CN105701441B - 指纹感测器的感测方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种指纹感测器的感测方法及电路，该感测方法于第一时相，将一第一至第三电压分别施加至一待量测电极板、一该待量测电极板的读出电路及一邻近于该待量测电极板的导体；再于第二时相，停止施加该第一至三电压，并将一第四电压施加至该导体，且连接该待量测电极板至该读出电路，由该读出电路输出该待量测电极板的量测结果，藉由本发明的方法及电路，可使该待量测电极板的量测结果不再受到与该待量测电极板与该导体之间形成的电容影响。

Description

指纹感测器的感测方法及电路
技术领域
本发明关于一种指纹感测器，尤指一种指纹感测器的感测方法及电路。
背景技术
请参阅图12及图13所示，一种投射电容指纹感测器50的示意图，其包含有多个电极板51呈矩阵式排列、一防护电极52，以及一感测电路53连接该多个电极板51。该感测电路53用以检测各该电极板51与手指60之间的电容量，例如电极板Plate A与手指60之间的电容CSA，依据各电极板51与手指60之间的电容量可以获得该手指60的指纹图像。然而，电极板51与手指60之间的电容量的量测，会受到其他因素影响，举例来说，在量测电极板Plate A时，电极板Plate A和其周围的电极板Plate B～Plate D之间形成的电容，以及电极板Plate A和防护电极52(例如静电防护电极)之间形成的电容CFAS，都会影响量测的结果。
发明内容
有鉴于上述现有技术的缺陷，本发明主要目的提供一种指纹感测器的感测方法及电路。
欲达上述目的所使用的主要技术手段系令该指纹感测器的感测方法包含有：
(a)于第一时相，将一第一电压施加至一第一端点，该第一端点连接该待量测电极板，将一第二电压施加至一第二端点，该第二端点连接至一读出电路，将一第三电压施加至一邻近于该待量测电极板的导体；其中该第一电压减去该第二电压为一非零的值，且第一电压大于或小于第二电压；以及
(b)于第二时相，停止施加该第一电压、该第二电压及该第三电压至该第一端点、该第二端点与该导体，将一第四电压施加至该导体，连接该第一端点与该第二端点，并且由该读出电路输出该待量测电极板的量测结果；其中该第三电压减去该第四电压为一非零的值，且当第一电压大于第二电压时，第三电压大于第四电压，或当第一电压小于第二电压时，第三电压小于第四电压。
欲达上述目的所使用的主要技术手段系令该指纹感测器的感测电路包含有：
一读出电路，用以读出该待量测电极板的量测结果；
一第一切换单元，包括一第一端点连接该待量测电极板，以及一第二端点连接该读出电路，该第一切换单元耦接一第一电压及一第二电压；其中该第一电压减去该第二电压为一非零的值，且第一电压大于或小于第二电压；
一第二切换单元，连接一导体至一第三电压或一第四电压；其中该第三电压减去该第四电压为一非零的值，且当第一电压大于第二电压时，第三电压大于第四电压，或当第一电压小于第二电压时，第三电压小于第四电压；以及
一控制单元，控制该第一切换单元及第二切换单元；其中：
在第一时相，该控制单元控制该第一切换单元与该第二切换单元，使该第一端点连接该第一电压，该第二端点连接该第二电压，该第一端点与第二端点不连接，该导体连接该第三电压；
在第二时相，该控制单元控制该第一切换单元与该第二切换单元，使该第一端点、该第二端点与该导体分别不耦接该第一电压、第二电压及第三电压，以及使该第一端点与第二端点连接，并且该控制单元控制该第二切换单元，使该导体耦接该第四电压。
由上述可知，本发明指纹感测器的感测方法及电路系主要令该待量测电极板的邻近导体在第一及第二时相连接至不同电位的第三及第四电压，可以改善习知技术中待量测电极板与其邻近导体之间的边际电容影响该待量测电极板的量测的缺陷。
附图说明
图1A为本发明指纹感测器的一局部结构及其感测电路的示意图。
图1B为本发明指纹感测器的另一局部结构及其感测电路的示意图。
图2为本发明指纹感测器的又一局部结构及其感测电路的示意图。
图3为本发明指纹感测器的感测电路的第一实施例的电路图。
图4A及4B为图3分别于第一及第二时相的电路动作图。
图4C为图4A及图4B中各个开关的时序以及各个节点的电压变化的波形图。
图5为本发明指纹感测器的感测电路的第二实施例的电路图。
图6为本发明指纹感测器的感测电路的第三实施例的电路图。
图7A为本发明指纹感测器的感测电路的第四实施例的电路图。
图7B为本发明指纹感测器的感测电路的第五实施例的电路图。
图8为本发明指纹感测器的感测电路的第六实施例的电路图。
图9A至9C为图8分别于第一至第三时相的电路动作图。
图9D为图9A、图9B及图9C中各个开关的时序以及各个节点的电压变化的波形图。
图10A为本发明一电压动态范围及切换次数图。
图10B为本发明另一电压动态范围及切换次数图。
图11A至图11C为图2分别于第一至第三时相的电路动作图。
图11D为图11A、图11B及图11C中各个开关的时序以及各个节点的电压变化的波形图。
图12为一投射电容指纹感测器的示意图。
图13为一手指与一投射电容指纹感测器的示意图。
其中，附图标记：
10感测电路 11量测单元
111第一切换单元 112a、112b第二切换单元
113第三切换单元
12控制单元 13、13a读出电路
131多工器 14静电防护电路
50指纹感测器 502介电层
503绝缘层 51电极板
52防护电极 521隔离电极板
53感测电路
具体实施方式
本发明提出一种指纹感测器的感测方法及电路。本案的感测电路可应用如图12所示的指纹感测器，该指纹感测器上的多个电极板51呈矩阵排列，多个电极板51之间会构成一网格空间，防护电极52即形成于该网格空间中；其中该防护电极52与该多个电极板51共平面，如图1A所示。在另一实施例中，如图1B所示，该防护电极52位于该多个电极板51之上，且该防护电极52与该多个电极板51之间具有一介电层502。在其他实施例中，在电极板51的同一平面及其上方都设有防护电极52，这两层的防护电极52互相电连接。
在以下的描述以及附图中，仍以图12所示左上四个电极板Plate A～Plate D说明本发明的感测电路10及其操作，并且以量测Plate A为例进行说明。其中，图3所示的CSA～CSD分别表示手指与电极板Plate A～Plate D之间的电容。CFAB、CFAC、CFAD分别表示电极板Plate A与各相邻电极板Plate B～Plate D形成的电容。CFAS表示电极板Plate A与防护电极52(例如静电防护电极)之间形成的电容。Cp1a表示其它与节点N1a有关的寄生电容，Cp2a表示其他与节点N2a有关的寄生电容；其他相似的图号具有相似的意义，在此不再赘述。
图1A及图3说明本发明感测电路10的第一实施例，感测电路10包含有多个量测单元11及一控制单元12，该多个量测单元11分别连接至电极板Plate A～Plate D。
以下的说明将以电极板Plate A作为一待量测电极板为例。待量测电极板Plate A连接的量测单元11包含有一第一切换单元111及一读出电路13，其它电极板Plate B～Plate D连接的量测单元11分别包含有一第二切换单元112a及一读出电路13。防护电极52连接有一第二切换单元112b。
如图3所示，第一切换单元111包括一第一端点N1a连接至该待量测电极板Plate A，以及一第二端点N2a连接至读出电路13。第一切换单元111耦接第一电压VR1至第一端点N1a，以及耦接第二电压VR2至第二端点N2a。其中第一电压VR1减去第二电压VR2为一非零的值。在第一切换单元111中，包括一第一开关SW1A连接在第一电压VR1与第一端点N1a之间，一第二开关SW3A连接在第二电压VR2与第二端点N2a之间，以及一第三开关SW2A连接在第一端点N1a与第二端点N2a之间。
图3所示的三个第二切换单元112a分别经由第三端点N1b～N1d连接至电极板PlateB～Plate D，以及经由第四端点N2b～N2d分别连接至一读出电路13。各个第二切换单元112a耦接第一电压VR1与第二电压VR2。读出电路13用以读出待量测电极板Plate A的量测结果，读出电路13可为一差分电路或一缓冲器。于本实施例中，读出电路13为一差分电路，其包含一非反相输入端(+)、一反相输入端(-)及一电压输出端VOA，差分电路的增益为GA。
第一切换单元111包括第一开关SW1A、第二开关SW3A、第三开关SW2A与第四开关SW4A。第一开关SW1A用以耦接第一电压VR1至第一端点N1a。第二开关SW3A用以耦接第二电压VR2至第二端点N2a，其中第二端点N2a连接至差分电路的非反相输入端(+)。第三开关SW2A位在第一端点N1a及第二端点N2a之间，用以决定第一端点N1a是否连接第二端点N2a。第四开关SW4A耦接在第二电压VR2与差分电路的反相输入端(-)之间。
与电极板Plate B相连接的第二切换单元112a包括第一开关SW1B、第二开关SW3B、第三开关SW2B与第四开关SW4B。第一开关SW1B用以耦接第一电压VR1至第三端点N1b。第二开关SW3B用以耦接第二电压VR2至第四端点N2b，其中第四端点N2b连接至差分电路的非反相输入端(+)。第三开关SW2B位在第三端点N1b及第四端点N2b之间，用以决定第三端点N1b是否连接第四端点N2b。第四开关SW4B耦接在第二电压VR2与差分电路的反相输入端(-)之间。
这三个第二切换单元112a具有相同的开关元件与连接关系，其中近似的图号具有相同的含意。在此省略描述与电极板Plate C与电极板Plate D相连接的第二切换单元112a。差分电路的反相输入端(-)连接一接地电容Cg。
该防护电极52与该第二切换单元112b之间耦接有一静电防护电路14，以提供一静电放电路径。静电防护电路14包含有一第一二极管D1、一第二二极管D2及一电阻元件R。第一二极管D1的阳极连接至防护电极52，其阴极连接至一高电位VDD。第二二极管D2的阴极连接至第一二极管D1的阳极及防护电极52，而其阳极接地。电阻元件R的一端连接于第一二极管D1及第二二极管D2的连接端点，另一端连接至第二切换单元112b。第二切换单元112b包括第一开关SWSE及第二开关SWSP，第一开关SWSE耦接在第一电压VR1与电阻元件R之间，第二开关SWSP耦接在第二电压VR2与电阻元件R之间。使用阻抗较大的电阻元件R，可以避免静电流向第二切换单元112b。当防护电极52出现静电电压大于高电位VDD加上第一二极管D1的导通临界电压时，第一二极管D1导通，该静电被快速排除。同理，防护电极52出现负的静电电压时小于接地电压减去第二二极管D2的导通临界电压时，第二二极管D2导通，负的静电被排除。
图中所示的第一至第四开关SW1A～SW1D、SW3A～SW3D、SW2A～SW2D、SW4A～SW4D，以及第二切换单元112b的第一及第二开关SWSE、SWSP由控制单元12控制其打开或闭合。
以下说明在量测待量测电极板Plate A时的操作。
在第一时相(激励时相)时，图3中各开关的状态如图4A所示。第一切换单元111的第一、第二及第四开关SW1A、SW3A、SW4A闭合，使得第一端点N1a连接该第一电压VR1，第二端点N2a连接第二电压VR2。第三开关SW2A打开，使得第一端点N1a不连接第二端点N2a。各个第二切换单元112a的第一、第二及第四开关SW1B～1D、SW3B～3D、SW4B～4D闭合，使得第三端点N1b～N1d连接第一电压VR1，第四端点N2b～N2d连接该第二电压VR2。也就是说，电极板Plate B～Plate D被施加第一电压VR1。第三开关SW2B～2D打开，使得第三端点N1b～N1d不连接第四端点N2b～N2d。第二切换单元112b的第一开关SWSE闭合，并且第二开关SWSP打开，使防护电极52经由电阻元件R连接第一电压VR1。简言之，于第一时相时，待量测电极板Plate A及其各周边电极板Plate B～Plate D及防护电极52都连接第一电压VR1。
接下来进行第二时相(读取时相)。在第二时相时，图3各开关的状态如图4B所示。第一切换单元111的第一、第二及第四开关SW1A、SW3A、SW4A打开，使得该第一端点N1a不再连接该第一电压VR1，第二端点N2a也不再连接第二电压VR2。第三开关SW2A闭合，使得第一端点N1a连接第二端点N2a。各个第二切换单元112a的第一开关SW1B～1D打开，使得第三端点N1b～1d不再连接第一电压VR1，第二及第四开关SW3B～3D、SW4B～4D仍闭合，意即第四端点N2b～2d仍连接第二电压VR2。第三开关SW2B～2D闭合，使得该第三端点lN1b～1d连接第四端点N2b～2d，这意谓着电极板Plate B～Plate D的电位被切换到连接至第二电压VR2。第二切换单元112b的第一开关SWSE打开，并且第二开关SWSP闭合，使得防护电极52连接至第二电压VR2。在其他实施例中，第四开关SW4B～4D也可以打开。
连接第一切换单元111的差分电路的输出电压VOA＝GA×(VIPA-VINA)+VOCM，用以表示待量测电极板Plate A的量测结果。经过第一时相及第二时相的操作之后，待量测电极板Plate A所连接的读出电路13的输出电压VOA可表示如下式：
其中GA为差分电路的增益，CFPPA为CFAB、CFAC、CFAD的总和。
上式整理之后可表示为：
其中CT＝CSA+CFPPA+CFAS+Cp1a+Cp2a，该VOCM为差分电路输出的共模电压。由以上表示式可知，分子的部份不存在边际电容CFPPA及CFAS。这表示此实施例确实可以改善待量测电极板Plate A与相邻电极板之间的电容，以及待量测电极板Plate A与静电防护电极之间的电容影响读出电路13的输出。
在图4A所示的第一时相与图4B所示的第二时相中，各个开关的时序以及各个节点的电压变化的一实施例如图4C所示。在各开关的时序图中，高电位代表开关闭合，低电位代表开关打开。在这个实施例中，第二电压VR2大于第一电压VR1。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一开关SW1A～1D与SWSE以及第二开关SW3A与第四开关SW4A，然后再闭合第三开关SW2A～2D以及第二开关SWSP。电压VEVA_A代表在第二时相读取待量测电极板plate A时，节点IPA的电位。图5提供的第二实施例与第一实施例大致相同，主要的差异在于该差分电路的反相输入端(-)直接连接第二电压VR2。
图6提供的第三实施例与第一实施例的不同处在于使用缓冲器作为读出电路13a。在图6中，第一切换单元111的第二端N2a连接至缓冲器的单一输入端IA，各个第二切换单元112a的第四端点N2b～N2d分别连接至另外三个缓冲器的单一输入IB～ID。连接第一切换单元111的缓冲器的输出电压VOA＝GA×VIA+Vshift。在经过上述第一时相及第二时相的操作后，待量测电极板Plate A所连接的缓冲器的输出电压VOA可表示如下式：
整理后可表示为：
其中CT＝CSA+CFPPA+CFAS+Cp1a+Cp2a，Vshift为缓冲器输出的偏移电压。
由以上式子可知，分子的部份不存在边际电容CFPPA及CFAS。意即，本发明藉由上述第一及第二时相的控制，确实可以改善边际电容CFPPA、CFAS影响读出电路13的输出。
在图7A提供的第四实施例中，各电极板Plate A～Plate D经由一多工器131连接至一差分电路。在量测电极板Plate A时，控制单元12控制多工器131，使差分电路的非反相输入端(+)连接至第二端点N2a。图7A中的其他元件与操作方法与图3相同，在此不再赘述。
在图7B提供的第五实施例中，各电极板Plate A～Plate D经由一多工器131连接至一缓冲器。在量测电极板Plate A时，控制单元12控制多工器131，使缓冲器的输入端连接至第二端点N2a。图7B中的其他元件与操作方法与图6相同，在此不再赘述。
在图7A及7B所示的第四及第五实施例中，多个电极板Plate A～Plate D共用一个读出电路，可以减少读出电路的数量。
图8提供一第六实施例。在图8中，连接电极板Plate A～D的第一切换单元111以及第二切换单元112a更包括第五开关SW5A～SW5D连接一第三电压VR3，以及第六开关SW6A～SW6D连接第四电压VR4。第五开关SW5A～SW5D与第六开关SW6A～SW6D用以分别耦接第三电压VR3及第四电压VR4至电极板Plate A～Plate D，用以切换电极板Plate A～Plate D的电位。第二切换单元112b的第一及第二开关SWSE、SWSP分别耦接至第三电压VR3及第四电压VR4。第三电压VR3减去第四电压VR4的值等同于第一电压VR1减去第二电压VR2的值(VR1-VR2＝VR3-VR4)。控制单元12控制所有开关打开或闭合。其他的元件及其连接关系与图3相同，在此不再赘述。图8的配置亦可以改善边际电容CFPPA、CFAS影响读出电路13的输出，以下仍以量测电极板PlateA为例，说明图8所示电路的操作。
在第一时相(激励时相)时，图8中各开关的状态如图9A所示。第一切换单元111的第一、第二及第四开关SW1A、SW3A、SW4A闭合，使得第一端点N1a连接该第一电压VR1，第二端点N2a连接第二电压VR2，差分电路的反相端INA连接第二电压VR2。第三开关SW2A打开，使得第一端点N1a不连接第二端点N2a。第五开关SW5A与第六开关SW6A打开。各个第二切换单元112a的第五开关SW5B～SW5D闭合，第一开关SW1B～1D和第六开关SW6B～SW6D打开，使得电极板Plate B～Plate D被连接至第三电压VR3。第三开关SW2B～2D打开，使得该第三端点N1b～N1d不连接第四端点N2b～N2d。第二开关SW3B～3D与第四开关SW4B～4D都闭合。第二切换单元112b的第一开关SWSE闭合，并且第二开关SWSP打开，使防护电极52经由电阻元件R连接第三电压VR3。简言之，于第一时相时，待量测电极板Plate A连接第一电压VR1，各周边电极板B～D及防护电极52连接到第三电压VR3。在其他实施例中，第二开关SW3B～3D与第四开关SW4B～4D也可以打开。
接下来进行第二时相(读取时相)。在第二时相时，图8各开关的状态如图9B所示。第一切换单元111的第一、第二及第四开关SW1A、SW3A、SW4A打开，使得该第一端点N1a不再连接该第一电压VR1，第二端点N2a也不再连接第二电压VR2。第三开关SW2A闭合，使得第一端点N1a连接第二端点N2a。第五开关SW5A与第六开关SW6A仍打开。各个第二切换单元112a的第五开关SW5B～SW5D打开，使得电极板Plate B～Plate D不再连接第三电压VR3。第六开关SW6B～6D闭合，使得电极板Plate B～D连接至第四电压VR4。第一开关SW1B～1D与第三开关SW2B～2D仍然维持打开的状态。第二开关SW3B～3D与第四开关SW4B～4D可以是维持闭合，也可以打开。第二切换单元112b的第一开关SWSE打开，并且第二开关SWSP闭合，使得防护电极52经由电阻元件R连接至第四电压VR4。
连接第一切换单元111的差分电路的输出电压VOA＝GA×(VIPA-VINA)+VOCM，用以表示待量测电极板Plate A的量测结果。经过第一时相及第二时相的操作之后，待量测电极板Plate A所连接的读出电路13的输出电压VOA可表示如下式：
当第三电压VR3减去第四电压VR4的值等于第一电压VR1减去第二电压VR2的值(VR1-VR2＝VR3-VR4)时，整理之后可表示为：
其中：
CT＝CSA+CFPPA+CFAS+Cp1a+Cp2a，VOCM为差分电路输出的共模电压。由前揭表示式可知，边际电容CFPPA及CFAS的影响被减低。在其他的实施例中，于图9B所示的第二时相时先不读取输出电压VOA，并且接着进行第三时相的操作，如图9C所示。在图9C中，第一切换单元111的第一开关SW1A闭合，使第一端点N1a再次连接第一电压VR1。第二开关SW3A与第四开关SW4A打开。各个第二切换单元112a的第五开关SW5B～SW5D闭合，第六开关SW6B～SW6D打开，使得电极板Plate B～D再次连接至第三电压VR3。第二切换单元112b的第一开关SWSE闭合，并且第二开关SWSP打开，使防护电极52经由电阻元件R连接第三电压VR3。其他开关的状态则与图9A的第一时相相同。简言之，在第三时相时，再次使待量测电极板Plate A连接第一电压VR1，电极板Plate B～D以及防护电极S连接第三电压VR3。
接下来，进行与第二时相相同的操作。此时电极板Plate B～Plate D连接第四电压VR4。如此重复图9C及图9B数次之后，在如图9B的状态下，读取输出电压VOA。此时第二端点N2a的电压VP2为：
当第三电压VR3减去第四电压VR4的值等于第一电压VR1减去第二电压VR2的值(VR1-VR2＝VR3-VR4)时，整理后可表示为：
；其中：
CT＝CSA+CFPPA+CFAS+Cp1a+Cp2a；
x＝Cp2a/CT；及
n表示切换次数。
重复在图9C及图9B之间切换数次，可以在第二端点N2a累积多次待量测电极板Plate A的感测结果。当第二电压VR2大于第一电压VR1时，切换的次数与第二端点N2a的电压VP2的关系如图10A所示。其中Vvalley表示量测指纹的凹陷所获得的电压，Vrideg表示量测指纹的凸起所获得的电压。随着切换次数增加，Vvalley与Vrideg之间的差异Vdynamic增大，这将有助于判断量测结果是代表指纹的突起还是凹陷，提高指纹检测的准确度。在其他的实施例中(例如使用不同的读出电路13或不同配置的切换单元)，亦可以适用在第二时相与第三时相之间切换多次以累积感测结果。在其他的实施例中，图8与图9A～9C的第二切换单元112b的第一开关SWSE也可以是连接第一电压VR1，第二开关SWSP连接第二电压VR2，其中第三电压VR3减去第四电压VR4的值等同于第一电压VR1减去第二电压VR2的值(VR1-VR2＝VR3-VR4)。这意谓着，以其他差值相同的电压组合来取代第二切换单元112b连接的第三电压VR3与第四电压VR4是可能的。
在图9A所示的第一时相，图9B所示的第二时相以及图9C所示的第三时相中，各个开关的时序以及各个节点的电压变化的一实施例如图9D所示。在各开关的时序图中，高电位代表开关闭合，低电位代表开关打开。在这个实施例中，第二电压VR2大于第一电压VR1，第四电压VR4大于第三电压VR3。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一开关SW1A，SWSE，第五开关SW5B～SW5D，第二开关SW3A以及第四开关SW4A，然后再闭合第三开关SW2A，第六开关SW6B～SW6D，以及第二开关SWSP。在第二时相到第三时相的过程中，先打开第三开关SW2A，第六开关SW6B～SW6D，以及第二开关SWSP，然后再闭合第一开关SW1A，SWSE以及第五开关SW5B～SW5D。在第三时相到第二时相的过程中，先打开第一开关SW1A，SWSE以及第五开关SW5B～SW5D，然后再闭合第三开关SW2A，第六开关SW6B～SW6D，以及第二开关SWSP。电压VEVA_A_1，VEVA_A_2与VEVA_A_3分别代表在第一个、第二个与第三个第二时相时，节点IPA的电位。如图所示，在经过多次的切换之后，节点IPA的电位愈来愈低。
在图8及图9A～9C所示的实施例是增加第五开关SW5A～SW5D连接一第三电压VR3，以及第六开关SW6A～SW6D连接第四电压VR4。在其他实施例中，可以只增加第六开关SW6A～SW6D连接第二电压VR2，并且在感测电极板Plate A时，控制第一开关SW1B～SW1D与第六开关SW6B～SW6D进行图9A～9C中第五开关SW6B～SW6D与第六开关SW6B～SW6D的操作。
图2提供本发明另一实施例，在各电极板51的下方形成有一隔离电极板521，以隔绝各电极板51对下方电路元件的大部份寄生电容。电极板51与其下方的隔离电极板521之间具有一介电层503。以电极板Plate A来看，端点A与其他导体之间存在的寄生电容会变小成电容Cp1a'；电容Cqa表示隔离电极板521与电极板Plate A之间的电容。
图11A所示的实施例应用于图2所示的结构，其中进一步包含有一第三切换单元113连接一隔离电极板521，第三切换单元113用以将各隔离电极板521连接至一第五电压VR5或一第六电压VR6。各个第三切换单元113包含有一第七开关及一第八开关，第七开关SW7A～7D耦接在第五电压VR5与隔离电极板521之间，第八开关SW8A～8D则耦接于第六电压VR6与隔离电极板521之间。第五电压VR5与第六电压VR6为不同电压，第五电压VR5可相同或不同于第一电压VR1，该第六电压VR6可相同或不同于第二电压VR2。在一实施例中，该第五电压VR5与第六电压VR6的差值同于该第一电压VR1与第二电压VR2的差值
(VR1-VR2＝VR5-VR6)。
在第一时相时，第一及第二切换单元111、112a的各开关的状态与图9A相同。第七开关SW7A～7D闭合，而第八开关SW8A～8D打开，以将各隔离电极板521连接第五电压VR5。在第二时相时的操作如图11B所示。第一及第二切换单元111、112a的控制与图9B相同，第七开关SW7A～7D打开，而第八开关SW8A～8D闭合，以将各隔离电极板521连接第六电压VR6。在其他的实施例中，至少待量测电极板Plate A下方的隔离电极板521所连接第七开关SW7A与第八开关SW8A进行上述的操作。在第二时相时，读取待量测电极板的感测结果。或者，可以再接着进行如图11C的操作。
在图11C中，第一及第二切换单元111、112a的控制与图9C相同，第七开关SW7A～7D闭合，而第八开关SW8A～8D打开，使得隔离电极板521连接第五电压VR5。如此重复切换图11C至图11B数次之后，在如图11B的状态下，读取输出电压VOA。此时第二端点N2a的电压VP2为：
当第三电压VR3减去第四电压VR4的值等于第一电压VR1减去第二电压VR2的值(VR1-VR2＝VR3-VR4)，以及该第五电压VR5减去第六电压VR6的值同于该第一电压VR1减去第二电压VR2的值(VR1-VR2＝VR5-VR6)时，整理之后可表示为：
；其中：
CT＝CSA+CFPPA+CFAS+Cp1a'+Cp2a+Cqa；
x＝Cp2a/CT；及
n表示切换次数。
由上式可知，寄生电容Cp1a～p1d变小为Cp1a'～Cp1d'，其所造成的共模准位即相对减少。至于隔离电极板521而与电极板51之间产生的电容，则可藉由将该隔离电极板521切换至第五或第六电压VR5、VR6，将影响降至最少。
在图11A所示的第一时相，图11B所示的第二时相以及图11C所示的第三时相中，各个开关的时序以及各个节点的电压变化的一实施例如图11D所示。在各开关的时序图中，高电位代表开关闭合，低电位代表开关打开。在这个实施例中，第二电压VR2大于第一电压VR1，第四电压VR4大于第三电压VR3，第六电压VR6大于第五电压VR5。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一开关SW1A，SWSE，第五开关SW5B～SW5D，第七开关SW7A～7D以及第二开关SW3A，然后再闭合第三开关SW2A，第六开关SW6B～SW6D，第二开关SWSP，以及第八开关SW8A～8D。在第二时相到第三时相的过程中，先打开第三开关SW2A，第六开关SW6B～SW6D，第二开关SWSP，以及第八开关SW8A～8D，然后再闭合第一开关SW1A，SWSE，第五开关SW5B～SW5D，以及第七开关SW7A～7D。在第三时相到第二时相的过程中，先打开第一开关SW1A，SWSE，第五开关SW5B～SW5D，以及第七开关SW7A～7D，然后再闭合第三开关SW2A，第六开关SW6B～SW6D，第二开关SWSP，以及第八开关SW8A～8D。电压VEVA_A_1，VEVA_A_2与VEVA_A_3分别代表在第一个、第二个与第三个第二时相时，节点IA的电位。如图所示，在经过多次的切换之后，节点IA的电位愈来愈低。
在图11C及图11B之间的切换次数与第二端点N2a的电压VP2的关系如图10B所示。相较于图10A，由于共模准位VOCM减小，图10B所示的切换次数可以增加，在电路最大及最小操作电压V+、V-之间可以获得较大的电压动态范围Vdynamic。
在另一实施例中，在图11A～11B，或图11A～11C中的第一电压VR1与第二电压VR2之间的差值被加大，例如使用较高的电压作为第一电压VR1。这个配置可以增加动态范围Vdynamic。在这个实施例中，第一电压VR1大于第二电压VR2，第五电压VR5大于第六电压VR6，而且该第五电压VR5与第六电压VR6的差值大于第一电压VR1与第二电压VR2的差值，即(VR5-VR6)>(VR1-VR2)，其中第一电压VR1为高电压(例如15V)，第二电压VR2为低电压(例如1V)，第五电压VR5为高电压(例如18V)，第六电压VR6为低电压(例如0V)。在任何时相下，读出电路13的输入电压都是在低压元件可操作的范围内。这表示读出电路13不必以高压元件制作，因此可节省晶片面积与耗电。如果使用高电压作为第二电压VR2以及使用低电压作为第一电压VR1，则读出电路13便必须以高压元件制作。由于因为高压元件的尺寸较低压元件大，因此势必会增加读出电路13的面积。另一方面，如果读出电路13是以高压元件制作，则须提供高压电源给读出电路13，这也将会增加倍压电路的面积与耗电量。
在上述使用高电压作为第一电压VR1的实施例中，还可以加大第三电压VR3与第四电压VR4电压的差值，对增加动态范围Vdynamic也有帮助。在这个配置中，第三电压VR3大于第四电压VR4，而且该第三电压VR3与第四电压VR4的差值大于第一电压VR1与第二电压VR2的差值，即(VR3-VR4)>(VR1-VR2)。
在其他实施例中，同时量测多个电极板。意即，同时读取多个待量测电极板的感测信号，例如同时读取第一列的电极板的感测信号，其他列的电极板则不读取。
上述实施例仅是以四个电极板为例说明本发明。在上述实施例中，除了待量测电极板，其他三个相邻的电极板对应的切换单元实施相同的运作。在其他的实施例中，至少有一个与待量测电极板相邻的电极板所对应的切换单元实施该运作，或者，待量测电极板以外的所有电极板所耦接的切换单元都进行同样的运作。在其他的实施例中，多个待量测电极板同时被量测，该多个待量测电极板相邻的多个电极板所耦接的切换单元都进行同样的运作。
在不同的实施例中，上述实施例的第三电压VR3减去第四电压VR4的值也可以是大于或小于第一电压VR1减去第二电压VR2的值。上述实施例的第五电压VR5减去第六电压VR6的值也可以是大于或小于第一电压VR1减去第二电压VR2的值。此外，在以上所述的实施例中，当第一电压VR1大于第二电压VR2，则令第三电压VR3大于第四电压VR4，第五电压VR5大于第六电压VR6。当第一电压VR1小于第二电压VR2，则令第三电压VR3小于第四电压VR4，第五电压VR5小于第六电压VR6。
综上所述，本发明的感测方法主要于第一时相，将一第一电压施加至一第一端点，该第一端点连接该待量测电极板，将一第二电压施加至一第二端点，该第二端点连接至一读出电路，将一第三电压施加至一第三端点，该第三端点连接一导体邻近于该待量测电极板；其中该第一电压减去该第二电压为一非零的值。再于第二时相，停止施加该第一电压、该第二电压及该第三电压至该第一端点、该第二端点与该第三端点，将一第四电压施加至该第三端点，连接该第一端点与该第二端点，并且由该读出电路输出该待量测电极板的量测结果。在一实施例中，该第三电压减去该第四电压的值等于该第一电压减去该第二电压的值。当然，该第三电压亦可为第一电压，而第四电压亦可为第二电压，或该第三电压减去该第四电压的值可小于或大于该第一电压减去该第二电压的值。
由上述可知，本发明指纹感测器的感测方法及电路主要令该待量测电极板的邻近导体在第一及第二时相连接至不同电位的第三及第四电压，而非连接至固定电位的电压；因此，在第二时相读取量测结果时，可改善待量测电极板与其邻近导体之间的边际电容抵消该待量测电极板的部份信号，确保该量测结果的信号量，以准确的判断待量测电极板对应的手指指纹深或浅。
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述公开的技术内容作出些许更动或修改为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改与等同变化，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (38)

1.一种指纹感测器的感测方法，用于感测该指纹感测器的一待量测电极板，其特征在于，该感测方法包含：
(a)于第一时相，将一第一电压施加至一第一端点，该第一端点连接该待量测电极板，将一第二电压施加至一第二端点，将一第三电压施加至一邻近于该待量测电极板的导体；其中该第一电压减去该第二电压为一非零的值，且第一电压大于或小于第二电压；以及
(b)于第二时相，停止施加该第一电压、该第二电压及该第三电压至该第一端点、该第二端点与该导体，将一第四电压施加至该导体，连接该第一端点与该第二端点，该第二端点电压对应该待量测电极板的量测结果；其中该第三电压减去该第四电压为一非零的值，且当第一电压大于第二电压时，第三电压大于第四电压，或当第一电压小于第二电压时，第三电压小于第四电压。
2.如权利要求1所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该第三电压减去该第四电压的值等于、小于、或者大于该第一电压减去该第二电压的值。
3.如权利要求2所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该第一电压等于该第三电压，且该第二电压等于该第四电压。
4.如权利要求1或2所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该方法进一步包含：
(c)于第三时相，将该第一电压施加至该第一端点，将该第三电压施加至该导体；以及
(d)返回第二时相。
5.如权利要求1所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该导体为邻近该待量测电极板的一第一电极板，该第一电极板用于感测指纹。
6.如权利要求4所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该导体为邻近该待量测电极板的一第一电极板，该第一电极板用于感测指纹。
7.如权利要求1或5所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，还包括在该第一时相时，将该第三电压施加至多个第二电极板；在第二时相时，施加该第四电压施加至该多个第二电极板。
8.如权利要求6所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，还包括在该第一时相时，将该第三电压施加至多个第二电极板；在第二时相时，施加该第四电压施加至该多个第二电极板。
9.如权利要求1或2所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该导体为该待量测电极板邻近的一防护电极，该防护电极用以提供静电防护。
10.如权利要求4所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该导体为该待量测电极板邻近的一防护电极，该防护电极用以提供静电防护。
11.如权利要求1或2所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于：
于步骤(a)进一步将一第五电压施加至一隔离电极板；其中该隔离电极板设置于该待量测电极的下方；
于步骤(b)进一步停止施加该第五电压，并将一第六电压施加至该隔离电极板。
12.如权利要求11所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该第五电压减去该第六电压的值等于、小于或大于该第一电压减去该第二电压的值，且当第一电压大于第二电压时，第五电压大于第六电压，或当第一电压小于第二电压时，第五电压小于第六电压。
13.如权利要求4所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于：
于步骤(a)进一步将一第五电压施加至一隔离电极板；其中该隔离电极板设置于该待量测电极的下方；
于步骤(b)进一步停止施加该第五电压，并将一第六电压施加至该隔离电极板。
14.如权利要求13所述的指纹感测器的感测方法，其特征在于，该第五电压减去该第六电压的值等于、小于或大于该第一电压减去该第二电压的值，且当第一电压大于第二电压时，第五电压大于第六电压，或当第一电压小于第二电压时，第五电压小于第六电压。
15.一种感测电路，用以感测一指纹感测器中的一待量测电极板，其特征在于，该感测电路包含：
一读出电路，用以读出该待量测电极板的量测结果；
一第一切换单元，包括一第一端点连接该待量测电极板，以及一第二端点连接该读出电路，该第一切换单元耦接一第一电压及一第二电压；其中该第一电压减去该第二电压为一非零的值，且第一电压大于或小于第二电压；
一第二切换单元，连接一导体至一第三电压或一第四电压；其中该第三电压减去该第四电压为一非零的值，且当第一电压大于第二电压时，第三电压大于第四电压，或当第一电压小于第二电压时，第三电压小于第四电压；以及
一控制单元，控制该第一切换单元及第二切换单元；其中：
在第一时相，该控制单元控制该第一切换单元与该第二切换单元，使该第一端点耦接该第一电压，该第二端点耦接该第二电压，该第一端点与第二端点不连接，该导体耦接该第三电压；
在第二时相，该控制单元控制该第一切换单元与该第二切换单元，使该第一端点、该第二端点与该导体分别不耦接该第一电压、第二电压及第三电压，以及使该第一端点与第二端点连接，并且该控制单元控制该第二切换单元，使该导体耦接该第四电压。
16.如权利要求15所述的感测电路，其特征在于，该第三电压减去该第四电压的值等于、小于或大于该第一电压减去该第二电压的值。
17.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该控制单元在控制完第二时相后，进一步在第三时相，控制该第一切换单元与该第二切换单元，使该第一端点耦接该第一电压，该第一端点与第二端点不连接，该导体连接该第三电压；再返回该第二时相的控制。
18.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该第一切换单元进一步包含：
一第一开关，用以耦接该第一电压至该第一端点；
一第二开关，用以耦接该第二电压至该第二端点；以及
一第三开关，位于该第一端点与第二端点之间；
在该第一时相时，该第一开关与该第二开关关闭，该第三开关打开；
在该第二时相时，该第一开关与第二开关打开，该第三开关关闭。
19.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该第二切换单元进一步包含：
一第四开关，用以耦接该第三电压至该导体；
一第五开关，用以耦接该第四电压至该导体；
在该第一时相时，该第四开关关闭，该第五开关打开；
在该第二时相时，该第四开关打开，该第五开关关闭。
20.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该第一电压等于该第三电压，且该第二电压等于该第四电压。
21.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该导体为邻近该待量测电极板的第一电极板，该第一电极板用于感测指纹。
22.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，指纹感测器还包括多个第二电极板用以感测指纹，而该感测电路还包括：
多个第三切换单元，用以分别连接该多个第二电极板至该第三电压或该第四电压；其中
在该第一时相时，该控制单元控制该第三切换单元，使该第二电极板耦接至该第三电压；
在该第二时相时，该控制单元控制该第三切换单元，使该第二电极板耦接至该第四电压。
23.如权利要求21所述的感测电路，其特征在于，指纹感测器还包括多个第二电极板用以感测指纹，而该感测电路还包括：
多个第三切换单元，用以分别连接该多个第二电极板至该第三电压或该第四电压；其中
在该第一时相时，该控制单元控制该第三切换单元，使该第二电极板耦接至该第三电压；
在该第二时相时，该控制单元控制该第三切换单元，使该第二电极板耦接至该第四电压。
24.如权利要求22所述的感测电路，其特征在于，该第三切换单元进一步包含：
一第六开关，用以耦接该第三电压至第四端点；
一第七开关，用以耦接该第四电压至该第四端点；
在该第一时相时，该第六开关关闭，该第七开关打开；
在该第二时相时，该第六开关打开，该第七开关关闭。
25.如权利要求24所述的感测电路，其特征在于，该第三切换单元进一步包含：
一第六开关，用以耦接该第三电压至该第四端点；
一第七开关，用以耦接该第四电压至该第四端点；
在该第一时相时，该第六开关关闭，该第七开关打开；
在该第二时相时，该第六开关打开，该第七开关关闭。
26.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该导体为该待量测电极板邻近的一防护电极，该防护电极用以提供静电防护。
27.如权利要求26所述的感测电路，其特征在于，还包括一静电防护电路耦接在该防护电极与该第二切换单元之间。
28.如权利要求27所述的感测电路，其特征在于，该静电防护电路包含有：
一第一二极管，其阳极连接至该防护电极，其阴极连接至一高电位；
一第二二极管，其阴极连接至该第一二极管的阳极及该防护电极，其阳极接地；
一电阻元件，其一端点连接于该第一及第二二极管的连接端点，另一端点则连接至该第二切换单元。
29.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该读出电路包含有一缓冲器，该缓冲器的单一输入端连接至该第二端点。
30.如权利要求15或16所述的感测电路，该读出电路包含有：
一差分电路，其一非反相输入端连接至对应的该第二端点，其一输出端则连接至该控制单元；
一接地电容，连接至该差分电路的一反相输入端，且该接地电容透过一第八开关耦接至该第二电压；其中：
于该第一时相，该第八开关关闭；于该第二时相，该第八开关打开。
31.如权利要求18所述的感测电路，其特征在于，该读出电路包含有：
一差分电路，其一非反相输入端连接至对应的该第二端点，其一输出端则连接至该控制单元；
一接地电容，连接至该差分电路的一反相输入端，且该接地电容透过一第八开关耦接至该第二电压；其中：
于该第一时相，该第八开关关闭；于该第二时相，该第八开关打开。
32.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于，该读出电路包含有：
一差分电路，其一非反相输入端连接至对应的该第二端点，其一输出端则连接至该控制单元，其一反相输入端连接一参考电压，该参考电压等于该第二电压。
33.如权利要求15或16所述的感测电路，其特征在于：
该控制单元在第一时相中进一步将一第五电压施加至一隔离电极板；其中该隔离电极板设置于该待量测电极的下方；
该控制单元在第二时相中进一步停止施加该第五电压，并将一第六电压施加至该隔离电极板；其中该第五电压减去该第六电压为一非零的值。
34.如权利要求33所述的感测电路，其特征在于，该第五电压减去该第六电压的值等于、小于或大于该第一电压减去该第二电压的值，且当第一电压大于第二电压时，第五电压大于第六电压，或当第一电压小于第二电压时，第五电压小于第六电压。
35.如权利要求33所述的感测电路，其特征在于，进一步包含有一第四切换单元，其包含：
一第九开关，用以耦接该第五电压至该隔离电极板；
一第十开关，用以耦接该第六电压至该隔离电极板；以及
在该第一时相时，该第九开关关闭，该第十开关打开；
在该第二时相时，该第九开关打开，该第十开关关闭。
36.如权利要求17所述的感测电路，其特征在于：
该控制单元在第一时相中进一步将一第五电压施加至一隔离电极板；其中该隔离电极板设置于该待量测电极的下方；
该控制单元在第二时相中进一步停止施加该第五电压，并将一第六电压施加至该隔离电极板；其中该第五电压减去该第六电压为一非零的值。
37.如权利要求36所述的感测电路，其特征在于，该第五电压减去该第六电压的值等于、小于或大于该第一电压减去该第二电压的值，且当第一电压大于第二电压时，第五电压大于第六电压，或当第一电压小于第二电压时，第五电压小于第六电压。
38.如权利要求36所述的感测电路，其特征在于，进一步包含有一第四切换单元，其包含：
一第九开关，用以耦接该第五电压至该隔离电极板；
一第十开关，用以耦接该第六电压至该隔离电极板；以及
在该第一时相时，该第九开关关闭，该第十开关打开；
在该第二时相时，该第九开关打开，该第十开关关闭。
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