CN104376299A - 一种指纹识别传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种指纹识别传感器及指纹识别方法，其包括了用于检测手指触摸的指纹图像感测阵列，其包括以适当方式排列的多个驱动电极以及感应电极，以及一个处理器，其与感测阵列配合，对感测阵列扫描并基于感测信号生成完整的指纹图像，其通过产生不同的调制信号，并应用于多个驱动电极，以获得合成的信号，并利用该调制信号对感应电极的感测信号进行解调，得到指示指纹信息的电感测信号，根据对感测信号进行处理，生成完整的指纹识别图像。本发明通过对电极的复用有效减少了处理器电路芯片封装的管脚数目，并降低感应电极感测信号之间的串扰和耦合，优化了系统设计。

Description

一种指纹识别传感器
技术领域
本发明涉及一种指纹识别传感器，集成于电容式触摸屏或触摸装置之中，通过检测手指触摸引起的电极互电容值的变化来得到指纹信息。
背景技术
电容式指纹识别传感器的基本感应原理如图1所示，通过检测传感器电极间的电容大小得到指纹信息。如图1所示，两个电极S1，S2之间形成平面电容，电极通常形成于透明基板之中。当手指触碰到感测区域的基板时，指纹脊或指纹谷接触到电极S1，S2之间，会改变介质的介电常数，从而改变电极间平面电容的大小。检测芯片将电容值转换为电信号，以获得指纹信息。
现有的电容式指纹识别传感器如图2所示。该传感器的驱动电极Tx(Tx1～Tx160)与感应电极Rx(Rx1)之间形成平面电容，当手指触摸时，指纹脊和指纹谷接触电极所在的透明基板，电极之间的各个平面电容值产生不同变化。在驱动电极Tx各端依次施加方波或其他波形驱动，感应电极Rx端接收电信号并输入到检测芯片，对电容值进行量化以及处理分析，从而通过对手指滑动的捕捉得到完整的指纹识别图像。这类指纹识别传感器的缺点是驱动电极的数目较多。以8mm长的感应区域为例，500dpi解析精度的指纹识别传感器，需要设置驱动电极Tx的数目达到8mm/50um，即160根。这就使得指纹识别检测芯片也需要160个Tx驱动管脚，过多的芯片管脚会带来封装及引线的困难，并使芯片的面积受到芯片管脚的约束。
此外，因为指纹识别传感器的感应电容变化量非常小，电极之间的串扰和耦合都可能会导致指纹识别图像质量下降甚至失效，因此必须对感应电极Rx进行屏蔽优化，避免其它信号的干扰。感应电极Rx数目越多，系统屏蔽设计就越困难。
发明内容
本发明提出了一种新的指纹识别传感器以及指纹识别方法，可以整合于现有的各种智能终端上的电容式触摸屏或触摸装置之中，利用触摸区域检测手指指纹信息，根据各个实施例，该指纹识别传感器包括了用于检测手指触摸的指纹图像感测阵列，其包括以适当方式排列的多个驱动电极以及感应电极，以及一个处理器，其与感测阵列配合，对感测阵列扫描并基于感测信号生成完整的指纹图像，其通过产生不同的调制信号，并应用于多个驱动电极，以获得合成的信号，并利用该调制信号对感应电极的感测信号进行解调，得到指示指纹信息的电感测信号，根据对感测信号进行处理，生成完整的指纹识别图像。
本发明提出的指纹识别传感器，可以配置在现有的各种智能终端设备上的电容式触摸屏或触摸装置之中，这些智能终端设备包括但不限于：各种智能手机，个人数据助理(PDA)，移动电视接收机，无线设备，手持式或便携计算机，家用计算机，平板电脑，笔记本，打印机，复印机，GPS接收机或导航设备等任何涉及用户交互或输入的电子设备。
本发明所述的指纹识别传感器，通过对感应电极的复用，有效减少了处理器电路芯片封装的管脚数目，降低了管脚数目对芯片面积设计的制约，优化了系统设计。
本发明所述的指纹识别传感器，通过将触摸区域感测阵列的驱动电极集成于电容触摸屏的电极层，并可以进一步复用触摸屏的驱动电极，进一步优化系统设计，降低成本。
本发明所述的指纹识别传感器，对多个感应电极得到的感测信号进行分组处理，从而进一步降低感应电极感测信号之间的串扰和耦合。
本发明所述的指纹识别传感器，基于得到的感测信号，感应到手指相同位置信息在时间上的差异，对其数据进行比对既可以实现手指速度、移动方向的判断。
本发明所述的指纹识别传感器，设置多个第一感应电极以及多个第二感应电极，所述第一感应电极和第二感应电极平行放置，通过将第二感应电极的中部感测区域或靠近中部感测区域与第一感应电极的边缘感测区域在正交方向对齐，从而对第一感应电极边缘感测区域的感测信号进行补偿校正，有效解决了电容触摸边缘效应带来的非线性失真。
本发明所述的指纹识别传感器，基于第一感应电极的第一感应信号以及第二感应电极的第二感应信号，实现触摸信号在感应电极上位置偏移的判断，进而在拼接成指纹图像时对图像的偏移量进行修正补偿，提高识别精度。
本发明所述的指纹识别传感器，触摸阵列的感应电极与驱动电极可以采用常用的电极材料如氧化铟锡ITO。感应电极与驱动电极阵列可以形成于同层或不同层透明基板之中。感应图形可以直接制作在智能设备的盖板玻璃或防爆膜的下表面；也可以制作在同层/不同层的薄膜上，并置于盖板玻璃或防爆膜之下。
附图说明
图1示出了电容式指纹识别传感器的基本感应原理。
图2为现有的电容式指纹识别传感器结构框图。
图3为本发明提出的电容式指纹识别传感器结构框图。
图4为本发明提出指纹识别处理器系统框图。
图5为本发明提出的另一种电容式指纹识别传感器结构框图。
图6为本发明提出的另一种电容式指纹识别传感器结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的技术方案作详细说明。如图3所示，采用多个感应电极Rx与驱动电Tx构成指纹识别传感器的感测阵列，以8mm矩形感测区域面积，500dpi解析度的指纹识别传感器为例，感应电极Rx为4根，每一根Rx和40根驱动电极Tx(Tx1～Tx40)形成感测阵列，驱动电极和感应电极集成于同一层透明基板之中，相互之间无交叠区域。传感器感测阵列中驱动电极Tx的数目仍为160根，保证了500dpi的解析度，然而因为其对每一根感应电极Rx重复使用，所以对应到指纹识别处理器电路封装芯片上的管脚数目被减少到了160/4＝40根。此外，由于指纹识别传感器的感应电容变化量非常小，电极之间的串扰和耦合都可能会导致指纹识别图像质量下降甚至失效，感应电极Rx数目越多，系统屏蔽设计就越困难。因此必须对感应电极Rx优化屏蔽设计，避免其它信号的干扰。
在应用到移动智能设备中时，手指会引入额外的噪声耦合至触摸屏以及指纹识别系统中，影响系统检测的精度及灵敏度。本发明采用的指纹识别传感器可以置于智能设备屏幕的边缘，在启动指纹识别功能后，手指在接触指纹识别传感器的同时会和设备边框接触，设备边框材质做导电处理接系统地。因此，手指通过设备边框连接至系统地，消除了由于人体与系统地之间的电位差而可能引入的噪声。
指纹识别处理器的系统框图如图4所示，其具体可以实现为集成电路芯片。图中的CHANNEL即感测阵列中驱动电极Tx与感应电极Rx之间的耦合通道，虚线框中的部分为处理器电路的逻辑框图。处理器对驱动电极分组同时施加激励信号。PNi为调制信号，cos(2pifi)为载波信号，pi即圆周率在matlab中的表示。可以采用不同的伪随机序列对驱动电极Tx驱动信号进行调制，当伪随机序列满足公式(1)的条件时，接收端采用相同的伪随机序列解调，能够将来自不同Tx端的信号解调还原。
(PNi，PNj)＝1；i＝j；
0；i！＝j；  (1)
这种驱动方式能够通过牺牲带宽来获得更高的信噪比。
处理器可以同时量化多个感应电极的感应信号，也可以分组量化。作为本发明的一种应用，感应电极Rx可以被分为奇偶两组或其他分组方式。处理器先后对奇数组Rx和偶数组Rx进行量化。在奇数Rx量化的时候，偶数Rx被钳位在共模电平位置，以减少相邻Rx电极之间的相互影响。
在感应电极的边缘区域由于边界效应，其感应电容值与非边缘区域相比，线性度较差，容易失真。因此有可能会造成指纹图像在感应电极边缘位置不连续，甚至出现误判。采用引入额外的感应电极可以消除/补偿这种负面效应。图5和6所示的实施例中，感应电极被分为两组。感应电极Rx1～Rx4为第一感应电极，即主感应电极，感应电极Rx5～Rx7第二感应电极，即辅感应电极。以160根驱动电极，4根主感应电极(Rx1～Rx4)为例，图5和图6分别示出了两种补偿结构。图中辅助感应电极Rx5，Rx6和Rx7与主感应电极Rx1～Rx4平行错开放置，使得每个主感应电极的边缘区域与辅助感应电极的非边缘区域在正交方向对齐。因此可以用辅助感应电极非边缘区域得到的感测信号对主感应电级边缘区域的感测信号进行校正补偿，从而得到完整的指纹识别图像，提高识别精度和准确度。
在一维图像拼接时，指纹识别算法需要利用手指滑动的速度以及手指相对于指纹识别传感器位置偏移量等信息进行后续计算。发明采用两组感应电极之后，由于每组感应电极Rx的位置不同，感应到手指相同位置的信息在时间上的前后差异，处理器基于得到的感测信号，对其数据进行比对即可以实现手指速度、移动方向的判断。
如图5、6所示，辅助感应电极Rx5～Rx7与主感应电极Rx1～Rx4配合，实现手指滑动速度感测。辅助感应电极Rx5～Rx7与主感应电极Rx1～Rx4由于位置差异，感应手指相同部位时存在时间上的差别，对其数据进行比对即可以实现手指滑动速度的识别。
主感应电极和辅助感应电极配合也可以实现手指在感应电极上位置偏移的识别判断。如图5，6所示，主感应电极和辅助感应电极之间存在物理垂直方向上的差异，如果手指接触摸时偏向感应电极Rx1一边，那么感应电极Rx4上边缘的某些像素点就没有指纹信息数据。相应的如果手指触摸时偏向Rx4一边，那么感应电极Rx1上边缘的某些像素点就没有指纹信息数据。通过这样数据的判断系统可以计算出手指在感应电极上的偏移量，进而在拼接成指纹图像时对图像的偏移量进行修正补偿，提高识别准确度。
从上述描述和附图中受益的工程师，本领域技术人员可以想到本发明的多种改型和其他实施方式。因此，可以理解，本发明并不限定于公开的具体实施方式，并且改型和实施方式应该包括在本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种指纹传感器，，包括指纹图像感测阵列和一个处理器；
所述感测阵列包括多个驱动电极以及多个感应电极，驱动电极和感应电极之间无相互交叠区域；
所述处理器与感测阵列配合，对感测阵列的电极进行扫描并基于感测信号生成完整的指纹图像，其将多个不同的调制信号应用于多个驱动电极，以获得合成的信号，并利用该调制信号解调感测信号，并基于得到的信号生成完整的指纹识别图像。
2.根据权利要求1所述的指纹传感器，所述驱动电极复用电容触摸屏的驱动电极。
3.根据权利要求1所述的指纹传感器，对所述多个感应电极实现复用。
4.根据权利要求1所述的指纹传感器，处理器对多个感应电极得到的感测信号进行分组处理。
5.根据权利要求1所述的指纹传感器，处理器基于多个感应电极得到的感测信号，对相同部位指纹图像的信号进行比对，来识别和跟踪手指的移动。
6.根据权利要求1所述的指纹传感器，处理器基于多个感应电极得到的感测信号计算出手指在感应电极上的偏移量，进而在拼接成指纹图像时对图像的偏移量进行修正补偿。
7.根据权利要求1所述的指纹传感器，所述多个感应电极包括两组，即多个第一感应电极和多个第二感应电极，第一感应电极与第二感应电极错开放置，使得每个第一感应电极的边缘区域与第二感应电极的非边缘区域在正交方向对齐，从而利用第二感应电极的感测信号对第一感应电极的感测信号进行补偿。
8.根据权利要求7所述的指纹传感器，处理器基于第一感应电极和第二感应电极得到的感测信号，对相同部位指纹图像的信号进行比对，实现手指速度和移动方向的识别。
9.根据权利要求7所述的指纹传感器，处理器基于第一感应电极和第二感应电极得到的感测信号计算出手指在感应电极上的偏移量，进而在拼接成指纹图像时进行修正补偿。
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