CN108647656A - 指纹感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种指纹感测装置。指纹感测装置包括指纹感测像素阵列以及多个读出电路。指纹感测像素阵列具有多个指纹感测像素列，多个指纹感测像素列各包括多个指纹感测像素。指纹感测像素包括扫描开关以及热敏电流产生电路。扫描开关受控于行扫描信号。热敏电流产生电路依据对应于指纹脊或指纹谷的指纹感测像素产生热敏电流。多个读出电路分别耦接至多个指纹感测像素列。读出电路接收指纹感测像素所提供的热敏电流，并依据热敏电流产生指纹感测信号。

Description

指纹感测装置
技术领域
本发明涉及一种感测装置，且特别涉及一种适用于识别指纹的指纹感测装置。
背景技术
热感式指纹感测装置相较于光学式指纹感测装置以及电容式指纹感测装置，具有抵抗污染以及电磁信号所造成的干扰以及不需要附加外部光学系统等优点。因此热感式指纹感测装置渐渐受到重视。
一般而言，热感式指纹感测装置则需要多个可加热元件，使多个加热元件被维持于指定的感测温度。加热元件对应于指纹脊或指纹谷可具有不同的散热速度，使加热元件的感测温度可依据指纹脊或指纹谷而产生不同的温度变化，进而达到指纹脊或指纹谷的识别效果。
然而，热感式指纹感测装置必须要配置加热电路以使多个加热元件被维持于指定的感测温度。此外，当热感式指纹感测装置在感测指纹的过程中，如果感测时间过长，会造成热感式指纹感测装置的热平衡，如此一来，热感式指纹感测装置会降低指纹脊或指纹谷的识别效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种指纹感测装置，本发明的指纹感测装置不需配置加热元件以及加热电路，并且可有效缩短全指纹的感测时间。
本发明的指纹感测装置包括指纹感测像素阵列以及多个读出电路。指纹感测像素阵列具有多个指纹感测像素列，多个指纹感测像素列各包括多个指纹感测像素。指纹感测像素包括扫描开关以及热敏电流产生电路。扫描开关分别受控于行扫描信号以被导通或被断开。热敏电流产生电路依据对应于指纹脊(fingerprint ridge)或指纹谷(fingerprintvalley)的指纹感测像素产生热敏电流。多个读出电路分别耦接至多个指纹感测像素列，多个读出电路各通过被导通的扫描开关接收对应于扫描开关的指纹感测像素所提供的热敏电流，并依据热敏电流产生指纹感测信号。指纹感测像素阵列的同一行多个指纹感测像素的扫描开关受控于相同的行扫描信号。
基于上述，本发明的指纹感测装置包括指纹感测像素阵列以及多个读出电路。指纹感测像素阵列具有多个指纹感测像素列。读出电路接收热敏电流产生电路所提供的热敏电流，并依据热敏电流产生指纹感测信号。因此指纹感测装置不需配置加热元件以及加热电路。并且指纹感测像素阵列的同一行多个指纹感测像素的扫描开关受控于相同的行扫描信号，因此本发明的指纹感测装置可有效缩短全指纹的感测时间。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是依据本发明一实施例所绘示的指纹感测装置示意图；
图2是依据本发明另一实施例所绘示的指纹感测装置示意图；
图3是依据本发明一实施例所绘示的指纹感测装置的操作波形示意图；
图4是依据本发明再一实施例所绘示的指纹感测装置示意图。
其中，附图标记
100、200、400：指纹感测装置
110、110_1～110_M：读出电路
112：运算放大器
120、220、420：扫描开关
130、230、430：热敏电流产生电路
C_1～C_M：指纹感测像素列
C1：电容
GND：系统低电压
Iout：热敏电流
PA：指纹感测像素阵列
P1、P2、P11～PMN：指纹感测像素
POL、POL_1～POL_M：读出信号线
RS、RS1～RSN：行扫描信号
SL_1～SL_N：行扫描线
TFTN、TFTP：晶体管
R1：电阻
RT1、RT2：热敏电阻
Sse：指纹感测信号
T0、T1、T2：期间
VA：参考电压信号
VB：偏压电压
VH：电压值
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参考图1，图1是依据本发明一实施例所绘示的指纹感测装置的示意图。在图1的实施例中，指纹感测装置100包括指纹感测像素阵列PA以及读出电路110_1～110_M。指纹感测像素阵列PA具有指纹感测像素列C_1～C_M。指纹感测像素列C_1包括指纹感测像素P11～P1N，指纹感测像素列C_2包括指纹感测像素P21～P2N，依此类推。在本实施例中，指纹感测像素阵列PA中的相同一行的指纹感测像素P11～PM1通过行扫描线SL_1接收行扫描信号RS1，相同一行的指纹感测像素P12～PM2通过行扫描线SL_2接收行扫描信号RS2，依此类推。读出电路110_1通过读出信号线POL_1耦接至指纹感测像素列C_1，读出电路110_2通过读出信号线POL_2耦接至指纹感测像素列C_2，依此类推。其中M、N是大于1的自然数。在一些实施例中，行扫描信号RS1～RSN可以通过串接的多个移位暂存器(shift register)产生，然本发明并不以此为限。
指纹感测像素P11～PMN各包括扫描开关以及热敏电流产生电路。举例来说，在图1中，指纹感测像素P11包括扫描开关120以及热敏电流产生电路130。扫描开关120通过行扫描线SL_1接收行扫描信号RS1，并且扫描开关120受控于行扫描信号RS1以被导通或被断开。扫描开关120可以是任何形式的晶体管开关。指纹感测像素P11的热敏电流产生电路130依据对应于指纹的指纹脊(fingerprint ridge)或指纹谷(fingerprint valley)的指纹感测像素P11来产生热敏电流。读出电路110_1通过被导通的扫描开关120以及读出信号线POL_1接收指纹感测像素P11所提供的热敏电流。并且读出电路110_1依据热敏电流产生指纹感测信号。因此指纹感测像素P11的热敏电流产生电路130可依据对应于指纹的指纹脊或指纹谷的指纹感测像素P11来产生热敏电流。读出电路110_1依据热敏电流产生指纹感测信号。如此一来，指纹感测装置100可不需配置加热元件以及加热电路而达到指纹感测的效果。
另值得一提的是，在本实施例中，指纹感测像素阵列PA的相同一行的指纹感测像素(如指纹感测像素P11～PM1)的扫描开关受控于相同的行扫描信号(如行扫描信号RS1)。因此的相同一行的指纹感测像素的扫描开关可同时被导通或同时被断开，并且不同一行的指纹感测像素的扫描开关不会同时被导通或同时被断开。如此一来，读出电路110_1～110_M可逐行地接收相同一行的指纹感测像素所提供的热敏电流，以进一步地产生多个指纹感测信号，指纹感测装置100可有效缩短全指纹的感测时间。
进一步来说明，请参考图2，图2是依据本发明另一实施例所绘示的指纹感测装置示意图。在图2的实施例中，指纹感测像素P1包括扫描开关220以及热敏电流产生电路230。扫描开关220具有第一端、第二端以及控制端，扫描开关220的第一端耦接至读出电路110。扫描开关220的第二端耦接至热敏电流产生电路230。扫描开关220的控制端则用以接收行扫描信号RS。热敏电流产生电路230包括晶体管TFTN以及热敏电阻RT1。晶体管TFTN是N型晶体管。晶体管TFTN具有第一端、第二端以及控制端。晶体管TFTN的第一端耦接至扫描开关220。晶体管TFTN的第二端耦接至热敏电阻RT1的第一端。晶体管TFTN的控制端用以接收偏压电压VB。偏压电压VB可例如是直流电压源。晶体管TFTN依据偏压电压VB而操作于饱和区的工作区域，使得晶体管TFTN第二端的电压准位可维持于固定的电压准位。热敏电阻RT1具有第一端以及第二端，热敏电阻RT1的第一端耦接至晶体管TFTN的第二端，热敏电阻RT1的第一端耦接至系统低电压GND(例如是0V)。热敏电流产生电路230可依据热敏电阻RT1的电阻值以及偏压电压VB的电压值来产生热敏电流Iout。热敏电流Iout的电流值可依据以下公式来取得。
i_RT1＝(v_bias–Vth_TFTN)/r_RT1……(公式1)
其中i_RT1是热敏电流Iout的电流值，v_bias是偏压电压VB的电压值，Vth_TFTN是晶体管TFTN的门槛电压值，而r_RT1是热敏电阻RT1的电阻值。也就是说，热敏电流Iout的电流值可依据热敏电阻RT1的电阻值的变化而改变。
在本实施例中，手指接触于指纹感测装置200的过程中，手指的指纹脊会直接地接触于指纹感测装置200，而手指的指纹谷则不会接触于指纹感测装置200。举例而言，感测环境的温度(例如是摄氏27度)例如是低于人体皮肤表面的温度(例如是摄氏36～37度)的情境下，并且热敏电阻RT1例如是负温度系数的热敏电阻。如果指纹感测像素P1对应于指纹脊，热敏电阻RT1会依据指纹脊的温度产生对应于指纹脊的第一电阻值。如果指纹感测像素P1对应于该指纹谷，热敏电阻RT1则会依据指纹谷的温度产生对应于指纹谷的第二电阻值。而指纹脊的温度实质上是接近或等于人体皮肤表面的温度，指纹谷的温度实质上是藉于感测环境的温度与人体皮肤表面的温度之间(例如是摄氏33～35度)。因此，在指纹脊的温度高于指纹谷的温度的情境下，第一电阻值实质上是低于第二电阻值。如此一来，对应于指纹脊的热敏电流Iout的电流值大于对应于指纹谷的热敏电流Iout的电流值。另举例而言，感测环境的温度(例如是摄氏40度)例如是高于人体皮肤表面的温度的情境下，并且热敏电阻RT1例如是负温度系数的热敏电阻。如此一来，对应于指纹脊的热敏电流Iout的电流值小于对应于指纹谷的热敏电流Iout的电流值。本发明的热敏电阻RT1可以是负温度系数的热敏电阻或是正温度系数的热敏电阻。
在一些实施例中，当指纹感测像素P1未对应于指纹脊及指纹谷，热敏电阻RT1依据环境温度(例如是摄氏27度)产生第三电阻值。热敏电流产生电路230依据偏压电压VB以及第三电阻值产生对应于环境温度的热敏电流Iout。对应于环境温度的热敏电流Iout的电流值不同于对应于指纹脊的热敏电流Iout的电流值以及对应于指纹谷的热敏电流Iout的电流值。
读出电路110包括运算放大器112、电阻R1以及电容C1。运算放大器112具有反向输入端、非反向输入端以及输出端。运算放大器112的反向输入端通过扫描开关220耦接至热敏电流产生电路230。运算放大器112的非反向输入端耦接至参考电压信号VA。运算放大器112的输出端用以输出指纹感测信号Sse。电阻R1耦接于运算放大器112的反向输入端与输出端之间。电容C1耦接于运算放大器112的反向输入端与输出端之间。读出电路110的运算放大器112可经由读出信号线POL以及被导通的扫描开关220接收热敏电流产生电路230所产生的热敏电流Iout。在本实施例中，参考电压信号VA可以是直流电压。本发明的参考电压信号VA可以是任何形式的电压信号，并不以本实施例为限。
进一步来说明指纹感测装置的操作方式，请同时参考图2及图3，图3是依据本发明一实施例所绘示的指纹感测装置的操作波形示意图。在图2及图3的实施例中，在停止感测期间T0，偏压电压VB的电压值是低电压准位(例如是0V)的状态，而参考电压信号VA同样是低电压准位(例如是0V)的状态(本实施例未示出参考电压信号VA的波形)。晶体管TFTN因为偏压电压VB的低电压准位而处于断开状态，并且参考电压信号VA同样是低电压准位，因此指纹感测信号Sse在停止感测期间T0实质上维持于参考电压信号VA的低电压准位。
当停止感测期间T0结束时，偏压电压VB的电压准位开始被抬升到高电压准位(例如是24V)，并且参考电压信号VA也开始被抬升到高电压准位(例如是10V)，开始进入第一感测期间T1。在第一感测期间T1，指纹感测像素P1的晶体管TFTN依据偏压电压VB的高电压准位而操作于饱和区的工作区域，因此热敏电流产生电路230开始依据指纹感测像素P1对应于手指的指纹脊或指纹谷来产生热敏电流Iout，由于行扫描信号RS的逻辑准位是低逻辑准位，因此扫描开关220是处于断开状态。因此，指纹感测信号Sse第一感测期间T1的波形等同于参考电压信号VA的波形。也就是指纹感测信号Sse在第一感测期间T1的电压准位实质上是等同于参考电压信号VA的电压准位。
当行扫描信号RS的逻辑准位被抬升到高逻辑准位，进入第二感测期间T2。
在第二感测期间T2，扫描开关220因为行扫描信号RS的高逻辑准位而被导通。读出电路110的运算放大器112可经由读出信号线POL以及被导通的扫描开关220接收热敏电流产生电路230所产生的热敏电流Iout。指纹感测信号Sse在第二感测期间T2的电压准位如以下公式2所示。
VH＝v_VA+(i_RT1)×r_R1……(公式2)
其中VH是纹感测信号Sse在第二感测期间T2的电压值，v_VA是参考电压信号VA的电压准位，r_R1是热敏电阻RT1的电阻值。也就是说，扫描开关220在第二感测期间T2被导通时，读出电路可依据电阻R1、热敏电流Iout以及参考电压信号VA产生指纹感测信号Sse。接下来结合公式1及公式2可取得公式3，如下所示。
VH＝v_VA+(v_bias–Vth_TFTN)×r_R1/r_RT1……(公式3)
基于上述的公式2或公式3，在第二感测期间T2，如果对应于指纹脊的热敏电流Iout的电流值大于对应于指纹谷的热敏电流Iout的电流值，则对应于指纹脊的指纹感测信号Sse的电压值VH则大于对应于指纹谷的指纹感测信号Sse的电压值VH。相反地，如果对应于指纹脊的热敏电流Iout的电流值小于对应于指纹谷的热敏电流Iout的电流值，则对应于指纹脊的指纹感测信号Sse的电压值VH则小于对应于指纹谷的指纹感测信号Sse的电压值VH。如此一来，指纹感测装置200可依据在第二感测期间T2的指纹感测信号Sse的电压值VH来判断指纹感测像素P1是对应于指纹脊或指纹谷。
在一些实施例中，指纹感测装置200还可以当指纹感测像素P1未对应于指纹脊及指纹谷时，产生未对应于指纹脊及指纹谷的指纹感测信号Sse的电压值VH。对应于环境温度的指纹感测信号Sse的电压值VH不同于对应于指纹脊的指纹感测信号Sse的电压值VH以及对应于指纹谷的指纹感测信号Sse的电压值VH。因此指纹感测装置200更可以依据在第二感测期间T2的指纹感测信号Sse的电压值VH，来判断指纹感测像素P1是对应于指纹脊、指纹谷或未接触手指。
请参考图4，图4是依据本发明再一实施例所绘示的指纹感测装置示意图。与图2不同的是，图4的指纹感测装置400的热敏电流产生电路430包括晶体管TFTP以及热敏电阻RT2。晶体管TFTP是P型晶体管。晶体管TFTP具有第一端、第二端以及控制端。晶体管TFTP的第一端耦接至系统低电压GND，晶体管TFTP的第二端耦接至热敏电阻RT2的第一端。晶体管TFTP的控制端用以接收偏压电压VB。在本实施例中，偏压电压VB可例如是直流电压源(例如是-24V)。晶体管TFTP依据偏压电压VB而操作于饱和区的工作区域，使得晶体管TFTP第二端的电压准位可维持于固定的电压准位。热敏电阻RT2具有第一端以及第二端，热敏电阻RT2的第一端耦接至晶体管TFTP的第二端，热敏电阻RT2的第一端耦接至扫描开关420的第二端。热敏电流产生电路430可依据热敏电阻RT2的电阻值以及偏压电压VB的电压值来产生热敏电流Iout。热敏电流Iout的电流值可依据以下公式来取得：
i_RT2＝(-v_bias+Vth_TFTP)/r_RT2……(公式4)
其中i_RT2是热敏电流Iout的电流值，v_bias是偏压电压VB的电压值，Vth_TFTP是晶体管TFTP的门槛电压值，而r_RT2是热敏电阻RT2的电阻值。关于指纹感测装置400的读出电路110与操作方式的实施细节，图2及图3已有详尽地说明，故恕不在此重述。
综上所述，本发明的指纹感测装置包括指纹感测像素阵列以及多个读出电路。指纹感测像素阵列具有多个指纹感测像素列。读出电路接收热敏电流产生电路所提供的热敏电流，并依据热敏电流产生指纹感测信号。因此，指纹感测装置不需配置加热元件以及加热电路。并且，指纹感测像素阵列的同一行多个指纹感测像素的扫描开关受控于相同的行扫描信号，多个读出电路可逐行地接收相同一行的指纹感测像素所提供的热敏电流以产生多个指纹感测信号。如此一来，指纹感测装置可有效地缩短全指纹的感测时间。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种指纹感测装置，其特征在于，包括：
一指纹感测像素阵列，具有多个指纹感测像素列，该些指纹感测像素列的各一包括多个指纹感测像素，该些指纹感测像素的各一包括：
一扫描开关，受控于一行扫描信号以被导通或被断开；以及
一热敏电流产生电路，依据对应于一指纹脊或一指纹谷的该指纹感测像素产生一热敏电流；以及
多个读出电路，分别耦接至该些指纹感测像素列，该些读出电路的各一通过被导通的该扫描开关接收对应于该扫描开关的该指纹感测像素所提供的该热敏电流，并依据该热敏电流产生一指纹感测信号，
其中该指纹感测像素阵列的同一行该些指纹感测像素的该扫描开关受控于相同的该行扫描信号。
2.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其特征在于，该扫描开关具有一第一端、一第二端以及一控制端，该扫描开关的该第一端耦接至该读出电路，该扫描开关的该第二端耦接至该热敏电流产生电路，该扫描开关的该控制端用以接收该行扫描信号。
3.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其特征在于，该热敏电流产生电路包括：
一晶体管，该晶体管具有一第一端、一第二端以及一控制端，该晶体管的该第一端耦接至该扫描开关，该晶体管的该控制端用以接收一偏压电压；以及
一热敏电阻，该热敏电阻具有一第一端以及一第二端，该热敏电阻的该第一端耦接至该晶体管的该第二端，该热敏电阻的该第一端耦接至一系统低电压。
4.根据权利要求3所述的指纹感测装置，其特征在于，当该指纹感测像素对应于该指纹脊，依据该指纹脊的温度产生一第一电阻值，当该指纹感测像素对应于该指纹谷，依据该指纹谷的温度产生一第二电阻值。
5.根据权利要求3所述的指纹感测装置，其特征在于，该晶体管依据该偏压电压操作于饱和区的工作区域。
6.根据权利要求3所述的指纹感测装置，其特征在于，该热敏电流产生电路依据该偏压电压以及该第一电阻值产生对应于该指纹脊的一第一热敏电流，依据该偏压电压以及该第二电阻值产生对应于该指纹谷的一第二热敏电流，
其中该第一热敏电流的电流值大于该第二热敏电流的电流值。
7.根据权利要求3所述的指纹感测装置，其特征在于，当该指纹感测像素未对应于该指纹脊及该指纹谷，该热敏电阻依据一环境温度产生一第三电阻值，并且该热敏电流产生电路依据该偏压电压以及该第三电阻值产生一第三热敏电流。
8.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其特征在于，该读出电路包括：
一运算放大器，具有一反向输入端、一非反向输入端以及一输出端，该运算放大器的该反向输入端通过该扫描开关耦接至该热敏电流产生电路，该运算放大器的该非反向输入端接收一参考电压信号，该运算放大器的该输出端用以输出该指纹感测信号；
一电阻，耦接于该运算放大器得该反向输入端与该输出端之间；以及
一电容，耦接于该运算放大器得该反向输入端与该输出端之间。
9.根据权利要求8所述的指纹感测装置，其特征在于，当该扫描开关被导通时，该读出电路依据该电阻、该热敏电流以及该参考电压信号产生该指纹感测信号。
10.根据权利要求8所述的指纹感测装置，其特征在于，当该扫描开关被断开时，该读出电路产生该参考电压信号。
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