CN206388202U - 一种基于bcd工艺的高穿透能力的指纹传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，包括：指纹采集单元电路和阱电位调制电压产生电路。所述指纹采集单元电路，输入端连接高压脉冲信号VHS，输出端通过耦合电容Cc连接输出电路或后级接收放大电路；所述阱电位调制电压产生电路，输入端连接直流电源，输出端连接所述指纹采集单元电路，生成阱电位调制信号，并提供给所述指纹采集单元电路作为高压脉冲信号VHS，用于直接或间接驱动手指指纹的形成。本专利激励信号由电路内部产生，并施加于芯片内部，故不会施加于采集手指表面造成手指刺痛感的同时，能有效的提高传感器的穿透能力。

Description

一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器

技术领域

本实用新型涉及指纹识别技术领域，尤其是涉及一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器。

背景技术

现有的大部分指纹传感器采用传感器产生一个激励信号，通过传感器外围安装一个金属环和待采集手指接触该金属环的方式，将此激励信号施加到待采集手指表面，以实现驱动手指电极的原理实现指纹采集，如图1(a)所示。现有的采用手指激励原理的指纹传感器中，为了避免部分人在指纹采集中，手指造成刺痛感，手指上的脉冲激励电压最大值一般不超过4V。

此外，现有的部分传感器采用高压激励信号驱动指纹传感器衬底，实现传感器高穿透和解决激励信号对手指表面造成的刺痛感，例如专利CN103376970A，如图1(b)所示。由于传感器的衬底处于被信号激励的状态，故传感器输出的数字信号与上位机之间需要做DC隔离处理。故而在传感器和上位机之间，需要增加一个接口转换芯片。同时，由于驱动传感器的衬底需要较大的驱动能力，所以，高压信号由外部DCDC芯片升压产生，并经过接口转换芯片斩波后形成衬底高压驱动信号。

在金属环激励方案中，激励信号产生电路的功耗较大。当金属环上激励信号电平高于4V以后，部分人在指纹采集过程中，手指表面会由于激励信号感受到一定程度的刺痛感。而低于4V的激励信号，会极大的限制传感器的穿透能力。由于需要外围金属环，芯片的封装成本和封装复杂度一般较高。金属环是一个面积较大的导电电极，会对系统外部或者受系统外部的干扰。同时，带有金属环的传感器在安装到系统中，与系统级的机器外壳接触时，存在安装不方便的问题。在衬底驱动方案中，DCDC与高压接口芯片在系统级会消耗较高的功耗，增加系统的成本；同时，系统构成复杂，调试不方便。

发明内容

本专利采用内部阱电位调制电压产生电路直接或间接驱动手指指纹的形成，本专利激励信号由电路内部产生，并施加于芯片内部，故不会施加于采集手指表面造成手指刺痛感的同时，能有效的提高传感器的穿透能力。

为了实现上述目的，本实用新型提出了一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，包括指纹采集单元电路和阱电位调制电压产生电路。

所述指纹采集单元电路，输入端连接高压脉冲信号VHS，输出端通过耦合电容Cc连接输出电路或后级接收放大电路；所述阱电位调制电压产生电路，输入端连接高压直流电源，输出端连接所述指纹采集单元电路，生成阱电位调制信号，并提供给所述指纹采集单元电路作为高压脉冲信号VHS。

进一步地，所述高压脉冲信号VHS为阱电位调制电压产生电路产生的高低电平、信号频率和占空比满足指纹采集单元电路要求的阱电位调制信号,用于直接或间接驱动手指指纹的形成。

进一步地，所述指纹采集单元电路还包括手指电容Cf、放大器、反馈电容Cfb和开关S；所述放大器，由n阱、直流电流源构成、绝缘栅场效应晶体管一、绝缘栅场效应晶体管二、偏置电压Vb和电荷补偿电容Cp构成；所述n阱为绝缘栅场效应晶体管一和绝缘栅场效应晶体管二的独立衬底。

进一步地，所述手指电容Cf，由手指表面与顶层金属两个导电极板构成，手指电容中间介质层由芯片表面钝化层、PI、molding材料、coating材料或陶瓷盖板等常见介质材料构成。

进一步地，所述输出电路或后级接收放大电路的输入端还通过直流补偿电容Cdc耦合连接数模转换器DAC；所述数模转换器DAC，产生合适的模拟量，用来调节电路的直流偏置。

进一步地，所述放大器为低噪声放大器LNA；所述低噪声放大器处于线性放大工作区。

进一步地，所述阱电位调制电压产生电路的工作原理为：通过非交叠时钟产生电路，内部采用脉冲斩波电路，将高压直流电源提供的高压和内部自带低压直流信号斩波形成对应高电平和低电平的方波信号。

进一步地，所述高压直流电源，为集成在传感器内部的直流电源或外部直流电源。

本专利实施例中，所述电荷补偿电容Cp的一端连接所述绝缘栅场效应晶体管一的栅极，一端连接所述绝缘栅场效应晶体管一的源极；所述偏置电压Vb连接绝缘栅场效应晶体管二的栅极；所述直流电流源连接绝缘栅场效应晶体管二的漏极；所述反馈电容Cfb与开关S并联，一端连接绝缘栅场效应晶体管一的栅极，一端连接绝缘栅场效应晶体管二的漏极；所述高压脉冲信号VHS连接所述绝缘栅场效应晶体管一的源极；所述手指电容Cf连接所述绝缘栅场效应晶体管一的栅极；进一步地，所述耦合电容Cc一端连接所述绝缘栅场效应晶体管二的漏极，一端连接所述输出电路或后级接收放大电路，用于将上级单元电路采集到的指纹信号耦合到下一级进行进一步处理。

本专利的有益效果是：

1.本专利所述传感器电路，可以省掉现有技术传感器产生的激励信号和金属环，避免手指直接接触电信号。从而节省了激励信号产生电路的功耗；避免了在指纹采集过程中，激励信号对手指表面造成的刺痛感；由于去掉了外围金属环，本专利降低了芯片封装成本和安装复杂度；提高了芯片的抗干扰能力。

2.本专利激励信号由电路内部产生，并施加于芯片内部，故激励电压可以达到20V以上的高压，在不会对采集手指造成刺痛感的同时，能有效的提高传感器的穿透能力。

3.本专利的实施，在保证原有传感器的高穿透能力和不对手指造成刺痛感的前提下，能去掉接口转换芯片，从而有效的降低了指纹采集模组的功耗，节省了模组的体积和成本，在简化系统的同时，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1(a)现有技术中采用手指激励的指纹采集单元电路；

图1(b)现有技术中指纹传感器衬底驱动方案；

图2是本实用新型实施例的基于局部阱电位调制的指纹采集单元电路；

图3是本实用新型实施例的阱电位调制电压产生电路。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图来说明本实用新型的优选实施例，以由电容式感测元件阵列形成的电容式指纹传感器为例对本专利进行详细描述，其中，电容式感测元件阵列包含两个及两个以上的指纹采集单元。图2是本实用新型实施例的基于局部阱电位调制的指纹采集单元电路；图3是本实用新型实施例的阱电位调制电压产生电路。

下面以高电平典型值20V、低电平典型值3V为例进行说明。本实用新型提出一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，包括：指纹采集单元电路100和阱电位调制电压产生电路。

指纹采集单元电路100，输入端连接高压脉冲信号VHS，输出端通过耦合电容Cc连接输出电路或后级接收放大电路101；阱电位调制电压产生电路，输入端连接高压直流电源，输出端连接指纹采集单元电路100，生成阱电位调制信号，并提供给所述指纹采集单元电路作为高压脉冲信号VHS。

其中，高压脉冲信号VHS为阱电位调制电压产生电路产生的高低电平、信号频率和占空比满足指纹采集单元电路100要求的阱电位调制信号，用于直接或间接驱动手指指纹的形成。

指纹采集单元电路100还包括手指电容Cf、放大器102、反馈电容Cfb和开关S。所述放大器102，由n阱103和直流电流源107，绝缘栅场效应晶体管一105、绝缘栅场效应晶体管二106、偏置电压Vb和电荷补偿电容Cp构成；图2中nwell为n阱103，n阱103为放大器102中绝缘栅场效应晶体管一105、绝缘栅场效应晶体管二106的独立衬底。

手指电容Cf，由手指表面与顶层金属两个导电极板构成，手指电容中间介质层构成材料包括但不限于芯片表面钝化层、PI、molding材料、coating材料或陶瓷盖板等常见介质材料。

其中，电荷补偿电容Cp的一端连接绝缘栅场效应晶体管一105的栅极，一端连接所述绝缘栅场效应晶体管一105的源极；偏置电压Vb连接绝缘栅场效应晶体管二106的栅极；直流电流源107连接绝缘栅场效应晶体管二106的漏极。

反馈电容Cfb与开关S并联，一端连接绝缘栅场效应晶体管一105的栅极，一端连接绝缘栅场效应晶体管二106的漏极；高压脉冲信号VHS连接绝缘栅场效应晶体管一105的源极；手指电容Cf连接绝缘栅场效应晶体管一105的栅极。反馈电容Cfb,其构成方式包括但不限于由第二极板即顶层金属与下层金属的寄生电容构成，电容值大小在10fF数量级；耦合电容Cc一端连接绝缘栅场效应晶体管二106的漏极，一端连接输出电路或后级接收放大电路101，用于将上级单元电路采集到的指纹小信号耦合到下一级进行进一步处理；所述开关S用于复位。

图2中Output Circuit电路为放大器的输出电路或后级接收放大电路101，DAC为数模转换器104。输出电路或后级接收放大电路101的输入端还通过直流补偿电容Cdc耦合连接数模转换器104；直流补偿电容Cdc，其构成方式包括但不限于由第二极板与下层金属的寄生电容构成，电容值大小在1fF数量级。数模转换器104，产生合适的模拟量，用来调节电路的直流偏置。

图2中放大器102为低噪声放大器LNA。在该实施例中，采用高压脉冲驱动LNA中放大器件的衬底，放大器102处于线性放大工作区。

图3是本实用新型实施例的阱电位调制电压产生电路。电路的输入信号是由高压直流电源201产生的高压直流信号(如20V)和电路的低压直流电源(如3V)，输入一组由指纹传感器产生的时钟信号，通过非交叠时钟产生电路202，生成一组非交叠时钟CLK和利用该组非交叠时钟，电路对高压20V直流信号和低压3V直流信号分别进行斩波，生成一个高电平为20V、低电平为3V，同时信号频率和占空比满足时序要求的阱电位调制信号。

高压直流电源201，为集成在传感器内部的直流电源或外部直流电源。图3中示出的直流电源为外部直流到直流转换器。

在本实施例中，采用BCD工艺，通过外部DCDC芯片为传感器提供一个高压(如20V)，再通过阱电位调制电压产生电路，产生一个高电平20V、低电平3V的高压脉冲信号VHS。采用该高压脉冲驱动指纹采集单元电路的放大器102中的放大器件，通过放大器102和Cfb反馈电容，将高压脉冲信号VHS与手指电容Cf镜像到指纹单元电路输出端，输出电压信号Vout。

根据电荷守恒原理，输出信号为，

其中，Vout为所述指纹采集单元电路的输出信号，VH为所述高压脉冲信号VHS的高电平，VL为所述高压脉冲信号VHS的低电平，Cf为手指电容，Cfb为反馈电容。

由公式(1)知道，指纹单元电路输出电压Vout与Cf成正相关，由于指纹脊表现的Cf大，指纹谷表现的Cf小，所以指纹脊对应的Vout大，指纹谷对应的Vout小。得到电路输出的Vout以后，经过后级电路的放大和ADC转换，电路最终可以将指纹信息转换成固定位数字量输出。

本实用新型实施例的详细描述和附图只是用于说明本实用新型，而不是限制由权利要求和其等价物定义的本实用新型的范围。

Claims (10)

1.一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，包括：指纹采集单元电路和阱电位调制电压产生电路；

所述指纹采集单元电路，输入端连接高压脉冲信号VHS，输出端通过耦合电容Cc连接输出电路或后级接收放大电路；

所述阱电位调制电压产生电路，输入端连接高压直流电源，输出端连接所述指纹采集单元电路，生成阱电位调制信号，并提供给所述指纹采集单元电路作为高压脉冲信号VHS。

2.如权利要求1所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述高压脉冲信号VHS为阱电位调制电压产生电路产生的高低电平、信号频率和占空比满足指纹采集单元电路要求的阱电位调制信号,用于直接或间接驱动手指指纹的形成。

3.如权利要求1所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述指纹采集单元电路还包括手指电容Cf、放大器、反馈电容Cfb和开关S；

所述放大器，由n阱、直流电流源构成、绝缘栅场效应晶体管一、绝缘栅场效应晶体管二、偏置电压Vb和电荷补偿电容Cp构成；所述n阱为绝缘栅场效应晶体管一和绝缘栅场效应晶体管二的独立衬底。

4.如权利要求3所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述手指电容Cf，由手指表面与顶层金属两个导电极板构成，手指电容中间介质层由常见介质材料构成。

5.如权利要求1所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述输出电路或后级接收放大电路的输入端还通过直流补偿电容Cdc耦合连接数模转换器DAC；

所述数模转换器DAC，产生合适的模拟量，用来调节电路的直流偏置。

6.如权利要求3所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述放大器的输出端输出所述指纹采集单元电路的输出信号Vout，输出信号为：

其中，Vout为所述指纹采集单元电路的输出信号，VH为所述高压脉冲信号VHS的高电平，VL为所述高压脉冲信号VHS的低电平，Cf为手指电容，Cfb为反馈电容。

7.如权利要求3所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述放大器为低噪声放大器LNA。

8.如权利要求3所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述反馈电容Cfb，由第二极板即顶层金属与下层金属的寄生电容构成；所述直流补偿电容Cdc，由第二极板与下层金属的寄生电容构成。

9.如权利要求1所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述阱电位调制电压产生电路的工作原理为：通过非交叠时钟产生电路，内部采用脉冲斩波电路，将高压直流电源提供的高压和内部自带低压直流信号斩波形成对应高电平和低电平的方波信号。

10.如权利要求1所述的一种基于BCD工艺的高穿透能力的指纹传感器，其特征在于，所述高压直流电源，为集成在传感器内部的直流电源或外部直流电源。