CN216053107U - 电容式指纹感测装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种电容式指纹感测装置。感测像素单元包括电容、重置电路以及感应电容，重置电路于重置期间提供重置电压重置电容上的电压，并于感测期间提供调整电流，调整于电容与重置电路的共同接点上产生的感测电压。

Description

电容式指纹感测装置
技术领域
本实用新型涉及一种感测装置，尤其涉及一种电容式指纹感测装置。
背景技术
现今指纹辨识广泛运用于各种电子产品上，又以可携式行动装置例如是手机(Smart phone)、平板计算机(Tablet computer)最为常见。应用于智能型手机的指纹辨识，目前常见的指纹识别装置可分为光学式、电容式、超音波式等，其中以电容式指纹辨识装置为其主流。
指纹传感器藉由侦测感测电极与手指之间的电容而获得手指的指纹影像。举例而言，指纹传感器可基于手指与指纹的脊(ridge)所位于的感测像素中所包含的感测电极之间的电容、以及手指与指纹的谷(valley)所位于的感测像素中所包含的感测电极之间的电容，而获得手指的指纹影像。一般来说，要能够识别指纹，所撷取的影像必需是高分辨率，而撷取影像的分辨率大小关联于感测像素的大小。
实用新型内容
本实用新型提供一种电容式指纹感测装置，可提供高分辨率的指纹影像。
本实用新型的电容式指纹感测装置，包括感测像素单元以及缓冲放大器电路。感测像素单元包括电容、重置电路以及感应电容。电容的第一端耦接偏压电压。重置电路耦接电容的第二端。感应电容反应手指的指纹感测操作而形成于电容与重置电路的共同接点与手指之间，重置电路于重置期间提供重置电压重置电容上的电压，并于感测期间提供调整电流，调整于电容与重置电路的共同接点上产生的感测电压。缓冲放大器电路耦接感测像素单元，放大感测电压而产生输出电压给信号处理电路。
基于上述，本实用新型实施例的感测像素单元包括电容、重置电路以及感应电容，重置电路于重置期间提供重置电压重置电容上的电压，并于感测期间提供调整电流，调整于电容与重置电路的共同接点上产生的感测电压。如此可使电容式指纹感测装置在提供高分辨率的指纹影像的同时，提高指纹感测效率。
为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本实用新型的实施例的一种电容式指纹感测装置的示意图。
图2是依照本实用新型一实施例的电容式指纹感测装置的操作时序图。
图3是依照本实用新型的实施例的一种控制信号产生电路的示意图。
图4是依照本实用新型的实施例的一种重置电压产生电路的示意图。
图5是依照本实用新型另一实施例的电容式指纹感测装置的操作时序图。
图6是依照本实用新型另一的实施例的一种电容式指纹感测装置的示意图。
图7是依照本实用新型另一实施例的电容式指纹感测装置的操作时序图。
具体实施方式
为了使本实用新型之内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本实用新型确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的组件/构件，系代表相同或类似部件。
图1是依照本实用新型的实施例的一种电容式指纹感测装置的示意图，请参照图1。电容式指纹感测装置可包括感测像素单元P1以及缓冲放大器电路102，其中感测像素单元P1包括电容CB、重置电路104以及感应电容CF，电容CB耦接于重置电路104与偏压电压VB之间，重置电路104与电容CB的共同接点耦接缓冲放大器电路102的输入端，感应电容CF反应手指F1的指纹感测操作而形成于电容CB与重置电路104的共同接点与手指F1之间。
重置电路104可于重置期间提供重置电压VRST重置电容CB上的电压，并于感测期间提供调整电流IA，以对电容CB与感应电容CF充电，而调整于电容CB与重置电路104的共同接点上产生的感测电压VX。缓冲放大器电路102则可放大感测电压VX而产生输出电压Vout给后级的信号处理电路进行指纹影像的信号处理。
如上所述，本实施例以简单的电路结构来实施感测像素单元P1，其中感测像素单元P1的重置电路104于重置期间提供重置电压RST重置电容上的电压，并于感测期间提供调整电流IA调整于电容CB与重置电路104的共同接点上产生的感测电压VX，如此可有效减小感测像素单元P1的电路面积，提供高分辨率的指纹影像，并提高指纹感测效率。
进一步来说，在本实施例中，重置电路104可以晶体管M1来实施，然不以此为限，晶体管M1为P型晶体管。晶体管M1耦接于重置电压VRST与电容CB之间，晶体管M1的导通状态受控于控制信号TCON1。缓冲放大器电路102可包括晶体管M2以及电流源I1，晶体管M2耦接于电源电压Vdd与缓冲放大器电路102的输出端之间，晶体管M2的控制端耦接感测像素单元P1的输出端。电流源I1耦接于缓冲放大器电路102的输出端与接地之间。
如图2所示，在重置期间，控制信号TCON1的电压值为电压VC2，而使晶体管M1处于导通状态，此时重置电压VRST可透过晶体管M1对电容CB进行电压重置，而使电容CB上的感测电压VX的电压值等于重置电压VRST。偏压电压VB在重置期间的电压值为电压VGL，其可例如为接地电压，然不以此为限。在感测期间，控制信号TCON1的电压值转为具有较高电压电平的电压VC1(电压VC1小于重置电压VRST)，偏压电压VB则转为具有较低电压电平的电压VGL’，如此可使晶体管M1提供调整电流IA对电容CB以及感应电容CF进行充电。重置电压VRST、偏压电压VB与感测电压VX间的关系可如下式所示。
Figure BDA0003250543010000031
进一步来说，假设对应指纹波峰的感应电容CF的电容值为CF1，对应指纹波谷的感应电容CF的电容值为CF1+ΔC，调整电流IA对电容CB以及感应电容CF进行充电的时间为Δt，则对应指纹波峰的感测电压VH与对应指纹波谷的感测电压VL可分别如下所示。
Figure BDA0003250543010000032
Figure BDA0003250543010000033
在感测像素单元P1的信号输出期间，偏压电压VB可被拉高，以协助晶体管M2导通。感测电压VH与感测电压VL可经由由晶体管M2以及电流源I1构成的源极随耦器被转换为输出电压Vout，而输出给后级的信号处理电路进行指纹影像的信号处理。
详细来说，控制信号TCON1可例如由图3所示的控制信号产生电路产生，控制信号产生电路可包括P型晶体管M4、电流源I2、缓冲器B1以及反相器A1，P型晶体管M4耦接于参考电压VR1与电流源I2之间，且P型晶体管M4的栅极与漏极相互耦接，电流源I2耦接于P型晶体管M4的漏极与接地之间。缓冲器B1的输入端与输出端分别耦接于P型晶体管M4的栅极与反相器A1的第一电源输入端。反相器A1的第二电源输入端耦接另一参考电压(在本实施例中为电压VC2)，反相器A1的输出端耦接晶体管M1的栅极，反相器A1的输入端则接收时钟控制信号S1。
其中，P型晶体管M4可反应电流源I2的电流大小而于其漏极产生电压Vref，电压Vref可透过P型晶体管M4的栅极以及缓冲器B1被输出至反相器A1的第一电源输入端。在本实施例中，电压Vref可例如设计为等于图1实施例的电压VC1，然不以此为限。反相器A1可受控于时钟控制信号S1输出控制信号TCON1，以在重置期间提供电压值为电压VC2的控制信号TCON1，并在感测期间提供电压值为电压VC1的控制信号TCON1。由于本实施例的控制信号产生电路的设计可使电流源I2的电流值等于感测期间晶体管M1(重置电路104)所提供的调整电流IA，而可以更直觉且方便的方式进行电流调整。
值得注意的是，在部分实施例中，也可透过改变重置电路104耦接的重置电压VRST的方式，以使重置电路104在感测期间提供调整电流IA。举例来说，重置电压VRST可例如由图4所示的重置电压产生电路提供，重置电压产生电路可包括反相器A2，其第一电源端与第二电源端分别耦接参考电压VR1与参考电压VR2，反相器A2的输出端耦接晶体管M1，以提供重置电压VRST，反相器A1的输入端则接收时钟控制信号S2，其中参考电压VR1大于参考电压VR2。反相器A2可受控于时钟控制信号S2输出控制信号VRST，以在重置期间提供电压值等于参考电压VR2的重置电压VRST，并在感测期间提供电压值等于参考电压VR1的重置电压VRST。
如图5所示，在重置期间，控制信号TCON1的电压值为电压VC2，而使晶体管M1处于导通状态，此时重置电压产生电路提供的重置电压VRST(电压值等于参考电压VR2)可透过晶体管M1对电容CB进行电压重置，而使电容CB上的感测电压VX的电压值等于参考电压VR2。在感测期间，控制信号TCON1的电压值转为具有较高电压电平的电压VC1，重置电压产生电路提供的重置电压VRST(电压值等于参考电压VR1)与偏压电压VB间的电压差可使晶体管M1提供调整电流IA对电容CB以及感应电容CF进行充电，而使感测电压VX随时间渐渐上升。与缓冲放大器电路102耦接的后级的信号处理电路可例如依据感测电压VX上升至默认电压所需的时间来判断感应电容CF的电容值，进而推知指纹影像内容，亦或是由感测电压VX在感测期间结束后所具有的电压值来判断感应电容CF的电容值，从而推知指纹影像内容。
图6是依照本实用新型另一实施例的一种电容式指纹感测装置的示意图，相较于图1实施例。图6实施例的重置电路104还可包括晶体管M3以及电流源I3，此外感测像素单元P1还可更包括选择晶体管M4，其中电流源I3以及晶体管M3串接于参考电压VR1与晶体管M1以及电容CB的共同接点之间，选择晶体管M4耦接于晶体管M1以及电容CB的共同接点与晶体管M2的栅极之间，其中参考电压VR1大于重置电压VRST。在本实施例中，晶体管M1以及M3的导通状态分别受控于控制信号TCON1与TCON2，如图7所示，在重置期间，控制信号TCON1处于低电压电平，以导通晶体管M1，而使感测电压VX的电压值被重置为重置电压VRST，控制信号TCON1则处于高电压电平而使晶体管M3处于断开状态。在感测期间，控制信号TCON1处于为高电压电平，而使晶体管M1处于断开状态，控制信号TCON2则处于低电压电平，而使晶体管M3处于导通状态，因此电流源I3可提供调整电流IA对电容CB以感应电容CF进行充电。在本实施例中，感测电压VX的电压值在感测期间被充电至电压VX2。此外，选择晶体管M4可受控于选择信号而于感测像素单元P1的信号输出期间进入导通状态，以将感测电压VX输出给缓冲放大器电路102，使放大器电路102依据感测电压VX产生输出电压Vout给后级的信号处理电路进行指纹影像的信号处理。其中在信号输出期间，偏压电压VB的电压值可被拉高，以协助晶体管M2导通，而将感测电压VX转换为输出电压Vout。
综上所述，本实用新型的实施例以简单的电路结构来实施感测像素单元，感测像素单元可包括电容、重置电路以及感应电容，重置电路可于重置期间提供重置电压重置电容上的电压，并于感测期间提供调整电流，以调整于电容与重置电路的共同接点上产生的感测电压。如此，可使电容式指纹感测装置在提供高分辨率的指纹影像的同时，提高指纹感测效率。
虽然本实用新型已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本实用新型的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种电容式指纹感测装置，其特征在于，包括：
感测像素单元，包括：
电容，其第一端耦接偏压电压；
重置电路，耦接所述电容的第二端；以及
感应电容，反应手指的指纹感测操作而形成于所述电容与所述重置电路的共同接点与所述手指之间，所述重置电路于重置期间提供重置电压重置所述电容上的电压，并于感测期间提供调整电流，调整于所述电容与所述重置电路的共同接点上产生的感测电压；以及
缓冲放大器电路，耦接所述感测像素单元，放大所述感测电压而产生输出电压给信号处理电路。
2.根据权利要求1所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，所述重置电路包括：
晶体管，耦接于所述重置电压与所述电容的第二端之间，受控于控制信号而于所述重置期间提供所述重置电压，并于所述感测期间提供所述调整电流。
3.根据权利要求2所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，还包括：
控制信号产生电路，耦接所述晶体管的控制端，产生所述控制信号，所述控制信号产生电路包括：
P型晶体管，其源极端耦接第一参考电压，所述P型晶体管的漏极与栅极相互耦接；
电流源，耦接于所述P型晶体管的漏极与接地之间；
缓冲器，耦接所述P型晶体管的栅极，依据所述P型晶体管的栅极电压输出第一电压；以及
反相器，其第一电源输入端耦接所述缓冲器的输出端，所述反相器的第二电源输入端耦接第二电压，所述反相器受控于时钟控制信号而于所述重置期间输出所述第二电压，并于所述感测期间输出所述第一电压，以控制所述晶体管于所述重置期间提供所述重置电压，并于所述感测期间提供所述调整电流。
4.根据权利要求3所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，所述重置电压大于所述第一电压。
5.根据权利要求2所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，所述重置电压于所述感测期间具有第一电压值，且于所述重置期间具有第二电压值，所述第一电压值大于所述第二电压值。
6.根据权利要求5所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，还包括：
重置电压产生电路，耦接所述晶体管，产生所述重置电压，所述重置电压产生电路包括：
反相器，其第一电源输入端耦接第一参考电压，所述反相器的第二电源输入端耦接第二参考电压，所述反相器受控于时钟控制信号而于所述感测期间输出所述第一参考电压，并于所述重置期间输出所述第二参考电压，其中所述第一参考电压具有所述第一电压值，所述第二参考电压具有所述第二电压值。
7.根据权利要求1所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，所述重置电路包括：
第一晶体管，耦接于所述重置电压与所述电容的第二端之间，受控于第一控制信号而于所述重置期间提供所述重置电压，并于所述感测期间处于断开状态；
电流源；以及
第二晶体管，与所述电流源耦接于参考电压与所述电容与所述重置电路的共同接点之间，受控于第二控制信号而于所述感测期间提供所述调整电流，所述参考电压大于所述重置电压。
8.根据权利要求1所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，所述缓冲放大器电路包括：
晶体管，其第一端耦接电源电压，所述晶体管的第二端耦接所述缓冲放大器电路的输出端，所述晶体管的控制端耦接所述感测像素单元的输出端；以及
电流源，耦接于所述晶体管的第二端与接地之间。
9.根据权利要求2所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，所述偏压电压于进入信号输出期间时，由第一电压转为第二电压，以导通所述晶体管。
10.根据权利要求1所述的电容式指纹感测装置，其特征在于，还包括：
选择晶体管，耦接于所述电容与所述重置电路的共同接点与所述缓冲放大器电路之间，受控于选择信号而于信号输出期间进入导通状态。
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