CN106022207B - 生物辨识装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种生物辨识装置包含一基板、多个感应电极、多条走线、至少一遮蔽电极、至少一绝缘层以及至少一指纹侦测辨识集成电路。该些感应电极布置于该基板的一侧，排列成至少一列，用以侦测手指于其上的指纹资讯。每一该走线对应电气交连到至少一该感应电极。该遮蔽电极对应布置于该些走线上，用以遮蔽手指或外部杂讯对该些走线所造成的干扰。该绝缘层布置于该至少一遮蔽电极与该些走线之间。该指纹侦测辨识集成电路连接对应的感应电极，以侦测各感应电极因手指所产生电荷变动。本发明具有一排以上的指纹感应电极，配合遮蔽电极的良好遮蔽与高灵敏度的自电容侦测技术，显著降低成本并提升指纹成像的正确性且增进产品的寿命与耐受性。
Description
技术领域
本发明有关一种生物辨识装置，尤指一种以指纹特征为辨识依据的生物辨识装置。
背景技术
由于电子商务与远端支付的发展一日千里，并且电子保全与自动化门禁系统蓬勃发展故而生物辨识的需求急速膨胀。生物辨识技术又可区分为指纹辨识技术、虹膜辨识技术、DNA辨识技术等。考量效率、安全以及非侵入性要求，指纹辨识已成为生物辨识的首选技术。指纹辨识技术又可分为光学式、热感应式与电容式的指纹辨识。其中以电容式技术在成本、省电、可靠度、防伪等综合考量中脱颖而出。
现有的电容式指纹辨识技术有滑擦式、全指按压式等形式。由于全指按压式感应信号极其微小与周遭巨大杂讯等因素，全指按压式的指纹辨识技术通常只能将感应电极与感应电路等一并做在一个集成电路晶片上，并且以小于100微米厚度的蓝宝石等高介电系数材料的硬膜加以保护。因此，其材料成本与封装制程成本居高不下，并且其产品寿命与耐受性皆堪虑。
现有的滑擦式指纹辨识技术又有两种形式，其一为将电极与感应电路一并作在一集成电路晶片上，其二为将互电容电极作在薄膜上并配合薄膜覆晶封装(chip on film,COF)方式的互电容侦测集成电路运作。由于前者成本偏高且寿命与耐受性不佳，后者辨识率不佳，因此指纹辨识技术如何兼顾降低成本与指纹影像正确性、提高辨识度并增进产品的寿命与耐受性等各方面，仍有很大的改进空间。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种生物辨识装置，以克服现有技术的问题。
本发明提供的生物辨识装置，包含：
一基板；
多个用以侦测手指于其上的指纹资讯的感应电极，布置于该基板的一侧，并且排列成至少一列；
多条走线，每一该走线对应电气交连到至少一该感应电极；
至少一用以遮蔽人体或杂讯对该多条走线所造成的干扰的遮蔽电极，对应布置于该多条走线的一侧；
至少一绝缘层，布置于该至少一遮蔽电极与该些走线之间；及
至少一指纹侦测辨识集成电路，包含至少一自电容侦测电路，选择性电性连接对应的感应电极以侦测各感应电极因手指近接、触碰或滑擦所造成的电荷或电容变动。
作为优选技术方案，上述的生物辨识装置，还包含至少一定位侦测电极，用以侦测手指的近接、位置、或擦滑移动的速度与加速度。
作为优选技术方案，该至少一遮蔽电极电性连接至该指纹侦测辨识集成电路﹐以提供用以侦测手指的近接、位置、或擦滑移动的速度与加速度。
作为优选技术方案，该自电容侦测电路包含：
一差动放大器，包含一第一输入端、一第二输入端以及一输出端；
一第一阻抗，电性连接该第一输入端；
一第二阻抗，电性连接该第二输入端；其中，该第一阻抗的阻抗值与该第二阻抗的阻抗值相同；及
一第一电容，电性连接该第一输入端；
一输入信号源，电性交连至该第一阻抗与该第二阻抗以提供一输入信号；
其中，该感应电极电性连接至该第二输入端，用以感测指纹感应信号，该差动放大器根据该输入信号以及该感应电极所感测的指纹感应信号而于该输出端输出一差动放大的指纹信号。
作为优选技术方案，该至少一指纹侦测辨识集成电路粘结或压焊于该基板上，并且电气交连到该些感应电极与该些遮蔽电极。
作为优选技术方案，该至少一侦测辨识集成电路粘结或压焊于一软性电路板上，并经由该软性电路板的电路走线电气交连至该些感应电极与该些遮蔽电极。
作为优选技术方案，该基板为玻璃基板或高分子聚合材料薄膜基板。
作为优选技术方案，该基板为金属基板。
作为优选技术方案，该金属基板为不锈钢、铝、铜、铁、银、锡、钨或前述之合金。
作为优选技术方案，该金属基板与该些走线之间以另一绝缘层相隔﹐以使该金属基板遮蔽该些走线。
作为优选技术方案，上述的生物辨识装置，还包含一保护层，位于该些感应电极背向该金属基板的一侧。
作为优选技术方案，该些感应电极与该些遮蔽电极为透明导电材料或不透明导电材料所制成。
作为优选技术方案，该透明导电材料为氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌、镓锌氧化物、导电高分子、纳米碳管、石墨烯、或厚度小于50nm的银膜。
作为优选技术方案，该不透明导电材料为铬、钡、钼、铝、银、铜、钛、镍、钽、钴、钨、镁、钙、钾、锂、铟或前述的合金或氟化锂与铝组成物、氟化镁与铝组成物或氧化锂与铝组成物。
作为优选技术方案，该些感应电极的形状为三角形、正方形、矩形、菱形、圆形或多边形。
作为优选技术方案，该至少一列的该些感应电极中，列与列之间相邻者为对齐或交错差排设置。
本发明提供一种生物辨识装置，其具有一排以上的指纹感应电极，配合遮蔽电极的良好遮蔽与高灵敏度的自电容侦测技术，不仅显著降低成本并提升指纹成像的正确性且增进产品的寿命与耐受性。
附图说明
图1为本发明生物辨识装置的使用立体图；
图2为本发明生物辨识装置第一实施例的使用示意图；
图3为本发明生物辨识装置第二实施例的使用示意图；
图4为本发明生物辨识装置第三实施例的使用示意图；
图5为本发明生物辨识装置第四实施例的使用示意图；
图6A为本发明生物辨识装置的感应电极第一实施例的架构图；
图6B为本发明生物辨识装置的感应电极第二实施例的架构图；
图6C为本发明生物辨识装置的感应电极第三实施例的架构图；
图7为本发明生物辨识装置的自电容侦测电路的电路图；
图8A为本发明生物辨识装置的层叠结构第一实施例的示意图；
图8B为本发明生物辨识装置的层叠结构第二实施例的示意图；及
图8C为本发明生物辨识装置的层叠结构第三实施例的示意图。
【主要元件符号说明】
100 生物辨识装置；
10 基板；
12 指纹侦测辨识集成电路；
211~22m 感应电极；
311~32m ,410,420 走线；
41~42 遮蔽电极；
51~5n 定位侦测电极；
10’ 基板；
20 电极层；
30 绝缘层；
40 走线层；
50 保护层；
60 遮蔽层；
70 自电容侦测电路；
700 差动放大器；
711 第一阻抗；
712 第二阻抗；
721 第一电容；
730 感应电极；
740 输入信号源；
701 第一输入端；
702 第二输入端；
703 输出端；
731 第一杂散电容；
732 第二杂散电容；
80 软性电路板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参阅图1为本发明生物辨识装置的使用立体图。该生物辨识装置100为层叠结构，并且当使用者手指滑擦在该生物辨识装置100上时，手指指纹通过感应电极侦测出指纹上的资讯，主要为指纹的纹峰与纹谷因不同电荷聚集而产生的不同电荷量(或电容量)该些资讯，达到指纹辨识的目的。其中，图1所示箭头方向即表示手指滑擦于该生物辨识装置100上的方向。
请参阅图2至图5分别为本发明生物辨识装置第一实施例至第四实施例的使用示意图。该生物辨识装置100包含一基板10、多个感应电极211~22m、多条走线311~32m、至少一遮蔽电极41~42、至少一绝缘层(配合参阅图8A)以及至少一指纹侦测辨识集成电路12。其中，该基板10为玻璃基板、高分子聚合材料薄膜基板或金属基板。具体而言，上述金属基板为不锈钢、铝、铜、铁、银、锡、钨或前述的合金。此外，该些感应电极与该些遮蔽电极为透明导电材料或不透明导电材料所制成。其中，该透明导电材料为氧化铟锡(indium tinoxide, ITO)、氧化锌锡(zinc tin oxide, ZTO)、氧化锌(ZnO)、镓锌氧化物(GZO)导电高分子、纳米碳管、石墨烯、或厚度小于50nm的银膜。其中，该不透明导电材料为铬、钡、钼、铝、银、铜、钛、镍、钽、钴、钨、镁、钙、钾、锂、铟或前述的合金或氟化锂与铝组成物、氟化镁与铝组成物或氧化锂与铝组成物。
该些感应电极211~22m布置于该基板10的一侧，并且排列成至少一列，用以侦测手指触碰或滑擦于其上的指纹资讯。每一该走线311~32m对应电气交连到至少一该感应电极211~22m。依据本发明的一些实施方式，该至少一遮蔽电极41~42对应布置于该些走线311~32m面向手指的一侧，用以遮蔽源自手指的电荷或其它杂讯对该些走线311~32m所造成的干扰。该至少一绝缘层布置于该至少一遮蔽电极41~42与该些走线311~32m之间。该至少一指纹侦测辨识集成电路12包含至少一自电容侦测电路(配合参阅图7)，连接对应的感应电极211~22m，以侦测各感应电极211~22m因手指触碰或滑擦所产生电荷或电容变动。其中，该至少一指纹侦测辨识集成电路12粘结或压焊于该基板10上，并且经由该些走线311~32m电气交连到该些感应电极211~22m与经由其他走线410, 420而电气交连到该些遮蔽电极41~42。
以图2该第一实施例为例，该些感应电极211~22m为两列配置，亦即一列为该些感应电极211~21m，另一列为该些感应电极221~22m。值得一提，该些感应电极211~22m采多列配置，以增加感测精确度与提高感测速度。该指纹侦测辨识集成电路12通过该些走线311~32m对应电气交连到至少一该感应电极211~22m。更具体而言﹐本发明的生物辨识装置另具有多个选择开关﹐且该指纹侦测辨识集成电路12可以经由该些开关而选择性地电气交连到至少一该感应电极211~22m。由于对应于该些感应电极211~22m为两列配置，本实施例该遮蔽电极数目则为两个，亦即第一遮蔽电极41与第二遮蔽电极42，分别遮蔽该指纹侦测辨识集成电路12与一列该些感应电极211~21m所连接的该些走线311~31m，以及遮蔽该指纹侦测辨识集成电路12与另一列该些感应电极221~22m所连接的该些走线321~32m。此外，该生物辨识装置100更包含至少一定位侦测电极51~5n，用以侦测手指擦滑移动的位置、速度与加速度。图2的第一遮蔽电极41与第二遮蔽电极42经由其他走线410, 420而电气交连至该指纹侦测辨识集成电路12﹐且可由该指纹侦测辨识集成电路12施加适当偏压﹐以达成更佳的遮蔽效果。此外﹐因为该些遮蔽电极41, 42也电气交连至该指纹侦测辨识集成电路12﹐使该些遮蔽电极41, 42亦可兼作定位电极以配合定位侦测电极51~5n作定位与测速操作。
以图3该第二实施例为例，该实施例与前述该第一实施例最大差异在于该些感应电极211~22m为两列配置，但其走线311~32m为单侧布线并与该第一遮蔽电极41配合设置，亦即，本实施例该遮蔽电极数目为一个，亦即该第一遮蔽电极41遮蔽该指纹侦测辨识集成电路12与两列该些感应电极211~22m所连接的该些走线311~32m。此外，该生物辨识装置100亦可不需要使用如前述该第一实施例的该些定位侦测电极51~5n，惟，虽然没有使用该些定位侦测电极51~5n，该第一遮蔽电极41经走线410而电气交连至该指纹侦测辨识集成电路12﹐以提供用以侦测手指接近、擦滑所产生电荷变动或加速度大小，来取代定位侦测电极的使用。
以图4该第三实施例为例，该实施例与前述该第二实施例最大差异在于该生物辨识装置100更包含多个定位侦测电极51~5n，并且与前述该第一实施例最大差异在于该些定位侦测电极51~5n设置的位置不同。如图4所示，该些定位侦测电极51~5n设置于图面右侧，有别于第一实施例该些定位侦测电极51~5n设置于图面上侧。同样地，该些定位侦测电极51~5n用以侦测手指擦滑移动的位置、速度与加速度。
以图5该第四实施例为例，该实施例与前述该第一实施例最大差异在于该至少一指纹侦测辨识集成电路12粘结或压焊于一软性电路板80上，并经由该软性电路板80的电路走线与该基板10的该些走线311~32m电气交连至该些感应电极211~22m与经由其他走线而电气交连至该些遮蔽电极41~42。
请参阅图6A至图6C分别为本发明生物辨识装置的感应电极第一实施例至第三实施例的架构图。承前实施态样所揭露，该些感应电极的形状为矩形。然而，在本发明中，该些感应电极的形状可为其他几何图形，例如，三角形、正方形、矩形、菱形、圆形或多边形。如图6A所示该些感应电极的形状为三角形；如图6B所示该些感应电极的形状为圆形。此外，如图6C所示，该些不同列的该些感应电极的形状可为不同几何形状的配合，以本实施例而言，其中一列感应电极的形状为矩形，另一列感应电极的形状为圆形。惟，不以此实施态样为限制。再者，其中不同列的该些感应电极中，列与列之间相邻者可为交错差排设置（如图3所示）或列与列之间相邻者可为对齐设置（如图2所示）。
请参阅图7为本发明生物辨识装置的自电容侦测电路的电路图。该自电容侦测电路70包含一差动放大器700、一第一阻抗711、一第二阻抗712、一第一电容721、一感应电极730以及一输入信号源740。其中，该差动放大器700包含有一第一输入端701、一第二输入端702以及一输出端703。该第一阻抗711与该第一电容721电性连接至该第一输入端701；该第二阻抗712与该感应电极730电性连接至该第二输入端702。该输入信号源740电性连接至该第一阻抗711与该第二阻抗712。其中，该感应电极730用以感应因手指触碰或滑擦与其上的操作，而接收所产生的一触控信号，于本实施例中，该感应电极730感应手指或各类导体或物件的触碰而接收该触控信号。该输入信号源740电气交连至该第一阻抗711与该第二阻抗712，以提供一输入信号至该第一阻抗711与该第二阻抗712。前述电气交连指直接以金属导线连结或经一特定阻抗连结；该特定阻抗可为电阻、电容、电感或其组合。其中，该输入信号为一周期性的信号、非周期性的信号、对称或不对称的信号。
于本实施例中，该感应电极730经由一集成电路接脚电性连接至该第二输入端702，该集成电路接脚含有一第一杂散电容731，感应电极730亦含有一第二杂散电容732。值得一提，该第一阻抗711的阻抗值与该第二阻抗712的阻抗值相同。该差动放大器700依据该输入信号及源自感应电极730的指纹感应信号，而于该输出端703输出差动放大后的一差动放大指纹信号。由于该输入信号由具相同阻抗的该第一阻抗711与该第二阻抗712之间输入，因此该输入信号皆传送至该第一输入端701及第二输入端702。当该第一阻抗711的阻抗值相同于该第二阻抗712的阻抗值，该第一电容721的电容值相同于该第一杂散电容731与该第二杂散电容732并联的电容值时，由于相对于该输入信号源740的上下两端电路为对称，将使得差动放大后的输出信号为零。本发明的该输入信号源740提供一周期性信号、非周期性信号、对称或不对称信号。其中，该周期性的信号是例如弦波、方波或三角波等。
于本实施例中，该第一电容721的电容值相同于该第一杂散电容731与该第二杂散电容732并联的电容值。当手指接近或碰触该感应电极730时，会改变该感应电极730的该第二杂散电容732的电容值，故于该第二阻抗712上所造成的分压与相位将产生改变，而使得该第一输入端701与该第二输入端702的电压产生不同。故此，经由该差动放大器700的差动放大后，该输出端703即输出该差动放大的指纹信号。通过量测该差动放大器700的输出变化，即可分辨该感应电极730所产生的微量杂散电容值改变。
请参阅图8A至图8C分别为本发明生物辨识装置的层叠结构第一实施例至第三实施例的示意图。图8A该生物辨识装置100的层叠结构由上而下包含一基板10、一电极层20、一绝缘层30、一走线层40以及一保护层50。其中，该基板10为非导电基板。该电极层20包含该些感应电极、该些遮蔽电极以及该些定位侦测电极；例如，可为图2所示的感应电极211-22m、遮蔽电极41、42、以及定位侦测电极51-5n。并且，该电极层20配置于该层叠结构的第二层(由上而下)位置，使得该电极层20尽可能地缩短与手指接触面的距离，使得该电极层20上的该些感应电极能够提高感测精确度。值得一提，该绝缘层30以提供该电极层20与该走线层40之间的电气绝缘之用。此外，该保护层50以提供抗氧化、防潮的保护作用。
图8B的生物辨识装置100的层叠结构由上而下包含该基板10、该电极层20、该绝缘层30、该走线层40、该绝缘层30以及一遮蔽层60。其中，该基板10与图8A该实施例同样为非导电基板。该电极层20包含该些感应电极、该些遮蔽电极以及该些定位侦测电极。上层的该绝缘层30以提供该电极层20与该走线层40之间的电气绝缘之用；而下层之该绝缘层30系以提供该走线层40与该遮蔽层60之间的电气绝缘之用。相较与图8A该第一实施例，本实施例更增设该遮蔽层60用以提供该些走线及该些感应电极更佳的屏蔽杂讯干扰功能。
图8C的生物辨识装置100的层叠结构由上而下包含该保护层50、该电极层20、该绝缘层30、该走线层40、该绝缘层30以及该基板10’。本实施例中，该基板10’为金属基板。更进一步，该金属为不锈钢(stainless steel)、铝(aluminum)、铜(copper)、钛(titanium)、钨(tungsten)、银、锡、铁或前述的合金或液态合金(liquid alloy)。也因为该基板10’为金属基板，因此，该基板10’与该走线层40之间设置该绝缘层30以提供电气绝缘之用。此外，该保护层50以提供抗氧化、防潮及抗刮擦磨损的保护作用。再者，该金属基板10’同时兼具杂讯干扰的屏蔽功能。惟，该生物辨识装置100的层叠结构并不以上述该些实施态样为限，可依实际应用需求加以调整。
综上所述，本发明具有以下的特征与优点：
1、本发明生物辨识装置100为直接设置于基板上的层叠结构，以提供手指触碰或滑擦的指纹辨识功能，无须对指纹感测集成电路导入特殊封装制程，如此可减少成本，并且简化制程；
2、使用具有一排以上的指纹感应电极211~22m，配合遮蔽电极的良好遮蔽杂讯功效与高灵敏度的自电容侦测技术，不仅显著降低成本，提升指纹成像的正确性，并且增进产品的寿命与耐受性；及
3、该至少一遮蔽电极41~42更提供用以侦测手指擦滑所产生电荷变动或加速度大小之用，以简化侦测元件数量，进而小型化该生物辨识装置。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (16)
1.一种生物辨识装置，其特征在于，包含：
一基板；
多个用以侦测手指于其上的指纹资讯的感应电极，布置于该基板的一侧，并且排列成至少一列；
多条走线，每一该走线对应电气交连到至少一该感应电极；
至少一用以遮蔽人体或手指电荷对该多条走线所造成的干扰的遮蔽电极，对应布置于该多条走线面向手指的一侧；
至少一绝缘层，布置于该至少一遮蔽电极与该些走线之间；及
至少一指纹侦测辨识集成电路，包含至少一自电容侦测电路，选择性电性连接对应的感应电极以侦测各感应电极因手指近接、触碰或滑擦所造成的电荷或电容变动；
其中该遮蔽电极及该多条走线位于不同的电路层，且该遮蔽电极较该多条走线更接近手指，以使该遮蔽电极自手指操作方向覆盖该多条走线，该遮蔽电极数目小于该感应电极数目，该遮蔽电极电性连接至该指纹侦测辨识集成电路，且该指纹侦测辨识集成电路施加偏压于该遮蔽电极。
2.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，更包含至少一定位侦测电极，用以侦测手指的近接、位置、或擦滑移动的速度与加速度。
3.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该至少一遮蔽电极电性连接至该指纹侦测辨识集成电路﹐以更提供用以侦测手指的近接、位置、或擦滑移动的速度与加速度。
4.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该自电容侦测电路包含：
一差动放大器，包含一第一输入端、一第二输入端以及一输出端；
一第一阻抗，电性连接该第一输入端；
一第二阻抗，电性连接该第二输入端；其中，该第一阻抗的阻抗值与该第二阻抗的阻抗值相同；及
一第一电容，电性连接该第一输入端；
一输入信号源，电性交连至该第一阻抗与该第二阻抗以提供一输入信号；
其中，该感应电极电性连接至该第二输入端，用以感测指纹感应信号，该差动放大器根据该输入信号以及该感应电极所感测的指纹感应信号而于该输出端输出一差动放大的指纹信号。
5.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该至少一指纹侦测辨识集成电路粘结或压焊于该基板上，并且电气交连到该些感应电极与该些遮蔽电极。
6.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该至少一侦测辨识集成电路粘结或压焊于一软性电路板上，并经由该软性电路板的电路走线电气交连至该些感应电极与该些遮蔽电极。
7.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该基板为玻璃基板或高分子聚合材料薄膜基板。
8.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该基板为金属基板。
9.如权利要求8所述的生物辨识装置，其特征在于，该金属基板为不锈钢、铝、铜、铁、银、锡、钨或前述的合金。
10.如权利要求8所述的生物辨识装置，其特征在于，该金属基板与该些走线之间以另一绝缘层相隔﹐以使该金属基板遮蔽该些走线。
11.如权利要求8所述的生物辨识装置，其特征在于，还包含一保护层，位于该些感应电极背向该金属基板的一侧。
12.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该些感应电极与该些遮蔽电极为透明导电材料或不透明导电材料所制成。
13.如权利要求12所述的生物辨识装置，其特征在于，该透明导电材料为氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌、镓锌氧化物、导电高分子、纳米碳管、石墨烯、或厚度小于50nm的银膜。
14.如权利要求12所述的生物辨识装置，其特征在于，该不透明导电材料为铬、钡、钼、铝、银、铜、钛、镍、钽、钴、钨、镁、钙、钾、锂、铟或前述的合金，或者为氟化锂与铝组成物、氟化镁与铝组成物或氧化锂与铝组成物。
15.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该些感应电极的形状为圆形或多边形。
16.如权利要求1所述的生物辨识装置，其特征在于，该至少一列的该些感应电极中，列与列之间相邻者为对齐或交错差排设置。
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