JPH09218006A - 指紋捕捉センサ - Google Patents

指紋捕捉センサ

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JPH09218006A
JPH09218006A JP8332611A JP33261196A JPH09218006A JP H09218006 A JPH09218006 A JP H09218006A JP 8332611 A JP8332611 A JP 8332611A JP 33261196 A JP33261196 A JP 33261196A JP H09218006 A JPH09218006 A JP H09218006A
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JP
Japan
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sensing element
capacitance
finger
array
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Application number
JP8332611A
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Inventor
Alexander George Dickinson
ジョージ デッキンソン アレキサンダー
Ross Mcpherson
マックファーソン ロス
Sunetra Mendis
メニス スネトラ
Paul C Ross
シー． ロス ポール
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nokia of America Corp
Original Assignee
Lucent Technologies Inc
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Publication date
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    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/34—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
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    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
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    • G06V40/12—Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13—Sensors therefor
    • G06V40/1306—Sensors therefor non-optical, e.g. ultrasonic or capacitive sensing
    • G—PHYSICS
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    • G07C—TIME OR ATTENDANCE REGISTERS; REGISTERING OR INDICATING THE WORKING OF MACHINES; GENERATING RANDOM NUMBERS; VOTING OR LOTTERY APPARATUS; ARRANGEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS FOR CHECKING NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＣＤによる従来の方法によっては指紋を正
確に捉えるのが困難であった。 【解決手段】 指等の物体の位相幾何学変化を検出する
ための装置には、それぞれ、寄生キャパシタンスを有す
る基板の上に配置された一連の感知素子が含まれる。絶
縁受け表面は、感知素子アレイの上に配置され、感知素
子とその上に置かれた物体の一部が寄生キャパシタンス
に対して測定可能なキャパシタンスの変化を作り出すよ
うに物体を収容できるようになっている。電子回路が、
測定可能なキャパシタンスの変化を測定するための感知
素子アレイに連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、指紋など
の紋様の変化を検出するためのセンサに関し、より詳細
には、キャパシタンスの変化による紋様の変化を検出す
るためのセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】指
紋捕捉システムにおいては、指の隆線及び溝線のパター
ンを検出する平らな面と接触するように指をのせる。指
紋の捕捉は、指紋の電子画像を提供する光学的技術によ
って行うこともできる。例えば、指紋は、荷電結合素子
（ＣＣＤ）のような感光検出器上に光で画像を映し出す
ことができる。光学的技術には、コストが比較的高いと
か、複雑であるとか、画像の質が悪いとか、例えば、指
紋の複写写真を使うことにより妨害を受けやすいといっ
た多くの欠点がある。さらに、光学システムは、ミスア
ライメントや破損を起こしやすい。
【０００３】他のタイプの指紋捕捉システムが、米国特
許第４，３５３，０５６号に開示されている。このシス
テムでは、コンデンサアレイが、フレキシブルな基板の
中に形成されている。指が基板に接触すると、指の隆線
部のすぐ下にあるコンデンサは圧縮され、そのキャパシ
タンスを変える。隆線部のすぐ下にないコンデンサは圧
縮されず、よって、キャパシタンスはほとんど変化しな
い。配列内にある様々なコンデンサのキャパシタンスを
測定することにより、１つの画像が得られる。この方法
には、隆線部の有無のみを検出することしかできないた
め、高品質な画像を形成することができないとか、プラ
スチック製の指紋のレプリカを使うことにより妨害を受
けやすいといった多くの制約がある。加えて、フレキシ
ブルな基板と従来の集積回路製造技術との間に互換性が
ないため、製造が過度に複雑でもある。さらに、システ
ムがフレキシブルでなくてはならないため、ダイヤモン
ドのような弾力性のある硬質材料によって保護すること
ができない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、指などの物体
の位相幾何学的変化を検出するための装置と方法につい
て説明する。装置は、基板の上に配置され、その各々
が、寄生キャパシタンスを有する感知素子アレイを含
む。絶縁受け表面は、感知素子アレイの上に配置され、
感知素子とその上に置かれた物体の一部が、寄生キャパ
シタンスに対して測定可能なキャパシタンスの変化を作
り出すようにその物体を収容できるようになっている。
電子回路は、測定可能なキャパシタンスの変化を測定す
るための感知素子アレイと連結されている。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１は、感知素子アレイ１２を含
む位相幾何学センサ１０を示す。個々の感知素子１２
は、通常、調査する品目よりも小さい。指紋センサとし
て使われる場合、感知素子が指の隆線及び溝線部分より
寸法が小さくなくてはならない。本発明は、指紋センサ
について説明しているが、通常の技術者ならば、発明
が、より一般的に指紋以外の物体の位相幾何学変化を検
出することにも適用できることが理解できるであろう。
そういった場合、感知素子の寸法は、選択された物体
（単数または複数）に適したものを選ばなくてはならな
い。感知素子の上に配置されているのは、感知面１４と
して作用する、例えば、ガラスやプラスチックのような
適切な絶縁材料である。
【０００６】また、図１は、感知面１４と接している調
査中の指１６を示す。指の表面が平らでないため、指の
ある一部分（隆線１８）が、物理的に、感知面と接触
し、一方、その他の部分（溝線１９）は、感知面１４か
ら離れている。各感知素子１２は、そのすぐ上に置かれ
た指の一部とコンデンサを形成している。感知素子１２
は、コンデンサ用の１組の電極またはプレートを形成
し、指の隆線及び溝線は、コンデンサ用のもう一組の電
極またはプレートを形成する。
【０００７】周知のように、コンデンサのキャパシタン
スＣは次の式により求められる。 Ｃ＝ｋ（Ａ／ｄ） （１） 但し、Ｃは、キャパシタンス、ｋは比誘電率、Ａはコン
デンサの表面積、そして、ｄは両電極間の距離である。
また、コンデンサは次の式により求められた電荷Ｑを蓄
積することも知られている。 Ｑ＝ＣＶ （２） 但し、Ｑは蓄積電荷、Ｖは電極間に印加された電圧であ
る。
【０００８】（１）の式から、コンデンサのキャパシタ
ンスが両電極間の距離に比例することは明らかである。
上述のように、感知素子と指との間に形成されたコンデ
ンサアレイのキャパシタンスは、指の紋様に応じて変化
する。特に、感知素子１２と指の溝線１９との間に形成
されたコンデンサのキャパシタンスは、感知素子１２と
指の隆線１８との間に形成されたコンデンサのキャパシ
タンスよりも小さくなる。感知素子１２と、指の隆線及
び溝線のすぐ近くの領域との間に形成されたコンデンサ
は、その隆線及び溝線によって決定された上下限間のキ
ャパシタンスを有する。
【０００９】コンデンサアレイにおいて具体的に表され
たキャパシタンス情報は、調査中の指の紋様を表すのに
十分である。その結果、コンデンサアレイのキャパシタ
ンスは、例えば、この紋様を視覚的に表すための画像を
示す信号に変換することができる。米国特許第４，３５
３，０５６号に開示されたシステムとは対照的に、本発
明では、各コンデンサのプレートが１つだけ、センサ自
体に取り付けられているため、フレキシブルな基板を必
要としないので有利である。
【００１０】コンデンサのキャパシタンスを測定するた
めに用いられる回路の１例が、図２に示される。操作
中、指は、感知面１４に置かれ、コンデンサは、感知素
子アレイをスイッチ２２を介して電圧源２０に接続する
ことにより周知の電位Ｖiに持ってこられる。これによ
り、キャパシタンスＣを有する所与のコンデンサ２６
は、電荷ｑi＝ＣＶiを含む。指を感知面１４にそのまま
のせた状態で、感知素子アレイは、スイッチ２２を介
し、電圧源２０から切断され、電流源２４に接続され
る。感知素子１２と電流源２４との間の接続は、一定時
間（ｔ）保持される。所与のコンデンサから放電された
電荷量は、ｑk＝ｉｔである。但し、ｉは電流源２４に
よって生成された電流である。一定時間ｔが経過した時
点で、感知素子１２の電位を測定し、Ｖf値を求めるこ
とができる。これにより、所与のコンデンサ２６のキャ
パシタンスは、関係式ｑ＝ＣＶから算出することができ
る。但し、ｑはコンデンサから放電された電荷ｑkで、
Ｖは、電極の初期電位Ｖiと最終電位Ｖfとの差である。
よって、コンデンサ２６のキャパシタンスは、次の式に
より求められる。 Ｃ＝ｑk／（Ｖi−Ｖf） （３） コンデンサアレイのキャパシタンスを測定することによ
り、各感知素子１２とその上に置かれた指の接触部分と
の距離ｄを、式（１）から算出することができる。もち
ろん、指の紋様の画像を得るために、これらの距離を実
際に計算する必要はない。むしろ、画像を得るために必
要なことは、ただ、それぞれのキャパシタンスがセンサ
配列上に分散されているので、キャパシタンスの相対的
な大きさだけを求めるだけである。
【００１１】もちろん、感知素子は、それぞれが、装置
の中にあるその他のエレメントに対して寄生キャパシタ
ンスを有している。例えば、隆線の有無を検出するため
には、隆線があることにより感知素子のキャパシタンス
の変化が、寄生キャパシタンスに対して測定できるくら
い十分に大きくなくてはならない。例えば、ダイナミッ
クＲＡＭは、通常、比較的大きな寄生キャパシタンスを
有する小型コンデンサにデータを記憶する。対照的に、
隆線があることによるキャパシタンスの変化は寄生キャ
パシタンスに対して僅かであり、ほとんど測定不可能で
ある。従って、ＲＡＭのコンデンサの寄生キャパシタン
スは、測定されるキャパシタンスよりもかなり大きいた
め、ダイナミックＲＡＭは、指紋センサとしては、適さ
ないであろう。
【００１２】指紋センサは、周知の適切な材料で製造さ
れる。一部の用途では、例えば、増幅器、ノイズ低減回
路及び、アナログ−デジタル変換器といった各感知素子
の数値を読み出すための感知素子と関連回路を１つのユ
ニットに含めることができる半導体センサを用いる方が
便利なこともある。適当な集積回路装置の一例として、
従来のＣＭＯＳプロセシング技術によって製造された装
置を含む場合もある。そういった半導体装置は、通常、
数ミクロン厚の二酸化ケイ素の層によって覆われてい
る。この層は、感知素子と調査中の指との間に取り付け
られた感知面１４を形成する絶縁層としての働きをす
る。発明の一部の実施例では、指が繰り返し接触するた
めに磨耗しやすくなるのをさらに強力に耐えることがで
きる、より弾力性のある感知面を設ける方が便利なこと
もある。そういった場合、二酸化ケイ素は、例えば、ダ
イヤモンドといったより強力な絶縁材料によって覆われ
るか、または交換することができる。
【００１３】本発明のある１つの実施例において、セン
サは、従来のＣＭＯＳプロセスによって製造され、感知
素子は、３００〜５００ｄｐｉの解像度を得るため、そ
れぞれ約５０ミクロン間隔が開けてある。指が感知面に
接触していない状態の感知素子の寄生キャパシタンス
は、約１８０ｆＦである。感知面が指を受け入れると、
指と接触しているそれらの感知素子のキャパシタンス
は、通常の環境条件下で約３５０ｆＦまで上昇する。
【００１４】装置を所有している人がその装置を使用す
ることを許可されていることを示すために、センサを、
様々な装置に組み込むことができる。例えば、クレジッ
ト・カード、負債カード、スマート・カード等といった
固有識別カードは、使用する前に、個人識別番号（ＰＩ
Ｎ）を提示するよう求められることがよくある。カード
自体が悪用される場合、ＰＩＮは、本人以外には知らさ
れない。しかし、ＰＩＮは、カードの所有者がトランザ
クションを開始する時に、お店の人に提示され、知らさ
れる。また、ＰＩＮは、トランザクションを盗み聞きし
たり、あるいは、カード所有者を監視する人によって誤
用される可能性もある。というのも、ＰＩＮは、カード
の固有識別をするため、顧客がＰＩＮを提示するベンダ
ーによって、キーボードから書き込んだり、または入力
されるからである。
【００１５】こういった問題点は、本発明の指紋センサ
を固有識別カードに組み込むことによって克服すること
ができる。カードには、捕捉された指紋を、カードに組
み込まれたメモリに記憶されている使用者本人のものか
どうかを照合するための回路が含まれている。カードを
使用するために提示した時、使用者は、カードに取り付
けられたセンサに指をのせることによって本人であるこ
とを証明する。
【００１６】また、指紋センサは、使用者本人の指紋を
記憶するその他の確認装置にも組み込むことができる。
例えば、指紋センサは、現金自動預け払い機（ＡＴＭ）
に組み込むことができる。ユーザは、トランザクション
を行う前に本人であることを証明しなくてはならないだ
ろう。また、指紋センサは、例えば、買物をする際に、
店側が所有する確認または固有識別装置へ組み込むこと
もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による指の指紋の２つの隆線を受け入れ
る感知素子アレイの断面図を示す。
【図２】図１に示された感知素子と指によって形成され
たコンデンサのキャパシタンスを測定するために、本発
明により用いられる回路の一例を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロス マックファーソン アメリカ合衆国 07834 ニュージャーシ ィ，デンヴィル，セダー レイク イース ト 165 (72)発明者 スネトラ メニス アメリカ合衆国 94301 カリフォルニア, パロ アルト，テニイソン アヴェニュー 158 (72)発明者 ポール シー． ロス アメリカ合衆国 07950 ニュージャーシ ィ，モリス プレインズ，ウッド ドライ ヴ 15

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物体の位相幾何学変化を検出するための
    センサであって、 基板の上に配置され、その各々が寄生キャパシタンスを
    有するの感知素子アレイと、 感知素子とその上に配置された前記物体の一部が前記寄
    生キャパシタンスに対して測定可能なキャパシタンスの
    変化を作り出すことができるように物体を収容できるよ
    うになっている前記感知素子アレイに配置された絶縁受
    け表面と、 前記測定可能なキャパシタンスの変化を測定するための
    前記感知素子アレイに連結された電子回路とを含むセン
    サ。
  2. 【請求項２】 感知素子が指の指紋を構成する紋様の変
    化を検出できるようになっている請求項１に記載のセン
    サ。
  3. 【請求項３】 前記感知素子はそれぞれ約５０ミクロン
    引き離されている請求項２に記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 前記寄生キャパシタンスは約１８０ｆＦ
    である請求項２に記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 前記感知素子アレイは、ＣＭＯＳ技術に
    より製造された種類のものである請求項１に記載のセン
    サ。
  6. 【請求項６】 前記感知素子アレイは、ＣＭＯＳ技術に
    より製造された種類のものである請求項２に記載のセン
    サ。
  7. 【請求項７】 前記電子回路は、前記感知素子とその上
    に取り付けられた前記物体の前記部分との間で電位を分
    配するための電圧源を含む請求項１に記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 前記電子回路は、さらに、前記感知素子
    に蓄積された電荷を放出するための電流源を含む請求項
    ７に記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 使用する前にそのユーザを固有識別する
    装置と組み合わせて、指の指紋を検出するためのセンサ
    であって、 基板の上に配置され、その各々が寄生キャパシタンスを
    有する感知素子アレイと、 感知素子とその上に設置された前記指の一部が前記寄生
    キャパシタンスに対して測定可能なキャパシタンスの変
    化を作り出すように指を収容できるようになっている、
    前記感知素子アレイの上に配置された絶縁受け表面と、 前記指紋を示す信号を発生するため、前記測定可能なキ
    ャパシタンスの変化を測定する前記感知素子アレイに連
    結された電子回路と、 少なくとも１人の認可されたユーザの指紋を記憶するメ
    モリと、 前記信号を、前記記憶されている指紋と照合するための
    回路とを含むセンサ。
  10. 【請求項１０】 前記装置は、固有識別カードである請
    求項９に記載の組合せ。
  11. 【請求項１１】 物体の位相幾何学変化を検出するため
    の方法であって、 感知素子アレイの上に配置され、その各々が、寄生キャ
    パシタンスを有する絶縁表面に、感知素子とその上に設
    置された前記物体の一部が、前記寄生キャパシタンスに
    対して測定可能なキャパシタンスの変化を作り出すこと
    ができるように物体を収容するステップと、 キャパシタンスの前記測定可能な変化を測定することに
    よって前記位相幾何学変化を示す信号を生成するステッ
    プとを含む方法。
  12. 【請求項１２】 物体を収容するステップが、指を収容
    するステップを含み、信号を生成するステップが前記指
    の指紋を表す信号を生成するステップを含む請求項１１
    に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 信号を生成するステップが、 前記指と前記感知素子アレイとの間に形成されたコンデ
    ンサアレイを共通電位まで充電させるステップと、 所定の時間中、前記コンデンサから放電させるステップ
    と、 前記共通電位に対して前記コンデンサの電位の変化を測
    定するステップとをさらに含む請求項１２に記載の方
    法。
  14. 【請求項１４】 装置を使用する前にユーザを固有識別
    するための方法であって、 前記装置の上に配置され、その各々が、寄生キャパシタ
    ンスを有する感知素子アレイの上に配置された絶縁面
    に、感知素子とその上に置かれた前記指の一部分が前記
    寄生キャパシタンスに対して測定可能なキャパシタンス
    の変化を作り出すように、ユーザの指を収容するステッ
    プと、 前記測定可能なキャパシタンスの変化を測定することに
    よって前記指の指紋を表示する信号を生成するステップ
    と、 前記信号を、少なくとも１人の固有識別されたユーザの
    記憶されている指紋と照合するステップとを含む方法。
  15. 【請求項１５】 前記装置は固有識別カードである請求
    項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記装置は現金自動預け払い機である
    請求項１４に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記装置は、販売時点の固有識別装置
    である請求項１４に記載の方法。
JP8332611A 1995-12-15 1996-12-13 指紋捕捉センサ Pending JPH09218006A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/573100 1995-12-15
US08/573,100 US6016355A (en) 1995-12-15 1995-12-15 Capacitive fingerprint acquisition sensor

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Publication Number Publication Date
JPH09218006A true JPH09218006A (ja) 1997-08-19

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ID=24290662

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8332611A Pending JPH09218006A (ja) 1995-12-15 1996-12-13 指紋捕捉センサ

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Country Link
US (1) US6016355A (ja)
EP (1) EP0779497B1 (ja)
JP (1) JPH09218006A (ja)
CA (1) CA2190544C (ja)
DE (1) DE69629787D1 (ja)

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