CN104380312B - 使用电场装置的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种具有电场装置的生物计量扫描器及一种使用所述扫描器的方法。所述电场装置(a)不具有电场产生器或具有防止给例如手指等生物计量对象提供电场的电场产生器，及(b)具有由多个电场传感器组成的电场传感器阵列。来自所述传感器阵列的电容读数用于产生归属于对应于所述传感器的位置的值。

Description

使用电场装置的系统及方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2012年2月6日申请的第61/595,322号美国临时专利申请案的优先权权益。

技术领域

本发明涉及指纹扫描装置，其通过测量与分布在生物计量对象(例如手指)上的电荷相关联的电场而运作。

背景技术

从十九世纪起已通过墨水及纸张从人类手指及手收集指纹信息。出于本文件的目的，术语指纹意指单一指纹的皮肤表面摩擦脊细节、部分指纹或直到及包含整个手或脚的皮肤表面摩擦脊的任何部分。近年来，已利用光学、电容、定向压力、热及声音方法开发出各种电子指纹扫描系统。基于声音、超音波、电容及电场测量的方法已被证明为最精确的，这是因为其几乎不受油脂、灰尘、涂料、墨水及其它图像污染物的影响。电容传感器还可提供额外优点，所述优点在于其能在指纹的摩擦皮肤与扫描器平板之间存在较差的声音阻抗匹配(例如当手指上的皮肤非常干燥时可能遇到)的情况下达成经改良的成像。

电场方法使用将手指电容性耦合到电场测量装置阵列的传感器。所述电场可为静电场或使用通过与电极接触而耦合到手指的产生装置的电场。尽管所述电场几乎均匀地跨越手指，但存在电容变化，其引起经测量电场的差异。举例来说，当存在手指的摩擦皮肤的脊时，经测量的电场将与当存在摩擦皮肤的谷时不同。用图形显示此信息可建立与扫描器表面接触的对象(人类手指或皮肤表面)的等高线图。举例来说，任何间隙结构(例如指纹的脊及谷)的深度可显示为灰阶位图图像。经由到平板表面的电容耦合而测量电场利用了电场为电容板(即，TFT输入垫与手指的皮肤)之间的距离的函数的这一事实。指纹的脊较靠近输入垫且谷为皮肤离TFT输入电极垫较远的地方，且因此区分可用于识别指纹的脊及谷的位置的电场测量。

发明内容

本发明可体现为具有电场装置及耦合到传感器阵列的计算机的生物计量扫描器。所述电场装置(a)不具有电场产生器或具有防止对生物计量对象(例如手指)提供电场的电场产生器，及(b)具有由多个电场传感器组成的电场传感器阵列。所述计算机以通信方式耦合到所述传感器阵列以从所述传感器接收电容读数。所述计算机经编程以按如下处理所述电容读数：

(i)识别所述电场传感器中提供电容读数的特定电场传感器；

(ii)将所述经识别电场传感器的所述电容读数与来自相邻电场传感器的电容读数求和；

(iii)将所述总和除以贡献于所述总和的传感器的数目以提供值；

(iv)将所述值归属于所述经识别传感器；

(v)重复步骤(i)到(iv)直到已将值归属于全部传感器。

所述计算机可进一步经编程以使用归属于各传感器的所述值而建立所述生物计量对象的图像。所述计算机可进一步经编程以使用所述值来确定所述生物计量对象是否与数据库中的信息匹配。

本发明可体现为扫描生物计量对象的方法。此方法可：

(i)100提供电场装置，所述电场装置(a)不具有电场产生器或具有防止对生物计量对象提供电场的电场产生器，及(b)具有由多个电场传感器组成的电场传感器阵列；

(ii)103提供与所述电场装置接触的生物计量对象；

(iii)106识别所述电场传感器中提供电容读数的特定电场传感器；

(iv)109将所述经识别电场传感器的所述电容读数与来自相邻电场传感器的电容读数求和；

(v)将所述总和除以贡献于所述总和的传感器的数目以提供值；

(vi)112将所述值归属于所述经识别传感器；

(vii)115重复步骤(iii)到(vi)直到已将值归属于全部传感器；及

(viii)118提供所述值作为所述生物计量对象的表示。

所述方法可进一步包括接受所述经提供的值及使用所述值以产生所述生物计量对象的视觉图像。所述方法可进一步包括接受所述经提供的值及使用所述值以确定所述生物计量对象是否与数据库中的信息匹配。

附图说明

为更全面地理解本发明的性质及目的，应参考附图及随后描述。简单地说，图式为：

图1为展示电荷源及经分布电容层(其为传感器的外平板表面)的机构的简图。

图2为展示接收电荷以测量的测量电路的简化示意图。将手指简单地展示为在检测器与电场源之间的电路中的节点。

图3为展示接收电荷以测量的测量电路的简化示意图。将手指展示为桥接检测电路中的多个像素节点；在相邻电容器之间手指电阻短路。

图4描绘电场传感器(TFT或CMOS)阵列。

图5展示经配置为电场类型指纹扫描器的电场传感器阵列。

图6展示经配置为电容类型指纹扫描器的电场传感器阵列。

图7为图5中描绘的所述扫描器的分解图。

图8为图6中描绘的所述扫描器的分解图。

图9为所述电场类型指纹扫描器的操作的图式。

图10为所述电容类型指纹扫描器的操作的图式。

图11描绘TFT电场检测像素示意图。

图12描绘在任意多个摩擦皮肤接触点处的像素电容皮肤阻力网络的示意图。

图13为描绘根据本发明的方法的流程图。

图14为根据本发明的系统。

在诸图中，出现了某些参考数字。这些参考数字指示：

1 电场扫描器

2 TFT电路

3 电极阵列

4 电介质层

5 TFT衬底

6 天线或激发总线

7 激发源(电场产生器)

8 电容扫描器

9 手指

10 经由手指的电阻路径

11 电容板(身体导电手指表面的部分)

12 从电极3经由电介质层4到手指9的电容

13 平板上的多个接触节点(已指示受关注节点)的手指摩擦皮肤阻力及传感器电容的示意图

14 电极阵列3的任意传感器元件与手指9之间的传感器电容

15 皮肤电阻

具体实施方式

本发明可体现为操作电场生物计量扫描器的方法。图1到5、7及9描绘当根据先前技术操作时的电场手指扫描器。此扫描器测量来自生物计量对象(例如与用作成像平板的电介质层接触的皮肤)的表面的局部电场。所述扫描器包含(a)电场激发产生器、(b)电极阵列、(c)覆盖所述电极阵列的电介质层、及(d)电连接到所述电极阵列的电场传感器。

图1到9展示电场扫描器的方面。为清晰起见，大部分论述将参考图9。在图9中，展示电压源7，其经由与手指9接触的天线(或总线)6而辐射。电场传导穿过手指电阻10且穿过与指纹读取器1的电介质表面4接触的摩擦皮肤表面而射出，其中电介质表面4均匀地安置在电极阵列3上，各电极连接到TFT的此些电路2的阵列中的电场检测及测量电路。个别电路可经行及列寻址及读取以提供信息到计算机系统，所述计算机系统显示读取的区域及与各像素电路相关联的电场变化。在图11的示意图中展示用于TFT上的个别像素的电路。如先前技术中所知，来自指纹脊的电场比来自指纹谷的电场强，且经测量的值可共同地显示为真实表示所述指纹的图像。

为操作根据现有技术的所述指纹扫描器，用户将手指9放置成与电介质平板表面4接触，同时还接触所述电场产生器(即，发射器)的天线(或激发总线)6，所述天线(或激发总线)6可采取呈指纹平板区域的周边的金属环的形式。手指9接收电场及使所述电场辐射穿过电介质到附接到电场检测电路2的像素电极板3。所述电场直接与手指的指纹谷及脊相关地在强度上有所不同。在检测及测量各电场传感器2处的此电场变化之后，传感器输出以行及列方式被读出以容许读取电子系统重建类似于从手指脊及谷皮肤表面辐射的电场变化的灰阶指纹图像。

在根据本发明的方法中，是在没有电场产生器的情况下操作所述电场扫描器。此可通过关闭所述产生器而实现，或通过使所述产生器的输出接地使得不给手指提供电场而实现。以此模式，所述扫描器可作为电容指纹扫描器操作。从各电场传感器发出的信号主要表示以下两项：

(a)介于电极、覆盖所述电极的电介质材料与覆盖所述电介质材料的皮肤之间的电容，以及

(b)介于所述电极、覆盖相邻电极的电介质材料与覆盖(覆盖所述电介质材料的此些相邻部分)的电介质材料的皮肤之间的电容。

理想上，从各电场传感器发出的信号将不受项目“b”中所描述的电容影响，而是将仅由可归属于项目“a”的电容影响。

为补偿对应于项目“b”的电容部分，来自特定电场传感器的读数及来自相邻电场传感器的读数经处理以获得值，接着将所述值归属于所述特定电场传感器的位置。对各电场传感器重复此过程以提供值并将所述值归属于各电场传感器位置。对应于所述电容的此些经归属的值用作表示所述指纹的信息。

有效的特定过程将特定电场传感器的读数与来自相邻电场传感器的读数求和，且接着除以贡献于所述总和的传感器的数目。因此，若特定传感器具有八个相邻传感器，则除数将为九。然而，若特定传感器具有五个相邻传感器，则除数将为六。图13以流程图形式描绘此方法。

在使用中，根据本发明的装置使用经电容性耦合到手指的电场传感器，所述电场传感器不是通过电场产生器激发。当手指接触覆盖TFT阵列上的电场检测及测量电路阵列的电介质平板时，电场透过手指皮肤传导且透过所述电介质平板耦合到所述电场检测电路的输入电极。TFT上的个别像素电路(各传感器为像素的部分)是经由行及列寻址而读出，且信号经解译及转译为TFT阵列的图像表示以容许建立与和电介质平板接触的手指相关联的指纹的图像。

已提供了对根据本发明的方法的综述，将描述根据本发明的装置，且如此将提供关于本发明方法的额外细节。图10展示不具有电场产生器的电场手指扫描器。所述电场装置在没有电场产生装置7或天线6的情况下操作。在此情形下，传感器作为电容指纹扫描器装置8操作，且当手指接触电介质平板4时，所述手指使用手指9的电阻10完成相邻像素输入板之间的电阻-电容电路。因为此共享的电荷电容接收来自多个像素输入板3的贡献，故电荷分布在传感器像素2之间，其中中心像素与其相邻像素的各者共享电荷。此电容性电荷共享足以维持跨越传感器表面的线条清晰度及图像质量，而中心接触皮肤像素接收比其直接相邻像素的任一者更多倍的共享电荷(对于大多数传感器大约为8倍)，例如在图12中。尽管实际分布电路在所有方向上向外延伸且存在来自所有像素的贡献，但为解释起见，认为仅8个直接相邻像素与任一受关注像素13共享连接，这是因为来自此区域外的像素的贡献是可忽略的。

图14描绘根据本发明的系统。在图14中展示所述电场装置(不具有电场产生器)及计算机。所述计算机经编程以按上文所概述的方式处理电场传感器的电容读数。此计算机可经编程以将特定电场传感器的电容读数与来自相邻电场传感器的读数求和，且接着将所述总和除以贡献于所述总和的传感器的数目。接着将所得的值归属于所述特定传感器位置。可通过所述计算机对全部电场传感器执行此过程以提供对应于各传感器位置的值。由所述计算机产生的所述值可接着由所述计算机使用以产生所述指纹的图像，或所述值可用于与数据库中的信息比较以确定所述指纹是否与先前经分析的指纹匹配。

尽管本发明已参考一或多个特定实施例予以描述，但应理解可在不脱离本发明精神及范围的情况下进行本发明的其它实施例。因此，将本发明视为仅由随附权利要求书及其合理解释限制。

Claims (6)

1.一种生物计量扫描器，其包括：

TFT阵列，所述TFT阵列具有防止向生物计量对象提供电场的电场产生器或不具有电场产生器，所述TFT阵列包括：

具有由多个电场传感器组成的电场传感器阵列，所述电场传感器中的每一者包括：

第一电容；

二极管；

第一晶体管；以及

第二晶体管；

其中所述第一电容经配置以电容耦合到所述生物计量对象；

其中所述第一电容与所述二极管、所述第一晶体管和所述第二晶体管电串联；

其中第一偏压与所述二极管和所述第一晶体管电串联；以及

其中所述第二晶体管耦合到输出；以及

计算机，其经耦合以从所述TFT阵列上的所述多个电场传感器的每一输出接收电容读数。

2.根据权利要求1所述的生物计量扫描器，其中所述计算机进一步经编程以使用所述电容读数建立所述生物计量对象的图像。

3.根据权利要求1所述的生物计量扫描器，其中所述计算机进一步经编程以使用所述电容读数来确定所述生物计量对象是否与数据库中的信息匹配。

4.一种扫描生物计量对象的方法，其包括：

(i)提供TFT阵列，所述TFT阵列(a)不具有电场产生器，或具有防止向生物计量对象或所述FTF阵列提供电场的电场产生器，及(b)具有由多个电场传感器组成的电场传感器阵列，所述电场传感器中的每一者包括：

第一电容；

二极管；

第一晶体管；以及

第二晶体管；

其中所述第一电容经配置以电容耦合到所述生物计量对象；

其中所述第一电容与所述二极管、所述第一晶体管和所述第二晶体管电串联；

其中第一偏压与所述二极管和所述第一晶体管电串联；以及

其中所述第二晶体管耦合到输出；以及

(ii)将生物计量对象电容耦合到所述TFT阵列；

(iii)从所述TFT阵列上的所述多个电场传感器中的每一输出接收电容读数；

(iv)基于所接收的电容读数确定代表所述生物计量对象的值。

5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括使用所接收的电容读数产生所述生物计量对象的视觉图像。

6.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括使用所接收的电容读数确定所述生物计量对象是否与数据库中的信息匹配。