CN111274983A - 指纹识别电路、装置和驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种指纹识别电路、装置和驱动方法。该指纹识别电路中，检测单元配置为将接收电极输出的电压信号的峰值保存在采样节点以作为感测电压；信号输出单元配置为根据感测电压向输出节点输出感测电流，感测电流为基准电流与信号电流之和；恒流源模块配置为从输出节点接收基准电流，流经恒流源模块的电流值恒定为基准电流的电流值；输出节点配置为向外界的电流读取电路输出信号电流。提高指纹识别的精度。
Description
技术领域
本公开涉及指纹识别技术领域，更具体地，涉及一种指纹识别电路、一种指纹识别装置和一种指纹识别电路的驱动方法。
背景技术
现有的超声波指纹识别电路的工作原理是由上电极和下电极(其中一者也称为发射电极，另一种称为接收电极)中间夹住压电材料层，通过在上电极和下电极之间施加交流信号造成压电材料层的膨胀与收缩而产生机械振动，进而发出超声波。超声波射向指纹后，指纹的峰和脊所在位置处反射回的超声波的强度是不一样的，进而造成上电极和下电极之间的电压差的不同。通常的做法是对这个电压差进行放大，然后测量放大后的电压差，从而能够推算手指的纹路。
超声波指纹识别装置中通常设置多个像素电路，每个像素电路能够获得一个点位置处的电压差。由于不同像素电路得到的电压差差异较大，且电压差数值较大，允许的放大倍数有限，限制了指纹识别的精度。
发明内容
本公开提供一种指纹识别电路、一种指纹识别装置和一种指纹识别电路的驱动方法，以至少部分解决现有技术中存在的技术问题。
本公开第一方面提供一种指纹识别电路，包括识别模块和恒流源模块，所述识别模块包括依次叠置的发射电极、压电层和接收电极，所述识别模块还包括检测单元和信号输出单元，所述接收电极、所述检测单元和所述信号输出单元连接于采样节点，所述信号输出单元和所述恒流源模块连接于输出节点；所述检测单元配置为将所述接收电极输出的电压信号的峰值保存在所述采样节点以作为感测电压；所述信号输出单元配置为根据所述感测电压向所述输出节点流入感测电流；所述恒流源模块配置为从所述输出节点流出基准电流，流经所述恒流源模块的电流值恒定为所述基准电流的电流值；所述输出节点配置为向外界的电流读取电路输出信号电流，所述信号电流为所述感测电流与所述基准电流的差。
在一些实施例中，所述检测单元包括降噪子单元和复位子单元；所述降噪子单元连接第一偏压端和所述采样节点，配置为根据所述第一偏压端提供的第一偏置电压初始设定所述采样节点的电压并保存所述采样节点的峰值电压；所述复位子单元连接第二偏压端、复位控制端和所述采样节点，配置为响应于所述复位控制端的控制将所述第二偏压端提供的第二偏置电压提供至所述采样节点。
在一些实施例中，所述降噪子单元包括降噪二极管，所述降噪二极管的第一极连接所述第一偏压端，所述降噪二极管的第二极连接所述采样节点；所述复位子单元包括复位晶体管，所述复位晶体管的控制极连接所述复位控制端，所述复位晶体管的第一极连接所述第二偏压端,所述复位晶体管的第二极连接所述采样节点。
在一些实施例中，所述信号输出单元包括检测子单元和开关子单元；所述检测子单元连接所述采样节点、第一电源端和中间节点，配置为根据所述采样节点的感测电压向所述中间节点输出所述感测电流；所述开关子单元连接检测控制端、所述中间节点和所述输出节点，配置为响应于所述检测控制端的信号控制所述中间节点与所述输出节点之间的通断。
在一些实施例中，所述检测子单元包括检测晶体管，所述检测晶体管的控制极连接所述采样节点，所述检测晶体管的第一极连接所述第一电源端VDD，所述检测晶体管的第二极连接所述中间节点；所述开关子单元包括开关晶体管，所述开关晶体管的控制极连接所述检测控制端，所述开关晶体管的第一极连接所述中间节点，所述开关晶体管的第二极连接所述输出节点。
在一些实施例中，所述恒流源模块包括恒流晶体管，所述恒流晶体管的控制极连接偏置电压端，所述恒流晶体管的第一极连接第二电源端，所述恒流晶体管的第二极连接所述输出节点；或者所述恒流源模块包括电流镜子电路。
本公开第二方面提供一种指纹识别装置，包括本公开第一方面的指纹识别电路。
在一些实施例中，所述识别模块为多个且呈阵列式分布，其中，同一恒流源模块连接同一列识别模块；或者所述恒流源模块与所述识别模块一一对应地连接，或者同一恒流源模块通过多路选择器连接多列识别模块，所述多路选择器的每一个输出通道连接一列识别模块。
在一些实施例中，还包括电流读取电路，所述电流读取电路连接所述输出节点，配置为读取所述信号电流。
在一些实施例中，所述电流读取电路包括电流电压转换模块、电压放大模块和模数转换模块，所述电流电压转换模块配置为将所述信号电流转换为信号电压，所述电压放大模块配置为放大所述信号电压，所述模数转换模块配置为将放大后的信号电压转换为数字量。
本公开第三方面提供一种指纹识别电路的驱动方法，应用于第一方面的指纹识别电路，所述驱动方法包括在一个识别周期中，在发射阶段，向所述发射电极提供交流电压信号，通过所述检测单元将所述采样节点的电压设置为固定电压；在采样阶段，向所述发射电极提供固定电压，通过所述检测单元将所述接收电极输出的电压信号的峰值保存在所述采样节点以作为感测电压；在读取阶段，向所述发射电极提供的固定电压保持不变，通过所述信号输出单元根据所述感测电压向所述输出节点输出感测电流。
在一些实施例中，在任意相邻两次识别周期中，前一识别周期向所述发射电极提供交流信号的起始时刻为第一时刻，前一识别周期所述采样阶段的采样时刻为第二时刻，后一识别周期向所述发射电极提供交流信号的起始时刻为第三时刻，后一识别周期所述采样阶段的采样时刻为第四时刻，所述第二时刻与所述第一时刻的时间差为第一时长，所述第四时刻与所述第三时刻的时间差为第二时长，所述第一时长与所述第二时长一者为所述无响应时刻，另一种为响应值最大时刻，所述无响应时刻为所述发射模块发出的超声波经指纹反射后所产生的感测电压等于无指纹按压时所述发射模块发出的超声波经检测界面反射后所产生的感测电压的时刻，所述响应值最大时刻为所述发射模块发出的超声波经指纹反射后所产生的感测电压最大的时刻。
附图说明
图1是本公开的实施例的指纹识别电路的电路图。
图2是本公开的实施例的指纹识别装置的电路图。
图3是本公开的实施例的指纹识别装置的电路图。
图4是本公开的实施例的指纹识别装置的电路图。
图5是本公开的实施例的指纹识别电路的驱动方法的流程图。
图6是本公开的实施例的指纹识别电路的驱动方法的时序图。
图7是本公开的实施例的指纹识别电路的驱动方法的指纹膜信号图。
图8是本公开的实施例的指纹识别电路的驱动方法的时序图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参考图1，本公开的实施例提供一种指纹识别电路，包括识别模块1和恒流源模块2。
识别模块1包括依次叠置的发射电极Tx、压电层P和接收电极Rx。压电层P的材料例如是聚偏氟乙烯(PVDF)、氮化铝(AlN)、锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)、氧化锌(ZnO)等。在实际的应用场景中，通常发射电极Tx连为一体，压电层P连为一体，接收电极Rx分为多块，每一块形成指纹识别的一个像素。
识别模块1还包括检测单元11和信号输出单元12，接收电极Rx、检测单元11和信号输出单元12连接于采样节点N1，信号输出单元12和恒流源模块2连接于输出节点N2；检测单元11配置为将接收电极Rx输出的电压信号的峰值保存在采样节点N1以作为感测电压；信号输出单元12配置为根据感测电压向输出节点N2流入感测电流(标注为I1+I2)；恒流源模块2配置为从输出节点N2流出基准电流(标注为I1)，流经恒流源模块2的电流值恒定为基准电流的电流值；输出节点N2配置为向外界的电流读取电路3输出信号电流(标注为I2)，信号电流为感测电流与基准电流的差。
检测单元11检测返回的声波使得采样节点N1所能达到的电压的峰值作为感测电压，信号输出单元12则将该感测电压转换为一个电流信号。信号输出单元12、恒流源模块2和外界的电流读取电路3连接于输出节点N2，流入输出节点N2和流出输出节点N2的总电流应当是相等的。流入输出节点N2的电流为感测电流，经恒流源模块2流出输出节点N2的电流为基准电流，自然从输出节点N2流向外界的电流检测电路3的电流为二者之差。
本公开的技术方案是将超声波信号最终转换为电流信号，并将较大的电流信号减去一个幅度后得到一个较小的电流信号，由外界的电流检测电路3去检测这个较小的电流信号。由于信号的幅值相对较小，不同像素电路输出的电流信号的幅值均较小，那么外界的电流检测电路3在进行信号放大时，允许的放大倍数也就较大，从而有利于提高指纹识别的精度。
在一些实施例中，参考图1-图4，检测单元11包括降噪子单元111和复位子单元112；降噪子单元111连接第一偏压端P1和采样节点N1，配置为根据第一偏压端P1提供的第一偏置电压初始设定所述采样节点N1的电压并保存采样节点N1的峰值电压；复位子单元112连接第二偏压端P3、复位控制端P2和采样节点N1，配置为响应于复位控制端P2的控制将第二偏压端P3提供的第二偏置电压提供至采样节点N1。
实际应用中，复位子单元112将接收电极Rx的电压设定为固定值，外界的驱动电路向发射电极Tx提供交流信号，从而发射超声波。在接收超声波信号时，降噪子单元111记录接收电极Rx上的电压的峰值。
具体地，降噪子单元111包括降噪二极管D，降噪二极管D的第一极连接第一偏压端P1，降噪二极管D的第二极连接采样节点N1；复位子单元112包括复位晶体管T2，复位晶体管T2的控制极连接复位控制端P2，复位晶体管T2的第一极连接第二偏压端P3,复位晶体管T2的第二极连接采样节点N1。
在一些实施例中，参考图1-图4，信号输出单元12包括检测子单元121和开关子单元122；检测子单元121连接采样节点N1、第一电源端VDD和中间节点N3，配置为根据采样节点N1的感测电压向中间节点N3输出感测电流；开关子单元122连接检测控制端、中间节点N3和输出节点N2，配置为响应于检测控制端的信号控制中间节点N3与输出节点N2之间的通断。
即检测子单元121将采样节点N1的电压转换为电流信号，开关子单元122控制从检测子单元121到输出节点N2之间电流通路的通断。
具体地，检测子单元121包括检测晶体管T1，检测晶体管T1的控制极连接采样节点N1，检测晶体管T1的第一极连接第一电源端VDD，检测晶体管T1的第二极连接中间节点N3；开关子单元122包括开关晶体管T3，开关晶体管T3的控制极连接检测控制端，开关晶体管T3的第一极连接中间节点N3，开关晶体管T3的第二极连接输出节点N2。
在一些实施例中，参考图2恒流源模块2包括恒流晶体管T4，恒流晶体管T4的控制极连接偏置电压端P4，恒流晶体管T4的第一极连接第二电源端VSS，恒流晶体管T4的第二极连接输出节点N2；或者参考图3和图4恒流源模块2包括电流镜子电路。
采用可通过调整恒流晶体管T4的控制极电压来控制恒流晶体管T4产生恒定电流的大小。恒流晶体管T4需要工作在饱和区。如此这是，上述的基准电流的电流值可以灵活进行调整。
如采用电流镜电路产生恒定电流，则电流的精度更高，但相应地电路更加复杂，占用的布局空间更大。图4所示电流镜子电路(由晶体管T7-T10参与形成)的精度比图3所示电流镜子电路(由晶体管T5和T6参与形成)的精度更高。
可将上述指纹识别电路应用于指纹识别装置中。本公开的实施例还提供一种指纹识别装置，包括上述的指纹识别电路。
该指纹识别装置具体例如是具有指纹识别功能的显示面板、具有指纹识别功能的电子产品(例如是手机、平板电脑)等任意具有指纹识别功能的产品或部件。
在一些实施例中，识别模块1为多个且呈阵列式分布，其中，同一恒流源模块2连接同一列识别模块1；或者恒流源模块2与识别模块1一一对应地连接，或者同一恒流源模块2通过多路选择器(MUX，未示出)连接多列识别模块1，多路选择器的每一个输出通道连接一列识别模块1。
即可以为每一个识别模块1配备一个恒流源模块2(如图1所示)，也可以为每一列识别模块1配备一个恒流源模块2(如图2-图4所示所示)。当然，也可以多列识别模块1共用一个恒流源模块2。
以集成有指纹识别功能的显示面板为例，恒流源模块2可以集成在显示面板中，也可以是集成驱动芯片中。
在一些实施例中，还包括电流读取电路3，电流读取电路3连接输出节点N2，配置为读取信号电流。
在一些实施例中，参考图3，电流读取电路3包括电流电压转换模块31、电压放大模块32和模数转换模块33，电流电压转换模块31配置为将信号电流转换为信号电压，电压放大模块32配置为放大信号电压，模数转换模块33配置为将放大后的信号电压转换为数字量。
由于电流电压转换模块31所接收到的电流值被减去了一个基准电流，电流电压转换模块31所接收到的电流值的绝对值是比较小的直流信号，从而后面的电压放大模块32可以进行较大倍数的放大。
本公开的实施例还提供一种指纹识别电路的驱动方法，应用于上述的指纹识别电路。参考图5，该驱动方法包括在一个识别周期中的如下阶段。
在发射阶段S1，向发射电极Tx提供交流电压信号，通过检测单元11将采样节点N1的电压设置为固定电压。如此进行超声波的发送。
在采样阶段S2，向发射电极Tx提供固定电压，通过检测单元11将接收电极Rx输出的电压信号的峰值保存在采样节点N1以作为感测电压。如此进行超声波的接收。
在读取阶段S3，向发射电极Tx提供的固定电压保持不变，通过信号输出单元12根据感测电压向输出节点N2输出感测电流。如此，从输出节点N2向外界的电流检测电路3提供一个较小的电流值供检测。
以下结合图6和图1对一个实施例中的详细的驱动过程进行说明。图1中的晶体管均为N型晶体管，对应的控制极的有效电压为高电平电压。
在发射阶段S1，向发射电极Tx提供交流电压信号，向复位控制端P2提供有效电压以使复位晶体管T2导通，向第二偏压端P3(图6中未示出)提供固定的第二偏置电压。从而接收电极Rx的电压被固定为第二偏置电压，发射电极Tx与接收电极Rx之间的电压差呈交流变化，引动压电层P振动发声。
在接收阶段S2，向发射电极Tx提供固定电压，超声波经指纹反射回后会引起接收电极Rx上电压的变化，在该阶段，第一偏压端P1通过偏置二极管设置采样节点N1的电压。容易理解，如果没有超声波刺激压电层P，则采样节点N1的电压固定为该第一偏置电压减去偏置二极管的阈值电压。如果超声波引起压电层P的振动从而产生指纹膜信号，那么采样节点N1的电压会保持为指纹膜信号波动过程中的峰值电压。
在接收阶段S2中，第一偏压端P1提供的第一偏置电压的时长决定了采样的时长。容易理解，如果第一偏置电压维持的时间足够长，则能保证采样得到指纹膜信号的峰值。而如果第一偏置电压维持的时间足够短，则能精确控制对指纹膜信号的某一时间点进行采样。
在读取阶段S3，待采样节点N1的电压达到稳定后，向检测控制端提供有效电压，从而使开关晶体管T3导通，检测晶体管T1向输出节点N2输出感测电流。感测电流减去基准电流之后得到的信号电流流入外界的电流检测电路3。
在一些实施例中，参考图7和图8，在任意相邻两次识别周期中，前一识别周期向发射电极Tx提供交流信号的起始时刻为第一时刻，前一识别周期采样阶段的采样时刻为第二时刻，后一识别周期向发射电极Tx提供交流信号的起始时刻为第三时刻，后一识别周期采样阶段的采样时刻为第四时刻，第二时刻与第一时刻的时间差为第一时长，第四时刻与第三时刻的时间差为第二时长，第一时长与第二时长一者为无响应时刻，另一种为响应值最大时刻，无响应时刻为发射模块发出的超声波经指纹反射后所产生的感测电压等于无指纹按压时发射模块发出的超声波经检测界面反射后所产生的感测电压的时刻，响应值最大时刻为发射模块发出的超声波经指纹反射后所产生的感测电压最大的时刻。
图7中横坐标的0时刻表示超声波发送的起始时刻，第370ns时刻超声波开始引起接收电极Rx和发射电极Tx之间产生电压差，在大约390ns时刻接收电极Rx和发射电极Tx之间产生电压差达到最大，在大约420ns时刻接收电极Rx和发射电极Tx之间的电压差约为0。如采样阶段实际进行采样的时长足够短，且前后两次采样分别是在第390ns时刻进行采样和在第420ns时刻进行采样，那么前后两次采样得到的信号的差最大，从而得到的指纹的有效信息也是最清晰的。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种指纹识别电路，其特征在于，包括识别模块和恒流源模块，所述识别模块包括依次叠置的发射电极、压电层和接收电极，所述识别模块还包括检测单元和信号输出单元，所述接收电极、所述检测单元和所述信号输出单元连接于采样节点，所述信号输出单元和所述恒流源模块连接于输出节点；
所述检测单元配置为将所述接收电极输出的电压信号的峰值保存在所述采样节点以作为感测电压；
所述信号输出单元配置为根据所述感测电压向所述输出节点流入感测电流；
所述恒流源模块配置为从所述输出节点流出基准电流，流经所述恒流源模块的电流值恒定为所述基准电流的电流值；
所述输出节点配置为向外界的电流读取电路输出信号电流，所述信号电流为所述感测电流与所述基准电流的差。
2.根据权利要求1所述的指纹识别电路，其特征在于，所述检测单元包括降噪子单元和复位子单元；所述降噪子单元连接第一偏压端和所述采样节点，配置为根据所述第一偏压端提供的第一偏置电压初始设定所述采样节点的电压并保存所述采样节点的峰值电压；所述复位子单元连接第二偏压端、复位控制端和所述采样节点，配置为响应于所述复位控制端的控制将所述第二偏压端提供的第二偏置电压提供至所述采样节点。
3.根据权利要求2所述的指纹识别电路，其特征在于，所述降噪子单元包括降噪二极管，所述降噪二极管的第一极连接所述第一偏压端，所述降噪二极管的第二极连接所述采样节点；所述复位子单元包括复位晶体管，所述复位晶体管的控制极连接所述复位控制端，所述复位晶体管的第一极连接所述第二偏压端,所述复位晶体管的第二极连接所述采样节点。
4.根据权利要求1所述的指纹识别电路，其特征在于，所述信号输出单元包括检测子单元和开关子单元；所述检测子单元连接所述采样节点、第一电源端和中间节点，配置为根据所述采样节点的感测电压向所述中间节点输出所述感测电流；所述开关子单元连接检测控制端、所述中间节点和所述输出节点，配置为响应于所述检测控制端的信号控制所述中间节点与所述输出节点之间的通断。
5.根据权利要求4所述的指纹识别电路，其特征在于，所述检测子单元包括检测晶体管，所述检测晶体管的控制极连接所述采样节点，所述检测晶体管的第一极连接所述第一电源端，所述检测晶体管的第二极连接所述中间节点；所述开关子单元包括开关晶体管，所述开关晶体管的控制极连接所述检测控制端，所述开关晶体管的第一极连接所述中间节点，所述开关晶体管的第二极连接所述输出节点。
6.根据权利要求1所述的指纹识别电路，其特征在于，所述恒流源模块包括恒流晶体管，所述恒流晶体管的控制极连接偏置电压端，所述恒流晶体管的第一极连接第二电源端，所述恒流晶体管的第二极连接所述输出节点；或者
所述恒流源模块包括电流镜子电路。
7.一种指纹识别装置，其特征在于，包括根据权利要求1-6任意一项所述的指纹识别电路。
8.根据权利要求7所述的指纹识别装置，其特征在于，所述识别模块为多个且呈阵列式分布，其中，同一恒流源模块连接同一列识别模块；或者所述恒流源模块与所述识别模块一一对应地连接，或者同一恒流源模块通过多路选择器连接多列识别模块，所述多路选择器的每一个输出通道连接一列识别模块。
9.根据权利要求7所述的指纹识别装置，其特征在于，还包括电流读取电路，所述电流读取电路连接所述输出节点，配置为读取所述信号电流。
10.根据权利要求9所述的指纹识别装置，其特征在于，所述电流读取电路包括电流电压转换模块、电压放大模块和模数转换模块，所述电流电压转换模块配置为将所述信号电流转换为信号电压，所述电压放大模块配置为放大所述信号电压，所述模数转换模块配置为将放大后的信号电压转换为数字量。
11.一种指纹识别电路的驱动方法，其特征在于，应用于根据权利要求1-6任意一项所述的指纹识别电路，所述驱动方法包括在一个识别周期中，
在发射阶段，向所述发射电极提供交流电压信号，通过所述检测单元将所述采样节点的电压设置为固定电压；
在采样阶段，向所述发射电极提供固定电压，通过所述检测单元将所述接收电极输出的电压信号的峰值保存在所述采样节点以作为感测电压；
在读取阶段，向所述发射电极提供的固定电压保持不变，通过所述信号输出单元根据所述感测电压向所述输出节点输出感测电流。
12.根据权利要求11所述的驱动方法，其特征在于，在任意相邻两次识别周期中，前一识别周期向所述发射电极提供交流信号的起始时刻为第一时刻，前一识别周期所述采样阶段的采样时刻为第二时刻，后一识别周期向所述发射电极提供交流信号的起始时刻为第三时刻，后一识别周期所述采样阶段的采样时刻为第四时刻，所述第二时刻与所述第一时刻的时间差为第一时长，所述第四时刻与所述第三时刻的时间差为第二时长，所述第一时长与所述第二时长一者为所述无响应时刻，另一种为响应值最大时刻，所述无响应时刻为所述发射模块发出的超声波经指纹反射后所产生的感测电压等于无指纹按压时所述发射模块发出的超声波经检测界面反射后所产生的感测电压的时刻，所述响应值最大时刻为所述发射模块发出的超声波经指纹反射后所产生的感测电压最大的时刻。
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