CN206441191U - 一种智能终端、电容式指纹传感器及其感测模块 - Google Patents

Abstract

一种智能终端、电容式指纹传感器及其感测模块，涉及指纹识别领域。其中，感测模块(100)包括感测阵列(1)和覆盖于感测阵列(1)之上的绝缘介质(2)；通过在感测单元(11)的导电极板(110)上设置多个具有预设厚度的第一导电元件(112)，由于任意相邻两个第一导电元件(112)间隔预设距离，因此，可以有效利用第一导电元件(112)的侧面的面积，使得在导电极板(110)的尺寸不变的情况下增大了导电极板(110)的有效感测面积，不仅提高了指纹传感器的穿透能力，而且使得其可以支持更高的介质厚度。

Description

一种智能终端、电容式指纹传感器及其感测模块

技术领域

本实用新型属于指纹识别领域，尤其涉及一种智能终端、电容式指纹传感器及其感测模块。

背景技术

随着指纹识别技术的不断发展，基于指纹识别技术的指纹传感器被广泛应用于各种智能终端(如手机、平板电脑等)中。电容式指纹传感器因具有低器件厚度、低成本及低功耗等优势成为了指纹识别应用的主流。

现有的电容式指纹传感器包括感测模块、读取模块及控制模块等。如图1a所示，感测模块包括由多个感测单元11排列而成的感测阵列1和覆盖于感测阵列1之上的绝缘介质2。在测量周期内，控制模块控制多个感测单元11分别对接触于绝缘介质2上的手指的多个点的指纹信息进行感测。具体的，如图1b所示，感测单元11包括导电极板110及测量电路111；当手指与绝缘介质2接触时，手指与多个导电极板110之间均形成电容CS，由于指纹的波峰和波谷与导电极板110之间的距离不相等，因此，指纹的波峰和波谷与导电极板110形成的电容CS的容值Cs不同，测量电路111将导电极板110与手指所形成的电容的容值转换为电压信号，并输出表示指纹波峰或波谷的测量值Vo。读取模块对多个感测单元11输出的测量值进行读取并处理，即可得到完整的指纹信息。

图1所示的测量电路111输出的测量值Vo＝Cs/Cf*Vb。其中，Vb为测量周期内电源电压所抬升的预设电压值，Cf为反馈电容CF的容值。为了保证指纹传感器的测量精度，要求Vo不能太小。而考虑噪声、内部信号干扰及寄生电阻电容等因素的影响，Cf不能太小；且预设电压值Vb受限于可靠性和成本不能太大。因此，同等条件下，提高Cs成为一种优选方案。但考虑到指纹纹路细小的尺寸特征和传感器的分辨率要求，单个感测单元11的尺寸不能做得很大，即导电极板110的面积不能太大。而电容的容值与电容的极板面积成正比，与极板之间的距离和介电常数成反比，业界内常用的介质为钢化玻璃，即介电常数基本固定，因此，只能通过缩短导电极板110与手指之间的距离，即减小介质的厚度来达到增大Cs的目的，从而导致指纹传感器不支持更高的介质厚度。

综上可知，现有的电容式指纹传感器存在不支持更高的介质厚度的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种智能终端、电容式指纹传感器及其感测模块，旨在解决现有的电容式指纹传感器所存在的不支持更高的介质厚度的问题。

本实用新型是这样实现的，一种电容式指纹传感器的感测模块，包括由多个感测单元以二维方式排列而成的感测阵列和覆盖于所述感测阵列之上的绝缘介质；所述感测单元包括导电极板和与所述导电极板电连接的测量电路；在感测周期内，所述测量电路将所述导电极板与接触于所述绝缘介质上的手指之间形成的电容的容值转换为电压信号，并输出与所述手指的指纹的波峰或波谷对应的测量值；所述导电极板的上表面设置有多个具有预设厚度的第一导电元件，且任意相邻两个所述第一导电元件间隔预设距离；所述导电极板的感测面积由所述第一导电元件的上表面的面积、所述第一导电元件的侧面的面积以及所述预设距离共同确定；其中，所述导电极板的上表面为所述导电极板与所述绝缘介质相对的一面。

本实用新型还提供了一种电容式指纹传感器，包括读取模块和控制模块，所述电容式指纹传感器还包括上述的感测模块；

所述感测模块同时与所述读取模块和所述控制模块连接；

所述控制模块控制所述感测模块在感测周期内对所述手指的指纹信息进行感测；所述读取模块对所述感测模块输出的测量值进行读取，以获取所述手指的指纹信息。

本实用新型还提供了一种智能终端，所述智能终端包括上述的电容式指纹传感器。

本实用新型通过在电容式指纹传感器的感测单元的导电极板上设置多个具有预设厚度的第一导电元件，由于任意相邻两个第一导电元件间隔预设距离，因此，可以有效利用第一导电元件的侧面的面积，使得在导电极板的尺寸不变的情况下增大了导电极板的有效感测面积，不仅提高了指纹传感器的穿透能力，而且使得其可以支持更高的介质厚度。

附图说明

图1a是现有技术和本实用新型实施例提供的电容式指纹传感器的俯视图；图1b是现有技术提供的电容式指纹传感器的感测模块的截面图；

图2是本实用新型实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块的截面图；

图3是本实用新型另一实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块的截面图；

图4是本实用新型实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块中的导电极板的俯视图；

图5是本实用新型另一实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块中的导电极板的俯视图；

图6是本实用新型实施例提供的一种电容式指纹传感器的截面图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1a是本实用新型实施例提供的电容式指纹传感器的俯视图；图2是本实用新型实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块的电路结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图1a所示，一种电容式指纹传感器的感测模块100，包括由多个感测单元11以二维方式排列而成的感测阵列1和覆盖于感测阵列1的全部感测单元11之上的绝缘介质2。

在实际应用中，感测阵列1可以由多个感测单元11以二维矩阵的方式排列而成。

在实际应用中，绝缘介质2可以为钢化玻璃、塑料等绝缘介质，还可以为其他绝缘介质。具体根据实际需求进行确定，此处不做限制。

如图2所示，感测单元11包括导电极板110和与导电极板110电连接的测量电路111。在感测周期内，测量电路111将导电极板110与接触于绝缘介质2上的手指之间形成的电容CS的容值Cs转换为电压信号，并输出与手指的指纹的波峰或波谷对应的测量值Vo。

导电极板110的上表面设置有多个具有预设厚度的第一导电元件112，且任意相邻两个第一导电元件112间隔预设距离；导电极板110的感测面积由第一导电元件112的上表面的面积、第一导电元件112的侧面的面积以及预设距离共同确定。

具体的，导电极板110的感测面积S＝S1+S2+S3。其中，S1为第一导电元件112的上表面的面积；S2为第一导电元件112的侧面的面积；S3为导电极板110的上表面未被第一导电元件110遮挡的部分的总面积。

在本实用新型实施例中，导电极板110的上表面为导电极板110与绝缘介质2相对的一面。

在本实用新型实施例中，任意相邻两个第一导电元件112间隔的预设距离可以相等，也可以不相等，具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

当然，预设厚度也可以根据实际需求进行设置，此处不做具体限制。

作为本实用新型一实施例，如图2所示，第一导电元件112可以与导电极板110一体成型。在实际应用中，还可以通过在导电极板110上设置具有预设深度的凹槽来达到相同目的，具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

图3是本实用新型另一实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块的截面图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图3所示，作为本实用新型另一实施例，第一导电元件112可以通过第二导电元件113与导电极板110电连接。

在实际应用中，导电极板110、第一导电元件112及第二导电元件113均可以采用金属材质。当然导电极板110、第一导电元件112及第二导电元件113还可以采用其他导电材质，此处不做限制。

在实际应用中，第二导电元件113可以为导电通孔。

作为本实用新型一实施例，如图2和图3所示，感测电路111的输入端与导电极板110电连接，感测电路111的输出端输出测量值Vo。其中，感测电路111可以采用现有的包括开关SW、反馈电容CF及放大器AMP的感测电路。具体的，开关SW的第一端、反馈电容CF的第一端及放大器AMP的反相输入端共接作为感测电路111的输入端，开关SW的第二端、反馈电容CF的第二端及放大器AMP的输出端共接作为感测电路111的输出端，放大器AMP的同相输入端接入参考电压Vref。

图4是本实用新型实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块中的导电极板的俯视图；图5是本实用新型另一实施例提供的一种电容式指纹传感器的感测模块中的导电极板的俯视图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图4所示，作为本实用新型一实施例，第一导电元件112可以为长方体。进一步的，第一导电元件112可以为立方体。

如图5所示，作为本实用新型另一实施例，第一导电元件112还可以为柱体。具体的，可以为圆柱或棱柱等，此处不做限制。

在实际应用中，第一导电元件112还可以为台体(图中未示出)，例如棱台或圆台等，具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

在实际应用中，第二导电元件113可以为长方体或柱体等，具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

如图4和图5所示，多个第一导电元件112以m行×n列的矩阵方式排列；每行第一导电元件112中任意相邻两个第一导电元件112间隔第一预设距离d1，每列第一导电元件112中任意相邻两个第一导电元件112间隔第二预设距离d2。

在本实用新型实施例中，第一预设距离d1与第二预设距离d2可以相等，也可以不相等。具体根据实际需求进行确定，此处不做限制。例如，假设导电极板110的长和宽均为50μm(微米)，第一导电元件112为长方体，则可以设置第一导电元件112的长和宽均为0.5μm，厚度为1μm；第一预设距离d1和第二预设距离d2均为0.5μm。

本实用新型实施例还提供了一种电容式指纹传感器，图6是本实用新型实施例提供的一种电容式指纹传感器的截面图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

一种电容式指纹传感器1000，包括读取模块200和控制模块300，电容式指纹传感器1000还包括上述的感测模块100。

其中，感测模块100同时与读取模块200和控制模块300连接。

控制模块300控制感测模块100在感测周期内对手指的指纹信息进行感测；读取模块200对感测模块100输出的测量值进行读取，以获取手指的指纹信息。

在本实用新型实施例中，控制模块300及其控制逻辑可以与现有的电容式指纹传感器中的控制模块和控制逻辑相同。具体的，控制模块300可以通过抬升指纹传感器的电源电压和地电压的方式控制感测模块100对手指的指纹信息进行感测，也可以通过在手指上加激励信号的方式控制感测模块100对手指的指纹信息进行感测，还可以通过在放大器AMP的同相输入端加激励信号的方式控制感测模块100对手指的指纹信息进行感测。具体可以根据实际需求进行设置，此处不做限制。

在实际应用中，读取模块300可以采用现有的包括采样保持电路(S/H电路)和模数转换器(ADC)的读取电路。具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

本实用新型实施例还提供了一种智能终端，该智能终端包括上述的电容式指纹传感器1000。

在本实用新型实施例中，智能终端可以为手机、平板电脑等终端，还可以为其他终端，此处不做限制。

以下结合工作原理对本实用新型提供的电容式指纹传感器作进一步说明：

如图6所示，在感测周期内，控制模块300控制多个感测单元11(为了便于观察，图中仅示出了一个感测单元)分别对接触于绝缘介质2上的手指的多个点的指纹信息进行感测。下面以控制模块300通过抬升电源电压和地电压的方式对指纹进行感测的方式为例对整个感测过程做具体说明：

在感测周期内，控制模块300先控制开关SW导通，此时，感测模块100输出的感测值Vo＝Vref(预设参考电压)；当输出信号稳定后，控制模块300控制开关SW断开，且同时将传感器的电源电压和地电压抬均升预设预设电压值Vb，信号稳定后，感测模块100输出的感测值Vo＝Vref+Cs*Vb+Vb，而前一时刻感测模块100输出的感测值Vo变为Vref+Vb，两个时刻感测模块100输出的感测值的差值Vo1＝Cs/Cf*Vb(公式1)，该差值Vo1即为单个感测单元11所感测到的单个指纹检测点的指纹信息。

本实用新型实施例通过提高电容CS的容值Cs来提高指纹传感器的检测精度。由于Cs＝εS/(4πkd)(其中，ε为绝缘介质2的介电常数；S为导电极板110的面积；π和k均为常数；d为感测距离，即导电极板110的上表面与手指之间的距离，一般情况下，导电极板110与绝缘介质2之间的距离非常小，可以忽略，也就是说，d可以近似理解为绝缘介质2的厚度)，因此，在不牺牲介质厚度，且导电极板110的整体尺寸不变的情况下，在导电极板110的上表面设置多个具有预设厚度的第一导电元件112，并保证任意相邻两个第一导电元件112间隔预设距离。具体的，假设导电极板110的长和宽均为50μm，则现有技术中的导电极板110的感测面积S＝2500μm²(平方微米)。在本实用新型实施例中，设第一导电元件112为长方体，且第一导电元件112的长和宽均为0.5μm，厚度为1μm，第一预设距离d1和第二预设距离d2均为0.5μm，则在50μm×50μm范围内共有2500个第一导电元件112，那么，在50μm×50μm范围内，导电极板110的感测面积S＝(0.5μm×0.5μm+1μm×0.5μm×4)×2500+1875μm²＝7500μm²，为现有技术的3倍。

需要说明的是，上述原理中导电极板110的感测面积S的计算方法是基于感测距离d远大于第一导电元件112的厚度的前提的，在该前提下，第一导电元件112的厚度可以忽略。

由此可知，本实用新型实施例提供的电容式指纹传感器通过提高Cs进而提高了指纹检测精度，且在保证导电极板110的整体尺寸不变的情况下，使得指纹传感器可支持更高的介质厚度。

本实用新型实施例通过在电容式指纹传感器的感测单元的导电极板上设置多个具有预设厚度的第一导电元件，由于任意相邻两个第一导电元件间隔预设距离，因此，可以有效利用第一导电元件的侧面的面积，使得在导电极板的尺寸不变的情况下增大了导电极板的有效感测面积，不仅提高了指纹传感器的穿透能力，而且使得其可以支持更高的介质厚度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式指纹传感器的感测模块，包括由多个感测单元以二维方式排列而成的感测阵列和覆盖于所述感测阵列之上的绝缘介质；所述感测单元包括导电极板和与所述导电极板电连接的测量电路；在感测周期内，所述测量电路将所述导电极板与接触于所述绝缘介质上的手指之间形成的电容的容值转换为电压信号，并输出与所述手指的指纹的波峰或波谷对应的测量值；其特征在于，所述导电极板的上表面设置有多个具有预设厚度的第一导电元件，且任意相邻两个所述第一导电元件间隔预设距离；所述导电极板的感测面积由所述第一导电元件的上表面的面积、所述第一导电元件的侧面的面积以及所述预设距离共同确定；其中，所述导电极板的上表面为所述导电极板与所述绝缘介质相对的一面。

2.如权利要求1所述的电容式指纹传感器的感测模块，其特征在于，所述第一导电元件与所述导电极板一体成型。

3.如权利要求1所述的电容式指纹传感器的感测模块，其特征在于，所述第一导电元件通过第二导电元件与所述导电极板电连接。

4.如权利要求1所述的电容式指纹传感器的感测模块，其特征在于，所述多个第一导电元件以m行×n列的矩阵方式排列；每行所述第一导电元件中任意相邻两个第一导电元件间隔第一预设距离，每列所述第一导电元件中任意相邻两个第一导电元件间隔第二预设距离。

5.如权利要求4所述的电容式指纹传感器的感测模块，其特征在于，所述第一预设距离与所述第二预设距离相等。

6.如权利要求4所述的电容式指纹传感器的感测模块，其特征在于，所述第一预设距离与所述第二预设距离不相等。

7.如权利要求1所述的电容式指纹传感器的感测模块，其特征在于，所述第一导电元件为长方体。

8.如权利要求1所述的电容式指纹传感器的感测模块，其特征在于，所述第一导电元件为柱体。

9.一种电容式指纹传感器，包括读取模块和控制模块，其特征在于，所述电容式指纹传感器还包括如权利要求1至8任一项所述的感测模块；

所述感测模块同时与所述读取模块和所述控制模块连接；

所述控制模块控制所述感测模块在感测周期内对所述手指的指纹信息进行感测；所述读取模块对所述感测模块输出的测量值进行读取，以获取所述手指的指纹信息。

10.一种智能终端，其特征在于，所述智能终端包括如权利要求9所述的电容式指纹传感器。