CN109690560A - 具有不同电容式配置的指纹感测 - Google Patents

Abstract

一种利用包括二维测量装置(13)的传感器(3)来确定手指(7)的物理特性的方法，该二维测量装置(13)包括多个测量元件(9)，每个测量元件(9)限定在测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件(9)包括通过介电结构(5)与手指间隔开的手指电极(19)。针对每个测量元件位置，该方法包括以下步骤：利用第一电容式配置执行(401；601)第一感测操作，获取(402；602)针对第一电容式配置的第一测量值，利用第二电容式配置执行(405；601)第二感测操作，获取(406；602)针对第二电容式配置的第二测量值。基于针对每个测量元件位置的第一测量值和第二测量值来确定手指的物理特性。

Description

具有不同电容式配置的指纹感测

技术领域

本发明涉及指纹感测系统，并且涉及确定手指的物理特性的方法。

背景技术

各种类型的生物识别系统被越来越多地使用，以便提供增加的安全性和/或增强的用户便利性。

特别地，指纹感测系统由于其小的形状尺寸、高性能和用户认可度已经例如在消费者电子设备中采用。

在各种可用的指纹感测原理(例如，电容式、光学式、声学式、热能式等)中，电容式感测最为常用，尤其是在尺寸和功耗是重要问题的应用中。

电容式指纹传感器通常提供指示以下电容的测量值：若干个感测结构中的每一个与放置在指纹传感器的表面上或在指纹传感器的表面上移动的手指之间的电容。

一些电容式指纹传感器无源地读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要感测结构与手指之间的相对大的电容。因此，这样的无源电容式传感器通常设置有覆盖感测结构的非常薄的保护层，这会使得这样的传感器对刮擦和/或ESD(静电放电)相当敏感。

US 7 864 992公开了一种电容式指纹感测系统，其中，通过对布置在传感器阵列附近的导电结构加脉冲，并测量所得到的传感器阵列中的感测结构所携带电荷的变化，来将驱动信号注入到手指中。

这种类型的所谓的有源电容式指纹感测系统通常能够以比上述无源系统高得多的信噪比来测量手指与感测结构之间的电容。这进而又允许相当厚的保护涂层，并且因此允许更稳健的电容式指纹传感器，其可以被包括在经受相当大磨损的物品(诸如移动电话)中。

然而，为了更进一步增强将指纹传感器集成到电子设备等中的容易性和鲁棒性，期望能够通过非常厚的介电结构进行指纹感测，该介电结构可以为数百微米厚。例如，可能期望能够通过玻璃板或类似物(诸如移动电话的前玻璃盖)进行指纹感测。

当通过这样厚的介电结构进行感测时，由于每个感测结构所看到的手指的区域增大，所以可能降低所得到的指纹图像的实际分辨率。

为了缓解这个问题，US 8 888 004提出了使用基于内核的重建过程来从差分像素测量结果重建形状信息。

尽管由US 8 888 004提出的方法对于清晰化指纹图像可能是潜在有用的，但是所建议的解决方案需要指纹传感器能够进行可编程的差分像素测量。此外，所建议的解决方案预计会相当复杂并且难以在实践中实现。

此外，除指纹图案的表示之外，期望提供对手指的其它物理特性的确定，例如手指表面处的水分水平，或可用于识别欺骗企图的特性。

发明内容

鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的在于提供一种改进的手指感测，特别是通过厚的介电结构的手指感测。

根据本发明的第一方面，因而提供了一种利用包括二维测量装置的传感器来确定手指的物理特性的方法，该二维测量装置包括多个测量元件，每个测量元件限定在测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件包括通过介电结构与手指间隔开的手指电极，该方法包括以下步骤：针对每个测量元件位置，利用限定测量元件位置的评估的测量元件和限定第一不同测量元件位置的至少第一不同测量元件来执行第一感测操作，评估的测量元件的手指电极呈现第一手指电极电位，并且第一不同测量元件的手指电极呈现与第一手指电极电位不同的第二手指电极电位，以提供评估的测量元件的手指电极与第一不同测量元件的手指电极之间的第一电位差；针对每个测量元件位置，基于来自评估的测量元件和第一不同测量元件之一的第一感测信号获取第一测量值，从而产生多个第一测量值；针对每个测量元件位置，利用评估的测量元件和限定第二不同测量元件位置的至少第二不同测量元件来执行第二感测操作，评估的测量元件的手指电极呈现第三手指电极电位，并且第二不同测量元件的手指电极呈现与第三手指电极电位不同的第四手指电极电位，以提供评估的测量元件的手指电极与第二不同测量元件的手指电极之间的第二电位差；针对每个测量元件位置，基于来自评估的测量元件和第二不同测量元件之一的第二感测信号获取第二测量值，从而产生多个第二测量值；以及基于多个第一测量值和多个第二测量值确定手指的物理特性。

手指的“物理特性”可以例如是指纹图案的表示、水分的存在或分布、或者皮肤的电特性的指示等。

在上述物理特性是手指的指纹图案的表示的实施方式中，手指的指纹图案的表示不必须是数字灰度图像，而可以是能够从其推断指纹图案信息的任何合适的表示。指纹图案的表示可以例如是原始指纹图像数据，或者数据可能已被处理，并且然后以经调节的图像数据(如指纹模板数据)的形式或以任何其他形式而提供。

测量元件可以被布置在任何合适的二维测量装置中，诸如平面阵列(其中测量元件被布置成行和列)。然而，可能存在没有按行和列布置测量元件的实施方式。

每个测量元件的手指电极例如可以以金属板的形式来设置。然而，应该注意的是，手指电极可以被实现为任何合适的导电结构。每个测量元件可以是差分测量元件。在这样的实施方式中，每个测量元件包括至少两个手指电极。

应该注意的是，在各个感测操作期间存在测量元件的手指电极电位。还应该注意的是，一些(至少一个)手指电极电位可以是时变的，并且一些手指电极电位可以是恒定的。

此外，第二不同测量元件不同于第一不同测量元件。因此，第二不同测量元件位置不同于第一不同测量元件位置。

本发明基于这样的认识：针对给定的测量元件位置，限定测量元件位置的评估的测量元件与几个不同测量元件之间的电容耦合可以被用于估计评估的测量元件与直接和评估的测量元件相对的手指表面之间的电容耦合。这种电容耦合的程度可以被称为针对测量元件位置的手指耦合值。

取决于如何控制不同测量元件，第一感测操作和第二感测操作可以同时发生，或者在时间上分隔开。

在评估的测量元件在第一感测操作中提供第一感测信号和在第二感测操作中提供第二感测信号的实施方式中，第一感测操作和第二感测操作在时间上分隔开。

在第一不同测量元件在第一感测操作中提供第一感测信号并且第二不同测量元件在第二感测操作中提供第二感测信号的实施方式中，第一感测操作和第二感测操作可以同时发生，或者在时间上分隔开。

在各种实施方式中，上述第一手指电极电位和上述第三手指电极电位可以基本相同。特别地，在相应感测操作中的不同时间处的第一手指电极电位和第三手指电极电位的幅度可以基本相同。应该将“基本相同”理解为彼此接近，诸如平均而言彼此偏离小于5％。在第一操作和第二操作同时发生的实施方式中，第一手指电极电位和第三手指电极电位显然是相同的。

类似地，在各种实施方式中，上述第二手指电极电位和上述第四手指电极电位可以基本相同。特别地，在相应感测操作中的不同时间处的第二手指电极电位和第四手指电极电位的幅度可以基本相同。应该将“基本相同”理解为彼此接近，诸如平均而言彼此偏离小于5％。

在其他实施方式中，上述第二手指电极电位和上述第四手指电极电位可以不同。特别地，可以选择第二手指电极电位和第四手指电极电位以提供改进的聚焦或对手指水分的识别等。可以基于计算、模拟来选择电位，或者可以根据实验经验来确定电位。

取决于如何选择各种手指电极电位，可以以各种方式确定针对每个测量元件位置的手指耦合值。如果对于第一不同测量元件和第二不同测量元件(以及可能还有其他不同测量元件)使用基本相同的手指电极电位，则可以给不同的感测信号(或指示感测信号的测量值)分配不同的权重，然后将其相加(或平均)以形成组合测量值。如果对于第一不同测量元件和第二不同测量元件(以及可能还有其他不同测量元件)选择不同的手指电极电位，则可以给不同的感测信号(或指示感测信号的测量值)全部分配相同的权重，然后将其相加(或平均)以形成组合测量值。对测量值进行组合的更高级方案可以用于获取传感器表面上的对象(诸如手指)的更完整和/或更准确的表示。例如，可以有利地使用与以下技术类似的技术：为了与电容层析成像一起使用而开发的技术。

第一感测信号可以指示评估的测量元件的手指电极与第一不同测量元件的手指电极之间的电容耦合，并且第二感测信号可以指示评估的测量元件的手指电极与第二不同测量元件的手指电极之间的电容耦合。由于第一不同测量元件和第二不同测量元件处于相互不同的测量元件位置处，因此评估的测量元件的手指电极与第一不同测量元件的手指电极之间的电容耦合以及评估的测量元件的手指电极与第二不同测量元件的手指电极之间的电容耦合将分别受到与所涉及的测量元件相对的皮肤的不同部分(包括在皮肤的深度方向上)的影响。

在不同的测量元件位置处使用大量感测操作(利用大量不同测量元件)将会提供关于皮肤的更多信息，并且还将允许对以下二者之间的电容耦合的准确估计：评估的测量元件，以及与测量元件位置直接相对(例如在上方)的手指部分。然而，已经包括评估的测量元件以及第一不同测量元件和第二不同测量元件的两个感测操作将比单个感测操作提供更多的信息，并且允许通过厚的介电结构的改进的手指感测。

根据实施方式，提供感测信号的测量元件可以被配置为将电容耦合感测为由相应手指电极承载的电荷。

因此，在这些实施方式中，第一感测信号可以指示评估的测量元件和第一不同测量元件中的提供第一感测信号的一方的手指电极所承载的电荷；以及第二感测信号可以指示评估的测量元件和第二不同测量元件中的提供第二感测信号的一方的手指电极所承载的电荷。

根据各种实施方式，第一不同测量元件可以被布置在距评估的测量元件的第一横向距离处(沿着测量装置的表面)；以及第二不同测量元件可以被布置在距评估的测量元件的第二横向距离处，第二横向距离不同于第一横向距离。

在这些实施方式中，对手指的物理特性的确定还基于第一横向距离和第二横向距离。

此外，根据各种实施方式，针对每个测量元件位置执行第一感测操作的步骤可以包括将第一电位差从在第一时间点处作为第一电位差值改变为在第二时间点处作为第二电位差值；以及针对每个测量元件位置执行第二感测操作的步骤可以包括将第二电位差从在第三时间点处作为第三电位差值改变为在第四时间点处作为第四电位差值。

以第一感测操作作为说明性示例，当评估的测量元件的手指电极的电位与第一不同测量元件的手指电极的电位之间的第一电位差改变时，评估的测量元件和第一不同测量元件中的提供第一感测信号的一方的手指电极所承载的电荷也将改变。由已知的电位差变化引起的电荷变化指示通过介电结构的、在评估的测量元件的手指电极与第一不同测量元件的手指电极之间的电容耦合，其中该介电结构包括保护性介电结构，以及放置在保护性介电结构的顶部上的手指。

如上面进一步说明的，取决于如何控制测量元件，可以同时执行第一感测操作和第二感测操作。在这样的实施方式中，第一时间点和第三时间点可以重合，并且第二时间点和第四时间点可以重合。

在这些实施方式中，针对每个测量元件位置从评估的测量元件和第一不同测量元件之一获取第一感测信号的步骤可以包括在第一时间点处对第一感测信号进行采样，并且在第二时间点处对第一感测信号进行采样；以及针对每个测量元件位置从评估的测量元件和第二不同测量元件之一获取第二感测信号的步骤可以包括在第三时间点处对第二感测信号进行采样，并且在第四时间点处对第二感测信号进行采样。

通过取得电位差变化前后的采样值之间的差，可以降低共模噪声的影响。

如上面进一步提到的，另外的感测操作将改进对手指的物理特性(例如指纹图案的表示)的确定。

根据这些实施方式，本发明的方法因而还可以包括以下步骤：针对每个测量元件位置，利用评估的测量元件和限定第三不同测量元件位置的至少第三不同测量元件来执行第三感测操作，评估的测量元件的手指电极呈现第五手指电极电位，并且第三不同测量元件的手指电极呈现与第五手指电极电位不同的第六电极电位，以提供评估的测量元件的手指电极与第三不同测量元件的手指电极之间的第三电位差；以及针对每个测量元件位置，从评估的测量元件和第三不同测量元件之一获取第三感测信号，其中，针对每个测量元件位置，针对该测量元件位置的手指耦合值还基于第三感测信号。

第三不同测量元件可以被布置在距评估的测量元件的不同于上述第一横向距离和第二横向距离的第三横向距离处，并且该确定还可以基于第一横向距离、第二横向距离和第三横向距离。

根据本发明的第二方面，因而提供了一种用于确定手指的物理特性的手指感测系统，该手指感测系统包括：二维测量装置，其包括多个测量元件，每个测量元件限定在测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件包括通过介电结构与手指间隔开的手指电极；测量控制电路，其连接至测量装置，用于：控制该测量装置，以针对每个测量元件位置，利用限定测量元件位置的评估的测量元件和限定第一不同测量元件位置的至少第一不同测量元件来执行第一感测操作，评估的测量元件的手指电极呈现第一手指电极电位，并且第一不同测量元件的手指电极呈现与第一手指电极电位不同的第二手指电极电位，以提供评估的测量元件的手指电极与第一不同测量元件的手指电极之间的第一电位差；以及控制该测量装置，以针对每个测量元件位置，利用评估的测量元件和限定第二不同测量元件位置的至少第二不同测量元件来执行第二感测操作，评估的测量元件的手指电极呈现第三手指电极电位，并且第二不同测量元件的手指电极呈现与第三手指电极电位不同的第四手指电极电位，以提供评估的测量元件的手指电极与第二不同测量元件的手指电极之间的第二电位差；以及信号处理电路，用于针对测量装置中的每个测量元件位置，基于来自评估的测量元件和第一不同测量元件之一的第一感测信号获取第一测量值，从而产生多个第一测量值；针对测量装置中的每个测量元件位置，基于来自评估的测量元件和第二不同测量元件之一的第二感测信号获取第二测量值，从而产生多个第二测量值；以及基于多个第一测量值和多个第二测量值确定手指的物理特性。

测量控制电路和信号处理电路中的每一个可以用硬件、软件或者硬件和软件的组合来实现。此外，二维测量装置可以被包括在指纹传感器部件中，并且测量控制电路和/或信号处理电路中的至少一部分可以被包括在这样的指纹传感器部件中。例如，测量装置和测量控制电路可以被包括在指纹传感器部件中，并且信号处理电路可以至少部分地从指纹传感器部件的外部提供。

根据各种实施方式，在测量装置中的每个测量元件可以是可控的，以提供感测信号。换句话说，每个测量元件可以至少在第一状态和第二状态之间是可控的，在第一状态中，测量元件提供感测信号并且测量元件的手指电极呈现给定的电位，在第二状态中，测量元件不提供感测信号并且测量元件的手指电极呈现与上述给定的电位不同的其他电位。有利地，每个测量元件还可以被控制成第三状态，在第三状态中，测量元件不提供感测信号并且测量元件的手指电极呈现给定的电位。该第三状态可以被称为“非感测”状态。

根据各种实施方式，测量装置中的每个测量元件可以包括：电荷放大器，其包括：第一输入端；第二输入端；电容性地耦合至第一输入端的输出端；以及在第一输入端和第二输入端与输出端之间的至少一个放大器级。

在电荷放大器中，第一输入端(通常称为“负”输入端)处的电位将跟随第二输入端(通常称为“正”输入端)处的电位。换句话说，第二输入端处电位的变化导致在第一输入端处电位的基本上对应的变化。取决于电荷放大器的实际配置，在第一输入端处的电位可以与在第二输入端处的电位基本上相同，或者可以在第一输入端与第二输入端之间存在基本恒定的电位差。例如，如果电荷放大器中的放大器级是具有单个感测晶体管的单级放大器，则电位差可以是感测晶体管的栅-源电压。

此外，根据各种实施方式，手指感测系统可以另外包括激励信号提供电路，用于实现上述第一电位差和第二电位差，以及/或者用于向手指和/或向测量装置的参考电位平面提供激励信号。

在实施方式中，激励信号提供电路可以连接至每一个电荷放大器的第二输入端，并且被配置成选择性地改变第二输入端处的电位，从而改变手指电极的电位。

激励信号提供电路可以是切换电路，其被配置成在不同线路上设置的两个或更多个不同电位之间进行切换。可替选地或者组合地，激励信号提供电路可以包括至少一个信号源，其被配置成提供时变电位，例如方波电压信号或正弦波电压信号。

此外，根据本发明的各种实施方式的手指感测系统可以有利地被包括在电子设备中，该电子设备进一步包括处理电路，该处理电路被配置成：从指纹感测系统获取指纹图案的表示；基于该表示对用户进行认证；并且仅当基于该表示而认证了用户时，才执行至少一个用户请求的处理。例如，该电子设备可以是手持式通信设备(诸如移动电话或平板电脑)、计算机、或电子可穿戴物品(诸如手表等)。

本发明的该第二方面的其他实施方式以及通过本发明的第二方面获得的效果很大程度上类似于上面针对本发明的第一方面所描述的。

总之，本发明涉及一种利用包括二维测量装置的传感器来确定手指的物理特性的方法，该二维测量装置包括多个测量元件，每个测量元件限定在测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件包括通过介电结构与手指间隔开的手指电极。针对每个测量元件位置，该方法包括以下步骤：利用第一电容式配置执行第一感测操作，获取针对第一电容式配置的第一测量值，利用第二电容式配置执行第二感测操作，获取针对第二电容式配置的第二测量值。基于针对每个测量元件位置的第一测量值和第二测量值来确定手指的物理特性。

附图说明

现在将参照示出了本发明示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面及其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了包括在玻璃盖下方的电容式指纹传感器的电子设备；

图2A是使用已知的电容感测技术由单个感测元件成像的手指表面的部分的示意性图示；

图2B是使用已知的电容感测技术由图2A中的感测配置得到的示例模拟指纹图像的图示；

图3A是根据本发明的实施方式的指纹系统的示意性框图；

图3B是图3A中的指纹感测系统的一部分的示意性截面图；

图4是示出根据本发明的第一实施方式的方法的流程图；

图5A示意性地示出第一感测操作的示例；

图5B示意性地示出第二感测操作的示例；

图6是示出根据本发明的第二实施方式的方法的流程图；

图7示意性地示出同时发生的第一感测操作和第二感测操作的示例；

图8A示意性地示出第一测量元件配置；

图8B是由图8A中的测量元件配置得到的示例模拟指纹图像的图示，其中，手指电极通过300μm的玻璃盖与用户的手指隔开；

图9A示意性地示出第二测量元件配置；

图9B是由图9A中的测量元件配置得到的示例指纹图像的图示，其中，手指电极通过300μm的玻璃盖与用户的手指隔开；

图10A示意性地示出第三测量元件配置；

图10B是由图10A中的测量元件配置得到的示例指纹图像的图示，其中，手指电极通过300μm的玻璃盖与用户的手指隔开；

图11A是具有分别分配给图8B、图9B和图9C中的指纹图像的不同权重的组合指纹图像；以及

图11B是用于比较的与图2B中相同的指纹图像。

具体实施方式

在本具体实施方式中，主要参考指纹感测系统和方法来描述根据本发明的手指感测系统和方法的各种实施方式，其中，单个第一不同测量元件和单个第二不同测量元件被布置在所评估的测量元件的同一侧上，并与所评估的测量元件间隔开。

应该注意的是，这决不限制由所附权利要求限定的范围，所附权利要求同样包括例如以下手指感测系统和方法：该手指感测系统和方法具有关于所评估的测量元件以各种配置布置的多个第一(第二)不同测量元件。

此外，在本文描述的实施方式中，提供感测信号的测量元件的手指电极相对于传感器地电位保持在恒定电位，而时变(time-varying)电位被提供给第一不同测量元件和第二不同测量元件(以及第三不同测量元件)，以便实现期望的电位差。应该注意的是，期望的电位差可以通过其他方式实现。例如，时变电位可以被提供给用于提供感测信号的测量元件的手指电极，如在US 9,152,841中所描述的，其全部内容通过引用合并在本文中。可替选地或组合地，时变参考电位可以被提供给手指传感器，并且时变电位可以被反相地提供给不提供感测信号的测量元件。US 9,383,876中详细描述了该电位提供方案，其全部内容通过引用合并在本文中。

图1示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的手指感测设备的应用，其是具有集成的指纹感测系统3的移动电话1的形式。例如，指纹感测系统3可以被用于解锁移动电话1以及/或者用于对使用移动电话执行的交易进行授权等。如图1示意性示出地，指纹感测系统3被布置在移动电话的玻璃盖5下方，玻璃盖5例如可以在0.2mm至0.5mm厚的范围内。

图2A是与图1中的玻璃盖5接触的手指表面7的一部分的透视图。在图2A中的玻璃盖5的传感器侧，示意性地示出了与指纹传感器的测量元件9相对应的区域。对于根据本发明的手指感测系统的示例实施方式，图2A中的玻璃盖5、手指表面7和测量元件9的区域的尺寸大致成比例。

在常规的指纹感测系统应用中，在覆盖传感器表面的介电结构相当薄(例如约0.1mm或更小)的情况下，由给定测量元件感测到的手指表面的区域与测量元件的区域并没有很大不同。这也应用于下述已知的指纹感测配置：在该指纹感测配置中，使用具有介电各向异性和/或非常高的介电常数的保护结构(例如蓝宝石)。

对于较厚的介电保护涂层(具体地，不呈现介电各向异性和/或非常高的介电常数的涂层)，已知的电容测量技术将对每个测量元件执行空间平均，如图2A中示意性示出的，在图2A中示意性地指示了由给定测量元件9感测的手指区域11。

利用已知的电容测量技术，这种空间平均将导致模糊或散焦的指纹图像。

在图2B中示出了这种模糊指纹图像12的示例，其是使用已知的电容感测技术对图2A中的感测配置进行模拟的结果。

图3A是根据本发明的实施方式的手指系统3的示意性框图。参照图3A，根据本发明的该示例实施方式的手指感测系统3包括二维测量装置13，该二维测量装置13包括多个测量元件9、采用传感器控制器15的形式的测量控制电路、以及信号处理电路17。下面将参照图3B更详细地描述测量元件9，其是在图2A中的线A-A'所指示的部分中测量装置13的一部分的电路示意性截面图。

在这种情况下，应该注意的是，图3A中的图示是示意性和简化的。在根据本发明的实施方式的实际手指感测系统中，测量装置通常将包括相当多数量的测量元件。此外，对于每英寸500像素的传感器而言，测量元件的阵列的典型节距(pitch)可以是大约50μm。

此外，指纹感测系统3在这里被示意性地示为单个部件或封装中的系统。然而，应该理解的是，指纹感测系统3的功能可以分布在几个部件和/或软件模块中，例如指纹传感器部件和主机处理器，其可以是所谓的可信元件，或者所谓的安全元件。指纹感测系统3的功能还可以部分分布在这样的可信元件与这样的安全元件之间。

图3B是图3A中的指纹感测系统的一部分的示意性截面图，其中，手指7放置在测量装置13的顶部上。测量装置13包括多个测量元件9a至9c。

如图3B中示意性示出的，每个测量元件9a至9c(附图标记仅指示测量元件中的一个以避免附图混乱)包括：保护性介电顶层5；位于保护性介电顶层5下方的导电手指电极19；电荷放大器21；选择电路，其在此被功能性地示为简单选择开关23，用于允许从测量元件9a至9c获取感测信号；以及手指电极电位提供电路25，用于可控地向手指电极19提供所选择的电位(恒定的或时变的)，如将在下面进一步详细描述的。

电荷放大器21包括至少一个放大器级，在此被示意性地示为运算放大器(op amp)27，该运算放大器27具有连接至手指电极19的第一输入端(负输入端)29、连接至手指电极电位提供电路25的第二输入端(正输入端)31、以及输出端33。此外，电荷放大器21包括连接在第一输入端29与输出端33之间的反馈电容器35以及重置电路，该重置电路在此被功能性地示为开关37，用于允许对反馈电容器35的可控放电。通过操作重置电路37以使反馈电容器35放电，可以重置电荷放大器21。

对于运算放大器27而言，在通常情况下，在第一输入端29处的电位跟随施加到第二输入端31的电位。取决于特定的放大器配置，第一输入端29处的电位可以与第二输入端31处的电位基本上相同，或者，在第一输入端29处的电位与第二输入端31处的电位之间可以存在基本上固定的偏差。

使用手指电极电位提供电路25，可以向手指电极提供期望的电位，该期望的电位相对于参考电位可以是时变的或基本恒定的。

手指电极电位提供电路25可以例如被实现为多个可控开关，以用于可控地将第二输入端31连接至所选择的电压线，该所选择的电压线承载要提供给手指电极的期望电位。可替选地，手指电极电位提供电路可以直接可连接至手指电极19，以直接向手指电极提供期望的电位。

通过控制手指电极电位提供电路25，因此可以根据特定测量元件9的期望功能向手指电极19提供所选择的电位，如将在下面进一步详细描述的。

当给定测量元件(即图3B中的中心测量元件9b)用作感测测量元件，能够提供指示感测测量元件的手指电极与其它测量元件(即相邻测量元件9a、9c之一或两者)的手指电极之间的电容耦合的感测信号时，中心测量元件9b的手指电极电位提供电路25可以例如被控制成向第二输入端31提供相对于传感器地电位基本恒定的感测手指电极电位。同时，相邻测量元件9a、9c的手指电极电位提供电路然后可以被控制成向相邻测量元件9a、9c的第二输入端提供不同的感测手指电极电位。该不同的感测手指电极电位相对于传感器地电位可以是时变的。

在图3B中，手指7被示意性地示为“接地”。应该理解的是，手指“接地”可能与传感器地不同。例如，手指7可以处于包括指纹感测系统3的电子设备1的接地电位。可替选地，可以认为身体具有这样大的电“质量”，以使得当手指电极19的电位变化时手指的电位保持基本恒定。

感测测量元件9b的手指电极19与相邻测量元件9a、9c的手指电极之间的电位差的上述变化导致在电荷放大器21的输出端33上的感测信号Vs。

当示出的感测元件9b因此被控制成为感测测量元件时，选择开关23闭合，以将电荷放大器21的输出端33连接至读出线39。读出线39可以作为用于2D测量装置13的行或列的公共读出线，读出线39在图3B中被示为连接至复用器41。如在图3B中示意性示出的，提供来自测量装置13的其他行/列的感测信号的其它读出线也被连接至复用器41。

来自感测测量元件9b的感测信号Vs由采样保持电路43解调。采样保持电路43的输出端连接至模数转换器45，用于将由采样保持电路输出的模拟DC电压信号转换为每个选择的感测测量元件9b的测量值的数字表示。

现在已经介绍了本发明的指纹感测系统的实施方式，下面将参照图4中的流程图和示出的其他图示来描述根据本发明的方法的第一示例实施方式。

在第一步骤401中，针对测量元件位置n，执行第一感测操作。还参照图5A，其示意性地示出了图3A中的测量装置13的一部分，利用图5A中的S所指示的所评估的测量元件(其限定测量元件位置n)和图5A中的D所指示的第一不同测量元件来执行第一感测操作。第一不同测量元件D在此通过图5A中的空正方形所指示的非感测测量元件而与所评估的测量元件(其在此是感测测量元件)S间隔开。在图5A的特定示例中，感测测量元件S附近(例如，十个测量元件之内)的所有其他测量元件也是非感测测量元件。

如图5A的电压-时间图中的虚线所示意性地示出的，所评估的感测测量元件S的手指电极相对于传感器地SGND呈现基本恒定的第一手指电极电位V1。第一不同测量元件D的手指电极呈现图5A的线图中的实线所指示的第二手指电极电位V2。如在图5A的电压-时间图中可以看到的，第二手指电极电位V2相对于SGND是时变的，并且与第一手指电极电位V1相关，使得在所评估的感测测量元件S的手指电极与第一不同测量元件D的手指电极之间存在第一电压差ΔV1。在图5A的示例测量配置中，非感测测量元件被控制成提供与第一手指电极电位V1基本相同的手指电极电位VN。

在随后的步骤402中，基于来自所评估的感测测量元件S的第一感测信号，信号处理电路17从测量装置13获取第一测量值。为了减少共模噪声的发生，可以有利地使用本身已知的相关双采样技术。参照图5A和图3B，感测信号Vs的第一采样由采样保持电路43在第一采样时间t1获得，并且感测Vs的第二采样由采样保持电路43在第二采样时间t2获得。采样值之间的差被模数转换器45转换成针对测量位置n的数字第一测量值。

在已经对测量装置13中的所有测量位置执行了上述步骤401和402的情况下，通过经历另外由步骤403和404限定的循环，获取了完整的第一指纹图像。

在由图4的流程图示出的示例实施方式中，该方法然后进行到步骤405，其中，针对测量元件位置n执行第二感测操作。还参照图5B，其示意性地示出了图3A中的测量装置13的一部分，使用图5B中的S所指示的所评估的测量元件(其限定测量元件位置n)和图5B中的D所指示的第二不同测量元件来执行第二感测操作。第二不同测量元件D在此通过图5B中的空正方形所指示的两个非感测测量元件而与所评估的测量元件(其在此是感测测量元件)S间隔开。在图5B的特定示例中，感测测量元件S附近(例如，十个测量元件之内)的所有其他测量元件也是非感测测量元件。

图5B中的所评估的测量元件S与第二不同测量元件D之间的横向距离大于图5A中的所评估的测量元件S与第一不同测量元件D之间的横向距离。

如图5B的电压-时间图中的虚线示意性地示出的，所评估的感测测量元件S的手指电极相对于传感器地SGND呈现基本恒定的第三手指电极电位V3。第二不同测量元件D的手指电极呈现图5B的线图中的实线所指示的第四手指电极电位V4。如在图5B的电压-时间图中可以看到的，第四手指电极电位V4相对于SGND是时变的，并且与第三手指电极电位V3相关，使得在所评估的感测测量元件S的手指电极与第二不同测量元件D的手指电极之间存在第二电压差ΔV2。在图5B的示例测量配置中，非感测测量元件被控制成提供与第三手指电极电位V3基本相同的手指电极电位VN。

在随后的步骤406中，基于来自所评估的感测测量元件S的第二感测信号，信号处理电路17从测量装置13获取第二测量值。为了减少共模噪声的发生，可以有利地使用本身已知的相关双采样技术。参照图5B和图3B，感测信号Vs的第一采样由采样保持电路43在第三采样时间t3获得，并且感测Vs的第二采样由采样保持电路43在第四采样时间t4获得。采样值之间的差被模数转换器45转换成针对测量位置n的数字第一测量值。

在已经对测量装置13中的所有测量位置执行了上述步骤405和406的情况下，通过经历另外由步骤407和408限定的循环，获取了完整的第二指纹图像。

最终，在步骤409中，基于第一指纹图像和第二指纹图像形成组合的指纹表示。下面将参照图8A至图8B、图9A至图9B、图10A至图10B和图11A至图11B来进一步描述该过程的示例。

在以上参照图4的流程图和图5A至图5B中的图示而描述的根据本发明的方法的第一实施方式中，所评估的测量元件是提供感测信号的感测测量元件。

在根据本发明的方法的第二实施方式中，所评估的测量元件不提供感测信号，但是第一不同测量元件和第二不同测量元件提供感测信号。基于这些感测信号，可以确定组合的测量值，该组合的测量值是针对所评估的测量元件的手指耦合值。

参照图6中的流程图，在第一步骤601中，针对测量元件位置n，同时执行第一感测操作和第二感测操作。

还参照图7，其示意性地示出了图3A中的测量装置13的一部分，利用图7中的D所指示的所评估的测量元件(其限定测量元件位置n)和图7中的S1所指示的第一不同测量元件来执行第一感测操作。第一不同测量元件S1在此通过图7中的空正方形所指示的单个非感测测量元件而与所评估的测量元件D间隔开。在图7的特定示例中，所评估的测量元件D附近(例如，十个测量元件之内)的所有其他测量元件也是非感测测量元件。

在此与第一感测操作同时执行的第二感测操作使用所评估的测量元件D和图7中的S2所指示的第二不同测量元件。第二不同测量元件S2比第一不同测量元件S1更远离所评估的测量元件D。

如图7的电压-时间图中的实线示意性地示出的，所评估的感测测量元件D的手指电极相对于传感器地SGND呈现时变的第一手指电极电位V1。第一不同测量元件S1的手指电极呈现图7的线图中的虚线所指示的基本恒定的第二手指电极电位V2。此外，第二不同测量元件S2的手指电极呈现基本恒定的第四手指电极电位V4。在该特定示例中，第二手指电极电位V2与第四手指电极电位V4基本相同。应该注意的是，第二手指电极电位V2和第四手指电极电位V4可以相互不同。

如在图7的电压-时间图中可以看到的，在所评估的感测测量元件D的手指电极与第一不同测量元件S1的手指电极之间存在第一电压差ΔV1，并且在所评估的感测测量元件D的手指电极与第二不同测量元件S2的手指电极之间存在第二电压差ΔV2。

在随后的步骤602中，基于来自第一不同测量元件S1的第一感测信号，信号处理电路17从测量装置13获取第一测量值，并且基于来自第二不同测量元件S2的第二感测信号获取第二测量值。为了减少共模噪声的发生，可以有利地使用本身已知的相关双采样技术。参照图7和图3B，用于第一不同测量元件S1和第二不同测量元件S2的感测信号Vs的第一采样可以由采样保持电路43在第一采样时间t1获得，并且感测Vs的第二采样可以由采样保持电路43在第二采样时间t2获得。采样值之间的差被模数转换器45转换成数字第一测量值和数字第二测量值。

可替选地或另外地，可以获取来自第一不同测量元件S1和第二不同测量元件S2的感测信号之间的差，以降低共模信号的影响。

在已经对测量装置13中的所有测量位置执行了上述步骤601和602的情况下，通过经历另外由步骤603和604限定的循环，该方法进行到步骤605，其中，基于上述第一测量值和第二测量值确定组合的测量值。

最终，在步骤606中，基于组合的测量值确定指纹表示。

现在将参照图8A至图8B、图9A至图9B、图10A至图10B和图11A至图11B来描述如何利用在具有不同测量配置的感测操作中获得的测量值的组合来确定手指的物理特性的示例。在该示例中，物理特性是手指的指纹的表示。特别地，获得清晰化的指纹图像。应该注意的是，可以将其他权重分配给由不同测量操作得到的不同测量值，以实现更加清晰的组合指纹图像。还应当注意的是，在对利用不同测量配置获得的指纹图像进行组合时，可以提供不同的权重作为与相应测量操作有关的电压，或者作为其组合。此外，手指的物理特性不一定是用于注册或认证的指纹图像，物理特性例如可以可替选地指示水分在手指表面上的分布等。最终，在下面描述的示例实施方式中使用的权重仅仅是示例。虽然这些示例权重提供了改进的、清晰化的指纹图像，但是很有可能可以确定提供更加清晰的指纹图像的其他权重。

图8A示意性地示出与如上所述的图5A中所示的测量元件配置相同的第一测量元件配置。

图8B示出从利用图8A中的上述第一测量装置配置的模拟而得到的第一指纹图像59。除了使用的测量装置配置以外，所有其他模拟参数与得到图2B中的指纹图像12的模拟所使用的模拟参数相同。

图9A示意性地示出与如上所述的图5B中所示的测量元件配置相同的第二测量元件配置。

图9B示出从利用图9A中的上述第二测量装置配置的模拟而得到的第二指纹图像61。除了使用的测量装置配置以外，所有其他模拟参数与得到图2B中的指纹图像12的模拟所使用的模拟参数相同。

图10A示意性地示出第三测量元件配置，其中三个非感测测量元件将所评估的(在此进行感测的)测量元件S与第三不同(在此进行驱动的)测量元件D分隔开。

图10B示出从利用图10A中的上述第三测量装置配置的模拟而得到的第三指纹图像63。除了使用的测量装置配置以外，所有其他模拟参数与得到图2B中的指纹图像12的模拟所使用的模拟参数相同。

为了得到指纹图案的期望改进的表示，将图8B中的第一指纹图像59、图9B中的第二指纹图像61和图10B中的第三指纹图像63组合到图11A所示的组合指纹图像65中。通过形成第一图像59、第二图像61和第三图像63的逐像素加权平均，形成了组合指纹图像65。在图11A的示例组合图像65中，施加于第一指纹图像59的测量值的第一相对权重是‘-1’，施加于第二指纹图像61的测量值的第二相对权重是‘+3’，施加于第三指纹图像63的测量值的第三相对权重是‘-2’。

将该组合指纹图像65与图2B中的指纹图像12相比，其中图2B被重复为图11B以便于比较，明显的是：即使是来自具有不同测量配置的不同感测操作的测量值的相对简单的组合也产生相当清晰的模拟指纹图像65。

本领域技术人员会认识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变形。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载了某些技术手段，这并不表示这些技术手段的组合不能被有利地使用。计算机程序可以存储/分布在合适的介质(例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分而提供的光存储介质或固态介质)上，但是也可以以其他形式来分布，例如经由因特网或其他有线或无线通信系统。权利要求书中的任何附图标记不应该被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种利用包括二维测量装置(13)的传感器(3)来确定手指(7)的物理特性的方法，所述二维测量装置(13)包括多个测量元件(9)，每个测量元件(9)限定在所述测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件(9)包括通过介电结构(5)与所述手指(7)间隔开的手指电极(19)，

所述方法包括以下步骤：

针对每个测量元件位置，利用限定所述测量元件位置的评估的测量元件和限定第一不同测量元件位置的至少第一不同测量元件来执行(401；601)第一感测操作，所述评估的测量元件的手指电极呈现第一手指电极电位，并且所述第一不同测量元件的手指电极呈现与所述第一手指电极电位不同的第二手指电极电位，以提供所述评估的测量元件的手指电极与所述第一不同测量元件的手指电极之间的第一电位差(ΔV1)；

针对每个测量元件位置，基于来自所述评估的测量元件和所述第一不同测量元件之一的第一感测信号获取(402；602)第一测量值，从而产生多个第一测量值；

针对每个测量元件位置，利用所述评估的测量元件和限定第二不同测量元件位置的至少第二不同测量元件来执行(405；601)第二感测操作，所述评估的测量元件的手指电极呈现第三手指电极电位，并且所述第二不同测量元件的手指电极呈现与所述第三手指电极电位不同的第四手指电极电位，以提供所述评估的测量元件的手指电极与所述第二不同测量元件的手指电极之间的第二电位差(ΔV2)；

针对每个测量元件位置，基于来自所述评估的测量元件和所述第二不同测量元件之一的第二感测信号获取(406；602)第二测量值，从而产生多个第二测量值；以及

基于所述多个第一测量值和所述多个第二测量值确定(409；606)所述手指的所述物理特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述第一感测信号指示所述评估的测量元件和所述第一不同测量元件中的提供所述第一感测信号的一方的手指电极所承载的电荷；以及

所述第二感测信号指示所述评估的测量元件和所述第二不同测量元件中的提供所述第二感测信号的一方的手指电极所承载的电荷。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：

所述第一不同测量元件被布置在距所述评估的测量元件的第一横向距离处；以及

所述第二不同测量元件被布置在距所述评估的测量元件的第二横向距离处，所述第二横向距离不同于所述第一横向距离。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述手指的所述物理特性的确定还基于所述第一横向距离和所述第二横向距离。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

针对每个测量元件位置执行(401；601)所述第一感测操作的步骤包括：将所述第一电位差(ΔV1)从在第一时间点处作为第一电位差值改变为在第二时间点处作为第二电位差值；以及

针对每个测量元件位置执行(405；601)所述第二感测操作的步骤包括：将所述第二电位差(ΔV2)从在第三时间点处作为第三电位差值改变为在第四时间点处作为第四电位差值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中：

针对每个测量元件位置从所述评估的测量元件和所述第一不同测量元件之一获取(402；602)所述第一测量值的步骤包括：在所述第一时间点处对所述第一感测信号进行采样，并且在所述第二时间点处对所述第一感测信号进行采样；以及

针对每个测量元件位置从所述评估的测量元件和所述第二不同测量元件之一获取(406；602)所述第二测量值的步骤包括：在所述第三时间点处对所述第二感测信号进行采样，并且在所述第四时间点处对所述第二感测信号进行采样。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

针对每个测量元件位置，利用所述评估的测量元件和限定第三不同测量元件位置的至少第三不同测量元件来执行第三感测操作，所述评估的测量元件的手指电极呈现第五手指电极电位，并且所述第三不同测量元件的手指电极呈现与所述第五手指电极电位不同的第六电极电位，以提供所述评估的测量元件的手指电极与所述第三不同测量元件的手指电极之间的第三电位差；以及

针对每个测量元件位置，基于来自所述评估的测量元件和所述第三不同测量元件之一的第三感测信号获取第三测量值，从而产生多个第三测量值，

其中，还基于所述多个第三测量值确定所述手指的所述物理特性。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述手指的所述物理特性的步骤包括以下步骤：

针对每个测量元件位置，基于针对所述测量元件位置的所述第一测量值和所述第二测量值来确定(605)针对所述测量元件位置的组合测量值；以及

基于针对所述测量装置中的每个测量元件位置的所述组合测量值确定(606)所述手指的所述物理特性。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述手指的所述物理特性是所述手指的指纹图案的表示。

10.一种用于确定手指(7)的物理特性的手指感测系统(3)，所述手指感测系统包括：

二维测量装置(13)，其包括多个测量元件(9)，每个测量元件(9)限定在所述测量装置中的测量元件位置，并且每个测量元件(9)包括通过介电结构(5)与所述手指间隔开的手指电极(19)；

测量控制电路(15)，其连接至所述测量装置(13)，用于：

控制所述测量装置(13)，以针对每个测量元件位置，利用限定所述测量元件位置的评估的测量元件和限定第一不同测量元件位置的至少第一不同测量元件来执行第一感测操作，所述评估的测量元件的手指电极呈现第一手指电极电位，并且所述第一不同测量元件的手指电极呈现与所述第一手指电极电位不同的第二手指电极电位，以提供所述评估的测量元件的手指电极与所述第一不同测量元件的手指电极之间的第一电位差(ΔV1)；以及

控制所述测量装置(13)，以针对每个测量元件位置，利用所述评估的测量元件和限定第二不同测量元件位置的至少第二不同测量元件来执行第二感测操作，所述评估的测量元件的手指电极呈现第三手指电极电位，并且所述第二不同测量元件的手指电极呈现与所述第三手指电极电位不同的第四手指电极电位，以提供所述评估的测量元件的手指电极与所述第二不同测量元件的手指电极之间的第二电位差(ΔV2)；以及

信号处理电路(17)，用于：

针对所述测量装置中的每个测量元件位置，基于来自所述评估的测量元件和所述第一不同测量元件之一的第一感测信号获取第一测量值，从而产生多个第一测量值；

针对所述测量装置中的每个测量元件位置，基于来自所述评估的测量元件和所述第二不同测量元件之一的第二感测信号获取第二测量值，从而产生多个第二测量值；以及

基于所述多个第一测量值和所述多个第二测量值确定所述手指的所述物理特性。

11.根据权利要求10所述的手指感测系统(3)，其中，所述测量装置中的每个测量元件(9)是能够控制的，以提供感测信号。

12.根据权利要求11所述的手指感测系统(3)，其中，所述感测信号指示包括在所述测量元件(9)中的手指电极(19)所承载的电荷。

13.根据权利要求11或12所述的手指感测系统(3)，其中，所述测量装置(13)中的每个测量元件(9)包括：

电荷放大器(21)，其包括：

第一输入端(29)；

第二输入端(31)；

电容性地耦合至所述第一输入端的输出端(33)；以及

在所述第一输入端和所述第二输入端与所述输出端之间的至少一个放大器级(27)。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的手指感测系统(3)，其中，所述介电结构(5)包括介电板，例如玻璃板。

15.一种电子设备(1)，包括：

根据权利要求10至14中任一项所述的手指感测系统(3)；以及

处理电路，其连接至所述手指感测系统，用于：

从所述手指感测系统获取指纹图案的表示；

基于所述表示对用户进行认证；以及

仅当基于所述表示而认证所述用户时，执行至少一个用户请求的处理。