CN107918682A - 基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，根据市场需求，确定指纹图像采集单元的大小，建立Ansoft Maxwell平板电容模型，利用Electrostatic求解器完成求解，完善模型之后赋予相应元件材料属性，并加上边界条件以及激励源，根据需要制定求解参数，然后设定求解规范，系统自适应求解，最后将求解结果通过后处理器显示出来。本发明采用Ansoft Maxwell有限元仿真软件对模型进行静电场仿真计算，利用其强大的后处理功能，可以得到任意规模矩阵在确定电压、确定距离、不同手指状态下的精确电容值。
Description
技术领域
本发明涉及指纹技术领域，具体涉及一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法。
背景技术
现有的指纹图象采集单元采用电容感应式采集原理，其主要机理是当手指放在采集器表面的时候，它会和采集器的感应极板之间产生一定的感应电容，称为手指电容。电容的大小与皮肤表面到感应极板的距离有关，利用手指指纹上的谷和脊与采集电容极板之间的距离不同，因而手指与采集极板之间形成的电容值不同，通过测量电容值的大小就可以分辨出指纹上的谷和脊，从而呈现出完整的指纹图形。因此探测手指电容的大小对于电路的设计有着至关重要的意义。
传统的测试电容的方法是在恒定电荷输入的情况下测量电压值，具体原理如下，如果电容输入端的电荷为Q，电容值为C，则输出电压为V＝Q/C，由于因此输出电压值与极板间的距离d成线性关系。由于手指的谷和脊到感应极板的距离不一样，得到的电压V值不一样。根据这一特征，采样电路将电容上的输出电压采样量化以后就可以将指纹的图像信息变成数字化的图像。
手指电容的组成比较复杂，因为在实际的芯片应用时，指纹传感器的金属感应极板并不是直接和手指接触，感应极板上会有钝化层、保护层等。因此，在采集单元电路设计时所需要的感应电容不仅仅是手指电容，而是钝化层电容、保护层电容和手指电容的并联值。由于钝化层、保护层等的相对介电常数不一样，单纯利用传统的测试电容的方法及电容的并联关系得到的感应电容值会存在误差，这样会影响电路设计，对后继处理存在严重的影响，尤其是影响指纹识别率。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本专利提供一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法。
本发明的目的是采用Ansoft Maxwell有限元仿真软件对模型进行静电场仿真计算，利用其强大的后处理功能，可以得到任意规模矩阵在确定电压、确定距离、不同手指状态下的精确电容值。
本发明计算电容值的原理为，当平行板电容两个极板相距较近时，由于电场的影响，该电容包括：两个极板构成垂直方向的平行板电容Cparallel，以及空间发射的电场从一个极板传递到另外一个极板形成的空间电容Cspace。
传统的平行板电容计算公式为：
其中，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。
平行板电容Cparallel的计算方法采用传统的平行板电容计算公式(1)。空间电容Cspace的电容模型不符合传统的平行板电容计算公式，而是采用非平行板电容器的电容计算公式。
根据电场能量和电容器的能量公式，可以求解非平行板电容器的电容计算公式。设非平行矩形板电容器A、B两极板长度为L，宽度为W，两极板间电压为U，A、B两极板延长线相交于O轴(垂直于纸面)，夹角为θ，极板两端到O轴的近、远距离分别为R1和R2，并且W＝R2-R1，其横截面如图2所示。
在A、B两极板之间，任取一体积元dV，该体积元是一个与O轴距离为r处的薄柱壳层，其厚度为dr，弧线长为rθ，极板长度为L，该体积元大小为dV＝rθLdr，根据电场能量公式得到整个非平行板电容的能量为:
根据带电电容器能量公式，可得非平行板电容Cs的计算公式为：
其中，εp2为两极板间空间分布多重材质的等效介电常数，θ为两极板延长线的夹角，L为两极板长度，R1和R2为两极板两端到延长线交点的近、远距离。
当θ＝180°时，两个极板成为水平共面，其电场分布及尺寸参数如图3所示，此时为当前电容极板形成的空间电容Cspace的实际物理结构。两极板延长线在两极板连线的中间位置相交，两极板间距为DH，θ为180°，R2为R1为带入公式(3)可得：
其中，Cspace为空间电容，εp2为两极板间空间分布多重材质的等效介电常数，DH为两极板间的距离，L为极板的长度，W为极板的宽度。
本专利的基本思路是，根据市场需求，确定指纹图像采集单元的大小，建立AnsoftMaxwell平板电容模型，利用Electrostatic求解器完成求解，完善模型之后赋予相应元件材料属性，并加上边界条件以及激励源，根据需要制定求解参数，然后设定求解规范，系统自适应求解，最后将求解结果通过后处理器显示出来。
本发明提供一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，包括以下步骤：
S1：根据电路设计的需要，选取工艺库，确定模型的结构、材料、形状等。
S2：建立Ansoft Maxwell平板电容模型，利用Electrostatic求解器完成求解。
S3：根据工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系，创建手指电容模型，并赋予相应元件材料属性。
S4：根据实际电路设计的需求，添加边界条件与激励源；顶层金属作为ESD泄放通路，即在整体上形成一个包围传感器的地网；感应极板由下一级金属构成，感应极板为感应电容一端，两个感应极板上添加激励电压；以手指谷脊之间介质层、保护层、钝化层、感应极板组成手指电容模型，假设手指接地，手指为感应电容另一端，用金属导体层代替手指，添加激励0V；手指与感应极板之间形成手指感应电容Cplate，两个感应极板之间形成反馈电容Cfringe。
根据公式(1)，得到所述手指感应电容Cplate的计算公式为：
其中dfinger为手指谷与脊的距离，d1为钝化层厚度，d2为保护层厚度，εn为手指与感应极板间多重材质的等效介电常数，L为极板的长度，W为极板的宽度。
根据公式(1)和公式(4)及图3可知，空间电容Cspace的能量是由两个极板间的电场线提供，当有手指或者导体靠近极板时，会将电场线切断，此时极板间的电场能量耗损程度与手指离极板的距离dis有关。当手指越靠近极板，切割的电场线越多，Cspace越小，导致Cfringe越小，得到所述反馈电容Cfringe的计算公式：
其中，Cparallel为平行板电容，Cspace为空间电容，εp1为金属间介质层的等效介电常数，εp2为两极板间空间分布多重材质的等效介电常数，DH为两极板间的距离，L为极板的长度，W为极板的宽度，H为极板的厚度，dis为手指到极板间的距离；其中，dis＝d1+d2+dfinger，dfinger为手指谷与脊的距离、d1为钝化层厚度、d2为保护层厚度。当时，Cfringe达到最大值。
S5：系统自适应求解，Cplate和Cfringe可直接由Ansoft Maxwel后处理得到。
所述系统自适应求解过程，包括：
A1，设置Ansoft Maxwel计算参数；
A2，设置自适应计算参数，包括但不限于迭代次数、最大步长、最小步长、误差范围；
A3，检查边界条件、参数配置、模拟分析的设置，验证3D模型是否合理，修改相应错误；
A4，进行计算并求解，求解器根据手指感应电容计算公式和感应极板间的反馈电容计算公式，自适应求解，直接由Ansoft Maxwel后处理得到Cplate和Cfringe；
A5，判断计算结果是否收敛；如不收敛，返回步骤A2；
A6，提取数据，绘制表格。
S6：改变手指谷脊之间的介电常数εfinger和dfinger的值，得到不同手指状态下的电容值。
所述模型的结构、材料、形状及激励电压的大小根据电路设计的需要选取。所述元件材料属性根据工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系进行设定的，所述材料属性指介电常数、元器件的尺寸和间距。所述代替手指的金属导体层通常为铝导体层。
本专利提出一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，用于确定手指电容的大小，解决了大规模矩阵的平板电容及其空间电容难于计算的问题，采用AnsoftMaxwell有限元仿真软件对模型进行静电场仿真计算，利用其强大的后处理功能，可以得到任意规模矩阵在确定电压、确定距离、不同手指状态下的精确电容值。
附图说明
图1是本发明实施例的仿真分析的具体流程图；
图2是非平行板电容电场效应截面图；
图3是平行板电容电场效应截面图；
图4是本发明实施例的手指电容模型剖面原理图；
图5是本发明实施例的感应极板的俯视图；
图6是本发明实施例的Ansoft Maxwell手指模型3D图；
图7是本发明实施例的不同手指状态下Ansoft Maxwell电容建模得到的仿真曲线图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
附图1为本发明实施例的仿真分析的具体流程图，本发明提供一种基于AnsoftMaxwell的手指电容建模的方法，包括以下步骤：
步骤1：根据电路设计的需要，选取工艺库，确定模型的结构、材料、形状等。图4为本发明实施例的手指电容模型剖面原理图。所述手指电容模型包括手指谷脊之间介质层210、保护层220、钝化层230和感应极板240。其中，手指谷与脊的距离为dfinger，钝化层厚度为d1，保护层厚度为d2。感应极板240包括一个或两个感应极板。本实施例中感应极板240包括两个感应极板PLATEA和PLATEB。手指与感应极板之间形成手指感应电容Cplate，两个感应极板PLATEA和PLATEB之间形成反馈电容Cfringe。
步骤2：建立Ansoft Maxwell平板电容模型，利用Electrostatic求解器完成求解。
步骤3：根据工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系，创建手指电容模型，并赋予相应元件材料属性。
图5是本发明实施例的感应极板的俯视图，图6是本发明实施例的Ansoft Maxwell手指模型3D图。手指电容3D模型包括，手指谷脊之间介质层210、保护层220、钝化层230和感应极板240。本实施例中，感应极板240由感应极板PLATEA、感应极板PLATEB和地网构成。保护层220包括coating层和molding层。设定极板PLATEA和PLATEB的距离为DH、长为L、宽为W、高为H。同时，赋予相应元件材料属性。所述材料属性指介电常数、导电率等。手指与感应极板间多重材质包括手指谷脊之间介质层210、保护层220和钝化层230，设定手指与感应极板间多重材质的等效介电常数为εn，金属间介质层的等效介电常数为εp1，两极板间空间分布多重材质的等效介电常数为εp2。
步骤4：根据实际电路设计的需求，添加边界条件与激励源；顶层金属作为ESD泄放通路，即在整体上形成一个包围传感器的地网；感应极板PLATEA和PLATEB由下一级金属构成，感应极板为感应电容一端，两个感应极板PLATEA和PLATEB上添加激励电压U’。激励电压U’根据电路设计的需要选取，例如0.93V。以手指谷脊之间介质层210、保护层220、钝化层230、感应极板240组成手指电容模型，假设手指接地，手指为感应电容另一端，用金属导体层代替手指，添加激励0V；其中，金属导体层可根据需要选取，本实施例选择铝导体层。手指与感应极板之间形成手指感应电容Cplate，两个感应极板PLATEA和PLATEB之间形成反馈电容Cfringe。
手指感应电容Cplate计算公式：
其中dfinger为手指谷与脊的距离，d1为钝化层厚度，d2为保护层厚度，εn为手指与感应极板间多重材质的等效介电常数，L为极板的长度，W为极板的宽度。
反馈电容Cfringe计算公式：
其中，Cparallel为平行板电容，Cspace为空间电容，εp1为金属间介质层的等效介电常数，εp2为两极板间空间分布多重材质的等效介电常数，DH为两极板间的距离，L为极板的长度，W为极板的宽度，H为极板的厚度，dis为手指到极板间的距离。其中，dis＝d1+d2+dfinger，dfinger为手指谷与脊的距离、d1为钝化层厚度、d2为保护层厚度。当时，Cfringe达到最大值。
步骤5：系统自适应求解，Cplate和Cfringe可直接由Ansoft Maxwel后处理得到。所述系统自适应求解过程如图1所示，包括：
步骤51，设置Ansoft Maxwel计算参数；
步骤52，设置自适应计算参数，包括迭代次数、最大步长、最小步长、误差范围等；
步骤53，检查边界条件、参数配置、模拟分析的设置，验证3D模型是否合理，修改相应错误；
步骤54，进行计算并求解，求解器根据手指感应电容计算公式和感应极板间的反馈电容计算公式，自适应求解，直接由Ansoft Maxwel后处理得到Cplate和Cfringe；
步骤55，判断计算结果是否收敛。如不收敛，返回步骤S52；
步骤56，提取数据，绘制表格，绘制结果如图7所示。
步骤6：判断模型尺寸是否变化，如模型尺寸变化，则返回步骤53，重新进行自适应求解过程。改变手指谷脊之间的介电常数εfinger和dfinger的值，得到不同手指状态下的电容值。
如图7所示，图(a)为干手指的仿真曲线图，图(b)为正常手指的仿真曲线图，图(c)为湿手指的仿真曲线图。在钝化层、保护层一定的情况下，手指谷脊之间的介电常数εfinger直接影响手指与感应极板间多重材质的等效介电常数εn。干手指介电常数εfinger较小，湿手指介电常数εfinger较大，正常手指介于两者之间。从图7可以看出，干手指随着手指谷与脊的距离dfinger的增大，Cplate急剧减小趋于0，Cfinge急剧上升并达到饱和。湿手指随着手指谷与脊的距离dfinger的增大，Cplate缓慢减小，Cfinge缓慢上升并达到饱和。在饱和前，手指离极板的距离dfinger较小时，导致dis较小，产生电场效应。由于电场效应的影响，当手指或导体靠近感应极板上，电场线会被切断，切割的电场线越多，Cspace越小，导致Cfringe越小。
本专利实施例的详细描述和附图只是用于说明本发明，而不是限制由权利要求和其等价物定义的本专利的范围。
Claims (7)
1.一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据电路设计的需要，选取工艺库，确定模型的结构、材料、形状等；
S2：建立Ansoft Maxwell平板电容模型，利用Electrostatic求解器完成求解；
S3：根据工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系，创建手指电容模型，并赋予相应元件材料属性；
S4：根据实际电路设计的需求，添加边界条件与激励源；顶层金属作为ESD泄放通路，即在整体上形成一个包围传感器的地网；感应极板由下一级金属构成，感应极板为感应电容一端，两个感应极板上添加激励电压；以手指谷脊之间介质层、保护层、钝化层、感应极板组成手指电容模型，假设手指接地，手指为感应电容另一端，用金属导体层代替手指，添加激励0V；手指与感应极板之间形成手指感应电容Cplate，两个感应极板之间形成反馈电容Cfringe；
S5：系统自适应求解，Cplate和Cfringe可直接由Ansoft Maxwel后处理得到；
S6：改变手指谷脊之间的介电常数εfinger和dfinger的值，得到不同手指状态下的电容值。
2.根据权利要求1所述的基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，其特征在于，所述手指感应电容Cplate的计算公式为：
<mrow>
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其中dfinger为手指谷与脊的距离，d1为钝化层厚度，d2为保护层厚度，εn为手指与感应极板间多重材质的等效介电常数，L为极板的长度，W为极板的宽度。
3.根据权利要求1所述的基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，其特征在于，所述反馈电容Cfringe的计算公式：
<mrow>
<mi>C</mi>
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其中，Cparallel为平行板电容，Cspace为空间电容，εp1为金属间介质层的等效介电常数，εp2为两极板间空间分布多重材质的等效介电常数，DH为两极板间的距离，L为极板的长度，H为极板的厚度，dis为手指到极板间的距离；其中，dis＝d1+d2+dfinger，dfinger为手指谷与脊的距离、d1为钝化层厚度、d2为保护层厚度。
4.根据权利要求1所述的基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，其特征在于，所述系统自适应求解过程，包括：
A1，设置Ansoft Maxwel计算参数；
A2，设置自适应计算参数，包括迭代次数、最大步长、最小步长、误差范围；
A3，检查边界条件、参数配置、模拟分析的设置，验证3D模型是否合理，修改相应错误；
A4，进行计算并求解，求解器根据手指感应电容计算公式和感应极板间的反馈电容计算公式，自适应求解，直接由Ansoft Maxwel后处理得到Cplate和Cfringe；
A5，判断计算结果是否收敛；如不收敛，返回步骤A2；
A6，提取数据，绘制表格。
5.根据权利要求1所述的基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，其特征在于，所述模型的结构、材料、形状及激励电压的大小根据电路设计的需要选取。
6.根据权利要求1所述的基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，其特征在于，所述元件材料属性根据工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系进行设定的，所述材料属性指介电常数、元器件的尺寸和间距。
7.根据权利要求1所述的基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，其特征在于，所述代替手指的金属导体层通常为铝导体层。
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