CN218957188U - 指纹采集电路、指纹芯片及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种指纹采集电路、指纹芯片及具有指纹芯片的电子设备。本申请中的指纹采集电路的第一金属层与衬底层之间设置第二金属层以将第一金属层与衬底层进行隔离，第二金属层在衬底层的投影覆盖第一金属层在衬底层的投影，从而消除第一金属层与衬底层之间形成的寄生电容，并提高指纹信号的检测准确度。此外，本申请中的像素电路的输出电压与第一金属层与衬底层之间形成的寄生电容无关，因此可以解决现有指纹采集电路中各像素电路的寄生电容不一致的问题，以及避免了像素电路的输出电压存在的温漂现象。

Description

指纹采集电路、指纹芯片及电子设备

技术领域

本申请涉及指纹识别技术领域，尤其涉及一种指纹采集电路、指纹芯片及具有指纹芯片的电子设备。

背景技术

现有电容式指纹识别方案受外界干扰小，主动解锁的体验尤佳。然而，现有电容式指纹识别方案的指纹采集电路架构复杂，采集指纹信号时易受外界信号干扰，影响感测的准确性。例如，指纹采集电路中的像素电路的金属层与衬底层之间存在寄生电容，且寄生电容的温度特性较差，此外，指纹采集电路中各像素电路之间的寄生电容与四周环境相关，因此使得由像素电路组成的像素阵列感应电路的边缘列的像素电路检测的数据存在差异、温漂大、均匀性差、穿透性差等问题，使得实际输出的有效指纹信号量变小，进而导致指纹采集电路感测指纹信号的准确性的下降。

实用新型内容

有鉴于此，提供一种指纹采集电路、指纹芯片及具有指纹芯片的电子设备以解决指纹采集电路感测指纹信号的准确性下降的问题。

本申请一实施方式中提供一种指纹采集电路，包括像素阵列感应电路，像素阵列感应电路包括多个像素电路，每一所述像素电路包括第一金属层、第二金属层、衬底层，所述第一金属层用于对手指指纹进行检测，所述第二金属层设置于所述第一金属层及所述衬底层之间，所述第一金属层与所述第二金属层之间形成第一电容，所述第二金属层在所述衬底层的投影覆盖所述第一金属层在所述衬底层的投影，从而将所述第一金属层与所述衬底层进行隔离，所述第一金属层被手指触碰后生成指纹信号。

在本申请一实施方式中，所述指纹采集电路包括放大电路，所述放大电路与所述像素电路连接，所述放大电路用于对所述指纹信号进行放大。

在本申请一实施方式中，所述像素电路包括第一开关、第二开关、电阻，所述第一金属层与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端通过所述第一开关与第一参考电压连接，及通过所述第二开关与所述放大电路连接，所述第二金属层与浮动接地端连接。

在本申请一实施方式中，所述像素电路包括开关切换电路，所述浮动接地端与所述开关切换电路连接，所述开关切换电路的输出电压为所述浮动接地端的电压。

在本申请一实施方式中，所述开关切换电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一输出端、第二输出端、第二电容，电源电压VDD通过所述第一MOS管、所述第二MOS管与接地端(GND)连接，所述电源电压通过所述第一MOS管与所述第一输出端连接，所述电源电压通过所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管与所述第二输出端连接，所述第一输出端与所述第二输出端通过所述第二电容连接。

在本申请一实施方式中，所述放大电路包括运算放大器及反馈环路，所述运算放大器包括同相输入端、反向输入端及输出端，所述同相输入端与所述第一参考电压相连接，通过调整所述第一参考电压来调整所述输出端的输出电压，所述第一金属层通过所述第二开关与所述反向输入端连接，所述输出端通过所述反馈环路与所述反向输入端连接。

在本申请一实施方式中，所述反馈环路包括反馈电容、第一开关组及第二开关组，所述反馈电容的上极板通过所述第一开关组的第一子开关与所述第二参考电压连接，所述反馈电容的下极板通过所述第一开关组的第二子开关与所述电源电压连接，所述反馈电容的上极板通过所述第二开关组的第一子开关与所述反向输入端连接，所述反馈电容的下极板通过所述第二开关组的第二子开关与所述输出端连接，所述反向输入端通过所述第一开关组的第三子开关与所述输出端连接。

在本申请一实施方式中，所述指纹采集电路还包括数模转换电路，所述数模转换电路提供所述第一参考电压及所述第二参考电压。

在本申请一实施方式中，所述指纹采集电路提供第一时序控制信号、第二时序控制信号、第三时序控制信号及第四时序控制信号，所述第一时序控制信号与所述第二时序控制信号为相位相差180°的时钟信号，所述第三时序控制信号与所述第四时序控制信号是相位相差180°的非交叠时钟信号，所述第一时序控制信号用于控制所述第一开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第二时序控制信号用于控制所述第二开关组的第一子开关、第二子开关的开合与关闭，所述第三时序控制信号用于控制所述第一开关的开合与关闭，所述第四时序控制信号用于控制所述第二开关的开合与关闭。

在本申请一实施方式中，所述像素阵列感应电路包括保护环，所述保护环位于所述像素阵列感应电路的两侧，所述保护环连接浮动接地端的电压。

在本申请一实施方式中，所述像素阵列感应电路包括扫描电路，所述扫描电路与所述像素阵列感应电路的每一行的所述像素电路连接且位于所述像素阵列感应电路的边缘列的像素电路的下方，所述扫描电路控制像素阵列感应电路逐行或逐列扫描所述像素电路，所述像素电路连接浮动接地端的电压。

在本申请一实施方式中，所述像素阵列感应电路包括多个像素电路，每一像素电路包括第一金属层、第二金属层、衬底层、及至少一第三金属层，所述第一金属层用于对手指指纹进行检测，所述第二金属层设置于所述第一金属层及所述衬底层之间，所述第一金属层与所述第二金属层之间形成第一电容，所述第二金属层在所述衬底层的投影覆盖所述第一金属层在所述衬底层的投影，从而将所述第一金属层与所述衬底层进行隔离，所述至少一第三金属层设置在所述第一金属层与所述第二金属层之间，所述至少一第三金属层中至少有一层在所述衬底层的投影覆盖所述第一金属层在所述衬底层的投影，所述第一金属层被手指触碰后生成指纹信号。本申请的实施例还提供一种指纹芯片，所述指纹芯片集成上述的指纹采集电路。

本申请的实施例还提供一种电子设备，所述电子设备采用上述提供的指纹芯片。

本申请本在第一金属层与衬底层之间设置第二金属层以将第一金属层与衬底层进行隔离，第二金属层在衬底层的投影覆盖第一金属层在衬底层的投影，以消除第一金属层与衬底层之间形成的寄生电容，提高指纹信号的检测准确度。此外，本申请中的像素电路的输出电压与第一金属层与衬底层之间形成的寄生电容无关，因此可以解决现有指纹采集电路中各像素电路的寄生电容不一致的问题，以及克服了像素电路的输出电压存在的温漂现象。

附图说明

图1为本申请一实施方式中指纹采集电路的系统框图。

图2为本申请一实施方式中像素阵列感应电路与放大电路连接的示意图。

图3为本申请一实施方式中像素电路的电路结构图。

图4为本申请一实施方式中像素电路各层布局的结构示意图。

图5为本申请一实施方式中像素电路各层布局的俯视图。

图6为图5中沿I-I线的剖视图。

图7为本申请一实施方式中放大电路的结构示意图。

图8为本申请一实施方式中像素电路与放大电路连接的结构示意图。

图9为本申请一实施方式中指纹采集电路进行指纹采集的开关时序图。

图10为本申请一实施方式中指纹采集电路在起始阶段的电路示意图。

图11为本申请一实施方式中指纹采集电路在扫描阶段的电路示意图。

图12为本申请一实施方式中像素阵列感应电路的电路结构及对应电路驱动电压图。

图13为本申请另一实施方式中像素阵列感应电路的电路结构图。

图14为本申请另一实施方式中手指按压前、后像素电路的变化示意图。

图15为本申请一实施例中像素电路的结构示意图。

图16为本申请一实施方式中开关切换电路的结构示意图。

图17为本申请一实施方式中外设状态控制信号、第一至第三状态控制信号的控制时序图。

图18为本申请一实施方式中开关切换电路在不同状态控制信号下的示意图。

图19为本申请一实施方式中像素电路进行积分的时序图。

图20为本申请一实施方式中像素阵列感应电路与放大电路的连接示意图。

图21为本申请另一实施方式中像素阵列感应电路的电路结构图。

图22为本申请另一实施方式中像素电路各层布局的俯视图。

图23为图22中沿II-II线的剖视图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请实施例，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请实施例。

请参考图1，所示为本申请一实施方式中指纹采集电路1的系统框图。本实施方式中，指纹采集电路1包括数模转换电路11、像素阵列感应电路12、放大电路13、缓冲器14及模数转换电路15。数模转换电路11与像素阵列感应电路12相连接，用于为像素阵列感应电路12提供参考电压。本实施方式中，数模转换电路11能够为像素阵列感应电路12提供第一参考电压V_REF及第二参考电压V_{DC_OS}。像素阵列感应电路12按照一定的时序控制进行扫描以检测用户的指纹信号。放大电路13与像素阵列感应电路12相连接，用于对检测出的指纹信号进行放大处理。缓冲器14与放大电路13相连接，用于提高放大后的指纹信号的驱动能力。模数转换电路15与缓存器14连接，用于将放大后的指纹信号进行数模转换并输出。本实施方式中，由于数模转换电路11、缓冲器14及模数转换电路15为本领域现有的电路结构，且本申请并未对数模转换电路11、缓冲器14及模数转换电路15的电路结构进行改进。本申请对数模转换电路11、缓冲器14及模数转换电路15不作详细介绍，如下仅对本申请的像素阵列感应电路12及放大电路13的改进方案作具体描述。

请参考图2所示，为本申请一实施方式中像素阵列感应电路12与放大电路13连接的示意图。本实施方式中，像素阵列感应电路12包括m行n列的像素电路121(Pixel)组成的传感器矩阵阵列(Sensor Array)，其中，m，n为正整数。本实施方式中，放大电路13为积分电路。本实施方式中，放大电路13的数量与传感器阵列的列数相同。例如，传感器阵列包括n列的像素电路121，则放大电路13的数量为n。本实施方式中，所述传感器阵列中每列的像素电路121连接同一个放大电路13，且不同列的像素电路121连接不同的放大电路13。

在一实施方式中，指纹采集电路1工作时按照一定的时序控制对像素阵列感应电路12进行扫描动作和数据读出，通常像素阵列感应电路12中每列的像素电路121连接同一个放大电路13。在指纹采集电路1进行扫描时，对每一行的像素电路121同时进行积分并按照行顺序依次进行扫描，直至扫完所有行。经过放大电路13的指纹信号输入缓冲器14，并最终送入模数转换电路15进行量化处理。

本实施方式中，由于像素阵列感应电路12中每个像素电路121的结构及工作原理相同，本申请只介绍单一像素电路121的电路结构。

请参考图3，所示为本申请一实施方式中像素电路121的电路结构图。像素电路121包括第一金属层1211、第二金属层1212、第三金属层1213、走线层1214、衬底层1215。本实施方式中，第一金属层1211用于对用户的指纹进行检测。当用户的手指触摸到第一金属层1211时，由于人体本身是良导体，可以看作是接地端GND，用户的手指与第一金属层1211的有效接触面积内形成第一寄生电容C_finger并将第一寄生电容C_finger信号作为检测手指指纹的指纹信号。本实施方式中，手指指纹的纹谷和纹脊到第一金属层1211的距离有差异，第一寄生电容C_finger的大小随之产生差异，因此将第一寄生电容C_finger作为检测手指指纹的指纹信号。本实施方式中，信号差异是纹谷和纹脊在第一寄生电容C_finger上产生的的电荷变化量。

手指触摸第一金属层1211后，第一金属层1211与接地端GND产生C_finger，并且第一金属层1211与衬底层1215之间还会形成第二寄生电容C_pex，从而第一金属层1211到衬底层(GND)的总寄生电容C_top＝C₁₁+C₂₂，其中C₁₁为第一寄生电容C_finger，C₂₂为第二寄生电容C_pex。这样从第一金属层1211l感测到的电容不仅仅有第一寄生电容C_finger，还会有第二寄生电容C_pex。而要提高指纹检测精度会希望第一寄生电容C_finger无限接近于寄生总电容C_top，第二寄生电容C_pex越接近于零越好。为了降低第二寄生电容C_pex对指纹的检测精度的影响，本申请在第一金属层1211与衬底层1215之间设置第二金属层1212及第三金属层1213以将第一金属层1211与衬底层1215进行隔离，第二金属层1212和第三金属层1213在衬底层1215的投影覆盖第一金属层1211在衬底层1215的投影，以消除第一金属层1211与衬底层1215之间形成的第二寄生电容C_pex，提高指纹信号的检测准确度。具体地，第一金属层1211与第二金属层1212间隔设置，且第一金属层1211与第二金属层1212之间形成第一电容21。第一金属层1211与第三金属层1213间隔设置，且第一金属层1211与第三金属层1213之间形成第二电容22。参考图4，所示为本申请一实施方式中像素电路121各层布局的结构示意图。图4中，从上到下分别是第一金属层1211、第二金属层1212、第三金属层1213、衬底层1215。参考图5，所示为本申请一实施方式中像素电路121各层布局的俯视图。请一并参考图6，所示为图5中沿I-I线的剖视图。第二金属层1212位于第一金属层1211的下方，第三金属层1213位于第二金属层1212的下方。第二金属层1212和第三金属层1213在衬底层1215的投影覆盖第一金属层1211在衬底层1215的投影。所述走线层1214位于第二金属层1212与衬底层1215之间。像素电路121的器件和走线可设置在走线层1214及第二金属层1212，或像素电路121的器件和走线全部在走线层1214进行布线。

参考图7，所示为现有技术中放大电路13的结构示意图。本实施方式中，放大电路13用于对指纹采集电路1检测到的指纹信号进行放大。参考图7，所示为本申请一实施方式中放大电路13的结构示意图。

本实施方式中，放大电路13包括运算放大器131及反馈环路132。运算放大器131包括同相输入端1311、反向输入端1312及输出端1313。同相输入端1311与第一参考电压V_REF相连接。输出端1313通过反馈环路132与反向输入端1312连接。

本实施方式中，反馈环路132包括反馈电容C_FB、第一开关组及第二开关组。第一开关组包括第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3。第二开关组包括第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2。反馈电容C_FB的上极板通过第一开关组的第一子开关rst_a1与第二参考电压V_{DC_OS}连接。反馈电容C_FB的下极板通过第一开关组的第二子开关rst_a2与电源电压VDD连接。反馈电容C_FB的上极板通过第二开关组的第一子开关rst_b1与反向输入端1312连接。反馈电容C_FB的下极板通过第二开关组的第二子开关rst_b2与输出端连接1313。反向输入端1312还通过第一开关组的第三子开关rst_a3与输出端1313连接。

参考图8，所示为本申请一实施方式中像素电路121与放大电路13连接的结构示意图。像素阵列感应电路12还包括第三开关组、第四开关组及电阻1218。第三开关组包括第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13。第四开关组包括第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23。第一金属层1211与第二金属层1212连接并形成第一电容21。第二金属层1212通过第三开关组的第一子开关φ11与电源电压V_DD连接，第二金属层1212通过第四开关组的第一子开关φ21与接地端GND连接。

第一金属层与第三金属层1213连接并形成第二电容22。第三金属层1213通过第三开关组的第二子开关φ12与电源电压V_DD连接，通过第四开关组的第二子开关φ22与第一参考电压V_REF连接。

第一金属层1211通过第三开关组的第三子开关φ13与电源电压VDD连接及通过所述第四开关组的第三子开关φ23与放大电路连接13连接。具体地，第一金属层1211与电阻1218的一端连接。电阻1218的另一端通过第三开关组的第三子开关φ13与电源电压VDD连接，及通过第四开关组的第二子开关φ23与放大电路13连接。

请参考图9，为本申请一实施方式中指纹采集电路1进行指纹采集的开关时序图。指纹采集电路1提供第一时序控制信号Reset_a、第二时序控制信号Reset_b、第三时序控制信号φ1及第四时序控制信号φ2。第一时序控制信号Reset_a与第二时序控制信号Reset_b是相位相差180°的时钟信号。第三时序控制信号φ1与第四时序控制信号φ2是相位相差180°的非交叠时钟信号。

第一时序控制信号Reset_a用于控制第一开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3的开合与关闭。第一开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3的开合与关闭的时序完全相同。第二时序控制信号Reset_b用于控制第二开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2的开合与关闭。第二开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2的开合与关闭的时序完全相同。第三时序控制信号φ1用于控制第三开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13的开合与关闭。第三开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13的开合与关闭的时序相同。第四时序控制信号φ2用于控制第四开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23的开合与关闭。第四开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23的开合与关闭的时序相同。

下面结合图8及图9具体描述本申请的指纹采集电路1的工作过程。该工作过程包括以下几个阶段。

(a)起始阶段，第一时序控制信号Reset_a为高电平，第二时序控制信号Reset_b为低电平(参考图9)，参考图10，此时第一开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3同时导通，第二开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2同时断开。运算放大器的输出端1313连接反相输入端1312，运算放大器131为缓冲器(bUffer)结构，运算放大器131的反向输入端1312的电压等于第一参考电压V_REF。反馈电容C_FB的上极板连接第二参考电压V_{DC_os}，下极板接电源电压VDD，反馈电容C_FB电压根据公式V_CFB1＝V_DD-V_{DC_OS}计算得到，其中，V_CFB1表示反馈电容C_FB两端电压。反馈电容C_FB的电荷根据公式Q_CFB1＝C_FB*(V_DD-V_{DC_OS})计算得到，其中，C_FB为反馈电容C_FB的电容量，Q_CFB1为反馈电容C_FB的电荷量，V_{DC_oS}为第二参考电压。

(b)扫描阶段，第一时序控制信号Reset_a为低电平，第二时序控制信号Reset_b为高电平(参考图9)，参考图11，此时第一开关组的第一子开关rst_a1、第二子开关rst_a2、第三子开关rst_a3同时断开，第二开关组的第一子开关rst_b1、第二子开关rst_b2同时导通。反馈电容C_FB的上极板连接运算放大器131的反向输入端1312，下极板连接运算放大器131的输出端1313。反馈电容C_FB的电压根据公式V_CFB2＝V_OUT-V_REF计算得到，其中，V_OUT为表示运算放大器131的输出端1313的输出电压，V_REF为第一参考电压。反馈电容C_FB的电荷根据公式Q_CEB2＝C_FB*(V_OUT-V_REF)计算得到。

由于反馈电容C_FB的电荷在起始阶段及扫描阶段没有变化，所以运算放大器131的输出端1313的输出电压根据公式V_OUT＝V_REF+V_DD-V_{DC_OS}计算得到。根据电荷守恒定律，反馈电容C_FB的电荷根据公式

Q_CFB＝Q_CFB1+Q_CFB2＝C_FB*(V_DD-V_{DC_OS})+C_FB*(V_OUT-V_REF)计算得到。

(c)预充电阶段，第三时序控制信号φ1为高电平(参考图9)，第三开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13同时导通。第四时序控制信号φ2为低电平，第四开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23同时断开，第一电容21、第二电容22、第一寄生电容C_finger连接电源电压VDD，第一金属层1211与运算放大器131断开，第一金属层1211的电荷通过公式Q1＝(C_finger+C_pex)×V_DD计算得到，其中，C_finger为第一寄生电容C_finger的电容，Q1为第一金属层1211的电荷，C_pex为第二寄生电容。

(d)电荷转移阶段，第三时序控制信号φ1由高电平转变为低电平(参考图9)，第三开关组的第一子开关φ11、第二子开关φ12、第三子开关φ13同时断开。第四时序控制信号φ2由低电平转变为高电平，第四开关组的第一子开关φ21、第二子开关φ22、第三子开关φ23同时导通。第三子开关φ23导通时，运算放大器131的反相输入端1312通过第三子开关φ23连接至第一金属层1211，运算放大器131的输出端1313和反相输入端1312通过反馈电容C_FB连接，构成反馈结构。运算放大器131的反相输入端1312的电压等于正相输入端电压1311，即第一金属层1211的电压为第一参考电压V_REF。第二子开关φ22由断开转为导通状态，第三金属层1213的电压为第一参考电压V_REF，因为第一金属层1211和第三金属层1213的电压均为V_REF，第一金属层1211和第三金属层1213构成的第二电容22没有电荷转移。第四开关组的第一子开关φ21由断开转为导通状态，第二金属层1212连接接地端GND，第一金属层1211到接地端GND的总寄生电容为C₂+C_finger+C_pex，其中C₂为第一电容21的电容。总寄生电容的电荷量根据公式Q₂＝V_REF*(C₂+C_finger+C_pex)计算得到。第三子开关φ23导通之前，运算放大器131的反相输入端1312的电荷量根据公式Q_CFB＝C_FB*(V_DD-V_{DC_OS})+C_FB*(V_OUT-V_REF)计算得到。第三子开关φ23导通后，总寄生电容的电荷量Q₂＝V_REF*(C₂+C_finger+C_pex)+(V_DD-V_{DC_OS})*C_FB+(V_REF-V_oUT)*C_FB。根据电荷守恒定律，Q1＝Q₂，则计算得到运算放大器131的输出端1313的输出电压

经过N次积分，指纹信号量得到放大，有效地提高信号采集的灵敏度。运算放大器131的输出端1313的输出电压为：

本实施方式中，理想情况下，像素阵列感应电路12在无手指按压(空扫)时，希望

无论N的大小，V_OUT不随积分次数N的变化而变化，输出端1313的输出电压则为固定值V_OUT＝(V_DD-V_{DC_OS}+V_REF)，与第一寄生电容C_finger无关。像素阵列感应电路12在受到手指按压(正常扫描)时，能够检测到C_finger的变化量，从而使得输出端1313的输出电压V_OUT值随N的增大而增大。本实施方式中，当V_DD、V_REF确定，通过C2的大小来补偿C_finger与C_pex，可以使式中的

项式近似为0。从而减少Cpex对指纹采集电路感测指纹信号的影像，提高指纹信号的检测的准确性。

然而，上述方案还存在如下的技术问题。

(1)各像素电路的输出电压V_OUT值存在差异。

像素阵列感应电路12中位于不同列的像素电路121的输出电压V_OUT值差异较大。参考图12，像素阵列感应电路12包括保护环126及扫描电路127。保护环126是由像素阵列感应电路12中电路板的有源区、过孔、通孔和金属层按照一定的规则叠加组成。所述扫描电路127控制像素阵列感应电路12逐行扫描像素电路121。所述保护环126位于像素阵列感应电路12的两侧。所述扫描电路127与像素阵列感应电路12中每一行的像素电路121连接。所述像素电路121、保护环126及扫描电路127位于同一平面内。像素阵列感应电路12在通过扫描电路127扫描第三行的像素电路121时，由于第三行当前列的积分动作，像素电路121的中第一金属层1211、第二金属层1212、第三金属层1213、衬底层1215的电压在不断切换，像素阵列感应电路12中其余像素电路121由于没有被选中，均保持固定电位，保护环126一直维持在低电位。然而，对于中间列的像素电路P2、P3、P4、P5，其周围的像素电路的电位变化是一致的，然而，对于边缘列的像素电路P1、P6与保护环126及DMUX电路相邻，保护环126及DMUX电路的电位不随积分动作变化。因此边缘列的像素电路P1、P6和中间列的像素电路P2、P3、P4、P5经过N次积分过后，像素电路输出的VOUT值会产生一定的差异。

参考图13，由于像素阵列感应电路12内部的结构关系，像素阵列感应电路12的中间列的像素电路P2、P3、P5、P6的寄生电容C_pex与边缘列的像素电路P1、P6的寄生电容C_pex也存在差异，尤其是在经过N次积分，导致边缘列的像素电路P1、P4的输出电压V_OUT值与中间列的像素电路P2、P3、P5、P6的输出电压V_OUT值差异更为明显。

(2)各像素电路的寄生电容C_pex不一致。

像素电路的寄生电容C_pex是像素电路的第一金属层1211与衬底层1215形成的，在工艺上很难保证每个像素电路的寄生电容C_pex是完全一致的。

(3)像素电路的输出电压V_OUT值存在温漂现象。

由于像素电路的寄生电容C_pex存在温漂现象，导致像素电路的输出电压V_OUT值也存在温漂现象。

(4)像素电路的穿透能力差。

参考图14的(a)，像素电路P1、P2、P3代表相邻的3个像素电路。考虑电容是非理想状态，在无手指按压时，像素电路P1、P2之间存在固定的寄生电容Cp1，当有手指按压时，P1、P2、P3之间的电场线的一部分会损失掉，因此Cp2<Cp1，即按压后像素电路的寄生电容C_pex变小。

参考图14的(a)，按压前像素电路的寄生电容为Cp1。参考图14的(b)，按压后像素电路的寄生电容为C_finger+Cp2，按压前后像素电路的寄生电容上的电容变化量ΔC＝C_finger+Cp2-Cp1，且C_finger+Cp2-Cp1<C_finger，因此实际检测到的手指电容C_finger+Cp2-Cp1小于实际手指电容C_finger。

针对上述技术问题，本申请提供一像素电路123。参考图15，所示为本申请一实施例中像素电路123的结构示意图。所述像素电路123包括第一金属层1231、第二金属层1232、衬底层1234(请一并参考图23)。本实施方式中，第一金属层1231用于对用户的指纹进行检测。当用户的手指触摸到第一金属层1231时，由于人体本身是良导体，可以看作是接地端GND，用户的手指与第一金属层1231的有效接触面积内形成第一寄生电容C_finger并将第一寄生电容C_finger信号作为检测手指指纹的指纹信号。本实施方式中，手指指纹的纹谷和纹脊到第一金属层1231的距离有差异，第一寄生电容C_finger的大小随之产生差异，因此将第一寄生电容C_finger作为检测手指指纹的指纹信号。本实施方式中，指纹信号为第一寄生电容C_finger的电荷量。

手指触摸第一金属层1231后，第一金属层1231与接地端GND产生C_finger，并且第一金属层1231与衬底层1234(参考图23)之间形成第二寄生电容C_pex，从而第一金属层1211到衬底层(GND)的总寄生电容C_top＝C_finger+C_pex。这样从第一金属层1231感测到的电容不仅仅有第一寄生电容C_finger，还会有第二寄生电容C_pex。而要提高指纹检测精度会希望第一寄生电容C_finger无限接近于寄生总电容C_top，第二寄生电容C_pex越接近于零越好。为了降低第二寄生电容C_pex对指纹的检测精度的影响，本申请在第一金属层1231与衬底层1234之间设置第二金属层1232以将第一金属层1231与衬底层1234进行隔离，第二金属层1232在衬底层1234的投影覆盖第一金属层1231在衬底层1234的投影，以消除第一金属层1231与衬底层1234之间形成的第二寄生电容C_pex，提高指纹信号的检测准确度。具体地，第一金属层1231与第二金属层1232间隔设置，且第一金属层1231与第二金属层1232之间形成第一电容C2。

图20提出本实施方式的一种具体指纹检测电路，本实施方式中，第一金属层1231与视为接地端GND的人体形成第一寄生电容C_finger。第一金属层1231与第二金属层1232连接(电气连接)并形成第一电容C2。像素电路123还包括第一开关φ31、第二开关φ32、电阻124及开关切换电路125(参考图16)。第一金属层1231与电阻124的一端连接。电阻124的另一端通过第一开关φ31与参考电压VREF连接，及通过第二开关φ32与放大电路13连接。本实施方式中，放大电路13用于对指纹采集电路1检测到的指纹信号进行放大，放大电路13的具体电路结构请参考图7或图20中的放大电路13的电路结构。图20中第二金属层1232与浮动接地端NVSS连接。浮动接地端NVSS与开关切换电路125连接。开关切换电路125的输出电压作为所述浮动接地端NVSS的电压。

参考图16，所示为本申请一实施方式中开关切换电路125的结构示意图。所述开关切换电路125的输出电压在第一电压与第二电压之间进行切换。所述第一电压为接地端电压，例如为0，所述第二电压为VTX参考电压，例如为电源电压VDD。本实施方式中，所述开关切换电路125包括第一MOS管1251、第二MOS管1252、第三MOS管1253、第一输出端1254、第二输出端1255、电容1256。所述电源电压VDD通过第一MOS管1251、第二MOS管1252与接地端GND连接。所述电源电压VDD通过第一MOS管1251与第一输出端1254连接。所述电源电压VDD通过第一MOS管1251、第二MOS管1252、第三MOS管1253与第二输出端1254连接。在本申请一实施方式中，所述第一MOS管1251为P沟道MOS管，所述第二MOS管1252、第三MOS管1253为N沟道MOS管。所述电源电压VDD与第一MOS管1251的第一极12511连接。所述第一MOS管1251的第二极12512与第一输出端1254连接。所述第一MOS管1251的第三极12513与第一状态控制信号TX_P连接。

所述第一MOS管1251的第二极12512与所述第二MOS管1252的第一极12521连接。所述第二MOS管1252的第二极12522分别与接地端GND、第三MOS管1253的第一极12531连接。所述第二MOS管1252的第三极12523与第二状态控制信号TX_N1连接。所述第三MOS管1253的第二极12532与所述第二输出端1255。所述第三MOS管1253的第三极12533与第三状态控制信号TX_N2连接。所述第一输出端1254与第二输出端1255通过电容1256连接。在本申请一实施方式中，所述开关切换电路125受外设状态控制信号Tx的控制。在外设状态控制信号Tx的一个周期中，前半个周期，电容1256利用电源电压VDD/接地端电压充电，后半个周期电容1256为开关切换电路125供电。参考图17，所示为外设状态控制信号、第一至第三状态控制信号的控制时序图。当外设状态控制信号TX＝0时，电源电压VDD/接地端电压为电容1256充电，电容1256两端电压为电源电压VDD/接地端电压；当外设状态控制信号TX＝1时，使电容1256两端与电源电压VDD/接地端电压断开，第一输出端1254通过第二MOS管1252连接至接地端GND，利用电容1256上电压不能突变的特性，电容1256两端电压切换至0电压/-电源电压VDD。需要说明的是，在外设状态控制信号TX切换过程中，为避免电源电压VDD输入端与接地端GND瞬时导通，需设置非交叠时间，并遵循以下原则：电容1256充电过程中，先断开第二MOS管1252，再导通第一MOS管1251，最后导通第三MOS管1253；在电容1256放电过程中：先断开第三MOS管1253，再断开第一MOS管1251，最后导通第二MOS管1252。

参考图18的(a)，当外设状态控制信号TX为0且第一状态控制信号TX_P为0，第二状态控制信号TX_N1为0，第三状态控制信号TX_N2为1时，第一MOS管1251、第三MOS管1253导通，第二MOS管1252断开，第一输出端1254的输出电压(NVDD)为电源电压VDD，第二输出端1255的输出电压(NVSS)为0电压。参考图18的(b)，当外设状态控制信号TX为1且第一状态控制信号TX_P为1，第二状态控制信号TX_N1为1，第三状态控制信号TX_N2为0时，第一MOS管1251、第三MOS管1253断开，第二MOS管1252导通，第一输出端1254的输出电压(NVDD)为0电压，第二输出端1255的输出电压(NVSS)为电源电压VDD的负值。

参考图19，所示为本申请一实施方式中指纹检测电路进行积分的时序图。其中第三时序控制信号φ1用于控制第一开关φ31从而控制第一寄生电容C_finger预充电。第四时序控制信号φ2用于控制第二开关φ32从而控制电荷转移。本实施方式中，第三时序控制信号φ1和第四时序控制信号φ2是相位相差180°的非交叠时钟信号。第一时序控制信号Reset_a及第二时序控制信号Reset_b请参照前述描述。参考图20，所示为本申请一实施方式中像素电路123与放大电路13的连接示意图。本实施方式中，像素电路123通过第二开关φ32与放大电路13连接。像素电路123与放大电路13的具体结构请参考前述内容。

下面结合图19及图20具体描述本申请的指纹采集电路1的工作过程。该工作过程包括起始阶段、扫描阶段、预充电阶段、电荷转移阶段。其中，起始阶段及扫描阶段请参考前述描述的内容。下面具体描述指纹采集电路1在预充电阶段、电荷转移阶段的工作过程。

(1)预充电阶段，开关切换电路125的第二输出端1255的输出电压(NVSS)为接地端电压，第三时序控制信号φ1为高电平，第四时序控制信号φ2为低电平，所述第一开关φ31导通，所述第二开关φ32关闭。像素电路123的第一金属层1231连接参考电压V_REF，像素电路123的第二金属层1232与接地端GND，第一金属层1231与放大电路13断开，第一金属层1231的总寄生电荷表示为Q₁＝(C_finger+C_pex+C₂)×V_REF，其中C_finger为第一寄生电容，C_finger中包含了指纹信息，C_pex为第一金属层1231与衬底层1233之间的寄生电容，C₂为第一金属层1231与第二金属层1232的寄生电容。

(2)电荷转移阶段，第三时序控制信号φ1由高电平转变为低电平，第四时序控制信号φ2由低电平转变为高电平。此时，所述第一开关φ31关闭，所述第二开关φ32导通，放大电路13的反相输入端1312通过第二开关φ32连接至第一金属层1231，放大电路13的输出端1313和反相输入端1312通过反馈电容C_FB连接连接，构成反馈结构。反相输入端1312的电压等于放大电路13的正相输入端1311的电压，即参考电压VREF。由于第四时序控制信号φ2由断开转为导通状态，第二金属层1232连接开关切换电路125的第二输出端1255。第一寄生电容C_finger连接地端GND，此时开关切换电路125的第二输出端1255的输出电压(NVSS)为电源电压VDD的负值，标记为-VTX。第一金属层1231和第二金属层1232之间的第一电容C2连接开关切换电路125的第二输出端1255。第四时序控制信号φ2由断开转为导通状态时，第二金属层1232连接开关切换电路125的第二输出端1255，第一金属层1231的总寄生电荷表示为Q₂＝(V_REF-V_TX)*C_finger+V_REF*(C₂+C_pex)。第四时序控制信号φ2导通之前，放大电路13的反相输入端1312的电荷量是Q_CFB＝C_FB*(V_DD-V_{DC_OS})+C_FB*(V_OUT-V_REF)。第四时序控制信号φ2导通后，总寄生电荷量Q₂＝(V_REF-V_TX)*C_finger+V_RE_F*(C₂+C_pex)+(V_DD-V_{DC_OS})*C_FB+(V_REF-V_OUT)*C_FB，根据电荷守恒，Q₁＝Q₂，则输出端1313的输出电压为：

经过N次积分，输出端1313的输出电压为

由上式可以看到，放大电路13的输出端1313的输出电压VoUt仅与第一寄生电容C_finger、反馈电容C_FB、预设负电压-VTX(即参考电压-VDD)有关，与第二寄生电容C_pex无关。像素电路123进行空扫时，第一寄生电容C_finger＝0，因此V_OUT＝V_DD-V_{DC_OS}+V_REF。

上述技术方案，具有如下技术效果。

(1)各像素电路123的输出电压V_OUT值存在差异得到解决。

像素阵列感应电路12在进行扫描时，对第一寄生电容C_finger的采样依靠开关切换电路125的第二输出端1255的输出电压(NVSS)的变化，而像素阵列感应电路1中间列的像素电路123、边缘列的像素电路123、保护环126与开关切换电路125的第二输出端1255连接的电压均是相同的NVSS，因此像素阵列感应电路12中各像素电路123彼此之间的变化也是相同的。对于像素电路123周边的像素电路而言，不存在电位变化。从根本上解决了像素阵列感应电路12边缘列的像素电路123、中间列的像素电路123的输出电压V_OUT存在差异的问题。

(2)各像素电路123的寄生电容C_pex不一致的问题得到解决。

由于像素电路123的输出电压Vout与第二寄生电容C_pex无关，因此可以解决各像素电路123的寄生电容C_pex不一致的问题。

(3)像素电路123的输出电压V_OUT值存在温漂现象得到解决。

由于像素电路123的输出电压Vout与第二寄生电容C_pex无关，因而像素电路123的输出电压Vout可避免受到像素电路123的寄生电容C_pex的温漂现象的影响，因此可以解决像素电路123的输出电压V_OUT值存在的温漂现象。

(4)像素电路123的穿透能力差的问题得到解决。

由于像素电路123的输出电压Vout与第二寄生电容C_pex无关，因而像素电路123的穿透能力差、像素电路123感测的数据的均匀性差的问题也可以得到解决。

参考图21，在本申请的一实施例中，像素电路123的扫描电路127位于所述像素阵列感应电路12的边缘列的像素电路123的下方，如此有效节省了像素阵列感应电路12在电路板上布局的面积。对于采用侧边式指纹识别方案的设备来说，本案的指纹采集电路1的设备可以进一步减少设备的侧边的宽度。

参考图22，所示为本申请一实施方式中像素电路123各层布局的俯视图。请一并参考图23，所示为图22中沿II-II线的剖视图。第二金属层1232位于第一金属层1231的下方，走线层位于第二金属层1232的下方，且第二金属层1232在衬底层1234的投影覆盖第一金属层1231在衬底层1234的投影，有效减小了第一金属层1231到衬底层1234的寄生电容。像素电路123的器件和走线在衬底层1234进行布线，简化了像素电路123在电路板上的布局。需要说明的是，像素电路123不仅包括第一金属层1231、第二金属层1232，还可包括其它多个金属层。第二金属层1232和设置在其上方的其它多个金属层至少有一层在衬底层1234的投影覆盖第一金属层1231在衬底层1234的投影，起到屏蔽第一金属层1231到衬底层1234的寄生电容的效果。例如，在第一金属层1231与第二金属层1232之间可设置第三金属层，第三金属层用作遮挡层并在衬底层1234的投影覆盖第一金属层1231在衬底层1234的投影，此时第二金属层1232的面积可以小于第三金属层的面积。又例如，在第一金属层1231和第二金属层1232之间除设置有第三金属层外，还可包括第四金属层(图中未示)，像素电路123的器件和走线可在走线层进行布线。各金属层通过走线连接走线层。

需要说明的是，本申请采集到的指纹信号是利用第一金属层1231到手指之间的第一寄生电容C_finger，这里手指可以看作是接地端GND。所以本申请期望第一金属层123到接地端GND只保留第一寄生电容C_finger，其他寄生电容越小越好。为了实现上述期望，本申请在图3的像素电路的方案中采用第二金属层1212、第三金属层1213作为遮挡层对第一金属层1211进行遮挡以消除第一金属层1211与衬底层1215之间形成的寄生电容，以及在图15的像素电路的方案中采用第二金属层1232作为遮挡层对第一金属层1231进行遮挡以消除第一金属层1232与衬底层1234(参考图23)之间形成的寄生电容C_pex。对图15的像素电路的方案，寄生电容C_pex会在像素电路的起始阶段、扫描阶段、预充电阶段、电荷转移阶段接不同电位进行处理，使得最终V_out的表达式中与寄生电容C_pex无关。由于遮挡层到衬底层1234之间的寄生电容C_pex与指纹信号的信号量是无关的，因此可以不用关心。例如，如上述内容所述，经过N次积分，指纹采集电路1的输出端1313的输出电压为：

由上式可以看到，输出端1313的输出电压Vout仅与第一寄生电容C_finger、反馈电容C_FB、预设负电压-VTX(即参考电压-VDD)有关,与寄生电容C_pex无关，因此可以不用关心寄生电容C_pex。

本实施例中的整个像素阵列感应电路12和放大电路13结构简单，所需的电源电压V_DD和地GND都无需特别处理，且兼容芯片的其他模块的V_DD和GND，无需采用特殊制程，普通CMOS制程均可实现。

本实施例中感测的指纹信号的灵敏度高，而不需要通过提高像素阵列感应电路的面积来提高灵敏度，对比一般的采集电路，本实施例中的像素阵列感应电路面积可缩小，节约芯片成本。

其它实施方式中，参考电压VTX电压可调、反馈电容CFB可调，参考电压VREF电压可调，电源电压VDD,参考电压VDC_OS电压可调，可根据实际应用选用固定电压或可调电压。

其它实施方式中，第一金属层1231的形状不仅限于矩形，对不同外形(例如正方形、圆形及不规则形状)的情况同样适用。

其它实施方式中，像素阵列感应电路12的形状不仅限于矩形(长条形)的外观，对不同外形(例如正方形、圆形及不规则形状)的情况同样适用。

其它实施方式中，指纹采集电路1的像素阵列感应电路12进行一次指纹采样后，所述模数转换电路15进行多次模数转换；或像素阵列感应电路12进行多次指纹采样后，模数转换电路15进行一次模数转换；亦或像素阵列感应电路12进行多次指纹采样后，模数转换电路15进行多次模数转换等不同的工作模式，以有效提升指纹的信号量。

本申请的实施例还提供了一种指纹芯片，指纹芯片包括晶粒。晶粒如上述实施方式中提供。此处不再赘述。

本申请的实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括上述实施方式中提供的指纹芯片。

以上实施方式仅用以说明本申请实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种指纹采集电路，包括像素阵列感应电路，其特征在于，所述像素阵列感应电路包括多个像素电路，每一像素电路包括第一金属层、第二金属层、衬底层，所述第一金属层用于对手指指纹进行检测，所述第二金属层设置于所述第一金属层及所述衬底层之间，所述第一金属层与所述第二金属层之间形成第一电容，所述第二金属层在所述衬底层的投影覆盖所述第一金属层在所述衬底层的投影，从而将所述第一金属层与所述衬底层进行隔离，所述第一金属层被手指触碰后生成指纹信号。

2.如权利要求1所述的指纹采集电路，其特征在于，所述指纹采集电路包括放大电路，所述放大电路与所述像素电路连接，所述放大电路用于对所述指纹信号进行放大。

3.如权利要求2所述的指纹采集电路，其特征在于，所述像素电路包括第一开关、第二开关、电阻，所述第一金属层与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端通过所述第一开关与第一参考电压连接，及通过所述第二开关与所述放大电路连接，所述第二金属层与浮动接地端连接。

4.如权利要求3所述的指纹采集电路，其特征在于，所述像素电路包括开关切换电路，所述浮动接地端与所述开关切换电路连接，所述开关切换电路的输出电压为所述浮动接地端的电压。

5.如权利要求4所述的指纹采集电路，其特征在于，所述开关切换电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一输出端、第二输出端、第二电容，电源电压通过所述第一MOS管、所述第二MOS管与接地端(GND)连接，所述电源电压通过所述第一MOS管与所述第一输出端连接，所述电源电压通过所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管与所述第二输出端连接，所述第一输出端与所述第二输出端通过所述第二电容连接。

6.如权利要求3所述的指纹采集电路，其特征在于，所述放大电路包括运算放大器及反馈环路，所述运算放大器包括同相输入端、反向输入端及输出端，所述同相输入端与所述第一参考电压相连接，通过调整所述第一参考电压来调整所述输出端的输出电压，所述第一金属层通过所述第二开关与所述反向输入端连接，所述输出端通过所述反馈环路与所述反向输入端连接。

7.如权利要求6所述的指纹采集电路，其特征在于，所述反馈环路包括反馈电容、第一开关组及第二开关组，所述反馈电容的上极板通过所述第一开关组的第一子开关与第二参考电压连接，所述反馈电容的下极板通过所述第一开关组的第二子开关与电源电压连接，所述反馈电容的上极板通过所述第二开关组的第一子开关与所述反向输入端连接，所述反馈电容的下极板通过所述第二开关组的第二子开关与所述输出端连接，所述反向输入端通过所述第一开关组的第三子开关与所述输出端连接。

8.如权利要求7所述的指纹采集电路，其特征在于，所述指纹采集电路还包括数模转换电路，所述数模转换电路提供所述第一参考电压及所述第二参考电压。

9.如权利要求7所述的指纹采集电路，其特征在于，所述指纹采集电路提供第一时序控制信号、第二时序控制信号、第三时序控制信号及第四时序控制信号，所述第一时序控制信号与所述第二时序控制信号为相位相差180°的时钟信号，所述第三时序控制信号与所述第四时序控制信号是相位相差180°的非交叠时钟信号，所述第一时序控制信号用于控制所述第一开关组的第一子开关、第二子开关、第三子开关的开合与关闭，所述第二时序控制信号用于控制所述第二开关组的第一子开关、第二子开关的开合与关闭，所述第三时序控制信号用于控制所述第一开关的开合与关闭，所述第四时序控制信号用于控制所述第二开关的开合与关闭。

10.如权利要求1所述的指纹采集电路，其特征在于，所述像素阵列感应电路包括保护环，所述保护环位于所述像素阵列感应电路的两侧，所述保护环连接浮动接地端的电压。

11.如权利要求1所述的指纹采集电路，其特征在于，所述像素阵列感应电路包括扫描电路，所述扫描电路与所述像素阵列感应电路的每一行的所述像素电路连接且位于所述像素阵列感应电路的边缘列的像素电路的下方，所述扫描电路控制像素阵列感应电路逐行或逐列扫描所述像素电路，所述像素电路连接浮动接地端的电压。

12.一种指纹采集电路，包括像素阵列感应电路，其特征在于，所述像素阵列感应电路包括多个像素电路，每一像素电路包括第一金属层、第二金属层、衬底层、及至少一第三金属层，所述第一金属层用于对手指指纹进行检测，所述第二金属层设置于所述第一金属层及所述衬底层之间，所述至少一第三金属层设置在所述第一金属层与所述第二金属层之间，所述至少一第三金属层中至少有一层在所述衬底层的投影覆盖所述第一金属层在所述衬底层的投影，所述第一金属层被手指触碰后生成指纹信号。

13.一种指纹芯片，其特征在于，所述指纹芯片集成如权利要求1至12中任意一项所述的指纹采集电路。

14.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求13所述的指纹芯片。

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