CN114303176B - 具有共模补偿的光学指纹感测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于感测手指的手指表面的指纹感测系统(3)，包括多个像素元件(17)和电流源装置(25)，所述多个像素元件中的每个像素元件包括：光敏元件(27)，其被配置成提供包括指纹信号电流分量和共模信号电流分量的电流；以及积分电容器(29)，其包括第一电极(35)和第二电极(37)，所述第一电极耦接至光敏元件以接收由光敏元件提供的电流，所述电流源装置(25)耦接至多个像素元件中的每个像素元件的积分电容器的第一电极(35)。

Description

具有共模补偿的光学指纹感测系统

技术领域

本发明涉及用于感测手指的手指表面的指纹感测系统，该指纹感测系统包括多个像素元件，每个像素元件均包括光敏元件。

背景技术

指纹感测系统被广泛用作用于增加电子设备(例如移动电话等)的便利性和安全性的手段。在具有显示器的各种电子设备中，可能期望在显示器所占据的区域内提供指纹感测。还可能期望在显示器的相对大的区域上提供指纹感测。对于这种应用及其他应用，适合的是使用每个像素元件均包括光敏元件的所谓的光学指纹感测系统。在这样的指纹感测系统的一个示例中，指纹感测系统可以具有如下配置：彼此平行布置的多条导电的选择线；彼此平行布置且与选择线交叉的多条导电的读出线；选择电路，其耦接至多条选择线中的每条选择线，并且能够被控制成在多条选择线中的至少一条选定的选择线上提供选择信号；以及多个像素元件，其各自形成在多条选择线中的一条选择线与多条读出线中的一条读出线之间的相应交叉点处。

该传感器配置可以至少部分地使用相对具有成本效益的材料和技术来实现，例如玻璃基板或塑料基板上的TFT(薄膜晶体管)技术。

然而，应当注意其他指纹感测系统配置是可行的，例如基于CMOS的光学指纹感测系统。

由于指纹感测中通常涉及相对弱的信号，因此期望使指纹感测系统提供的信号的质量得以改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的指纹感测系统，特别地是提供使信号质量得以改进的指纹感测系统。

根据本发明，因此提供了一种用于感测手指的手指表面的指纹感测系统，该指纹感测系统包括多个像素元件和电流源装置，所述多个像素元件中的每个像素元件包括：光敏元件，其被配置成提供包括指纹信号电流分量和共模信号电流分量的电流；以及积分电容器，其包括第一电极和第二电极，该第一电极耦接至光敏元件以接收由光敏元件提供的电流，所述电流源装置耦接至多个像素元件中的每个像素元件的积分电容器的第一电极。

指纹信号电流分量可以取决于手指表面与每个像素元件中的光敏元件之间的距离。每个像素元件的指纹信号电流分量因此可以提供手指表面的指纹图案的指示。共模信号电流分量可以基本上独立于手指表面与光敏元件之间的距离。共模信号可以包括所谓的暗电流和/或由环境光产生的电流。取决于应用和/或环境条件，来自这些共模电流中的任一者的贡献可能是主导的。

应当注意，光敏元件可以例如是包括光敏PN结的光电二极管或晶体管，并且每个像素元件中的积分电容器可以至少部分地以光电二极管或晶体管的结电容的形式来提供。可替选地或组合地，积分电容器可以被提供为金属-绝缘体-金属电容器或任何其他合适的电容器。

积分电容器的第一电极和第二电极可以被介电材料导电分离。第二电极可以耦接至指纹感测系统的参考电势。应当注意，术语“第一电极”和“第二电极”旨在从功能上被解释为能够累积电荷的导电或半导电结构。特别地，第一电极和第二电极不必是金属的。

电流源装置能够被控制成向像素元件中的积分电容器的第一电极提供补偿电流，以至少部分地补偿共模信号电流分量。

本发明基于以下认识：在测量链(measurement chain)中早对共模信号电流分量提供补偿可以是有益的，并且测量链中特别合适的位置是在每个像素元件的积分电容器的第一电极处。因此，可以降低使像素元件中的积分电容器以及下游测量电路(例如放大器和/或模数转换器)饱和的风险，这使指纹感测系统提供的信号的质量得以改进，这进而使指纹感测系统的测量性能得以改进。此外，由于共模信号电流可能强烈地依赖于温度，因此指纹感测系统的可用温度范围可以被扩展。

根据本发明的实施方式，电流源装置可以包括：电压源装置；以及多个电压电流转换器，所述多个电压电流转换器中的每个电压电流转换器具有：输入端，其耦接至电压源装置；以及输出端，其耦接至多个像素元件中的相应像素元件中所包括的积分电容器的第一电极。所述输出端可以有利地导电连接至积分电容器的第一电极。

针对每个像素元件可以有一个电压电流转换器，或者一个电压电流转换器可以服务于一组像素元件中的每个像素元件。

此外，电压源装置可以包括向多个电压电流转换器中的每个电压电流转换器提供电压的单个电压源，或者电压源装置可以包括多个电压源。例如，多个电压源中的每个电压源可以提供针对时序和/或幅度适合于给定的一组像素元件的电压。

根据实施方式，每个电压电流转换器可以是电容器，其是可以在制造指纹感测系统时易于形成的相对简单的部件。此外，可以使电流消耗保持相对低。然而，应当注意，电压电流转换器也可以通过其他电路元件例如晶体管和/或电阻器来实现。

在每个电压电流转换器是电容器的实施方式中，电压电流转换器的输入端可以是电压电流转换器电容器的第一电极，并且电压电流转换器的输出端可以是第二电极，该第二电极通过介电材料而与电压电流转换器电容器的第一电极导电分离。

根据实施方式，电压源装置可以有利地被配置成输出随时间变化的电压。特别地，该电压可以有利地在预定义的积分时间期间随时间变化，在该预定义的积分时间期间，像素元件中的积分电容器耦接至光敏元件以接收由像素元件的光敏元件提供的电流。因此，可以动态地对共模电流分量进行补偿。

有利地，电压源装置可以被配置成输出在预定义的积分时间段内随时间逐渐增大或减小的电压。电压的逐渐变化应当优选地是增大还是减小将通常取决于光敏元件的配置。该增大或减小可以有利地在整个预定义积分时间段期间发生。

在实施方式中，指纹感测系统可以包括共模感测电路，该共模感测电路被配置成感测影响共模信号电流分量的至少一个特性。电压控制电路可以耦接至共模感测电路，并且可以被配置成从共模感测电路获取信号，以及基于来自共模感测电路的信号来控制至少一个可控电压源的操作。

共模感测电路可以有利地包括光敏元件，该光敏元件可以优选地具有与像素元件中的光敏元件相同的配置和特性。共模感测电路可以有利地与每个像素元件基本相同，可能的例外是被遮光。可替选地或组合地，共模感测电路可以被配置成感测一个或更多个其他特性，例如指示像素元件的温度的特性。

在预期暗电流是共模信号电流分量的主要贡献者的实施方式和/或应用中，可以提供不透明结构来为共模感测电路中的光敏元件遮光。在其他实施方式中，共模感测电路中的光敏元件可以暴露于光中，并且来自共模感测电路的信号可以指示背景光的变化，背景光可能作为共模信号电流分量影响测量。

此外，根据各种实施方式，共模感测电路可以包括：第一光敏元件，其布置在与多个像素元件中的给定像素元件相关的第一位置处；以及第二光敏元件，其布置在与所述给定像素元件相关的不同于第一位置的第二位置处。

在这些实施方式中，可以对指纹感测系统的不同部分中可能不同的未知共模信号分量特性进行补偿。

此外，第一可控电压源可以耦接至电流源装置中的第一组电压电流转换器；并且第二可控电压源可以耦接至电流源装置中的第二组电压电流转换器。例如，多个像素元件可以以具有多个行/列的阵列来布置，第一组可以与第一组行/列相关，并且第二组可以与不同于第一组的第二组行/列相关。

根据本发明的实施方式的指纹感测系统可以有利地使用TFT技术来实现，从而提供展现大的感测区域的具有成本效益的指纹感测系统。

为了提高性能，根据本发明的实施方式的指纹感测系统的一些功能可以使用CMOS技术来提供，并且有利地以耦接至TFT模块的ASIC的形式来提供，该TFT模块至少包括选择线、读出线、像素元件以及电流源装置中的多个电容器。此外，TFT模块可以有利地包括共模感测电路。

特别地，上述电压控制电路可以被包括在CMOS部件例如ASIC中，这可以提供更紧凑电路的优点，该更紧凑电路具有更良好控制的特性和温度敏感度较低的特性。

附图说明

现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图来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是呈移动电话形式的、包括根据本发明实施方式的指纹感测系统的示例性电子设备的图；

图2是图1中的电子设备的示意框图；

图3示意性地示出根据本发明的第一示例实施方式的指纹感测系统；

图4A是图3中的指纹感测系统中所包括的像素元件以及用于共模减弱的电流源装置的第一示例配置的示意图；

图4B是图3中的指纹感测系统中所包括的像素元件以及用于共模减弱的电流源装置的第二示例配置的示意图；

图5A至图5B示意性地示出根据本发明的第二示例实施方式的指纹系统；以及

图6A至图6B示意性地示出根据本发明的第三示例实施方式的指纹系统。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参考至少部分地使用TFT技术实现的指纹感测系统来描述根据本发明的指纹感测系统的各种实施方式。此外，指纹感测系统主要被描述为布置在显示器面板下方。然而，这不应被理解为限制如权利要求所限定的本发明。根据实施方式，可以使用其他技术例如CMOS技术来实现指纹感测系统。此外，指纹感测系统不必被布置在显示器面板下方，而是可以以其他配置来使用，例如在玻璃盖板下方或显示器面板上方等。

现在转至附图，特别地转至图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呈移动设备形式的电子设备1的示例，所述移动设备具有集成的显示器内指纹感测系统3以及带有触摸屏接口7的显示器面板5。指纹感测系统3可以例如用于解锁移动设备1，以及/或者用于授权使用移动设备1执行的交易等。

指纹感测系统3在此处被示为小于显示器面板5，但仍然是相对大的，例如大面积实现方式。在另一有利实现方式中，指纹感测系统3可以与显示器面板5大小相同，即全显示器解决方案。因此，在这种情况下，用户可以将他/她的手指放在显示器面板上的任何位置以用于生物特征认证。在其他可能的实现方式中，指纹感测系统3可以小于所描绘的指纹感测系统，例如提供热区(hot-zone)实现方式。

优选地，并且对本领域技术人员明显的是，图1中示出的移动设备1还可以包括用于WLAN/Wi-Fi通信的第一天线、用于电信通信的第二天线、麦克风、扬声器以及电话控制单元。移动设备当然可能包括有另外的硬件元件。

此外，还应注意，本发明可以适用于其他类型的电子设备，例如智能手表、笔记本电脑、平板电脑等。

图2是图1中的电子设备1的示意框图。电子设备1包括透明显示器面板5，以及在概念上示出为布置在透明显示器面板5下方的指纹感测系统3。此外，电子设备1包括处理电路例如控制单元9，其耦接至指纹感测系统3并且被配置成基于由指纹感测系统3提供的信号来执行认证。控制单元9可以是电子设备9的独立控制单元，例如设备控制器。可替选地，控制单元9可以被包括在指纹感测系统3中。

现在将参照图3描述根据本发明的第一示例实施方式的指纹感测系统3。如图3中示意性地示出的，指纹感测系统3包括形成在基板或载体11上的结构。特别地，在主要使用本领域技术人员本身已知的TFT技术制造指纹感测系统3的实施方式中，载体11可以有利地由玻璃或塑料制成。在基板11上形成有多条导电的选择线13和多条导电的读出线15。选择线13彼此平行布置，读出线15彼此平行布置并且与选择线13交叉。通常通过介电层将选择线13与读出线15导电分离，该介电层被设置在包括选择线13的第一导电层与包括读出线15的第二导电层之间。此处形成像素元件阵列的多个像素元件17被形成在选择线13与读出线15之间的相应交叉点处。除了选择线13和读出线15之外，根据图3中的第一示例实施方式的指纹感测系统3还包括耦接至每条选择线13的选择电路19、耦接至每条读出线15的读出电路23、以及用于共模信号减弱的电流源装置(图3中不可见)。

图4A是图3中的指纹感测系统3中所包括的像素元件17以及用于共模减弱的电流源装置25的第一示例配置的简化示意图。参照图4A，指纹感测系统3中的每个像素元件17包括此处呈光电二极管形式的光敏元件27、积分电容器29、复位开关31以及用于向读出电路23提供像素信号的输出端33。积分电容器29可以被实现为光电二极管的结(junction)，和/或实现为金属-绝缘体-金属电容器，或者任何其他合适的电容器，积分电容器29具有耦接至光敏元件27的第一电极35以及第二电极37。

如在本领域中所公知的，当手指的手指表面被布置在邻近像素元件17的感测表面上时，到达每个像素元件17中的光敏元件27的光的量将取决于手指表面与感测表面之间的局部距离。当光入射到光敏元件27上时，光敏元件将生成指示入射到光敏元件27上的光的强度的光电流。为了限定像素元件的曝光的开始，复位开关31打开。在复位开关31如图4A所示打开的情况下，由光敏元件27提供的电流作为电荷在积分电容器29中累积，从而在积分电容器29两端产生电压，该电压指示由光敏元件27提供的积分电流。在曝光的末尾，在预定义曝光时间或自适应曝光时间之后，复位开关31闭合，以均衡在曝光时间期间累积在积分电容器29中的电荷。在输出端33处提供的像素信号可以是电压或电流，其指示在曝光时间的末尾积分电容器29两端的电压。

然而，实际上，光敏元件27不仅可以提供用于确定指纹表示的电流，而且还可提供不携载有用指纹信息的共模信号电流分量。例如，共模信号电流分量可以包括在没有任何光入射到光敏元件27上的情况下由光敏元件27提供的所谓的暗电流，或者由或多或少与指纹图案无关的杂散光的泄漏引起的电流。例如，靠近手指表面与感测表面之间的接触区域的外围的像素元件可以接收从侧面进入或穿过手指组织的环境光。特别地，暗电流可以展现出明显的温度依赖性。

由于上述共模信号电流分量的存在和可变性，预定义的曝光时间可能导致针对某些温度或者感测区域上的某些位置或者制造光敏元件27和指纹感测系统3的其他部件的工艺的某些变化，积分电容器29饱和。积分电容器29的这种饱和可能难以使用像素元件17下游的电路来正确地补偿。因此，根据本发明的各种实施方式的指纹感测系统包括电流源装置25，该电流源装置25包括耦接至每个像素元件17的积分电容器29的第一电极35的可控电流源26。在图4A中，这通过以下连接和箭头来示意性地表示：可控电流源26与所示像素元件17的积分电容器29的第一电极35之间的连接，以及用于指示对另外的像素元件的积分电容器的第一电极的耦接的箭头。

在上述曝光时间期间，电流源装置25可以被控制成提供电流以至少部分地补偿(抵消)由光敏元件27提供的共模信号电流分量。因此，由电流源装置25提供的补偿电流可以与来自光敏元件27的电流具有相反的符号(相反的方向)。

由于在曝光时间期间积分电容器29两端的电压逐渐增大，因此取决于光敏元件27被如何偏置，由光敏元件27提供的电流可能在曝光时间期间随时间减小或增大。在图4A示出的示例配置中，由光敏元件27提供的电流在曝光时间期间通常将随时间减小。控制电流源装置25以随时间呈现相似变化可以是有益的。

可以以各种方式控制电流源装置25。在一些实施方式中，可以基于例如光敏元件27的已知特征和/或校准来预定义对电流源装置25的控制。此外，该控制可以具有对像素元件17的温度的预定义依赖性，例如该控制可以基于指纹感测系统的特征。

在其他实施方式中，对电流源装置25的控制可以基于对影响共模信号电流分量的至少一个特性的实时感测。一个这样的特性可以是温度，并且另一个这样的特性可以是由被遮光的光敏元件提供的电流。

在任一情况下，电流源装置25可以包括用于控制可控电流源26的操作的控制电路28。例如，该控制电路28可以控制由电流源装置25输出的补偿信号在曝光/积分时间期间的随着时间的幅度和/或时序和/或行为。

现在将参照图4B描述用于共模减弱的电流源装置的第二示例配置。参照图4B，电流源装置25包括电压源装置39和多个电压电流转换器。电压源装置39此处被示为包括可控电压源40和电压控制电路42，并且此处电压电流转换器由电压电流转换器电容器41来表示，该电容器41具有耦接至可控电压源40的输入端43，以及耦接至像素元件17中的积分电容器29的第一电极35的输出端45。

电压源装置39被配置成输出随时间变化的电压，并且通过控制电压源装置39输出这样的时变电压，电压电流转换器电容器41将向像素元件17中的积分电容器29的第一电极35提供补偿电流。对可控电压源装置39的控制可以类似于上面针对图4A的实施方式中的可控电流源描述的那样来执行。因此，电压控制电路42可以控制可控电压源40的操作。例如，电压控制电路42可以通过控制由可控电压源40提供的电压来控制由电流源装置25输出的补偿信号在曝光/积分时间期间的随着时间的幅度和/或时序和/或行为。

图5A至图5B示意性地示出根据本发明的第二示例实施方式的指纹系统，在所述指纹系统中，在指纹感测阵列的不同部分中施加不同的共模电流补偿。

首先参照图5A，感测阵列中的像素元件17被布置在三个示例性区域47a至47c中，示例性区域47a至47c可以被控制成在不同时间点曝光。可以说指纹感测系统3应用了所谓的滚动快门(rolling shutter)。

在图5B中示意性地示出的这种配置中，上述电流源装置有利地能够针对不同区域47a至47c提供具有至少不同时序的共模补偿电流。为此，针对像素元件的各区域47a至47c，电流源装置25可以包括至少一个相应的可控电流源26a至26c以及至少一个相应的电流控制电路28a至28c。可以使用电流控制电路28a至28c使共模补偿电流的提供与不同区域47a至47c的不同曝光时间同步。可以用以上参照图4B描述的电流源装置25的配置来代替图5B中指示的电流源装置25的配置。

现在转至图6A，如以上参照图5A所描述的，感测阵列中的像素元件17仍被布置在三个示例性区域47a至47c中。然而，在该第三示例配置中，指纹感测系统3还包括共模感测电路，此处针对区域47a至47c以至少一个共模感测像素元件49a至49c的形式提供共模感测电路。共模感测像素元件49a至49c中的每个可以包括光敏元件(图6A中未示出)，以及为共模感测电路49a至49c中的光敏元件遮光的不透明结构(图6A中未示出)，例如金属层。

在该配置中，上述电流源装置有利地能够分别针对不同区域47a至47c基于来自至少三个不同的共模感测电路49a至49c的信号而提供具有至少不同时序的共模补偿电流。除了以上参照图5B所描述的内容之外，电流控制电路28a至28c对可控电流源26a至26c的控制可以另外地基于来自共模感测电路49a至49c的信号。可以用以上参照图4B描述的电流源装置25的配置来代替图6B中指示的电流源装置25的配置。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载某些手段的事实并不表示不能有利地使用这些手段的组合。

Claims (15)

1.一种用于感测手指的手指表面的指纹感测系统(3)，包括：

多个像素元件(17)，所述多个像素元件中的每个像素元件包括：

光敏元件(27)，其被配置成提供包括指纹信号电流分量和共模信号电流分量的电流；以及

积分电容器(29)，其包括第一电极(35)和第二电极(37)，所述第一电极(35)耦接至所述光敏元件以接收由所述光敏元件提供的电流，所述第二电极(37)耦接至所述指纹感测系统的参考电势；

电流源装置(25)，其耦接至所述多个像素元件中的每个像素元件(17)的积分电容器(29)的第一电极(35)，

其中，所述电流源装置(25)能够被控制成向所述像素元件(17)的积分电容器(29)的第一电极(35)提供补偿电流。

2.根据权利要求1所述的指纹感测系统(3)，其中，所述电流源装置(25)包括：

电压源装置(39)；以及

多个电压电流转换器(41)，所述多个电压电流转换器中的每个电压电流转换器具有：

输入端(43)，其耦接至所述电压源装置(39)；以及

输出端(45)，其耦接至所述多个像素元件中的相应像素元件(17)中所包括的积分电容器(29)的第一电极(35)。

3.根据权利要求2所述的指纹感测系统(3)，其中，每个电压电流转换器(41)是电容器。

4.根据权利要求2或3所述的指纹感测系统(3)，其中，所述电压源装置(39)被配置成输出随时间变化的电压。

5.根据权利要求4所述的指纹感测系统(3)，其中：

在每个像素元件(17)中，所述积分电容器(29)耦接至所述光敏元件(27)以在预定义积分时间段期间接收由所述光敏元件提供的电流；并且

所述电压源装置(39)被配置成输出在所述预定义积分时间段内随时间逐渐减小的电压。

6.根据权利要求2或3所述的指纹感测系统(3)，其中，所述电压源装置包括：

至少一个可控电压源(40)；以及

电压控制电路(42)，其耦接至所述至少一个可控电压源以控制所述至少一个可控电压源的操作。

7.根据权利要求6所述的指纹感测系统(3)，其中：

所述指纹感测电路还包括共模感测电路(49a-49c)，所述共模感测电路被配置成感测影响所述共模信号电流分量的至少一个特性；

所述电压控制电路(42)耦接至所述共模感测电路；并且

所述电压控制电路被配置成从所述共模感测电路获取信号，以及基于来自所述共模感测电路的信号来控制所述至少一个可控电压源(40)的操作。

8.根据权利要求7所述的指纹感测系统(3)，其中，所述共模感测电路(49a-49c)包括光敏元件。

9.根据权利要求8所述的指纹感测系统(3)，还包括不透明结构，所述不透明结构为所述共模感测电路(49a-49c)中的光敏元件遮光。

10.根据权利要求8或9所述的指纹感测系统(3)，其中，所述共模感测电路(49a-49c)包括：

第一光敏元件，其布置在与所述多个像素元件中的给定像素元件相关的第一位置处；以及

第二光敏元件，其布置在与所述给定像素元件相关的不同于所述第一位置的第二位置处。

11.根据权利要求10所述的指纹感测系统(3)，其中，所述电压源装置(39)包括：

第一可控电压源，其被配置成由所述电压控制电路基于从所述第一光敏元件获取的信号来进行控制；以及

第二可控电压源，其被配置成由所述电压控制电路基于从所述第二光敏元件获取的信号来进行控制。

12.根据权利要求11所述的指纹感测系统(3)，其中：

所述第一可控电压源耦接至所述电流源装置中的第一组电容器；并且

所述第二可控电压源耦接至所述电流源装置中的第二组电容器。

13.根据权利要求6所述的指纹感测系统(3)，其中，所述指纹感测系统包括ASIC，所述ASIC至少包括所述电压控制电路。

14.根据权利要求2或3所述的指纹感测系统(3)，其中，所述指纹感测系统包括TFT模块，所述TFT模块至少包括所述多个像素元件以及所述电流源装置中的多个电容器。

15.一种电子设备(1)，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测系统(3)；以及

处理电路(9)，其耦接至所述指纹感测系统，并且被配置成基于由所述指纹感测系统获取的指纹感测信号来执行认证。

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