CN112818890A - 指纹识别模组、芯片及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种指纹识别模组、芯片及电子设备。所述指纹识别模组包括封装层和晶粒。晶粒包含像素阵列感应电路，像素阵列感应电路包括多个呈矩阵分布的像素电路。像素电路包括用于对手指指纹进行检测的第一金属层。封装层的弧形外表面到像素阵列感应电路的每列上的像素电路的第一金属层的距离与封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且像素阵列感应电路的每列上的像素电路的第一金属层的表面面积与封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化。本申请能够解决具有曲面型的封装层的像素阵列感应电路采集的指纹信号质量差和噪声量不均匀的问题。

Description

指纹识别模组、芯片及电子设备

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种指纹识别模组、芯片及具有指纹采集芯片的电子设备。

背景技术

随着智能手机全面屏普及，指纹采集与识别方案趋于光学式屏下指纹识别和电容式侧边指纹识别两种方案。其中，电容式侧边式指纹识别方案不受光源影响，主动解锁的体验尤佳。然而，现有的指纹采集与识别方案，出于信号量均匀性考虑，几乎所有方案都采取平面式注塑封装(molding)的结构。然而，电容式侧边指纹识别方案中的侧边式指纹识别模组位于手机的侧方位(如左侧或右侧，一般设计在右侧)，目前95％以上的手机侧边外观都是圆弧曲面型结构设计，导致平面式molding结构的指纹识别模组与手机嵌合不佳，外观上手机的侧边凹凸不平，通过指纹进行解锁的体验也不理想。

另外，现有指纹识别方案的传感器阵列(Sensor Array)的每个像素(Pixel)单位面积大小是一致的，对应平面型molding，Sensor Array采集的信号量和噪声量偏差不大，采集的信号的信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)均匀性很好，获得的图像清晰，对比度高。但是，对应曲面型molding，由于曲面型molding的厚度在每列Pixel上存在差异，各列pixel上的信号量和噪声量都存在明显梯度差异，SNR也呈明显梯度趋势。然而，曲面型molding在各列数据(如厚度)存在固定梯度的偏差，使得SNR进一步降低，并导致采集的指纹图像质量下降，指纹识别效果差。

发明内容

有鉴于此，提供一种指指纹识别模组、芯片及具有指纹采集芯片的电子设备以解决具有曲面型的封装层的像素阵列感应电路采集的指纹信号质量差和噪声量不均匀的问题。

本申请一实施方式中提供一种指纹识别模组，包括封装层和晶粒，所述封装层包覆所述晶粒上，所述晶粒包含像素阵列感应电路，所述像素阵列感应电路包括多个呈矩阵分布的像素电路，所述像素电路包括用于对手指指纹进行检测的第一金属层，且所述第一金属层设置于所述晶粒朝向所述封装层的一面，所述封装层具有弧形外表面，所述封装层的弧形外表面到所述像素阵列感应电路的每列上的像素电路的第一金属层的距离与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且所述像素阵列感应电路的每列上的像素电路的第一金属层的表面面积与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化。

在本申请的一些实施例中，所述封装层的弧形外表面到所述像素阵列感应电路的n列上的像素电路的第一金属层的距离d与所述像素阵列感应电路的n列上的像素电路的第一金属层的表面面积s满足

其中，d1、d2…dn分别为所述封装层的弧形外表面到所述像素阵列感应电路的第1、2…n列上的像素电路的第一金属层的距离；S1、S2…Sn分别为所述像素阵列感应电路上n列的第一金属层的表面面积，n为正整数。

在本申请的一些实施例中，所述像素电路还包括第二金属层、第三金属层、衬底层，所述第二金属层及所述第三金属层设置于所述第一金属层及所述衬底层之间，所述第二金属层和所述第三金属层在所述衬底层的投影覆盖所述第一金属层在所述衬底层的投影，从而将所述第一金属层与所述衬底层进行隔离，所述第一金属层在手指接近后生成指纹信号，所述第二金属层和所述第三金属层交叠或错开设置。

在本申请的一些实施例中，所述指纹识别模组还包括积分电路，所述积分电路与所述像素阵列感应电路连接，用于对所述像素阵列感应电路生成的指纹信号进行放大；所述像素阵列感应电路包括第一开关组、第二开关组，所述第一开关组包括第一子开关、第二子开关、第三子开关，所述第二开关组包括第一子开关、第二子开关、第三子开关；所述第二金属层通过所述第一开关组的第一子开关与电源电压连接及通过所述第二开关组的第一子开关与浮动接地端连接；所述第三金属层通过所述第一开关组的第二子开关与所述电源电压连接及通过所述第二开关组的第二子开关与第一参考电压连接；所述第一金属层通过所述第一开关组的第三子开关与第一参考电压连接及通过所述第二开关组的第三子开关与积分电路连接。

在本申请的一些实施例中，当外设状态控制信号Tx＝0时，浮动接地端的电压VNVSS＝0，当外设状态控制信号Tx＝1时，所述浮动接地端连接预设负电压，浮动接地端的电压VNVSS＝-VTX，其中-VTX为所述预设负电压。

在本申请的一些实施例中，包括负压输出电路，用于提供-VTX给浮动接地端。

在本申请的一些实施例中，所述积分电路包括运算放大器及反馈环路，所述运算放大器包括同相输入端、反向输入端及输出端，所述同相输入端与所述第一参考电压相连接，通过调整所述第一参考电压来调整所述输出端的输出电压，所述第一金属层通过所述第二开关组的第三子开关与所述反向输入端连接，所述输出端通过所述反馈环路与所述反向输入端连接；所述反馈环路包括反馈电容、第三开关组及第四开关组，所述反馈电容的上极板通过所述第三开关组的第一子开关与第二参考电压连接，所述反馈电容的下极板通过所述第三开关组的第二子开关与所述电源电压连接，所述反馈电容的上极板通过所述第四开关组的第一子开关与所述反向输入端连接，所述反馈电容的下极板通过所述第四开关组的第二子开关与所述输出端连接，所述反向输入端通过所述第三开关组的第三子开关与所述输出端连接。

在本申请的一些实施例中，所述指纹采集电路提供第一时序控制信号、第二时序控制信号、第三时序控制信号及第四时序控制信号，所述第一时序控制信号与所述第二时序控制信号为相位相差180°的时钟信号，所述第三时序控制信号

与所述第四时序控制信号

是相位相差180°的非交叠时钟信号，所述第一时序控制信号用于控制所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第二时序控制信号用于控制所述第四开关组的第一子开关、第二子开关的开合与关闭，所述第三时序控制信号用于控制所述第一开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第四时序控制信号用于控制所述第二开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭。

在本申请的一些实施例中，所述指纹采集电路工作步骤为：

(a)起始阶段；第一时序控制信号为高电平，第二时序控制信号为低电平，所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时导通，所述第四开关组的第一子开关、第二子开关同时断开；

(b)扫描阶段：所述第一时序控制信号为低电平，所述第二时序控制信号为高电平，所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时断开，所述第四开关组的第一子开关、第二子开关同时导通；

(c)预充电阶段：外设状态控制信号TX＝0，浮动接地端与接地端连接，浮动接地端的电压V_NVSS＝0，所述第一开关组的第一子开关、第一开关组的第二子开关断开，所述第一开关组的第三子开关导通，所述第二开关组的第一子开关、第二开关组的第二子开关同时导通，所述第二开关组的第三子开关断开，所述第二金属层连接接地端，所述第一金属层及所述第三金属层同时连接第一参考电压，所述第一金属层与所述放大器断开；

(d)电荷转移阶段，外设状态控制信号Tx＝1，浮动接地端连接预设负电压，所述第一开关组的第三子开关由导通转变为断开，第二开关组的第三子开关由断开转变为导通，所述第一开关组的第一子开关、第一开关组的第二子开关、第二开关组的第一子开关、第二开关组的第二子开关保持状态不变，预设负电压-VTX＝(-1)*VDD，其中VDD为电源电压，所述第二开关组的第二子开关导通，所述放大器的反相输入端通过所述第二开关组的第三子开关连接至所述第一金属层，所述放大器的输出端和所述反相输入端通过所述反馈电容连接。

在本申请的一些实施例中，所述指纹识别模组还包括PCB板及柔性电路板，所述PCB板设置在所述柔性电路板上，所述晶粒设置在所述PCB板上，所述封装层包覆所述晶粒及所述PCB板。

本申请的实施例还提供一种指纹识别芯片包括上述提供的晶粒，所述晶粒包含像素阵列感应电路，所述像素阵列感应电路包括多个呈矩阵分布的像素电路，所述像素电路包括用于对手指指纹进行检测的第一金属层，且所述第一金属层设置于所述晶粒且朝向覆盖所述晶粒的封装层，所述第一金属层的表面面积与覆盖其上方的封装层的厚度成线性比例变化。

本申请的实施例还提供一种电子设备，所述电子设备采用上述提供的指纹芯片。

本申请根据封装层的弧形外表面到第一金属层的距离，将第一金属层的表面面积进行差异化设计，保证像素阵列感应电路采集的单位电容值一致，解决了具有曲面型的封装层的像素阵列感应电路采集的指纹信号质量差和噪声量不均匀的问题。

附图说明

图1为本申请一实施方式中指纹识别系统的系统框体。

图2为本申请一实施方式中像素阵列感应电路与积分电路连接的示意图。

图3为本申请一实施方式中像素电路的电路结构图。

图4为本申请一实施方式中指纹识别模组安装在电子设备上的示意图。

图5为图4的指纹识别模组沿V-V面进行剖面的剖面图。

图6为现有指纹识别模组的剖面图。

图7a为现有指纹识别模组的封装层的示意图。

图7b为本申请一实施方式中指纹识别模组的封装层的示意图。

图8a为现有的封装层的像素阵列感应电路采集的指纹信号示意图。

图8b为本申请一实施方式中的像素阵列感应电路采集的指纹信号示意图。

图9为本申请一实施方式中曲面型封装层的弧度与像素电路的第一金属层的面积关系的示意图。

图10为本申请一实施方式中像素阵列感应电路与积分电路的具体连接示意图。

图11为本申请一实施方式中指纹采集电路进行指纹采集的时序图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请实施例，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请实施例。

请参考图1，所示为本申请一实施方式中指纹识别系统1的系统框体。本实施方式中，指纹识别系统1包括像素阵列感应电路12、积分电路13、模数转换电路14、数字处理器15及主机16。本实施方式中，所述像素阵列感应电路12、积分电路13、模数转换电路14、数字处理器15及主机16依此连接，即所述像素阵列感应电路12与所述积分电路13连接，所述积分电路13与所述模数转换电路14连接，所述模数转换电路14与所述数字处理器15连接，所述数字处理器15与所述主机16连接。

本实施方式中，所述像素阵列感应电路12按照一定的时序控制进行扫描以检测用户的指纹信号。所述积分电路13将采集到的指纹信号的电荷变化量同时进行多次积分，并将指纹信号进行放大处理。所述模数转换电路14将放大处理后的指纹信号转换成带有指纹信息的数字信号。所述数字处理器15对带有指纹信息的数字信号进行数字处理得到数字处理结果。所述主机16根据所述数字处理结果识别所述指纹信息。

本实施方式中，由于模数转换电路14、数字处理器15及主机16为本领域现有的电路结构，且本申请并未对模数转换电路14、数字处理器15及主机16的电路结构进行改进。本申请对模数转换电路14、数字处理器15及主机16不作详细介绍，如下仅对本申请的像素阵列感应电路12及积分电路13的改进方案作具体描述。

本实施方式中，像素阵列感应电路12包括m行n列的像素电路121(Pixel)组成的传感器矩阵阵列(Sensor Array)，其中，m，n为正整数。请参考图2，所示为本申请一实施方式中像素阵列感应电路12与积分电路13连接的示意图。本实施方式中，所述积分电路13包括多个积分器131。本实施方式中，所示积分器131的数量与传感器阵列的列数相同。例如，传感器阵列包括n列的像素电路121，则积分电路13的积分器131的数量为n。本实施方式中，所述传感器阵列中每列的像素电路121连接同一个积分电路13的积分器131，且不同列的像素电路121连接不同的积分器131。

本实施方式中，由于像素阵列感应电路12中每个像素电路121的结构及工作原理相同，本申请只介绍单一像素电路121的电路结构。请参考图3，所示为本发明一实施方式中像素电路121的电路结构图。像素电路121包括第一金属层1211、第二金属层1212、第三金属层1213、衬底层1214。本实施方式中，第一金属层1211用于对用户的指纹进行检测。当用户的手指触摸到第一金属层1211时，由于人体本身是良导体，可以看作是接地端GND，用户的手指与指纹识别模组的第一金属层1211形成第一寄生电容C_finger。本实施方式中，手指指纹的纹谷和纹脊到第一金属层1211的距离有差异，第一寄生电容C_finger的大小随之产生差异，因此将第一寄生电容C_finger作为检测手指指纹的指纹信号。本实施方式中，指纹信号为第一寄生电容C_finger的电荷量。

手指触摸第一金属层1211后，第一金属层1211与人体产生C_finger，并且第一金属层1211与衬底层1214之间还会形成第二寄生电容C_pex，从而第一金属层1211到衬底层(GND)的总寄生电容C_top＝C₁+C₂，表示为其中C₁为第一寄生电容C_finger，C₂为第二寄生电容C_pex。这样从第一金属层1211l检测到的电容不仅仅有第一寄生电容C_finger，还会有第二寄生电容C_pex。而要提高指纹检测精度会希望第一寄生电容C_finger无限接近于寄生总电容C_top，第二寄生电容C_pex越接近于零越好。为了降低第二寄生电容C_pex对指纹的检测精度的影响，本申请在第一金属层1211与衬底层1214之间设置第二金属层1212及第三金属层1213以将第一金属层1211与衬底层1214进行隔离，第二金属层1212和第三金属层1213在衬底层1214的投影覆盖第一金属层1211在衬底层1214的投影，以消除第一金属层1211与衬底层1214之间形成的第二寄生电容C_pex，提高指纹信号的检测准确度。具体地，第一金属层1211与第二金属层1212间隔设置，且第一金属层1211与第二金属层1212之间形成第一电容21。第一金属层1211与第三金属层1213间隔设置，且第一金属层1211与第三金属层1213之间形成第二电容22。第二金属层1212与第三金属层1213可以交叠或错开设置，第二金属层1212与第三金属层1213的总覆盖范围应大于或等于第一金属层的范围。

参考图2，本实施方式中，像素阵列感应电路12在进行指纹扫描工作时，像素电路121将手指和第一金属层1211之间的第一寄生电容C_finger信号变化量采集并转换为电荷变化量，与所述像素电路121连接的积分器131将采集到的指纹信号的电荷变化量同时进行多次积分，将指纹信号进行放大处理，并将处理过后的指纹信号传输至后级的模数转换电路14。本实施方式中，像素阵列感应电路12在扫描时，传感器阵列的n个像素电路121和n个积分器131同时动作，每次n个像素电路121采集的n个指纹信号变化量经过n个积分器131积分及放大后同时输出至后级的模数转换电路14，一行像素电路121扫描结束后再进行下一行像素电路121的扫描，直至扫描至第m行，指纹识别系统1完成整帧扫描。

请参考图4，所示为本发明一实施方式中指纹识别模组2安装在电子设备3上的示意图。本实施方式中，所述电子设备3可以为但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑或游戏设备。所述指纹识别模组2安装在所述电子设备3的侧边。本实施方式中，所述指纹识别模组2安装在电子设备3的区域可以单独形成指纹识别区域或与电子设备3的电源键区域合二为一。

请参考图5，所示为本申请一实施方式中指纹识别模组2沿V-V面进行剖面的剖面图。本实施方式中，所述指纹识别模组2包括封装层21、晶粒(Die)22、PCB(Printed CircuitBoard)板23、柔性电路板24。本实施方式中，封装层21以曲面型实现。曲面型的封装层21具有弧形外表面212。本实施方式中，所述PCB板23设置在柔性电路板24上。所述晶粒22设置在PCB板23。所述封装层21至少包覆晶粒22及所述PCB板23。本实施方式中，像素阵列感应电路121植入在晶粒22上。本实施方式中，所述指纹识别模组2为长条形结构。在其他实施方式中，所述指纹识别模组2还可以为正方形、圆形及不规则形状结构。

本实施方式中，像素阵列感应电路12设置在晶粒22的表面且晶粒22的表面进行封装形成封装层21。具体地，所述像素阵列感应电路12设置于所述晶粒朝22向所述封装层21的一面。当用户的手指触摸到封装层21的弧形外表面212时，像素阵列感应电路12能够对手指指纹进行采集，如此避免手指与晶粒22直接接触时造成像素阵列感应电路12表面的刮花、损坏的问题。本实施方式中，封装层是指进行注塑封装及涂层处理后得到的注塑层。本实施方式中，封装层21的作用一是对像素阵列感应电路12进行防护，二是将晶粒22、PCB板23、柔性电路板24形成一体，实现模组化。本实施方式中，像素阵列感应电路12需要采集的信号是触摸封装层21的弧形外表面212的手指表面和像素阵列感应电路12的第一金属层1211之间的第一寄生电容Cfinger信号，而封装层21位于手指表面与第一金属层1211之间，封装层21的厚度为封装层21的弧形外表面212与第一金属层1211之间的距离。

参考图6，所示为现有的指纹识别模组2的剖面图。所述指纹识别模组2的封装层21为平面型。平面型的封装层21具有外平面211。在具体实施方式中，具有外平面211的封装层21厚度要尽量小，平坦程度要尽量好，以保障被采集信号的均匀性。

参考图4，本实施方式中，所述指纹识别模组2通过连接器25安装在电子设备3中。具体地，所述指纹识别模组2的晶粒22通过芯片打线(Bonding)连接所述PCB板23。所述PCB板23通过焊盘(PAD)与所述柔性电路板24焊接在一起，所述柔性电路板24通过连接器25(如排线)连接所述电子设备3，例如连接所述电子设备3的主机16。

本实施方式中，在将所述指纹识别模组2设置在电子设备3的侧边的方案中，由于所述电子设备3的侧边表面为弧形，因而指纹识别模组2中具有弧形外表面212的封装层21可以消除电子设备3侧边的凹凸不平感，使得安装有指纹识别模组2的电子设备3外观上的侧边弧形一体化。

在一实施方式中，参考图6，在将所述指纹识别模组2设置在电子设备3的前置玻璃盖板的方案或设置在电子设备3的后置涂层盖板的方案中，由于电子设备3的表面为平面，出于封装层21的厚度和平整度的考虑，所述指纹识别模组2的封装层21以平面型实现。也即，所述指纹识别模组2的封装层21具有外平面211.。

参考图7a，所示为现有平面型的封装层21的示意图。参考图7b所示为本申请一实施方式中的曲面型的封装层21。所述封装层21的外平面211到所述像素阵列感应电路12的每列上的像素电路121的第一金属层1211(也即晶粒22表面)的距离(也即封装层21的厚度)均相等。例如，指纹识别模组2的平面型的封装层21的外平面211的任意三点到像素阵列感应电路12的第一金属层1212(也即晶粒22表面)的距离d1、d2、d3均相等。本实施方式中，所述像素阵列感应电路12的每列上的像素电路121的第一金属层1211的表面面积均相等。参考图8a,所示为现有平面型的封装层21的像素阵列感应电路12采集的指纹信号示意图。所述像素阵列感应电路12各列上的像素电路121采集到的指纹信号(第一寄生电容Cfinger)量是均匀的。

参考图7b，指纹识别模组2的曲面型的封装层21的弧形外表面212的任意三点到像素阵列感应电路12的第一金属层1212(也即晶粒22表面)的距离d1、d2、d3不相等，封装层21的厚度与封装层21外表面212的弧度成线性比例变化。参考图8b,所示为本申请一实施方式中的曲面型的封装层21的像素阵列感应电路12采集的指纹信号示意图。所述像素阵列感应电路12各列上的像素电路121采集到的指纹信号量(第一寄生电容Cfinger信号)呈梯度式分布。曲面型的封装层21的指纹识别模组2采集的指纹信号的数据不均匀特性，会对后续指纹识别算法对指纹脊和谷的区分造成困扰，并且造成误判断率提高。

本实施方式中，手指与像素阵列感应电路12的第一金属层1212间的电容表示为

ε表示介质介电常数，S表示两极板间正对面积，即正对手指的第一金属层1212的面积，d表示手指到第一金属层1212的距离。本实施方式中，假设封装层21在像素阵列感应电路12的n列上的厚度分别为d1、d2…dn，且d1＝x2*d2＝…xn*dn，x2、x3…xn分别为封装层21在像素阵列感应电路12的第2、3……n列上的厚度相比于封装层21在像素阵列感应电路12的第1列的厚度系数。像素阵列感应电路12上n列的第一金属层1212的表面面积为S1、S2…Sn，根据

则S1＝x2*S2＝…＝xn*Sn。因而，封装层21在像素阵列感应电路12的n列上的厚度与像素阵列感应电路12的n列上的像素电路的第一金属层的表面面积满足

本实施方式中，根据曲面型的封装层21的弧形外表面212的弧度特性，得出封装层21在像素阵列感应电路12不同列上的厚度系数，进而推算出像素阵列感应电路12在不同列上的像素电路121的第一金属层1212的表面面积。

参考图9，所示为本申请一实施方式中曲面型的封装层21的弧度与像素电路121的第一金属层1212的面积关系的示意图。

本实施方式中，曲面型的封装层21的弧形外表面212到不同列的像素阵列感应电路12的第一金属层1212的距离不同，像素阵列感应电路12上对应列的第一金属层1212的表面面积也不同，封装层21的弧形外表面212到像素阵列感应电路12的第一金属层1212的距离与第一金属层1212的表面面积呈线性比例关系。

本申请根据封装层21的弧形外表面212的曲面弧度的不同，计算得到封装层21的弧形外表面212到第一金属层1212的距离，并根据距离计算出对应弧度下单个像素电路121的第一金属层1212的表面面积，通过将第一金属层1212的表面面积进行差异化设计，保证像素阵列感应电路12采集的单位电容值一致，解决了具有曲面型封装层21的像素阵列感应电路12的信号质量差和SNR不均匀的问题。

在一实施方式中，所述指纹识别模组2还包括积分电路13。所述像素阵列感应电路12与积分电路13相连接。请参考图10，为本申请一实施方式中像素阵列感应电路12与积分电路13的具体连接示意图。本实施方式中，第一金属层1211与视为GND的人体形成第一寄生电容C_finger。第一电容21为第一金属层1211与第二金属层1212之间形成的寄生电容。像素阵列感应电路12包括第一开关组、第二开关组。第一开关组包括第一子开关

第二子开关

第三子开关

第二开关组包括第一子开关

第二子开关

第三子开关

第一金属层1211与第二金属层1212形成第一电容21。第二金属层1212通过第一开关组的第一子开关

与电源电压V_DD连接，第二金属层1212通过第二开关组的第一子开关

与浮动接地端NVSS连接。

第一金属层与第三金属层1213形成第二电容22。第三金属层1213通过第一开关组的第二子开关

与电源电压V_DD连接，通过第二开关组的第二子开关

与第一参考电压V_REF连接。

第一金属层1211通过第一开关组的第三子开关

与第一参考电压V_REF连接及通过所述第二开关组的第三子开关

与积分电路连接13连接。具体地，像素阵列感应电路12还设有电阻1218，第一金属层1211与电阻1218的一端连接。电阻1218的另一端通过第一开关组的第三子开关

与电源电压VDD连接，及通过第二开关组的第二子开关

与积分电路13连接。

本实施方式中，积分电路13用于对指纹采集电路1检测到的指纹信号进行放大。本实施方式中，积分电路13包括运算放大器131及反馈环路132。运算放大器131包括同相输入端1311、反向输入端1312及输出端1313。同相输入端1311与第一参考电压V_REF相连接。电阻1218通过第二开关组的第二子开关

与反向输入端1312连接。输出端1313通过反馈环路132与反向输入端1312连接。

本实施方式中，反馈环路132包括反馈电容C_FB、第三开关组及第四开关组。第三开关组包括第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3。第四开关组包括第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2。反馈电容C_FB的上极板通过第三开关组的第一子开关rst_a1与第二参考电压V_{DC_OS}连接。反馈电容C_FB的下极板通过第三开关组的第二子开关rst_a2与电源电压VDD连接。反馈电容C_FB的上极板通过第四开关组的第一子开关rst_b1与反向输入端1312连接。反馈电容C_FB的下极板通过第四开关组的第二子开关rst_b2与输出端连接1313。反向输入端1312还通过第三开关组的第三子开关rst_a3与输出端1313连接。

请参考图11，为本申请一实施方式中指纹采集电路1进行指纹采集的时序图。指纹采集电路1提供第一时序控制信号reset_a、第二时序控制信号reset_b、第三时序控制信号

及第四时序控制信号

第一时序控制信号reset_a与第二时序控制信号reset_b是相位相差180°的时钟信号。第三时序控制信号

与第四时序控制信号

是相位相差180°的非交叠时钟信号。

第一时序控制信号reset_a用于控制第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3的开合与关闭。第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3的开合与关闭的时序完全相同。第二时序控制信号reset_b用于控制第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2的开合与关闭。第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2的开合与关闭的时序完全相同。第三时序控制信号

用于控制第一开关组的第一子开关

第二子开关

第三子开关

的开合与关闭。第一开关组的第一子开关

第二子开关

第三子开关

的开合与关闭的时序相同。第四时序控制信号

用于控制第二开关组的第一子开关

第二子开关

第三子开关

的开合与关闭。第二开关组的第一子开关

第二子开关

第三子开关

的开合与关闭的时序相同。

下面结合图10及图11具体描述本申请的指纹采集电路1的工作过程。该工作过程包括以下几个阶段。

(a)起始阶段，第一时序控制信号reset_a为高电平，第二时序控制信号reset_b为低电平，此时第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3同时导通，第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2同时断开。运算放大器的输出端1313连接反相输入端1312，运算放大器131为缓冲器(buffer)结构，Vn＝VREF。反馈电容C_FB的上极板连接第二参考电压V_{DC_OS}，下极板接电源电压VDD，反馈电容C_FB电压根据公式V_CFB1＝V_DD-V_{DC_OS}计算得到，其中，V_CFB1表示反馈电容C_FB两端电压。反馈电容C_FB的电荷根据公式Q_CFB1＝C_FB*(V_DD-V_{DC_OS})计算得到，其中，C_FB为反馈电容C_FB的电容量，Q_CFB1为反馈电容C_FB的电荷量，V_{DC_OS}为第二参考电压。

(b)扫描阶段，第一时序控制信号reset_a为低电平，第二时序控制信号reset_b为高电平，此时第三开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3同时断开，第四开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2同时导通。反馈电容C_FB的上极板连接运算放大器131的反向输入端1312，下极板连接运算放大器131的输出端1313。反馈电容C_FB的电压根据公式V_CFB2＝V_OUT-V_REF计算得到，其中，V_OUT为表示运算放大器131的输出端1313的输出电压，V_REF为第一参考电压。反馈电容C_FB的电荷根据公式Q_CFB2＝C_FB*(V_OUT-V_REF)计算得到。

由于反馈电容C_FB的电荷在起始阶段及扫描阶段没有变化，Q_CFB1＝Q_CFB2所以推导出运算放大器131的输出端1313的输出电压V_OUT＝V_REF+V_DD-V_{DC_OS}。根据电荷守恒定律，反馈电容C_FB的电荷根据公式

Q_CFB＝Q_CFB1+Q_CFB2＝C_FB*(V_DD-V_{DC_OS})+C_FB*(V_OUT-V_REF)计算得到。

(c)预充电阶段，像素阵列感应电路12中的接地端GND分为浮动接地端NVSS和接地端GND。其中，浮动接地端NVSS的电压为预设负电压-VTX或零，接地端GND的电压为零。本实施方式中，浮动接地端NVSS的电压收到外设状态控制信号Tx的控制，当外设状态控制信号Tx＝0时，浮动接地端NVSS与接地端GND连接，浮动接地端NVSS的电压VNVSS＝0；当外设状态控制信号Tx＝1时，浮动接地端NVSS连接预设负电压-VTX，浮动接地端NVSS的电压VNVSS＝-VTX。当像素阵列感应电路12进行指纹信息采集时，外设状态控制信号TX＝0，浮动接地端NVSS与接地端GND连接，浮动接地端NVSS的电压VNVSS＝0，第一开关组的第一子开关

第一开关组的第二子开关

断开，第一开关组的

导通，第二开关组的第一子开关

第二开关组的第二子开关

同时导通，第二开关组的第三子开关

断开，第二金属层1212连接接地端GND，第一金属层1211及第三金属层1213同时连接第一参考电压VREF，第一金属层1211与放大器131断开，第一金属层1211上的电荷表示为Q₁＝(C_finger+C₂)×V_REF，其中，Q1中包含了指纹信号第一寄生电容C_finger。

(d)电荷转移阶段，外设状态控制信号Tx＝1时，浮动接地端NVSS连接预设负电压-VTX，浮动接地端NVSS的电压V_NVSS＝-VTX，第一开关组的第三子开关

由导通转变为断开，第二开关组的第三子开关

由断开转变为导通，第一开关组的第一子开关

第一开关组的第二子开关

第二开关组的第一子开关

第二开关组的第二子开关

均保持状态不变。另外，当浮动接地端NVSS与接地端GND的连接关系转换为浮动接地端NVSS与预设负电压-VTX的连接关系时，由于预设负电压-VTX是一个负压(由外部负压产生电路产生)，设定-VTX＝(-1)*VDD，第二开关组的第二子开关

导通，放大器131的反相输入端1312通过第二开关组的第三子开关

连接至第一金属层1211，放大器131的输出端1313和反相输入端1312通过反馈电容C_FB连接，构成反馈结构。放大器131的输出端1313的电压等于正相输入端1311电压(即第一参考电压V_REF)。第二开关组的第二子开关

为导通状态，第三金属层1213连接第一参考电压V_REF。第一金属层1211和第二金属层之间的电压，即第二电容22两端电压均是第一参考电压V_REF，第二电容22没有电荷转移。第二开关组的第一子开关

为导通状态，第二金属层1212连接预设负电压-VTX，第一金属层1211到浮动接地端NVSS的电容为第一电容21，第一参考电压V_REF与浮动接地端NVSS处于相同电压域，因此第一电容21上的第一参考电压V_REF到浮动接地端NVSS的压降等于V_REF，即第一电容21的电荷量

手指到第一金属层1211的第一寄生电容C_finger的两端电压(即第一参考电压V_REF到接地端GND的压降)表示为V_REF-V_TX，故第一寄生电容C_finger为Q_Cfinger＝(V_REF-V_TX)*C_finger。第一金属层1211到接地端GND的总寄生电容为C₂+C_finger，总寄生电容为C₂+C_finger的电荷量可表示为(V_REF-V_TX)*C_finger+V_REF*C₂。第二开关组的第三子开关

导通之前，放大器131的反向输入端1312的电荷量Q_CFB＝C_FB*(V_DD-V_{DC_OS})+C_FB*(V_OUT-V_REF)。第二开关组的第三子开关

导通后，总电荷量

Q₂＝(V_REF-V_TX)*C_finger+V_REF*C₂+(V_DD-V_{DC_OS})*C_FB+(V_REF-V_OUT)

*C_FB

根据电荷守恒定理，

Q₁＝Q₂

则输出端1313的输出电压

经过N次积分，输出端1313的输出电压为

由上式可以看到，输出端1313的输出电压Vout仅与第一寄生电容C_finger、反馈电容C_FB、预设负电压-Vtx有关，与像素电路121的第一电容21、第二电容23均无关系。进行空扫时，第一寄生电容C_finger＝0，因此V_{OUT_VIR}＝V_DD-V_{DC_OS}+V_REF，无论像素电路121的表面面积大小如何，空扫的输出Vout_vir均可以保持恒定，如此解决了指纹识别模组2的封装层21为曲面或异形封装的情况下，每一列的像素电路121的第一金属层1211的表面面积大小会随封装层21的表面的弧度变化而变化而导致每列的像素电路121的第一电容22的电容值是不相等，进而造成经过积分过后的信号量必然会过大或过小，超过模数转换电路14的输入动态范围，导致指纹识别系统1无法正常工作的问题。

本实施方式中，指纹识别模组2的封装层21为2.5D曲面或3D曲面。指纹识别模组2的封装层21的曲面的形状可以为凹面、锯齿面。本实施方式中，指纹识别模组2的形状为长条形、正方形、圆形及其他不规则的形状。

本实施例中的整个像素阵列感应电路12和积分电路13结构简单，所需的电源电压V_DD和地GND都无需特别处理，且兼容芯片的其他模块的V_DD和GND，无需采用特殊制程，通过普通CMOS制程均可实现。

本实施例中感测的指纹信号的灵敏度高，而不需要通过提高像素阵列感应电路的面积来提高灵敏度，对比一般的采集电路，本实施例中的像素阵列感应电路面积可缩小，节约芯片成本。

其它实施方式中，本申请中的放大器131的反馈电容C_FB可适用不同外界条件的应用情况进行多样化设置。

其它实施方式中，指纹采集电路1的像素阵列感应电路12进行一次指纹采样后，所述模数转换电路14进行多次模数转换；或像素阵列感应电路12进行多次指纹采样后，模数转换电路14进行一次模数转换；亦或像素阵列感应电路12进行多次指纹采样后，模数转换电路14进行多次模数转换等不同的工作模式，以有效提升指纹的信号量。

本申请的实施例还提供了一种指纹芯片，指纹芯片包括晶粒。晶粒如上述实施方式中提供。此处不再赘述。

本申请的实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括上述实施方式中提供的指纹芯片。

以上实施方式仅用以说明本申请实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种指纹识别模组，包括封装层和晶粒，所述封装层包覆所述晶粒，其特征在于，所述晶粒包含像素阵列感应电路，所述像素阵列感应电路包括多个呈矩阵分布的像素电路，所述像素电路包括用于对手指指纹进行检测的第一金属层，且所述第一金属层设置于所述晶粒朝向所述封装层的一面，所述封装层具有弧形外表面，所述封装层的弧形外表面到所述像素阵列感应电路的每列上的像素电路的第一金属层的距离与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且所述像素阵列感应电路的每列上的像素电路的第一金属层的表面面积与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化。

2.如权利要求1所述的指纹识别模组，所述封装层的弧形外表面到所述像素阵列感应电路的n列上的像素电路的第一金属层的距离d与所述像素阵列感应电路的n列上的像素电路的第一金属层的表面面积s满足

其中，d1、d2…dn分别为所述封装层的弧形外表面到所述像素阵列感应电路的第1、2…n列上的像素电路的第一金属层的距离；S1、S2…Sn分别为所述像素阵列感应电路上n列的第一金属层的表面面积，n为正整数。

3.如权利要求2所述的指纹识别模组，所述像素电路还包括第二金属层、第三金属层、衬底层，所述第二金属层及所述第三金属层设置于所述第一金属层及所述衬底层之间，所述第二金属层和所述第三金属层在所述衬底层的投影覆盖所述第一金属层在所述衬底层的投影，从而将所述第一金属层与所述衬底层进行隔离，所述第一金属层在手指接近后生成指纹信号，所述第二金属层和所述第三金属层交叠或错开设置。

4.如权利要求3所述的指纹识别模组，其特征在于，所述指纹识别模组还包括积分电路，所述积分电路与所述像素阵列感应电路连接，用于对所述像素阵列感应电路生成的指纹信号进行放大；所述像素阵列感应电路包括第一开关组、第二开关组，所述第一开关组包括第一子开关、第二子开关、第三子开关，所述第二开关组包括第一子开关、第二子开关、第三子开关；所述第二金属层通过所述第一开关组的第一子开关与电源电压连接及通过所述第二开关组的第一子开关与浮动接地端连接；所述第三金属层通过所述第一开关组的第二子开关与所述电源电压连接及通过所述第二开关组的第二子开关与第一参考电压连接；所述第一金属层通过所述第一开关组的第三子开关与第一参考电压连接及通过所述第二开关组的第三子开关与积分电路连接。

5.如权利要求4所述的指纹识别模组，其特征在于，其中，当外设状态控制信号Tx＝0时，浮动接地端的电压VNVSS＝0，当外设状态控制信号Tx＝1时，所述浮动接地端连接预设负电压，浮动接地端的电压VNVSS＝-VTX，其中-VTX为所述预设负电压。

6.如权利要求5所述的指纹识别模组，其特征在于，包括负压输出电路，用于提供-VTX给浮动接地端。

7.如权利要求4所述的指纹识别模组，其特征在于，所述积分电路包括运算放大器及反馈环路，所述运算放大器包括同相输入端、反向输入端及输出端，所述同相输入端与所述第一参考电压相连接，通过调整所述第一参考电压来调整所述输出端的输出电压，所述第一金属层通过所述第二开关组的第三子开关与所述反向输入端连接，所述输出端通过所述反馈环路与所述反向输入端连接；所述反馈环路包括反馈电容、第三开关组及第四开关组，所述反馈电容的上极板通过所述第三开关组的第一子开关与第二参考电压连接，所述反馈电容的下极板通过所述第三开关组的第二子开关与所述电源电压连接，所述反馈电容的上极板通过所述第四开关组的第一子开关与所述反向输入端连接，所述反馈电容的下极板通过所述第四开关组的第二子开关与所述输出端连接，所述反向输入端通过所述第三开关组的第三子开关与所述输出端连接。

8.如权利要求7所述的指纹识别模组，其特征在于，所述指纹采集电路提供第一时序控制信号、第二时序控制信号、第三时序控制信号及第四时序控制信号，所述第一时序控制信号与所述第二时序控制信号为相位相差180°的时钟信号，所述第三时序控制信号

与所述第四时序控制信号

是相位相差180°的非交叠时钟信号，所述第一时序控制信号用于控制所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第二时序控制信号用于控制所述第四开关组的第一子开关、第二子开关的开合与关闭，所述第三时序控制信号用于控制所述第一开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第四时序控制信号用于控制所述第二开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭。

9.如权利要求8所述的指纹识别模组，其特征在于，所述指纹采集电路工作步骤为：

(a)起始阶段；第一时序控制信号为高电平，第二时序控制信号为低电平，所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时导通，所述第四开关组的第一子开关、第二子开关同时断开；

(b)扫描阶段：所述第一时序控制信号为低电平，所述第二时序控制信号为高电平，所述第三开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关同时断开，所述第四开关组的第一子开关、第二子开关同时导通；

(c)预充电阶段：外设状态控制信号TX＝0，浮动接地端与接地端连接，浮动接地端的电压V_NVSS＝0，所述第一开关组的第一子开关、第一开关组的第二子开关断开，所述第一开关组的第三子开关导通，所述第二开关组的第一子开关、第二开关组的第二子开关同时导通，所述第二开关组的第三子开关断开，所述第二金属层连接接地端，所述第一金属层及所述第三金属层同时连接第一参考电压，所述第一金属层与所述放大器断开；

(d)电荷转移阶段，外设状态控制信号Tx＝1，浮动接地端连接预设负电压，所述第一开关组的第三子开关由导通转变为断开，第二开关组的第三子开关由断开转变为导通，所述第一开关组的第一子开关、第一开关组的第二子开关、第二开关组的第一子开关、第二开关组的第二子开关保持状态不变，预设负电压-VTX＝(-1)*VDD，其中VDD为电源电压，所述第二开关组的第二子开关导通，所述放大器的反相输入端通过所述第二开关组的第三子开关连接至所述第一金属层，所述放大器的输出端和所述反相输入端通过所述反馈电容连接。

10.如权利要求1所述的指纹识别模组，其特征在于，所述指纹识别模组还包括PCB板及柔性电路板，所述PCB板设置在所述柔性电路板上，所述晶粒设置在所述PCB板上，所述封装层包覆所述晶粒及所述PCB板。

11.一种指纹识别芯片，其特征在于，包括权利要求1提供的晶粒，所述晶粒包含像素阵列感应电路，所述像素阵列感应电路包括多个呈矩阵分布的像素电路，所述像素电路包括用于对手指指纹进行检测的第一金属层，且所述第一金属层设置于所述晶粒且朝向覆盖所述晶粒的封装层，所述第一金属层的表面面积与覆盖其上方的封装层的厚度成线性比例变化。

12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备采用上述权利要求11提供的指纹芯片。

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