CN107251047B - 电容式指纹感测装置中的用于噪声抑制的模拟采样系统及方法 - Google Patents

电容式指纹感测装置中的用于噪声抑制的模拟采样系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电容式指纹感测装置，其包括：多个感测元件；用于提供模拟感测信号的感测电路系统；用于提供驱动信号的驱动信号电路系统，该驱动信号包括具有最大电平与最小电平的驱动脉冲，提供手指与感测结构之间的电位差变化；模拟采样电路系统，其包括至少三个模拟采样与保持电路，它们被布置成对感测信号采样；以及采样控制单元，用于单独控制采样与保持电路，以在指定时间捕获样本，其中这些样本包括在驱动信号处于第一电压电平Vi时被捕获的一个样本以及在驱动信号处于不同于V‑i的第二电压电平V2时被捕获的一个样本；以及模拟‑数字转换器(ADC)，其被配置成将这些样本的组合转换成数字信号，其中三个样本在时间被捕获，使得在形成组合时，从感测信号中抑制掉噪声分量。

Description

电容式指纹感测装置中的用于噪声抑制的模拟采样系统及 方法
技术领域
本发明涉及一种电容式指纹感测系统以及一种感测指纹图案的方法。
背景技术
各种类型的生物测量系统的使用越来越多，以便于提高安全性和/或增强用户便利性。特别地，指纹感测系统由于它们的小外形、高性能和高用户接受度的关系而被采用于消费性电子装置中。
在各种可利用的指纹感测原理中(例如，电容式、光学式、热学式等)，电容式感测最常被使用，尤其是在尺寸以及功耗为重要问题的应用中。
所有电容式指纹传感器均提供指示若干个感测结构中的每个感测结构与被放置在指纹传感器的表面上或移动跨越指纹传感器的表面的手指之间的电容。
当需要电容式指纹感测装置检测更小的电容差以便精确捕获指纹图像时，传感器中的噪声的影响变得越来越重要。特别地，该指纹感测装置尤其对外部注入的共模噪声敏感。典型地，该类型的噪声可以通过被连接至指纹传感器所在的装置的充电器而被注入该指纹传感器。再者，共模噪声可以具有大范围的频率及形状。被注入的共模噪声能够使系统接地以手指为基准来摆动，从而看似驱动信号。这会导致变差的测量结果以及不良的图像质量。
通过实现各种噪声降低技术，能够降低共模噪声的负面影响。用于共模噪声抑制的方法中的一个示例是对来自每个像素的许多个数字读数取平均以降低噪声的影响。然而，ADC转换是耗时的，而且并不希望增加捕获指纹图像的时间。替选地或组合地，可以使用后处理方法，它们对所捕获的指纹图像来运行并且尝试扣除特征性共模噪声。然而，该方法的缺点在于，测量值会在模拟采样期间的饱和的情况下变差，在该情况下，可能难以或者不可能消除噪声的影响。
据此，需要提供改良的手段来处理电容式指纹感测装置中的噪声。
发明内容
鉴于现有技术的上面提及的缺点和其他缺点，本发明的目的是提供一种指纹感测装置，其包括模拟采样电路系统，用于在捕获指纹图像期间促成噪声抑制。本发明还提供一种用于在指纹感测装置中进行噪声抑制的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种电容式指纹感测装置，用于感测手指的指纹图案，该电容式指纹传感器包括多个感测元件，每个感测元件包括：要被手指触碰的保护性介电顶层；导电的感测结构，其被布置在该顶层的下方；感测电路系统，用于提供模拟感测信号，其指示手指与感测结构之间的距离，该指纹感测装置进一步包括：驱动信号电路系统，其被配置成提供驱动信号，该驱动信号包括具有最大电压电平与最小电压电平的至少一个驱动脉冲，用于提供手指与感测结构之间的电位差的变化；模拟采样电路系统，其包括至少三个模拟采样与保持电路，它们被布置成对感测信号采样；以及采样控制单元，用于单独控制至少三个模拟采样与保持电路中的每个以在指定时间捕获样本，从而形成至少三个样本，其中至少三个样本包括在驱动信号处于第一电压电平V1时被捕获的至少一个样本以及在驱动信号处于不同于V1的第二电压电平V2时被捕获的至少一个样本；以及模拟-数字转换器(ADC)，其被连接至模拟采样电路系统并且被配置成将至少三个样本的组合转换成数字感测信号，其指示感测结构与手指之间的电容性耦合，其中至少三个样本在指定时间被捕获，使得在形成组合时，从感测信号中抑制掉噪声分量。
在本申请的上下文中，术语“电位”应被理解为“电气电位”。
据此，电位差的变化应被理解为手指与感测结构之间的相对于参考电位的电气电位的可时变的变化。
这些感测元件可以有利地被布置在包括列与行的阵列中。
有利地，每个感测结构可以设置为金属板的形式，使得感测结构(感测板)、局部手指表面以及保护性介电顶层(以及根据指纹图案中的位置而可能局部地存在于局部手指表面与保护层之间的任何空气)形成平行板电容器的等效物。手指与感测结构之间的电位差的变化所导致的感测结构承载的电荷的变化是该平行板电容器的电容的指示，转而是感测结构与手指表面之间的距离的指示。
保护性顶层亦可被称为涂层，其可以有利地具有至少20μm的厚度并且具有高介电强度，以保护指纹感测装置的下方结构，避免受到磨耗与毁损以及ESD的破坏。更有利地，保护性顶层可具有约100μm的厚度。在某些实施例中，保护性涂层的厚度可以在从500μm至700μm的范围内，甚或更厚。
每个感测元件可以是可控制的，以执行预定的测量序列，其牵涉预定序列中的不同测量状态之间的转变。测量状态可以由被提供至感测元件中包括的电路系统的控制信号的特定组合来限定。
驱动信号电路系统可以包括切换电路系统，其被配置成在两个或更多个不同电位之间进行切换，以形成具有最大电压电平与最小电压电平的至少一个驱动脉冲。替选地或组合地，驱动信号电路系统可以包括至少一个信号源，其被配置成提供时变激励电位。
驱动信号电路系统可被包括在指纹传感器部件中，并且接着可以提供具有相对于指纹传感器部件的参考电位(例如，传感器接地电位)的时变激励电位的驱动信号。
替选地，驱动信号电路系统可以设置在指纹传感器部件外部并且被连接至指纹传感器部件，以提供驱动信号作为指纹传感器部件的时变参考电位。在该情况下，驱动信号可以呈现相对于包含指纹感测系统的电子装置的装置接地电位的其时变驱动电位。可以利用指纹传感器部件中包括的时序电路系统产生的控制信号来控制外部驱动信号电路系统。驱动信号电路系统亦可被称为激励信号电路系统。
至少三个样本的组合应被视为样本的加成或扣除，使得这些样本的组合有效地形成经滤波的感测信号。例如，该组合可以是第一样本子群与第二样本子群之间的差异，第一子群与第二子群不相交，即没有任何共同的样本。
每个样本能够被视为具有表示在采样时间的感测信号的幅度。再者，每个采样与保持电路被配置成提供正或负(接地)参考电压，使得样本能够被视为具有正符号或负符号，从而在这些采样被组合时实现滤波功能。
因此，通过组合在不同时间并且针对驱动信号的不同电压电平捕获到的“正”样本和“负”样本，可以实现最终的感测信号。对于每次AD转换，许多个模拟样本被捕获并且依次被组合以形成要被AD转换的感测信号值。这种一连串的样本能够被视为AD转换序列。
再者，本发明基于如下实现方案：通过选择相对于驱动信号捕获样本的时间并且通过组合这些样本，能够实现最终的经滤波和经解调的感测信号，以在AD转换之前降低感测信号中的共模噪声。
因此，在根据本发明的各种实施例的感测装置中，在AD转换之前执行模拟滤波，从而实现与AD转换器的采样速率无关的实时滤波。这是特别有利的，因为AD转换是耗时的，并且期望尽快捕获指纹。即使原则上可以使用高速AD转换器来执行数字信号的数字滤波以实现相似的结果，但是将这些AD转换器集成在指纹感测装置中仍可能是复杂的和昂贵的。
再者，如下文将说明的，已经认识到，三个样本足以实现基本滤波功能。利用较大数目的采样与保持电路来捕获相应的较大数目的样本进一步促成较高阶的滤波器的构建，使得可以根据已建立的滤波器理论来构建具有期望的频率响应的更良好限定的低通(LP)滤波器、高通(HP)滤波器或带通(BP)滤波器。
可以使用不止一个驱动脉冲的滤波器的进一步优点在于不会遗失任何信号强度。以50Hz噪声为例，如果仅使用一个驱动脉冲，则将丢失信号强度的一半。滤波器的灵活性的另一优点在于，可针对不同类型的共模噪声轻易地被调整，共模噪声经常会根据负载、充电器类型、接地等在不同类型的装置中而有所不同。
采样电路系统能够由确定何时相对于驱动信号捕获每个样本的预先限定的硬件设定来控制，或者采样事件能够针对每个分离的AD转换序列而单独受到控制。对于具有未知特性的噪声，采样电路系统可以被配置成测试许多个预先限定的设定并且确定其中哪些设定产生具有最低噪声水平的输出信号，并且可以在后续的AD转换序列中使用优选设定。
根据本发明的一个实施例，模拟采样电路系统可以有利地被配置成基于噪声分量的已知特性在所选择的时间点对感测信号采样，使得噪声分量被抑制。采样的一般原理是选择样本使得最终的样本组合导致有效的抑制或消除对感测信号的噪声贡献。例如，已知的噪声源可能为充电器，其可能添加来自主电压的低频(50/60Hz)的正弦噪声，或者来自充电器本身的高频开关噪声，其中开关频率可以被视为已知的。另一个已知的噪声源可能是装置(例如，智能电话或平板计算机)中的触碰屏幕。据此，可以配置驱动信号电路系统和采样电路系统用于抑制具有至少部分已知特性的特定类型噪声。
根据本发明的一个实施例，每个采样与保持电路可以有利地包括电容器以及控制该电容器的开关。基于电容器的采样与保持电路提供一种直接且容易实现的电路，其中开关由采样电路系统控制以在所需的时间进行采样。每个电容器可以连接至正或负参考电位，以向样本电压提供对应的正偏移和负偏移。负参考电位通常为接地电位。
根据本发明的一个实施例，模拟采样电路系统可以包括偶数数目的采样与保持电路，每个采样与保持电路包括电容器以及控制该电容器的开关，其中所有电容器具有相同的尺寸。从而，采样与保持电路受到等效控制，而不需要考虑在哪个时间采样事件中要使用哪个采样与保持电路。再者，对于偶数数目的采样与保持电路，一半的电路可被连接至正参考电位并且另一半的电路可被连接至负参考电位，这在构建滤波器功能时提供大的灵活性。
根据本发明的一个实施例，采样控制单元有利地被配置成控制采样与保持电路进行采样，使得在该驱动信号的第一电压电平处和在该驱动信号的第二电压电平处捕获相同数目的样本。举例来说，在第一电压电平处被捕获的样本能够被视为负，而在第二电压电平处被捕获的样本则能够被视为正。藉此，在不同时间被捕获的样本的组合(每个样本为正或负)可以被组合，以形成期望的经滤波的样本值。举例来说，正符号和负符号对各个样本的分配能够利用开关电容器电路实现，其中可以选择电容器的哪一侧或是哪一个引脚(即，“正”或“负”)要被连接至共同线路，用于组合这些样本。
根据本发明的一个实施例，至少三个采样与保持电路可以包括至少两种不同尺寸的电容器，其中电容器的相对尺寸被称为权重。为了在形成滤波器功能时允许进一步选择，向不同的采样与保持电路给出各自的权重，这在硬件中能够通过不同相对尺寸的电容器来实施。举例来说，可以向最小的电容器给出权重“1”，并且因此向具有该尺寸的两倍的电容器给出权重“2”。
根据本发明的一个实施例，采样控制单元被配置成控制所述采样与保持电路进行采样，使得在第一电压电平处捕获到的样本的权重总和等于在该第二电压电平处捕获到的样本的权重总和。其目的在于，参考电平是“未知的”，或者可能因为噪声而具有大的变化。据此，在施加该信号之后测量输出的变化。通过该操作可以消除实际参考电平的依赖性。
根据本发明的一个实施例，ADC可以有利地是差分ADC，其具有正输入端以及负输入端，并且其中至少一个采样与保持电路被连接至正输入端并且至少一个采样与保持电路被连接至负输入端。当使用差分ADC时，所有负样本(举例来说，通过被连接至负参考电压的采样与保持电路取得的样本)可以被连接至ADC的负输入端。相应地，正样本可以被连接至正输入端，使得ADC提供对应于正样本的总和与负样本的总和之间的差异的输出信号。
根据本发明的一个实施例，ADC可以为具有单个输入端的单端ADC，其中至少一个采样与保持电路被配置成提供具有正符号的样本并且至少一个采样与保持电路被配置成提供具有负符号的样本，并且其中所有样本的总和被提供至所述单个输入端。换言之，当利用单端ADC时，组合以类似的方式来执行并且最终的样本值被提供至ADC的输入端用于进行转换。为实现减法功能，亦如上面所述，开关可被用于允许电容器被倒转，即允许该电容器的任一侧基于电容器的切换设定被连接至ADC的单个输入端。藉此，可以借助于电容器切换设定来选择样本的符号，使得能够在针对ADC的输入线路上进行减法。
根据本发明的一个实施例，驱动控制电路系统可以被配置成提供包括下面的驱动信号：至少一个方形脉冲、方波、至少一个正弦(sinc)脉冲或正弦波。举例来说，时变驱动信号可以被设置为脉冲串，其具有脉冲重复频率或脉冲重复频率的组合。举例来说，该脉冲串中的脉冲可以是方波脉冲或者单独的sinc脉冲。方波脉冲可被视为具有两个不同的电压电平，对应于第一电压电平V1以及第二电压电平V2。对于正弦波或正弦脉冲来说，第一电压电平V1以及第二电压电平V2被选择为波或脉冲的分离的可区分的电压电平。再者，对于连续的AD转换序列，不需要驱动信号是相同的。
根据本发明的一个实施例，驱动控制电路系统可以被配置成提供具有脉冲串的形式的驱动信号，其具有作为已知噪声分量的频率的倍数或分数的频率。通过调整驱动信号以提供频率为噪声分量的已知频率的倍数的脉冲串(例如，方波)，能够更有效地抑制噪声。应该理解，倍数或分数是指已知噪声分量的频率乘以或除以整数。
根据本发明的一个实施例，驱动控制电路系统被配置成提供具有脉冲串形式的驱动信号，其相位与已知频率的噪声分量的相位不同。如果驱动信号包括频率类似于噪声频率的脉冲串，例如方波或正弦波，则其可以形成有效抑制噪声的滤波器。据此，期望提供包括相位与噪声的相位不同的脉冲串的驱动信号。举例来说，这能够通过在连续AD转换中逐渐改变或移动脉冲串的相位来实现，以确定噪声抑制最有效的相位。
根据本发明的一个实施例，感测电路系统可以包括电荷放大器，其包括负输入端、正输入端、提供模拟感测信号的输出端、反馈电容器、与反馈电容器并联的重置开关以及放大器。
根据本发明的一个实施例，驱动信号电路系统可以包括可控制的电压源，其连接至位于指纹传感器附近的传导结构，以将驱动信号注入放置在指纹传感器上和传导结构上的手指中，用于提供手指与感测结构之间的电位差的变化。举例来说，传导结构可以是传导框架，其被布置围绕指纹传感器，并且该框架可被称为边框(bezel)。
再者，手指与感测结构之间的电位差的变化也可以通过将可控制的电压源连接至电荷放大器的正输入端来实现。再者，电位差的变化也可以通过将可控制的电压源连接至指纹传感器的共同接地平面来实现。
根据本发明的一个实施例，驱动信号的第一电压电平V1与第二电压电平V2之间的差异优选地是至少0.1V。驱动信号的V1与V2之间的差异的主要要求是该差异应该在来自电荷放大器的输出信号中提供可测量的差异。
根据本发明的的第二方面，提供了一种用于在包括多个感测元件的电容式指纹感测装置中降低噪声的方法，该指纹感测装置包括感测电路系统，用于提供模拟感测信号，其指示手指与感测元件的感测结构之间的距离，该指纹感测装置包括驱动信号电路系统，用于提供手指与感测结构之间的电位差的变化，该方法包括：提供驱动信号，其包括具有最大电压电平与最小电压电平的至少一个驱动脉冲，用于提供电位差变化；捕获感测信号的至少三个样本，其中至少三个样本包括在驱动信号处于第一电压电平V1时被捕获的至少一个样本以及在驱动信号处于不同于V1的第二电压电平V2时被捕获的至少一个样本；形成至少三个样本的总和，其中在时间上选择样本，使得在形成该总和时从感测信号中抑制掉噪声分量；以及从至少三个样本的总和形成数字信号。
本发明上下文中的“形成样本的总和”应被解释为将至少三个样本相加在一起，并且其中，这些样本中的一个或更多个可以具有负符号。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括根据各个样本的采样时间的噪声信号的相对幅度向每个样本给出权重，其中这些权重被选择，使得在该驱动信号的第一电压电平捕获到的样本的权重总和等于在该驱动信号的第二电压电平处捕获到的样本的权重总和。
本发明第二方面的效果与特征大部分类似于上面结合本发明的第一方面描述的效果与特征。
在研究所附权利要求以及下面的描述时，本发明的进一步特点以及优点将变得清楚。本领域技术人员应认识到，在不偏离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以被组合以创建与下文所述实施例不同的实施例。
附图说明
现将参照示出本发明的示例实施例的附图来更详细说明本发明的前述与其他方面，其中：
图1示意性地图示包括指纹感测装置的移动电话；
图2示意性地示出图1中的指纹感测装置；
图3是指纹感测装置的一部分的示意性电路图，其包含根据本发明的实施例的感测电路系统以及采样电路系统；
图4是根据本发明的实施例的采样电路系统的示意性电路图；
图5示意性地图示现有技术的采样方法；
图6a、图6b、图6c和图6d示意性地图示根据本发明的实施例的方法；
图7a、图7b和图7c示意性地图示根据本发明的实施例的方法；
图8a和图8b示意性地图示根据本发明的实施例的方法；以及
图9是简要示出根据本发明的实施例的方法的一般步骤的流程图。
具体实施方式
在本发明的详细说明中，主要参照指纹感测装置来说明根据本发明的系统和方法的各种实施例，该指纹感测装置包括多个模拟采样与保持电路，其具有电容器以及用于控制该电容器的开关的形式。尽管下面的说明基于无源的采样与保持电路，例如开关式电容器，但是其同样可以利用有源的采样电路系统来实现本发明的各种实施例。举例来说，有源的采样电路系统可以包括在反馈路径中有电容器的放大器、或者缓冲器。
图1示意性地图示根据本发明的示例实施例的指纹感测装置2的应用，其具有集成了指纹感测装置2的移动电话1的形式。举例来说，指纹感测装置2可以用于解锁移动电话1和/或用于授权利用移动电话进行交易等。根据本发明各种实施例的指纹感测装置也可以用于其他装置中，例如平板计算机、膝上型计算机、智能卡或其他类型的消费性电子装置。
图2示意性地示出图1中的移动电话1中包括的指纹感测装置2。如在图2中所见，指纹感测装置2包括传感器阵列5、电源接口6以及通信接口7。传感器阵列5包括大量的感测元件8a和8b(为避免使示图杂乱，图中仅以附图标记指示这些感测元件中的两个感测元件)，每个感测元件是可控制的，以感测感测元件8a-b中包括的感测结构和接触传感器阵列5的顶表面的手指表面之间的距离。
电源接口6包括第一接触焊盘10a以及第二接触焊盘10b，这里示为接合焊盘，用于将供电电压Vsupply连接至指纹感测装置2。
通信接口7包括许多个焊盘，用于允许控制指纹感测装置2以及用于从指纹感测装置2获取指纹数据。
图3是沿图2中所示的线A-A’截取的根据本发明的实施例的指纹感测装置2的一部分的示意性剖视图和电路图，手指11被放置在传感器阵列5的顶部。该指纹感测装置包括多个感测元件8，每个感测元件包括保护性介电顶层13、导电的感测结构17(这里具有在保护性介电顶层13下方的金属板17的形式)、电荷放大器18以及驱动信号提供电路系统19(用于向图3中示意性指示的手指提供驱动信号VDRV)。如图3中所示，手指11的纹脊(ridge)位于感测结构17的正上方，指示手指11与感测结构17之间的最小距离，其由介电顶层13限定。
电荷放大器18包括至少一个放大器级，此处示意性地示为运算放大器(op amp)24，其具有连接至感测结构17的第一输入端(负输入端)25、连接至接地或另一参考电位的第二输入端(正输入端)26以及输出端27。此外，电荷放大器18包括连接在第一输入端25与输出端27之间的反馈电容器29、以及重置电路系统，其在本文中功能性地图示为开关30，用于允许反馈电容器29的可控制的放电。电荷放大器18可以通过操作重置电路系统30使反馈电容器29放电而被重置。
如在负反馈配置中通常的op amp 24的情况，第一输入端25处的电压跟随第二输入端26处的电压。根据特定放大器配置，第一输入端25处的电位可以与第二输入端26处的电位基本上相同，或者在第一输入端25处的电位与第二输入端26处的电位之间可以存在基本上固定的偏移量。在图3的配置中，电荷放大器的第一输入端25被虚接地。
当时变电位通过驱动信号提供电路系统19被提供至手指11时，相应的时变电位差出现在感测结构17与手指11之间。手指11与感测结构17之间的感生的电位差的变化转而在电荷放大器18的输出端27上造成感测电压信号VS。
模拟采样电路系统74被连接至电荷放大器18的输出端27，以接收感测信号VS并对其采样。采样电路系统74可以包括或者被连接至控制单元，该控制单元控制采样电路系统74中包括的各个采样与保持(S&H)电路，以参照驱动信号的时序在期望时间点对感测信号VS采样。下文将更详细地讨论采样电路系统。
模拟采样电路系统74包括两个输出端，此处称为正输出端76和负输出端78，它们被连接至差分模拟-数字转换器(ADC)80，差分模拟-数字转换器(ADC)80被配置成将正输出端76与负输出端78之间的差异转换成数字感测信号82，指示感测结构17与手指11之间的电容性耦合，并且因而指示感测结构17与手指11之间的距离。
替选地，模拟采样电路系统可以包括单个输出端，其被连接至单端ADC(未示出)，在该情况下，这些样本在ADC之前在采样电路系统中被组合，并且其中最终的差异信号被进行AD转换。在本示例中，用于感测元件17(即用于像素)的感测电路系统被示为包括一个采样与保持电路系统模块74以及一个ADC 80。然而，通过使用复用器将多个像素连接至每一个采样与保持电路系统模块74，也可以在许多不同像素之间共享采样与保持电路系统模块74以及ADC 80。据此，电荷放大器18的输出端和/或采样与保持电路系统模块74的输出端可以连接至复用器。举例来说，一个采样与保持电路系统模块74能够被一列像素共享。
图4示意性地示出了根据本发明的示例实施例的采样电路74。这里所示的采样电路包括八个采样与保持电路40a、40b、40c、40d、40e、40f、40g和40h。每个采样与保持电路包括电容器42a、42b、42c、42d、42e、42f、42g和42h，电容器的一侧经由开关44a、44b、44c、44d、44e、44f、44g和44h连接至感测信号VS并且另一侧连接至采样电路74的输出。在本示例中，采样与保持电路40a-d经由第一开关48连接至ADC 80的正输入端76，并且采样与保持电路40e-h经由第二开关50连接至ADC 80的负输入端78。再者，每个电容器42a-h被连接至参考电压VREF，例如VDD。在利用差分ADC 80的本示例中，负输入端与正输入端的符号由ADC来限定。采样与保持电路40a-d被连接至ADC的正输入端76并且采样与保持电路40a-d获得的样本被称为正样本。相应地，连接至ADC的负输入端的采样与保持电路40e-h获得的样本被称为负样本。开关44a-h控制实际采样，使得当开关断开时，相应电容器上的最终电压被捕获。如果使用单端ADC，则电路40a-d可以直接连接至单个输入线作为正样本，而电路40e-h可以倒转，使得负电压被提供至单个输入线，从而最终的差电压可以被直接提供至单端ADC的输入端。
在模拟采样序列期间，开关46接通，使得输出信号VS被提供至采样电路系统。开关48与50断开，使得ADC 80断开连接。开关44a-d接通，使得电容器电荷与VS成比例。当要捕获样本时，开关44a-h中的一个或更多个开关断开，使得样本被储存在电容器中。一旦模拟采样序列完成并且所有需要的样本被捕获，开关46断开并且开关48与50接通。接着，开关44a-h接通，使得储存在电容器中的样本可以被提供至ADC 80的输入端76、78，从而实现正输入端与负输入端之间的差异的AD转换。
即使上面的采样电路系统74被图示为包括八个单独的采样与保持电路40a-h，但是如下文将说明的，可以利用高于2个的任何数目的采样与保持电路来实现噪声抑制。
由控制单元(未示出)控制采样，即开关44a-h，该控制单元还控制驱动信号VDRV。因此，能够基于驱动信号的特性来控制采样时序。再者，不需要在模拟采样序列中使用所有采样与保持电路40a-h。相反，可以仅使用实现期望的滤波器功能所需的采样与保持电路，这可以在模拟采样序列中提供高灵活度并且允许在没有噪声的情况下进行快速采样。模拟采样序列可被限定为在连续AD转换之间对模拟输出信号VS采样的序列。
图5(现有技术)图示了在驱动信号VDRV包括多个方形脉冲时并且在驱动信号的一个周期期间执行模拟采样的情况下的驱动信号VDRV以及感测信号VS。驱动信号VDRV被注入手指中，并且当驱动脉冲52为正时，电荷放大器18的重置开关30接通。当系统稳定时，开关30再次断开，并且输出信号略微上升以表示参考电平VREF。而后，驱动信号下降，导致手指11与感测板17之间的电荷变化，并且输出信号VS上升至与手指11与感测板17之间的距离成比例的值，其被称为信号电平VSIG。
对于图5中所示的常规的相关双采样，在输出信号为低时捕获第一样本S0，并且在输出信号为高时捕获第二样本S1，其中最终的输出信号S1-S0消除重置电荷放大器之后的任何电压偏移的效应，以更精确地表示手指11与感测板17之间的距离。
在下文中，将参照利用上面描述的模拟采样电路系统74采用不同采样方案和驱动信号实现的不同滤波器的功能来讨论本发明的各种实施例。
图6a图示了感测信号VS含有噪声分量的示例，该噪声分量具有相对于驱动信号VDRV的频率的低频率。举例来说，该低频率噪声可以经由充电器被引入装置1中，成为50/60Hz噪声。此处，相较于可能在kHz范围中的驱动信号频率，低频率噪声可被视为近似恒定。在示图中，噪声分量的幅度可能被放大，以更清楚地图示噪声的影响。
图6中所示的模拟采样序列可被视为从激活开关30的重置信号以重置电荷放大器18开始。接着，捕获第一样本S0。这里样本S0被示为具有权重-1，其中负号指示该样本是在输出信号VS处于低电平时被捕获的，此时驱动信号为高，并且该样本是通过连接至ADC 80的负输入端的采样与保持电路40e-h中的一个捕获的。输出信号VS的低电平可被称为参考电平。驱动信号的高电压电平与低电压电平可被分别视为第一电压电平V1和第二电压电平V2。
当VDRV走低时，VS走高，并且捕获第二样本S1，此处向其给出权重+2，表示信号电平VSIG。举例来说，如果样本是被包括尺寸为捕获第一样本S0的采样与保持电路中的电容器的尺寸的两倍的电容器的采样与保持电路捕获，则该样本可被视为具有权重+2。替选地，如图4中所示，采样电路系统可以包括采样与保持电路，其中所有采样电容器具有相同的尺寸。在情况下，通过同时利用二个或更多个采样与保持电路，样本可被分配特定权重，其中样本的权重可被视为等于所使用的采样与保持电路的数目。据此，样本实际上由捕获采样时的特定时间点限定，而非由用于捕获样本的特定采样与保持电路限定，因为这些采样与保持电路能够被任意控制以在模拟采样序列期间的任何时间捕获样本。因此，在所有采样与保持电路具有相同尺寸的采样与保持电路系统中，样本的最大权重等于连接至ADC 80的输入端的采样与保持电路的数目。
再者，样本在这里被示为在特定的时间点瞬时捕获。然而，每个样本同样可以对应于在特定的有限时间周期中的积分。
最后，在VDRV再次为低时捕获第三样本S2，并且VS处于对应于参考电平加上诱发噪声信号的电平。
这些样本加总之后，S0+S1+S2可被分割，使得首先从正样本的总和(此处仅有S1)中减去负样本S0+S2，从而提供最终输出信号S1-(S0+S2)。这些样本的加总也可以被视为2VSIG-(VREF+VREF)＝VSIG-VREF，使得最终的输出是没有噪声的影响的信号电平与参考电平之间的差。这是产生指纹图像时使用的ADC 80进行AD转换的最终信号。
特别地，输出信号的滤波的关键在于正样本的权重等于负样本的权重，使得噪声贡献可被消除。这需要参考电平处的样本中的总噪声贡献等于信号电平处的样本中的总噪声贡献。在图6a中所示的示例中，噪声的斜率被视为恒定的并且样本之间的时间也是恒定的，导致正样本与负样本两者中相同的总噪声贡献。通常，对于具有恒定斜率的噪声，即使也可以有交替采样的情况，但是通过样本之间的恒定时间即可以轻易地实现滤波功能。
据此，通过控制驱动脉冲以及模拟采样电路系统可以在AD转换之前实时地执行模拟滤波。可以在连接至中央控制单元(例如，微处理器)的寄存器中以驱动信号和采样指令的形式预先限定模拟采样序列。再者，所提出的采样方案通过控制驱动信号以及采样时间与权重而提供形成不同类型的模拟滤波器的高度的灵活性，用于处理不同类型的噪声。
模拟采样序列跟随有模拟-数字转换序列，其中来自感测阵列中的感测元件的像素值被所连接的读出电路系统读取，以形成指纹图像。
再者，利用上面所述的模拟滤波，相邻样本之间的时间可以短于每个样本被单独AD转换以用在后续数字滤波中而可能实现的时间。
再者，上面所述的采样描述了二阶滤波器。容易理解，通过增加样本数目同时坚持上述原理，能够形成用于提供更锐利的频率响应的更高阶滤波器。下文中还将描述另外的滤波器示例。
图6b中图示了更高阶滤波器的示例，其中在参考电平处捕获三个样本S0、S2和S4，并且在信号电平处捕获两个样本S1和S3。样本S1和S3具有权重+2，而样本S2具有权重-2。同样地，样本之间的时间是恒定的。组合这些样本之后的最终信号变成(S1+S3)-(S0+S2+S4)＝(2+2)VSIG-(1+2+1)VREF＝4VSIG-4VREF。此处，VSIG与VREF之间的差乘以四。这在最终的AD转换中会被考虑到，因为读出系统作为整体考虑采样方案，并且因此知晓最终的数字信号是否表示VSIG-VREF的倍数。
图6c示出了其中具有高频方波脉冲形式的噪声出现在感测信号中的示例。例如，高频方波脉冲能够从开关电源作为开关噪声而被引入，或者从装置中操作在高频的其他部件(例如，显示器或是触碰屏幕)被引入。通常，高频噪声可被视为包括无法在模拟采样序列期间视为恒定的噪声。
在图6c中，样本S1与S2是在输出信号VS受到噪声信号影响时被捕获的，而样本S0与S3是在输出信号VS没有受到噪声信号影响时被捕获的。
在方形噪声的情况下，或者对于噪声电平突然改变的相似类型的噪声，也需要在VS受噪声影响时捕获的样本等于VS没有受噪声影响时捕获的样本的权重。
图6d示出了驱动信号在两个连续驱动脉冲之间相位偏移或是延迟半个周期时的情况。如果噪声具有与驱动信号相似或等同的特性，则难于甚至不可能以消除噪声的方式来对输出信号采样。如果观察到噪声具有与驱动信号相似的频率，则驱动信号可以形成为两个脉冲的序列，其中第二脉冲相对于第一脉冲相位偏移，即延迟半个周期，从而以上面针对样本S0-S4所述相同的方式来实现噪声消除。据此，驱动脉冲的占空比能够被改变以帮助各种类型噪声的噪声抑制。再者，驱动信号可以包括一连串的单独的脉冲，其中脉冲的形状和连续脉冲之间的时间可以任意选定。在该实现方案中，驱动信号频率、周期以及占空比的概念可能并不适用。
图7a、图7b和图7c示意性地图示了如何调节驱动信号以应对具有与方波形式的驱动信号相同或相似频率的高频噪声的另外的示例。在图7a中，噪声具有与驱动信号相同的频率，并且相位也与驱动信号相同，意谓着根据上面所述的方法的滤波是不可行的。特别地，在图7a中所示的情况下，不能在噪声对VS的信号电平的贡献等于噪声对VS的参考电平的贡献的情况下获得样本。
在图7b中，驱动信号的频率为噪声的频率的两倍，因而能够进行噪声滤波，因为能够针对驱动信号的高电平与低电平以及噪声贡献的高电平与低电平的所有组合获得样本。据此，通过改变(提高或降低)驱动信号的频率，能够实现所示出的噪声的滤波。举例来说，图7a中所示的驱动信号的频率能够乘以或是除以整数。
图7c示出了驱动信号相对于图7a的驱动信号相位偏移的示例。在此图中，同样可以进行采样以构建滤波器。如果已知或是疑似噪声频率与驱动信号频率一致，则驱动信号可以例如被相位偏移四分之一周期，或者可以以小步长递增的方式被相位偏移，直到观察到的噪声最小为止。从而，滤波器能够学习抑制不同类型的噪声。据此，也可以储存用于不同噪声条件的特定采样简档，例如使用特定充电器的情况或者如果正在使用装置中已知会造成特定类型噪声的特定特征的情况。
再者，驱动信号也可以包括脉冲串，其中单独的脉冲是不同的，即具有不同的各个脉冲长度，从而避免驱动信号的频率和噪声的频率一致的情况。
图8a图示了其中驱动信号包括正弦波并且其中噪声相对于驱动信号近似恒定的示例。正弦波实务上能够被正弦脉冲替代以达到相同的效果。
图8b图示了其中采样电容器的系数被配置成对准驱动信号(此图中为正弦波)的形状，即幅度的示例。通过针对驱动信号的幅度来调节采样系数，并且通过在驱动信号的一个周期期间捕获多个样本，能够实现具有高频选择性的滤波器。不同系数能够通过上面所述的任何方法实现，例如组合用于每个样本的许多个电容器从而导致期望的系数，或者利用尺寸变化的电容器。
不需要在正弦波的各个最大幅度和最小幅度处捕获样本。然而，为了使滤波正常发挥作用，需要被称为负的所有样本在驱动信号处于相同的相对电压电平V1时被捕获并且被称为正的所有样本在驱动信号处于相同的相对电压电平V2(不同于V1)时被捕获。
图9是简要示出上面针对噪声降低讨论的方法的一般步骤的流程图。该方法包含以下步骤：提供902驱动信号，捕获904至少三个样本，形成906样本的总和，使得信号中的噪声受到抑制，以及形成908数字信号。
该方法的调整与上面针对在指纹感测装置中采样信号所讨论的方法的特征相似。如从以上描述所理解的，利用所述方法能够形成无数不同的滤波器，其中实现滤波器功能的关键特征是实时模拟采样和同时控制驱动信号。
如可从以上示例理解的，存在许多不同的方式来调整驱动信号以抑制不同类型的噪声。如果噪声特性完全未知，则可以采用许多个预先设定的模拟采样序列并且评估最终的经滤波信号，来确定这些采样序列中的哪个采样序列产生具有最低噪声内容的输出信号。从而，即使噪声特性未知，仍然能够抑制噪声。如果噪声特性未知，则可以采用自学习算法来形成自适应滤波器，其中可以基于来自读出电路系统的反馈来调整采样。
在许多情况下，噪声的某些特性是已知的，使得可以预先设定模拟采样序列以抑制特定噪声。举例来说，具有已知特性的噪声可能源自具有已知开关频率的装置充电器或源自装置中的其他部件，例如显示器或触碰屏幕。
还可以确定装置中的噪声特性并且配置模拟采样序列以抑制所确定的噪声。
虽然已参考本发明的特定示例性实施例描述了本发明，但是许多不同的变更、修正等对于本领域技术人员将是明显的。另外，还应注意，感测装置的一些部分可以通过各种方式被省略、互换或布置，感测装置仍然能够执行本发明的功能。
除此之外，技术人员通过研究附图、说明书和所附权利要求在实践要求保护的本发明时可以理解和实施所公开的实施例的变型。在权利要求中，用语“包括”并不排除其他元件或步骤，而不定冠词“一个”不排除多个。互不相同的独立权利要求中记载的特定措施并不指示这些措施无法以有利的方式被组合使用。

Claims (22)

1.一种电容式指纹感测装置，用于感测手指的指纹图案，所述电容式指纹感测装置包括多个感测元件，每个感测元件包括：
要被所述手指触碰的保护性介电顶层；
导电的感测结构，其被布置在所述顶层的下方；
感测电路系统，用于提供模拟感测信号，其指示所述手指与所述感测结构之间的距离，所述指纹感测装置进一步包括：
驱动信号电路系统，其被配置成提供驱动信号，所述驱动信号包括具有最大电压电平与最小电压电平的至少一个驱动脉冲，用于提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的变化；
模拟采样电路系统，其包括至少三个模拟采样与保持电路，所述至少三个模拟采样与保持电路被布置成对所述模拟感测信号采样；以及采样控制单元，用于单独控制所述至少三个模拟采样与保持电路中的每个以在指定时间捕获样本，从而形成至少三个样本，其中所述至少三个样本包括在所述驱动信号处于第一电压电平V1时被捕获的至少一个样本以及在所述驱动信号处于不同于V1的第二电压电平V2时被捕获的至少一个样本；以及
模拟-数字转换器ADC，其被连接至所述模拟采样电路系统并且被配置成将所述至少三个样本的组合转换成数字感测信号，所述数字感测信号指示所述感测结构与所述手指之间的电容性耦合，其中所述至少三个样本在所述指定时间被捕获，使得在形成所述组合时，从所述模拟感测信号中抑制掉噪声分量。
2.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其中，所述模拟采样电路系统被配置成基于噪声分量的已知特性在所选择的时间点对所述模拟感测信号采样，使得所述噪声分量被抑制。
3.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，每个模拟采样与保持电路包括电容器以及控制所述电容器的开关。
4.根据权利要求3所述的指纹感测装置，其中，所述模拟采样电路系统包括偶数个模拟采样与保持电路，每个模拟采样与保持电路包括电容器以及控制所述电容器的开关，其中所有电容器具有相同的尺寸。
5.根据权利要求4所述的指纹感测装置，其中，所述采样控制单元被配置成控制所述模拟采样与保持电路进行采样，使得在所述驱动信号的所述第一电压电平处和在所述驱动信号的所述第二电压电平处捕获相同数目的样本。
6.根据权利要求3所述的指纹感测装置，其中，所述至少三个模拟采样与保持电路包括至少两个不同尺寸的电容器，其中，所述电容器的相对尺寸被称为权重。
7.根据权利要求6所述的指纹感测装置，其中，所述采样控制单元被配置成控制所述模拟采样与保持电路，使得在所述第一电压电平处捕获到的样本的权重总和等于在所述第二电压电平处捕获到的样本的权重总和。
8.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述模拟-数字转换器是差分模拟-数字转换器，其具有正输入端以及负输入端，以及其中，至少一个模拟采样与保持电路被连接至所述正输入端并且至少一个模拟采样与保持电路被连接至所述负输入端。
9.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述模拟-数字转换器为具有单个输入端的单端模拟-数字转换器，其中，至少一个模拟采样与保持电路被配置成提供具有正符号的样本并且至少一个模拟采样与保持电路被配置成提供具有负符号的样本，以及其中，所有样本的总和被提供至所述单个输入端。
10.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述驱动信号电路系统被配置成提供驱动信号，其包括至少一个方形脉冲、方波、至少一个正弦脉冲或者正弦波。
11.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述驱动信号电路系统被配置成提供具有脉冲串的形式的驱动信号，其具有作为已知噪声分量的频率的倍数或分数的频率。
12.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述驱动信号电路系统被配置成提供具有脉冲串的形式的驱动信号，其相位与具有已知频率的噪声分量的相位不同。
13.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述感测电路系统包括电荷放大器，其包括负输入端、正输入端、提供所述模拟感测信号的输出端、反馈电容器、与所述反馈电容器并联的重置开关以及放大器。
14.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述驱动信号电路系统包括可控制的电压源，其被连接至位于所述指纹感测装置附近的传导结构，以将驱动信号注入放置在所述指纹感测装置上和所述传导结构上的手指中，用于提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的变化。
15.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述驱动信号的第一电压电平V1与第二电压电平V2之间的差异至少是0.1V。
16.一种用于在包括多个感测元件的电容式指纹感测装置中降低噪声的方法，所述指纹感测装置包括感测电路系统，用于提供指示手指与所述感测元件的感测结构之间的距离的模拟感测信号；以及驱动信号电路系统，用于提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的变化，所述方法包括：
提供驱动信号，所述驱动信号包括具有最大电压电平与最小电压电平的至少一个驱动脉冲，用于提供所述电位差的变化；
捕获所述模拟感测信号的至少三个样本，其中所述至少三个样本包括在所述驱动信号处于第一电压电平V1时被捕获的至少一个样本以及在所述驱动信号处于不同于V1的第二电压电平V2时被捕获的至少一个样本；
形成所述至少三个样本的总和，其中在时间上选择所述至少三个样本，使得在形成所述总和时从所述模拟感测信号中抑制掉噪声分量；以及
从所述至少三个样本的所述总和形成数字信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，基于噪声分量的已知特性在时间上选择所述至少三个样本，使得所述噪声分量被抑制。
18.根据权利要求16或17所述的方法，进一步包括控制所述驱动信号以形成脉冲串，所述脉冲串具有等于已知噪声分量的频率的倍数的频率。
19.根据权利要求16或17所述的方法，进一步包括针对包括具有已知频率的方波的噪声分量，将所述驱动信号控制为相位与所述噪声分量的相位不同的脉冲串。
20.根据权利要求16或17所述的方法，进一步包括向每个样本给出权重，所述权重取决于在相应样本的采样时间噪声信号的相对幅度，其中所述权重被选择，使得在所述驱动信号的所述第一电压电平处捕获到的样本的权重总和等于在所述驱动信号的所述第二电压电平处捕获到的样本的权重总和。
21.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述驱动信号包括至少一个方形脉冲、方波、至少一个正弦脉冲或者正弦波。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一电压电平为所述方形脉冲的高电平以及所述第二电压电平为所述方形脉冲的低电平。
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