CN108700469B

CN108700469B - 用于采集热图案的方法

Info

Publication number: CN108700469B
Application number: CN201680070165.3A
Authority: CN
Inventors: 珍-弗朗索瓦·曼盖; 约珥·扬·富雷
Original assignee: French Itimia Identity And Security Co
Current assignee: French Itimia Identity And Security Co
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: EP3384256A1; CN108700469A; BR112018010986A2; EP3384256B1; FR3044443A1; US20200311366A1; US10909345B2; BR112018010986B1; FR3044443B1; WO2017093176A1

Abstract

用于通过传感器采集热图案的方法，该传感器包括多个像素，该像素各自包括热敏测量元件，传感器包括用于加热测量元件的元件，该方法包括对每个像素执行下述步骤：第一加热步骤(202)，在该第一加热步骤中，在测量元件中耗散第一总量的加热功率；测量热图案的第一步骤(204)，该测量热图案的第一步骤包括在第一延迟时间之后对热敏测量元件进行第一读出；第二加热步骤(206)，在该第二加热步骤中，在测量元件中耗散第二总量的加热功率；测量热图案的第二步骤(208)，该测量热图案的第二步骤包括在第二延迟时间之后进行第二读出；并且其中第一总量的功率与第二总量的功率不同和/或第一延迟时间的长度与第二延迟时间的长度不同。

Description

用于采集热图案的方法

技术领域

本发明涉及一种用于采集热图案的方法，在该方法期间，在实施方法所使用的传感器的每个像素处对热图案执行多次测量。有利地，实施该方法通过热检测来执行指纹采集。

背景技术

生产包括热检测装置的指纹传感器是已知的。这些热检测装置可对应于热电元件、二极管、热敏电阻或任何其它的热敏元件，其能够将温度的变化转换为敏感元件的另一参数的变化，诸如在热敏元件的端子处的电势的变化、由热敏元件产生的电流的变化或替代地为热敏元件的电阻的变化。

如在文本US 4 394 773、US 4 429 413和US 6 289 114中所描述的，可通过利用手指与传感器之间的温度差的所谓的“被动式”传感器来执行指纹检测。然而，这些传感器具有下述缺陷：这些传感器执行的测量唯独取决于手指与传感器之间的温度差。因此，可能发生当手指与传感器处于同一温度时所得到的信号的电平为零，或者可能发生采集到的图像的对比度变化，于是这在对采集到的图像进行后续处理的过程中会造成问题。

为了消除由被动式热传感器造成的这些问题，以及还为了能够执行手指不移动的静态采集，提出了所谓的“主动式”传感器，诸如例如在文本US 6 091 837和EP 2 385 486A1中描述的传感器。在这种主动式传感器中，每个像素包括由两个导电电极形成的热电电容和加热元件，热电材料材质的部分被布置在这两个导电电极之间。

在手指存在于传感器上的情况下，该加热元件在像素中(尤其是在该热电材料材质的部分中)耗散一定量的热量，并且在一定的采集时间结束时测量像素的热度。

这使得能够取决于热量是被皮肤吸收(存在指纹的隆起部的像素)还是被保留在像素中(存在指纹的凹部的像素)而在每个像素处区分测量到的指纹的隆起部或凹部的存在。这导致在像素存在隆起部的情况下最终温度较低，在该像素处热量被皮肤吸收，这与存在凹部的像素不同，在存在凹部的像素处热量未被皮肤吸收并且保持在像素的水平。

首先，这种传感器使得能够测量与传感器接触的要素(在指纹采集的过程中为手指)的热容(也称为比热或比热容)。得到的测量值还取决于传感器与要素的存在的部分(在指纹的情况下为隆起部或凹部)之间的热导率。

加热元件通常利用焦耳效应来从被供应电流的电阻式元件耗散热量。有利地，形成像素的技术叠组的层中的一个层被用于形成这些加热元件。例如，如果用于形成传感器的晶体管和互连件的传导层中的一个传导层包括具有合适的电阻率的传导材料并且能够满足对这一个传导层施加在传感器中已经可利用的电压中的一个电压，例如传感器的供电电压，则可以使用所述传导层中的一个层来通过焦耳效应产生热量。当传感器包括形成在玻璃衬底上的TFT(薄膜晶体管，Thin-Film Transistor)类型的晶体管时，尤其使用所述传导层中的一个层。

这种传感器的像素被布置成形成具有多行与多列的矩阵。通常逐行地执行对像素的读取。于是也可凭借在每行的开头处的晶体管来逐行地控制加热元件，这使得能够不必在像素中添加仅用于控制对像素的加热的控制晶体管。加热元件的每行例如在像素矩阵的一侧被连接至地，在另一侧被连接至控制晶体管，该控制晶体管被连接至合适的电源，以这种方式来控制流过加热元件的电流并因此控制由于焦耳效应而由所述加热元件注入到像素中的热功率。

在传统地利用具有主动热检测的传感器读取热图案的期间，以同一种方式以及以节奏相同的有规律的方式(即，具有对于所有像素均相同的固定的延迟时间)读取传感器的所有像素。对应于在其期间像素执行热图案测量的持续时间的该延迟时间通常被调整，以这种方式使得得到指纹的隆起部与凹部之间的最大对比度，即，该延迟时间足够长以得到对噪声电平而言较高的信号。然而，该延迟时间切不可过长，以使得测量持续时间保持为能够被使用者接受，以及使得测量不会被手指在传感器表面上可能的移动所扰乱。

因为较长的延迟时间具有增大得到的图像的对比度的优点，但另一方面意味着更大的透热，即相邻的像素之间发生更大的热量散发，导致得到的图像产生一定程度的模糊不清，所以必须寻求一种折中。更短的延迟时间使得能够减小这种透热，但转而造成得到的图像的对比度更低以及造成某些寄生要素(诸如水或油脂的残留物或液滴)与其热图案被采集的要素的部分同化，例如与指纹的隆起部同化。

注意到皮肤的热特性取决于其含水量水平而变化。例如，具有约等于100％的含水量水平的皮肤的热导率(单位为W/m/K)与具有约等于0％的含水量水平的皮肤的热导率之间的比约等于10。皮肤越干燥，其传导的热量越少。然而，干燥的皮肤传导热量要比空气好得多。另外，通过考虑空气、水以及具有不同的含水量水平的皮肤的热逸散率(effusivitéthermique)(其对应于热导率与体积热量的乘积，并且其特征在于交换热能的能力)和热扩散率(其对应于热导率除以体积热量，并且其特征在于要素在其中扩散热量的速率)，可注意到以下几点：

-空气在其中快速地扩散热量，但对与空气接触的另一要素传递热量非常不良；

-水在其中扩散热量比空气慢100倍，但另一方面，水对与水接触的另一要素交换热量比空气快300倍；

-完全脱水的皮肤在其中扩散热量比水或100％含水的皮肤少5倍，并且对与其接触的另一要素交换热量比水或100％含水的皮肤少5倍。

因此，其热图案被测量的要素的潮湿水平(例如其指纹被采集的皮肤的含水量水平)的变化对采集到的热图案的图像具有影响。

另外，现有技术的传感器中没有传感器利用与在指纹采集期间存在于传感器上的皮肤的含水量水平有关的该额外信息，或者更概括地说，没有传感器利用与在对一个或多个要素的热图案进行测量期间存在于传感器上的该要素或这些要素的潮湿水平有关的信息，以改善热图案的采集质量。

发明内容

本发明的目标是提出一种用于采集热图案的方法，该方法使得能够改善热图案的采集质量和/或能够利用与其热图案被测量的要素的湿度水平相关联的信息，例如在指纹采集期间的与皮肤的含水量水平相关联的信息。

为此，本发明提出了一种用于通过传感器采集热图案的方法，该传感器包括多个像素，该像素各自包括至少一个热敏测量元件，传感器进一步包括至少一个加热元件，该加热元件能够在通过所述像素的热敏测量元件对热图案进行测量的期间对所述像素中的每个像素的热敏测量元件进行加热，该方法至少包括对所述像素中的每个像素执行下述步骤：

-对像素的热敏测量元件进行加热的第一步骤，在该第一步骤中，在像素的热敏测量元件中耗散第一加热功率；

-对存在于像素上的热图案进行测量的第一步骤，包括在第一延迟时间之后对像素的热敏测量元件的至少一个温度可变参数进行第一读出；

-对像素的热敏测量元件进行加热的第二步骤，在该第二步骤中，在像素的热敏测量元件中耗散第二总量的加热功率；

-对存在于像素上的热图案进行测量的第二步骤，包括在第二延迟时间之后对像素的热敏测量元件的温度可变参数进行第二读出；

并且其中，第一功率的值与第二功率的值不同和/或第一延迟时间的值与第二延迟时间的值不同。

根据本发明的方法提出了在每个像素处以不同的延迟时间和/或不同的加热功率来读取热图案，例如指纹的热图案，以通过这些测量得到不同类型的热信息，这些测量可被视作为在存在于传感器上的一个或多个要素中的不同深度处执行的热测量，因为热的传导根据延迟时间的值和/或耗散的功率的值不同而不同。

通过例如执行使得其耗散低的第一加热功率的第一加热和/或通过以短的第一延迟时间对热图案执行第一测量，得到了由所谓的“表面”信息形成的第一图像，即，该第一图像对应于在一个或多个要素的小的深度处对热图案进行的测量。这来自于下述事实：通过执行耗散低的功率的加热和/或通过以短的延迟时间对热图案执行测量，由加热产生的热量没有时间传导到其热图案被测量的一个或多个要素的很大的深度。利用耗散更大功率的第二加热和/或利用以更长的延迟时间对热图案进行的第二测量产生的第二图像另一方面包括涉及存在于传感器上的一个或多个要素的更大深度处的部分的信息。该第二测量例如使得能够读取存在于在传感器上发现的残留物后面的一个或多个要素的热图案。另一方面，在这种情况下，该第二测量揭示了对于给定的深度，存在于传感器上的要素的细节较少是由于下述事实造成的：因为耗散的功率更大和/或延迟时间更长，所以在该第二测量期间的透热大于在第一测量期间发生的透热。

因此，根据这两个图像，由于下述事实可以改善所作的采集的质量：这些图像中含有的信息可以被结合以仅保存每个图像中的相关信息。当利用热指纹传感器实施该方法以采集手指的细致的细节(利用短的延迟时间和/或低的耗散功率得到)以及指纹的处于更大深度的其它特征(利用长的延迟时间和/或高的耗散功率得到)时，该方法是尤其有利的，同时该方法从最终的图像消除了存在于传感器上的残留物的可能的痕迹。

此外，通过监测从一个图像到下一图像的温度的演变，可以从该演变推算出与存在于传感器上并且其热图案被测量的一个或多个要素的湿度水平有关的信息，例如其指纹被采集的皮肤的含水量水平。

延迟时间被限定为是通过像素开始测量所在的时刻(例如像素开始蓄积由测量而产生的电荷所在的时刻)与读取该像素的时刻(例如在延迟时间期间在像素中蓄积的电荷被输送到读取电路中所在的时刻)之间的持续时间。

表述“能够在通过所述像素的热敏测量元件对热图案进行测量期间对所述像素的热敏测量元件进行加热”是指得到的加热足够多，使得在一定的测量时间(延迟时间)结束时得到的测量(即，热敏测量元件的温度可变参数的、对应于测量到的温度差的变化)对于检测热图案而言是有效的。得到的加热可使得当测量的热图案对应于指纹时，可得到热敏测量元件的、与皮肤接触的像素和不与皮肤接触的像素之间的温度的变化至少为0.5K，例如约1K。对该温度变化的值的选择尤其取决于热敏测量元件的敏感度、像素的尺寸和传感器的读取电路的噪声。

表述“热图案”是指能够由传感器检测的物体的热特性的空间分布，例如指纹的图案。

第一延迟时间的值可以小于第二延迟时间的值，和/或第一功率的值可以小于第二功率的值。

第一延迟时间与第二延迟时间之间的比可介于约2到10之间(其中例如第一延迟时间等于约100μs，第二延迟时间等于约1ms)，和/或第一加热功率与第二加热功率之间的比可大于或等于10(其中例如第一加热功率等于约1mW，第二加热功率等于约10mW)。

可以以在固定不变的功率下的连续加热阶段的形式来实施对像素的热敏测量元件进行加热的第一步骤和第二步骤。

在对存在于每个像素上的热图案进行第二测量之后，方法可进一步包括对热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤，该第一图像和第二图像分别对应于热图案的所有第一测量值和热图案的所有第二测量值，该对热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤包括对第一图像和第二图像进行的至少一次比较和/或至少一次线性结合。因此，可以确定在对热图案的第一测量与第二测量之间在每个像素处的温度的演变，这尤其使得能够辨识残留物和/或水或油脂的液滴存在于某些像素上、存在于传感器上的要素的不同湿度或含水量水平以及在采集指纹的情况下，能够辨识空气或皮肤存在于每个像素上，即在每个像素上存在指纹的隆起部或凹部。

进行处理的该步骤可根据热图案的第一图像和第二图像形成新的图像，该新的图像可代表第一图像与第二图像的比较和/或线性结合。

在这种情况下，在对存在于像素的每个像素上的热图案进行的第二测量与对热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤之间，方法可进一步包括对第二图像进行反卷积的步骤。由数字处理执行的这种反卷积使得能够修正存在于第二图像中的透热的影响，以使得第二图像与第一图像在采集到的热图案的细节的准确性方面是相似的。

在对热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤之后，方法可进一步包括根据数据对指纹的隆起部和凹部进行辨识的步骤，该数据来自对热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤。

在对指纹的隆起部和凹部进行辨识的步骤之后，方法可进一步包括：

-根据算图或函数计算出其热图案被测量的皮肤的含水量水平的步骤，该函数根据在对其上辨识出隆起部的像素进行热图案的测量期间得到的结果表达含水量水平，或者

-计算出在对其上辨识出隆起部的第一像素进行热图案的第二测量期间得到的测量值与在对其上辨识出凹部的第二像素进行热图案的第二测量期间得到的测量值之间的测量值差的步骤，之后是根据算图或函数计算出其热图案被测量的皮肤的含水量水平的步骤，该函数根据指纹的隆起部与凹部之间的测量值差表达含水量水平。

得到的含水量水平可用于区分某些类型的例如由硅树脂或明胶制成的假的手指，该假的手指的热特性与真实的手指的热特性相差得足够远。

方法可以使得：

-每个热敏测量元件包括至少一个热电电容，该至少一个热电电容由被布置在第一电极与第二电极之间的至少一个热电材料材质的部分形成；

-加热元件能够发出辐射，该加热元件通过焦耳效应对所述像素的热电电容的热电材料材质的部分进行加热；

-对像素的热敏测量元件进行的第一加热包括将第一加热电压施加到加热元件的端子，该加热元件通过焦耳效应在像素的热电电容的热电材料材质的部分中耗散第一加热功率；

-对存在于像素上的热图案进行的第一测量包括读出在第一延迟时间期间由像素产生的电荷；

-对像素的热敏测量元件进行的第二加热包括将第二加热电压施加到加热元件的端子，该加热元件通过焦耳效应在像素的热电电容的热电材料材质的部分中耗散第二加热功率；

-对存在于像素上的热图案进行的第二测量包括读取在第二延迟时间期间由像素产生的电荷；

在替代方案中，方法可以使得：

-每个热敏测量元件包括至少一个热电电容，该至少一个热电电容由被布置在第一电极与第二电极之间的至少一个热电材料材质的部分形成，以及

-加热元件能够发出光辐射，该光辐射用于对像素的热电电容的热电材料材质的部分进行加热。

由加热元件发出的光辐射可被定向在像素的保护层上和/或像素的第一电极和第二电极中的一个上。

通过光辐射对热电材料材质的部分进行的这种加热可通过照射热电材料材质的部分而直接进行，或者通过加热不是热电材料材质的部分的其它元件(例如热电电容的电极或这些热电电容的表面保护层，或者替代地专用于通过光辐射进行的这种加热的特定的层)而间接地进行，所述其它元件通过传导将热量传递到热电材料材质的部分。

总体而言，可使用不是之前描述的那些的其它类型的传感器和/或其它类型的加热装置来实施本发明的方法。例如，传感器的热敏测量元件可以是热敏电阻。

可以以彼此间隔开的方式实施对传感器的像素的热敏测量元件进行加热的两个步骤，其中在两个加热步骤之间具有延迟时间。在替代方案中，可以以对像素进行加热的连续的阶段的形式实施两个加热步骤，在这种情况下具有第二延迟时间，该第二延迟时间大于第一延迟时间，所述两个延迟时间在同一时刻开始。

在之前描述的实施例中，仅描述了两个加热步骤和两个延迟时间。总体而言，方法可包括以n个加热功率实施的n个加热步骤，以及以n个延迟时间对热图案执行的n次测量，n是大于或等于2的整数。通过使得能够选择在不同深度处对热图案执行的测量的数量，可以表征出被置于传感器上的物质的每层的细致结构。

传感器可进一步包括光学检测元件或电容性检测元件，该光学检测元件或电容性检测元件与包括热敏测量元件的像素交错。

可以以非零的延迟将开始第一加热和开始第一延迟时间隔开，并且方法可进一步包括通过在所述延迟结束时读取像素的热敏测量元件的温度可变参数来对存在于像素上的热图案实施初步测量，之后根据对热图案的初步测量来估计传感器的像素之间的不一致。

附图说明

通过阅读出于完全说明性而并非限制性的目的给出的示例性实施例的描述并且通过参照附图，本发明将被更好地理解，在附图中：

-图1示出了传感器的像素的热电电容的剖面图，该传感器可被用于实施作为本发明的主题的用于采集热图案的方法；

-图2示出了传感器的一部分的俯视图，该传感器可被用于实施作为本发明的主题的用于采集热图案的方法；

-图3示出了用于读取传感器的像素的电路的第一示例性实施例，该传感器用于实施作为本发明的主题的用于采集热图案的方法；

-图4示出了根据特定实施例的作为本发明的主题的用于采集热图案的方法的步骤；

-图5示出了用于读取传感器的像素的电路的第二示例性实施例，该传感器用于实施作为本发明的主题的用于采集热图案的方法；

-图6示出了包括光学检测像素矩阵的传感器的一部分的俯视图，该光学检测像素矩阵与根据第一示例性实施例的热检测像素交错；

-图7示出了包括光学检测像素矩阵的传感器的一部分的俯视图，该光学检测像素矩阵与根据第二示例性实施例的热检测像素交错；

后文描述的不同附图的相同、相似或等效的部分带有相同的附图标记，以使得更易于从一个附图转到下一个附图。

附图中示出的不同部分并不必须按照统一的比例，以便使附图更加清楚。

不同的可能性(替代方案和实施例)应被理解为不相互排斥并且可被组合在一起。

具体实施方式

首先参照图1，图1示出了像素102的热电电容的剖面图，该热电电容形成了热图案传感器100的像素102的热检测元件或热敏测量元件。该传感器100对应于下述传感器的示例：该传感器可被用于实施用于如后文所述地通过对传感器的每个像素进行多次测量来采集热图案的方法。

传感器100包括衬底104，该衬底例如对应于玻璃衬底或半导体衬底(例如硅)。当传感器100被制成为具有TFT晶体管时可使用由玻璃制成的衬底104，而当传感器100包括使用MOS技术制成的晶体管时可使用由例如为硅的半导体制成的衬底104。衬底104还可以是柔性的衬底，例如包括聚酰亚胺或PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯，polyéthylène naphtalate)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyéthylène téréphtalate)，传感器100的电子元件通过印刷电子技术(例如通过具有喷墨类型的打印头的产品)或通过平版印刷术被制成在该柔性的衬底上。

传感器100的像素102被布置成形成具有多行和多列像素102的矩阵。在平面(X，Y)(即衬底104的平面)中，像素102的间距例如介于约25μm到100μm之间。在具有等于500dpi(每英寸点数，dot per inch)的分辨率的标准传感器100的情况下，像素102的间距等于50.8μm。

传感器100的像素102中的每一个包括在这里由热电电容形成的热敏测量装置或热检测装置。每个热电电容包括热电材料材质的部分106，该部分被布置在下部电极108与上部电极110之间。有利地，部分106的热电材料为聚偏二氟乙烯或PVDF，或者为聚偏氟乙烯-三氟乙烯或P(VDF-TrFE)。在替代方案中，部分106的热电材料可以为AlN或PZT，或者为任何其它的适于形成热电电容的热电材料。部分106的厚度例如介于约500nm到10μm之间。

电极108、110各自包括至少一种导电材料，例如金属材料(诸如具有约等于0.2μm厚度的钛，和/或钼和/或铝)和/或导电氧化物(诸如ITO(氧化铟锡，indium tin oxide))和/或导电聚合物。电极108、110中的一个(有利地，为上部电极110)或者两个电极108、110中的每一个可由数种导电材料的叠组(例如Ti/TiN/AlCu叠组)形成。电极108、110中的每一个的厚度例如介于约0.1μm到1μm之间。

例如与AlN层或任何其它适于产生保护层的材料的层相对应的保护层109覆盖上部电极110。保护层109的厚度可介于数微米到约100μm之间。保护层109的上部面113对应于待检测的热图案(例如手指，其指纹是待检测的)位于其上方的表面。

为了使部分106的PVDF获得热电(还有压电)特性，这种材料一旦处于热电电容的生命周期中，则该材料对于PVDF的每微米厚度承受约100伏的电场。PVDF内部的分子变成为定向的并因此保持为定向的，即使是当PVDF不再承受该电场时。由此可通过将初始偏置电压施加到电极108、110的端子来使PVDF偏置。

在该初始偏置之后，当部分106承受温度变化ΔT时，该温度变化ΔT致使附加的电场出现，该附加的电场在电极108、110之间产生电荷ΔQ，使得：

△Q＝S.γ.△T。

参数S对应于部分106的面对电极108、110中的每一个的表面。参数γ对应于部分106的热电材料的热电系数。例如，PVFD的热电系数γ约等于29μC/m²/K。

部分106和电极108、110形成具有值C的电容，该电容被加有寄生电容Cp，并且在该电容中产生的电荷ΔQ在电极108、110之间感应出电势差ΔV，使得：

(C+C_p).△V＝△Q＝S.γ.△T。

然而，除了由具有值C的电容产生的电荷之外，还通过存在的寄生电容Cp产生其它的电荷，例如在电压读取电路的情况下被连接至读取晶体管的栅极的寄生电容。

当该读取电极(由电极108、110中的一个形成)上的电势是固定的时(所谓的“电流”读取)，产生的电荷通过在输出端处形成集成电流(courant intégré)，流至读取电路，在这种情况下：

其中ζ对应于延迟时间，在该延迟时间期间，通过像素执行测量。这种电流读取首先具有对电容的值，尤其是对寄生电容的值不敏感的优点。

在电极108、110之间得到的电压ΔV的符号或者在电流读取的情况下的电流方向取决于部分106的PVDF被初始偏置所利用的电场的方向。在诸如氮化铝之类的某些其它热电材料的情况下，初始偏置的该方向取决于热电材料被沉积采用的方式、该热电材料的顺序和该热电材料的晶体取向。此外，得到的电压ΔV或者是电流的方向可以取决于热电电容所经受的温度变化是正还是负而是正的或负的。

传感器100还包括加热元件，该加热元件使在像素102中并且尤其在热电材料材质的部分106中耗散一定量的热。在这里所描述的传感器100中，这些加热元件是在热电电容近旁添加(rapportés)的传导元件，有利地，该加热元件由用于形成热电电容的电极108、110中的一个的传导层中的一个形成。图2示意性地示出了这种构造，在该构造中，相同的金属层(在这里为上部金属层)用于形成上部电极110，以线圈的形式制造的传导元件112部分地包围上部电极110并且使得能够从侧向加热形成在上部电极110与下部电极108之间的热电电容。

通过使得电流在形成加热元件的传导元件112中流动来实现对热电材料材质的部分106进行加热。得到的加热的强度尤其取决于流过传导元件112的电流的强度。

与所使用的传导材料的电阻率相比，施加到传导元件112的加热电压的值以及因此在传导元件112中流通的电流的值被调整，以产生像素102中所需的热能。有利地，每个像素102耗散的功率可介于约0.1mW到1mW之间。

可以设想传感器100的不同的替代实施例。因此，传导元件112的几何形状可以不同于之前关于图2所描述的几何形状。能够由一个或数个有区别的传导部分形成像素的加热元件，该一个或数个有区别的传导部分可位于同一层或者不作为电极中的一个。

另外，可使用非电阻元件的加热元件，诸如例如光学加热元件。例如，一个或数个LED、激光二极管可发射辐射，该辐射被衬底104传输并且被像素102的部分106的热电材料、和/或被像素102的电极108、110中的一个、和/或被特定的吸收层吸收，该吸收层例如部分地由氧化的ITO、碳、氧化的铬或者替代地由填充有有色颜料的聚合物构成，该吸收层被添加在电极中的一个附近或者被直接添加在电极中的一个上。例如，在通过红外辐射进行加热的情况下，由钛和/或ITO制成的电极可有利地被用于吸收所述辐射。有利地，辐射可被保护层109吸收。例如，光辐射的波长可介于约450nm到1000nm之间，并且保护层109可包括DLC(类金刚石薄膜，Diamond-Like Carbon)、填充有树脂的颜料或任何其它能够大量吸收所使用的光学辐射的材料。在这种情况下，这种光学加热对传感器100的区域或对传感器100整体执行加热。这种通过光学辐射进行的加热有利地是在传感器具有小的尺寸的情况下，尤其是在扫描传感器的情况下实施。

使用光学加热使得能够避免加热的电子微扰(并因此能够在延迟时间期间对加热进行调节)和/或能够以“闪光”模式使用加热步骤，即，通过持续时间非常短的辐射来进行加热。

最后，传感器的热敏测量元件还可以不对应于热电电容，而是例如对应于热敏电阻、二极管或任何其它合适的热敏元件。

除了像素102的热电电容之外，传感器100还包括电子元件，该电子元件使得能够读取由热电电容产生的电荷，并因此能够读取由传感器100检测到的热图案。

图3示出了使得能够读取在传感器100的像素102中的一个像素的热电电容中出现的电荷变化的这些电子元件的第一示例性实施例。

在图3中示出的像素102包括由热电材料材质的部分106形成的热电电容，该部分被布置在两个电极108、110之间。下部电极108被连接至地，而上部电极110形成用于像素102的电极并且被连接至像素102的主动节点126。

每个像素102包括行选择晶体管130。晶体管130的栅极被连接至电连接器133，该电连接器对同一行中的所有晶体管130是共用的，并且意图将选择信号施加在该电连接器上。晶体管130的源电极和漏电极中的第一个被连接至主动节点126，而晶体管130的源电极和漏电极中的第二个被连接至读取电路131的位于列的末尾处的输入端。读取电路131的该输入端对应于读取放大器132的反相输入端，该读取放大器例如对应于运算放大器。偏置电势V_ref被施加到放大器132的非反相输入端。放大器132的输出端被环回通过电容134接在该放大器的反相输入端上。开关或换向器136与电容134并联连接，并且该开关或换向器使得能够将电容134短路。读取放大器132的输出端还被连接到模拟/数字转换器138的输入端。读取放大器132、电容134和开关136以及模拟/数字转换器138对同一列中的所有像素102是共用的。由于在读取放大器132的输出端与模拟/数字转换器138之间添加多路复用电子元件，模拟/数字转换器138对传感器100的所有像素102可以是共用的。

在对图3的像素102上存在的热图案进行测量的期间，首先通过闭合开关136(如果该开关之前是处于打开位置)以及通过导通晶体管130来重置像素102。于是电势V_ref被施加到节点126。通过使电流在传导元件112中流动来开始对部分106的热电材料进行加热。热电电容在此时的温度为T₀。

开关136接下来被打开。于是在延迟时间ζ期间，在像素102的热电电容处开始累积(intégration)。在该延迟时间ζ期间，像素102的热电电容产生电荷。由于开关136打开而晶体管130导通的事实，由像素102的热电电容产生的电荷流至与像素102关联的电容134。在该延迟时间ζ结束时，热电电容的温度为T₁，并因此经受了温度变化ΔT＝T₁–T₀，由热电电容产生并被储存在电容134中的电荷是该温度变化的结果。

因此，放大器132的输出端处的电势V_out＝Q.C_ref+V_ref，其中Q对应于产生的电荷，而C_ref为电容134的值。之后通过模拟/数字转换器138来对该电势进行读取和采样。当对结果进行读取和采样的操作结束时，开关136被切换到关闭位置，以使电容134放电，并且晶体管130被关断以隔离像素106并且以使得能够对列中的另一像素进行读取。这种读取操作对同一行中的所有像素102同时实施。

现将关于图4描述用于采集热图案的方法，该热图案在这里对应于指纹的热图案，在该方法中，根据第一实施例，对传感器100的每个像素102实施两次或多于两次的接续的热图案测量。

在该第一实施例中，使用两个不同的延迟时间来对每个像素102执行两次热图案测量。使用相同的例如之前关于图3所描述的读取系统来对每个像素102执行这些测量。

在步骤202，通过使第一电流在传导元件112中流动来执行对像素102的热敏测量元件(即像素102的热电电容)的第一加热。该第一加热使得能够在像素102中耗散第一加热功率P₁，该第一加热功率在这里约等于1mW。

接下来在第一延迟时间ζ₁之后对存在于像素102上的要素的热图案执行第一测量(步骤204)，该第一延迟时间在这里约等于50μs。该第一延迟时间ζ₁对应于如下持续时间：在该持续时间期间在像素102中产生电荷，该持续时间在这里是介于第一加热开始所处的时刻到执行第一读取所处的时刻之间。对于之前关于图3描述的读取系统，执行第一读取所处的时刻对应于读取放大器132的输出电势所处的时刻。

通过在每个像素102处进行该第一测量得到的信息可被描述为“表面”信息。实际上，如果存在空气或如果物质(皮肤或残留物)与像素102接触，则以该短的第一延迟时间ζ₁，得到的信息使得能够在像素102处进行辨识。

从对传感器100的所有像素102实施的第一测量得到的第一图像使得能够细致地再现手指的热图案的细节以及存在于传感器100上的残留物，因为通过利用短的第一延迟时间，由于热量没有时间或仅有很少的时间在像素102的边侧传导的事实，像素102之间的透热，即相邻的像素之间的热交换是最小的。

通过对每个像素102的热图案进行该第一测量得到的信息接下来通过以较长的延迟时间对像素执行的第二读取而被完善。实际上，给定的短的延迟时间ζ₁被用于热图案的第一测量，得到的第一图像具有数个缺陷：

-例如在将潮湿的手指放置在传感器上之后或者由于潮湿的手指周围发生凝结而留下的水和/或油脂的液滴可能与跟像素接触的皮肤融合；

-手指的最干燥的部分可能与存在于传感器100的表面上的残留物融合从而可能会产生信号。

为了执行该第二读取，通过使第二电流在传导元件112中流动来对像素102中的每一个执行第二加热(步骤206)。在该第一实施例中，该第二电流的值大致等于第一电流的值，由此在像素102中耗散的第二加热功率P₂与P₁大致相似，例如约等于1mW。

接下来在第二延迟时间ζ₂之后对存在于像素102上的要素的热图案执行第二测量(步骤208)，该第二延迟时间与第一延迟时间ζ₁不同，在这里使得ζ₂>ζ₁，并且该第二延迟时间例如约等于500μs。

在这里以接续的方式实施两个加热步骤，在该两个加热步骤之间不存在中断。因此，通过将加热开始所处的时刻考虑为T₀＝0μs，则在时刻T₁＝50μs执行第一读取。接下来不中断地继续加热，于是在时刻T₂＝500μs执行第二读取。接续地实施不同的加热阶段使得对于第二加热阶段能够从与第一延迟时间ζ₁对应的持续时间获益。在上述的示例中，时刻T₁和T₂因此相互间隔开450μs的持续时间。

该第二图像的特征与之前得到的第一图像的特征不同。实际上，通过利用更长的延迟时间，热量有时间在存在于像素上的物质中传导更大的深度。因此：

-可能存在于传感器上的水和/或油脂的液滴有时间吸收热量并因此不再与跟传感器接触的皮肤融合，该液滴的热容比皮肤的热容低；

-因为皮肤比可能存在于传感器上的残留物更厚，所以皮肤可以与这些残留物区分开。

另一方面，透热在该第二读取期间比在第一读取期间更大，这使得细节的细致度不如在第一图像中好。

在替代方案中，对像素实施的不同的加热步骤可以以非接续的方式来执行，在两个加热步骤之间具有中断阶段，在该中断阶段期间，没有电流在传导元件112中流动(或者在通过光学辐射进行加热的情况下通过使像素102停止发光)。

在这种情况下，不同的测量的延迟时间与该测量介入的顺序是不相互关联的。例如，回到之前描述的示例，在这种情况下可能可以使ζ₂<ζ₁，这表示第一图像将对应于以比第二图像更大的深度进行热图案的采集。尤其当这两个加热步骤的功率P1和P2彼此不同时，可执行以非接续的方式来实施两个加热步骤，以避免在功率变化的期间产生的噪声对第二测量造成误改。

根据另一替代方案，代替第二图像地，可以考虑第二图像与第一图像之间的差异。两个图像之间的该差异具有与第二图像的特征大致相同(更明显一点)的特征。当读取电路以电荷的形式执行读取时这是尤其有利的，如在图3的示例中的情况，其中当两个加热步骤接续地实施、在其之间不存在中断时，由于通过读取电路131读取第一图像可能造成破坏在第一加热期间产生的电荷的事实，获得的是图像的该差异。

有利地，得到的两个图像可在动态或直方图方面进行比较。如果不是这种情况，则可以通过下述方式修改两个图像中的一个，以使得它们能够进行比较：以静态的方式，例如通过对传感器进行校准或更普遍地通过修改用于得到该图像的采集链的参数，或者，以例如通过图像处理软件使两个图像之间或图像的两个直方图之间的相似度最大化的方式。传感器的潜在缺陷(FPN或“固定的图案噪声”、PNRU或“像素响应不均匀性”等)可在两个图像相结合的上游阶段或者在两个图像相结合之后被修正，因为这些缺陷是相同的并且存在于两个图像中。

与在使用热图案的单个图像执行的传统采集期间相比，得到的两个图像使得能够得到更多的信息。在采集指纹的热图案的情况下，可得到以下信息：

-第一图像的所谓的“冷”像素，即其被测量到的温度对应于在第一测量期间得到的所有温度当中的最低温度并且其温度在第二图像中未过多地变化的像素，该冷像素被认为是与皮肤接触的像素，即其上存在有指纹的隆起部的像素；

-第一图像的所谓的“微温”像素，即其被测量到的温度对应于在第一测量期间得到的所有温度当中的平均温度并且其温度在第二图像中显著地升高的像素，该微温像素被认为是与水和/或油脂的残留物的液滴接触的像素，而不是与皮肤接触的像素；

-第一图像的所谓的“热”像素，即其被测量到的温度对应于在第一测量期间得到的所有温度当中的最高温度并且其温度在第二图像中保持为高的像素，该热像素被认为是与空气接触的像素，即其上存在有指纹的凹部的像素；

-第一图像的并且其温度在第二图像中降低的所谓的“微温”像素，，该微温像素被认为是与干燥的皮肤接触的像素。

对该额外信息的提取可通过事先对得到的图像执行数字处理(步骤210)来完成。该数字处理包括对第一图像和第二图像进行至少一次比较和/或至少一次结合。通过将第一图像标记为I₁并将第二图像标记为I₂，该数字处理可包括执行以下运算：α.I₁+(1-α).(I₁–I₂)，其中α∈]0；1[。由此执行了两个图像的线性结合。也可以设想其它的线性结合。两个图像中相同的点不被修改，而不同的点被赋予中间值。

两个图像的这种线性结合可通过简单的电子元件来完成，该电子元件位于像素矩阵的列的末尾处。例如，可在第一采样器中采样第一图像的信号，可在第二采样器中采样第二图像的信号。接下来，在两个图像之间施加所需的权重的加法器可使这两个信号在被输入到模拟/数字转换器中之前进行结合。

还可通过可编程逻辑器件(例如CPLD类型或FPGA类型)来执行该线性结合，该可编程逻辑器件具有存储器，该存储器的容量可限于存储来自于单行像素的数据。这使得能够保留在该器件的输出端处的接口，该接口与简单的传感器相匹配，并且使得能够将该接口集成在系统中而不必修改架构或软件。

在替代方案中，该数字处理可包括计算出新的图像，该新的图像对应于下述运算：max((I₁+I₂)/2，I₂)，即对于每个像素选择(I₁+I₂)/2与I₂之中的最大值。该非线性运算使得能够对于每个像素选择每个图像的最清楚的信息。这实质上是在一图像中插入在另一图像中显得较暗的像素。换言之，返回到之前所描述的示例，这实质上是采取与采集到的指纹的表面图像对应的第一图像并对该第一图像添加指纹的干燥区域，该干燥区域在第二图像中显得较暗。

有利地，可以根据测量到的热图案的区域的内容物对该区域进行分类(即，对像素进行分组)，该内容物为：干燥的手指、痕迹或残留物、潮湿的手指、空白，之后可以对每个区域应用合适的第二数字处理。对于每个类型的区域均是不同的该第二数字处理可用于合成或生成新的图像。这可以通过对像素单独地分类，之后对得到的结果进行过滤(去除孤立的点，等等)来完成，并且在每个区域中进行的处理可包括在图像之间以合适的权重进行线性结合和/或对这些图像进行比较。例如可应用以下规则：

-在“潮湿的手指”区域中，两个图像提供了可比较的信息。然而，如果通过反卷积算法进行处理，则第二图像更模糊不清，或噪声更多。对于这种区域，因此优选的是使用来自于第一图像的信息或使用两个图像的线性结合，在该线性结合中，第一图像的权重比第二图像的权重更大，以尽可能最好地保留由第一图像提供的细节以及以限制噪声。

-在“干燥的手指”区域中，第一图像仅包含信息的一部分，并且该信息被第二图像更好地再现。对于这种区域，因此优选的是使用第二图像或使用两个图像的线性结合，在该线性结合中，第二图像的权重比第一图像的权重更大。

-在“痕迹”或“残留物”区域中，该痕迹或该残留物的信息在第一图像中比在第二图像中更多。因此优选的是使用第二图像或使用两个图像的线性结合，在该线性结合中，第二图像的权重比第一图像的权重更大。

-在“空白”区域中，没有图像包含信息，这种空白是从两个图像中的“热”像素推导出来的。例如可使用两个图像的平均值来限制相对于该区域的随机噪声。

可选地，区域之间的平滑过渡可使得能够避免人为因素。实际上，在不同的区域之间的边界附近，所关注的是使用两个图像之间的平均值，以在从一个图像突然转到下一图像的期间限制可见的人为因素。因此，在存在边界、该边界在一侧具有赋予两个图像的分别为1和0的权重并且在另一侧具有分别为0和1的权重的情况下，合理的是使得这些权重在边界附近、在多个像素(例如10个像素)的带上以渐进的方式改变。为此，可以使用线性函数、或例如为(3x-x³)/2类型的三次函数或替代地使用样条函数。还可以计算出两个图像的权重图，并且可以对这些图应用平滑处理。

在另一构造中，第二图像可被用于限定出手指与传感器接触所在的区域以及排除仅存在痕迹的区域。如果对于手指最干燥的部分具有通过软件提高对比度的需求，则第一图像可被保留在有手指接触所处的区域中。在这种情况下，第二图像用于执行该分类，并且仅从第一图像提取信息。因此，第二图像没必要再现细致的细节并且可能会被大量透热所干扰(并因此模糊不清)，但不会影响最终的图像。例如可以通过例如高斯滤波器或中值滤波器来对第一图像进行过滤，之后可以实施非线性处理的步骤，该步骤例如执行极值的阈值化，或者可以实施任何其它消除最低值和最高值并且展开位于最低值与最高值之间的值的变换。例如，在图像中每个像素的值x被以8位(介于0到255之间)编码的情况下：如果x<50，则x＝0(消除最低值)；如果x>150，则x＝255(消除最高值)；如果50≤x≤150，则x＝2.55*(x-50)(像素的起初介于50到150之间的值在0-255的值范围内的扩展)。还可以根据第二图像对第一图像进行修正，例如通过彼此相乘。例如，通过将第一图像的像素标记为i1，将第二图像的像素标记为i2，可应用(i1，i2)->a+b.i1+c.i1.i2类型的函数。另一种可行的修正是在第一图像中执行过滤(中值过滤或高斯过滤)，该过滤的支持范围根据第二图像而改变。因此，在第一图像并且不在第二图像中的可见的人为因素被消除或被减小。

总的来说，数字处理的步骤可用于根据热图案的第一图像和第二图像生成或合成新的图像。

第二图像中较大的透热可在上述的数字处理之前通过在第二图像上实施的反卷积而被修正。为此，可以使用具有PSF(点扩展函数，Point Spread Function)的先验知识的维纳过滤器，或使用包括不含PSF先验知识的算法的迭代算法，因为目的是在两个图像中具有相同的PSF。在两个图像中具有相同的PSF具有消除图像的对比轮廓处的差异的优点。反卷积使得能够在两个图像之间得到相似的PSF，以使得这两个图像可比较。

最后，可将来自指纹采集领域的其它数字处理步骤应用于被合并的图像，即应用于根据两个图像执行数字处理的结果，以改善该结果的视觉的方面，诸如例如：

-动态的归一化(直方图的局部均衡)，

-减少噪声，

-使轮廓更突出(或反卷积)，

-指纹的分区段和背景的消除。

在该第一实施例中，在两个加热阶段期间耗散的功率P₁和P₂相同，并且例如约等于1mW。另外，第一延迟时间ζ₁例如约等于50μs并且小于第二延迟时间ζ₂，该第二延迟时间例如约等于500μs。两个延迟时间ζ₁与ζ₂之间的比可介于约2到10之间。

在第二实施例中，通过传感器100对热图案进行的两次测量可以以大致相同的延迟时间ζ₁和ζ₂来执行，并且两个加热阶段可以以具有不同的值的注入功率P₁和P₂(例如使得P₁<P₂)来执行。功率的这种差异是通过与第一加热阶段相比在第二加热阶段期间改变注入到像素的加热电阻中的电流的值、并因此通过利用大于V_加热1的加热电势V_加热2而得到的。

有利地，两个功率P₁与P₂之间的比大于或等于10。例如，为了限制瞬时功率(由于整行像素在传感器中被加热的事实，诸如之前关于图2所描述的)，功率P₁可约等于0.1mW每像素，功率P₂可约等于1mW每像素。输送到传感器100的加热元件中的电流的水平的选择器可使得能够以不同的功率执行这两次测量。

之前描述的两个实施例可被组合，以便以不同的延迟时间和不同的注入功率对热图案执行不同的测量。

此外，无论实施例如何，对同一像素可相继地执行加热和测量热图案的多于两个的步骤。

例如，通过对每个像素使用更多数量的加热和测量的步骤，该方法可对通过传感器采集的热图案“逐层地”执行采集。

可实施该方法以检测在采集热图案期间存在于传感器100上的要素是真实的手指，而不是指纹的例如由硅树脂制成的复制品。为此，可以验证，人移动离开传感器100的表面越远(远离传感器对应于以更长的延迟时间和/或以更高的耗散功率执行测量)，皮肤含水越多，因而存在于传感器上的要素的热容增大越多。这种验证可包括检验使像素的至少一个部分的温度不再对应于某预定的温度范围。如果不满足这个条件，则可以从中推断出存在于传感器100上的要素是假的手指。

在之前关于图3所描述的第一示例性实施例中，在每个像素102中产生的电荷被放大器132直接读取。由于每个像素102中的电子读取元件仅对应于单个晶体管130的事实，该第一示例性实施例很适合于使用TFT技术生产晶体管130，其生产成本很低。另外，在该第一示例性实施例中，由放大器132读取的读取时间很短，例如介于约1μs到10μs之间，或者如在之前描述的示例中的情况，如果在累积期间像素102被连接至放大器132，该读取时间甚至为零。最后，在TFT技术中，包括像素102的电路与包括元件132、134、136和138的电路不同，所述的这些电路然后通过将一个转接(report)到另一个上或者通过其它的方案(覆晶薄膜(Chip on Flex)、电线，等等)而被邻近地装配。

图5示出了使得能够以电压的形式读取传感器100的像素102的测量值的电子元件的第二示例性实施例。

如在第一示例性实施例中的，每个像素102包括被连接至主动节点126的热电电容。每个像素102还设有重置晶体管140，该重置晶体管的源电极和漏电极中的一个被连接至节点126，而该重置晶体管的源电极和漏电极中的另一个被施加重置电压V_重置。用于重置像素102的控制信号被施加到重置晶体管140的栅极。该重置使得能够在累积开始时将节点126的电势置于一已知的值(在这里为V_重置)，以及一旦读取结束能够清空来自热电电容的电荷。如同对于像素行选择器晶体管130的控制，重置晶体管140的控制对于一整行像素102而言可以是共用的。

与节点126被直接连接至晶体管130的源电极和漏电极中的第一个的第一示例性实施例不同，在这里，节点126被连接至另一晶体管142的栅极，该另一晶体管形成电压跟随器并对读取到的信号产生放大，即，对电极110的电势产生放大，该电势随着由像素102的热电电容产生的电荷而变化。电源电势被施加至晶体管142的源电极和漏电极中的第一个，而晶体管142的源电极和漏电极中的第二个被连接至晶体管130的源电极和漏电极中的第一个。晶体管130的源电极和漏电极中的第二个被连接至由放大器144形成的读取电路131的输入端，该放大器是反相的放大器或者不是反相的，该放大器具有增益G。放大器144的输出端被连接至模拟/数字转换器138的输入端。电流源143也被联接至放大器144的输入端，以使晶体管142快速地偏置到工作区，在该工作区，该晶体管表现为电压跟随器。

在该第二示例性实施例中，通过例如为MOS类型的三个晶体管对像素102执行读取。以电压的形式进行读取并且该读取得益于由跟随器晶体管142产生的局部放大，该跟随器晶体管阻止主动节点126上的电荷的流动。在TFT技术中，晶体管例如可由多晶硅或IGZO制成。

该第二示例性实施例对由热电电容产生的电荷执行了非破坏性读取。实际上，只要主动节点126未经重置，则产生的电荷被保持。

在图5所示的第二示例性实施例的情况下，在放大器144的输出端处得到的作为结果的读取电压除了存在于主动节点132上的寄生电容之外还取决于热电电容的值，并且该读取电压等于G(V_重置±ΔQ/C_pyro)。

当电子读取元件对应于图5所示的第二示例性实施例时，可通过实施下述步骤来对设备100的像素102中的一个执行读取：

-通过导通重置晶体管140来重置热电电容；

-关断像素行选择晶体管130；

-接通加热至功率P₁；

-关断重置晶体管140；

-像素102开始累积，那时该像素处于温度T₀；

-等待例如约等于30μs的第一延迟时间ζ₁；

-对那时处于温度T₁的像素102进行读取，该读取对应于导通晶体管130，这使得能够将在跟随器晶体管142的栅极上接收到的电压再复制到放大器144，并且能够对在该转换之后得到的值采样；

-通过导通重置晶体管140来重置像素，电势V_重置被施加到节点126；

-改变加热功率至P₂；行选择晶体管130仍然导通，热电电容的电压保持在V_重置并且由温度变化感应出的电势电荷被消除；

-关断行选择晶体管130，这样该行选择晶体管将热电电容与读取电路隔离开；

-关断重置晶体管140；

-等待例如约等于300μs的第二延迟时间ζ₂；

-通过导通晶体管130，对在处于温度T₂的热电电容中蓄积的电荷进行读取，这使得能够得到温度变化ΔT₂＝T₂–T₁；

-停止加热。

可以以不同的延迟时间和/或功率执行多于两次的测量，以增加热图案的处于不同深度的图像的数量。

无论传感器100的电子读取元件的实施例如何，像素102均有利地被逐行读取。

虽然未示出，但传感器100包括控制电路，该控制电路使得能够施加上文所述的控制信号，用以驱动对像素102的读取。

虽然未示出，但传感器100可进一步包括电子处理电路，该电子处理电路能够根据在每个像素102处进行的测量构建出热图案的总体图像。该电子处理电路还能够将该图像与存储在数据库中的多个图像进行比较，以辨识检测到的热图案是否与存储在数据库中的图像中的一个对应。电子处理电路还能够显示出检测到的热图案的图像。

此外，传感器100除了之前描述的热检测元件之外还有利地包括光学检测元件或电容性检测元件，该光学检测元件或电容性检测元件使得能够检测要素的图像，该要素的热图案也被检测。因此，传感器100可包括与热检测像素交错的光学检测像素或电容性检测像素的矩阵，对该热检测像素的加热和读取如之前所述地被驱动。

图6示意性地示出了这样一种构造，在该构造中，传感器100包括光学检测像素的矩阵150，一个或多个热检测像素102被均匀地布置在该矩阵中。

有利地，像素102的尺寸大于矩阵150的光学检测像素的尺寸，因为像素102的大的尺寸使得能够更容易地对待检测的热图案在深度方向上执行读取，并且还能够有助于形成适合于传导元件112的加热图案，例如，该加热图案呈线圈、正方形的形式或呈任何其它很适于对像素102进行加热的形状。由每个像素102占据的表面积例如介于约20mm2到1mm2之间。

如果传感器100不包括为像素102保留的位置，则矩阵150的某些像素的位置可被留出用于形成像素102。有利地，这种传感器100被用于通过矩阵150对存在于传感器100上的要素的图案执行光学检测，执行热检测的像素102使得能够检测存在于传感器102上的要素是否由活体物质构成。有利地，多个像素102被插入到矩阵150中，以在传感器100的不同位置处执行多次热测量，并由此以避免传感器由于下述方式而可能被欺骗的风险：在一个或多个位置上布置活体物质，而这一个或多个位置仅专用于控制活体物质并且在该一个或多个位置处可能布置有像素102。

包括热检测像素102和光学检测像素的传感器100的另一替代实施例可包括使用被制成为矩阵或者不是矩阵的形式的像素102，该像素是光学透明的，例如由ITO/PVDF/ITO叠组制成，并且该像素被布置在光学检测像素上方，例如在矩阵150的上方。该替代方案具有不需要将用于光学检测矩阵的位置留出用于热检测像素102的优点。

图7示出了传感器100的另一替代实施例，该传感器包括热检测像素102和光学检测像素152，并且在该传感器中，像素102被形成使得其被置于像素152之间。在图7的示例中，由于每个像素102被形成为呈网格的形式，所以得到了像素102被置于像素152之间的事实：像素102的网格的每列将两列像素152分开，像素102的网格的每行将两行像素152分开。像素102可被布置在像素152的矩阵150的金属的行和列的上方。可使用至少一个像素152的位置来安置像素102中的一个像素的一个或多个控制晶体管。触头和电子控制元件也可被布置在矩阵150的外围中。这种构造具有下述优点：使得能够形成专用于像素102而不干扰矩阵150的像素的电子元件。每个像素102例如均被制成为具有约等于400×400μm的尺寸的网格的形式，其中行和列具有约等于5μm的宽度并且具有约为50μm的间距。由于这样的尺寸，传感器100因而包括少量的使得能够利用长读取时间的像素102。另外，这种构造造成了下述问题：由于与覆盖这些像素102的一个或多个保护层的厚度相比，这些像素102的表面较大，造成相邻的像素102之间的透热极小。对于这种像素102、152，像素152的位置可能仅被布置在扰乱光学检测的层中。因此，PVDF可被沉积在任何位置(并因此也可被沉积在像素152的位置处)并且仅像素102的电极可按照网格的图案来制造。

之前所描述的传感器100包括热电电容，该热电电容形成传感器的热敏测量元件。可使用其它类型的热敏测量元件，例如热敏电阻(其电阻值随温度的改变而改变)。有利地，热敏电阻可被用于通过焦耳效应对像素进行加热。在这种情况下，可使用具有高的值的电流来执行对热敏电阻的读取，并因此使得对这些热敏电阻的电阻值的测量更加准确。在这种情况下，在对热图案进行的第一测量与第二测量之间不必重置像素。另一方面，在开始采集时读取每个像素处的电阻的初始值(例如通过将具有已知的值的电流注入到热敏电阻中并且通过测量热敏电阻的端子处的电压)，以从在用于执行测量的延迟时间结束时读取到的值中减去该初始值，并由此以得到温度变化。在这种情况下，方法的顺序可以如下：

1-接通加热至功率P₁；

2-紧接着，读取处于温度T₀的像素的值；

3-等待例如约等于30μs的第一延迟时间ζ₁；

4-读取处于温度T₁的像素的值，这使得能够得到温度变化ΔT₁＝T₁–T₀；

5-改变加热功率至P₂；

6-等待例如约等于300μs的第二延迟时间ζ₂；

7-读取处于温度T₂的像素的值，这使得能够得到温度变化ΔT₂＝T₂–T₀；

8-关停加热。

再一次地，可以以不同的延迟时间和/或不同的耗散功率执行多于两次的测量。

当电子读取元件对应于图5所示的第二示例性实施例时，可以将像素102形成为使得主动节点126被布置在手指待放置在其上的传感器102的表面附近。皮肤存在于传感器上则添加了连接至主动节点126的额外的电容，并且这引起对得到的信号的放大。

该额外的电容的值可以具有与热电电容的值相同的数量级，例如约等于77fF，并且该额外的电容的值取决于存在于传感器上的保护性介电材料的厚度和介电常数，并且该保护性介电材料形成该额外的电容的电介质。

当皮肤未存在于像素上时，在延迟时间结束时得到的电压与通过不包括该额外的电容的像素得到的电压大致相似。当皮肤存在于像素上时，得到的电压与没有该额外的电容而得到的电压相比大致除以2。因此，在像素上不存在皮肤时与存在皮肤时得到的电压之间的差较大。这种放大效应取决于由皮肤产生的电容，并且有利地，寻求具有高的值的额外的电容以有助于读取以及以在进行电容性读取的情况下增大信噪比。由于短的延迟时间和/或低功率意味着传感器与手指之间的热交换低的事实，利用该短的延迟时间ζ₁和/或该低功率P₁得到的第一图像可被视作对应于这些额外的电容的分布，这些额外的电容由与传感器100的某些像素接触的隆起部形成。得到的第二图像得益于上文所述的电压之间的较大的差，由此增强了得到的热图像。可对两个图像应用数字处理，以得到仅与存在于传感器上的皮肤的热特性有关的信息(所述处理例如可包括根据从第一图像估计出的电容来划分第二图像)。

根据之前所描述的实施例中的一个实施例的采集方法可应用于对存在于传感器100上的皮肤的含水量执行测量。

实际上，皮肤的表层，即角质层，由死细胞层构成。该层可以或多或少地含水，其中含水量水平的范围可以从100％到0％。当该层的含水量水平下降时，皮肤将越来越少地传导热量(含水量水平等于100％的皮肤与含水量水平等于0％的皮肤之间的热导率减小10倍)，并且皮肤还将越来越不良地储存热量(含水量水平等于100％的皮肤与含水量水平等于0％的皮肤之间的体积热量减小2倍)。

下面的表格给出了空气、水和具有不同含水量水平的皮肤的不同热特性的值：

当之前描述的采集方法被实施用于指纹测量时，热图案测量是对向下位于皮肤中数十微米的深度处进行的测量。假设皮肤在这段距离上是均质的，并且皮肤保持处于表层。

因此，通过校准传感器100(例如通过将很少的水置于传感器的表面上来定位出具有最大含水量(100％)的点，空气是该校准的另一极值点)，由于处于不同的含水量水平的皮肤的热特性之间的差异，于是对热图案执行的测量可用于确定皮肤的含水量水平。可以例如通过模拟来预先计算算图(abaque)，或者可以将所做的测量线性化，以使得对在隆起部与凹部之间的测量的差异进行的简单读取能够给出其热图案被采集的皮肤的含水量水平。也可根据算图或根据函数计算出含水量水平，该函数根据在对其上辨识出隆起部的像素进行热图案测量期间得到的测量值表达含水量水平。

检测活体物质使得能够得知采集到的热图案是否对应于真实的手指的热图案，也可以根据计算出的含水量水平来执行对活体物质的检测。

当用于采集热图案的方法包括更多数量的加热阶段和测量热图案的阶段时，可以根据执行的不同测量计算出多个含水量水平，这实质上是对不同的皮肤深度计算含水量水平。

当传感器还包括使得能够检测其热图案也被检测的手指的光学图像的光学检测元件时，可一起使用与含水量水平有关的信息和光学图像，以确定其热图像被采集的手指是否是真实的。实际上，手指(该手指的指纹的光学图像包括在隆起部与凹部之间的非常明显的差异)必须具有高含水量水平，因为如果不这样，则意味着所述手指不是由活体物质构成。

在之前描述的实施例和替代方案中，只要像素102一开始加热，则由每个像素102执行的累积即开始。然而，热量在传导到像素中之前要消耗一定的时间，以这种方式来得到温度的显著变化，该温度变化对应于在采集热图案期间测量到的数据。另外，热量消耗一定的时间以通过存在于传感器100的像素102上的保护表面。热量通过该保护部不提供令人关注的信息，因为该信息对于所有像素均相同。因此，关注的是在热量在保护层中的该传导时间期间不开始累积，以仅收到有用的热信息并由此限制饱和度的问题。这可以与之前描述的将热检测像素与电容性检测像素结合的可能性相结合。

为此，可以在开始加热与像素中的电荷开始累积之间留出延迟。该延迟例如介于约5ms到10ms之间。如果该延迟较大，例如在厚的保护表面减慢了热量的传递的情况下，该延迟大于开始加热与读取之间的完整延迟时间的约50％，则通过将前一行像素布置成不会导致不期望的切换，在对前一行像素进行读取的期间开始加热可能是有利的。

该延迟进一步具有下述优点：将加热开始的时刻从测量开始的时刻推后，如果这不会导致电流消耗并因此不会导致通过电源的噪声的话。

在替代方案中，该延迟可被用于估计像素之间的由传感器的生产工艺造成的不一致(PRNU，光响应非均匀性(Photo Response Non Uniformity))，然后修正该不一致。例如，在传感器的生命周期期间经过集中的使用之后，保护表面在某些点处可能略微较薄或较厚、或者被损坏(存在刮痕)。有利地，增加时间滤波以限制对噪声的放大。因此，可使用该延迟来执行对热图案的初步测量。在由该初步测量得到的图像中，以相同的方式使所有的像素加热。因此，在像素之间的测量到的差异对应于“固定噪声”或FPN(固定模式噪声，Fixed-Pattern Noise)，其与传感器的缺陷相关。假设FPN被另外修正或者相比于PNRU较小，则该图像因此可以使得能够获知PNRU并能够在后续的图像中对PNRU进行补偿。

在传感器上未存在要素(手指)的情况下，通过预先采集图像，还可以确定该固定噪声。

还可以在存储器中保存该PNRU的图像，通过多次采集来提供该图像，以算出该图像的平均值，以及以消除随机噪声。例如，可以使用无限脉冲响应滤波器：如果Im是平均图像并且I是新采集到的图像，则可执行平均图像的更新，使得Im＝(1-A).Im+A.I，A是使得能够调节过滤器的响应速度的参数。在这里，参数A的值被选择为小的，即，小于约0.1，并且例如为约0.01。

不保存图像中的加热的第一时刻的热信息的事实消除了与保护表面相关的热信息的部分，但这不意味着该保护部对读取的连续性不再存在影响。因此，有利地，可以以合适的系数将加热的第一时刻的该图像与得到的图像相结合，而不考虑这些第一时刻，以取得所关注的信息，即仅涉及存在于传感器上的要素的信息。

在之前描述的所有实施例中，有利地，在不同的加热阶段期间，加热功率是相似的，仅延迟时间改变以在其热图案被测量的要素的不同的深度执行对热图案的不同的测量。此外，有利地，可逐行像素地执行对像素102的读取，但也可以是逐像素地执行读取，或者替代地，在扫描传感器的情况下一次性地读取。

Claims

1.用于通过传感器（100）采集热图案的方法，所述传感器包括多个像素（102），所述像素各自包括至少一个热敏测量元件（106），所述传感器（100）进一步包括至少一个加热元件（111），所述加热元件能够在通过所述像素（102）的热敏测量元件（106）对所述热图案进行测量的期间对所述像素（102）中的每个像素的热敏测量元件（106）进行加热，所述方法至少包括对所述像素（102）中的每个像素执行下述步骤：

- 对所述像素（102）的热敏测量元件（106）进行加热的第一步骤（202），在该第一步骤中，在所述像素（102）的热敏测量元件（106）中耗散第一总量的加热功率；

- 对存在于所述像素（102）上的热图案进行测量的第一步骤（204），包括在第一延迟时间之后对所述像素（102）的热敏测量元件（106）的至少一个温度可变参数进行第一读出；

- 对所述像素（102）的热敏测量元件（106）进行加热的第二步骤（206），在该第二步骤中，在所述像素（102）的热敏测量元件（106）中耗散第二总量的加热功率；

- 对存在于所述像素（102）上的热图案进行测量的第二步骤（208），包括在第二延迟时间之后对所述像素（102）的热敏测量元件（106）的温度可变参数进行第二读出；

其中，第一功率的值与第二功率的值不同和/或所述第一延迟时间的值与所述第二延迟时间的值不同，使得所述热图案的第一图像和第二图像对应于在对存在于所述像素（102）上的热图案进行测量的第一步骤和所述对存在于所述像素（102）上的热图案进行测量的第二步骤期间在存在于所述传感器上的一个或多个要素中的不同深度处执行的热测量，所述热图案的第一图像和第二图像分别对应于所述对存在于所述像素（102）上的热图案进行测量的第一步骤期间得到的所有第一测量值和所述对存在于所述像素（102）上的热图案进行测量的第二步骤期间得到的所有第二测量值，在对存在于所述像素（102）的每个像素上的所述热图案进行测量的第二步骤之后，所述方法进一步包括对所述热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤（210），所述对所述热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤包括对所述第一图像和第二图像进行的至少一次比较和/或至少一次线性结合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一延迟时间的值小于所述第二延迟时间的值，和/或其中，所述第一功率的值小于所述第二功率的值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第二延迟时间与所述第一延迟时间之间的比介于2到10之间，和/或所述第二功率与所述第一功率之间的比大于或等于10。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以在固定不变的功率下的连续加热阶段的形式来实施对所述像素（102）的热敏测量元件（106）进行加热的第一步骤和第二步骤（202，206）。

5.根据权利要求1或2所述的方法，在对存在于所述像素（102）中的每个像素上的所述热图案进行测量的第二步骤（208）与对所述热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤（210）之间，所述方法进一步包括对所述第二图像进行反卷积的步骤。

6.根据权利要求1或2所述的方法，在对所述热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤（210）之后，所述方法进一步包括根据数据对指纹的隆起部和凹部进行辨识的步骤，所述数据来自对所述热图案的第一图像和第二图像进行数字处理的步骤（210）。

7.根据权利要求6所述的方法，在对所述指纹的隆起部和凹部进行辨识的步骤之后，所述方法进一步包括：

- 根据算图或函数计算出其热图案被测量的皮肤的含水量水平的步骤，所述函数根据在对其上辨识出隆起部的像素进行热图案的测量期间得到的结果表达所述含水量水平，或者

- 计算出在对其上辨识出隆起部的第一像素进行热图案的第二测量期间得到的测量值与在对其上辨识出凹部的第二像素进行热图案的第二测量期间得到的测量值之间的测量值差的步骤，之后是根据算图或函数计算出其热图案被测量的皮肤的含水量水平的步骤，所述函数根据指纹的隆起部与凹部之间的测量值差表达含水量水平。

8.根据权利要求7所述的方法，在计算出皮肤的含水量水平的步骤之后，所述方法进一步包括根据针对测量出的热图案的区域的像素计算出的含水量水平的值来对所述区域进行分类的步骤。

9.根据权利要求7所述的方法，所述方法包括根据进行的不同测量计算出多个含水量水平。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中：

- 每个热敏测量元件包括至少一个热电电容，所述至少一个热电电容由被布置在第一电极与第二电极（108，110）之间的至少一个热电材料材质的部分形成；

- 所述加热元件（111）能够通过焦耳效应对所述像素（102）的热电电容的热电材料材质的部分进行加热；

- 对像素（102）的热敏测量元件（106）进行加热的第一步骤（202）包括将第一加热电压施加到所述加热元件（111）的端子，所述加热元件通过焦耳效应在所述像素（102）的热电电容的热电材料材质的部分中耗散第一功率；

- 对存在于像素（102）上的热图案进行的测量的第一步骤（204）包括读出在所述第一延迟时间期间由所述像素（102）产生的电荷；

- 对像素（102）的热敏测量元件（106）进行的加热的第二步骤（206）包括将第二加热电压施加到所述加热元件（111）的端子，所述加热元件通过焦耳效应在所述像素（102）的热电电容的热电材料材质的部分中耗散第二功率；

- 对存在于所述像素（102）上的热图案进行的测量的第二步骤（208）包括读出在所述第二延迟时间期间由所述像素（102）产生的电荷。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中：

- 每个热敏测量元件包括至少一个热电电容，所述至少一个热电电容由被布置在第一电极与第二电极（108，110）之间的至少一个热电材料材质的部分形成，以及

- 所述加热元件能够发出光辐射，所述光辐射用于对所述像素（102）的热电电容的热电材料材质的部分进行加热。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，由所述加热元件发出的光辐射被定向在所述像素（102）的保护层（109）上和/或所述像素（102）的第一电极和第二电极（108，110）中的一个上。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述传感器（100）进一步包括光学的或电容性的检测元件（150），所述光学的或电容性的检测元件与包括所述热敏测量元件（106）的像素（102）交错。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其中，非零的延迟将开始第一加热和开始第一延迟时间隔开，并且所述方法进一步包括通过在所述延迟结束时读出所述像素（102）的热敏测量元件（106）的温度可变参数来对存在于所述像素（102）上的热图案实施初步测量，之后根据对所述热图案的初步测量来估计所述传感器（100）的像素（102）之间的不一致。