CN107688798A - 一种电荷型传感器和具有其的传感器阵列及积分电路失配调整参数的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电荷型传感器，包括：电荷产生电路，用于输出与传感器目标物理量的大小相关的电荷量；积分电路，输入端与电荷产生电路的输出端连接，用于累积所述电荷量，并输出电压信号；电荷调整电路，向积分电路注入正电荷或负电荷。通过设置电荷调整电路注入电荷的极性和速率，可以起到调整积分电路电荷累积速率，补偿积分电路失配的作用。

Description

一种电荷型传感器和具有其的传感器阵列及积分电路失配调 整参数的获取方法

技术领域

本发明属于传感器领域，特别涉及一种具有积分电路的电荷型传感器。

背景技术

在积分电路处理信号过程中，非信号量会导致积分器积分速度过快，进一步导致积分器处理信号积分器容易发生饱，导致信号的放大率不够；同时由于积分器本身的差异性，信号处理电路可能会产生失配现象。

以电容指纹传感器为例，指纹传感器对表面介质的穿透能力，是衡量指纹传感器性能的主要指标之一。特别是，随着指纹传感器在智能手机领域被广泛应用，为配合智能手机的工业设计，对指纹传感器的穿透能力提出了更高的要求。目前智能手机对正面屏幕下置指纹传感器的要求是能穿透1mm-2mm的化学强化玻璃，以保证屏幕的结构强度，折算下来，指纹传感器需要达到10^-19f的电容分辨率。而指纹传感器要达到1mm化学强化玻璃的穿透力，需要处理好指纹的直流分量(非信号量)的补偿，在这个尺度下直流分量和交流分量的比值在 1000以上，而对指纹图像提取有意义的只是指纹的交流分量。在积分过程中直流分量使得积分器的积分速率过快，积分器饱和影响图像质量。

调整直流分量对积分电路电荷累计量的影响，使读出电路的动态范围只要覆盖交流分量的范围，可以简化读出电路的设计，提高读出电路的性能。

因此需要提出一种新的电路和方法调整积分电路的积分速率，减少直流分量对指纹图像的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明设置调整电路分别与电荷产生电路和积分电路连接，调整电路在电荷产生电路与积分电路之间连接，调整积分电路的电荷累计量，使电路的动态范围只需要覆盖交流分量和少量直流分量。

电荷产生电路，包括非电信号采样电路和电荷转移开关。采样电路用于将非电信号量转换成电荷信号量，电荷产生电路产生的电荷量与非电信号相关。该非电信号量可以是物理信号量，也可以是化学信号量。例如在指纹传感器中，手指脊线和股线纹路的距离量为可被电荷产生电路转换为与距离相关的电荷量。积分电路与电荷产生电路连接，调整电路通与积分电路和电荷产生电路连接，并在积分电路积分过程中向积分电路注入正电荷或负电荷以调整积分速度，防止积分电路积分速率过快而饱和。

在本发明一种实施例中电荷产生电路中采样电路中包括电容，电荷产生电路产生的电荷量与电容大小相关，电荷产生电路具有感测电极和驱动电极，感测电极用于和待感测目标表面形成采样电容。在指纹传感器中采样电容的大小与指纹表面的纹理呈函数关系，根据电容公式C＝εS/4πkd其中d为手指表面纹理与感测电极之间的距离，当感测电极与指纹表面的脊线形成采样电容时距离d 较小形成的采样电容较大，当感测电极与指纹表面的谷线形成采样电容时距离d 较大形成的采样电容小。驱动电极用于和感测电极形成驱动电容，感测电极通过复位开关与参考电压连接，驱动电极和待检测目标分别与第一电平驱动器和第二电平驱动器连接，驱动电极用于使得采样电容内形成与指纹纹理表面距离d 相关的电荷量；在电容指纹传感器中指纹的脊线与电容采样电路的感测电极距离小，而谷线与电容采样电路的感测电极距离大，从而谷线部分电容采样形成的电荷量多，脊线部分电容采样形成的电荷量少。积分电路，使得所述电容采样电路脊线和股线对应的电荷量形成可测量的电压信号。所述电容采样电路的输出端通过电荷转移开关连接积分电路的输入端连接，积分电路用于累积所述电荷量并输出与指纹距离量相应的电压信号；即多次重复对积分器中的积分电容进行充电。在重复积分前，为了保证测量的一致性在积分前需要预先对积分器复位，复位的过程即使得积分电容具有一个初始的电量，例如假设在积分电容两端的参考电压Vref1、Vref2积分电容Cr的复位后点电量为 Qrst＝(Vref2-Vref1)*Cr,为了简化复位电路的结构可用复位开关直接连接积分电容的两端，即复位后积分电容Cr的电量Qrst＝0。而每次对积分电容充电时，调整电路通过调整开关与所述积分电路和电容采样电路连接，向所述积分电路注入正电荷或负电荷电荷以调整积分速率。

在本发明一些实施例中调整电路包括调整电容、电平驱动器和复位开关，调整电容与电平驱动器连接，调整电容通过第二复位开关与参考电压连接。调整电路具有两种工作状态，调整状态使所述调整电容对所述积分电路导通，使得调整电容中的存储电荷注入积分电路。其二复位状态，使所述调整电容导对所述参考电压导通，使得调整电容具有初始的电荷量。调整电路的初始电量由调整电容值、电平驱动器的驱动电压和参考电压决定；电平驱动器也可以用固定的参考电压替换，只要补偿电荷量可以满足设计要求。

积分电路重复充电的过程为：

S1复位积电路；

S2断开电荷转移开关，断开调整开关；

S3闭合电荷产生电路复位开关，闭合调整电路复位开关；

S4电荷产生电路电平驱动器控制信号为高，调整电路电平驱动器控制信号为高；

S5断开电荷产生电路复位开关，断开调整电路复位开关；

S6闭合电荷转移开关，闭合调整开关；

S7电荷产生电路电平驱动器控制信号为低，调整电路电平驱动器控制信号为低；

S8回到步骤S2

对上述积分过程分析：令采样电容的电容值为Cf，驱动电容的电容值为Cd，寄生电容的电容值为Cb。连接电容采样电路和积分电路的总线寄生电容的值为 Cp，调整电容为Cc。用于复位驱动电极的参考电压的值为Vint，比较电路参考电压的值为VREF3。调整电路参考电压为VREF5，电荷产生电路第一电平驱动器高电平为V12低电平为V11，电荷产生电路第二电平驱动器高电平为V22低电平为V21，调整电路平驱动器高电平为V32低电平为V31。定义ΔV1＝V12-V11，Δ V2＝V22-V21，ΔV3＝V32-V31，ΔVREF＝VREF1-Vint。

根据电荷平衡原理和积分器工作原理，可以得到积分电容每次充电的电荷量ΔQ：ΔQ＝(ΔVREF-ΔV1)*Cf+(ΔVREF-ΔV2)*Cd+ΔVREF*Cb+(Δ V3+VREF1-VREF5)*Cc。

从以上等式中可以看出，调整电路使电荷转移量产生了一个补偿电荷量(Δ V3+VREF1-VREF5)*Cc。当Cf中包含了较大的直流分量，影响了指纹交流分量提取的时候，可以通过合理的配置ΔV3、VREF5以及Cc的值，中和掉Cf中直流分量带来的电荷量。由于Cf中的直流分量是个变化量，指纹传感器每次采集都可能碰到不同的Cf，当然也会有不同的直流分量，所以补偿电荷量就需要做成可实时调节的，即第三电平驱动器为可调电平驱动器使得ΔV3可调或者补偿电容Cc为可调电容，以针对不同的采样电容形成不同的电荷量注入所述积分电容；从积分的过程可以看出调整电路的电荷调整量也是分多次重复注入积分电路中，即对积分电路的补偿在时间上时非连续的。

在本发明中的一些实施方式中，积分电路的输出端连接比较电路的输入端。在采样电容向积分电容重复充电的过程中，积分器的输出会产生单向变化。积分器的输出端接到比较电路，当积分器的输出电压与比较电路的参考电压交叉时，比较电路输出的电压信号会发生翻转，翻转的时间T就是指纹传感器的输出。令比较参考电压的值为VREF3，那么比较电路输出翻转的时刻积分电容的电荷量Qr.end＝(VREF3-VREF1)*Cr。

比较电路的翻转时间为T＝(Qr.end-Qr.rst)/ΔQ，在一些实施方式中积分电路初始化积分电容Qr.rst＝0对于给定的指纹传感器设计，Qr.end是定值而根据式ΔQ只是Cf的一次函数，在工程实际中为了简便T取整作为结果输出。

在本发明一种实施例中电荷产生电路，可以使用光学传感元件产生电荷，电荷产生电路产生的电荷量与光学传感元件受光量的大小相关，电荷产生电路具有光学传感元件用于接收目标手指反射光，并产生含有指纹信息成分的感应电荷。由于目标手指的脊和谷与接触表面的距离不同，其反射光的强度也不同，导致光学传感元件产生的电荷随着光的变化而相应变化。

在本发明一种实施例中可以使用压电元件产生电荷，压电元件用于检测超声波压力。电荷产生电路产生的电荷量与压电元件与压电元件受到的压力成正比。通常压电元件接收手指反射回来的超声波，压电元件输出系带指纹信息的电荷，脊线对应的压电元件部分产生的电荷量大于谷线对应的压电元件产生的电荷量。

同样地，压电或光学电荷产生电路的输出端通过电荷转移开关与连接积分电路的输入端连接，用于累积所述电荷量并输出与电荷量相关的电压信号。为了保证测量的一致性在积分前需要预先对积分器复位，复位的过程即使得积分电容具有一个初始的电量。例如假设在积分电容两端的参考电压Vref2、Vref1 积分电容Cr的复位后电量为Qrst＝(Vref2-Vref1)*Cr,为了简化复位电路的结构可用复位开关直接连接积分电容的两端，即复位后积分电容Cr的电量Qrst＝0。

在本发明的一种实施例中，调整电路通过调整开关与所述积分电路和电荷产生电路连接，调整电路调整积分电路电量累计。调整电路包括电流源和调整开关,所述电流源提供用于注入积分电路的正电荷或负电荷电荷。调整电路具有两种工作状态，其一调整状态，使所述电流源对所述积分电路导通，使得电流源中正电荷或负电荷电荷注入积分电路；其二复位状态，断开调整开关。在使用电流源43对积分电路累积的电荷量进行调整时，电荷注入积分器的过程是连续的没有间断的。电荷产生电路的输出端通过电荷转移开关连接至积分电路的输入端，积分电路的输出端连接至比较电路的输入端，当该参考电压的值变化到比较电路中的参考电压的值时，比较电路将输出信号翻转，该信号翻转的时间T＝(Qr.end-Qr.rst)/(I_L-I_n)，I_L视为一定时间段内通过的平均电荷，I视为在一定时间内通过调整电路对积分积分电容补偿的平均电荷量。对于给定的指纹传感器设计，(Qr.end-Qr.rst)是定值，(I_L-I_n)只是Cf的一次函数,在工程实际中为了简便T取整作为结果输出,T作为输出。

本发明还提供一种基于所述调整电路获取电荷积分电路失配调整参数的获取方法，包括步骤：

S1：设置电荷产生电路为默认输入；

所述默认输入是指电荷产生电路没有任何外部输入或仅包括背景输入。例如在指纹传感器中，传感器上不设置手指时指纹传感器为默认输入，但在此默认输入的信号中包含指纹传感器本身的背景信号；

S2：在时间-电压坐标平面上设置目标点(T0,V0)；

该目标点(T0,V0)是为了验证传感器配置参数而设置的，当传感器的输出特性曲线能够穿过或很接近目标点(T0,V0)，则认为传感器配置参数能够达到设计目标。

S3：对调整电路设置的不同的配置参数，获取每一个配置参数对应的电荷积分电路在时间-电压坐标平面上的输出特性曲线；

S4：选取与所述目标点(T0,V0)最接近的输出特性曲线；

S5：获取与所述目标点最接近的输出特性曲线对应的调整电路配置参数。

优选的，所述步骤S3中对于任意调整电路配置参数Ki包括步骤：

S31：初始化积分电路；

S32：将所述调整电路配置参数设置为Ki；

S33：持续运行所述电荷积分电路；

S34：描绘所述电荷积分电路在时间-电压坐标平面上的输出特性曲线。

优选的，不同的配置参数时积分电路输出特性曲线，为通过同一初始点的多条直线。

本发明相对现有技术的优势在于，向积分电路注入正电荷或负电荷，以调整积分电路的积分速率。通过设置电荷调整电路注入电荷的极性和速率，可以起到调整电荷积分速率，补偿积分电路失配。

附图说明

图1a和图1b是电荷性传感器电路示意图。

图2a和图2b是电荷性传感器电路示意图其中电荷产生电路包括采样电容和驱动电容。

图3a至图3c是电荷性传感器电路示意图其中电荷产生电路包括光学传感元件。

图4a至图4c是电荷性传感器电路示意图其中电荷产生电路包括压电元件。

图5a至图5c是调整电路示意图。

图6a至图6c是积分电路示意图。

图7a和图7b是电荷产生电路包含采样电容积分调整电路示意图。

图8a和图8b是电荷产生电路包含光学传感元件积分调整电路示意图。

图9a和图9b是电荷产生电路包含压电元件积分调整电路示意图。

图10是获取积分电路失配参数调整配置方法过程输出特性曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案和技术原理进行解释，本发明提供一种电荷积分调整电路及具有其的指纹传感器和指纹检测方法，本发明以指纹传感器为例解释积分调整电路的工作原理，但不限制本发明保护范围，本发明保护范围应以权利要求书的记载内容为准。

请参照图1a，图1中的电路包括电荷产生电路10、积分电路20和调整电路 40。电荷产生电路10中X to Q,X代表非电信号量，例如物理信号量、化学信号量等，但这种信号通常包含不希望进入电路的非有效信号量，例如噪声信号等；Q代表电荷信号量，电荷产生电路10内部包括非电信号测量电路，例如电容采样电路、光感电路/压感电路，其作用是将非电信号量转成与之相关的电荷量。

调整电路40的输出端分别与电荷产生电路10的输出端和积分电路20的输入端连接。调整电路40用于调整积分电路20的电荷累积量，调整积分电路40 中和的非有效信号量；调整积分电路的积分的积分速率防止积分电路饱和，提高信号放大率，补偿积分电路失配。

请参照图1b在上述电荷产生电路10、调整电路40、积分电路20的基础上可在积分电路的输出端连接比较器30、以便于计算积分电路的积分时间。

例如在照图2a和2b中所示的电荷产生电路中，用于将指纹表面纹理的距离量转换成电荷量。电荷产生电路10产生的电荷量与指纹表面距离呈成反比。手指脊线和股线纹路的距离量为可被电荷产生电路10转换为电荷信号量。积分电路20与电荷产生电路10通过电荷转移开关11连接。调整电路40通过调整开关41与积分电路和电荷产生电路10连接，并在积分电路积分过程中向积分电路20注入电荷以调整积分速度，防止积分电路积分速度过快而饱和。

在图2a和2b中电荷产生电路包括采样电容13，电荷产生电路产生的电荷量与电容大成正比关系。电荷产生电路具有感测电极和驱动电极，待检测目标例如手指表面形成目标电极,感测电极与目标电极形采样电容13，驱动电极与感测电极形成驱动电容12。感测电容与第一电平驱动器vd1电性连接，采样电容13 与第二电平驱动器Vd2电性连接；在图2a至图2b中感测电极驱动电极和手指被等效视为串联的采样电容12和驱动电容，感测电极通过复位开关11与参考电压Vint连接。在手指(图中未示出)按压在指纹传感器表面上时，在指纹传感器中的采样电容13的大小与指纹表面的纹理的距离d相关；根据电容公式C＝εS/4πkd其中d为手指表面纹理与感测电极之间的距离。当感测电极与指纹表面的脊线形成采样电容时距离d较小形成的采样电容较13大；当感测电极与指纹表面的谷线形成采样电容时距离d较大形成的采样电容13小。驱动电极用于使得采样电容13内形成与指纹纹理表面距离d相应的电荷量；在电容指纹传感器中指纹的脊线与电容采样电路的感测电极距离小，而谷线与电容采样电路的感测电极距离大，从而谷线部分电容采样形成的电荷量Q多，脊线部分电容采样形成的电荷量Q少。在指纹传感器中还包括等效并联的寄生电容cb，所述采样电容13和驱动电容12分别与电荷转移开关14连接，电荷转移开关14的出口端作为电荷产生电路的输出端out，同时电荷产生电路的输出端out连接积分电路的输入端。如图2b所示，多个所述电荷产生电路10可以形成一个电荷产生阵列，每个电荷产生电路10可通过电荷转移开关14与总线连接，总线作为多个电荷转移开关14的输出端out同时连接积分电路20的输入端。

请参照图3a至图3c电荷产生电路10使用光学传感元件16产生电荷，光学传感元件16产生的电荷量与光通量相关系。光学传感元件16优选的为光电二极管、光敏电阻等本技术领域公知元件。光学传感元件16用于接收手指表面(图中未示出)反射的光线，并输出与反射光线光通量相关的反映指纹信息成分的感应电荷。由于目标手指的脊和谷与接触表面的距离不同，其反射光的一定时间内的光通量也不同，导致光学传感元件16产生的电荷随着光的变化而相应变化。光学传感元件16分别与负载电路15和电荷转移开关17的第一端口连接，电荷转移开关17的第二端口连接电荷产生电路的输出端out。该输出端 out连接积分电路的输入端，同时光学传感元件16通过复位开关18与复位参考电压Verf连。如图3b所示，多个所述电荷产生电路10可形成一个电荷产生阵列。多个电荷产生电路10可复用复位开关18和复位参考电压18，类似的多个电荷产生电路10可复用电荷转移开关17，电荷转移开关17作为一级开关，电荷产生电路10内部设置二级开关171。如图3c所示多个电荷产生电路10与总线连接，总线作为多个电荷产生电路10的输出端，同时连接积分电路20的输入端。

请参照图4a至图4c电荷产生电路使用压电元件19产生电荷，压电元件19 产生的电荷量与压电元件19接收的机械震动能量相关。压电元件19优选的为超声波换能器，换能器优选的为压电陶瓷制作形成的可吸收超声波震动机械能。压电元件19与超声波脉冲发射元件(图中未示出)配合使用，超声波发射元件向手指发射超声波束。指纹的波峰和波谷反射的超声波包含的能量不同，导致压压电元件19产生的电荷随着指纹表面的纹理变化而产生相应的变化。压电元件19分别与参考电平Vu和电荷转移开关191的第一端口连接，电荷转移开关 191的另一端连接电荷产生电路10的输出端out。

如图4b所示，多个电荷电荷产生电路10形成一个电荷产生阵列。多个电荷产生电路10可复用电荷转移开关191和参考电压Vrst。类似的多个电荷产生电路10可复用电荷转移开关191。电荷转移开关191作为一级开关，电荷产生电路内部设置二级开关190。压电元件19连接二级开关的第一端口，二级开关的第二端口连接电荷转移开关191的第一端口，电荷转移开关191的第二端口连接输出端out。

如图4c所示，多个电荷产生电路与总线连接，总线作为多个电荷产生电路的输出端，同时作为积分电路的输入端。

请参照图5a至图5b所示调整电路40示意图，图5a中展示的调整电路40 均包括调整电容Cc。调整电容Cc的第一极连接调整开关41，同时第一极通过复位开关42连接参考电压Vt。调整电容Cc的第二极连接参考电压Vf或驱动电平Vd3。图5b中所示的调整电路40与图5a不同之处在于调整电容的第二极连接第三电平驱动器Vd3，第三电平驱动器Vd3的电压为可变的。图5a和图5b中所示的调整电容Cc具有两种工作状态，其一为复位状态闭合复位42、断开调整开关41使所述调整电容Cc对所述参考电压Vt导通，使调整电容具备初始电荷量。该初始电荷量由调整电容值Cc由第三电平驱动器Vd3的驱动电压差值以及参考电压Vt决定，其中第三平驱动器也可以用固定的参考电压Vf替换。其二调整状态，闭合调整开关41、断开复位开关42使所述调整电容Cc对所述积分电路20导通，使得调整电容中的存储电荷注入积分电路20，以调整积分电路 20的积分速度。在使用包含电容的调整电路对积分电路累积的电荷量进行调整时，从积分的过程可以看出调整电路的电荷调整量也是分多次重复注入积分电路中，即对积分电路的补偿在时间上时非连续的。

参照图5c所示的调整电路40，调整电路包括电流源43，电流源43通过调整开关41与电荷产生电路10和积分电路20连接。调整开关41闭合时电流源 43的电荷注入积分电路20，调整积分电路20的积分速度。与图5a和图5b所示的调整电路40有所区别，调整电路40的两种工作状态为调整状态和复位状态，调整开关闭合时电流源的电荷注入积分电路为调整状态。调整开关断41开时为复位状态，积分电路20。在使用电流源43调整电路对积分电路累积的电荷量进行调整时，可根据积分器的过程将积分器调整为在时间上是连续的或不连续的。

请参照图6a至图6c所示的积分电路示意图，如图6a所示积分电路包括放大器Amp、积分电容Cr和复位开关21；放大器Amp的第一输入端22作为积分器20的输入端in，放大器的第二输入端连接参考电压Verf1，放大器Amp的输出端作为积分器的输出端out。积分电容Cr两端分别连接放大器Amp的第一输入端in和放大器的输出端out。积分电容Cr两端连接复位开关21，复位开关闭合21时积分电容两端电平相同，积分电容Cr内的电荷被复位清空。

如图6b所示的积分电路20与图6a不同在于复位开关包括两个21/24，积分电容的第一极通过第一复位开关21与第一参考电压Verf1连接，第一参考电压Verf1与放大器的第二输入端的23参考电压复用。积分电容cr的第二极通过第二复位开关24连接第二参考电压Vef2，同时积分电容Cr的第二极通过跟随开关25连接放大器Amp的输出端。积分电路20具有两种工作状态，其一为积分状态、其二为复位状态。在积分状态时电荷转移开关和跟随开关25开关闭合，第一复位开关21和第二复位开关24断开。其二为复位状态，在复位状态时跟随开关25断开，两复位开关21/25闭合。

如图6c所示的积分电路与图6a、6b不同在于积分电路10仅包括积分电容 Cr，积分电容的第一极连接积分电路的输入端in，同时连接积分电路的输出端 out。积分电容的第二极接地，被技术领域人员公知的积分电容Cr的第二极也可以连接参考电压。积分电路10的第一极连接复位开关21，复位开关21连接第一参考电压Verf1，积分电路具有两种工作状态，其一为积分状态复位开关 21断开，其二为复位状态积分复位开关21闭合。

以下进一步对电荷积分调整电路的工作过程和工作原理进行叙述。

请参照图7a和图7b所示的电荷积分调整电路，电荷产生电路10包括采样电容13，电荷产生电路的输出端通过电荷转移开关14与积分电路20的输入端连接。

电荷积分调整电路的共组步骤包括：

S1复位积电容20；

S2断开电荷转移开关14、调整开关41；

S3闭合电荷产生电路复位开关42，闭合调整电路复位开关11；

S4电荷产生电路驱动器Vd2,Vd1控制信号为高，调整电路驱动器Vd3控制信号为高；

S5断开电荷产生电路复位开关11，断开调整电路复位开关41。

S6闭合电荷转移开关14，闭合调整开关41；

S7电荷产生电路电平驱动器Vd1、Vd2控制信号为低，调整电路电平驱动器 Vd3控制信号为低；

S8返回步骤S2。

在步骤S1复位积分电路中，为了保证测量的一致性在积分前需要预先对积分电容Cr复位。复位的过程即使得积分电容Cr具有一个初始的电量，例如假设在积分电容两端的参考电压Vref1、Vref2积分电容Cr的复位后点电量为 Qrst＝(Vref1-Vref2)*Cr。为了简化复位电路的结构可用复位开关21直接连接积分电容Cr的两端(如图7a所示)，即复位后积分电容Cr的电量Qrst＝0。

积分电路20多次重复重积分的过程即，电荷产生电路产生的电荷多次重复向积分电容Cr充电的过程。而每次对积分电容Cr充电时，调整电路10通过调整开关41与所述积分电路10和电荷产生电路10连接，向所述积分电路20注入电荷。

在步骤S2中即断开电荷产生电路10和调整电路之间41的电连接，步骤S3 和S4的作用是分别在电荷产生电路10的采样电容13和驱动电容12的调整电容CC中形成一定的初始电荷量。其中采样电容13的电荷量依赖于手指表面距离，若感测电极上方为手指的脊线则电荷量大，若感测电极上方为手指的谷线则电荷量小。在步骤S5中断开复位开关11为电荷转移做准备。

在步骤S6闭合电荷转移开关14，电荷产生电路10与积分电路20电连接；调整电路40向积分电路10注入电荷，对积分电路10的积分电荷累计量进行调整。令采样电容13的电容值为Cf，驱动电容12的电容值为Cd，寄生电容的电容值为Cb，电荷产生电路和积分电路10的总线寄生电容的值为Cp，电荷产生电路参考电压的值为Vint，比较电路30参考电压的值为VREF3，调整电路参考电压为VREF5，第一电平驱动器高电平为V12低电平为V11，第二电平驱动器高电平为V22低电平为V21，第三电平驱动器高电平为V32低电平为V31。定义Δ V1＝V12-V11，ΔV2＝V22-V21，ΔV3＝V32-V31，ΔVREF＝VREF1-。

根据电荷平衡原理和积分器工作原理，可以得到积分电容Cr每次充电的电荷量ΔQ：ΔQ＝(ΔVREF-ΔV1)*Cf+(ΔVREF-ΔV2)*Cd+ΔVREF*Cb+(ΔV3+VREF1-VREF5)*Cc。

从以上等式中可以看出，调整电路使电荷转移量产生了一个电荷量(Δ V3+VREF1-VREF5)*Cc。当Cf中包含了较大的直流分量，影响了指纹交流分量提取的时候，可以通过合理的配置ΔV3，VREF5以及Cc的值，中和掉Cf中直流分量带来的电荷量；由于Cf中的直流分量是个变化量，指纹传感器每次采集都可能碰到不同的Cf，当然也会有不同的直流分量。所以补偿电荷量就需要做成可实时调节的，即第三电平驱动器为可调电平驱动器使得ΔV3可调或者补偿电容Cc为可调电容，以针对不同的采样电容形成不同的补偿电荷量。

在图7a、图7b中电荷产生电路10可以按照阵列的方式进行排列以采用点阵的方式对在其上方的表面进行图像采集，在指纹传感器中采用90*90 像素，分别率为500ppi电容阵列。在指纹传感器中由于指纹表面与感测电极之间形成的采样电容很小，因此采集图像时需要重复对积分电容Cr进行充电，积分电容重复充电的过程为：

S1复位积分电路；

S2断电荷转移开关14，断开调整开关41；

S3闭合电荷产生电路复位开关11，闭合调整电路复位开关42；

S4电荷产生电路10驱动器Vd1/Vd2控制信号为高，调整电路40驱动器Vd3 控制信号为高；

S4断开电荷产生电路10复位开关11，断开调整电路40复位开关42；

S5闭合电荷转移开关11，闭合调整开关41；

S6第一电平驱动器Vd1控制信号为低，第二电平驱动器Vd2控制信号为低，第三电平驱动器Vd3控制信号为低；

S7返回步骤S2。

其中步骤S2至步骤S4为复位电荷产生电路10和复位调整电路41的步骤，其目的是使得电荷产生电路10内部的采样电容13，和调整电路10的调整电容 CC具有一定的初始电荷量。

在步骤S5中闭合电荷转移开关14闭合使得电荷产生电路10与积分电路20 电连接。调整电路10向积分电路20注入电荷，对积分电路20的积分电荷累计量进行调整，同样的其满足电荷如图7a中电荷调整电路的方程即ΔQ＝(ΔVREF- ΔV1)*Cf+(ΔVREF-ΔV2)*Cd+ΔVREF*Cb+(ΔV3+VREF1-VREF5)*Cc。

在步骤S6中电荷产生电路10的电平驱动器Vd1/Vd2与调整电路的电平驱动器复位Vd3，为下一次电荷转移的过程做准备。

随后进入步骤S7重复步骤S2至步骤S6。

积分电路20的输出端与比较电路的第一输入端连接，在采样电容13向积分电容Cr重复充电的过程中，每完成一次电荷转移的过程相应的电荷转移量为上述ΔQ。积分电容Cr中电荷不断累计从而积分电路的输出会产生单向变化，当积分电路10的输出达到比较电路30的参考电压Verf3时，比较电路30输出的电压信号会发生翻转，翻转的时间T作为指纹传感器的输出。令比较参考电压的值为VREF3，那么比较电路30输出翻转的时刻积分电容Cr的电荷量 Qr.end＝(VREF3-VREF2)*Cr。

比较电路的翻转时间为T＝(Qr.end-Qr.rst)/ΔQ对于给定的指纹传感器设计，(Qr.end-Qr.rst)是定值，而根据式ΔQ只是采样电容13的一次函数。在工程实际中为了简便T取整作为结果输出。

请参照图8a和图8b所示的电荷积分调整电路，使用光学式电荷产生电路10，为了使得所述光学电荷产生电路10的脊线和股线对应的电荷量形成可测量的电压信号。电荷产生电路10输出端通过电荷转移开关17与连接积分电路20的输入端连接，电荷积分调整电路的共组步骤包括：

S1复位积电路20；

S2复位电荷产生电路10，复位调整电路40；

S3闭合电荷转移开关17和复用开关171，闭合调整开关41；

S4返回步骤S2。

在步骤S1中积分器复位的方法与图7a和图7b中展示的积分电路复位方法相同。

在步骤S2中电荷产生电路10通过复位开关18进行复位，调整电路10断开调整开关41进行复位。

在步骤S3闭合电荷转移开关17和复用开关171，电荷产生电路10与积分电路20电连接。调整电路40向积分电路20注入电荷，对积分电路20的积分电荷累计量进行调整。电荷产生电路10的输出端通过电荷转移开关17连接至积分电路的输入端，积分电路10的输出端连接至比较电路30的输入端。比较电路30的输出端作为传感器的输出，比较电路30输出翻转电压信号的时间T反映电荷产生电路10产电荷量的大小。

当该积分电路20输出电压的值变化到与比较电路30中的参考电压Verf3交叉时，比较电路30将输出信号翻转。该信号翻转的时间T＝(Qr.end-Qr.rst)/(I_L-I_n)， I_L视为一定时间段内通过的平均电荷，I_n视为在一定时间内通过调整电路40对积分积分电容20补偿的平均电荷量。对于给定的指纹传感器设计，Qr.end-Qr.rst 是定值，(I_L-I_n)只是采样电容13的一次函数,在工程实际中为了简便T取整作为结果输出。

实施例三，

请参照图9a和图9b所示的电荷积分调整电路，使用压电式电荷产生电路10，为了使得所述压电式电荷生电路10的脊线和股线对应的电荷量形成可测量的电压信号。压电式电荷产生电路10输出端通过电荷转移开关191连接积分电路20 的输入端连接，电荷积分调整电路的共组步骤包括：

S1复位积电路20；

S2复位电荷产生电路10，复位调整电路40；

S3闭合电荷转移开关191闭合复用开关191，闭合调整开关41；

S4返回步骤S2。

在步骤S1中积分电路20复位的方法与图7a和图7b中展示的积分电路20 复位方法相同。

在步骤S2中包括步骤S21,电荷产生电路10闭合复位开192关进行复位；还包括S22，调整电路通过断开调整开关41闭合复位开关42进行复位。

在步骤S3闭合电荷转移开关191，电荷产生电路10与积分电路20电连接，调整电路10向积分电路20注入电荷，对积分电路10的积分电荷累计量进行调整。电荷产生电路10的输出端通过电荷转移开关191连接至积分电路20的输入端，积分电路20的输出端连接至比较电路30的输入端。比较电路30的输出端作为传感器的输出，比较电路30输出翻转电压信号的时间T反映电荷产生电路产电荷量的大小。

当该积分电路输出电压20的值变化与比较电路中的参考电压值交叉时，比较电路30将输出信号翻转。在步骤S3中对积分电容Cr进行积分的过程与与图7a和图7b中展示的对积分电路的积分过程类似。比较电路的翻转时间为 T＝(Qr.end-Qr.rst)/ΔQ，对于给定的指纹传感器设计(Qr.end-Qr.rst)是定值，而根据式ΔQ与补偿电容CC初始化电荷量相关。在工程实际中为了简便T 取整作为结果输出。

实施例四

本发明还提供一种基于所述调整电路获取电荷积分电路失配调整参数的获取方法，包括步骤：

S1：设置电荷产生电路为默认输入；

S2：在时间-电压坐标平面上设置目标点(T0,V0)；

S3：对调整电路设置的不同的配置参数，获取每一个配置参数对应的电荷积分电路在时间-电压坐标平面上的输出特性曲线；

S4：选取与所述目标点(T0,V0)最接近的输出特性曲线；

S5：获取与所述目标点最接近的输出特性曲线对应的调整电路配置参数。

在步骤S1中，所述默认输入是指电荷产生电路没有任何外部输入或仅包括背景输入。例如在指纹传感器中，传感器上不设置手指时指纹传感器为默认输入，但在此默认输入的信号中包含指纹传感器本身的背景信号；

在所述步骤S2中，该目标点(T0,V0)是为了验证传感器配置参数而设置的，当传感器的输出特性曲线能够穿过或很接近目标点(T0,V0)，则认为传感器配置参数能够达到设计目标。

在所述步骤S3中，所述电路配置参数包括但不限于：参考电压Verf1、参考电压Vrst、参考电压Verf3、Vint。对于任意调整电路配置参数Ki包括步骤： S31：初始化积分电路；该初始化方法与实施例一至实施例三的方法相同。

S32：将所述调整电路配置参数设置为Ki；

S33：持续运行所述电荷积分电路；运行所述积分电路即在电荷产生电路输入为默认值时获取其输出值的过程。

S34：描绘所述电荷积分电路在时间-电压坐标平面上的输出特性曲线；该输出特性曲线为在不同时刻电荷积分电路对应的输出值。

优选的，不同的配置参数时积分电路输出特性曲线，为通过同一初始点的多条直线；该同一初始点的坐标值为(0，V)其中V代表积分电路初始的电压值。

示例性地，请参照图10为不同配置参数积分电路输出电压特性曲线，横坐标表示电压单位，纵坐标表示时间单位。四条斜线分别对应不同配置参数下电荷产生电路积分器输出电压特性曲线分别表示为L1、L2、L3、L4。其中的目标点P坐标为(T0,V0)从图中可以看出随着电荷不断在积分电容中累计，输出电压特性曲线(L1、L2、L3、L4)不断下降但在不同配置参数下所述输出电压的下降速度不同。其中输出电压L2穿过目标点P，即在传感器的输出电压特性曲线为 L2时，积分电路的配置参数能够达到设计目标。

对于多个电荷产生电路形成传感器阵列，可设置相同的目标点P,并使用同样的方法调整配置参数，使得不同的电荷产生电路输出特性相同，从而改善积分电路失配的状况。

本发明相对现有技术的优势在于，电荷调整电路，向积分电路注入正电荷或负电荷，以调整积分电路的积分速率。通过设置电荷调整电路注入电荷的极性和速率，可以起到调整电荷积分速率，补偿积分电路失配。

Claims (20)

1.一种电荷型传感器，其特征在于，包括：

电荷产生电路，输出大小与被传感量相关的电荷量；

积分电路，其输入端与电荷产生电路的输出端连接；积分电路用于累积所述电荷量，并输出与已累积的电荷量相关的电信号；

调整电路，输出端与积分电路的输入端连接；调整电路用于向积分电路注入电荷以调整积分电路累积电荷的速率。

2.根据权利要求1所述的一种电荷型传感器，其特征在于，所述电荷产生电路通过电荷转移开关与积分电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种电荷型传感器，其特征在于，所述电荷产生电路为电容传感电路，产生的电荷量与传感电容的大小相关。

4.根据权利要求2所述的一种电荷型传感器，其特征在于，所述电荷产生电路为光电传感电路，产生的电荷量与接收的光能量的大小相关。

5.根据权利要求2所述的一种电荷型传感器，其特征在于，所述电荷产生电路为压力传感电路，产生的电荷量与受到的压力的大小相关。

6.根据权利要求1所述的一种电荷型传感器，其特征在于：所述积分电路包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端连接电荷产生电路输出端和调整电路的输出端，所述第二输入端连接参考电压。

7.根据权利要求6所述的一种电荷型传感器，其特征在于：所述积分电路包括放大器、积分电容和至少一个复位开关，所述积分电容的第一极和第二极分别连接放大器的第一输入端和输出端；所述复位开关用于复位所述积分电容。

8.根据权利要求7所述的一种电荷型传感器，其特征在于：所述积分电容第一极和第二极通过复位开关连接。

9.根据权利要求7所述的一种电荷型传感器，其特征在于：所述积分电容的第一极通过复位开关与参考电压连接，积分电容的第二极接地。

10.根据权利要求7所述的一种电荷型传感器，其特征在于：所述积分电容的第一极通过第一复位开关与第一参考电压连接，积分电容的第二极通过第二复位开关与第二参考电压连接；第二极通过跟随开关与所述放大器的输出端连接。

11.根据权利要求1所述的一种电荷型传感器，其特征在于,所述调整电路向积分电路注入的电荷量的速率和极性是可设置的。

12.根据权利要求11所述的一种电荷型传感器，其特征在于，所述调整电路向积分电路注入的电荷量，在时间上是连续或不连续的。

13.根据权利要求12所述的一种电荷型传感器，其特征在于：所述调整电路包括调整电容，调整电容的第一极通过调整开关与所述积分电路的输入端连接；调整电容的第一极通过第二复位开关连接参考电压；调整电容的第二极与电平驱动器连接。

14.根据权利要求12所述的一种电荷型传感器，其特征在于：所述调整电路包括电流源，电流源通过调整开关与所述积分电路的输入端连接。

15.根据权利要求14和15任一项所述的一种电荷型传感器，其特征在于：调整电路包括两种工作状态：

调整状态，使得调整电路与积分电路导通，调整电路的电荷注入积分电路；

复位状态，即对调整电路的参数进行复位设置。

16.根据权利要求1所述的一种电荷型传感器，其特征在于，还包括比较电路，比较电路的第一输入端与积分电路的输出端连接，比较电路的第二输入端连接参考电压。

17.一种传感器阵列，其特征在于，包括：

像素阵列，包括行列排布的电荷产生电路，将非电信号量转换为与之相关的电荷量；

积分电路，其输入端与电荷产生电路的输出端连接；积分电路用于累积所述电荷量并输出与非电信号量相关电信号；

调整电路，输出端与积分电路的输入端连接；

并向积分电路注入电荷调整积分电路电荷累计量；

比较电路，比较电路的第一输入端与积分电路的输出端连接，比较电路的第二输入端连接参考电压，积分电路的输出电压随时间递增或递减与所述参考电压交叉；积分电压与所述参考电压交叉时比较电路输出与时间相关的翻转电压信号。

18.一种获取电荷积分电路失配调整参数的获取方法，其特征在于，包括步骤：

S1：设置电荷产生电路为默认输入；

S2：在时间-电压坐标平面上设置目标点(T0,V0)；

S3：对调整电路设置的不同的配置参数，获取每一个配置参数对应的电荷积分电路在时间-电压坐标平面上的输出特性曲线；

S4：选取与所述目标点(T0,V0)最接近的输出特性曲线；

S5：获取与所述目标点最接近的输出特性曲线对应的调整电路配置参数。

19.根据权利要求18所述的一种获取电荷积分电路失配调整参数的获取方法，其特征在于，所述步骤S3中对于任意调整电路配置参数Ki包括步骤：

S31：初始化积分电路；

S32：将所述调整电路配置参数设置为Ki；

S33：持续运行所述电荷积分电路；

S34：描绘所述电荷积分电路在时间-电压坐标平面上的输出特性曲线。

20.根据权利要求18或19所述的一种获取电荷积分电路失配调整参数的获取方法，其特征在于：不同的配置参数时积分电路输出特性曲线，为通过同一初始点的多条直线。