TWI630535B

TWI630535B - 指紋感測電路、指紋影像的處理方法與電子裝置

Info

Publication number: TWI630535B
Application number: TW106109594A
Authority: TW
Inventors: 陳星嘉; 張耀光; 孫維廷
Original assignee: 奇景光電股份有限公司
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-07-21
Also published as: TW201835740A

Abstract

本發明提出一種指紋感測電路，包括多個感測元件與一感測電路。這些感測元件排列為多個行與多個列，其中每一個感測元件包括一個感測電極。感測電路在第一期間電性連接至兩個以上的感測元件中的感測電極以取得第一指紋灰階值。

Description

指紋感測電路、指紋影像的處理方法與電子裝置

本發明是有關於一種指紋感測電路與指紋影像的處理方法。

人類的指紋具有細節多、幾乎是獨特、不容易更改、而且在個人的生命中是耐用(durable)等特性，這使得指紋很適合長期用來作為人類身分的識別。一般來說，一個指紋感測電路上有多個排列為陣列的感測電極，透過這些感測電極與人手指之間的電容量變化可以產生指紋影像，用來辨識出手指上的紋脊(ridge)和紋谷(valley)。感測電極與手指之間會設置一或多層絕緣層，當絕緣層很厚時，便不容易分辨出紋脊與紋谷。另一方面，當感測電極的面積增加時可以增加辨識能力，但會增加電路的面積或是降低指紋影像的解析度。因此，如何在若干硬體限制之下產生較佳的指紋影像，為此領域技術人員所關心的議題。

本發明的實施例提出一種指紋感測電路，包括多個感測元件與一感測電路。這些感測元件排列為多個行與多個列，其中每一個感測元件包括一個感測電極。感測電路在第一期間電性連接至兩個以上第一感測元件中的感測電極以取得第一指紋灰階值。

在一些實施例中，在取得第一指紋灰階值以後，感測電路在第二期間電性連接至兩個以上第二感測元件中的感測電極以取得第二指紋灰階值。其中部分的第二感測元件與部分的第一感測元件相同。

在一些實施例中，第一感測元件的數目等於4，第二感測元件的數目等於4，第一感測元件與第二感測元件排列在第一列與第二列。第一感測元件排列在第一行與第二行。第二感測元件排列在第二行與第三行。

在一些實施例中，每一個感測元件還包括一轉換開關，轉換開關包括第一端、第二端與控制端，轉換開關的第一端連接至對應的感測電極。指紋感測電路還包括第一導線與第二導線。第一導線對應至列，其中每一條第一導線電性連接至其中一列中轉換開關的控制端。多條第二導線分別對應至行並電性連接至感測電路，其中每一條第二導線電性連接至其中一行中轉換開關的第二端。

在一些實施例中，指紋感測電路更包括行開關、列選擇電路與行選擇電路。行開關分別設置於第二導線上，且設置於感測元件與感測電路之間。列選擇電路用以在第一期間傳送第一訊號至第一列與第二列所對應的第一導線以導通第一列與第二列中的轉換開關。行選擇電路用以在第一期間導通第一行與第二行所對應的行開關。

在一些實施例中，列選擇電路用以在第二期間傳送第一訊號至第一列與第二列所對應的第一導線以導通第一列與第二列中的轉換開關。行選擇電路用以在第二期間導通第二行與第三行所對應的行開關。

以另一個角度來說，本發明的實施例提出一種指紋影像的處理方法，適用於電子裝置，此電子裝置包括指紋感測電路。指紋感測電路包括多個感測元件，每一個感測元件包括感測電極。處理方法包括：從指紋感測電路接收多個指紋灰階值，這些指紋灰階值分別對應至感測元件；以及將指紋灰階值中的多個第一指紋灰階值做加權總和以取得第一新指紋灰階值以代替其中一個第一指紋灰階值。

在一些實施例中，上述的處理方法更包括：將多個第二指紋灰階值做加權總和以取得第二新指紋灰階值以代替第二指紋灰階值的其中之一，其中部分的第一指紋灰階值是相同於部分的第二指紋灰階值。

在一些實施例中，上述的第一指紋灰階值的數目為4，第二指紋灰階值的數目為4，第一指紋灰階值的其中之二是分別相同於第二指紋灰階值的其中之二。

在一些實施例中，上述的感測元件排列為多個行與多個列。第一指紋灰階值是對應至多個第一感測元件，第二指紋灰階值是對應至多個第二感測元件。第一感測元件與第二感測元件排列在第一列與第二列。第一感測元件排列在第一行與第二行。第二感測元件排列在第二行與第三行。

以另一個角度來說，本發明的實施例提出一種電子裝置，包括指紋感測電路。此指紋感測電路包括多個感測元件與感測電路。感測元件排列為多個行與多個列，其中每一個感測元件包括一感測電極。感測電路在第一期間電性連接至兩個以上第一感測元件中的感測電極以取得第一指紋灰階值。

透過上述的指紋感測電路與處理方法，可以提升指紋辨識能力。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

101‧‧‧紋脊

102‧‧‧紋谷

110‧‧‧保護層

111、112‧‧‧感測電極

120‧‧‧基板

C_i、C_p、C_a‧‧‧電容

200‧‧‧指紋感測電路

210(1,1)~210(3,4)‧‧‧感測元件

220‧‧‧列選擇開關

230‧‧‧行選擇開關

SE‧‧‧感測電極

TSW‧‧‧轉換開關

R1~R3‧‧‧列

C1~C4‧‧‧行

251~253‧‧‧第一導線

261~264‧‧‧第二導線

CSW1~CSW4‧‧‧行開關

240‧‧‧感測電路

241‧‧‧類比數位轉換器

300‧‧‧電子裝置

301‧‧‧邏輯運算電路

400‧‧‧指紋影像

410(1,1)~410(3,4)、510(1,1)~510(3,4)‧‧‧指紋灰階值

S601~S603‧‧‧步驟

[圖1]是根據一實施例繪示電容式指紋感測的示意圖。

[圖2]是根據一實施例繪示指紋感測電路的示意圖。

[圖3]是根據一實施例繪示電子裝置的示意圖。

[圖4]與[圖5]是根據一實施例繪示指紋影像的示意圖。

[圖6]是根據一實施例繪示指紋影像的處理方法的流程圖。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、... 等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。另外，關於本文中所使用之「耦接」，可指二個元件直接地或間接地作電性連接。也就是說，當以下描述「第一物件耦接至第二物件」時，第一物件與第二物件之間還可設置其他的物件。

圖1是根據一實施例繪示電容式指紋感測的示意圖。請參照圖1，人的手指具有紋脊101和紋谷102。保護層110(或稱絕緣層)的上表面是面對使用者，而保護層110的下表面設置有感測電極111、112。當手指接觸保護層110時，紋脊101與保護層110的上表面之間的距離較短，而紋谷102與保護層110的上表面之間的距離較長。紋脊101與感測電極111之間形成有電容C_i，而紋谷102與感測電極112之間形成有彼此串連的電容C_i與電容C_a。此外，感測電極111、112與基板120之間形成有電容C_p。因此，感測電極111上所量測到的電容量(capacitance)會是C_p+C_i，而感測電極112上所量測到的電容量為C_p+C_i∥C_a，透過量測這兩個電容量，可以判斷出紋脊101和紋谷102。一般來說，上述兩個電容量之間的差越大時，越容易辨識出紋脊101和紋谷102。假設感測電極111、112的面積相同(都表示為A)，保護層110的厚度為d_i，紋谷102與保護層110之間的距離為d_a，保護層110的介電係數為ε_i，空氣的介電係數為ε₀，則上述兩個電容量之間的差可表示為以下方程式(1)。

從上述方程式(1)可以看出，當面積A越大時，兩個電容量之間的差越大，即指紋辨識能力較好；當厚度d_i越大時，兩個電容量之間的差越小，指紋辨識能力較差。本發明提出一種指紋感測電路，可以在不改變面積A與厚度d_i的情況下提升指紋辨識能力。

圖2是根據一實施例繪示指紋感測電路的示意圖。請參照圖2，指紋感測電路200包括了多個感測元件210(1,1)~210(3,4)、列選擇電路220、行選擇電路230與感測電路240。為了簡化起見，圖2中僅繪示了12個感測元件，但本發明並不限制指紋感測電路200中感測元件的數目。這些感測元件210(1,1)~210(3,4)排列為4個行C1~C4與3個列R1~R3。每個感測元件210(1,1)~210(3,4)都包括了一個感測電極SE與轉換開關TSW(為了簡化起見，僅標示感測元件210(1,1)中的感測電極SE與轉換開關TSW7)，在圖2中感測電極SE是繪示為電容。每個轉換開關TSW都具有第一端、第二端與控制端，轉換開關TSW的第一端是連接至對應的感測電極SE。指紋感測電路200還包括多條第一導線251~253與多條第二導線261~264。第一導線251~253分別是對應至列R1~R3，第二導線261~264分別是對應至行C1~C4。每一條第一導線251~253是電性連接至對應的列中轉換開關的控制端，例如，第一導線251是電性連接至列R1中所有轉換開關TSW的控制端，以此類推。每一條第二導線261~264是電性連接至對應的行中轉換開關的第二端。例如，第二導線261是電性連接至行C1中所有轉換開關TSW的第二端，以此類推。第一導線251~253會連接至列選擇電路220。第二導線261~264會連接至感測電路240。行開關CSW1~CSW4是分別設置於第二導線261~264上，且設置於感測元件210(1,1)~210(3,4)與感測電路240之間。行選擇電路230是用以導通或截止行開關CSW1~CSW4。

每個感測元件210(1,1)~210(3,4)都代表一個像素。在一些實施例中，感測電路240中具有類比數位轉換器241，用以根據感測電極SE上的電壓來輸出一個數值以作為灰階值(以下稱指紋灰階值)，此數值會反應感測電極SE上的電容量，而所有的像素會組成一張指紋影像。在先前技術中，在一段感測期間內感測電路240會電性連接至一個感測元件中的感測電極以取得一個指紋灰階值。然而，在此實施例中，感測電路240在第一期間內會電性連接至兩個以上的感測元件(亦稱第一感測元件)中的感測電極以取得一個指紋灰階值(亦稱第一指紋灰階值)。舉例來說，在第一期間感測電路240可以電性連接至四個感測元件210(1,1)、210(1,2)、210(2,1)、210(2,2)以取得一個指紋灰階值。在一些實施例中，在第一期間，感測電路240也可以電性連接至兩個感測元件210(1,1)、210(1,2)以取得一個指紋灰階值，本發明並不限制感測電路240要電性連接至哪幾個感測元件以及多少個感測元件。在一些實施例中，感測電路240從感測電極所感測到的是自感電容(self capacitance)，當感測電路240電性連接至多個感測電極時，這些感測電極會彼此電性連接並連接至類比數位轉換器 241，因此這些感測電極是彼此並聯，等效來說會增加感測電極的面積，進而可以增加指紋感測的能力。

上述的第一期間所指的是產生指紋灰階值所需要的時間，但本發明並不限制第一期間的長度為多少。在一些實施例中，在第一期間之後的第二期間內，感測電路240會電性連接至兩個以上的感測元件(亦稱第二感測元件)中的感測電極以取得一個指紋灰階值(亦稱第二指紋灰階值)，其中部分的第二感測元件與部分的第一感測元件相同。舉例來說，第一感測元件為210(1,1)、210(1,2)、210(2,1)、210(2,2)，而第二感測元件可為210(1,2)、210(1,3)、210(2,2)、210(2,3)，其中感測元件210(1,2)、210(2,2)是重疊的感測元件。以另外一個角度來說，在上述例子中，第一感測元件的數目為4，第二感測元件的數目也為4，第一感測元件與第二感測元件是排列在第一列R1與第二列R2，第一感測元件是排列在第一行C1與第二行C2，第二感測元件排列在第二行C2與第三行C3。

具體來說，在第一期間，列選擇電路220會傳送第一訊號(例如，高準位的訊號)至第一列R1與第二列R2所對應的第一導線251、252以導通第一列R1與第二列R2中的轉換開關TSW。另一方面，行選擇電路230會在第一期間導通第一行C1與第二行C2所對應的行開關CSW1、CSW2。如此一來，感測元件210(1,1)、210(1,2)、210(2,1)、210(2,2)中的感測電極SE都會電性連接至感測電路240，而類比數位轉換器241會輸出第一指紋灰階值。

在第二期間，列選擇電路220會傳送第一訊號至第一列R1與第二列R2中的轉換開關TSW的控制端。另一方面，行選擇電路230會導通第二行C2與第三行C3所對應的行開關CSW2、CSW3。如此一來，感測元件210(1,2)、210(1,3)、210(2,2)、210(2,3)中的感測電極都會電性連接至感測電路240，而類比數位轉換器241會輸出第二指紋灰階值。

在一些實施例中，在第三期間，感測電路240是電性連接至感測元件210(1,3)、210(1,4)、210(2,3)、210(2,4)；在第四期間，感測電路240是電性連接至感測元件210(1,4)、210(2,4)；在第五期間，感測電路240是電性連接至感測元件210(2,1)、210(2,2)、210(3,1)、210(3,2)。換言之，雖然感測電路240是使用多個感測元件來產生一個指紋灰階值，但由於不同期間所使用的感測元件是部分地重疊，因此所產生的指紋影像的解析度並不會改變。

圖3是根據一實施例繪示電子裝置的示意圖，請參照圖3，電子裝置300包括了上述的指紋感測電路200與邏輯運算電路301。電子裝置300可以是智慧型手機、平板電腦、個人電腦、筆記型電腦、工業電腦或各種形式的可攜式裝置等，本發明並不在此限。邏輯運算電路301可以是中央處理器、微處理器、微控制器、數位信號處理器、基頻處理器、影像處理晶片或特殊應用積體電路等。或者，邏輯運算電路301也可以和指紋感測電路200整合在一個電路中。在一些實施例中，指紋感測電路200是根據上述實施例來運作，而所取得指紋灰階值會傳送給邏輯運算電路301，其可以做後續的指紋辨識等程序。在一些實施例中，指紋感測電路200也可以根據習知的方式來取得指紋灰階值，即每個指紋灰階值是對應至一個感測電極(而不是多個感測電極)，但邏輯運算電路301會執行一個指紋影像的處理方法以提升指紋辨識能力。

圖4是根據一實施例繪示指紋影像的示意圖。請參照圖2至圖4，指紋影像400包括了指紋灰階值410(1,1)~410(3,4)，其是分別對應至感測元件210(1,1)~210(3,4)。在圖4的實施例中，每個指紋灰階值是根據一個感測電極上的電壓所取得的數值。顏色相對較暗的指紋灰階值410(1,1)、410(1,2)、410(2,2)、410(2,3)、410(3,3)、410(3,4)是代表紋谷，而其他顏色相對較亮的指紋灰階值則是代表紋脊。在圖4中，紋脊與紋谷的灰階值差異較小，因此不容易分辨出兩者。然而，邏輯運算電路301會接收這些指紋灰階值410(1,1)~410(3,4)，並且將其中多個指紋灰階值(亦稱第一指紋灰階值)做加權總和以取得新指紋灰階值(亦稱第一新指紋灰階值)來代替原本的一個指紋灰階值。上述運算可以表示為以下方程式(2)。

I' _(i,j)表示第i行第j列的新指紋灰階值。C為一個集合，包括多個座標，其中座標(i,j)屬於C集合。w _m,n為實數，I _m,n表示第m行第n列的指紋灰階值，並且每個座標(m,n) 都屬於C集合。舉例來說，C集合包括了(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)，而(i,j)=(1,1)。換言之，在圖4中是將第一指紋灰階值410(1,1)、410(1,2)、410(2,1)、410(2,2)做加權總合以取得第一新指紋灰階值來代替原本的指紋灰階值410(1,1)。在一些實施例中，上述的權重w _m,n都為1/4，因此上述例子中是計算第一指紋灰階值410(1,1)、410(1,2)、410(2,1)、410(2,2)的平均。然而，在一些實施例中，上述的權重w _m,n也可以都為1，或者權重w _m,n也可以不相同。例如，w _1,1可以設定的相對較大，而其他權重w _1,2、w _2,1、w _2,2可以設定的相對較小，本發明並不限制權重w _m,n的數值。

在一些實施例中，在計算出新的指紋灰階值410(1,1)以後，邏輯運算電路301也可以對指紋灰階值410(1,2)、410(1,3)、410(2,2)、410(2,3)做加權總合以取得一個新指紋灰階值來代替指紋灰階值410(1,2)。以另外一個角度來說，指紋灰階值410(1,2)、410(1,3)、410(2,2)、410(2,3)可被稱為第二指紋灰階值，其中部分的第二指紋灰階值是相同於部分的第一指紋灰階值。也就是說，指紋灰階值410(1,2)、410(2,2)會被重複使用。

在上述實施例中，是對4個指紋灰階值做加權總和以取代原本的一個指紋灰階值，其中2個指紋灰階值會重複使用。但在其他實施例中，也可以對N個指紋灰階值做加權總合以取代原本的一個指紋灰階值，其中M個指紋灰階值會重複使用，N為大於1的正整數，M為小於N的正整數。舉例來說，可以將指紋灰階值410(1,1)、410(1,2)、410(1,3)、410(2,1)、410(2,2)、410(2,3)、410(3,1)、410(3,2)、410(3,3)做加權總和以取代指紋灰階值410(2,2)；並且對指紋灰階值410(1,2)、410(1,3)、410(1,4)、410(2,2)、410(2,3)、410(2,4)、410(3,2)、410(3,3)、410(3,4)做加權總和以取代指紋灰階值410(2,3)。

在經過上述的運算以後，會產生如圖5所示的指紋影像，包括了指紋灰階值510(1,1)~510(3,4)。其中顏色相對較暗的指紋灰階值510(1,1)、510(1,2)、510(2,2)、510(2,3)、510(3,3)、510(3,4)是代表紋谷，而其他顏色相對較亮的指紋灰階值則是代表紋脊。相較於圖4，圖5中的紋脊與紋谷的灰階值差異較大，因此可提升指紋辨識能力。

圖6是根據一實施例繪示指紋影像的處理方法的流程圖。此處理方法適用於上述指紋感測電路。請參照圖6，在步驟S601中，從指紋感測電路接收多個指紋灰階值，這些指紋灰階值是對應至感測元件。在步驟S602中，將多個第一指紋灰階值做加權總和以取得第一新指紋灰階值以代替其中一個第一指紋灰階值。在一些實施例中，此處理方法還包括步驟S603，將多個第二指紋灰階值做加權總和以取得第二新指紋灰階值以代替其中一個第二指紋灰階值，其中部分的第一指紋灰階值是相同於部分的第二指紋灰階值。然而，圖6中各步驟已詳細說明如上，在此便不再贅述。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種指紋感測電路，包括：多個感測元件，排列為多個行與多個列，其中每一該些感測元件包括一感測電極；以及一感測電路，在第一期間電性連接至該些感測元件中兩個以上第一感測元件中的該些感測電極以取得一第一指紋灰階值，其中在取得該第一指紋灰階值以後，該感測電路在第二期間電性連接至該些感測元件中兩個以上第二感測元件中的該些感測電極以取得一第二指紋灰階值，其中部分的該些第二感測元件與部分的該些第一感測元件相同，其中該些第一感測元件的數目等於4，該些第二感測元件的數目等於4，該些第一感測元件與該些第二感測元件排列在該些列中的一第一列與一第二列，該些第一感測元件排列在該些行中的一第一行與一第二行，該些第二感測元件排列在該些行中的該第二行與一第三行。
如申請專利範圍第1項所述之指紋感測電路，其中每一該些感測元件還包括一轉換開關，該轉換開關包括第一端、第二端與控制端，該轉換開關的該第一端連接至對應的該感測電極，該指紋感測電路還包括：多條第一導線，對應至該些列，其中每一該些第一導線電性連接至該些列的其中之一列中該些轉換開關的該些控制端；以及多條第二導線，分別對應至該些行並電性連接至該感測電路，其中每一該些第二導線電性連接至該些行的其中之一行中該些轉換開關的該些第二端。
如申請專利範圍第2項所述之指紋感測電路，更包括：多個行開關，分別設置於該些第二導線上，且設置於該些感測元件與該感測電路之間；一列選擇電路，用以在該第一期間傳送一第一訊號至該第一列與該第二列所對應的該些第一導線以導通該第一列與該第二列中的該些轉換開關；以及一行選擇電路，用以在該第一期間導通該第一行與該第二行所對應的該些行開關。
如申請專利範圍第3項所述之指紋感測電路，其中該列選擇電路用以在該第二期間傳送該第一訊號至該第一列與該第二列所對應的該些第一導線以導通該第一列與該第二列中的該些轉換開關，其中該行選擇電路用以在該第二期間導通該第二行與該第三行所對應的該些行開關。
一種指紋影像的處理方法，適用於一電子裝置，該電子裝置包括一指紋感測電路，該指紋感測電路包括多個感測元件，每一該些感測元件包括一感測電極，該處理方法包括：從該指紋感測電路接收多個指紋灰階值，其中該些指紋灰階值分別對應至該些感測元件；以及將該些指紋灰階值中的多個第一指紋灰階值做加權總和以取得一第一新指紋灰階值以代替該些第一指紋灰階值的其中之一。
如申請專利範圍第5項所述之處理方法，更包括：將該些指紋灰階值中的多個第二指紋灰階值做加權總和以取得一第二新指紋灰階值以代替該些第二指紋灰階值的其中之一，其中部分的該些第一指紋灰階值是相同於部分的該些第二指紋灰階值。
如申請專利範圍第6項所述之處理方法，其中該些第一指紋灰階值的數目為4，該些第二指紋灰階值的數目為4，該些第一指紋灰階值的其中之二是分別相同於該些第二指紋灰階值的其中之二。
如申請專利範圍第7項所述之處理方法，其中該些感測元件排列為多個行與多個列，該些第一指紋灰階值是對應至該些感測元件中的多個第一感測元件，該些第二指紋灰階值是對應至該些感測元件中的多個第二感測元件，該些第一感測元件與該些第二感測元件排列在該些列中的一第一列與一第二列，該些第一感測元件排列在該些行中的一第一行與一第二行，該些第二感測元件排列在該些行中的該第二行與一第三行。
一種電子裝置，包括：一指紋感測電路，包括：多個感測元件，排列為多個行與多個列，其中每一該些感測元件包括一感測電極；以及一感測電路，在第一期間電性連接至該些感測元件中兩個以上第一感測元件中的該些感測電極以取得一第一指紋灰階值，其中在取得該第一指紋灰階值以後，該感測電路在第二期間電性連接至該些感測元件中兩個以上第二感測元件中的該些感測電極以取得一第二指紋灰階值，其中部分的該些第二感測元件與部分的該些第一感測元件相同，其中該些第一感測元件的數目等於4，該些第二感測元件的數目等於4，該些第一感測元件與該些第二感測元件排列在該些列中的一第一列與一第二列，該些第一感測元件排列在該些行中的一第一行與一第二行，該些第二感測元件排列在該些行中的該第二行與一第三行。