CN105512601A - 指纹感测装置及其感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种指纹感测装置，用来感测一手指的指纹信息。上述指纹感测装置包括一感测阵列、一绝缘表面、一读取模块、一存储器阵列及一处理器。上述感测阵列包括多个感测单元。每一上述感测单元包括一感测电极。上述绝缘表面设置于上述感测单元的上方。上述读取模块读取每一上述感测单元的上述感测电极的一感测电压，并根据上述感测电压而提供一感测输出。上述存储器阵列包括多个存储单元。每一上述存储单元相邻于所对应的上述感测单元，并存储所对应的上述感测单元的信息。上述处理器根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。本发明公开的指纹感测装置可以增加存储器的容量并有效地使用芯片面积。

Description

指纹感测装置及其感测方法
技术领域
本发明涉及一种指纹感测装置，且特别涉及一种在感测阵列内设置存储单元的指纹感测装置。
背景技术
近年来，随着生物辨识技术逐渐成熟，许多不同的生物特征皆可被用来辨识使用者的身份。其中，由于指纹辨识技术的辨识率及准确率较其它生物特征的辨识技术更好，故目前指纹辨识的应用层面较广。
指纹辨识的技术先感测使用者的指纹图样(pattern)，再撷取指纹图样中独特的指纹特征并存储至存储器中。之后，当使用者再次按压或滑刷指纹时，指纹感测器会感测指纹图样并且撷取指纹特征，以便与先前所存储的指纹特征进行比对以进行辨识。若二者相符，则使用者的身份得以确认。
发明内容
为克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种指纹感测装置，用来感测一手指的指纹信息。上述指纹感测装置包括一感测阵列、一绝缘表面、一读取模块、一存储器阵列以及一处理器。上述感测阵列包括多个感测单元，其中每一上述感测单元包括一感测电极。上述绝缘表面设置于上述感测电极的上方。上述读取模块读取每一上述感测单元的上述感测电极的一感测电压，并根据上述感测电压而提供一感测输出。上述存储器阵列包括多个存储单元，其中每一上述存储单元相邻于所对应的上述感测单元，并存储所对应的上述感测单元的信息。上述处理器根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
再者，本发明提供一种感测方法，适用于一指纹感测装置。上述指纹感测装置包括具有多个感测单元的一感测阵列、设置于上述感测阵列的上方的一绝缘表面以及具有多个存储单元的一存储器阵列，其中每一上述存储单元相邻于所对应的上述感测单元，并存储所对应的上述感测单元的信息。读取每一上述感测单元的一感测电极的一感测电压，并根据上述感测电压而提供一感测输出。根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
再者，本发明提供另一种指纹感测装置，用来感测一手指的指纹信息。上述指纹感测装置包括一感测阵列、一绝缘表面、一读取模块、一存储器阵列以及一处理器。上述感测阵列包括多个感测单元，其中每一上述感测单元包括一感测电极，以产生一感测电压。上述绝缘表面设置于上述感测阵列的上方。上述读取模块读取两相邻的上述感测单元的上述感测电压的差值，并根据上述感测电压的差值而提供一感测输出。上述存储器阵列包括多个存储单元，其中每一上述存储单元设置于上述两相邻感测单元之间，并存储对应于上述两相邻感测单元的信息。一处理器根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
再者，本发明提供另一种感测方法，适用于一指纹感测装置。上述指纹感测装置包括具有多个感测单元的一感测阵列、设置于上述感测阵列的上方的一绝缘表面以及具有多个存储单元的一存储器阵列。每一上述感测单元包括一感测电极，以产生一感测电压，以及每一上述存储单元设置于两相邻的上述感测单元之间，并存储对应于上述两相邻感测单元的信息。读取上述两相邻感测单元的上述感测电压的差值，并根据上述感测电压的差值而提供一感测输出。根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
本发明公开的指纹感测装置可以增加存储器的容量并有效地使用芯片面积。
附图说明
图1是显示根据本发明一实施例所述的指纹感测装置；
图2是显示根据本发明一实施例所述的使用图1的指纹感测装置来读取使用者的手指指纹的示意图；
图3A是显示根据本发明一实施例所述的图1中感测单元与存储单元的布局排列的示意图；
图3B是显示根据本发明另一实施例所述的图1中感测单元与存储单元的布局排列的示意图；以及
图4是显示使用者的手指接触到图1的指纹感测装置的剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
100～指纹感测装置；
110～感测阵列；
115、115-1、115-2、115-3、115-4～感测单元；
120～存储器阵列；
125、125-1、125-2、125-3、125-4、125-5、125-6～存储单元；
130～读取模块；
140～处理器；
150～绝缘表面；
210～手指；
220、420～指纹波峰；
230～电容值曲线；
240～指纹图样；
310～感测区域；
410～半导体基底；
430～指纹波谷；
C1、C2、Ctop～电容；
Cref1、Cref2～参考电容；
DAT～数据；
Dsen～感测输出；
GND～接地端；
EC～共同电极；
ER～参考电极；
ES～感测电极；
Vref～参考电压；以及
Vsen～感测电压。
具体实施方式
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
当使用者按压或滑刷指纹时，指纹感测器会感测指纹的波峰(ridge)及波谷(valley)，并且产生相对应于波峰及波谷的不同电容值。接着，利用电荷分布(charge-sharing)的方式，取得相对应于电容值的电压值，并将电压值输入一模拟对数字转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)，以转换成数字码(digitalcode)，以提供给处理器，进行后续指纹辨识的演算与处理。
图1是显示根据本发明一实施例所述的指纹感测装置100。指纹感测装置100包括感测阵列110、存储器阵列120、读取模块130、处理器140以及绝缘表面150。在此实施例中，感测阵列110、存储器阵列120、读取模块130以及处理器140是设置在半导体基底内。感测阵列110由多个感测单元115以二维方式排列而成，其中绝缘表面150设置在半导体基底上，并覆盖于感测阵列110的全部感测单元115的上。存储器阵列120包括多个存储单元125，其中存储单元125在布局上交错于感测单元115之间，且每一存储单元125相邻于其所对应的一感测单元115。读取模块130可从感测阵列110中得到每一感测单元115的感测电压Vsen，并根据感测电压Vsen来提供对应于该感测单元115的感测输出Dsen至处理器140。在得到该感测单元115的感测输出Dsen之后，处理器140亦会从存储器阵列120中得到对应于该感测单元115的数据DAT。接着，处理器140会根据感测单元115的感测输出Dsen以及所对应的数据DAT来判断是否有使用者的手指接触绝缘表面150，并进一步得到手指的指纹信息，以便判断出该感测输出Dsen对应于手指的指纹波峰(ridge)或指纹波谷(valley)。于是，处理器140可根据全部感测单元115的感测输出Dsen以及所对应的数据DAT而得到二阶化(binary)或是灰阶化(graylevel)的指纹信息，以供后续程序使用，例如可经由指纹辨识演算法来执行指纹辨识操作等。在一实施例中，存储在存储器阵列120中的数据DAT是感测阵列110内感测单元115的误差值Err，其中误差值Err表示读取模块130在无物体接触绝缘表面150的情况下所得到的感测单元115的感测电压Vsen。于是，当绝缘表面150有脏污或损伤时，处理器140可根据目前的感测电压Vsen以及存储在存储器阵列120内的误差值Err来得到手指的指纹信息，例如通过将目前的感测电压Vsen减去误差值Err而得到实际的感测电压值。此外，指纹感测装置100可根据误差值Err而执行自我校正(Self-Calibration)程序。再者，在另一实施例中，处理器140可将每一感测单元115所感测得到的指纹信息存储在其所对应的存储器阵列120的存储单元125内。
图2是显示根据本发明一实施例所述的使用图1的指纹感测装置100来读取使用者的手指指纹的示意图。在图2中，当手指210接触到指纹感测装置100时，手指210表面的不规则形状指纹波峰220会通过绝缘表面150触压感测单元115。于是，指纹感测装置100可得到对应于指纹波峰220的电容值曲线230，并根据电容值曲线230的形状而辨认出指纹波峰220的形状，以得到指纹图样240。接着，其他电路或装置便可根据指纹图样240来进行后续处理。
图3A是显示根据本发明一实施例所述的图1中感测单元115与存储单元125的布局排列的示意图，而图3B是显示根据本发明另一实施例所述的图1中感测单元115与存储单元125的布局排列的示意图。在第3A与3B图中，每一感测单元115设置在个别的感测区域310中。相邻两感测单元115的感测电极ES的最小距离为LDPI，其中最小距离LDPI由指纹感测装置100的解析度所决定。此外，感测区域310的宽度为LDPI、感测单元115的宽度为LS以及存储单元125的宽度为LM，其中最小距离LDPI由感测单元115与存储单元125的宽度所决定，即LDPI＝LS+LM。在一实施例中，LDPI可以是50μm、LS可以是48μm而LM可以是2μm。在图3A中，存储单元125设置在所对应的感测单元115的右侧及/或下方。在另一实施例中，存储单元125可设置在所对应的感测单元115的左侧及/或上方。在图3B中，每一存储单元125设置在相邻两感测单元115之间的间隙(space)之间，且不重迭于感测单元115。于是，通过在感测单元115之间的间隙内设置存储单元125，可增加指纹感测装置100的存储器容量。此外，在一实施例中，在维持相同存储器容量的情况下，通过在感测单元115之间的间隙内设置存储单元125，可降低指纹感测装置100的布局面积。图3A与图3B的详细说明将描述于后。
图4是显示使用者的手指接触到图1的指纹感测装置100的剖面示意图。在图4中，绝缘表面150设置在半导体基底410的上方。一般而言，绝缘表面150由集成电路工艺的最后一道保护介电层所制成。绝缘表面150的厚度为d1，其中绝缘表面150的等效电容C1由厚度d1所决定。标号420表示手指的指纹波峰，其中手指的指纹波峰420会直接接触到绝缘表面150。此外，标号430表示手指的指纹波谷，其中手指的指纹波谷430与绝缘表面150之间的距离为d2，且指纹波谷与绝缘表面150之间的电容C2由距离d2所决定。在图4中，感测阵列包括多个感测单元115，其中每一感测单元包括感测电极ES、参考电极ER与共同电极EC，且参考电极ER设置在感测电极ES的下方。感测电极ES、参考电极ER与共同电极EC分别由半导体基底410内的不同金属层所形成。感测电极ES由顶层金属层(topmetal)所形成，并设置在绝缘表面150的下方，绝缘表面150与感测电极ES之间绝缘层的厚度为d3，其中该绝缘层的等效电容Ctop由厚度d3所决定。因此，当指纹波峰420接触到绝缘表面150时，指纹波峰420与感测电极ES之间的感测电容Csen由电容Ctop与电容C1串联所形成。此外，相较于指纹波峰420的感测电容Csen，指纹波谷430与感测电极ES之间的感测电容Csen由电容Ctop、电容C1以及电容C2串联所形成。因此，当手指接触绝缘表面150时，指纹波峰420与指纹波谷430会对应到不同的电容值。于是，图1的读取模块130便可经由感测电极ES而得到对应于感测电容Csen的感测电压Vsen。当无物体接触绝缘表面150时，读取模块130亦会经由感测电极ES而得到感测电压Vsen。当绝缘表面150有污渍或损伤时，位于脏污或损伤处下方的感测单元的感测电压Vsen会不同于其他的感测单元。因此，当无物体接触绝缘表面150情况下，处理器140会分别将各感测单元115的感测电压Vsen设为其误差值或是出厂预设值，并存储在所对应的存储单元中。举例来说，参考图3A，存储单元125-1设置在感测单元115-1的下方而存储单元125-2设置在感测单元115-2的下方，其中感测单元115-1的误差值Err1存储在所对应的存储单元125-1内而感测单元115-2的误差值Err2存储在所对应的存储单元125-2内。在一实施例中，存储单元125-3设置在感测单元115-1的右侧而存储单元125-4设置在感测单元115-2的右侧，其中感测单元115-1的误差值Err1存储在所对应的存储单元125-3内而感测单元115-2的误差值Err2存储在所对应的存储单元125-4内。于是，当手指放置于感测阵列110上时，处理器140便可根据目前所得到的感测单元115的感测电压Vsen以及存储在所对应的存储单元125内的误差值，来产生指纹信息。
在图4中，参考电极ER与感测电极ES之间绝缘层的厚度为d4。此外，共同电极EC设置在参考电极ER下方，其中共同电极EC耦接于接地端GND。参考电极ER与共同电极EC之间绝缘层的厚度为d5，而该绝缘层的等效电容Cref2由厚度d5所决定。对感测单元115而言，除了感测电压Vsen的外，图1的读取模块130更经由参考电极ER得到对应于参考电容Cref2的参考电压Vref。于是，处理器140可根据参考电压Vref、感测电压Vsen以及对应于感测单元115的误差值而得到指纹信息。此外，在一实施例中，处理器140根据两相邻感测单元的感测电压Vsen之间的差值来产生一感测输出。当没有物体接触绝缘表面150时，处理器140将两相邻感测单元的感测电压Vsen之间的差值存储至所对应的存储单元125，以作为两相邻感测单元的一误差值。每一对两相邻感测单元115对应于一存储单元125，而存储单元125设置于其所对应的两相邻感测单元115之间。当使用者手指接触绝缘表面150而得到对应于两相邻感测单元115的感测输出时，处理器140会根据上述感测输出以及存储在对应于上述两相邻感测单元115的存储单元125的误差值来产生指纹信息。在另一实施例中，处理器140会将两相邻感测单元115所感测得到的指纹信息存储在对应于上述两相邻感测单元115的存储单元125。
举例来说，参考图3B，存储单元125-3设置在感测单元115-1与感测单元115-2之间，而感测单元115-1的误差值Err1(即没有物体接触绝缘表面150时，感测单元115-1所产生的感测电压Vsen1)与感测单元115-2的误差值Err2(即没有物体接触绝缘表面150时，感测单元115-2所产生的感测电压Vsen2)之间的差异量ΔErr12可存储在所对应的存储单元125-3内。相似地，存储单元125-6设置在感测单元115-2与感测单元115-4之间，其中感测单元115-2的误差值Err2与感测单元115-4的误差值Err4之间的差异量ΔErr24可存储在所对应的存储单元125-6内。于是，处理器140可根据参考电压Vref、两相邻感测单元的感测电压Vsen之间的差值，以及存储在对应于上述两相邻感测单元的存储单元内的差异量ΔErr而得到指纹信息。因此，通过在原来的感测区域(例如第3A、3B图的感测区域310)的交界处插入存储单元，可增加存储器的容量并有效地使用芯片面积。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的为准。

Claims (16)

1.一种指纹感测装置，用来感测一手指的指纹信息，包括：
一感测阵列，包括多个感测单元，其中每一上述感测单元包括一感测电极；
一绝缘表面，设置于上述感测阵列的上方；
一读取模块，用以读取每一上述感测单元的上述感测电极的一感测电压，并根据上述感测电压而提供一感测输出；
一存储器阵列，包括多个存储单元，其中每一上述存储单元相邻于所对应的上述感测单元，并存储所对应的上述感测单元的信息；以及
一处理器，用以根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
2.如权利要求1所述的指纹感测装置，其中当没有物体接触上述绝缘表面时，上述处理器将每一上述感测单元的上述感测电极的上述感测电压存储至所对应的上述存储单元，以作为上述感测单元的一误差值。
3.如权利要求2所述的指纹感测装置，其中当有物体接触上述绝缘表面而得到对应于上述感测单元的上述感测输出时，上述处理器根据上述感测输出以及存储在对应于上述感测单元的上述存储单元的上述误差值来产生上述手指的指纹信息。
4.如权利要求1所述的指纹感测装置，其中上述处理器将每一上述感测单元所感测得到的上述手指的指纹信息存储在对应于上述感测单元的上述存储单元。
5.一种感测方法，适用于一指纹感测装置，其中上述指纹感测装置包括具有多个感测单元的一感测阵列、设置于上述感测阵列的上方的一绝缘表面以及具有多个存储单元的一存储器阵列，其中每一上述存储单元相邻于所对应的上述感测单元，并存储所对应的上述感测单元的信息，包括：
读取每一上述感测单元的一感测电极的一感测电压，并根据上述感测电压而提供一感测输出；以及
根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
6.如权利要求5所述的感测方法，更包括：
当没有物体接触上述绝缘表面时，将每一上述感测单元的上述感测电极的上述感测电压存储至所对应的上述存储单元，以作为上述感测单元的一误差值。
7.如权利要求6所述的感测方法，其中上述根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息的步骤更包括：
当有物体接触上述绝缘表面而得到对应于上述感测单元的上述感测输出时，根据上述感测输出以及存储在对应于上述感测单元的上述存储单元的上述误差值来产生上述手指的指纹信息。
8.如权利要求5所述的感测方法，更包括：
将每一上述感测单元所感测得到的上述手指的指纹信息存储在对应于上述感测单元的上述存储单元。
9.一种指纹感测装置，用来感测一手指的指纹信息，包括：
一感测阵列，包括多个感测单元，其中每一上述感测单元包括一感测电极，以产生一感测电压；
一绝缘表面，设置于上述感测阵列的上方；
一读取模块，用以读取两相邻的上述感测单元的上述感测电压的差值，并根据上述感测电压的差值而提供一感测输出；
一存储器阵列，包括多个存储单元，其中每一上述存储单元设置于上述两相邻感测单元之间，并存储对应于上述两相邻感测单元的信息；以及
一处理器，用以根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
10.如权利要求9所述的指纹感测装置，其中当没有物体接触上述绝缘表面时，上述处理器将上述两相邻感测单元的上述感测电压的差值存储至所对应的上述存储单元，以作为上述两相邻感测单元的一误差值。
11.如权利要求10所述的指纹感测装置，其中当有物体接触上述绝缘表面而得到对应于上述两相邻感测单元的上述感测输出时，上述处理器根据上述感测输出以及存储在对应于上述两相邻感测单元的上述存储单元的上述误差值来产生上述手指的指纹信息。
12.如权利要求9所述的指纹感测装置，其中上述处理器将上述两相邻感测单元所感测得到的上述手指的指纹信息存储在对应于上述两相邻感测单元的上述存储单元。
13.一种感测方法，适用于一指纹感测装置，其中上述指纹感测装置包括具有多个感测单元的一感测阵列、设置于上述感测阵列的上方的一绝缘表面以及具有多个存储单元的一存储器阵列，其中每一上述感测单元包括一感测电极，以产生一感测电压，以及每一上述存储单元设置于两相邻的上述感测单元之间，并存储对应于上述两相邻感测单元的信息，包括：
读取上述两相邻感测单元的上述感测电压的差值，并根据上述感测电压的差值而提供一感测输出；以及
根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息。
14.如权利要求13所述的感测方法，更包括：
当没有物体接触上述绝缘表面时，将上述两相邻感测单元的上述感测电压的差值存储至所对应的上述存储单元，以作为上述两相邻感测单元的一误差值。
15.如权利要求14所述的感测方法，其中上述根据上述感测输出以及上述存储单元的信息，得到上述手指的指纹信息的步骤更包括：
当有物体接触上述绝缘表面而得到对应于上述两相邻感测单元的上述感测输出时，根据上述感测输出以及存储在对应于上述两相邻感测单元的上述存储单元的上述误差值来产生上述手指的指纹信息。
16.如权利要求13所述的感测方法，更包括：
将上述两相邻感测单元所感测得到的上述手指的指纹信息存储在对应于上述两相邻感测单元的上述存储单元。
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