TW201631518A - 指紋感測器的感測方法以及感測電路 - Google Patents

指紋感測器的感測方法以及感測電路 Download PDF

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Abstract

一種指紋感測器的感測方法，其包含下列步驟：(a) 將第一電壓施加至待量測電極板所連接的第一端點，將第二電壓施加至未連接於該第一端點的第二端點，以及將第三電壓施加至鄰近於該待量測電極板的導體；(b) 提供第一手指驅動電壓至手指；(c) 停止施加該第一、第二與第三電壓至該第一端點、該第二端點與該導體；(d) 在步驟(c)之後，將第四電壓施加至該導體，以及將該第一端點連接至該第二端點；(e) 在步驟(b)與(c)之後，提供第二手指驅動電壓至該手指；以及(f) 在步驟(d)與(e)之後，根據該第二端點的訊號，獲得該待量測電極板的量測結果。

Description

指紋感測器的感測方法以及感測電路
本發明係關於指紋感測，尤指一種指紋感測器的感測方法及其相關的感測電路。
傳統的投射式電容指紋感測器利用偵測電極板與手指之間的電容量來得到手指的指紋圖像。然而，電極板的寄生電容會影響電極板的量測結果，導致難以分辨指紋的紋峰與紋谷。
因此，需一種創新的指紋感測機制來提昇指紋辨識的準確性。
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種指紋感測器的感測方法及其相關的感測電路，來解決上述問題。
依據本發明之一實施例，其揭示一種指紋感測器的感測方法。該感測方法用於感測該指紋感測器之中一待量測電極板與一手指之間的電容。該感測方法包含以下步驟：(a) 將一第一電壓施加至該待量測電極板所連接的一第一端點，將不同於該第一電壓之一第二電壓施加至未連接於該第一端點的一第二端點，以及將一第三電壓施加至鄰近於該待量測電極板的一導體；(b) 將一第一手指驅動電壓施加至該手指所耦接之一手指驅動電極；(c) 停止施加該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓至該第一端點、該第二端點與該導體；(d) 在步驟(c)之後，將不同於該第三電壓之一第四電壓施加至該導體，以及將該第一端點連接至該第二端點；(e) 在步驟(b)與(c)之後，停止將該第一手指驅動電壓施加至該手指驅動電極，以及將不同於該第一手指驅動電壓之一第二手指驅動電壓施加至該手指驅動電極；以及(f) 在步驟(d)與(e)之後，根據該第二端點的訊號，獲得該待量測電極板的量測結果。該第一電壓大於該第二電壓，該第三電壓大於該第四電壓，該第一手指驅動電壓小於該第二手指驅動電壓；或者，該第一電壓小於該第二電壓，該第三電壓小於該第四電壓，該第一手指驅動電壓大於該第二手指驅動電壓。
依據本發明之一實施例，其揭示一種感測電路。該感測電路用以感測一指紋感測器之中一待量測電極板與一手指之間的電容。該感測電路包含一第一切換單元、一第二切換單元、一第三切換單元、一讀出電路以及一控制單元。該第一切換單元包含一第一端點與一第二端點，該第一端點連接於該待量測電極板，其中在一第一時相，該第一端點耦接一第一電壓，該第二端點耦接於不同於該第一電壓的一第二電壓，該第一端點不連接該第二端點；以及在一第二時相，該第一端點不耦接該第一電壓，該第二端點不耦接該第二電壓，該第一端點連接該第二端點。在該第一時相，該第二切換單元將一第三電壓耦接至鄰近於該量測電極板之一導體；以及在該第二時相，該第二切換單元將不同於該第三電壓之一第四電壓耦接至該導體。在該第一時相，該第三切換單元將一第一手指驅動電壓耦接至一手指驅動電極；以及在該第二時相，該第三切換單元將不同於該第一手指驅動電極之一第二手指驅動電壓耦接至該手指驅動電極，其中該手指驅動電極係用以耦接該手指。該讀出電路耦接於該第一切換單元之該第二端點，該讀出電路根據該第二端點的訊號讀出該待量測電極板的量測結果。該控制單元耦接於該第一、第二、第三切換單元，其中於一第一時相，該控制單元控制該第一、第二、第三切換單元於該第一時相至該第二時相的操作。該第一電壓大於該第二電壓，該第三電壓大於該第四電壓，該第一手指驅動電壓小於該第二手指驅動電壓；或者，該第一電壓小於該第二電壓，該第三電壓小於該第四電壓，該第一手指驅動電壓大於該第二手指驅動電壓。
基於簡潔的緣故，以下說明中，例如開關SW1A ～SW1D 是表示SW1A 、SW1B 、SW1C 與SW1D ，開關SW1A ～SW3A 是表示SW1A ，SW2A 與SW3A. 。熟知本項技術者，當能從圖式及說明中推知其他例如SW2A ～SW2D 或者SW1B ～SW3B 所表示的含意。
本發明在不同的時相，提供不同的手指驅動電壓給手指，以及提供不同的電壓至指紋感測器之一待量測電極板的鄰近導體，該鄰近的導體可以是其他用於偵測指紋的電極板，靜電防護電極，或者提供待量測電極板屏蔽效果的阻隔板。
請參閱第1圖，其為本發明指紋感測器之一實施例的示意圖。指紋感測器100可包含（但不限於）一感測面110、複數個電極板PA～PD、一防護電極S以及一感測電路120，其中防護電極S係鄰近於複數個電極板PA～PD，用來提供靜電防護（electrostatic discharge protection，ESD protection）。當手指F碰觸感測面110或靠近感測面110上方時，感測電路120感測各電極板與手指F之間的電容（感應電容），進而辨識出手指F的指紋圖像。為求說明簡潔，第1圖僅繪示了排列成矩陣的四個電極板PA～PD。然而，本發明指紋感測器所包含的電極板個數及電極板排列方式並不以此為限。
於此實施例中，當手指F碰觸感測面110或靠近感測面110上方時，感測電路120提供不同的手指驅動電壓VF0/VF1以耦接至手指F。感測電路120可選擇性地將不同的電壓（諸如電壓VS0/VS1）耦接於防護電極S，以降低待量測電極板（例如，複數個電極板PA～PD之其一）與防護電極S之間的邊際電容/寄生電容。
第2圖繪示了第1圖所示之指紋感測器100的一示範性結構之中一待量測電極板的寄生電容示意圖。於此實施例中，感測面110係位於保護層201之一側，防護電極S設置於介電層202之中，以及複數個電極板PA與PB設置於介電層203之中。在電極板PA作為一待量測電極板的情形下，感測電路120可適應性地施加手指驅動電壓VF0/VF1至手指驅動電極RG（諸如感測面110周遭的金屬環），使得當手指F接觸手指驅動電極RG時，手指驅動電壓VF0/VF1可施加至手指F。手指F與待量測電極板PA之間的電容以CSA 表示。該待量測電極板PA所對應的電容包含電極板PA與電極板PB之間的電容CFAB （邊際電容）、電極板PA與防護電極S之間的電容CFAS （邊際電容）及/或電極板PA與其他導體之間的電容Cp1a（除了上述電容CSA 與邊際電容以外的寄生電容）。
第2圖所示之元件堆疊架構僅供說明之需，並非用來作為本發明的限制。舉例來說，防護電極S可與複數個電極板PA～PD位於同一平面（例如，均位於介電層203）。於另一範例中，一部分的防護電極S可位於複數個電極板PA～PD的上方（例如，介電層202），而另一部份的防護電極S可與複數個電極板PA～PD位於同一平面（例如，介電層203）。
請參閱第3圖，其為第1圖所示之指紋感測器100的電路架構的一實施例的示意圖，其中指紋感測器100之元件配置可採用第2圖所示之架構來實作之。於此實施例中，感測電路120可包含一偵測電路330、一讀出電路340、一切換單元350、一切換單元360、一靜電防護電路370以及一控制單元390。偵測電路330用於偵測待量測電極板，而讀出電路340用於讀出偵測電路330的量測結果，並可將量測結果作進一步的處理（諸如訊號放大處理）。切換單元350用於將手指驅動電壓VF0/VF1耦接至手指F。
切換單元360用於將電壓VS0/VS1耦接至防護電極S。靜電防護電路370耦接於防護電極S與切換單元360之間，用以提供靜電放電防護。於此實施例中（但本發明不限於此），靜電防護電路370可包含一電阻元件R以及複數個二極體D1與D2，其中電阻元件R之一端點連接至防護電極S，電阻元件R之另一端點連接至切換單元360，二極體D1之陽極與陰極分別連接至防護電極S與一電位VH（高電位，例如電壓源VDD），二極體D2之陽極與陰極分別連接至一電位VL（低於電位VH，例如接地端）與防護電極S。使用阻抗較大的電阻元件R，可以避免靜電流向切換單元360。當防護電極S出現靜電電壓大於高電位VH（例如電壓源VDD）加上二極體D1的導通臨界電壓時，二極體D1導通，該靜電被快速排除。同理，防護電極S出現的靜電電壓小於低電位VL（例如接地電壓）減去二極體D2的導通臨界電壓時，二極體D2導通，該靜電被排除。
控制單元390耦接偵測電路330、讀出電路340、切換單元350、切換單元360以及靜電防護電路370，並產生複數個控制訊號CS1A ～CS5A 、CS1B ～CS5B 、CS1C ～CS5C 、CS1D ～CS5D 、CSS0 ～CSS1 及CSF0 ～CSF1 ，以分別控制感測電路120的各個開關SW1A ～SW5A 、SW1B ～SW5B 、SW1C ～SW5C 、SW1D ～SW5D 、SWS0 ～SWS1 及SWF0 ～SWF1 的操作。
於此實施例中，偵測電路330包含複數個切換單元331～338，其中切換單元331與332係對應電極板PA來設置，切換單元333與334係對應電極板PB來設置，切換單元335與336係對應電極板PC來設置，以及切換單元337與338係對應電極板PD來設置。切換單元331之端點N1A 與端點N2A 分別連接電極板PA與讀出電路340，切換單元333之端點N1B 與端點N2B 分別連接電極板PB與讀出電路340，切換單元335之端點N1C 與端點N2C 分別連接電極板PC與讀出電路340，以及切換單元337之端點N1D 與端點N2D 分別連接電極板PD與讀出電路340。端點N1A /N1B /N1C /N1D 選擇性地耦接於一電壓VR2，而端點N2A /N2B /N2C /N2D 則是選擇性地耦接於不同於電壓VR2之一電壓VR1。另外，切換單元332可將電極板PA耦接至一電壓VP0或不同於電壓VP0之一電壓VP1；切換單元334可將電極板PB耦接於電壓VP0或電壓VP1；切換單元336可將電極板PC耦接於電壓VP0或電壓VP1；以及切換單元338可將電極板PD耦接於電壓VP0或電壓VP1。
切換單元331可包含複數個開關SW1A ～SW3A ，其中開關SW2A 耦接於端點N1A 與端點N2A 之間，開關SW1A 耦接於端點N1A 與電壓VR2之間，開關SW3A 耦接於端點N2A 與電壓VR1之間。開關SW1A 依據控制訊號CS1A 來將電壓VR2耦接至端點N1A ，開關SW2A 依據控制訊號CS2A 來將端點N1A 耦接至端點N2A ，以及開關SW3A 依據控制訊號CS3A 來將電壓VR1耦接至端點N2A 。
切換單元332包含複數個開關SW4A ～SW5A ，其中開關SW4A 耦接於電極板PA與電壓VP1之間，開關SW5A 耦接於電極板PA與電壓VP2之間。開關SW4A 依據控制訊號CS4A 來將電壓VP1耦接至電極板PA，以及開關SW5A 依據控制訊號CS5A 來將電壓VP0耦接至電極板PA。相似地，切換單元333所包含之複數個開關SW1B ～SW3B 可分別依據複數個控制訊號CS1B ～CS3B 來進行切換、切換單元334所包含之複數個開關SW4B ～SW5B 可分別依據複數個控制訊號CS4B ～CS5B 來進行切換、切換單元335所包含之複數個開關SW1C ～SW3C 可分別依據複數個控制訊號CS1C ～CS3C 來進行切換、切換單元336所包含之複數個開關SW4C ～SW5C 可分別依據複數個控制訊號CS4C ～CS5C 來進行切換、切換單元337所包含之複數個開關SW1D ～SW3D 可分別依據複數個控制訊號CS1D ～CS3D 來進行切換，以及切換單元338所包含之複數個開關SW4D ～SW5D 可分別依據複數個控制訊號CS4D ～CS5D 來進行切換。在此實施例中，切換單元333、335、337與切換單元331相同，切換單元334、336、338與切換單元332相同，基於簡潔的緣故，在此不再描述這些切換單元的組成。
切換單元350係用於切換施加至手指F的電壓，其中包含複數個開關SWF0 ～SWF1 。開關SWF0 耦接於一手指驅動電極（例如，第2圖所示之手指驅動電極RG）與手指驅動電壓VF0之間，開關SWF1 耦接於該手指驅動電極與手指驅動電壓VF1之間。該手指驅動電極係位於一感測面（例如，第2圖所示之感測面110）的周圍，提供手指接觸。電壓VF0與VF1係經由手指驅動電極而耦接至手指F。開關SWF0 可依據控制訊號CSF0 來將手指驅動電壓VF0耦接至手指F，開關SWF1 可依據控制訊號CSF1 來將手指驅動電壓VF1耦接至手指F。
切換單元360可包含複數個開關SWS0 ～SWS1 ，其中開關SWS0 耦接於電阻元件R與電壓VS0之間，開關SWS1 耦接於電阻元件R與電壓VS1之間。開關SWS0 可依據控制訊號CSS0 來將電壓VS0耦接至防護電極S，以及開關SWS1 可依據控制訊號CSS1 來將手指驅動電壓VS1耦接至防護電極S。
如第3圖所示，複數個電容CSA ～CSD 分別是手指F與複數個電極PA～PD之間所形成的平板電容，複數個電容CFAB 、CFBC 、CFCD 、CFBD 、CFAC 及CFAD 分別是複數個電極板PA與PB之間所形成的邊際電容、複數個電極板PB與PC之間所形成的邊際電容、複數個電極板PC與PD之間所形成的邊際電容、複數個電極板PB與PD之間所形成的邊際電容、複數個電極板PA與PC之間所形成的邊際電容以及複數個電極板PA與PD之間所形成的邊際電容。複數個電容CFAS ～CFDS 分別是防護電極S與複數個電極PA～PD之間所形成的邊際電容。複數個電容Cp1a～Cp1d分別是端點N1A ～N1D 與其他導體之間的寄生電容，複數個電容Cp2a～Cp2d分別是端點N2A ～N2D 與其他導體之間的寄生電容。
為了便於理解本發明，以下先以電極板PA作為待量測電極板為例來說明本發明所提供之指紋感測機制。請參閱第4圖，其為第3圖所示之指紋感測器100於一第一時相的電路圖。於該第一時相（例如，預充電模式），控制單元390控制切換單元331以將端點N1A 耦接電壓VR2，以及將端點N2A 耦接電壓VR1，其中端點N1A 未連接至端點N2A 。控制單元390控制切換單元350以將手指驅動電壓VF0耦接至手指F。此外，控制單元390可致使鄰近於電極板PA之一導體耦接於一特定電壓。舉例來說，控制單元390控制切換單元334/336/338以將電極板PB/PC/PD耦接至電壓VP0（亦即，鄰近於電極板PA之該導體係為用於感測指紋的電極板PB/PC/PD）。於另一範例中，控制單元390控制切換單元360以將防護電極S耦接至電壓VS0（亦即，鄰近於電極板PA之該導體係為防護電極S）。另外，於該第一時相，端點N1B /N1C /N1D 耦接於電壓VP0，端點N2B /N2C /N2D 耦接於電壓VR1。在其他的實施例中，於第一時相下，端點N2B /N2C /N2D 亦可不耦接於電壓VR1。
於該第一時相，複數個開關SW1A 、SW3A ～SW3D 、SW5B ～SW5D 、SWS0 與SWF0 依據相對應之控制訊號而導通，而複數個開關SW1B ～SW1D 、SW2A ～SW2D 、SW4A ～SW4D 、SW5A 、SWS1 與SWF1 依據相對應之控制訊號而關斷。
接下來，於一第二時相（例如，偵測模式；如第5圖所示），控制單元390控制切換單元331以使複數個端點N1A 與N2A 分別不耦接於複數個電壓VR2與VR1，並且將端點N1A 連接至端點N2A 。控制單元390並控制切換單元350以將手指驅動電壓VF1耦接至手指F。另外，控制單元390致使鄰近於電極板PA之該導體切換至另一特定電壓。舉例來說，控制單元390控制切換單元334/336/338以將電極板PB/PC/PD耦接至電壓VP1（亦即，鄰近於電極板PA之該導體係為用於感測指紋的電極板PB/PC/PD）。於另一範例中，控制單元390控制切換單元360以將防護電極S耦接至電壓VS1（亦即，鄰近於電極板PA之該導體係為防護電極S）。另外，於該第二時相，切換單元333/335/337可維持與該第一時相相同的操作。
於該第二時相，複數個開關SW2A 、SW3B ～SW3D 、SW4B ～SW4D 、SWS1 與SWF1 依據相對應之控制訊號而導通，而複數個開關SW1A ～SW1D 、SW2B ～SW2D 、SW3A 、SW4A 、SW5A ～SW5D 、SWS0 與SWF0 依據相對應之控制訊號而關斷。在其他實施例中，在第一時相或第二時相下，開關SW3B ～SW3D 也可以關斷。
經過該第二時相的操作之後，讀出電路340讀取端點N2A 的訊號，端點N2A 的訊號被經過一些處理（例如信號放大），以獲得待量測電極板PA的量測結果。
在其他實施例中，可藉由累積感應訊號以增加量測結果的動態範圍。請參閱第6圖，其為第3圖所示之指紋感測器100於一第三時相的電路圖，其中該第三時相係為該第二時相之後的下一時相。於該第三時相，控制單元390係控制切換單元331以將端點N1A 耦接電壓VR2並斷開端點N1A 與端點N2A 之間的連接，此時並不將端點N2A 耦接電壓VR1。控制單元390控制切換單元334/336/338以將電極板PB/PC/PD耦接於電壓VP0、控制切換單元360以將防護電極S耦接於電壓VS0，以及控制切換單元350以將手指驅動電壓VF0耦接至手指F。該第三時相之電壓切換與該第一時相之電壓切換大致相同，兩者之間的主要差別在於該待量測電極板（電極板PA）相對應之切換單元331並未將電壓VR1耦接至端點N2A ，以保存第二時相獲得的感應訊號。
經過第6圖所示的第三時相之後，指紋感測器100再次進行如第5圖所示之第二時相的操作，然後才讀出端點N2A 的訊號。第三時相與第二時相可以反覆多次的切換。
上述電壓切換操作可歸納為第7圖所示之訊號時序圖的一實施例，其中在各開關的時序圖中，高電位代表開關導通，低電位代表開關關斷。在這個實施例中，電壓VR1大於電壓VR2。於第7圖所示之實施例中，在完成該第三時相的操作之後，第3圖所示之控制單元390再次執行該第二時相之中所進行的操作，以累積感應訊號，其中複數個電壓VE1～VE3分別代表經歷過一次～三次之訊號累積的量測結果。其中在第一時相（或第三時相）切換到第二時相的過程中，開關SW1A 、SW3A 、SW5B ～SW5D 、SWS0 與SWF0 先關斷之後，才導通開關SW2A 、SW4A ～SW4D 、SWS1 與SWF1 。在第二時相切換到第三時相的過程中，開關SW2A 、SW4A ～SW4D 、SWS1 與SWF1 先關斷之後，才導通開關SW1A 、SW5B ～SW5D 、SWS0 與SWF0 。
經由第7圖所示之「第一時相、第二時相、第三時相、第二時相、第三時相、…」的時序控制，在執行完第n次第二時相的操作之後，對應於電極板PA之端點N2A 的電壓VP2 可表示如下：
（1）
其中CFPPA =CFAB +CFAC +CFAD ，以及x= Cp2a/(CSA +CFPPA +CFAS +Cpla+Cp2a)。
值得注意的是，電容CSA 為電極板PA與手指F之間形成之平板電容，其中電極板PA與手指F兩者距離近則電容CSA 大、距離遠則電容CSA 小。然而，電極板PA與電極板PB/PC/PD之間的電容CFAB /CFAC /CFAD 隨指紋深淺的大小變化與電容CSA 相反，以及電極板PA與防護電極S之間的電容CFAS 隨指紋深淺的大小變化與電容CSA 相反。簡言之，待量測電極板PA與相鄰其他導體之間的電容會影響電容CSA 的量測結果。這個缺點可以藉由本發明切換該相鄰導體的電位而獲得改善。其中，當使用電壓VR1大於電壓VR2時，電壓VP1大於電壓VP0、將電壓VS1設定為大於電壓VS0，以及將手指驅動電壓VF1設定為小於手指驅動電壓VF0。經由上述之操作，可在端點N2A 獲得較大的電壓VP2 。再者，透過多次執行上述第二時相的操作，可累加多次的量測結果。獲得較大的電壓VP2 有助於判斷指紋是紋峰（ridge）還是紋谷（valley）。因此，本發明所提供之指紋感測機制可提昇判斷指紋深淺的準確性。
在其他實施例中，電壓VR1等於電壓VP1，電壓VR2等於電壓VP0，可以消弭鄰近電極板與待量測電極板之間的寄生電容的影響。於另一實施例中，電壓VR1等於電壓VS1，電壓VR2等於電壓VS0，以消弭防護電極S與待量測電極板之間的寄生電容的影響。
以上所述係僅供說明之需，並非用來作為本發明的限制。於其他實施例中，電壓VR1小於電壓VR2，電壓VP1小於電壓VP0、電壓VS1小於電壓VS0，以及手指驅動電壓VF1大於手指驅動電壓VF0。
請參閱第8圖，其為第1圖所示之指紋感測器100的電路架構的另一實施例的示意圖。第8圖所示之電路架構與第3圖所示之電路架構的主要差別在於第3圖所示之複數個切換單元332、334、336與338未設置於偵測電路830之中。其他具有相同圖號的元件請參考上述的說明，在此不再贅述。
以下仍以電極板PA作為待量測電極板為例，來說明第8圖所示之電路架構的指紋感測機制。請參閱第9圖，其為第8圖所示之指紋感測器100於一第一時相的電路圖。於該第一時相（例如，預充電模式），控制單元890控制切換單元331以將端點N1A 耦接電壓VR2，以及將端點N2A 耦接電壓VR1，其中端點N1A 未連接至端點N2A 。控制單元890控制切換單元350以將手指驅動電壓VF0耦接至手指F。此外，控制單元890致使鄰近於電極板PA之一導體耦接於一特定電壓。舉例來說，控制單元890可控制切換單元333/335/337以將電極板PB/PC/PD耦接至電壓VR2。於另一範例中，控制單元890可控制切換單元360以將防護電極S耦接至電壓VS0。另外，於該第一時相，端點N1B /N1C /N1D 可耦接於電壓VR2，端點N2B /N2C /N2D 耦接於電壓VR1。在其他的實施例中，於第一時相下，端點N2B /N2C /N2D 亦可不耦接於電壓VR1。
於該第一時相，複數個開關SW1A ～SW1D 、SW3A ～SW3D 、SWS0 與SWF0 依據相對應之控制訊號來導通，而複數個開關SW2A ～SW2D 、SWS1 與SWF1 可依據相對應之控制訊號來關斷。在其他實施例中，亦可以控制開關SW3B ～SW3D 關斷。
接下來，於一第二時相（例如，偵測模式；如第10圖所示），控制單元890可控制切換單元331使端點N1A 不耦接電壓VR2，以及使端點N2A 不耦接電壓VR1，並且將端點N1A 連接至端點N2A 。控制單元890控制切換單元350以將手指驅動電壓VF1耦接至手指F。另外，控制單元890可致使鄰近於電極板PA之該導體切換至另一特定電壓。舉例來說，控制單元890可控制切換單元333/335/337將電極板PB/PC/PD耦接電壓VR1。於另一實施例中，控制單元890可控制切換單元360以將防護電極S耦接於電壓VS1。
於該第二時相，複數個開關SW2A ～SW2D 、SW3B ～SW3D 、SWS1 與SWF1 依據相對應之控制訊號而導通，而複數個開關SW1A ～SW1D 、SW3A 、SWS0 與SWF0 依據相對應之控制訊號而關斷。
經過該第二時相的操作之後，讀出電路340讀取端點N2A 的訊號，端點N2A 的訊號被經過一些處理（例如信號放大），以獲得待量測電極板PA的量測結果。
在其他實施例中，可藉由累積感應訊號以增加量測結果的動態範圍。請參閱第11圖，其為第8圖所示之指紋感測器100於一第三時相的電路圖，其中該第三時相係為該第二時相之後的下一時相。亦即，在進行第10圖的第二時相的操作之後，進行第11圖的第三時相的操作。與第6圖所示之電路架構的操作相似，第11圖所示之該第三時相的電壓切換與第9圖所示之該第一時相的電壓切換大致相同。第11圖所示之切換控制與第9圖所示之切換控制之間的主要差別在於該待量測電極板（電極板PA）相對應之切換單元331並未將電壓VR1耦接至端點N2A ，以保存第二時相獲得的感應訊號。
經過第11圖所示的第三時相之後，指紋感測器100再次進行如第10圖所示之第二時相的操作，然後才讀出端點N2A 的訊號。第三時相與第二時相可以反覆多次的切換。
第9圖～第11圖的電壓切換操作可歸納為第12圖所示之訊號時序圖。其中在各開關的時序圖中，高電位代表開關導通，低電位代表開關關斷。在這個實施例中，電壓VR1大於電壓VR2。由於熟習技藝者經由閱讀第第7～11圖的相關說明之後，應可了解第12圖所示之訊號時序圖相關的操作細節，故進一步的說明在此便不再贅述。其中在第一時相（或第三時相）切換到第二時相的過程中，開關SW1A ～SW1D 、SW3A 、SWS0 與SWF0 先關斷之後，才導通開關SW2A ～SW2D 、SWS1 與SWF1 。在第二時相到第三時相的過程中，開關SW2A ～SW2D 、SWS1 與SWF1 先關斷之後，才導通開關SW1A ～SW1D 、SW3A 、SWS0 與SWF0 。
在本發明的又一實施例中，採用一阻隔板以減少待量測電極板與下方電路元件之間的寄生電容。第13圖所示之元件堆疊結構相近於第2圖所示之元件堆疊結構，兩者之間的差別主要在於第13圖所示之元件堆疊結構另包含一介電層1304，在介電層1304中，設置有至少一阻隔板（諸如複數個阻隔板LA與LB），用以減少待量測電極板與下方電路元件之間的寄生電容。阻隔板為一導體（例如金屬），位於待量測電極板的下方。亦即，阻隔板設置在感測電路與待量測電極板之間。舉例來說，在電極板PA作為一待量測電極板的情形下，該待量測電極板（電極板PA）其他導體之間的寄生電容可由第2圖所示之電容Cp1a減少為電容Cp1a’。雖然電極板PA與阻隔板LA之間存在電容Cqa（寄生電容），感測電路1320可藉由適應性地切換耦接於阻隔板LA的電壓，以降低/消弭電容Cqa對量測結果的影響。
第14圖所示的實施例，應用了第13圖所示之架構，其中複數個電容Cqa～Cqd分別為複數個電極板PA～PD與相對應之阻隔板（複數個阻隔板LA～LD之其一）之間所存在的寄生電容，而複數個電容Cp1a’～Cp1d’則分別是複數個電極板PA～PD與其他導體之間的寄生電容。感測電路1320近似於第3圖所示之感測電路120的架構，兩者之間主要的差別在於感測電路1320另包含複數個切換單元1482～1484（分別連接阻隔板LA～LD）。控制單元1490控制複數個切換單元1482～1488以將不同的電壓VN0與VN1耦接至相對應之阻隔板。
於此實施例中，切換單元1482所包含之複數個開關SW6A ～SW7A 可分別依據複數個控制訊號CS6A ～CS7A 來進行切換、切換單元1484所包含之複數個開關SW6B ～SW7B 可分別依據複數個控制訊號CS6B ～CS7B 來進行切換、切換單元1486所包含之複數個開關SW6C ～SW7C 可分別依據複數個控制訊號CS6C ～CS7C 來進行切換，以及切換單元1488所包含之複數個開關SW6D ～SW7D 可分別依據複數個控制訊號CS6D ～CS7D 來進行切換。
在第一時相、第二時相以及第三時相時，控制單元1490控制複數個切換單元1482/1484/1486/1488的操作，係與前述控制鄰近於待量測電極板之一導體所對應之切換單元的操作大致相似/相同。至於其他的切換單元在第一時相、第二時相及第三時相的操作，請參考上述第4～7圖的說明。
在以電極板PA作為待量測電極板的例子中，於第一時相（例如，預充電模式），控制單元1490控制切換單元1482以將阻隔板LA耦接於電壓VN0；於一第二時相（例如，偵測模式），控制單元1490控制切換單元1482以將阻隔板LA耦接於電壓VN1。於第三時相，控制單元1490控制切換單元1482以將阻隔板LA耦接於電壓VN0。於此實施例中，電壓VR2大於電壓VR1，電壓VN0大於電壓VN1。於另一實作範例中，電壓VR2小於電壓VR1，電壓VN0小於電壓VN1。
在其他實施例中，在第一時相時，控制單元1490控制切換單元1484、1486及1488以將阻隔板LA、LB及LD耦接於電壓VN0，在第二時相時，控制單元1490控制切換單元1484、1486及1488以將阻隔板LA、LB及LD耦接於電壓VN1。
上述的阻隔板LA～LD，切換單元1482、1484、1486及1488，以及相對應的電壓切換操作，同樣可以應用在第8至11圖，或者其他的電路架構。
在第7圖或第12圖中，反覆的在第二時相及第三時相之間切換數次，可以在端點N2A 累積多次待量測電極板PA的感測結果，其中，讀出電路是在第二時相時讀取端點N2A 的訊號。當電壓VR1大於電壓VR2時，切換的次數與端點N2A 的電壓VP2 的關係如第15圖所示。其中Vvalley 表示量測指紋的凹陷所獲得的電壓，Vridge 表示量測指紋的凸起所獲得的電壓。隨著切換次數增加，Vvalley 與Vridge 之間的差異Vdynamic 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。
在第13圖及第14圖中，藉由設置阻隔板並切換其電位，能夠將待量測電極板的寄生電容Cp1a變小為Cp1a’，因此使得共模準位減少。第14圖所示的電路在第二時相與第三時相切換數次，可以在端點N2A 累積多次待量測電極板PA的感測結果。當電壓VR1大於電壓VR2時，在第二時相與第三時相之間切換的次數，與端點N2A 的電壓VP2 的關係如第16圖所示。相較於第15圖，由於共模準位VOCM 減小，第16圖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Vdynamic 。
將第14圖所示實施例的電壓VR2與電壓VR1之間的差值加大，例如使用較高的電壓作為電壓VR2，可以增加動態範圍Vdynamic 。在這個配置下，電壓VR2大於電壓VR1，電壓VN0大於電壓VN1，而且電壓VN0與電壓VN1的差值大於電壓VR2與電壓VR1的差值，即（VN0- VN1）＞（VR2-VR1），電壓VR2為高電壓（例如15V），電壓VR1為低電壓（例如1V），電壓VN0為高電壓（例如18V），電壓VN1為低電壓（例如0V）。讀出電路340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340內的元件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電壓VR1以及使用低電壓作為電壓VR2，則讀出電路元件便必須以高壓元件製作。 由於高壓元件的尺寸較低壓元件大，因此勢必會增加讀出電路340的面積。另一方面，如果讀出電路340的元件是以高壓元件製作，則須提供高壓電源給讀出電路340，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電壓VR2的實施例中，還可以加大電壓VP0與電壓VP1的差異，對增加動態範圍Vdynamic 也有幫助。在這個配置中，電壓VP0大於電壓VP1，而且該電壓VP0與電壓VP1的差值大於電壓VR2與電壓VR1的差值，即（VP0- VP1）＞（VR2-VR1）。
雖然在上述實施例中，指紋感測器切換施加於手指、靜電防護電極，待量測電極之鄰近電極板，以及阻隔板的電壓，然而，這並非用來作為本發明的限制。於其他實施例中，可以僅切換施加於靜電防護電極，待量測電極之鄰近電極板與阻隔板的其中之一的電壓，並且配合切換施加於手指的電壓，仍然有助於降低/消弭部份的寄生電容，達到增加感應訊號量的效果。
第8圖所示的讀出電路340，可以複數個差分電路來實現。如第17圖所示的一實施例，讀出電路1740包括四個差分電路13a～13d，各個差分電路的非反相輸入端(+)分別連接端點N2A ～N2D 。差分電路13a～13d係分別用以讀出端點N2A ～N2D 的訊號，以獲得各電極板PA～PD的量測結果。以差分電路13a為例，差分電路13a包含一非反相輸入端(+)、一反相輸入端(-)及一電壓輸出端VOA ，差分電路13a的增益為GA 。
開關SW8A ～SW8D 分別耦接在電壓VR1與各個差分電路的反相輸入端(-)之間。以量測電極板PA為例，在第一時相時，控制單元1790控制開關SW8A 導通，在第二時相時，控制單元1790控制開關SW8A 關斷。在此實施例中，開關SW8B ～SW8D 在第一及第二時相下被導通。在其他實施例中，開關SW8B ～SW8D 在第一及第二時相下可以被關斷。在第一時相、第二時相及第三時相，其他切換單元的操作請參考前述第8圖至第12圖的說明。
以差分電路13a為例，差分電路13a的輸出電壓，用以表示待量測電極板PA的量測結果，其中GA 為差分電路的增益，VIPA 為非反相輸入端IPA 的電壓，VIPN 為反相輸入端INA 的電壓，VOCM 為共模準位。經過第一時相及第二時相的操作之後，待量測電極板PA所連接的差分電路13的輸出電壓VOA 可表示如下式：
其中CFPPA 為CFAB 、CFAC 、CFAD 的總和。
上式整理之後可表示為：
。
其中。由以上表示式可知，分子的部份不存在邊際電容CFPPA 及CFAS 。這表示此實施例確實可以改善待量測電極板PA與相鄰電極板之間的電容，以及待量測電極板PA與靜電防護電極之間的電容影響差分電路13a的輸出。
第17圖所示電路在第一時相與第二時相中，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第18圖所示。第18圖的時序圖與第12圖相近，主要是增加了開關SW8A ～SW8D 的狀態。
第19圖提供的實施例與第17圖所示的實施例的不同處在於使用緩衝器作為各電極板所對應之讀出電路元件。在第19圖中，讀出電路1940包括四個緩衝器13e～13h，各個緩衝器的單一輸入端IA ～ID 分別連接端點N2A ～N2D 。緩衝器13e～13h係用以讀出端點N2A ～N2D 的訊號，以獲得各電極板PA～PD的量測結果。
以緩衝器13e為例，緩衝器13e的輸出電壓，其中GU 為緩衝器的增益，VIA 為輸入端IA 的電壓，Vshift 為緩衝器輸出之偏移電壓。在經過第一時相及第二時相的操作後，待量測電極板PA所連接的緩衝器13e的輸出電壓VOA 可表示如下式：
；
整理後可表示為：
其中。
由以上式子可知，分子的部份不存在邊際電容CFPPA 及CFAS 。亦即，藉由前述第一及第二時相的控制，確實可以改善邊際電容CFPPA 、CFAS 影響緩衝器13e的輸出。
第8圖所示的讀出電路340亦可以用一個多工器串接一個差分電路來實現。如第20圖所示，讀出電路2040包括一多工器（multiplexer，MUX）131連接一差分電路13a。多工器131連接在端點N2A ～N2D 與差分放大器13a的非反相輸入端(+)之間，並且受到控制單元2090的控制。如第20圖所示，各電極板PA～PD經由多工器131連接至差分電路13a。在量測電極板PA時，控制單元2090控制多工器131，使差分電路13a的非反相輸入端(+)連接至端點N2A ，以讀出端點N2A 的訊號。
第8圖所示的讀出電路340亦可以用一個多工器串接一個緩衝器來實現。如第21圖所示，讀出電路2140包括多工器131連接緩衝器13e。多工器131連接在端點N2A ～N2D 與緩衝器13e的單一輸入端，並且受到控制單元2090的控制。如第21圖所示，各電極板PA～PD經由多工器131連接至緩衝器13e。在量測電極板PA時，控制單元2090控制多工器131，使緩衝器13e的輸入端連接至端點N2A ，以讀出端點N2A 的訊號。
在第20圖所示的實施例中，多個電極板PA～PD共用一個差分電路13a。在第21圖所示的實施例中，多個電極板PA～PD共用一個緩衝器13e。這種架構可以減少讀出電路中的元件數量，有助於降低成本，減少複雜度。
在第17、19、20、21圖中的讀出電路，亦可應用到如第3圖所示的電路架構，在此不再贅述。
在其他實施例中，係同時量測多個電極板。亦即，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。
經由上述各實施例的說明以及各時序圖，根據本發明的感測方法包括以下步驟：
(a) 將一第一電壓施加至該待量測電極板所連接的一第一端點，將不同於該第一電壓之一第二電壓施加至未連接於該第一端點的一第二端點，以及將一第三電壓施加至鄰近於該待量測電極板的一導體（例如相鄰的電極板，阻隔板，或靜電防護電極）；
(b) 提供一第一手指驅動電壓，該第一手指驅動電壓係用以耦接至該手指；
(c) 停止施加該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓至該第一端點、該第二端點與該導體：
(d) 在步驟(c)之後，將不同於該第三電壓之一第四電壓施加至該導體，以及將該第一端點連接至該第二端點；
(e) 在步驟(b)與(c)之後，提供不同於該第一手指驅動電壓之一第二手指驅動電壓，以施加至該手指（或用於耦接該手指的一手指驅動電極）以及
(f) 在步驟(d)與(e)之後，根據該第二端點的訊號，獲得該待量測電極板的量測結果。
在一實施例中，該第一電壓大於該第二電壓，該第三電壓大於該第四電壓，該第一手指驅動電壓小於該第二手指驅動電壓。在另一實施例中，該第一電壓小於該第二電壓，該第三電壓小於該第四電壓，該第一手指驅動電壓大於該第二手指驅動電壓。
在一實施例中，該第一電壓減去該第二電壓等於該第三電壓減去該第四電壓。
在步驟(d)之後，以及讀出第二端點的訊號之前，本發明的感測方法更可以包括以下的步驟：
斷開該第一端點與該第二端點之間的連接；
將該第一電壓施加至該第一端點，以及將該第三電壓施加至該導體；
將該第一手指驅動電壓施加至該手指（或該手指驅動電極）；
停止施加該第一電壓與該第三電壓，然後再次執行步驟(d)；以及
將該第二手指驅動電壓施加至該手指（或該手指驅動電極）。
第22圖提供的實施例，亦是用來偵測第1圖中的四個電極板PA～PD，其中感測電路10包括了第3圖所示之切換單元350與複數個量測單元11a～11d。切換單元350係用於切換施加至手指F的電壓，其中包含複數個開關SWF0 ～SWF1 。開關SWF0 耦接於一手指驅動電極（圖中未示出）與手指驅動電壓VF0之間，開關SWF1 耦接於該手指驅動電極與手指驅動電壓VF1之間。該手指驅動電極係位於一指紋感測面（例如，第2圖所示之感測面110）的周圍，提供手指接觸。電壓VF0與VF1係經由該手指驅動電極而耦接至手指F。控制單元12控制開關SWF0 來將手指驅動電壓VF0耦接至手指F，以及控制開關SWF1 來將手指驅動電壓VF1耦接至手指F。
各量測單元包含有一運算放大器（即OPA～OPD）、一感測電容（即Cfba～Cfbd），以及複數個開關(即SW1A ～SW3A 、SW1B ～SW3B 、SW1C ～SW3C 、SW1D ～SW3D )。控制單元12用以控制複數個開關SW1A ～SW3A 、SW1B ～SW3B 、SW1C ～SW3C 、SW1D ～SW3D 。
如第22圖所示，各量測單元的組成大致相同。以電極板PA連接的量測單元11a為例，運算放大器OPA包含有一反相輸入端INA 、一非反相輸入端IPA 及一輸出端O/PA，電容Cfba（感測電容）耦接於運算放大器OPA的反相輸入端INA 與輸出端O/PA之間。開關SW1A 的一端連接至電極板PA，另一端連接至電壓VR2，開關SW2A 耦接在電極板PA與運算放大器OPA的反相輸入端INA 之間，開關SW3A 耦接在運算放大器OPA的輸出端O/PA與反相輸入端INA 之間，運算放大器OPA的非反相輸入端IPA 連接電壓VR1。
符號CFAB 、CFBC 、CFCD 、CFAC 、CFBD 、CFAD 分別表示兩電極板之間存在的電容（邊際電容）。除了手指F與電極板之間的平板電容以及前述邊際電容之外，其他對應於電極板PA～PD的寄生電容分別以Cp1a～Cp1d表示。對應於反相輸入端INA ～IND 的寄生電容則分別以Cp2a～Cp2d來表示。
以下以量測電極板PA為例（即電極板PA為待量測電極板)，說明第22圖所示之電路的操作方法。
於第一時相（激勵時相）下，如第23圖所示，控制單元12控制切換單元350的開關SWF0 閉合，以將手指驅動電壓VF0耦接至手指F。開關SW2A ～SW2D 打開。開關SW1A ～SW1D 閉合，使得端點N1A ～N1D 耦接至一電壓VR2，也就是說，電極板PA～PD都連接電壓VR2。在第23圖中，複數個開關SW3A ～SW3D 均閉合。在其他實施例中，在第一時相時，開關SW3B ～SW3D 打開，開關SW3A 閉合。運算放大器OPA的輸出端O/PA與反相輸入端INA 形成短路，此時感測電容Cfba的電壓為0（理論值）。開關SW3A 閉合的目的在設定感測電容Cfba的電壓。
接下來的操作如第24圖所示。在第二時相（讀取時相）下，控制單元12控制切換單元350的開關SWF1 閉合，以將手指驅動電壓VF1耦接至手指F。運算放大器OPA～OPD的非反相輸入端IPA ～IPD 連接電壓VR1。開關SW3A 打開。開關SW1A ～SW1D 打開。開關SW2A ～SW2D 閉合，使得電極板PA～PD分別連接運算放大器OPA～OPD的反相輸入端INA ～IND 。於此實施例中，開關SW3B ～SW3D 閉合；在其他的實施例中，開關SW3B ～SW3D 可打開。在第23圖與第24圖的實施例中，運算放大器OPA的非反相輸入端IPA 都連接電壓VR1。
在第二時相下，電容Cfba的電壓發生改變，藉由讀取運算放大器OPA輸出端的輸出電壓VOA ，可以計算待量測電極板PA與手指F之間平板電容CSA 的電容量。
在第一時相下，電極板PA與周圍電極板PB～PD均連接電壓VR2。在第二時相下，電極板PA～PD分別連接到各運算放大器OPA～OPD的反相輸入端INA ～IND 。由於運算放大器的虛接地特性，各個運算放大器OPA～OPD的反相輸入端INA ～IND 的電位均為電壓VR1。因此，電極板PA與周圍電極板PB～PD都連接電壓VR1。
經由上述第23圖與第24圖的操作所獲得的輸出電壓VOA ，不包含待量測電極板PA與其它電極板PB～PD之間形成的邊際電容，因此量測到的平板電容CSA 的電容量不會受到這些邊際電容影響。
在第23圖所示的第一時相與第24圖所示的第二時相中，各個開關的狀態以及各個節點的電壓變化的一實施例係如第25圖所示。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，電壓VR2大於電壓VR1。在第一時相到第二時相的過程中，先打開開關SW1A ～SW1D 、SW3A 與開關SWF0 ，然後再閉合開關SW2A ～SW2D 與開關SWF1 。
在第23圖與第24圖的實施例中，運算放大器OPA的反相輸入端INA 在第一及第二時相下均為電壓VR1，因此於第二時相讀取量測訊號時，不會有電荷流入（或流出）反相輸入端INA 的寄生電容Cp2a。其他指紋感測器的架構，亦可能可以適用於本發明。
從上述的說明，可以了解藉由第23圖與第24圖的操作，能夠消除待量測電極板與相鄰導體之間的邊際電容。這裡所述的相鄰導體，可以是相鄰的其他電極板（例如前述的電極板PB～PD），或者是其他用以提供靜電防護，或屏蔽雜訊的電極。這些電極可以是與待量測電極板位在同一層，或者是位在待量測電極板上方或下方的不同層。
第26圖提供的另一實施例，其係在各電極板PA、PB的下方形成有一阻隔板20，阻隔板20為一導體，用以隔絕各電極板PA、PB對下方電路元件的大部份寄生電容。電極板PA、PB與其下方的阻隔板20之間具有一介電層21。以待量測電極板PA來看，其與其他導體之間存在的寄生電容會變小成電容Cp1a’；電容Cqa表示阻隔板20與待量測電極板PA之間的電容。
第27圖所示的量測單元實施例應用於第26圖所示的結構。相較於第22圖，第27圖所示之量測單元11e～11h進一步包含有開關SW4A ～SW4D 及開關SW5A ～SW5D ，分別耦接對應的阻隔板20至電壓VR2/VR1。於第一時相下，開關SW4A ～SW4D 閉合，開關SW5A ～SW5D 打開，阻隔板20耦接至電壓VR2。於第二時相下，如第28圖所示，開關SW4A ～SW4D 打開，開關SW5A ～SW5D 閉合，阻隔板20耦接至電壓VR1。其他開關的狀態則請參考第23圖與第24圖及其說明，在此不再贅述。在其他的實施例中，所有的阻隔板20連接至兩個開關，其中一個開關耦接電壓VR2，在第一時相閉合，另一個開關耦接電壓VR1，在第二時相閉合。
在第27圖所示的第一時相與第28圖所示的第二時相中，各個開關的狀態以及各個節點的電壓變化的一實施例係如第29圖所示。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，電壓VR2大於電壓VR1。在第一時相到第二時相的過程中，先打開開關SW1A ～SW1D 、開關SW3A 、開關SWF0 、以及開關SW4A ～SW4D ，然後再閉合開關SW2A ～SW2D 、開關SWF1 以及開關SW5A ～SW5D 。
在第一時相下，阻隔板20與待量測電極板PA均被施加電壓VR2。而於第二時相下，阻隔板20與待量測電極板PA均連接至電壓VR1，兩者的電位相同。藉由這樣的配置，輸出電壓VOA 不會被待量測電極板PA與阻隔板20之間的電容Cqa影響。
第30圖的指紋感測器包含有一圍繞複數個電極板PA～PD的防護電極S。在任何時相下，這個防護電極S均可連接到接地端GND，為電極板PA～PD提供靜電防護的作用。例如人體所帶的靜電，可自防護電極S對接地端GND形成的放電路徑排出，避免損壞電極板PA～PD。惟待量測電極板PA與防護電極S之間存在電容CFAS （邊際電容）會影響感測電路10a輸出的輸出電壓VOA /VOB /VOC /VOD 。
第31圖提供的實施例，可以改善待量測電極板PA與防護電極S之間存在的邊際電容CFAS 影響量測結果。相較於第22圖的感測電路10，第31圖的感測電路10a增加一靜電防護電路15，一開關SWSP 及一開關SWSE 。開關SWSP 的一端耦接至電壓VR2，另一端經由靜電防護電路15耦接至防護電極S。開關SWSE 的一端耦接至電壓VR1，另一端經由靜電防護電路15耦接至防護電極S。複數個開關SWSP 、SWSE 係耦接至控制單元12b，由控制單元12b控制其閉合或打開。
於第一時相下，如第32圖所示，開關SWSP 閉合，開關SWSE 打開，防護電極S耦接至電壓VR2。
於第二時相下，如第33圖所示，開關SWSP 打開，開關SWSE 閉合，防護電極S耦接至電壓VR1。
在第一時相下，防護電極S與待量測電極板PA均被施加電壓VR2，因此兩者的電位相同。而於第二時相下，防護電極S與待量測電極板PA均連接至電壓VR1，因此兩者的電位亦相同。藉由這樣的配置，輸出電壓VOA 不會被待量測電極板PA與防護電極S之間的邊際電容CFAS 影響。
在第32圖所示的第一時相與第33圖所示的第二時相中，各個開關的狀態以及各個節點的電壓變化的一實施例係如第34圖所示。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，電壓VR2大於電壓VR1。在第一時相到第二時相的過程中，先打開開關SW1A ～SW1D 、SW3A 、SWSP 與SWF0 ，然後再閉合開關SW2A ～SW2D 、SWSE 與SWF1 。
於本實施例中，靜電防護電路15可採用第3圖所示之靜電防護電路370的架構。
以上說明，只是用4個電極板為例說明本發明，實際的指紋感測器具有多於4個的電極板，仍適用於本發明。在上述的實施例中，是以量測一個電極板PA為例說明本發明的技術內容，在不同的實施例中，可以同時量測及讀取多個電極板的感測訊號，例如同時量測及讀取同一列的電極板的感測訊號。上述多個實施例，可以單獨或組合使用，也就是說，根據本發明，可以同時切換待量測電極板與相鄰電極板，靜電防護電極，或阻隔板的電位。
第35圖提供的一實施例，其相較於第22圖所示的實施例大致相同，惟各量測單元增加了開關SW6A ～SW6D ，開關SW6A ～SW6D 的一端分別連接至對應電極板PA～PD，另一端連接至電壓VR1。
本實施例第一時相的操作與第23圖之第一時相的操作相同，而且所有的開關SW6A ～SW6D 也全部打開。
本實施例在第二時相下，將所有的開關SW1A ～SW1D 全部打開，也將開關SW3A 打開，將開關SW2A 閉合，也將連接電極板PB～PD的開關SW6B ～SW6D 閉合。由於運算放大器的虛接地特性，連接待量測電極板PA的運算放大器OPA的反相輸入端INA 的電位為電壓VR1，如此，電極板PA與周圍電極板PB～PD都連接電壓VR1。相較第24圖所示之實施例，本實施例在第二時相下，與周圍電極板PB～PD連接之量測單元11的開關SW2B ～SW2D 、SW3B ～SW3D 維持第一時相之狀態而不必切換。只要閉合開關SW6B ～SW6D 即可同樣令周圍電極板PB～PD連接電壓VR1。
第35圖所示的實施例在第一時相與第二時相時，各個開關的狀態以及各個節點的電壓變化的一實施例係如圖36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，電壓VR2大於電壓VR1。在第一時相到第二時相的過程中，先打開開關SW1A ～SW1D 、SW3A 與SWF0 ，然後再閉合開關SW2A 、SW6B ～SW6D 與SWF1 。
第37圖提供的實施例，其大多結構與第35圖相同，惟開關SW2A ～SW2D 經由一多工器141（multiplexer，MUX）連接至一運算放大器OP。在量測電極板PA時，控制單元12控制多工器141，使運算放大器OP的反相輸入端IN 連接開關SW2A 。其中，運算放大器OP的非反相輸入端IP 連接電壓VR1。
在第一時相下，所有開關SW1A ～SW1D 全部閉合、所有開關SW2A ～SW2D 全部打開，由於本實施例只有一組運算放大器OP，故控制連接運算放大器OP的開關SW3 閉合。
在第二時相下，所有開關SW1A ～SW1D 全部打開、運算放大器OP的開關SW3 打開，與電極板PA連接的開關SW2A 閉合，與電極板PB～PD連接的開關SW6B ～SW6D 閉合。
本實施例相較第35圖，除了於第二時相下不必切換周圍電極板PB～PD的開關SW2B ～SW2D 外，更因為使用多工器141而節省運算放大器OPB～OPD。
第37圖所示的實施例在第一時相與第二時相時，各個開關的狀態以及各個節點的電壓變化的一實施例係如第38圖所示。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，電壓VR2大於電壓VR1。在第一時相到第二時相的過程中，先打開開關SW1A ～SW1D 、SW3 與SWF0 ，然後再閉合開關SW2A 、SW6B ～SW6D 與SWF1 。
在第22圖到第38圖所示之實施例中，電壓VR2大於電壓VR1，且電壓VF1大於電壓VF0。在其他不同的實施例中，電壓VR2小於電壓VR1，且電壓VF1小於電壓VF0。
經由以上的說明，可以知道根據本發明提供的感測方法，係用於感測指紋感測器之一待量測電極板，該感測方法包含：於一第一時相，施加一第一手指驅動電壓至一手指（或用於耦接該手指的一手指驅動電極），將一第一電壓施加至該待量測電極板以及一鄰近於該待量測電極板的導體，並設定一感測電容的電壓，其中該感測電容係耦接在一運算放大器的一第一輸入端與一輸出端之間，在該第一時相下，該待量測電極板不連接該運算放大器的該第一輸入端；以及於一第二時相，施加不同於該第一手指驅動電壓之一第二手指驅動電路至該手指（或該手指驅動電極），停止施加該第一電壓至該待量測電極板與該導體，將一第二電壓施加至該導體與該運算放大器的一第二輸入端，並將待量測電極板連接至與該第一輸入端，以使該感測電容的電壓發生變化。其中第二時相可被理解為讀取時相，用以讀取運算放大器之該輸出端的訊號，以獲得待量測電極板的感測結果。
將上述第22圖至第37圖所示的實施例予以組合是可能的，例如，在一指紋感測器具有靜電防護電極與/或阻隔板的實施例中，可以配合上述各實施例的操作，以避免待量測電極板與相鄰導體（例如靜電防護電極，或阻隔板）之間的電容影響量測結果。
根據本發明提供的指紋感測器的感測電路，係用於感測該指紋感測器中之一待量測電極板，該感測電路包含：一第一運算放大器，係包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端；一第一感測電容，係耦接於該第一運算放大器之該第一輸入端與該輸出端之間；一第一切換單元，其一端連接該待量測電極板，另一端連接一第一電壓；一第二切換單元，係耦接在該待量測電極板與該第一運算放大器的該第一輸入端之間；一第三切換單元，係耦接在該第一運算放大器的該輸出端與該第一輸入端之間；一第四切換單元，其一端連接一導體，另一端連接該第一電壓；一第五切換單元，其一端連接該導體，另一端連接一第二電壓；以及一第六切換單元，用以將一第一手指驅動電壓或不同於該第一手指驅動電壓之一第二手指驅動電壓耦接至一手指（或用於耦接該手指的一手指驅動電極）；其中：在第一時相，該第六切換單元將該第一手指驅動電壓耦接至該手指（或該手指驅動電極），該第二切換單元與該第五切換單元打開，該第一切換單元閉合，使得該待量測電極板連接至該第一電壓，該第四切換單元閉合，使得該導體連接至該第一電壓，該第三切換單元閉合；在第二時相，該第六切換單元將該第二手指驅動電壓耦接至該手指（或該手指驅動電極），該第一，第三與第四切換單元打開，第五切換單元閉合，該第一運算放大器的該第二輸入端與該導體連接該第二電壓，該第二切換單元閉合，使得該待量測電極板連接至該第一運算放大器的第一輸入端。
根據本發明，量測電極板的過程包括依序地導通開關SWF0 與開關SWF1 以耦接不同的手指驅動電壓VF0與VF1至手指。開關SWF0 與開關SWF1 並不同時導通。在以上的實施例中，開關SWF0 在第一時相（或第三時相）結束時關斷，開關SWF1 在第二時相開始時導通。在其他實施例中，開關SWF0 可以是在第一時相（或第三時相）到第二時相的任一時間點關斷，例如在第一時相結束之前，第一時相與第二時相之間，或者第二時相開始之後關斷。開關SWF1 則必須在第一時相（或第三時相）結束以及開關SWF0 關斷之後才導通。   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、10a、120、1320‧‧‧感測電路
11a～11h‧‧‧量測單元
12、12b、390、890、1490、1790、2090‧‧‧控制單元
13a～13d‧‧‧差分電路
13f～13h‧‧‧緩衝器
15、370‧‧‧靜電防護電路
100‧‧‧指紋感測器
110‧‧‧感測面
331～338、350、360、1482～1488‧‧‧切換單元
201‧‧‧保護層
21、202、203、1304‧‧‧介電層
330、830‧‧‧偵測電路
340、1740‧‧‧讀出電路
20、LA～LD‧‧‧阻隔板
PA～PD‧‧‧電極板
S‧‧‧防護電極
F‧‧‧手指
VS0、VS1、VR1～VR4、VP0、VP1、VN0、VN1‧‧‧電壓
VF0、VF1‧‧‧手指驅動電壓
RG‧‧‧導體
CSA～CSD、CFAS～CFDS、CFAB、CFAC、CFAD、CFBC、CFBD、CFCD、Cp1a～Cp1d、Cp2a～Cp2d、Cp1a’～Cp1d’、Cqa～Cqd、Cg、Cfba～Cfbd‧‧‧電容
SW1A～SW8A、SW1B～SW8B、SW1C～SW8C、SW1D～SW8D、SWS0、SWS1、SWF0、SWF1、SWSE、SWSP、SW3‧‧‧開關
D1、D2‧‧‧二極體
R‧‧‧電阻元件
CS1A～CS7A、CS1B～CS7B、CS1C～CS7C、CS1D～CS7D、CSS0、CSS1、CSF0、CSF1‧‧‧控制訊號
VH、VL‧‧‧電位
N1A～N1D、N2A～N2D‧‧‧端點
GA～GD‧‧‧增益
IP、IPA～IPD‧‧‧非反相輸入端
IN、INA～IND‧‧‧反相輸入端
O/P、O/PA～O/PD‧‧‧輸出端
VOA～VOD、VO‧‧‧輸出電壓
VE1～VE3、Vridge、Vvalley、VP2‧‧‧電壓
IA～ID‧‧‧輸入端
131、MUX‧‧‧多工器
V+、V-‧‧‧操作電壓
VOCM‧‧‧共模準位
Vdynamic‧‧‧電壓動態範圍
OP、OPA～OPD‧‧‧運算放大器
GND‧‧‧接地端
第1圖為本發明指紋感測器之一實施例的示意圖。 第2圖為第1圖所示之指紋感測器的一示範性結構之中一待量測電極板的寄生電容示意圖。 第3圖為第1圖所示之指紋感測器的電路架構的一實施例的示意圖。 第4圖為第3圖所示之指紋感測器於一第一時相的電路圖。 第5圖為第3圖所示之指紋感測器於一第二時相的電路圖。 第6圖為第3圖所示之指紋感測器於一第三時相的電路圖。 第7圖為第3圖所示之指紋感測器進行指紋感測的訊號時序圖。 第8圖為第1圖所示之指紋感測器的電路架構的另一實施例的示意圖。 第9圖為第8圖所示之指紋感測器於一第一時相的電路圖。 第10圖為第8圖所示之指紋感測器於一第二時相的電路圖。 第11圖為第8圖所示之指紋感測器於一第三時相的電路圖。 第12圖為第8圖所示之指紋感測器進行指紋感測的訊號時序圖。 第13圖為第1圖所示之指紋感測器的另一示範性結構之中一待量測電極板的寄生電容示意圖。 第14圖為第1圖所示之指紋感測器的電路架構的一實施例的示意圖。 第15圖為本發明一電壓動態範圍及切換次數圖。 第16圖為本發明另一電壓動態範圍及切換次數圖。 第17圖為本發明指紋感測器的感測電路的一實施例的電路圖。 第18圖為第17圖中各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的波形圖。 第19圖為本發明指紋感測器的感測電路的另一實施例的電路圖。 第20圖為本發明指紋感測器的感測電路的另一實施例的電路圖。 第21圖為本發明指紋感測器的感測電路的另一實施例的電路圖。 第22圖為本發明指紋感測器的感測電路的另一實施例的電路圖。 第23圖為第22圖所示之感測電路於一第一時相的電路動作圖。 第24圖為第22圖所示之感測電路於一第二時相的電路動作圖。 第25圖為第23圖與第24圖中各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的波形圖。 第26圖為本發明指紋感測器的一實施例的部份剖面結構示意圖。 第27圖為第26圖所示之感測電路於一第一時相的電路動作圖。 第28圖為第26圖所示之感測電路於一第二時相的電路動作圖。 第29圖為第27圖與第28圖中各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的波形圖。 第30圖為指紋感測器的靜電防護結構示意圖。 第31圖為第30圖所示之感測電路的電路圖。 第32圖為第31圖所示之感測電路於一第一時相的電路動作圖。 第33圖為第31圖所示之感測電路於一第二時相的電路動作圖。 第34圖為第32圖與第33圖中各個開關的時序以及各個節點的電壓變化的波形圖。 第35圖為本發明指紋感測器的感測電路的另一實施例的電路圖。 第36圖為第35圖所示之指紋感測器在第一時相與第二時相時各個開關的狀態以及各個節點的電壓變化的波形圖。 第37圖為本發明指紋感測器的感測電路的另一實施例的電路圖。 第38圖為第37圖所示之指紋感測器在第一時相與第二時相時各個開關的狀態以及各個節點的電壓變化的波形圖。
100‧‧‧指紋感測器
120‧‧‧感測電路
330‧‧‧偵測電路
331~338、350、360‧‧‧切換單元
340‧‧‧讀出電路
370‧‧‧靜電防護電路
390‧‧‧控制單元
PA~PD‧‧‧電極板
S‧‧‧防護電極
F‧‧‧手指
VS0、VS1、VR1、VR2、VP0、VP1‧‧‧電壓
VF0、VF1‧‧‧手指驅動電壓
CSA~CSD、CFAS~CFDS、CFAB、CFAC、CFAD、CFBC、CFBD、CFCD、Cp1a~Cp1d、Cp2a~Cp2d‧‧‧電容
SW1A~SW5A、SW1B~SW5B、SW1C~SW5C、SW1D~SW5D、SWS0、SWS1、SWF0、SWF1‧‧‧開關
D1、D2‧‧‧二極體
R‧‧‧電阻元件
CS1A~CS5A、CS1B~CS5B、CS1C~CS5C、CS1D~CS5D、CSS0、CSS1、CSF0、CSF1‧‧‧控制訊號
N1A~N1D、N2A~N2D‧‧‧端點

Claims (19)

  1. 一種指紋感測器的感測方法，用於感測該指紋感測器之中一待量測電極板與一手指之間的電容，該感測方法包含以下步驟： (a) 將一第一電壓施加至該待量測電極板所連接的一第一端點，將不同於該第一電壓之一第二電壓施加至未連接於該第一端點的一第二端點，以及將一第三電壓施加至鄰近於該待量測電極板的一導體； (b) 提供一第一手指驅動電壓至該手指； (c) 停止施加該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓至該第一端點、該第二端點與該導體： (d) 在步驟(c)之後，將不同於該第三電壓之一第四電壓施加至該導體，以及將該第一端點連接至該第二端點； (e) 在步驟(b)與(c)之後，提供不同於該第一手指驅動電壓之一第二手指驅動電壓至該手指； (f) 在步驟(d)與(e)之後，根據該第二端點的信號，獲得該待量測電極板的量測結果； 其中該第一電壓大於該第二電壓，該第三電壓大於該第四電壓，該第一手指驅動電壓小於該第二手指驅動電壓，或者，該第一電壓小於該第二電壓，該第三電壓小於該第四電壓，該第一手指驅動電壓大於該第二手指驅動電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中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。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，另包含： 在步驟(d)之後進行以下步驟： 斷開該第一端點與該第二端點之間的連接； 將該第一電壓施加至該第一端點，以及將該第三電壓施加至該導體； 將該第一手指驅動電壓施加至該手指； 停止施加該第一電壓與該第三電壓，然後再次執行該步驟(d)；以及 將該第二手指驅動電壓施加至該手指。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該導體係為鄰近該待量測電極板之一鄰近電極板，該鄰近電極板係用於感測指紋。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該導體係為鄰近該待量測電極板之一防護電極，該防護電極係用以提供靜電防護。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該導體係為一阻隔板，該待量測電極板係位於該手指與該阻隔板之間。
  7. 一種感測電路，用以感測一指紋感測器之中一待量測電極板與一手指之間的電容，該感測電路包含： 一第一切換單元，包含一第一端點與一第二端點，該第一端點連接於該待量測電極板，其中在一第一時相，該第一端點耦接一第一電壓，該第二端點耦接於不同於該第一電壓的一第二電壓，該第一端點不連接該第二端點；以及在一第二時相，該第一端點不耦接該第一電壓，該第二端點不耦接該第二電壓，該第一端點連接該第二端點； 一第二切換單元，其中在該第一時相，該第二切換單元將一第三電壓耦接至鄰近於該量測電極板之一導體；以及在該第二時相，該第二切換單元將不同於該第三電壓之一第四電壓耦接至該導體； 一第三切換單元，其中在該第一時相，該第三切換單元將一第一手指驅動電壓耦接至一手指驅動電極；以及在該第二時相，該第三切換單元將不同於該第一手指驅動電壓之一第二手指驅動電壓耦接至該手指驅動電極，其中該手指驅動電極係用以耦接該手指； 一讀出電路，耦接於該第一切換單元之該第二端點，該讀出電路根據該第二端點的訊號讀出該待量測電極板的量測結果；以及 一控制單元，控制該第一、第二、第三切換單元於該第一時相至該第二時相的操作； 其中該第一電壓大於該第二電壓，該第三電壓大於該第四電壓，該第一手指驅動電壓小於該第二手指驅動電壓，或者，該第一電壓小於該第二電壓，該第三電壓小於該第四電壓，該第一手指驅動電壓大於該第二手指驅動電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中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。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中在該第二時相之後的一第三時相中，該控制單元控制該第一切換單元、該第二切換單元以及該第三切換單元進行以下操作： 將該第一電壓耦接該第一端點，並斷開該第一端點與第二端點之間的連接； 將該第三電壓耦接至該導體；以及 將該第一手指驅動電壓耦接至該手指驅動電極； 其中在該第三時相之後，該控制單元控制該第一切換單元，該第二切換單元與該第三切換單元再次執行該二時相之中所進行的操作。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該第一切換單元包含： 一第一開關，用以將該第一電壓耦接至該第一端點； 一第二開關，用以將該第二電壓耦接至該第二端點；以及 一第三開關，用以將該第一端點連接至該第二端點； 其中於該第一時相，該第一開關與該第二開關會導通，該第三開關會關斷；以及於該第二時相時，該第一開關與第二開關會關斷，該第三開關會導通。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該第二切換單元包含： 一第一開關，用以將該第三電壓耦接至該導體；以及 一第二開關，用以將該第四電壓耦接至該導體； 其中於該第一時相，該第一開關會導通，該第二開關會關斷；以及於該第二時相時，該第一開關會關斷，該第二開關會導通。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該第三切換單元包含： 一第一開關，用以將該第一手指驅動電壓耦接至該手指驅動電極；以及 一第二開關，用以將該第二手指驅動電壓耦接至該手指驅動電極； 其中於該第一時相，該第一開關會導通，該第二開關會關斷；以及於該第二時相時，該第一開關會關斷，該第二開關會導通。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該導體係為鄰近該待量測電極板之一鄰近電極板，該鄰近電極板係用於感測指紋。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該導體係為鄰近該待量測電極板之一防護電極，該防護電極係用以提供靜電防護。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之感測電路，另包含： 一靜電防護電路，耦接於該防護電極與該第二切換單元之間，該靜電防護電路包含有： 一第一二極體，其中該第一二極體之陽極連接至該防護電極，該第一二極體之陰極連接至一第一電位； 一第二二極體，其中該第二二極體之陽極連接至低於該第一電位之一第二電位，該第二二極體之陰極連接至該防護電極；以及 一電阻元件，耦接於該防護電極與該第二切換單元之間，其中該電阻元件之一端點連接至該防護電極，該電阻元件之另一端點連接至該第二切換單元。
  16. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該讀出電路包含一緩衝器，該緩衝器的單一輸入端係連接至該第二端點。
  17. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該讀出電路包含： 一差分電路，具有一反相輸入端、一非反相輸入端以及一輸出端，其中該非反相輸入端連接至該第二端點； 一電容，具有一第一端及一第二端，其中該第一端連接至該反相輸入端，該第二端接地，且該第一端選擇性地耦接於第二電壓； 其中於該第一時相，該第一端會耦接於該第二電壓；以及於該第二時相，該第一端不會耦接於該第二電壓。
  18. 如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該讀出電路包含： 一差分電路，具有一反相輸入端、一非反相輸入端以及一輸出端，其中該反相輸入端耦接於第二電壓，以及該非反相輸入端連接至該第二端點。
  19. 如申請專利範圍第9項所述之感測電路，其中該導體係為一阻隔板，位於該待量測電極板的下方。
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