CN108700471A

CN108700471A - 热图案传感器

Info

Publication number: CN108700471A
Application number: CN201680070148.XA
Authority: CN
Inventors: 珍-弗朗索瓦·曼盖; 约瑟普·塞古拉·普卡德斯; 马尔格·维吉尔
Original assignee: French Identity And Safety Co
Current assignee: French Identity And Safety Co; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-10-23
Also published as: US20180356291A1; US10378961B2; BR112018010991A2; BR112018010991B1; EP3384257B1; EP3384257A1; WO2017093179A1; FR3044407B1; FR3044407A1

Abstract

本发明涉及一种热图案传感器(100)，该热图案传感器包括多个像素(102)，每个像素包括至少一个热电电容，该热电电容由布置在下部电极(108)与上部电极(110)之间的热电材料材质的至少一个部分(106)形成，其中，上部电极和下部电极中的一个电极(108)对应于用于读取像素的电极，并且其中，加热元件由上部电极和下部电极中的另一个电极(110)形成，该加热元件能够在热图案测量期间由于焦耳效应而由所述像素的热电电容对所述像素的热电电容的热电材料材质的部分进行加热。

Description

热图案传感器

技术领域

本发明涉及一种热图案传感器，例如，指纹热检测传感器。

背景技术

已知生产包括热检测装置的指纹传感器。所述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温度敏感元件，该温度敏感元件使得能够将温度的变化转换为电势或电流的变化。

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获得的信号的电平为零，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引起的这些问题，尤其是在手指不移动的静态采集的情况下，提出了所谓的“主动式”指纹传感器，诸如例如在文本US 6 091 837和EP 2 385486 A1中描述的传感器。在这种传感器中，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，所述加热元件在像素中散发一定量的热量，并且在一定的采集时间(被称为累积时间)结束时对像素的加热被测量。这使得能够根据热量是被皮肤吸收(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检测到的指纹的隆起部或凹部的存在。与存在凹部的像素相比，这导致在像素存在隆起部的情况下最终温度较低，该隆起部处的热量被皮肤吸收。

首先，这种传感器使得能够测量与传感器接触的要素的热容(也称为比热或比热容)。获得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。

为了形成主动式热传感器，所述传感器的像素被耦接至通常利用焦耳效应的加热元件，该加热元件散发来自被供应电流的电阻元件的热量。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)类型的晶体管时，尤其使用所述层中的一个层。

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，从而不必在像素中添加控制晶体管。每行加热元件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。

在文本EP 2 385 486A1中，加热元件由也用于形成像素的热电电容的上部电极和下部电极的金属层形成。这些加热元件例如是以部分地包围像素中的每个上部电极或每个下部电极的导电线圈的形式制成的。因此，使用单一一种金属来形成实现不同功能的不同元件(加热元件和热电电容的上部电极或下部电极)。图1示意性地示出了这种构造，在该构造中，同一金属层(这里为上部金属层)用于形成上部电极10和导电线圈12，该导电线圈部分地包围上部电极10并且使得能够从侧向对形成在上部电极10的这一层的热电电容进行加热。

然而，使用同一金属层形成上部电极或下部电极以及形成加热元件具有最终在像素的热电电容近旁布置加热元件的缺陷。这些加热元件因此产生对热电电容的侧向加热。然而，这种侧向加热不是最佳的，尤其是当所述像素采用了不是良好的热导体的热电材料时。

可以使用布置在像素的上方或下方的附加金属层来形成加热元件，该附加金属层不同于那些用于形成热电电容的上部电极或下部电极的金属层。然而，这具有使加热元件更加远离热电电容的缺陷。另外，与使用同一金属层来形成热电电容的上部电极或下部电极以及形成加热元件的前述方案相比，添加这种金属层代表着额外的成本。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种主动式热图案传感器，即该主动式热图案传感器包括用于加热传感器的像素的元件，而不具有现有技术中的主动式传感器的缺陷。

为此，本发明提出了一种热图案传感器，该热图案传感器包括多个像素，每个像素包括至少一个热电电容，该热电电容由布置在下部电极与上部电极之间的热电材料材质的至少一个部分形成，其中，上部电极和下部电极中的一个对应于用于读取像素的电极，并且其中加热元件由上部电极和下部电极中的另一个形成，该加热元件能够在热图案测量期间由于焦耳效应而由所述像素的热电电容对所述像素的热电电容的热电材料材质的部分进行加热。

因此，提出了直接使用像素的热电电容的上部电极和下部电极中的一个来形成用于加热热电材料材质的部分的加热元件。因此，加热元件尽可能靠近待加热的热电材料，与现有技术的构造相比，这大大增加了由加热元件传递给热电材料的热量，其中，加热元件由与用于形成上部电极和下部电极中的一个电极相同的导电层形成，但是该加热元件被布置在热电电容的旁边。与在附加的金属层中而不是在用于形成热电电容的电极的金属层中形成的加热元件相比，该增加也体现在热容中。

本发明以非显而易见的方式提出直接使用像素的热电电容的电极中的一个电极来形成所述像素的加热元件，这实质上是将像素的加热电阻还用于对像素的热电电容进行偏压。由于下述事实这是可行的：对同时形成像素的热电电容的电极中的一个电极和加热元件的导电元件施加的固定不变的加热电压也可以被用于偏置热电电容。

与现有技术的传感器相比，这种传感器还具有简化了生产电极的设计的优势，其中，加热元件和上部电极由相同的导电层制成但是形成不同的元件。

对形成加热元件的电极施加的加热电压例如是这样的：在该电极的两个端部或两个端子之间得到非零的电势差，从而引起加热电流流转通过所述电极。所述电流足够的大，以便所得到的焦耳效应使得能够执行对热图案的测量。这不是当对整个导电元件施加固定不变的电势时的情况，因为在这种情况下，在所述导电元件的端子处得不到电势差，并因此不能实现使能够加热所述导电元件的电流进行流转。

所述上部电极和下部电极中的另一个可以包括在其端子处施加了加热电压的端部，在这些端部之间产生非零的电势差。传感器可以包括用于施加该加热电压的装置。在热图案测量期间，这些电势的值在整个测量过程中可以是大致固定不变的。

表述“可以在热图案测量期间由于焦耳效应而由所述像素的热电电容对所述像素的热电电容的热电材料材质的部分进行加热”表示：得到的焦耳效应足够大以使得在一定的测量时间(累积时间)结束时获得的测量值(即热电电容中的电荷变化，对应于测量到的温度差)较大以能够检测热图案。因此，不期望的电流泄露无法获得较大的电荷变化以检测热图案。得到的焦耳效应可使得可以获得与皮肤接触的像素和不与皮肤接触的像素之间的热电材料的至少0.5K(例如约1K)的温度变化。对这种温度变化的值的选择尤其取决于热电材料的灵敏度、像素的大小以及读取电路的噪声。

表述“热图案”表示可由传感器检测到的目标的热特性的空间分布，例如指纹的图案。

传感器能够通过传感器与要素之间的直接接触(而不通过所述要素的辐射，如传感器在一定距离处测量温度的情况)来测量所述要素的热图案。要素可以被布置成在对所述要素的热图案进行测量期间抵靠传感器，在这种情况下，要素和传感器之间进行热接触。

用于读取像素的电极对应于下述电极：在该电极上，在像素的热电电容中产生的电荷被收取，然后被输送到传感器的读取电路。

热电材料例如可以包括：聚偏二氟乙烯或PVDF，和/或聚偏氟乙烯-三氟乙烯或P(VDF-TrFE)、和/或诸如PZT(锆钛酸铅)之类的陶瓷、和/或诸如那些已知缩写的TGS(甘氨酸SDF)或LiTaO₃晶体之类的晶体。也可以是其他热电材料，尤其是所有那些根据热电-压电参数产生电荷的热电材料。

该构造是有利的，因为传感器的结构(该结构将加热元件整合为尽可能靠近热电材料)补偿了PVDF的低热导率或具有低热导率的任何其他热电材料。

传感器可以进一步包括衬底，在该衬底上布置像素的热电电容，每个像素的热电电容的下部电极能够被布置在衬底与像素的热电电容的热电材料材质的部分之间，并且每个像素的热电电容的上部电极可形成所述像素的加热元件。在该构造中，提出了使用像素的热电电容的上部电极作为加热电阻以及作为对其施加固定不变的电势的偏置电极。在这种情况下，下部电极(即最靠近衬底的电极)被用作为用于读取像素中产生的电荷的电极。

像素的热电电容的与用于读取像素的电极对应的电极可由导电材料材质的并且彼此电绝缘的第一区别部分形成。

像素的热电电容的与加热元件对应的电极可被电连接在一起并且由设有两个端部的导电材料材质的至少一个第二部分形成，这两个端部能够被施加所述像素的热电电容的热电材料的加热电压。在该构造中，待施加到导电材料材质的第二部分的端部的加热电压还形成所述像素的热电电容的偏置电势。这些电势从一个像素到下一个像素是不同的。通过在测量期间维持固定不变的加热电压，偏置电势因而在整个测量过程中也是固定不变的，这使得最终能够测量热电电容中产生的电荷变化。

在一个有利实施例中，传感器可以如下：

-像素被布置成形成具有多行和多列的像素的矩阵；

-每行像素的热电电容的与加热元件对应的电极被电连接在一起并且由导电材料材质的第二部分形成，该第二部分不同于其他行像素的导电材料材质的第二部分；

-每个导电材料材质的第二部分包括两个端部，这两个端部能够被施加该行的像素的热电电容的热电材料的加热电压。

在该有利的实施例中，形成每行像素的加热元件的电极可以对应于导电材料材质的单个第二部分。不同的加热电压(但不一定具有不同的值)旨在被施加到导电材料材质的第二部分中的每一个第二部分的端部。每行像素因此被彼此独立地加热，这在逐行读取像素的矩阵时非常合适，因为这避免了对待稍后读取的像素进行不必要的加热。该构造还使得矩阵的所有像素能够具有一致的累积时间。

在这种情况下，每个导电材料材质的第二部分的两个端部中的一个可以被电连接在一起。被连接在一起的端部可以被连接至地。

每个导电材料材质的第二部分在由导电材料材质的所述第二部分形成的每个电极处可以包括：其电阻大于导电材料材质的所述第二部分的其余部分的电阻的部件。这种构造使得能够将热量集中在热电电容上并且能够减少热电电容之间的热量损失。

由于部件与导电材料材质的部分的其余部分相比具有较小的尺寸(例如宽度和/或厚度)，可以得到电阻差。

传感器可进一步包括用于将加热电压施加到一个或多个导电材料材质的第二部分的端部的装置，以使得在由像素中的一个像素对热图案进行测量的期间，形成所述像素的加热元件的电极上的电势的值在整个测量过程中大致是固定不变的。

像素可被布置成形成具有多行和多列的像素的矩阵。每个像素可包括至少一个行选择晶体管，该行选择晶体管能够在其栅极上接收对所述像素所属于的整行像素共用的控制信号，并且当行选择晶体管处于导通状态时，该行选择晶体管能够将用于读取所述像素的电极电连接至读取电路，该读取电路包括至少一个放大器，并且该读取电路对所述像素所属于的列中的像素是共用的。

在第一构造中，行选择晶体管可以被连接至放大器的反相输入端，并且读取电路可以进一步包括：

-用于将参考电压施加到放大器的非反相输入端的装置；

-将放大器的反相输入端连接至放大器的输出端的开关或换向器；

-将放大器的反相输入端连接至放大器的输出端的电容，例如电容器。

在该第一构造中，读取电路执行电流的读取，即直接读取由热电电容产生的电荷。

在这种情况下，传感器可进一步包括控制电路，对于读取一行像素而言，该控制电路能够至少实施以下步骤：

-导通所述行的像素的行选择晶体管并且闭合读取电路的开关；

-对导电材料材质的第二部分的端部或对与所述行的像素相关联的导电材料材质的第二部分中的一个第二部分的端部施加加热电压；

-打开读取电路的开关；

-等待对应于由所述行的像素对热图案进行测量的累积时间；

-读取放大器的输出电压。

导通行选择晶体管以及闭合读取电路的开关的第一步骤使得能够将所读取的行中的像素的主动节点的电势设置为已知的初始值，该初始值与对读取电路的放大器的非反相输入端施加的参考电压的值对应。

当所读取的行中的像素的加热时间大于这些像素的累积时间时，读取方法可以包括：在开始加热像素与开始测量热图案之间，关断所述行的像素的行选择晶体管，然后在打开读取电路的开关之后导通所述行的像素的行选择晶体管。

在该构造中，在读取该行的像素后，控制电路可以停止对该行像素的导电材料材质的第二部分的端部施加加热电压。

在第二构造中，每个像素可以进一步包括：

-能够对用于读取像素的电极施加重置电压的重置晶体管；

-电压跟随器晶体管，该电压跟随器晶体管的栅极被连接至用于读取像素的电极，并且该电压跟随器晶体管的源电极和漏电极中的一个被连接至行选择晶体管。

在该第二构造中，由于电压跟随器晶体管复制了由放大器接下来读取的读取电极的电压的事实，读取电路执行所进行的测量中的电压读取。

-导通所述行的像素的重置晶体管；

-关断所述行的像素的行选择晶体管；

-对导电材料材质的第二部分的端部或对与所述行的像素相关联的导电材料材质的第二部分中的一个第二部分施加加热电压；

-关断所述行的像素的重置晶体管；

-等待对应于由所述行的像素对热图案进行测量的累积时间；

-导通所述行的像素的行选择晶体管；

-读取施加到读取电路的放大器的输入端的电压。

在开始实施上述步骤时，复位晶体管处于导通状态，以使得复位电压被施加到所读取的像素的读取电极。

附图说明

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

-图1示出了根据现有技术的热图案传感器的一部分的俯视图，

-图2示出了作为本发明的主题的热图案传感器的像素的热电电容的剖面图，

-图3示出了作为本发明的主题的根据第一实施例的热图案传感器的一部分的俯视图，

-图4示出了作为本发明的主题的根据第二实施例的热图案传感器的一部分的俯视图，

-图5示出了作为本发明的主题的根据第二实施例的替代方案的热图案传感器的一部分的俯视图，

-图6和图7示出了作为本发明的主题的热图案传感器的用于读取像素的电路的第一示例性实施例和第二示例性实施例。

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不一定按照统一的比例，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2，图2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。

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，polyethylene naphthalate)或PET(聚对苯二甲酸，polyethylene terephthalate)，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，dots per inch)的分辨率的传感器100的情况下，像素102的间距等于50.8μm。

传感器100的像素102中的每一个包括由热电电容形成的热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。部分106的热电材料有利地是P(VDF-TrFE)或PVDF。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(诸如具有等于约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。

例如对应于氮化铝层或任何其它适于产生保护层的材料的层的保护层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)位于其上的表面。

为了使部分106的PVDF获得热电(还有压电)特性，所述材料一旦处于热电电容的生命周期中，则PVDF的厚度中每微米承受约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对应于面对电极108、110中的每一个的部分106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等于约32μC/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，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

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)，由于在输出端处形成集成电流(courant intégré)，产生的电荷流至读取电路，在这种情况下：

其中ζ对应于累积时间，在该累积时间期间，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之间获得的电压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被初始偏置所沿的电场的方向。在诸如氮化铝之类的某些其它热电材料的情况下，该初始偏置方向取决于热电材料被沉积的方式、该热电材料的顺序和该热电材料的晶体取向。此外，获得的电压ΔV或电流的方向可以根据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，该加热元件在像素102中并且尤其在热电材料材质的部分106中散发一定量的热量。与现有技术的热电传感器不同，这些加热元件不是在热电电容的旁边或上方或下方添加的元件，而是由热电电容中的每一个的电极108、110中的一个直接形成。在图2的示例中，像素102的热电电容的加热元件由上部电极110形成。热电电容的其他电极(这里是下部电极108)作为用于读取像素102的电极。

通过使得电流在用于形成加热元件的电极中流通来实现对热电材料材质的部分106进行加热。然而，该电极还用于热电电容的偏置。因此，像素102中的每一个的加热电阻因此也用于在这些像素102执行测量的期间对由像素102中的每一个的部分106和电极108、110形成的热电电容的电极进行偏置(在测量期间施加的偏置不同于之前描述的PVDF的初始偏置)。

由于在读取热图案期间施加到该电极的电势的值固定不变的事实，可以使用像素102的电极108、110中的一个来形成加热元件。

图3示出了根据第一实施例的传感器100的数个像素102的俯视图。

与用于读取像素的、在其上由热电电容产生的电荷将被收取以进行读取的电极对应的下部电极108由导电材料材质的并且彼此电绝缘的第一区别部分形成。这些第一导电部分在衬底104的平面(平面(X，Y))中各自具有矩形截面，并且以矩阵的形式彼此相邻布置以形成像素102的矩阵。热电材料被制成为覆盖全部的下部电极108的单个部分106的形式。像素的上部电极110由导电材料材质的第二部分111形成，该第二部分是所有像素102共用的并且形成了像素102的加热元件。像素102的上部电极110因此电连接在一起。导电材料材质的第二部分111由数个部件112组成，该数个部件彼此平行延伸并且覆盖部分106的形成像素102的矩阵中同一列的热电电容的部件中的每一个。导电材料材质的第二部分111的其他部件114以串联的方式连接部件112并且垂直于这些部件112延伸。这里形成了像素102的上部电极110的导电材料材质的第二部分111具有“线圈”形状。

导电材料材质的第二部分111还包括被施加加热电压的两个端部116、118。两个端部116、118中的一个端部例如被连接至地，并且通过例如由将传感器中现有的电压施加到端部116的电连接器形成的加热装置将非零的加热电势施加到另一端部。例如，如果端部118被连接至地并且如果将加热电势V_加热施加到端部116，则电流从第二部分111的端部116流到端部118，在第二部分111中由焦耳效应引起加热并且从而加热了像素102的部分106。加热电压的值根据期望的加热功率来选择，所述功率尤其是待加热的部分106的厚度以及保护层109的厚度、部分106的材料的热电系数、读取电路的灵敏度、读取电路的噪声水平以及累积时间的函数。在像素102中，加热功率例如介于约0.1mW到10mW之间。

有利地，对于本发明的所有实施例，用作为用于加热像素102的电阻的导电材料材质的第二部分111也形成了像素102的布置在热电材料上方的上部电极110而不是下部电极108，因为该布置使得能够将热电电容的最接近传感器100的外部的导电部分连接至传感器100的地。这种布置形成对静电放电(ESD)的保护，因为如果发生这种放电，那么存在用于由于该放电而发生的电荷流动的优选路径，这限制了传感器100的诸如晶体管的脆弱有源元件发生电压击穿。

还提出了根据图4所示的第二实施例的传感器100。在该第二实施例中，传感器100包括数个导电材料材质的第二部分111，该第二部分各自形成像素102的布置在同一行上的上部电极110。图4示出了六个导电材料材质的第二部分111。每个第二部分111包括被施加加热电势的第一端部116和被连接到另一导电部分120的第二端部118，该另一导电部分为所有第二部分111共用的并且被连接至地。施加到第二部分111的第一端部116的电势从一个部分111到另一部分111均是相似的。

与第一实施例相比，该第二实施例使得能够彼此独立地加热并偏置每一行像素102，这简化了对像素102的读取。这尤其降低了可能由于读取像素102的延迟而引起的像素102读取不均匀的风险。由于像素102不是全部被同时加热，因此也降低了加热像素102所需要的功率。

施加到第二部分111的加热电压的值经过与第二部分111的金属的电阻率比较被调节，以产生像素102中期望的热能。例如，传感器100被认为在500dpi(对应于像素102以50.8μm的间距彼此相邻地布置)的情况下包括400×300像素的矩阵。对于这种传感器100，当第二部分111包括钛并且各自具有等于约200nm的厚度以及具有每平方约2Ohm的电阻率时，形成一行的400像素的上部电极110的、各自具有等于约40μm的宽度(沿着图4的Y轴的尺寸，即位于第二部分111的主表面延伸所在的平面中并且与主尺寸，即第二部分111的长度垂直的尺寸)的每个第二部分111具有等于400×50/40＝500平方的、即为1kOhm的电阻率。为了获得每个像素102等于约0.1mW，即每行像素102约40mW的耗散功率，将约6.3V的电势施加到第二部分111的每一个端部116。为了获得每个像素约1mW的耗散功率，将约20V的电势施加到第二部分111的每个端部116。

在图4所示的第二实施例中，第二部分111形成沿一行像素102延伸的具有均匀宽度的导电条。热量因此沿着每个导电条以均匀的方式扩散。根据图5所示的替代实施例，每个第二部分111的宽度在其整个长度上不均匀。每个第二部分111的位于面对下部电极108的、即定心在每个像素102上的部件122具有小于其他部件124的宽度的宽度，该其他部件被布置为跨越两个像素并且在两个像素的上方，并且该其他部件各自连接两个部件122。该替代实施例使得能够集中在每个像素102上产生的热量并且能够限制像素102之间由于下述事实而发生的热损失：在部件122和相邻部件124之间的接合处电阻增大(这些接合处位于像素102上而不在像素102之间)，这导致更多地产生焦耳效应并且在这些接合处更多地注入热量。具有定心在像素102上的热点的事实也减小了透热的问题，即相邻像素之间的热量的侧向传递。然而，该替代方案由于面对第二部分111的热电材料的表面减小的事实而使得产生的热电电荷略微减少，这意味着必须在不同的热参数、读取速度等之间取得折中。

可以通过不减小每个第二部分111在像素102处的宽度而是减小第二部分111的导电材料在像素102处的厚度来形成定心在像素102上的这些热点。

在之前描述的实施例的替代方案中，用于热电电容的偏置以及像素102的热电材料的加热的导电部分可以不对应于形成像素102的上部电极110的导电部分，而是对应于形成像素102的下部电极108的导电部分。另外，可以设想除之前描述的那些形成每个像素102的热电电容的电极中的一个电极以及形成这些像素102的加热元件的导电部分的形状或设计之外的形状或设计。

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6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6中示出的像素102包括由布置在两个电极108、110之间的热电材料材质的部分106形成的热电电容。能够加热热电材料材质的部分106的加热电势V_加热被施加到热电电容的两个电极中的一个电极，例如，之前描述的实施例中的上部电极110。施加了加热电势V_加热的导电材料形成被表示为加热电阻128的电阻加热元件。另一个电极(这里是所描述的示例中的下部电极108)形成用于读取像素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，并且选择信号将被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位于列的底部处的读取电路131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、开关136和模拟/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。

在对像素102的温度变化进行测量的期间，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。将加热电压施加到像素102的热电电容的第二部分111的端部。热电电容在此时的温度为T₀。开关136接下来被打开。于是在累积时间ζ(例如等于约30μs)期间，在像素102的热电电容处开始累积。在该累积时间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。在该累积时间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的输出端处的电势为V_输出＝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被转换到关闭位置，以使电容134放电，并且将晶体管130置于关断状态以隔离像素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。

在这种读取期间，对热电电容的电极中的一个施加的电势V_加热在整个像素读取过程中是固定不变的。另一方面，由于被施加了所述电势的导电材料材质的第二部分111对数个像素102共用的事实，对这些像素102中的每一个像素的热电电容的电极中的一个电极施加的加热电势的值从一个像素到下一个像素是不同的。鉴于例如图4所示的第二实施例，热电电容的最接近端部116的上部电极110经受大致等于V_加热的电势。随后的热电电容的上部电极110经受大致等于V_加热–δV的电势。对热电电容的上部电极110施加的电势的值与该上部电极相对于端部116的距离成比例地减小。当导电部分120被连接至地时，最后的热电电容的上部电极110(对应于与导电部分120相邻的电极)经受大致等于0V的电势，即地电势。所施加的加热电势的这种变化从一个像素到下一个像素不会改变从一个像素到下一个像素产生的热量，这是由于下述事实：因为所有像素102的加热电阻128是相同的，所以在第二导电部分111中流动引起加热的电流在所有第二导电部分111中是相同的并且对于所有像素102是相同的。

在读取像素时，每个电极上的电势的值从一个像素到下一个像素是不同的。另一方面，对于相同的温度变化，热电电容的端子处的电压是相同的。然而，与参考电压相比，被读取的是产生的过量电荷，无论该过量电荷是正还是负。例如，在图6所示的第一示例性实施例的情况下，在放大器132的输出端获得的作为结果的读取电压是V_输出＝V_ref±ΔQ/Cf，其中，Cf对应于电容134的值，在累积时间期间，该值与当电势V_加热稳定时热电电容的端子处的电压无关。

在之前关于图6所描述的第一示例性实施例中，产生的电荷由放大器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生产使用非晶TFT技术的晶体管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，则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，这些电路通过将一个添加到另一个上或者通过其它的方案(覆晶薄膜(Chipon Flex)、电线，等等)而被邻近地装配。

图7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。如同像素行选择晶体管130的控制器，重置晶体管140的控制器对于一整行像素102而言可以是共用的。

与第一示例性实施例不同，在第一示例性实施例中，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，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，对读取电极108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，该放大器是反相放大器或者不是，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也被耦接至放大器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，借助例如为MOS类型的三个晶体管对像素102执行读取。以电压的形式执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。晶体管可由多晶硅或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，则产生的电荷被保存。

在图7所示的第二示例性实施例的情况下，在放大器144的输出端处获得的作为结果的读取电压除了存在于主动节点126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)。在该第二示例性实施例中，可以通过在每个导电材料材质的第二部分111的端部116与118之间施加从V_加热到地的电势差来对热电材料材质的部分106进行加热。

当电子读取元件对应于之前描述的第二示例性实施例的电子读取元件时，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；

-通过将电势V_加热施加到与待读取的像素102相关联的热电电容的电极中的一个电极来接通对像素102的热电材料材质的部分106的加热；

-关断重置晶体管140；

-使像素102开始累积，那时该像素处于温度T₀；

-等待例如等于30μs的累积时间ζ；

-读取像素102，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，并且能够对在对应于温度变化ΔT＝T₁–T₀的该转换之后获得的值采样；

-关断对热电材料材质的部分106的加热。

一般来说，累积时间ζ将介于约30μs到1ms之间，以便获得介于约0.5K到2K之间的温度变化。

此外，无论是以电荷(或电流)还是以电压的形式执行读取，在累积时间ζ和读取期间都不执行对加热的接通和关断。实际上，接通加热使得热电电容的电极中的一个电极的电势能够以多种方式变化。因此，该变化出现在热电电容的另一个电极上。对于某些像素，这种电势的变化远大于待由这些像素读取的信号。出于同样的原因，可建议在累积时间期间尽可能地限制电势V_加热上的所有寄生，尤其是那些与由其他电子部件的运行引起的电流消耗相关的寄生。

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，以驱动对像素102的读取。

由传感器100检测的热图案有利地对应于指纹。

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所述图像与存储在数据库中的数个图像进行比较，以辨别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检测到的热图案的图像。

此外，除之前描述的热检测元件之外，传感器100有利地包括光检测元件或电容式检测元件，该光学检测元件或电容检测元件使得能够检测其热图案也被检测的要素的图像。因此，传感器100可以包括与热检测像素交错的光学检测像素的矩阵。

Claims

1.热图案传感器(100)，包括多个像素(102)，每个像素(102)包括至少一个热电电容，所述热电电容由布置在下部电极(108)与上部电极(110)之间的热电材料材质的至少一个部分(106)形成，其中，所述上部电极和所述下部电极中的一个电极(108)对应于用于读取所述像素(102)的电极，并且其中，加热元件由所述上部电极和所述下部电极中的另一个电极(110)形成，所述加热元件能够在热图案测量期间由于焦耳效应而由所述像素(102)的热电电容对所述像素(102)的热电电容的热电材料材质的部分(106)进行加热。

2.根据权利要求1所述的传感器(100)，其中，所述热电材料包括PVDF和/或P(VDF-TrFE)和/或PZT。

3.根据前述权利要求中的一项所述的传感器(100)，进一步包括衬底(104)，在所述衬底上布置所述像素(102)的热电电容，每个像素(102)的热电电容的下部电极(108)被布置在所述衬底(104)与所述像素(102)的热电电容的热电材料材质的部分(106)之间，并且其中，每个像素(102)的热电电容的上部电极(110)形成所述像素(102)的加热元件。

4.根据前述权利要求中的一项所述的传感器(100)，其中，所述像素(102)的热电电容的与用于读取所述像素(102)的电极对应的电极(108)由导电材料材质的并且彼此电绝缘的第一区别部分形成。

5.根据前述权利要求中的一项所述的传感器(100)，其中，所述像素(102)的热电电容的与所述加热元件对应的电极(110)被电连接在一起并且由至少一个设有两个端部(116，118)的导电材料材质的第二部分(111)形成，所述两个端部能够被施加所述像素(102)的热电电容的热电材料(106)的加热电压。

6.根据权利要求1至4中的一项所述的传感器(100)，其中：

-所述像素(102)被布置成形成具有多行和多列的像素(102)的矩阵；

-每行像素(102)的热电电容的与所述加热元件对应的电极(110)被电连接在一起并且由导电材料材质的第二部分(111)形成，所述第二部分不同于其他行的像素(102)的导电材料材质的第二部分(111)；

-每个导电材料材质的第二部分(111)包括两个端部(116，118)，所述两个端部能够被施加所述行的像素(102)的热电电容的热电材料(106)的加热电压。

7.根据权利要求6所述的传感器(100)，其中，每个导电材料材质的第二部分(111)的两个端部中的一个端部(118)被电连接在一起。

8.根据权利要求6或7中的一项所述的传感器(100)，其中，每个导电材料材质的第二部分(111)在由导电材料材质的所述第二部分(111)形成的每个电极(110)处包括：其电阻大于导电材料材质的所述第二部分(111)的其余部分(124)的电阻的部件(122)。

9.根据权利要求5至8中的一项所述的传感器(100)，进一步包括用于将所述加热电压施加到一个或多个导电材料材质的第二部分(111)的端部(116，118)的装置，以使得在由所述像素(102)中的一个像素对所述热图案进行测量的期间，形成所述像素(102)的加热元件的所述电极(110)上的电势的值在整个测量过程中大致是固定不变的。

10.根据权利要求5至9中的一项所述的传感器(100)，其中，所述像素(102)被布置成形成具有多行和多列的像素(102)的矩阵，并且其中，每个像素(102)包括至少一个行选择晶体管(130)，所述行选择晶体管能够在其栅极上接收对所述像素(102)所属于的整行像素(102)共用的控制信号，并且当所述行选择晶体管(130)处于导通状态时，所述行选择晶体管能够将用于读取所述像素(102)的电极电连接至读取电路(131)，所述读取电路包括至少一个放大器(132，144)，并且所述读取电路对所述像素(102)所属于的列中的像素(102)是共用的。

11.根据权利要求10所述的传感器(100)，其中，所述行选择晶体管(130)被连接至所述放大器(132)的反相输入端，并且其中，所述读取电路(131)进一步包括：

-用于将参考电压施加到所述放大器(132)的非反相输入端的装置；

-将所述放大器(132)的反相输入端连接至所述放大器(132)的输出端的开关(136)；

-将所述放大器(132)的反相输入端连接至所述放大器(132)的输出端的电容(134)。

12.根据权利要求11所述的传感器(100)，进一步包括控制电路，对于读取一行像素(102)而言，所述控制电路能够至少实施以下步骤：

-导通所述行的像素(102)的行选择晶体管(130)并且闭合所述读取电路(131)的开关(136)；

-将所述加热电压施加到导电材料材质的所述第二部分(111)的端部(116，118)或施加到与所述行的像素(102)相关联的导电材料材质的所述第二部分(111)中的一个第二部分；

-打开所述读取电路(131)的开关(136)；

-等待对应于由所述行的像素(102)对所述热图案进行测量的累积时间；

-读取所述放大器(132)的输出电压。

13.根据权利要求10所述的传感器(100)，其中，每个像素(102)进一步包括：

-能够对所述像素(102)的读取电极(108)施加重置电压的重置晶体管(140)；

-电压跟随器晶体管(142)，所述电压跟随器晶体管的一个栅极被连接至所述像素(102)的读取电极(108)，并且所述电压跟随器晶体管的源电极和漏电极中的一个被连接至所述行选择晶体管(130)。

14.根据权利要求13所述的传感器(100)，进一步包括控制电路，对于读取一行像素(102)而言，所述控制电路能够至少实施以下步骤：

-导通所述行的像素(102)的重置晶体管(140)；

-关断所述行的像素(102)的行选择晶体管(130)；

-关断所述行的像素(102)的重置晶体管(140)；

-导通所述行的像素(102)的行选择晶体管(130)；

-读取施加到所述读取电路的放大器(144)的输入端的电压。