CN108475333B - 确定手指的物理特性的手指感测系统、方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

一种使用手指感测系统(3)确定手指(7)的物理特性的表示的方法，所述手指感测系统包括二维测量装置(13)，该二位测量装置包括多个测量元件，每个测量元件限定测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件包括通过电介质结构与手指间隔开的手指电极。对于测量元件位置中的每个，该方法包括提供测量配置，在该测量配置中：限定测量元件位置的感测测量元件(S)的手指电极呈现感测手指电极电位(VS)；第一不同测量元件(D1)的手指电极呈现第一不同手指电极电位(VD1)；并且第二不同测量元件(D2)的手指电极呈现第二不同手指电极电位(VD2)；基于感测信号获取测量值；并且基于多个测量值来确定手指的物理特性的表示。

Description

确定手指的物理特性的手指感测系统、方法和电子设备

技术领域

本发明涉及指纹感测系统，并且涉及确定手指的物理特性的方法。

背景技术

各种类型的生物识别系统被越来越多地使用，以便提供增加的安全性和/或增强的用户方便性。

特别地，指纹感测系统由于其小的形状因素、高性能和用户认可度已经被例如消费者电子设备所采用。

在各种可用的指纹感测原理(例如，电容式、光学式、声学式、热能式等)中，电容式感测最为常用，尤其是在尺寸和功耗为重要问题的应用中。

电容式指纹传感器通常提供指示若干个感测结构中的每个与放置在指纹传感器的表面上或跨指纹传感器的表面移动的手指之间的电容的测量值。

某些电容式指纹传感器无源地读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要感测结构与手指之间的相对大的电容。因此，这样的无源电容式传感器通常设置有覆盖感测结构的非常薄的保护层，这会使得这样的传感器对刮擦和/或ESD(静电放电)相当敏感。

US 7 864 992公开了一种电容式指纹感测系统，其中，通过对布置在传感器阵列附近的导电结构加脉冲并测量所得到的传感器阵列中的感测结构所携带的电荷的变化来将驱动信号注入到手指中。

这种类型的所谓的有源电容式指纹感测系统通常能够以比上述无源系统高得多的信噪比来测量手指与感测结构之间的电容。这进而又允许相当厚的保护涂层，并且因此允许可以包括在受到相当大的磨损的物品(诸如移动电话)中的更坚固的电容式指纹传感器。

然而，为了更进一步增强指纹传感器集成到电子设备等中的易用性和鲁棒性，期望能够通过非常厚的电介质结构进行指纹感测，电介质结构可以为数百微米厚。例如，可能期望通过玻璃板或类似物(诸如移动电话的前玻璃盖)能够进行指纹感测。

当通过这样厚的电介质结构进行感测时，由于每个感测结构所看到的手指的区域增加，所以可能降低所得到的指纹图像的实际分辨率。

为了缓解这个问题，US 8 888 004提出了使用基于内核的重建过程来从差分像素测量结果重建形状信息。

尽管由US 8 888 004提出的方法对于锐化指纹图像可能是潜在有用的，但是所建议的解决方案需要指纹传感器能够进行可编程的差分像素测量。此外，所建议的解决方案预计会相当复杂并且难以在实践中实现。

此外，与指纹图案的表示相比，将期望提供确定手指的另外的物理特性，如手指表面处的水分水平或可用于识别欺骗企图的属性。

发明内容

鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的在于提供一种改进的手指感测，特别是通过较厚的电介质结构。

根据本发明的第一方面，因而提供了一种使用手指感测系统确定手指的物理特性的表示的方法，该手指感测系统包括：二维测量装置，其包括多个测量元件，每个测量元件限定在测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件包括通过电介质结构与手指间隔开的手指电极；获取电路，用于从测量装置获取测量值；以及控制电路，用于控制手指感测系统的操作，所述方法包括以下步骤：针对测量元件位置中的每个使用控制电路来控制测量装置以提供测量配置，其中：限定测量元件位置的感测测量元件的手指电极呈现感测手指电极电位，并且测量装置提供指示感测测量元件的手指电极上的电荷的感测信号；在距测量元件位置第一横向距离处的第一不同测量元件的手指电极呈现第一不同手指电极电位，以提供感测手指电极电位与第一不同手指电极电位之间的第一电位差；并且在距测量元件位置第二横向距离(第二横向距离大于所述第一横向距离)处的第二不同测量元件的手指电极呈现第二不同手指电极电位，以提供感测手指电极电位与第二不同手指电极电位之间的与第一电位差不同的第二电位差；基于由测量装置提供的感测信号针对测量元件位置中的每个使用获取电路来获取测量值，从而产生多个测量值；以及基于多个测量值确定手指的物理特性的表示。

手指的“物理特性”可以例如是指纹图案的表示、水分的存在或分布或者皮肤的电特性的指示等。

在上述物理特性是手指的指纹图案的表示的实施方式中，那么手指的指纹图案的表示不一定是数字灰度图像，但是可以是从其可以推断指纹图案信息的任何合适的表示。指纹图案的表示可以例如是原始指纹图像数据，或者数据可能已经被处理，并且然后可以以条件图像数据的形式或以任何其他形式被提供为指纹模板数据。

测量元件可以被布置在任何合适的二维测量装置中，诸如测量元件被布置成行和列的平面阵列。然而，可能存在没有按行和列布置测量元件的实施方式。

每个测量元件的手指电极例如可以以金属板的形式设置。然而，应该注意的是，手指电极可以被实现为任何合适的导电结构。每个测量元件可以是差分测量元件。在这样的实施方式中，每个测量元件包括至少两个手指电极。

应该注意的是，一些(至少一个)手指电极电位可以是时变的，并且一些手指电极电位可能是恒定的。

例如，感测手指电极电位可以是时变的，而第一不同手指电极电位和第二不同手指电极电位相对于测量装置的参考电位可以是基本恒定的。可替选地，感测手指电极电位可以是基本恒定的，而第一不同手指电极电位和第二不同手指电极电位相对于测量装置的参考电位可以是时变的。

此外，第二不同测量元件不同于第一不同测量元件。

在本申请的上下文中，第一电位差应该被理解为由第一不同手指电极电位减去感测手指电极电位来定义，第二电位差应该被理解为由第二不同手指电极电位减去感测手指电极电位来定义等。

为了提供上述感测信号，测量装置可以包括电荷感测电路。这样的电荷感测电路可以包括在每个测量元件中，或者可以是一组测量元件或所有测量元件所共有的。

本发明基于这样的认识：对于给定的测量元件位置，限定测量元件位置的感测测量元件与几个不同测量元件之间的电容耦合可以被用于估计所评估的测量元件与直接和所评估的测量元件相对的手指的表面之间的电容耦合。这种电容耦合的测量可以被称为测量元件位置的手指耦合值。

本发明人进一步认识到，对于测量元件之间的不同横向距离提供不同的电位差可以用于使电场成形，以这样的方式使手指表面上的电荷有效地集中在感测测量元件正对面。这又提供了获取更清晰的指纹图像。此外，通过向第一不同测量元件和第二不同测量元件(以及可能还有其它)提供不同的电位，可以在单个测量操作中获得该更清晰的指纹图像，而不需要获取和组合一系列指纹图像。

此外，本发明人已经发现，通过选择第一不同测量元件和第二不同测量元件(以及可能还有其他)的另一组电位，利用本发明的实施方式还可以实现除图像锐化之外的其他效果。

换句话说，感测测量元件附近的测量元件可以被用于创建电压模式，该电压模式将影响感测测量元件上方的手指的一个或多个特性与由测量装置针对测量元件位置提供的感测信号之间的关系。

在不同的测量元件位置处使用具有不同手指电极电位的多个不同的测量元件将提供关于皮肤的更多信息，并且还将允许准确估计感测测量元件与手指的和测量元件位置正相对(例如上方)的部分之间的电容耦合。然而，与当所有测量元件或除了感测测量元件以外的所有测量元件呈现相同的手指电极电位时相比，已经由上述感测测量元件以及第一不同测量元件和第二不同测量元件形成的电压模式将提供更多的信息。

根据各种实施方式，在测量配置中，与第一不同测量元件相比更接近感测测量元件的任何另外的测量元件的手指电极可以呈现感测手指电极电位。

如上所述，更广泛的电压模式将改进手指的物理特性的确定，例如指纹图案的表示。

根据实施方式，测量配置因此可以使得在距测量元件位置第三横向距离(其大于所述第二横向距离)处的第三不同测量元件的手指电极呈现第三不同手指电极电位，以提供感测手指电极电位与第三不同手指电极电位之间的与第二电位差不同的第三电位差。

此外，根据各种实施方式，测量配置可以使得感测手指电极电位、第一不同手指电极电位和第二不同手指电极电位中的至少一个是时变的，以这样的方式使第一电位差和第二电位差中的每一个是时变的。

具体地，第一电位差可以是时变的，从在第一时间点处为第一电位差值到在第二时间点处为第二电位差值，并且针对每个测量元件位置获取测量值的步骤可以包括在第一时间点处对感测信号进行采样，并且在第二时间点处对感测信号进行采样。第二电位差可以有利地以相同的方式是时变的。

当感测测量元件的手指电极的电位与第一不同测量元件和第二不同测量元件的手指电极的电位之间的电位差分别改变时，由感测测量元件的手指电极承载的电荷将也改变。由已知的电位差变化引起的电荷变化指示通过包括保护性电介质结构的电介质结构和放置在保护性电介质结构的顶部上的手指在感测测量元件的手指电极与第一不同测量元件和第二不同测量元件(以及可能还有其它)的手指电极之间的电容耦合。

此外，通过取得电位差变化前后的采样值之间的差异，可以降低共模噪声的影响。

根据实施方式，第一电位差可以有利地具有第一极性，并且第二电位差可以具有与第一极性相反的第二极性。

在另外使用第三不同测量元件用于形成上述电压模式的实施方式中，该第三不同测量元件的手指电极可以有利地呈现第三不同手指电极电位，其提供具有第一极性的第三电位差。

已经发现，产生距感测测量元件不同的横向距离的不同电位差的电压模式可能至少对于增加指纹图像的清晰度以及还对于检测和成像手指表面上的水分是有效的。

根据本发明的第二方面，因而提供一种用于确定手指的物理特性的手指感测系统，该手指感测系统包括：二维测量装置，其包括多个测量元件，每个测量元件限定在测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件包括通过电介质结构与手指间隔开的手指电极；控制电路，其连接至测量装置，用于：针对测量元件位置中的每个，将测量装置控制成提供测量配置，其中：限定测量元件位置的感测测量元件的手指电极呈现感测手指电极电位，并且测量装置提供指示感测测量元件的手指电极上的电荷的感测信号；在距测量元件位置第一横向距离处的第一不同测量元件的手指电极呈现第一不同手指电极电位，以提供感测手指电极电位与第一不同手指电极电位之间的第一电位差；并且在距测量元件位置第二横向距离(其大于所述第一横向距离)处的第二不同测量元件的手指电极呈现第二不同手指电极电位，以提供感测手指电极电位与第二不同手指电极电位之间的与第一电位差不同的第二电位差；以及获取电路，其连接至测量装置，用于：针对测量元件位置中的每个，基于由测量装置提供的感测信号来获取测量值，从而产生多个测量值；并且基于多个测量值确定手指的物理特性的表示。

控制电路和获取电路中的每一个可以用硬件、软件或者硬件和软件的组合来实现。此外，二维测量装置可以被包括在指纹传感器部件中，并且控制电路和/或获取电路中的至少一部分可以被包括在这样的指纹传感器部件中。

根据各种实施方式，测量装置中的每个测量元件可以是可控的以提供感测信号。换句话说，每个测量元件可以在至少第一状态和第二状态之间是可控的，在所述第一状态中，测量元件提供感测信号并且测量元件的手指电极呈现给定的电位，在所述第二状态中，测量元件不提供感测信号并且测量元件的手指电极呈现与上述给定的电位不同的另外的电位。有利地，每个测量元件还可以被控制成第三状态，在第三状态中，测量元件不提供感测信号并且测量元件的手指电极呈现给定的电位。该第三状态可以被称为“非感测”状态。

根据各种实施方式，测量装置中的每个测量元件可以包括：电荷放大器，其包括：第一输入端；第二输入端；输出端，其电容性耦合至第一输入端；以及在第一输入端、第二输入端和输出端之间的至少一个放大器级。

在电荷放大器中，第一输入端(通常称为“负”输入端)处的电位将跟随第二输入端(通常称为“正”输入端)处的电位。换句话说，第二输入端处的电位的变化导致在第一输入端处的电位的基本上对应的变化。取决于电荷放大器的实际配置，在第一输入端处的电位可以与在第二输入端处的电位基本上相同，或者可以在第一输入端与第二输入端之间存在基本恒定的电位差。例如，如果电荷放大器中的放大器级是具有单个感测晶体管的单级放大器，则所述电位差可以是感测晶体管的栅极-源极电压。

此外，根据各种实施方式，手指感测系统可以另外包括激励信号提供电路，用于实现上述第一电位差和第二电位差，以及/或者用于向手指和/或向测量装置的参考电位平面提供激励信号。

在实施方式中，激励信号提供电路可以连接至电荷放大器中的每一个的第二输入端，并且被配置成选择性地改变第二输入端处的电位，从而改变手指电极的电位。

激励信号提供电路可以是切换电路，其被配置成在不同线路上设置的两个或更多个不同电位之间进行切换。可替选地或者组合地，激励信号提供电路可以包括至少一个信号源，所述至少一个信号源被配置成提供时变电位，例如方波电压信号或正弦波电压信号。

此外，根据本发明的各种实施方式的手指感测系统可以有利地被包括在进一步包括处理电路的电子设备中，所述处理电路被配置成：从指纹感测系统获取指纹图案的表示；基于该表示对用户进行认证；并且仅当用户基于该表示被认证时，才执行至少一个用户请求的处理。例如，电子设备可以是手持式通信设备，诸如移动电话或平板电脑、计算机或电子可穿戴物品诸如手表等。

本发明的该第二方面的其他实施方式以及通过本发明的第二方面获得的效果很大程度上类似于上面针对本发明的第一方面所描述那些。

总之，本发明涉及一种使用手指感测系统确定手指的物理特性的表示的方法，该手指感测系统包括二维测量装置，该二维测量装置包括多个测量元件，每个测量元件限定测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件包括通过电介质结构与手指间隔开的手指电极。对于测量元件位置中的每个，该方法包括提供测量配置，在该测量配置中限定测量元件位置的感测测量元件的手指电极呈现感测手指电极电位；第一不同测量元件的手指电极呈现第一不同手指电极电位；并且第二不同测量元件的手指电极呈现第二不同手指电极电位；基于感测信号获取测量值；并且基于多个测量值确定手指的物理特性的表示。

附图说明

现在将参照示出了本发明的示例性实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面及其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了包括在盖玻璃下方的电容式指纹传感器的电子设备；

图2A是使用已知的电容感测技术由单个感测元件成像的手指表面的部分的示意性图示；

图2B是使用已知的电容感测技术由图2A中的感测配置得到的示例模拟指纹图像的图示；

图3A是根据本发明的实施方式的指纹系统的示意性框图；

图3B是图3A中的指纹感测系统的一部分的示意性截面图；

图4是示出根据本发明的示例性实施方式的方法的流程图；

图5A示意性地示出提供第一电压模式的第一测量配置的示例；

图5B是由图5A中的第一测量配置得到的示例模拟指纹图像的图示，其中，手指电极通过300μm盖玻璃与用户的手指分开；以及

图5C是用于比较的与图2B中相同的指纹图像。

具体实施方式

在本具体实施方式中，主要参考指纹感测系统和方法来描述根据本发明的手指感测系统和方法的各种实施方式，其中，第一不同测量元件、第二不同测量元件和第三不同测量元件被布置在感测测量元件的同一侧上并与感测测量元件间隔开。

应该注意的是，这绝不限制由所附权利要求限定的范围，所附权利要求同样包括例如手指感测系统和方法，其中，第一不同测量元件和第二不同测量元件(并且可能还有其他)被布置在感测测量元件的多个侧面上的。

此外，在本文描述的实施方式中，提供感测信号的测量元件的手指电极相对于传感器接地电位保持在恒定电位，而时变电位被提供给第一不同测量元件和第二不同测量元件(以及第三不同测量元件)，以便实现期望的电位差。应该注意的是，期望的电位差可以通过其他方式实现。例如，时变电位可以被提供给提供感测信号的测量元件的手指电极，如在US9,152,841中所描述的，其全部内容通过引用合并于本文。可替选地或组合地，时变参考电位可以被提供给手指传感器，并且时变电位可以被反相地提供给未提供感测信号的测量元件。US 9,383,876中详细描述了该电位提供方案，其全部内容通过引用合并于本文。

图1示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的指纹感测设备的应用，其为具有集成的指纹感测系统3的移动电话1的形式。例如，指纹感测系统3可以被用于解锁移动电话1以及/或者用于授权使用移动电话执行的交易等。如图1示意性示出，指纹感测系统3被布置在移动电话的盖玻璃5下方，例如可以在0.2mm至0.5mm厚的范围内。

图2A是与图1中的盖玻璃5接触的手指表面7的一部分的透视图。在图2A中的盖玻璃5的传感器侧，示意性地示出了与指纹传感器的测量元件9相对应的区域。对于根据本发明的手指感测系统的示例性实施方式，图2A中的盖玻璃5、手指表面7和测量元件9区域的尺寸大致成比例。

在常规的指纹感测系统应用中，在覆盖传感器表面的电介质结构相当薄(例如约0.1mm或更小)的情况下，由给定测量元件感测到的手指表面的区域与测量元件的区域并没有很大不同。这还应用于已知的指纹感测配置，其中，使用具有介电各向异性和/或非常高的介电常数的保护结构(例如蓝宝石)。

对于较厚的介电保护涂层(具体地，不呈现介电各向异性和/或非常高的介电常数的涂层)，已知的电容测量技术将对每个测量元件执行空间平均，如图2A中示意性示出的，其中，示意性地示出了由给定测量元件9感测的手指区域11。

利用已知的电容测量技术，这种空间平均将导致模糊或散焦的指纹图像。

在图2B中示出了这种模糊指纹图像12的示例，其是使用已知的电容感测技术对图2A中的感测配置进行模拟的结果。

图3A是根据本发明的实施方式的手指系统3的示意性框图。参照图3A，根据本发明的该示例性实施方式的手指感测系统3包括二维测量装置13，该二维测量装置13包括多个测量元件9、采用传感器控制器的形式的测量控制电路15以及获取电路17。下面将参照图3B更详细地描述测量元件9，其是在由图2A中的线A-A'所示的部分中的测量装置13的一部分的电路示意性截面图。

在这种情况下，应该注意的是，图3A中的图示是示意性和简化的。在根据本发明的实施方式的实际手指感测系统中，测量装置通常将包括相当多数量的测量元件。此外，对于每英寸500像素的传感器，测量元件的阵列的典型节距可以是大约50μm。

此外，指纹感测系统3在这里被示意性地示出为单个部件或封装中的系统。然而，应该理解的是，指纹感测系统3的功能可以分布在几个部件和/或软件模块中，例如指纹传感器部件和主处理器，其可以是所谓的可信元件，或者所谓的安全元件。指纹感测系统3的功能还可以部分分布在这样的可信元件与这样的安全元件之间。

图3B是图3A中的指纹感测系统的一部分的示意性截面图，其中，手指7放置在测量装置13的顶部上。测量装置13包括多个测量元件9a至9c。

如图3B中示意性示出的，每个测量元件9a至9c(附图标记仅指示测量元件中的一个以避免使附图混乱)包括：保护性电介质顶层5；位于保护性电介质顶层5下方的导电手指电极19；电荷放大器21；选择电路，在此被功能性地示出为简单选择开关23，用于允许从测量元件9a至9c获取感测信号；以及手指电极电位提供电路25，用于可控地向手指电极19提供选择的电位(恒定的或时变的)，如将在下面进一步详细描述的。

电荷放大器21包括至少一个放大器级，在此被示意性地示出为运算放大器(opamp)27，该运算放大器27具有连接至手指电极19的第一输入端(负输入端)29、连接至手指电极电位提供电路25的第二输入端(正输入端)31以及输出端33。此外，电荷放大器21包括连接在第一输入端29与输出端33之间的反馈电容器35以及重置电路，该重置电路在此被功能性地示出为开关37，用于允许对反馈电容器35的可控制放电。电荷放大器21可以通过操作重置电路37以使反馈电容器35放电而被重置。

对于运算放大器27而言，在通常情况下，在第一输入端29处的电位跟随施加到第二输入端31的电位。取决于特定的放大器配置，第一输入端29处的电位可以与第二输入端31处的电位基本上相同，或者，在第一输入端29处的电位与第二输入端31处的电位之间可以存在基本上固定的偏差。

使用手指电极电位提供电路25，可以向手指电极提供相对于参考电位可以是时变的或基本恒定的期望电位。

手指电极电位提供电路25可以例如被实现为多个可控开关，以用于可控地将第二输入端31连接至携带要提供给手指电极的期望电位的选择的电压线。可替选地，手指电极电位提供电路可以直接可连接至手指电极19，以直接向手指电极提供期望的电位。

通过控制手指电极电位提供电路25，手指电极19可以因此根据特定测量元件9的期望功能而被提供有选择的电位，如将在下面进一步详细描述的。

当给定测量元件即图3B中的中心测量元件9b用作感测测量元件时，中心测量元件9b的手指电极电位提供电路25可以例如被控制成向第二输入端31提供相对于传感器接地电位基本恒定的感测手指电极电位。同时，相邻测量元件9a、9c之一或两者的手指电极电位提供电路可以被控制成向相邻测量元件9a、9c的第二输入端提供第一不同手指电极电位。该第一不同感测手指电极电位相对于传感器接地电位可以是时变的。如将在下面进一步描述的，在距感测测量元件9b第二横向距离处的一个或多个第二不同测量元件的手指电极电位提供电路被控制成向那个(那些)第二不同测量元件中的一个或多个手指电极提供第二不同手指电极电位。感测手指电极电位以及第一不同手指电极电位和第二不同手指电极电位一起提供电压模式。如上进一步说明的，该电压模式影响手指的皮肤与感测测量元件的手指电极之间的电容耦合。

在图3B中，手指7被示意性地示出为“接地”。应该理解的是，手指“接地”可能与传感器接地不同。例如，手指7可以处于包括指纹感测系统3的电子设备1的接地电位。可替选地，可以认为身体具有这样大的电“质量”，使得当手指电极19的电位变化时手指的电位保持基本恒定。

感测测量元件9b的手指电极19与相邻测量元件9a、9c的手指电极(以及对上述电压模式有贡献的其他测量元件)之间的电位差的上述变化导致在电荷放大器21的输出端33上的感测信号Vs。

当示出的感测元件9b被控制成感测测量元件时，选择开关23闭合，以将电荷放大器21的输出端33连接至读出线路39。可以作为用于2D测量装置13的行或列的公共读出线的读出线39在图3B中被示出为连接至复用器41。如在图3B中示意性示出的，提供来自测量装置13的其他行/列的感测信号的另外的读出线也被连接至复用器41。

来自感测测量元件9b的感测信号Vs由采样和保持电路43解调。采样和保持电路43的输出端连接至模数转换器45，用于将由采样和保持电路输出的模拟DC电压信号转换为每个选择的感测测量元件9b的测量值的数字表示。

现在已经介绍了本发明的指纹感测系统的实施方式，下面将参照图4中的流程图和示出的其他图示来描述根据本发明的方法的示例性实施方式。

在第一步骤401中，对于测量元件位置n，测量装置13由传感器控制器15控制以提供测量配置，该测量配置在测量元件位置n处产生用于感测的电压模式。

在测量配置中，现在还参照图5A，其示意性地示出了图3A中的测量装置13的一部分，在图5A中由S指示的测量元件位置n处的感测测量元件的手指电极呈现感测手指电极电位VS，由D1指示的第一不同测量元件的手指电极呈现第一不同手指电极电位VD1，由D2指示的第二不同测量元件的手指电极呈现第二不同手指电极电位VD2，由D3指示的第三不同测量元件的手指电极呈现第三不同手指电极电位VD3。

第一不同测量元件D1在此通过由图5A中的空方块指示的非感测测量元件与感测测量元件S间隔开。在图5A的特定示例中，感测测量元件S附近的所有其他测量元件(例如，即在十个测量元件内)也是非感测测量元件。

感测测量元件S的手指电极电位VS由图5A中的虚线指示，并且第一不同测量元件D1、第二不同测量元件D2和第三不同测量元件D3的手指电极电位VD1、VD2和VD3分别由图5A中的实线指示。

如图5A中示意性示出的，感测手指电极电位VS相对于传感器接地SGND是基本恒定的。第一不同手指电极电位VD1相对于SGND是时变的，并且与第一手指电极电位V1相关，使得在所评估的感测测量元件S的手指电极与第一不同测量元件D1的手指电极之间存在第一电位差ΔV1。类似地，第二不同手指电极电位VD2和第三不同手指电极电位VD3也是时变的，以相对于感测手指电极电位VS分别提供第二ΔV2电位差和第三ΔV3电位差。

在图5A的示例性测量配置中，第一电位差ΔV1(定义为VD1-VS)为负，第二电位差ΔV2(定义为VD2-VS)为正，并且第三电位差ΔV3(定义为VD3-VS)为负。此外，如在图5A中示意性示出的，电位差彼此相关为‘-1’、‘+3’、‘-2’。

在随后的步骤402中，基于来自所评估的感测测量元件S的感测信号，由获取电路17从测量装置13获取测量值。为了减少共模噪声的发生，可以有利地使用本身已知的相关双采样技术。参照图5A和图3B，感测信号Vs的第一采样由采样保持电路43在第一采样时间t1进行采样，并且感测信号Vs的第二采样由采样保持电路43在第二采样时间t2进行采样。采样值之间的差值由模数转换器45转换成针对测量位置n的数字第一测量值。

当已经对测量装置13中的所有测量位置执行上述步骤401和402时，通过经过由步骤403和404另外定义的循环，已经获取了完整的指纹图像。

图5B示出了使用上述测量配置根据模拟得到的指纹图像59。除了使用的测量配置以外，所有其他模拟参数与用于在图2B中产生指纹图像12的模拟所使用的参数相同。

将图5B中的指纹图像59与图2B中的指纹图像12相比，明显的是，即使例如由上面参照图5A描述的测量配置得到的相对简单的电压模式也会产生相当清晰的模拟指纹图像65，其中图2B中的指纹图像12被重复为图5C以便于比较。

在该示例中，确定的手指的物理特性是手指的指纹的表示。具体地，获得锐化的指纹图像。应该注意的是，可以使用产生不同电压模式的其他测量配置来实现更加清晰的指纹图像。

此外，手指的物理特性不一定是用于注册或认证的指纹图像，但是物理特性可以例如可替选地指示水分在手指表面上的分布等。

本领域技术人员会认识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变形。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质上，但是还可以以其他形式来分布，例如经由因特网或其他有线或无线通信系统。权利要求书中的任何附图标记不应该被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种使用手指感测系统(3)确定手指的物理特性的表示的方法，所述手指感测系统包括：

二维测量装置(13)，其包括多个测量元件(9)，每个测量元件(9)限定在所述测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件(9)包括通过电介质结构(5)与所述手指(7)间隔开的手指电极(19)；

获取电路(17)，用于从所述测量装置获取测量值；以及

控制电路(15)，用于控制所述手指感测系统的操作，

所述方法包括以下步骤：

针对所述测量元件位置中的每个，使用所述控制电路(15)来控制(401)所述测量装置(13)以提供测量配置，其中：

限定所述测量元件位置的感测测量元件(S)的手指电极呈现感测手指电极电位(VS)，并且所述测量装置提供指示所述感测测量元件(S)的手指电极上的电荷的感测信号；

在距所述测量元件位置第一横向距离处的第一不同测量元件(D1)的手指电极呈现第一不同手指电极电位(VD1)，以提供所述感测手指电极电位与所述第一不同手指电极电位之间的第一电位差(ΔV1)；以及

在距所述测量元件位置第二横向距离处的第二不同测量元件(D2)的手指电极呈现第二不同手指电极电位(VD2)，以提供所述感测手指电极电位与所述第二不同手指电极电位之间的与所述第一电位差(ΔV1)不同的第二电位差(ΔV2)，所述第二横向距离大于所述第一横向距离；

针对所述测量元件位置中的每个，基于由所述测量装置提供的感测信号使用所述获取电路(17)来获取(402)测量值，从而产生多个测量值；以及

基于所述多个测量值确定(405)所述手指的物理特性的表示。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述测量配置中：

与所述第一不同测量元件(D1)相比更接近所述感测测量元件(S)的任何另外的测量元件的手指电极呈现所述感测手指电极电位。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述测量配置中：

在距所述测量元件位置第三横向距离处的第三不同测量元件(D3)的手指电极呈现第三不同手指电极电位(VD3)，以提供所述感测手指电极电位与所述第三不同手指电极电位之间的与所述第二电位差(ΔV2)不同的第三电位差(ΔV3)，所述第三横向距离大于所述第二横向距离。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述测量配置中：

在距所述测量元件位置所述第一横向距离处的多个第一不同测量元件(D1)中的每一个的手指电极呈现所述第一不同手指电极电位(VD1)，以提供所述感测手指电极电位与所述第一不同手指电极电位之间的所述第一电位差(ΔV1)。

5.根据权利要求1或2所 述的方法，其中，在所述测量配置中：

在距所述测量元件位置所述第二横向距离处的多个第二不同测量元件(D2)中的每一个的手指电极呈现所述第二不同手指电极电位(VD2)，以提供所述感测手指电极电位与所述第二不同手指电极电位之间的所述第二电位差(ΔV2)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述测量配置中：

所述感测手指电极电位(VS)、所述第一不同手指电极电位(VD1)和所述第二不同手指电极电位(VD2)中的至少一个是时变的，以这样的方式使得所述第一电位差(ΔV1)和所述第二电位差(ΔV2)中的每一个是时变的。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述第一电位差(ΔV1)是时变的，从在第一时间点处为第一电位差值到在第二时间点处为第二电位差值；并且

针对每个测量元件位置，获取(402)所述测量值的步骤包括：在所述第一时间点(t1)处对所述感测信号进行采样，并且在所述第二时间点(t2)处对所述感测信号进行采样。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一电位差(ΔV1)具有第一极性，而所述第二电位差(ΔV2)具有与所述第一极性相反的第二极性。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述测量配置中：

在距所述测量元件位置第三横向距离处的第三不同测量元件(D3)的手指电极呈现第三不同手指电极电位(VD3)，以提供所述感测手指电极电位(VS)与所述第三不同手指电极电位(VD3)之间的与所述第二电位差(ΔV2)不同的第三电位差(ΔV3)，所述第三横向距离大于所述第二横向距离，

其中，所述第三电位差(ΔV3)具有所述第一极性。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述手指的物理特性是所述手指的指纹图案的表示。

11.一种用于确定手指(7)的物理特性的手指感测系统(3)，所述手指感测系统包括：

二维测量装置(13)，其包括多个测量元件(9)，每个测量元件(9)限定在所述测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件(9)包括通过电介质结构(5)与所述手指(7)间隔开的手指电极(19)；

控制电路(15)，其连接至所述测量装置(13)，用于：

针对所述测量元件位置中的每个，控制所述测量装置以提供测量配置，其中：

限定所述测量元件位置的感测测量元件(S)的手指电极呈现感测手指电极电位(VS)，并且所述测量装置提供指示所述感测测量元件的手指电极上的电荷的感测信号；

在距所述测量元件位置(S)第一横向距离处的第一不同测量元件(D1)的手指电极呈现第一不同手指电极电位(VD1)，以提供所述感测手指电极电位与所述第一不同手指电极电位之间的第一电位差(ΔV1)；以及

在距所述测量元件位置第二横向距离处的第二不同测量元件(D2)的手指电极呈现第二不同手指电极电位(VD2)，以提供所述感测手指电极电位与所述第二不同手指电极电位之间的与所述第一电位差(ΔV1)不同的第二电位差(ΔV2)，所述第二横向距离大于所述第一横向距离；以及

获取电路(17)，其连接至所述测量装置(13)，用于：

针对所述测量元件位置中的每个，基于由所述测量装置提供的感测信号来获取测量值，从而产生多个测量值；以及

基于所述多个测量值确定所述手指的物理特性的表示。

12.根据权利要求11所述的手指感测系统(3)，其中，在所述测量装置中的每个测量元件包括：

电荷放大器(21)，包括：

第一输入端(29)；

第二输入端(31)；

输出端(33)，其电容性耦合至所述第一输入端；以及

在所述第一输入端、所述第二输入端和所述输出端之间的至少一个放大器级(27)。

13.根据权利要求11或12所述的手指感测系统(3)，其中，所述电介质结构(5)包括电介质板。

14.一种电子设备(1)，包括：

根据权利要求11至13中任一项所述的手指感测系统(3)；以及

处理电路，其连接至所述手指感测系统，用于：

从所述手指感测系统获取手指的物理特性的表示；

基于所述表示对用户进行认证；以及

仅当所述用户基于所述表示被认证时，才执行至少一个用户请求的处理。