CN109145711B

CN109145711B - 支持唤醒手指和导航的指纹传感器

Info

Publication number: CN109145711B
Application number: CN201810675435.4A
Authority: CN
Inventors: E.柏汉农; M.普德; J.莉莉
Original assignee: Synaptics Inc
Current assignee: Synaptics Inc
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: US10360428B2; CN109145711A; US20190005290A1

Abstract

本发明涉及支持唤醒手指和导航的指纹传感器。按照本发明一个方面的用于电容性感测的输入装置包括：多个发射器电极和多个接收器电极。该输入装置配置为：通过将感测信号驱动到发射器电极的每个上以及接收对应于多个接收器电极的每个的独立检测信号来操作在第一模式中；以及通过将公共感测信号驱动到多个发射器电极上以及接收对应于从多个接收器电极选择的至少一个接收器电极的公共检测信号来操作在第二模式中。

Description

支持唤醒手指和导航的指纹传感器

背景技术

包括触摸传感器装置(也通常称为触摸板或接近传感器装置)以及生物计量认证装置的输入装置广泛用于各种电子系统中。生物计量认证系统(诸如指纹传感器装置)用于认证装置的用户。除了别的之外，生物计量感测技术提供了一种为了认证目的而检验个体身份的可靠的非侵入方式。

触摸传感器装置通常包括常常通过表面来区分的感测区，其中触摸传感器装置确定一个或多个输入对象的存在、位置和/或运动，通常为了允许用户提供用户输入来与电子系统相交互的目的。

生物计量认证系统(诸如指纹传感器装置)也通常包括感测区，其中指纹传感器装置确定指纹或部分指纹的存在、位置、运动和/或特征，通常为了涉及用户认证或者用户识别的目的。

触摸传感器装置和指纹传感器装置可以因此用来提供电子系统的接口。例如，触摸传感器装置和指纹传感器装置常常用作较大计算系统(诸如笔记本计算机或台式计算机中集成的或者作为其外设的不透明触摸板和指纹阅读器)的输入装置。触摸传感器装置和指纹传感器也常常用在较小计算系统(诸如集成在移动装置(诸如智能手机和平板电脑)中的触摸屏幕和/或独立感测区)中。

在一些情况中，诸如其中最小化功率消耗是考虑的因素，触摸传感器和/或指纹传感器可以操作在低功率模式中，以及当对象接近传感器时装置可以执行“唤醒”模式。一些解决方案利用传感器附近的附加组件和/或电路来检测对象的存在以启动唤醒。

发明内容

在示范实施例中，一种用于电容性感测的输入装置包括：多个发射器电极和多个接收器电极。该输入装置配置为：通过将感测信号驱动到发射器电极的每个上以及接收对应于多个接收器电极的每个的独立检测信号来操作在第一模式中；以及通过将公共感测信号驱动到多个发射器电极上以及接收对应于从多个接收器电极选择的至少一个接收器电极的公共检测信号来操作在第二模式中。

在另一个示范实施例中，一种用于电容性感测的输入装置包括：多个发射器电极和多个接收器电极。该输入装置配置为：通过将感测信号驱动到发射器电极的每个上以及接收对应于多个差分接收器的独立检测信号来操作在第一模式中，其中多个差分接收器的每个配置为提供与接收器电极之一关联的独立检测信号；以及通过将感测信号驱动到发射器电极的每个上以及在单端接收器接收至少一个公共检测信号来操作在第二模式中，其中单端接收器配置为提供与至少一个接收器电极关联的公共检测信号。

在又一个示范实施例中，提供了一种操作用于电容性感测的输入装置的方法。该输入装置包括多个发射器电极和多个接收器电极。该方法包括操作在第一模式中，该第一模式包括：将感测信号驱动到发射器电极的每个上；接收对应于多个接收器电极的每个的独立检测信号；操作在第二模式中，该第二模式包括：将公共感测信号驱动到发射器电极的每个上；接收对应于被编组的接收器电极的第一组的公共检测信号。

附图说明

图1是示范输入装置和处理装置的框图；

图2是示范传感器的某些组件的框图；

图3是具有发射和接收电极的示范电容性传感器的某些组件的示意图；

图4是模拟前端和电容性传感器的对应输入的示范实施例的示意图示；

图5是另一示范模拟前端和电容性传感器的对应输入的示意图；

图6示出了包括模拟前端的传感器的布置，其中每个前端连接到多个接收器电极；

图7示出了包括将多个接收器电极编组在一起的布置的传感器；

图8示出了将多个接收器电极编组在一起的备选实施例；

图9A示出了根据一个实施例的接触传感器的输入对象；

图9B示出了根据一个实施例的接触传感器的输入对象；

图10A示出了根据一个实施例的操作传感器的方法；以及

图10B示出了根据另一个实施例的操作传感器的方法。

具体实施方式

以下详细描述实际上是示范性的，而不是意在限制本公开或者本公开的应用和使用。此外，并不是意在通过前面的背景技术和附图简述或者以下详细描述中提供的任何明确表达或暗示的理论进行限制。

描述了一种使用指纹传感器和关联电路来提供唤醒手指(WOF)和导航(NAV)的解决方案。一些解决方案使用接近指纹传感器的附加组件(诸如金属板)来检测WOF事件。这样的附加组件可能增加装置的复杂性和成本。所述实施例减少了改变指纹传感器的需要。在某些实施例中，接收(RX)电极和可选的发射(TX)电极被“编组”在一起。被编组的TX电极可以通过公共发射信号来驱动，以及被编组的RX电极可以连接到公共接收电路(诸如模拟前端(AFE))。术语前端和接收器可以互换地使用。备选地，仅RX电极需要被编组在一起，而TX电极可以分别地驱动。

在某些实施例中，采用单端电路来从RX电极捕获信号。通过对与单端电路结合的电极进行编组所产生的信号可以产生比在某些应用中使用的差分解决方案大若干数量级(例如，大约是100倍)的信号。

图1是示出示例输入装置100的框图。输入装置100可以配置为向电子系统提供输入。如这个文档中所使用的，术语“电子系统”(或“电子装置”)广义地表示能够电子地处理信息的任何系统。电子系统的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、网页浏览器、电子书阅读器、个人数字助理(PDA)和可穿戴计算机(诸如智能手表和活动追踪器装置)。电子系统的附加示例包括复合输入装置，诸如包括输入装置100和分离操纵杆或按键开关的物理键盘。电子系统的另外的示例包括诸如数据输入装置(包括远程控制和鼠标)和数据输出装置(包括显示屏幕和打印机)的外围设备。其它示例包括远程终端、信息站和视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携游戏装置等)。其它示例包括通信装置(包括蜂窝电话，诸如智能电话)和媒体装置(包括记录器、编辑器和播放器，诸如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。附加地，电子系统可以是输入装置的主机或从机。

输入装置100可以实现为电子系统的物理部分，或者可以与电子系统在物理上分离。视情况而定，输入装置100可使用以下方式中的任何一种或多种与电子系统的部分进行通信：总线、网络和其它有线或无线互连。示例包括内部集成电路(I2C)、串行外围接口(SPI)、个人系统/2(PS/2)、通用串行总线(USB)、蓝牙、射频(RF)和红外线数据协议(IRDA)。

图1中，传感器105被包括在输入装置100内。传感器105包括一个或多个感测元件，所述感测元件配置为感测由一个或多个输入对象在感测区中提供的输入。输入对象的示例包括手指、触控笔和手。感测区包含传感器105之上、周围、之中和/或附近的任何空间，其中输入装置100能够检测用户输入(例如，由一个或多个输入对象所提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可以逐个实施例变化。在一些实施例中，感测区沿一个或多个方向从输入装置100的表面延伸到空间中，直到信噪比阻碍充分准确的对象检测。在各个实施例中，这个感测区沿特定方向延伸到的距离可以是大约小于一毫米、数毫米、数厘米或者更多，并且可随所使用的感测技术的类型和所期望的准确度而显著地变化。因此，一些实施例感测的输入包括没有与输入装置100的任何表面相接触、与输入装置100的输入表面(例如触摸表面)相接触、与耦合某个量的外加力或压力的输入装置100的输入表面相接触和/或它们的组合。在各个实施例中，可由传感器元件定位在其中或其上的传感器衬底的表面或者由面板或者定位在传感器元件之上的其它覆盖层来提供输入表面。

在输入装置100的一些电容性实现中，施加电压或电流来创建电场。附近的输入对象引起电场中的改变，并且产生电容性耦合中的可检测的改变，其可作为电压、电流等的改变被检测。

一些电容性实现利用电容性感测元件的阵列或者其它规则或者不规则图案来创建电场。在一些电容性实现中，独立的感测元件可以欧姆地短接在一起，以形成更大的传感器电极。

一些电容性实现利用基于传感器电极与输入对象之间的电容性耦合中的改变的“自电容”(或“绝对电容”)感测方法。在各个实施例中，传感器电极附近的输入对象更改传感器电极附近的电场，因而改变所测量的电容性耦合。在一个实现中，通过相对于参考电压(例如，系统接地)来调制传感器电极，以及通过检测传感器电极与输入对象之间的电容性耦合来操作绝对电容感测方法。在另一个实现中，通过调制驱动环或者其它导电元件(其欧姆地或电容性地耦合到输入对象)以及通过检测传感器电极与输入对象之间产生的电容性耦合来操作绝对电容感测方法。参考电压可以是基本恒定的电压或者变化的电压；以及在各个实施例中，参考电压可以是系统接地。

一些电容性实现利用基于传感器电极之间的电容性耦合中的改变的“互电容”(或“跨电容”)感测方法。这个可以被称为跨电容性传感器。在各个实施例中，传感器电极附近的输入对象更改传感器电极之间的电场，因而改变所测量的电容性耦合。在一个实现中，通过检测一个或多个发射器传感器电极(又称作“发射器电极”或“驱动电极”)与一个或多个接收器传感器电极(又称作“接收器电极”或“收集电极”)之间的电容性耦合来操作跨电容性感测方法。在一些实施例中发射器电极正交于接收器电极。发射器传感器电极可相对于参考电压被调制，以发射发射器信号。接收器传感器电极可相对于参考电压保持基本上恒定，以促进对所产生信号的接收。例如，参考电压可以是基本恒定的电压或者系统接地。在一些实施例中，发射器传感器电极和接收器传感器电极可以均被调制。发射器电极相对于接收器电极调制以发射发射器信号以及促进所产生信号的接收。所产生信号可包括与一个或多个发射器信号和/或与一个或多个环境干扰源(例如，其它电磁信号)对应的(一个或多个)效应。传感器电极可以是专用发射器或接收器，或者可配置成既发射又接收。

输入装置100的一些实现配置为提供跨一维、二维、三维或更高维空间的图像。输入装置100可以具有取决于多种因素(诸如涉及的特定感测技术和/或感兴趣信息的尺度)逐个实施例改变的传感器分辨率。在一些实施例中，通过感测元件的阵列的物理布置来确定传感器分辨率，其中较小的感测元件和/或较小的间距可以用来定义更高的传感器分辨率。

输入装置100可以实现为具有足够高以捕获指纹的区别特征的传感器分辨率的指纹传感器。在一些实现中，指纹传感器具有足以捕获细节(包括脊末端和分叉)、取向场(有时称作“脊流”)和/或脊轮廓的分辨率。这些有时称作1级和2级特征，以及在示范实施例中，至少每英寸250个像素(ppi)的分辨率能够可靠地捕获这些特征。在一些实现中，指纹传感器具有足以捕获更高等级特征(诸如汗孔或边缘轮廓(即，单独脊的边缘的形状))的分辨率。这些有时称作3级特征，以及在示范实施例中，至少每英寸750个像素(ppi)的分辨率能够可靠地捕获这些更高等级的特征。

在一些实施例中，指纹传感器实现为放置传感器(又称作“区域”传感器或“静态”传感器)或划擦传感器(又称作“滑动”传感器或“扫划”传感器)。在放置传感器实现中，传感器配置成当用户手指在感测区之上保持为静止时捕获指纹输入。通常，放置传感器包括能够在单帧中捕获指纹的预期区域的感测元件的二维阵列。在划擦传感器实现中，传感器配置成基于用户手指与感测区之间的相对运动来捕获指纹输入。通常，划擦传感器包括感测元件的线性阵列或薄二维阵列，其配置成当用户手指在感测区之上划擦时捕获多个帧。多个帧然后可重构，以形成与指纹输入对应的指纹的图像。在一些实现中，传感器配置成捕获放置和划擦输入两者。

在一些实施例中，指纹传感器配置成在单个用户输入中捕获小于用户指纹的完整区域的区域(本文中称作“部分”指纹传感器)。通常，由部分指纹传感器所捕获的指纹的所产生部分区域足以使系统从指纹的单个用户输入(例如单个手指放置或单个手指划擦)来执行指纹匹配。部分放置传感器的一些示范成像区域包括100mm²或以下的成像区域。在另一个示范实施例中，部分放置传感器具有20-50mm²的范围中的成像区域。在一些实现中，部分指纹传感器具有与成像区域相同大小的输入表面。

如根据以下描述将显而易见的是，指纹传感器可以操作在不同模式中。例如，在一个模式中，指纹传感器可以操作以捕获(例如，成像)如上所述的指纹的区别特征。在另一个模式中，指纹传感器可以操作以仅识别输入对象(诸如手指)的存在或者相对运动，其模式可以是更低功率模式。

图1中，处理系统110被包括在输入装置100中。处理系统110包括一个或多个集成电路(IC)的部分或全部和/或其它电路组件。处理系统110耦合到传感器105，并且被配置为使用传感器105的感测硬件来检测感测区中的输入。

处理系统110可以包括配置为采用输入装置100的感测硬件来驱动感测信号的驱动器电路和/或配置为采用感测硬件来接收所产生信号的接收器电路。例如，用于互电容传感器装置的处理系统可以配置为将发射信号驱动到传感器105的发射器传感器电极上，和/或接收经由传感器105的接收器传感器电极检测的所产生信号。此外，用于自电容传感器装置的处理系统可以配置为将绝对电容信号驱动到传感器105的传感器电极上，和/或接收经由传感器105的那些传感器电极检测的所产生信号。

处理系统110可以包括处理器可读指令，诸如固件代码、软件代码等。处理系统110可以实现为传感器105的物理部分，或者可以与传感器105物理上分离。同时，处理系统110的构成组件可以定位在一起，或者可以定位成物理地相互分离。例如，输入装置100可以是耦合到计算装置的外围设备，以及处理系统110可以包括配置成运行于计算装置的中央处理单元以及与中央处理单元分离的一个或多个IC(例如，具有关联固件)上的软件。作为另一个示例，输入装置100可在物理上集成到移动装置中，以及处理系统110可包括作为移动装置的主处理器的组成部分的电路和固件。处理系统110可以专用于实现输入装置100，或者可以执行其它功能，诸如操作显示屏幕、驱动触觉致动器等。

处理系统110可以操作输入装置100的传感器105的(一个或多个)感测元件，以产生指示感测区中的输入(或者没有输入)的电信号。处理系统110可在产生提供给电子系统的信息中对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理系统110可数字化从传感器电极所得到的模拟电信号。作为另一个示例，处理系统110可执行滤波或者其它信号调节。作为又一个示例，处理系统110可减去或者以其它方式考虑基线，使得信息反映电信号与基线之间的差。作为又一些示例，处理系统110可确定位置信息、将输入识别为命令、识别笔迹、匹配生物计量样本、执行WOF模式等。

在一些实施例中，输入装置100的感测区可以重叠显示装置的工作区的部分或全部，例如，如果传感器105也提供触摸屏界面。显示装置可以是能够向用户显示可视界面的任何合适的类型的动态显示器，包括无机LED显示器、有机LED(OLED)显示器、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器、电致发光(EL)显示器或者其它显示器技术。显示器可以是柔性的或者刚性的，并且可以是平坦的、弯曲的或者具有其它几何结构。显示器可以包括用于薄膜晶体管(TFT)电路的玻璃或者塑料衬底，该薄膜晶体管(TFT)电路可以用来寻址显示器像素以用于提供可视信息和/或提供其它功能性。显示装置可以包括设置在显示器电路之上并且在显示器模块的内部层之上的保护透镜(有时称为“保护玻璃”)，以及保护透镜也可以为输入装置100提供输入表面。保护透镜材料的示例包括光学透明非晶形固体(诸如化学硬化玻璃)和光学透明晶体结构(诸如蓝宝石)。输入装置100和显示装置可以共享物理元件。例如，相同电气组件的某些可以被用来显示可视信息和使用输入装置100进行输入感测两者，诸如使用一个或多个显示电极用于显示更新和输入感测两者。作为另一示例，显示屏幕可以通过与输入装置通信的处理系统110部分地或全部地操作。在某些实施例中，输入装置100的感测区用于多种功能，诸如指纹感测和导航控制，例如经由手势等的检测。

图2中，输入装置100示出为包括指纹传感器205。指纹传感器205配置为从输入对象(诸如手指240)捕获指纹。指纹传感器205可以设置在覆盖层或保护材料212的下面，所述覆盖层或保护材料212提供了输入表面用于将指纹放置在指纹传感器205上或者将指纹扫划在指纹传感器205上。感测区220可以包括输入表面，所述输入表面具有在尺寸上大于、小于或近似于全指纹的面积。指纹传感器205具有感测元件(例如，发射器和接收器电极)的阵列，如上所述，该感测元件具有配置为检测手指240的表面变化的分辨率。在某些实现中，指纹传感器205可以用作用于导航的触摸传感器。将理解的是，传感器205可以设置在装置100上的任何合适的位置。例如，在移动装置(诸如电话)的情形下，传感器205可以设置为接近显示器或者与显示器集成，或者可以设置在装置的侧面、背面或者底部。

图3图示了指纹传感器300的一个实施例，所述指纹传感器300例如使用电容性输入用于成像输入对象(诸如指纹)。传感器300也可以用于其它目的(诸如通过例如检测输入对象的运动或者与输入对象关联的手势来导航)，以及如结合图6中所述的可以置于WOF模式中。

传感器300包括多个发射器电极，标记为T_X0-T_X79。传感器300也包括多个接收器电极，标记为R_X0-R_X59。虽然图示的传感器300包含80个发射器电极(或发射器线)和60个接收器电极(或接收器线)，但是将理解的是，取决于诸如期望的传感器的尺寸和间距之类的因素，可以包括任何数量的合适的发射器电极和接收器电极。

传感器300进一步包括发射电路，标记为TR0-TR79。在图示的实施例中，一个发射电路对应于发射器电极T_X0-T_X79的每个。传感器300也包括模拟前端，标记为AFE0-AFE59，其中一个前端对应于所示实施例中接收器电极R_X0-R_X59的每个。如以下将进一步描述的，在某些实施例中，多个接收器电极的一组或者多组可以编组在一起(其中每组输入到单个AFE)来促进诸如WOF和导航之类的模式。

在某些实施例中，差分电路用来从接收器电极获得信号。在该实施例中，当读取接收器电极(例如R_X0)时，在其接收器线上的读数与在其它接收器线上读数的平均值进行比较。例如，当在对应于第一接收器线(R_X0)的一个或多个像素处获得输出时，剩余接收器线的部分或全部可以用作参考线。获得在接收器线R_X0上的读数与在剩余参考接收器线上的读数的平均值之间的差异并且经由处理系统110中的低噪声放大器(LNA)来放大。在指纹成像的上下文中这样的差分读数有助于减去噪声。如下所述，在模拟前端AFE0-AFE59中的差分电路可以实现在模拟域或者数字域中。在一个模式中，使用全部的(或者多数)传感器发射和接收电极。这个模式最大化了传感器的分辨率以及如上所述可以用于成像生物计量对象(诸如指纹)。

将理解的是，在一些实现中，可以一次驱动一个发射器电极并且一次仅测量一个接收器电极(以及因此接收器线的一个像素)。在其它实现中(例如，那些利用多个同时驱动或者码分复用(CDM)的实现)，可以一次驱动多个传输线以及因此可以一次获得接收器线的多个或全部像素的测量。在其它实现中，除了一次驱动多个传输线之外，可以一次测量多个接收器线。

图4图示了包括输入的传感器的模拟前端400的一个实施例，所述模拟前端400包括多个接收器电极、发射器电极和典型的电容。在一些实施例中，图4中图示的电路可以用于指纹成像。在特定示例中，标记为T_X0的一个发射器电极连接到发射驱动器电路402。数字功率源

将感测信号V_INT驱动到发射器电极T_X0上。

在图示的实施例中，接收器电极R_X0是将被测量的接收器电极。R_X0被图示为连接到低噪声放大器(A_LNA)404的负端子。R_X0通过电容406连接到A_LNA404。例如，电容406可以是大约100aF(10^-18法拉)的脊电容(C_R)。R_X0也具有例如大约1pF(皮法)的背景电容(C_B)407。

为了简单化，R_X1-R_X4的每个被图示为一起接地。然而，在一些实施例中，每个接收器电极按照与图4中R_X0相似的方式连接至其自己的模拟前端。通过开关，接收器电极可以然后按照变化的数量连接在一起作为平均参考信号。在图4中，R_X1-R_X4被图示充当平均参考信号。因为参考线被脊和谷的混合所涵盖，所以来自参考线的平均参考信号将通常落入针对脊或者针对谷的测量的信号电平之间的某处。因此，图4中所示的配置一般允许处理系统110在每个像素处的脊和谷之间进行区分，同时减轻环境噪声的影响(因为出现在被读取的接收器线处的环境噪声与出现在其它提供参考的接收器线处的环境噪声相同)。

在图示的实施例中，R_X1-R_X4分别包括电容408、410、412和414。为了图示的目的，408和412可以是谷电容(C_V)而410和414可以是脊电容(C_R)。电容408、410、412和414的每个也表示除了任何谷和脊电容之外的基线跨电容。R_X1-R_X4的每个也分别包括背景电容(C_B)416、418、420和422。R_X1-R_X4被连接到A_LNA404的正端子。LNA404的输出是等于V_O+-V_O-的V_out。

A_LNA404测量电容406与被编组的电极R_X1-R_X4上的所有电容408-414的平均值之间的差，因此，在图示的示例中，V_OUT≈V_INT·A_LNA·[C408-0.25·(C408+C410+C412+C414)]/C_B407。

如图5中图示的，图4中的差分信令可以在数字域中交替地完成。发射器电极T_X0连接到标记为502的发射驱动器电路。驱动器电路502将感测信号V_INT驱动到发射器电极T_X0上。

在图示的实施例中，R_X0-R_X3的每个分别包括电容504、506、508和510。为了图示的目的，504和508可以是谷电容(C_V)而506和510可以是脊电容(C_R)。R_X0-R_X3的每个也分别包括背景电容(C_B)512、514、516和518。电容值504-510在模拟前端(AFE)和数字滤波器520、522、524和526处被转变为数字信号。滤波器取决于应用可以是低通、高通或带通滤波器。

AFE和数字滤波器的数字输出然后连接到减法器。数字输出528、530、532和534(对应于R_X0-R_X3)各分别连接到减法器536、538、540和542的正端子。数字输出的每个也连接到电路544用于平均数字输出。平均电路544然后连接到减法器536、538、540和542的每个的负端子。因此，接收器电极被数字化以及所有数字化的接收器电极的平均值从它中减去。这样，提供了包括图4的差分信令的AFE的数字等同物。

因此，如图4中所示的模拟电路或者如图5中所示的数字电路可以用作图3中图示的AFE电路。如上讨论的，图3图示了接收器线和发射器线的简化布局。然而，接收器电极的每个可以通过开关路由到各个AFE。图4和图5提供了具有多个接收器电极(它们被路由到单个AFE以消除噪声)的实施例。

图6图示了具有发射器电极T_X0-T_X79和接收器电极R_X0-R_X59的传感器600，其布置适合于使用在诸如WOF和导航的模式中。例如，可以使用如结合图7-8所示和所述的开关技术，通过编组或者其它方式互连结合图3所示的电极来实现该布置。

如上讨论，接收器电极和发射器电极的数量可以取决于传感器和应用而变化，例如取决于传感器尺寸和电极间距。在图6图示的实施例中，接收器电极R_X0-R_X19被被编组并共同地输入到标记为AFE1的单个模拟前端中。被编组的接收器电极的每组在每个AFE处引起公共检测信号。例如，AFE1可以包含如上所述的差分电路或者数字等同物。然而，在一些备选实施例中，AFE1是单端电路。单端电路最大化了在AFE处接收的信号。例如，在结合图4-5描述的差分感测过程中，手指的脊和谷之间的电容差异可以大约近似为1fF(毫微微法)。然而，当手指触摸传感器600时电容中的总单端变化可以是大约近似为100fF。

可以编组在一起的特定接收器电极的位置和数量可以取决于期望的模式而变化。例如，在一个模式中，传感器600仅采用朝向被编组在一起的传感器600的中心的接收器电极来操作。例如，接收器电极R_X20-R_X39被编组在一起作为到模拟前端AFE2的输入。当传感器操作在这个模式中时剩余的接收器电极和AFE是不需要的。因此，感测区域大约在传感器600的中心。这个模式可以用来检测手指的存在，诸如在WOF模式中。相似地，在这个模式中，仅需要使用发射器电极的子集。例如，可以使用T_X30-T_X49，由此使用朝向传感器阵列的中心的发射和接收电极两者。采用的发射电极(例如，T_X30-T_X49)可以物理上或者逻辑上编组在一起。当物理上编组在一起时，一个驱动器电路通过开关连接到使用的发射电极。当逻辑上编组在一起时，每个发射电极可以具有其自己的发射驱动器电路(例如如图3中图示的)，其中每个发射驱动电路同时提供相同的感测信号到发射电极上。这样，物理上和逻辑上编组发射电极是等价的。

在上述示范模式中，传感器600将检测传感器的近似中心附近的手指的存在。因为手指更可能触摸指纹传感器的中间，所以传感器发射和接收电极的全部不需要是激活的。如上所述的，装置可以然后唤醒手指(WOF)并且进入第二模式，该模式中所有接收器电极与单个AFE使用来成像手指。通过限制在WOF模式期间使用的发射和接收电极，传感器所需的功率被减少直到手指被检测到，此时装置可以随后唤醒来成像手指。

在另一实施例或模式中，多个AFE(例如，AFE1、AFE2和AFE3)与传感器使用在低功率状态中。将理解的是，尽管在图6中图示和描述了3个AFE，但是取决于应用可以使用更多或者更少的AFE。当操作在这个模式中时，接收电极的组被编组在一起并且输入到每个AFE中。例如，在图6所示的实施例中，被编组的R_X0-R_X19被输入到单个模拟前端AFE1，被编组的R_X20-R_X39被输入到单个模拟前端AFE2，以及被编组的R_X40-R_X59被输入到单个模拟前端AFE3。在这个模式中，例如，被编组并且被输入到每个AFE中的接收器电极可以分别读取由此准许输入对象(诸如，生物计量对象)的运动在被编组的接收器电极的范围内被追踪。追踪输入对象的运动(例如，向上、向下、向右、向左和其它手势)在各种装置中是有用的，诸如在完成各种任务的智能电话或者平板中。这个模式促进了这种导航，因为在每个AFE处的电容将随着手指或其它对象的移动而变化。尽管这个模式相比于使用如上所述的单个AFE可能使用更多功率，但是它相比于使用单独的接收器电极(每个具有其自己的AFE)消耗更少的功率，由此提供了有效率的并且低功率的导航模式。

图7图示了传感器700的一个实施例，其促进了输入到单个AFE的一系列单独接收器电极和与输入到公共AFE的、与被编组的电极编组在一起的相同的单独接收器电极两者的使用。例如，在图示的实施例中，R_X0-R_X2通过开关S1分别连接到AFE0-AFE2。当开关S1闭合并且开关S2打开时，传感器利用连接到如上所述的单个AFE的接收器电极操作在第一模式(例如，指纹捕获或成像)中。在第二模式(例如，WOF或者导航)中，开关S1打开并且开关S2闭合。在这个模式中，R_X0-R_X2被编组在一起并且输入到公共AFE，这里称为编组的模拟前端(GAFE)。如上讨论，每个AFE可以是单端或者差分的。在一个实施例中，单个AFE(例如，AFE0-AFE2)是差分的，以及公共AFE(例如，GAFE)是单端的。

图8图示了传感器800的备选实施例，其促进了单独地和在编组状态中使用接收器电极两者。在图示的实施例中，R_X0-R_X2通过开关S1分别连接到AFE0-AFE2。当开关S1闭合并且开关S2打开时，传感器以类似于结合图7描述的方式利用连接到单个AFE的接收器电极操作在第一模式中。在第二模式中，开关S1打开并且开关S2闭合。在这个模式中，R_X0-R_X2被编组在一起并且共同地输入到AFE1的模拟前端。如上讨论，每个AFE可以是单端或者差分的。在一个实施例中，单独的AFE(AFE0-AFE2)是差分的。然而，当开关S2闭合并且R_X0-R_X2被编组在一起时，AFE1可以可选地配置为操作在单端模式中。

以上所述的各个模式和配置也可以用于检测施加到传感器的力。在一个实施例中，通过使用如上所述被编组的发射和接收传感器电极的单端测量来检测力。单端测量是有益的，因为它允许测量因脊或谷的存在而产生的绝对电容。电极的编组是有益的，因为如上所述，当测量中包括更多脊和谷时增加了所测量的信号。

参考图9A-9B的示例图示和描述了力的测量。图9A图示了具有脊和谷的输入对象，诸如柔和地按压在传感器902的表面上的手指900。如可以看出，脊904和谷906之间的距离(d₁)是比较大的。在柔和按压期间使用差分AFE，所测量的电容将近似为脊和谷之间电容差的一半。在手指900的有力按压期间，脊904和谷906之间的距离(d₂)是比较小的，如图9B中所示。当使用差分测量时，所测量的电容将朝零收敛，因为由于脊被有效地按压成谷的结果，相对平坦的表面触摸传感器。因此，相同的电容出现在ALNA的两个端子上，诸如图4中所示的一个，由此显现为好像不存在手指。

如上所述，单端AFE测量像素上的绝对电容，以及因此在最简单的情况下，测量脊或谷的电容。在柔和按压(图9A)期间，每个像素将反映对应的脊/谷电容测量。在有力按压(图9B)期间，所有像素将趋向于相同的电容测量(脊)并且因此所测量的电容值将在柔和按压期间是谷的像素上增加。所测量电容的增加允许力的测量。通过确定所测量的电容增加的量可以检测和测量相对力。

因此，在一些实施例中，在第一模式中使用差分信令来完成成像指纹。在第二模式中使用单端信令完成检测力。

尽管利用跨电容性传感器示出以上实施例，但是本公开适用于各种传感器类型，例如包括矩阵传感器。

图10A示出操作传感器的方法，其中在指纹成像期间传感器的接收器电极操作在差分模式中。在步骤1000处理系统将感测信号驱动到多个发射器电极的每个上。感测信号可以采用编组在一起的发射器电极从公共驱动器电路来驱动。备选地，每个发射器电极可以具有单独的驱动器电路以及每个驱动器电路可以将相同的信号驱动到多个发射器电极的每个上。在步骤1002，处理系统在多个接收器电极的每个处接收检测的信号。在步骤1004，从感兴趣的接收器电极中减去从至少两个接收器电极测量的平均电容值。在步骤1006，处理系统获得感兴趣的检测信号。当操作在这个模式中时，感测信号可以被驱动到发射器电极的每个上以及可以重复地接收对应于多个接收器电极的每个的独立检测信号，以便成像生物计量对象。

图10B图示了在单端模式中操作传感器的方法。在步骤1008，处理系统将公共感测信号驱动到多个发射器电极上。在步骤1010，接收对应于至少一个接收器电极的公共检测信号。备选地，在步骤1010，公共检测信号可以对应于至少两个或更多个被编组的接收器电极的组。在步骤1012，获得来自被编组的接收器电极的组的检测信号。在一些实施例中，处理系统可以有时操作在第一差分模式中以及然后在其它时候操作在第二单端模式中。在一些应用中，当操作在这个模式中时，公共感测信号被驱动到发射器电极上以及接收对应于被编组的接收器电极的第一组的公共检测信号直到生物计量被检测到。

附加地，当操作在图10B中图示的模式中时，在步骤1008，至少第二公共信号感测信号可以被重复地驱动到发射器电极的第二组上，以及在步骤1010可以接收对应于被编组的接收器电极的第二组的第二公共检测信号。在步骤1012，可以检测来自多个基于公共检测信号和第二公共检测信号的生物计量的运动。可以按照时间复用和码复用方式的至少一种来驱动公共感测信号和第二公共感测信号。

在一个实施例中，处理系统操作在第一差分模式中来成像指纹(例如，图10A)。处理系统操作在第二单端模式中来检测手指的存在、检测用于导航的手指的运动和/或检测手指施加到传感器的压力或力(例如，图10B)。

本文引用的包括出版物、专利申请和专利在内的所有参考文献通过引用方式结合于此，其引用程度好像各参考文献单独和专门指示为通过引用来结合并且在本文中完整地提出一样。

在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)术语“一”和“一个”和“该”以及“至少一个”以及类似提法的使用将被理解为涵盖单数和复数两者，除非本文另加指示或者上下文明显矛盾。术语“至少一个”之后接着一项或多项的列表的使用(例如，“A和B的至少一个”)将被理解为表示从所列项中所选取的一项(A或B)或者所列项的两个或更多的任何组合(A和B)，除非本文另加指示或者通过上下文明显矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”将被理解为开放式术语(即，表示“包括但不限于”)，除非另加说明。本文中的数值的范围的叙述只是意在用作单独表示落入该范围之内的每个独立值的简写方法，除非本文中另加指示，以及将每个独立值结合到本说明书中，好像本文中单独叙述它一样。本文所述的所有方法能够按照任何适当顺序来执行，除非本文中另加指示或者以其它方式上下文明显矛盾。本文所提供的任意和所有示例或示范语言(例如，“诸如”)的使用意在只是更好地阐释本发明，而不是对本发明的范围施加限制，除非另加说明。本说明书中没有语言应当被理解为将任何未要求保护的元件指示为对本发明的实施是必要的。

本文描述的本发明的优选实施例包括本发明人已知的用于执行本发明的最佳模式。当阅读以上描述时，那些优选实施例的变化对本领域的技术人员可变得显而易见。本发明人预期技术人员视情况而定采用这类变化，并且本发明人希望本发明以与如本文具体所述不同的方式来实施。相应地，本发明包括如适用法律所准许的所附权利要求中所述的主题的所有修改和等效体。此外，上述元件按照其全部可能的变化的任何组合均被本发明包含，除非本文另加指示或者以别的方式与上下文明显矛盾。

Claims

1.一种用于电容性感测的输入装置，所述输入装置包括：

多个发射器电极；以及

多个接收器电极；

其中所述输入装置包括驱动器电路，该驱动器电路被配置为：

通过将感测信号驱动到所述发射器电极的每个上以及接收对应于所述多个接收器电极的每个的独立检测信号来操作在第一模式中；

通过将公共感测信号驱动到多个所述发射器电极上以及接收对应于从所述多个接收器电极选择的至少一个接收器电极的公共检测信号来操作在第二模式中；

多个差分接收器，配置为当操作在所述第一模式中时获得所述独立检测信号；以及

至少一个单端接收器，配置为当操作在所述第二模式中时获得所述公共检测信号；

其中所述输入装置配置为当操作在所述第一模式中时使用所述多个差分接收器来获得所述独立检测信号，以及当操作在所述第二模式中时使用所述至少一个单端接收器来获得所述公共检测信号。

2.如权利要求1所述的输入装置，其中所述公共检测信号对应于多个被编组的接收器电极。

3.如权利要求1所述的输入装置，其中所述差分接收器从感兴趣的接收器电极减去至少两个接收器电极所测量的电容值的平均值以获得感兴趣的检测信号。

4.如权利要求3所述的输入装置，其中所述至少两个接收器电极被编组在一起并且连接到放大器的输入端子以及从所述感兴趣的接收器电极中减去来获得所述感兴趣的检测信号。

5.如权利要求1所述的输入装置，其中从所述多个接收器电极中选择的至少两个接收器电极的平均电容从感兴趣的接收器电极的所述电容中以数字方式减去来获得感兴趣的检测信号。

6.如权利要求1所述的输入装置，其中所述输入装置进一步配置为当操作在所述第一模式中时获得在感测区中的生物计量对象的图像。

7.如权利要求1所述的输入装置，其中所述装置进一步配置为当操作在所述第二模式中时检测在感测区中的生物计量对象的存在，所述感测区包括被编组的接收器电极的第一组。

8.如权利要求7所述的输入装置，其中被编组的接收器电极的所述第一组被定位为接近感测区的中心。

9.如权利要求1所述的输入装置，其中所述输入装置进一步包括被编组的接收器电极的多个组，并且其中所述输入装置进一步配置为当操作在所述第二模式中时利用被编组的接收器电极的第一组来检测感测区中生物计量对象的运动，所述被编组的接收器电极的第一组从被编组的接收器电极的所述多个组中选择。

10.如权利要求6所述的输入装置，其中，当操作在所述第一模式中时，所述输入装置将感测信号驱动到所述发射器电极的每个上并且重复地接收对应于所述多个接收器电极的每个的独立检测信号，以成像生物计量对象。

11.如权利要求7所述的输入装置，其中，当操作在所述第二模式中时，所述输入装置重复地将所述公共感测信号驱动到所述多个发射器电极上并且接收对应于被编组的接收器电极的所述第一组的所述公共检测信号直到生物计量被检测到。

12.如权利要求9所述的输入装置，进一步包括：

当操作在所述第二模式中时，

重复地将至少第二公共感测信号驱动到第二多个发射器电极上并且接收对应于被编组的接收器电极的第二组的第二公共检测信号；以及

从所述多个公共检测信号和第二公共检测信号检测生物计量的运动。

13.如权利要求12所述的输入装置，其中按照时间复用和码复用方式的至少一种来驱动所述公共感测信号和所述第二公共感测信号。

14.如权利要求7所述的输入装置，进一步包括：

在操作在所述第二模式中的第一时间期间，

通过重复地将所述公共感测信号驱动到所述多个发射器电极上并且接收对应于被编组的接收器电极的所述第一组的所述公共检测信号直到生物计量被检测到来检测生物计量的存在；

重复地将至少第二公共信号感测信号驱动到第二多个发射器电极上并且接收对应于被编组的接收器电极的第二组的第二公共检测信号；以及

从所述多个公共检测信号和第二公共检测信号检测生物计量的运动；以及

当操作在所述第一模式中时，所述输入装置将感测信号驱动到所述发射器电极的每个上并且重复地接收对应于所述多个接收器电极的每个的独立检测信号来成像生物计量对象。

15.如权利要求1所述的输入装置，其中所述装置进一步配置为当操作在所述第二模式中时检测由感测区中的生物计量对象所施加的力。

16.如权利要求1所述的输入装置，其中所述多个发射器电极和所述多个接收器电极形成跨电容性传感器以及所述多个发射器电极正交于所述多个接收器电极。

17.一种用于电容性感测的输入装置，所述输入装置包括：

多个发射器电极和多个接收器电极；

通过将感测信号驱动到所述发射器电极的每个上以及接收对应于多个差分接收器的独立检测信号来操作在第一模式中，其中所述多个差分接收器的每个配置为提供与所述接收器电极之一关联的独立检测信号；以及

通过将感测信号驱动到所述发射器电极的每个上以及在单端接收器处接收至少一个公共检测信号来操作在第二模式中，其中所述单端接收器配置为提供与至少一个接收器电极关联的公共检测信号。

18.如权利要求17所述的输入装置，其中所述差分接收器从感兴趣的接收器电极减去至少两个接收器电极所测量的电容值的平均值来获得感兴趣的检测信号。

19.如权利要求18所述的输入装置，其中所述至少两个接收器电极被编组在一起并且连接到放大器的输入端子以及从所述感兴趣的接收器电极中减去来获得所述感兴趣的检测信号。

20.如权利要求17所述的输入装置，其中至少两个接收器电极的平均电容从感兴趣的接收器电极的电容中以数字方式减去来获得感兴趣的检测信号。

21.如权利要求17所述的输入装置，进一步配置为当操作在所述第一模式中时获得在感测区中生物计量对象的图像。

22.如权利要求17所述的输入装置，进一步配置为当操作在所述第二模式中时检测感测区中生物计量对象的存在，所述感测区包括被编组的接收器电极的第一组，其中被编组的接收器电极的所述第一组定位为接近感测区的近似中心。

23.如权利要求17所述的输入装置，其中处理系统配置为当操作在所述第二模式中时检测感测区中生物计量对象的运动，所述感测区包括被编组的接收器电极的多个组。

24.如权利要求17所述的输入装置，其中所述多个发射器电极和所述多个接收器电极形成跨电容性传感器以及所述多个发射器电极正交于所述多个接收器电极。

25.一种操作用于电容性感测的输入装置的方法，所述输入装置包括驱动器电路、多个发射器电极和多个接收器电极，所述方法包括：

操作在第一模式中，所述第一模式包括：

将感测信号驱动到所述发射器电极的每个上；

接收对应于多个差分接收器电极的每个的独立检测信号，其中所述多个差分接收器的每个配置为提供与所述接收器电极之一关联的独立检测信号；

操作在第二模式中，所述第二模式包括：

将公共感测信号驱动到所述发射器电极的每个上；

接收对应于被编组的单端接收器电极的第一组的公共检测信号，其中每个单端接收器配置为提供与至少一个接收器电极关联的公共检测信号。

26.如权利要求25所述的方法，进一步包含从感兴趣的接收器电极减去至少两个接收器电极所测量的电容值的平均值以获得感兴趣的检测信号。