专利名称：电场式指纹传感设备及相关方法
技术领域：
本发明涉及个人识别和确定领域，更具体地说涉及指纹传感和处理领域。
指纹传感和匹配是对个人识别和确认的一种可靠和广泛应用的技术。具体地说，指纹识别的一般手段涉及扫描一个样本指纹或者它的图象，并把该指纹图象的图象和/或其独特特征存储起来。可以将样本指纹的特征与已经存储的参照指纹信息进行比较，以确定对某人的适当识别，以达到确认的目的。
典型的电子指纹传感器是基于使用可见光、红外光、或超声辐射来照射手指表面。其反射能量由例如某种形式的照相机来捕获，并将得到的图象取帧和数字化，并作为静态数字图象存储。美国专利4,210,889号说明书披露一种光学扫描指纹读出器并伴有一中心处理站，用于安全访问(access)应用，诸如允许某人到某一地点或提供对一计算机终端的访问。美国专利4,525,859号说明书披露一种视频照相机来捕获指纹图象，并使指纹的细节(即指纹脊的分支和结束)来确定与参照指纹数据库的匹配。
遗憾的是，光学传感可能受沾污的手指影响，或者一个光学传传感器可能受指纹照片或印刷图象而不是真正活指纹的欺骗。因此，光学指纹传感器可能在应用上不可靠，而且由于光学器件和移动部件使它笨重和较为昂贵。
在美国专利4,947,443说明书中披露一系统指示器灯光，用于在构成可接受的指纹图象时发生失败的情况下向使用者提供一个指纹扫描可接受性的简单的“能”或“不能”接受的指示。
美国专利4,353,056号说明书披露了扫描指纹的另一种手段。
美国专利5,325,442号说明书披露了一种包括多个传感电极的指纹传感器。由于提供了一个伴随每个传感电极的开关装置，使其能够对各传感电极灵活寻址。
用于识别和确认目的的指纹扫描和匹配是人们所希望的，而且可以防止未经受权就使用计算机工作站、设备、车辆、以及保密数据。
本发明的一个目的是提供一种指纹传感器及相关方法。供精确地传感指纹，而且该传感器是坚固的、小巧的、可靠的、而且是比较便宜的。
有益的是，一个指纹传感器包括一个电场传感电极阵列，在电场传感电极上有介电层用于在其邻近处接受手指，驱动装置用于把一电场驱动信号加到电场传感电极及手指的邻近部分，从而使电场传感电极产生一个指纹图象输出信号。因此，先有技术光学传感器的许多缺点和不利之处便被这样克服了，因为根据本发明的传感器能被容易地制成坚固、小巧、较低费用、和精确。
在一个实施例中，其驱动装置最好由相干驱动装置构成，用于以一相干信号驱动阵列。更具体地说，相干驱动装置可以包括一个驱动电极置于电场传感电极邻近处，第二介电层置于驱动电极和电场传感电极之间，以及一驱动电路对驱动电极供电以产生具有预定频率的相干电场驱动信号。该传感器最好还包括一个手指电极置于与手指接触的介电层的邻近处。
本发明的另一重要实施例和方面包括伴随每个电场传感电极的各自的屏蔽电极，用于使每个电场传感电极与相邻传感电极屏蔽开。
本发明有益地包括了动态对比度增强装置，该装置在操作上与电场传感电极相连并置于传感器集成电路中，用于动态地增强指纹图象输出信号的对比度和均匀度。
可以由与电场传感电极在操作上相连的电容矩阵以及一个用于驱动该电容矩阵的交流(AC)电容矩阵装置提供该动态对比度增强装置。此外，AC电容矩阵驱动装置可以部分地由同步解调器提供。该动态对比度增强装置还可以由操作上与电场传感电极相连的电阻阵列或矩阵构成。
该指纹传感器最好用半导体处理技术来实现，这里，在其上面放置手指的上介电层是含有传感和驱动电极以及伴随的有源电子电路的半导体芯片的上表面暴露部分。具体地说，一个放大器可以在操作上与每个电场传感器电极相连，还提供了多路转换装置用于有选择地读出每个电场传感电极。该传感器最好在一个实施例中还包括封装装置用于容纳基片、有源半导体层、电场传感电极、以及介电层。封装装置最好有一开口，通过它与介电层对准。
本发明的指纹传感器包括一个电场传感电极阵列；所述电传感电极上的一个介电层，所述介电层用于接受与其相邻的手指；以及相干驱动装置，用于向电场传感电极以及手指相邻部分提供相干电场驱动信号，从而使所述电场传感电极产生指纹图象输出信号。
本发明还包括传感指纹和产生指纹图象输出信号的方法，该方法的组成步骤是提供一个电场传感电极阵列，并以一介电层置于所述电场传感电极上供接受与其相邻的手指；以及将一相干电场驱动信号加到所述电场传感电极和手指的邻近部分，从而使所述电场传感电极电极产生一指纹图象输出信号，包括屏蔽所述电场传感电极的步骤，即把各屏蔽电极分别置于包围每个所述电场传感电极的位置，从而使每个电场传感电极与相邻的电场传感电极屏蔽开。
传统上，指纹传感器可以与计算机处理器相接，从而可以简化伴随传感器的电子部件。这样，计算机处理器最好包括话部控制装置，从而只有当确定由保护性安装的指纹传感器所感知的指纹与一受权的参照指纹匹配时才允许对计算机工作站进行操作。该指纹传感器可以是这里描述的电场指纹传感器，或者其他传感器也可以使用。
下面将结合附图通过举例来描述本发明。附图中，
图1是与笔记本计算机相结合的指纹传感器的示意图；图2是与计算机工作站及伴随的信息处理计算机和局域网(LAN)相结合的指纹传感器的示意图；图3是指纹传感器一实施例的示意透视图；图4是传感器的一部分以及上覆的指纹图样的平面示意图，其中一部分被显著放大以使图形清晰；
图5是指纹传感器一部分的显著放大平面图，其中去掉了上部介电层；图6是指纹传感器一部分的示意透视图；图7是指纹传感器一部分的示意片段图；图8为说明电场的部分截面的侧视示意图；图9是指纹传感器一部分的示意电路图；图10是进一步说明电场的放大示意例视图，其中一部分为截面；图11是一个实施例中的指纹传感器及相关电路的示意方框图；图12是另一实施例中的指纹传感器及相关电路的示意方框图；图13是传感器电路的一个实施例的示意方框图；图14是传感器电路的另一个实施例的示意方框图；图15是说明多个传感器单元的示意方框图；图16是指纹传感器信号处理部分的一个实施例的示意方框图；图17是指纹传感器信号处理部分的另一个实施例的示意方框图；图18是指纹传感器信号处理电路的又一个实施例的示意方框图；图19是指纹传感器信号处理部分的又一个实施例的示意电路图；图20是指纹传感器信号处理部分的又一个实施例的电路图，显示出一个电阻矩阵用于动态的对比度放大；图21是指纹传感器信号处理部分的又一个实施例的示意电路图，显示出一个电容矩阵用于动态的对比度放大；图22是指纹传感器组合的一个实施例的示意方框图；图23是指纹传感器组合的另一个实施例的示意方框图；图24是传感器另一方面的示意方框图，用于说明手指位置的近实时定位反馈；图25是一计算机的示意透视图，说明手指位置的近实时定位反馈；图26是一包括指示器指纹传感器的示意透视图，用于说明手指位置的近实时定位反馈。
参考图1-3，指纹传感器30包括一个外壳或外盒51，一个介电层52暴露于外壳的上表面为手指提供了一个放置表面，以及多个信号导线53。围绕介电层52周边的电极导线条54也为手指提供了一个接触电极(对此将在下文中更详细描述)。传感器30可以提供不同复杂程度的输出信号，这取决于处理水平。
指纹传感器30被用于个人识别或确认目的。例如，传感器30可以被用于允许访问一个计算机工作站，例如包括键盘46和相应的折褶式显示屏的笔记本计算机35(图1)。换句话说，只有当首先被感知了所需指纹，才能允许使用者访问笔记本计算机35的信息和程序。
传感器30可以用于允许或拒绝对一个计算相信息系统40的固定工作站41的访问。
该系统可以包括多个这类工作站由局域图(LAN)43相连，它又与一指纹识别服务器43以及总的中央计算机44相连。
现在参考图4-10更详细地描述传感器30。传感器30多个单个象元或传感元件30a，它们被安排成一阵列形式，及或许由图4和图5最好地表现出来。这些传感元件比较小，从而能感知一典型指纹上的脊59和居于基僮的谷60(图4)。如从电场传感器30读出的活指纹读数可以比光学传感器的更可靠，回为构成脊和谷图样的手指皮肤的导电性特别难于模拟。相反，光学传感器可以被容易准备的指纹照片或其他类似图象所蒙骗。
传感器30包括一个基片65，在其上有一个或多个有源半导体层66、一个“地”平板电极层68置于有源层66之上并用绝缘层67与其分离。驱动电极层71置于另一介电层70之上并与一激励驱动放大器74相连。激励驱动信号通常可在约1KHz到1MHz范围内。并且是在整个阵列上相干分送。因此，驱动或激励电子器件便并不复杂，从而可以降低传感器30的总费用，而可靠性却增大了。
另一绝缘层76置于驱动电极层71之上，一个用于演示的环形传感电极78位于绝缘层76之上。如示意图所示，传感电极78可以连于由有源层66构成的传感电子电路73。
在空间关系上，环形屏蔽电极80包围传感电极78。如本行专家易于认识的那样，传感电极78和它周围的屏蔽电极80可以有其他形状，如六边形，以利于紧密安排象元或传感元件阵列30a。屏蔽电极80是一有源屏蔽，它由放大器电路73的部分输出来驱动，以有助于电场能的聚焦，进而以此减少对驱动相邻电极的需要。于是，传感器30允许所有传感元件由一相干驱动信号来驱动，这与先有技术传感器明显不同，先有技术传感器需要单个驱动每个传感电极。
现在参考图8-10，激励电极71对传感电极78产生一个第一电场，在传感电极78和手指表面79之间产生第二电场，各自的间距分别为d1和d2。换句话说，在激励电极71和传感电极78之间确定了第一电容83(图9)，在手指皮肤79和地之间确定了第二电容85。第二电容器85的电容大小取决于传感电极78是否邻近一个脊或谷。因此，传感器30可被模型化为一个电容式分压器。由单位增益电压跟随器或放大器73感知的电压将随着距离d2的变化而变化。
传感元件30a在极低电流和极高阻抗下工作。例如，每个传感电极78的输出信号希望在约5至10毫伏，以减小噪声效应和允许进一步处理信号。每个传感元件30a的大致直径由屏蔽电极80的外缘尺寸决定，可以是直径约为0.002至0.005英寸。激发介电层76和表面介电层54希望有厚度在大约1μm范围。地平板电极68使有源电子装置与激励电极71绝缘。一个较厚的介电层67将减小这二个结构的电容，从而减小驱动激励电极所需电流。通过导线由电极78、80馈给有源电子电路的各种信号可以容易地形成，这会为本技术领域的熟丝人员所理解。所示信号的极性易于改变。
传感器30的总接触面或传感表面希望是大约0.5乘0.5英寸-这是可以容易制造而又仍能提供足够大的表面以精确传感指纹和进行识别的一个尺寸。根据本发明的传感器30还能允许“死掉的”象元或传感元件30a存在。典型的传感器30包括大约256乘256个象元或感元件30a组成的阵列，当然本发明也考虑了其他阵列尺寸。传感器30还可以使用基本上是传统的半导体制作技术一次制作完成，从而显著降低制作费用。
图11是包括所描述的指纹传感器30的设备90的功能分解图。可以把指纹传感设备90构成为提供指纹的一个或多个位移传感，提供图象存在触发器，完成模-数转换，提供完全的图象捕获和图象集成确定，提供对比度放大和归一化，和提供图象二进制化。在图示的实施例中，传感器30连于并行处理器和存储器阵列92，并经由图示的接口91连接控制处理器93。并行处理器92可以提供图象质量和坏块确定；提供边缘增强和平滑和减薄；产生脊流矢量，平滑这些矢量以及产生可能由指纹匹配所希望的脊流特性；识别指纹中心；产生、平滑和净化曲线；以及提供细节识别。图示的控制处理器93可以提供细节登录和匹配，细节存储，产生授权代码，以及通过图示的接口94与主机通信。图示的当地的非易失存储器95也可以包括在设备90中。
图11中的设备90的一个变体曲图12中的设备100显示出来。这一实施例包括传感器和处理电子电路的二芯片结构。设备100包括一个传感器芯片96和一个通过本地存储器总线接口99连接的鉴别器芯片97。在图12所示实施例中还包括一个扫描控制处理器98，其余动能部件与图11中的相同。
参考图13和14会进一步理解对传感器30所检测的信号的解调和初步处理。所示电路110和120二者都希望使用交流激励。此外，传感器上的电压幅值与局部“地平面”的位移成正比，因此，在信号被进一步使用之前应被解调。图13显示的局部比较器112允许控制管理平行A/D转换处理。该处理器能向整个一行或一列象元或传感元件30a提供参考电压序列，并监视SigO线上的传送。可以实现一种顺序近似变换，首先按大步长分步，然后在一较小区间上以逐次精细的步长分步，这对于本行专家是易于理解的。SigO输出可以是一个二进制总线连接，而SigA输出是一个被解调的模拟信号，它能用作模拟参考电压产生电路的一部分。
图14所示电路120有存储器用于同时对全部单元或象元进行局部化对比度增强。对于决策元件，计算可使用模拟比较器112。二进制输出图象可被移出由图中所示馈存器113提供的二进制移位寄存器。另一种作法是，能以传统的存储器阵列寻址来读出输出图象，这是易于为本行专家理解的。由于电路120有它自己的本地存储器，它不需要单独的一组缓存器来存储象元数据。
皮肤电导率的变化及表面污染会引起电场信号的相移。因此，图13和14的处理电子电路110、120最好包括一个同步解调器或检测器111，从而使整个电路对电导率的任何这类变化不那么敏感。
图15示意性地显示了在一个阵列的一部分当中传感器单元或象素30a的相互连接。图中显示出列数据传送线121、行数据传送线122、以及比较器参考线123都连于传感器单元阵列30a。这种相互连接最好按8乘8的传感器单元块来实现。
图16的电路130包括一个电荷耦合装置(CCD)移位寄存器131，移位寄存器131又包括多个单个寄存器135。移位寄存器131的作用是一个有多个分头(tapped)的延迟线，以利于图象信号处理。寄存器135向各A/D转换器132馈送信号，而A/D转换器132在图示块处理器134的控制下工作。传感放大器输出与CCD模拟移位寄存器135相连，每行象元有一个移位寄存器。然后一行数据被移出寄存器，或者送向A/D转换器132，它作为有源转换装置。每个象元如同它到达转换器时那样，被转换器8个二进制位的数字字。转换过程和A/D参考电压都在块处理器控制之下，那里每个块处理器可以控制一行或多行，例如每个处理器16行。利用先前的象元转换所产生的数据来对参考电压进行标度，可以实现有限度的动态对比度补偿；然而，可能仍然需要在流程的下游进行大量的数字图象处理。
图17的电路140与图16的电路类似。在图17中，比较器141在所示块处理器134控制下工作，以提供图象输出信号。
图18描述了信号处理结构的另一个方面。这个电路实施例150与图11所示实施例及以前的描述类似。图18所示电路150包括一个16乘16的传感单元或图象单元30b阵列，这些单元分别被所示行选择数据输入多路转换器151、列选择总线驱动器153、以及比较器参考电压分压器152所寻址和读出。一旦从电场传感电极捕获一个图象并将其数字化，便能从图象中提取出指纹特征。图18显示一个连于多个数字信号处理器92的传感器的高级视图。在这种情况下，一个128×128的象元阵列已被分割成16×16的图象单元30b阵列，这里每个图象单元由一8×8象元阵列构成。
每个图象单元30b有一个单个比较器参考线用于该整个单元。当一个单元30b被扫描时，平行处理器之一管理那个单元30b的参考电压，并对那个单元的所有传感器记录下数字化的信号。在扫描单元30b中的传感器的过程中，处理器能把来自该单元的数据关联起来，以产生在那个单元中的脊流方向的初步估计值。在图中所示实施例中，控制处理器93管传感器信号扫描和数字化，并监督多个平行处理器92，它们完成特征提取和匹配功能。
现在转向图19，图中显示一个4×4处理器矩阵电路180，例如它可以用于指纹细节处理的管道式实现。
电路180包括一个处理器阵列184，一个传感器阵列输入/输出部分181，非易失存储器接器182，以及图中所示的多处理器阵列块和控制单元182。图示电路180可以用于识别和定位指纹的独特细节，以确定被扫描指纹和多个参照指纹之一之间的匹配。处理器184可以将该细节对一组先前存储的参照细节进行匹配，以完成识别处理。当例如作出肯定识别时，电路180可以通过一个主机处理器接口发送一个适当的密码消息来通知一个外部处理器。
一般需要保证在指纹的整个区域上指纹的脊的谷之间有足够的对比度。图20的电路160示意性显示了一个电阻网络或矩阵161，它包括多个彼此相连的电阻162，用于对象元30a阵列提供动态对比度增强。相邻象元的影响被用于归一化每个象元的输出并同时提供足够的对比度。该电路包括一对放大器163、164，用于提供增强了对比度的输出信号。
每个象元的值由比较传感器信号和一参考信号来确定，该参考信号是块参考信号与来自紧邻区域所有传感器的信号的加权平均值之和。方形电阻网络或矩阵同时向每个象元比较器提供必要的加权平的。全局块参考线165最好由台阶形波形驱动，通过监视比较器输出来发现状态变化。每个象元的灰色标度值可以由监视在台阶形波形的哪一级引起象元比较状态变化来确定。
参考图21的电路170可以理解动态对比度增强的一个变体。动态对比度增强也能由连接象元节点174的电容171的阵列172来实现。在这个实施例中，阵列172接收一个由前文较详细描述的同步解调器175驱动的交流信号。电容器171作为AC阻抗网络分配和平均AC信号，其工作方式类似于用于DC(直流)信号的电阻网络161的行为。在这个AC对比度增强电路170中，低通滤波器(在其他实施例中它可能是解调器电路的一部分)被移作比较器177电路部分。电容器阵列172易于用传统的半导体处理技术实现，而且与前文所述电阻阵列实施例相比还具有尺寸较小的优点。
电阻矩阵电路160和电容器矩阵电咱170可以提供图象对比度增强加权。另一种作法是通过下流的软件来进行这种增强，这可能需用较长的时间来完成这一处理。因此，电阻矩阵和电容器矩阵结构能提供更快的总体处理速度。此外，这种在传感器30的初步处理可以允许在一些实施例中把A/D转换从8位AD转换器放宽到1位转换器，但仍然提供高速度和较低成本。例如，在某些应用中，指纹图象处理和确定匹配最好只用几秒钟，以避免使用者感到受了挫折。
参考图22，传感器30可以被包含在一个安全传感器组合体190中。传感器30最好被封装以防止可能压迫芯片或其电接头的弯曲或移动。更具体地说，如本行专家易于理解的那样，总外壳可以包括防破坏外壳191。例如，外壳191可以由硬塑料材料或坚固又抗切割磨损和锯断的材料制成。另一种作法是，外壳191为这样一种材料，如果试图切割、溶化、或其他形式的入侵，则这种材料便互解和破坏其内部电路部件。
传感器组合体190也包括给出的基片195、处理器192、可破坏存储器193、以及密码输出电路194。更具体地说，密码输出电路194提供的输出信号只能被预计的下游装置解密。这种保密技术易于为本行专家理解，可以包括使用各种钥匙、口令、代码等等。美国专利4,410,272、5,337,357、4,993,068以及5,436,972的说明书各披露了各种保密手段。
传感器组合体190的输出可通过电导体引线或插针与相应的下流解密装置通信，或者可以感应地或光学地耦合于相应装置。在密码输出部分可以提供电型或其他类型的保护、以保证数据(诸如存储器193上存储的指纹数据库)不易被外部连线和/或信号控制所读出。
可以把感器30和处理器192构成为能提供任何范围的集成传感器处理特性。例如，密码输出可以是原始图象、处理过的图象、指纹细节数据、是/否匹配指示、或个人识别与数字签名钥匙。
图示的传感器组合体190还包括一个密封材料垫脚196，置于传感器30的上介电层52和外壳191邻近部分之间。本发明也考虑了其他密封结构，以希望在暴露的上介电层和邻近的外壳部分之间提供不透液密封。此外，可以使用清洗常规地清洗窗口和减少窗口沾污。因为各种酒精(如异丙基乙醇)可能被用作清洗液，所以外壳191和密封垫脚196希望是抗这类化学品的。
现在转到图23，图中给出另一种传感器组合体220，这里将讨论关于集成电路线合体的问题和解决办法。指纹传感器集成电路存在特殊的组装困难，因为它必须受被扫描手指的接触。主要关心的污染物是钠和其他碱金属。这些污染物可能在通过用于钝化集成电路的SiO2层中造成流动离子。结果造成的氧化物电荷会降低装置的特性，特别在MOS技术中更是如此。
控制流动离子染污的一种传统手段是使用气密封装，并在集成电路上加上涂磷钝化层。磷涂层以陷井机制减小污染物的流动性。塑料封装现已更加普遍，而氮化硅钝化层可以与塑料封装合用。氮化硅可以大大减小污染物的渗透性，从而允许使用者手指和集成电路直接接触。因此，最好用氮化硅作为指纹传感器钝化层。
本发明中的指纹传感器还提出若干独特的封装要求，包括封装需要开口，使手指能与传感器晶片(die)接触，封装实体应该结实，以能承受粗鲁使用；封装及集成电路晶片应能承受用清洁剂和/或杀菌剂溶液的反复清洗，包括刷擦；晶片应能承受与种类广泛的有机和无机污染物接触，还应能承受磨蚀；最后，封装应比较便宜。
图23所示封装220是解决这些封装问题的。封装220包括一个集成电路晶片221装在一个金属垫片222上，在封装的外围塑料191的熔铸过程中垫片222与引导框架223相连。由焊接线227和引导框架223实现与向外延伸的引出脚228的连接，这些易于为本行专家理解。塑料容器191的上表面包括一个熔铸在一起的开口52，它允许与晶片221的接触。在本实施例中，塑料熔铸部分与邻近的晶片上表面部分之间的粘接造成密封。因此，不需要单独的密封部分或制成步骤。
由于前文强调的原因，集成电路晶片221还可以包括一个氮化硅钝化层224。此外，如图示的传感器封装220所显示的那样，对晶片221可提供第二保护涂层225。涂层224和225都最好是薄的，例如在大约1微米的量级，以保持传感器的灵敏度。外涂层225可以是有机材料，如聚酰亚胺或PTFE(TeflonTM)，它的优点在于抗磨损和物理保护。无机物涂层，如碳化硅或非晶质金刚石，也能用作外层225并能大大增强抗磨损能力，特别是对磨蚀颗粒的抗磨损能力。此外，保护晶片涂层225的材料最好与标准IC图样定义方法兼容，以能进行例如焊接垫片蚀刻。
可以由铝来提供集成电路晶片221的焊接垫片。另一种或许更希望的手段是用全插座密封垫片，这可由电镀实现。为了减小由环状焊线227造成的高度，在本发明的另一实施例(未画出)中晶片221可以直接倒装式焊接。在其他实施例中，传感器封装220可以用带自动焊接技术。
现在回到图22，传感器封装190的另一方面在于例如当外壳191被击破时，存储器198和/或其他集成电路部件会被破坏或变为安全的。可在集成电路晶片上加一材料涂层193，如果该涂层被除掉则使晶片破坏，这是易于为本行专家理解的。存储器193可以在暴露于光线下或支持电流被去掉时自行破坏或清除其内容。本行专家将不难理解其他手段以保证传感器封装190的数据完整性和处理能力。因此，本发明使那些敏感数据(如被授权指纹数据库、密码钥匙、或授权代码)不易被从传感器封装190中偷走。此外，当然希望传感器封装190能容纳电场传感器30。
传感器30及其相应处理电路的各种实施例可以实现多种传统的指纹匹配算法中的任何一个。指纹细节(即指纹脊的分支或分叉以及终止点)常被用于确定样本指纹和参照指纹数据库的匹配。这种细节匹配可以容易地由本发明的处理电路实现，这是易于为本行专家理解的。美国专利3,859,633和3,893,080号说明书是针对基于指纹细节匹配的指纹识别。美国专利4,151,512号说明书描述了使用提取的脊等值线数据进行指纹分类的方法。美国专利4,185,270号说明书披露了也基于细节的编码和确认处理。美国专利5,040,224号说明书披露了一种处理指纹手段，用于正确确定每个指纹图象核心位置供其后的细节图样匹配使用。
因为由上述本发明的传感器30及相关电路能提供较快且有效的指纹图象处理，使用者可以近实时地得到关于他的手指在指纹传感器(如图中所示电场传感器30)上位置的反馈信息。因此，使用者可以迅速而准确地重新放置他的手指、使他被准确识别、并迅速转向他要进行的任务。在过去对使用者只给出简单的“去”或“不去”的指示，如在美国专利4,947,443号说明书中所描述的那样，而且这种指示多半需要较长的时间。除非这种指示能在几秒钟内给出，否则，在以后的时间里使用者的受挫情绪会急剧增长。再有，简单的“去/不去”指示只会促使使用者再试下去，而没有对于是什么造成了“不去”指示给出任何有用的指导。
设备200(图24所示)包括一个指纹传感器30，它在操作上与图象处理器201相连。沿着如前面讨论的顺序，图象处理器201可以包括有多个分头的延迟线或其他功能性中心点计算器202，用于由被感知的指纹确定中心点，这对本行专家是易于理解的。该中心点相对于预定参照中心点的位置可以确定，并可通过位置指示器203向使用者提供指示。还可进一步分析图象，而且如果施加的手指压力太大或太少，则也会向使用者给出这类指示。因此，会显著的减小潜在的使用者受挫情绪。如果重定位和/或改变压力无效，例如经过预定的试验次数之后，也会有效地通知使用者需要清洗传感器。
现在转向图25，进一步描述如何具体实现位置反馈传感和指示，如在一计算机工作站(例如所示的笔记本计算机35，包括键盘36和显示器37)上应用的那样。
指纹传感器30接收使用者的指纹。计算机处理器与指纹传感器30一起在显示器37的窗口图象207上产生该指纹图象206及其中心点205的显示。该显示还包括一个目标中心点208以协助使用者重定位他的手指以便准确读取。
除了可见的图象指示外，还可以由显示给出进一步的指示“向上移动”和“向左移动”等词语以及图示的相应方向箭头。也可给出关于所希望压力的指示，如所示词语“增大压力”。
还有另一种信息反馈和压力指示，其形式是由装在计算机机箱内的扬声器39发出合成的语音信息，例如，合成语音信息包括通知“向上向左移动手指”和“增加手指压力”。
进一步参考图26的设备210，可以理解手指位置反馈传感和指示的另一个实施例。在这个实施例中，传感器30用于操作一个访问控制器211，它又可以操作例如一个门以允许适当识别出的使用者进入。可提供一种LED方式的简单可见指示212和213。分别用于指示向上向下运动和向左向右运动，以此指示使用者适当地定位或再定位他的手指。图示的实施例还包括多个LED 214用于指示压力。
一个指纹传感器包括一个电场传感电极阵列，在传感电极上的介电层用以接受邻近的手指，一个驱动器用于对传感电极及手指的邻近部分加以电场驱动信号Q，从而使传感电极产生指纹图象输出信号，该驱动器对阵列提供一相干驱动信号。每个电场传感电极伴有单独的屏蔽电极，以使每个电场传感电极与相邻的传感电极屏蔽开。指纹传感器包括一个同步解调器和对比度增强器，以便得到精确的输出图象信号。
权利要求
1.一种指纹传感器，包括电场传感器电极阵列；在所述电场传感器电极上的介电层，所述介电层用于接受邻近其上的手指；以及相干驱动装置，用于向所述电场传感电极及手指的邻近部分提供相干电场驱动信号，从而使所述电场传感电极产生指纹图象输出信号。
2.如权利要求1的所述指纹传感器，其中所述相干驱动装置包括与所述电场传感电极相邻的一个驱动电极；在所述驱动电极和所述电场传感电极之间的第二介电层；一驱动电路用于向所述驱动电极供电，以产生具有预定频率的相干电场驱动信号，以及向一个手指电极供电，该手指电流位于所述介电层邻近以与手指接触。
3.如权利要求1或2所述的指纹传感器，其中每个所述电场传感电极伴有一个单独的屏蔽电极用以将每个电场传感电极与邻近的传感电极屏蔽开，而且每个屏蔽电极构成一个围绕各自电场传感电极的导电层，并以一介电层介于二者之间，以一有源屏蔽驱动装置有源驱动每个所述屏蔽电极，最好是所述有源屏蔽驱动装置包括一个放大器，该放大器在操作上与每个电场传感电极及相应的屏蔽电极相连，从而用所述放大器输出信号的一部分来驱动屏蔽电极。
4.如权利要求1至3之一所述的指纹传感器，其中同步解调器装置操作上与所述电场传感电极相连，用于同步解调由其产生的信号，动态对比度增强装置操作上与所述电场传感电极相连以动态地增强指纹图象输出信号的对比度和均匀性，其中所述动态对比度增强装置的构成是与所述电场传感电极操作上相连的电容器矩阵；以及交流电容器矩阵驱动装置以驱动所述电容器矩阵。
5.如权利要求1至4之一所述的指纹传感器，其中所述交流电容器矩阵驱动装置包括一个同步解调器，所述动态对比度增强装置包括一个电阻矩阵操作上与所述电场传感电极相连、一个放大器操作上与所述电场传感电极相连、多路转换装置以有选择地读每个所述电场传感电极，包括一个片基；以及在所述片基上的有源半导体层，构成操作上与所述电场传感电极相连的多个半导体装置。
6.如权利要求5的指纹传感器，包括封装装置以封装所述片基、所述有源半导体层、所述电场传感电极、所述介电层；其中所述封装装置有一开口对准所述介电层。
7.一种指纹传感器，包括一个电场传感器电极阵列；一个在所述电场传感电极上的介电层，所述介电层用于接受其上的邻近手指；与每个所述电场传感电极相伴的单个屏蔽电极，用于把每个电场传感电极与邻近的电场传感电极屏蔽开；以及驱动装置，用于将一电场驱动信号加到所述电场传感电极和手指的邻近部分，以使所述电场传感电极产生指纹图象输出信号，每个屏蔽电极有一导电层包围各自的电场传感电极并以介电层置于二者之间。所述驱动装置包括有源屏蔽驱动装置用以有源驱动每个所述屏蔽电极，其中所述有源屏蔽驱动装置包括一个放大器在操作上与每个电场传感电极及相关的屏蔽电极相连，从而以放大器输出信号的一部分来驱动屏蔽电极。
8.如权利要求7的所述指纹传感器，其中所述驱动装置包括与所述电场传感电极相邻的驱动电极；在所述驱动电极和所述电场传感电极之间的第二介电层；以及一个驱动电路用于向所述驱动电极供电以产生具有预定频率的电场驱动信号，一个手指电极位于所述介电层邻近以与手指接触，一个同步解调器装置操作上与所述电场传感电极相连，用于同步解调由其产生的信号，一个动态对比度增强装置操作上与所述电场传感电极相连以动态地增加指纹图象输出信号的对比度和均匀性，其所述动态对比度增强装置包括与所述电场传感电极操作上相连的电容器矩阵；交流电容器矩阵驱动装置以驱动所述电容器矩阵，所述交流电容器矩阵驱动装置包括一个同步解调器，所述动态对比度增强装置包括一个与所述电场传感电极操作上相连的电阻矩阵。
9.一种指纹传感器，包括一个片基；一个电场传感电极阵列；一个在所述电场传感电极上的介电层，所述介电层用于接受其上的邻近手指；一个驱动装置用于向所述电场传感电极和手指的相邻部分提供电场驱动信号，以使所述电场传感电极产生指纹图象输出信号；以及邻近片基并在操作上与所述电场传感电极相连的对比度增强装置，用以增强指纹图象输出信号的对比度，所述对比度增强装置构成动态对比度增强装置以动态地增强指纹图象输出信号的对比度和均匀性，所述动态对比度增强装置的构成是与所述电场传感电极操作上相连的电容器矩阵；以及交流电容器矩阵驱动装置以驱动所述电容器矩阵，所述交流电容器矩阵驱动装置包括一个同步解调器，所述动态对比度增强装置包括一个与所述电场传感电极相连的电阻矩阵，其中所述驱动装置的构成是邻近所述电场传感电极的驱动电极；在所述驱动电极和所述电场传感电极之间的第二介电层；以及一个驱动电路用于给所述驱动电极供电以产生有预定频率的电场驱动信号，以及向一个手指电极供电，该手指电极位于所述介电层邻近以与手指接触。
10.如权利要求9所述的指纹传感器，包括单独的屏蔽电极伴随每个所述电场传感电极，以使每个电场传感电极与邻近的传感电极屏蔽开，有源屏蔽驱动装置以有源驱动所述每个屏蔽电极，同步解调器装置操作上与所述电场传感电极相连以同步解调从中产生的信号，以及封装装置用于封装所述片基、所述电场传感电极、所述对比度增强装置以及所述介电层；这里所述封装装置有一开口对准所述介电层。
11.一种计算机工作站，包括机箱；位于所述机箱内的计算机处理器；操作上与所述计算机处理器相连的显示器；操作上与所述这机处理器相连的键盘；以及指纹传感器装置在操作上与所述计算机处理器相连并安装在所述机箱内以此保护该装置，所述指纹传感器装置包括一个通过所述机箱上的一个开口暴露出来的指纹传感表面；所述计算机处理器包括访问控制装置，用于只在确定由所述传感器装置送出的指纹与一被授权参照指纹匹配时才允许操作计算机工作站，其中所述指纹传感器装置由一个电场指纹传感器构成，包括一个电场传感电极阵列，一个在所述电场传感电极上的介电层，所述介电层用于接受与其相邻的手指；以及驱动装置，用于向所述电场传感电极及手指的相邻部分提供电场驱动信号，从而使所述电场传感电极产生指纹图象输出信号。
12.如权利要求11所述的计算机工作站，其中所述驱动装置包括一个邻近所述电场传感电极的驱动电极；介于所述驱动电极和所述电场传感电极之间的第二介电层；一个相干驱动电路给所述驱动电极供电以产生有预定频率的相干电场驱动信号，伴随每个电场传感电极的单独屏蔽电极以把每个电场传感电极与邻近的传感电极屏蔽开，有源屏蔽驱动装置用于有源驱动每个所述屏蔽电极，同步解调器装置操作上与所述电场传感装置相连以同步解调由其产生的信号，以及动态对比度增强装置操作上与所述电场传感电极相连，以动态地增强指纹图象输出信号的对比度和均匀性。
13.一种检测指纹和产生指纹图象输出信号的方法，该方法包括如下步骤提供一个电场传感电极阵列，并在所述电场传感电极上有一介电层以接受与其相邻的手指；以及对所述电场传感电极及手指邻近部分加一相干电场驱动信号，从而使所述电场传感电极产生一指纹图象输出信号，包括屏蔽所述电场传感器电极的步骤，作法是将单独的屏蔽电极分别置于每个电场传感电极周围，以把每个电场传感电极与相邻的电场传感电极屏蔽开。
14.如权利要求13所述的方法，包括由伴随每个电场传感电极的放大器的一部分输出信号有源驱动每个所述屏蔽电极的步骤，同步地解调来自所述电场传感电极的信号的步骤，以及动态增强指纹图象输出信号对比度和均匀性的步骤。
15.如权利要求13和14所述的检测指纹和产生指纹图象输出信号的方法，其中该方法包括以下步骤提供一个电场传感电极阵列，在所述电场传感电极上有一介电层以接受与其邻近的手指；对所述电场传感电极及手指邻近部分加一电场驱动信号，从而使所述电场传感电极产生一个指纹图象输出信号；以及将单独的屏蔽电极分别置于每个电场传感电极周围以屏蔽所述电场传感电极，从而使每个电场传感电极与邻近的传感电极屏蔽开，包括由伴随每个电场传感电极的放大器的一部分输出信号有源驱动每个所述屏蔽电极的步骤。
16.一种检测指纹和产生指纹图象输出信号的方法，该方法包括如下步骤提供一个电场传感电极阵列，在所述电场传感电极上有一介电层以接受与其邻近的手指，还有一个带开关的电容器阵列操作上与所述电场传感电极相连；对所述电场传感电极及手指邻近部分加一电场驱动信号，从而使所述电场传感电极产生一指纹图象输出信号；以及将一交流驱动信号加到操作上与所述电场传感电极相连的电容器矩阵，以此增强指纹图象输出信号的对比度和均匀性，其中将一交流驱动信号加到电容器矩阵上的步骤是把所述传感电极的同步解调输出加到电容器矩阵上。
全文摘要
本发明的指纹传感器包括一个电场传感电极阵列，在传感电极上的介电层用以接受邻近的手指，一个驱动器用于对传感电极及手指的邻近部分加以电场驱动信号，从而使传感电极产生指纹图象输出信号，该驱动器对阵列提供一相干驱动信号。每个电场传感电极伴有单独的屏蔽电极，以使每个电场传感电极与相邻的传感电极屏蔽开。指纹传感器包括一个同步解调器和对比度增强器，以便得到更精确的输出图象信号。
文档编号G06K9/00GK1164075SQ9710230
公开日1997年11月5日 申请日期1997年1月20日 优先权日1996年1月26日
发明者戴勒·R·塞特拉克 申请人:哈里公司