TWI620130B - 具有從感測元件讀出電流的電容性指紋感測裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種電容性指紋感測裝置，其包括複數個感測元件。每一個感測元件包括一保護性介質的頂部層，其係被一手指觸碰；一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一電荷放大器，其係被連接到該感測結構，用於提供一感測電壓信號，其係指示該感測結構所攜載的電荷的變化，該變化係起因於該手指與該感測結構之間的電位差的變化而產生的；以及一電壓轉電流轉換器，其係用於將該感測電壓信號轉換成一感測電流信號，以指示該感測結構所攜載的電荷的變化。藉此，該感測元件的精準感測以及更快的操作可以被實現，而不會增加對應的電力消耗。

Description

具有從感測元件讀出電流的電容性指紋感測裝置
本發明關於一種電容性指紋感測裝置及一種感測指紋圖案的方法。
越來越多的各種類型的生物識別系統已被使用，其目的是要提供增加的安全性及/或增強的使用者便利性。
舉例來說，特別是指紋感測系統，因其小尺寸因素、高性能、和使用者接受度，已受到消費性電子裝置的採用。
在各種可用的指紋感測原理中(例如，電容性、光學性、熱…等)，電容性感測是最常用的，特別是應用於大小和功率消耗為重要的問題之處。
所有的電容性指紋感測器提供一測量，該測量係表示介於多個感測結構的每一個以及放置於該指紋感測器的表面上或橫跨該表面而移動的手指之間的電容。
一些電容性指紋感測器係被動地讀出該感測結構和該手指 之間的電容。然而，在該感測結構和該手指之間必須要有相當大的電容。因此，這種被動的電容性感測器通常設置有覆蓋該感測結構之非常薄的保護層，其使得這些感測器對於刮(scratch)及/或靜電放電(ESD)相當敏感。
美國專利US 7,864,992揭示了一種電容性指紋感測系統，其中藉由對於配置在感測器陣列附近的導電結構進行脈衝而將一驅動信號注入到該手指，並且測量在該感測器陣列中的該感測結構所攜載的電荷之所造成的變化。
這種所謂主動的電容性指紋感測系統一般致使測量介於手指與感測結構之間的電容，其具有的信號雜訊比係比上述被動的系統還高。因此，這允許一相當厚的保護塗層，且因此允許更強健的電容性指紋感測器，使得該電容性指紋感測器可被包括在遭受相當多磨損的物品中，例如，行動電話。
然而，仍然有改進的空間。特別是，希望提供穿過更厚的保護塗層之指紋感測、及/或關於信號雜訊比之進一步改進的效能。
鑒於現有技術的上述和其他缺點，本發明的一個目的是實現一種改進的電容性指紋感測裝置，特別是提供一種可穿過很厚的保護塗層之改進感測性能的電容性指紋感測裝置。
根據本發明的第一個態樣，其因此提供了一種用於感測一手指的一指紋圖案之電容性指紋感測裝置，該電容性指紋感測裝置包括：複數個感測元件，其每一個都包括：一保護性介電質頂部層，其係被該手指 觸碰；一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一電荷放大器，其係被連接到該感測結構，用於提供一感測電壓信號，其係指示該感測結構所攜載的電荷的變化，該變化係起因於該手指與該感測結構之間的電位差的變化而產生的，該電荷放大器包括：一第一輸入，其係被連接到該感測結構；一第二輸入；一輸出，其係用於提供該感測電壓信號；一反饋電容器，其係被連接於該第一輸入和該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係在該第一輸入和該第二輸入與該輸出之間；以及一電壓轉電流轉換器，其係用於將該感測電壓信號轉換成一感測電流信號，以指示該感測結構所攜載的電荷的變化，其中該指紋感測裝置係進一步包括讀出電路系統，其係被連接到該電壓轉電流轉換器，該電壓轉電流轉換器係被包括於該感測元件中的每一個，以用於從該複數個感測元件處接收感測電流信號，並基於該感測電流信號提供該指紋圖案的表示符。
該電壓轉電流轉換器可具有連接到該電荷放大器的輸出之一輸入，以及用於提供該感測電流信號之一輸出。
該感測結構可有利地以一導電板的形式設置，像是一金屬板，使得一種平行板電容器係由該感測結構(該感測板)、局部手指表面、以及該保護塗層形成(以及可能在該局部手指表面與該保護塗層之間局部地存在的任何空氣)。
該保護塗層可有利地為至少20微米厚，並具有高的介電強度，以避免該指紋感測裝置底下的結構免於磨損和撕裂以及免於靜電放電(ESD)。更加有利的是，該保護塗層可以為至少50微米厚。在多個實施例中，該保護塗層可以是數百微米厚。
該感測元件可以是可控制的，以執行一預定的測量序列，其關於在預定序列中不同的測量狀態之間的轉移。一測量狀態可以藉由控制信號的某些組合來定義，該控制信號係被提供到該感測元件中所包括的電路系統。
該電荷放大器將在第一輸入處的電荷到轉換為在該輸出處的電壓。該電荷放大器的增益係由該反饋電容器的電容來確定。
該電荷放大器可以有利地被配置，使得該電荷放大器的第一輸入處的電位實質上依循在第二輸入處的電位。
該電荷放大器可以被配置，使得在該第一輸入處的電位(有時也被稱為負輸入)實質上依循在該第二輸入處的電位(有時也被稱為正輸入)，應被理解為意味著在該第二輸入處的電位的變化造成在該第一輸入處的電位實質上對應變化。取決於該電荷放大器的實際配置，在該第一輸入的電位可以在該第二輸入的電位是實質上相同的，或者在該第二輸入和該第一輸入之間可以有實質上固定的電位差。例如，如果該電荷放大器被配置為單一級放大器，該電位差可以是該感測電晶體的閘極-源極電壓。
應注意的是，該電荷放大器的輸出不需要直接連接到該反饋電容器，並在該輸出和該反饋電容器之間可能有額外電路系統。該電路系統也可以被放置該感測元件的矩陣之外部。
該第二輸入可被連接到該感測元件的參考電位，其可以是一特定感測元件或一組感測元件之一局部參考電位，或是該電容性感測元件的參考電位(該感測器接地)。該局部參考電位可以被控制以相關於該感測器接地，及/或相關於該電容性指紋感測裝置所包含的電子裝置之參考電位 而進行變化。該電子裝置的參考電位可以被稱為裝置接地。在多個實施例中，該感測器接地可被控制以相關於該裝置接地而進行變化。
本發明基於體認到該感測元件的更快操作將允許從每一個感測元件得到多個讀出，其因而提供改進的感測性能，例如，以信號雜訊比和共模雜訊之降低來說。
本發明人已進一步體認到，藉由將在每一個感測元件中的電荷放大器所提供的電壓信號轉換成電流信號，並將該流信號發送到該感測元件之外的輸出線路上至讀出電路系統，可以來實現所希望的更快操作，而不需要對應地增加電力消耗，且該讀出電路系統可以被配置在感測元件的矩陣之外。
配置於該感測元件的矩陣之外的讀出電路系統與感測元件之間的輸出線路的寄生電容可能為數個pF。提供電流而不是電壓來作為該感測信號，將沒有必要在高頻率時對於此寄生電容進行充電和放電，這對於每一個讀出事件提供了一個相當大的能源消耗方面的減少。根據本發明的實施例，每一個讀出事件的能源消耗可被充分地減小，以允許讀出頻率增加，比方說，20倍，而不會增大該電容性指紋感測裝置的電力消耗。
因此，本發明的實施例提供了更高的讀出頻率，因而允許改進的感測性能，並藉由本來已知的濾波技術而進一步致能多個輸出信號的組合，藉此能夠減少共模雜訊並提高信號雜訊比。
其因而允許通過較厚的塗層而進行測量，例如控制按鈕、或一電子裝置(像是行動電話)的外殼的一部分。另外，有可能減少在該指紋感測器的能量消耗，及/或降低獲得一指紋表示符(影像)所需的時間。
額外地，從該感測元件提供以電流信號形式的感測信號係有助於讀出代表由一組感測元件所攜載的電荷的組合變化的參考信號。可以藉由允許在該組感測元件中的每一個感測元件提供其感測電流信號到共同讀出線路來實現所希望的參考信號，其中，該電流將自動被加在一起以形成用於該組感測元件的上述參考信號。
如果該組感測元件中的感測元件被配置，使得該感測元件中的至少一個將對應於在指紋圖案的脊部，上述參考信號可用於處理共模雜訊，及/或允許更有效利用該讀出電路系統所包含的一類比轉數位轉換器(ADC)之動態範圍，以用於提供數位形式的手指圖形之表示符。
為了實現該組感測元件中的感測元件中的至少一個係對應於指紋脊部，上述的該組感測元件可包括覆蓋足夠大面積之相鄰感測元件及/或足夠數量的空間分佈的感測元件。
根據各種實施例，本發明的電容性指紋感測裝置可以進一步包括激發信號提供電路系統，用於提供一時變激發信號至該手指和該感測結構中的至少一個，以用於提供該手指和該感測結構之間的電位差的變化。
該激發信號提供電路系統可以是切換電路系統，其係配置以在不同線路上所提供的兩個或更多個不同電位之間進行切換。可替代地或組合地，該激發信號提供電路系統可包括至少一個信號源，其係配置以提供一時變電位，例如一方波電壓信號或一正弦波電壓信號。
該激發信號提供電路系統可以被連接到該感測結構，用於提供該激發信號到該感測結構，或是使用該電容性指紋感測裝置而連接到一導電結構以導電地連接到使用者的手指。例如，該導電結構可以是至少部 分地圍繞該指紋感測器之一框架(bezel)。
根據各種實施例，在感測元件中包括的電壓轉電流轉換器可以包括一電阻元件，其係被連接於該電荷放大器的輸出和該電壓轉電流轉換器的輸出之間。
電阻元件可有利地由一MOS電晶體構成，例如一PMOS電晶體，因為這可能會有助於匹配構件與讀出電路系統，因而允許從該電容性指紋感測裝置提供該指紋圖案的精確表示符。
可替代地或組合地，該電阻元件可以由一電阻器構成。
此外，該讀出電路系統可有利地包括可控制增益元件，以允許控制該讀出電路系統，以適應不同的電流位準。例如，由單一個感測元件所輸出的感測電流可以相對較低，而由一組感測元件所輸出的感測電流之所形成之組合的感測電流可相對較高(如上述的參考信號)。例如，此可控制增益元件可用可控制的放大器的形式來設置。
根據實施例，該讀出電路系統可包括至少一個電流轉電壓轉換器。由該電流轉電壓轉換器所輸出的電壓可以在當該手指與該感測結構之間存在第一電位差之時的第一取樣時間進行取樣，並在當該手指與該感測結構之間存在第二電位差之時的第二取樣時間進行取樣。此通常被稱為相關雙取樣(correlated double sampling)。以下的取樣操作，在第二/第一取樣時間取樣的電壓之間的差，以及該第一/第二取樣時間取樣的電壓可以被提供到一類比轉數位轉換器，用於將該手指圖案的表示符轉換為數位形式。
在讀出電路系統所包括的電流轉電壓轉換器可以包括一所謂的跨阻抗放大器，其包括一反饋電阻元件。該反饋電阻元件可有利地包 括一MOS電晶體。
特別是在多個實施例中，其中在感測元件中的電壓轉電流轉換器中的電阻元件是一MOS電晶體，例如一PMOS電晶體，且該實施例也在該讀出電路系統的電流轉電壓轉換器提供相同類型的MOS電晶體，該實施例可有助於該電壓轉電流轉換器和該電流轉電壓轉換器的元件匹配，其因而可以提高轉換的精準度。
上述的相關雙取樣可以被看作是該感測元件所提供的感測信號之解調。根據進一步的實施例，該讀出電路系統可包括一解調器，以用於在電流域中解調該感測信號。該解調器的(電流)輸出可被提供到一類比轉數位轉換器。這些實施例的一個優點是，在電流域解調該感測信號比在電壓域還要容易。
根據又進一步的實施例，該讀出電路系統可包括一所謂的直流類比轉數位轉換器，以用於將電流值直接轉換成以對應的數位表示符。
此外，根據本發明的各種實施例，該電荷放大器可經配置，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電位；並且該激發信號提供電路系統可以被連接到該電荷放大器的第二輸入，以用於將在該第二輸入處的電位從第一電位變化到第二電位，藉此變化該感測結構的電位，藉此提供該手指與感測結構之間的電位差之變化。
藉由變化該感測結構的電位可以實現在該手指和該感測結構之間的電位差，其實質上與手指是否是濕的/正常或乾燥無關。此因而提供了像是乾燥手指的手指圖案之改善的感測。
根據各種實施例，在該電荷放大器中所包含的放大器級可包 括一感測電晶體，其具有的閘極係構成該第一輸入。該感測電晶體可以形成在一半導體基板的井中，該井和該基板之間的介面係經配置，使得可以避免電流在該井和該基板之間流動。此外，該激發信號提供電路系統可以被連接到該井，用於將該井的電位從一第三電位變化到一第四電位，該第三電位和該第四電位之間的差實質上等於上述在該第一電位和該第二電位之間的差，藉此降低在該感測結構和該井之間的寄生電容的影響。
該半導體基板可有利地是摻雜半導體基板，且該井可以是該基板的一部分且係以相對於該半導體基板相反的極性來進行摻雜(如果該半導體基板係p型摻雜，該井可以係n型摻雜，而如果該半導體基板係n型摻雜，該井可以係p型摻雜。此為一種實現在該井和該基板之間的介面，而該介面係可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某一電位，使得在該井和該基板之間的介面處形成的二極體係沒有電流流過。
替代性地，可以在該基板和該井之間設置一絕緣層，例如以薄層玻璃的形式。此絕緣層還可以避免電流在該井和該基板之間流動。
如果該激發信號被施加到該手指，並且該感測結構被保持在一固定的電位，也就是說，接地，那麼該感測結構和該手指之間的電容的測量將不會受到在該感測結構和該電荷放大器之間、及/或在該感測結構和在該半導體基板(電荷放大器形成於其中)之間的任何寄生電容的干擾，因為該感測結構和該電荷放大器(和該半導體基板)的相關部件之間的電位將是相同的(或是在該感測結構與該電荷放大器和該半導體基板的輸入級之間將存在一固定的電位差)。然而，如果該激發信號被施加到該感測結構， 在該感測結構和該半導體基板之間將會出現一時變的電位差。模擬顯示，相鄰於該感測結構和該電荷放大器的輸入級之間的連接且在該感測結構和該半導體結構(通常為n井、p井、及/或半導體基板)之間的寄生電容可能在10fF的級數，而(在該感測結構和該手指之間)感測出的電容可以低至0.1fF或更小。此外，上述寄生電容通常係未知的，並且由於半導體製造過程的關係對於不同的感測元件會有不同的寄生電容。
本發明人已經體認到，在本發明的實施例中，在該指紋感測裝置中的該感測結構和該半導體結構之間的這種寄生電容的影響可以藉由在提供該激發信號提供電路系統而大量地降低，該激發信號提供電路系統係經配置用以變化該井的電位，在該井中形成有該電荷放大器的感測電晶體。藉此，該井(即相鄰於該感測結構和感測電晶體(該電荷放大器的輸入級)之間的連結的半導體結構)的電位可以被控制以依循該感測結構的電位，使得該井和該感測結構之間的電位差，至少在與該感測結構和該手指之間的電容相關的測量點係及時地保持實質上固定。
對於測量來說，那些是與其相關的及時點根據所使用的測量方法可以是不同的，並且本領域技術人士將能夠及時地確定這些點，例如基於電路模擬，而無需過度負擔。例如，在所謂的相關雙取樣的案例中，其中該感測信號是在兩個取樣時間進行取樣，這些取樣時間可以是與測量相關的及時點。
此外，根據各種實施例，該指紋感測裝置可以進一步包括配置在該感測結構和該基板之間的屏蔽結構。該激發信號提供電路系統可以進一步被連接到該屏蔽結構，並且被配置以將該屏蔽結構的電位從一第五 電位變化到一第六電位，該第五電位和該第六電位之間的差實質上等於上述第一電位和第二電位之間的差。
藉此，該感測結構可以有效地與該感測元件的其他可能的底下部件進行屏蔽，例如在金屬層中的連接線路、及/或形成於該半導體基板中的連接線路及/或半導體電路系統。這將進一步減少在該感測元件的寄生電容的影響。
該第五電位可有利地等於上述第三(及/或第一)電位，和第六電位可有利地等於上述第四(及/或第二)的電位。例如，該屏蔽結構(板)可有利地直接地以導電方式連接到該井。
根據第一組實施例，該感測電晶體可以是一NMOS電晶體或PMOS電晶體，並且該井可以分別是p井或n井。
根據第二組實施例，p井及/或n井可以形成於連接到激發信號提供電路系統之該井中。當在井中形成至少一個p井以及至少一個n井時，該井有時可以稱為異井(iso-well)。
此外，該井可以共通於複數個感測元件。例如，該井可以是周圍數個感測元件的n井和p井之異井。該激發信號提供電路系統可以被連接到該異井以及該異井內所形成的(多個)井，並且被配置來變化該異井以及該異井內所形成的(多個)井之電壓。
根據各種實施例，該感測元件的每一個可包括時序電路系統，其係被連接到該激發信號提供電路系統以用於：在一第一激發轉移時間，提供一第一激發控制信號給該激發信號提供電路系統，用於觸發在手指和感測結構之間的電位差的第一變化；以及在一第二激發轉移時間，提 供一第二激發控制信號給該激發信號提供電路系統，用於觸發在手指和感測結構之間的電位差的第二變化。
此外，根據各種實施例，該感測元件的每一個可以進一步包括：重設定電路系統，其可控制用以放電該反饋電容器；以及時序電路系統，其係被連接到該重設定電路系統，用於控制該重設定電路系統介於一重設定狀態和一測量準備狀態之間，在該重設定狀態時，該反饋電容器係進行放電，在該測量準備狀態時，該反饋電容器可進行充電，以允許測量該感測結構所攜載的電荷的變化。
透過在每一個感測元件中局部地提供該時序電路系統，該感測元件中所包括的電路系統的至少一些時序控制可在每一個感測元件被局部地控制。
因此，可以說，該時序電路系統的功能係作為局部狀態機，其可以是非同步或同步，或上述組合。
藉由在多個測量狀態之間的至少時間最關鍵的(多個)轉移來提供局部時序，可用於測量的時間可以增加(對於給定的讀出頻率來說)，及/或電容性指紋感測裝置的設計變得便利。例如，小心地將某些時序控制信號路由到每一個感測元件將是不必要的，但該時序可以藉由特定感測元件選擇的外部信號來啟動。
因此，本發明的這些實施例進一步有助於實現更高的讀出頻率，藉此允許改進的測量性能，並進一步致能多個輸出信號的組合(例如透過濾波)，藉此可以減小共模雜訊並且增大信號雜訊比。
該時序電路系統可以有利地包括至少一個第一延遲元件，用 於控制該感測元件在一第一事件以及與該第一事件相關的時間延遲所定義的轉移時間而從一第一測量狀態轉移到一第二測量狀態，該第一延遲元件具有一輸入和一輸出，該輸入係用於接收定義該第一事件的第一信號，該輸出係用於提供定義從該第一測量狀態轉移到該第二測量狀態的第二信號。
該第一信號可以是一時變電壓，該第一事件可以被，例如，該第一信號的一上升邊緣或下降邊緣所定義。
該第一信號可以在感測元件的內部產生，或者是，根據各種實施方式，可以被設置為一信號，其可以，例如，被稱為在感測元件外部所產生的一致動信號或選擇信號。
該第二信號可以被看作是該第一信號的延遲版本，但是應當理解的是，不同於延遲的其他轉換可能已被施加在該第一信號以形成第二信號。例如，該第一信號可額外地進行放大、及/或、衰減、及/或反相…等，以形成該第二信號。
該第一延遲元件可有利地包括半導體電路系統，例如一個或多個邏輯閘。
根據本發明的各種實施例，該電容性指紋感測裝置可以有利地包括在一電子裝置中，該電子裝置可進一步包括處理電路系統，其係被配置用以：從該指紋感測裝置獲取該指紋圖案的表示符；基於該表示符驗證一使用者；以及只有在該使用者係基於該表示符而通過驗證時，執行該至少一個使用者請求的過程。該電子裝置可以例如是一手持式通信裝置，像是行動電話或平板電腦、一電腦、或是一電子可穿戴物品，像是手錶或 類似物。
根據本發明的第二個態樣，其提供了一種使用一電容性指紋感測器來感測一手指的一指紋圖案之方法，該電容性指紋感測器包括複數個感測元件，其每一個都包括：一保護性介電質的頂部層，其係被該手指觸碰；一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；以及一電荷放大器，其係被連接到該感測結構，用於提供一感測電壓信號，其係指示該感測結構所攜載的電荷的變化，該變化係起因於該手指與該感測結構之間的電位差的變化而產生的，該電荷放大器包括：一第一輸入，其係被連接到該感測結構；一第二輸入；一輸出，其係用於提供該感測電壓信號；一反饋電容器，其係被連接於該第一輸入和該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係在該第一輸入和該第二輸入與該輸出之間，其中該方法包括以下步驟：變化該手指與該感測結構之間的電位差；提供該感測電壓；在該感測元件中，將該感測電壓轉換為一感測電流；以及使用該感測元件外部的讀出電路系統，以接收來自該感測元件的每一個的感測電流，並基於所接收的該感測電流提供該指紋圖案的表示符。
透過本發明的這個第二態樣的進一步的實施例以及所獲得效果非常類似於上面針對本發明第一態樣中的說明。
總之，本發明係關於一種電容性指紋感測裝置，其包括複數個感測元件。該感測元件的每一個都包括一保護性介電質的頂部層，其係被該手指觸碰；一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一電荷放大器，其係被連接到該感測結構，用於提供一感測電壓信號，其係指示該感測結構所攜載的電荷的變化，該變化係起因於該手指與該感測結構之間的 電位差的變化而產生的；以及一電壓轉電流轉換器，其係用於將該感測電壓信號轉換成一感測電流信號，以指示該感測結構所攜載的電荷的變化。藉此，該感測元件的精準感測以及更快的操作可以被實現，而不會增加對應的電力消耗。
1‧‧‧行動電話
2‧‧‧指紋感測裝置/指紋感測器
5‧‧‧感測器陣列
6‧‧‧電源供應介面
7‧‧‧通信介面
8‧‧‧感測元件
10a‧‧‧第一接觸墊
10b‧‧‧第二接觸墊
11‧‧‧手指
13‧‧‧頂部層
17‧‧‧金屬板
18‧‧‧電荷放大器
19‧‧‧激發信號產生電路系統
20‧‧‧電壓轉電流轉換器
21‧‧‧選擇開關
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‧‧‧反饋電容器
30‧‧‧開關
31‧‧‧PMOS電晶體
33‧‧‧讀出線路
35‧‧‧電流轉電壓轉換器
36‧‧‧多工器
37‧‧‧取樣與保持電路系統
38‧‧‧類比轉數位轉換器
40‧‧‧運算放大器
41‧‧‧PMOS電晶體
42‧‧‧偏壓電壓源
43‧‧‧串聯電阻器
50‧‧‧電荷測量電路系統
51‧‧‧時序電路系統
53‧‧‧第一AND閘
54‧‧‧第一延遲元件
55‧‧‧第二延遲元件
56‧‧‧第二AND閘
57‧‧‧第一反相器
58‧‧‧第三延遲元件
59‧‧‧第三AND閘
60‧‧‧第二反相器
62‧‧‧延遲元件
63‧‧‧第一CMOS反相器
64‧‧‧第二CMOS反相器
65‧‧‧屏蔽板
66‧‧‧參考板
68‧‧‧感測電晶體
69‧‧‧疊接電晶體
71‧‧‧偏壓電流源
73‧‧‧井
75‧‧‧驅動電晶體
76‧‧‧驅動控制開關
77‧‧‧重設定控制開關
本發明的這些和其他態樣現在將以更詳細的方式進行描述，其係參考顯示本發明的一個實施例之隨附圖式，其中：圖1示意性地例示一行動電話，其包括根據本發明的範例實施例的指紋感測系統；圖2示意性地顯示圖1中的指紋感測裝置；圖3是在圖2中的指紋感測裝置的一部分的示意性橫截面圖，其係例示根據本發明的指紋感測裝置的第一實施例，其係使用電路示意圖來例示感測元件的配置以及感測信號從感測元件到讀出電路系統之傳輸；圖4a至圖4d是時序圖，其係示意性地顯示圖3中的指紋感測裝置之操作；圖5a-e示意性地例示根據本發明的指紋感測裝置的第二實施例，其中每一個感測元件包括時序電路系統；以及圖6a至圖6b示意性地例示根據本發明的指紋感測裝置的第三實施例。
在本詳細描述中，根據本發明的指紋感測裝置和方法的各種實施例主要是參考一電容性指紋感測裝置，其中每一個感測元件包括激發信號提供電路系統，其係用於提供一激發或驅動信號至該感測結構。另外，該電容性指紋感測裝置係被例示為觸控感測器的大小並且係被配置以從一靜止的手指獲取指紋表示符。
應注意的是，這絕對不是要限制本發明的範疇，本發明同樣包括：例如，一電容性指紋感測裝置，其中在手指電位和感測結構電位之間的電位差的變化反而是藉由以下方式達成的：直接提供激發信號給手指，或是經由其他感測元件而非目前所選擇用於感測的一個或多個感測元件來提供激發信號給手指。這些其他感測元件可以被程式化而作為驅動元件。用於從一個移動手指獲取的指紋表示符的其他感測器陣列配置，例如像是所謂的滑動感測器(swipe sensor)(或線感測器)，同樣落入本發明的後附申請專利範圍所限定的範圍內。觸控感測器還可以具有其他不同於後附圖式所例示的維度。
圖1根據本發明的範例實施例示意性例示了指紋感測裝置之應用，其形式為具有一整合指紋感測裝置2的行動電話1。舉例來說，該指紋感測裝置2可以用於解鎖行動電話1及/或用於授權使用行動電話而進行的交易…等。
圖2示意性地例示了在圖1的行動電話1所包括的指紋感測裝置2。在圖2可以看出的是，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、和一通信介面7。該感測器陣列5包括大量的感測元件8 (僅以一個元件符號來標示這些感測元件中之一個，以避免混淆圖式)，每一個感測元件係可控制用以感測在該感測元件8所包括的感測結構與接觸該感測器陣列5的頂表面的手指的表面之間的距離。
電源供應介面6包括第一接觸墊10a和第二接觸墊10b，在這裡係顯示為接合墊，用於將供應電壓Vsupply連接到該指紋感測器2。
通信介面7包括數個接合墊，以用於控制該指紋感測器2以及用於從該指紋感測器2獲取指紋資料。
圖3係圖2中的該指紋感測裝置2的一部分的示意性橫截面，其係沿著在圖2所顯示的A-A'線來截取的，且在該感測器陣列5的頂部上放置了一手指11。參考圖3，該指紋感測裝置2包括複數個感測元件8，其每一個都包括一保護性介電質的頂部層13、一導電感測結構，在此係以一金屬板17的形式且係位於該保護性介電質頂部層下方、一電荷放大器18、激發信號產生電路系統19、一電壓轉電流轉換器20、以及選擇電路系統，在此其功能為一簡單的選擇開關21，以用於允許該感測元件8的選擇/致動。
該電荷放大器18包括至少一個放大器級，在此其係示意性地例示為一運算放大器(op amp)24，其具有的第一輸入(負輸入)25係連接到該感測結構17，第二輸入(正輸入)26係連接到該激發信號提供電路系統19，以及一輸出27。另外，該電荷放大器18包括連接於該第一輸入25和該輸出27之間的一反饋電容器以及一重設定電路系統，在此其功能為一開關30，以用於允許該反饋電容器29之可控制放電。該電荷放大器18可以藉由操作該重設定電路系統30以放電該反饋電容器29而進行重設定。
對於在負反饋配置中的運算放大器24來說通常的情況是，在該第一輸入25處的電壓係依循施加到該第二輸入26的電壓。取決於特定的放大器配置，在該第一輸入25處的電位與在該第二輸入26處的電位可以是實質相同的，或者，在該第一輸入25處的電位與在該第二輸入26處之間的電位可以有一個實質上固定的偏置。
當一時變的電位藉由該激發信號提供電路系統19提供到該電荷放大器18的第二輸入26之時，一對應的時變電位會經由該電荷放大器18的第一輸入25而提供到該感測結構17。
由於該手指11的電位在相關的時間尺度上可以被認為是實質上固定的，在該感測結構17處的時變電位將在該感測結構17與該手指11之間造成一時變的電位差。該手指11在圖3中係示意性地指示為“接地”。但是應當理解的是，手指“接地”可以與感測器接地不同。舉例來說，手指可以是電子裝置之接地電位，且該電容性指紋感測裝置被包括於該電子裝置中。替代性地，人體可以被認為具有非常大的電“質量體”，使得當該參考結構17的電位變化時，該手指的電位保持實質上固定的。
下面將要更詳細地進一步描述的是，上述在該手指11和該參考結構17之間的電位差的變化造成該電荷放大器18的輸出27的感測電壓信號Vs。該感測電壓信號Vs係藉由該電流轉電壓轉換器20轉換成一感測電流信號Is，該電流轉電壓轉換器20在此係設置為PMOS電晶體31，其源極係連接到上述由激發信號提供電路系統19所提供的時變的電位Vd，其閘極係連接到該電荷放大器的輸出27，以及其汲極係經由該選擇開關21而連接到讀出線路33。
當所指示的感測元件8經選擇以用於感測時，該選擇開關21被閉合，以提供感測電流信號Is至該讀出線路33。該讀出線路33可以是在圖2中用於該感測器陣列5的列或行的共用讀出線路，該讀出線路33在圖3中係顯示為經由一多工器36而連接到該電流轉電壓轉換器35。在圖3中示意性地指出的是，從該感測器陣列5的其他列/行提供的感測電流信號之額外讀出線路也是經由該多工器36而連接到該電流轉電壓轉換器35。
在圖3中示意性地指出的是，在該讀出線路33和接地之間有寄生電容Cp。如果該感測電壓信號Vs是利用習知的電容性指紋感測裝置，亦即使用讀出線路33而發送(而非感測電流信號Is)時，該寄生電容Cp將造成能量消散。如果使用習知的電容性指紋感測裝置其讀出頻率，例如在1MHz的量級時，給定該感測裝置係良好的設計使得該寄生電容是在1pF的量級時，因該讀出線路的寄生電容造成的功率消耗可被視為是可接受的。然而，如果讀出頻率被大大增加到，例如是，20MHz或更大時，因該寄生電容Cp造成的功率消耗將變得相當大。相對地，藉由沿著讀出線路33而發送該感測電流信號Is，因寄生電容Cp造成的功率消耗可以有效地削減，這是因為該讀出線路33和該感測器接地之間的電位差可以保持實質固定的。
該電流轉電壓轉換器35在此係示意性地例示為所謂的跨阻抗放大器，且該電流轉電壓轉換器35係將該感測電流信號Is轉換回電壓域，並提供一感測電壓信號至取樣與保持電路系統37。圖3中的電流轉電壓轉換器35包括一運算放大器40、與二極體連接的一PMOS電晶體41，以作為電阻反饋元件、以及連接到該運算放大器40的正輸入的一偏壓電壓源42。 因為該運算放大器的負輸入40係虛擬接地(其呈現的電位係依循該運算放大器40的正輸入處的電位)，在該電流轉電壓轉換器35的輸入處將有一固定的電位，即使感測電流有變化。因此，寄生電容Cp上的充電和放電不會有能量被浪費。
該取樣與保持電路系統37的輸出被連接到一類比轉數位轉換器38，用於將從該感測元件8產生的類比信號轉換成該感測器2上的手指11的指紋圖案的數位表示符。
現在將參考圖4a至圖4d說明圖3中的電容性指紋感測裝置2的範例性操作。
在圖4a至圖4d的示意圖中，圖4a顯示了由圖3中的激發信號提供電路系統19所提供的驅動信號Vd，圖4b顯示了在圖3中的電荷放大器18的輸出27處的感測電壓信號Vs減去該驅動信號Vd，圖4c顯示了感測電流信號Is，以及圖4d顯示了該電流轉電壓轉換器35的輸出電壓Vs'。
首先，參考圖4a，該感測元件8係經由像是閉合該選擇開關2而被選擇，且該驅動信號Vd在第一時間T1從一低的第一電位V1變為一高的第二電位V2。因此，水平移位的該感測電壓信號Vs-Vd從一高的第一電位變為一低的第二電位，如在圖4b示意性地顯示。
在該選擇開關21閉合前，沒有感測電流信號Is(電流為0A)，並且因此，該電流轉電壓轉換器35的輸出電壓Vs'是0V(相對於該電流轉電壓轉換器35的參考電位)。這在圖4c至圖4d中示意性地顯示。
當該選擇開關21在時間T1閉合時，該感測電流信號Is上升到一電流，其對應於水平移位的該感測電壓信號Vs-Vd。
在時間T2時，該重設定電路系統30係藉由對該反饋電容器29進行而被控制到其導通狀態以重設定該電荷放大器18。
在第三時間T3時，該重設定電路系統30係經控制以從其導通狀態變為其非導通狀態(在圖3示意性例示)，以允許該電荷放大器18提供在其輸出處的感測電壓信號Vs，以指示該感測結構17所攜載的電荷之變化。當該重設定電路系統30係經控制以從其導通狀態變為其非導通狀態，可能有小的電荷注入，造成在時間T3如圖4b所示的(水平移位的)感測電壓信號之變化。
在圖4c和圖4d中可以看出，該感測電流信號Is和電流轉電壓轉換器35的輸出電壓Vs'係依循在感測元件8中的電荷放大器18的輸出27處的水平移位的該感測電壓信號Vs-Vd。
在時間T4時，該電流轉電壓轉換器35的輸出電壓Vs'係由該取樣與保持電路系統37進行第一次的取樣，藉此產生一第一取樣值S1。
接著，在時間T5時，該驅動信號Vd從該第二電位V2變回到該第一電位V1。這造成在該手指11與該感測結構17之間的電位差的變化，因而造成起因於該感測結構17與手指11的電容性耦合產生的電荷的變化。此電荷的變化會轉變成由該電荷放大器提供的電壓之變化，亦即，該感測電壓信號Vs的變化。如上述所提到的，這種在感測電壓信號Vs之變化會轉換成該感測電流信號Is和該電流轉電壓轉換器35的輸出電壓Vs'之對應的變化。
當該感測電壓信號Vs(與該感測電流信號Is，以及電流轉電壓轉換器35的輸出電壓Vs')已穩定後，在時間T6時，該電流轉電壓轉換 器35的輸出電壓Vs'係由該取樣與保持電路系統37進行第二次的取樣，藉此產生一第二取樣值S2。
S2和S1之間的差是表示感測板17與手指11之間的電容性耦合的測量，且會被提供到該ADC 38以進行數位化並輸出為，舉例來說，一指紋圖案影像之像素值。
現在已根據本發明的實施例描述了一指紋感測裝置的一般配置以及該指紋感測裝置的範例性操作，在下面將參考圖5a至圖5e透過在每一個感測元件的局部時序控制來描述另一個用於提供進一步改善的高頻讀出性能的實施例。
首先參考圖5a，來自於圖2中的感測器陣列5的感測元件8係與其最接近的鄰居一起顯示。可以利用從列選擇電路系統和行選擇電路系統的致動信號來選擇該(多個)感測元件8，以感測其感測結構17和手指11之間的電容耦合。這些致動信號在圖5a中係以R-ACT和C-ACT表示。
參考圖5b，在電容性指紋感測裝置2的每一個感測元件8包括電荷測量電路系統50(例如，電荷放大器18、激發信號提供電路系統19、和在圖3中的電壓轉電流轉換器20)和時序電路系統51。
該電荷測量電路系統50係連接到該感測結構(板)17，用於測量該感測結構17所攜載的電荷之變化，該變化係起因於在該手指11與該感測結構17之間的電位差的變化而產生的。如同參考上述圖4a至圖4d所描述的是，該測量的實施藉由執行一測量序列，其係包括通過一序列測量狀態之轉移。電荷測量電路系統50具有一輸出，用於提供上述的感測電流信號Is至該讀出線路33。
該時序電路系統51係連接到該電荷測量電路系統50，用於控制該測量狀態中的至少一個時序。
在圖5B所示意性地例示的是，該時序電路系統可以接收一個或多個控制信號，以用於觸發該感測元件8的一測量操作。舉例來說，上述的列致動信號R-ACT和行致動信號C-ACT可能被該時序電路系統51接收，此後該時序電路系統51可以獨立地提供各種時序控制信號給該電荷測量電路系統50，如圖5b中的箭頭所示意性地指示的。
藉由該測量序列中所包含的至少一個測量狀態的時序的局部控制，測量狀態之間的轉移的時序可以更精確及/或均勻地控制，其允許轉移之間的更短時間，其因而允許更高的測量頻率。
在圖5b中的電荷測量電路系統50的一個例子係更詳細地顯示於圖5c中。
另外，該時序電路系統51所提供的控制信號(致動信號ACT、重設定信號RST、及驅動控制信號DRV)係由圖5c中的箭頭指示著。
在圖5c中的電荷測量電路與上面參考圖3所描述的不同的是，該PMOS電晶體31已包括在反饋迴圈中，且介於該反饋電容器29和運算放大器24的輸出27之間。串聯電阻器43也已加入。應注意的是，本文該的電壓轉電流轉換器之配置僅為合適的配置的一些範例性例子，並且許多其他配置對本領域技術人士而言可被實現而無需過度負擔。
參考圖5d，在圖5b中的該時序電路系統51的範例性配置現在將加以說明。在圖5d中可看到的是，該時序電路系統51包括一第一AND閘53、一第一延遲元件54、一第二延遲元件55、一第二AND閘56、 一第一反相器57、一第三延遲元件58、一第三AND閘59、和一第二反相器60。
圖5d中所示意性指示的是，列致動信號R-ACT和行致動信號C-ACT係被輸入到該第一邏輯AND閘53上。同樣參考圖5c，該第一AND閘53的輸出係被提供到電荷測量電路系統50的放大器24和該選擇開關21作為一致動/選擇信號ACT、被提供到該第一延遲元件54的輸入、並且被提供到該第三AND閘58。該第一延遲元件54的輸出被提供到該第二AND閘56，並且被提供到該第二延遲元件55的輸入。該第二延遲元件55的輸出係經由該第一反相器57而被提供到第二AND閘56，並且被提供到該第三延遲元件58的輸入。該第三延遲元件58的輸出係經由該第二反相器60而被提供到該第三AND閘59的輸入。
當包含圖5c中的電荷測量電路系統50和圖5d中的時序電路系統51之感測元件8被同時設定了列致動信號R-ACT和行致動信號C-ACT而被選擇之時，用於該感測元件8的致動信號ACT會變高(在圖4a至圖4d的時間T1時)。來自該第一AND閘53的輸出通過該第一延遲元件54，並且以一第一時間延遲△T1加以延遲，以提供到該第二AND閘56的致動信號ACT之第一延遲版本。第一時間延遲△T1對應於圖4a至圖4d中的T2-T1。
來自該第一延遲元件54的輸出也被提供到該第二延遲元件55的輸入，並且被延遲以提供該致動信號ACT的第二延遲版本。
該致動信號ACT的第二延遲版本經由該第一反相器57而被提供到該第二AND閘56的輸入，以達到在第二AND閘56的輸出上的重 設定控制信號RST。
該第二時間延遲△T2對應於圖4中的T3-T2，並且該第二時間延遲△T2確定測量狀態的持續時間，其中該重設定控制信號RST係高的(重設定電路系統30被控制為導通)。
圖5d中所指出的是，來自該第二延遲元件55的輸出也通過該第三延遲元件58。因此，此延遲的信號(致動信號ACT被延遲了△Ttot=△T1+△T2+△T3)經由該第二反相器60而被提供到第三AND閘59。總延遲時間△Ttot對應於圖4a至圖4d中的T5-T1，並且該總延遲時間係控制該激發信號提供電路系統19中的操作，如圖5c中所示。
應注意的是，該時序電路系統51係一簡化的例子，用於說明使用該延遲元件和邏輯閘的組合，以局部地控制包括在該感測元件8的電荷測量電路系統50的測量狀態的時序之原理。取決於實際實施例，該時序電路系統可包括額外的或其他的電路，舉例來說，信號成形及/或時序。根據本文所提供的描述，本領域技術人士將能夠設計出時序電路系統的合適實施例，而無需過度負擔。
應理解的是，取決於特定的實施例，可以從該時序電路系統51獨立地提供一些或額外的時序控制信號至該電荷測量電路系統50。
圖5e例示一延遲元件62的範例性例子，其可被包括在圖5d的時序電路系統51中。
該延遲元件62包括：串聯連接的一第一CMOS反相器63和一第二CMOS反相器63。該延遲元件的時間延遲將取決於在延遲元件62所包含的構件的維度，並且因此該時間延遲可以在設計該延遲元件之時與 以設定。如果需要相當長的延遲時間的話，可以串聯耦合進一步的CMOS反相器。
現在將參考圖6a至圖6b說明在圖2中的指紋感測裝置2的第三實施例。圖6a至圖6b的實施例對於該感測元件8中的寄生電容之影響係予以消除或至少大量地減少，其因而進一步促進該感測元件8的高頻動作。
圖6a係在圖2中的感測元件8的實施例之部分結構和部分電路示意圖的混合，該感測元件8係形成一摻雜的半導體基板之上。該保護性介電質的頂部層13、感測板17、該屏蔽板65、和該參考板66中係示意性地顯示於一分解透視圖，而該電荷放大器18係以一電晶體級電路示意圖的形式來例示。
圖6a例示的是，此簡單的電荷放大器18的實施例係包括感測電晶體68、疊接電晶體69、以重設定電晶體30形成之重設定電路系統、和偏壓電流源71。該感測電晶體68、該疊接電晶體69和該重設定電晶體30都形成在相同的井73中(n井，p井或異井)。
為了幫助理解在圖6a中的部件和連結，相同的示意性組構也以更抽象的層次顯示於圖6b中，圖6a的電晶體電路系統係電荷放大器的一般符號取代，該電荷放大器所具有之負輸入25係連接到該感測板17、正輸入26係連接該激發信號提供電路系統19，在此為一脈衝產生器的形式、以及輸出27提供感測電壓信號Vs，其係表示由該感測平板17所攜載的電荷之變化，其係起因於在該手指11和該感測板17之間的電位差的變化所造成的。如上所述，在該手指11和該感測板17之間的電位差的變化係起因於 藉由該脈衝產生器19經過該電荷放大器而施加到該感測板17的電位變化所造成的。由該感測板17和該參考板66形成的反饋電容器係連接於該電荷放大器的負輸入25和輸出27之間。應注意的是，該電荷放大器的一般功能為相關領域具有通常知識者所熟知的。圖6b也示意性地指示，該井73係被連接到激發信號提供電路系統19，並且該感測電壓信號Vs係被藉由電壓轉電流轉換器20而轉換為該感測電流信號Is。
回到圖6a，可以看出該感測電晶體66的閘極構成該電荷放大器的負輸入25，且該感測電晶體66的源極構成該電荷放大器的正輸入26。該電荷放大器的正輸入26係被連接到該屏蔽板65，其因而被連接到井73和該脈衝產生器19，而該感測電晶體68形成該井73中。
該感測元件8係進一步包括一驅動電晶體75、一驅動控制開關76、和一重設定控制開關77。該驅動控制開關76係可控制於一第一狀態和一第二狀態之間，在該第一狀態時，該驅動電晶體75的閘極係連接到該脈衝產生器19，在該第二狀態時，該驅動電晶體75的閘極係連接到感測器接地。當該驅動控制開關76處於該第一狀態時，該驅動電晶體75會導通，因此直接連接該感測結構17到該脈衝產生器19。當該驅動控制開關處於該第二狀態時，該驅動電晶體75不導通。在後者的情況下，將沒有直接連接通過在該感測結構17和該脈衝產生器19之間的驅動電晶體75。在圖6a中可看出的是，該驅動電晶體75係形成於該井73中。該偏壓電流源71可以是在該感測元件中或是在該感測器陣列5的外部。
以同樣的方式，該重設定控制開關77係可控制於一第一狀態和一第二狀態之間，在該第一狀態時，該重設定電晶體30非導通，以允 許該感測板17和該反饋板66之間有電位差，在該第二狀態時，該重設定電晶體30係導通的，以平衡該感測板17和該反饋板66之間的電位。
如上面參考圖3進一步描述的是，圖6a中的感測元件8係進一步包括該電流轉電壓轉換器20，其係以PMOS電晶體31設置，該PMOS電晶體31的源極係連接到該脈衝產生器19、閘極係連接到該放大器的輸出27、且汲極係提供該感測電流Is。
透過在圖6a中的感測元件8的配置，內部寄生電容Cp1和Cp3的影響係被消除或至少大量地減小。此外，驅動相鄰的感測結構將會消除或至少大量地減少相鄰的感測板之間的寄生電容的影響。
本領域技術人士理解的是，本發明絕不受限於上述的較佳實施例。反之，諸多的修改與變化是在隨附申請專利範圍的範疇內係可能的。
在申請專利範圍中，字詞“包含”並不排除其他的元件或步驟，且不定冠詞“一”或“一個”並不排除複數個。單一個處理器或其他單元可實現在申請專利範圍中所述的數個項目的功能。某些度量被詳述在相互不同的申請專利範圍附屬項之僅僅的事實並非指示所測量的此等者之組合無法經使用以使優點突出。一種電腦程式可被儲存/配銷在適合的媒體，諸如：連同其他硬體所供應或作為其他硬體的部分者之光學儲存媒體或固態媒體，或可用其他的形式來配銷，例如：經由網際網路或其他有線或無線的電信系統。在申請專利範圍之中的任何參考符號不應被視為限制範疇。

Claims (13)

  1. 一種用於感測一手指的一指紋圖案之電容性指紋感測裝置，該電容性指紋感測裝置包括：複數個感測元件，其中每一個感測元件包括：一保護性介電質的頂部層，其係被該手指觸碰；一導電的感測結構，其係配置在該頂部層下方；一電荷放大器，其係被連接到該感測結構，用於提供一感測電壓信號，其係指示該感測結構所攜載的電荷的變化，該變化係起因於該手指與該感測結構之間的電位差的變化而產生的，該電荷放大器包括：一第一輸入，其係被連接到該感測結構；一第二輸入；一輸出，其係用於提供該感測電壓信號；一反饋電容器，其係被連接於該第一輸入和該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係在該第一輸入和該第二輸入與該輸出之間；以及一電壓轉電流轉換器，其係用於將該感測電壓信號轉換成一感測電流信號，以指示該感測結構所攜載的電荷的變化，其中該指紋感測裝置係進一步包括讀出電路系統，其係被連接到該電壓轉電流轉換器，該電壓轉電流轉換器係被包括於該感測元件中的每一個感測元件中，以用於從該複數個感測元件處接收感測電流信號，並基於該感測電流信號提供該指紋圖案的表示符。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其進一步包括激發信號提供電路系統，其係用於提供一時變的激發信號至該手指和該感測結構中的至少一者，以用於提供該手指和該感測結構之間的電位差之變化。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其中該讀出電路系統包括至少一個電流轉電壓轉換器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電容性指紋感測裝置，其中該電流轉電壓轉換器包括一跨阻抗放大器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電容性指紋感測裝置，其中該跨阻抗放大器所包括的反饋元件係由一MOS電晶體所構成。
  6. 如申請專利範圍第2至5項中任一項所述的電容性指紋感測裝置，其中：該電荷放大器係經配置，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電位；以及該激發信號提供電路系統係被連接到該電荷放大器的該第二輸入，用以將該第二輸入的電位從該第一電位變化到第二電位，藉此變化該感測結構的電位，藉此提供該手指和該感測結構之間的電位差的變化。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電容性指紋感測裝置，其中該電荷放大器中所包含的放大器級係包括一感測電晶體，其具有的閘極係構成該第一輸入；其中該感測電晶體係形成在一半導體基板的井中，該井和該基板之間的介面係經配置，使得可以避免電流在該井和該基板之間流動；其中該激發信號提供電路系統係被連接到該井，用於將該井的電位從一第三電位變化到一第四電位，該第三電位和該第四電位之間的差實質上等於在該第一電位和該第二電位之間的差，藉此降低在該感測結構和該井之間的寄生電容的影響。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電容性指紋感測裝置，其進一步包括配置在該感測結構和該基板之間的屏蔽結構；其中該激發信號提供電路系統係進一步被連接到該屏蔽結構，並且被配置以將該屏蔽結構的電位從一第五電位變化到一第六電位，該第五電位和該第六電位之間的差實質上等於該第一電位和該第二電位之間的差。
  9. 如申請專利範圍第2至5項中任一項所述的電容性指紋感測裝置，其中該等感測元件中的每一個感測元件都包括時序電路系統，其係被連接到該激發信號提供電路系統以用於：在一第一激發轉移時間，提供一第一激發控制信號給該激發信號提供電路系統，用於觸發該電位差的第一變化；以及在一第二激發轉移時間，提供一第二激發控制信號給該激發信號提供電路系統，用於觸發該電位差的第二變化。
  10. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的電容性指紋感測裝置，其中該等感測元件中的每一個感測元件係進一步包括：重設定電路系統，其可控制用以放電該反饋電容器；以及時序電路系統，其係被連接到該重設定電路系統，用於控制該重設定電路系統介於一重設定狀態和一測量準備狀態之間，在該重設定狀態時，該反饋電容器係進行放電，在該測量準備狀態時，該反饋電容器可進行充電，以允許測量該感測結構所攜載的電荷的變化。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電容性指紋感測裝置，其中該時序電路系統係包括至少一個第一延遲元件，用於控制該感測元件在由一第一事件以及與該第一事件相關的時間延遲所定義的轉移時間處而從一第一測量狀態轉移到一第二測量狀態，該第一延遲元件具有一輸入，用於接收定義該第一事件的第一信號，且具有一輸出，用於提供定義從該第一測量狀態轉移到該第二測量狀態之該轉移的第二信號。
  12. 一種電子裝置，其包括：如前述申請專利範圍中任一項所述的指紋感測裝置；以及處理電路系統，其係被配置成：從該指紋感測裝置獲得該指紋圖案的表示符；基於該表示符驗證一使用者；和只有在該使用者係基於該表示符而通過驗證，執行至少一個使用者請求的過程。
  13. 一種使用一電容性指紋感測器來感測一手指的一指紋圖案之方法，該電容性指紋感測器包括複數個感測元件，其中每一個感測元件包括：一保護性介電質的頂部層，其係被該手指觸碰；一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；以及一電荷放大器，其係被連接到該感測結構，用於提供一感測電壓信號，其係指示該感測結構所攜載的電荷的變化，該變化係起因於該手指與該感測結構之間的電位差的變化而產生的，該電荷放大器包括：一第一輸入，其係被連接到該感測結構；一第二輸入；一輸出，其係用於提供該感測電壓；一反饋電容器，其係被連接於該第一輸入和該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係在該第一輸入和該第二輸入與該輸出之間，其中該方法包括以下步驟：變化該手指與該感測結構之間的電位差；藉由該電荷放大器，提供該感測電壓；在該感測元件中，將該感測電壓轉換為一感測電流；以及使用該感測元件外部的讀出電路系統，以接收來自該等感測元件中的每一個感測元件的感測電流，並基於所接收的該感測電流提供該指紋圖案的表示符。
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