CN108345870B - 一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器 - Google Patents

Abstract

一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器，包括N个检测单元，N个检测单元为阵列分布，检测单元包括内置的内置金属层电极，内置金属层电极与手指之间可以形成检测电容C_plate，任意两个相邻的内置金属层电极均通过开关连接。传感器电路增设一种工作模式，可以与传统模式互相切换，两种模式输出结果也可以进行互相对比。通过将检测单元的电极通过开关互相连接，达到增强传感器分辨率的效果。增强型模式的结果与常规模式的结果可以互相对比，增强芯片的分辨率与准确率。

Description

一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器

技术领域

本发明涉及指纹识别领域，具体涉及一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器。

背景技术

随着社会的进步和技术的发展，近年来，移动银行、手机钱包、网络购物等电子商务业务在智能移动设备上的应用日趋广泛。相对的，公众对于集成的电子元器件性能以及网络信息安全的要求也越来越高。指纹由于具有唯一性和稳定性而使其成为个人身份识别的一种有效手段。指纹传感器有很多种类型，目前主流的有三种类型：光学取像指纹传感器、晶体电容式(或者压感式)指纹传感器和超声波取像指纹传感器。光学设备取像是利用全反射原理并使用CCD器件来获取指纹图像，效果较好、器件本身耐磨损但成本高、体积大，不适用于集成度要求很高的移动终端上。超声波取像直接扫描真皮组织，积累在皮肤表面的赃物或油脂对获得图像影响不大，但器件成本极高，目前没有成熟的产品市场。晶体电容式指纹传感器生产采用标准CMOS技术，获取图像质量比较好(可以通过软件调整来改善增益的图像质量)且体积和功耗都比较小，成本相对于另两种传感器低廉很多。

晶体电容式指纹传感器包括阵列排布的多个检测单元，当手指触摸检测单元时，指纹单元相当于电容器的阳极，手指的皮肤变成了电容另一极，手指的纹路深浅(即手指的“峰”和“谷”)与检测单元的实际距离不同，电容(或电感)也不同，根据该原理可检测到手指的纹路深浅形成指纹图像。

现有的电容式指纹传感器识别手指到芯片内部金属电极的距离，希望尽量放大手指脊和谷产生电容的差值，这个差值易受寄生电容的影响，且传感器阵列所处环境不同，所以每个传感器的寄生电容大小也不相同，且指纹识别传感器对ESD放电有较高要求，每个传感器周围都有ESD放电回路，ESD要求越高的设计，边缘放电线宽度也越大。因此ESD放电线网对传感器的精度有较大影响，特别是出于边缘的传感器阵列，，采集指纹能力大为减弱，甚至不能采集指纹，造成边缘指纹图像丢失。

同时，增加检测单元感应电极的面积，可以有效的增加指纹传感器的精确度，但是现在综合各方面因数考虑，单个指纹检测单元的大小在业界已经有了统一标准，所以现在的单个内置金属层电极，最大面积是确定的。因此，为了解决上述问题，需要提供一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器，具体技术方案一如下：

一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器，其特征在于：包括N个检测单元，所述N个检测单元为阵列分布，所述检测单元包括内置的内置金属层电极，所述内置金属层电极与手指之间可以形成检测电容C_plate，任意两个相邻的内置金属层电极均通过开关连接。

为更好的实现本发明，可进一步为：所述检测电容C_plate与求和电路的输入端口相连。

进一步地：所述检测单元包括放大器OPA，该放大器OPA反向端接地，同向端经检测电容C_plate与激励电源V_in相连，在所述放大器OPA输出端与所述放大器OPA同向输入端之间跨级有反馈电容C_f。

进一步地：所述检测单元包括放大器OPA，在该放大器OPA的输出端与同向输入端之间分别跨接有电阻R和电容C_f，该放大器OPA反向端接地，该放大器OPA同向端经开关S4与内置金属层电极相连，所述内置金属层电极与地之间还有内置金属层电极寄生电容C_P1，该内置金属层电极还经开关S3接地，激励电源V_in与开关S1第一端相连，该开关S1第二端为手指电源端口，该开关S1第二端经寄生电容C_P2接地，当手指放置在内置金属层电极上时，在手指与内置金属层电极之间形成检测电容C_plate，所述检测单元还设置有放电端口，该放电端口经开关S2接地。

具体技术方案二如下：

一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器，其特征在于：包括N个检测单元，所述N个检测单元为阵列分布，所述检测单元包括放大器OPA、第一内置金属层电极和第二内置金属层电极，所述第一内置金属层电极的面积大于第二内置金属层电极的面积，所述第一内置金属层电极和所述第二内置金属层电极相邻设置；

所述第一内置金属层电极与手指之间可以形成检测电容C_plate，N个检测单元中的任意两个相邻的第一内置金属层电极均通过开关连接；

该放大器OPA的同向输入端经开关S4与第一内置金属层电极相连，该放大器OPA经电容C_P2接地，该放大器OPA的输出端与第二内置金属层电极相连，该第二内置金属层电极经电容C_P2接地，该第一内置金属层电极还经开关S3接地，在第一内置金属层电极和第二内置金属层电极之间形成有寄生电容C_fringe，该放大器OPA反向端接地，激励电源V_in与开关S1第一端相连，该开关S1第二端为手指电源端口，该开关S1第二端经寄生电容C_P3接地，当手指放置在内置金属层电极上时，所述检测单元还设置有放电端口，该放电端口经开关S2接地。

本发明的有益效果为：第一，传感器电路增设一种工作模式，可以与传统模式互相切换，两种模式输出结果也可以进行互相对比。通过将检测单元的电极通过开关互相连接，达到增强传感器分辨率的效果。增强型模式的结果与常规模式的结果可以互相对比，增强芯片的分辨率与准确率。第二，可以根据需求不同进行自行调节，选取规则没有限制，选取上下左右四个传感器单元检测电容效果更好，斜对角的传感器距离较远，所以效果不及上下左右四个传感器单元检测电容。第三，本发明通过加入新的控制开关电路，可以抑制寄生电容对传感器的影响，可以提高现存技术的灵敏度，而且不需要增设其它的参考电源，结构简单，实施容易。

附图说明

图1为一种典型的指纹传感器检测单元；

图2为三个相邻检测单元的具体电路图；

图3为不同检测单元对应的输出波形图；

图4为检测单元第一结构示意图；

图5为检测单元第二结构示意图；

图6是人体手指为谷时，增加去寄生与没有去寄生电路的输出结果；

图7是人体手指为脊时，增加去寄生与没有去寄生电路的输出结果对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示：检测单元包括放大器OPA，该放大器OPA反向端接地，同向端经检测电容C_plate与激励电源V_in相连，在放大器OPA输出端与放大器OPA同向输入端之间跨级有反馈电容C_f。其中检测电容C_plate为人体手指与检测单元内置电内置金属层电极形成的电容，实际传感器阵列是通过检测人体指纹脊和谷所对应的检测电容C_plate值的不同进行识别的，V_in是输入激励信号，可以设置为电源电压，V_out为传感器输出。

如图2所示：通过将检测单元的检测电容C_plate2与相邻的两个检测电容C_plate1和检测电容C_plate3连接起来，其中检测电容C_plate2、检测电容C_plate1和检测电容C_plate3为任意的传感器阵列当中检测单元的电极与人体手指形成的检测电容。

所有的检测单元共享一个输入激励信号V_in，通过开关控制，可以设置为两个模式，当开关S₁，开关S₃，开关S₅导通，开关S₂和开关S₄断开时，就是常规的指纹传感器采集模式。

当开关S₂和开关S₄接入后就工作在增强型模式，多个电内置金属层电极连接在一起，效果相当于多个检测电容C_plate并联，因此形成的检查电容C_plate值比原来增大很多，即方便后续处理，也可以更好的抑制后续噪声信号。

两种工作模式可以互相进行比较处理，既可以增强指纹传感器的识别率，还可以减少因偶然情况导致的采集错误的问题。

可以用于叠加的指纹传感器检测单元电容不只限于相邻的两个检测单元，可以包括周围相邻的1～8个传感器检测单元。

如图3所示：深蓝色、绿色、浅蓝色、黑色、红色分别对应着一个检测单元单独连接、两个检测单元连接、三个检测单元连接，四个检测单元连接和5个检测单元连接。输出都进行了5次积分，从图中可见，多个检测单元的连接在一起可以显著的提升输出电压的幅度，在第一次积分时尤为明显，随着积分次数的增加，多个检测单元连接的结构可能最后会达到饱和，当多次采集累计的效果变差，这个可以通过减少积分次数，比如两个检测单元互联只需要积分三次就能达到单个传感器积分5次的效果，还能通过减少积分次数节省功耗。

如图4所示：为检测单元的第一具体实施例，传感器内部金属层内置金属层电极与手指形成平平板电容C_plate，C_p1为内置金属层电极的寄生电容，C_P2为手指的寄生电容，V_in是输入激励信号，对C_plate进行充电直到其两端的电势差达到V_in，V_in可以设置为电源电压，V_out为传感器输出，开关S₁，S₂，S₃，S₄受频率为f的数字时钟控制。

第一阶段开关S₁，开关S₃，开关S₂，开关S₄断开，V_in对手指与第一内置金属层电极形成的电容C_plate1充电，此时由于运放的需地特性，寄生电容C_p1两端都是接地，所以V_in不会对电容C_p1充电。

第二阶段，开关S₂，开关S₄导通，开关S₁和开关S₃断开,，此时寄生电容C_p2通过开关S₂对地放点，所以不会对输出V_out产生影响，寄生电容C_p1两端仍是接地，第二内置金属层电极直接与输出链接，所以寄生电阻C_p2也不会影响输出精度。

在数字时钟控制下,一个单独的电容充放电周期的电流可认为是一个电流脉冲函数。

对此脉冲电流输入,检测电路的频率响应函数可写为:

其中x、y为此二级系统的两个极点。

对一个阶跃的电容变化,由拉普拉斯变换终值定理可知,电路有稳态的输出为:

V_out＝fV_inRC_plate

此电路对电容的检测不受寄生电容C_p1，C_p2的影响。

此电路还带有放大功能，可以通过调整fV_inR的值，控制最终的输出值，很好的匹配后续的电路，输出因为经过了放大，所以可以减弱噪声的影响。

图5是检测单元具体实施例二，第一内置金属层电极和第二内置金属层电极为指纹传感器当中内置两片金属电极，第一内置金属层电极为图5中极板1，第二内置金属层电极为图5中极板2，面积较大的第一内置金属层电极与手指形成平板电容C_plate1，第一内置金属层电极和第二内置金属层电极由于存在一定厚度且相聚较近，构成边缘电容C_fringe，电容C_p1为第一内置金属层电极的寄生电容，电容C_p2为第二内置金属层电极的寄生电容，电容C_P3为手指的寄生电容，V_in是输入激励信号，可以设置电源电压，V_out为传感器输出。开关S₁，开关S₂，开关S₃，开关S₄分别受两项不交叠时钟控制。

第一阶段开关S₁，开关S₃，开关S₅导通，开关S₂，开关S₄断开，V_in对手指与第一内置金属层电极形成的电容C_plate1充电，此时由于运放的需地特性，寄生电容C_p1两端都是接地，所以V_in不会对电容C_p1充电。

第二阶段，开关S₂，开关S₄导通，开关S₁，开关S_3,，开关S₅断开，此时寄生电容C_p3通过开关S₂对地放点，所以不会对输出V_out产生影响，寄生电容C_p1两端仍是接地，第二内置金属层电极直接与输出链接，所以寄生电阻C_p3也不会影响输出精度。

图6是人体手指为谷时，增加去寄生与没有去寄生电路的输出结果对比，红色曲线是改善后的输出，绿色是改进前的输出，可以看到，输出结果在进行四次积分后，输出幅度达到显著改善。

图7是人体手指为脊时，增加去寄生与没有去寄生电路的输出结果对比，红色曲线是改善后的输出，绿色是改进前的输出，输出结果在进行四次积分后，输出电压幅度也有改善，但是不及谷按压改善明显，那是因为按压部分为脊时，电容C_plate的值比谷按压时要大很多，而两者的寄生电容值差不多，所以寄生电容对检测到的指纹部分是谷时，影响更大。

Claims (3)

1.一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器，其特征在于：包括N个检测单元，所述N个检测单元为阵列分布，所述检测单元包括内置的内置金属层电极，所述内置金属层电极与手指之间可以形成检测电容C_plate，任意两个相邻的内置金属层电极均通过开关连接；

所述检测电容C_plate与求和电路的输入端口相连；

所述检测单元包括放大器OPA，该放大器OPA反向端接地，该放大器OPA同向端经开关S4与内置金属层电极相连，所述内置金属层电极与地之间还有内置金属层电极寄生电容C_P1，该内置金属层电极还经开关S3接地，激励电源V_in与开关S1第一端相连，该开关S1第二端为手指电源端口，该开关S1第二端经寄生电容C_P2接地，当手指放置在内置金属层电极上时，在手指与内置金属层电极之间形成检测电容C_plate，所述检测单元还设置有放电端口，该放电端口经开关S2接地；

所有的检测单元共享一个输入激励信号V_in，通过开关控制，可以设置为两个模式，当第一开关S₁，第三开关S₃，第五开关S₅导通，第二开关S₂和第四开关S₄断开时，为常规的指纹传感器采集模式；

当第二开关S₂和第四开关S₄接入后就工作在增强型模式，多个电内置金属层电极连接在一起，效果相当于多个检测电容C_plate并联，因此形成的检查电容C_plate值比原来增大很多。

2.根据权利要求1所述一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器，其特征在于：在该放大器OPA的输出端与同向输入端之间分别跨接有电阻R和电容C_f。

3.一种防寄生电容影响的高精度指纹传感器，其特征在于：包括N个检测单元，所述N个检测单元为阵列分布，所述检测单元包括放大器OPA、第一内置金属层电极和第二内置金属层电极，所述第一内置金属层电极的面积大于第二内置金属层电极的面积，所述第一内置金属层电极和所述第二内置金属层电极相邻设置；

所述第一内置金属层电极与手指之间可以形成检测电容C_plate，N个检测单元中的任意两个相邻的第一内置金属层电极均通过开关连接；

该放大器OPA的同向输入端经开关S4与第一内置金属层电极相连，该放大器OPA经电容C_P2接地，该放大器OPA的输出端与第二内置金属层电极相连，该第二内置金属层电极经电容C_P2接地，该第一内置金属层电极还经开关S3接地，在第一内置金属层电极和第二内置金属层电极之间形成有寄生电容C_fringe，该放大器OPA反向端接地，激励电源V_in与开关S1第一端相连，该开关S1第二端为手指电源端口，该开关S1第二端经寄生电容C_P3接地，当手指放置在内置金属层电极上时，所述检测单元还设置有放电端口，该放电端口经开关S2接地；

所有的检测单元共享一个输入激励信号V_in，通过开关控制，可以设置为两个模式，当第一开关S₁，第三开关S₃，第五开关S₅导通，第二开关S₂和第四开关S₄断开时，为常规的指纹传感器采集模式；

当第二开关S₂和第四开关S₄接入后就工作在增强型模式，多个电内置金属层电极连接在一起，效果相当于多个检测电容C_plate并联，因此形成的检查电容C_plate值比原来增大很多。

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