CN108958555A - 电容式影像传感器与操作该电容式影像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种电容式影像传感器与操作该电容式影像传感器的方法。该电容式影像传感器包括：多个电容式感测单元，形成一阵列，每一电容式感测单元用以转换一接近手指的表面的一部分与该电容式感测单元的一上表面间的距离成一输出电位，其中该输出电位之值由施加至该电容式感测单元的一驱动信号所改变；至少一取样保存电路，用以撷取及保存不同的输出电位；至少一信号调适电路，每一信号调适电路包括至少一差分放大器，用以放大该取样保存电路保存的二电位间的差量；及一驱动源，用以提供该驱动信号至该些电容式感测单元。
Description
技术领域
本发明关于一种电容式影像传感器与操作该电容式影像传感器的方法，特别是关于一种具有降噪讯特点的电容式影像传感器与操作该电容式影像传感器的方法。
背景技术
出于安全目的需求，许多人类生物特征，诸如指纹、视网膜、虹膜、DNA，甚或脸部特征，用于提供人员识别。对于能够区分人的某些生物特征的所有设备中，指纹辨识器具有最低的成本和复杂性，而其识别结果一般来说都不错。此外，存储一个指纹细节所需的数据大小很小(由120位到2K位)，这使得指纹辨识设备广泛用于许多应用中。
对于指纹撷取感测技术来说，也存有许多种的形式，最流行的是光学式和电容式感测技术。光学式指纹感测模块利用来自手指表面的反射光强度来探知手指接触部位的脊部与谷部在何处。光学式技术的优点是可靠性和低成本。然而，由于嵌入式光学透镜的尺寸，光学式指纹感测模块的形状因子不能维持较小，光学式传感器难以嵌入便携式设备中。在另一方面，电容式指纹辨识模块由硅芯片制成，可以制成非常轻小。在某些例子中，当一个指纹影像可以通过滑动扫描而取得，该指纹传感器就可以做的更薄更小。电容式指纹辨识模块的小形状因子使得它适合可携式应用，比如访问控制臂章、银行卡、手机、平板计算机、USB接收器等。
电容式指纹传感器是基于两个平行导电板的电容与它们之间的距离成反比的原理。一电容式指纹传感器包括一阵列的感测单元，每一感测单元包括一感测板。使用该感测板作为二平板式电容器的其中一板，而手指表皮作为另一板，指纹的脊部与谷部能由量测不同的电容而定位。有许多前案关于电容式指纹辨识模块，其中多数以应用于制造指纹传感器。然而，还有许多问题存在需要解决方案，其中之一是传感组件的精度。
由于高密度的性质，流行的电容式指纹传感器主要是用半导体工艺制造的。传感组件的精度受制造技术中继承的许多因素的影响，诸如化学杂质密度，光罩对准，设备控制等，其不确定性或变化将反映在设备之间的不同行为上，或甚至在同一设备的获取的指纹影像中看到的固定图案噪讯。为了达到个人识别的最佳表现，期望通过减少噪讯模式来提高捕获的指纹影像的质量，消除固定模式噪讯的常见做法是在使用前校准设备。数据作为制造过程的一部分，校准数据可以进行计算和存储，或在使用设备之前处理。然而，在任一情况下，必须为校准数据留出一定量的存储空间，这种存储空间将增加系统成本。因此，需要一种创新的像素感测组件、一种由该像素感测组件制成的电容式指纹传感器和用于运行像素感测组件的方法。
发明内容
本段文字提取和编译本发明的某些特点。其它特点将被揭露于后续段落中。其目的在涵盖附加的申请专利范围之精神和范围中，各式的修改和类似的排列。
为了解决上述问题，本发明提出一种电容式影像传感器。电容式影像传感器，包括：多个电容式感测单元，形成一阵列，每一电容式感测单元用以转换一接近手指的表面的一部分与该电容式感测单元的一上表面间的距离成一输出电位，其中该输出电位之值由施加至该电容式感测单元的一驱动信号所改变；至少一取样保存电路，用以撷取及保存不同的输出电位；至少一信号调适电路，每一包括至少一差分放大器，用以放大该取样保存电路保存的二电位间的差量；及一驱动源，用以提供该驱动信号至该些电容式感测单元。该驱动信号是由一正波形及/或一负波形引起的电位变化。于重设阶段中，电容式感测单元的每一部分的电位设定为一定值。保存在取样保存电路中二输出电位间的差量是一噪讯降低数值，代表该电容式感测单元与其上手指的部分表面间的距离。于对应的正波形或负波形下，该取样保存电路保存至少一第一与一第二输出电位。该电容式影像传感器为每一像素(电容式感测单元)依序收集在对应正波形与负波形下的该些噪讯降低数值，并映射该噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置以得到该手指的减噪影像。
优选地，正波形与负波形的形状对称，正波形或负波形可以是阶梯函数。至少一信号调适电路进一步包括一模拟数字转换器，用以转换来自该差分放大器的输出电位为一数字化数值。
依照本发明，该电容式感测单元可进一步包括：一感测电极；一电压随耦器，其中该电压随耦器的一输入节点连接到该感测电极，该电压随耦器的一输出节点连接到该取样保存电路；一比较电容器，其中该比较电容器的一节点电连接到该电压随耦器，该比较电容器的另一节点电连接到该驱动源；及一偏压源电路，用以提供不同偏压至该感测电极。该比较电容器、一部分偏压源电路，及该电压随耦器为形成于一隔离井中的MOS装置。
该隔离井可使用深N阱植入结构。该比较电容器可包括一参考电容器与一寄生电容。该参考电容器可为金属氧化半导体场效晶体管电容器、多晶硅-介电层-多晶硅电容器或金属-介电层-金属电容器。该电容式影像传感器可进一步包括一控制与输出输入电路，用以处理该电容式影像传感器的时序与数据输入/输出。
该取样保存电路可进一步包括：二电荷保存电容器，用以保存由该电压随耦器发送之输出电位；及至少一选取开关，用以于该些电荷保存电容器间进行切换。
本发明亦揭露一种用以操作一电容式影像传感器以降低噪讯的方法。该方法包括步骤：于一第一感测阶段，当驱动源提供一第一输入波形时，读取一第一量测结果并保存于该取样保存电路；于一第二感测阶段，当驱动源提供一第二输入波形时，读取一第二量测结果并保存于该取样保存电路；于一输出阶段，依照第一与第二量测结果间的差异，由该差分放大器给定该噪讯降低数值；为每一像素依序收集在对应正波形与负波形下得到的该些噪讯降低数值；转换该些噪讯降低数值为数字化噪讯降低数值；及映射该些数字化噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置。如果该第一波形为正波形，该第二波形为负波形；如果该第一波形为负波形，该第二波形为正波形。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电容式影像传感器的示意图；
图2为本发明实施例提供的沿图1A-A’线电容式影像传感器的一部分的示意截面图；
图3为本发明实施例提供的一第一实施例中电容式影像传感器(一像素)的等效电路；
图4a为本发明实施例提供的NMOS晶体管的两个隔离井之物理结构的透视图；
图4b为本发明实施例提供的该些隔离井的侧视图；
图5为本发明实施例提供的该电容式影像传感器的典型实施的示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种架构，以及差分放大器与取样保存电路之间连接的架构；
图7为本发明实施例提供的说明第一实施例的电容式影像传感器中电容式感测单元的操作的步骤流程图；
图8为本发明实施例提供的一第二实施例中电容式影像传感器(一像素)的等效电路；
图9为本发明实施例提供的说明第二实施例的电容式影像传感器中电容式感测单元的操作的步骤流程图。
附图标记说明
10 电容式影像传感器
12 半导体基板
13 保护层
14 有源半导体电路
15 绝缘层
30 接触垫
40 接触垫
100 电容式感测单元
110 感测电极
120 第一偏压开关
130 第二偏压开关
140 电压随耦器
150 井接点
160 驱动源
170 比较电容器
180 隔离井
181 P型植入区
182 源极
183 汲极
184 闸极节点
185 N型植入区
186 深N型植入区
187 隔离层
188 块体接点
189 薄型隔离层
190 偏压源电路
200 取样保存电路
210 第一取样开关
220 第一电荷保存电容器
230 第二取样开关
240 第二电荷保存电容器
250a 取样保存电路
250b 取样保存电路
260a 电压随耦器
260b 电压随耦器
270a 电压随耦器
270b 电压随耦器
280a 行选择开关
280b 行选择开关
290a 行选择开关
290b 行选择开关
300 信号调适电路
310 差分放大器
311 第一输入节点
312 第二输入节点
320 模拟数字转换器
330 列选择开关
340 行选择开关
400 控制与输出输入电路
410 控制与时序逻辑
420 缓冲与输入输出
500 手指
501 脊部
502 谷部
510 手指电容
700 电容式感测单元
710 金属板
720 第一开关
730 第二开关
740 电压随耦器
750 井接点
760 驱动源
770 比较电容器
775 偏压电容器
780 隔离井
790 偏压源电路
具体实施方式
本发明将藉由参照下列的实施方式而更具体地描述。
请见图1，图1为本发明提供的一种电容式影像传感器10的示意图。电容式影像传感器10用来对一手指500表面的脊部与谷部取像，进一步转换结果为该指纹的减噪影像。电容式影像传感器10包括一阵列的电容式感测单元100、多个电源的接触垫40，及多个输入╱输出接口的接触垫30。来自每一电容式感测单元100的输出代表指纹影像的一个对应的像素。
图2为沿图1A-A’线电容式影像传感器10的一部分的示意截面图，一保护层13位于电容式影像传感器10上表面,一指尖500放置于该保护层13上。保护层13可以由玻璃、蓝宝石、环氧化合物或涂料所制成。电容式影像传感器10包括一半导体基板12，半导体基板12上形成阵列该电容式感测单元100。指尖500的表面包括接触保护层13的脊部501，与离开保护层13的谷部502。每一电容式感测单元100可以用来将接近手指500表面的一部分与其上表面间的距离转换为一输出电位。5个电容式感测单元100显示于图2中，其中一个电容式感测单元100被虚线框包围。每一电容式感测单元100包括一感测电极110，是一个导电板的形式。在导电板下方是有源半导体电路14，其由斜线区域示意性地显示于图2中。至少形成一绝缘层15以包覆感测电极110。有源半导体电路14的细节将在后面的段落中进行描述。
请参阅图3，图3为依照本发明的一第一实施例中电容式影像传感器10(一像素)的等效电路。电容式影像传感器10包括一阵列的电容式感测单元100(以虚线包围)、多个驱动源160、多个取样保存电路200(以点线包围)、多个信号调适电路300(以双虚线包围)，及一控制与输出输入电路400(以双点线包围)。每一电路将于下方详细描述。为了有较佳的理解，通过一个电容式感测单元100、一个取样保存电路200及一个信号调适电路300来说明。
电容式感测单元100是电路与金属/绝缘体结构的组合，用来来侦测微小电容变化，以产生出一对应的电压输出。电容式感测单元100包括一隔离井180、一感测电极110、一第一偏压开关120、一第二偏压开关130、一电压随耦器140、一井接点150，及一比较电容器170。代表感测电极110与电容式感测单元100未连接到感测电极110的其它部分间的杂散电容之和的一寄生电容(未绘示)可以当成一部分的比较电容器170来处理。寄生电容值，以Cp表示，可包括电压随耦器140的输入端的寄生电容、第一偏压开关120及/或第二偏压开关130的漏极-体极电容，或以一节点与感测电极110连接的任何装置的杂散电容。一参考电容器(未绘示)，具有电容Cr，形成于驱动源160与感测电极110之间，参考电容器用来注入驱动信号到感测电极110。参考电容器是一个金属氧化半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)电容器、多晶硅-介电层-多晶硅(Polysilicon-Insulator-Polysilicon，PIP)电容器或金属-介电层-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)电容器。比较电容器170是一个等效电容器，以Cc表示，效果等同于寄生电容与参考电容器的总合，即Cc＝Cr+Cp。当一手指500接近电容式感测单元100时，一手指电容510，以Cf表示，形成于其间。感测电极110是电容式感测单元100上方侧的一个金属板，用于形成平行板电容器的一侧。此处，平行板电容器是一个等效电容器，代表手指电容510。平行板电容器的另一侧是手指500的表面，为人体的一部分。人体被认为是接地的一部分，或通过低阻抗路径连接到接地。第一偏压开关120是一个MOS装置，用来当作连通或切断一第一偏压(以Vbias1表示)到感测电极110的开关。在本实施例中，第一偏压是一个4.5V的定压参考电位。第二偏压开关120是另一个MOS装置，用来当作连通或切断一第二偏压(以Vbias2表示)到感测电极110的开关。在本实施例中，第二偏压是一个-1.5V的定压参考电位。电压随耦器140是一个电路装置，具有输入与输出信号。输出信号跟随输入信号。通常来说，电压随耦器以单位增益放大器来实现。电压随耦器140的输入节点连接到感测电极110。驱动源160是一个低阻抗电压源，用来提供一多阶波形作为该驱动信号。更准确地说，驱动信号是由驱动源160提供的一正波形和/或一负波形所引起的电位变化。第一偏压开关120、第二偏压开关130、电压随耦器140，与比较电容器170皆形成于隔离井180(由点-虚线框架包围)中。井接点150是一个用来维持隔离井180的井电位的接点，同时连接到驱动源160的输出节点。每一个连接到井接点150的节点都具有相同的电位。因此，隔离井180内所有组件的接地电位均参照该井电位。井电位等于驱动源160的输出电压。井电位跟随注入的驱动信号改变，接着经由比较电容器170使电容式感测单元100内的电荷重分配，并进一步改变感测电极110的电位。数个电容式感测单元100可共享一个驱动源160，比如一行的电容式感测单元100的井接点可以连接到一个驱动源。一偏压源电路190(由点-点-虚线框架包围)是控制偏压供应到感测电极110的该些组件的一个集合电路。在本实施例中，偏压源电路190包括第一偏压开关120与第二偏压开关130。偏压源电路190的目的是在不同的时间提供不同的偏压到感测电极110。
请参照图4，图4a是2个NMOS晶体管隔离井实体架构的一个透视图，图4b是该些隔离井的侧视图。隔离井180包括一隔离P型植入区(隔离P型井)181、2个重掺杂N型区，其作为一源极182及一汲极183、一闸极节点184、一N型植入区(N型井)185、一层深N型植入区(DeepN-Well，DNW)186、一隔离层187、连接块体(P型植入区181)的一块体接点(B-bulk)188，及一薄型隔离层(闸极氧化物介电层)189。源极182、汲极183、闸极节点184、块体接点188，与薄型隔离层189是一般NMOS晶体管已知井结构的部分。然而，为了形成P型井隔离，也需要该结构的其它部分。隔离井180是一个MOS植入结构，允许晶体管的块体接点188隔离并为一改变信号驱动。对一个P型基板晶圆来说，用于NMOS晶体管的隔离井180可以由其下一圈的N型井185与一层DNW186所围绕的P型植入区(隔离P型井)181构建，N型井185与DNW186连接到高于驱动隔离P型井181的信号的电位的一定电压(未绘示)。块体接点188进一步连接到井接点150，用于接收来自驱动源160的信号。换言之，隔离井180被配置成能够防止电流流进/出P型植入区181与DNW186间的界面，或P型植入区181与N型植入区(N型井)185间的界面。在其它实施例中，N型植入区(N型井)185可以由其他方法或材料，如浅沟隔离(Shallow TrenchIsolation，STI)及/或深沟隔离所取代，这样防止电流泄漏于区域与P型植入区181的界面上。
图3中的取样保存电路200是一个用来撷取及保存输入电压信号的装置。取样保存电路200包括一第一取样开关210、一第一电荷保存电容器220、一第二取样开关230，及一第二电荷保存电容器240。第一取样开关210形成于电压随耦器140输出节点与第一电荷保存电容器220之间，是一个MOS装置，用作连接电压随耦器140输出到第一电荷保存电容器220的开关。第一电荷保存电容器220是一个电容器，用来撷取及保存经由第一取样开关210，来自电压随耦器140的一第一输出电位(以V1表示)。第一电荷保存电容器220的一节点连接到第一取样开关210，另一节点连接到接地。第二取样开关230形成于电压随耦器140的输出节点与第二电荷保存电容器240之间，是一个MOS装置，用作连接电压随耦器140输出到第二电荷保存电容器240的开关。第二电荷保存电容器240是一个电容器，用来撷取及保存经由第二取样开关230，来自电压随耦器140的一第二输出电位(以V2表示)。第二电荷保存电容器240的一节点连接到第二取样开关230，另一节点连接到接地。第一取样开关210与第二取样开关230一起运作作为一选取开关，供电压随耦器140选择输出对象(第一或第二电荷保存电容器)。在本实施例中，取样保存电路200在一对应的正波形或负波形下，保存至少一第一与第二输出电位。
信号调适电路300是一个放大第一与第二输出电位间电压差的电路，可能具有电压位准移位器，并接着转换结果为一数字化数值。信号调适电路300包括一差分放大器310与一模拟数字转换器320。差分放大器310的一第一输入节点311连接到第一电荷保存电容器220与第一取样开关210，差分放大器310的一第二输入节点312连接到第二电荷保存电容器240与第二取样开关230，差分放大器310的一输入节点连接到模拟数字转换器320的一输入节点。差分放大器310是一个放大器，用来产生一个电压输出，该电压输出与第一及第二输出电位间的差量成正比。模拟数字转换器320转换差分放大器310的输出电位并产生一二进制值，代表电位水平。
控制与输出输入电路400是处理电容式影像传感器10的时序与数据输入╱输出的电路。控制与输出输入电路400包括一控制与时序逻辑器410及缓冲与输入输出端口420。控制与时序逻辑器410控制所有电容式影像传感器10中的开关。缓冲与输入输出端口420接收模拟数字转换器320的输出数据并储存该数据到一缓冲中，接着在适当时间发出该数据。
请参阅图5，图5为依照本发明电容式影像传感器10的典型实施的示意图。电容式影像传感器10包括一二维阵列的电容式感测单元100及数个取样保存电路200。在本图中，其它的电路未绘示。该二维阵列的电容式感测单元100以一逐行序列启用。相同行中的电容式感测单元100通过各别列选择信号分享相同输出线路，一列由对应的列选择信号在一个时间点上启用。列选择信号由控制与时序逻辑器410送出用以控制列选择开关330。每一行输出线路连接一分享的取样保存电路200及一差分放大器310。差分放大器310的输出通过一组行选择信号，多任务至一单一输出信号。行选择信号由控制与时序逻辑器410送出用以控制行选择开关340。一次只启动一个列选择信号之一，以允许差分放大器310的输出依序发送到信号调适电路300中的模拟数字转换器320。
请参阅图6，图6显示一取样保存电路的另一种架构，以及差分放大器310与取样保存电路250a╱250b间连接的架构。取样保存电路250a╱250b可通过额外的电压随耦器(如260a与270a)、位于电荷保存电容器(220与240)与差分放大器310之间的行选择开关(如280a与290a)，来分享相同差分放大器310。例如，一电压随耦器260a与一行选择开关280a设置于第一电荷保存电容器220与差分放大器310之间，一电压随耦器270a与一行选择开关290a设置于第二电荷保存电容器240与差分放大器310之间。
本发明也揭露一种用来操作电容式传感器10的方法。请参阅图7，该图是说明操作电容式影像传感器10中电容式感测单元100的步骤流程图，其步骤为：
S01，关闭所有开关(第一偏压开关120、第二偏压开关130、第一取样开关210，及第二取样开关230)并设定驱动源电位为零(0V)；
S02，设定驱动源160为高电位(3V)以拉高隔离井180的电位，使隔离井180的电位高于系统接地，并开启第一偏压开关120以将感测电极110充电至第一偏压(4.5V)；
S03，关闭第一偏压开关120以维持感测电极110浮动，并将感测电极110的电位维持在第一偏压(4.5V)；
S04，设定驱动源160的电位为零(0V)；
S05，开启第一取样开关210以对第一电荷保存电容器220充电到一第一输出电位V1，该输出电位V1跟随感测电极110的电位；
S06，关闭第一取样开关210以由第一电荷保存电容器220维持第一输出电位V1；
S07，设定驱动源160为低电位(-3V)以降低隔离井180电位，使隔离井180电位低于系统接地，并开启第二偏压开关130以将感测电极110充电至第二偏压(-1.5V)；
S08，关闭第二偏压开关130以维持感测电极110浮动，并将感测电极110的电位维持在第二偏压(-1.5V)；
S09，设定驱动源160的电位为零(0V)；
S10，开启第二取样开关230以对第二电荷保存电容器240充电到一第二输出电位V2，该输出电位V2跟随感测电极110的电位。
S11，关闭第二取样开关230以由第二电荷保存电容器240维持第二输出电位V2；及
S12，由差分放大器310给定一输出电位，该输出电位与第一及第二输出电位间差量成正比。
此处，步骤S02至S03为第一重设阶段，步骤S04至S06为第一感测阶段，步骤S07至S08为第二重设阶段，步骤S09至S11为第二感测阶段，步骤S12为输出阶段。步骤S12中，与第一及第二输出电位间差量成正比的输出电位是像素(电容式感测单元)的噪讯降低数值。该噪讯降低数值代表电容式感测单元与其上手指一部分表面间的距离。步骤S02到S06与步骤S07到S11的顺序可以交换。换句话说，驱动源施加并用来取得该噪讯降低数值的一正波形及一负波形是不论它们出现的先后次序的。为了有更好的理解，取步骤S02至步骤S04形成的波形为一第一波形，步骤S07至步骤S09形成的波形为一第二波形。如果第一波形为正波形，第二波形为负波形；如果第一波形为负波形，第二波形
S13为每一像素依序收集在对应的正波形与负波形下获得的噪讯降低数值；
S14转换该些噪讯降低数值为数字化的噪讯降低数值；及
S15映射该些数字化噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置。
为了有较佳的理解，结果分析如下所示。在步骤S04之后，感测电极110的电位应该是此处，Vbias1是第一偏压的电位，Vwell是井电位，ΔVwell_1是由驱动源160发出的一正波形(一电压升信号)所导致井电位的变化，Cf是手指电容510的值，(Cr+Cp)是比较电容器170(Cp是寄生电容的值，Cr参考电容器的值)的值。在步骤S05之后，第一输出电位可以由 来表示。此处，N是由电压随耦器电路与电路元件的阻抗失配造成的固定模式噪讯，上述问题是由制造过程中控制的不精确所造成的，Gf是电压随耦器140的增益因子，通常小于1。在步骤S09之后，感测电极110的电位应为 在步骤S10之后，第二输出电位可以表示为 此处，Vbias2是第二偏压的电位，ΔVwell_2是由驱动源160发出的一负波形(一电压降信号)所导致井电位的变化。正波形与负波形的形状对称，且在本实施例中是阶梯函数，即ΔVwell_1＝-ΔVwell_2＝ΔVwell。在最终步骤S12中，差分放大器310的输出可以表示为 此处，g是差分放大器310的增益因子。在本方法中，固定模式噪讯项(N)被抵消掉。
请参照图8，图8绘示电容式影像传感器20(一像素)的一第二实施例的等效电路，本实施例与前一实施例间唯一的差异为电容式感测单元700。更准确地说，电容式感测单元700的偏压源电路790不同于电容式感测单元100的偏压源电路190。在本实施例中，电容式感测单元700包括一隔离井780、一感测电极710、一第一开关720、一第二开关730、一电压随耦器740、一井接点750、一驱动源760、一比较电容器770，与一偏压电容器775。代表感测电极710与电容式感测单元700未连接到感测电极710的其它部分间之杂散电容之和的一寄生电容(未绘示)可以当成一部分的比较电容器770来处理。寄生电容的值，以Cp表示，可包括电压随耦器740的寄生输入电容、第一开关720的漏极-体极电容，或以一节点与感测电极710连接的任何装置的杂散电容。一参考电容器(未绘示)，具有电容Cr，设置于驱动源760与感测电极710之间，该参考电容器用来注入一驱动信号到感测电极710。比较电容器770是一个等效电容器，以Cc表示，代表寄生电容与参考电容器的总和效果，即Cc＝Cr+Cp。当一手指500接近电容式感测单元700时，一手指电容510，以Cf表示，设置于其间。感测电极710是电容式感测单元700上方侧的一个金属板，用于形成平行板电容器的一侧。此处，平行板电容器是一个等效电容器，代表手指电容510。平行板电容器的另一侧是手指500的表面，为人体的一部分。人体被认为是接地的一部分，或通过低阻抗路径连接到接地。偏压电容器775具有一第一节点与一第二节点，偏压电容器775的第二节点连接到驱动源760。偏压电容器775的电容比手指电容510及/或比较电容器770的电容大许多。第一开关720是一个MOS装置，用来当作连通或切断偏压电容器775的第一节点到感测电极710的开关。第二开关730是另一个MOS装置，用来当作连通或切断一偏压，以Vbias表示，到偏压电容器77的第一节点的开关。在本实施例中，该偏压为1.5V的定电压参考。电压随耦器740是一个电路装置，具有输入与输出信号。输出信号跟随输入信号。通常来说，电压随耦器以单位增益放大器来实现。电压随耦器740的输入节点连接到感测电极710，输出节点连接到取样保存电路200。驱动源760是一个低阻抗电压源，用来提供一多阶波形当作驱动信号。第一开关720、电压随耦器740，与比较电容器770都形成于隔离井780(由点-虚线框架包围)中。井接点750是一个用来维持隔离井780的井电位的接点，且连接到驱动源760的输出端。每一个连接到井接点750的节点都有相同的井电位。因此，隔离井780内的组件的接地电位参照井电位。井电位与驱动源760的输出电压相同。一偏压源电路790(由点-点-虚线框架包围)是控制偏压供应到隔离井780的该些组件的一个集合名词。在本实施例中，偏压源电路790包括第一开关720、第二开关730与偏压电容器775。偏压源电路790的目的是于不同的时间提供不同的偏压到隔离井780。
本发明也揭露一种用来操作电容式传感器20的方法。请参阅图9，该图是说明操作电容式影像传感器20中电容式感测单元700的步骤之流程图，其步骤为：
S21，关闭所有开关(第一开关720、第二开关730、第一取样开关210，与第二取样开关230)并设定驱动源760的电位为零(0V)；
S22，开启第一开关720与第二开关730对偏压电容器775与感测电极710充电到偏压(1.5V)；
S23，关闭第二开关730并设定驱动源760为高电位(3V)以拉高井电位到高电位(偏压电容器775的第一节点的电位现变为约4.5V，等于井电位与偏压之总和。因手指电容510的存在，虽然远小于偏压电容器775的电容，偏压电容器775第一节点的电压非常接近，但不完全为4.5V。)；
S24，关闭第一开关720以切断偏压电容器775的第一节点与感测电极710，维持金属板浮动并维持电位约4.5V；
S25，设定驱动源760的电位为零(0V)以驱动井电位至系统接地的电位；
S26，开启第一取样开关210以对第一电荷保存电容器220充电到一第一输出电位V1，该第一输出电位V1跟随感测电极710的电位；
S27，关闭第一取样开关210以由第一电荷保存电容器220维持第一输出电位V1；
S28，开启第一开关720以允许感测电极710的电位与偏压电容器775第一节点的电位相同，及第二开关730对偏压电容器775与感测电极710充电到偏压(1.5V)；
S29，关闭第二开关并设定驱动源760为低电位(-3V)以降低井电位到低电位(偏压电容器775的第一节点的电位现变为约-1.5V，等于井电位与偏压之总和。因手指电容510的存在，虽然远小于偏压电容器775的电容，偏压电容器775第一节点的电压非常接近，但不完全为-1.5V)；
S30，关闭第一开关720以切断偏压电容器775的第一节点与感测电极710，维持金属板浮动并维持电位约-1.5V；
S31，设定驱动源760的电位为零(0V)以驱动井电位至系统接地的电位；
S32，开启第二取样开关230以对第二电荷保存电容器240充电到一第二输出电位V2，该第二输出电位V2跟随感测电极710的电位；
S33，关闭第二取样开关230以由第二电荷保存电容器240维持第二输出电位V2；及
S34，由差分放大器310给定一输出电位，该输出电位与第一及第二输出电位间差量成正比。
此处，步骤S22至S24是第一重设阶段，步骤S25至S27是第一感测阶段，步骤S28至S30是第二重设阶段，步骤S31至S33是第二感测阶段，步骤S34是输出阶段。步骤S34中，与第一及第二输出电位间差量成正比的输出电位是像素(电容式感测单元)的噪讯降低数值。该噪讯降低数值代表电容式感测单元与其上手指一部分表面间的距离。步骤S22到S27与步骤S28到S33的顺序可以交换。换句话说，驱动源施加并用来取得该噪讯降低数值的一正波形及一负波形是不论它们出现的先后次序的。为了有较佳的理解，取步骤S22至步骤S25形成的波形为一第一波形，步骤S28至步骤S31形成的波形为一第二波形。如果第一波形为正波形，第二波形为负波形；如果第一波形为负波形，第二波形为正波形。可有额外的步骤来转换输出电位为数字化影像。该些步骤为：
S35，为每一像素依序收集在对应的正波形与负波形下获得的噪讯降低数值；
S36，转换该些噪讯降低数值为数字化的噪讯降低数值；及
S37，映射该些数字化噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。
Claims (12)
1.一种电容式影像传感器，包括：
多个电容式感测单元，形成一阵列，每一电容式感测单元用以转换一接近手指的表面的一部分与该电容式感测单元的一上表面间的距离成一输出电位，其中该输出电位的值由施加至该电容式感测单元的一驱动信号所改变；
至少一取样保存电路，用以撷取及保存不同的输出电位；
至少一信号调适电路，每一包括至少一差分放大器，用以放大该取样保存电路保存的二电位间的差量；及
一驱动源，用以提供该驱动信号至该些电容式感测单元，
其中该驱动信号是由一正波形和/或一负波形引起的电位变化；在重设阶段中，电容式感测单元的每一部分的电位设定为一定值；保存在取样保存电路中二输出电位间的差量是一噪讯降低数值，代表该电容式感测单元与其上手指的部分表面间的距离；在对应的正波形或负波形下，该取样保存电路保存至少一第一输出电位与一第二输出电位；该电容式影像传感器为每一像素依序收集在对应正波形与负波形下的该噪讯降低数值，并映射该噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置以得到该手指的减噪影像。
2.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，该正波形与该负波形的形状对称。
3.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，该正波形或该负波形是阶梯函数。
4.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，该至少一信号调适电路进一步包括一模拟数字转换器，用以转换来自该差分放大器的输出电位为一数字化数值。
5.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，该电容式感测单元进一步包括：
一感测电极；
一电压随耦器，其中该电压随耦器的一输入节点连接到该感测电极，该电压随耦器的一输出节点连接到该取样保存电路；
一比较电容器，其中该比较电容器的一节点电连接到该电压随耦器，该比较电容器的另一节点电连接到该驱动源；及
一偏压源电路，用以提供不同偏压至该感测电极，
其中该比较电容器、一部分偏压源电路，及该电压随耦器为形成于一隔离井中的MOS装置。
6.如权利要求5所述的电容式影像传感器，其特征在于，该隔离井使用深N阱植入结构。
7.如权利要求5所述的电容式影像传感器，其特征在于，该比较电容器包括一参考电容器与一寄生电容。
8.如权利要求7所述的电容式影像传感器，其特征在于，该参考电容器为金属氧化半导体场效晶体管电容器、多晶硅-介电层-多晶硅电容器或金属-介电层-金属电容器。
9.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，该电容式影像传感器进一步包括一控制与输出输入电路，用以处理该电容式影像传感器的时序与数据输入/输出。
10.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，该取样保存电路进一步包括：
第二电荷保存电容器，用以保存由该电压随耦器发送之输出电位；及
至少一选取开关，用以于该些电荷保存电容器间进行切换。
11.一种用于操作权利要求1所述的电容式影像传感器以降噪讯的方法，包括步骤：
在一第一感测阶段，当驱动源提供一第一输入波形时，读取一第一量测结果并保存于该取样保存电路；
在一第二感测阶段，当驱动源提供一第二输入波形时，读取一第二量测结果并保存于该取样保存电路；
在一输出阶段，依照第一与第二量测结果间的差异由该差分放大器给定噪讯降低数值；
为每一像素依序收集在对应正波形与负波形下得到的该些噪讯降低数值；
转换该些噪讯降低数值为数字化噪讯降低数值；及
映射该些数字化噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，如果该第一波形为正波形，该第二波形为负波形；如果该第一波形为负波形，该第二波形为正波形。
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