CN104268530B - 指纹检测电路及其电容式指纹传感器、移动终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指纹检测电路，包括阵列排列的多个检测单元，其特征在于，还包括求和单元，所述检测单元包括第一检测单元和第二检测单元，所述第一检测单元和第二检测单元分别与所述求和单元连接，所述求和单元将每个第二检测单元的输出信号与所述第一检测单元的输出信号进行求和运算以消除每个第二检测单元的输出信号中的基底信号，得到包含指纹信息的有用信号。本发明公开的指纹检测电路，选择至少一个检测单元作为抵消单元，将其他检测单元的输出信号与该检测单元的输出信号进行求和运算以消除检测单元的输出信号中的基底信号，得到包含指纹信息的有用信号。与现有技术相比，提高了基底信号的消除能力，进一步提高了指纹识别精度。
Description
技术领域
本发明涉及身份识别技术领域，尤其是涉及一种指纹检测电路及其电容式指纹传感器、移动终端。
背景技术
随着社会的进步和技术的发展，近年来，移动银行、手机钱包、网络购物等电子商务业务在智能移动设备上的应用日趋广泛。相对的，公众对于集成的电子元器件性能以及网络信息安全的要求也越来越高。指纹由于具有唯一性和稳定性而使其成为个人身份识别的一种有效手段。指纹传感器有很多种类型，目前主流的有三种类型：光学取像指纹传感器、晶体电容式(或者压感式)指纹传感器和超声波取像指纹传感器。光学设备取像是利用全反射原理并使用CCD器件来获取指纹图像，效果较好、器件本身耐磨损但成本高、体积大，不适用于集成度要求很高的移动终端上。超声波取像直接扫描真皮组织，积累在皮肤表面的赃物或油脂对获得图像影响不大，但器件成本极高，目前没有成熟的产品市场。晶体电容式指纹传感器生产采用标准CMOS技术，获取图像质量比较好(可以通过软件调整来改善增益的图像质量)且体积和功耗都比较小，成本相对于另两种传感器低廉很多。
晶体电容式指纹传感器包括阵列排布的多个检测单元，当手指触摸检测单元时，指纹单元相当于电容器的阳极，手指的皮肤变成了电容另一极，手指的纹路深浅(即手指的“峰”和“谷”)与检测单元的实际距离不同，电容(或电感)也不同，根据该原理可检测到手指的纹路深浅形成指纹图像。指纹检测系统中常用的指纹检测电路如图1所示，来自手指的输入信号VIN_1和来自高精度信号源的抵消信号VCAN同时输入到指纹检测单元，检测单元的输出信号VPXL_1中，虚线部分为代表指纹信息的有用信号幅度，实线部分为基底信号幅度。这种方法的问题在于，首先，高精度信号源输出VCAN的幅度无法跟随可能动态变化的VIN_1(这是因为VIN_1～VIN_n由手指和指纹检测单元之间的耦合电容大小决定，这个电容是可能动态变化的)，所以VPXL_1的信号幅度中仍可能包含相当一部分的基底信号幅度，经过放大器之后的最终输出信号VOUT_1中也是一样。其次，假设在VIN_1固定的情况下，要获得理想的基底消除效果，对于高精度信号源的指标要求很高，在芯片内部实现相应的信号源会消耗更多的成本和功耗。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种指纹检测电路及其电容式指纹传感器、移动终端，提高了基底信号的消除能力，进一步提高了指纹识别精度。
为达以上目的，本发明提出一种指纹检测电路，包括阵列排列的多个检测单元和求和单元，所述检测单元包括第一检测单元和第二检测单元，所述第一检测单元和第二检测单元分别与所述求和单元连接，所述求和单元将每个第二检测单元的输出信号与所述第一检测单元的输出信号进行求和运算以消除每个第二检测单元的输出信号中的基底信号，得到包含指纹信息的有用信号。
一实施例中，所述第二检测单元与所述求和单元的正相输入端连接，所述第一检测单元与所述求和单元的反相输入端连接。
进一步地，所述的指纹检测电路还包括第一放大器，所述第一放大器对所述求和单元输出的信号进行放大。
优选地，所述第一检测单元的数量为一个。
一实施例中，所述检测单元包括第二放大器、第一电容、第二电容和第三电容，所述第一电容一端接手指的输入信号，另一端与所述第二放大器的反相输入端连接；所述第二电容连接在所述第二放大器的反相输入端和正相输入端之间；所述第三电容一端连接所述第二放大器的反相输入端，另一端连接所述第二放大器的输出端；所述第二放大器的正相输入端接地。
一实施例中，所述检测单元包括第二放大器、第一电容、第二电容和第三电容，所述第一电容和第二电容均一端接地，另一端与所述第二放大器的反相输入端连接；所述第三电容一端连接所述第二放大器的反相输入端，另一端与所述第二放大器的输出端连接；所述第二放大器的正相输入端接手指的输入信号。
一实施例中，所述求和单元包括第三放大器，所述第三放大器的正相输入端与所述第二检测单元的输出端连接，反相输入端与所述第一检测单元的输出端连接。
进一步地，所述求和单元还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻连接在所述第一检测单元的输出端和所述第三放大器的反相输入端之间；所述第二电阻连接在所述第二检测单元的输出端和所述第三放大器的正相输入端之间；所述第三电阻一端与所述第三放大器的正相输入端连接，另一端接地；所述第四电阻一端连接所述第三放大器的反相输入端，另一端与所述第三放大器的输出端连接。
同时，本发明还公开了一种电容式指纹传感器，包括指纹检测面板；位于指纹检测面板上的指纹检测区域，指纹检测区域内设有上述的指纹检测电路。
再者，本发明还公开了一种移动终端，包括上述的电容式指纹传感器。
本发明公开的指纹检测电路，选择至少一个检测单元作为抵消单元，将其他检测单元的输出信号与该检测单元的输出信号进行求和运算以消除检测单元的输出信号中的基底信号，得到包含指纹信息的有用信号。与现有技术相比，提高了基底信号的消除能力，进一步提高了指纹识别精度。
进一步地，与采用高精度信号源的指纹检测电路相比，求和电路结构简单，占用芯片面积小，且容易实现低功耗设计。
附图说明
图1是现有技术中电容式指纹传感器的指纹检测电路示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电容式指纹传感器的指纹检测电路示意图；
图3为本发明实施例提供的电容式指纹传感器的检测单元分布示意图；
图4是本发明实施例提供的电容式指纹传感器的检测单元电路示意图；
图5是本发明实施例提供的电容式指纹传感器的另一种检测单元电路示意图；
图6是本发明实施例提供的电容式指纹传感器的指纹信号基底幅度示意图；
图7是本发明实施例提供的电容式指纹传感器的一种求和单元电路示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中电容式指纹传感器包括指纹检测面板，位于指纹检测面板上的指纹检测区域，指纹检测区域内设有指纹检测电路，如图2所示，图2为本发明提出的一种指纹检测电路示意图，该指纹检测电路包括阵列排列的多个检测单元以及求和单元、第一放大器A1。如图3所示，本实施例中，从多个检测单元中任意选择其中一个(当然也可以选择多个)作为第一检测单元，剩余的检测单元作为第二检测单元，第一检测单元和第二检测单元的输出端均与求和单元连接，求和单元将每个第二检测单元的输出信号与第一检测单元的输出信号进行求和运算以消除每个第二检测单元的输出信号中的基底信号，得到包含指纹信息的有用信号，然后由第一放大器A1对求和单元输出的信号进行放大。
图4和图5给出了检测单元的两种具体电路。图4中检测单元包括第二放大器A2、第一电容Cs、第二电容Cp和第三电容Cf，其中Cs代表手指和指纹检测单元之间的耦合电容，Cf为检测单元内部的反馈电容，Cp为检测单元内部的寄生电容。检测单元检测到指纹的谷时，Cs为最小值Csmin；检测单元检测到指纹的峰时，Cs为最大值Csmax。第一电容Cs一端接手指的输入信号，另一端与第二放大器A2的反相输入端连接。第二电容Cp连接在第二放大器A2的反相输入端和正相输入端之间。第三电容Cf一端连接第二放大器A2的反相输入端，另一端连接所述第二放大器A2的输出端。第二放大器A2的正相输入端接地。
图5中检测单元包括第二放大器A2、第一电容Cs、第二电容Cp和第三电容Cf，其中Cs代表手指和指纹检测单元之间的耦合电容，Cf为检测单元内部的反馈电容，Cp为检测单元内部的寄生电容。检测单元检测到指纹的谷时，Cs为最小值Csmin；检测单元检测到指纹的峰时，Cs为最大值Csmax。第一电容Cs和第二电容Cp均一端接地，另一端与第二放大器A2的反相输入端连接。第三电容Cf一端连接所述第二放大器A2的反相输入端，另一端与所述第二放大器A2的输出端连接。第二放大器A2的正相输入端接手指的输入信号。
请参阅图6所示，由于指纹的峰对应的信号幅度最大，而指纹的谷对应的信号幅度最小，可以认为指纹的谷对应的信号幅度即为基底幅度。为了简化描述，假设VIN_c正好为指纹的谷对应的信号幅度。VPXL_1连接到求和单元的正相输入端，VCAN连接到求和单元的负相输入端，求和单元的输出信号VSUM_1＝VPXL_1-VCAN，因此VSUM_1信号将只包含指纹信息的有用信号幅度，基底幅度被完全抵消掉。VSUM_1经过第一放大器A1放大之后的信号VOUT_1即可使代表指纹信息的有用信号幅度得到尽可能的放大。
请参阅图7所示，本实施例中求和单元包括第三放大器A3，第三放大器A3的正相输入端与所述第二检测单元的输出端连接，反相输入端与所述第一检测单元的输出端连接。
进一步地，求和单元还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，第一电阻R1连接在第一检测单元的输出端和第三放大器A3的反相输入端之间。第二电阻R2连接在第二检测单元的输出端和第三放大器A3的正相输入端之间。第三电阻R3一端与第三放大器A3的正相输入端连接，另一端接地。第四电阻R4一端连接第三放大器A3的反相输入端，另一端与第三放大器A3的输出端连接。
下面按照常规的电路参数给出本发明电容式指纹传感器的指纹检测系统的基底消除电路中的计算说明：
对于图1中的常用电路而言，VCAN幅度为固定值，电路的传递函数为：
VOUT_1＝G2*VPXL_1＝G2*G1*(k*VIN_1-VCAN)
假设各个参数的数值为：放大器增益G2＝10，检测单元增益G1＝5，耦合电容变化系数k＝1.01，手指信号幅度VIN_1＝1V(有用指纹幅度占比1％，即VSIG＝0.01V，VBS＝0.99V，VIN_1＝VSIG+VBS)，高精度信号源输出幅度VCAN＝0.99V，可算得VOUT_1＝G2*G1*(k*(VSIG+VBS)-VCAN)＝G2*G1*(1.01*VSIG+0.01VBS)＝50*1.01*VSIG+50*0.01*VBS＝0.505V+0.495V＝1V。其中指纹幅度为0.505V，基底幅度为0.495V。(经消除后基底幅度由99％降低至49.5％。)
对于图2本发明电容式指纹传感器的指纹检测系统的基底消除电路而言，电路的传递函数为：
VOUT_1＝G2*VSUM_1＝G2*(VPXL_1-VCAN)＝G2*G1*k*(VIN_1-VIN_c)
假设各个参数的数值为：第一放大器A1增益G2＝10，检测单元增益G1＝5,耦合电容变化系数k＝1.01，手指信号幅度VIN_1＝1V(有用指纹幅度占比1％，即VSIG＝0.01V，VBS＝0.99V，VIN_1＝VSIG+VBS)。可算得
VOUT_1＝G2*G1*k*(VIN_1-VIN_c)＝0.505V
VOUT_1信号幅度全部为有用指纹幅度。(经消除后基底幅度由99％降低至0％。)
在第一放大器A1的输出电压幅度一定的情况下，在本发明的指纹检测系统的基底消除电路中，可以将第一放大器A1增益G2设置得更大，以获取更大的有用指纹信号幅度，从而提高指纹识别精度。
本发明公开的指纹检测电路，选择至少一个检测单元作为抵消单元，将其他检测单元的输出信号与该检测单元的输出信号进行求和运算以消除检测单元的输出信号中的基底信号，得到包含指纹信息的有用信号，提高了基底信号的消除能力，进一步提高了指纹识别精度。相比现有采用高精度信号源的抵消电路，求和电路结构简单，占用芯片面积小，且容易实现低功耗设计。
同时，本发明还公开了一种移动终端，包括上述的电容式指纹传感器。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种指纹检测电路，包括阵列排列的多个检测单元，其特征在于，还包括求和单元，所述检测单元包括第一检测单元和第二检测单元，所述第一检测单元和第二检测单元分别与所述求和单元连接，所述求和单元将每个第二检测单元的输出信号与所述第一检测单元的输出信号进行求和运算以消除每个第二检测单元的输出信号中的基底信号，得到包含指纹信息的有用信号；所述第二检测单元与所述求和单元的正相输入端连接，所述第一检测单元与所述求和单元的反相输入端连接。
2.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，还包括第一放大器，所述第一放大器对所述求和单元输出的信号进行放大。
3.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述第一检测单元的数量为一个。
4.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述检测单元包括第二放大器、第一电容、第二电容和第三电容，所述第一电容一端接手指的输入信号，另一端与所述第二放大器的反相输入端连接；所述第二电容连接在所述第二放大器的反相输入端和正相输入端之间；所述第三电容一端连接所述第二放大器的反相输入端，另一端连接所述第二放大器的输出端；所述第二放大器的正相输入端接地。
5.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述检测单元包括第二放大器、第一电容、第二电容和第三电容，所述第一电容和第二电容均一端接地，另一端与所述第二放大器的反相输入端连接；所述第三电容一端连接所述第二放大器的反相输入端，另一端与所述第二放大器的输出端连接；所述第二放大器的正相输入端接手指的输入信号。
6.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述求和单元包括第三放大器，所述第三放大器的正相输入端与所述第二检测单元的输出端连接，反相输入端与所述第一检测单元的输出端连接。
7.根据权利要求6所述的指纹检测电路，其特征在于，所述求和单元还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻连接在所述第一检测单元的输出端和所述第三放大器的反相输入端之间；所述第二电阻连接在所述第二检测单元的输出端和所述第三放大器的正相输入端之间；所述第三电阻一端与所述第三放大器的正相输入端连接，另一端接地；所述第四电阻一端连接所述第三放大器的反相输入端，另一端与所述第三放大器的输出端连接。
8.一种电容式指纹传感器，其特征在于，包括指纹检测面板；位于指纹检测面板上的指纹检测区域，指纹检测区域内设有权利要求1-7任一项所述的指纹检测电路。
9.一种移动终端，其特征在于，包括权利要求8所述的电容式指纹传感器。
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