CN105378755A - 指纹感测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种指纹感测系统，该指纹感测系统包括：传感器阵列，该传感器阵列具有多个感测结构和连接至感测结构中的每个感测结构的读出电路装置；以及电源电路装置，该电源电路装置被布置成给读出电路装置提供基本恒定的供电电压，该基本恒定的供电电压为高电势与低电势之间的差。指纹感测系统以下述方式被配置：在基本保持供电电压的情况下，低电势和高电势可变，以及读出电路装置以下述方式可连接至感测结构中的每个感测结构：在基本保持供电电压的情况下低电势和高电势的变动导致由连接至读出电路装置的感测结构携带的电荷的变化。电荷的变化指示感测结构与手指之间的电容耦合。

Description

指纹感测系统和方法
技术领域
本发明涉及指纹感测系统并且涉及操作指纹传感器的方法。
背景技术
越来越多地使用各种类型的生物识别系统以提供提高的安全性和/或增强的用户便利性。
特别是，指纹感测系统由于其小的形状因素、高性能和用户接受度而在例如消费电子设备中被采用。
在各种可用的指纹感测原理(例如，电容式、光学、热等)之中，最经常使用的是电容式感测，特别在其中尺寸和功耗是重要问题的应用中。
所有电容式指纹传感器提供指示若干感测结构与放置在指纹传感器的表面上或者跨指纹传感器的表面移动的手指之间的电容的度量。
一些电容式指纹传感器被动地读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要相对较大的电容。因此这样的被动电容式传感器通常设置有覆盖感测结构的非常薄的保护层，这使这样的传感器对划痕和/或ESD(静电放电)相当敏感。
US7864992公开了一种指纹感测系统，其中，通过脉动布置在传感器阵列附近的导电结构并且测量由传感器阵列中的感测结构携带的电荷的结果变化来将驱动信号注入手指。
虽然根据US7864992的指纹感测系统提供了指纹图像质量和传感器保护的极好的组合，但是看起来存在用于改善“困难”手指特别对于干手指的空间。
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供改进的指纹感测系统，特别是提供对来自“困难”手指例如干手指的指纹的改进的感测。
根据本发明的第一方面，因此提供了一种指纹感测系统，该指纹感测系统包括：传感器阵列，该传感器阵列具有：多个感测结构，该多个感测结构均面向传感器阵列的表面并且被布置成电容耦合至触摸传感器阵列的表面的手指；以及读出电路装置，该读出电路装置可连接至感测结构中的每个感测结构以提供对由感测结构中的每个感测结构携带的电荷的变化进行指示的感测信号；以及电源电路装置，该电源电路装置被布置成给读出电路装置提供基本恒定的供电电压，该基本恒定的供电电压为高电势与低电势之间的差，其中，指纹感测系统以下述方式被配置：在基本保持供电电压的情况下，低电势和高电势可变；以及读出电路装置以下述方式可连接至感测结构中的每个感测结构：在基本保持供电电压的情况下低电势和高电势的变动导致由连接至读出电路装置的感测结构携带的电荷的变化，由感测结构携带的电荷的变化指示感测结构与手指之间的电容耦合。
上述“低电势”在本文有时还被称为传感器阵列的参考电势。
应当注意，低电势和高电势是关于包括指纹感测系统的设备的参考电势时变的。这样的设备的参考电势可以被称为“设备地”，并且时变低电势可以被称为“传感器地”。根据本发明的各种实施方式，“传感器地”可以关于“设备地”改变。手指的电势至少在进行指纹获取的有关时间内一般可以在关于“设备地”的基本恒定的电平处。例如，用户的身体可以针对未连接至某全局参考电势(如主要地(mainground))的便携式设备实际地定义“设备地”。
读出电路装置可以例如以下述形式提供模拟感测信号：指示手指与包括在传感器阵列中的感测结构之间的电容耦合的电压电平。
然而，根据各种实施方式，读出电路装置可以包括用于将模拟信号转换成数字信号的电路装置，这样的电路装置可以包括例如至少一个采样保持电路和至少一个模数转换电路。
本发明基于以下认识：可以通过使传感器阵列的参考电势相对于手指的电势“摆动”而不是在保持传感器阵列的参考电势(传感器地)恒定的情况下迫使手指电势改变来获得改善的指纹感测性能。
本发明人还实现了：可以设计其中使传感器阵列的参考电势能够“摆动”的指纹感测系统，使得该指纹感测系统能够在没有给手指供应信号的导电结构的情况下以及在不减小保护层的厚度的情况下读出高质量指纹图像。
不存在导电结构(例如，传感器阵列周围的导电框架)简化了指纹传感器到各种设备例如移动电话和计算机中的集成。此外，可以使指纹传感器系统的设计较不显眼，并且可以改善包括指纹传感器系统的产品的加工。
此外，可以在下述应用中改善感测性能：其中用户的手的手指或其他部分接触产品的其中包括指纹感测系统的导电部分。由于在根据本发明的指纹感测系统的各种实施方式中，指纹感测不依赖于手指的变化电势，可以使手指能够通过这样的产品的导电部分而被接地(或者被至少重负载)。这样的应用的示例包括具有暴露的导电部分的移动电话。
当通过直接导电连接给手指提供激励信号，或者换言之电流驱动手指时，对于具有不同的电特征的手指而言，触摸传感器阵列的手指表面与传感器阵列中的感测结构之间的电势差会是不同的。例如，对于干手指而言，电势差异会较低，导致可能难以进行分析的“较弱”指纹图像。
在本发明的各种实施方式中，手指的电势可以被看作是基本恒定的而传感器阵列的参考电势相反地可以被改变。在这样的实施方式中，对于具有不同电特征的手指而言，触摸传感器阵列的手指表面与传感器阵列中的感测结构之间的电势差将反而是基本相同的。试验已验证这对于干手指将导致改善的指纹图像。
根据本发明的各种实施方式，电源电路装置可以被配置成提供第一时变电势作为低电势以及提供第二时变电势作为高电势。
以这样的方式，可以将激励信号提供给传感器阵列而不是手指。由于电源电路装置可以相应地脉动传感器阵列的参考电势(“可变的传感器地”)，因此，激励信号的幅度不限于到传感器阵列的供电电压，而可以相当高。这将使得能够使用覆盖感测结构的较厚的保护涂层和/或使得能够使用新材料，这提供了更加鲁棒并且可能更加视觉上吸引人的指纹传感器。
在一些实施方式中，可以将激励信号提供给传感器阵列和手指两者或者仅提供给手指。例如，可以使用在传感器阵列外部的手指激励结构和/或使用当前未进行感测的感测结构来将激励信号提供给手指。
根据各种实施方式，读出电路装置能够控制以：以下述方式连接至第一组感测结构：低电势和高电势的变动导致第一组中的每个感测结构的电势的变动，并且读出电路装置提供对由第一组中的每个感测结构携带的电荷的变化进行指示的信号；以及以下述方式连接至不同于第一组感测结构的第二组感测结构：低电势和高电势的变动导致第二组中的每个感测结构的电势的变动。
据此，可以减少正进行感测的传感器元件与未进行感测的传感器元件之间的不想要的耦合的出现。这提供了由指纹感测系统进行的指纹感测的改进的质量。这在以下情况下特别如此：当感测传感器元件和非感测传感器元件被布置成彼此相邻时，换言之，当第二组中的感测结构被布置成与第一组中的感测结构相邻时。
有利地，第一组中的每个感测结构的电势的变动和第二组中的每个感测结构的电势的变动可以是基本相等的。
此外，指纹感测系统可以有利地包括驱动电路装置，该驱动电路装置可连接至感测结构中的每个感测结构并且可控制以改变连接至驱动电路装置的感测结构的电势。这样的驱动电路装置可以用于将上述激励信号提供给手指。驱动电路装置还可以用于减小由于传感器阵列的参考电势的变动而产生的对手指的不想要的激励。
因此，在本发明的各种实施方式中，读出电路装置可以被配置成提供对由第一感测结构携带的电荷的变化进行指示的感测信号；并且驱动电路装置可以被配置成给第二感测结构提供时变驱动信号，驱动信号使得第二感测结构的电势是恒定的或者随着时间的推移以第二感测结构的电势的峰峰幅度小于第一感测结构的电势的峰峰幅度而改变。
为了获得该效果，驱动电路装置可以例如被配置成使用驱动信号驱动第二感测结构，该驱动信号基本上与传感器阵列的参考电势的变动反相。在其中传感器阵列的参考电势的变动具有大于到传感器阵列的供电电压的峰峰幅度的实施方式中，驱动电路装置不能够使用驱动信号来完全补偿参考电势的变动。然而，还在这样的实施方式中，可以大幅度地减小对手指的不想要的激励(电容式驱动)。
应当注意的是读出电路装置和驱动电路装置可以有利地被组合成在感测状态与驱动状态之间可以是可控制的像素电路装置。
驱动电路装置可以有利地被配置成将时变驱动信号同时提供给多个感测结构。例如，可以将时变驱动信号提供给除了当前进行感测的第一感测结构和周围感测结构以外的所有感测结构。
在根据本发明的指纹感测系统的实施方式中，电源电路装置可以包括恒定的电压源，该恒定的电压源被配置成提供基本恒定的供电电压并且专用于给传感器阵列供应电力。
可替代地，电源电路装置可以包括隔离电路装置，该隔离电路装置具有用于连接至电压源的输入侧和连接至传感器阵列的输出侧，隔离电路装置被配置成防止电流从输出侧流到输入侧，由此以使在输出侧上的输出电势不同于在输入侧上的输入电势。
隔离电路装置可以例如包括布置在电压源与传感器阵列之间的至少一个二极管，借此可以在二极管的不同的侧上获得不同的电势。
在一个实施方式中，隔离电路装置可以被配置成在电压源与读出电路装置之间提供电力隔离。
对于本领域的技术人员而言，这样的提供电流隔离的隔离电路装置是公知的，可以例如包括光耦合器、或者基于一个或更多个(微型)线圈和/或一个或更多个电容器的电路装置。
根据各种实施方式，指纹感测系统还可以包括处理电路装置，该处理电路装置经由通信接口连接至传感器阵列以从传感器阵列获取指纹数据。
指纹数据可以是原始指纹图像数据，或者数据可能已被处理并且然后可以以经调节的图像数据的形式提供为指纹模板数据或者以任何其他形式提供。
通信接口可以是任何合适的通信接口，其可以是并行接口或者串行接口。合适的通信接口的一个示例可以是SPI接口(串行外围接口)。
还如上所述，由读出电路装置提供的感测信号可以是模拟信号，该模拟信号可以直接提供给通信接口。在这样的实施方式中，指纹感测系统还可以包括用于将模拟感测信号转换为数字信号的外部电路装置。
在其中在获取到指纹数据的同时传感器阵列的参考电势改变的实施方式中，为了使能够从传感器阵列不受干扰地获取指纹数据，根据本发明的各种实施方式的指纹感测系统还可以有利地包括用于在传感器阵列与处理电路装置之间提供电流隔离的隔离电路装置。
对于本领域的技术人员而言，这样的隔离电路装置是公知的，并且这样的隔离电路装置可以例如包括光耦合器、或者基于一个或更多个(微型)线圈和/或一个或更多个电容器的电路装置。
可替代地或者结合上述隔离电路装置，电源电路装置可以被配置成在所述处理电路装置从所述传感器阵列获取指纹数据时的时间段期间保持所述低电势和所述高电势中的每个电势基本恒定。
通过配置电源以在获取期间保持传感器阵列的参考电势恒定(并且基本上在与获取指纹数据的处理电路装置的地电平相同的电势处)，获取可以发生而不受在指纹感测事件期间改变的参考电势的干扰。换言之，可以将从传感器阵列读取/获取完整的指纹图像划分为不同的时间间隙，在不同的时间间隙期间，分别允许和禁止不同的活动。例如，感测时间间隙之后可以是获取时间间隙，在感测时间间隙之前可以再次是针对感测时间间隙的时间。时间间隙的数量和持续时间可以取决于传感器阵列的尺寸和传感器阵列的缓冲能力。对于滑动式传感器(有时还被称为带传感器或者线传感器)，单个感测时间间隙随后是信号获取时间间隙可以是足够的，而对于触控传感器(区域传感器)，其可能需要有交错的若干感测时间间隙和若干获取时间间隙。
根据本发明的各种实施方式，传感器阵列可以有利地包括激励信号生成电路装置，该激励信号生成电路装置用于生成关于低电势(传感器地电势)的时变激励信号以同步所述读出电路装置的操作；以及激励信号输出端，该激励信号输出端用于从传感器阵列输出激励信号。
在实施方式中，激励信号可以用于控制或触发包括在指纹感测系统中的电源电路装置，以将关于其中包括指纹感测系统的电子设备的参考电势的上述时变低电势和时变高电势提供给传感器阵列。
在其他实施方式中，所述激励信号输出端导电地连接至其中包括指纹感测系统的设备的参考电势，由此迫使所述低电势和所述高电势关于参考电势随着时间的推移而改变。
激励信号可以例如是关于传感器地电势的方波信号。
由于传感器阵列的传感器地电势关于包括指纹感测系统的电子设备的参考电势可变，因此将激励信号输出端系至设备参考电势会导致传感器地电势关于设备参考电势上下摆动。
传感器地电势的关于设备参考电势的摆动会造成传感器阵列的感测结构(像素板)的电势也关于设备参考电势上下摆动，并且因此还关于触摸传感器阵列的顶表面的手指的电势上下摆动。
因此，将激励信号输出端系至设备参考电势会导致手指与传感器阵列的感测结构中的至少所选的一个感测结构之间的时变电压。通过测量由于手指与所述感测结构之间的电压的变化而产生的由感测结构携带的电荷的变化，可以推导出指示由感测结构、手指和在感测结构上的介电涂层形成的电容器的电容的测量值。该测量值也是对手指表面与感测结构之间的距离的指示。
此外，根据本发明的各种实施方式的指纹感测系统可以有利地包括在电子设备中，还包括处理电路装置，该处理电路装置被配置成从指纹感测系统获取对指纹图案的表示；基于该表示认证用户；以及仅在基于该表示认证了用户的情况下执行至少一个用户请求的处理。
在其中传感器阵列包括上述激励信号生成电路装置和激励信号输出端的实施方式中，激励信号输出端可以有利地连接至电子设备的参考电势例如电子设备的设备地或更高的参考电势(例如，关于设备地电势的3.3V、2.5V或1.8V)。
在指纹感测系统的这些实施方式(以及包括指纹感测系统的电子设备的这些实施方式)中，传感器阵列(指纹传感器)的所有端子(除激励信号输出端以外)会呈现关于设备地电势的时变电势电平。为了给传感器阵列提供连续的电力供应以及为了在处理电路装置与传感器阵列之间提供通信，还如上文所讨论的那样，指纹感测系统可以包括隔离电路装置。
此外，在各种实施方式中，指纹感测系统可以包括导电的手指接触结构，该导电的手指接触结构被布置成与传感器阵列相邻以在指纹感测系统在使用中时与用户的手指导电接触。这样的手指接触结构可以例如被设置为边框或框架，或者一个或若干个带。作为将激励信号输出端连接至用于电子设备的参考电势端子(关于设备地将激励信号输出端保持在恒定电压处)的替代例，可以将激励信号输出端导电地连接至手指接触结构。在这样的实施方式中，用户的手指会是指纹传感器地关于其改变的参考电平。由于可以减小设备地上的常见模式噪声对指纹感测的影响，因此该配置可以是有利的。
根据本发明的第二方面，提供了一种操作指纹传感器的方法，该指纹传感器包括：传感器阵列，该传感器阵列具有多个传感器元件，所述多个传感器元件均包括面向指纹传感器的表面的感测结构，其中，传感器元件中的每个传感器元件被配置成提供对感测结构与放置在电容式指纹传感器的表面上的手指之间的电容耦合进行指示的信号；以及电源接口，该电源接口具有用于给传感器阵列提供电力的低电势输入和高电势输入，其中，所述方法包括以下步骤：将第一时变电势提供给电源接口的低电势输入并且将第二时变电势提供给电源接口的高电势输入，第二时变电势与第一时变电势之间的差为基本恒定的电压；以及在提供第一时变电势和第二时变电势的同时，从传感器元件中的每个传感器元件获取对感测结构与放置在电容式指纹传感器的表面上的手指之间的电容耦合进行指示的信号。
从传感器元件中的每个传感器元件获取的上述信号可以从一个传感器元件一次获取或者从若干传感器元件一次同时获取。同时从若干传感器元件获取使能够从指纹传感器更快地读出。
第二时变电压高于第一时变电压，并且第二时变电压与第一时变电压之间的差是供电电压。供电电压可以例如是3.3V、2.5V或1.8V。
根据各种实施方式，获取的步骤可以包括以下步骤：以下述方式控制在第一组传感器元件中的每个传感器元件：低电势和高电势的变动导致在第一组中的每个传感器元件的感测结构的电势的变动，并且在第一组中的每个传感器元件提供对感测结构与放置在指纹传感器的表面上的手指之间的电容耦合进行指示的信号；以及以下述方式控制在不同于第一组感测结构的第二组传感器元件中的每个传感器元件：低电势与高电势的变动导致在第二组中的每个传感器元件的感测结构的电势的变动。第二组中的传感器元件不提供对那些感测结构与手指之间的电容式耦合进行指示的信号。
此外，获取的步骤可以附加地包括以下步骤：以下述方式控制第三组感测元件中的每个传感器元件：传感器元件的感测结构的电势恒定或者随着时间的推移以传感器元件的感测结构的电势的峰峰幅度小于第一组传感器元件中的每个传感器元件的感测结构的电势的峰峰幅度而改变。
此外，根据本发明的实施方式的方法还有利地包括以下步骤：通过包括在指纹传感器中的通信接口提供对手指的指纹图案进行指示的信号，对手指的指纹图案进行指示的信号还对用于进行纠错的纠错数据进行编码。
本发明的该第二方面的另外的实施方式和通过本发明的该第二方面获得的效果与上文针对本发明的第一方面所描述的实施方式和效果非常相似。
根据本发明的第三方面，提供了一种操作指纹传感器的方法，该指纹传感器包括：传感器阵列，该传感器阵列包括多个传感器元件，所述多个传感器元件均包括面向指纹传感器的表面的感测结构，其中，传感器元件中的每个传感器元件被配置成提供对感测结构与放置在电容式指纹传感器的表面上的手指之间的电容耦合进行指示的信号；电源接口，电源接口具有用于给传感器阵列提供电力的接收低电势的低电势输入端和接收高电势的高电势输入端；激励信号生成电路装置，激励信号生成电路装置用于生成关于低电势的时变激励信号以同步指纹传感器的操作；以及激励信号输出端，激励信号输出端用于从指纹传感器输出激励信号，其中，所述方法包括以下步骤：将激励信号输出端导电地连接至包括指纹传感器的设备的参考电势，导致低电势和高电势的关于参考电势的随着时间推移的变动；在高电势与低电势之间提供基本恒定的电压差；以及在提供激励信号的同时从传感器元件中的每个传感器元件获取对感测结构与放置在指纹传感器的表面上的手指之间的电容耦合进行指示的信号。
总地来说，本发明涉及指纹感测系统，该指纹感测系统包括：传感器阵列，该传感器阵列具有多个感测结构和可连接至感测结构中的每个感测结构的读出电路装置，以及电源电路装置，该电源电路装置被布置成给读出电路装置提供是高电势与低电势之间的差的基本恒定的供电电压。指纹感测系统以下述方式被配置：在基本保持供电电压的情况下低电势和高电势可变，以及读出电路装置以下述方式可连接至感测结构中的每个感测结构：在基本保持供电电压的情况下低电势和高电势的变动导致由连接至读出电路装置的感测结构携带的电荷的变化。电荷的变化指示感测结构与手指之间的电容耦合。
附图说明
现在参照示出本发明的示例实施方式的附图来更加详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的用于指纹感测系统的应用；
图2示意性地示出了包括在图1中的指纹感测系统中的传感器阵列；
图3是根据本发明的示例实施方式的指纹感测系统的示意性功能图，其中，在截面图中示出了感测结构和指纹纹线；
图4示意性地示出了用于减小手指的不想要的电容驱动的方法；
图5是根据本发明的指纹感测系统的第一实施方式的示意图；
图6是根据本发明的指纹感测系统的第二实施方式的示意图；
图7a至图7c示意性地示出了根据本发明的指纹感测系统的第三实施方式；
图8a至图8b示意性地示出了包括在指纹感测系统中的电源电路装置的示例实施方式；
图9示意性地示出了在根据本发明的实施方式的读出和与指纹感测系统中的传感器阵列通信的有利时序；以及
图10a至图10b示意性地示出了包括在根据本发明的指纹感测系统的实施方式中的感测元件的示例配置。
具体实施方式
在本详细描述中，参照指纹感测系统主要地描述了根据本发明的指纹感测系统和方法的各种实施方式，其中，主动地控制用于给传感器阵列供电的供电电压的低电势和高电势以与从传感器阵列中的各个感测结构的读出同步地改变。此外，传感器阵列被示出为尺寸确定并且配置成从静止的手指获取指纹表示的触控传感器。
应当注意，并未限制本发明的范围，本发明同样地包括例如下述指纹感测系统，其中，手指的电势被主动地改变并且用于给传感器阵列供应电力的供电电压的低电势和高电势跟随手指电势的变动。其他传感器阵列配置例如用于从移动的手指获取指纹表示的所谓的滑动式传感器(或者线传感器)也在本发明的由所附权利要求限定的范围内。
图1以具有集成的指纹感测系统2的移动电话1的形式示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的用于指纹感测系统的应用。指纹感测系统2可以例如用于对移动电话1进行解锁和/或用于授权使用移动电话进行的交易等。
图2示意性地示出了包括在图1中的指纹感测系统2中的电容式指纹传感器4。如图2可见，指纹传感器4包括传感器阵列5、电源接口6和通信接口7。传感器阵列5包括大量像素8(用附图标记指示了像素中的仅一个像素以避免混淆附图)，每个像素均可被控制以感测包括在像素8中的感测结构(顶板)与接触传感器阵列5的顶表面的手指的表面之间的距离。在图2中的传感器阵列5的放大部分中，第一组像素被标记为针对感测的“S”，第二组像素被标记为针对非感测的“N”，以及第三组像素被标记为针对驱动的“D”。
电源接口6包括此处示出为接合焊盘的第一触片10a和第二触片10b，用于将供电电压Vsupply连接至指纹传感器4。
通信接口7包括许多接合焊盘，所述许多接合焊盘用于使能够控制指纹传感器4以及用于从指纹传感器4获取指纹数据。
可以有利地使用CMOS技术制造图2中的指纹传感器4，但是其他技术和处理也可以是可行的。例如，对于制造指纹传感器4所需的一些处理步骤或者所有处理步骤，可以使用绝缘衬底和/或可以利用薄膜技术。
现在将参照图3更加详细地描述图1中的指纹感测系统2的功能配置。
为了有助于读者理解，图3是示意性截面图和功能框图的混合。参照图3，指纹纹线12接触保护感测结构15a至15c的介电层14的顶表面13。虽然图3中未清楚地示出，但是指纹纹线12当然被指纹谷包围，在指纹谷中手指表面与传感器阵列5的顶表面13隔开。连接至感测结构15a至15c中的每个感测结构的是对应的像素电路16a至16c。像素电路16a至16c由电源17经由第一电力线18a和第二电力线18b来供电。如图3所指示的，每个像素电路16a至16c具有用于提供指示对应的感测结构15a至15c与手指12之间的电容耦合的信号的控制输入端19a至19c和输出端20a至20c。
在图3的示例实施方式中，通过将对应的控制信号提供给相应的控制输入端19a至19c，每个像素电路16a至16c在感测状态、非感测状态与驱动状态之间是可控制的。
当像素电路比如说16b处于感测状态，使得像素是感测像素(由图2中的“S”表示)时，像素电路被配置成在其输出端20b处提供指示由像素电路连接至其的感测结构15b携带的电荷的变化的感测信号。电荷的变化又指示感测结构(平板)15b与手指12之间的电容耦合。电容耦合是对传感器4的顶表面13与手指表面之间的距离的指示。
当像素电路比如说16a和16c处于非感测状态时，像素是非感测像素(由图2中的“N”表示)。然后，像素电路16a、16c处于没有感测信号输出这样的状态。其他像素电路(图3中未示出)可以处于驱动状态使得其像素是驱动像素(由图2中的“D”表示)。驱动像素电路将信号提供给驱动像素电路连接至其的感测结构(平板)。
在感测操作期间，使限定供电电压Vsupply的低电势VL和高电势VH能够如图3中示意性地指示的那样改变。因此，使用基本恒定的供电电压Vsupply给像素电路16a至16c中的每个像素电路供电，供电电压Vsupply在电势上如图3中示意性地指示的那样上下移动。
像素电路16a至16c以下述方式连接至其相应的感测结构15a至15c：在基本保持供电电压Vsupply的情况下低电势VL和高电势VH的关于其中包括指纹感测系统2的电子设备1的参考电势的变动导致也在连接至像素电路16a至16c的相应的感测结构15a至15c上的电势的变动。
应当注意结合图3提供的描述重点在于给传感器阵列供应电力并且应当注意未详细描述每个传感器元件/像素的确切的电路和/或物理布局。
如本领域的技术人员理解的那样，许多不同的电路布局和/或物理布局在本发明的范围内。在US7864992中提供了合适的像素布局的一个示例，其全部内容通过引用合并至本文。下文还将参照图10a至图10b进一步描述所述示例性像素配置。
在一些实施方式中，可以期望的是减小在其相应的感测结构上呈现变化的电势的像素的数量，以减小手指的电容驱动。这可以通过使传感器阵列的仅一段的电势改变来实现，或者通过使用像素电路可以具有的驱动能力来实现。
在其中所有像素电路连接至同一电源线18a-18b的实施方式中，针对每个像素电路的参考电势(局部地)会跟随在电源线18a和18b上的关于其中包括指纹感测系统2的电子设备1的参考电势的电势变动。如果使传感器阵列5的所有感测结构能够跟随电源线18a和18b的电势变动，则感测结构可以统一地电容驱动手指12。手指12的所述电容驱动会减小手指与一个或更多个当前感测像素(“S”)的一个或更多个感测结构15b之间的期望的电势差。
减小手指12的所述不想要的电容驱动的影响的示例性方法是将所选择的像素电路控制到其驱动状态并且将驱动信号Vdrive提供给驱动(“D”)像素的感测结构，该驱动信号Vdrive基本上与由变化的低VL电势和高VH电势引起的电势VS的变动反相。
取决于低VL电势和高VH电势的变动的幅度，在驱动(“D”)像素的感测结构上的结果电势VN可以是基本上恒定的或者如图4中示意性地示出的以比在一个或更多个感测(“S”)像素的一个或更多个感测结构15b上的电势VS较小的峰峰幅度而改变。
在下文中，将参照图5、图6和图7a至图7c中提供的示意性功能图来描述根据本发明的指纹感测系统的三个示例实施方式。
开始于第一示例实施方式，图5示意性地示出了指纹感测系统2，该指纹感测系统2包括指纹传感器4、此处以微处理器形式的处理电路装置25以及电源电路装置26。
如上文结合图2所描述的那样，指纹传感器4包括传感器阵列5、电源接口6以及通信接口7。在本示例中，通信接口7被设置成以SPI接口(串行外围接口)的形式。
微处理器25从指纹传感器4获取指纹数据并且可以处理如通过应用所获取的指纹数据。例如，微处理器25可以运行指纹匹配(验证和/或识别)算法。
电源电路装置26包括被配置成输出供电电压Vsupply的传感器电压源27以及此处为方波脉冲发生器28的脉冲发生器，该脉冲发生器用于关于其中包括指纹感测系统2的电子设备1的参考电势DGND调制传感器电压源27的低电势侧。
作为方波信号的替代例，脉冲发生器可以生成任何其他合适的脉冲形状例如正弦波或锯齿形信号等。
可以以专用于给指纹传感器4供应电力的恒压源例如电池的形式设置传感器电压源27。可替代地，传感器电压源27可以包括隔离电路装置，该隔离电路装置用于至少部分地隔离电压源与指纹传感器4。
下文将参照图8a至图8b进一步描述包括隔离电路装置的传感器电压源27的示例配置。
在该第一实施方式中，指纹感测系统2不包括用于电接触手指12的任何外部结构。例如如参照图4所描述的那样，对于图5中的指纹感测系统2而言，因此减小不想要的电容驱动是有益的。
如使用具有虚线边界的框示意性地指示的，可选地，指纹感测系统2可以附加地包括隔离电路装置29，该隔离电路装置29用于在传感器阵列5与微处理器25之间提供电流隔离或电平偏移。通过使用隔离电路装置29，使微处理器25能够与传感器阵列5的参考电势VL关于DGND的改变无关地起作用。
如在发明内容部分中所述，可以以本领域的技术人员已知的许多不同的方式来实现隔离电路装置29。例如，可以使用部件例如光耦合器、线圈和/或电容器来实现隔离电路装置29。虽然此处示出为独立的电路装置，但是应当理解，隔离电路装置29可以与指纹传感器4或者微处理器25集成在一起。
图6示意性地示出了图1中的指纹感测系统2的第二实施方式，其与上文参照图5所描述的第一实施方式的不同之处在于其附加地包括与指纹传感器4相邻布置的导电边框或框架30以允许手指12放置在指纹传感器4上时手指12触摸边框30。
此外，脉冲发生器28连接在电压源27与边框30之间而不是如图5中的第一实施方式那样在电压源27与地之间。
通过手指12与导电边框30之间的连接，可以减轻任何不想要的电容驱动的影响。
可选地，导电边框30可以被接地，这对于处理ESD可以是有利的。当指纹感测系统2在使用中时，导电边框30会与用户的手指导电接触。与指纹传感器4相比，用户的手指(身体)是大许多的导电体，这表示手指电势会很大地受由脉冲发生器28提供的脉冲的影响，并且传感器地电势VL会如图6中示意性地指示的那样上下摆动。
图7a至图7c示意性地示出了图1中的指纹感测系统2的第三实施方式，其与上文参照图5描述的第一实施方式的不同之处在于到指纹传感器4的电源输入端不关于设备地DGND主动地改变，并且不同之处在于指纹传感器4附加地包括激励信号生成电路装置(图7a中未示出)，该激励信号生成电路装置用于对指示包括在传感器阵列5中的感测结构与手指表面之间的距离的信号的测量和读出(例如采样和A/D转换)进行同步。图7a中的指纹传感器4还包括用于从指纹传感器5输出激励信号TX的激励信号输出端32。
在提供与设备地DGNC相关的恒定的供电电势Vcc的电压供应与指纹传感器4的电压供应接口6之间，设置有使指纹传感器侧上的电势电平独立于设备侧(图7a中的左边)上的电势电平的电压隔离电路装置33。可以以相关领域的技术人员公知的许多不同的方式实现电压隔离电路装置。下文将参照图8b描述合适的电路装置的一个示例。其他合适的电路装置包括各种转换器解决方案或者交换网络。
现在将参照图7b至图7c中的时序图描述图7a中的指纹感测系统2的操作。
图7b至图7c中的时序图两者都将电位示出为时间的函数，但是是关于不同的参考电势。
在图7b中，关于指纹传感器4的参考电势VL(也被称为传感器地)示出了示例性激励信号TX。如图7b可见，激励信号TX是在低电平VL与高电平VH之间的随着时间的推移而改变的方波信号。
图7c示出了与图7b中所示相同的激励信号TX，但是现在是关于设备地DGND。因此，如图7a中示意性示出的那样，激励信号输出端32导电地连接至设备1的供电电势Vcc，该供电电势Vcc关于设备地DGND是恒定的电势，并且指纹传感器系统2被配置成使得指纹传感器4的电势电位的电势上下摆动，激励信号TX会呈现关于设备地的基本恒定的电势。因此，如图7c中示意性地指示的那样，传感器地VL会关于设备地DGND随着时间的推移而改变。
图8a示意性地示出了包括电压源37例如电池和隔离电路装置38的传感器电压源27的第一实施方式。隔离电路装置38被配置成在其输入侧与其输出侧之间提供电流隔离，电压源37连接至所述输入侧，所述输出侧连接至如图5和图6所示的传感器4。可以以本领域的技术人员已知的许多不同的方式实现图8a中的隔离电路装置38。例如，可以使用部件例如光耦合器、线圈和/或电容器实现隔离电路装置38。虽然此处示出为分离的电路装置，但是应当理解，隔离电路装置38可以集成在指纹传感器4中。
图8b示意性地示出了包括输入端39、二极管40和电容器41的传感器电压源27的第二实施方式。二极管40连接在传感器电压源27的输入端39与指纹传感器4的高电势输入端之间，而电容器41连接在用于指纹传感器4的供电电压的低电势VL与高电势VH之间。输入端39是为了连接如上文参照图7a至图7c描述的包括指纹感测系统2的设备的供电电压Vcc。
图8b中的隔离电路不提供供电电压Vcc与指纹传感器4之间的完全电流隔离，而是使能够将时变低电势VL和高电势VH提供给指纹传感器4，即使供电电压(或者是供电电势)Vcc保持恒定也如此。
应当注意，图8a中的电压源37以及在图8b中的输入端39上提供的供电电压Vcc一般可以用于给附加设备例如微处理器25和/或包括指纹感测系统2的设备的其他部件提供电力。
上文，作为使能够从具有变化的(摆动的)参考电势的传感器阵列获取指纹数据的手段讨论了隔离电路装置29的使用。可替代地，可以通过在不同的时间间隙调度从像素8的读出以及从传感器阵列5获取指纹数据，通过微处理器25而不使用隔离电路装置29来获取来自传感器阵列5的指纹数据。
现在将参照图8中的时序图对此进行描述，在图8的时序图中，针对传感器读出的每个时间间隙35a至35d之后是针对从传感器阵列获取指纹数据的时间间隙36a至36d。在针对传感器读出的每个时间间隙35a至35d期间，可以对来自所有像素的信号进行采样和处理(例如转换成数字)，或者在针对传感器读出的每个时间间隙35a至35d期间，可以对传感器的段进行采样和处理。在后一种情况下，与在针对读出的特定时间间隙35a至35d期间进行采样和处理的段对应的指纹数据是在针对指纹数据的获取的随后时间间隙36a至36d期间获取的。
在针对传感器读出的时间间隙35a至35d期间，控制电源电路装置26以使限定供电电压Vsupply的低VL电势和高VH电势能够改变，以及在针对指纹数据获取的时间间隙36a至36d期间，控制电源电路装置26以保持低VL电势和高VH电势恒定。特别地，可以控制电源电路装置26以将低电势VL设置成与微处理器25的地电势(设备地DGND)相同的电势。
现在将参照图10a至图10b描述包括在上述指纹传感器4的实施方式中的感测元件8的示例配置。
如图10a可见，感测元件以层结构形成，所述层结构包括三个导电层；在顶层的导电层M3，在中间的导电层M2以及底层导电层M1，以及在相应的导电层M3、M2、M1下面的第一层绝缘介电材料51、第二层绝缘介电材料52以及第三层绝缘介电材料53。用于导电层的材料的示例通常是铜、铝以及掺杂多晶硅。用于绝缘层的材料的示例通常是SiO2、SiN、SiNOx以及旋转涂布玻璃。
此外，用于形成感测元件3的层状结构可以包括由导电层构成的第四层P2(第二多晶硅)，该第四层保持在关于传感器地VL的一定模拟电压电势AVdd处。此外，存在也由导电层构成的第五层P1(第一多晶硅)，该第五层保持在传感器地电势VL处，作用为电屏蔽。在这些层P2、P1中的每个层下边，存在第四层绝缘介电材料63和第五层绝缘介电材料64。在底部，存在包括有源部件例如电荷放大器54的半导体衬底层D1。上述导电层P2、P1以及较低导电层M1可以例如用于路由电连接、电阻器和电屏蔽。导电层P2、P1中之一还可以用于形成每个感测元件8的下电极55以代替第二金属层M2。
图10a中示出的感测元件8包括形成在顶层导电层M3中的感测结构15b。感测结构15b连接至感测元件电路16b，感测元件电路16b包括电荷放大器54、下电极55、复位开关56以及采样和保持电路装置65。
如在图10a中可见，感测结构15b连接至电荷放大器54的负输入端子58。电荷放大器54的正输入端子59连接至传感器地电势VL。因此，借助于电荷放大器54，对应的感测结构15b虚拟地接地(传感器地)，这是由于电荷放大器54的输入端子58、59上的电压几乎为零。取决于电荷放大器的电路实现方式，在运算放大器的负输入端子58和正输入端子59之间可以存在有小的基本恒定的电压，例如CMOS晶体管的栅极电压。
如还从图10b可见，每个感测结构15b可以被形成在顶层导电层M3中的屏蔽框60包围，其中，屏蔽框60连接至传感器地电势VL作为导电屏蔽以防止相邻感测结构15b之间的横向寄生电容，从而防止或者至少减小感测元件8之间的所谓的串扰。屏蔽框60还可以连接至另一合适的电势。
此外，再次参照图10a，存在覆盖感测结构15b中的每个感测结构的保护介电层14以保护感测元件8不受ESD(静电放电)和外部磨损影响。来到保护层14的上表面附近的手指12使手指12与感测结构15b之间的电容Cfinger升高。
如图10a可见，包括在感测元件电路16b中的下电极55形成在中间导电层M2中。下电极55连接至电荷放大器54的输出端子20b。存在有形成在感测结构15b与每个下电极55之间的反馈电容Cref，该反馈电容Cref连接在输出端子20b与电荷放大器54的负输入端子58之间。
辅助下电极55a也形成在中间导电层M2中，与下电极55相邻。由于下电极55一般可以具有比感测结构15b较小的面积，因此辅助下电极55a连接至传感器地电势VL并且用作额外屏蔽。
下电极55可以被配置成获得针对传感器元件电路16b的期望增益。特别地，由于增益取决于反馈电容Cref，反馈电容Cref又取决于感测结构15b、下电极55和第一绝缘层51的物理尺寸，因此可以合适地选择下电极55的尺寸。可以调节辅助下电极55a的尺寸以配合在下电极55旁边。
如上所述，关于手指12的电势摆动传感器地电势VL导致每个感测结构15b与手指12之间的电压的变化，所述变化又导致由感测结构15b携带的电荷的变化。
由感测结构15b携带的电荷的变化与皮肤和感测结构15b之间的电容Cfinger成比例。由于感测结构15b是关于传感器地VL虚拟地接地的，因此，感测结构15b的电荷被电荷放大器54转移至下电极55。然后，可以如下计算从电荷放大器54输出的电压：
Uout＝(Cfinger/Cref)Uin
由采样保持电路装置65优选地使用相关双采样去除共模噪声的低频分量来对输出电压Uout进行采样。
采样保持电路65由控制信号控制并且将对感测结构15b与手指12之间的电容耦合进行指示的像素信号Spixel输出至模数转换器(未示出)。
本领域的技术人员认识到本发明并不受限于上述示例实施方式。例如，读出电路装置和驱动电路装置可以被设置为分离的电路。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“a”或“an”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (21)

1.一种指纹感测系统，包括：
传感器阵列，所述传感器阵列具有：
多个感测结构，所述多个感测结构均面向所述传感器阵列的表面并且被布置成电容耦合至触摸所述传感器阵列的所述表面的手指；以及
读出电路装置，所述读出电路装置连接至所述感测结构中的每个感测结构，以提供指示所述感测结构中的每个感测结构携带的电荷的变化的感测信号；以及
电源电路装置，所述电源电路装置被布置成给所述读出电路装置提供基本恒定的供电电压，所述基本恒定的供电电压为高电势与低电势之间的差，其中，
所述指纹感测系统以下述方式被配置：在基本保持所述供电电压的情况下，所述低电势和所述高电势关于包括所述指纹感测系统的设备的参考电势可变；以及
所述读出电路装置以下述方式连接至所述感测结构中的每个感测结构：在基本保持所述供电电压的情况下所述低电势和所述高电势的变动导致由连接至所述读出电路装置的感测结构携带的所述电荷的变化，由所述感测结构携带的所述电荷的所述变化指示所述感测结构与所述手指之间的电容耦合。
2.根据权利要求1所述的指纹感测系统，其中，所述电源电路装置被配置成提供关于所述参考电势而改变的第一时变电势作为所述低电势，以及提供第二时变电势作为所述高电势。
3.根据权利要求1或2所述的指纹感测系统，其中，所述读出电路装置能够被控制以：
以下述方式连接至第一组感测结构：所述低电势和所述高电势的所述变动导致在所述第一组中的每个感测结构的电势的关于所述参考电势的变动，并且所述读出电路装置提供指示所述第一组中的每个感测结构携带的电荷的所述变化的信号；以及
以下述方式连接至不同于所述第一组感测结构的第二组感测结构：所述低电势和所述高电势的所述变动导致所述第二组中的每个感测结构的电势的关于所述参考电势的变动。
4.根据权利要求3所述的指纹感测系统，其中，所述读出电路装置仅提供指示所述第一组中的每个感测结构携带的电荷的所述变化的信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测系统，其中，所述电源电路装置包括隔离电路装置，所述隔离电路装置具有用于连接至电压源的输入侧和连接至所述传感器阵列的输出侧，
所述隔离电路装置被配置成防止电流从所述输出侧流到所述输入侧，以使在所述输出侧上的输出电势不同于在所述输入侧上的输入电势。
6.根据权利要求5所述的指纹感测系统，其中，所述隔离电路装置被配置成在所述输入侧与所述输出侧之间提供电流隔离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测系统，其中，所述传感器阵列还包括驱动电路装置，所述驱动电路装置能够连接至所述感测结构中的每个感测结构并且能够控制以改变连接至所述驱动电路装置的感测结构的关于所述低电势的电势。
8.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测系统，还包括处理电路装置，所述处理电路装置经由通信接口连接至所述传感器阵列以从所述传感器阵列获取指纹数据。
9.根据权利要求8所述的指纹感测系统，还包括用于在所述传感器阵列与所述处理电路装置之间提供电流隔离的隔离电路装置。
10.根据权利要求8或9所述的指纹感测系统，其中，所述低电势和所述高电势关于所述处理电路装置的参考电势可变。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的指纹感测系统，其中，所述电源电路装置被配置成在所述处理电路装置从所述传感器阵列获取指纹数据时的时间段期间保持所述低电势和所述高电势中的每个电势关于所述处理电路装置的所述参考电势基本恒定。
12.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测系统，其中，所述指纹感测系统还包括导电结构，所述导电结构被布置成在所述手指被放置在所述传感器阵列的所述表面上时与所述手指处于电接触。
13.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测系统，其中，所述传感器阵列包括：
激励信号生成电路装置，所述激励信号生成电路装置用于生成关于所述低电势的、用以同步所述读出电路装置的操作的时变激励信号；以及
激励信号输出端，所述激励信号输出端用于从所述传感器阵列输出所述激励信号，
其中，所述激励信号输出端导电地连接至所述参考电势，从而迫使所述低电势和所述高电势关于所述参考电势随着时间的推移而改变。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的指纹感测系统，其中，
所述指纹感测系统还包括导电的手指接触结构，所述导电的手指接触结构被布置成与所述传感器阵列相邻以电接触所述手指；以及
所述传感器阵列包括：
激励信号生成电路装置，所述激励信号生成电路装置生成关于所述低电势的、用以同步所述读出电路装置的操作的时变激励信号；以及
激励信号输出端，所述激励信号输出端用于从所述传感器阵列输出所述激励信号，
其中，所述激励信号输出端导电地连接至所述手指接触结构，从而迫使所述低电势和所述高电势关于所述手指的电势随着时间的推移而改变。
15.一种电子设备，包括
根据权利要求13所述的指纹感测系统，以及
处理电路装置，所述处理电路装置被配置成：
从所述指纹感测系统获取所述指纹图案的表示；
基于所述表示认证用户；以及
仅在基于所述表示认证了所述用户的情况下执行至少一个用户请求的处理，
其中，包括在所述指纹感测系统中的所述传感器阵列的所述激励信号输出端导电地连接至所述电子设备的所述参考电势。
16.一种操作指纹传感器的方法，所述指纹传感器包括：
传感器阵列，所述传感器阵列包括多个传感器元件，所述多个传感器元件均包括面向所述指纹传感器的表面的感测结构，其中，所述传感器元件中的每个传感器元件被配置成提供指示所述感测结构与放置在电容式指纹传感器的所述表面上的手指之间的电容耦合的信号；以及
电源接口，所述电源接口具有用于给所述传感器阵列提供电力的低电势输入端和高电势输入端，
其中，所述方法包括以下步骤：
将关于包括所述指纹传感器的设备的参考电势的第一时变电势提供给所述电源接口的所述低电势输入端并且将关于包括所述指纹传感器的设备的参考电势的第二时变电势提供给所述电源接口的所述高电势输入端，所述第二时变电势与所述第一时变电势之间的差为基本恒定的电压；以及
在提供所述第一时变电势和所述第二时变电势的情况下，从所述传感器元件中的每个传感器元件获取指示所述感测结构与放置在所述指纹传感器的所述表面上的手指之间的电容耦合的所述信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述获取的步骤包括以下步骤：
以下述方式控制第一组传感器元件中的每个传感器元件：所述低电势和所述高电势的所述变动导致所述第一组中的每个传感器元件的所述感测结构的电势的变动，并且所述第一组中的每个传感器元件提供指示所述感测结构与放置在所述指纹传感器的所述表面上的手指之间的电容耦合的所述信号；以及
以下述方式控制不同于所述第一组感测结构的第二组传感器元件中的每个传感器元件：所述低电势与所述高电势的所述变动导致所述第二组中的每个传感器元件的所述感测结构的电势的变动。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二组中的传感器元件被布置成与所述第一组中的至少一个传感器元件相邻。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述获取的步骤还包括以下步骤：
以下述方式控制第三组感测元件中的每个传感器元件：所述传感器元件的所述感测结构的电势恒定，或者关于所述参考电势随着时间的推移以峰峰幅度小于所述第一组传感器元件中的每个传感器元件的所述感测结构的电势的峰峰幅度的方式而改变。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
通过包括在所述电容式指纹传感器中的通信接口提供指示所述手指的指纹图案的信号，
指示所述手指的所述指纹图案的所述信号还对使得能够进行纠错的纠错数据进行编码。
21.一种操作指纹传感器的方法，所述指纹传感器包括：
传感器阵列，所述传感器阵列包括多个传感器元件，所述多个传感器元件均包括面向所述指纹传感器的表面的感测结构，其中，所述传感器元件中的每个传感器元件被配置成提供指示所述感测结构与放置在电容式指纹传感器的所述表面上的手指之间的电容耦合的信号；
电源接口，所述电源接口具有接收低电势的低电势输入端和接收高电势的高电势输入端，用以给所述传感器阵列提供电力；
激励信号生成电路装置，所述激励信号生成电路装置用于生成关于所述低电势的、用以同步所述指纹传感器的操作的时变激励信号；以及
激励信号输出端，所述激励信号输出端用于从所述指纹传感器输出所述激励信号，
其中，所述方法包括以下步骤：
将所述激励信号输出端导电地连接至包括所述指纹传感器的设备的参考电势，导致所述低电势和所述高电势的关于所述参考电势的随时间的变动；
在所述高电势与所述低电势之间提供基本恒定的电势差；以及
在提供所述激励信号的情况下从所述传感器元件中的每个传感器元件获取指示所述感测结构与放置在所述指纹传感器的所述表面上的所述手指之间的电容耦合的所述信号。
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