CN101253512B - 消除了差分噪声的电子指纹传感器 - Google Patents
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Abstract
图像感测设备包括：一般相对于对象例如手指的运动的期望方向垂直设置的图像检测板；与图像检测板处于间隔开的关系的多个图像驱动板，以在各个图像驱动板和图像检测板之间界定多个传感器间隙；以及参考板，其实质上与图像检测板平行地设置。参考板与图像检测板隔开以允许共模噪声和耦合被消除，并且与图像驱动板隔开以允许差分图像信号在图像检测板和参考板之间产生。差分放大器耦合至图像检测板并且参考板提供噪声消除。设备还可以包括与参考板间隔开并耦合至参考电位例如接地的梳状板。
Description
技术领域
本发明涉及用于电子地感测对象的生物特征例如指纹的系统和方法，并且更具体地，涉及利用差分噪声消除的电子指纹感测的方法和设备。
背景技术
作为个体的可靠识别技术，电子指纹感测已经受到了不断的关注。电子指纹感测可以用于诸如安全检查站的固定设备和诸如移动电话和其他无线设备的便携式设备和智能卡。因此，要求电子指纹感测系统不占空间、高度可靠并且成本低廉。
已经提出了各种电子指纹感测方法。已知的方法包括光学感测和具有两维阵列电极的电容性感测。
在于2002年6月13日公开的国际公布号No.WO02/47018中公开了一种使用挥动手指(swiped finger)技术的电容性指纹感测。传导元件或者金属板形成在绝缘基板(substrate)上，以产生用于检测诸如手指的对象的形状变化的一维电容性感测阵列。阵列包括多个驱动板(drive plate)，其随着短暂持续时间的电子波形脉冲，被顺序地激发。通过传感器间隙与每个驱动板隔离开并连接至电荷检测电路的正交检测板(pickup plate)检测由每个驱动元件产生的电场的强度。随着驱动板的每次完全扫描，要求一维的指纹片段。通过在驱动板和检测板之间的间隙上挥动(swipe)手指，并且以比挥动速度更快的速度扫描间隙，产生基于电容的两维图像。图像表示指纹。
该类型的指纹传感器提供了满意的性能，但是易受寄生耦合和噪声的影响，其结合有来自传感器间隙外的指脊纹(finger ridge)的通过手指的主要部分耦合的干扰。因此，需要一种降低以上影响的改进的电子指纹感测设备和方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，图像感测设备包括：图像检测板，其一般相对于诸如手指的对象的运动的期望方向垂直设置；多个图像驱动板，其与图像检测板处于间隔开的关系(in spaced relation)，以在各个图像驱动板和图像检测板之间界定多个传感器间隙；以及参考板，其实质上与图像检测板平行地设置。参考板与图像检测板间隔开以允许共模噪声和耦合被消除，并且与图像驱动板间隔开以允许差分图像信号在图像检测板和参考板之间产生。
图像感测设备可以包括与参考板间隔开并耦合至参考电位例如接地的梳状板。梳状板可以包括垂直于参考板并与参考板间隔开设置的实质上平行的互相连接的导体。在一些实施方案中，与参考板相关的梳状板的平行的互相连接的导体的排列实质上可匹配与图像检测板有关的图像驱动板的排列。
从图像检测板上的信号中减去参考板上的信号，以提供噪声和寄生信号实质上被消除的图像信号。
图像检测板、多个图像驱动板、参考板和梳状板如果出现，可以包括位于基板上的传导线迹(trace)。传导线迹可以实质上共面并且可以具有所需尺寸并且间隔开以感测指纹。
根据本发明的第二方面，提供了一种指纹感测系统。指纹感测系统包括：图像传感器，其包括用于感测在移动手指上的指纹的脊纹峰(ridge peak)和脊纹谷(ridge valley)的传感器的阵列，图像传感器如上所述配置；手指传感器，其用于感测手指移过图像传感器时的速度；以及传感器电路，其用于以图像驱动信号激发图像传感器，并且响应于图像驱动信号检测图像检测板和参考板之间的图像信号，用于以手指驱动信号激发手指传感器，并且响应于手指驱动信号检测手指信号，以及用于调整图像信号和手指信号以提供指纹图像。
传感器电路可以包括用于以图像驱动信号顺序地激励图像驱动板的激励电路；以及用于检测从图像驱动板耦合至图像检测板的图像驱动信号以提供图像信号的检测电路。检测电路可以包括差分放大器，所述差分放大器的第一差分输入和第二差分输入分别耦合至图像检测板和参考板。
附图说明
为了更好地理解本发明，参考附图，其通过引用方式并入本文并且其中：
图1为包括本发明的特征的指纹感测系统的框图；
图2示出了传统的指纹图像传感器；
图3根据本发明的实施方案示出了指纹图像传感器；以及
图4是根据本发明的实施方案的图像感测电路的框图。
具体实施方式
图1示出了包括本发明的特征的指纹感测系统100。传感器功能块102从传感器电路108中接收驱动信号并将感测信号发送给传感器电路108。传感器功能块102包括图像传感器110和位置传感器112。图像传感器110和位置传感器112可以构建在如下所述的单个基板上。传感器电路108包括图像感测电路124、位置感测电路122和微处理器和存储器130。图像传感器110从图像感测电路124接收驱动信号104，并将感测信号106传送给图像感测电路124。位置传感器112从位置感测电路122接收驱动信号105，并将感测信号107传送给位置感测电路122。微处理器和存储器130获取并处理图像数据和位置数据，并控制系统的运行。以下描述指纹感测系统100的构件。
在图2中示出了如在国际公布号No.WO 02/47018中所述的图像传感器。图像传感器150包括多个图像驱动板152和图像检测板154。驱动板152实质上彼此平行，并且连接至驱动电路156。检测板154实质上垂直于驱动板152而布置。每个驱动板152通过传感器间隙160与检测板154分隔开。因此，图像传感器150包括位于各个驱动板152和检测板154之间的线性排列的传感器间隙160。
在垂直于检测板154的方向162上移动或挥动手指。驱动电路156以驱动信号顺序地激励驱动板152。当指纹的脊纹峰和脊纹谷掠过传感器间隙160时，施加至驱动板152的驱动信号根据单个传感器间隙的电容被电 容性地耦合至检测板154。电容根据掠过传感器间隙的指纹的脊纹峰和脊纹谷而变化。电容性耦合的驱动信号被耦合至检测板154，并由感测电路158检测来提供一行指纹图像。组合多片指纹图形以形成完整的指纹图像。
图2中所示类型的指纹图像传感器提供了满意的性能，但是易受寄生耦合和由人类身体聚集的噪声以及来自传感器间隙外的指脊纹的通过手指的主要部分而耦合的干扰的影响。在图3中示出了改良的图像传感器，其中这些影响被至少部分的消除。图像传感器200包括多个图像驱动板210和图像检测板212。驱动板212实质上彼此平行，并且连接至驱动电路214，驱动电路214可以是图1中所示的图像感测电路124的一部分。检测板212实质上垂直于驱动板210布置。每个驱动板210通过传感器间隙220自检测板间隔开。因此，图像传感器200包括位于各个驱动板210和检测板212之间的线性排列的传感器间隙220。驱动板214以驱动信号顺序地激励驱动板210。
图像传感器200还包括可以实质上平行于检测板212并与检测板212分离开的参考板230。参考板230位于与驱动板210相对的检测板212的一侧，并因而通过比检测板212更大的距离与驱动板210隔开。参考板230应该通过一段距离与驱动板210间隔开，此距离足以为共模噪声消除提供噪声和寄生耦合参考。在一些实施方案中，参考板230和检测板212可以具有相等的长度和宽度，并且可以并排地平行布置。参考板230类似于检测板212那样感测脊/谷信号，但其实质上强度减弱。因为参考板230和检测板212紧密地间隔并且具有类似的尺寸，两个板产生了大致相等的噪声和寄生信号。从参考板230上的信号中减去检测板212上的信号产生了与感测的信号之间的差成比例的脊/谷信号，由于来自传感器间隙220上的两个板的相对间距，这是显著的。但是，相等耦合的噪声和寄生信号可以通过减去两个板上的信号而被消除。
检测板212和参考板230通过差分带通滤波器240耦合至差分放大器242。带通滤波器240和差分放大器242是图像感测电路124的一部分(图1)。尤其，检测板212可以通过滤波器240耦合至差分放大器242的非反向输入，而参考板230可以通过滤波器240耦合至差分放大器242的反向 输入。差分放大器242电子地减去检测板212和参考板230上的信号，使得噪声和寄生信号被消除。本领域的技术人员应该理解，图像传感器200和差分放大器242之间的连接可以在本发明的范围内反向。
图像传感器200还可以包括与参考板230间隔开的梳状板250。如图3中所示，梳状板250可以包括实质上平行的导体252，其与参考板230垂直地放置并由间隙254与参考板230间隔开。平行导体252由导体256互相电连接，并且通过导体258连接至驱动电路214。在一些实施方案中，相对于参考板230的平行导体252的排列匹配相对于检测板212的驱动板210的排列。因此，平行导体252的宽度、平行导体252之间的间距、和间隙254的大小可以分别与驱动板210的宽度、驱动板210之间的间距、和传感器间隙220的大小相同。
梳状板250可以在指纹图像感测期间连接至参考电位，例如接地。因此，在指纹图像感测的任何瞬间时间，驱动板210的一个可以用驱动信号被激励，并且剩余的驱动板210耦合至参考电位，例如接地。对于图像传感器200具有250个驱动板210的例子，在任何给定时刻，除了250个驱动板210中的一个以外的所有驱动板210连接至接地，并且在图像感测期间的任何给定时刻，梳状板250的所有平行导体252连接至接地。利用该布置，接地导体上的噪声实质上等价地耦合至检测板212和参考板230。耦合的噪声通过差分放大器242被减去，并从而被消除。所关心的指纹图像信号在检测板212和参考板230之间被检测，并且不被差分放大器242消除。
检测板212、驱动板210、参考板230和梳状板250实质上可以是基板270上共面、传导的线迹。基板270可以是任何适当的绝缘材料。在一些实施方案中，基板可以具有柔性，使得其确认手指的宏观轮廓。但是，可以使用平面基板而不削弱位置传感器的性能。基板可以是刚性或柔性的印制电路板，并且可以利用传统的沉积、蚀刻和光刻技术形成驱动板和检测板。
在图像传感器200的一个例子中，驱动板210具有25μm(微米)的宽度，并且相邻的驱动板210之间的间距是25μm。传感器间隙220的大小 为32μm。检测板212和参考板230之间的间距为32μm。梳状板250的平行导体252的宽度为25μm并且相邻的导体252之间的间距为25μm。间隙254的大小为32μm。应该懂得，这些大小仅仅作为例子给出，并不限制关于本发明的范围。一般，传感器间隙220的大小小于典型指纹的脊间距，并且一般在25至50μm的范围内。
在图4中示出了图1的图像感测电路124和微处理器和存储器130的实施方案。主时钟302向多路扫描逻辑304和检测器306提供时钟信号。主时钟302可以在例如20-80MHz的频率范围上运行，但是不限于该范围。微处理器和存储器130为多路扫描逻辑304产生控制信号。多路扫描逻辑304的输出用作开关310的控制输入。
来自主时钟302的时钟信号由开关310选通以提供信号脉冲。低阻抗缓冲器314以信号脉冲312激活每个图像驱动板210。信号脉冲312由对于本领域的技术人员而言公知的标准电路元件产生，并且来源于一般参考频率或者主时钟302。
多路扫描逻辑304可以顺序地激活开关310以扫描图像驱动板。在一个实施方案中，主时钟302以48MHz工作，并且在提供至缓冲器314之前被分频降为16MHz。每个开关310被选通大约0.5-5微秒。施加至驱动板的顺序信号脉冲313提供了对图像传感器200的扫描。因为扫描速度与手指挥动速度相比更快速，所以可以获取多行指纹图像。
图像传感器200的驱动板210被依次激励，但是无需以任何特定的顺序激励。此外，驱动板不需要以主时钟302的脉冲被激励，但是可以通过任何周期信号例如正弦波而被激励。
当其控制输入被激活时，每个开关310将来自主时钟302的信号脉冲提供至缓冲器314。由缓冲器314输出的信号脉冲312从驱动板210中的一个耦合至检测板212。耦合的信号是与图像传感器200接触的手指的指纹特征的函数。当开关310的控制输入未被激活时，缓冲器314将其连接的驱动板驱动至接地。被激励的驱动板和未被激励的驱动板之间的寄生电场因此被短路至接地。检测板212检测信号脉冲并且将耦合的信号提供至带通滤波器240。此外，缓冲器320在图像感测期间将梳状板250驱动为 接地。
带通滤波器240的中心位于主时钟302的频率上，并且Q值为10。来自带通滤波器240的输出提供至差分放大器242，其可以具有可变的增益。差分放大器242的增益可以通过微处理器和存储器130控制。尽管感测条件可变，也可以调整增益来提供期望的输出电平。
在检测器306中解调差分放大器242的输出。检测器306执行信号脉冲312的同步包络检测。检测器306的输出是表示耦合信号脉冲的包络的基带脉冲。在可选实施方案中，同步整流可以用于包络提取。由检测器306输出的脉冲的幅度是从驱动板210耦合至检测板212的信号的幅度的函数。脉冲幅度调制信号被提供至低通滤波器322。低通滤波器322去除不想要的由解调过程产生的高频谐波。低通滤波器322可以具有群时延特征，其补偿出现在之前的信号处理阶段的相位失真。为了以扫描驱动板的速率处理由检测器306产生的信息，可以优化低通滤波器322。
模拟-数字转换器324将低通滤波器322的输出转换为数字值。模拟-数字转换器324可以具有例如8-12比特的分辨率，并且因而在该实例中能够将低通滤波器322的输出转变为256到4096个值。模拟-数字转换器324以足够的速率(例如，每秒钟1百万次采样)工作，以适应图像传感器200的扫描。微处理器和存储器130接收模拟-数字转换器324的输出并且将其存储在缓冲器中。当驱动板由信号脉冲312激励时，每个存储的数字值表示驱动板210和检测板212之间的耦合信号。
图像传感器200的每次扫描获取一片指纹图像。存储的数字值代表多片指纹图像，并且用于产生指纹图像。
因而，已经描述了本发明的至少一个实施方案的几个方面，应该认识到，对于本领域的技术人员而言，各种变更、修改和改进将易于发生。这样的变更、修改和改进意味着是本公开的一部分，并且旨在落于本发明的实质和范围中。因此，前述说明和附图仅仅作为实例。
Claims (19)
1.一种指纹图像感测设备，其包括：
图像检测板，其相对于手指运动的期望方向垂直设置；
多个图像驱动板，所述多个图像驱动板彼此平行地设置，其中，多个平行的图像驱动板与所述图像检测板垂直地设置，所述多个图像驱动板与所述图像检测板处于间隔开的关系，以在各个图像驱动板和所述图像检测板之间界定多个传感器间隙；以及
参考板，其与所述图像检测板平行地设置，其中，所述参考板与所述图像检测板隔开以允许共模噪声和耦合被消除，并且与所述图像驱动板隔开以允许差分图像信号在所述图像检测板和所述参考板之间产生，所述参考板通过比所述图像检测板更大的距离与所述图像驱动板隔开。
2.根据权利要求1所述的指纹图像感测设备，还包括基板，其中，所述图像检测板、所述多个图像驱动板以及所述参考板是所述基板上的传导线迹。
3.根据权利要求1所述的指纹图像感测设备，其中，所述图像检测板、所述多个图像驱动板和所述参考板是共面的。
4.根据权利要求1所述的指纹图像感测设备，其中，所述图像检测板、所述多个图像驱动板和所述参考板被形成所需尺寸并且被间隔开以感测指纹。
5.根据权利要求4所述的指纹图像感测设备，其中，所述传感器间隙的每个的尺寸小于在一般指纹上的脊间隔的一半，并且在25μm至50μm的范围内。
6.根据权利要求1所述的指纹图像感测设备，其中，所述图像驱动板包括垂直于所述图像检测板和所述参考板设置的平行导体。
7.根据权利要求1所述的指纹图像感测设备，还包括与所述参考板处于间隔开的关系的梳状板，其中，所述梳状板包括垂直于所述参考板并与所述参考板间隔开而设置的平行的互相连接的导体。
8.根据权利要求7所述的指纹图像感测设备，其中，与所述参考板相关的平行的互相连接的导体的排列匹配于与所述图像检测板有关的图像驱动板的排列。
9.根据权利要求1所述的指纹图像感测设备，还包括：
激励电路，其用于以驱动信号顺序地激励所述图像驱动板；以及
检测电路，其用于检测从所述图像驱动板耦合至所述图像检测板的所述驱动信号以提供所述图像信号。
10.根据权利要求9所述的指纹图像感测设备，其中，所述驱动信号包括顺序地提供至所述图像驱动板中的相应一个的信号脉冲，并且其中，所述激励电路包括用于将未激励的图像驱动板耦合至参考电位的电路。
11.根据权利要求9所述的指纹图像感测设备，其中，所述检测电路包括差分放大器，所述差分放大器具有分别耦合至所述图像检测板和所述参考板的第一差分输入和第二差分输入。
12.根据权利要求9所述的指纹图像感测设备，还包括与所述参考板处于间隔开的关系的梳状板，其中，所述梳状板包括垂直于所述参考板并与所述参考板间隔开而设置的平行的互相连接的导体，并且其中，所述激励电路包括用于将未激励的图像驱动板和所述梳状板耦合至参考电位的电路。
13.一种指纹感测系统，其包括：
图像传感器，其包括用于感测移动的手指上的指纹的脊峰和脊谷的传感器的阵列，所述图像传感器包括：
图像检测板，其相对于所述手指的运动的期望方向垂直设置；
多个图像驱动板，所述多个图像驱动板彼此平行地设置，其中多个平行的图像驱动板与所述图像检测板垂直地设置，所述多个图像驱动板与所述图像检测板处于间隔开的关系，以在各个图像驱动板和所述图像检测板之间界定多个传感器间隙；以及
参考板，其与所述图像检测板平行地设置，其中，所述参考板与所述图像检测板隔开以允许共模噪声和耦合被消除，并且与所述图像驱动板隔开以允许差分图像信号在所述图像检测板和所述参考板之间产生，所述参考板通过比所述图像检测板更大的距离与所述图像驱动板隔开；
手指传感器，其用于感测手指移过所述图像传感器时所述手指的速度；以及
传感器电路，其用于以图像驱动信号激励所述图像传感器，并且响应于所述图像驱动信号检测所述图像检测板和所述参考板之间的图像信号，用于以手指驱动信号激励所述手指传感器，并且响应于所述手指驱动信号检测手指信号，以及用于调整所述图像信号和所述手指信号以提供指纹图像。
14.根据权利要求13所述的指纹感测系统，还包括基板，其中，所述图像检测板、所述多个图像驱动板以及所述参考板是所述基板上的传导线迹。
15.根据权利要求13所述的指纹感测系统，其中，所述图像检测板、所述多个图像驱动板和所述参考板是共面的。
16.根据权利要求13所述的指纹感测系统，其中，所述图像传感器还包括与所述参考板处于间隔开的关系的梳状板，其中，所述梳状板包括垂直于所述参考板并与所述参考板间隔开而设置的平行的互相连接的导体。
17.根据权利要求13所述的指纹感测系统，其中，所述传感器电路包括：
激励电路，其用于以所述图像驱动信号顺序地激励所述图像驱动板；以及
检测电路，其用于检测从所述图像驱动板耦合至所述图像检测板的所述图像驱动信号以提供所述图像信号。
18.根据权利要求17所述的指纹感测系统，其中，所述检测电路包括差分放大器，所述差分放大器具有分别耦合至所述图像检测板和所述参考板的第一差分输入和第二差分输入。
19.根据权利要求17所述的指纹感测系统，其中，所述图像传感器还包括与所述参考板处于间隔开的关系的梳状板，其中，所述梳状板包括垂直于所述参考板并与所述参考板间隔开而设置的平行的互相连接的导体，并且其中，所述激励电路包括用于将未激励的图像驱动板和所述梳状板耦合至参考电位的电路。
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