專利名稱：電場式指紋傳感設(shè)備及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及個人識別和確定領(lǐng)域，更具體地說涉及指紋傳感和處理領(lǐng)域。
指紋傳感和匹配是對個人識別和確認的一種可靠和廣泛應(yīng)用的技術(shù)。具體地說，指紋識別的一般手段涉及掃描一個樣本指紋或者它的圖象，并把該指紋圖象的圖象和/或其獨特特征存儲起來?？梢詫颖局讣y的特征與已經(jīng)存儲的參照指紋信息進行比較，以確定對某人的適當識別，以達到確認的目的。
典型的電子指紋傳感器是基于使用可見光、紅外光、或超聲輻射來照射手指表面。其反射能量由例如某種形式的照相機來捕獲，并將得到的圖象取幀和數(shù)字化，并作為靜態(tài)數(shù)字圖象存儲。美國專利4,210,889號說明書披露一種光學掃描指紋讀出器并伴有一中心處理站，用于安全訪問(access)應(yīng)用，諸如允許某人到某一地點或提供對一計算機終端的訪問。美國專利4,525,859號說明書披露一種視頻照相機來捕獲指紋圖象，并使指紋的細節(jié)(即指紋脊的分支和結(jié)束)來確定與參照指紋數(shù)據(jù)庫的匹配。
遺憾的是，光學傳感可能受沾污的手指影響，或者一個光學傳傳感器可能受指紋照片或印刷圖象而不是真正活指紋的欺騙。因此，光學指紋傳感器可能在應(yīng)用上不可靠，而且由于光學器件和移動部件使它笨重和較為昂貴。
在美國專利4,947,443說明書中披露一系統(tǒng)指示器燈光，用于在構(gòu)成可接受的指紋圖象時發(fā)生失敗的情況下向使用者提供一個指紋掃描可接受性的簡單的“能”或“不能”接受的指示。
美國專利4,353,056號說明書披露了掃描指紋的另一種手段。
美國專利5,325,442號說明書披露了一種包括多個傳感電極的指紋傳感器。由于提供了一個伴隨每個傳感電極的開關(guān)裝置，使其能夠?qū)Ω鱾鞲须姌O靈活尋址。
用于識別和確認目的的指紋掃描和匹配是人們所希望的，而且可以防止未經(jīng)受權(quán)就使用計算機工作站、設(shè)備、車輛、以及保密數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的一個目的是提供一種指紋傳感器及相關(guān)方法。供精確地傳感指紋，而且該傳感器是堅固的、小巧的、可靠的、而且是比較便宜的。
有益的是，一個指紋傳感器包括一個電場傳感電極陣列，在電場傳感電極上有介電層用于在其鄰近處接受手指，驅(qū)動裝置用于把一電場驅(qū)動信號加到電場傳感電極及手指的鄰近部分，從而使電場傳感電極產(chǎn)生一個指紋圖象輸出信號。因此，先有技術(shù)光學傳感器的許多缺點和不利之處便被這樣克服了，因為根據(jù)本發(fā)明的傳感器能被容易地制成堅固、小巧、較低費用、和精確。
在一個實施例中，其驅(qū)動裝置最好由相干驅(qū)動裝置構(gòu)成，用于以一相干信號驅(qū)動陣列。更具體地說，相干驅(qū)動裝置可以包括一個驅(qū)動電極置于電場傳感電極鄰近處，第二介電層置于驅(qū)動電極和電場傳感電極之間，以及一驅(qū)動電路對驅(qū)動電極供電以產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的相干電場驅(qū)動信號。該傳感器最好還包括一個手指電極置于與手指接觸的介電層的鄰近處。
本發(fā)明的另一重要實施例和方面包括伴隨每個電場傳感電極的各自的屏蔽電極，用于使每個電場傳感電極與相鄰傳感電極屏蔽開。
本發(fā)明有益地包括了動態(tài)對比度增強裝置，該裝置在操作上與電場傳感電極相連并置于傳感器集成電路中，用于動態(tài)地增強指紋圖象輸出信號的對比度和均勻度。
可以由與電場傳感電極在操作上相連的電容矩陣以及一個用于驅(qū)動該電容矩陣的交流(AC)電容矩陣裝置提供該動態(tài)對比度增強裝置。此外，AC電容矩陣驅(qū)動裝置可以部分地由同步解調(diào)器提供。該動態(tài)對比度增強裝置還可以由操作上與電場傳感電極相連的電阻陣列或矩陣構(gòu)成。
該指紋傳感器最好用半導體處理技術(shù)來實現(xiàn)，這里，在其上面放置手指的上介電層是含有傳感和驅(qū)動電極以及伴隨的有源電子電路的半導體芯片的上表面暴露部分。具體地說，一個放大器可以在操作上與每個電場傳感器電極相連，還提供了多路轉(zhuǎn)換裝置用于有選擇地讀出每個電場傳感電極。該傳感器最好在一個實施例中還包括封裝裝置用于容納基片、有源半導體層、電場傳感電極、以及介電層。封裝裝置最好有一開口，通過它與介電層對準。
本發(fā)明的指紋傳感器包括一個電場傳感電極陣列；所述電傳感電極上的一個介電層，所述介電層用于接受與其相鄰的手指；以及相干驅(qū)動裝置，用于向電場傳感電極以及手指相鄰部分提供相干電場驅(qū)動信號，從而使所述電場傳感電極產(chǎn)生指紋圖象輸出信號。
本發(fā)明還包括傳感指紋和產(chǎn)生指紋圖象輸出信號的方法，該方法的組成步驟是提供一個電場傳感電極陣列，并以一介電層置于所述電場傳感電極上供接受與其相鄰的手指；以及將一相干電場驅(qū)動信號加到所述電場傳感電極和手指的鄰近部分，從而使所述電場傳感電極電極產(chǎn)生一指紋圖象輸出信號，包括屏蔽所述電場傳感電極的步驟，即把各屏蔽電極分別置于包圍每個所述電場傳感電極的位置，從而使每個電場傳感電極與相鄰的電場傳感電極屏蔽開。
傳統(tǒng)上，指紋傳感器可以與計算機處理器相接，從而可以簡化伴隨傳感器的電子部件。這樣，計算機處理器最好包括話部控制裝置，從而只有當確定由保護性安裝的指紋傳感器所感知的指紋與一受權(quán)的參照指紋匹配時才允許對計算機工作站進行操作。該指紋傳感器可以是這里描述的電場指紋傳感器，或者其他傳感器也可以使用。
下面將結(jié)合附圖通過舉例來描述本發(fā)明。附圖中，

圖1是與筆記本計算機相結(jié)合的指紋傳感器的示意圖；圖2是與計算機工作站及伴隨的信息處理計算機和局域網(wǎng)(LAN)相結(jié)合的指紋傳感器的示意圖；圖3是指紋傳感器一實施例的示意透視圖；圖4是傳感器的一部分以及上覆的指紋圖樣的平面示意圖，其中一部分被顯著放大以使圖形清晰；
圖5是指紋傳感器一部分的顯著放大平面圖，其中去掉了上部介電層；圖6是指紋傳感器一部分的示意透視圖；圖7是指紋傳感器一部分的示意片段圖；圖8為說明電場的部分截面的側(cè)視示意圖；圖9是指紋傳感器一部分的示意電路圖；圖10是進一步說明電場的放大示意例視圖，其中一部分為截面；圖11是一個實施例中的指紋傳感器及相關(guān)電路的示意方框圖；圖12是另一實施例中的指紋傳感器及相關(guān)電路的示意方框圖；圖13是傳感器電路的一個實施例的示意方框圖；圖14是傳感器電路的另一個實施例的示意方框圖；圖15是說明多個傳感器單元的示意方框圖；圖16是指紋傳感器信號處理部分的一個實施例的示意方框圖；圖17是指紋傳感器信號處理部分的另一個實施例的示意方框圖；圖18是指紋傳感器信號處理電路的又一個實施例的示意方框圖；圖19是指紋傳感器信號處理部分的又一個實施例的示意電路圖；圖20是指紋傳感器信號處理部分的又一個實施例的電路圖，顯示出一個電阻矩陣用于動態(tài)的對比度放大；圖21是指紋傳感器信號處理部分的又一個實施例的示意電路圖，顯示出一個電容矩陣用于動態(tài)的對比度放大；圖22是指紋傳感器組合的一個實施例的示意方框圖；圖23是指紋傳感器組合的另一個實施例的示意方框圖；圖24是傳感器另一方面的示意方框圖，用于說明手指位置的近實時定位反饋；圖25是一計算機的示意透視圖，說明手指位置的近實時定位反饋；圖26是一包括指示器指紋傳感器的示意透視圖，用于說明手指位置的近實時定位反饋。
參考圖1-3，指紋傳感器30包括一個外殼或外盒51，一個介電層52暴露于外殼的上表面為手指提供了一個放置表面，以及多個信號導線53。圍繞介電層52周邊的電極導線條54也為手指提供了一個接觸電極(對此將在下文中更詳細描述)。傳感器30可以提供不同復(fù)雜程度的輸出信號，這取決于處理水平。
指紋傳感器30被用于個人識別或確認目的。例如，傳感器30可以被用于允許訪問一個計算機工作站，例如包括鍵盤46和相應(yīng)的折褶式顯示屏的筆記本計算機35(圖1)。換句話說，只有當首先被感知了所需指紋，才能允許使用者訪問筆記本計算機35的信息和程序。
傳感器30可以用于允許或拒絕對一個計算相信息系統(tǒng)40的固定工作站41的訪問。
該系統(tǒng)可以包括多個這類工作站由局域圖(LAN)43相連，它又與一指紋識別服務(wù)器43以及總的中央計算機44相連。
現(xiàn)在參考圖4-10更詳細地描述傳感器30。傳感器30多個單個象元或傳感元件30a，它們被安排成一陣列形式，及或許由圖4和圖5最好地表現(xiàn)出來。這些傳感元件比較小，從而能感知一典型指紋上的脊59和居于基僮的谷60(圖4)。如從電場傳感器30讀出的活指紋讀數(shù)可以比光學傳感器的更可靠，回為構(gòu)成脊和谷圖樣的手指皮膚的導電性特別難于模擬。相反，光學傳感器可以被容易準備的指紋照片或其他類似圖象所蒙騙。
傳感器30包括一個基片65，在其上有一個或多個有源半導體層66、一個“地”平板電極層68置于有源層66之上并用絕緣層67與其分離。驅(qū)動電極層71置于另一介電層70之上并與一激勵驅(qū)動放大器74相連。激勵驅(qū)動信號通?？稍诩s1KHz到1MHz范圍內(nèi)。并且是在整個陣列上相干分送。因此，驅(qū)動或激勵電子器件便并不復(fù)雜，從而可以降低傳感器30的總費用，而可靠性卻增大了。
另一絕緣層76置于驅(qū)動電極層71之上，一個用于演示的環(huán)形傳感電極78位于絕緣層76之上。如示意圖所示，傳感電極78可以連于由有源層66構(gòu)成的傳感電子電路73。
在空間關(guān)系上，環(huán)形屏蔽電極80包圍傳感電極78。如本行專家易于認識的那樣，傳感電極78和它周圍的屏蔽電極80可以有其他形狀，如六邊形，以利于緊密安排象元或傳感元件陣列30a。屏蔽電極80是一有源屏蔽，它由放大器電路73的部分輸出來驅(qū)動，以有助于電場能的聚焦，進而以此減少對驅(qū)動相鄰電極的需要。于是，傳感器30允許所有傳感元件由一相干驅(qū)動信號來驅(qū)動，這與先有技術(shù)傳感器明顯不同，先有技術(shù)傳感器需要單個驅(qū)動每個傳感電極。
現(xiàn)在參考圖8-10，激勵電極71對傳感電極78產(chǎn)生一個第一電場，在傳感電極78和手指表面79之間產(chǎn)生第二電場，各自的間距分別為d1和d2。換句話說，在激勵電極71和傳感電極78之間確定了第一電容83(圖9)，在手指皮膚79和地之間確定了第二電容85。第二電容器85的電容大小取決于傳感電極78是否鄰近一個脊或谷。因此，傳感器30可被模型化為一個電容式分壓器。由單位增益電壓跟隨器或放大器73感知的電壓將隨著距離d2的變化而變化。
傳感元件30a在極低電流和極高阻抗下工作。例如，每個傳感電極78的輸出信號希望在約5至10毫伏，以減小噪聲效應(yīng)和允許進一步處理信號。每個傳感元件30a的大致直徑由屏蔽電極80的外緣尺寸決定，可以是直徑約為0.002至0.005英寸。激發(fā)介電層76和表面介電層54希望有厚度在大約1μm范圍。地平板電極68使有源電子裝置與激勵電極71絕緣。一個較厚的介電層67將減小這二個結(jié)構(gòu)的電容，從而減小驅(qū)動激勵電極所需電流。通過導線由電極78、80饋給有源電子電路的各種信號可以容易地形成，這會為本技術(shù)領(lǐng)域的熟絲人員所理解。所示信號的極性易于改變。
傳感器30的總接觸面或傳感表面希望是大約0.5乘0.5英寸-這是可以容易制造而又仍能提供足夠大的表面以精確傳感指紋和進行識別的一個尺寸。根據(jù)本發(fā)明的傳感器30還能允許“死掉的”象元或傳感元件30a存在。典型的傳感器30包括大約256乘256個象元或感元件30a組成的陣列，當然本發(fā)明也考慮了其他陣列尺寸。傳感器30還可以使用基本上是傳統(tǒng)的半導體制作技術(shù)一次制作完成，從而顯著降低制作費用。
圖11是包括所描述的指紋傳感器30的設(shè)備90的功能分解圖。可以把指紋傳感設(shè)備90構(gòu)成為提供指紋的一個或多個位移傳感，提供圖象存在觸發(fā)器，完成模-數(shù)轉(zhuǎn)換，提供完全的圖象捕獲和圖象集成確定，提供對比度放大和歸一化，和提供圖象二進制化。在圖示的實施例中，傳感器30連于并行處理器和存儲器陣列92，并經(jīng)由圖示的接口91連接控制處理器93。并行處理器92可以提供圖象質(zhì)量和壞塊確定；提供邊緣增強和平滑和減薄；產(chǎn)生脊流矢量，平滑這些矢量以及產(chǎn)生可能由指紋匹配所希望的脊流特性；識別指紋中心；產(chǎn)生、平滑和凈化曲線；以及提供細節(jié)識別。圖示的控制處理器93可以提供細節(jié)登錄和匹配，細節(jié)存儲，產(chǎn)生授權(quán)代碼，以及通過圖示的接口94與主機通信。圖示的當?shù)氐姆且资Т鎯ζ?5也可以包括在設(shè)備90中。
圖11中的設(shè)備90的一個變體曲圖12中的設(shè)備100顯示出來。這一實施例包括傳感器和處理電子電路的二芯片結(jié)構(gòu)。設(shè)備100包括一個傳感器芯片96和一個通過本地存儲器總線接口99連接的鑒別器芯片97。在圖12所示實施例中還包括一個掃描控制處理器98，其余動能部件與圖11中的相同。
參考圖13和14會進一步理解對傳感器30所檢測的信號的解調(diào)和初步處理。所示電路110和120二者都希望使用交流激勵。此外，傳感器上的電壓幅值與局部“地平面”的位移成正比，因此，在信號被進一步使用之前應(yīng)被解調(diào)。圖13顯示的局部比較器112允許控制管理平行A/D轉(zhuǎn)換處理。該處理器能向整個一行或一列象元或傳感元件30a提供參考電壓序列，并監(jiān)視SigO線上的傳送?？梢詫崿F(xiàn)一種順序近似變換，首先按大步長分步，然后在一較小區(qū)間上以逐次精細的步長分步，這對于本行專家是易于理解的。SigO輸出可以是一個二進制總線連接，而SigA輸出是一個被解調(diào)的模擬信號，它能用作模擬參考電壓產(chǎn)生電路的一部分。
圖14所示電路120有存儲器用于同時對全部單元或象元進行局部化對比度增強。對于決策元件，計算可使用模擬比較器112。二進制輸出圖象可被移出由圖中所示饋存器113提供的二進制移位寄存器。另一種作法是，能以傳統(tǒng)的存儲器陣列尋址來讀出輸出圖象，這是易于為本行專家理解的。由于電路120有它自己的本地存儲器，它不需要單獨的一組緩存器來存儲象元數(shù)據(jù)。
皮膚電導率的變化及表面污染會引起電場信號的相移。因此，圖13和14的處理電子電路110、120最好包括一個同步解調(diào)器或檢測器111，從而使整個電路對電導率的任何這類變化不那么敏感。
圖15示意性地顯示了在一個陣列的一部分當中傳感器單元或象素30a的相互連接。圖中顯示出列數(shù)據(jù)傳送線121、行數(shù)據(jù)傳送線122、以及比較器參考線123都連于傳感器單元陣列30a。這種相互連接最好按8乘8的傳感器單元塊來實現(xiàn)。
圖16的電路130包括一個電荷耦合裝置(CCD)移位寄存器131，移位寄存器131又包括多個單個寄存器135。移位寄存器131的作用是一個有多個分頭(tapped)的延遲線，以利于圖象信號處理。寄存器135向各A/D轉(zhuǎn)換器132饋送信號，而A/D轉(zhuǎn)換器132在圖示塊處理器134的控制下工作。傳感放大器輸出與CCD模擬移位寄存器135相連，每行象元有一個移位寄存器。然后一行數(shù)據(jù)被移出寄存器，或者送向A/D轉(zhuǎn)換器132，它作為有源轉(zhuǎn)換裝置。每個象元如同它到達轉(zhuǎn)換器時那樣，被轉(zhuǎn)換器8個二進制位的數(shù)字字。轉(zhuǎn)換過程和A/D參考電壓都在塊處理器控制之下，那里每個塊處理器可以控制一行或多行，例如每個處理器16行。利用先前的象元轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來對參考電壓進行標度，可以實現(xiàn)有限度的動態(tài)對比度補償；然而，可能仍然需要在流程的下游進行大量的數(shù)字圖象處理。
圖17的電路140與圖16的電路類似。在圖17中，比較器141在所示塊處理器134控制下工作，以提供圖象輸出信號。
圖18描述了信號處理結(jié)構(gòu)的另一個方面。這個電路實施例150與圖11所示實施例及以前的描述類似。圖18所示電路150包括一個16乘16的傳感單元或圖象單元30b陣列，這些單元分別被所示行選擇數(shù)據(jù)輸入多路轉(zhuǎn)換器151、列選擇總線驅(qū)動器153、以及比較器參考電壓分壓器152所尋址和讀出。一旦從電場傳感電極捕獲一個圖象并將其數(shù)字化，便能從圖象中提取出指紋特征。圖18顯示一個連于多個數(shù)字信號處理器92的傳感器的高級視圖。在這種情況下，一個128×128的象元陣列已被分割成16×16的圖象單元30b陣列，這里每個圖象單元由一8×8象元陣列構(gòu)成。
每個圖象單元30b有一個單個比較器參考線用于該整個單元。當一個單元30b被掃描時，平行處理器之一管理那個單元30b的參考電壓，并對那個單元的所有傳感器記錄下數(shù)字化的信號。在掃描單元30b中的傳感器的過程中，處理器能把來自該單元的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，以產(chǎn)生在那個單元中的脊流方向的初步估計值。在圖中所示實施例中，控制處理器93管傳感器信號掃描和數(shù)字化，并監(jiān)督多個平行處理器92，它們完成特征提取和匹配功能。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖19，圖中顯示一個4×4處理器矩陣電路180，例如它可以用于指紋細節(jié)處理的管道式實現(xiàn)。
電路180包括一個處理器陣列184，一個傳感器陣列輸入/輸出部分181，非易失存儲器接器182，以及圖中所示的多處理器陣列塊和控制單元182。圖示電路180可以用于識別和定位指紋的獨特細節(jié)，以確定被掃描指紋和多個參照指紋之一之間的匹配。處理器184可以將該細節(jié)對一組先前存儲的參照細節(jié)進行匹配，以完成識別處理。當例如作出肯定識別時，電路180可以通過一個主機處理器接口發(fā)送一個適當?shù)拿艽a消息來通知一個外部處理器。
一般需要保證在指紋的整個區(qū)域上指紋的脊的谷之間有足夠的對比度。圖20的電路160示意性顯示了一個電阻網(wǎng)絡(luò)或矩陣161，它包括多個彼此相連的電阻162，用于對象元30a陣列提供動態(tài)對比度增強。相鄰象元的影響被用于歸一化每個象元的輸出并同時提供足夠的對比度。該電路包括一對放大器163、164，用于提供增強了對比度的輸出信號。
每個象元的值由比較傳感器信號和一參考信號來確定，該參考信號是塊參考信號與來自緊鄰區(qū)域所有傳感器的信號的加權(quán)平均值之和。方形電阻網(wǎng)絡(luò)或矩陣同時向每個象元比較器提供必要的加權(quán)平的。全局塊參考線165最好由臺階形波形驅(qū)動，通過監(jiān)視比較器輸出來發(fā)現(xiàn)狀態(tài)變化。每個象元的灰色標度值可以由監(jiān)視在臺階形波形的哪一級引起象元比較狀態(tài)變化來確定。
參考圖21的電路170可以理解動態(tài)對比度增強的一個變體。動態(tài)對比度增強也能由連接象元節(jié)點174的電容171的陣列172來實現(xiàn)。在這個實施例中，陣列172接收一個由前文較詳細描述的同步解調(diào)器175驅(qū)動的交流信號。電容器171作為AC阻抗網(wǎng)絡(luò)分配和平均AC信號，其工作方式類似于用于DC(直流)信號的電阻網(wǎng)絡(luò)161的行為。在這個AC對比度增強電路170中，低通濾波器(在其他實施例中它可能是解調(diào)器電路的一部分)被移作比較器177電路部分。電容器陣列172易于用傳統(tǒng)的半導體處理技術(shù)實現(xiàn)，而且與前文所述電阻陣列實施例相比還具有尺寸較小的優(yōu)點。
電阻矩陣電路160和電容器矩陣電咱170可以提供圖象對比度增強加權(quán)。另一種作法是通過下流的軟件來進行這種增強，這可能需用較長的時間來完成這一處理。因此，電阻矩陣和電容器矩陣結(jié)構(gòu)能提供更快的總體處理速度。此外，這種在傳感器30的初步處理可以允許在一些實施例中把A/D轉(zhuǎn)換從8位AD轉(zhuǎn)換器放寬到1位轉(zhuǎn)換器，但仍然提供高速度和較低成本。例如，在某些應(yīng)用中，指紋圖象處理和確定匹配最好只用幾秒鐘，以避免使用者感到受了挫折。
參考圖22，傳感器30可以被包含在一個安全傳感器組合體190中。傳感器30最好被封裝以防止可能壓迫芯片或其電接頭的彎曲或移動。更具體地說，如本行專家易于理解的那樣，總外殼可以包括防破壞外殼191。例如，外殼191可以由硬塑料材料或堅固又抗切割磨損和鋸斷的材料制成。另一種作法是，外殼191為這樣一種材料，如果試圖切割、溶化、或其他形式的入侵，則這種材料便互解和破壞其內(nèi)部電路部件。
傳感器組合體190也包括給出的基片195、處理器192、可破壞存儲器193、以及密碼輸出電路194。更具體地說，密碼輸出電路194提供的輸出信號只能被預(yù)計的下游裝置解密。這種保密技術(shù)易于為本行專家理解，可以包括使用各種鑰匙、口令、代碼等等。美國專利4,410,272、5,337,357、4,993,068以及5,436,972的說明書各披露了各種保密手段。
傳感器組合體190的輸出可通過電導體引線或插針與相應(yīng)的下流解密裝置通信，或者可以感應(yīng)地或光學地耦合于相應(yīng)裝置。在密碼輸出部分可以提供電型或其他類型的保護、以保證數(shù)據(jù)(諸如存儲器193上存儲的指紋數(shù)據(jù)庫)不易被外部連線和/或信號控制所讀出。
可以把感器30和處理器192構(gòu)成為能提供任何范圍的集成傳感器處理特性。例如，密碼輸出可以是原始圖象、處理過的圖象、指紋細節(jié)數(shù)據(jù)、是/否匹配指示、或個人識別與數(shù)字簽名鑰匙。
圖示的傳感器組合體190還包括一個密封材料墊腳196，置于傳感器30的上介電層52和外殼191鄰近部分之間。本發(fā)明也考慮了其他密封結(jié)構(gòu)，以希望在暴露的上介電層和鄰近的外殼部分之間提供不透液密封。此外，可以使用清洗常規(guī)地清洗窗口和減少窗口沾污。因為各種酒精(如異丙基乙醇)可能被用作清洗液，所以外殼191和密封墊腳196希望是抗這類化學品的。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖23，圖中給出另一種傳感器組合體220，這里將討論關(guān)于集成電路線合體的問題和解決辦法。指紋傳感器集成電路存在特殊的組裝困難，因為它必須受被掃描手指的接觸。主要關(guān)心的污染物是鈉和其他堿金屬。這些污染物可能在通過用于鈍化集成電路的SiO2層中造成流動離子。結(jié)果造成的氧化物電荷會降低裝置的特性，特別在MOS技術(shù)中更是如此。
控制流動離子染污的一種傳統(tǒng)手段是使用氣密封裝，并在集成電路上加上涂磷鈍化層。磷涂層以陷井機制減小污染物的流動性。塑料封裝現(xiàn)已更加普遍，而氮化硅鈍化層可以與塑料封裝合用。氮化硅可以大大減小污染物的滲透性，從而允許使用者手指和集成電路直接接觸。因此，最好用氮化硅作為指紋傳感器鈍化層。
本發(fā)明中的指紋傳感器還提出若干獨特的封裝要求，包括封裝需要開口，使手指能與傳感器晶片(die)接觸，封裝實體應(yīng)該結(jié)實，以能承受粗魯使用；封裝及集成電路晶片應(yīng)能承受用清潔劑和/或殺菌劑溶液的反復(fù)清洗，包括刷擦；晶片應(yīng)能承受與種類廣泛的有機和無機污染物接觸，還應(yīng)能承受磨蝕；最后，封裝應(yīng)比較便宜。
圖23所示封裝220是解決這些封裝問題的。封裝220包括一個集成電路晶片221裝在一個金屬墊片222上，在封裝的外圍塑料191的熔鑄過程中墊片222與引導框架223相連。由焊接線227和引導框架223實現(xiàn)與向外延伸的引出腳228的連接，這些易于為本行專家理解。塑料容器191的上表面包括一個熔鑄在一起的開口52，它允許與晶片221的接觸。在本實施例中，塑料熔鑄部分與鄰近的晶片上表面部分之間的粘接造成密封。因此，不需要單獨的密封部分或制成步驟。
由于前文強調(diào)的原因，集成電路晶片221還可以包括一個氮化硅鈍化層224。此外，如圖示的傳感器封裝220所顯示的那樣，對晶片221可提供第二保護涂層225。涂層224和225都最好是薄的，例如在大約1微米的量級，以保持傳感器的靈敏度。外涂層225可以是有機材料，如聚酰亞胺或PTFE(TeflonTM)，它的優(yōu)點在于抗磨損和物理保護。無機物涂層，如碳化硅或非晶質(zhì)金剛石，也能用作外層225并能大大增強抗磨損能力，特別是對磨蝕顆粒的抗磨損能力。此外，保護晶片涂層225的材料最好與標準IC圖樣定義方法兼容，以能進行例如焊接墊片蝕刻。
可以由鋁來提供集成電路晶片221的焊接墊片。另一種或許更希望的手段是用全插座密封墊片，這可由電鍍實現(xiàn)。為了減小由環(huán)狀焊線227造成的高度，在本發(fā)明的另一實施例(未畫出)中晶片221可以直接倒裝式焊接。在其他實施例中，傳感器封裝220可以用帶自動焊接技術(shù)。
現(xiàn)在回到圖22，傳感器封裝190的另一方面在于例如當外殼191被擊破時，存儲器198和/或其他集成電路部件會被破壞或變?yōu)榘踩??？稍诩呻娐肪霞右徊牧贤繉?93，如果該涂層被除掉則使晶片破壞，這是易于為本行專家理解的。存儲器193可以在暴露于光線下或支持電流被去掉時自行破壞或清除其內(nèi)容。本行專家將不難理解其他手段以保證傳感器封裝190的數(shù)據(jù)完整性和處理能力。因此，本發(fā)明使那些敏感數(shù)據(jù)(如被授權(quán)指紋數(shù)據(jù)庫、密碼鑰匙、或授權(quán)代碼)不易被從傳感器封裝190中偷走。此外，當然希望傳感器封裝190能容納電場傳感器30。
傳感器30及其相應(yīng)處理電路的各種實施例可以實現(xiàn)多種傳統(tǒng)的指紋匹配算法中的任何一個。指紋細節(jié)(即指紋脊的分支或分叉以及終止點)常被用于確定樣本指紋和參照指紋數(shù)據(jù)庫的匹配。這種細節(jié)匹配可以容易地由本發(fā)明的處理電路實現(xiàn)，這是易于為本行專家理解的。美國專利3,859,633和3,893,080號說明書是針對基于指紋細節(jié)匹配的指紋識別。美國專利4,151,512號說明書描述了使用提取的脊等值線數(shù)據(jù)進行指紋分類的方法。美國專利4,185,270號說明書披露了也基于細節(jié)的編碼和確認處理。美國專利5,040,224號說明書披露了一種處理指紋手段，用于正確確定每個指紋圖象核心位置供其后的細節(jié)圖樣匹配使用。
因為由上述本發(fā)明的傳感器30及相關(guān)電路能提供較快且有效的指紋圖象處理，使用者可以近實時地得到關(guān)于他的手指在指紋傳感器(如圖中所示電場傳感器30)上位置的反饋信息。因此，使用者可以迅速而準確地重新放置他的手指、使他被準確識別、并迅速轉(zhuǎn)向他要進行的任務(wù)。在過去對使用者只給出簡單的“去”或“不去”的指示，如在美國專利4,947,443號說明書中所描述的那樣，而且這種指示多半需要較長的時間。除非這種指示能在幾秒鐘內(nèi)給出，否則，在以后的時間里使用者的受挫情緒會急劇增長。再有，簡單的“去/不去”指示只會促使使用者再試下去，而沒有對于是什么造成了“不去”指示給出任何有用的指導。
設(shè)備200(圖24所示)包括一個指紋傳感器30，它在操作上與圖象處理器201相連。沿著如前面討論的順序，圖象處理器201可以包括有多個分頭的延遲線或其他功能性中心點計算器202，用于由被感知的指紋確定中心點，這對本行專家是易于理解的。該中心點相對于預(yù)定參照中心點的位置可以確定，并可通過位置指示器203向使用者提供指示。還可進一步分析圖象，而且如果施加的手指壓力太大或太少，則也會向使用者給出這類指示。因此，會顯著的減小潛在的使用者受挫情緒。如果重定位和/或改變壓力無效，例如經(jīng)過預(yù)定的試驗次數(shù)之后，也會有效地通知使用者需要清洗傳感器。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖25，進一步描述如何具體實現(xiàn)位置反饋傳感和指示，如在一計算機工作站(例如所示的筆記本計算機35，包括鍵盤36和顯示器37)上應(yīng)用的那樣。
指紋傳感器30接收使用者的指紋。計算機處理器與指紋傳感器30一起在顯示器37的窗口圖象207上產(chǎn)生該指紋圖象206及其中心點205的顯示。該顯示還包括一個目標中心點208以協(xié)助使用者重定位他的手指以便準確讀取。
除了可見的圖象指示外，還可以由顯示給出進一步的指示“向上移動”和“向左移動”等詞語以及圖示的相應(yīng)方向箭頭。也可給出關(guān)于所希望壓力的指示，如所示詞語“增大壓力”。
還有另一種信息反饋和壓力指示，其形式是由裝在計算機機箱內(nèi)的揚聲器39發(fā)出合成的語音信息，例如，合成語音信息包括通知“向上向左移動手指”和“增加手指壓力”。
進一步參考圖26的設(shè)備210，可以理解手指位置反饋傳感和指示的另一個實施例。在這個實施例中，傳感器30用于操作一個訪問控制器211，它又可以操作例如一個門以允許適當識別出的使用者進入?？商峁┮环NLED方式的簡單可見指示212和213。分別用于指示向上向下運動和向左向右運動，以此指示使用者適當?shù)囟ㄎ换蛟俣ㄎ凰氖种?。圖示的實施例還包括多個LED 214用于指示壓力。
一個指紋傳感器包括一個電場傳感電極陣列，在傳感電極上的介電層用以接受鄰近的手指，一個驅(qū)動器用于對傳感電極及手指的鄰近部分加以電場驅(qū)動信號Q，從而使傳感電極產(chǎn)生指紋圖象輸出信號，該驅(qū)動器對陣列提供一相干驅(qū)動信號。每個電場傳感電極伴有單獨的屏蔽電極，以使每個電場傳感電極與相鄰的傳感電極屏蔽開。指紋傳感器包括一個同步解調(diào)器和對比度增強器，以便得到精確的輸出圖象信號。
權(quán)利要求
1.一種指紋傳感器，包括電場傳感器電極陣列；在所述電場傳感器電極上的介電層，所述介電層用于接受鄰近其上的手指；以及相干驅(qū)動裝置，用于向所述電場傳感電極及手指的鄰近部分提供相干電場驅(qū)動信號，從而使所述電場傳感電極產(chǎn)生指紋圖象輸出信號。
2.如權(quán)利要求1的所述指紋傳感器，其中所述相干驅(qū)動裝置包括與所述電場傳感電極相鄰的一個驅(qū)動電極；在所述驅(qū)動電極和所述電場傳感電極之間的第二介電層；一驅(qū)動電路用于向所述驅(qū)動電極供電，以產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的相干電場驅(qū)動信號，以及向一個手指電極供電，該手指電流位于所述介電層鄰近以與手指接觸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的指紋傳感器，其中每個所述電場傳感電極伴有一個單獨的屏蔽電極用以將每個電場傳感電極與鄰近的傳感電極屏蔽開，而且每個屏蔽電極構(gòu)成一個圍繞各自電場傳感電極的導電層，并以一介電層介于二者之間，以一有源屏蔽驅(qū)動裝置有源驅(qū)動每個所述屏蔽電極，最好是所述有源屏蔽驅(qū)動裝置包括一個放大器，該放大器在操作上與每個電場傳感電極及相應(yīng)的屏蔽電極相連，從而用所述放大器輸出信號的一部分來驅(qū)動屏蔽電極。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的指紋傳感器，其中同步解調(diào)器裝置操作上與所述電場傳感電極相連，用于同步解調(diào)由其產(chǎn)生的信號，動態(tài)對比度增強裝置操作上與所述電場傳感電極相連以動態(tài)地增強指紋圖象輸出信號的對比度和均勻性，其中所述動態(tài)對比度增強裝置的構(gòu)成是與所述電場傳感電極操作上相連的電容器矩陣；以及交流電容器矩陣驅(qū)動裝置以驅(qū)動所述電容器矩陣。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的指紋傳感器，其中所述交流電容器矩陣驅(qū)動裝置包括一個同步解調(diào)器，所述動態(tài)對比度增強裝置包括一個電阻矩陣操作上與所述電場傳感電極相連、一個放大器操作上與所述電場傳感電極相連、多路轉(zhuǎn)換裝置以有選擇地讀每個所述電場傳感電極，包括一個片基；以及在所述片基上的有源半導體層，構(gòu)成操作上與所述電場傳感電極相連的多個半導體裝置。
6.如權(quán)利要求5的指紋傳感器，包括封裝裝置以封裝所述片基、所述有源半導體層、所述電場傳感電極、所述介電層；其中所述封裝裝置有一開口對準所述介電層。
7.一種指紋傳感器，包括一個電場傳感器電極陣列；一個在所述電場傳感電極上的介電層，所述介電層用于接受其上的鄰近手指；與每個所述電場傳感電極相伴的單個屏蔽電極，用于把每個電場傳感電極與鄰近的電場傳感電極屏蔽開；以及驅(qū)動裝置，用于將一電場驅(qū)動信號加到所述電場傳感電極和手指的鄰近部分，以使所述電場傳感電極產(chǎn)生指紋圖象輸出信號，每個屏蔽電極有一導電層包圍各自的電場傳感電極并以介電層置于二者之間。所述驅(qū)動裝置包括有源屏蔽驅(qū)動裝置用以有源驅(qū)動每個所述屏蔽電極，其中所述有源屏蔽驅(qū)動裝置包括一個放大器在操作上與每個電場傳感電極及相關(guān)的屏蔽電極相連，從而以放大器輸出信號的一部分來驅(qū)動屏蔽電極。
8.如權(quán)利要求7的所述指紋傳感器，其中所述驅(qū)動裝置包括與所述電場傳感電極相鄰的驅(qū)動電極；在所述驅(qū)動電極和所述電場傳感電極之間的第二介電層；以及一個驅(qū)動電路用于向所述驅(qū)動電極供電以產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的電場驅(qū)動信號，一個手指電極位于所述介電層鄰近以與手指接觸，一個同步解調(diào)器裝置操作上與所述電場傳感電極相連，用于同步解調(diào)由其產(chǎn)生的信號，一個動態(tài)對比度增強裝置操作上與所述電場傳感電極相連以動態(tài)地增加指紋圖象輸出信號的對比度和均勻性，其所述動態(tài)對比度增強裝置包括與所述電場傳感電極操作上相連的電容器矩陣；交流電容器矩陣驅(qū)動裝置以驅(qū)動所述電容器矩陣，所述交流電容器矩陣驅(qū)動裝置包括一個同步解調(diào)器，所述動態(tài)對比度增強裝置包括一個與所述電場傳感電極操作上相連的電阻矩陣。
9.一種指紋傳感器，包括一個片基；一個電場傳感電極陣列；一個在所述電場傳感電極上的介電層，所述介電層用于接受其上的鄰近手指；一個驅(qū)動裝置用于向所述電場傳感電極和手指的相鄰部分提供電場驅(qū)動信號，以使所述電場傳感電極產(chǎn)生指紋圖象輸出信號；以及鄰近片基并在操作上與所述電場傳感電極相連的對比度增強裝置，用以增強指紋圖象輸出信號的對比度，所述對比度增強裝置構(gòu)成動態(tài)對比度增強裝置以動態(tài)地增強指紋圖象輸出信號的對比度和均勻性，所述動態(tài)對比度增強裝置的構(gòu)成是與所述電場傳感電極操作上相連的電容器矩陣；以及交流電容器矩陣驅(qū)動裝置以驅(qū)動所述電容器矩陣，所述交流電容器矩陣驅(qū)動裝置包括一個同步解調(diào)器，所述動態(tài)對比度增強裝置包括一個與所述電場傳感電極相連的電阻矩陣，其中所述驅(qū)動裝置的構(gòu)成是鄰近所述電場傳感電極的驅(qū)動電極；在所述驅(qū)動電極和所述電場傳感電極之間的第二介電層；以及一個驅(qū)動電路用于給所述驅(qū)動電極供電以產(chǎn)生有預(yù)定頻率的電場驅(qū)動信號，以及向一個手指電極供電，該手指電極位于所述介電層鄰近以與手指接觸。
10.如權(quán)利要求9所述的指紋傳感器，包括單獨的屏蔽電極伴隨每個所述電場傳感電極，以使每個電場傳感電極與鄰近的傳感電極屏蔽開，有源屏蔽驅(qū)動裝置以有源驅(qū)動所述每個屏蔽電極，同步解調(diào)器裝置操作上與所述電場傳感電極相連以同步解調(diào)從中產(chǎn)生的信號，以及封裝裝置用于封裝所述片基、所述電場傳感電極、所述對比度增強裝置以及所述介電層；這里所述封裝裝置有一開口對準所述介電層。
11.一種計算機工作站，包括機箱；位于所述機箱內(nèi)的計算機處理器；操作上與所述計算機處理器相連的顯示器；操作上與所述這機處理器相連的鍵盤；以及指紋傳感器裝置在操作上與所述計算機處理器相連并安裝在所述機箱內(nèi)以此保護該裝置，所述指紋傳感器裝置包括一個通過所述機箱上的一個開口暴露出來的指紋傳感表面；所述計算機處理器包括訪問控制裝置，用于只在確定由所述傳感器裝置送出的指紋與一被授權(quán)參照指紋匹配時才允許操作計算機工作站，其中所述指紋傳感器裝置由一個電場指紋傳感器構(gòu)成，包括一個電場傳感電極陣列，一個在所述電場傳感電極上的介電層，所述介電層用于接受與其相鄰的手指；以及驅(qū)動裝置，用于向所述電場傳感電極及手指的相鄰部分提供電場驅(qū)動信號，從而使所述電場傳感電極產(chǎn)生指紋圖象輸出信號。
12.如權(quán)利要求11所述的計算機工作站，其中所述驅(qū)動裝置包括一個鄰近所述電場傳感電極的驅(qū)動電極；介于所述驅(qū)動電極和所述電場傳感電極之間的第二介電層；一個相干驅(qū)動電路給所述驅(qū)動電極供電以產(chǎn)生有預(yù)定頻率的相干電場驅(qū)動信號，伴隨每個電場傳感電極的單獨屏蔽電極以把每個電場傳感電極與鄰近的傳感電極屏蔽開，有源屏蔽驅(qū)動裝置用于有源驅(qū)動每個所述屏蔽電極，同步解調(diào)器裝置操作上與所述電場傳感裝置相連以同步解調(diào)由其產(chǎn)生的信號，以及動態(tài)對比度增強裝置操作上與所述電場傳感電極相連，以動態(tài)地增強指紋圖象輸出信號的對比度和均勻性。
13.一種檢測指紋和產(chǎn)生指紋圖象輸出信號的方法，該方法包括如下步驟提供一個電場傳感電極陣列，并在所述電場傳感電極上有一介電層以接受與其相鄰的手指；以及對所述電場傳感電極及手指鄰近部分加一相干電場驅(qū)動信號，從而使所述電場傳感電極產(chǎn)生一指紋圖象輸出信號，包括屏蔽所述電場傳感器電極的步驟，作法是將單獨的屏蔽電極分別置于每個電場傳感電極周圍，以把每個電場傳感電極與相鄰的電場傳感電極屏蔽開。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，包括由伴隨每個電場傳感電極的放大器的一部分輸出信號有源驅(qū)動每個所述屏蔽電極的步驟，同步地解調(diào)來自所述電場傳感電極的信號的步驟，以及動態(tài)增強指紋圖象輸出信號對比度和均勻性的步驟。
15.如權(quán)利要求13和14所述的檢測指紋和產(chǎn)生指紋圖象輸出信號的方法，其中該方法包括以下步驟提供一個電場傳感電極陣列，在所述電場傳感電極上有一介電層以接受與其鄰近的手指；對所述電場傳感電極及手指鄰近部分加一電場驅(qū)動信號，從而使所述電場傳感電極產(chǎn)生一個指紋圖象輸出信號；以及將單獨的屏蔽電極分別置于每個電場傳感電極周圍以屏蔽所述電場傳感電極，從而使每個電場傳感電極與鄰近的傳感電極屏蔽開，包括由伴隨每個電場傳感電極的放大器的一部分輸出信號有源驅(qū)動每個所述屏蔽電極的步驟。
16.一種檢測指紋和產(chǎn)生指紋圖象輸出信號的方法，該方法包括如下步驟提供一個電場傳感電極陣列，在所述電場傳感電極上有一介電層以接受與其鄰近的手指，還有一個帶開關(guān)的電容器陣列操作上與所述電場傳感電極相連；對所述電場傳感電極及手指鄰近部分加一電場驅(qū)動信號，從而使所述電場傳感電極產(chǎn)生一指紋圖象輸出信號；以及將一交流驅(qū)動信號加到操作上與所述電場傳感電極相連的電容器矩陣，以此增強指紋圖象輸出信號的對比度和均勻性，其中將一交流驅(qū)動信號加到電容器矩陣上的步驟是把所述傳感電極的同步解調(diào)輸出加到電容器矩陣上。
全文摘要
本發(fā)明的指紋傳感器包括一個電場傳感電極陣列，在傳感電極上的介電層用以接受鄰近的手指，一個驅(qū)動器用于對傳感電極及手指的鄰近部分加以電場驅(qū)動信號，從而使傳感電極產(chǎn)生指紋圖象輸出信號，該驅(qū)動器對陣列提供一相干驅(qū)動信號。每個電場傳感電極伴有單獨的屏蔽電極，以使每個電場傳感電極與相鄰的傳感電極屏蔽開。指紋傳感器包括一個同步解調(diào)器和對比度增強器，以便得到更精確的輸出圖象信號。
文檔編號G06K9/00GK1164075SQ9710230
公開日1997年11月5日 申請日期1997年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月26日
發(fā)明者戴勒·R·塞特拉克 申請人:哈里公司