TW202205137A

TW202205137A - 指紋感測裝置

Info

Publication number: TW202205137A
Application number: TW110113020A
Authority: TW
Inventors: 王地寶; 范成至
Original assignee: 神盾股份有限公司
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-02-01
Also published as: CN214704663U; TWM616810U; CN112949603A; US20220019753A1; TWI777485B

Abstract

一種指紋感測裝置。驅動電路於發射期間驅動電容性微機械超音波換能器陣列發射平面超音波至手指而產生反射超音波信號。電容性微機械超音波換能器於接收期間接收反射超音波信號而產生多個感測電流信號。感測電路感測電容性微機械超音波換能器輸出的感測電流信號而產生指紋感測信號。

Description

指紋感測裝置

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種指紋感測裝置。

現今指紋辨識廣泛運用於各種電子產品上，又以可攜式行動裝置例如是手機（Smart phone）、平板電腦（Tablet computer）最為常見。應用於智慧型手機的指紋辨識，目前常見的指紋感測裝置可分為光學式、電容式、超音波式等。常見的超音波式指紋感測裝置為利用壓電式微機械超音波換能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, PMUT）來發射與接收超音波，以進行指紋感測。由於壓電式微機械超音波換能器需較高的交流驅動電壓(100~200V)，且需製作於矽基板上以與互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)電路製作在一起，因此製作成本較高，而不適於應用在大面積指紋感測。

本發明提供一種指紋感測裝置，可大幅降低超音波式指紋感測裝置的製作成本，而適於在大面積指紋感測中應用。

本發明的指紋感測裝置包括信號發射接收層、驅動電路、感測電路層以及基板。信號發射接收層包括由多個電容性微機械超音波換能器形成的電容性微機械超音波換能器陣列。驅動電路耦接電容性微機械超音波換能器陣列，於發射期間驅動電容性微機械超音波換能器陣列發射平面超音波至手指而產生多個反射超音波信號，電容性微機械超音波換能器於接收期間接收反射超音波信號而產生多個感測電流信號。感測電路層包括多個感測電路，此些感測電路分別耦接對應的電容性微機械超音波換能器，感測電容性微機械超音波換能器輸出的感測電流信號而產生多個指紋感測信號。感測電路層形成於基板上，信號發射接收層形成於感測電路層上，其中基板為玻璃基板或矽基板。

基于上述，本發明實施例的驅動電路可於發射期間驅動微機械超音波換能器陣列發射平面超音波至手指而產生反射超音波信號，微機械超音波換能器可於接收期間接收反射超音波信號而產生多個感測電流信號，感測電路感測微機械超音波換能器輸出的感測電流信號而產生指紋感測信號。相較於使用壓電式微機械超音波換能器進行指紋感測，使用微機械超音波換能器進行指紋感測所需的交流驅動電壓較低。此外由於微機械超音波換能器可形成於玻璃基板上，相較於使用矽基板的製作方式可大幅節省製作成本，而適於在大面積指紋感測中應用。

圖1是依照本發明的實施例的一種指紋感測裝置的示意圖，請參照圖1。指紋感測裝置可包括驅動電路102、信號發射接收層104、感測電路層106、基板108以及處理電路112，其中感測電路層106形成於基板108上，信號發射接收層104形成於感測電路層106上，基板108例如為玻璃基板或矽基板。信號發射接收層104耦接驅動電路102，感測電路層106耦接處理電路112。信號發射接收層104包括由多個電容性微機械超音波換能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT）CM1~CMN形成的電容性微機械超音波換能器陣列，驅動電路102耦接電容性微機械超音波換能器陣列，此外感測電路層106可例如以薄膜電晶體(TFT)製程形成於玻璃基板上或以互補金氧半導體(CMOS)製程形成於矽基板上的方式來製作，感測電路層106包括多個感測電路SA1~SAN以及選擇電路110，其中N為正整數。為便於說明圖1僅繪示出3個電容性微機械超音波換能器CM1~CM3以及3個感測電路SA1~SA3，然實際應用並不以此為限。

進一步來說，以電容性微機械超音波換能器CM1為例，各個電容性微機械超音波換能器可包括電極層E1、E2以及介電層DE1，其中介電層DE1配置於電極層E1與E2之間，且介電層DE1與電極層E2間形成空腔VA1。其中電極層E1與E2的材料可例如包括鋁、鎳、鈦、銅或銀，電極層E1與E2的厚度介於0.1um~1.5um，介電層DE1的材料可包括二氧化矽、氧化鋁或氮化矽，介電層DE1的厚度介於0.1um~1.5um，介電層DE1與電極層E2的間隙介於0.03um~0.5um。電極層E1耦接至驅動電路102，而電極層E2則耦接對應的感測電路SA1，此外選擇電路110耦接感測電路SA1~SA3以及處理電路112。在部份實施例中，驅動電路102可如圖2所示，包括直流電壓產生電路Vdc以及波形產生電路Vac，其中直流電壓產生電路Vdc耦接電容性微機械超音波換能器陣列以及波形產生電路Vac。

驅動電路102可於發射期間輸出驅動信號S1驅動電容性微機械超音波換能器陣列發射平面超音波至手指而產生多個反射超音波信號，各個電容性微機械超音波換能器可於接收期間接收此些反射超音波信號而產生多個感測電流信號IS1~ISN。進一步來說，在發射期間，波形產生電路Vac可提供具有預設波形的交流電壓，而直流電壓產生電路Vdc提供直流電壓，舉例來說，如圖3所示的驅動信號S1，在發射期間TA，波形產生電路Vac可提供方波信號與直流電壓產生電路Vdc提供的直流電壓疊加，而產生如圖3所示的驅動信號S1。各個電容性微機械超音波換能器的電極層E1接收到驅動信號S1後，電極層E1與電極層E2間的電場將因驅動信號S1變動，使電極層E1與電極層E2反應驅動信號S1產生振動，而產生超音波信號，進而使電容性微機械超音波換能器陣列發射平面超音波至使用者的手指，平面超音波經手指反射後產生多個反射超音波信號。

其中在發射期間TA結束後，波形產生電路Vac可停止提供交流電壓，以使電容性微機械超音波換能器陣列停止發射平面超音波，而直流電壓產生電路Vdc仍持續提供直流電壓。在接收期間，電容性微機械超音波換能器SA1~SAN的電極層E1與E2間的電場將因接收到反射超音波信號而產生變化，從而產生對應的感測電流信號IS1~ISN。

感測電路SA1~SAN可分別接收感測電流信號IS1~ISN，並依據感測電流信號IS1~ISN產生多個指紋感測信號FS1~FSN，其中指紋感測信號FS1~FSN分別與感測電流信號IS1~ISN呈比例關係。選擇電路110可依據行列選擇信號選擇輸出指紋感測信號FS1~FSN至處理電路112，以使處理電路112依據指紋感測信號FS1~FSN產生指紋影像，並對指紋影像進行指紋辨識處理。

如此藉由電容性微機械超音波換能器來進行指紋感測可降低所需的交流驅動電壓。此外，包括電容性微機械超音波換能器的信號發射接收層104可與感測電路層106以同一TFT製程形成於玻璃基板上，而不需分別以不同製程製作而後再進行接合的方式製作，相較於使用矽基板的製作方式可大幅節省成本，而適於在大面積指紋感測中應用。

值得注意的是，在部份實施例中，驅動電路102產生的波形並不限定於方波。舉例來說，圖4是依照本發明一實施例的一種驅動電路的示意圖。相較於圖2實施例，本實施例的驅動電路102除了直流電壓產生電路Vdc與直流電壓產生電路Vdc外，還包括電阻R、電感L以及電容C，其中電阻R耦接於直流電壓產生電路Vdc與電感L的一端，電感L的另一端耦接驅動電路102的輸出端，電容C耦接於驅動電路102的輸出端與參考電壓(在本實施例中參考電壓為接地，然不以此為限)之間。藉由電阻R、電感L以及電容C可使驅動電路102產生如圖5所示的單頻脈衝調制信號（tone burst）般的驅動信號S1。

圖6是依照本發明實施例的一種感測電路的示意圖。詳細來說，各感測電路的實施方式可例如圖6所示，包括電阻R1、讀取電晶體M1，整流二極體D1以及電容C1。以感測電路SA1為例，電阻R1耦接於讀取電晶體的第一端與接地之間，讀取電晶體M1的第一端耦接對應的電容性微機械超音波換能器CM1的輸出端，整流二極體D1的陽極端與陰極端分別耦接讀取電晶體M1的第二端與感測電路SA1的輸出端之間，電容C1耦接於整流二極體D1的陰極端與接地之間。讀取電晶體M1的控制端可於接收期間接收讀取控制信號VRD，讀取電晶體M1受控於該讀取控制信號而於讀取期間進入導通狀態，其中讀取期間包含於接收期間內。進一步來說，由於電容性微機械超音波換能器陣列於發射期間發射平面超音波後，需經過一段時間才會轉變為反射超音波信號並回到電容性微機械超音波換能器陣列，因此，各感測電路可於電容性微機械超音波換能器陣列於發射期間發射平面超音波後經過一段預設時間被致能，如圖7所示，讀取控制信號VRD可在電容性微機械超音波換能器陣列於發射期間發射平面超音波後，經過一段預設時間T1才轉為高電壓準位，而使讀取電晶體M1進入導通狀態，以對感測電流信號IS1進行取樣。感測電流信號IS1可透過整流二極體D1以及電容C1轉變為指紋感測信號FS1而被感測電路SA1輸出。值得注意的是，在部份實施例中，讀取電晶體M1在接收期間內可多次地進入讀取期間，以在不同的時間點取樣出多個指紋感測信號，以供處理電路112據以產生指紋影像。

圖8是依照本發明另一實施例的感測電路的示意圖。在本實施例中，各感測電路的實施方式可例如圖8所示，包括重置電晶體M2、轉換電晶體M3、讀取電晶體M4，整流二極體D2以及電容C2、C3。以感測電路SA1為例，重置電晶體M2的第一端耦接重置電壓VB1，重置電晶體M2的第二端耦接對應的電容性微機械超音波換能器CM1，重置電晶體M2的控制端耦接重置控制信號。整流二極體D2的陽極端與陰極端分別耦接於重置電晶體的第一端與第二端。電容C2耦接於整流二極體D2的陰極端與接地之間。轉換電晶體M3的控制端耦接整流二極體D2的陰極端，轉換電晶體M3的第一端耦接電源電壓VCC。讀取電晶體M4的第一端耦接轉換電晶體M3的第二端，讀取電晶體M4的第二端耦接感測電路SA1的輸出端，讀取電晶體M4的控制端接收讀取控制信號VRD。此外，電容C3耦接於讀取電晶體的第二端與接地之間。

在重置期間，重置電晶體M2可受控於重置控制信號VRST而於重置期間進入導通狀態，以使重置電壓VB1重置轉換電晶體M3的控制端的電壓。在接收期間，轉換電晶體M3可反應電容性微機械超音波換能器SA1提供的感測電流信號IS1而於轉換電晶體M3的第二端產生對應的指紋感測信號FS1，讀取電晶體FS1則可受控於讀取控制信號VRD而於讀取期間進入導通狀態，以將此指紋感測信號FS1透過選擇電路110傳送給處理電路112進行指紋辨識處理。

值得注意的是，上述實施例為以電容性微機械超音波換能器陣列為例進行說明，然不以此為限，在其他實施例中，電容性微機械超音波換能器陣列也可改以由多個壓電性微機械超音波換能器形成的壓電性微機械超音波換能器陣列或由多個壓電薄膜微機械超音波換能器形成的壓電薄膜微機械超音波換能器陣列實施。

綜上所述，本實施例的驅動電路可於發射期間驅動微機械超音波換能器陣列發射平面超音波至手指而產生反射超音波信號，微機械超音波換能器可於接收期間接收反射超音波信號而產生多個感測電流信號，感測電路感測微機械超音波換能器輸出的感測電流信號而產生指紋感測信號。相較於使用壓電式微機械超音波換能器進行指紋感測，使用微機械超音波換能器進行指紋感測所需的交流驅動電壓較低，此外由於微機械超音波換能器可形成於玻璃基板上，相較於使用矽基板的製作方式可大幅節省製作成本，而適於在大面積指紋感測中應用。

102:驅動電路 104:信號發射接收層 106:感測電路層 108:基板 110:選擇電路 112:處理電路 CM1~CMN:電容性微機械超音波換能器 SA1~SAN:感測電路 E1、E2:電極層 DE1:介電層 VA1:空腔 Vdc:直流電壓產生電路 Vac:波形產生電路 IS1~ISN:感測電流信號 TA:發射期間 IS1~ISN:感測電流信號 FS1~FSN:指紋感測信號 R、R1:電阻 L:電感 C、C1~C3:電容 M1、M4:讀取電晶體 D1、D2:整流二極體 VRD:讀取控制信號 T1:時間 M2:重置電晶體 M3:轉換電晶體 VB1:重置電壓 VCC:電源電壓

圖1是依照本發明實施例的一種指紋感測裝置的示意圖。圖2是依照本發明另一實施例的一種指紋感測裝置的示意圖。圖3是依照本發明實施例的一種驅動信號的示意圖。圖4是依照本發明一實施例的一種驅動電路的示意圖。圖5是依照本發明另一實施例的驅動信號的示意圖。圖6是依照本發明實施例的一種感測電路的示意圖。圖7是依照本發明實施例的一種感測電流信號、讀取控制信號以及指紋感測信號的波形圖。圖8是依照本發明另一實施例的感測電路的示意圖。

102:驅動電路

104:信號發射接收層

106:感測電路層

108:基板

110:選擇電路

112:處理電路

CM1~CM3:電容性微機械超音波換能器

SA1~SA3:感測電路

E1、E2:電極層

DE1:介電層

VA1:空腔

Claims

一種指紋感測裝置，包括：一信號發射接收層，包括由多個電容性微機械超音波換能器形成的電容性微機械超音波換能器陣列；一驅動電路，耦接該電容性微機械超音波換能器陣列，於一發射期間驅動該電容性微機械超音波換能器陣列發射一平面超音波至一手指而產生多個反射超音波信號，該些電容性微機械超音波換能器於一接收期間接收該些反射超音波信號而產生多個感測電流信號；一感測電路層，包括多個感測電路，該些感測電路分別耦接對應的電容性微機械超音波換能器，感測該些電容性微機械超音波換能器輸出的該些感測電流信號而產生多個指紋感測信號；以及一基板，該感測電路層形成於該基板上，該信號發射接收層形成於該感測電路層上，其中該基板為玻璃基板或矽基板。
如請求項1所述的指紋感測裝置，其中該感測電路層還包括：一選擇電路，耦接該些感測電路，依據一行列選擇信號選擇輸出該些指紋感測信號。
如請求項1所述的指紋感測裝置，其中該些指紋感測信號分別與該些感測電流信號呈比例關係。
如請求項2所述的指紋感測裝置，還包括：一處理電路，耦接該選擇電路，依據該些指紋感測信號產生一指紋影像，並對該指紋影像進行指紋辨識處理。
如請求項1所述的指紋感測裝置，其中各電容性微機械超音波換能器包括：一第一電極層，耦接該驅動電路；一介電層；以及一第二電極層，耦接對應的感測電路，該介電層配置於該第一電極層與該第二電極層之間，該第一電極層與該第二電極層間具有一空腔，該驅動電路提供一驅動信號至該第一電極層，使該第一電極層與該第二電極反應該驅動信號振動，以發射一超音波信號，該第二電極層於該接收期間反應該第一電極層與該第二電極層間的電容值變化產生一感測電流信號。
如請求項5所述的指紋感測裝置，其中該介電層與該第二電極層間的電容間隙介於0.03-0.5µm。
如請求項1所述的指紋感測裝置，其中該驅動電路包括：一直流電壓產生電路，提供一直流電壓；以及一波形產生電路，與該直流電壓產生電路串接於該些電容性微機械超音波換能器與參考電壓之間，於該發射期間提供具有一預設波形的一交流電壓。
如請求項7所述的指紋感測裝置，其中該驅動電路還包括：一電阻，其第一端耦接該波形產生電路；一電感，其第一端耦接該電阻的第二端，該電感的第二端耦接該些電容性微機械超音波換能器；以及一電容，耦接於該電感的第二端與參考電壓之間。
如請求項8所述的指紋感測裝置，其中各感測電路於該電容性微機械超音波換能器陣列發射該平面超音波後經過一段預設時間被致能。
如請求項所7述的指紋感測裝置，其中該預設波形為方波。
如請求項1所述的指紋感測裝置，其中各感測電路包括：一讀取電晶體，其第一端耦接對應的電容性微機械超音波換能器的輸出端，該讀取電晶體的控制端接收一讀取控制信號，該讀取電晶體受控於該讀取控制信號而於一讀取期間進入導通狀態；一電阻，耦接於該讀取電晶體的第一端與參考電壓之間；一整流二極體，其陽極端與陰極端分別耦接該讀取電晶體的第二端與對應的感測電路的輸出端之間；以及一電容，耦接於該整流二極體的陰極端與該參考電壓之間。
如請求項11所述的指紋感測裝置，其中各感測電路於該電容性微機械超音波換能器陣列發射該平面超音波後經過一段預設時間被致能。
如請求項1所述的指紋感測裝置，其中各感測電路包括：一重置電晶體，其第一端耦接一重置電壓，該重置電晶體的第二端耦接對應的電容性微機械超音波換能器，該重置電晶體的控制端耦接一重置控制信號，該重置電晶體受控於該重置控制信號而於一重置期間進入導通狀態；一整流二極體，其陽極端與陰極端分別耦接於該重置電晶體的第一端與第二端；一第一電容，耦接於該整流二極體的陰極端與參考電壓之間；一轉換電晶體，其控制端耦接該整流二極體的陰極端，該電晶體的第一端耦接一電源電壓，反應該對應的電容性微機械超音波換能器提供的感測電流信號而於該轉換電晶體的第二端產生對應的指紋感測信號；一讀取電晶體，其第一端耦接該轉換電晶體的第二端，該讀取電晶體的第二端耦接對應的感測電路的輸出端，該讀取電晶體的控制端接收一讀取控制信號，該讀取電晶體受控於該讀取控制信號而於一讀取期間進入導通狀態；以及一第二電容，耦接於該讀取電晶體的第二端與該參考電壓之間。
如請求項13所述的指紋感測裝置，其中各感測電路於該電容性微機械超音波換能器陣列發射該平面超音波後經過一段預設時間被致能。
如請求項11或13所述的指紋感測裝置，其中該讀取期間包含於該接收期間內。