เซ็นเซอร์ เครื่องสแกนลายนิ้วมือ บนชิปเดี่ยว (ต่อ)

พิกเซล (IDENTIFYING PIXEL)

การจัดเรียงของพิกเซล(identifying pixel)ใช้ pixel-parallel image processing  กรณีที่ประมวลผลเยอะ แต่ละอุปกรณ์ประมวลผลในพิกเซล(identifying pixel) ต้องทำการประมวลผลภาพบนข้อมูลตัวเลขฐานสองเพื่อความรวดเร็วในการทำงานของ เครื่องสแกนลายนิ้วมือ ดังนั้น พิกเซล(identifying pixel)  ต้องเป็นดังนี้

 

  • เก็บตัวข้อมูลตัวเลขฐานสองของภาพลายนิ้วมือเป็นแม่แบบผู้ใช้งาน
  • สัมผัสรูปร่างลายนิ้วมือและสร้างภาพลายนิ้วมือ
  • ทำให้ภาพที่สัมผัส(sensed image) ให้เป็นข้อมูลตัวเลขฐานสองสำหรับการประมวลผลดิจิตอล
  • ย้ายภาพเพื่อยอมรับการเปลี่ยนแปลงของตำแหน่งนิ้วมือ
  • เปรียบเทียบข้อมูลตัวเลขด้วยตัวเลขแม่แบบและถ่ายทอดผลลัพธ์ไปยังตัวควบคุม

พิกเซล(identifying pixel)ที่สร้างขึ้นใหม่เพื่อควบคุมฟังก์ชั่นนี้ทั้งหมด ขณะยังคงเป็นพิกเซลขนาดเล็ก พิกเซล(identifying pixel)สร้างขึ้นมาจากแผ่นเซ็นเซอร์, sensing circuit , ความจำฐานสอง และprocessing circuit ดังที่แสดงในแผนภาพที่ 4

fingerprint-sensor-chip-4

ความจำจะเก็บตัวเลขฐานสองของภาพลายนิ้วมือแม่แบบผู้ใช้งานจาก PC ภายนอกจากการสมัคร แผ่นเซ็นเซอร์ แผ่นเซ็นเซอร์คืออุปกรณ์ตรวจจับลายนิ้วมือและถูกสร้างอยู่บนอุปกรณ์ประมวลผลในแต่ละพิกเซล แผ่นเซ็นเซอร์ที่ซ้อนกันเหนือวงจรทางตรรกะ( ใช้ตัวแปรค่า 2 สภาวะ คอมพิวเตอร์ทำงานเป็นสภาวะ“0”-“1”) ทำให้การรวมกันแนวดิ่งของอุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์ประมวลผลในพิกเซลสำเร็จขณะที่อุปกรณ์ตรวจจับมีขนาดใหญ่และความหนาแน่นพิกเซลของภาพสูง sensing circuit จะเชื่อมต่อกับแผ่นเซ็นเซอร์และตรวจสอบลายนิ้วมือบนแผ่นนั้น เพื่อยับยั้งอิทธิพลของประจุแฝงdifferential charge-transfer amplifier technique ถูกนำมาใช้ใน sensing circuitเมื่อนิ้วมือแตะชิป ปริมาณประจุไฟฟ้า(capacitance) ถูกสร้างขึ้นระหว่างผิวหน้าของนิ้วมือและแผ่นเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างทั้งสองและสะท้อนให้เห็นถึงรูปร่างนิ้วมือ หลังจากที่ sensing circuit เปลี่ยนการสัมผัสให้เป็นสัญญาณดิจิตอลฐานสอง(1-bit) บ่งบอกว่าจุดสัมผัสเป็นเส้น(ridge)หรือช่องว่าง(valley) และได้ผลลัพธ์ออกมาวงจรประมวลผลทำกระบวนการภาพสอดคล้องกับสัญญาณควบคุมจากตัวควบคุม ซึ่งเชื่อมต่อกับ sensing circuit และความจำ และได้รับข้อมูลมาเพื่อเปรียบเทียบตัวเลขภาพสัมผัส(sensed image)ด้วยตัวเลขภาพแม่แบบที่เก็บในความจำ ผลการเปรียบเทียบส่งไปยังตัวควบคุมเพื่อประเมินอัตราส่วนการจับคู่ วงจรประมวลผลยังเชื่อมต่อกับพิกเซลข้างเคียงเพื่อสื่อสารตัวเลขพิกเซล การสื่อสารระหว่างพิกเซลข้างเคียงทำให้เคลื่อนย้ายภาพลายนิ้วมือได้

fingerprint-sensor-chip-5

ภาพที่ 5 แสดงแผนภาพวงจรของพิกเซล(identifying pixel)

ประกอบด้วย sensing circuit, ความจำ และวงจรประมวลผลซึ่งบรรจุ ตัวเลือก(selector) ตัวบันทึก(register)และตัวเปรียบเทียบสัญญาณ(comparator)ในวงจรประมวลผล ตัวเลือกที่นำเข้าสัญญาณจาก sensing circuit และพิกเซลข้างเคียง จะเลือกสัญญาณนำเข้าที่สอดคล้องกับสัญญาณควบคุมจากตัวควบคุมและนำสัญญาณไปยังตัวบันทึก การบันทึกจะเก็บสัญญาณจากตัวเลือกด้วยสัญญาณควบคุมและนำข้อมูลออกไปยังตัวเปรียบเทียบสัญญาณและพิกเซลข้างเคียง ถ้าพิกเซลทั้งหมดถ่ายโอนข้อมูลที่เก็บไว้ไปยังพิกเซลข้างเคียงในทิศทางเดียวกัน ภาพลายนิ้วมือที่เก็บไว้สามารถถูกย้ายได้ ทิศทางนี้ขึ้นอยู่กับการเลือกสัญญาณของตัวเลือก ตัวเปรียบเทียบจะเปรียบเทียบการสัมผัสและตัวเลขภาพที่ย้ายด้วยตัวเลขภาพแม่แบบที่เก็บไว้ในความจำแบะส่งผลการเปรียบเทียบไปยังตัวควบคุมวงจรความจำเก็บตัวเลขพิกเซลของลายนิ้วมือแม่แบบผู้ใช้งาน และเชื่อมต่อกับตัวเปรียบเทียบ และยังเชื่อมต่อกับตัวบันทึกผ่านวงจรสลับ(switch circuit) พิกเซลหนึ่งในการจัดเรียงเชื่อมต่อกับตัวควบคุม ในการสมัคร ตัวควบคุมจะส่งตัวเลขแม่แบบมายังพิกเซลนี้และหลังจากนั้นตัวเลขก็ถ่ายทอดจากพิกเซลหนึ่งไปยังอีกพิกเซลหนึ่งที่อยู่ข้างเคียงโดยวิธีการเคลื่อนย้ายภาพ ผลคือ ข้อมูลแม่แบบผู้ใช้งานครอบคลุมตัวสมัครของพิกเซลทั้งหมด เมื่อวงจรสลับเปิด ตัวสมัครจะบันทึกการถ่ายโอนตัวเลขแม่แบบไปสู่วงจรความจำ จากข้างต้น พิกเซล(identifyingpixel)สามารถทำทุกฟังก์ชั่นที่ต้องการสำหรับกระบวนการพิสูจน์ลายนิ้วมือ การจัดเรียงพิกเซล(identifying pixel)ทำให้วิธีประมวลผลแบบขนาน( pixel parallel processing) ใช้งานได้สำหรับการพิสูจน์ลายนิ้วมือและทำให้เซ็นเซอร์ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ในชิปขนาดเล็กสำเร็จ และกระบวนการที่มีความเร็วสูงและใช้พลังงานต่ำสำเร็จ

โครงสร้างเซ็นเซอร์ เครื่องสแกนลายนิ้วมือ

เซ็นเซอร์ลายนิ้วมือ solid-state นั้นเพียงผู้ใช้งานแตะที่ชิปโดยตรง และอุปกรณ์ตรวจจับค้นหาปริมาณประจุไฟฟ้า ในสถาปัตยกรรมพิกเซล(identifying pixel) อุปกรณ์ตรวจสอบถูกสร้างอยู่บนวงจรตรรกะ เซ็นเซอร์และวงจรตรรกะไวต่อการทำลายหลายๆชนิด Electrostatic discharge (ESD) อาจจะทำลายวงจร และการรบกวนจากปริมาณประจุไฟฟ้า ระหว่างเซ็นเซอร์อาจทำให้ภาพลายนิ้วมือแย่ลง เพื่อแก้ปัญหานี้ถึงได้สร้างโครงสร้างเซ็นเซอร์ใหม่

fingerprint-sensor-chip-6

ภาพที่ 6 เป็นภาพตัดขวางของพิกเซล (identifying pixel)

แผ่นเซ็นเซอร์วางอยู่บนวงจรตรรกะ ซึ่งสร้างขึ้นจากการสัมผัส(sensing,) ความจำ และวงจรประมวลผล เมื่อนิ้วมือสัมผัสกับชิป ปริมาณประจุไฟฟ้าระหว่างแผ่นเซ็นเซอร์และนิ้วมือคือเส้นหรือช่องว่างอย่างใดอย่างหนึ่ง ปริมาณประจุไฟฟ้านี้ถูกตรวจสอบและทำให้เป็นตัวเลขฐานสองจากวงจรสัมผัส(sensing circuits)โดยตรงใต้แผ่นเซ็นเซอร์แต่ละแผ่นเซ็นเซอร์ล้อมรอบไปด้วย wall lattice-like และอันนี้นี้ยังเปิดผิวหน้าชิปและเชื่อมต่อกับพื้น มันป้องกันสิ่งที่ออกมาจากนิ้วมือเพื่อป้องกันวงจรจากไฟฟ้าสถิตที่ปล่อยออกมา และเพื่อขจัดความผันผวนในการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า ผนังทำมาจากทองแดงและห่อหุ้มด้วยธาตุ ruthenium ซึ่ง ruthenium นี้รู้จักกันดีในฐานะเป็นวัสดุสัมผัสที่ป้องกันการเกิดออกซิเดชันของทองแดง ผนังยังป้องกันเซ็นเซอร์จากเซ็นเซอร์ข้างเคียง ลดการรบกวนจากปริมาณประจุไฟฟ้าที่เชื่อมต่อและปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน(signal-to-noise) ของsensingเพื่อป้องกันผิวหน้าของชิปและวงจรตรรกะจากการทำลายทางกายภาพและทางเคมี เซ็นเซอร์จึงหุ้มด้วยฟิล์มป้องกัน(hardpassivation film) ซึ่งเป็นชนิดของโพลิไมด์ ฟิล์มนี้ดูดซึมความชื้นได้น้อยกว่าฟิล์มโพลิไมด์ทั่วไป

การนำไปปฏิบัติ

เพื่อทดสอบความมีประสิทธิภาพของสถาปัตยกรรม การทดสอบชิปใช้ CMOS มาตรฐานขนาด0.5- ?m  กระบวนการ CMOS three metal ในการรวมกับกระบวนการ

fingerprint-sensor-chip-7

ภาพที่ 7 เป็นภาพระดับจุลภาคของชิป ขนาดพื้นผิว คือ 15?15 mm2 และพื้นที่เซ็นเซอร์เท่ากับ 10.1?13.5 mm2  ขนาดคือ 124?166 พิกเซล และมี 20584 พิกเซล(identifying pixel) แต่ละพิกเซลมีขนาดสี่เหลี่ยม 81.6 ?m บรรจุ MOSFET 158 ตัว แผ่นเซ็นเซอร์ที่สร้างเหนือ transistors มีขนาดสี่เหลี่ยม 63.2 ?m ความหนาแน่นพิกเซลภาพลายนิ้วมือคือ 311 dpi และชิปยังมี 6.5-Kgate embedded controller และความจำโปรแกรม  16-Kbit ความจำนี้เก็บเฉพาะโปรแกรมสำหรับตัวควบคุม

fingerprint-sensor-chip-8
 ภาพที่ 8 แสดงวงจรสัมผัส ความจำ และวงจรประมวลผล ซึ่งประกอบจาก ตัวสมัคร ตัวเปรียบเทียบ ตัวเลือก และ bus driver เหล่านี้จัดเตรียมมาในพิกเซล(identifying pixel) แผ่นเซ็นเซอร์และ ground wall สร้างบนวงจรนี้ ในแผนผังนี้อุปกรณ์วงจร เช่น ทรานซิสเตอร์ เส้น ถูกวางเหมือนกันในพิกเซลเพื่อทำให้แผ่นเซ็นเซอร์แบนและทำให้ผลลัพธ์ชัดเจนขึ้น

fingerprint-sensor-chip-9

ภาพที่ 9 แสดงภาพระดับจุลภาคจากกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องกราดของการจัดเรียงพิกเซลและพิกเซลเฉพาะ ภาพด้านบนของพิกเซล(identifying pixel)แสดงในภาพที่ 9(a) เป็นภาพที่ชัดเจนเมื่อแต่ละพิกเซลที่ล้อมรอบด้วย ground wall ภาพที่ 9(b) เป็นภาพตัดขวางของพิกเซล(identifying pixel) จะเห็นว่าแผ่นเซ็นเซอร์และ ground wall ถูกสร้างเหนือวงจรตรรกะ และแผ่นเซ็นเซอร์ได้รับการปกป้องจาก ground wallเพื่อที่จะรับรองความมีประสิทธิภาพของสถาปัตยกรรม ชิปเซ็นเซอร์ลายนิ้วมือถูกออกแบบมาโดยการใช้ชิปฝังเซ็นเซอร์ และสถาปัตยกรรมพิกเซลฝังเซ็นเซอร์ ซึ่งใช้โดยทั่วไปในชิปรับภาพ

fingerprint-sensor-chip-10

ภาพที่ 10 แสดงการลักษณะของชิปนี้ สถาปัตยกรรมชิปที่ฝังเซ็นเซอร์มีการเปลี่ยนแปลงของขนาดชิปและพื้นที่เซ็นเซอร์  เซ็นเซอร์ที่มีความหนาแน่นพิกเซลสูงและไวต่อสิ่งกระตุ้นสูงสามารถถูกปลอมได้ แต่การขยายพื้นที่เซ็นเซอร์เป็นการเพิ่มขนาดชิปอย่างมาก เมื่อวงจรสำหรับหน่วยประมวลผลได้ถูกปลอมเหมือนกันกับที่อยู่ในชิปปลอมที่สร้างขึ้น และพารามิเตอร์ขนาดแผ่นเซ็นเซอร์ซึ่งเป็นขนาดของแผ่นเซ็นเซอร์ ความหนาแน่นพิกเซลของภาพ และพื้นที่เซ็นเซอร์ก็ก็เหมือนในชิปทดสอบปลอมที่สร้างขึ้น โดยชิปปลอมที่สร้างขึ้นมีขนาดเล็กกว่าชิปที่ฝังเซ็นเซอร์ 38% ดังที่แสดงในภาพ 10(a) สถาปัตยกรรมที่นำเสนอนี้สามารถขยายพื้นที่เซ็นเซอร์โดยไม่ต้องเพิ่มขนาดชิปในอีกแง่หนึ่งสถาปัตยกรรม sensor-embedded-pixel มีการเปลี่ยนแปลงขนาดแผ่นเซ็นเซอร์และความหนาแน่นพิกเซลของภาพ พื้นที่เซ็นเซอร์ชนาดใหญ่และชิปขนาดเล็กยังสัมฤทธิผล แต่การขยายแผ่นเซ็นเซอร์เพื่อให้ไวต่อสิ่งกระตุ้นมากขึ้น ลดความหนาแน่นพิกเซลของภาพลายนิ้วมือ ภาพที่ 10(b) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นพิกเซลของภาพและขนาดแผ่นเซ็นเซอร์ เมื่อแผ่นเซ็นเซอร์และพื้นที่เซ็นเซอร์ถูกปลอมเหมือนในการทดสอบชิปปลอม และชิปทั้งคู่มีขนาดเท่ากัน ความหนาแน่นพิกเซลของชิปปลอมถูกจำกัดที่ 311 dpi เพราะขนาดพิกเซลเป็นผลจากอุปกรณ์ประมวลผลใต้แผ่นเซ็นเซอร์เมื่อแผ่นเซ็นเซอร์มีขนาดเล็กกว่าอุปกรณ์ประมวลผล ความหนาแน่นของพิกเซลภาพของชิปปลอมคือ 40% สูงกว่าชิป sensor-embedded-pixel สถาปัตยกรรมชิปที่เสนอนั้นสามารถทำให้ความหนาแน่นของพิกเซลภาพและความไวเซ็นเซอร์มากขึ้น

ผลการทดลอง

fingerprint-sensor-chip-11

ภาพที่ 11 แสดงภาพลายนิ้วมือที่อยู่ในรูปของข้อมูลฐานสอง(ภาพขาวดำ) บรรจุด้วย sensing circuits โดยไม่มีการประมวลผลภาพที่เพิ่มขึ้นเป็นการยืนยันว่าเซ็นเซอร์และ sensing circuit ของ เครื่องสแกนนิ้วมือ สามารถรับรู้และแปลงภายลายนิ้วมือเป็นข้อมูลฐานสองsensing circuit สร้างภาพฐานสองใช้เวลาประมาณ 2ms การระบุตัวตนด้วยลายนิ้วมือที่ด้วยการเปรียบเทียบและการย้ายภาพถูกทำซ้ำหลายครั้ง และเสร็จสมบูรณ์ภายใน 100 ms เวลาทั้งหมดเท่ากับ 102 ms การระบุตัวตนนี้ต้องการ 200 ล้านการปฎิบัติการ ดังนั้นประสิทธิภาพการประมวลผลของเครื่องตรวจสอบ pixel-parallel มากกว่า 2 GOPS การใช้พลังงานเท่ากับ 2.6 mW สำหรับการรับรู้(sensing) และการแปลงภาพ(binarizing) และใช้พลังงาน 6.2 mW สำหรับการระบุตัวตน และที่การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า 3.3 V ในการวัดการรับรู้และการพิสูจน์มีประสิทธิภาพที่ในอัตราเสี่ยววนาที ดังนั้น การใช้พลังงานของการรับรู้แบะแปลงภาพคือ 2.6 mJและของการระบุตัวตนเท่ากับ 6.2 mJ ที่แรงดัน 3.3 V ซึ่งใช้พลังงานน้อยกว่ามากจากการประกอบทั่วไปของ sensor,processor และ memory chipsเพื่อตัดสินความแม่นยำของการระบุตัวตนเราทดสอบ 500 ครั้ง แนะนำให้วางแผ่นเซ็นเซอร์บนชิปเพื่อช่วยให้วางนิ้วมือในตำแหน่งเดิม ในการระบุตัวตนแต่ละครั้ง จะรับรู้(sense) 5 ภาพเพื่อให้ได้ภาพที่ดี และอัตราการปฏิเสธคนแปลกหน้าน้อยกว่า 1%. ผลการทดลองนี้ยืนยันว่าสถาปัตยกรรมใหม่นี้เหมาะสมในการยืนยันตัวตนในอุปกรณ์ขนาดเล็ก ลักษณะชิปสรุปใน ตารางที่ 7 สรุป สถาปัตยกรรมฃิปทำให้เซ็นเซอร์ลายนิ้วมือและเครื่องตรวจสอบสามารถรวมกันได้บนชิปเดี่ยว ลักษณะสำคัญคือสถาปัตยกรรมพิกเซลที่รวมอุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์ประมวลผลโดยการซ้อนกันโดยไม่ต้องเพิ่มขนาดเซ็นเซอร์ ทำให้มีอุปกรณ์ตรวจจับที่ไว้ต่อการกระตุ้นสูงที่วางเหนืออุปกรณ์ประมวลผลขณะที่ยังได้ความหนาแน่นพิกเซลของภาพสูง แต่ละพิกเซลล้อมรอบด้วย ground wall เพื่อป้องกัน noise และ ground wallยังวางอยู่บนผิวหน้าชิปเพื่อป้องกันความเสียหายจากไฟฟ้าสถิต แผ่นเซ็นเซอร์คลุมด้วยฟิล์มแข็งเพื่อป้องกันการทำให้เสียหายจากทางกายภาพและทางเคมี และทนทนต่อเงื่อนไขการปฏิบัติการ low-noise เมื่อพิกเซล(identifying pixel)ถูกสร้างไม่ใช่แค่ผิวหน้าประกอบด้วยแผ่นเซ็นเซอร์(sensing plate) แต่วงจรไฟฟ้าที่อยู่ข้างล่างยังทำฟังก์ชันรับรู้(sensing)และฟังก์ชันการพิสูจน์ ชิปทดสอบถูกสร้างในกระบวนการ CMOS ขนาด 0.5- µm ด้วยกระบวนการเซ็นซอร์ ผลการทดลองพิสูจน์ถึงประสิทธิภาพของสถาปัตยกรรม ทำให้เซ็นเซอร์ลายนิ้วมือและเครื่องตรวจสอบรวมกันได้บนชิปเดี่ยว และแนะนำสำหรับการยืนยันตัวตน สำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่

Sensor เครื่องสแกนลายนิ้วมือแบบ ชิปเดี่ยว ตอนที่ 1

Tags: finger scan, เครื่องสแกนลายนิ้วมือ, Fingerprint scanner, เครื่องสแกนนิ้ว, fingerscan, เครื่องสแกนนิ้วมือ

 Print  Email