指紋傳感器的製作方法

2023-06-13 06:56:16

專利名稱：指紋傳感器的製作方法
技術領域：
本發明是關於用於測量部分導熱表面中的圖形、尤其是指紋的方法和設備。
近來由於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，利用指紋進行識別變得突出。一些指紋識別系統已進入市場供應階段。用於登記指紋的技術各種各樣。
某些早先已知的辦法是以採用一種或多種波長光線的光技術為基礎。這些光對指紋中的和傳感器表面上的灰塵和雜質敏感，因而需要對兩者進行清理。
另一種方案是壓力測量。但這具有缺點因傳感器必須具有至少部分地相順從的表面，傳感器表面對機械磨損和損傷是敏感的。
由於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用中被暴露，傳感器就必須具有堅固的表面，應儘可能對指紋中及傳感器上的汙染不敏感，並能進行電屏蔽以避免來自外部的幹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幹擾。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，還要求結構簡單和部件數量最少。
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，而且對於因環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。
本發明的目的是提供一種易於製造、生產成本低、並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儘可能對指紋中和傳感器上的汙染不敏感，而且使其可長時期使用而無須維護。
按照本發明，上述要解決問題通過利用權利要求1中表徵的方法和權利要求7中所定義的傳感器裝置來解決。
本發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性之差來檢測熱結構成。這使得測量不依從於周圍溫度。
對於傳感器的測量，在灰塵和雜質上的要求將不如其他對應方法中那樣嚴格。如果傳感器上存在有相對平滑的薄層汙染物質，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的灰塵可能產生測量誤差。
熱傳導性的測量是通過將欲測量對象所接觸的傳感器加熱並測量由此得到的溫度(相對溫度)相對於所供給能量的變化來進行的。被測對象的熱傳導性越好，局部溫度變化將越小。熱傳導性可作為在開始或停止加熱之後累積一段時期的時間或一定時刻的時間的函數進行測量。多次測量或各測量部件的連續的溫度控制，除提供對被測對象中的熱傳導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行。整個傳感器的接合加熱是一種可能的措施。為實現接合加熱，可利用耦合到傳感器的其他電子電路中產生的熱。
本發明的一優選實施例中，各獨立的溫度傳感器採用獨立的熱源，使各傳感器在每一點提供受控制的及精確的測量，而使得此方法和設備對溫度的局部變化較不敏感。這也是很有利的，因為所提供的能量可在各溫度傳感器被控制而改善了對溫度的控制，並由於可將能源置於靠近要測量的表面和對象，從而因被加熱物體更接近而減少能量應用而且使反應速度加快。
下面參照所列附圖詳細說明本發明

圖1表示傳感器系統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節；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中表明傳感器相對於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，設置有系統電路4用於控制和管理由傳感器1採集的數據。在傳感器1的下方可設置一層隔熱的、或部分隔熱的材料2來限制來往其他電子系統電路4的熱傳導。為加強隔熱作用，隔熱層可帶有在各傳感器部件下面的孔腔。如果來自系統電路4的熱在熱傳導的測量中被採用，可以將此層作得較薄。
在系統電路4與隔熱層2之間表示一將來自不同的系統電路5的熱對傳感器作均勻分布的導熱層3。這保證了平滑及精確的測量。
實際的傳感器厚度將會改變，在應用於或被裝設在識別(身份)卡上時，厚度最好儘可能小，包括系統電路5在內最好低於0.5mm。
用於傳感器中的最令人感興趣的材料是下面這些。電子電路最好為採用公知的矽或砷化鎵(GaAs)技術的半導體材料製成，而電和熱絕緣物則採用SiO2或其他允許直接固定半導體材料的材料來提供。電導體最好由鋁、或金或其他相對於半導體的通用的材料製成。另一種選擇是也可以採用基於半導體、導體和絕緣材料的聚合物，這對於信用和身份卡很有利，因為它們具有很大程度的柔韌和彈性。
圖2表示傳感器與指紋間接觸表面的細節，其中傳感器被以傳感器中箭頭所指均勻供熱進行加熱。指紋由其間夾有谷線14的脊線13構成。皮膚包括有外層皮膚10(外表皮)，在其下面為具有血液循環(以圓形箭頭表示)的區域11。在脊線13下面具有乳頭突起12，其中也具有血液循環。脊線13與傳感器接觸並被加熱，而指紋中的血液循環將熱送走。在谷線中傳感器表面主要由兩種機製冷卻谷線14中所包括的空氣中的幅射和熱傳導。這些冷卻機制不如脊線13中的熱傳導那樣有效，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，或者連續地被測量。利用多點或連續測量，可得到除熱傳導性外還表示不同測量點的有效熱容量的圖形。由於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和周圍的皮膚細胞9(汗浸潤)，熱容量中的差異將增強傳感器鑑別脊線和谷線的能力。
因為傳感器測量溫度，傳感器輸出的信號基本上與指紋中測量點的熱傳導成反比。因此這些信號的排列將提供表明熱傳導分布的一圖形、因而得指紋。
進行溫度測量的傳感器15將是一通常的電子部件，但很清楚，其他的測量技術例如光學或聲學的也可加以應用。
增加所供給的熱量可提高所測得的指紋的反襯(對比)度。因為熱傳導中的差別，沒有熱被傳送走的區域其溫度將較其他區域增加得快。這提供了一種用於增加信號中的反襯度的直接的方法，而無需採用圖形磨損或其他擴大計算。
圖3表示一指紋中的脊線被磨損的對應情況，因而指紋實際上不明顯。這裡熱傳導中的差別是因外層皮膚10的厚度而產生的。在先前的脊線13處仍然可測量到與先前的谷線14相比較熱傳導中的增加。這是因為由傳感器至帶有血液循環的區域的距離因乳頭突起而小於谷線區域14中的距離dv。這樣，脊線區域中所供給的熱就比谷線區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，也可通過熱傳導中的差別來進行登記。
圖4表示傳感器的電子電路可能布局的示意圖。緊靠著指紋設置有導電的接地層20，由鋁或其他導體或半導體材料製成，用於免除來自周圍的電氣幹擾和防止放電傷害傳感器。這一層20還包括由機械性能強的材料例如SiO2，Si3N4或α-Al2O3製成的層25，用於保護傳感器不受機械應力和化學腐蝕。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的隔熱區23。實踐中傳感器部件15將由隔熱區包圍以便將它們相互間作熱隔離。但是在本發明範疇內有一有意義的實施例中，允許傳感器部件15之間有一定程度的熱傳導。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，亦即降低圖形中的幹擾，而無需應用擴大的計算。
選擇部件間的熱傳導可有許多方法，例如依靠在選擇材料中的實際尺寸和隔熱區的形狀，或者依靠調整電導層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相組合，能在平滑信號的同時維持反襯度。
隔熱區可以例如由SiO2或類似材料構成。從生產角度出發的優選實施方案將是，隔熱材料與圖1中的隔熱層2相同、或相兼容，並且與之相連接。選取能進行電子電路集成生產的材料也有益於加工處理。
所示例中的各傳感器部件15具有產生已知熱量的對應加熱部件21。在此示例中，加熱部件21集中由Vk和利用電子接觸開關24進行控制。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。為做到這一點的可行的技術如下述。利用電子接觸開關22，例如一雙選通MosFET電晶體，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，傳感器由對應於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。傳感器的實際大小可按照欲測量的指紋而改變，但最初接近於13×13mm2。象素大小必須足夠小以能得到指紋的結構圖形。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體技術、或者可能以聚合技術而被集成製造。
可設置行和列寄存器31、32作為傳感器的一部分或作為系統電路的一部分，並可被用於收集來自獨立的象素的數據並尋址這些象素。
這些行和列寄存器33、34可由傳感器或由系統電路所組成，並用於尋址和控制每一加熱部件。
為實現對各傳感器部件的受控制的局部加熱，可重複地，有可能以調整訪問時間地尋址有關的象素。這樣，通過傳感器部件的電子電路可重複地發送電流。這將導致傳感器部件的累積加熱，其可被用於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，它也可被用於其他具有改變的熱傳導、熱容量和/或表面中的熱結構的表面上。作為舉例例如可以是測量紙幣或類似結構表面中的結構。傳感器也可被用於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的熱傳導。
權利要求
1.測量至少部分熱傳導表面中的圖形，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，並測量各傳感器部件的溫度，其特徵是傳感器部件(15)由一熱源加熱；一或多次地、或者連續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.按照權利要求1的方法，其特徵是各單個傳感器部件(15)處的測量被分別控制和讀取。
3.按照權利要求1或2的方法，其特徵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.按照權利要求1-3中任一個的方法，其特徵是傳感器部件(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.按照權利要求1-4中任一個的方法，其特徵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。
6.按照權利要求5的方法，其中傳感器部件被個別地加熱，其特徵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節。
7.用於測量至少部分熱傳導表面中的圖形、特別是指紋的設備，包括多個適應於與所述表面(10)的基本部分作熱接觸的傳感部件(15)和適用於測量每一傳感器的溫度的溫度傳感器(15)，其特徵是包括適用於加熱所述傳感器部件的一或多個裝置(21)和用於根據已知的被提供的熱量及所測得溫度或溫度變化生成對應於每一傳感器部件的熱傳導的信號，以便根據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.按照權利要求7的設備，其特徵是在傳感器部件之間包括有部分地隔熱的材料(23)。
9.按照前述權利要求7、8之一的設備，其特徵是各傳感器部件(15)均設置有獨立的熱源(21)。
10.前述權利要求7-9之一的設備，其特徵是各傳感器部件適應於至少部分地控制供熱。
全文摘要
測量至少部分導熱的表面(10)的圖形、特別是指紋的方法和設備,其特點在於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於有關各傳感器中所供能量的熱損失的信號,和根據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 優先權日1995年4月11日
發明者丁玉明 申請人:丁玉明