CN106462765A - 具有像素内光学传感器的指纹传感器 - Google Patents

Abstract

一方面，一种指纹检测的指纹传感器装置包括用于以一波长发光的光源。所述指纹传感器装置包括传感器像素阵列，以获取表示指纹的光学图像。每个传感器像素包括光检测器，以检测目标手指反射的发射光，并基于检测到的反射光输出光信号。每个传感器像素包括准直器，设置在所述光检测器之上，以引导从所述光检测器上方到所述光检测器的大致垂直方向的所述反射光。每个传感器像素包括传感器信号检测电路，通信耦合到所述光检测器，以获取输出的所述光信号。

Description

具有像素内光学传感器的指纹传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月24日提交的，申请号为14/583,048的美国专利申请的优先权，以及2014年11月12日提交的，申请号为62/078,427的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本专利文件涉及指纹传感器。

背景技术

电子装置包括便携式计算装置或移动计算装置，如笔记本电脑，平板电脑，智能手机和游戏系统，这些电子装置可以采用用户认证机制保护个人数据，并防止未经授权的访问。电子装置上的用户认证可以通过一种或多种形式的生物标识符实现，其可单独使用或者附加于常规密码认证方法使用。生物标识符的普遍形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置于电子装置，以读取用户的指纹图案，使得装置可以由装置的授权用户通过该授权用户的指纹图案的认证进行解锁。

发明内容

本专利文件描述的实现方式的示例提供了指纹传感器设计，这些指纹传感器设计使用光学传感器感测指纹，或者使用光学传感器与另一类型的指纹传感器，如电容传感器，的组合以感测指纹。描述的指纹传感器设计可以在各种装置，系统或应用中使用，并且可以被配置为尤其适合移动应用，以及各种可穿戴或便携式装置。

一方面，一种指纹检测的指纹传感器装置包括用于以一波长发光的光源。所述指纹传感器装置包括传感器像素阵列，以获取表示指纹的光学图像。每个传感器像素包括光检测器，以检测目标手指反射的发射光，并基于检测到的反射光输出光信号。每个传感器像素包括准直器，设置在所述光检测器之上，以引导从所述光检测器上方到所述光检测器的大致垂直方向的所述反射光。每个传感器像素包括传感器信号检测电路，通信耦合到所述光检测器，以获取输出的所述光信号。

所述指纹传感器可以以各种方式实现，以包括一个或多个以下特征。所述光检测器可以包括发光二极管。所述准直器可以包括金属电极，所述金属电极被构造成通过所述金属电极形成孔。所述准直器可以包括光纤束。所述传感器像素阵列可以与手指的触摸部分电容耦合，形成指纹关联电容器阵列，所述指纹关联电容器阵列具有表示指纹的电容值。每个传感器像素可以包括导电电极，其可以电容耦合到所述手指的所述触摸部分的局部部分，形成输出电容信号的指纹关联电容器。每个传感器像素可以包括传感器切换电路，以在所述传感器信号检测电路电连接到所述光检测器和所述传感器信号检测电路电连接到所述导电电极之间切换。所述传感器切换电路可以包括积分器，其电耦合到所述传感器切换电路，存储与所述指纹关联电容器相关联的电荷，以响应用户的手指的触摸。所述积分器可以包括参考电压发生器，以生成参考电压。所述积分器可以包括放大器，该放大器包括正输入端，其电耦合到所述参考电压发生器，以接收所述参考电压；负输入端，其电耦合到所述传感器切换电路；以及所述放大器的输出端。积分电容器可以在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间电耦合。并且，复位开关可以在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间电耦合。所述参考电压发生器可以改变产生的所述参考电压。所述参考电压发生器可以包括数模转换器，以改变产生的所述参考电压。与所述指纹关联电容器相关联的所述电容信号可以表示手指的脊或谷的信息。

另一方面，一种指纹识别的指纹传感器装置包括传感器像素电路阵列，其设置形成电连接的传感器像素电路组，用于采集手指的触摸部分的指纹图案。所述阵列中的每个传感器像素电路包括以一波长发光的光源。每个传感器像素电路包括光检测器，以检测所述手指的所述触摸部分反射的发射光。每个传感器像素电路包括导电电极，其电容耦合到所述手指的所述触摸部分的局部部分，形成指纹关联电容器。所述导电电极大致设置在所述光检测器上方，被构造成通过所述导电电极形成孔，以大致准直从所述导电电极上方到所述光检测器的垂直方向的所述反射光。

所述指纹传感器装置可以以各种方式实现，以包括一个或多个以下特征。所述阵列中的每个传感器像素电路可以包括传感器切换电路，以在传感器信号检测电路电连接到所述光检测器和所述传感器信号检测电路电连接到所述导电电极之间切换。所述传感器信号检测电路可以当通过所述传感器切换电路电连接到所述光检测器时获取来自所述光检测器的光信号，以及当电连接到所述导电电极时获取来自所述导电电极的电容信号。所述传感器信号检测电路可以包括积分器，以存储与带电的指纹关联电容器相关联的电荷，以响应用户的手指的触摸。所述积分器可以包括参考电压发生器，以生成参考电压。所述积分器可以包括放大器，该放大器包括正输入端，其电耦合到所述参考电压发生器，以接收所述参考电压；负输入端，其电耦合到所述传感器切换电路；以及所述放大器的输出端。积分电容器可以在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间电耦合。并且，复位开关可以在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间电耦合。所述指纹传感器装置可以包括控制模块，其耦合到每个传感器像素电路中的所述传感器切换电路。所述控制模块可以生成控制信号，以控制所述阵列中的每个传感器像素电路并行地集成所述阵列中的每个传感器像素电路中的输出信号。

另一方面，一种由指纹传感器装置执行的方法，包括所述指纹传感器装置中的传感器像素电路阵列检测与来自表示指纹扫描的手指的触摸相关联的电容。所述方法包括所述指纹传感器装置中的所述传感器像素电路阵列检测与被所述手指反射的光相关联的光信号；以及响应检测到的所述电容和所述光信号，所述传感器像素电路阵列输出输出信号。

所述方法可以以各种方式实现，以包括一个或多个以下特征。所述方法可以包括处理所述输出信号，以进行指纹识别。处理所述输出信号可以包括处理所述输出信号，以获取所述指纹的光学图像和所述指纹的电容图像。所述方法可以包括存储获取的所述光学图像和所述电容图像作为两种登记的指纹图像，用于在指纹识别过程中比较扫描的指纹。所述处理所述输出信号可以包括使用所述光学图像恢复所述电容图像中的指纹的脊的信息。

附图说明

图1A是示出根据公开的技术实现光学传感器的一种示例性指纹传感器装置的框图。

图1B是示出一种示例性光检测器装置的布局的框图。

图2是示出具有使用光纤束实现的准直器的一种示例性指纹传感器装置的框图。

图3A和3B示出了另一种示例性指纹传感器装置，其具有使用具有孔或开口的金属层实现的准直器，以窄化或聚焦朝向光检测器的光的传输。

图4A示出了一种示例性指纹传感器装置，其实现是对于每个传感器像素除光学传感器外还包含电容传感器。

图4B示出了一种示例性指纹传感器装置，其在传感器像素阵列中的每个传感器像素中结构地集成光学传感器与电容传感器。

图5是包含光学传感器和电容传感器的一种示例性混合型指纹传感器装置的俯视图。

图6A示出了一种示例性混合型指纹感测元件或像素的电路图。

图6B示出了另一种示例性混合型指纹感测元件或像素的电路图。

图6C示出了一种用于对来自混合型指纹感测元件或像素的传感器信号进行并行检测的示例性混合型指纹感测元件或像素的电路图。

图7A，7B，7C和7D示出了一种由包含光学传感器和电容传感器的混合型指纹传感器进行指纹感测的示例性过程的流程图。

具体实施方式

指纹感测在使用安全访问的移动应用和其他应用中有用。例如，指纹感测可以为移动装置提供安全访问并且确保包括在线购买的金融交易的安全性。包括适合于移动装置的鲁棒和可靠的指纹传感器特征是可取的。例如，移动装置中的指纹传感器有望具有小面积而且薄，以适应移动装置中非常有限的空间；包括保护盖板，以保护指纹传感器远离各种污染物，也是可取的。

虽然有许多不同类型的指纹传感器，该专利文件中描述的技术使用电容和光学类型。在电容指纹传感器中，由于感测电极和手指表面电容耦合，感测是基于测量感测电极和手指表面之间的电容进行的。随着电容传感器像素之上的保护盖板变得更厚，每个电容传感器像素感测的电场在空间中快速分散，导致传感器的空间分辨率急剧降低。与感测空间分辨率急剧降低相关，随着保护盖板厚度的增加，每个传感器像素接收到的传感器信号的强度显著降低。因此，当保护盖板的厚度超过某个阈值(例如，300微米)时，电容传感器提供感测指纹图案中所需的高空间分辨率，以及用可接受的精度可靠地分析感测到的指纹图案变得更加困难。指纹传感器也可以通过使用光学指纹传感器实现，光学指纹模块的厚度往往会导致光学指纹传感器过厚，并且光学指纹传感器的厚度往往使到移动电话装置的集成变得困难。

一方面，公开的技术提供了一种用于集成到移动装置内的超薄光学指纹传感器的指纹传感器设计。公开的技术的另一个方面，提供了一种混合型指纹传感器，包括像素化传感器阵列的每个感测像素中的光学传感器和电容传感器。

图1A是示出根据公开的技术实现光学传感器的一种示例性指纹传感器装置100的框图。图1A所示的示例性指纹传感器装置100的硬件结构可以构造成提供超薄指纹传感器，有望在移动装置或其他可穿戴或便携式装置中进行指纹感测。指纹传感器装置100包括光学感测装置或光检测器装置106，在由一个或多个如内置于指纹传感器装置100的发光二极管(LED)108和110的光源发出光的照明下，以检测从手指反射，散射或漫射的光。光检测器装置106可以实施为包括光学检测器的光检测器阵列，光学检测器作为具有关联信号处理电路的光学感测像素。每个光学感测像素可以包括一个或多个光检测器，如光电二极管。光检测器阵列106可以以各种尺寸实现，具体尺寸取决于有源指纹感测区所需的大小，例如，在一些应用中的96×96，72×128，或96×192阵列。光学准直器层104设置在光检测器装置106之上，构造为收集和准直或聚焦接收到的光(包括接收到的垂直方向上的光)到底层光检测器装置106的光检测器上。在实现方式中，该光学准直器层104可以包括分别对应于光检测器阵列106中的光检测器的各准直器的阵列，一个准直器对应一个光检测器。在图示的示例中，LED光源108和110与准直器层104放置在同一层，并且位于光检测器装置106的光检测器的外围区域。包括至少部分透光的硬质材料(例如，蓝宝石及其他)的盖板102，设置在准直器层104和LED光源108和110之上。当指纹传感器装置100安装在移动装置上时，盖板102可以与该指纹传感器装置100集成，并且与移动装置的盖板齐平或一样高或紧挨移动装置的盖板。在将指纹传感器装置100安装在移动装置的盖板下面的装置中，超薄指纹传感器装置100的盖板102可能不必要，因此可以除去。

放置光源108和110为照亮位于指纹传感器装置100的上方或与指纹传感器装置100接触的手指，使得由手指反射，散射或漫射的光可以由准直器层104收集并且可以由光检测器装置106检测。指纹传感器装置100中包括的光源数量可以变化，并且可以例如，根据所需的光量来确定，以用所需的检测灵敏度或图像分辨率进行光学感测。LED光源108和110可以设置在准直器的周围，向触摸或放置在盖板102之上的物体(例如，手指)发光。射出的光在被物体反射后，该射出的光被导回到指纹传感器装置100。设置准直器层104，且准直器层104被构造成聚焦垂直方向的光(例如，物体反射的光)，并且大致上阻止来自其它方向的光，包括来自LED光源108和110的水平方向，邻近水平方向或与垂直方向形成大角度的方向的直接射向光电二极管阵列106的光。

图1B是示出示例性光检测器装置106的布局的框图，其中示出了，例如，各光检测器或光感测像素。图1B中所示的具体示例表示具有关联信号处理电路124的96×96的光电二极管阵列122，如一列模拟-数字转换器(ADC)124。此外，传感器装置处理器耦合到ADC124，并处理来自光学感测像素的像素输出信号，以提取指纹信息。阵列122中给定的一行光电二极管传感器可以与ADC 124中的一个关联以及通信。对于移动装置应用，阵列122中给定的光电二极管126的示例性尺寸可以尽可能的小，如50微米长(128)乘以50微米宽(130)。对于50微米×50微米的光电二极管的阵列122，该阵列122的宽度可以是50微米×96个光电二极管＝4.8毫米＝0.189英寸＝～500像素每英寸(ppi)。类似地，阵列122的长度或深度可以是50微米×96个光电二极管＝4.8毫米＝0.189英寸＝～500ppi。

准直器层104可以通过使用各种结构来实现以聚焦所需方向上，例如，垂直方向，向光检测器入射的光。图2是示出具有使用光纤束实现的准直器层104的示例性指纹传感器装置200的框图。与图1A所示的指纹传感器装置100类似，指纹传感器装置200包括光检测器208(例如，光电二极管)的阵列和准直器层，该准直器层包括设置在光检测器208之上的准直器206的阵列，准直器206将所需方向(例如，垂直方向或接近垂直方向)的光210导向光检测器208，以及设置在准直器206之上的可选盖板204。在图2的具体示例中，对于每个光检测器208，将一个光纤束的光纤用作准直器206，以使用光纤束中光纤的顶端面收集入射光，并使用光纤束中的光纤以引导或导向收集的光210到相应的底层光检测器208。相应地，在本示例中，多束光纤形成了准直器阵列。

虽然未在图2中示出，一个或多个光源设置在准直器周围，为光检测器208提供充足的光，以检测并进行指纹图像的光学感测。光检测器208可以包括一个或多个光电二极管，以检测在被物体202，如手指反射后的，由一个或多个光源发出的光。在图2所示示例中，准直器206通过使用设置在垂直方向上的光纤束来实现，以窄化或聚焦沿朝向光检测器208的垂直方向的光纤束的反射光210的传输。也可以实施其他准直器设计。

图3A和3B示出了另一种示例性指纹传感器装置300，其具有使用具有孔或开口的金属层实现的准直器，以窄化或聚焦朝向光检测器的光的传输。与图1A和图2所示的指纹传感器装置100和200类似，指纹传感器装置300包括光检测器306的光检测器阵列和准直器304的准直器阵列，该准直器304设置在光检测器306之上，引导在所需方向(例如，垂直方向)朝向光检测器306的光312，以及设置在准直器304之上的可选盖板302。虽然未在图2中示出，一个或多个光源设置在准直器304周围，为光检测器306提供充足的光，以检测并进行指纹图像的光学感测。在实现方式中，每个光检测器306可以包括一个或多个光电二极管，以检测在被物体202，如手指反射后的，由一个或多个光源发出的光。在图3A和3B所示示例中，准直器304通过使用一个或多个金属层308实现，其构造成在一个或多个金属层308中形成孔或开口310，通过孔或开口310窄化或聚焦在垂直方向朝向光检测器306的反射光312的传输。如图3A和3B所示，两个或更多孔或开口310，被标记为“过孔”，为每个光检测器形成准直器。

在一些实现方式中，具有金属孔或开口310的准直器304可以通过在硅中设置一个或多个金属层实现，例如，通过建立彼此分离的金属壁以形成准直器。图3B是指纹传感器装置300的俯视图，示出了具有由金属壁形成的孔或开口310的金属层。

参见图2，3A和3B，准直器206中的光纤束和准直器304的金属层中的孔或开口310可以在接收输入光时，具有相对小的数值孔径(NA),使当保护盖板204和302的厚度厚时，置于保护盖板204和302上或上方的手指的指纹图像可以由光检测器208或306精确地保存或采集。准直器206和304被构造成，不用大幅降低图像对比度和图像的空间分辨率，就能够通过厚保护盖板(例如，与指纹传感器装置集成的可选盖板或移动装置上的盖板)获取目标图像。在图2，3A和3B中，盖板204和302可以通过使用至少可以通过盖板204和302部分透光的玻璃或其他电介质材料实现。

在公开的技术的另一方面，指纹传感器装置的每个感测像素可以是混合型感测像素，该混合型感测像素具有用于采集指纹信息的电容传感器的和用于采集指纹信息的光学传感器。图4A和4B示出了混合型感测像素设计的两个示例。

图4A示出了指纹传感器装置400的示例，该指纹传感器装置400对于采集指纹信息的每个传感器像素，除光学传感器外还包含电容传感器。通过结合电容传感器和光学传感器，光学传感器获得的指纹图像可以用来更好地解析电容传感器获得的3D指纹结构。为了说明目的，图4A中所示的结构表示传感器像素阵列中的一个传感器像素，并且每个传感器像素包括在同一像素中彼此紧邻设置的光学传感器402和电容传感器414。

光学传感器402包括光检测器408和准直器406，该准直器406设置在光检测器408之上，以窄化或聚焦来自手指202朝向光检测器408的反射光424。一个或多个光源，如LED(未示出)可以设置在准直器406的周围发光，该光被手指反射，作为反射光424，并向对应的光检测器408导向或聚焦，以采集手指202的指纹图像的一部分。准直器406可以通过使用如图2所示的光纤束或使用如图3A和3B所示的具有孔或开口310的一个或多个金属层308来实现。图4A示出了通过使用具有孔或开口412的一个或多个金属层410实现的准直器406。

在每个感测像素的电容感测部分中，电容传感器414包括电磁耦合到手指的一部分的电容传感器板416，该手指的一部分要么在感测像素附近要么与感测测像素接触，以进行电容感测。更具体地，当手指202与可选盖板404或与实现指纹传感器装置400的移动装置上的盖板接触或大致接时，电容传感器板416和手指202相互作用作为一个或多个电容元件422的两个板。电容传感器板416的数量可以基于电容传感器414的设计而变化。电容传感器板416可以通过使用一个或多个金属层实现。电容传感器板416通信耦合到电容传感器电路420，使得电容传感器电路420可以处理来自电容传感器板416的信号，以获得表示3D指纹结构的数据。布线材料或屏蔽材料可以设置在电容传感器板416和电容传感器电路之间，以电屏蔽金属板416。电容传感器电路420可通信耦合到电容传感器板416和光检测器408，以处理来自电容传感器板416的信号和来自光检测器408的信号。

在图4A中，每个混合型感测像素内的电容传感器与光学传感器毗邻并且相互错开，在空间上没有重叠。图4B示出了指纹传感器装置430的另一示例，该指纹传感器装置430用传感器像素阵列中的空间重叠配置在每个混合型传感器像素中结构地集成光学传感器和电容传感器，以减少每个混合型感测像素的覆盖区。指纹传感器装置430包括半导体基板431，如硅。在基板431的上方设置有多个感测元件或感测像素439。每个感测元件或感测像素439包括有源电子电路区域432，该有源电子电路区域432包括用于处理传感器信号的CMOS开关，放大器，电阻器和电容器。每个感测像素或感测元件439包括设置在或嵌入在有源电子电路区域432的光检测器433。用于电容感测的电容传感器的电容传感器板或顶电极434设置在光检测器433的上方，并且包括在传感器板434上的孔或开口438，也起到光的准直器的作用，用于将光导向到光检测器433上。用导电材料填充的过孔435设置为将顶电极434电连接到有源电路元件432。通过调整开口或孔同时调整顶电极434与光检测器433之间的距离，可以调节光检测器(例如，光电二极管)433的光收集角度437。指纹传感器装置430由保护盖板436覆盖，保护盖板436包括如蓝宝石，玻璃等的硬质材料。光检测器433的光收集角度437可以设计以保持由光电二极管阵列收集的图像的空间分辨率。光源440，如LED，置于指纹传感器装置430的侧面，盖板之下发光，该光被手指反射并被导向光检测器433，以采集指纹图像。当手指触摸或大致接近保护盖板时，手指和感测顶电极434一起在人体和感测顶电极434之间形成电容耦合(例如，电容器442)。包括光学传感器和电容传感器的指纹传感器装置430，既可以获取指纹的光反射图像，也可以获取电容耦合图像。感测顶电极434有双重目的：1)为了电容感测，2)作为准直器(通过在感测顶电极434上制造一个或多个孔)以引导，窄化或聚焦来自手指朝向光检测器433的反射光。重复使用感测顶电极434消除了对附加金属层或光纤束的需要，因此减少了每个像素的尺寸并相应地减少了指纹传感器装置430的整体尺寸。

图5是每个混合型感测像素中既包含光学传感器又包含电容传感器的示例性混合型指纹传感器装置500的俯视图。指纹传感器装置500作为CMOS硅芯片521实现，该CMOS硅芯片521包括混合型(既包含光学传感器又包含电容传感器)感测元件或像素522的阵列。感测元件的大小或尺寸，例如，可以在25微米到250微米的范围内。混合型传感器装置500可以包括支撑电路的阵列，其包括侧面区域524中的放大器，ADC和缓冲存储器。此外，混合型传感器装置500可以包括用于线键合或凸起键合的区域525。混合型传感器元件522的顶层526可以包括用于电容感测的金属电极。一个或多个开口或孔523可以在每个顶金属电极23上制造，结构上作为准直器，用于引导垂直方向上的光照射到顶电极下的光检测器上。因此，顶层526的结构可以用作光学感测和电容感测的双重目的。提供的传感器装置处理器可以处理来自混合型感测像素的像素输出信号，以提取指纹信息。

除了共享相同的结构用于电容感测和作为准直器用于聚焦垂直方向上的光，传感器信号检测电路的一个实例可以在光学传感器和电容传感器之间共享，以检测来自光检测器和电容传感器板的传感器信号。

图6A示出了对指纹具有电容感测和光学感测功能的示例性混合型指纹感测元件或像素600的电路图。示例性传感器像素600包括传感器信号检测电路616，以选择性地在基于电容感测检测或获取传感器信号的感测顶电极(例如，顶金属层)608和基于光学感测的光检测器(例如，光电二极管)614之间切换，以从光检测器614获取来自手指的反射的光学图像以及从电容传感器电极608获取来自手指的电容耦合的图像。在一些实现方式中，如图6A中具体示出的一个示例，每个混合型感测像素中来自两个感测机制的两个图像可以由传感器信号检测电路611串行地进行处理。在图示的示例中，开关610和612具有分别电耦合到感测顶电极608和光检测器614的第一端，和耦合到传感器信号检测电路616的公共输入端的第二端，以向传感器信号检测电路616提供相应的来自光检测器614的光学检测器信号和来自感测顶电极608的电容感测信号。当开关610断开(CAP_EN＝0)并且开关612接通(Optical_en＝1)时，传感器信号检测电路616获取光学检测器信号，该光学检测器信号表示在特定混合型感测像素处接收到的扫描的指纹的光学图像。当开关610的CAP_EN＝1并且Optical_en＝0时，传感器信号检测电路616可以获取电容传感信号，该电容传感信号表示扫描的指纹的电容图像。光学图像和电容图像都获取之后，图像可以在下游电路分开处理也可以组合处理，以识别指纹特征。

对于上述混合型感测像素的两种成像方式，指纹识别的性能可以通过采用不同方式使用两种类型的图像增强。这种增强的指纹识别可以由传感器装置处理器实现，如传感器装置处理器621，用于处理来自混合型感测像素的像素输出信号，以提取指纹信息。例如，电容图像可以提供关于指纹特征的脊和谷的深度的3D图像。补充3D电容图像，光学图像可以提供关于指纹特征的高分辨率2D信息。具有更高空间分辨率的光学2D图像可以用来恢复电容感测图像分辨率，由于指纹的相同脊的二者图像信息。在一些实现方式中，其中与光学感测方法相比，电容感测方法可以更灵敏和准确地识别指纹的谷，使用电容感测方法获取的图像的空间分辨率会基于盖板的厚度而降低。电容感测的这一方面可以通过光学感测来补充。在操作中，传感器响应可以固定，并且电容传感器的点扩散功能可以对所有传感器位置固定。更高分辨率的光学感测可以用作分辨率恢复方法，可以用在电容感测图像上以提高3D图像分辨率。来自光学感测的部分高分辨率图像可以用来帮助恢复方法。因此，通过基于高分辨率2D图像的内插或恢复，可以增强3D电容图像，以提供谷和脊的更多信息。

增强的3D图像可以提供改进的指纹识别和匹配。在另一示例中，光学图像和电容图像可以一起存储，以在每次进行指纹识别或匹配时提供两个的比较。使用两种类型的图像用于比较增强了指纹感测系统的准确性和安全性。

传感器信号检测电路616可以以各种方式通过使用许多不同的电路设计来实现。在一个示例中，可以实施积分器感测电路618，以存储脊和谷的触摸引起的电荷，或移动装置的盖板大致接近指纹传感器装置的盖板引起的电荷。包含的积分器电路618增强了信噪比(SNR)。积分器感测电路包括运算放大器622，以放大传感器信号，如电容相关信号或光学相关信号(例如，电压信号)，该传感器信号由示例性传感器像素600的感测顶电极608或光检测器614检测。包括导电材料如，多种金属的一种的感测顶电极608通过开关610电连接到放大器622的负或反相端628。感测顶电极608和手指202的局部表面起电容器Cf 602的相对板的作用。电容器Cf 602的电容，基于手指202的局部表面和感测顶电极608之间的距离‘d’也就是电容器Cf 602的两个板之间的距离而变化。电容器Cf 602的电容与电容器Cf 602的两个板之间的距离‘d’成反比。感测顶电极608与手指202的脊相对时的电容器Cf 602的电容比其与手指202的谷相对时的电容大。

此外，各种寄生或其他电容器可以在示例性传感器像素600中不同的导电元件之间形成。例如，寄生电容器CP 604可以在感测顶电极608和装置接地端605之间形成。装置接地端紧密耦合至地。另一电容器Cr 624可以在放大器622的输出导体和放大器622的负或反相端628之间形成，并对放大器622起反馈电容器的作用。此外，开关626可以在放大器622的输出和放大器622的负或反相端628之间耦合，以复位积分器电路618。

放大器622的正端电连接到激励信号Vref。激励信号Vref可以直接提供给每个传感器像素中的专用放大器的正端。通过直接给放大器622的正端提供激励信号Vref，示例性传感器像素600变为有源传感器像素。此外，直接给放大器622的正端提供激励信号Vref，消除了所有的传感器像素包括共同的激励电极的需要，这样减少了传感器芯片的半导体结构的导电(例如，金属)层。在一些实现方式中，基于传感器像素的设计，可以实施可选激励电极606以提高SNR。此外，通过直接给放大器622提供激励信号Vref 630，激励信号Vref 622不会直接施加到手指202，以避免对手指202进行潜在刺激或损伤。此外，当不使用直接给手指施加激励信号的激励电极时，指纹传感器装置的所有组件可以集成到单个封装的装置，并且整个指纹传感器装置可以设置在保护盖板玻璃之下。整个指纹传感器装置设置在保护盖板玻璃之下，保护指纹传感器装置不受可以潜在损坏指纹传感器的手指和其他外部元件的损害。

在图6A中，传感器像素600中传感器信号检测电路616(例如，放大器622的Vpo)的输出信号(光学输出信号和电容输出信号)电耦合到开关620，以将来自传感器像素600的输出信号Vpo选择地输出到包括过滤器的信号处理电路。开关620可以通过使用晶体管或其他切换机制来实现，并且开关620电耦合到控制器以控制开关620的切换。通过控制开关620，610和612，传感器像素阵列中的传感器像素可以选择性地在获取光信号和电容信号之间切换。在一种实现方式中，可以获取阵列中的每一排，行或列的传感器像素的光信号或电容信号，然后切换以获取该排，行或列的其他类型信号。光信号获取和电容信号获取之间的切换可以逐排进行。在另一实现方式中，可以获取阵列中的所有传感器像素或元件的一种类型的信号(电容信号或光信号)，然后切换以获取所有传感器像素或元件的其他类型的信号。这样，不同的信号类型的获取之间的切换可发生在整个阵列。可以实施两种类型传感器信号的获取之间的切换的其他变化。

图6B示出了另一种示例性混合型指纹感测元件或像素640的电路图。对于具有相同的附图标记的组件，在混合型指纹感测元件或像素640与混合型指纹感测元件或像素600中实质上是相同的。对于具有相同的附图标记的共同组件的描述，参考图6A的描述。

混合型指纹感测元件或像素640实现了感测顶电极608包括孔或开口642，孔或开口642起准直器的作用，以聚焦或窄化朝向光检测器614(例如，光电二极管)的反射光644。光检测器614可以放置或设置在通过使用感测顶电极608实现的准直器之下，以采集由准直器608聚焦的反射光644。

在一些实现方式中，可以包括传感器信号检测电路的分开的实例，用于光学和电容传感器并行地检测来自光检测器和电容传感器板的传感器信号。图6C示出了用于对来自光检测器和电容传感器板的传感器信号进行并行检测的示例性混合型指纹感测元件或像素650的电路图。对于具有相同的附图标记的组件，在混合型指纹感测元件或像素650与混合型指纹感测元件或像素640中实质上是相同的。对于具有相同的附图标记的共同组件的描述，参考图6A的描述。

为了对来自电容板与光检测器的传感器信号进行并行检测，混合型指纹感测元件或像素650包括分开的传感器信号检测电路616和617，分别通信耦合到感测顶电极608和光检测器624。传感器信号检测电路617的实现大致类似于传感器信号检测电路616。在一些实现方式中，可以设置开关610和612具有分别电耦合到感测顶电极608和光检测器614的第一端和分别耦合到传感器信号检测电路616和617的第二端，以分别向传感器信号检测电路616和617提供来自光检测器614的光学检测器信号和来自感测顶电极608的电容感测信号。当开关610和612一起接通或断开时，传感器信号检测电路616和617可以并行地对来自电容板608和光检测器614的传感器信号进行检测。当开关610和612彼此异相地接通和断开时，传感器信号检测电路616和617可以串行地对来自电容板608和光检测器614的传感器信号进行检测。此外，传感器装置处理器621可以直接或间接地通过开关620和621通信耦合到传感器信号检测电路616和617，以并行地或串行地处理来自电容板608和光检测器614所检测到的传感器信号。

在公开的技术的另一方面中，图1A，1B，2，3A，3B，4A，4B，5，6A和6B所描述的光学传感器可以通过测量反射光的强度随时间的变化来测量人的心跳，由于心跳和心脏脉动引起的手指血流的变化导致该反射光的强度随时间的变化。此信息包含在接收的光中，该接收的光由手指反射，散射或漫射，且由光学检测器信号携带。因此，光学传感器可用于多种功能，包括获取指纹的光学图像，和测量人的心跳。在实现方式中，传感器装置处理器用于处理一个或多个光学检测器信号，以提取心跳信息。这个传感器装置处理器可以是处理来自光学感测像素或混合型感测像素的像素输出信号以提取指纹信息的同一传感器装置处理器。

图7A，7B，7C和7D示出了一种由包含光学传感器和电容传感器的混合型指纹传感器进行指纹感测的示例性过程700的流程图。由指纹传感器装置形成的方法700包括指纹传感器装置中的传感器像素电路阵列检测与来自表示指纹扫描的手指的触摸相关联的电容(702)。该方法包括指纹传感器装置中的传感器像素电路阵列检测与被手指反射的光相关联的光信号(704)。该方法包括响应检测到的电容信号和光信号，传感器像素电路阵列输出输出信号(706)。处理输出信号，以进行指纹识别(708)。处理输出信号(708)包括处理输出信号，以获取指纹的光学图像和指纹的电容图像(710)。存储获取的光学图像和电容图像作为两种登记的指纹图像，用于在指纹识别过程中比较扫描的指纹(712)。处理输出信号(708)包括使用光学图像恢复电容图像中的指纹的脊的信息(714)。对于传感器像素电路阵列可以集成输出信号(716)。集成可以包括由阵列中所有的传感器像素电路并行地集成输出信号。

虽然本专利文件包含许多细节，但这些细节都不应解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是作为特征的描述，这些特征可以是特定于特定发明的特定实施例。在本专利文件中的单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以组合在单个实施例中实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地在多个实施例中实现，或在任何适合的部分组合中实现。此外，虽然上文描述的特征在某些组合和原始要求保护的组合中起作用，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中脱离，并且要求保护的组合可以导向到部分组合或部分组合的变形。

类似地，虽然在附图中以特定顺序对操作进行了描述，不应理解为这些操作需要以所示的特定顺序或以连续顺序执行，或需要以所有示出的操作执行，以达到期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例的各种系统组件的分离不应理解为要求在所有实施例中进行分离。

本专利文件仅描述了几个实现方式和示例，基于本专利文件中的描述和说明可以进行其他的实现，改进和变化。

Claims (23)

1.一种指纹检测的指纹传感器装置，其特征在于，包括：

光源，用于以一波长发光；以及

传感器像素阵列，用于获取表示指纹的光学图像，

每个传感器像素包括：

光检测器，用于检测目标手指反射的发射光，并基于检测到的反射光输出光信号；

准直器，设置在所述光检测器之上，以引导从所述光检测器上方到所述光检测器的大致垂直方向的所述反射光；以及

传感器信号检测电路，通信耦合到所述光检测器，所述传感器信号检测电路用于获取输出的所述光信号。

2.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述光检测器包括发光二极管。

3.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述准直器包括金属电极，所述金属电极被构造成通过所述金属电极形成孔。

4.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述准直器包括光纤束。

5.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述传感器像素阵列用于与手指的触摸部分电容耦合，形成指纹关联电容器阵列，所述指纹关联电容器阵列具有表示指纹的电容值，

每个传感器像素包括：

导电电极，电容耦合到所述手指的所述触摸部分的局部部分，形成输出电容信号的指纹关联电容器。

6.根据权利要求5所述的指纹传感器装置，其特征在于，包括：

传感器切换电路，用于在所述传感器信号检测电路电连接到所述光检测器和所述传感器信号检测电路电连接到所述导电电极之间切换。

7.根据权利要求6所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述传感器切换电路包括：

积分器，电耦合到所述传感器切换电路，存储与所述指纹关联电容器相关联的电荷，以响应用户的手指的触摸。

8.根据权利要求7所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述积分器包括：

参考电压发生器，用于生成参考电压；

放大器，包括：

正输入端，电耦合到所述参考电压发生器，以接收所述参考电压；

负输入端，电耦合到所述传感器切换电路；以及

所述放大器的输出端；

积分电容器，电耦合在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间；以及

复位开关，电耦合在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间。

9.根据权利要求8所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述参考电压发生器用于改变产生的所述参考电压。

10.根据权利要求9所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述参考电压发生器包括数模转换器，以改变产生的所述参考电压。

11.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，与所述指纹关联电容器相关联的所述电容信号表示手指的脊或谷的信息。

12.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其特征在于，还包括：

传感器处理器，用于接收所述传感器信号检测电路的输出，所述传感器信号检测电路的输出基于一个或多个传感器像素的所述光检测器的输出，并处理接收的输出以测量心跳。

13.一种指纹识别的指纹传感器装置，其特征在于，包括：

传感器像素电路阵列，设置形成电连接的传感器像素电路组，用于采集手指的触摸部分的指纹图案，所述阵列中的每个传感器像素电路包括：

光源，用于以一波长发光；

光检测器，用于检测所述手指的所述触摸部分反射的发射光；以及

导电电极，电容耦合到所述手指的所述触摸部分的局部部分，形成指纹关联电容器，其中所述导电电极大致设置在所述光检测器上方，所述导电电极被构造成通过所述导电电极形成孔，以大致准直从所述导电电极上方到所述光检测器的垂直方向的所述反射光。

14.根据权利要求13所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述阵列中的每个传感器像素电路包括：

传感器切换电路，用于在传感器信号检测电路电连接到所述光检测器和所述传感器信号检测电路电连接到所述导电电极之间切换；

其中所述传感器信号检测电路，用于当通过所述传感器切换电路电连接到所述光检测器时获取来自所述光检测器的光信号，以及当电连接到所述导电电极时获取来自所述导电电极的电容信号。

15.根据权利要求14所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述传感器信号检测电路包括：

积分器，存储与带电的指纹关联电容器相关联的电荷，以响应用户的手指的触摸。

16.根据权利要求15所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述积分器包括：

参考电压发生器，用于生成参考电压；

放大器，包括：

正输入端，电耦合到所述参考电压发生器，以接收所述参考电压；

负输入端，电耦合到所述传感器切换电路；以及

所述放大器的输出端；

积分电容器，电耦合在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间；以及

复位开关，电耦合在所述负输入端和所述放大器的所述输出端之间。

17.根据权利要求14所述的指纹传感器装置，其特征在于，包括：

控制模块，耦合到每个传感器像素电路中的所述传感器切换电路，所述控制模块用于生成控制信号，以控制所述阵列中的每个传感器像素电路并行地集成所述阵列中的每个传感器像素电路中的输出信号。

18.根据权利要求13所述的指纹传感器装置，其特征在于，还包括：

传感器处理器，用于接收传感器信号检测电路的输出，所述传感器信号检测电路的输出基于一个或多个传感器像素的所述光检测器的输出，并处理接收的输出以测量心跳。

19.一种操作指纹传感器装置以检测指纹的方法，其特征在于，所述方法包括：

所述指纹传感器装置中的传感器像素电路阵列检测与来自表示指纹扫描的手指的触摸相关联的电容；

所述指纹传感器装置中的所述传感器像素电路阵列检测与被所述手指反射的光相关联的光信号；以及

响应检测到的所述电容和所述光信号，所述传感器像素电路阵列输出输出信号。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，包括：

处理所述输出信号，以进行指纹识别。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，处理所述输出信号包括处理所述输出信号，以获取所述指纹的光学图像和所述指纹的电容图像。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，包括：

存储获取的所述光学图像和所述电容图像作为两种登记的指纹图像，用于在指纹识别过程中比较扫描的指纹。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，处理所述输出信号包括使用所述光学图像恢复所述电容图像中的指纹的脊的信息。