CN107003347B - 电容检测传感器及其相关装置和系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于指纹传感的电容检测电路(10)及其应用。所述电容检测电路(10)包括：第一电容(C1)、积分器(100)、第二电容(C2)、比较器(102)和计数器(104)。所述积分器(100)可以生成积分输出电压，且包括第一单端放大器(106)和至少一个积分电容(Cint_1‑Cint_4)。所示第一单端放大器(106)包括：第一输入端和积分输出端。所述比较器(102)可以生成比较输出，且包括：负极输入端，与所述第一单端放大器(106)的积分输出端耦合；正极输入端，用于接收参考电压(Vr)；比较输出端，用于输出所述比较输出电压(Vo_cmp)。所述计数器(104)，与所述比较输出端耦合，可以生成计数输出(Vo_cnt)。基于所述比较输出，控制所述第二电容与所述第一输入端之间的连接导通或截止。

Description

电容检测传感器及其相关装置和系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求申请日为2015年10月23日的美国临时专利申请No.62/245，932的优先权。上述专利申请的全部内容通过引用结合在本申请中，作为本申请公开的一部分。

技术领域

本公开涉及应用于装置和系统的电容检测电路，其中，装置和系统具有指纹识别功能以实现设备，例如移动设备，或系统，例如电子数据库和计算机控制系统的安全访问。

背景技术

随着技术的发展，安全访问计算机和计算机控制设备或系统的需求不断增加，其中，只有授权用户才能被识别并与其他非授权用户区别。例如，手机、数码相机、平板电脑、笔记本电脑和其他可携带电子设备在个人、商业及政府使用方面越来越普及。作为特别的例子，个人使用的可携带电子识别应具备安全性，以保护用户隐私。在另一个例子中，为了安全起见，组织或者企业使用的计算机或计算机控制设备或者系统应当仅仅允许授权人员访问，从而保护组织或系统的信息或者其设备或系统的使用。便携式设备以及计算机控制数据库、设备或系统中存储的信息本质上可以为个人信息，例如，个人的联系人或电话本、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或者组织或企业专有使用的机密信息，例如，运营财务信息、员工数据、商业机密和其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性得到妥协，那么这些数据可以被其他人访问，从而导致个人私密信息的丢失或有价值机密信息的丢失。除了信息的安全之外，保证访问计算机和计算机控制设备或系统的安全性也可以使得设备或系统的使用得到保护，该设备或系统由计算机和计算机处理器控制，例如，计算机控制汽车和其他系统，如ATM。

如移动设备等设备或如电子数据库和计算机控制系统等系统的安全访问可以通过多种途径实现，例如，使用用户密码。然而，密码可能被轻易扩散或获取，密码的这一属性降低了安全性。进一步地，用户需要凭密码才能使用电子设备或系统。如果用户忘记密码，那么用户需要执行具体的密码恢复程序重新获得认证，或者重新获得访问设备的权限。这样的过程对用户来说较为繁琐，在实际操作中具有各种限制和不便。个人指纹识别可以用于实现用户认证，以减轻与密码相关的不必要影响的同时，提高数据安全性。

电子设备或系统，包括便携式或移动计算设备，可以使用用户认证机制来保护个人或其他私密数据并阻止非授权访问。电子设备或者系统上的用户认证可以通过生物特征标识中的一个或多个的形式实现，该生物特征标识可以单独使用或者与常规的密码的认证方法结合使用。生物特征标识的一种形式是人体的指纹图案。指纹传感器可以内置于电子设备中以读取用户的指纹图案，以便该设备只能由该设备的授权用户通过授权用户的指纹图案的认证解锁。

发明内容

本申请的实施例提供了应用于触摸传感设备中的执行电容检测的装置、系统和技术，包括用于认证对锁定计算机控制设备，例如移动设备或计算机控制系统，进行的访问的人体指纹检测和认证，其配置有实现指纹检测电路的指纹检测模块。本申请所述的指纹检测电路能够在电路的线性运行区域内持续运行。所述技术可以用于确保对于各种电子设备和系统的访问的安全性，包括可携带或移动计算设备，例如，便携电脑、平板电脑、智能手机和游戏机等。

一方面，提供了一种电容检测电路。所述电容检测电路可以包括：第一电容、积分器、第二电容、比较器和计数器。所述第一电容可以与像素传感电路耦合。所述积分器可以用于生成积分输出电压，且包括第一单端放大器和至少一个积分电容。所述第一单端放大器包括：与所述第一电容耦合的第一输入端，和用于输出所述积分输出电压的积分输出端。所述比较器可以用于生成比较输出，且包括：负极输入端，与所述第一单端放大器的积分输出端耦合；正极输入端，用于接收参考电压；比较输出端，用于输出所述比较输出电压。所述计数器，与所述比较输出端耦合，用于生成计数输出。基于所述比较输出，控制所述第二电容与所述第一输入端之间的连接导通或截止。

另一方面，提供了一种指纹识别系统。所述指纹识别系统包括：多个像素传感电路，电容检测电路和指纹确定模块。所述电容检测电路，与所述多个像素传感电路耦合，用于生成与所述多个像素传感电路对应的多个电容输出。所述电容检测电路包括：第一电容、积分器、第二电容、比较器和计数器。所述积分器用于生成积分输出电压，且包括第一单端放大器和至少一个与所述第一输入端耦合的积分电容。所述第一单端放大器包括：用于输出积分输出电压的积分输出端，和与所述第一电容耦合的第一输入端。所述比较器用于生成比较输出，且包括：负极输入端，与所述第一单端放大器的积分输出端耦合；正极输入端，用于接收参考电压；比较输出端，用于输出所述比较输出。所述计数器，与所述比较输出端耦合，用于生成对应于所述多个像素传感电路的多个计数器输出作为所述多个电容输出。所述指纹确定模块，与所述电容检测电路耦合，用于基于所述对应电容输出，确定与手指脊或手指谷对应的每个像素传感电路的位置。基于所述比较输出，控制所述第二电容与所述第一输入端之间的连接导通或截止。

另一方面，电容检测电路可以包括：第一电容，与像素传感电路耦合；积分器，与所述第一电容电性耦合，用于生成积分输出电压。所述积分器可以包括：第一单端放大器，包括用于输出积分输出电压的积分输出端和与所述第一电容耦合的第一输入端；至少一个积分电容，与所述第一输入端耦合。所述积分器还可以包括：电容阵列，其中，所述电容阵列中每个电容的一端连接至所述第一输入端，另一端切换至预设电压或切换至打开状态。所述积分器还可以包括：比较器，与所述第一单端放大器的积分输出端耦合，用于生成比较输出电压。电容阵列中每个电容的另一端可以连接到VDD开关，以将所述另一端耦合至电压生成器；且可以连接到接地开关，以将所述另一端耦合至接地端。当所述比较输出指示所述积分输出电压小于所述参考电压时，可以控制所述VDD开关和所述接地开关打开。

本文所描述的电容检测模块，指纹检测模块和指纹传感器模块的各种示例均可以与移动设备(例如，智能手机、平板电脑和笔记本电脑)、计算设备(例如，个人电脑)以及其他电子设备集成，以在这些设备上执行指纹认证过程。

以下结合附图、说明书和权利要求详细描述以上所述和其他的特征以及其具体实施方式。

附图说明

图1A为根据一些示例性实施例的指纹传感系统的框图。

图1B为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路行的框图。

图1C为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路行的另一框图。

图1D为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路的积分器的示意图。

图1E为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路的积分器矩阵的框图。

图1F为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路的积分器的另一示意图。

图2为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路的示意图。

图3A为根据一些示例性实施例的像素传感系统的示意图。

图3B为根据一些示例性实施例的电容传感系统的示意图。

图4A-4D为根据一些示例性实施例的图2的第一电容检测电路的示意图。

图5为根据一些示例性实施例的图2的第一电容检测电路的波形示意图。

图6为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路的示意图。

图7A-7B为根据一些示例性实施例的第一电容检测电路的示意图。

图8A为根据一些示例性实施例的第而电容检测电路的积分器矩阵的框图。

图8B为根据一些示例性实施例的第而电容检测电路的积分器的示意图。

图9A为根据一些示例性实施例的第二电容检测电路的示意图。

图9B为根据一些示例性实施例的第二电容检测电路的波形示意图。

图10A-10E为根据一些示例性实施例的图9A的第二电容检测电路的示意图。

图11为根据一些示例性实施例的指纹传感系统的示意图。

具体实施方式

电子设备或系统可配备有指纹认证机制，以提高设备访问的安全性。这类电子设备或系统可包括：便携式或移动计算设备，例如，智能手机、平板电脑、手腕可穿戴设备以及其他可穿戴或便携式设备，大型电子设备或系统，例如，便携式或桌面式的个人电脑，ATM，各种终端及各种电子系统，数据库或商用或政府用信息系统，监控交通系统，包括汽车、船舶、火车、飞机以及其他。

然而，通过由各种方式攻击指纹认证机制，来削弱此类设备或系统的安全或认证的访问。例如，指纹传感器可被恶意用户攻击，恶意用户可以获取认证用户的指纹并将盗取的指纹图案拷贝到与人类手指相似的承载物体上。此类未经授权的指纹图案可以用于指纹传感器，以对目标设备进行解锁。从而，尽管指纹图案是唯一的生物特征标识，但指纹图案本身也并非完全可靠和安全的标识。本文所描述的技术、装置和系统提高了现有电子设备中常用的指纹认证技术，从而可能避免被盗指纹被用于访问目标设备。

电容传感装置可以用于指纹识别中。电容指纹识别系统可以包括电容检测电路，其中，该电容检测电路检测用户手指，相对于像素传感电路内的至少一个传感电极，形成的电容的电容值。检测到的电容可以根据手指脊和手指谷之间的距离变化，因此可以用于，基于电容检测电路的输出，确定用户手指的手指脊和手指谷的存在与具体位置。各像素传感电路进行测量以形成标识用户的指纹图案，从而使得不同像素传感电路阵列的集合可以测量代表一部分指纹的电容空间分布。发送给电容检测电路的像素传感电路的电压信号可以很小，从而其很难从背景或其他噪声中检测。因此，电容检测电路可以使用积分器增强电容检测电路的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。然而，鉴于某些因素，例如生产制造工艺和传感像素在指纹传感器中的不同位置，当不同像素中出现相同的传感时，例如没有指纹的情况下，像素传感电路的电压信号可以随逐像素变化。在长积分时间段的情况下，积分器的输出电压可以从现行操作区域落下，且可以处于电路的饱和区域中。由此导致了用户指纹的错误识别。

本文所述的实施例提供了实现电容检测电路的装置、系统及技术，其中，该电容检测电路检测电容的电容值，并持续地在线性运行区域工作。电容检测电路可以在访问大型或小型设备或系统中用于人体指纹检测和认证的各种指纹检测模块中使用。

图1A为示例性系统180的框图，该系统180具有指纹传感模块180，其包括电容指纹传感器181。系统180包括指纹传感器控制电路184和数字处理器186。数字处理器186可包括一个或者多个处理器，用于处理指纹图案和确定输入指纹图案是否来自授权用户。指纹传感系统180可确定指纹，或确定指纹并将比较确定的指纹与存储的指纹以使能获取使能由指纹传感系统保证安全性的设备或系统188的功能。例如，作为系统188的ATM的指纹传感系统可确定请求获取资金的客户的指纹。基于客户指纹与存储的一个或多个指纹之间的比较，指纹传感系统180可使计算机处理器控制设备或系统188允许用户获取资金，且可识别客户从而将适合的账户关联到卡片上或扣除请求的资金额。又例如，设备或系统188可为智能手机或可携带设备，指纹传感系统180为集成在设备188中的模块。

在具体操作中，配置有指纹传感器的系统180操作指纹传感器，以基于电容传感和用于接收指纹传感器181采集的用户指纹的信息的指纹处理器186，采集用户指纹图案的一部分，从而确定所采集的用户指纹是否来自授权用户。设备188与指纹处理器186耦合。对设备188的访问由指纹处理器186基于所采集的用户指纹是否来自授权用户来控制。当采集的指纹与授权用户匹配时，允许对设备188的访问。如果不匹配，则拒绝访问。指纹传感器181可以包括多个指纹传感像素，例如，像素182A-182E，其整体代表至少一部分指纹。指纹传感器181可以划分为像素矩阵。每个像素可以包括一个或多个像素电容以及积分器。像素电容和积分器将在下文详细描述。

图1B为芯片级(1)的示例性电容检测电路的框图。0到N行的传感器像素阵列如图1A所示，设置为两个不同行的像素传感器桐乡数据处理电路。例如，两行像素传感器设置为像素传感器组(2)。例如，如图1B所示，作为“积分器0”(2)的组的同一列不同行的两个像素传感器，“像素电容0”和“像素电容1”共享相同的相关积分器和粗量化计数器。像素内ADC包括相关积分器、粗量化计数器和像素电容。和像素电容一起，共享的相关积分器和粗量化器作为积分器或像素内ADC使用。

图1C示出了一行像素，其中每行的积分器(积分器0到积分器N)共享相同的细ADC转换器和VCM生成电路(共模电压生成器)。图1D示出了积分器0到积分器N的示例性电路。产生共模电压参考的VCM生成电路中的放大器可为积分器中放大器的复制品。

在操作中，多行积分器可以开始对信号进行积分，并在传感期间，在其各自粗量化器的各自的计数器中保存粗ADC值。积分过程完成后，细ADC可以依次量化同一行中每个积分器的输出。通过将所有计数器连接在一起，计数器值(粗ADC值)切换为输出。在数字域中，粗ADC值和细ADC值可以结合在一起。

图1E为第一电路拓扑的积分器矩阵的框图(此处还称之为第一电容检测电路)。第一电路拓扑包括每个积分器中的粗量化器、复用器150和10-位细ADC。下面结合图8A-10E详细描述第二电路拓扑。在第一和第二电路拓扑中，积分器可以包括一个或多个行和列。每行每列都具有积分器。在图1F的示例中，积分器位于第一行的<1，1>，<1，2>，…<1，N>位置处，第二行的<2，1>，<2，2>，…<2，N>位置处，至第M行的所有行的<M，1>，<M，2>，…<M，N>位置处。在本示例中，积分器的总数量为M*N。

每个积分器可包括一个或多个像素电容、共模电压生成器、相关积分器和粗量化器。在图1E的示例中，积分器具有Q个像素电容，这些像素电容相互连接，为每个相关积分器提供输入。积分器<1，1>可为复用器150提供共模电压、相关积分器输出(输出电压)和粗量化器输出。积分器<2，2>也可为复用器150提供共模电压、相关积分器输出和粗量化器输出。积分器<M，N>也可为复用器150提供共模电压、相关积分器输出和粗量化器输出。复用器150可选择具体将哪行的积分器连接到模数转换器155。各行内的具体列可以通过扫描过程选择。数模转换器155可为如图1E所示的10-位模数转换器，或其他任何位宽的转换器，例如12-位，16-位等等。每个积分器的粗量化器可提供代表检测的电容的值的一个或多个最高位，模数转换器155可确定一个或多个最低位。在图1F的示例中，粗量化器确定10个最高位，模数转换器155确定代表像素电容的20位值的10个最低位。可以在数字输出160中提供10-位粗量化的值和10-位ADC值。在一些实施例中，粗量化器的方位可与细量化器的范围重合。当其范围重合时，由于发生范围重合的原因，具有10-位细量化值的10-位粗量化值可产生15-位混合值。

图1F为第一电容检测电路的积分器165的示意图。例如，积分器165可对应于图1F所示的任意积分器，例如，积分器<2，2>。积分器165包括：一个或多个像素电容、相关积分器、粗量化器以及共模电压生成器。

图2为示例性电容检测电路10的示意图。电容检测电路10与像素传感电路108连接，以检测像素传感电路108内的电容。电容检测电路10包括：积分器100、比较器102、计数器104和电容C1和C2。电容C1与像素传感电路108耦合。比较器102与积分器100耦合，计数器104与比较器102耦合。在此具体示例中，积分器100包括：第一单端放大器106，复位开关S_rst，积分电容Cint_1-Cint_4，和开关单元12_1、12_2、12_3和12_4。第一单端放大器106包括：与积分电容Cint_1、Cint_2、Cint_1和Cint_4连接的第一输入端(具有负极标志)，以及积分输出端(具有正极标志)。第一输入端还通过开关S2与电容C1和电容C2连接。输出积分器100生成的积分输出电压Vpo的积分输出端与比较器102连接。比较器102包括：与积分输出端连接负极输入端(具有负极标志)，以及用于接收参考电压Vr的正极输入端(具有正极标志)。通过比较积分输出电压Vpo与参考电压Vr，比较器102生成比较输出Vo_cmp。计数器104与比较输出端耦合，以根据比较输出Vo_cmp生成计数器输出Vo_cnt。

在图2所示的实例中，根据比较输出Vo_cmp对电容C2与积分器100的第一输入端之间的连接进行控制，以导通(即，ON)或截止(即，OFF)，从而限制输出电压Vpo落入电路的线性运行区域内。在所示的具体事例中，电容C2的第一端通过开关S2与第一单端放大器106的第一输入端耦合，电容C2的第二端通过开关S3与生成电压VDD的电压生成器(图中未示出)耦合并通过开关S4与接地端GND耦合。当比较输出Vo_cmp指示积分输入电压小于参考电压时，导通开关S2和S4，以限制积分输出电压Vpo落入线性运行区域内。

在图物种，电容C1通过开关S1与接地端GND耦合。复位开关S_rst耦合于所述第一输入端和所述积分输出端之间。开关单元12_1、12_2、12_3和12_4与积分电容Cint_1、Cint_2、Cint_3和Cint_4耦合。具体地，开关单元12_1，12_2，12_3和12_4中的每个开关与积分电容Cint_1，Cint_2，Cint_3和Cint_4中的一个以及积分输出端耦合。此外，在图1所示的电容检测电路10的实施例中，开关单元12_1-12_2与生成电压VDD的电压生成器耦合，开关单元12_3-12_4与接地端GND耦合。具体地，开关单元12_1和开关单元12_2分别包括：开关S11和S12，以及开关S21和S22。开关S11和S21与积分输出端耦合，开关S12和S22与生成电压VDD的电压生成器耦合。类似地，开关单元12_3和开关单元12_4分别包括：开关S31和S32，以及开关S41和S42。开关S31和S41与积分输出端耦合，开关S32和S43与接地端GND耦合。

图3A示出了图2的像素传感电路的示例。像素传感电路108包括：导电层120和122，其中导电层122为顶层或电极，作为传感电极至少通过导电层122上的顶部电介质层与手指接合，以与手指的触摸部分共同形成电容Cf，从而采集手指触摸部分的一部分指纹图案；导电层120位于顶部导电层122的下方。导电层122和作为接地端GND的用户手指之间形成电容Cf，顶部导电层122和底部导电层120之间形成电容Cp1。导电层120通过开关S5与生成电压VDD的电压生成器耦合，通过开关S6与接地端GND耦合。顶部导电层122通过开关S7与生成电压VDD的电压生成器耦合，通过开关S8与电容C1耦合。在第一时间段内，开关S5和S7打开，开关S6和S8关闭。在第二时间段内，开关S5和S7关闭，开关S6和S8打开，以输出电压Vx到电容检测电路10。电容检测电路10可以检测电容Cf的电容值，用于采集像素中的指纹图案。

图3B为与图3A中的像素传感电路108关联的示例性电容检测电路80的示意图。电容检测电路80与像素传感电路108耦合，用于接收来自与用户手指接合的顶部导电层100的输出。电容检测电路80包括：电容C1，开关S81和S82以及积分器800。电容C1的第一端与像素传感电路108连接，电容C2的第二端通过开关S82与积分器800连接。开关S81耦合于电容C1的第一端和接地端GND之间。积分器800包括：参考电压生成器803，放大器OP，积分电容Cint以及复位开关Srst。参考电压生成器803可生成参考电压Vref。放大器OP包括：正极输入端，其与参考电压生成器803耦合，用于接收参考电压Vref；与开关S82耦合的负极输入端；以及用于输出积分输出电压Vpo8的输出端。积分电容Cint和复位开关Srst耦合于放大器OP的负极输入端和输出端之间。积分输出电压Vpo8可发送到背端ADC(图9中未示出)，以执行指纹识别。因此，通过选择大电容的电容C1，电容C1可以吸收大部分存储在电容Cf中的电荷，积分输出电压Vpo可以更大。

图4A-4D为用于检测电容Cf的电容值的电容检测电路10的不同阶段操作示例示意图。图4A示出了操作的第一阶段，其中开关S1、S2、S3、S12、S22、S32、S42和S_rst导通(ON)，开关S4、S11、S21、S31和S41截止(OFF)。在第一阶段，打开开关S_rst使第一输入端电性连接至积分输出端，从而生成初始电压Vi，电容C1、C2，Cint_1-Cint_4由初始电压充电。

图4B示出了操作第二阶段的示例，其中开关S12、S22、S32、S42和S2截止(OFF)。开关S1和S_rst保持导通状态(ON)，开关S4、S11、S21、S31和S41保持截止状态(OFF)。在第二阶段内，重新分配电容Cint_1、Cint_2、Cint_3和Cint_4存储的电荷。电荷的重新分配导致，在积分器100开始执行积分之前，通过选择电容Cint_1、Cint_2、Cint_3和Cint_4和合适电容值，积分输出电压Vpo具有初始电压值VDD/2。

图4C示出了操作的第三阶段的示例，其中开关S11、S21、S31和S41处于导通状态(ON)，开关S_rst和S1处于截止状态(OFF)。开关S3保持导通状态。开关S2、S4、S12、S22、S32和S42保持截止状态(OFF)。在第三阶段，积分器100执行积分，即，存储在电容Cf(第一时间段)的电荷注入积分电容Cint_1、Cint_2、Cint_3和Cint_4内(第二时间段)。在本实施例中，积分输出电压Vpo逐渐降低。一旦积分输出电压Vpo小于参考电压Vr，电容检测电路10就进入操作的第四阶段。

图4D示出了操作的第四阶段的示例，其中开关S2和S4处于导通状态(ON)，开关S3处于截止状态(OFF)。开关S1、S3、S_rst、S12、S22、S32和S42保持截止状态(OFF)，开关S11、S21、S31和S41保持导通状态(ON)。在第四阶段，由于开关S2和S2导通，在第一输入端产生较大的压降。由此，可以将积分输出电压Vpo拉高到上限电压Vup。上限电压Vup和参考电压Vr之间的增量与电容C2的电容值相关。

图5示出了积分输入电压Vpo的示例性时间尺度波形。在第四阶段(图4D)，积分输入电压Vpo被拉升到Vup后，积分器100可返回第三阶段(图4C)并继续执行积分。因此，积分输出电压Vpo可以再逐渐降低，直到下一次积分输出电压Vpo降低到参考电压Vr以下。如图5所示，积分输出电压Vpo在上限电压Vup和参考电压Vr之间变化。在某些实现中，参考电压Vr设置为7VDD/16，上限电压Vup设置为9VDD/16。因此，积分输出电压Vpo可以维持在电容检测电压10的线性运行区域内。

为了评估电容Cf的电容值，计数器104通过对积分输出电压Vpo降低到参考电压Vr以下的总次数进行统计，产生计数器输出Vo_cnt。电容Cf越大，积分输出电压Vpo降低速度越快。因此，一段时间内累计的计数器输出Vo_cnt代表了电容Cf的电容值。

在上述操作中，电容检测电路10基于比较器102生成的比较电压Vo_cmp控制与电容C2耦合的开关S2和S4的开关状态，从而限制积分输出电压Vpo保持在一定范围内。该范围属于电容检测电路10的线性运行区域。由此，防止本文所述的积分输出电压Vpo脱离线性运行区域(即，Vpo维持在线性运行区域内)。此外，电容检测电路10使用积分器内的单端放大器。相对于使用具有两个输入端的运算放大器而言，使用单端放大器能够降低电路的噪声，并进步一提高电路的信噪比(SNR)。

还可以对电容检测电路10和相关操作进行各种改变。例如，除了所示的四个之外，可以对耦合于第一输入端和积分输入端的积分电容和开关单元的数量做出改变。此外，在电容检测电路10中，一半的开关单元与接地端连接，另一半的开关单元与生成电压VDD的电压生成器连接，从而使得积分输出电压Vpo的初始值为VDD/2。在某些实现中，少于一半的开关单元可以与接地端连接，剩余的开关单元与生成电压VDD的电压生成器连接。在某些实现中，多于一半的开关单元可以与接地端连接，剩余的开关单元与生成电压VDD的电压生成器连接。

此外，为了更精确的检测电容Cf，还可以使用共模电压生成器和模数转换器(ADC)。

图6为示例性电容检测电路50的示意图。电容检测电路50与电容检测电路10类似。因此，相同的部件使用相同的附图标记表示。与电容检测电路10相比，电容检测电路50还包括：用于生成共模电压Vcm的共模电压生成器522，和组合电路526。共模电压生成器522包括：第二单端放大器530，共模电容Ccm_1和Ccm_2，开关单元52_5和52_6，以及连接开关S_cnct。第二单端放大器530包括：第二输入端(具有负极标志)和第二输出端(具有正极标志)。第二输出端与电容检测电路50中的积分器500的开关单元52_2、52_3和52_4连接。ADC524与积分输出端和第二输出端耦合，用于分别接收积分输出电压Vpo和共模电压Vcm。ADC524用于根据积分输出电压Vpo和共模电压Vcm生成ADC输出Vo_adc。ADC输出Vo_adc和计数器输出Vo_cnt进一步结合，通过组合电路526生成总输出V_out。

进一步地，如图6所示，在积分器500中，开关单元52_2、53_3和52_4还分别包括开关S23、S33和S43，并与第二输出端耦合，以选择性地导通积分电容Cint_2-Cint_4和第二输出端之间的连接。在共模电压生成器522中，共模电容Ccm_1-Ccm_2、开关单元52_5-52_6和开关S_cnct在第二输入端和第二输出端之间导通。具体地，开关单元52_5和52_6包括分别与共模电容Ccm_1和Ccm_2以及第二输出端连接的开关S51和S61。此外，开关单元52_5包括连接于生成电压VDD的电压生成器和共模电容Ccm_1之间的开关S52。开关单元52_6包括连接于接地端GND和共模电容Ccm_2之间的开关S62。

图7A和7B示出了生成总输出V_out的电容检测电路50的操作示例。在初始化共模电压生成器522的阶段，如图7A所示，开关S52、S62和S_cnct处于导通状态(ON)。在初始化共模电压生成器522的阶段，电荷存储在共模电容Ccm_1和Ccm_2中。

在生成ADC输出Vo_adc的阶段，开关S52、S62和S_cnct截止(OFF)，开关S51和S61处于导通状态(ON)。重新分配存储在共模电容Ccm_1和Ccm_2中的电荷，并生成共模电压Vcm。共模电压将变为VDD/2。同样，开关S23、S33和S43导通(ON)。因此，不用连接至共模电压生成器522，存储在电容Cf中的电荷注入积分电容Cint_1中，从而使得积分输出电压Vpo被放大。Vpo_amplified＝4*(Vpo-VCM)+VCM。放大的积分输出电压Vpo输出到ADC 524，以生成ADC输出Vo_adc。Vo_adc＝Floor((VCM-Vpo_amplified)/(VDD/4)*2^(N-1))。Vo_adc在2^(N-1)-1到-2^(N-1)之间变化。组合电路526生成的总输出V_out可表示为：

V_out＝Vo_cnt*2^(N)+Vo_adc，其中N表示ADC 524的分辨率。

本专利申请公开的电容检测电路10或电容检测电路50可应用于指纹识别系统。

图8A为第二电容检测电路的积分器矩阵示例的框图。与第一电容检测电路的积分器矩阵相比，第二电容检测电路在矩阵的每个积分器中包括粗量化器。第二电容检测电路也不具有复用器，不具有每个积分器外设置的模数转换器(图1F中的155在第二电容检测电路中不再需要)。

矩阵可包括一个或多个列以及一个或多个列。每行每列都具有积分器。在图8A的示例中，积分器位于第一行的<1，1>，<1，2>，…<1，N>的每个位置处，第二行的<2，1>，<2，2>，…<2，N>的每个位置处，至第M行的所有行中每一行<M，1>，<M，2>，…<M，N>的每个位置处。In this example,there is a total number of integrators equal to M*N,where Mis the quantity of rows and N is the quantity of columns.每个积分器可包括一个或多个像素电容、共模电压生成器、相关积分器、粗量化器和细量化器。例如，积分器<1，1>可具有Q个像素电容，这些像素电容相互连接，以为相关积分器提供输入。积分器<1，1>可包括：共模电压生成器，相关积分器、以及将粗量化器和细量化器确定的值进行组合的量化器输出。例如，对于一个代表电容值的12位值而言，粗量化器可确定高八位，细量化器可确定低四位。量化器输出(结合了粗值和细值)可以在数字输出160中提供。在一些实施例中，每行可具有电子输出，其中，该行中每个积分器的量化器输出可以相互连接，并连接至数字输出160中。通过扫描过程，可以选择每行中哪个积分器将提供量化器输出。每行可具有单独的到数字接口160的连接。每行中的积分器还可包括：共模电压生成器，相关积分器和量化器(结合了粗值和细值)。

图8B示出了诸如图8A中某积分器的积分器800示例。例如，积分器800可为积分器<1，1>或任何其他图8A所示的积分器。积分器800包括一个或多个像素电容，例如，像素1，像素2,…，像素8，如图8B所示。积分器800可包括：相关积分器，粗量化器，细量化器以及共模电压生成器。积分器800可包括：开关sp1_2、sp0_2、sp1_1、sp1_0、sp0_1和sp1_0，比较器，DAC逻辑，以及计数器，以执行像素电容的粗量化。DAC控制逻辑还控制开关sn1_2、sn0_2、sn1_1、sn1_0、sn1_0和sn0_0，并与粗量化器开关一起执行细量化。

图9A为第二电容检测电路示例的示例图。图9A还可以参考图8B。图9A中的Cf可以表示为Cf＝Cbase+Csig，其中Cf为确定的总电容值，Cbase为基线或固定电容值，Csig为表示在于Cbase和Csig对应的像素的位置处指纹脊是否存在的电容值。在一些示例性实施例中，Cbase等于或大致等于10fF(femtofarads)。继续参见图9A的示例，Csig＝0.01fF，CK＝Cdac＝4*C＝2*Cbase＝20fF，其中，C为图9A中与开关snX_0、nX_1、spX_0和spX_1关联的电容(其为与开关snX_2和spX_2关联的电容2C的二倍)。当积分周期的数量N设为1000时，信号的粗量化值可表示为Csig*N/CK＝0.01fF*10000/20fF＝5。当细ADC选择为2-位时，信号的总量化范围(结合了粗量化和细量化)可为20(5*2^2＝20)。当输出差值为(1/3)*VDD时，Cint可设置为Cdacd的三倍，即，Cint＝12*C＝60fF。

图9B为第二电容检测电路的波形示意图。图9B示出了图9A中点Vx和Vo处电压与时间的函数关系。电压图与CK、VDD、Cint、VCM(由共模电压生成器生成)、BR(与VCM相等的参考电压)以及GND(接地端)相关。时间记为时间段T。每个时间段T可对应一个时钟周期和/或图9B所示的三角波性的周期。

图10A示出了，在确定Cf的电容值的重置阶段，第二电容检测电路的示意图1000和电压波形图1000A。在该重置阶段，开关sp1_0、p1_1、sp1_2、sn0_0、sn0_1、sn0_2、S11、S6、S5、S3和S4关闭，开关sp0_0、sp0_1、sp0_2、sn1_0、sn1_1、sn1_2、S12和S2打开。在一些实施例中，第二电容检测电路的重置阶段采用与第一电容检测电路重置阶段相同的步骤运行。

图10B示出了，在确定Cf的电容值的积分阶段，第二电容检测电路的示意图1020和电压波形图1020A。在一些示例性实施例中，运行开关sp1_0、sp0_0、sp1_1、sp0_1、sp1_2和sp0_2以产生粗ADC值。开关sn1_0、sn0_0、sn1_1、sn0_1、sn1_2和sn0_2可以保持打开状态。在粗积分阶段末，确定粗码。在1020A所示的示例中，粗码可为二进制值10。确定的值为10，而非11，这是因为在积分阶段末，Co-VCM＝0.3>0。

图10C示出了，在细ADC取样阶段的第一部分中，第二电容能检测电路的示意图1040和电压波形图1040A。在细ADC取样阶段，表示电容Cf的数量进一步细化为相比粗ADC值确定的值更加精确的值。在一些示例性实施例中，开关sp1_0、sp1_1、sp1_2、sn0_0、sn0_1和sn0_2可以关闭，开关sp0_0、sp0_1、sp0_2、sn1_0、sn1_1、sn1_2和S3可以打开，从而重置CK+和CK-电容阵列。当开关S4打开且开关S2关闭时，电容Cint中存储的电荷将在Vx处重新分配被电容阵列。在1040A所示的示例中，最高细ADC位的值为0。

图10D示出了，在细ADC跛脚阶段的第二部分中，第二电容能检测电路的示意图1060和电压波形图1060A。在一些示例性实施例中，开关sp1_0、sp1_1、sp1_2、sn0_0、sn0_1、sn1_2,和S2可以关闭，开关sp0_0、sp0_1、sp0_2、sn1_0、sn1_1、sn0_2、S11、S12、S6、S5、S4和S3可以打开。在1060A所示的示例中，在细ADC取样阶段的第二部分末段，细ADC值的次低位确定为具有值1。

图10E示出了，在细ADC跛脚阶段的第三部分中，第二电容能检测电路的示意图1080和电压波形图1080A。在一些示例性实施例中，开关sp1_0、sp0_1、sp1_2、sn0_0、sn0_1、sn1_2,和S2可以关闭，开关sp0_0、sp1_1、sp0_2、sn1_0、sn1_1、sn0_2、S11、S12、S6、S5、S4和S3可以保持打开状态。在细ADC比较阶段第三部分的末段，细ADC值的次低位确定为具有值0。在一些实施例中，粗细ADC值可以组合。在1080A所示的示例中，粗ADC值的最低位与细ADC值的最高位重合。因此，在1080A所示的示例中，总量化值为1010。

图11为示例性指纹识别系统70的示意图。指纹识别系统70包括：像素传感电路Px_1,Px_2,…,Px_M，电容检测电路700和指纹确定模块702。像素传感电路Px_1,Px_2,…,Px_M的每个都可以和像素传感电路108相同。电容检测电路700可基本与电容检测电路10，电容检测电路50和/或图8A-10E所示的电容检测电路相同。像素传感电路Px_1,Px_2,…,Px_M与电容检测电路700耦合，用于检测电容Cf的电容值。电容检测电路700可生成电容输出对应于像素传感电路Px_1,Px_2,…,Px_M的Cp_1,CP_2,…,Cp_M，并将电容输出Cp_1,CP_2,…,Cp_M发送到指纹确定模块702。电容输出Cp_1,CP_2,…,Cp_M可为计数器输出Vo_cnt_1-Vo_cnt_M或对应于每个像素传感电路Px_1,Px_2,…,Px_M的电容检测电路700生成的总输出Vout_1-Vout_M。指纹确定模块702可以，根据对应的电容输出，确定与手指脊或手指谷对应的每个像素传感电路Px_1,Px_2,…,Px_M的位置。

在电容检测电路10、电容检测电路50和图8A-10E所示的电容检测电路中，用户手指在像素传感电路108中形成的电容Cf的电容值实际上非常小。电容C1的电容值通常设置为远远大于电容Cf的电容值，从而使得电容C1能够吸收大部分存储在电容Cf中的电荷，且积分输出电压Vpo会更大。使用大电容值的电容C1来吸收存储在电容Cf中的电荷的这种思想可以应用于使用包括运算放大器的积分器的电容检测单元。

基于本文所述技术的电容检测电路可以用于根据比较输出电压来控制与电容连接的开关的导通截止状态，从而将积分输出电压限制在具体的范围内。该具体范围与电路的线性运行区域对应。因此，积分输出电压会保持在线性运行区域内。进一步地，基于所述技术的电容检测电路使用了单端放大器，从而降低了电路中的噪声并进一步提高了电路的SNR。

虽然该专利申请包含许多细节，但这些不应被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，可能是特定发明的特定实施例的具体描述。在本专利申请中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以结合单个实施例实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在单独的多个实施例或在任何适当的子组合实现。此外，虽然以上描述的特征与在某些组合中所起的作用相同，甚至最初主张如此，但是要求的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以针对一个子组合或一个子组合的变体。

类似地，虽然操作是以特定的顺序在附图中被描述，但这不应该被理解为要求这些操作以所示的特定顺序或以连续顺序被执行，或者要求所有示出的操作都被执行，以达到期望的结果。此外，在该专利申请中描述的实施例的各种系统组件的分离不应被理解为要求所有这些分离。

本文仅描述一些实施方案和示例，其他试试方案、改进和变型都可以基于本文的描述获得。

Claims (37)

1.一种电容检测电路，其特征在于，包括：

像素传感电路，包括传感导电层，所述传感导电层与物体接合以形成与所述物体的电容；

第一电容，与所述像素传感电路耦合，所述第一电容通过第一开关与接地端耦合；

积分器，与所述第一电容电性耦合，用于生成积分输出电压，所述积分器包括：

第一单端放大器，包括：

积分输出端，用于输出所述积分输出电压，

第一输入端，与所述第一电容耦合，

至少一个积分电容，与所述第一输入端耦合；

比较器，与所述第一单端放大器的积分输出端耦合，用于生成指示所述传感导电层与所述物体之间电容的比较输出电压；

第二电容；

第二开关，设置于所述第二电容和所述积分器的第一输入端之间，所述第二开关用于基于所述比较输出打开或关闭，以提供所示第二电容与所述积分器之间的电性连接；

第三开关，用于将第二电容耦合至电压生成器；

第四开关，用于将所述第二电容耦合至接地端；

其中，当所述比较输出指示所述积分输出电压小于所述比较器接收的参考电压时，控制所述第二开关和所述第四开关打开。

2.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述比较器包括：

负极输入端，与所述第一单端放大器的积分输出端耦合；

正极输入端，用于接收参考电压；

比较输出端，用于输出所述比较输出电压。

3.根据权利要求2所述的电容检测电路，其特征在于，包括：

计数器，与所述比较输出端耦合，用于生成计数输出。

4.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述积分器还包括：

复位开关，耦合于所述第一输入端和所述积分输出端之间；

其中，控制所述复位开关导通所述第一输入端和所述积分输出端的电性连接。

5.根据权利要求3所述的电容检测电路，其特征在于，所述积分器包括：至少一个积分开关单元，耦合于所述至少一个积分电容和所述积分输出端之间。

6.根据权利要求5所述的电容检测电路，其特征在于，所述至少一个积分开关单元与电压生成器或接地端耦合。

7.根据权利要求6所述的电容检测电路，其特征在于，所述至少一个积分开关单元用于选择性导通所述至少一个积分电容和所述积分输出端之间的电性连接，所述至少一个积分电容和所述电压生成器之间的连接，或所述至少一个积分电容与所述接地端之间的连接。

8.根据权利要求5所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路还包括：共模电压生成器，用于生成共模电压，所述共模电压生成器包括：

第二单端放大器，包括：

第二输入端；

第二输出端，通过连接开关与所述至少一个积分开关单元和所述第二输入端的一部分耦合；

多个共模电容，与所述第二输入端耦合。

9.根据权利要求8所述的电容检测电路，其特征在于，所述共模电压生成器还包括多个共模开关单元，耦合于所述多个共模电容和所述第二输出端之间。

10.根据权利要求9所述的电容检测电路，其特征在于，所述多个共模开关单元与电压生成器或接地端耦合。

11.根据权利要求10所述的电容检测电路，其特征在于，控制所述多个共模开关单元选择性导通所述多个共模电容与所述第二输出端之间的连接，所述多个共模电容和所述电压生成器之间的连接，或所述多个共模电容与所述接地端之间的连接。

12.根据权利要求8所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路还包括：模数转换器ADC，与所述积分输出端与所述第二输出端耦合，用于生成ADC输出。

13.根据权利要求12所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路用于通过结合所述计数器输出和所述ADC输出生成总输出。

14.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述像素传感电路包括：

第二导电层，形成于所述传感导电层下方，用于与所述传感导电层形成电容。

15.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路还包括：

电容阵列，其中，所述电容阵列中每个电容的一端连接至所述第一输入端，另一端切换至预设电压或切换至打开状态。

16.根据权利要求15所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容阵列中每个电容的另一端连接至：

VDD开关，以将所述另一端耦合至电压生成器；

接地开关，以将所述另一端耦合至接地端；

其中，当所述比较输出指示所述积分输出电压小于所述参考电压时，控制所述VDD开关和所述接地开关打开。

17.根据权利要求15所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容阵列用于提供所述检测到的电容的粗量化，和所述检测到的电容的细量化。

18.根据权利要求17所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路用于通过结合所述电路的粗量化和细量化生成总输出。

19.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述传感导电层还通过第五开关与电压生成器耦合，通过第六开关与接地端耦合；

所述像素传感电路还包括第二导电层，形成在所述传感导电层下方以与所述传感导电层形成电容，且通过第七开关与所述电压生成器耦合，且通过第八开关与所述第一电容耦合。

20.一种指纹识别系统，其特征在于，包括：

多个像素传感电路，设置于不同位置，用于与手指接合以采集所述手指的至少一部分指纹；

电容检测电路，与所述多个像素传感电路耦合，用于生成与所述多个像素传感电路对应的多个电容输出，所述电容检测电路包括：

第一电容；

积分器，用于生成积分输出电压，包括：

第一单端放大器，包括：

积分输出端，用于输出所述积分输出电压，

第一输入端，与所述第一电容耦合，

至少一个积分电容，与所述第一输入端耦合；

第二电容；

比较器，用于生成比较输出，所述比较器包括：

负极输入端，与所述第一单端放大器的积分输出端耦合；

正极输入端，用于接收参考电压；

比较输出端，用于输出所述比较输出；

计数器，与所述比较输出端耦合，用于生成对应于所述多个像素传感电路的多个计数器输出作为所述多个电容输出；

指纹确定模块，与所述电容检测电路耦合，用于基于所述对应电容输出，确定与手指脊或手指谷对应的每个像素传感电路的位置；

其中，基于所述比较输出，控制所述第二电容与所述第一输入端之间的连接导通或截止；

第一开关，用于将所述第一电容耦合至接地端；

第二开关，用于将所述第二电容耦合至所述第一输入端；

第三开关，用于将第二电容耦合至电压生成器；

第四开关，用于将所述第二电容耦合至接地端；

其中，当所述比较输出指示所述积分输出电压小于所述参考电压时，控制所述第二开关和所述第四开关打开。

21.根据权利要求20所述的指纹识别系统，其特征在于，所述积分器还包括：

复位开关，耦合于所述第一输入端和所述积分输出端之间；

其中，控制所述复位开关导通所述第一输入端和所述积分输出端的连接。

22.根据权利要求20所述的指纹识别系统，其特征在于，所述积分器还包括：

至少一个积分开关单元，耦合于所示至少一个积分电容与所述积分输出端之间。

23.根据权利要求22所述的指纹识别系统，其特征在于，所述至少一个积分开关单元与电压生成器或接地端耦合。

24.根据权利要求23所述的指纹识别系统，其特征在于，所述至少一个积分开关单元用于选择性导通所述至少一个积分电容和所述积分输出端之间的连接，所述至少一个积分电容和所述电压生成器之间的奠定连接，或所述至少一个积分电容与所述接地端之间的电性连接。

25.根据权利要求24所述的指纹识别系统，其特征在于，所述积分器还包括：共模电压生成器，用于生成共模电压，所述共模电压生成器包括：

第二单端放大器，包括：

第二输入端；

第二输出端，通过连接开关与所述至少一个积分开关单元和所述第二输入端的一部分耦合；

多个共模电容，与所述第二输入端耦合。

26.根据权利要求25所述的指纹识别系统，其特征在于，所述共模电压生成器还包括：多个共模开关单元，耦合于所述多个共模电容和所述第二输出端之间。

27.根据权利要求26所述的指纹识别系统，其特征在于，所述多个共模开关单元与电压生成器或接地端耦合。

28.根据权利要求27所述的指纹识别系统，其特征在于，控制所述多个共模开关单元选择性导通所述多个共模电容与所述第二输出端之间的连接，所述多个共模电容和所述电压生成器之间的连接，或所述多个共模电容与所述接地端之间的连接。

29.根据权利要求25所述的指纹识别系统，其特征在于，还包括：模数转换器ADC，与所述积分输出端与所述第二输出端耦合，用于生成多个ADC输出。

30.根据权利要求29所述的指纹识别系统，其特征在于，所述电容检测电路通过结合多个计数器输出和所述多个ADC输出生成多个总输出作为所述多个电容输出。

31.根据权利要求20所述的指纹识别系统，其特征在于，每个像素传感电路包括：

传感导电层，通过第五开关与电压生成器耦合，通过第六开关与接地端耦合；

第二导电层，通过第七开关与所述电压生成器耦合，通过第八开关与所述第一电容耦合。

32.一种配置有指纹传感器的系统，其特征在于，包括：

指纹传感器，用于基于电容传感采集用户指纹图案的一部分，所述指纹传感器包括如权利要求1-19所述的电容检测电路；

指纹处理器，用于接收所述指纹传感器采集的用户指纹的信息，以确定所采集的用户指纹是否来自授权用户；

与所述指纹处理器耦合的装置，其中，对所述装置的访问由所述指纹处理器基于所采集的用户指纹是否来自授权用户进行控制。

33.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，与所述指纹处理器耦合的装置包括智能手机。

34.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，与所述指纹处理器耦合的装置包括可携带设备。

35.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，与所述指纹处理器耦合的装置包括数据库系统。

36.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，与所述指纹处理器耦合的装置包括计算机系统。

37.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，与所述指纹处理器耦合的装置包括汽车。