CN110738162A - 指纹感测装置及其感测方法 - Google Patents

指纹感测装置及其感测方法 Download PDF

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Abstract

一种指纹感测装置及其感测方法，该指纹感测装置用以感测一使用者的指纹信息。一感测阵列包括设置在多条列线以及多条行线上的多个感测单元，其中每一所述多个感测单元包括一感测电极。一绝缘表面设置于该感测阵列的上方。多个传送电极，用以传送一调制信号。当该使用者将一手指放置在该绝缘表面上且该传送电极所传送的该调制信号耦合于该使用者的该手指时，一读取模块经由该感测单元的该感测电极而得到对应于耦合于该使用者的该手指的该调制信号的一感测电压。一处理器用以根据该感测电压而得到该手指的指纹信息。每一所述多个传送电极平行且设置于相邻两列线或相邻两行线的所述多个感测单元之间，且不重叠于所述多个感测单元。

Description

指纹感测装置及其感测方法
技术领域
本发明有关于一种指纹感测装置，且特别有关于一种能抗干扰的指纹感测装置。
背景技术
近年来，随着生物识别技术逐渐成熟，许多不同的生物特征皆可被用来识别使用者的身分。其中，由于指纹识别技术的识别率及准确率较其它生物特征的识别技术更好，故目前指纹识别的应用层面较广。
指纹识别的技术先感测使用者的指纹图样(pattern)，再提取指纹图样中独特的指纹特征并储存至存储器中。之后，当使用者再次按压或滑刷指纹时，指纹感测器会感测指纹图样并且提取指纹特征，以便与先前所储存的指纹特征进行比对以进行识别。若二者相符，则使用者的身分得以确认。
发明内容
本发明提供一种指纹感测装置，用以感测一手指的指纹信息。该指纹感测装置包括一感测阵列、一绝缘表面、设置于该感测阵列的多个传送电极、一读取模块以及一处理器。该感测阵列包括设置在多条列线(column)以及多条行线(row)上的多个感测单元，其中每一所述多个感测单元包括一感测电极。该绝缘表面设置于该感测阵列的上方。该传送电极系用以传送一调制信号。当该使用者将一手指放置在该绝缘表面上且该传送电极所传送的该调制信号耦合于该使用者的该手指时，该读取模块经由该感测单元的该感测电极而得到对应于耦合于该使用者的该手指的该调制信号的一感测电压。该处理器根据该感测电压得到该手指的指纹信息。每一所述多个传送电极平行且设置于相邻两列线或相邻两行线的所述多个感测单元之间，且不重叠于所述多个感测单元。
再者，本发明提供一种感测方法，适用于一指纹感测装置，其中该指纹感测装置包括一感测阵列以及设置于该感测阵列的上方的一绝缘表面。该感测阵列包括设置在多条列线以及多条行线上的多个感测单元，且每一所述多个感测单元包括一感测电极。经由该指纹感测装置的多个传送电极，传送一调制信号。当一使用者将一手指放置在该绝缘表面上且该传送电极所传送的该调制信号耦合于该使用者的该手指时，经由该感测单元的该感测电极而得到对应于耦合于该使用者的该手指的该调制信号的一感测电压。根据该感测电压，得到该手指的指纹信息。每一所述多个传送电极平行且设置于相邻两列线或相邻两行线的所述多个感测单元之间，且不重叠于所述多个感测单元。
附图说明
图1为显示根据本发明一实施例所述的指纹感测装置；
图2为显示根据本发明一实施例所述的使用图1的指纹感测装置来读取使用者的手指指纹的示意图；
图3为显示根据本发明一实施例所述的感测阵列；
图4为显示使用者的手指接触到图1的指纹感测装置的剖面示意图；
图5为显示根据本发明另一实施例所述的感测阵列；
图6为显示根据本发明另一实施例所述的感测阵列；
图7为显示根据本发明一实施例所述的信号处理单元；以及
图8为显示图7的信号处理单元的信号波形图。
其中，附图标记说明如下：
100～指纹感测装置；
110、200、400、500～感测阵列；
115、210、410、510～感测单元；
120～绝缘表面；
130～信号产生器；
140～读取模块；
145、600～信号处理单元；
150～处理器；
160、220、420A-420C、520A-520D～传送电极；
310～半导体基底；
320～波峰；
330～波谷；
610～放大器；
C1、C2、Ctop、620～电容；
Ctrl～控制信号；
Cm、Cm+1、Cm+2、Cm+3～列线；
Csen～感测电容；
Dsen～感测输出；
ES～感测电极；
GND～接地端；
MT～薄膜晶体管；
Rn、Rn+1、Rn+2～行线；
Sint～积分信号；
STX～传送信号；以及
Vsen～感测电压
具体实施方式
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
当使用者按压或滑刷指纹时，指纹感测器会经由传送电极来提供传送信号至使用者的手指，以便对耦合至手指的传送信号进行检测来感测指纹的波峰(ridge)及波谷(valley)，并且得到相对应于波峰及波谷的不同电容值。接着，利用电荷分布(charge-sharing)的方式，取得相对应于电容值的电压值，并将电压值转换成数字码(digitalcode)，以提供给处理器，进行后续指纹识别的演算与处理。
图1为显示根据本发明一实施例所述的指纹感测装置100。指纹感测装置100包括感测阵列110、绝缘表面120、信号产生器130、读取模块140、处理器150以及传送电极160。感测阵列110系由多个感测单元115以二维方式排列而成，其中绝缘表面120覆盖于感测阵列110的全部感测单元115之上。首先，处理器150会提供控制信号Ctrl至信号产生器130，以便控制信号产生器130来提供高频的传送信号STX至传送电极160。在一实施例中，信号产生器130为信号调制器，而传送信号STX可以是频率调制(frequency modulation，FM)信号或振幅调制(amplitude modulation，AM)信号。在另一实施例中，信号产生器130为脉波产生器，而传送信号STX可以是脉波信号。当信号产生器130提供传送信号STX来驱动传送电极160时，传送电极160会将传送信号STX传送至使用者的手指，而感测阵列110会检测耦合至手指的传送信号STX，而读取模块140可从感测阵列110中得到感测电压Vsen，其中感测电压Vsen由感测阵列110中欲进行感测的感测单元115所提供。读取模块140包括信号处理单元145，用以根据所接收的感测电压Vsen来提供感测输出Dsen至处理器150。在一实施例中，信号处理单元145为滤波器，用以对感测电压Vsen进行滤波，于是读取模块140可根据滤波后的感测电压Vsen来提供感测输出Dsen。举例来说，当指纹感测装置100遇到干扰时，信号处理单元145可对所接收到的感测电压Vsen进行滤波以滤除杂讯，进而增加读取模块140对感测电压Vsen的识别能力。此外，当传送信号STX为频率调制信号或振幅调制信号时，传送信号STX具有较佳的抗干扰能力。在另一实施例中，信号处理单元145为积分器，用以对感测电压Vsen进行积分，于是读取模块140可根据积分后的感测电压Vsen来提供感测输出Dsen。在得到感测单元115的感测输出Dsen之后，处理器150会判断是否有使用者的手指接触绝缘表面120，并进一步得到手指的指纹信息，以便判断出该感测输出Dsen对应于手指的指纹波峰(ridge)或指纹波谷(valley)。于是，处理器150可根据全部感测单元115的感测输出Dsen而得到二阶化(binary)或是灰阶化(gray level)的指纹信息，以供后续程序使用，例如可经由指纹识别演算法来执行指纹识别操作等。
图2为显示根据本发明一实施例所述的使用图1的指纹感测装置100来读取使用者的手指指纹的示意图。在图2中，当手指210接触到指纹感测装置100时，手指210表面的不规则形状指纹波峰220会通过绝缘表面120触压感测单元115。于是，相应于耦合至手指210的传送信号STX(如标号250所显示)，指纹感测装置100可得到对应于指纹波峰220的电容值曲线230，并根据电容值曲线230的形状而辨认出指纹波峰220的形状，以得到指纹图样240。接着，其他电路或装置便可根据指纹图样240来进行后续处理。
图3为显示根据本发明一实施例所述的感测阵列200。在感测阵列200中，每一感测单元210包括薄膜晶体管MT以及感测电容Csen。在图3中，薄膜晶体管MT以二维方式排列而成。在此实施例中，对每一薄膜晶体管MT而言，薄膜晶体管MT的栅极耦接于感测阵列200中所对应的行线(row)，例如Rn、Rn+1、Rn+2。薄膜晶体管MT的一端(例如源极耦接于列线(column)，例如Cm、Cm+1、Cm+2、Cm+3，以及薄膜晶体管MT的另一端(例如漏极)耦接于感测电极ES，其中感测电极ES会在薄膜晶体管MT的另一端以及使用者的手指之间形成感测电容Csen。在感测阵列200中，每一行线可被分别寻址。在图3中，传送电极220由环绕感测阵列200的金属环状物所形成，其中传送电极220可由图1的信号产生器130所提供的传送信号STX所驱动。值得注意的是，从传送电极220发射出来的高频传送信号STX必须先传送至使用者的手指，而感测电极ES则会感测来自使用者手指的传送信号STX。
图4为显示使用者的手指接触到图1的指纹感测装置100的剖面示意图，其中指纹感测装置100的传送电极160由环绕感测阵列110的金属环状物(例如图3的传送电极220)所形成，且传送电极160横向间隔于感测阵列110。在图4中，绝缘表面120设置在半导体基底310的上方。一般而言，绝缘表面120由集成电路制程的最后一道保护介电层所制成。绝缘表面120的厚度为d1，其中绝缘表面120的等效电容C1由厚度d1所决定。标号320表示手指的指纹波峰，其中手指的指纹波峰320会直接接触到绝缘表面120。此外，标号330表示手指的指纹波谷，其中手指的指纹波谷330与绝缘表面120之间的距离为d2，且指纹波谷与绝缘表面120之间的电容C2由距离d2所决定。如先前所描述，感测阵列110由多个感测单元115所形成。每一感测单元115包括感测电极ES与薄膜晶体管MT，其中感测电极ES是由顶层金属层(top metal)所形成的电极，并设置在绝缘表面120的下方。绝缘表面120与感测电极ES之间绝缘层的厚度为d3，其中该绝缘层的等效电容Ctop由厚度d3所决定。因此，当指纹波峰320接触到绝缘表面120时，指纹波峰320与感测电极ES之间会形成感测电容Csen，即感测电容Csen由电容Ctop与电容C1串联所形成。此外，相较于指纹波峰320的感测电容Csen，指纹波谷330与感测电极ES之间的感测电容Csen由电容Ctop、电容C1以及电容C2串联所形成。于是，当手指接触绝缘表面120时，指纹波峰320与指纹波谷330会对应到不同的电容值，其中对应于指纹波谷330的感测电容Csen小于对应于指纹波峰320的感测电容Csen。因此，当薄膜晶体管MT导通时，图1的读取模块140便可经由感测单元的感测电极ES来得到对应于感测电容Csen的感测电压Vsen。此外，在感测单元115中，薄膜晶体管MT形成在感测电极ES的下方。再者，薄膜晶体管MT的栅极、漏极与源极由位于感测电极Es下方的金属层所形成。值得注意的是，感测阵列110的行线与列线设置在远低于感测电极Es，且不会构成耦合于使用者手指的感测电容Csen，因此可减少通过列线或行线的干扰信号的任何影响。
图5为显示根据本发明另一实施例所述的感测阵列400。在感测阵列400中，每一感测单元410包括薄膜晶体管MT以及感测电容Csen。如先前所描述，薄膜晶体管MT以二维方式排列而成，其中每一薄膜晶体管MT的栅极耦接于感测阵列400中所对应的行线。在感测阵列400中，每一行线可被分别寻址。在图5中，多个传送电极420A-420C形成于感测阵列400中，其中每一传送电极设置于相邻两行线之间，即传送电极420A-420C横向间隔设置于感测阵列400。例如，传送电极420A由平行于行线Rn+1的金属层所形成，且设置于对应于行线Rn的感测单元410以及对应于行线Rn+1的感测单元410之间。此外，传送电极420B由平行于行线Rn+2的金属层所形成，且设置于对应于行线Rn+1的感测单元410以及对应于行线Rn+2的感测单元410之间。在此实施例中，传送电极420A-420C可由图1的信号产生器130所提供的传送信号STX分别驱动。
图6为显示根据本发明另一实施例所述的感测阵列500。在感测阵列500中，每一感测单元510包括薄膜晶体管MT以及感测电容Csen。如先前所描述，薄膜晶体管MT以二维方式排列而成，其中每一薄膜晶体管MT的栅极耦接于感测阵列500中所对应的行线，且每一行线可被分别寻址。在图6中，多个传送电极520A-520D形成于感测阵列500中，其中每一传送电极设置于相邻两列线之间，即传送电极520A-520D纵向间隔设置于感测阵列500。例如，传送电极520A由平行于列线Cm+1的金属层所形成，且设置于对应于列线Cm的感测单元510以及对应于列线Cm+1的感测单元510之间。此外，传送电极520B由平行于列线Cm+2的金属层所形成，且设置于对应于列线Cm+1的感测单元510以及对应于列线Cm+2的感测单元510之间。再者，传送电极520C由平行于列线Cm+3的金属层所形成，且设置于对应于列线Cm+2的感测单元510以及对应于列线Cm+3的感测单元510之间。在此实施例中，传送电极520A-520D可由图1的信号产生器130所提供的传送信号STX分别驱动。
图7为显示根据本发明一实施例所述的信号处理单元600。在此实施例中，信号处理单元600为积分器，用以对感测电压Vsen进行积分而产生积分信号Sint，其中信号处理单元600包括放大器610以及电容620。放大器610的反相输入端耦接于欲进行感测的感测单元，用以接收感测电压Vsen。放大器610的非反相输入端耦接于接地端GND。电容620耦接于放大器610的反相输入端以及输出端之间。图8为显示图7的信号处理单元600的信号波形图。同时参考图1与图7-8，在指纹感测装置100中，读取模块140内的信号处理单元145为一积分器(例如图7的信号处理单元600)，而信号产生器130会依序提供多个组传送信号STX来驱动传送电极160，其中每一组传送信号STX可以是调制信号或是脉波信号。在图8中，传送信号STX是频率调制信号。在此实施例中，信号产生器130会依序提供k组传送信号STX来驱动传送电极160。相应于每一组传送信号STX，感测阵列110中欲进行感测的感测单元115会得到对应的感测电压Vsen。接着，图7的信号处理单元600会对感测电压Vsen进行积分而得到积分信号Sint。于是，读取模块140可根据积分信号Sint来提供感测输出Dsen。因此，当指纹感测装置100处在干扰的环境下而感测单元115只能得到较小的感测电压Vsen时，指纹感测装置100可依序传送多组传送信号STX，并对感测电压Vsen进行积分，以增加感测输出Dsen的信号强度。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (12)

1.一种指纹感测装置，用以感测一使用者的指纹信息，包括：
一感测阵列，包括设置在多条列线以及多条行线上的多个感测单元，其中每一所述多个感测单元包括一感测电极；
一绝缘表面，设置于该感测阵列的上方；
多个传送电极，设置于该感测阵列，用以传送一调制信号；
一读取模块，用以当该使用者将一手指放置在该绝缘表面上且该传送电极所传送的该调制信号耦合于该使用者的该手指时，经由该感测单元的该感测电极而得到对应于耦合于该使用者的该手指的该调制信号的一感测电压；以及
一处理器，用以根据该感测电压，得到该手指的指纹信息，
其中每一所述多个传送电极平行且设置于相邻两列线或相邻两行线的所述多个感测单元之间，且不重叠于所述多个感测单元。
2.如权利要求1所述的指纹感测装置，还包括：
一信号调制器，用以提供该调制信号，其中该调制信号为一频率调制信号或一振幅调制信号。
3.如权利要求1所述的指纹感测装置，其中该读取模块包括：
一滤波器，用以对该感测电压进行滤波，以得到耦合于该使用者的该手指的该调制信号的一耦合量，
其中该处理器根据已滤波的该感测电压，而得到该手指的指纹信息。
4.如权利要求1所述的指纹感测装置，其中每一所述多个感测单元还包括一薄膜晶体管，以及该读取模块经由该感测单元的该薄膜晶体管而得到来自该感测电极的该感测电压。
5.如权利要求1所述的指纹感测装置，其中该传送电极依序传送多个组调制信号，而该读取模块读取相应于每一组所述多个调制信号的该感测电压。
6.如权利要求5所述的指纹感测装置，其中该读取模块包括：
一积分器，用以对相应于每一组所述多个调制信号的该感测电压进行积分，以得到一积分信号。
7.一种感测方法，适用于一指纹感测装置，其中该指纹感测装置包括一感测阵列以及设置于该感测阵列的上方的一绝缘表面，以及该感测阵列包括设置在多条列线以及多条行线上的多个感测单元，且每一所述多个感测单元包括一感测电极，该感测方法包括：
经由该指纹感测装置的多个传送电极，传送一调制信号；
当一使用者将一手指放置在该绝缘表面上且该传送电极所传送的该调制信号耦合于该使用者的该手指时，经由该感测单元的该感测电极而得到对应于耦合于该使用者的该手指的该调制信号的一感测电压；以及
根据该感测电压，得到该手指的指纹信息，
其中每一所述多个传送电极平行且设置于相邻两列线或相邻两行线的所述多个感测单元之间，且不重叠于所述多个感测单元。
8.如权利要求7所述的感测方法，其中该调制信号由该指纹感测装置的一信号调制器所提供，其中该调制信号为一频率调制信号或一振幅调制信号。
9.如权利要求7所述的感测方法，其中根据该感测电压，得到该手指的指纹信息的步骤还包括：
通过一滤波器，对该感测电压进行滤波，以得到耦合于该使用者的该手指的该调制信号的一耦合量；以及
根据已滤波的该感测电压，而得到该手指的指纹信息。
10.如权利要求7所述的感测方法，其中每一所述多个感测单元还包括一薄膜晶体管，以及来自该感测电极的该感测电压经由该感测单元的该薄膜晶体管而得到。
11.如权利要求7所述的感测方法，其中经由该传送电极，传送该调制信号的步骤还包括：
经由该传送电极，依序传送多个组调制信号，
其中得到该感测电压的步骤还包括：
经由该感测单元的该感测电极而得到对应于耦合于该使用者的该手指的每一组所述多个调制信号的该感测电压。
12.如权利要求11所述的感测方法，其中根据该感测电压，得到该手指的指纹信息的步骤还包括：
通过一积分器，对相应于每一组所述多个调制信号的该感测电压进行积分，以得到一积分信号；以及
根据该积分信号，而得到该手指的指纹信息。
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