CN104318210B

CN104318210B - 一种指纹识别传感器及指纹检测方法

Info

Publication number: CN104318210B
Application number: CN201410538431.3A
Authority: CN
Inventors: 程泰毅; 效烨辉; 赵祥桂; 杨军; 胡骁
Original assignee: Silead Inc
Current assignee: Silead Inc
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2034-10-13
Also published as: CN104318210A

Abstract

本发明涉及指纹识别技术领域，公开了一种指纹识别传感器及指纹检测方法。本发明中，指纹识别传感器的感应单元为双模感应单元，每一个双模感应单元内均设有用以产生激励信号的发射电路和用以采集指纹数据的接收电路；并且，双模感应单元对发射电路和接收电路进行分时复用。通过采用可实施配置为发射或接收的双模感应单元，使得指纹识别传感器无需在感应阵面外设有金属电极作为专门的发射电极，直接采用感应单元作为激励信号的发射源，既避免了发射电极高电压驱动对人体带来的刺痛感，又避免了发射电极高电压驱动带来的工艺兼容性等问题，还解决了因发射电极造成的外观和可靠性问题，简化了指纹识别传感器模组的制造和装配流程。

Description

一种指纹识别传感器及指纹检测方法

技术领域

本发明涉及指纹识别技术领域，特别涉及一种指纹识别传感器及指纹检测方法。

背景技术

随着移动通信技术的不断发展，智能手机已集合了各个领域的功能。例如，可通过智能手机收发电子邮件、播放视频及音频文件、记录会议纪要甚至是开视频会议等。此外，个人所用的手机内通常会保存大量的资料。若手机遗失或被盗则很可能造成更大损失。现有的手机通常采用数字密码或图形密码进行保护，该种密码保存麻烦且容易被破解。因此，时下流行使用指纹密码作为手机的密码保护，确保了手机的安全和隐私性。

为实现信号检测，需要激励信号，激励信号可采用内部激励和外部激励两种方式进行发射。早期的文献中，激励信号采用内部激励方式进行发射。但在实际使用中，感应单元上保护涂层逐渐加厚，内部激励不能满足信号质量要求，为加强信号，外部激励方式逐渐取代了内部激励方式。

现有指纹识别电路中，外部激励方式主要采用专门发射电极驱动手指。图1给出了一种典型地采用外部激励方式发射激励信号的示意，指纹识别电路主要包括接收电容阵面C_i，在接收电容阵面C_i下方布有感应单元(sensor-cell)，感应单元用于检测电容阵面C_i的电容量，电容阵面C_i的电容量分布即表征了指纹的“谷”和“脊”，从而表征了指纹图样，作为指纹识别的原始数据。

由图1可以看到，在感应阵面外设有环状金属电极以驱动手指，虚线表示了激励信号发射的方向。随着感应单元上保护涂层加厚，为了保证接收电路的信号质量，需要用更高的驱动电压来驱动手指。有些设计中，甚至采用了由直流升压器电路构成的专门信号发射电路，用以产生交流信号以驱动手指。

然而，采用发射电极驱动手指，在感应单元上有较厚保护涂层时，为保证接收电路的信号质量，需要采用高电压驱动。一方面，采用电压直接驱动手指，会有电流通过人体，人体会产生刺痛感；另一方面，在感应阵面外设有环状金属电极作为发射电极，增加了指纹模组制造、装配的难度和成本。此外，在一些移动终端上，由于可靠性和外观的要求不允许存在金属发射电极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种指纹识别传感器及指纹检测方法，使得指纹识别传感器无需在感应阵面外设有金属电极作为专门的发射电极。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种指纹识别传感器，该指纹识别传感器具有包含若干个感应单元的感应单元阵列；

所述感应单元为双模感应单元，每一个双模感应单元内均设有用以产生激励信号的发射电路和用以采集指纹数据的接收电路；并且，双模感应单元对发射电路和接收电路进行分时复用。

本发明的实施方式还提供了一种指纹检测方法，采用上述指纹识别传感器进行指纹检测，包含以下步骤：

A、将感应单元阵列中至少一个感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一个配置为发射电路；

B、发射电路发射激励信号；

C、接收电路采集指纹数据；

重复执行步骤A至C，直到每一个感应单元至少有一次配置为接收电路。

相对于现有技术而言，本发明实施方式的感应单元为双模感应单元，每一个双模感应单元内均设有用以产生激励信号的发射电路和用以采集指纹数据的接收电路；并且，双模感应单元对发射电路和接收电路进行分时复用。通过采用发射和接收复用的双模感应单元，对感应单元进行实时配置，可直接采用配置为发射的感应单元作为激励信号的发射源，使得指纹识别传感器无需在感应阵面外设有金属电极作为专门的发射电极，既避免了发射电极高电压驱动对人体带来的刺痛感，又避免了发射电极高电压驱动带来的工艺兼容性等问题，还解决了因发射电极造成的外观和可靠性问题，简化了指纹识别传感器模组的制造和装配流程。

另外，所述双模感应单元还包含传感器阵面、第一开关和第二开关；所述发射电路通过所述第一开关连接所述指纹识别传感器的传感器阵面；所述接收电路通过所述第二开关连接所述指纹识别传感器的传感器阵面。发射电路和接收电路分别通过开关连接至指纹识别传感器的传感器阵面，通过在不同时刻闭合不同的开关，实现了发射电路和接收电路的分时复用。

另外，双模感应单元还包含第三开关，所述指纹识别传感器的传感器阵面通过所述第三开关连接至固定电平，可以将感应单元配置为不接收也不发射，使这些感应单元处于被配置为发射电路和接收电路的感应单元之间，可防止发送区域的感应单元的信号直接耦合到接收区域的感应单元，以便指纹识别传感器能准确进行指纹检测。

另外，双模感应单元还包含多路复用器和传感器阵面；所述发射电路和所述接收电路通过所述多路复用器连接至所述传感器阵面，并且，所述发射电路和所述接收电路分别连接至所述多路复用器的一个通道。通过多路复用器实现发射电路和接收电路的分时复用，以保证发射电路和接收电路的分时复用的可实现性。

另外，多路复用器的一个通道连接至固定电平，可实现将感应单元配置为不接收也不发射，将感应单元配置为不接收也不发射，使这些感应单元处于被配置为发射电路和接收电路的感应单元之间，可防止发送区域的感应单元的信号直接耦合到接收区域的感应单元，以便指纹识别传感器能准确进行指纹检测。

另外，指纹识别传感器在进行指纹检测时，所述感应单元阵列中至少一个感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一个配置为发射电路；并且，每一个感应单元至少有一次配置为接收电路。

另外，感应单元阵列包含M行N列感应单元，其中，M和N均为正整数；同一时刻只有一行或一列感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一行或一列配置为发射电路；每一行或每一列感应单元依次配置为接收电路。通过对感应单元阵列分组，并进行循环接收，可方便地对感应单元进行操控，简化控制电路。

另外，感应单元阵列包含M行N列感应单元；同一时刻感应单元阵列中m行n列感应单元配置为接收电路；其中，m、n、M和N均为正整数，m<M，n<N。

另外，感应单元阵列直接位于封装盖板下方，使得人体不直接接触用于产生激励信号的发射电极，从而避免了现有技术中发射电极的高电压驱动对人体带来的刺痛感。

附图说明

图1是根据现有技术的指纹识别传感器及其激励信号发射示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的指纹识别传感器及其激励信号发射示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的指纹识别传感器的等效电路模型；

图4是根据本发明第一实施方式的感应单元中开关选择方案的示意图；

图5是根据本发明第一实施方式的感应单元中多路复用方案的示意图；

图6是根据本发明第一实施方式的指纹识别传感器的感应单元阵列的配置示意图；

图7是根据本发明第一实施方式的指纹识别传感器的感应单元阵列的又一配置示意图；

图8是根据本发明第二实施方式的感应单元中开关选择方案的示意图；

图9是根据本发明第二实施方式的感应单元中多路复用方案的示意图；

图10是根据本发明第二实施方式的指纹识别传感器的感应单元阵列的配置示意图；

图11是根据本发明第二实施方式的指纹识别传感器的感应单元阵列的又一配置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种指纹识别传感器。该指纹识别传感器具有可配置为发射或接收的双模感应单元阵列，每一个感应单元内设有专门用以产生激励信号的发射电极，为了实现指纹信号的采集，感应阵面可分区复用为发射区域和接收区域，采用感应阵面的发射区域作为发射源直接驱动手指，不采用专门的发射电极(图1中的环状金属)。

具体地说，如图2所示，指纹识别传感器具有包含若干个感应单元的感应单元阵列。感应单元为双模感应单元，每一个双模感应单元内均设有用以产生激励信号的发射电路和用以采集指纹数据的接收电路。并且，双模感应单元可对发射电路和接收电路进行分时复用。图2中，有一行感应单元配置成了接收电路，其余感应单元配置成了发射电路，虚线是激励信号的发射方向。在进行指纹信号检测过程中，发射电路产生激励信号驱动手指，接收电路探测接收区域感应单元与手指之间的耦合电容来采集指纹数据，这一检测过程的等效电路模型如图3所示。

Tx为发射部分与手指之间的耦合电容示意，配置为发射电路的反应单元(以下简称“发射单元”)与手指之间的耦合电容C_TX为单个发射单元与手指耦合电容C_i,TX的总和，用公式表示为：

C_TX＝∑C_i,TX

C_body为手指对大地的分布电容，R_body为手指对大地的等效电阻，Vfin为在手指上的激励电压。Rx为接收部分与手指之间的耦合电容示意，其感应单元上方即为需要探测的手指与传感阵面之间的耦合电容C_i。激励信号Vx通过发射区域的传感器阵面发射之后，检测接收区域的传感器阵面(cell)上的电压，由于指纹中脊和谷与传感器阵面的接触程度不同，其对应的耦合电容C_i的值不同，使得在接收区域传感器单元上检测得到的电压也不相同，从而可以区分出脊和谷。

双模感应单元的结构如图4所示，手指与传感器阵面之间形成耦合电容C_i，发射电路通过第一开关连接传感器阵面，接收电路通过第二开关连接传感器阵面。在感应单元配置为发射电路时，第一开关闭合，发射信号控制电路产生激励信号通过发射电路(图中的Driver)发射出去。在感应单元配置为接收电路时，第二开关闭合，接收电路(图中的LNA)检测并放大来自接收单元耦合电容Ci的微弱电压信号，并送至接收信号调理电路进行后续处理，以区分“谷”和“脊”。

本领域技术人员可以对发射电路和接收电路的分时复用电路进行扩充，比如，如图5所示，采用多路复用器将发射电路和接收电路连接至传感器阵面，那么发射电路和接收电路分别连接至多路复用器的一个通道，在需要配置为发射电路时，选用连接发射电路的支路；在需要配置为接收电路时，选用连接接收电路的支路。

指纹识别传感器在进行指纹检测时，感应单元阵列中至少一个感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一个配置为发射电路，并且每一个感应单元至少有一次配置为接收电路。最简单的情况是，每次将一个感应单元配置为接收电路，其余感应单元都配置为发射电路，依次将每一个感应单元配置为接收电路，采集每一个传感器阵面的信号，从而确定整个传感器阵面采集的指纹数据。

上述每次处理一个感应单元的方法处理速度较慢，可以对感应单元阵列分组，并进行循环接收，可方便地对感应单元进行操控，简化控制电路。也就是说，将感应单元阵列分区复用为发射区域或接收区域。

比如，感应单元阵列包含M行N列感应单元，其中，M和N均为正整数；同一时刻只有一行或一列感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一行或一列配置为发射电路；每一行或每一列感应单元依次配置为接收电路。如图6所示，将其中一行配置为接收电路，其余行均配置为发射电路，依次将每一行设置为接收电路。

或者，同一时刻感应单元阵列中m行n列感应单元配置为接收电路，其中，m和n为正整数，且m<M，n<N。如图7所示，中间虚线框内的感应单元配置为接收电路，其余感应单元配置为发射电路，m行n列感应单元组成的接收区域在整个感应单元阵列中滚动，直到每一个感应单元至少有一次配置为接收电路为止。在实际应用中，可按照方便控制的原则进行设置，比如3行3列，8行8列等，在此不一一例举。

此外，在将每一组感应单元配置为接收电路时，依据模数转换器的处理速度，一个激励信号持续时间内，可以处理多个感应单元的采集的指纹数据，也就是说，接收也可以分组处理，这样也可提高处理速度。

值得说明的是，在本实施1式中，激励信号可不采用高压驱动，比如说，Vx为0～2.8v，C_TX约为5p，C_body约75p，由可知V_fin幅度在-0.087v至0.087v，可以看到手指上感测到的电压V_fin非常低，对人体几乎无影响。此外，感应单元阵列还可直接位于封装盖板下方，使得人体不直接接触用于产生激励信号的发射电极，从而避免了现有技术中发射电极的高电压驱动对人体带来的刺痛感。

与现有技术相比，本实施方式通过采用发射和接收复用的双模感应单元，对感应单元进行实时配置，可直接采用配置为发射的感应单元作为激励信号的发射源，使得指纹识别传感器无需在感应阵面外设有金属电极作为专门的发射电极，既避免了发射电极高电压驱动对人体带来的刺痛感，又避免了发射电极高电压驱动带来的工艺兼容性等问题，还解决了因发射电极造成的外观和可靠性问题，简化了指纹识别传感器模组的制造和装配流程。

本发明的第二实施方式涉及一种指纹识别传感器。第二实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，将感应单元可配置为不接收也不发射，使这些感应单元处于被配置为发射电路和接收电路的感应单元之间，可防止发送区域的感应单元的信号直接耦合到接收区域的感应单元，以便指纹识别传感器能准确进行指纹检测。

具体地说，如图8所示，传感器阵面通过第三开关连接至固定电平，或者，如图9所示，多路复用器的一个通道连接至固定电平。这一固定电平可以是0V(也就是感应单元直接接地)，或者是电源电压(也就是感应单元直接电源)，或者是0至电源电压之间的某一电平。将传感器阵面连接至固定电平时，感应单元既不接收也不发送，这些感应单元位于接收区域和发射区域之间，起到隔离两者的作用，如图10和11中空白的感应单元所示。

本发明第三实施方式涉及一种指纹检测方法，采用第一实施方式的指纹识别传感器进行指纹检测，包含以下步骤：

B、发射电路发射激励信号；

C、接收电路采集指纹数据；

为了方便地对感应单元进行操控，简化控制电路，可在步骤A中，将一行或一列感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一行或一列配置为发射电路，重复执行步骤A至C，将每一行或每一列感应单元依次配置为接收电路。其中，感应单元阵列包含M行N列感应单元，M和N均为正整数。

也可以在步骤A中，将感应单元阵列中m行n列感应单元配置为接收电路；其中，m和n均为正整数，且m<M，n<N。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种指纹识别传感器，其特征在于，所述指纹识别传感器具有包含若干个感应单元的感应单元阵列；

所述感应单元为双模感应单元，每一个双模感应单元内均设有用以产生激励信号的发射电路和用以采集指纹数据的接收电路；并且，双模感应单元对发射电路和接收电路进行分时复用；

所述指纹识别传感器在进行指纹检测时，所述感应单元阵列中至少一个感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一个配置为发射电路；

每一个感应单元至少有一次配置为接收电路；

所述感应单元阵列包含M行N列感应单元，其中，M和N均为正整数；同一时刻只有一行或一列感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一行或一列配置为发射电路；每一行或每一列感应单元依次配置为接收电路；或者，所述感应单元阵列包含M行N列感应单元；同一时刻感应单元阵列中m行n列感应单元配置为接收电路；其中，m、n、M和N均为正整数，m<M，n<N。

2.根据权利要求1所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述双模感应单元还包含传感器阵面、第一开关和第二开关；

所述发射电路通过所述第一开关连接所述传感器阵面；

所述接收电路通过所述第二开关连接所述传感器阵面。

3.根据权利要求2所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述双模感应单元还包含第三开关；

所述传感器阵面通过所述第三开关连接至固定电平。

4.根据权利要求1所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述双模感应单元还包含多路复用器和传感器阵面；

所述发射电路和所述接收电路通过所述多路复用器连接至所述传感器阵面，并且，所述发射电路和所述接收电路分别连接至所述多路复用器的一个通道。

5.根据权利要求4所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述多路复用器的一个通道连接至固定电平。

6.根据权利要求1所述的指纹识别传感器，其特征在于，感应单元阵列直接位于封装盖板下方。

7.一种指纹检测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的指纹识别传感器进行指纹检测，包含以下步骤：

B、发射电路发射激励信号；

C、接收电路采集指纹数据；

重复执行步骤A至C，直到每一个感应单元至少有一次配置为接收电路；

在所述步骤A中，将一行或一列感应单元配置为接收电路，其余感应单元中至少有一行或一列配置为发射电路；其中，感应单元阵列包含M行N列感应单元，M和N均为正整数；重复执行步骤A至C，将每一行或每一列感应单元依次配置为接收电路；或者，在所述步骤A中，将感应单元阵列中m行n列感应单元配置为接收电路；其中，所述感应单元阵列包含M行N列感应单元；m、n、M和N均为正整数，m<M，n<N。