TWI605393B - 具有共模抑制的指紋感測裝置 - Google Patents

Description

具有共模抑制的指紋感測裝置

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型態的方法。

各種類型的生物量測系統的使用越來越頻繁，以便用於提高安全性及/或增加使用者便利性。

明確地說，指紋感測系統便因為它們的小形狀因子、高效能、以及高使用者接受度的關係而被採用於消費性電子裝置之中。

在各種可利用的指紋感測原理中(例如，電容式、光學式、熱學式等)，電容式感測最常被使用，尤其是在尺寸以及功率消耗為重要問題的應用中。

所有電容式指紋感測器皆會提供一量測值，用以表示數個感測結構中的每一個感測結構以及一被放置在該指紋感測器的表面上或是移動跨越該指紋感測器的表面的手指之間的電容。

某些電容式指紋感測器會被動讀出介於該些感測結構以及該手指之間電容。然而，這需要在感測結構與手指之間有相對大的電容。所以，此些被動的電容式感測器通常具備一用以覆蓋該些感測結構的超薄 保護層，其會使得此些感測器相當容易受到刮痕及/或ESD(靜電放電)的影響。

US 7 864 992揭示一種電容式指紋感測系統，其中，一驅動訊號會藉由下面方式被注入於手指之中：發射脈衝給一被排列在該感測器陣列附近的導體結構，以及量測由該感測器陣列之中的該些感測結構所攜載的電荷的最終變化。

此種所謂的主動電容式指紋感測系統類型通常在量測手指以及感測結構之間的電容時的訊噪比(signal-to-noise ratio)會遠高於上面提及的被動式系統。因此，這可以允許使用相當厚的保護性塗層，並且因而會有較強健的電容式指紋感測器，其能夠被併入於會受到相當大磨耗的物品(例如，行動電話)之中。

然而，為更進一步提高該指紋感測器的強健性以及容易將該指紋感測器整合至電子裝置之中等，可能會希望經由一非常厚的保護性塗層(其可能為數百微米厚)來達成指紋量測。舉例來說，可能會希望經由一玻璃板或是雷同物(例如，行動電話的前玻璃蓋板或是後玻璃蓋板)來達成指紋量測。

然而，當經由一厚的保護性塗層來進行量測時，介於手指以及不同感測結構之間的電容性耦合將會幾乎相同，從而使其非常難以從該指紋感測器輸出處抽出指紋資訊。換言之，相較於該些感測結構的共同輸入訊號，送往該些感測結構的輸入訊號中攜載指紋資訊的部分會非常小。

為解決此問題，US 8 888 004提議均等地施加激昇訊號的反向訊號或是跨越該手指感測像素陣列所接收之訊號的平均值的反向訊號至 該手指感測像素陣列。於其中一施行方式中，US 8 888 004提議藉由下面方式來產生該平均訊號：互連目前不會被掃描的一群手指感測像素，以及量測在此群互連像素上所產生的平均訊號。

US 8 888 004所提議的方式雖然可以用於抑制該共同訊號；不過，該案所建議的解決方案卻被預期為相當複雜並且實際上難以施行。

有鑑於上面提及和先前技術的其它缺點，本發明的目的便係達成一種改良的電容式指紋感測裝置，明確地說，本發明的目的係提供一種電容式指紋感測裝置，以便經由非常厚的保護性塗層來提供改良的感測效能。

所以，根據本發明的第一項觀點，本發明提供一種指紋感測裝置，用以感測手指的指紋型態，該指紋感測裝置包括：複數個導電的感測結構，其包含至少一第一感測結構與一第二感測結構；以及電荷感測電路系統，其被連接至該些感測結構，該電荷感測電路系統包含至少一第一電荷放大器與一第二電荷放大器，每一個電荷放大器皆包括：一第一輸入；一第二輸入；一輸出；以及至少一放大器級，該放大器級位於該些第一輸入與第二輸入以及該輸出之間，該輸出被電容性耦合至該第一輸入，其中：該第一電荷放大器的該第一輸入被連接至該第一感測結構；該第二電荷放大器的該第一輸入被連接至該第二感測結構；以及該第一電荷放大器的該輸出被電容性耦合至該第二電荷放大器的該第一輸入。

優點係，該指紋感測裝置可以包括被排列在一陣列之中的相當大量的感測結構。舉例來說，該指紋感測裝置可以包括至少一百個感測 結構，或者更有利的係，至少一千個感測結構，它們可以被排列在一矩形的陣列之中。舉例來說，該感測結構的間距可以為約50μm(相當於每英吋500個像素的解析度)。

又，優點係，每一個感測結構可以以一金屬板的形式來提供，俾使得該感測結構(該感測板)、該局部手指表面、以及被提供於該些感測結構與該手指表面之間的一保護性塗層(以及可能局部性存在於該手指表面與該保護性塗層之間的任何空氣)會形成某種類型的平行板電容器。

該保護性塗層可能被包含於該指紋感測裝置之中，優點係，其可能至少20μm厚，並且具有很高的介電強度，以便保護該指紋感測裝置的下方結構，避免受到磨耗與毀損以及ESD的破壞。更有利的係，該保護性塗層可能至少50μm厚。於實施例中，該保護性塗層可以為數百μm厚。

於一電荷放大器之中，位在該第一輸入(經常被稱為「負」輸入)處的電位會隨動於位在該第二輸入(經常被稱為「正」輸入)處的電位。換言之，位在該第二輸入處的電位的改變會導致位在該第一輸入處的電位的實質對應改變。端視該電荷放大器的真實配置而定，位在該第一輸入處的電位可以實質上和位在該第二輸入處的電位相同；或者，在該些第一輸入與第二輸入之間可以有一實質上恆定的電壓差。舉例來說，倘若在該電荷放大器中的放大器級為一具有單感測電晶體的單級放大器的話，那麼，該電位差則可以為該感測電晶體的閘極-源極電壓。

在US 7 864 992之中所述的指紋感測器之中，該電荷放大器會將被連接至該第一輸入的感測結構(感測板)所攜載的電荷的變化轉換成 位在該電荷放大器的該輸出處的電壓變化。

上面提及的由一感測結構所攜載的電荷的變化可能肇因於該手指與該感測結構之間的電位差(電壓)的變化，而且該電荷的變化大小可能相依於該電位差變化的大小以及該手指與該感測結構之間的電容性耦合。

於一非常厚的保護性塗層的情況中(例如，數百μm的玻璃)，介於該手指與該指紋感測裝置中的不同感測結構之間的電容性耦合可能非常雷同；因此，相較於不同感測結構的共同電容性耦合(共模組成)，該些不同感測結構的電容性耦合中的差異(差異組成)可能會非常小。

本案發明人已經瞭解，藉由將該第一電荷放大器的輸出電容性耦合至該第二電荷放大器的第一輸入，位在該第二電荷放大器的輸出處的電壓變化將可以表示由該第二感測結構所攜載的電荷變化以及由該第一感測結構所攜載的電荷變化之間的差異。

據此，經由本發明的實施例，位在該第二電荷放大器的輸出處的電壓變化便會相依於該第一感測結構與該手指之間的電容性耦合以及該第二感測結構與該手指之間的電容性耦合的差異，並且該共模(Common Mode，CM)組成會受到抑制。

再者，經由本發明的實施例，此效應經由簡單且小型的電路系統便能夠達成，並且不需要電阻器、濾波器、或是額外的訊號產生電路系統。

為達成有效的利用所有感測結構，該第二電荷放大器的輸出可以被電容性耦合至該第一電荷放大器的第一輸入。因而可以達成一對稱 性的電路配置，其中，在該指紋感測裝置之中的每一個像素(感測結構以及相關聯的電荷放大器)的共模組成皆會受到抑制。

為提供該指紋感測裝置的所希望的操作，抑制共模組成並且合宜的放大差異組成，介於該第二電荷放大器的輸出與該第二電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合可能會強過介於該第一電荷放大器的輸出與該第二電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合；以及介於該第一電荷放大器的輸出與該第一電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合可能會強過介於該第二電荷放大器的輸出與該第一電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合。

優點係，介於該第二電荷放大器的輸出與該第二電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合可以強過介於該第一電荷放大器的輸出與該第二電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合不及兩倍；以及介於該第一電荷放大器的輸出與該第一電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合可以強過介於該第二電荷放大器的輸出與該第一電荷放大器的第一輸入之間的電容性耦合不及兩倍。

再者，根據不同的實施例，該第一電荷放大器的輸出可以藉由下面方式被電容性耦合至該第二電荷放大器的第一輸入：一導體性的第一電荷放大器輸出耦合結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的輸出；一導體性的第二電荷放大器輸入耦合結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的第一輸入；以及一介電層，其被排列在該第一電荷放大器輸出耦合結構與該第二電荷放大器輸入耦合結構之間。而且該第二電荷放大器的輸出可以藉由下面方式被電容性耦合至該第一電荷放大器的第 一輸入：一導體性的第二電荷放大器輸出耦合結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的輸出；一導體性的第一電荷放大器輸入耦合結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的第一輸入；以及一介電層，其被排列在該第二電荷放大器輸出耦合結構與該第一電荷放大器輸入耦合結構之間。

此些實施例提供一種簡單的電路配置，其有助於設計和製造該指紋感測裝置。這在該指紋感測裝置係利用半導體製程被形成在一半導體基板上的實施例之中可能會特別重要。舉例來說，優點係，該指紋感測裝置可以於所謂的CMOS製程之中來製造。

優點係，第一切換電路系統可以被提供在該第一電荷放大器的輸出與該第一電荷放大器輸出耦合結構之間，以及第二切換電路系統可以被提供在該第二電荷放大器的輸出與該第二電荷放大器輸出耦合結構之間。藉由使用該第一切換電路系統以及第二切換電路系統來中斷連接該第一電荷放大器輸出與該第二電荷放大器輸入以及中斷連接該第二電荷放大器輸出與該第一電荷放大器輸入，根據本發明實施例的指紋感測裝置便能夠便利地被控制在一「CM抑制」模式與一「正常」模式之間。舉例來說，這可以針對該保護性塗層的不同電氣厚度(其相依於該保護性塗層的實體厚度以及介電常數)以最佳的方式調整單一感測器器件。在薄塗層中，「正常」模式可以產生最佳的指紋影像；而在非常厚的塗層中，「CM抑制」模式則可以產生最佳的指紋影像。

優點係，上面提及的第一電荷放大器輸入耦合結構可以由該第一感測結構來構成；以及優點係，上面提及的第二電荷放大器輸入耦合 結構可以由該第二感測結構來構成。

於此配置中，該第一感測結構與該第二感測結構可以被形成在一第一導體層(例如，一金屬層)之中；以及上面提及的第一電荷放大器輸出耦合結構與第二電荷放大器輸出耦合結構可以被形成在一第二導體層(其可以位於該第一導體層的下方)之中。據此，同一介電層可以分別分離該第一感測結構與該第一電荷放大器輸出耦合結構以及該第二感測結構與該第二電荷放大器輸出耦合結構。

再者，根據不同的實施例，該第一電荷放大器的第一輸入可以藉由下面方式被電容性耦合至該第一電荷放大器的輸出：一導體性的第一回授結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的輸出、該第一感測結構、以及一被排列在該第一回授結構與該第一感測結構之間的介電層；以及一導體性的第二回授結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的輸出、該第一感測結構、以及一被排列在該第二回授結構與該第一感測結構之間的介電層。而且該第二電荷放大器的第一輸入可以藉由下面方式被電容性耦合至該第二電荷放大器的輸出：一導體性的第三回授結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的輸出、該第二感測結構、以及一被排列在該第三回授結構與該第二感測結構之間的介電層；以及一導體性的第四回授結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的輸出、該第二感測結構、以及一被排列在該第四回授結構與該第二感測結構之間的介電層。

該些第一回授結構與第二回授結構的功能以及該些第三回授結構與第四回授結構的功能可以針對每一個電荷放大器/像素分別利用單 一組合式結構來達成。然而，藉由提供分離的回授結構，該指紋感測裝置預期比較不會受到製程之中的變異影響。

根據不同的實施例，該第二回授結構與該第一電荷放大器輸出耦合結構可以藉由一第一導體性結構來形成，該第一導體性結構部分延伸在該第一感測結構之下並且部分延伸在該第二感測結構之下；以及該第四回授結構與該第二電荷放大器輸出耦合結構可以藉由一第二導體性結構來形成，該第二導體性結構部分延伸在該第一感測結構之下並且部分延伸在該第二感測結構之下。

於此些配置中，僅需要形成較少的導體性結構以及互連便可以達成所希望的功能，其有助於設計與製造該指紋感測器。進一步言之，在此些實施例之中所使用的方式有助於和一個以上的相鄰像素進行電容性跨越耦合(cross-coupling)。

根據實施例，該第一電荷放大器輸出耦合結構可以被設計成具有和上面提及的第三回授結構實質上相同的面積，以及該第二電荷放大器輸出耦合結構可以被設計成具有和上面提及的第一回授結構實質上相同的面積。明確地說，該些不同的結構可以被設計成具有實質上完全相同的尺寸與形狀。因此，製程變異、…等會以相同的方式分別影響該第一電荷放大器輸出耦合結構與該第三回授結構，以及該第二電荷放大器輸出耦合結構與該第一回授結構。這會降低任何製程變異的衝擊，從而提供改良的製造產量。

該些不同的耦合結構的「面積」一詞應該被理解為在該感測裝置的平面之中的橫向面積。一般來說，該些不同的耦合結構(以及該些感 測結構)可以非常薄，例如，約1μm或更小，並且具有約100μm²或更大的面積。

為達共模組成抑制以及差異組成放大之合宜組合的目的，優點係，上面提及的第二回授結構的面積可以小於上面提及的第一回授結構的面積；以及優點係，上面提及的第四回授結構的面積可以小於上面提及的第三回授結構的面積。

明確地說，優點係，該第二回授結構的面積可以小於該第一回授結構的面積的一半；以及優點係，該第四回授結構的面積可以小於該第三回授結構的面積的一半。

再者，根據不同的實施例，該指紋感測電路系統可以額外包括激昇訊號提供電路系統，其被連接至該些電荷放大器中每一個電荷放大器的第二輸入並且被配置成用以將位在該第二輸入處的電位從第一電位改變成第二電位，從而改變該感測結構的電位，其接著會在手指以及被連接至該第一輸入的感測結構之間提供一電位差變化。

該激昇訊號提供電路系統可以為切換電路系統，其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。或者，甚至可以結合為之的係，該激昇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訊號，例如，方波電壓訊號或是正弦波電壓訊號。

再者，根據不同的實施例，優點係，該指紋感測裝置之中所包括的電荷感測電路系統可以包含複數組電荷放大器，每一組電荷放大器皆包括上面提及的第一電荷放大器以及第二電荷放大器。每一個電荷放大 器的第一輸入皆可以被連接至一對應的感測結構。

又，優點係，根據本發明不同實施例的指紋感測裝置可以被包括於一電子裝置之中，該電子裝置進一步包括處理電路系統，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型態的代表符；以該代表符為基礎來鑑定一使用者；以及僅在該使用者以該代表符為基礎獲得鑑定才實施至少一項使用者要求的處理。舉例來說，該電子裝置可以為一手持式通訊裝置(例如，行動電話或平板)、電腦、或是電子穿戴物品(例如，手錶或類似物)。

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來感測手指的指紋型態的方法，該指紋感測裝置包括：複數個導電的感測結構，其包含至少一第一感測結構與一第二感測結構；以及電荷感測電路系統，其被連接至該些感測結構，該電荷感測電路系統包含至少一第一電荷放大器與一第二電荷放大器，每一個電荷放大器皆包括：一第一輸入；一第二輸入；一輸出；以及至少一放大器級，該放大器級位於該些第一輸入與第二輸入以及該輸出之間，該輸出被電容性耦合至該第一輸入，其中，該方法包括下面步驟：於該第一電荷放大器的該輸出與該第二電荷放大器的該第一輸入之間提供一電容性耦合；於該第二電荷放大器的該輸出與該第一電荷放大器的該第一輸入之間提供一電容性耦合；取樣該些第一電荷放大器與第二電荷放大器的輸出，用以形成該指紋型態的一代表符。

本發明的此第二項觀點的進一步實施例以及經由本發明的此第二項觀點所達成的效應大部分類同於上面針對本發明的第一項觀點所述的實施例以及效應。

綜上所述，本發明係關於一種用於感測手指的指紋型態的指紋感測裝置，該指紋感測裝置包括：至少一第一感測結構與一第二感測結構；以及至少一第一電荷放大器與一第二電荷放大器。每一個電荷放大器皆包括：一第一輸入；一第二輸入；一輸出；以及至少一放大器級，該放大器級位於該些第一輸入與第二輸入以及該輸出之間。該輸出被電容性耦合至該第一輸入。該第一電荷放大器的該第一輸入被連接至該第一感測結構；該第二電荷放大器的該第一輸入被連接至該第二感測結構；以及該第一電荷放大器的該輸出被電容性耦合至該第二電荷放大器的該第一輸入，以便抑制該共模組成。

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

8a‧‧‧感測元件

8b‧‧‧感測元件

10a‧‧‧第一接觸墊

10b‧‧‧第二接觸墊

11‧‧‧手指

13‧‧‧保護性的介電質頂層

17‧‧‧第一感測結構(板)

18‧‧‧電荷放大器

19‧‧‧激昇訊號提供電路系統

20‧‧‧指紋感測裝置

21‧‧‧選擇切換器

24‧‧‧運算放大器(op amp)

25‧‧‧第一輸入(負輸入)

26‧‧‧第二輸入(正輸入)

27‧‧‧輸出

29‧‧‧回授電容器

30‧‧‧重置電路系統

33‧‧‧讀出線路

36‧‧‧多工器

37‧‧‧取樣與保持電路

37a‧‧‧取樣與保持電路

37b‧‧‧取樣與保持電路

38‧‧‧類比至數位轉換器

38a‧‧‧類比至數位轉換器

38b‧‧‧類比至數位轉換器

40‧‧‧指紋感測裝置

41‧‧‧第一輸入(負輸入)

42‧‧‧第二電荷放大器

43‧‧‧輸出

44‧‧‧第二感測結構(板)

45‧‧‧第二輸入(正輸入)

50‧‧‧指紋感測裝置

51‧‧‧第一回授結構(板)

52‧‧‧第二回授結構(板)

53‧‧‧第一電荷放大器輸出耦合結構(板)

55‧‧‧第三回授結構(板)

56‧‧‧第四回授結構(板)

57‧‧‧第二電荷放大器輸出耦合結構(板)

58‧‧‧第一屏蔽板

59‧‧‧第二屏蔽板

60‧‧‧指紋感測裝置

61‧‧‧第一切換器

62‧‧‧第二切換器

64‧‧‧回授結構(板)

80‧‧‧指紋感測裝置

81a‧‧‧感測結構

81b‧‧‧感測結構

81c‧‧‧感測結構

83‧‧‧第一組合板

84‧‧‧第二組合板

100‧‧‧第一關係圖

101‧‧‧第二關係圖

103‧‧‧第一關係圖

104‧‧‧第二關係圖

110‧‧‧減差電路系統

111‧‧‧加總電路系統

C_f1‧‧‧第一回授電容

C_f2‧‧‧第二回授電容

C_c1‧‧‧第一跨越耦合電容

C_c2‧‧‧第二跨越耦合電容

CM‧‧‧數位共模輸出

DM‧‧‧數位差模輸出

現在將參考顯示本發明之範例實施例的隨附圖式來更詳細說明本發明的前述與其它觀點，其中：圖1概略圖解根據本發明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3所示的係根據先前技術的指紋感測裝置的一部分的概略剖視圖，其具有一非常厚的保護性塗層；圖4a至b概略圖解圖3中的指紋感測裝置的輸出；圖5所示的係根據本發明第一實施例的指紋感測裝置的一部分的概略剖視圖，其具有一非常厚的保護性塗層；圖6a至b概略圖解圖5中的指紋感測裝置的輸出；圖7所示的係根據本發明第二實施例的指紋感測裝置的一部分的部分結構性以及部分電路式的混合圖式； 圖8概略顯示圖7中的回授結構以及耦合結構的替代性配置；圖9所示的係根據本發明第三實施例的指紋感測裝置的一部分的部分結構性以及部分電路式的混合圖式；圖10概略圖解根據本發明的方法的一範例實施例的流程圖。

在本發明的詳細說明中主要係參考一指紋感測裝置來說明根據本發明的指紋感測裝置和方法的各種實施例，其中，和不同感測結構相關聯的兩個電荷放大器會被相互電容性跨越耦合，以便抑制手指和感測結構之間的電容性耦合的共模組成。再者，本發明之中還顯示利用和該感測結構皆分隔一介電層的兩個分離的回授結構來實現該些電荷放大器之中的回授。又，圖中的指紋感測裝置被圖解為一觸碰式感測器，其尺寸經過設計並且被配置成用以從一靜止的手指處獲取一指紋代表符。

應該注意的係，本文完全沒有限制本發明之範疇的意圖；舉例來說，本發明同樣涵蓋其中具有不同感測結構的兩個以上電荷放大器被相互電容性跨越耦合的指紋感測裝置。另外，該些跨越耦合電荷放大器之中的回授亦可以利用一和該感測結構分隔該介電層的單一回授結構來實現。其它感測器陣列配置(例如，用以從一移動手指處獲取一指紋代表符的所謂的揮擊感測器(或是直線感測器))同樣落在隨附申請專利範圍所定義之本發明的範疇裡面。

圖1概略圖解根據本發明一範例實施例的指紋感測裝置的應用，其為一具有整合式指紋感測裝置2的行動電話1。舉例來說，該指紋感測裝置2可以用來解鎖該行動電話1及/或用於授權進行利用該行動電話 所實行的交易等。

圖2概略顯示圖1中的行動電話1之中所包括的指紋感測裝置2。如在圖2中所能夠看見，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8a至b(為避免造成圖面混亂，圖中僅配合一元件符號顯示該些感測元件中的其中兩者)，每一個感測元件8a至b皆為可控制，以便感測介於該感測元件8a至b之中所包括的一感測結構以及接觸該感測器陣列5的頂端表面的手指的表面之間的距離。

該電源供應介面6包括第一接觸墊10a以及第二接觸墊10b(圖中顯示為焊墊)，用以將一供應電壓V_supply連接至該指紋感測器2。

該通訊介面7包括數個焊墊，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3所示的係沿著圖2中所示的直線A-A'所獲得之根據先前技術的指紋感測裝置20的一部分的概略剖視圖，有一手指11放置在感測器陣列5的頂端。參考圖3，該指紋感測裝置2包括：一激昇訊號提供電路系統19，其透過一導體性的手指驅動結構(圖3中並未顯示)被電氣連接至該手指；以及複數個感測元件8a至b。每一個感測元件8a至b皆包括：一保護性的介電頂端層13；一導體性的感測結構，本文中的形式為一位於該保護性的介電質頂層13底下的金屬板17；一電荷放大器18；以及選擇電路系統，其在本文中功能性圖解為一簡易的選擇切換器21，用以允許選擇/啟動該些感測元件8a至b。

應該注意的係，圖中所示的其中一個感測元件8a位於一指 紋紋脊(ridge)的下方，而另一個感測元件8b則位於一指紋紋谷(valley)的下方。

該電荷放大器18包括至少一放大器級，其在本文中概略圖解為一運算放大器(op amp)24，其具有：一第一輸入(負輸入)25，其被連接至該感測結構17；一第二輸入(正輸入)26，其被連接至感測器接地或是另一參考電位；以及一輸出27。此外，該電荷放大器18還包括一被連接在該第一輸入25與該輸出27之間的回授電容器29以及重置電路系統(其在本文中功能性圖解為一切換器30)，該重置電路系統可以達成以可控制的方式來放電該回授電容器29的目的。該電荷放大器18可以藉由操作該重置電路系統30來放電該回授電容器29而被重置。

如同在負回授配置中經常看見的op amp 24的情況，位在第一輸入25處的電壓會隨動於位在第二輸入26處的電壓。端視該特殊的放大器配置而定，位在第一輸入25處的電位可以和位在第二輸入26處的電位實質上相同；或者，位在第一輸入25處的電位以及位在第二輸入26處的電位之間亦可以有一實質上固定的偏移量。於圖3的配置之中，該電荷放大器的第一輸入25被虛擬接地。

當一時變電位藉由該激昇訊號提供電路系統19而被提供至手指11時，一對應的時變電位差便會出現在該感測結構17與該手指11之間。

上面所述之介於該手指11與該參考結構17之間的電位差變化會在電荷放大器18的輸出27上造成一感測電壓訊號V_s。

當一感測元件8a被選定用於感測時，該選擇切換器21便會 被閉合，以便提供該感測訊號給讀出線路33。圖3中所示的讀出線路33被連接至一多工器36，該讀出線路33可以為圖2中的感測器陣列5之中的某一列或某一行的共同讀出線路。如圖3中概略所示，來自該感測器陣列5的其它列/行的額外讀出線路亦可以被連接至該多工器36。

多工器36的輸出會被串聯連接至一取樣與保持電路37以及一類比至數位轉換器38，用以取樣源自該些感測元件8a至b的類比訊號並且將該些類比訊號轉換成位於感測器2上的手指11的指紋型態的數位代表符。

由於圖3中覆蓋該些感測結構17的非常厚的保護性塗層13的關係，介於手指表面的不同部分以及下方的感測結構17之間的電容性耦合會由一相對大的共模組成以及一相對小的差異組成所組成。下面將參考圖4a至b之中的圖式來作進一步說明。

圖4a中的圖式包含：第一關係圖100，其代表由圖3中的激昇訊號提供電路系統19所提供的激昇訊號，用以達成介於手指11以及該些感測結構17之間的所希望的電位差；以及第二關係圖101，其代表用於控制圖3中的重置切換器30的重置訊號。

圖4b中的圖式包含：第一關係圖103，其代表從圖3中的第一感測元件8a之中的電荷放大器所輸出的感測訊號；以及第二關係圖104，其代表從圖3中的第二感測元件8b之中的電荷放大器所輸出的感測訊號。

從時間T₁處開始，該些回授電容器29會藉由操作切換器30而被重置。該切換器30在時間T₂處再次張開，從而導致小額電荷注入。由 於電荷注入的關係，在時間T₂處會有感測電壓位準變化。

在時間T₃處，該些感測元件8a至b的感測訊號會被取樣與保持電路系統37第一次取樣，從而產生每一個感測元件8a至b的第一取樣數值。

接著，在時間T₄處，該驅動訊號(圖4a中的關係圖100)會從一相對低的電位變成一相對高的電位。這會導致介於手指11以及該些感測結構17之間的電位差變化，該電位差變化接著會導致因和手指11的電容性耦合的關係而於該些感測結構17上所造成的電荷的變化。此電荷變化會轉變成由該些感測元件8a至b的電荷放大器所提供的電壓的變化。

當該感測電壓訊號V_s已經穩定之後，在時間T₅處，該些感測訊號便會被取樣與保持電路系統37第二次取樣，從而產生每一個感測元件8a至b的第二取樣數值。

就該些感測元件8a至b中的每一者來說，該些第一取樣數值與第二取樣數值之間的差異值為一用以表示介於該些個別感測板與該手指之間的電容性耦合的量測值。就每一個感測元件8a至b來說，此差異值會被提供至ADC 38，以便被數位化，並且，舉例來說，會被輸出成為一指紋型態代表符之中的一像素數值。

如在圖4b中所能夠看見，對於位在指紋紋脊底下的感測元件8a以及位在指紋紋谷底下的感測元件8b來說，該些第一取樣數值與第二取樣數值之間的差異值(且因而為像素數值)幾乎為相同。換言之，共模組成V_cm明顯大於攜載關於該指紋型態的所有可用資訊的差異組成V_d。

尤其是在呈現不良對比的手指中，例如，乾燥的手指，相對 於該共模組成V_cm為非常小的差異組成V_d可能會產生不佳的指紋影像，該不佳的指紋影像會不足以提供一令人滿意的生物量測效能。

為改良此情況，本發明的實施例可以抑制該共模組成，並且達成提高放大該差異組成的目的。

圖5所示的係沿著圖2中所示的直線A-A'所獲得之根據本發明第一實施例的指紋感測裝置40的一部分的概略剖視圖，有一手指11放置在感測器陣列5的頂端。參考圖5，圖5中的指紋感測裝置40和圖3中的指紋感測裝置20的主要差異在於第一電荷放大器18的輸出27被電容性耦合至第二電荷放大器42的第一輸入41以及第二電荷放大器42的輸出43被電容性耦合至第一電荷放大器18的第一輸入25。由於該些第一電荷放大器18以及第二電荷放大器42的此對稱式電容性跨越耦合的結果，分別介於手指11以及該些第一感測結構17與第二感測結構44之間的電容性耦合的共模組成會受到抑制。這意謂著差異組成能夠被更加放大，而不會飽和該些第一電荷放大器18以及第二電荷放大器42。圖5中的指紋感測裝置40和圖3中的先前技術指紋感測裝置20之間的進一步差異為由第一感測元件8a的電荷放大器18所輸出感測訊號以及由第二感測元件8b的電荷放大器42所輸出感測訊號會平行地被提供至不同的取樣與保持電路37a至b以及類比至數位轉換器38a至b。該指紋感測裝置40進一步包括：減差電路系統110，用以提供一數位差模輸出DM；以及加總電路系統111，用以提供一數位共模輸出CM。應該瞭解的係，合宜的減差電路系統與加總電路系統可以同樣妥適地被排列在該些取樣與保持電路37a至b之前或是被排列在該些取樣與保持電路37a至b與該些類比至數位轉換器38a至b之間。

再次參考圖5，第一電荷放大器18的輸出27與第一輸入25之間的電容性耦合係以第一回授電容C_f1來表示，第二電荷放大器42的輸出43與第一輸入41之間的電容性耦合係以第二回授電容C_f2來表示，第一電荷放大器18的輸出27與第二電荷放大器42的第一輸入41之間的電容性耦合係以第一跨越耦合電容C_c1來表示，以及第二電荷放大器42的輸出43與第一電荷放大器18的第一輸入25之間的電容性耦合係以第二跨越耦合電容C_c2來表示。

為在指紋感測裝置40的電荷感測電路系統之中達成所希望的抑制該共模組成的目的並且達成該些不同電荷放大器的均勻行為，優點係，該第一回授電容C_f1以及該第二回授電容C_f2可以實質上完全相同，並且優點係，該第一跨越耦合電容C_c1以及該第二跨越耦合電容C_c2可以實質上完全相同。再者，第一回授電容C_f1(第二回授電容C_f2)應該大於第二跨越耦合電容C_c2(第一跨越耦合電容C_c1)。於一解釋性範例中，第一回授電容C_f1(第二回授電容C_f2)可以為約3fF，以及第二跨越耦合電容C_c2(第一跨越耦合電容C_c1)可以為約2.5fF。

藉由比較圖6a至b之中的圖式以及圖4a至b之中的圖式便會明白圖3的先前技術解決方案以及本發明的實施例之間的結果差異。

如在圖6b中所能夠看見，該共模組成V_cm已經受到抑制，而且該差異組成V_d已經被放大。

很容易理解的係，在類似圖6b之中的輸出訊號所提供的指紋型態資訊會明顯多於在類似圖4b之中的輸出訊號。

現在將參考圖7來說明根據本發明的指紋感測裝置50的第 二實施例，圖中所示的係該指紋感測裝置50的一部分的部分結構性以及部分電路式的混合圖式。在圖7中，該手指11、該保護性介電材料13、感測板、以及耦合板係以爆炸透視圖來概略顯示，而電荷放大器則利用高階電路圖來圖解。

除了利用不同程度的細節來圖解之外，圖7之中的指紋感測裝置50和圖5之中的指紋感測裝置40的差別還包括手指11以及第一感測結構17與第二感測結構44之間的所希望的電位差係藉由將一激昇訊號源(利用元件符號19來集體表示)耦合至該第一電荷放大器18的第二輸入26以及該第二電荷放大器42的第二輸入45來達成。再者，多個切換器會被併入，以便讓該指紋感測裝置50可以如上面在【發明內容】段落之中的進一步說明般地被控制在一「CM抑制」模式與一「正常」模式之間。

手指11在圖7中被概略表示成「被接地」。應該瞭解的係，該手指「接地」可以不同於感測器接地。舉例來說，該手指可以位在包含該電容式指紋感測裝置的電子裝置的接地電位處。或者，身體可以被視為具有此龐大電氣「質量」，使得當該第一感測結構17及/或第二感測結構44的電位改變時，手指的電位仍會維持實質上恆定。

如圖7中概略所示，該第一電荷放大器18的輸出27被連接至一第一回授結構(板)51、一第二回授結構(板)52、以及一第一電荷放大器輸出耦合結構(板)53。同樣地，該第二電荷放大器42的輸出43被連接至一第三回授結構(板)55、一第四回授結構(板)56、以及一第二電荷放大器輸出耦合結構(板)57。位於第一感測板17底下的剩餘空間會被一第一屏蔽板58佔用，以及位於該第二感測板44底下的剩餘空間會被一第二屏蔽板59佔用。

短暫地參考上面參考圖5所述的指紋感測裝置40的第一實施例，精確的控制至少第一回授電容C_f1與第二回授電容C_f2之間的關係以及第一跨越耦合電容C_c1與第二跨越耦合電容C_c2之間的關係對於該指紋感測裝置之中的共模組成抑制的均勻性非常重要。

再次參考圖7中的指紋感測裝置50的第二實施例，該第一回授電容C_f1係藉由第一回授板51與第二回授板52來實現，該第二回授電容C_f2係藉由第三回授板55與第四回授板56來實現，該第一跨越耦合電容C_c1係藉由第一電荷放大器輸出板53來實現，以及該第二跨越耦合電容C_c2係藉由第二電荷放大器輸出板57來實現。

為確保不論半導體製程如何變異都可以大體上實際達成在回授電容與跨越耦合電容之間有所希望的關係，第一回授板51會被設計成具有和第二電荷放大器輸出板57相同的面積(理想的係，具有完全相同的形狀)，以及第三回授板55會被設計成具有和第一電荷放大器輸出板53相同的面積(理想的係，具有完全相同的形狀)。該第一回授電容C_f1與該第二跨越耦合電容C_c2之間的所希望的差異係藉由該分離的第二回授結構52來達成，該第二回授電容C_f2與該第一跨越耦合電容C_c1之間的所希望的差異係藉由該分離的第四回授結構56來達成。

再者，圖7中的指紋感測裝置50還包括：第一切換電路系統，其在本文中概略圖解為介於該第一電荷放大器18的輸出27與該第一電荷放大器輸出耦合結構(板)53之間的第一切換器61；以及第二切換電路系統，其在本文中概略圖解為介於該第二電荷放大器42的輸出43與該第二電荷放大器輸出耦合結構(板)57之間的第二切換器62。在圖7中，該第一切 換器61與該第二切換器62為閉合，因此，該指紋感測裝置50係處於其「CM抑制」模式之中。

應該注意的係，為解釋上面所述的原理，圖7中的該些不同的平板雖然具有簡化的矩形形狀；不過，實際上亦可以使用其它形狀。

現在將參考圖8來說明一替代平板配置的其中一種範例，圖中所示的係一指紋感測裝置80的概略透視俯視圖，圖中僅顯示該指紋感測裝置80的一部分的兩個頂端金屬層的多個部分。

參考圖8，圖中所示的額外感測結構81a至c包圍該第二感測結構44。於此範例中，每一個電荷放大器皆跨越耦合其四個最接近的相鄰電荷放大器。舉例來說，第二電荷放大器42會跨越耦合和第一感測結構17相關聯的電荷放大器(圖8中並未顯示)以及和包圍該第二感測結構44的其它感測結構81a至c相關聯的電荷放大器(圖8中並未顯示)。

在圖8中所示的配置之中，被排列在該些感測結構底下的導體性結構延伸在相鄰的感測結構底下，以便完成兩種功能(回授以及跨越耦合)。此配置提供較少的圖樣結構，且因而可以幫助製造該指紋感測裝置80並且提高產量。

於一解釋性範例中(並且使用圖7中的元件符號)，該第一電荷放大器輸出耦合結構53與該第一回授結構51可以一第一組合板83的形式來提供，以及該第二電荷放大器輸出耦合結構57與該第三回授結構55可以一第二組合板84的形式來提供。

至此，本文已經說明具有對稱式電容性跨越耦合配置之根據本發明的指紋感測裝置的實施例。在下文中將參考圖9來說明具有非對稱 式跨越耦合配置的指紋感測裝置的第三實施例。

參考圖9，第一電荷放大器18的輸出27經由由第一電荷放大器輸出板53、第二感測板44、以及被排列在兩者之間介電質所形成的電容器被電容性耦合至第二電荷放大器的第一輸入41。於該指紋感測裝置60之中，第二電荷放大器42的輸出43並沒有被電容性耦合至該第一電荷放大器18的第一輸入25。再者，該第一回授板51已經被設計成和該第一電荷放大器輸出板53完全相同，而用以將該第二電荷放大器42的輸出43電容性耦合至該第二電荷放大器42的第一輸入41的回授板64則遠小於該第一電荷放大器18的第一回授板51。

於圖9的指紋感測裝置60之中，由該第一電荷放大器18所輸出的感測電壓會表示共模組成，而由該第二電荷放大器42所輸出的感測電壓則表示差異組成。

最後將參考圖10中的流程圖來說明根據本發明的方法的實施例。

在第一步驟S1中，該方法會於該第一電荷放大器的輸出與該第二電荷放大器的第一輸入之間提供一電容性耦合。在接續的步驟S2中，該方法會於該第二電荷放大器的輸出與該第一電荷放大器的第一輸入之間提供一電容性耦合。而後，在步驟S3中，該方法會取樣該些第一電荷放大器與第二電荷放大器的輸出，用以形成該指紋型態的一代表符。

熟習本技術的人士便會明瞭，本發明完全沒有受限於上面所述的較佳實施例。相反地，可以在隨附申請專利範圍的範疇裡面進行許多修正與變更。

在申請專利範圍之中，「包括」一詞並不排除其它元件或步驟，而不定冠詞「一」亦不排除複數。單一處理器或是其它單元皆可以滿足申請專利範圍之中所敘述的數種品項的功能。在彼此不同的專利依附項之中所敘述的特定措施並不表示此些措施無法以有利的方式被組合使用。一電腦程式雖然可以被儲存/散佈於一合宜的媒體之中，例如，配合其它硬體一起被供應或是作為其它硬體的一部分的光學儲存媒體或是固態媒體；但是，亦可以其它形式來散佈，例如，透過網際網路或是其它有線或無線電信系統。申請專利範圍之中所敘述的任何元件符號皆不應被視為限制本發明的範疇。

11‧‧‧手指

13‧‧‧保護性的介電質頂層

17‧‧‧第一感測結構(板)

18‧‧‧電荷放大器

19‧‧‧激昇訊號提供電路系統

25‧‧‧第一輸入(負輸入)

26‧‧‧第二輸入(正輸入)

27‧‧‧輸出

41‧‧‧第一輸入(負輸入)

42‧‧‧第二電荷放大器

43‧‧‧輸出

44‧‧‧第二感測結構(板)

45‧‧‧第二輸入(正輸入)

50‧‧‧指紋感測裝置

51‧‧‧第一回授結構(板)

52‧‧‧第二回授結構(板)

53‧‧‧第一電荷放大器輸出耦合結構(板)

55‧‧‧第三回授結構(板)

56‧‧‧第四回授結構(板)

57‧‧‧第二電荷放大器輸出耦合結構(板)

58‧‧‧第一屏蔽板

59‧‧‧第二屏蔽板

61‧‧‧第一切換器

62‧‧‧第二切換器

Claims (15)

1. 一種指紋感測裝置，用以感測手指的指紋型態，該指紋感測裝置包括：複數個導電的感測結構，其包含至少一第一感測結構與一第二感測結構；以及電荷感測電路系統，其被連接至該些感測結構，該電荷感測電路系統包含一組電荷放大器，其包括至少一第一電荷放大器與一第二電荷放大器，每一個電荷放大器皆包括：一第一輸入；一第二輸入；一輸出；以及至少一放大器級，該放大器級位於該些第一輸入與第二輸入以及該輸出之間，該輸出被電容性耦合至該第一輸入，其中：該第一電荷放大器的該第一輸入被連接至該第一感測結構；該第二電荷放大器的該第一輸入被連接至該第二感測結構；以及該第一電荷放大器的該輸出被電容性耦合至該第二電荷放大器的該第一輸入，其中，該第二電荷放大器的該輸出被電容性耦合至該第一電荷放大器的該第一輸入。
2. 根據申請專利範圍第1項的指紋感測裝置，其中：介於該第二電荷放大器的該輸出與該第二電荷放大器的該第一輸入之 間的電容性耦合強過介於該第一電荷放大器的該輸出與該第二電荷放大器的該第一輸入之間的電容性耦合；以及介於該第一電荷放大器的該輸出與該第一電荷放大器的該第一輸入之間的電容性耦合強過介於該第二電荷放大器的該輸出與該第一電荷放大器的該第一輸入之間的電容性耦合。
3. 根據申請專利範圍第2項的指紋感測裝置，其中：介於該第二電荷放大器的該輸出與該第二電荷放大器的該第一輸入之間的該電容性耦合強過介於該第一電荷放大器的該輸出與該第二電荷放大器的該第一輸入之間的該電容性耦合不及兩倍；以及介於該第一電荷放大器的該輸出與該第一電荷放大器的該第一輸入之間的該電容性耦合強過介於該第二電荷放大器的該輸出與該第一電荷放大器的該第一輸入之間的該電容性耦合不及兩倍。
4. 根據申請專利範圍第1項的指紋感測裝置，其中：該第一電荷放大器的該輸出藉由下面方式被電容性耦合至該第二電荷放大器的該第一輸入：一導體性的第一電荷放大器輸出耦合結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的該輸出；一導體性的第二電荷放大器輸入耦合結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的該第一輸入；以及一介電層，其被排列在該第一電荷放大器輸出耦合結構與該第二電荷放大器輸入耦合結構之間；以及該第二電荷放大器的該輸出藉由下面方式被電容性耦合至該第一電荷放大器的該第一輸入：一導體性的第二電荷放大器輸出耦合結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的該輸出；一導體性的第一電荷放大器 輸入耦合結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的該第一輸入；以及一介電層，其被排列在該第二電荷放大器輸出耦合結構與該第一電荷放大器輸入耦合結構之間。
5. 根據申請專利範圍第4項的指紋感測裝置，其中：該第一電荷放大器輸入耦合結構係由該第一感測結構所構成；以及該第二電荷放大器輸入耦合結構係由該第二感測結構所構成。
6. 根據申請專利範圍第5項的指紋感測裝置，其中：該第一電荷放大器的該第一輸入藉由下面方式被電容性耦合至該第一電荷放大器的該輸出：一導體性的第一回授結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的該輸出、該第一感測結構、以及一被排列在該第一回授結構與該第一感測結構之間的介電層；以及一導體性的第二回授結構，其直接被導體性連接至該第一電荷放大器的該輸出、該第一感測結構、以及一被排列在該第二回授結構與該第一感測結構之間的介電層；以及該第二電荷放大器的該第一輸入藉由下面方式被電容性耦合至該第二電荷放大器的該輸出：一導體性的第三回授結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的該輸出、該第二感測結構、以及一被排列在該第三回授結構與該第二感測結構之間的介電層；以及一導體性的第四回授結構，其直接被導體性連接至該第二電荷放大器的該輸出、該第二感測結構、以及一被排列在該第四回授結構與該第 二感測結構之間的介電層。
7. 根據申請專利範圍第6項的指紋感測裝置，其中：該第二回授結構與該第一電荷放大器輸出耦合結構藉由一第一導體性結構來形成，該第一導體性結構部分延伸在該第一感測結構之下並且部分延伸在該第二感測結構之下；以及該第四回授結構與該第二電荷放大器輸出耦合結構藉由一第二導體性結構來形成，該第二導體性結構部分延伸在該第一感測結構之下並且部分延伸在該第二感測結構之下。
8. 根據申請專利範圍第6項的指紋感測裝置，其中：該第一電荷放大器輸出耦合結構的面積和該第三回授結構的面積實質上完全相同；以及該第二電荷放大器輸出耦合結構的面積和該第一回授結構的面積實質上完全相同。
9. 根據申請專利範圍第8項的指紋感測裝置，其中：該第二回授結構的面積小於該第一回授結構的面積；以及該第四回授結構的面積小於該第三回授結構的面積。
10. 根據申請專利範圍第9項的指紋感測裝置，其中：該第二回授結構的面積小於該第一回授結構的面積的一半；以及該第四回授結構的面積小於該第三回授結構的面積的一半。
11. 根據申請專利範圍第1項的指紋感測裝置，其中，該些電荷放大器中的每一個電荷放大器皆被配置成使得位在該第一輸入處的電位實質上會隨動於位在該第二輸入處的電位。
12. 根據申請專利範圍第11項的指紋感測裝置，其中，該指紋感測裝置進一步包括：激昇訊號提供電路系統，其被連接至該些電荷放大器中的每一個電荷放大器的該第二輸入並且被配置成用以將位在該第二輸入處的電位從第一電位改變成第二電位，從而改變該感測結構的電位，從而用以在該手指以及被連接至該第一輸入的該感測結構之間提供一電位差變化。
13. 根據申請專利範圍第1項的指紋感測裝置，其中，該電荷感測電路系統包括複數組電荷放大器，每一組電荷放大器皆包含至少一第一電荷放大器以及一第二電荷放大器，每一個電荷放大器皆包括：一第一輸入；一第二輸入；一輸出；以及至少一放大器級，該放大器級位於該些第一輸入與第二輸入以及該輸出之間，該輸出被電容性耦合至該第一輸入，其中：該第一電荷放大器的該第一輸入被連接至該第一感測結構，用以感測該第一感測結構所攜載的電荷；該第二電荷放大器的該第一輸入被連接至該第二感測結構，用以感測該第二感測結構所攜載的電荷；以及該第一電荷放大器的該輸出被電容性耦合至該第二電荷放大器的該第一輸入。
14. 一種電子裝置，其包括：根據申請專利範圍第1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型態的一代表符；以該代表符為基礎來鑑定一使用者；以及僅在該使用者以該代表符為基礎獲得鑑定才實施至少一項使用者要求的處理。
15. 一種利用指紋感測裝置來感測手指的指紋型態的方法，該指紋感測裝置包括：複數個導電的感測結構，其包含至少一第一感測結構與一第二感測結構；以及電荷感測電路系統，其被連接至該些感測結構，該電荷感測電路系統包含至少一第一電荷放大器與一第二電荷放大器，每一個電荷放大器皆包括：一第一輸入；一第二輸入；一輸出；以及至少一放大器級，該放大器級位於該些第一輸入與第二輸入以及該輸出之間，該輸出被電容性耦合至該第一輸入，其中，該方法包括下面步驟：於該第一電荷放大器的該輸出與該第二電荷放大器的該第一輸入之間提供一電容性耦合； 於該第二電荷放大器的該輸出與該第一電荷放大器的該第一輸入之間提供一電容性耦合；取樣該些第一電荷放大器與第二電荷放大器的輸出，用以形成該指紋型態的一代表符。