Application DFT : le capteurs d’empreintes à micropoutres .1 La biométrie et la mesure des empreintes digitales

section 2.2.1.5. du chapitre 2 lui est consacrée. Il existe de nombreuses techniques basées sur la reconnaissance de caractères spécifiques à chaque être humain tels que l’iris de l’œil, la rétine, la forme du visage, de la main ou de l’oreille (!) et évidemment les empreintes digitales. Les empreintes digitales sont depuis longtemps le caractère le plus utilisé dans la biométrie. La reconnaissance se base sur l’extraction des points singuliers de bifurcation et d’arrêt des lignes que l’on appelle les minuties. L’analyse des empreintes digitales se fait par ordinateur ou un algorithme extrait une signature à partir de l’image du doigt qu’il va comparer à une base de données de signatures. Depuis quelques temps sont apparus des capteurs d’empreintes digitales intégrés qui permettent d’obtenir une image du doigt par simple contact sur la surface active du capteur. La mesure est effectuée de manière statique par l’emploi d’un capteur sous forme matricielle ou de manière dynamique par le déplacement du doigt sur une rangée de détecteurs de manière à scanner la surface du doigt. Ces systèmes offrent l’avantage de l’encombrement et du prix par rapport aux systèmes optiques classiques. Concernant le système de mesure, plusieurs voies ont été explorées. La première solution est l’emploi de détecteurs capacitifs [23][24] qui utilisent la différence de capacité entre une électrode de référence et les crêtes et les vallées des reliefs du doigt. Une autre solution utilisée, dans le domaine thermique, est l’emploi de détecteurs pyroélectriques pour détecter les variations de température suivant que les reliefs du doigts touchent ou ne touchent pas la surface du capteur [25]. Enfin une solution est l’emploi des technologies microsystèmes par l’utilisation de micropoutres.

6.5.4.2 Principe de fonctionnement du capteur d’empreintes à micro-poutres

La solution que nous utilisons au laboratoire est de détecter la pression exercée par les reliefs du doigt sur un ensemble de micro-poutres à jauge de contrainte piézo-résistive. Ce projet [26] est actuellement l’objet d’une thèse en cours au laboratoire TIMA (M. Fabien PARRAIN). La première version du capteur est un prototype qui est constitué d’une rangée de 256 micro-poutres au pas de 50µm La disposition en barrette et non pas en matrice permet de diminuer la surface du capteur et ainsi les coûts de fabrication. La Figure 114 montre le principe de fonctionnement du capteur d’empreintes digitales à micro-poutres. Lorsque le doigt va balayer la surface du capteurs, les reliefs vont appuyer sur les micro-poutres induisant une déflexion mécanique détectée par la jauge piézo-résistive. Un pont de Wheastone transforme la variation de résistance en différence de potentiel qui est commutée à la section d’amplification par l’électronique d’adressage. Enfin un convertisseur analogique-numérique sort le signal sur un port parallèle de 8 bits.

capteur R0 R0 R0 R0(1+α) ∆V _Ampli CAN Sortie sur 8 bits // Passage du doigt sur le capteur Balayage de la rangée de micro-poutres Détermination de la flexion de la micro-poutre Amplification du signal analogique Conversion A/N du signal

Figure 114 : Schéma de principe du capteur d’empreintes digitales à micro-poutres.

Le capteur est fabriqué avec une technologie de micro-usinage en volume basée sur la technologie AMS CMOS 0.6µm disponible au service CMP, un des principaux intérêts de ce dispositif est sa capacité à être porté sur une technologie CMOS équivalente. La Figure 115 montre le layout du premier prototype. Il intègre de manière monolithique la barrette de micro-poutres ainsi que les modules analogiques et numériques d’interface. Ce premier prototype a été fabriqué et contient 60

la cavité. Plusieurs matériaux (Mylar) et plusieurs épaisseurs (de l'ordre de 6 à 10µm) vont être testées pour assurer une bonne protection sans trop lisser la pression du doigt à la surface.

Figure 115 : Layout du premier prototype de capteur d'empreintes digitales à micro-poutres implémenté en technologie AMS 0.6µm avec post process de gravure anisotropique.

Figure 116 : Image MEB des micro-poutres piézo-résistives du capteur d’empreintes digitales.

6.5.4.3 Conception en vue du test et intégration d'un mode self test

De par leur nature et leurs dimensions les micro-poutres sont fragiles et sensibles aux chocs. Cependant la masse et la raideur des poutres fait que leur fréquence de résonance fondamentale est très élevée, de l'ordre de 2 à 6 MHz. De plus, des tests de résistance à la flexion ont montrés que le point de rupture des poutres se fait lors d'une flexion conséquente. La mesure du point de rupture va être menée.

Les techniques de conception en vue du test appliquées à ce capteur ont porté sur la partie mécanique du capteur et non sur l'électronique. L'intérêt étant ici de montrer qu'il est possible d'améliorer la testabilité des parties microsystèmes. L'effort de conception en vue du test devra au final porter sur

une ligne de métal3 parcourant l'ensemble du contour des poutres permettant de vérifier rapidement l'intégrité des poutres. La Figure 117 présente une image MEB de la fracture d'une micro-poutre, on remarque la ligne de fracture à la base de la poutre. La ligne de métal3 parcourant les poutres apparaît en surbrillance au MEB ce qui est typique d'un conducteur isolé se chargeant. La ligne est alors coupée produisant un circuit ouvert. En testant la résistance de cette ligne, il est possible de savoir si une poutre est cassée.

(a) (b)

Figure 117 : Image MEB de la fracture d'une micro-poutre.

Le second élément ajouté est le système de stimulation de la jauge piézo-résistive par effet bilame décrit au chapitre 6.5.3 et montré sur la Figure 108(a). L'implémentation de système de génération de stimuli a nécessité de rajouter une cellule AND qui commute la résistance de chauffe par le biais d'un transistor quand le signal test est à un niveau haut et que le pixel est adressé. Comme l'on montré les mesures et les simulations, la réponse de la jauge sera équivalente à un système du premier ordre avec une constante de temps, de l'ordre de 0,5ms et une variation relative de la résistance ∆R/R dépendant de la puissance injectée par la résistance de chauffe. Lors du mode test les poutres sont adressées les une à la suite des autres et l'horloge doit être modifiée pour commuter les poutres à la section analogique durant un temps au moins trois fois égal à la constante de temps du système de génération de stimuli pour atteindre le régime permanent, soit 1,5ms par poutre en mode test au lieu des 10µs par poutre en mode lecture. La durée du test complet d'une barrette de 256 micro-poutres est alors de 0,384 secondes. Cette méthode impose un surcoût en termes de surface mais pas en termes de performances. A la sortie des modules analogiques et numériques le signal peut être mesuré en plusieurs points pour vérifier la dynamique et le niveau de sortie ou intégré pendant le temps de lecture. Rpiezo D ^Q Q Vdd Analog test Rchauffe

Comme le montre la Figure 117, les poutres sont fragiles et l'intégrité de la barrette de micro-poutre est nécessaire à la mesure des empreintes digitales. Les éléments rajoutés au capteur, une ligne de métal parcourant le contour des poutres et le système de stimulation des jauges piézo-résistives permettent lors d'un mode test de tester sans stimuli externes la présence de toutes les micro-poutres mais également la dynamique et le facteur de transduction du capteur. Cette procédure de test permet de détecter les principaux défauts pouvant affecter les micro-poutres, à savoir :

• Gravure anisotropique insuffisante

• Fracture de la micropoutre quelque soit sa position le long de la poutre

• Encapsulation par un résidu chimique

• Particules de poussières sur la poutre

• Fautes paramétriques de la jauge et de la structure

• Résidus d'oxyde dans les ouvertures