CN110399765A - 指纹感测器及指纹检测方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种指纹感测器及指纹检测方法。该指纹感测器包含一感测板、一电压源、一控制电路以及一第一导电板。感测板响应指纹感测器上的一触碰事件而检测一第一电容。电压源建立一预定电压差于一第一节点与一第二节点之间。控制电路经由第一节点而连接至感测板，且在一充电期间中将与第一电容相关的一第一电容器充电，以及在一放电期间中将第一电容器放电。第一导电板与感测板分离，并且经由第二节点而与电压源耦合。指纹感测器另包含一第二导电板，其电连接于第一导电板与电压源之间并且经由第二节点而连接至电压源。在控制电路的充电期间与放电期间中，感测板与第一导电板以及与第二导电板之间的一电压差维持为预定电压差。

Description

指纹感测器及指纹检测方法
技术领域
本公开涉及指纹采集，且更特别地，本公开涉及一种指纹感测器及使用该指纹感测器的指纹检测方法。
背景技术
现今，诸如IC卡、智能手机与笔记本电脑等移动装置的装置带给我们便利，却同时也带给我们隐私威胁。这些移动装置越普遍，个人安全问题越显得重要。因此，对于使用者认证的需求变得越来越重要。一些生物辨识技术(例如，指纹、手形、虹膜与声纹)已经广泛应用于认证。由于其具有低成本、容易整合与高可靠性的性质，已有许多关于指纹采集的研究报导。可通过电容感测方式进行指纹采集。然而，指纹感测器附近的寄生电容通常会降低灵敏度与输出动态范围。因此，需要具有能够减轻寄生电容影响的指纹感测器。
发明内容
本公开的实施例提供一种指纹感测器。该指纹感测器包含一感测板、一电压源、一控制电路与一第一导电板。该感测板响应该指纹感测器上的一触碰事件而检测第一电容。该电压源建立预定电压差于第一节点与第二节点之间。经由该第一节电而连接至该感测板的该控制电路于充电期间将与该第一电容相关的第一电容器充电，并且于放电期间将该第一电容器放电。与该感测板分离的该第一导电板经由该第二节点而耦合至该电压源。在该控制电路的该充电期间与该放电期间中，该感测板与该第一导电板之间的电压差维持在该预定电压差。
在一实施例中，该指纹感测器另包含一第二导电板，电连接于该第一导电板与该电压源之间，并且经由该第二节点而连接至该电压源。
在另一实施例中，在该控制电路的该充电期间与该放电期间中，该感测板与该第二导电板之间的电压差维持在该预定电压差。
在另一实施例中，该控制电路经配置以响应一控制信号的一第一状态，而于该充电期间中将该第一电容器充电至一第一电压电平，并将该第二电容器放电至一参考电压电平。该控制电路经配置以响应该控制信号的一第二状态，而于该放电期间中造成跨过该第二电容器的一第二电压电平，该第二电压电平(VR)表示为：
其中，VDD、CF与CS分别代表该第一电压电平、该第一电容与该第二电容。
在另一实施例中，该控制电路经配置以响应一控制信号的一第一状态，而于该充电期间中将该第二电容器充电至一第一电压电平，并将该第一电容器放电至一参考电压电平。该控制电路经配置以响应该控制信号的一第二状态，而于该放电期间中造成跨过该第二电容器的一第二电压电平，该第二电压电平(VR)表示为：
其中，VDD、CF与CS分别代表该第一电压电平、该第一电容与该第二电容。
在另一实施例中，该电压源包含一晶体管与一电流槽。该晶体管的栅极经由该第一节点而连接至该控制电路，以及该晶体管的终端经由该第二节点而连接至该电流槽。
在另一实施例中，该电流槽经配置以提供预定大小的电流，并且通过该电流的该预定大小而决定该预定电压差。
在另一实施例中，该电压源包含一晶体管与一电流源。该晶体管的栅极经由该第一节点而连接至该控制电路，以及该晶体管的终端经由该第二节点而连接至该电流源。
在另一实施例中，该电流源经配置以提供预定大小的电流，并且通过该预定大小的该电流而决定该预定电压差。
本公开的实施例提供一种检测指纹的方法。该方法包含提供一感测板，用于响应一触碰事件而检测一第一电容；提供一第一导电板，该第一导电板与该感测板分离；将该感测板经由一第一节点而电连接至一电压源；将该第一导电板经由一第二节点而电连接至该电压源，该电压源经配置以建立一预定电压差于该第一节点与该第二节点之间；以及通过在一充电期间中将与该第一电容相关的一第一电容器以及一第二电容器其中之一充电并且在一放电期间中将该第一电容器与该第二电容器中的另一者放电，而决定该指纹。在该充电期间与该放电期间中，该感测板与该第一导电板之间的一电压差维持为该预定电压差。
上文已相当广泛地概述本公开的技术特征及优点，从而使下文的本公开详细描述得以获得较佳了解。构成本公开的权利要求标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本公开所属技术领域中技术人员应了解，可相当容易地利用下文公开的概念与特定实施例可作为修改或设计其它结构或工艺而实现与本公开相同的目的。本公开所属技术领域中技术人员亦应了解，这类等效建构无法脱离权利要求所界定的本公开的精神和范围。
附图说明
以下附图与说明内容详述本公开的一或多个实施例。由说明内容、附图与权利要求，可更理解本公开的其他特征与优点。在所有附图与说明实施例中，相同的元件符号表示相同的元件。附图将详述例示实施例。
图1为俯视图，例示本公开实施例的指纹感测器。
图2A为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器的感测元件。
图2B为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器的感测元件。
图3为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器的感测元件。
图4为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器的感测元件。
图5为流程图，例示本公开实施例的指纹检测的方法。
附图标记说明：
10 感测元件
11 物体
12 保护层
20 感测元件
21 第一导电板
22 第二导电板
25 感测板
27 电压源
28 控制电路
30 感测元件
36 电流槽
37 电压源
40 感测元件
46 电流源
47 电压源
100 指纹感测器
CF 第一电容
CV11 第一寄生电容电压
CV12 第一寄生电容电压
C11 第一寄生电容
C12 第一寄生电容
C2 第二寄生电容
VDD 第一电压电平
T1～T4 晶体管
T1’～T4’ 晶体管
VA 电压差
P 第一节点
CS 第二电容
S 第二节点
INV 反相器
具体实施方式
为了使本公开容易理解，以下说明提供了详细的步骤与结构。显然，本公开的实施方式不限制该领域的技术人士已知的特定细节。此外，不详述已知的结构与步骤，以免不必要地限制本公开。本公开的优选实施例将详述如下。然而，除了详述的说明内容之外，本公开亦可广泛实施于其他的实施例中。本公开的范围不受限于详述的说明内容，而是由权利要求定义。
再者，可理解当称元件“连接至”或“耦合至”另一元件时，其可直接连接至或耦合至该另一元件，或是可有其他的中间元件存在。
在以下的说明中，当装置为高态动作(active high)时，是使信号具有高逻辑值以启动对应装置。相对地，是使信号具有低逻辑值以关闭该对应装置。当装置为低态动作(active low)时，是使信号具有低逻辑值以启动该装置，以及使信号具有高逻辑值以关闭该装置。
图1为俯视图，例示本公开实施例的指纹感测器100。该指纹感测器100用于与电子装置(未示出)工作，该电子装置例如智能手机、个人电脑以及个人数字助理。
参阅图1，指纹感测器100包含感测元件10的阵列，其受到保护层12的覆盖。每一个感测元件10对应于指纹感测器100的一像素。当在保护层12的表面上敲击或移动时，感测元件10经配置以检测物体11(例如，触控笔或使用者的一或多个手指)的触控事件。
图2A为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器100的感测元件10。参阅图2A，感测元件10包含感测板25、至少一第一导电板21、第二导电板22、电压源27以及控制电路28。
感测板25经配置以响应指纹感测器100上的触碰事件而检测与物体11相关的电容CF。感测板25可包含位于半导体基板(未示出)上的导电板。在指纹采集中，物体11可被视为接地导体。因此，当发生触碰事件时，感测板25与物体11之间存在与电容CF相关的电容器。在本公开中，为了方便，用于电容器的元件符号或标示亦用于其电容，反之亦然。例如，尽管上述的符号“CF”是指图2A中的电容，但符号CF亦代表具有该电容的电容器。再者，图2A中的电容器CF以虚线示出，以表示不具有导电板的电容器的等效电路。
第一导电板21用以遮蔽感测板25免受到感测元件10的感测板25与另一感测元件(未示出)的紧邻的感测板之间的寄生电容影响。在基板上方的相同图案化导电层中，第一导电板21与感测板25相邻。例如，第一导电板21与感测板25是位在金属-4(M4)层中。在本实施例中，感测板25与至少一第一导电板21之间存在至少一第一寄生电容C11与C12。此寄生电容会降低指纹感测器100的灵敏度，因而是不想要的。
第二导电板22亦用以遮蔽感测板25。第二导电板22电连接至第一导电板21且是在不同于第一导电板21的导电层中而与感测板25相邻。例如，第二导电板22是位在感测板25下方的金属-3(M3)层中。在本实施例中，感测板25与第二导电板22之间存在第二寄生电容C2。如同第一寄生电容C11、C12，第二寄生电容C2是不想要的。
电压源27经配置以建立一预定电压差VA于第一节点P与第二节点S之间。电压源27经由第一节点P而电连接至控制电路28，并且经由第二节点S而电连接至第二导电板22且因而与第一导电板21电耦合。在本实施例中，第一节点P与第二节点S分别连接至电压源27的正电压终端(标示为“+”)与负电压终端(标示为“-”)。在其他实施例中，第一节点P与第二节点S可分别连接至电压源27的负电压终端与正电压终端。
控制电路28经由第一节点P而电连接至感测板25且经配置以于充电期间中将电容器CF充电，以及在放电期间中将电容器CF放电。在本实施例中，控制电路28包含第一晶体管T1、第二晶体管T2与第三晶体管T3。再者，第一晶体管T1包含P型晶体管，例如P型金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，PMOS)晶体管。此外，第二晶体管T2与第三晶体管T3各自包含n型晶体管，例如n型金属氧化物半导体(n-type metal-oxide-semiconductor，NMOS)晶体管。
第一晶体管T1的栅极接收第一控制信号φ1。第一晶体管T1的源极接收供应电压VDD。第一晶体管T1的漏极经由第一节点P而连接至电压源27与感测板25。该技艺中具有通常技术者可理解MOS晶体管的漏极与源极终端可依照所施加于其上的电压电平而交换。
第二晶体管T2的栅极亦接收第一控制信号φ1。第二晶体管T2的源极于节点R连接至电容器CS的板。电容器CS作为存储电容器。第二晶体管T2的漏极连接至第一晶体管T1的漏极，因而经由第一节点P而连接至电压源27与感测板25。
第三晶体管T3的栅极接收第二控制信号φ2。第三晶体管T3的源极连接至参考电压电平，例如，接地。第三晶体管T3的漏极连接至第二晶体管T2的源极，因而经由节点R而连接至电容器CS。在本实施例中，第二控制信号φ2与第一控制信号φ1是在相反的时序模式(timing pattern)下进行。据此，当第一控制信号φ1为逻辑1时，第二控制信号φ2为逻辑0，反之亦然。
在操作中，响应第一控制信号φ1的第一状态而启动第一晶体管T1。具体而言，第一状态为低位逻辑，因而φ1等于逻辑0。同时，响应低位逻辑的第一控制信号φ1而关闭第二晶体管T2。由于第一控制信号φ1与第二控制信号φ2彼此互补，因而响应高位逻辑的第二控制信号φ2而开启第三晶体管T3。
由于第二晶体管T2被关闭，电容器CS自第一节点P断开。此外，由于第三晶体管T3被开启，将电容器CS放电至接地。再者，由于第一晶体管T1被开启，第一节点P处的电压电平被拉高至VDD。由于感测板25连接至第一节点P，因而在感测板25的电压电平亦为VDD。因此，感测板25与物体11之间的电压差为VDD，表示为VCF＝VDD。据此，响应第一控制信号φ1的第一状态，将与物体11相关的电容器CF充电至VDD，并且将电容器CS放电至参考电压电平。同时，由于第一节点P与第二节点S之间的预定电压差VA，在第二节点S的电压电平为VDD-VA。由于第一导电板21与第二导电板22连接至第一节点S，因而第一导电板21与第二导电板22各自的电压电平亦为VDD-VA。因此，感测板25与第一导电板21之间的电压差为VA(＝VDD-(VDD-VA))，表示为VC11＝VA以及VC12＝VA。再者，感测板25与第二导电板22之间的电压差为VA(＝VDD-(VDD-VA))，表示为VC2＝VA。
据此，第一控制信号φ1的第一状态引发充电程序。在充电期间中，控制电路28将电容器CF充电，并且通过电压源27的协助，产生跨过电容器C11、C12与C2的等于预定电压差VA的电压。
在充电期间之后，响应第一控制信号φ1的第二状态而关闭第一晶体管T1。具体而言，第二状态为高位逻辑，因而φ1等于逻辑1。同时，响应高位逻辑的第一控制信号φ1而开启第二晶体管T2。此外，响应低位逻辑的第二控制信号φ2而关闭第三晶体管T3。因此，电容器CS经由第二晶体管T2与第一节点P而连接至感应器板25，形成自电容器CF的放电路径。再者，通过电压源27(其于第一节点P与第二节点S之间建立预定电压差VA)的协助，无论在放电程序过程中第一节点P可达到的电压电平如何，VC11、VC12与VC2维持在VA。由于VC11、VC12与VC2在充电与放电期间二者中维持不变，因而在放电期间中，电容器CF于充电期间存储的电荷是在电容器CF与CS之间共享。通过电荷共享的功能，节点R的电压电平(表示为VR)等于第一节点P的电位，可由以下的方程式表示。
VR与指纹感测器100的灵敏度正相关。有鉴于上述方程式，VR与不想要的寄生电容C11、C12与C2无关。有效地减轻或甚至排除寄生电容C11、C12与C2的不利影响。
图2B为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器100的感测元件20。
参阅图2B，感测元件20类似于图2A所示与所述的感测元件10，差别在于例如，添加反相器(inverter)INV。反相器INV的输入接收第一控制信号接收第一控制信号φ1。反相器INV的输出连接至第三晶体管T3的栅极。因此，当第一与第二晶体管T1、T2的栅极接收第一控制信号φ1的第一状态时，第三晶体管T3的栅极接收第一控制信号φ1的第二状态，反之亦然。因此，排除第二控制信号φ2。
图3为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器100的感测元件30。
参阅图3，感测器30类似于图2A所示与所述的感测元件10，差别在于例如，电压源37代替电压源27。电压源37包含第四晶体管T4与电流槽36。第四晶体管T4包含n型晶体管，例如NMOS晶体管。第四晶体管T4的栅极连接至第一节点P，因而连接至感测板25与第一及第二晶体管T1、T2的漏极。第四晶体管T4的漏极接收VDD。第四晶体管T4的源极连接至第二节点S，因而连接至第一与第二导电板21、22。电流槽36连接于第二节点S与接地之间。
在操作中，电流槽36产生固定电流I1。电流I1的大小与(Vgs4-Vt4)2正相关，其中Vgs4代表第四晶体管T4的栅极至源极电压，以及Vt4代表第四晶体管T4的阈值电压。由于Vgs4也是跨过第一节点P与第二节点S的电压，因而第一节点P与第二节点S之间的电压差由电流槽36产生的电流I1的预定大小而决定。电压源37据以于第一节点P与第二节点S之间提供预定电压差Vgs4。
图4为示意图，例示本公开实施例的图1所示的指纹感测器100的感测元件40。
参阅图4，感测器40类似于图2A所示与所述的感测元件10，差别在于例如，控制电路48与电压源47分别代替控制电路28与电压源27。控制电路48经配置以于充电期间中将电容器CS充电，并且于放电期间中将电容器CS放电。在本实施例中，控制电路48包含第一晶体管T1’、第二晶体管T2’与第三晶体管T3’。再者，第一与第三晶体管T1’、T3’各自包含p型晶体管，例如PMOS晶体管，以及第二晶体管T2’包含n型晶体管，例如NMOS晶体管。
第一晶体管T1’的栅极接收第二控制信号φ2。第一晶体管T1’的源极于节点R连接至电容器CS的板。第一晶体管T1’的漏极经由第一节点P连接至感测板25。
第二晶体管T2’的栅极亦接收第二控制信号φ2。第二晶体管T2’的源极接地。第二晶体管T2’的漏极连接至第一晶体管T1’的漏极，因而经由第一节点P而连接至感测板25。
第三晶体管T3’的栅极接收第一控制信号φ1。第三晶体管T3’的源极接收VDD。第三晶体管T3’的漏极连接至第一晶体管T1’的源极，因而经由节点R而连接至电容器CS。同样地，第一控制信号φ1与第二控制信号φ2以相反的时序模式(timing pattern)操作。据此，当第一控制信号φ1为逻辑1时，第二控制信号φ2为逻辑0，反之亦然。
电压源47包含第四晶体管T4’与电流源46。第四晶体管T4’包含p型晶体管，例如PMOS晶体管。第四晶体管T4’的栅极连接至第一节点P，因而连接至感测板25以及第一与第二晶体管T1’、T2’的漏极。第四晶体管T4’的漏极接地。第四晶体管T4’的源极连接至第二节点S，因而连接至第一与第二导电板21、22。电流源46连接于第二节点S与供应电压VDD之间。
电流源46产生固定电流I2。电流I2的大小与(|Vgs4|-|Vt4|)2正相关，其中Vgs4代表第四晶体管T4’的栅极至源极电压，以及Vt4代表第四晶体管T4’的阈值电压。由于Vgs4也是跨过第一节点P与第二节点S的电压，因而第一节点P与第二节点S之间的电压差由电流源46产生的电流I2的预定大小而决定。
在操作中，响应第一控制信号φ1的第一状态(低位逻辑)，而开启第三晶体管T3’。同时，响应第二控制信号φ2的高位逻辑状态，而关闭第一晶体管T1’且开启第二晶体管T2’。由于第一晶体管T1’被关闭，电容器CS自第一节点P断开。再者，由于第三晶体管T3’被开启，电容器CS充电至VDD。再者，由于第二晶体管T2’被开启，第一节点P的电压电平拉低至接地。由于感测板25连接至第一节点P，因而感测板25的电压电平亦为接地电平。同时，由于第一节点P与第二节点S之间的预定电压差VA，第二节点S的电压电平为|Vgs4|(＝|Vgs4|-0)。因此，感测板25与第一及第二导电板21及22中的每一个之间的电压差是|Vgs4|。
在充电期间之后，响应第一控制信号φ1的第二状态(高位逻辑)而关闭第三晶体管T3’。同时，响应第二控制信号φ2的低位逻辑状态而开启第一晶体管T1’且关闭第二晶体管T2’。因此，电容器CS经由第一晶体管T1’与第一节点P而连接至感测板25，形成自电容器CS的放电路径。再者，通过电压源47的协助(于第一节点P与第二节点S之间建立预定电压差VA(＝|Vgs4|))，尽管在放电程序过程中第一节点P可达到的电压电平如何，VC11、VC12与VC2仍维持在VA。由于VC11、VC12与VC2在放电与充电期间二者中维持不变，因而在放电期间中，电容器CS于充电期间存储的电荷是在电容器CF与CS之间共享。通过电荷共享的功能，节点R的电压电平(表示为VR)等于第一节点P的电位，可由以下的方程式表示。
图5为流程图，例示本公开实施例的指纹检测方法。
参阅图5，在操作51中，提供感测板，用于响应指纹感测器上的触碰事件而检测第一电容。
在操作52中，提供与感测板分离的第一导电板。第一导电板可作为遮蔽板。
在操作53中，将感测板经由第一节点而电连接至电压源。
在操作54中，将第一导电板经由第二节点而电连接至该电压源。该电压源经配置以于第一节点与第二节点之间建立预定电压差。在一实施中，第一节点与第二节点的预定电压差为一正值。在另一实施中，第一节点与第二节点的预定电压差为一负值)。
在操作55中，在充电期间中，将与第一电容相关的第一电容器以及第二电容器其中之一充电。第二电容器作为存储电容器。
在操作56中，在充电期间之后，充电期间被充电的第一电容器与第二电容器该其中之一是在放电期间中放电至第一电容器与第二电容器中的另一者。
在操作57中，通过充电与放电而决定指纹。在充电期间与放电期间中，感测板与第一导电板之间的电压差维持为预定电压差。
通过在充电与放电期间二者中，跨过第一导电板与感测板的电压维持不变，可减轻或甚至排除与第一导电板相关的不想要的寄生电容的不利影响。
虽然已详述本公开及其优点，然而应理解可进行各种变化与修饰而不脱离权利要求所定义的本公开的精神与范围。本公开包含该等修饰与变化，并且仅由以下的权利要求限制。

Claims (9)

1.一种指纹感测器，包括：
一感测板，经配置以响应该指纹感测器上的一触碰事件而检测第一电容；
一电压源，经配置以建立一预定电压差于一第一节点与一第二节点之间；
一第二电容器，具有一第二电容；
一控制电路，经由该第一节点而连接至该感测板，该控制电路经配置以于一充电期间中将与该第一电容相关的一第一电容器以及该第二电容器其中之一充电，并且在一放电期间中将该第一电容器与该第二电容器中的另一者放电；以及
一第一导电板，其与该感测板分离，该第一导电板经由该第二节点而与该电压源耦合，
其中在该控制电路的该充电期间与该放电期间中，该感测板与该第一导电板之间的一电压差维持为该预定电压差。
2.如权利要求1所述的指纹感测器，另包括一第二导电板，其电连接于该第一导电板与该电压源之间并且经由该第二节点而连接至该电压源。
3.如权利要求2所述的指纹感测器，其中在该控制电路的该充电期间与该放电期间中，该感测板与该第二导电板之间的一电压差维持为该预定电压差。
4.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该控制电路经配置以响应一控制信号的一第一状态而在该充电期间中将该第一电容器充电至一第一电压电平，并将该第二电容器放电至一参考电压电平，且其中该控制电路经配置以响应该控制信号的一第二状态而在该放电期间中造成跨过该第二电容器的一第二电压电平，该第二电压电平(VR)经表示为：
其中VDD、CF与CS分别代表该第一电压电平、该第一电容与该第二电容。
5.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该控制电路经配置以响应一控制信号的一第一状态而在该充电期间中将该第二电容器充电至一第一电压电平，并将该第一电容器放电至一参考电压电平，且其中该控制电路经配置以响应该控制信号的一第二状态而在该放电期间中造成跨过该第二电容器的一第二电压电平，该第二电压电平(VR)经表示为：
其中VDD、CF与CS分别代表该第一电压电平、该第一电容与该第二电容。
6.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该电压源包含一晶体管与一电流槽，该晶体管的一栅极经由该第一节点而连接至该控制电路，以及该晶体管的一终端经由该第二节点而连接至该电流槽。
7.如权利要求6所述的指纹感测器，其中该电流槽经配置以提供一预定大小的一电流，以及通过该预定大小的该电流而决定该预定电压差。
8.如权利要求1所述的指纹感测器，其中该电压源包含一晶体管与一电流源，该晶体管的一栅极经由该第一节点而连接至该控制电路，以及该晶体管的一终端经由该第二节点而连接至该电流源。
9.如权利要求8所述的指纹感测器，其中该电流源经配置以提供一预定大小的一电流，以及通过该预定大小的该电流而决定该预定电压差。
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