CN111353406B - 一种无激励信号无boost芯片的指纹传感器采集单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无激励信号无BOOST芯片的指纹传感器采集单元，应用于集成电路领域，为了解决现有技术采用BOOST芯片以后，外围电路比较复杂，成本也增加了不少，给备货也带来一定的不利影响的问题；本发明通过缩小Cfb结构的物理和电路实现方式，消除Cfb过小带来的影响的，实现了无需BOOST电压和外围芯片的指纹采集。

Description

一种无激励信号无BOOST芯片的指纹传感器采集单元
技术领域
本发明属于集成电路领域，特别涉及一种在指纹传感器采集传感器中的采集单元电路。
背景技术
随着指纹技术的普及，指纹逐渐从有激励信号采集原理过渡到无激励信号采集原理。现在普通的无环原来有两种，一种是被动式指纹采集，无需BOOST芯片，第二种是采用BOOST芯片。被动式芯片穿透力比较弱，ESD很难达到业界标准，采用BOOST芯片的可以穿透比较厚的封装，ESD可以达到业界标准。在采用BOOST芯片以后，外围电路比较复杂，成本也增加了不少，给备货也带来一定的不利影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种无激励信号无BOOST芯片的指纹传感器采集单元。
本发明采用的技术方案为：一种指纹采集单元结构，包括：两层金属极板，记为第一层金属极板、第二层金属极板；所述第一层金属极板分为三部分，记为第一部分、第二部分、第三部分；
第一部分大小占整个第一层金属极板的90％以上；
第二层金属极板与第二部分之间形成反馈电容Cfb；第二层金属极板与第一部分之间形成耦合电容Cc；第二层金属极板与第三部分之间形成校正电容Ccal。
第二部大小与第三部分大小比例在1:1到1:8之间。
反馈电容Cfb值为1f、0.5f或0.2f数量级。
本发明采用的另一技术方案为：基于上述指纹采集单元结构的指纹采集电路，还包括：运算放大器、第一开关、第二开关、第三开关；当手指接触两层金属极板时，手指通过人体等效电阻接地，所述两层金属极板接入运算放大器负输入端，校正电容Ccal第一端与第一开关连接，所述第一开关为开关组，按照时序给校正电容Ccal添加电压，校正电容Ccal第二端接运算放大器负输入端；第一开关为开关组，通过第一开关给运算放大器正输入端按照时序添加电压；所述运算放大器负输入端与正输入端之间接耦合电容Cc；所述运算放大器负输入端与输出之间接反馈电容Cfb；所述运算放大器负输入端与输出之间还接第三开关；
运算放大器还包括接电源AVDD，运算放大器接地端接AVSS。
所述手指与两层金属极板之间还包括电容Cf。
所述电容Cf值为10f-0.01f。
本发明的有益效果：本发明提供的一种指纹采集单元结构，通过缩小Cfb结构的物理和电路实现方式，消除Cfb过小带来的影响的，M1_2和M1_3占M1整个面积的不到10％。M1_2的面积和M1_3的面积在1:1到1:8之间，所以由M1_2与M2形成的Cfb的电容比现有的Cfb小很多，本发明的Cfb设定值在1f、0.5f甚至0.2f这个数量级，这个数量级的电容，使得Cf/Cfb的值就比较大，在60um封装图层的时候，比值为20，所以可以做更厚的，在200um图层的时候接近Cf/Cfb的最大比值1.2；这个比值和现有技术中加了12V BOOST电压的结果近似；所以采用本发明的指纹采集单元结构不需要BOOST电压，也就不需要BOOST芯片；本发明的指纹传感器采集单元不仅电路简单，并且成本相对于现有技术更低。
附图说明
图1为现有的传感器采集单元的结构图；
其中，图1(a)为剖面图，图1(b)为俯视图；
图2为现有的BOOST地方案的无环采集单元原理图；
图3为本发明的传感器采集单元的结构图；
其中，图3(a)为剖面图，图3(b)为俯视图；
图4为本发明的BOOST地方案的无环采集单元原理图；
附图说明：10为M3，11为Ccal，12为M2_1，13为电容Cfb，14为M2_2，20为手指，21为电阻R0，22为电容Ccal，23为开关组S1，24为Cc，25为运算放大器AMP0，26为输出信号Vout，27为AVDD，28为复位开关S3，29为电容Cfb，31为M1_1，32为M2，33为M1_2，34为M1_3，35为电容Cfb，36为电容Cc，37为电容Ccal，40为手指，41为电阻R0，42为电容Cf，43为电容Ccal，44为电容Cfb，45为开关组S1，46为开关组S0，47为开关S3，48为运算放大器AMP1，49为电容Cc。
具体实施方式
图1是现在常规的指纹采集单元的结构图。在图1中，其中，图1(a)为剖面图，图1(b)为俯视图；M3代表Metal 3，M2_1与M2_2代表第二层金属，M2_1与M2_2中间有间隙，Ccal表示M3和M2_1形成的电容，Cfb表示M3和M2_2形成的电容，在无环采集原理中M2_1和M2_2组合而成的极板大小不能小于M3极板的大小。一般的，在500dpi的情况下，Ccal和Cfb的大小之和为约为80f，Ccal和Cfb大小近似或者在2:1、3:1这样的比值，Cfb一般最小在20f以上。在信号采集的时候，采集信号的输出ΔVout满足以下关系：
ΔVout∝Vboost*Cf/Cfb。          (1)
∝表示正比于
在(1)式中，Cf在做常规封装(60um介电常数为7的涂层后)，电容值最大为2f，Cf/Cfb的比值不大于0.1。如果没有Vboost的时候ΔVout非常小。
如图1(b)所述，M3的大小不能超过M2_1和M2_2的组合。
图2是常规的BOOST地方案的无环采集单元原理图。20代表手指，21代表手指和人体的组合电阻R0，电阻R0根据根据个体差异，一般在1兆欧姆-10兆欧姆之间；图2中GND是人体的等势地，Ccal的实现方式同图1中的11；控制给Ccal电容加电压的开关组S1，通过S1的控制，在时序需要下，可以选择AVSS(模拟地)和VCAL两个电压；AVSS信号在BOOST地原理里面在采集的时候是要发生改变的；Cc电容是寄生在运放正端和负端之间的电容，在常规BOOST方式中，这个电容一般只有几个fF，甚至更小；AMP0是采集中使用的运算放大器，AVDD(模拟电源)表示AMP0的电源，也是整个指纹采集芯片的电源，这个电源信号会在采集指纹的时候发生变化，变化的趋势和AVSS变化趋势一样；开关S3是AMP0的复位开关；Cfb电容的实现方式如图1中的13；通过在采集的时候提高AVSS和AVDD信号，和手指的等势地GND形成电势差，这个电势差等效于在手指上添加了一个电压Vboost，采集最后的简化公式就如公式(1)所示。从公式(1)和Cfb的实现方式中可以看出，Vboost需要接近10V左右的值才能补偿掉由于Cfb过大带来的信号衰减。所以一般Vboost信号在9V-16V这个范围。
为了克服Cfb过大带来的设计问题，本发明提出了一种缩小Cfb结构的物理和电路实现方式，消除Cfb过小带来的影响的，无需BOOST电压和外围芯片的方案。
图3本发明的采集单元电容的一个实施实例，在本实施实例中是采用M2和M1形成所需要的电容。本发明本实例中的电容形成方式，可以采用任意两层金属形成，也可以采用任意一层金属和多晶形成。如图3(a)所示，M1被分为三个部分：M1_1，M1_2和M1_3；M1_1，M1_2和M1_3都是由Metal 1组成；M2是指纹的采集极板，由Metal 2形成；如图3(b)所示，M2代表采集极板，是由Metal2组成；反馈电容Cfb是由M2和M1_2形成；耦合电容Cc在电路中是在运算放大器的正负端，由M2和M1_1形成；校正电容Ccal，由M2和M1_3组成；其中M1_1的极板大小占整个M1极板的90％以上。M1_2和M1_3占M1整个面积的不到10％。M1_1的面积和M1_3的面积在1:1到1:8之间，所以Cfb的电容比图1中13小很多，在设计的时候设定值在1f、0.5f甚至0.2f这个数量级。这个数量级的电容，在公式(1)中，Cf/Cfb的值就比较大，在60um封装图层的时候，比值为20，所以可以做更厚的，在200um图层的时候接近Cf/Cfb的最大比值1.2。这个比值和常规方式加了12V BOOST电压的结果近似。所以不需要BOOST电压，也就不需要BOOST芯片。
在采用了图3的电容物理形成架构以后，本发明提出了一种电路架构，无需BOOST芯片和电压。
图4是本发明采集单元电路的一种实施实例。40表示手指，41表示手指和人体的等效电阻R0，电阻R0一般在1欧姆～10兆欧姆之间；GND为人体等势地；Cf是手指和内部极板，即手指与图3中的M2形成的电容；电容Cf根据封装厚度不同而形成的电容不同，形成的电容在10f-0.01f之间，如果封装厚度为200um，电容Cf在0.6f-0.2f之间；Ccal为校正电容，电容Ccal为图3中M2和M1_3形成；Cfb是反馈电容，电容Cfb为图3中M2和M1_2形成；开关组S1电路，作用是给电容Ccal按照一定的时序添加电压，开关S0电路，是给运算放大器AMP1正端按照一定时序添加电压，Vout是运算放大器AMP1的输出，也就是采集单元的输出；AVSS为芯片地电势，不需要变动，是一个恒定的地电位；Cc是耦合电容，电容Cc是由图3中的M2和M1_1形成，电容Cc大小从40f～80f，根据设计和工艺寄生产生。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种指纹采集单元结构，其特征在于，包括：两层金属极板，记为第一层金属极板、第二层金属极板；所述第一层金属极板分为三部分，记为第一部分、第二部分、第三部分；
第一部分大小占整个第一层金属极板的90％以上；
第二层金属极板与第二部分之间形成反馈电容Cfb，反馈电容Cfb值为1f、0.5f或0.2f数量级；第二层金属极板与第一部分之间形成耦合电容Cc；第二层金属极板与第三部分之间形成校正电容Ccal；手指与两层金属极板之间还包括电容Cf，所述电容Cf值为10f-0.01f。
2.根据权利要求1所述的一种指纹采集单元结构，其特征在于，第二部大小与第三部分大小比例在1:1到1:8之间。
3.基于权利要求1或2所述的指纹采集单元结构的指纹采集电路，还包括：运算放大器、第一开关、第二开关、第三开关；当手指接触两层金属极板时，手指通过人体等效电阻接地，所述两层金属极板接入运算放大器负输入端，校正电容Ccal第一端与第一开关连接，所述第一开关为开关组，按照时序给校正电容Ccal添加电压，校正电容Ccal第二端接运算放大器负输入端；第一开关为开关组，通过第一开关给运算放大器正输入端按照时序添加电压；所述运算放大器负输入端与正输入端之间接耦合电容Cc；所述运算放大器负输入端与输出之间接反馈电容Cfb；所述运算放大器负输入端与输出之间还接第三开关；
运算放大器还包括接电源AVDD，运算放大器接地端接AVSS。
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