CN219039787U - 生物信息识别装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施方式涉及指纹识别技术领域，公开了一种生物信息识别装置，包括：指纹识别模块、及位于指纹识别模块朝向用户的一侧且用于将指纹识别模块进行封装以使指纹识别模块与外界绝缘的封装层，所述封装层的顶面为弧面；指纹识别模块包括：用于识别用户的指纹信息的指纹识别芯片，指纹识别芯片的上表面上设置有多个电容式像素单元，电容式像素单元与用户手指形成电容；及多个导电件，位于电容式像素单元上方。本实用新型实施方式还提供一种具有该生物信息识别装置的电子设备。本实用新型实施方式提供的生物信息识别装置及电子设备，用以提高电容式指纹识别的信号量,进而提高电容指纹识别的准确性。

Description

生物信息识别装置及电子设备

技术领域

本实用新型实施方式涉及指纹识别技术领域，特别涉及一种生物信息识别装置及电子设备。

背景技术

随着人们对于手机安全性的要求不断提高，生物识别逐渐被广泛应用于手机的身份验证。例如，中高端手机一般都配备有指纹识别模组等生物信息识别装置，指纹识别模组通常采用电容式指纹识别，具体原理如下：将芯片的感应区分割成多个小份(以下简称Pixel，单个Pixel的尺寸与手指指纹的宽度相对应)，当手指按压感应区时，手指指纹上的峰(指纹最高点)和谷(指纹最低点)会对应到不同的Pixel上，因其高度不同，两个Pixel之间会产生电容差，这个电容差值会反馈给指纹识别芯片生成指纹图像。即，对于电容式指纹识别而言，主要的信号量就是两个Pixel之间的电容差，利用该电容差识别出手指指纹上的峰和谷，形成指纹图像。

伴随着手机全面屏流行趋势的到来，原本广泛应用于中高端机型的正面指纹识别，开始转向屏下或侧面，但传统的电容式指纹信号无法穿透较厚的屏幕或曲面的侧面结构，导致电容式指纹识别的信号量不足，指纹识别的准确率不高、甚至无法识别。

实用新型内容

本实用新型实施方式的目的在于提供一种生物信息识别装置及电子设备，用以提高电容式指纹识别的信号量,进而提高电容指纹识别的准确性。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种生物信息识别装置，包括：指纹识别模块、及位于所述指纹识别模块朝向用户的一侧且用于将所述指纹识别模块进行封装以使所述指纹识别模块与外界绝缘的封装层，所述封装层的顶面为弧面；所述指纹识别模块包括：用于识别用户的指纹信息的指纹识别芯片，所述指纹识别芯片的上表面上设置有多个电容式像素单元，所述电容式像素单元与用户手指形成电容；及多个导电件，位于所述电容式像素单元上方。

本实用新型的实施方式还提供一种电子设备，包括如上所述的生物信息识别装置。

本实用新型实施方式相对于相关技术而言，其在用于识别指纹信息的指纹识别芯片上设置多个电容式像素单元、并在电容式像素单元上方增设导电件，根据电容式像素单元感测手指指纹时产生的电容值计算公式C＝εS/4πkd，d为导电件距离手指的距离(不设置导电件时，d为电容式像素单元距离手指的高度)，用户手指按压在电容式像素单元上方进行识别时，增设的导电件作为导体而言变相的降低了手指指纹与电容式像素单元之间的距离d，从而增大了电容式像素单元所产生的电容的电容值C。所以，该生物信息识别装置应用在电子设备上时，该指纹识别模块可以产生更大的信号量，进而可以减少出现无法识别或者电容信号量较小以致识别不够准确的情况。

在一个例子中，所述导电件为中空结构。

在一个例子中，所述指纹识别芯片包括中部、以及环绕所述中部设置的边缘部；在由所述中部到所述边缘部的方向上，所述多个导电件的高度逐渐减小。如此设置，由于导电件的高度变化趋势与封装层的顶面的变化趋势一致，使得各处的封装层的顶面距离导电件的顶端的距离基本一致，从而当用户手指触及顶面时，保证各个导电件距离手指表面的距离大致相等，改善了不同区域电容式像素单元所感应到的电容值差异较大的问题，更好的适应生物信息识别装置应用于终端上凸起区域下方的场景。

在一个例子中，所述多个导电件的横截面积相等。

在一个例子中，所述导电件为柱状的导电柱。如此设置，不仅便于生产制作，还可以便于保障各个导电件的形状的一致性，以提高各个电容式像素单元检测的电容信号的一致性。

在一个例子中，所述多个导电件的高度相等。

在一个例子中，所述指纹识别芯片包括中部、以及环绕所述中部设置的边缘部；在由所述中部到所述边缘部的方向上，所述多个导电件的横截面积逐渐减小。由于电容式像素单元感应到的电容值C＝εS/4πkd,因此，C与导电件的横截面积呈正相关、与导电件与手指的距离(也即导电件上方封装层的厚度)呈负相关。当该生物信息识别装置的边缘部分的电容式像素单元与手指之间的距离小于生物信息识别装置的中部的电容式像素单元与手指之间的距离时，通过上述边缘处的导电件的横截面积比中部处的导电件的横截面积小的方式，可以使得生物信息识别装置不同地方的电容式像素单元获取到的指纹信息尽量一致，以便于对指纹信号的算法处理，同时降低指纹信号的数据上下饱和的风险，进而达到改善指纹识别性能的目的。例如，当所述封装层的顶面为弧面时，封装层的中部厚，两侧薄，以致生物信息识别装置的边缘部分的电容式像素单元与手指之间的距离小于生物信息识别装置的中部的电容式像素单元与手指之间的距离，则通过上述边缘处的导电件的横截面积比中部处的导电件的横截面积小的方式，可以保证各电容式像素单元处获取到的信号量大小大体一致。

在一个例子中，所述导电件的底部与所述电容式像素单元的顶部间隔设置，所述指纹识别模块还包括：设置在所述电容式像素单元与所述导电件之间的介电层，所述介电层设置在所述上表面上并覆盖所述多个电容式像素单元；所述介电层包括：靠近所述封装层一侧的第一表面，所述多个导电件设置在所述第一表面上。

在一个例子中，所述第一表面为弧面。如此设置，能够抵消封装层为非平面时对信号量造成的影响。

在一个例子中，每个所述导电件的高度大于或等于100微米。

在一个例子中，每个所述导电件的横截面积范围为400平方微米至900平方微米。

在一个例子中，任意相邻的两个导电件之间的间距范围为20微米至30微米。

在一个例子中，每个所述导电件对应一个所述电容式像素单元设置。如此设置，能够在保证分辨率不变的前提下，提升生物信息识别装置各个位置所能获得的信号量，提高指纹识别的准确率。

在一个例子中，所述导电件为铜柱。

在一个例子中，所述生物信息识别装置设置于所述电子设备的侧面。

附图说明

图1是本实用新型实施方式提供的一种生物信息识别装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施方式提供的另一种生物信息识别装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施方式提供的又一种生物信息识别装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施方式提供的又一种生物信息识别装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施方式提供的又一种生物信息识别装置的结构示意图；

图6是本实用新型实施方式提供的又一种生物信息识别装置的结构示意图；

图7是手指触摸生物信息识别装置时电容式像素单元感应到的电容值的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本实用新型实施方式涉及一种生物信息识别装置，如图1所示，本实施方式提供的生物信息识别装置包括：指纹识别模块、及位于指纹识别模块朝向用户的一侧且用于将指纹识别模块进行封装以使指纹识别模块与外界绝缘的封装层14，封装层14的顶面为弧面，指纹识别模块包括：指纹识别芯片11和多个电容式像素单元12，电容式像素单元12位于指纹识别芯片11的上表面上，多个电容式像素单元12用于采集用户指纹信息，指纹识别芯片11用于识别指纹信息，电容式像素单元12与用户手指形成电容,生物信息识别装置还包括多个导电件13，多个导电件13位于电容式像素单元12上方。

由于其在用于识别指纹信息的指纹识别芯片11上设置多个电容式像素单元12、并在电容式像素单元12上方增设导电件13，根据电容式像素单元12感测手指指纹时产生的电容值计算公式C＝εS/4πkd，d为导电件13距离手指的高度(不设置导电件13时，d为电容式像素单元12距离手指的高度)，用户手指按压在电容式像素单元12上方进行识别时，增设的导电件13作为导体而言变相的降低了手指指纹与电容式像素单元12之间的距离d，从而增大了电容式像素单元所产生的电容的电容值C。所以，该生物信息识别装置应用在电子设备上时，指纹识别模块可以产生更大的信号量，进而可以减少出现无法识别或者减少电容信号量较小以致识别不够准确的情况例如，即使是指纹识别模块里电容式像素单元上方/外侧的绝缘件较厚，本实用新型提供的生物信息识别装置依然能实现较准确的指纹识别。

下面对本实施方式的生物信息识别装置的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必需。

具体的说，导电件13可以为柱状的导电柱，不仅便于生产制作(比如通过电镀形成柱状)，还可以便于保障各个导电件的形状的一致性，以提高各个电容式像素单元检测的电容信号的一致性。其中，导电件的材料可以为金、银、铜等导电材料，本实施方式中，所述导电件可以为铜柱，由于铜具有高导电性，从而进一步提供了指纹识别的效果。本实施方式中，导电柱可以为实心结构。当然，如图2所示，导电件13也可以为中空结构，此时，导电件13具有密封腔体20，其可以同时保障导电件13与封装层14的顶面之间的距离较短以增加检测的电容信号的信号量，还可以节省材料和成本，且还避免了用于制备第一介质层的材料从腔体的开口处进入腔体中。

实际应用中，封装层14包括：远离指纹识别芯片11的顶面142、与顶面142相对设置的底面141，本实施方式中，顶面142为弧面。传统电容式指纹模块都是一个方形或者圆形的平面接触式，用户使用时手感不舒适，外形不美观等问题,致使手机壳新意不足很难在用户体验上有新的突破；而且尤其是在风沙、粉尘等恶劣环境下，灰尘经常会很容易吸附在平面上，使用时指纹识别出现误判等问题。而本实施方式中，通过封装层14的顶面142为弧面这一弧面电容指纹设计，新的结构设计方案一方面使指纹识别模块在整机外观上更具手感，更具立体感，带给用户群体全新的既视感；另一方面采用弧面立体设计在摔落时接触的是一个点不会是一个面，从而能够避免手机在摔落时对整个电容式指纹识别模块的平面造成损伤，而且弧面设计对整机摔落时也会起到一个缓冲的作用；并且，弧面设计使得灰尘等杂质不易吸附，避免了使用时指纹识别出现误判。具体的，本实施方式中，封装层14可以是将指纹识别模块进行塑封、以使指纹识别模块与外界绝缘的塑封层。

本实施例中，导电件13的底部与电容式像素单元12的顶部接触，从而，导电件13与电容式像素单元12二者能够共同组成用于感应电容的极板以感应手指触摸而产生的电容，利用增设的导电件13直接降低电容式像素单元12与手指之间的间距，能够获得更大的信号量。

其中，多个导电件13的高度均相等，每个导电件13的横截面积恒定，多个导电件13的横截面积也均相等。

如图3所示，在本实施方式的另一种生物信息识别装置结构中，指纹识别芯片11包括中部113、以及环绕中部113设置的边缘部114，在由中部113到边缘部114的方向上，多个导电件13的高度逐渐减小，每个导电件13的横截面积恒定，多个导电件13的横截面积也均相等。如此设置，使得该生物信息识别装置能够适合设置在终端上凸起区域的下方实现指纹识别，该种导电件13的高度变化趋势与封装层14的弧形的顶面142的变化趋势一致，使得各处的封装层14的顶面142距离导电件13的顶端的距离基本一致，从而当用户手指触及顶面142时，保证各个导电件13距离手指表面的距离大致相等，改善了不同区域电容式像素单元12所感应到的电容值差异较大的问题，更好的适应生物信息识别装置应用于终端上凸起区域下方的场景也可以更好的适用于生物信息识别装置中电容式像素单元与手指之间的绝缘层的厚度较厚或者绝缘层的厚度不一致的情况。例如，图1中所示的弧面的电容指纹模组，该生物信息识别装置可以设置于手机的侧面，以实现侧面的电容式指纹识别的同时，还可以使得电容信号量较大，进而较准确的进行指纹识别，进而可以适应当前全面屏盛行的趋势，且能丰富用户体验。

如图4所示，在本实施方式的又一种生物信息识别装置结构中，多个导电件13的高度相等，在由中部113到边缘部114的方向上，多个导电件13的横截面积逐渐减小。由于电容式像素单元12感应到的电容值C＝εS/4πkd,因此，C与导电件13的横截面积呈正相关、与导电件13的d呈负相关，在电容式像素单元12上方设置导电件13后，当该生物信息识别装置设置在终端上凸起区域的下方实现指纹识别时(例如将生物信息识别装置设置于手机的侧面凸起的电源键内时)，封装层14的顶面为弧面，封装层14的中部厚、两侧薄，此时，生物信息识别装置的中部的电容式像素单元与手指之间的距离较大(d较大)、而生物信息识别装置的边缘部分的电容式像素单元与手指之间的距离较小(d较小)，因此，可以通过在由中部113到边缘部114的方向上，使得多个导电件13的横截面积逐渐减小，即，上述边缘处的导电件13的横截面积比中部处的导电件13的横截面积小的方式，可以使得生物信息识别装置不同地方的电容式像素单元获取到的指纹信息尽量一致，以便于对指纹信号的算法处理，同时降低指纹信号的数据上下饱和的风险，进而达到改善指纹识别性能的目的。

如图5所示，在本实施方式的还一种生物信息识别装置结构中，在由中部113到边缘部114的方向上，多个导电件13的高度逐渐减小，多个导电件13的横截面积也逐渐减小，通过导电件13的高度和横截面积这两个维度的补偿，从而能够进一步减小不同区域获取到的信号量的大小差异。

如图6所示，导电件13的底部与电容式像素单元12的顶部也可以间隔设置，在电容式像素单元12与导电件13之间也可以增设有介电层15，此时，介电层15铺设在上表面111上并覆盖多个电容式像素单元12，介电层15包括靠近封装层14一侧的第一表面151，多个导电件13设置在第一表面151上，具体的，导电件13的第一端面131与介电层的第一表面151接触，其中，第一表面151可以为弧面。如此设置，能够抵消或减少封装层为非平面时对信号量造成的影响。

可以理解的是，无论针对何种导电件13的高度设置方式，由于各导电件13的高度差是在设计、制造阶段已知的，所以也可以通过设计软件程序来弥补各导电件13的高度差带来的信号量大小不一致的问题，如此以来，在通过软件设计弥补信号量差异的情形下，便可以在设计制造过程中不必通过特定的结构设计(如高度、横截面积等)来确保信号量一致，使得导电件13的结构更加简单，制作过程更加容易。

当然，顶面142也可以为平面或其他形状的表面，对应的，除了以上导电件13的高度设置方式之外，还可以根据生物信息识别装置装配位置表面的形状不同，适应性的改变导电件13的高度、以使导电件13末端组成的形状与装配位置表面的形状匹配，在此不再一一举例。

此外，为了在保证分辨率不变的前提下，提升生物信息识别装置各个位置所能获得的信号量，提高指纹识别的准确率，本实施方式中，每个电容式像素单元12对应设置一个导电件13。当然，也可以令至少部分的电容式像素单元12共用导电件13，此时，导电件13的数量少于电容式像素单元12，至少部分导电件13在上表面111上的投影、与至少两个的电容式像素单元12在上表面111上的投影部分重叠，也即，多个电容式像素单元12对应一个导电件13，通过减少导电件13的数量并增加导电件13的横截面积，降低了导电件13的制作工艺难度。

为了保证指纹识别的准确率，在实际应用中要求信噪比SNR大于5，而SNR＝73.35*△C，即，SNR与△C成正比，因此，需要提高信号量以满足要求。具体的，电容计算公式：C＝εS/4πkd，从公式可知C受介电层K值，介电层厚度，电极板面积影响。

如图7所示，其为手指触摸生物信息识别装置时电容式像素单元12感应到的电容值C的示意图。电容指纹信号量主要受电容差△C影响，△C越大，说明模组能检测到的指纹信号越强，其中，△C＝Cmax-Cmin，Cmax为手指触摸生物信息识别装置时指纹的峰对应的值，Cmin为手指触摸生物信息识别装置时指纹的谷对应的值。

为了获知各影响因子对信号量大小的影响，发明人根据控制变量法做了以下仿真实验，具体数据如下：

表1

表2

表3

表1、表2、表3中，EMC为封装层14，PI为介电层15，εEMC为封装层14的介电常数，εPI为介电层15的介电常数，h为导电件13的高度，S为导电件13的横截面积，H为封装层14的厚度。

需要说明的是，仿真中封装层14和介电层15的厚度均恒定不变，具体为，封装层14的厚度为200um，介电层15的厚度为10um(微米)。

表1展示了导电件13的横截面积、以及封装层14的介电常数和介电层15的介电常数恒定的情形下，信噪比随导电件13的高度变化的趋势，由表1数据可知，导电件13高度越大，电容信号量越大。

表2展示了导电件13的高度、以及封装层14的介电常数和介电层15的介电常数恒定的情形下，信噪比随导电件13的横截面积变化的趋势，由表2数据可知，导电件13的横截面积对信号量的影响不大。

表3展示了导电件13的高度和横截面积恒定的情形下，信噪比随封装层14的介电常数和介电层15的介电常数变化的趋势，由表3数据可知，封装层14和介电层15的介电常数越大，电容信号量越大。

另外，需要说明的是，任意相邻的两个导电件13之间的间距范围可以为20微米至30微米，以与手指指纹的峰和谷匹配。

为了获知导电件13为实心结构或中空结构、以及是否设置介电层15对信号量的影响，发明人还做了不同封装层14的厚度下的信噪比检测仿真实验，具体数据如下：

表4

表5

表6

表4、表5、表6中，EMC为封装层14，PI为介电层15，εEMC为封装层14的介电常数，εPI为介电层15的介电常数，h为导电件13的高度，S为导电件13的横截面积，H为封装层14的厚度。

根据导电件13的高度、导电件13的横截面积、封装层14的厚度、以及介电层15的厚度对信噪比SNR的影响趋势，本实施方式中，每个导电件13的高度可以大于或等于100微米，每个导电件13的横截面积范围可以为400平方微米至900平方微米(优选的，625平方微米)，封装层14的厚度范围可以为150微米至250微米(优选的，200微米)，介电层15的厚度范围可以为8微米至12微米(优选的，10微米),通过在这些范围内合理的取值，能够使得信噪比SNR大于5，从而保证了指纹识别的准确率。

需要说明的是，仿真中介电层15的厚度恒定不变，具体为，介电层15的厚度为10um。

由上述仿真数据可知，在相同的条件下，导电件13为实心结构且不设置介电层15(导电件13与电容式像素单元12直接相连)时，能够获得更大的信号量。

此外，本实用新型的实施方式还提供一种电子设备，该电子设备可以是手机、PAD等便携式电子装置，其包括如前实施方式所述的任一种生物信息识别装置。

可选的，生物信息识别装置设置于所述电子设备的侧面，以在用户手指触及电子设备的侧面时，利用生物信息识别装置检测电容变化，进而识别用户手指的指纹，由于生物信息识别装置的封装层的顶面为弧面，从而能够更好的与电子设备侧面的曲面区域相适应。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施方式，在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (10)

1.一种生物信息识别装置，其特征在于，包括：

指纹识别模块，用于识别用户的指纹信息的指纹识别芯片，所述指纹识别芯片的上表面上设置有多个电容式像素单元，所述电容式像素单元与用户手指形成电容；

介电层，其设置在指纹识别模块的上方以覆盖所述多个电容式像素单元，所述介电层具有一个远离所述指纹识别模块的第一表面，所述介电层的第一表面为平面；

多个导电件，其设置在所述介电层的第一表面，且所述多个导电件的底部与所述电容式像素单元的顶部间隔设置且一一对应；以及

封装层，其设置在所述介电层上，覆盖所述多个导电件，所述封装层用于将所述指纹识别模块进行封装以使所述指纹识别模块与外界绝缘的封装层,所述封装层的顶面为弧面。

2.根据权利要求1所述的生物信息识别装置，其特征在于，所述多个导电件为铜柱，其高度相等、横截面积相等、间距相同。

3.根据权利要求1所述的生物信息识别装置，其特征在于，所述导电件的横截面积的大小小于与其对应的电容式像素单元的横截面积的大小。

4.根据权利要求1所述的生物信息识别装置，其特征在于，所述导电件为中空结构。

5.根据权利要求1所述的生物信息识别装置，其特征在于，每个所述导电件的高度大于或等于100微米。

6.根据权利要求1所述的生物信息识别装置，其特征在于，每个所述导电件的横截面积范围为400平方微米至900平方微米。

7.根据权利要求1所述的生物信息识别装置，其特征在于，任意相邻的两个所述导电件之间的间距范围为20微米至30微米。

8.根据权利要求1所述的生物信息识别装置，其特征在于，所述指纹识别芯片包括中部、以及环绕所述中部设置的边缘部；在由所述中部到所述边缘部的方向上，所述多个导电件的高度逐渐减小，或所述多个导电件的横截面积逐渐减小。

9.一种电子设备，包括如权利要求1-8中任一项所述的生物信息识别装置，所述生物信息识别装置设置在所述电子设备的侧面。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备的侧面为弧面。

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