TW201528154A - 電容指紋感測器 - Google Patents

Abstract

本創作系提供一種電容指紋感測器，基于電容值與電容電極間距離成反比之物理原理，可以藉測量物體表面到傳感器表面電極陣列之間的耦合電容，來對物體表面空間結構成像，例如對指紋脊線谷線凹凸不平之空間特徵成像。本創作提供一種“C-Q-T”型電容指紋傳感器，先將指紋與傳感電極之耦合電容差异轉換為電荷量差异，然後將電荷量差异轉換為時間量差异，幷輸出携帶該時間量差异之邊沿訊號。將指紋傳感器組成為陣列，幷對該邊沿時間訊號進行讀出和數據組合，可對指紋成像。

Description

電容指紋感測器

本創作系有關一種電容傳感器，且特別系有關於一種可組成陣列對指紋進行成像之電容指紋傳感器。

藉測量指紋脊線谷線和平面傳感電極陣列單元間形成耦合電容之大小差异來對指紋進行成像的技術，最早見于專利US4353056 A(Simens,1980)。30多年來，基于測量耦合電容來對指紋進行成像之傳感器技術不斷被提出，涉足該領域的著名企業曾有Simens,AT&T Bell,Philips,Toshiba,ST,NEC,Motorola,Sharp,Intel,Epson等，風險企業不計其數。

絕大部分電容指紋傳感器技術路線系基于宏觀電容傳感器電路原型來建立。惟，傳感器領域之技術規律决定了，電容傳感器是電路與傳感器方程之結合體，電路尺度和實現工藝决定了傳感器方程中各參變量之取值範圍和公差範圍。大部份可使用宏觀尺度電子元器件組成的技術方案，當替換為微尺度電子元器件，其靈敏度、噪聲特性將發生惡化。進一步，電容指紋傳感器，作為一種陣列傳感器，還對單元間失配敏感，而這正是微尺度電子元器件相對于宏觀尺度電子元器件難以控制的。另，由于測量電路往往尺寸較大，導致陣列傳感器一般設計為單通道，各單元分時複用測量 電路。為保證一定的圖像幀率，延長采樣時間這個傳感器設計中重要的提高訊號增益之方法在陣列傳感器設計中受到很大局限，對于點數較多的單通道陣列傳感器甚至不可行。

該等技術條件制約導致只有極少數技術路線有走向商用化的潜力；不符合客觀規律要求之技術路線則走向消亡。到民國102年，有一定應用規模之電容指紋傳感器共有3個技術類別：射頻響應型，測量射頻反射訊號之幅度，代表為美國Authentec(US5828773 A)，民國101年被Apple公司收購，最主要應用為Apple公司的iPhone5S；瞬態響應型，測量瞬態耦合之電平，代表為瑞典Fingerprint Cards(US 20080069413 A1)，最主要應用為中國國有銀行櫃員系統；電荷轉移型，代表為臺灣Egistec(US7099497 B2)，最主要應用為Lenovo公司的ideaPad。其中前兩者被業界稱為主動式，後一者被稱為被動式，其共同特徵是：將電容量轉換為電壓量以進行測量。從傳感器的分類來看，這歸類為“C-V”型傳感器。

近年來，在千萬像素級CMOS光電傳感器領域，為適應越來越大的圖像點數要求，陣列傳感器從單通道向多通道發展。所謂多通道陣列傳感器，實際上系複數獨立的單通道陣列傳感器在空間上的組合。考慮到實際電路布局的限制，由于測量電路從一個變成複數個，必須大幅度减小測量尺寸。“V-T”型ADC系一種新型的模數轉換器，相對于直接型ADC，其優點系在同等幅度分辨率要求下電路尺寸大大减小，其缺點系需要更長的采樣保持時間。多通道CMOS傳感器往往采用“V-T”轉換器，幷在通道數、采樣保持時間、電路尺寸三者之間權衡，以確定最佳的設計方案。

成都微陣列電子有限責任公司于民國101年申請的發明專利《電容式 距離傳感器》(申請號CN201210403271.2)中披露了一種新穎的“C-V-T”型電容式距離傳感器。具體實現方法是，以指紋被測導體表面(目標電極)，其與電容測量極板(傳感電極)耦合形成的測量電容(目標電容)；被測導體表面(目標電極)到不同陣列單元之電容測量極板(傳感電極)的距離有大有小，耦合形成之測量電容(目標電容)亦大小不同；電容耦合極板(驅動電極)受第一可編程電平生成器(電平驅動器)驅動，使電容測量極板(傳感電極)電位上升，上升程度因幷聯之測量電容(目標電容)大小不同而不同；參考電容(積分電容)先充滿電荷然後向電平上升後的電容測量極板(傳感電極)放電，因電容測量極板(傳感電極)電位不同而放電程度不同；重複放電使參考電容(積分電容)電位持續下降，由于下降速率不同，藉第二可編程電平生成器(參考電平)生成之閾值電平的時間不同，從而使比較器在不同時刻輸出翻轉；該比較器輸出翻轉的時間對應的放電次數即為電容式距離傳感器的輸出。

將該傳感器之測量函數視為“S-C-V-T”，即，以指紋到傳感電極之距離為自變量，以該時間向計數值作為的函數值，則該測量函數具備抗漂移、線性化的優勢。結合該傳感器技術方案在提高分辨率、抑制熱噪聲方面具備的天然優勢，大大提高了最終性能表現。經流片驗證，在同等工藝條件下技術水平高于民國101年全球領先水平，但低于民國102年全球領先水平，即iPhone5S所裝載的Touch ID的技術水平。

由于Apple公司等企業對指紋傳感器技術研發和應用的大力推動，消費電子市場對電容式指紋傳感器技術提出了巨大的需求和更高的技術要求。本創作發明人對CN201210403271.2所披露的技術方案進行發展提高，建立 幷分析傳感器靈敏度方程，一方面引入增大靈敏度的項和對應的電路，另一方面則對部分電路提出一般化的模型以及作出簡化。

本創作之目的在於提供一種電容指紋傳感器，與CN201210403271.2中披露的電容式距離傳感器相比，靈敏度有大幅度的提高。

為實現前述目的，本創作“C-Q-T”型電容傳感器電路系包括“C-Q”轉換器和“Q-T”轉換器。對指紋進行成像之目的系進行指紋識別，所關心的系指紋脊線和谷線的空間差异；該空間差分量首先轉換為指紋作為目標電極Pg和傳感電極Ps耦合形成之目標電容Cg大小的差分；電容值差分藉“C-Q”轉換器轉換為傳感電極Ps上電荷量的差分；“Q-T”轉換器將傳感電極Ps上之電荷逐次轉移到積分電容Ct中，使積分電容Ct被充/放電，電荷量的差分被轉換成充/放電速率的差分；由于充/放電速率不同，Ct的電位Vt從初始化電平變化到藉閾值電平Vref3之充/放電次數不同；使用比較器對Vt和Vref3進行比較，則比較器輸出端發生跳變邊沿之時間所對應的電荷轉移次數即為電容量化值。本創作所提供的電容指紋傳感器在比較器輸出端輸出跳變邊沿，由相應的讀出電路進行獲取，幷轉換為電荷轉移次數。成都微陣列電子有限責任公司民國101年申請的《邊沿時間讀出電路》(申請號CN201210405080.X)中披露的邊沿時間讀出電路即可用于該途。

“C-Q”轉換器包括：目標電極Pg(指紋)、傳感電極Ps、驅動電極Pd、第一電平驅動器、第二電平驅動器、第一初始化開關、第一參考電平。將傳感電極Ps和目標電極Pg之間耦合的電容稱為目標電容Cg；將傳感電極Ps與驅動電極Pd之間耦合的電容稱為驅動電容Cd；將傳感電極Ps與背景 電路(例如襯底)耦合的電容稱為背景電容Cb，由于背景電容Cb和驅動電容Cd同位于傳感器內部且為幷聯關係，為簡化表述，將背景電容Cb看作驅動電容Cd的一部份，幷將Cd上的電壓記為Cb和Cd各自電壓基于電容值的加權平均；第一初始化開關之第一端口和傳感電極Ps相連接；第一電平驅動器和目標電極Pg相連接；第二電平驅動器和驅動電極Pd相連接；第一參考電平輸出第一初始化電平Vref1，與第一初始化開關之第二端口相連接。“C-Q”轉換器之控制邏輯時序為：步驟1-1，第一電平驅動器輸出第一輸入電平V11至目標電極Pg；第二電平驅動器輸出第三輸入電平至驅動電極Pd；步驟1-2，閉合第一初始化開關，將傳感電極Ps連接第一參考電平；步驟1-3，斷開第一初始化開關；步驟1-4，第一電平驅動器輸出第二輸入電平V12至目標電極Pg；第二電平驅動器輸出第四輸入電平V22至驅動電極Pd；步驟1-5，回到步驟1-1。

在步驟1-2中，傳感電極Ps之電位為第一初始化電平Vref1；在步驟1-4中，由于傳感電極Pg處于懸空狀態，目標電極Pg和驅動電極Pd之電位變化將電荷耦合入傳感電極Pg；定義步驟1-4時刻傳感電極Ps之電位為Vs，根據電荷守恒，有：(Vref1-V11)*Cg+(Vref1-V21)*Cd=(Vs-V12)*Cg+(Vs-V22)*Cd (1)

式(1)可轉換為：(Vs-Vref1)*(Cd+Cg)=(V12-V11)*Cg+(V22-V21)*Cd (2)

定義△V1=V12-V11，△V2=V22-V21 Vs-Vref1=(△V1*Cg+△V2*Cd)/(Cd+Cg) (3)

為方便代入，轉換為Vs的表達形式：Vs=(△V1*Cg+△V2*Cd)/(Cd+Cg)+Vref1 (4)

“Q-T”轉換器包括：積分電容Ct、第二初始化開關、第二參考電平、電荷轉移開關、比較器、第三參考電平。積分電容Ct與第二初始化開關之第一端口、電荷轉移開關之第二端口、比較器之第一輸入端相連接；第二參考電平輸出第二初始化電平Vref2，與初始化開關之第二端口相連接；電荷轉移開關之第一端口和“C-Q”轉換器中之傳感電極Pg相連接；第三參考電平輸出閾值電平Vref3，與比較器之第二輸入端相連接。“Q-T”轉換器之控制邏輯時序為：步驟2-1，閉合第二初始化開關，將積分電容Ct連接第二參考電平；步驟2-2，斷開第二初始化開關；步驟2-3，如果“C-Q”轉換器處于步驟1-4，則鎖定“C-Q”轉換器在步驟1-4；步驟2-4，閉合電荷轉移開關；步驟2-5，斷開電荷轉移開關；步驟2-6，解除對“C-V”轉換器的鎖定；步驟2-7，如果“C-Q”轉換器離開步驟1-4，回到步驟2-3。

比較器之第一輸入端連接積分電容Ct，比較器之第二輸入端連接第三參考電平，以將積分電容Ct之電位Vt與第三參考電平輸出的閾值電平Vref3進行比較，幷輸出比較結果，作為“Q-T”轉換器的輸出，亦“C-Q-T”傳感器的輸出。

傳感器輸出所携帶之時間信息T是電荷轉移迭代過程的積分結果，T(Cg)不存在强解，而弱解表達式沒有進行分析的價值，只能藉間接表達式進行分析。令積分電容Ct之電平為Vt；Vt從Vref2逐漸變化至Vs，T(Cg)之取值為使Vt’(Cg)在T上積分為δ(Vs-Vref2)的區間長度，其中δ<1；對于一定的量化位長，幷不能無限制的增大T(Cg)來提高T’(Cg)，是故，應提高T’(Cg)/T(Cg)的相對值。由于Vt’(Cg)到T(Cg)的映射的弱解的最高階項為指數下降函數，是故，Vt’(Cg)到T(Cg)是單調减函數，Vt”(Cg)到T’(Cg)也是單調减函數；可以使用Vt”(Cg)/Vt’(Cg)來替代T’(Cg)/T(Cg)以進行靈敏度分析。

令積分電容Ct由Vt經一次電荷轉移變為Vt+Vt’，由于電荷守恒：(Vt+Vt’)*(Ct+Cd+Cg)=Vt*Ct+Vs*(Cd+Cg) (5)

轉換為：Vt’=(Vs-Vt)*(Cd+Cg)/(Ct+Cd+Cg) (6)

式(4)代入式(6)，得：Vt’(Cg)=((△V2+Vref1-Vt)*Cd+(△V1+Vref1-Vt)*Cg)/(Ct+Cd+Cg) (7)

對Cg求導，幷化簡為：Vt”(Cg)=((△V1+Vref1-Vt)*Ct+(△V1-△V2)*Cd)/(Ct+Cd+Cg)^2 (8)

從式(7)和式(8)中能判斷單個參變量之增减對Vt’(Cg)和Vt”(Cg)的影響力的方向和階數；另還要兼顧對Vs-Vref2的影響，使其保持在合適的範圍以使T(Cg)的取值區間為所期望的：Vs-Vref2=(△V1*Cg+△V2*Cd)/(Cd+Cg)+Vref1-Vref2 (9)

結合對式(7)、(8)、(9)的分析，幷綜合考慮微型電子元器件特性、工藝 平臺特性以及各種設計約束，可以得到最優化的電路設計方案。與電路構造有關的方程特性如下：一般有Ct>>Cd，對于目標電容極小的情形還有Cd>>Cg；△V1在式(8)中系影響分子之主要項(基于Ct>>Cd)，在式(7)和式(9)中則系影響分子之次要項，是故，增大△V1對傳感器靈敏度的提高是顯著的。本創作和CN201210403271.2所述技術方案相比，最重要的技術進步就是引入了第一電平驅動器來從目標電極Pg向傳感電極Ps耦合電荷。與△V1==0的情形相比，式(8)約被提高到了(△V1+Vref1-Vt)/(Vref1-Vt)倍。

式(7)、(8)、(9)中只出現了△V1和△V2，與V11、V12、V21和V22的絕對值無關。是故，第一電平驅動器和目標電極Pg之間，以及第二電平驅動器和驅動電極Pd之間，可以用電容隔離直流而只傳遞交流分量。特別的，使目標電極Pg獲得△V1交流分量，可以藉向傳感器地電平耦合與△V1反向的交流電平分量來達到同樣的效果。

結合式(7)、(8)、(9)綜合分析，△V2相對于△V1的影響力小得多，即使△V2恒等于0，導致傳感器靈敏度的下降也微乎其微。是故，本創作允許將第二電平驅動器實現為與傳感器地電平連接。這正是“C-Q”型和“C-V”型的本質區別：如果把CN201210403271.2所披露的電路中與本創作第二電平驅動器相對應的第一可編程電平生成器也實現為與傳感器地電平連接，則“C-V”部分將始終輸出地電平。

藉建立和分析傳感器方程，發明人提出了“C-Q-T”型電容指紋傳感器之電路技術方案和實施範圍。本創作所提供的電容指紋傳感器用于組成陣列以對指紋進行成像，在單通道成組時使用複數“C-Q”轉換器分時複用一個 “Q-T”轉換器，在多通道成組時將多組單通道“C-Q-T”傳感器陣列幷排幷行工作。

以下結合圖式及實施方式對本創作進一步說明。

1‧‧‧目標電極

10‧‧‧第二參考電平

11‧‧‧電荷轉移開關

111‧‧‧第一單元電路

112‧‧‧第一複用電路

113‧‧‧第一複選開關組

114‧‧‧第一匯流排

12‧‧‧比較器

121‧‧‧第二單元電路

122‧‧‧第二複用電路

123‧‧‧第二複選開關組

124‧‧‧第二匯流排

13‧‧‧第三參考電平

131‧‧‧第三單元電路

132‧‧‧一級第三複用電路

133‧‧‧二級第四複用電路

134‧‧‧一級第三複選開關組

135‧‧‧第三匯流排

136‧‧‧二級第四複選開關組

137‧‧‧第四匯流排

2‧‧‧傳感電極

21‧‧‧目標電容

23‧‧‧驅動電容

3‧‧‧驅動電極

4‧‧‧第一電平驅動器

411、V11‧‧‧第一輸入電平

412、V12‧‧‧第二輸入電平

413、Vctl、Vctl1‧‧‧第一電平控制訊號

414、Vmux1‧‧‧第一電平選擇器

415‧‧‧電阻器

416‧‧‧電容器

417‧‧‧反向器

418、Trans‧‧‧訊號轉換器

419、Driv‧‧‧驅動電路

420、SGND‧‧‧傳感器地電平輸入端

5‧‧‧第二電平驅動器

521、V21‧‧‧第三輸入電平

522、V22‧‧‧第四輸入電平

523、Vctl2‧‧‧第二電平控制訊號

524、Vmux2‧‧‧第二電平選擇器

6‧‧‧第一初始化開關

7‧‧‧第一參考電平

8‧‧‧積分電容

9‧‧‧第二初始化開關

Vref1‧‧‧第一初始化電平

Vref2‧‧‧第二初始化電平

Vref3‧‧‧閾值電平

圖1是本創作提供的電容指紋傳感器電路原理圖。

圖2是本創作提供的開關控制訊號和電平控制訊號圖。

圖3是本創作提供的積分電容電位曲線族與閾值電平對比圖。

圖4是本創作提供的第一電平驅動器的第一實施例。

圖5是本創作提供的第一電平驅動器的第二實施例。

圖6是本創作提供的第一電平驅動器的第三實施例。

圖7是本創作提供的第二電平驅動器的第一實施例。

圖8是本創作提供的第二電平驅動器的第二實施例。

圖9是本創作提供的電容指紋傳感器成組第一原理圖。

圖10是本創作提供的電容指紋傳感器成組第二原理圖。

圖11是本創作提供的電容指紋傳感器成組第三原理圖。

如圖1所示，本創作所提供的電路，包括目標電極1、傳感電極2、驅動電極3、第一電平驅動器4、第二電平驅動器5、第一初始化開關6、第一參考電平7、積分電容8、第二初始化開關9、第二參考電平10、電荷轉移開關11、比較器12、第三參考電平13。其中：傳感電極2，為一個或複數個電極，與第一初始化開關6之第一端口連接，與電荷轉移開關7之第一端口連接； 目標電極1，為測量目標表面，與第一電平驅動器4連接，位于傳感電極2上方，與傳感電極2之間有介質層，目標電極1與傳感電極2之間形成目標電容21；驅動電極3，為一個或複數個電極，與第二電平驅動器5連接，位于傳感電極2下方，與傳感電極2之間有介質層，驅動電極3與傳感電極2之間形成驅動電容23；第一電平驅動器4，與目標電極1連接；第二電平驅動器5，與驅動電極3連接；第一初始化開關6，第一初始化開關6之第一端口與傳感電極2連接，第一初始化開關6之第二端口與第一參考電平7連接；第一參考電平7，與第一初始化開關6之第二端口連接；積分電容8，為一個或複數個幷聯電容器，與第二初始化開關9之第一端口連接，與電荷轉移開關7之第二端口連接，與電壓比較器11之第一輸入端連接；第二初始化開關9，第二初始化開關9之第一端口與積分電容8連接，第二初始化開關9之第二端口與第二參考電平10連接；第二參考電平10，與第二初始化開關9之第二端口連接；電荷轉移開關11，電荷轉移開關11之第一端口與傳感電極2連接，電荷轉移開關11之第二端口與積分電容8連接；比較器12，比較器12之第一輸入端與積分電容8連接，比較器12之第二輸入端與第三參考電平13連接，比較器12之輸出端是傳感器的輸出； 第三參考電平13，與比較器12之第二輸入端連接。

圖2提供了開關控制訊號和電平控制訊號間的時序關係：步驟1，閉合第一初始化開關6，斷開電荷轉移開關11，斷開第二初始化開關9，第一電平控制訊號413為低，第二電平控制訊號523為低；步驟2，閉合第二初始化開關9；步驟3，斷開第二初始化開關9；步驟4，斷開第一初始化開關6；步驟5，第一電平控制訊號413為高，第二電平控制訊號523為高；步驟6，閉合電荷轉移開關11；步驟7，斷開電荷轉移開關11；步驟8，第一電平控制訊號413為低，第二電平控制訊號523為低；步驟9，閉合第一初始化開關6；步驟10，回到步驟4。

圖3提供了積分電容4電位變化曲線族和第三參考電平13的對比圖。目標電容23的不同取值，使積分電容4電位的變化曲線落在圖示曲線族中不同的曲線上，與第三參考電平13的交點在時間軸上的投影不同；比較器12對兩者進行比較，幷在圖示交點時刻翻轉，輸出跳變邊沿。

圖4提供了第一電平驅動器4之第一實施例，包括第一輸入電平V11(411)，第二輸入電平V12(412)，第一電平控制訊號413，第一電平選擇器414，電阻器415。第一輸入電平V11(411)連接第一電平選擇器414之第一輸入端，第二輸入電平V12(412)連接第一電平選擇器414之第二 輸入端，第一電平控制訊號413連接第一電平選擇器414之控制端，第一電平選擇器414之輸出端連接電阻器415之第一端口，電阻器415之第二端口連接目標電極1。其中：第一電平選擇器414在第一電平控制訊號413為低時輸出第一輸入端電平，在電平控制訊號413為高時輸出第二輸入端電平。

圖5提供了第一電平驅動器4之第二實施例，包括第一輸入電平V11(411)，第二輸入電平V12(412)，第一電平控制訊號413，第一電平選擇器414，電容器416。第一輸入電平V11(411)連接第一電平選擇器414之第一輸入端，第二輸入電平V12(412)連接第一電平選擇器414之第二輸入端，第一電平控制訊號413連接第一電平選擇器414之控制端，第一電平選擇器414之輸出端連接電容器416之第一電極，電容器416之第二電極連接目標電極1。其中：第一電平選擇器414在第一電平控制訊號413為低時輸出第一輸入端電平，在電平控制訊號413為高時輸出第二輸入端電平。

圖6提供了第一電平驅動器4之第三實施例，包括第一電平控制訊號413、反向器417、訊號轉換器418、驅動電路419、傳感器地電平輸入端420。第一電平控制訊號413連接反向器417之輸入端，反向器417之輸出端連接訊號轉換器418之輸入端，訊號轉換器418之輸出端連接驅動電路419之控制端，驅動電路419之輸出端連接傳感器地電平輸入端420；目標電極1懸空或接地。其中：訊號轉換器418用于將輸入訊號從傳感器地電平域轉換到系統地電平 域；驅動電路419用于將輸入端電平放大幷在輸出端提供驅動能力。

圖7提供了第二電平驅動器5之第一實施例，包括第三輸入電平V21(521)，第四輸入電平V22(522)，第二電平控制訊號523，第二電平選擇器524。第三輸入電平V21(521)連接第二電平選擇器524之第一輸入端，第四輸入電平V22(522)連接第二電平選擇器524之第二輸入端，第二電平控制訊號523連接第二電平選擇器524之控制端，第二電平選擇器524之輸出端連接驅動電極3。其中：第二電平選擇器524在第二電平控制訊號523為低時輸出第一輸入端電平，在電平控制訊號523為高時輸出第二輸入端電平。

圖8提供了第二電平驅動器5之第二實施例，包括第三輸入電平V21(521)。第三輸入電平V21(521)連接驅動電極3。

圖9提供了電容指紋傳感器成組第一原理圖。將目標電極1、傳感電極2、驅動電極3、第一電平驅動器4、第二電平驅動器5、第一初始化開關6、第一參考電平7作為第一單元電路111；將積分電容8、第二初始化開關9、第二參考電平10、電荷轉移開關11、比較器12、第三參考電平13作為第一複用電路112；第一單元電路111連接第一複選開關組113之第一端口；第一複選開關組113之第二端口連接第一匯流排114；第一匯流排114連接第一複用電路112。其中：第一複選開關組113為一維或二維開關組，在任意時刻至多閉合一個開關； 圖10提供了電容指紋傳感器成組第二原理圖。將目標電極1、傳感電極2、驅動電極3、第一電平驅動器4、第二電平驅動器5、第一初始化開關6、第一參考電平7、電荷轉移開關11作為第二單元電路121；將積分電容8、第二初始化開關9、第二參考電平10、比較器12、第三參考電平13作為第二複用電路122；第二單元電路121連接第二複選開關組123之第一端口；第二複選開關組123之第二端口連接第二匯流排124；第二匯流排124連接第二複用電路122。其中：第二複選開關組124為一維或二維開關組，在任意時刻至多閉合一個開關。

圖11提供了電容指紋傳感器成組第三原理圖。將目標電極1、傳感電極2、驅動電極3、第一電平驅動器4、第二電平驅動器5、第一初始化開關6、第一參考電平7、電荷轉移開關11作為第三單元電路131；將積分電容8、第二初始化開關9、第二參考電平10作為一級第三複用電路132；將比較器12、第三參考電平13作為二級第四複用電路133；第三單元電路131連接一級第三複選開關組134之第一端口；一級第三複選開關組134第二端口連接第三匯流排135；第三匯流排135連接一級第三複用電路132；一級第三複用電路132連接二級第四複選開關組136之第一端口；二級複選開關組136之第二端口連接第四匯流排137；第四匯流排137連接二級第四複用電路133。其中：一級第三複選開關組134為多組一維開關組，每組在任意時刻至多閉合一個開關； 二級第四複選開關組136為一維開關組，在任意時刻至多閉合一個開關；二級第四複用電路133可包括複數比較器12和第三參考電平13配對，不同配對的第三參考電平輸出電平不同。

本創作幷非狹義地限制于前述實施例，而包括了說明書中基于理論推導所指出之電路實現形式的所有組合；在不超出本創作之精神與權利要求書範圍的情况下，所做的種種變化實施，仍屬本創作的範圍。

1‧‧‧目標電極

10‧‧‧第二參考電平

11‧‧‧電荷轉移開關

12‧‧‧比較器

13‧‧‧第三參考電平

2‧‧‧傳感電極

21‧‧‧目標電容

23‧‧‧驅動電容

3‧‧‧驅動電極

4‧‧‧第一電平驅動器

5‧‧‧第二電平驅動器

6‧‧‧第一初始化開關

7‧‧‧第一參考電平

8‧‧‧積分電容

9‧‧‧第二初始化開關

Claims (14)

1. 一種電容指紋傳感器，由目標電極、傳感電極、驅動電極、第一電平驅動器、第二電平驅動器、第一初始化開關、第一參考電平、積分電容、第二初始化開關、第二參考電平、電荷轉移開關、比較器、第三參考電平構成，包括：傳感電極，為一個或複數電極，與第一初始化開關第一端口連接，與電荷轉移開關第一端口連接；目標電極，為測量目標表面，與第一電平驅動器連接，位于傳感電極上方，與傳感電極之間有介質層，目標電極與傳感電極之間形成目標電容；驅動電極，為一個或複數電極，與第二電平驅動器連接，位于傳感電極下方，與傳感電極之間有介質層，驅動電極與傳感電極之間形成驅動電容；第一電平驅動器，與第一電平控制訊號連接，與目標電極連接；第二電平驅動器，與第二電平控制訊號連接，與驅動電極連接；第一初始化開關，第一端口與傳感電極連接，第二端口與第一參考電平連接；第一參考電平，與第一初始化開關第二端口連接；積分電容，為一個或複數幷聯電容器，與第二初始化開關第一端口連接，與電荷轉移開關第二端口連接，與電壓比較器第一輸入端連接；第二初始化開關，第一端口與積分電容連接，第二端口與第二參考電平連接； 第二參考電平，與第二初始化開關第二端口連接；電荷轉移開關，第一端口與傳感電極連接，第二端口與積分電容連接；比較器，第一輸入端與積分電容連接，第二輸入端與第三參考電平連接，輸出端是傳感器的輸出；第三參考電平，與比較器第二輸入端連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述電容指紋傳感器，其中所述第一電平驅動器在第一電平控制訊號為低時通過電阻器向目標電極輸出第一輸入電平，在第一電平控制訊號為高時藉電阻器向目標電極輸出第二輸入電平。
3. 如申請專利範圍第2項所述電容指紋傳感器，其中所述第一電平驅動器在第一電平控制訊號為低時向電容器輸出第一輸入電平，在第一電平控制訊號為高時向電容器輸出第二輸入電平，電容器向目標電極耦合輸出第一輸入電平和第二輸入電平的交流分量。
4. 如申請專利範圍第3項所述電容指紋傳感器，其中所述第一電平驅動器向傳感器地電平輸出端輸出與第一輸入電平和第二輸入電平交流分量反相的交流電平。
5. 如申請專利範圍第1項所述電容指紋傳感器，其中所述第二電平驅動器在第二電平控制訊號為低時向驅動電極輸出第三輸入電平，在第二電平控制訊號為高時向驅動電極輸出第四輸入電平。
6. 如申請專利範圍第5項所述電容指紋傳感器，其中所述第二電平驅動器向驅動電極輸出第三輸入電平。
7. 如申請專利範圍第1項所述電容指紋傳感器，其中第一初始化開關、第二初始化開關、電荷轉移開關、第一電平控制訊號、第二電平控制訊號 的控制時序為：步驟1，閉合第一初始化開關，斷開電荷轉移開關，斷開第二初始化開關，第一電平控制訊號為低，第二電平控制訊號為低；步驟2，閉合第二初始化開關；步驟3，斷開第二初始化開關；步驟4，斷開第一初始化開關；步驟5，第一電平控制訊號為高，第二電平控制訊號為高；步驟6，閉合電荷轉移開關；步驟7，斷開電荷轉移開關；步驟8，第一電平控制訊號為低，第二電平控制訊號為低；步驟9，閉合第一初始化開關；步驟10，回到步驟4。
8. 如申請專利範圍第7項所述電容指紋傳感器，其控制時序包括由步驟1-3組成的初始化階段和步驟4-10組成的電荷轉移階段。
9. 如申請專利範圍第8項所述電容指紋傳感器，其中在電荷轉移階段，所述積分電容的電位發生單向變化。
10. 如申請專利範圍第9項所述電容指紋傳感器，其中所述積分電容的電位的單向變化，當從高于第三參考電平變到低于第三參考電平，或從低于第三參考電平變到高于第三參考電平，將導致所述比較器輸出端翻轉，產生傳感器輸出。
11. 如申請專利範圍第1項所述電容指紋傳感器，其中組成陣列時， 以目標電極、傳感電極、驅動電極、第一電平驅動器、第二電平驅動器、第一初始化開關、第一參考電平組成單元電路，以積分電容、第二初始化開關、第二參考電平、電荷轉移開關、比較器、第三參考電平組成複用電路。
12. 如申請專利範圍第1項所述電容指紋傳感器，其中組成陣列時，以目標電極、傳感電極、驅動電極、第一電平驅動器、第二電平驅動器、第一初始化開關、第一參考電平、電荷轉移開關組成單元電路，以積分電容、第二初始化開關、第二參考電平、比較器、第三參考電平組成複用電路。
13. 如申請專利範圍第12項所述電容指紋傳感器，其中組成陣列時，以目標電極、傳感電極、驅動電極、第一電平驅動器、第二電平驅動器、第一初始化開關、第一參考電平、電荷轉移開關組成單元電路，以積分電容、第二初始化開關、第二參考電平組成一級複用電路，以比較器、第三參考電平組成二級複用電路。
14. 如申請專利範圍第13項所述電容指紋傳感器，其中所述二級複用電路包括一個或複數比較器、參考電平的配對，且當包括複數比較器、參考電平的配對時，不同配對的第三參考電平輸出電平不同。