CN111459321A - 指纹及触摸传感器及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指纹及触摸传感器及其信号处理方法，所述指纹及触摸传感器包括一触摸接收器、一指纹接收器、一混频器及一信号处理电路。该触摸接收器用来接收一触摸感测信号。该指纹接收器用来接收具有一第一频率的一指纹感测信号。该混频器耦接于该指纹接收器，用来将该指纹感测信号从该第一频率转移至一第二频率。该信号处理电路耦接于该触摸接收器及该混频器，用来处理该触摸感测信号以及位于该第二频率的该指纹感测信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种指纹及触摸传感器，尤其涉及一种整合指纹及触摸功能的指纹及触摸传感器及其相关信号处理方法。
背景技术
随着触摸感测技术的发展，许多消费性电子产品例如移动电话(mobile phone)、卫星导航系统(GPS navigator system)、平板计算机(tablet)、个人数字助理(PDA)及笔记本电脑(laptop)等都内建有触摸功能，以实现卓越的人机互动效率。在上述各种电子产品中，原先显示屏区域加入了触摸感应的功能，也就是说，将原先单纯的显示屏转换成具有触摸识别功能的触摸显示屏。依据触摸屏的结构设计上的不同，一般可区分为外挂式(out-cell)与内嵌式(in-cell/on-cell)触摸屏。其中，外挂式触摸屏是将独立的触摸屏与一般的显示屏组合而成，而内嵌式触摸屏则是将触摸感应装置直接设置于显示屏中基板内侧或外侧上。
如今，指纹感测成为满足这些电子产品的身分识别和其它安全性需求的便捷方式。然而，与触摸感测及/或显示操作共存的指纹感测操作产生不可忽略的干扰，大幅增加了触摸屏设计的困难度及复杂度。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种指纹及触摸传感器及其相关信号处理方法，其可通过频率设定来整合指纹及触摸感测功能以避免干扰，使得指纹及触摸感测信号可共享相同的信号处理电路。
本发明的一实施例公开一种指纹及触摸传感器，该指纹及触摸传感器包括一触摸接收器、一指纹接收器、一混频器(mixer)及一信号处理电路。该触摸接收器用来接收一触摸感测信号。该指纹接收器用来接收具有一第一频率的一指纹感测信号。该混频器耦接于该指纹接收器，用来将该指纹感测信号从该第一频率转移至一第二频率。该信号处理电路耦接于该触摸接收器及该混频器，用来处理该触摸感测信号以及位于该第二频率的该指纹感测信号。
本发明的另一实施例公开一种信号处理方法，用于一指纹及触摸传感器，该信号处理方法包括以下步骤：接收一触摸感测信号；接收具有一第一频率的一指纹感测信号；将该指纹感测信号从该第一频率转移至一第二频率；以及以相同的信号处理电路处理该触摸感测信号以及位于该第二频率的该指纹感测信号。
附图说明
图1为一触摸显示驱动整合系统中的一触摸感测系统的示意图。
图2为一非触摸显示驱动整合系统中的一触摸感测系统的示意图。
图3为一指纹感测系统的示意图。
图4为具有指纹及触摸感测功能的一般感测系统的示意图。
图5为指纹及触摸感测系统中弱点频率的示意图。
图6为本发明实施例一感测系统的示意图。
图7为混频器的一种范例实施方式的示意图。
图8为混频器的一种范例电路结构的示意图。
图9为通过分时方式执行触摸感测操作及指纹感测操作的示意图。
图10为用于触摸及指纹感测信号的带通滤波器及其相关频率设计的示意图。
图11为本发明实施例一信号处理流程的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10、20 触摸感测系统
100、200 触摸屏
102、202、302 传输器
104、204、304 模拟前端电路
205、305 抗混叠滤波器
106、206、306 模拟数字转换器
108 数字后端电路
208、308 数字信号处理器
30 指纹感测系统
300 压电式微机械超声换能器
40、60 感测系统
400、600 屏幕
410 触摸感测模块
420 指纹感测模块
450、650 系统板
F_s 采样频率
F_sig 信号频率
610 指纹及触摸传感器
612 触摸接收器
614 指纹接收器
616 混频器
620 信号处理电路
702 本机振荡器
704 乘法器
f_in、f_LO、f_out 频率
110 信号处理流程
1100～1110 步骤
具体实施方式
在采用触摸显示驱动整合(Touch with Display Driver Integration，TDDI)系统的触摸屏中，触摸感测操作及显示操作的控制整合在相同芯片，因此，可通过适当的控制机制使触摸感测操作与显示操作之间的干扰达到最小化。请参考图1，图1为一触摸显示驱动整合系统中的一触摸感测系统10的示意图。如图1所示，触摸感测系统10包括一触摸屏100，其可从一传输器(TX)102接收触摸驱动信号，并对应传送触摸感测信号至一接收器电路，此接收器电路可包括一模拟前端(Analog Front-End，AFE)电路104、一模拟数字转换器(Analog to Digital Converter，ADC)106及一数字后端(DigitalBack-End，DBE)电路108。一般来说，在一触摸显示驱动整合系统(例如触摸感测系统10)中，触摸感测操作及显示操作可通过分时方式进行设定和同步，因此，接收器电路感测到的噪声较小，采用较简单的电路即足以处理并消除噪声。考虑成本问题，触摸显示驱动整合系统中的接收器电路可通过低功耗及小面积的方式实现。
上述触摸感测系统10通常适用于内嵌式触摸屏(in-cell touch panel)。然而，外挂式触摸屏(out-cell touch panel)可能无法实现触摸显示驱动的整合，也就是说，触摸感测及显示操作实现于不同芯片，因而往往无法达到良好同步。因此，触摸感测信号可能面临到来自于显示操作的较大噪声及干扰，因而需要噪声消除能力较强的信号处理电路。请参考图2，图2为一非触摸显示驱动整合系统中的一触摸感测系统20的示意图。如图2所示，触摸感测系统20包括一触摸屏200，其可从一传输器202接收触摸驱动信号，并对应传送触摸感测信号至一接收器电路，此接收器电路可包括一模拟前端电路204、一抗混叠滤波器(Anti-Aliasing Filter，AAF)205、一模拟数字转换器206及一数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)208。一般来说，触摸驱动信号及其对应的触摸感测信号为周期性的弦波或方波信号，此周期信号的频率可以是数十或数百仟赫兹(kilohertz，kHz)。
与触摸感测系统10中的接收器电路不同，触摸感测系统20中的接收器电路更为复杂。设置于模拟前端电路204与模拟数字转换器206之间的抗混叠滤波器205可适当地限制接收到的触摸感测信号的带宽，使其满足采样定理，从而使模拟数字转换器206对触摸感测信号进行采样而产生的数据序列能够包括触摸感测信号的完整信息。在此例中，模拟数字转换器206需执行高速采样以产生更多有效数据(相较于模拟数字转换器106而言)。另外，数字信号处理器208可包括一带通滤波器(band-pass filter)及/或一解调器(demodulator)，其可执行解调以产生感测结果。相较于数字后端电路108而言，触摸感测系统20中的数字信号处理器208具有较复杂的电路结构，其占用较大电路面积并且更为耗电。简言之，触摸感测系统20可处理大噪声及/或干扰之下的触摸感测信号，但伴随着高耗电及大面积等成本。
请参考图3，图3为一指纹感测系统30的示意图，指纹感测系统30可以是一超声波指纹感测系统，举例来说。如图3所示，超声波指纹感测系统30包括一压电式微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT)300，作为进行指纹感测的传感器。压电式微机械超声换能器300可从一传输器302接收驱动信号，并对应传送指纹感测信号(例如由接触的手指反射的信号)至一接收器电路，此接收器电路可包括一模拟前端电路304、一抗混叠滤波器305、一模拟数字转换器306及一数字信号处理器308。详细来说，压电式微机械超声换能器300可将电子驱动信号转换为超声波信号之后进行传送。当手指放置在感测区时，超声波信号可由手指反射之后被接收器电路所接收。接收器电路所接收的指纹感测信号可对应指纹的波峰波谷而具有不同相位偏移，用以识别指纹的特征。数字信号处理器308可对指纹感测信号采样后的数据进行解调，从而取出此相位偏移信息。
一般来说，指纹感测系统30的操作频率为兆赫(Megahertz，MHz)等级。也就是说，指纹驱动及感测信号为数个兆赫的周期信号，例如位于1MHz～15MHz之间，其远高于一般触摸感测系统10或20的工作频率。虽然指纹感测系统30的接收器电路的结构类似于触摸感测系统20的接收器电路，但其操作在不同频率之下以处理不同类型的感测信号，这两种接收器电路都具有大量耗电且必须占用大量的电路面积。
请参考图4，图4为具有指纹及触摸感测功能的一般感测系统40的示意图。如图4所示，感测系统40包括一屏幕400、一触摸感测模块410、一指纹感测模块420及一系统板450。感测系统40可应用于具有显示、触摸感测及指纹感测功能的任何类型的电子装置，系统板450则用于处理电子装置的各项控制。举例来说，若电子装置为一移动电话时，系统板450可以是一电路板，用来携带移动电话的主机、单片机(Microcontroller Unit，MCU)及/或主控电路等。在此例中，触摸感测模块410类似于图2中的触摸感测系统20，且指纹感测模块420类似于图3中的指纹感测系统30，关于该些模块的详细实现方式及操作方式可参考上述段落的说明，在此不赘述。需注意的是，触摸感测模块410及指纹感测模块420通常实现于两个不同芯片中，触摸感测模块410可处理的触摸感测信号范围从50kHz到250kHz，指纹感测模块420可处理的指纹感测信号范围从1MHz至15MHz。
一般来说，在感测系统40中，屏幕400可以是一触摸屏，其中，触摸板重叠在显示屏上，因而触摸感测信号可由触摸屏400接收。触摸屏400与触摸感测模块410之间可通过导线相连，使得触摸感测信号可从触摸屏400传送至触摸感测模块410。触摸感测模块410与系统板450之间也通过导线相连，而通过数字信号处理之后的触摸感测信号可通过此导线传送至系统板450。
在指纹感测方面，可将压电材料(如压电式微机械超声换能器)设置于位于屏幕400附近或重叠于屏幕400的平板上，因而指纹感测信号也可由触摸屏400接收。同样地，屏幕400与指纹感测模块420之间可通过导线相连，使得指纹感测信号可从屏幕400传送至指纹感测模块420。指纹感测模块420与系统板450之间也可通过导线相连，而通过数字信号处理之后的指纹感测信号可通过此导线传送至系统板450。
除此之外，系统板450还可和屏幕400进行通信以发送显示数据及相关设定，其可由显示驱动装置进行传送及处理。显示驱动装置可以是位于感测系统40中独立的模块或芯片，或者整合在触摸感测模块410中，为求简化，图4省略了显示驱动装置。以上用于触摸感测、指纹感测及显示操作的导线可由屏幕400同一侧连接至系统板450，因此，上述导线的位置都大致重叠，导致严重的串扰(crosstalk)。
如上所述，触摸感测信号及指纹感测信号都是特定频率的周期信号。触摸感测信号可设定在仟赫等级的频率，如50kHz到250kHz之间，而指纹感测信号可设定在兆赫等级的频率，如1MHz到15MHz之间。若上述频率未能良好设定，则触摸及指纹感测信号的其中一者容易成为另一者的干扰。举例来说，根据数字信号处理的采样定理，弱点频率可通过以下方式计算：N×F_s±F_sig，其中，F_s为采样频率，F_sig为信号频率。任何位于弱点频率上的周期性噪声都可能产生严重的混叠效应，导致采样后的信号失真。对于触摸感测模块410而言，触摸感测信号的频率为F_sig，而模拟数字转换器的采样频率为F_s，如图5所示。假设F_sig等于100kHz而F_s等于1MHz，则弱点频率包括0.9MHz、1.1MHz、1.9MHz、2.1MHz等等。因此，若指纹感测信号位于或靠近任何弱点频率时(如图5所示的1.1MHz)，指纹感测信号可能在触摸感测信号上产生严重的混叠效应。
当设置于模拟数字转换器前端的抗混叠滤波器是理想的滤波器时，可完全消除混叠效应。然而，实际的电路系统不可能存在理想的抗混叠滤波器，当抗混叠滤波器不理想的情况下，出现在弱点频率上的周期性噪声将产生无法忽略的混叠效应。现有的方式采用更强力的抗混叠滤波器来解决此问题，然而，更强力的抗混叠滤波器通常伴随着较大的电路面积以及较高的耗电量，使电路成本提高。因此，较佳的解决方式为，改变指纹感测系统的工作频率及/或改变触摸感测系统的工作频率，以避免指纹感测系统的工作频率落在触摸感测信号的处理器的弱点频率上。
请参考图6，图6为本发明实施例一感测系统60的示意图。如图6所示，感测系统60具备指纹及触摸感测功能，其包括一屏幕600、一指纹及触摸传感器610及一系统板650。屏幕600及系统板650的架构都与感测系统40中的屏幕400及系统板450相同，故其实现方式及操作方式可参考上述段落的说明，在此不赘述。指纹及触摸传感器610包括一触摸接收器612、一指纹接收器614、一混频器(mixer)616及一信号处理电路620。详细来说，触摸接收器612可用来接收一触摸感测信号，指纹接收器614可用来接收一指纹感测信号。在一实施例中，指纹感测信号为来自于一超声波指纹传感器(如压电式微机械超声换能器)的超声波指纹感测信号。混频器616耦接于指纹接收器614，可用来调整或改变指纹感测信号的频率。举例来说，若指纹接收器614所接收的指纹感测信号位于一第一频率时，混频器616可将指纹感测信号从第一频率转移至一第二频率。因此，耦接于触摸接收器612及混频器616的信号处理电路620即可处理触摸感测信号以及位于第二频率的指纹感测信号。在一实施例中，可将触摸感测功能及指纹感测功能整合在单一集成电路和芯片中，以实现指纹及触摸传感器610。相较于感测系统40而言，指纹及触摸传感器610具备了低电路成本的优势。
如上所述，一般触摸感测信号的频率位于数十或数百仟赫，而一般指纹感测信号的频率为兆赫等级。为使指纹感测信号与触摸感测信号共享相同的信号处理电路620，可将指纹感测信号的频率降低并转换为接近触摸感测信号的频率。即，通过混频器616可将位于第一频率的指纹感测信号移动或转换到低于第一频率的第二频率。优选地，指纹感测信号的第二频率与接收到的触摸感测信号的频率位于相同数量级，以便进行信号处理电路620中各模块的电路设计。举例来说，若触摸感测信号的频率位于数百仟赫的等级时，可将指纹感测信号的频率转换为数百仟赫的等级。
在一实施例中，信号处理电路620中每一模块都具有一工作频率范围，而触摸感测信号的频率位于这些模块的工作频率范围内，因此，指纹感测信号的频率应降频至信号处理电路620中每一模块的工作频率范围内，在此情况下，原先适用于触摸感测信号的信号处理电路620也可用来处理指纹感测信号。如图6所示，信号处理电路620可包括例如一模拟前端电路、一抗混叠滤波器、一模拟数字转换器及/或一数字信号处理器。这些模块都能够用来处理触摸感测信号以及频率经转换而下降的指纹感测信号。
在上述实施例中，指纹感测信号的降频可由混频器616来执行，混频器616可通过任何方式实现。请参考图7，图7为混频器616的一种范例实施方式的示意图。如图7所示，混频器616包括一本机振荡器(local oscillator)702及一乘法器(multiplier)704。本机振荡器702可产生频率为f_LO的一本地信号，乘法器704再将频率为f_in的一输入信号乘上频率为f_LO的本地信号，以产生频率为f_out的一输出信号。混频器616的信号频率满足下列方程式：f_out＝|f_in-f_LO|。因此，通过具有良好频率设定的本机振荡器702，混频器616可将指纹感测信号转换至适当的且较低的频率，以符合信号处理电路620的工作频率范围。举例来说，若指纹接收器614所接收的指纹感测信号为1MHz且触摸接收器612所接收的触摸感测信号为300kHz时，本机振荡器702可产生频率为1.25MHz的本地信号，使得混频器616可将指纹感测信号的频率从1MHz转换为250kHz，其更接近触摸感测信号的频率且能够由信号处理电路620进行处理。
图8示出了混频器616的一种范例电路结构，其包括两组分别用来接收频率f_in的输入信号及频率f_LO的本地信号(其由内部产生)的差分输入晶体管。图8的混频器电路可作为乘法器，用以产生一输出信号，作为输入信号与本地信号相乘的结果。
根据本发明的实施例，触摸感测运作及指纹感测运作可共享指纹及触摸传感器610中的相同信号处理电路620，因此，相关的电路都可整合在同一芯片中。因此，导线连接方式也可获得简化，以降低串扰问题。另外，由于触摸感测信号与指纹感测信号是在相同集成电路内进行处理，相关的驱动信号可进行同步及/或设定为适当的频率以避免干扰。
请参考图9，图9为通过分时方式执行触摸感测操作及指纹感测操作的示意图。如图9所示，操作时间可分割为数个时段，其中每一时段被分配到触摸感测操作及指纹感测操作的其中一者，因此，触摸感测操作及指纹感测操作不会彼此干扰。举例来说，用于触摸及指纹感测的驱动信号可在不同时段传送，因此信号处理电路620在每一时段中可用来处理触摸感测信号及指纹感测信号的其中一者。
在另一实施例中，通过良好频率控制的触摸感测信号及指纹感测信号，触摸及指纹感测操作也可共存在相同时间之下而不存在干扰，其可通过数字信号处理器中的带通滤波器来执行相应驱动信号频率的控制。请参考图10，图10为用于触摸及指纹感测信号的带通滤波器及其相关频率设计的示意图。为了有效取得感测信号，信号处理电路620中的数字信号处理器包括可用来通过触摸感测信号的一带通滤波器以及可用来通过指纹感测信号的一带通滤波器，该些带通滤波器具有例如图10所示的频率响应。详细来说，每一带通滤波器都具有数个陷波频率(notch frequency)，位于陷波频率上的信号会被完全滤除。因此，可将指纹感测信号的频率设定为大致等于用于触摸感测信号的带通滤波器的一陷波频率，且/或将触摸感测信号的频率设定为大致等于用于指纹感测信号的带通滤波器的一陷波频率。举例来说，触摸感测信号位于170kHz，而混频器可将指纹感测信号降频至200kHz，这些信号的频率分别为另一者的滤波器的陷波频率，也就是说，触摸感测信号与指纹感测信号的频率互相正交。
值得注意的是，本发明的目的在于提供一种指纹及触摸传感器以及相关的信号处理方法，其中，指纹及触摸感测功能可互相整合，且指纹及触摸感测信号可共享相同的信号处理电路。本领域技术人员当可据此进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，在图6的指纹及触摸传感器610中，信号处理电路620包括一模拟前端电路、一抗混叠滤波器、一模拟数字转换器及一数字信号处理器，本领域技术人员应了解，信号处理电路中的装置及/或模块也可根据系统需求而通过其它方式来实现。举例来说，若指纹感测操作与触摸感测及显示操作具有良好同步，使得各项操作可在不同时段中执行而不存在任何周期性噪声，此时，可采用较简单的方式来设计信号处理电路620以降低成本，例如省略抗混叠滤波器及/或采用较简单的数字信号处理器结构。除此之外，上述混频器的电路结构仅为本发明众多实施方式的其中一种，在其它实施例中，也可采用其它类型的混频器来转换指纹感测信号的频率。另外，本说明书提出的频率值仅作为实施例的范例，而非用以限制本发明的范畴。
上述用于指纹及触摸感测信号的信号处理方法可归纳为一信号处理流程110，如图11所示。信号处理流程110可实现于一指纹及触摸传感器(如图6的指纹及触摸传感器610)，其包括以下步骤：
步骤1100：开始。
步骤1102：接收一触摸感测信号。
步骤1104：接收具有一第一频率的一指纹感测信号。
步骤1106：将指纹感测信号从第一频率转移至一第二频率。
步骤1108：以相同的信号处理电路处理触摸感测信号以及位于第二频率的指纹感测信号。
步骤1110：结束。
关于信号处理流程110的详细运作及变化方式可参考上述段落的说明，在此不赘述。
综上所述，本发明的实施例提供了一种指纹及触摸传感器及其相关信号处理方法。指纹及触摸感测功能可整合在一芯片中，并通过适当的频率设定(例如正交频率)或者在不同时段处理触摸感测信号及指纹感测信号来降低指纹感测操作及触摸感测操作之间的干扰。因此，指纹及触摸感测操作可共享相同的信号处理电路，同时，用于指纹及触摸感测操作的导线布置可达到简化，以降低串扰。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。
Claims (10)
1.一种指纹及触摸传感器，包括：
一触摸接收器，用来接收一触摸感测信号；
一指纹接收器，用来接收具有一第一频率的一指纹感测信号；
一混频器，耦接于该指纹接收器，用来将该指纹感测信号从该第一频率转移至一第二频率；以及
一信号处理电路，耦接于该触摸接收器及该混频器，用来处理该触摸感测信号以及位于该第二频率的该指纹感测信号。
2.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，接收到的该触摸感测信号具有一第三频率，且该第二频率与该第三频率具有相同的数量级。
3.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，接收到的该触摸感测信号具有一第三频率，且该第二频率与该第三频率都位于该信号处理电路的一工作频率范围内。
4.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，该第二频率低于该第一频率。
5.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，该信号处理电路以分时方式处理该触摸感测信号及该指纹感测信号。
6.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，接收到的该触摸感测信号具有一第三频率，且该第二频率与该第三频率互相正交。
7.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，该信号处理电路包括：
一第一滤波器，用来通过该触摸感测信号；以及
一第二滤波器，用来通过该指纹感测信号；
其中，该指纹感测信号的该第二频率是该第一滤波器的一陷波频率，且该触摸感测信号的一第三频率是该第二滤波器的一陷波频率。
8.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，该信号处理电路包括一模拟前端电路、一抗混叠滤波器、一模拟数字转换器、及一数字信号处理器当中至少一者。
9.如权利要求1所述的指纹及触摸传感器，其特征在于，该指纹感测信号是从一超声波指纹传感器接收。
10.一种信号处理方法，用于一指纹及触摸传感器，该信号处理方法包括：接收一触摸感测信号；
接收具有一第一频率的一指纹感测信号；
将该指纹感测信号从该第一频率转移至一第二频率；以及
以相同的信号处理电路处理该触摸感测信号以及位于该第二频率的该指纹感测信号。
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