CN106022270B

CN106022270B - 一种指纹检测电路及装置

Info

Publication number: CN106022270B
Application number: CN201610345104.5A
Authority: CN
Inventors: 刘鸣宇; 孙志宝
Original assignee: SHENZHEN BIOCOME SAFETY TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Shenzhen Biocome Security Technology Co ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2019-08-20
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: CN106022270A

Abstract

本发明实施例公开了一种指纹检测电路及装置。该检测电路包括指纹信号感应电路、低频振荡电路、门限信号产生电路、电容探测电路及计数器。其中：所述指纹信号感应电路用于产生指纹感应信号，所述指纹信号感应电路包括金属板及感应电极阵列；所述低频振荡电路的输出端与所述指纹信号感应电路的输入端连接；所述指纹信号感应电路的输出端与所述电容探测电路的第一输入端连接，所述门限信号产生电路的输出端与所述电容探测电路的第二输入端连接；所述计数器的输入端与所述电容探测电路的输出端连接。采用本发明实施例，能够降低指纹检测电路的成本，并且降低了指纹检测电路的功耗，同时，能够实现快速检测指纹输入。

Description

一种指纹检测电路及装置

技术领域

本发明涉及指纹检测技术领域，尤其涉及一种指纹检测电路及装置。

背景技术

当前指纹检测应用于越来越多的领域，通过指纹检测能够实现多种功能。在指纹检测电路中，通常利用检测手指接触指纹感应芯片后形成的电容与手指未接触指纹感应芯片后形成电容的不同，进而检测到用户是否进行了指纹输入。当前常用的指纹检测芯片中阵列设置多个感应电极，感应电极上覆盖隔离层，并且在指纹检测芯片上设置金属环，由于手指与感应电极形成的电容组件偏小，因此，需要对金属环外置升压电路，从而增加电容组件的电容量，从而实现快速检测到指纹输入，然而，外置的升压电路增加了指纹检测电路的功耗与指纹检测电路的电路芯片面积，并且设置金属环增加了封装成本，综上所述，上述电路的功耗较大，并且制作成本高。

发明内容

本发明实施例提供一种指纹检测电路及装置，能够降低指纹检测电路的制造成本，并降低了指纹检测电路的功耗。

本发明实施例第一方面提供了一种指纹检测电路，所述电路可包括：

指纹信号感应电路、低频振荡电路、门限信号产生电路、电容探测电路及计数器，其中：

所述指纹信号感应电路用于产生指纹感应信号，所述指纹信号感应电路包括金属板及感应电极阵列，所述金属板与所述感应电极阵列置于同一平面上；

所述低频振荡电路的输出端与所述指纹信号感应电路的输入端连接，所述低频振荡电路用于为所述手指与所述感应电极阵列形成的电容进行充电；

所述指纹信号感应电路的输出端与所述电容探测电路的第一输入端连接，所述门限信号产生电路的输出端与所述电容探测电路的第二输入端连接；

所述门限信号产生电路用于产生门限信号；

所述电容探测电路用于对比所述指纹信号感应电路输出的所述指纹感应信号及所述门限信号产生电路输出的所述门限信号，并根据对比结果输出指纹检测信号；

所述计数器的输入端与所述电容探测电路的输出端连接，所述计数器用于对所述指纹检测信号进行计数。

作为可选的实施例，所述金属板为十字形金属板，所述十字形金属板占据所述感应电极阵列的中间行及中间列。

作为可选的实施例，所述金属板的尺寸与所述感应电极阵列的大小相关。所述金属板的尺寸与感应电极阵列中一行与一列感应电极占据的面积相同。

作为可选的实施例，所述金属板与所述感应电极集成一个感应芯片，所述感应芯片通过具备相对介电常数的绝缘层封装，所述绝缘层具备的相对介点常数的取值范围为4～20。

作为可选的实施例，所述门限信号产生电路包括配置电路及电阻网络电路，所述配置电路用于控制所述电阻网络电路输出不同的门限信号。

作为可选的实施例，所述电阻网络电路包括多个可调电阻，所述多个可调电阻串联形成串联电路，所述串联电路的一端与输入电平连接，所述串联电路的另一端与地连接，所述配置电路的输出端与所述多个可调电阻中的任一个可调电阻的调节端连接。

作为可选的实施例，所述低频振荡电路为环形振荡器、弛张振荡器或LC振荡器中的任意一种。

作为可选的实施例，所述低频振荡电路的频率范围为100HZ～100KHZ。

作为可选的实施例，所述电容探测电路为比较器。

本发明实施例第二方面公开了一种指纹检测装置，该指纹检测装置包括本发明实施例第一方面公开的任意一种指纹检测电路。

本发明实施例中，指纹检测电路无需为指纹感应电路外设升压电路，也能够满足手指与指纹信号感应电路之间形成大的电容，从而能够更加快速的对指纹信号进行检测，并且整体降低了指纹检测电路的功耗，本发明实施例中将金属板内置于指纹感应芯片中，相较于现有技术在指纹感应芯片上外置金属环以增强之间形成的感应电容，能够进一步降低封装成本。进一步的，该内置的金属板能够防止手指按压面积较小或指纹按压仅有部分感应电极而误触发指纹检测的情况，进一步降低了指纹检测电路的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种指纹检测电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种指纹信号感应电路的等效示意图；

图3是本发明实施例提供的一种门限信号产生电路的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种电阻网络电路的等效示意图；

图5是本发明实施例提供的一种电容探测电路的工作时序示意图；

图6是本发明实施例提供的一种指纹检测电路的等效示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种指纹检测电路的等效示意图；

图8是本发明实施例提供的一种指纹检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在说明书及权利要求中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应当理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求中所提及的“包含”为一开放式的用于，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“连接”一词在此包含任何直接或间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一电路连接第二电路，则代表该第一电路可直接电气连接于该第二电路，或通过其他电路或连接手段间接地电气连接至第二电路。

本发明实施例公开了一种指纹检测电路及装置。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种指纹检测电路的结构示意图。该指纹检测电路可包括指纹信号感应电路100、低频振荡电路200、门限信号产生电路300、电容探测电路400及计数器500。

其中，指纹检测电路中包括指纹信号感应电路100，该指纹信号感应电路100用于感应指纹进而产生指纹感应信号。

具体的，该指纹感应电路100可包括金属板及感应电极阵列。指纹感应电路100的等效示意图可参见图2，图2为本发明实施例公开的一种指纹感应电路的等效示意图。

如图2所示，指纹感应电路100可包括金属板101及感应电极阵列102。其中，感应电极阵列102包括多个阵列排布的感应电极，其也可作为采集指纹的像素点。该指纹信号感应电路上可覆盖保护膜，该保护膜的厚度为μm级别。当手指接触保护膜时，感应电极可采集指纹不同位置的像素点，进而形成指纹图像，完成指纹采集工作。

本发明实施例中，指纹感应电路100还可包括金属板101。该金属板101与感应电极阵列102置于同一平面上。金属板101可占据感应电极阵列中的一行与一列，被金属板占据的位置上感应电极阵列不再排布感应电极，金属板上不能够进行指纹图像采集，由于设置金属板而产生的指纹图像像素采集的缺失点可通过后期软件算法进行弥补。

如图2所示金属板101的形状在此可为十字形，金属板101可占据感应电极阵列中的一行，如中间行；金属板101同时占据感应电极阵列中的一列，如中间列。

可选的，上述指纹感应电路100可被封装为一个指纹感应芯片，该指纹感应芯片在指纹感应电路上封装保护层，该保护层具备介电常数。从而，当手指接触该指纹感应芯片时，指纹感应电路100中的金属板及每一个感应电极可与手指形成不同电容，进而形成指纹感应信号传递给电容探测电路400。

可选的，该金属板101的尺寸可与感应电极阵列102的大小相关。阵列越大，金属板101的尺寸越大。举例说明，假设金属板101的面积为S；感应电极阵列的大小为N*M，其中，N代表感应电极阵列的行数，M代表感应电极阵列的列数。假设每个感应电极的大小为x*x，即该感应电极的正方形，边长为xμm；则可通过以下公式计算出金属板101的面积S：

S＝(M+N)*x*x-1*x*x＝(M+N-1)*x²μm²；

其中，上述公式计算出的金属板面积为该金属板101占据感应电极阵列102中的一整行及一整列，当然，金属板101还可仅占据感应电极阵列102的一部分。加设金属板占据行中的P个感应电极，占据列中的Q个感应电极，则金属板101的面积可通过以下公式进行计算：

S＝(P+Q)*x*x-1*x*x＝(P+Q-1)*x²μm²；

当然，N与M的值可相等，P与Q的值可相等。

由上述可知，由于金属板面积较每个感应电极的面积大很多，则金属板101与手指之间形成的电容相较于感应电极与手指之间形成的电容大很多，若需要检测是否手指接触指纹信号感应电路，则手指与金属板之间形成的电容C1可作为指纹信号感应电路与手指接触形成的电容，而忽略其他感应电极与手指接触形成的电容。该电容C1可通过以下公式进行计算：

其中，ε₀为真空绝对介电常数；ε₁为手指与金属板之间的隔离层具备的介电常数值，S为金属板的面积，d1为该隔离层的厚度。

当然，在手指与指纹信号感应电路未进行接触时，指纹信号感应电路与地之间可等效一个电容C2，该电容C2同样可通过上述公式进行计算，具体的：

其中，ε₀为真空绝对介电常数；ε₂为地与金属板之间的保护层具备的介电常数值，S为金属板的面积，d2为该保护层的厚度。

综上所述，本发明实施例中的指纹检测电路无需为指纹感应电路外设升压电路，也能够满足手指与指纹信号感应电路之间形成大的电容，从而能够更加快速的对指纹信号进行检测，并且整体降低了指纹检测电路的功耗，本发明实施例中将金属板内置于指纹感应芯片中，相较于现有技术在指纹感应芯片上外置金属环以增强之间形成的感应电容，能够进一步降低封装成本。进一步的，该内置的金属板能够防止手指按压面积较小或指纹按压仅有部分感应电极而误触发指纹检测的情况，进一步降低了指纹检测电路的功耗。

低频振荡电路200可用于产生低频脉冲，该低频脉冲可控制一个直流源，控制该直流源为C1进行充电。本发明实施例中，手指与指纹信号感应电路100进行接触时，该手指与指纹信号感应电路100可等效为一个电容C1及一个电阻R_f，该电容C1与电阻R_f串联形成串联电路后，该串联电路的一端等效为接地，该串联电路的另一端与直流源连接，低频振荡电路200通过控制该直流源为电容C1进行充电。

可选的，低频振荡电路200可设计为常用的低频振荡器，该低频振荡器的频率范围可为100Hz～100KHz；该低频振荡器的器性选择可根据指纹检测电路的要求精度进行选取，一般可采用环形振荡器、弛张振荡器或LC振荡器中的一种，当然，在精度要求高的指纹检测电路中还可选取晶体振荡器。振荡器的频率选择可根据电容C1的大小，进一步，根据保护层的厚度进行选取，保护层的厚度越薄，电容C1的电容量越大，则要求低频振荡器的频率越高。

通过低频振荡电路200为指纹信号感应电路100进行充电，指纹信号感应电路可产生指纹信号，该指纹信号可输入至电容探测电路300。并可通过门限信号产生电路400产生门限信号，该门限信号也可输入至电容探测电路300，电容探测电路通过对比指纹信号与门限信号，判断是否有指纹信息输入。

具体的，指纹信号感应电路在未与手指接触前，指纹信号感应电路与地之间可等效一个电容C2，该电容C2的一端接地。指纹信号感应电路100与手指接触后，可等效为一个感应电容C1及一个电阻R_f，该电阻R_f一端与感应电容C1一端连接，电阻R_f另一端接地；感应电容C1的另一端可与电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地。感应电容C1与电容C2的连接点可连接至电容探测电路的第一输入端，由于低频振荡电路200通过脉冲控制直流源为感应电容C1进行充电，因此，电容探测电路通过第一输入端检测到的电压值为持续上升的电压值。

门限信号产生电路300可根据指纹检测电路产生不同的门限信号，该门限信号可为一个电压值。可选的，该门限信号产生电路可包括配置电路及电阻网络电路。具体可参见图3，图3为本发明实施例提供的一种门限信号产生电路的结构示意图。门限信号产生电路300可包括配置电路301及电阻网络电路302。其中，配置电路301用于控制电阻网络电路302产生不同的门限信号，本发明实施例中以门限电压为例。配置电路301针对控制电阻网络电路的输入点不同，进而形成不同的门限电压。具体的，电阻网络电路302可包括多个可调电阻，其中，该多个可调电阻的连接方式之一为该多个可调电阻串联。配置电路301的输出端可连接任意一个可调电阻的调节端，即配置电路301可连接任意一个可调电阻的抽头，进而形成不同的门限电压。

电阻网络电路302的等效示意图可参见图4，图4是本发明实施例提供的一种电阻网络电路的等效示意图。如图4所示，该电阻网络电路中包括两个可调电阻R1与R2，R1与R2串联形成串联电路后，该串联电路的一端与输入电压连接，该串联电路的另一端与地连接，配置电路与R1的调节端连接，用于输出一种门限信号。当然，当配置电路与R2的调节端连接时，该电阻网络电路402可输出另一种门限信号。

在本发明实施例中，在电阻分压的方式中，为了控制电流，通常需要选取电阻值较大的电阻，如图4所示，若需要把该电阻网络电路302的电流控制到1μA，输入电压VDD为1.8V，则电阻R1与电阻R2之和则需要大于或等于1.8MΩ；若需要把电阻网络电路402的电流控制到500nA，则电阻R1与电阻R2之和需要大于或等于3.6MΩ。

需要说明的是，配置电路401可采用数字控制或者PAD控制方式，配置电路402连接电阻网络电路402时，可配置电阻网络电路中电阻的抽头电压。配置电路的接口可采用SPI接口或者其他接口进行控制。当然，配置电路401采用PAD控制方式时，可通过PAD选择不同电位进而选择不同的抽头电压输出。当然，配置电路401还可以固定其输出端在电阻网络电路402中的位置，如配置电路401仅固定在电阻网络电路402中一个可调电阻的调节端上，通过配置电流的不同，控制电阻网络电路402输出不同的门限电压。

电容探测电路500可将两端输入的信号进行对比，进行输出对比结果，并且通过计数器500将该对比结果输出为数字信号，以进一步判断是否检测到指纹输入。

可选的，电容探测电路500可为一个比较器，该比较器的器型选择可根据指纹检测电路的具体需求进行选取。若指纹检测电路对功耗要求比较高，则可选取的比较器功耗低，比较速度相对较低；若指纹检测电路对功耗要求比较低，则可选取的比较器功耗较高，但比较速度快。

具体的，电容探测电路500可输出跳变信号。当电容探测电路判断出C1与C2串联节点的电压大于预设电压阈值时，则电容探测电路500的输出由低电平变为高电平。当然，还可设置为当电容探测电路判断出C1与C2串联节点的电压大于预设电压阈值时，则电容探测电路500的输出由高电平变为低电平。本发明实施例以第一种方式为例，即电容探测电路输出由低电平变为高电平，当充电电压大于门限电压时，则电容探测电路输出由高电平变回低电平。计数器500对电容探测电路500输出高电平的时段进行计数。由于手指未接触时，低频振荡电路200仅对C2进行充电，手指未接触时，低频振荡电路200对C1及C2进行充电，进而，电容探测电路在两种情况下产生的高电平的时长不同，由此计数器500对两种情况的计数数值不同，因此可根据计数器输出的数值判断是否有指纹输入。

计数器500可根据指纹检测电路需要的精度确定计数器的计数位数。如，计数器可为9位计数器，当然，计数器也可为8位、7位或6位计数器。

可参见图5，图5是本发明实施例提供的一种电容探测电路的工作时序示意图。

如图5所示，图5说明了低频振荡电路200产生的脉冲对等效电容C1与C2的充电电压的影响，并且电容探测电路500根据两端输入的比较结果输出跳变信号。

具体的，图5中纵轴代表电压，横轴代表时间。曲线50代表低频振荡电路200的输出脉冲，曲线51代表门限信号产生电路400产生的门限电压Vtrig，曲线52代表对C1与C2的充电电压，曲线53代表电容探测电路500的输出信号。

其中，曲线52中的充电电压在低频振荡电路200的脉冲时长内进行升压，即在此时长内，低频振荡电路200对C1与C2进行充电。当曲线52代表的充电电压达到曲线51代表的门限电压Vtrig时，电容探测电路500的输出信号(曲线53)输出高电平。

计数器500在0～t1时长内进行计数，具体的，当充电电压达到门限电压时，计数器500停止计数，并可将计数器进行清零，进入下一个计数周期。

当手指未接触指纹感应电路100时，等效电容为C2，当手指接触指纹感应电路100时，等效电容为C2+C1，此时，电容C1与电容C2并联，低频振荡电路200对等效电容C1+C2充电的充电时长要大于对等效电容C1的充电时长，因此，当计数器的计数值大于正常计数值时，表明手指接触指纹感应电路，即检测到了指纹输入。

下面通过具体数值举例说明计数器500的计算过程。

其中，t为计数器的计算时长，U取值为门限值Vtrig，表明当U达到Vtrig时停止计数，当手指未接触指纹感应电路100时，等效电容为C2，结合上述公式(2)及公式(3)，可计算出手指未接触指纹感应电路100时，计数器500算出的数值；当手指接触指纹感应电路100时，等效电容为C1+C2，结合上述公式(1)、公式(2)及公式(3)，可计算出手指接触指纹感应电路100时，计数器500算出的数值。

请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种指纹检测电路的等效示意图。如图6所示，在此情况下，手指未接触电极板，此时，指纹信号感应电路100可等效为电容C2，电阻R1与电阻R2串联形成电阻网络电路302，配置电路301的输出端与电阻R1的调节端连接，可通过电流或连接位置不同控制电阻网络电路302输出不同的门限电压值，低频振荡电路200为C2充电，当对C2的充电电压达到门限电压值时，计数器停止计数，此时，计数器的输出端输出未检测到指纹输入时的计数值。

请参阅图7，图7是本发明实施例提供的另一种指纹检测电路的等效示意图。如图7所示，在此情况下，手指接触电极板，此时，手指000与指纹信号感应电路100可等效为电容C1与电阻R_f，电容C1与电容C2并联，电容C1与电容C2并联的一端连接低频振荡电路控制的直流电源，电容C2的另一端接地，电容C1的另一端通过电阻R_f接地。此时，低频振荡电路为电容C1与电容C2充电，由于电容C1与电容C2并联增加了需要充电的电量，因此，充电电压达到门限电压值的时长大于图6所示的情况下的时长。当充电电压达到门限抵押之时，计数器停止计数，此时，计数器的输出端输出检测到指纹输入时的计数值。

通过上述两种情况说明，本发明实施例仅通过封装简单的指纹信号感应电路，即可实现检测指纹输入。本发明实施例公开的方式能够降低指纹检测电路的成本，并且降低了指纹检测电路的功耗，同时，能够实现快速检测指纹输入。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例中还提供了一种指纹检测装置，该指纹检测装置可包括上述实施例中描述的任意一种指纹检测电路，当然，指纹检测装置中还可包括其他电路，如指纹信息处理电路等，在指纹信息处理电路中还可具体包括指纹识别电路，指纹修补电路等。如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种指纹检测装置，该指纹检测装置中包括上述指纹检测电路801及指纹信息处理电路802。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种指纹检测电路，其特征在于，包括指纹信号感应电路、低频振荡电路、门限信号产生电路、电容探测电路及计数器，其中：

所述低频振荡电路的输出端与所述指纹信号感应电路的输入端连接，所述低频振荡电路用于为手指与所述感应电极阵列形成的电容进行充电；

所述门限信号产生电路用于产生门限信号；

2.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述金属板为十字形金属板，所述十字形金属板占据所述感应电极阵列的中间行及中间列。

3.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述金属板的尺寸与所述感应电极阵列的大小相关。

4.如权利要求2所述电路，其特征在于，所述金属板的尺寸与所述感应电极阵列的大小相关。

5.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述金属板与所述感应电极集成一个感应芯片，所述感应芯片通过具备相对介电常数的绝缘层封装，所述绝缘层具备的相对介点常数的取值范围为4～20。

6.如权利要求2所述电路，其特征在于，所述金属板与所述感应电极集成一个感应芯片，所述感应芯片通过具备相对介电常数的绝缘层封装，所述绝缘层具备的相对介点常数的取值范围为4～20。

7.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述门限信号产生电路包括配置电路及电阻网络电路，所述配置电路用于控制所述电阻网络电路输出不同的门限信号。

8.如权利要求7所述电路，其特征在于，所述电阻网络电路包括多个可调电阻，所述多个可调电阻串联形成串联电路，所述串联电路的一端与输入电平连接，所述串联电路的另一端与地连接，所述配置电路的输出端与所述多个可调电阻中的任一个可调电阻的调节端连接。

9.如权利要求1-8任一项所述电路，其特征在于，所述低频振荡电路为环形振荡器、弛张振荡器或LC振荡器中的任意一种。

10.如权利要求1-8任一项所述电路，其特征在于，所述低频振荡电路的频率范围为100HZ～100KHZ。

11.如权利要求1-8任一项所述电路，其特征在于，所述电容探测电路为比较器。

12.一种指纹检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述指纹检测电路。