CN205862342U - 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放大器。放大器包含一相关式双重取样放大器以及一差动放大器。相关式双重取样放大器具有二个输入端以及二个输出端，其中二个输入端其中之一选择性地与电容式感测阵列中的每一感测单元电性连接，以接收一感测偏压，另一输入端接收一参考偏压，且相关式双重取样放大器输出一增益感测偏压以及一增益参考偏压。差动放大器接收相关式双重取样放大器所输出的增益感测偏压以及增益参考偏压，并放大增益感测偏压以及增益参考偏压的差值。上述电容式指纹传感器可降低共态噪音且经直流移位处理，因此能够有效提升感测灵敏度。

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。由于共态噪音(common mode noise)的影响，不仅每一感测单元所输出偏压的均匀性较差，甚至同一感测单元于不同充放电周期所输出偏压的均匀性亦较差，因而影响后续的信号处理，例如直流移位(DC subtraction)。

请参照图2以及图3，以说明感测信号的直流移位处理。假设一感测单元SUa对应指纹谷部的初始感测信号为Vs1a，对应指纹脊部的初始感测信号为Vs2a，因此，此感测单元SUa对应指纹的谷部或脊部具有一电压差ΔV1a，如图2的左侧所示。同理，感测单元SUb对应指纹谷部的初始感测信号为Vs1b，对应指纹脊部的初始感测信号为Vs2b，因此，此感测单元SUb对应指纹的谷部或脊部具有一电压差ΔV1b，如图2的右侧所示。感测单元SUa、SUb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，即可在一设定电压Vset的范围内放大，使感测单元SUa、SUb对应指纹的谷部或脊部的电压差ΔV1a、ΔV1b放大为电压差ΔV2a、ΔV2b，如图3所示，如此即可增加感测的灵敏度。然而，由于共态噪音的影响，不同感测单元SUa、SUb对应指纹的谷部或脊部或同一感测单元于不同充放电周期所输出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2以及图3，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，提供一种可降低共态噪音的影响以提升感测灵敏度的电容式指纹传感器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，其利用一相关式双重取样放大器放大感测单元所输出的一感测偏压以及一参考电压并输出一增益感测偏压以及一增益参考电压，再经一差动放大器放大增益感测偏压以及增益参考电压的差值即可降低共态噪音以提升电容式指纹传感器的感测灵敏度。

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放大器。电容式感测阵列包含多个阵列排列的感测单元，其中每一感测单元输出相对应的一感测偏压。放大器包含一相关式双重取样放大器以及一差动放大器。相关式双重取样放大器具有二个输入端以及二个输出端，其中二个输入端其中之一选择性地与每一感测单元电性连接，以接收感测偏压，另一输入端接收一参考偏压，且相关式双重取样放大器输出一增益感测偏压以及一增益参考偏压。差动放大器与相关式双重取样放大器电性连接，以接收相关式双重取样放大器所输出的增益感测偏压以及增益参考偏压，并放大增益感测偏压以及增益参考偏压的差值。

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放大的感测信号。

图4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的放大器。

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的感测单元。

【符号说明】

10 放大器

11 相关式双重取样放大器

12 差动放大器

ADC 模拟至数字转换器

BA 缓冲放大器

C0 电容、感测电容

C1～C3 电容

Cr0、 参考电容

Cr1 电容

Cfb1、Cfb2 回馈电容

Cin1、Cin2 输入电容

Cs 电容值

Csh 取样电容

DCsub 偏压

DL 介电层

FP 指纹

IL 隔离层

OP 运算放大器

Sa、Sb、Sra、Srb 开关

Sc1～Sc3 行开关

SF 感测表面

Sr1 列开关

Sre1、Sre2 第一重置开关

Sre3、Sre4 第二重置开关

Ss1、Ss2 取样开关

SU 感测单元

SU11～SU13 感测单元

SUa、SUb 感测单元

V1～V3 偏压

Va 偏压

Vcm 固定偏压

Vgdc 偏压差

Vgs 增益感测偏压

Vgr 增益参考偏压

Vref 参考偏压

Vset 设定电压

Vs 感测偏压

Vs1a、Vs1b 谷部的感测信号

Vs2a、Vs2b 脊部的感测信号

ΔV1a、ΔV1b 电压差

ΔV2a、ΔV2b 电压差

【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4以及图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放大器10。电容式感测阵列包含多个阵列排列的感测单元，其中每一感测单元输出相对应于指纹的脊部或谷部的一感测偏压以及一参考偏压。于一实施例中，感测偏压以及参考偏压具有相同的共态噪音(common mode noise)。举例而言，请参照图5，每一感测单元SU包含一感测电容C0以及一参考电容Cr0。感测电容C0靠近电容式感测阵列的一感测表面SF设置，以输出相对应于指纹FP的脊部或谷部的感测偏压Vs。图5所示的开关Sa、Sb以及电容C1的功能及操作方式与图1中标示相同符号的元件相同，在此不再赘述。参考电容Cr0则远离电容式感测阵列的感测表面SF设置，以避免参考电容Cr0的电容值因指纹FP的脊部或谷部接触感测表面SF而变化。换言之，参考电容Cr0所输出的参考偏压Vref可视为一固定偏压。同样的，图5所示的开关Sra、Srb以及电容Cr1的功能及操作方式与图5所示的开关Sa、Sb以及电容C1相同，在此不再赘述。

于一实施例中，每一感测单元SU的感测电容C0以及参考电容Cr0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C0以及参考电容Cr0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Cr0的电容值的影响。于一实施例中，每一感测单元SU更包含一隔离层IL，其设置于感测电容C0以及参考电容Cr0之间且接地。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Cr0的电容值的影响。

请参照图4，放大器10包含一相关式双重取样(Correlated double sampling，CDS)放大器11以及一差动放大器12。相关式双重取样放大器11与电容式感测阵列的每一感测单元SU(图5所示)电性连接。相关式双重取样放大器11具有二个输入端，其分别接收每一感测单元SU所输出的感测偏压Vs以及参考偏压Vref，以及二个输出端，其输出一增益感测偏压Vgs以及一增益参考偏压Vgr。

于一实施例中，相关式双重取样放大器11为一对称配置的架构，其包含一运算放大器(Operational Amplifier)OP、二个回馈电容Cfb1、Cfb2、二个输入电容Cin1、Cin2、二个第一重置开关Sre1、Sre2、二个第二重置开关Sre3、Sre4以及二个取样开关Ss1、Ss2。运算放大器OP具有对称配置的二个输入端以及二个输出端，其中运算放大器OP的输出端即为相关式双重取样放大器11的输出端，并输出增益感测偏压Vgs以及增益参考偏压Vgr。回馈电容Cfb1、Cfb2的两端分别连接于运算放大器OP的输入端以及输出端。输入电容Cin1、Cin2的一端连接于运算放大器的输入端，另一端与感测单元SU电性连接，以分别接收感测偏压Vs以及参考偏压Vref。

接续上述说明，第一重置开关Sre1、Sre2的两端分别连接于回馈电容Cfb1、Cfb2的两端。当第一重置开关Sre1、Sre2导通时，即重置回馈电容Cfb1、Cfb2至一预定偏压。第二重置开关Sre3、Sre4的一端连接于输入电容Cin1、Cin2以及运算放大器OP的输入端之间，另一端连接于一固定偏压Vcm。当第二重置开关Sre3、Sre4导通时，即重置输入电容Cin1、Cin2于一预定偏压。举例而言，当第二重置开关Sre3导通时，输入电容Cin1的预定偏压约为感测偏压Vs减去固定偏压Vcm。同理，当第二重置开关Sre4导通时，输入电容Cin2的预定偏压约为参考偏压Vref减去固定偏压Vcm。取样开关Ss1、Ss2连接于第二重置开关Sre3、Sre4以及回馈电容Cfb1、Cfb2之间。当取样开关Ss1、Ss2导通时，输入电容Cin1、Cin2即分别连接于运算放大器OP的二个输入端。依据上述相关式双重取样放大器11的架构，增益感测偏压Vgs以及增益参考偏压Vgr的增益是由回馈电容Cfb1、Cfb2以及输入电容Cin1、Cin2的电容值所决定。于一实施例中，回馈电容Cfb1、Cfb2的电容值小于输入电容Cin1、Cin2的电容值，如此即可放大输出增益感测偏压Vgs以及增益参考偏压Vgr。

差动放大器12与相关式双重取样放大器11电性连接，以接收相关式双重取样放大器11所输出的增益感测偏压Vgs以及一增益参考偏压Vgr，并放大增益感测偏压Vgs以及一增益参考偏压Vgr的差值。于一实施例中，差动放大器12为一可程序化增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)。可以理解的是，可程序化增益放大器的增益可由一外部信号加以控制。

以下说明放大器10的操作方式。借由电容式指纹传感器中的列开关以及行开关(如图1所示)，可使选定的感测单元SU连接至相关式双重取样放大器11的输入端，以读取感测单元SU的感测结果。接着，将第一重置开关Sre1、Sre2以及第二重置开关Sre3、Sre4导通，取样开关Ss1、Ss2断开，以重置回馈电容Cfb1、Cfb2以及输入电容Cin1、Cin2。此时相关式双重取样放大器11为一重置模式。接着，将第一重置开关Sre1、Sre2以及第二重置开关Sre3、Sre4断开，取样开关Ss1、Ss2导通，使输入电容Cin1、Cin2连接至运算放大器OP的输入端。此时相关式双重取样放大器11为一取样模式。可以理解的是，第一重置开关Sre1、Sre2以及第二重置开关Sre3、Sre4的导通期间需与取样开关Ss1、Ss2的导通期间相异。

相关式双重取样放大器11于取样模式时输出增益感测偏压Vgs以及增益参考偏压Vgr。增益感测偏压Vgs以及增益参考偏压Vgr能够以方程式(1)、(2)计算而得：

Vgs＝Cin/Cfb×[(Vs_s-Vs_re)-Vcm]

(1)

Vgr＝Cin/Cfb×[(Vref_s-Vref_re)-Vcm]

(2)

其中，Cfb为回馈电容Cfb1、Cfb2的电容值，Cin为输入电容Cin1、Cin2的电容值，Vs_re为重置模式时输入电容Cin1的偏压，Vs_s为取样模式时输入电容Cin1的偏压，Vref_re为重置模式时输入电容Cin2的偏压，Vref_s为取样模式时输入电容Cin2的偏压，Vcm为固定偏压。

增益感测偏压Vgs以及增益参考偏压Vgr的差值能够以方程式(3)计算：

Vgs–Vgr＝Cin/Cfb×[(Vs_s-Vs_re)-(Vref_s-Vref_re)](3)

可以理解的是，假设感测电容C0以及参考电容Cr0的电容值相同，且感测电容C0以及参考电容Cr0于一重置期间以相同的电压源Va充电，则方程式(3)中的偏压Vs_re以及偏压Vref_re所受到共态噪音的影响将趋近一致。由上述方程式(3)可知，差动放大器12所输出的放大后的偏压差Vgdc将不会受到共态噪音的影响。于一实施例中，第一重置开关Sre1、Sre2以及第二重置开关Sre3、Sre4的导通期间(即相关式双重取样放大器11为重置模式时)与感测单元SU的一重置期间(即感测单元SU的感测电容C0以及参考电容Cr0的充电期间)同步可排除共态噪音的影响。

此外，若偏压Vref_s以及偏压Vref_re相异，亦即二者的差值不为0，则偏压Vref_s以及偏压Vref_re的差值可作为进行直流移位(DC subtraction)处理的电压电位。于一实施例中，感测电容C0以及参考电容Cr0的电容值相同。因此，在指纹FP未接触电容式感测阵列的感测表面SF情况下，偏压Vs_s、Vs_re的差值约等于偏压Vref_s、Vref_re的差值。由于偏压Vref_s、Vref_re不会因指纹FP是否接触电容式感测阵列的感测表面SF而变动，因此，直流移位处理后，方程式(3)中[(Vs_s-Vs_re)-(Vref_s-Vref_re)]的值能够尽可能的缩小，并以较大倍率的增益放大输出。

可以理解的是，每一感测单元SU能够以一相同电压电位进行直流移位处理。举例而言，提供固定电压电位的参考偏压Vref输入相关式双重取样放大器11，则每一感测单元SU皆将以相同电压电位进行直流移位处理。或者，于一实施例中，每一感测单元SU是以相对应的一各别电压电位进行直流移位处理。举例而言，于每一感测单元SU中对应设置一参考电容Cr0，如图5所示，则参考电容Cr0的电容值受到制程、封装或其它因素的影响，可能与不同感测单元SU中的参考电容Cr0的电容值有差异。因此，进行直流移位处理将依据各别感测单元SU所输出的参考偏压。可以理解的是，制程、封装或其它因素所造成不同感测单元SU间的感测电容C0差异能够以相对应的参考电容Cr0加以补偿，使不同感测单元SU间所输出的感测信号较为均匀。

综合上述，本实用新型的电容式指纹传感器是利用一相关式双重取样放大器放大感测单元所输出的一感测偏压以及一参考电压，以输出一增益感测偏压以及一增益参考电压。经一差动放大器放大增益感测偏压以及增益参考电压的差值不仅可降低共态噪音，且经过直流移位处理，因此电容式指纹传感器的感测灵敏度能够有效提升。

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 (14)

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，其中每一该感测单元输出相对应的一感测偏压；以及

一放大器，其包含：

一相关式双重取样放大器，其具有二个输入端以及二个输出端，其中该二个输入端其中之一选择性地与每一该感测单元电性连接，以接收该感测偏压，另一该输入端接收一参考偏压，且该相关式双重取样放大器输出一增益感测偏压以及一增益参考偏压；以及

一差动放大器，其与该相关式双重取样放大器电性连接，以接收该相关式双重取样放大器所输出的该增益感测偏压以及该增益参考偏压，并放大该增益感测偏压以及该增益参考偏压的差值。

2.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该相关式双重取样放大器包含：

一运算放大器，其具有对称配置的二个输入端以及二个输出端，其中该运算放大器输出该增益感测偏压以及该增益参考偏压；

二个回馈电容，其中每一该回馈电容的两端分别连接于该运算放大器的该输入端以及该输出端；

二个输入电容，其中该输入电容其中之一的一端连接于该运算放大器的该输入端，另一端与每一该感测单元电性连接以接收该感测偏压，且另一该输入电容的一端连接于该运算放大器的该输入端，另一端接收该参考偏压；

二个第一重置开关，其中每一该第一重置开关的两端分别连接于该回馈电容的该两端；

二个第二重置开关，其中每一该第二重置开关的一端连接于该输入电容以及该运算放大器的该输入端之间，另一端连接于一固定偏压；以及

二个取样开关，其中每一该取样开关连接于该第二重置开关以及该回馈电容之间。

3.如权利要求2所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该二个第一重置开关以及该二个第二重置开关的导通期间与该二个取样开关的导通期间相异。

4.如权利要求2所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该二个第一重置开关以及该二个第二重置开关的导通期间与该感测单元的一重置期间同步。

5.如权利要求2所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该回馈电容的电容值小于该输入电容的电容值。

6.如权利要求2所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该差动放大器在该二个取样开关的导通期间将输入该差动放大器的偏压进行一直流移位(DC subtraction)处理。

7.如权利要求6所述的电容式指纹传感器，其特征在于，每一该感测单元以一相同电压电位进行该直流移位(DC subtraction)处理。

8.如权利要求6所述的电容式指纹传感器，其特征在于，每一该感测单元以相对应的一各别电压电位进行该直流移位处理。

9.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该感测偏压以及该参考偏压具有相同的共态噪音(common mode noise)。

10.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该差动放大器为一可程序化增益放大器。

11.如权利要求1所述的电容式指纹传感器，其特征在于，该每一该感测单元包含：

一感测电容，其靠近该电容式感测阵列的一感测表面设置，以输出该感测偏压；以及

一参考电容，其远离该电容式感测阵列的该感测表面设置，以输出该参考偏压。

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于一重置期间以相同的电压源充电。

13.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的电容值相同。

14.如权利要求11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。