專利名稱：圖像檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種圖像檢測裝置，特別是，涉及利用在指尖內(nèi)部散射、從指尖表面射出的指內(nèi)散射光的方式，且具有受光元件排成一列的線型光傳感器、使指尖滑動而采取指紋的結(jié)構的圖像檢測裝置。
背景技術：
近年來，從保安的觀點來看，在計算機等電子設備、便攜式電話等便攜式通信設備中，為了進行個人認證，需要具有指紋傳感器來作為識別手指指紋的圖像檢測裝置。這里，作為指紋傳感器，除了可靠性充分，制造成本低之外，為了安裝于便攜式通信設備那種小型設備內(nèi)，要求尺寸盡可能小。
作為圖像檢測裝置之一的光學式指紋傳感器，大致被區(qū)別為如圖11(A)所示，利用在手指表面反射的光之方式，以及，如圖11(B)所示，利用在手指內(nèi)部散射、從手指表面射出的指內(nèi)散射光之方式。1是手指尖，2是玻璃板，3是作為照明光源的發(fā)光二極管，4是光傳感器，10是投射光。11是在手指表面反射的反射光，12是指內(nèi)散射的光，13是從手指表面射出的指內(nèi)散射光。利用反射光的方式，隨著指尖是濕的狀態(tài)或干燥狀態(tài)，所獲取的指紋的圖象之差異變大，因此，為了獲取能夠進行指紋認證的質(zhì)量的圖象，需要復雜的圖象處理，需要特殊的處理器，從而很難抑制制造成本使其低廉。利用指內(nèi)散射光的方法，無論手指是濕的狀態(tài)還是干的狀態(tài)，都不受其影響，能夠獲取優(yōu)良質(zhì)量的指紋圖象，因此，圖象處理簡單，通常的處理器就夠了，能夠?qū)⒅圃斐杀疽种频幂^低。手指的折射率大約為1.5-1.7。(專利文獻1美國專利No.4932776號公報)上述公報的指紋傳感器，雖然是利用指內(nèi)散射光的方式，但是，第1，由于其結(jié)構是光源位置面對光導圖象引導部件內(nèi)接觸指尖的面，且與其相距一定距離而配置，第2，由于光傳感器芯片是受光元件排列成矩陣狀的平面型傳感器芯片，光導圖象引導部件是其剖面與指尖相對應的大小，所以，尺寸會變大，從而難以安裝到像便攜式通信設備這種小型設備內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種解決上述問題的指紋傳感器。
因此，為了解決上述問題，本發(fā)明的特征在于，構成有插入片(interpose)；照明用發(fā)光元件，以使照明光向著指尖被接觸的面發(fā)光的方式，將其安裝于該插入片上；光傳感器芯片，由受光元件排列而構成，安裝于該插入片上；光導圖象引導部件，其是光纖片的集合體，安裝于該光傳感器芯片上，使得與被安裝面相反一側(cè)的面位于指尖被接觸的面上；以及合成樹脂鑄模部，與該插入部成為一體，覆蓋所述發(fā)光元件和所述光傳感器芯片，包圍所述光導圖象引導部件。
根據(jù)本發(fā)明，將照明用發(fā)光元件和光傳感器芯片安裝于插入片上，將光導圖象引導部件安裝于光傳感器上，由于發(fā)光元件、光傳感器芯片、光導圖象引導部件借助于合成樹脂鑄模部而被包圍從而成為一體，因此，可使得利用指內(nèi)散射光之方式的指紋傳感器小型化，也可以將指紋傳感器安裝到便攜式電話機等小型設備內(nèi)。另外，發(fā)光元件、光傳感器芯片、光導圖象引導部件的位置精度變高，從而可以在生產(chǎn)該指紋傳感器的情況時，使讀取指紋的特性的差異變小，安裝到設備上時沒有必要進行調(diào)整，在這一點上來說，使得安裝到指紋傳感器設備上的安裝簡便。由于指紋傳感器是一個模塊，因此提高了設備的設計自由度。


圖1是本發(fā)明實施例1的指紋傳感器的立體圖。
圖2是圖1的指紋傳感器的俯視圖。
圖3是沿著圖2(A)中的III-III之剖面圖。
圖4在放大圖示了構成光導圖象引導部件的光纖片的同時，還圖示了光纖片內(nèi)的光之反射、折射。
圖5圖示了圖1的指紋傳感器的制造工序。
圖6圖示了圖5中的樹脂成形工序。
圖7圖示了光導圖象引導部件的制造工序。
圖8圖示了圖1的指紋傳感器安裝到設備上的狀態(tài)以及指紋採取狀態(tài)。
圖9圖示了指紋採取狀態(tài)中，從指尖入射到光導圖象引導部件上的光的全反射以及折射的狀態(tài)。
圖10是本發(fā)明實施例2的指紋傳感器的剖面圖。
圖11是用于說明指紋傳感器的方式的圖。
具體實施例方式
接下來，就本發(fā)明的實施例進行說明。
圖1到圖3顯示了本發(fā)明實施例1的指紋傳感器20。圖1(A)是立體圖，圖2(A)是俯視圖，圖3是沿著圖2(A)中的III-III線的剖面圖。圖1(A)是為了容易理解指紋傳感器20內(nèi)部的結(jié)構而透視內(nèi)部。X1-X2是縱向方向，Y1-Y2是寬度方向，Z1-Z2是厚度方向。
指紋傳感器20，是利用指內(nèi)散射光的方式且使手指滑動採取指紋的結(jié)構，其具有以下結(jié)構在插入片21上安裝發(fā)光二極管芯片30-1～30-3、光傳感器芯片40、電容器芯片50、電阻元件、晶體管等，在光傳感器芯片40上安裝光導圖象引導部件60，在發(fā)光二極管芯片30-1～30-3上安裝照明引導部件80，發(fā)光二極管芯片30-1～30-3、光傳感器芯片40、電容器芯片50、電阻元件、晶體管、光導圖象引導部件60、照明引導部件80由合成樹脂鑄模部90所覆蓋并被包圍，從而成為一體。指紋傳感器20具有長度L1約17mm，寬度W1約5mm，高度H1約為3mm的尺寸，是小型器件。
該指紋傳感器20是這樣一種結(jié)構如圖9所示，在指尖1接觸到光導圖象引導部件60上面時，由于手指中形成指紋的表面的凹凸中，凸的部分1a緊貼在光導圖象引導部件60的上面，而凹的部分1b沒有貼在光導圖象引導部件60上面，因此，該部分與光導圖象引導部件60的上面之間形成了空氣層15，指內(nèi)散射光12中從凹的部分射出的光13b，在光導圖象引導部件60內(nèi)沒有被全反射而是被吸收，從而沒有到達光傳感器芯片40的受光元件42上，從凸的部分射出的光，在光導圖象引導部件60內(nèi)被全反射，從而到達光傳感器芯片40的受光元件42上，在從光導圖象引導部件60的出射面一側(cè)看去的情況下，可看到手指表面中只有凸的部分是明亮的，而凹的部分暗，通過在指尖1在Y2方向上滑動時，處理來自于光傳感器芯片40的電信號，從而識別出手指指紋的圖案。
參照圖1到圖3，插入片21是在X1-X2上為長的長方形的印刷基板。
光傳感器芯片40是在細長的例如是由硅材料制成的基板41上，可多達256個的接收元件42沿著基板41的縱向方向排成一列而形成的一種結(jié)構。受光元件42例如具有約40μm四角形的尺寸，例如是以43μm的間距排列在一起，例如是600點/英寸，個數(shù)例如是256個。光傳感器芯片40，安裝于插入片21中的Y1一側(cè)，受光元件42在X1-X2方向上排列成一列。
這里，為了方便說明，以受光元件42的排列方向為基準，規(guī)定相互正交的3個面。在圖1(B)中，200是X-Z面，是受光元件排列方向的垂直面，稱為“受光元件排列方向垂直面”。201是X-Y面，是水平面。202是Y-Z面，是與受光元件排列方向成直角方向的垂直面，稱為“受光元件排列直角方向垂直面”。
基板41上的端子和插入片21上的端子之間，利用引線接合之引線43來連接。
3個發(fā)光二極管芯片30-1～30-3安裝于插入片21中的Y2一側(cè)，在X1-X2方向排成一排。受光元件42和發(fā)光二極管芯片30-1～30-3，在Y1-Y2方向上毗鄰，在X1-X2方向上排成一排。發(fā)光二極管芯片30-1～30-3發(fā)出波長例如是900-1000nm的紅外光。發(fā)光二極管芯片30-1～30-3發(fā)出的光也可以是波長大于等于600nm的紅色光。也可以使用鑄模部件的發(fā)光二極管來代替發(fā)光二極管芯片30-1～30-3。
光導圖象引導部件60具有如下作用，吸收是指內(nèi)散射光以外的光而從空氣中入射的光，以及吸收雖是指內(nèi)散射光但經(jīng)由空氣層入射的指內(nèi)散射光，將從指尖的表面沒有經(jīng)過空氣層而直接入射的指內(nèi)散射光引導到受光元件42。之所以使從空氣中入射的光以及雖是指內(nèi)散射光，但經(jīng)由空氣層入射的指內(nèi)散射光不到達受光元件42，是由于這些光構成雜波。該光導圖象引導部件60，如圖1(B)所示，是由無數(shù)光纖片70密集排列而成的光纖片的束，作為整體，在X1-X2方向上具有長的直方體形狀，具有長度L2約15mm、寬度W2約1mm、高度H2約2mm的尺寸。61是上面，62是下面。光導圖象引導部件60如后所述，是經(jīng)由圖7所示的工序制造出的。
各光纖片70，位于受光元件排列方向垂直面200內(nèi)，相對于Z軸，向X2方向傾斜角度θ1，并緊密排列在X1-X2方向以及Y1-Y2方向上。光纖片70也可以相對于Z軸向X1方向傾斜。正如合并顯示于圖4(A)內(nèi)那樣，各光纖片61是這樣一種結(jié)構在中心具有纖芯71，在纖芯71周圍具有敷層72，另外，在敷層72的周圍具有吸收光的光吸收層73，具有手指接觸，光入射的入射面75；以及，光出射的出射面76。纖芯71的折射率n1例如是1.62，敷層72的折射率n2例如是1.52。入射面75以及出射面76是X1-X2方向為長軸的橢圓形。74是纖芯71和敷層72之間的分界面。入射面75和出射面76都是水平面。各光纖片70的入射面75集中在一起，形成光導圖象引導部件60的上面61，各光纖片70的出射面76集中在一起，形成光導圖象引導部件60的下面62。光纖片70的入射面75相對于光纖片70的光軸77的角度(等于上述角度θ1)，是按如下方式確定的。即，第1，如圖4(B)所示，確定為來自于空氣中，通過入射面75入射到纖芯71內(nèi)的光，不在分界面74上全反射。即，確定為無論是從相對于入射面75接近垂直的方向在入射面75上發(fā)生折射而入射到纖芯71內(nèi)的光90，還是從與入射面75大致平行的方向入射到入射面75、并在這里發(fā)生折射而入射到纖芯71內(nèi)的光91，都是在分界面74上不是全反射而是折射的進入敷層72內(nèi)，從而到達光吸收層73并在這里被吸收。第2，由于手指的光學折射率n為1.5-1.7左右，因此，如圖4(c)所示，確定為從指尖內(nèi)部出去，不經(jīng)過空氣層而通過入射面75入射到纖芯71內(nèi)的指內(nèi)散射光中的一部分光95，以比后述的臨界角θ2還要大的角度θ6入射到分界面74上從而被全反射。在分界面74上被全反射的光，到達出射面76，并從這里出射。
其中，在纖芯71的折射率n1為1.62、敷層72的折射率n2為1.52的情況下，光學計算出上述角度θ1。在圖4(A)中，θ2是纖芯71和敷層72的分界面中的臨界角。角度θ4是圖4(A)中從右側(cè)在空氣中略呈水平地進入到入射面75的光在入射面75上折射，而入射到纖芯71內(nèi)的光的折射角度。角度θ3、θ4、θ5、θ1存在以下關系θ3＝90-θ2，θ5＝θ3+θ4、θ1＝90-θ5。
臨界角θ2為θ2＝sin-1(1.52/1.62)70，角度θ4為θ4＝sin-1(1/1.62)38。θ3為20度，θ5為58度，θ1約為32度。
因此，理論上，角度θ1必須小于32度。但是，本實施例中，角度θ1約為40度。這是由于，即便上述角度θ1為大于32度的角度，例如約為40度，也可以顯示對比度良好的手指的指紋圖像，這也已被實驗所確證?？梢哉J為，其道理在于纖芯71和敷層72的邊界變?yōu)榉謱哟?grandation)的狀態(tài)，在該部分內(nèi)引起了漫反射。本發(fā)明中角度θ1并不僅限于40度，通過試驗確認即便是48度左右實際應用中也沒有問題。上述角度θ1例如可以是38-48度的范圍。
光纖片70的角度θ1越是銳角，則光導圖像引導部件60的安裝就越困難。但是，上述角度θ1約為40度，光導圖像引導部件60的安裝不困難。光纖片70的角度θ1和光導圖像引導部件60的長度L2存在以下關系如果角度θ1變大則長度L2變短。將角度θ1設定為比32度更大的40度，使得光導圖像引導部件60的長度L2變短，最終，使指紋傳感器20的長度L1變短。由于各光纖片70如上所述位于受光元件排列方向垂直面200內(nèi)，并相對于Z軸向X1或X2方向傾斜，因此，光導圖像引導部件60其寬度W2縮短約為1mm，由此，最終，指紋傳感器20的寬度W1變短。
光纖片70和受光元件42的大小之關系，如圖2(B)所示，在Y1-Y2方向上毗鄰的2條光纖片70的出射面76相對同一個受光元件42呈對稱的關系。
光導圖像引導部件60，借助于光學用粘接劑的粘接層100而粘接到光傳感器芯片40上。粘接層100，特意作得較通常的厚，具有約50μm的厚度t。其中，使用具有硬化狀態(tài)程度的彈性之粘接劑諸如是硅粘接劑，來作為光學用粘接劑。例如，即便是環(huán)氧類粘接劑，只要在硬化后具有某種程度的彈性，則也可以使用。粘接層100，如后所述，當光導圖像引導部件60的上面接觸到上金屬鑄模111時就被壓縮，從而吸收沖擊，緩和對光傳感器芯片40的沖擊。粘接層100也具有吸收將指紋傳感器20安裝到設備內(nèi)而被使用期間所受到的熱應力的作用。
照明引導部件80，具有將發(fā)光二極管芯片30-1～30-3發(fā)出的紅外光引導到指紋傳感器20上面的作用，該照明引導部件80，例如是丙烯基、聚碳酸酯、或有機玻璃樹脂等制的樹脂成形部件，其對上述紅外光的光波長而言光透過性良好，其具有在X1-X2方向上長，在兩端有腳部81、82的形狀。
照明引導部件80配置為跨在發(fā)光二極管芯片30-1～30-3的上側(cè)，腳部81、81抵接在插入片21上，從而決定了高度的位置，并利用透明粘接層101而粘接于發(fā)光二極管芯片30-1～30-3的上面。
合成樹脂鑄模部90是環(huán)氧樹脂制品，與插入片21成為一體，且，其覆蓋發(fā)光二極管30-1～30-3、光傳感器芯片40、電容器芯片50、電阻元件、晶體管，且，其包圍光導圖像引導部件60、包圍了照明引導部件80。因此，利用合成樹脂鑄模部90，使得插入片21、發(fā)光二極管30-1～30-3、光傳感器芯片40、電容器芯片50、電阻元件、晶體管、光導圖像引導部件60、照明引導部件80一體化。
光導圖像引導部件60的上面61，以及照明引導部件80的上面83，露出于指紋傳感器20的上面21。
合成樹脂鑄模部90的上面的周圍部分，具有錐臺形傾斜面91。之所以是這樣，是要使得對滑動的手指承接變得柔潤。
在指紋傳感器20的下面一側(cè)的周圍，形成凸緣部22。這是為了便于精度良好地將其安裝于設備內(nèi)。從凸緣部20b的上面到指紋傳感器20的上面20a之高度尺寸H3，如后所述，是由樹脂成形金屬鑄模決定的，精度良好地決定。
圖5(A)到(H)表示上述指紋傳感器20的制造工序。
首先，如圖5(A)所示，在插入片21上安裝發(fā)光二極管芯片30-1～30-3、電容器芯片50、電阻元件、晶體管，接下來，如圖5(B)所示，執(zhí)行回熔(reflow)，將它們安裝于插入片21上。接下來，如圖5(C)所示，將光傳感器芯片40安裝于插入片21上，接著，如圖5(D)所示，執(zhí)行引線接合，使引線43伸展在光傳感器芯片40和插入片21之間。接下來，如圖5(E)所示，利用對于照明光波長具有良好透光性的粘接劑，將光導圖像引導部件60粘接在光傳感器芯片40上，接下來，如圖5(F)所示，利用對照明光波長具有好的透光性的粘接劑，將照明引導部件80粘接到發(fā)光二極管30-1～30-3芯片上。照明引導部件70，通過使兩側(cè)的腳部81、82抵接到插入片21上，即可不受發(fā)光二極管芯片30-1～30-3安裝差異影響的，被確定高度位置。
接下來，如圖6所示，將其放置于下金屬鑄模105內(nèi)，將下金屬鑄模105接到上金屬鑄模106上，之后，將樹脂注入到金屬鑄模內(nèi)，從而形成合成樹脂鑄模部90。此時，通過具有某種程度的彈性之粘接層100受到壓縮，可以吸收光導圖像引導部件60的上面61接觸到上金屬鑄模106的內(nèi)面時之沖擊，從而緩解了對于光傳感器40的沖擊。另外，利用下金屬鑄模105和上金屬鑄模106，來決定光導圖像引導部件60的上面61的高度位置。實際上，插入部21存在于多個插入片部分排列在一起集合而成的集合基板的狀態(tài)下，合成樹脂鑄模部90如圖5(G)所示，是相對于集合基板而形成的。最后，如圖5(H)所示進行分割以執(zhí)行單片化，從而得到了指紋傳感器20。在規(guī)定工序中，適當執(zhí)行退火處理，以便不殘留應力。
也可以使用安裝夾具決定光導圖像引導部件60的高度，并將光導圖像引導部件60粘接在光傳感器芯片40上。在這種情況下，使用的以氨基丙烯酸酯(ゥレタンァクリレ-ト)為主要成份的光學用粘接劑，是在可見光的照射下固化的粘接劑。該粘接劑，固化前的粘度為11.2Pa·s，固化后狀態(tài)下的物理特性是硬度為D44、線膨脹率為175×10-6/℃，延伸剪切粘接強度為2.1MPa。
上述光導圖像引導部件60，如圖7所示，是通過以下工序得到的對粗材料進行拉絲、使其成束，并多次反復執(zhí)行拉絲作業(yè)，從而得到由無數(shù)的極細的光纖構成的束110，斜著切斷該光纖束來執(zhí)行切片，以得到傾斜的無數(shù)光纖片之束即板111，之后對該板111執(zhí)行適當?shù)那懈睢?br> 接下來，就將上述指紋傳感器20安裝到便攜式電話機上的安裝狀態(tài)以及其使用狀態(tài)進行說明。
指紋傳感器20如圖8所示，安裝在便攜式電話機的外殼120的切口121部分是利用凸緣部20b來決定位置，使上面20a露出到外殼120的表面且利用密封部件130來保證防水性。利用了凸緣部20b來決定位置，且由于高度尺寸H3的精度優(yōu)良，因此，指紋傳感器20的上面20a相對于便攜式電話機的外殼110的外面112的位置精度高。
在採取指紋的情況下，如該圖8中所示，將指尖1按壓接觸到指紋傳感器20的上面20a上，在Y2方向上執(zhí)行滑動操作。發(fā)光二極管芯片30-1～30-3發(fā)光，光10透過粘接層101、照明引導部件70，從指紋傳感器20的上面出來，進入指尖1內(nèi)，由于指尖1內(nèi)的組織而發(fā)生散射，使指尖1變明亮。
如圖9中放大所示，從指尖1中與指紋傳感器20接觸部分的表面發(fā)出的指內(nèi)散射光中的、從凹部分1b射出的光13b在光導圖像引導部件60內(nèi)被吸收，不能到達光傳感器芯片40，從凸的部分1a出來的光13a在光導圖像引導部件60內(nèi)全反射，從而到達光傳感器芯片40的受光元件42，處理來自光傳感器芯片40的信息，從而得到指尖1中接觸光導圖像引導部件60之部分的線狀指紋信息。通過滑動指尖1，指尖1中接觸到光導圖像引導部件60之部分移向指尖一側(cè)，合并各時刻得到的線狀指紋信息，得到指尖1的面狀的指紋信息。
由于指紋傳感器20的上面的周圍部是錐臺形的傾斜面91，因此，沒有指尖掛在指紋傳感器20的上面端部分的感覺，從而使指尖可以圓滑地滑動。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明實施例2的指紋傳感器20A。合成樹脂鑄模部90A對于照明光波長具有良好的透光性，沒有設置照明引導部件70，而是將遮光部件150粘接于光導圖像引導部件60的發(fā)光二極管芯片30-1～30-3一側(cè)的側(cè)面上。
利用本發(fā)明的合成樹脂鑄模部90、90A來執(zhí)行一體化的技術思想，也可以應用于這種場合光傳感器芯片為受光元件呈矩陣狀排列的平面型光傳感器芯片、而光導圖像引導部件具有其剖面與指尖相對應之大小。
如圖8所示，例如組裝在小型便攜式電話機內(nèi)，使從其外殼的切口處露出。
權利要求
1.一種圖像檢測裝置，其特征在于，其結(jié)構具有插入片；照明用發(fā)光元件，以使照明光向著指尖被接觸的面發(fā)光的方式，將其安裝于所述插入片上；光傳感器芯片，由受光元件排成一排而構成，安裝于所述插入片上；光導圖象引導部件，其為光纖片的集合體，安裝于所述光傳感器芯片上，使得與被安裝面相反一側(cè)的面位于指尖被接觸的面上；以及合成樹脂鑄模部，其形成為與所述插入部成為一體，覆蓋所述發(fā)光元件和所述光傳感器芯片，包圍所述光導圖象引導部件。
2.如權利要求1所述的圖像檢測裝置，其特征在于所述合成樹脂鑄模部具有遮光性，在所述發(fā)光元件上，配置將照明光引導到指尖被接觸的面上的對于該照明光之波長有良好透光性的照明引導部件。
3.如權利要求1所述的圖像檢測裝置，其特征在于，所述合成樹脂鑄模部，對于所述照明光的波長具有透光性；所述光導圖像引導部件的上述發(fā)光元件一側(cè)的側(cè)面上配置有遮光部件。
4.如權利要求1所述的圖像檢測裝置，其特征在于，所述光導圖像引導部件，利用具有彈性的粘接層，而粘接在所述光傳感器芯片上。
5.如權利要求1所述的圖像檢測裝置，其特征在于，在所述插入片一側(cè)的周圍具有凸緣部。
6.如權利要求1所述的圖像檢測裝置，其特征在于所述光傳感器芯片是發(fā)光元件排列于直線上的結(jié)構，所述發(fā)光元件，沿著所述光傳感器芯片的發(fā)光元件的排列方向來配置。
7.如權利要求6所述的圖像檢測裝置，其特征在于，所述合成樹脂鑄模部，在指尖被接觸的面的周圍具有傾斜面。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像檢測裝置，目的在于實現(xiàn)利用指內(nèi)散射光的方式的指紋傳感器的模塊化。在插入片(21)上安裝發(fā)光二極管芯片(30－1～30－3)、光傳感器芯片(40)等，在光傳感器芯片(40)上安裝光導圖像引導部件(60)，在發(fā)光二極管芯片(30－1～30－3)上安裝照明引導部件(80)，它們都由合成樹脂鑄模部(90)所覆蓋且為其所環(huán)繞，從而實現(xiàn)一體化。
文檔編號G06T1/00GK1641682SQ200410096419
公開日2005年7月20日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權日2004年1月15日
發(fā)明者井芹陽一, 田原良則, 西原茂生 申請人:三美電機株式會社