TWI613599B - 具有調適性電力控制之指紋感測系統及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一種指紋感測系統，包括：裝置連接介面及感測配置，該感測配置包括感測結構、連接至該感測結構之讀取電路以及感測配置控制器，其用於控制該感測配置介於第一感測配置操作模式與第二感測配置操作模式之間的至少一者。該指紋感測系統進一步包括供應電路，其連接到該感測配置，並包括供應電路控制器，其用於控制該供應電路介於第一供應電路操作模式和第二供應電路操作模式之間，其中在不同模式中，需要提供不同供應電力到該感測配置。該供應電路控制器將該供應電路在其模式之間進行轉移，以響應於電力狀態信號，該電力狀態信號表示該感測配置將從第一操作模式轉移到第二操作模式。

Description

具有調適性電力控制之指紋感測系統及其操作方法
本發明關於一種指紋感測系統，並且關於一種控制指紋感測系統的方法。
各種類型的生物識別系統已日益增加使用，為了是能提供增加安全性及/或增強使用者便利。
特別是，指紋感測系統由於其小尺寸、高性能、和使用者認可的關係，已經被應用在像是消費電子裝置當中。
在各式各樣的所有可用的指紋感測原理中(諸如電容式、光學式、感熱型…等)，電容性感測是最常使用的，特別是在此應用中，尺寸和功率消耗上是重要議題。
所有的電容式指紋感測器係提供一量測，其可代表在該指紋感測器的表面上橫跨滑動或是放置於該表面上的一個手指與多個感測結構中的每一者之間的電容值。
美國專利號7,864,992中揭示了一種指紋感測系統，其中藉由對感測器陣列附近的導電性結構進行脈衝而將驅動信號注入到手指，並且對於感測器陣列中由感測結構所攜帶的電荷之造成的改變進行測量。
儘管根據美國專利號7,864,992的指紋感測系統能提供指紋 影像品質和感測器保護的優良組合，在一些應用中其希望能獲得高品質的指紋影像，而不須改變手指的電位。具體而言，“難辨認”的手指似乎有改進的空間，例如乾的手指。
美國專利公開號2015/0015537揭示了一種指紋感測系統，其中感測器陣列的參考電位係允許相對於裝置的參考電位的擺動。由於感測器陣列上的手指的手指電位可以假定為是恆定的，或相對於裝置參考電位緩慢變化，感測器陣列的參考電位的擺動可以替代根據美國專利7,864,992之指紋感測系統所使用的手指電位的擺動。由於根據美國專利公開號2015/0015537的方法實際上是與手指的導電性無關，因此可針對上述“難辨認”的手指獲得更好的結果。
美國專利號9,152,841揭示另一個指紋感測系統，其中單一感測元件或成群的感測元件的本地參考電位被控制以相對於一個裝置參考電位而擺動。根據美國專利號9,152,841，每一個感測元件包括形成在井中的感測電晶體，以及該井被控制為與感測元件的感測結構一起擺動，以減小寄生電容的影響。
此外，儘管參考電位的擺動提供“難辨識”的手指更好的結果，但是其不可避免地意味著，對於指紋感測系統造成了增加的能量消耗和不希望地降低地總體功率效率。
總結，希望能提供進一步改進的指紋感測，特別是透過一個較厚的介電結構。也希望提供這樣的指紋感測，同時保持指紋感測系統的低能耗。
考慮到現有技術的上述和其它的缺點，本發明的一個目的是提供一種改進的指紋感測系統，其可提供改善的指紋感測，特別是透過一個較厚的介電結構。
根據本發明的第一個方面，其因此提供了一種用於感測一手指的指紋圖案之指紋感測系統，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，用於將指紋感測系統連接到電子裝置，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，其包括：複數個感測結構，其每一者係被介電結構覆蓋；讀取電路，其連接到該感測結構的每一者，用於提供感測信號，以指示耦合於該感測結構的每一者與該手指之間的電容值，以響應於該感測結構的感測結構電位與該手指的手指電位之間的電位差的變化，該讀取電路連接到該感測結構的每一者，使得該感測結構電位依循該感測配置的感測參考電位；以及感測配置控制器，其係用於控制該感測配置處於第一感測配置操作模式和第二感測配置操作模式之間的至少一者，在該第一感測配置操作模式中需要對該感測配置提供一第一電力供應，且在該第二感測配置操作模式中需要對該感測配置提供比該第一電力供應還高之第二電力供應；以及供應電路，其係連接到該感測配置，以用於提供該感測參考電位到該感測配置，該感測參考電位以相對於該裝置參考電位而在第一感測參考電位和第二感測參考電位之間交替變化之感測參考信號的形式，相對於該裝置參考電位而在該第一感測參考電位和該第二感測參考電位之間的電位差的變化係造成在該手指電位和該感測結構電位之間的電位差的變化，該供應電路包括：供應電路控制器，用於控制在第一供應電路操作模式和第二供應電路操作模式之間的供應電 路，在該第一供應電路操作模式中該供應電路能夠提供至少第一電力供應至該感測配置，在該第二供應電路操作模式中該供應電路能夠提供至少第二電力供應至該感測配置：其中，該感測配置控制器經配置以提供一電力狀態信號到供應電路，該電力狀態信號係表示感測配置將從該第一操作模式轉移到該第二操作模式；並且該供應電路控制器經配置以接收該電力狀態信號，並控制該供應電路，以從第一供應電路操作模式轉移到第二供應電路的操作模式，以響應於該電力狀態信號。
該裝置參考電位可以是用於電子裝置的任何參考電位，例如裝置接地(相關於裝置接地為0V)或裝置的供應電壓(例如，相對於裝置接地為1.8V)。
該電子裝置可以是，例如，可以是可攜式電子裝置，諸如行動電話，智慧型手錶或晶片卡(所謂的智慧卡)。此外，該電子裝置可以是一個包括在一個更複雜裝置中的子系統，例如載具。
讀取電路可以包括用於將類比信號轉換成數位信號之電路。這種電路可以包括至少一個類比轉數位轉換器電路。因此，在這樣的實施例中，該指紋感測系統可提供一個指紋圖案信號作為數位信號。在其他實施例中，可以提供該指紋圖案的信號作為類比信號。
有利的是，可以用金屬板的形式來提供該感測結構，使得平行平板電容器是由該感測結構(感測平板)、手指表面上，以及覆蓋該感測結構的介電結構((與局部存在於該手指表面及該介電結構之間的任何空氣)來形成的。
有利的是，該介電結構可以是至少20微米厚，並具有高的 介電強度，以避免指紋感測配置下的結構免於受到磨損和撕裂以及靜電放電(ESD)。更加有利的是，該介電結構可以是至少50微米厚。在實施例中，該介電結構可以是幾百微米厚。例如，該介電結構可至少部分地由電子裝置的結構部件組成，諸如玻璃外蓋或疊層。
該讀取電路連接到該感測結構的每一者，這樣的方式使得感測結構電位實質上依循該感測配置的感測參考電位，且上述說明應理解為，該感測參考電位的變化係造成在感測結構電位的一個實質對應變化。根據該讀取電路的結構，感測結構電位可以實質上與感測參考電位相同，或者在控制感測參考電位和感測結構電位之間可以有實質上恆定的電位差。
應指出的是，至少在該讀取電路執行一個感測操作的期間，一般可以假設該手指的手指電位相對於裝置參考電位為實質上恆定的。在實施例中，該指紋感測系統及/或包括在該指紋感測系統中的電子裝置可以包括一個導電結構，以將手指，或使用者的手的另一部分連接到裝置參考電位。這種導電結構對於指紋感測系統而言並不需要操作地令人滿意，但對某些手指及/或使用的情況可以提供指紋感測系統的性能。
本發明係用於實現改進的指紋感測性能，特別是能穿過一個相對厚的介電結構，其可以藉由增加手指電位和感測結構電位之間電位差的變化而實現。本發明人已進一步體認到，其可以被實現同時可以保持指紋感測系統的低能耗，而此是藉由只在需要的時候允許在電位差有增加的變化。
根據本發明的指紋偵測系統的各種實施例，該讀取電路可經 配置以感測因電位差的變化而造成對該感測結構的每一者所攜帶的電荷之變化，該讀取電路包括：複數個充電放大器，其每一者連接到該感測結構中的至少一者用於提供感測信號，該感測信號指示由該至少一個感測結構所攜帶的電荷之變化，其中，每一個充電放大器包括：第一輸入，其連接到該至少一個感測結構；第二輸入，其連接到該供應電路用以接收該感測參考電位；輸出，提供該感測信號；反饋電容器，其係連接在該第一輸入與該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係介於該第一和第二輸入與該輸出之間，其中該充電放大器經配置，以這樣的方式使得在該第一輸入處的電位實質上依循在該第二輸入處的感測參考電位。
每一個充電放大器將在第一輸入(有時被稱為負輸入)處的電壓轉換成在輸出處的電荷。充電放大器的增益係由反饋電容器的電容值來確定。
充電放大器經配置以這樣的方式使得該第一輸入處的電位實質上依循在該第二輸入處(有時被稱為正輸入)的電位，應理解的是，上述說明係指在第二輸入處的電位變化係實質上造成在第一輸入處的電位之相應變化。取決於充電放大器的實際配置中，在第一輸入處的電位與在第二輸入處的電位可以是實質上相同的，或者是在第二輸入處和第一輸入處之間的可以有實質上恆定的電位差。例如，如果充電放大器經配置為單一級放大器，電位差可以是單一級放大器的電晶體的閘極-源極電壓。
應指出的是，充電放大器的輸出不需要直接連接到反饋電容器，並有在該輸出和反饋電容器之間可能是附加電路。
有利的是，該讀取電路可進一步包括取樣電路，其係連接至 每一個充電放大器的輸出，以在取樣時間取樣感測信號，該取樣時間係與該第一感測參考電位和該第二感測參考電位之間的感測參考電位的變化相關。
在實施例中，該取樣電路可以被控制以在當感測參考電位處於第一感測參考電位或第二感測參考電位時對輸出取樣持續第一時間，並當感測參考電位處於第一感測參考電位及第二感測參考電位中的另一者對輸出取樣持續第二時間。
在第一和第二取樣時間對感測信號進行取樣的程序一般被稱為相關雙重取樣，並且可移除大部分的偏移，以及在該指紋感測系統可能遭受到共模雜訊時的至少低頻成份。
在本發明的實施例中，第二操作模式可以是主動模式，其中，在主動模式中，該讀取電路經配置以基於該感測結構的每一者和手指之間的電荷變化而形成指紋圖案信號。
在本發明的進一步實施例中，感測配置係可控制於第一感測配置操作模式和第二感測配置操作模式以及至少一第三感測配置操作模式之間。換言之，感測配置可以有利地被控制在兩個以上的感測配置操作模式進行操作，以在電力供應控制方面具有更多的靈活性。
在本發明的實施例中，該感測配置控制器經配置以從感測信號形成指紋影像，並分析指紋影像之影像品質，其中，如果一個影像品質因子超過臨界值的話，該感測配置控制器經配置以提供第二電力狀態信號到該供應電路，該第二電力狀態信號係指示第三感測配置操作模式的轉移，該第三感測配置操作模式所需要的第三電力供應係低於該第二電力供 應。如果該指紋影像品質對於指紋的準確成像超過了足夠好的程度，該電源可以有利地降低到該第三電力供應，其中該第三電力供應仍然提供足夠的電力以進行適當的成像。據此，在獲得足夠的影像品質同時可致能低功率成像(比在第二感測配置操作模式的電力更低)，並可以以這種方式來節省電力。
在本發明的實施例中，感測配置控制器經配置以形成來自該感測信號的指紋影像，並分析該指紋影像的影像品質，其中，如果影像品質因數高於臨界值時，該感測配置控制器經配置以提供另一電力狀態信號到該供應電路，該另一電力狀態信號指示進一步的感測配置操作模式的轉移，其中，在該進一步的感測配置操作模式中，交替感測參考信號的頻率已從第一交替頻率改變到第二交替頻率。在先前的感測操作模式(即第一、第二、或第三感測操作模式)中的交替感測參考信號係具有第一交替頻率，並在進一步的感測操作模式中的交替感應參考信號係具有與第一交替頻率不同之第二交替頻率。例如，如果影像品質足夠好時，第二交替頻率比第一交替頻率低。這有利地降低了在交替該感測參考電位時快速地充電該感測結構所需之峰值電流。
在實施例中，該感測配置控制器可以經配置以一延遲而提供該電力狀態信號至該供應電路控制器，使得該供應電路控制器能夠控制以在該感測配置將要從第一操作模式轉移到第二操作模式之前，使該供應電路從該第一供應電路操作模式轉移到該第二供應電路操作模式。因此，在轉移即將發生之前，電力狀態信號係被設置有一些延遲時間，該延遲時間足以使該供應電路以準備提供(例如充電電容器)比第一電力供應高的第 二電力供應。
在實施例中，該供應電路包括一個電壓調節器以及與該電壓調節器的一輸入和一輸出並行配置之一開關，在該輸入處的電位係裝置供應電位(DVDD)，其中，在該第一供應電路操作模式中，該開關經配置以旁繞該電壓調節器，使得該感測配置供應電位(SVDD)實質上等於該電子裝置的裝置供應電位(DVDD)，並且在第二供應電路操作模式中，該開關是打開的，以使電壓調節器提供該感測配置供應電位(SVDD)至該感測配置。換句話說，在第一供應電路操作模式中，電壓調節器可斷電，從而降低了第一感測配置操作模式中的感測配置的能量消耗，其係相較於在第二感測配置操作模式中所需要的該第二電力供應。在該第二供應電路操作模式中，該電壓調節器不會被該開關旁繞，取而代之，該開關係打開的(即，該開關斷開該電壓調節器的輸入和輸出之間的旁路連接)，並且該電壓調節器係加以供給電力並提供該感測配置供應電位(SVDD)至該感測配置。
在根據本發明的指紋感測系統的各種實施例中，該感測配置可以包括於第一積體電路中；並且該裝置連接介面和該感測參考電位提供電路可包括於第二積體電路中，該第二積體電路耦合到該第一積體電路。
在這些實施例中，該第一積體電路還可以包括一個感測配置介面；並且該第二積體電路可以進一步包括一個感測器連接介面，該感測器連接介面連接到該感測配置介面。
該第一積體電路(指紋感測器構件)可以是SPI(序列周邊介面)從機，並且該感測配置介面可以是包括序列時脈輸入(SCLK)的SPI埠口；主輸出從輸入(MOSI)；從選擇輸入(CS)；以及主輸入從輸出(MISO)。
根據各種實施例，該感測配置、該裝置連接介面、以及該感測參考電位提供電路可以被包括在單一積體電路中。
此外，根據實施例，該感測配置、該裝置連接介面、以及該感測參考電位提供電路可以被包括在單一積體電路中，該單一積體電路包括半導體基板；並且在每一個充電放大器的至少一個放大級可以包括：感測電晶體，其具有構成第一輸入之閘極，其中該感測電晶體係形成在一個半導體基板的井中，在該井和該基板之間的介面中經配置，以這樣的方式使得，可以避免電流在該井和該基板之間流動，其中該井被連接到該供應電路以這樣的方式使得，該井的電位實質上依循該感測參考電位。
該半導體基板可有利地是一摻雜的半導體基板，並且該井可以是該基板的一部分，且其所摻雜的極性與該半導體基板相反(如果該半導體基板是p型摻雜，則該井可以n型摻雜，而如果該半導體基板是n型摻雜，則該井可以是p型摻雜的)。這是一種可以達成在該基板和該井之間的介面的一種方式，以這種方式配置使得，可以避免電流在該井和該基板之間流動。特別是，該井和該基板可以保持在這樣的電位，使得沒有電流會流過在該基板和該井之間的介面處所形成的二極體。
替代地，可以在該基板和該井之間提供一絕緣層，例如，以薄層的玻璃之形式。這樣的絕緣層還可以防止電流在該井和該基板之間流動。
感測配置中的感測結構和半導體結構之間的寄生電容的影響可以大大減少，其係藉由將該井到該感測參考提供結構，以這樣的方式使得，該井的電位係實質上依循該感測參考電位。藉此，該井和該感測結 構之間的電位差可以實質上保持恆定。
此外，有利的是，根據本發明實施例的指紋感測系統可以被包括在電子裝置中，其進一步包括處理電路，該處理電路經配置以：經由裝置連接介面而從指紋感測系統獲取指紋圖案信號；基於該指紋圖案信號驗證使用者；以及如果該使用者已基於該指紋圖案信號而進行認證，僅執行至少一個動作。
根據本發明的第二個方面，其提供一種控制指紋感測系統的方法，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，其係用於將電子裝置連接該指紋感測系統，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，其係用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，該感測裝置包括：複數個感測結構，其每一者係被介電結構覆蓋，並經配置以在當手指被放置在該介電結構時被電容地耦合到該手指；以及讀取電路，其係被連接到該感測結構的每一者，以這樣的方式使得，該感測結構電位係依循該感測配置的感測參考電位；以及 感測配置控制器，其係用於控制至少一第一感測配置操作模式和第二感測配置操作模式之間的感測配置，該至少一第一感測配置操作模式需要對該感測配置提供一第一電力供應，且該第二感測配置操作模式需要對該感測配置提供比該第一電力供應還高之一第二電力供應；以及供應電路，其係連接到該感測配置，以用於提供感測參考電位到感測配置，該供應電路包括供應電路控制器，用於控制在第一供應電路操作模式和第二供應電路操作模式之間的供應電路，在該第一供應電路操作模式中該供應電路能夠提供至少第一電力供應至該感測配置，在該第二供應電路操作 模式中該供應電路能夠提供至少第二電力供應至該感測配置；該方法包括以下步驟：a)提供至少第一電力供應至該感測配置；b)提供一電力狀態信號到供應電路，該電力狀態信號係表示該感測配置將從第一操作模式轉移到第二操作模式；c)控制該供應電路，以從第一供應電路操作模式轉移到第二供應電路的操作模式，以響應於該電力狀態信號。
本發明的第二方面的進一步實施例以及透過此實施例所獲得的效果與本發明的第一方面所描述係大部分類似的。
總結，本發明關於一種指紋感測系統，以及一種控制指紋感測系統的方法。該指紋感測系統包括：一個裝置連接介面及一個感測配置，該感測配置包括感測結構、連接到該感測結構的讀取電路，以及感測配置控制器，其用於控制至少一第一感測配置操作模式與第二感測配置操作模式之間的感測配置。該系統進一步包括連接到該感測配置之供應電路，並且包括供應電路控制器，以用於控制第一供應電路操作模式和第二供應電路操作模式之間的供應電路，在上述模式中，不同的電力供應係被提供到該感測配置。該供應電路控制器將供應電路在其模式之間進行轉移，以響應於電力狀態信號，其表示該感測配置將要從第一操作模式轉移到第二操作模式。
1‧‧‧行動電話
2‧‧‧指紋感測系統
3‧‧‧指紋感測器
4‧‧‧介面電路
6‧‧‧保護性塗層
7‧‧‧可撓性電路
8‧‧‧感測元件
9‧‧‧連接器
10‧‧‧感測配置
12‧‧‧感測配置控制器
13‧‧‧感測配置介面
15‧‧‧供應電路
16‧‧‧位準平移電路
18‧‧‧感測器連接介面
19‧‧‧裝置連接介面
20‧‧‧虛線
22‧‧‧取樣電路
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25‧‧‧感測器通信介面
26‧‧‧感測器電壓供應介面
27a‧‧‧時序輸出
27b‧‧‧電源狀態輸出
29‧‧‧序列時脈輸入(SCK)
30‧‧‧主輸出從輸入(MOSI)
31‧‧‧從選擇輸入(CS)
32‧‧‧主輸入從輸出(MISO)
35‧‧‧手指
36‧‧‧感測結構/感測平板
37‧‧‧讀取電路
38‧‧‧充電放大器
39‧‧‧多工器
40‧‧‧選擇電路
41‧‧‧運算放大器(op amp)
42‧‧‧第一輸入
43‧‧‧第二輸入
44‧‧‧輸出
45‧‧‧反饋電容器
46‧‧‧重置開關/重置控制開關
48‧‧‧讀取線路
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52‧‧‧屏蔽平板
53‧‧‧參考平板
54‧‧‧感測電晶體
55‧‧‧疊接電晶體
56‧‧‧重置電晶體
57‧‧‧偏壓電流源
59‧‧‧井
60‧‧‧驅動電晶體
61‧‧‧驅動控制開關
65a‧‧‧升壓電容器
65b‧‧‧升壓電容器
65c‧‧‧升壓電容器
65d‧‧‧升壓電容器
66‧‧‧充電電路
67‧‧‧充電輸出
68a‧‧‧第一電容器端子
68b‧‧‧第二電容器端子
69a‧‧‧充電致能開關
69b‧‧‧充電致能開關
70a‧‧‧升壓致能開關
70b‧‧‧升壓致能開關
70e‧‧‧控制開關
71a‧‧‧電壓偵測輸入
71b‧‧‧電壓偵測輸入
72‧‧‧二極體
73‧‧‧電壓調節器
74‧‧‧第一電容器
76‧‧‧電壓偵測器
77‧‧‧可控電流源
78‧‧‧第二電容器
83‧‧‧開關
91‧‧‧第一峰值
92‧‧‧第二峰值
本發明的這些和其它方面現在將進行更詳細地描述，其係參照本發明的附圖中所示的實施例，其中：圖1示意性地顯示一行動電話，其包括根據本發明的範例性實施例的指紋感測系統； 圖2a示意性地顯示包括在圖1的電子裝置中的指紋感測系統的第一實施例；圖2b是圖2a中的指紋感測系統的示意性方塊圖；圖3是圖2a中的指紋感測系統的一部分的示意性橫截面圖，其顯示了該感測配置的範例性配置並且提供來自感測配置的指紋感測信號；圖4a至圖4b是曲線圖，其示意性地例示了該感測參考電位和圖3中的充電放大器所輸出的感測信號，以及範例性的取樣時間之間的關係；圖5a示意性地顯示了包括在圖1中的電子裝置中的指紋感測系統的第二實施例；圖5b是圖5a中的指紋感測系統的示意性方塊圖；圖6a是包括在圖5a至圖5b中的指紋感測裝置中之感測配置的部分結構和部分電路示意圖之混合圖；圖6b是使用較高位準符號來顯示圖6a中的充電放大器，並設置了來自該感測配置的指紋感測信號的版本；圖7a至圖7b示意性顯示包括在根據本發明的各種實施例的指紋感測系統中之供應電路的範例性配置；圖8a至圖8b示意性顯示包括在根據本發明的各種實施例的指紋感測系統中之供應電路的範例性配置；圖9概念性地顯示與該感測結構所感測之信號相關的資料的直方圖； 圖10顯示根據本發明的一個實施例的方法步驟的流程圖；以及圖11顯示根據本發明的一個實施例的方法步驟的流程圖。
在本詳細描述中，根據本發明的指紋感測系統和方法之各種實施例主要是參照一指紋感測系統來描述，該指紋感測系統係經過封裝而可藉由可撓性印刷電路連接到電子裝置。雖然對於許多應用來說，這是方便的，但是應該注意的是，許多其它類型的電子裝置封裝取決於其應用可以適用於本指紋感測系統的實施例。在實施例中，該指紋感測系統還可以未封裝的，或者該電子裝置可以是封裝的一部分，諸如可能是，例如，當該電子裝置是一智慧卡的情況時。
圖1示意性地顯示根據本發明的範例性實施例之指紋感測裝置的應用，該指紋感測裝置係以一行動電話1的形式並具有整合式指紋感測系統2。例如，指紋感測系統2可以用於解鎖行動電話1及/或用於授權使用該行動電話來進行交易…等。
圖2a示意性地顯示包括在圖1中的行動電話1之指紋感測系統2的第一實施例。如圖2a中可以看出，該指紋感測系統2包括一個指紋感測器3和一個介面電路4。在本範例性實施例中，指紋感測器3被顯示為以保護性塗層6形式的介電結構來進行塗佈。取決不同的應用，保護性塗層6可具有不同的特性。如果該指紋感測器3被配置在行動電話1的玻璃外蓋下，由於玻璃外蓋將提供對指紋感測器3的保護的緣故，保護性塗層6可以是相當薄的。在其它應用中，即保護性塗層6是由使用者的手指 直接接觸時，該保護性塗層可以是相當厚的。例如，指紋感測器3可以藉由在電子封裝工業中所使用的合適聚合物來進行模製。
在本範例性實施例中，指紋感測器3被連接到介面電路4，介面電路4可經由具有連接器9之可撓性電路7而連接到一個電子裝置(如，在圖1中的行動電話1)。
如在圖2a中所示意性地指出，指紋感測器3包括大量的感測元件8(圖中僅以一個元件符號來指出感測元件中的一個感測元件，以避免混亂圖示)，每一個感測元件8被控制以感測在該感測元件8所包含的感測結構(頂板)與接觸該指紋感測器3的頂部表面的一手指之間的距離。
在圖2中的指紋感測器3可以有利地使用CMOS技術製造，但其他的技術和製程也可以是可行的。例如，可使用絕緣基板及/或可使用薄膜技術於製造指紋感測器3所需的一些或所有處理步驟中。
參照圖2b，其係圖2a中的指紋感測系統2的第一實施例的簡化示意方塊圖，該指紋感測器3包括一個感測配置10、一個感測配置控制器12、和一個感測配置介面13。該介面電路4包括，如在圖2b所示，一個供應電路15、一個位準平移電路16、一個感測器連接介面18、和一個裝置連接介面19。該感測器連接介面18係在該介面電路4的第一電壓域，其具有與指紋感測器3相同的參考電位，以及該裝置連接介面19係在該介面電路4的第二電壓域，其係參照該電子裝置1的裝置參考電位。該第一電壓域和該第二電壓域之間的邊界是示意性地由在圖2b中之穿過供應電路15中的垂直虛線20所指出。
再次轉向圖2b中的指紋感測器3，感測配置10包括上述感 測元件8、一個取樣電路22，其係用於取樣由感測元件8所輸出的感測信號、以及一個類比轉數位轉換器(ADC)23，其係用於將取樣電路22所取樣的類比值予以轉換成數位值，其可能構成指紋圖案信號，例如指紋影像。感測配置介面13包括一個感測器通信介面25、一個感測器電壓供應介面26、一個時序輸出27a、和一個電源狀態輸出27b。
在圖2a-b的實施例中，該感測器通信介面25可以例如是SPI附屬介面，將指紋圖案信號經由介面電路4從ADC 23傳遞到電子裝置1，並且該感測器控制信號係源自於電子裝置1並傳到感測配置控制器12。
該感測器通信介面25被顯示為一簡化的SPI(序列周邊介面)埠口，其包括一個序列時脈輸入(SCK)29、一個主輸出從輸入(MOSI)30、一個從選擇輸入(CS)31、和一個主輸入從輸出(MISO)32。
感測器電壓供應介面26從介面電路4接收供應電壓作為在感測器接地電位SGND以及感測器供應電位SVDD之間的實質上恆定差。該感測器接地電位SGND和感測器供應電位SVDD係相關於裝置接地DGND而一起變化。
透過時序輸出27a，指紋感測器3提供時序信號TXOUT到介面電路4，以允許介面電路的操作，以與感測配置10的操作進行定時。
透過電源狀態輸出27b，感測器配置控制器12可以提供電力狀態信號(PWRS)到供應電路，該電力狀態信號(PWRS)表示該感測配置10將從第一操作模式轉移到第二操作模式。
在圖2b的簡化實例中，介面電路4的裝置連接介面19包括輸入，其用於接收裝置接地電位DGND與裝置供應電位DVDD，並包括SPI 介面，其用於允許經由介面電路4而在電子裝置1與指紋感測器3之間，以及在電子裝置1與介面電路4之間的通信。
介面電路4的感測器連接介面18被連接到指紋感測器3的感測配置介面13，用於提供感測器接地電位SGND和感測器供應電位SVDD到指紋感測器3，用於允許與指紋感測器3的通信和用於接收由該感測器所提供的時序信號TXOUT。如在圖2b中示意性地表示，時序信號TXOUT係用於控制供應電路15和位準平移電路16中的操作。
現在將參照圖3來描述該感測配置10的範例性配置，以及從該感測配置提供指紋感測信號，以用於圖2a的指紋感測系統。
圖3是在圖2a上的指紋感測系統2的一部分的橫截面視圖，其係沿圖2a所顯示的A-A'線截取，並有一手指35放置在指紋感測器3的頂部上。該手指35具有手指電位FGND。如在圖3示意性顯示，指紋感測器3包括複數個感測結構36，在此係以在介電結構6下方之金屬板的形式，並且讀取電路37係連接到該感測結構的每一者36。在圖3的範例性實施例中，該讀取電路包括：複數個充電放大器38、一個多工器39、該取樣電路22、該ADC 23、以及選擇電路，在此功能係圖示為簡單的選擇開關40，以允許不同的感測元件8的選擇/啟用。
充電放大器38包括至少一個放大級，在此係示意性地顯示為運算放大器(op amp)41，其具有一個連接到感測結構36之第一輸入(負輸入)42、一個連接到感測器地面SGND之第二輸入(正輸入)43、和一個輸出44。另外，充電放大器38包括在該第一輸入42和該輸出44之間連接的一個反饋電容器45以及一個重置電路，在此功能顯示為一個開關46， 用於允許可控制對反饋電容器45進行放電。該充電放大器38可以藉由操作重置電路46而進行重置，以對反饋電容器45放電。
在通常為一個運算放大器41的情況下，在第一輸入42處的電位係依循施加到第二輸入43的電位。根據特定的放大器結構中，在第一輸入42處的電位與在第二輸入43處的電位可以是實質相同的，或者在第一輸入42處的電位與在第二輸入43處的電位之間可以有一個實質上固定的偏移。
除了包括感測結構36和讀取電路37之感測配置，指紋感測器3係進一步包括如上所述的感測配置控制器12。在圖3中，感測配置控制器12被顯示為控制該選擇電路40、多工器39、取樣電路22、和ADC 23。
圖3還示意性地顯示了連接到指紋感測器3和連接到電子裝置1的其餘部分的介面電路4，如上參照圖2a-圖2b所描述。如在圖3示意性地指出，介面電路4提供上述感測參考電位(SGND和SVDD)到指紋感測器3。在圖3的簡化的例子中，感測器接地電位被提供到包括在讀取電路37之每一個充電放大器38的第二輸入43。
至少當指紋感測系統2處於指紋感測模式時，介面電路4提供感測參考電位(SGND)至指紋感測器3，該感測參考電位(SGND)係以一個感測參考信號的形式，並相對於裝置參考電位DGND而在第一感測參考電位VL和第二感測參考電位VH之間交替。由於手指電位FGND相對於裝置參考電位DGND係實質上恆定的(例如，透過該電子裝置以及使用者的手之間的電連接)，並且感測結構36的電位實質上依循在充電放大器38的第二輸入43處的電位，相關於裝置參考電位DGND和在第二輸入處43 的電位SGND隨著時間之變化係導致該感測結構36與該手指35之間隨時間變化的電位差。
在感測結構36和手指35之間的電位差的變化將會依序地導致感測結構36所攜帶的電荷的變化，其係指出手指35與感測結構36(平板)之間的電容耦合。在充電放大器38的輸出44處所提供的感測信號VS將指示感測結構36所攜載的電荷之此變化，並因此指出了在手指35與感測結構36之間指示感測元件8的本地電容耦合。
在感測操作期間，反饋電容器45需要進行重置(橫跨反饋電容器45的電荷要進行等化)。這是利用重置開關46來實現。
當所指出的感測元件8係被選擇用於感測，該選擇開關40係被關閉已將充電放大器的輸出連接到讀取線路48。讀取線路48被連接到多工器39。如在圖3中示意性地指出的，附加讀取線路係提供來自於其他群組的影像感測元件之感測信號，且附加讀取線路也連接到多工器39。
至少重置開關46及感測信號VS的取樣之操作需要與該裝置接地電位DGND有關的感測器接地電位SGND變化進行同步。在圖3的範例性實施例中，這種同步是由感測配置控制器12來處理，該感測配置控制器12控制重置開關46的時序，並提供了上述時序信號TXOUT到介面電路，從而控制感測參考電位SGND的時序從第一感測參考電位VL轉移至第二感測參考電位VH，或相關於重置開關46的時序而從第二感測參考電位VH轉移至第一感測參考電位VL。
如在圖3中示意性地指示的，感測配置控制器還藉由控制取樣電路22該感測信號VS之取樣的時序，並且藉由ADC 23來控制所取樣的 感測信號之A/D轉換。
該感測參考信號SGND、重置開關46的操作以及使用取樣電路22來取樣感測信號VS之間的範例性時序關係將在下面參考圖4a至圖4b進行描述。
圖4a顯示了相關於裝置接地電位DGND的感測參考電位(感測器接地電位SGND)。如上所述，相關於裝置接地電位DGND之感測結構36的電位將表現出實質上相同的行為，並且圖4b示意地顯示感測信號VS。
首先參考圖4A，感測器接地電位SGND在t1時相關於該裝置接地電位DGND而從第二感測參考電位VH變為第一感測參考電位VL，然後在t2時從VL變回到VH。這些轉移係受到了時序信號TXOUT之控制，時序信號TXOUT係從指紋感測器3提供到介面電路4。
在T1時，於第一轉移之後的第一延遲△t1，該重置開關46係被操作以將充電放大器38變為這樣的狀態(致能狀態)，此時如果感測版上的電荷有所變化時，該輸出係提供一信號。在第一轉移之後的第二延遲△t2，該取樣電路22係被控制以對感測信號取樣持續第一時間，從而產生第一取樣值S1。
當感測器接地電位SGND在T2時從低變為高時，在感測平板36上的電荷出現變化，其係源自於手指35的電容耦合。這種電荷上的變化係被轉譯成由充電放大器38所提供的電壓變化，也就是，在感測信號VS的變化。
在T2時，於第二轉移之後的第三延遲△t3，取樣電路22係 被控制以對感測信號取樣持續第二時間，從而產生第二取樣值S2。S2和S1之間的差異係指示該感測平板36與手指35之間的電容耦合的量度。
圖5a至圖5b示意性地顯示包括在圖1中的行動電話1的指紋感測系統2的第二實施例。根據本第二實施例之指紋感測系統2與上面參考圖2a至圖2b、圖3、和圖4a至圖4b不同之處在於，該感測配置10、該裝置連接介面19、和該供應電路15全部都包括在單一積體電路50中。因此從電子裝置進出的信號係經由可撓性電路7和連接器9而直接從指紋感測系統構件50提供至電子裝置。
參照圖5b，其係在圖5a中的指紋感測系統2的第二實施例之簡化示意方塊圖，指紋感測系統構件50包括一個感測配置10、一個感測配置控制器12、一個供應電路15、一個一位準平移電路16、以及一個裝置連接介面19。該感測配置10和該感測配置控制器12是在第一電壓域，以及該裝置連接介面19和該ADC 23是在第二電壓域，其係參考電子裝置1的裝置參考電位。該第一電壓域和該第二電壓域之間的邊界是示意性地由在圖5b中之穿過供應電路15的垂直虛線20所指出。
該感測配置10包括上述的感測元件8和取樣電路22，其係用於取樣感測元件8所輸出的感測信號。在圖5b的實施例中，該取樣電路22所取樣之值在被提供至類比轉數位轉換器(ADC)23之前係先藉由位準平移電路16進行位準平移。
在圖5a至圖5b的實施例中，該裝置連接介面19被顯示為包括輸入，用於接收裝置接地電位DGND與裝置供應電位DVDD、以及SPI介面，用於允許電子裝置1和指紋感測系統構件50之間的通信。
現在將參照圖6a至圖6b該來描述該感測配置的一個例子以及從該感測配置提供指紋感測信號，以用於圖5a至圖5b的指紋感測系統。
圖6a是包括在圖5a至圖5b中的指紋感測系統構件50的感測元件8的部分結構和部分電路示意圖的混合圖。保護性介電結構6、感測平板36、屏蔽平板52、和參考平板53係以示意性的方式顯示於分解透視圖中，而充電放大器38係以電晶體等級的電路概略圖的形式來圖示。
如圖6a顯示，一個簡單的充電放大器38的第一實施例包括感測電晶體54、疊接電晶體55、重置電晶體56、和偏壓電流源57。感測電晶體54、疊接電晶體55、和重置電晶體56都形成在相同的井59中。
為了幫助理解在圖6a中的部件和連接方式，相同的概略結構係以更抽象的方式顯示在圖6b中，圖6a的電晶體電路係以一般的符號取代以用於表示一充電放大器，其具有一第一(負)輸入42，連接到感測平板36、一正輸入43，連接到供應電路15、以及一輸出44，提供感測信號VS，該感測信號VS指出因為在手指35和感測平板36之間的電位差的變化的關係而造成該感測平板36所攜載的電荷的變化。圖6b還示意性地指出該井59係連接到該供應電路15。
回到圖6a，可以看出，感測電晶體54的閘極構成該充電放大器38的負輸入42，並且該感測電晶體54的源極構成充電放大器38的正輸入43。正輸入43被連接到屏蔽平板52，其又連接到該井59以及該供應電路15，該感測電晶體54係形成於該井59中。
該感測元件8還包括一個驅動電晶體60、一個驅動控制開關61、和一個重置控制開關46。該驅動控制開關61可控制於第一狀態和第 二狀態之間，在該第一狀態中，該驅動電晶體60的閘極係被連接到供應電路15，在該第二狀態中，該驅動電晶體60的閘極係被連接到接地。當該驅動控制開關61處於其第一狀態中，該驅動電晶體60會導通，從而將感測結構36直接連接到供應電路15。當驅動控制開關在其第二狀態中，該驅動電晶體60將不導通。在後者情況下，因此在感測結構36和供應電路15之間將不會有直接的連接於通過該驅動電晶體60。如在圖6a中可看出，該驅動電晶體60形成在該井59中。該偏壓電流源57可以是在感測元件中或是在感測器陣列外部。
以同樣的方式，重置控制開關46可控制於第一狀態和第二狀態之間，在該第一狀態中，該重置電晶體56係非導通，以允許在感測平板36和反饋平板53之間存在一電位差，在該第二狀態中，該重置電晶體56係導通的，以等化感測平板36和反饋平板53的電位。
透過在圖6a中的感測元件8的結構，內部寄生電容CP1和CP3的影響係被消除或至少顯著地減小。
現在既然已用系統級的方式來描述根據本發明的指紋感測系統2的兩個範例性實施例，現在將以更詳細的方式來參考圖7a至圖7b、和圖8a至圖8b、以及圖9至圖10來描述供應電路15的範例性結構。
現在將參考圖7a至圖7b的簡化電路圖來描述包括在根據本發明的指紋偵測系統2的實施例中的供應電路15的一個範例性基本結構。 在圖7a中，供應電路15係被顯示在第一(充電)狀態中，並且在圖7B中，供應電路15係被顯示在第二(升壓)狀態中。
現在首先看到圖7a，供應電路15包括四個升壓電容器65A 至65D、一個充電電路66、一個開關電路，其在圖7a中係由複數個簡單的開關符號圖示、以及一個供應電路控制器(未顯示)，其可控制供應電路15的開關和充電電路66。注意到，升壓電容器的數目可以是任意數量，從而供應電路並不限於具有四個升壓電容器。本發明中的供應電路具有四個升壓電容器係僅用於範例性目的。
升壓電容器65a至65d的每一者皆具有第一電容器端子68a和第二電容器端子68b。這些電容器端子都以元件符號65a標示以表示為第一升壓電容器65a，以避免混亂附圖。
充電電路66具有一充電輸出67和電壓偵測輸入71a至71b，該充電輸出67被連接於每一個升壓電容器65a至65d的第一電容器端子68a，該電壓偵測輸入71a至71b係被連接橫跨於該第一升壓電容器65a。
如在圖7a示意性地表示，該開關電路針對每一個升壓電容器65a至65d皆包括兩個充電致能開關69a至69b和兩個升壓致能開關70a至70b。充電致能開關69a至69b是可控制的，以允許第一電容器端子68a連接至裝置接地DGND，以及第二電容器端子68b連接到充電電路66。升壓致能開關70a至70b是可控制的，以允許第一電容器端子68a連接至一升壓地板電位，已用於升壓電容器65a至65d，並允許該第二電容器端子68b連接到該供應電路15的下一級(或連接至感測參考電位輸出)。再次說明，這些開關都是被標示為第一升壓電容器65a之相同元件符號，以避免混亂附圖。
如在圖7a中也指出，供應電路15進一步包括一個二極體72、一個電壓調節器73，例如一個低壓差電壓調節器(LDO)、一個開關83、 一個第一電容器74(平穩電容器)、以及一個第二電容器78。
至少在該感測配置10的主動模式操作中，也就是，第二感測配置操作模式中，供應電路15被控制為在第一狀態和第二狀態之間交替，第一狀態係如圖7a中示意性地表示，第二狀態係如在圖7b中示意性地表示。此外，在該主動模式操作中，開關83是打開的，使得電壓調節器73係將感測配置供應電位SVDD供應到該感測配置。因此，供應電路15是在第二供應電路操作模式中，使得其可以將第二電力供應予以供應到該感測配置10，而在主動模式操作進行作業。
在第一狀態中，該充電致能開關69a至69b係被控制，以將到每一個升壓電容器65a至65d的第一電容器端子68a予以導電連接至裝置接地DGND，並且將導電65a至65d連接每一個升壓電容器的65a至65b的第二電容器端子68b予以導電連接至該充電電路66的充電輸出67。升壓致能開關70A至70B被控制，以將各個升壓電容器65a至65d與供應電路15的前級和後級予以斷開。此外，感測配置接地SGND係被連接到裝置接地DGND，以提供相關於裝置接地DGND的第一感測參考電位VL，作為感測配置接地SGND。在該供應電路15的第一狀態中，感測配置供應電位SVDD實質上等於裝置供應電位DVDD。
為了確保該升壓電容器65a至65d係進行充電以提供相同的電壓升壓步驟，充電電路66包括一個電壓偵測器76，以用於偵測橫跨升壓電容器65a至65b、和可控電流源77的電壓，該可控電流源77可以被控制以提供一個恆定的充電電流到每一個升壓電容器65a至65b的第二電容器端子68b，直到該電壓偵測器76偵測一個預定的充電電壓Vcharge。該預定的充 電電壓Vcharge可以是可程式化的。注意到，可能有一個以上的電流源和一個以上的電壓偵測器，亦即，使得可對橫跨升壓電容器65a至65d中的超過一者的電壓進行偵測。因此，為了進一步改善性能，可對每一個升壓電容器65a至65b的電荷進行個別監視。在這種情況下，該感測參考提供電路15可以針對每一個升壓電容器包括一個充電電路。
當升壓電容器65a至65d被充電到充電電壓時，該供應電路15已準備好被切換到其第二狀態，升壓狀態。從第一狀態轉移到第二狀態的時序可以藉由該感測配置控制，特別是藉由一個時序信號(在圖2b和圖3中的TXOUT)，其可以從感測配置提供至供應電路15。
現在參考圖7b，其示意性地顯示了供應電路15在其第二狀態，該充電致能開關69a至69b被控制為將每一個升壓電容器65a至65d的第一電容器端子68a與裝置接地DGND進行斷開，並將斷開每一個升壓電容器65a至65d的第二電容器端子68b與該充電電路66的充電輸出67進行斷開。升壓致能開關70a至70b被控制，已將各個升壓電容器65a至65d連接到供應電路15的前級和後級，如在圖7B示意性顯示。據此，該感測配置接地SGND係被連接到第四升壓電容器65d的第二電容器端子，以提供一相關於裝置接地DGND的第二感測參考電位VH，作為感測配置接地SGND。在供應電路15的第二狀態中，感測配置供應電位SVDD實質上等於裝置供應電位DVDD加上第二感測參考電位VH。在圖7a至圖7b的簡化例子中，第二感測參考電位VH大約是DVDD加上相關於裝置接地DGND的充電電壓Vcharge的四倍。
在第二狀態中，該二極體72避免電流從SVDD朝著DVDD 流動，並且SVDD係藉由電容器78而升高，以保持SGND和SVDD的電位差實質上恆定。
現在參照圖8A-圖8B，其表示供應電路係在感測配置10的休眠模式中，例如在第一感測配置操作模式，其要求第一電力供應，該第一電力供應比該第二電力供應低。開關83係被控制，使得裝置供應電位DVDD旁繞電壓調節器73並且被提供作為感測配置供應電位SVDD以送到感測配置10。因此，在第一感測配置操作模式中，感測配置供應電位SVDD實質上等於裝置供應電位DVDD。電壓調節器73在第一供應電路操作模式中係被斷電，該第一供應電路操作模式對應於供應電路15的第一感測配置操作模式。
在第一感測配置操作模式中，仍希望可提供該感測參考電位，且其係以交替感測參考信號之形式。例如，如果沒有升壓電容器65a至65d貢獻的話，仍可以使用具有較低電壓的交替感測參考。在第一感測配置操作模式(例如休眠模式)中，充電致能開關69a至69b的配置可參照圖7a來說明，也如圖8a製圖8b所示，因此該升壓電容器65a至65d是不作用的，並且不提供第二感測參考電位VH。取而代之的是，第二感測參考電位VH可藉由該可控電流源77來提供。可以藉由控制開關70e來提供第一感測參考電位VL和第二感測參考電位VH之間的感測參考電位的改變。為了提供該第一感測參考電位VL，該感測配置10接地SGND係藉由該開關70e而被連接到裝置接地DGND。如圖8A所示。為了提供相關於裝置接地DGND的第二感測參考電位VH，該感測配置10接地SGND係藉由該開關70e而被連接到該可控電流源77，如圖8b所示。此外，感測配置10接地SGND可 以經由可控電流源77直接連接到裝置供應電位DVDD。
因此，該感測配置10可以從第一操作模式(例如，休眠模式)轉移到第二操作模式(例如，正常工作模式。為了使供應電路15能夠及時從第一供應電路操作模式轉移到第二供應電路操作模式，該感測配置控制器12被配置，以提供電力狀態(PWRS)信號到供應電路15。該PWRS信號提供一指示以指出該感測配置10將從第一操作模式轉移到第二操作模式。該供應電路控制器(未顯示)被配置以接收該電源狀態信號。響應於該電力狀態信號，供應電路15係受到供應電路控制器之控制，以從第一供應電路操作模式轉移到第二供應電路操作模式。在收到信號並且進行轉移的時間通常為約100微秒。
此外，該感測配置10可以從第二操作模式(例如主動模式)轉移到第一操作模式(例如，休眠模式)。換言之，感測配置控制器12可提供PWRS信號到該供應電路15，以指示該感測配置10將從第二操作模式轉移到(如圖7a至圖7b中所顯示的主動模式)第一操作模式(如圖8a至圖8b所示意性顯示的休眠模式)。響應於接收到該PWRS信號，該供應電路控制器控制該供應電路，以從第二供應電路操作模式(如圖7a至圖7b所示)轉移到第一供應電路操作模式(如圖8a至圖8b所示)。
圖10顯示在第一和第二感測配置操作模式之間轉變時，在電力狀態信號(PWRS)與該感測配置10和供應電路15的電力消耗之間的範例性時序關係。首先，感測配置10係在第一感測配置操作模式中(例如，休眠模式)維持一段時間，供應電路15在其第一供應電路操作模式僅需要第一電力供應。在時間t1時，該感測配置提供電力狀態信號(PWRS)至該供 應電路15，以表明在100微秒內，將需要第二電力供應(例如，用於捕捉影像)。因此，此給供應電路100μs的時間，例如，用以充電升壓電容器65a至65d，並且對第二供應電路操作模式提供第二電力供應做準備。在時間t2時，該供應電路係提供該第二電力供應給該感測配置。換言之，在本實施例中，t1和t2之間的時間為100微秒。只要感測配置需要第二電力供應多久的時間，該供應電路15便可以施加第二電力供應持續多久。在時間t3時，該感測配置10提供該第二PWRS到供應電路15，以指示轉移回到第一感測配置操作模式。因此，響應於該第二PWRS，該供應電路控制器控制該供應電路15以轉移回到第一供應電路操作模式，使得該感測配置10被轉換回到第一感測配置操作模式。
除了第一和第二感測配置操作模式，在實施例中，該感測配置可以是可控制的以轉移到進一步的感測配置操作模式，例如，第三感測配置操作模式。例如，該感測配置控制器12可以經配置以形成一指紋影像，該指紋影像係來自於該偵測配置10的感測結構8所得到的感測信號。替代地，該感測配置控制器12可以經配置以形成至少部分的指紋影像，該指紋影像係來自於該偵測配置10的感測結構8所得到的感測信號。該感測配置控制器12可配置成確定該至少部分的指紋影像之品質因子，例如，藉由分析來自感測結構8的資料的直方圖。一個直方圖的例子圖示於圖9。例如，影像品質因子可藉由評估在直方圖峰值與峰值之間的距離(w)，其中第一峰值91表示感測結構8感測到指紋的脊部的數目，而第二峰值92表示感測結構感測到指紋的谷部的數目。該距離可以例如以“灰階級”來表示，即，其相關於代表感測到脊部的像素與代表感測到谷部的像素之間的對比度。
如果影像品質因數足夠高時，例如超過一預定值時，該感測配置控制器12可提供一個PWRS信號至該供應電路15，以指示該感測配置12要轉移至第三感測配置操作模式。這種模式可類似於參照圖3所描述的主動模式。圖7a至圖7b差異在於所提供的功率，亦即第三電力供應，其比第二電力供應低(或較高)。因此，該供應電路控制器(未顯示)經配置，以控制該供應電路15例如從第二供應電路操作模式轉移到第三供應電路操作模式，其中要提供第三電力供應至該感測配置10。較佳而言，在第三感測配置操作模式中，適當數量的升壓電容器65a至65d被充電到充電電壓，例如，根據在圖7a至圖7b中的描述，升壓電容器65a至65d中可以僅使用兩個來進行充電。替代地，在第三感測配置操作模式中，升壓電容器65a至65d被充電到比在第二感測配置操作模式中的充電電壓還低之充電電壓。該感測配置控制器12此後可以經配置以在第三感測配置操作模式中形成一指紋影像，該指紋影像係來自於在具有第三電力供應之第三感測配置操作模式中，該感測配置10的感測結構8所獲得的感測信號。
除了上述提到的第一、第二、和第三感測配置操作模式，在一些實施例中，該感測配置可被轉移到為一個進一步的感測配置操作模式。如上所述，該感測配置可以分析影像品質，並確定影像品質是否超過預定值。代替由例如適應升壓電容器65a至65d的充電如參考第三感測配置操作模式描述改變供應的電力的，交替的偵測參考信號的頻率可被改變。例如，如果影像品質因子(w)的從第一至少局部指紋影像判斷為適當的影像品質比足夠高，交替感測參考信號的頻率可以是來自於一個第一交替頻率改變為第二交替頻率。然後將感測配置控制器12可以有利地提供的預期 變化的交替頻率經由時序信號TXOUT介面電路4的指示。如果第二交替頻率比第一交替頻率下，交替感測參考電位時所需的感測結構的快速充電的峰值電流被有利地降低。
參考圖7a至圖7b所描述，該交替感測參考信號的交替係由開關70e控制。從第一感測參考電位VL轉移到第二感測參考電位VH的頻率係由時序信號TXOUT控制，該時序信號TXOUT係從該指紋感測器3提供到該介面電路4。
注意到，從第一、第二、第三、或進一步的感測配置操作模式中的任一者轉移到該第一、該第二、該第三、或該進一步的感測配置操作模式中的任一者也是可能的。另外，該第三和進一步的模式可以結合成一個共同模式，因此兩者具有交替感測參考信號的改變頻率，並具有第三電力供應。
圖11顯示根據本發明的一個實施例的方法步驟的流程圖。在第一步驟S1002中，至少第一電力供應係從該供應電路提供至該感測配置。在第二步驟S1004中，一電力狀態信號係提供至該供應電路，該電力狀態信號指示該感測配置將從第一操作模式轉移到第二操作模式。隨後，在步驟S1006中，該供應電路被控制，以從第一供應電路操作模式轉移到第二供應電路操作模式，以響應於電力狀態信號。
在申請專利範圍中，用語“包括”不排除其他元件或步驟，並且不定冠詞“一”或“一個”並不排除複數個。唯一的事實是，某些措施係以相互不同的附屬請求項來記載，此事實不表示這些措施的組合不能被有利地使用。
2‧‧‧指紋感測系統
3‧‧‧指紋感測器
4‧‧‧介面電路
8‧‧‧感測元件
10‧‧‧感測配置
12‧‧‧感測配置控制器
13‧‧‧感測配置介面
15‧‧‧供應電路
16‧‧‧位準平移電路
18‧‧‧感測器連接介面
19‧‧‧裝置連接介面
20‧‧‧虛線
22‧‧‧取樣電路
23‧‧‧類比轉數位轉換器(ADC)
25‧‧‧感測器通信介面
26‧‧‧感測器電壓供應介面
27a‧‧‧時序輸出
27b‧‧‧電源狀態輸出
29‧‧‧序列時脈輸入(SCK)
30‧‧‧主輸出從輸入(MOSI)
31‧‧‧從選擇輸入(CS)
32‧‧‧主輸入從輸出(MISO)

Claims (15)

  1. 一種用於感測一手指的指紋圖案之指紋感測系統，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，用於將該指紋感測系統連接到電子裝置，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，其包括：複數個感測結構，其每一者係被介電結構覆蓋；讀取電路，其連接到該些感測結構的每一者，用於提供感測信號，以指示耦合於每一個感測結構與該手指之間的電容值，以響應於該感測結構的感測結構電位與該手指的手指電位之間的電位差的變化，該讀取電路連接到該感測結構的每一者，使得該感測結構電位依循該感測配置的感測參考電位；以及感測配置控制器，其係用於控制該感測配置處於第一感測配置操作模式和第二感測配置操作模式之間的至少一者，在該第一感測配置操作模式中需要對該感測配置提供一第一電力供應，且在該第二感測配置操作模式中需要對該感測配置提供比該第一電力供應還高之第二電力供應；以及供應電路，其係連接到該感測配置，以用於提供該感測參考電位到該感測配置，該感測參考電位以相對於該裝置參考電位而在第一感測參考電位和第二感測參考電位之間交替變化之感測參考信號的形式，相對於該裝置參考電位而在該第一感測參考電位和該第二感測參考電位之間的電位差的變化係造成在該手指電位和該感測結構電位之間的電位差的變化，該供應電路包括： 供應電路控制器，用於控制在第一供應電路操作模式和第二供應電路操作模式之間的供應電路，在該第一供應電路操作模式中該供應電路能夠提供至少該第一電力供應至該感測配置，在該第二供應電路操作模式中該供應電路能夠提供至少該第二電力供應至該感測配置：其中：該感測配置控制器經配置以提供一電力狀態信號到該供應電路，該電力狀態信號係表示感測配置將從該第一感測配置操作模式轉移到該第二感測配置操作模式；並且該供應電路控制器經配置以接收該電力狀態信號，並控制該供應電路以從該第一供應電路操作模式轉移到該第二供應電路操作模式，以響應於該電力狀態信號。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該讀取電路經配置以感測因電位差的變化而造成對該感測結構的每一者所攜帶的電荷之變化，該讀取電路包括：複數個充電放大器，其每一者連接到該感測結構中的至少一者，用於提供該感測信號中的個別的感測信號，其係指示該至少一個感測結構所攜帶的電荷之變化，其中，每一個充電放大器包括：第一輸入，其連接到該至少一個感測結構；第二輸入，其連接到該供應電路，以接收該感測參考電位；輸出，提供該個別的感測信號；反饋電容器，其係連接在該第一輸入與該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係介於該第一輸入和該第二輸入與該輸出之間，其中該充電放大器經配置，以這樣的方式使得在該第一輸入處的電位 實質上依循在該第二輸入處的感測參考電位。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之指紋感測系統，其中該讀取電路進一步包括：取樣電路，其係連接至每一個充電放大器的輸出，以在取樣時間取樣該感測信號，該取樣時間係與該第一感測參考電位和該第二感測參考電位之間的感測參考電位的變化相關。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之指紋感測系統，其中該取樣電路可被控制以在當該感測參考電位處於該第一感測參考電位或該第二感測參考電位時對該輸出取樣持續第一時間，並當該感測參考電位處於該第一感測參考電位及該第二感測參考電位中的另一者對該輸出取樣持續第二時間。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該第二操作模式是主動模式操作，其中在該主動模式操作時，該讀取電路經配置以基於每一個感測結構與該手指之間的電荷的變化形成指紋圖案信號。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該感測配置是可控於該第一感測配置操作模式和該第二感測配置操作模式與至少一第三感測配置操作模式之間。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述之指紋感測系統，其中該感測配置控制器經配置以形成來自該感測信號的指紋影像，並分析該指紋影像的影像品質，其中，如果影像品質因數高於臨界值時，該感測配置控制器經配置以提供第二電力狀態信號到該供應電路，該第二電力狀態信號指示該第三感測配置操作模式的轉移，其中，在該第三感測配置操作模式中，該第三感測配置需要的第三電力供應低於該第二電力供應。
  8. 根據申請專利範圍第6項所述之指紋感測系統，其中該感測配置控制器經配置以形成來自該感測信號的指紋影像，並分析該指紋影像的影像品質，其中，如果該影像品質因數高於臨界值時，該感測配置控制器經配置以提供另一電力狀態信號到該供應電路，該另一電力狀態信號指示進一步的感測配置操作模式的轉移，其中，在該進一步的感測配置操作模式中，交替感測參考信號的頻率已從第一交替頻率改變到第二交替頻率。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該感測配置控制器經配置以一延遲而提供該電力狀態信號至該供應電路控制器，使得該供應電路控制器能夠控制以在該感測配置將要從第一操作模式轉移到第二操作模式之前，使該供應電路從該第一供應電路操作模式轉移到該第二供應電路操作模式。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該供應電路包括電壓調節器以及與該電壓調節器的輸入和輸出並行配置之開關，在該輸入處的電位係裝置供應電位(DVDD)，其中，在該第一供應電路操作模式中，該開關經配置以旁繞該電壓調節器，使得該感測配置供應電位(SVDD)實質上等於該電子裝置的裝置供應電位(DVDD)，並且在該第二供應電路操作模式中，該開關是打開的，以使該電壓調節器提供該感測配置供應電位(SVDD)至該感測配置。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中：該感測配置可以包括於第一積體電路中；並且該裝置連接介面和該感測參考電位提供電路可包括於第二積體電路中，該第二積體電路耦合到該第一積體電路。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述之指紋感測系統，其中：該第一積體電路進一步包括感測配置介面；並且該第二積體電路進一步包括感測器連接介面，該感測器連接介面連接到該感測配置介面。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中：該感測配置、該裝置連接介面、以及該感測參考電位提供電路可以被包括在單一積體電路中。
  14. 一種電子裝置，包括：根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統；以及處理電路，其經配置以：經由該裝置連接介面而從該指紋感測系統獲取該指紋圖案信號；基於該指紋圖案信號驗證使用者；以及如果該使用者已基於該指紋圖案信號而進行認證，僅執行至少一個動作。
  15. 一種控制指紋感測系統的方法，該指紋感測系統係用於感測一手指的指紋圖案，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，其係用於將該指紋感測系統連接電子裝置，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，其係用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，該感測配置包括：複數個感測結構，其每一者係被介電結構覆蓋，並經配置以在當該手指被放置在該介電結構時被電容地耦合到該手指；以及 讀取電路，其係被連接到該感測結構的每一者，以這樣的方式使得該感測結構電位係依循該感測配置的感測參考電位；以及感測配置控制器，其係用於控制該感測配置在第一感測配置操作模式和第二感測配置操作模式之間的的至少一者，該第一感測配置操作模式需要對該感測配置提供第一電力供應，且該第二感測配置操作模式需要對該感測配置提供比該第一電力供應還高之第二電力供應；以及供應電路，其係連接到該感測配置，以用於提供感測該參考電位到該感測配置，該供應電路包括供應電路控制器，用於控制該供應電路在第一供應電路操作模式和第二供應電路操作模式之間，在該第一供應電路操作模式中該供應電路能夠提供至少該第一電力供應至該感測配置，在該第二供應電路操作模式中該供應電路能夠提供至少該第二電力供應至該感測配置；該方法包括以下步驟：a)提供至少該第一電力供應至該感測配置；b)提供電力狀態信號到該供應電路，該電力狀態信號係表示該感測配置將從該第一操作模式轉移到該第二操作模式；c)控制該供應電路，以從該第一供應電路操作模式轉移到該第二供應電路操作模式，以響應於該電力狀態信號。
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