CN109254698A - 电容式影像传感器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容式影像传感器及其操作方法。该电容式影像传感器包含：多个电容式感测单元，形成一数组，其中每一个电容式感测单元于三种状态间切换：感测状态、闲置状态与发射状态；一驱动源，用以通过处于发射状态的多个电容式感测单元，提供一驱动讯号到覆于该多个电容式感测单元的一邻近手指上；多个驱动开关，每一驱动开关连接于该多个电容式感测单元之一与该驱动源之间；及一控制与时序逻辑，连接每一个驱动开关，用以控制每一个电容式感测单元的状态。

Description

电容式影像传感器及其操作方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种电容式影像传感器及其操作方法。
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。
对于指纹获取感测技术来说，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含一数组的感测单元，每一感测单元包含一感测电极。通过使用所述感测电极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。美国专利第7,864,992号揭露一种电容式指纹感测装置。该发明通过围绕传感器数组的导电驱动结构将一驱动讯号被注入到手指中，并测量传感器数组中感测结构对应的电荷的变化以取得指纹影像。虽然美国专利第7,864,992号的电容式指纹感测装置提供指纹影像质量及传感器保护的优秀组合，然而在某些应用中，希望能够在不使用独立的导电驱动结构的情况下获得高质量的指纹影像。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，该电容式影像传感器包含：多个电容式感测单元，形成一数组，其中该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元在三种状态间切换：感测状态、闲置状态与发射状态；该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元包含：一感测电极；及一电压随耦器，具有连接到该感测电极的一输入节点；一驱动源，用以通过处在发射状态的多个电容式感测单元，提供一驱动讯号到覆在该多个电容式感测单元的一邻近手指上；多个驱动开关，每一驱动开关连接在该多个电容式感测单元之一与该驱动源之间；及一控制与时序逻辑，连接该多个电容式感测单元中每一个驱动开关，用以控制该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的状态。其中当电容式感测单元为感测状态时，该感测电极的电位设为一默认电压且响应在提供给该邻近手指的驱动讯号而改变；当电容式感测单元为发射状态时，该感测电极的电位由该驱动源驱动；当电容式感测单元为闲置状态时，该感测电极的电位设为一固定电压或维持浮动；该驱动讯号具有一正波形或一负波形，由该驱动源的电位改变所形成；该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电位在该驱动讯号经由处在发射状态的多个电容式感测单元提供到该邻近手指前重设。
在一个实施例中，该电容式影像传感器可进一步包含至少一取样保存电路，用以获取及保存当该驱动讯号具有正波形时，在感测状态下的电容式感测单元的电压随耦器的一第一输出电位，与当该驱动讯号具负正波形时，在感测状态下的电容式感测单元的电压随耦器的一第二输出电位。
在一个实施例中，该电容式影像传感器可进一步包含至少一信号调适电路，每一信号调适电路包含至少一差分放大器，用以放大该取样保存电路保存的该第一输出电位与第二输出电位间的差量，其中该第一输出电位与第二输出电位间的差量为一降噪讯值，代表该感测状态下的电容式感测单元与该邻近手指间的距离。
在一个实施例中，该至少一信号调适电路可进一步包含一模拟数字转换器，用以转换该放大差量为一数字化噪讯降低数值。
在一个实施例中，该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的该数字化噪讯降低数值被收集，并映射到该电容式感测单元的对应位置以得到该手指的噪讯降低影像，其中每一数字化噪讯降低数值代表噪讯降低指纹影像的一像素。
在一个实施例中，该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元可进一步包含：一第一比较电容器，具有一节点电连接到该电压随耦器，另一节点电连接到接地；一偏压源，用以提供一固定偏压给该感测电极与该第一比较电容器；及一第一开关，连接于该偏压源与该第一比较电容器间。
在一个实施例中，该第一比较电容器可包含一参考电容器与一寄生电容。
在一个实施例中，该参考电容器可为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。
在一个实施例中，该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元可进一步包含：一分享开关，连接于该感测电极与电压随耦器之间；一第二比较电容器，连接于该感测电极与接地之间；及一第二开关，连接于该感测电极与接地之间。当该第二开关开启时，该感测电极重设为接地电位。
在一个实施例中，每一取样保存电路可进一步包含：二电荷保存电容器，其一用以保存该第一输出电位，另一用以保存该第二输出电位；及至少一选取开关，连接于该电压随耦器与该二电荷保存电容器间，用以依照该驱动讯号是否具有正波形或负波形，在所述电荷保存电容器间进行切换。
在一个实施例中，该多个电容式感测单元之一可为感测状态、另一部分的多个电容式感测单元为发射状态，其余的多个电容式感测单元为闲置状态。本发明亦揭露一种用于操作所述之电容式影像传感器的方法，该方法包含步骤：重设该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电位；施加具有一第一波形的驱动讯号到所述发射状态的多个电容式感测单元；获取感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的一第一输出电位；保存感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的该第一输出电位；重设该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电位；施加具有一第二波形的驱动讯号到所述发射状态的多个电容式感测单元；获取感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的一第二输出电位；保存感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的该第二输出电位；计算第一输出电位及第二输出电位间的差量；转换该差量为一噪讯降低值；依序收集及数字化感测状态的多个电容式感测单元的噪讯降低值为数字化噪讯降低数值；及映射所述数字化噪讯降低数值到对应的多个电容式感测单元的对应位置，以形成数字化噪讯降低指纹影像，其中每一数字化噪讯降低数值代表该噪讯降低影像的一像素。其中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为本发明提供的一种电容式影像传感器的示意图；。
图2为沿图1中A-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4(a)为电容式影像传感器在运行过程中的原理快照图；
图4(b)为当感测状态单元接近感测单元数组边缘时，电容式影像传感器的原理快照图；
图4(c)显示另一种决定闲置状态单元的态样；
图4(d)为图4(a)中沿B-B’线之一部分该电容式感测单元数组的剖面图；
图5为驱动开关与控制与时序逻辑的配置示意图；
图6为本发明提供的该电容式影像传感器的典型实施的示意图；
图7显示取样保存电路的另一种架构，以及差分放大器与取样保存电路之间连接的架构；
图8是说明在第一实施例的电容式影像传感器中操作电容式感测单元的步骤之流程图；
图9为本发明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10是说明在第二实施例的电容式影像传感器中操作电容式感测单元的步骤之流程图。
附图标号说明：
10 电容式影像传感器
12 半导体基板
13 保护层
20 电容式影像传感器
14 主动半导体电路
15 绝缘层
30 输入╱输出接口的接触垫
40 电源的接触垫
100 电容式感测单元
100a 感测状态单元
100b 闲置状态单元
100c 发射状态单元
110 感测电极
110a 感测电极
110b 感测电极
110c 感测电极
120 第一开关
140 电压随耦器
150 驱动电路
151 驱动源
152 驱动开关
170 第一比较电容器
190 偏压源
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 缓冲与输入输出端口
500 手指
501 脊部
502 谷部
510 手指电容
600 电容式感测单元
610 感测电极
620 第一开关
630 第二开关
640 电压随耦器
650 分享开关
670 第一比较电容器
680 第二比较电容器
690 偏压源
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的电容式影像传感器及其操作方法进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明将通过参照下列的实施方式而更具体地描述。
请见图1，图1显示依照本发明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用来描绘一手指500表面的脊部与谷部，进一步转换结果为该手指的噪讯降低指纹影像。电容式影像传感器10包含一数组的电容式感测单元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上表面及一指尖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包含一半导体基板12，具有该电容式感测单元100数组形成于其上。手指500的表面包含接触保护层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可以用来转换接近手指500表面的一部分与其上表面间的距离为一输出电位。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包含一感测电极110，形成于保护层13下方，是一个导电板的形式。在导电板下方是主动半导体电路14，其由斜线区域示意性地显示于图2中。至少一绝缘层15形成以包覆感测电极110。主动半导体电路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包含一数组的电容式感测单元100(以虚线包围)、一驱动电路150、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)。为了说明起见，图3仅绘示一电容式感测单元100、一取样保存电路200及一信号调适电路300。该取样保存电路200、信号调适电路300、控制与输出输入电路400、一部分电容式感测单元100，及驱动电路150形成于该主动半导体电路14内。
电容式感测单元100包含一感测电极110、一第一开关120、一电压随耦器140、一第一比较电容器170，及一偏压源电路190。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的其它部分间之杂散电容之和的一寄生电容(未绘示)可以当成一部分的第一比较电容器170来处理。一参考电容器(未绘示)，具有电容Cr，形成于接地与感测电极110之间，参考电容器用来在操作期间存储电荷。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。第一比较电容器170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合效果，即Cc＝Cr+Cp。因此，第一比较电容器170的一节点电连接到电压随耦器140，另一节点电连接到接地节点。在一些制造过程中，当寄生电容值受到良好控制时，可以不需要参考电容器，即Cc＝Cp。驱动电路150包含一驱动源151与一驱动开关152。驱动源151是一个低阻抗电压源，由一控制与时序逻辑410控制；当电容式感测单元100处在发射状态时，提供一正或负波形(升压或降压信号)到电容式感测单元100。更准确地说，该正波形及/或负波形在驱动源151的输出结点，由随时间变化之电位形成。驱动开关152，连接驱动源151的输出节点1到感测电极110，也由控制与时序逻辑410所控制，允许或不允许前述正或负波形传送至该些电容式感测单元100。电容式感测单元100的不同状态将于后段文字中说明。第一开关120、电压随耦器140、第一比较电容器170、驱动源151，及驱动开关152形成于主动半导体电路14中。当手指500接近该电容式影像传感器10时，一手指电容510，以Cf表示，形成于手指500与感测电极110之间。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。第一开关120是一个MOS装置，用来当作连通或切断偏压源电路190，以Vbias表示，到感测电极110与第一比较电容器170的开关。偏压源电路190用来提供一固定偏压。在本实施例中，该偏压是一个1.5V固定偏压。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，电压随耦器实现为单位增益放大器。电压随耦器140的输入节点连接到感测电极110，输出节点连接到取样保存电路200。
请参阅图4(a)，该图示意性显示电容式影像传感器10在运行过程中的快照。该些电容式感测单元100可以是处于以下三种状态中的一种：感测状态、闲置状态或发射状态。在电容式影像传感器10的一个操作期间中，电容式感测单元100会依序进入感测状态，每一电容式感测单元100仅进入感测状态一次。一群围绕前述处于感测状态的电容式感测单元100的多个电容式感测单元100被设为闲置状态。如图4(a)所示，一电容式感测单元100a处于感测状态(以下简称“感测状态单元”100a)标示有波纹，一群电容式感测单元100b处于闲置状态(以下简称“闲置状态单元”100b)为无标记的正方形，另一群电容式感测单元100c处于发射状态(以下简称“发射状态单元”100c)标示有对角线图案。在本实施例中，所有位于感测状态单元100a二行像素内的电容式感测单元100设为闲置状态。易言之，所有在虚线框中的电容式感测单元，除了位于中央的电容式感测单元100a，都处于闲置状态，于中央的电容式感测单元100a处于感测状态。虚线框外部所有其它的电容式感测单元100设为发射状态。这里，虚线框的大小不限于一个5x5方阵，它也可以是一个具有7x7个电容式感测单元100的方阵。图4(b)显示当感测状态单元100a接近数组边缘的例子，仅15个电容式感测单元100在离感测状态单元100a二行像素(在虚线框内)设为闲置状态。图4(c)显示另一种态样，即以一圆形决定“距离”。形状不限于正方形或圆形，只要其对称于感测状态单元100a即可。
请参阅图4(d)，该图为沿图4(a)中B-B’线，一部分电容式感测单元100的剖面图。发射状态单元100c的感测电极110c连接到驱动源151以将感测信号耦合到用户手指500。当电容感测单元100处于发射状态时，感测电极110c由驱动源151直接驱动。一驱动阻抗(未绘示)代表形成于发射状态单元100c的每一感测电极110c与使用者手指500间阻抗的总和。因为感测电极110c的总和面积很大，导致驱动阻抗值过低以至于可以被忽略。更准确地说，电容式影像传感器10的数组大小不小于50x50个像素，且其中多数的电容感测单元100设为发射状态。感测状态单元100a的一输出电位，响应于耦合到手指500的感测信号并根据感测电极110a处的电位，经过电压随耦器140提供给取样保存电路200。手指电容510形成于手指500与感测状态单元110a的感测电极110a之间。闲置状态单元100b的感测电极110b设为不作动，以确保感测状态单元100a接收来自用户手指500的驱动讯号。闲置状态单元100b可以最小化驱动讯号的不必要之直接影响至感测状态单元100a。其中“不作动”的例子是当电容感测单元100是闲置状态时，设感测电极110b之电位为一预定电位，例如接近输出电位的一固定电位。“不作动”的替代例子是使闲置状态单元100b的感测电极110b的电位浮动。图5示意地显示驱动开关152与控制与时序逻辑410的配置。驱动开关152由控制与时序逻辑410所控制来连接或切断电容式感测单元100与驱动源150。易言之，控制与时序逻辑410控制每一个电容感测单元100，包含其状态。
图3中的取样保存电路200是一个用来获取及保存由电容式感测单元100输入电压信号的装置。取样保存电路200包含一第一取样开关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，用来获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，用来获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量的电路，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包含一差分放大器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包含一控制与时序逻辑410及一缓冲与输入输出端口420。控制与时序逻辑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6，该图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包含一二维数组的电容式感测单元100及数个取样保存电路200。在本图中，其它的电路未绘示。该二维数组的电容式感测单元100以一逐行序列启用。相同行中的电容式感测单元100透过各别列选择讯号分享相同输出线路，一列由对应的列选择讯号在一个时间点上启用。列选择讯号由控制与时序逻辑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的输出透过一组行选择讯号，多任务至一单一输出信号。行选择讯号由控制与时序逻辑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7，图7显示一取样保存电路250a╱250的另一种架构，以及差分放大器310与取样保存电路250间连接的架构。取样保存电路250a╱250b可透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形成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形成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8，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的步骤之流程图，其步骤为：
S01，仅为发射状态单元110c开启驱动开关152，并设定驱动源151为高电位(3V)；
S02，由开启第一开关120重设感测状态单元100a的金属板(感测电极110a)为偏压；
S03，关闭感测状态单元100a的第一开关120以维持该金属板电位浮动；
S04，设定驱动源151的电位为零(0V)；
S05，为感测状态单元100a开启第一取样开关210以改变第一电荷保存电容器220为一第一输出电位V1；
S06，关闭第一取样开关210以由第一电荷保存电容器220保存该第一输出电位V1；
S07，设定驱动源151的为低电位(-3V)；
S08，由开启第一开关120重设感测状态单元100a的金属板为偏压；
S09，关闭感测状态单元100a的第一开关120以维持该金属板电位浮动；
S10，设定驱动源151的电位为零(0V)；
S11，为感测状态单元100a开启第二取样开关230以改变第二电荷保存电容器240为一第二输出电位V2；
S12，关闭第二取样开关230以由第二电荷保存电容器240保存该第二输出电位V2；及
S13，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1到步骤3(S01-S03)为第一重设阶段，步骤4到步骤6(S04-S06)为第一感测阶段，步骤7到步骤9(S07-S09)为第二重设阶段，步骤10到步骤12(S10-S12)为第二感测阶段，步骤S13为输出阶段。步骤13中输出电位与第一及第二输出电位间差量成正比是该像素(感测状态单元100a)的噪讯降低数值。该噪讯降低数值代表感测状态单元100a与感测状态单元100a上手指部分表面间的距离。步骤1到步骤6及步骤7到步骤12的顺序可以交换。换言之，由驱动源施加一正波形与一负波形以得到噪讯降低数值，无论其顺序为何。为了有更好的理解，取形成于步骤1到步骤4的波形为一第一波形及步骤7到步骤10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，比如一灰阶影像。所述步骤为：
S14，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(即，电容式感测单元100将依序进入感测状态)；
S15，转换所述噪讯降低数值为数字化的噪讯降低数值；及
S16，映射所述数字化噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置，以形成数字化噪讯降低指纹影像。
为了有较佳的理解，结果分析如下所示。在步骤S04之后，金属板的电位应该是此处，Vbias是偏压源电位(1.5V)，ΔVd1为由驱动源151发送的一负波形(一电压降信号)造成的电位变化，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是参考电容器的值)的值。驱动阻抗的影响太小以至于被忽略。在步骤S05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组件的阻抗失配造成的固定模式噪讯，Gf是电压随耦器的增益因子，通常小于1。在步骤S 10后，金属板的电位应该是 此处，ΔVd2为由驱动源151发送的一正波形(一电压升信号)造成的电位变化。在本实施例中，ΔVd1＝-ΔVd2＝ΔVd。在步骤S11后，第二输出电位可以由来表示。正和负波形在形状上是对称的，在本实施例中是个阶梯函数。在最后步骤S 13，差分放大器310的输出可以由 来表示。此处，是差分放大器的增益因子。在本方法中，固定模式噪讯项(N)被抵消掉。易言之，当电容式感测单元100设为感测状态时，感测电极处的电位设为偏压(Vbias)并响应于耦合到手指500的驱动讯号而改变(ΔVd1或ΔVd2项)。接着，第一输出电位(V1)由电压随耦器140提供给第一电荷保存电容器220并由该第一电荷保存电容器220保存。第二输出电位也以类似的方式提供。在本方法的最后，一噪讯降低值(Vfinal)由差分放大器310给定。
请参阅图9，该图为另一实施例中电容式影像传感器20(一像素)的等效电路。与前一实施例唯一的差别在于电容式感测单元600。在本实施例中，电容式感测单元600包含一感测电极610、一第一开关620、一第二开关630、一分享开关650、一电压随耦器640、一第一比较电容器670、一第二比较电容器680、与一偏压源690。代表电压随耦器640输入节点与感测结构未连接到它的其他部分(未绘示)间寄生电容和的一寄生电容可以被视为第一比较电容器670的一部分。寄生电容的值以Cp1表示，可包含电压随耦器640的寄生输入电容、第一开关620与分享开关650的漏极到本体电容，或有一节点连接到电压随耦器640的任何装置的杂散电容。代表感测电极610与感测结构未连接到它的其他部分(未绘示)间寄生电容和的另一寄生电容可以被视为第二比较电容器680的一部分。寄生电容的值以Cp2表示，可包含第二开关630与分享开关650的漏极到本体电容，或有一节点连接到感测电极610的任何装置的杂散电容。一参考电容器(未绘示)，具有电容Cr1，形成于接地与电压随耦器640之间，以在操作期间存储电荷。另一参考电容器(未绘示)，具有一电容Cr2，形成于接地与感测电极610之间，以在操作期间存储电荷。操作的细节将在后面的段落中描述。该第一与第二比较电容器(670与680)为等效电容器，分别以Cc1与Cc2表示，各代表寄生电容与参考电容器的整体效果，即Cc1＝Cr1+Cp1与Cc2＝Cr2+Cp2。因为与前一实施例相同的原因，缺少了参考电容器。当手指500接近电容式感测单元600时，一手指电容510，以Cf表示，形成于其间。感测电极610是电容式感测单元100上侧的一个金属板，用来形成一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，其为人体的一部分。第一开关620为一MOS装置且其一端连接到电压随耦器640的输入节点与第一比较电容器670的一端，用来对第一比较电容器670进行充电或放电。第一开关620的另一端连接到偏压源690，而第一比较电容器670的另一端连接到接地。第二开关630也是一个MOS装置，其一端连接到感测电极610与第二比较电容器680的一端，用来对感测电极610与第二比较电容器680进行充电或放电。第二开关630的另一端连接到接地，第二比较电容器680的另一端也连接到接地。分享开关650形成于感测电极610与电压随耦器640之间(同时也位于第一比较电容器670与第二比较电容器680之间)，用来分享手指电容510、第一比较电容器670，与第二比较电容器680间的电荷。在本实施例中，偏压为2V固定偏压。电压随耦器640为具有输入与输出讯号的电路装置，输出信号跟随输入信号。通常，电压随耦器实现为一个单位增益放大器。电压随耦器640的输入节点连接到第一比较电容器670，输出节点连接到取样保存电路200。驱动开关152连接于驱动源151与感测电极610之间。用于控制电容式感测单元600的状态的方法与前述实施例相同，在此不再重复。
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10，该图是说明操作电容式影像传感器20中电容式感测单元600的步骤之流程图，其步骤为：
S31，仅为发射状态单元开启驱动开关、接着关闭第一开关并开启感测状态单元的第二与分享开关，以将感测电极与二比较电容器放电至电位为零，及设定驱动源151为高电位(1.5V)；
S32，关闭第二与分享开关并开启感测状态单元的第一开关以对第一比较电容器670充电至该偏压，及关闭第一开关；
S33，开启感测状态单元的分享开关以分享累积于第一比较电容器670内的电荷至感测电极610与第二比较电容器680，并由设定驱动源为零电位(0V)来施加驱动讯号；
S34，为感测状态单元开启第一取样开关210以对第一电荷保存电容器220充电至输出电位V1；
S35，关闭第一取样开关210以由第一电荷保存电容器220保存第一输出电位V1；
S36，关闭第一开关、开启第二与分享开关以将感测电极610与比较电容器放电至电位为零，及设定驱动源151为低电位(-1.5V)；
S37，关闭第二与分享开关并开启感测状态单元的第一开关以对第一比较电容器670充电至该偏压，及关闭第一开关；
S38，开启感测状态单元的分享开关以分享累积于第一比较电容器670内的电荷至感测电极610与第二比较电容器680，并由设定驱动源为零电位(0V)来施加驱动讯号；
S39，为感测状态单元开启第二取样开关230以对第二电荷保存电容器240充电至输出电位V2；
S40，关闭第二取样开关230以由第二电荷保存电容器240保存第一输出电位V2；及
S41，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，第一与第二步骤(S31-S32)为第一重设阶段，第三至第五步骤(S33-S35)为第一感测阶段，第六至第七步骤(S36-S07)为第二重设阶段，第八至第十步骤(S38-S40)为第二感测阶段，步骤S41为最终阶段。相似地，步骤S31-S35与步骤S36-S40的顺序可以交换。步骤S41中的输出电位是该像素(电容式感测单元)的噪讯降低数值。可有额外的步骤来转换输出电位为数字影像，所述步骤为：
S42，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(即，电容式感测单元600将依序进入感测状态)；
S43，转换所述噪讯降低数值为数字化的噪讯降低数值；及
S44，映射所述数字化噪讯降低数值到对应的电容式感测单元的位置，以形成数字化噪讯降低指纹影像。
为了有较佳的理解，结果分析如下所示。在步骤S33之后，金属板的电位应该是 此处，Vbias是偏压源690的电位，Cf是手指电容510的值，Cc1是第一比较电容器670的值，Cc2是第二比较电容器680的值。在步骤S34之后，该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组件的阻抗失配造成的固定模式噪讯，Gf是电压随耦器的增益因子，通常小于1。在步骤S38之后，金属板的电位应该是 在步骤S39之后，第二输出电位可以由来表示。在为最终阶段S41，差分放大器310的输出可以由 来表示。此处，g是差分放大器的增益因子。在本方法中，固定模式噪讯项(N)被抵消掉。易言之，当电容式感测单元600设为感测状态时，感测电极处的电位设为接地(0V)并响应于耦合到手指500的驱动讯号而改变(ΔVd1项)，改变量由第一比较电容器670所分享。接着，第一输出电位(V1)由电压随耦器640提供给第一电荷保存电容器220并由该第一电荷保存电容器220保存。第二输出电位也以类似的方式提供。在本方法的最后，一噪讯降低值(Vfinal)由差分放大器310给定。
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。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种电容式影像传感器，其特征在于，包含：
多个电容式感测单元，形成一数组，其中每一该多个电容式感测单元在三种状态间切换：感测状态、闲置状态与发射状态；每一该多个电容式感测单元包含：
一感测电极；及
一电压随耦器，具有连接到该感测电极的一输入节点；
一驱动源，用以通过处于发射状态的该多个电容式感测单元，提供一驱动讯号到覆在该多个电容式感测单元的一邻近手指上；
多个驱动开关，每一驱动开关连接在该多个电容式感测单元之一与该驱动源之间；及
一控制与时序逻辑，连接每一多个驱动开关，用以控制该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的状态，
其中当电容式感测单元为感测状态时，该感测电极的电位设为一默认电压且响应于提供给该邻近手指的驱动讯号而改变；当电容式感测单元为发射状态时，该感测电极的电位由该驱动源驱动；当电容式感测单元为闲置状态时，该感测电极的电位设为一固定电压或维持浮动；该驱动讯号具有一正波形或一负波形，由该驱动源的电位改变所形成；该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电位在该驱动讯号经由处于发射状态的多个电容式感测单元提供到该邻近手指前重设。
2.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，进一步包含至少一取样保存电路，用以获取及保存当该驱动讯号具有正波形时，在感测状态下的电容式感测单元的电压随耦器的一第一输出电位，与当该驱动讯号具负正波形时，在感测状态下的电容式感测单元的电压随耦器的一第二输出电位。
3.如权利要求2所述的电容式影像传感器，其特征在于，进一步包含至少一信号调适电路，每一信号调适电路包含至少一差分放大器，用以放大该取样保存电路保存的该第一输出电位与第二输出电位间的差量，其中该第一输出电位与第二输出电位间的差量为一降噪讯值，代表该感测状态下的电容式感测单元与该邻近手指间的距离。
4.如权利要求3所述的电容式影像传感器，其特征在于，其中该至少一信号调适电路进一步包含一模拟数字转换器，用以转换该放大差量为一数字化噪讯降低数值。
5.如权利要求4所述的电容式影像传感器，其特征在于，其中每一个电容式感测单元的该数字化噪讯降低数值被收集，并映射到该电容式感测单元的对应位置，集合所有收集的数字化噪讯降低数值形成该手指的噪讯降低影像，其中每一数字化噪讯降低数值代表噪讯降低指纹影像的一像素。
6.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，其中每一个电容式感测单元进一步包含：
一第一比较电容器，具有一节点电连接到该电压随耦器，另一节点电连接到接地；
一偏压源，用以提供一固定偏压给该感测电极与该第一比较电容器；及
一第一开关，连接于该偏压源与该第一比较电容器间。
7.如权利要求6所述的电容式影像传感器，其特征在于，其中该第一比较电容器包含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，其中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6所述的电容式影像传感器，其特征在于，其中该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元进一步包含：
一分享开关，连接于该感测电极与电压随耦器之间；
一第二比较电容器，连接于该感测电极与接地之间；及
一第二开关，连接于该感测电极与接地之间，
其中当该第二开关开启时，该感测电极重设为接地电位。
10.如权利要求2所述的电容式影像传感器，其特征在于，其中每一取样保存电路进一步包含：
二电荷保存电容器，其一用以保存该第一输出电位，另一用以保存该第二输出电位；及
至少一选取开关，连接于该电压随耦器与该二电荷保存电容器间，用以依照该驱动讯号是否具有正波形或负波形，在所述电荷保存电容器间进行切换。
11.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，其中该多个电容式感测单元之一为感测状态、另一部分的多个电容式感测单元为发射状态，其余的多个电容式感测单元为闲置状态。
12.一种如权利要求1所述的电容式影像传感器的操作方法，其特征在于，所述方法包含步骤：
重设该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电位；
施加具有一第一波形的驱动讯号到所述发射状态的多个电容式感测单元；
获取感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的一第一输出电位；
保存感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的该第一输出电位；
重设该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电位；
施加具有一第二波形的驱动讯号到所述发射状态的多个电容式感测单元；
获取感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的一第二输出电位；
保存感测状态的该多个电容式感测单元中每一个电容式感测单元的电压随耦器的该第二输出电位；
计算第一输出电位及第二输出电位间的差量；
转换该差量为一噪讯降低值；
依序收集及数字化感测状态的多个电容式感测单元的噪讯降低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多个电容式感测单元的对应位置，
其中每一数字化噪讯降低数值代表该噪讯降低影像的一像素。
13.如权利要求12所述的操作方法，其中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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