TWI733427B - 指紋感測裝置 - Google Patents

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TWI733427B TW109114453A TW109114453A TWI733427B TW I733427 B TWI733427 B TW I733427B TW 109114453 A TW109114453 A TW 109114453A TW 109114453 A TW109114453 A TW 109114453A TW I733427 B TWI733427 B TW I733427B
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Abstract

一種指紋感測裝置。積分器電路分批對多個子感測信號進行積分運算，以累加多個子感測信號的感測值而產生對應各感測像素的感測信號，其中積分器電路的開關及電容電路於電壓設置期間，使第一放大器的輸出端與負輸入端相連接並斷開第二電容與第一放大器的負輸入端與輸出端間的連接，並於積分運算期間使第二電容耦接於第一放大器的負輸入端與輸出端之間，以執行積分運算。

Description

指紋感測裝置
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種指紋感測裝置。
近年來，生物識別技術發展很快。由於安全碼和訪問卡很容易被盜或丟失，因此更多地關注指紋識別技術。指紋是唯一且不變的，並且每個人具有多個手指用於身份識別。另外，可以使用指紋感測器容易地取得指紋。因此，指紋識別可以提高安全性和便利性，並且可以更好地保護財務安全和保密資料。
一般而言，光學式的指紋感測裝置可包括由面板、光發射源、光準直器以及光電感測器所組成，藉由光發射源提供照明光至按壓在面板上的手指，再經由面板以及手指物件反射具有指紋資訊的影像光，並且經由光準直器傳遞至光電感測器。由於光準直器所傳遞的影像光僅為反射光的一小部份，為了增加感測靈敏度與降低模組高度，對應一個感測像素，光準直器通常會配置多個透鏡來傳遞影像光。如此雖可有效提高指紋感測的靈敏度，然由於需進行處理的信號數量變多，將大幅提高後續進行信號處 理的裝置對於資料處理速度的要求，例如需配置高速的類比數位轉換器，而具有大幅提高產品成本以及功率消耗的缺點。
本發明提供一種指紋感測裝置，可有效降低生產成本，降低功率消耗。
本發明的指紋感測裝置包括感測像素陣列、多個積分器電路以及增益放大器電路。感測像素陣列包括多個感測像素，各感測像素包括多個子感測像素，各子感測像素感測包括指紋資訊的光信號而產生子感測信號。上述多個積分器電路耦接感測像素陣列，分別透過多條行信號線耦接對應的子感測像素，分批對上述多個子感測信號進行積分運算，以累加上述多個子感測信號的感測值而產生對應各感測像素的感測信號。各積分器電路包括第一放大器、第一電容以及開關及電容電路。第一放大器的正輸入端耦接第一參考電壓。第一電容耦接第一放大器的負輸入端與對應的積分器電路的輸出端之間。開關及電容電路包括第二電容，切換第二電容的連接狀態而使對應的積分器電路週期性地進入電壓設置期間與積分運算期間，其中開關及電容電路於電壓設置期間，使第一放大器的輸出端與負輸入端相連接並斷開第二電容與第一放大器的負輸入端與輸出端間的連接，並於積分運算期間使第二電容耦接於第一放大器的負輸入端與輸出端之間，以使對應的積分器電路執行積分運算。增益放大器電路耦接積分器電路， 放大感測信號以產生放大信號。
基于上述，本發明實施例的積分器電路可分批對多個子感測信號進行積分運算，以累加多個子感測信號的感測值而產生對應各感測像素的感測信號，如此可有效減少後級電路需進行處理的感測信號數量，而可不需配置具有高處理速度的電路，進而有效降低產品成本以及功率消耗。
102:積分器電路
104:增益放大器電路
106:開關及電容電路
P1:感測像素
SP1:子感測像素
L1:行信號線
A1、A2:放大器
C1、C2、CC1、CC2:電容
Vref1、Vref2:參考電壓
D1:光電轉換單元
M1:傳輸電晶體
M2:重置電晶體
M3:放大電晶體
M4:選擇電晶體
TG、TG<1>~TG<8>:傳輸控制信號
Vdd:操作電壓
RST、RST<1>~RST<8>:重置控制信號
I1:電流源
RSEL、RSEL<1>~RSEL<8>:選擇控制信號
SW1~SW6:開關
CS、CS<1>~CS<3>:行選擇信號
AZ、INTP、INT、CK1、EQ:控制信號
TR:電壓設置期間
T1:積分運算期間
圖1是依照本發明的實施例的一種指紋感測裝置的示意圖。
圖2是依照本發明另一實施例的一種指紋感測裝置的示意圖。
圖3是依照本發明的實施例的指紋感測裝置的信號的波形圖。
圖1是依照本發明的實施例的一種指紋感測裝置的示意圖，請參照圖1。指紋感測裝置包括感測像素P1、積分器電路102以及增益放大器電路104，其中積分器電路102耦接感測像素P1與增益放大器電路104。值得注意的是，指紋感測裝置所包括的感測像素P1以及積分器電路102的數量並不以圖1為限，舉例來說，指紋感測裝置可包括由多個感測像素P1形成的感測像素陣列以及 多個積分器電路102，各個感測像素P1可分別與對應的積分器電路102耦接，為簡化說明本實施例僅以一個感測像素P1以及一個積分器電路102為例進行說明。
如圖1所示，感測像素P1可包括多個子感測像素SP1，子感測像素SP1可形成子感測像素陣列，例如8×8的子感測像素陣列，然不以此為限。各子感測像素SP1可感測包括指紋資訊的光信號而產生子感測信號。積分器電路102可透過多條行信號線L1耦接子感測像素SP1，而分批對多個子感測信號進行積分運算。例如積分器電路102可一次對一列子感測像素SP1進行積分運算，待完成各列的子感測像素SP1的積分運算後，亦即完成感測像素P1的積分運算後，再將累計的積分結果傳送給增益放大器電路104進行信號放大處理，以產生放大信號給後級電路進行信號轉換與分析處理。
進一步來說，積分器電路102可例如包括放大器A1、電容C1以及開關及電容電路106，其中電容C1耦接於放大器A1的負輸入端與積分器電路102之間，放大器A1的正輸入端耦接參考電壓Vref1，開關及電容電路106可包括電容C2，電容C2耦接於放大器A1的負輸入端與輸出端之間。開關及電容電路106可切換電容C2的連接狀態而使積分器電路102週期性地進入電壓設置期間與積分運算期間，其中開關及電容電路106於電壓設置期間，使放大器A1的輸出端與負輸入端相連接並斷開電容C2與放大器A1的負輸入端與輸出端間的連接，並於積分運算期間使電容C2 耦接於放大器A1的負輸入端與輸出端之間，以使對應的積分器電路執行積分運算。如此在電壓設置期間可重置電容C1上的電壓而不會影響電容C2所儲存的指紋資訊，且可使電容C2累計在積分運算期間所接收的指紋資訊，待完成感測像素P1中各個子感測像素SP1的積分運算後，再將積分結果傳送給增益放大器電路104。如此可不需如習知技術般配置具有高資料處理速度的後級電路(例如高處理速度的類比數位轉換器)來逐列地處理各列子感測像素SP1的積分結果，因此可有效降低指紋感測裝置的生產成本，降低功率消耗。
圖2是依照本發明另一實施例的一種指紋感測裝置的示意圖，請參照圖1。在本實施例中，為簡化說明，以單一個子感測畫素SP1來說明指紋感測裝置的實施方式。如圖2所示，子感測畫素SP1可包括光電轉換單元D1、傳輸電晶體M1、重置電晶體M2、放大電晶體M3以及選擇電晶體M4，其中光電轉換單元D1可例如為光電二極體，其陰極與陽極分別耦接傳輸電晶體M1的第一端與接地，傳輸電晶體M1的第二端耦接放大電晶體M3的控制端，傳輸電晶體M1的控制端接收傳輸控制信號TG。重置電晶體M2耦接於操作電壓Vdd與放大電晶體M3的控制端之間，重置電晶體M2的控制端接收重置控制信號RST。放大電晶體M3的第一端與第二端分別耦接操作電壓Vdd與選擇電晶體M4的第一端，選擇電晶體M4的第二端耦接電容C1與一電流源I1，選擇電晶體M4的控制端則耦接選擇控制信號RSEL。
此外，積分器電路102的開關及電容電路106包括開關SW1~SW5與電容C2，開關SW1耦接於放大器A1的負輸入端與電容C2之間，開關SW2耦接於放大器A1的輸出端與電容C2之間，開關SW3以及SW4耦接於放大器A1的負輸入端與輸出端之間，開關SW5耦接於放大器A1的輸出端與增益放大器電路104的輸入端之間。另外，增益放大器電路104包括開關SW6、電容CC1、CC2以及放大器A2，電容CC1耦接於放大器A2的負輸入端與開關SW5之間，放大器A2的正輸入端耦接參考電壓Vref2，開關SW6與電容C2耦接於放大器A2的負輸入端與輸出端之間。
圖3是依照本發明的實施例的指紋感測裝置的信號的波形圖，在圖3中，RSEL<n>、RST<n>以及TG<n>分別代表第n列子感測畫素SP1所對應的選擇控制信號RSEL、重置控制信號RST以及傳輸控制信號TG，CS<m>則代表第m行感測畫素P1所對應的行選擇信號CS，以下以選擇控制信號RSEL、重置控制信號RST、傳輸控制信號TG以及行選擇信號CS說明第m行的感測畫素P1中第n列子感測畫素SP1的子感測信號的處理方式，其中m、n為正整數，在本實施例中n的最大值為8，然不以此為限，請同時參照圖2與圖3。如圖3所示，重置電晶體M2可受控於重置控制信號RST而依據操作電壓重置放大電晶體M3的控制端的電壓，此時開關SW3受控於控制信號AZ而於電壓設置期間TR導通，以重置電容C1的電壓。當子感測畫素SP1的所在列被選擇以輸出子感測信號時，選擇電晶體M4可受控於選擇控制信號RSEL 而被導通，而後傳輸電晶體M1受控於傳輸控制信號而被導通，以將光電轉換單元D1轉換包括指紋資訊的光信號所得到光電轉換信號傳送至放大電晶體M3的控制端，以使放大電晶體M3依據光電轉換信號改變其導通程度，進而將指紋資訊透過選擇電晶體M4傳送至電容C1。此時，開關SW1與SW2受控於控制信號INTP與INT於積分運算期間T1進入導通狀態，以進行積分運算，而將指紋資訊儲存至電容C2中，於積分運算期間T1開關SW3受控於控制信號AZ而處於斷開狀態。
值得注意的是，在各個感測畫素P1第一次進入電壓設置期間TR時，亦即第一次對電容C1的電壓進行重置時，開關SW1與SW2也受控於控制信號INTP與INT進入導通狀態，以將儲存於電容C2中的上個感測畫素P1的指紋資訊消除。也就是說，在各個感測畫素P1的子感測信號的信號處理期間，除了第一個電壓設置期間TR以外，在其餘的電壓設置期間TR開關SW1與SW2皆處於斷開的狀態，如此可避免累計的積分結果被重置。此外，開關SW1與SW2各個積分運算期間TR結束後進入下一電壓設置期間T1前進入斷開狀態，以避免電容C2在下一電壓設置期間T1被重置，在本實施例中，可使開關SW1早於開關SW2進入斷開狀態，由於開關SW1耦接至放大器A1的負輸入端，而放大器A1的負輸入端具有虛擬接地的特性，因此先斷開開關SW1，可避免電容C2所儲存的指紋資訊受到開關SW1的切換動作影響而失真。
在完成感測畫素P1中各列子感測畫素SP1的積分運算 後，開關SW5受控於行選擇信號CS而被導通，同時開關SW6也受控於控制信號CK1而被導通，以重置電容CC1與CC2的電壓。而後開關SW6受控於控制信號CK1而被斷開，開關SW5則晚於開關SW6進入斷開狀態，開關SW4受控於控制信號EQ而在開關SW6斷開後、開關SW5斷開前進入導通狀態，以將放大器A1的負輸入端的電壓(其包括累計的積分結果，亦即感測畫素P1感測光信號所得到的感測信號)傳送至電容CC1，以進行信號放大處理，而於放大器A2的輸出端輸出放大信號給後級電路進行信號轉換與分析處理。開關SW4進入斷開狀態的時間點可例如為開關SW6下次進入導通狀態前，亦即在增益放大器電路104進行另一感測畫素P1的感測信號的信號放大處理前，開關SW4進入斷開狀態。
綜上所述，本發明實施例的積分器電路可分批對多個子感測信號進行積分運算，以累加多個子感測信號的感測值而產生對應各感測像素的感測信號，如此可有效減少後級電路需進行處理的感測信號數量，而可不需配置具有高處理速度的電路，進而有效降低產品成本以及功率消耗。
102:積分器電路
104:增益放大器電路
106:開關及電容電路
P1:感測像素
SP1:子感測像素
L1:行信號線
A1:放大器
C1、C2:電容
Vref1:參考電壓

Claims (10)

  1. 一種指紋感測裝置，包括： 感測像素陣列，包括多個感測像素，各感測像素包括多個子感測像素，各子感測像素感測包括指紋資訊的光信號而產生子感測信號； 多個積分器電路，耦接所述感測像素陣列，分別透過多條行信號線耦接對應的子感測像素，分批對所述多個子感測信號進行積分運算，以累加所述多個子感測信號的感測值而產生對應各感測像素的感測信號，各積分器電路包括： 第一放大器，其正輸入端耦接第一參考電壓； 第一電容，耦接所述第一放大器的負輸入端與對應的積分器電路的輸出端之間；以及 開關及電容電路，包括第二電容，切換所述第二電容的連接狀態而使對應的積分器電路週期性地進入電壓設置期間與積分運算期間，其中所述開關及電容電路於所述電壓設置期間，使所述第一放大器的輸出端與負輸入端相連接並斷開所述第二電容與所述第一放大器的負輸入端與輸出端間的連接，並於所述積分運算期間使所述第二電容耦接於所述第一放大器的負輸入端與輸出端之間，以使對應的積分器電路執行積分運算；以及 增益放大器電路，耦接所述積分器電路，放大所述感測信號以產生放大信號。
  2. 如請求項1所述的指紋感測裝置，其中所述開關及電容電路還包括: 第一開關，耦接於所述第二電容的一端與所述第一放大器的負輸入端之間；以及 第二開關，耦接於所述第二電容的另一端與所述第一放大器的輸出端之間，所述第一開關與所述第二開關於各個積分運算期間結束後進入所述電壓設置期間前進入斷開狀態。
  3. 如請求項2所述的指紋感測裝置，其中所述第一開關早於所述第二開關進入斷開狀態。
  4. 如請求項2所述的指紋感測裝置，其中各積分器電路還包括： 第三開關，耦接所述第一放大器的負輸入端與輸出端之間，於所述電壓設置期間處於導通狀態，於所述積分運算期間處於斷開狀態。
  5. 如請求項4所述的指紋感測裝置，其中所述第一開關與所述第二開關於各感測像素的第一個電壓設置期間處於導通狀態，並於各感測像素的其餘電壓設置期間處於斷開狀態。
  6. 如請求項1所述的指紋感測裝置，其中所述增益放大器電路，包括： 第二放大器，其正輸入端耦接第二參考電壓； 第三電容，耦接於所述多個積分器電路的輸出端與所述第二放大器的正輸入端之間；以及 第四電容，耦接於所述第二放大器的負輸入端與輸出端之間。
  7. 如請求項6所述的指紋感測裝置，其中各積分器電路還包括： 第一開關，耦接於所述積分器電路的輸出端與所述增益放大器電路的輸入端之間，受控於行選擇信號而輸出所述感測信號。
  8. 如請求項7所述的指紋感測裝置，其中所述增益放大器電路還包括： 第二開關，耦接於所述第二放大器的負輸入端與輸出端之間，與該第一開關同時導通，早於該第一開關進入斷開狀態。
  9. 如請求項8所述的指紋感測裝置，其中各積分器電路還包括： 第三開關，耦接於所述第一放大器的負輸入端與輸出端之間，於該第二開關斷開後且該第一開關斷開前進入導通狀態。
  10. 如請求項1所述的指紋感測裝置，其中各子感測像素包括： 光電轉換單元，轉換所述光信號而產生光電轉換信號； 傳輸電晶體，其第一端耦接所述光電轉換單元，受控於傳輸控制信號而輸出所述光電轉換信號； 重置電晶體，其第一端耦接操作電壓，所述重置電晶體的第二端耦接所述傳輸電晶體的第二端，所述重置電晶體受控於重置控制信號而重置所述傳輸電晶體的第二端的電壓； 放大電晶體，其控制端耦接所述傳輸電晶體的第二端，所述放大電晶體的第一端耦接所述操作電壓，反應所述光電轉換信號的電壓值而產生所述子感測信號；以及 選擇電晶體，耦接於所述放大電晶體的第二端與對應的積分器電路的輸入端，受控於選擇控制信號而將所述子感測信號輸出至對應的積分器電路。
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