CN108664856A - 指纹感测电路、指纹图像的处理方法与电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种指纹感测电路，包括多个感测元件与一感测电路。这些感测元件排列为多个行与多个列，其中每一个感测元件包括一个感测电极。感测电路在第一期间电连接至两个以上的感测元件中的感测电极以取得第一指纹灰阶值。

Description

指纹感测电路、指纹图像的处理方法与电子装置

技术领域

本发明是涉及一种指纹感测电路与指纹图像的处理方法。

背景技术

人类的指纹具有细节多、几乎是独特、不容易更改、而且在个人的生命中是耐用的(durable)等特性，这使得指纹很适合长期用来作为人类身分的识别。一般来说，一个指纹感测电路上有多个排列为阵列的感测电极，通过这些感测电极与人手指之间的电容量变化可以产生指纹图像，用来辨识出手指上的纹脊(ridge)和纹谷(valley)。感测电极与手指之间会设置一或多层绝缘层，当绝缘层很厚时，便不容易分辨出纹脊与纹谷。另一方面，当感测电极的面积增加时可以增加辨识能力，但会增加电路的面积或是降低指纹图像的分辨率。因此，如何在若干硬件限制之下产生较佳的指纹图像，为此领域技术人员所关心的议题。

发明内容

本发明的实施例提出一种指纹感测电路，包括多个感测元件与一感测电路。这些感测元件排列为多个行与多个列，其中每一个感测元件包括一个感测电极。感测电路在第一期间电连接至两个以上第一感测元件中的感测电极以取得第一指纹灰阶值。

在一些实施例中，在取得第一指纹灰阶值以后，感测电路在第二期间电连接至两个以上第二感测元件中的感测电极以取得第二指纹灰阶值。其中部分的第二感测元件与部分的第一感测元件相同。

在一些实施例中，第一感测元件的数目等于4，第二感测元件的数目等于4，第一感测元件与第二感测元件排列在第一列与第二列。第一感测元件排列在第一行与第二行。第二感测元件排列在第二行与第三行。

在一些实施例中，每一个感测元件还包括一转换开关，转换开关包括第一端、第二端与控制端，转换开关的第一端连接至对应的感测电极。指纹感测电路还包括第一导线与第二导线。第一导线对应至列，其中每一条第一导线电连接至其中一列中转换开关的控制端。多条第二导线分别对应至行并电连接至感测电路，其中每一条第二导线电连接至其中一行中转换开关的第二端。

在一些实施例中，指纹感测电路还包括行开关、列选择电路与行选择电路。行开关分别设置于第二导线上，且设置于感测元件与感测电路之间。列选择电路用以在第一期间传送第一信号至第一列与第二列所对应的第一导线以导通第一列与第二列中的转换开关。行选择电路用以在第一期间导通第一行与第二行所对应的行开关。

在一些实施例中，列选择电路用以在第二期间传送第一信号至第一列与第二列所对应的第一导线以导通第一列与第二列中的转换开关。行选择电路用以在第二期间导通第二行与第三行所对应的行开关。

以另一个角度来说，本发明的实施例提出一种指纹图像的处理方法，适用于电子装置，此电子装置包括指纹感测电路。指纹感测电路包括多个感测元件，每一个感测元件包括感测电极。处理方法包括：从指纹感测电路接收多个指纹灰阶值，这些指纹灰阶值分别对应至感测元件；以及将指纹灰阶值中的多个第一指纹灰阶值做加权总和以取得第一新指纹灰阶值以代替其中一个第一指纹灰阶值。

在一些实施例中，上述的处理方法还包括：将多个第二指纹灰阶值做加权总和以取得第二新指纹灰阶值以代替第二指纹灰阶值的其中之一，其中部分的第一指纹灰阶值是相同于部分的第二指纹灰阶值。

在一些实施例中，上述的第一指纹灰阶值的数目为4，第二指纹灰阶值的数目为4，第一指纹灰阶值的其中之二是分别相同于第二指纹灰阶值的其中之二。

在一些实施例中，上述的感测元件排列为多个行与多个列。第一指纹灰阶值是对应至多个第一感测元件，第二指纹灰阶值是对应至多个第二感测元件。第一感测元件与第二感测元件排列在第一列与第二列。第一感测元件排列在第一行与第二行。第二感测元件排列在第二行与第三行。

以另一个角度来说，本发明的实施例提出一种电子装置，包括指纹感测电路。此指纹感测电路包括多个感测元件与感测电路。感测元件排列为多个行与多个列，其中每一个感测元件包括一感测电极。感测电路在第一期间电连接至两个以上第一感测元件中的感测电极以取得第一指纹灰阶值。

通过上述的指纹感测电路与处理方法，可以提升指纹辨识能力。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是根据一实施例绘示电容式指纹感测的示意图；

图2是根据一实施例绘示指纹感测电路的示意图；

图3是根据一实施例绘示电子装置的示意图；

图4与图5是根据一实施例绘示指纹图像的示意图；以及

图6是根据一实施例绘示指纹图像的处理方法的流程图。

具体实施方式

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指次序或顺位的意思，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。另外，关于本文中所使用的“耦接”，可指二个元件直接地或间接地作电连接。也就是说，当以下描述“第一对象耦接至第二对象”时，第一对象与第二对象之间还可设置其它的对象。

图1是根据一实施例绘示电容式指纹感测的示意图。请参照图1，人的手指具有纹脊101和纹谷102。保护层110(或称绝缘层)的上表面是面对使用者，而保护层110的下表面设置有感测电极111、112。当手指接触保护层110时，纹脊101与保护层110的上表面之间的距离较短，而纹谷102与保护层110的上表面之间的距离较长。纹脊101与感测电极111之间形成有电容C_i，而纹谷102与感测电极112之间形成有彼此串连的电容C_i与电容C_a。此外，感测电极111、112与基板120之间形成有电容C_p。因此，感测电极111上所量测到的电容量(capacitance)会是C_p+C_i，而感测电极112上所量测到的电容量为C_p+C_i||C_a，通过量测这两个电容量，可以判断出纹脊101和纹谷102。一般来说，上述两个电容量之间的差越大时，越容易辨识出纹脊101和纹谷102。假设感测电极111、112的面积相同(都表示为A)，保护层110的厚度为d_i，纹谷102与保护层110之间的距离为d_a，保护层110的介电系数为ε_i，空气的介电系数为ε₀，则上述两个电容量之间的差可表示为以下方程序(1)。

从上述方程式(1)可以看出，当面积A越大时，两个电容量之间的差越大，即指纹辨识能力较好；当厚度d_i越大时，两个电容量之间的差越小，指纹辨识能力较差。本发明提出一种指纹感测电路，可以在不改变面积A与厚度d_i的情况下提升指纹辨识能力。

图2是根据一实施例绘示指纹感测电路的示意图。请参照图2，指纹感测电路200包括了多个感测元件210(1,1)～210(3,4)、列选择电路220、行选择电路230与感测电路240。为了简化起见，图2中仅绘示了12个感测元件，但本发明并不限制指纹感测电路200中感测元件的数目。这些感测元件210(1,1)～210(3,4)排列为4个行C1～C4与3个列R1～R3。每个感测元件210(1,1)～210(3,4)都包括了一个感测电极SE与转换开关TSW(为了简化起见，仅标示感测元件210(1,1)中的感测电极SE与转换开关TSW)，在图2中感测电极SE是绘示为电容。每个转换开关TSW都具有第一端、第二端与控制端，转换开关TSW的第一端是连接至对应的感测电极SE。指纹感测电路200还包括多条第一导线251～253与多条第二导线261～264。第一导线251～253分别是对应至列R1～R3，第二导线261～264分别是对应至行C1～C4。每一条第一导线251～253是电连接至对应的列中转换开关的控制端，例如，第一导线251是电连接至列R1中所有转换开关TSW的控制端，以此类推。每一条第二导线261～264是电连接至对应的行中转换开关的第二端。例如，第二导线261是电连接至行C1中所有转换开关TSW的第二端，以此类推。第一导线251～253会连接至列选择电路220。第二导线261～264会连接至感测电路240。行开关CSW1～CSW4是分别设置于第二导线261～264上，且设置于感测元件210(1,1)～210(3,4)与感测电路240之间。行选择电路230是用以导通或截止行开关CSW1～CSW4。

每个感测元件210(1,1)～210(3,4)都代表一个像素。在一些实施例中，感测电路240中具有模拟数字转换器241，用以根据感测电极SE上的电压来输出一个数值以作为灰阶值(以下称指纹灰阶值)，此数值会反应感测电极SE上的电容量，而所有的像素会组成一张指纹图像。在现有技术中，在一段感测期间内感测电路240会电连接至一个感测元件中的感测电极以取得一个指纹灰阶值。然而，在此实施例中，感测电路240在第一期间内会电连接至两个以上的感测元件(亦称第一感测元件)中的感测电极以取得一个指纹灰阶值(亦称第一指纹灰阶值)。举例来说，在第一期间感测电路240可以电连接至四个感测元件210(1,1)、210(1,2)、210(2,1)、210(2,2)以取得一个指纹灰阶值。在一些实施例中，在第一期间，感测电路240也可以电连接至两个感测元件210(1,1)、210(1,2)以取得一个指纹灰阶值，本发明并不限制感测电路240要电连接至哪几个感测元件以及多少个感测元件。在一些实施例中，感测电路240从感测电极所感测到的是自感电容(self capacitance)，当感测电路240电连接至多个感测电极时，这些感测电极会彼此电连接并连接至模拟数字转换器241，因此这些感测电极是彼此并联，等效来说会增加感测电极的面积，进而可以增加指纹感测的能力。

上述的第一期间所指的是产生指纹灰阶值所需要的时间，但本发明并不限制第一期间的长度为多少。在一些实施例中，在第一期间之后的第二期间内，感测电路240会电连接至两个以上的感测元件(亦称第二感测元件)中的感测电极以取得一个指纹灰阶值(亦称第二指纹灰阶值)，其中部分的第二感测元件与部分的第一感测元件相同。举例来说，第一感测元件为210(1,1)、210(1,2)、210(2,1)、210(2,2)，而第二感测元件可为210(1,2)、210(1,3)、210(2,2)、210(2,3)，其中感测元件210(1,2)、210(2,2)是重叠的感测元件。以另外一个角度来说，在上述例子中，第一感测元件的数目为4，第二感测元件的数目也为4，第一感测元件与第二感测元件是排列在第一列R1与第二列R2，第一感测元件是排列在第一行C1与第二行C2，第二感测元件排列在第二行C2与第三行C3。

具体来说，在第一期间，列选择电路220会传送第一信号(例如，高准位的信号)至第一列R1与第二列R2所对应的第一导线251、252以导通第一列R1与第二列R2中的转换开关TSW。另一方面，行选择电路230会在第一期间导通第一行C1与第二行C2所对应的行开关CSW1、CSW2。如此一来，感测元件210(1,1)、210(1,2)、210(2,1)、210(2,2)中的感测电极SE都会电连接至感测电路240，而模拟数字转换器241会输出第一指纹灰阶值。

在第二期间，列选择电路220会传送第一信号至第一列R1与第二列R2中的转换开关TSW的控制端。另一方面，行选择电路230会导通第二行C2与第三行C3所对应的行开关CSW2、CSW3。如此一来，感测元件210(1,2)、210(1,3)、210(2,2)、210(2,3)中的感测电极都会电连接至感测电路240，而模拟数字转换器241会输出第二指纹灰阶值。

在一些实施例中，在第三期间，感测电路240是电连接至感测元件210(1,3)、210(1,4)、210(2,3)、210(2,4)；在第四期间，感测电路240是电连接至感测元件210(1,4)、210(2,4)；在第五期间，感测电路240是电连接至感测元件210(2,1)、210(2,2)、210(3,1)、210(3,2)。换言之，虽然感测电路240是使用多个感测元件来产生一个指纹灰阶值，但由于不同期间所使用的感测元件是部分地重叠，因此所产生的指纹图像的分辨率并不会改变。

图3是根据一实施例绘示电子装置的示意图，请参照图3，电子装置300包括了上述的指纹感测电路200与逻辑运算电路301。电子装置300可以是智能型手机、平板计算机、个人计算机、笔记本电脑、工业计算机或各种形式的便携设备等，本发明并不在此限。逻辑运算电路301可以是中央处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器、基频处理器、图像处理芯片或特殊应用集成电路等。或者，逻辑运算电路301也可以和指纹感测电路200整合在一个电路中。在一些实施例中，指纹感测电路200是根据上述实施例来运作，而所取得指纹灰阶值会传送给逻辑运算电路301，其可以做后续的指纹辨识等程序。在一些实施例中，指纹感测电路200也可以根据现有的方式来取得指纹灰阶值，即每个指纹灰阶值是对应至一个感测电极(而不是多个感测电极)，但逻辑运算电路301会执行一个指纹图像的处理方法以提升指纹辨识能力。

图4是根据一实施例绘示指纹图像的示意图。请参照图2至图4，指纹图像400包括了指纹灰阶值410(1,1)～410(3,4)，其是分别对应至感测元件210(1,1)～210(3,4)。在图4的实施例中，每个指纹灰阶值是根据一个感测电极上的电压所取得的数值。颜色相对较暗的指纹灰阶值410(1,1)、410(1,2)、410(2,2)、410(2,3)、410(3,3)、410(3,4)是代表纹谷，而其它颜色相对较亮的指纹灰阶值则是代表纹脊。在图4中，纹脊与纹谷的灰阶值差异较小，因此不容易分辨出两者。然而，逻辑运算电路301会接收这些指纹灰阶值410(1,1)～410(3,4)，并且将其中多个指纹灰阶值(亦称第一指纹灰阶值)做加权总和以取得新指纹灰阶值(亦称第一新指纹灰阶值)来代替原本的一个指纹灰阶值。上述运算可以表示为以下方程序(2)。

I′_(i,j)∈C＝∑_(m,n)∈Cw_m,n×I_m,n…(2)

I′_(i,j)表示第i行第j列的新指纹灰阶值。C为一个集合，包括多个坐标，其中坐标(i,j)属于C集合。w_m,n为实数，I_m,n表示第m行第n列的指纹灰阶值，并且每个坐标(m,n)都属于C集合。举例来说，C集合包括了(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)，而(i,j)＝(1,1)。换言之，在图4中是将第一指纹灰阶值410(1,1)、410(1,2)、410(2,1)、410(2,2)做加权总合以取得第一新指纹灰阶值来代替原本的指纹灰阶值410(1,1)。在一些实施例中，上述的权重w_m,n都为1/4，因此上述例子中是计算第一指纹灰阶值410(1,1)、410(1,2)、410(2,1)、410(2,2)的平均。然而，在一些实施例中，上述的权重w_m,n也可以都为1，或者权重w_m,n也可以不相同。例如，w_1,1可以设定的相对较大，而其它权重w_1,2、w_2,1、w_2,2可以设定的相对较小，本发明并不限制权重w_m,n的数值。

在一些实施例中，在计算出新的指纹灰阶值410(1,1)以后，逻辑运算电路301也可以对指纹灰阶值410(1,2)、410(1,3)、410(2,2)、410(2,3)做加权总合以取得一个新指纹灰阶值来代替指纹灰阶值410(1,2)。以另外一个角度来说，指纹灰阶值410(1,2)、410(1,3)、410(2,2)、410(2,3)可被称为第二指纹灰阶值，其中部分的第二指纹灰阶值是相同于部分的第一指纹灰阶值。也就是说，指纹灰阶值410(1,2)、410(2,2)会被重复使用。

在上述实施例中，是对4个指纹灰阶值做加权总和以取代原本的一个指纹灰阶值，其中2个指纹灰阶值会重复使用。但在其它实施例中，也可以对N个指纹灰阶值做加权总合以取代原本的一个指纹灰阶值，其中M个指纹灰阶值会重复使用，N为大于1的正整数，M为小于N的正整数。举例来说，可以将指纹灰阶值410(1,1)、410(1,2)、410(1,3)、410(2,1)、410(2,2)、410(2,3)、410(3,1)、410(3,2)、410(3,3)做加权总和以取代指纹灰阶值410(2,2)；并且对指纹灰阶值410(1,2)、410(1,3)、410(1,4)、410(2,2)、410(2,3)、410(2,4)、410(3,2)、410(3,3)、410(3,4)做加权总和以取代指纹灰阶值410(2,3)。

在经过上述的运算以后，会产生如图5所示的指纹图像，包括了指纹灰阶值510(1,1)～510(3,4)。其中颜色相对较暗的指纹灰阶值510(1,1)、510(1,2)、510(2,2)、510(2,3)、510(3,3)、510(3,4)是代表纹谷，而其它颜色相对较亮的指纹灰阶值则是代表纹脊。相较于图4，图5中的纹脊与纹谷的灰阶值差异较大，因此可提升指纹辨识能力。

图6是根据一实施例绘示指纹图像的处理方法的流程图。此处理方法适用于上述指纹感测电路。请参照图6，在步骤S601中，从指纹感测电路接收多个指纹灰阶值，这些指纹灰阶值是对应至感测元件。在步骤S602中，将多个第一指纹灰阶值做加权总和以取得第一新指纹灰阶值以代替其中一个第一指纹灰阶值。在一些实施例中，此处理方法还包括步骤S603，将多个第二指纹灰阶值做加权总和以取得第二新指纹灰阶值以代替其中一个第二指纹灰阶值，其中部分的第一指纹灰阶值是相同于部分的第二指纹灰阶值。然而，图6中各步骤已详细说明如上，在此便不再赘述。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

符号说明：

101：纹脊

102：纹谷

110：保护层

111、112：感测电极

120：基板

C_i、C_p、C_a：电容

200：指纹感测电路

210(1,1)～210(3,4)：感测元件

220：列选择开关

230：行选择开关

SE：感测电极

TSW：转换开关

R1～R3：列

C1～C4：行

251～253：第一导线

261～264：第二导线

CSW1～CSW4：行开关

240：感测电路

241：模拟数字转换器

300：电子装置

301：逻辑运算电路

400：指纹图像

410(1,1)～410(3,4)、510(1,1)～510(3,4)：指纹灰阶值

S601～S603：步骤

Claims (11)

1.一种指纹感测电路，包括：

多个感测元件，排列为多个行与多个列，其中所述多个感测元件中的每一个包括感测电极；以及

感测电路，在第一期间电连接至所述多个感测元件中两个以上第一感测元件中的所述感测电极以取得第一指纹灰阶值。

2.如权利要求1所述的指纹感测电路，在取得所述第一指纹灰阶值以后，所述感测电路在第二期间电连接至所述多个感测元件中两个以上第二感测元件中的所述感测电极以取得第二指纹灰阶值，其中所述两个以上第二感测元件中的部分与所述两个以上第一感测元件中的部分相同。

3.如权利要求2所述的指纹感测电路，其中所述两个以上第一感测元件的数目等于4，所述两个以上第二感测元件的数目等于4，所述两个以上第一感测元件与所述两个以上第二感测元件排列在所述多个列中的第一列与第二列，

所述两个以上第一感测元件排列在所述多个行中的第一行与第二行，

所述两个以上第二感测元件排列在所述多个行中的所述第二行与第三行。

4.如权利要求3所述的指纹感测电路，其中所述多个感测元件中的每一个还包括转换开关，所述转换开关包括第一端、第二端与控制端，所述转换开关的所述第一端连接至对应的所述感测电极，所述指纹感测电路还包括：

多条第一导线，对应至所述多个列，其中所述多条第一导线中的每一条电连接至所述多个列的其中之一列中所述多个转换开关的所述多个控制端；以及

多条第二导线，分别对应至所述多个行并电连接至所述感测电路，其中所述多条第二导线中的每一条电连接至所述多个行的其中之一行中所述多个转换开关的所述多个第二端。

5.如权利要求4所述的指纹感测电路，还包括：

多个行开关，分别设置于所述多条第二导线上，且设置于所述多个感测元件与所述感测电路之间；

列选择电路，用以在所述第一期间传送第一信号至所述第一列与所述第二列所对应的所述多条第一导线以导通所述第一列与所述第二列中的所述多个转换开关；以及

行选择电路，用以在所述第一期间导通所述第一行与所述第二行所对应的所述多个行开关。

6.如权利要求5所述的指纹感测电路，其中所述列选择电路用以在所述第二期间传送所述第一信号至所述第一列与所述第二列所对应的所述多条第一导线以导通所述第一列与所述第二列中的所述多个转换开关，

其中所述行选择电路用以在所述第二期间导通所述第二行与所述第三行所对应的所述多个行开关。

7.一种指纹图像的处理方法，适用于电子装置，所述电子装置包括指纹感测电路，所述指纹感测电路包括多个感测元件，所述多个感测元件中的每一个包括感测电极，所述处理方法包括：

从所述指纹感测电路接收多个指纹灰阶值，其中所述多个指纹灰阶值分别对应至所述多个感测元件；以及

将所述多个指纹灰阶值中的多个第一指纹灰阶值做加权总和以取得第一新指纹灰阶值以代替所述多个第一指纹灰阶值的其中之一。

8.如权利要求7所述的处理方法，还包括：

将所述多个指纹灰阶值中的多个第二指纹灰阶值做加权总和以取得第二新指纹灰阶值以代替所述多个第二指纹灰阶值的其中之一，其中所述多个第一指纹灰阶值中的部分与所述多个第二指纹灰阶值中的部分相同。

9.如权利要求8所述的处理方法，其中所述多个第一指纹灰阶值的数目为4，所述多个第二指纹灰阶值的数目为4，所述多个第一指纹灰阶值的其中之二分别与所述多个第二指纹灰阶值的其中之二相同。

10.如权利要求9所述的处理方法，其中所述多个感测元件排列为多个行与多个列，所述多个第一指纹灰阶值是对应至所述多个感测元件中的多个第一感测元件，所述多个第二指纹灰阶值是对应至所述多个感测元件中的多个第二感测元件，

所述多个第一感测元件与所述多个第二感测元件排列在所述多个列中的第一列与第二列，

所述多个第一感测元件排列在所述多个行中的第一行与第二行，

所述多个第二感测元件排列在所述多个行中的所述第二行与第三行。

11.一种电子装置，包括：

指纹感测电路，包括：

多个感测元件，排列为多个行与多个列，其中所述多个感测元件中的每一个包括感测电极；以及

感测电路，在第一期间电连接至所述多个感测元件中两个以上第一感测元件中的所述感测电极以取得第一指纹灰阶值。