
某些早先已知的辦法是以采用一種或多種波長光線的光技術(shù)為基礎(chǔ)。這些光對指紋中的和傳感器表面上的灰塵和雜質(zhì)敏感，因而需要對兩者進(jìn)行清理。
另一種方案是壓力測量。但這具有缺點(diǎn)因傳感器必須具有至少部分地相順從的表面，傳感器表面對機(jī)械磨損和損傷是敏感的。
由于這類的傳感器可能在變化的及有時所需求的條件下在長時期應(yīng)用中被暴露，傳感器就必須具有堅固的表面，應(yīng)盡可能對指紋中及傳感器上的污染不敏感，并能進(jìn)行電屏蔽以避免來自外部的干擾和有可能損壞傳感器中電子電路的電磁放電。必須能讀取大部分指紋而不致受早先所用的潛藏印記的干擾。還必須能讀出受磨損的其紋路不再明顯的指紋。在例如信用卡的某些情況下，還希望傳感器能做得很緊湊。
考慮到成本，還要求結(jié)構(gòu)簡單和部件數(shù)量最少。
一種吸引人的方案是利用“谷線”和“脊線”間溫度差來測量指紋的圖形。但這要求非常靈敏的檢測器，而且對于因環(huán)境不同造成的溫度變化也很敏感。這類傳感器可在挪威專利153193和美國專利4429413中了解到。
本發(fā)明的目的是提供一種易于制造、生產(chǎn)成本低、并具有能將其組裝人身份卡和信用卡等的很小尺寸的傳感器。再一個目的是使得傳感器盡可能對指紋中和傳感器上的污染不敏感，而且使其可長時期使用而無須維護(hù)。
按照本發(fā)明，上述要解決問題通過利用權(quán)利要求1中表征的方法和權(quán)利要求7中所定義的傳感器裝置來解決。
本發(fā)明涉及到通過測量接觸傳感器的表面、特別是指紋的熱傳導(dǎo)性之差來檢測熱結(jié)構(gòu)成。這使得測量不依從于周圍溫度。
對于傳感器的測量，在灰塵和雜質(zhì)上的要求將不如其他對應(yīng)方法中那樣嚴(yán)格。如果傳感器上存在有相對平滑的薄層污染物質(zhì)，它將在一定程度上影響圖象的反襯度，但仍然可以讀出指印。較大量的影響所測得的熱傳導(dǎo)的灰塵可能產(chǎn)生測量誤差。
熱傳導(dǎo)性的測量是通過將欲測量對象所接觸的傳感器加熱并測量由此得到的溫度(相對溫度)相對于所供給能量的變化來進(jìn)行的。被測對象的熱傳導(dǎo)性越好，局部溫度變化將越小。熱傳導(dǎo)性可作為在開始或停止加熱之后累積一段時期的時間或一定時刻的時間的函數(shù)進(jìn)行測量。多次測量或各測量部件的連續(xù)的溫度控制，除提供對被測對象中的熱傳導(dǎo)性的測量外還提供計算熱容量的可能性。
其自身的加熱可以不同方法進(jìn)行。整個傳感器的接合加熱是一種可能的措施。為實(shí)現(xiàn)接合加熱，可利用耦合到傳感器的其他電子電路中產(chǎn)生的熱。
本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，各獨(dú)立的溫度傳感器采用獨(dú)立的熱源，使各傳感器在每一點(diǎn)提供受控制的及精確的測量，而使得此方法和設(shè)備對溫度的局部變化較不敏感。這也是很有利的，因?yàn)樗峁┑哪芰靠稍诟鳒囟葌鞲衅鞅豢刂贫纳屏藢囟鹊目刂疲⒂捎诳蓪⒛茉粗糜诳拷獪y量的表面和對象，從而因被加熱物體更接近而減少能量應(yīng)用而且使反應(yīng)速度加快。
下面參照所列附圖詳細(xì)說明本發(fā)明

圖1表示傳感器系統(tǒng)的位置的示意性斷面；圖2表示指紋與傳感器間接觸表面的細(xì)節(jié)；圖3表示與圖2同樣的情況，但具有磨損的指紋；圖4所示基本與圖2相同，但帶有連接到傳感器的電子電路的略圖；和圖5表示溫度傳感器電路的示意圖。
圖1中表明傳感器相對于其他電路的位置的原理性視圖。傳感器1與指紋直接接觸。在其他各部件中，設(shè)置有系統(tǒng)電路4用于控制和管理由傳感器1采集的數(shù)據(jù)。在傳感器1的下方可設(shè)置一層隔熱的、或部分隔熱的材料2來限制來往其他電子系統(tǒng)電路4的熱傳導(dǎo)。為加強(qiáng)隔熱作用，隔熱層可帶有在各傳感器部件下面的孔腔。如果來自系統(tǒng)電路4的熱在熱傳導(dǎo)的測量中被采用，可以將此層作得較薄。
在系統(tǒng)電路4與隔熱層2之間表示一將來自不同的系統(tǒng)電路5的熱對傳感器作均勻分布的導(dǎo)熱層3。這保證了平滑及精確的測量。
實(shí)際的傳感器厚度將會改變，在應(yīng)用于或被裝設(shè)在識別(身份)卡上時，厚度最好盡可能小，包括系統(tǒng)電路5在內(nèi)最好低于0.5mm。
用于傳感器中的最令人感興趣的材料是下面這些。電子電路最好為采用公知的硅或砷化鎵(GaAs)技術(shù)的半導(dǎo)體材料制成，而電和熱絕緣物則采用SiO2或其他允許直接固定半導(dǎo)體材料的材料來提供。電導(dǎo)體最好由鋁、或金或其他相對于半導(dǎo)體的通用的材料制成。另一種選擇是也可以采用基于半導(dǎo)體、導(dǎo)體和絕緣材料的聚合物，這對于信用和身份卡很有利，因?yàn)樗鼈兙哂泻艽蟪潭鹊娜犴g和彈性。
圖2表示傳感器與指紋間接觸表面的細(xì)節(jié)，其中傳感器被以傳感器中箭頭所指均勻供熱進(jìn)行加熱。指紋由其間夾有谷線14的脊線13構(gòu)成。皮膚包括有外層皮膚10(外表皮)，在其下面為具有血液循環(huán)(以圓形箭頭表示)的區(qū)域11。在脊線13下面具有乳頭突起12，其中也具有血液循環(huán)。脊線13與傳感器接觸并被加熱，而指紋中的血液循環(huán)將熱送走。在谷線中傳感器表面主要由兩種機(jī)制冷卻谷線14中所包括的空氣中的幅射和熱傳導(dǎo)。這些冷卻機(jī)制不如脊線13中的熱傳導(dǎo)那樣有效，這就帶來在脊線13中測得的相對溫度TSR與不在脊線13中測得的相對溫度TSV間的差值。這些溫度可利用溫度傳感器15而被測量。收集所有溫度傳感器15所測的測量值和利用有關(guān)所供給能量的信息，作成表示指紋的一圖形。
溫度傳感器15處的溫度可在一或多個時刻，或者連續(xù)地被測量。利用多點(diǎn)或連續(xù)測量，可得到除熱傳導(dǎo)性外還表示不同測量點(diǎn)的有效熱容量的圖形。由于在指紋的脊線中包括有因高含量的水分而具有高熱容量的汗孔8和周圍的皮膚細(xì)胞9(汗浸潤)，熱容量中的差異將增強(qiáng)傳感器鑒別脊線和谷線的能力。
因?yàn)閭鞲衅鳒y量溫度，傳感器輸出的信號基本上與指紋中測量點(diǎn)的熱傳導(dǎo)成反比。因此這些信號的排列將提供表明熱傳導(dǎo)分布的一圖形、因而得指紋。
進(jìn)行溫度測量的傳感器15將是一通常的電子部件，但很清楚，其他的測量技術(shù)例如光學(xué)或聲學(xué)的也可加以應(yīng)用。
增加所供給的熱量可提高所測得的指紋的反襯(對比)度。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)中的差別，沒有熱被傳送走的區(qū)域其溫度將較其他區(qū)域增加得快。這提供了一種用于增加信號中的反襯度的直接的方法，而無需采用圖形磨損或其他擴(kuò)大計算。
圖3表示一指紋中的脊線被磨損的對應(yīng)情況，因而指紋實(shí)際上不明顯。這里熱傳導(dǎo)中的差別是因外層皮膚10的厚度而產(chǎn)生的。在先前的脊線13處仍然可測量到與先前的谷線14相比較熱傳導(dǎo)中的增加。這是因?yàn)橛蓚鞲衅髦翈в醒貉h(huán)的區(qū)域的距離因乳頭突起而小于谷線區(qū)域14中的距離dv。這樣，脊線區(qū)域中所供給的熱就比谷線區(qū)域中所供給的熱被更有效地傳送走。因此這類的指紋除有效熱容量中的差別外，也可通過熱傳導(dǎo)中的差別來進(jìn)行登記。
圖4表示傳感器的電子電路可能布局的示意圖。緊靠著指紋設(shè)置有導(dǎo)電的接地層20，由鋁或其他導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成，用于免除來自周圍的電氣干擾和防止放電傷害傳感器。這一層20還包括由機(jī)械性能強(qiáng)的材料例如SiO2，Si3N4或α-Al2O3制成的層25，用于保護(hù)傳感器不受機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)腐蝕。這些層20、25最好足夠薄以不致阻礙熱傳送到指紋而影響測量。
傳感器部件15之間具有限制部件間的熱傳導(dǎo)的隔熱區(qū)23。實(shí)踐中傳感器部件15將由隔熱區(qū)包圍以便將它們相互間作熱隔離。但是在本發(fā)明范疇內(nèi)有一有意義的實(shí)施例中，允許傳感器部件15之間有一定程度的熱傳導(dǎo)。這可提供一濾除效果，其中，可以抑制溫度的所不希望的局部變化的效應(yīng)，亦即降低圖形中的干擾，而無需應(yīng)用擴(kuò)大的計算。
選擇部件間的熱傳導(dǎo)可有許多方法，例如依靠在選擇材料中的實(shí)際尺寸和隔熱區(qū)的形狀，或者依靠調(diào)整電導(dǎo)層20的厚度使熱被傳入其中。
依靠將所供給的熱量的增加與允許的受控制的傳感器部件間的熱傳導(dǎo)相組合，能在平滑信號的同時維持反襯度。
隔熱區(qū)可以例如由SiO2或類似材料構(gòu)成。從生產(chǎn)角度出發(fā)的優(yōu)選實(shí)施方案將是，隔熱材料與圖1中的隔熱層2相同、或相兼容，并且與之相連接。選取能進(jìn)行電子電路集成生產(chǎn)的材料也有益于加工處理。
所示例中的各傳感器部件15具有產(chǎn)生已知熱量的對應(yīng)加熱部件21。在此示例中，加熱部件21集中由Vk和利用電子接觸開關(guān)24進(jìn)行控制。但有可能對電路作各加熱部件的分開的控制以得到對供熱的局部控制。為做到這一點(diǎn)的可行的技術(shù)如下述。利用電子接觸開關(guān)22，例如一雙選通MosFET晶體管，來尋址和控制自溫度傳感器得到的信號。
圖5中表示溫度傳感器的電路示意圖。所示例中，傳感器由對應(yīng)于前述的分段圖形中一個象素的512×512傳感器單元30組成，它們能以通常的方式被分別地或成組地同時讀出。傳感器的實(shí)際大小可按照欲測量的指紋而改變，但最初接近于13×13mm2。象素大小必須足夠小以能得到指紋的結(jié)構(gòu)圖形。利用上述尺寸，這些象素將具有約25.4×25.4μm的大小。傳感器以普通的半導(dǎo)體技術(shù)、或者可能以聚合技術(shù)而被集成制造。
可設(shè)置行和列寄存器31、32作為傳感器的一部分或作為系統(tǒng)電路的一部分，并可被用于收集來自獨(dú)立的象素的數(shù)據(jù)并尋址這些象素。
這些行和列寄存器33、34可由傳感器或由系統(tǒng)電路所組成，并用于尋址和控制每一加熱部件。
為實(shí)現(xiàn)對各傳感器部件的受控制的局部加熱，可重復(fù)地，有可能以調(diào)整訪問時間地尋址有關(guān)的象素。這樣，通過傳感器部件的電子電路可重復(fù)地發(fā)送電流。這將導(dǎo)致傳感器部件的累積加熱，其可被用于部分地控制所選擇象素中的供熱。
上面就指紋測量說明了傳感器。但很顯見，它也可被用于其他具有改變的熱傳導(dǎo)、熱容量和/或表面中的熱結(jié)構(gòu)的表面上。作為舉例例如可以是測量紙幣或類似結(jié)構(gòu)表面中的結(jié)構(gòu)。傳感器也可被用于檢查接近表面的不一致性，例如材料中的裂紋和不對稱性，只要它們影響被測目標(biāo)的熱傳導(dǎo)。
權(quán)利要求
1.測量至少部分熱傳導(dǎo)表面中的圖形，特別是指紋的方法，其中許多傳感器部件與受檢表面(10)的基本部分作熱接觸，并測量各傳感器部件的溫度，其特征是傳感器部件(15)由一熱源加熱；一或多次地、或者連續(xù)地測量各傳感器部件處的溫度；將測得的溫度或各傳感器元件(15)中的溫度變化與所供給的熱量進(jìn)行比較，以得到從傳感器部件(15)至表面(10)的熱損耗的量度；和根據(jù)從傳感器部件至表面(10)的熱損耗中的變化排列每一單個傳感器部件(15)處的熱損耗以得到此表面的分段圖形。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是各單個傳感器部件(15)處的測量被分別控制和讀取。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征是各單個傳感器部件(15)的加熱被分別加以控制，例如通過尋址所關(guān)心部件中的局部溫度傳感器，以便使其起到熱源作用。
4.按照權(quán)利要求1-3中任一個的方法，其特征是傳感器部件(15)利用隔熱材料(23)被部分地作熱絕緣，而隔熱材料(23)的熱傳導(dǎo)在使傳感器部件(15)之間的溫度差異平滑中起到作用以提供分段圖形中的過濾效果。
5.按照權(quán)利要求1-4中任一個的方法，其特征是分段圖形中的反襯度通過增加總體提供給傳感器的熱量或個別地提供給每一傳感器部件(15)的熱量而被增強(qiáng)。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中傳感器部件被個別地加熱，其特征是被加給各部件的熱量按照部件的溫度或溫度的變化而被調(diào)節(jié)。
7.用于測量至少部分熱傳導(dǎo)表面中的圖形、特別是指紋的設(shè)備，包括多個適應(yīng)于與所述表面(10)的基本部分作熱接觸的傳感部件(15)和適用于測量每一傳感器的溫度的溫度傳感器(15)，其特征是包括適用于加熱所述傳感器部件的一或多個裝置(21)和用于根據(jù)已知的被提供的熱量及所測得溫度或溫度變化生成對應(yīng)于每一傳感器部件的熱傳導(dǎo)的信號，以便根據(jù)在傳感器部件處的熱損耗中的差異建立完整的該表面的分段圖象的裝置。
8.按照權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征是在傳感器部件之間包括有部分地隔熱的材料(23)。
9.按照前述權(quán)利要求7、8之一的設(shè)備，其特征是各傳感器部件(15)均設(shè)置有獨(dú)立的熱源(21)。
10.前述權(quán)利要求7-9之一的設(shè)備，其特征是各傳感器部件適應(yīng)于至少部分地控制供熱。
全文摘要
測量至少部分導(dǎo)熱的表面(10)的圖形、特別是指紋的方法和設(shè)備,其特點(diǎn)在于將與欲檢查表面的基本部分作熱接觸的多個傳感器部件加熱,測量每一傳感器部件中的溫度或溫度的變化以得到對應(yīng)于有關(guān)各傳感器中所供能量的熱損失的信號,和根據(jù)傳感器部件的熱損失中的差異配置各傳感器部件的所述信號以得到分段圖形。
文檔編號G06K9/00GK1180998SQ96193178
公開日1998年5月6日 申請日期1996年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月11日
發(fā)明者丁玉明 申請人:丁玉明