CN104408441A - 基于tft薄膜晶体管的指纹识别传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器及其测量方法，所述指纹识别传感器包括电容感应面以及用于测量电容感应面电容的电容测量单元，所述电容感应面包括若干TFT薄膜晶体管。本发明将指纹识别传感器分为电容感应面和电容测量单元两部分，降低了指纹识别传感器的生产成本；在传感区域引入TFT薄膜晶体管和栅极驱动器，较大的栅极电压可以允许更大的响应值，提高了指纹识别的精度。

Description

基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及指纹识别及触控技术领域，特别是涉及一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器及其测量方法。

背景技术

指纹传感与正常的手指触摸传感不同，指纹传感中在之间接触区域内需要提供在同一时间内所有参与的传感点的值。与手指触摸相比，其只需要在一个触摸屏上，需要找到一小部分的触摸点。用手指触摸时，需要在检测位置之间加入触摸点，而在指纹传感时需要创建触摸区域的图像。

当一个手指触摸屏幕时并不是手指所有区域都触摸屏幕。手指的表面(即指纹)含有沟和脊，每个人的指纹是独一无二，因此根据指纹可以辨别每个人的身份。

参图1所示为手指与指纹传感器的截面示意图，指纹传感器被假定为包含大量导电表面如玻璃等绝缘性的电介质的一个侧面。通过施加交流电可以形成电场，当手指靠近玻璃表面时电场即会发生改变，因此存在不同的导电表面之间的电场的差异。

参图2a、2b所示分别为无手指和有手指的电场分布图，有手指和无手指的电场分布情况有着明显的区别。对于指纹传感器该电场分布的不同是重要的，用不同的电场分布的导电表面的电容耦合不同，这导致表面之间的有效电容不同。当给电容两端施加恒定电压后电容上电荷的变化即可表示该电场的变化，指纹传感器则必须要测量该电荷变化的测量。

目前市场上有许多不同种类的指纹传感器，但这些指纹传感器的价格普遍较高，这是由于一些专用传感器是采用硅制成的集成电路，其具有高的价格，因为该传感器需要具有大面积和功能，且需要使用非常小的器件尺寸，因而其制造工艺非常复杂，制备成本较高。

在现有技术中的感测区域被驱动和感测，在一感测节点上的电压发生变化，在相邻的节点上的电压的变化进行测量，它是此节点到改变的节点的电容性耦合的结果。该测量方法要求对每个节点可以有一个驱动和连接的测量电路，造成了电路复杂，且成本高。

因此，针对上述技术问题，本发明揭示了一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器及其测量方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器，所述指纹识别传感器包括电容感应面以及用于测量电容感应面电容的电容测量单元，所述电容感应面包括若干TFT薄膜晶体管，所述电容测量单元包括由测量电路和控制电路构成的用于测量指纹图谱的集成电路。

作为本发明的进一步改进，所述集成电路为Si基集成电路。

作为本发明的进一步改进，所述电容感应面包括：

阵列排布的栅极线，栅极线呈二维矩阵设置，每一行中的栅极线上设置有栅极驱动器；

平行设置的源极线，源极线与每一列的栅极线平行设置，源极线上连接有传感器；

若干第一TFT薄膜晶体管，第一TFT薄膜晶体管的源极与源极线相连，栅极与栅极线相连，漏极与第一电极板相连，其中，每一行中的第一TFT薄膜晶体管的栅极与同一条栅极线相连，每一列中的第一TFT薄膜晶体管的源极与同一条源极线相连；

若干传感器电容，第一电极板设置于阵列排布的栅极线之间，第一电极板外围的栅极线构成第二电极板，第一电极板和第二电极板构成了传感器电容。

作为本发明的进一步改进，所述电容感应面还包括：

若干第二TFT薄膜晶体管，第二TFT薄膜晶体管的源极与参考电压相连，所述参考电压为0电压或非0电压，栅极与其他行中的栅极线相连，漏极与第一电极板相连。

相应地，一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器的测量方法，所述方法包括：

通过测量不同阶段中电容感应面上栅极线上电荷的变化量作为栅极线上电压变化量的结果，每一排的TFT薄膜晶体管与栅极线相连，单个电容区域上与TFT薄膜晶体管的漏极相连，并维持单个电容区域的电压为恒定电压，通过电容测量单元中的测量电路和控制电路对电容感应面进行测量和控制，测量时每一排的TFT薄膜晶体管在不同的时间分别执行不同阶段，包括感测阶段和恢复阶段，其中：

在感测阶段，控制TFT薄膜晶体管的栅极电压，使TFT薄膜晶体管从截止状态变为导通状态，而电容感应面上的与栅极线相连的单个电容区域上电容的电荷量需要维持电容在一个恒定电压，电荷量通过所述集成电路进行测量，电荷量的变化可以区分电容感应面上有手指和无手指的情况；

在恢复阶段，通过集成电路释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态。

作为本发明的进一步改进，所述恢复阶段具体为：

TFT薄膜晶体管包括若干第一TFT薄膜晶体管，控制栅极线的电压，使第一TFT薄膜晶体管从导通状态变为截止状态，释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态；或

TFT薄膜晶体管包括若干第一TFT薄膜晶体管和若干第二TFT薄膜晶体管，第二TFT薄膜晶体管为放电晶体管，控制栅极线的电压，使第二TFT薄膜晶体管从导通状态变为截止状态，释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态，然后再控制栅极线的电压，使第二TFT薄膜晶体管从截止状态变为导通状态。

本发明具有以下有益效果：

将指纹识别传感器分为电容感应面和电容测量单元两部分，降低了指纹识别传感器的生产成本；在传感区域引入TFT薄膜晶体管和栅极驱动器，较大的栅极电压可以允许更大的响应值，提高了指纹识别的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为手指与指纹传感器的截面示意图；

图2a、2b分别为有手指和无手指的电场分布图；

图3为本发明中一个传感器单元的电路示意图；

图4为图3中传感器单元的时序图；

图5为本发明指纹识别传感器的整体电路示意图；

图6为本发明指纹识别传感器中第一TFT薄膜晶体管的连接结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在使用的TFT表面每个传感器表面可以连接到一个薄膜晶体管，在此配置中一排晶体管可以共享一个栅极，一排栅极通过一个栅极驱动器驱动，栅极驱动器通常集成在玻璃基底上，该晶体管的源极与该处于同列位置的其他行中的所有其他晶体管的源极相连，该源极连接到源极驱动器且在TFT显示器中显示。在指纹传感器的情况下，源极上连接有传感器。

传感器的任务是测量被触摸手指的不同情况下加载到电容器上的感测点中的电荷的差。为了优化灵敏度，一方面需要减小寄生电容对器件的影响，另一方面，要将测量信号最大化。为了产生两个导电表面之间的电场，我们必须应用它们之间的电压差。当采用传感器表面连接到每个TFT薄膜晶体管漏极的布局时，如果在源极施加一个变化的电压就可以得到该电场。然而，在这种布局下只有间隔的传感器节点才会产生电场，产生电场的传感器节点为总传感器节点数量的一半，而且相邻区域的传感器并没有连接，而是作为相邻的浮动区域。为了将交流电压驱动到两个导电表面，驱动和传感功能需要集成到每个引脚，这个引脚配置是非常复杂的。另外，可以应用到两个导电表面的最大电压差受到传感器芯片的电源电压的限制。

如果在每个感应区域的外围形成另一个半导体区域，该半导体区域作为整排的公共节点，则在相邻的传感器节点间可以得到一个变化的电压。该半导体区域可以与每行中的TFT薄膜晶体管的栅极相连，TFT薄膜晶体管上栅极的电压摆幅比现有技术中传感器芯片的电源电压大得多，栅极线可高达一个较大的电压差，以40V为例可以从-15V变化到+25V，而现有技术中传感器芯片的电压一般为5V或3.3V或更低。

本发明公开了一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器，指纹识别传感器包括电容感应面以及用于测量电容感应面电容的电容测量单元，电容感应面包括若干TFT薄膜晶体管。

其中，参图3、图5、图6所示，电容感应面包括：

阵列排布的栅极线，栅极线呈二维矩阵设置，每一行中的栅极线上设置有栅极驱动器；

平行设置的源极线，源极线与每一列的栅极线平行设置，源极线上连接有传感器；

若干第一TFT薄膜晶体管，第一TFT薄膜晶体管的源极与源极线相连，栅极与栅极线相连，漏极与第一电极板相连，其中，每一行中的第一TFT薄膜晶体管的栅极与同一条栅极线相连，每一列中的第一TFT薄膜晶体管的源极与同一条源极线相连；

若干传感器电容，如图6所示，第一电极板设置于阵列排布的栅极线之间，第一电极板外围的栅极线构成第二电极板，由于此种布局设置，第一电极板和第二电极板构成了图3所示的传感器电容C1；

若干第二TFT薄膜晶体管，第二TFT薄膜晶体管的源极与参考电压相连，所述参考电压为0电压或非0电压，栅极与其他行中的栅极线相连，漏极与第一电极板相连。

具体地，参图3所示为本发明一优选实施方式中一个传感器单元的电路示意图，其包括平行设置的第一栅极线、第二栅极线，还包括与第一栅极线和第二栅极线垂直的源极线，传感器单元中包括2个TFT薄膜晶体管M1、M2以及一个传感器电容C1。

其中，结合图6所示，栅极线之间设置有若干阵列设置的第一电极板，第一电极板外围的栅极线构成第二电极板，传感器电容即第一电极板和第二电极板(感测板)之间的电容。

第一TFT薄膜晶体管M1的栅极连接在第一栅极线上，第一TFT薄膜晶体管M1的源极与源极线相连，第一TFT薄膜晶体管M1的漏极与传感器电容C1的第一电极板相连。

第二TFT薄膜晶体管M2的栅极连接在第二栅极线上，第二TFT薄膜晶体管M2的源极通过公用线接地，第二TFT薄膜晶体管M2的漏极与传感器电容C1的第一电极板相连。

进一步地，电容感应面通常还包括寄生电容Cp，寄生电容Cp的一端与源极线相连，另一端接地，而如何消除寄生电容Cp对本发明中测量的影响是需要解决的问题。

本实施方式中，在测量时需要获得电容感应面上传感器电容C1的电荷差，由该电荷差可以得到电压的该变量。在理想情况下，在测量时需保持感测节点的电压不变，因此，连接在传感器芯片和电容感应面之间的寄生电容Cp上不会发生变化，从而电容感应面上的电荷量和电压不会发生变化。

本发明中基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器的测量方法包括：

通过测量电容感应面上电荷的变化量作为电压变化量的结果，每一排的TFT薄膜晶体管与栅极线相连，单个感应区域上与TFT薄膜晶体管的漏极相连，并维持单个感应区域的电压为恒定电压，通过电容测量单元中的测量电路和控制电路对电容感应面进行测量和控制，测量时每一排的TFT薄膜晶体管在不同的时间分别执行不同阶段，包括感测阶段和恢复阶段，其中：

在感测阶段，控制TFT薄膜晶体管的栅极电压，使TFT薄膜晶体管从截止状态变为导通状态，而电容感应面上的与栅极线相连的单个感应区域上电容的电荷量需要维持电容在一个恒定电压，电荷量通过所述集成电路进行测量，电荷量的变化可以区分电容感应面上有手指和无手指的情况；

在恢复阶段，通过集成电路释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态。

恢复阶段包括两种情况，本实施方式中TFT薄膜晶体管包括若干第一TFT薄膜晶体管和若干第二TFT薄膜晶体管，第二TFT薄膜晶体管为放电晶体管，恢复阶段具体为：

控制栅极线的电压，使第二TFT薄膜晶体管从导通状态变为截止状态，释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态，然后再控制栅极线的电压，使第二TFT薄膜晶体管从截止状态变为导通状态。

在其他实施方式中，TFT薄膜晶体管也可以仅包括若干第一TFT薄膜晶体管，此时的恢复阶段具体为：

控制栅极线的电压，使第一TFT薄膜晶体管从导通状态变为截止状态，释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态。

以下结合图4对上述方法进行详细说明，开始测量时，t1时刻第一TFT薄膜晶体管M1的栅极处于一个较低的电压V_min，源极也处于一个较低的电压。当到t2时刻时，栅极电压增加到超过阈值电压V_T，第一TFT薄膜晶体管M1处于导通状态，由于第一TFT薄膜晶体管M1的栅极与第一电极板外围的栅极线构成第二电极板相连，因此第二电极板的电压也跟随第一TFT薄膜晶体管M1的栅极电压而增长。当t2时刻第一TFT薄膜晶体管M1被导通后，通过驱动源极线可使得第一TFT薄膜晶体管M1中源极端的电压保持在低电压或降低到低电压，源极端的电压保持在低电压或降低到低电压所需要的电荷量则是所需要的信息。

在测量了保持第一TFT薄膜晶体管M1源极处于一个较低电压所需的电荷量后，t3时刻栅极驱动器驱动栅极线上的电压最大，达到V_max，之后需要将栅极线上的电压回落，从t4时刻需要降低栅极线上的电压，但此时的电流方向与之前的电流方向相反。在t5时刻，第一TFT薄膜晶体管M1不再导通，由于栅极线上的电压仍在降低，传感器表面的电压仍在降低，直到t6时刻该电压降低到检测电压以下。由于第二TFT薄膜晶体管M2的栅极与下一行中的栅极线相连，在t7时刻，下一次测量中栅极线的电压提高能导通第二TFT薄膜晶体管M2，而由于第二TFT薄膜晶体管M2的源极接地，可以保证下一次测量时与第二TFT薄膜晶体管M2相连的电极板上电荷为0。

在其他实施方式中也可以不包括第二TFT薄膜晶体管M2，在这种情况下，当栅极线上的电压会从t5时刻将低，直到降低到t6时刻的V_T，相应地，从t1时刻到t2时刻，栅极线上的电压也会相应增大，因此，测量的有效电压摆幅为V_T至V_max。此种情况下虽然降低了一点灵敏度，但是整体布局上得到了简化。

本发明中传感器电容的充电即栅极线的电压由低电压到高电压的过程，第二电极板的电压也跟随栅极线电压的变化而变化，只要第一TFT薄膜晶体管的栅极电压足够大，连接传感器的源极线的电压也会增大。本发明中的感测电路可以驱动传感线达到参考电平，传感线也可以接地，以方便测量需要施加多大的电压。栅极电压的上升限定了传感器电容的电容值，每秒多少库仑，以维持传感线处于同一电压水平。感测电路与感测板之间的连接通过晶体管实现，优选地，本发明中采用的第一晶体管为第一TFT薄膜晶体管，在感测电路及传感器芯片中有更多的传输栅极，因此与传感器相连的电极板之间存在一定的电阻，这个电阻可以形成电极板与感测电路之间的电压差，只有当电流截止时才不存在电压差。优选地，当输入电压为阶梯函数时，传感器电容通过电阻充电的函数为指数函数。

测量结束后，栅极线上的电压再次下降以使第一TFT薄膜晶体管截止，在此期间，电极板上的电压再次跟随栅极线上的电压下降，但由于栅极线不能完全释放栅极线上的电荷，为了更好地传感器电容的电容值，本实施方式中在引入了第二TFT薄膜晶体管M2，其源极接地，栅极与下一行中的栅极线相连，漏极与第一电极板相连。下一行中的栅极线只有很少的电容耦合，因此，当第一TFT薄膜晶体管截止时，电极板上的电压可以通过第二TFT薄膜晶体管更好地定义为接地状态。

若上述参考电压不接地，而是一个较高的电压，信号振幅会有额外增加，在这种情况下，传感器电容的电极板被偏置到正电压。此时，若第一TFT薄膜晶体管栅极电压上升，使晶体管导通的初始电压要高得多，感测电路需要将初始电压降低，为了增加信号的强度将会需要额外的电荷。

综上所述，本发明将指纹识别传感器分为电容感应面和电容测量单元两部分，降低了指纹识别传感器的生产成本；在传感区域引入TFT薄膜晶体管和栅极驱动器，较大的栅极电压可以允许更大的响应值，提高了指纹识别的精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器，其特征在于，所述指纹识别传感器包括电容感应面以及用于测量电容感应面电容的电容测量单元，所述电容感应面包括若干TFT薄膜晶体管，所述电容测量单元包括由测量电路和控制电路构成的用于测量指纹图谱的集成电路。

2.根据权利要求1所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述集成电路为Si基集成电路。

3.根据权利要求1或2所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述电容感应面包括：

阵列排布的栅极线，栅极线呈二维矩阵设置，每一行中的栅极线上设置有栅极驱动器；

平行设置的源极线，源极线与每一列的栅极线平行设置，源极线上连接有传感器；

若干第一TFT薄膜晶体管，第一TFT薄膜晶体管的源极与源极线相连，栅极与栅极线相连，漏极与第一电极板相连，其中，每一行中的第一TFT薄膜晶体管的栅极与同一条栅极线相连，每一列中的第一TFT薄膜晶体管的源极与同一条源极线相连；

若干传感器电容，第一电极板设置于阵列排布的栅极线之间，第一电极板外围的栅极线构成第二电极板，第一电极板和第二电极板构成了传感器电容。

4.根据权利要求3所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述电容感应面还包括：

若干第二TFT薄膜晶体管，第二TFT薄膜晶体管的源极与参考电压相连，所述参考电压为0电压或非0电压，栅极与其他行中的栅极线相连，漏极与第一电极板相连。

5.一种基于TFT薄膜晶体管的指纹识别传感器的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

通过测量不同阶段中电容感应面上栅极线上电荷的变化量作为栅极线上电压变化量的结果，每一排的TFT薄膜晶体管与栅极线相连，单个电容区域上与TFT薄膜晶体管的漏极相连，并维持单个电容区域的电压为恒定电压，通过电容测量单元中的测量电路和控制电路对电容感应面进行测量和控制，测量时每一排的TFT薄膜晶体管在不同的时间分别执行不同阶段，包括感测阶段和恢复阶段，其中：

在感测阶段，控制TFT薄膜晶体管的栅极电压，使TFT薄膜晶体管从截止状态变为导通状态，而电容感应面上的与栅极线相连的单个电容区域上电容的电荷量需要维持电容在一个恒定电压，电荷量通过所述集成电路进行测量，电荷量的变化可以区分电容感应面上有手指和无手指的情况；

在恢复阶段，通过集成电路释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述恢复阶段具体为：

TFT薄膜晶体管包括若干第一TFT薄膜晶体管，控制栅极线的电压，使第一TFT薄膜晶体管从导通状态变为截止状态，释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态；或

TFT薄膜晶体管包括若干第一TFT薄膜晶体管和若干第二TFT薄膜晶体管，第二TFT薄膜晶体管为放电晶体管，控制栅极线的电压，使第二TFT薄膜晶体管从导通状态变为截止状态，释放传感器电容两端多余的电荷使传感器电容两端的电容和电压回到初始状态，然后再控制栅极线的电压，使第二TFT薄膜晶体管从截止状态变为导通状态。