TWI526946B

TWI526946B - 指紋感測裝置

Info

Publication number: TWI526946B
Application number: TW103144032A
Authority: TW
Inventors: 楊昭錡
Original assignee: 義隆電子股份有限公司
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-03-21
Also published as: TW201624347A; CN105844273A

Description

指紋感測裝置

本發明係關於一種指紋感測裝置，尤指一種避免雜訊干擾的指紋感測裝置。

目前電容式指紋感測裝置主要有面型及線型二種，如圖5A及圖5B所示，該面型電容式指紋感測裝置係於一基板50上形成有呈矩陣排列的複數像素電極區51，以解析度500 dpi的面型電容式指紋感測裝置來說，為獲得成人手指指紋約150微米的脊部及凹部寬度的最細特徵，各像素電極區51尺寸約為50微米*50微米；因此，該像素電極51係對應至少一完整的脊部或凹部，又各該像素電極區51係設有單一電極511。

再請配合圖5C所示，該電容式指紋感測裝置的各像素電極51係連接至一像素檢出電路，其包含有一比較電路60、一檢出開關sw、一驅動源Vdd、一第一參考訊號源V _R及一第二參考訊號源Vref；其中該比較電路60的反相輸入端(-)係連接該第一參考訊號源V _R，且透過該檢出開關sw連接至對應的該其中一像素電極區51的電極511，又該驅動源Vdd係可切換地連接於該檢出開關sw與該像素電極區51的電極511之間。該比較電路60非反相輸入端(+)則連接至該第二參考訊號源Vref。如圖6A所示，當該檢出開關sw斷開不導通，且該驅動源Vdd輸出一驅動訊號予相對的該像素電極區51的電極511，同時該第一參考訊號源V _R提供一參考電壓後，再如圖6B所示，切斷該驅動源Vdd及該第一參考訊號源V _R，同時將該檢出開關sw開啟導通，該比較電路60的反相輸入端(-)即獲得來自該像素電極區51的電極511的一電容感應訊號，並與該第二參考訊號源Vref的參考訊號比較後輸出一比較結果。由於該像素電極區51的電極511對應指紋的脊部及凹部的電容感應值不同，故可依據該比較結果產生對應指紋的影像。

然而，由於對應各該像素電極區51的電極511的該像素檢出電路僅以其電容感應訊號判斷該像素電極區51的電極511對應到的部位為指紋的脊部或凹部，而該電容感應訊號包含除了該像素電極區51的電極511與該脊部或凹部之間耦合電容值C _F外，更包含了該脊部或凹部對大地EGND的電容值，其中該電容值C _BODY的電位又會受到雜訊干擾V _N而變動，因此，如圖7A所示，第一波形SV1顯示不受雜訊干擾下，不同耦合電容值對應的檢出電壓值，即耦合電容值與該檢出電壓V _OP值成正比，故可依據檢測電壓大小識別對應的耦合電容值，再依據耦合電容值判斷該像素電極區51的電極511對應到的部位為指紋的脊部或凹部；然而，當受到如圖7B所示的一雜訊波形S _NOISE干擾，則如第二波形SV2顯示，該像素檢出電路檢出電壓值明顯隨著雜訊波形S _NOISE上下擺動，使耦合電容值與該檢出電壓值之間不再成正比，大大影響指紋脊部或凹部的判斷與該指紋影像的檢出；是以，有必要進一步改善之。

有鑑於上述既有指紋感測裝置易受雜訊干擾使指紋影像識別準確度下降的缺點，本發明主要目的係提出一種避免雜訊干擾的指紋感測裝置。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該指紋感測裝置包含有一基板、複數像素單元及一指紋感測電路；其中該複數像素單元係設於該基板上，且各該像素單元包含有一第一電極部及一第二電極部，而該指紋感測電路係連接至該複數像素單元，並包含有：複數驅動單元，分別連接該像素單元，各該驅動單元係連接至對應的該像素單元的該第一及第二電極部，以一第一驅動電壓驅動該第一電極部，且以一第二驅動電壓驅動該第二電極部，該第一驅動電壓不同於該第二驅動電壓；及複數感測單元，分別連接至該像素單元，各該感測單元係接收對應該像素單元內該第一電極部的第一電容感應訊號及該第二電極部的第二電容感應訊號，且根據該第一及第二電容感應訊號進行運算並產生一輸出，以作為該像素單元的該電容感應資訊，其中各個該像素單元的電容感應資訊被用於產生一指紋資訊。

上述本發明主要將對應既有一像素電極區尺寸的一像素單元內設置一第一及第二電極部，並令連接該第一及第二電極部的驅動單元以不同電壓的第一及第二驅動電壓分別驅動後，再由連接該第一及第二電極部的感測單元分別接收並根據該第一及第二電極部的二電容感應訊號進行運算以產生比較結果，比較結果即為該像素單元的電容感應訊號，以排除相同雜訊干擾造成的電容成份；如此，本發明各該像素單元的電容感應訊號相較既有像素電極區之電極的電容感應訊號，即不包含雜訊干擾造成的電容成份，提高指紋影響的識別準確度。

首先請參閱圖1A及圖1B所示，本發明指紋感測裝置係包含有一基板10及複數像素單元11，其中該複數像素單元11係對應設於該基板10的一側，該基板可為該指紋感測裝置的玻璃蓋板或保護層，且各像素單元11係包含複數電極部，本實施例之各該像素單元11的電極部數量選擇為兩個作為實施樣態說明，其包含有一第一電極部111及一第二電極部112，如圖 1B所示的實施例中，該第一電極部111及各該第二電極部112為二個獨立且面積相同。又，基於成人的手指指紋具有約150微米的脊部及凹部寬度，為獲得指紋的最細特徵，以500 dpi的指紋感測裝置來說，目前各該像素單元11尺寸約為50微米*50微米；因此，該像素單元11的該第一及第二電極部111、112係大部份地同時對應到指紋上的同一部位，其中本發明實際設計尺寸並不侷限於前述尺寸。

再請參閱圖1C所示，本發明指紋感測裝置進一步包含有一指紋感測電路20係連接至該複數像素單元11，並包含有複數驅動單元及複數感測單元；又該複數像素單元11與該指紋感測電路20可係整合於同一晶片上，且讓該複數像素單元11對應位於該基板10一側。該複數驅動單元係分別連接該像素單元11，且各驅動單元係連接至對應的該像素單元11的第一及第二電極部111、112，並以二個電壓不相同的一第一及第二驅動電壓分別驅動該第一電極部111及該第二電極部112。至於該複數感測單元則同樣分別連接至該像素單元11的第一及第二電極部111、112，且各感測單元係用以接收對應該像素單元11內該第一電極部111的第一電容感應訊號及該第二電極部112的第二電容感應訊號，並根據該第一及第二電容感應訊號進行運算，產生一輸出作為該像素單元11的該電容感應資訊，其中各個該像素單元11的電容感應資訊被用於產生一指紋資訊，即構成一指紋影像。

請參閱圖1C所示的實施例中，各該感測單元係包含一差分電路22，該差分電路22具有一非反相輸入端(+)及一反相輸入端(-)，該非反相輸入端(+)係透過一第一開關S1連接至對應的該第一電極部111，該反相輸入端(-)係透過一第二開關S2連接至對應的該第二電極部112；該非反相輸入端(+)及反相輸入端(-)分別透過二開關S12、S22(如圖2A所示，位於節點N2)可切換地連接至一第一及第二參考電壓源V _R1、V _R2。而各該驅動單元則包含有一第一驅動電壓源V _D1及一第二驅動電壓源V _D2；其中該第一驅動電壓源 V _D1係透過一開關S11(如圖2A所示，位於節點N1)可切換地連接至該第一開關S1與該第一電極部111之間，以提供其所對應連接之該像素單元11的該第一電極部111的該第一驅動電壓，而該第二驅動電壓源V _D2係透過另一開關S21(如圖2A所示，位於節點N1)可切換地連接至該第二開關S2與該第二電極部112之間，以提供其所對應連接之像素單元11的該第二電極部112的該第二驅動電壓。在一實施例中，各該差分電路可為一差分放大器。

於時間T1，如圖2A所示之等效電路，其中該差分電路22為一增益A的差分放大器，該第一及第二開關S1、S2斷開不導通，而該驅動單元的第一及第二驅動電壓源V _D1、V _D2係同時且分別提供該第一及第二驅動電壓予對應的該像素單元11的第一及第二電極部111、112，在此同時，該第一及第二參考電壓源V _R1、V _R2被切換連接至該差分電路22的該非反相輸入端(+)及反相輸入端(-)；其中C _P1為節點N1的寄生電容，亦即自該差分電路22的非反相及反相輸入端(+)、(-)看入的等效電容，而C _P2則為節點N2的等效電容，但不包含第一電極部111及第二電極部分112別對應手指的耦合電容C _F。之後於時間T2，如圖2B所示之等效電路，即斷開第一及第二驅動電壓源V _D1、V _D2的開關S11、S21與第一及第二參考電壓源V _R1、V _R2的開關S12、S22，且開啟導通該第一及第二開關S1、S2，使該第一及第二電極部111、112分別連接至該差分電路22的非反相及反相輸入端(+)、(-)，以分別接收該第一及第二電極部111、112的第一及第二電容感應訊號V ₁、V ₂，再予以運算後輸出一比較結果。

如圖2A所示，一手指對大地EGND的電容為C _BODY，該電容C _BODY相對大地EGND的另一端受到雜訊干擾而呈現電壓變動現象，假設圖2A在時間T1受到雜訊干擾的當下令該手指電位為V _f1，圖2B在時間T2受到雜訊干擾的當下令該手指電位為V _f2，則圖2B等效電路中的非反相輸入端(+)的第一電容感應訊號電壓V ₁可由如後運算式導出：，再令，則上式可整理為：，再整理如後：，同理，反相輸入端(-)的第二電容感應訊號的電壓V ₂為：，其中令。差分放大器的運作包括將第一電容感應訊號V ₁與第二電容感應訊號V ₂相減，獲得其輸出電壓V _OP為：；由此式可知，輸出電壓V _OP已不包含有V _f1及V _f2，故消除雜訊的干擾；此外，若進一步令第一及第二參考電壓源V _R1、V _R2的電壓相同，即，則該差分電路的輸出電壓為：，其中A為增益參數。

由上述公式可知，於該同一像素單元11的該第一及第二電極部111、112相當接近，其大致上會對應到單一個指紋上的同一部位，並且圖1B所示之該第一電極部111及各該第二電極部112係包含有相同面積，亦即該同一像素單元11的該第一及第二電極部111、112的電容值C _F會十分接近。縱使有雜訊干擾，該第一及第二電容感應訊號V ₁、V ₂也會包含受同一雜訊(如圖5B所示)干擾的相同變動電壓，因此，經過該差分電路22運算後，該比較結果可以排除具有相同雜訊干擾的變動電壓V _N，如圖4A的第二波形SV2所示。

再請參閱圖3A所示，各該像素單元11係包含有複數第一電極部111及複數第二電極部112，例如各包含二個第一電極部111及二個第二電極部112，且該二個第一電極部111的總面積與該二個第二電極部112的總面積相同。同理，如圖3B所示，各該像素單元11係包含有三個第一電極部111及三個第二電極部112，或如圖3C所示，各該像素單元11包含第一電極部111及四個第二電極部112。此外，以圖3C為例，如各該像素單元11若欲增加其它功能的電極，可將至少一備用電極12設置於該像素單元11的中間位置，被該複數第一電極部111及該複數第二電極部112圍繞。

當各像素單元11包含有該複數第一電極部111及該複數第二電極部112，該複數第一電極部111及該複數第二電極部112的複數電極13係交錯排列於該像素單元11中。意即，各該像素單元11中位於一第一方向X上的該第一及第二電極部111、112係呈交錯排列，且各該像素單元11中位於一第二方向Y上的該第一及第二電極部111、112亦呈交錯排列，如圖3A至圖3C所示。

綜上所述，本發明主要將對應既有一像素電極區尺寸的一像素單元內設置至少一個第一及第二電極部，並令連接該第一及第二電極部的驅動單元以不同電壓的第一及第二驅動電壓分別驅動後，再由連接該第一及第二電極部的感測單元分別接收並根據該第一及第二電極部的二電容感應訊號進行運算以產生比較結果，比較結果即為該像素單元的電容感應訊號，以排除相同雜訊干擾造成的影響，有助於提高指紋影響的識別準確度。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧基板
11‧‧‧像素單元
111‧‧‧第一電極部
112‧‧‧第二電極部
12‧‧‧備用電極
20‧‧‧指紋感測電路
22‧‧‧差分電路
50‧‧‧基板
51‧‧‧像素電極區
511‧‧‧像素電極
60‧‧‧比較電路

圖1A：係本發明指紋感測裝置的結構示意圖。圖1B：係圖1A的部份結構放大圖。圖 1C：係圖1A部分結構(側視)及指紋感測電路示意圖。圖2A及圖2B：係本發明指紋感測電路的驅動及接收電路動作示意圖。圖3A至圖3C：係本發明指紋感測裝置的三種不同像素單元結構示意圖。圖4A：係本發明指紋感測電路輸出電壓值與耦合電容值的關係圖。圖4B：係一雜訊的波形圖。圖5A：係既有一指紋感測裝置的結構示意圖。圖5B：係圖5A的部份結構放大圖。圖5C：係圖5A的部分結構(側視)及指紋感測電路示意圖。圖6A及圖6B：係指紋感測電路的驅動及接收電路動作示意圖。圖7A：係既有指紋檢出電路輸出電壓值與耦合電容值的關係圖。圖7B：係一雜訊的波形圖。

10‧‧‧基板

11‧‧‧像素單元

111‧‧‧第一電極部

112‧‧‧第二電極部

Claims

一種指紋感測裝置，包括：一基板；複數像素單元，係對應設於該基板的一側，各該像素單元包含有一第一電極部及一第二電極部；及一指紋感測電路，係連接至該複數像素單元，包含有：複數驅動單元，係分別連接該像素單元，各驅動單元係連接至對應的該像素單元的該第一及第二電極部，以一第一驅動電壓驅動該第一電極部，且以一第二驅動電壓驅動該第二電極部，該第一驅動電壓不同於該第二驅動電壓；及複數感測單元，係分別連接至該像素單元，以接收對應該像素單元內該第一電極部的第一電容感應訊號及該第二電極部的第二電容感應訊號，並根據該第一及第二電容感應訊號進行運算以產生一輸出，作為該像素單元的該電容感應資訊，其中各個該像素單元的電容感應資訊被用於產生一指紋資訊。
如請求項1所述之指紋感測裝置，各該感測單元係包含：一差分電路，其具有一反相輸入端及一非反相輸入端，該反相輸入端係透過一第一開關連接至對應的該第一電極部，該非反相輸入端係透過一第二開關連接至對應的該第二電極部；一第一參考電壓源，係可切換地連接至該反相輸入端；及一第二參考電壓源，係可切換地連接至該非反相輸入端。
如請求項2所述之指紋感測裝置，各該驅動單元係包含：一第一驅動電壓源，係可切換地連於該第一開關與該第一電極部之間，以提供該第一驅動電壓；及一第二驅動電壓源，係可切換地連於該第二開關與該第二電極部之間，以提供該第二驅動電壓。
如請求項3所述之指紋感測裝置，該第一參考電壓源及該第二參考電壓源的電壓相同。
如請求項3所述之指紋感測裝置，該第二驅動電壓源、該第一參考電壓源及該第二參考電壓源的電壓相同。
如請求項2至5中任一項所述之指紋感測裝置，該複數像素單元與該指紋感測電路係整合於同一晶片上。
如請求項1所述之指紋感測裝置，各該像素單元的該第一電極部及該第二電極部於接觸手指之同一部位時，該第一電極部與手指該部位之間的總耦合電容值，係與該第二電極部與手指該部位之間的總耦合電容值實質相同。
如請求項7所述之指紋感測裝置，該第一及第二電極部的面積相同。
如請求項7所述之指紋感測裝置，各像素電極單元包含有複數第一及第二電極部，該複數第一及第二電極部的數量相同且面積相同。
如請求項9所述之指紋感測裝置，各該像素單元中位於一第一方向上的該複數第一及第二電極部係交錯排列，且各該像素單元中位於一第二方向上的該複數第一及第二電極部係交錯排列。
如請求項9或10所述之指紋感測裝置，各該像素單元另包含至少一個備用電極，該第一、第二電極部排列設置於該備用電極之外周圍。