CN108027875A - 指纹传感器图案 - Google Patents

Abstract

示例传感器阵列包括设置在第一层中的第一电极、设置在第二层中的多个第二电极以及设置在第一层之外的多个第三电极。第二电极与第一电极和第三电极电流隔离。在指纹传感器阵列的平面视图中，每个第三电极的区域位于第一电极的区域内。

Description

指纹传感器图案

相关申请

本申请是于2015年12月21日提交的美国申请号为14/977,267的国际申请，其要求于2015年9月10日提交的美国临时申请号为62/216,924的优先权益，所有这些申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

主题涉及生物计量传感器领域。更具体地，但不是通过限制的方式，主题公开了指纹传感器图案的布置。

背景

电容感测系统其功能在于感测在电极上生成的表示电容变化的电信号。电容的这种变化可以指示指纹的脊和谷的存在。指纹感测可以用于各种用户界面设备(例如移动手持设备、个人计算机和平板电脑)的安全性和验证应用。用于指纹检测的电容感测的使用可以允许传感器以高度可配置性被放置在用户接口设备的表面中。也就是说，传感器针对所有的设备并不限于单个位置。相反，指纹传感器可以设置在设备上便于特定行业设计的位置、或者优化用户的体验的位置。

基于电容的指纹传感器其功能在于测量诸如传感器电极的电容式感测元件的电容以及检测指示指纹脊(或谷)的存在或不存在的电容变化。可以使用在感测元件阵列上的可识别位置处的脊和谷来重建指纹的图像，以用于注册、验证和安全应用。当指纹脊与感测元件接触或紧密接近感测元件时，检测由指纹脊引起的电容变化。感测元件的电容变化可以通过将从电容式感测元件测量的电容转换成数字值的电路来进行测量。

附图简述

在附图的图中通过示例而非限制的方式示出了一些实施例，其中：

图1是示出根据各种实施例的指纹感测系统的框图；

图2是示出根据各种实施例的指纹模块的层的框图；

图3是示出根据实施例的传感器阵列的平面视图的框图；

图4是示出根据一个实施例的传感器阵列的横截面视图的框图；

图5是示出根据一个实施例的传感器阵列的横截面视图的框图；

图6是示出根据实施例的响应于指纹特征的传播电极对电容的影响的图表；

图7是根据实施例的包括使用和不使用矩形传播电极的传感器信号结果的图表；

图8示出了根据实施例的传感器阵列的平面视图；

图9示出了根据实施例的传感器阵列的平面视图；

图10示出了根据实施例的传感器阵列的平面视图；

图11示出了根据实施例的传感器阵列的平面视图；

图12是示出根据实施例的电子系统的框图；和

图13是示出根据实施例的传感器阵列和电容传感器的框图`。

详细描述

描述的是指纹传感器图案。在下面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多示例以提供对实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，所要求保护的主题可以在其他实施例中被实践。详细描述公开了指纹传感器图案的示例，其包括以各种图案和层布置的电极，当其被通电时，与现有布置相比，其提供针对接近电极的指纹特征的增强的响应。

现在简要地介绍一些实施例，然后随同以图1开始的其他实施例一起更详细地进行讨论。在一个实施例中，指纹模块提供了由处理设备用来检测指纹特征的多个电容式传感器。电容式传感器可以由多个层构建在基底上，该多个层包括但不限于包括发射(TX)电极的层，包括接收(RX)电极和传播电极的层，以及将TX电极与RX电极电流隔离的包括绝缘材料的层。覆盖和/或保护电容式传感器的覆盖材料可以放置在RX电极上方。

在一个实施例中，TX电极(例如，TX电极行)，RX电极(例如RX电极列)和传播电极以其中每个TX电极与每个RX电极相交(例如交叉)的图案进行布置。交叉点形成可以定义指纹模块的分辨率的图案的重复单元(例如，单位单元)。单位单元对应于离散位置，在该离散位置处，处理设备可以解析指纹特征。每个电容式传感器对应于单位单元，并且包括在TX电极和RX电极之间的交叉点以及传播电极的至少一部分。处理设备可以测量每个电容式传感器以检测接近电容式传感器的指纹特征。为了测量电容式传感器，TX电极的电势被耦合到传播电极和RX电极，并且处理设备从RX电极接收产生的传感器信号。当指纹特征接近电容式传感器时，传感器信号包括指示由指纹特征的接近度引起的RX电极的电容变化的信号分量。传感器信号还可以包括对指纹特征检测无用的噪声分量和其他分量。处理设备然后可以基于在多个电容式传感器处检测到的指纹特征来生成指纹的图像。

TX电极、RX电极、传播电极、绝缘材料、覆盖材料和其他部件之间的物理和电气关系以及它们的各个属性，确定响应于接近的指纹特征在RX电极上指示的电容式传感器的电容变化。这些关系和属性还确定例如相对于电容式传感器的RX电极以不同角度呈现的指纹特征的信号响应的均匀性水平(例如，各向异性的水平)。TX电势会影响电容式传感器由于指纹特征而引起的电容变化，而注入的噪声会影响传感器信号的信噪比(SNR)。通过TX电极对基底的覆盖范围的增加(例如，最小化TX电极之间的缺失(deletions))可以渐增地屏蔽噪声被注入到传感器信号(例如，通过系统元件使TX电极与RX电极相对)。因此，TX电极、绝缘材料、传播电极、RX电极和/或覆盖材料以及这些组件之间的(例如，物理和电气)关系的不同属性可以被每个电容式传感器以各种组合进行应用，并且可以被调整为将电容式传感器设计成满足处于可接受的SNR和各向异性的目标传感器信号水平。

在没有传播电极的配置中，绝缘材料和覆盖层根据它们的厚度和材料特性可以降低电容式传感器的灵敏度，使得它们的传感器信号不允许进行精确的指纹特征检测。本文描述的指纹传感器图案和布置使用传播电极来增加由于指纹特征(沿任何方向定向)到电容式传感器的接近而引起的电容式传感器的电容变化。这增加了传感器信号的有用分量、传感器信号的SNR以及传感器信号的各向异性，从而导致更精确的指纹特征检测、指纹图像生成和指纹认证。

在指纹传感器图案的示例实施例中，设置在第一层中的多个TX电极与设置在第二层中的多个RX电极交叉。在该实施例中，第二层比第一层更靠近指纹输入表面。多个传播电极与多个RX电极一起被设置在第二层中。在指纹传感器图案的平面视图中，每个传播电极的区域位于每个TX电极的区域内。在第二层中，每个RX电极设置在多个传播电极中的两个或更多个传播电极之间。每个RX电极也与每个传播电极和每个TX电极电流隔离。每个RX电极和传播电极与TX信号耦合。传播电极可以与TX信号电容性耦合或导电耦合。当与TX信号耦合时，传播电极保持第二层中的TX电极的电势并且与RX电极电容性耦合。指纹传感器图案中的每个电容式传感器包括在TX电极和RX电极之间的交叉点并且包括传播电极的至少一部分。

当指纹特征与传播电极电容性耦合时，与没有传播电极的实施例相比，其将来自RX电极的电荷分流，导致电容传感器的增加的电容变化。这增加了传感器信号的有用分量、传感器信号的SNR以及传感器信号的各向异性，这可以导致更精确的指纹特征检测、指纹图像生成和指纹认证。本文描述了其他实施例。

以下详细描述包括对附图的引用，附图构成详细描述的一部分。附图示出根据实施例的图示。这些实施例，本文中其也被称为“示例”，被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践所要求保护的主题的实施例。在不偏离要求保护的范围的情况下，可将实施例组合，可利用其他实施例，或可做出结构的、逻辑的和电气的改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且范围由所附权利要求及其等同物限定。

图1是示出根据各种实施例的指纹感测系统100的框图。指纹感测系统100包括指纹模块104和处理设备106。指纹模块104包括用于接收来自手指110的指纹的表面105(例如，和覆盖层)，该表面105与有效区域重合，在该有效区域下面，电容式传感器可能经历响应于手指110的指纹特征的接近而改变电容。在不脱离所要求保护的主题的情况下，指纹模块104和/或其有效区域可能是正方形、矩形、圆形或任何其他形状的形状。在一个实施例中，指纹特征可以包括但不限于形成拱形、环形和螺纹的谷和脊。

处理设备106将针对表示电容变化的传感器信号来扫描电容式传感器，然后使用那些信号来生成指纹图像112。如在本文使用的，“指纹图像”指的是以数字格式表示指纹的一组数据值(例如，指纹数据)。在一些实施例中，指纹图像可以是使用其拱形、环形和螺纹可视化地表示指纹的谷和脊的数据集。在其他实施例中，指纹图像可以是以非可视化形式数字地表示指纹的数据集。例如，具有数据值的数据结构，可以在进一步处理之后从其获得指纹的可视化表示，或者可以经由各种指纹处理操作进行使用。

指纹传感器系统100获取和处理指纹图像数据的能力克服了针对典型的触摸感测而开发的技术不一定(如果有的话)解决得了的特别的挑战。指纹感测系统100的结构和操作在至少若干方面不同于其他常用传感器模块(例如，诸如触摸屏传感器模块)。例如，指纹模块104的有效区域可以比典型的触摸屏传感器模块的有效区域小一至二个数量级(例如，大约100倍)。在一个实施例中，指纹模块104被设计成使得手指110覆盖其有效区域的大部分(例如，大于75％)。在各种实施例中，指纹模块104的有效区域在从4×4mm至12×12mm的范围内。对于典型的电容式触摸(例如，触摸屏)传感器模块(例如，在智能电话上)，来自单个导电对象(例如，用户的手指或触笔)的接触通常仅覆盖触摸屏有效区域的一小部分且有效区域可能约为50x100mm(且甚至为更大的平板电脑和便携式电脑/笔记本电脑的有效面积)。

可以在指纹模块104中使用的电容式指纹传感器的数量(例如，14,000)显著大于可以在触摸屏传感器模块中使用的电容式触摸传感器的数量(例如，200)。此外，可以在指纹感测系统100中被测量以检测指纹特征的电容变化(例如，0.05fF)显著小于可由典型的触摸屏系统用来检测触摸的电容变化(例如，300fF)。因此，指纹感测系统100必须是敏感的并且管理或避免噪声信号以便捕获可用的指纹图像。

指纹模块104(包括其表面105和电容式传感器)可以由多个材料层构建。与指纹模块104相关联的示例层将参照图2进行讨论。图2是示出根据各种实施例的指纹模块204的层的框图。基底206可以用作用于直接或间接地耦合到其表面的层和/或组件的基础和电绝缘体。在实施例中，基底206可以包括球栅阵列基底、柔性或刚性印刷板或适于提供足够的基础和电绝缘的任何材料或材料的组合。在一个实施例中，指纹感测系统100的处理设备104耦合到基底(例如，相对于其他组件在相同的一侧或在不同的一侧)，并且可能是影响传感器信号的SNR的噪声源。

在基底206的顶部示出了包括TX电极208的层、包括绝缘材料210的层、包括RX电极和传播电极214的层以及包括覆盖材料216的层。指纹模块204的其他实施例可以包括更多或更少数量的层以提供层的组件(例如，TX电极208、绝缘材料210、RX电极212、传播电极214以及覆盖材料216)和/或附加组件(未示出)。其他实施例还可以使用层的不同顺序或通过在公共层中组合一个或更多个组件来提供组件。可选地或另外地，一些组件可以被提供在多于一个层中。

TX电极208与RX电极212电容性耦合以形成电容式传感器。绝缘材料210用于将TX电极208与RX电极212以及传播电极214隔离。TX电极208与RX电极212的隔离是电流的。在一些实施例中，TX电极208与RX电极212的隔离是电流的。绝缘材料210可以包括适用于特定指纹感测应用的目标电容范围的任何电介质材料。绝缘材料210可以包括一层粘合剂、环氧树脂或由在PCB的层中的树脂提供。在一个实施例中，绝缘材料210电绝缘性越好，来自TX电极的越少的电磁场能够将TX电势运送到包括RX电极212和传播电极214的层。在一个实施例中，传播电极214与TX电极电耦合以将TX电势运送到包括RX电极212的层。如下面进一步讨论的，这增加了接近指纹特征对电容式传感器的电容的影响。

TX电极208、RX电极212和传播电极214由导电材料形成，并且可以像绝缘材料210和覆盖层216一样通过沉积、涂覆、材料去除、图案化和/或其他电子设备制造技术而被设置在它们相应的层中。在不脱离所要求保护的主题的情况下，所选择的导电材料的透明度或可见性可以在不同的实施例中不同。在各种实施例中，TX电极208、RX电极212以及传播电极214中的一个或更多个可以由金属(例如，铜迹线)、氧化铟锡或其他导电材料形成在薄膜、PCB、玻璃或其他材料的一层或更多层上或在薄膜、PCB、玻璃或其他材料的一层或更多层内。TX电极208、RX电极212和传播电极214也可以被实现为玻璃上芯片。下面从图3的讨论开始，进一步讨论基于TX电极、RX电极和传播电极的示例传感器阵列

覆盖材料216将覆盖和/或保护下面的组件免受手指或其他物体的直接物理接触。覆盖材料216的厚度和耐用性可以针对不同的应用进行选择和/或经受住手指和其他物体在使用寿命中的接触。在一些实施例中，覆盖电容式传感器的覆盖材料216越厚，电容式传感器变得越不敏感(例如，接近指纹特征可以改变电容式传感器的电容越少)。在一些实施例中，覆盖材料216的厚度比TX电极和/或RX电极的间距更厚。在一个实施例中，由传播电极214提供的增加的传感器敏感度和减小的各向异性可以抵消覆盖材料216的负面影响。在各种实施例中，覆盖材料216可以是玻璃、陶瓷、水晶蓝宝石、聚酰亚胺胶带(kapton tape)或适合于系统设计参数的其他材料。对于给定的厚度，覆盖材料的电导率的水平也可以影响传感器的灵敏度(例如负面或正面地)。在一些实施例中，覆盖材料216的厚度在100μm和250μm之间。在其他实施例中，覆盖材料216可以比100um更薄或者比250um更厚。

通过本文描述的实施例，可以优化TX电极、RX电极和传播电极的物理布置以实现目标传感器性能，包括对指纹特征的敏感度、SNR、各向异性响应水平(例如，响应于相对于RX电极和/或TX电极的角度变化的指纹特征的信号的均匀度)。参考图3-11描述了这些指纹传感器组件的示例布置。

图3是示出根据实施例的传感器阵列300(例如，电容式指纹传感器阵列)的平面视图的框图。传感器阵列300包括与RX电极320交叉(例如，相交)的TX电极302。处于TX电极302和RX电极320之间(例如，居中于)每个交点处的每个单位单元(例如单位单元360)对应于指纹电容式传感器。

本文描述的实施例中，电容式传感器可以对应于单位单元。单位单元360包括TX电极302和传播电极340电容性耦合到RX电极320的区域，并且在该区域中电容可以通过RX电极320进行测量。单位单元360被示出为正方形形状，但是单位单元360(例如，和对应的电容式传感器)可以被成形为不同形状而不偏离所要求保护的主题。为了便于说明，传感器阵列300仅示出可用于图1的指纹模块104中的TX电极302和RX电极320的总数的一部分。在一些实施例中，RX电极320和TX电极302的数量各自可以在100到150的范围内，导致10,000或更多可测量的电容式传感器。电容式传感器的间距可以小于100um(例如，70um)，并且在一些实施例中，间距被选择成使得放置在指纹传感器上的每个指纹特征可以被至少三个电容式传感器检测到。

在传感器阵列300的平面视图中，每个传播电极340的区域位于TX电极302的区域上方，并且每个TX电极302的区域位于传播电极340的区域下方。如在平面视图中所示，由每个传播电极340消耗的部分或整个区域可以位于对应的TX电极302的区域内以及在相邻的RX电极320之间。每个单位单元360和/或对应的电容式传感器的区域可以与传播电极340的区域重叠。在一些实施例中，传播电极340的总区域可以与单位单元360(例如，参见图11)和/或对应的电容式传感器的区域重叠。

传播电极340被示出为沿着TX电极302彼此间隔开，以及RX电极302设置在两个传播电极340之间并与传播电极340相邻，图案在传播电极340和RX电极之间交替。在其他实施例中，RX电极320可以设置在多于两个传播电极320之间，或者多于一个RX电极320可以设置在传播电极340之间。每个TX电极302上方的传播电极340被示出为沿着TX电极302的轴(未示出)对齐。在一个实施例中，该轴仅与对应的TX电极302相交(例如，在其宽度324的中点处)并且平行于XY轴301的X轴(例如，水平轴)。在不同的TX电极302上方的传播电极340被示出为沿着与多个不同的TX电极302相交的轴(未示出)对齐。在一个实施例中，该轴平行于XY轴301的Y轴(例如，竖直轴)。如将在下面进一步详细描述的，在传感器阵列中可以采用传播电极340的不同的形状、尺寸、位置和其他属性，而不脱离所要求保护的主题。

具有宽度306的TX电极302被示出为根据间距304被间隔开。每个TX电极302之间的间隔量(例如，缺失)是通过间距304减去宽度306来限定的。具有宽度324的RX电极320被示出为根据间距322被间隔开。具有宽度342的传播电极340被示出为等距间隔开，但是在不同的实施例中，它们的间隔、TX电极间距和RX电极间距在传感器阵列上可能不是恒定的。

在一个实施例中，一个或更多个TX电极302的宽度306大于间距304的一半，并且一个或更多个RX电极320的宽度324小于间距322的一半。在一些实施例中，覆盖材料的厚度大于TX电极302和/或RX电极320的间距。单位单元360的宽度可以等于间距304和/或间距322。每个传播电极342的宽度342可以与RX电极320的宽度324基本相同(例如，遵循选择的制造公差)。在实施例中，TX电极302的间距304和宽度306之间的比率越大，TX电极302越能够使电容式传感器屏蔽由位于附近(例如，耦合到TX电极302下面的基底)的噪声源(例如，处理设备)注入的噪声。较宽的TX电极302还可以加强与RX电极320和传播电极340的电容耦合。这种噪声屏蔽和加强的电容耦合可以导致更高的整体信号响应(例如，传感器信号的有用分量)和SNR。在一些实施例中，TX电极302的宽度306在20μm和65μm之间，并且每个RX电极320和传播电极340的宽度324在5μm和15μm之间。TX电极302和RX电极320可以由不透明的金属材料制成并且具有在40μm至80μm范围内的相同间距。

如上所述，为了增加接近指纹特征对电容式传感器(例如，对应于单位单元)的电容的影响，传播电极340与TX电极302电耦合，以将TX电极的电势运送到包括RX电极320的层。图4和图5示出了将传播电极340电耦合到TX电极302的实施例。

图4和图5是示出图3的传感器阵列300的不同实施例的横截面视图(沿着截面A-A)的框图。图4示出了传感器阵列400的横截面图，该传感器阵列400包括设置在底部上的TX电极402与顶部上的传播电极440和RX电极420之间的绝缘材料410。在该实施例中，绝缘材料410将TX电极402与传播电极440电流隔离。TX电极402然后可以与传播电极440电容性耦合，以将TX电极402的电势向上运送到与RX电极420相同的层。

类似地，图5示出了传感器阵列500的横截面图，该传感器阵列500包括设置在底部上的TX电极502与顶部上的传播电极540和RX电极520之间的绝缘材料510。在该实施例中，导电构件560(例如，金属迹线)将TX电极402导电地耦合到传播电极440，以向与RX电极520相同的层提供电势。导电构件560可以设置在穿过绝缘材料510的通孔中，或者通过任何其他常用的布线技术来将TX电极的电势(例如，TX电势)转移成更靠近图1中的指纹模块104的表面105。在手指110的指纹特征最接近的地方提供该电势，增加了接近指纹特征对电容式传感器的电容变化的影响，导致SNR增加。

图6是示出根据实施例的响应于指纹特征的、传播电极对电容的影响的图表。图6示出了以下情形：在电容式传感器中不存在传播电极601，在电容式传感器中存在浮动传播电极(floating propagating electrode)603，以及在指纹电容式传感器中存在耦合的传播电极605。为了便于解释，参考三个RX电极的中间RX电极，讨论了对每种情形(601、603和605)的电容式传感器的测量。指向指纹特征650的场力线的数量与在与RX电极相同的层中的传播电极上可用的电势的量成比例。与RX电极相同的层中的电势越大，指纹特征与电容式传感器的传播电极之间的电容越大。因此，指向指纹特征650的场力线越多，由指纹特征650引起的电容传感器的电容的变化越大。

不存在传播电极的情形601在电容式传感器670(例如，包括TX电极602和中间RX电极620)与指纹特征650之间生成最少数量的场力线，因为两者之间的电势差是三中情形中最低的。

在存在浮动传播电极的情形603下，电容式传感器675与指纹特征650之间的电势差随着与TX电极402电容性耦合的传播电极440而增加。在此实施例中，TX电极402与传播电极440之间的电容大于TX电极402与中间RX电极420之间的电容。相比于不存在传播电极的情形601，存在浮动传播电极的情形603在电容式传感器675和指纹特征650之间生成更大数量的场力线。因此，指纹特征650与电容式传感器675的传播电极440之间的电容大于指纹特征650与电容式传感器670之间的电容。

在存在耦合的传播电极的情形605下，电容式传感器680和指纹特征650之间的电势差还随着由导电构件560提供的在传播电极540和TX电极502之间的直接导电路径而增加。从而，存在耦合的传播电极的情形605产生最大的传感器敏感度，因为这种情形在所有三种情形中在电容式传感器和指纹特征650之间生成最大数量的场力线。指纹特征650与电容式传感器680的传播电极540之间的电容大于上述情形601和603中在指纹特征与电容式传感器之间的电容。因此，在中间RX电极520上测量的、情形605中的电容式传感器680的电容的变化分别大于情形601和情形603的电容式传感器670和675的电容的变化。

图7是根据实施例的包括在使用矩形传播电极的情况下和在不使用矩形传播电极的情况下传感器信号结果的图表。测试了具有25μm厚绝缘层和40μm厚绝缘层的传感器阵列。在没有使用传播电极的情况下和在使用尺寸为30μm×60μm、15μm×50μm和30μm×15μm的矩形传播电极的情况下，分别测试具有这些绝缘层厚度中的每一个的传感器阵列。对于每个测试，响应于平行于RX电极的脊和平行于TX电极的脊的传感器信号被测量，并在图7中以毫微微法拉为单位进行显示。结果表明由于使用传播电极而导致增加的传感器信号值以及传播电极的形状、尺寸和位置可能对各向同性信号响应的水平具有影响。

如实施例中所示，每个电容式传感器的TX电极、绝缘材料层、传播电极、RX电极和/或覆盖材料的尺寸、形状、布置、数量和/或材料成分的属性可影响TX电极和传播电极之间的电容、到传播电极的电场力线的方向和/或转移到传播电极的TX电势的总量。此外，每个电容式传感器的TX电极、绝缘层、传播电极、RX电极和/或覆盖材料的属性可以影响在TX电极与RX电极之间的电容以及在RX电极与传播电极之间的电容。

每个电容式传感器的这些组件之间的物理和电气关系确定RX电极响应于接近指纹特征的电容变化。这些关系还确定了传感器信号对于在相对于电容式传感器的RX电极的不同角度所呈现的指纹特征的均匀性水平(例如，各向异性的水平)。在所有情况下，TX电势都会影响指纹特征引起的电容式传感器的电容的变化，而注入的噪声会影响传感器信号的信噪比。通过TX电极对基底的覆盖范围的增加(例如，最小化TX电极之间的缺失)可以通过使TX电极与RX电极相对的电路元件渐增地屏蔽噪声被注入到传感器信号。

因此，TX电极、绝缘层、传播电极、RX电极和/或覆盖材料以及这些组件之间的关系(例如，物理的和电气的)的不同属性可以被每个电容式传感器以各种组合进行应用，并且可以被调整以将电容式传感器设计成满足处于可接受的SNR的目标传感器信号水平、各向异性。例如，图8-11示出了根据实施例的各种传感器阵列的平面视图。在图8-11中，TX电极可以与图3的TX电极302相同。在图8和图9中，RX电极可以与图3的RX电极320相同。

图8示出了示例传感器阵列800，其中单位单元860(例如，及对应的电容式传感器)内的传播电极840的部分的宽度842大于图3中的单位单元360内的传播电极340的宽度342。在不脱离所要求保护的主题的情况下，其他实施例可以包括在单位单元860内具有不同数量、形状和尺寸的传播电极。图9示出了示例传感器阵列900，其中每个单位单元960(例如和对应的电容式传感器)包括在RX电极920的相对侧上的两个传播电极940和942的一部分。在其他实施例中，传感器阵列900的另一个单位单元可以包括任何数量的具有任何尺寸或形状的传播电极的一部分，并且传感器阵列900的一些单位单元可以不包括传播电极的任何部分。

图10示出了示例传感器阵列1000，其中单位单元1060(例如，和对应的电容式传感器)包括传播电极1040和图腾柱(totempole)1022型RX电极1020。与图3的单位单元360中的情况相比，图腾柱1022增加了单位单元1060内的TX电极1002和RX电极1020的边缘之间的边缘电容以及增加了传播电极1040和RX电极1020之间的边缘电容。在两者之间的增加的边缘电容可以增加TX电极1020和RX电极1002之间的以及在RX电极1020和传播电极1040之间的电容，这在一个实施例中提高了传感器敏感度。每个RX电极1020的图腾柱1022的形状包括主迹线1024和远离主迹线1024分叉的初级迹线1026。单位单元1060被示出为包括主迹线1024的一部分和四个初级迹线1026的一部分。可以容易地看出，RX电极、TX电极或传播电极1040可以包括额外的分支迹线(例如，初级、次级、三级)以进一步增加在TX电极、RX电极和传播电极的边缘之间的边缘电容。当然，传感器阵列可以包括与传播电极结合的其他类型的RX电极、TX电极、增加电极边缘之间的边缘电容以提高电容式传感器敏感度和SNR的传播电极图案(例如交织和/或交错)。

例如，图11示出了示例传感器阵列1100，其中单位单元1160(例如，和对应的电容式传感器)包括传播电极1140和包括两个主迹线1122和1124的RX电极1120，所述两个主迹线1122和1124被导电地耦合并且作为单个RX电极进行测量。如具有在图10中的图腾柱图案1022，这两个主迹线1122和1124在单位单元1160中的RX电极的边缘处提供增加的边缘电容。在该实施例中，对于单元电池1160内的传播电极1140，传播电极1140的整个区域(例如，如平面视图中所示)位于单位单元1160的区域内并且在TX电极1102的区域内。

图12是示出了包括可以被配置为生成指纹图像的处理设备1210的电子系统1200的一个实施例的框图。电子系统1200可以包括耦合到处理设备1210的指纹模块1216(例如，图1中的指纹模块104)和主机1250。在一个实施例中，指纹模块1216是使用传感器阵列1221来检测在指纹模块1216的表面上的指纹的二维接口。在各种实施例中，传感器阵列1221可以包括图3中的传感器阵列300、图8中的传感器阵列800、图9中的传感器阵列900、图10中的传感器阵列1000、图11中的传感器阵列1100或根据本文描述的实施例的任何其他传感器阵列。

在一个实施例中，传感器阵列1221包括以二维矩阵(也被称为XY矩阵)设置的传感器电极121(1)-121(N)(其中N是正整数)。传感器阵列1221经由传送多个信号的一个或更多个模拟总线1215被耦合到处理设备1210的引脚113(1)-113(N)。本文描述的传播电极(未示出)可以设置在传感器阵列中。

电容传感器1201可以包括转换电路以将电容转换成测量值。电容式传感器1201还可以包括计数器或计时器电路以测量转换电路的输出。处理设备1210还可以包括软件组件以将计数值(例如，电容值)转换为传感器电极检测决策(也被称为开关检测决策)或相对幅值。应注意的是，存在着各种已知的方法来用于测量电容，诸如电流与电压相移测量、电阻器-电容器电荷计时(resistor-capacitor chargetiming)、电容桥分压器(capacitivebridge divider)、电荷转移、逐次逼近、sigma-delta调制器、电荷积累电路、场效应、互电容、频移或其他电容测量算法。然而，应注意的是，取代相对于阈值评估原始计数，电容传感器1201可以评估其他测量结果以确定用户交互。例如，在具有sigma-delta调制器的电容传感器1201中，电容传感器1201评估输出的脉冲宽度的比率，而不是评估原始计数高于或低于某个阈值。

在一个实施例中，处理设备1210还包括处理逻辑1202。处理逻辑1202的操作可以在固件中实现；可选地，处理逻辑1202可以在硬件或软件中实现。处理逻辑1202可以接收来自电容传感器1201的信号，以及确定传感器阵列1221的状态，例如物体(例如，手指)被检测为是在传感器阵列1221上还是接近传感器阵列1221(例如，确定手指的存在)，跟踪物体的运动，基于所接收的信号或与在指纹模块1216处检测到的物体相关的其他信息来检测特征(如，指纹脊和谷)。

在另一个实施例中，处理设备1210可以向主机1250发送原始数据或部分处理过的数据，而不是执行在处理设备1210中的处理逻辑1202的操作。主机1250可以包括执行处理逻辑1202的部分或全部操作的决策逻辑1251。决策逻辑1251的操作可以在固件、硬件、软件或它们的组合中实施。主机1250可以包括应用1252中的高级应用编程接口(API)，所述应用1252对接收的数据执行例程，例如补偿敏感度差异、其他补偿算法、基线更新例程、启动和/或初始化例程、插值运算或缩放操作。关于处理逻辑1202描述的操作可以在决策逻辑1251、应用1252中实施，或在处理设备1210外部的其他硬件、软件和/或固件中实施。在一些其他实施例中，处理设备1210是主机1250。

在另一个实施例中，处理设备1210也可以包括非感测动作框1203。这个框1203可以被用于处理数据和/或从主机1250接收数据/向主机1250传送数据。例如，另外的组件可以被实施，以与传感器阵列1221一起操作处理设备1210(例如，键盘、小键盘、鼠标、轨迹球、LED、显示器或其他外围设备)。

处理设备1210可以驻留在常用载体基底(诸如，例如集成电路(IC)管芯基底或多芯片模块基底)上。可选地，处理设备1210的组件可以是一个或更多个独立的集成电路和/或分立组件。在一个实施例中，处理设备1210可以是由加利福尼亚州圣何塞的Cypress半导体公司生产的片上可编程系统(PSoC^TM)处理设备。可选地，处理设备1210可以是本领域的普通技术人员已知的一种或更多种其他处理装置，诸如微处理器或中央处理单元、控制器、专用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程设备。在可选实施例中，例如，处理设备1210可以是具有包括核心单元和多个微引擎的多处理器的网络处理器。另外，处理设备1210可以包括通用处理设备和专用处理设备的任何组合。

在一个实施例中，电子系统1200在包括作为用户接口的一部分的指纹模块1216的设备中实现，诸如在手持式电子装置、便携式电话、蜂窝电话、笔记本电脑、个人计算机、个人数据助理(PDA)、电话亭、键盘、电视、远程控制器、监视器、手持式多媒体设备、手持式视频播放器、游戏设备、家庭或工业电器的控制面板或其他计算机外围设备或输入设备中。可选地，电子系统1200可以被用于其他类型的设备中。应当注意的是，电子系统1200的组件可包括上述所有组件。可选地，电子系统1200可以只包括上述组件中的某些组件，或包括未在本文列出的另外组件。

图13是示出将测量电容的变化转换为指纹图像的传感器阵列1321和电容传感器1301的一个实施例的框图。在各种实施例中，传感器阵列1321可以包括图3的传感器阵列300、图8的传感器阵列800、图9的传感器阵列900、图10的传感器阵列1000、图11的传感器阵列1100或根据本文描述的实施例的任何其他传感器阵列。基于在被测量的电容相对于在非触摸状态时同一个传感器阵列1321的电容的变化来计算指纹特征。在一个实施例中，传感器阵列1321和电容传感器1301在诸如电子系统1200的系统中实施。传感器阵列1321包括具有N×M个电极(N个RX电极和M个TX电极)的矩阵1325，其进一步包括TX电极1322、RX电极1323和传播电极(未示出)，如在本文的各种实施例中所描述的。矩阵1325中的每个电极通过多路信号分离器1312和多路复用器1313与电容感测电路1301连接。

电容传感器1301包括多路复用器控制器1311、多路信号分离器1312和多路复用器1313、时钟生成器1314、信号生成器1315、解调电路1316以及模数转换器(ADC)1317。

在电极矩阵1325中的TX电极和RX电极可以被布置成使得TX电极中的每个电极与RX电极中的每个电极重叠并交叉以便形成交叉点的阵列，同时保持彼此的电流隔离。在一些实施例中，传感器阵列1321的传播电极也与RX电极保持电流隔离，而在其他实施例中，干扰RX电极和TX电极。因此，每个TX电极和至少一个传播电极可以与每个RX电极电容性耦合。例如，TX电极1322与RX电极1323电容性耦合于TX电极1322和RX电极1323重叠的点处。

信号生成器1314向信号生成器1315提供时钟信号，信号生成器1315产生提供给传感器阵列1321阵列的TX电极的TX信号1324。在一个实施例中，信号生成器1315包括根据来自时钟生成器1314的时钟信号操作的一组开关。开关可以通过将信号生成器1315的输出端周期性地连接到第一电压并随后连接到第二电压来生成TX信号1324，其中所述第一电压和第二电压是不同的。

信号生成器1315的输出端与多路信号分离器1312连接，这允许TX信号1324被施加到传感器阵列1321的M个TX电极中的任一个。在一个实施例中，多路复用器控制器1311控制多路信号分离器1312，以便TX信号1324以受控序列被施加到每个TX电极1322上。多路信号分离器1312也可以用于接地、悬浮或连接替代信号到当前未施加TX信号1324的其他TX电极。在利用多相TX感测的实施例中，不同的TX信号可以被施加到TX电极1322的不同子集。例如，TX信号1324可以以真实的形式呈现给TX电极1322的子集并且以补充或相变形式呈现给TX电极1322的第二子集，其中在TX电极1322的第一子集和第二子集的构件中不存在重叠。在可选实施例中，不同的TX信号可以是不相关的(即，没有彼此的相移版本)。

因为TX电极、RX电极与传播电极之间的电耦合，施加于每个TX电极的TX信号1324在每个RX电极内引起电流。例如，当TX信号1324通过多路信号分离器1312被施加于TX电极1322时，TX信号1324结合传播电极(未示出)在矩阵1325中的RX电极上引起RX信号1327。随后可以通过使用将N个RX电极中的每个RX电极按顺序连接到解调电路1316的多路复用器1313来按顺序测量在RX电极的每个RX电极上的RX信号1327。

可以通过利用多路信号分离器1312和多路复用器1313来选择TX电极和RX电极的每个可用组合来感测与TX电极和RX电极之间的每个交叉点相关联的互电容。为提高性能，多路复用器1313还可以被分段，以允许矩阵1325中的多于一个的RX电极被布线到解调电路1316。在其中解调电路1316的实例与RX电极具有1对1对应性的优化配置中，该系统中可以不存在多路复用器1313。

当手指与电极矩阵1325接触时，不同的指纹特征可能导致所测量的电极之间的互电容发生不同的变化。例如，TX电极1322和RX电极1323的交叉点附近的指纹脊将使电极1322和1323之间耦合的电荷减少比相同位置处的谷更多的量。因此，除了识别施加对应的TX信号1324的TX电极之外，还可以通过识别具有减小的测量互电容的RX电极来确定在传感器上的指纹脊和谷的位置。通过确定与矩阵1325中的电极的每个交叉点相关联的互电容，指纹特征的位置可以被确定。该确定可以是连续的、并行的，或可以在常用电极处更频繁发生。所引起的RX信号1327通过解调电路1316整合(integrated)。由解调电路1316输出的经整流的电流然后可以被滤波，并且被ADC 1317转换为数字码，然后处理逻辑1302可以使用该数字码生成指纹图像。

以上描述旨在是例证性而不是限制性的。例如，上述实施例(或其一个或更多个方面)可以彼此组合使用。在阅读以上描述之后，其他实施例对于本领域的技术人员来说将是明显的。在本文件中，使用术语“一(a)”或“一(an)”，如在专利文献中常见的那样，包括一个或多于一个。在本文中，除非另有说明，术语“或”用于指非排他性的，或者使得“A或B”包括“A而不是B”、“B而不是A”和“A和B”。如果本文件与通过引用并入本文的文件之间的用法不一致，则在所并入的参考文献中的用法应被认为是对本文件中的用法的补充；对于不可调和的不一致性，本文件中的用法取代任何并入的参考文献中的用法。

虽然参考具体的实施例描述了所要求保护的主题，但显然的是，在不脱离所要求保护的内容的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例作出各种修改和变化。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的意义。所要求保护的范围应参考所附权利要求连同这些权利要求所主张的等效物的整个范围来确定。在所附权利要求中，使用术语“包括(including)”和“其中(in which)”作为相应术语“包含(comprising)”和“其中(wherein)”的纯英语等同物。而且，在随附的权利要求中，术语“包括(including)”和“包含(comprising)”是开放式的；包括除了在权利要求中的这样的术语之后列出的要素之外的要素的系统、设备、物品或过程仍然被认为落在该权利要求的范围内。此外，在随附的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，并不意图对其对象施加数值要求。

本公开的摘要被提供以符合37C.F.R§1.72(b)，要求摘要能让读者快速确定技术公开的本质。应当理解的是，所提交的摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。

Claims (20)

1.一种指纹传感器阵列，包括：

第一电极，所述第一电极设置在第一层中；

多个第二电极，所述多个第二电极设置在第二层中；和

多个第三电极，所述多个第三电极设置在所述第一层之外，其中，所述多个第二电极与所述第一电极和所述多个第三电极电流隔离，并且其中，在所述指纹传感器阵列的平面视图中，每个第三电极的区域位于所述第一电极的区域内。

2.根据权利要求1所述的指纹传感器阵列，其中，所述多个第三电极设置在所述第二层中。

3.根据权利要求1所述的指纹传感器阵列，其中，在所述指纹传感器阵列的平面视图中，每个第三电极消耗的总区域位于所述第一电极的区域内。

4.根据权利要求1所述的指纹传感器阵列，其中，所述多个第三电极中的一个或更多个第三电极通过导电构件耦合到所述第一电极。

5.根据权利要求1所述的指纹传感器阵列，其中，所述多个第三电极中的一个或更多个第三电极与所述第一电极电流隔离。

6.根据权利要求1所述的指纹传感器，其中，所述多个第三电极中的每个第三电极与所述多个第三电极中的另外一个第三电极间隔开，并且每个第二电极设置在所述多个第三电极中的两个或更多个第三电极之间。

7.根据权利要求6所述的指纹传感器，其中，每个第三电极沿着所述第一电极的轴与另一个第三电极对齐。

8.根据权利要求1所述的指纹传感器阵列，其中，所述第一电极包括发射电极，并且所述多个第二电极包括接收电极，其中，所述发射电极与每个接收电极相交以提供与每个相交相关联的传感器区域，其中，每个传感器区域与所述多个第三电极中的一第三电极的区域重叠。

9.根据权利要求8所述的指纹传感器阵列，其中，所述发射电极的宽度宽于每个传感器区域的宽度的一半。

10.根据权利要求9所述的指纹传感器阵列，其中，所述发射电极的宽度在20μm与65μm之间的宽度范围内，并且每个接收电极的宽度在5μm与15μm之间的宽度范围内。

11.根据权利要求1所述的指纹传感器阵列，其中，每个第三电极的宽度与所述第二多个电极中的至少一个的宽度基本相同。

12.一种指纹模块，包括：

多个发射电极，所述多个发射电极设置在第一层中，其中，所述多个发射电极根据所述发射电极的间距进行布置，其中，每个发射电极的宽度大于所述发射电极的间距的一半；

多个接收电极，所述多个接收电极设置在第二层中，其中，所述多个接收电极根据所述接收电极的间距进行布置，其中，每个接收电极的宽度小于所述接收电极的间距的一半；和

多个传播电极，所述多个传播电极设置在所述第二层中，其中，所述多个接收电极中的每一个设置在所述多个传播电极中的两个或更多个传播电极之间并且与所述多个发射电极和所述多个传播电极电流隔离，并且其中，每个传播电极的区域被定位于所述多个发射电极中的一发射电极的区域之上，并且每个发射电极的区域被定位于所述多个传播电极中的一传播电极的区域下方。

13.根据权利要求12所述的指纹模块，其中，每个传播电极沿着与所述多个发射电极中的至少一个发射电极交叉的轴与所述多个传播电极中的另外一个传播电极对齐。

14.根据权利要求13所述的指纹模块，其中，所述多个传播电极中的至少一个传播电极通过导电构件耦合到所述多个发射电极中的至少一个发射电极。

15.根据权利要求12所述的指纹模块，还包括覆盖所述第一层和所述第二层的覆盖材料，其中，所述覆盖材料的厚度在100μm和250μm之间，每个发射电极的宽度在20μm和65μm之间，并且每个接收电极的宽度在5μm和15μm之间。

16.一种系统，包括：

指纹模块，所述指纹模块被配置为响应于指纹的特征提供传感器信号；和

处理设备，所述处理设备耦合到所述指纹传感器，所述处理设备被配置为基于所述传感器信号生成指纹数据，其中，所述指纹模块包括：

发射电极；

绝缘材料；

接收电极；

传播电极，其中，所述绝缘材料使所述接收电极与所述发射电极和所述传播电极电流隔离，其中，每个传播电极的区域被定位于所述发射电极中的一发射电极的区域之上，并且其中，每个发射电极的区域被定位于所述传播电极中的一传播电极的区域下方；和

覆盖材料，所述覆盖材料设置在所述发射电极、所述接收电极和所述传播电极上方。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述覆盖材料具有在100μm与250μm之间的厚度范围内的厚度，其中，所述发射电极具有在20μm与65μm之间的宽度范围内的宽度。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述发射电极和所述接收电极中的一个或更多个包括主迹线和一个或更多个初级迹线。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，每个传播电极与所述传播电极中的两个或更多个传播电极间隔开，并且沿着第一轴与所述两个或更多个传播电极中的第一传播电极对齐和沿着第二轴与所述两个或更多个传播电极中的第二传播电极对齐。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，每个接收电极设置在所述传播电极中的两个或更多个之间。