TWI441087B - 含有差動量測電路的手指感測裝置及相關方法 - Google Patents

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Description

含有差動量測電路的手指感測裝置及相關方法
本發明係關於電子領域，且更特定而言，係關於手指感測裝置及有關方法。
本申請案係基於於2010年10月8日申請的先前已申請之同在申請中的臨時申請案第61/391,327號，該申請案之全部標的物以全文引用之方式併入本文中。
指紋感測及匹配為用於個人識別或驗證之可靠且廣泛使用之技術。詳言之，指紋識別之常見做法涉及掃描樣本指紋或樣本指紋之影像，及儲存影像及/或指紋影像之唯一特性。可將樣本指紋之特性與已經處於資料庫中之參考指紋之資訊比較，以判定對個人之適當識別(諸如)以達成驗證目的。
近年來，使用射頻(RF)電場顯影指紋型樣之電子表示以建置高品質電子指紋感測裝置成為實務的且經濟的。已將此等裝置製造為單晶矽基板上之標準CMOS積體電路。此等製程允許將用以自感測器之像素或感測電極中之每一者讀取信號所必要的電子結構製造於該等像素之正下方。對於電路之足夠效能而言，將信號調節電子設備或感測放大器定位於像素下為重要的。
一種此RF指紋感測裝置揭示於Setlak等人之美國專利第5,940,526號中，且已讓與給本發明之受讓人。該專利揭示了一種積體電路指紋感測器，該積體電路指紋感測器包括用以提供指紋摩擦脊及谷之準確影像的一RF感測電極陣列。更特定而言，例如，RF感測准許對剛好在皮膚之表面下方的活組織成像以減少電子欺騙。Setlak等人之專利的全部內容以引用之方式併入本文中。
指紋感測裝置之另一實例揭示於Knapp之美國專利第5,325,442號中。該指紋感測裝置具有分別藉由列導體集合及行導體集合而耦接至一驅動電路及一感測電路的感測元件之一列/行陣列。該等感測元件可藉由該驅動電路來主動定址。每一感測元件包括一感測電極及一用於主動定址彼感測電極之切換裝置(諸如，一薄膜電晶體(TFT)切換裝置)。該等感測電極由絕緣材料覆蓋且用於接收手指。藉由該感測電路藉由將一電位施加至該等感測電極且量測充電特性來感測由個別手指表面部分結合感測電極所產生之電容。
在歷史上，電子積體電路大體上藉由使用關於較小電子裝置幾何形狀之製造程序來達成減少之製造成本。在較小裝置幾何形狀之情況下，電路自身變得較小，從而使用較少矽，且因此製造成本較少。然而，電子指紋感測器大體上無法製成小於需要成像之手指皮膚之區域。較小組件幾何形狀可能不會顯著地減少指紋感測器之晶粒大小或成本。較小組件幾何形狀之僅有的結果中之一者可能為感測器像素下的未使用之矽空間。
用以減少指紋感測之成本之一做法為設計可使用皮膚之較小區域之影像有效地運作的系統。此做法已用於多種裝置中。第二做法係使用滑動感測器。在滑動感測器之情況下，手指或感測器在資料擷取程序期間移動，此情形允許小感測器產生較大片皮膚之影像。然而，滑動感測器可能經受顯著影像失真，及/或滑動感測器可能提供不便利之使用者範式。
當可能需要自定位於遠離一手指感測像素陣列相對較大距離處之手指感測手指影像時，亦可能存在影像失真或雜訊。舉例而言，可能需要擴展基於電場之指紋感測器之範圍，以使得該等指紋感測器可通過顯著較厚之介電材料(諸如，模製塑膠結構)對手指成像。
用於個人電子裝置(諸如，膝上型電腦及蜂巢式電話)中的基於積體電路之指紋感測器可大體上有效地感測手指以用於達成使用者身分識別鑑認。然而，此等手指感測器大體上需要將手指置放成極接近於手指感測像素陣列。對極接近於使用者之手指之需要通常使得將此等裝置以機械方式封裝且整合至其主機產品中更困難且更昂貴。
舉例而言，用以解決此等裝置之積體電路封裝之一些做法包括模製中的具有一開口之特殊模製封裝，其允許手指極接近於陣列；及薄的撓曲電路基板上之特製封裝，其允許將手指置放成接近於感測陣列。特製封裝增加此等感測器之成本。
對使使用者之手指接近於手指感測像素陣列的需要可限制可置放於彼陣列之上之材料的厚度，此情形可日益約束陣列區域之上之保護性塗層與裝飾性塗層兩者的使用。將此等感測器以機械方式整合至其主機裝置中通常需要手指感測器突出穿過主機裝置之機箱中的孔，以使得可將手指感測像素陣列定位成與機箱之外表面大約齊平。
然而，此等安裝配置之負面態樣可包括用以密封主機裝置機箱中用於手指感測器之開口以抵抗濕氣、灰塵及其他污染物之進入的增加之困難及成本。另外，機箱中具有使得手指感測器藉以突出之開口可能在裝飾上不可為主機裝置之意欲外觀所接受，且在一些裝置中，將手指感測器安裝於機箱中之開口中可能為困難的及昂貴的。
鑒於前述[先前技術]，因此，本發明之一目標係提供一種手指感測裝置，其可自定位於距手指感測像素陣列一相對較大距離處之一手指產生一減少雜訊之手指影像。
根據本發明之此目標、特徵及優點及其他目標、特徵及優點係藉由一種手指感測裝置來提供，該手指感測裝置可包括一手指感測像素陣列以接收鄰近於該手指感測像素陣列之一使用者之手指。每一手指感測像素可包括一手指感測電極。該手指感測裝置可包括一手指驅動電極，其經組態以將一驅動信號經該使用者之手指耦接至該手指感測像素陣列；及差動像素量測電路，其耦接至該手指感測像素陣列且經組態以產生對該等手指感測像素之鄰近對的複數個像素間差異量測。因此，該手指感測裝置可自定位於距該手指感測像素陣列一相對較大距離處之一手指產生一減少雜訊之手指影像。
該手指感測裝置可進一步包括在該等手指感測像素之上之一覆蓋層，例如，該覆蓋層具有在100微米至900微米之一範圍內的一厚度。該差動像素量測電路可包括平衡差動像素量測電路。該平衡差動像素量測電路可包括一各別差動放大級，其耦接至每一手指感測像素之每一手指感測電極；及切換電路，其用以針對該等手指感測像素之該等鄰近對以一差動組態選擇性地耦接差動放大級之各別對。舉例而言，該平衡差動像素量測電路亦可包括一耦接至該切換電路之輸出級。
該手指感測像素陣列可包括手指感測像素之列及行。舉例而言，該差動像素量測電路可包括切換電路，其用於產生對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對的該複數個像素間量測。舉例而言，該手指感測裝置可進一步包括影像產生電路，其耦接至該差動量測電路且經組態以基於對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對的該等像素間量測而產生一複合手指影像。
該影像產生電路可進一步包括耦接至該差動量測電路之核心濾波電路。舉例而言，該手指感測裝置可進一步包括一半導體基板。該手指感測像素陣列可處於該半導體基板上。該手指感測裝置可進一步包括耦接至該手指驅動電極之一射頻驅動信號產生器。
一方法態樣係有關一種感測一手指之方法，該方法可包括接收鄰近一手指感測像素陣列之一使用者之手指，每一手指感測像素包含一手指感測電極。舉例而言，該方法亦可包括經由一手指驅動電極將一驅動信號經該使用者之手指耦接至該手指感測像素陣列。舉例而言，該方法可進一步包括使用耦接至該手指感測像素陣列之差動像素量測電路產生對該等手指感測像素之鄰近對的複數個像素間差異量測。
現將在下文中參看展示本發明之較佳實施例之隨附圖式更完全地描述本發明。然而，本發明可以許多不同形式體現且不應被解釋為限於本文中所闡述之實施例。實情為，提供此等實施例以使得本發明將為澈底的且完整的，且向熟習此項技術者完全地傳達本發明之範疇。貫穿本發明之相似數字指代相似元件，且在替代實施例中，單撇及多撇標記法用以指示類似元件。
最初參看圖1，手指感測裝置20包括一手指感測像素陣列30以接收鄰近於手指感測像素陣列30之使用者之手指21。手指感測像素陣列30係藉由半導體基板22來載運。如熟習此項技術者應瞭解，手指感測像素陣列30可為任何陣列大小。每一手指感測像素31可為電場感測像素。在一些實施例中，每一手指感測像素可為一(例如)電容性感測像素，或其他類型之感測像素。每一手指感測像素31包括一手指感測電極32。手指驅動電極33經組態以將驅動信號經使用者之手指21耦接至手指感測像素陣列30。當然，手指驅動電極33可經一個以上使用者之手指耦接驅動信號，且可使用一個以上手指驅動電極。射頻驅動信號產生器36耦接至手指驅動電極33。
如熟習此項技術者應瞭解，手指感測裝置20藉由將小電信號自手指驅動電極33注入至使用者之手指21之皮膚的導電層中而操作。接著量測由皮膚之導電層產生的電場之形狀。
手指驅動電極33可經組態而以兩種方式中之一者將小電信號注入至使用者之手指中。手指驅動電極33可經組態而以接觸電極手指驅動方式操作。或者或另外，手指驅動電極33可經組態而以絕緣電極手指驅動方式操作。手指驅動電極33可經組態以使用其他技術(例如，電感應及磁感應技術)操作。
當手指驅動電極33經組態而以接觸電極手指驅動方式操作時，導電表面與使用者之手指21之表面直接電接觸。手指驅動電極33上之電信號以變化程度之衰減耦接至使用者之手指21中，其中衰減取決於手指對電極之接觸面積之大小，且取決於手指皮膚自身之電學性質。應注意，手指皮膚之電學性質可在若干數量級之範圍內因人而異且因時刻而異。
圖2之曲線圖中所說明之曲線81、82、83、84係自電學模型化而導出且展示依據接觸面積及皮膚電學性質而定的使用者之手指21內的驅動信號衰減。皮膚電學性質在極厚乾燥皮膚(曲線圖之左側處)至薄濕潤皮膚(曲線圖之右側處)的範圍內。四個不同曲線表示四個不同手指接觸面積，其中上部曲線81表示最大面積且下部曲線84表示最小面積。
當手指驅動電極33經組態而以絕緣電極手指驅動方式進行時，導電電極與使用者之手指21之表面分離達一絕緣材料之厚度。絕緣電極上之電信號電容性地耦接至附近皮膚表面。對於絕緣電極，歸因於耦接而產生之信號衰減取決於以下若干參數之組合：包括接近於電極之皮膚之區的面積、電極與手指之間的絕緣材料之厚度、彼絕緣材料之電學性質，及手指皮膚自身之電學性質。
自電學模型化導出的圖3之曲線圖中所說明之曲線針對以下各配置比較手指驅動信號衰減：直接接觸手指驅動配置85、86、87、88與典型的絕緣手指驅動配置89、90、91、92(在手指皮膚電學性質之範圍內)。
以下情形可為重要的：注意到，絕緣手指驅動系統傾向於減少乾燥厚皮膚手指與濕潤薄皮膚手指之間的驅動信號衰減之變化。在上文之實例中，絕緣驅動以直接驅動系統之動態範圍之二分之一來處置手指皮膚變化。大體而言，若將固定電壓升高施加至絕緣手指驅動電極系統以克服平均衰減之差異，則所得系統可能需求比直接驅動系統顯著小之動態範圍以處置手指皮膚變化(如藉由曲線89、90、91、92展示)。如熟習此項技術者應瞭解，此配置減少在經由較厚絕緣材料對手指成像時維持較大系統動態範圍之問題。
手指感測像素陣列30包括手指感測像素之列及行。手指感測像素31之二維陣列常常用以藉由量測受遠端目標物件(例如，使用者之手指21)影響之能量場的強度來量測遠端物件之形狀。通常，使用由陣列30之每一像素31量測之能量來設定遠端物件之影像中之像素值。此遠端感測之實例為：並未接觸感測器陣列但藉由各種厚度之保護性材料而與彼陣列分離的手指之指紋型樣的量測。在此類型之典型系統中，隨著目標物件進一步遠離手指感測像素陣列移動，形狀資訊(壓印於基礎場(underlying field)上之空間信號)變得衰減。
為了在使用者之手指距感測器陣列一顯著距離時更有效地量測表示使用者之手指形狀資訊的衰減之空間信號，手指感測裝置20'包括差動像素量測電路40，差動像素量測電路40耦接至手指感測像素陣列30且經組態以產生對手指感測像素31之鄰近對的複數個像素間差異量測。
如下文將進一步詳細描述，差動像素量測電路40有利地解決以下問題：自具有較大總信號之手指感測像素31之間的極小信號差異量測形狀資訊，及在存在較強的較低空間頻率信號之情況下量測衰減的高空間頻率信號。差動量測電路40亦有利地在減少雜訊之同時量測弱空間信號。如熟習此項技術者應瞭解，差動像素量測電路40可使用空間類比至三角積分時間序列量測以實現上文所註釋之目標。
在用以量測指紋之電場手指感測像素陣列中更顯而易見形狀資訊隨距離之衰減。可將諸如此等手指感測裝置中所使用之RF電場模型化為簡單擴散場，且在此模型中分析空間資訊衰減。
圖4中之曲線圖說明作為2-D平面中之場強度之說明的場擴散模擬之結果。在曲線圖中，載送形狀資訊之量為空間正弦波之峰值與谷值之間的差。曲線圖說明由空間上變化之電場強度源產生之場(在曲線圖之右側)如何隨距源之距離增加而衰減。此模擬說明待解決的更準確地量測遠離手指感測像素陣列之指紋型樣之形狀的問題中之一些問題。
另外，對於不同空間頻率下之資訊，場信號中之形狀資訊之衰減可能不均勻。在並不使用聚焦機構的包括基於電場之手指感測像素的手指感測裝置中，根據熟知的場擴散方程式，較高空間頻率通常比較低空間頻率衰減得多。曲線93、94、95、96分別說明針對16個像素、8個像素、4個像素及2個像素之距離對調變比。圖5之曲線圖說明指示衰減如何取決於被量測之形狀之空間頻率內容的模擬之結果。圖5之曲線圖使用調變比作為y軸上之相對信號強度之正規化指示。最大大小93(在此模擬中，16個像素)之特徵具有最低空間頻率，且隨增加之距離而經歷最小衰減。
基於圖4中之曲線圖，形狀信號(峰值與谷值之間的差)隨著移動至曲線圖上之左側而衰減得比場之平均值快得多。因此，在存在大得多之平均信號之情況下，處於手指感測像素之遠端陣列處之信號可具有極小像素至像素差異。最終，為了再現指紋型樣形狀，可自較大總像素信號提取小峰值至谷值差。
可自手指感測裝置內之若干點處的較大總信號提取小差異信號。提取函數之每一可能位置可具有各種優點及缺點。最佳選擇可取決於系統之特定細節且可隨手指感測裝置而變化。所特定關注的為以下約束：載運表示為較大信號之間的小差異之資訊的整個系統之部分必須具有較大動態範圍。藉由較早地將提取小像素至像素信號(或相反地將較大共同信號設為空值)之程序置放於處理鏈中，可以提取/設空值點處之某一複雜性增加為代價來減小手指感測裝置之剩餘部分之動態範圍。
抑制感測器自身處或放大級中之較大共同信號(上文所論述)可用於減小下游信號處理及影像處理之動態範圍。在一方法中，系統將激勵信號(或所接收信號在陣列上之平均)之反相(且可能經相移以用於AC感測)版本同等地施加至手指感測像素陣列。可視情況而在成像期間調整反相信號之振幅以達成最佳空值。可移除饋送至後續放大級之所得信號的大多數較大共模信號，以使得可放大該等小像素至像素變化而不需要來自放大器之過量動態範圍。
如熟習此項技術者應瞭解，在基於電場之手指感測裝置中，可藉由將載運反相信號之小電極置放於天線板之下而在電場感測像素天線處直接注入反相信號。藉由抑制天線處的相對較強之共同信號，可使用高增益、低雜訊感測放大器而不考慮飽和。
用於抑制手指感測像素陣列處之較大平均信號之反相信號插入機構為有利的，甚至在使用下文所論述之機構時亦如此，此係因為其可限制在感測放大器輸入端處所見之共模電壓。
在一實施方案中，來自手指感測像素群組之平均所接收信號可用以建立接著用作抑制信號源之信號。此機構藉由取決於情形使抑制信號變化而允許感測像素陣列適應於不同總信號位準。產生平均信號之一種方式為使當前可能未被掃描之一手指感測像素群組互連，且量測在此互連之像素群組上顯影的平均信號。在現實使用中，手指感測像素之實體陣列通常包括發生故障之小數目個像素。手指感測裝置應繼續以可能的最小中斷量操作而不管發生故障之像素。計算集中趨勢信號(其不如平均信號對小數目個像素之故障敏感)之一種方法為產生中值信號。
現另外參看圖6中之示意圖，說明濾波器電路60，濾波器電路60充當可產生用於抑制架構之類比部分中之較大共同信號的信號的加權中值濾波器。濾波器電路60可單獨或與額外濾波器或濾波技術(例如，下文進一步詳細描述之差動量測電路40)一起用於手指感測裝置20中。濾波器電路60包括差動放大器61a至61k，及待耦接至每一手指感測像素之對應電阻器62a至62k。可藉由電流加總電阻器62之相對值來判定像素加權因子。通過加總電阻器62之電壓Vrx 藉由Vrx =V+若(Vpx >Vm)及Vrx =V-若(Vpx <=Vm)來判定。Vm為中值電壓且Vp 為像素饋送電壓。可將加權中值濾波器表達為：對於n=1至k，Σ(Vrn -Vm)*Rn =0。
如自圖5中之曲線圖可見，在表示特定距離處之遠端形狀之信號中所見的衰減之量可依據彼形狀資訊之空間頻率內容而變化。因此，遠端形狀之準確量測可能需要空間頻率敏感補償或基本上空間濾波。
可在手指感測裝置內之若干不同處執行空間頻率補償。可在類比放大級中於手指感測像素陣列處直接應用空間濾波，或在影像產生及處理級中之資料轉換之後以數位方式應用空間濾波。如先前關於用於空間頻率補償之上游級的較大動態範圍及較早將彼補償併入於信號流中之成本對所需動態範圍之減少所論述，此處進行相同種類之取捨。
另外參看圖7a至圖7c，說明距感測器陣列一距離處的指紋之量測中的不需要之較強低空間頻率資訊的效應。圖7a說明自鄰近手指感測像素陣列而量測的使用者之手指之指紋。圖7b說明藉由相對遠離使用者之手指的手指感測像素陣列量測的相同使用者之手指。說明低於指紋頻率之空間頻率下之主要能量。圖7c說明在數位空間濾波之後的相同指紋。說明性地，數位空間濾波不能夠自4-位元灰度影像提取完全脊型樣。
數位影像之空間濾波為熟習此項技術者所充分理解，且可於手指感測裝置中之影像處理級處應用數位影像之空間濾波。可在手指感測像素及放大器層級處藉由將來自陣列中之多個感測器之信號施加至經組態以實施用於濾波之卷積核心函數的類比加總及差動區塊而應用空間頻率補償。
被動阻抗平面(諸如，在Setlak等人之美國專利第6,067,368號中所描述之彼被動阻抗平面，該專利之全部內容以引用之方式併入本文中)可經組態以充當空間高通濾波器，或充當銳利化調整遮罩濾波器，從而提供一種形式之空間頻率補償。如熟習此項技術者應瞭解，可應用空間濾波器之多種類比及數位實施方案。
另外，可應用諸如經由差動像素量測電路40之差動像素量測(下文進一步詳細論述)之方法以減少低空間頻率信號以免支配系統前端動態範圍，且允許在影像處理級中建構空間頻率補償之形狀信號。
隨著手指感測裝置量測愈來愈小之信號，拒絕雜訊或將雜訊設為空值之能力變得愈來愈重要。舉例而言，關於手指感測裝置之感測級的共同雜訊源可包括外部干擾、激勵雜訊、本質感測器雜訊、來自手指感測像素陣列之固定型樣雜訊，及接地電位雜訊。用以解決感測級中之雜訊源之電位雜訊管理技術可包括平衡差動量測(下文進一步詳細論述)，及相關雙重取樣。
關於手指感測裝置之放大級及信號處理級，共同雜訊源可包括取樣及切換雜訊、列及行雜訊(其可包括時間及固定型樣雜訊)、電力軌雜訊，及組件本質雜訊(其可包括時間及固定型樣雜訊)。用以解決放大級及信號處理級中之雜訊源之電位雜訊管理技術可包括差動放大及信號處理、信號整合、時間及空間頻寬限制、校準及補償，以及電力軌隔離。
關於手指感測裝置之資料轉換級，共同雜訊源可包括量化雜訊、參考雜訊及切換雜訊。用以解決轉換級處之雜訊源之做法包括高解析度資料轉換及多樣本平均。在手指處理裝置之影像處理級中，雜訊管理做法可包括空間濾波及最佳等化、訊框平均、試誤式估計，及特徵重建構。當然，如熟習此項技術者應瞭解，在手指感測裝置之各個級中之每一者處可存在其他雜訊源，且可使用其他做法及/或額外做法來解決此等雜訊源。
差動像素量測電路40有利地提供一種遠端形狀量測，該量測將處理時間序列信號之三角積分方法所基於的理論之一些元素應用於用於量測遠端形狀(諸如，指紋影像)之系統的設計。所得手指發送裝置20展現以對成本及複雜性的減少之影響更準確地量測如上文所論述之遠端形狀的性質(與標準短距離形狀成像系統相比較)。
如熟習此項技術者應瞭解，例如，包括差動像素量測電路40之手指感測裝置20可提供真實平衡差動資訊消除、本質空間頻率補償、較大共模信號之本質消除，及手指感測裝置頻寬及動態範圍之高度有效使用。差動像素量測電路40在相同時刻量測鄰近像素之間的差異，而非量測手指感測像素陣列30中之每一手指感測像素31上的信號。舉例而言，鄰近像素31可為針對典型的500像素/英吋之感測器介入的以0個至6個像素中之任一者隔開的且用以對典型脊及谷成像的像素。在一些實施例中，差動量測電路40可量測每兩個像素之間的差異、每三個像素之間的差異等。因此，所量測之像素間德耳塔(delta)為空間的而非通常於時域三角積分處理中所量測之時間德耳塔。經由差動像素量測電路40來處理所量測之像素間德耳塔，且藉由經由影像處理電路51整合像素間德耳塔而在下游重建構原始形狀影像。
現另外參看圖8，說明手指感測裝置20'之一部分之實施例，手指感測裝置20'包括手指感測像素之1-維陣列30'及實施空間三角積分量測之差動像素量測電路40'。時域三角積分處理通常包括使用1-位元類比至數位轉換器及可變時間取樣率。差動像素量測電路40'包括耦接於鄰近手指感測像素31'之間的差動放大器41'。
可將對手指感測像素陣列30中之手指感測像素31之間的差異之量測設計為完全平衡差動量測，其中共模信號及雜訊拒絕性質通常與彼型式量測相關聯。差動像素量測接著提供像素感測器處之時間雜訊及外部干擾之消除，以及抑制擴散場量測中固有之較大共模信號。可將所得差異信號放大至用於後續處理之有用位準。
應注意，場擴散程序之本質空間低通濾波性質可限制使用者之手指21可在手指感測像素陣列30中之任何兩個鄰近手指感測像素31之間誘發的差異信號之大小。可剪輯大於極限之任何所量測之信號差異而不損失有用資料，此係因為此等較大差異通常無法表示使用者之手指21之真實形狀，且因此可為偽的。
現另外參看圖9，手指感測裝置20包括手指感測像素之2-維陣列30。更特定而言，手指感測像素陣列30包括手指感測像素31之列及行。因此，在水平方向與垂直方向兩者上量測像素間差異可為有益的，以得到關於使用者手指21之完整資訊集。為了實現此目的，差動像素量測電路40包括在每一列中之鄰近手指感測像素30之間的一差動放大器41，及在每一行中之鄰近手指感測像素之間的一差動放大器。此情形將可用以減少雜訊之冗餘添加至手指感測裝置20。舉例而言，可藉由使用影像產生電路51沿著通過手指感測像素陣列30的若干不同「路徑」中之一者整合而計算最終整合影像中的每一手指感測像素31之值。如熟習此項技術者應瞭解，組合若干路徑之結果可產生更穩固結果。下文將進一步詳細描述多個路徑之使用。應注意，對於2-維差異量測，存在多達在進行像素電壓之直接量測之情況下(或在進行1-維量測之情況下)將存在的所執行之量測的大約兩倍的量測。舉例而言，可使用額外量測來抑制雜訊且改良準確性。
現參看圖10a至圖10c，說明使用者之手指之影像。圖10a說明由標準手指感測裝置進行的使用者之手指之影像，而圖10b及圖10c分別說明表示對相同使用者之手指量測的在垂直方向及水平方向上之像素間差異的使用者之手指的影像。在差異影像中，灰色表示鄰近像素具有極少差異或無差異之區域，白色表示正差異且黑色表示負差異。
然而，如上文所註釋，將每一差動量測表示為由一單獨差動放大器執行。當可使用此做法時，可能需要藉由將來自不同像素之信號切換至較小組差動放大器上而實施手指感測像素陣列之量測。為了建置使用差動像素量測電路之經濟且可靠之手指感測裝置，可能需要在手指感測像素31中之每一者下添加儘可能少的電路。
現參看圖11及圖12，在另一實施例中，對於極高阻抗信號(諸如，由電場感測像素產生之彼等信號)，使用分割差動放大器設計，其中每一手指感測像素31"包括界定差動放大級42"之平衡差動電晶體對之一側。切換電路43"使此等電晶體互連以在不同時間以呈不同組態之差動對方式操作，以進行不同像素間量測。換言之，使差動像素量測電路40"平衡。
各別差動放大級42"耦接至每一手指感測像素31"之每一手指感測電極32"。舉例而言，說明性地，每一差動放大級42"呈類比電晶體之形式。
切換電路43"針對手指感測像素31"之鄰近對以差動組態選擇性地耦接差動放大級42"之各別對。如上文所註釋，例如，鄰近像素31"可為針對典型的500像素/英吋之感測器介入的以0個至6個像素中之任一者隔開的且對典型脊及谷成像的像素。
切換電路43"包括兩個像素匯流排44a"、44b"，及用於每一列之一組匯流排開關45"，該組匯流排開關45"允許將匯流排切換至所需要之各種組態以將列中之手指感測像素31"互連至差動電晶體級41"中。切換電路43"亦說明性地包括呈耦接至每一手指感測像素31"之類比切換電晶體46"之形式的各別類比開關。如熟習此項技術者應瞭解，手指感測像素31"至匯流排44a"、44b"之兩個集合的交替連接允許將相同列中之兩個鄰近像素31"連接在一起以作為平衡差動對。說明性地呈差動放大器之形式之輸出級48"耦接至切換電路43"。自輸出級48"輸出所量測之信號(亦即，所量測之像素間差異量測)。
雖然僅說明兩個手指感測像素31"，但應理解，可添加一列中之額外手指感測像素，且亦可包括手指感測像素之若干列。如熟習此項技術者應瞭解，手指感測像素之每一列將具有其相關聯之匯流排、開關組及放大器。
影像產生電路51"耦接至差動量測電路40"(且更特定而言，可耦接至輸出級48")。影像產生電路可經組態以基於對沿著手指感測像素陣列30"之列與行兩者的手指感測像素31"之鄰近對的像素間量測而產生複合手指影像。可整合表示像素之每一列之各別輸出級48"以(例如)產生複合手指影像。如熟習此項技術者應瞭解，可使用其他複合手指影像產生技術。
現參看圖13a至圖13f，說明根據本發明之實施例之掃描序列，該掃描序列供手指感測裝置使用以順序地讀取手指感測像素陣列30"上之所有差動像素電壓。說明性地，手指感測像素陣列為手指感測像素之8×8陣列。此掃描序列假定：存在8列上文所論述之類型之放大器/開關組結構，每一列放大器/開關組結構與像素之每一列相關聯。該掃描序列進一步假定：此等放大器可並行地操作，以使得可在每一掃描步驟期間同時執行高達八個差動像素量測。圖13a至圖13f中之每一者表示一掃描步驟，且說明陣列中之哪些手指感測像素差動地連接且正被量測。使較暗點及較亮點72"、73"互連之黑線71"指示一起被連接成差動對之像素，且較暗點及較亮點各自耦接至一各別匯流排。當然，可使用其他序列，該等其他序列可包括變化程度之量測冗餘且因此可具有增強之雜訊減少益處。
另外，上文所描述之匯流排連接及切換配置為可用以將手指感測像素互連成差動放大器組態的寬廣範圍之不同匯流排連接及切換組態的實例。舉例而言，如熟習此項技術者應瞭解，可以可支援的掃描序列中之較低靈活性為代價，將在手指感測像素之下的將像素之類比開關互連至行電流槽的雙匯流排減少至具有減少複雜性之開關組的單一匯流排。
在許多狀況下，可直接以原始形式(或僅具有微量修改/增強)使用差動像素量測資料，而實際上並不重建構使用者之手指之形狀。再次參看圖10a至圖10c，指紋脊之邊緣清楚地存在於像素差異資料之影像表示中。此資訊常常完全可以彼形式使用。舉例而言，在以機械方式使手指感測像素陣列移動跨越使用者之手指的手指感測裝置中，來自資料串流之若干訊框的差動像素資料可用以估計使用者之手指物件相對於手指感測像素陣列之移動。通常用於此任務之相關估計方法可有效地利用差動像素資料中所含有之邊緣資訊。在第二實例中，一些類型之手指感測裝置依賴於提取及匹配脊型樣之區域定向。
現另外參看圖14a及圖14b，在此實例狀況下，可容易地直接自差動像素量測提取指紋之脊定向向量場。脊方向向量中之每一者之信賴等級係藉由向量之強度來指示，其中較暗向量為最高信賴等級且較亮向量為最低信賴。可藉由組合自垂直像素差異及水平像素差異提取之定向資料而產生完整的高信賴脊定向圖。
遠端形狀感測之許多實務實施方案可能並不使用待再現之彼形狀之所有空間頻率分量。在執行型樣辨識之許多手指感測裝置中，所關注之型樣可包括於有限空間頻帶內之資訊中。在彼帶之外(在彼帶上方與下方兩者)的空間頻率可構成型樣辨識系統之雜訊且通常藉由濾波或其他手段移除。舉例而言，在指紋型樣匹配中，具有顯著低於或顯著高於摩擦脊頻率之空間頻率的資訊阻礙辨識。在此等應用中，可藉由在程序中較早地移除不需要之資訊且不經由系統載運彼資訊來簡化形狀影像收集系統。
現參看圖15及圖16，在自差動像素量測重建構形狀資訊中，可藉由約束經整合以有助於至小核心的每一輸出像素之值的像素差異之區而將低空間頻率自輸出影像中移除。顯著大於核心大小之空間波長可能對核心整合之輸出幾乎無影響。一種查看核心整合之方式為：考慮對藉由以下若干路徑經對輸出值為所計算之值之像素的各種像素差異量測導出的值求平均。
表示基於核心之重建構程序的此技術示意性地表示於圖16中。影像產生電路51'''包括核心處理電路52'''，其經組態以自在附近進行的對給定手指感測像素之差異量測計算每一手指感測像素31'''之值。詳言之：
像素值=Σ[W1 ‧ΔoneStepPath(i1 )]+[W2 ‧ΔoneStepPath(i2 )]+...
權重陣列Wn 構成可將空間頻率回應定製賦予給手指感測裝置之濾波核心。因此，手指感測像素31'''之陣列可能對不同空間頻率更敏感或更不敏感。
由於每一手指感測像素之值係自在不同時間使用不同手指感測像素電晶體進行之多個部分冗餘量測計算，故可減少固定型樣雜訊與時間雜訊兩者。手指感測像素陣列30'''之2-維性質藉由提供更多量測冗餘來增強此效應。
使用此類型之影像重建構，就空間DC信號(例如，陣列信號中之均勻偏移)通常並不影響量測之意義而言，手指感測裝置20'''以類似空間高通濾波器之方式起作用。如熟習此項技術者應瞭解，若手指感測像素陣列30'''移動跨越(例如)較大影像，且在手指感測像素陣列30'''移動時捕獲訊框，則除非在重建構跨越訊框邊界之影像時進行特殊考慮，否則具有小於手指感測像素陣列之大小之波長的空間頻率可能不存在於重建構之影像中。
亦可結構化形狀重建構程序以使用擴散場補償發生於遠端量測中之空間頻率特定衰減。再次參看圖5，對於展示空間頻率敏感性衰減之模擬資料，可能需要藉由使不同空間頻率分量平衡而產生準確地表示原始使用者之手指的輸出影像。一種實現此目的之方式為：設計用於重建構之整合方法以重新強調在遠場傳播程序中更強烈地衰減之空間頻率。圖16中所說明之做法包括在重建構程序中的空間頻率補償之一表示。
可實施形狀重建構程序之替代表示。在替代表示中，經典空間濾波卷積核心之調適提供使用者之手指資訊的空間頻率定製之重建構。更特定而言，產生空間頻率補償之加權矩陣可基於距被計算之像素之距離。
來自有助於被計算之像素之每一德耳塔像素量測的貢獻之正負號大體上取決於差動量測之極性之正負號。對於水平德耳塔，對被計算之像素之左側的量測係以與對右側之彼等量測相反之正負號累加。對於垂直德耳塔，被計算之像素上方的量測將以與像素下方的彼等量測相反之正負號累加。
用於影像建構操作之核心可為水平空間頻率加權矩陣及垂直空間頻率加權矩陣，其中正負號經修改以反映左/右及上/下準則。
對於輸出影像中之每一像素：
像素值=Σ(Khi,j ‧Δhi,j)+Σ(Kvi,j ‧Δvi,j )
其中：Kh為水平影像建構核心；Kv為垂直影像建構核心；Δh為水平德耳塔之矩陣；Δv為垂直德耳塔之矩陣；且i及j表示圍繞被計算之像素之核心的大小。
如熟習此項技術者應瞭解，可在一些情況下藉由使用快速傅里葉變換型數學使冗餘部分結果計算最小化而達成空間頻率定製核心重建構的增加效率之實施方案。
可藉由使用多個路徑計算原始使用者之手指21"'(或空間濾波器表示中之替代實施方案)之形狀而減少個別差異量測中的雜訊之效應。可取決於待抑制之雜訊信號之特性而使用線性濾波與非線性濾波兩者來提供優點。
返回參看圖14a及圖14b，強線性型樣(諸如，指紋)之定向可直接自德耳塔像素資訊計算。彼定向資訊以及亦可自差異量測導出的型樣之空間頻率資訊可用以將核心濾波電路52"'定向為非對稱核心形狀重建構濾波器。此濾波器可提供針對具有強定向紋理之型樣的顯著雜訊消除及影像品質改良。
如熟習此項技術者應瞭解，手指感測像素20有利地自定位於遠離手指感測像素陣列30達一較大距離處之使用者之手指讀取指紋。此情形允許可減輕特製封裝之缺點及機械整合之問題的若干個不同的機械封裝及主機裝置整合做法。
現另外參看圖17，在IC封裝領域中，此等做法可包括相對低成本之過模製IC封裝、使用在手指感測像素陣列之上不具有開口的標準模製封裝的指紋感測IC之高良率封裝。說明性地，手指感測裝置20""包括在手指感測像素陣列30""之上的過模製53""、手指驅動電極32""，及結合導線54""。色彩塗佈層55""在過模製53""之上，且表面透明塗佈層56""在色彩塗佈層之上。舉例而言，過模製53""及透明塗佈層以及色彩塗佈層55""、56""之厚度可在100微米至900微米之範圍內。此情形可減少對當前用於手指感測像素陣列之上的特殊薄塗層之需要(用標準封膠對其進行替換)。該情形亦可減少與此等感測器相關聯之特殊製造及處置設備以及規範。
現另外參看圖18，例如，另一做法涉及直接將手指感測裝置20'''''直接模製至標準按鈕中。說明性地，由手指感測像素陣列30'''''載運覆晶底膠57'''''，且回填料58'''''環繞手指感測像素陣列30'''''之側部及下方。結合導線54'''''經由回填料58'''''耦接。互連基板59'''''(例如，Kapton基板)在覆晶底膠57'''''之上且部分地在手指驅動電極32'''''之上。過模製沿著手指感測裝置20'''''之長度載運於互連基板59'''''上方。膜頂表面層64'''''由過模製53'''''載運。可將手指感測裝置20'''''(其可與模製於其之上的標準厚度之塑膠材料一起運作)模製為模製鍵帽之一整合部分(在當前感測器之情況下，該情形為相對困難的)。
再另外，可將本文中所描述之手指感測裝置20嵌入於標準層壓識別(ID)卡中。現可經濟地使用標準低成本卡組裝程序將可經用於智慧卡及RF-ID卡製造中之標準層壓對使用者之手指成像的手指感測裝置建置於彼等卡中。
又一做法涉及將手指感測裝置20安裝於主機裝置之機箱或外殼之下而不穿透至機箱外部。手指感測裝置20經機箱塑膠讀取指紋。下文之表1指示定位於主機裝置之不同外殼或外部結構之下的手指感測裝置之總的成像距離。
一方法態樣係有關一種感測手指之方法。該方法可包括接收鄰近一手指感測像素陣列之使用者之手指，每一手指感測像素包含一手指感測電極。該方法亦包括經由一手指驅動電極將驅動信號經使用者之手指耦接至手指感測像素陣列。該方法亦包括使用耦接至手指感測像素陣列之差動像素量測電路產生對手指感測像素之鄰近對的複數個像素間差異量測。
如熟習此項技術者應瞭解，本文中所描述之電路可包括所有硬體，或硬體與軟體或執行於處理器上之電腦可執行指令之組合。在一些實施例中，可使用一個以上處理器，且可跨越處理器共用處理(例如，與主機處理器)。如熟習此項技術者應瞭解，可使用其他處理及硬體/軟體組態。
在受益於前述描述及相關聯之圖式中所呈現的教示之情況下，熟習此項技術者應想到本發明之許多修改及其他實施例。因此，應理解，本發明應不限於所揭示之特定實施例，且修改及實施例意欲包括於所附申請專利範圍之範疇內。
20．．．手指感測裝置
20'．．．手指感測裝置
20'''．．．手指感測裝置
20""．．．手指感測裝置
20'''''．．．手指感測裝置
21．．．使用者之手指
21'''．．．使用者之手指
22．．．半導體基板
22'''．．．基板
30．．．手指感測像素陣列
30'．．．手指感測像素之1-維陣列
30"手指感測像素陣列
30'''．．．手指感測像素陣列
30""．．．手指感測像素陣列
30'''''．．．手指感測像素陣列
31．．．手指感測像素
31'．．．手指感測像素
31"．．．手指感測像素
31'''．．．手指感測像素
32．．．手指感測電極
32"．．．手指感測電極
32""．．．手指驅動電極
32'''''．．．手指驅動電極
33．．．手指驅動電極
36．．．射頻(RF)驅動信號產生器
36"．．．射頻(RF)驅動信號產生器
36'''．．．射頻(RF)驅動信號產生器
40．．．差動像素量測電路
40'．．．差動像素量測電路
40"．．．差動像素量測電路
40'''．．．差動像素量測電路
41．．．差動放大器
41'．．．差動放大器
41"．．．差動電晶體級
42"．．．差動放大級
42'''．．．差動放大級
43"．．．切換電路
43'''．．．切換電路
44a"．．．像素匯流排
44b"．．．像素匯流排
45"．．．匯流排開關
46"．．．類比切換電晶體
48"．．．輸出級
48'''．．．輸出級
51．．．影像產生電路/影像處理電路
51"．．．影像產生電路
51'''．．．影像產生電路
52'''．．．核心處理電路/核心濾波電路
53""．．．過模製
53'''''．．．過模製
54""．．．結合導線
54'''''．．．結合導線
55""．．．色彩塗佈層
56""．．．表面透明塗佈層
57'''''．．．覆晶底膠
58'''''．．．回填料
59'''''．．．互連基板
60．．．濾波器電路
61a．．．差動放大器
61b．．．差動放大器
61c．．．差動放大器
61d．．．差動放大器
61e．．．差動放大器
61f．．．差動放大器
61g．．．差動放大器
61h．．．差動放大器
61i．．．差動放大器
61j．．．差動放大器
61k．．．差動放大器
62a．．．電阻器
62b．．．電阻器
62c．．．電阻器
62d．．．電阻器
62e．．．電阻器
62f．．．電阻器
62g．．．電阻器
62h．．．電阻器
62i．．．電阻器
62j．．．電阻器
62k．．．電阻器
64'''''．．．膜頂部表面層
71"．．．黑線
72"．．．較暗點
73"．．．較亮點
81．．．上部曲線
82．．．曲線
83．．．曲線
84．．．下部曲線
85．．．直接接觸手指驅動配置
86．．．直接接觸手指驅動配置
87．．．直接接觸手指驅動配置
88．．．直接接觸手指驅動配置
89．．．絕緣手指驅動配置
90．．．絕緣手指驅動配置
91．．．絕緣手指驅動配置
92．．．絕緣手指驅動配置
93．．．曲線
94．．．曲線
95．．．曲線
96．．．曲線
圖1為根據本發明之手指感測裝置之示意性方塊圖。
圖2為皮膚電學性質對驅動信號衰減之曲線圖。
圖3為針對直接驅動手指接觸配置及絕緣驅動手指接觸配置的皮膚電學性質對驅動信號衰減之曲線圖。
圖4為2-維平面中之電場強度之曲線圖。
圖5為針對不同大小之手指感測像素陣列的調變比對距手指感測像素陣列之距離的曲線圖。
圖6為供本發明之手指感測裝置使用的加權中值濾波器之類比實施方案的示意圖。
圖7a至圖7c為說明距手指感測像素陣列一距離處的低空間頻率之效應的指紋影像。
圖8為根據本發明之手指感測裝置之一部分的示意圖，該手指感測裝置具有1-維手指感測像素陣列。
圖9為根據本發明之另一實施例的手指感測裝置之一部分的示意圖，該手指感測裝置具有2-維手指感測像素陣列。
圖10a至圖10c為展示水平差異及垂直差異之指紋影像。
圖11為根據本發明之另一實施例之手指感測裝置的示意性方塊圖。
圖12為圖11之手指感測裝置之一部分的示意性電路圖。
圖13a至圖13f為用於根據本發明之手指感測裝置之手指感測像素陣列的一可能的掃描型樣之示意性說明。
圖14a及圖14b分別為包括自垂直像素差異及水平像素差異提取之脊定向向量的極大放大之指紋影像。
圖15為根據另一實施例之手指感測裝置之示意性方塊圖。
圖16為說明根據圖15中之實施例的基於核心之重建構的示意圖。
圖17為包括本發明之實施例之手指感測裝置的過模製封裝配置的示意圖。
圖18為包括本發明之實施例之手指感測裝置的標準按鈕封裝配置的示意圖。
20．．．手指感測裝置
21．．．使用者之手指
22．．．半導體基板
30．．．手指感測像素陣列
33．．．手指驅動電極
36．．．射頻(RF)驅動信號產生器
40．．．差動像素量測電路
51．．．影像產生電路/影像處理電路

Claims (23)

  1. 一種手指感測裝置，其包含：一手指感測像素陣列，其接收鄰近於其之一使用者之手指，每一手指感測像素包含一手指感測電極；一手指驅動電極，其經組態以將一驅動信號經該使用者之手指耦接至該手指感測像素陣列；及差動像素量測電路，其耦接至該手指感測像素陣列且經組態以產生對該等手指感測像素之鄰近對的複數個像素間差異量測。
  2. 如請求項1之手指感測裝置，其進一步包含在該手指感測像素之上之一覆蓋層，該覆蓋層具有在100微米至900微米之一範圍內的一厚度。
  3. 如請求項1之手指感測裝置，其中該差動像素量測電路包含平衡差動像素量測電路。
  4. 如請求項3之手指感測裝置，其中該平衡差動像素量測電路包含：一各別差動放大級，其耦接至每一手指感測像素之每一手指感測電極；切換電路，其用以針對該等手指感測像素之該等鄰近對以一差動組態選擇性地耦接差動放大級之各別對；及一輸出級，其耦接至該切換電路。
  5. 如請求項1之手指感測裝置，其中該手指感測像素陣列包含手指感測像素之列及行；且其中該差動像素量測電路包含切換電路，該切換電路用於產生對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對的該複數個像素間量測。
  6. 如請求項5之手指感測裝置，其進一步包含影像產生電路，該影像產生電路耦接至該差動量測電路且經組態以基於對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對的該等像素間量測而產生一複合手指影像。
  7. 如請求項6之手指感測裝置，其中該影像產生電路包含耦接至該差動量測電路之核心濾波電路。
  8. 如請求項1之手指感測裝置，其進一步包含一半導體基板；且其中該手指感測像素陣列處於該半導體基板上。
  9. 如請求項1之手指感測裝置，其進一步包含耦接至該手指驅動電極之一射頻驅動信號產生器。
  10. 一種手指感測裝置，其包含：一手指感測像素陣列，其接收鄰近於其之一使用者之手指，每一手指感測像素包含一手指感測電極；一手指驅動電極，其經組態以將一驅動信號經該使用者之手指耦接至該手指感測像素陣列；平衡差動像素量測電路，其耦接至該手指感測像素陣列且經組態以產生對該等手指感測像素之鄰近對的複數個像素間差異量測；及在該等手指感測像素之上之一覆蓋層，其具有在100微米至900微米之一範圍內的一厚度。
  11. 如請求項10之手指感測裝置，其中該平衡差動像素量測電路包含：一各別差動放大級，其耦接至每一手指感測像素之每一手指感測電極；切換電路，其用以針對該等手指感測像素之該等鄰近對以一差動組態選擇性地耦接差動放大級之各別對；及一輸出級，其耦接至該切換電路。
  12. 如請求項10之手指感測裝置，其中該手指感測像素陣列包含手指感測像素之列及行；且其中該平衡差動像素量測電路包含切換電路，該切換電路用於產生對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對的該複數個像素間量測。
  13. 如請求項12之手指感測裝置，其進一步包含影像產生電路，該影像產生電路耦接至該平衡差動像素量測電路且經組態以基於對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對的該等像素間量測而產生一複合手指影像。
  14. 如請求項13之手指感測裝置，其中該影像產生電路包含耦接至該平衡差動像素量測電路之核心濾波電路。
  15. 如請求項10之手指感測裝置，其進一步包含一半導體基板；且其中該手指感測像素陣列處於該半導體基板上。
  16. 如請求項10之手指感測裝置，其進一步包含耦接至該手指驅動電極之一射頻驅動信號產生器。
  17. 一種感測一手指之方法，其包含：接收鄰近一手指感測像素陣列之一使用者之手指，每一手指感測像素包含一手指感測電極；經由一手指驅動電極將一驅動信號經該使用者之手指耦接至該手指感測像素陣列；及使用耦接至該手指感測像素陣列之差動像素量測電路產生對該等手指感測像素之鄰近對的複數個像素間差異量測。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包含在該等手指感測電極之上之一覆蓋層具有在100微米至900微米之一範圍內的一厚度。
  19. 如請求項17之方法，其中該差動像素量測電路包含平衡差動像素量測電路。
  20. 如請求項19之方法，其中該平衡差動像素量測電路包含：一各別差動放大級，其耦接至每一手指感測像素之每一手指感測電極；切換電路，其用以針對該等手指感測像素之該等鄰近對以一差動組態選擇性地耦接差動放大級之各別對；及一輸出級，其耦接至該切換電路。
  21. 如請求項17之方法，其中該手指感測像素陣列包含手指感測像素之列及行；其中該差動像素量測電路包含切換電路；且其中該複數個像素間量測係使用該切換電路針對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對而產生。
  22. 如請求項21之方法，其進一步包含經由耦接至該差動量測電路之影像產生電路基於對沿著該手指感測像素陣列之列與行兩者的該等手指感測像素之鄰近對的該等像素間量測而產生一複合手指影像。
  23. 如請求項22之方法，其中該複合手指影像係經由耦接至該差動量測電路之核心濾波電路而產生。
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