CN106980824A - 指纹检测电路及指纹辨识系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于指纹检测技术领域，提供了一种指纹检测电路，包含有：第一导电层，第一导电层为金属电极或是集成电路布局的金属层，用于与手指形成感测电容；第二导电层，第二导电层为金属电极、金属层或集成电路布局的多晶硅层；反相放大器，包括一输入端和一输出端，其中输入端耦接于第一导电层，输出端耦接于第二导电层；以及开关单元，开关单元的一端耦接于反相放大器的输入端，开关单元的另一端耦接于反相放大器的输出端。本发明利用单端输入单端输出的反相放大器，并利用开关单元快速地且正确地建立该反相放大器的直流偏压工作点，将感测电容的电容值准确地转换成输出信号，毋须配置额外的偏压电路，其电路结构简单且准确度高。

Description

指纹检测电路及指纹辨识系统
本申请是对申请号为2015104480958，申请日为2015年07月27日、名称为“指纹检测电路及指纹辨识系统”的申请文件所作的分案申请。
技术领域
本发明属于指纹检测技术领域，特别涉及一种指纹检测电路及指纹辨识系统，尤其涉及一种准确度高且电路结构简单的指纹检测电路及指纹辨识系统。
背景技术
随着科技日新月异，移动电话、数字相机、平板电脑和笔记本电脑等越来越多的便携式电子装置已经成为了人们生活中必备的工具。由于便携式电子装置一般为个人使用，具有一定的隐私性，其内部储存的数据，例如电话簿、相片、个人信息等等为私人所有。若电子装置一旦丢失，这些数据可能会被他人所利用，造成不必要的损失。虽然目前已有利用密码保护的方式来避免电子装置为他人所使用，但密码容易泄露或遭到破解，具有较低的安全性。并且用户需记住密码才能使用电子装置，若忘记密码，则会带给使用者许多不便。因此，目前发展出利用个人指纹辨识的方式来达到身份认证的目的，以提升数据安全性。
在现有技术中，电容式指纹辨识系统是相当受欢迎的一种指纹辨识方法，其是利用感测电容以判断使用者指纹的纹峰(Finger Ridge)或纹谷(Finger Valley)。详细来说，电容式指纹辨识系统利用金属电极来接收使用者的手指接触，电容式指纹辨识系统中的指纹检测电路可将金属电极与使用者手指之间的电容转换成电压信号，并输出至后端的指纹判断模块，以进行指纹识别。然而，电容式指纹辨识系统中的指纹检测电路通常需要复杂的偏压电路，以确保指纹检测电路可正确地运作(即指纹检测电路之直流偏压工作点位于适当的区域)，而过于简单的偏压电路会影响指纹检测电路的准确度。因此，如何提供准确度高且电路结构简单的指纹检测电路也就成为业界所努力的目标之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种指纹检测电路及指纹辨识系统，旨在提高指纹检测的准确度高，且电路结构简单。
本发明的实施方式提供了一种指纹检测电路，包含有：第一导电层，第一导电层为金属电极或是集成电路布局的金属层，用于与手指形成感测电容；第二导电层，第二导电层为金属电极、金属层或集成电路布局的多晶硅层；反相放大器，包括一输入端和一输出端，其中输入端耦接于第一导电层，输出端耦接于第二导电层；以及开关单元，开关单元的一端耦接于反相放大器的输入端，开关单元的另一端耦接于反相放大器的输出端。
本发明的实施方式还提供一种指纹辨识系统，包括指纹判断模块和多个指纹检测电路，其中，指纹检测电路为上述指纹检测电路，指纹判断模块耦接于多个指纹检测电路，用来根据指纹检测电路的输出信号判断指纹检测电路所在位置是对应手指指纹的纹峰或是纹谷。
本发明实施例利用单端输入单端输出的反相放大器，并利用开关单元快速地且正确地建立该反相放大器的直流偏压工作点，将感测电容的电容值准确地转换成输出信号，毋须配置额外的偏压电路，其电路结构简单且准确度高。
另外，反相放大器为单端输入单端输出反相放大器，且开关单元用于建立反相放大器的直流工作点。
另外，第二导电层位于第一导电层下方，第二导电层与第一导电层之间形成参考电容，参考电容的电容值与第二导电层的面积相关。
另外，反相放大器具有负向增益。本实施例可以使输出信号与输入信号相位反向。
另外，开关单元导通时，反相放大器的直流工作点位于放大区。本实施例中，在开关单元导通时，输出信号随输入信号增加而递减或减少而递增。
另外，反相放大器包括：第一晶体管，具有第一端、第二端和第三端；以及第二晶体管，包括：第一端，耦接至第一晶体管的第一端；第二端，耦接至第一晶体管的第二端；以及第三端；其中，第一晶体管的第三端用来接收第一电压，第二晶体管的第三端用于接收第二电压。本实施例提供了反相放大器的具体实现方式。
另外，反相放大器包括第一晶体管和第二晶体管，其中，第一晶体管的栅极耦接至第二晶体管的栅极而形成反相放大器的输入端；第一晶体管的漏极耦接至第二晶体管的漏极而形成反相放大器的输出端；第一晶体管的源极和第二晶体管的源极分别接收第一电压和第二电压。本实施例提供了另一种反相放大器的具体实现方式。
另外，第一晶体管为P型金氧半场效晶体管，第二晶体管为N型金氧半场效晶体管。本实施例提供了第一晶体管以及第二晶体管的具体实现方式。
另外，在指纹辨识系统中，手指接收到的驱动信号通过指纹检测电路的感测电容耦合到指纹检测电路的反相放大器的输入端并形成输入信号，反相放大器接收输入信号并产生输出信号，指纹判断模块根据输出信号计算出感测电容的电容值，并根据感测电容的电容值判断指纹检测电路所在位置是对应纹峰或是纹谷；其中，感测电容的电容值和输出信号满足以下公式：
Cs＝-(Cf/Vs)*Vo；
在上述公式中，Cs表示感测电容的电容值，Cf表示第二导电层与第一导电层之间形成参考电容的电容值，Vs表示驱动信号的电压值，Vo表示反相放大器的输出信号的电压值。本实施例提供了指纹辨识系统判断指纹的具体方法。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的指纹检测电路的示意图；
图2是图1中指纹检测电路的等效电路图；
图3是图1中反相放大器的示意图；
图4是图3中反相放大器的电压转换特性示意图；
图5是本发明实施例二提供的指纹辨识系统的示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例一指纹检测电路10的示意图。指纹检测电路10包含反相放大器104、开关单元SW和导电层100、102。导电层100为顶层导电层，其可为金属电极或是集成电路布局的金属层(Metal)，用于接收手指FG的接触。导电层102为下层导电层，其可为金属电极、金属层或集成电路布局的多晶硅层(Poly)。导电层102设置于导电层100下方，导电层100与导电层102之间形成参考电容Cf，而导电层100与手指FG形成有感测电容Cs。反相放大器104为单端输入单端输出(Single Input Single Output)放大器，其包含单一输入端及输出端，反相放大器104的输入端耦接于导电层100，输出端耦接于导电层102。开关单元SW用于建立反相放大器104的直流偏压，开关单元SW的一端耦接于反相放大器104的输入端，开关单元SW的另一端耦接于反相放大器104的输出端。
详细来说，参考电容Cf的电容值取决于导电层102的面积，当导电层100、102的面积为固定面积时，参考电容Cf的电容值为固定电容值。另外，感测电容Cs的电容值会随手指FG的指纹特征而变化。除此之外，手指FG可透过金属电极接收驱动信号Vs，驱动信号Vs可透过感测电容Cs耦合至反相放大器104的输入端，即驱动信号Vs通过感测电容Cs后，于反相放大器104的输入端形成输入信号Vi，反相放大器104接收输入信号Vi后产生输出信号Vo，如此一来，指纹检测电路10可将感测电容Cs的电容值转换成输出信号Vo。输出信号Vo可输出至后端的指纹判断模块，以判断指纹检测电路10所在位置对应至手指的纹峰(FingerRidge)或纹谷(Finger Valley)。
详细来说，请继续参考图2，为指纹检测电路10的等效电路图。由图2可知，驱动信号Vs与感测电容Cs的关系式可表示为CsVs＝－CfVo，因此，指纹判断模块可根据输出信号Vo推算出感测电容Cs的电容值为Cs＝－(Cf/Vs)*Vo，并判断指纹检测电路10对应至纹峰或纹谷。
另一方面，反相放大器104的实现方式可视实际需求而调整，举例来说，如图3所示，为反相放大器104的示意图。反相放大器104包含第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，第一晶体管Q1为P型金氧半场效晶体管(P-type Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，PMOS FET)，第二晶体管Q2为N型金氧半场效晶体管(NMOS FET)。第一晶体管Q1的栅极(Gate)耦接至第二晶体管Q2的栅极而形成反相放大器104的输入端，用于接收输入信号Vi，第一晶体管Q1的漏极(Drain)耦接至第二晶体管Q2的漏极而形成反相放大器104的输入端，用于输出一输出信号Vo，第一晶体管Q1的源极(Source)用于接收电压VDD，第一晶体管Q2的源极用于接收电压VSS。
由图3可知，反相放大器104的电路结构相同于应用于数字电路中的互补式金氧半反相器(Complementary Metal Oxide Semiconductor Inverter，CMOS Inverter)，与一般数字互补式金氧半反相器不同的是，反相放大器104的直流偏压工作点位于线性放大区而非饱和区(一般数字互补式金氧半反向器的直流偏压工作点位于反相器电路的饱和区)。具体来说，指纹检测电路10透过开关单元SW将反相放大器104的输出端耦接至输入端，当开关单元SW导通时，输出信号Vo等于输入信号Vi，以确保反相放大器104工作于线性放大区。
详细来说，如图4所示，为反相放大器104的输入输出电压转换特性示意图。当输入信号Vi大于电压Vtp或小于电压Vtn时，即为反相放大器104的饱和区Sat，而当输入信号Vi大于电压VL且小于电压VH时，反相放大器104工作于线性放大区Ln。具体来说，当开关单元SW受控而导通时，反相放大器104的输入信号Vi与输出信号Vo相等，此时反相放大器104位于直流工作点OP，即反相放大器104工作于线性放大区Ln，且反相放大器104具有负向增益，即输出信号Vo随输入信号Vi增加(减少)而递减(递增)。
由上述可知，指纹检测电路10仅利用电路结构简单的反相放大器104搭配开关单元SW，即可将感测电容Cs的电容值准确地转换成输出信号Vo。相较于现有技术，指纹检测电路10不需要额外的偏压电路，其电路结构简单且准确度高。
需注意的是，前述实施例是用以说明本发明的概念，本领域具通常知识者当可据以做不同之修饰，而不限于此。举例来说，于反相放大器104中，第一晶体管Q1及第二晶体管Q2不限于为金氧半场效晶体管(MOSFET)，亦可为高速电子移动晶体管(High ElectronMobility Transistor，HEMT)，亦属于本发明的范畴。另外，反相放大器不限于为图3所示的电路结构，任何原本应用于数字电路中的反相器(即具有负向增益且为单端输入单端输出的反相电路)，只要搭配耦接于该反相器的输入端与输出端之间的开关单元以限制该反相器工作于线性放大区，皆属于本发明之范畴。
除此之外，指纹检测电路10可应用于指纹辨识系统，如图5所示，为本发明实施例二的指纹辨识系统50的示意图。指纹辨识系统50包含有指纹判断模块500和指纹检测电路10_1～10_M，指纹检测电路10_1～10_M的电路结构与指纹检测电路10相同，在此不再赘述。
指纹检测电路10_1～10_M耦接于指纹判断模块500，将其产生的输出信号Vo_1～Vo_M输出至指纹判断模块500，指纹判断模块500即可根据输出信号Vo_1～Vo_M判断指纹检测电路10_1～10_M所在位置对应至纹蜂或纹谷。需要注意的是，指纹检测电路10_1～10_M中导电层100、102的面积皆为固定面积，其参考电容Cf的电容值皆为固定电容值，因此，可利用输出信号Vo_1～Vo_M之间的相对电压值判断指纹检测电路10_1～10_M中感测电容Cs电容值的相对电容值，即可判断指纹检测电路10_1～10_M所在位置对应至纹蜂或纹谷。
综上所述，本发明实施例的指纹检测电路利用单端输入单端输出的反相放大器，并利用开关单元快速地且正确地建立该反相放大器的直流偏压工作点，将感测电容的电容值准确地转换成输出信号。相较于现有技术，本发明实施例的指纹检测电路毋须配置额外的偏压电路，其电路结构简单且准确度高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种指纹检测电路，其特征在于，包含有：
第一导电层，所述第一导电层为金属电极或是集成电路布局的金属层，用于与手指形成感测电容；
第二导电层，所述第二导电层为金属电极、金属层或集成电路布局的多晶硅层；
反相放大器，包括一输入端和一输出端，其中所述输入端耦接于所述第一导电层，所述输出端耦接于所述第二导电层；以及
开关单元，所述开关单元的一端耦接于所述反相放大器的输入端，所述开关单元的另一端耦接于所述反相放大器的输出端。
2.如权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述反相放大器为单端输入单端输出反相放大器，且所述开关单元用于建立所述反相放大器的直流工作点。
3.如权利要求2所述的指纹检测电路，其特征在于，所述第二导电层位于所述第一导电层下方，所述第二导电层与所述第一导电层之间形成参考电容，所述参考电容的电容值与所述第二导电层的面积相关。
4.如权利要求2所述的指纹检测电路，其特征在于，所述反相放大器具有负向增益。
5.如权利要求2所述的指纹检测电路，其特征在于，当所述开关单元导通时，所述反相放大器的直流工作点位于放大区。
6.如权利要求5所述的指纹检测电路，其特征在于，所述反相放大器包括：
第一晶体管，具有第一端、第二端和第三端；以及
第二晶体管，包括：
第一端，耦接至所述第一晶体管的第一端；
第二端，耦接至所述第一晶体管的第二端；以及
第三端；
其中，所述第一晶体管的第三端用来接收第一电压，所述第二晶体管的第三端用于接收第二电压。
7.如权利要求5所述的指纹检测电路，其特征在于，所述反相放大器包括第一晶体管和第二晶体管，其中，所述第一晶体管的栅极耦接至所述第二晶体管的栅极而形成所述反相放大器的输入端；所述第一晶体管的漏极耦接至所述第二晶体管的漏极而形成所述反相放大器的输出端；所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的源极分别接收第一电压和第二电压。
8.如权利要求7所述的指纹检测电路，其特征在于，所述第一晶体管为P型金氧半场效晶体管，所述第二晶体管为N型金氧半场效晶体管。
9.一种指纹辨识系统，其特征在于，包括指纹判断模块和多个指纹检测电路，其中，所述指纹检测电路为如权利要求1至8中任一项所述指纹检测电路，所述指纹判断模块耦接于所述多个指纹检测电路，用来根据所述指纹检测电路的输出信号判断所述指纹检测电路所在位置是对应手指指纹的纹峰或是纹谷。
10.如权利要求9所述的指纹辨识系统，其特征在于，手指接收到的驱动信号通过所述指纹检测电路的感测电容耦合到所述指纹检测电路的反相放大器的输入端并形成输入信号，所述反相放大器接收所述输入信号并产生输出信号，所述指纹判断模块根据所述输出信号计算出所述感测电容的电容值，并根据所述感测电容的电容值判断所述指纹检测电路所在位置是对应所述纹峰或是所述纹谷；
其中，所述感测电容的电容值和所述输出信号满足以下公式：
Cs＝-(Cf/Vs)*Vo；
在上述公式中，Cs表示所述感测电容的电容值，Cf表示所述第二导电层与所述第一导电层之间形成参考电容的电容值，Vs表示驱动信号的电压值，Vo表示所述反相放大器的输出信号的电压值。
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