CN109891429A - 指纹识别装置和指纹识别方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种指纹识别装置和指纹识别方法。所述指纹识别装置包括M个指纹传感器和控制电路。各指纹传感器包括像素阵列，所述像素阵列具有排列为多行与多列的多个指纹传感像素，M是大于1的正整数。控制电路外接于所述M个指纹传感器并为所述M个指纹传感器所共享。所述控制电路用以于帧周期内，启用所述M个指纹传感器中N个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素，N是小于或等于M的正整数。所述指纹识别装置可提供大范围的指纹传感区域，并可提高各像素阵列在相应的指纹传感器的占比。
Description
技术领域
本公开涉及指纹信号处理技术，尤其涉及一种包括多个指纹传感器的指纹识别装置及其相关的指纹识别方法。
背景技术
通过屏下指纹(in-display fingerprint)技术，指纹传感电路可以直接集成在手机屏幕的下方，无需额外设置在手机屏幕以外的区域，从而提高空间的利用率。通常指纹传感器芯片是采用互补金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal oxidesemiconductor image sensor，CMOS image sensor，简称CIS)技术的主动式/有源式像素传感器(active pixel sensor，APS)结构。然而，现有像素结构是利用4个晶体管以进行图像传感操作，不仅增加生产工艺的复杂度，还降低了指纹传感像素阵列在指纹传感器的占比。也就是说，指纹传感器只能提供一个小范围的指纹传感区域。因此，当用户以指纹操作手机时(例如，进行指纹解锁)，用户的眼睛必须注视手机屏幕，以确保手指的位置位在这个小范围的指纹传感区域内，造成使用上的不便。
因此，需要一种创新的指纹识别方案，其可提供大尺寸的指纹传感区域，提升用户体验。
发明内容
本公开的目的之一在于提供一种包括多个指纹传感器的指纹识别装置及其相关的指纹识别方法，来解决上述问题。
本公开的一实施例提供了一种指纹识别装置。所述指纹识别装置包括M个指纹传感器和控制电路。各指纹传感器包括像素阵列，所述像素阵列具有排列为多行与多列的多个指纹传感像素，M是大于1的正整数。控制电路外接于所述M个指纹传感器并为所述M个指纹传感器所共享。所述控制电路，用以于帧周期内，启用所述M个指纹传感器中N个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素，其中N是小于或等于M的正整数。
本公开的一实施例提供了一种指纹识别方法。所述指纹识别方法包括以下步骤：于帧周期内，启用M个指纹传感器中N个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素，其中M是大于1的正整数，N是小于或等于M的正整数，所述N个指纹传感器中各指纹传感器于启用时采集指纹图像以产生模拟传感输出；以及根据所述N个指纹传感器分别产生的N个模拟传感输出，产生指纹图像信号。
附图说明
图1是本公开指纹识别装置的一实施例的功能方框示意图。
图2是图1所示的多个指纹传感器其中的至少一个指纹传感器的一实施例的电路结构图。
图3是图2所示的指纹传感像素的一部分的一实施例的结构图。
图4是图2所示的指纹传感像素的一部分的另一实施例的结构图。
图5是图1所示的控制电路所产生的多个时序控制信号的一实施例的示意图。
图6是图5所示的电路操作涉及的信号时序的一实施例的示意图。
图7是本公开的指纹识别方法的一实施例的流程图。
其中，附图标记说明如下：
100 指纹识别装置
102_1-102_4、202 指纹传感器
104_1-104_4、204 像素阵列
110 控制电路
112 时序产生器
114 模数转换电路
115 复用器
116 模数转换器
117 图像信号处理模块
118 行缓存电路
119 图像信号处理器
205 行扫描电路
206 积分电路
207 列选择电路
208 列扫描电路
209 缓存电路
320 基板
322_1、422_1 第一重掺杂区
322_2 第二重掺杂区
322_3 第三重掺杂区
322_4 第四重掺杂区
324 第五重掺杂区
325_1、325_2 绝缘层
326_1、326_2 栅极电极层
327_1、327_2 轻掺杂漏区
328_1、328_2、328_3 浅沟槽隔离结构
329 导线结构
422 阱区
702、704 步骤
R_1-R_H 扫描线
C_1-C_W 数据线
PX 指纹传感像素
PD 光电二极管
Cpd 储存电容
MP 晶体管
TCN 控制端
TC1 第一连接端
TC2 第二连接端
Cp、Cfb、Ci 电容
AMP 放大器
Rst、CS_1-CS_W 开关
DBS 数据总线
CR1、CR2 沟道区
GND 接地电压
DTA 指纹传感区域
Da、Db、Dc、De、Df、Dg 预定距离
IMG 指纹图像信号
TS1-TS4、TS 时序控制信号
AO1-AO4、AO 模拟传感输出
DO 数字传感输出
D_1-D_W 像素数据
I_1-I_W 积分数据
DN、DW 深度
PCLK 像素时钟信号
VS 帧同步信号
HS1-HS4 水平同步信号
R11-R42 一行指纹传感像素
TE1、TE4、TR1、TR4 一段时间
t0-t8、t1’-t8’ 时间点
FP 帧周期
具体实施方式
在说明书及之前的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及之前的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及之前的权利要求书当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接和间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电连接到所述第二装置。
图1是本公开指纹识别装置的一实施例的功能方框示意图。指纹识别装置100可实施为具有指纹识别功能的电子设备的至少一部份，例如手机、平版电脑、笔记本电脑、具有指纹识别功能的可穿戴设备、具有指纹识别功能的便携式计算机，或其他具有指纹识别功能的电子设备的至少一部份。值得注意的是，本公开所称的“指纹”可表示指纹、掌纹或其他具有生物表征的部位的纹路。此外，为了方便说明，以下采用具有4个指纹传感器的指纹传感装置来说明本公开的指纹识别机制，然而，本领域的技术人员在阅读说明书的内容之后，应可理解本公开的指纹识别机制可应用于具有M个指纹传感器的指纹识别装置，其中M是正整数。
指纹识别装置100包括(但不限于)多个指纹传感器102_1-102_4以及一控制电路110，其中各指纹传感器包括一像素阵列(即多个像素阵列104_1-104_4其中的一个)，其中所述像素阵列具有排列为多行与多列的多个指纹传感像素(图1未示出)。在此实施例中，多个指纹传感器102_1-102_4可以彼此相邻设置在指纹识别装置100中，以形成大范围的指纹传感区域DTA。举例来说，在指纹识别装置100是具有屏下指纹识别功能的电子设备的一部份的实施例中，多个指纹传感器102_1-102_4可以彼此相邻设置在所述电子设备的显示屏(图1未示出)下方，以提供用户大范围的屏下指纹识别区域。此外，多个指纹传感器102_1-102_4可通过预定的布置方式，增加可供用户输入指纹信息的区域。例如，多个指纹传感器102_1-102_4可沿著一预定方向间隔地设置，并在垂直于所述预定方向上交错排列，其中所述预定方向可以是行方向或列方向。这样，指纹传感区域DTA的范围大于多个像素阵列104_1-104_4相应的传感范围的总和。又例如，多个指纹传感器102_1-102_4可间隔地设置，并呈矩形排列，使指纹传感区域DTA的范围大于多个像素阵列104_1-104_4相应的传感范围的总和。
在此实施例中，多个指纹传感器102_1-102_4可沿著行方向间隔地设置，其中像素阵列104_1与像素阵列104_2相距一预定距离Da，像素阵列104_2与像素阵列104_3相距一预定距离Db，像素阵列104_3与像素阵列104_4相距一预定距离Dc。此外，多个指纹传感器102_1-102_4可在列方向上交错排列，其中像素阵列104_2的下边界与像素阵列104_1的下边界在列方向上相距一预定距离Dd，像素阵列104_2的上边界与像素阵列104_1的上边界在列方向上相距一预定距离De，像素阵列104_3的下边界与像素阵列104_2的下边界在列方向上相距一预定距离Df，像素阵列104_4的上边界与像素阵列104_3的上边界在列方向上相距一预定距离Dg。
控制电路110外接于多个指纹传感器102_1-102_4，作为多个指纹传感器102_1-102_4共享/共同的时序控制电路。在此实施例中，控制电路110可与各指纹传感器设置在不同的芯片上，用以于一个帧周期内，启用多个指纹传感器102_1-102_4中N个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动多个指纹传感器102_1-102_4各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素，其中N是小于或等于多个指纹传感器102_1-102_4的个数(即，4)的正整数。也就是说，控制电路110可在一个帧周期内，启用一个或多个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动所启用的指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。
在控制电路110用以启用多个指纹传感器的情形下，控制电路110可对对所启用的多个指纹传感器进行分时控制，从而驱动各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。举例来说(但本公开不限于此)，在一个帧周期内，控制电路110可轮流启用多个指纹传感器102_1-102_4各自的像素阵列的一行指纹传感像素，以逐行驱动各像素阵列所具有的多行指纹传感像素。也就是说，各像素阵列的驱动时序均是由外接的控制电路110来决定。这样，各指纹传感器可无需设置时序产生电路，使像素阵列的设置范围扩大，增加可供用户输入指纹信息的区域。
控制电路110可提供N个时序控制信号给所启用的N个指纹传感器，使所启用的N个指纹传感器中各指纹传感器可根据相应的时序控制信号，驱动相应的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。举例来说，控制电路110可提供多个时序控制信号TS1-TS4给多个指纹传感器102_1-102_4，以对多个指纹传感器102_1-102_4进行分时控制，从而驱动多个指纹传感器102_1-102_4各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。
为了方便说明，以下以控制电路110于一个帧周期内启用多个指纹传感器102_1-102_4(即，所启用的指纹传感器的个数(即上述的N)等于设置指纹识别装置100具有的指纹传感器的个数)的实施方式来说明本公开的指纹识别方案。然而，本领域的技术人员在阅读本公开的说明书内容之后，应可了解控制电路110于一个帧周期内启用一个或多个指纹传感器的实施方式均属于本公开的范畴。
此外，在某些实施方式中，控制电路110还可作为多个指纹传感器102_1-102_4共享/共同的信号处理电路，进一步增加像素阵列的设置范围和指纹信息的输入区域。例如，当一指纹传感器启用时，所启用的指纹传感器可采集指纹图像，并产生一模拟传感输出(即多个模拟传感输出AO1-AO4其中的一个)。控制电路110可对多个指纹传感器102_1-102_4中所启用的指纹传感器各自产生的模拟传感输出进行模拟数字转换，从而识别指纹信息。因此，各指纹传感器可无需设置模数转换电路。
在此实施例中，控制电路110包括(但不限于)一时序产生器112、一模数转换电路114及一图像信号处理模块117。时序产生器112用以产生多个时序控制信号TS1-TS4。多个指纹传感器102_1-102_4可分别根据多个时序控制信号TS1-TS4轮流启用，一次驱动各自的像素阵列的一行指纹传感像素，从而逐行驱动各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。各时序控制信号可包括帧同步信号(或垂直同步信号)、水平同步信号与像素时钟信号其中的至少一个。相关的说明容后再叙。
模数转换电路114耦接于多个指纹传感器102_1-102_4，用以轮流将多个指纹传感器102_1-102_4分别产生的多个模拟传感输出AO1-AO4转换为一数字传感输出DO。在此实施例中，当指纹传感器102_1启用时，模数转换电路114可将模拟传感输出AO1转换为数字传感输出DO；当指纹传感器102_2启用时，模数转换电路114可将模拟传感输出AO2转换为数字传感输出DO；以此类推。通过外接的控制电路110来处理各指纹传感器产生的模拟传感输出，各指纹传感器可无需设置模数转换电路，从而增加像素阵列的设置范围和指纹信息的输入区域。
举例来说(但本公开不限于此)，模数转换电路114可包括一复用器(multiplexer，MUX)115以及一模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)116。复用器115具有多个输入端TI1-TI4和一个输出端TO，用以选择性地将多个输入端TI1-TI4耦接到输出端TO，其中多个输入端TI1-TI4分别用以接收多个模拟传感输出AO1-AO4。在多个指纹传感器102_1-102_4中的N个指纹传感器(N小于或等于4)轮流启用以采集指纹图像的情形下，复用器115可轮流将多个输入端TI1-TI4中的N个输入端耦接到输出端TO，以输出相应的模拟传感输出(即，所述N个输入端耦接的N个模拟传感输出其中的一个)。模数转换器116耦接输出端TO，用以从输出端TO接收所述N个模拟传感输出其中的一个模拟传感输出(例如，多个模拟传感输出AO1-AO4其中的一个)，以及将所述模拟传感输出转换为数字传感输出DO。
图像信号处理模块117耦接于模数转换电路114，用以根据数字传感输出DO进行带通滤波处理(例如，对数字传感输出DO进行带通滤波处理)，产生一指纹图像信号IMG，供后续指纹识别使用。由于数字传感输出DO可指示出各指纹传感器所获取的一行指纹传感像素的像素数据，因此，图像信号处理模块117可根据数字传感输出DO，获得一个帧周期内指纹传感区域DTA所采集的指纹图像。举例来说(但本公开不限于此)，图像信号处理模块117可包括一行缓存电路(line buffer circuit)118和一图像信号处理器(image signalprocessor，ISP)119。行缓存电路118耦接于模数转换器116，用以缓存多行指纹传感像素的像素数据(即各行驱动操作相对应的数字传感输出DO)。例如，行缓存电路118可包括多个行缓存器(line buffer)(图1未示出)，各行缓存器可缓存一行或多行指纹传感像素的像素数据。图像信号处理器119耦接于行缓存电路118，用以将多个指纹传感器102_1-102_4于一个帧周期内所获取的像素数据进行带通滤波处理和/或图像拼接，以产生指纹传感区域DTA于一个帧周期内所采集的指纹图像(即指纹图像信号IMG)，供后续指纹识别使用。
于指纹识别操作中，时序产生器112可产生多个时序控制信号TS1-TS4，以于一个帧周期内轮流启用多个像素阵列104_1-104_4的一行指纹传感像素，从而逐行驱动各像素阵列所具有的多行指纹传感像素。多个指纹传感器102_1-102_4可轮流输出多个模拟传感输出AO1-AO4，其中各模拟传感输出包括一行指纹传感像素的像素数据。复用器115轮流将多个模拟传感输出AO1-AO4提供给模数转换器116，使模数转换器116可轮流输出多个模拟传感输出AO1-AO4相应的数字传感输出(数字传感输出DO)至行缓存电路118。接下来，图像信号处理器119可根据行缓存电路118所储存的数据进行图像拼接，产生指纹传感区域DTA于一个帧周期内所采集的指纹图像。
通过将指纹传感器与控制电路(例如包括模数转换器和图像信号处理器的控制电路)分开设置(例如分开设置在两个芯片)的分离式设计，本公开的指纹传感方案可大幅增加像素阵列的设置范围，提供大范围的指纹传感区域，从而提升用户体验。值得注意的是，在某些实施例中，本公开的指纹传感方案具有简化的指纹传感像素结构，不仅降低生产工艺的复杂度，更进一步提高与控制电路分开设置的像素阵列在指纹传感器的占比。
图2是图1所示的多个指纹传感器102_1-102_4其中的至少一个指纹传感器的一实施例的电路结构图。也就是说，图1所示的多个指纹传感器102_1-102_4其中的至少一个指纹传感器可由指纹传感器202来实施，其中指纹传感器202可根据时序控制信号TS(例如图1所示的多个时序控制信号TS1-TS4其中的一个)进行指纹图像采集。指纹传感器202可包括(但不限于)多条扫描线R_1-R_H、多条数据线C_1-C_W、一像素阵列204、一行扫描电路205、一积分电路(integrating circuit)206、一列选择电路207、一列扫描电路208以及一缓存电路209。H与W均为大于1的正整数。像素阵列204包括排列为H行与W列的多个指纹传感像素PX，其中多条扫描线R_1-R_H分别与像素阵列204的所述多行对应设置，多条数据线C_1-C_W分别与像素阵列204的所述多列对应设置。在此实施例中，各指纹传感像素PX包括一光电二极管PD、一储存电容Cpd以及一晶体管MP。晶体管MP具有一控制端TCN、一第一连接端TC1以及一第二连接端TC2。控制端TCN连接到指纹传感像素PX相对应的扫描线(即多条扫描线R_1-R_H的其中一条)。第一连接端TC1连接到光电二极管PD，其中光电二极管PD和储存电容Cpd并联于第一连接端TC1与一参考电压(例如接地电压)之间。第二连接端TC2连接到指纹传感像素PX相对应的数据线(即多条数据线C_1-C_W的其中一条)。
行扫描电路205耦接于多条扫描线R_1-R_H，用以根据时序控制信号TS驱动多条扫描线R_1-R_H，以启用相应的指纹传感像素。积分电路206耦接于多条数据线C_1-C_W，用以接收各数据线所传输的像素数据(即多笔像素数据D_1-D_W的其中一个)，并对所述像素数据进行积分以产生积分数据(即多笔积分数据I_1-I_W的其中一个)。在此实施例中，积分电路206可包括(但不限于)多个积分器，其中各积分器包括一电容Cp、一电容Cfb、一放大器AMP、一开关Rst以及一电容Ci。电容Cp可用来储存相应的像素数据。电容Cfb可由可变电容来实施。通过开关Rst的切换操作，放大器AMP可将相应的积分数据储存在电容Ci。
列选择电路207耦接于积分电路206和列扫描电路208，用以选择性地将多笔积分数据I_1-I_W输出到缓存电路209。在此实施例中，列选择电路207可包括(但不限于)多个开关CS_1-CS_W。列扫描电路208可根据时序控制信号TS控制各开关的切换操作，将相应的积分数据输出到缓存电路209。缓存电路209可将所储存的多笔积分数据I_1-I_W作为模拟传感输出AO(例如图1所示的多个模拟传感输出AO1-AO4其中的一个)。例如，列扫描电路208可逐一开启多个开关CS_1-CS_W，依序将多笔积分数据I_1-I_W输出到缓存电路209。又例如，在缓存电路209可同时储存多笔积分数据的情形下，列扫描电路208可一次开启多个开关CS_1-CS_W的一部分或全部。
于采集指纹图像的操作中，在行扫描电路205驱动像素阵列204之前，指纹传感像素PX可曝光一段时间(即光电二极管PD将光信号转换为电信号)，晶体管MP会切断，而积分电路206中相对应的开关Rst会开启。当行扫描电路205驱动包括指纹传感像素PX的一行指纹传感像素时，晶体管MP会导通，开关Rst会关闭，而第一连接端TC1累积的电荷会转移到积分电路206中相对应的积分器，以对电容Ci充电。当列选择电路207导通相对应的开关(多个开关CS_1-CS_W其中的一个)时，缓存电路209可将相应的积分数据输出，作为模拟传感输出的一部分。
相比于采用4个晶体管的像素结构的指纹传感器，由于指纹传感器202可无需设置时序产生器和模数转换器，且各指纹传感像素PX可以只包括单一个晶体管(即晶体管MP)，像素阵列204在指纹传感器202的占比(例如90％)可远大于现有指纹传感器中像素阵列的占比(约60％)。再者，在采用4个晶体管的像素结构的指纹传感器中，源极跟随器会造成较小的线性范围和较差的线性度。由于各指纹传感像素PX可以只包括单一个晶体管，指纹传感器202可具有较佳的线性范围和线性度。
请连同图2参阅图3。图3是图2所示的指纹传感像素PX的一部分的一实施例的结构图。指纹传感像素PX包括(但不限于)具有第一导电类型的一基板320、具有第二导电类型的一第一重掺杂区322_1、具有第二导电类型的一第二重掺杂区322_2、具有第二导电类型的一第三重掺杂区322_3、具有第二导电类型的一第四重掺杂区322_4，以及具有第一导电类型的一第五重掺杂区324。在此实施例中，第一导电类型是P型，而第二导电类型是N型。然而，在某些实施例中，第一导电类型可以是N型，而第二导电类型可以是P型。指纹传感像素PX还可包括多个绝缘层325_1和325_2、多个栅极电极层326_1和326_2、多个轻掺杂漏区(lightly doped drain，LDD)327_1和327_2、多个浅沟槽隔离(shallow trenchisolation，STI)结构328_1-328_3以及一导线结构329。
第一重掺杂区322_1的一部分、第二重掺杂区322_2、绝缘层325_1、栅极电极层326_1和基板320可形成晶体管MP。第一重掺杂区323_1的另一部分和基板320可形成光电二极管PD。在此实施例中，第一重掺杂区322_1及第二重掺杂区322_2分开形成在基板320的一侧，其中第一重掺杂区322_1耦接到第一连接端TC1，而第二重掺杂区322_2耦接到第二连接端TC2。绝缘层325_1(例如，栅氧化层)形成在基板320的所述侧，以部分覆盖第一重掺杂区322_1和第二重掺杂区322_2，其中绝缘层325_1的下方形成具有第一导电类型的沟道区CR1，沟道区CR1的两侧分别与第一重掺杂区322_1和第二重掺杂区322_2接触。举例来说，第一重掺杂区322_1与第二重掺杂区322_2之间的距离(即沟道区CR1的长度)可大于一预定距离，因此，即使沟道区CR1靠近第一重掺杂区322_1/第二重掺杂区322_2的地方没有设置浅沟槽隔离，仍不会(或几乎不会)有热载流子注入效应(hot carrier inject)和栅氧化层漏电的问题。栅极电极层326_1(例如，多晶硅栅)形成在绝缘层325_1上，并耦接到控制端TCN。值得注意的是，第一重掺杂区322_1沿著基板320的所述侧的长度可大于第二重掺杂区322_2沿著基板320的所述侧的长度，使晶体管MP与光电二极管PD可共用第一重掺杂区322_1。
第三重掺杂区322_3、第四重掺杂区322_4、绝缘层325_2、栅极电极层326_2、多个轻掺杂漏区327_1和327_2以及基板320可形成开关Rst。第三重掺杂区322_3及第四重掺杂区322_4分开形成在基板320的所述侧。绝缘层325_2(例如，栅氧化层)形成在基板320的所述侧，以部分覆盖第三重掺杂区322_3及第四重掺杂区322_4。栅极电极层326_2(例如，多晶硅栅)形成在绝缘层325_2上。在此实施例中，绝缘层325_1的下方形成具有第一导电类型的沟道区CR2，其中沟道区CR2的两侧分别与多个轻掺杂漏区327_1和327_2接触。举例来说，沟道区CR2的长度可小于沟道区CR1的长度，因此，可将轻掺杂漏区327_1设置在第三重掺杂区322_3与沟道区CR2之间，以及将轻掺杂漏区327_2设置在第四重掺杂区322_4与沟道区CR2之间，减少/避免热载流子注入效应和栅氧化层漏电的问题。
此外，第五重掺杂区324形成在基板320的所述侧，并可耦接到一参考电压(例如接地电压GND)。多个浅沟槽隔离结构328_1-328_3可用来减少漏电流和/或提供较大的击穿电压，其中浅沟槽隔离结构328_1可设置在第一重掺杂区322_1的一侧，浅沟槽隔离结构328_2可设置在第二重掺杂区322_2与第三重掺杂区322_3之间，以及浅沟槽隔离结构328_3可设置在第四重掺杂区322_4与第五重掺杂区324之间。导线结构329可用来连接第二重掺杂区322_2与第三重掺杂区322_3。
相比于采用4个晶体管的像素结构的指纹传感器，图3所示的结构需要的光罩层数可大幅减少。举例来说(但本公开不限于此)，可利用三层光罩定义绝缘层325_1/325_2、栅极电极层326_1/326_2以及浅沟槽隔离结构328_1/328_2/328_3、利用两层光罩定义不同导电类型的重掺杂区、利用一层光罩定义电阻保护氧化物(resist protection oxide)、利用一层光罩定义接点(contact)、利用三层光罩定义金属层(例如第一层金属层M1和第二层金属层M2)和通路(via)，以及利用一层光罩定义接垫(pad)。也就是说，本公开的像素结构需要的光罩层数(例如，11层)大约是现有采用4个晶体管的像素结构需要的光罩层数的三分之一，故可大幅简化生产工艺的复杂度，并减少生产成本。
请连同图2参阅图4。图4是图2所示的指纹传感像素PX的一部分的另一实施例的结构图。图4所示的结构和图3所示的结构大致相同，两者之间主要的差别在于图4所示的结构是采用具有第二导电类型的阱区422与基板320形成光电二极管PD。阱区422和第一重掺杂区422_1形成在基板320的同一侧，并与第一重掺杂区422_1接触，其中阱区422从基板320的所述侧延伸到另一侧的深度DW大于第一重掺杂区422_1从基板320的所述侧延伸到所述另一侧的深度DN。相比于图3所示的光电二极管结构，图4所示的光电二极管结构可以侦测较宽的波长范围。图4所示的结构需要的光罩层数可以只比图3所示的结构多一层(用于定义阱区422)。也就是说，相比于现有采用4个晶体管的像素结构，图4所示的结构可大幅简化生产工艺的复杂度，并减少生产成本。
以下参考图5和图6说明本公开指纹传感方案的时序控制方式的一个实施方式。首先请参阅图5，图5是图1所示的控制电路110所产生的多个时序控制信号TS1-TS4的一实施例的示意图。在此实施例中，控制电路110可提供共享的帧同步信号VS给多个指纹传感器102_1-102_4，以及分别提供不同的多个水平同步信号HS1-HS4给多个指纹传感器102_1-102_4。各指纹传感器可根据帧同步信号VS和相对应的水平同步信号驱动多行指纹传感像素。也就是说，共享的帧同步信号VS和一个水平同步信号可作为一个时序控制信号的至少一部分(即，一部分或全部)。
此外，控制电路110还可提供共享的像素时钟信号PCLK给多个指纹传感器102_1-102_4，其中各指纹传感器可根据像素时钟信号PCLK输出像素数据(例如，图2所示的行扫描电路205和列扫描电路208可根据像素时钟信号PCLK进行扫描操作，使指纹传感器202输出像素数据)至共用的数据总线DBS。也就是说，帧同步信号VS、水平同步信号HS1和像素时钟信号PCLK可作为时序控制信号TS1的至少一部分；帧同步信号VS、水平同步信号HS2和像素时钟信号PCLK可作为时序控制信号TS2的至少一部分；以此类推。多个水平同步信号HS1-HS4彼此可不相重叠。然而，本公开并不以此为限。
请连同图5参阅图6。图6是图5所示的电路操作涉及的信号时序的一实施例的示意图。于此实施例中，帧同步信号VS可用来通知各指纹传感器准备进行曝光，其中各指纹传感器可先停顿一段默认时间(default time period)之后，再开始进行曝光，其中多个指纹传感器102_1-102_4的曝光时间可相同，但对应于不同的默认时间长度。经过曝光时间之后，各指纹传感器可根据相应的时序控制信号输出模拟传感输出。以指纹传感器102_1为例，指纹传感器102_1可曝光一段时间TE1，并于一段时间TR1输出模拟传感输出AO1。相似地，指纹传感器102_4可曝光一段时间TE4，并于一段时间TR4输出模拟传感输出AO4。
在时间点t0，多个指纹传感器102_1-102_4根据帧同步信号VS准备开始采集一个图像帧的数据。在时间点t1，指纹传感器102_1根据水平同步信号HS1驱动一行指纹传感像素R11以采集指纹图像。相似地，在时间点t2，指纹传感器102_2根据水平同步信号HS2驱动一行指纹传感像素R21；在时间点t3，指纹传感器102_3根据水平同步信号HS3驱动一行指纹传感像素R31；在时间点t4，指纹传感器102_4根据水平同步信号HS4驱动一行指纹传感像素R41。经过一段时间(例如，积分时间)之后，多个指纹传感器102_1-102_4可轮流将各自的模拟传感输出(即多个模拟传感输出AO1-AO4其中的一个)输出至数据总线DBS(时间点t1’-t4’)。
接下来，在时间点t5，指纹传感器102_1根据水平同步信号HS1驱动另一行指纹传感像素R12；在时间点t6，指纹传感器102_2根据水平同步信号HS2驱动另一行指纹传感像素R22；在时间点t7，指纹传感器102_3根据水平同步信号HS3驱动另一行指纹传感像素R32；在时间点t8，指纹传感器102_4根据水平同步信号HS4驱动另一行指纹传感像素R42。经过一段时间(例如，积分时间)之后，多个指纹传感器102_1-102_4可轮流将各自的模拟传感输出(即多个模拟传感输出AO1-AO4其中的一个)输出至数据总线DBS(时间点t5’-t8’)。通过轮流启用多个指纹传感器102_1-102_4各自的像素阵列的一行指纹传感像素，控制电路110可于一个帧周期FP内逐行驱动各像素阵列所具有的多行指纹传感像素，采集一个图像帧的像素数据。
以上所述仅供说明的目的而已，并非用来限制本公开。举例来说，在某些实施例中，控制电路110可分别提供多个的帧同步信号给多个指纹传感器102_1-102_4(即，控制电路110可产生4个帧同步信号)，其中所述多个的帧同步信号其中的一个帧同步信号和相应的一个水平同步信号可作为多个时序控制信号TS1-TS4其中的一个时序控制信号。
本公开的指纹识别机制可简单归纳为图7所示的流程图。图7是本公开的指纹识别方法的一实施例的流程图。假若所得到的结果实质上大致相同，则步骤不一定要按照图7所示的顺序来进行。举例来说，某些步骤可安插于其中。为了方便说明，以下搭配图1所示的指纹识别装置100来说明图7所示的指纹识别方法。然而，将图7所示的控制方法应用于其他具有多个指纹传感器的指纹识别装置也是可行的。图7所示的指纹识别方法可简单归纳如下。
步骤702：于一个帧周期内，启用M个指纹传感器中N个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素，其中M是大于1的正整数，N是小于或等于M的正整数，所述N个指纹传感器中各指纹传感器于启用时采集指纹图像以产生一模拟传感输出。例如，控制电路110可于一个帧周期内轮流启用多个像素阵列104_1-104_4(即，M等于4，且N等于M)，以逐行驱动各像素阵列所具有的多行指纹传感像素。各指纹传感器于启用时可采集指纹图像，以产生一模拟传感输出(即多个模拟传感输出AO1-AO4其中的一个)。
步骤704：根据所述N个指纹传感器分别产生的N个模拟传感输出，产生一指纹图像信号。例如，控制电路110可根据多个指纹传感器102_1-102_4分别产生的多个模拟传感输出AO1-AO4，产生指纹图像信号IMG。
在某些实施例中，于步骤702，当N大于1时，可轮流启用所述N个指纹传感器各自的像素阵列的一行指纹传感像素，以逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。例如，控制电路110可轮流启用多个指纹传感器102_1-102_4各自的像素阵列的一行指纹传感像素，以逐行驱动多个像素阵列104_1-104_4所具有的多行指纹传感像素。
在某些实施例中，于步骤702，可将共享的帧同步信号提供给所述M个指纹传感器，以及将不同的N个水平同步信号分别提供给所述N个指纹传感器，以于所述帧周期内逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。例如，控制电路110可提供共享的帧同步信号(例如图6所示的帧同步信号VS)给多个指纹传感器102_1-102_4，以及分别提供不同的多个水平同步信号(例如图6所示的彼此不相重叠的多个水平同步信号HS1-HS4)给多个指纹传感器102_1-102_4，以于一个帧周期内轮流驱动各像素阵列所具有的多行指纹传感像素。
此外，在某些实施例中，于步骤702，可N个帧同步信号分别提供给所述N个指纹传感器，以及将N个水平同步信号分别提供给所述N个指纹传感器，以于所述帧周期内逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。
于步骤704中，当N大于1时，可轮流将所述N个模拟传感输出转换为一数字传感输出，以及根据所述数字传感输出产生所述指纹图像信号。例如，控制电路110可轮流将多个模拟传感输出AO1-AO4转换为数字传感输出DO，并根据数字传感输出DO进行带通滤波处理，产生指纹传感区域DTA于一个帧周期内所采集的指纹图像信号IMG，供后续指纹识别使用。由于本领域的技术人员通过阅读图1到图6相关的段落说明之后，应可了解图7所示的指纹识别方法中每一步骤的细节，因此进一步的说明在此便不再赘述。
以上所述仅为本公开的实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种指纹识别装置，其特征在于，包括：
M个指纹传感器，其中各指纹传感器包括像素阵列，所述像素阵列具有排列为多行与多列的多个指纹传感像素，M是大于1的正整数；以及
控制电路，外接于所述M个指纹传感器并为所述M个指纹传感器所共享，所述控制电路用以于帧周期内，启用所述M个指纹传感器中N个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素，其中N是小于或等于M的正整数。
2.如权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，当N大于1时，所述控制电路用以在所述帧周期内，轮流启用所述N个指纹传感器各自的像素阵列的一行指纹传感像素。
3.如权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述控制电路用以提供N个时序控制信号给所述N个指纹传感器；所述N个指纹传感器中各指纹传感器根据相应的时序控制信号，驱动相应的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。
4.如权利要求3所述的指纹识别装置，其特征在于，所述控制电路用以提供共享的帧同步信号给所述N个指纹传感器，以及分别提供不同的N个水平同步信号给所述N个指纹传感器；所述共享的帧同步信号和所述N个水平同步信号其中的一个水平同步信号作为所述N个时序控制信号其中的一个时序控制信号。
5.如权利要求3所述的指纹识别装置，其特征在于，所述控制电路用以分别提供N个帧同步信号给所述N个指纹传感器，以及分别提供N个水平同步信号给所述N个指纹传感器；所述N个帧同步信号其中的一个帧同步信号和相应的一个水平同步信号作为所述N个时序控制信号其中的一个时序控制信号。
6.如权利要求4或5所述的指纹识别装置，其特征在于，所述N个水平同步信号彼此不相重叠。
7.如权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述N个指纹传感器中各指纹传感器于启用时采集指纹图像以产生模拟传感输出；所述控制电路包括：
模数转换电路，耦接于所述M个指纹传感器，用以轮流将所述N个指纹传感器分别产生的N个模拟传感输出转换为数字传感输出；以及
图像处理单元，耦接于所述模数转换电路，用以对所述数字传感输出进行带通滤波处理，产生指纹图像信号。
8.如权利要求7所述的指纹识别装置，其特征在于，所述模数转换电路包括：
复用器，具有M个输入端和一个输出端，所述复用器用以轮流将所述M个输入端耦接到所述输出端，其中所述M个输入端中的N个输入端分别用以接收所述N个模拟传感输出；以及
模数转换器，耦接于所述输出端，用以从所述输出端接收所述N个模拟传感输出其中的一个模拟传感输出，以及将所述模拟传感输出转换为所述数字传感输出。
9.如权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述M个指纹传感器沿著预定方向间隔地设置，并在垂直于所述预定方向上交错排列。
10.如权利要求9所述的指纹识别装置，其特征在于，所述预定方向是行方向。
11.如权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹传感器还包括：
多条扫描线，分别与所述像素阵列的所述多行对应设置；以及
多条数据线，分别与所述像素阵列的所述多列对应设置；
所述多个指纹传感像素的各指纹传感像素包括：
光电二极管；以及
晶体管，具有控制端、第一连接端、第二连接端，所述控制端连接到所述指纹传感像素相对应的扫描线，所述第一连接端连接到所述光电二极管，所述第二连接端连接到所述指纹传感像素相对应的数据线。
12.如权利要求11所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹传感像素包括：
具有第一导电类型的基板；
具有第二导电类型的第一重掺杂区及第二重掺杂区，分开形成在所述基板的一侧，所述第一重掺杂区耦接到所述第一连接端，所述第二重掺杂区耦接到所述第二连接端，所述第一重掺杂区沿著所述基板的所述侧的长度大于所述第二重掺杂区沿著所述基板的所述侧的长度；
绝缘层，形成在所述基板的所述侧，以部分覆盖所述第一重掺杂区和所述第二重掺杂区，其中所述绝缘层的下方形成具有所述第一导电类型的沟道区，所述沟道区的两侧分别与所述第一重掺杂区和所述第二重掺杂区接触；以及
栅极电极层，形成在所述绝缘层上，所述栅极电极层耦接到所述控制端；
其中所述栅极电极层、所述绝缘层、所述第一重掺杂区的一部分、所述第二重掺杂区和所述基板形成所述晶体管；所述第一重掺杂区的另一部分和所述基板形成所述光电二极管。
13.如权利要求11所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹传感像素包括：
具有第一导电类型的基板；
具有第二导电类型的第一重掺杂区及第二重掺杂区，分开形成在所述基板的一侧，所述第一重掺杂区耦接到所述第一连接端，所述第二重掺杂区耦接到所述第二连接端；
绝缘层，形成在所述基板的所述侧，以部分覆盖所述第一重掺杂区和所述第二重掺杂区，其中所述绝缘层的下方形成具有所述第一导电类型的沟道区，所述沟道区的两侧分别与所述第一重掺杂区和所述第二重掺杂区接触；
栅极电极层，形成在所述绝缘层上，所述栅极电极层耦接到所述控制端；以及
具有所述第二导电类型的阱区，形成在所述基板的所述侧并与所述第一重掺杂区接触，所述阱区从所述基板的所述侧延伸到另一侧的深度大于所述第一重掺杂区从所述基板的所述侧延伸到所述另一侧的深度；
其中所述栅极电极层、所述绝缘层、所述第一重掺杂区、所述第二重掺杂区和所述基板形成所述晶体管；所述阱区和所述基板形成所述光电二极管。
14.如权利要求12或13所述的指纹识别装置，其特征在于，所述第一导电类型是P型，所述第二导电类型是N型。
15.一种指纹识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
于帧周期内，启用M个指纹传感器中N个指纹传感器各自的像素阵列，以逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素，其中M是大于1的正整数，N是小于或等于M的正整数，所述N个指纹传感器中各指纹传感器于启用时采集指纹图像以产生模拟传感输出；以及
根据所述N个指纹传感器分别产生的N个模拟传感输出，产生指纹图像信号。
16.如权利要求15所述的指纹识别方法，其特征在于，启用所述M个指纹传感器中所述N个指纹传感器各自的像素阵列的步骤包括：
当N大于1时，轮流启用所述N个指纹传感器各自的像素阵列的一行指纹传感像素。
17.如权利要求15所述的指纹识别方法，其特征在于，启用所述M个指纹传感器中所述N个指纹传感器各自的像素阵列的步骤包括：
提供共享的帧同步信号给所述N个指纹传感器，以及分别提供不同的N个水平同步信号给所述N个指纹传感器，以于所述帧周期内逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。
18.如权利要求15所述的指纹识别方法，其特征在于，启用所述M个指纹传感器中所述N个指纹传感器各自的像素阵列的步骤包括：
分别提供N个帧同步信号给所述N个指纹传感器，以及分别提供N个水平同步信号给所述N个指纹传感器，以于所述帧周期内逐行驱动所述N个指纹传感器各自的像素阵列所具有的多行指纹传感像素。
19.如权利要求17或18所述的指纹识别方法，其特征在于，所述N个水平同步信号彼此不相重叠。
20.如权利要求15所述的指纹识别方法，其特征在于，根据所述N个指纹传感器分别产生的所述N个模拟传感输出产生所述指纹图像信号的步骤包括：
当N大于1时，轮流将所述N个模拟传感输出转换为数字传感输出；以及
根据所述数字传感输出产生所述指纹图像信号。
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