CN106462761B - 电容式指纹传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种电容式指纹传感器，包括依序设置的第一极板层、第二极板层和第三极板层；其中，所述第一极板层与手指形成指纹电容，所述第一极板层和所述第二极板层之间还设置有至少一个第四极板层，所述第一极板层与所述第四极板层之间形成有第一寄生电容，所述第二极板层与所述第四极板层之间形成有第二寄生电容；并且，所述电容式指纹传感器还包括具有积分电容的积分器，所述第二极板层与第三极板层之间形成所述积分电容，其中所述第一寄生电容和所述第二寄生电容对所述积分电容不可见，且所述积分电容用于存储来自所述指纹电容的电荷。

Description

电容式指纹传感器

技术领域

本发明实施例涉及生物特征识别技术领域，尤其涉及一种电容式指纹传感器。

背景技术

由于指纹具有终身不变性、唯一性和方便性，因此可以提供较高级别的身份安全认证。在执行身份安全认证时，通常通过指纹传感器(又称Fingerprint Sensor)作为实现指纹自动采集的器件。

指纹传感器按传感原理主要分为光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频(RF)传感器等。

以半导体电容传感器为例，在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手指贴在其上与其构成了电容的另一面，由于手指指纹平面凸凹不平，凸点处对应脊，凹点处对应谷，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小不同，从而导致形成的电容的数值也不相同，将采集到的不同的电容的数值汇总，从而完成了指纹的采集。

但是，在进行指纹采集时，由于指纹传感器中的寄生电容，或者指纹电容中存在的基底电容，会在积分器输出产生一个较大的基底信号，该基底信号的大小至少为有效信号的100倍，在经过放大器放大处理后，基底信号远远大于有效信号，导致有效信号显得较小，同时基底信号放大后使得积分器容易达到饱和，进而导致积分器的输出动态范围较小。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例所解决的技术问题之一在于提供一种电容式指纹传感器，用以克服现有技术中的上述技术缺陷。

本发明实施例提供一种电容式指纹传感器，其包括：依序设置的第一极板层、第二极板层和第三极板层；其中，所述第一极板层与手指形成指纹电容，所述第一极板层和所述第二极板层之间还设置有至少一个第四极板层，所述第一极板层与所述第四极板层之间形成有第一寄生电容，所述第二极板层与所述第四极板层之间形成有第二寄生电容；并且，所述电容式指纹传感器还包括具有积分电容的积分器，所述第二极板层与第三极板层之间形成所述积分电容，其中所述第一寄生电容和所述第二寄生电容对所述积分电容不可见，且所述积分电容用于存储来自所述指纹电容的电荷

本发明实施例提供的电容式指纹传感器在第一极板层和第二极板层之间设置第四极板层，通过所述第四极板层使得所述第一寄生电容和所述第二寄生电容对所述积分电容不可见，同时使所述积分电容仅存储来自所述指纹电容的电荷，因此可以增加所述积分器的动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种典型的指纹传感器结构示意图；

图2为本发明实施例一指纹传感器结构示意图；

图3为本发明实施例二电容式传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例三中电容式指纹传感器的结构示意图；

图5为本发明实施例四电容式指纹传感器的结构示意图；

图6为本发明实施例五电容式指纹传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例六电容式指纹传感器的结构示意图；

图8为本发明实施例七电容式指纹传感器的俯视角度平面示意图。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

图1为一种典型的指纹传感器结构示意图；如图1所示，按照一层多晶硅六层金属(简称1P6M)生产的指纹传感器可以包括第N层金属101、第N-1层金属102、第N-2层金属103、第N-3层金属104，其中N表示指纹传感器制作工艺中的最上层金属，本实施例中，N等于6，第N层金属101即第6层金属，第N-1层金属102即第5层金属，第N-2层金属103即第4层金属，第N-3层金属104即第3层金属，而剩余的两层金属可以作为走线层或者其他电路的电极层。图1中，指纹传感器还包括积分器，积分器包括放大器224与积分电容C_i，用于对来自指纹电容的电荷进行积分处理。

其中，第N层金属101为一整片状的金属层，第N-1层金属102、第N-2层金属103、第N-3层金属104分别包括两片金属电极，手指与第N层金属101之间形成指纹电容C_f，第N层金属101与第N-1层金属102之间分别形成寄生电容C_p1、C_p4，其中由于第N-1层金属102中形成寄生电容C_p4的金属电极可接系统地V_gd，因此，寄生电容C_p4也可称为第N层金属101的对地电容。第N-1层金属102与第N-2层金属103之间分别形成寄生电容C_p2、C_p3、C_p5，第N-2层金属103与第N-3层金属104之间分别形成基底消除电容C_c、积分电容C_i。

图1所示的指纹传感器还包括多个开关S₁～S₆，其中，开关S₁、S₃、S₅的开关状态受第一时钟信号ck₁的控制而进行开关动作，开关S₂、S₄、S₆的开关状态受第二时钟信号ck₂的控制而进行开关动作。第一时钟信号ck₁与第二时钟信号ck₂可以分别为两项非交叠时钟信号。所述指纹传感器的一个积分处理周期包括当第一时钟信号ck1为高同时第二时钟信号ck2为低，以及当第一时钟信号ck1为低同时第二时钟信号ck2为高。

当第一时钟信号ck₁为高时，开关S₁、S₃、S₅导通，同时第二时钟信号ck₂为低，开关S₂、S₄、S₆断开，此时第N层金属101和第N-1层金属102、N-2层金属103和N-3层金属104都接到电源电压V_c，寄生电容C_p1、C_p2、以及基底消除电容C_c中电荷被全部泄放，即寄生电容C_p1、C_p2、以及基底消除电容C_c中的电荷为0；而指纹电容C_f、寄生电容C_p4的被充满电荷。第N-1层金属102中形成寄生电容C_p3的金属电极连接到电源电压Vc，由于放大器224虚短，所以第N-2层金属103中形成寄生电容C_p3的金属电极连接到共模电压V_m，此时寄生电容C_p3两端的电压相等，所以寄生电容C_p3中电荷被部分泄放。第N-1层金属102中形成寄生电容C_p5的金属电极连接固定电平的系统地V_gd，由于放大器虚短所以第N-2层金属103中形成寄生电容C_p5的金属电极连接到共模电压V_m，此时寄生电容C_p5的两个极板实际都是固定电平，寄生电容C_p5的电荷没有变化。

当第二时钟信号ck₂为高时，开关S₂、S₄、S₆导通，同时第一时钟信号ck₁为低，开关S₁、S₃、S₅断开，此时，寄生电容C_p1、C_p2、C_p4、基底消除电容C_c、指纹电容C_f中的电荷转移到积分电容C_i中，而寄生电容C_p3、C_p5中并不会有电荷转移到积分电容C_i，从而完成一次积分过程。

寄生电容C_p3、C_p5中并不会有电荷转移到积分电容C_i原因分别说明如下：

当第一时钟信号ck₁为高同时第二时钟信号ck₂为低时，第N-1层金属102中形成寄生电容C_p3的金属电极连接到电源电压Vc，由于放大器224虚短，导致第N-2层金属103中形成寄生电容C_p3的金属电极连接到共模电压V_m，所以寄生电容C_p3中电荷被部分泄放，引起积分器的输出电压V_o增加。当第一时钟信号ck₁为低同时第二时钟信号ck₂为高时，第N-1层金属102中形成寄生电容C_p3的金属电极连接到固定电平的系统地V_gd,而第N-2层金属103中形成寄生电容C_p3的金属电极连接到共模电压V_m，此时寄生电容C_p3引起积分器的输出电压V_o减小，而在一个积分处理周期内寄生电容C_p3引起积分器的输出电压V_o的变化量相互抵消，因此，对于积分器的输出电压V_o来说，寄生电容C_p3不会有影响。

第N-1层金属102中形成寄生电容C_p5的金属电极连接固定电平的系统地V_gd，由于放大器虚短所以第N-2层金属103中形成寄生电容C_p5的金属电极连接到共模电压V_m，共模电压V_m为固定电平，即寄生电容C_p5相对积分电容C_i被屏蔽，从而其不会有电荷转移到积分电容C_i。

上述积分过程后在积分器的输出电压增量ΔV_o可以通过公式(1)计算，为了表述简洁设电源电压为V_c、外部数模转换器(Digital-to-Analog Converter，简称DAC)的输出电压为V_d、共模电压为V_m、积分器的输出电压为V_o。

由上述公式(1)看出，积分器的输出电压增量ΔV_o与寄生电容C_p1、C_p2、C_p4有关，而由于C_p1、C_p2、C_p4的存在会产生较大的基底信号，每次指纹电容C_f产生的有效信号只有基底信号的1/1000～1/100，则会导致积分器在还未获得所需的信号量时就达到饱和，因此进一步导致积分器的动态范围较小。

因此在上述图1中旨在通过调节外部数模转换器DAC的输出电压V_d来抵消基底信号。但是，从公式(1)可看出，基底信号消除干净与否与寄生电容C_p1、C_p2、C_p4、基底消除电容C_c、共模电压V_m、外部数模转换器DAC的输出电压V_d均有关联。而在实际产品设计中，由于工艺的不同、版图摆放方式的偏差，会导致寄生电容C_p1、C_p2、C_p4发生较大的变化，从而影响外部数模转换器DAC的输出电压V_d的实际大小，甚至有可能出现外部数模转换器DAC的输出电压V_d无法覆盖寄生电容C_p1、C_p2、C_p4的变化，因此导致难以彻底消除基底信号，也即是指纹传感器的基底信号消除不够准确。

另外，在上述图1中，寄生电容C_p3是由第N-1层金属102与第N-2层金属之间金属电极耦合形成的寄生电容，虽然不会改变积分器的输出电压V_o，但是，寄生电容C_p3会导致积分器的输出电压V_o发生跳变。不考虑其它电容的影响，因此寄生电容C_p3在一次积分过程内，其在积分器的输出电压跳变δV_o由公式(2)给出。

有上述公式(2)看出，若寄生电容C_p3较大，则会导致积分器的输出电压跳变δV_o也就越大，进而也会进一步减小积分器的输出动态范围。

图2为本发明实施例一指纹传感器结构示意图；本实施例中，电容式指纹传感器包括：从上到下设置的第一极板层201、第二极板层202、第三极板层203，以及积分器204，积分器204包括积分电容214以及放大器224，用于对指纹从上到下电容的电荷进行积分处理。第一极板层201和第二极板层202之间设置有第四极板层205，其中，第一极板层201与第四极板层205之间形成有第一寄生电容C_1/p1′。

本实施例中，第四极板层205具体为一整片状的金属层，对应地，第一极板层201也为一整片装的金属层，第一极板层201和第四极板层205按照平行且正对的方式设置。

本实施例中，第一极板层201与手指形成指纹电容C_f，第二极板层202与第三极板层203形成积分电容214(又标为C_i)。具体地，第二极板层202包括至少一个第二金属电极212，在图1所示的实施例中，第二极板层202具体包括四个第二金属电极212，第三极板层203包括一个第三金属电极213。第二极板层202的其中一个第二金属电极212与第三金属电极213之间形成积分电容214，而第二极板层202的其他三个第二金属电极212作为走线层或者其他电路的金属电极。

第二极板层202与第四极板层205之间形成有多个第二寄生电容，比如，在图2所示的实施例中，第二极板层202中的四个第二金属电极212分别与第四极板层205形成四个第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′。

本实施例中，在积分器204积分的过程中，第一寄生电容C_1/p1′无电荷参与积分处理过程，第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′和C_2/p5′的电荷不会转移到积分电容214从而不会参与积分处理过程，而只有指纹电容C_f的电荷转移到积分电容214并参与积分器204的积分处理过程，因此，有效防止了第一寄生电容C_1/p1′以及第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′产生对应的基底信号，即减小了基底信号，避免了积分器204在还未获得所需的信号量时就达到饱和，进而增加积分器204的动态范围，详细原理请参见下述对本实施例电容式指纹传感器的原理性说明。

为具体实现本实施例的技术方案，本实施例中，电容式指纹传感器还可以包括：

第一开关电路200A，通过控制第一开关电路200A进行开关动作，使得第四极板层205上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，对应的，第一极板层201上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，从而使得第一寄生电容C_p1′对积分电容214不可见。

具体地，第一开关电路200A可以包括：第一开关201A和第二开关202A，第一开关201A接受第一开关控制信号的控制进行开关动作，第二开关202A接受第二开关控制信号的控制进行开关动作，以使第四极板层205上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，第一开关控制信号和第二开关控制信号相互反相。

本实施例中，第一开关控制信号具体可为第一时钟信号ck₁，第二开关控制信号具体可为第二时钟信号ck₂，第一时钟信号ck₁与第二时钟信号ck₂为两相非交叠时钟信号。

其中，第一开关201A的一端与电源电压V_c连接，第一开关201A的另一端与第二开关202A的一端连接后并与第四极板层205连接；第二开关202A的另一端与共模电压V_m连接。

为具体实现本实施例的技术方案，本实施例中，电容式指纹传感器还可以包括：

第二开关电路200B，通过控制第二开关电路200B的开关动作，使得第一极板层201上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，对应的，第一极板层201上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m。

具体地，第二开关电路200B可以包括第三开关203B和第四开关204B，第三开关203B接受第三开关控制信号的控制进行开关动作，第四开关204B接受第四开关控制信号的控制进行开关动作，以使第一极板层201上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，第三开关控制信号和第四开关控制信号相互反相。

本实施例中，第三开关控制信号可以复用第一开关控制信号，第四开关控制信号可以复用第二开关控制信号，即第三开关控制信号为第一时钟信号ck₁，第四开关控制信号为第二时钟信号ck₂。进一步地，第三开关203B一端连接电源电压V_c，第三开关203B的另一端与第四开关204B的一端连接后与第一极板层201连接，第四开关204B的另一端与积分器204的输入端连接。具体地，本实施例中，积分器204除了包括积分电容214外，还包括放大器224，放大器224具有正相输入端和反相输入端，正相输入端连接共模电压V_m，第四开关204B的另一端具体与放大器224的反相输入端连接。因此，第二极板层202中形成积分电容214的第二金属电极212与放大器214的输出端连接，即与积分器的输出端连接，使得积分器204的输出电压V_o加载到第二极板层202中形成积分电容214的第二金属电极212上，第三金属电极213与放大器214的反相输入端连接。

本实施例中电容式传感器的原理描述如下：

(1)当第一时钟信号ck₁为高电平，第一开关201A、第三开关203B导通，与此同时第二时钟信号ck₂为低电平，第二开关202A、第四开关204B断开，使得第一极板层201和第四极板层205均接电源电压V_c。此时,第一寄生电容C_1/p1′中的电荷为0，使得第一寄生电容C_1/p1′相对积分器204来说被屏蔽。与此同时，第二极板层202中各第二金属电极212连接共模电压V_m或者系统地V_gnd或者积分器的输出电压V_o，这些电压实质上均为固定电平，使得第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′相对积分器204来说被屏蔽，即第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′对积分电容214来说不可见。

(2)当第二时钟信号ck₂为高电平，第二开关202A、第四开关204B导通，与此同时第一时钟信号ck₁为低电平，第一开关201A、第三开关203B断开，使得第一极板层201和第四极板层205均接共模电压V_m。此时，第一寄生电容C_1/p1′中的电荷仍然为0，使得第一寄生电容C_1/p1′相对积分器204来说被屏蔽，即第一寄生电容C_1/p1′中无电荷参与积分处理。而与此同时，由于第二极板层202中各第二金属电极212连接共模电压V_m或者系统地V_gnd或者积分器204的输出电压V_o，这些电压实质上均为固定电平，使得第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′来说被屏蔽，即第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′对积分电容214来说不可见。因此，第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′中的电荷不会参与积分处理。

综上，由此可见，无论在上述情形(1)或者(2)时，第一寄生电容C_p1′的电荷均为0，从而第一寄生电容C_1/p1′中无电荷参与积分处理；而第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′中的电荷不会参与积分处理过程，因此，也就防止了第一寄生电容C_1/p1′以及第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′产生对应的基底信号，从而有效减小了基底信号，避免了积分器204在还未获得所需的信号量时就达到饱和，进而增加了积分器204的动态范围。

与此同时，由于不存在图1中的寄生电容C_p3，从而避免了积分器输出电压的跳变，进而进一步增加了积分器204的动态范围。

图3为本发明实施例二电容式传感器的结构示意图；如图3所示，本实施例中，当第一极板层201较厚时，第一极板层201的侧面可能会与第二极板层202和第三极板层203中任一或者多个金属电极分别形成第四寄生电容(未标示)，并且，第一极板层201的侧面也会分别与第四极板层205形成第五寄生电容C_5/p6′和C_5/p7′。因此，为了避免第一极板层201的侧面与第二极板层202、第三极板层203中任一或者多个分别形成第四寄生电容，以及为了使得第一极板层201侧面和第四极板层205形成的第五寄生电容C_5/p6′、C_5/p7′对积分器204不可见，本实施例对第四极板层205的结构进行改进，从而同时防止第四寄生电容和第五寄生电容产生对应的基底信号而影响积分器204的动态范围。

具体而言，与上述实施例2不同的是，本实施例中，第四极板层205包围第一极板层201，比如在上述图2的基础上单独增加一圈金属电极。具体地，请参阅图3，本实施例的第四极板层205的面积大于第一极板层201，并且在第四极板层205的边缘朝向第一极板层201的方向垂直延伸从而形成一金属电极圈，其中金属电极圈的顶部至少延伸至与第一极板层201的上表面平齐，从而实现第四极板层205的侧壁(即上述金属电极圈)包围第一极板层201。由于金属电极圈的存在，第一极板层201与第二极板层202、第三极板层203相互屏蔽，从而避免第一极板层201与第二极板层202、第三极板层203中任一或者多个分别形成第四寄生电容，同时类似第一寄生电容C_1/p1′中电荷为0的原理，第一极板层201的侧面与第四极板层205的侧壁之间形成的第五寄生电容C_5/p6′和C_5/p7′中的电荷也为0，使得第五寄生电容C_5/p6′、C_5/p7′中没有可参与积分器204积分处理的电荷，从而进一步增加积分器204的动态范围。

图4为本发明实施例三中电容式指纹传感器的结构示意图。如图4所示，与上述图1实施例不同的是，在本实施例中，电容式指纹传感器还包括基底消除电容C_c。进一步地，第二极板层202包括至少两个第二金属电极212，第三极板层203包括至少两个第三金属电极213。第二极板层202其中一个第二金属电极212与第三极板层203的一个第三金属电极213形成基底消除电容C_c，以消除基底电容产生的基底信号从而进一步增加积分器204的动态范围；并且，第二极板层202的另一个第二金属电极212与第三极板层203的另一个第三金属电极213形成积分电容214。

具体地，本实施例中，第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d，第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213的电压为共模电压V_m，以消除基底电容产生的基底信号从而进一步增加积分器204的动态范围。

进一步地，本实施例中，电容式指纹传感器还可以包括第三开关电路200C，第三开关电路200C接受第五开关控制信号和第六开关控制信号的控制进行开关动作，以使第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d，第五开关控制信号和第六开关控制信号相互反相。

本实施例中，第五开关控制信号和第六开关控制信号分别复用第一开关控制信号和第二开关控制信号，即第五开关控制信号和第六开关控制信号分别为第一时钟信号ck₁和第二时钟信号ck₂。

具体地，本实施例中，第三开关电路200C可以包括：

第五开关205C和第六开关206C，第五开关205C接受第五开关控制信号的控制进行开关动作，第六开关206C接受第六开关控制信号的控制进行开关动作，以使第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d。进一步地，本实施例中，第五开关205C的一端连接电源电压V_c，第五开关205C的另一端与第六开关206C的一端连接后与第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212电连接；第六开关206C的另一端与外部数模转换器DAC的输出电压V_d连接，以使第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212上的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d。

具体地，本实施例中，电容式传感器还可以包括：

第四开关电路200D，第四开关电路200D接受第七开关控制信号和第八开关控制信号的控制进行开关动作，以使得第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213上的电压为共模电压V_m。进一步地，本实施例中，第四开关电路200D包括第七开关207D和第八开关208D，第七开关207D的一端与共模电压V_m连接，第七开关207D的另一端与第八开关208D的一端连接后与第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213连接；第八开关208D的另一端与积分器204的输入端连接，具体与积分器204中放大器224的反相输入端连接。

本实施例中电容式传感器的原理描述如下：

(1)当第一时钟信号ck₁为高电平，第一开关201A、第三开关203B、第五开关205C、第七开关207D导通，与此同时第二时钟信号ck₂为低电平，第二开关202A、第四开关204B、第六开关206C、第八开关208D断开，使得第一极板层201和第四极板层205均接电源电压V_c,因此，第一寄生电容C_1/p1′中的电荷为0，使得第一寄生电容C_1/p1′相对积分器204来说被屏蔽。与此同时，第二极板层202中各第二金属电极212连接共模电压V_m或者系统地V_gnd或者积分器的输出电压V_o，这些电压实质上均为固定电平，使得第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′相对积分器204来说被屏蔽，即第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′对积分电容214来说不可见。

而对于积分消除电容C_c来说，第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212连接电源电压V_c，而第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213连接共模电压V_m，从而使得基底消除电容C_c被充满电荷。

(2)当第二时钟信号ck₂为高电平，第二开关202A、第四开关204B、第六开关206C、第八开关208D导通，与此同时第一时钟信号ck₁为低电平，第一开关201A、第三开关203B、第五开关205C、第七开关207D断开，使得第一极板层201和第四极板层205均接共模电压V_m，因此，第一寄生电容C_1/p1′中的电荷仍然为0，使得第一寄生电容C_1/p1′相对积分器204来说被屏蔽，即第一寄生电容C_1/p1′中无电荷参与积分处理。与此同时，由于第二极板层202中各第二金属电极212连接共模电压V_m或者系统地V_gnd或者积分器的输出电压V_o，这些电压实质上均为固定电平，使得第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′相对积分器204来说被屏蔽，即第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′对积分电容214来说不可见，因此，第二寄生电容C_2/p2′、C_2/p3′、C_2/p4′、C_2/p5′中的电荷不会参与积分处理。

而对于积分消除电容C_c来说，第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212连接外部数模转换器DAC的输出电压V_d，而第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213连接共模电压V_m，从而使得基底消除电容C_c中的电荷转移到积分电容214中，以消除基底电容产生的基底信号以进一步增加积分器204的动态范围。

图5为本发明实施例四电容式指纹传感器的结构示意图；如图5所示，本实施例中，当第一极板层201较厚时，第一极板层201的侧面可能会与第二极板层202和第三极板层203中任一或者多个分别形成第四寄生电容(未标示)，另外，第一极板层201的侧面也会与第四极板层205形成第五寄生电容C_5/p6′和C_5/p7′。

因此，为了避免第一极板层201与第二极板层202、第三极板层203中任一或者多个分别形成第四寄生电容，以及使得第一极板层201和第四极板层205形成的第五寄生电容对积分器204不可见，本实施例中，在图4所示的基础上第四极板层205进一步形成有一圈金属电极(即金属电极圈)以包围第一极板层201，具体结构与实施例二相类似，从而使得第一极板层201与第二极板层202、第三极板层203相互屏蔽，进而避免了第一极板层201与第二极板层202、第三极板层203中任一或者多个分别形成第四寄生电容。同时类似第一寄生电容C_1/p1′中电荷为0的原理，第五寄生电容C_5/p6′、C_5/p7′中的电荷也为0，因此第五寄生电容C_5/p6′、C_5/p7′无电荷参与积分处理。

图6为本发明实施例五电容式指纹传感器的结构示意图；如图6所示，与上述实施例的区别之一在于，本实施例中，第一极板层201和第二极板层202之间从上到下设置有两层第四极板层205，第一极板层201与相邻于第一极板层201的第四极板层205之间形成第一寄生电容C_1/p1′，第二极板层202的两个第二金属电极212分别与相邻于第二极板层202之间的第四极板层205之间形成第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′。并且上下相邻的第四极板层205之间形成第三寄生电容C_3/p8′。第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′、第三寄生电容C_3/p8′对积分电容214不可见，同时第一寄生电容C_1/p1′的电荷始终为0，即第一寄生电容C_1/p1′对积分电容214不可见。

可选地，本实施例中，电容式指纹传感器还包括上述实施例中的第一开关电路200A，通过控制第一开关电路200A进行开关动作，使得相邻于第一极板层201的第四极板层205的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，对应地，第一极板层201上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，使得第一寄生电容C_p1′对积分电容214不可见。

具体地，在本实施例中，第一开关电路200A包括：第一开关201A和第二开关202A，第一开关201A接受第一开关控制信号的控制进行开关动作，第二开关202A接受第二开关控制信号的控制进行开关动作，以使相邻于第一极板层201的第四极板层205的电压为电源电压V_c或共模电压V_m。其中，第一开关控制信号和第二开关控制信号相互反相，第一开关控制信号和第二开关控制信号可以分别为上述第一时钟信号和第二时钟信号。第一开关201A的一端与电源电压V_c连接，第一开关201A的另一端与第二开关202A的一端连接后并与相邻于第一极板层201的第四极板层205连接；第二开关202A的另一端与共模电压V_m连接。

可选地，本实施例中，电容式指纹传感器还包括上述第二开关电路200B，通过控制第二开关电路200B的开关动作，使得第一极板层201的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，相对应地，相邻于第一极板层201的第四极板层205上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m。

具体地，本实施例中，第二开关电路200B包括第三开关203B和第四开关204B，第三开关203B接受第三开关控制信号的控制进行开关动作，第四开关204B接受第四开关控制信号的控制进行开关动作，以使第一极板层201上的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，其中，第三开关控制信号和第四开关控制信号相互反相。第三开关控制信号和第四开关控制信号分别复用上述第一开关控制信号和第二开关控制信号，因而第三开关控制信号和第四开关控制信号分别为第一时钟信号ck₁和第二时钟信号ck₂。

可选地，在本实施例中，相邻于第二极板层202的第四极板层205上的电压为固定电平，比如为系统地V_gd，以使第三寄生电容C_3/p8′对积分电容214不可见。其中，相邻于第二极板层202的第四极板层205可以为一整片状的金属层。相邻于第二极板层202的电压为固定电平，使得第二寄生电容C_2/p4′、C_2/p5′相对积分器204来被屏蔽，实现第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′、第三寄生电容C_3/p8′对积分电容214不可见。

本实施例中，第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212的电压为电源电压V_c或共模电压V_m，第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d，因此可以消除基底电容产生的基底信号，以进一步增加积分器204的动态范围。

可选地，本实施例中，电容式指纹传感器还可以包括第三开关电路200C，与上述实施例不同的是，第三开关电路200C接受第五开关控制信号和第六开关控制信号的控制进行开关动作，以使第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d。

具体地，本实施例中，第三开关电路200C包括：第五开关205C和第六开关206C，第五开关205C接受第五开关控制信号的控制进行开关动作，第六开关206C接受第六开关控制信号的控制进行开关动作，以使第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d，第五开关控制信号和第六开关控制信号相互反相。

本实施例中，第五开关控制信号和第六开关控制信号分别复用上述第一开关控制信号和第二开关控制信号，因而第五开关控制信号和第六开关控制信号可分别为第一时钟信号ck₁和第二时钟信号ck₂。

具体地，本实施例中，第五开关205C的一端连接电源电压V_c，第五开关205C的另一端与第六开关206C的一端连接后与第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213电连接，第六开关206C的另一端与外部数模转换器DAC的输出电压V_d连接，以使第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213上的电压为电源电压V_c或外部数模转换器DAC的输出电压V_d。

本实施例中，第二极板层202中形成积分电容214的第二金属电极212与放大器224的反相输入端连接，第三极板层中形成积分电容214的第三金属电极213与放大器224的输出端连接，即与积分器204的输出端连接，以使积分器的输出电压V_o加载到形成积分电容214的第三金属电极213上。

图6中电容式指纹传感器的工作原理如下：

(1)当第一时钟信号ck₁为高电平时，第一开关201A、第三开关203B、第五开关205C导通，同时第二时钟信号ck₂为低电平，第二开关202A、第四开关204B、第六开关206C断开，第一电极板层201的电压为电源电压V_c,相邻于第一电极板层201的第四极板层205的电压同样为电源电压V_c，因此，第一寄生电容C_1/p1′的电荷为0。

另外，由于与第二极板层202相邻的第四极板层205的电压为系统地V_gd，即与固定电平连接，第三寄生电容C_3/p8′相对于积分电容214来说被屏蔽，即第三寄生电容C_3/p8′对积分电容214不可见。与此同时，第二极板层中形成基地消除电容C_c的第二金属电极212的电压为电源电压V_c，第二极板层202中形成积分电容214的第二金属电极212的电压为共模电压V_m，也即与固定电平连接，使得第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′相对积分电容214来说被屏蔽，即第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′对积分电容214不可见。

再者，第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213的电压为电源电压V_c，第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212的电压同样为电源电压V_c，因此基底消除电容C_c中的电荷为0。

(2)当第一时钟信号ck₁为低电平时，第一开关201A、第三开关203B、第五开关205C断开，同时第二时钟信号ck₂为高电平，第二开关202A、第四开关204B、第六开关206C导通，此时，第一电极板层201上的电压为共模电压V_m,相邻于第一电极板层201的第四极板层205的电压同样为共模电压V_m，因此，第一寄生电容C_1/p1′的电荷为0，即第一寄生电容C_1/p1′中无电荷参与积分器204的积分处理过程。

另外，由于与第二极板层202相邻的第四极板层205的电压为系统地V_gd，即与固定电平连接，因此第三寄生电容C_3/p8′相对于积分电容214来说被屏蔽，即第三寄生电容C_3/p8′对积分电容214不可见。

再者，第二极板层202中形成基地消除电容C_c的第二金属电极212的电压为共模电压V_m，也即与固定电平连接，第二极板层202中形成积分电容C_i的第二金属电极212的电压同样为共模电压V_m，也即与固定电平连接，使得第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′相对积分电容214来说被屏蔽，第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′中的电荷不会转移到积分电容214上，即第二寄生电容C_2/p4′和C_2/p5′对积分电容214不可见。

再者，第三极板层203中形成基底消除电容C_c的第三金属电极213的电压为外部数模转换器DAC的输出电压V_d，第二极板层202中形成基底消除电容C_c的第二金属电极212同样共模电压V_m，因此基底消除电容C_c中的电荷转移到积分电容214中参与积分处理，以消除基底电容产生的基底信号。

图7为本发明实施例六电容式指纹传感器的结构示意图；如图7所示，参照上述相关实施例，具体地，在图6所示的实施例中，如果第一极板层201较厚，第一极板层201的侧面可能会与第二极板层202、第三极板层203、相隔于第一极板层201的第四极板层205中任一或者多个分别形成第四寄生电容(未标示)，并且第一极板层201的侧面也会与相邻的第四极板层205形成第五寄生电容C_5/p6′和C_5/p7′。针对上述问题，如图7所示，本实施例提供的电容式指纹传感器在图6所示结构的基础上，相邻于第一极板层201的第四极板层205进一步形成有一圈金属电极(即金属电极圈)以包围第一极板层201，从而进一步增加积分器204的动态范围。其中，金属电极圈的具体结构与实施例二相类似，详细原理可参考上述相关实施例，在此不再赘述。

需要说明的是，在图6和图7实施例中，由于中间可以有2层第四电极层205，因此，积分器214的反相输入端和输出端连接的极板层可以相互互换。

图8为本发明实施例七电容式指纹传感器的俯视角度平面示意图；本实施例中，电容式指纹传感器可以为图3或者图5或者图7中的结构，与第一极板层201相邻的第四极板层205的金属电极圈环绕第一极板层201。

需要说明的是，上述实施例中引用的附图，仅仅是示意性质的，具体电路中各元器件的摆放可以与上述附图一致，也可以在保持实施例中的电路功能的基础上任意变换。

本申请的实施例所提供的装置可通过计算机程序实现。本领域技术人员应该能够理解，上述的单元以及模块划分方式仅是众多划分方式中的一种，如果划分为其他单元或模块或不划分块，只要信息对象的具有上述功能，都应该在本申请的保护范围之内。

本领域的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (25)

1.一种电容式指纹传感器，其特征在于，包括：依序设置的第一极板层、第二极板层和第三极板层；其中，所述第一极板层与手指形成指纹电容，所述第一极板层和所述第二极板层之间还设置有至少一个第四极板层，所述第一极板层与所述第四极板层之间形成有第一寄生电容，所述第二极板层与所述第四极板层之间形成有第二寄生电容；并且，所述电容式指纹传感器还包括具有积分电容的积分器，所述积分器还包括放大器，所述第二极板层与第三极板层之间形成所述积分电容，且所述积分电容用于存储来自所述指纹电容的电荷，其中，所述第二极板层的形成所述积分电容的一金属电极与所述放大器的输出端连接，所述第三极板层的形成所述积分电容的另一金属电极与所述放大器的反向输入端连接，使得所述第一寄生电容和所述第二寄生电容对所述积分电容不可见。

2.根据权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第四极板层为一整片状的金属层。

3.根据权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第二极板层包括至少一个第二金属电极，所述第三极板层包括一个第三金属电极，所述第二极板层的其中一个第二金属电极与所述第三金属电极之间形成所述积分电容。

4.根据权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，还包括基底消除电容，所述第二极板层包括至少两个第二金属电极，所述第三极板层包括至少两个第三金属电极，其中所述第二极板层的其中一个第二金属电极与所述第三极板层的一个第三金属电极形成所述基底消除电容；所述第二极板层的另一个第二金属电极与所述第三极板层的另一个第三金属电极形成所述积分电容。

5.根据权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，还包括：第一开关电路，所述第一开关电路通过其开关动作使得所述第四极板层的电压为电源电压或共模电压，且所述第一极板层的电压为所述电源电压或所述共模电压，以使得所述第一寄生电容对所述积分电容不可见。

6.根据权利要求5所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第一开关电路包括：第一开关和第二开关，所述第一开关接受第一开关控制信号的控制进行开关动作，所述第二开关接受第二开关控制信号的控制进行开关动作，以使所述第四极板层的电压为所述电源电压或所述共模电压，其中所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号相互反相。

7.根据权利要求6所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第一开关的一端与所述电源电压连接，所述第一开关的另一端与所述第二开关的一端连接后并与所述第四极板层连接；所述第二开关的另一端与所述共模电压连接。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的电容式指纹传感器，其特征在于，还包括：第二开关电路，所述第二开关电路通过其开关动作使得所述第一极板层的电压为电源电压或共模电压，且所述第四极板层的电压为所述电源电压或所述共模电压。

9.根据权利要求8所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第二开关电路包括第三开关和第四开关，所述第三开关接受第三开关控制信号的控制进行开关动作，所述第四开关接受第四开关控制信号的控制进行开关动作，以使所述第一极板层的电压为所述电源电压或所述共模电压，其中，所述第三开关控制信号和所述第四开关控制信号相互反相。

10.根据权利要求9所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第三开关一端连接所述电源电压，所述第三开关的另一端与所述第四开关的一端连接后与所述第一极板层连接，所述第四开关的另一端与所述积分器的输入端连接。

11.根据权利要求4所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第二极板层中形成所述基底消除电容的第二金属电极的电压为电源电压或外部数模转换器的输出电压，所述第三极板层中形成所述基底消除电容的第三金属电极的电压为共模电压。

12.根据权利要求11所述的电容式指纹传感器，其特征在于，还包括第三开关电路，所述第三开关电路接受第五开关控制信号和第六开关控制信号的控制进行开关动作，以使所述第二极板层中形成所述基底消除电容的第二金属电极的电压为所述电源电压或所述外部数模转换器的输出电压。

13.根据权利要求12所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第三开关电路包括：第五开关和第六开关，所述第五开关接受所述第五开关控制信号的控制进行开关动作，所述第六开关接受所述第六开关控制信号的控制进行开关动作，以使所述第二极板层中形成所述基底消除电容的第二金属电极的电压为所述电源电压或所述外部数模转换器的输出电压，其中，所述第五开关控制信号和所述第六开关控制信号相互反相。

14.根据权利要求13所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第五开关的一端连接所述电源电压，所述第五开关的另一端与所述第六开关的一端连接后与所述第二极板层中形成所述基底消除电容的第二金属电极电连接，所述第六开关的另一端与所述外部数模转换器的输出电压连接。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的电容式指纹传感器，其特征在于，还包括：第四开关电路，所述第四开关电路接受第七开关控制信号和第八开关控制信号的控制进行开关动作，以使得所述第三极板层中形成所述基底消除电容的第三金属电极上的电压为共模电压。

16.根据权利要求15所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第四开关电路包括第七开关和第八开关，所述第七开关的一端与所述共模电压连接，所述第七开关的另一端与所述第八开关的一端连接后与所述第三极板层中形成所述基底消除电容的第三金属电极连接；所述第八开关的另一端与所述积分器的输入端连接。

17.根据权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第一极板层和第二极板层之间设置有两个第四极板层，所述两个第四极板层分别与所述第一极板层和所述第二极板层相邻；其中，所述第一极板层与相邻于所述第一极板层的第四极板层之间形成所述第一寄生电容，所述第二极板层与相邻于所述第二极板层的第四极板层之间形成所述第二寄生电容，并且，所述两个第四极板层之间形成第三寄生电容，其中，所述第一寄生电容、所述第二寄生电容和所述第三寄生电容均对所述积分电容不可见。

18.根据权利要求17所述的电容式指纹传感器，其特征在于，还包括：第一开关电路，所述第一开关电路通过其开关动作使得相邻于所述第一极板层的第四极板层的电压为电源电压或共模电压，且所述第一极板层的电压为所述电源电压或共模电压。

19.根据权利要求18所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第一开关电路包括：第一开关和第二开关，所述第一开关接受第一开关控制信号的控制进行开关动作，所述第二开关接受第二开关控制信号的控制进行开关动作，其中，所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号相互反相；所述第一开关的一端与所述电源电压连接，所述第一开关的另一端与所述第二开关的一端连接后并与相邻于所述第一极板层的第四极板层连接；所述第二开关的另一端与所述共模电压连接。

20.根据权利要求17所述的电容式指纹传感器，其特征在于，还包括：第二开关电路，所述第二开关电路通过其开关动作使得所述第一极板层上的电压为电源电压或共模电压，且相邻于所述第一极板层的第四极板层的电压为所述电源电压或所述共模电压。

21.根据权利要求20所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第二开关电路包括第三开关和第四开关，所述第三开关接受第三开关控制信号的控制进行开关动作，所述第四开关接受第四开关控制信号的控制进行开关动作，其中，所述第三开关控制信号和所述第四开关控制信号相互反相；

所述第三开关一端连接所述电源电压，所述第三开关的另一端与所述第四开关的一端连接后与所述第一极板层连接，所述第四开关的另一端与所述积分器的输入端连接。

22.根据权利要求17所述的电容式指纹传感器，其特征在于，相邻于所述第二极板层的第四极板层的电压为固定电平，以使所述第二寄生电容和所述第三寄生电容对所述积分电容不可见。

23.根据权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述至少一个第四极板层包括朝向所述第一极板层延伸而成金属电极圈，所述金属电极圈包围所述第一极板层以将所述第一极板层与所述第二极板层和所述第三极板层进行屏蔽。

24.根据权利要求23所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述第一极板层的侧面和所述金属电极圈之间形成第五寄生电容，所述第五寄生电容对所述积分器不可见。

25.根据权利要求23所述的电容式指纹传感器，其特征在于，所述金属电极圈形成在与所述第一极板层相邻的第四极板层，且所述金属电极圈的顶部至少延伸至与所述第一极板层的上表面平齐。

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