CN109389003B - 电容式影像传感器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电容式影像传感器及其操作方法。所述电容式影像传感器包含一数组的电容式感测单元，用以转换每一电容式感测单元与一邻近手指表面间的距离为一输出电位。所述电容式感测单元包含：一保护层；一第一感测板，位于所述保护层之下；一第二感测板，位于所述第一感测板之下；一主动半导体电路，位于所述第二感测板之下并连接到所述第一与第二感测板；至少一第一隔离层，位于所述第一感测板与所述第二感测板之间；及至少一第二隔离层，位于所述第二感测板与所述主动半导体电路之间。

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具有可靠性和低成本。然而，由于嵌入式光学透镜的尺寸和光学式指纹感测模块的形状因子不能维持较小的范围，光学式传感器难以嵌入便携式设备中。而电容式指纹辨识模块由硅芯片制成，非常轻小。在某些例子中，当一个指纹影像可以由滑动扫描而取得，所述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，每一所述感测单元包含一感测电极。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测量不同的电容而定位。有许多前案中的电容式指纹辨识模块，多数应用于制造指纹传感器。然而，还有许多问题需要解决，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号公布了一种电容式指纹感测装置。该发明由围绕传感器数组的导电驱动结构将一驱动讯号注入到手指中，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了指纹影像质量及传感器保护的优秀组合，但在某些应用中，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所述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。其它特点将被公布于后续段落中。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。

本发明公布了一种电容式影像传感器，所述电容式影像传感器，具有一数组的多个电容式感测单元，用以转换每一所述多个电容式感测单元与一邻近手指表面间的距离为一输出电位，每一所述多个电容式感测单元包含：一保护层；一第一感测板，位于所述保护层之下；一第二感测板，位于所述第一感测板之下；一主动半导体电路，位于所述第二感测板之下并连接到所述第一与第二感测板，所述主动半导体电路包含：一第一开关，连接于所述第二感测板与一参考电压源之间，其中当第一开关开启时，一参考电压由所述参考电压源提供至所述第二感测板；一第二开关，连接于所述第一感测板与接地端之间，用于开启时让所述第一感测板进行放电；一第三开关，连接于所述第二感测板与接地端之间，用于开启时让所述第二感测板进行放电；及一电压随耦器，具有一输出节点与一输入节点，所述输入节点连接到所述第二感测板；至少一第一隔离层，位于所述第一感测板与所述第二感测板之间；及至少一第二隔离层，位于所述第二感测板与所述主动半导体电路之间。一参考电容器位于所述第一感测板与第二感测板之间。

在其中一个实施例中，所述电容式影像传感器可进一步包含至少一信号调适电路，其包含：一测量电路，连接到所述电压随耦器的输出节点，用以测量所述电压随耦器的一输出电压；及一信号处理电路，用以转译由所述测量电路测量的输出电压为一预定形式。

在其中一个实施例中，所述电容式影像传感器也可进一步包含一控制与输出输入电路，用以控制所述电容式影像传感器的时序与数据输入/输出。

在其中一个实施例中，所述第二感测板的面积比所述第一感测板的面积大。

在其中一个实施例中，本发明也提出一种所述电容式影像传感器的操作方法。所述方法包含步骤：a)开启所述第二开关与所述第三开关并关闭所述第一开关；b)关闭所有开关；c)开启所述第一开关；d)关闭所有开关；e)开启所述第二开关；f)重复步骤b)到步骤e)一固定次数的循环；g)测量来自所述电压随耦器的一输出电压；及h)转译所述输出电压为一预定形式。

在其中一个实施例中，本发明更提出另一种所述电容式影像传感器的操作方法。所述方法包含步骤：a)开启所述第二开关与所述第三开关并关闭所述第一开关；b)关闭所有开关；c)开启所述第一开关；d)关闭所有开关；e)开启所述第二开关；f)测量来自所述电压随耦器的所述输出电压；g)重复步骤b)到步骤f)数个循环直到来自所述电压随耦器的一输出电压大于一参考电压；及h)转译所述输出电压为一预定形式。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种电容式影像传感器的示意图；

图2为沿图1A-A’线电容式影像传感器的一部分的截面示意图；

图3为本发明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)为图3中电容式感测单元的简化等效电路；

图4(b)为实现使用图4(a)的电路需要的一开关时序表；

图5(a)绘示在操作时跨越C_r的电压与循环次数的函数关系及使用固定次数循环的方法；

图5(b)绘示在操作时跨越C_r的电压与循环次数的函数关系及使用变动次数循环的方法；

图6为操作所述电容式影像传感器的一方法的流程图；

图7为操作所述电容式影像传感器的另一方法的流程图。

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

14 主动半导体电路

15 隔离层

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

110 第一感测板

120 第二感测板

130 第一开关

140 第二开关

150 第三开关

160 电压随耦器

170 参考电容器

180 参考电压源

300 信号调适电路

310 测量电路

320 信号处理电路

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

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。

本发明将参照下列的实施方式更具体地描述。

参见图1，图1为本发明一个实施例提供的一种电容式影像传感器10(芯片)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，进一步转换结果为所述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的一部分的截面示意图，一保护层13位于电容式影像传感器10上表面，一指尖500放置于所述保护层13上。保护层13可以由玻璃、蓝宝石、环氧化合物或涂料制成。电容式影像传感器10包含一半导体基板12，所述电容式感测单元100数组位于所述半导体基板12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。3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包含一第一感测板110与一第二感测板120。感测板之下为主动半导体电路14，在图2中由前向对角线区域显示。至少一隔离层15用以包夹所述感测板。实际上，所述最少一隔离层15可包含数个介质层，在制造过程中不同的时期形成。所述最少一隔离层15包含至少一个在第一感测板110与第二感测板120之间的介电层，及另一个在第二感测板120与主动半导体电路14之间的介电层。主动半导体电路14的细部构造将在下文中说明。

请参见图3，图3为本发明一个实施例提供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(虚线包围)，数个信号调适电路300(双虚线包围)，与一控制与输出输入电路400(双点线包围)。为了说明的目的，图3仅显示一个电容式感测单元100与一个信号调适电路300。信号调适电路300、控制与输出输入电路400，及一部分电容式感测单元100位于主动半导体电路14中。下面将详细描述每个电路。

电容式感测单元100包含一第一感测板110、一第二感测板120、一第一开关130、一第二开关140、一第三开关150、一电压随耦器160，与一参考电压源180。一参考电容器170，具有电容Cr，位于第一感测板110与第二感测板120之间。第一开关130连接于第二感测板120与参考电压源180之间，第二开关140连接于第一感测板110与接地端之间，第三开关150连接于第二感测板120与接地端之间。第一开关130、第二开关140、第三开关150，与电压随耦器160位于主动半导体电路14之中。当一手指500接近电容式影像传感器10时，一手指电容510，以C_f表示，位于手指500与第一感测板110之间。第一感测板110是电容式感测单元100的顶部的导电板，位于平行板电容器的一侧。此处，平行平板电容器是表示手指电容510的等效电容器。平行板电容器的另一侧是手指500表面的一部分，所述手指500表面的一部分为人体的一部分。第一开关130是一个MOS装置，用于控制参考电压源180与第二感测板120间的连接，所述参考电压源以V_r表示。当第一开关130开启且第三开关150关闭时，第二感测板120由参考电压源180所提供的一参考电压充电。参考电压源180用来提供一固定参考电压。第二开关140是一个MOS装置，用以控制第一感测板110放电。当第二开关140开启时，第一感测板110放电至接地端电位。第三开关150是一个MOS装置，用以控制第二感测板120放电。当第三开关150开启时，第二感测板120放电至接地端电位。电压随耦器160是具有输入和输出信号的电路设备，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160的输入节点连接到第二感测板120，输出节点连接到信号调适电路300。此外，第二感测板120的面积比第一感测板110的面积大，以阻碍寄生电容在第一感测板110与主动半导体电路14之间形成。因为第二感测板120位于第一感测板110与主动半导体电路14中的所有其他组件之间，且第二感测板120在操作期间被充电到预定电压(V_r)或放电至接地端，所有的寄生电容，除了形成于第二开关140的寄生电容，都被第二感测板120“屏障”掉了。通过上述结构和操作的组合来改善感测组件的信噪比，操作细节将在之后的段落中描述。

信号调适电路300包含一测量电路310与一信号处理电路320。测量电路310测量电压随耦器160的一输出电压并转换所述输出电压为其它的形式。测量电路310可以是模拟数字转换器、简单的电压比较器、模拟缓冲器、放大器链等，这些技术在本领域中是众所周知的。信号处理电路320用来转译测量电路320的一输出为一可用的形式。例如，这可以将循环计数转换为二进制数值，代表信号强度。信号处理电路320也可以包含诸如滤波器的线性信号处理组件和/或非线性函数，例如本文别处描述的门坎值比较，以便提供适合于预期应用的输出。

控制与输出输入电路400是处理电容式影像传感器10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及缓冲与输入输出端口420。控制与时序逻辑410控制电容式影像传感器10中所有的开关，及信号调适电路300的操作。缓冲与输入输出端口420接收来自信号调适电路300的输出数据并储存数据于缓冲中，并在适当时间后送出该数据。

请参见图4(a)与图4(b)。图4(a)是图3中电容式感测单元100的简化等效电路。图4(b)为实现使用图4(a)的电路需要的一开关时序表。在图4(b)步骤C中，第一开关130(SW1)用来驱动电荷通过参考电容器170(C_r)与手指电容510(C_f)两者而进行测量。这在图4(b)中表上步骤D第一开关130(SW1)关闭后，会留下残余电荷于参考电容器170(C_r)与手指电容510(C_f)两者上。柯希霍夫电路定理和电荷守恒原理表明这些电荷累积于参考电容器170(C_r)与手指电容510(C_f)上的电荷量相等。然而，因为C_r>>C_f，C_f上存在更多的残余电压。反过来说，C_r上会测量到较小的电压。考虑图4(b)的表的步骤C中第一开关130(SW1)导通时，图4(a)的布局可被视为一个电容分压器。第二开关140用来清理电荷及设定手指电容510电位为接地。同时，第二开关140也允许测量V_cr，一电压跨越所述参考电容器170(C_r)。要注意的是第二开关140(SW2)的使用允许第一开关130(SW1)反复循环开启和关闭以充电荷至参考电容器170(C_r)。这提供了更大的可测量电压值和更高的精度，增加感测增益或灵敏度，而不使用主动放大器。第三开关150(SW3)作为重设开关，并在开始电荷转移循环之前用来重设手指电容510(C_f)上的电荷。

在步骤A中，第二开关140与第三开关150开启以清除参考电容器170(C_r)与手指电容510(C_f)的电荷。在步骤A后经合适的暂停，第一开关130开启以驱动电荷流经参考电容器170(C_r)与手指电容510(C_f)(步骤C)。通过电容分压器方程式，所得的第一电压增量横跨参考电容器170定义为：

其中V_r为连接到第一开关130的参考电压。

在步骤E中，第二开关140(SW2)开启，其它开关关闭。ΔV_cr显示为电压随耦器160的输入节点上的一接地端-参考信号。隔离步骤B与D被用来防止开关交叉传导，这将降低参考电容器170(C_r)上的电荷积聚。隔离时间可以相当短，测量几个纳秒，如果需要可以更长。步骤B到步骤E是电荷转移的一个循环，并且可以循环的方式重复来累积参考电容器170(C_r)上的电荷。反之，步骤E中手指电容510(C_f)持续放电，因此手指电容510(C_f)不能增加额外的电荷。所产生的增量电压依赖于V_r与V_cr间的电压差值，其表示为：

ΔV_cr(n)＝K(V_r-V_cr(n-1)) 第(2)式

其中n是电荷转移循环的数量，K＝C_f/(C_r+C_f)。N次电荷转移循环后，电压跨越V_cr为：

V_cr(N)＝∑ΔV_cr(n) 第(3)式

第(3)式的结果是个几何级数，可以重新写成：

V_cr(N)＝V_r[1-(1-K)^N] 第(4)式

在步骤F，通过第二开关140(SW2)开启及所有开关关闭，V_cr的测量由电压随耦器160发送至信号调适电路300。

电荷转移循环可以在固定或变化的循环次数之后终止。如果应用固定次数的循环，测量电路310应能转换输出电压为适当的数据。例如，代表手指电容的每一电容式感测单元100的输出电压转换为适当的数据，即灰阶数值，且该转换的数据被映像到每个电容式感测单元100的相应位置以形成指纹影像。如果应用变动次数电荷转移循环，测量电路可以采用具有固定参考的简单比较器，并且当V_cr达到等于比较电压的电位时，给出所需的电荷转移循环数。电荷转移循环可能会持续超过所需数，但额外的电荷转移循环是多余的。需要达成比较电压的电荷转移循环计数是代表手指电容的输出结果，该计数接着由信号调适电路300转换为适当的数据。所述转换的数据可进一步映像到每个电容式感测单元100的相应位置，以形成指纹影像。所述映像步骤可以通过输入╱输出接口的接触垫30连接到缓冲与输入输出端口420的外部设备，如MCU，来处理。

请参见图5(a)与图5(b)。图5(a)与图5(b)绘示在操作时电压跨越参考电容器170与循环次数的函数关系。三套资料，K1到K3，表示三个不同K值下，V_cr与循环数之间的关系。图5(a)显示使用固定次数循环(n_fix＝10)的方法。输出电压，V_m1至V_m3，对应不同的C_f，且K＝C_f/(C_r+C_f)。第5(b)图显示使用变动循环数量的方法。当输出电压超出固定的参考电压(V_ref)，循环数，n1至n3，将被记录，然后转移为表示C_f的适当输出数据。

如上所述，有两种操作电容式影像传感器10的方法。请同时参见图6与图7及以下说明。图6为所述电容式影像传感器10的一操作方法的流程图，图7为所述电容式影像传感器10的另一操作方法的流程图。

如图6所示，该方法的第一步骤是开启第二开关140与第三开关150，并关闭第一开关130以放电电容器至接地端电压(S01)。对隔离阶段而言，关闭所有的开关(S02)。接着，开启第一开关130以对参考电容器170(S03)充电。再一次，关闭所有开关以执行隔离(S04)。接着，开启第二开关140以放电第一感测板110至接地端电压(S05)。这一方法利用固定次数的循环来累积电荷到参考电容器170上。因此，重复步骤S02到步骤S05该固定次数的循环(S06)。一但完成步骤S06，测量来自电压随耦器160的一输出电压(S07)。最后，转译该输出电压为一预定形式(S08)。也就是说，输出电压被转换为数字化数值，成为指纹图像的一个像素。

如图7所示，该方法的第一步骤是开启第二开关140与第三开关150，及关闭第一开关130以放电电容器至接地端电压(S11)。对隔离阶段而言，关闭所有开关(S12)。接着，开启第一开关130以对参考电容器170(S13)充电。再一次，关闭所有开关以执行隔离(S14)。接着，开启第二开关140以放电第一感测板110至接地端电压(S15)。此后，测量来自电压随耦器160的一输出电压(S16)。这一方法利用变动次数的循环来终结对参考电容器170的充电。因此，重复步骤S12到步骤S16数个循环直到来自电压随耦器160的一输出电压大于一参考电压(S17)。最后，转译该输出电压为一预定形式(S18)。

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 (6)

1.一种电容式影像传感器，具有一数组的多个电容式感测单元，用以转换每一所述多个电容式感测单元与一邻近手指表面间的距离为一输出电位，其特征在于，每一所述多个电容式感测单元包含：

一保护层；

一第一感测板，位于所述保护层之下；

一第二感测板，位于所述第一感测板之下；

一主动半导体电路，位于所述第二感测板之下并连接到所述第一感测板与第二感测板，所述主动半导体电路包含：

一第一开关，连接于所述第二感测板与一参考电压源之间，其中当第一开关开启时，一参考电压由所述参考电压源提供至所述第二感测板；

一第二开关，连接于所述第一感测板与接地端之间，用于开启时让所述第一感测板进行放电；

一第三开关，连接于所述第二感测板与接地端之间，用于开启时让所述第二感测板进行放电；及

一电压随耦器，具有一输出节点与一输入节点，所述输入节点连接到所述第二感测板；

至少一第一隔离层，位于所述第一感测板与所述第二感测板之间；及

至少一第二隔离层，位于所述第二感测板与所述主动半导体电路之间，

其中一参考电容器位于所述第一感测板与第二感测板之间。

2.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，进一步包含至少一信号调适电路，其包含：

一测量电路，连接到所述电压随耦器的输出节点，用以测量所述电压随耦器的一输出电压；及

一信号处理电路，用以转译由所述测量电路测量的输出电压为一预定形式。

3.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，进一步包含一控制与输出输入电路，用以控制所述电容式影像传感器的时序与数据输入/输出。

4.如权利要求1所述的电容式影像传感器，其特征在于，所述第二感测板的面积比所述第一感测板的面积大。

5.一种如权利要求1所述的电容式影像传感器的操作方法，其特征在于，包含步骤：

a)开启所述第二开关与所述第三开关并关闭所述第一开关；

b)关闭所有开关；

c)开启所述第一开关；

d)关闭所有开关；

e)开启所述第二开关；

f)重复步骤b)到步骤e)一固定次数的循环；

g)测量来自所述电压随耦器的一输出电压；及

h)转译所述输出电压为一预定形式。

6.一种如权利要求1所述的电容式影像传感器的操作方法，其特征在于，包含步骤：

a)开启所述第二开关与所述第三开关并关闭所述第一开关；

b)关闭所有开关；

c)开启所述第一开关；

d)关闭所有开关；

e)开启所述第二开关；

f)测量来自所述电压随耦器的输出电压；

g)重复步骤b)到步骤f)数个循环直到来自所述电压随耦器的一输出电压大于一参考电压；及

h)转译所述输出电压为一预定形式。

Images