TWI706619B

TWI706619B - 具增強靜電放電保護的指紋感測模塊及電子裝置

Info

Publication number: TWI706619B
Application number: TW108116981A
Authority: TW
Inventors: 趙帆; 李卓; 陳飛祥
Original assignee: 大陸商北京集創北方科技股份有限公司
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-10-01
Also published as: TW202044714A

Abstract

一種具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，包括：一感測單元、一感測訊號讀出單元、一驅動單元、一控制單元、以及複數個靜電放電防護單元，其中各所述靜電放電防護單元均以一輸入端耦接該感測單元的各個感測電極，且以一輸出端耦接至該感測訊號讀出單元的各個訊號讀出器。所述靜電放電防護單元包括：一第一靜電放電防護元件，以其一端耦接該輸入端與該輸出端，且以其另一端耦接一工作電壓；一第二靜電放電防護元件，以其一端耦接該輸入端與該輸出端，且以其另一端耦接一共接地電壓；以及一電壓箝制元件，耦接於該工作電壓與該共接地電壓之間。

Description

具增強靜電放電保護的指紋感測模塊及電子裝置

本發明係關於指紋感測之技術領域，尤指一種具增強靜電放電保護的指紋感測模塊及電子裝置。

隨著行動支付、電子證券下單等金融交易逐漸地以智慧型手機、智慧型穿戴式產品等電子產品作為主要的操作平台，將以生物特徵辨識技術為基礎的身分辨識系統整合至這些智慧型行動電子裝置也越來越受到重視。生物辨識技術(Biometric identification)係藉由採集人體固有的生理特徵作為個體生物的辨識依據，例如：虹膜(Iris)、臉部(Face)、聲紋(Voice)、與指紋(Fingerprint)等生理特徵。

目前，透過標準CMOS製程與像素電路整合為單晶片之電容式指紋感測模塊目前已被廣泛地應用於各式電子產品之中。圖1顯示電容式指紋感測模塊的剖視圖。如圖1所示，所述電容式指紋感測模塊1’主要包括一像素電路集成單元11’與一感測電極單元12’，其中一保護層13’係覆於感測電極單元12’之上，且該感測電極單元12’包括複數個感測電極121’。另一方面，像素電路集成單元11’包括一基材111’以及製作於該基材111’內的感測電路，且所述感測電路包括的複數個P型MOS電晶體112’和複數個N型MOS電晶體113’。當使用者的手指按壓電容式指紋感測模塊1’時，指面的脊部(ridge)與感測電極121’之間會形成一脊部感測電容Cr，且指面的谷部(valley)與感測電極121’之間會形成一谷部感測電容Cv。

如圖1所示，當手指碰觸電容式指紋感測模塊1’時，由指尖釋放的靜電電荷(圖1顯示為正電荷)可能會通過感測電極單元12’進入感測電路進而造成所述P型MOS電晶體112’與/或所述N型MOS電晶體113’的損壞。因此，現有的電容式指紋感測模塊1’的芯片通常具備靜電放電(Electro Static Discharge, ESD)保護之設計。舉例而言，美國專利號US7,076,089通過在複數個所述感測電極之間插設多個ESD防護電極單元，並令各所述ESD防護電極單元的電極高於各所述感測電極，藉以方式完成在電容式指紋感測模塊的芯片上的ESD保護設計。再者，中國專利公開號CN106033531A將ESD防護電極單元設計為複數個十字形電極，並令各所述十字形電極位於任四個感測電極之間。進一步地，中國專利公開號CN106033531A還將ESD防護電極單元變更設計為複數條水平電極與複數條垂直電極。

簡單地說，美國專利號US7,076,089和中國專利公開號CN106033531A都是通過在感測電極之間設置ESD防護電極的方式達成對於電容式指紋感測模塊的芯片上的ESD保護設計。然而，所述ESD防護電極在芯片之中係耦接至地端(GND)，這樣的設計並無法保證正極靜電荷與負極靜電荷都能夠透過所述ESD防護電極而直接經由地端被洩除掉。

有鑑於此，中國專利公開號CN105701440A揭露另一種具靜電防護的指紋感測器。圖2顯示一靜電防護單元與一感測電極單元的連接示圖。圖2所示的感測電極單元12’的剖視圖可以參考如圖1之所示者。然而，於圖1所示者不同的是，圖2的感測電極單元12’內部更包括沿水平設置複數條第一ESD電極201’和沿垂直設置複數條第二ESD電極202’。依據中國專利公開號CN105701440A的揭示內容，複數條所述第一ESD電極201’的兩端皆耦接有一組ESD防護單元31’，且所述ESD防護單元31’包括一第一二極體311’與一第二二極體312’。通過增設由該第一二極體311’與該第二二極體312’組成的ESD防護單元31’於電容式指紋感測模塊的芯片中，無論是正極靜電荷與負極靜電荷都能夠透過複數條所述第二ESD電極202’、複數條所述第一ESD電極201’、和複數組所述ESD防護單元31’而直接經由地端被洩除掉。

圖3為由第一二極體和第二二極體所組成的ESD防護單元的電路圖。如圖3所示，第一二極體311’通常為接成二極體形式的P型MOS電晶體(Diode connected P-type MOSFET)，且第二二極體312’通常為接成二極體形式的N型MOS電晶體(Diode connected N-type MOSFET)。值得說明的是，美國專利號US9,563,802所揭示的指紋辨識晶片同樣具有如圖2與圖3所示的複數組ESD防護單元31’之靜電放電保護設計。然而，必須注意的是，當手指接觸電容式指紋感測模塊的瞬間，靜電電荷有可能在V _DD端與V _SS端之間形成高ESD電壓。實務中發現，此高ESD電壓有很大的機會造成第一二極體311’與/或第二二極體312’的損壞。由上述說明可知，即使目前已經揭示了許多應用於電容式指紋感測芯片之中的靜電防護電路，但習知技術所揭露的靜電防護電路顯然仍具有需要改善之處。

由上述說明可知，本領域亟需一種具增強靜電放電保護的指紋感測模塊。

本發明之一目的在於將一靜電放電防護單元與一指紋感測模塊進行整合進而以提出一種具增強靜電放電保護的指紋感測模塊。

本發明之另一目的在於增加寄生元件於所述指紋感測模塊的感測訊號讀出單元之中，以提升感測訊號讀出單元對於靜電放電的防護能力。

為達成上述目的，本發明提出一種具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其包括：

一感測單元，包括複數個感測電極；

一感測訊號讀出單元，包括複數個訊號讀出器；

一驅動單元，耦接複數個所述感測電極；

一控制單元，耦接該驅動單元與該感測訊號讀出單元；以及

複數個靜電放電防護單元，其中各所述靜電放電防護單元均以一輸入端耦接一所述感測電極，及以一輸出端耦接一所述訊號讀出器；

其中，各所述靜電放電防護單元均包括：一第一靜電放電防護元件，以其一端耦接該輸入端與該輸出端，且以其另一端耦接一工作電壓；一第二靜電放電防護元件，以其一端耦接該輸入端與該輸出端，且以其另一端耦接一共接地電壓；以及一電壓箝制元件，耦接於該工作電壓與該共接地電壓之間。

在一實施例中，所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊更包括一信號處理單元，且該信號處理單元耦接該感測訊號讀出單元。

在可能的實施例中，該第一靜電放電防護元件與該第二靜電放電防護元件皆可為二極體或接成二極體形式的金氧半場效電晶體。

在可能的實施例中，該電壓箝制元件可為N型金氧半場效電晶體或P型金氧半場效電晶體。

在一實施例中，該訊號讀出器包括：

一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，該負輸入端係用以經由一待測電容耦接一感測輸入訊號，該正輸入端耦接該共接地電壓；

一回授電容，耦接於該運算放大器的該負輸入端與該輸出端之間；

一第一開關，其通道係與該回授電容並聯；以及

一第二開關，其通道係耦接於該運算放大器的該負輸入端與該共接地電壓之間。

在一實施例中，該第一開關為一第一金氧半場效電晶體，且該第一金氧半場效電晶體的汲極與矽基材之間具有一第一寄生二極體。

在一實施例中，該第二開關為一第二金氧半場效電晶體，且該第二金氧半場效電晶體的汲極與源極之間具有一第二寄生二極體。

在一實施例中，該訊號讀出器包括：

一第一開關，其通道係與該回授電容並聯；

一第二開關，其通道係耦接於該運算放大器的該負輸入端與該待測電容之間；以及

一第三開關，其一通道端耦接該工作電壓，且其另一通道端係耦接於該待測電容與該第二開關之間，以及該第三開關為一第三金氧半場效電晶體，且該第三金氧半場效電晶體的汲極與源極之間具有一第三寄生二極體。

另外，本發明進一步提出一種電子裝置，其具有如前所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊。

在可能的實施例中，該電子裝置可為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、門口機、電子門鎖或指紋辨識裝置。

為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

圖4為本發明之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊的一實施例架構圖。如圖4所示，本發明之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊1主要包括：一感測單元10、一感測訊號讀出單元11、一驅動單元12、一控制單元13、以及複數個靜電放電防護單元14。圖5為圖4之感測單元、靜電放電防護單元和感測訊號讀出單元的連接示圖。於本發明中，該感測單元10包括複數個感測電極101，且一保護層102係覆於複數個所述感測電極101之上。再者，該感測訊號讀出單元11包括複數個訊號讀出器111，且各所述訊號讀出器111皆耦接所述感測電極101。另一方面，該驅動單元12耦接至複數個所述感測電極101，且該控制單元13耦接至該驅動單元12與該感測訊號讀出單元11。如圖4所示，本發明之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊1更包含一信號處理單元15，其耦接該感測訊號讀出單元11。

請重複參閱圖4與圖5。特別地，本發明令各所述靜電放電防護單元14以其一輸入端14in和一輸出端14out分別耦接至所述感測電極101與所述訊號讀出器111。並且，各所述靜電放電防護單元14包括：一第一靜電放電防護元件141、一第二靜電放電防護元件142與一電壓箝制元件143；其中，該第一靜電放電防護元件141以其一端耦接該輸入端14in與該輸出端14out，且以其另一端耦接一工作電壓V _DD。另一方面，該第二靜電放電防護元件142以其一端耦接該輸入端14in與該輸出端14out，且以其另一端耦接一共接地端電壓V _SS。再者，該電壓箝制元件143耦接於該工作電壓V _DD與該共接地端電壓V _SS之間。當手指接觸電容式指紋感測模塊的瞬間，靜電電荷有可能在V _DD端與V _SS端之間形成高ESD電壓，所述電壓箝制元件143可以對所述高ESD電壓起到一個洩除作用，防止高ESD電壓直接對第一靜電放電防護元件141與第二靜電放電防護元件142造成損壞。

繼續地參閱圖6，其為圖4之靜電放電防護單元的電路方塊圖。並請同時參閱圖7，其為顯示圖4之靜電放電防護單元的四種實施態樣的電路架構圖。補充說明的是，圖6之中繪有第一線路寄生電阻14pa1與第二線路寄生電阻14pa2，這兩個線路寄生電阻14pa2為習知技術所揭示，用於減少靜電電荷在V _DD端與V _SS端之間形成高ESD電壓直接對第一靜電放電防護元件141與第二靜電放電防護元件142造成損壞。另一方面，由圖7的電路架構(a)可知，所述第一靜電放電防護元件141為一個二極體，並以其正極耦接該輸入端14in與該輸出端14out，且以其負極耦接該工作電壓V _DD。所述第二靜電放電防護元件142同樣為一個二極體，並以其負極耦接該輸入端14in與該輸出端14out，且以其正極耦接該共接地端電壓V _SS。再者，該電壓箝制元件143為一N型金氧半場效電晶體，並以其汲極耦接該工作電壓V _DD與該第一靜電放電防護元件141(二極體)的負極，且以其閘極和源極耦接該共接地端電壓V _SS與該第二靜電放電防護元件142(二極體)的正極。特別說明的是，透過增設所述電壓箝制元件143(N型金氧半場效電晶體)於靜電放電防護單元14之中，則可以減少所述該第一線路寄生電阻14pa1與該第二線路寄生電阻14pa2的使用，或者直接將第一線路寄生電阻14pa1與第二線路寄生電阻14pa2自所述靜電放電防護單元14的架構中去除。

再者，由圖7的電路架構(b)可知，所述電壓箝制元件143也可以是一個P型金氧半場效電晶體，並以其源極及閘極耦接該工作電壓V _DD與該第一靜電放電防護元件141(二極體)的負極，且以其汲極耦接該共接地端電壓V _SS與該第二靜電放電防護元件142(二極體)的正極。另一方面，依據圖7的電路架構(c)和電路架構(d)可知，該第一靜電放電防護元件141也可以是一個接成二極體形式的P型金氧半場效電晶體(Diode connected p-type MOSFET)，且該第二靜電放電防護元件142也可以是一個接成二極體形式的N型金氧半場效電晶體。必須特別強調的是，為了清楚地凸顯所述靜電放電防護單元14與感測訊號讀出單元14及複數個感測電極101之間的連接關係，圖4係將靜電放電防護單元14、感測訊號讀出單元14、和複數個感測電極101獨立繪示。然而，在製作感測單元10之時，可將所述靜電放電防護單元14整合至感測單元10之中。又或者，在製作感測訊號讀出單元14的芯片之時，可將所述靜電放電防護單元14整合至芯片之中。

值得說明的是，本發明進一步地在各所述訊號讀出器111之中設計靜電放電之防護設計。圖8a、圖8b與圖8c顯示圖4之訊號讀出器之三個實施例的電路架構圖。由圖8a可知，所述訊號讀出器111為一電容電壓轉換器，且主要包括：一運算放大器1111、一回授電容1112、一第一開關1113、和一第二開關1114；其中，該回授電容1112耦接於該運算放大器1111的一負輸入端與一輸出端之間，且該第一開關1113的通道係與該回授電容1112並聯。另一方面，該第二開關1114之通道係耦接於該運算放大器1111的該負輸入端與該共接地電壓之間。為了令訊號讀出器111具備靜電放電防護功能，於製作訊號讀出器111可使用一第一金氧半場效電晶體作為該第一開關1113，且該第一金氧半場效電晶體的汲極與矽基材之間具有一第一寄生二極體。同時，使用一第二金氧半場效電晶體作為該第二開關1114，且該第二金氧半場效電晶體的汲極與源極之間具有一第二寄生二極體。熟悉電子電路設計的工程師應當理解，如圖8b所示，在實務應用上當然可以只令第二開關1114具有寄生二極體之設計。又或者，可以進一步地增加具有寄生二極體之一第三開關於所述訊號讀出器111的電路架構中。如圖8c所示，該第三開關1115之一通道端耦接該工作電壓，且其另一通道端係耦接於該待測電容1110與該第二開關1114之間；並且，該第三開關1115為一第三金氧半場效電晶體，且該第三金氧半場效電晶體的汲極與源極之間具有一第三寄生二極體。

汲極與源極之間具有寄生二極體的金氧半場效電晶體(MOSFET)經常被使用作為開關元件。然而，本發明特別設計令MOSFET的汲極與基材(或稱基體(body))之間具有寄生二極體。圖9a顯示本發明設計的N型MOSFET的佈局圖和剖視圖，且圖9b顯示一般的N型MOSFET的佈局圖和剖視圖。其中，沿著剖面線A-A切割佈局圖(a)即獲得剖視圖(a)。比較圖9a與圖9b可以輕易地發現，本發明係通過增大汲極的擴散區(Diffusion region)的寬度之方式，令MOSFET的汲極和基材(基體)之間形成有一個寄生二極體。另一方面，圖10a顯示本發明設計的P型MOSFET的佈局圖和剖視圖，且圖10b顯示一般的P型MOSFET的佈局圖和剖視圖。其中，沿著剖面線B-B切割佈局圖(a)即獲得剖視圖(a)。比較圖10a與圖10b可以理解，本發明係通過增大汲極的擴散區(Diffusion region)的寬度之方式，令MOSFET的汲極和基材(基體)之間形成有一個寄生二極體。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊及電子裝置及電子裝置；並且，經由上述可得知本發明係具有下列之優點：

(1)本發明改良於習知的靜電放電防護單元，特別是將一電壓箝制元件整合至靜電放電防護單元之中，並將所述靜電放電防護單元進一步與指紋感測模塊的感測單元與/或感測訊號讀出單元進行整合，藉以獲得具增強靜電放電保護的指紋感測模塊。

(2)本發明更進一步地於感測訊號讀出單元的訊號讀出器之中增加寄生元件，並利用所述寄生元件提升感測訊號讀出單元對於靜電放電的防護能力。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

＜本發明＞ 1:具增強靜電放電保護的指紋感測模塊 10:感測單元 11:感測訊號讀出單元 12:驅動單元 13:控制單元 14:靜電放電防護單元 15:信號處理單元 101:感測電極 102:保護層 111:訊號讀出器 14in:輸入端 14out:輸出端 141:第一靜電放電防護元件 142:第二靜電放電防護元件 143:電壓箝制元件 14pa1:第一線路寄生電阻 14pa2:第二線路寄生電阻 1111:運算放大器 1112:回授電容 1113:第一開關 1114:第二開關 1110:待測電容 1115:第三開關

＜習知＞

1’	電容式指紋感測模塊
11’	像素電路集成單元
12’	感測電極單元
13’	保護層
121’	感測電極
111’	基材
112’	P型MOS電晶體
113’	N型MOS電晶體
201’	第一ESD電極
202’	第二ESD電極
31’	ESD防護單元
311’	第一二極體
312’	第二二極體

圖1為電容式指紋感測模塊的剖視圖；圖2為靜電防護單元與感測電極單元的連接示圖；圖3為由第一二極體和第二二極體所組成的ESD防護單元的電路圖；圖4為本發明之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊的一實施例架構圖；圖5為圖4之感測單元、靜電放電防護單元和感測訊號讀出單元的連接示圖；圖6為圖4之靜電放電防護單元的電路方塊圖；圖7a-d為顯示圖4之靜電放電防護單元的四種實施態樣的電路架構圖；圖8a為圖4之訊號讀出器之一實施例的電路架構圖；圖8b為圖4之訊號讀出器之另一實施例的電路架構圖；圖8c為圖4之訊號讀出器之又一實施例的電路架構圖；圖9a為本發明設計的N型MOSFET的佈局圖和剖視圖；圖9b為一般的N型MOSFET的佈局圖和剖視圖；圖10a為本發明設計的P型MOSFET的佈局圖和剖視圖；以及圖10b為一般的P型MOSFET的佈局圖和剖視圖。

10:感測單元

11:感測訊號讀出單元

14:靜電放電防護單元

101:感測電極

102:保護層

111:訊號讀出器

14in:輸入端

14out:輸出端

Claims

一種具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，包括：一感測單元，包括複數個感測電極；一感測訊號讀出單元，包括複數個訊號讀出器；一驅動單元，耦接複數個所述感測電極；一控制單元，耦接該驅動單元與該感測訊號讀出單元；以及複數個靜電放電防護單元，其中各所述靜電放電防護單元均以一輸入端耦接一所述感測電極，及以一輸出端耦接一所述訊號讀出器；其中，各所述靜電放電防護單元均包括：一第一靜電放電防護元件，以其一端耦接該輸入端與該輸出端，且以其另一端耦接一工作電壓；一第二靜電放電防護元件，以其一端耦接該輸入端與該輸出端，且以其另一端耦接一共接地電壓；以及一電壓箝制元件，耦接於該工作電壓與該共接地電壓之間。
如申請專利範圍第1項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其更包括一信號處理單元，且該信號處理單元耦接該感測訊號讀出單元。
如申請專利範圍第1項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其中，該第一靜電放電防護元件與該第二靜電放電防護元件皆係選自於由二極體和接成二極體形式的金氧半場效電晶體所組成的群組之中的任一者。
如申請專利範圍第1項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其中，該電壓箝制元件係選自於由N型金氧半場效電晶體和P型金氧半場效電晶體所組成的群組之中的任一者。
如申請專利範圍第1項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其中，該訊號讀出器包括：一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，該負輸入端係用以經由一待測電容耦接一感測輸入訊號，該正輸入端耦接該共接地電壓；一回授電容，耦接於該運算放大器的該負輸入端與該輸出端之間；一第一開關，其通道係與該回授電容並聯；以及一第二開關，其通道係耦接於該運算放大器的該負輸入端與該共接地電壓之間。
如申請專利範圍第5項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其中，該第一開關為一第一金氧半場效電晶體，且該第一金氧半場效電晶體的汲極與矽基材之間具有一第一寄生二極體。
如申請專利範圍第6項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其中，該第二開關為一第二金氧半場效電晶體，且該第二金氧半場效電晶體的汲極與源極之間具有一第二寄生二極體。
如申請專利範圍第1項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊，其中，該訊號讀出器包括：一運算放大器，具有一負輸入端、一正輸入端及一輸出端，該負輸入端係用以經由一待測電容耦接一感測輸入訊號，該正輸入端耦接該共接地電壓；一回授電容，耦接於該運算放大器的該負輸入端與該輸出端之間；一第一開關，其通道係與該回授電容並聯；一第二開關，其通道係耦接於該運算放大器的該負輸入端與該待測電容之間；以及一第三開關，其一通道端耦接該工作電壓，且其另一通道端係耦接於該待測電容與該第二開關之間，以及該第三開關為一第三金氧半場效電晶體，且該第三金氧半場效電晶體的汲極與源極之間具有一第三寄生二極體。
一種電子裝置，其具有如申請專利範圍第1-9項中任一項所述之具增強靜電放電保護的指紋感測模塊。
如申請專利範圍第9項所述之電子裝置，其係選自於智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、門口機、電子門鎖、和指紋辨識裝置所組成的群組之中的一種裝置。