CN107077610A - 电容判读电路及指纹辨识系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电容判读电路及指纹辨识系统，所述电容判读电路包含有一接触层，用来接受一手指之接触；一屏蔽层，设置于所述接触层的下方，所述屏蔽层与所述接触层形成一寄生电容；一驱动电路，耦接于所述接触层及所述屏蔽层；一感测电路，电性连接于所述接触层，用来于一第二时间感测所述接触电容；以及一第一开关，其一端电性连接于所述屏蔽层，另一端电性连接于所述驱动电路或所述接触层。本发明提供的电容判读电路及指纹辨识系统可消除寄生电容的效应，提升电容感测或指纹辨识的精准度及效能。

Description

电容判读电路及指纹辨识系统
技术领域
本发明涉及一种电容判读电路及指纹辨识系统，尤其涉及一种可降低寄生电容影响的电容判读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、平板计算机、笔记本电脑等越来越多携带型电子装置已经成为了人们生活中必备的工具。由于携带型电子装置通常供个人使用，而具有一定的隐私性，因此其内部储存的数据，例如电话簿、相片、个人信息等等为私人所有。一旦电子装置丢失，则这些数据可能被他人所利用，而造成不必要的损失。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系统的方式来达到身份认证的目的，以提升数据安全性。
在习知技术中，电容式指纹辨识系统是相当受欢迎的一种指纹辨识方法，其系利用接触层接受来自使用者的手指接触，并感测接触层的电容变化，以判断使用者指纹的纹蜂(Finger Ridge)或纹谷(Finger Valley)。为了避免接触层受到来自其他电路的干扰，习知技术通常会在电路布局时在接触层下方布局一屏蔽层，以产生屏蔽效应，避免屏蔽层以下的电路对接触层产生干扰。然而，接触层与屏蔽层的间会产生寄生电容，而寄生电容的电容值往往大于因接触而产生的接触电容的电容值，影响电容判读电路或电容式指纹辨识系统判断接触电容的电容值，以致于降低了指纹辨识的精准度。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种可降低寄生电容影响的电容判读电路及指纹辨识系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一电容判读电路，包含有一接触层，用来接受一手指之接触；一屏蔽层，设置于所述接触层的下方，所述屏蔽层与所述接触层形成一寄生电容；一驱动电路，耦接于所述接触层及所述屏蔽层，用来于一第一时间提供一第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；一感测电路，电性连接于所述接触层，用来于一第二时间感测所述接触电容；以及一第一开关，其一端电性连接于所述屏蔽层，另一端电性连接于所述驱动电路或所述接触层。本发明提供的电容判读电路及指纹辨识系统可消除寄生电容的效应，提升电容感测或指纹辨识的精准度及效能。
优选地，所述第一开关的所述第二端电性连接于所述驱动电路。
优选地，所述第一开关于所述第二时间断开所述驱动电路与所述屏蔽层之间的连结。
优选地，所述驱动电路包含有一驱动开关，用来控制所述接触层接收所述第一电压；其中，所述驱动开关于所述第一时间导通。
优选地，所述第一开关的所述第二端电性连接于所述接触层。
优选地，所述第一开关于所述第二时间导通所述接触层与所述屏蔽层之间的连结。
优选地，所述驱动电路包含有两个驱动开关，分别用来控制所述接触层和所述屏蔽层接收所述第一电压；其中，所述两个驱动开关于所述第一时间导通。
优选地，所述感测电路包含有一放大器；一积分电容，耦接于所述放大器的一输入端及一输出端。
为了更好解决上述技术问题，本发明还提供了一指纹辨识系统系统，包含一感测电路；复数个像素电路，耦接于所述感测电路，每一像素电路包含有一接触层，用来接受一手指之接触，所述接触层与所述手指形成一接触电容；一屏蔽层，设置于所述接触层的下方，所述屏蔽层与所述接触层形成一寄生电容；一驱动电路，电性连接于所述接触层及所述屏蔽层，用来于一第一时间提供一第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；以及一第一开关，包含有一第一端，电性连接于所述屏蔽层；以及一第二端，电性连接于所述驱动电路或所述接触层；其中，所述感测电路于一第二时间感测所述复数个像素电路的所述接触电容。
为了更好解决上述技术问题，本发明还提供了一种消除寄生电容的方法，包含于所述第一时间，提供所述第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；以及于所述第二时间，将所述屏蔽层浮接。
优选地，于所述第二时间将所述屏蔽层浮接的步骤包含于所述第二时间，断开所述第一开关。
优选地，于所述第二时间，所述感测电路对接触电容进行电容感测，以产生一输出电压。
为了更好解决上述技术问题，本发明还提供了一种消除寄生电容的方法，包含于所述第一时间，提供所述第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；以及于所述第二时间，将所述接触层与所述屏蔽层透过所述第一开关相互连接。
优选地，于所述第二时间将所述接触层与所述屏蔽层透过所述第一开关相互连接包含于所述第二时间，导通所述第一开关。
优选地，于所述第二时间，所述感测电路对接触电容进行电容感测，以产生一输出电压。
本发明提供的电容判读电路及指纹辨识系统，其利用连接于屏蔽层与驱动电路之间的开关，使得屏蔽层于感测阶段中呈现浮接的状态，或利用连接于屏蔽层与接触层之间的开关，使得屏蔽层与接触层于感测阶段中具有相同的电位，进而消除寄生电容的效应，以提升电容感测或指纹辨识的精准度及效能。
附图说明
图1为本发明实施例一电容判读电路的示意图。
图2为本发明实施例一电容判读电路的示意图。
图3为本发明实施例一指纹辨识系统的示意图。
图4为本发明实施例一指纹辨识系统的示意图。
图5为本发明实施例一驱动电路的示意图。
图6为本发明实施例一驱动电路的示意图。
图7为本发明实施例一感测电路的示意图。
图8为本发明实施例一寄生电容消除流程的示意图。
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。
请参考图1，图1为本发明实施例一电容判读电路10的示意图。电容判读电路10可应用于一指纹辨识系统，用来判读一接触电容的电容大小，其包含有一接触层100、一屏蔽层102、一驱动电路104、一感测电路106以及一开关SW1(对应权利要求所述的第一开关)。接触层100可为集成电路布局的一顶层金属层(Top Metal)，用来接受一手指FG的接触，接触层100与手指FG形成一接触电容Cf。屏蔽层102可为集成电路布局的另一金属层(Metal)，其布局于接触层100的正下方，并与接触层100形成一寄生电容Cp。屏蔽层102用来对屏蔽层102以下的电路产生屏蔽效应，以避免屏蔽层102以下的电路对接触层100产生干扰。驱动电路104与感测电路106皆电性连接于接触层100，于一驱动阶段中(Driving Phase，对应权利要求所述的第一时间)，驱动电路104提供一第一电压V1至接触层100及屏蔽层102，以对接触电容Cf及寄生电容Cp充电(即储存电荷)，即将接触层100及屏蔽层102驱动至第一电压V1，其中第一电压V1可为一固定电压或是一正电压VDD；于一感测阶段中(Sensing Phase，对应权利要求所述的第二时间)，感测电路106对接触电容Cf进行电容感测，以产生一输出电压Vo。电容判读电路10可将输出电压Vo传递至一后端电路(未绘示于图1)，以判断电容判读电路10所在的位置为对应至手指FG的一纹蜂(Finger Ridge)或一纹谷(Finger Valley)。
为了降低/消除寄生电容Cp对判读接触电容Cf电容值的影响，开关SW1的一端电性连接于屏蔽层102，另一端电性连接于驱动电路104。于驱动阶段中，开关SW1导通驱动电路104与屏蔽层102之间之链接，此时驱动电路104提供第一电压V1至接触层100以及屏蔽层102，即驱动电路104同时将接触层100以及屏蔽层102驱动至第一电压V1。另外，于感测阶段中，开关SW1断开驱动电路104与屏蔽层102之间之连结，而使得屏蔽层102呈现浮接(Floating)的状态。需注意的是，于感测阶段中，因屏蔽层102为浮接状态，寄生电容Cp对感测电路106的回路不会造成影响，进而降低噪声，提升电容感测或指纹辨识的精准度。
请参考图2，图2为本发明实施例一电容判读电路20的示意图。电容判读电路20与电容判读电路10相似，故相同组件沿用相同符号。与电容判读电路10不同的是，电容判读电路20包含一驱动电路204及一开关SW2(对应权利要求所述的第一开关)，开关SW2电性连接于接触层100与屏蔽层102之间(即开关SW2的一端电性连接于屏蔽层102，另一端电性连接于接触层100)，而驱动电路204的一输出端电性连接于接触层100，另一输出端电性连接于屏蔽层102。于驱动阶段中，驱动电路204同时提供第一电压V1至接触层100以及屏蔽层102，即驱动电路204同时将接触层100以及屏蔽层102驱动至第一电压V1。另外，于感测阶段中，开关SW2导通接触层100与屏蔽层102之间之连结，而使得接触层100与屏蔽层102具有相同的电位，此时寄生电容Cp中的电荷会被清空，于感测阶段中,因为接触层100与屏蔽层102具有相同的电位，因此寄生电容Cp等于0,寄生电容Cp对感测电路的回路不会造成影响,进而降低噪声,提升电容感测或指纹辨识的精准度。
习知技术中，屏蔽层通常为接地或电性连接于一固定电压，屏蔽层与接触层所形成的寄生电容会对感测电路判读接触电容的造成影响，而降低指纹辨识的精准度。相较之下，本发明利用开关SW1，使得屏蔽层102于感测阶段中呈现浮接的状态，或利用开关SW2，使得屏蔽层102与接触层100于感测阶段中具有相同的电位，进而消除寄生电容Cp于感测阶段对感测电路造成的影响，以提升电容感测或指纹辨识的精准度。
此外，图1及图2为用来说明单一电容判读电路之实施例，其系用以侦测特定位置之接触电容Cf，因此若将多个电容判读电路适当排列及整合，则可进一步判断手指FG之纹蜂或纹谷。
举例来说，请参考图3及图4，图3及图4分别为本发明实施例一指纹辨识系统30及一指纹辨识系统40的示意图。指纹辨识系统30包含复数个像素电路PX3、一复用器MUX以及一感测电路306，而指纹辨识系统40包含复数个像素电路PX4、一复用器MUX以及一感测电路306。像素电路PX3及像素电路PX4分别类似于指纹辨识电路10及指纹辨识电路20，故相同组件沿用相同符号。感测电路306透过复用器MUX耦接于复数个像素电路PX3的接触层100(或是耦接于复数个像素电路PX4的接触层100)，以于不同时间感测复数个像素电路PX3中不同像素电路PX3的接触层100所形成的接触电容Cf(或是于不同时间感测复数个像素电路PX4中不同像素电路PX4的接触层100所形成的接触电容Cf)。关于像素电路PX3、PX4的详细操作可参考前述实施例之相关段落，在此不赘述。指纹辨识系统30及指纹辨识系统40皆可消除寄生电容Cp对判读接触电容Cf电容值的影响，以提升电容感测或指纹辨识的精准度。
另外，关于驱动电路及感测电路的电路结构为公知，故简述如下。请参考图5至图7，图5及图6分别为本发明实施例一驱动电路504及一驱动电路604的示意图，图7分别为本发明实施例一感测电路706的示意图。驱动电路504可用来实现驱动电路104，其包含一驱动开关SD1，驱动开关SD1接收第一电压V1,于驱动阶段中，驱动开关SD1导通(ON)；于感测阶段中，驱动开关SD1断开(OFF)。另外，驱动电路604可用来实现驱动电路204，其可包含驱动开关SD1、SD2，驱动开关SD1的一端接收第一电压V1,另一端电性连接于接触层100，驱动开关SD2的一端接收第一电压V1,另一端电性连接于屏蔽层102,于驱动阶段中，驱动开关SD1,SD2导通(ON)；于感测阶段中，驱动开关SD1,SD2断开(OFF)。
另外，感测电路706可用来实现感测电路106、306，其可包含一感测开关SS、一放大器Amp以及一积分电容Cint。积分电容Cint耦接于放大器Amp的一输入端及一输出端之间，放大器Amp及积分电容Cint形成一积分器，感测开关SS耦接于放大器Amp的输入端与接触层100之间。于驱动阶段中，感测开关SS断开；于感测阶段中，感测开关SS导通，接触电容Cf中的电荷会流至积分电容Cint而储存于积分电容Cint中。积分器可据此产生输出电压Vo，并将输出电压Vo传递至后端电路，以感测接触电容Cf，进而判断手指FG的纹蜂或纹谷。
另外，一般来说，寄生电容Cp会影响积分器里的回授电路，而使放大器Amp的噪声较大，而降低电容感测或指纹辨识的效能。相较之下，本发明可消除寄生电容Cp的效应，降低放大器Amp的噪声，进而提升电容感测或指纹辨识的效能。
关于本发明电容判读电路/像素电路的运作，可进一步归纳为一寄生电容消除流程，请参考图8，图8为本发明实施例一寄生电容消除流程80的示意图。寄生电容消除流程80可由电容判读电路10、20或像素电路PX3、PX4来执行。如图8所示，寄生电容消除流程80包含以下步骤：
步骤800：将接触层100及屏蔽层102驱动至第一电压V1。
步骤802：将屏蔽层102浮接，或是将接触层100与屏蔽层102相互连接。
寄生电容消除流程80中的步骤800可代表于驱动阶段中，电容判读电路10、20或像素电路PX3、PX4所执行的运作，步骤802可代表于感测阶段中，电容判读电路10、20或像素电路PX3、PX4所执行的运作。于步骤802中，电容判读电路10或像素电路PX3利用断开开关SW1，使得屏蔽层102呈现浮接(Floating)的状态；而电容判读电路20或像素电路PX4利用导通开关SW2，使得接触层100与屏蔽层102相互连接且具有相同的电位。其余寄生电容消除流程80的操作细节，请参考前述相关段落，于此不再赘述。
综上所述，本发明利用连接于屏蔽层与驱动电路之间的开关，使得屏蔽层于感测阶段中呈现浮接的状态，或利用连接于屏蔽层与接触层之间的开关，使得屏蔽层与接触层于感测阶段中具有相同的电位，进而消除寄生电容的效应，以提升电容感测或指纹辨识的精准度及效能。
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 (23)

1.一种电容判读电路，其特征在于，所述电容判读电路包含有：
一接触层，用来接受一手指之接触，所述接触层与所述手指形成一接触电容；
一屏蔽层，设置于所述接触层的下方，所述屏蔽层与所述接触层形成一寄生电容；
一驱动电路，耦接于所述接触层及所述屏蔽层，用来于一第一时间提供一第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；
一感测电路，电性连接于所述接触层，用来于一第二时间感测所述接触电容；以及
一第一开关，包含有
一第一端，电性连接于所述屏蔽层；以及
一第二端，电性连接于所述驱动电路或所述接触层。
2.如权利要求1所述的电容判读电路，其特征在于，所述第一开关的所述第二端电性连接于所述驱动电路。
3.如权利要求2所述的电容判读电路，其特征在于，所述第一开关于所述第二时间断开所述驱动电路与所述屏蔽层之间的连结。
4.如权利要求2或3所述的电容判读电路，其特征在于，所述驱动电路包含有：
一驱动开关，用来控制所述接触层接收所述第一电压；
其中，所述驱动开关于所述第一时间导通。
5.如权利要求1所述的电容判读电路，其特征在于，所述第一开关的所述第二端电性连接于所述接触层。
6.如权利要求5所述的电容判读电路，其特征在于，所述第一开关于所述第二时间导通所述接触层与所述屏蔽层之间的连结。
7.如权利要求5或6所述的电容判读电路，其特征在于，所述驱动电路包含有：
两个驱动开关，分别用来控制所述接触层和所述屏蔽层接收所述第一电压；
其中，所述两个驱动开关于所述第一时间导通。
8.如权利要求1-7任意一项所述的电容判读电路，其特征在于，所述感测电路包含有：
一放大器；以及
一积分电容，耦接于所述放大器的一输入端及一输出端。
9.一种指纹辨识系统，其特征在于，所述指纹辨识系统电路包含有：
一感测电路；
复数个像素电路，耦接于所述感测电路，每一像素电路包含有：
一接触层，用来接受一手指之接触，所述接触层与所述手指形成一接触电容；
一屏蔽层，设置于所述接触层的下方，所述屏蔽层与所述接触层形成一寄生电容；
一驱动电路，电性连接于所述接触层及所述屏蔽层，用来于一第一时间提供一第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；以及
一第一开关，包含有
一第一端，电性连接于所述屏蔽层；以及
一第二端，电性连接于所述驱动电路或所述接触层；
其中，所述感测电路于一第二时间感测所述复数个像素电路的所述接触电容。
10.如权利要求9所述的指纹辨识系统，其特征在于，所述第一开关的所述第二端电性连接于所述驱动电路。
11.如权利要求10所述的指纹辨识系统，其特征在于，所述第一开关于所述第二时间断开所述驱动电路与所述屏蔽层之间的连结。
12.如权利要求9或10所述的指纹辨识系统，其特征在于，所述驱动电路包含有：
一驱动开关，用来控制所述接触层接收所述第一电压；
其中，所述驱动开关于所述第一时间导通。
13.如权利要求9所述的指纹辨识系统，其特征在于，所述第一开关的所述第二端电性连接于所述接触层。
14.如权利要求13所述的指纹辨识系统，其特征在于，所述第一开关于所述第二时间导通所述接触层与所述屏蔽层之间的连结。
15.如权利要求13或14所述的指纹辨识系统，其特征在于，所述驱动电路包含有：
两个驱动开关，分别用来控制所述接触层和所述屏蔽层接收所述第一电压；
其中，所述两个驱动开关于所述第一时间导通。
16.如权利要求9-15任意一项所述的指纹辨识系统，其特征在于，所述感测电路包含有：
一放大器；以及
一积分电容，耦接于所述放大器的一输入端及一输出端。
17.如权利要求9-15任意一项所述的指纹辨识系统，其特征在于，另包含有：
一复用器，耦接于所述复数个像素电路的所述接触层与所述感测电路之间。
18.一种消除寄生电容的方法，应用于权利要求9所述指纹辨识系统的所述像素电路，所述接触层与所述屏蔽层之间形成一寄生电容，所述方法包含有：
于所述第一时间，提供所述第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；以及
于所述第二时间，将所述屏蔽层浮接。
19.如权利要求18所述的寄生电容消除方法，其特征在于，于所述第二时间将所述屏蔽层浮接的步骤包含：
于所述第二时间，断开所述第一开关。
20.如权利要求18所述的寄生电容消除方法，其特征在于，另包含：
于所述第二时间，所述感测电路对接触电容进行电容感测，以产生一输出电压。
21.一种消除寄生电容的方法，应用于权利要求9所述指纹辨识系统的所述像素电路，所述接触层与所述屏蔽层之间形成一寄生电容，所述方法包含有：
于所述第一时间，提供所述第一电压至所述接触层及所述屏蔽层；以及
于所述第二时间，将所述接触层与所述屏蔽层透过所述第一开关相互连接。
22.如权利要求21所述的寄生电容消除方法，其特征在于，于所述第二时间将所述接触层与所述屏蔽层透过所述第一开关相互连接包含：
于所述第二时间，导通所述第一开关。
23.如权利要求21所述的寄生电容消除方法，其特征在于，另包含：
于所述第二时间，所述感测电路对接触电容进行电容感测，以产生一输出电压。
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