KR20170048705A - Fingerprint detecting apparatus and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센싱 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극; 상기 센싱 정전용량에 비례하는 값을 계속적으로 누적하여 출력 전압을 생성하는 적분부; 상기 적분부의 출력 전압과 기준 전압을 비교하는 비교부; 및 기 설정된 구간 동안 상기 비교부의 출력 전압을 적분하여 디지털 신호로 출력하는 출력부를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다.According to an embodiment, there is provided a fingerprint detection device including a plurality of fingerprint sensing elements, each fingerprint sensing element comprising: a sensing electrode that forms a sensing capacitance in relation to a subject; An integrating unit for continuously accumulating a value proportional to the sensing capacitance to generate an output voltage; A comparing unit comparing the output voltage of the integrating unit with a reference voltage; And an output unit for integrating the output voltage of the comparison unit for a predetermined interval and outputting the result as a digital signal.
Description
본 발명은 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 노이즈 유입이 최소화되고 기생 정전용량에 따른 영향이 제거되어 감도가 향상된 지문 검출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fingerprint detecting apparatus and a driving method thereof, and more particularly, to a fingerprint detecting apparatus and a driving method of the fingerprint detecting apparatus that minimize noise inflow and eliminate the influence of parasitic capacitance, thereby improving sensitivity.
지문의 무늬는 사람마다 다르기 때문에, 개인 식별 분야에 많이 이용되고 있다. 특히, 지문은 개인 인증 수단으로서 금융, 범죄수사, 보안 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.Since fingerprints vary from person to person, they are widely used in the field of personal identification. In particular, fingerprints are widely used in various fields such as finance, crime investigation and security as personal authentication means.
이러한 지문을 인식하여 개인을 식별하기 위해 지문 인식 센서가 개발되었다. 지문 인식 센서는 사람의 손가락을 접촉하고 손가락 지문을 인식하는 장치로서, 정당한 사용자인지 여부를 판단할 수 있는 수단으로 활용되고 있다.A fingerprint recognition sensor has been developed to recognize these fingerprints and identify them. The fingerprint recognition sensor is a device for recognizing a fingerprint of a finger by contacting a finger of a person, and is used as a means for determining whether or not the user is a legitimate user.
최근에는 모바일 시장에서도 개인 인증 및 보안 강화의 필요성이 급격히 증대되고 있으며, 모바일을 통한 보안 관련 사업이 활발히 진행되고 있다. In recent years, the necessity of personal authentication and security enhancement is increasing rapidly in mobile market, and security related business through mobile is actively proceeding.
지문 인식 센서를 구현하는 방식으로는 광학방식, 열감지 방식 및 정전용량 방식 등의 다양한 인식 방식이 알려져 있다.Various recognition methods such as an optical method, a thermal sensing method, and a capacitive sensing method are known as a method of implementing a fingerprint recognition sensor.
이 중, 용량형 지문센서의 원리는 최상위 금속판과 지문의 융선(ridge) 간에 형성되는 정전용량, 최상위 금속판과 지문의 골(valley) 간에 형성되는 정전용량의 차이를 전기적 신호로 변환하여 기준 신호와의 크기를 비교한 후 디지털화 및 이미지화함으로써 지문 이미지를 형성하게 된다.Among them, the principle of the capacitive type fingerprint sensor is that the electrostatic capacitance formed between the top metal plate and the ridge of the fingerprint, the difference between the electrostatic capacitance formed between the top metal plate and the fingerprint valley, The fingerprint image is formed by digitizing and imageing.
도 1은 일반적인 지문 검출 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 1 is a view showing a configuration of a general fingerprint detecting apparatus.
도 1을 참조하면, 일반적인 지문 검출 장치는 복수개의 지문 센싱 소자(11)가 배치되는 센서 어레이(10), 필터 및 버퍼부(12), 샘플 앤 홀드부(13), RDC(Related Data Calibration)(14), PGA(Programmable Gain Amplifier)(15), DSG(Differential Signal Generator)(16), ADC(Analog to Digital Converter)(17), 입출력부(18), 외부 전극(20)을 포함한다. 1, a general fingerprint detecting apparatus includes a sensor array 10 in which a plurality of
센서 어레이(10)에 배치되는 지문 센싱 소자(11) 각각은 센싱 전극(미도시됨)을 포함한다. 지문 인식 시 외부 전극(20)으로부터 구동 신호가 공급되면, 이로 인한 손가락으로부터의 응답 신호가 센싱 전극으로 전달된 후, 일정 비율로 증폭되어 각각의 지문 센싱 소자(11)의 출력 신호로서 출력된다. 각 지문 센싱 소자(11)의 센싱 전극이 손가락 지문의 융선과 닿았는지, 또는 골과 닿았는지에 따라 센싱 전극에 형성되는 정전용량이 달라지며, 이로 인해 각 지문 센싱 소자(11)로부터 출력되는 신호의 값 또한 달라지게 된다. 복수개의 지문 센싱 소자(11)로부터의 출력 신호를 종합하면, 센서 어레이(10) 내에서의 지문 센싱 소자(11)의 위치별로 손가락 지문의 형태를 파악할 수 있게 되며, 이러한 원리로 지문 이미지 획득이 가능하다. Each of the
필터 및 버퍼부(12)는 각 지문 센싱 소자(11)로부터의 출력 신호를 임시적으로 저장하며 노이즈를 제거하는 필터 기능을 한다. The filter and
샘플 앤 홀드부(13)는 필터 및 버퍼부(12)에 의해 노이즈가 제거된 신호를 샘플링하여 이를 유지하고, 그 값을 저장하는 기능을 한다. The sample-and-
RDC(14)는 샘플 앤 홀드부(13)의 출력 신호에 대한 오프셋 조절을 수행한다. The
PGA(15)는 RDC(14)로부터의 출력 신호를 증폭하는 기능을 한다. 손가락의 융선과 골 간의 높이 차이가 매우 미세하여 각 센싱 전극에 형성되는 정전용량 간 차이가 작게 형성되기 때문에, 각 지문 센싱 소자(11)로부터 출력되는 신호들 간의 차이 또한 크지 않은 값으로 나타날 수 밖에 없다. 또한, 지문 검출 장치가 장착된 전자기기의 케이스가 금속성 재질로 이루어지는 경우에는, 외부 전극(20)으로부터 공급되는 구동 신호 중 일부가 전자기기의 케이스 영역으로 손실되어 각 지문 센싱 소자(11)의 출력 신호가 감쇄될 수 있다. 따라서, 각 지문 센싱 소자(11)로부터의 출력 신호를 증폭시키는 PGA(15)가 필요하다.The
ADC(17)는 아날로그 형태의 신호를 디지털화하는 기능을 수행한다. 디지털 형태로 변환된 데이터는 입출력부(18)에 입력된다.The
이러한 지문 검출 장치는 외부 전극(20)이 설계 상의 제약으로 작용하게 되며, 외부 전극(20)으로부터의 구동 신호 중 일부가 손실되어 지문 센싱 소자(11)로부터의 출력 신호가 원하는 레벨에 도달하지 못하는 문제점을 갖는다. Such a fingerprint detection device has a limitation on the design of the external electrode 20 and a problem that a part of the drive signal from the external electrode 20 is lost and the output signal from the
또한, 신호 증폭을 위한 PGA(15)가 지문 검출 장치의 외곽 부분에 구비되기 때문에 지문 센싱 소자(11)로부터 PGA(15)까지 신호가 전달되는 과정에서 노이즈가 유입될 가능성이 커진다.In addition, since the
게다가, PGA(15) 및 ADC(17)를 구성하는 회로의 크기가 전체 지문 검출 장치에서 오버헤드로 작용하게 된다. In addition, the size of the circuit constituting the
따라서, 지문 검출 시 노이즈 유입에 따른 영향을 최소화하고, 지문 인식 장치의 크기 또한 최소화할 수 있는 기술이 필요하다. Therefore, there is a need for a technique capable of minimizing the influence of noise input upon fingerprint detection and minimizing the size of the fingerprint recognition device.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것을 그 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art.
본 발명의 목적은 지문 검출 장치에서 외부 전극을 통하여 구동 신호 인가 시에 발생할 수 있는 전류 누설의 문제점을 해결하고, 설계 상 이점을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problem of current leakage that may occur when a driving signal is applied through an external electrode in a fingerprint detection device, and to provide a design advantage.
본 발명의 다른 목적은 지문 센싱 소자 내에서 센싱 신호가 디지털화되도록 함으로써, 지문 센싱 소자 외부로의 신호 전달 경로에서 발생할 수 있는 노이즈 유입 문제를 해결하는 것이다. Another object of the present invention is to solve the problem of noise inflow that may occur in the signal transmission path to the outside of the fingerprint sensing device by digitizing the sensing signal in the fingerprint sensing device.
본 발명의 또 다른 목적은 지문 센싱 소자의 센싱 전극에 형성될 수 있는 기생 정전용량이 출력 신호에 미치는 영향을 제거하는 것이다. It is another object of the present invention to eliminate the influence of the parasitic capacitance formed on the sensing electrode of the fingerprint sensing element on the output signal.
본 발명의 또 다른 목적은 지문 검출 장치에 접촉된 피사체의 전위를 모든 위치에서 동일하게 유지하고, 지문 검출 동작 시 인접 센싱 전극 간에 형성되는 기생 정전용량의 영향 또한 제거하는 것이다. It is still another object of the present invention to maintain the potential of an object in contact with the fingerprint detection device at all positions and to remove the influence of the parasitic capacitance formed between adjacent sensing electrodes in a fingerprint detection operation.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치로서, 각각의 지문 센싱 소자는, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극; 상기 센싱 정전용량에 비례하는 값을 계속적으로 누적하여 출력 전압을 생성하는 적분부; 상기 적분부의 출력 전압과 기준 전압을 비교하는 비교부; 및 기 설정된 구간 동안 상기 비교부의 출력 전압을 적분하여 디지털 신호로 출력하는 출력부를 포함하는, 지문 검출 장치가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a fingerprint detection device including a plurality of fingerprint sensing elements, each fingerprint sensing element including: a sensing electrode that forms a sensing capacitance in relation to a subject; An integrating unit for continuously accumulating a value proportional to the sensing capacitance to generate an output voltage; A comparing unit comparing the output voltage of the integrating unit with a reference voltage; And an output unit for integrating the output voltage of the comparison unit for a predetermined interval and outputting the result as a digital signal.
상기 지문 검출 장치는, 상기 적분부의 출력 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 적분부의 출력 전압을 차감시키는 델타부를 더 포함할 수 있다. The fingerprint detection apparatus may further include a delta unit that subtracts an output voltage of the integrator when an output voltage of the integrator exceeds a reference voltage.
상기 델타부는, 상기 적분부의 출력 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 적분부에 포함되는 증폭기의 피드백 정전용량과 전하를 공유하는 델타 정전용량을 포함할 수 있다. The delta unit may include a delta electrostatic capacity sharing charge with the feedback capacitance of the amplifier included in the integrating unit when the output voltage of the integrating unit exceeds the reference voltage.
상기 델타부는, 상기 적부부의 출력 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 센싱 전극이 초기화되는 동안 상기 델타 정전용량을 상기 증폭기의 입력단과 연결시키기 위한 제어 신호를 발생하는 AND 게이트를 더 포함할 수 있다. The delta unit may further include an AND gate for generating a control signal for connecting the delta capacitance to the input terminal of the amplifier while the sensing electrode is initialized when the output voltage of the inductor exceeds the reference voltage have.
상기 델타부는, 상기 비교기의 출력 전압을 안정화시켜 상기 AND 게이트의 입력 신호로 제공하는 D 플립플롭을 더 포함할 수 있다. The delta unit may further include a D flip-flop that stabilizes an output voltage of the comparator and provides the input signal to the AND gate.
상기 델타부는, 상기 증폭기의 피드백 정전용량이 초기화되는 구간 또는 상기 센싱 전극이 초기화되는 구간에 상기 델타 정전용량을 초기화시키기 위한 제어 신호를 발생하는 OR 게이트를 더 포함할 수 있다. The delta unit may further include an OR gate for generating a control signal for initializing the delta capacitance in a period in which the feedback capacitance of the amplifier is initialized or a period in which the sensing electrode is initialized.
상기 지문 검출 장치는, 상기 센싱 전극이 상기 적분부와 연결되는 동안, 상기 센싱 전극에 형성되는 기생 정전용량에 충전되는 전하량을 보상하는 보상 정전용량을 더 포함할 수 있다. The fingerprint detection device may further include a compensating electrostatic capacity for compensating an amount of charge charged in the parasitic electrostatic capacitance formed on the sensing electrode while the sensing electrode is connected to the integrating unit.
상기 지문 검출 장치는, 상기 출력부의 출력 신호를 기초로, 기 설정된 구간 동안 상기 적분부의 출력 전압이 기준 전압을 초과한 횟수에 비례하는 상기 센싱 정전용량의 크기를 판단하는 외부 장치를 더 포함할 수 있다. The fingerprint detection apparatus may further include an external device for determining the size of the sensing capacitance in proportion to the number of times the output voltage of the integration section exceeds the reference voltage for a predetermined interval based on the output signal of the output section have.
지문 검출 동작 대상이 되는 제1 지문 센싱 소자의 제1 센싱 전극과 인접한 적어도 하나의 제2 센싱 전극에는 상기 제1 센싱 전극의 전위와 동일한 전위가 동기화되어 공급될 수 있다. A potential equal to the potential of the first sensing electrode may be supplied to at least one second sensing electrode adjacent to the first sensing electrode of the first fingerprint sensing device to be subjected to the fingerprint sensing operation.
상기 제1 센싱 전극 및 제2 센싱 전극을 제외한 센싱 전극들은 모두 그라운드 전위와 연결될 수 있다. The sensing electrodes other than the first sensing electrode and the second sensing electrode may all be connected to the ground potential.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 지문 센싱 소자를 포함하는 지문 검출 장치의 구동 방법으로서, 지문 센싱 소자에 포함되며 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극을 초기화시키는 단계; 상기 센싱 전극을 적분부에 포함되는 증폭기의 입력단과 연결하여, 상기 증폭기의 출력 전압에 상기 센싱 정전용량에 비례하는 값이 누적되도록 하는 단계; 및 상기 적분부의 출력 전압값이 기준 전압을 초과한 횟수에 비례하는 디지털 신호를 생성하는 출력부의 출력 신호를 기초로 상기 센싱 정전용량의 크기를 판단하는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a fingerprint detection device including a plurality of fingerprint sensing elements, the method comprising: initializing a sensing electrode included in a fingerprint sensing element and forming a sensing capacitance in relation to the subject; ; Connecting the sensing electrode to an input terminal of an amplifier included in the integrating unit so that a value proportional to the sensing capacitance is accumulated in an output voltage of the amplifier; And determining a magnitude of the sensing capacitance based on an output signal of an output unit that generates a digital signal proportional to the number of times the output voltage value of the integrating unit exceeds the reference voltage. / RTI >
상기 초기화 단계는, 상기 적분부의 출력 전압값이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 적분부의 출력 전압값을 차감시키는 단계를 포함할 수 있다. The initializing step may include subtracting the output voltage value of the integrator when the output voltage value of the integrator exceeds the reference voltage.
본 발명에 따르면, 지문 검출 장치에서 외부 전극 없이도 지문 센싱이 가능하므로, 구동 신호 인가 시 외부 환경에 의한 전류 누설 현상이 사라지게 된다. According to the present invention, since fingerprint sensing is possible without an external electrode in a fingerprint detecting device, current leakage due to an external environment is lost when a driving signal is applied.
본 발명에 따르면, 지문 센싱 소자 내에서 디지털화된 신호가 센싱 신호로서 출력되기 때문에, 출력 신호가 외부 장치로 전달되는 과정에서의 노이즈 유입 가능성이 제거될 수 있다. According to the present invention, since the digitized signal is output as the sensing signal in the fingerprint sensing element, the possibility of noise input in the process of transmitting the output signal to the external device can be eliminated.
본 발명에 따르면, 지문 센싱 소자 외부에 별도의 증폭기 및 아날로그-디지털 변환기가 구비되지 않아도 되므로, 전체 지문 검출 장치의 설계 면적이 최소화될 수 있다. According to the present invention, since a separate amplifier and an analog-digital converter are not provided outside the fingerprint sensing device, the design area of the entire fingerprint detection device can be minimized.
본 발명에 따르면, 지문 센싱 소자의 센싱 전극에 형성되는 기생 정전용량이 출력 신호에 미치는 영향을 보상 정전용량을 통해 제거할 수 있다. According to the present invention, the influence of the parasitic capacitance formed on the sensing electrode of the fingerprint sensing element on the output signal can be eliminated through the compensation capacitance.
본 발명에 따르면, 지문 검출 동작 시 센싱 전극에 가해지는 전위를 인접 센싱 전극에도 동일하게 가해줌으로써 센싱 전극 간 관계에 따라 형성되는 기생 정전용량의 영향을 제거할 수 있고, 그 외의 센싱 전극은 그라운드 전위로 유지해줌으로써 손가락의 전위를 모든 위치에서 동일하게 유지할 수 있게 된다. According to the present invention, by applying the potential applied to the sensing electrode in the fingerprint detection operation equally to the adjacent sensing electrodes, it is possible to eliminate the influence of the parasitic capacitance formed in accordance with the relationship between the sensing electrodes, The potential of the finger can be kept the same at all positions.
도 1은 일반적인 지문 검출 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 센서 어레이에서 지문 검출 동작을 실시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3을 참조하여 설명한 지문 검출 동작을 상세히 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 센싱 구동부의 상세 구성을 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 4에 도시된 지문 검출 장치 회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 7은 센싱 정전용량이 존재하지 않는 경우 센싱 구동부에 구비되는 증폭기의 출력 전압 변화를 나타내는 그래프이다.1 is a view showing a configuration of a general fingerprint detecting apparatus.
2 is a diagram showing a schematic configuration of a fingerprint detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining a method of performing a fingerprint detection operation in a sensor array according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram for explaining the fingerprint detection operation described with reference to FIG. 3 in detail.
5 is a circuit diagram showing the detailed configuration of the sensing driver shown in FIG.
6 is a timing chart for explaining the operation of the fingerprint detecting device circuit shown in Fig.
7 is a graph showing changes in the output voltage of the amplifier provided in the sensing driver when the sensing capacitance is absent.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a fingerprint detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 지문 검출 장치는 복수의 행과 열을 이루는 복수 개의 센싱 전극으로 이루어지는 센서 어레이(100), 센서 어레이(100) 내의 센싱 전극과 손가락 간의 관계에 의해 형성되는 센싱 정전용량과 연관되는 전기적 신호를 출력하는 센싱 구동부(110), 센싱 구동부(110)의 동작을 제어하고 그 동작에 필요한 제어 신호를 발생시키는 제어부(120), 센싱 구동부(110)로부터 출력되는 신호에서 노이즈를 제거하는 필터부(130), 지문 이미지 생성을 위해 필터부(130)의 출력 신호를 외부 장치로 전달하는 임출력부(140)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the fingerprint detection device includes a
도 2에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지문 검출 장치는 구동 신호 인가를 위한 외부 전극 없이도 안정적인 지문 검출 동작을 수행한다. 한편, 센싱 구동부(110)로부터 출력되는 디지털 형태의 신호가 필터부(130)로 입력되며, 별도의 아날로그-디지털 변환기를 포함하지 않는다. 즉, 센싱 구동부(110) 자체 내에서 디지털 형태의 신호를 출력해내기 때문에, 아날로그 신호의 전달 경로가 최소화되어, 그 경로 상에서의 노이즈 개입 현상이 방지될 수 있다. 또한, 아날로그-디지털 변환기뿐만 아니라 센싱 구동부(110) 외부에 별도의 증폭기가 구비되지 않아도 되므로, 전체 지문 검출 장치의 설계 면적이 간소화될 수 있다. 이에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.As shown in FIG. 2, the fingerprint detection apparatus according to the embodiment of the present invention performs a stable fingerprint detection operation without an external electrode for applying a driving signal. Meanwhile, the digital signal output from the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 센서 어레이에서 지문 검출 동작을 실시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for explaining a method of performing a fingerprint detection operation in a sensor array according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 센서 어레이(100) 내의 특정 센싱 전극(110a)에 대한 지문 검출 동작을 실시하는 경우에는 해당 센싱 전극(110a)과 피사체 간의 관계에 의해 센싱 정전용량이 형성된다. 만약, 센서 어레이(100)에 접촉된 피사체의 전위가 위치별로 달라지게 되면, 서로 다른 센싱 전극(110a, 110b, 110c)에 대한 지문 검출 동작 시 유입되는 노이즈의 양이 달라지게 되고, 이러한 영향으로 정확한 센싱 정전용량의 형성이 어려워진다. Referring to FIG. 3, when a fingerprint detection operation is performed on the specific sensing electrode 110a in the
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 현재 지문 검출 동작의 대상이 되지 않는 센싱 전극(110c)을 그라운드 전위와 연결시킨다. 피사체는 지문 검출 동작의 대상이 되는 센싱 전극(110a)뿐만 아니라, 주변의 센싱 전극(110c)과도 접촉되기 때문에, 피사체가 주변 센싱 전극(110c)을 통해 그라운드 전위를 유지하려는 상태가 된다. 여기서, 그라운드 전위라 함은 기준 전위(Vref)와 다른 전위로서, 다양한 실시예에 따라 시스템 그라운드 전위, 기 설정된 0V 이상의 포지티브 정전위 또는 네거티브 정전위 등으로 구현될 수 있다.Therefore, in one embodiment of the present invention, the sensing electrode 110c which is not subject to the current fingerprint detection operation is connected to the ground potential. The subject is in contact with not only the sensing electrode 110a to be subjected to the fingerprint detection operation but also the surrounding sensing electrode 110c so that the subject is in a state of trying to maintain the ground potential through the peripheral sensing electrode 110c. Here, the ground potential may be a potential different from the reference potential Vref, and may be implemented in accordance with various embodiments, such as a system ground potential, a positive potential higher than or equal to a predetermined potential of 0 V, or a negative potential.
따라서, 센서 어레이(100) 내의 어떠한 위치에서도 피사체의 전위는 그라운드 전위로 유지되어 노이즈 유입에 따른 영향이 최소화되며, 최종 출력 신호의 신호 대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)가 향상될 수 있다.Therefore, the potential of the subject is maintained at the ground potential at any position in the
한편, 특정 센싱 전극(110a)에 대한 지문 검출 동작 시, 해당 센싱 전극(110a)과 인접 센싱 전극 간에 전위차가 발생하게 되면, 양 센싱 전극 간의 관계에 의해 기생 정전용량이 형성될 수 있다.Meanwhile, when a potential difference is generated between the sensing electrode 110a and the adjacent sensing electrode during the fingerprint detection operation for the specific sensing electrode 110a, the parasitic capacitance can be formed due to the relationship between the sensing electrodes.
본 발명의 일 실시예에서는 지문 검출 대상인 센싱 전극(110a)의 전위를 인접하는 적어도 하나의 센싱 전극(110b)에 동기화시켜 가해줌으로써, 인접하는 센싱 전극 간 전위차가 발생하지 않도록 하여 양 센싱 전극 간 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량을 제거할 수 있다. 후술할 바와 같이, 지문 검출 대상인 센싱 전극(110a)에는 그라운드 전위 및 기준 전위가 번갈아가면서 인가되는데, 인접 센싱 전극(110b)에도 그라운드 전위 및 기준 전위가 번갈아가면서 인가된다면, 인접 센싱 전극 간의 전위차가 발생하지 않게 된다.In one embodiment of the present invention, the potential of the sensing electrode 110a, which is the object of fingerprint detection, is synchronized with at least one sensing electrode 110b adjacent thereto, so that a potential difference between adjacent sensing electrodes is not generated, It is possible to remove the parasitic electrostatic capacitance formed by the parasitic capacitance. As described later, if the ground potential and the reference potential are alternately applied to the sensing electrode 110a, which is the fingerprint detection target, and the ground potential and the reference potential are alternately applied to the adjacent sensing electrode 110b, a potential difference occurs between the adjacent sensing electrodes .
이러한 동작이 가해지는 센싱 전극(110b)에 대한 선택은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. Selection of the sensing electrode 110b to which such an operation is applied can be performed in various manners.
일 실시예에 따르면, 도 3에 도시되는 바와 같이, 지문 검출 동작 대상인 제1 센싱 전극(110a)을 둘러싸는 모든 제2 센싱 전극(110b)을 대상으로 상기 동작을 실시할 수도 있으나, 그 중 일부에 대해서만 실시할 수도 있음은 물론이다. 제2 센싱 전극(110b)으로 선택되는 대상 및 개수는, 형성되는 기생 정전용량의 크기 또는 동기화된 신호를 가해주기 위해 필요한 회로 동작의 복잡도 등에 기반하여 설정될 수 있다.According to an embodiment, as shown in FIG. 3, the operation may be performed on all the second sensing electrodes 110b surrounding the first sensing electrode 110a, which is a fingerprint sensing operation target. However, Of course. The object and the number selected as the second sensing electrode 110b may be set based on the magnitude of the parasitic capacitance formed or the complexity of the circuit operation required to apply the synchronized signal.
한편, 제1 센싱 전극(110a) 및 제2 센싱 전극(110b)을 하나의 클러스터라고 정의한다면, 지문 검출 동작 시 이러한 클러스터는 서로 중첩되도록 선택되는 것으로 설명이 가능하다. 예를 들어, 도 3에 도시되는 제1 센싱 전극(110a) 및 제2 센싱 전극(110b)을 제1 클러스터로 선택하여, 제1 센싱 전극(110a)에 대한 지문 검출 동작을 실시했다면, 그 다음 선택되는 제2 클러스터에서의 제1 센싱 전극은 제1 클러스터에 속한 제2 센싱 전극(110b) 중 어느 하나일 수 있다.On the other hand, if the first sensing electrode 110a and the second sensing electrode 110b are defined as one cluster, it can be explained that these clusters are selected to overlap each other in the fingerprint detection operation. For example, if the first sensing electrode 110a and the second sensing electrode 110b shown in FIG. 3 are selected as the first cluster and the fingerprint detection operation is performed on the first sensing electrode 110a, The first sensing electrode in the selected second cluster may be any one of the second sensing electrodes 110b belonging to the first cluster.
도 4는 도 3을 참조하여 설명한 지문 검출 동작을 상세히 설명하기 위한 회로도이다.FIG. 4 is a circuit diagram for explaining the fingerprint detection operation described with reference to FIG. 3 in detail.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 센싱 구동부(110)는 기생 정전용량을 보상해주기 위한 기생 정전용량 보상부(112), 피사체(손가락 등)와 센싱 전극(111a) 간의 관계에서 형성되는 센싱 정전용량의 크기에 따라 상이한 신호를 출력하되, 그 출력값을 계속적으로 누적시키는 적분부(113), 적분부(113)의 출력값과 기준값 간의 비교를 수행하는 비교부(114), 센싱 구동부(110)의 출력값으로서 최종적으로 디지털화된 신호를 출력하는 출력부(115 ), 소정 조건에 따라 적분부(113)의 출력값을 차감하는 델타부(116), 인접 센싱 전극(111a, 111b) 간의 전위를 동일하게 매칭시켜주는 동기화 신호 공급부(117)를 포함한다.4, a
동기화 신호 공급부(117)는 연산 증폭기로 구현되는 버퍼(117a)를 포함한다. 버퍼(117a)의 제1 입력단은 동기화 스위치(SWp)에 의해 그라운드 전위(GND) 및 기준 전위(Vref)와 선택적으로 연결될 수 있고, 버퍼(117a)의 제2 입력단은 출력단과 연결된다. 버퍼(117a)의 출력단은 센싱 전극(111b)과 연결될 수 있다. The synchronization
현재 지문 검출 동작 대상이 되는 제1 센싱 전극(111a)과 인접하지 않은 센싱 전극(111c, 도 3 참조)에서의 동기화 스위치(SWp)는 항상 그라운드 전위(GND)와 연결된 상태로 유지된다. 이에 의해 제1 센싱 전극(111a)과 인접하지 않은 센싱 전극(111c)은 그라운드 전위로 유지된다. 한편, 제1 센싱 전극(111a)과 인접한 제2 센싱 전극(111b) 내에서는 동기화 스위치(SWp)가 그라운드 전위(GND) 및 기준 전위(Vref)와 교번하여 연결된다. The synchronization switch SWp in the
후술할 바와 같이, 지문 검출 동작 대상인 제1 센싱 전극(111a)은 스위치(SW1, SW6)의 온/오프 동작에 의해 그라운드 전위 및 기준 전위(Vref)로 대전된다. 구체적으로, 제1 스위치(SW1)가 온 상태인 경우에는 제1 센싱 전극(111a)이 그라운드 전위로 대전되고, 제6 스위치(SW6)가 온 상태인 경우네는 제1 센싱 전극(111a)이 기준 전위(Vref)로 대전된다. As will be described later, the
제1 센싱 전극(111a)과 인접한 제2 센싱 전극(111b)에 제1 센싱 전극(111a)의 전위와 동일한 전위를 동기화시켜 연결시켜준다면, 상호 인접한 제1 센싱 전극(111a) 및 제2 센싱 전극(111b) 간의 전위차가 제거될 수 있다. If the same potential as the potential of the
이를 위해, 제1 스위치(SW1)가 온 상태로 전환되어 제1 센싱 전극(111a)이 그라운드 전위로 대전될 때에는 제2 센싱 전극(111b)과 연결된 동기화 신호 공급부(117)의 동기화 스위치(SWp)가 그라운드 전위(GND)와 연결된다. 이에 따라, 제1 센싱 전극(111a)이 그라운드 전위와 연결될 때, 제2 센싱 전극(111b) 또한 동기화되어 그라운드 전위와 연결된다. 제2 센싱 전극(111b)과 연결된 동기화 신호 공급부(117)에서의 동기화 스위치(SWp)가 그라운드 전위(GND)와 연결/차단되는 동작은 제1 센싱 전극(111a)과 연결된 제1 스위치(SW1)의 온/오프 동작과 동기화될 수 있다. To this end, when the first switch SW1 is turned on and the
한편, 제1 센싱 전극(111a)과 연결된 제6 스위치(SW6)가 온 상태로 전환되어, 제1 센싱 전극(111a)이 기준 전위(Vref)로 대전되는 경우에는 제2 센싱 전극(111b)과 연결된 동기화 신호 공급부(117)의 동기화 스위치(SWp)가 기준 전위(Vref)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제2 센싱 전극(111b) 또한 동기화되어 기준 전위(Vref)로 대전될 수 있다. 제2 센싱 전극(111b)과 연결된 동기화 신호 공급부(117)에서의 동기화 스위치(SWp)가 기준 전위(Vref)와 연결/차단되는 동작은 제1 센싱 전극(111a)과 연결된 제6 스위치(SW6)의 온/오프 동작과 동기화될 수 있다.On the other hand, when the sixth switch SW6 connected to the
이러한 방식으로, 지문 검출 동작 대상이 되는 제1 센싱 전극(111a)과 인접하게 배치되는 제2 센싱 전극(111b) 간의 전위가 항상 동일하게 유지될 수 있다. In this way, the potential between the
두 개의 도체가 소정의 유전율을 갖는 물질을 사이에 두고 인접하여 배치되는 경우, 두 도체 간의 전위차를 0에 가깝게 수렴시키면, 양 도체 간의 전위차에 의해 유도되는 전하량 또한 0에 가깝게 수렴되므로, 양 도체 간의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량은 제거되게 되므로, 상기의 방법에 의해 센싱 전극(111a, 111b) 간 관계에 따라 형성되는 기생 정전용량(Cpt)은 제거될 수 있다.In the case where two conductors are disposed adjacent to each other with a predetermined dielectric constant interposed therebetween, when the potential difference between the two conductors is converged close to zero, the amount of charge induced by the potential difference between the two conductors converges close to zero. The parasitic capacitance formed by the relationship is removed. Thus, the parasitic capacitance Cpt formed according to the relationship between the
한편, 각각의 센싱 전극(111a, 111b)과 동기화 신호 공급부(117)의 버퍼(117a) 출력단을 상호 연결시켜주기 위한 추가적인 스위치(미도시됨)가 더 구비될 수도 있다. It is also possible to further include additional switches (not shown) for interconnecting the
또한, 동기화 신호 공급부(117)에 포함되는 버퍼(117a)의 제1 입력단에 연결된 동기화 스위치(SWp)가 생략되고, 펄스 신호 공급부(미도시됨)가 포함될 수도 있다. 이 경우, 펄스 신호 공급부는 기준 전위(Vref)와 그라운드 전위(GND)를 교번하여 버퍼(117a)의 제1 입력단에 공급할 수 있다. In addition, the synchronization switch SWp connected to the first input terminal of the
도 5는 도 4에 도시된 센싱 구동부의 상세 구성을 나타내는 회로도이다. 이하, 도 5를 참조하여, 센싱 구동부의 기생 정전용량 보상부(112), 적분부(113), 비교부(114), 출력부(115), 델타부(116)의 구성 및 그 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다. 5 is a circuit diagram showing the detailed configuration of the sensing driver shown in FIG. 5, the configuration and operation of the parasitic
도 5를 참조하면, 센싱 전극(111)에 회로적 구성에 따른 영향 또는 인접한 다른 지문 센싱 소자와의 관계 등에 의한 기생 정전용량(Cp)이 형성된 것을 알 수 있다. 기생 정전용량(Cp)은 센싱 전극(111)에 연결되는 것으로 등가화할 수 있으며, 이에 따르면 기생 정전용량(Cp)은 센싱 전극(111)과 피사체의 관계에 의해 형성되는 센싱 정전용량(Cf)과 병렬로 연결되는 것으로 볼 수 있다. 센싱 전극(111)과 그라운드 전위 사이에는 제1 제어 신호(PH1)에 의해 제어되는 제1 스위치(SW1)가 연결되는데, 제1 스위치(SW1)가 온 상태로 전환되면, 센싱 정전용량(Cf)과 기생 정전용량(Cp)이 초기화될 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the parasitic capacitance Cp due to the influence of the circuit configuration or the relationship with other adjacent fingerprint sensing elements is formed in the
일 실시예에 따른 기생 정전용량 보상부(112)는 상술한 기생 정전용량(Cp)이 적분부(113)로부터 출력되는 신호에 영향을 주는 현상을 보상하는 기능을 한다.The parasitic
구체적으로, 기생 정전용량 보상부(112)는 보상 정전용량(Cc), 및 상기 보상 정전용량(Cc)의 양단에 연결되는 제2 스위치(SW2)를 포함한다. 보상 정전용량(Cc)의 일단은 전원 전압 공급단(N1)과 연결되고 타단(N2)은 제3 스위치(SW3)와 연결된다. 전원 전압 공급단(N1)에는 전원 전압(Vcc)이 공급되기 때문에, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 유지되면, 보상 정전용량(Cc)의 양단 전위가 모두 전원 전압(Vcc)의 전위로 설정된다. 제2 스위치(SW2)는 센싱 전극(111)과 그라운드 전위 사이에 연결된 제1 스위치(SW1)와 동기화되어 온/오프된다. 즉, 제2 스위치(SW2) 역시 제1 스위치(SW1)와 마찬가지로 제1 제어 신호(PH1)에 의해 온/오프가 제어된다. Specifically, the parasitic
보상 정전용량(Cc)의 상기 타단(N2)은 제3 스위치(SW3)를 통해 적분부(113)에 포함되는 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)에 선택적으로 연결된다. 제3 스위치(SW3)는 제2 제어 신호(PH2)에 의해 온/오프 제어되며, 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)가 온 상태로 유지되는 동안에는 오프 상태로 유지되고, 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)가 오프 상태로 유지되는 동안 온 상태로 전환된다.The other end N2 of the compensating capacitance Cc is selectively connected to the first input N3 of the first amplifier A1 included in the
한편, 보상 정전용량(Cc)의 상기 타단(N2)은 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)를 통해 센싱 전극(111)과 선택적으로 연결된다. 제6 스위치(SW6)는 제3 스위치(SW3)와 동일하게 제2 제어 신호(PH2)에 의해 온/오프 제어된다. 즉, 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)는 동기화되어 온/오프되며, 제3 스위치(SW3)와 제6 스위치(SW6)가 함께 온 상태로 전환될 때 보상 정전용량(Cc)의 상기 타단(N2)이 센싱 전극(111)과 연결된다. 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)가 온 상태로 전환되면, 센싱 전극(111)과 적분기(113)의 제1 증폭기(A1) 간의 연결이 이루어진다. The other end N2 of the compensating capacitance Cc is selectively connected to the
후술할 바와 같이, 지문 검출 동작 시 제6 스위치(SW6)를 통해 센싱 전극(111)과 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)이 연결되면, 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc), 적분부(113)의 피드백 정전용량(Cfb) 간 전하 공유 현상이 발생하는데, 기생 정전용량(Cp)에 충전되는 전하량을 보상 정전용량(Cc)이 공급하는 기능을 하게 된다. 즉, 기생 정전용량(Cp)에 충전되는 전하량을 보상 정전용량(Cc)이 상쇄시키는 기능을 한다. 따라서, 전체 회로에서 기생 정전용량(Cp)이 기여하는 바가 상쇄되어, 적분부(113)의 출력 전압(Vout1)에 기생 정전용량(Cp)이 미치는 영향이 최소화될 수 있다. As described later, when the
적분부(113)는 제1 입력단(N3)이 제3 스위치(SW3)를 통해 보상 정전용량(Cc)의 타단(N2)과 연결되고, 제6 스위치(SW6)를 통해 센싱 전극(111)과 연결되는 제1 증폭기(A1)를 포함한다. 제1 증폭기(A1)의 제2 입력단(N4)에는 기준 전압(Vref)이 공급된다. 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)과 출력단(N5) 사이에는 피드백 정전용량(Cfb)이 연결되며, 피드백 정전용량(Cfb) 양단 사이에는 리셋 스위치(SWr)가 연결된다. 리셋 스위치(SWr)는 리셋 제어 신호(INIT)를 통한 제어에 의해 온/오프되며, 피드백 정전용량(Cfb)의 양단 전위는 이러한 리셋 스위치(SWr)에 의해 초기화된다. 제1 증폭기(A1)는 센싱 정전용량(Cf)의 크기에 비례하는 신호를 출력하되, 피드백 정전용량(Cfb)의 크기에 반비례하는 이득으로 증폭하여 출력한다.The integrating
전술한 바와 같이, 지문 검출 동작 시 기생 정전용량(Cp)에 충전되는 전하량은 보상 정전용량(Cc)에 의해 상쇄될 수 있는데, 만약 보상 정전용량(Cc)이 보상하는 전하량이 기생 정전용량(Cp)에 충전되는 전하량에 미치지 못하여 완전히 상쇄시키지 못한다면, 센싱 정전용량(Cf)이 존재하지 않는 경우일지라도 제1 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb)에 걸리는 전압은 계속적으로 상승하게 되어 제1 증폭기(A1)가 포화(saturation) 영역에 도달하게 된다. 따라서, 보상 정전용량(Cc)이 기생 정전용량(Cp)에 충전되는 전하량을 완전히 상쇄시킬 수 있도록 보상 정전용량(Cc)의 값을 적절히 조절하는 것이 중요한데, 기생 정전용량(Cp)은 센싱 전극(111)의 위치 등에 따른 특성에 의해 민감하게 달라지기 때문에 보상 정전용량(Cc)의 크기를 선택함에 있어서는 해당 센싱 전극(111)이 전체 센서 어레이(100)에서 어떠한 위치에 어떠한 특성을 가지고 배열되는지를 고려하여야 한다. 이는 센서 어레이(100) 제조 시 피사체 접촉 없이 전체 센싱 전극(111)에 대한 지문 검출 동작을 수행하여 제1 증폭기(A1)로부터 출력되는 전압(Vout1)의 크기를 획득하고, 이를 기반으로 각 센싱 전극(111)의 위치에 따른 기생 정전용량(Cp)의 크기를 가늠하여, 이를 실제 지문 검출 동작 시에 감안함으로써, 일부 해결할 수 있다.As described above, the amount of charge charged in the parasitic capacitance Cp during the fingerprint detection operation can be canceled by the compensating capacitance Cc. If the amount of charge compensated by the compensating capacitance Cc is less than the parasitic capacitance Cp The voltage applied to the feedback capacitance Cfb of the first amplifier A1 continuously rises even if the sensing capacitance Cf does not exist, (A1) reaches the saturation region. It is therefore important to appropriately adjust the value of the compensating capacitance Cc so that the amount of charge charged in the parasitic capacitance Cp can be completely canceled. 111 of the
적분부(113)는 제1 입력단(N3)이 제6 스위치(SW6)를 통해 센싱 전극(111)와 연결되고, 제2 입력단(N4)에는 기준 전압(Vref)이 입력되는 제1 증폭기(A1), 상기 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)과 출력단(N5) 사이에 연결되는 피드백 정전용량(Cfb), 상기 피드백 정전용량(Cfb)의 양단에 연결되는 리셋 스위치(SWr)를 포함한다. The integrating
비교부(114)는 적분부(113)의 출력 전압(Vout1) 크기와 기준 전압(Vref)을 비교하여, 그 결과값을 출력하는 기능을 한다. 이를 위해 비교부(114)는 비교기로서 동작하는 제2 증폭기(A2)를 포함한다. 제2 증폭기(A2)의 제1 입력단은 제1 증폭기(A1)의 출력단(N5)과 연결되고, 제2 입력단은 기준 전압(Vref) 공급단(N4)과 연결된다. 제2 증폭기(A2)±가 출력할 수 있는 전압의 최대값 및 최소값을 각각 +Vsat, -Vsat으로 표현한다면, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 큰 경우 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)은 +Vsat이 되고, 반대로 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 작은 경우 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)은 ±Vsat이 된다. 여기서, +Vsat, -Vsat은 각각 제2 증폭기(A2)의 양의 포화 전압 및 음의 포화 전압일 수 있으며, 이는 하이 레벨 신호 및 로우 레벨 신호로 이분화하여 표현할 수도 있다. 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)은 델타부(116)로 입력될 수 있다. The
일 실시예에 따른 출력부(115)는 비교부(115)의 출력 전압(Vout2)을 기초로 센싱 정전용량(Cf)의 크기를 디지털 신호로 수치화하여 출력하는 기능을 수행한다.The
일 실시예에 따르면, 출력부(115)는 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)을 적분하여 이를 M 비트(M은 정수)의 디지털 신호로 출력하는 데시메이션 필터(DF)로 구현될 수 있다. According to one embodiment, the
전술한 바와 같이, 적분부(113)의 출력 전압(Vout1)의 변동폭은 센싱 정전용량(Cf)의 크기에 비례하는 값이 계속적으로 누적된 값인데, 이 과정이 반복되게 되면, 출력 전압(Vout1)은 기준 전압(Vref)을 초과하게 된다. 후술할 바와 같이, 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과하게 되면, 델타부(116)에 의해 출력 전압(Vout1)이 일정폭 차감되게 되며, 적분부(113)는 상기 과정을 반복하게 된다. As described above, the fluctuation range of the output voltage Vout1 of the
만약, 센싱 정전용량(Cf)의 크기가 크다면, 적분부(113)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 초과하여 비교부(114)의 출력값이 +Vsat으로 나타나는 빈도가 클 것이고, 반대로, 센싱 정전용량(Cf)의 크기가 작다면, 적분부(113)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 초과하는 빈도가 작아지고, 비교부(114)의 출력값이 +Vsat으로 나타나는 빈도가 작아질 것이다. If the magnitude of the sensing capacitance Cf is large, the frequency at which the output voltage Vout1 of the integrating
출력부(115)의 데시메이션 필터(DF)는 이러한 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)을 적분하여, M 비트, 예를 들면, 8 비트의 신호로 출력하는데, 외부 장치(미도시됨)는 데시메이션 필터(DF)의 출력 신호(OUT)를 수신하여, 일정 구간 동안 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과하는 횟수를 파악할 수 있게 된다. 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1) 변동폭 은 센싱 정전용량(Cf)의 크기에 비례하므로, 외부 장치는 일정 구간 동안 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과하는 횟수를 통해 센싱 정전용량(Cf)의 크기를 판단할 수 있다.The decimation filter DF of the
일 실시예에 따른 델타부(116)는 적분부(113)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과할 때 적분부(113)의 출력 전압(Vout1)을 일정폭 차감시켜주는 기능을 한다. The
구체적으로 델타부(116)는 일단이 전원 전압 공급단(N1)과 연결되고, 타단이 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3) 사이에 연결되는 델타 정전용량(Ce), 상기 델타 정전용량(Ce) 양단 사이에 연결되는 제4 스위치(SW4), 상기 델타 정전용량(Ce)과 제1 증폭기(A1) 간의 연결을 온/오프하는 제5 스위치(SW5), OR 게이트(OR), D 플립플롭(D), AND 게이트(AND)를 포함한다. More specifically, the
OR 게이트(OR)는 리셋 스위치(SWr)의 온/오프를 제어하는 리셋 제어 신호(INIT), 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)의 온/오프를 제어하는 제2 제어 신호(PH2)를 입력신호로 수신하고, 출력 신호로 제4 스위치(SW4)를 제어한다. OR 게이트(OR)는 2가지 입력 신호 중 적어도 하나의 신호가 하이 레벨이면, 출력 신호로서 하이 레벨의 신호를 출력하는 논리 게이트이므로, 리셋 제어 신호(INIT) 및 제2 제어 신호(PH2) 중 하나라도 하이 레벨인 경우에 출력 신호로서 하이 레벨의 신호를 출력하여 제4 스위치(SW4)를 온 상태로 전환한다. 제4 스위치(SW4)가 온 상태로 전환되면 델타 정전용량(Ce)이 초기화된다. The OR gate OR includes a reset control signal INIT for controlling ON / OFF of the reset switch SWr, a second control signal INIT for controlling on / off of the third switch SW3 and the sixth switch SW6 PH2) as an input signal, and controls the fourth switch SW4 with an output signal. Since the OR gate OR is a logic gate that outputs a high level signal as an output signal when at least one of the two input signals is at a high level, one of the reset control signal INIT and the second control signal PH2 Level signal as the output signal to switch the fourth switch SW4 to the on-state. When the fourth switch SW4 is turned on, the delta capacitance Ce is initialized.
리셋 제어 신호(INIT)가 하이 레벨인 경우에는 리셋 스위치(SWr)가 온 상태로 전환되어 제1 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb)이 초기화되는 경우이고, 제2 제어 신호(PH2)가 하이 레벨인 경우에는 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)가 온 상태로 전환되어 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc), 피드백 정전용량(Cfb) 간에 전하 공유가 발생하는 경우이다. 따라서, 델타 정전용량(Ce)은 피드백 정전용량(Cfb)이 초기화되는 구간, 또는 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc), 피드백 정전용량(Cfb) 간에 전하 공유가 이루어지는 구간 중 적어도 하나의 구간에서 초기화된다고 할 수 있다. When the reset control signal INIT is at the high level, the reset switch SWr is turned on and the feedback capacitance Cfb of the first amplifier A1 is initialized. When the second control signal PH2 is at the high level The third switch SW3 and the sixth switch SW6 are turned on and the sensing capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp, the compensation capacitance Cc and the feedback capacitance Cfb ). ≪ / RTI > Therefore, the delta capacitance Ce is a period in which the feedback capacitance Cfb is initialized, or a period during which the charge capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp, the compensation capacitance Cc, and the feedback capacitance Cfb, It can be said to be initialized in at least one section among the sections in which sharing is performed.
한편, 델타 정전용량(Ce)과 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3) 간의 연결을 제어하는 제5 스위치(SW5)의 온/오프 동작은 D 플립플롭(D)과 AND 게이트(AND)에 의해 제어된다.The on / off operation of the fifth switch SW5 for controlling the connection between the delta capacitance Ce and the first input terminal N3 of the first amplifier A1 is controlled by the D flip-flop D and the AND gate ).
D 플립플롭(D)은 입력되는 신호의 레벨과 동일한 레벨의 신호를 출력하며, 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)을 입력받아, 이를 안정화된 신호로 출력한다. 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 큰 경우에는 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)이 +Vsat이 되는데, 이 신호가 D 플립플롭(D)에 입력되면, 안정화된 하이 레벨 신호가 출력된다. 반대로 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 작은 경우에는 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)이 -Vsat이 되는데, 이 신호가 D 플립플롭(D)에 입력되면, 안정화된 로우 레벨 신호가 출력된다.The D flip-flop D outputs a signal having the same level as that of the input signal, receives the output voltage Vout2 of the second amplifier A2, and outputs it as a stabilized signal. When the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 is larger than the reference voltage Vref, the output voltage Vout2 of the second amplifier A2 becomes + Vsat, which is applied to the D flip- When input, a stabilized high-level signal is output. On the other hand, when the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 is smaller than the reference voltage Vref, the output voltage Vout2 of the second amplifier A2 becomes -Vsat, The stabilized low level signal is output.
AND 게이트(AND)는 입력 신호가 모두 하이 레벨인 경우에 출력 신호로서 하이 레벨 신호를 출력하며, 그 외의 경우에는 로우 레벨 신호를 출력하기 때문에, 제1 증폭기(A1)의 출력 신호(Vout1)가 기준 전압(Vref)보다 크며, 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc)이 초기화되는 구간에 제5 스위치(SW5)를 온 상태로 전환시켜 델타 정전용량(Ce)을 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)과 연결시킨다.The AND gate AND outputs the high level signal as the output signal when all of the input signals are at the high level and outputs the low level signal in the other case. Therefore, the output signal Vout1 of the first amplifier A1 The fifth switch SW5 is turned on in a period in which the sensing capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp and the compensating capacitance Cc are initialized to be larger than the reference voltage Vref and the delta capacitance Ce ) To the first input (N3) of the first amplifier (A1).
제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환되어, 델타 정전용량(Ce)이 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)과 연결되면, 델타 정전용량(Ce)은 제1 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb)과 전하 공유를 하게 된다. 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc), 피드백 정전용량(Cfb) 간의 전하 공유에 의해 피드백 정전용량(Cfb)에는 전하가 축적되어 있는 상태이기 때문에, 제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환됨에 따라 피드백 정전용량(Cfb)에 축적된 전하의 일부가 델타 정전용량(Ce)으로 이동하게 된다.When the fifth switch SW5 is turned on and the delta capacitance Ce is connected to the first input N3 of the first amplifier A1, the delta capacitance Ce is applied to the first amplifier A1, Sharing the charge capacitance Cfb of the capacitor Cfb. Since charges are accumulated in the feedback capacitance Cfb due to charge sharing between the sensing capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp, the compensation capacitance Cc and the feedback capacitance Cfb, As the switch SW5 is turned on, part of the charge stored in the feedback capacitance Cfb is transferred to the delta capacitance Ce.
센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc), 피드백 정전용량(Cfb) 간의 전하 공유와, 델타 정전용량(Ce)과 피드백 정전용량(Cfb) 간의 전하 공유가 서로 다른 시간에 이루어지더라도, 결과적으로는 델타 정전용량(Ce)이 전체 전하 공유 현상에 참여하게 되므로, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 감소될 수 있다.The charge sharing between the sensing capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp, the compensation capacitance Cc and the feedback capacitance Cfb and the charge sharing between the delta capacitance Ce and the feedback capacitance Cfb, The output voltage Vout1 of the first amplifier A1 can be reduced because the delta capacitance Ce is involved in the overall charge sharing phenomenon even if it is performed at a different time.
제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1) 감소 이후에는, 다시 피드백 정전용량(Cfb)에 전하가 축적되게 되며, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1) 상승이 재차 이루어지게 된다. After the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 is reduced, the charge is again accumulated in the feedback capacitance Cfb, and the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 rises again.
제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 일정 조건 하에서 감소됨에 따라 제1 증폭기(A1)의 포화 현상이 방지될 수 있는데, 피드백 정전용량(Cfb)의 크기와 델타 정전용량(Ce)의 크기의 비율을 특정한다면, 적분부(113)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과하였을 때, 델타 정전용량(Ce)에 의해 하강하는 폭을 정확하게 알 수 있으므로, 제1 증폭기(A1)의 동작 범위가 미리 알고 있는 범위만큼 증가하는 것과 같은 효과를 얻게 된다. The saturation phenomenon of the first amplifier A1 can be prevented as the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 is reduced under a certain condition. The magnitude of the feedback capacitance Cfb and the capacitance of the delta capacitance Ce It is possible to accurately determine the width to be lowered by the delta capacitance Ce when the output voltage Vout1 of the integrating
본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력부(115)의 출력 신호는 디지털 신호이기 때문에, 결과적으로 센싱 구동부(110) 내부에서 디지털화된 신호가 생성되는 것으로 볼 수 있다. 이렇게 디지털화된 신호가 외부로 전송되기 때문에, 신호 전송 시 그 경로에서의 노이즈 유입과 관련된 문제가 해결될 수 있다. 또한, 센싱 구동부(110) 외부에서의 아날로그 신호 증폭 및 디지털 신호로의 변환 등이 불필요하게 되므로, 전체 시스템 설계에 필요한 면적이 감소하게 되며, 설계 비용이 감소될 수 있는 효과가 있다. According to an embodiment of the present invention, since the output signal of the
도 6은 도 5에 도시된 지문 검출 장치 회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이고, 도 7은 센싱 정전용량이 존재하지 않는 경우 제1 증폭기의 출력 전압 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the fingerprint detecting device circuit shown in FIG. 5, and FIG. 7 is a graph showing a change in the output voltage of the first amplifier when no sensing capacitance exists.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 일 실시예에 따른 지문 검출 장치의 동작을 설명하기로 한다. Hereinafter, the operation of the fingerprint detecting apparatus according to the embodiment will be described with reference to FIG. 5 to FIG.
도 6에서 CLK 는 D 플립플롭(D)의 동작을 제어하는 클록 신호의 레벨 변화를 나타낸다. 클록 신호(CLK)가 하이 레벨일 때 D 플립플롭(D)이 동작하게 된다. 또한, INIT은 제1 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb) 양단 사이에 연결되는 리셋 스위치(SWr)의 온/오프 동작을 제어하는 리셋 제어 신호(INIT)의 레벨 변화를 나타내는 것으로, 하이 레벨일 때 리셋 스위치(SWr)가 온 상태로 제어된다. 한편, PH1, PH2는 각각 제1 제어 신호(PH1) 및 제2 제어 신호(PH2)의 레벨 변화를 나타내는 것으로, 하이 레벨일 때 각 제어 신호(PH1, PH2)에 의해 제어되는 스위치(SW1, SW2, SW3)가 온 상태로 전환된다. In Fig. 6, CLK indicates a level change of a clock signal for controlling the operation of the D flip-flop D. Fig. And the D flip-flop D operates when the clock signal CLK is at a high level. INIT represents the level change of the reset control signal INIT which controls the ON / OFF operation of the reset switch SWr connected between both ends of the feedback capacitance Cfb of the first amplifier A1, The reset switch SWr is turned on. PH1 and PH2 denote levels of the first control signal PH1 and the second control signal PH2 and are switches SW1 and SW2 controlled by the control signals PH1 and PH2 at high level, , SW3 are turned on.
한편, 도 7에서 PH1, PH2, INIT은 각각 제1 제어 신호(PH1), 제2 제어 신호(PH2) 및 리셋 제어 신호(INIT)가 하이 레벨로 전환되어 유지되는 구간을 나타낸다.7, PH1, PH2, and INIT represent periods in which the first control signal PH1, the second control signal PH2, and the reset control signal INIT are switched to the high level and maintained, respectively.
또한, 도 7의 그래프 하단에 표시된 논리 값(LV)은 각 시간 구간에서 델타부(116)의 AND 게이트(AND)의 출력 신호를 나타낸다. The logic value (LV) shown at the bottom of the graph of FIG. 7 represents the output signal of the AND gate (AND) of the
먼저, 제1 구간(T1)에서는 리셋 제어 신호(INIT)가 하이 레벨로 전환된다. 이에 의해 리셋 스위치(SWr)가 온 상태로 전환되고, 제1 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb)에 남아있는 전하량이 방전되어 초기화될 수 있다. First, in the first period T1, the reset control signal INIT is switched to the high level. Thereby, the reset switch SWr is turned on, and the amount of charge remaining in the feedback capacitance Cfb of the first amplifier A1 can be discharged and initialized.
이 때, 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)과 출력단(N5) 전위는 제2 입력단(N4)의 전위와 같이 기준 전압(Vref)의 전위와 같아진다. 한편, OR 게이트(OR)의 2가지 입력 신호(INIT, PH2) 중 하나가 하이 레벨 신호이므로, OR 게이트(OR)의 출력 신호는 하이 레벨 신호가 되고, 이에 의해 제4 스위치(SW4)는 온 상태로 전환되어, 델타 정전용량(Ce)에 남아있던 전하량 또한 모두 방전되어 초기화된다. At this time, the potentials of the first input terminal N3 and the output terminal N5 of the first amplifier A1 become equal to the potential of the reference voltage Vref like the potential of the second input terminal N4. On the other hand, since one of the two input signals INIT and PH2 of the OR gate OR is a high level signal, the output signal of the OR gate OR becomes a high level signal, whereby the fourth switch SW4 is turned on State, and the amount of charge remaining in the delta capacitance Ce is also discharged and initialized.
또한, 제1 구간(T1)에서 제1 제어 신호(PH1) 및 제2 제어 신호(PH2)는 로우 레벨로 유지되기 때문에, 제1 내지 제3 스위치(SW1, SW2, SW3) 및 제6 스위치(SW6)가 모두 오프 상태로 유지되고, 제1 제어 신호(PH1)를 입력 신호로 수신하는 AND 게이트(AND) 또한 로우 레벨 신호를 출력한다. 따라서, 제5 스위치(SW5)도 오프 상태로 유지된다. 이로 인해 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)를 기준으로 센싱 전극(111), 기생 정전용량(Cp), 기생 정전용량 보상부(112)를 포함하는 좌측의 회로와, 적분부(113), 비교부(114)를 포함하는 우측의 회로가 상호 분리된 상태가 된다. 따라서, 제1 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb)은 초기화에 의한 물리량을 그대로 유지하게 된다. Since the first control signal PH1 and the second control signal PH2 are maintained at a low level in the first period T1, the first through third switches SW1, SW2, and SW3 and the sixth switch And the AND gate AND which receives the first control signal PH1 as an input signal also outputs a low level signal. Therefore, the fifth switch SW5 is also kept in the off state. The circuit on the left side including the
제2 구간(T2)에서는 리셋 제어 신호(INIT)가 로우 레벨로 전환되고, 제1 제어 신호(PH1)가 하이 레벨로 전환된다. 이 때에는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환된다. 제1 스위치(SW1)가 온 상태로 전환됨에 따라 센싱 정전용량(Cf) 및 기생 정전용량(Cp)이 그라운드 전위와 연결된다. 또한, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환됨에 따라, 보상 정전용량(Cc) 양단의 전위가 전원 전압(Vcc)의 전위와 동일하게 유지되어 후속되는 전하 공유를 위한 초기 상태로 설정될 수 있다. 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)는 여전히 오프 상태로 유지되므로, 제1 증폭기(A1)의 피드백 정전용량(Cfb)은 제1 구간(T1)에서의 물리량을 유지하게 된다. 따라서, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)은 여전히 기준 전압(Vref)의 크기와 동일하게 유지될 수 있다. In the second period T2, the reset control signal INIT is switched to the low level and the first control signal PH1 is switched to the high level. At this time, the first switch SW1 and the second switch SW2 are turned on. As the first switch SW1 is turned on, the sensing capacitance Cf and the parasitic capacitance Cp are connected to the ground potential. Further, as the second switch SW2 is switched to the ON state, the potential across the compensating capacitance Cc is kept equal to the potential of the power supply voltage Vcc, and can be set to the initial state for subsequent charge sharing have. The third switch SW3 and the sixth switch SW6 are still kept in the OFF state so that the feedback capacitance Cfb of the first amplifier A1 maintains the physical quantity in the first section T1. Thus, the output voltage Voutl of the first amplifier A1 can still be maintained equal to the magnitude of the reference voltage Vref.
한편, OR 게이트(OR)가 하이 레벨 신호를 출력하게 되므로, 제4 스위치(SW4)는 온 상태를 유지하게 된다.On the other hand, since the OR gate OR outputs a high level signal, the fourth switch SW4 maintains the ON state.
제3 구간(T3)에서는 제1 제어 신호(PH1)가 로우 레벨로 전환되고, 제2 제어 신호(PH2)가 하이 레벨로 전환된다. 이 때에는 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)가 오프 상태로 전환되고, OR 게이트(OR)의 두 입력 신호(INIT, PH2) 중 하나가 하이 레벨이 되기 때문에, 그 출력 신호 또한 하이 레벨이 되어 제4 스위치(SW4)가 온 상태로 전환된다. 또한, AND 게이트(AND)의 출력 신호(LV)가 로우 레벨(0)이 되기 때문에 제5 스위치(SW5)는 오프 상태로 유지되어, 델타 정전용량(Ce)은 전체 회로 동작에 영향을 주지 않게 된다. 한편, 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)가 온 상태로 전환됨에 따라, 제3 스위치(SW3)를 기준으로 한 좌측과 우측의 회로가 상호 연결된다.In the third period T3, the first control signal PH1 is switched to the low level and the second control signal PH2 is switched to the high level. At this time, the first and second switches SW1 and SW2 are turned off, and one of the two input signals INIT and PH2 of the OR gate OR becomes a high level, And the fourth switch SW4 is turned on. Since the output signal LV of the AND gate AND becomes low level 0, the fifth switch SW5 is kept in the OFF state, so that the delta capacitance Ce does not affect the entire circuit operation do. On the other hand, as the third switch SW3 and the sixth switch SW6 are turned on, the left and right circuits based on the third switch SW3 are interconnected.
이에 따라, 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc), 피드백 정전용량(Cfb) 간의 전하 공유 현상이 발생한다. This causes charge sharing phenomenon between the sensing capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp, the compensation capacitance Cc, and the feedback capacitance Cfb.
센싱 정전용량(Cf)과 기생 정전용량(Cp)에 충전되는 전하량의 합은 보상 정전용량(Cc)과 피드백 정전용량(Cfb)으로부터 공급되는 전하량의 합과 동일하다고 볼 수 있으므로, 다음과 같은 수학식으로 표현할 수 있다.The sum of the amounts of charge charged in the sensing capacitance Cf and the parasitic capacitance Cp can be regarded as being equal to the sum of the amounts of charges supplied from the compensation capacitance Cc and the feedback capacitance Cfb, .
따라서, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)은 다음과 같이 표현될 수 있다. Therefore, the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 can be expressed as follows.
상기 수학식 2에서, 가 성립한다면, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)에서 기생 정전용량(Cp)이 미치는 영향이 사라지게 된다. 즉, 기생 정전용량(Cp)에 충전되는 전하량(Vref·Cp)이 보상 정전용량(Cc)이 제공하는 전하량((Vcc-Vref)·Cc)과 동일해지도록 전원 전압(Vcc)의 크기와 보상 정전용량(Cc)의 크기를 조절한다면, 지문 검출 장치 회로에서 기생 정전용량(Cp)의 영향을 제거할 수 있다.In Equation (2) The influence of the parasitic capacitance Cp on the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 is lost. That is to say, the magnitude of the power supply voltage Vcc and the compensation amount Cp are set so that the amount of charge Vref · Cp charged in the parasitic capacitance Cp becomes equal to the amount of charge (Vcc-Vref · Cc) provided by the compensating capacitance Cc If the magnitude of the electrostatic capacitance Cc is adjusted, the influence of the parasitic capacitance Cp in the fingerprint detecting device circuit can be removed.
만일, 보상 정전용량(Cc)의 일단에 공급되는 전원 전압(Vcc)의 크기를 기준 전압(Vref) 크기의 2배로 설정한다면, 즉, 상기 수학식 2에서 Vcc=2·Vref 라면, 다음과 같이 정리될 수 있다. If the magnitude of the power supply voltage Vcc supplied to one end of the compensating capacitance Cc is set to twice the magnitude of the reference voltage Vref, that is, if Vcc = 2 · Vref in Equation 2, Can be arranged.
여기서, 기생 정전용량(Cp)의 크기와 보상 정전용량(Cc)의 크기가 동일하다면, 즉, Cp=Cc라면, 상기 수학식 3은 다음과 같이 정리될 수 있다. Here, if the magnitude of the parasitic capacitance Cp and the magnitude of the compensating capacitance Cc are the same, that is, Cp = Cc, Equation (3) can be summarized as follows.
즉, 전원 전압(Vcc)의 크기가 기준 전압(Vref) 크기의 2배일 경우, 보상 정전용량(Cc)의 크기를 기생 정전용량(Cp)의 크기와 동일해지도록 적절히 선택한다면, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)에서 기생 정전용량(Cp)의 영향을 제거할 수 있다.That is, if the magnitude of the power supply voltage Vcc is twice the magnitude of the reference voltage Vref and the magnitude of the compensating capacitance Cc is appropriately selected to be equal to the magnitude of the parasitic capacitance Cp, The influence of the parasitic capacitance Cp on the output voltage Vout1 of the transistors A1 and A1 can be removed.
만약, 피사체의 접촉이 없다고 가정하면(즉, Cf=0), 기생 정전용량(Cp)의 크기와 보상 정전용량(Cc)의 크기가 완전히 동일할 경우, 제3 구간(T3)에서도 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)은 기준 전압(Vref)과 동일한 크기를 유지하게 된다. If the magnitude of the parasitic capacitance Cp and the magnitude of the compensating capacitance Cc are completely equal to each other, assuming that there is no contact of the subject (i.e., Cf = 0), then even in the third period T3, The output voltage Vout1 of the transistor A1 maintains the same magnitude as the reference voltage Vref.
제4 구간(T4)에서는 다시 제1 제어 신호(PH1)가 하이 레벨로 전환되고, 제2 제어 신호(PH2)가 로우 레벨로 전환된다. 제1 제어 신호(PH1)가 하이 레벨로 전화됨에 따라 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc)이 초기화된다. 또한, 제2 제어 신호(PH2)가 로우 레벨로 전환됨에 따라 제3 스위치(SW3) 및 제6 스위치(SW6)가 오프 상태로 전환되어, 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 보상 정전용량(Cc), 피드백 정전용량(Cfb) 간의 전하 공유가 중단된다.In the fourth period T4, the first control signal PH1 is again switched to the high level and the second control signal PH2 is switched to the low level. The sensing capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp, and the compensation capacitance Cc are initialized as the first control signal PH1 is switched to the high level. As the second control signal PH2 is switched to the low level, the third switch SW3 and the sixth switch SW6 are turned off and the sensing capacitance Cf, the parasitic capacitance Cp, The charge sharing between the compensating capacitance Cc and the feedback capacitance Cfb is interrupted.
한편, 현재 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 크므로, 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)은 +Vsat의 값을 갖게 되므로, 포화 방지 동작 제어부(116)의 D 플립플롭(D)의 출력 신호가 하이 레벨이 된다. 또한, 제1 제어 신호(PH1) 역시 하이 레벨이므로 AND 게이트(AND)의 출력 신호(LV)는 하이 레벨(1)이 되어, 제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환된다. 한편, OR 게이트(OR)의 두 입력 신호(INIT, PH2)가 모두 로우 레벨이므로, 출력 신호 또한 로우 레벨이 되어, 제4 스위치(SW4)는 오프 상태로 전환된다. Since the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 is greater than the reference voltage Vref, the output voltage Vout2 of the second amplifier A2 has a value of + Vsat, The output signal of the D flip-flop D of the flip-
제4 스위치(SW4)가 오프 상태로 전환되고, 제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환됨에 따라, 델타 정전용량(Ce)이 제1 증폭기(A1)의 제1 입력단(N3)과 연결되어 델타 정전용량(Ce)과 피드백 정전용량(Cfb) 간에 전하 공유가 이루어지게 된다. The fourth switch SW4 is switched to the OFF state and the fifth switch SW5 is switched to the ON state so that the delta capacitance Ce is connected to the first input terminal N3 of the first amplifier A1 The charge sharing between the delta capacitance Ce and the feedback capacitance Cfb is achieved.
제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환되기 이전 피드백 정전용량(Cfb)에 충전된 전하량(Q1)은 다음과 같이 표현할 수 있다. The amount of charge Q1 charged in the feedback capacitance Cfb before the fifth switch SW5 is turned on can be expressed as follows.
또한, 제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환된 이후, 델타 정전용량(Ce)과 피드백 정전용량(Cfb)에 저장되는 전하량의 합(Q2)은 다음과 같이 표현할 수 있다. 여기서, Vout1’은 제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환된 후 정상 상태에 도달하였을 때의 제1 증폭기(A1)의 출력 전압을 나타낸다. The sum Q2 of the amounts of charge stored in the delta electrostatic capacitance Ce and the feedback electrostatic capacity Cfb after the fifth switch SW5 is turned on can be expressed as follows. Here, Vout1 'represents the output voltage of the first amplifier A1 when the fifth switch SW5 is turned on and then reaches the steady state.
전하량 보존 법칙에 따라, Q1=Q2 이고, Vcc=2Vref 이므로, 이를 이용하면, Vout1’에 대해 다음과 같이 정리될 수 있다. According to the charge conservation law, Q 1 = Q 2 and Vcc = 2Vref, so using this can be summarized as follows for Vout 1 '.
수학식 7에 수학식 3을 대입하면, 다음과 같은 수학식이 도출된다. Substituting Equation (3) into Equation (7), the following equation is derived.
수학식 8을 참조하면, 제5 스위치(SW5)가 온 상태로 전환됨에 따라, 델타 정전용량(Ce) 또한 제3 구간(T3)에서의 전하 공유에 참여한 것과 같은 결과를 얻게 되고, 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)은 델타 정전용량(Ce)의 크기에 비례하여 하강하게 된다.Referring to Equation (8), as the fifth switch SW5 is turned on, the delta capacitance Ce also has the same effect as that involved in charge sharing in the third period T3, The output voltage Vout1 of the transistor A1 is decreased in proportion to the magnitude of the delta capacitance Ce.
제5 구간(T5) 이후로부터는 제1 제어 신호(PH1) 및 제2 제어 신호(PH2)가 번갈아가며 하이 레벨로 전환되는 구간(이하, "싸이클"이라 함)이 반복되고, 리셋 제어 신호(INIT)는 계속적으로 로우 레벨로 유지된다. 이 과정에서 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)보다 작다면, AND 게이트(AND)의 출력 신호(LV)는 로우 레벨(0)로 유지되고, 델타 정전용량(Ce)은 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)을 하강시키는 역할을 하지 않게 된다. After the fifth period T5, a period in which the first control signal PH1 and the second control signal PH2 are alternately switched to the high level (hereinafter referred to as a "cycle") is repeated and the reset control signal INIT) is kept at a low level continuously. In this process, if the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 is smaller than the reference voltage Vref, the output signal LV of the AND gate AND is kept at the low level 0 and the delta capacitance Ce do not serve to lower the output voltage Vout1 of the first amplifier A1.
싸이클이 반복되는 동안, 제2 증폭기(A2)의 출력 신호(Vout2)는 출력부(115)로 입력된다.While the cycle is repeated, the output signal (Vout2) of the second amplifier (A2) is input to the output section (115).
출력부(115)의 데시메이션 필터(DF)는 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)을 적분하여, M 비트의 디지털 값으로 출력한다. 수학식 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 센싱 정전용량(Cf)의 크기가 클수록 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)의 상승폭은 커지게 되는데, 이에 따라 동일한 횟수의 싸이클이 진행되더라도 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과하는 횟수가 많아지게 된다.The decimation filter DF of the
제2 증폭기(A2)는 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과하는지 여부에 따라 +Vsat 또는 -Vsat에 해당하는 서로 다른 출력 전압(Vout2)을 생성하므로, 동일한 횟수의 싸이클이 수행되는 동안 제1 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout1)이 기준 전압(Vref)을 초과하는 횟수에 비례하여, 제2 증폭기(A1)의 출력 전압(Vout2)으로서 +Vsat값이 출력되는 횟수도 많아진다. The second amplifier A2 generates a different output voltage Vout2 corresponding to + Vsat or -Vsat depending on whether the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 exceeds the reference voltage Vref, The + Vsat value as the output voltage Vout2 of the second amplifier A1, in proportion to the number of times that the output voltage Vout1 of the first amplifier A1 exceeds the reference voltage Vref during the same number of cycles, The number of times of outputting is also increased.
따라서, 데시메이션 필터(DF)를 통해 제2 증폭기(A2)의 출력 전압(Vout2)을 일정 횟수의 싸이클이 수행되는 동안 적분함으로써, 센싱 정전용량(Cf)의 크기를 디지털화된 수치로 파악할 수 있게 된다.Thus, by integrating the output voltage Vout2 of the second amplifier A2 through the decimation filter DF during a certain number of cycles, the magnitude of the sensing capacitance Cf can be grasped as a digitized value do.
싸이클이 기 설정된 횟수 반복되면, 다시 리셋 제어 신호(INIT)가 하이 레벨로 전환되며 이 때 전술한 제1 구간(T1)으로부터 동작이 반복된다.When the cycle is repeated a predetermined number of times, the reset control signal INIT is again switched to the high level and the operation is repeated from the first section T1 described above.
본 발명의 실시예에서는 구동 신호 인가를 위한 외부 전극 등이 구비되지 않으므로, 구동 신호 인가 시 외부 환경 또는 피사체로 누설되는 전류 경로가 제거되어 정확한 지문 센싱 결과를 얻을 수 있게 된다.In the embodiment of the present invention, since external electrodes for applying a driving signal are not provided, a current path leaked to an external environment or a subject is removed when a driving signal is applied, and accurate fingerprint sensing results can be obtained.
또한, 센싱 구동부 자체에서 디지털 형태의 신호를 출력함으로써, 아날로그 신호 전달 경로에서의 노이즈 개입을 방지할 수 있고, 회로 설계 또한 간소화될 수 있다. In addition, by outputting a digital signal in the sensing driver itself, noise interference in the analog signal transmission path can be prevented, and the circuit design can also be simplified.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
100: 센서 어레이
110, 110a, 110b, 110c: 지문 센싱 소자
111, 111a, 111b: 센싱 전극
112, 112a, 112b: 기생 정전용량 보상부
113, 113a, 113b: 적분부
114, 114a, 114b: 비교부
115, 115a, 115b: 출력부
116, 116a, 116b: 델타부100: sensor array
110, 110a, 110b, 110c: fingerprint sensing element
111, 111a, 111b: sensing electrodes
112, 112a and 112b: parasitic capacitance capacitors
113, 113a, and 113b:
114, 114a and 114b:
115, 115a, and 115b:
116, 116a, 116b: delta part
Claims (12)
각각의 지문 센싱 소자는,
피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극;
상기 센싱 정전용량에 비례하는 값을 계속적으로 누적하여 출력 전압을 생성하는 적분부;
상기 적분부의 출력 전압과 기준 전압을 비교하는 비교부; 및
기 설정된 구간 동안 상기 비교부의 출력 전압을 적분하여 디지털 신호로 출력하는 출력부를 포함하는, 지문 검출 장치. A fingerprint detection device comprising a plurality of fingerprint sensing elements,
Each of the fingerprint sensing elements,
A sensing electrode for forming a sensing capacitance in relation to a subject;
An integrating unit for continuously accumulating a value proportional to the sensing capacitance to generate an output voltage;
A comparing unit comparing the output voltage of the integrating unit with a reference voltage; And
And an output unit for integrating the output voltage of the comparison unit for a predetermined period and outputting the result as a digital signal.
상기 적분부의 출력 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 적분부의 출력 전압을 차감시키는 델타부를 더 포함하는, 지문 검출 장치. The method according to claim 1,
And a delta unit for subtracting the output voltage of the integrating unit when the output voltage of the integrating unit exceeds the reference voltage.
상기 델타부는,
상기 적분부의 출력 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 적분부의 피드백 정전용량과 전하를 공유하여 상기 적분부의 출력 전압을 차감하는 델타 정전용량을 포함하는, 지문 검출 장치. The method according to claim 1,
The delta unit,
And a delta electrostatic capacity for sharing the charge with the feedback capacitance of the integrating unit and subtracting the output voltage of the integrating unit when the output voltage of the integrating unit exceeds the reference voltage.
상기 델타부는,
상기 적분부의 출력 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 센싱 전극이 초기화되는 동안 상기 델타 정전용량을 상기 증폭기의 입력단과 연결시키기 위한 제어 신호를 발생하는 AND 게이트를 더 포함하는, 지문 검출 장치. The method of claim 3,
The delta unit,
Further comprising an AND gate for generating a control signal for connecting the delta capacitance to the input of the amplifier while the sensing electrode is initialized when the output voltage of the integrator exceeds a reference voltage.
상기 델타부는,
상기 비교기의 출력 전압을 안정화시켜 상기 AND 게이트의 입력 신호로 제공하는 D 플립플롭을 더 포함하는, 지문 검출 장치.5. The method of claim 4,
The delta unit,
And a D flip-flop for stabilizing the output voltage of the comparator and providing the input signal to the AND gate.
상기 델타부는,
상기 증폭기의 피드백 정전용량이 초기화되는 구간 또는 상기 센싱 전극이 초기화되는 구간에 상기 델타 정전용량을 초기화시키기 위한 제어 신호를 발생하는 OR 게이트를 더 포함하는, 지문 검출 장치. The method of claim 3,
The delta unit,
Further comprising an OR gate for generating a control signal for initializing the delta capacitance in a period in which the feedback capacitance of the amplifier is initialized or in a period in which the sensing electrode is initialized.
상기 센싱 전극이 상기 적분부와 연결되는 동안, 상기 센싱 전극에 형성되는 기생 정전용량에 충전되는 전하량을 보상하는 보상 정전용량을 더 포함하는, 지문 검출 장치. The method according to claim 1,
Further comprising a compensating capacitance compensating an amount of charge charged in the parasitic capacitance formed in the sensing electrode while the sensing electrode is connected to the integrating unit.
상기 출력부의 출력 신호를 기초로, 기 설정된 구간 동안 상기 적분부의 출력 전압이 기준 전압을 초과한 횟수에 비례하는 상기 센싱 정전용량의 크기를 판단하는 외부 장치를 더 포함하는, 지문 검출 장치. The method according to claim 1,
And an external device for determining the magnitude of the sensing capacitance, which is proportional to the number of times the output voltage of the integrating unit exceeds the reference voltage for a predetermined interval based on the output signal of the output unit.
지문 검출 동작 대상이 되는 제1 지문 센싱 소자의 제1 센싱 전극과 인접한 적어도 하나의 제2 센싱 전극에는 상기 제1 센싱 전극의 전위와 동일한 전위가 동기화되어 공급되는, 지문 검출 장치. The method according to claim 1,
Wherein at least one second sensing electrode adjacent to the first sensing electrode of the first fingerprint sensing device to be subjected to the fingerprint sensing operation is supplied with the same potential as the potential of the first sensing electrode synchronously.
상기 제1 센싱 전극 및 제2 센싱 전극을 제외한 센싱 전극들은 모두 그라운드 전위와 연결되는, 지문 검출 장치. The method according to claim 1,
Wherein the sensing electrodes except for the first sensing electrode and the second sensing electrode are all connected to the ground potential.
상기 지문 센싱 소자에 포함되며, 피사체와의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 센싱 전극을 초기화시키는 단계;
상기 센싱 전극을 적분부에 포함되는 증폭기의 입력단과 연결하여, 상기 증폭기의 출력 전압에 상기 센싱 정전용량에 비례하는 값이 누적되도록 하는 단계; 및
상기 적분부의 출력 전압값이 기준 전압을 초과한 횟수에 비례하는 디지털 신호를 생성하는 출력부의 출력 신호를 기초로 상기 센싱 정전용량의 크기를 판단하는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법. A method of driving a fingerprint detection device including a plurality of fingerprint sensing elements,
Initializing a sensing electrode included in the fingerprint sensing device and forming a sensing capacitance in relation to the subject;
Connecting the sensing electrode to an input terminal of an amplifier included in the integrating unit so that a value proportional to the sensing capacitance is accumulated in an output voltage of the amplifier; And
And determining the magnitude of the sensing capacitance based on an output signal of an output unit that generates a digital signal proportional to the number of times the output voltage value of the integrating unit exceeds the reference voltage.
상기 초기화 단계는,
상기 적분부의 출력 전압값이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 적분부의 출력 전압값을 차감시키는 단계를 포함하는, 지문 검출 장치의 구동 방법.
12. The method of claim 11,
In the initialization step,
And subtracting the output voltage value of the integrating unit when the output voltage value of the integrating unit exceeds the reference voltage.
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JP7496733B2 (en) | 2019-10-24 | 2024-06-07 | 三星電子株式会社 | Method for generating a fingerprint image and fingerprint sensor - Patents.com |
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- 2015-10-27 KR KR1020150149120A patent/KR20170048705A/en not_active Ceased
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