CN2696049Y - 半导体指纹采集器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的是一种半导体指纹采集器件。该器件可以采集用户指纹的脊和谷的图样，然后以电信号输出。该指纹采集器件感应来自信号源，经过驱动电极传导给手指上的信号，然后将信号放大输出，输出信号的大小反映了用户手指表皮与感应电极板间的距离。该指纹采集器件工作的过程中，放大器工作在复位和放大两种模式下。复位模式将放大器的输出置零，同时为与放大器的输入端相连的电容充电，用以提供在放大模式下放大器的直流工作点；在放大模式下对信号进行放大输出。该指纹采集器件可作为指纹图像采集集成电路的一个像素单元，从而完成整幅指纹图像的采集工作，应用于各种指纹识别装置。

Description

半导体指纹采集器件

技术领域

本实用新型涉及到一种半导体指纹采集器件，它可以采集用户手指指纹的脊和谷的图样，这个半导体指纹采集器件可作为指纹图像传感器集成电路的一个像素单元。

背景技术

指纹是人体与生俱来、与他人相区别地独一无二的不变特征。指纹识别技术也是较早被用来作为个人身份验证的技术。作为自动的指纹采集、输入技术，目前广泛被熟知的包括：光学成像、热敏传感器、电容式传感器、人体远红外传感器等。

指纹是由一系列皮肤表面上的脊和谷组成。指纹图案的唯一性是由这些脊和谷组成的细节决定的。由这些脊和谷所组成的有代表性的细节通常包括有：脊的分叉、脊的末端、拱形、帐篷式的拱形、左旋、右旋、螺旋和双旋等。

当用户的手指按压在指纹传感器的表面上时，皮肤表面上的脊和谷距离传感器的感应电极板的远近不同，这决定了由手指耦合到电极板上的信号强弱不同，当传感器检测出信号强弱的变化也就检测出了手指指纹的图样。

在美国申请的专利U.S.Pat.No.6636053与本实用新型相比较，两者的技术领域和应用相似，但技术上存在很大的不同。比如，美国专利U.S.Pat.No.6636053中使用了一个电荷积分器，电荷积分器的增益与感应面上的指纹是脊或谷相关；这种结构是单端结构。而本实用新型中的放大级是全双端结构，工作在两种模式下，它的增益不随用户指纹的情况变化。众所周知，单端模式电路易受到共模干扰和输入级的失调电压的影响；单端输出结构也易使信号在传输过程中受到外界干扰。

实用新型内容

为了克服上述技术中单端结构所具有的缺点，本实用新型的目的是提供一种半导体指纹采集器件，该器件的结构中输入、输出端都工作在差分模式。

本实用新型至少包含有一层保护层、一个驱动电极、一个信号感应级、一个信号放大级；信号感应级与信号放大级相连且位于保护层的下方，驱动电极与被检测的手指皮肤和信号感应级间构成信号通路。

更具体的是，本实用新型包含一层保护层，一个由信号激励源驱动的驱动电极，一个包括至少一个电极板的信号感应级，一个包括一个差分输入、差分输出的放大器和一对复位开关的信号放大级。信号感应级、信号放大级作为固态电路，位于保护层的下方，驱动电极与被检测的手指皮肤和信号感应级间构成信号通路。

所述的信号感应级包含至少一个电极板和该电极板上的寄生电容。所述的电极板位于指纹采集器件表面的下方。所述的信号感应级与信号放大级相连。所述的信号放大级，包括一个差分输入、差分输出的放大器和一对复位开关；信号放大级的输入端与放大器的输入端相连，信号放大级的输出端与放大器的输出端相连；所述的信号放大器的正相输入端与反相输出端之间、反相输入端与正相输出端之间分别与复位开关相连。所述的信号放大器的输出端与输出电路相连。

下文中使用了一些符号，本领域的技术人员将认识到，可用的表示符号有多种形式，使用这些符号是为了简化和清楚地说明本实用新型，而不是对本实用新型的限制。

以图2为例，当用户的手指50按压在该半导体指纹采集器件60的表面11上时，手指50的皮肤与电极板30构成了电容C_S的两极。电容C_S的大小是电容两极间距离的函数。电容C_S两极间的距离取决于该传感器的表面11上手指50皮肤的脊、谷的变化：当按压在该传感器的表面11上是脊时，电容C_S的两极间距离最小，电容值最大；当按压在该器件60的表面11上是谷时，电容C_S的两极间距离最大，电容值最小。

由于需要承受手指经常性的按压，该指纹传感器阵列单元电路的表面必须具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀的保护层10。

通常认为，手指的皮肤表面是等电位的。本实用新型中，信号源V_S通过驱动电极20a把信号传导给用户的手指50，再经过电容C_S传导至差分输入、差分输出放大器I₁的一个输入端INP。信号被放大器I₁放大后输出。为了最大地不衰减所接收到的微弱信号，本实用新型没有采用直流偏置电路为差分输入、差分输出放大器I₁的两个输入端INP、INM提供工作点。而是采用在复位模式为与放大器I₁的输入端相连的电容充电，用电容上储存的电荷为放大器I₁提供在放大模式的直流偏置。

引入一对复位开关K₁、K₂实现放大器I₁在两个模式间的切换。其中开关K₂的两端分别与放大器I₁的正相输入端INP和反相输出端OUTM相连，开关K₁的两端分别与放大器I₁的反相输入端INM和正相输出端OUTP相连。当开关闭合时该半导体指纹采集器件60工作在复位模式，由放大器I₁为与放大器I₁的输入端INP、INM相连的电容充电；当开关断开时该传感器阵列单元电路工作在放大模式，储存在与放大器I₁的输入端INP、INM相连的电容上的电荷为放大器I₁提供直流工作点。

采用差分输入、差分输出的放大器I₁是为了利用该类放大器高信噪比、高共模抑制比等特性。本实用新型所采用的结构和复位工作模式，可以极大地减小放大器I₁自身的失调电压所带来的误差影响。

本实用新型所述的半导体指纹采集器件可作为指纹图像传感器集成电路的一个像素单元。为了获得高分辨率，该指纹采集器件作为一个像素单元时，需要占用相当小的面积；而为了获得高的信噪比，需要使电容C_S的值尽量大，也就是使电极板的面积尽量大。本实用新型中，为了使整个器件结构紧凑，将半导体指纹采集器件60的部分电路61置于电极板30的下方。信号放大级45输出的信号，经过后继的输出电路I₂以及榭数转换电路I₃，如图4中所示，最终以数字信号的形式输出，供给识别电路实现指纹识别。

本实用新型的一大特点是使用了双端放大器，具有高共模抑制比的特性；本实用新型的另一个优点是由结构中引入复位开关所带来的，它可以抵消放大器的失调电压。上述优点极大地提升了该半导体指纹采集器件的性能。

附图说明

图1为本实用新型所述的半导体指纹采集器件的第一实施例的简化纵向剖面图；

图2为本实用新型所述的带有电路连接关系的半导体指纹采集器件的第一实施例的简化纵向剖面图；

图3为本实用新型所述的半导体指纹采集器件第一实施例的简化电路图；

图4为本实用新型第一实施例的带有输出电路的简化电路图；

图5为本实用新型所述的半导体指纹采集器件的第二实施例的简化纵向剖面图；

图6为本实用新型所述的半导体指纹采集器件的第三实施例的简化纵向剖面图；

图7为与图6相对应的集成电路的简化电路图。

具体实施方式

下文通过一些具体实施例，并配合附图，对本实用新型作进一步详细说明。

在这些实施例中，将本实用新型所述的半导体指纹采集器件作为指纹图像传感器集成电路的一个像素单元。

如图1所示，是本实用新型所述的半导体指纹采集器件的一个实施例的简化纵向剖面图。图中指示出了半导体指纹采集器件60的表面11，在该表面11的下方是本实用新型所述的高硬度、耐磨损、耐腐蚀的保护层10。图中器件60的表面11的上方是用户手指50的一部分按压在指纹传感器上。手指50的皮肤贴着传感器表面11的部分是脊51，凹上去没有贴着传感器表面11的部分是谷52。在图中左边与手指50相接触的是本实用新型所述的驱动电极20a，该驱动电极20a与通过受21控制的开关K_S与信号源V_S相联接。驱动电极20a将信号传导至用户的手指50上。在图中保护层10的下方标注了四个由金属层构成的极板：感应极板30，上层屏蔽极板32，下层屏蔽极板31，下层参考点极板33。半导体指纹采集器件的部分电路61被置于四个金属极板下方。在图的下方画出的是集成电路的硅衬底12。图中最下方标出了本实用新型所述的半导体指纹采集器件60作为一个像素单元在集成电路上所占用的空间。将逾以千、万计的本实用新型所述的半导体指纹采集器件排成一个二维阵列，就可以捕捉用户手指指纹的图像，当然，本实用新型所述的驱动电极20a，和与该驱动电极20a相联接的信号源V_S可以是共用的。

进一步地在图2中示出的是本实用新型带有电路连接关系的第一实施例的简化剖面图。在刚刚叙述的四个由金属层构成的极板的正下方设计放置有一个差分输入、差分输出的放大器I₁和一对复位开关K₁、K₂。差分输入、差分输出的放大器I₁的两个输入端INP、INM分别与信号放大级的两个输入端41、40相连；差分输入、差分输出的放大器I₁的两个输出端OUTP、OUTM分别与信号放大级的两个输出端42、43相连。将半导体指纹采集器件的部分电路61置于感应电极板30的下方，这也就使得感应极板30容易受到电路其它部分的干扰。一个与感应极板30大小相当的下层屏蔽极板31被置于感应极板30的正下方，将下层屏蔽极板31接地(它可以是系统的信号地或是电源地，也可以是一个虚拟地)，用以克服干扰问题。

感应极板30与下层屏蔽极板31间存在一个相对较大的寄生电容C_P1，使得差分输入、差分输出的内部放大器I₁的两个输入端INP、INM失衡，这会降低该放大器I₁工作的准确性。本实施例引入了上层屏蔽极板32和下层参考点极板33，这两个极板间存在一个寄生电容C_P2，将下层参考点极板33连至差分输入、差分输出放大器I₁的另一个输入端INM。若C_P1与C_P2的容值相当，差分输入、差分输出放大器I₁的两个输入端INP、INM就获得了平衡工作的条件。

上层屏蔽极板32与感应极板30在同一平面上相邻，上层屏蔽极板32与地相连(它可以是系统的信号地或是电源地，也可以是一个虚拟地)，用以屏蔽来自手指50表面的信号对下层参考点极板33的影响。下层参考点极板33处在上层屏蔽极板32的正下方，与下层屏蔽极板31在同一平面相邻。

用户手指50的皮肤与半导体指纹采集器件60的感应极板30构成了电容C_S的两极，保护层10和空气是电容C_S两极间的绝缘层。在这里认为，整个手指的皮肤表面是等电位的，也就是说，电容C_S的上极板通过受2l控制的开关K_S与信号源V_S相联接。寄生电容C_P1由感应极板30与下层屏蔽极板31构成；寄生电容C_P2由上层屏蔽极板32和下层参考点极板33构成。差分输入、差分输出的放大器I₁的正相输入端INP与感应极板30相连；放大器I₁的反相输入端INM与下层参考点极板33相连。一对复位开关K₁、K₂受控制信号PRE_CHG控制。其中，复位开关K₁的两端分别与放大器I₁的反相输入端INM和正相输出端OUTP相连；复位开关K₂的两端分别与放大器I₁的正相输入端INP和反相输出端OUTM相连。

为了便于说明本实用新型的工作原理，图3给出了本实用新型第一实施例的简化电路原理图。当复位开关K₁、K₂闭合，放大器I₁的两个输出端OUTP、OUTM分别向电容C_S、C_P1、C_P2充电；当复位开关K_l、K₂断开时，储存在电容C_S、C_P1、C_P2两端的电荷为放大器I₁的两个输入端INP、INM提供直流偏置，放大器I₁工作于放大模式。从图中可以看出，当复位开关K₁、K₂断开时，放大器I₁的两个输入端INP、INM没有直流通路，这样设计是为了获得高输入阻抗。这种结构设计的另一个优点是它可以自适应调整放大器I₁自身失调电压所带来的误差。

在放大模式下，开关K_S闭合，信号源V_S提供一个信号Δv，电容C_S与C_p1串连分压，在放大器I₁的输入端INP，产生信号ΔV_in：

${\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{in}}=\frac{C_S}{C_S+C_{P1}}\·\mathrm{\Δv}$ 公式l则得到差分输出信号V_OUT：

     v_VOUT＝v_OUTP-v_OUTM＝A·Δv_in         公式2其中，A是放大器I₁的电压增益。

当按压在感应极板30上的是‘脊’时，电容值C_S最大，输出信号V_OUT最大；当按压在该传感器的表面11上是‘谷时，电容值C_S最小，输出信号V_OUT最小。输出信号V_OUT的大小变化反映手指指纹‘脊’与‘谷’的变化。

图4所示的是本实用新型第一实施例加上输出电路的简化电路图。输出信号V_OUT经过输出电路I₂处理后，再由DAC模数转换电路I₃转换成数字信号输出。

图5为本实用新型所述的指纹采集器件的第二实施例的简化纵向剖面图。与第一实施例相比较，图5所示的第二实施例的区别主要有两个：第一个是其中的驱动电极20b直截与信号源V_S相联接；第二个是驱动电极20b是由集成电路内部的电极构成。这个内部的电极不被保护层10完全覆盖，可以与用户的手指50直截接触。这个内部的电极可以是分布于不同位置的触点，或是金属线，也可以是网格状的。工作原理与本实用新型第一实施例相似。

图6为本实用新型所述的指纹采集器件的第三实施例的简化纵向剖面图；与图5所示的第二实施例相比较，区别只有一个：驱动电极20c是由集成电路内部的电极构成，这个内部的电极被保护层10完全覆盖。这样，驱动电极20c与用户的手指50构成了另一个电容C_DRV。信号源通过电容C_DRV把信号传导给用户的手指50。

图7是与图6相对应的集成电路的简化电路图。由于本图中引入了电容C_DRV，信号ΔV_in变换成为：

${\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{in}}=\frac{C_S\·C_{\mathrm{DRV}}}{C_S\·C_{\mathrm{DRV}}+C_{P1}\·(C_S+C_{\mathrm{DRV}})}\·\mathrm{\Δv}$ 公式3显然在第三实施例中，放大器I₁输入端的信号因为电容C_DRV的引入而减小了。

尽管本实用新型已作了详细的说明并引证了最优的实例，但对于本领域的普通技术人员，显然可以按照上述说明作出种种替代方案、修改和改动。因此，所有这些替代方案、修正和改动，都应该包括在权利要求的精神和范围之内。

Claims (7)

1.一种半导体指纹采集器件，其特征是：至少包含有一层保护层、一个驱动电极、一个信号感应级、一个信号放大级；信号感应级与信号放大级相连且位于保护层的下方，驱动电极与被检测的手指皮肤和信号感应级间构成信号通路。

2.根据权利要求1所述的半导体指纹采集器件，其特征是：所述的驱动电极由一个信号激励源驱动。

3.根据权利要求2所述的半导体指纹采集器件，其特征是：所述的信号感应级包含至少一个电极板和该电极板上的寄生电容。

4.根据权利要求3所述的半导体指纹采集器件，其特征是：所述的电极板位于指纹采集器件表面的下方。

5.根据权利要求4所述的半导体指纹采集器件，其特征是：所述的信号感应级与信号放大级相连。

6.根据权利要求5所述的半导体指纹采集器件，其特征是：所述的信号放大级，包括一个差分输入、差分输出的放大器和一对复位开关；信号放大级的输入端与放大器的输入端相连，信号放大级的输出端与放大器的输出端相连；所述的信号放大器的正相输入端与反相输出端之间、反相输入端与正相输出端之间分别与复位开关相连。

7.根据权利要求6所述的半导体指纹采集器件，其特征是：所述的信号放大器的输出端与输出电路相连。

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