CN101526988B - 电容式指纹感应器及其面板 - Google Patents

Abstract

提供一种电容式指纹感应器，包含一感应单元及一控制电路。该感应单元包含一指纹电容、一第一晶体管及一第二晶体管。该指纹电容的电容值为一凹部电容值C_FV或一凸部电容值C_FR，且C_FV＜C_FR。该第一晶体管用于在一扫描线周期控制该指纹电容。该第二晶体管用于放电该指纹电容。该控制电路包含一积分器及一第三晶体管。该积分器具有一参考电容C_fb。该第三晶体管用于预充电该指纹电容，及在该指纹电容和参考电容之间重新分布电荷。

Description

电容式指纹感应器及其面板 

技术领域

本发明涉及一种电容式指纹感应器及其面板，特别是涉及一种使用多个晶体管的电容式指纹感应器及其面板。 

背景技术

指纹感应器是一种用于辨认手指纹样式及提供可靠度的个人身份识别的感应器。该指纹感应器也广泛地使用于可携式产品，例如手机、笔记本型计算机，用以确保个人保密数据的安全性。 

图1A和1B显示指纹感应器的等效电路。大体而言，指纹感应器可以被实现在一芯片内，在图1A的编号13代表一保护层，其作为电容C_d的介电层。若该指纹感应器被嵌入于一图像面板，在图1A的编号11代表一ITO板，且编号13代表玻璃和薄膜，例如彩色滤光片、偏光板等。以下的叙述以嵌入于图像面板的指纹感应器为例。在图1A，一玻璃13、一上金属板11及一基板12以串联方式结合，且该玻璃13是使用者手指可以碰触的地方。通常一电容C_d存在于玻璃13内，且一电容C_P存在于上金属板11和基板12之间。在图1B，使用者手指的表面可分为凸部14和凹部15。该凹部15和该玻璃13有一个距离d₂，而该玻璃13的厚度为d₁。基于该结构，一额外电容C2存在于该使用者手指的凹部及该玻璃13的表面。该凸部电容值C_FR与C1相关，该凹部电容值C_FV与C1//C2相关，而C1和C1//C2可用以下方式表示： 

$C_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{1}A}{d_1},$ 且 $C_1//C_2=\frac{1}{\frac{d_1}{{\mathrm{\ϵ}}_{1}A}+\frac{d_2}{{\mathrm{\ϵ}}_{2}A}}$

通常该凸部电容值C_FR远大于该凹部电容值C_FV。 

为了感应使用者手指，一读出电路应可分辨该凸部电容值及凹部电容值。然而，其并不容易得到所需的准确度，因为一些环境上的因素，例如噪声或串音都会减损该结果。 

发明内容

本发明的电容式指纹感应器的一实施例包含一感应单元及一控制电路。该感应单元包含一指纹电容、一第一晶体管及一第二晶体管。该指纹电容的电容值为一凹部电容值C_FV或一凸部电容值C_FR，且C_FV＜C_FR。该第一晶体管包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一扫描线所控制，且该输入端连接至该指纹电容，该输出端连接至一读出线。该第二晶体管包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中该栅极端由一估算线所控制，该输入端连接至一第二电压VB，且该输出端连接至该指纹电容。该控制电路包含一第三晶体管、一运算放大器、一参考电容C_fb及一第四晶体管。该第三晶体管包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中该栅极端由一第一重置线所控制，该输入端连接至该读出线。该运算放大器的一输入端连接至该第三晶体管的输出端，另一输入端连接至一第一电压VA。该参考电容C_fb设置在该运算放大器的输入端和输出端之间。该第四晶体管包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一第二重置线所控制，该输入端和输出端分别连接至该运算放大器的输入端和输出端。 

本发明的电容式指纹感应器的另一实施例包含一感应单元及一控制电路。该感应单元包含一指纹电容、一第一晶体管及一第二晶体管。该指纹电容的电容值为一凹部电容值C_FV或一凸部电容值C_FR，且C_FV＜C_FR。该第一晶体管用于在一扫描线周期控制该指纹电容。该第二晶体管用于放电该指纹电容。该控制电路包含一积分器、一第三晶体管及一第四晶体管。该积分器具有一参考电容C_fb。该第三晶体管用于预充电该指纹电容，及在该指纹电容和参考电容之间重新分布电荷。该第四晶体管平行连接于该参考电容。 

本发明的包含电容式指纹感应器的面板系统的一实施例包含一具有多个电容式指纹感应单元的主动式矩阵区域、一扫描驱动器、一读出电路及一图像处理电路。该扫描驱动器用于控制连接至该电容式指纹感应器的扫描线。该读出电路用于接收该电容式指纹感应器的数据且辨认该指纹电容的种类。该图像处理电路连接至该读出电路。 

附图说明

图1A和1B显示指纹感应器的等效电路； 

图2显示本发明的面板的一具体实施例； 

图3显示本发明的指纹感应器的一具体实施例； 

图4显示图3电路的时序图； 

图5A至5C显示图3电路的预充电阶段、转换阶段及估算阶段；及 

图6显示本发明的一具体实施例的一部分读出电路。 

附图符号说明 

11    上金属板              12    基板 

13    保护层                14    指纹凸部 

15    指纹凹部 

21    数据驱动器            22    扫描驱动器 

23    读出电路              24    图像处理电路 

25    面板 

31    电容式指纹感应单元    32    第一晶体管 

C_F    指纹电容              33    第二晶体管 

34    第三晶体管            35    第四晶体管 

36    运算放大器            38    控制电路 

61    比较器                62    输出多路复用器 

C_fb   参考电容 

具体实施方式

图2显示本发明的面板的一具体实施例。该面板系统包含一主动式矩阵区域25、一数据驱动器21、一扫描驱动器22、一读出电路23及一图像处理电路24。该主动式矩阵区域25包含一电容式指纹感应器及/或多个图像像素。该电容式指纹感应器具有多个电容式指纹感应单元31，而每一个电容式指纹感应单元31都可以选择性地和一图像像素共存于一像素单元。该数据驱动器21用于驱动数据。该扫描驱动器22用于控制连接至该电容式指纹感应单元31的扫描线。大体而言，当该电容式指纹感应单元31被操作时，连接至该电容式指纹感应单元31的扫描线在整个操作过程被启动。该读出电路23用于接收该电容式指纹感应单元31的读出线的模拟信号，且辨认该指纹电容31的型式，例如凹部电容值C_FV或凸部电容值C_FR。该图像处理电路24连接至该读出电路23。图2的结构是以图像面板的嵌入式结构为例，但熟悉该项技术者均可知悉图2 的结构可以被轻易转换及应用于一芯片内。 

图3显示本发明的指纹感应器的一具体实施例。该读出电路23包含一控制电路38。电容式指纹感应单元31包含一第一晶体管32、一第二晶体管33及一指纹电容C_F，其电容值为一凹部电容值C_FV或一凸部电容值C_FR，且C_FV＜C_FR。位于该主动式矩阵区域25的同一列的第一晶体管32是由同一扫描线所控制。该第一晶体管32包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一扫描线所控制，且该输入端连接至该指纹电容，该输出端连接至一读出线，其中，该读出线更连接至该控制电路38的一输入端。该第二晶体管33包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一估算信号所控制，且该输入端连接至一第二电压VB，而其输出端连接至该指纹电容C_F。该控制电路38可为该读出电路23的一部分，而另一部分63显示在图6。该控制电路38包含一第三晶体管34、一运算放大器36、一参考电容C_fb及一第四晶体管35。第三晶体管34包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一第一重置线Reset1所控制，且该输入端连接至该读出线。该运算放大器36的一输入端连接至该第三晶体管34的输出端。该第四晶体管35包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一第二重置线(Reset)所控制，该输入端和输出端分别连接至该运算放大器36的输入端和输出端。此外，该参考电容C_fb连接至该运算放大器36的输入端和输出端，而该运算放大器36的另一输入端连接至一第一电压VA。 

图4显示图3电路的时序图。大体而言，在同一列的指纹电容共享同一个扫描线R_n，其在该列所有指纹电容的整个操作过程被启动。一个周期的时序被分为一预充电阶段(第一阶段)、一转换阶段(第二阶段)及一估算阶段(第三阶段)，且彼此未重迭。该第一重置线Reset1被启动于该预充电阶段和估算阶段，该第二重置线Reset被启动于该预充电阶段和转换阶段。在估算阶段时，读出线选择RLS循序由Vout₁至Vout_x传输数据至该图像处理电路24。该估算信号仅在转换阶段为逻辑高电平。 

图5A显示在预充电阶段，该指纹感应器的等效电路。在预充电阶段，该第二晶体管33被关闭，而第三晶体管34被使能，且该多路复用器36选择VB。据此，储存于该指纹电容的电荷为C_F×VA。 

图5B显示在转换阶段，该指纹感应器的等效电路。在转换阶段，第二晶体管33被使能以连接至第二电压VB，第三晶体管34被关闭。据此，该指纹感 应器的电压依据使用者手指被检测到的部位，即指纹凸部或凹部，被重分布为 $(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FR}}}})$ 或 $(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FV}}}}),$ R代表该第二晶体管33的启动电阻，t代表经过的时间。 

图5C显示在估算阶段，该指纹感应器的等效电路。在估算阶段，该第二晶体管33被关闭，第三晶体管34被使能，第四晶体管35被关闭。此时，该运算放大器36和参考电容C_fb作为一积分器的功能。该运算放大器36的输出为 

$\mathrm{VA}+\frac{(\mathrm{VA}-(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FR}}}}))\×C_{\mathrm{FR}}}{C_{\mathrm{fb}}}$ 或 $\mathrm{VA}+\frac{(\mathrm{VA}-(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FV}}}}))\×C_{\mathrm{FV}}}{C_{\mathrm{fb}}}.$

图6显示本发明的一具体实施例的读出电路的选择部分63。该选择部分63包含一输出多路复用器62和一比较器61。该输出多路复用器62由Vout₁至Vout_x 接受数据且再传送至该比较器61。为了分辨凸部电容和凹部电容，该比较器61使用一阀值电压V_REF，且 $\mathrm{VA}+\frac{(\mathrm{VA}-(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FR}}}}))\×C_{\mathrm{FR}}}{C_{\mathrm{fb}}}>V_{\mathrm{REF}}>\mathrm{VA}+\frac{(\mathrm{VA}-(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FV}}}}))\×C_{\mathrm{FV}}}{C_{\mathrm{fb}}}.$  据此，若该比较器61输出逻辑低电平，代表由指纹感应器接收到的数据为凸部电容。反之，则为凹部电容。 

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本发明的申请专利范围所涵盖。 

Claims (20)

1.一种电容式指纹感应器，包含：

一感应单元，包含：

一指纹电容，其电容值为一凹部电容值C_FV或一凸部电容值C_FR，且C_FV＜C_FR；

一第一晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一扫描线所控制，且该输入端连接至该指纹电容，该输出端连接至一读出线；及

一第二晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一估算线所控制，该输入端连接至一第二电压VB，且该输出端连接至该指纹电容；以及

一控制电路，包含：

一第三晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一第一重置线所控制，该输入端连接至该读出线；

一运算放大器，其一输入端连接至该第三晶体管的输出端，另一输入端连接至一第一电压VA；

一参考电容C_fb，设置在该运算放大器的输入端和输出端之间；及

一第四晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一第二重置线所控制，该输入端和输出端分别连接至该运算放大器的输入端和输出端。

2.如权利要求1所述的电容式指纹感应器，其是循序操作在一预充电阶段、一转换阶段及一估算阶段。

3.如权利要求2所述的电容式指纹感应器，其中，在该预充电阶段，该扫描线及第一重置线被启动以使该运算放大器转移该第一电压VA至该指纹电容。

4.如权利要求3所述的电容式指纹感应器，其中，在该预充电阶段，该第二重置线被启动。

5.如权利要求3所述的电容式指纹感应器，其中，在该转换阶段，该第一重置线不被启动。

6.如权利要求5所述的电容式指纹感应器，其中，在该转换阶段，该第二电压VB连接至该指纹电容。

7.如权利要求2所述的电容式指纹感应器，其中，在该估算阶段，该扫描线及第一重置线被启动，而该第二重置线不被启动。

8.一种电容式指纹感应器，包含：

一感应单元，包含：

一指纹电容，其电容值为一凹部电容值C_FV或一凸部电容值C_FR，且C_FV＜C_FR；

一第一晶体管，用于在一扫描线周期控制该指纹电容；及

一第二晶体管，用于放电该指纹电容；以及

一控制电路，包含：

一积分器，其具有一参考电容C_fb；及

一第三晶体管，用于预充电该指纹电容，及在该指纹电容和参考电容之间重新分布电荷；以及

一第四晶体管，平行连接于该参考电容。

9.如权利要求8所述的电容式指纹感应器，其中，在一预充电阶段，第三晶体管用于预充电该指纹电容至一第一电压VA，且该第一电压VA连接于该积分器。

10.如权利要求8所述的电容式指纹感应器，其是循序操作在一预充电阶段、一转换阶段及一估算阶段。

11.如权利要求10所述的电容式指纹感应器，其中，该第四晶体管在该预充电阶段及转换阶段时被启动。

12.如权利要求10所述的电容式指纹感应器，其中，该第三晶体管在该预充电阶段及估算阶段时被启动。

13.如权利要求10所述的电容式指纹感应器，其中，该第二晶体管被一估算信号控制，该估算信号仅在转换阶段时被启动。

14.如权利要求10所述的电容式指纹感应器，其中在该估算阶段时，该积分器的输出电压为

或

R代表该第二晶体管的启动电阻，t代表经过的时间。

15.一种包含电容式指纹感应器的面板系统，包含：

一具有多个电容式指纹感应单元的主动式矩阵区域，各该电容式指纹感应单元包含：

一指纹电容，其电容值为一凹部电容值C_FV或一凸部电容值C_FR，且C_FV＜C_FR；

一第一晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一扫描线所控制，且该输入端连接至该指纹电容，该输出端连接至一读出线；及

一第二晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一估算线所控制，该输入端连接至一第二电压VB，且该输出端连接至该指纹电容；

一扫描驱动器，用于控制连接至该电容式指纹感应器的扫描线；

一读出电路，包含：

一第三晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一第一重置线所控制，该输入端连接至该读出线；

一运算放大器，其一输入端连接至该第三晶体管的输出端，另一输入端连接至一第一电压VA；

一参考电容C_fb，设置在该运算放大器的输入端和输出端之间；及

一第四晶体管，包含一栅极端、一输入端及一输出端，其中，该栅极端由一第二重置线所控制，该输入端和输出端分别连接至该运算放大器的输入端和输出端；以及

一图像处理电路，连接至该读出电路。

16.如权利要求15所述的面板系统，其中，该读出电路还包含一输出多路复用器和一比较器，该输出多路复用器的输入端连接至该运算放大器的输出端，该输出多路复用器的输出端连接至该比较器。

17.如权利要求15所述的面板系统，其中，该比较器输出一位至该图像处理电路。

18.如权利要求16所述的面板系统，其中，该比较器具有一阀值电压V_REF，且 $\mathrm{VA}+\frac{(\mathrm{VA}-(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FR}}}}))\×C_{\mathrm{FR}}}{C_{\mathrm{fb}}}>V_{\mathrm{REF}}$ $>\mathrm{VA}+\frac{(\mathrm{VA}-(\mathrm{VB}+(\mathrm{VA}-\mathrm{VB})\×e^{\frac{-t}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{FV}}}}))\×C_{\mathrm{FV}}}{C_{\mathrm{fb}}}.$

19.如权利要求15所述的面板系统，其中，当该电容式指纹感应器被操作时，连接至该电容式指纹感应器的一扫描线被启动。

20.如权利要求15所述的面板系统，其中，该主动式矩阵区域还包含图像像素。

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