KR20160087389A

KR20160087389A - 용량성 지문 센서

Info

Publication number: KR20160087389A
Application number: KR1020167014591A
Authority: KR
Inventors: 양위안 리
Original assignee: 마이크로어레이 마이크로일렉트로닉스 코퍼레이션, 엘티디
Priority date: 2014-01-06
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2016-07-21
Also published as: KR102010638B1; US9953200B2; US10289890B2; TW201528154A; WO2015101349A1; CN103714330B; EP3093796B1; TWI531979B; EP3093796A1; US20180225496A1; EP3093796A4; US20160328592A1; CN103714330A

Abstract

커패시턴스 값은 콘덴서 양 극 사이의 거리와 반비례하는 물리적 원리를 기반으로, 물체 표면으로부터 센서 표면 전극 어레이 사이의 결합 커패시턴스를 측정할 수 있으며, 이로하여 물체 표면의 공간적 구성에 대해 영상을 형성하며, 예를 들어 지문의 등선과 곡선의 울퉁불퉁한 공간적 특징에 대해 영상을 형성한다. 본 출원은 일종의 “C-Q-T”형 용량성 지문 센서를 제공하였으며, 우선 지문과 센서 전극의 결합 커패시턴스를 전하량 차이로 전환한 다음, 전하량 차이를 시간량 차이로 전환하며, 또한 해당 시간량 차이를 캐리한 에지 신호를 출력한다. 지문 센서로 어레이를 형성하고, 그리고 해당 에지 시간 신호에 대해 리딩 및 데이터 조합을 실행하면, 지문 영상을 형성할 수 있다.

Description

용량성 지문 센서{CAPACITIVE FINGERPRINT SENSING DEVICE}

본 출원은 용량성 지문 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 어레이를 통해 지문을 화상으로 형성하는 용량성 지문 센서에 관한 것이다.

지문의 등선곡선을 측정하고 또한 플레인 센서(plane sensor) 전극 어레이 유닛 사이에 형성된 결합 콘덴서의 차이값을 측정하며 이에 따라 지문 영상을 형성하는 기술은, 특허 US4353056 A（Simens, 1980）에서 최초로 알려졌다. 30여년간, 결합 콘덴서 측정을 근거로 지문 영상을 형성하는 기술은 끊임 없이 제기되었고, 해당 영역에 진출한 유명 기업들은 예를 들면 Simens, AT&T Bell, Phili(Ps), Toshiba, ST, NEC, Motorola, Sharp, Intel, E(Ps)on 등이 있었고, 벤처 기업들은 헤아릴 수도 없이 많았다.

대다수 용량성 지문 센서의 기술 노선은 매크로 용량성 센서 회로 프로토타입을 기반으로 설립되었다. 다만, 센서 영역의 기술 규칙은, 용량성 센서는 회로와 센서 방정식의 결합체이고, 회로 표준 및 실현 공예가 센서 방정식 내의 각 파라미터의 수치 범위 및 공차 범위를 결정하는 것을 결정하였다. 대부분 경우에 매크로 전자 부품으로 구성된 기술적 수단을 사용할 수 있지만, 마이크로 표준 전자 부품으로 교체된 경우, 정밀도, 소음 특성은 악화될 것이다. 더나아가, 용량성 지문 센서는, 어레이 센서로서, 유닛 사이의 미스패치에도 민감하며, 이는 특히 마이크로 표준 전자 부품이 매크로 표준 전자 부품에 비해 제어가 어려운 부분이다. 또한, 측정 회로 치수가 흔히 비교적 크기 때문에, 일반적으로 어레이 센서를 싱글 채널로 디자인하고, 각각의 유닛이 측정 회로에 대해 시분할 다중화 방식을 채택한다. 일정한 화상 프레임 레이트를 보증하기 위하여, 센서 디자인에서 중요한 신호 이득(signal gain) 제고 방법 즉 샘플 추출 시간을 연장하는 것은 센서 디자인 과정에서 많이 한정되며, 포인트 수가 비교적 많은 싱글 채널 어레이 센서에서는 심지어 실행 불가능하다.

이러한 기술 조건의 제한으로서 오직 극소수의 기술 노선이 상용화로 나아가는 잠재력을 소유할 수 밖에 없어서, 객관적인 규칙 요구에 미달하는 기술 노선은 바로 사라지는 것이다. 2013년도까지, 일정한 응용 규모를 가진 용량성 지문 센서는 총 3가지의 기술 타이프가 있다. 첫째는, RF response type, RF 반사 신호의 폭을 측정하며, 대표적 예는 바로 미국 Authentec（US5828773 A）, 2012년도에 Apple사에 인수되었으며, Apple사의 iPhone5S에 가장 많이 응용되었다. 두번째는, Transient response type, 순간적 결합(transient coupling) 레벨을 측정하며, 대표작 예는 바로 스웨던 Fingerprint Cards（US 20080069413 A1）, 중국 국유 은행 카운터 직원 시스템에 가장 많이 응용되었다. 셋째는, 전하 이동형, 대표적 예는 바로 대만 Egistec（US7099497 B2）, Lenovo사의 ideaPad에 가장 많이 응용되었다. 여기서, 앞 두개는 업계에서 active식이라고 불리고, 마지막 자는 passive식이라고 불리며, 이둘의 공통 특징은: 바로 커패시턴스 량을 전압 량으로 전환하여 측정하는 것이다. 센서의 분류 각도에서 보면, 이는 “C-V”형 센서에 속한다.

최근 몇년간, 천만 펙셀 레벨 CMOS 광전 센서 영역에서, 점차적 커지는 화상 포인트 수 요구에 적응하기 위하여, 싱글 채널로부터 멀티 채널로 발전되었다. 멀티 채널 어레이 센서란, 사실상 바로 여러개의 독립된 싱글 채널 어레이 센서의 공간적 조합이다. 실제적 회로 구성상 제한을 고려한 결과, 측정 회로가 하나부터 여러개로 변하기 때문에, 측정 사이즈를 반드시 대폭적으로 줄여야 한다. “V-T”형 ADC는 일종의 새로운 계수 컨버터로서, 직접형 ADC에 비하면, 같은 진폭 해상도 요구하에서 회로 사이즈가 크게 줄어드는 우점이 있고, 또한 더 많은 샘플 추출 유지 시간이 필요한 단점고 갖고 있다. 멀티 채널 CMOS 센서는 흔히 "V-T" 컨버터를 채용하며, 채널 수량, 샘플 추출 유지 시간, 회로 사이즈 이 세가지 사이에서 비교하여, 최고의 디자인 방안을 확정하도록 한다.

청도마이크로어레이전자유한책임공사는 2012년도 신청한 발명 특허(CN201210403271.2）에서 일종의 새로운 “C-V-T”형 용량성 거리 센서를 발포하였다. 구체적 실시 방법은 바로, 지문이 측정된 도체 표면（타겟 전극）에 접촉된 경우, 커패시턴스 측정 극판（센서 전극）과 결합하여 측정 커패시턴스（타겟 커패시턴스）를 형성한다. 측정된 도체 표면(타겟 전극)으로부터 다양한 어레이 유닛의 커패시턴스 측정 극판(센서 전극)까지의 거리는 큰것도 있고 작은것도 있을 수 있고, 결합하여 형성된 측정 커패시턴스(타겟 센서)의 크기도 또한 큰것도 있고 작은것도 있을 수 있다. 커패시턴스 결합 극판(구동 전극)은 프로그래머블 레벨 생성기1(레벨 드라이버)의 구동에 의하여, 커패시턴스 측정 극판(센서 전극)의 전위가 상승되도록 하고, 상승 수준은 병렬된 측정 콘덴서(타겟 콘덴서)의 크기에 따라 다를 것이다. 참고 콘덴서(적분 콘덴서)는 일단 전하를 전부 충전한 후 레벨이 상승된 커패시턴스 측정 극판(센서 전극)으로 전하를 방출하며, 커패시턴스 측정 극판(센서 전극)의 전위에 따라 방전 수준도 다르다. 중복적인 방전은 참고 콘덴서(적분 콘덴서)의 전위를 지속적으로 하락되게 하고, 하락 속도가 서로 다르기 때문에, 프로그래머블 레벨 생성기2(참고 레벨)에서 역치 레벨이 생성되는 시간도 서로 다르며, 따라서 콤퍼레이터는 상이한 시각에 출력이 반전(reverse)된다. 해당 콤퍼레이터의 출력 반전 시간에 대응되는 방전 횟수가 바로 용량성 거리 센서의 출력내용이다.

해당 센서의 측정 함수를 “S-C-V-T”로 여긴다, 즉 지문에서 센서 전극 까지의 거리를 자변수로 하고, 이 시간 방향의 카운트 수치를 측정 함수로 하면, 상기 측정 함수는 안티 드리프트(anti-drift), 리니어라이즈(linearise)의 우점을 갖고 있다. 상기 센서의 기술 방안이 해상고 제고, 열소음 억제 방면에서 소유한 천연적 우세를 결합해 보면, 최종적으로 나타낸 성능은 대대적으로 제고되었다. NRE의 검증에 의하면, 동일한 공예 조건하 기술 수평은 2012년도 그로벌 선진적 기술을 초과하였으나, 2013년도 그로벌 선진적 기술에 미달하였으며, 즉 iPhone5S에 장착된 Touch ID의 기술 수준이다.

Apple사 등 기업에서 지문 센서 기술 개발 및 응용에 대한 야심찬 촉진 때문에, 전자 소비 시장은 용량성 지문 센서 기술 분야에 거대한 수요 및 더욱더 높은 기술 요구를 제출하였다. 본 출원의 발명자는 CN201210403271.2에서 발포한 기술 방안에 대해 발전 및 향상하여, 센서 정밀도 방정식을 세우고 분석하여, 한편 정밀도를 높히는 항과 대응되는 회로를 도입하고, 또 다른 한편에서는 일부 회로에 대해 일반화 모형을 제출하여 간략화했다.

본 출원는 용량성 지문 센서를 제공하며, CN201210403271.2에서 개시된 용량성 거리 센서에 비하면 정밀도가 대폭 향상된다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 출원은“C-Q-T”형 용량성 센서 회로를 제공하며, “C-Q”컨버터 및 “Q-T”컨버터를 포함한다. 지문 영상을 형성하는 목적은 바로 지문 인식이고, 지문 등선과 곡선의 공간 차이에 관심을 갖고 있다. 해당 공간 차분량은 우선 지문이 타겟 전극(Pg) 및 센서 전극(Ps)으로서 결합(Coupling)하여 형성된 타겟 커패시던스(Cg)의 크기 차분으로 전환된다. 커패시던스 값 차분은 "C-Q" 커버터를 통해 센서 전극(Ps) 위 전하량의 차분으로 전환된다. “Q-T”컨버터는 센서 전극(Ps) 위 전하를 점차 적분 콘덴서(Ct)로 이동하여, 적분 콘덴서(Ct)가 충/방전이 되도록 한다. 전하량의 차분은 충/방전 속도의 차분으로 전환된다. 충/방전 속도가 서로 다르기 때문에, (Ct)의 전위Vt가 초기화 레벨에서 변화하여 역치 레벨Vref3을 통과하는 과정 충/방전 횟수도 다르고; 콤퍼레이터를 이용하여 Vt와 Vref3에 대해 비교하여, 콤퍼레이터 출력단에서 점프 엣지가 발생한 시간에 대응되는 전하 이동 횟수가 바로 커패시턴스 양화값이다. 본 출원에서 제공한 용량성 지문 센서는 콤퍼레이터 출력단에서 점프 엣지를 출력하고, 상응한 리딩 회로(reading circuit)가 취득하여, 전하 이동 횟수로 전환한다. 2012년 청도마이크로어레이전자유한책임공사에서 신청한 《에지 타임 리딩 회로》(공개번호CN201210405080.X）에서 발포한 에지 타임 리딩 회로를 바로 해당 용도에 사용할 수 있다.

"C-Q" 컨버터는 타겟 전극(Pg), 센서 전극(Ps), 구동 전극(Pd), 레벨 드라이버1, 레벌 드라이버2, 초기화 스위치1, 참고 레벨1을 포함한다. 센서 전극(Ps)과 타겟 전극(Pg) 사이에 결합한 콘덴서를 타겟 콘덴서(Cg)라고 한다. 센서 전극(Ps)과 구동 전극(Pd) 사이에 결합한 콘덴서를 구동 콘덴서(Cd)라고 한다 센서 전극(Ps) 및 백그라운드 회로(예를 들어 서브스트레이트substrate)가 결합한 콘덴서를 백그라운드 콘덴서(Cb)라고 한다. 백그라운드 콘덴서(Cb) 및 구동 콘덴서(Cd)는 병렬 관계로서 함께 센서 내부에 위치하기 때문에, 간략한 설명을 위하여, 백그라운드 콘덴서(Cb)를 구동 콘덴서(Cd)의 일부분으로 여긴다. 또한 (Cd)의 전압을 (Cd) 및 (Cd)가 커패시턴스 값을 기반으로 한 각 전압 값의 가중평균으로 한다. 초기화 스위치1 포트1과 센서 전극(Ps)은 서로 연결된다. 레벨 드라이버(1)과 타겟 전극(Pg)은 서로 연결된다. 레벨 드라이버2와 구동 전극(Pd) 은 서로 연결된다. 참고 레벨1은 초기화 레벨 Vref1을 출력하고, 초기화 스위치1의 포트2와 연결한다. “C-Q” 컨버터의 제어 타이밍은 아래와 같다.

단계 1-1, 레벨 드라이버1 은 타겟 전극(Pg)으로 레벨 V11을 출력하고; 레벨 드라이버2는 구동 전극(Pd)으로 레벨 V21을 출력한다.

단계 1-2, 초기화 스위치1을 접속하고, 센서 전극(Ps)에 참고 레벨1을 연결한다.

단계 1-3, 초기화 스위치1을 차단한다.

단계 1-4, 레벨 드라이버1은 타겟 전극(Pg)으로 레벨 V12를 출력하고; 레벨 드라이버2는 구동 전극(Pd)으로 레벨 V22을 출력한다.

단계 1-5, 단계 1-1로 되돌아간다.

단계 1-2에서, 센서 전극(Ps)의 전위는 초기화 레벨 Vref1이고; 단계1-4에서, 센서 전극(Ps)이 부동(floating)상태이기 때문에, 타겟 전극(Pg) 및 구동 전극(Pd)의 전위 변화는 전하를 결합하여 센서 전극(Pg)으로 흘러가도록 하고, 단계1-4 시각 센서 전극(Ps)의 전위를 Vs로 정의하여 전하량 보존 법칙에 의하면 하기 식(1)가 성립된다.

(Vref1-V11)*(Cg) + (Vref1-V21)*(Cd) = (Vs-V12)*(Cg) + (Vs-V22)*(Cd) (1)

식 (1)을 아래와 같이 전환한다.

(Vs-Vref1)*((Cd)+(Cg)) = (V12-V11)*(Cg) + (V22-V21)*(Cd) (2)

다음으로 정의하여: ΔV1=V12-V11,ΔV2=V22-V21

Vs-Vref1 = (ΔV1*(Cg) + ΔV2*(Cd)) / ((Cd)+(Cg)) (3)

편의한 대입을 위하여, Vs로 표시한다.

Vs = (ΔV1*(Cg) + ΔV2*(Cd)) / ((Cd)+(Cg)) + Vref1 (4)

"Q-T" 컨버터는, 적분 콘덴서(Ct), 초기화 스위치2, 참고 레벨2, 전하 이동 스위치, 콤퍼레이터, 제3 참고 레벨을 포함한다. 적분 콘덴서(Ct)는 초기화 스위치2 포트1, 전하이동 스위치 포트2, 콤퍼레이터 입력단1과 연결되고; 참고 레벨2는 초기화 레벨 Vref2을 출력하고, 초기화 스위치 포트2와 연결되고; 전하이동 스위치 포트1은 “C-Q”컨버터 내의 센서 전극(Pg)과 연결되고; 제3 참고 레벨은 역치 레벨 Vref3을 출력하고, 콤퍼레이터 입력단2와 연결되었다. “Q-T”컨버터의 제어 타이밍는 아래와 같다.

단계 2-1, 초기화 스위치2를 접속하고, 적분 콘덴서(Ct)를 참고 레벨2에 연결한다.

단계 2-2, 초기화 스위치2를 차단한다.

단계 2-3, “C-Q”컨버터가 단계 1-4에 처하는 경우, “C-Q”컨버터를 단계 1-4에 고정(lock)한다.

단계 2-4, 전하 이동 스위치를 접속한다.

단계 2-5, 전하 이동 스위치를 차단한다.

단계 2-6, “C-Q”컨버터에 대한 잠금을 해제한다.

단계 2-7, “C-Q”컨버터가 단계 1-4를 벗어난 경우, 단계 2-3으로 되돌아간다.

콤퍼레이터 입력단1은 적분 콘덴서(Ct)에 연결되고, 콤퍼레이터 입력단2는 제3 참고 레벨에 연결되고, 적분 콘덴서(Ct)의 전위 Vt와 제3 참고 레벨에서 출력한 역치 레벨 Vref3을 비교하여, 비교 결과를 출력하여, “Q-T”컨버터의 출력 및“C-Q-T”센서의 출력으로 마련한다.

센서 출력에 포함된 시간 정보(T)는 전하 이동 교체 과정에서의 적분 결과로서, T((Cg))에는 strong solution이 존재하지 않고, weak solution 표현식(expression)은 분석 가치가 없으므로, 간접적인 표현식으로 분석할 수 밖에 없다. 적분 콘덴서(Ct)의 레벨을 Vt로 한다. Vt를 Vref2로부터 Vs까지 점차 변화하도록 하고, T((Cg))는 Vt'(Cg))의 T에 대한 적분이 δ(Vs-Vref2)로 얻을수 있는 간격 길이(interval length)로 마련하고, 여기서 δ<1 이다. 일정한 양자화 비트(quantization bit) 길이에 대해, 무제한적으로 T((Cg))를 증가하여 T'(Cg))를 제고할 수 없기 때문에, T'(Cg))/T((Cg))의 상대치를 제고하여야 한다. Vt'(Cg))→T((Cg)) 매핑(mapping)의 weak solution의 최고차 항은 지수 하강 함수이기 때문에, Vt'(Cg))→((Cg))는 단조 감소 함수고, Vt''((Cg))→T' ((Cg))도 단조 감소 함수이다. Vt''((Cg))/Vt'(Cg))로 T'(Cg))/T((Cg))를 대체하여 정밀도를 분석할 수 있다.

적분 콘덴서(Ct)를 단 한 회의 전하 이동을 통해 Vt+Vt'로 변하도록 하며, 전하량 보존 법칙에 의해 식(5)를 얻는다.

(Vt+Vt') * ((Ct)+(Cd)+(Cg)) = Vt*(Ct) + Vs*((Cd)+(Cg)) (5)

아래로 전환하면 식(6)을 얻는다.

Vt'= (Vs-Vt)*((Cd)+(Cg)) / ((Ct)+(Cd)+(Cg)) (6)

식 (4)를 식 (6)으로 대입하여 식(7)을 얻는다.

Vt'((Cg))=((ΔV2+Vref1-Vt)*(Cd)+(ΔV1+Vref1-Vt)*(Cg))/((Ct)+(Cd)+(Cg)) (7)

(Cg)에 대해 도수를 구하고, 간단히 하여 식(8)을 얻는다.

Vt''((Cg))=((ΔV1+Vref1-Vt)*(Ct)+(ΔV1-ΔV2)*(Cd))/((Ct)+(Cd)+(Cg))^2 (8)

식 (7) 및 식 (8)에서 한 개의 파라미터의 증감이 Vt'((Cg)) 및 Vt''((Cg))에 미친 영향력의 방향 및 계수를 판단할 수 있고; 이와 동시에 Vs-Vref2에 미친 영향도 겸찰해서, 적합한 범위내에서 유지하도록 하여 T((Cg))의 값 범위가 희망 범위이도록 한다.

Vs-Vref2=(ΔV1*(Cg)+ΔV2*(Cd))/((Cd)+(Cg))+Vref1-Vref2 (9)

식 (7), 식 (8), 식 (9)에 대한 분석 결과에 결합하여, 또한 마이크로 전자 부품 특성, 공예 플랫폼 특성 및 각종 디자인 구속을 종합적으로 고려하여, 최적화의 회로 디자인 방안을 획득할 수 있다. 회로 구조와 관련된 방정식 특성은 아래와 같다.

일반적으로 (Ct)>>(Cd), 타겟 콘덴서가 매우 작은 경우에는 (Cd)>>(Cg)； ΔV1는 식 (8)에서 분자 주요항((Ct)>>(Cd)에 근거함)에 영향을 미치고 식 (7) 및 식 (9)에서는 분자의 부차항에 영향을 미치므로, ΔV1를 증가하면 센서 정밀도가 돋보적으로 제고될 것이다. 본 출원과 CN201210403271.2에서 제출된 기술 방안을 대비한 경우, 가장 중요한 기술 진보는 바로 레벨 드라이버1을 도입하여 타겟 전극(Pg)으로부터 센서 전극(Ps)으로 전하를 결합하는 것이다. ΔV1==0인 상황에 대비하면, 식 (8)은 약 (ΔV1+Vref1-Vt) / (Vref1-Vt)배로 제고되었다.

식 (7), 식 (8), 식 (9)에는 ΔV1과 ΔV2가 나타났을 뿐, V11, V12, V21 및 V22의 절대치와 무관하다. 그러므로, 레벨 드라이버1 및 타겟 전극(Pg) 사이, 그리고 레벨 드라이버2 및 구동 전극(Pd) 사이에는, 콘덴서를 이용하여 직류 성분을 분리하고 오직 교류 성분을 전달할 수 있다. 특별히, 타겟 전극(Pg)이 ΔV1 교류 성분을 획득하도록 하면, 센서 그라운드 레벨으로 ΔV1과 역방향인 교류 레벨 분량을 결합하는 것을 통해 동일한 효과를 이를 수 있다.

식 (7), 식 (8), 식 (9)을 결합하여 종합적으로 분석하면, ΔV2의 영향력은 ΔV1보다 훨씬 작으며, ΔV2≡0인 경우에도, 센서의 정밀도 하락에 큰 영향을 끼치지 않는다. 하여, 본 출원은 레벨 드라이버2가 센서 레벨과의 연결을 실시하도록 허락한다. 이게 바로 “C-Q”형과 “C-V”형의 본질적 차이이며: CN201210403271.2에서 개시된 회로에서 본 출원의 레벨 드라이버2에 대응되는 프로그래머블 레벨 생성기1을 센서 그라운드 레벨에 연결하는 것이 실현될 경우, “C-V" 부분은 처음부터 끝가지 그라운드 레벨을 출력할 것이다.

본 출원의 실시예에 따른 기술적 수단은 아래의 유익한 효과를 포함할 수 있다.

센서 방정식을 세우고 및 분석하는 것을 통해, 발명자는 “C-Q-T”형 용량성 지문 센서의 회로 기술 방안과 실시 범위를 제출하였다. 본 출원에서 제공한 용량성 지문 센서는 어레이로 구성되어 지문 영상을 형성하도록 하며, 싱글 채널을 그룹으로 형성하는 경우 다수의 “C-Q”컨버터를 사용하 하나의 “Q-T”컨버터에 대해 시분할 다중화 방식을 채택하는 한편, 멀티 채널을 그룹으로 형성하는 경우 여러 그룹의 싱글 채널“C-Q-T”센서 어레이가 나란히 배열되어 수행된다.

도 1은 본 출원에서 제공한 용량성 지문 센서의 회로계통도이다.
도 2는 본 출원에서 제공한 스위치 제어 신호 및 레벨 제어 신호도이다.
도 3은 본 출원에서 제공한 적분 콘덴서 곡선족과 역치 레벨의 대비도이다.
도 4는 본 출원에서 제공한 레벨 드라이버(1)의 실시예 1을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 출원에서 제공한 레벨 드라이버(1)의 실시예 2를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 출원에서 제공한 레벨 드라이버(1)의 실시예 3을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 출원에서 제공한 레벨 드라이버(2)의 실시예 1을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 출원에서 제공한 레벨 드라이버(2)의 실시예 2를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 출원에서 제공한 용량성 지문 센서의 그룹원리도1이다.
도 10은 본 출원에서 제공한 용량성 지문 센서의 그룹원리도2이다.
도 11은 본 출원에서 제공한 용량성 지문 센서의 그룹원리도3이다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 본 출원에서 제공한 회로는, 타겟 전극(1), 센서 전극(2), 구동 전극(3), 제1 레벨 드라이버(4), 제2 레벨 드라이버(5), 제1 초기화 스위치(6), 제1 참고 레벨(7), 적분 콘덴서(8), 제2 초기화 스위치(9), 제2 참고 레벨(10), 전하이동 스위치(11), 콤퍼레이터(12), 제3 참고 레벨(13)을 포함한다.

여기서, 센서 전극(2)는 하나 또는 다수의 전극으로서, 제1 초기화 스위치(6)의 제1 포트에 연결되고, 전하이동 스위치(7)의 제1 포트에 연결된다.

타겟 전극(1)은, 타겟 표면을 측정하기 위하여, 제1 레벨 드라이버(4)에 연결되고, 센서 전극(2) 위쪽에 위치하며, 센서 전극(2)과의 사이에 유전체층이 존재하며, 타겟 전극(1) 및 센서 전극(2) 사이에 타겟 콘덴서(21)가 형성된다.

구동 전극(3)은, 하나 또는 다수의 전극으로서, 제2 레벨 드라이버(5)에 연결되고, 센서 전극 아래측(2)에 위치하며, 센서 전극(2)과의 사이에 유전체층이 존재하며, 구동 전극(3) 및 센서 전극(2) 사이에 구동 콘덴서(23)가 형성된다.

제1 레벨 드라이버(4)는, 타겟 전극(1)과 연결된다.

제2 레벨 드라이버(5)는, 구동 전극(3)과 연결된다.

제1 초기화 스위치(6)의 제1 포트는 센서 전극(2)에 연결되고, 제2 포트는 제1 참고 레벨(7)에 연결된다.

제1 참고 레벨(7)은, 제1 초기화 스위치(6)의 제2 포트와 연결된다.

적분 콘덴서(8)는, 하나 또는 다수의 병렬 콘덴서로서, 제2 초기화 스위치(9)의 제1 포트에 연결되고, 전하이동 스위치(7)의 제2 포트와 연결되며, 콤퍼레이터(11)의 제1 입력단에 연결된다.

제2 초기화 스위치(9)의 제1 포트는 적분 콘덴서(8)에 연결되고, 제2 포트는 제2 참고 레벨(10)에 연결된다.

제2 참고 레벨(10)은 제2 초기화 스위치(9)의 제2 포트에 연결된다.

전하이동 스위치(11)의 제1 포트는 센서 전극(2)에 연결되고, 제2 포트는 적분 콘덴서(8)와 연결된다.

콤퍼레이터(12)의 제1 입력단은 적분 콘덴서(8)에 연결되고, 제2 입력단은 제3 참고 레벨(13)에 연결되며, 출력단은 센서의 출력이다.

제3 참고 레벨(13)은, 콤퍼레이터(12)의 제2 입력단에 연결되어 있다.

도 2는 스위치 제어 신호와 레벨 제어 신호 사이의 타이밍 관계를 제공하였으며, 아래 단계를 포함한다.

단계 1에서, 제1 초기화 스위치(6)를 접속하고, 전하이동 스위치(11)를 차단하고, 제2 초기화 스위치(9)를 차단하고, 제1 레벨 제어 신호(413)는 low, 제2 레벨 제어 신호(523)는 low이다.

단계 2에서, 제2 초기화 스위치(9)를 접속한다.

단계 3에서, 제2 초기화 스위치(9)를 차단한다.

단계 4에서, 제1 초기화 스위치(6)를 차단한다.

단계 5에서, 제1 레벨 제어 신호(413)는 high, 제2 레벨 제어 신호(523)는 high이다.

단계 6에서, 전하이동 스위치(11)를 접속한다.

단계 7에서, 전하이동 스위치(11)를 차단한다.

단계 8에서, 제1 레벨 제어 신호(413)는 low, 제2 레벨 제어 신호(523)는 low이다.

단계 9에서, 제1 초기화 스위치(6)를 접속한다.

단계 10에서, 단계 4로 되돌아간다.

도 3은 적분 콘덴서(4)의 전위 변화 곡선족과 제3 참고 레벨(13)의 대비도를 제공한다. 타겟 콘덴서(23)가 여러 값을 가진 경우, 적분 콘덴서(4)의 전위 변화 곡선은 도시된 곡선족 내의 서로 다른 곡선에 겹치게 된다. 제3 참고 레벨(13)과의 교점이 시간축에 투영된 결과도 다르다. 콤퍼레이터(12)는 양자에 대해 비교하여, 도시된 교점 시각에서 번위(reverse)하여, 점프 엣지를 출력한다.

도 4는 제1 레벨 드라이버(4)의 실시예 1을 제공하였으며, 입력레벨 V11(411), 입력 레벨 V12(412), 제1 레벨 제어 신호(413), 제1 레벨 셀렉터(414), 저항기(415)를 포함한다. 입력 레벨 V11(411)은 제1 레벨 셀렉터(414)의 제1 입력단에 연결되고, 입력 레벨 V12(412)는 제1 레벨 셀렉터(414)의 제2 입력단에 연결되고, 제1 레벨 제어 신호(413)는 제1 레벨 셀렉터(414)의 제어단에 연결되고, 제1 레벨 셀렉터(414)의 출력단은 저항기(415)의 제1 포트에 연결되고, 저항기(415)의 제2 포트는 타겟 전극(1)에 연결되어 있다.

여기서, 제1 레벨 드라이버(414)는 제1 레벨 제어 신호(413)가 low인 경우 제1 입력단 레벨을 출력하고, 레벨 제어 신호(413)가 high인 경우 제2 입력단 레벨을 출력한다.

도 5는 제1 레벨 드라이버(4)의 실시예 2를 제공하였으며, 입력 레벨 V11(411), 입력 레벨 V12(412), 제1 레벨 제어 신호(413), 제1 레벨 셀렉터(414), 콘덴서(416)를 포함한다. 입력 레벨 V11(411)은 제1 레벨 셀렉터(414)의 제1 입력단에 연결되고,입력 레벨 V12(412)은 제1 레벨 셀렉터(414)의 제2 입력단에 연결되고, 제1 레벨 제어 신호(413)는 제1 레벨 셀렉터(414)의 제어단에 연결되고, 제1 레벨 셀렉터(414)의 출력단은 콘덴서(416)의 제1 전극에 연결되고, 콘덴서(416)의 제2 전극은 타겟 전극(1)에 연결된다. 여기서:

제1 레벨 드라이버(414)는 제1 레벨 제어 신호(413)가 low인 경우 제1 입력단 레벨을 출력하고, 레벨 제어 신호(413)가 high인 경우 제2 입력단 레벨을 출력한다.

도 6은, 제1 레벨 드라이버(4)의 실시예 3을 제공하였으며, 제1 레벨 제어 신호(413), 인버터(417), 신호 컨버터(418), 구동 회로(419), 센서 그라운드 레벨 입력단(420)을 포함한다. 제1 레벨 제어 신호(413)는 인버터(417)의 입력단에 연결되고, 인버터(417)의 출력단은 신호 컨버터(418)의 입력단에 연결되고, 신호 컨버터(418)의 출력단은 구동 회로(419)의 제어단에 연결되고, 구동 회로(419)의 출력단은 센서 그라운드 레벨 입력단(420)에 연결된다. 타겟 전극(1)은 부동(floating) 또는 접지한다.

여기서, 신호 컨버터(418)는 입력 신호를 센서 그라운드 레벨 영역으로부터 시스템 그라운드 레벨 영역으로 전환하도록 마련된다.

구동 회로(419)는 입력단 레벨을 확대하고 또한 출력단에서 구동력(drive capability)을 제공하도록 마련된다.

도 7은, 제2 레벨 드라이버(5)의 실시예 1을 제공하였으며, 입력 레벨 V21(521), 입력 레벨 V22(522), 제2 레벨 제어 신호(523), 제2 레벨 셀렉터(524)를 포함한다. 입력 레벨 V21(521)은 제2 레벨 셀렉터(524)의 제1 입력단에 연결되고, 입력 레벨 V22(522)은 제2 레벨 셀렉터(524)의 제2 입력단에 연결되고, 제2 레벨 제어 신호(523)는 제2 레벨 셀렉터(524)의 제어단에 연결되고, 제2 레벨 셀렉터(524)의 출력단은 구동 전극(3)에 연결되었다. 여기서:

제2 레벨 셀렉터(524)는 제2 레벨 제어 신호(523)가 low인 경우 제1 입력단 레벨을 출력하고, 레벨 제어 신호(523)가 high인 경우 제2 입력단 레벨을 출력한다.

도 8은, 제2 레벨 드라이버(5)의 실시예 2를 제공하였으며, 입력 레벨 V21(521)을 포함한다. 입력 레벨 V21(521)은 구동 전극(3)에 연결된다.

도 9는 용량성 지문 센서 그룹원리도1을 제공하였다. 타겟 전극(1), 센서 전극(2), 구동 전극(3), 제1 레벨 드라이버(4), 제2 레벨 드라이버(5), 제1 초기화 스위치(6), 제1 참고 레벨(7)은 제1 유닛 회로(111)로 마련된다. 적분 콘덴서(8), 제2 초기화 스위치(9), 제2 참고 레벨(10), 전하 이동 스위치(11), 콤퍼레이터(12), 제3 참고 레벨(13)은 제1 멀티플렉스 회로(112)로 마련된다. 제1 유닛 회로(111)는 제1 선택 스위치 그룹(113)의 제1 포트1에 연결된다. 제1 선택 스위치 그룹(113)의 제2 포트는 제1 버스(114)에 연결된다. 제1 버스(114)는 제1 멀티플렉스 회로(112)에 연결되어 있다.

여기서, 제1 선택 스위치 그룹(113)은 일차원 또는 이차원의 스위칭 그룹으로서, 임의 시각에 최대한 1개의 스위치를 접속시킨다.

도 10은 용량성 지문 센서의 그룹원리도 2를 제공하였다. 타겟 전극(1), 센서 전극(2), 구동 전극(3), 제1 레벨 드라이버(4), 제2 레벨 드라이버(5), 제1 초기화 스위치(6), 제1 참고 레벨(7), 전하 이동 스위치(11)는 제2 유닛 회로(121)로 마련된다. 적분 콘덴서(8), 제2 초기화 스위치(9), 제2 참고 레벨(10), 콤퍼레이터(12), 제3 참고 레벨(13)은 제2 멀티플렉스 회로(122)로 마련된다. 제2 유닛 회로(121)는 제2 선택 스위치 그룹(123)의 제1 포트에 연결된다. 제2 선택 스위치 그룹(123)의 제2 포트는 제2 버스(124)에 연결된다. 제2 버스(124)는 제2 멀티플렉스 회로(122)에 연결된다.

여기서, 제2 선택 스위치 그룹(124)은 일차원 또는 이차원의 스위칭 그룹으로서, 임의 시각에 최대한 1개의 스위치를 접속시킨다.

도 11은 용량성 지문 센서의 그룹원리도 3을 제공하였다. 타겟 전극(1), 센서 전극(2), 구동 전극(3), 제1 레벨 드라이버(4), 제2 레벨 드라이버(5), 제1 초기화 스위치(6), 제1 참고 레벨(7), 전하 이동 스위치(11)는 제3 유닛 회로(131)로 마련된다. 적분 콘덴서(8), 제2 초기화 스위치(9), 제2 참고 레벨(10)은 1급 멀티플렉스 회로(132)로 마련된다. 콤페레이터(12), 제2 참고 레벨(13)은 2급 멀티플렉스 회로(133)로 마련되고, 제3 유닛 회로(131)은 1급 선택 스위치 그룹(134)의 제1 포트에 연결된다. 1급 선택 스위치 그룹(134)의 제2 포트는 제3 버스(135)에 연결되고； 제3 버스(135)는 1급 멀티플렉스 회로(132)에 연결된다. 1급 멀티플렉스 회로(132)는 2급 멀티플렉스 회로(136)의 제1 포트에 연결된다. 2급 선택 스위치 그룹(136)의 제2 포트는 제4 버스(137)에 연결되고; 제4 버스(137)는 2급 멀티플렉스 회로(133)에 연결되어 있다.

여기서, 1급 선택 스위치 그룹(134)은 여러 그룹의 일차원 스위칭 그룹으로서, 각 그룹은 임의 시각에 최대한 1개의 스위치를 접속시킨다.

2급 선택 스위치 그룹(136)은 일차원 스위칭 그룹으로서, 임의 시각에 최대한 1개의 스위치를 접속시킨다.

2급 멀티플렉스 회로(133)는 다양한 콤퍼레이터(12)와 제3 참고 레벨(13)의 매칭을 포함할 수 있으며, 서로 다른 매칭의 제3 참고 레벨의 출력 레벨은 서로 다르다.

본 출원는 상기 실시예에 협의적으로 한정되지 않으며, 설명서 내 이론 유도를 기반으로 밝힌 회로 실현 형태의 모든 조합을 포함하며, 본 출원의 마인드 및 특허청구서의 범위를 벗어나지 않는 경우, 다양한 변경 및 실시는, 여전히 본 출원의 범위내에 속한다.

본 출원은 출원번호 201410004072.3, 출원일 2014년 1월 6일인 중국특허출원을 기반으로 제출하며 상기 중국특허출원에 대한 우선권을 주장하고 상기 중국특허출원의 전체 내용을 본 출원에 인용한다.

Claims

타겟 전극, 센서 전극, 구동 전극, 제1 레벨 드라이버, 제2 레벌 드라이버, 제1 초기화 스위치, 제1 참고 레벨, 적분 콘덴서, 제2 초기화 스위치, 제2 참고 레벨, 전하이동 스위치, 콤퍼레이터 및 제3 참고 레벨로 구성된 용량성 지문 센서에 있어서,
상기 센서 전극은 하나 또는 다수의 전극으로서, 초기화 스위치1의 제1 포트와 연결되고, 전하이동 스위치의 제1 포트와 연결되고;
상기 타겟 전극은, 타겟 표면을 측정하기 위하여, 제1 레벨 드라이버와 연결되고, 센서 전극에 위치하며, 센서 전극 사이에 유전체층이 존재하고, 타겟 전극 및 센서 전극 사이에 타겟 콘덴서가 형성되고;
상기 구동 전극은 하나 또는 다수의 전극으로서, 제2 레벨 드라이버와 연결되고, 센서 전극 아래측에 위치하며, 센서 전극 사이에 유전체층이 존재하고, 구동 전극 및 센서 전극 사이에 구동 콘덴서가 형성되고;
상기 제1 레벨 드라이버는, 제1 레벨 제어 신호와 연결되고, 타겟 전극과 연결되고;
상기 제2 레벨 드라이버는, 제2 레벨 제어 신호와 연결되고, 구동 전극과 연결되고;
제1 초기화 스위치의 제1 포트는 센서 전극과 연결되고, 제2 포트는 제1 참고 레벨과 연결되고;
제1 참고 레벨은, 제1 초기화 스위치의 제2 포트와 연결되고;
적분 콘덴서는 하나 또는 다수의 병렬 콘덴서로서, 제2 초기화 스위치의 제1 포트와 연결되고, 전하이동 스위치의 제2 포트와 연결되며, 콤퍼레이터의 제1 입력단과 연결되고;
제2 초기화 스위치의 제1 포트는 적분 콘덴서와 연결되고, 제2 포트는 제2 참고 레벨2와 연결되고;
제2 참고 레벨은, 제2 초기화 스위치의 제2 포트와 연결되고;
전하이동 스위치의 제1 포트는 센서 전극과 연결되고, 제2 포트는 적분 콘덴서와 연결되고;
콤퍼레이터의 제1 입력단은 적분 콘덴서와 연결되고, 제2 입력단은 제3 참고 레벨과 연결되며, 출력단은 센서의 출력이고;
제3 참고 레벨은, 콤퍼레이터의 제2 입력단과 연결되는 용량성 지문 센서.
제1 항에 있어서,
상기 레벨 드라이버(1)은 제1 레벨 제어 신호가 low인 경우 저항기를 통해 타겟 전극으로 레벨 V11을 출력하고, 제1 레벨 제어 신호가 high인 경우 저항기를 통해 타겟 전극으로 레벨 V12를 출력하는 용량성 지문 센서.
제2 항에 있어서,
상기 제1 레벨 드라이버는 제1 레벨 제어 신호가 low인 경우 콘덴서로 레벨 V11을 출력하고, 제1 레벨 제어 신호가 high인 경우 콘덴서로 레벨 V12를 출력하며, 콘덴서는 타겟 전극으로 V11 및 V12의 교류 성분을 결합하여 출력하는 용량성 지문 센서.
제3 항에 있어서,
상기 제1 레벨 드라이버는 센서 그라운드 레벨 출력단으로 V11 및 V12의 교류 성분과 반전 위상인 교류 레벨을 출력하는 용량성 지문 센서.
제1 항에 있어서,
상기 제2 레벨 드라이버는 제2 레벨 제어 신호가 low인 경우 구동 전극으로 레벨 V21을 출력하고, 제2 레벨 제어 신호가 high인 경우 구동 전극으로 레벨 V22를 출력하는 용량성 지문 센서.
제5 항에 있어서,
상기 제2 레벨 드라이버는 구동 전극으로 레벨 V21을 출력하는 용량성 지문 센서.
제1 항에 있어서,
제1 초기화 스위치, 제2 초기화 스위치, 전하이동 스위치, 제1 레벨 제어 신호, 제2 레벨 제어신호의 제어 타이밍은 하기
제1 초기화 스위치를 접속하고, 전하 이동 스위치를 차단하고, 제2 초기화 스위치를 차단하고, 제1 레벨 제어 신호는 low, 제2 레벨 제어 신호는 low인 단계 1;
제2 초기화 스위치를 접속하는 단계 2;
제2 초기화 스위치를 차단하는 단계 3;
제1 초기화 스위치를 차단하는 단계 4;
제1 레벨 제어 신호는 high, 제2 레벨 제어 신호는 high인 단계 5;
전하이동 스위치를 접속하는 단계 6;
전하이동 스위치를 차단하는 단계 7;
제1 레벨 제어 신호는 low, 제2 레벨 제어 신호는 low인 단계 8;
제1 초기화 스위치를 접속하는 단계 9; 및
단계 4로 되돌아가는 단계 10을 수행하는 용량성 지문 센서.
제7 항에 있어서,
제어 타이밍은 단계 1-3으로 구성된 초기화 단계 및 단계 4-10으로 구성된 전하 이동 단계를 포함하는 용량성 지문 센서.
제8 항에 있어서,
전하 이동 단계에서, 상기 적분 콘덴서의 전위가 단방향 변화가 발생하는 용량성 지문 센서.
제9 항에 있어서,
상기 적분 콘덴서의 전위 단방향 변화, 즉 제3 참고 레벨보다 높은 것에서 제3 참고 레벨보다 낮은 것으로 변경되거나, 또는 제3 참고 레벨보다 낮은 것에서 제3 참고 레벨보다 높은 것으로 변경된 경우, 상기 콤터레이터의 출력단은 반위되며, 센서 출력이 발생하는 용량성 지문 센서.
제1 항에 있어서,
어레이로 구성된 경우, 타겟 전극, 센서 전극, 구동 전극, 제1 레벨 드라이버, 제2 레벨 드라이버, 제1 초기화 스위치, 제1 참고 레벨이 유닛 회로로 구성되고, 적분 콘덴서, 제2 초기화 스위치, 제2 참고 레벨, 전하 이동 스위치, 콤퍼레이터, 제3 참고 레벨이 멀티플렉스 회로로 구성된 용량성 지문 센서.
제1 항에 있어서,
상기 용량성 지문 센서는,
어레이로 구성된 경우, 타겟 전극, 센서 전극, 구동 전극, 제1 레벨 드라이버, 제2 레벨 드라이버, 제1 초기화 스위치, 제1 참고 레벨, 전하 이동 스위치가 유닛 회로로 구성되고, 적분 콘덴서, 제2 초기화 스위치, 제2 참고 레벨, 콤퍼레이터, 제3 참고 레벨이 멀티플렉스 회로로 구성된 용량성 지문 센서.
제12 항에 있어서,
상기 용량성 지문 센서는,
어레이로 구성된 경우, 타겟 전극, 센서 전극, 구동 전극, 제1 레벨 드라이버, 제2 레벨 드라이버, 제1 초기화 스위치, 제1 참고 레벨, 전하 이동 스위치가 유닛 회로로 구성되고, 적분 콘덴서, 제2 초기화 스위치, 제2 참고 레벨이 1급 멀티플렉스회로로 구성되고, 콤퍼레이터, 제3 참고 레벨이 2급 멀티플렉스 회로로 구성된 용량성 지문 센서.
제13 항에 있어서,
상기 2급 멀티플렉스 회로는 하나 또는 다수의 콤퍼레이터, 및 참고 레벨 매칭을 포함하며, 다수의 콤퍼레이터, 및 참고 레벨 매칭을 포함하는 경우, 서로 다른 매칭의 제3 참고 레벨의 출력 레벨은 서로 다른 용량성 지문 센서.