CN204537159U

CN204537159U - 一种指纹检测装置

Info

Publication number: CN204537159U
Application number: CN201520054631.1U
Authority: CN
Inventors: 胡家安
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2025-01-26

Abstract

本实用新型公开了一种指纹检测装置，所述装置包括：按照预定排布规则排布的多个检测单元，所述多个检测单元用于检测用户的指纹信息；所述多个检测单元中的每个检测单元包括：感应模块，保护环和驱动模块；其中，所述保护环设置在所述感应模块的周围，所述驱动模块与所述保护环连接，所述驱动模块用于驱动所述检测单元。

Description

一种指纹检测装置

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种指纹检测装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的电子设备进入人们的工作和生活中，比如智能手机、平板电脑等。为了提高电子设备的安全性，很多电子设备都设置有指纹识别装置，通过识别用户的指纹对用户的身份进行认证，以提高电子设备的安全性。

但是本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述现有技术中至少存在如下技术问题：

传统的主动式半导体指纹识别装置如图1所示，周围是驱动环，中间是感应阵列，这样的设计导致指纹识别装置结构设计比较复杂，成本较高。且驱动环在工作时，驱动信号将加载到整个驱动环上，需要高压进行驱动，这样也增大了电子设备的功耗。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种指纹检测装置，用于解决现有技术中指纹识别装置结构设计比较复杂，需要高压驱动，功耗较高的技术问题。

一方面，本申请实施例提供一种指纹检测装置，所述装置包括：

按照预定排布规则排布的多个检测单元，所述多个检测单元用于检测用户的指纹信息；

所述多个检测单元中的每个检测单元包括：

感应模块，保护环和驱动模块；其中，所述保护环设置在所述感应模块的周围，所述驱动模块与所述保护环连接，所述驱动模块用于驱动所述检测单元。

可选的，所述多个检测单元按照预定排布规则排布成矩形阵列。

可选的，所述感应模块设置于所述检测单元的第一层，所述驱动模块设置于所述检测单元的第二层，其中，所述第一层位于所述第二层的上方。

可选的，所述检测单元还包括：

运算放大器，所述运算放大器包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述感应模块连接，所述第二输入端与所述保护环连接，所述运算放大器用于实现电容转换为电压后信号的缓冲输出。

可选的，所述检测单元还包括：

第一开关装置，第二开关装置，第一复位电路和第二复位电路；

其中，所述第一开关装置包括第一端和第二端，所述第一端与所述运算放大器的第一输入端连接，所述第二端与所述第一复位电路连接，所述第二开关装置包括第三端和第四端，所述第三端与所述运算放大器的第二输入端和输出端连接，所述第四端与所述第二复位电路连接，所述第一复位电路和所述第二复位电路用于对所述运算放大器的第一输入端、第二输入端和输出端的电压值进行复位，设置一复位参考电压值。

可选的，所述驱动模块包括：驱动电路部分和驱动电容部分，所述驱动电容部分与所述感应模块和所述运算放大器的第一输入端连接，所述驱动电路部分与所述驱动电容部分连接，其中，所述驱动电路部分用于驱动所述感应模块，所述驱动电容部分用于实现电荷在所述驱动电容部分和第一感应电容之间的电荷转移，所述第一感应电容为手指触摸所述指纹识别装置时，手指和所述感应模块间的感应电容。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本申请实施例的方案中，指纹检测装置的每个检测单元由感应模块和其自身的保护环组成，在检测单元检测指纹信息时，通过在每个检测单元的保护环上加载驱动信号，对该检测单元进行驱动，使得本方案中无需高压驱动，只需要加载稳定的电源电压，解决了现有技术中，指纹检测装置需要高压驱动，功耗较高的技术问题，实现了降低指纹检测装置的功耗的技术效果。

另外，由于指纹检测装置的每个检测单元由感应模块和其自身的保护环组成，再由多个这样的检测单元组成指纹检测阵列，结构设计更加简单。

附图说明

图1为现有技术中指纹识别装置的结构示意图；

图2为本申请实施例一中检测单元阵列的示意图；

图3为本申请实施例一中感应模块与保护环之间的感应电容的示意图；

图4A-图4B为本申请实施例一中手指透过介质层与单个感应单元间形成感应电容的示意图；

图5为本申请实施例一中电容检测电路的连接关系框图；

图6A-图6B为本申请实施例一中输入控制信号和输出信号的示意图；

图7为本申请实施例一中电容检测电路的转化输出波形图；

图8为本申请实施例一中电容检测电路的细化转化输出波形图；

图9为本申请实施例二中指纹检测方法的方法流程图。

具体实施方式

在本申请实施例提供的技术方案中，指纹检测装置的每个检测单元由感应模块和其自身的保护环组成，在检测单元检测指纹信息时，通过在每个检测单元的保护环上加载驱动信号，对该检测单元进行驱动，使得本方案中无需高压驱动，只需要加载稳定的电源电压，解决了现有技术中，指纹检测装置需要高压驱动，功耗较高的技术问题，实现了降低指纹检测装置的功耗的技术效果。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图对本申请实施例技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述。

实施例一

本申请实施例提供一种指纹检测装置，如图2和图5所示，所述装置包括：

按照预定排布规则排布的多个检测单元10，所述多个检测单元10用于检测用户的指纹信息；

所述多个检测单元中的每个检测单元包括：

感应模块101，保护环102和驱动模块103；其中，所述保护环102设置在所述感应模块101的周围，所述驱动模块103与所述保护环102连接，所述驱动模块103用于驱动所述检测单元10。

具体来讲，多个检测单元10可以按照预定排布规则排布成如图2所示的矩形阵列，在具体实施过程中，也可以排列成圆形阵列等排布结构，本申请对此不做限制。

在本申请实施例中，由于检测单元的结构简单，可以将这些检测单元进行单独放置，在具体实施过程中，为了使指纹检测装置的尺寸减小，检测单元可以分为上下两层结构，上层结构为感应模块，即感应面板，下层结构为该检测单元的检测电路，使得每个检测单元可以单独放置其检测电路。

在本申请实施例中，检测电路包括所述检测单元的驱动模块103在内，也包括该检测单元的其他元器件，例如：开关、运算放大器等，本申请在此不一一例举。

接下来，对每个检测单元的感应模块101与保护环102之间的感应电容进行分析，如图3所示，感应模块101即为感应手指指纹的感应面板，当手指接触介质层后，感应模块101与组成指纹的指纹脊和指纹谷形成对地电容，即手指与感应模块101之间的感应电容。而保护环102的作用在于保护感应模块101的侧面环境，使得感应模块101的侧面环境一致，不会受到其他感应单元的干扰，使得检测结果更加准确，图中的Cb₁，Cb₂，Cb₃，Cb₄为感应模块101与保护环102间四个方向的感应电容，本申请实施例中，感应电容的和等效为Cb＝Cb₁+Cb₂+Cb₃+Cb₄。

进一步，在手指触摸指纹识别装置时，如图4A和图4B所示，为本申请实施例中手指透过介质层与单个感应单元间形成感应电容的示意图。

其中，Cfinger为手指表面与检测单元间的感应电容，由于指纹脊为凸起表面，而指纹谷为凹陷表面，介质层表面均匀，所述根据平行板间电容计算公式C＝εS÷d，可以等效为

C脊＝εS÷d

1/C谷＝1/(εS÷d)+1/(ε₁S÷d₁)，C谷＝εε₁S÷(dε₁+d₁ε)

其中，ε和ε₁为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d和d₁为极板间的距离。

本申请实施例中，指纹的检测主要就是检测出C脊与C谷之间的电容差值。

本申请实施例中，在4A和图4B中，Td为感应电容Cfinger以及感应模块101与保护环102之间的耦合电容的输入端，Tf为感应模块101与保护环102之间的耦合电容的另一输入端。

接下来，对本申请实施例中的电容检测电路进行说明。如图5所示，为电容检测电路连接关系的框图。

具体来讲，检测电路包括OPA buffer(OPA全称：operational amplifier，中文名称：运算放大器；buffer中文名称：缓冲输出器)，用于实现电容到电压转化后信号的缓冲输出以及完成有效电容的保护。具体来讲，所述运算放大器包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述感应模块101连接，所述第二输入端与所述保护环102连接。

所述检测电路还包括驱动电路部分，用于根据控制完成对检测单元的驱动。在具体实施过程中，对于矩形阵列的检测单元，可以控制阵列中的检测单元进行逐行扫描检测或者逐列扫描检测，当然也可以按照其他方式进行扫描检测，本申请对此不做限制。

具体来讲，驱动电路部分(Driver)与驱动电容部分(Cdrive)连接，驱动电容部分与感应模块101和运算放大器的第一输入端连接，在驱动电路部分提供的驱动电压下，驱动电容部分用于实现电荷在驱动电容部分和第一感应电容(即，Cfinger)之间的电荷转移，第一感应电容为手指触摸所述指纹识别装置时，手指和所述感应模块间的感应电容。

所述检测电路还包括：第一开关装置(SW1)、第二开关装置(SW2)、复位开关用于设定电路的初始检测状态。

具体来讲，第一开关装置包括第一端和第二端，第一端与运算放大器的第一输入端连接，第二端与第一复位电路连接，第二开关装置包括第三端和第四端，第三端与运算放大器的第二输入端和输出端连接，第四端与第二复位电路连接，第一复位电路和第二复位电路用于对运算放大器的第一输入端、第二输入端和输出端的电压值进行复位，设置一复位参考电压值，即图5中的Vref。

在图5中，Vdrive为驱动信号，S1为复位开关控制信号。

接下来，对本申请实施例中的电容检测过程进行说明。

本申请实施例中，在进行检测时，输入控制信号如图6A所示，输出信号如图6B所示，其中，Vref为复位参考电压值，S1为复位开关控制信号，Vdrive为驱动信号，VTf为OPA buffer输出电压波形。

具体来讲，在复位阶段，SW1和SW2受信号S1控制，使得OPA buffer的输入端和输出端被初始化，复位电压为Vref。在复位结束后，S1信号切换为低电平，SW1和SW2断开，加载驱动信号Vdrive，通过驱动电容Cdrive将电荷移动到Cfinger，完成电荷再分配，实现电容到电压信号的转换，此时，OPA buffer的输入端和输出端电压发生改变，VTf为OPA buffer输出电压波形。

接下来，对本申请实施例中的电容检测电路的转换信号量的计算进行说明。

由于在复位阶段和检测阶段，OPA buffer的作用为电压跟随器，电压跟随器的输入电压与输出电压的大小和相位一样，所以，在具体实施过程中，可以认为Cb两端电压不变，进一步，由于在整个检测过程中，Cb上没有电荷转移，则可以认为电荷只在Cfinger与Cdrive之间再分配。

具体来讲，在复位阶段，Cfinger上的电压为Vref，Cfinger上储存的电荷量为Q₀＝Cfinger×Vref。

而Cdrive两端的电压为Vref，则Cdrive上储存的电荷量为Q₁＝Cdrive×(-Vref)。

在检测阶段，在复位阶段结束后，加载驱动信号之前，Cfinger两端的电压保持Vref不变，Q₀＝Cfinger×Vref。

而驱动电容Cdrive输入端电压Vdrive为Vdd，则最终Cdrive两端存储电荷量为：

Q₂＝[Vdd-(-Vref)]×Cdrive＝(Vdd+Vref)×Cdrive

假设最终稳定后的OPA buffer输出电压为X，则Cfinger两端的电荷变化量为ΔCf，ΔCf＝(X-Vref)×Cfinger，Cdrive电荷变化量为ΔCd，ΔCd＝(Vdd-X+Vref)×Cdrive。由于Cfinger和Cdrive电荷变化量相同，则有ΔCf＝ΔCd，即

(X-Vref)×Cfinger＝(Vdd-X+Vref)×Cdrive，

可以得到，X＝[Vref×Cfinger+(Vdd+Vref)×Cdrive]÷(Cfinger+Cdrive)。

本申请实施例中，假设Cfinger1(脊)＝1.05×Cfinger0(谷)＝Cdrive＝C，Vref＝Vdd/4；则X(脊)＝0.750×Vdd；X(谷)＝0.762×Vdd；则指纹脊指纹谷间的电压差值为：ΔVsignal＝X(谷)-X(脊)＝0.012×Vdd。

本申请实施例中，当Vdd＝5时，ΔVsignal＝61mV，一般情况下，运算放大器的等效输入噪声与开关电容噪声的噪声和小于0.5mV，所以假设原始信号的信噪比为SNR，则SNR＝20×log(61mv÷0.5mv)＝41.7dB，由于信噪比较高，可以使得指纹检测结果不会受到噪声的影响，更加准确。

本申请实施例中，图7为根据上述电容检测电路进行仿真获得的输出波形图，图8为细化输出波形图，理论控制输出信号如图6B所示，其中，仿真条件为Cfinger1(脊)＝1.05×Cfinger0(谷)＝Cdrive＝C，Vref＝Vdd/4＝1.25V。

其中，Vref为复位参考电压值，Vref＝1.25V，S1为复位开关控制信号，Vdrive为驱动信号，Vdrive＝5V，VTf_g为指纹谷电容电压转换输出波形，VTf_j为指纹脊电容电压转换输出波形。

仿真结果表明，对应5％的电容差异，根据理论计算电容转化为电压后，输出电压差值为61mV，而实际的仿真结果为60.89mV，仿真结果与理论结果相符合。

实施例二

本申请实施例二提供一种指纹检测方法，应用于指纹检测装置，所述指纹检测装置包括：按照预定排布规则排布的多个检测单元，所述多个检测单元用于检测用户的指纹信息；所述多个检测单元中的每个检测单元包括：感应模块，保护环和驱动模块；其中，所述保护环设置在所述感应模块的周围，所述驱动模块与所述保护环连接，所述驱动模块用于驱动所述检测单元，如图9所示，所述方法包括：

S10：在检测到使用者的手指接触所述多个检测单元时，按照预设规则，获取所述多个检测单元中的每个检测单元的指纹信息，其中，所述预设规则按照预设顺序为每个检测单元加载驱动信号，获取每个指纹模块的指纹信息。

S20：基于所述每个指纹模块的指纹信息，得到完整指纹信息。

具体来讲，在多个检测单元中的检测单元1检测完成之后，检测单元1横向相邻的检测单元2继续检测指纹信息，然后按照横向检测的规律，每个模块依次进行检测，直至最后一个检测单元。当然，在本申请实施例中，在检测单元1检测完成之后，检测单元1竖向相邻的检测单元10继续检测指纹信息，然后按照竖向检测的规律，每个模块依次的进行检测，直至最后一个检测单元。也就是说在本申请实施例中可以通过不同的检测方式来检测用户的手指的指纹信息，这样保证指纹检测模组检测指纹的准确性。

本申请实施例中，所述指纹识别装置包括运算放大器模块，所述运算放大器模块用于实现电容转换为电压后信号的缓冲输出，所述按照预设规则，获取所述多个检测单元中的每个检测单元的指纹信息，具体包括：

复位阶段，对所述运算放大器模块的第一输入端、第二输入端和输出端的电压值进行复位，设置一复位参考电压值；

检测阶段，通过所述驱动模块驱动所述感应模块，改变所述所述运算放大器模块的第一输入端、第二输入端和输出端的电压值为第二电压值；

输出阶段，根据所述复位参考电压值和所述第二电压值的关系，获得所述第一检测单元输出的第一电压值，所述第一电压值用于表征手指与所述第一检测单元接触的位置上的指纹信息。

本申请实施例中，电容检测电路的连接关系如图5所示，驱动模块包括驱动电路部分和驱动电容部分，驱动电路部分与驱动电容部分连接，驱动电容部分用于实现电荷在驱动电容部分和第一感应电容之间的电荷转移，第一感应电容为手指触摸指纹识别装置时，手指和感应模块间的感应电容。

具体来讲，由于在复位阶段和检测阶段，OPA buffer的作用为电压跟随器，电压跟随器的输入电压与输出电压大小和相位一样，所以，在具体实施过程中，可以认为Cb两端电压不变，进一步，由于在整个检测过程中，Cb上没有电荷转移，则可以认为电荷只在Cfinger与Cdrive之间再分配。

Q₂＝[Vdd-(-Vref)]×Cdrive＝(Vdd+Vref)×Cdrive

在输出阶段，假设最终稳定后的OPA buffer输出电压为X，即第二电压值为X，则Cfinger两端的电荷变化量为ΔCf，ΔCf＝(X-Vref)×Cfinger，Cdrive电荷变化量为ΔCd，ΔCd＝(Vdd-X+Vref)×Cdrive。由于Cfinger和Cdrive电荷变化量相同，则有ΔCf＝ΔCd，即

(X-Vref)×Cfinger＝(Vdd-X+Vref)×Cdrive，

可以得到，X＝[Vref×Cfinger+(Vdd+Vref)×Cdrive]÷(Cfinger+Cdrive)。

本申请实施假设Cfinger1(脊)＝1.05*Cfinger0(谷)＝Cdrive＝C，Vref＝Vdd/4；则X(脊)＝0.750×Vdd；X(谷)＝0.762×Vdd；则指纹脊指纹谷间的电压差值为：

ΔVsignal＝X(谷)-X(脊)＝0.012×Vdd。

通过本申请实施例中的一个或多个技术方案，可以实现如下一个或多个技术效果：

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种指纹检测装置，其特征在于，所述装置包括：

所述多个检测单元中的每个检测单元包括：

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个检测单元按照预定排布规则排布成矩形阵列。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述感应模块设置于所述检测单元的第一层，所述驱动模块设置于所述检测单元的第二层，其中，所述第一层位于所述第二层的上方。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测单元还包括：

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述检测单元还包括：

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述驱动模块包括：驱动电路部分和驱动电容部分，所述驱动电容部分与所述感应模块和所述运算放大器的第一输入端连接，所述驱动电路部分与所述驱动电容部分连接，其中，所述驱动电路部分用于驱动所述感应模块，所述驱动电容部分用于实现电荷在所述驱动电容部分和第一感应电容之间的电荷转移，所述第一感应电容为手指触摸所述指纹识别装置时，手指和所述感应模块间的感应电容。