CN109583288B - 指纹辨识装置 - Google Patents

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Abstract

本揭露提出一种指纹辨识装置。至少一个遮蔽增强电极相对应于多个指纹感应电极。一指纹侦测电路由一第一电源供电且包含一电容激励信号源。一辅助增强信号电路由一第二电源供电且包含一辅助增强信号源。指纹侦测电路将一电容激励信号传送至一选定的指纹感应电极，又自选定的指纹感应电极输入一指纹感应信号，并经一放大电路输出一个与该电容激励信号同相位或与该指纹感应信号同相位的电容消除遮蔽信号，及传送该电容消除遮蔽信号至对应的遮蔽增强电极。该辅助增强信号电路输出一辅助增强信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作。

Description

指纹辨识装置
技术领域
本揭露是关于生物感测的技术领域，尤指一种指纹辨识装置。
背景技术
由于电子商务的兴起，远程支付的发展一日千里，故而生物辨识的商业需求急速膨胀。而生物辨识技术又可区分为指纹辨识技术、虹膜辨识技术、DNA辨识技术等。考虑效率、安全、与非侵入性等要求，指纹辨识已成为生物辨识的首选技术。指纹辨识技术又有光学式、热感应式、超声波式与电容式。其中又以电容式技术在装置体积、成本、省电、可靠、防伪等综合考虑下脱颖而出。
现有的电容式指纹辨识技术有滑动式、全指按压式等形式。其中，又以全指按压式在辨识度、效率及方便性中胜出。然而由于感应信号极其微小且周遭噪声繁杂具大等因素，全指按压式的指纹辨识技术通常将感应电极与感应电路等一并做在一个集成电路芯片上；现有的指纹辨识装置在显示器的保护玻璃开孔，且将指纹辨识芯片以高介电系数的昂贵蓝宝石膜覆盖保护，以复杂方式作成按钮镶于该玻璃开孔中，更经该按钮的金属框将一高频信号传送至操作者手指，再自该些感应电极输入感应信号作指纹侦测操作，其不仅垫高材料成本与封装工艺成本，且产品的良率、防水性、寿命与耐受性堪虑，另操作者更有触电之虞。所以业界莫不致力于提高感测灵敏度与信号噪声比，期使感测距离能够尽量加大，并简化感测集成电路的封装结构，盼能将其置于保护玻璃下，方可巨幅降低成本并增进产品的寿命、防水性与耐受性，故指纹辨识装置仍有很大的改进空间。
发明内容
本揭露的目的主要在于提供一种指纹辨识装置，其可有效地增加所撷取指纹影像的准确度。同时本揭露的指纹侦测电路无需使用高电压集成电路工艺，可使其电路面积大为降低。且本揭露的辅助增强信号电路仅为一信号源，其虽使用高电压集成电路工艺，但其电路面积会远小于该指纹侦测电路的电路面积，故可大幅节省成本。
依据本揭露的一特色，本揭露提出一种指纹辨识装置，其包括多个指纹感应电极、至少一个遮蔽增强电极、一指纹侦测电路、及一辅助增强信号电路。该至少一个遮蔽增强电极相对应于多个指纹感应电极。该指纹侦测电路由一第一电源供电，且包含一电容激励信号源。该辅助增强信号电路由一第二电源供电，且包含一辅助增强信号源。其中，该指纹侦测电路将该电容激励信号源的一电容激励信号传送至一选定的指纹感应电极，又自该选定的指纹感应电极输入一指纹感应信号，并经一增益大于等于零的放大电路输出一个与该电容激励信号同相位或与该指纹感应信号同相位的电容消除遮蔽信号，及传送该电容消除遮蔽信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作。该辅助增强信号电路的辅助增强信号源输出一辅助增强信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作。
依据本揭露的另一特色，本揭露提出一种指纹辨识装置，其包括多个指纹感应电极、至少一个遮蔽增强电极、及一指纹侦测集成电路。该至少一个遮蔽增强电极相对应于多个指纹感应电极。该指纹侦测集成电路包含一第一电源、一指纹侦测电路、一第二电源、一辅助增强信号电路、及一电源充电切换电路。该指纹侦测电路由该第一电源供电，且包含一电容激励信号源。该辅助增强信号电路由该第二电源供电。该电源充电切换电路位于该第一电源与该第二电源之间，该电源充电切换电路包含有至少两个切换晶体管开关及至少一个电容器。其中，该指纹侦测电路将该电容激励信号源的一电容激励信号传送至一选定的指纹感应电极，又自该选定的指纹感应电极输入一指纹感应信号，并经一增益大于等于零的放大电路输出一个与该电容激励信号同相位或与该指纹感应信号同相位的电容消除遮蔽信号，及传送该电容消除遮蔽信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作。该辅助增强信号电路输出一辅助增强信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作，于指纹侦测操作时，该第一电源与该第二电源之间无电流回路。
附图说明
图1为本揭露的指纹辨识装置的一第一实施例的示意图。
图2为本揭露的指纹辨识装置的一第二实施例的示意图。
图3为本揭露的指纹辨识装置的一第三实施例的示意图。
图4为本揭露的指纹辨识装置的一第四实施例的示意图。
图5为本揭露电源充电切换电路、第一电源与第二电源的示意图。
图6为本揭露图5中电源充电切换电路、第一电源与第二电源的电路图。
图7为本揭露电源充电切换电路、第一电源与第二电源的另一示意图。
图8为本揭露图7中电源充电切换电路、第一电源与第二电源的电路图。
图9为本揭露图1工作原理的示意图。
图10为本揭露图3工作原理的示意图。
【符号说明】
指纹辨识装置 100
指纹感应电极 110、111 遮蔽增强电极 120
指纹侦测电路 130 第一电源 140
辅助增强信号电路 150 第二电源 160
电容激励信号源 131 放大电路 135
辅助增强信号源 151 增强辅助信号 153
电容激励信号 133 放大电路 135
指纹感应信号 113 电容消除遮蔽信号 137
电容 C1、C2、C3
第一接地 GND1 第二接地 GND2
阻抗 155、159 反相辅助信号 157
金属环 170
指纹侦测集成电路 400 电源充电切换电路 180
切换晶体管开关 SW1、SW2、SW3、SW4
电流源电路 I1、I2 电容器 C4、C5
节点 A
第一电流 IS1 第二电流 IS2
具体实施方式
为了使本揭露的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本揭露进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本揭露，并不用于限定本揭露。
图1为本揭露的指纹辨识装置100的一第一实施例的示意图。该指纹辨识装置100包括多个指纹感应电极110、至少一个遮蔽增强电极120、一指纹侦测电路130、一第一电源140、一辅助增强信号电路150及一第二电源160。
于图1中，为了绘图方便，仅绘示一个指纹感应电极110，于实际装置中，其包含多个以矩阵形式排列的指纹感应电极110，此为熟悉指纹辨识技术者所知，故不再详述。该至少一个遮蔽增强电极120相对应于多个指纹感应电极110。
该指纹侦测电路130由该第一电源供电140，且包含一电容激励信号源131及一放大电路135。该电容激励信号源131产生一电容激励信号133。该放大电路135的增益大于或等于零。
该辅助增强信号电路150由该第二电源供电160，且包含一辅助增强信号源151，以产生一增强辅助信号153。
该指纹侦测电路130将该电容激励信号源131的电容激励信号133传送至一选定的指纹感应电极111。电容激励信号133是一弦波、方波、三角波或梯形波信号。又白该选定的指纹感应电极111输入一指纹感应信号113。并经该放大电路135输出一个与该电容激励信号133同相位或与该指纹感应信号113同相位的电容消除遮蔽信号137，及传送该电容消除遮蔽信号137至该选定指纹感应电极111所对应的遮蔽增强电极120，以进行指纹侦测操作。
同时，该辅助增强信号电路150的辅助增强信号源151输出一辅助增强信号153至该选定指纹感应电极111所对应的遮蔽增强电极120，以进行指纹侦测操作。该辅助增强信号153是一弦波、方波、三角波或梯形波信号。其中，于指纹侦测操作时，该第一电源140与该第二电源160之间无电流回路。
于指纹侦测操作时，该辅助增强信号153与该电容激励信号133的相位同步。且该辅助增强信号153的振幅大于该电容激励信号133的振幅。
如图1所示，该多个指纹感应电极110及该至少一个遮蔽增强电极120与该指纹侦测电路130皆设置于同一个集成电路之中。该指纹侦测电路130与该辅助增强信号电路150分别设置于不同的集成电路之中。
由于该指纹侦测电路130与该辅助增强信号电路150分别设置于不同的集成电路之中，且该辅助增强信号153的振幅远大于该电容激励信号133的振幅，因此仅该辅助增强信号电路150使用高电压集成电路工艺，而该指纹侦测电路130可使用一般电压的集成电路工艺。由于该指纹侦测电路130无需使用高电压集成电路工艺，可使其电路面积降低。同时，该辅助增强信号电路150仅为一信号源，其虽使用高电压集成电路工艺，但其电路面积会远小于该指纹侦测电路130的电路面积，故可大幅节省成本。
于其他实施例中，该多个指纹感应电极110与该至少一个遮蔽增强电极120皆设置于该指纹侦测电路130所在的集成电路之外的玻璃基板或高分子薄膜基板上。
图2为本揭露的指纹辨识装置100的一第二实施例的示意图。其与图1主要差别在于：于图2中，该辅助增强信号153经由一阻抗155耦合至该至少一个遮蔽增强电极120。该阻抗155可为一电感或是一电容。
图3为本揭露的指纹辨识装置100的一第三实施例的示意图。其与图2主要差别在于：于图3中，该辅助增强信号电路150又将一与该辅助增强信号153反相位的反相辅助信号157经一阻抗159传送至一操作者的手指。其中，该阻抗159可为一电感、一电阻或是一电容。
如图3所示，该指纹辨识装置100更包含一接触导电体，例如为一金属环170。一般指纹感应电极110的大小约为50μm×50μm，而金属环170约为1cm×1cm，图3所示为示意图，并非金属环170与指纹感应电极110的实际大小。该多个指纹感应电极110可设置于该金属环170的环内，该阻抗159可电气连接该金属环170。当进行指纹侦测操作时，一操作者将其手指轻触该金属环170，该反相辅助信号157经该阻抗159交连至一操作者的手指，同时该多个指纹感应电极110可感测操作者的手指的指纹峰及指纹谷，以获得指纹感应影像。由于反相辅助信号157的相位与该辅助增强信号153的相位相反，因此在图3中电容C1上的电压变化会倍增，故可更准确地获得指纹感应影像。
电容C1是手指与指纹感应电极111之间的电容，电容C2是该至少一个遮蔽增强电极120与指纹感应电极111之间的电容，电容C3是该放大电路135输入端与第一接地GND1之间的电容，电容C1、电容C2及电容C3并非实际存在的电容，故以虚线绘示。于其他实施例中，可用一导电片取代该金属环170，亦可达到将该反相辅助信号157传送至一操作者的手指及更准确地获得指纹感应影像的目的。
图1至图3的实施例中，该指纹侦测电路130与该辅助增强信号电路150分别设置于不同的集成电路之中。于其他实施例中，该指纹侦测电路130与该辅助增强信号电路150可设置于相同的集成电路之中。此时需对该第一电源140及该第二电源160进行处理，以让该第一电源140及该第二电源160为不同且互相独立的电源。
图4为本揭露的指纹辨识装置100的一第四实施例的示意图。该指纹辨识装置100包括多个指纹感应电极110、至少一个遮蔽增强电极120、及一指纹侦测集成电路400。该指纹侦测集成电路400包含有一指纹侦测电路130、一第一电源140、一辅助增强信号电路150、一第二电源]60、一金属环170及一电源充电切换电路180。
于图4中，为了绘图方便，仅绘示一个指纹感应电极110，于实际装置中，其包含多个以矩阵形式排列的指纹感应电极110，此为熟悉指纹辨识技术者所知，故不再详述。该至少一个遮蔽增强电极120相对应于多个指纹感应电极110。
该指纹侦测电路130由该第一电源供电140，且包含一电容激励信号源131及一放大电路135。该电容激励信号源131产生一电容激励信号133。该放大电路135的增益大于或等于零。
该辅助增强信号电路150由该第二电源160供电。
该电源充电切换电路180位于该第一电源140与该第二电源160之间。图5为本揭露该电源充电切换电路180、该第一电源140与该第二电源160及该辅助增强信号源151的示意图。其中，该第二电源160例如为至少一个电容器C5；该电源充电切换电路180包含有至少两个切换晶体管开关SW1、SW2；该辅助增强信号源151包含两个电流源电路I1、I2，晶体管切换开关SW3、SW4以及一个电容器C4。
该切换晶体管开关SW1的一端连接至该第一电源140的一端，其另一端连接至该第二电源160的一端及该电流源电路I1的一端。该电流源电路I1的另一端连接至该切换晶体管开关SW3的一端。该切换晶体管开关SW3的另一端连接至该切换晶体管开关SW4的一端、一端点A、及该至少一个电容器C4的一端。该切换晶体管开关SW4的另一端连接至该电流源电路I2的一端。该至少一个电容器C4的另一端连接至该电流源电路I2的另一端、该切换晶体管开关SW2的一端、一第二接地GND2及该第二电源160的另一端。该切换晶体管开关SW2的另一端连接至一第一接地GND1及该第一电源140的另一端。
该第二电源160可为一电容。当非进行指纹侦测操作时，该切换晶体管开关SW1及该切换晶体管开关SW2为开启状态，且该切换晶体管开关SW3及该切换晶体管开关SW4为关闭状态，亦即该第二接地GND2与该第一接地GND1短路，该第一电源140的一端与该第二电源160的一端短路。此时，该第一电源140可对该第二电源160充电。
当进行指纹侦测操作时，该切换晶体管开关SW1及该切换晶体管开关SW2为关闭状态，且该切换晶体管开关SW3及该切换晶体管开关SW4为交替开启状态，亦即该第二接地GND2与该第一接地GND1断路，该第一电源140的一端与该第二电源160的一端断路。此时，该第一电源140与该第二电源160由于具有不同的接地点(GND1、GND2)，该第一电源140与该第二电源160为不同且独立的电源。同时，该电流源电路I1、I2与电容器C4形成一辅助增强信号源151，并经由节点A产生一增强辅助信号153，例如为一三角波。
为使该辅助增强信号153的振幅大于该电容激励信号133的振幅，该第二电源160可经由一升压装置(图未示)，进而输出一具有较高电压位准的高电压，而使该辅助增强信号153的振幅大于该电容激励信号133的振幅。为使该辅助增强信号153与该电容激励信号133的相位同步，可分别于该指纹侦测电路130及该辅助增强信号电路150设置计数器(图未示)，藉此可使该辅助增强信号153与该电容激励信号133的相位同步。前述升压装置及计数器为本领域技术人员基于本说明书的揭露所能完成，故不再赘述。
该指纹侦测电路130将该电容激励信号源131的电容激励信号133传送至一选定的指纹感应电极111。电容激励信号133是一弦波、方波、三角波或梯形波信号。又自该选定的指纹感应电极111输入一指纹感应信号113。并经该放大电路135输出一个与该电容激励信号133同相位或与该指纹感应信号113同相位的电容消除遮蔽信号137，及传送该电容消除遮蔽信号137至该选定指纹感应电极111所对应的遮蔽增强电极120，以进行指纹侦测操作。
同时，该辅助增强信号电路150的辅助增强信号源151输出一辅助增强信号153至该选定指纹感应电极111所对应的遮蔽增强电极120，以进行指纹侦测操作。该辅助增强信号153是一弦波、方波、三角波或梯形波信号。其中，于指纹侦测操作时，该第一电源140与该第二电源160之间无电流回路。
该辅助增强信号电路150又将一与该辅助增强信号153反相位的反相辅助信号157经一阻抗159、再经由该金属环170传送至一操作者的手指。
该多个指纹感应电极110与该至少一个遮蔽增强电极120皆设置于该指纹侦测电路130所在的该指纹侦测集成电路400之外的玻璃基板或高分子薄膜基板上。于其他实施例中，该多个指纹感应电极110及该至少一个遮蔽增强电极120与该指纹侦测电路130皆设置于该指纹侦测集成电路400之中。
图6为本揭露图5中该电源充电切换电路180、该第一电源140、该第二电源160与该辅助增强信号源151的电路图。图7为本揭露该电源充电切换电路180、该第一电源140、该第二电源160与该辅助增强信号源151的另一示意图。其与图5相较，图7少了两个电流源电路I1、I2、以及电容器C4。其是由该第二电源160经过升压后，直接输出该辅助增强信号153，例如为一方波。图8为本揭露图7中该电源充电切换电路180、该第一电源140、该第二电源160与该辅助增强信号源151的电路图。
图9为本揭露图1工作原理的示意图。如图9所示，该电容激励信号133输出至该选定的指纹感应电极111。该电容消除遮蔽信号137经由该放大电路135输出至遮蔽增强电极120。同时，该辅助增强信号153输出至遮蔽增强电极120。
由于手指可等效于一虚拟接地，因此在手指与该指纹侦测电路130之间电荷移转会形成一第一电流IS1，在手指与该辅助增强信号电路150之间电荷移转会形成一第二电流IS2。故电容C1上的感测电压Vc1为[(IS1+IS2)t]/C1。当该辅助增强信号153的振幅(amplitude)较大时，第二电流IS2亦较大，电容C1上的感测电压Vc1亦可变大，因此可有效地增加所撷取指纹影像的准确度。
图10为本揭露图3工作原理的示意图。其与图9的工作原理类似。故电容C1上的感测电压Vc1为[(IS1+I2S)t]/C1。当该辅助增强信号153的振幅(amplitude)及该反相辅助信号157的振幅较大时，第二电流I2亦相对应增大，电容C1上的感测电压Vc1亦可变大，因此可有效地增加所撷取指纹影像的准确度。
本揭露将与该电容激励信号133同相位或与该指纹感应信号113同相位的电容消除遮蔽信号137传送至与该选定指纹感应电极111所对应的遮蔽增强电极120。由于选定指纹感应电极111的该电容激励信号133与遮蔽增强电极120上的电容消除遮蔽信号137同相位，因此电容C2可有效地降低。据此，电容Cl可分到较多的手指感应信号。
又，本揭露同时将一与该辅助增强信号153反相位的反相辅助信号157经阻抗159、再由金属环170传送至一操作者的手指。以加大操作者的手指与选定指纹感应电极111间电压的振幅(amplitude)，藉此使电容C1感测到更多的手指感应信号。
由于本揭露将该指纹侦测电路130及该辅助增强信号电路150，分别由独立且不相同的该第一电源140及该第二电源160供电。当该指纹侦测电路130及该辅助增强信号电路150位于不同的集成电路中时，该指纹侦测电路130可用较低电压的集成电路工艺来制作，而该辅助增强信号电路150可用高电压的集成电路工艺来制作，以让该辅助增强信号电路150可产生具有大振幅(amplitude)的辅助增强信号153。由于该指纹侦测电路130无需使用高电压集成电路工艺，可使其电路面积大为降低。同时，该辅助增强信号电路150仅为一信号源，其虽使用高电压集成电路工艺，但其电路面积会远小于该指纹侦测电路130的电路面积，故可大幅节省成本。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本揭露所主张的权利范围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (18)

1.一种指纹辨识装置，包含：
多个指纹感应电极；
至少一个遮蔽增强电极，相对应于多个指纹感应电极；
一指纹侦测电路，由一第一电源供电，且包含一电容激励信号源；以及
一辅助增强信号电路，由一第二电源供电，且包含一辅助增强信号源；
其中，该指纹侦测电路将该电容激励信号源的一电容激励信号传送至一选定的指纹感应电极，又自该选定的指纹感应电极输入一指纹感应信号，并经一增益大于等于零的放大电路输出一个与该电容激励信号同相位或与该指纹感应信号同相位的电容消除遮蔽信号，及传送该电容消除遮蔽信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作；
其中，该辅助增强信号电路的辅助增强信号源输出一辅助增强信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作。
2.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，于指纹侦测操作时，该第一电源与该第二电源之间无电流回路。
3.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，于指纹侦测操作时，该辅助增强信号与该电容激励信号的相位同步。
4.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，于指纹侦测操作时，该辅助增强信号的振幅大于该电容激励信号的振幅。
5.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，该指纹侦测电路与该辅助增强信号电路分别设置于不同的集成电路之中。
6.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，该多个指纹感应电极及该至少一个遮蔽增强电极与该指纹侦测电路皆设置于同一个集成电路之中。
7.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，该多个指纹感应电极与该至少一个遮蔽增强电极皆设置于该指纹侦测电路所在的集成电路之外的玻璃基板或高分子薄膜基板上。
8.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，该电容激励信号是一弦波、方波、三角波或梯形波信号。
9.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，该辅助增强信号是一弦波、方波、三角波或梯形波信号。
10.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其中，于指纹侦测操作时，该辅助增强信号电路又将一与该辅助增强信号反相位的反相辅助信号经一阻抗传送至一操作者的手指。
11.一种指纹辨识装置，包含：
多个指纹感应电极；
至少一个遮蔽增强电极，相对应于多个指纹感应电极；以及
一指纹侦测集成电路，其包含有：
一第一电源；
一指纹侦测电路，由该第一电源供电，且包含一电容激励信号源；
一第二电源；
一辅助增强信号电路，由该第二电源供电；
一电源充电切换电路，位于该第一电源与该第二电源之间，该电源充电切换电路包含有：
至少两个切换晶体管开关；以及
至少一个电容器；
其中，该指纹侦测电路将该电容激励信号源的一电容激励信号传送至一选定的指纹感应电极，又自该选定的指纹感应电极输入一指纹感应信号，并经一增益大于等于零的放大电路输出一个与该电容激励信号同相位或与该指纹感应信号同相位的电容消除遮蔽信号，及传送该电容消除遮蔽信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作；
其中，该辅助增强信号电路输出一辅助增强信号至该选定指纹感应电极所对应的遮蔽增强电极，以进行指纹侦测操作，于指纹侦测操作时，该第一电源与该第二电源之间无电流回路。
12.如权利要求11所述的指纹辨识装置，其中，该电源充电切换电路又包含两个电流源电路。
13.如权利要求11所述的指纹辨识装置，其中，于指纹侦测操作时，该辅助增强信号与该电容激励信号的相位同步。
14.如权利要求11所述的指纹辨识装置，其中，于指纹侦测操作时，该辅助增强信号的振幅大于该电容激励信号的振幅。
15.如权利要求11所述的指纹辨识装置，其中，该多个指纹感应电极及该至少一个遮蔽增强电极与该指纹侦测电路皆设置于该指纹侦测集成电路之中。
16.如权利要求11所述的指纹辨识装置，其中，该多个指纹感应电极与该至少一个遮蔽增强电极皆设置于该指纹侦测电路所在的集成电路之外的玻璃基板或高分子薄膜基板上。
17.如权利要求11所述的指纹辨识装置，其中，该电容激励信号及该辅助增强信号分别是一弦波、方波、三角波或梯形波信号。
18.如权利要求11所述的指纹辨识装置，其中，该辅助增强信号电路又将一与该辅助增强信号反相位的反相辅助信号经一阻抗传送至一操作者的手指。
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