TWI520074B - 具有改良之感測元件的電容式指紋感測器 - Google Patents

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Description

具有改良之感測元件的電容式指紋感測器
本發明關於一種電容式指紋感測裝置以及關於一種感測指紋圖樣的方法。
為提供高安全性及/或增強使用者方便性，各種類型生物測定系統的使用越來越多。
明確地說，由於指紋感測系統的小型外型因子、高效能、以及使用者接受度的關係，指紋感測系統已經被採用於消費者電子裝置之中。
在各種可利用的指紋感測原理中(例如，電容式、光學式、熱能式等)，電容式感測最為常用，尤其是，在尺寸以及電力消耗為重要議題的應用中。
所有電容式指紋感測器皆提供一表示介於數個感測結構中每一個感測結構與一放置在該指紋感測器的表面上或移動跨越該指紋感測器的表面的手指之間的電容的測量值。
某些電容式指紋感測器會被動地讀出介於該些感測結構與該手指之間的電容。然而，這需要用到相對大型的電容。所以，此些被動式電容式感測器通常具備一用以覆蓋該些感測結構的非常薄的保護層，其 會使得此些感測器比較不會受到擦刮及/或ESD(靜電放電)的影響。
US 7 864 992揭示一種主動式電容式指紋感測裝置，其中， 一驅動訊號會藉由脈衝控制一被排列在感測器陣列附近的導體驅動結構並且測量由該感測器陣列中的感測結構所攜載的電荷的最終變化而被注射至手指之中。
根據US 7 864 992的指紋感測系統雖然提供卓越的指紋影像 品質和感測器保護的組合效果；但是，於某些應用中，其會希望能夠獲取高品質的指紋影像，卻不需要使用一分離的導體驅動結構。明確地說，似乎有改良「艱難」手指(例如，乾燥的手指)的空間。
一種替代的電容式指紋感測裝置已在Kwang-Hyun Lee以及 Euisik Yoon所發表的「具有像素級適應性影像增強技術的500dpi電容式CMOS指紋感測器(A 500 dpi Capacitive-Type CMOS Fingerprint Sensor with Pixel-Level Adaptive Image Enhancement Scheme)」論文中說明過(ISSCC 2002/Session 21/TD：Sensors and microsystems/21.3)。於此指紋感測裝置中，一激發脈衝係被施加至每一個像素的感測電極，而非被施加至手指。手指的電位被假設為實質上恆定。
此指紋感測器看似不需要一分離的導體感測結構便可以使 用。然而，在「具有像素級適應性影像增強技術的500dpi電容式CMOS指紋感測器」中所述的指紋感測器卻被視為被配置成呈現落在0fF至200fF範圍中的電容(被測量的電容)給手指。在指紋感測的領域中，這係相對大型的電容，其表示被提供在該些感測電極頂端的保護塗層非常薄。實際上，該保護塗層係指一「鈍化層」，其通常被理解為一具有厚度約1μm的SiO層 或SiN層。一具有此薄保護塗層的指紋感測器在許多重要的應用中(包含行動裝置應用)不夠耐用。
因此，本發明希望提供一種激發脈衝被施加至感測電極之更耐用的電容式指紋感測裝置，同時又能夠達成高品質指紋表現的目的。
鑒於上面所提及的缺點以及先前技術的其它缺點，本發明的目的係提供一種改良的電容式指紋感測裝置。
所以，根據本發明的第一項觀點，本發明提供一種用於感測手指之指紋圖樣的電容式指紋感測裝置，該指紋感測裝置包括一半導體基板；以及一被形成在該半導體基板上的感測元件陣列，其中，該些感測元件中的每一者皆包括：一要被該手指觸碰的保護性介電頂層；一導電感測結構，其被排列在該頂層下方；以及一電荷放大器，其被連接至該感測結構，用以提供一感測訊號以表示因介於該手指與該感測結構之間的電位差變化所造成之由該感測結構所攜載的電荷變化。該電荷放大器包括：一負輸入，其被連接至該感測結構；一正輸入；一輸出，用以提供該感測訊號；一回授電容器，其被連接在該負輸入與該輸出之間；以及一感測電晶體，其具有一構成該負輸入的閘極，其中，該感測電晶體被形成在該半導體基板中的一井部之中，一介於該井部與該基板之間的介面被配置成能夠防止電流在該井部與該基板之間流動；且其中，該電荷放大器被配置成使得在該負輸入處的電位實質上會隨動於在該正輸入處的電位。其中，該指紋感測裝置進一步包括激發訊號提供電路系統，該激發訊號提供電路系統會：被連接至該正輸入並且被配置成用以將在該正輸入處的電位從第一電位改 變為第二電位，以便改變該感測結構的電位，從而改變介於該手指與該感測結構之間的電位差；以及被連接至該井部，用以將在該井部的電位從第三電位改變為第四電位，介於該第三電位與該第四電位之間的差異實質上等於介於該第一電位與該第二電位之間的差異，以便降低介於該感測結構與該井部之間以及介於該感測電晶體與該井部之間的寄生電容的影響。
該半導體基板的優點係可以為一有摻雜的半導體基板，並且 該井部可以為該基板的一部分，該井部會被摻雜為與該半導體基板具有相反的極性(倘若該半導體基板為p摻雜的話，該井部可以為n摻雜；並且倘若該半導體基板為n摻雜的話，該井部可以為p摻雜)。這係達成一介於該井部與該基板之間的介面的其中一種方式，該介面被配置成能夠防止電流在該井部與該基板之間流動。明確地說，該井部與該基板可以被保持在沒有任何電流流過被形成在該基板與該井部之間的介面處之二極體的電位處。
或者，一絕緣層可以被提供在該基板與該井部之間，舉例來 說，其具有薄玻璃層的形式。此絕緣層同樣會防止電流在該井部與該基板之間流動。
該電荷放大器會將該負輸入處的電荷轉換成該輸出處的電 壓。該電荷放大器的增益係由該回授電容器的電容來決定。
該電荷放大器被配置成使得在該負輸入處的電位實質上會 隨動於在該正輸入處的電位應該被理解成意謂著在該正輸入處的電位的變化會導致該負輸入處的電位的實質對應變化。端視該電荷放大器的實際配置而定，在該負輸入處的電位可以實質上和在該正輸入處的電位相同，或 者，在該正輸入與該負輸入之間可以由實質上恆定的電位差。舉例來說，倘若該電荷放大器被配置成單一級放大器的話，該電位差將會係該感測電晶體的閘極-源極電壓。
應該注意的係，該電荷放大器的輸出不需要直接被連接至該 回授電容器，並且應該注意的係，在該輸出與該回授電容器之間亦可以有額外的電路系統。此電路系統亦可以被放置在該感測元件矩陣的外面。
該激發訊號提供電路系統可以為被配置成用以在被提供於 不同線路上的二或更多個不同電位之間進行切換的切換電路系統。替代方式為，或者組合的方式為，該激發訊號提供電路系統可以包括至少一訊號源，其被配置成用以提供一時變電位，例如，方波電壓訊號或是正弦波電壓訊號。
該感測結構的優點係可以一金屬板的形式被提供，因此，該 感測結構(該感測板)、該局部手指表面、以及該保護塗層(以及局部性存在於該局部手指表面與該保護塗層之間的任何空氣)會形成某種平行板電容器。
該保護塗層的優點係可以為至少20μm厚並且具有高介電 強度以便保護該指紋感測裝置的下方結構，避免受到磨損、撕扯、以及ESD的破壞。更有利的係，該保護塗層可以為至少50μm厚。於其它實施例中，該保護塗層可以為數百μm厚。
本發明係以下面事實認知為基礎：施加該激發訊號至該感測 電極(並且施加至該感測電晶體)需要注意在該激發訊號被施加至手指的話可能會看不見的龐大寄生電容；以及此寄生電容的影響需要顯著地降低， 以便能夠感測介於該感測結構與該手指之間非常小的電容一大小為0.1fF。 感測此些小電容可能接著會需要可以使用厚的保護塗層來提供改良的耐用性。
倘若激發訊號被施加至手指並且該感測結構保持在一固定 電位處(例如，接地)的話，那麼，介於感測結構與手指之間的電容的測量便不會受到介於該感測結構與該電荷放大器之間及/或介於該感測結構與在其中形成該電荷放大器的半導體基板之間的任何寄生電容的干擾，因為該感測結構以及該電荷放大器之相關部分(以及該半導體基板)的電位會相同(或者在該感測結構與該電荷放大器的輸入級以及該半導體基板之間會有一恆定的電位差)。然而，倘若該激發訊號被施加至該感測結構的話，於該感測結構與該半導體基板之間將會有一時變電位差。模擬顯示，靠近該感測結構與該電荷放大器之輸入級之間的連接線之介於該感測結構與該半導體基板(通常為n井部、p井部、及/或半導體基板)之間的寄生電容的大小可能為10fF，而要被感測的電容(介於該感測結構與手指之間)則可能為0.1fF或更小。再者，上面提及的寄生電容通常可能為未知，而且由於半導體製程變異的關係，在不同的感測元件中可能並不相同。
本案發明人已經發現，介於該指紋感測裝置中的感測結構以 及半導體結構之間的此寄生電容的影響能夠藉由提供激發訊號提供電路系統(其被配置成用以改變其中形成該電荷放大器之感測電晶體的井部的電位)而顯著地降低。藉此，該井部(其為靠近該感測結構與該感測電晶體(電荷放大器的輸入級)之間的連接線的半導體結構)的電位能夠受到控制而隨動於該感測結構的電位，俾使得介於該井部與該感測結構之間的電位差會保持 實質上恆定，至少在與測量該感測結構與手指之間的電容有關的時間點中保持實質上恆定。
哪些時間點與該測量有關可能會相依於所使用的測量方法 而不相同，而且熟習的人士便能夠決定此些時間點，舉例來說，以電路模擬為基礎，而沒有不適當的負擔。舉例來說，於該感測訊號在兩個取樣時間處被取樣的所謂的相關性雙重取樣(correlated double sampling)的情況中，此些取樣時間可以為和該測量有關的時間點。
當經由一直接導體電氣連接線來提供一激發訊號給手指 時，或者換言之，當電化驅動該手指時，介於觸碰該感測器陣列的手指表面以及該感測器陣列中的感測結構之間的電位差可能在具有不同電氣特性的手指中會不相同。舉例來說，該電位差較乾燥的手指中可能比較低，從而導致可能難以分析的「較微弱的」手指影像。
本發明的各種實施例提供一種耐用的電容式指紋感測器，其 能夠獲取高品質的指紋表現符，卻不需要有與手指電化連接的導體驅動電極。這提供一種來自「艱難」手指(明確地說，乾燥的手指)之改良的指紋獲取結果。舉例來說，該指紋圖樣的表現符可以為原生的指紋影像資料；或者，該資料可以先經過處理並且接著可以經過調整的影像資料形式被提供作為指紋樣板資料或者以任何其它形式來提供。
除此之外，因為根據本發明實施例的指紋感測裝置的成功操 作並不依賴手指的變動電位，所以，手指能夠藉由其中包含該指紋感測裝置的產品的一導體部件而被接地(或者至少有重負載)。
再者，沒有導體結構(例如，位於該感測器陣列周圍的導體 框架)還會簡化該指紋感測器整合至各種裝置(例如，行動電話與電腦)之中。又，該指紋感測器系統的設計亦能夠沒有任何突兀地達成，並且包含該指紋感測器系統的產品的最終製程亦能夠獲得改良。
根據本發明的各種實施例，該激發訊號提供電路系統可以進 一步被配置成用以同時保持該電荷放大器的該正輸入於該第一電位並且保持該井部於該第三電位；以及同時保持該電荷放大器的該正輸入於該第二電位並且保持該井部於該第四電位。藉此，會影響該井部的電壓擺動實質上會與該感測結構的電壓擺動具有實質上相同的大小。這可以移除，或者，至少顯著地降低，介於該感測結構與該井部之間的寄生電容的影響。
根據本發明的指紋感測裝置的各種實施例可以進一步包括 取樣電路系統，其被連接至該電荷放大器的該輸出並且被配置成用以在該電荷放大器的該正輸入保持在該第一電位並且該井部保持在該第三電位時的第一取樣時間處取樣該感測訊號以及在該電荷放大器的該正輸入保持在該第二電位並且該井部保持在該第四電位時的第二取樣時間處取樣該感測訊號。
在該些第一取樣時間與第二取樣時間處取樣該感測訊號的 程序通常稱為相關性雙重取樣並且會移除可能影響該指紋感測裝置的共模雜訊的大部分偏移值以及至少低頻的成分。藉由確保該感測結構的電位與該井部的電位分別至少同步於該些取樣時間，介於該感測結構與該井部之間的寄生電容的影響便能夠被移除，或者，至少顯著地降低。
再者，於不同的實施例中，優點係，該第三電位可以實質上 等於該第一電位並且該第四電位可以實質上等於該第二電位。
又，該激發訊號提供電路系統還可以有一被連接至該正輸入 與該井部中每一者的輸出，用以將在該正輸入處的電位以及在該井部處的電位同時從該第一電位改變成該第二電位。
又，根據不同的實施例，該指紋感測裝置還可以進一步包括 一屏蔽結構，其被排列在該感測結構與該基板之間。該激發訊號提供電路系統可以進一步被連接至該屏蔽板並且被配置成用以將該屏蔽板的電位從一第五電位改變成一第六電位，該第五電位與該第六電位之間的差異實質上等於該第一電位與該第二電位之間的差異。
藉此，該感測結構可以有效地和該感測元件的其它可能的下 方部件(例如，在金屬層中的連接線路及/或被形成在該半導體基板中的連接線路及/或半導體電路系統)隔絕。這將會進一步降低該感測元件中的寄生電容的影響。
該第五電位的優點係可以等於上面提及的第三(及/或第一) 電位，該第六電位的優點係可以等於上面提及的第四(及/或第二)電位。舉例來說，該屏蔽板的優點係可以直接被導電連接至該井部。
根據第一組實施例，該感測電晶體可以為一NMOS電晶體 或是一PMOS電晶體，並且該井部則分別可以為一p井部或是一n井部。
根據第二組實施例，該p井部及/或n井部可以被形成在連 接至該激發訊號提供電路系統的井部之中。當至少一p井部及至少一n井部被形成在該井部之中時，該井部有時候亦可被稱為iso井部。
再者，該井部可以為複數個感測元件所共用。舉例來說，該 井部可以為一包圍數個感測元件之n井部與p井部的iso井部。該激發訊號 提供電路系統可以被連接至該iso井部並且被連接至形成在該iso井部裡面的井部，並且被配置成用以改變該iso井部的電壓以及形成在該iso井部裡面的井部的電壓。
根據不同的實施例，該些感測元件中的每一者可以進一步包 括一重置切換器，其包括至少一重置電晶體，其被連接在該電荷放大器的該負輸入與該輸出之間並且可控制用以放電該回授電容器，其中，該重置電晶體被形成在該井部之中。
該重置電晶體的閘極可以被連接至一配合上面提及的第三 電位與第四電位所選定的固定電位，以便在該重置電晶體被控制用以放電該回授電容器時保持該重置電晶體為導通；並且該重置電晶體的閘極可以被連接至一可以由該激發訊號提供電路系統所提供的變動電位，以便在充電該回授電容器時保持該重置電晶體為不導通。
再者，根據不同的實施例，該些感測元件中的每一者可以額 外包括驅動訊號提供電路系統，其包括至少一驅動電晶體，該至少一驅動電晶體被連接至該感測結構並且可以控制用以直接提供一驅動訊號給該感測結構，其中，該驅動電晶體被形成在該井部之中。
舉例來說，該驅動電晶體可以控制用以在該感測元件處於它 的「驅動」狀態中時將該感測結構連接至該激發訊號提供電路系統並且用以在該感測元件處於它的「感測」狀態中時中斷該感測結構與該激發訊號提供電路系統的連接。為達此目的，該驅動電晶體的閘極可以被連接至一配合上面提及的第三電位與第四電位所選定的固定電位，以便在該「驅動」狀態中保持該驅動電晶體為導通；並且該驅動電晶體的閘極可以被連接至 一可以由該激發訊號提供電路系統所提供的變動電位，以便在該「感測」狀態中保持該驅動電晶體為不導通。
本發明雖然提供該驅動訊號提供電路系統；但是，位在目前 正在感測的感測元件(像素)旁邊的感測元件(像素)的感測結構仍會「隨動」於目前正在感測的感測元件的感測元件的感測結構的電位，而不必操作該感測元件的電荷放大器。這可以降低該指紋感測裝置的功率消耗。每一個感測元件的優點係可以於至少一「感測」狀態以及一「驅動」狀態之間進行程式化。亦可能會有一第三狀態，該感測結構可以於該第三狀態中被連接至一固定電位或是為電氣浮動。藉此，介於該感測結構以及相鄰感測元件的感測結構之間的寄生電容的影響便能夠被移除，或者，至少顯著地降低。
根據本發明不同實施例的指紋感測裝置的優點係可以進一 步包括讀出電路系統，其被連接至該些感測元件中的每一者並且被配置成用於以來自該些感測元件中每一者的感測訊號為基礎而提供該指紋圖樣的一表現符。
該指紋感測裝置的優點係可以被包括在一進一步包括處理 電路系統的電子裝置之中，該處理電路系統被配置成用以：從該指紋感測裝置處獲取該指紋圖樣的表現符；以該表現符為基礎來鑑定一使用者；以及僅在該使用者以該表現符為基礎獲得證明時實施至少其中一項使用者請求的處理。舉例來說，該電子裝置可以為手持式通訊裝置(例如，行動電話或平板裝置)、電腦、或是電子穿戴式物品(例如，手錶或是類似物)。
根據本發明的第二項觀點，本發明提供一種利用指紋感測裝 置感測手指之指紋圖樣的方法，該指紋感測裝置包括一有摻雜的半導體基板；以及一被形成在該半導體基板上的感測元件陣列，其中，該些感測元件中的每一者皆包含一導電感測結構，其被連接至形成在該半導體基板中的一井部之中的感測電晶體的閘極，該井部被摻雜為與該半導體基板具有相反的極性，該方法包括針對該些感測元件中的每一者進行下面步驟：將在感測結構的電位從第一電位改變為第二電位；將該井部的電位從第三電位改變為第四電位，介於該第三電位與該第四電位之間的差異實質上等於介於該第一電位與該第二電位之間的差異；以及提供一感測訊號，用以表示因該感測結構的電位從第一電位改變為第二電位所達到之介於該手指與該感測結構之間的電位差變化所造成之由該感測結構所攜載的電荷變化。
於根據本發明的方法的一實施例中，該井部之電位的改變方 式如下：當該感測結構為在第一電位時，該井部位在第三電位；以及當該感測結構為在第二電位時，該井部位在第四電位。
根據本發明不同的實施例，該方法可以進一步包括下面步 驟：將複數個相鄰感測元件中每一個感測結構的電位從一第七電位改變為一第八電位，介於該第七電位與該第八電位之間的差異實質上等於介於該第一電位與該第二電位之間的差異。
藉此，介於該感測結構以及相鄰感測元件的感測結構之間的 寄生電容的影響便能夠被移除，或者，至少顯著地降低。
本發明第二項觀點的進一步實施例以及經由此第二項觀點 所達成的效果大致上雷同於上面針對本發明之第一項觀點所述。
總結來說，本發明關於一種電容式指紋感測裝置，其包括： 一半導體基板；以及一被形成在該半導體基板上的感測元件陣列。該些感測元件中的每一者皆包括：一保護性介電頂層；一感測結構，其被排列在該頂層下方；以及一電荷放大器，其被連接至該感測結構。該電荷放大器包括：一負輸入，其被連接至該感測結構；一正輸入；一輸出，用以提供感測訊號；一回授電容器；以及一感測電晶體，其具有一構成該負輸入的閘極。該感測電晶體被形成在該半導體基板的一絕緣性井部之中。該指紋感測裝置進一步包括激發訊號提供電路系統，其被連接至該電荷放大器的正輸入；以及被連接至該井部，用以改變該感測結構的電位以及該井部的電位，從而降低該感測元件中的寄生電容的影響。
1‧‧‧行動電話
2‧‧‧指紋感測裝置
5‧‧‧感測器陣列
6‧‧‧電源供應介面
7‧‧‧通訊介面
8‧‧‧感測元件
10a‧‧‧第一觸墊
10b‧‧‧第二觸墊
11‧‧‧手指
12‧‧‧半導體基板
13‧‧‧保護塗層
14‧‧‧隆起部
15‧‧‧下凹部
17‧‧‧感測板
18‧‧‧主動式半導體電路系統
20‧‧‧屏蔽板
21‧‧‧參考板
22‧‧‧電荷放大器
23‧‧‧感測電晶體(MOSFET)
25‧‧‧井部
26‧‧‧驅動電晶體
27‧‧‧疊接電晶體
28‧‧‧重置電晶體
29‧‧‧偏壓電流源
30‧‧‧負輸入
31‧‧‧正輸入
32‧‧‧激發訊號提供電路系統
33‧‧‧輸出
35‧‧‧驅動控制切換器
36‧‧‧重置控制切換器
50‧‧‧自適應連接
51‧‧‧自適應連接
52‧‧‧自適應連接
53‧‧‧自適應連接
54‧‧‧井部
55‧‧‧iso井部
56‧‧‧自適應連接
Cf‧‧‧手指電容
Cref‧‧‧參考電容
Cp1‧‧‧第一寄生電容
Cp2‧‧‧第二寄生電容
Cp3‧‧‧第三寄生電容
現在將參考隨附圖式來更詳細說明本發明的前述與其它觀點，圖中顯示本發明的範例實施例，其中：圖1概略圖解根據本發明的一範例實施例的指紋感測裝置的應用；圖2概略顯示圖1中的指紋感測裝置；圖3a所示的係圖2中的指紋感測裝置的一部分的概略剖視圖；圖3b所示的係圖3a中的剖視圖的一部分的放大圖，圖中圖解該指紋感測裝置中的各種電容；圖4a所示的係圖2中的指紋感測裝置中所包括的感測元件的部分結構圖及部分電路圖的混合圖式；圖4b所示的係圖4a的一種版本，圖中利用較高階符號來圖解電荷放大器；圖5所示的係圖4a中的感測元件的一部分的概念剖視圖，其包括一n 井部；圖6所示的係圖4a中的感測元件的一部分的概念剖視圖，其包括一iso井部；圖7a至c概略圖解用以在圖4a中的感測元件的「驅動」狀態與「感測」狀態之間來控制該感測元件的時序圖；圖8a至c概略圖解被提供至該感測結構/井部的訊號以及從該感測元件處被輸出的對應感測訊號的關係圖；以及圖9概略圖解根據本發明的方法的一範例實施例的流程圖。
在本詳細說明中，根據本發明的指紋感測裝置與方法的各種實施例主要係參考該電荷放大器的正輸入以及井部(於該井部中會形成該電荷放大器中所包括的感測電晶體)被連接在一起並且據以受到該激發訊號提供電路系統控制以便隨動於相同時變電位(以一參考電位為基準，例如，電氣接地)的指紋感測裝置來作說明。介於該感測結構(感測板)與該指紋感測裝置中的下方結構之間的屏蔽板同樣係被連接至該電荷放大器的正輸入。再者，該回授電容器係由下面所形成：該感測板、和上面提及的屏蔽板相同金屬層中的一參考板、以及介於該感測板與該參考板之間的介電層。又，圖中所示的指紋感測裝置係一經過尺寸設計並且被配置成用以從一靜止手指處獲取指紋表現符的觸碰感測器。
應該注意的係，這並沒有限制本發明之範疇的意義，舉例來說，本發明同樣包含該電荷放大器的正輸入的電位、上面提及的井部的電位、及/或該屏蔽板的電位會在不同的電位之間變動的指紋感測裝置，只要 每一者的電位梯階為實質上相同即可。再者，該回授電容器亦可以利用該感測元件中的其它結構來形成。舉例來說，該感測元件可以被配置成使得該感測電晶體的閘極與汲極可被作為回授電容器。其它感測器陣列配置同樣落在隨附申請專利範圍所定義的本發明的範疇裡面，例如，用以從移動中的手指處獲取指紋表現符的所謂的掃動式感測器(或是線型感測器)。
圖1概略圖解根據本發明的一範例實施例的指紋感測裝置的應用，其為具有整合式指紋感測裝置2之行動電話1的形式。舉例來說，該指紋感測裝置2可被用來解鎖該行動電話1及/或用來授權利用該行動電話所進行的交易…等。
圖2概略顯示圖1中的行動電話1中所包括的指紋感測裝置2。如圖2中所看見，該指紋感測裝置2包括一感測器陣列5、一電源供應介面6、以及一通訊介面7。該感測器陣列5包括大量的感測元件8(為避免圖式凌亂，圖中僅以一元件符號來表示該些感測元件中的其中一者)，每一個感測元件8皆可控制用以感測介於該感測元件8中所包括的一感測結構(頂端板)以及接觸該感測器陣列5之頂端表面的手指表面之間的距離。於圖2中的感測器陣列5的放大部分中，一第一感測元件被標記為感測的「S」，而一第二群相鄰的感測元件則被標記為驅動的「D」。
電源供應介面6包括第一觸墊10a與第二觸墊10b，本文中顯示為焊接墊，它們係用來將一供應電壓Vsupply連接至指紋感測器2。
通訊介面7包括數個焊接墊，用以允許控制該指紋感測器2並且用以從該指紋感測器2處獲取指紋資料。
圖3a所示的係圖2中的指紋感測裝置2的一部分的概略剖 視圖，其係沿著圖2中所示的直線A-A'所取得，手指11係放置在感測器陣列5的頂端。參考圖3a，該指紋感測裝置2包括：一有摻雜的半導體基板12；該複數個感測元件8，其被形成在該半導體基板12中；以及一保護塗層13，其係在該些感測元件的頂端。手指11的表面包括與該保護塗層13接觸的多個隆起部14以及與該保護塗層13隔開的多個下凹部15。
如圖3a中概略所示，每一個感測元件8皆包括一相鄰於該保護塗層13的感測結構，其具有感測板17的形式。在感測板17下方為額外的金屬結構以及圖3a中以斜線區域18來概略表示的主動式半導體電路系統。
圖3a約略依照比例繪製，以便圖解該保護塗層13、該些感測元件8、以及手指11的隆起部14與下凹部15的相對大小。如圖中所見，保護塗層13相當厚，以便保護該些感測元件避免受到磨損、撕扯、以及ESD的破壞。毫無疑問地，對該指紋感測裝置2之耐用性來說，該保護塗層13非常重要。從圖3a中的相對大小來看，感測結構17與手指11之間的電容非常小，尤其是相較於該感測板17以及相鄰於該感測板17的其它導體結構之間的寄生電容。此些導體結構的範例包含鄰近的感測板、上面提及的額外金屬結構、主動式半導體電路系統18、以及基板12。
如圖3b中概略所示，除了感測板17之外，該感測元件8還包括一屏蔽板20、一參考板21、以及一電荷放大器22。在圖3b中，該電荷放大器22僅以虛線來概略表示。電荷放大器22在圖中詳細顯示的部分僅為與感測板17連接的感測電晶體(MOSFET)23。此類型圖解的理由係為表示會影響該感測元件8的最重要寄生電容。
圖3b中顯示介於感測板17與手指11之間的手指電容Cf、介於感測板17與參考板21之間的參考電容Cref、介於感測板17與屏蔽板20之間的第一寄生電容Cp1、介於該感測板與一鄰近感測板之間的第二寄生電容Cp2、以及介於該感測板與其中形成該感測電晶體23的井部25之間的第三寄生電容Cp3(實際上係介於井部25以及連接該感測板17與該感測電晶體23之閘極的線路之間)。Cp3還包含該感測電晶體本身之中的內部電容器。
為利用圖3a至b中之耐用的指紋感測裝置2來達成高品質的指紋感測效果，最重要的係移除或者至少降低和該感測板17有關的寄生電容的影響。比較圖3b中各種電容的近似大小便可清楚理解。寄生電容Cp1的大小為100作，Cp2的大小為10fF，以及Cp3的大小為5至10fF，而要被感測的手指電容Cf的大小則為0.1fF。
現在將參考圖4a至b來說明用以移除或者至少顯著地降低前述各種寄生電容之影響的感測元件8的範例配置。
圖4a所示的係圖3a至b中的感測元件8的部分結構圖及部分電路圖的混合圖式。圖中以爆炸透視圖來概略顯示保護塗層13、感測板17、屏蔽板20、以及參考板21；而電荷放大器22則以電晶體層級的電路圖形式來圖解。
如圖4a中所示，此簡易電荷放大器22的第一範例包括感測電晶體23、疊接電晶體27、重置電晶體28、以及偏壓電流源29。感測電晶體23、疊接電晶體27、以及重置電晶體28全部被形成在相同的井部25之中。
為幫助瞭解圖4a中的部件與連接，相同的概略配置以更抽 象的層級另外被顯示在圖4b中，圖4a的電晶體電路系統則以一電荷放大器的通用符號來取代，該電荷放大器的負輸入30被連接至該感測板17，該電荷放大器的正輸入31被連接至激發訊號提供電路系統32(此處為脈衝產生器的形式)，而該電荷放大器的輸出33則提供一感測訊號Vout用以表示因介於手指11與該感測板17之間的電位差變化所造成之由該感測板17所攜載的電荷變化。手指11與該感測板17之間的電位差變化肇因於脈衝產生器32透過該電荷放大器施加至該感測板17的變動電位。一回授電容器(其係由該感測板17與該參考板21所形成)會被連接在該電荷放大器22的負輸入30與輸出33之間。應該注意的係，一電荷放大器的一般功能為熟習相關技術的人士所熟知。圖4b還概略顯示該井部25被連接至該激發訊號提供電路系統32。
回到圖4a，在圖中會看見該感測電晶體23的閘極構成該電荷放大器22的負輸入30並且會看見該感測電晶體23的源極構成該電荷放大器22的正輸入31。該電荷放大器22的正輸入31被連接至屏蔽板20，該屏蔽板20接著被連接至其中形成感測電晶體23的井部25並且被連接至脈衝產生器32。
感測元件8進一步包括一驅動電晶體26、一驅動控制切換器35、以及一重置控制切換器36。該驅動控制切換器35可控制在一第一狀態與一第二狀態之間，驅動電晶體26的閘極在該第一狀態中被連接至該脈衝產生器32，驅動電晶體26的閘極在該第二狀態中被連接至接地。當該驅動控制切換器35處在其第一狀態中時，該驅動電晶體26會導通並且因此將該感測結構17直接連接至該脈衝產生器32。當該驅動控制切換器處在其第 二狀態中時，該驅動電晶體26則不導通。於後面的情況中，在該感測結構17與該脈衝產生器32之間將不會有經由驅動電晶體26的任何直接連接。 如圖4a中所看見，該驅動電晶體26被形成在井部25之中。偏壓電流源29能夠在該感測元件之中或是在感測器陣列5外面。
依照相同的方式，該重置控制切換器36可控制在一第一狀態與一第二狀態之間，該重置電晶體28在該第一狀態中為不導通以便允許在該感測板17與該回授板21之間有一電位差，該重置電晶體28在該第二狀態中會導通以便等化該感測板17的電位與該回授板21的電位。
經由圖4a中的感測元件8的配置，內部寄生電容Cp1與Cp3的影響會被移除或者至少顯著地降低。再者，驅動鄰近感測結構將會移除或者至少顯著地降低介於圖3b中所示的鄰近感測板17之間的寄生電容Cp2的影響。這能藉由控制鄰近的感測元件處於它們的「感測」狀態或是處於它們的「驅動」狀態來達成，其中，「驅動」狀態的優點係提供指紋感測裝置2較低的電流消耗。
應該注意的係，本發明並不受限於圖4a的特殊感測元件設計；相反地，該感測元件的各種元件能夠以本揭示內容為基礎利用熟習本技術的人士容易明白的許多不同方式來實現。舉例來說，該電荷放大器亦能夠以具有差動輸入的雙級放大器形式來提供。
為進一步幫助瞭解本發明的各種實施例，在圖5中提供圖4a中的感測元件8之第一施行方式的另一剖視圖。圖5中的圖例和圖4中的圖例的主要差別在於圖中顯示電荷放大器22中所包括的某些電晶體(感測電晶體23與疊接電晶體27)的實體電晶體配置，而感測元件8(以及鄰近 感測元件)的各種部件的電位關係則利用「自適應連接」50、51、以及52來作概念表示。
圖5的主要目的係顯示上面提及之受到控制而「隨動」於感測板17之電位的井部25於此圖中為一被形成在p摻雜基板12中的n井部。顯見地，該井部25亦可以為一被形成在n摻雜基板中的p井部。
圖6為一雷同於圖5的圖式並且概略圖解圖4a中的感測元件8的第二施行方式，其和圖6中所示者不同的係，n井部25以及p井部54兩者皆被形成在一iso井部55之中，而該iso井部55則被形成在基板12(其可以為n摻雜、p摻雜、或是沒有摻雜)之中。於此施行方式中，該iso井部55(以及n井部25與p井部54)受到控制而隨動於感測板17的電位，如額外的「自適應連接」53、56的概略圖解。明確地說，在該些井部之間會有電位差。
舉例來說，參考圖6，iso井部55以及n井部25可以保持在相同的電位處；而p井部54的電位則可以隨動於該iso井部/n井部，但是位在不同(通常為較低)的電位處。
現在將參考圖7a至c以及圖8a至c的功能時序圖來說明根據本發明各種實施例的指紋感測裝置2的示範性操作。
同樣參考圖4a，圖7a概略顯示井部25的行為電位(以及具有偏移值的感測板17的行為電位)，圖7b概略圖解驅動控制切換器35的狀態，以及圖7c概略圖解重置控制切換器36的狀態。
在圖7a至c的t0至t1中，感測元件8係在它的「驅動」狀態中，在t1處，該感測元件8因操作該驅動控制切換器35而轉變至它的「感 測」狀態，在t2處，該感測元件8因再次操作該驅動控制切換器經由該驅動電晶體26將該感測板17被連接至該脈衝產生器32而轉變回到至它的「驅動」狀態。
如圖7a中的概略圖解，井部25(以及感測板17)呈現在「感測」狀態中與在「驅動」狀態中有實質上相同行為的時變電位。在「驅動」狀態中，該時變電位經由驅動電晶體26被施加至該感測板17；而在「感測」狀態中，該時變電位(可能會有相依於電荷放大器配置的偏移值)則透過電荷放大器22被施加至該感測板17。
如圖7c中的概略圖解，該重置控制切換器36受到控制用以在該感測元件8處於它的「驅動」狀態中時保持該重置電晶體28為不導通並且在該感測元件8處於它的「感測」狀態中時交替切換在導通與不導通之間。下面將參考圖8a至c來說明在感測期間被施加至該感測板17的激發訊號與該重置電晶體27的操作之間的示範性時序關係。
圖8a為圖7a的放大部分；圖8b概略顯示該感測訊號的模擬結果，也就是，在圖4a中的電荷放大器22的輸出33處的訊號；以及圖8c概略顯示以一固定參考電位(例如，接地)為基準的感測訊號之模擬「修正」版本，而非以被施加至井部25的訊號(其為圖4a中的電荷放大器22的局部參考電位)為基礎。
首先參考圖8a，被施加至感測板17的激發訊號會在t3處從低電位變成高電位，並且接著在t4處從高電位回到低電位。在t3處，該重置控制切換器36會被操作而使得該重置電晶體28為導通，也就是，經由該重置電晶體28將參考板21連接至該感測板17。在t5處，該重置控制切換器 36會再次被操作而使得該重置電晶體28為不導通，也就是，讓該電荷放大器進入其輸出會表示感測板17上的電荷是否改變的訊號的狀態之中。在t6處，該感測訊號會第一次被取樣，從而導致一第一取樣數值S1。當該激發訊號在t4處從高電位變成低電位時，感測板17會因與手指11(其被假設為位在實質上固定的電位處，至少在該取樣事件的時間中)的電容性耦合而有電荷改變。該電荷變化會轉變成由該電荷放大器所提供的電壓的改變，也就是，感測訊號Vout的改變。隨動著該激發訊號從高電位變成低電位的感測訊號電位S2會在t7處被取樣。從圖4a會清楚看見，該感測訊號和該井部的電位有關(圖8a)。為取得「經修正」的感測訊號(圖8c)，該激發訊號可以從出現在該電荷放大器22之輸出33處的感測訊號中被扣除，從而導致經修正的取樣電壓S1'與S2'。S2'與S1'之間的差值為表示感測板17與手指11之間的電容性耦合的測量值。
圖8c之經修正的訊號或是至少該些經修正的取樣可以各種方式來取得，舉例來說，經由使用儀表放大器或是藉由使用該激發訊號作為該些取樣電容器的參考電壓。
現在將參考圖9來說明根據本發明的方法的範例方法。在步驟101中，感測板17的電位、屏蔽板20的電位、井部(圖6中的井部25或是圖7中的iso井部54)的電位、以及相鄰感測板的電位同步從第一電位V1改變成第二電位V2(此兩個電位皆以一固定電位為基準，例如，以電氣接地為基準)。在接續的步驟102中，一感測訊號Vout會被提供，其表示因步驟101中的電位變化所造成之介於手指11與感測板17之間的電位差變化而造成之由該感測板17所攜載的電荷變化。
熟習本技術的人士便會明瞭，本發明並不受限於上面所述的較佳實施例。相反地，許多修正例與變化例亦可能落在隨附申請專利範圍的範疇裡面。
在申請專利範圍中，「包括」並不排除其它元件或步驟，並且不定冠詞「一」亦不排除複數。單一處理器或是其它單元便可以履行申請專利範圍中所述之數項物品的功能。在彼此不相同的依附專利項中所述的特定手段並不表示結合此些手段沒有任何優點。一電腦程式可以被儲存在/分佈在一合宜的媒體中，例如，光學儲存媒體或是固態媒體，該媒體係連同其它硬體一起來供應或者作為其它硬體的一部分；但是，亦可以其它形式來分佈，例如，透過網際網路或是其它有線或無線的電信系統。申請專利範圍中的任何元件符號皆不應該視為限制本發明的範疇。
8‧‧‧感測元件
11‧‧‧手指
13‧‧‧保護塗層
17‧‧‧感測板
20‧‧‧屏蔽板
21‧‧‧參考板
22‧‧‧電荷放大器
23‧‧‧感測電晶體(MOSFET)
25‧‧‧井部
26‧‧‧驅動電晶體
27‧‧‧疊接電晶體
28‧‧‧重置電晶體
29‧‧‧偏壓電流源
30‧‧‧負輸入
31‧‧‧正輸入
32‧‧‧激發訊號提供電路系統
33‧‧‧輸出
35‧‧‧驅動控制切換器
36‧‧‧重置控制切換器
Cf‧‧‧手指電容
Cref‧‧‧參考電容
Cp1‧‧‧第一寄生電容
Cp3‧‧‧第三寄生電容

Claims (15)

  1. 一種電容式指紋感測裝置，其用於感測手指之指紋圖樣，該指紋感測裝置包括一半導體基板；以及一被形成在該半導體基板上的感測元件陣列，其中，該些感測元件中的每一者皆包括：一要被該手指觸碰的保護介電頂層；一導電感測結構，其被排列在該頂層下方；以及一電荷放大器，其被連接至該感測結構，用以提供一感測訊號，其表示因介於該手指與該感測結構之間的電位差變化所造成之由該感測結構所攜載的電荷變化，該電荷放大器包括：一負輸入，其被連接至該感測結構；一正輸入；一輸出，用以提供該感測訊號；一回授電容器，其被連接在該負輸入與該輸出之間；以及一感測電晶體，其具有一構成該負輸入的閘極，其中，該感測電晶體被形成在該半導體基板的一井部之中，一介於該井部與該基板之間的介面被配置成能夠防止電流在該井部與該基板之間流動；且其中，該電荷放大器被配置成使得在該負輸入處的電位實質上會隨動於在該正輸入處的電位，其中，該指紋感測裝置進一步包括：激發訊號提供電路系統，該激發訊號提供電路系統係：被連接至該正輸入並且被配置成用以將在該正輸入處的電位從第一電 位改變為第二電位，以便改變該感測結構的電位，從而提供介於該手指與該感測結構之間的電位差的改變；以及被連接至該井部，用以將在該井部的電位從第三電位改變為第四電位，介於該第三電位與該第四電位之間的差異實質上等於介於該第一電位與該第二電位之間的差異，以便降低介於該感測結構與該井部之間的寄生電容的影響。
  2. 根據申請專利範圍第1項的指紋感測裝置，其中，該激發訊號提供電路系統進一步被配置成用以：同時保持該電荷放大器的該正輸入於該第一電位並且保持該井部於該第三電位；以及同時保持該電荷放大器的該正輸入於該第二電位並且保持該井部於該第四電位。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其進一步包括取樣電路系統，其被連接至該電荷放大器的該輸出，並且被配置成用以在該電荷放大器的該正輸入保持在該第一電位並且該井部保持在該第三電位時的第一取樣時間處取樣該感測訊號，以及在該電荷放大器的該正輸入保持在該第二電位並且該井部保持在該第四電位時的第二取樣時間處取樣該感測訊號。
  4. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其中，該第三電位實質上等於該第一電位並且該第四電位實質上等於該第二電位。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其中，該激發訊號提供電路系統包括一被連接至該正輸入與該井部中每一者的輸出，用以將在 該正輸入處的電位以及在該井部處的電位同時從該第一電位改變成該第二電位。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其進一步包括一屏蔽結構，其被排列在該感測結構與該基板之間，其中，該激發訊號提供電路系統進一步被連接至該屏蔽板並且被配置成用以將該屏蔽板的電位從一第五電位改變成一第六電位，該第五電位與該第六電位之間的差異實質上等於該第一電位與該第二電位之間的差異。
  7. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其中，該感測電晶體為一NMOS電晶體或是一PMOS電晶體，並且該井部則分別為一p井部或是一n井部。
  8. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其中，一p井部與一n井部中的至少其中一者被形成在該井部之中。
  9. 根據申請專利範圍第8項的指紋感測裝置，其中，該井部為複數個感測元件所共用。
  10. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其中，該些感測元件中的每一者皆進一步包括：一重置切換器，其包括至少一重置電晶體，其被連接在該電荷放大器的該負輸入與該輸出之間，並且可控制放電該回授電容器，其中，該重置電晶體被形成在該井部之中。
  11. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其中，該些感測元件中的每一者皆進一步包括：驅動訊號提供電路系統，其包括至少一驅動電晶體，該至少一驅動電 晶體被連接至該感測結構並且可以控制用以直接提供一驅動訊號給該感測結構，其中，該驅動電晶體被形成在該井部之中。
  12. 根據申請專利範圍第1或2項的指紋感測裝置，其進一步包括讀出電路系統，其被連接至該些感測元件中的每一者，並且被配置成用於以來自該些感測元件中每一者的感測訊號為基礎而提供該指紋圖樣的一表現符。
  13. 一種電子裝置，其包括：根據申請專利範圍第12項的指紋感測裝置；以及處理電路系統，其被配置成用以：從該指紋感測裝置處獲取該指紋圖樣的表現符；以該表現符為基礎來鑑定一使用者；以及僅在該使用者以該表現符為基礎獲得證明時實施至少其中一項使用者請求的處理。
  14. 一種利用指紋感測裝置感測手指之指紋圖樣的方法，該指紋感測裝置包括一有摻雜的半導體基板；以及一被形成在該半導體基板上的感測元件陣列，其中，該些感測元件中的每一者皆包含一導電感測結構，其被連接至形成在該半導體基板中的一井部之中的感測電晶體的閘極，該井部被摻雜為與該半導體基板具有相反的極性，該方法包括針對該些感測元件中的每一者進行下面步驟：將在感測結構的電位從第一電位改變為第二電位；將該井部的電位從第三電位改變為第四電位，介於該第三電位與該第 四電位之間的差異實質上等於介於該第一電位與該第二電位之間的差異；以及提供一感測訊號，用以表示因該感測結構的電位從第一電位改變為第二電位所達到之介於該手指與該感測結構之間的電位差變化所造成之由該感測結構所攜載的電荷變化。
  15. 根據申請專利範圍第14項的方法，其進一步包括下面步驟：將複數個相鄰感測元件中每一個感測結構的電位從一第七電位改變為一第八電位，介於該第七電位與該第八電位之間的差異實質上等於介於該第一電位與該第二電位之間的差異。
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