TW201833809A - 指紋感測電路 - Google Patents

Abstract

一種指紋感測電路，包括一比較器、一第一電容、一第一開關、一第二開關、一第二電容、一第三開關以及一第四開關，比較器具有一第一端、一第二端及一輸出端，第一電容一端耦接第一端，另一端耦接一參考電位，第一開關具有一第三端及一第四端，第三端耦接第一端，第二開關具有一第五端及一第六端，第五端耦接第四端，第六端耦接一電壓源，第二電容一端耦接第四端，第三開關具有一第七端及一第八端，第七端耦接第二電容的另一端，第八端耦接電壓源，第四開關具有一第九端及一第十端，第九端耦接第一端，第十端耦接第七端。

Description

指紋感測電路

本發明是有關一種指紋感測電路，尤其是可以避免雜訊干擾的指紋感測電路。

以往的指紋讀取裝置，是透過感測金屬對觸發的指紋進行指紋的讀取，並由處理電路進行指紋的辨識，如圖1所示，為習知指紋讀取裝置的處理電路。

然而習知的處理電路是使用放大器將電容暫存的指紋訊號直接進行放大，但是Cf / Cp2的訊號太小，為能增加Cf / Cp2的訊號，以往的作法是將R2 / R1的增益變大，使得Cf / Cp2的訊號可因此放大。

但是，為了放大訊號而控制R2 / R1的增益變大，如此一來，也將導致雜訊也會同步放大，而雜訊將會嚴重干擾Cf / Cp2的訊號，因此，習知的作法將使得訊號放大的效果有限。

所以，如何提供一種可有效放大感測訊號並可避免雜訊干擾的指紋讀取裝置，將會是本案所要著重的問題與焦點。

本發明之一目的在提供一種可有效辨識感測訊號以供指紋辨識的指紋感測電路。

本發明之另一目的在提供一種可避免雜訊干擾的指紋感測電路。

本發明之一種指紋感測電路，包括一比較器、一第一電容、一第一開關、一第二開關、一第二電容、一第三開關以及一第四開關，比較器具有一第一端、一第二端及一輸出端，第一電容一端耦接第一端，另一端耦接一參考電位，第一開關具有一第三端及一第四端，第三端耦接第一端，第二開關具有一第五端及一第六端，第五端耦接第四端，第六端耦接一電壓源，第二電容一端耦接第四端，第三開關具有一第七端及一第八端，第七端耦接第二電容的另一端，第八端耦接電壓源，第四開關具有一第九端及一第十端，第九端耦接第一端，第十端耦接第七端，其中，比較器比較第一端的第一電容之電位與第二端的一預設電位而使輸出端輸出一比較結果。

本發明之另一種指紋感測電路，包括一放大器、一電容、一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關、一第一比較器、一第二比較器、一邏輯閘以及一計數器，放大器具有一第一端、一第二端及一第一輸出端，電容具有一第三端及一第四端，第一開關一端耦接第一端另一端耦接第三端，第二開關一端耦接第四端，另一端耦接第一輸出端，第三開關一端耦接第一端，另一端耦接第四端，第四開關一端耦接第三端，另一端耦接第一輸出端，第一比較器具有一第五端、一第六端及一第二輸出端，第五端耦接第一輸出端，第六端接收一第一門檻值，第二比較器具有一第七端、一第八端及一第三輸出端，第七端耦接第一輸出端，第八端接收一第二門檻值，邏輯閘具有一第九端、一第十端及一第四輸出端，第九端耦接第二輸出端，第十端耦接第三輸出端，計數器耦接第四輸出端，用以計數第四輸出端的訊號輸出次數。

本發明之一種指紋感測電路，是利用各開關依據不同的時脈進行開關動作，令感測的訊號透過比較器進行比較亦可透過邏輯線路進行雜訊的排除，並藉以排除雜訊干擾的問題，令使用者的指紋可被清楚感測與辯辨識，並達成上述之目的。

依照本發明一實施例的一種指紋感測電路，如圖2所示，包括一比較器5、一第一電容6(C_R )、一第一開關1、一第二開關2、一第二電容7(C_sh )、一第三開關3、一第四開關4，所述的比較器5具有一第一端51、一第二端52及一輸出端50，第一電容6在本例中為一可變電容，第一電容6的一端耦接第一端51，另一端耦接參考電位VSS，第一開關1具有一第三端13及一第四端14，第三端13耦接第一端51，第二開關2具有一第五端25及一第六端26，第五端25耦接第四端14，第六端26耦接一電壓源VDD，第二電容7一端耦接第四端，第三開關3具有一第七端37及一第八端38，第七端37耦接第二電容7的另一端，第八端38耦接電壓源VDD，第四開關4具有一第九端49及一第十端40，第九端49耦接第一端51，第十端40耦接第七端37。另外，本例之第三端13與第一端51之間還包括一緩充器8，以致使第二電容7兩端的電位更為穩定。且本例中指紋感測電路還包括一個重置開關Rst，一端是耦接參考電位VSS，另一端是耦接第一電容6、第一端51、第九端49及第三端13。

在本例中，第二電容7耦接之第四端14是位於指紋感測電路內部的一導電層，而第二電容7耦接之第七端37則是位於該指紋感測電路表面的一金屬層。當第一開關1及第四開關4導通時，第二開關2及第三開關3為不導通，而第二開關2及第三開關3導通時，第一開關1及第四開關4為不導通，並由比較器5比較第一端51的第一電容6之電位與第二端52的一預設電位而使輸出端50輸出一比較結果，當該第一電容6之電位大於預設電位時，判斷為發生一指紋接觸事件。

進行重置時，重置開關Rst導通，使VR為零電位，當第一開關1及第四開關4導通時，第二開關2及第三開關3為不導通，而第二開關2及第三開關3導通時，第一開關1及第四開關4為不導通，在第一時間週期，第二開關2及第三開關3導通，而第一開關1及第四開關5不導通，此時若沒有發生指紋接觸事件，但於第七端37與接地之間仍然存在寄生電容C_P 。首先，第二電容7兩端為等電位而沒有電荷儲存，而電壓源透過第三開關3向寄生電容充電。接著，在第二時間週期，第二開關2及第三開關3不導通，而第一開關1及第四開關導4通，此時儲存在寄生電容Cp的電荷向第一電容6釋放而對第一電容6充電。較佳的，能將第一電容6的值調整成與寄生電容Cp具有大小相等而電位正負相反，以致於比較器5不會僅因寄生電容Cp對第一電容6充電而輸出比較結果。

然而，若有指紋接觸事件，則於第七端與接地之間會產生指紋電容Cf。此時，在第一時間週期，第二開關2及第三開關3導通，而第一開關1及第四開關4不導通，第二電容7兩端為等電位而沒有電荷儲存，而電壓源透過第三開關3向寄生電容C_P 與指紋電容C_F 充電。接著，在第二時間週期，第二開關2及第三開關3不導通，而第一開關1及第四開關4導通，此時儲存在寄生電容C_P 與指紋電容C_F 的電荷向第一電容6釋放而對第一電容6充電。較佳的，假設寄生電容C_P 能與第一電容6相抵消，則第一電容6上，即第一端51的電荷即為指紋電容C_F 所儲存的電荷。接著，又為第一時間週期，電壓源繼續對寄生電容C_P 與指紋電容C_F 充電，此時由於電壓重疊原理，第七端37上的電壓會上升，而在第二時間週期時，以更高的電位對第一電容6充電，而第二電容7兩端依然為等電位而不會有電荷殘留而影響第一電容6。

具體來說，在實際實施的情況中，指紋感測電路內部的導電層本身亦會產生對地的寄生電容，因而將產生不必要的電荷殘留而影響第一電容6。因此，將第二電容7耦接之第四端14是位於指紋感測電路內部的導電層，並將第二電容7耦接之第七端37是位於指紋讀取晶片表面的金屬層，則能夠消除不必要的寄生電容。

接著，在第一時間週期與第二時間週期反覆運作後，為手指波峰的指紋電容C_F 會先到達比較器的VDD/2門檻值。在此，VDD/2門檻值為舉例說明，本發明不以此為限。

因此，當使用者手指按壓並由指紋感測電路進行感測時，導電層與金屬層間將產生C_F +C_P 的訊號，其中C_F 為指紋電容， C_P 為寄生電容， 進行重置(RST)時， VR為0V， 時脈訊號(clock)在CK1時， VP存著電荷VDD×(C_F +C_P )，並於CK2的時候將電荷(charge)倒到VR上，因此C_F +C_P 配合時脈訊號CK1/CK2形成一個電阻性的行為，並且等效阻值R=1/( f×(C_F +C_P ))，其中f為CK1/CK2的頻率。在指紋感測電路開始時，讓VR充電k次，以配合對應的CR可以讓VR在充電N次後約為VDD/2，因此VDD×(1-exp (- (k/f) / (RCR)= VDD/2 →k=C_R /C_P ×ln2 (假定C_F 遠小於C_P )。透過比較器的比較結果，便可在初期調整CR(如圖3所示)，由於將第一電容6的值調整成與寄生電容C_P 具有大小相等而電位正負相反，那麼第一電容6的值就能與寄生電容C_P 相抵消。因此，在發生指紋接觸事件時，比較器能更準確的判斷出波峰與波谷的感應電容C_F 的差異。

然而，將積分了k次的VR送入曾經被重置(reset)過的積分器，此時第一電容6(C_R )存的電荷將會部分轉移到Vout上。其中第一電容6(C_R )所存的電荷，如以下所計算： QR=C_R ×VDD×(1-exp (-k×(C_F +C_P )/C_R ) ) =C_R ×VDD×(1-exp (-k×C_P /C_R ) ×exp (-k×C_F /C_R ) ) =C_R ×VDD×(1-1/2 ×exp (-k×C_F /C_R ) ) ~C_R ×VDD×(1-1/2 ×(1-k×C_F /C_R ) ) =C_R ×VDD/2+k×C_F ×VDD/2 因此，積分器的輸出在接收這樣的電荷後會變成 Vout=VDD/2 × (1-k×CF/CINT)

完成後，RST=1，把訊號清掉， CK1/CK2再對第一電容6(C_R) 充電， k次以後再對溢位(CINT)積分。如此不斷積分後， Vout可能超過V_RP 或低於V_RN ，此時將積分器電容的極性反接，則積分器輸出便可持續積分而不會讓Vout超出電路的動態範圍(dynamic range)，而比較器的輸出Coutp/Coutn也會讓計算器持續累積，累積後的Dout便是所要的C_F 資訊。

另方面，本例之第一電容6為可變電容，還可以包括複數個電容及複數個開關，電容與電容間相互呈並聯，每一開關則分別與所述的電容對應連接，並藉由開關的導通狀態調整可變電容的電容值。

依照本發明另一實施例的一種指紋感測電路，如圖4所示，包括一放大器7’、 一電容6’、 一第一開關1’、 一第二開關2’、 一第三開關3’、 一第四開關4’、 一第一比較器51’、 一第二比較器52’、 一邏輯閘8’及一計數器9’ 放大器7’具有一第一端71’、一第二端72’及一第一輸出端70’，電容6’具有一第三端63’及一第四端64’，其中電容6’在本例中為一可變電容，第一開關1’一端耦接第一端11’，另一端耦接第三端63’，第二開關2’一端耦接第四端24’，另一端耦接第一輸出端70’，第三開關3’一端耦接第一端71’，另一端耦接第四端64’，第四開關4’一端耦接第三端63’，另一端耦接第一輸出端71’，第一比較器51’具有一第五端515’、一第六端516’及一第二輸出端510’，第五端515’耦接第一輸出端71’，第六端516’接收一第一門檻值，第二比較器52’具有一第七端527’、一第八端528’及一第三輸出端520’，第七端527’耦接第一輸出端70’，第八端528’接收一第二門檻值，邏輯閘8’具有一第九端89’、一第十端810’及一第四輸出端80’，第九端89’耦接第二輸出端510’，第十端810’耦接第三輸出端520’，計數器9’耦接第四輸出端24’，用以計數第四輸出端24’的訊號輸出次數。

當第一開關1’及第二開關2’導通時，第三開關3’及第四開關4’為不導通，而第三開關3’及第四開關4導通時，第一開關1’及第二開關2’為不導通。另外，在本例中，指紋感測電路還包括一個控制單元100及一個重置開關Rst’，是分別電性耦接第一開關1’、第二開關2’、第三開關3’及第四開關4’，每當第一輸出端70’的值達到第一門檻值或第二門檻值時，控制單元將產生一控制訊號，並透過控制訊號用以將第一開關1’、第二開關2’、第三開關3’及第四開關4’的導通狀態改變呈不導通的反向狀態。重置開關Res’ 一端是耦接第一端71’，另一端耦接第一輸出端70’。

因此一個最高有效位(MSB)的大小即為(V_RP -V_RN )=V_M ，在沒有後續數位類比轉換(ADC)的協助下，量化雜訊（Quantization noise）為VM/sqrt(12)，S1,S2,S3的操作頻率假定是fs, 並且操作了N次後觀察Dout，若要評估訊號雜訊比(SNR)，假定Vout上等校參考雜訊(refered noise)是Vn， 則 SNR=sqrt [ (N×VDD/2 ×k×C_F /CINT)2/ (VM2/12+N×Vn2)。 所消耗的時間為 T=N(1/fs+k/f) Dout=(N×VDD/2 ×k×CF/CINT)/VM

本發明之一種指紋感測電路，是利用各開關依據不同的時脈進行開關動作，令感測的訊號透過比較器進行比較，以及作經由比較器的比較累積獲得正確的感測資訊，亦可透過邏輯線路進行雜訊的排除，令使用者的指紋可被清楚感測與辨識，並達成上述之目的。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

5‧‧‧比較器

6‧‧‧第一電容

1、1’‧‧‧第一開關

2、2’‧‧‧第二開關

7‧‧‧第二電容

3、3’‧‧‧第三開關

4、4’‧‧‧第四開關

5‧‧‧比較器

51、71’‧‧‧第一端

52、72’‧‧‧第二端

50‧‧‧輸出端

VSS‧‧‧參考電位

13、63’‧‧‧第三端

14、64’‧‧‧第四端

25、515’‧‧‧第五端

26、516’‧‧‧第六端

VDD‧‧‧電壓源

37、527’‧‧‧第七端

38、528’‧‧‧第八端

49、89’‧‧‧第九端

40、810’‧‧‧第十端

8‧‧‧緩充器

Rst‧‧‧重置開關

7’‧‧‧放大器

6’‧‧‧電容

51’‧‧‧第一比較器

52’‧‧‧第二比較器

8’‧‧‧邏輯閘

9’‧‧‧計數器

70’‧‧‧第一輸出端

510’‧‧‧第二輸出端

520’‧‧‧第三輸出端

100‧‧‧控制單元

圖1是習知的指紋讀取裝置的電路圖； 圖2是本發明第一實施例之指紋感測電路的電路圖； 圖3是圖2之指紋感測電路之電容調整後的電路圖；及 圖4是本發明第二實施例之指紋感測電路的補充電路圖。

Claims (11)

1. 一種指紋感測電路，包括： 一比較器，具有一第一端、一第二端及一輸出端； 一第一電容，一端耦接該第一端，另一端耦接一參考電位； 一第一開關，具有一第三端及一第四端，該第三端耦接該第一端； 一第二開關，具有一第五端及一第六端，該第五端耦接該第四端，該第六端耦接一電壓源； 一第二電容，一端耦接該第四端； 一第三開關，具有一第七端及一第八端，該第七端耦接該第二電容的另一端，該第八端耦接該電壓源；以及 一第四開關，具有一第九端及一第十端，該第九端耦接該第一端，該第十端耦接該第七端； 其中，該比較器比較該第一端的該第一電容之電位與該第二端的一預設電位而使該輸出端輸出一比較結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測電路，其中當該第一開關及該第四開關導通時，該第二開關及該第三開關為不導通，而該第二開關及該第三開關導通時，該第一開關及該第四開關為不導通。
3. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測電路，其中當該第一電容之電位大於該預設電位時，判斷為發生一指紋接觸事件。
4. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測電路，其中該第三端與該第一端之間還包括一緩充器。
5. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測電路，其中該第二電容耦接之該第四端係位於該指紋感測電路內部的一導電層，而該第二電容耦接之該第七端係位於該指紋感測電路表面的一金屬層。
6. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測電路，其中該第一電容為一可變電容。
7. 如申請專利範圍第6項所述的指指紋感測電路，其中該可變電容包括： 複數個電容；以及 複數個開關，該些開關分別與該些電容對應連接； 其中，該些電容呈並聯，並藉由該些開關的導通狀態調整該可變電容的電容值。
8. 一種指紋感測電路，包括： 一放大器，具有一第一端、一第二端及一第一輸出端； 一電容，具有一第三端及一第四端； 一第一開關，一端耦接該第一端，另一端耦接該第三端； 一第二開關，一端耦接該第四端，另一端耦接該第一輸出端； 一第三開關，一端耦接該第一端，另一端耦接該第四端； 一第四開關，一端耦接該第三端，另一端耦接該第一輸出端； 一第一比較器，具有一第五端、一第六端及一第二輸出端，該第五端耦接該第一輸出端，該第六端接收一第一門檻值； 一第二比較器，具有一第七端、一第八端及一第三輸出端，該第七端耦接該第一輸出端，該第八端接收一第二門檻值； 一邏輯閘，具有一第九端、一第十端及一第四輸出端，該第九端耦接該第二輸出端，該第十端耦接該第三輸出端；以及 一計數器，耦接該第四輸出端，用以計數該第四輸出端的訊號輸出次數。
9. 如申請專利範圍第8項所述的指紋感測電路，其中當該第一開關及該第二開關導通時，該第三開關及該第四開關為不導通，而該第三開關及該第四開關導通時，該第一開關及該第二開關為不導通。
10. 如申請專利範圍第9項所述的指紋感測電路，還包括： 一控制單元，電性耦接該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關，每當該第一輸出端的值達到該第一門檻值或該第二門檻值時，該控制單元產生一控制訊號，該控制訊號用以將該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關的導通狀態反向。
11. 如申請專利範圍第8項所述的指紋感測電路，還包括： 一重置開關，一端耦接該第一端，另一端耦接該第一輸出端。