CN116092136A - 硅基超声波指纹检测传感器及模组 - Google Patents

Abstract

本说明书涉及指纹识别技术领域，具体地公开了一种硅基超声波指纹检测传感器及模组，硅基超声波指纹检测传感器包括硅基底；超声波像素阵列，设在硅基底上，包括若干个超声波像素单元；每个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两个电容和至少五个MOS管：第一电容、第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管；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、第二驱动讯号和行选讯号，四个时序控制讯号之间互相独立。本发明实施例的硅基超声波指纹检测传感器可实现超声波指纹信号的读取。

Description

硅基超声波指纹检测传感器及模组

技术领域

本说明书涉及指纹检测超声波传感器技术领域，特别涉及一种硅基超声波指纹检测传感器及模组。

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

本说明书实施例提供了一种硅基超声波指纹检测传感器及模组，该硅基超声波指纹检测传感器采用TFT工艺制作，在制作大面阵的硅基超声波指纹检测传感器时，可降低传感器的制作成本。

本说明书实施例提供了一种硅基超声波指纹检测传感器，包括：硅基底；超声波像素阵列，设在所述硅基底上，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两个电容和至少五个MOS管：第一电容、第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五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管的栅极与所述第一电容的一端连接，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第一共接点，所述第一共接点与对应所述超声波传感器的电极连通；所述第二MOS管的栅极和所述第五MOS管的栅极接收所述行选讯号；所述第一MOS管和所述第二MOS管的源漏相连而形成第二共接点，所述第二共接点与所述第五MOS管的源极/漏极连接；所述第五MOS管的漏极/源极与所述第二电容的一端连接；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管的栅极与所述第一共接点形成电性通路；在所述第一共接点和所述第一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管开通而抬高所述第一共接点的电位；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管和所述第五MOS管，将所述第一电容上存储的超声波指纹信号转移至所述第二电容上，并输出所述第二电容上存储的超声波指纹信号。

本说明书实施例还提供了一种硅基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五个MOS管和两个电容，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。

本说明书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五个MOS管和两个电容，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。

可以通过调整超声波指纹检测电路中的第一电容和第二电容的电容值来调整超声波指纹峰值信号的电压ΔV，以更好地进行指纹检测。

在本说明书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硅基超声波指纹检测传感器的俯视结构示意图；

图2为图1所示的硅基超声波指纹检测传感器的截面结构示意图；

图3为本发明非限制性实施例的硅基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4为本发明非限制性实施例的硅基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为本发明非限制性实施例的硅基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6为本发明非限制性实施例的硅基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7为图3至图5所示的超声波指纹检测电路的控制时序图；

图8为图3至图5所示的超声波指纹检测电路的一种控制时序图；

图9为图3至图5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硅基超声波指纹检测传感器以及利用该硅基超声波指纹检测传感器进行指纹检测的方法。该硅基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，硅基超声波指纹检测传感器被配置于智能手机中，智能手机可基于硅基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和图2所示，硅基超声波指纹检测传感器包括硅基底1以及设在硅基底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在硅基底1上可呈多排多列的规则形式排布。硅基底1利用TFT工艺制作大面阵的超声波像素阵列。相较于玻璃基上的超声指纹检测电路，硅制程更加稳定，均一性更高，且硅基底上制作的MOS管的漏电更小，在漏电小的情况下，可以完成激励一次读取所有行所有列的可能。

进一步地，硅基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。硅基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所示，硅基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201b、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。在一种可行的实施例中，如图3至图6所示，每个超声波指纹检测电路201a至少包括五个MOS管和两个电容：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一电容C1和第二电容C2。

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6所示超声波指纹检测电路拓扑图与图3所示超声波指纹检测电路拓扑图大致相同，仅将图3超声波指纹检测电路中NMOS管替换成了PMOS管。在较佳的实施例中，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，应都属于本说明书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四个时序控制讯号，至少四个时序控制讯号之间互相独立，以控制至少五个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四个时序控制讯号可以为：第一驱动讯号OD_1、第二驱动讯号OD_2、偏置讯号Bias和行选讯号Row。

如图3至图5所示，超声波指纹检测电路包括五个MOS管和两个电容的实施例中，时序控制讯号也为四个，分别为：连接第二MOS管M2栅极和第五MOS管M5栅极的行选讯号Row、连接第三MOS管M3栅极的第一驱动讯号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，在五个MOS管均为如图3至图5所示意的N型MOS管的实施例中，第一MOS管M1漏极与一恒定电压的直流电源Vcc连接。第二MOS管M2的漏极与第一MOS管M1源极连接，形成第二共接点。第二共接点与第五MOS管的源极/漏极连接。第二MOS管的源极与恒定电流的直流电源I_in连接。第五MOS管M5的漏极/源极与第二电容C2的一端连接，作为超声波指纹检测电路的输出端。第二电容C2的另一端可以接地。第三MOS管M3的源极接收偏置讯号Bias，漏极与第四MOS管M4源极连接，形成第一共接点。第一共接点与超声波传感器的电极连通。第三MOS管M3的栅极接收第一驱动讯号OD_1。第四MOS管M4的栅极接收第二驱动讯号OD_2，第四MOS管M4的漏极与第一MOS管的栅极以及第一电容C1的一端连接。第二MOS管M2的栅极和第五MOS管M5的栅极接收行选讯号Row。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的栅极和第五MOS管M5的栅极、第三MOS管M3的栅极、第三MOS管M3的源极、第四MOS管M4的栅极。五个MOS管及超声波传感器的连接关系为：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。

而在五个MOS管均为如图6所示意的P型MOS管的实施例中，第一MOS管M1源极与一恒定电压的直流电源Vcc连接。第二MOS管M2的源极与第一MOS管M1漏极连接，形成第二共接点。第二共接点与第五MOS管的源极/漏极连接。第二MOS管的漏极与恒定电流的直流电源I_in连接。第五MOS管M5的漏极/源极与第二电容C2的一端连接，作为超声波指纹检测电路的输出端。第二电容C2的另一端可以接地。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，形成第一共接点。第一共接点与超声波传感器的电极连通。第三MOS管M3的栅极接收第一驱动讯号OD_1。第四MOS管M4的栅极接收第二驱动讯号OD_2，源极与第一MOS管M1的栅极以及第一电容C1的一端连接。第四MOS管M4的栅极接收第二驱动讯号OD_2。第二MOS管M2的栅极和第五MOS管M5的栅极接收行选讯号Row。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的栅极和第五MOS管M5的栅极、第三MOS管M3的栅极、第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的栅极。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。

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和第五MOS管M5打开或导通时，由第二MOS管M2的源极转移至第二电容C2，即将存储在第一电容C1上的信号转移存储至第二电容C2上。

在图6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说明书所揭露。

也就是说，在如图3至图6所示意的包括五个MOS管的实施例中，第一MOS管M1作为源极跟随管；第二MOS管M2的栅极和第五MOS管M5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。第一MOS管M1和第二MOS管M2源漏相连而形成第二共接点，第二共接点与第五MOS管M5的源极/漏极连接。

对应于，图3至图5中，图7至图9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栅极和第五MOS管M5栅极的行选讯号ROW、连接第三MOS管M3栅极和源极的第一驱动讯号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栅极和第五MOS管M5栅极的时序控制讯号-行选讯号ROW可控制第二MOS管M2和第五MOS管M5的导通或关断。具体为，当行选讯号ROW的电压为高电平时，第二MOS管M2和第五MOS管M5导通。当行选讯号ROW的电压为低电平时，第二MOS管M2和第五MOS管M5关断。

第五MOS管M5作为开关管，工作在线性区。超声波指纹检测电路制作在硅基上，相应的，第五MOS管M5也是制作在硅基底上。第五MOS管的V_DS极小，因此在行选讯号置为高电平时，第五MOS管源极电位与漏极电位几乎相等，即为超声波指纹信号。第五MOS管M5导通时，可以将存储在第一电容C1上的超声波指纹信号转移至第二电容C2上。可以通过调整第一电容C1的电容值与第二电容C2的电容值之比，可以一定程度上放大超声波指纹信号压差。

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和第五MOS管M5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和第一电容C1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和第五MOS管M5导通，将存储于第一MOS管M1栅极和第一电容C1的指纹峰值信号存储于第二电容C2上。在读取阶段，利用行选讯号使第二MOS管M2和第五MOS管M5导通，输出存储于第二电容C2的指纹峰值信号。

如图3至图5所示，在包括五个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7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7所示的控制时序图中，图3至图5所示的超声波指纹检测电路还包括复位阶段T5。如图7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7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和第五MOS管M5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。这种时序控制此五个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。

如图3和图5所示，示意了示出了第一电容C1的第二极几种不同的连接方式。如图3所示，第一电容C1的第二极可以与行选讯号ROW连接。

此外，如图4所示，在另一个可行的实施例中，第一电容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5所示，也可以选择将第一电容C1的第二极接地。在该实施例中，第一电容C1接地，使得第一电容C1的功能变得纯粹和单一，第一电容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3和图5的第一电容C1的另一端的连接方式，相对图4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。

在图3至图5中，第二电容C2的第二极可以接地，使得超声波指纹信号存储在第二电容C2中。

需要特别强调的是，这些实施例中的第一电容C1和第二电容C2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，第一电容C1和第二电容C2并非寄生电容。这些实施例中的第一电容C1和第二电容C2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管来制作第一电容C1和第二电容C2。若采用PMOS管电容和NMOS管电容进行制作第一电容C1和第二电容C2，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，第一电容C1和第二电容C2的电容值可以通过改变MOS管的W乘以L的面积进行调节达到预设电容值。可以通过调整第一电容C1的电容值和第二电容C2的电容值来调整指纹峰值信号的电压ΔV。

示例性的，在第一电容C1的第二极和第二电容C2的第二极均接地的情况下，在读取阶段，将第一电容C1上存储的超声波指纹信号转移至第二电容C2上。可以通过将第二电容C2的电容值设置为小于第一电容C1的电容值，可以在一定程度上放大指纹峰值信号的电压ΔV，进而提高指纹识别的精度。

在本说明书的一些实施例中，可以将第二电容C2设置为可调整电容，例如可以设置为电容阵列。通过将第二电容C2设置为可调整电容，可以根据实际工艺条件、指纹检测电路参数以及指纹识别具体需求来调整第二电容C2的电容值，可以提高指纹识别的精度和灵活性。

针对图3至图5中所示超声波指纹检测电路的实施例中，均包括了至少五个MOS管：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管。在以上所描述的与图3至图5对应的图7所示的时序控制讯号的图上，补充了图8和图9所示的另外两种时序控制讯号图。

如图8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8和图9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8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8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7不同的是，图7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8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8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8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和第一电容C1存储共接点的电位。在读取阶段(图8和图9中的READ阶段)，控制行选讯号ROW为高电平，第二MOS管M2和第五MOS管M5开通，将第一MOS管M1栅极和第一电容C1存储的指纹信号转移至第二电容C2。在读取的同时，通过第一电容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8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8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和第五MOS管M5导通，读取复位阶段中第二电容C2上存储的复位讯号。

在图8所示的控制时序图相对图7所示的时序控制实施例而言，图8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9所示时序控制图与图8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8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9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9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9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8中所示的第二脉冲讯号。图9所示的时序控制图相对图8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7至图9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。

如以上所述，结合图7至图9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，包括上述的硅基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硅基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硅基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硅基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，本发明实施例的硅基超声波指纹检测传感器，在超声波指纹检测电路201a包括至少五个MOS管和两个电容。在一类具体的实施例中，若第一电容和第二电容也采用MOS管进行制作，则超声波指纹检测电路则包含了七个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。此硅基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，制作大面阵的硅基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说明书文件公开的内容，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。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本说明书的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。

以上所述仅为本说明书的优选实施例而已，并不用于限制本说明书，对于本领域的技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种硅基超声波指纹检测传感器，其特征在于，包括：

硅基底；

超声波像素阵列，设在所述硅基底上，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两个电容和至少五个MOS管：第一电容、第二电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五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管的栅极与所述第一电容的一端连接，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第一共接点，所述第一共接点与对应所述超声波传感器的电极连通；所述第二MOS管的栅极和所述第五MOS管的栅极接收所述行选讯号；所述第一MOS管和所述第二MOS管的源漏相连而形成第二共接点，所述第二共接点与所述第五MOS管的源极/漏极连接；所述第五MOS管的漏极/源极与所述第二电容的一端连接；

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管的栅极与所述第一共接点形成电性通路；在所述第一共接点和所述第一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管开通而抬高所述第一共接点的电位；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管和所述第五MOS管，将所述第一电容上存储的超声波指纹信号转移至所述第二电容上，并输出所述第二电容上存储的超声波指纹信号。

2.根据权利要求1所述的硅基超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述第一电容的电容值大于所述第二电容的电容值。

3.根据权利要求1所述的硅基超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述第二电容为可调整电容。

4.根据权利要求1所述的硅基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所述偏置讯号控制所述第三MOS管为所述第一共接点提供稳态直流电位。

5.根据权利要求1所述的硅基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。

6.根据权利要求1所述的硅基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，阻断所述第一共接点与所述第一MOS管栅极的电性通路。

7.根据权利要求6所述的硅基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。

8.根据权利要求7所述的硅基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。

9.根据权利要求7所述的硅基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。

10.根据权利要求6所述的硅基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。

11.根据权利要求1所述的硅基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。

12.根据权利要求11所述的硅基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，使得所述第一共接点与所述第一MOS管栅极形成电性通路。

13.根据权利要求11所述的硅基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管和所述第五MOS管导通，在所述第五MOS管导通之后，所述第一电容上存储的复位信号转移至所述第二电容上，读取所述复位阶段内第二电容存储的复位信号。

14.根据权利要求1所述的硅基超声波指纹检测传感器，其特征在于，所述第一电容和/或所述第二电容包括PIP电容、金属板电容、PMOS管电容和NMOS管电容中至少一种。

15.一种硅基超声波指纹检测模组，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述硅基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硅基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硅基超声波指纹检测传感器。

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