CN106529509B - 一种指纹传感器采集像素单元电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指纹传感器采集像素单元电路，包括指纹传感器采集阵列、指纹传感器、补偿电容以及补偿电压信号，所述的指纹传感器采集阵列包括第一像素点极板和第二像素点极板，所述的第一像素点极板和第二像素点极板分别与指纹传感器相连接，所述的补偿电压信号通过补偿电容与指纹传感器相连接。通过上述方式，本发明的指纹传感器采集像素单元电路，通过补偿电容来替代传统的内部电容，而此补偿电容又可以作为被动式检测的数据来源，通过这样的技术，可以同时在一种电路架构上实现主动式指纹采集和被动式指纹采集，另外，通过内置一个补偿电容，可以动态调节内部输出直流点电压，可以更好的适应后级处理电路，简化了后级电路的设计。

Description

一种指纹传感器采集像素单元电路

技术领域

本发明属于半导体指纹采集技术领域，涉及一种指纹采集单元和指纹传感器采集电路，尤其涉及一种具有高度可调整性的指纹采集电路。

背景技术

随着科技的进步，人们对自身信息的安全意识越来越强烈，随着Iphone5S推出带指纹识别的手指，让人们看到了指纹识别的技术带来的便利性。从技术成熟度上讲，指纹是现在最成熟的身份识别技术，指纹识别技术已经是公认的廉价、可小型化、可大规模量产的一种生物识别技术。生物识别技术有别于传统的密码和钥匙的识别技术，他具有唯一性、不好复制、高识别率，低误识率等优点，必然在一定范围内取代传统的身份认证技术。

指纹识别技术现在主流有两种。一种是光学式指纹识别技术，一种是半导体指纹识别技术。指纹识别技术在过去的20年间，两种技术都有各自的应用场合，但是随着移动设备的兴起，光学式不能够小型化和规模化的缺点越来越突出。现在在手机市场，主流是半导体式的指纹采集设备，在传统五金、锁具领域光学头依然占据了很大市场。但是，随着半导体指纹传感器设备的成本的降低，半导体传感器的市占率越来越高。

半导体传感器的原理是利用每个人的指纹的脊（Ridge）和谷（Valley）距离采集整列的距离不一样，而导致其电容不一样来实现手指指纹采集的。每个手指对应的指纹很半导体芯片比都是比较大的，为了采集指纹，需要在芯片内部做比较小的传感器阵列，类似于把人手指的指纹切分为很小的一个个小单元，分别采集每个小单元，每个小单元可以理解为一个像素点，通过对多个像素点的扫描采集，最后拼接成一幅完整的指纹。现有的技术一般分为主动式、被动式和浮动地(floating GROUND)采集原理。

现有技术中，一般都是基于一个像素点一个极板的采集方式，在主动式采集的时候额外需要一个内部电容，占据了本来就面积受限的像素点区的面积。如图1，是CN201510444445.3专利中的一个原理图，此原理需要一个C1电容。另外此电路对输出直流电无法动态控制，只能在后级处理电路中处理，增加了电路处理的难度。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种指纹传感器采集像素单元电路，采用了一个像素点多个极板的采集方式，并可以在不同应用场合自由切换主动式和被动式。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种指纹传感器采集像素单元电路，包括指纹传感器采集阵列、指纹传感器、补偿电容以及补偿电压信号，所述的指纹传感器采集阵列包括第一像素点极板和第二像素点极板，所述的第一像素点极板和第二像素点极板分别与指纹传感器相连接，所述的补偿电压信号通过补偿电容与指纹传感器相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述的第一像素点极板和第二像素点极板中的极板数目相等，第一像素点极板和第二像素点极板拼接成一个N*N的阵列。

在本发明一个较佳实施例中，所述的第一像素点极板和第二像素点极板中的极板数目为N^2/2个。

在本发明一个较佳实施例中，所述的指纹传感器采用运算放大器，所述的运算放大器为常规的单端普通运算放大器，或者为单端折叠共源共栅放大器，或者为其他常规的单端运算放大器，或者为常规的双端普通运算放大器，或者为双端折叠共源共栅放大器，或者为其他双端的单端运算放大器此运算放大器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的运算放大器的3db带宽不小于500KHz，直流增益不小于60db。

在本发明一个较佳实施例中，所述的补偿电容为寄生电容，由寄生效应产生，其电容大小与指纹采集的输入电容具有可比性，在数量级上为10^(-15)法拉数量级。

在本发明一个较佳实施例中，所述的补偿电压信号在采集的时候采用一定占空比的方波实现，一定占空比包括但不限于20%占空比或者30%占空比。

在本发明一个较佳实施例中所述的还包括外部激励信号，所述的外部激励信号在采集的时候采用一定占空比的方波实现，一定占空比包括但不限于20%占空比或者30%占空比。

本发明的有益效果是：本发明的指纹传感器采集像素单元电路，通过补偿电容来替代传统的内部电容，而此补偿电容又可以作为被动式检测的数据来源，通过这样的技术，可以同时在一种电路架构上实现主动式指纹采集和被动式指纹采集，另外，通过内置一个补偿电容，可以动态调节内部输出直流点电压，可以更好的适应后级处理电路，简化了后级电路的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1 是现有技术CN201510444445.3中的原理图；

图2是指纹采集像素点等效原理图；

图3是一个像素点具体实施实例及其等效图；

图4是补偿电容的构成；

图5是补偿电容的一个产生原理示意图；

图6是指纹采集等效电路图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例包括：

一种指纹传感器采集像素单元电路，包括指纹传感器采集阵列、指纹传感器6、补偿电容5以及补偿电压信号4，所述的指纹传感器采集阵列包括第一像素点极板2和第二像素点极板3，用于采集手指表面1的指纹，所述的第一像素点极板2和第二像素点极板3分别与指纹传感器6相连接，所述的补偿电压信号4通过补偿电容5与指纹传感器6相连接。

上述中，所述的第一像素点极板2和第二像素点极板3中的极板均由8个或者其他数目正方形或者其他形状组成；在版图绘制的时候极板数目需要相等，数目可以是N^2/2个，以保证传感器第一部分和第二部分在数目上是相等的，刚好可以拼接成一个N*N的阵列。

进一步的，所述的指纹传感器6采用运算放大器，此运算放大器可以为常规的单端普通运算放大器，也可以为单端折叠共源共栅放大器，也可以为其他常规的单端运算放大器，也可以为常规的双端普通运算放大器，也可以为双端折叠共源共栅放大器，也可以为其他双端的单端运算放大器此运算放大器，一般要求3db带宽不小于500KHz，直流增益不小于60db。

采集时候需要的一个补偿电容5，此补偿电容5为一个寄生电容Cp，由寄生效应产生，其大小一般与指纹采集的输入电容具有可比性，在数量级上为10^(-15)法拉数量级。

所述的补偿电压信号4在采集的时候采用一定占空比的方波实现，一定占空比是指20%占空比，30%占空比等，但不局限于这些列举的占空比。

本发明还可以包括外部激励信号7，此外部激励信号7一般由芯片内部产生，在作为主动式原理的时候采用此信号，此信号一般采用一定占空比的方波实现，一定占空比是指20%占空比，30%占空比等，但不局限于这些列举的占空比。

实施例：

图3是本发明中阐述第一像素点极板和第二像素点极板的的具体实施实例及其等效图。在图3中，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8组成了图2中的第一像素点极板2，B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8组成了图2中的第二像素点极板3。在图3中，A1和B1之间构成了一个电容，此电容由平板电容LOO和一个边界场电容C00组成。

在图4中，201表示了边界场电容C00，202表示了平板电容L00。其中C00是一个变化的电容，与手指放上有关，当C00有脊隔断其电场线时，其电容会变小；当C00处于谷线或者电场线不被隔断时，电容会比有脊线隔断时大。

图3中A1-A8在电气连接关系是连接在一起，B1-B8的电气连接关系也是连接在一起的。A1-A8等效于102，B1-B8等效于103。在等效关系中A1-A8的面积之和等于102所指示的A，B1~B8的面积之和等于103所指示的B。在图3中由A1-A8和B1-B8组成的图形构成一个像素点101。在图3中PIXEL_L一般等于PIXEL_V，PIXEL_L标志的是一个传感器像素点的水平长度，PIXEL_V标志的是一个传感器像素点的垂直长度。典型值可以按照500dpi来实现，以500dpi为一个实例，PIXEL_L=PIXEL_V=46um，在实际设计中，不局限于500dpi，也不局限于46um这个尺寸，101在电气连接关系上等效于104。

图5是补偿电容5的产生原理示意图。此寄生电容Cp是指图2中的补偿电容5。图5中的金属线301是版图布线在指纹传感器采集像素点旁边的一根金属线。在原理上，金属线301与A1和A2极板之间的电容只和等于寄生电容Cp。302标志电容Cp0是A1与金属极板301之间形成的电容，303标志电容Cp1，是A5与金属极板301之间形成的电容。

寄生电容Cp的大小调整可以通过两种方式：1）选取金属线301与指纹传感器金属极板所采用金属的层次。在半导体制造工艺中，一般都有2层以上的金属，作为一个实例，这里假设选取的半导体工艺金属总共三层，如果指纹传感器采集阵列的金属极板采集第三层金属制作，同时金属线301也采用第三层金属制作，则属于采用同一层金属，在其他情况相同的前提下，采用同一层金属，由于纵向间距最小，所以得到的等效电容就最大；如果指纹传感器采集阵列的金属极板采集第三层金属制作，同时金属线301也采用第二层金属制作，则属于采用不同层金属极板制作的实例，由于纵向间距大，所以得到的等效电容较小2）金属线301与指纹传感器像素点101横向间距。金属线301与指纹传感器像素点101的横向间距也直接影响寄生电容的大小，因为电容直接与距离成反比。

图5中是补偿电压信号4，加入到金属线301上，在采集的时候采用一定占空比的方波实现，一定占空比是指20%占空比，30%占空比等，但不局限于这些列举的占空比。

图6是指纹采集像素点的一个等效原理图。401的电容Cf0，是手指和手指探测极板102之间形成的电容，402的电容Cf1，是手指和手指探测极板103之间形成的电容。实际手指探测的垂直场电容为电容401和电容402之和为手指的垂直电场产生的电容。电容407由两个电容相加组成，一个是水平场电容，由An与Bn之间的Lmn和Vmn电容之和构成，假设其和为Cf1。另外就是由An与Bn板之间的的Cmn电容之和构成，假设其和为Cf2。则，Cf=Cf1+Cf2。其中，Cf1是恒定的，Cf2与脊谷深度和手指是否放上有关系。403为手指的等效阻抗。

在采用主动式指纹采集的时候，需要加入外部激励信号7，加入外部激励信号7的作用是检测垂直场电容Cf0和Cf1跟随脊谷的变化。在计算总位于分子的位置，另外加入也需要加入补偿电压信号4，补偿电压信号4注入到Cp，Cp上电荷大小本身与手指无关，不过由于此项位于分子，所以相当于一项平移项，可以调整输出的直流点，让输出结果稳定在后级信号处理电路可以接受的电压范围。Cf会随着脊谷的深度变化，与Cf0和Cf1趋势相反。Cf项在计算时位于分母，所以和Cf相比较之后，输出的结果更加的能体现脊谷的距离变化。

在被动式采集的时候，不需要加入外部激励信号7，也就是不跟踪垂直电场的电容变化，只跟踪水平电场和脊谷深度的关系，由于Cf和脊谷深度是有关系的，更确切的说在一定的距离范围内（150um）是正比例关系的，所以也可以进行指纹成像。

在图5中，采用了三个开关SW0，SW1和SW2，在应用实例中，可以让SW0和SW2相反，SW1和SW2同相位，可以实现一种实例的手指指纹采集。

本发明的指纹传感器采集像素单元电路与现有技术相比具体如下优点：

1.通过把一个像素点分割成多块小面积的传感器区，在两个传感器中间构建一个寄生电容，省去了主动式原理中的一个电容；

2.通过在内部区域加入一个补偿电压信号，可以在手指上不加信号的时候，也能调整采集的输出，提高指纹采集的灵活度；

3.此补偿电压信号和指纹传感器之间通过一个寄生电容连接，无需额外的电容；

4.此寄生电容上加入一个可调整的固定电压，可以调节输出的直流输出点电压；

5.此采集原理可以同时兼容被动式采集原理和主动式采集原理。

综上所述，本发明的指纹传感器采集像素单元电路，通过补偿电容来替代传统的内部电容，而此补偿电容又可以作为被动式检测的数据来源，通过这样的技术，可以同时在一种电路架构上实现主动式指纹采集和被动式指纹采集，另外，通过内置一个补偿电容，可以动态调节内部输出直流点电压，可以更好的适应后级处理电路，简化了后级电路的设计。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种指纹传感器采集像素单元电路，其特征在于，采用了一个像素点多个极板的采集方式，包括指纹传感器采集阵列、指纹传感器、补偿电容以及补偿电压信号，所述的指纹传感器采集阵列包括第一像素点极板和第二像素点极板，所述的第一像素点极板和第二像素点极板中的极板数目相等，第一像素点极板和第二像素点极板拼接成一个N*N的阵列，该阵列对应一个像素点，所述的第一像素点极板和第二像素点极板分别与指纹传感器相连接，所述的补偿电压信号通过补偿电容与指纹传感器相连接，还包括外部激励信号，所述的外部激励信号在采集的时候采用一定占空比的方波实现，一定占空比包括但不限于20%占空比或者30%占空比，所述的补偿电容为寄生电容，由寄生效应产生，其电容大小与指纹采集的输入电容具有可比性，在数量级上为10^(-15)法拉数量级。

2.根据权利要求1所述的指纹传感器采集像素单元电路，其特征在于，所述的第一像素点极板和第二像素点极板中的极板数目为N^2/2个。

3.根据权利要求1所述的指纹传感器采集像素单元电路，其特征在于，所述的指纹传感器采用运算放大器。

4.根据权利要求3所述的指纹传感器采集像素单元电路，其特征在于，所述的运算放大器的3db带宽不小于500KHz，直流增益不小于60db。

5.根据权利要求1所述的指纹传感器采集像素单元电路，其特征在于，所述的补偿电压信号在采集的时候采用一定占空比的方波实现，一定占空比包括但不限于20%占空比或者30%占空比。