CN107346412A - 感测手指的指纹图案的指纹感测装置、方法和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及感测手指的指纹图案的指纹感测装置、方法和电子装置。指纹感测装置包括半导体基板；以及形成在半导体基板上的感测元件的阵列，其中，每个感测元件包括：要由手指触摸的保护性介电顶层；以及被布置在顶层下方的导电的感测结构；其中，指纹感测装置还包括：至少一个放大器，被耦接至感测结构中的至少一个，感测结构用于提供指示手指与感测结构之间的电容性耦合的感测信号，放大器包括形成在半导体基板中的阱中的至少一个晶体管，阱与半导体基板之间的界面被配置成能够防止电流在阱与半导体基板之间流动；以及激励信号提供电路系统，被耦接至感测结构并且被配置成改变感测结构的电位，从而提供手指与感测结构之间的电位差的变化。

Description

感测手指的指纹图案的指纹感测装置、方法和电子装置
本申请是国家申请号为201580002035.1、进入中国国家阶段的日期为2016 年3月29日、发明名称为“具有改善了的感测元件的电容式指纹感测器”的 PCT申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及电容式指纹感测装置，并且涉及感测指纹图案的方法。
背景技术
为了提高安全性和/或增强用户的便利性，各种类型的生物测定系统被使用得越来越多。
具体地，归功于指纹感测系统的小的形状因子、高的性能以及用户可接受性，在例如消费类电子装置中采用了指纹感测系统。
在各种可用的指纹感测原理中(例如，电容式、光学式、热能式等)，电容式感测最为常用，尤其是在尺寸以及功耗为重要问题的应用中。
所有电容式指纹感测器皆提供表示几个感测结构中的每一个感测结构与放置在指纹感测器表面上的或移动跨越指纹感测器表面的手指之间的电容的度量。
某些电容式指纹感测器会无源地读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要相对大型的电容。所以，这样的无源电容式感测器通常设置有覆盖感测结构的非常薄的保护层，这会使得这样的感测器对刮擦和/或 ESD(静电放电)相当敏感。
US 7 864 992公开了一种有源电容式指纹感测装置，其中，通过以下操作来将驱动信号注入手指：对布置在感测器阵列附近的导电驱动结构施以脉冲，并且对由感测器阵列中的感测结构所携载的电荷的最终变化进行测量。
尽管根据US 7 864 992的指纹感测系统提供了指纹图像品质和感测器保护的优异组合，但是，在某些应用中期望能够在不使用单独的导电驱动结构的情况下获得高品质的指纹图像。具体地，对于“困难”手指如干燥的手指，似有改善的空间。
在Kwang-Hyun Lee和Euisik Yoon的论文“A 500dpi Capacitive-Type CMOSFingerprint Sensor with Pixel-Level Adaptive Image Enhancement Scheme”(ISSCC2002/会议21/TD:Sensors andmicrosystems/21.3)中描述了一种替代性有源指纹感测装置。在此指纹感测装置中，激励脉冲被施加至每个像素的感测电极而非被施加至手指。假设手指的电位基本上恒定。
此指纹感测器看似无需单独的导电驱动结构即可使用。然而，在“A 500dpiCapacitive-Type CMOS Fingerprint Sensor with Pixel-Level Adaptive ImageEnhancement Scheme”中描述的指纹感测器据说被配置成呈现相对于手指的在0fF至200fF范围中的电容(被测量的电容)。在指纹感测领域中，这是相对大型的电容，其表示设置在感测电极上的保护涂层非常薄。实际上，保护涂层指的是“钝化层”，其通常被理解为厚度大约是1μm的SiO层或SiN层。具有这样的薄保护涂层的指纹感测器在包括移动装置应用的许多重要的应用中会不够稳健。
因此，期望提供其中激励脉冲被施加至感测电极的更加稳健的电容式指纹感测装置，同时又能够实现高品质的指纹表示。
发明内容
鉴于上面所提及的缺点以及现有技术的其他缺点，本发明的目的在于提供改善了的电容式指纹感测装置。
根据本发明的一方面，提供了一种用于感测手指的指纹图案的指纹感测装置，指纹感测装置包括半导体基板；以及形成在半导体基板上的感测元件的阵列，其中，每个感测元件包括：要由手指触摸的保护性介电顶层；以及被布置在顶层下方的导电的感测结构；其中，指纹感测装置还包括：至少一个放大器，放大器被耦接至感测结构中的至少一个，感测结构用于提供指示手指与感测结构之间的电容性耦合的感测信号，放大器包括形成在半导体基板中的阱中的至少一个晶体管，阱与半导体基板之间的界面被配置成能够防止电流在阱与半导体基板之间流动；以及激励信号提供电路系统，激励信号提供电路系统被耦接至感测结构并且被配置成改变感测结构的电位，从而提供手指与感测结构之间的电位差的变化。
根据又一方面，提供一种电子装置，包括：根据以上的指纹感测装置；以及处理电路系统，被配置成：从指纹感测装置获取指纹图案的表示；基于表示来对用户进行认证；以及仅当用户基于表示被认证时，才执行至少一项用户请求的处理。
根据再一方面，提供一种使用指纹感测装置来感测手指的指纹图案的方法，指纹感测装置包括掺杂的半导体基板；以及形成在半导体基板上的感测元件的阵列，其中，每个感测元件包括导电感测结构，导电感测结构被耦接至形成在半导体基板中的阱中的晶体管，阱被掺杂成与半导体基板极性相反，方法针对每个感测元件包括以下步骤：将感测结构的电位从第一电位改变为第二电位；以及提供感测信号，感测信号表示通过感测结构的从第一电位至第二电位的电位变化而实现的手指与感测结构之间的电位差变化所引起的感测结构所携载的电荷的变化。
根据本发明的一方面，因此提供了一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，所述指纹感测装置包括半导体基板；以及形成在半导体基板上的感测元件的阵列，其中，每个所述感测元件包括：要由手指触摸的保护性介电顶层；导电感测结构，被布置在所述顶层下方；以及电荷放大器，被连接至感测结构用于提供以下感测信号，所述感测信号表示由于手指与感测结构之间的电位差变化而导致的感测结构所携载的电荷的变化。电荷放大器包括：负输入端，被连接至感测结构；正输入端；输出端，用于提供所述感测信号；反馈电容器，被连接在负输入端与输出端之间；以及感测晶体管，感测晶体管的栅极构成负输入端，其中，感测晶体管被形成在半导体基板中的阱中，所述阱与基板之间的界面被配置成能够防止电流在所述阱与基板之间流动；并且其中，电荷放大器被配置成使得负输入端处的电位基本上会随动于正输入端处的电位，其中，指纹感测装置还包括激励信号提供电路系统，激励信号提供电路系统：被连接至正输入端并且被配置成将正输入端处的电位从第一电位改变为第二电位，以改变感测结构的电位，从而改变手指与感测结构之间的电位差；以及被连接至所述阱用于将所述阱的电位从第三电位改变为第四电位，第三电位与第四电位之间的差基本上等于第一电位与第二电位之间的差，以降低感测结构与所述阱之间的以及感测晶体管与所述阱之间的寄生电容的影响。
所述半导体基板可以有利地是掺杂的半导体基板，并且所述阱可以是基板的被掺杂成与半导体基板极性相反的一部分(如果半导体基板为p 掺杂，则所述阱可以为n掺杂；如果半导体基板为n掺杂，则所述阱可以为p掺杂)。这是实现所述阱与基板之间的以下界面的一种方式，所述界面被配置成能够防止电流在所述阱与基板之间流动。具体地，所述阱与基板可以被保持在这样的电位处，所述电位使得没有任何电流流过形成在基板与所述阱之间的界面处的二极管。
可替代地，在基板与所述阱之间可以设置有例如薄玻璃层形式的绝缘层。这样的绝缘层还会防止电流在所述阱与基板之间流动。
电荷放大器会将负输入端处的电荷转换成输出端处的电压。电荷放大器的增益通过反馈电容器的电容来确定。
电荷放大器被配置成使得负输入端处的电位基本上随动于正输入端处的电位，应当被理解为表示正输入端处的电位的变化会导致负输入端处的电位的基本上对应的变化。取决于电荷放大器的实际配置，负输入端处的电位可以与正输入端处的电位基本上相同，或者，正输入端与负输入端之间的电位差可以基本上恒定。例如，如果电荷放大器被配置成单级放大器，则所述电位差会是感测晶体管的栅极与源级之间的电压。
应当注意，电荷放大器的输出端不需要直接连接至反馈电容器，并且在输出端与反馈电容器之间可以有额外的电路系统。所述电路系统还可以被放置在感测元件矩阵的外面。
激励信号提供电路系统可以是被配置成用以在被提供于不同线路上的两个或更多个不同电位之间进行切换的切换电路系统。可替代地或者与之结合地，激励信号提供电路系统可以包括至少一个信号源，所述至少一个信号源被配置成提供时变电位，例如方波电压信号或正弦波电压信号。
感测结构可以有利地以金属板的形式来提供，而使得感测结构(感测板)、局部手指表面和保护涂层(以及局部性存在于局部手指表面与保护涂层之间的任何空气)能够形成某种平行板电容器。
保护涂层可以有利地为至少20μm厚并且具有高介电强度以保护指纹感测装置的底层结构，避免受到磨损、撕扯和ESD的破坏。更有利地，保护涂层可以为至少50μm厚。在实施方式中，保护涂层可以为数百μm 厚。
本发明基于以下认识：向感测电极(以及向感测晶体管)施加激励信号需要注意当激励信号被施加至手指时可能会看不见的相当大的寄生电容；以及需要明显降低所述寄生电容的影响以能够感测感测结构与手指之间非常小的电容——大约为0.1fF。而感测这样的小电容可能又需要能够使用厚的保护涂层来提供改善了的鲁棒性。
如果激励信号被施加至手指并且该感测结构保持在固定电位处(例如接地)，则感测结构与手指之间的电容的测量将不会受到感测结构与电荷放大器之间的任何寄生电容及/或感测结构与在其中形成电荷放大器的半导体基板之间的任何寄生电容的干扰，因为感测结构以及电荷放大器的相关部分(以及半导体基板)的电位会相同(或者在感测结构与电荷放大器的输入级以及半导体基板之间的电位差会恒定)。然而，如果激励信号被施加至感测结构，则感测结构与半导体基板之间将会有时变电位差。模拟表明，临近感测结构与电荷放大器的输入级之间的连接的位于感测结构与半导体基板(通常为n阱、p阱及/或半导体基板)之间的寄生电容的大小会是大约10fF，而要被感测的电容(在感测结构与手指之间)可能低至0.1fF或更小。此外，上面提及的寄生电容通常可能未知，而且由于半导体制造过程的变化而导致在不同的感测元件中可能并不相同。
本发明人意识到，指纹感测装置中感测结构与半导体结构之间的此寄生电容的影响可以通过提供激励信号提供电路系统来显著地减小，所述激励信号提供电路被配置成对其中形成电荷放大器的感测晶体管的所述阱的电位进行改变。因此，作为临近感测结构与感测晶体管(电荷放大器的输入级)之间的连接的所述阱的电位能够受控随动于感测结构的电位，从而使得所述阱与感测结构之间的电位差能够保持基本上恒定，至少在与对感测结构与手指之间的电容的测量有关的时间点处保持基本上恒定。
哪些时间点与所述测量有关会因所使用的测量方法而异，并且技术人员将能够例如基于电路模拟来确定这样的时间点，而没有不适当的负担。例如，在其中感测信号在两个采样时间处被采样的所谓的相关双重采样的情况下，这些采样时间可以是与所述测量有关的时间点。
当经由直接导电电气连接线来向手指提供激励信号时，或者换言之，当电驱动手指时，触摸感测器阵列的手指表面与感测器阵列中的感测结构之间的电位差对于具有不同电气属性的手指可能不同。例如，所述电位差对于较干燥的手指可能比较低，从而导致可能难以分析的“较微弱的”手指图像。
本发明的各种实施方式提供了一种稳健的电容式指纹感测器，所述电容式指纹感测器能够在不需要与手指电连接的导电驱动电极的情况下获取高品质的指纹表示。这改善了从“困难”手指(具体地，干燥的手指) 获取指纹。指纹图案的表示可以例如是原始的指纹图像数据；或者，可以在对所述数据处理过之后，按照调节的图像数据如指纹模板数据的形式或其他任何形式来提供。
另外，因为根据本发明实施方式的指纹感测装置的成功操作不取决于手指的变化的电位，所以手指可以通过其中包括所述指纹感测装置的产品的导电部件而接地(或者至少有重负载)。
此外，没有导电结构(例如，环绕感测器阵列的导电框架)简化了将指纹感测器集成至各种装置例如移动电话和计算机中。此外，指纹感测器系统的设计能够在没有任何突兀的情况下作出，并且包括所述指纹感测器系统的产品的完成可以获得改善。
根据本发明的各种实施方式，激励信号提供电路系统还可以被配置成同时将电荷放大器的正输入端保持在第一电位并且将所述阱保持在第三电位；以及同时将电荷放大器的正输入端保持在第二电位并且将所述阱保持在第四电位。因此，所述阱可能遭受以下电压摆动，所述电压摆动的幅度与感测结构的电压摆动的幅度基本上相同。这会使得能够去除或至少显著地降低感测结构与所述阱之间的寄生电容的影响。
根据本发明的指纹感测装置的各种实施方式还可以包括采样电路系统，所述采样电路系统被连接至电荷放大器的输出端并且被配置成在第一采样时间和第二采样时间处对感测信号进行采样，第一采样时间为当电荷放大器的正输入端保持在第一电位并且所述阱保持在第三电位时，第二采样时间为当电荷放大器的正输入端保持在第二电位并且所述阱保持在第四电位时。
在第一采样时间与第二采样时间处采样感测信号的过程通常被称为相关双重采样并且去除指纹感测装置可能遭受的共模噪声的大部分偏移值以及至少低频分量。通过分别确保感测结构的电位与所述的电位至少与上述采样时间同步，感测结构与所述阱之间的寄生电容的影响可以被去除或者至少明显地降低。
此外在各种实施方式中，第三电位可以有利地基本上等于第一电位并且第四电位可以基本上等于第二电位。
此外，激励信号提供电路系统还可以具有连接至正输入端与所述阱中每一者的输出端，用于将正输入处的电位以及所述阱处的电位同时从第一电位改变成第二电位。
此外，根据各种实施方式，指纹感测装置还可以包括被布置在感测结构与基板之间的屏蔽结构。激励信号提供电路系统还可以被连接至屏蔽板并且被配置成将屏蔽板的电位从第五电位改变成第六电位，第五电位与第六电位之间的差基本上等于第一电位与第二电位之间的差。
因此，可以相对感测元件的其他可能的下方部件有效将感测结构屏蔽，所述其他可能的下方部件例如金属层中的连接线路及/或形成在半导体基板中的连接线路及/或半导体电路系统。这将进一步降低感测元件中的寄生电容的影响。
第五电位可以有利地等于上述第三电位(和/或第一电位)，第六电位可以有利地等于上述第四电位(和/或第二电位)。例如，屏蔽板可以有利地直接导电连接至所述阱。
根据第一组实施方式，感测晶体管可以是NMOS晶体管或PMOS晶体管，并且所述阱可以相应地是p阱或n阱。
根据第二组实施方式，p阱和/或n阱可以被形成在与激励信号提供电路系统连接的阱中。当至少p阱及至少n阱被形成在所述阱中时，所述阱有时可以被称为iso阱。
此外，所述阱可以为多个感测元件所共用。例如，所述阱可以是环绕几个感测元件的n阱和p阱的iso阱。激励信号提供电路系统可以被连接至iso阱并且被连接至形成在iso阱内的阱，并且被配置成改变iso阱的电压以及形成在iso阱内的阱的电压。
根据各种实施方式，每个感测元件还可以包括重置切换器，所述重置切换器包括至少一个重置晶体管，所述至少一个重置晶体管被连接在电荷放大器的负输入端与输出端之间并且能够被控制用于对反馈电容器进行放电，其中，重置晶体管被形成在所述阱中。
重置晶体管的栅极可以被连接至结合上述第三电位与第四电位而选择的固定电位，以当重置晶体管受控用于对反馈电容器放电时保持重置晶体管导通；并且重置晶体管的栅极可以被连接至可以由激励信号提供电路系统提供的变化的电位以保持重置晶体管不导通从而使得能够对反馈电容器充电。
此外，根据各种实施方式，每个感测元件可以另外地包括包含有至少一个驱动晶体管的驱动信号提供电路系统，所述至少一个驱动晶体管被连接至感测结构并且能够被控制用于向感测结构直接提供驱动信号，其中，驱动晶体管被形成在所述阱中。
例如，驱动晶体管可以被控制用于：当感测元件处于其“驱动”状态中时，将感测结构连接至激励信号提供电路系统；以及当感测元件处于其“感测”状态中时，断开感测结构与激励信号提供电路系统的连接。为此，驱动晶体管的栅极可以被连接至结合上述第三电位与第四电位而选择的固定电位，以在“驱动”状态中保持驱动晶体管导通；并且驱动晶体管的栅极可以被连接至可以由激励信号提供电路系统提供的变化的电位，以在“感测”状态中保持驱动晶体管不导通。
尽管提供了驱动信号提供电路系统，但是，仍可以使得与当前正在感测的感测元件(像素)相邻的感测元件(像素)的感测结构“随动”于当前正在感测的感测元件的感测结构的电位，而不必操作该感测元件的电荷放大器。这可以降低指纹感测装置的功耗。每个感测元件可以有利地能够在至少“感测”状态与“驱动”状态之间被编程。还可以有以下第三状态：感测结构可以被连接至固定电位或被电气浮置。因此，感测结构与相邻感测元件的感测结构之间的寄生电容的影响可以被去除或者至少显著地被降低。
根据本发明的各种实施方式的指纹感测装置还可以有利地包括读出电路系统，所述读出电路系统被连接至每个感测元件并且被配置成基于来自每个感测元件的感测信号来提供指纹图案的表示。
该指纹感测装置可以有利被包括在电子装置中，电子装置还包括处理电路系统，所述处理电路系统被配置成：从指纹感测装置获取指纹图案的表示；基于所述表示来对用户进行认证；以及仅当用户基于所述表示被认证时才执行至少一项用户请求的处理。例如，电子装置可以是如移动电话或平板计算机的手持式通信装置、计算机或如手表等电子可穿戴物品。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种使用指纹感测装置来感测手指的指纹图案的方法，指纹感测装置包括：掺杂的半导体基板；以及形成在半导体基板上的感测元件的阵列，其中，每个感测元件包括导电感测结构，所述导电感测结构被连接至形成在半导体基板中的阱中的感测晶体管的栅极，所述阱被掺杂成与半导体基板极性相反，所述方法包括针对每个感测元件的以下步骤：将感测结构的电位从第一电位改变为第二电位；将所述阱的电位从第三电位改变为第四电位，第三电位与第四电位之间的差基本上等于第一电位与第二电位之间的差；以及提供感测信号，所述感测信号表示通过感测结构的从第一电位至第二电位的电位变化而实现的手指与感测结构之间的电位差的变化所引起的感测结构所携带的电荷的变化。
在根据本发明的方法的实施方式中，所述阱的电位可以按照以下方式来变化：当感测结构在第一电位时，所述阱在第三电位；以及当感测结构在第二电位时，所述阱在第四电位。
根据本发明的各种实施方式，所述方法还可以包括以下步骤：将多个相邻感测元件中的每个感测结构的电位从第七电位改变为第八电位，第七电位与第八电位之间的差基本上等于第一电位与第二电位之间的差。
因此，感测结构与相邻感测元件的感测结构之间的寄生电容的影响可以被去除或者至少明显地被降低。
本发明的第二方面的另外实施方式以及通过第二方面所获得的效果与上面关于本发明的第一方面所描述的在很大程度上相同。
总之，本发明涉及一种电容式指纹感测装置，所述电容式指纹感测装置包括：半导体基板；以及形成在半导体基板上的感测元件的阵列。每个感测元件包括：保护性介电顶层；感测结构，被布置在所述顶层下方；以及电荷放大器，被连接至感测结构。电荷放大器包括：负输入端，被连接至感测结构；正输入端；输出端，用于提供感测信号；反馈电容器；以及感测晶体管，感测晶体管的栅极构成负输入端。感测晶体管被形成在半导体基板的绝缘性阱中。指纹感测装置还包括激励信号提供电路系统，激励信号提供电路系统被连接至电荷放大器的正输入端和所述阱，用于改变感测结构的电位以及所述阱的电位，从而降低感测元件中的寄生电容的影响。
附图说明
现在将参考示出了本发明的示例实施方式的附图来更加详细地描述本发明的这些及其他方面，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的指纹感测装置的应用；
图2示意性地示出了图1中的指纹感测装置；
图3a是图2中的指纹感测装置的一部分的示意性横截面图；
图3b是图3a中的横截面图的一部分的放大图，其示出了指纹感测装置中的各个电容；
图4a是图2中的指纹感测装置中所包括的感测元件的部分结构图以及部分电路示意图的混合图；
图4b是图4a的以下版本：其中，图中利用较高阶附图标记来示出电荷放大器；
图5是图4a中的感测元件的包括n阱的部分的概念性横截面图；
图6是图4a中的感测元件的包括iso阱的部分的概念性横截面图；
图7a至图7c是示意性地示出了将图4a中的感测元件控制在其“驱动”状态与“感测”状态之间的时序图；
图8a至图8c是示意性示出了被提供给感测结构/阱的信号以及从感测元件输出的对应感测信号的图；以及
图9是示意性地示出了根据本发明的方法的示例实施方式的流程图。
具体实施方式
在本详细说明中，根据本发明的指纹感测装置和方法的各种实施方式主要参考指纹感测装置来描述，在该指纹感测装置中，电荷放大器的正输入端和阱被连接在一起并且相应地通过激励信号提供电路系统来控制以随动于相同的时变电位(结合参考电位，例如电气地)，在所述阱中形成有包括在电荷放大器中的感测晶体管。指纹感测装置中的感测结构(板) 与下方结构之间的屏蔽板还被连接至电荷放大器的正输入端。此外，反馈电容器由以下形成：感测板、与上述屏蔽板处于同一金属层中的参考板、以及感测板与参考板之间的介电层。此外，指纹感测装置被示为以下触摸感测器，该触摸感测器被成形并且被配置成从静止的手指获取指纹表示。
应当注意，这决不意味着限制本发明的范围，例如，本发明同样可以包括其中电荷放大器的正输入端的电位、上述阱的电位和/或屏蔽板的电位会在不同的电位之间变化的指纹感测装置，只要对于每一者的电位步进基本上相同即可。此外，反馈电容器可以使用感测元件中的其他结构来形成。例如，感测元件可以被配置成使得感测晶体管的栅极与漏极可以用作反馈电容器。其他感测器阵列配置例如用于从移动的手指获取指纹表示的所谓的划擦感测器(线感测器)，同样落入本发明的由所附权利要求书限定的范围内。
图1示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的指纹感测装置的应用，其形式为具有集成式指纹感测装置2的移动电话1。指纹感测装置 2例如可以用于解锁移动电话1以及/或者用于授权使用移动电话来执行的交易等。
图2示意性地示出了包括在图1中的移动电话1中的指纹感测装置2。如图2中所看见的，指纹感测装置2包括感测器阵列5、电源接口6和通信接口7。感测器阵列5包括大量的感测元件8(为避免造成附图混乱而使用附图标记表示了仅一个感测元件)，每个感测元件8能够被控制用于对包括在感测元件8中的感测结构(顶端板)与接触感测器阵列5的顶端表面的手指表面之间的距离进行感测。在图2中的感测器阵列5的放大部分中，第一感测元件被标记为“S”以表示感测，而第二组相邻的感测元件被标记为“D”以表示驱动。
电源接口6包括第一触垫10a和第二触垫10b，此处被示为接合垫 (bond pad)，用于将电源电压Vsupply连接至指纹感测器2。
通信接口7包括多个接合垫，以使得能够控制指纹感测器2并且从指纹感测器2获取指纹数据。
图3a是图2中的指纹感测装置的一部分的沿图2所示的线A-A’的示意性横截面，在感测器阵列5上放置有手指11。参考图3a，指纹感测装置2包括：掺杂的半导体基板12；形成在半导体基板12上的所述多个感测元件8；以及感测元件上的保护性涂层13。手指11的表面包括与保护性涂层13接触的多个脊部14以及与保护性涂层13分隔开的多个谷部15。
如图3a中示意性地示出的，每个感测元件8包括与保护性涂层13 相邻并且形式为感测板17的感测结构。感测板17之下是另外的金属结构以及图3a中的用阴影线区域18示意性地表示的有源半导体电路系统。
图3a近似地按比例绘制以说明保护性涂层13、感测元件18以及手指11的脊部14和谷部15的相对尺寸。如所看到的，保护性涂层13相当厚以防止感测元件受到磨损、撕扯和ESD。不必说，保护性涂层13对于指纹感测装置2的鲁棒性而言非常重要。从图3a中的相对尺寸还可以理解，感测结构17与手指11之间的电容非常小，尤其是相比感测板17与相邻于感测板17的其他导电结构之间的寄生电容而言。这样的导电结构的示例邻近的感测板、上述另外的金属结构、有源半导体电路系统18和基板12。
如在图3b中示意性地示出的，感测元件18除了包括感测板17以外还包括屏蔽板20、参考板21和电荷放大器22。在图3b中，电荷放大器 22仅非常示意性地用虚线来表示。电荷放大器22的在图中示出了一些细节的唯一部分是与感测板17连接的感测晶体管(MOSFET)23。此类型图示的理由是使得能够表示出影响该感测元件8的最重要的寄生电容。
图3b所表示的是感测板17与手指11之间的手指电容Cf、感测板17 与参考板21之间的参考电容Cref、感测板17与屏蔽板20之间的第一寄生电容Cp1、感测板与邻近感测板之间的第二寄生电容Cp2、以及感测板与其中形成有感测晶体管23的阱25之间的第三寄生电容Cp3(实际上是阱25与连接感测板17和感测晶体管23的栅极的线路之间)。Cp3还包括感测晶体管自身中的内部电容器。
为了使用图3a至图3b中的稳健的指纹感测装置2来实现高品质的指纹感测效果，最重要的是要去除或者至少降低与感测板17有关的寄生电容的影响。这可以基于对图3b中的各个电容的近似大小的比较来清楚地理解。寄生电容Cp1大约为100fF，Cp2大约为10fF，Cp3大约为5fF至10fF，而要被感测的手指电容Cf大约为0.1fF。
现在将参考图4a至图4b来说明用以去除或者至少显著地降低上述各个寄生电容的影响的感测元件8的示例配置。
图4a是图3a至图3b中的感测元件8的部分结构示意图及部分电路示意图的混合示意图。用分解视图来示意性地示出保护性涂层13、感测板17、屏蔽板20和参考板21，而用晶体管层次的电路示意图形式来示出电荷放大器22。
如图4a所示，此简易的电荷放大器22的第一示例包括感测晶体管 23、级联晶体管27、重置晶体管28和偏置电流源29。感测晶体管23、级联晶体管27和重置晶体管28全部被形成在相同的阱25中。
为帮助理解图4a中的部件和连接，还在图4b中在更加抽象的层次示出了相同的示意性配置，用电荷放大器的通用符号来取代图4a的晶体管电路，电荷放大器的负输入端30与感测板17连接，电荷放大器的正输入端31与在此处形式为脉冲发生器的激励信号提供电路系统32连接，并且电荷放大器的输出端33提供感测信号Vout，感测信号Vout表示因手指11与感测板17之间的电位差的变化而导致的由感测板17携带的电荷的变化。手指11与该感测板17之间的电位差变化由以下引起：脉冲发生器 32经由电荷放大器施加给感测板17的变化电位。由感测板17和参考板21形成的反馈电容器被连接在电荷放大器22的负输入端30与输出端33 之间。应当注意，电荷放大器的一般功能为相关领域技术人员所熟知。图 4b还示意性地表示阱25被连接至激励信号提供电路系统32。
回到图4a，可以看出，感测晶体管23的栅极构成电荷放大器22的负输入端30，感测晶体管23的源极构成电荷放大器22的正输入端31。电荷放大器22的正输入端31被连接至屏蔽板20，而屏蔽板20又被连接至其中形成有感测晶体管23的阱25并且被连接至脉冲发生器32。
感测元件8还包括驱动晶体管26、驱动控制切换器35和重置控制切换器36。驱动控制切换器35能够被控制成处于第一状态或第二状态，在第一状态中驱动晶体管26的栅极被连接至该脉冲发生器32，在第二状态中驱动晶体管26的栅极被接地。当驱动控制切换器35处于其第一状态中时，驱动晶体管26导通并且因此将感测结构17直接连接至脉冲发生器32。当驱动控制切换器处于其第二状态中时，驱动晶体管26不导通。在后一种情况下，在感测结构17与脉冲发生器32之间不会有经由驱动晶体管26的任何直接连接。如在图4a中所看见的，驱动晶体管26被形成在阱25中。偏置电流源29可以位于感测元件中或者位于感测器阵列5的外部。
按照同样的方式，重置控制切换器36能够被控制成处于第一状态或第二状态，在第一状态中重置晶体管28不导通以使得感测板17与反馈板 21之间能够存在电位差，在第二状态中重置晶体管28导通以使得感测板 17的电位与反馈板21的电位相等。
通过图4a中的感测元件8的配置，内部寄生电容Cp1与Cp3的影响被去除或者至少显著地被降低。此外，驱动邻近感测结构会去除或者至少显著地降低图3b所示的邻近的感测板17之间的寄生电容Cp2的影响。这可以通过将邻近的感测元件控制成处于它们的“感测”状态或“驱动”状态来实现，其中，“驱动”状态的优点是提供了指纹感测装置2的较低的电流消耗。
应当注意，本发明不限于图4a的具体的感测元件设计，而是可以按照基于本公开内容的对于本领域技术人而言很明显的许多不同方式来实现感测元件的各个元件。例如，电荷放大器可以按照具有差分输入端的两级放大器的形式来提供。
为进一步帮助理解本发明的各种实施方式，在图5中提供图4a中的感测元件8的第一实现的另外横截面图。图5中的图示与图4中的图示的主要差别在于：在图5中示出了包括在电荷放大器22中的一些晶体管(感测晶体管23与级联晶体管27)的物理上的晶体管配置，而感测元件8(以及邻近感测元件)的各种部件的电位方面的关系则使用“提靴带(bootstrap)”50、51和52来作概念性表示。
图5的主要目的是为了示出：上述被控制成“随动”于感测板17的电位的阱25在这里是形成在p掺杂基板12中的n阱。明显地，阱25可替代地是形成在n掺杂基板中的p阱。
图6是与图5类似的图并且示意性地示出了图4a中的感测元件8的第二实现，其与图6所示的不同之处在于，n阱25和p阱54两者被形成在iso阱55中，而iso阱55又形成在基板12(其可以为n掺杂、p掺杂、或未掺杂)中。在此实现中，iso阱55以及n阱25与p阱54受到控制而随动于感测板17的电位，如通过另外的“提靴带”53、56的示意性地示出。特别地，在这些阱之间会有电位差。
例如，参考图6，iso阱55和n阱25可以保持在相同的电位处，而p 阱54的电位可以随动于iso阱/n阱的电位，但在不同(通常为较低)的电位处。
现在将参考图7a至图7c以及图8a至图8c的功能时序图来说明根据本发明的各种实施方式的指纹感测装置2的示例性操作。
还参考图4a，图7a示意性地示出了阱25的行为电位(以及具有偏移值的感测板17的行为电位)，图7b示意性地示出了驱动控制切换器35 的状态，图7c示意性地示出了重置控制切换器36的状态。
在图7a至图7c的t0至t1中，感测元件8处于其“驱动”状态中，在t1处，感测元件8通过操作驱动控制切换器35而转变至其“感测”状态，在t2处，感测元件8通过再次操作驱动控制切换器来经由驱动晶体管26将感测板17连接至脉冲发生器32而转变回到其“驱动”状态。
如在图7a中示意性地示出的，阱25(和感测板17)呈现在“感测”状态中与在“驱动”状态中具有基本上相同行为的时变电位。在“驱动”状态中，时变电位经由驱动晶体管26被施加至感测板17；在“感测”状态中，时变电位(可能具有取决于电荷放大器配置的偏移)通过电荷放大器22被施加至感测板17。
如在图7c中示意性地示出的，重置控制切换器36受控当感测元件8 处于其“驱动”状态中时保持重置晶体管28不导通并且当感测元件8处于其“感测”状态中时交替切换在导通与不导通之间。下面将参考图8a 至图8c来描述在感测期间被施加至感测板17的激励信号与重置晶体管 27的操作之间的示例性定时关系。
图8a是图7a的放大部分；图8b示意性地示出了感测信号的模拟，即，图4a中的电荷放大器22的输出33端处的信号；以及图8c示意性地示出了以固定参考电位(例如，大地)为基准而非以被施加至阱25的信号(其为图4a中的电荷放大器22的局部参考电位)为基准的感测信号的模拟“校正”版本。
首先参考图8a，被施加至感测板17的激励信号在t3处从低电位变成高电位，并且接着在t4处从高电位回到低电位。在t3处，重置控制切换器36被操作用于使重置晶体管28导通，即，经由重置晶体管28将参考板21连接至感测板17。在t5处，重置控制切换器36再次被操作用于使重置晶体管28为不导通，即，使电荷放大器处于以下状态：输出表示感测板17上的电荷是否改变的信号。在t6处，感测信号第一次被采样，而产生第一采样值S1。当激励信号在t4处从高变低时，感测板17上的电荷会因与手指11的电容性耦合而改变，假设手指11处于基本上固定的点位(至少在采样事件的时间量程上)。此电荷变化会转变成电荷放大器所提供的电压的变化，即，感测信号Vout的改变。在激励信号从高至低的转变之后感测信号的电位S2在t7处被采样。根据图4a很明显地，感测信号与阱的电位有关(图8a)。为取得“校正”的感测信号(图8c)，可以从出现在电荷放大器22的输出端33处的感测信号中减去激励信号，从而产生校正的采样电压S1'与S2'。S2'与S1'之间的差是表示感测板17与手指11之间的电容性耦合的度量。
图8c的校正的信号或至少校正的采样可以用各种方式来获得，例如通过使用仪表放大器或者通过使用激励信号作为采样电容器的参考电压。
现在将参考图9的流程图来描述根据本发明的方法的示例实施方式。在第一步骤101中，感测板17的电位、屏蔽板20的电位、阱(图6中的阱25或是图7中的iso阱54)的电位以及相邻感测板的电位同时从第一电位V1改变成第二电位V2(这个两个电位以固定电位为基准，例如以电气接地为基准)。在后续步骤102中，感测信号Vout会被提供，其表示因步骤101中的电位变化造成手指11与感测板17之间的电位差变化进而造成感测板17所携载的电荷的变化。
本领域技术人员应当意识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相比之下，在所附权利要求书的范围内，可以有许多修改和变型。
在权利要求书中，“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“a”或“an”不排除复数情况。单一处理器或其他单元可以实现权利要求书中所述的几个项的功能。在互不相同的从属权利要求中叙述特定手段的单纯事实并不表示这些手段的组合不能有利地被使用。计算机程序可以被储存在/分布在适合的介质中，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分的光存储介质或固态介质；但是还可以其他形式来分布，例如经由因特网或其他有线或无线的电信系统。权利要求书中的任何参考标记不应当被解释成限制本发明的范围。
基于以上的说明，可知至少公开了以下技术方案：
附记1.一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，所述指纹感测装置包括半导体基板；以及形成在所述半导体基板上的感测元件的阵列，
其中，每个所述感测元件包括：
要由所述手指触摸的保护性介电顶层；
被布置在所述顶层下方的导电感测结构；以及
电荷放大器，所述电荷放大器被连接至所述感测结构用于提供以下感测信号，所述感测信号表示由于所述手指与所述感测结构之间的电位差的变化而导致的所述感测结构所携载的电荷的变化，所述电荷放大器包括：
负输入端，被连接至所述感测结构；
正输入端；
输出端，用于提供所述感测信号；
反馈电容器，被连接在所述负输入端与所述输出端之间；以及
感测晶体管，所述感测晶体管的栅极构成所述负输入端，
其中，所述感测晶体管被形成在所述半导体基板中的阱中，所述阱与所述基板之间的界面被配置成能够防止电流在所述阱与所述基板之间流动；并且
其中，所述电荷放大器被配置成使得所述负输入端处的电位基本上随动于所述正输入端处的电位，
其中，所述指纹感测装置还包括：
激励信号提供电路系统，所述激励信号提供电路系统系：
被连接至所述正输入端并且被配置成将所述正输入端处的电位从第一电位改变为第二电位，以改变所述感测结构的电位，从而提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的变化；以及
被连接至所述阱用于将所述阱的电位从第三电位改变为第四电位，所述第三电位与所述第四电位之间的差基本上等于所述第一电位与所述第二电位之间的差，从而降低所述感测结构与所述阱之间的寄生电容的影响。
2.根据附记1所述的指纹感测装置，其中，所述激励信号提供电路系统还被配置成：
同时将所述电荷放大器的所述正输入端保持在所述第一电位并且将所述阱保持在所述第三电位；以及
同时将所述电荷放大器的所述正输入端保持在所述第二电位并且将所述阱保持在所述第四电位。
3.根据附记1或2所述的指纹感测装置，还包括采样电路系统，所述采样电路系统被连接至所述电荷放大器的所述输出端，并且被配置成在第一采样时间处以及在第二采样时间处对所述感测信号进行采样，所述第一采样时间为当所述电荷放大器的所述正输入端被保持在所述第一电位并且所述阱被保持在所述第三电位时，所述第二采样时间为当所述电荷放大器的所述正输入端被保持在所述第二电位并且所述阱被保持在所述第四电位时。
4.根据前述附记中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述第三电位基本上等于所述第一电位，并且所述第四电位基本上等于所述第二电位。
5.根据前述附记中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述激励信号提供电路系统包括被连接至所述正输入端与所述阱中每一者的输出端，用于将所述正输入端处的电位以及所述阱处的电位同时从所述第一电位改变为所述第二电位。
6.根据前述附记中任一项所述的指纹感测装置，还包括被布置在所述感测结构与所述基板之间的屏蔽结构，
其中，所述激励信号提供电路系统还被连接至所述屏蔽板并且被配置成将所述屏蔽板的电位从第五电位改变成第六电位，所述第五电位与所述第六电位之间的差基本上等于所述第一电位与所述第二电位之间的差。
7.根据前述附记中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述感测晶体管是NMOS晶体管或PMOS晶体管，并且所述阱相应地是p阱或n阱。
8.根据附记1至6中任一项所述的指纹感测装置，其中，p阱与n 阱中至少之一形成在所述阱中。
9.根据附记8所述的指纹感测装置，其中，所述阱为多个感测元件所共用。
10.根据前述附记中任一项所述的指纹感测装置，其中，每个所述感测元件还包括：
重置切换器，包括至少一个重置晶体管，所述至少一个重置晶体管被连接在所述电荷放大器的所述负输入端与所述输出端之间并且能够被控制用于对所述反馈电容器进行放电，
其中，所述重置晶体管被形成在所述阱中。
11.根据前述附记中任一项所述的指纹感测装置，其中，每个所述感测元件还包括：
驱动信号提供电路系统，包括至少一个驱动晶体管，所述至少一个驱动晶体管被连接至所述感测结构并且能够被控制用于直接向所述感测结构提供驱动信号，
其中，所述驱动晶体管被形成在所述阱中。
12.根据前述附记中任一项所述的指纹感测装置，还包括读出电路系统，所述读出电路系统被连接至每个所述感测元件，并且被配置成基于来自每个所述感测元件的所述感测信号来提供所述指纹图案的表示。
13.一种电子装置，包括：
根据附记12所述的指纹感测装置；以及
处理电路系统，被配置成：
从所述指纹感测装置获取所述指纹图案的所述表示；
基于所述表示来对用户进行认证；以及
仅当所述用户基于所述表示被认证时，才执行至少一项用户请求的处理。
14.一种使用指纹感测装置来感测手指的指纹图案的方法，所述指纹感测装置包括掺杂的半导体基板；以及形成在所述半导体基板上的感测元件的阵列，其中，每个所述感测元件包括导电感测结构，所述导电感测结构被连接至形成在所述半导体基板中的阱中的感测晶体管的栅极，所述阱被掺杂成与所述半导体基板极性相反，所述方法针对每个所述感测元件包括以下步骤：
将所述感测结构的电位从第一电位改变为第二电位；
将所述阱的电位从第三电位改变为第四电位，所述第三电位与所述第四电位之间的差基本上等于所述第一电位与所述第二电位之间的差；以及
提供感测信号，所述感测信号表示通过所述感测结构的从所述第一电位至所述第二电位的电位变化而实现的所述手指与所述感测结构之间的电位差变化所引起的所述感测结构所携载的电荷的变化。
15.根据附记14所述的方法，还包括以下步骤：
将多个相邻感测元件中的每个感测结构的电位从第七电位改变为第八电位，所述第七电位与所述第八电位之间的差基本上等于所述第一电位与所述第二电位之间的差。

Claims (12)

1.一种用于感测手指的指纹图案的指纹感测装置，所述指纹感测装置包括半导体基板；以及形成在所述半导体基板上的感测元件的阵列，
其中，每个所述感测元件包括：
要由所述手指触摸的保护性介电顶层；以及
被布置在所述顶层下方的导电的感测结构；
其中，所述指纹感测装置还包括：
至少一个放大器，所述放大器被耦接至所述感测结构中的至少一个，所述感测结构用于提供表示所述手指与所述感测结构之间的电容性耦合的感测信号，所述放大器包括形成在所述半导体基板中的阱中的至少一个晶体管，所述阱与所述半导体基板之间的界面被配置成能够防止电流在所述阱与所述半导体基板之间流动；以及
激励信号提供电路系统，所述激励信号提供电路系统被耦接至所述感测结构并且被配置成改变所述感测结构的电位，从而提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的变化。
2.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其中，所述激励信号提供电路系统被耦接至所述阱用于改变所述阱的电位，从而减小所述感测结构与所述阱之间的寄生电容的影响。
3.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，还包括采样电路系统，所述采样电路系统被耦接至所述放大器的输出端，并且被配置成在第一采样时间处以及在第二采样时间处对所述感测信号进行采样，所述第一采样时间为当所述感测结构被保持在第一电位时，所述第二采样时间为当所述感测结构被保持在第二电位时。
4.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述激励信号提供电路系统包括被耦接至所述感测结构与所述阱中每一者的输出端，用于同时改变所述感测结构的电位以及所述阱的电位。
5.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，还包括被布置在所述感测结构与所述半导体基板之间的屏蔽结构，
其中，所述激励信号提供电路系统还被耦接至所述屏蔽结构并且被配置成改变所述屏蔽结构的电位。
6.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述阱为多个感测元件所共用。
7.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，每个所述感测元件还包括：
驱动信号提供电路系统，包括至少一个驱动晶体管，所述至少一个驱动晶体管被耦接至所述感测结构并且能够被控制用于直接向所述感测结构提供驱动信号，
其中，所述驱动晶体管被形成在所述阱中。
8.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，还包括读出电路系统，所述读出电路系统被耦接至所述至少一个放大器，并且被配置成基于来自每个放大器的所述感测信号来提供所述指纹图案的表示。
9.一种电子装置，包括：
根据权利要求8所述的指纹感测装置；以及
处理电路系统，被配置成：
从所述指纹感测装置获取所述指纹图案的所述表示；
基于所述表示来对用户进行认证；以及
仅当所述用户基于所述表示被认证时，才执行至少一项用户请求的处理。
10.一种使用指纹感测装置来感测手指的指纹图案的方法，所述指纹感测装置包括掺杂的半导体基板；以及形成在所述半导体基板上的感测元件的阵列，其中，每个所述感测元件包括导电感测结构，所述导电感测结构被耦接至形成在所述半导体基板中的阱中的晶体管，所述阱被掺杂成与所述半导体基板极性相反，所述方法针对每个所述感测元件包括以下步骤：
将所述感测结构的电位从第一电位改变为第二电位；以及
提供感测信号，所述感测信号表示通过所述感测结构的从所述第一电位至所述第二电位的电位变化而实现的所述手指与所述感测结构之间的电位差变化所引起的所述感测结构所携载的电荷的变化。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
将所述阱的电位从第三电位改变为第四电位，所述第三电位与所述第四电位之间的差基本上等于所述第一电位与所述第二电位之间的差。
12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括以下步骤：
将多个相邻感测元件中的每个感测结构的电位从第七电位改变为第八电位，所述第七电位与所述第八电位之间的差基本上等于所述第一电位与所述第二电位之间的差。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108647656A (zh) * 2018-03-16 2018-10-12 友达光电股份有限公司 指纹感测装置
CN108780503A (zh) * 2018-02-12 2018-11-09 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹检测电路、指纹识别装置以及终端设备

Families Citing this family (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8485442B2 (en) 2009-07-02 2013-07-16 Biometric Payment Solutions Electronic transaction verification system with biometric authentication
US9852322B2 (en) * 2012-05-04 2017-12-26 Apple Inc. Finger biometric sensing device including series coupled error compensation and drive signal nulling circuitry and related methods
SE1351489A1 (sv) * 2013-12-12 2015-06-13 Fingerprint Cards Ab Fingeravtrycksavkänningssystem och -metod
US9489559B2 (en) * 2014-05-28 2016-11-08 Fingerprint Cards Ab Electronic device with fingerprint sensing system and conducting housing
US9519819B2 (en) 2014-07-14 2016-12-13 Fingerprint Cards Ab Method and electronic device for noise mitigation
CN104331202A (zh) 2014-11-07 2015-02-04 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹检测电路、传感器和触摸屏
US20160171276A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Elan Microelectronics Corporation Fingerprint Sensor Having ESD Protection Structure
US9460576B2 (en) * 2014-12-22 2016-10-04 Fingerprint Cards Ab Capacitive fingerprint sensing device with demodulation circuitry in sensing element
US9600705B2 (en) * 2015-02-11 2017-03-21 Fingerprint Cards Ab Capacitive fingerprint sensing device with current readout from sensing elements
TW201638756A (zh) * 2015-04-21 2016-11-01 映智科技股份有限公司 感測裝置
KR102002081B1 (ko) * 2015-06-19 2019-07-22 크루셜텍 (주) 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법
US9880688B2 (en) 2015-08-05 2018-01-30 Synaptics Incorporated Active matrix capacitive sensor for common-mode cancellation
US9684812B2 (en) * 2015-09-29 2017-06-20 Fingerprint Cards Ab Fingerprint sensing device with common mode suppression
CN105335715A (zh) * 2015-10-28 2016-02-17 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹识别系统
US10282585B2 (en) 2015-11-13 2019-05-07 Cypress Semiconductor Corporation Sensor-compatible overlay
US10832029B2 (en) 2015-11-13 2020-11-10 Cypress Semiconductor Corporation Sensor-compatible overlay
US9639734B1 (en) 2015-11-13 2017-05-02 Cypress Semiconductor Corporation Fingerprint sensor-compatible overlay material
US9600707B1 (en) * 2015-11-30 2017-03-21 Fingerprint Cards Ab Analog sampling system and method for noise supression
CN105335737B (zh) * 2015-12-02 2019-03-15 苏州迈瑞微电子有限公司 电容指纹传感器
KR20170102668A (ko) 2016-03-02 2017-09-12 삼성전자주식회사 지문 감지 센서, 이를 포함하는 전자 장치 및 지문 감지 센서의 동작 방법
SE539638C2 (en) 2016-04-22 2017-10-24 Fingerprint Cards Ab Fingerprint sensing system with adaptive power control
SE1650548A1 (en) * 2016-04-22 2017-10-23 Fingerprint Cards Ab Fingerprint sensing system with sensing reference potential providing circuitry
TWI719203B (zh) * 2016-05-13 2021-02-21 瑞典商指紋卡公司 用於雜訊偵測的指紋感測裝置及其中的方法
SE539668C2 (en) * 2016-06-01 2017-10-24 Fingerprint Cards Ab Fingerprint sensing device and method for manufacturing a fingerprint sensing device
EP3506147B1 (en) * 2016-08-24 2020-10-07 Shenzhen Goodix Technology Co., Ltd. Capacitance interpretation circuit and fingerprint recognition system
US10121046B2 (en) 2016-08-31 2018-11-06 Himax Technologies Limited Dermatoglyph identification apparatus and identifying method thereof
TWI630561B (zh) * 2016-09-02 2018-07-21 奇景光電股份有限公司 皮紋辨識裝置及其辨識方法
CN107808112B (zh) * 2016-09-09 2020-03-24 奇景光电股份有限公司 皮纹识别装置及其识别方法
KR101763589B1 (ko) * 2016-09-29 2017-08-01 (주)세미센스 정전용량방식 센서장치
CN107918682A (zh) * 2016-10-08 2018-04-17 深圳指瑞威科技有限公司 基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法
CN107918749A (zh) * 2016-10-08 2018-04-17 深圳指瑞威科技有限公司 基于bcd工艺的高穿透能力的指纹传感器
US10430634B2 (en) * 2016-10-11 2019-10-01 Innolux Corporation Biometric sensing device and display device
EP3361411B1 (en) * 2016-10-27 2021-08-04 Shenzhen Goodix Technology Co., Ltd. Capacitive fingerprint sensor
US10102412B2 (en) * 2016-11-17 2018-10-16 Fingerprint Cards Ab Fingerprint sensing with different capacitive configurations
US9922231B1 (en) 2016-11-17 2018-03-20 Fingerprint Cards Ab Fingerprint sensing with voltage pattern configurations
US9946920B1 (en) * 2016-11-23 2018-04-17 Image Match Design Inc. Sensing element and fingerprint sensor comprising the sensing elements
US10078776B2 (en) 2016-12-16 2018-09-18 Sunasic Technologies Inc. Noise reduced capacitive fingerprint sensor and capacitive sensing unit included therein
US10216972B2 (en) * 2017-01-13 2019-02-26 Synaptics Incorporated Pixel architecture and driving scheme for biometric sensing
KR20180087921A (ko) * 2017-01-25 2018-08-03 삼성디스플레이 주식회사 차량용 표시 장치 및 이를 포함하는 차량 제어 시스템
EP3358496B1 (en) 2017-02-02 2021-04-07 Nxp B.V. Fingerprint processing system and method
TWI626596B (zh) * 2017-02-14 2018-06-11 宏碁股份有限公司 指紋感測裝置、電子裝置以及指紋感測器的校準方法
US10706250B2 (en) 2017-05-31 2020-07-07 Novatek Microelectronics Corp. Capacitive image sensing device
EP3502957B1 (en) * 2017-12-21 2021-07-21 Fingerprint Cards AB Fingerprint sensing device with edge-compensating structure
US10679034B2 (en) * 2018-06-08 2020-06-09 Synaptics Incorporated Short latency fingerprint sensing
US11015914B2 (en) * 2019-01-21 2021-05-25 Novatek Microelectronics Corp. Capacitive image sensing device and capacitive image sensing method
CN111353406B (zh) * 2020-02-24 2023-04-07 成都高迈微电子有限公司 一种无激励信号无boost芯片的指纹传感器采集单元
JP7205702B2 (ja) * 2020-09-18 2023-01-17 速博思股▲ふん▼有限公司 指紋認識装置
WO2022098280A1 (en) 2020-11-05 2022-05-12 Fingerprint Cards Anacatum Ip Ab Method and system for fingerprint sensor evaluation
SE2051294A1 (en) * 2020-11-06 2022-05-07 Fingerprint Cards Anacatum Ip Ab Integrated biometric sensor module and method for manufacturing a smartcard comprising an integrated biometric sensor module
KR102365146B1 (ko) * 2021-02-13 2022-02-23 이성호 기생용량을 개조한 쉴딩용량을 이용하여 감도를 향상시키는 방법
WO2023195898A1 (en) * 2022-04-08 2023-10-12 Fingerprint Cards Anacatum Ip Ab Fingerprint sensor with charge modification arrangement

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1549190A (zh) * 2003-05-06 2004-11-24 祥群科技股份有限公司 一种电容式指纹感测器及其制造方法
US20050174128A1 (en) * 2004-02-10 2005-08-11 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Capacitance-type fingerprint sensor
CN101373752A (zh) * 2007-08-20 2009-02-25 祥群科技股份有限公司 具软性电路板信号传输结构的指纹感测芯片及其制造方法
CN101515184A (zh) * 2008-02-21 2009-08-26 联发科技股份有限公司 低压降稳压器
CN101727575A (zh) * 2008-10-22 2010-06-09 神盾股份有限公司 图像感测装置
US8005276B2 (en) * 2008-04-04 2011-08-23 Validity Sensors, Inc. Apparatus and method for reducing parasitic capacitive coupling and noise in fingerprint sensing circuits
CN103548035A (zh) * 2010-10-08 2014-01-29 苹果公司 包括差分测量电路的手指感测设备和相关方法

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6320394B1 (en) * 1996-02-14 2001-11-20 Stmicroelectronics S.R.L. Capacitive distance sensor
US6483931B2 (en) * 1997-09-11 2002-11-19 Stmicroelectronics, Inc. Electrostatic discharge protection of a capacitve type fingerprint sensing array
DE19836770C1 (de) * 1998-08-13 2000-04-20 Siemens Ag Verfahren zur kapazitiven Bilderfassung
JP2000213908A (ja) * 1998-11-16 2000-08-04 Sony Corp 静電容量検出装置およびその検査方法並びに指紋照合装置
EP1059602B1 (en) * 1999-06-10 2006-12-13 Nippon Telegraph and Telephone Corporation Surface shape recognition apparatus
WO2001006448A1 (en) * 1999-07-14 2001-01-25 Veridicom, Inc. Ultra-rugged i.c. sensor and method of making the same
DE10101081B4 (de) * 2001-01-11 2007-06-06 Infineon Technologies Ag Schottky-Diode
JP2003028607A (ja) * 2001-07-12 2003-01-29 Sony Corp 静電容量検出装置およびこれを用いた指紋照合装置
JP2003078365A (ja) * 2001-09-05 2003-03-14 Sony Corp オペアンプ回路、静電容量検出装置および指紋照合装置
JP4035418B2 (ja) * 2001-10-31 2008-01-23 株式会社本田電子技研 近接スイッチおよび物体検出装置
US6636053B1 (en) * 2001-11-02 2003-10-21 Stmicroelectronics, Inc. Capacitive pixel for fingerprint sensor
US6927581B2 (en) * 2001-11-27 2005-08-09 Upek, Inc. Sensing element arrangement for a fingerprint sensor
FI115109B (fi) * 2003-01-22 2005-02-28 Nokia Corp Tunnistusjärjestely ja tunnistusjärjestelyn käsittävä matkaviestin
JP3741282B2 (ja) * 2003-07-28 2006-02-01 セイコーエプソン株式会社 入力装置、電子機器及び入力装置の駆動方法
JP2005326167A (ja) * 2004-05-12 2005-11-24 Alps Electric Co Ltd 容量検出型センサ
US7864992B2 (en) 2004-06-18 2011-01-04 Fingerprint Cards Ab Fingerprint sensor element
WO2006009110A1 (ja) * 2004-07-23 2006-01-26 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 表面形状認識センサ装置
KR100672619B1 (ko) * 2005-05-16 2007-01-24 주식회사 유니온커뮤니티 지문영상 강화를 위한 정전용량방식 지문센서
JP5098276B2 (ja) * 2006-09-29 2012-12-12 富士通セミコンダクター株式会社 半導体装置の製造方法
JP2008244021A (ja) * 2007-03-26 2008-10-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置およびそれを用いたカメラ
JP4710929B2 (ja) * 2008-06-06 2011-06-29 カシオ計算機株式会社 接触検知装置及びその検知方法
TWI379244B (en) * 2008-10-08 2012-12-11 Egis Technology Inc Imaging device
JP2011215124A (ja) * 2010-03-15 2011-10-27 Alps Electric Co Ltd 容量検出装置及び容量検出方法
JP2013217824A (ja) * 2012-04-11 2013-10-24 Seiko Epson Corp テラヘルツカメラ及び電子機器
US9740343B2 (en) 2012-04-13 2017-08-22 Apple Inc. Capacitive sensing array modulation
US9372582B2 (en) * 2012-04-19 2016-06-21 Atmel Corporation Self-capacitance measurement
US9298967B2 (en) 2012-05-04 2016-03-29 Apple Inc. Finger biometric sensing device including drive signal nulling circuitry and related methods
US9581628B2 (en) 2012-05-04 2017-02-28 Apple Inc. Electronic device including device ground coupled finger coupling electrode and array shielding electrode and related methods

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1549190A (zh) * 2003-05-06 2004-11-24 祥群科技股份有限公司 一种电容式指纹感测器及其制造方法
US20050174128A1 (en) * 2004-02-10 2005-08-11 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Capacitance-type fingerprint sensor
CN101373752A (zh) * 2007-08-20 2009-02-25 祥群科技股份有限公司 具软性电路板信号传输结构的指纹感测芯片及其制造方法
CN101515184A (zh) * 2008-02-21 2009-08-26 联发科技股份有限公司 低压降稳压器
US8005276B2 (en) * 2008-04-04 2011-08-23 Validity Sensors, Inc. Apparatus and method for reducing parasitic capacitive coupling and noise in fingerprint sensing circuits
CN101727575A (zh) * 2008-10-22 2010-06-09 神盾股份有限公司 图像感测装置
CN103548035A (zh) * 2010-10-08 2014-01-29 苹果公司 包括差分测量电路的手指感测设备和相关方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KWANG-HYUN LEE ET AL: "A 500dpi Capacitive-Type CMOS Fingerprint Sensor with Pixel-Level Adaptive Image Enhancement Scheme", 《ISSCC 2002》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108780503A (zh) * 2018-02-12 2018-11-09 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹检测电路、指纹识别装置以及终端设备
CN108780503B (zh) * 2018-02-12 2022-05-03 深圳市汇顶科技股份有限公司 指纹检测电路、指纹识别装置以及终端设备
CN108647656A (zh) * 2018-03-16 2018-10-12 友达光电股份有限公司 指纹感测装置
CN108647656B (zh) * 2018-03-16 2022-02-22 友达光电股份有限公司 指纹感测装置

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EP3123395B1 (en) 2019-10-16

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