專利名稱：具有分布于薄膜上方的傳感器電子設(shè)備的手指生物測量傳感器以及單晶基底和相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及個(gè)人識別和驗(yàn)證領(lǐng)域，更具體而言，涉及指紋傳感和處理。
背景技術(shù)：
指紋傳感和匹配是一種可靠的、廣泛應(yīng)用于個(gè)人識別或驗(yàn)證的技術(shù)。尤其是，一種普通的指紋識別方法需要掃描一個(gè)指紋樣本或其圖像，并存儲該圖像和/或該指紋圖像的獨(dú)特特征。指紋樣本的特征可以和已經(jīng)在數(shù)據(jù)庫中的參考指紋信息進(jìn)行比較，以確定合適的個(gè)人識別，比如用于驗(yàn)證目的。
近年來，利用射頻(RF)電場來構(gòu)建高質(zhì)量電子指紋傳感設(shè)備已經(jīng)是比較實(shí)際和經(jīng)濟(jì)的，從而開發(fā)出指紋圖案的電子表示形式。這種設(shè)備已經(jīng)被構(gòu)造成單晶硅基底上的標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路。這些過程需要該電子結(jié)構(gòu)從每一個(gè)傳感器象素或者構(gòu)建于該象素正下方的傳感電極讀取信號。將信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備或傳感安培表定位于象素下面，這對于獲得電路的準(zhǔn)確性能而言是重要的。
一個(gè)這種RF指紋傳感設(shè)備公開于Setlak等人申請的美國專利No.5,940,526中，其中Setlak等人被指定為本發(fā)明的受讓人。該專利公開了一種集成電路指紋傳感器，其包括一組射頻傳感電極，以提供指紋摩擦凸凹紋(ridges and valleys)的準(zhǔn)確圖像。更特別的，該射頻傳感例如可以對皮膚表面正下方的活性組織體進(jìn)行成像，從而減少誤傳感。Setlak等人的這個(gè)專利的整個(gè)內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。
指紋傳感設(shè)備的另一個(gè)例子被公開于Knapp申請的美國專利No.5,325,442中。該指紋傳感設(shè)備具有一個(gè)傳感元件的行/列陣列，其被耦合到驅(qū)動電路，還具有分別由行和列導(dǎo)體組成的傳感電路。這些傳感元件可以由驅(qū)動電路有源(actively)尋址。每一個(gè)傳感元件包括一個(gè)傳感電極和切換裝置，比如薄膜晶體管(TFT)切換裝置，以便有源尋址這些傳感電極。傳感電極由絕緣材料所覆蓋，并用于接納手指。通過施加電位到傳感電極并測量充電特性，源自個(gè)人手指表面部分結(jié)合傳感電極的電容由傳感電路進(jìn)行傳感。
歷史上，電子集成電路通常通過使用具有較小電子設(shè)備幾何形狀的構(gòu)建過程來實(shí)現(xiàn)構(gòu)建成本的減小。利用較小的設(shè)備幾何形狀，電路本身變得較小，所需要的硅也減少，從而構(gòu)建所需成本減少。然而，電子指紋傳感器卻通常不能制造得比需要成象的手指皮膚面積還要小。較小的元件幾何形狀不會大大減小指紋傳感器口型尺寸或者成本。較小元件幾何形狀的唯一結(jié)果是在傳感器象素下面出現(xiàn)未使用硅區(qū)域。
減少指紋傳感成本的一種方法是，設(shè)計(jì)出能夠利用較小皮膚面積的圖象進(jìn)行有效工作的系統(tǒng)。該方法已經(jīng)在許多設(shè)備當(dāng)中采用。第二種方法是，利用滑動傳感器。利用滑動傳感器，不論手指還是傳感器都在數(shù)據(jù)獲取過程中運(yùn)動，這使得可以采用小型傳感器來產(chǎn)生較大塊皮膚的圖象。然而，滑動傳感器會有嚴(yán)重的圖象失真，并且/或者它們會提供一種不方便的用戶范例。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述背景技術(shù)，因此本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種手指生物測量傳感器，其提供所需的傳感特性，而不需要在傳感電極或象素下面設(shè)置相對較大的半導(dǎo)體基底。
通過如下的一種手指生物測量傳感器來提供根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)和其它目的、特性以及優(yōu)點(diǎn)，其中該手指生物測量傳感器包括薄膜基底、薄膜基底上的薄膜晶體管(TFT)層，以及相鄰于TFT層并用于接納相鄰的手指的電場傳感電極陣列。TFT層包括多個(gè)TFT，其限定用于每個(gè)電場傳感電極的相應(yīng)TFT放大級。傳感器還包括用于施加電場到手指的手指激勵(lì)電極，以及至少一個(gè)相鄰于薄膜基底的集成電路。該至少一個(gè)集成電路包括單晶基底和相鄰于該單晶基底并連接到TFT放大級的處理電路。這樣，薄膜基底提供了一種例如在單晶基底上生產(chǎn)電極陣列的相對較低成本的可選方案。
更具體而言，TFT層還包括多個(gè)TFT切換電路，每一個(gè)TFT切換電路連接到相應(yīng)TFT放大級的輸出和處理電路之間。此外，該至少一個(gè)集成電路還包括相鄰于該單晶基底、并用于選擇性操作TFT切換電路的尋址電路。該尋址電路選擇性操作TFT切換元件，以提供時(shí)域多路復(fù)用或頻域多路復(fù)用兩者中的至少一個(gè)。進(jìn)而，TFT切換元件設(shè)置成行和列，尋址電路順序操作TFT切換電路的至少一個(gè)行和列。
每個(gè)TFT放大級包括一個(gè)差分TFT對，該至少一個(gè)集成電路還包括多個(gè)相鄰于單晶基底的增益放大級，每一個(gè)增益放大級都連接在相應(yīng)TFT放大級和處理電路之間。此外，每個(gè)增益放大級在反饋回路中連接到其相應(yīng)TFT放大級。
該至少一個(gè)集成電路還包括相鄰于單晶基底、并用于使用交流(AC)信號來驅(qū)動手指激勵(lì)電極的激勵(lì)驅(qū)動放大器。此外，該至少一個(gè)集成電路還包括用于選擇性操作TFT放大級的尋址電路。尋址電路包括用于解調(diào)來自TFT放大級的信號的解調(diào)器，以及連接到該解調(diào)器下端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
指紋傳感器還包括相應(yīng)屏蔽電極，其和每個(gè)電場傳感電極相關(guān)，用于將每個(gè)電場傳感電極屏蔽于相鄰的電場傳感電極。以及，每個(gè)TFT放大級驅(qū)動用于其相應(yīng)電場傳感電極的屏蔽電極?；陟o止手指位置或滑動手指位置，電場傳感電極陣列產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的方法方面是一種用于制造手指生物測量傳感器的方法，該方法包括在薄膜基底上形成TFT層，相鄰于該TFT層形成用于接納相鄰手指的電場傳感電極陣列。TFT層包括多個(gè)TFT，其限定用于每個(gè)電場傳感電極的相應(yīng)TFT放大級。該方法還包括相鄰于電場傳感電極陣列形成手指激勵(lì)電極，以及定位至少一個(gè)集成電路相鄰于薄膜基底。該至少一個(gè)集成電路包括單晶基底以及相鄰于該單晶基底的處理電路。此外，該方法還包括連接處理電路到TFT放大級。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的手指生物測量傳感器的透視圖。
圖2是圖1的手指生物測量傳感器的電場傳感電極的示意性橫截面圖。
圖3是圖1的手指生物測量傳感器的示意性方塊圖。
圖4是和圖1的手指生物測量傳感器的電場傳感電極相關(guān)的薄膜晶體管(TFT)電子設(shè)備的示意性方塊圖。
圖5是和圖1的手指生物測量傳感器的電場傳感電極相關(guān)的TFT電子設(shè)備的一種可選實(shí)施例的示意性方塊圖。
圖6-10是包括分流(split)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的圖1的手指生物測量傳感器的實(shí)施例的示意性方塊圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明用于制造生物測量傳感器的方法的示意性方塊圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖更加全面的描述本發(fā)明，其中在附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明還可以實(shí)現(xiàn)為許多不同的形式，而不應(yīng)當(dāng)被構(gòu)建限制于這里提出的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了讓本公開內(nèi)容變得透徹和完整，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全的傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，數(shù)字符號以及復(fù)合數(shù)字符號用來表示相應(yīng)實(shí)施例中的類似部件。
通常來說，本發(fā)明的目的旨在提供一種用于設(shè)計(jì)手指生物測量傳感器的方法，其中相對較低成本的壓板結(jié)構(gòu)被用來隔開跨過若干不同基底的所需電路。也就是，相對較低成本的壓板模片被用于手指傳感結(jié)構(gòu)以及相關(guān)電路，以及標(biāo)準(zhǔn)單晶半導(dǎo)體模片被用于高性能電子元件。該電路優(yōu)選的脫離薄膜基底設(shè)置，例如，位于高性能硅上等等，該電路提供以下功能的一些或全部高增益帶寬放大；可調(diào)信號增益和偏差；解調(diào)和過濾；模數(shù)轉(zhuǎn)換；激勵(lì)信號發(fā)生和同步；數(shù)字緩沖、處理以及通信；以及計(jì)時(shí)、定時(shí)以及控制信號。
相比于在單晶半導(dǎo)體(例如，硅)基底上獲得的性能而言，在低成本基底上構(gòu)建的電子電路的性能通常比較差。因此，希望最小化位于低成本壓板基底上的性能決定性電路的數(shù)量，而是在可能情況下在單晶硅模片中實(shí)現(xiàn)這些功能。相反，如果能夠?qū)崿F(xiàn)足夠性能的話，非決定性電路在低成本基底上構(gòu)建要比在單晶硅上構(gòu)建便宜。這兩個(gè)因素的平衡，結(jié)合互連問題以及其它系統(tǒng)性考慮，制造出具有最大成本效率的傳感器。
利用上述談及的設(shè)計(jì)考慮，現(xiàn)在參照圖1和2，其中首先描述了根據(jù)本發(fā)明的手指生物測量傳感器20。傳感器20能夠利用低成本薄膜半導(dǎo)體構(gòu)造方法來產(chǎn)生高質(zhì)量指紋圖象。傳感器20利用射頻(RF)電場成象方法來獲取高質(zhì)量指紋圖象。
手指生物測量傳感器20因此是一種低成本、高質(zhì)量的傳感器，其采用適用于在薄膜半導(dǎo)體設(shè)備的限制內(nèi)進(jìn)行操作的電子電路。此外，薄膜半導(dǎo)體技術(shù)可以結(jié)合其它低成本構(gòu)建方法來實(shí)現(xiàn)高性能成象所需的復(fù)合象素結(jié)構(gòu)，這將在下面進(jìn)一步討論。進(jìn)而，具有小幾何形狀的薄膜壓板(也就是，手指傳感區(qū)域)結(jié)構(gòu)結(jié)合到單晶硅集成電路，以實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能。
手指生物測量傳感器20如圖所示包括薄膜基底21，在該薄膜基底上具有薄膜晶體管(TFT)半導(dǎo)體層22。壓板包括疊加在TFT層22上面的第一介電層24、疊加在第一介電層上面的接地面25，以及疊加在接地面上面的第二介電層26。
傳感器象素結(jié)構(gòu)陣列23形成在第二介電層26上，每一個(gè)都包括位于第二介電層26上的電場傳感電極27。在圖2所示的實(shí)施例中，傳感電極27或板基本上是圓的，每個(gè)傳感電極可選的具有與其相關(guān)的相應(yīng)環(huán)形屏蔽電極28，該屏蔽電極用于將每個(gè)電場傳感電極屏蔽于相鄰場傳感電極。傳感電極27和屏蔽電極28也可以采用其它形狀。在所示實(shí)施例中，傳感電極基于手指30的靜止位置來產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。然而，在其它實(shí)施例，可以使用包括一個(gè)或多個(gè)象素行的較小陣列44來提供滑動手指生物測量傳感器，其基于滑動手指位置來產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
象素結(jié)構(gòu)23還包括疊加在傳感電極27和屏蔽電極28上面的第三介電層29。第三介電層29用于接納將被傳感電極28傳感或讀取的手指30的那部分。應(yīng)當(dāng)注意，在圖3中手指30并沒有依比例來畫出，而是包含在該圖中以提供壓板和象素結(jié)構(gòu)23的參考框架。關(guān)于所述壓板和象素結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)被提供于上述美國專利No.5,940,526中，以及美國專利No.5,963,679中，該專利的整個(gè)內(nèi)容也在此被結(jié)合作為參考。
TFT層22包括多個(gè)TFT(見圖6)，其限定用于每個(gè)電場傳感電極的相應(yīng)TFT放大級37。傳感器電極27通過通路35連接到相應(yīng)TFT放大級37，該路由延伸通過第一和第二介電層24、26。此外，每個(gè)TFT放大級37經(jīng)路由36驅(qū)動用于其相應(yīng)電場傳感電極27的屏蔽電極28，如圖所示。
相比于連接TFT放大級37和路由35、36的導(dǎo)電互連，接地層25、第二介電層26、傳感電極27以及屏蔽電極28可以利用相對較低的成本以及較低精度的圖案沉積方法來構(gòu)建。在這個(gè)方面，指紋傳感器象素23能夠視為類似于有效矩陣LCD顯示器中的顯示象素，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易理解的。
手指生物測量傳感器20還包括用于施加電場到手指30的手指激勵(lì)電極38。在所示實(shí)施例中，手指激勵(lì)電極相鄰于電場傳感電極陣列27，雖然并不是在所有實(shí)施例都需要是這樣。傳感器20如圖所示還包括一個(gè)或多個(gè)相鄰于薄膜基底的集成電路(IC)39。可以在薄膜基底22、象素結(jié)構(gòu)23以及IC39上方形成保護(hù)性上模40，以便對其提供保護(hù)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易理解的。
通常來說，來自傳感電極27的信號首先由TFT放大級37進(jìn)行處理，以提供所需的阻抗匹配，然后進(jìn)一步由IC39的處理電路進(jìn)行處理。通常需要進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，這是由于大多數(shù)象素信號轉(zhuǎn)換器都是不能直接驅(qū)動陣列總線的高阻抗結(jié)構(gòu)。也可以使用較低阻抗的信號來驅(qū)動傳感電極27周圍的保護(hù)屏蔽28。保護(hù)屏蔽28減小象素間串?dāng)_，增強(qiáng)傳感器的有效分辨率。
IC39可以例如是CMOS特定用途集成電路(ASIC)，其利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，然而也可以采用其它合適的IC。IC39包括單晶半導(dǎo)體基底41(例如，硅，鍺)和處理電路，處理電路相鄰于單晶基底并連接到TFT放大級。
此外，現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，IC39的處理電路通常包括某些特定象素電子設(shè)備、模擬輸出通道電子設(shè)備以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電子設(shè)備。更具體而言，特定象素電子設(shè)備如圖所示包括用于每個(gè)TFT放大級37的相應(yīng)雙同步解調(diào)器45，其具有連接到其相應(yīng)TFT放大級的輸出的第一輸入。相應(yīng)z矩陣濾波器46也在其輸入端連接到相應(yīng)TFT放大級37的輸出，而z矩陣濾波器的輸出連接到解調(diào)器45的第二輸入。象素電子設(shè)備還包括相應(yīng)雙模擬多路復(fù)用器47，其與每個(gè)解調(diào)器45相關(guān)，而該多路復(fù)用器具有用于接收解調(diào)器的雙輸出的雙輸入。
多個(gè)多路復(fù)用器47的雙輸出被提供給模擬輸出通道電子設(shè)備，其如圖所示包括差分輸入積分器/濾波器50，差分輸入積分器/濾波器50具有連接到多路復(fù)用器的雙輸出的反相和非反相輸入。通道偏差歸零伺服電路51連接到差分輸入積分器/濾波器50，而該積分器/濾波器的輸出被提供給采樣保持電路52。
ADC部55連接到模擬輸出通道電子設(shè)備的下端，如圖所示其包括用于接收采樣保持電路52的輸出的16:1模擬多路復(fù)用器56。當(dāng)然，也可以采用其它尺寸的多路復(fù)用器。ADC電路57(例如，3比特位)將來自模擬多路復(fù)用器56的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字比特位，其在經(jīng)通信通道、信號線等等進(jìn)行通信之前由緩沖器58進(jìn)行緩沖。ADC電路57由參考信號發(fā)生器59(例如，5比特位)進(jìn)行控制。
集成電路39還包括用于驅(qū)動手指激勵(lì)電極38的激勵(lì)發(fā)生器60。激勵(lì)電路如圖所示包括激勵(lì)信號合成器61，其提供多比特位(例如，5)輸出到參考數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器62(例如，5比特位)。來自D/A轉(zhuǎn)換器62的模擬輸出輸入到激勵(lì)驅(qū)動放大器63，其利用交流(AC)信號驅(qū)動手指激勵(lì)電極38，以提供RF電場指紋傳感，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易理解的。在美國專利No.5,862,248中進(jìn)一步描述了，利用圍繞陣列的封裝的導(dǎo)電頂表面來承載激勵(lì)信號，以及將該信號電容性耦合到手指中，據(jù)此該美國專利的整個(gè)內(nèi)容在此被結(jié)合作為參考。激勵(lì)信號合成器61還提供激勵(lì)解調(diào)同步信號給雙同步解調(diào)器45。
集成電路39如圖所示還包括模擬子系統(tǒng)控制器65，其可選包括主增益和偏置電路66，該電路連接到積分器/濾波器50。模擬子系統(tǒng)控制器65還包括掃描控制器67，其連接到模擬多路復(fù)用器56、采樣保持電路52、通道偏差歸零伺服電路51以及雙模擬多路復(fù)用器47。控制器65如圖所示還包括一個(gè)或多個(gè)尋址電路，比如環(huán)形計(jì)數(shù)器68，其用于選擇性操作TFT放大級，這將在下面進(jìn)一步描述，以及包括傳感放大器功率和偏置開關(guān)69。環(huán)形計(jì)數(shù)器68和傳感放大器功率和偏置開關(guān)69接收來自掃描控制器67的輸出。
環(huán)形計(jì)數(shù)器68提供饋電輸出信號到雙同步解調(diào)器45，選擇信號輸出到z矩陣濾波器46，以及將有源輸出信號輸出到傳感放大器功率和偏置開關(guān)69。傳感放大器功率和偏置開關(guān)69連接到TFT放大級37以及如圖所示的相應(yīng)DC恢復(fù)電路48，其用于選擇性切換TFT放大級的開和關(guān)，以使得來自不同傳感電極27的輸入能夠被選擇性或者順序性讀取。
如上所述，由于壓板是傳感器20的大尺寸受限部分，所以，希望利用盡可能最低成本的過程以及材料來制造它。一些可能的低成本半導(dǎo)體構(gòu)建技術(shù)包括經(jīng)典硅方法(例如，沉積，擴(kuò)散，光蝕刻處理，等等)、絲網(wǎng)印刷和鏤花涂裝法、墨水噴射印刷法，等等。這些方法所采用的材料包括單晶硅、多晶硅、玻璃上的硅、塑性或合成基底上的有機(jī)和塑性半導(dǎo)體，等等。其它低成本構(gòu)建技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，以使得能夠用于以這里所述的方式來構(gòu)建所設(shè)計(jì)的傳感器，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
應(yīng)當(dāng)注意的是，低成本構(gòu)建過程和基底材料通常產(chǎn)生低質(zhì)量晶體管。這會導(dǎo)致低增益、低增益/帶寬產(chǎn)品、關(guān)斷時(shí)的漏電高于期望值、開啟時(shí)的阻抗高于期望值，以及通過膜片以及膜片之間的設(shè)備到設(shè)備的變化量大于期望值。因此，需要在某些應(yīng)用場合進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)調(diào)整，以消除這些缺陷，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
與其選擇性開關(guān)TFT放大級37以讀取不同傳感電極27，還不如結(jié)合使用多路切換陣列和一小組陣列總線將信號從所有傳感電極27傳送到IC39的處理電路。可以使用多種形式的多路傳輸，包括直接尋址、時(shí)域切換、頻域調(diào)制、代碼調(diào)制，等等。
參照圖4，現(xiàn)在描述用于簡化的兩行兩列傳感器的時(shí)域多路復(fù)用的實(shí)施例。相應(yīng)TFT切換元件70連接到每個(gè)TFT放大級37的輸出端。TFT切換元件70連接到環(huán)形計(jì)數(shù)器68，其一次開關(guān)一列TFT切換元件(如果需要，開關(guān)一行)，以使得給定列的所有傳感電極27的輸出一次被讀取。代表給定行的每個(gè)傳感電極27的一序列調(diào)幅信號因此經(jīng)相應(yīng)行總線被輸出到處理電路，一次一個(gè)傳感電極。雖然在圖4中已經(jīng)示意性示出，但是，應(yīng)當(dāng)注意，行實(shí)際上和共面的傳感電極27是并排的，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
現(xiàn)在又轉(zhuǎn)到圖5，現(xiàn)在描述頻域多路復(fù)用的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，非線性電路元件接收相應(yīng)TFT放大級37的輸出以及來自不同類型的尋址電路的信號作為輸入，不同類型的尋址電路也就是頻率合成器72′。來自頻率合成器72′的信號均具有與其相關(guān)的多個(gè)不同頻率F1、F2等等當(dāng)中相應(yīng)的一個(gè)頻率。非線性電路元件71′產(chǎn)生和兩個(gè)輸入信號的乘積成比例的輸出信號分量。因此，行總線變成求和總線，在該總線上，來自不同頻率的行中的每個(gè)傳感電極27的調(diào)幅信號之和被求和。也就是，來自給定行的所有傳感電極的信號可以同時(shí)出現(xiàn)，利用公知的頻率解調(diào)技術(shù)可以對被求和信號有利地進(jìn)行解碼，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
還參照圖6，在一些低成本半導(dǎo)體過程中，可以構(gòu)建造度平衡的差分晶體管對，其可以用作TFT放大級37。這種差分對可以用作運(yùn)算放大器的前端或第一級，而運(yùn)算放大器的第二增益級75可以包含于IC39中。換言之，在這種“分流”運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器被橫穿兩個(gè)(或更多)基底而劃分。也就是，在相對較低成本的薄膜基底22上的傳感電極37下面構(gòu)建第一差分放大級37，以提供所需的阻抗轉(zhuǎn)換和切換功能。運(yùn)算放大器的隨后一級(或幾級)75被構(gòu)造在IC39的單晶基底上。
增益級75提供具有充足帶寬的高開環(huán)增益，以使得負(fù)反饋的高電平能夠回到第一放大級37。反饋可以用來補(bǔ)償?shù)统杀净咨显男阅茏兓亢腿跣?，可以產(chǎn)生大大優(yōu)于在單獨(dú)的低成本基底上通?？梢垣@得的、或者當(dāng)前端放大級沒有很強(qiáng)耦合到較高性能后端級時(shí)的總體電路性能和象素到象素一致性。
多種電路結(jié)構(gòu)可以用于第一TFT放大級37，這依賴于所使用的該特定過程的具體強(qiáng)度和弱性。例如，可以實(shí)施分流運(yùn)算放大器概念的許多變化，以助于減輕許多種類的低成本壓板構(gòu)建過程中的具體弱性。在圖6中示出采用了穿過基底邊界的單端信號線的分流運(yùn)算放大器。在一些實(shí)施例中如果希望采用穿過基底邊界的差分信號路徑，可以實(shí)現(xiàn)改良性能，如圖7所示。該概念可以延伸到對于信號路徑和反饋路徑都采用差分結(jié)構(gòu)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
如上所述，一些種類的傳感元件27受益于在傳感電極之間采用屏蔽電極28。在圖8中示出一種分流運(yùn)算放大器方法，其可以用于屏蔽電極28″，采用了通過高性能硅放大器增益級75″來改良的低阻抗反饋信號。如果總體運(yùn)算放大器被構(gòu)建用于單位閉環(huán)增益，則反饋信號將緊密追蹤傳感器27″信號，并提供屏蔽電極28″所需的低阻抗解耦信號，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
根據(jù)另一個(gè)有利方面，還可以采用一種分流運(yùn)算放大器電流吸收器來切換差分TFT對中的偏流的開關(guān)，從而有效執(zhí)行基于時(shí)間的多路復(fù)用所需的切換功能，如圖9所示。這里，復(fù)合傳感電極27連接到相同信號和反饋總線，一次僅激活一個(gè)差分對，這樣電流僅僅由一個(gè)被電流激活的差分對通過信號線來牽曳。
在一些實(shí)施例中，如果從反饋線獲得屏蔽電極28的驅(qū)動，那么希望從反饋線斷接用于未激活傳感電極27的該屏蔽電極，從而避免過載。多種不同電路結(jié)構(gòu)可以用于該目的，其中一個(gè)示出于圖10中，其中電路元件76″″用于選擇性將屏蔽電極斷接于它的反饋線。
在該所示例子中還示出了兩種其它類型的能夠被實(shí)施的性能增強(qiáng)。一種是被切換DC中心調(diào)整電路，不管切換晶體管泄漏如何，該電路都可以維持到傳感器的極高輸入阻抗，第二種是一種機(jī)械裝置，其通過減小穿過這些晶體管的電壓降到幾乎為零，從而最小化通過未激活第一級晶體管的來自信號總線的漏電，如圖所示。
如果傳感電極27信號的總線匯流連接處理得當(dāng)，則可以激活在被測量的特定傳感電極周圍的區(qū)域中的傳感電極?？梢赃@樣實(shí)施，以使得通過耦合TFT放大級37到阻抗基體，從而能夠執(zhí)行下象素圖象處理，這例如在美國專利No.6,067,368中進(jìn)行了描述。還在該′368專利中加以描述的下象素空間濾波也可以用于幫助標(biāo)準(zhǔn)化陣列輸出，還可以補(bǔ)償穿過低成本壓板陣列的半導(dǎo)體特性中的變化，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。以及，系統(tǒng)的動態(tài)范圍可以通過機(jī)械裝置來調(diào)節(jié)，比如美國專利No.6,259,804中所描述的這些機(jī)械裝置，從而使得系統(tǒng)能夠適于寬泛種類的手指和傳感器的操作所需的環(huán)境。據(jù)此，每一個(gè)上述專利的整個(gè)內(nèi)容都在此被結(jié)合作為參考。
用于低成本壓板材料的表面涂層可以依賴于所使用的具體基底和構(gòu)建過程而變化。采用非常硬材料的薄層的類似玻璃的涂層(類似于單晶硅傳感器中使用的涂層)可能可以用于玻璃基底薄膜結(jié)構(gòu)。然而，用作薄膜裝置頂表面的較厚聚合體涂層可以大大削弱直接讀取電子傳感器中的電場。
對于采用低溫處理的柔性基底，比如塑性/有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，采用非常硬材料的薄層并不實(shí)際。這些系統(tǒng)將會優(yōu)選的采用柔性涂層。在上述兩種情況中，可以有效的采用具有高電介電常數(shù)和/或各向異性介電常數(shù)的合成材料(比如，在美國專利No.6,088,471中所描述的那樣，據(jù)此該專利的整個(gè)內(nèi)容在此被結(jié)合作為參考)來作為保護(hù)性涂層。這些材料可以包括帶有嵌入其中的電激活顆粒的聚合體矩陣。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些材料的比較厚的涂層對于單晶硅指紋傳感器來說是有效的。
手指生物測量傳感器20還可以采用同步解調(diào)方案或其它相位敏感解碼機(jī)械裝置來將來自象素傳感器的AC信號轉(zhuǎn)換成凸凹紋(ridgeand valley)結(jié)構(gòu)的電子表示形式。相位差別可以用于改進(jìn)出汗手指或表面被污染的手指的成象，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。手指皮膚的復(fù)阻抗(complex impedance)的測量也可以用于區(qū)分真手指和假手指，這在美國專利5,953,441中進(jìn)行了描述，該專利的整個(gè)內(nèi)容也在此被結(jié)合作為參考。比如美國專利5,965,415中所述的密碼功能也可以結(jié)合到IC39中，以防止對傳感器的外部接口進(jìn)行的安全攻擊，據(jù)此該專利的整個(gè)內(nèi)容在此被結(jié)合作為參考。
如上所述，在手指生物測量傳感器20和基于TFT的激活矩陣液晶顯示器(LCD)所通用的結(jié)構(gòu)之間具有一定的相似度。該相似度有利的使得整個(gè)傳感器20的構(gòu)建可以和現(xiàn)存顯示器生產(chǎn)設(shè)備兼容。此外，在一些應(yīng)用場合，可能可以結(jié)合手指生物測量傳感器20和激活矩陣LCD的結(jié)構(gòu)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。
上述設(shè)計(jì)技術(shù)可以用于構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)兩維傳感陣列，其可用于簡單的觸摸型手指表象。當(dāng)然，還可以采用一維的和 維的傳感陣列，比如那些用于手指表象期間的撞擊手指運(yùn)動中的陣列。還應(yīng)當(dāng)注意，上述手指生物測量傳感器可以采用不同的傳感陣列，比如，在一些實(shí)施例中，采用容性傳感陣列等等，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。此外，通過這里描述的技術(shù)，采用復(fù)合生物測量傳感陣列也是有利的，比如本發(fā)明受讓人所受讓的2004年9月3日提交的美國專利申請序列號No.10/935,704“MULTI-BIOMETRIC FINGER SENSORUSING DIFFERENT BIOMETRICS HAVING DIFFERENTSELECTIVETIES AND ASSOCIATED METHODS”所公開的那樣，該專利的整個(gè)內(nèi)容在此被結(jié)合作為參考。
柔性塑性識別(ID)卡的商用用戶(當(dāng)電子設(shè)備被建入卡中時(shí)其通常被成為“智能卡”)將長期希望結(jié)合指紋傳感器到卡本身上。這在以前通常不太實(shí)際，因?yàn)榻ㄔ诠杌虿ＡЩ咨系膫鞲衅魈珓傂?脆性而不能容許塑性ID卡所需的柔性。上述技術(shù)可以利用比如塑性/有機(jī)半導(dǎo)體的柔性基底來用于指紋壓板，從而可以物理上實(shí)際的結(jié)合指紋傳感器到柔性智能卡中，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易理解的。當(dāng)然，手指生物測量傳感器20可以用于許多類型的裝置，比如例如上述美國專利No.5,963,679中所述的那樣。
現(xiàn)在將參照圖11來描述本發(fā)明的一種用于制造手指生物測量傳感器20的方法方面。該方法開始于(方塊110)在薄膜基底21上形成TFT層22，在方塊111，并且相鄰于用于接納相鄰手指的TFT層形成電場傳感電極27的陣列，在方塊112。TFT層22可以包括多個(gè)TFT，其限定用于每個(gè)電場傳感電極27的相應(yīng)TFT放大級37。
該方法還包括相鄰于電場傳感電極27形成手指激勵(lì)電極38，在方塊113，以及將至少一個(gè)集成電路39定位為相鄰該薄膜基底，在方塊114。該至少一個(gè)集成電路39包括單晶基底41以及相鄰于該單晶基底的處理電路。此外，該方法還包括連接處理電路到TFT放大級37，在方塊115，如上所述，因此，結(jié)束所示方法(方塊116)?；谏鲜鲇懻摽梢岳斫獬霰景l(fā)明的進(jìn)一步的方法方面。
利用上述描述和相關(guān)附圖中提出的教義，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行許多變型和獲得本發(fā)明的其它實(shí)施例。因此，可以理解的是，本發(fā)明不限于所公開的具體實(shí)施例，這些變型和實(shí)施例都應(yīng)當(dāng)包含于附屬的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種手指生物測量傳感器，包括薄膜基底；所述薄膜基底上的薄膜晶體管(TFT)層；相鄰于所述TFT層并用于接納與它鄰近的手指的電場傳感電極陣列；所述TFT層包括多個(gè)TFT，其限定用于每個(gè)電場傳感電極的相應(yīng)TFT放大級；用于施加電場到手指的手指激勵(lì)電極；以及至少一個(gè)相鄰于薄膜基底的集成電路，包括單晶基底，和相鄰于所述單晶基底并連接到所述TFT放大級的處理電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，其中所述TFT層還包括多個(gè)TFT切換電路，每一個(gè)TFT切換電路連接到相應(yīng)TFT放大級的輸出和所述處理電路之間；所述至少一個(gè)集成電路還包括相鄰于所述單晶基底、并用于選擇性操作所述TFT切換電路的尋址電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的手指生物測量傳感器，其中所述尋址電路選擇性操作所述TFT切換元件，以提供時(shí)域多路復(fù)用。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的手指生物測量傳感器，其中所述尋址電路選擇性操作所述TFT切換元件，以提供頻域多路復(fù)用。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的手指生物測量傳感器，其中所述TFT切換元件設(shè)置成行和列；以及其中所述尋址電路順序操作所述TFT切換電路的至少一個(gè)行和列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，其中每個(gè)TFT放大級包括一個(gè)差分TFT對；以及其中所述至少一個(gè)集成電路還包括多個(gè)相鄰于所述單晶基底的增益放大級，每一個(gè)增益放大級都連接在相應(yīng)TFT放大級和所述處理電路之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的手指生物測量傳感器，其中每個(gè)增益放大級在反饋回路中連接到其相應(yīng)TFT放大級。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，其中所述至少一個(gè)集成電路還包括相鄰于所述單晶基底、并用于使用交流(AC)信號來驅(qū)動所述手指激勵(lì)電極的激勵(lì)驅(qū)動放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，其中所述至少一個(gè)集成電路還包括用于選擇性操作所述TFT放大級的尋址電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，還包括相應(yīng)屏蔽電極，其和每個(gè)所述電場傳感電極相關(guān)，用于將每個(gè)電場傳感電極與相鄰的電場傳感電極相屏蔽。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的手指生物測量傳感器，其中每個(gè)TFT放大級驅(qū)動用于其相應(yīng)電場傳感電極的所述屏蔽電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，其中所述處理電路包括用于解調(diào)來自TFT放大級的信號的解調(diào)器；以及連接到該解調(diào)器下端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，其中基于滑動手指位置，所述電場傳感電極陣列產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指生物測量傳感器，其中基于靜止指紋位置，所述電場傳感電極陣列產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
15.一種手指生物測量傳感器，包括薄膜基底；所述薄膜基底上的薄膜晶體管(TFT)層；用于接納與其相鄰的手指的電場傳感電極陣列；所述TFT層包括多個(gè)TFT，其限定相應(yīng)用于每個(gè)電場傳感電極的TFT放大級，包括多個(gè)TFT切換電路，每一個(gè)TFT切換電路連接在相應(yīng)TFT放大級的輸出和所述處理電路之間；用于施加電場到手指的手指激勵(lì)電極；以及相鄰于所述薄膜基底的至少一個(gè)集成電路，其包括單晶基底，相鄰于所述單晶基底用于選擇性操作所述TFT切換電路的尋址電路，相鄰于所述單晶基底、并用于使用交流(AC)信號來驅(qū)動所述手指激勵(lì)電極的激勵(lì)驅(qū)動放大器，以及相鄰于所述單晶基底并連接到所述TFT放大級的處理電路。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手指生物測量傳感器，其中所述尋址電路選擇性的操作所述TFT切換元件，以提供時(shí)域多路復(fù)用。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手指生物測量傳感器，其中所述尋址電路選擇性操作所述TFT切換元件，以提供頻域多路復(fù)用。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手指生物測量傳感器，其中所述TFT切換元件設(shè)置成行和列；以及其中所述尋址電路順序操作所述TFT切換電路的至少一個(gè)行和列。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手指生物測量傳感器，其中每個(gè)TFT放大級包括差分TFT對；以及其中所述至少一個(gè)集成電路還包括多個(gè)相鄰于所述單晶基底的增益放大級，每一個(gè)增益放大級都連接在相應(yīng)TFT放大級和所述處理電路之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的手指生物測量傳感器，其中每個(gè)增益放大級在反饋回路中連接到其相應(yīng)TFT放大級。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手指生物測量傳感器，還包括相應(yīng)屏蔽電極，其和每個(gè)所述電場傳感電極相關(guān)，用于將每個(gè)電場傳感電極與相鄰的電場傳感電極相屏蔽。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手指生物測量傳感器，其中基于滑動手指位置，所述電場傳感電極陣列產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手指生物測量傳感器，其中基于靜止指紋位置，所述電場傳感電極陣列產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
24.一種手指生物測量傳感器，包括薄膜基底；所述薄膜基底上的薄膜晶體管(TFT)層；相鄰于所述TFT層用于接納與其鄰近的手指的電場傳感電極陣列；所述TFT層包括多個(gè)TFT，其限定相應(yīng)用于每個(gè)電場傳感電極的TFT放大級，以及每個(gè)TFT放大級包括差分TFT對；以及相鄰于所述薄膜基底的至少一個(gè)集成電路，包括單晶基底，相鄰于所述單晶基底的處理電路，以及多個(gè)相鄰于所述單晶基底的增益放大級，每一個(gè)增益放大級都連接在相應(yīng)TFT放大級和所述處理電路之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的手指生物測量傳感器，其中所述TFT層還包括多個(gè)TFT切換電路，每一個(gè)TFT切換電路連接到相應(yīng)TFT放大級的輸出和所述處理電路之間；所述至少一個(gè)集成電路還包括相鄰于所述單晶基底、并用于選擇性操作所述TFT切換電路的尋址電路。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的手指生物測量傳感器，其中所述尋址電路選擇性操作所述TFT切換元件，以提供時(shí)域多路復(fù)用。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的手指生物測量傳感器，其中所述尋址電路選擇性操作所述TFT切換元件，以提供頻域多路復(fù)用。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的手指生物測量傳感器，其中所述TFT切換元件設(shè)置成行和列；以及其中所述尋址電路順序操作所述TFT切換電路的至少一個(gè)行和列。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的手指生物測量傳感器，其中每個(gè)增益放大級在反饋回路中連接到其相應(yīng)TFT放大級。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的手指生物測量傳感器，還包括和每個(gè)所述電場傳感電極相關(guān)的相應(yīng)屏蔽電極，用于將每個(gè)電場傳感電極與相鄰的電場傳感電極相屏蔽。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的手指生物測量傳感器，其中基于滑動手指位置，所述電場傳感電極陣列產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的手指生物測量傳感器，其中基于靜止指紋位置，所述電場傳感電極陣列產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的手指生物測量傳感器，還包括用于施加電場到手指的手指激勵(lì)電極；以及其中所述至少一個(gè)集成電路還包括激勵(lì)驅(qū)動放大器，其相鄰于所述單晶基底，用于利用交流(AC)信號來驅(qū)動所述手指激勵(lì)電極。
34.一種用于制造手指生物測量傳感器的方法，包括在薄膜基底上形成薄膜晶體管(TFT)層，TFT層包括多個(gè)TFT，其限定多個(gè)TFT放大級；形成相鄰于該TFT層的、用于接納與其相鄰的手指的電場傳感電極陣列，每個(gè)電場傳感電極和相應(yīng)TFT放大級相關(guān)；形成用于施加電場到手指的手指激勵(lì)電極；定位至少一個(gè)集成電路相鄰于薄膜基底，該至少一個(gè)集成電路包括相鄰于單晶基底的單晶基底處理電路；以及連接處理電路到TFT放大級。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中TFT層還包括多個(gè)TFT切換電路，每一個(gè)TFT切換電路連接到相應(yīng)TFT放大級的輸出和處理電路之間；以及其中至少一個(gè)集成電路還包括相鄰于單晶基底、并用于選擇性操作TFT切換電路的尋址電路。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中尋址電路選擇性地操作TFT切換元件，以提供時(shí)域多路復(fù)用。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中尋址電路選擇性地操作TFT切換元件，以提供頻域多路復(fù)用。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中TFT切換元件設(shè)置成行和列；以及其中尋址電路順序操作TFT切換電路的至少一個(gè)行和列。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中每個(gè)TFT放大級包括一個(gè)差分TFT對；以及其中至少一個(gè)集成電路還包括多個(gè)相鄰于所述單晶基底的增益放大級，以及還包括將每一個(gè)增益放大級連接在相應(yīng)TFT放大級和所述處理電路之間。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中連接每個(gè)增益放大級包括在反饋回路中連接每個(gè)增益放大級到其相應(yīng)TFT放大級。
41.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述至少一個(gè)集成電路還包括相鄰于所述單晶基底、并用于使用交流(AC)信號來驅(qū)動所述手指激勵(lì)電極的激勵(lì)驅(qū)動放大器。
42.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，還包括形成相應(yīng)屏蔽電極，其用于將每個(gè)電場傳感電極與相鄰的電場傳感電極相屏蔽。
43.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述電場傳感電極陣列用于基于滑動手指位置產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
44.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述電場傳感電極陣列用于基于靜止指紋位置產(chǎn)生手指生物測量數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種手指生物測量傳感器包括薄膜基底、薄膜基底上的薄膜晶體管(TFT)層，以及相鄰于TFT層并用于接納相鄰的手指的電場傳感電極陣列。TFT層包括多個(gè)TFT，其限定相應(yīng)用于每個(gè)電場傳感電極的TFT放大級。傳感器還包括用于施加電場到手指的手指激勵(lì)電極，以及至少一個(gè)相鄰于薄膜基底的集成電路。該至少一個(gè)集成電路包括單晶基底和相鄰于該單晶基底并連接到TFT放大級的處理電路。
文檔編號H01L27/01GK1882951SQ200480033762
公開日2006年12月20日 申請日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月24日
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