CN113158737A - 超声波指纹检测传感器及模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波指纹检测传感器及模组，超声波指纹检测传感器包括玻璃基底；超声波像素阵列，设在玻璃基底上，包括超声波像素单元；超声波像素单元包括超声波传感器以及超声波指纹检测电路，超声波指纹检测电路包括电容和至少四个MOS管；第一MOS管与电容一端连接；第三和第四MOS管的源漏相连而形成一共接点；在超声波指纹检测电路的接收阶段内，第四MOS管开通而使第一MOS管的栅极与共接点形成电性通路；并利用时序控制讯号开通第三MOS管开通而抬高共接点电位，在读取阶段，第二MOS管开通输出第一MOS管栅极存储的指纹信号。本发明实施例的TFT工艺制作的超声波指纹检测传感器可实现超声波指纹信号的读取。

Description

超声波指纹检测传感器及模组

技术领域

本发明涉及指纹检测超声波传感器技术领域，尤其涉及一种超声波指纹检测传感器及运用该超声波指纹检测传感器的模组。

背景技术

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。基于超声波这种特点，因此超声波传感器应用比较广泛。

不同于传统的光学或电容等指纹识别方案，应用于屏下指纹识别的超声波传感器由于具有更灵活的环境应用场合而更受欢迎。区别于光学指纹识别传感器受制于光路的限制而不能过薄，超声波传感器不存在此限制，因此屏下指纹识别传感器可随电子产品的薄型化而更容易做薄。超声波传感器也不像电容类指纹传感器易受影响环境潮湿度而影响其灵敏度。

随着用户也越来越追求更好的体验，对于可进行指纹的识别的区域也希望越来越大，目前均追求大面阵的指纹识别芯片。利用CMOS工艺制作大面阵的超声指纹芯片显然在成本上优势也较弱。

目前国内大面阵的屏下超声波指纹识别模组尚还处于开发阶段，并未出现此类的屏下超声波指纹识别传感器。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种超声波指纹检测传感器及模组，该超声波指纹检测传感器采用TFT工艺制作，在制作大面阵的超声波指纹检测传感器时，可降低传感器的制作成本。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种超声波指纹检测传感器，包括：

玻璃基底；

超声波像素阵列，设在所述玻璃基底上，包括若干个超声波像素单元；每个所述超声波像素单元包括超声波传感器以及超声波指纹检测电路，所述超声波指纹检测电路包括一电容和至少四个MOS管：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管；所述超声波指纹检测电路接收至少对应的四个时序控制讯号：第一驱动讯号、偏置讯号、第二驱动讯号以及行选讯号，所述四个时序控制讯号之间互相独立；

其中，所述第一MOS管作为源极跟随管，所述第一MOS管的栅极与所述电容的一端连接，所述第四MOS管的栅极接收所述第二驱动讯号，所述第三MOS管的栅极接收所述第一驱动讯号，所述第三MOS管的源极/漏极接收所述偏置讯号；所述第三MOS管和所述第四MOS管的源漏相连而形成一共接点，所述共接点与对应所述超声波传感器的电极连通，所述第二MOS管的栅极接收所述行选讯号；

在所述超声波指纹检测电路的接收阶段内，至少利用第二驱动讯号开通所述第四MOS管，使得所述第一MOS管的栅极与所述共接点形成电性通路；在所述共接点和所述第一MOS管的栅极形成电性通路的区间内，利用所述第一驱动讯号和所述偏置讯号控制所述第三MOS管开通而抬高所述共接点的电位；在所述接收阶段后的读取阶段，利用所述行选讯号开通所述第二MOS管，输出所述第一MOS管栅极存储的超声波指纹信号。

优选地，所述超声波像素单元的一个工作周期还包括激励阶段，所述超声波传感器接收激励讯号，所述超声波指纹检测电路利用所述第一驱动讯号和偏置讯号控制所述第三MOS管为所述共接点提供稳态直流电位。

优选地，在所述读取阶段，所述第二驱动讯号控制所述第四MOS管关断。

优选地，在所述接收阶段内，还包括利用所述第二驱动讯号控制所述第四MOS管关断，阻断所述共接点与所述第一MOS管栅极的电性通路。。

优选地，在所述接收阶段内，所述第一驱动讯号具有一第一预设维持时间的第一脉冲讯号，所述第一脉冲讯号具有上升沿和下降沿；所述偏置讯号具有第二预设维持时间的第二脉冲讯号，所述第二脉冲讯号具有上升沿和下降沿，所述偏置讯号在所述接收阶段内具有三态位电位：低电位、高电位和第三态电位。

优选地，所述第一预设维持时间等于所述第二预设维持时间，所述第一脉冲讯号和所述第二脉冲讯号上升沿和下降沿重合。

优选地，在所述第二预设维持时间大于所述第一预设维持时间；所述第二脉冲讯号的上升沿早于所述第一脉冲讯号上升沿，所述第二脉冲讯号的下降沿晚于所述第一脉冲讯号的下降沿。

优选地，所述超声波指纹检测电路还包括复位阶段，所述复位阶段内，利用所述驱动讯号以及所述偏置讯号将所述第一MOS管的栅极复位至复位信号。

优选地，在所述复位阶段内，利用所述第二驱动讯号控制所述第四MOS管导通，使得所述共接点与所述第一MOS管栅极形成电性通路。

优选地，所述超声波指纹检测电路还包括第二读取阶段，利用行选讯号控制第二MOS管导通，读取所述复位阶段内第一MOS管栅极的复位信号。

优选地，所述电容包括PIP电容、金属板电容、PMOS管电容和NMOS管电容中至少一种。

一种超声波指纹检测模组，包括：

如上述实施例所述超声波指纹检测传感器；

集成电路专用芯片，所述集成电路专用芯片与所述超声波指纹检测传感器通讯，并提供用于产生四种时序控制讯号给所述超声波指纹检测传感器。

综上可见，本发明实施例的超声波指纹检测传感器中，超声波像素单元中超声波指纹检测电路至少包括四个MOS管和一电容，配合集成电路专用芯片给予的讯号以及对应的超声波传感器，可激励超声波像素单元中超声波传感器产生超声波，并控制超声波指纹检测电路接收从手指回传的超声波信号，并将其输出至所配合的集成电路专用芯片进行指纹信号的处理。

本申请中的超声波像素单元中超声波指纹检测电路采用TFT工艺制作，可降低制作较大面积的超声波像素阵列的制造成本。此大面阵的超声波像素阵列可提供较大范围的指纹检测区，而对应提高的尺寸可以根据所应用电子产品的规格进行灵活的调整而提供对应较大范围的指纹检测区。

基于以上对超声波指纹检测电路的描述，超声波指纹检测电路至少包括了四个MOS管，对应至少有四个不同的时序控制讯号控制超声波指纹检测电路工作于不同的阶段。相对于超声波指纹检测电路的一个工作周期，至少会包括接收阶段和读取阶段。第四MOS管可以将第一MOS管与超声波传感器隔离开来，避免第一MOS管栅极存储超声波指纹信号在接收或读取过程到手指或外界等因素的干扰，提高所采集的指纹信号的信噪比。

在本申请中介绍了较多控制第三MOS管的第一驱动讯号以及偏置讯号的不同的实施例，在这些实施例中，较为优选实施态样为第一驱动讯号和偏置讯号中脉冲讯号的上升沿和下降沿不同步的状况。对于这些时序讯号来源于集成电路专用芯片时或者需要超声波指纹检测传感器对集成电路专用芯片提供的时序讯号源进行转换时，脉冲讯号的上升沿和下降沿完全同步，对于时序控制讯号的产生电路提出了较为严苛的要求，稍有时序上的误差就会导致超声波指纹检测电路的某个阶段就无法正常工作。这些脉冲讯号的上升沿和下降沿完全同步，不仅与产生时序讯号相关电路的设计有关和电路的制作工艺也有着较大关系。因此，降低对于第三MOS管的第一驱动讯号以及偏置讯号的脉冲同步要求，可降低此集成电路专用芯片产生与时序讯号相关讯号的设计和工艺难度。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1为本发明一个非限制性实施例的超声波指纹检测传感器的俯视结构示意图；

图2为图1所示的超声波指纹检测传感器的截面结构示意图；

图3为本发明一个非限制性实施例的超声波指纹检测传感器所包含的一个超声波像素单元的结构示意图；

图4A为本发明第一非限制性实施例的超声波指纹检测传感器中的超声波指纹检测电路的电路拓扑图；

图4B至图4E为本发明第二非限制性实施例的超声波指纹检测传感器中的超声波指纹检测电路的电路拓扑图；

图5为图4A所示的超声波指纹检测电路的控制时序图；

图6为图4B至图4D所示的超声波指纹检测电路的控制时序图；

图7为图4B和4D所示的超声波指纹检测电路的一种控制时序图；

图8为图4B和4D所示的超声波指纹检测电路的另一种控制时序图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供了一种超声波指纹检测传感器以及利用该超声波指纹检测传感器进行指纹检测的方法。该超声波指纹检测传感器可运用于包括但不限于移动智能手机、平板电子设备、计算机、GPS导航仪、个人数字助理、智能可穿戴设备等电子设备中，用于指纹识别，可实现指纹解锁、用户身份验证、权限获取等。

举例为，在一种可行的实施场景中，超声波指纹检测传感器被配置于智能手机中，智能手机可基于超声波指纹检测传感器获取用户的指纹特征信息，用以与存储的指纹信息进行匹配，以实现对当前用户的身份验证，从而确认其是否有相应的权限来对智能手机执行屏幕解锁、用户身份验证、权限获取等相关操作。

如图1至图3所示，超声波指纹检测传感器包括玻璃基底1以及设在玻璃基底1上的超声波像素阵列2，超声波像素阵列2包括若干个超声波像素单元201。若干个超声波像素单元201在玻璃基底1上可呈多排多列的规则形式排布。玻璃基底1利用TFT工艺制作大面阵的超声波像素阵列。

进一步地，超声波指纹检测传感器上还设有引脚3，用于与集成电路专用芯片连接，由集成电路专用芯片为超声波指纹检测电路提供产生时序控制讯号的讯号来源。超声波指纹检测传感器和集成电路专用芯片构成的超声波指纹检测模组应用于对应的电子设备时，其集成电路专用芯片与所述电子设备中核心处理芯片通讯进行实现超声波指纹的检测和识别。

如图2和图3所示，超声波指纹检测传感器上包括超声波像素阵列。超声波像素阵列中超声波像素单元201均包括超声波传感器(Sensor)以及与超声波传感器电性连接的超声波指纹检测电路201a。结合图1和图2所示，超声波传感器可包括由下至上依次叠置图案化的底电极、压电材料4、电极5、保护膜6和盖层7。压电材料4，可以采用PVDF制作。如图2中所示电极5可以理解为顶电极。压电材料4设置于电极5与底电极201b之间。盖层7具体可以为盖板玻璃，用于供用户手指按压或触摸。保护膜6隔离电极5与盖层7，可缓冲用户手指的按压或触摸操作，保护电极5以及下层的压电材料4、超声波像素阵列2等结构。

超声波指纹检测电路201a为超声波像素单元中的一部分，此超声波指纹检测电路201a与图案化底电极一一对应，而形成阵列式超声波像素阵列。若干个超声波像素单元201之间彼此互相独立。所述“互相独立”为若干个超声波像素单元201之间不存在信号连接或信号共享关系，超声波指纹检测电路201a仅接收与之对应超声波像素单元中超声波传感器的底电极传来的电信号。超声波传感器通过图案化底电极与超声波像素单元中超声波检测电路电性连通。在超声波检测电路的一个工作周期内包括激励阶段。在激励阶段，电极5接收交流的激励电压信号(Excitation Signal)，超声波检测电路在激励阶段对与之对应的超声波传感器的底电极提供一个稳定的直流低电位。

在接收阶段，超声波指纹检测电路接收与之对应的底电极的超声波传感器的超声波指纹信号。图3仅示意了一个超声波像素单元中超声波指纹检测电路的布局示意图。图3所示意的布局图主要参照图4A超声波指纹检测电路进行示意，具体单个超声波像素单元中超声波指纹检测电路的布局不以此为限。每个超声波指纹检测电路201a包括至少三个MOS管。如图4A所示，在一种可行的实施例中，每个超声波指纹检测电路201a可以仅包括三个MOS管，分别为第一MOS管M1、第二MOS管M2和第三MOS管M3。而在另一种可行的实施例中，如图4B至图4D所示，每个超声波指纹检测电路201a在上述实施例包括三个MOS管的基础上，进一步包括第四MOS管M4，即每个超声波指纹检测电路201a至少包括四个MOS管。

在本实施例中，所有的MOS管优选均为同种类型的MOS管，例如均为N型MOS管或均为P型MOS管。图4E所示超声波指纹检测电路拓扑图与图4B所示超声波指纹检测电路拓扑图大致相同，仅图4B超声波指纹检测电路中NMOS管替换成了PMOS管。在较佳的实施态样中，超声波指纹检测电路中采用同一类型的MOS管，可一定程度降低采用TFT工艺制作超声波指纹检测电路的工艺的复杂程度。当然，在超声波指纹检测电路其他可行的实施例中，可以为部分MOS管为N型MOS管，部分MOS管为P型MOS管，本发明对此不作限定。

对于TFT工艺所制作的MOS管，对于本领域技术人员而言，MOS管的源极和漏极是可以互相调换的，因此在此所揭露的所有技术方案中，描述MOS管的源极的连接关系以及对应漏极的连接关系时，也可以换成MOS管的漏极的连接关系以及对应的源极的连接关系。在此，不再对本领域技术人员的公知的技术常识做进一步的描述。这种源极和漏极的连接关系在不改变电路的实质性功能的前提下，应都属于本申请中所揭露的技术方案描述方式的文字的变换而已。

超声波指纹检测电路201a分别接收至少对应的三个时序控制讯号，至少三个时序控制讯号之间互相独立，以控制至少三个MOS管实现超声波指纹检测电路不同的工作阶段。其中，每个超声波指纹检测电路201a分别接收至少对应的三个时序控制讯号可以为：第一驱动讯号、偏置讯号和行选讯号。

如图4A所示，在仅包括三个MOS管的实施例中，时序控制讯号也为三个。在一个具体可行的实施场景中，三个时序控制讯号分别为：连接第二MOS管M2栅极的行选讯号ROW、连接第三MOS管M3栅极和输入极的第一驱动讯号OD_1(OverDrive)和偏置讯号Bias。

在三个MOS管均为如图4A所示意的N型MOS管的实施例中，第二MOS管M2的漏极作为与第一MOS管M1源极连接的输入极，源极作为输出极。第三MOS管M3的源极接收偏置讯号Bias，漏极与第一MOS管M1栅极连接。三个MOS管及超声波传感器的连接关系为：超声波传感器中图案化的底电极与第一MOS管M1的栅极与第三MOS管M3的漏极之间，形成一个共接点。具体为：第一MOS管M1的栅极与超声波传感器及第三MOS管M3的漏极连接，源极与第二MOS管M2的漏极连接，漏极与一恒定电压的直流电源Vcc连接。第二MOS管M2的源极用于输出信号Dn，该信号Dn为此超声波指纹检测电路输出端。

恒定电压的直流电源Vcc的电压值可根据实际情况进行设定和选取，例如可在6V-12V中选择，其功能是使第一MOS管M1始终工作在饱和区，使第一MOS管M1形成一源极跟随器件(Source Follower)。如此，存储在第一MOS管M1的栅极的信号可在第二MOS管M2打开或导通时，由第二MOS管M2的源极输出。

上述为三个MOS管均为N型MOS管时的时序控制讯号输入及结构连接关系，但本实施例并不以此为限。当三个MOS管均为P型MOS管时，三个时序控制讯号：行选讯号ROW、第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias，分别连接第二MOS管M2的栅极、第三MOS管M3的栅极和漏极。结构连接关系为：第一MOS管M1的栅极与超声波传感器及第三MOS管M3的源极连接，漏极与第二MOS管M2的源极连接，源极与恒定电压的直流电源Vcc连接。在三个MOS管均为P型MOS管的实施例中，第二MOS管M2的源极与第一MOS管M1漏极连接，漏极作为超声波指纹检测电路的输出端。第三MOS管M3的漏极作为接收偏置讯号Bias的输入极，源极与第一MOS管M1栅极连接。当图4A中的MOS管由N型MOS管换成P型MOS管，对应的控制时序图在此并未给出。图5为针对图4A所示超声波指纹检测电路拓扑图中对应的时序控制图。

在另一类实施例中，例如如图4B至图4D所示。在这类实施例中超声波指纹检测电路包括四个MOS管的实施例中，时序控制讯号也为四个，分别为：连接第二MOS管M2栅极的行选讯号ROW、连接第三MOS管M3栅极和输入极的第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias、连接第四MOS管M4栅极的第二驱动讯号OD_2。

同样的，在四个MOS管均为如图4B至图4D所示意的N型MOS管的实施例中，第二MOS管M2的漏极与第一MOS管M1源极连接，源极作为超声波指纹检测电路的输出端。第三MOS管M3的源极接收偏置讯号Bias，漏极与第一MOS管M1栅极连接。四个时序控制讯号：行选讯号ROW、第一驱动讯号OD_1、偏置讯号Bias、第二驱动讯号OD_2，分别连接第二MOS管M2的栅极、第三MOS管M3的栅极和源极、第四MOS管M4的栅极。四个MOS管及超声波传感器的连接关系为：在上述三个MOS管的基础上，第四MOS管M4设在第一MOS管M1和超声波传感器之间。第四MOS管M4与第三MOS管M3串联，超声波传感器连接在第三MOS管M3和第四MOS管M4之间，三者共享一个连接点。具体为，第四MOS管M4的漏极连接第一MOS管M1的栅极，源极连接超声波传感器及第三MOS管M3的漏极。

而在四个MOS管均为如图4E所示意的P型MOS管的实施例中，第二MOS管M2的源极与第一MOS管M1漏极连接，漏极作为超声波指纹检测电路的输出端。第三MOS管M3的漏极接收偏置讯号Bias，源极与第四MOS管M4漏极连接；第四MOS管的栅极与第二驱动讯号OD_2链接。四个时序控制讯号：行选讯号ROW、第一驱动讯号OD_1、偏置讯号Bias、第二驱动讯号OD_2，分别连接第二MOS管M2的栅极、第三MOS管M3的栅极和漏极、第四MOS管M4的栅极。四个MOS管及超声波传感器的连接关系为：第一MOS管M1的栅极与第四MOS管M4的源极连接，漏极与第二MOS管M2的源极连接，源极与恒定电压的直流电源Vcc连接。第四MOS管M4的漏极连接超声波传感器及第三MOS管M3的源极。

在图4E中，仅示意的是不同类型的MOS管的超声波指纹检测电路的实施例。如前所述，对于TFT工艺制作薄膜晶体管时，MOS管的漏极和源极的位置，对于本领域技术人员而言，是可以很容易实现位置的互换的。对于由此MOS管的漏极和源极实现位置的互换，由此位置的变化结合时序控制讯号若实现的实质性的功能若与本实施方式所揭露的技术方案一致，应认为此类变形的超声波指纹检测电路也已经被本申请所揭露。

也就是说，在如图4B至图4E所示意的包括四个MOS管的实施例中，第一MOS管M1作为源极跟随管；第二MOS管M2的栅极接收行选讯号ROW；第三MOS管M3的栅极接收第一驱动讯号OD_1，源极/漏极接收偏置讯号Bias(如上所述，究竟是源极接收偏置讯号Bias，还是漏极接收偏置讯号Bias，取决于第三MOS管M3的类型)；第四MOS管M4的栅极接收第二驱动讯号OD_2；第三MOS管与第四MOS管的源漏相连而形成一共接点，该共接点与超声波传感器(Sensor)的一电极电性连通。

结合图5和图3所示，对应图4A中超声波指纹检测电路中仅包含3个MOS管时，对应的控制时序可以只有三个。在此三个时序控制讯号之下，在超声波指纹检测电路的一个工作周期内，第一MOS管M1于接收阶段内存储超声波传感器输出的指纹峰值信号，第二MOS管M2于读取阶段输出存储于第一MOS管M1的指纹峰值信号，第三MOS管M3于复位阶段对第一MOS管M1的栅极信号进行复位(Reset)。

对应于，图4B至图4D中，图6至图8中所示控制超声波指纹检测电路的时序控制图至少包括四个时序控制讯号：此四个时序控制讯号分别为连接第二MOS管M2栅极的行选讯号ROW、连接第三MOS管M3栅极和输入极的第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias、连接第四MOS管M4栅极的第二驱动讯号OD_2。

其中，连接第二MOS管M2栅极的时序控制讯号-行选讯号ROW可控制第二MOS管M2的导通或关断，以控制存储于第一MOS管M1栅极和电容的指纹讯号是否输出。具体为，当行选讯号ROW的电压为高电平时，第二MOS管M2导通。当行选讯号ROW的电压为低电平时，第二MOS管M2关断。

需要统一说明的是，此四个时序控制讯号中，第一驱动讯号OD_1和第二驱动讯号OD_2以及行选讯号ROW均是分别控制第三MOS管M3、第四MOS管M4以及第二MOS管M2的栅极，针对这三个讯号的高电位和低电位分别为MOS管导通和关断的电压阈值，可根据实际利用TFT工艺制作的超声波指纹检测电路中MOS管的阈值电压去设定高电位和低电位具体值。

结合以上所描述内容，本发明实施例的超声波指纹检测电路201a仅包括MOS管和电容C1这两种电子元器件，而不包括其他类型的电子元器件，例如二极管。下面介绍利用本发明上述实施例的超声波指纹检测传感器实现指纹检测的过程。

以一个超声波像素单元中超声波像素单元的结合其中的超声波指纹检测电路的控制时序图对超声波像素单元的一个工作周期进行描述和说明。超声波像素单元中，由超声波传感器接收超声波指纹信号并将其转换成电信号，超声波指纹检测电路检测此电信号。此一个工作周期包括激励阶段、接收阶段，以及读取阶段。在接收阶段内，第一MOS管M1和电容存储超声波传感器输出的指纹峰值信号。在此接收阶段内，由于指纹峰值信号的电压ΔV一般情况下较为微弱，难以准确的被检测，因此，可通过控制第三MOS管所连接第一驱动讯号以及偏置讯号来提高共接点的电位，即传感器向超声波指纹检测电路所传送的超声波指纹信号的电位，利于用TFT工艺的第一MOS管栅极来暂存超声指纹信号。在读取阶段，第二MOS管M2导通，输出存储于第一MOS管M1栅极的指纹峰值信号。在读取阶段，利用行选讯号使第二MOS管M2导通，输出存储于第一MOS管M1栅极和电容存储的指纹峰值信号。

以下先结合图4A以及图5的控制时序图，对图4A所示超声波指纹检测电路的拓扑的具体工作状态进行描述和说明。

如图4A所示，超声波指纹检测电路仅包括三个MOS管。激励阶段为图5中所示的时间区间T1。此时，偏置讯号Bias处于一稳定的直流电压值(相对于激励信号来说为一稳定低电位)，第一驱动讯号OD_1处于高电平状态，使第三MOS管处于完全导通状态。此时，与此超声波指纹检测电路对应的超声波传感器接收激励信号。

接收阶段为图5中的时间区间T2。第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias的电压值整体同步，上升沿和下降沿基本重合。则此时，第三MOS管M3作为一类二极管，提供超声波指纹峰值检测的功能。具体地，第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias在读取阶段各包括一个第一升压脉冲，两个第一升压脉冲的起始时刻、维持时间及电压值相同，第一升压脉冲的维持时间为T0。第三MOS管M3在第一升压脉冲作用下，抬高共接点的电压，在第一驱动讯号OD_1第一升压脉冲持续时间段内，检测此时的超声波传感器所接收的指纹信号。在此接收阶段内，若指纹峰值信号的直流电位较小，不利于后续用TFT的MOS管的检测和读取。利用第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias控制第三MOS管M3在接收阶段内工作于类二极管状态，抬高共接点的电位，从而使后续输出的指纹信号的电位较高。在接收阶段的末尾，为了防止由于漏电而导致指纹信号随着时间的流失，第一驱动讯号OD_1为低电位，而将偏置讯号Bias升为高电位，从原理上说就是将第三MOS管M3关闭，减小其漏电。

在对应图5中的时间区间T3的读取阶段，此时行选讯号ROW处于高电位状态，第二MOS管M2导通。而第一驱动讯号OD_1维持低电平，偏置讯号Bias切换至第三态电位。对应于图4A，共接点是直接和电容以及第一MOS管的栅极连接，而第一MOS管作为Source-Follower，第一MOS管的源极会跟随栅极(即共接点)上的指纹信号，因此，读取第一MOS管的源极的电位就能读取指纹信号。

如图4B至图4D所示，在包括四个MOS管的实施例中，每个超声波指纹检测电路201a接收四个互相独立的时序控制讯号。进一步地，为避免在读取阶段，外界因素例如用户手指、外部环境等对第一MOS管M1栅极以及电容已存储的指纹信号产生影响，在读取阶段前，可关闭第四MOS管M4，隔离外界对超声波指纹检测电路的干扰。

接收阶段对应图6所示的T2区间和T3区间，在第一MOS管的栅极接收超声波指纹信号完成之后，在接收阶段的末尾(T3区间)关闭第四MOS管M4可将超声波传感器与第一MOS管M1隔离开来，避免因外界环境的干扰使超声波传感器产生的噪声信号传递至第一MOS管M1的栅极和电容，籍此提高所检测到超声指纹信号的信噪比。

在图6所示的控制时序图中，图4B至图4D所示的超声波指纹检测电路还包括复位阶段T5。如图6所示控制时序图的实施例中，此复位阶段在读取阶段之后。此复位阶段T5内，第二驱动讯号OD_2控制第四MOS管导通，且第一驱动讯号OD_1以及偏置讯号对应控制第三MOS管导通，将与共接点电性连通的第一MOS管的栅极复位至预期复位电位。

对应图6中所示复位阶段，在复位阶段之后设有第二读取阶段(T6)。在此第二读取阶段内第一驱动讯号OD_1的电压值小于偏置讯号Bias的电压值。行选讯号ROW为高电平，第二MOS管M2导通，从而读取复位讯号。

通过复位，可滤除检测过程中其他因素对指纹信号的影响，降低底噪。这种时序控制此四个MOS管的工作状态，可让此超声波指纹检测电路实现较高信噪比的指纹峰值信号检测。

图6中所示的T1区间对应于图5中所示T1区间，增加的第二驱动讯号OD_2控制第四MOS管开通。而图6中所示T2和T3对应图5中所示接收阶段T2，此接收阶段与图5不同之处在以上内容中已有描述，因此不再此赘述。在此激励阶段和接收阶段与以上所描述的图5中关于激励阶段和接收阶段基本相同，因此亦不在此重复描述。

如图4B和图4D所示，示意了电容C1的第二极几种不同的连接方式。如图4B和图4D所示，电容C1的第二极可以与行选讯号ROW连接。

此外，如图4C所示，在另一个可行的实施例中，电容C1的第二极可以与一时序控制讯号V2连接，通过时序控制讯号V2来直接抬高第一MOS管M1栅极的电位至预设电位值。

如图4D所示，也可以选择将电容C1的第二极接地。在该实施例中，电容C1接地，使得电容C1的功能变得纯粹和单一，电容C1只是将存储于第一MOS管M1栅极的指纹讯号保持住，而抬高第一MOS管M1栅极电位的功能由第三MOS管M3来完成。图图4B和图4D的电容的另一端的连接方式，相对图4C来说，可减少一个时序控制讯号(控制讯号V2)，以简化产生时序控制训号的电路结构。

需要特别强调的是，这些实施例中的电容C1并非为超声波指纹检测电路中MOS管的寄生电容或者整个超声波指纹检测电路采用TFT工艺制作形成的结构中的寄生电容。此电容的电容值对于超声波指纹检测电路中超声波信号的检测有着直接的影响。无论是MOS管的寄生电容还是超声波指纹检测电路中结构的寄生电容，在超声波指纹检测电路正常工作时，其寄生电容值数值不会很大，且随着TFT制作工艺的波动，寄生电容的参数也会随之变动，使得寄生电容的电容值难以精确或者准确的控制。

因此，以上所描述的超声波指纹检测电路的实施例中，电容C1并非寄生电容。这些实施例中的电容C1可以利用TFT工艺进行制作，形成PIP电容、金属板电容。或者利用TFT工艺制作的PMOS管电容和NMOS管来制作电容C1。若采用PMOS管电容和NMOS管电容进行制作电容C1，将基体端(Body)、源极(Source)、漏极(Drain)接在一起，使其成为一个双端元件，相当于一个电容。这样，电容C1的电容值通过改变MOS管的W乘以L的面积进行调节达到预设电容值。

针对图4B至图4D中所示超声波指纹检测电路的实施例中，均包括了至少四个MOS管：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管。在以上所描述的与图4B至图4D对应的图6所示的时序控制讯号的图上，补充了图7和图8所示的另外两种时序控制讯号图。

如图7所示的激励阶段TX，超声波指纹检测电路通过时序讯号的操作，配合超声波传感器接收激励讯号。在此阶段，第一驱动讯号OD_1和第二驱动讯号OD_2分别控制第三MOS管M3和第四MOS管M4导通。此时，共接点维持在一稳定的低电位。

在超声波指纹检测电路的接收阶段(图7和图8中的RX阶段)，第二驱动讯号OD_2为高电平，第一MOS管M1的栅极与共接点形成电性通路。在超声波指纹检测电路进行接收时，第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias如图7所示变化，具体地，第一驱动讯号OD_1具有第一预设维持时间的第一脉冲讯号。第一脉冲讯号具有上升沿和下降沿。偏置讯号Bias在此接收阶段内具有第二预设维持时间的第二脉冲讯号。第二脉冲讯号具有上升沿和下降沿。在图7所示的控制时序图中，第二脉冲讯号的第二预设维持时间大于第一脉冲预设维持时间。在此接收阶段内，控制第三MOS管工作于类二极管状态，在第一预设维持时间内，共接点的电位被抬高。与图6不同的是，图6中的偏置讯号中的第二脉冲讯号的上升沿和下降沿需要与第一驱动讯号OD_1中的第一脉冲讯号的上升和下降沿完全重合。但在图7所示意的时序实施例中，第二脉冲讯号的第二预设维持时间大于第一脉冲讯号的第一预设维持时间，且第二脉冲讯号的上升沿早于第一脉冲讯号的上升沿，第二脉冲讯号的下降沿晚于第一脉冲讯号的下降沿，也可达到峰值检测的功能。这样的处理，降低了对第一驱动讯号OD_1和偏置讯号这两个讯号之间的脉冲讯号上升沿或下降沿重合度的要求。具体地，在图7所示意的时序图中，在接收阶段内，第一驱动讯号OD_1中第一脉冲讯号，其上升沿由低电位直接跃升至高电位。而偏置讯号Bias包含的第二脉冲讯号的上升沿是由低电位上升至高电位，上升沿可以比较缓慢。第二脉冲讯号在维持第二预设维持时间后(大于第一驱动讯号OD_1的第一脉冲讯号的第一预设维持时间)，其下降沿由高电位下降至第三态电位。其中，第二脉冲讯号的上升沿必需早于第一脉冲讯号的上升沿，下降沿必需晚于第一脉冲讯号的下降沿。如此，第一脉冲讯号整体位于第二脉冲讯号区间内。通过第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias的时序，控制第三MOS管M3使其作峰值检测，将检测的信号固定至共接点，与此同时第二驱动讯号OD_2也是高电平，控制第四MOS管导通。因此，第一MOS管栅极的电位也即为共接点上的电位。

图7中所示的接收阶段RX仅是给出了对应的第一驱动讯号OD_1和偏置讯号Bias一种实施例，并不以此为限。在接收阶段，第一MOS管M1和电容C1存储共接点的电位。在读取阶段(图7和图8中的READ阶段)，控制行选讯号ROW为高电平，第二MOS管M2开通，对第一MOS管M1栅极和电容C1存储的指纹信号进行读取。在读取的同时，通过电容C1另外一端的电位将第一MOS管M1栅极电压抬高，使第一MOS管M1处在饱和区。在此读取阶段，第二驱动讯号OD_2为低电平，第四MOS管M4关断，将第一MOS管M1与超声波传感器隔离，避免外界因素导致的噪声的影响。

在此图7所示意的超声波指纹检测电路的一个工作周期内还包括复位阶段。在此示意的复位阶段位于读取阶段之后。第二驱动讯号OD_2为高电位，第四MOS管M4导通，此时，第一MOS管栅极的指纹信号被清除，即此时栅极上的电位为复位讯号。

在此图7所示意的超声波指纹检测电路的一个工作周期内还包以上所描述的复位阶段之后第二读取阶段。在第二读取阶段，打开行选讯号，第二MOS管M2导通，读取复位阶段中第一MOS管M1栅极上的复位讯号。

在图7所示的控制时序图相对图5和图6所示的时序控制实施例而言，图7所示意的时序控制图，在接收阶段不要求偏置讯号Bias和第一驱动讯号OD_1中的第一脉冲讯号和第二脉冲讯号的上升沿和下降沿完全重合，而是控制第二脉冲讯号的上升沿早于第一脉冲讯号的上升沿，其下降沿晚于第一脉冲讯号的下降沿，从而大大降低了时序控制讯号的精准度要求，使得时序控制简单灵活。

为达到与上述相同或同等的目的，如图8所示时序控制图与图7所示不同之处为，针对第三MOS管的两个时序控制讯号：第一驱动讯号OD_1以及偏置讯号Bias的讯号和图7中所示针对第三MOS管的第一驱动讯号OD_1以及偏置讯号Bias的讯号略有不同。图8所示的第一驱动讯号OD_1以及偏置讯号Bias的讯号在接收阶段RX，偏置讯号Bias在接收阶段RX并未设置第二脉冲讯号。

具体地，请参阅图8所示接收阶段RX，第一驱动讯号OD_1设有第一预设维持时间的第一脉冲讯号。第一脉冲讯号具有上升沿和下降沿。偏置讯号Bias为一稳定预设值电位，第三MOS管M3工作于MOS管状态。在本实施例中，预设值电位低于第一脉冲讯号的高电位讯号。这样，在第一驱动讯号OD_1产生第一脉冲讯号时，第三MOS管M3打开，将第一MOS管M1的栅极电位抬高(此时，第四MOS管M4为导通状态)。在接收阶段内，第一驱动讯号OD_1在第一脉冲之外的电平低于偏置讯号Bias的电位，第三MOS管M3关断。

同样的，图8所示意的接收阶段，偏置讯号Bias为一稳定预设值电位，不具有图7中所示的第二脉冲讯号。图8所示的时序控制图相对图7所示时序控制图控制讯号更为简单，对于时序控制讯号的精准度要求更低。

如以上所描述的图6至图8中控制时序图，超声波指纹检测电路的一个工作周期中可以还包括复位阶段和第二读取阶段。在此，复位阶段和第二读取阶段在一个工作周期中相对以上所描述的接收阶段和读取阶段所处的位置可以进行变换，并不以此所例举得实施态样为限。在一个工作周期，或者若干工作周期增设复位阶段和第二读取阶段主要的目的是为了获取超声波指纹检测电路自身在工作时存在的底噪和/或外界因素干扰所引入的噪声，提高超声波指纹检测传感器最终检测的超声波指纹信号的信噪比。因此，在此不再对复位阶段和第二读取阶段的实施态样进行进一步的举例和说明。对于复位阶段和/或第二读取阶段其他本领域技术人员常规的调整和修改应都认为被此处所描述的实施例所揭露。

对比图4A与图4B至图4D，超声波指纹检测电路的拓扑图中增设了第四MOS管M4。如以上所述，结合图6至图8所示的控制时序，第四MOS管M4在接收阶段的末尾和读取阶段可以将第一MOS管M1与超声波传感器隔离开来，避免外界因素的影响，指纹信号的接收或读取过程不受到手指或外界等外界噪声因素的影响，提高所检测指纹信号的信噪比。

本发明实施例还提供了一种超声波指纹检测模组，包括上述的超声波指纹检测传感器和集成电路专用芯片。集成电路专用芯片与超声波指纹检测传感器通讯，并提供用于产生四种时序控制讯号给超声波指纹检测传感器。当超声波指纹检测模组运用于对应的电子设备时，此超声波指纹检测模组中集成电路专用芯片与电子设备的核心处理芯片进行通讯。集成电路专用芯片接收核心处理芯片的讯息而控制超声波指纹检测传感器对屏上手指进行指纹检测和识别。

综上可见，本发明实施例的超声波指纹检测传感器，在超声波指纹检测电路201a包括至少三个MOS管或四个及四个以上MOS管。在一类具体的实施例中，若电容也采用MOS管进行制作，则超声波指纹检测电路则包含了五个MOS管。此超声波指纹检测电路结合对应的控制时序，配合对应的超声波传感器以及集成电路专用芯片，可完成超声波信号的产生，并检测透过屏上手指回传的超声波指纹信号。此超声波指纹检测传感器采用TFT工艺制作，可以较低的制作成本，制作大面阵的超声波指纹检测传感器。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量例如电压的值是从0到17，优选从0到15，则目的是为了说明该说明书中未明确地列举了诸如0到14、0.1到13、1到12等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种超声波指纹检测传感器，其特征在于，包括：

玻璃基底；

超声波像素阵列，设在所述玻璃基底上，包括若干个超声波像素单元；每个所述超声波像素单元包括超声波传感器以及超声波指纹检测电路，所述超声波指纹检测电路包括一电容和至少四个MOS管：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管；所述超声波指纹检测电路接收至少对应的四个时序控制讯号：第一驱动讯号、偏置讯号、第二驱动讯号以及行选讯号，所述四个时序控制讯号之间互相独立；

其中，所述第一MOS管作为源极跟随管，所述第一MOS管的栅极与所述电容的一端连接，所述第四MOS管的栅极接收所述第二驱动讯号，所述第三MOS管的栅极接收所述第一驱动讯号，所述第三MOS管的源极/漏极接收所述偏置讯号；所述第三MOS管和所述第四MOS管的源漏相连而形成一共接点，所述共接点与对应所述超声波传感器的电极连通，所述第二MOS管的栅极接收所述行选讯号；

在所述超声波指纹检测电路的接收阶段内，至少利用第二驱动讯号开通所述第四MOS管，使得所述第一MOS管的栅极与所述共接点形成电性通路；在所述共接点和所述第一MOS管的栅极形成电性通路的区间内，利用所述第一驱动讯号和所述偏置讯号控制所述第三MOS管开通而抬高所述共接点的电位；在所述接收阶段后的读取阶段，利用所述行选讯号开通所述第二MOS管，输出所述第一MOS管栅极存储的超声波指纹信号。

2.如权利要求1所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述超声波像素单元的一个工作周期还包括激励阶段，所述超声波传感器接收激励讯号，所述超声波指纹检测电路利用所述第一驱动讯号和偏置讯号控制所述第三MOS管为所述共接点提供稳态直流电位。

3.如权利要求1所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，在所述读取阶段，所述第二驱动讯号控制所述第四MOS管关断。

4.如权利要求1所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，在所述接收阶段内，还包括利用所述第二驱动讯号控制所述第四MOS管关断，阻断所述共接点与所述第一MOS管栅极的电性通路。

5.如权利要求4所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，在所述接收阶段内，所述第一驱动讯号具有一第一预设维持时间的第一脉冲讯号，所述第一脉冲讯号具有上升沿和下降沿；所述偏置讯号具有第二预设维持时间的第二脉冲讯号，所述第二脉冲讯号具有上升沿和下降沿，所述偏置讯号在所述接收阶段内具有三态位电位：低电位、高电位和第三态电位。

6.如权利要求5所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述第一预设维持时间等于所述第二预设维持时间，所述第一脉冲讯号和所述第二脉冲讯号上升沿和下降沿重合。

7.如权利要求5所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述第二预设维持时间大于所述第一预设维持时间；所述第二脉冲讯号的上升沿早于所述第一脉冲讯号上升沿，所述第二脉冲讯号的下降沿晚于所述第一脉冲讯号的下降沿。

8.如权利要求4所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，在所述接收阶段内，所述偏置讯号为一稳定的预设值电位，所述第一驱动讯号包含第一脉冲讯号，所述第一脉冲讯号具有上升沿和下降沿。

9.如权利要求1所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述超声波指纹检测电路还包括复位阶段，所述复位阶段内，利用所述驱动讯号以及所述偏置讯号将所述第一MOS管的栅极复位至复位信号。

10.如权利要求9所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，在所述复位阶段内，利用所述第二驱动讯号控制所述第四MOS管导通，使得所述共接点与所述第一MOS管栅极形成电性通路。

11.如权利要求9所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述超声波指纹检测电路还包括第二读取阶段，利用行选讯号控制第二MOS管导通，读取所述复位阶段内第一MOS管栅极的复位信号。

12.如权利要求1所述的超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述电容包括PIP电容、金属板电容、PMOS管电容和NMOS管电容中至少一种。

13.一种超声波指纹检测模组，包括：

如权利要求1所述超声波指纹检测传感器；

集成电路专用芯片，所述集成电路专用芯片与所述超声波指纹检测传感器电性连接，并提供用于产生四种时序控制讯号给所述超声波指纹检测传感器。

Images