TWI652625B - 指紋感測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種指紋感測裝置。指紋感測裝置包括指紋感測畫素陣列以及多個讀出電路。指紋感測畫素陣列具有多個指紋感測畫素行，多個指紋感測畫素行各包括多個指紋感測畫素。指紋感測畫素包括掃描開關以及熱敏電流產生電路。掃描開關受控於列掃描訊號。熱敏電流產生電路依據對應於指紋脊或指紋谷的指紋感測畫素產生熱敏電流。多個讀出電路分別耦接至多個指紋感測畫素行。讀出電路接收指紋感測畫素所提供的熱敏電流，並依據熱敏電流產生指紋感測訊號。
Description
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種適用於識別指紋的指紋感測裝置。
熱感式指紋感測裝置相較於光學式指紋感測裝置以及電容式指紋感測裝置，具有抵抗污染以及電磁訊號所造成的干擾以及不需要附加外部光學系統等優點。因此熱感式指紋感測裝置漸漸受到重視。
一般而言，熱感式指紋感測裝置則需要多數個可加熱元件，使多數個加熱元件被維持於指定的感測溫度。加熱元件對應於指紋脊或指紋谷可具有不同的散熱速度，使加熱元件的感測溫度可依據指紋脊或指紋谷而產生不同的溫度變化，進而達到指紋脊或指紋谷的識別效果。
然而，熱感式指紋感測裝置必須要配置加熱電路以使多數個加熱元件被維持於指定的感測溫度。此外，當熱感式指紋感測裝置在感測指紋的過程中，如果感測時間過長，會造成熱感式指紋感測裝置的熱平衡，如此一來，熱感式指紋感測裝置會降低指紋脊或指紋谷的識別效果。
本發明提供一種指紋感測裝置，本發明的指紋感測裝置不需配置加熱元件以及加熱電路，並且可有效縮短全指紋的感測時間。
本發明的指紋感測裝置包括指紋感測畫素陣列以及多個讀出電路。指紋感測畫素陣列具有多個指紋感測畫素行，多個指紋感測畫素行各包括多個指紋感測畫素。指紋感測畫素包括掃描開關以及熱敏電流產生電路。掃描開關分別受控於列掃描訊號以被導通或被斷開。熱敏電流產生電路依據對應於指紋脊（fingerprint ridge）或指紋谷（fingerprint valley）的指紋感測畫素產生熱敏電流。多個讀出電路分別耦接至多個指紋感測畫素行，多個讀出電路各透過被導通的掃描開關接收對應於掃描開關的指紋感測畫素所提供的熱敏電流，並依據熱敏電流產生指紋感測訊號。指紋感測畫素陣列的同一列多個指紋感測畫素的掃描開關受控於相同的列掃描訊號。
基於上述，本發明的指紋感測裝置包括指紋感測畫素陣列以及多個讀出電路。指紋感測畫素陣列具有多個指紋感測畫素行。讀出電路接收熱敏電流產生電路所提供的熱敏電流，並依據熱敏電流產生指紋感測訊號。因此指紋感測裝置不需配置加熱元件以及加熱電路。並且指紋感測畫素陣列的同一列多個指紋感測畫素的掃描開關受控於相同的列掃描訊號，因此本發明的指紋感測裝置可有效縮短全指紋的感測時間。
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。
請參考圖1，圖1是依據本發明一實施例所繪示的指紋感測裝置的示意圖。在圖1的實施例中，指紋感測裝置100包括指紋感測畫素陣列PA以及讀出電路110_1~110_M。指紋感測畫素陣列PA具有指紋感測畫素行C_1~C_M。指紋感測畫素行C_1包括指紋感測畫素P11~P1N，指紋感測畫素行C_2包括指紋感測畫素P21~P2N，依此類推。在本實施例中，指紋感測畫素陣列PA中的相同一列的指紋感測畫素P11~PM1透過列掃描線SL_1接收列掃描訊號RS1，相同一列的指紋感測畫素P12~PM2透過列掃描線SL_2接收列掃描訊號RS2，依此類推。讀出電路110_1透過讀出訊號線POL_1耦接至指紋感測畫素行C_1，讀出電路110_2透過讀出訊號線POL_2耦接至指紋感測畫素行C_2，依此類推。其中M、N是大於1的自然數。在一些實施例中，列掃描訊號RS1~RSN可以透過串接的多個移位暫存器（shift register）產生，然本發明並不以此為限。
指紋感測畫素P11~PMN各包括掃描開關以及熱敏電流產生電路。舉例來說，在圖1中，指紋感測畫素P11包括掃描開關120以及熱敏電流產生電路130。掃描開關120透過列掃描線SL_1接收列掃描訊號RS1，並且掃描開關120受控於列掃描訊號RS1以被導通或被斷開。掃描開關120可以是任何形式的電晶體開關。指紋感測畫素P11的熱敏電流產生電路130依據對應於指紋的指紋脊（fingerprint ridge）或指紋谷（fingerprint valley）的指紋感測畫素P11來產生熱敏電流。讀出電路110_1透過被導通的掃描開關120以及讀出訊號線POL_1接收指紋感測畫素P11所提供的熱敏電流。並且讀出電路110_1依據熱敏電流產生指紋感測訊號。因此指紋感測畫素P11的熱敏電流產生電路130可依據對應於指紋的指紋脊或指紋谷的指紋感測畫素P11來產生熱敏電流。讀出電路110_1依據熱敏電流產生指紋感測訊號。如此一來，指紋感測裝置100可不需配置加熱元件以及加熱電路而達到指紋感測的效果。
另值得一提的是，在本實施例中，指紋感測畫素陣列PA的相同一列的指紋感測畫素（如指紋感測畫素P11~PM1）的掃描開關受控於相同的列掃描訊號（如列掃描訊號RS1）。因此的相同一列的指紋感測畫素的掃描開關可同時被導通或同時被斷開，並且不同一列的指紋感測畫素的掃描開關不會同時被導通或同時被斷開。如此一來，讀出電路110_1~110_M可逐列地接收相同一列的指紋感測畫素所提供的熱敏電流，以進一步地產生多個指紋感測訊號，指紋感測裝置100可有效縮短全指紋的感測時間。
進一步來說明，請參考圖2，圖2是依據本發明另一實施例所繪示的指紋感測裝置示意圖。在圖2的實施例中，指紋感測畫素P1包括掃描開關220以及熱敏電流產生電路230。掃描開關220具有第一端、第二端以及控制端，掃描開關220的第一端耦接至讀出電路110。掃描開關220的第二端耦接至熱敏電流產生電路230。掃描開關220的控制端則用以接收列掃描訊號RS。熱敏電流產生電路230包括電晶體TFTN以及熱敏電阻RT1。電晶體TFTN是N型電晶體。電晶體TFTN具有第一端、第二端以及控制端。電晶體TFTN的第一端耦接至掃描開關220。電晶體TFTN的第二端耦接至熱敏電阻RT1的第一端。電晶體TFTN的控制端用以接收偏壓電壓VB。偏壓電壓VB可例如是直流電壓源。電晶體TFTN依據偏壓電壓VB而操作於飽和區的工作區域，使得電晶體TFTN第二端的電壓準位可維持於固定的電壓準位。熱敏電阻RT1具有第一端以及第二端，熱敏電阻RT1的第一端耦接至電晶體TFTN的第二端，熱敏電阻RT1的第一端耦接至系統低電壓GND（例如是0V）。熱敏電流產生電路230可依據熱敏電阻RT1的電阻值以及偏壓電壓VB的電壓值來產生熱敏電流Iout。熱敏電流Iout的電流值可依據以下公式來取得。
i_RT1 = (v_bias – Vth_TFTN) / r_RT1 ……（公式1）
其中i_RT1是熱敏電流Iout的電流值，v_bias是偏壓電壓VB的電壓值，Vth_TFTN是電晶體TFTN的門檻電壓值，而r_RT1是熱敏電阻RT1的電阻值。也就是說，熱敏電流Iout的電流值可依據熱敏電阻RT1的電阻值的變化而改變。
在本實施例中，手指接觸於指紋感測裝置200的過程中，手指的指紋脊會直接地接觸於指紋感測裝置200，而手指的指紋谷則不會接觸於指紋感測裝置200。舉例而言，感測環境的溫度（例如是攝氏27度）例如是低於人體皮膚表面的溫度（例如是攝氏36~37度）的情境下，並且熱敏電阻RT1例如是負溫度係數的熱敏電阻。如果指紋感測畫素P1對應於指紋脊，熱敏電阻RT1會依據指紋脊的溫度產生對應於指紋脊的第一電阻值。如果指紋感測畫素P1對應於該指紋谷，熱敏電阻RT1則會依據指紋谷的溫度產生對應於指紋谷的第二電阻值。而指紋脊的溫度實質上是接近或等於人體皮膚表面的溫度，指紋谷的溫度實質上是藉於感測環境的溫度與人體皮膚表面的溫度之間（例如是攝氏33~35度）。因此，在指紋脊的溫度高於指紋谷的溫度的情境下，第一電阻值實質上是低於第二電阻值。如此一來，對應於指紋脊的熱敏電流Iout的電流值大於對應於指紋谷的熱敏電流Iout的電流值。另舉例而言，感測環境的溫度（例如是攝氏40度）例如是高於人體皮膚表面的溫度的情境下，並且熱敏電阻RT1例如是負溫度係數的熱敏電阻。如此一來，對應於指紋脊的熱敏電流Iout的電流值小於對應於指紋谷的熱敏電流Iout的電流值。本發明的熱敏電阻RT1可以是負溫度係數的熱敏電阻或是正溫度係數的熱敏電阻。
在一些實施例中，當指紋感測畫素P1未對應於指紋脊及指紋谷，熱敏電阻RT1依據環境溫度（例如是攝氏27度）產生第三電阻值。熱敏電流產生電路230依據偏壓電壓VB以及第三電阻值產生對應於環境溫度的熱敏電流Iout。對應於環境溫度的熱敏電流Iout的電流值不同於對應於指紋脊的熱敏電流Iout的電流值以及對應於指紋谷的熱敏電流Iout的電流值。
讀出電路110包括運算放大器112、電阻R1以及電容C1。運算放大器112具有反向輸入端、非反向輸入端以及輸出端。運算放大器112的反向輸入端透過掃描開關220耦接至熱敏電流產生電路230。運算放大器112的非反向輸入端耦接至參考電壓訊號VA。運算放大器112的輸出端用以輸出指紋感測訊號Sse。電阻R1耦接於運算放大器112的反向輸入端與輸出端之間。電容C1耦接於運算放大器112的反向輸入端與輸出端之間。讀出電路110的運算放大器112可經由讀出訊號線POL以及被導通的掃描開關220接收熱敏電流產生電路230所產生的熱敏電流Iout。在本實施例中，參考電壓訊號VA可以是直流電壓。本發明的參考電壓訊號VA可以是任何形式的電壓訊號，並不以本實施例為限。
進一步來說明指紋感測裝置的操作方式，請同時參考圖2及圖3，圖3是依據本發明一實施例所繪示的指紋感測裝置的操作波形示意圖。在圖2及圖3的實施例中，在停止感測期間T0，偏壓電壓VB的電壓值是低電壓準位（例如是0V）的狀態，而參考電壓訊號VA同樣是低電壓準位（例如是0V）的狀態（本實施例未示出參考電壓訊號VA的波形）。電晶體TFTN因為偏壓電壓VB的低電壓準位而處於斷開狀態，並且參考電壓訊號VA同樣是低電壓準位，因此指紋感測訊號Sse在停止感測期間T0實質上維持於參考電壓訊號VA的低電壓準位。
當停止感測期間T0結束時，偏壓電壓VB的電壓準位開始被抬升到高電壓準位（例如是24V），並且參考電壓訊號VA也開始被抬升到高電壓準位（例如是10V），開始進入第一感測期間T1。在第一感測期間T1，指紋感測畫素P1的電晶體TFTN依據偏壓電壓VB的高電壓準位而操作於飽和區的工作區域，因此熱敏電流產生電路230開始依據指紋感測畫素P1對應於手指的指紋脊或指紋谷來產生熱敏電流Iout，由於列掃描訊號RS的邏輯準位是低邏輯準位，因此掃描開關220是處於斷開狀態。因此，指紋感測訊號Sse第一感測期間T1的波形等同於參考電壓訊號VA的波形。也就是指紋感測訊號Sse在第一感測期間T1的電壓準位實質上是等同於參考電壓訊號VA的電壓準位。
當列掃描訊號RS的邏輯準位被抬升到高邏輯準位，進入第二感測期間T2。
在第二感測期間T2，掃描開關220因為列掃描訊號RS的高邏輯準位而被導通。讀出電路110的運算放大器112可經由讀出訊號線POL以及被導通的掃描開關220接收熱敏電流產生電路230所產生的熱敏電流Iout。指紋感測訊號Sse在第二感測期間T2的電壓準位如以下公式2所示。
VH=v_VA + (i_RT1)×r_R1 ……（公式2）
其中VH是紋感測訊號Sse在第二感測期間T2的電壓值，v_VA是參考電壓訊號VA的電壓準位，r_R1是熱敏電阻RT1的電阻值。也就是說，掃描開關220在第二感測期間T2被導通時，讀出電路可依據電阻R1、熱敏電流Iout以及參考電壓訊號VA產生指紋感測訊號Sse。接下來結合公式1及公式2可取得公式3，如下所示。
VH=v_VA + (v_bias – Vth_TFTN)×r_R1 / r_RT1 ……（公式3）
基於上述的公式2或公式3，在第二感測期間T2，如果對應於指紋脊的熱敏電流Iout的電流值大於對應於指紋谷的熱敏電流Iout的電流值，則對應於指紋脊的指紋感測訊號Sse的電壓值VH則大於對應於指紋谷的指紋感測訊號Sse的電壓值VH。相反地，如果對應於指紋脊的熱敏電流Iout的電流值小於對應於指紋谷的熱敏電流Iout的電流值，則對應於指紋脊的指紋感測訊號Sse的電壓值VH則小於對應於指紋谷的指紋感測訊號Sse的電壓值VH。如此一來，指紋感測裝置200可依據在第二感測期間T2的指紋感測訊號Sse的電壓值VH來判斷指紋感測畫素P1是對應於指紋脊或指紋谷。
在一些實施例中，指紋感測裝置200還可以當指紋感測畫素P1未對應於指紋脊及指紋谷時，產生未對應於指紋脊及指紋谷的指紋感測訊號Sse的電壓值VH。對應於環境溫度的指紋感測訊號Sse的電壓值VH不同於對應於指紋脊的指紋感測訊號Sse的電壓值VH以及對應於指紋谷的指紋感測訊號Sse的電壓值VH。因此指紋感測裝置200更可以依據在第二感測期間T2的指紋感測訊號Sse的電壓值VH，來判斷指紋感測畫素P1是對應於指紋脊、指紋谷或未接觸手指。
請參考圖4，圖4是依據本發明再一實施例所繪示的指紋感測裝置示意圖。與圖2不同的是，圖4的指紋感測裝置400的熱敏電流產生電路430包括電晶體TFTP以及熱敏電阻RT2。電晶體TFTP是P型電晶體。電晶體TFTP具有第一端、第二端以及控制端。電晶體TFTP的第一端耦接至系統低電壓GND，電晶體TFTP的第二端耦接至熱敏電阻RT2的第一端。電晶體TFTP的控制端用以接收偏壓電壓VB。在本實施例中，偏壓電壓VB可例如是直流電壓源（例如是-24V）。電晶體TFTP依據偏壓電壓VB而操作於飽和區的工作區域，使得電晶體TFTP第二端的電壓準位可維持於固定的電壓準位。熱敏電阻RT2具有第一端以及第二端，熱敏電阻RT2的第一端耦接至電晶體TFTP的第二端，熱敏電阻RT2的第一端耦接至掃描開關420的第二端。熱敏電流產生電路430可依據熱敏電阻RT2的電阻值以及偏壓電壓VB的電壓值來產生熱敏電流Iout。熱敏電流Iout的電流值可依據以下公式來取得：
i_RT2 = (-v_bias + Vth_TFTP) / r_RT2 ……（公式4）
其中i_RT2是熱敏電流Iout的電流值，v_bias是偏壓電壓VB的電壓值，Vth_TFTP是電晶體TFTP的門檻電壓值，而r_RT2是熱敏電阻RT2的電阻值。關於指紋感測裝置400的讀出電路110與操作方式的實施細節，圖2及圖3已有詳盡地說明，故恕不在此重述。
綜上所述，本發明的指紋感測裝置包括指紋感測畫素陣列以及多個讀出電路。指紋感測畫素陣列具有多個指紋感測畫素行。讀出電路接收熱敏電流產生電路所提供的熱敏電流，並依據熱敏電流產生指紋感測訊號。因此，指紋感測裝置不需配置加熱元件以及加熱電路。並且，指紋感測畫素陣列的同一列多個指紋感測畫素的掃描開關受控於相同的列掃描訊號，多個讀出電路可逐列地接收相同一列的指紋感測畫素所提供的熱敏電流以產生多個指紋感測訊號。如此一來，指紋感測裝置可有效地縮短全指紋的感測時間。
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。
100、200、400‧‧‧指紋感測裝置
110、110_1~110_M‧‧‧讀出電路
112‧‧‧運算放大器
120、220、420‧‧‧掃描開關
130、230、430‧‧‧熱敏電流產生電路
C_1~C_M‧‧‧指紋感測畫素行
C1‧‧‧電容
GND‧‧‧系統低電壓
Iout‧‧‧熱敏電流
PA‧‧‧指紋感測畫素陣列
P1、P2、P11~PMN‧‧‧指紋感測畫素
POL、POL_1~POL_M‧‧‧讀出訊號線
RS、RS1~RSN‧‧‧列掃描訊號
SL_1~SL_N‧‧‧列掃描線
TFTN、TFTP‧‧‧電晶體
R1‧‧‧電阻
RT1、RT2‧‧‧熱敏電阻
Sse‧‧‧指紋感測訊號
T0、T1、T2‧‧‧期間
VA‧‧‧參考電壓訊號
VB‧‧‧偏壓電壓
VH‧‧‧電壓值
圖1是依據本發明一實施例所繪示的指紋感測裝置示意圖。 圖2是依據本發明另一實施例所繪示的指紋感測裝置示意圖。 圖3是依據本發明一實施例所繪示的指紋感測裝置的操作波形示意圖。 圖4是依據本發明再一實施例所繪示的指紋感測裝置示意圖。
Claims (10)
- 一種指紋感測裝置，包括： 一指紋感測畫素陣列，具有多個指紋感測畫素行，該些指紋感測畫素行的各一包括多個指紋感測畫素，該些指紋感測畫素的各一包括： 一掃描開關，受控於一列掃描訊號以被導通或被斷開；以及 一熱敏電流產生電路，依據對應於一指紋脊或一指紋谷的該指紋感測畫素產生一熱敏電流；以及 多個讀出電路，分別耦接至該些指紋感測畫素行，該些讀出電路的各一透過被導通的該掃描開關接收對應於該掃描開關的該指紋感測畫素所提供的該熱敏電流，並依據該熱敏電流產生一指紋感測訊號， 其中該指紋感測畫素陣列的同一列該些指紋感測畫素的該掃描開關受控於相同的該列掃描訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該掃描開關具有一第一端、一第二端以及一控制端，該掃描開關的該第一端耦接至該讀出電路，該掃描開關的該第二端耦接至該熱敏電流產生電路，該掃描開關的該控制端用以接收該列掃描訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該熱敏電流產生電路包括： 一電晶體，該電晶體具有一第一端、一第二端以及一控制端，該電晶體的該第一端耦接至該掃描開關，該電晶體的該控制端用以接收一偏壓電壓；以及 一熱敏電阻，該熱敏電阻具有一第一端以及一第二端，該熱敏電阻的該第一端耦接至該電晶體的該第二端，該熱敏電阻的該第一端耦接至一系統低電壓。
- 如申請專利範圍第3項所述的指紋感測裝置，其中當該指紋感測畫素對應於該指紋脊，依據該指紋脊的溫度產生一第一電阻值，當該指紋感測畫素對應於該指紋谷，依據該指紋谷的溫度產生一第二電阻值。
- 如申請專利範圍第3項所述的指紋感測裝置，其中該電晶體依據該偏壓電壓操作於飽和區的工作區域。
- 如申請專利範圍第3項所述的指紋感測裝置，其中該熱敏電流產生電路依據該偏壓電壓以及該第一電阻值產生對應於該指紋脊的一第一熱敏電流，依據該偏壓電壓以及該第二電阻值產生對應於該指紋谷的一第二熱敏電流， 其中該第一熱敏電流的電流值大於該第二熱敏電流的電流值。
- 如申請專利範圍第3項所述的指紋感測裝置，其中當該指紋感測畫素未對應於該指紋脊及該指紋谷，該熱敏電阻依據一環境溫度產生一第三電阻值，並且該熱敏電流產生電路依據該偏壓電壓以及該第三電阻值產生一第三熱敏電流。
- 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該讀出電路包括： 一運算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端以及一輸出端，該運算放大器的該反向輸入端透過該掃描開關耦接至該熱敏電流產生電路，該運算放大器的該非反向輸入端接收一參考電壓訊號，該運算放大器的該輸出端用以輸出該指紋感測訊號； 一電阻，耦接於該運算放大器得該反向輸入端與該輸出端之間；以及 一電容，耦接於該運算放大器得該反向輸入端與該輸出端之間。
- 如申請專利範圍第8項所述的指紋感測裝置，其中當該掃描開關被導通時，該讀出電路依據該電阻、該熱敏電流以及該參考電壓訊號產生該指紋感測訊號。
- 如申請專利範圍第8項所述的指紋感測裝置，其中當該掃描開關被斷開時，該讀出電路產生該參考電壓訊號。
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