CN105844273A

CN105844273A - 指纹感测装置

Info

Publication number: CN105844273A
Application number: CN201510018623.6A
Authority: CN
Inventors: 杨昭锜
Original assignee: Elan Microelectronics Corp
Current assignee: Elan Microelectronics Corp
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-08-10
Also published as: TW201624347A; TWI526946B

Abstract

本发明公开一种指纹感测装置，于一基板上设有多个像素单元，各该像素单元包含有一第一及第二电极部，且与一指纹感测电路连接，该指纹感测电路以一第一驱动电压驱动该第一电极部，且以一第二驱动电压驱动该第二电极部，之后接收该第一电极部的第一电容感应信号及该第二电极部的第二电容感应信号，并根据该第一及第二电容感应信号进行运算且产生一输出，以作为该像素单元的该电容感应信息，其中各个该像素单元的电容感应信息被用于产生一指纹信息；本发明可减少杂讯影响该指纹感测装置中各像素单元的电容感应信号，相对提高感应精准度。

Description

指纹感测装置

技术领域

本发明涉及一种指纹感测装置，尤其涉及一种避免杂讯(噪声)干扰的指纹感测装置。

背景技术

目前电容式指纹感测装置主要有面型及线型二种，如图5A及图5B所示，该面型电容式指纹感测装置于一基板50上形成有呈矩阵排列的多个像素电极区51，以分辨率500dpi的面型电容式指纹感测装置来说，为获得成人手指指纹约150微米的脊部及凹部宽度的最细特征，各像素电极区51尺寸约为50微米*50微米；因此，该像素电极51对应至少一完整的脊部或凹部，又各该像素电极区51设有单一电极511。

再请配合图5C所示，该电容式指纹感测装置的各像素电极51连接至一像素检出电路，其包含有一比较电路60、一检出开关sw、一驱动源Vdd、一第一参考信号源V_R及一第二参考信号源Vref；其中该比较电路60的反相输入端(-)连接该第一参考信号源V_R，且通过该检出开关sw连接至对应的该其中一像素电极区51的电极511，又该驱动源Vdd可切换地连接于该检出开关sw与该像素电极区51的电极511之间。该比较电路60非反相输入端(+)则连接至该第二参考信号源Vref。如图6A所示，当该检出开关sw断开不导通，且该驱动源Vdd输出一驱动信号予相对的该像素电极区51的电极511，同时该第一参考信号源V_R提供一参考电压后，再如图6B所示，切断该驱动源Vdd及该第一参考信号源V_R，同时将该检出开关sw开启导通，该比较电路60的反相输入端(-)即获得来自该像素电极区51的电极511的一电容感应信号，并与该第二参考信号源Vref的参考信号比较后输出一比较结果。由于该像素电极区51的电极511对应指纹的脊部及凹部的电容感应值不同，故可依据该比较结果产生对应指纹的影像。

然而，由于对应各该像素电极区51的电极511的该像素检出电路仅以其电容感应信号判断该像素电极区51的电极511对应到的部位为指纹的脊部或凹部，而该电容感应信号包含除了该像素电极区51的电极511与该脊部或凹部之间耦合电容值C_F外，更包含了该脊部或凹部对大地EGND的电容值，其中该电容值C_BODY的电位又会受到杂讯干扰V_N而变动，因此，如图7A所示，第一波形SV1显示不受杂讯(噪声)干扰下，不同耦合电容值对应的检出电压值，即耦合电容值与该检出电压V_OP值成正比，故可依据检测电压大小识别对应的耦合电容值，再依据耦合电容值判断该像素电极区51的电极511对应到的部位为指纹的脊部或凹部；然而，当受到如图7B所示的一杂讯波形S_NOISE干扰，则如第二波形SV2显示，该像素检出电路检出电压值明显随着杂讯波形S_NOISE上下摆动，使耦合电容值与该检出电压值之间不再成正比，大大影响指纹脊部或凹部的判断与该指纹影像的检出；所以，有必要进一步改善之。

发明内容

有鉴于上述既有指纹感测装置易受杂讯干扰使指纹影像识别准确度下降的缺点，本发明主要目的在于提出一种避免杂讯干扰的指纹感测装置。

欲达上述目的所使用的主要技术手段是令该指纹感测装置包含有一基板、多个像素单元及一指纹感测电路；其中该多个像素单元设于该基板上，且各该像素单元包含有一第一电极部及一第二电极部，而该指纹感测电路连接至该多个像素单元，并包含有：

多个驱动单元，分别连接该像素单元，各该驱动单元连接至对应的该像素单元的该第一及第二电极部，以一第一驱动电压驱动该第一电极部，且以一第二驱动电压驱动该第二电极部，该第一驱动电压不同于该第二驱动电压；及

多个感测单元，分别连接至该像素单元，各该感测单元接收对应该像素单元内该第一电极部的第一电容感应信号及该第二电极部的第二电容感应信号，且根据该第一及第二电容感应信号进行运算并产生一输出，以作为该像素单元的该电容感应信息，其中各个该像素单元的电容感应信息被用于产生一指纹信息。

上述本发明主要将对应既有一像素电极区尺寸的一像素单元内设置一第一及第二电极部，并令连接该第一及第二电极部的驱动单元以不同电压的第一及第二驱动电压分别驱动后，再由连接该第一及第二电极部的感测单元分别接收并根据该第一及第二电极部的二电容感应信号进行运算以产生比较结果，比较结果即为该像素单元的电容感应信号，以排除相同杂讯干扰造成的电容成份；如此，本发明各该像素单元的电容感应信号相较既有像素电极区的电极的电容感应信号，即不包含杂讯干扰造成的电容成份，提高指纹影响的识别准确度。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A：本发明指纹感测装置的结构示意图；

图1B：图1A的部分结构放大图；

图1C：图1A部分结构(侧视)及指纹感测电路示意图；

图2A及图2B：本发明指纹感测电路的驱动及接收电路动作示意图；

图3A至图3C：本发明指纹感测装置的三种不同像素单元结构示意图；

图4A：本发明指纹感测电路输出电压值与耦合电容值的关系图；

图4B：一杂讯的波形图；

图5A：既有一指纹感测装置的结构示意图；

图5B：图5A的部分结构放大图；

图5C：图5A的部分结构(侧视)及指纹感测电路示意图；

图6A及图6B：指纹感测电路的驱动及接收电路动作示意图；

图7A：既有指纹检出电路输出电压值与耦合电容值的关系图；

图7B：一杂讯(噪声)的波形图。

其中，附图标记

10 基板 11 像素单元

111 第一电极部 112 第二电极部

12 备用电极 20 指纹感测电路

22 差分电路 50 基板

51 像素电极区 511 像素电极

60 比较电路

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

首先请参阅图1A及图1B所示，本发明指纹感测装置包含有一基板10及多个像素单元11，其中该多个像素单元11对应设于该基板10的一侧，该基板可为该指纹感测装置的玻璃盖板或保护层，且各像素单元11包含多个电极部，本实施例的各该像素单元11的电极部数量选择为两个作为实施样态说明，其包含有一第一电极部111及一第二电极部112，如图1B所示的实施例中，该第一电极部111及各该第二电极部112为二个独立且面积相同。又，基于成人的手指指纹具有约150微米的脊部及凹部宽度，为获得指纹的最细特征，以500dpi的指纹感测装置来说，目前各该像素单元11尺寸约为50微米*50微米；因此，该像素单元11的该第一及第二电极部111、112大部分地同时对应到指纹上的同一部位，其中本发明实际设计尺寸并不局限于前述尺寸。

再请参阅图1C所示，本发明指纹感测装置进一步包含有一指纹感测电路20连接至该多个像素单元11，并包含有多个驱动单元及多个感测单元；又该多个像素单元11与该指纹感测电路20可整合于同一芯片上，且让该多个像素单元11对应位于该基板10一侧。该多个驱动单元分别连接该像素单元11，且各驱动单元连接至对应的该像素单元11的第一及第二电极部111、112，并以二个电压不相同的一第一及第二驱动电压分别驱动该第一电极部111及该第二电极部112。至于该多个感测单元则同样分别连接至该像素单元11的第一及第二电极部111、112，且各感测单元用以接收对应该像素单元11内该第一电极部111的第一电容感应信号及该第二电极部112的第二电容感应信号，并根据该第一及第二电容感应信号进行运算，产生一输出作为该像素单元11的该电容感应信息，其中各个该像素单元11的电容感应信息被用于产生一指纹信息，即构成一指纹影像。

请参阅图1C所示的实施例中，各该感测单元包含一差分电路22，该差分电路22具有一非反相输入端(+)及一反相输入端(-)，该非反相输入端(+)通过一第一开关S1连接至对应的该第一电极部111，该反相输入端(-)通过一第二开关S2连接至对应的该第二电极部112；该非反相输入端(+)及反相输入端(-)分别通过二开关S12、S22(如图2A所示，位于节点N2)可切换地连接至一第一及第二参考电压源V_R1、V_R2。而各该驱动单元则包含有一第一驱动电压源V_D1及一第二驱动电压源V_D2；其中该第一驱动电压源V_D1通过一开关S11(如图2A所示，位于节点N1)可切换地连接至该第一开关S1与该第一电极部111之间，以提供其所对应连接的该像素单元11的该第一电极部111的该第一驱动电压，而该第二驱动电压源V_D2通过另一开关S21(如图2A所示，位于节点N1)可切换地连接至该第二开关S2与该第二电极部112之间，以提供其所对应连接的像素单元11的该第二电极部112的该第二驱动电压。在一实施例中，各该差分电路可为一差分放大器。

于时间T1，如图2A所示的等效电路，其中该差分电路22为一增益A的差分放大器，该第一及第二开关S1、S2断开不导通，而该驱动单元的第一及第二驱动电压源V_D1、V_D2同时且分别提供该第一及第二驱动电压予对应的该像素单元11的第一及第二电极部111、112，在此同时，该第一及第二参考电压源V_R1、V_R2被切换连接至该差分电路22的该非反相输入端(+)及反相输入端(-)；其中C_P1为节点N1的寄生电容，亦即自该差分电路22的非反相及反相输入端(+)、(-)看入的等效电容，而C_P2则为节点N2的等效电容，但不包含第一电极部111及第二电极部分112别对应手指的耦合电容C_F。的后于时间T2，如图2B所示的等效电路，即断开第一及第二驱动电压源V_D1、V_D2的开关S11、S21与第一及第二参考电压源V_R1、V_R2的开关S12、S22，且开启导通该第一及第二开关S1、S2，使该第一及第二电极部111、112分别连接至该差分电路22的非反相及反相输入端(+)、(-)，以分别接收该第一及第二电极部111、112的第一及第二电容感应信号V₁、V₂，再予以运算后输出一比较结果。

如图2A所示，一手指对大地EGND的电容为C_BODY，该电容C_BODY相对大地EGND的另一端受到杂讯干扰而呈现电压变动现象，假设图2A在时间T1受到杂讯干扰的当下令该手指电位为V_f1，图2B在时间T2受到杂讯干扰的当下令该手指电位为V_f2，则图2B等效电路中的非反相输入端(+)的第一电容感应信号电压V₁可由如后运算式导出：C_F×(V_D1-V_f1)+C_P2×V_D1+C_P1×V_R1＝C_F×(V₁-V_f2)+C_P2×V₁+C_P1×V₁，再令V_D1＝V_R1+V_P，则上式可整理为：V₁＝[V_R1×(C_F+C_P2+C_P1)+C_F×(V_P+V_f2-V_f1)+C_P2×V_P]/(C_F+C_P1+C_P2)，再整理如后：V₁＝{[C_F×(V_P+V_f2-V_f1)+C_P2×V_P]/(C_F+C_P1+C_P2)}+V_R1，同理，反相输入端(-)的第二电容感应信号的电压V₂为：V₂＝[C_F×(V_f2-V_f1)/(C_F+C_P1+C_P2)]+V_R2，其中令V_D2＝V_R2。差分放大器的运作包括将第一电容感应信号V₁与第二电容感应信号V₂相减，获得其输出电压V_OP为：V_OP＝{[(C_F×V_P)+C_P2×V_P]/(C_F+C_P1+C_P2)+(V_R1-V_R2)}×A；由此式可知，输出电压V_OP已不包含有V_f1及V_f2，故消除杂讯的干扰；此外，若进一步令第一及第二参考电压源V_R1、V_R2的电压相同，即V_R1＝V_R2＝V_R，则该差分电路的输出电压为：V_OP＝[(C_F×V_P)+C_P2×V_P/(C_F+C_P1+C_P2)]×A，其中A为增益参数。

由上述公式可知，于该同一像素单元11的该第一及第二电极部111、112相当接近，其大致上会对应到单一个指纹上的同一部位，并且图1B所示的该第一电极部111及各该第二电极部112包含有相同面积，亦即该同一像素单元11的该第一及第二电极部111、112的电容值C_F会十分接近。纵使有杂讯干扰，该第一及第二电容感应信号V₁、V₂也会包含受同一杂讯(如图5B所示)干扰的相同变动电压，因此，经过该差分电路22运算后，该比较结果可以排除具有相同杂讯干扰的变动电压V_N，如图4A的第二波形SV2所示。

再请参阅图3A所示，各该像素单元11包含有多个第一电极部111及多个第二电极部112，例如各包含二个第一电极部111及二个第二电极部112，且该二个第一电极部111的总面积与该二个第二电极部112的总面积相同。同理，如图3B所示，各该像素单元11包含有三个第一电极部111及三个第二电极部112，或如图3C所示，各该像素单元11包含第一电极部111及四个第二电极部112。此外，以图3C为例，如各该像素单元11若欲增加其它功能的电极，可将至少一备用电极12设置于该像素单元11的中间位置，被该多个第一电极部111及该多个第二电极部112围绕。

当各像素单元11包含有该多个第一电极部111及该多个第二电极部112，该多个第一电极部111及该多个第二电极部112的多个电极13交错排列于该像素单元11中。意即，各该像素单元11中位于一第一方向X上的该第一及第二电极部111、112呈交错排列，且各该像素单元11中位于一第二方向Y上的该第一及第二电极部111、112亦呈交错排列，如图3A至图3C所示。

综上所述，本发明主要将对应既有一像素电极区尺寸的一像素单元内设置至少一个第一及第二电极部，并令连接该第一及第二电极部的驱动单元以不同电压的第一及第二驱动电压分别驱动后，再由连接该第一及第二电极部的感测单元分别接收并根据该第一及第二电极部的二电容感应信号进行运算以产生比较结果，比较结果即为该像素单元的电容感应信号，以排除相同杂讯干扰造成的影响，有助于提高指纹影响的识别准确度。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种指纹感测装置，其特征在于，包括：

一基板；

多个像素单元，对应设于该基板的一侧，各该像素单元包含有一第一电极部及一第二电极部；以及

一指纹感测电路，连接至该多个像素单元，包含有：

多个驱动单元，分别连接该像素单元，各驱动单元连接至对应的该像素单元的该第一及第二电极部，以一第一驱动电压驱动该第一电极部，且以一第二驱动电压驱动该第二电极部，该第一驱动电压不同于该第二驱动电压；及

多个感测单元，分别连接至该像素单元，以接收对应该像素单元内该第一电极部的第一电容感应信号及该第二电极部的第二电容感应信号，并根据该第一及第二电容感应信号进行运算以产生一输出，作为该像素单元的该电容感应信息，其中各个该像素单元的电容感应信息被用于产生一指纹信息。

2.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其特征在于，各该感测单元包含：

一差分电路，其具有一反相输入端及一非反相输入端，该反相输入端通过一第一开关连接至对应的该第一电极部，该非反相输入端通过一第二开关连接至对应的该第二电极部；

一第一参考电压源，切换地连接至该反相输入端；及

一第二参考电压源，切换地连接至该非反相输入端。

3.根据权利要求2所述的指纹感测装置，其特征在于，各该驱动单元包含：

一第一驱动电压源，切换地连于该第一开关与该第一电极部之间，以提供该第一驱动电压；及

一第二驱动电压源，切换地连于该第二开关与该第二电极部之间，以提供该第二驱动电压。

4.根据权利要求3所述的指纹感测装置，其特征在于，该第一参考电压源及该第二参考电压源的电压相同。

5.根据权利要求3所述的指纹感测装置其特征在于，该第二驱动电压源、该第一参考电压源及该第二参考电压源的电压相同。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的指纹感测装置，其特征在于，该多个像素单元与该指纹感测电路整合于同一芯片上。

7.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其特征在于，各该像素单元的该第一电极部及该第二电极部于接触手指的同一部位时，该第一电极部与手指该部位之间的总耦合电容值，与该第二电极部与手指该部位之间的总耦合电容值相同。

8.根据权利要求7所述的指纹感测装置，其特征在于，该第一及第二电极部的面积相同。

9.根据权利要求7所述的指纹感测装置，其特征在于，各像素电极单元包含有多个第一及第二电极部，该多个第一及第二电极部的数量相同且面积相同。

10.根据权利要求9所述的指纹感测装置，其特征在于，各该像素单元中位于一第一方向上的该多个第一及第二电极部交错排列，且各该像素单元中位于一第二方向上的该多个第一及第二电极部交错排列。

11.根据权利要求9或10所述的指纹感测装置，其特征在于，各该像素单元另包含至少一个备用电极，该第一、第二电极部排列设置于该备用电极的外周围。