CN106778462B - 指纹传感器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了指纹传感器及电子设备。指纹传感器包括多个传感电极，防护层及多个运算放大器。防护层与多个传感电极处于同一层，防护层围绕每个传感电极设置，防护层连接参考地，参考地用于加载变化的参考信号。每一运算放大器包括放大器和反馈支路；放大器包括同相端、反相端和输出端，反相端与对应的一个传感电极连接，反相端与输出端之间连接反馈支路，同相端直接或间接连接参考地，以使得多个传感电极和防护层之间的压差保持不变。上述指纹传感器中，当有静电放电现象发生在指纹传感器表面时，静电能量能够通过防护层泄放到参考地，这样可提高指纹传感器抗ESD的能力。传感电极和参考地之间的压差保持不变，这样也不会影响到指纹传感器的灵敏度。

Description

指纹传感器及电子设备
技术领域
本发明涉及指纹识别领域，更具体而言，涉及一种指纹传感器及电子设备。
背景技术
在相关技术中，随着指纹传感器在智能移动终端的普及，指纹传感器的需求量越来越大。指纹传感器作为一个人机接口，需要和人的手指和外界接触，静电放电(ESD)会直接进入到指纹传感器，容易造成指纹传感器内部元件的损坏。
发明内容
本发明实施方式旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施方式需要提供一种指纹传感器及电子设备。
一种指纹传感器，包括多个传感电极，防护层及多个运算放大器。防护层与该多个传感电极处于同一层，该防护层围绕每个该传感电极设置，该防护层连接参考地，其中，该参考地用于加载变化的参考信号。每一该运算放大器包括放大器和反馈支路；该放大器包括同相端、反相端和输出端，其中，该反相端与对应的一个该传感电极连接，且该反相端与该输出端之间连接该反馈支路，该同相端直接或间接连接到该参考地，以使得该多个传感电极和该防护层之间的压差保持不变。
上述指纹传感器中，当有静电放电现象发生在指纹传感器的表面时，静电的能量能够通过防护层泄放到参考地，因此，这样可以提高指纹传感器抗ESD的能力。同时，传感电极和参考地之间的压差保持不变，使得传感电极和参考地之间的寄生电容不会影响到指纹检测信号的采集，因此在提高抗ESD能力的同时，这样也不会影响到指纹传感器的灵敏度。
在一些实施方式中，该同相端上的信号与该防护层上的信号相同。
在一些实施方式中，该同相端上的信号与该防护层上的信号不同，且该同相端上的信号相对于该防护层上的信号保持不变。
在一些实施方式中，该同相端上的信号与该防护层上的信号均为该参考信号。
在一些实施方式中，该参考信号用于驱动该传感电极执行指纹感测。
在一些实施方式中，该同相端通过一信号源间接连接到该参考地，并接收来自该信号源的驱动信号，该驱动信号随该参考地上的信号的变化而变化。
在一些实施方式中，该驱动信号随该参考地上的信号的升高而升高、随该参考地上的信号的降低而降低。
在一些实施方式中，该驱动信号相对该参考信号保持不变。
在一些实施方式中，该参考地用于通过一调制电路连接到应用该指纹传感器的电子设备的设备地。
在一些实施方式中，该指纹传感器进一步包括该调制电路，该调制电路用于该设备地上的接地信号与一电压驱动信号对应产生调制信号，并提供该调制信号给该参考地。
在一些实施方式中，该指纹传感器为自电容式指纹传感器。
在一些实施方式中，该指纹传感器进一步包括信号处理电路，该信号处理电路与该输出端连接，并用于根据该输出端输出的指纹感测信号获得指纹信息。
在一些实施方式中，该防护层包括连接的多个防护环，每个防护环围绕每个该传感电极设置。
一种电子设备，包括如上任一实施方式所述的指纹传感器。
上述电子设备中，当有静电放电现象发生在指纹传感器的表面时，静电的能量能够通过防护层泄放到参考地，因此，这样可以提高指纹传感器抗ESD的能力。同时，传感电极和参考地之间的压差保持不变，使得传感电极和参考地之间的寄生电容不会影响到指纹检测信号的采集，因此在提高抗ESD能力的同时，这样也不会影响到指纹传感器的灵敏度。
本发明实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实施方式的实践了解到。
附图说明
本发明实施方式的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明指纹传感器的一实施方式的结构示意图。
图2是本发明指纹传感器的另一实施方式的结构示意图。
图3是本发明电子设备的一实施方式的平面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设定之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
进一步地，所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本发明的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本发明。
请参阅图1，本发明实施方式的一种指纹传感器100，包括多个传感电极102、防护层104及多个运算放大器106。
防护层104与多个传感电极102处于同一层，防护层104围绕每个传感电极102设置，防护层104连接参考地200。其中，参考地200用于加载变化的参考信号。
每一运算放大器106包括放大器108和反馈支路110，放大器108包括同相端V+、反相端V-和输出端VO，其中，反相端V-与对应的一个传感电极102连接，且反相端V-与输出端V0之间连接反馈支路110，同相端V+直接或间接连接到参考地200，以使得多个传感电极102和防护层104之间的压差保持不变。
因此，上述指纹传感器100中，当有静电放电现象发生在指纹传感器100的表面时，静电的能量能够通过防护层104泄放到参考地，因此，这样可以提高指纹传感器100抗ESD的能力。同时，传感电极102和参考地200之间的压差保持不变，使得传感电极102和参考地200之间的寄生电容不会影响到指纹检测信号的采集，因此在提高抗ESD能力的同时，这样也不会影响到指纹传感器100的灵敏度。
具体地，本发明实施方式的指纹传感器100为自电容式指纹传感器。
多个传感电极102可呈阵列式排布。在本实施方式中，所述多个传感电极102呈二维阵列式排布。然，可变更地，在其它实施方式中，所述多个传感电极102也可呈其它规则或非规则方式排布。
相邻两个传感电极102间形成有间隙112。间隙112可用于容纳防护层104。传感电极102可采用金属材料。防护层104可采用导电材料制成，防护层104与同一层的传感电极102绝缘。
例如，本发明实施方式中，防护层104位于间隙112中，使防护层104与传感电极102绝缘。在其它实施方式中，也可在防护层104与传感电极102之间的间隙填充绝缘材料使防护层104与传感电极102绝缘。
在本发明实施方式中，同相端V+上的信号与防护层104上的信号相同。较佳地，同相端V+上的信号与防护层104上的信号均为参考信号。如此，简化了指纹传感器100的指纹感测过程。
具体地，每个传感电极102可对应于手指的一部分，并与手指指纹之间形成耦合电容。例如，一些传感电极102分别与手指指纹的谷形成多个第一耦合电容，一些传感电极102分别与手指指纹的脊形成多个第二耦合电容。耦合电容上的对应的电压通过放大器108的输出端V0输出。通过检测输出端V0输出的电压，便能分辨出手指指纹的谷脊信息，进而实现指纹感测功能。
在指纹感测时，驱动信号(例如是脉冲信号)可通过参考地200输入到放大器108的同相端V+，由于放大器108虚短，驱动信号便通过反相端V-输出到传感电极102上。当手指触摸到传感电极102时，手指与传感电极102所形成的耦合电容发生变化，其变化的电压通过反馈支路110反馈出来，并经输出端V0以输出。输出端V0的电压如下公式所示：
其中，Cf是手指和指纹传感器100之间的耦合电容，Cfb是反馈支路110中的反馈电容，Vtx是激励电压信号(即驱动信号的电压)，Vout是输出端V0输出的电压。
在本发明实施方式中，参考信号用于驱动传感电极102执行指纹感测。如此，通过参考地200的参考信号来驱动传感电极102执行指纹感测，使得指纹传感器100的原理简单，成本降低。参考信号可为脉冲信号。
反馈支路110包括电容109(即反馈电容)及开关111，电容109及开关111均并联在反相端V-及输出端V0之间。
具体地，电容109可以在指纹检测过程中储存由手指与传感电极102所形成的耦合电容的电荷。
开关111接通时，电容109通过放大器108进行电荷泄放，电容109上的电荷为零。开关111断开时，电容109储存耦合电容的电荷。
需要说明的是，受限于附图的布局，本发明实施方式中，附图只显示出四个传感电极102及一个运算放大器106，四个传感电极102呈阵列式排布。因此，附图只是作示意性说明，而不应理解为对本发明的限制。
与传感电极102同层设置的防护层104在保证泄放静电能量的同时，也能减少指纹传感器100的厚度，可实现应用指纹传感器100的电子设备的小型化。
在一些实施方式中，请参图2，同相端V+通过一信号源114间接连接到参考地200，并接收来自信号源114的驱动信号，驱动信号随参考地200上的信号的变化而变化。具体地，驱动信号随参考地上的信号的上升而上升、随参考地上的信号的下降而下降。
具体地，在本发明实施方式中，信号源114包括电阻116及电流源118，电阻116与电流源118串联，电阻116的一端连接电流源118，电阻116的另一端连接参考地200。同相端V+连接在电流源118与电阻116之间。电流源118可连接到电压端VDD。
参考地200上的信号的变化会引起电阻116的电压变化，进而使得信号源114的驱动信号变化。信号源114的驱动信号经放大器208的反相端V-传输到传感电极202，以执行指纹感测。
在一些实施方式中，信号源114的驱动信号相对参考信号保持不变。如此，可简化指纹传感器400的指纹感测过程。
在一些实施方式中，请参图1，参考地200用于通过一调制电路120连接到应用指纹传感器的电子设备的设备地。
具体地，调制电路120可用于产生变化的参考信号，例如产生特定频率变化的方波信号。在本发明一个例子中，调制电路120可接收幅值不同的第一信号及第二信号，并通过交替输出第一信号及第二信号来产生变化的参考信号。第一信号可为低电平信号(如0伏的电压信号)，其可来自于电子设备的设备地(设备地上的信号一般称为接地信号)，第二信号可为高电平信号(如3伏的电压驱动信号)。电子设备的设备地可作为恒地不变的地。
如此，实现了变化的参考信号的产生。
在本发明实施方式中，调制电路120可应用到指纹传感器100及指纹传感器400中。
在一些实施方式中，指纹传感器100进一步包括信号处理电路122，信号处理电路122与输出端V0连接，并用于根据输出端V0输出的指纹感测信号获得指纹信息。
具体地，以下以指纹传感器100为例进行说明。在本发明实施方式中,指纹感测信号为放大器108的输出端V0输出的电压信号。信号处理电路122包括采样电路124、模数转换器126及数字信号处理器128。采样电路124连接在放大器108的输出端V0及模数转换器126之间。采样电路124用于以设定倍数对放大器108的输出端V0输出的电压进行放大。
模数转换器126用于将放大后的电压转化为数值并保存下来。数字信号处理器128连接在模数转换器126的输出端以获取模数转换器126保存的数值。数字化放大器108的输出端V0输出的电压，可方便获取指纹对应的电压信息，进而实现指纹感测。
需要指出的是，在其它实施方式中，指纹传感器400也包括上述的信号处理电路。
在一些实施方式中，防护层104包括连接的多个防护环130，每个防护环130围绕每个传感电极102设置。
具体地，防护环130可容纳在相邻两个传感电极102间所形成的间隙112中。
由于防护层104与多个传感电极102位于同一层，因此，保护层104在可泄放手指接近或接触指纹传感器100所带入的人体静电之外，可进一步保证指纹传感器100的指纹感测精度。相较于防护层104设置在传感电极102的上层或下层而言，防护层104与传感电极102设置在同一层的感测效果与静电防护效果相对较佳。
需要说明的是，上述指纹传感器100或400中的电压信号均以参考地200上的参考信号为电压参照基准。当执行指纹感测时，指纹传感器100或400中的电压信号均随所述参考信号的升高而升高、随所述参考信号的降低而降低。
请参图3并结合图1及图2，本发明实施方式的电子设备300包括以上任一实施方式的指纹传感器100或指纹传感器400。以下以指纹传感器100为例进行说明。
因此，上述电子设备300中，当有静电放电现象发生在指纹传感器100的表面时，静电的能量能够通过防护层104泄放到参考地200，因此，这样可以提高指纹传感器100抗ESD的能力。同时，传感电极102和参考地200之间的压差保持不变，使得传感电极102和参考地200之间的寄生电容不会影响到指纹检测信号的采集，因此在提高抗ESD能力的同时，这样也不会影响到指纹传感器100的灵敏度。
具体地，电子设备300如为可携式电子产品或家居式电子产品。其中，可携式电子产品如为各种移动终端，例如，手机、平板电脑、笔记本电脑、以及穿戴式产品等各类合适的电子产品；家居式电子产品如为智能门锁、电视、冰箱、台式电脑等各类合适的电子产品。
在一些实施方式中，电子设备300包括壳体304，指纹传感器100位于壳体304内，壳体304开设有通孔306，通孔306暴露指纹传感器100。
因此，通孔306可有助于用户录入指纹时手指与指纹传感器100的定位，方便用户操作。在本发明示例中，通孔306为圆形通孔，可以理解，通孔306也可为方形、椭圆形等其它形状的通孔。通孔306可以开设在壳体304的背面位置。
所述指纹传感器100或指纹传感器400也可设置在电子设备300的正面或侧面等合适的位置。进一步地，所述指纹传感器100或指纹传感器400也可设置在电子设备300的内部，而并非一定通过通孔暴露指纹传感器100或指纹传感器400。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (18)

1.一种指纹传感器，其特征在于，包括：
呈阵列式排布的多个传感电极；
与该多个传感电极处于同一层的防护层，该防护层围绕每个该传感电极设置，该防护层连接参考地，其中，该参考地用于加载变化的参考信号；
多个运算放大器，每一该运算放大器包括放大器和反馈支路；该放大器包括同相端、反相端和输出端，其中，该反相端与对应的一个该传感电极连接，且该反相端与该输出端之间连接该反馈支路，该同相端直接或间接连接到该参考地，以使得该多个传感电极和该防护层之间的压差保持不变。
2.如权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，该同相端上的信号与该防护层上的信号相同；或，该同相端上的信号与该防护层上的信号不同，且该同相端上的信号相对于该防护层上的信号保持不变。
3.如权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，该同相端上的信号与该防护层上的信号均为该参考信号，该参考信号用于驱动该传感电极执行指纹感测。
4.如权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，该同相端通过一信号源间接连接到该参考地，并接收来自该信号源的驱动信号，该驱动信号随该参考地上的信号的升高而升高、随该参考地上的信号的降低而降低。
5.如权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，该参考地用于通过一调制电路连接到应用该指纹传感器的电子设备的设备地。
6.如权利要求5所述的指纹传感器，其特征在于，该指纹传感器进一步包括该调制电路，该调制电路用于根据该设备地上的接地信号与一电压驱动信号对应产生调制信号，并提供该调制信号给该参考地。
7.如权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，该指纹传感器为自电容式指纹传感器。
8.如权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，该指纹传感器进一步包括信号处理电路，该信号处理电路与该输出端连接，并用于根据该输出端输出的指纹感测信号获得指纹信息。
9.如权利要求1-8任一项所述的指纹传感器，其特征在于，该防护层包括连接的多个防护环，每个防护环围绕每个该传感电极设置。
10.一种电子设备，其特征在于，包括指纹传感器，所述指纹传感器包括：
呈阵列式排布的多个传感电极；
与该多个传感电极处于同一层的防护层，该防护层围绕每个该传感电极设置，该防护层连接参考地，其中，该参考地用于加载变化的参考信号；
多个运算放大器，每一该运算放大器包括放大器和反馈支路；该放大器包括同相端、反相端和输出端，其中，该反相端与对应的一个该传感电极连接，且该反相端与该输出端之间连接该反馈支路，该同相端直接或间接连接到该参考地，以使得该多个传感电极和该防护层之间的压差保持不变。
11.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，该同相端上的信号与该防护层上的信号相同；或，该同相端上的信号与该防护层上的信号不同，且该同相端上的信号相对于该防护层上的信号保持不变。
12.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，该同相端上的信号与该防护层上的信号均为该参考信号，该参考信号用于驱动该传感电极执行指纹感测。
13.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，该同相端通过一信号源间接连接到该参考地，并接收来自该信号源的驱动信号，该驱动信号随该参考地上的信号的升高而升高、随该参考地上的信号的降低而降低。
14.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，该参考地用于通过一调制电路连接到应用该指纹传感器的电子设备的设备地。
15.如权利要求14所述的电子设备，其特征在于，该指纹传感器进一步包括该调制电路，该调制电路用于根据该设备地上的接地信号与一电压驱动信号对应产生调制信号，并提供该调制信号给该参考地。
16.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，该指纹传感器为自电容式指纹传感器。
17.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，该指纹传感器进一步包括信号处理电路，该信号处理电路与该输出端连接，并用于根据该输出端输出的指纹感测信号获得指纹信息。
18.如权利要求10-17任一项所述的电子设备，其特征在于，该防护层包括连接的多个防护环，每个防护环围绕每个该传感电极设置。
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