CN205680105U - 电容式指纹传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容式指纹传感器包含一电容式感测阵列以及一差动放大器。电容式感测阵列包含多个阵列排列的感测单元，且每一感测单元包含一感测电容以及一参考电容，其中感测电容靠近电容式感测阵列的感测表面设置；参考电容远离电容式感测阵列的感测表面设置。差动放大器与感测电容以及参考电容电性连接，以接收感测电容所输出的第一偏压以及参考电容所输出的第二偏压，并放大第一偏压以及第二偏压的差值。上述电容式指纹传感器的多个感测单元间可输出较为均匀的感测信号以利后续信号处理。

Description

电容式指纹传感器

【技术领域】

本实用新型是有关一种指纹传感器，特别是一种电容式指纹传感器。

【背景技术】

电容式指纹传感器的原理是检测人体手指的脊部以及谷部间的电容变化。谷部的正常深度约为20-35μm，其中填充空气时的介电常数为1。人体组织的介电常数约为4-8，因此，微小的电容变化可被电容式指纹传感器所检测。

请参照图1以说明基于电荷分享方法的电容式指纹传感器的感测方法。电容式指纹传感器包含多个阵列排列的感测单元SU。当指纹FP与电容式指纹传感器接触时，指纹FP的脊部以及谷部具有电容C3。而封装电容式指纹传感器会形成介电层DL，其具有电容C2。因此，电容C2以及电容C3彼此串接则具有电容值Cs，其能够以下列公式计算得到：

1/Cs＝1/C2+1/C3

其中C2以及C3分别代表电容C2以及电容C3的电容值。

量测电容值Cs的变化可由以下步骤实现。首先，导通开关Sa并断开开关Sb，以偏压Va对电容C0预先充电。接着断开开关Sa以及导通断关Sb，使电容C0中的电荷重新分布，如此即产生偏压V1，其能够以下列公式计算得到：

V1＝Va*C0/(C0+C1+Cs)，其中C0以及C1分别代表电容C0以及电容C1的电容值。电容C1为电路的寄生杂散电容。感测单元SU11的感测节点的偏压V1通过缓冲放大器BA输出偏压V2，其能够以下列公式计算得到：

V2＝g*V1

其中g为缓冲放大器BA的增益。每一感测单元SU具有一缓冲放大器BA，其是由列开关Sr1以及行开关Sc1-Sc3控制输出至取样电容Csh。举例而言，感测单元SU11是由列开关Sr1以及行开关Sc1控制输出；感测单元SU12是由列开关Sr1以及行开关Sc2控制输出；感测单元SU13是由列开关Sr1以及行开关Sc3控制输出。最后，模拟至数字转换器ADC将取样电容Csh的偏压V3转换为数字格式。由于制程或其它因素的影响，感测单元间的缓冲放大器会有增益的变动，加上寄生杂散电容C1与电容C2影响，导致每一感测单元所输出偏压的均匀性较差，因而影响后续的信号处理，例如直流移位(DC subtraction)。

请参照图2以说明感测信号的直流移位处理。假设一感测单元对应指纹谷部的初始感测信号为Vs1，对应指纹脊部的初始感测信号为Vs2，因此，此一感测单元对应指纹的谷部或脊部具有一电压差ΔV1，如图2的左侧所示。感测单元所输出的初始感测信号经直流移位处理，亦即扣除偏压DCsub后，即可在参考电压Vref的范围内放大，使感测单元对应指纹的谷部或脊部的电压差ΔV1放大为电压差ΔV2，如图2的右侧所示，如此即可增加感测的灵敏度。然而，请参照图3，由于制程或其它因素的影响，不同感测单元SUa、SUb对应指纹的谷部或脊部的初始感测信号以及电压差ΔV1a、ΔV1b具有差异，其不利后续的信号处理。举例而言，请一并参照图3以及图4，若以相同的偏压DCsub对感测单元SUa、SUb的初始感测信号作直流移位处理后放大，感测单元SUa、SUb对应指纹的谷部或脊部的电压差分别为ΔV2a以及ΔV2b。很明显的，感测单元SUb对于指纹的谷部或脊部的辨识度较低。

有鉴于此，如何使每一感测单元所输出的偏压具有较佳的均匀性便是目前极需努力的目标。

【实用新型内容】

本实用新型提供一种电容式指纹传感器，其是于每一感测单元中设置与感测电容相对应的一参考电容，使每一感测单元的感测电容所输出的偏压能够扣除参考电容所输出的偏压以获得感测电容对应于指纹谷部或脊部的电压差，进而使得每一感测单元所输出的感测信号较为均匀。

本实用新型一实施例的电容式指纹传感器包含一电容式感测阵列以及一差动放大器。电容式感测阵列包含多个阵列排列的感测单元，且每一感测单元包含一感测电容、一参考电容、多个第一开关以及多个第二开关。感测电容靠近电容式感测阵列的一感测表面设置。参考电容远离电容式感测阵列的感测表面设置。多个第一开关与感测电容以及参考电容电性连接，其中多个第一开关选择性导通以充电感测电容以及参考电容。多个第二开关与感测电容以及参考电容电性连接，其中多个第二开关选择性导通以输出感测电容的一第一偏压以及参考电容的一第二偏压。差动放大器与感测电容以及参考电容电性连接，以接收第一偏压以及第二偏压，并放大第一偏压以及第二偏压的差值。

以下借由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

【附图说明】

图1为一示意图，显示已知的电容式指纹传感器。

图2为一示意图，显示一感测单元对应于指纹谷部以及脊部的初始感测信号以及放大的感测信号。

图3为一示意图，显示不同感测单元对应于指纹谷部以及脊部的初始感测信号。

图4为一示意图，显示不同感测单元对应于指纹谷部以及脊部的放大的感测信号。

图5为一示意图，显示本实用新型一实施例的电容式指纹传感器。

图6为一示意图，显示本实用新型另一实施例的电容式指纹传感器。

【具体实施方式】

以下将详述本实用新型的各实施例，并配合图式作为例示。除了该多个详细说明之外，本实用新型亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本实用新型的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本实用新型有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本实用新型可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本实用新型形成不必要的限制。图式中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意的用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。

请参照图5，本实用新型的一实施例的电容式指纹传感器包含一电容式感测阵列以及一差动放大器DA。电容式感测阵列包含多个阵列排列的感测单元SU。每一感测单元SU包含一感测电容、一参考电容、多个第一开关S1a、S1b、S1c、S1d以及多个第二开关S2a、S2b。于一实施例中，感测电容包含一第一金属层L1、一第二金属层L2以及一第三金属层L3。第一金属层L1通过第一开关S1a与一电源Vcc电性连接。第二金属层L2通过第二开关S2a与第一金属层L1电性连接。第三金属层L3接地，且通过第一开关S1b与第二金属层L2电性连接。感测电容靠近电容式感测阵列的一感测表面SF设置，因此，感测电容的电容值会随着指纹的谷部或脊部接触感测表面SF而变化。

参考电容包含一第四金属层L4、一第五金属层L5以及一第六金属层L6。第四金属层L4通过第一开关S1d与电源Vcc电性连接。第五金属层L5通过第二开关S2b与第四金属层L4电性连接。第六金属层L6接地，且通过第一开关S1c与第五金属层L5电性连接。参考电容则是远离电容式感测阵列的感测表面SF设置，以避免参考电容的电容值因指纹的谷部或脊部接触感测表面SF而变化。于一实施例中，每一感测单元SU的感测电容以及参考电容的延伸方向垂直电容式感测阵列的感测表面SF。简言之，每一感测单元SU的感测电容以及参考电容垂直感测表面SF排列，以降低指纹的谷部或脊部接触感测表面SF对参考电容的电容值的影响。于一实施例中，每一感测单元SU的感测电容以及参考电容的接地侧设置于感测电容以及参考电容之间，以作为一隔离层。依据此结构，接地的隔离层可进一步降低指纹的谷部或脊部接触感测表面SF对参考电容的电容值的影响。

差动放大器DA与每一感测单元SU的感测电容以及参考电容电性连接，以接收感测电容所输出的第一偏压以及参考电容所输出的第二偏压。差动放大器DA可放大第一偏压以及第二偏压的差值。于一实施例中，差动放大器DA可对应于每一感测单元SU设置。或者，于一实施例中，差动放大器DA包含一差动缓冲器DB以及一放大器A，其中，差动缓冲器DB对应于每一感测单元SU设置，而放大器A则设置于感测单元SU外部的读取电路中。依据此结构，可节省重复设置放大器A的芯片面积，且差动缓冲器DB可在每一感测单元SU内产生缓冲以及直流移位的功能，细节容后说明。可以理解的是，差动放大器DA可设置于感测单元SU外部的读取电路中，以进一步节省芯片面积。

依据上述的感测单元SU的结构，当第一开关S1a、S1b导通且第二开关S2a断开时，感测电容的第二金属层L2与第三金属层L3电性连接而接地，而第一金属层L1电性连接电源Vcc，因而对感测电容充电。因感测电容的一输出端设置于第二开关S2a的接地侧，此时感测电容的输出偏压为接地电压。同理，参考电容的第五金属层L5与第六金属层L6电性连接而接地，而第四金属层L4电性连接电源Vcc，因而对参考电容充电。因参考电容的一输出端设置于第二开关S2b的接地侧，此时参考电容的输出偏压亦为接地电压。

当第一开关S1a、S1b断开且第二开关S2a导通时，第一金属层L1与电源Vcc断开而停止充电。而第二金属层L2与第三金属层L3断开且与第一金属层L1电性连接，此时第一金属层L1中的电荷将重新分布于第一金属层L1以及第二金属层L2。可以理解的是，指纹的谷部或脊部接触感测表面SF将影响电荷重新分布的结果，此时，感测电容将输出一第一偏压。同样的，第四金属层L4与电源Vcc断开而停止充电。而第五金属层L5与第六金属层L6断开且与第四金属层L4电性连接，此时第四金属层L4中的电荷将重新分布于第四金属层L4以及第五金属层L5，并经由参考电容的输出端输出一第二偏压。于一实施例中，第一开关S1a、S1b、S1c、S1d以及第二开关S2a、S2b的导通期间需相异，亦即不能同时导通，以避免短路。较佳者，第一开关S1a、S1b、S1c、S1d以及第二开关S2a、S2b的导通期间之间具有一时间延迟，可进一步避免第一开关S1a、S1b、S1c、S1d或第二开关S2a、S2b误动作所造成的短路。

如前所述，参考电容所输出的第二偏压不会受到指纹的谷部或脊部接触感测表面SF而变化或变化很小，理想上，参考电容所输出的第二偏压为一定值。可以理解的是，若感测电容以及参考电容的电容值相同时，感测电容所输出的第一偏压以及参考电容所输出的第二偏压的差值即为感测电容对应于指纹谷部或脊部的电压差。因此，差动放大器DA或差动缓冲器DB计算第一偏压以及第二偏压的差值即等同于执行了直流移位处理。

请参照图6，于一实施例中，图5所示第三金属层L3以及第六金属层L6可整合为单一的分享金属层Ls。分享金属层Ls接地，因而可视为分隔感测电容以及参考电容的隔离层。于一实施例中，感测电容以及参考电容相对于分享金属层Ls对称配置，使感测电容以及参考电容的特性一致，例如具有相同的电容值。由于感测电容以及参考电容相对于电容式感测阵列的几何位置相同，因此，制程或封装等因素对感测电容以及参考电容的影响较为一致。换言之，每一感测单元所输出的第一偏压以及第二偏压的差值较为一致，亦即不同感测单元间所输出的第一偏压以及第二偏压的差值较为均匀。可以理解的是，后续即能够以较大的倍率放大第一偏压以及第二偏压的差值。于一实施例中，差动放大器DA的直流增益范围介于2-10。

综合上述，本实用新型的电容式指纹传感器是于每一感测单元中设置与感测电容的电容值相同的一参考电容，其中，参考电容的电容值不会随着指纹接触感测表面而变化，因此，每一感测单元的感测电容以及参考电容所输出的偏压的差值即为感测电容对应于指纹谷部或脊部的电压差。换言之，本实用新型的电容式指纹传感器的每一感测单元所输出的感测信号较为均匀，且能够以较大放大倍率放大所测得的感测信号，以提升本实用新型的电容式指纹传感器的感测灵敏度。

以上所述的实施例仅是为说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本实用新型之内容并据以实施，当不能以的限定本实用新型的专利范围，即大凡依本实用新型所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本实用新型的专利范围内。

Claims (12)

1.一种电容式指纹传感器，其特征在于，包含：

一电容式感测阵列，其包含多个阵列排列的感测单元，其中每一感测单元包含：

一感测电容，其靠近该电容式感测阵列的一感测表面设置；

一参考电容，其远离该电容式感测阵列的该感测表面设置；

多个第一开关，其与该感测电容以及该参考电容电性连接，其中该多个第一开关选择性导通以充电该感测电容以及该参考电容；以及

多个第二开关，其与该感测电容以及该参考电容电性连接，其中该多个第二开关选择性导通以输出该感测电容的一第一偏压以及该参考电容的一第二偏压；以及

一差动放大器，其与该感测电容以及该参考电容电性连接，以接收该第一偏压以及该第二偏压，并放大该第一偏压以及该第二偏压的差值。

2.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该感测电容以及该参考电容的电容值相同。

3.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，每一该感测单元的该感测电容以及该参考电容的一延伸方向垂直该电容式感测阵列的该感测表面。

4.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，每一该感测单元更包含一隔离层，其设置于该感测电容以及该参考电容之间且接地。

5.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该差动放大器的直流增益范围介于2-10。

6.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该多个第一开关以及该多个第二开关的导通期间相异。

7.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该多个第一开关以及该多个第二开关的导通期间之间具有一时间延迟。

8.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该差动放大器包含一差动缓冲器以及一放大器，其中该差动缓冲器设置于每一该感测单元。

9.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该感测电容包含：

一第一金属层，其通过该第一开关与一电源电性连接；

一第二金属层，其通过该第二开关与该第一金属层电性连接；以及

一第三金属层，其接地，且通过该第一开关与该第二金属层电性连接，其中该感测电容的一输出端设置于该第二开关的一接地侧。

10.如权利要求9所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该参考电容包含：

一第四金属层，其通过该第一开关与该电源电性连接；

一第五金属层，其通过该第二开关与该第四金属层电性连接；以及

一第六金属层，其接地，且通过该第一开关与该第五金属层电性连接，其中该参考电容的一输出端设置于该第二开关的一接地侧。

11.如权利要求10所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该第三金属层以及该第六金属层整合为单一的分享金属层。

12.如权利要求11所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该感测电容以及该参考电容相对于该分享金属层对称配置。