CN108073912B - 指纹识别装置和指纹识别设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指纹识别装置，包括检测基板，所述检测基板上设置有多个指纹检测单元：挡光板，位于所述检测基板的设有指纹检测单元的一侧，所述挡光板上设置有与所述指纹检测单元一一对应的通光孔；盖板，位于所述挡光板的背离所述检测基板的一侧，所述盖板包括朝向所述挡光板的出光面和背离所述挡光板的触摸面；光源，位于所述挡光板的背离所述检测基板的一侧，用于向所述盖板发射光线，所述光源的至少一部分光线能够被所述盖板的触摸面上的指纹反射至所述通光孔；其中，所述指纹检测单元用于根据穿过相应通光孔而射向所述指纹检测单元的光线强度，输出相应的电信号。相应地，本发明还提供一种指纹识别设备。本发明能够增加指纹识别的距离。

Description

指纹识别装置和指纹识别设备

技术领域

本发明涉及指纹识别领域，具体涉及一种指纹识别装置和指纹识别设备。

背景技术

指纹识别技术在诸多领域得到了广泛应用，日常所使用的手机等设备上越来越多地集成有指纹识别功能。目前的指纹识别装置的缺陷在于：指纹识别的距离较短，从而影响设备的美感和用户体验。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种指纹识别装置和指纹识别设备，以增大指纹识别距离。

为了解决上述技术问题之一，本发明提供一种指纹识别装置，包括检测基板，所述检测基板上设置有多个指纹检测单元：所述指纹识别装置还包括：

挡光板，位于所述检测基板的设有指纹检测单元的一侧，所述挡光板上设置有与所述指纹检测单元一一对应的通光孔；

盖板，位于所述挡光板的背离所述检测基板的一侧，所述盖板包括朝向所述挡光板的出光面和背离所述挡光板的触摸面；

光源，位于所述挡光板的背离所述检测基板的一侧，用于向所述盖板发射光线，且所述光源的至少一部分光线能够被所述盖板的触摸面上的指纹反射至所述通光孔；

其中，所述指纹检测单元用于根据穿过相应通光孔而射向所述指纹检测单元的光线强度，输出相应的电信号。

优选地，所述盖板还包括连接所述出光面和所述触摸面的入光面，所述光源与所述盖板的入光面相对设置；所述盖板的折射率大于空气折射率且小于指纹折射率，且所述光源和所述盖板被配置为：所述光源的光线经所述入光面射入所述盖板后，在所述触摸面上未发生触摸的位置全反射；在发生触摸的位置能够被所述触摸面上的指纹反射并由所述出光面射出。

优选地，所述盖板的触摸面与所述挡光板之间的距离大于所述指纹检测单元与所述挡光板之间的距离。

优选地，所述检测基板上还设置有温度检测单元，所述温度检测单元用于根据自身所在区域的温度输出相应的电信号。

优选地，所述温度检测单元包括多级反相器，所述反相器的级数为奇数；

第一级反相器的输入端与最后一级反相器的输出端相连；第二级至最后一级中，每级反相器的输入端均与前一级反相器的输出端相连，最后一级反相器的输出端作为所述温度检测单元的输出端，以输出在高低电平之间震荡的电压信号，且该电压信号的震荡频率与所述温度检测单元所在区域的温度相对应；

每相邻两个指纹检测单元之间存在间隔；每级所述反相器均设置在相邻两个指纹检测单元之间的间隔中。

优选地，所述反相器包括第一N型晶体管和第二N型晶体管，

所述第一N型晶体管的栅极和第一极均与高电平输入端相连，所述第一N型晶体管的第二极与所述反相器的输出端相连；

所述第二N型晶体管的栅极与所述反相器的输入端相连，所述第二N型晶体管的第一极与所述反相器的输出端相连，所述第二N型晶体管的第二极与低电平输入端相连。

优选地，多个指纹检测单元排成多行多列，所述检测基板上还设置有与多条扫描线和条信号读取线，每条扫描线均对应一行指纹检测单元，每条信号读取线均对应一列指纹检测单元，

所述指纹检测单元包括光敏二极管和开关晶体管，所述开关晶体管的栅极与相应的扫描线相连，所述开关晶体管的第一极与相应的信号读取线相连，所述开关晶体管的第二极与所述光敏二极管的第一极相连，所述光敏二极管的第二极与预定电压端相连。

相应地，本发明还提供一种指纹识别设备，括指纹识别电路和上述指纹识别装置，所述指纹识别电路与每个所述指纹检测单元的输出端相连，用于根据所述指纹检测单元输出的电信号，获取所述盖板的触摸面上的指纹图像。

优选地，所述指纹识别装置包括温度检测单元，所述指纹识别设备还包括温度检测电路，所述温度检测电路与所述温度检测单元的输出端相连，用于根据所述温度检测单元输出的电信号计算相应的温度。

优选地，所述温度检测电路包括电压比较器、调压器和计算单元，

所述电压比较器的第一输入端与所述温度检测单元的输出端相连，第二输入端与参考电压端相连，所述电压比较器用于在所述第一输入端的信号电压大于第二输出端的信号电压时输出高电平信号；并在所述第一输入端的信号电压不大于第二输出端的信号电压时输出低电平信号；

所述调压器与所述电压比较器的输出端相连，用于在所述电压比较器输出低电平信号时，输出该低电平信号；在所述电压比较器输出高电平信号时，将该高电平信号的电压调节至所述计算单元的最大识别电压，并输出调节后的信号；

所述计算单元与所述调压器相连，用于根据接收到的信号频率计算相应的温度。

本发明利用检测的光线的方式进行指纹识别，并且，通过小孔成像的原理，对指纹反射的光线起到了整合作用，使得距离较远的指纹所反射的光线也可以指纹检测单元接收到，从而可以增加指纹检测装置的检测距离，进而可以使得所述指纹识别装置能够更好地集成在手机中，提高集成该指纹检测装置的产品的美感，改善用户体验。并且，所述指纹识别装置还可以进行温度检测，从而可以应用于更多的场合。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的指纹识别装置的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中指纹检测单元的电路图；

图3是本发明实施例中温度检测单元的电路图；

图4是本发明实施例中实现指纹识别和温度检测的电路图。

其中，附图标记为：

10、检测基板；11、指纹检测单元；11a、开关晶体管；11b、光敏二极管；12、温度检测单元；12a、反相器；20、挡光板；21、通光孔；30、盖板；40、光源；Gate、扫描线；Readline、读取信号线；VD、预定电压端；VDD、高电平输入端；VSS、低电平输入端；Vin、反相器的输入端；Vout、反相器的输出端；T1、第一N型晶体管；T2、第二N型晶体管；50、指纹识别电路；51、运算放大器；C、电容；52、滤波器；53、模数转换器；54、处理单元；60、温度检测电路；61、电压比较器；62、调压器；63、计算单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

作为本发明的一方面，提供一种指纹识别装置，如图1所示，该指纹识别装置包括检测基板10、挡光板20、盖板30和光源40。其中，检测基板10上设置有多个指纹检测单元11。挡光板20位于检测基板10的设有指纹检测单元11的一侧，挡光板20上设置有与指纹检测单元11一一对应的通光孔21。盖板30位于挡光板20的背离检测基板10的一侧，盖板30包括朝向挡光板20的出光面和背离挡光板20的触摸面。光源40位于挡光板20的背离检测基板10的一侧，用于向盖板20发射光线，且光源40的至少一部分光线能够被盖板20的触摸面上的指纹反射至通光孔21。光源40发射的光线可以为调制光，也可以为非调制光。指纹检测单元11用于根据穿过相应通光孔21而射向指纹检测单元11的光线强度，输出相应的电信号。

本发明的指纹识别装置利用了小孔成像的原理，当触摸面发生触摸时，光源40的一部分光线被指纹反射至通光孔21，从而被指纹检测单元11接收到，由于指纹上的谷和脊对光线的反射程度不同，因此，指纹检测单元11根据指纹的谷和脊反射的光线生成的电信号也不同，进而可以根据指纹检测单元11输出的电信号对指纹图像进行识别。

目前的指纹识别装置中，无论是电容式、光学式还是超声波式结构，都存在检测距离较短的问题，从而导致指纹识别装置集成在电子产品中时，产品的美感受到影响。例如，在手机中，受到检测距离的限制，通常会在手机背后形成一定的凹陷，从而影响手机的整体美感和用户体验。而本发明利用检测的光线的方式进行指纹识别，并且，通过小孔成像的原理，对指纹反射的光线起到了整合作用，使得距离较远的指纹所反射的光线也可以指纹检测单元11接收到，从而可以增加指纹检测装置的检测距离，进而可以使得所述指纹识别装置能够更好地集成在手机中，提高集成该指纹检测装置的产品的美感，改善用户体验。

其中，盖板30可以为导光板，具体地，盖板30还包括连接所述出光面和所述触摸面的入光面，光源40与盖板30的入光面相对设置；盖板30的折射率大于空气折射率且小于指纹折射率。并且，光源40和盖板30被配置为：所述光源的光线经所述入光面射入所述盖板后，在所述触摸面上未发生触摸的位置全反射；在发生触摸的位置能够被所述触摸面上的指纹反射并由所述出光面射出，即，手指破坏了全反射的条件，使得照射至手指的光线发生反射，并射出盖板21。

考虑到当指纹与通光孔21之间的距离小于指纹检测单元11与通光孔21之间的距离时，指纹上反射至不同指纹检测单元11的光线容易产生干扰，从而影响指纹识别精度；如果要消除光线干扰，就需要增加指纹检测单元11的数量，从而增加了工艺难度。为了在保证指纹识别精度的同时，不增加工艺难度，优选地，盖板30的触摸面与挡光板20之间的距离大于指纹检测单元11与挡光板20之间的距离。

结合图2和图4所示，检测基板10上的多个指纹检测单元11排成多行多列，检测基板10上还设置有多条扫描线Gate和条信号读取线Readline，每条扫描线Gate均对应一行指纹检测单元11，每条信号读取线Readline均对应一列指纹检测单元11。指纹检测单元11包括光敏二极管11b和开关晶体管11a，开关晶体管11a的栅极与其所在行对应的扫描线Gate相连，开关晶体管11a的第一极与其所在列对应的信号读取线Readline相连，开关晶体管11a的第二极与光敏二极管11b的第一极相连，光敏二极管11b的第二极与预定电压端VD相连。其中，光敏二极管11b的第一极为负极，第二极为正极，预定电压端VD为负电压信号端，以使光敏二极管11b处于反向偏置状态。

光敏二极管11b在光线照射下产生相应大小的电流，在进行指纹识别时，逐行向扫描线Gate提供扫描信号，以使得开关晶体管11a逐行开启；同时，分别检测多条信号读取线Readline上的电流，从而根据每个开关晶体管11a的电流大小确定每个指纹识别单元11接收到的光线强度，进而确定指纹图像。

进一步地，如图1所示，检测基板10上还设置有温度检测单元12，温度检测单元12用于根据自身所在区域的温度输出相应的电信号，从而可以通过温度检测单元12输出的电信号确定相应区域的温度。这样可以使得指纹识别装置既可以用于指纹识别，也可以用于环境温度或手指温度的检测，使指纹识别装置可以应用于更多场合。

具体地，温度检测单元12输出的电信号为电压在高电平与低电平之间震荡的电压信号，电压信号的震荡频率与温度检测单元12所在区域的温度相对应。结合图1、图3和图4所示，温度检测单元12具体可以包括多级反相器12a，反相器12a的级数为奇数，第一级反相器12a的输入端Vin与最后一级反相器12a的输出端Vout相连；第二级至最后一级中，每级反相器12a的输入端均与前一级反相器12a的输出端相连，最后一级反相器12a的输出端Vout作为温度检测单元12的输出端，以输出所述高低电平之间震荡的电压信号。

其中，多级反相器12a在检测基板10上沿行方向或列方向排列，反相器12a所在级数为该反相器12a沿其排列方向的排列次序。图3和图4中以温度检测单元12包括五级反相器12a为例进行示意，当然，反相器12a的级数可以为其他数量。

如图3所示，反相器12a具体包括第一N型晶体管T1和第二N型晶体管T2。第一N型晶体管T1的栅极和第一极均与高电平输入端VDD相连，第一N型晶体管T1的第二极与反相器12a的输出端相连。第二N型晶体管T2的栅极与反相器12a的输入端相连，第二N型晶体管T2的第一极与反相器12a的输出端相连，第二N型晶体管T2的第二极与低电平输入端VSS相连。

当反相器12a的输入端接收到高电平信号时，第二N型晶体管T2导通，从而使得反相器12a的输出端输出低电平信号；当反相器12a的输入端接收到低电平信号时，第二N型晶体管T2关断，反相器12a的输出端输出高电平信号。当温度改变时，第二N型晶体管T2的漏电流改变，温度越高漏电流越大，当第二N型晶体管T2第一极的电压降低至下一级反相器12a中第二N型晶体管T2的阈值电压时，下一级第二N型晶体管T2关断，从而使得下一级反相器12a输出高电平信号；依次类推，最后一级反相器12a输出低电平信号，而该低电平信号输入至第一级反相器12a的输入端，从而又使得最后一级反相器12a输出高电平，进而使得温度检测单元12输出与频率与温度对应的震荡信号。并且，温度越高，漏电流越大，电压信号的震荡频率越快，从而可以根据震荡频率确定温度。

其中，为了避免温度检测单元12受到光线的干扰，检测基板10上还可以设置遮挡第一N型晶体管T1和第二N型晶体管T2的遮光层。

如上所述，盖板30触摸面与挡光板20之间的距离大于指纹检测单元11与挡光板20之间的距离，这样设置还可以使得每相邻两个指纹检测单元11之间存在一定的间隔，这时可以将每级反相器12a均设置在相邻两个指纹检测单元11之间的间隔中，如图1和图4所示，从而不需要扩展检测基板的尺寸；另外，在制作过程中，可以将反相器12a中的晶体管与指纹检测单元11的开关晶体管11a同时制作，从而在不增加工艺难度的情况下，可以同时实现指纹识别和温度检测的功能。

其中，检测基板10上可以设置有一个温度检测单元12，也可以设置有多个温度检测单元12。每个温度检测单元12中的多个反相器12a可以沿指纹检测单元11排列的行方向设置，也可以沿多个指纹检测单元11排列的列方向设置。另外，相邻两个指纹检测单元11之间的间隔中可以只设置一个温度检测单元12。

作为本发明的第二方面，提供一种指纹识别设备，如图4所示，所述指纹识别设备包括指纹识别电路50和上述指纹识别装置，指纹识别电路50与每个指纹检测单元11的输出端相连，用于根据指纹检测单元11输出的电信号，获取盖板30的触摸面上的指纹图像。所述指纹识别设备可以为采用指纹识别装置的手机等设备。

具体地，如图4所示，指纹识别电路50与读取信号线Readline相连，具体包括：与读取信号线Readline一一对应相连的积分放大器、与积分放大器一一对应相连的滤波器52、与滤波器52一一对应相连的模数转换器53和连接每个模数转换器53的处理单元54，积分放大器由电容C和运算放大器51构成，用于将读取信号线Readline上的电流进行放大；滤波器52用于将积分放大器输出的信号进行滤波；模数转换器53用于将滤波器52的输出信号进行模数转换；处理单元54用于根据模数转换器53输出的数字信号计算相应的指纹检测单元11接收到的光线强度，从而识别出指纹的图像。

如上所述，指纹识别装置还可以包括温度检测单元12，这时，所述指纹识别设备还包括温度检测电路60，温度检测电路60与温度检测单元12的输出端相连，用于根据温度检测单元12输出的电信号计算相应的温度。

具体地，如上所述，温度检测单元12包括多个反相器，从而输出在高低电平之间震荡的电压信号，这时，温度检测电路60包括电压比较器61、调压器62和计算单元63。电压比较器61的第一输入端与温度检测单元12的输出端相连，第二输入端与参考电压端Vref相连，电压比较器61用于在所述第一输入端的信号电压大于第二输出端的信号电压时输出高电平信号；并在所述第一输入端的信号电压不大于第二输出端的信号电压时输出低电平信号。电压比较器61用于将温度检测单元输出的震荡的电压信号变为规则的方波信号。调压器62与电压比较器61的输出端相连，用于在电压比较器61输出低电平信号时输出该低电平信号；在电压比较器61输出高电平信号时，将该高电平信号的电压调节至计算单元63的最大识别电压，并输出调节后的信号，以防止提供给计算单元63的信号超出计算单元的识别范围。计算单元63与调压器62相连，计算单元63用于根据接收到的信号频率计算相应的温度。其中，该计算单元63可以为现场可编程门阵列(FPGA)。

以上为对本发明提供的指纹识别装置和指纹识别设备的描述，可以看出，本发明中的指纹识别装置利用小孔成像的原理对指纹进行检测，可以提高检测距离，从而提高指纹识别设备的美感，提高用户体验；并且，所述指纹识别装置不仅可以进行指纹检测，还可以进行温度检测。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种指纹识别装置，包括检测基板，所述检测基板上设置有多个指纹检测单元：其特征在于，所述指纹识别装置还包括：

挡光板，位于所述检测基板的设有指纹检测单元的一侧，所述挡光板上设置有与所述指纹检测单元一一对应的通光孔；

盖板，位于所述挡光板的背离所述检测基板的一侧，所述盖板包括朝向所述挡光板的出光面和背离所述挡光板的触摸面；

光源，位于所述挡光板的背离所述检测基板的一侧，用于向所述盖板发射光线，且所述光源的至少一部分光线能够被所述盖板的触摸面上的指纹反射至所述通光孔，所述通光孔以小孔成像的方式对指纹反射的光线进行整合并使其透过；

其中，所述指纹检测单元用于根据穿过相应通光孔而射向所述指纹检测单元的光线强度，输出相应的电信号。

2.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述盖板还包括连接所述出光面和所述触摸面的入光面，所述光源与所述盖板的入光面相对设置；所述盖板的折射率大于空气折射率且小于指纹折射率，且所述光源和所述盖板被配置为：所述光源的光线经所述入光面射入所述盖板后，在所述触摸面上未发生触摸的位置全反射；在发生触摸的位置能够被所述触摸面上的指纹反射并由所述出光面射出。

3.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述盖板的触摸面与所述挡光板之间的距离大于所述指纹检测单元与所述挡光板之间的距离。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述检测基板上还设置有温度检测单元，所述温度检测单元用于根据自身所在区域的温度输出相应的电信号。

5.根据权利要求4所述的指纹识别装置，其特征在于，所述温度检测单元包括多级反相器，所述反相器的级数为奇数；

第一级反相器的输入端与最后一级反相器的输出端相连；第二级至最后一级中，每级反相器的输入端均与前一级反相器的输出端相连，最后一级反相器的输出端作为所述温度检测单元的输出端，以输出在高低电平之间震荡的电压信号，且该电压信号的震荡频率与所述温度检测单元所在区域的温度相对应；

每相邻两个指纹检测单元之间存在间隔；每级所述反相器均设置在相邻两个指纹检测单元之间的间隔中。

6.根据权利要求5所述的指纹识别装置，其特征在于，所述反相器包括第一N型晶体管和第二N型晶体管，

所述第一N型晶体管的栅极和第一极均与高电平输入端相连，所述第一N型晶体管的第二极与所述反相器的输出端相连；

所述第二N型晶体管的栅极与所述反相器的输入端相连，所述第二N型晶体管的第一极与所述反相器的输出端相连，所述第二N型晶体管的第二极与低电平输入端相连。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的指纹识别装置，其特征在于，多个指纹检测单元排成多行多列，所述检测基板上还设置有多条扫描线和多条信号读取线，每条扫描线均对应一行指纹检测单元，每条信号读取线均对应一列指纹检测单元，

所述指纹检测单元包括光敏二极管和开关晶体管，所述开关晶体管的栅极与相应的扫描线相连，所述开关晶体管的第一极与相应的信号读取线相连，所述开关晶体管的第二极与所述光敏二极管的第一极相连，所述光敏二极管的第二极与预定电压端相连。

8.一种指纹识别设备，其特征在于，包括指纹识别电路和权利要求1至7中任意一项所述的指纹识别装置，所述指纹识别电路与每个所述指纹检测单元的输出端相连，用于根据所述指纹检测单元输出的电信号，获取所述盖板的触摸面上的指纹图像。

9.根据权利要求8所述的指纹识别设备，其特征在于，所述指纹识别装置包括温度检测单元，所述指纹识别设备还包括温度检测电路，所述温度检测电路与所述温度检测单元的输出端相连，用于根据所述温度检测单元输出的电信号计算相应的温度。

10.根据权利要求9所述的指纹识别设备，其特征在于，所述指纹识别装置为权利要求5或6所述的指纹识别装置，所述温度检测电路包括电压比较器、调压器和计算单元，

所述电压比较器的第一输入端与所述温度检测单元的输出端相连，第二输入端与参考电压端相连，所述电压比较器用于在所述第一输入端的信号电压大于第二输入端的信号电压时输出高电平信号；并在所述第一输入端的信号电压不大于第二输入端的信号电压时输出低电平信号；

所述调压器与所述电压比较器的输出端相连，用于在所述电压比较器输出低电平信号时，输出该低电平信号；在所述电压比较器输出高电平信号时，将该高电平信号的电压调节至所述计算单元的最大识别电压，并输出调节后的信号；

所述计算单元与所述调压器相连，用于根据接收到的信号频率计算相应的温度。

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