CN206209764U - 指纹传感器和终端设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种指纹传感器和终端设备，其中，指纹传感器包括：感应芯片，感应芯片包括感应单元阵列、第一接地端和用于提供第一激励信号的第一激励信号源，感应单元包括用于与用户手指之间形成检测电容的检测电极，电容检测电路，电容检测电路分别与第一激励信号源、检测电极和第一接地端相连，用于根据检测电容、第一激励信号和第二激励信号生成检测电压；第二激励信号源，第二激励信号源与第一接地端相连，用于提供第二激励信号，且第二激励信号和第一激励信号同步。本实用新型实施例的指纹传感器能够提高指纹检测精度，进而能够提高指纹识别率，且对封装厚度要求低，适用性好。

Description

指纹传感器和终端设备

技术领域

本实用新型涉及指纹识别技术领域，具体涉及一种指纹传感器和终端设备。

背景技术

在指纹传感器中，通过检测手指表面与指纹传感器的感应芯片形成的微小电容来实现对指纹的检测。具体地，可以通过外部金属框发射激励信号，并在指纹传感器内部接收，以实现对指纹的检测；也可以通过指纹传感器内部发射激励，使感应芯片与手指形成检测电容，以实现对指纹的检测。

当通过检测电容来实现对指纹的检测时，指纹分布于手指表面，指纹传感器通常呈现面板状且其表面分布着阵列式感应单元，当手指置于感应单元上时，感应单元实现对指纹的检测。

然而，通常情况下，手指与感应芯片之间形成的电容很小，因此上述技术中存在如下不足：

1、发射电压受限。由于发射电压受供电电压和指纹传感器本身器件工作范围的影响，发射电压受到很大制约，发射电压越小，指纹检测到的信号越微弱，影响检测精度；

2、易受噪声干扰。指纹传感器通常有较大的表面积，以充分采集手指表面分布的指纹，但较大的表面积易导致指纹传感器较大的噪声和制造工艺上的误差，导致芯片性能下降；

3、封装厚度受限。更厚的封装是指纹传感器的发展方向，更厚的封装需要更高的发射电压与更低的噪声。

同时，指纹感应单元之间会产生寄生电容，在进行指纹检测时，寄生电容相互干扰影响指纹检测精度。图1为现有的指纹感应单元的检测模式示意图，当一感应单元11进行指纹检测时，其周围感应单元处于关闭状态。相邻感应单元的干扰如图2所示，图2中各感应单元发射激励(1-9)的时序如图3所示，图2中a为指纹感应单元阵列，感应单元b进行指纹检测时，其相邻感应单元c处于关闭状态，b与c之间的寄生电容Cp对b产生干扰，降低了指纹检测的精度。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种指纹传感器。该指纹传感器能够提高指纹检测精度，进而能够提高指纹识别率，且对封装厚度要求低，适用性好。

本实用新型的第二个目的在于提出一种终端设备。

为达到上述目的，本实用新型第一方面提出了一种指纹传感器，包括：感应芯片，所述感应芯片包括感应单元阵列、第一接地端和用于提供第一激励信号的第一激励信号源，其中，所述感应单元包括：检测电极，所述检测电极用于与用户手指之间形成检测电容；电容检测电路，所述电容检测电路分别与所述第一激励信号源、所述检测电极和所述第一接地端相连，用于根据所述检测电容、所述第一激励信号和第二激励信号生成检测电压；第二激励信号源，所述第二激励信号源与所述第一接地端相连，用于提供所述第二激励信号，且所述第二激励信号和所述第一激励信号同步。

本实用新型的指纹传感器，通过第一激励信号和第二激励信号叠加完成激励信号发射，提高了信噪比，提高指纹检测精度，进而能够提高指纹识别率，且对封装厚度要求低，适用性好。

另外，根据本实用新型上述的指纹传感器还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述感应单元阵列的所有感应单元同步地被所述第一激励信号和第二激励信号激励。

在一些示例中，指纹传感器还包括选通单元，所述感应单元阵列包括测量感应单元和待测感应单元，所述测量感应单元和待测感应单元同步地被所述第一激励信号和第二激励信号激励，通过所述选通单元选中测量感应单元并输出相应的检测电压。

在一些示例中，所述第二激励信号和所述第一激励信号同相或反相。

在一些示例中，所述电容检测电路包括：运算放大器，所述运算放大器包括第一输入端、第二输入端、第二接地端和输出端，所述第二接地端与所述第二激励信号源相连；反馈电路，所述反馈电路的一端与所述运算放大器的第二输入端相连，所述反馈电路的另一端与所述运算放大器的输出端相连。

在一些示例中，所述反馈电路包括：基准电容，所述基准电容的一端与所述运算放大器的第二输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连，其中，所述第二输入端为所述运算放大器的负输入端；第一开关，所述第一开关与所述基准电容并联。

在一些示例中，所述运算放大器的第一输入端与所述第一激励信号源相连，所述运算放大器的第二输入端与所述检测电极相连。

在一些示例中，所述检测电压的变化量用如下公式表示：

其中，ΔVout为所述检测电压的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电压的差值，ΔCf为所述检测电容的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电容的差值，Ci为所述基准电容，Tx_in为所述第一激励信号，Tx_gnd为所述第二激励信号。

在一些示例中，所述第一激励信号源包括第一电压源和第二电压源，所述第一电压源用于产生第一电压，所述第二电压源用于产生第二电压，其中，所述第一电压源与所述运算放大器的第一输入端相连，所述第二电压源通过串联连接的第二开关和第三开关与所述运算放大器的第二输入端相连，并在所述第二开关和所述第三开关之间形成节点，所述节点与所述检测电极相连。

在一些示例中，所述检测电压的变化量用如下公式表示：

其中，Tx_in＝Vref2-Vref1，ΔVout为所述检测电压的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电压的差值，ΔCf为所述检测电容的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电容的差值，Ci为所述基准电容，Tx_in为所述第一激励信号，Vref1为所述第一电压，Vref2为所述第二电压，Tx_gnd为所述第二激励信号。

进一步地，本实用新型第二方面提出了一种终端设备，包括本实用新型上述的指纹传感器。

本实用新型的终端设备，指纹检测精度高，指纹识别率高，且对指纹传感器的封装厚度要求低。

附图说明

图1是指纹传感器感应单元的检测模式示意图；

图2是相关技术中指纹检测时寄生电容干扰示意图；

图3是相关技术中各个感应单元的激励信号时序的示意图；

图4是根据本实用新型一个实施例的指纹传感器的结构框图；

图5是根据本实用新型一个实施例的指纹传感器的各个感应单元的激励信号时序的示意图；

图6是根据本实用新型一个实施例的指纹传感器的指纹检测电路的结构示意图；

图7根据本实用新型的另一个实施例的指纹传感器的指纹检测电路的结构示意图；

图8是根据本实用新型的一个实施例的指纹检测的示意图；

图9是根据本实用新型一个具体实施例的指纹检测电路的原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例的指纹传感器和终端设备。

图4是根据本实用新型一个实施例的指纹传感器的结构框图。如图4所示，该指纹传感器包括：感应芯片10和第二激励信号源20。

其中，感应芯片10包括感应单元11阵列(图4中只示出了4个感应单元)、第一接地端和用于提供第一激励信号的第一激励信号源12，感应单元11包括检测电极111，检测电极111用于与用户手指之间形成检测电容，电容检测电路112分别与所述第一激励信号源12、检测电极111和第一接地端(图4中未示出电容检测电路112与第一接地端的连接关系)相连，用于根据检测电容、第一激励信号和第二激励信号生成检测电压；第二激励信号源20与第一接地端相连，用于提供所述第二激励信号，且第二激励信号和第一激励信号同步。

由此，通过上述第二激励信号的增加，提高了用于电容检测电路112的总体信号量，在没有增加新的噪声源的情况下，能够使信噪比提升Tx_gnd/Tx_in倍，其中，Tx_in为第一激励信号，Tx_gnd为第二激励信号。

同时，为了消除相邻感应单元11之间产生的寄生电容的影响，在本实用新型的实施例中，感应单元阵列的所有感应单元同步地被第一激励信号和第二激励信号激励。例如，如图5所示，1、2、3、4分别表示施加在图4中所示的4个感应单元上的第一激励信号与第二激励信号之和，即Tx_in+Tx_gnd。

当对其中的一个感应单元11进行指纹检测(检测检测电容的大小)时，该感应单元11为测量感应单元，其他感应单元11为待测感应单元，测量感应单元和待测感应单元同步地被第一激励信号和第二激励信号激励，这样即可以消除相邻感应单元11之间产生的寄生电容的影响。当需要对其中的测量感应单元进行指纹检测时，通过一选通单元(图4中未示出)选中该测量感应单元即可。

在本实用新型的一个实施例中，如图6、图7所示，电容检测电路112包括：运算放大器1121和反馈电路1122，其中，运算放大器1121包括第一输入端、第二输入端、第二接地端和输出端，第二接地端与第二激励信号源20相连，运算放大器1121用于根据检测电容、第一激励信号和第二激励信号生成检测电压；反馈电路1122的一端与运算放大器1121的第二输入端相连，反馈电路1122的另一端与运算放大器1121的输出端相连。

可以理解，运算放大器1121还包括电源端，通过该电源端连接供电电源，以使运算放大器1121工作。

进一步地，反馈电路1122包括基准电容Ci和第一开关S1，其中，基准电容Ci的一端与运算放大器1121的第二输入端相连，另一端与运算放大器1121的输出端相连；第一开关S1与基准电容Ci并联。

其中，第二输入端为运算放大器1121的负输入端，第一输入端为运算放大器1121的正输入端。

基于上述说明，在本实用新型的一个实施例中，运算放大器1121的正输入端与第一激励信号源12相连，运算放大器1121的负输入端与检测电极111相连。

可选地，第一激励信号与第二激励信号可以均为方波信号，且第一激励信号与第二激励信号可以互为同相信号，也可以互为反相信号。

具体而言，如图8所示，通过第一激励信号源12对指纹芯片10的各感应单元11施加第一激励信号Tx_in，通过第二激励信号源20对指纹传感器的感应芯片10的第一接地端施加第二激励信号Tx_gnd。当用户手指覆盖感应芯片10时，用户手指与感应单元11中的检测电极111之间形成检测电容Cf。

进一步而言，如图9所示，m1、m2与m3为三个不同的金属层，金属层m1为指纹传感器的感应单元11上用于与用户手指形成检测电容Cf的一个极板(即检测极板111)，金属层m2与金属层m3之间形成基准电容Ci，运算放大器41的正输入端输入第一激励信号Tx_in，负输入端分别与金属层m1、金属层m3相连，输出端与金属层m2相连，第二接地端输入第二激励信号Tx_gnd。电容检测电路112的工作过程如下：

第一阶段：第一开关S1处于闭合状态，运算放大器1121的负输入端跟随正输入端，其正输入端的输入电压(即第一激励信号)Tx_in为的高电平，第二接地端输入的第二激励信号Tx_gnd为也处于高电平电位。此时，检测电容Cf存储的电荷为：Q_Cf＝(Tx_in+Tx_gnd)*Cf。

第二阶段：第一开关S1由闭合状态切换至断开状态，第一激励信号Tx_in变为低电平，且与第二激励信号Tx_gnd相等，其中，第二激励信号Tx_gnd处于0电位。此时，检测电容Cf两端的电压相等，其存储的全部电荷转移至基准电容Ci，根据电荷守恒定理可以推导出如下公式(1)：

其中，ΔVout为检测电压的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电压的差值，ΔCf为检测电容的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电容的差值，Ci为基准电容，Tx_in为第一激励信号，Tx_gnd为第二激励信号。

由此，本实用新型实施例的指纹传感器中因加入第二激励信号Tx_gnd从而提升了总体激励信号量，在没有增加新的噪声源的情况下，信噪比提升了Tx_gnd/Tx_in倍。

在本实用新型的另一个实施例中，如图7所示，第一激励信号源12包括第一电压源121和第二电压源122，第一电压源121用于产生第一电压，第二电压源122用于产生第二电压。其中，第一电压源121与运算放大器1121的负输入端相连，第二电压源122通过串联连接的第二开关S2和第三开关S3与运算放大器1121的正输入端相连，并在第二开关S2和第三开关S3之间形成节点A，节点A与检测电极111相连。

其中，第一电压和第二电压均可以第二激励信号Tx_gnd为参考地，且第一电压与第二激励信号Tx_gnd之间的相对电压稳定，第二电压与第二激励信号Tx_gnd之间的相对电压稳定。

需要说明的使，运算放大器1121通过对负输入端的钳位，使得负输入端电位保持为正输入端输入第一电压。

具体而言，如图8所示，通过第一激励信号源12对感应芯片10的各感应单元11施加第一激励信号Tx_in，通过第二激励信号源20对指纹传感器的感应芯片10的第一接地端施加第二激励信号Tx_gnd。当用户手指覆盖感应芯片10时，用户手指与感应单元11中的检测电极111之间形成检测电容Cf。运算放大器1121的正输入端输入第一电压Vref1，运算放大器1121的负输入端通过第二开关S2和第三开关S3输入第二电压Vref2，且负输入端分别与检测电容Cf和基准电容Ci的一端相连，输出端与基准电容Ci的另一端相连，第二接地端输入第二激励信号Tx_gnd，其中，第二电压Vref2大于第一电压Vref1。电容检测电路112的工作过程如下：

第一阶段：第一开关S1、第三开关S3处于闭合状态，第二开关S2处于断开状态，第二激励信号Tx_gnd为高电平电位。此时，检测电容Cf存储的电荷为：Q_Cf＝(Vref2+Tx_gnd)*Cf，其中，Vref2为第二电压。

第二阶段：第一开关S1、第三开关S3由闭合切换至断开状态，第二开关S2由闭合切换至断开状态，第二激励信号Tx_gnd变为0电位。此时，检测电容Cf存储的电荷为：Q_Cf＝Vref1*Cf，其中，Vref1为第一电压。根据电荷守恒定理可以推导出如下公式(1)：

其中，Tx_in＝Vref2-Vref1，ΔVout为检测电压的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电压的差值，ΔCf为检测电容的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电容的差值，Ci为基准电容，Tx_in为第一激励信号，Vref1为第一电压，Vref2为第二电压，Tx_gnd为第二激励信号。

同理，本实用新型实施例的指纹传感器中因加入第二激励信号Tx_gnd从而提升了总体激励信号量，在没有增加新的噪声源的情况下，信噪比提升了Tx_gnd/Tx_in倍。

可以理解的是，可以设置封装结构包绕该指纹传感器，以对指纹传感器进行保护，同时，封装结构表面可以喷涂涂层，以提升用户使用体验。

综上，本实用新型实施例的指纹传感器，通过第一激励信号和第二激励信号叠加完成激励信号发射，提高了发射电压和信噪比，进而能够提高指纹检测精度，且其对封装厚度要求低，能够提高指纹传感器的适用性。

进一步地，本实用新型提出了一种终端设备，包括本实用新型上述实施的指纹传感器。

在本实用新型的一个实施例中，该终端设备包括但不限于智能手机、便携式计算机、平板电脑或指纹锁等。

本实用新型实施例的终端设备，指纹检测精度高，指纹识别率高，且对指纹传感器的封装结构和涂层的厚度要求低。

另外，根据本实用新型实施例的终端设备的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，此处不做赘述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种指纹传感器，其特征在于，包括：

感应芯片，所述感应芯片包括感应单元阵列、第一接地端和用于提供第一激励信号的第一激励信号源，其中，所述感应单元包括：

检测电极，所述检测电极用于与用户手指之间形成检测电容，

电容检测电路，所述电容检测电路分别与所述第一激励信号源、所述检测电极和所述第一接地端相连，用于根据所述检测电容、所述第一激励信号和第二激励信号生成检测电压；

第二激励信号源，所述第二激励信号源与所述第一接地端相连，用于提供所述第二激励信号，且所述第二激励信号和所述第一激励信号同步。

2.如权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，所述感应单元阵列的所有感应单元同步地被所述第一激励信号和第二激励信号激励。

3.如权利要求2所述的指纹传感器，其特征在于，还包括选通单元，所述感应单元阵列包括测量感应单元和待测感应单元，所述测量感应单元和待测感应单元同步地被所述第一激励信号和第二激励信号激励，通过所述选通单元选中测量感应单元并输出相应的检测电压。

4.如权利要求1-3中任一项所述的指纹传感器，其特征在于，所述第二激励信号和所述第一激励信号同相或反相。

5.如权利要求1-3中任一项所述的指纹传感器，其特征在于，所述电容检测电路包括：

运算放大器，所述运算放大器包括第一输入端、第二输入端、第二接地端和输出端，所述第二接地端与所述第二激励信号源相连；

反馈电路，所述反馈电路的一端与所述运算放大器的第二输入端相连，所述反馈电路的另一端与所述运算放大器的输出端相连。

6.如权利要求5所述的指纹传感器，其特征在于，所述反馈电路包括：

基准电容，所述基准电容的一端与所述运算放大器的第二输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连，其中，所述第二输入端为所述运算放大器的负输入端；

第一开关，所述第一开关与所述基准电容并联。

7.如权利要求6所述的指纹传感器，其特征在于，所述运算放大器的第一输入端与所述第一激励信号源相连，所述运算放大器的第二输入端与所述检测电极相连。

8.如权利要求7所述的指纹传感器，其特征在于，所述检测电压的变化量用如下公式表示：

$\mathrm{\Δ}Vout=\frac{\mathrm{\Δ}Cf}{Ci}*(Tx\_in+Tx\_gnd),$

其中，ΔVout为所述检测电压的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电压的差值，ΔCf为所述检测电容的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电容的差值，Ci为所述基准电容，Tx_in为所述第一激励信号，Tx_gnd为所述第二激励信号。

9.如权利要求6所述的指纹传感器，其特征在于，所述第一激励信号源包括第一电压源和第二电压源，所述第一电压源用于产生第一电压，所述第二电压源用于产生第二电压，其中，

所述第一电压源与所述运算放大器的第一输入端相连，所述第二电压源通过串联连接的第二开关和第三开关与所述运算放大器的第二输入端相连，并在所述第二开关和所述第三开关之间形成节点，所述节点与所述检测电极相连。

10.如权利要求9所述的指纹传感器，其特征在于，所述检测电压的变化量用如下公式表示：

$\mathrm{\Δ}Vout=\frac{\mathrm{\Δ}Cf}{Ci}*(Tx\_in+Tx\_gnd),$

其中，Tx_in＝Vref2-Vref1，ΔVout为所述检测电压的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电压的差值，ΔCf为所述检测电容的变化量，即有手指触摸感应单元和没有手指触摸感应单元的检测电容的差值，Ci为所述基准电容，Tx_in为所述第一激励信号，Vref1为所述第一电压，Vref2为所述第二电压，Tx_gnd为所述第二激励信号。

11.一种终端设备，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的指纹传感器。