CN106951818B - 电容式指纹感测单元与增强电容式指纹读取器及感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容式指纹感测单元，包括：基底结构，具有至少一层第一金属层及形成充电电路与工作电路，基底结构用以交替地接收充电电压，及分派来自充电电路的电荷到工作电路的电容于停止接收充电电压时；及指纹感测结构，形成于基底结构上；指纹感测结构包括第一金属间电介层、第二金属层、第二金属间电介层、第三金属层及钝化层，其中基底结构分派来自充电电路的电荷到指纹感测结构的电容于停止接收充电电压时。通过增加第一金属间电介层与第二金属间电介层的厚度，使得寄生电容C_p能减少，使得增强电容式指纹感测单元的灵敏度可以改善，以获得增强电容式指纹读取器。本发明还提供了一种增强电容式指纹读取器及感测方法。

Description

电容式指纹感测单元与增强电容式指纹读取器及感测方法

技术领域

本发明涉及指纹检测技术领域，特别是涉及一种电容式指纹感测单元与增强电容式指纹读取器及感测方法。

背景技术

为了安全考虑，有许多的人体生理特征能被用来提供人员识别，这些人体生理特征诸如指纹、视网膜、虹膜、DNA、或甚至是人脸特征。对所有能分辨各人某些生理特征的设备来说，指纹读取器是价格对低廉且复杂度也是最低的，同时鉴别结果一般都还不错。此外，存储指纹细节所需要的数据大小不大(在120字节到2K字节之间)，这造就了指纹辨识设备广泛地使用于任何领域。

许多感测技术可用来获取指纹，较普及的是光学式和电容式指纹侦测技术。光学式指纹感测模块利用来自手指表面反射光强度，来探知手指探测区中哪里是脊部，哪里是谷部。光学式技术的优点是可靠性和低成本。然而，因为嵌入式光学透镜的尺寸，而光学指纹模块的感测外形无法进一步做小，光学式传感器的困难便在无法嵌入可携式设备中。另一方面，电容式指纹辨识模块是由硅芯片所制成，并且可以是非常微小。在某些例子中，当指纹影像是由滑动扫描所取得时，该指纹传感器也就更加的轻薄纤巧。电容式型指纹辨识模块小巧的外形使得它适用于可携式应用，如门禁徽章、银行卡、手机、平板计算机、USB保护锁等。

电容式指纹传感器的基础物理原理是两个平行金属板的电容器的电容值与两个板之间的距离成反比。电容式指纹传感器由指纹感测单元阵列组成，每一感测单元包括感测板。使用该感测板当作电容器的一个极板，以及将人体的表皮组织作为另一极板，手指的脊部与谷部可由测量得到的不同电容值定位下来。目前的技术中有许多关于电容式指纹辨识模块的现有技术。举例来说，美国专利第6,114,862号揭露一种距离传感器，具有一电容式元件。该电容式元件交替地具有第一电容器板与第二电容器板，该第一电容器板面对第二电容器板设置，对第二电容器板的距离进行测量。在有指纹的情况下，第二电容器板直接由手指皮肤表面定义，该传感器包括反相放大器，介于该电容式元件连接形成的负反馈支路的输入与输出之间。由提供电荷到反相放大器的输入端，电压成正比于被测量的距离在输出端获得。虽然传感器的架构简单，但放大器遭受均匀性问题，且它们的能量效率不好。

另一个现有技术公开于美国专利第7,663,380号，请参阅图1A与图1B。一电容式指纹传感器包含指纹电容器C_F、参考电容器C_S、第一晶体管33、第二晶体管34、第三晶体管35与第四晶体管36。指纹电容器C_F具有一电容，其可以是谷部电容C_FV，也可以是脊部电容C_FR。参考电容器C_S具有一电容C_S，其中C_FV<C_S<C_FR。第一晶体管33被配置以对参考电容器C_S进行预充电。第二晶体管34被配置以对指纹电容器C_F进行预充电。第三晶体管35被配置以对参考电容器C_S及指纹电容器C_F的电荷进行重分布。第四晶体管36被配置以在重分布后，输出参考电容器C_S的电压。

图1A显示为在预充电阶段，指纹传感器的等效电路。在预充电阶段对指纹传感器来说，读出选择线C_m(未绘示)有效，第一晶体管33与第二晶体管34致能，电压V_A与V_B各自对参考电容器C_S与指纹电容器C_F进行预充电。图1B显示在评估阶段的相同的电路。在评估阶段对指纹传感器而言，读出选择线C_m+1有效，第三晶体管35致能，储存于参考电容器C_S与指纹电容器C_F的电荷重分布。在此同时，扫描线仍然有效，该第四晶体管36致能，读出选择线输出的电压是基于人体指纹的某些部分，即，侦测到的脊部或谷部。显然地，如果在脊部侦测到，读出选择线的输出电压就较大，或于谷部侦测到则较小。因而，指纹就能通过输出电压读出，且随着手指不同部位而变化。

然而，实际上，电容式指纹传感器制作的指纹感测设备的灵敏度并不高。当保护层存在于该距离传感器上方，或该距离传感器封装于模制化合物中时，获取的图像质量就会恶化。

发明内容

基于此，有必要针对目前的指纹感测设备的灵敏度不高的问题，提供一种能够提高指纹感测灵敏度的电容式指纹感测单元，同时还提供了含有上述电容式指纹感测单元的增强电容式指纹读取器，以及上述增强电容式指纹读取器感测指纹的感测方法。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种用于指纹读取器的电容式指纹感测单元，其特征在于，包括：

基底结构，具有至少一层第一金属层及形成充电电路与工作电路，所述基底结构用以交替地接收充电电压，及分派来自所述充电电路的电荷到所述工作电路的电容于停止接收所述充电电压时；及

指纹感测结构，形成于所述基底结构上；所述指纹感测结构包括第一金属间电介层、第二金属层、第二金属间电介层、第三金属层及钝化层，所述第一金属间电介层具有第一深度，所述第一深度大于3μm；所述第二金属层形成于所述第一金属间电介层上并形成感测金属板；所述第二金属间电介层形成于所述第二金属层上并围绕所述第二金属层，及覆盖所述感测金属板，所述第二金属间电介层具有第二深度，所述第二深度大于3μm；所述第三金属层形成于所述第二金属间电介层上，形成矩形单元，所述矩形单元具有开孔位于所述感测金属板上，且连接到静电放电保护单元，所述矩形单元能够维持所述第三金属层的电位于信号接地；所述钝化层覆盖所述第三金属层；

其中所述基底结构分派来自所述充电电路的电荷到所述指纹感测结构的电容于停止接收所述充电电压时。

在其中一个实施例中，所述静电放电保护单元连接到静电放电路径，以绕行释放任何静电放电压力。

在其中一个实施例中，所述静电放电保护单元包括至少一个瞬时电压抑制器设备。

在其中一个实施例中，充电电容内置于所述充电电路中，当接收到所述充电电压时用以储存电荷；

及寄生电容存在于所述工作电路及所述感测结构的一部分中。

在其中一个实施例中，当手指接近所述钝化层时，信号电容形成于所述手指与所述导电元件之间，手指电容形成于所述手指与所述感测金属板之间。

在其中一个实施例中，分派开关形成于所述工作电路与所述充电电路之间，用以切换接收充电电压与分派电荷的操作。

在其中一个实施例中，所述激发信号包括第一电压与第二电压。

在其中一个实施例中，当所述第二电压发生及所述充电电压停止施加且所述分派开关开启时，在所述充电电路中获得电压变动。

在其中一个实施例中，所述输出电压为

其中，V_out为所述输出电压的电压值，V_dd为所述充电电压的电压值，V₁与V₂分别为所述第一电压与所述第二电压的电压值，C_r为所述充电电容的电容值，C_p为寄生电容的电容值，C_f为所述手指电容的电容值，C_g为所述第三金属层与所述手指间电容的电容值，C_s为所述导电元件与所述手指间电容的电容值。

在其中一个实施例中，放电开关形成于所述工作电路中，用以当所述分派开关关闭时，重设所述工作电路的电压与所述第二金属层的电压为信号接地。

在其中一个实施例中，相同的所述基底结构或所述指纹感测结构彼此于同高度相邻，所有所述指纹感测单元的所述第三金属层相连接，形成金属网格。

一种使用如上述技术特征所述的电容式指纹感测单元的增强电容式指纹读取器，包括：

导电元件；

指纹传感器，包含多个电容式指纹感测单元，多个所述电容式指纹感测单元形成指纹感测阵列；及

激发信号驱动器，用以提供激发信号给所述导电元件；

其中所述激发信号驱动器为电子元件由所述指纹传感器控制。

在其中一个实施例中，所述导电元件为接近所述指纹感测单元阵列的一个或多个金属条，或围绕所述指纹感测单元阵列的金属环板。

一种使用如上述技术特征所述的增强电容式指纹读取器以取得指纹的方法，包含如下步骤：

关闭分派开关以断开充电电路与工作电路；

施加第一电压于导电元件，并开启放电开关重设所述工作电路与第二金属层；

施加充电电压于所述充电电路；

关闭所述放电开关及充电开关；

开启所述分派开关及提供第二电压以取代所述第一电压；

测量输出电压；及

转译来自每一增强电容式指纹感测单元的输出电压，为对应一部分用户的指纹的指纹影像数据。

本发明的有益效果是：

本发明的电容式指纹感测单元与增强电容式指纹读取器及感测方法，结构设计简单合理，通过增加第一金属间电介层与第二金属间电介层的厚度，使得寄生电容C_p能减少。同时，依照上述V_out的公式，使得增强电容式指纹感测单元的灵敏度可以改善，以获得增强电容式指纹读取器。

附图说明

图1A与图1B显示现有技术中的指纹读取器；

图2图为本发明的一实施例的指纹读取器的俯视图；

图3为本发明的增强电容式指纹感测单元的示意图；

图4为增强电容式指纹感测单元的等效电路；

图5描述两相邻增强电容式指纹感测单元的实体架构，手指放置于增强电容式指纹感测单元上时会有电容形成于其中；

图6为静电放电保护单元的架构；

图7为另一静电放电保护单元的架构；

图8显示用于输出电压电荷分派项的等效电路；

图9显示用于输出电压的第二电压项的等效电路；

图10为操作等效电路的流程图；

图11为本发明的另一指纹读取器的俯视图。

其中：

1-指纹读取器；2-指纹传感器33-第一晶体管；34-第二晶体管；35-第三晶体管；36-第四晶体管；4-激发信号驱动器；

10-指纹感测阵列；100-增强电容式指纹感测单元；110-指纹感测结构；110a-信号电容器；110b-手指电容器；110c-金属网格电容器；111-第一金属间电介；112-第二金属层；113-第二金属间电介层114-第三金属层；115-钝化层；120-基底结构；121-第一金属层；122-充电电路；1221-充电电容；1222-充电开关；1223-分派开关；1224-输出缓存器；124-工作电路；1241-放电开关；124a-寄生电容器；150-输入/输出焊垫；150a-激发信号焊垫；150b-公共接地端电压焊垫；150c-静电放电保护焊垫；

300-导电元件；301-连接线；311-金属条；

400-负电源电压节点；401-连接线；410-激发信号缓冲放大器；

500-静电放电保护单元；501-第一瞬时电压抑制器；502-第二瞬时电压抑制器；

600-静电放电节点；601-连接线；602-连接线；603-连接线；604-连接线；

d1-第一深度；d2-第二深度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的电容式指纹感测单元与增强电容式指纹读取器及感测方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图2到图10，其说明为本发明的一实施例。图2为本发明的指纹读取器1的俯视图。图3为增强电容式指纹感测单元100的示意图。图4为增强电容式指纹感测单元100的等效电路。图5显示两相邻增强电容式指纹感测单元100，说明指纹感测结构110及位于其间的对应等效电容器。图6显示静电放电保护单元500的架构。图6显示该静电放电保护单元500的另一架构。图8显示用于该输出电压电荷分派项的等效电路。图9显示用于该输出电压的第二电压项的等效电路。图10为操作该等效电路的流程图。

如图2所示，指纹读取器1包括指纹传感器2、导电元件300及激发信号缓冲放大器410。指纹传感器2包括指纹感测阵列10、激发信号驱动器4与多个输入/输出焊垫150。指纹感测阵列10包括多个增强电容式指纹感测单元100。增强电容式指纹感测单元100的功能与架构将于后段说明中陈述。导电元件300为金属环板，该金属环板环绕增强电容式指纹感测单元100。在本发明中，金属环板可以是任何形状。举例来说，金属环板可以是环形形状或甚至不规则形状。激发信号缓冲放大器410是一个电子元件，由指纹传感器2控制。激发信号缓冲放大器410经由激发信号焊垫150，连接至形成于指纹传感器2中的激发信号驱动器4。当物体(手指)由指纹传感器2接近测量，激发信号驱动器4就能提供该激发信号给导电元件300。激发信号会影响该物体，且进一步影响来自增强电容式指纹感测单元100的输出电压。激发信号缓冲放大器410能放大或反向该激发信号，激发信号缓冲放大器410可嵌入于激发信号驱动器4中，成为指纹传感器2的一部分。激发信号的详细信息位于后段文字中说明。输入/输出焊垫150用来连接指纹传感器2与外部电路。每一输入/输出焊垫150具有其特定的功能性。

请参阅图3。增强电容式指纹感测单元100基本包括指纹感测结构110与基底结构120。指纹感测结构110形成于基底结构120上。指纹感测结构110具有多个子架构，它们分别是第一金属间电介层111、第二金属层112、第二金属间电介层113、第三金属层114与钝化层115。第一金属间电介层111可以由一般用于制造任何集成电路中金属间电介层的方法来制造。不同于用在指纹传感器的传统感测单元，第一金属间电介层111的深度应该要厚的多。要具有较厚深度的理由将说明于后。如图3所示，第一金属间电介层111介于两相邻的金属层的第一深度d1标示于其上。该第一深度d1应大于3μm，比如为5μm。

第二金属层112形成于第一金属间电介层111上，作用为感测金属板。第二金属层112与相邻物体形成多个电容(或电容器，有形或无形的)。举例来说，如图4与图5所示，当手指200接近该指纹感测单元100时，第二金属层112与手指200形成手指电容110b。也就是说，第二金属层112与手指200是电容器的元件，其电容值随着手指200接近部分与第二金属层112的距离改变而变化。通常来说，该电容值反比于该距离。

第二金属间电介层113形成于第二金属层112上并环绕该第二金属层112，它覆盖了感测金属板(第二金属层112)。为了最小化第三金属层114与第二金属层112间的电容(此原因将在下面说明)，两相邻金属层间的第二金属间电介层113的第二深度d2应大于传统制作的深度。该第二深度d2应大于3μm，比如为5μm。

第三金属层114形成于第二金属间电介层113上。第三金属层114形成矩形单元，该矩形单元具有开孔位于第二金属层112上。同时，它连接到用以绕行释放任何静电放电压力的静电放电保护单元500。静电放电保护单元500的架构如图6所示。该静电放电保护单元500可形成于指纹读取器1外，且位于印刷电路板上(未示出)。静电放电保护单元500包含多个瞬时电压抑制器，且用来维持第三金属层114的电位为信号接地。瞬时电压抑制器是一种电子元件，用于保护其它敏感的电子设备免受所连接的电线感应造成的电压尖峰损害。图6中由虚线框围出的一部分说明如下。

如图6所示，每一输入/输出焊垫150可具有个别的功能性。在此实施例中，激发信号焊垫150a经由连接线301连接到电路板上的导电元件300以发送激发信号给该导电元件300。公共接地端电压焊垫150b经由电路板上的连接线401连接到负电源电压节点400，其中该负电源电压节点400也是电路板上的信号接地节点。静电放电保护焊垫150c经由静电放电节点与电路板上的连接线601，连接该第三金属层114到静电放电路径(可以是机壳)，以绕行释放任何静电放电压力。包含瞬时电压抑制器的静电放电保护单元500能够用于本实施例中作为以上连接的连接线。第一瞬时电压抑制器501跨越该连接线301与连接线601装设。第二瞬时电压抑制器502跨越该连接线401与连接线601装设。正常来说，如果激发信号高于第一瞬时电压抑制器501的门坎电压，激发信号将由激发信号焊垫150a导通到导电元件300。相反地，如果连接线301上电压高于该门坎电压，第一瞬时电压抑制器501将形成路径来释放累积在连接线301上的超额电荷到静电放电节点600，以分流任何静电放电压力。相似地，如果连接线401上电压高于第二瞬时电压抑制器502的门坎电压，第二瞬时电压抑制器502将形成路径来释放电荷到静电放电节点600。当然，静电放电保护单元500能用来保护越多的指纹读取器1上的元件越好。瞬时电压抑制器的数量不限于图6上所示的2个。

另一种静电放电保护单元500排列的例子如图7所示。所有元件与连接和前一个例子相同，除了连接线601被切断。静电放电节点600与第二瞬时电压抑制器502由连接线602连接。静电放电保护焊垫150c与第一瞬时电压抑制器501由连接线603连接。此外，另一条连接线604跨越连接线401与连接线603形成。静电放电保护单元500的排列具有如图6般排列的相同功能。

导电元件300的功能是用来经由激发信号缓冲放大器410，接收来自该激发信号驱动器4的第一电压与第二电压(图4中所示的V_in)。第一电压与第二电压是所谓的激发信号，唯一的限制在于用来激发每一瞬时电压抑制器的门坎电压应高于第一电压和/或第二电压。(在本实施例中，第二电压出现在第一电压之后，形成了电压降)。除此之外，任何电压高于门坎电压将会被释放，以避免损害增强电容式指纹感测单元100中的电路。最上层是钝化层115，它覆盖第三金属层114并保护其下各层免于冲击与刮伤。

基底结构120具有至少一层第一金属层121，至少一层第一金属层121提供基底结构中电路元件，如电容器与开关的连接。通过该至少一层第一金属层121，基底结构120形成充电电路122与工作电路124。充电电路122与工作电路124由图4虚线框中的等效电路描述。基底结构120的主要目的是交替地接收稳定充电电压(V_dd)，并于停止接收该充电电压时，分派来自充电电路122的电荷到工作电路124与指纹感测结构110中的电容。

充电电路122中内具有充电电容1221，当充电电压施加时，该充电电容1221被用来储存电荷。充电电容1221的一侧连接到信号接地。因此，在充电阶段中(S03，说明于下)，充电电容1221充电至稳定电压V_dd。充电电容1221可由电路元件，如MOS或Poly-to-Poly电容器实现。充电电容1221的电容由MOS闸或多晶硅的几何形状决定。同时，当增强电容式指纹感测单元100形成或当手指200接近增强电容式指纹感测单元100时，其它随后介绍的等效电容C_p与C_f自然地存在。

充电电路122也有二个开关，分别为充电开关1222与分派开关1223。当充电开关1222打开且分派开关1223关上时，充电电压将施加到充电电路122，充电电容1221(C_r)充电到充电电压V_dd。当充电开关1222关闭而分派开关1223也维持关闭状态时，充电电压供给中断，充电电容1221(C_r)维持在充电电压V_dd。分派开关1223形成以隔开工作电路124与充电电路122，它开关接收充电电压(如上所述，当充电开关1222开启时)与分派电荷的操作。也就是说，当分派开关1223关闭时，充电电路122与工作电路124彼此隔离。另一方面，当分派开关1223打开时，充电电路122与工作电路124彼此连接，电荷能于其间移动，以致达成电荷的新平衡分布。

充电电路122进一步包括缓存器1224。该缓存器1224用来隔离电容式指纹感测单元100与其它的处理电路(未示出)，并传送输出电压V_out到后续的处理电路(未示出)。通常，缓存器1224由电压随耦器制成。

工作电路124是一种对基底结构120中所有但不属于充电电路122的元件的通称。换句话说，基底结构120中任何元件由分派开关1223自充电电路122分离者，皆为工作电路124的一部分。工作电路124的功能将于之后，由增强电容式指纹感测单元100的操作说明。工作电路124具有放电开关1241。当分派开关1223关闭时，该放电开关1241被用来重设(放电)工作电路124与第二金属层的电压112为信号接地。如上所述，多个电容自然地存在。为了对强电容式指纹感测单元100的操作有较佳的理解，所有这些电容由等效电容器来实施。寄生电容存在于第二金属层112与所有其它工作电路124中的金属层间，寄生电容器124a用以说明。

当手指200接近钝化层115时，信号电容形成于手指200与导电元件300间。同时，手指电容形成于手指200与该感测金属板(第二金属层112)之间，金属网格电容形成于手指200与该第三金属层114之间。相似地，信号电容器110a、手指电容器110b与金属网格电容器110c各用以说明。图5显示两相邻的增强电容式指纹感测单元100(用虚线隔开)，说明指纹感测结构110及位于其间的每一等效电容器。

要强调的是图1中的指纹感测阵列10(或指纹传感器)由多个的增强电容式指纹感测单元100以相邻彼此的相同的架构排列于相同的高度形成，所有增强电容式指纹感测单元100的第三金属层114都连接成一体。因此形成金属网格11。考虑连接的第三金属层114的整体面积小于个别的感测板(第二金属层112)，金属网格电容器110c的电容远大于手指电容器110b与寄生电容器124a的电容。用户的手指与导电元件300间的接触面积要越大越好，以便信号电容器110a的电容远大于手指电容器110b与寄生电容器124a的电容。上面提到设计的其理由将描述于后面的段落中。

增强电容式指纹感测单元100以下述的程序运作，而该程序包括不同的和反复的阶段。请参阅图10。有三个主要阶段：设定阶段、充电阶段与分派阶段。在设定阶段中，分派开关1223关闭(S01)以断开充电电路122与工作电路124连接。

在充电阶段中，首先，开启放电开关1241，第一电压V₁施加到导电元件300，工作电路124与第二金属层112放电至信号接地(重设)(S02)。接着，开启充电开关1222，充电电压施加到充电电路122(S03)。在充电阶段的最后步骤中，放电开关1241与充电开关1222都关掉(S04)。要注意的是步骤S02与S03的顺序可以交换，或者该二步骤可以同时发生。在充电阶段最后，充电电容1221充电至充电电压V_dd，而等效电容器充电到第一电压V₁。

在充电阶段之后为分派阶段。在分派阶段中，以下操作实质发生于相同的时间上：开启分派开关1223并提供第二电压以取代第一电压(S05)。事实上，其中一个可以略快于另一者，其顺序并不影响结果。当缓存器1224的电压稳定时，测量输出电压V_out。要注意的是当第二电压发生时，电压变动产生于充电电路122中。很明显，增强电容式指纹感测单元100中电荷的分布将改变，进一步影响输出电压V_out。事实上，输出电压的影响来自两个来源：电荷分派与激发信号缓冲放大器410的电压改变(第二电压与第一电压间的差异)。V_out是该两个来源分布电压值之和。以下进行说明。

为了更清楚地说明分派阶段，等效电路描述于图4。V_dd是充电电压的电压值，V₁与V₂(显示为V_in)分别为该第一电压与第二电压的电压值，C_r为充电电容的电容值，C_p为寄生电容的电容值，C_f为手指电容的电容值，C_g为第三金属层与手指间电容的电容值，C_s为导电元件300与手指间电容的电容值，输出电压V_out为C_r跨越的电压值，由输出缓存器1224所测量。

其中，C_g，C_s》C_p，C_r这使得所有小项可以忽略不计。通过线性电路的理论，通过分派开关1223的电荷分派以及驱动电压由V₁到V₂的改变的净效应，是通过分派开关1223的电荷分派与驱动电压由V₁到V₂的改变分别施加的电压之和。经由分派开关(无电压由V₁至V₂的改变)电荷分派的等效电路描绘于图8中。输入缓存器由V₁至V₂电压降的等效电路(C_r没被充电至V_dd)描绘于图9中。当分派开关在分派阶段打开时，令V₀₁表示V_out的电压改变，但输入驱动器维持在相同的电压V₁；当输入缓存器由V₁至V₂改变而充电电容没被充电到V_dd时，令V₀₂表示V_out的电压改变。V_out的净结果将为：

V_out＝V₀₁+V₀₂，其中

及

对自然地形成于的电容C_p，它的值由物理架构及增强电容式指纹感测单元100的材料决定。变量手指电容C_f由第二金属层112到接触传感器的手指的谷部或脊部的距离决定。充电电容由至少一层第一金属层121中的电路元件形成，可由实现该充电电容C_r的电路元件(如MOS晶体管或Poly-to-Poly电容器)的几何形状决定。为了解说本增强电容式指纹感测单元100的架构设计，计算V_out对于C_f的第一阶导数，因此可得：

其中

且

因为C_s与C_g皆远大于C_f及C_p+C_r，故可得

为了提高灵敏度，该灵敏度可表示为

第一项

与第二项

必须具有相同的标记；换句话说，如果V_dd是正值，那么V₂-V₁必须是负的，意味着V₁>V₂。很明显地，C_p的值最好减少，C_s的值最好增加，以便灵敏度

能增加。为了达成这个目的，第一金属间电介层111与第二金属间电介层113的深度需要增加，因为电容是反比于两导电板之间的距离。经由实验，第一深度d1与第二深度d2都应大于3μm。因为金属间电介层的厚度在标准CMOS制程是小于1μm，这一要求可能需要在制造中有特殊沉积过程。也为了达成以上目的，另一个要求是导电元件300的上表面面积必须足够大，因为用户的手指与导电元件300间的电容主要受它们之间的接触面积影响。经由实验，导电元件300的上顶表面面积应大于20mm²。

在分派阶段的末端，当电荷分布达到均衡时，输出电压可以测量(S06)。因为手指在增强电容式指纹感测单元100上的脊部与谷部面积部分是由给定输出电压反射出的，最后，依序转译来自每一增强电容式指纹感测单元100的输出电压，为对应一部分用户的指纹的指纹影像数据(S07)。

要注意的是以上描述的电压是不同电路节点上的相对电压。如果充电电压V_dd的值是正的，第二金属层112的重设步骤就是放电到0V或是信号接地。在这例子中，第二电压在第一电压之后形成一个负向阶差，而V₁至V₂的电压改变是一个电压降。该充电电压的值可能是0V。在这种情况下，第二金属层112的重设步骤就是充电至正的电压值。在这例子中，第二电压在第一电压之后形成一个正向阶差，而V1至V2的电压改变是一个电压上升。以上所述具有正输出电压改变的0V充电电压是操作增强电容式指纹感测单元100的另一个选项。

在其它实施例中，导电元件不限定于围绕增强电容式指纹感测单元100的金属环板。请见图11，在该图中的元件与前一实施例提及的元件具有相同的功能，用以进行说明。导电元件300为一对金属条311取代。金属条311能接收来自激发信号缓冲放大器410的激发信号，而该激发信号缓冲放大器410内建于激发信号驱动器4中，金属条311影响增强电容式指纹感测单元100的输出电压。当然，金属条311能为任何想要的形状金属板取代而不必彼此物理性地连接(但所有金属条311必须电连接到激发信号缓冲放大器410)。想要的形状的金属板的数量也没限定。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种用于指纹读取器的电容式指纹感测单元，其特征在于，包括：

基底结构，具有至少一层第一金属层及形成充电电路与工作电路，所述基底结构用以交替地接收充电电压，及分派来自所述充电电路的电荷到所述工作电路的电容于停止接收所述充电电压时；及

指纹感测结构，形成于所述基底结构上；所述指纹感测结构包括第一金属间电介层、第二金属层、第二金属间电介层、第三金属层及钝化层，所述第一金属间电介层具有第一深度，所述第一深度大于3μm；所述第二金属层形成于所述第一金属间电介层上并形成感测金属板；所述第二金属间电介层形成于所述第二金属层上并围绕所述第二金属层，及覆盖所述感测金属板，所述第二金属间电介层具有第二深度，所述第二深度大于3μm；所述第三金属层形成于所述第二金属间电介层上，形成矩形单元，所述矩形单元具有开孔位于所述感测金属板上，且连接到静电放电保护单元，所述矩形单元能够维持所述第三金属层的电位于信号接地；所述钝化层覆盖所述第三金属层；

其中所述基底结构分派来自所述充电电路的电荷到所述指纹感测结构的电容于停止接收所述充电电压时。

2.根据权利要求1所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，所述静电放电保护单元连接到静电放电路径，以绕行释放任何静电放电压力。

3.根据权利要求1所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，所述静电放电保护单元包括至少一个瞬时电压抑制器设备。

4.根据权利要求1所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，充电电容内置于所述充电电路中，当接收到所述充电电压时用以储存电荷；

及寄生电容存在于所述工作电路及所述感测结构的一部分中。

5.根据权利要求1所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，当手指接近所述钝化层时，信号电容形成于所述手指与导电元件之间，手指电容形成于所述手指与所述感测金属板之间。

6.根据权利要求5所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，分派开关形成于所述工作电路与所述充电电路之间，用以切换接收充电电压与分派电荷的操作。

7.根据权利要求6所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，激发信号包括第一电压与第二电压。

8.根据权利要求7所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，当第二电压发生及所述充电电压停止施加且所述分派开关开启时，在所述充电电路中获得电压变动。

9.根据权利要求8所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，输出电压为

其中，V_out为所述输出电压的电压值，V_dd为所述充电电压的电压值，V₁与V₂分别为所述第一电压与所述第二电压的电压值，C_r为所述充电电容的电容值，C_p为寄生电容的电容值，C_f为所述手指电容的电容值，C_g为所述第三金属层与手指间电容的电容值，C_s为所述导电元件与所述手指间电容的电容值。

10.根据权利要求9所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，放电开关形成于所述工作电路中，用以当所述分派开关关闭时，重设所述工作电路的电压与所述第二金属层的电压为信号接地。

11.根据权利要求1所述的电容式指纹感测单元，其特征在于，相同的所述基底结构或所述指纹感测结构彼此于同高度相邻，所有所述指纹感测单元的所述第三金属层相连接，形成金属网格。

12.一种使用如权利要求1所述的电容式指纹感测单元的增强电容式指纹读取器，其特征在于，包括：

导电元件；

指纹传感器，包含多个电容式指纹感测单元，多个所述电容式指纹感测单元形成指纹感测阵列；及

激发信号驱动器，用以提供激发信号给所述导电元件；

其中所述激发信号驱动器为电子元件由所述指纹传感器控制。

13.根据权利要求12所述的增强电容式指纹读取器，其特征在于，所述导电元件为接近所述指纹感测单元阵列的一个或多个金属条，或围绕所述指纹感测单元阵列的金属环板。

14.一种使用如权利要求12所述的增强电容式指纹读取器以取得指纹的方法，其特征在于，包含如下步骤：

关闭分派开关以断开充电电路与工作电路；

施加第一电压于导电元件，并开启放电开关重设所述工作电路与第二金属层；

施加充电电压于所述充电电路；

关闭所述放电开关及充电开关；

开启所述分派开关及提供第二电压以取代所述第一电压；

测量输出电压；及

转译来自每一增强电容式指纹感测单元的输出电压，为对应一部分用户的指纹的指纹影像数据。

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