CN107710225A - 用于噪声检测的指纹感测装置及其中的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于噪声检测的电容式指纹感测装置及其中的方法。电容式指纹感测装置包括多个感测元件，每个感测元件包括感测结构并且被配置成感测该感测结构与手指之间的电容性耦合。电容式指纹感测装置还包括感测电路，该感测电路被配置成提供指示手指与感测结构之间的电容性耦合的感测信号。电容式指纹感测装置包括定时电路，该定时电路被配置成控制驱动信号的定时。指纹感测装置是可控制的以在噪声检测模式下及在指纹模式下操作。当指纹感测装置在噪声检测模式下操作时，该指纹感测装置被配置成控制定时电路使得提供驱动信号。指纹感测装置借助于所述感测电路反复地感测该手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，并且提供时间相关感测信号。

Description

用于噪声检测的指纹感测装置及其中的方法

技术领域

本文中的实施方式涉及用于捕获指纹的图像的电容式指纹感测装置。具体而言，本文中的实施方式涉及电容式指纹感测装置中的检测噪声以及用于评估和选择电容式指纹感测装置中的传感器设置的方法。

背景技术

各种类型的生物测定系统被越来越多地使用以提供增大的安全性和/或增强的用户便利性。

具体而言，指纹感测系统例如被用于消费型电子系统及装置中，这归功于其小形状因子、高性能及用户接受度。

在各种可用指纹感测原理(诸如电容式、光学式、热能式等)当中，电容式感测最常用，在大小及功耗是重要问题的应用中尤其如此。

所有电容式指纹传感器提供指示若干感测结构中的每一个与置放于指纹传感器的表面上或横跨该表面移动的手指之间的电容的量度。如果要测量指纹，则在电容式指纹传感器中需要驱动信号以激发手指与感测结构之间的电位差改变。

因为需要电容式指纹感测装置来检测甚至较小的电容差异以便准确地捕获指纹图像，所以传感器中的噪声的影响正变得越来越重要。具体而言，指纹感测装置对于外部注入共模噪声尤其敏感。典型地，此种类型的噪声可经由与定位有指纹传感器的装置连接的充电器注入至指纹传感器。此外，共模噪声可在频率、幅度及形状上具有大的展度。所注入共模噪声信号可使系统接地从而以手指为基准摆动，由此看起来像额外驱动信号。这会导致测量结果损坏并且图像质量较差。

可以通过实施各种降噪技术来抑制或滤波共模噪声的负面影响。用于共模噪声抑制的技术的一个示例是从每个像素取得多个数字读数的平均值以减小噪声的影响。然而，模数转换是费时的，且增大捕获指纹图像所耗费的时间不合乎需要。替代地或组合地，有可能使用对所有捕获指纹图像进行处理并且尝试减除特征共模噪声的后处理方法。然而，此方法的缺点是在模拟采样期间饱和的情况下测量值可能损坏，在此情况下可能难以或不可能消除噪声的影响。

因此，需要用于有效率地检测且处理噪声的改进的方法及电容式指纹感测装置。

发明内容

因此，本文中的实施方式将提供一种用于有效地检测噪声的指纹感测装置及其中的方法。

根据本文中的实施方式的第一方面，通过用于感测手指的指纹图案的指纹感测装置实现该目的。电容式指纹感测装置包括多个感测元件，每个感测元件包括感测结构且被配置成感测该感测结构与置放于感测装置的感测表面上的手指之间的电容性耦合。电容式指纹感测装置还包括感测电路，该感测电路被配置成提供指示手指与感测结构之间的电容性耦合的感测信号。电容式指纹感测装置包括定时电路，该定时电路被配置成控制驱动信号的定时，该驱动信号被配置成提供该手指与该感测结构之间的电位差的改变。指纹感测装置是可控制的以在噪声检测模式下及在指纹模式下操作。当指纹感测装置在噪声检测模式下操作时，该指纹感测装置被配置成控制定时电路使得提供驱动信号。指纹感测装置被配置成借助于所述感测电路在预定时间段内反复地感测手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，并且提供表征该指纹感测装置中的共模噪声的时间相关感测信号。当指纹感测装置在指纹模式下操作时，该感测装置被配置成控制定时电路使得提供驱动信号，并且借助于所述感测电路感测手指与多个感测结构之间的电容性耦合以及提供感测信号，以获取指纹图像。

根据本文中的实施方式的第二方面，通过用于指纹感测装置中的噪声检测的方法实现该目的。电容式指纹感测装置包括多个感测元件，每个感测元件包括感测结构并且被配置成感测感测结构与置放于感测装置的感测表面上的手指之间的电容性耦合。电容式指纹感测装置还包括感测电路，该感测电路被配置成提供指示手指与感测结构之间的电容性耦合的感测信号。电容式指纹感测装置包括定时电路，该定时电路被配置成控制驱动信号的定时，该驱动信号被配置成提供手指与感测结构之间的电位差的改变。指纹感测装置是可控制的以在噪声检测模式下及在指纹模式下操作。

指纹感测装置被控制以在噪声检测模式下操作。当指纹感测装置在噪声检测模式下操作时，该指纹感测装置被配置成控制定时电路使得提供驱动信号。指纹感测装置借助于所述感测电路(18)在预定时间段内反复地感测手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，并且提供表征该指纹感测装置中的共模噪声的时间相关感测信号。噪声信号表示感测装置的共模噪声属性。感测电容性耦合的预定时间段较佳地长于要表征噪声的完全时间段。甚至更佳地，时间相关噪声信号包括共模噪声的若干时段。使用处于100kHz至1MHz的范围内(诸如500MHz)的采样频率，该预定时间段可例如处于10ms至100ms的范围内(诸如50ms)。

因为指纹感测装置反复地感测手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，亦即，反复不断地同时捕获感测信号，所以将捕获或测量完全相同的外部噪声干扰。此外，在感测电容性耦合时如在正常指纹模式下启用驱动信号，感测结构将在其正常操作范围中工作且对于向上及向下方向的饱和皆是鲁棒的。此外，如果用于感测电容性耦合的时间实例已知，则可预计噪声的频率。因此可检测到噪声例如共模噪声或其他外部注入噪声的存在。所描述的系统及方法因此使得能够表征共模噪声以便调整图像捕获处理从而避免噪声。可通过在图像捕获期间控制采样的定时来控制该图像捕获处理。

根据本文中的实施方式的噪声检测方法可用于评估或分析所有可能传感器设置或预定义设置的集合。通过比较所评估或分析结果，可选择引起最低噪声的传感器设置的最佳集合。以此方式，可实现一种可有效地设定传感器设置以在图像采样期间已减小或抑制噪声的鲁棒的基于硬件的技术。因此，可提高指纹感测装置的动态范围，且可避免饱和。此外，因为该指纹感测装置已设定该传感器设置而在启动处具有减小的噪声，所以在正常图像捕获处理期间，可避免图像损坏且可以使用较高增益，因此可有效地执行后处理，且可甚至更多地改善所捕获指纹图像的图像质量。

附图说明

在本文中将参考附图更详细地描述实施方式的示例，在附图中：

图1示意性地示出了包括指纹感测装置的移动电话；

图2示意性地示出了图1中的指纹感测装置；

图3是根据本文中的实施方式的包括感测电路、采样电路及模数转换器的指纹感测装置的一部分的示意性电路图；

图4是可在其中实施根据本文中的实施方式的方法及指纹感测装置的电子装置的框图；

图5是概述根据本文中的实施方式的用于指纹感测装置的方法的流程图。

具体实施方式

图1以具有集成指纹感测装置2的移动电话1的形式示意性地示出了根据本文中的示例实施方式的指纹感测装置2的应用。指纹感测装置2可以例如用于解锁移动电话1和/或用于授权使用移动电话所执行的交易等。根据本发明的各种实施方式的指纹感测装置2亦可用于其他装置中，例如平板计算机、膝上型计算机、智能卡或其他类型的消费型电子装置或系统。

图2示意性地示出了包含于图1中的移动电话1中的指纹感测装置2。如在图2中可见，指纹感测装置2包括传感器阵列5、电源供应器接口6及通信接口7。传感器阵列5包括大量感测元件8a至8b，其中使用附图标记指示了感测元件中的仅两个感测元件以避免使绘图杂乱，每个感测元件是可控制的以感测包含于感测元件8a至8b中的感测结构与接触传感器阵列5的顶表面的手指的表面之间的距离。感测元件可以有利地布置成包括列及行的阵列。

电源供应器接口6包括用于将供应电压V_supply连接至指纹感测装置2的第一接触垫10a及第二接触垫10b(在此处示出为接合垫)。

通信接口7包括用于允许控制指纹感测装置2及用于从指纹感测装置2获取指纹数据的多个接合垫。

图3是根据本文中的实施方式的指纹感测装置2的一部分的示意性截面及电路示意图，其沿着如图2中所指示的线A-A'截取，其中手指11置放于传感器阵列5的顶部上。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电介质顶层13、在保护性电介质顶层13下部的导电感测结构17。感测装置2还包括实现为电荷放大器18的感测电路18。指纹感测装置还包括被配置成控制驱动信号V_DRV的定时的定时电路19，驱动信号被配置成提供手指与感测结构之间的电位差的改变。如图3中所示，手指11的脊线定位于感测结构17正上方，其指示由电介质顶层13限定的感测结构17与手指11之间的最小距离。

电荷放大器18可以包括至少一个放大器级，在此处示意性地示出为运算放大器(op amp)24，运算放大器24具有连接至感测结构17的第一输入(负输入)25、连接至接地或另一参考电位的第二输入(正输入)26、及输出27。另外，电荷放大器18可以包括：反馈电容器29，其连接在第一输入25与输出27之间；以及在此处在功能上示出为开关30的重设电路，其用于允许反馈电容器29的可控制放电。可以通过操作重设电路30来使反馈电容器29放电从而重设电荷放大器18。

驱动信号电路可被配置成提供驱动信号，用于提供所述手指11与包含于感测元件8中的感测结构17之间的电位差的改变。当时变电位由驱动信号提供至手指11时，在感测结构17与手指11之间发生相应时变电位差。所感应的感测结构17与手指11之间的电位差的改变又在电荷放大器18的输出27上产生感测电压信号V_s。亦可通过将驱动信号连接至电荷放大器18的正输入26来实现感测结构17与手指11之间的电位差的改变。此外，亦可通过将驱动信号连接至指纹感测装置2的共同接地平面来实现电位差的改变。

在本申请的上下文中，术语电位“potential”应被理解为意指电位“electricalpotential”。

因此，电位差的改变应被理解为意指手指与感测结构之间的相对于参考电位的电位的时间可变改变。

每个感测结构可有利地以金属板的形式提供，以使得取决于指纹图案中的位置，由感测结构(亦即，感测金属板、局部手指表面及保护性电介质顶层及可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。由感测结构携载的电荷改变(其产生于手指与感测结构之间的电位差的改变)是此平行板电容器的电容的指示，该指示又是感测结构与手指表面之间的距离的指示。

每个感测元件8构成像素，亦即，每个感测元件8捕获置放于感测元件8的表面上的手指的指纹的一个像素，且输出模拟感测信号。可使用X-Y选择矩阵来个别地选择每个感测元件8，X-Y选择矩阵有能力将每个个别感测元件的模拟感测信号切换至中央采样部件，例如如图3中所示的模拟采样电路74。模拟采样电路74连接至电荷放大器18的输出27以对模拟感测信号V_s进行接收及采样。根据一些实施方式，模拟采样电路74可包括被布置成对来自多个感测元件8a至8b的模拟感测信号输出进行采样的多个采样和保持电路。采样电路74可包括控制单元或连接至控制单元，控制单元控制包含于采样电路74中的个别采样和保持(S&H)电路，以参考驱动信号的定时在所要时间点处对模拟感测信号V_s进行采样。

采样电路74可包括两个输出(在此处被称作正输出76及负输出78)，所述输出连接至差动模数转换器(ADC)80。ADC 80被配置成将经采样模拟感测信号Vs(亦即，正输出76与负输出78之间的差异)转换成指示电容性耦合且由此指示感测结构17与手指11之间的距离的数字感测信号82。替代地，模拟采样电路可包括连接至单端ADC(未示出)的单个输出，在此情况下样本在ADC之前组合于采样电路中，且其中所得差异信号经AD转换。在本示例中，用于感测元件17(亦即，用于像素)的感测电路被示出为包括一个采样和保持电路模块74及一个ADC 80。然而，亦有可能通过使用多路复用器以将多个感测元件连接至每一个采样和保持电路模块74来在许多不同像素之间共享采样和保持电路74及ADC80。因此，电荷放大器18的输出27和/或输出采样和保持电路74可连接至多路复用器(未示出)。例如，一个采样和保持电路模块74可由感测元件的一个列亦即像素的一个列共享。用于所有像素或一组像素的数字感测信号完整或部分地表示指纹的所捕获图像。

如图3中所示，相同感测电路用于在噪声检测模式与指纹模式两者中对信号进行采样。

驱动信号电路可包括被配置成在两个或更多个不同电位之间切换的切换电路，以形成具有最大电压电平及最小电压电平的一连串脉冲。替代地或组合地，驱动信号电路可包括被配置成提供时变激发电位的至少一个信号源。

驱动信号电路可包括于指纹传感器装置中，然和可以提供相对于指纹传感器装置的参考电位(例如指纹传感器装置中的接地电位)具有时变激发电位的驱动信号。

替代地，可将驱动信号电路作为与指纹传感器装置连接的单独芯片提供至指纹传感器装置外部，以提供驱动信号作为指纹传感器装置的时变参考电位。在该情况下，驱动信号可相对于包括指纹感测装置的电子装置或系统的接地电位展现其时变驱动电位。可使用由包含于指纹传感器装置中的定时电路19产生的控制信号来控制外部驱动信号电路。驱动信号电路亦可被称作激励信号电路。此外，定时电路19可较佳地控制感测信号的读出及采样的定时，使得读出与驱动信号相关。

图4是示出可在其中实施根据本文中的实施方式的指纹感测装置2的电子装置400的框图。电子装置400可以是移动电话、平板计算机、膝上型计算机、智能卡或任何类型的消费型电子装置或系统。指纹感测装置2可包括感测元件SE 410、模拟采样电路ASC 420及模数转换器ADC 430。指纹感测装置2还可以包括驱动信号电路DRV 440，或可在电子装置400中实施或定位的DRV 440用于提供驱动信号。电子装置400可以包括其他单元或模块，例如，用于控制SE 410、ASC 420、ADC 430、DRV 440等的控制单元450、用于数据处理或分析的处理单元PU 460、用于信息、图像数据储存的存储器470等。根据本文中的一些实施方式，指纹感测装置2亦可包括执行类似于电子装置400中的控制单元450、PU 460及存储器470的功能的其自有控制单元、处理单元及存储器。因此，在下文中，当提及控制单元450、PU 460及存储器470及其功能性时，不对其被实施或定位的位置加以区分，亦即，其可实施或定位于指纹感测装置2中或电子装置400中。

根据本文中的实施方式，如上文所描述，指纹感测装置2包括多个感测元件8，每个感测元件包括感测结构17并且被配置成感测感测结构与置放于感测装置的感测表面上的手指之间的电容性耦合。指纹感测装置2还包括感测电路18，感测电路18被配置成提供指示手指与感测结构之间的电容性耦合的感测信号。指纹感测装置2还包括被配置成控制驱动信号的定时的定时电路19，驱动信号被配置成提供手指与感测结构之间的电位差的改变。

可例如借助于控制单元450控制指纹感测装置，以在噪声检测模式和指纹模式下操作。因此，指纹感测装置2被配置成(例如借助于控制单元450被配置成)控制定时电路，使得当指纹感测装置在噪声检测模式下操作时提供驱动信号。

可有利地使用第一样本与第二样本之间的差异(亦被称作相关二重采样)来确定每个采样事件的感测信号值，相关二重采样可用于移除共模噪声的低频成分。

相关二重采样本身为技术人员熟知用于在采样期间减小噪声，且在美国专利第7,864,992号中详细描述了从电容式指纹传感器的感测元件进行的相关二重采样。

在此处，相同采样原理由相同感测电路在噪声检测模式及指纹模式两者下应用(亦即，相关二重采样)。因此，不需要额外电路用于确定共模噪声属性。此外，在噪声检测模式下使用固定传感器设置，意指使用相同传感器设置来捕获噪声检测模式下的采样序列中的所有样本。在噪声检测模式下所获取的所得噪声信号因此是形成时间相关信号的相关二重采样事件的序列。

指纹感测装置2还被配置成借助于所述感测电路18反复地感测手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合及提供时间相关感测信号。

因为指纹感测装置反复地感测手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，亦即，反复不断地同时捕获感测信号，所以将捕获或测量完全相同的外部噪声干扰。因此，感测信号可表示感测装置的噪声属性，且可被分析以检测噪声。

当指纹感测装置在指纹模式下操作时，感测装置被配置成控制定时电路19使得提供驱动信号，并且借助于所述感测电路18感测手指与多个感测结构之间的电容性耦合以及提供感测信号，以获取指纹图像。

在多个感测元件当中，感测元件的阵列(被称作指纹感测阵列)可被配置成在指纹模式下使用以捕获指纹的图像。此外，指纹感测装置亦可包括定位于指纹感测阵列外部的至少一个感测结构，其中至少一个感测结构可用于检测噪声。这样的感测结构例如可以是形成至置放于感测装置的表面上的手指的电容性耦合的感测结构，感测结构定位于指纹感测阵列外部，指纹感测阵列亦用于其他目的，诸如用于手指检测功能。亦可有可能使用定位在指纹感测阵列外部且与指纹感测阵列分离的至少一个专用感测结构来噪声检测。

因此，根据一些实施方式，至少一个感测结构可是定位于在指纹模式下使用的指纹感测阵列外部的结构。根据一些实施方式，至少一个感测结构可是定位于在指纹模式下使用的指纹感测阵列外部且与指纹感测阵列分离的专用噪声检测结构。专用噪声检测结构可例如连接至专用或一般读出电路用于检测共模噪声信号。

根据一些实施方式，指纹感测装置2还被配置成在噪声检测模式下反复地且同时感测手指与多个或一组感测元件之间的电容性耦合以形成多个时间相关感测信号。根据一些实施方式，多个感测元件可以是包含于指纹感测阵列中的感测元件的子集，亦即，被配置成捕获指纹图像的感测元件的阵列。

根据一些实施方式，指纹感测装置2还被配置成根据来自多个感测元件的同时捕获的多个感测信号形成平均信号。

可通过指纹感测装置2中的硬件功能支持的建构实现以上实施方式，使得当控制单元450或PU 460向指纹感测装置2发送开始测量的命令时，其将继续测量相同感测元件或感测元件的相同群组直至指纹感测装置2从控制单元450或PU 460接收到停止命令为止。因此，控制单元450或PU 460将在第一时间实例处发送开始测量命令，且在第二时间实例处发送停止测量命令，且发送应测量多少群组或群组的数目。在第一时间实例与第二时间实例之间，指纹感测装置2将反复不断地连续测量经寻址群组。替代地，控制单元450或PU 460可发送关于测量经寻址群组多少次的信息，或关于测量的次数的命令，然后指纹感测装置2将历时经限定次数而测量经寻址群组。控制单元450或PU 460亦可发送关于每个群组中的感测元件数目的命令，关于群组中的开始位置的命令。例如，可通过由控制单元450控制的X-Y选择矩阵及同时反复不断地感测手指与包含一组8个信号或样本的一组感测元件之间的电容性耦合来选择一组八个感测元件。应注意，因为反复不断地同时捕获群组中的所有信号或样本，所以将捕获或测量完全相同的外部噪声干扰。较佳地，可以使用这8个样本的平均值以仅寻址外部噪声和最小内部噪声。以此方式，可减少来自指纹的影响，且仅捕获共模噪声。这是因为通过测量一组感测元件且所有测量同时进行，可计算感测信号的平均值，且平均值将由由于所施加手指驱动信号的固定共同部分构成，其他部分将是噪声贡献且随时间推移波动。通过使用正常手指驱动信号，感测元件将在其正常操作范围中工作且对于向上及向下方向饱和皆是鲁棒的。另外，这将亦避免产生可破坏或影响噪声评估的脊线或谷线图案。此外，如果用于感测电容性耦合或捕获图像的部分的时间实例已知，则可预计噪声的频率。

根据一些实施方式，为了避免感测元件向下饱和(例如，输出负样本值)，指纹感测装置2可被配置成向每个感测信号添加偏移。这可以通过启用定位于每个感测元件中的偏移电容器以向每个感测信号添加偏移来得以实施。偏移电容器是定位于每个感测元件中的可用于替代地经由手指向感测元件输入电荷的电容器。偏移电容器可以在测试中使用以验证感测元件操作正常。

根据模拟感测信号，可确定经采样模拟感测信号、数字感测信号或所捕获图像、噪声的存在、噪声的特性(例如，噪声的频率、幅度、形状或类型)。

因此，根据一些实施方式，指纹感测装置2还可以被配置成通过分析模拟感测信号、经采样模拟感测信号或数字感测信号中的至少一者来检测噪声。

例如，比较器或限制器可包含于指纹感测装置2中且连接至电荷放大器18的输出或采样电路74的输出，以检测是否存在高于阈值的任何信号。如果检测到高于阈值的信号，则噪声存在。替代地，可分析从ADC 80输出的数字感测信号以通过检查或比较数字值来检测噪声。

根据一些实施方式，指纹感测装置可被配置成通过分析模拟感测信号、经采样模拟感测信号、数字感测信号或所捕获图像中的至少一者来确定噪声的频率、幅度或类型。例如，通过仅分析模拟感测信号或经采样模拟感测信号，可确定噪声的频率是否低于或高于指纹传感器的采样频率；噪声的类型是否是正弦波或方形波；可基于感测信号的峰值来评估幅度等。此外，通过分析所捕获图像的直方图，亦可确定噪声的频率、幅度或类型。

此技术可用于设置指纹感测装置的传感器设置，例如，使用数字滤波器、模拟及数字多重采样技术的采样序列或采样频率等。

因此，根据一些实施方式，指纹感测装置可被配置成基于分析结果而在指纹感测装置中设定一组传感器设置。

根据一些实施方式，指纹感测装置中的一组传感器设置包括模拟采样电路的采样序列或采样频率设置、由驱动信号电路提供的驱动信号的频率或相位设置中的至少一者或其组合。

例如，可以通过预定义硬件配置对模拟采样电路74进行控制以确定何时相对于驱动信号捕获每个样本，或可以针对每个单独AD转换序列个别地控制采样事件。对于具有未知属性的噪声，模拟采样电路74可被配置成测试数个预定义设置并且确定设置中的哪一者产生具有最低噪声级的输出信号，然后较佳设置可用于后续AD转换序列中。

模拟采样电路74可有利地被配置成基于噪声成分的已知属性而在所选择时间点处对感测信号进行采样，使得抑制噪声成分。采样的一般原理是选择样本，使得样本的所得组合引起对感测信号的噪声贡献的有效抑制或消除。因此，有可能对定时电路及采样电路进行配置以抑制具有至少部分地已知的属性的特定类型的噪声。

具体而言，外部注入的共模噪声，其可源自与配置有指纹感测装置的电子装置连接的充电装置，典型地相对于频率、脉冲形状及幅度随时间推移展现固定模式。由此，通过获知共模噪声的属性，可选择指纹感测期间的驱动信号的定时(例如，驱动信号的频率及工作周期)以抑制或消除噪声成分。

根据一些实施方式，使用用于捕获不同噪声信号的不同采样间隔(亦即，不同采样频率)来在噪声检测模式下捕获若干不同噪声信号。由此，可以根据所捕获噪声信号导出描述共模噪声的信息。具体而言，噪声信号的属性(幅度及频率)描述将使用相同采样频率在图像捕获期间所捕获的噪声。因此，具有较少噪声的噪声信号的采样频率相比于引起更多噪声的采样频率更适合于图像捕获。由此，可借助于所描述方法获取用于图像捕获的较佳采样频率，这是因为以与在噪声检测模式下相同的方式执行图像捕获期间的采样。此外，可基于提供具有最高噪声幅度的噪声信号的采样频率来确定噪声成分的频率。

例如，定时电路19可被配置成控制驱动信号，以使驱动信号呈具有是已知噪声成分的频率的倍数或其除数的频率的脉冲串形式。通过调整驱动信号以提供具有是噪声成分的已知频率的倍数的频率的脉冲串(诸如方形波)，可较有效地抑制噪声。定时电路19亦可被配置成控制驱动信号，以使驱动信号呈与具有已知频率的噪声成分异相的脉冲串形式。如果驱动信号包括具有类似于噪声的频率的频率的脉冲串(诸如方形波或正弦波)，则其可形成有效地抑制噪声的滤波器。这可以例如通过针对连续AD转换而逐渐改变或移位脉冲串的相位以确定哪个相位噪声抑制最有效来实现。

根据一些实施方式，指纹感测装置2可包括有源或无源模拟滤波器(例如，如图4中所示的模拟滤波器480)，其中有源或无源模拟滤波器可基于所分析结果来配置。例如，有源或无源模拟滤波器可包括切换式电容器或电阻器，使得有源或无源模拟滤波器的频率可基于噪声的频率而是可配置的。

根据一些实施方式，指纹感测装置2可以包括数字滤波器(例如，如图4中所示的数字滤波器490)，数字滤波器490可以基于分析结果来配置。

此外，有源或无源模拟滤波器480和/或数字滤波器490可结合模拟采样电路的采样序列或采样频率设置、由驱动信号电路提供的驱动信号的频率或相位设置来配置。换言之，指纹感测装置中的传感器设置的所有可能集合可以包括有源或无源模拟滤波器设置、数字滤波器设置、模拟采样电路设置及驱动信号电路设置中的至少一者或其组合。

将参考图5描述用于在指纹感测装置2中检测噪声的对应方法。根据本文中的实施方式，方法包含以下动作：

动作510

控制感测装置2以在噪声检测模式下操作。

动作520

通过定时电路启用驱动信号。

动作530

感测装置2借助于感测电路18反复地感测手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，并且提供时间相关感测信号。然后可通过分析时间相关感测信号来检测噪声，将在下文中通过动作560描述此举。

根据一些实施方式，感测装置2反复地且同时感测手指与多个感测结构之间的电容性耦合，以形成表示感测装置的噪声属性的多个时间相关信号。例如，手指感测装置2连续地进行测量直至接收到停止命令为止，以测量给定数目的样本或进行测量达给定时间段。

根据一些实施方式，感测装置2形成来自多个不同感测结构的同时捕获的多个感测信号的平均值以形成表示感测装置的噪声属性的平均时间连续信号。因此，通过对来自数个感测结构的信号求平均，可消除手指的影响且可导出仅表示共模噪声的信号。根据一些实施方式，可例如通过启用定位于每个感测元件中的偏移电容器来向每个感测信号添加偏移。

如上文所提及，根据本文中的实施方式的噪声检测技术可用于设定指纹感测装置2的传感器设置。根据一些实施方式，指纹感测装置中的每组传感器设置可以包括模拟采样电路74的采样序列或采样频率设置、由驱动信号电路提供的驱动信号的频率或相位设置、一个或更多个有源或无源可配置模拟滤波器设置及一个或更多个可配置数字滤波器设置中的至少一者或其组合。

为了评估传感器设置及基于所评估结果来选择一组传感器设置，可在多组传感器设置下执行动作530。可通过以下动作进一步处理从动作530产生的感测信号：

动作540

感测装置2在包括一个或多个采样和保持电路的模拟采样电路74中对感测信号进行采样。

动作550

感测装置2在与模拟采样电路74连接的模数转换器80中将经采样感测信号转换成表示指纹的所捕获图像的数字感测信号。

可针对传感器设置的所有可能集合执行动作530至550以评估其性能或仅基于对噪声的初步了解(例如，高频或低频噪声)来评估一些传感器设置，且方法还包括以下动作：

动作560

针对多组传感器设置来分析来自感测电路、模拟采样电路或模数转换器中的至少一者的信号。

例如，可以分析来自感测电路、模拟采样电路或模数转换器的信号的幅度以确定噪声是否存在。如果针对传感器设置的集合来自感测电路、模拟采样电路或模数转换器的信号的幅度大于预定义阈值，则检测到噪声。

动作570

通过针对指纹感测装置2中的多组传感器设置比较所分析结果来选择一组传感器设置。

例如，可以针对指纹感测装置2中的传感器设置的所有可能集合来比较来自感测电路、模拟采样电路或模数转换器的信号的幅度，可选择产生具有最低幅度(亦即，最低噪声级)的信号的一组传感器设置。

因此，根据本文中的实施方式的技术可用于通过仅知道噪声的存在而在不精确知道噪声的属性的情况下设定传感器设置。例如，有可能使用数个预设模拟采样序列及评估来自感测电路、模拟采样电路或模数转换器的所得信号，以确定哪个采样序列产生具有最低噪声内容的输出信号。相同处理可应用于驱动信号电路来以许多不同方式调谐驱动信号及评估来自感测电路、模拟采样电路或模数转换器的所得信号，以确定哪个驱动信号产生具有最低噪声内容的输出信号。由此，即使噪声属性未知亦可设定传感器设置。

亦有可能通过分析来自感测电路的模拟感测信号、来自模拟采样电路的经采样感测信号、来自模数转换器的数字感测信号或所捕获图像来确定噪声属性(例如，频率、幅度或类型)。在该情况下，可设置指纹感测装置中的有源或无源模拟滤波器设置、数字滤波器设置、模拟采样电路设置及驱动信号电路设置中的至少一者或其组合以抑制所确定的噪声。

总而言之，根据本文中的实施方式的用于检测噪声、评估和选择传感器设置的指纹感测装置2及其中的方法具有一些优点。因为驱动信号在指纹感测装置2反复地感测电容性耦合时启用，所以仅捕获噪声。以此方式，可在采样期间评估指纹感测装置2中的所有可能传感器设置的性能，亦即，可分析模拟感测信号、经采样模拟感测信号或数字感测信号以确定噪声的存在或噪声的特征。可通过比较所评估或分析结果来选择一组传感器设置，因此可选择具有最低噪声的传感器设置的集合。以此方式，实现可有效地设定传感器设置以在图像采样期间已减小或抑制噪声的鲁棒的基于硬件的技术。因此，可在导航或其他基于硬件的应用期间实现鲁棒操作。此外，因为指纹感测装置已设定传感器设置而在启动处具有减小的噪声，所以指纹感测装置的动态范围可以得以改善且可避免饱和。因此在正常图像捕获处理期间，可避免图像损毁，且可有效地执行后处理，且甚至可更多地改善所捕获指纹图像的图像质量。此外，此技术可在有必要确定或检测共模噪声或其他外部注入噪声的任何时间处使用。

虽然已参考本发明的特定例示实施方式描述了本发明，但是许多不同变型、修改等对于本领域技术人员而言将变得明显。此外，应注意，指纹感测装置2的部分可以各种方式省略、互换或布置。例如，如先前所提及，可在指纹感测装置2中或在电子装置400中实施控制单元450、PU 460及存储器470，用于执行本文中的实施方式的功能及动作。亦可经由一个或多个处理器如PU 460连同计算机程序代码实施本文中的实施方式，用于执行本文中的实施方式的功能及动作。上文所提及的程序代码亦可作为计算机程序产品来提供，所述计算机程序产例如呈承载在加载至电子装置400或指纹感测装置2中时用于执行本文中的实施方式的计算机程序码的数据载体形式。一个这样的载体可呈CD ROM光盘形式。然而,诸如记忆棒的其他数据载体是可行的。此外，计算机程序代码可提供作为服务器上的纯程序代码并且可以下载至电子装置400或指纹感测装置2。

此外，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，可以通过研究附图、公开内容和所附权利要求来理解并且实施所公开的实施例的变体。在权利要求中，词语“包括”或“包含”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除复数。

Claims (21)

1.一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置(2)，所述电容式指纹感测装置包括：

多个感测元件(8)，每个感测元件包括感测结构(17)并且被配置成感测所述感测结构与置放于所述感测装置的感测表面上的手指之间的电容性耦合；

感测电路(18)，其被配置成提供指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；

定时电路(19)，其被配置成控制驱动信号的定时，所述驱动信号被配置成提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的改变；

其中，所述指纹感测装置能够控制成在噪声检测模式下及在指纹模式下操作，使得：

当所述指纹感测装置在所述噪声检测模式下操作时，所述指纹感测装置被配置成控制所述定时电路使得提供驱动信号，并且借助于所述感测电路在预定时间段内反复地感测所述手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，并且提供表征所述指纹感测装置中的共模噪声的时间相关感测信号；以及

当所述指纹感测装置在所述指纹模式下操作时，所述感测装置被配置成控制所述定时电路使得提供驱动信号，并且借助于所述感测电路感测所述手指与多个感测结构之间的电容性耦合以及提供感测信号，以获取指纹图像。

2.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其中，所述至少一个感测结构是位于在所述指纹模式下使用的指纹感测阵列外部的结构。

3.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述至少一个感测结构是位于在所述指纹模式下使用的指纹感测阵列外部并且与该指纹感测阵列分离的专用噪声检测结构。

4.根据权利要求1所述的指纹感测装置，所述指纹感测装置还被配置成在所述噪声检测模式下同时反复地感测手指与多个感测结构之间的电容性耦合，以形成多个时间相关感测信号。

5.根据权利要求4所述的指纹感测装置，其中，所述多个感测结构被包括在被配置成捕获指纹图像的感测元件的阵列中所包括的感测元件的子集中。

6.根据权利要求4至5中任一项所述的指纹感测装置，所述感测装置还被配置成根据来自多个感测元件的同时捕获的多个感测信号形成平均信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的指纹感测装置(2)，其中，所述指纹感测装置(2)被配置成接收包括以下各者中的任何一者或更多者的命令：开始测量命令、停止测量命令、关于测量次数的命令、关于要测量的群组中的感测结构的数目的命令、关于要测量的感测结构的群组的开始位置的命令、或关于要测量的感测结构的群组的数目的命令。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹感测装置(2)，其中，所述指纹感测装置(2)还包括偏移电容器，所述偏移电容器被配置成向所述感测信号添加偏移。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的指纹感测装置(2)，还包括：

模拟采样电路(74)，其包括被设置成对所述感测信号进行采样的一个或多个采样和保持电路；

模数转换器(80)，其连接至所述模拟采样电路(74)并且被配置成将采样的感测信号转换成表示指纹的捕获图像的数字感测信号；并且

其中，所述指纹感测装置(2)还被配置成通过分析所述感测信号、采样的感测信号或所述数字感测信号中的至少一者来检测噪声。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的指纹感测装置(2)，其中，所述指纹感测装置(2)还被配置成通过分析所述感测信号、采样的感测信号、所述数字感测信号或所述捕获图像中的至少一者来确定噪声的频率、幅度或类型。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的指纹感测装置(2)，其中，所述指纹感测装置(2)还被配置成基于所分析结果来设定所述指纹感测装置(2)中的一组传感器设置。

12.根据权利要求10所述的指纹感测装置(2)，其中，所述指纹感测装置(2)中的所述一组传感器设置包括所述模拟采样电路的采样序列或采样频率设置、由驱动信号电路提供的驱动信号的频率或相位设置中的至少一者或其组合。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的指纹感测装置(2)，其中，所述指纹感测装置(2)还包括有源模拟滤波器或无源模拟滤波器，其中基于分析结果来配置所述有源模拟滤波器或所述无源模拟滤波器。

14.根据权利要求9至12中任一项所述的指纹感测装置(2)，其中，所述指纹感测装置(2)还包括数字滤波器，并且基于分析结果来配置所述数字滤波器。

15.一种用于指纹感测装置(2)中的噪声检测的方法，其中，所述指纹感测装置包括：

多个感测元件(8)，每个感测元件包括感测结构并且被配置成感测所述感测结构与置放于所述感测装置的感测表面上的手指之间的电容性耦合；

感测电路(18)，其被配置成提供指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；以及

定时电路(19)，其被配置成控制驱动信号的定时，所述驱动信号被配置成提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的改变；

所述感测装置能够控制成在噪声检测模式下及在指纹模式下操作；并且所述方法包括：

控制(510)所述感测装置以在所述噪声检测模式下操作；

控制(520)所述定时电路使得提供驱动信号；

借助于所述感测电路(18)在预定时间段内反复地感测(530)所述手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合，并且提供表征所述指纹感测装置中的共模噪声的时间相关感测信号。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括同时感测手指与多个感测结构之间的电容性耦合以形成多个时间相关信号。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括形成多个同时捕获的感测信号的平均值以形成表示所述感测装置的噪声属性的平均时间连续信号。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，还包括控制所述手指感测装置以连续地测量直至接收到停止命令，以测量给定数目的样本或进行测量达给定时间段。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，还包括向每个感测信号添加偏移。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：

针对所述指纹感测装置中的多组传感器设置，借助于所述感测电路(18)反复地感测(530)所述手指与至少一个感测结构之间的电容性耦合并且提供时间相关感测信号；

在包括一个或多个采样和保持电路的模拟采样电路(74)中对所述感测信号进行采样(540)；

在与所述模拟采样电路(74)连接的模数转换器(80)中将采样的感测信号转换(550)成表示指纹的捕获图像的数字感测信号；

针对所述多组传感器设置分析(560)来自所述感测电路、所述模拟采样电路或所述模数转换器中的至少一者的信号；以及

通过比较针对所述多组传感器设置的分析结果来选择(570)一组传感器设置。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述指纹感测装置(2)中的多组传感器设置包括以下各者中的至少一者或其组合：所述模拟采样电路(74)的采样序列或采样频率设置、由驱动信号电路提供的驱动信号的频率或相位设置、一个或更多个有源或无源可配置模拟滤波器设置、一个或更多个可配置数字滤波器设置。