CN111433781A - 指纹感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及指纹感测装置(2，2’)和用于提供指纹图案信号的方法。为了提供指纹图案信号，根据算术运算将来自至少两个感测元件(302，304)的感测电路(308，312)的感测信号进行组合以形成组合感测信号。将组合感测信号与阈值进行比较。基于该比较，输出二进制值。指纹图案信号包括至少一组二进制值。

Description

指纹感测装置

技术领域

本发明涉及用于感测用户手指的指纹图案的指纹感测装置、包括这种指纹感测装置的电子设备以及用于提供表示用户手指的指纹图案的指纹图案信号的方法。

背景技术

各种类型的生物计量系统被越来越多地使用，以便提供增加的安全性和/或增强的用户方便性。特别地，指纹感测系统由于其小形状因素、高性能和用户认可度已经被例如消费电子设备所采用。

指纹传感器通常包括被配置成感测手指的指纹图案的像素矩阵。来自每个像素元件的信号被收集并且随后被处理以形成指纹图像。理想地，最终指纹图像是低噪声高分辨率指纹图像，其可以用于指纹识别应用并且能够被相对快速地获取。

然而，形成高质量指纹图像与许多挑战相关联。例如，来自每个像素元件的绝对信号电平取决于若干个或多或少的不可控因素，例如手指在像素矩阵上的压力和手指的湿度水平。一种对适当的信号电平进行采样的相对成功的方法是调整信号偏移和信号增益。另一个挑战是要对可能影响绝对噪声水平的共模噪声进行处理。

US7,965,877公开了一种指纹传感器，其似乎提供了减小的噪声影响，并且被配置成生成二进制图像。二进制图像是通过将来自指纹传感器的感测电容器的信号和来自电压源的电压参考输入到电压比较器而形成的。在充电之后测量来自感测电容器的信号，由此放电时间取决于到手指的电容耦合(例如脊耦合或谷耦合)。只要来自感测电容器的电容放电提供大于电压参考的电压，则来自电压比较器的输出为高(例如“1”)。来自电压比较器的输出被用作脉冲比较器的输入，在脉冲比较器中将该输出与脉冲参考进行比较。如果来自电压比较器的输出脉冲的宽度比脉冲参考的宽度长，则可以断定感测到的电容与脊电容相关。

尽管US7,965,877提出的解决方案似乎提供了在减小对绝对信号电平的影响的同时获取指纹图像，但是仍然存在改进的空间。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点和其他缺点，本发明的目的是提供能减小感测信号中的共模噪声的影响的指纹图像感测。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于感测用户手指的指纹图案以提供指纹图案信号的指纹感测装置，该指纹感测装置包括：用于感测指纹图案的感测元件阵列，每个感测元件包括：用于与手指电容耦合的感测结构，每个感测结构被介电结构覆盖；以及感测电路，其用于响应于感测结构的感测结构电位与手指的手指电位之间的电位差的改变而提供指示感测结构与手指之间的电容耦合的感测信号；其中，指纹感测装置被配置成基于根据算术运算的至少两个感测信号的组合来提供组合感测信号，其中，指纹感测装置还包括：多个比较电路，其中，每个比较电路被配置成将各个组合感测信号与阈值进行比较，并且基于与阈值的比较来输出二进制值，其中，指纹图案信号包括从多个比较电路输出的至少一组二进制值。

本发明基于以下实现方式：比较来自各个感测元件的感测信号并基于该比较，而不是直接依赖于感测信号的绝对电平，来输出二进制值。可以在模拟域中执行感测信号的比较。因此，将模拟感测信号进行比较以提供数字二进制输出。

本发明的优点包括感测信号的绝对共模信号电平变得较不相关(或甚至不相关)。

算术运算可以例如是计算感测信号之间的差分，并且在这种情况下，差分信号可以例如集中于大约零处。基于组合的(模拟)感测信号(例如，感测信号之间的差分)确定二进制值，常规感测电路中在采样之前确定适当的信号偏移的常见挑战被极大地减轻或甚至消除。

感测元件可以例如是电容性感测元件，每个感测元件提供指示该特定感测元件与触摸传感器表面的手指表面之间的电容耦合的度量。与处于与指纹中的谷对应的位置处的感测元件相比，处于与指纹中的脊对应的位置处的感测元件将展现出较强的到手指的电容耦合。

此外，每个感测结构可以有利地被提供为金属板的形式，使得由感测结构(感测板)、局部手指表面及保护性介电顶层(以及根据指纹图案中的脊和谷的位置可局部地存在于局部手指表面与保护层之间的任何空气)形成平行板电容器的等效物。由于手指与感测结构之间的电位差改变引起的感测结构携带的电荷的改变是对这种平行板电容器的电容的指示，该指示又是感测结构与手指表面之间的距离的指示。因此，可以借助于确定每个感测结构与手指之间的电容耦合来获取指纹图案的图像。

保护性顶部介电结构(也可以称为涂层)可以有利地为至少20μm厚并且具有高介电强度，以保护指纹感测装置的下层结构免于磨损和撕裂以及静电放电(ESD)。甚至更有利地，保护顶层的厚度可以约为100μm、或者厚度在500μm至700μm范围内、或者甚至更厚。

信号可以是指示电压的模拟值，其可以进而与由手指(或者手指检测结构附近的其他导电物)、手指检测结构以及在手指与手指检测结构之间的介电材料构成的电容器的电容成比例。

感测的指纹图案可以用于各种目的，例如生物计量注册或认证、或基于指纹图案的导航等。

根据实施方式，感测元件阵列中的每个感测元件可以包括比较电路。这有利地实现了能够比较感测信号以输出二进制值的大量的感测元件组合。此外，通过在感测元件中并入比较电路，提供了用于感测指纹图案同时降低共模噪声的紧凑解决方案。

根据实施方式，指纹感测装置可以被配置成将来自一个感测元件的感测信号与来自另一感测元件的感测信号组合。因此，在一个有利的可能实现方式中，组合感测信号是仅两个感测信号的组合。从例如信号路由的角度来看，在每个组合感测信号中包括仅来自两个感测元件的感测信号是有利的。

在另一实施方式中，指纹感测装置可以被配置成在将感测信号进行组合以形成组合感测信号之前对感测信号应用增益，将组合感测信号与阈值进行比较，并且基于与阈值的比较来输出二进制值。对感测信号应用增益允许向来自不同感测元件的感测信号赋予不同的权重，这提供了对来自感测元件的各种组合的感测信号进行组合。

在一个可能的实现方式中，增益总计为零。因此，如果累加增益值，则累加值为零。

根据可能的实现方式，可以对来自第一组感测元件的感测信号应用第一增益，并且对来自不被包括在第一组感测元件中的至少一个其他感测元件的感测信号应用第二增益，其中，第一增益与第二增益不同。将来自第一组感测元件的感测信号与来自至少一个其他感测元件的感测信号进行组合有利地使得能够在单次中收集到累积的感测信号。因此，来自单触发测量的指纹图案信号可以以这种方式包括指纹图案在感测元件阵列上的多于一个方向上的空间信息。

根据一个实施方式，可以将第一组合感测信号与第一阈值进行比较，并且可以将第二组合感测信号与不同于第一阈值的第二阈值进行比较，其中，比较电路被配置成基于与第一阈值的比较而输出第一组二进制值，并且基于与第二阈值的比较而输出第二组二进制值，其中，指纹图案信号至少包括第一组二进制值和第二组二进制值。

阈值可以基于所接收的感测信号之一所来自的感测元件中的至少一个感测元件的位置，该位置是在感测元件阵列中的位置。因此，阈值可以根据当前感测元件(例如，感测元件之中组合感测信号中的感测信号所起源于的感测元件)在感测元件阵列中的空间位置而不同，从而提供空间变化阈值。这有利地提供了根据可能在图像上变化的感测信号质量来调适阈值，例如，可以降低可以根据指纹图案信号重建的结果指纹图像中的不均匀性。

根据一个可能的实现方式，指纹感测装置可以被配置成：将来自在第一空间方向上彼此空间分离的感测元件的感测信号进行组合以产生用以与第一阈值进行比较的第一组合感测信号，并且基于与第一阈值的比较而输出第一组二进制值；将来自在第二空间方向上彼此空间分离的感测元件的感测信号进行组合以产生用以与第二阈值进行比较的第二组合感测信号，并且基于与第二阈值的比较而输出第二组二进制值；其中，指纹图案信号至少包括第一组二进制值和第二组二进制值。为了在跨感测元件阵列的两个维度的指纹图案信号中提供信息，在一些实现方式中有利的是，在两个不同方向上单独采样并且随后将这些组二进制值进行组合。例如，这对于在某一时间将来自一个方向上的两个相邻感测元件的感测信号进行组合的情况是有利的。

因此，可以提供两组二进制值，其各自表示在相应空间方向上的比较。这也意味着每个感测元件获得两个差分样本，并且由此有足够的二进制数据可用于重建指纹图像。

第一组二进制值可以是第一空间方向上的二进制图像表示，并且第二组二进制值可以是第二空间方向上的二进制图像表示，其中，指纹图案信号可以是基于第一组二进制值和第二组二进制值的组合二进制图像表示。

此外，第一空间方向可以在感测元件阵列的感测平面中与第二空间方向正交。

另外，第一阈值可以与第二阈值不同。

阈值可以为零。在一些实施方式中，阈值中的至少一个是非零的。

使用非零阈值提供了对指纹感测装置中包括的模拟电路中的缺陷进行补偿的优点。这种缺陷可能导致感测元件之间的不平衡。例如，对感测信号应用的增益可能不是完全准确的，并且这种不准确可能导致组合感测信号的偏移。可以通过选择适当的非零阈值来补偿这种偏移。

此外，阈值可以是可变的，这提供了对阈值的调整。例如，可以提供指纹图案信号，并且可以根据指纹图案信号来重建指纹图像。基于重建的指纹图像的质量，可以调整(一个或多个)阈值，并且可以基于其他感测信号来确定另一指纹图案信号。通过利用不同阈值收集若干组指纹图案信号，可以通过选择最高质量的指纹图像来提供经微调的重建指纹图像。

根据实施方式，每个感测元件包括用于临时存储与相应感测元件相关联的二进制值的一位数据存储单元。这样，可以实现从整个感测元件阵列的快速一次捕获。

每个比较电路可以被配置成从至少两个相邻感测元件接收感测信号。从信号路由的观点来看，比较电路从相邻的感测元件接收感测信号可能是有利的。

相邻的感测元件可以正交相邻或对角相邻的，即，在典型的感测元件(通常表示为“像素”)矩阵中，每个感测元件(除了矩阵边缘处的感测元件之外)被八个相邻的感测元件围绕(四个正交相邻和四个对角相邻)。

感测电路可以是连接至感测结构中的至少一者的电荷放大器，该电荷放大器用于提供指示由所述至少一个感测结构携载的电荷的改变的感测信号，其中，电荷放大器中的每个包括：第一输入，其连接至至少一个感测结构；第二输入，其被配置成接收感测参考电位(GND，或驱动)；提供感测信号的输出；反馈电容器，其连接在第一输入与输出之间；以及在第一输入和第二输入与输出之间的至少一个放大级，其中，比较电路中的至少一个连接至输出以接收感测信号。

比较电路可以均被提供为比较器，该比较器可以获取输入到比较器的感测信号之间的差分，并且基于该差分高于零还是低于零来输出二进制值(即，1或0)。

指纹装置可以包括在电子设备中，该电子设备包括被配置成接收指纹图案信号并且基于该指纹图案信号来重建指纹图像的处理电路。

指纹感测装置可以是电容式指纹传感器的一部分。电子设备可以是诸如移动电话的移动设备，但是也可以是例如台式计算机、平板电脑、智能卡等。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于提供表示用户手指的指纹图案的指纹图案信号的方法，该指纹图案由指纹感测装置感测，该指纹感测装置包括：用于感测指纹图案的感测元件阵列，每个感测元件包括：用于与手指电容耦合的感测结构，每个感测结构被介电结构覆盖；以及感测电路，其用于响应于感测结构的感测结构电位与手指的手指电位之间的电位差的变化而提供指示感测结构与手指之间的电容耦合的感测信号，其中，该方法包括：基于至少两个感测信号根据算术运算来确定组合感测信号；将组合感测信号与阈值进行比较；基于与阈值的比较来输出二进制值，以及提供包括至少一组二进制值的指纹图案信号。

将感测信号进行组合可以包括计算感测信号之间的差分。

本发明的该第二方面的其他实施方式以及通过该第二方面获得的效果大体类似于以上针对本发明的第一方面所描述的效果。

总之，本发明涉及指纹感测装置和用于提供指纹图案信号的方法。为了提供指纹图案信号，根据算术运算对来自至少两个感测元件的感测电路的感测信号进行组合以形成组合感测信号。将组合感测信号与阈值进行比较。基于该比较，输出二进制值。指纹图案信号包括至少一组二进制值。

在研究所附权利要求书和以下描述时，本发明的其他的特征以及优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以产生除了下文所述的实施方式以外的实施方式。

附图说明

现在将参照示出了本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面及其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的指纹感测装置的应用；

图2示意性地示出了图1中的指纹感测装置；

图3a至图3c是本发明的实施方式的概念性图示；

图4概念性地示出了感测元件阵列以及感测元件之间的不同空间关系；

图5a至图5h分别概念性地示出了具有相关增益的感测元件之间的空间关系；

图6a是根据实施方式的指纹感测装置的一部分的示意性截面图；

图6b是根据实施方式的指纹感测装置的一部分的示意性截面图；

图7概念性地示出了感测元件阵列中的空间变化阈值；

图8是示意性地示出根据本发明的实施方式的方法的流程图；以及

图9是示意性地示出根据本发明的实施方式的方法的流程图。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参照具有集成的指纹感测装置的移动电话形式的移动设备来描述根据本发明的指纹感测系统和方法的各种实施方式。然而，应当注意，许多其他类型的电子设备也可以集成有这种指纹感测装置，例如平板电脑、台式计算机、膝上型计算机、智能卡等。

现在转向附图并且具体地转向图1，图1示意性地示出了被配置成应用根据本公开内容的构思的电子设备的示例，该电子设备为移动设备100的形式，其具有集成的指纹传感器102和具有触摸屏接口106的显示单元104。在该实施方式中，指纹传感器102被布置在移动设备100的正面，在正面还定位有显示单元104。指纹传感器102可以例如用于解锁移动设备100和/或用于对使用移动设备100执行的交易授权等。指纹传感器102当然也可以被置于移动设备100的背面或侧面。

优选地并且对本领域技术人员明显的是，图1中所示的移动设备100还包括用于WLAN/Wi-Fi通信的第一天线、用于电信通信的第二天线、麦克风、扬声器和电话控制单元。当然，其他硬件元件也可以被包括在该移动设备中。

还应该注意的是，可以针对任何其他类型的电子设备应用本发明，例如包括指纹传感器的膝上型计算机、遥控装置、平板计算机、智能卡、或者任何其他类型的现有的或未来的类似配置的设备，包括期望允许实现用户特定设置和/或用户识别/认证的任何类型的IoT(物联网)设备。

参照图2，其概念性地示出了指纹传感器102的一定程度的放大图。在采用电容式感测技术的情况下，指纹传感器102被配置成包括大量感测元件，优选地被布置为二维阵列。二维阵列的尺寸可以取决于计划的实现方式，并且在实施方式中使用160×160像素。其他尺寸当然也可以且在本发明的范围内，包括与以上示例相比具有较少像素的二维阵列。在图2中用附图标记202指示单个感测元件(也表示为像素)。

图3a概念性地示出了指纹感测装置的两个感测元件302和304，感测元件302包括感测结构306和感测电路308，感测元件304包括感测结构310和感测电路312。配置有比较电路314以从感测电路308、312接收感测信号，并且根据算术运算将感测信号进行组合。例如，比较电路314可以计算来自感测电路308、312的感测信号之间的差分以用于形成组合感测信号。随后，比较电路314将组合感测信号与阈值进行比较。如果组合感测信号大于(或低于)阈值，则可以输出二进制值“1”。但是，如果组合感测信号低于(或大于)阈值，则可以输出二进制值“0”。至少一组二进制值被用于重建指纹图像。注意，根据本发明构思的图3a中的所述方案不需要完整的模数转换器。

图3b概念性地示出了两个感测元件302’和304，感测元件302’包括感测结构306和感测电路308，感测元件304包括感测结构310和感测电路312。在图3b中，由组合电路313将感测信号进行组合。组合电路313从感测元件304接收感测信号，并且使用该感测信号作为到另一感测元件302’中的感测电路308的输入。从感测电路308输出的感测信号被输入到比较电路314，比较电路314将其与阈值进行比较。在图3b中，比较电路314与感测元件302’集成。然而，比较电路314也可以被布置在感测元件302’外。组合电路313可以被配置成将感测信号彼此相加或者将一个感测信号从另一个感测信号中减去。

图3c概念性地示出了根据本发明构思的总体工作流程。根据感测元件阵列400的感测元件(例如“像素”)确定组合感测信号，其中每个感测元件确定一个感测信号。对于感测元件的一些组合，可能存在有的感测元件没有要与之组合的感测元件，诸如在与最近的相邻元件组合的情况下感测元件的外缘。在这种情况下，可以忽略缺少组合感测元件的感测元件。

基于将组合感测信号与(一个或多个)阈值进行比较来确定二进制值并且形成一组二进制值。因此，该组二进制值是由感测元件感测的指纹图案的二进制表示。指纹图案信号包括该组二进制值。

对该组二进制值的确定(包括对感测信号的组合)可以在硬件中执行，并且有利地不需要完整的模数转换器。可以根据该组二进制值重建出能够被用于生物计量认证的指纹图像。

阈值可以例如是零，但是在一些可能的实现方式中，阈值是非零的。可以有利地实现非零阈值以便考虑到指纹感测装置中的模拟电路可能导致感测信号的偏移的缺陷。

可以根据各种图案来选择从中接收感测信号以及被组合以形成组合感测电路的感测元件，现在将参照图4和图5a至图5h来描述其中的一些图案。

图4概念性地示出了感测元件的阵列400，仅为该阵列中的一部分提供了附图标记(402至407)。用于提供组合感测信号的感测信号可以从诸如感测元件402和感测元件403的相邻感测元件获取，这些相邻感测元件是阵列400中最近的相邻元件。感测元件402和403沿第一空间方向(y)相邻。另一种可能是感测元件沿第二空间方向(x)相邻，例如感测元件404和405，它们也是最近的相邻元件。在该特定示例实施方式中，第一空间方向(y)与第二空间方向(x)正交。

在形成包括至少一组二进制值的指纹图案信号时，感测元件可以根据组合感测信号与阈值的比较结果各自提供一位二进制值。一旦选择了感测信号的组合的配置，则每个感测元件提供一个二进制值。例如，如果感测元件的配置被选择成沿着第一空间方向(y)相邻(例如402和403)，则将来自每个感测元件的感测信号与来自其在第一空间方向(y)上最近的相邻元件的感测信号进行组合。将组合感测信号分别与阈值进行比较，并且每次比较提供一个二进制值输出。感测信号的组合是可切换的，换言之，可以在感测操作之间改变被组合的感测信号所来自的感测元件。

为了根据该组二进制值重建指纹图像，优选地包括覆盖x方向和y方向两个方向的空间信息。这意味着指纹图案信号可以包括基于具有来自在多于一个方向上彼此空间分离的感测元件的组合感测信号(例如通过将来自三个或更多个感测元件的感测信号进行组合)而包括x方向和y方向两个方向的一组二进制值(参见图5c至图5e中的示例)。

替选地，根据来自在x方向上空间分离的感测元件(例如由404和405表示)的感测信号的组合来确定第一组二进制值，并且根据来自在y方向上空间分离的感测元件(例如由402和403表示)的感测信号的组合来确定第二组二进制值。第一组二进制值和第二组二进制值被组合，并且用作重建指纹图像的基础。在这种情况下，针对阵列400中的所有感测元件确定根据x方向上的比较和y方向上的比较的二进制值。

在一些实施方式中，从阵列400中的每个感测元件输出多于一个二进制值。例如，基于将来自每个感测元件(例如，感测元件408)和第一空间方向(y)上的相应感测元件(例如，感测元件409)的组合感测信号与阈值进行比较来确定第一组二进制值。基于将来自每个感测元件(例如，感测元件408)和第二空间方向(x)上的相应感测元件(例如，感测元件410)的组合感测信号与阈值进行比较来确定第二组二进制值。这有效地提供了90度的空间图案，其中从每个感测元件提供两个二进制值。在这种情况下，指纹感测信号由第一组二进制值和第二组二进制值组成。

此外，从中提供感测信号并且使该感测信号被用于形成组合感测信号的感测元件可以不必是相邻感测元件。例如，在x方向和y方向两个方向上空间分离的感测元件406和407也表示了可以从中形成组合感测信号的可能的感测元件图案配置。

图5a至图5h示意性地示出了可以用于形成组合感测信号的各种感测元件图案配置。

根据本发明构思的一些可能的实施方式，在将感测信号进行组合以形成组合感测信号之前可以对感测信号应用增益。在图5a至图5h中，在每个感测元件中概念性示出的数字(由方框表示)指示对来自该感测元件的感测信号应用的增益。

图5a和图5b示出了两个感测元件501和502，比较电路可以被配置成从这两个感测元件接收感测信号。感测元件501和502可以是或可以不是最近的相邻元件。在根据算术运算(例如，加法)形成组合感测信号之前，对来自感测元件501的感测信号应用增益-1，并且对来自感测元件502的感测信号应用增益1。在图5a中，感测元件501和502相对于彼此沿空间方向x定位，而在图5b中，感测元件501和502在阵列400(参见图4)中相对于彼此对角地定位。

图5c和图5d示出了中心感测元件503和以两种不同的空间图案围绕中心感测元件503布置的四个感测元件504。对来自感测元件504的感测信号应用了第一增益(在这种情况下是增益-1)，并且对来自感测元件503的感测信号应用了第二增益4。因此，在图5c和图5d所示的图示示例中，组合感测信号由来自五个感测元件的感测信号形成。在图5c中，感测元件504沿方向(x)和(y)定位，而在图5d中，感测元件沿阵列400(参见图4)中的对角方向定位，换言之，被定位成相对于方向(x)和(y)成一定角度。感测元件503和504可以是最近的相邻元件。在其他可能的实施方式中，两个或更多个感测元件503和504可以不是最近的相邻元件。

图5e至图5h示出了被组合的感测信号所来自的感测元件之间的其他可能的空间关系。在所示的示例配置中，对来自两个感测元件506的感测信号应用第一增益-1，并且对另一感测元件505的感测信号应用第二增益2。感测元件506在阵列中相对于感测元件505对角地定位(图5e至图5f)，或者在阵列中相对于感测元件505正交地定位(图5g至图5h)。感测元件505和506可以是最近的相邻元件。在其他可能的实施方式中，两个或更多个感测元件505和506可以不是最近的相邻元件。

图5a至图5h示出了被组合的感测信号所来自的感测元件之间的示例性空间关系。这些示例不应被解释为限制范围，在实践中可以使用任何任意图案，只要增益值相加为零即可。例如，可以使用任何基于梯度或基于拉普拉斯算子的滤波器核。

图6a是指纹感测装置2的一部分的示意性截面图，其中手指35放置在覆盖传感器阵列(例如参见图2或图4)的保护性介电顶层6的顶部。参照图6a，指纹感测装置2包括激励信号提供电路19和多个感测元件8，激励信号提供电路19经由传导性手指驱动结构(图4中未示出)电连接至手指。

如图6a中示意性示出的，每个感测元件8包括传导性感测结构，在此为处于保护性介电顶层6下方的金属板36、电荷放大器38以及选择电路的形式，选择电路用于允许感测元件8的选择/启用，其在此被功能地示为简单的选择开关40。

电荷放大器38包括至少一个放大级，在这里放大级被示意性地示出为运算放大器(op amp)41，该运算放大器(op amp)41具有连接至感测结构36的第一输入(负输入)42、连接至传感器地或另一参考电位的第二输入(正输入)43以及输出44。另外，电荷放大器38包括连接在第一输入42与输出44之间的反馈电容器45以及重置电路，重置电路用于允许反馈电容器45的可控放电，其在此被功能地示为开关46。电荷放大器38可以通过操作重置电路46对反馈电容器45进行放电来进行重置。

通常情况下op amp 41处于负反馈配置，第一输入42处的电压跟随第二输入43处的电压。根据特定的放大器配置，第一输入42处的电位可以与第二输入43处的电位大体上相同，或者可以在第一输入42处的电位与第二输入43处的电位之间存在大体上固定的偏移。在图6a的配置中，电荷放大器的第一输入42虚拟接地。

在通过激励信号提供电路19向手指35提供时变电位时，在感测结构36与手指35之间出现对应的时变电位差。

手指35与感测结构36之间的电位差的上述变化会引起电荷放大器38的输出44上的感测电压信号V_S。

在选择了指示的感测元件8以进行感测时，相应的选择开关40闭合以向比较线路314提供感测信号。比较电路314将来自所选择的感测元件8的感测信号进行组合，并将组合感测信号与阈值进行比较。基于该比较，比较电路314输出二进制值以形成传感器2上手指35的指纹图案的二进制表示。

在图6a中，手指35被示为连接至激励电路19以在手指35与传感器阵列的感测板36之间提供所期望的电位差。应当注意的是，可以替选地通过相对于包括有指纹感测装置2的电子设备(例如移动电话1)的地电平改变指纹感测装置的地电平来提供这个期望的电位差。此外，也可以通过改变感测结构36自身的电位来提供电位差。

比较电路314可以被提供为电压比较器的形式，其被配置成将接收到的电压(感测信号)与阈值进行比较，并且基于该比较输出二进制值。

图6b是另一指纹感测装置2’的一部分的示意性截面图。图6b在很大程度上类似于图6a，并且这里将仅说明主要差异。如图6b所示，通过使用来自感测元件8b和8c的感测信号作为对感测元件8a的感测电路的输入，将来自第一感测元件8a的感测信号与来自感测元件8b和8c的感测信号进行组合，这里是以减法的方式。因此，在本示例中，来自感测元件8b和8c的感测信号被输入到运算放大器的第一输入42，以在来自感测元件8b至8c的感测信号与来自感测元件8a的感测信号之间提供差分。感测元件8b的输出经由耦合电容器50电容耦合至另一感测元件8a的放大器38的输入。另外，又一感测元件8c的输出经由耦合电容器51电容耦合至感测元件8a的放大器38的输入。来自感测元件8a的输出信号是组合感测信号(在此被提供为差分信号)并且被提供给比较电路314。比较电路在此被集成在感测元件8a中。

通过针对对应的感测元件8b、8c的反馈电容器45a、45b的电容来选择耦合电容器50、51的电容，可以应用各个感测信号的对应增益。例如，来自感测元件8b的感测信号的增益由反馈电容器45a与耦合电容器50的电容之间的比率确定。

在图6b所示的示例实施方式中，感测元件8b和8c是与感测元件8a相邻的感测元件。

图7概念性地示出了感测元件的阵列700。在图7中用附图标记701指示单个感测元件。在感测元件的阵列700中，存在布置于阵列的外部位置、邻近阵列700的外周界的感测元件组702。还存在布置于阵列700的中心的另一感测元件组704。与组合感测信号进行比较的阈值可以根据接收的感测信号所来自的至少一个感测元件的位置而不同。例如，可以将来自组702中的至少两个感测元件的感测信号进行组合以形成组合感测信号。该组合感测信号可以与第一阈值进行比较。此外，可以将来自组704中的至少两个感测元件的感测信号进行组合以形成另一组合感测信号。该组合感测信号可以与不同于第一阈值的第二阈值进行比较。

因此，阈值可以根据当前感测元件在感测元件阵列中的空间位置而不同，从而提供空间变化阈值。以此方式，可以减小根据指纹图案信号重建的结果指纹图像的不均匀性。例如，由于用户的手指在包括感测信号的阵列700的传感器表面上施加的非均匀压力，手指与感测结构之间的电容耦合可以在阵列700上变化。这种变化可能导致结果指纹图像的不均匀性。使用取决于感测元件在阵列中的位置的空间变化阈值可以对阵列700的不均匀耦合、阵列中的放大器的变化的电子偏移、从感测结构到传感器表面的变化的感测距离、或者可能导致感测元件701的阵列700上的不均匀性的其他效应进行补偿。

图8示出了根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图。在步骤S804中，基于至少两个感测信号根据算术运算来确定组合感测信号。算术运算例如可以是计算差分或对感测信号求和。在步骤S806中，将组合感测信号与阈值进行比较。在步骤S808中，基于与阈值的比较输出二进制值。在步骤S810中，提供包括至少一组二进制值的指纹图案信号。

图9示出了根据本发明的其他实施方式的方法步骤的流程图。除了已经参照图8描述的步骤之外，这里提供了附加步骤S803，其包括在组合感测信号以形成组合感测信号之前(即在步骤S804之前)对感测信号应用增益。

控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程装置。控制单元还可以或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在控制单元包括可编程装置例如上述微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的情况下，处理器还可以包括控制可编程装置的操作的计算机可执行代码。应当理解，借助于控制单元(或通常称为“处理电路”)提供的功能的全部或某些部分可以至少部分地与指纹感测装置集成。

尽管附图可能示出次序，但是步骤的顺序可以与所描绘的顺序不同。此外，两个或更多个步骤可以同时或部分同时地执行。这样的变型将取决于选取的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这样的变型在本公开内容的范围内。同样地，可以使用具有基于规则的逻辑和用以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和判定步骤的其他逻辑的标准编程技术来完成软件实现方式。此外，尽管已经参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的变更、修改等将变得明显。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“a”或“an”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的仅有事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (26)

1.一种指纹感测装置(2，2’)，所述指纹感测装置用于感测用户手指的指纹图案以提供指纹图案信号，所述指纹感测装置包括：

-用于感测指纹图案的感测元件(302，304；302’；402至407；701)阵列(400，700)，每个感测元件包括：

-用于与手指电容耦合的感测结构(6；306，310)，每个感测结构被介电结构覆盖，以及

-感测电路(308，312)，其用于响应于所述感测结构的感测结构电位与所述手指的手指电位之间的电位差的变化而提供指示所述感测结构与所述手指之间的电容耦合的感测信号，

其中，所述指纹感测装置被配置成基于根据算术运算的至少两个感测信号的组合来提供组合感测信号，

其中，所述指纹感测装置还包括：

-多个比较电路(314)，其中，每个比较电路被配置成将组合感测信号与阈值进行比较，并且基于与所述阈值的比较来输出二进制值，

其中，所述指纹图案信号包括从所述多个比较电路输出的至少一组二进制值。

2.根据权利要求1所述的指纹感测装置，其中，所述感测元件阵列中的每个感测元件包括比较电路。

3.根据权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中，所述指纹感测装置被配置成将来自一个感测元件的感测信号与来自另一个感测元件的感测信号进行组合。

4.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述指纹感测装置被配置成：

在将所述感测信号进行组合以形成组合感测信号之前对所述感测信号应用增益，

将所述组合感测信号与所述阈值进行比较，以及

基于与所述阈值的比较来输出二进制值。

5.根据权利要求4所述的指纹感测装置，其中，所述增益相加为零。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的指纹感测装置，

其中，对来自第一组感测元件的感测信号应用第一增益，以及

对来自不被包括在所述第一组感测元件中的至少一个其他感测元件的感测信号应用第二增益，其中，所述第一增益与所述第二增益不同。

7.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，

其中，第一组合感测信号与第一阈值进行比较，并且

第二组合感测信号与不同于所述第一阈值的第二阈值进行比较，

其中，所述比较电路被配置成基于与所述第一阈值的比较来输出第一组二进制值，以及基于与所述第二阈值的比较来输出第二组二进制值，

其中，所述指纹图案信号至少包括所述第一组二进制值和所述第二组二进制值。

8.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述阈值基于接收到的所述感测信号之一所来自的所述感测元件中的至少一个感测元件的位置，所述位置是在所述感测元件阵列中的位置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述指纹感测装置被配置成：

将来自在第一空间方向上彼此空间分离的感测元件的感测信号进行组合以产生与第一阈值进行比较的第一组合感测信号，并且基于与所述第一阈值的比较来输出第一组二进制值；

将来自在第二空间方向上彼此空间分离的感测元件的感测信号进行组合以产生与第二阈值进行比较的第二组合感测信号，并且基于与所述第二阈值的比较来输出第二组二进制值；

其中，所述指纹图案信号至少包括所述第一组二进制值和所述第二组二进制值。

10.根据权利要求9所述的指纹感测装置，其中，所述第一空间方向在所述感测元件阵列的感测平面中与所述第二空间方向正交。

11.根据权利要求9或10所述的指纹感测装置，其中，所述第一阈值与所述第二阈值不同。

12.根据权利要求9至11所述的指纹感测装置，其中，所述第一组二进制值是所述第一空间方向上的二进制图像表示，并且所述第二组二进制值是所述第二空间方向上的二进制图像表示，

其中，所述指纹图案信号是基于所述第一组二进制值和所述第二组二进制值的组合二进制图像表示。

13.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，每个感测元件包括用于临时存储与相应感测元件相关联的二进制值的一位数据存储单元。

14.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述感测电路是电荷放大器(38)，所述电荷放大器(38)连接至所述感测结构中的至少一个感测结构以提供指示由所述至少一个感测结构携带的电荷的变化的感测信号，其中，所述电荷放大器中的每个电荷放大器包括：

第一输入(42)，其连接至所述至少一个感测结构；

第二输入(43)，其被配置成接收感测参考电位(GND，或驱动)；

输出(44)，其提供所述感测信号；

反馈电容器，其连接在所述第一输入与所述输出之间；

处于所述第一输入及所述第二输入与所述输出之间的至少一个放大器级(41)，

其中，所述比较电路中的至少一个比较电路连接至所述输出以接收所述感测信号。

15.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，每个比较电路被配置成从至少两个相邻感测元件接收所述感测信号。

16.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述比较电路中的每个比较电路被配置成执行差分运算以将感测信号进行组合。

17.根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述阈值为零。

18.根据权利要求1至16中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述阈值中的至少一个阈值不为零。

19.根据权利要求1至14中任一项所述的指纹感测装置，其中，所述阈值可变。

20.一种用于提供表示用户手指的指纹图案的指纹图案信号的方法，所述指纹图案由指纹感测装置感测，所述指纹感测装置包括：

-用于感测所述指纹图案的感测元件阵列，每个感测元件包括：

-感测结构，其用于与所述手指电容耦合，每个感测结构被介电结构覆盖，以及

-感测电路，其用于响应于所述感测结构的感测结构电位与所述手指的手指电位之间的电位差的变化而提供指示所述感测结构与所述手指之间的电容耦合的感测信号，

其中，所述方法包括：

-基于至少两个感测信号根据算术运算来确定(S804)组合感测信号，

-将所述组合感测信号与阈值进行比较(S806)；

-基于与所述阈值的比较来输出(S808)二进制值，以及

-提供(S810)包括至少一组二进制值的指纹图案信号。

21.根据权利要求20所述的方法，包括：

-将来自一个感测元件的感测信号与来自另一个感测元件的感测信号进行组合。

22.根据权利要求20或21所述的方法，包括：

-在将所述感测信号进行组合以形成组合感测信号之前对所述感测信号应用(S803)增益，以及

-将所述组合感测信号与所述阈值进行比较，以及

-基于与所述阈值的比较来输出二进制值。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，包括：

-对来自第一组感测元件的感测信号应用第一增益，以及

-对来自不被包括在所述第一组感测元件中的至少一个其他感测元件的感测信号应用第二增益，其中，所述第一增益与所述第二增益不同。

24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，包括：

-将第一组合感测信号与第一阈值进行比较，以及

-将第二组合感测信号与不同于所述第一阈值的第二阈值进行比较，

-基于与所述第一阈值的比较来输出第一组二进制值，以及基于与所述第二阈值的比较来输出第二组二进制值，

其中，所述指纹图案信号至少包括所述第一组二进制值和所述第二组二进制值。

25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，包括：

-将来自在第一空间方向上彼此空间分离的感测元件的感测信号进行组合以产生与第一阈值进行比较的第一组合感测信号，以及

-基于与所述第一阈值的比较来输出第一组二进制值；

-将来自在第二空间方向上彼此空间分离的感测元件的感测信号进行组合以产生与第二阈值进行比较的第二组合感测信号，以及

-基于与所述第二阈值的比较来输出第二组二进制值；

-提供至少包括所述第一组二进制值和所述第二组二进制值的指纹图案信号。

26.根据权利要求20至25中任一项所述的方法，包括：

-基于所述指纹图案信号重建指纹图像。

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