TW201621751A - 指紋感測器的感測方法及電路 - Google Patents

Abstract

本發明係一種指紋感測器的感測方法及電路，該感測方法係於第一時相，將一第一至第三電壓分別施加至一待量測電極板、一該待量測電極板的讀出電路及一鄰近於該待量測電極板的導體；再於第二時相，停止施加該第一至三電壓，並將一第四電壓施加至該導體，且連接該待量測電極板至該讀出電路，由該讀出電路輸出該待量測電極板的量測結果，藉由本發明之方法及電路，可使該待量測電極板的量測結果不再受到與該待量測電極板與該導體之間形成的電容影響。

Description

指紋感測器的感測方法及電路

本發明係關於一種指紋感測器，尤指一種指紋感測器的感測方法及電路。

請參閱圖12及圖13所示，一種投射電容指紋感測器50的示意圖，其包含有複數電極板51呈矩陣式排列、一防護電極52，以及一感測電路53連接該複數電極板51。該感測電路53係用以偵測各該電極板51與手指60之間的電容量，例如電極板Plate A與手指60之間的電容C_SA ，依據各電極板51與手指60之間的電容量可以獲得該手指60的指紋圖像。然而，電極板51與手指60之間的電容量的量測，會受到其他因素影響，舉例來說，在量測電極板Plate A時，電極板Plate A和其周圍的電極板Plate B ~ Plate D之間形成的電容，以及電極板Plate A和防護電極52(例如靜電防護電極)之間形成的電容C_FAS ，都會影響量測的結果。

有鑑於上述先前技術的缺陷，本發明主要目的係提供一種指紋感測器的感測方法及電路。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該指紋感測器的感測方法係包含有： (a)於第一時相，將一第一電壓施加至一第一端點，該第一端點係連接該待量測電極板，將一第二電壓施加至一第二端點，該第二端點係連接至一讀出電路，將一第三電壓施加至一鄰近於該待量測電極板的導體；其中該第一電壓減去該第二電壓為一非零的值，且第一電壓大於或小於第二電壓；以及 (b)於第二時相，停止施加該第一電壓、該第二電壓及該第三電壓至該第一端點、該第二端點與該導體，將一第四電壓施加至該導體，連接該第一端點與該第二端點，並且由該讀出電路輸出該待量測電極板的量測結果；其中該第三電壓減去該第四電壓為一非零的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第三電壓大於第四電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第三電壓小於第四電壓。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該指紋感測器的感測電路係包含有： 一讀出電路，用以讀出該待量測電極板的量測結果； 一第一切換單元，包括一第一端點連接該待量測電極板，以及一第二端點連接該讀出電路，該第一切換單元耦接一第一電壓及一第二電壓；其中該第一電壓減去該第二電壓為一非零的值，且第一電壓大於或小於第二電壓； 一第二切換單元，連接一導體至一第三電壓或一第四電壓；其中該第三電壓減去該第四電壓為一非零的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第三電壓大於第四電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第三電壓小於第四電壓；以及 一控制單元，係控制該第一切換單元及第二切換單元；其中： 在第一時相，該控制單元控制該第一切換單元與該第二切換單元，使該第一端點連接該第一電壓，該第二端點連接該第二電壓，該第一端點與第二端點不連接，該導體連接該第三電壓； 在第二時相，該控制單元控制該第一切換單元與該第二切換單元，使該第一端點、該第二端點與該導體分別不耦接該第一電壓、第二電壓及第三電壓，以及使該第一端點與第二端點連接，並且該控制單元控制該第二切換單元，使該導體耦接該第四電壓。

由上述可知，本發明指紋感測器的感測方法及電路係主要令該待量測電極板的鄰近導體在第一及第二時相連接至不同電位的第三及第四電壓，可以改善習知技術中待量測電極板與其鄰近導體之間的邊際電容影響該待量測電極板的量測的缺陷。

本發明提出一種指紋感測器的感測方法及電路。本案的感測電路可應用如圖12所示的指紋感測器，該指紋感測器上的複數電極板51係呈矩陣排列，複數電極板51之間會構成一網格空間，防護電極52即形成於該網格空間中；其中該防護電極52係與該複數電極板51共平面。在另一實施例中，如圖1B所示，該防護電極52位於該複數電極板51之上，且該防護電極52與該複數電極板51之間具有一介電層502。在其他實施例中，在電極板51的同一平面及其上方都設有防護電極52，這兩層的防護電極52互相電連接。

在以下的描述以及圖式中，仍以圖12所示左上四個電極板Plate A~ Plate D說明本發明的感測電路10及其操作，並且以量測Plate A為例進行說明。其中，C_SA ~C_SD 分別表示手指與電極板Plate A~ Plate D之間的電容。C_FAB 、C_FAC 、C_FAD 分別表示電極板Plate A與各相鄰電極板Plate B~ Plate D形成的電容。C_FAS 表示電極板Plate A與防護電極52(例如靜電防護電極)之間形成的電容。C_p1a 表示其它與節點N_1a 有關的寄生電容，C_p2a 表示其他與節點N_2a 有關的寄生電容；其他相似的圖號具有相似的意義，在此不再贅述。

圖1A及圖3說明本發明感測電路10的第一實施例，感測電路10包含有複數個量測單元11及一控制單元12，該複數個量測單元11係分別連接至電極板Plate A~ Plate D。

以下的說明將以電極板Plate A作為一待量測電極板為例。待量測電極板Plate A連接的量測單元11包含有一第一切換單元111及一讀出電路13，其它電極板Plate B~ Plate D連接的量測單元11分別包含有一第二切換單元112a及一讀出電路13。防護電極52連接有一第二切換單元112b。

如圖3所示，第一切換單元111包括一第一端點N_1a 連接至該待量測電極板Plate A，以及一第二端點N_2a 連接至讀出電路13。第一切換單元111耦接第一電壓V_R1 至第一端點N_1a ，以及耦接第二電壓V_R2 至第二端點N_2a 。其中第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 為一非零的值。在第一切換單元111中，包括一第一開關SW_1A 連接在第一電壓V_R1 與第一端點N_1a 之間，一第二開關SW_3A 連接在第二電壓V_R2 與第二端點N_2a 之間，以及一第三開關SW_2A 連接在第一端點N_1a 與第二端點N_2a 之間。

圖3所示的三個第二切換單元112a分別經由第三端點N_1b ~N_1d 連接至電極板Plate B~ Plate D，以及經由第四端點N_2b ~N_2d 分別連接至一讀出電路13。各個第二切換單元112a耦接第一電壓V_R1 與第二電壓V_R2 。讀出電路13係用以讀出待量測電極板Plate A的量測結果，讀出電路13可為一差分電路或一緩衝器。於本實施例中，讀出電路13為一差分電路，其包含一非反相輸入端(+)、一反相輸入端(-)及一電壓輸出端V_OA ，差分電路13的增益為G_A 。

第一切換單元111包括第一開關SW_1A 、第二開關SW_3A 、第三開關SW_2A 與第四開關SW_4A 。第一開關SW_1A 用以耦接第一電壓V_R1 至第一端點N_1a 。第二開關SW_3A 用以耦接第二電壓V_R2 至第二端點N_2a ，其中第二端點N_2a 至差分電路13的非反相輸入端(+)。第三開關SW_2A 位在第一端點N_1a 及第二端點N_2a 之間，用以決定第一端點N_1a 是否連接第二端點N_2a 。第四開關SW_4A 耦接在第二電壓V_R2 與差分電路13的反相輸入端(-)之間。

與電極板Plate B相連接的第二切換單元112a包括第一開關SW_1B 、第二開關SW_3B 、第三開關SW_2B 與第四開關SW_4B 。第一開關SW_1B 用以耦接第一電壓V_R1 至第三端點N_1b 。第二開關SW_3B 用以耦接第二電壓V_R2 至第四端點N_2b ，其中第四端點N_2b 連接至差分電路13的非反相輸入端(+)。第三開關SW_2B 位在第三端點N_1b 及第四端點N_2b 之間，用以決定第三端點N_1b 是否連接第四端點N_2b 。第四開關SW_4b 耦接在第二電壓V_R2 與差分電路13的反相輸入端(-)之間。

這三個第二切換單元112a具有相同的開關元件與連接關係，其中近似的圖號具有相同的含意。在此省略描述與電極板Plate C與電極板Plate D相連接的第二切換單元112a。差分電路13的反相輸入端(-)連接一接地電容Cg。

該防護電極52與該第二切換單元112b之間耦接有一靜電防護電路14，以提供一靜電放電路徑。靜電防護電路14係包含有一第一二極體D1、一第二二極體D2及一電阻元件R。第一二極體D1的陽極連接至防護電極52，其陰極連接至一高電位VDD。第二二極體D2的陰極連接至第一二極體D1的陽極及防護電極52，而其陽極接地。電阻元件R的一端串接於第一二極體D1及第二二極體D2的連接端點，另一端連接至第二切換單元112b。第二切換單元112b包括第一開關SW_SE 及第二開關SW_SP ，第一開關SW_SE 耦接在第一電壓V_R1 與電阻R之間，第二開關SW_SP 耦接在第二電壓V_R2 與電阻R之間。使用阻抗較大的電阻R，可以避免靜電流向第二切換單元112b。當防護電極52出現靜電電壓大於高電位VDD 加上第一二極體的導通臨界電壓時，第一二極體D1導通，該靜電被快速排除。同理，防護電極52出現負的靜電電壓時小於接地電壓減去第二二極體D2的導通臨界電壓時，第二二極體D2導通，負的靜電被排除。

圖中所示的第一至第四開關SW_1A ~SW_1D 、SW_3A ~SW_3D 、SW_2A ~SW_2D 、SW_4A~ SW_4D ，以及第二切換單元112b的第一及第二開關SW_SE 、SW_SP 係由控制單元12控制其打開或閉合。

以下說明在量測待量測電極板Plate A時的操作。

在第一時相(激勵時相)時，圖3中各開關的狀態係如圖4A所示。第一切換單元111的第一、第二及第四開關SW_1A 、SW_3A 、SW_4A 閉合，使得第一端點N_1a 連接該第一電壓V_R1 ，第二端點N_2a 連接第二電壓V_R2 。第三開關SW_2A 打開，使得第一端點N_1a 不連接第二端點N_2a 不連接。各個第二切換單元112a的第一、第二及第四開關SW_1B~1D 、SW_3B~3D 、SW_4B~4D 閉合，使得第三端點N_1b ~N_1d 連接第一電壓V_R1 ，第四端點N_2b ~N_2d 連接該第二電壓V_R2 。也就是說，電極板Plate B~ Plate D被施加第一電壓V_R1 。第三開關SW_2B~2D 打開，使得第三端點N_1b ~N_1d 不連接第四端點N_2b ~N_2d 。第二切換單元112b的第一開關SW_SE 閉合，並且第二開關SW_SP 打開，使防護電極52經由電阻R連接第一電壓V_R1 。簡言之，於第一時相時，待量測電極板Plate A及其各周邊電極板Plate B~ Plate D及防護電極52都連接第一電壓V_R1 。

接下來進行第二時相(讀取時相)。在第二時相時，圖3各開關的狀態係如圖4B所示。第一切換單元111的第一、第二及第四開關SW_1A 、SW_3A 、SW_4A 打開，使得該第一端點N_1a 不再連接該第一電壓V_R1 ，第二端點N_2a 也不再連接第二電壓V_R2 。第三開關SW_2A 閉合，使得第一端點N_1a 連接第二端點N_2a 。各個第二切換單元112a的第一開關SW_1B~1D 打開，使得第三端點N_1b ~_1d 不再連接第一電壓V_R1 ，第二及第四開關SW_3B~3D 、SW_4B~4D 仍閉合，意即第四端點N_2b ~_2d 仍連接第二電壓V_R2 。第三開關SW_2B~2D 閉合，使得該第三端點lN_1b ~_1d 連接第四端點N_2b ~_2d ，這意謂著電極板Plate B~ Plate D的電位被切換到連接至第二電壓V_R2 。第二切換單元112b的第一開關SW_SE 打開，並且第二開關SW_SP 閉合，使得防護電極52連接至第二電壓V_R2 。在其他實施例中，第四開關SW_4B~4D 也可以打開。

連接第一切換單元111的差分電路13的輸出電壓，用以表示待量測電極板Plate A的量測結果。經過第一時相及第二時相的操作之後，待量測電極板Plate A所連接的讀出電路13的輸出電壓V_OA 可表示如下式： ； 其中G_A 為差分電路的增益， C_FPPA 為C_FAB 、C_FAC 、C_FAD 的總和。 上式整理之後可表示為：。 其中，該為差分電路輸出之共模電壓。由以上表示式可知，分子的部份不存在邊際電容C_FPPA 及C_FAS 。這表示此實施例確實可以改善待量測電極板Plate A與相鄰電極板之間的電容，以及待量測電極板Plate A與靜電防護電極之間的電容影響讀出電路13的輸出。

在圖4A所示的第一時相與圖4B所示的第二時相中，各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的一實施例係如圖4C所示。在各開關的時序圖中，高電位代表開關閉合， 低電位代表開關打開。在這個實施例中，第二電壓V_R2 大於第一電壓V_R1 。在第一時相到第二時相的過程中，先打開第一開關SW_1A~1D 與SW_SE 以及第二開關SW_3A 與第四開關SW_4A ，然後再閉合第三開關SW_2A~2D 以及第二開關SW_SP 。電壓VEVA_A代表在第二時相讀取待量測電極板plate A時，節點I_PA 的電位。圖5提供的第二實施例與第一實施例大致相同，主要的差異在於該差分電路的反相輸入端(-)直接連接第二電壓V_R2 。

圖6提供的第三實施例與第一實施例的不同處在於使用緩衝器作為讀出電路13a。在圖6中，第一切換單元111的第二端N_2a 連接至緩衝器13a的單一輸入端I_A ，各個第二切換單元112a的第四端點N_2b ~N_2d 分別連接至另外三個緩衝器13a的單一輸入I_B~ I_D 。連接第一切換單元111的緩衝器13a的輸出電壓。在經過上述第一時相及第二時相的操作後，待量測電極板Plate A所連接的緩衝器13a的輸出電壓V_OA 可表示如下式： ；整理後可表示為：其中，為緩衝器輸出之偏移電壓。

由以上式子可知，分子的部份不存在邊際電容C_FPPA 及C_FAS 。意即，本發明藉由上述第一及第二時相的控制，確實可以改善邊際電容C_FPPA 、C_FAS 影響讀出電路13的輸出。

在圖7A提供的第四實施例中，各電極板Plate A~ Plate D經由一多工器131連接至一差分電路13。在量測電極板Plate A時，控制單元12控制多工器131，使差分電路13的非反相輸入端(+)連接至第二端點N_2a 。圖7A中的其他元件與操作方法係與圖3相同，在此不再贅述。

在圖7B提供的第五實施例中，各電極板Plate A~ Plate D經由一多工器131連接至一緩衝器13a。在量測電極板Plate A時，控制單元12控制多工器131，使緩衝器13a的輸入端連接至第二端點N_2a 。圖7B中的其他元件與操作方法係與圖6相同，在此不再贅述。

在圖7A及7B所示的第四及第五實施例中，多個電極板Plate A~ Plate D共用一個讀出電路，可以減少讀出電路的數量。

圖8提供一第六實施例。在圖8中，連接電極板Plate A~ D的第一切換單元111以及第二切換單元112a更包括第五開關SW_5A ~SW_5D 連接一第三電壓V_R3 ，以及第六開關SW_6A ~SW_6D 連接第四電壓V_R4 。第五開關SW_5A ~SW_5D 與第六開關SW_6A ~SW_6D 用以分別耦接第三電壓V_R3 及第四電壓V_R4 至電極板Plate A~ Plate D，用以切換電極板Plate A~ Plate D的電位。第二切換單元112b的第一及第二開關SW_SE 、SW_SP 分別耦接至第三電壓V_R3 及第四電壓V_R4 。第三電壓V_R3 減去第四電壓V_R4 的值等同於第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 的值(V_R1 -V_R2 =V_R3 -V_R4 )。控制單元12控制所有開關打開或閉合。其他的元件及其連接關係與圖3相同，在此不再贅述。圖8的配置亦可以改善邊際電容C_FPPA 、C_FAS 影響讀出電路13的輸出，以下仍以量測電極板Plate A為例，說明圖8所示電路的操作。

在第一時相(激勵時相)時，圖8中各開關的狀態係如圖9A所示。第一切換單元111的第一、第二及第四開關SW_1A 、SW_3A 、SW_4A 閉合，使得第一端點N_1a 連接該第一電壓V_R1 ，第二端點N_2a 連接第二電壓V_R2 ，差分電路13的反相端I_NA 連接第二電壓V_R2 。第三開關SW_2A 打開，使得第一端點N_1a 不連接第二端點N_2a 。第五開關SW_5A 與第六開關SW_6A 打開。各個第二切換單元112a的第五開關SW_5B ~SW_5D 閉合，第一開關SW_1B~1D 和第六開關SW_6B ~SW_6D 打開，使得電極板Plate B~ Plate D被連接至第三電壓V_R3 。第三開關SW_2B~2D 打開，使得該第三端點N_1b ~N_1d 不連接第四端點N_2b ~N_2d 。第二開關SW_3B~3D 與第四開關SW_4B~4D 都閉合。第二切換單元112b的第一開關SW_SE 閉合，並且第二開關SW_SP 打開，使防護電極52經由電阻R連接第三電壓V_R3 。簡言之，於第一時相時，待量測電極板Plate A連接第一電壓V_R1 ，各周邊電極板B~D及防護電極52連接到第三電壓V_R3 。在其他實施例中，第二開關SW_3B~3D 與第四開關SW_4B~4D 也可以打開。

接下來進行第二時相(讀取時相)。在第二時相時，圖8各開關的狀態係如圖9B所示。第一切換單元111的第一、第二及第四開關SW_1A 、SW_3A 、SW_4A 打開，使得該第一端點N_1a 不再連接該第一電壓V_R1 ，第二端點N_2a 也不再連接第二電壓V_R2 。第三開關SW_2A 閉合，使得第一端點N_1a 連接第二端點N_2a 。第五開關SW_5A 與第六開關SW_6A 仍打開。各個第二切換單元112a的第五開關SW_5B ~SW_5D 打開，使得電極板Plate B~ Plate D不再連接第三電壓V_R3 。第六開關SW_6B~6D 閉合，使得電極板Plate B~D連接至第四電壓V_R4 。第一開關SW_1B~1D 與第三開關SW_2B~2D 仍然維持打開的狀態。第二開關SW_3B~3D 與第四開關SW_4B~4D 可以是維持閉合，也可以打開。第二切換單元112b的第一開關SW_SE 打開，並且第二開關SW_SP 閉合，使得防護電極52經由電阻R連接至第四電壓V_R4 。

連接第一切換單元111的差分電路13的輸出電壓，用以表示待量測電極板Plate A的量測結果。經過第一時相及第二時相的操作之後，待量測電極板Plate A所連接的讀出電路13的輸出電壓V_OA 可表示如下式： ； 當第三電壓V_R3 減去第四電壓V_R4 的值等於第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 的值(V_R1 -V_R2 =V_R3 -V_R4 )時，整理之後可表示為：；其中：，為差分電路輸出之共模電壓。由前揭表示式可知，邊際電容C_FPPA 及C_FAS 的影響被減低。在其他的實施例中，於圖9B所示的第二時相時先不讀取輸出電壓V_OA ，並且接著進行第三時相的操作，如圖9C所示。在圖9C中，第一切換單元111的開關SW_1A 閉合，使第一端點N_1a 再次連接第一電壓V_R1 。第二開關SW_32A 與第四開關SW_4A 打開。各個第二切換單元112a的第五開關SW_5B ~SW_5D 閉合，第六開關SW_6B ~SW_6D 打開，使得電極板Plate B~D再次連接至第三電壓V_R3 。第二切換單元112b的第一開關SW_SE 閉合，並且第二開關SW_SP 打開，使防護電極52經由電阻R連接第三電壓V_R3 。其他開關的狀態則與圖9A的第一時相相同。簡言之，在第三時相時，再次使待量測電極板Plate A連接第一電壓V_R1 ，電極板Plate B~D以及防護電極S連接第三電壓V_R3 。

接下來，進行與第二時相相同的操作。此時電極板Plate B~ Plate D連接第四電壓V_R4 。如此重覆圖9C及圖9B數次之後，在如圖9B的狀態下，讀取輸出電壓V_OA 。此時第二端點N_2a 的電壓V_P2 為： 當第三電壓VR3減去第四電壓VR4的值等於第一電壓VR1減去第二電壓VR2的值(VR1-VR2=VR3-VR4)時，整理後可表示為：； ；其中：；；及 n表示切換次數。

重覆在圖9C及圖9B之間切換數次，可以在第二端點N_2a 累積多次待量測電極板Plate A的感測結果。當第二電壓V_R2 大於第一電壓V_R1 時，切換的次數與第二端點N_2a 的電壓V_P2 的關係係如圖10A所示。其中V_valley 表示量測指紋的凹陷所獲得的電壓，V_valley 表示量測指紋的凸起所獲得的電壓。隨著切換次數增加， V_valley 與V_rideg 之間的差異V_dynamic 增大，這將有助於判斷量測結果是代表指紋的突起還是凹陷，提高指紋偵測的準確度。在其他的實施例中(例如使用不同的讀出電路13或不同配置的切換單元)，亦可以適用在第二時相與第三時相之間切換多次以累積感測結果。在其他的實施例中，圖8與圖9A~9C的第二切換單元112b的第一開關SW_SE 也可以是連接第一電壓V_R1 ，第二開關SW_SP 連接第二電壓V_R2 ，其中第三電壓V_R3 減去第四電壓V_R4 的值等同於第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 的值(V_R1 -V_R2 =V_R3 -V_R4 )。這意謂著，以其他差值相同的電壓組合來取代第二切換單元112b連接的第三電壓V_R3 與第四電壓V_R4 是可能的。

在圖9A所示的第一時相，圖9B所示的第二時相以及圖9C所示的第三時相中，各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的一實施例係如圖9D所示。在各開關的時序圖中，高電位代表開關閉合， 低電位代表開關打開。在這個實施例中，第二電壓V_R2 大於第一電壓V_R1 ，第四電壓V_R4 大於第三電壓V_R3 。在第一時相到第二時相的過程中，先打開第一開關SW_1A ，SW_SE ，第五開關SW_5B ~SW_5D ，第二開關SW_3A 以及第四開關SW_4A ，然後再閉合第三開關SW_2A ，第六開關SW_6B ~SW_6D ，以及第二開關SW_SP 。在第二時相到第三時相的過程中，先打開第三開關SW_2A ，第六開關SW_6B ~SW_6D ，以及第二開關SW_SP ，然後再閉合第一開關SW_1A ，SW_SE 以及第五開關SW_5B ~SW_5D 。在第三時相到第二時相的過程中，先打開第一開關SW_1A ，SW_SE 以及第五開關SW_5B ~SW_5D ，然後再閉合第三開關SW_2A ，第六開關SW_6B ~SW_6D ，以及第二開關SW_SP 。電壓VEVA_A_1，VEVA_A_2與 VEVA_A_3分別 代表在第一個、第二個與第三個第二時相時，節點I_PA 的電位。如圖所示，在經過多次的切換之後，節點I_PA 的電位愈來愈低。

在圖8及圖9A~9C所示的實施例是增加第五開關SW_5A ~SW_5D 連接一第三電壓V_R3 ，以及第六開關SW_6A ~SW_6D 連接第四電壓V_R4 。在其他實施例中，可以只增加第六開關SW_6A ~SW_6D 連接第二電壓V_R2 ，並且在感測電極板Plate A時，控制第一開關SW_1B ~SW_1D 與第六開關SW_6B ~SW_6D 進行圖9A~9C中第五開關SW_6B ~SW_6D 與第六開關SW_6B ~SW_6D 的操作。

圖2提供本發明另一實施例，係在各電極板51的下方形成有一隔離電極板521，以隔絕各電極板51對下方電路元件的大部份寄生電容。電極板51與其下方的隔離電極板521之間具有一介電層503。以電極板Plate A來看，端點A與其他導體之間存在的寄生電容會變小成電容C_p1a '；電容C_qa 表示隔離電極板521與電極板Plate A之間的電容。

圖11A所示的實施例係應用於圖2所示的結構，其中進一步包含有一第三切換單元113連接一隔離電極板521，第三切換單元113係用以將各隔離電極板521連接至一第五電壓V_R5 或一第六電壓V_R6 。各個第三切換單元113包含有一第七開關及一第八開關，第七開關SW_7A~7D 耦接在第五電壓V_R5 與隔離電極板521之間，第八開關SW_8A~8D 則耦接於第六電壓V_R6 與隔離電極板521之間。第五電壓V_R5 與第六電壓V_R6 為不同電壓，第五電壓V_R5 可相同或不同於第一電壓V_R1 ，該第六電壓V_R6 可相同或不同於第二電壓V_R2 。在一實施例中，該第五電壓V_R5 與第六電壓V_R6 的差值同於該第一電壓V_R1 與第二電壓V_R2 的差值(V_R1 -V_R2 =V_R5 -V_R6 )。

在第一時相時，第一及第二切換單元111、112a的各開關的狀態與圖9A相同。第七開關SW_7A~7D 閉合，而第八開關SW_8A~8D 打開，以將各隔離電極板521連接第五電壓V_R5 。在第二時相時的操作係如圖11B所示。第一及第二切換單元111、112a的控制與圖9B相同，第七開關SW_7A~7D 打開，而第八開關SW_8A~8D 閉合，以將各隔離電極板521連接第六電壓V_R6 。在其他的實施例中，至少待量測電極板Plate A下方的隔離電極板521所連接第七開關SW_7A 與第八開關SW_8A 進行上述的操作。在第二時相時，讀取待量測電極板的感測結果。或者，可以再接著進行如圖11C的操作。

在圖11C中，第一及第二切換單元111、112a的控制與圖9C相同，第七開關SW_7A~7D 閉合，而第八開關SW_8A~8D 打開，使得隔離電極板521連接第五電壓V_R5 。如此重覆切換圖11C至圖11B數次之後，在如圖11B的狀態下，讀取輸出電壓V_OA 。此時第二端點N_2a 的電壓V_P2 為： 當第三電壓V_R3 減去第四電壓V_R4 的值等於第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 的值(V_R1 -V_R2 =V_R3 -V_R4 )，以及該第五電壓V_R5 減去第六電壓V_R6 的值同於該第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 的值(V_R1 -V_R2 =V_R5 -V_R6 )時，整理之後可表示為：；其中：；；及 n表示切換次數。

由上式可知，寄生電容C_p1a~p1d 變小為C_p1a '_~ C_p1d '，其所造成的的共模準位即相對減少。至於隔離電極板521而與電極板51之間產生的電容，則可藉由將該隔離電極板521切換至第五或第六電壓V_R5 、V_R6 ，將影響降至最少。

在圖11A所示的第一時相，圖11B所示的第二時相以及圖11C所示的第三時相中，各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的一實施例係如圖11D所示。在各開關的時序圖中，高電位代表開關閉合，低電位代表開關打開。在這個實施例中，第二電壓V_R2 大於第一電壓V_R1 ，第四電壓V_R4 大於第三電壓V_R3 ，第六電壓V_R6 大於第五電壓V_R5 。在第一時相到第二時相的過程中，先打開第一開關SW_1A ，SW_SE ，第五開關SW_5B ~SW_5D ，第七開關SW_7A~7D 以及第二開關SW_3A ，然後再閉合第三開關SW_2A ，第六開關SW_6B ~SW_6D ，第二開關SW_SP ，以及第八開關SW_8A~8D 。在第二時相到第三時相的過程中，先打開第三開關SW_2A ，第六開關SW_6B ~SW_6D ，第二開關SW_SP ，以及第八開關SW_8A~8D ，然後再閉合第一開關SW_1A ，SW_SE ，第五開關SW_5B ~SW_5D ，以及第七開關SW_7A~7D 。在第三時相到第二時相的過程中，先打開第一開關SW_1A ，SW_SE ，第五開關SW_5B ~SW_5D ，以及第七開關SW_7A~7D ，然後再閉合第三開關SW_2A ，第六開關SW_6B ~SW_6D ，第二開關SW_SP ，以及第八開關SW_8A~8D 。電壓VEVA_A_1，VEVA_A_2與 VEVA_A_3分別 代表在第一個、第二個與第三個第二時相時，節點I_A 的電位。如圖所示，在經過多次的切換之後，節點I_A 的電位愈來愈低。

在圖11C及圖11B之間的切換次數與第二端點N_2a 的電壓V_P2 的關係如圖10B所示。相較於圖10A，由於共模準位減小，圖10B所示的切換次數可以增加，在電路最大及最小操作電壓V+、V-之間可以獲得較大的電壓動態範圍V_dynamic 。

在另一實施例中，在第11A~11B，或第11A~11C圖中的第一電壓V_R1 與第二電壓V_R2 之間的差值被加大，例如使用較高的電壓作為第一電壓V_R1 。這個配置可以增加動態範圍V_dynamic 。在這個實施例中，第一電壓V_R1 大於第二電壓V_R2 ，第五電壓V_R5 大於第六電壓V_R6 ，而且該第五電壓V_R5 與第六電壓V_R6 的差值大於第一電壓V_R1 與第二電壓V_R2 的差值，即(V_R5 -V_R6 )＞(V_R1 -V_R2 )，其中第一電壓V_R1 為高電壓(例如15V)，第二電壓V_R2 為低電壓(例如1V)，第五電壓V_R5 為高電壓(例如18V)，第六電壓V_R6 為低電壓(例如0V)。在任何時相下，讀出電路13的輸入電壓都是在低壓元件可操作的範圍內。這表示讀出電路13不必以高壓元件製作，因此可節省晶片面積與耗電。如果使用高電壓作為第二電壓V_R2 以及使用低電壓作為第一電壓V_R1 ，則讀出電路13便必須以高壓元件製作。 由於因為高壓元件的尺寸較低壓元件大，因此勢必會增加讀出電路13的面積。另一方面，如果讀出電路13是以高壓元件製作，則須提供高壓電源給讀出電路13，這也將會增加倍壓電路的面積與耗電量。

在上述使用高電壓作為第一電壓V_R1 的實施例中，還可以加大第三電壓V_R3 與第四電壓V_R4 電壓的差異，對增加動態範圍V_dynamic 也有幫助。在這個配置中，第三電壓V_R3 大於第四電壓V_R4 ，而且該第三電壓V_R3 與第四電壓V_R4 的差值大於第一電壓V_R1 與第二電壓V_R2 的差值，即(V_R3 -V_R4 )＞(V_R1 -V_R2 )。

在其他實施例中，係同時量測多個電極板。意即，同時讀取多個待量測電極板的感測訊號，例如同時讀取第一列的電極板的感測訊號，其他列的電極板則不讀取。

上述實施例僅是以四個電極板為例說明本發明。在上述實施例中，除了待量測電極板，其他三個相鄰的電極板對應的切換單元係實施相同的運作。在其他的實施例中，至少有一個與待量測電極板相鄰的電極板所對應的切換單元實施該運作，或者，待量測電極板以外的所有電極板所耦接的切換單元都進行同樣的運作。在其他的實施例中，多個待量測電極板同時被量測，該多個待量測電極板相鄰的多個電極板所耦接的切換單元都進行同樣的運作。

在不同的實施例中，上述實施例的第三電壓V_R3 減去第四電壓V_R4 的值也可以是大於或小於第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 的值。上述實施例的第五電壓V_R5 減去第六電壓V_R6 的值也可以是大於或小於第一電壓V_R1 減去第二電壓V_R2 的值。此外，在以上所述的實施例中，當第一電壓V_R1 大於第二電壓V_R2 ，則令第三電壓V_R3 大於第四電壓V_R4 ，第五電壓V_R5 大於第六電壓V_R6 。當第一電壓V_R1 小於第二電壓V_R2 ，則令第三電壓V_R3 小於第四電壓V_R4 ，第五電壓V_R5 小於第六電壓V_R6 。

綜上所述，本發明的感測方法係主要於第一時相，將一第一電壓施加至一第一端點，該第一端點係連接該待量測電極板，將一第二電壓施加至一第二端點，該第二端點係連接至一讀出電路，將一第三電壓施加至一第三端點，該第三端點係連接一導體鄰近於該待量測電極板；其中該第一電壓減去該第二電壓為一非零的值。再於第二時相，停止施加該第一電壓、該第二電壓及該第三電壓至該第一端點、該第二端點與該第三端點，將一第四電壓施加至該第三端點，連接該第一端點與該第二端點，並且由該讀出電路輸出該待量測電極板的量測結果。在一實施例中，該第三電壓減去該第四電壓的值等於該第一電壓減去該第二電壓的值。當然，該第三電壓亦可為第一電壓，而第四電壓亦可為第二電壓，或該第三電壓減去該第四電壓的值可小於或大於該第一電壓減去該第二電壓的值。

由上述可知，本發明指紋感測器的感測方法及電路係主要令該待量測電極板的鄰近導體在第一及第二時相連接至不同電位的第三及第四電壓，而非連接至固定電位的電壓；因此，在第二時相讀取量測結果時，可改善待量測電極板與其鄰近導體之間的邊際電容抵消該待量測電極板的部份訊號，確保該量測結果的訊號量，以準確的判斷待量測電極板對應的手指指紋深或淺。

以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10‧‧‧感測電路
11‧‧‧量測單元
111‧‧‧第一切換單元
112、112a、112b‧‧‧第二切換單元
113‧‧‧第三切換單元
12‧‧‧控制單元
13、13a‧‧‧讀出電路
131‧‧‧多工器
14‧‧‧靜電防護電路
50‧‧‧指紋感測器
502‧‧‧介電層
503‧‧‧絕緣層
51‧‧‧電極板
52‧‧‧防護電極
521‧‧‧隔離電極板
53‧‧‧感測電路

圖1A：係本發明指紋感測器的一侷部結構及其感測電路的示意圖。 圖1B：係本發明指紋感測器的另一侷部結構及其感測電路的示意圖。 圖2：係本發明指紋感測器的又一侷部結構及其感測電路的示意圖。 圖3：係本發明指紋感測器的感測電路的第一實施例的電路圖。 圖4A及4B：係圖3分別於第一及第二時相的電路動作圖。 圖4C：係圖4A及圖4B中各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的波形圖。 圖5：係本發明指紋感測器的感測電路的第二實施例的電路圖。 圖6：係本發明指紋感測器的感測電路的第三實施例的電路圖。 圖7A：係本發明指紋感測器的感測電路的第四實施例的電路圖。 圖7B：係本發明指紋感測器的感測電路的第五實施例的電路圖。 圖8：係本發明指紋感測器的感測電路的第六實施例的電路圖。 圖9A至9C：係圖8分別於第一至第三時相的電路動作圖。 圖9D：係圖9A、圖9B及圖9C中各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的波形圖。 圖10A：係本發明一電壓動態範圍及切換次數圖。 圖10B：係本發明另一電壓動態範圍及切換次數圖。 圖11A至圖11C：係圖2分別於第一至第三時相的電路動作圖。 圖11D：係圖11A、圖11B及圖11C中各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的波形圖。 圖12：係一投射電容指紋感測器的示意圖。 圖13：係一手指與一投射電容指紋感測器的示意圖。

10‧‧‧感測電路

11‧‧‧量測單元

111‧‧‧第一切換單元

112a、112b‧‧‧第二切換單元

12‧‧‧控制單元

13‧‧‧讀出電路

14‧‧‧靜電防護電路

Claims (38)

1. 一種指紋感測器的感測方法，用於感測該指紋感測器之一待量測電極板，該感測方法包含： (a)於第一時相，將一第一電壓施加至一第一端點，該第一端點係連接該待量測電極板，將一第二電壓施加至一第二端點，將一第三電壓施加至一鄰近於該待量測電極板的導體；其中該第一電壓減去該第二電壓為一非零的值，且第一電壓大於或小於第二電壓；以及 (b)於第二時相，停止施加該第一電壓、該第二電壓及該第三電壓至該第一端點、該第二端點與該導體，將一第四電壓施加至該導體，連接該第一端點與該第二端點，該第二端點電壓係對應該待量測電極板的量測結果；其中該第三電壓減去該第四電壓為一非零的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第三電壓大於第四電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第三電壓小於第四電壓。
2. 如請求項1所述之指紋感測器的感測方法，其中該第三電壓減去該第四電壓的值等於，小於，或者大於該第一電壓減去該第二電壓的值。
3. 如請求項2所述之指紋感測器的感測方法，該第一電壓等於該第三電壓，且該第二電壓等於該第四電壓。
4. 如請求項1或2所述之指紋感測器的感測方法，進一步包含： (c)於第三時相，將該第一電壓施加至該第一端點，將該第三電壓施加至該導體；以及 (d)返回第二時相。
5. 如請求項1所述之指紋感測器的感測方法，該導體為鄰近該待量測電極板之一第一電極板，該第一電極板係用於感測指紋。
6. 如請求項4所述之指紋感測器的感測方法，該導體為鄰近該待量測電極板之一第一電極板，該第一電極板係用於感測指紋。
7. 如請求項1或5所述之指紋感測器的感測方法，其中更包括在該第一時相時，將該第三電壓施加至複數個第二電極板；在第二時相時，施加該第四電壓施加至該複數個第二電極板。
8. 如請求項6所述之指紋感測器的感測方法，其中更包括在該第一時相時，將該第三電壓施加至複數個第二電極板；在第二時相時，施加該第四電壓施加至該複數個第二電極板。
9. 如請求項1或2所述之指紋感測器的感測方法，該導體為該待量測電極板鄰近的一防護電極，該防護電極係用以提供靜電防護。
10. 如請求項4所述之指紋感測器的感測方法，該導體為該待量測電極板鄰近的一防護電極，該防護電極係用以提供靜電防護。
11. 如請求項1或2所述之指紋感測器的感測方法，其中： 於步驟(a)進一步將一第五電壓施加至一隔離電極板；其中該隔離電極板係設置於該待量測電極的下方； 於步驟(b)進一步停止施加該第五電壓，並將一第六電壓施加至該隔離電極板。
12. 如請求項11所述之指紋感測器的感測方法，其中該第五電壓減去該第六電壓的值等於、小於或大於該第一電壓減去該第二電壓的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第五電壓大於第六電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第五電壓小於第六電壓。
13. 如請求項4所述之指紋感測器的感測方法，其中： 於步驟(a)進一步將一第五電壓施加至一隔離電極板；其中該隔離電極板係設置於該待量測電極的下方； 於步驟(b)進一步停止施加該第五電壓，並將一第六電壓施加至該隔離電極板。
14. 如請求項13所述之指紋感測器的感測方法，其中該第五電壓減去該第六電壓的值等於、小於或大於該第一電壓減去該第二電壓的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第五電壓大於第六電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第五電壓小於第六電壓。
15. 一種感測電路，用以感測一指紋感測器中之一待量測電極板，該感測電路係包含： 一讀出電路，用以讀出該待量測電極板的量測結果； 一第一切換單元，包括一第一端點連接該待量測電極板，以及一第二端點連接該讀出電路，該第一切換單元耦接一第一電壓及一第二電壓；其中該第一電壓減去該第二電壓為一非零的值，且第一電壓大於或小於第二電壓； 一第二切換單元，連接一導體至一第三電壓或一第四電壓；其中該第三電壓減去該第四電壓為一非零的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第三電壓大於第四電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第三電壓小於第四電壓；以及 一控制單元，係控制該第一切換單元及第二切換單元；其中： 在第一時相，該控制單元控制該第一切換單元與該第二切換單元，使該第一端點耦接該第一電壓，該第二端點耦接該第二電壓，該第一端點與第二端點不連接，該導體耦接該第三電壓； 在第二時相，該控制單元控制該第一切換單元與該第二切換單元，使該第一端點、該第二端點與該導體分別不耦接該第一電壓、第二電壓及第三電壓，以及使該第一端點與第二端點連接，並且該控制單元控制該第二切換單元，使該導體耦接該第四電壓。
16. 如請求項15所述之感測電路，該第三電壓減去該第四電壓的值等於、小於或大於該第一電壓減去該第二電壓的值。
17. 如請求項15或16所述之感測電路，該控制單元在控制完第二時相後，進一步在第三時相，控制該第一切換單元與該第二切換單元，使該第一端點耦接該第一電壓，該第一端點與第二端點不連接，該導體連接該第三電壓；再返回該第二時相的控制。
18. 如請求項15或16所述之感測電路，該第一切換單元進一步包含： 一第一開關，用以耦接該第一電壓至該第一端點； 一第二開關，用以耦接該第二電壓至該第二端點；以及 一第三開關，位於該第一端點與第二端點之間； 在該第一時相時，該第一開關與該第二開關關閉，該第三開關打開； 在該第二時相時，該第一開關與第二開關打開，該第三開關關閉。
19. 如請求項15或16所述之感測電路，該第二切換單元進一步包含： 一第四開關，用以耦接該第三電壓至該導體； 一第五開關，用以耦接該第四電壓至該導體； 在該第一時相時，該第四開關關閉，該第五開關打開； 在該第二時相時，該第四開關打開，該第五開關關閉。
20. 如請求項15或16所述之感測電路，該第一電壓等於該第三電壓，且該第二電壓等於該第四電壓。
21. 如請求項15或16所述之感測電路，該導體為鄰近該待量測電極板之第一電極板，該第一電極板係用於感測指紋。
22. 如請求項15或16所述的感測電路，其中指紋感測器更包括複數個第二電極板用以感測指紋，而該感測電路更包括： 複數個第三切換單元，用以分別連接該複數個第二電極板至該第三電壓或該第四電壓；其中 在該第一時相時，該控制單元控制該第三切換單元，使該第二電極板耦接至該第三電壓； 在該第二時相時，該控制單元控制該第三切換單元，使該第二電極板耦接至該第四電壓。
23. 如請求項21所述的感測電路，其中指紋感測器更包括複數個第二電極板用以感測指紋，而該感測電路更包括： 複數個第三切換單元，用以分別連接該複數個第二電極板至該第三電壓或該第四電壓；其中 在該第一時相時，該控制單元控制該第三切換單元，使該第二電極板耦接至該第三電壓； 在該第二時相時，該控制單元控制該第三切換單元，使該第二電極板耦接至該第四電壓。
24. 如請求項22所述之感測電路，該第三切換單元進一步包含： 一第六開關，用以耦接該第三電壓至該第四端點； 一第七開關，用以耦接該第四電壓至該第四端點； 在該第一時相時，該第六開關關閉，該第七開關打開； 在該第二時相時，該第六開關打開，該第七開關關閉。
25. 如請求項23所述之感測電路，該第三切換單元進一步包含： 一第六開關，用以耦接該第三電壓至該第四端點； 一第七開關，用以耦接該第四電壓至該第四端點； 在該第一時相時，該第六開關關閉，該第七開關打開； 在該第二時相時，該第六開關打開，該第七開關關閉。
26. 如請求項15或16所述之感測電路，該導體為該待量測電極板鄰近的一防護電極，該防護電極係用以提供靜電防護。
27. 如請求項26所述之感測電路，更包括一靜電防護電路耦接在該防護電極與該第二切換單元之間。
28. 如請求項27所述之感測電路，該靜電防護電路包含有： 一第一二極體，其陽極連接至該防護電極，其陰極連接至一高電位； 一第二二極體，其陰極連接至該第一二極體的陽極及該防護電極，其陽極接地； 一電阻元件，其一端點串接於該第一及第二二極體的連接端點，另一端點則連接至該第二切換單元。
29. 如請求項15或16所述之感測電路，該讀出電路係包含有一緩衝器，該緩衝器的單一輸入端係連接至該第二端點。
30. 如請求項15或16所述之感測電路，該讀出電路係包含有： 一差分放大器，其一非反相輸入端係連接至對應的該第二端點，其一輸出端則連接至該控制單元； 一接地電容，係連接至該差分放大器的一反相輸入端，且該接地電容係透過一第八開關耦接至該第二電壓；其中： 於該第一時相，該第八開關關閉；於該第二時相，該第八開關打開。
31. 如請求項18所述之感測電路，該讀出電路係包含有： 一差分放大器，其一非反相輸入端係連接至對應的該第二端點，其一輸出端則連接至該控制單元； 一接地電容，係連接至該差分放大器的一反相輸入端，且該接地電容係透過一第八開關耦接至該第二電壓；其中： 於該第一時相，該第八開關關閉；於該第二時相，該第八開關打開。
32. 如請求項15或16所述之感測電路，該讀出電路係包含有： 一差分放大器，其一非反相輸入端係連接至對應的該第二端點，其一輸出端則連接至該控制單元，其一反相輸入端連接一參考電壓，該參考電壓等於該第二電壓。
33. 如請求項15或16所述之感測電路，其中： 該控制單元在第一時相中進一步將一第五電壓施加至一隔離電極板；其中該隔離電極板係設置於該待量測電極的下方； 該控制單元在第二時相中進一步停止施加該第五電壓，並將一第六電壓施加至該隔離電極板；其中該第五電壓減去該第六電壓為一非零的值。
34. 如請求項33所述之感測電路，其中該第五電壓減去該第六電壓的值等於、小於或大於該第一電壓減去該第二電壓的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第五電壓大於第六電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第五電壓小於第六電壓。
35. 如請求項33所述之感測電路，進一步包含有一第四切換單元，其包含： 一第九開關，用以耦接該第五電壓至該隔離電極板； 一第十開關，用以耦接該第六電壓至該隔離電極板；以及 在該第一時相時，該第九開關關閉，該第十開關打開； 在該第二時相時，該第九開關打開，該第十開關關閉。
36. 如請求項17所述之感測電路，其中： 該控制單元在第一時相中進一步將一第五電壓施加至一隔離電極板；其中該隔離電極板係設置於該待量測電極的下方； 該控制單元在第二時相中進一步停止施加該第五電壓，並將一第六電壓施加至該隔離電極板；其中該第五電壓減去該第六電壓為一非零的值。
37. 如請求項36所述之感測電路，其中該第五電壓減去該第六電壓的值等於、小於或大於該第一電壓減去該第二電壓的值，且當第一電壓大於第二電壓時，第五電壓大於第六電壓，或當第一電壓小於第二電壓時，第五電壓小於第六電壓。
38. 如請求項36所述之感測電路，進一步包含有一第四切換單元，其包含： 一第九開關，用以耦接該第五電壓至該隔離電極板； 一第十開關，用以耦接該第六電壓至該隔離電極板；以及 在該第一時相時，該第九開關關閉，該第十開關打開； 在該第二時相時，該第九開關打開，該第十開關關閉。