TW201624350A - 指紋感測裝置及其指紋感測方法 - Google Patents

Abstract

一種指紋感測裝置，包括一阻隔板在一電極板及一偵測電路之間，用以降低該電極板與下方的導體之間的寄生電容，達到較大之訊號動態範圍，並防止偵測電路的操作雜訊干擾該電極板，而且該阻隔板與該電極板具有相同電位，因而能消除該阻隔板與該電極板之間的寄生電容效應。故本發明的指紋感測裝置具有較佳的雜訊抵抗能力。

Description

指紋感測裝置及其指紋感測方法

本發明是有關一種指紋感測裝置及方法，特別是關於一種低寄生電容的指紋感測裝置及其指紋感測方法。

圖1是習知的指紋感測裝置10，其中保護層12供手指觸碰及保護其下方的多個電極板16a、16b、16c，靜電放電(Electro-Static Discharge；ESD)層14用以提供靜電放電保護，多個偵測電路18a、18b、18c各自連接對應的電極板16a、16b、16c，用以偵測電極板16a、16b、16c與手指(圖中未示)間的電容值以得到感測電壓。由於手指的指紋是由凹凸不平的紋路構成，因此指紋會有紋峰與紋谷。又指紋的紋峰與紋谷與電極板的距離不同，所以紋峰與紋谷所產生的感測電壓也不同。指紋感測裝置10根據感測電壓的大小可以判斷對應電極板16a、16b、16c的紋路為峰值或谷值。指紋感測裝置10在取得所有電極板所對應的紋路後，即可得到手指的指紋圖像。

然而，如圖1所示，電極板16a、16b、16c與下方的導體之間存在寄生電容Cp1a、Cp1b、Cp1c。電極板下方的導體包括偵測電路18a、18b、18c、地端以及其他的導體。寄生電容Cp1a、Cp1b、Cp1c會影響電極板16a、16b、16c的感測，寄生電容Cp1a、Cp1b、Cp1c越高，量測電極板16a、16b、16c所獲得的感測電壓的動態範圍越小，越不易正確的辨識所偵測到的紋路是紋峰還是紋谷。此外，偵測電路18a、18b、18c的操作雜訊也會經由寄生電容Cp1a、Cp1b、Cp1c干擾電極板16a、16b、16c。

因此，一種低寄生電容的指紋感測裝置，乃為所冀。

本發明的目的，在於提出一種低寄生電容的指紋感測裝置及其指紋感測方法。

根據本發明，一種指紋感測裝置包括一電極板、一回授電容、一元件層以及一阻隔板。該回授電容耦接該電極板，該回授電容與該電極板是各自獨立的元件。該元件層位於該電極板下方，該元件層包含多個電路元件連接該回授電容以形成一偵測電路供偵測手指與該電極板之間的電容值，以判斷該電極板上的指紋。該阻隔板在該電極板及該元件層之間。在激勵模式時，該電極板及該阻隔板被施加一第一電壓，在偵測模式時，該電極板及該阻隔板被施加一第二電壓。

根據本發明，一種指紋感測裝置包括一電極板、一偵測電路、一第一開關以及一阻隔板。該偵測電路在偵測模式時，偵測該電極板與一手指之間的電容值，以判斷該電極板上的指紋。該第一開關連接在該電極板及該偵測電路之間。該阻隔板在該電極板及該偵測電路之間。在激勵模式期間，該第一開關為開路以斷開該電極板與該偵測電路之間的連接，該電極板及該阻隔板被施加一第一電壓。在偵測模式時，該第一開關為閉路以使該偵測電路連接該電極板，該電極板及該阻隔板被施加一第二電壓。

根據本發明，一種指紋感測方法包括：在激勵模式時，斷開一電極板及一偵測電路之間的連接，並施加一第一電壓至該電極板及一阻隔板；以及在偵測模式時，連接該電極板及該偵測電路並施加一第二電壓至該電極板及該阻隔板，以使該偵測電路偵測手指與該電極板之間的電容值，以判斷該電極板上的指紋為紋峰或紋谷。其中該阻隔板在該電極板及該偵測電路之間。

本發明係利用在電極板下方設置阻隔板，來降低該電極板與下方其他導體之間的寄生電容，達到較大之訊號動態範圍，並防止偵測電路的操作雜訊干擾該電極板，而且在感測過程中，該阻隔板與該電極板具有相同電位，因而能消除該阻隔板與該電極板之間的寄生電容效應。

10‧‧‧指紋感測裝置

12‧‧‧保護層

14‧‧‧靜電放電層

16a‧‧‧電極板

16b‧‧‧電極板

16c‧‧‧電極板

16d‧‧‧電極板

18a‧‧‧偵測電路

18b‧‧‧偵測電路

18c‧‧‧偵測電路

18d‧‧‧偵測電路

20a‧‧‧運算放大器

20b‧‧‧運算放大器

20c‧‧‧運算放大器

20d‧‧‧運算放大器

22‧‧‧指紋感測裝置

24a‧‧‧阻隔板

24b‧‧‧阻隔板

24c‧‧‧阻隔板

24d‧‧‧阻隔板

28‧‧‧金屬板

30‧‧‧金屬板

32‧‧‧元件層

34‧‧‧手指

36‧‧‧切換開關

圖1是習知的指紋感測裝置；圖2是本發明的指紋感測裝置的第一實施例； 圖3顯示圖2的指紋感測裝置的結構；圖4顯示圖2的指紋感測裝置在激勵模式下的等效電路；圖5顯示圖2的指紋感測裝置在偵測模式下的等效電路；圖6顯示圖4及圖5電路的時序圖；以及圖7是本發明的指紋感測裝置的第二實施例。

圖2是本發明的指紋感測裝置22之一實施例，其與圖1的指紋感測裝置10同樣包括保護層12、靜電放電層14、電極板16a、16b、16c及偵測電路18a、18b、18c。此外，指紋感測裝置22還包括阻隔板24a、24b、24c以及開關SWse、SWsp，其中阻隔板24a在電極板16a與偵測電路18a之間，阻隔板24b在電極板16b及偵測電路18b之間，阻隔板24c在電極板16c及偵測電路18c之間，開關SWse的一端連接阻隔板24a、24b、24c，開關SWse的另一端接收電壓VR1，開關SWsp的一端連接阻隔板24a、24b、24c，開關SWsp的另一端接收電壓VR2。在指紋感測裝置22中，藉由使用阻隔板24a、24b、24c，能夠將電極板16a、16b、16c與下方其他導體(例如偵測電路18a、18b、18c以及地端)之間的寄生電容由圖1的Cp1a、Cp1b、Cp1c減少到剩下Cp1aa、Cp1ba、Cp1ca，其中寄生電容Cp1aa、Cp1ba、Cp1ca、Cp1da遠小於寄生電容Cp1a、Cp1b、Cp1c。由於對應於電極板16a、16b、16c的寄生電容大大的降低，因而可達到較大之訊號動態範圍，獲得較大的訊號量。並且，阻隔板24a、24b、24c的設置，有助於改善偵測電路18a、18b、18c的操作雜訊干擾電極板16a、16b、16c。另外，藉由控制開關SWse、SWsp的切換，可使阻隔板24a、24b、24c與電極板16a、16b、16c具有相同電位，因此在感測電極板16a、16b、16c的過程中，阻隔板24a、24b、24c與電極板16a、16b、16c之間的寄生電容Cp1ab、Cp1bb、Cp1cb的效應也可被消除。

圖3顯示圖2的指紋感測裝置22的結構的一實施例，在圖3的實施例中，基於說明的方便，僅顯示一組感測單元的結構。該感測單元包括電極板16a、偵測電路18a、阻隔板24a以及連接在其間的開關SW1a、SW2a、SWse、SWsp。如圖3所示，開關SW1a、SW2a、SW3a、SWse、 SWsp及運算放大器20a等電路元件是設置在元件層32中，其中運算放大器20a及開關SW3a與回授電容Cfba組成偵測電路18a。回授電容Cfba在阻隔板24a及元件層32之間，且位於阻隔板24a的正下方，回授電容Cfba是由金屬板28及30組成，而且與電極板16a是各自獨立的元件。阻隔板24a在電極板16a及元件層32之間，且位於電極板16a的正下方以減少電極板16a與下方其他導體(例如偵測電路18a、地端)之間的寄生電容。元件層32至少包括一半導體基板(圖中未示出)用於製作偵測電路18a所需的元件。回授電容Cfba可以由其他方式來製作，例如由元件層32中的兩層多晶矽(Polysilicon)來組成。

當手指34接觸指紋感測裝置22時，手指34與電極板16a之間將形成電容Csa，藉由偵測電容Csa可以判斷對應電極板16a的指紋紋路為紋峰(peak)或紋谷(valley)。在激勵模式時，開關SW1a、SW3a及SWsp為閉路(on)，開關SW2a及SWse為開路(off)，此時電極板16a及阻隔板24a皆被施加電壓VR2，而回授電容Cfba處於短路狀態，故回授電容Cfba上的電壓被設定為0V。在偵測模式時，開關SW1a、SW3a及SWsp為開路，開關SW2a及SWse為閉路以分別將電極板16a及阻隔板24a分別連接至運算放大器20a的反相輸入端及電壓VR1，由於運算放大器的虛接地特性，因此電極板16a也被施加電壓VR1，此時偵測電路18a偵測電容Csa產生感測電壓Voa，以供判斷對應電極板16a的紋路為紋峰或紋谷。不論在激勵模式或偵測模式，電極板16a及阻隔板24a的電位皆相同，因此電極板16a與阻隔板24a之間的寄生電容Cp1ab的效應被消除。

圖4及圖5是圖2的指紋感測裝置22的等效電路，其中圖4顯示在激勵模式下的操作，圖5顯示在偵測模式下的操作。在圖4及圖5中，Csa、Csb、Csc、Csd是由手指與電極板16a、16b、16c、16d形成的電容，其中電極板16a、16b、16c、16d分別視為電容Csa、Csb、Csc、Csd右方的電極，手指則視為電容Csa、Csb、Csc、Csd左方的電極。開關SW1a的一端連接電極板16a及開關SW2a，開關SW1a的另一端接收電壓VR2。開關SW2a連接在電極板16a及偵測電路18a之間。Cp1aa為電極板16a與其下方導體之間的寄生電容。Cp1ab為電極板16a與阻隔板24a之間的寄生 電容。偵測電路18a包括一運算放大器20a、開關SW3a及回授電容Cfba，其中開關SW3a及回授電容Cfba是並聯在運算放大器20a的反相輸入端Ina及輸出端Oa之間，運算放大器20a的非反相輸入端Ipa接收電壓VR1，電容Cp2a是運算放大器20a的反相輸入端Ina上的寄生電容。開關SW1b的一端連接電極板16b及開關SW2b，開關SW1b的另一端接收電壓VR2。開關SW2b連接在電極板16b及偵測電路18b之間。Cp1ba為電極板16b與其下方導體之間的寄生電容。Cp1bb為電極板16b與阻隔板24b之間的寄生電容。偵測電路18b包括一運算放大器20b、開關SW3b及回授電容Cfbb，其中開關SW3b及回授電容Cfbb是並聯在運算放大器20b的反相輸入端Inb及輸出端Ob之間，運算放大器20b的非反相輸入端Ipb接收電壓VR1，電容Cp2b是運算放大器20b的反相輸入端Inb上的寄生電容。開關SW1c的一端連接電極板16c及開關SW2c，開關SW1c的另一端接收電壓VR2。開關SW2c連接在電極板16c及偵測電路18c之間。Cp1ca為電極板16c與其下方導體之間的寄生電容。Cp1cb為電極板16c與阻隔板24c之間的寄生電容。偵測電路18c包括一運算放大器20c、開關SW3c及回授電容Cfbc，其中開關SW3c及回授電容Cfbc是並聯在運算放大器20c的反相輸入端Inc及輸出端Oc之間，運算放大器20c的非反相輸入端Ipc接收電壓VR1，電容Cp2c是運算放大器20c的反相輸入端Inc上的寄生電容。開關SW1d的一端連接電極板16d及開關SW2d，開關SW1d的另一端接收電壓VR2。開關SW2d連接在電極板16d及偵測電路18d之間。Cp1da為電極板16d與其下方導體之間的寄生電容。Cp1db為電極板16d與阻隔板24d之間的寄生電容。偵測電路18d包括一運算放大器20d、開關SW3d及回授電容Cfbd，其中開關SW3d及回授電容Cfbd是並聯在運算放大器20d的反相輸入端Ind及輸出端Od之間，運算放大器20d的非反相輸入端Ipd接收電壓VR1，電容Cp2d是運算放大器20d的反相輸入端Ind上的寄生電容。由於在電極板16a、16b、16c、16d與偵測電路18a、18b、18c、18d之間有阻隔板24a、24b、24c、24d，因此圖4及圖5中在電極板16a、16b、16c、16d與下方其他導體之間的寄生電容由圖1的Cp1a、Cp1b、Cp1c降為Cp1aa、Cp1ba、Cp1ca、Cp1da。寄生電容Cp1aa、Cp1ba、Cp1ca、Cp1da遠小於寄生電容Cp1a、Cp1b、 Cp1c。

圖6顯示圖4及圖5的電路在偵測電極板16a時的時序圖。如圖4的電路及圖6的時間t1~t2所示，指紋感測裝置22在激勵模式時，開關SW1a、SW3a、SW1b、SW3b、SW1c、SW3c、SW1d、SW3d、SWsp為閉路(on)，開關SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse為開路(off)。此時電壓VR2對電容Csa、Csb、Csc及Csd充電，並且回授電容Cfba、Cfbb、Cfbc及Cfbd的電壓為0V。由於運算放大器的虛接地特性，運算放大器20a、20b、20c、20d的反相輸入端Ina、Inb、Inc、Ind的電壓將等於VR1，又此時運算放大器20a、20b、20c、20d的輸出端Oa、Ob、Oc、Od連接至其反相輸入端Ina、Inb、Inc、Ind，故感測電壓Voa、Vob、Voc、Vod將等於VR1。在激勵模式中，寄生電容Cp1ab、Cp1bb、Cp1cb、Cp1db的兩端的電位皆為VR2，故寄生電容Cp1ab、Cp1bb、Cp1cb、Cp1db的電壓為0V。在激勵模式結束時，如圖6的時間t2所示，開關SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp變為開路，開關SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse保持在開路的狀態，開關SW3b、SW3c、SW3d保持在閉路狀態。

如圖5的電路及圖6的時間t3~t4所示，當指紋感測裝置22進入偵測模式且要偵測對應電極板16a的指紋時，開關SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp保持在開路狀態，開關SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse變為閉路，開關SW3b、SW3c、SW3d保持在閉路狀態。此時感測電壓Voa=VR1-(VR2-VR1)×[(Csa/Cfba)+(Cp1aa/Cfba)]，指紋感測裝置22可以根據感測電壓Voa判斷電容Csa的大小，進而判斷對應電極板16a的紋路為紋峰或紋谷。在偵測模式結束時，如圖6的時間t4所示，開關SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp保持在開路狀態，開關SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse變為開路，開關SW3b、SW3c、SW3d保持在閉路狀態。在偵測模式中，由於運算放大器的虛接地特性，因此寄生電容Cp1ab、Cp1bb、Cp1cb、Cp1db的兩端的電位皆為VR1。從上述感測電壓Voa的等式可知，電極板16a與阻隔板24a之間的寄生電容Cp1ab不影響感測電壓Voa，而且電極板16a與下方其他導體只剩下極小寄生電容Cp1aa，因此相較於習知具有較大寄生電容Cp1a的指紋感測裝置10，本發明的指紋 感測裝置22具有較大之訊號動態範圍，可獲得較大的輸出訊號量。並且能改善偵測電路的操作雜訊干擾電極板。另一方面，圖式中的開關可以是設置在電極板與阻隔板的下方，本發明也可以改善這些開關的操作雜訊干擾電極板。

在圖6中，從激勵模式到偵測模式的過程中，開關SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp先打開之後，才閉合開關SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse。

圖5係以量測電極板16a與手指之間電容Csa為例，熟習本項技術領域之人士當了解如何應用於量測其他電極板，在此不再贅述。

在圖2的指紋感測裝置22中，每一個電極板16a、16b、16c是對應一個偵測電路18a、18b、18c，但在其他實施例中，也可以是多個電極板16a、16b、16c共用一個偵測電路18a，如圖7所示。在圖7中，切換開關36是用以將偵測電路18a連接至要偵測的電極板18a、18b或18c。

在圖2、圖4、圖5及圖7的實施例中，是多個阻隔板24a、24b、24c、24d共用開關SWse、SWsp，但在其他實施例中，也可以是一個阻隔板對應一組開關SWse、SWsp。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述。

12‧‧‧保護層

14‧‧‧靜電放電層

16a‧‧‧電極板

16b‧‧‧電極板

16c‧‧‧電極板

18a‧‧‧偵測電路

18b‧‧‧偵測電路

18c‧‧‧偵測電路

22‧‧‧指紋感測裝置

24a‧‧‧阻隔板

24b‧‧‧阻隔板

24c‧‧‧阻隔板

Claims (8)

1. 一種指紋感測裝置，包括：一電極板；一回授電容，耦接該電極板，其中該回授電容與該電極板是各自獨立的元件；一元件層，位於該電極板下方，該元件層包含多個電路元件連接該回授電容以形成一偵測電路供偵測手指與該電極板之間的電容值，以判斷該電極板上的指紋；以及一阻隔板，在該電極板及該元件層之間；其中，在激勵模式時，該電極板及該阻隔板被施加一第一電壓；在偵測模式時，該電極板及該阻隔板被施加一第二電壓。
2. 如請求項1之指紋感測裝置，其中該多個電路元件包括：一運算放大器，具有一反相輸入端、一非反相輸入端及一輸出端，其中該非反相輸入端接收該第二電壓；以及一第一開關，與該回授電容並聯在該運算放大器的該反相輸入端及該輸出端之間，其中該第一開關在激勵模式時為閉路，在偵測模式時為開路。
3. 如請求項2之指紋感測裝置，其中該元件層更包含：一第二開關，具有二端分別連接該運算放大器的該反相輸入端及該電極板，其中該第二開關在激勵模式時為開路，在偵測模式時為閉路；一第三開關，其一端連接該第二開關及該電極板，其另一端接收該第一電壓，其中該第三開關在激勵模式時為閉路，在偵測模式時為開路；一第四開關，其一端連接該阻隔板，其另一端接收該第一電壓，其中該第四開關在激勵模式時為閉路，在偵測模式時為開路；以及 一第五開關，其一端連接該阻隔板，其另一端接收該第二電壓，其中該第五開關在激勵模式時為開路，在偵測模式時為閉路。
4. 一種指紋感測裝置，包括：一電極板；一偵測電路，在偵測模式時，偵測該電極板與一手指之間的電容值，以判斷該電極板上的指紋；一第一開關，連接在該電極板及該偵測電路之間，其中在激勵模式期間，該第一開關為開路以斷開該電極板與該偵測電路之間的連接，在偵測模式時，該第一開關為閉路以使該偵測電路連接該電極板；以及一阻隔板，在該電極板及該偵測電路之間；其中，在該激勵模式時，該電極板及該阻隔板被施加一第一電壓；在偵測模式時，該電極板及該阻隔板被施加一第二電壓。
5. 如請求項4之指紋感測裝置，其中該偵測電路包括：一運算放大器，具有一反相輸入端、一非反相輸入端及一輸出端，其中該非反相輸入端接收該第二電壓；一回授電容，連接在該反相輸入端及該輸出端之間；一第二開關，與該回授電容並聯，其中該第二開關在激勵模式時為閉路，在偵測模式時為開路。
6. 如請求項5之指紋感測裝置，更包括：一第三開關，其一端連接該第一開關及該電極板，其另一端接收該第一電壓，其中該第三開關在激勵模式時為閉路，在偵測模式時為開路；一第四開關，其一端連接該阻隔板，其另一端接收該第一電壓，其中該第四開關在激勵模式時為閉路，在偵測模式時為開路；以及一第五開關，其一端連接該阻隔板，其另一端接收該第二電壓，其中該 第五開關在激勵模式時為開路，在偵測模式時為閉路。
7. 一種指紋感測方法，包括下列步驟：在激勵模式時，斷開一電極板及一偵測電路之間的連接，並施加一第一電壓至該電極板及一阻隔板；以及在偵測模式時，連接該電極板及該偵測電路並施加一第二電壓至該電極板及該阻隔板，其中該偵測電路偵測手指與該電極板之間的電容值，以判斷該電極板上的指紋為峰值或谷值；其中，該阻隔板在該電極板及該偵測電路之間。
8. 如請求項7的指紋感測方法，更包括：在激勵模式時，設定該偵測電路中連接在運算放大器的反相輸入端及輸出端之間的回授電容的電壓；以及在偵測模式時，連接該回授電容及該電極板，以使該回授電容上產生一感測電壓供判斷該電極板上的指紋，其中該感測電壓跟該手指與該電極板之間的電容值相關。