CN105488451B - 一种指纹识别传感器 - Google Patents
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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。本发明中，指纹识别传感器包含：金属边框、感应单元阵列与外部发射源；金属边框环绕设置于感应单元阵列的周围；外部发射源向金属边框发射第一输入信号Vin1；感应单元阵列包含若干个感应单元；每一个感应单元分别包含一个内部发射源与充电电容Cin；内部发射源向对应的Cin发射第二输入信号Vin2，对Cin进行充电；其中，Vin2为与Vin1相位相反的方波，用于抵消Vin1中携带的直流大信号。与现有就技术相比，可以增大有用信号在总信号中的比重，使指纹识别传感器的前端具备高增益能力，提高了信噪比，最终提高了指纹识别传感器检测的灵敏度，从而使指纹识别传感器表面可以覆盖更厚的保护层。
Description
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。
背景技术
指纹识别传感器每个像素都是一个单独的感应单元，每个感应单元一般都会包含一个放大器，每个像素有限的面积决定了放大器只能使用简单的结构。当指纹传感器使用在比较低的电源电压情况下，如2.8V或1.8V或者更低的情况时，放大器的动态范围会比较小，导致有效信号的放大倍数受限，最终导致系统灵敏度比较低。
改进上述指纹识别传感器可以采用其他复杂的放大器，但这种方案受限于每个感应单元有限的面积，缺乏可行性。
而且，当指纹识别传感器的灵敏度比较低时，传感器表面不可以覆盖更厚的保护层，这样会降低对指纹识别传感器的保护作用。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种指纹识别传感器，提高了检测的灵敏度，同时使指纹识别传感器表面可以覆盖更厚的保护层，增强对指纹识别传感器的保护。
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，包含：金属边框、感应单元阵列与外部发射源；
所述金属边框环绕设置于所述感应单元阵列的周围；
所述外部发射源向所述金属边框发射第一输入信号Vin1；
所述感应单元阵列包含若干个感应单元；每一个感应单元分别包含一个内部发射源与充电电容Cin；所述内部发射源向对应的Cin发射第二输入信号Vin2，对所述Cin进行充电；
其中，所述Vin2为与所述Vin1相位相反的方波，用于抵消所述Vin1中携带的直流大信号。
本发明实施方式相对于现有技术而言，除了利用内部发射源向感应单元内的充电电容(Cin)发射第二输入信号(Vin2)，对其进行充电，还利用外部发射源向环绕设置于感应单元阵列周围的金属边框发射第一输入信号(Vin1)，对其进行充电，由于Vin1为与Vin2相位相反的方波，可以抵消Vin1中携带的对检测无用的直流大信号，增大了有用信号在总信号中的比重，使指纹识别传感器的前端具备高增益能力，提高了信噪比，最终提高了指纹识别传感器检测的灵敏度，从而使指纹识别传感器表面可以覆盖更厚的保护层。
进一步地，所述Vin1采用第一积分器输入信号；所述Vin2采用第二积分器输入信号；其中，所述第一积分器输入信号与所述第二积分器输入信号的积分次数相同。第一积分器输入信号与第二积分器输入信号均为台阶状信号，可以分别对金属边框与Cin进行若干次累加充电，金属边框与Cin在接收这若干次累加充电后再一次性放电，将充电时储存的电荷一次性转出，这样达到了多次采样的效果，指纹识别传感器可以获得更大的动态范围和更高的检测精度，最终获得更大的检测灵敏度。
进一步地，所述放大器包含：第一P沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管PMOS、第二PMOS、第一N沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOS与第二NMOS；所述第一PMOS的栅极用于输入第一偏置电压Vbp1，源极用于输入工作电压VDD，漏极与所述第二PMOS的源极相连；所述第二PMOS的栅极用于输入第二偏置电压Vbp2，漏极与所述第一NMOS的漏极相连，并作为所述放大器的输出节点；所述第一NMOS的栅极用于输入第三偏置电压Vbn1，源极与所述第二NMOS的漏极相连；所述第二NMOS的栅极为所述放大器的输入节点，源极接地。该放大器是反相器结构放大器，结构简单，所占面积小，可以置于指纹识别传感器中一个感应单元有限的面积范围内，保证了本发明实施方式的可行性。
进一步地，通过控制所述Vbp1从所述感应单元阵列中选择工作的若干行感应单元；通过控制所述Vbp2从所述感应单元阵列中选择工作的若干列感应单元；或者，通过控制所述Vbp2从所述感应单元阵列中选择工作的若干行感应单元；通过控制所述Vbp1从所述感应单元阵列中选择工作的若干列感应单元；其中，所述Vbp1与所述Vbp2中任意一个大于或者等于工作电压VDD时，所述放大器关闭。第一PMOS的栅极的第一偏置电压(Vbp1)兼备提供放大器工作点和关闭放大器的功能，当Vbp1的值为放大器正常工作点时，放大器才能够正常工作，当Vbp1电压为VDD时，放大器关闭。第二PMOS的栅极的第二偏置电压(Vbp2)也兼备提供放大器工作点和关闭放大器的功能，当Vbp2为放大器正常工作点时，放大器才能够正常工作，当Vbp2电压为VDD时，放大器关闭。因此，只要Vbp1和Vbp2其中有一个为VDD时，放大器就处于关闭状态。故而，可以通过控制Vbp1来实现行选择功能，也可以通过控制Vbp2实现列选择功能，或者，可以通过控制Vbp1来实现列选择功能，通过控制Vbp2实现行选择功能。这样，通过控制Vbp1与Vbp2只选择一行感应单元与一列感应单元工作时，那么只有该行与该列交叉的感应单元工作，即整个感应单元阵列扫描时每次只打开一个感应单元。
进一步地，每一个感应单元还均包含放大器与复位开关；所述放大器的输入节点分别与所述第一极板、所述复位开关的第一端口相连，所述放大器的输出节点分别与所述第二极板、所述复位开关的第二端口相连；所述复位开关的第三端口用于输入复位信号。另外，每一个感应单元还均包含一个反相器；所述反相器与所述复位开关的第三端口相连。这样，反相器可以增加输出驱动的能力。
进一步地，还包含控制器；所述控制器，用于在该指纹识别传感器未检测到手指接触所述金属边框时，控制所述内部发射源减小所述Vin2幅度或者停止发射所述Vin2。在手指触摸到感应单元而未触摸到金属边框时，手指与金属边框之间的电容C3对外部发射源发射的Vin1信号起衰减作用，此时用于抵消外部大信号的内部信号Vin2的幅度也应相应地减弱；或者，控制器在判定手指未触摸到感应单元且未触摸到金属边框时，控制内部发射源停止发射内部信号Vin2，这样可以节约能耗。总之，利用控制器根据情况控制内部发射源Vin2，增强了指纹识别传感器的适用性。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的指纹识别传感器的感应区域示意图；
图2是根据本发明第一实施方式中的感应单元中极板的排列图案示意图；
图3是根据本发明第一实施方式中的感应单元的结构示意图；
图4是根据本发明第三实施方式中的感应单元的结构示意图；
图5是根据本发明第四实施方式的指纹识别传感器的感应区域示意图。
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，具体如图1～3所示，包含金属边框101、感应单元阵列102与外部发射源。
其中，金属边框101环绕设置于感应单元阵列102的周围。如图1所示，外围的101是矩形的金属边框，内部的是矩形的感应阵列102。感应阵列102由M行、N列矩形的感应单元1021构成，即由N*M个矩形的感应单元1021构成，其中N、M均为正整数。每个感应单元1021顶层可以包含两块极板或多块极板。当手指不同区域与感应单元1021接触时，所形成的电容值有所不同，例如，谷和脊部分与感应单元1021接触时，与感应单元1021里的极板形成的电容值不同，通过检测这些电容值的差异，来区分谷和脊，最终实现识别指纹。
优选地，在本实施方式中，每个感应单元1021顶层包含两块极板，具体如图2所示：第一极板与第二极板，还包含环绕设置于第一极板与第二极板的周围的地线(VSS)，其中，第一极板与第二极板并列设置。在手指触摸时，手指与第一极板形成第一接触电容(C1)，与第二极板形成第二接触电容(C2)，第一极板和第二极板之间形成反馈电容(Cf)。在手指触摸时，反馈电容上的电压信号发生变化，该电压信号的变化量携带指纹信息。
每一个感应单元1021还分别包含一个内部发射源、充电电容(Cin)、放大器201、反相器与复位开关。放大器201的输入节点分别与第一极板、复位开关的第一端口相连，放大器201的输出节点分别与第二极板、复位开关的第二端口相连；复位开关的第三端口与反相器相连。其中，反相器可以增强输出驱动的能力。
复位开关，用于输入复位信号，对反馈电容进行复位。在复位状态时，复位开关的第一端口(输入节点)与第二端口(输出节点)相连，为放大器201建立一个工作点。具体地说，复位开关可以为第三NMOS；第三NMOS的漏极为复位开关的第一端口，源极为第二端口，栅极为第三端口。
放大器201将反馈电容上的电压信号进行放大后输出。具体地说，放大器201包含：第一PMOS(M1)、第二PMOS(M2)、第一NMOS(M3)与第二NMOS(M4)。其中，第一PMOS(M1)的栅极用于输入第一偏置电压Vbp1，源极用于输入工作电压VDD，漏极与第二PMOS(M2)的源极相连；第二PMOS(M2)的栅极用于输入第二偏置电压Vbp2，漏极与第一NMOS(M3)的漏极相连，并作为放大器201的输出节点；第一NMOS(M3)的栅极用于输入第三偏置电压Vbn1，源极与第二NMOS(M4)的漏极相连；第二NMOS(M4)的栅极为放大器201的输入节点，源极接地。该放大器201是反相器结构放大器，结构简单，所占面积小，可以置于指纹识别传感器中一个感应单元1021有限的面积范围内，保证了本发明实施方式的可行性。
而且，在本实施方式中，可以通过控制Vbp1从感应单元阵列中选择工作的一行感应单元，通过控制Vbp2从感应单元阵列中选择工作的一列感应单元；其中，Vbp1与Vbp2中任意一个大于或者等于工作电压VDD时，放大器关闭。即通过控制Vbp1来实现行选择功能，通过控制Vbp2实现列选择功能。这样，通过控制Vbp1与Vbp2只选择一行感应单元与一列感应单元工作时，那么只有该行与该列交叉的感应单元工作，即整个感应单元阵列扫描时每次只打开一个感应单元。通过控制Vbp1或Vbp2，可以实现对工作的感应单元的合理选择，为后续电路处理奠定了基础。
内部发射源向充电电容发射第二输入信号(Vin2)，对充电电容进行充电，充电电容储存电荷，以在电荷转移阶段转移至Cf。同时，外部发射源向金属边框101发射第一输入信号(Vin1)，其中，Vin2为与Vin1相位相反的方波，用于抵消Vin1中携带的直流大信号。
在本实施方式中，采用电荷传递模式，对充电电容充电一次，然后把充进去的电荷搬到Cf上。在一次充放电结束后，放大器201的输出节点的输出达到一个基准值Vo基准，用于作参比值。其中，
该基准值处于合理的工作点，该工作点可以确保系统工作于最大的动态范围。
当手指接近时，会增大C1与C2，同时减小Cf。当手指同时接触某个感应单元1021与金属边框时，导致与该单元相关的电容发生变化，即C1增大的变化量为ΔC1，C2增大的变化量为ΔC2，Cf减小的变化量为ΔCf，其中，C3默认为短路。因此，导致放大器201的输出节点的输出改变为Vo，其中，
该输出Vo相对于基准值Vo基准的变化量ΔVo为
当感应单元1021表面的保护层的厚度很厚时，比如为100-500μm，ΔCf的值很小，相对于其他变化量来说可以忽略不计，则上式可以简化为
上式中只包含有效信号，与检测无关的直流大信号已被抵消。
本实施方式中，传感器通过双发射源消除了输入的无用直流大信号，增大了有用信号在总信号中的比重，使指纹识别传感器的前端具备高增益能力，提高了信噪比，最终提高了指纹识别传感器检测的灵敏度，从而使指纹识别传感器表面可以覆盖更厚的保护层。
另外，需要说明的是，在实际应用时，金属边框还可以为圆形，感应单元1021阵列可以为圆形阵列，也可以为矩形阵列。
相对于现有技术而言，除了利用内部发射源向感应单元1021内的充电电容(Cin)发射第二输入信号(Vin2)，对其进行充电，还利用外部发射源向环绕设置于感应单元1021阵列周围的金属边框发射第一输入信号(Vin1)，对其进行充电，由于Vin1为与Vin2相位相反的方波，可以抵消Vin1中携带的对检测无用的直流大信号，增大了有用信号在总信号中的比重，使指纹识别传感器的前端具备高增益能力，提高了信噪比，最终提高了指纹识别传感器检测的灵敏度，从而使指纹识别传感器表面可以覆盖更厚的保护层。
本发明的第二实施方式涉及一种指纹识别传感器。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，采用电荷传递模式。而在本发明第二实施方式中，采用积分模式，指纹识别传感器可以获取更大的动态范围，检测灵敏度更高。
具体地说，在本实施方式中，Vin1采用第一积分器输入信号；Vin2采用第二积分器输入信号；其中，第一积分器输入信号与第二积分器输入信号的积分次数相同，均为n。这样，在触摸时，指纹识别传感器的输出变化量ΔVo为：
其中，ΔC1为触摸时手指与感应单元1021中的第一极板之间的第一接触电容C1的变化量。
第一积分器输入信号与第二积分器输入信号均为台阶状信号，可以分别对金属边框与Cin进行n次累加充电，金属边框与Cin在接收这n次累加充电后再一次性放电，将充电时储存的电荷一次性转出，这样达到了多次采样的效果，指纹识别传感器可以获得更大的动态范围和更高的检测精度，最终获得更大的检测灵敏度。
本发明第三实施方式涉及一种指纹识别传感器，具体如图4所示，第三实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，还包含控制器，用于在该指纹识别传感器未检测到手指接触金属边框时，控制内部发射源减小Vin2的幅度或者停止发射Vin2，增强了指纹识别传感器的适用性，且可以节约功耗。
具体地说，在本实施方式中，控制器一端与内部发射源相连，另一端与放大器201的输出节点相连。
在手指触摸到感应单元1021而未触摸到金属边框时，手指与金属边框之间的电容C3对外部发射源发射的Vin1信号起衰减作用，控制器在根据放大器201输出节点的输出判定指纹识别传感器未检测到手指接触金属边框时，相应减小内部发射源发射的Vin2的幅度；或者，控制器在判定手指未触摸到感应单元1021且未触摸到金属边框时，控制内部发射源停止发射Vin2这样，可以节约能耗。总之，利用控制器根据情况控制内部发射源减小Vin2幅度或者停止发射Vin2，强了指纹识别传感器的适用性，且可以节约能耗。
本发明第四实施方式涉及一种指纹识别传感器，具体如图5所示。第四实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，指纹识别传感器的金属边框为网格状，并将感应单元1021阵列划分为若干个感应单元1021子阵列，这样，可以使对Cin的充电更均匀。
本发明第五实施方式涉及一种指纹识别传感器。第五实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第五实施方式中，金属外边框分为若干段，指纹识别传感器包含数目相同的外部发射源；外部发射源与各段金属外边框一一对应，这样，也可以使对Cin的充电更均匀。
本发明第六实施方式涉及一种指纹识别传感器。第六实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第六实施方式中，在扫描(i，j)感应单元1021时，i+1行、j+1列的感应单元1021均向(i，j)感应单元1021发射Vin1；其中，(i，j)感应单元1021为第i行、第j列个感应单元1021，i、j均为自然数，这样，也可以使对Cin的充电更均匀。
本发明第七实施方式涉及一种指纹识别传感器。第七实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第七实施方式中，在扫描(i，j)感应单元1021时，等近邻(与(i，j)感应单元距离相等且相邻)的8个感应单元1021均向(i，j)感应单元1021发射Vin1，这样，也可以使对Cin的充电更均匀。
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 (9)
1.一种指纹识别传感器，其特征在于，包含：金属边框、感应单元阵列与外部发射源；
所述金属边框环绕设置于所述感应单元阵列的周围；
所述外部发射源向所述金属边框发射第一输入信号Vin1；
所述感应单元阵列包含若干个感应单元；每一个感应单元分别包含一个内部发射源与充电电容Cin；所述内部发射源向对应的Cin发射第二输入信号Vin2，对所述Cin进行充电；
其中，所述Vin2为与所述Vin1相位相反的方波，用于抵消所述Vin1中携带的直流大信号；
所述指纹识别传感器还包含控制器；
所述控制器，用于在该指纹识别传感器未检测到手指接触所述金属边框时，控制所述内部发射源减小所述Vin2的幅度或者停止发射所述Vin2；
其中，所述Vin1采用第一积分器输入信号，所述Vin2采用第二积分器输入信号；所述第一积分器输入信号与所述第二积分器输入信号的积分次数相同；
所述金属边框为矩形，所述感应单元阵列为矩形或者圆形阵列；或者，所述金属边框为圆形，所述感应单元阵列为圆形或者矩形阵列。
2.根据权利要求1所述的指纹识别传感器，其特征在于，每一个感应单元均包含第一极板、第二极板与地线VSS；
所述第一极板与所述第二极板并列设置；所述VSS环绕设置于所述第一极板与所述第二极板的周围；
在触摸时，手指与第一极板形成第一接触电容C1，与第二极板形成第二接触电容C2，第一极板和第二极板之间形成反馈电容Cf。
3.根据权利要求2所述的指纹识别传感器，其特征在于，每一个感应单元还均包含放大器与复位开关；
所述放大器的输入节点分别与所述第一极板、所述复位开关的第一端口相连，所述放大器的输出节点分别与所述第二极板、所述复位开关的第二端口相连；
所述复位开关的第三端口用于输入复位信号。
4.根据权利要求3所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述放大器包含：第一P沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管PMOS、第二PMOS、第一N沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOS与第二NMOS；
所述第一PMOS的栅极用于输入第一偏置电压Vbp1，源极用于输入工作电压VDD，漏极与所述第二PMOS的源极相连；
所述第二PMOS的栅极用于输入第二偏置电压Vbp2，漏极与所述第一NMOS的漏极相连，并作为所述放大器的输出节点；
所述第一NMOS的栅极用于输入第三偏置电压Vbn1，源极与所述第二NMOS的漏极相连；
所述第二NMOS的栅极为所述放大器的输入节点，源极接地。
5.根据权利要求4所述的指纹识别传感器，其特征在于，通过控制所述Vbp1从所述感应单元阵列中选择工作的若干行感应单元；通过控制所述Vbp2从所述感应单元阵列中选择工作的若干列感应单元；或者，
通过控制所述Vbp2从所述感应单元阵列中选择工作的若干行感应单元；通过控制所述Vbp1从所述感应单元阵列中选择工作的若干列感应单元；
其中，所述Vbp1与所述Vbp2中任意一个大于或者等于工作电压VDD时，所述放大器关闭。
6.根据权利要求3所述的指纹识别传感器，其特征在于，所述复位开关为第三NMOS；
所述第三NMOS的漏极为所述复位开关的第一端口，源极为所述复位开关的第二端口，栅极为所述复位开关的第三端口。
7.根据权利要求3所述的指纹识别传感器，其特征在于，每一个感应单元还均包含一个反相器；
所述反相器与所述复位开关的第三端口相连。
8.根据权利要求2所述的指纹识别传感器，其特征在于，在触摸时，所述指纹识别传感器采用电荷传递模式，输出变化量ΔVo为：
ΔVo＝(Vin1*ΔC1)/Cf，
其中，ΔC1为触摸时手指与感应单元中的第一极板之间的第一接触电容C1的变化量。
9.根据权利要求2所述的指纹识别传感器，其特征在于，在触摸时，所述指纹识别传感器采用积分模式，输出变化量ΔVo为：ΔVo＝(n*Vin1*ΔC1)/Cf，
其中，ΔC1为触摸时手指与感应单元中的第一极板之间的第一接触电容C1的变化量，n为积分次数。
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