DE112016004090T5

DE112016004090T5 - Halbbrücken-fingerabdruckerfassungsverfahren

Info

Publication number: DE112016004090T5
Application number: DE112016004090.3T
Authority: DE
Inventors: Igor Kravets; Roman Ogirko; Hans Klein; Oleksandr Hoshtanar
Original assignee: Cypress Semiconductor Corp
Current assignee: Cypress Semiconductor Corp
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-06-07
Also published as: WO2017044386A1; CN107924460A; US10380397B2; US20200005011A1; US20170068835A1; CN107924460B

Abstract

Es werden Fingerabdruckdetektionsschaltungen mit Gleichtaktrauschunterdrückung beschrieben. Die Fingerabdruckdetektionsschaltung umfasst eine Halbbrückenschaltung, die mit einer Empfangselektrode (RX-Elektrode) eines Arrays von Fingerabdruckdetektionselektroden und mit einer vergrabenen Kapazität, die durch das Vorhandensein eines leitenden Objekts auf dem Array unveränderbar ist, gekoppelt ist. Die Fingerabdruckdetektionsschaltung kann auch eine Hörerelektrode umfassen, die konfiguriert ist, Gleichtaktrauschunterdrückung durch eine Differentialeingangsstufe eines rauscharmen Verstärkers (Low Noise Amplifier, LNA) zu ermöglichen.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine internationale Anmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 14/978,442 , eingereicht am 22. Dezember 2015, die die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldungen Nr. 62/216,241 , eingereicht am 9. September 2015, und 62/216,253, eingereicht am 9. September 2015, beansprucht, wobei alle unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in dieser Patentschrift einbezogen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Fingerabdruckerfassung und insbesondere den Aufbau und die Verwendung eines Fingerabdruckerfassungsarrays.
STAND DER TECHNIK
Benutzergeräte speichern verschiedene Arten von Informationen und ermöglichen Zugriff auf zusätzliche Informationen über ihre Verbindung mit dem Internet und in diesem gespeicherte Datenbanken. Die Erlangung eines unautorisierten Zugriffs auf das Gerät eines Benutzers kann den Zugriff auf vertrauliche Informationen über diesen Benutzer bereitstellen, die verwendet werden können, um Schaden zu verursachen, Identität zu stehlen oder andere Arten von Betrug zu begehen.
Die biometrische Authentifizierung ist ein Verfahren, durch das der Besitzer eines Geräts sicherstellen kann, dass seine Informationen bei Bedarf privat bleiben und der Zugriff auf Informationen und Systeme geschützt bleibt.
KURZDARSTELLUNG
Es wird eine Differentialkapazitätsmessschaltung offenbart. Die Differentialkapazitätsmessschaltung kann eine Halbbrückenschaltung beinhalten. Die Halbbrückenschaltung kann einen ersten Gegenkondensator, der zwischen einer Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode eines Arrays ausgebildet ist, und einen zweiten Gegenkondensator, der vergraben ist oder von einem Benutzer nicht veränderbar ist, umfassen. Der erste Gegenkondensator kann mit einem ersten Signal angetrieben werden und der zweite Gegenkondensator kann mit einem Signal angetrieben werden, das zu dem ersten Signal komplementär ist. Die Kapazitätswerte des ersten Gegenkondensators und des zweiten Gegenkondensators können im Wesentlichen gleich sein, sodass die Halbbrückenschaltung ausgeglichen ist, oder an einem geteilten Knoten zwischen dem ersten und zweiten Gegenkondensator übereinstimmen. Der geteilte Knoten zwischen der ersten und zweiten Gegenkapazität kann mit einem Differenzialverstärker an einem ersten Eingang gekoppelt sein. Eine Hörerelektrode kann mit dem Differenzialverstärker an einem zweiten Eingang gekoppelt sein. In einer Ausführungsform können die Hörerelektroden konfiguriert sein, Gleichtaktrauschunterdrückung mit der Differenzialeingangsstufe des Differenzialverstärkers zu bereitzustellen.
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer digitalen Darstellung einer Kapazität zwischen einer Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode beschrieben. Das Verfahren kann das Empfangen eines ersten Signals an einem Knoten, der mit einem ersten Eingang eines Verstärkers gekoppelt ist, und eines zweiten Signals an dem Knoten, der mit dem ersten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist, umfassen. Das erste Signal kann von einem ersten Sendesignal (TX-Signal) und einer Kapazität zwischen einer Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode stammen. Das zweite Signal kann von einem zweiten Sendesignal (TX-Signal), das zu dem ersten Signal komplementär ist, und einer Kapazität zwischen zwei vergrabenen Elektroden stammen. Die vergrabenen Elektroden können so angebracht sein, dass eine Gegenkapazität zwischen diesen durch das Vorhandensein eines leitenden Objekts auf der Zeilen- und Spaltenelektrode nicht geändert werden kann. Das Verfahren kann das Empfangen eines dritten Signals an einer Hörerelektrode, die mit einem zweiten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist, umfassen. Das Verfahren kann auch das Konvertieren eines Ausgangs des Verstärkers in einen digitalen Wert, der für die Kapazität zwischen der Zeilenelektrode und der Spaltenelektrode repräsentativ ist, umfassen.
Es wird ein Fingerabdruckdetektionsarray beschrieben, wobei das Fingerabdruckdetektionsarray eine Vielzahl von Sendeelektroden (TX-Elektroden), die entlang einer ersten Achse angebracht sind, und eine Vielzahl von Empfangselektroden (RX-Elektroden), die entlang einer zweiten Achse angebracht sind, umfasst. Das Fingerabdruckdetektionsarray kann mindestens eine RX-Elektrode umfassen, die in zwei Abschnitte geteilt ist, die voneinander galvanisch isoliert sind. Die Abschnitte der geteilten RX-Elektroden können konfiguriert sein, alleine oder in Kombination mit anderen Abschnitten von anderen Abschnitten von geteilten RX-Elektroden als Hörerelektrode zu arbeiten. Die Hörerelektrode, die aus dem einen oder den mehreren Abschnitten von geteilten RX-Elektroden besteht, kann mit einem Eingang eines rauscharmen Differenzialverstärkers (Low Noise Amplifier, LNA) gekoppelt werden. Ein anderer Eingang des Differenzial-LNA kann mit einer Empfangselektrode gekoppelt werden. In einer Ausführungsform kann ein Gleichtaktrauschen, das an dem einen oder den mehreren Abschnitten der geteilten RX-Elektroden detektiert wird, durch die Differenzialeingangsstufe des Differenzial-LNA unterdrückt werden.
Figurenliste

1 illustriert ein System, das eine Fingerabdruckdetektionsschaltung gemäß einer Ausführungsform umfasst.
2 illustriert eine Halbbrücken-Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß einer Ausführungsform.
3 illustriert eine Halbbrücken-Differentialkapazitätsmessschaltung mit mehreren vergrabenen Antriebselektroden gemäß einer Ausführungsform.
4 illustriert ein Kapazitätsmesssystem, das ein Halbbrücken-Differentialkapazitätsmesssystem gemäß einer Ausführungsform umfasst.
5 illustriert eine Ausführungsform eines Arrays von Elektroden für die Verwendung mit einem Kapazitätsmesssystem.
6A illustriert eine Ausführungsform einer Oberlage einer Fingerabdruckdetektionsschnittstelle mit einer Hörerelektrode.
6B illustriert eine Ausführungsform einer Oberlage einer Fingerabdruckdetektionsschnittstelle mit einer Hörerelektrode.
7A illustriert eine Ausführungsform eines Arrays von Elektroden mit einer geteilten Empfangselektrode.
7B illustriert eine Ausführungsform eines Arrays von Elektroden mit geteilten Antriebselektroden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung werden, zum Zwecke der Erklärung, zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der in dieser Patentschrift erörterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es wird jedoch für einen Fachmann auf dem Gebiet evident sein, dass diese und andere Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Techniken nicht im Detail gezeigt, aber stattdessen in einer Blockdarstellung, um das Verständnis dieser Beschreibung nicht zu erschweren.
Bezugnahmen in der Beschreibung auf „eine einzelne Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft, beschrieben in Verbindung mit der Ausführungsform, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung eingeschlossen ist. Der Ausdruck „in einer einzelnen Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung bezieht sich nicht unbedingt auf die gleiche Ausführungsform.
Zwecks Einfachheit und Übersichtlichkeit der Illustration können Bezugszeichen in den Figuren wiederholt werden, um korrespondierende oder analoge Elemente anzugeben. Es werden zahlreiche Details dargelegt, um ein Verständnis der in dieser Patentschrift beschriebenen Ausführungsformen bereitzustellen. Die Beispiele können ohne diese Details ausgeübt werden. In anderen Fällen werden gut bekannte Verfahren, Abläufe und Komponenten nicht im Detail beschrieben, um ein Unverständlichmachen der beschriebenen Beispiele zu vermeiden. Die Beschreibung soll nicht auf den Umfang der in dieser Patentschrift beschriebenen Beispiele beschränkt angesehen werden.
1 illustriert ein System 100 mit einer Fingerabdruckmessschaltung 101. Die Fingerabdruckmessschaltung 101 kann eine Anzahl von Elektroden umfassen, die in einem Array 102 aus Zeilenelektroden 104 und Spaltenelektroden 106 angeordnet sind, die jeweils mit einer Fingerabdruck-Steuerung (FP-Steuerung, FP = Fingerprint) 105 gekoppelt sind. 1 illustriert acht Zeilenelektroden 104 und acht Spaltenelektroden 106, es können aber erheblich mehr Elektroden entlang beiden Achsen angebracht sein. Abhängig von der Größe des Arrays können Dutzende oder Hunderte Elektroden für jede Achse (Zeile und Spalte) vorliegen. Der Abstand der Zeilenelektroden 104 und Spaltenelektroden 106 kann klein genug sein, sodass mehrere Zeilen oder Spalten innerhalb eines Raums zwischen Kämmen eines Fingerabdrucks oder entlang eines Kamms des Fingerabdrucks angebracht sein können, wenn ein Finger mit dem Array 102 in Kontakt ist. Die exakte Größe und der exakte Abstand der Elektroden kann von den Systemkonstruktionsanforderungen abhängen.
Die Zeilenelektroden 104 und Spaltenelektroden 106 können so angebracht sein, dass zwischen ihnen eine Gegenkapazität, C_MX, gebildet wird. Ein Wert der C_MX kann dann jedem Schnittpunkt (von Zeilenelektroden 104 und Spaltenelektroden 106) des Arrays 102 entsprechen. Im Beispiel von 1 werden insgesamt 64 Schnittpunkte illustriert. Demgemäß gibt es 64 Gegenkapazitäten. In einem Array mit 75 Zeilenelektroden und 125 Spaltenelektroden kann es 9375 Schnittpunkte und somit 9375 Gegenkapazitäten geben. In dieser Ausführungsform würde es 9375 Gegenkapazitäten geben, die gemessen und in der Fingerabdruckabbildung verwendet werden können. Die Elektroden (Spalten und Zeilen) mit gestrichelten Linien geben an, dass entlang beiden Achsen erheblich mehr Spalten oder Zeilen angebracht werden können. Während nur acht Elektroden (Zeilen 104 und Spalten 106) illustriert werden, dient dies lediglich der Einfachheit der Beschreibung. Ein Fachmann auf dem Gebiet würde verstehen, dass Spalten und Zeilen, die gestrichelt sind, Dutzende oder sogar Hunderte Elektroden darstellen. Die berechneten Werte der C_MX(oder die digitalen Werte, die für die Gegenkapazität C_MXrepräsentativ sind) können von der FP-Steuerung 105 oder einem Host 112 verwendet werden, um ein Fingerabdruckbild zur Registrierung oder Validierung zu konstruieren, das verwendet werden kann, um sichere Funktionen des Systems 100 zu entsperren.
Die Fingerabdruckmessschaltung 101 kann auch eine Hörerelektrode 110 umfassen, die mit der FP-Steuerung 105 gekoppelt und konfiguriert ist, Gleichtaktrauschen zur Unterdrückung zur Messung der C_MXbereitzustellen. Gleichtaktrauschen kann in eine Empfangsschaltung eingekoppelt werden, wie jene, die zum Messen einer Gegenkapazität an einem Schnittpunkt verwendet wird. Das Gleichtaktrauschen kann in das gesamte Array 102 eingekoppelt werden und von Systemkonstruktionselementen, dem Finger eines Benutzers oder einem anderen globalen Stimulus bezogen werden.
2 illustriert eine Halbbrückenschaltung 200 zum Messen der Kapazität mit unterdrücktem Gleichtaktrauschen und Abbilden eines Fingerabdrucks. Die Halbbrücke 200 kann innerhalb der FP-Steuerung 105 von 1 angebracht sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Halbbrücke 200 in einen Hostprozessor, den Anwendungsprozessor eines Computergeräts oder in eine Berührungssteuerungsschaltung, die konfiguriert ist, das Vorhandensein eines leitenden Objekts auf einem Berührungsbildschirm zu detektieren, integriert werden. Eine Gegenkapazität, C_MX, zwischen einer Zeilen- und Spaltenelektrode (d. h. Zeilenelektrode 104 und Spaltenelektrode 106 von 1) wird zwischen einem Sendeknoten (TX-Knoten) 211 und einem Empfangsknoten (RX-Knoten) 213 gebildet. Der TX-Knoten 211 kann mit einem Signal, TX, das von einem Mastersignal, F_TX, stammt, über den Puffer U1 angetrieben werden. Der Puffer U1 kann konfiguriert sein, das Mastersignal F_TX zu empfangen und ein TX-Signal, TX, durch Schalten der Signalleitung zwischen einer Quellspannung, V_TX, und einem Massepotenzial bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen können unterschiedliche Antriebsspannungen und Senkenspannungen für den Puffer U1 verwendet werden. Ein Signal, das vom TX-Signal TX und der Gegenkapazität C_MXstammt, kann im RX-Knoten 213 induziert (oder empfangen) werden und mit dem positiven Eingang des rauscharmen Verstärkers (LNA) 240 gekoppelt werden.
Eine vergrabene Kapazität, C_Dbb, kann durch die Kapazität einer vergrabenen Empfangselektrode (RX-Elektrode) zu einer vergrabenen Antriebselektrode gebildet werden. Eine vergrabene Kapazität kann eine Kapazität sein, die durch die Platzierung eines leitenden Objekts, wie etwa eines Fingers, nahe dem Array nicht geändert oder verändert werden kann (siehe Array 102 von 1). Die C_Dbb kann in ähnlicher Weise wie die C_MXangetrieben werden, aber mit einem komplementären TX-Signal, TX', am TX'-Knoten 212. Ein Signal, das auf dem komplementären Signal TX' und der Gegenkapazität C_DBB basiert, kann im RX-Knoten 213 empfangen werden und mit dem positiven Eingang des rauscharmen Verstärkers (LNA) 240 gekoppelt werden. Das komplementäre Signal TX' kann gegenüber dem Signal TX um 180 Grad phasenverschoben sein. Die Physik der vergrabenen Kapazität C_Dbb kann ähnlich wie die der C_MX sein. Das heißt, die C_Dbb kann eine Gegenkapazität sein, die zwischen einer vergrabenen RX-Elektrode und einer vergrabenen TX-Elektrode gebildet wird. Das Antriebssignal für die C_Dbb, das komplementäre Signal TX', kann über den Puffer U2 vom F_TX stammen, so wie das Antriebssignal TX über den Puffer U1. In einer Ausführungsform kann der Puffer U2 F_TX invertieren und auch die Signalleitung zwischen der Quellenspannung V_TX und einem Massepotenzial schalten. Dieses Schema kann ein Signal bereitstellen, das zum TX komplementär ist. Wie beim Puffer U1, können mit dem Puffer U2 unterschiedliche Antriebsspannungen und Senkenspannungen verwendet werden.
Der RX-Knoten 213, der zwischen C_MX und C_Dbb geteilt wird, kann mit einer Kompensationsschaltung 230 gekoppelt werden. Die Kompensationsschaltung 230 kann verwendet werden, um Versatzsignale bereitzustellen (wie einen induzierten Strom von einem Kompensationssignal TX_COMP und einem Kompensationskondensator, C_COMP), um C_MX und C_DBB über eine Halbbrückenschaltung 200 besser in Übereinstimmung zu bringen. Die Kompensationsschaltung 230 kann einen Modulator 232 mit Eingängen vom Mastersignal F_TX und einem Polaritätssignal „0/1“ und einen Ausgang zu einem Puffer, U3, umfassen. In einer Ausführungsform kann der Modulator 232 ein XOR-Logikelement sein. Durch die Verwendung eines XOR-Logikelements als Modulator kann eine Halbbrückenschaltung (wie etwa die Halbbrückenschaltung 200) bereitgestellt werden, die gegenüber Schwankungen der V_TX unempfindlich ist. Wenn das Polaritätssignal eine logische 0 ist, kann das TX_COMP-Signal über C_COMP zu dem Signal am RX-Knoten 213 vom TX-Knoten 211 ergänzend sein. Wenn das Polaritätssignal eine logische 1 ist, kann das TX_COMP-Signal über C_COMP zu dem Signal am RX-Knoten 213 vom TX'-Knoten 211 ergänzend sein. Der Puffer U3 kann konfiguriert sein, einen Kompensationskondensator, C_COMP, mit einem Kompensationssignal, TX_COMP anzutreiben. Das Kompensationssignal TX_COMP kann durch den Puffer U3 unter Verwendung des Ausgangs des Modulators 232 erzeugt werden, um den Eingang des Puffers U3 zwischen einer Kompensationsspannung, V_COMP, und einem Massepotenzial zu alternieren. Der alternierende Ausgang des Puffers U3 kann daher die Kompensationsspannung, V_COMP, oder ein Massepotenzial (oder ein festes Potenzial mit beiden Polaritäten) sein. In einer Ausführungsform kann V_COMP durch einen geregelten Spannungsteiler, R_DAC, zwischen einer Versorgungsspannung und einem Massepotenzial bereitgestellt werden. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann V_COMP durch externe Versorgungsspannungen, feste Versorgungsspannungen innerhalb eines Chips, das die Halbbrückenschaltung enthält, oder durch einen Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) bereitgestellt werden. Auf die vorliegende Ausführungsform zurückkommend kann die Versorgungsspannung des geregelten Spannungsteilers R_DAC V_TX sein, die gleiche Spannung, mit der die Antriebssignalausgänge des Puffers U1 und U2 bereitgestellt werden. Der geregelte Spannungsteiler R_DAC kann mit einer Verweistabelle (Look-Up-Table, LUT) für jeden zu messenden Schnittpunkt (jede Gegenkapazität C_MX für die Schnittpunkte zwischen Zeilenelektroden 104 und Spaltenelektroden 106 von 1) eingestellt werden. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können sich die Versorgungsspannungen von V_TX unterscheiden und kann das Massepotenzial eine andere Senkenspannung sein. Der Ausgang des geregelten Spannungsteilers R_DAC kann über einen Spannungsfolger, Verstärker (Amplifier, Amp) 236, gehen, um dem Puffer U3 das Antriebspotenzial, V_COMP, bereitzustellen.
Die Halbbrückenschaltung 200 kann einen rauscharmen Verstärker (LNA) 240 mit einem positiven Eingang, der mit dem RX-Knoten 213 gekoppelt ist, umfassen. Wenn die Kapazitätswerte der Gegenkapazität C_MX und der vergrabenen Kapazität C_Dbb übereinstimmen, ist der Brückenausgang null. Der LNA 240 kann einen negativen Eingang aufweisen, der mit einer Hörerelektrode 250 gekoppelt ist. In einer Ausführungsform gleicht die Impedanz der Hörerelektrode 250 der Impedanz der RX-Elektrode, die mit dem positiven Eingang des LNA 240 gekoppelt ist. Da die Hörerelektrode 210 und die RX-Elektroden (nicht gezeigt, aber durch den RX-Knoten 213 von C_MX dargestellt) übereinstimmende Impedanzen aufweisen, liegt an beiden Eingängen des LNA 240 ein Rauschsignal vor, das durch das Vorhandensein eines leitenden Objekts (z. B. eines Fingers) in den Sensor injiziert wird. Das Rauschen ist daher Gleichtakt und kann durch die Differenzialeingangsstufe des LNA 240 über die Hörerelektrode 250 unterdrückt werden.
In einigen Ausführungsformen kann es schwierig sein, die Gegenkapazität C_MX und die vergrabene Kapazität C_Dbb in Übereinstimmung zu bringen. Variationen der Fertigungstoleranzen und die Verringerung der Gegenkapazität, wenn ein leitendes Objekt (z. B. ein Finger) auf die Erfassungsoberfläche platziert wird (durch Ableiten der Kapazität von der Gegenkapazität zwischen sich schneidenden Elektroden, wie in 1 gezeigt), können es zu schwierig machen, die Gegenkapazität C_MX und die vergrabene Kapazität C_Dbb in Übereinstimmung zu bringen. Darüber hinaus kann die Reduzierung der Gegenkapazität C_MX aufgrund der Platzierung eines leitenden Objekts (z. B. eines Fingers) auf die Erfassungsoberfläche nicht wiederholbar sein. Änderungen der Platzierung des leitenden Objekts oder der spezifischen Eigenschaften des leitenden Objekts können den Wert der C_MX bei aufeinanderfolgenden Platzierungen des leitenden Objekts auf die Erfassungsoberfläche unterschiedlich ändern.
Die Kompensation für Variationen der Gegenkapazität C_MX und vergrabenen Kapazität C_Dbb kann mit der Kompensationsschaltung 230 kompensiert werden. Der Modulator 232 der Kompensationsschaltung kann mit einem XOR-Element mit Eingängen vom F_TX und einem „1/0“-Signal, wie oben erörtert (siehe 2), gebildet werden. In einer Ausführungsform kann die Kompensationskapazität C_COMP der Kompensationsschaltung 230 konfiguriert sein, genug Signal bereitzustellen, um das maximale Ungleichgewicht zwischen der Gegenkapazität C_MX und vergrabenen Kapazität C_Dbb zu überwinden. In einer anderen Ausführungsform kann die Kompensationskapazität C_COMP größer als der mögliche Gesamtfehler (Toleranz) der Gegenkapazität C_MX und vergrabenen Kapazität C_Dbb sein. Das heißt, die C_COMP kann groß genug sein, um Kompensation für eine Nichtübereinstimmung der C_MX und C_Dbb bereitzustellen. Das Konfigurieren der Kompensationskapazität C_COMP, um den maximalen Unterschied zwischen oder den möglichen Gesamtfehler der Gegenkapazität C_MX und der vergrabenen Kapazität C_Dbb abzudecken, erlaubt der Kompensationsschaltung 230 unabhängig von den Betriebsbedingungen Kompensation für den Betrieb der Halbbrückenschaltung 200 bereitzustellen. Diese Kompensation kann einen ausgeglicheneren („abgestimmten“) Eingang für den LNA 240 und eine Kapazitätsmessung für eine Änderung der Gegenkapazität C_MX (wenn ein Fingerabdruckkamm am Schnittpunkt der ausgewählten Zeilenelektrode 104 und Spaltenelektrode 106 von 1 vorliegt) bereitstellen.
2 illustriert eine Halbbrückenschaltung 200, die für ein einzelnes Sendesignal konfiguriert ist, was bedeutet, dass jeweils eine Gegenkapazität (d. h. C_MX) angetrieben wird.
3 illustriert eine Halbbrückenschaltung 300, die konfiguriert ist, mehrere TX-Elektroden gleichzeitig anzutreiben. Ein solcher Betrieb kann als „Multi-TX“-Betrieb bezeichnet werden. Die Halbbrückenschaltung 300 kann ähnliche Blöcke wie die Halbbrückenschaltung 200 von 2 verwenden. Ein zusätzlicher Puffer, U4, kann jedoch einer zweiten vergrabenen Kapazität C_Dbb2, die zwischen dem Puffer U4 und dem RX-Knoten 213 gekoppelt ist, ein Antriebssignal TX" am TX"-Knoten 314 bereitstellen. Das Antriebssignal TX" kann gegenüber dem Signal TX komplementär und daher um 180 Grad phasenverschoben sein. Die Halbbrückenschaltung 300 kann eine DBB-Steuerungsschaltung 310 für die Puffer U2 und U4 umfassen. Die DBB Steuerungsschaltung 310 kann den Eingängen D1 und D2 der Puffer U2 bzw. U4 das Signal F_TX, gemäß Steuereingängen 311 und 312, zusammen, Steuereingänge 313, bereitstellen. Die Steuereingänge 313 können verwendet werden, um den Ausgang der Puffer U2 und U4 abzustimmen, um über die mehreren DBB-Kapazitäten, C_DBB und C_DBB2, variierende Werte der Gesamtkapazität bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann die vergrabene Kapazität C_Dbb2 dreimal größer als die vergrabene Kapazität C_Dbb sein.
Da mehrere Gegenkapazitäten (C_{MX_A}-C_{MX_C}) mit mehreren Phasen eines TX-Signals angetrieben werden können, muss der Wert der Summe dieser mehreren Kapazitäten (C_{MX_A}-C_{MX_C}) auf der anderen Seite der Halbbrückenschaltung 300 ausgeglichen sein. Es ist die Kombination der C_Dbb und C_Dbb2, wodurch dieses Ausgleichen und In-Übereinstimmung-Bringen für den Eingang des LNA 240 bereitgestellt werden kann. Phasenmanipulation der Antriebssignale TX' und TX" an den vergrabenen Kapazitäten C_Dbb und C_Dbb2 kann ein genaueres In-Übereinstimmung-Bringen mit der Summenkapazität C_{MX_SUM} der mehreren angetriebenen TX-Elektroden 106 bereitstellen. Für die beispielhafte Ausführungsform von 3 kann es unter Verwendung der vergrabenen Kapazitäten C_Dbb und C_Dbb2 der Halbbrückenschaltung 300 möglich sein, vergrabene Kapazitätswerte zwischen 1 x und 4 x C_Dbb bereitzustellen. Die Signale für Steuereingänge, die Ausgänge der DBB-Steuerungsschaltung 310 und der summierte Wert der vergrabenen Kapazitäten werden in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1.

Steuersignal 00 01 10 11

D1-Eingang F_TX /F_TX Z F_TX

D2-Eingang Z F_TX F_TX F_TX

Gesamt-DBB-Kapazität 1 X C_Dbb 2 X C_Dbb 3 x C_Dbb 4 X C_Dbb
Wenn zum Beispiel die DBB-Steuerungsschaltung 310 entsprechend den Ausgängen D1 und D2 ein „01“ ausgibt, ist der Ausgang von U2 (von D1) das Komplement des Mastersignals F_Tx und ist der Ausgang von U4 (von D2) das Mastersignal F_Tx. Die Ausgänge haben die Frequenz des Mastersignals F_Tx (oder des Komplements), aber die Amplitude des Signals wird von den Antriebsspannungen (d. h. V_TX) vorgegeben. Falls der Kapazitätswert von CDBB2 dreimal so groß wie die Kapazität von CDBB ist, wird die Gesamt-DBB-Kapazität am RX-Knoten 213 von 3 vorgegeben durch: $Gesamt-DBB-Kapazität = C_{DBB2} - C_{DBB} = 2 * C_{DBB} .$
Während in 3 nur eine einzelne Gegenkapazität C_MXillustriert wird, kann die Gegenkapazität der Halbbrückenschaltung 300 jedoch die Summe von so vielen Gegenkapazitäten sein, die im Multi-TX-Betrieb jeweils aktiv sind. Wenn zum Beispiel vier Antriebselektroden (d. h. Säulenelektroden 106 in 4) angetrieben werden und eine Empfangselektrode (d. h. Zeilenelektroden 104 in 1) mit LNA 240 gekoppelt ist, können insgesamt vier Gegenkapazitäten mit dem Eingang von LNA 240 gekoppelt sein. Es kann daher notwendig sein, die Summe dieser vier Gegenkapazitäten über die Kombination von C_Dbb-Kapazitäten in Übereinstimmung zu bringen.
Während in 3 nur ein Paar C_Dbb-Kapazitäten illustriert wird, können darüber hinaus mehr C_Dbb-Kapazitäten mit mehr Puffern und entsprechenden Gegenkapazitäten zwischen diesen Puffern und dem RX-Knoten 213 implementiert werden. Größere Anzahlen von C_Dbb-Kapazitäten können die Fähigkeit bereitstellen, die Halbbrückenkapazitäten von größeren Anzahlen von Gegenkapazitäten oder mit feinerer Auflösung, zusätzlich zu der durch die Kompensationsschaltung 230 bereitgestellte Kompensationsauflösung, in Übereinstimmung zu bringen.
4 illustriert ein System 400, das die Halbbrückenschaltung 300 von 3 umfasst. Ein Array von Elektroden 402 kann Zeilenelektroden 404 und Spaltenelektroden 406 umfassen. Spaltenelektroden 406 können mit mindestens einem TX-Puffer 408 (d. h. Puffer U1 der 2 und 3) gekoppelt sein, der mit einem TX-Mustergenerator 412 gekoppelt sein kann. Der TX-Mustergenerator 412 kann ein oder mehrere TX-Muster für die eine oder die mehreren Spaltenelektroden basierend auf F_Tx (siehe 2 und 3) bereitstellen. Während für jede Achse nur acht Elektroden illustriert werden, wird ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass viele weitere Elektroden im Array 402 angebracht sein können, um einer Messschaltung eine ausreichende Größe und Auflösung bereitzustellen. Wie oben mit Bezug auf 1 erläutert, können auf jeder Achse Dutzende oder Hunderte Elektroden angebracht sein, um die notwendige Auflösung bereitzustellen. Für eine Fingerabdruckmessschaltung kann der Abstand der Elektroden derart sein, dass mehrere Elektroden für jeden Kamm oder jedes Tal eines Fingerabdrucks angebracht sind. Für eine Berührungssteuerung können die Elektroden derart angebracht sein, dass möglicherweise mehrere Elektroden durch das Vorhandensein eines leitenden Objekts, wie etwa eines Fingers, auf dem Array beeinträchtigt werden.
Die Zeilenelektroden 404 des Arrays 402 können eine Gegenkapazität mit den Spaltenelektroden 406 (siehe C_MX von 1 und 2 und C_MX__A-C_MX__C von 3) bilden. Die Zeilenelektroden 404 können über einen RX-Multiplexer 430, der mit dem RX-Knoten 213 gekoppelt ist, mit einem positiven Eingang des rauscharmen Verstärkers (LNA) 440 gekoppelt werden. In einer Ausführungsform kann der RX-Multiplexer 430 konfiguriert sein, jeweils eine einzelne Zeilenelektrode mit dem positiven Eingang von LNA 440 zu koppeln. In einer anderen Ausführungsform können mehrere Zeilenelektroden gleichzeitig mit dem positiven Eingang von LNA 440 gekoppelt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform können mehrere LNAs mit dem RX-Multiplexer 430 gekoppelt werden, um individuelle und gleichzeitige Messung zu erlauben. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der RX-Multiplexer 430 mehrere kleinere Multiplexer beinhalten, entweder parallel oder in Serie, mit verschiedenen Eingangs- und Ausgangskonfigurationen.
Das System 400 kann auch eine Hörerelektrode 410 in enger physischer Nähe zum Array 402 umfassen. Die Hörerelektrode 410 kann wie oben mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben mit dem negativen Eingang von LNA 440 gekoppelt werden (siehe Hörerelektrode 250 und LNA 240).
Um die Halbbrücke in dem System 400 zu bilden, können wie oben in 2 und 3 beschrieben Puffer und Kapazitäten eingeschlossen werden. Um die vergrabenen Kapazitäten C_Dbb und C_Dbb2 zu bilden, kann eine erste vergrabene Elektrode 251 mit dem positiven Eingang von LNA 440 am RX-Knoten 213 gekoppelt werden. Eine zweite vergrabene Elektrode 253 und eine dritte vergrabene Elektrode 255 können auf eine Weise angebracht sein, dass zwischen jeder und der ersten vergrabenen Elektrode 251 eine Gegenkapazität (C_{DBB_3} und C_{DBB_5}) gebildet wird. Die Größe der vergrabenen Kapazitäten für C_Dbb und C_Dbb2 kann durch die Größe der vergrabenen Elektroden und den Raum zwischen diesen definiert sein. Die Kapazität wird vorgegeben durch: $C = ε_{r} ε_{0} \frac{A}{d},$
wobei C die Kapazität in Farad ist, A der Bereich der Überlappung zwischen Zeilen- und Spaltenelektroden der vergrabenen Kapazitäten ist, ε_r die relative statische Permittivität (Dielektrizitätskonstante) des Materials zwischen den Zeilen- und Spaltenelektroden (Platten eines Kondensators) ist, ε₀ die Dielektrizitätskonstante ist und d die Trennung zwischen den Zeilen- und Spaltenelektroden (Platten des Kondensators) ist.
Die vergrabenen Elektroden 253 und 255 können mit Ausgängen der Puffer U2 und U4 (wie in 3 illustriert) gekoppelt werden. Die Steuerung der Puffer U2 und U4 kann mit einer DBB-Steuerungsschaltung 260 erzielt werden, die ebenfalls mit Bezug auf 3 oben ausführlich beschrieben wird. Das Antriebsschema zum Bereitstellen der verschiedenen, vergrabenen Kapazitätswerte für den positiven Eingang von LNA für das In-Übereinstimmung-Bringen der Gegenkapazität zwischen Zeilenelektroden 404 und Spaltenelektroden 406 (C_MX von 2 und 3) wird in Tabelle 1 als Beispiel gezeigt.
Um die Kompensationskapazität (C_COMP von 2 und 3) bereitzustellen, kann eine Kompensationselektrode 257 derart angebracht sein, dass eine Gegenkapazität zwischen der Kompensationselektrode 257 und der ersten vergrabenen Elektrode 251 gebildet wird. Der Ausgang des Puffers U3 (ebenfalls in 2 und 3 illustriert) kann mit der Kompensationselektrode 257 gekoppelt werden. Der Puffer U3 kann wie in 2 und 3 illustriert durch den Modulator 432 gesteuert werden und ein Signal bereitstellen, das zwischen Masse- und einer Kompensationsspannung, V_COMP, eingestellt durch einen Digital-zu-Analog-Wandler 434 (R_DAC und Verstärker A von 2 und 3), geschaltet wird.
Der Ausgang von LNA 440 kann mit einer Demodulationsschaltung („Demodulator“) 450 gekoppelt werden, die einen Analog-zu-Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 452 bereitstellt. Der Betrieb der Demodulationsschaltung 450 und des ADC 452 kann ähnlich sein wie in der US-Patentanmeldung Nr. 14/672,036 beschrieben, die in dieser Patentschrift durch Bezugnahme einbezogen ist.
Das Mastersignal F_TX, das verwendet werden kann, um den Kapazitäten der Halbbrücke von System 400 die verschiedenen Antriebsfrequenzen bereitzustellen, kann durch das digitale Teilsystem 470 bereitgestellt werden. Das digitale Teilsystem 470 kann einen Taktgenerator 471 umfassen, der eine Taktfrequenz für Antriebs- und Steuerungsfunktionen bereitstellen kann. Das digitale Teilsystem 470 kann auch eine CPU 473 umfassen, die konfiguriert sein kann, um Funktionen und Programme auszuführen, die im Speicher 475 gespeichert sind, und Register („Reg“) 477 für den Schaltungsbetrieb und die Verbindungssteuerung zu steuern. Schließlich kann das digitale Teilsystem 470 digitale I/O (E/A) 479 umfassen, die für die Kommunikation mit einer Hoststeuerung oder einer AFE-Steuerungsschaltung (nicht gezeigt) konfigurierbar sind.
5 illustriert eine Ausführungsform eines Fingerabdrucksensors 500, der Elektroden umfasst, die jenen ähnlich sind, die in 4 illustriert werden (Zeilen 404 und Spalte 406 von Array 402). Der Fingerabdrucksensor 500 kann ein Array von Elektroden 502 umfassen, die die Gegenkapazität (d.h. C_MX von 1 und 2 und C_{MX_A}-C_{MX_C} von 3) bilden. Das Array 502 kann eine Vielzahl von Zeilenelektroden 504 und eine Vielzahl von Spaltenelektroden 506 umfassen. Während für jede Achse nur acht Elektroden illustriert werden, dient dies lediglich der leichteren Beschreibung. Ein Fingerabdruckmessarray kann Dutzende oder Hunderte Elektroden umfassen, die als Zeilen und Spalten angebracht sind. Eine Gegenkapazität (C_MX von 1) kann am Schnittpunkt von jeder Zeilenelektrode 504 und Spaltenelektrode 506 gebildet werden. Die Zeilenelektroden 504 und Spaltenelektroden 506 können mit der Empfangsschaltung (RX-Schaltung) bzw. Antriebsschaltung (TX-Schaltung) wie in 4 gezeigt und beschrieben gekoppelt werden. Die Elektroden (Spalten und Zeilen) mit gestrichelten Linien geben an, dass entlang beiden Achsen erheblich mehr Spalten oder Zeilen angebracht werden können. Während nur acht Elektroden (Zeilen 504 und Spalten 506) illustriert werden, dient dies lediglich der Einfachheit der Beschreibung. Ein Fachmann auf dem Gebiet würde verstehen, dass Spalten und Zeilen, die gestrichelt sind, Dutzende oder sogar Hunderte Elektroden darstellen.
Eine Hörerelektrode 510 kann in enger Nähe zum Array 502 angebracht und mit einem Eingang eines LNA (wie in 2 und 3 illustriert) gekoppelt werden. Die Hörerelektrode kann derart angebracht werden, dass ein Kontakt mit dem Array 502 zwangsläufig einen Kontakt mit der Hörerelektrode 510 bereitstellt. Die Hörerelektrode 510 kann verwendet werden, um über Differenzialeingänge an einem LNA Gleichtaktrauschunterdrückung bereitzustellen.
6A illustriert eine Ausführungsform eines Fingerabdrucksensors 600, der Spaltenelektroden umfasst, die jenen ähnlich sind, die in 4 und 5 illustriert werden (siehe Spaltenelektroden 406 und 506). In einer Ausführungsform können die Spaltenelektroden 606 mit dem positiven Eingang von LNA 440 gekoppelt sein und können die Zeilenelektroden (zwecks Verständlichkeit der Beschreibung nicht gezeigt) mit einer Vielzahl von TX-Puffern (412 von 4) gekoppelt sein. Der Fingerabdrucksensor 600 kann auch eine Hörerelektrode 610 umfassen, die entlang einer Kante des Fingerabdrucksensors 600 angebracht ist. In einer Ausführungsform kann die Hörerelektrode 610 auf eine Weise aufgebaut und angebracht sein, dass eine Berührung, die für ein Fingerabdruckbild (und anschließende Entscheidungen) ausreichende Informationen erzeugen kann, zwangsläufig die Hörerelektrode 610 kontaktiert. In dieser Ausführungsform wird die Gleichtaktrauschunterdrückung durch die Hörerelektrode 610 über den Differenzialeingang (d. h. LNA 240 von 2 und 3) bereitgestellt. Der Differenzialeingang kann sichergestellt werden, da ein Finger stets mit der Hörerelektrode in Kontakt sein wird, wenn der Fingerabdrucksensor 600 aktiv ist und fähig ist, einen Fingerabdruck abzubilden.
6B illustriert eine andere Ausführungsform eines Fingerabdrucksensors 601, der Spaltenelektroden 606 umfasst, die jenen ähnlich sind, die in 4, 5 und 6A illustriert werden. In einer Ausführungsform können die Spaltenelektroden 606 mit dem positiven Eingang von LNA 440 gekoppelt sein (siehe 4) und können die Zeilenelektroden (zwecks Verständlichkeit der Beschreibung nicht gezeigt) mit einer Vielzahl von TX-Puffern (412 von 4) gekoppelt sein. Der Fingerabdrucksensor 601 kann auch eine Hörerelektrode 611 umfassen, die an einer Kante und nahe der Mitte des Fingerabdrucksensors 601 angebracht ist. In einer Ausführungsform kann die Hörerelektrode 611 auf eine Weise aufgebaut und angebracht sein, dass eine Berührung, die für ein Fingerabdruckbild (und anschließende biometrische Entscheidungen) ausreichende Informationen erzeugen kann, die Hörerelektrode 610 kontaktieren wird. In dieser Ausführungsform wird die durch die Hörerelektrode 610 bereitgestellte Gleichtaktrauschunterdrückung sichergestellt, da ein Finger stets mit der Hörerelektrode in Kontakt sein wird, wenn der Fingerabdrucksensor 600 aktiv ist und fähig ist, einen Fingerabdruck abzubilden.
7A illustriert eine Ausführungsform eines Fingerabdrucksensors 700 mit einem Array von Elektroden 702. Das Array 702 kann eine Vielzahl von Spaltenelektroden 706 und eine Vielzahl von Zeilenelektroden 704 umfassen. Die Zeilenelektroden 704 können mit der Antriebsschaltung wie in 2-4 beschrieben gekoppelt werden. Die Spaltenelektroden können mit einem LNA (ähnlich LNA 240 und 440 der 2-4) gekoppelt werden. Der Fingerabdrucksensor 700 kann mindestens eine geteilte Elektrode 705 (bestehend aus geteilten Elektrodenhälften 705.1 und 705.2) unter den Spaltenelektroden 706 umfassen, die mit dem LNA (440 von 4) gekoppelt werden können. Eine geteilte Elektrode 705 kann eine sein, die einen Bruch 715 an einem Punkt zwischen einer Seite des Arrays und der anderen aufweist. Während die 7A zeigt, dass der Bruch 715 in der Mitte der geteilten Elektrode 705 liegt, kann der Bruch 715 an anderer Stelle entlang der Achse der geteilten Elektrode 705 positioniert sein. Der Bruch 715 kann den geteilten Elektrodenhälften 705.1 und 705.2 eine galvanische Isolation bereitstellen. Die Elektroden (Spalten und Zeilen) mit gestrichelten Linien geben an, dass entlang beiden Achsen erheblich mehr Spalten oder Zeilen angebracht werden können. Während nur acht Elektroden (Zeilen 704 und Spalten 706) illustriert werden, dient dies lediglich der Einfachheit der Beschreibung. Ein Fachmann auf dem Gebiet würde verstehen, dass Spalten und Zeilen, die gestrichelt sind, Dutzende oder sogar Hunderte Elektroden darstellen.
Der Fingerabdrucksensor 700 kann Hörerelektrodenfunktionalität bereitstellen, ähnlich wie jene, die in 6A und 6B illustriert wird, aber mit In-Raster-Elektroden. Diese Konfiguration kann eine größere Scheindecke für einen Kontakt zwischen einem Finger und der Hörerelektrode bereitstellen, wenn die geteilte Elektrode 705 dementsprechend konfiguriert ist. Wenn eine Zeilenelektrode, die mit einer Antriebsschaltung gekoppelt ist, wodurch sie zu einer Antriebselektrode (TX-Elektrode) unter der geteilten Elektrode 705.1 gemacht wird, mit Energie versorgt wird, werden die Gegenkapazitäten zwischen den Spaltenelektroden 706 und der mit Energie versorgten Zeilenelektrode gemessen. Die Gegenkapazität (wie in 1 illustriert) zwischen der geteilten Elektrode 705.1 und der mit Energie versorgten Zeilenelektrode wird gemessen, wie auch die Gegenkapazität der restlichen Spaltenelektroden gemessen wird. Da der untere Abschnitt der geteilten Elektrode 705 (705.2) die mit Energie versorgte Zeilenelektrode nicht schneidet, kann dieser als Hörerelektrode verwendet werden, die mit dem negativen Eingang eines LNA gekoppelt wird (wie in 2-4 gezeigt). Wenn Zeilen, die den unteren Abschnitt der geteilten Elektrode 705 (705.2) schneiden, mit Energie versorgt werden, kann der obere Abschnitt der geteilten Elektrode 705 (705.1) als Hörerelektrode verwendet werden. In der Ausführungsform von 7A können der obere und untere Abschnitt der geteilten Elektrode 705 (die Hälften 705.1 und 705.2) dem halben Bereich einer Spaltenelektrode 706 entsprechen. Um ein gutes In-Übereinstimmung-Bringen mit standardmäßigen Spaltenelektroden 706 bereitzustellen, können die benachbarten Abschnitte der geteilten Elektrode 705 parallel miteinander gekoppelt werden, um einen den standardmäßigen Spaltenelektroden ähnlichen Bereich bereitzustellen. Die Rauschkopplung von einem Finger kann dann ausgeglichen werden und die Gleichtaktrauschunterdrückung der Hörerelektrode (z. B. 250 von 2 und 3, 410 von 4) mit der Differenzialeingangsstufe des LNA (z. B. 240 von 2 und 3 und 440 von 4) bereitstellen. Ausgeglichene Kapazitäten können ähnliche Kapazitätswerte an beiden Seiten des RX-Knotens 213 (von 2 und 3) aufweisen.
7B illustriert eine Ausführungsform eines Fingerabdrucksensors 701 mit einem Array von Elektroden 722. Das Array 722 kann eine Vielzahl von Spaltenelektroden 726 und eine Vielzahl von Zeilenelektroden 723 und 724 umfassen. Die Zeilenelektroden 723 und 724 können mit der Antriebsschaltung wie in 2-4 beschrieben gekoppelt werden. Die Spaltenelektroden können mit einem LNA (ähnlich LNA 240 und 440 der 2-4) gekoppelt werden. Die Zeilenelektroden 723 und 724 können sich jeweils nur teilweise über das Array 722 erstrecken, aber die Kombination von diesen kann eine komplette Deckung des Arrays 722 bereitstellen. In der Ausführungsform des Fingerabdrucksensors 701 können die Gegenkapazitäten zwischen den Spaltenelektroden 726 und Zeilenelektroden 723 gemessen werden, während die Spaltenelektroden 726, die die Zeilenelektroden 724 schneiden, ähnlich wie die Hörerelektrode 250 von 2 und 3 und die Hörerelektrode 410 von 4 verwendet werden können. Wenn die Zeilenelektroden 724 angetrieben werden, können die Gegenkapazitäten zwischen den Spaltenelektroden 726 und Zeilenelektroden 724 gemessen werden, während die Spaltenelektroden 726, die die Zeilenelektroden 723 schneiden, ähnlich wie die Hörerelektrode 250 von 2 und 3 und die Hörerelektrode 410 von 4 verwendet werden können.
In der Ausführungsform von 7B können zweimal so viele Stifte einer Antriebsschaltung erforderlich sein, um beide Seiten der Zeilenelektroden 723 und 724 anzutreiben. Die Spaltenelektroden müssten jedoch nicht parallel gekoppelt werden, da sie in ihrer Gesamtheit verwendet werden können.
In der obigen Beschreibung werden zahlreiche Details dargelegt. Es wird einem durchschnittlichen Fachmann auf dem Gebiet mit dem Nutzen dieser Offenbarung jedoch klar sein, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können. In einigen Fällen werden bekannte Strukturen und Geräte in Blockdarstellungsform, anstatt im Detail, gezeigt, um ein Unverständlichmachen der Beschreibung zu vermeiden.
Die Figuren und zugehörigen Beschreibungen beziehen sich auf ein Gerät, das einem mobilen Handapparat mit Berührungsbildschirm ähnelt. Ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet kann jedoch die beschriebenen Techniken an größeren berührungsfähigen Verbrauchergeräten, wie etwa Tablets und persönliche Computer, anwenden. Darüber hinaus können die beschriebenen Techniken an kleineren berührungsfähigen Verbrauchergeräten, wie etwa Uhren, GPS-Gerät, Mediaplayers etc. angewendet werden. Des Weiteren kann, obwohl oben auf Verbraucherelektronik Bezug genommen wird, der sichere Zutritt für verschiedene Funktionen in Heimautomatisierungsanwendungen (Heimzutritt, Geräte, HLK-Steuerung, Beleuchtung und Mediensteuerung) sowie Automobilanwendungen verwendet werden
Einige Teile der Beschreibung werden im Hinblick auf Algorithmen und symbolische Repräsentation von Vorgängen an Datenbits innerhalb eines Computerspeichers präsentiert. Diese algorithmischen Beschreibungen und Repräsentation sind die von Fachleuten auf dem Gebiet der Datenverarbeitung verwendeten Mittel, um den Inhalt ihrer Arbeit anderen Fachleuten auf dem Gebiet am effektivsten zu vermitteln. Ein Algorithmus wird hier und generell als eine in sich konsistente Sequenz von Schritten, die zu einem gewünschten Ergebnis führen, verstanden. Die Schritte sind jene, die physische Manipulationen von physischen Größen erfordern. Gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, bestehen diese Größen in Form von elektrischen oder magnetischen Signalen, die gespeichert, übertragen, kombiniert, verglichen und anderweitig manipuliert werden können. Es hat sich manchmal als praktisch erwiesen, prinzipiell aus Gründen gemeinsamer Nutzung, diese Signale als Bits, Werte, Elemente, Symbole, Zeichen, Ausdrücke, Nummern oder dergleichen zu bezeichnen.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass alle diese und ähnliche Ausdrücke den entsprechenden physischen Größen zugehörig sein sollen und lediglich praktische Bezeichnungen für diese Größen sind. Sofern nicht spezifisch anders angegeben, wie aus der obigen Erörterung erkennbar, ist anzumerken, dass sich in der gesamten Beschreibung Erörterungen, die Ausdrücke wie „Integrieren“, „Vergleichen“, „Ausgleichen“, „Messen“, „Durchführen“, „Akkumulieren“, „Steuern“, „Konvertieren“, „Akkumulieren“, „Abtasten“, „Speichern“, „Koppeln“, „Variieren“, „Puffern“, „Anwenden“ oder dergleichen verwenden, auf die Vorgänge und Prozesse eines Computersystems oder ähnlichen elektronischen Computergeräts beziehen, das als physische (z. B. elektronische) Größen innerhalb der Register und Speicher des Computersystems repräsentierte Daten manipuliert und in andere, ähnlich als physische Größen innerhalb der Computersystemspeicher oder -register oder anderer Informationsspeicher-, Übertragungs- oder Anzeigegeräte repräsentierte Daten transformiert.
Die Worte „Beispiel“ oder „beispielhaft“ werden hier verwendet, um als Beispiel, Fall oder Illustration dienend zu bedeuten. Jeder bzw. jede hier als „Beispiel“ oder „beispielhaft“ beschriebene Aspekt bzw. Konstruktion ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Aspekten oder Konstruktionen zu verstehen. Vielmehr wird durch die Verwendung der Worte „Beispiel“ oder „beispielhaft“ beabsichtigt, Konzepte auf eine konkrete Weise zu präsentieren. Wie in dieser Anmeldung verwendet, wird mit dem Ausdruck „oder“ ein inklusives „oder“ statt ein exklusives „oder“ bezeichnet. Das heißt, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, bedeutet „X umfasst A oder B“ jede der natürlichen inklusiven Permutationen. Das heißt, falls X A umfasst; X B umfasst; oder X sowohl A als auch B umfasst, dann wird „X umfasst A oder B“ unter jedem der vorstehenden Fälle erfüllt. Darüber hinaus sollen die Artikel „ein“ und „eine“, wie in dieser Anmeldung und den angehängten Ansprüchen verwendet, generell als „eine oder mehrere“ verstanden werden, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich auf eine Singularform bezogen. Außerdem ist durchgehend der Ausdruck „eine Ausführungsform“ oder „eine einzelne Ausführungsform“ oder „eine Implementierung“ oder „eine einzelne Implementierung“ nicht als gleiche Ausführungsform oder Implementierung zu verstehen, sofern dies nicht so beschrieben wird.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen können sich auch auf eine Vorrichtung zum Durchführen der hier detaillierten Vorgänge beziehen. Die Vorrichtung kann speziell für die erforderlichen Zwecke gebaut sein oder kann einen Allzweckcomputer beinhalten, der durch ein im Computer gespeichertes Computerprogramm selektiv aktiviert oder umkonfiguriert wird. Ein solches Computerprogramm kann in einem nicht transitorischen computerlesbaren Speichermedium, wie etwa, aber nicht beschränkt auf jede Art von Diskette, einschließlich Floppydisks, optische Platten, CD-ROMs und magnetisch-optische Platten, Festwertspeicher (ROMs), Arbeitsspeicher (RAMs), EPROMs, EEPROMs, magnetische oder optische Karten, Flashspeicher, oder jeder Art von Medium, das für das Speichern von elektronischen Anweisungen geeignet ist, gespeichert werden. Der Ausdruck „computerlesbares Speichermedium“ sollte verstanden werden, dass er ein einzelnes Medium oder mehrere Medien (z. B. eine zentralisierte oder verteilte Datenbank und/oder zugehörige Caches und Server) umfasst, die einen oder mehrere Sätze Anweisungen speichern. Der Ausdruck „computerlesbares Medium“ sollte so verstanden werden, dass er ein beliebiges Medium umfasst, das einen Satz Anweisungen zur Ausführung durch die Maschine speichern, codieren oder führen kann, der bewirkt, dass die Maschine eine oder mehrere der Methodologien der vorliegenden Ausführungsformen ausführt. Der Ausdruck „computerlesbares Speichermedium“ sollte demgemäß so verstanden werden, dass er, aber ohne Beschränkung darauf, Festkörperspeicher, optische Medien, magnetische Medien oder ein beliebiges Medium umfasst, das einen Satz Anweisungen zur Ausführung durch die Maschine speichern, codieren oder führen kann, der bewirkt, dass die Maschine eine oder mehrere der Methodologien der vorliegenden Ausführungsformen ausführt.
Die hier präsentierten Algorithmen und Schaltungen beziehen sich nicht inhärent auf einen bestimmten Computer oder eine bestimmte andere Vorrichtung. Verschiedene Allzwecksysteme können mit Programmen in Übereinstimmung mit den Lehren hierin verwendet werden oder es kann sich als praktisch erweisen, eine spezialisierte Vorrichtung zu bauen, um die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen. Die erforderliche Struktur für eine Reihe dieser Systeme wird aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich sein. Darüber hinaus werden die vorliegenden Ausführungsformen nicht mit Bezug auf eine bestimmte Programmiersprache geschrieben. Es ist zu bemerken, dass eine Reihe von Programmiersprachen verwendet werden kann, um die Lehren der Ausführungsformen, wie hier beschrieben, zu implementieren.
Die obige Beschreibung legt zahlreiche spezifische Details dar, wie etwa Beispiele für spezifische Systeme, Bauteile, Verfahren und so weiter, um ein gutes Verständnis von mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es wird einem Fachmann auf dem Gebiet jedoch klar sein, dass mindestens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden gut bekannte Bauteile oder Verfahren nicht im Detail beschrieben oder werden in einem einfachen Blockdiagrammformat präsentiert, um unnötiges Unverständlichmachen der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Die oben dargelegten spezifischen Details sind daher lediglich beispielhaft. Besondere Ausführungsformen können von diesen beispielhaften Details abweichen und trotzdem im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass die obige Beschreibung illustrativ und nicht beschränkend ist. Viele andere Ausführungsformen werden Fachleuten auf dem Gebiet nach der Lektüre und nach dem Verstehen der obigen Beschreibung klar sein. Der Umfang der Erfindung sollte daher mit Bezug auf die anhängenden Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang von Entsprechungen, für die solche Ansprüche berechtigt sind, bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 14978442 [0001]
US 62/216241 [0001]
US 14672036 [0032]

Claims

Eine Differentialkapazitätsmessschaltung, die Folgendes beinhaltet: eine Halbbrückenschaltung, die einen ersten Gegenkondensator und einen zweiten Gegenkondensator beinhaltet, die mit einem ersten Eingang eines Verstärkers gekoppelt sind; und eine Hörerelektrode, die mit einem zweiten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist.
Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Kompensationsschaltung beinhaltet, die Folgendes beinhaltet: einen Modulator; einen Puffer, der mit einem Ausgang des Modulators gekoppelt ist, wobei der Puffer konfiguriert ist, ein Kompensationssignal auszugeben; und einen Kompensationskondensator, der zwischen einem Ausgang des Puffers und dem ersten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist.
Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der Puffer, der konfiguriert ist, das Kompensationssignal auszugeben, zwischen einer programmierbaren Spannung und einem Massepotenzial oszilliert.
Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß Anspruch 1, die ferner Folgendes beinhaltet: einen ersten Puffer, der konfiguriert ist, einem ersten Knoten des ersten Gegenkondensators ein erstes Sendesignal bereitzustellen; und einen zweiten Puffer, der konfiguriert ist, einem zweiten Knoten des ersten Gegenkondensators ein zweites Sendesignal bereitzustellen.
Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß Anspruch 4, wobei das erste Sendesignal und das zweite Sendesignal um 180 Grad phasenverschoben sind.
Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß Anspruch 4, die ferner Folgendes beinhaltet: einen dritten Puffer, der konfiguriert ist, einem dritten Knoten einer dritten Gegenkapazität ein drittes Sendesignal bereitzustellen, wobei die dritte Gegenkapazität mit dem ersten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist; und Steuerlogik zum Bereitstellen von Steuersignalen für den zweiten und dritten Puffer.
Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß Anspruch 6, wobei das erste und dritte Sendesignal phasengleich sind.
Differentialkapazitätsmessschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Hörerelektrode konfiguriert ist, mit einem leitenden Objekt gekoppelt zu werden und am zweiten Eingang des Verstärkers Gleichtaktrauschunterdrückung bereitzustellen.
Ein Verfahren zum Messen einer Kapazität, das Folgendes beinhaltet: Empfangen eines ersten Signals, das von der Kapazität stammt, an einem Empfangsknoten, wobei der Empfangsknoten mit einem ersten Eingang eines Verstärkers gekoppelt ist; Empfangen eines zweiten Signals, das von einer vergrabenen Kapazität stammt, am Empfangsknoten; Empfangen eines dritten Signals an einer Hörerelektrode, wobei die Hörerelektrode mit einem zweiten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist; Erzeugen eines Differenzialausgangs des Verstärkers; Konvertieren des Differenzialausgangs des Verstärkers in einen digitalen Wert, der für die Kapazität repräsentativ ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, das ferner Folgendes beinhaltet: Empfangen eines vierten Signals am Empfangsknoten, wobei das vierte Signal konfiguriert ist, dem Eingang des Verstärkers einen Kompensationsstrom bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das erste Signal am Empfangsknoten durch ein erstes Sendesignal an einem ersten Knoten eines Kondensators erzeugt wird und an einem zweiten Knoten des Kondensators, der mit dem Empfangsknoten gekoppelt ist, empfangen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das zweite Signal am Empfangsknoten durch ein zweites Sendesignal an einem ersten Knoten eines Kondensators erzeugt wird und an einem zweiten Knoten des Kondensators, der mit dem Empfangsknoten gekoppelt ist, empfangen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Kondensator durch eine Antriebselektrode und eine vergrabene Empfangselektrode gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das zweite Signal durch eine Steuerlogik definiert wird, die mit einem Puffer gekoppelt ist, wobei der Puffer einen Ausgang, der mit der Sendeelektrode gekoppelt ist, und den Empfangsknoten, der mit einer Empfangselektrode gekoppelt ist, beinhaltet.
Ein Array von Fingerabdruckdetektionselektroden, das Folgendes beinhaltet: eine erste Vielzahl von Elektroden, die entlang einer ersten Achse angebracht sind; und eine zweite Vielzahl von Elektroden, die entlang einer zweiten Achse angebracht sind, wobei mindestens eine der zweiten Vielzahl von Elektroden geteilt ist, sodass ein erster Abschnitt der mindestens einen der zweiten Vielzahl von Elektroden und ein zweiter Abschnitt der mindestens einen der zweiten Vielzahl von Elektroden galvanisch isoliert sind.
Array von Fingerabdruckdetektionselektroden gemäß Anspruch 15, wobei eine erste Gegenkapazität zwischen der ersten Vielzahl von Elektroden und dem ersten Abschnitt der zweiten Vielzahl von Elektroden in einer ersten Phase gemessen wird und wobei eine zweite Gegenkapazität zwischen der ersten Vielzahl von Elektroden und dem zweiten Abschnitt der zweiten Vielzahl von Elektroden in einer zweiten Phase gemessen wird.
Array von Fingerabdruckdetektionselektroden gemäß Anspruch 15, wobei die mindestens eine geteilte Elektrode der zweiten Vielzahl von Elektroden im Wesentlichen in der Mitte des Arrays liegt.
Array von Fingerabdruckdetektionselektroden gemäß Anspruch 15, wobei ein Abschnitt der zweiten Vielzahl von Elektroden, der eine angetriebene Elektrode der ersten Vielzahl von Elektroden nicht schneidet, konfiguriert ist, Gleichtaktrauschen zu empfangen.
Array von Fingerabdruckdetektionselektroden gemäß Anspruch 18, wobei jeder des ersten und zweiten Abschnitts der zweiten Vielzahl von Elektroden mit einem Eingang eines Differenzialverstärkers selektiv gekoppelt ist, um das Gleichtaktrauschen, das von dem Abschnitt der zweiten Vielzahl von Elektroden, der die angetriebene Elektrode des ersten Abschnitts von Elektroden nicht schneidet, empfangen wird, zu unterdrücken.
Array vom Fingerabdruckdetektionselektroden gemäß Anspruch 15, wobei zwei oder mehrere der ersten Vielzahl von Elektroden konfiguriert sind, um gleichzeitig angetrieben zu werden.