TW202136985A - 指紋識別模組、晶片及電子設備 - Google Patents

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Abstract

本申請涉及一種指紋識別模組、晶片及電子設備。所述指紋識別模組包括封裝層和晶粒。晶粒包含圖元陣列感應電路，圖元陣列感應電路包括多個呈矩陣分佈的圖元電路。圖元電路包括對手指指紋進行檢測的第一金屬層。封裝層的弧形外表面到圖元陣列感應電路的每列上的圖元電路的第一金屬層的距離與封裝層的弧形外表面的弧度成線性比例變化，且圖元陣列感應電路的每列上的圖元電路的第一金屬層的表面面積與封裝層的弧形外表面的弧度成線性比例變化。本申請能夠解決具有曲面型的封裝層的圖元陣列感應電路採集的指紋信號品質差和雜訊量不均勻的問題。

Description

指紋識別模組、晶片及電子設備
本申請涉及無線通訊技術領域，尤其涉及一種指紋識別模組、晶片及具有指紋採集晶片的電子設備。
隨著智慧手機全面屏普及，指紋採集與識別方案趨於光學式屏下指紋識別和電容式側邊指紋識別兩種方案。其中，電容式側邊式指紋識別方案不受光源影響，主動解鎖的體驗尤佳。然而，現有的指紋採集與識別方案，出於信號量均勻性考慮，幾乎所有方案都採取平面式注塑封裝（molding）的結構。然而，電容式側邊指紋識別方案中的側邊式指紋識別模組位於手機的側方位（如左側或右側，一般設計在右側），目前95%以上的手機側邊外觀都是圓弧曲面型結構設計，導致平面式molding結構的指紋識別模組與手機嵌合不佳，外觀上手機的側邊凹凸不平，藉由指紋進行解鎖的體驗也不理想。
另外，現有指紋識別方案的感測器陣列（Sensor Array）的每個圖元（Pixel）單位面積大小是一致的，對應平面型molding，Sensor Array採集的信號量和雜訊量偏差不大，採集的信號的信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）均勻性很好，獲得的圖像清晰，對比度高。但是，對應曲面型molding，由於曲面型molding的厚度在每列Pixel上存在差異，各列pixel上的信號量和雜訊量都存在明顯梯度差異，SNR也呈明顯梯度趨勢。然而，曲面型molding在各列資料（如厚度）存在固定梯度的偏差，使得SNR進一步降低，並導致採集的指紋圖像品質下降，指紋識別效果差。
有鑑於此，提供一種指紋識別模組、晶片及具有指紋採集晶片的電子設備以解決具有曲面型的封裝層的圖元陣列感應電路採集的指紋信號品質差和雜訊量不均勻的問題。
本申請一實施方式中提供一種指紋識別模組，包括封裝層和晶粒，所述封裝層包覆所述晶粒，所述晶粒包含圖元陣列感應電路，所述圖元陣列感應電路包括多個呈矩陣分佈的圖元電路，所述圖元電路包括用於對手指指紋進行檢測的第一金屬層，且所述第一金屬層設置於所述晶粒朝向所述封裝層的一面，所述封裝層具有弧形外表面，所述封裝層的弧形外表面到所述圖元陣列感應電路的每列上的圖元電路的第一金屬層的距離與所述封裝層的弧形外表面的弧度成線性比例變化，且所述圖元陣列感應電路的每列上的圖元電路的第一金屬層的表面面積與所述封裝層的弧形外表面的弧度成線性比例變化。
在本申請的一些實施例中，所述封裝層的弧形外表面到所述圖元陣列感應電路的n列上的圖元電路的第一金屬層的距離d與所述圖元陣列感應電路的n列上的圖元電路的第一金屬層的表面面積s滿足
Figure 02_image001
，其中，d1、d2…dn分別為所述封裝層的弧形外表面到所述圖元陣列感應電路的第1、2…n列上的圖元電路的第一金屬層的距離；S1、S2…Sn分別為所述圖元陣列感應電路上n列的第一金屬層的表面面積，n為正整數。
在本申請的一些實施例中，所述圖元電路還包括第二金屬層、第三金屬層、襯底層，所述第二金屬層及所述第三金屬層設置於所述第一金屬層及所述襯底層之間，所述第二金屬層和所述第三金屬層在所述襯底層的投影覆蓋所述第一金屬層在所述襯底層的投影，從而將所述第一金屬層與所述襯底層進行隔離，所述第一金屬層在手指接近後生成指紋信號，所述第二金屬層和所述第三金屬層交疊或錯開設置。
在本申請的一些實施例中，所述指紋識別模組還包括積分電路，所述積分電路與所述圖元陣列感應電路連接，用於對所述圖元陣列感應電路生成的指紋信號進行放大；所述圖元陣列感應電路包括第一開關組、第二開關組，所述第一開關組包括第一子開關、第二子開關、第三子開關，所述第二開關組包括第一子開關、第二子開關、第三子開關；所述第二金屬層藉由所述第一開關組的第一子開關與電源電壓連接及藉由所述第二開關組的第一子開關與浮動接地端連接；所述第三金屬層藉由所述第一開關組的第二子開關與所述電源電壓連接及藉由所述第二開關組的第二子開關與第一參考電壓連接；所述第一金屬層藉由所述第一開關組的第三子開關與第一參考電壓連接及藉由所述第二開關組的第三子開關與積分電路連接。
在本申請的一些實施例中，當外設狀態控制信號Tx=0時，浮動接地端的電壓VNVSS=0，當外設狀態控制信號Tx=1時，所述浮動接地端連接預設負電壓，浮動接地端的電壓VNVSS=-VTX，其中-VTX為所述預設負電壓。
在本申請的一些實施例中，包括負壓輸出電路，用於提供-VTX給浮動接地端。
在本申請的一些實施例中，所述積分電路包括運算放大器及回饋環路，所述運算放大器包括同相輸入端、反向輸入端及輸出端，所述同相輸入端與所述第一參考電壓相連接，藉由調整所述第一參考電壓來調整所述輸出端的輸出電壓，所述第一金屬層藉由所述第二開關組的第三子開關與所述反向輸入端連接，所述輸出端藉由所述回饋環路與所述反向輸入端連接；所述回饋環路包括回饋電容、第三開關組及第四開關組，所述回饋電容的上極板藉由所述第三開關組的第一子開關與第二參考電壓連接，所述回饋電容的下極板藉由所述第三開關組的第二子開關與所述電源電壓連接，所述回饋電容的上極板藉由所述第四開關組的第一子開關與所述反向輸入端連接，所述回饋電容的下極板藉由所述第四開關組的第二子開關與所述輸出端連接，所述反向輸入端藉由所述第三開關組的第三子開關與所述輸出端連接。
在本申請的一些實施例中，所述圖元陣列感應電路提供第一時序控制信號、第二時序控制信號、第三時序控制信號及第四時序控制信號，所述第一時序控制信號與所述第二時序控制信號為相位相差180o 的時鐘信號，所述第三時序控制信號φ1與所述第四時序控制信號φ2是相位相差180o 的非交疊時鐘信號，所述第一時序控制信號用於控制所述第三開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關的開合與關閉，所述第二時序控制信號用於控制所述第四開關組的第一子開關、第二子開關的開合與關閉，所述第三時序控制信號用於控制所述第一開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關的開合與關閉，所述第四時序控制信號用於控制所述第二開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關的開合與關閉。
（a）起始階段；第一時序控制信號為高電平，第二時序控制信號為低電平，所述第三開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關同時導通，所述第四開關組的第一子開關、第二子開關同時斷開； （b）掃描階段：所述第一時序控制信號為低電平，所述第二時序控制信號為高電平，所述第三開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關同時斷開，所述第四開關組的第一子開關、第二子開關同時導通； （c）預充電階段：外設狀態控制信號TX=0，浮動接地端與接地端連接，浮動接地端的電壓VNVSS =0，所述第一開關組的第一子開關、第一開關組的第二子開關斷開，所述第一開關組的第三子開關導通，所述第二開關組的第一子開關、第二開關組的第二子開關同時導通，所述第二開關組的第三子開關斷開，所述第二金屬層連接接地端，所述第一金屬層及所述第三金屬層同時連接第一參考電壓，所述第一金屬層與所述放大器斷開； （d）電荷轉移階段，外設狀態控制信號Tx=1，浮動接地端連接預設負電壓，所述第一開關組的第三子開關由導通轉變為斷開，第二開關組的第三子開關由斷開轉變為導通，所述第一開關組的第一子開關、第一開關組的第二子開關、第二開關組的第一子開關、第二開關組的第二子開關保持狀態不變，預設負電壓-VTX=(-1)*VDD，其中VDD為電源電壓，所述第二開關組的第二子開關導通，所述放大器的反相輸入端藉由所述第二開關組的第三子開關連接至所述第一金屬層，所述放大器的輸出端和所述反相輸入端藉由所述回饋電容連接。
在本申請的一些實施例中，所述指紋識別模組還包括PCB板及柔性電路板，所述PCB板設置在所述柔性電路板上，所述晶粒設置在所述PCB板上，所述封裝層包覆所述晶粒及所述PCB板。
本申請的實施例還提供一種指紋識別晶片包括上述提供的晶粒，所述晶粒包含圖元陣列感應電路，所述圖元陣列感應電路包括多個呈矩陣分佈的圖元電路，所述圖元電路包括用於對手指指紋進行檢測的第一金屬層，且所述第一金屬層設置於所述晶粒且朝向覆蓋所述晶粒的封裝層，所述第一金屬層的表面面積與覆蓋其上方的封裝層的厚度成線性比例變化。
本申請的實施例還提供一種電子設備，所述電子設備採用上述提供的指紋晶片。
本申請根據封裝層的弧形外表面到第一金屬層的距離，將第一金屬層的表面面積進行差異化設計，保證圖元陣列感應電路採集的單位電容值一致，解決了具有曲面型的封裝層的圖元陣列感應電路採集的指紋信號品質差和雜訊量不均勻的問題。
為了能夠更清楚地理解本申請實施例的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施方式對本申請進行詳細描述。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請的實施方式中的特徵可以相互組合。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本申請實施例，所描述的實施方式是本申請一部分實施方式，而不是全部的實施方式。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本申請實施例的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。在本申請的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在於限制本申請實施例。
請參考圖1，所示為本申請一實施方式中指紋識別系統10的系統框體。本實施方式中，指紋識別系統10包括圖元陣列感應電路12、積分電路13、模數轉換電路14、數位訊號處理器15及主機16。本實施方式中，所述圖元陣列感應電路12、積分電路13、模數轉換電路14、數位訊號處理器15及主機16依此連接，即所述圖元陣列感應電路12與所述積分電路13連接，所述積分電路13與所述模數轉換電路14連接，所述模數轉換電路14與所述數位訊號處理器15連接，所述數位訊號處理器15與所述主機16連接。
本實施方式中，所述圖元陣列感應電路12按照一定的時序控制進行掃描以檢測使用者的指紋信號。所述積分電路13將採集到的指紋信號的電荷變化量同時進行多次積分，並將指紋信號進行放大處理。所述模數轉換電路14將放大處理後的指紋信號轉換成帶有指紋資訊的數位信號。所述數位訊號處理器15對帶有指紋資訊的數位信號進行數文書處理得到數文書處理結果。所述主機16根據所述數文書處理結果識別所述指紋資訊。
本實施方式中，由於模數轉換電路14、數位訊號處理器15及主機16為本領域現有的電路結構，且本申請並未對模數轉換電路14、數位訊號處理器15及主機16的電路結構進行改進。本申請對模數轉換電路14、數位訊號處理器15及主機16不作詳細介紹，如下僅對本申請的圖元陣列感應電路12及積分電路13的改進方案作具體描述。
本實施方式中，圖元陣列感應電路12包括m行n列的圖元電路121（Pixel）組成的感測器矩陣陣列(Sensor Array)，其中，m，n為正整數。請參考圖2，所示為本申請一實施方式中圖元陣列感應電路12與積分電路13連接的示意圖。本實施方式中，所述積分電路13包括多個積分器131。本實施方式中，所示積分器131的數量與感測器陣列的列數相同。例如，感測器陣列包括n列的圖元電路121，則積分電路13的積分器131的數量為n。本實施方式中，所述感測器陣列中每列的圖元電路121連接同一個積分電路13的積分器131，且不同列的圖元電路121連接不同的積分器131。
本實施方式中，由於圖元陣列感應電路12中每個圖元電路121的結構及工作原理相同，本申請只介紹單一圖元電路121的電路結構。請參考圖3，所示為本申請一實施方式中圖元電路121的電路結構圖。圖元電路121包括第一金屬層1211、第二金屬層1212、第三金屬層1213、襯底層1214。本實施方式中，第一金屬層1211用於對使用者的指紋進行檢測。當使用者的手指觸摸到第一金屬層1211時，由於人體本身是良導體，可以看作是接地端GND，用戶的手指與指紋識別模組的第一金屬層1211形成第一寄生電容Cfinger 。本實施方式中，手指指紋的紋穀和紋脊到第一金屬層1211的距離有差異，第一寄生電容Cfinger 的大小隨之產生差異，因此將第一寄生電容Cfinger 作為檢測手指指紋的指紋信號。本實施方式中，指紋信號為第一寄生電容Cfinger 的電荷量。
手指觸摸第一金屬層1211後，第一金屬層1211與人體產生Cfinger ，並且第一金屬層1211與襯底層1214之間還會形成第二寄生電容Cpex ，從而第一金屬層1211到襯底層（GND）的總寄生電容Ctop =C1 +C2 ，表示為其中C1 為第一寄生電容Cfinger ，C2 為第二寄生電容Cpex 。這樣從第一金屬層1211l檢測到的電容不僅僅有第一寄生電容Cfinger ，還會有第二寄生電容Cpex 。而要提高指紋檢測精度會希望第一寄生電容Cfinger 無限接近於寄生總電容Ctop ，第二寄生電容Cpex 越接近於零越好。為了降低第二寄生電容Cpex 對指紋的檢測精度的影響，本申請在第一金屬層1211與襯底層1214之間設置第二金屬層1212及第三金屬層1213以將第一金屬層1211與襯底層1214進行隔離，第二金屬層1212和第三金屬層1213在襯底層1214的投影覆蓋第一金屬層1211在襯底層1214的投影，以消除第一金屬層1211與襯底層1214之間形成的第二寄生電容Cpex ，提高指紋信號的檢測準確度。具體地，第一金屬層1211與第二金屬層1212間隔設置，且第一金屬層1211與第二金屬層1212之間形成第一電容21。第一金屬層1211與第三金屬層1213間隔設置，且第一金屬層1211與第三金屬層1213之間形成第二電容222。第二金屬層1212與第三金屬層1213可以交疊或錯開設置，第二金屬層1212與第三金屬層1213的總覆蓋範圍應大於或等於第一金屬層的範圍。
參考圖2，本實施方式中，圖元陣列感應電路12在進行指紋掃描工作時，圖元電路121將手指和第一金屬層1211之間的第一寄生電容Cfinger 信號變化量採集並轉換為電荷變化量，與所述圖元電路121連接的積分器131將採集到的指紋信號的電荷變化量同時進行多次積分，將指紋信號進行放大處理，並將處理過後的指紋信號傳輸至後級的模數轉換電路14。本實施方式中，圖元陣列感應電路12在掃描時，感測器陣列的n個圖元電路121和n個積分器131同時動作，每次n個圖元電路121採集的n個指紋信號變化量經過n個積分器131積分及放大後同時輸出至後級的模數轉換電路14，一行圖元電路121掃描結束後再進行下一行圖元電路121的掃描，直至掃描至第m行，指紋識別系統10完成整幀掃描。
請參考圖4，所示為本申請一實施方式中指紋識別模組2安裝在電子設備3上的示意圖。本實施方式中，所述電子設備3可以為但不限於智慧手機、平板電腦、筆記型電腦或遊戲裝置。所述指紋識別模組2安裝在所述電子設備3的側邊。本實施方式中，所述指紋識別模組2安裝在電子設備3的區域可以單獨形成指紋識別區域或與電子設備3的電源鍵區域合二為一。
請參考圖5，所示為本申請一實施方式中指紋識別模組2沿V-V面進行剖面的剖面圖。本實施方式中，所述指紋識別模組2包括封裝層21、晶粒（Die）22、PCB（Printed Circuit Board）板23、柔性電路板24。本實施方式中，封裝層21以曲面型實現。曲面型的封裝層21具有弧形外表面212。本實施方式中，所述PCB板23設置在柔性電路板24上。所述晶粒22設置在PCB板23。所述封裝層21至少包覆晶粒22及所述PCB板23。本實施方式中，圖元陣列感應電路121植入在晶粒22上。本實施方式中，所述指紋識別模組2為長條形結構。在其他實施方式中，所述指紋識別模組2還可以為正方形、圓形及不規則形狀結構。
本實施方式中，圖元陣列感應電路12設置在晶粒22的表面且晶粒22的表面進行封裝形成封裝層21。具體地，所述圖元陣列感應電路12設置於所述晶粒朝22向所述封裝層21的一面。當用戶的手指觸摸到封裝層21的弧形外表面212時，圖元陣列感應電路12能夠對手指指紋進行採集，如此避免手指與晶粒22直接接觸時造成圖元陣列感應電路12表面的刮花、損壞的問題。本實施方式中，封裝層是指進行注塑封裝及塗層處理後得到的注塑層。本實施方式中，封裝層21的作用一是對圖元陣列感應電路12進行防護，二是將晶粒22、PCB板23、柔性電路板24形成一體，實現模組化。本實施方式中，圖元陣列感應電路12需要採集的信號是觸摸封裝層21的弧形外表面212的手指表面和圖元陣列感應電路12的第一金屬層1211之間的第一寄生電容Cfinger信號，而封裝層21位於手指表面與第一金屬層1211之間，封裝層21的厚度為封裝層21的弧形外表面212與第一金屬層1211之間的距離。
參考圖6，所示為現有的指紋識別模組2的剖面圖。所述指紋識別模組2的封裝層21為平面型。平面型的封裝層21具有外平面211。在具體實施方式中，具有外平面211的封裝層21厚度要儘量小，平坦程度要儘量好，以保障被採集信號的均勻性。
參考圖4，本實施方式中，所述指紋識別模組2藉由連接器25安裝在電子設備3中。具體地，所述指紋識別模組2的晶粒22藉由晶片打線（Bonding）連接所述PCB板23。所述PCB板23藉由焊盤（PAD）與所述柔性電路板24焊接在一起，所述柔性電路板24藉由連接器25（如排線）連接所述電子設備3，例如連接所述電子設備3的主機16。
本實施方式中，在將所述指紋識別模組2設置在電子設備3的側邊的方案中，由於所述電子設備3的側邊表面為弧形，因而指紋識別模組2中具有弧形外表面212的封裝層21可以消除電子設備3側邊的凹凸不平感，使得安裝有指紋識別模組2的電子設備3外觀上的側邊弧形一體化。
在一實施方式中，參考圖6，在將所述指紋識別模組2設置在電子設備3的前置玻璃蓋板的方案或設置在電子設備3的後置塗層蓋板的方案中，由於電子設備3的表面為平面，出於封裝層21的厚度和平整度的考慮，所述指紋識別模組2的封裝層21以平面型實現。也即，所述指紋識別模組2的封裝層21具有外平面211。
參考圖7a，所示為現有平面型的封裝層21的示意圖。參考圖7b所示為本申請一實施方式中的曲面型的封裝層21。所述封裝層21的外平面211到所述圖元陣列感應電路12的每列上的圖元電路121的第一金屬層1211（也即晶粒22表面）的距離（也即封裝層21的厚度）均相等。例如，指紋識別模組2的平面型的封裝層21的外平面211的任意三點到圖元陣列感應電路12的第一金屬層1212（也即晶粒22表面）的距離d1、d2、d3均相等。本實施方式中，所述圖元陣列感應電路12的每列上的圖元電路121的第一金屬層1211的表面面積均相等。參考圖8a,所示為現有平面型的封裝層21的圖元陣列感應電路12採集的指紋信號示意圖。所述圖元陣列感應電路12各列上的圖元電路121採集到的指紋信號（第一寄生電容Cfinger）量是均勻的。
參考圖7b，指紋識別模組2的曲面型的封裝層21的弧形外表面212的任意三點到圖元陣列感應電路12的第一金屬層1212（也即晶粒22表面）的距離d1、d2、d3不相等，封裝層21的厚度與封裝層21外表面212的弧度成線性比例變化。參考圖8b,所示為本申請一實施方式中的曲面型的封裝層21的圖元陣列感應電路12採集的指紋信號示意圖。所述圖元陣列感應電路12各列上的圖元電路121採集到的指紋信號量（第一寄生電容Cfinger信號）呈梯度式分佈。曲面型的封裝層21的指紋識別模組2採集的指紋信號的資料不均勻特性，會對後續指紋識別演算法對指紋脊和穀的區分造成困擾，並且造成誤判斷率提高。
本實施方式中，手指與圖元陣列感應電路12的第一金屬層1212間的電容表示為
Figure 02_image003
，ε表示介質介電常數，S表示兩極板間正對面積，即正對手指的第一金屬層1212的面積，d表示手指到第一金屬層1212的距離。本實施方式中，假設封裝層21在圖元陣列感應電路12的n列上的厚度分別為d1、d2…dn，且d1=x2*d2=…xn*dn，x2、x3…xn分別為封裝層21在圖元陣列感應電路12的第2、3……n列上的厚度相比於封裝層21在圖元陣列感應電路12的第1列的厚度係數。圖元陣列感應電路12上n列的第一金屬層1212的表面面積為S1、S2…Sn，根據
Figure 02_image005
，則S1=x2*S2=…=xn*Sn。因而，封裝層21在圖元陣列感應電路12的n列上的厚度與圖元陣列感應電路12的n列上的圖元電路的第一金屬層的表面面積滿足
Figure 02_image001
。本實施方式中，根據曲面型的封裝層21的弧形外表面212的弧度特性，得出封裝層21在圖元陣列感應電路12不同列上的厚度係數，進而推算出圖元陣列感應電路12在不同列上的圖元電路121的第一金屬層1212的表面面積。
參考圖9，所示為本申請一實施方式中曲面型的封裝層21的弧度與圖元電路121的第一金屬層1212的面積關係的示意圖。
本實施方式中，曲面型的封裝層21的弧形外表面212到不同列的圖元陣列感應電路12的第一金屬層1212的距離不同，圖元陣列感應電路12上對應列的第一金屬層1212的表面面積也不同，封裝層21的弧形外表面212到圖元陣列感應電路12的第一金屬層1212的距離與第一金屬層1212的表面面積呈線性比例關係。
本申請根據封裝層21的弧形外表面212的曲面弧度的不同，計算得到封裝層21的弧形外表面212到第一金屬層1212的距離，並根據距離計算出對應弧度下單個圖元電路121的第一金屬層1212的表面面積，藉由將第一金屬層1212的表面面積進行差異化設計，保證圖元陣列感應電路12採集的單位電容值一致，解決了具有曲面型封裝層21的圖元陣列感應電路12的信號品質差和SNR不均勻的問題。
在一實施方式中，所述指紋識別模組2還包括積分電路13。所述圖元陣列感應電路12與積分電路13相連接。請參考圖10，為本申請一實施方式中圖元陣列感應電路12與積分電路13的具體連接示意圖。本實施方式中，第一金屬層1211與視為GND的人體形成第一寄生電容Cfinger 。第一電容21為第一金屬層1211與第二金屬層1212之間形成的寄生電容。圖元陣列感應電路12包括第一開關組、第二開關組。第一開關組包括第一子開關φ11、第二子開關φ12、第三子開關φ13。第二開關組包括第一子開關φ21、第二子開關φ22、第三子開關φ23。
第一金屬層1211與第二金屬層1212形成第一電容21。第二金屬層1212藉由第一開關組的第一子開關φ11與電源電壓VDD 連接，第二金屬層1212藉由第二開關組的第一子開關φ21與浮動接地端NVSS連接。第三子開關φ23
第一金屬層與第三金屬層1213形成第二電容222。第三金屬層1213藉由第一開關組的第二子開關φ12與電源電壓VDD 連接，藉由第二開關組的第二子開關φ22與第一參考電壓VREF 連接。
第一金屬層1211藉由第一開關組的第三子開關φ13與第一參考電壓VREF 連接及藉由所述第二開關組的第三子開關φ23與積分電路連接13連接。具體地，圖元陣列感應電路12還設有電阻1218，第一金屬層1211與電阻1218的一端連接。電阻1218的另一端藉由第一開關組的第三子開關φ13與電源電壓VDD連接，及藉由第二開關組的第二子開關φ23與積分電路13連接。
本實施方式中，積分電路13用於對圖元陣列感應電路12檢測到的指紋信號進行放大。本實施方式中，積分電路13包括運算放大器131及回饋環路132。運算放大器131包括同相輸入端1311、反向輸入端1312及輸出端1313。同相輸入端1311與第一參考電壓VREF 相連接。電阻1218藉由第二開關組的第二子開關φ23與反向輸入端1312連接。輸出端1313藉由回饋環路132與反向輸入端1312連接。
本實施方式中，回饋環路132包括回饋電容CFB 、第三開關組及第四開關組。第三開關組包括第一子開關rst_a1、第二子開關rst_a2、第三子開關rst_a3。第四開關組包括第一子開關rst_b1、第二子開關rst_b2。回饋電容CFB 的上極板藉由第三開關組的第一子開關rst_a1與第二參考電壓VDC_OS 連接。回饋電容CFB 的下極板藉由第三開關組的第二子開關rst_a2與電源電壓VDD連接。回饋電容CFB 的上極板藉由第四開關組的第一子開關rst_b1與反向輸入端1312連接。回饋電容CFB 的下極板藉由第四開關組的第二子開關rst_b2與輸出端連接1313。反向輸入端1312還藉由第三開關組的第三子開關rst_a3與輸出端1313連接。
請參考圖11，為本申請一實施方式中圖元陣列感應電路12進行指紋採集的時序圖。圖元陣列感應電路12提供第一時序控制信號reset_a、第二時序控制信號reset_b、第三時序控制信號φ1及第四時序控制信號φ2。第一時序控制信號reset_a與第二時序控制信號reset_b是相位相差180o 的時鐘信號。第三時序控制信號φ1與第四時序控制信號φ2是相位相差180o 的非交疊時鐘信號。
第一時序控制信號reset_a用於控制第三開關組的第一子開關rst_a1、第二子開關rst_a2、第三子開關rst_a3的開合與關閉。第三開關組的第一子開關rst_a1、第二子開關rst_a2、第三子開關rst_a3的開合與關閉的時序完全相同。第二時序控制信號reset_b用於控制第四開關組的第一子開關rst_b1、第二子開關rst_b2的開合與關閉。第四開關組的第一子開關rst_b1、第二子開關rst_b2的開合與關閉的時序完全相同。第三時序控制信號φ1用於控制第一開關組的第一子開關φ11、第二子開關φ12、第三子開關φ13的開合與關閉。第一開關組的第一子開關φ11、第二子開關φ12、第三子開關φ13的開合與關閉的時序相同。第四時序控制信號φ2用於控制第二開關組的第一子開關φ21、第二子開關φ22、第三子開關φ23的開合與關閉。第二開關組的第一子開關φ21、第二子開關φ22、第三子開關φ23的開合與關閉的時序相同。
下面結合圖10及圖11具體描述本申請的指紋識別系統10的工作過程。該工作過程包括以下幾個階段。
（a）起始階段， 第一時序控制信號reset_a為高電平，第二時序控制信號reset_b為低電平，此時第三開關組的第一子開關rst_a1、第二子開關rst_a2、第三子開關rst_a3同時導通，第四開關組的第一子開關rst_b1、第二子開關rst_b2同時斷開。運算放大器的輸出端1313連接反相輸入端1312，運算放大器131為緩衝器（buffer）結構，Vn=VREF。回饋電容CFB 的上極板連接第二參考電壓VDC_OS ，下極板接電源電壓VDD，回饋電容CFB 電壓根據公式
Figure 02_image007
計算得到，其中，VCFB1 表示回饋電容CFB 兩端電壓。回饋電容CFB 的電荷根據公式
Figure 02_image009
計算得到，其中，CFB 為回饋電容CFB 的電容量，QCFB1 為回饋電容CFB 的電荷量，VDC_OS 為第二參考電壓。
（b）掃描階段，第一時序控制信號reset_a為低電平，第二時序控制信號reset_b為高電平，此時第三開關組的第一子開關rst_a1、第二子開關rst_a2、第三子開關rst_a3同時斷開，第四開關組的第一子開關rst_b1、第二子開關rst_b2同時導通。回饋電容CFB 的上極板連接運算放大器131的反向輸入端1312，下極板連接運算放大器131的輸出端1313。回饋電容CFB 的電壓根據公式
Figure 02_image011
計算得到，其中，VOUT 為表示運算放大器131的輸出端1313的輸出電壓，VREF 為第一參考電壓。回饋電容CFB 的電荷根據公式
Figure 02_image013
計算得到。
由於回饋電容CFB 的電荷在起始階段及掃描階段沒有變化，
Figure 02_image015
所以推導出運算放大器131的輸出端1313的輸出電壓
Figure 02_image017
。根據電荷守恆定律，回饋電容CFB 的電荷根據公式
Figure 02_image019
計算得到。
（c）預充電階段，圖元陣列感應電路12中的接地端GND分為浮動接地端NVSS和接地端GND。其中，浮動接地端NVSS的電壓為預設負電壓-VTX或零，接地端GND的電壓為零。本實施方式中，浮動接地端NVSS的電壓收到外設狀態控制信號Tx的控制，當外設狀態控制信號Tx=0時，浮動接地端NVSS與接地端GND連接，浮動接地端NVSS的電壓VNVSS =0; 當外設狀態控制信號Tx=1時，浮動接地端NVSS連接預設負電壓-VTX，浮動接地端NVSS的電壓VNVSS =-VTX。當圖元陣列感應電路12進行指紋資訊採集時，外設狀態控制信號TX=0，浮動接地端NVSS與接地端GND連接，浮動接地端NVSS的電壓VNVSS =0，第一開關組的第一子開關φ11、第一開關組的第二子開關φ12斷開，第一開關組的φ13導通，第二開關組的第一子開關φ21、第二開關組的第二子開關φ22同時導通，第二開關組的第三子開關φ23斷開，第二金屬層1212連接接地端GND，第一金屬層1211及第三金屬層1213同時連接第一參考電壓VREF，第一金屬層1211與放大器131斷開，第一金屬層1211上的電荷表示為
Figure 02_image021
，其中，Q1中包含了指紋信號第一寄生電容Cfinger 。
（d）電荷轉移階段，外設狀態控制信號Tx=1時，浮動接地端NVSS連接預設負電壓-VTX，浮動接地端NVSS的電壓VNVSS =-VTX，第一開關組的第三子開關φ13由導通轉變為斷開，第二開關組的第三子開關φ23由斷開轉變為導通，第一開關組的第一子開關φ11、第一開關組的第二子開關φ12、第二開關組的第一子開關φ21、第二開關組的第二子開關φ22均保持狀態不變。另外，當浮動接地端NVSS與接地端GND的連接關係轉換為浮動接地端NVSS與預設負電壓-VTX的連接關係時，由於預設負電壓-VTX是一個負壓（由外部負壓產生電路產生），設定-VTX=(-1)*VDD，第二開關組的第二子開關φ23導通，放大器131的反相輸入端1312藉由第二開關組的第三子開關φ23連接至第一金屬層1211，放大器131的輸出端1313和反相輸入端1312藉由回饋電容CFB 連接，構成回饋結構。放大器131的輸出端1313的電壓等於正相輸入端1311電壓（即第一參考電壓VREF ）。第二開關組的第二子開關φ22為導通狀態，第三金屬層1213連接第一參考電壓VREF 。第一金屬層1211和第二金屬層之間的電壓，即第二電容222兩端電壓均是第一參考電壓VREF ，第二電容222沒有電荷轉移。第二開關組的第一子開關φ21為導通狀態，第二金屬層1212連接預設負電壓-VTX，第一金屬層1211到浮動接地端NVSS的電容為第一電容21，第一參考電壓VREF 與浮動接地端NVSS處於相同電壓域，因此第一電容21上的第一參考電壓VREF 到浮動接地端NVSS的壓降等於VREF ，即第一電容21的電荷量
Figure 02_image023
。手指到第一金屬層1211的第一寄生電容
Figure 02_image025
的兩端電壓（即第一參考電壓VREF 到接地端GND的壓降）表示為
Figure 02_image027
，故第一寄生電容
Figure 02_image025
為
Figure 02_image029
。第一金屬層1211到接地端GND的總寄生電容為
Figure 02_image031
，總寄生電容為
Figure 02_image031
的電荷量可表示為
Figure 02_image033
。第二開關組的第三子開關φ23導通之前，放大器131的反向輸入端1312的電荷量
Figure 02_image035
。第二開關組的第三子開關φ23導通後，總電荷量
Figure 02_image037
根據電荷守恆定理，
Figure 02_image039
則輸出端1313的輸出電壓
Figure 02_image041
經過N次積分，輸出端1313的輸出電壓為
Figure 02_image043
由上式可以看到，輸出端1313的輸出電壓Vout僅與第一寄生電容Cfinger 、回饋電容CFB 、預設負電壓-Vtx有關，與圖元電路121的第一電容21、第二電容23均無關係。進行空掃時，第一寄生電容
Figure 02_image045
，因此
Figure 02_image047
，無論圖元電路121的表面面積大小如何，空掃的輸出Vout_vir均可以保持恒定，如此解決了指紋識別模組2的封裝層21為曲面或異形封裝的情況下，每一列的圖元電路121的第一金屬層1211的表面面積大小會隨封裝層21的表面的弧度變化而變化而導致每列的圖元電路121的第一電容22的電容值是不相等，進而造成經過積分過後的信號量必然會過大或過小，超過模數轉換電路14的輸入動態範圍，導致指紋識別系統10無法正常工作的問題。
本實施方式中，指紋識別模組2的封裝層21為2.5D曲面或3D曲面。指紋識別模組2的封裝層21的曲面的形狀可以為凹面、鋸齒面。本實施方式中，指紋識別模組2的形狀為長條形、正方形、圓形及其他不規則的形狀。
本實施例中的整個圖元陣列感應電路12和積分電路13結構簡單，所需的電源電壓VDD 和地GND都無需特別處理，且相容晶片的其他模組的VDD 和GND，無需ng採用特殊製程，藉由普通CMOS製程均可實現。
本實施例中感測的指紋信號的靈敏度高，而不需要藉由提高圖元陣列感應電路的面積來提高靈敏度，對比一般的採集電路，本實施例中的圖元陣列感應電路面積可縮小，節約晶片成本。
其它實施方式中，本申請中的放大器131的回饋電容CFB 可適用不同外界條件的應用情況進行多樣化設置。
其它實施方式中，指紋識別系統10的圖元陣列感應電路12進行一次指紋採樣後，所述模數轉換電路14進行多次模數轉換；或圖元陣列感應電路12進行多次指紋採樣後，模數轉換電路14進行一次模數轉換；亦或圖元陣列感應電路12進行多次指紋採樣後，模數轉換電路14進行多次模數轉換等不同的工作模式，以有效提升指紋的信號量。
本申請的實施例還提供了一種指紋晶片，指紋晶片包括晶粒。晶粒如上述實施方式中提供。此處不再贅述。
本申請的實施例還提供了一種電子設備，電子設備包括上述實施方式中提供的指紋晶片。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟悉本案技藝之人士，在援依本案創作精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。
10:指紋識別系統 12:圖元陣列感應電路 13:積分電路 14:模數轉換電路 15:數位訊號處理器 16:主機 121:圖元電路 131:積分器 1211:第一金屬層 1212:第二金屬層 1213:第三金屬層 1214:襯底層 GND:接地端 Cfinger :第一寄生電容 2:指紋識別模組 3:電子設備 21:封裝層 22:晶粒 23:PCB板 24:柔性電路板 212:弧形外表面 211:外平面 25:連接器 16:主機 φ11:第一子開關 φ12:第二子開關 φ13:第三子開關 φ21:第一子開關 φ22:第二子開關 φ23:第三子開關 VDD :電源電壓 NVSS:浮動接地端 222:第二電容 VREF :第一參考電壓 1218:電阻 131:運算放大器 132:回饋環路 1311:同相輸入端 1312:反向輸入端 1313:輸出端 CFB :回饋電容 rst_a1:第一子開關 rst_a2:第二子開關 rst_a3:第三子開關 rst_b1:第一子開關 rst_b2:第二子開關 reset_a:第一時序控制信號 reset_b:第二時序控制信號 φ1:第三時序控制信號 φ2:第四時序控制信號 14:模數轉換電路
圖1為本申請一實施方式中指紋識別系統的系統框體。
圖2為本申請一實施方式中圖元陣列感應電路與積分電路連接的示意圖。
圖3為本申請一實施方式中圖元電路的電路結構圖。
圖4為本申請一實施方式中指紋識別模組安裝在電子設備上的示意圖。
圖5為圖4的指紋識別模組沿V-V面進行剖面的剖面圖。
圖6為現有指紋識別模組的剖面圖。
圖7a為現有指紋識別模組的封裝層的示意圖。
圖7b為本申請一實施方式中指紋識別模組的封裝層的示意圖。
圖8a為現有的封裝層的圖元陣列感應電路採集的指紋信號示意圖。
圖8b為本申請一實施方式中的圖元陣列感應電路採集的指紋信號示意圖。
圖9為本申請一實施方式中曲面型封裝層的弧度與圖元電路的第一金屬層的面積關係的示意圖。
圖10為本申請一實施方式中圖元陣列感應電路與積分電路的具體連接示意圖。
圖11為本申請一實施方式中圖元陣列感應電路進行指紋採集的時序圖。
21:封裝層
22:晶粒
23:PCB板
24:柔性電路板
212:弧形外表面

Claims (12)

  1. 一種指紋識別模組，包括封裝層和晶粒，所述封裝層包覆所述晶粒，其中，所述晶粒包含圖元陣列感應電路，所述圖元陣列感應電路包括多個呈矩陣分佈的圖元電路，所述圖元電路包括用於對手指指紋進行檢測的第一金屬層，且所述第一金屬層設置於所述晶粒朝向所述封裝層的一面，所述封裝層具有弧形外表面，所述封裝層的弧形外表面到所述圖元陣列感應電路的每列上的圖元電路的第一金屬層的距離與所述封裝層的弧形外表面的弧度成線性比例變化，且所述圖元陣列感應電路的每列上的圖元電路的第一金屬層的表面面積與所述封裝層的弧形外表面的弧度成線性比例變化。
  2. 如請求項1所述的指紋識別模組，其中，所述封裝層的弧形外表面到所述圖元陣列感應電路的n列上的圖元電路的第一金屬層的距離d與所述圖元陣列感應電路的n列上的圖元電路的第一金屬層的表面面積s滿足
    Figure 03_image001
    ，其中，d1、d2…dn分別為所述封裝層的弧形外表面到所述圖元陣列感應電路的第1、2…n列上的圖元電路的第一金屬層的距離；S1、S2…Sn分別為所述圖元陣列感應電路上n列的第一金屬層的表面面積，n為正整數。
  3. 如請求項2所述的指紋識別模組，其中，所述圖元電路還包括第二金屬層、第三金屬層、襯底層，所述第二金屬層及所述第三金屬層設置於所述第一金屬層及所述襯底層之間，所述第二金屬層和所述第三金屬層在所述襯底層的投影覆蓋所述第一金屬層在所述襯底層的投影，從而將所述第一金屬層與所述襯底層進行隔離，所述第一金屬層在手指接近後生成指紋信號，所述第二金屬層和所述第三金屬層交疊或錯開設置。
  4. 如請求項3所述的指紋識別模組，其中，所述指紋識別模組還包括積分電路，所述積分電路與所述圖元陣列感應電路連接，用於對所述圖元陣列感應電路生成的指紋信號進行放大；所述圖元陣列感應電路包括第一開關組、第二開關組，所述第一開關組包括第一子開關、第二子開關、第三子開關，所述第二開關組包括第一子開關、第二子開關、第三子開關；所述第二金屬層藉由所述第一開關組的第一子開關與電源電壓連接及藉由所述第二開關組的第一子開關與浮動接地端連接；所述第三金屬層藉由所述第一開關組的第二子開關與所述電源電壓連接及藉由所述第二開關組的第二子開關與第一參考電壓連接；所述第一金屬層藉由所述第一開關組的第三子開關與第一參考電壓連接及藉由所述第二開關組的第三子開關與積分電路連接。
  5. 如請求項4所述的指紋識別模組，其中，當外設狀態控制信號Tx=0時，浮動接地端的電壓VNVSS=0，當外設狀態控制信號Tx=1時，所述浮動接地端連接預設負電壓，浮動接地端的電壓VNVSS=-VTX，其中-VTX為所述預設負電壓。
  6. 如請求項5所述的指紋識別模組，其中，包括負壓輸出電路，用於提供-VTX給浮動接地端。
  7. 如請求項4所述的指紋識別模組，其中，所述積分電路包括運算放大器及回饋環路，所述運算放大器包括同相輸入端、反向輸入端及輸出端，所述同相輸入端與所述第一參考電壓相連接，藉由調整所述第一參考電壓來調整所述輸出端的輸出電壓，所述第一金屬層藉由所述第二開關組的第三子開關與所述反向輸入端連接，所述輸出端藉由所述回饋環路與所述反向輸入端連接；所述回饋環路包括回饋電容、第三開關組及第四開關組，所述回饋電容的上極板藉由所述第三開關組的第一子開關與第二參考電壓連接，所述回饋電容的下極板藉由所述第三開關組的第二子開關與所述電源電壓連接，所述回饋電容的上極板藉由所述第四開關組的第一子開關與所述反向輸入端連接，所述回饋電容的下極板藉由所述第四開關組的第二子開關與所述輸出端連接，所述反向輸入端藉由所述第三開關組的第三子開關與所述輸出端連接。
  8. 如請求項7所述的指紋識別模組，其中，所述圖元陣列感應電路提供第一時序控制信號、第二時序控制信號、第三時序控制信號及第四時序控制信號，所述第一時序控制信號與所述第二時序控制信號為相位相差180o 的時鐘信號，所述第三時序控制信號φ1與所述第四時序控制信號φ2是相位相差180o 的非交疊時鐘信號，所述第一時序控制信號用於控制所述第三開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關的開合與關閉，所述第二時序控制信號用於控制所述第四開關組的第一子開關、第二子開關的開合與關閉，所述第三時序控制信號用於控制所述第一開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關的開合與關閉，所述第四時序控制信號用於控制所述第二開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關的開合與關閉。
  9. 如請求項8所述的指紋識別模組，其中，所述圖元陣列感應電路工作步驟為： （a）起始階段；第一時序控制信號為高電平，第二時序控制信號為低電平，所述第三開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關同時導通，所述第四開關組的第一子開關、第二子開關同時斷開； （b）掃描階段：所述第一時序控制信號為低電平，所述第二時序控制信號為高電平，所述第三開關組的第一子開關、第二子開關、第三子開關同時斷開，所述第四開關組的第一子開關、第二子開關同時導通； （c）預充電階段：外設狀態控制信號TX=0，浮動接地端與接地端連接，浮動接地端的電壓VNVSS =0，所述第一開關組的第一子開關、第一開關組的第二子開關斷開，所述第一開關組的第三子開關導通，所述第二開關組的第一子開關、第二開關組的第二子開關同時導通，所述第二開關組的第三子開關斷開，所述第二金屬層連接接地端，所述第一金屬層及所述第三金屬層同時連接第一參考電壓，所述第一金屬層與所述放大器斷開； （d）電荷轉移階段，外設狀態控制信號Tx=1，浮動接地端連接預設負電壓，所述第一開關組的第三子開關由導通轉變為斷開，第二開關組的第三子開關由斷開轉變為導通，所述第一開關組的第一子開關、第一開關組的第二子開關、第二開關組的第一子開關、第二開關組的第二子開關保持狀態不變，預設負電壓-VTX=(-1)*VDD，其中VDD為電源電壓，所述第二開關組的第二子開關導通，所述放大器的反相輸入端藉由所述第二開關組的第三子開關連接至所述第一金屬層，所述放大器的輸出端和所述反相輸入端藉由所述回饋電容連接。
  10. 如請求項1所述的指紋識別模組，其中，所述指紋識別模組還包括PCB板及柔性電路板，所述PCB板設置在所述柔性電路板上，所述晶粒設置在所述PCB板上，所述封裝層包覆所述晶粒及所述PCB板。
  11. 一種指紋識別晶片，其中，包括請求項1提供的晶粒，所述晶粒包含圖元陣列感應電路，所述圖元陣列感應電路包括多個呈矩陣分佈的圖元電路，所述圖元電路包括用於對手指指紋進行檢測的第一金屬層，且所述第一金屬層設置於所述晶粒且朝向覆蓋所述晶粒的封裝層，所述第一金屬層的表面面積與覆蓋其上方的封裝層的厚度成線性比例變化。
  12. 一種電子設備，其中，所述電子設備採用請求項11提供的指紋識別晶片。
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