CN108960176B - 指纹感测面板及其指纹感测器 - Google Patents

指纹感测面板及其指纹感测器 Download PDF

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Abstract

一种指纹感测面板及其指纹感测器。指纹感测器包括第一至第三开关、第一电容、阻抗变异元件以及感测电路。第一开关接收系统高电压并受控于预充电信号。第一电容耦接于第一开关与参考电压之间。阻抗变异元件耦接于第一开关与参考电压之间，并且阻抗变异元件的阻抗值是依据其与皮肤表面间的垂直距离而变。第二开关接收系统高电压。第三开关接收读出信号。感测电路耦接第三开关，并且提供指纹判定电压。

Description

指纹感测面板及其指纹感测器
技术领域
本发明涉及一种指纹识别技术，且特别涉及一种指纹感测面板及其指纹感测器。
背景技术
在现今的指纹识别技术中，通常可以应用于个人使用的保险箱、门锁、消费型电子装置(个人电脑、手机、平板电脑)…等。目前较为广泛使用的指纹识别技术主要是光学感测技术或温度感测技术，并且随着相关技术的成熟，进而提升指纹识别的分辨率及准确度。然而，如何使指纹感测器具有一定的准确度及反应速度的情况下简化电路则成为本领域相关技术人员重要的课题。
发明内容
本发明提供一种指纹感测面板及其指纹感测器，可以在具有一定的准确度及反应速度的情况下简化指纹感测器的电路结构。
本发明的指纹感测器包括第一至第三开关、第一电容、阻抗变异元件以及感测电路。第一开关具有接收系统高电压的第一端、接收预充电信号的控制端及第二端。第一电容耦接于第一开关的第二端与参考电压之间。阻抗变异元件耦接于第一开关的第二端与参考电压之间，并且阻抗变异元件的阻抗值是依据其与皮肤表面间的垂直距离而变。第二开关具有接收系统高电压的第一端、耦接第一开关的第二端的控制端及第二端。第三开关具有耦接第二开关的第二端的第一端、接收读出信号的控制端及第二端。感测电路耦接第三开关的第二端，并且提供指纹判定电压。
在本发明的指纹感测面板包括多条预充电控制线、多条读出控制线、多条读出数据线、多个指纹感测器以及多个信息读出电路。其中，多个指纹感测器包括第一至第三开关、第一电容、阻抗变异元件以及感测电路。多条预充电控制线用以传送按序致能的多个预充电信号。多条读出控制线用以传送按序致能的多个读出信号。第一开关具有接收系统高电压的第一端、耦接对应的预充电控制线的控制端及第二端。第一电容耦接于第一开关的第二端与参考电压之间。阻抗变异元件耦接于第一开关的第二端与参考电压之间，并且阻抗变异元件的阻抗值是依据其与皮肤表面间的垂直距离而变。第二开关具有接收系统高电压的第一端、耦接第一开关的第二端的控制端及第二端。第三开关具有耦接第二开关的第二端的第一端、耦接对应的读出控制线的控制端及第二端。感测电路耦接第三开关的第二端及对应的读出数据线，并且提供指纹判定电压至对应的读出数据线。多个信息读出电路分别耦接至对应的读出数据线，并且依据对应的读出数据线所传送的指纹判定电压判断各指纹感测器感应的皮肤表面为指纹的谷线或脊线，以提供各指纹感测器对应的指纹相关信号。
基于上述，本发明实施例所述指纹感测器中的阻抗变异元件可以依据其与使用者手指上的皮肤表面之间的垂直距离，来改变或调整阻抗变异元件的阻抗值，进而决定第一电容与阻抗变异元件之间的放电时间。如此一来，本实施例可以通过阻抗变异元件的阻抗值的改变，来识别出指纹上的谷线及脊线，因此可在具有一定的准确度及反应速度的情况下简化指纹感测器的电路结构。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明一实施例的指纹感测器的电路图。
图2是依照本发明一实施例的指纹感测器的波形图。
图3是依照本发明另一实施例的指纹感测器的电路图。
图4是依照本发明一实施例的指纹感测面板的方框图。
附图标记说明：
100、300、FS11～FSNM：指纹感测器
110、310：感测电路
120、320：运算放大器
400：指纹感测面板
IRC1～IRCN：信息读出电路
M1～M4：开关
C1～C2：电容
RT：阻抗变异元件
R1：电阻
ID1～ID2：导通电流
VOUT1～VOUT2、VOUT11～VOUTNM：指纹判定电压
VDD：系统高电压
VGND：接地电压
Vref：参考电压
Vt：临界电压
VP1：电压值
VB：偏压
PCL1～PCLN：预充电控制线
ROC1～ROCN：读出控制线
ROD1～RODN：读出数据线
PCS、PCS1～PCSN：预充电信号
ROS、ROS1～ROSN：读出信号
S1～SN：指纹相关信号
t1～t3：时间点
TA：时间区间
T：时间长度
P1：节点
具体实施方式
图1是依照本发明一实施例的指纹感测器100的电路图。请参照图1，在本实施例中，指纹感测器100包括第一至第三开关M1～M3、第一电容C1、阻抗变异元件RT以及感测电路110。其中，本实施例的第一至第三开关M1～M3是以晶体管为例，并且，阻抗变异元件RT是以热敏阻抗元件为例，但本发明实施例不以此为限。
在本实施例中，第一开关M1的漏极(对应于第一端)接收系统高电压VDD，第一开关M1的栅极(对应于控制端)接收预充电信号PCS，第一开关M1的源极(对应于第二端)耦接至节点P1。第一电容C1耦接于节点P1与参考电压Vref之间。阻抗变异元件RT耦接于节点P1与参考电压Vref之间。第二开关M2的漏极(对应于第一端)接收系统高电压VDD，第二开关M2的栅极(对应于控制端)耦接至节点P1。第三开关M3的漏极(对应于第一端)耦接至第二开关M2的源极(对应于第二端)，第三开关M3的栅极(对应于控制端)接收读出信号ROS。感测电路110耦接至第三开关M3的源极(对应于第二端)，并且，感测电路110可以提供指纹判定电压VOUT1。
其中，本实施例的感测电路110包括第一运算放大器120、第一电阻R1以及第二电容C2。具体来说，在本实施例中，第一运算放大器120的反向输入端(对应于第一输入端)耦接至第三开关M3的第二端，第一运算放大器120的正向输入端(对应于第二输入端)接收接地电压VGND，第一运算放大器120的输出端可以提供指纹判定电压VOUT1。另一方面，第一电阻R1耦接于第一运算放大器110的第一输入端与第一运算放大器110的输出端之间。并且，第二电容C2耦接于第一运算放大器110的第一输入端与第一运算放大器110的输出端之间。其中，本实施例的感测电路110为电流感测电路的形态，但本发明实施例不以此为限。
详细来说，当使用者通过触控媒介(例如是手指)对指纹感测器100的触控面进行触碰或按压动作时，指纹感测器100会依据预充电信号PCS及读出信号ROS的时序状态，来导通或断开第一开关M1、第二开关M2以及第三开关M3，借此决定指纹判定电压VOUT1上的电压值。此外，本实施例的阻抗变异元件RT会依据其与使用者手指上的皮肤表面之间的垂直距离，来改变或调整阻抗变异元件RT的阻抗值。
进一步来说，当节点P1上的电压值足以导通第二开关M2时，则指纹判定电压VOUT1的电压值会上升，并且第一电容C1的电荷会通过阻抗变异元件RT进行放电。并且，由于阻抗变异元件RT的阻抗值会依据其与使用者手指上的皮肤表面之间的垂直距离而变，因此第一电容C1的放电时间也会对应的改变。依据上述，本实施例的指纹判定电压VOUT1是依据上述第一电容C1与阻抗变异元件RT之间的放电时间，来决定指纹判定电压VOUT1上升的幅度。接着，本实施例的指纹判定电压VOUT1可以与临界电压作比较，以判断指纹感测器100所感应使用者的手指的皮肤表面的指纹为谷线或脊线的结果。如此一来，本实施例可以通过阻抗变异元件RT的阻抗值的改变，识别出指纹上的谷线及脊线，因此可以在具有一定的准确度及反应速度的情况下简化指纹感测器的电路结构。
图2是依照本发明一实施例的指纹感测器的波形图。请同时参照图1及图2，详细来说，当指纹感测器100操作于时间点t1时，预充电信号PCS可以被设定为致能(例如为高电压电平)状态，并且，读出信号ROS可以被设定为禁能(例如为低电压电平)状态。在此同时，第一晶体管M1及第二晶体管M2可以被导通，并且，第三晶体管M3可以被断开。此外，节点P1上的电压值可以被设定为系统高电压VDD的电压值，并且，指纹判定电压VOUT1的电压值可以被设定为接地电压VGND的电压值。值得一提的是，当第一晶体管M1被导通时，导通电流ID1可以对第一电容C1进行充电动作，使得第一电容C1上的电压值可以被充电至系统高电压VDD(亦即节点P1上的电压值为系统高电压VDD)。
接着，当指纹感测器100操作于时间点t1之后的时间点t2时，预充电信号PCS可以被设定为禁能(例如为低电压电平)状态，并且，读出信号ROS可以被设定为致能(例如为高电压电平)状态。在此同时，第一晶体管M1可以被断开，并且，第二晶体管M2及第三晶体管M3可以被导通。详细来说，在时间点t2至时间点t3之间的时间区间TA中，第一电容C1通过阻抗变异元件RT进行放电动作，此时，节点P1上的电压值VP1可以如下列式子所示：
VP1＝((VDD x C1)-(VDD/RT)x T)/C1＝1-T/(RT x C1)
其中，上述的VP1为节点P1上的电压值；VDD为系统高电压VDD的电压值；C1为第一电容C1的电容值；RT为阻抗变异元件RT的电阻值；T为时间。
依据上述的式子可以得知，本实施例的阻抗变异元件RT及第一电容C1之间的电阻电容延迟(RC Delay)的系数值与节点P1上的电压值VP1的下降幅度为负相关性。举例来说，当阻抗变异元件RT及第一电容C1之间的电阻电容延迟的系数值愈小时，节点P1上的电压值VP1下降的越快，使得第二晶体管M2具有较短的导通时间，进而使第二晶体管M2提供较短时间的导通电流ID2至感测电路110。借此，在时间区间TA时，指纹判定电压VOUT1的电压值没有足够时间上升至临界电压Vt。相对的，当阻抗变异元件RT及第一电容C1之间的电阻电容延迟的系数值愈大时，节点P1上的电压值VP1下降的越慢，使得第二晶体管M2具有较长的导通时间，进而使第二晶体管M2可以提供较长时间的导通电流ID2至感测电路110。借此，在时间区间TA时，指纹判定电压VOUT1的电压值具有足够时间上升至临界电压Vt。换句话说，在本实施例中，阻抗变异元件RT可以依据其与使用者的皮肤表面之间的垂直距离来改变或调整阻抗变异元件RT的阻抗值，进而决定指纹判定电压VOUT1的电压值是否上升至临界电压Vt。
除此之外，本实施例的指纹感测器100亦可以通过感测电路110所输出的指纹判定电压VOUT1的结果，来判断指纹感测器100所感应的皮肤表面的指纹为谷线或脊线。举例来说，假设阻抗变异元件RT的阻抗值与使用者的皮肤表面之间的垂直距离成正比，若指纹判定电压VOUT1可以达到临界电压Vt时(可视为高逻辑电平1)，则指纹判定电压VOUT1表示指纹上的谷线；相对的，若指纹判定电压VOUT1未达到临界电压Vt时(可视为低逻辑电平0)，则指纹判定电压VOUT1表示指纹上脊线。又或者，假设阻抗变异元件RT的阻抗值与使用者的皮肤表面之间的垂直距离成反比，若指纹判定电压VOUT1可以达到临界电压Vt时，则指纹判定电压VOUT1表示指纹上的脊线；相对的，若指纹判定电压VOUT1未达到临界电压Vt时，则指纹判定电压VOUT1表示指纹上谷线。依据上述，本实施例的指纹感测器100可以视阻抗变异元件RT的种类或类型来决定上述的高逻辑电平及低逻辑电平分别代表为指纹感测器100所感应的皮肤表面的指纹为谷线或脊线，本发明没有特别的限制。
在本实施例中，预充电信号PCS致能于读出信号ROS致能之前，并且预充电信号PCS的致能期间与读出信号ROS的致能期间互不相互重叠，但本发明实施例并不限于此。
图3是依照本发明另一实施例的指纹感测器300的电路图。请同时参照图1及图3，指纹感测器300大致相同于指纹感测器100，其不同的处在于感测电路310。在本实施例中，感测电路310可以包括第二运算放大器320以及第四开关M4。其中，相同或相似元件使用相同或相似标号。
具体来说，在本实施例中，第二运算放大器320的反向输入端(对应于第一输入端)耦接至第二运算放大器320的输出端，第二运算放大器320的正向输入端(对应于第二输入端)耦接至第三开关M3的第二端。并且，第二运算放大器320的输出端可以提供指纹判定电压VOUT2。值得一提的是，本实施例的感测电路310为电压感测电路(如电压随耦器)的形态，但本发明实施例不以此为限。
另一方面，在本实施例中，第四开关M4的漏极(对应于第一端)耦接至第三开关M3的第二端，第四开关M4的栅极(对应于控制端)接收偏压VB，第四开关M4的源极(对应于第二端)接收参考电压Vref。需注意到的是，关于指纹感测器300的操作细节，皆类似于前一实施例的操作方式，并且于前述的实施例及实施方式都有详尽的说明，以下恕不多赘述。
图4是依照本发明一实施例的指纹感测面板400的方框图。请参照图4，在本实施例中，指纹感测面板400包括多条预充电控制线PCL1～PCLN、多条读出控制线ROC1～ROCN、多条读出数据线ROD1～RODN、多个指纹感测器FS11～FSNM以及多个信息读出电路IRC1～IRCN。具体来说，多条预充电控制线PCL1～PCLN分别用以传送按序致能(例如为高电压电平)的多个预充电信号PCS1～PCSN至多数个对应的指纹感测器FS11～FSNM。此外，多条读出控制线ROC1～ROCN分别用以传送按序致能(例如为高电压电平)的多个读出信号ROS1～ROSN至多数个对应的指纹感测器FS11～FSNM。举例来说，预充电控制线PCL1及读出控制线ROC1分别可以传送按序致能(例如为高电压电平)的预充电信号PCS1及读出信号ROS1至对应的指纹感测器FS11、FS12、…FS1M。并且，预充电控制线PCL2及读出控制线ROC2分别可以传送按序致能(例如为高电压电平)的预充电信号PCS2及读出信号ROS2至对应的指纹感测器FS21、FS22、…FS2M，其余依此类推。
另一方面，本实施例的多个信息读出电路IRC1～IRCN分别耦接至对应的读出数据线ROD1～RODN，并且，各条读出数据线ROD1～RODN分别可以接收各个对应的指纹感测器FS11～FSNM所提供的指纹判定电压VOUT11～VOUTNM，借此，各个信息读出电路IRC1～IRCN可以分别依据对应的读出数据线ROD1～RODN所传送的指纹判定电压VOUT11～VOUTNM，来判断各个指纹感测器FS11～FSNM所感应的皮肤表面为指纹的谷线或脊线。并且，各个信息读出电路IRC1～IRCN可以依据此判断结果来分别提供各个指纹感测器FS11～FSNM所对应的指纹相关信号S1～SN。其中，上述的N、M为正整数。
在本实施例中，指纹感测器FS11及指纹感测器FS12例如是感测指纹的谷线，并且，指纹感测器FS21及指纹感测器FS22例如是感测指纹的脊线，但本发明实施例并不限于此。因此，本实施例中，指纹感测器FS11及指纹感测器FS12中的阻抗变异元件RT的电阻值较相近，并且指纹感测器FS21及指纹感测器FS22中的阻抗变异元件RT的电阻值较相近。指纹感测器FS11及指纹感测器FS12中的阻抗变异元件RT的电阻值较远离指纹感测器FS21及指纹感测器FS22中的阻抗变异元件RT的电阻值。
换言之，若指纹感测器FS11及指纹感测器FS12中的阻抗变异元件RT的电阻值是落在高于参考临界值的第一阻值区间中，则指纹感测器FS21及指纹感测器FS22中的阻抗变异元件RT的电阻值是落在低于参考临界值的第二阻值区间中。反之亦同。
需注意到的是，本实施例中的多个指纹感测器FS11～FSNM分别可以依照前述实施例中的指纹感测器(如100、300)来进行实施，并且于前述的实施例及实施方式都有详尽的说明，以下恕不多赘述。
在上述实施例中，指纹感测器100或300具有感测电路(如110、310)，但在其他实施例中，感测电路(如110、310)可配置于信息读出电路IRC1～IRCN中，而指纹感测器FS11～FSNM则具有指纹感测器100或300所示其他元件，借此可简化指纹感测器FS11～FSNM的电路结构。
综上所述，本发明所述指纹感测器中的阻抗变异元件可以依据其与使用者手指上的皮肤表面之间的垂直距离，来改变或调整阻抗变异元件的阻抗值，进而决定第一电容与阻抗变异元件之间的放电时间。除此之外，指纹感测器中的感测电路可以判断指纹判定电压是否达到临界电压的标准值，来决定输出指纹感测器所感应使用者的手指的皮肤表面的指纹为谷线或脊线的判断结果。如此一来，本实施例可以通过阻抗变异元件的阻抗值的变化，来识别出指纹上的谷线及脊线，因此可在具有一定的准确度及反应速度的情况下简化指纹感测器的电路结构。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作些许的变动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种指纹感测器，包括：
一第一开关，具有接收一系统高电压的一第一端、接收一预充电信号的一控制端及一第二端；
一第一电容，耦接于该第一开关的该第二端与一参考电压之间；
一阻抗变异元件，耦接于该第一开关的该第二端与该参考电压之间，并且该阻抗变异元件的阻抗值是依据其与一皮肤表面间的一垂直距离而变；
一第二开关，具有接收该系统高电压的一第一端、耦接该第一开关的该第二端的一控制端及一第二端；
一第三开关，具有耦接该第二开关的该第二端的一第一端、接收一读出信号的一控制端及一第二端；以及
一感测电路，耦接该第三开关的该第二端，并且提供一指纹判定电压。
2.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该阻抗变异元件包括一热敏阻抗元件。
3.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该感测电路为一电流感测电路。
4.如权利要求3所述的指纹感测器，其中该感测电路包括：
一第一运算放大器，具有一第一输入端、接收一接地电压的一第二输入端及提供该指纹判定电压的一输出端；
一第一电阻，耦接于该第一运算放大器的该第一输入端与该第一运算放大器的该输出端之间；以及
一第二电容，耦接于该第一运算放大器的该第一输入端与该第一运算放大器的该输出端之间。
5.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该感测电路为一电压感测电路。
6.如权利要求5所述的指纹感测器，其中该感测电路包括：
一第二运算放大器，具有耦接该第三开关的该第二端的一第一输入端、一第二输入端及提供该指纹判定电压的一输出端，其中该第二运算放大器的该第一输入端耦接至该第二运算放大器的该输出端；以及
一第四开关，具有耦接该第二运算放大器的该第二输入端的一第一端、接收一偏压的一控制端及接收该参考电压的一第二端。
7.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该预充电信号致能于该读出信号致能之前。
8.如权利要求7所述的指纹感测器，其中该预充电信号的致能期间与该读出信号的致能期间互不重叠。
9.一种指纹感测面板，包括：
多条预充电控制线，用以传送按序致能的多个预充电信号；
多条读出控制线，用以传送按序致能的多个读出信号；
多条读出数据线；
多个指纹感测器，分别包括：
一第一开关，具有接收一系统高电压的一第一端、耦接对应的预充电控制线的一控制端及一第二端；
一第一电容，耦接于该第一开关的该第二端与一参考电压之间；
一阻抗变异元件，耦接于该第一开关的该第二端与该参考电压之间，并且该阻抗变异元件的阻抗值是依据其与一皮肤表面间的一垂直距离而变；
一第二开关，具有接收该系统高电压的一第一端、耦接该第一开关的该第二端的一控制端及一第二端；
一第三开关，具有耦接该第二开关的该第二端的一第一端、耦接对应的读出控制线的一控制端及一第二端；以及
一感测电路，耦接该第三开关的该第二端及对应的读出数据线，并且提供一指纹判定电压至对应的读出数据线；以及
多个信息读出电路，分别耦接至对应的读出数据线，并且依据对应的读出数据线所传送的该指纹判定电压判断各该些指纹感测器感应的该皮肤表面为一指纹的谷线或脊线，以提供各该些指纹感测器对应的一指纹相关信号。
10.如权利要求9所述的指纹感测面板，其中该阻抗变异元件包括一热敏阻抗元件。
11.如权利要求9所述的指纹感测面板，其中该感测电路为一电流感测电路。
12.如权利要求11所述的指纹感测面板，其中该感测电路包括：
一第一运算放大器，具有一第一输入端、接收一接地电压的一第二输入端及提供该指纹判定电压的一输出端；
一第一电阻，耦接于该第一运算放大器的该第一输入端与该第一运算放大器的该输出端之间；以及
一第二电容，耦接于该第一运算放大器的该第一输入端与该第一运算放大器的该输出端之间。
13.如权利要求9所述的指纹感测面板，其中该感测电路为一电压感测电路。
14.如权利要求13所述的指纹感测面板，其中该感测电路包括：
一第二运算放大器，具有耦接该第三开关的该第二端的一第一输入端、一第二输入端及提供该指纹判定电压的一输出端，其中该第二运算放大器的该第一输入端耦接至该第二运算放大器的该输出端；以及
一第四开关，具有耦接该第二运算放大器的该第二输入端的一第一端、接收一偏压的一控制端及接收该参考电压的一第二端。
15.如权利要求9所述的指纹感测面板，其中各该些指纹感测器所接收的预充电信号致能于各该些指纹感测器所接收的读出信号致能之前。
16.如权利要求15所述的指纹感测面板，其中该些预充电信号的致能期间与该些读出信号的致能期间互不重叠。
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