TWI736688B - 使用具有不同主要延伸方向的測量組態之指紋感測 - Google Patents

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Abstract

一種利用一指紋感測器來決定一手指的一指紋圖案的一表示之方法，該感測器係包括一個包含複數個量測元件的二維的量測配置，該複數個量測元件係分別包括一和該手指藉由一介電結構間隔開的手指電極。對於每一個量測位置，該方法係包括以下的步驟：提供一第一量測元件組態，其係具有一帶有一第一主要的延伸方向之細長的第一量測配置部分；以及一第一週邊量測配置部分；獲得針對於該量測位置的一第一量測值；提供一第二量測元件組態，其係具有一帶有一第二主要的延伸方向的細長的第二量測配置部分；以及一第二週邊量測配置部分；並且獲得針對於該量測位置的一第二量測值。該指紋圖案的該表示係根據針對於該些量測位置的每一個的該第一量測值以及該第二量測值來加以決定。

Description

使用具有不同主要延伸方向的測量組態之指紋感測
本發明係有關於一種決定一指紋圖案的一表示之方法、以及一種指紋感測器。
越來越多各種類型的生物識別的系統係被使用，以便於提供增進的安全性及/或強化的使用者便利性。
尤其，指紋感測系統由於其小的形狀因數、高的效能以及使用者的接受，因此已經被採用在例如是消費者電子裝置中。
在各種可利用的指紋感測原理中(例如是電容、光學、聲波、熱等等)，電容式感測是最普遍使用的，尤其是在其中尺寸及功率消耗是重要的議題的應用中。
電容式指紋感測器係大致提供一指出在數個感測結構的每一個以及一被置放在該指紋感測器的表面上、或是被移動橫跨該指紋感測器的表面的手指之間的電容的量測。
某些電容式指紋感測器係被動地讀出在該些感測結構以及該手指之間的電容。然而，此係需要在感測結構以及手指之間的一相當大的電容。因此，此種被動的電容式感測器通常是被設置有一覆蓋該些感測 結構的非常薄的保護層，其係使得此種感測器對於刮痕及/或ESD(靜電放電)相當敏感的。
US 7 864 992係揭示一種電容式指紋感測系統，其中一驅動信號係藉由發送脈衝到一被配置在該感測器陣列的附近之導電的結構而被注入到手指之中，並且量測在該感測器陣列中的感測結構所載有的電荷之所產生的變化。
此類型所謂的主動的電容式指紋感測系統大致係致能在一遠高於上述的被動系統的信號雜訊比之下，在手指以及感測結構之間的電容的量測。於是，此係容許有一更厚許多的保護塗層，並且因此有更強健的電容式指紋感測器，其可以內含在遭受到相當大的磨損的物品中，例如是行動電話。
然而，為了甚至進一步增大的強健度以及便於該指紋感測器整合到電子裝置中、等等，透過一非常厚的介電結構(其可以是數百微米厚的)致能的指紋感測是所期望的。譬如，透過一玻璃板或類似者(例如是一行動電話的表面玻璃覆蓋)來致能指紋感測可能是所期望的。
當透過此種厚的介電結構感測時，所產生的指紋影像的實際的解析度可被降低，因為每一個感測結構所看到的手指的面積係被增大。
為了減輕此問題，US 8 888 004係提出利用一核心為基礎的重建過程以從差動像素量測來重建形狀資訊。
儘管由US 8 888 004所提出的方法可能是潛在地有用於銳化該指紋影像，但是該建議的解決方案需要該指紋感測器能夠有可程式化的差動像素量測。再者，該建議的解決方案係被預期是相當複雜的，而且實 際上是難以實施的。
考慮到習知技術的上述及其它的缺點，本發明之一目的是用以提出改善的指紋感測，尤其是透過一厚的介電結構。
根據本發明的一第一特點，其因此係提出一種利用一指紋感測器來決定一手指的一指紋圖案的一表示之方法，該感測器係包括一個包含複數個量測元件的二維的量測配置，該複數個量測元件係分別包括一和該手指藉由一介電結構間隔開的手指電極，該方法係針對於在複數個量測位置中的每一個量測位置包括以下的步驟：提供一第一量測元件組態，其係包括：一第一組的感測的量測元件，其係界定一包含該量測位置並且具有一第一主要的延伸方向的第一量測配置部分，在該第一組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第一時變的感測的手指電極電位；以及一第一組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第一量測配置部分的第一週邊量測配置部分，在該第一組的週邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一感測的手指電極電位的第一週邊手指電極電位；利用該第一量測元件組態以獲得針對於該量測位置的一第一量測值；提供一第二量測元件組態，其係包括：一第二組的感測的量測元件，其係界定一包含該量測位置並且具有一不同於該第一主要的延伸方向的第二主要的延伸方向的第二量測配置部分，在該第二組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第二時變的感測的手指電極電位；以及一第二組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第二量測配置部分的第二週邊量測配置部分，在該第二組的週 邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二感測的手指電極電位的第二週邊手指電極電位；利用該第二量測元件組態以獲得針對於該量測位置的一第二量測值，其中該方法進一步包括以下的步驟：對於該些量測位置的每一個，根據針對於該些量測位置的每一個的該第一量測值以及該第二量測值來決定一組合的量測值；以及根據對於該些量測位置的每一個的該組合的量測值來決定該指紋圖案的該表示。
該手指的指紋圖案的該表示並不一定需要是一數位的灰階影像，而是可以為指紋圖案資訊可從其推論的任何適當的表示。該指紋圖案的表示例如可以是原始的指紋影像資料、或者該資料可以是已經加以處理，並且於是可以用經調節的影像資料的形式、以指紋樣版資料、或是用任何其它形式來加以提供。
每一個量測元件的該手指電極例如可以是用一金屬板的形式來加以提供。然而，應注意到的是，該手指電極可被實現為任何適當的導電的結構。
該些量測元件可以用任何適當的二維的量測配置來加以配置，例如是該些量測元件係以列與行而被配置於其中的一平面的陣列。然而，可以有其中該些量測元件並非以列與行配置的實施例。
在其中該些量測元件係以列與行而被配置的實施例中，該第一主要的延伸方向譬如可以是平行於該行，並且該第二主要的延伸方向譬如可以是平行於該列。
該第一(第二)量測配置部分是細長的應該被理解為表示相較於其寬的(在一垂直於其個別的主要的延伸方向的方向上的尺寸)，其係較 長的(沿著該個別的主要的延伸方向)。在實施例中，該第一(第二)量測配置部分例如可以是至少八個量測元件長的、以及三個或更少的量測元件寬的。
該第一時變的感測的手指電極電位、該第一週邊手指電極電位、該第二時變的感測的手指電極電位、以及該第二週邊手指電極電位都是相關於相同的參考電位，例如是一包括該指紋感測器之電子系統的裝置接地、或是另一參考電位。
該第一(第二)週邊手指電極電位可以是實質固定的。再者，該第一(第二)時變的感測的手指電極電位可以總是或間歇地不同於該第一(第二)週邊手指電極電位。
通常可以假設被施加至一組的手指電極的一時變的感測的手指電極電位將會在該感測的手指電極電位以及被置放在該指紋感測器上的手指的一手指電位之間產生一時變的電位差。即使當使用者並未接觸例如是系統接地的參考電位也是如此，因為相較於藉由在手指以及在該第一(第二)組的感測的量測元件中的量測元件的手指電極之間的電容性耦合所感應的電荷，人體是一非常大的電荷貯存器。
該第一(第二)週邊量測配置部分係至少部份地圍繞該第一(第二)量測配置部分應該被理解為表示該第一(第二)週邊量測配置部分係存在於該第一(第二)量測配置部分的至少該兩個長的側邊上。
該第一(第二)量測值可以是產生自一指出在該量測位置處的一至該手指表面的局部的距離之量測/感測的任何值。
本發明係基於理解到具有不同的主要的延伸方向的細長的量測配置部分之不同的量測元件組態可以提供依據該指紋圖案的紋脊的局 部的方向而定的資訊。此係表示可以獲得額外的資訊，其可被用來抵消當透過一例如是保護玻璃的厚的介電結構來執行電容式指紋感測時可能會遭遇到的散焦。
本案發明人已經進一步體認到細長的量測配置部分的使用係提供簡化的指紋感測器設計，其於是可以縮短問世的時間，並且增高在該指紋感測器的製造過程中的良率。
根據實施例，該第一量測元件組態可以進一步包括：一第一組的防護的(guarding)量測元件，其係界定一細長的第一防護的量測配置部分，該第一防護的量測配置部分係具有該第一主要的延伸方向並且是相鄰該第一感測量測配置部分，在該第一組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一週邊手指電極電位的第一防護的手指電極電位；以及該第二量測元件組態，其可以進一步包括：一第二組的防護的量測元件，其係界定一細長的第二防護的量測配置部分，該第二防護的量測配置部分係具有該第二主要的延伸方向並且是相鄰該第二感測量測配置部分，在該第二組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二週邊手指電極電位的第二防護的手指電極電位。
本案發明人已經發現到第一及第二組的防護的量測元件的使用可被利用以控制在該(些)感測的量測元件以及該手指之間的電性相互作用，因而影響該第一(第二)量測值的手指區域可被縮減。於是，如同在此所述的第一及第二組的防護的量測元件的設置係提供從該指紋感測器輸出的一更銳利的指紋影像。該最佳的第一(第二)防護的手指電極電位將會主要 是依據在該手指電極以及手指表面之間的該介電結構的尺寸及電氣特性而定的。尤其，第一(第二)防護的手指電極電位的選擇可以牽涉到在聚焦以及信號強度之間的一取捨。
為了更進一步改善可以根據來自該指紋感測器的信號的量測值來決定的該指紋表示，該第一量測元件組態可以進一步包括：一第三組的防護的量測元件，其係界定一細長的第三防護的量測配置，該第三防護的量測配置係具有該第一主要的延伸方向並且是相鄰該第一組的防護的量測元件，在該第三組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一防護的手指電極電位並且不同於該第一週邊手指電極電位的第三防護的手指電極電位；以及該第二量測元件組態可以進一步包括：一第四組的防護的量測元件，其係界定一細長的第四防護的量測配置，該第四防護的量測配置係具有該第二主要的延伸方向並且是相鄰該第二組的防護的量測元件，在該第四組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二防護的手指電極電位並且不同於該第二週邊手指電極電位的第四防護的手指電極電位。
利用額外的第三及第四組的防護的量測元件，影響該第一(第二)量測值的手指區域可以甚至進一步被縮減，此係提供一更銳利的指紋影像。
根據本發明的各種實施例，該第一感測的手指電極電位可以是以在該第一感測的手指電極電位以及該第一週邊手指電極電位之間的一電位差係從在一第一時點的一第一電位差改變成在一第二時點的一第二電位差的此種方式，相關於該第一週邊手指電極電位而為時變的；以及該第 二感測的手指電極電位可以是以在該第二感測的手指電極電位以及該第二週邊手指電極電位之間的一電位差係從在一第三時點的一第三電位差改變成在一第四時點的一第四電位差的此種方式，相關於該第二週邊手指電極電位而為時變的。
再者，在該複數個量測元件中的每一個量測元件可包括電荷放大器電路，其係可控制以提供一指出在該量測元件的該手指電極上的一電荷的感測信號。
在這些實施例中，獲得該第一量測值的步驟可包括在該第一時點取樣由內含在該第一組的感測的量測元件中的一量測元件內的該電荷放大器電路所提供的一第一感測信號、以及在該第二時點取樣該第一感測信號；以及獲得該第二量測值的步驟可包括在該第三時點取樣由內含在該第二組的感測的量測元件中的一量測元件內的該電荷放大器電路所提供的一第二感測信號、以及在該第四時點取樣該第二感測信號。
藉由取得在電位差上的變化之前以及之後的取樣的值之間的差值，共模雜訊的影響可被降低。
根據各種實施例，該第一量測值可以是根據從在該第一組的量測元件中被配置在該量測位置的單一量測元件所獲得的一信號而定的；並且該第二量測值可以是根據從在該第二組的量測元件中被配置在該量測位置的單一量測元件所獲得的一信號而定的。
在這些實施例中，每一個量測位置通常係對應於在該2D量測配置中的一量測元件的一位置。
根據其它實施例，該第一量測值可以是根據在來自於該第一 組的量測元件中的相鄰的量測元件的信號之間的一差值而定的；並且該第二量測值可以是根據在來自於該第二組的量測元件中的相鄰的量測元件的信號之間的一差值而定的。
在這些實施例中，利用差動量測技術，每一個量測位置通常係對應於在上述的相鄰的量測元件之間的一位置。
再者，該第一量測值可以是利用該第一量測元件組態，同時針對於內含在該第一量測配置部分中的複數個量測位置來加以獲得的；並且該第二量測值可以是利用該第二量測元件組態，同時針對於內含在該第二量測配置部分中的複數個量測位置來加以獲得的。
在這些實施例中，該第一(第二)量測值可以是根據大量的(例如數十個或是數百個)感測操作而定的，此可以實質改善該量測的信號雜訊比。
根據實施例，針對於在該複數個量測位置中的每一個量測位置，決定針對於該量測位置的該組合的量測值的步驟可以進一步包括以下的步驟：估計在該量測位置的一指紋紋脊方向，其中該組合的量測值係進一步根據所估計的指紋紋脊方向而定。根據所估計的指紋紋脊方向的該組合的量測值可以提供一進一步改善的組合的指紋圖案表示。
再者，對於在該複數個量測位置中的每一個量測位置，決定針對於該量測位置的該組合的量測值的步驟可以進一步包括以下的步驟：根據該指紋紋脊方向與該第一主要的延伸方向以及該第二主要的延伸方向的相關性，來指定一第一權重因數至該第一量測值以及一第二權重因數至該第二量測值；以及利用該第一權重因數以及該第二權重因數來決定該組 合的量測值為該第一量測值以及該第二量測值的一加權的總和。
有利的是，對於其中該指紋紋脊方向係比該第二主要的方向更接近該第一主要的方向的量測位置而言，該第一權重因數可以是大於該第二權重因數。
根據本發明的一第二特點，其係提出有一種指紋感測系統，該指紋感測系統係包括：一個包含複數個量測元件的二維的量測配置，在該複數個量測元件中的每一個量測元件係包括一手指電極；量測控制電路；以及影像處理電路，其中該量測配置係可藉由該量測控制電路組態的，而成為：一第一量測元件組態，其係包括：一第一組的感測的量測元件，其係界定一具有一第一主要的延伸方向的第一量測配置部分，在該第一組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第一感測的手指電極電位；以及一第一組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第一量測配置部分的第一週邊量測配置部分，在該第一組的週邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一感測的手指電極電位的第一週邊手指電極電位；以及一第二量測元件組態，其係包括：一第二組的感測的量測元件，其係界定一具有一第二主要的延伸方向的第二量測配置部分，在該第二組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第二感測的手指電極電位；以及一第二組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第二量測配置部分的第二週邊量測配置部分，在該第二組的週邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二感測的手指電極電位的第二週邊手指電極電位。
該量測控制電路以及該影像處理電路可以用硬體、軟體、或 是硬體及軟體的一組合來加以實施。再者，該二維的量測配置可以是內含在一指紋感測器構件中，並且該量測控制電路及/或該影像處理電路的至少一部分可以是內含在此種指紋感測器構件中。譬如，該量測配置以及該量測控制電路可以是內含在該指紋感測器構件中，並且該影像處理電路可以是至少部份地被設置在該指紋感測器構件的外部。
根據各種實施例，在該量測配置中的每一個量測元件可以包括：一電荷放大器，其係包括：一第一輸入；一第二輸入；一電容性耦合至該第一輸入的輸出；以及至少一放大器級，其係在該第一及第二輸入與該輸出之間。
再者，根據本發明的各種實施例的指紋感測系統可以有利地內含在一進一步包括處理電路的電子裝置中，該處理電路係被配置以：從該指紋感測系統獲得該指紋圖案的該表示；根據該表示來認證一使用者；以及只有若該使用者係根據該表示而被認證，才執行至少一使用者所請求的程序。該電子裝置例如可以是一例如是行動電話或平板電腦的手持式通訊裝置、一電腦、或是一例如是手錶或類似者的電子可穿戴的物品。
透過本發明的此第二特點所獲得的進一步實施例及功效係大部分類似於以上針對於本發明的第一特點所述的那些實施例及功效。
總之，本發明係有關於一種利用一指紋感測器來決定一手指的一指紋圖案的一表示之方法，該感測器係包括一個包含複數個量測元件的二維的量測配置，該複數個量測元件係分別包括一和該手指藉由一介電結構間隔開的手指電極。對於每一個量測位置，該方法係包括以下的步驟：提供一具有一細長的第一量測配置部分的第一量測元件組態，該第一量測 配置部分係具有一第一主要的延伸方向；以及一第一週邊量測配置部分；獲得針對於該量測位置的一第一量測值；提供一具有一細長的第二量測配置部分的第二量測元件組態，該第二量測配置部分係具有一第二主要的延伸方向；以及一第二週邊量測配置部分；並且獲得針對於該量測位置的一第二量測值。該指紋圖案的該表示係根據針對於該些量測位置的每一個的該第一量測值以及該第二量測值來加以決定。
1‧‧‧行動電話
3‧‧‧指紋感測系統
5‧‧‧保護玻璃
7‧‧‧手指表面
9、9a、9b、9c‧‧‧量測元件
11‧‧‧手指區域
12‧‧‧指紋影像
13‧‧‧二維的量測配置
15‧‧‧感測器控制器
17‧‧‧影像處理器
19‧‧‧手指電極
21‧‧‧電荷放大器
23‧‧‧選擇開關
25‧‧‧提供手指電極電位的電路
27‧‧‧運算放大器
29‧‧‧第一輸入(負輸入)
31‧‧‧第二輸入(正輸入)
33‧‧‧輸出
35‧‧‧回授電容器
37‧‧‧重置電路
39‧‧‧讀出線
41‧‧‧多工器
43‧‧‧取樣及保持電路
45‧‧‧類比至數位轉換器
47‧‧‧第一量測配置部分
49‧‧‧第一防護的量測配置部分
51‧‧‧第一週邊量測配置部分
53‧‧‧第二量測配置部分
55‧‧‧第二防護的量測配置部分
57‧‧‧第二週邊量測配置部分
59‧‧‧第一指紋影像
61‧‧‧第二指紋影像
63‧‧‧組合的指紋影像
65‧‧‧第一量測配置部分
67‧‧‧第二量測配置部分
400、401、402、403、404、405、406、407‧‧‧步驟
Vs‧‧‧感測信號
本發明的這些特點及其它特點現在將會參考展示本發明的一範例實施例的所附的圖式來更詳細地加以描述，其中：圖1係概要地展示一種在一保護玻璃之下包括一電容式指紋感測器之電子裝置；圖2A是藉由利用一已知的電容式感測技術的單一感測元件所成像的手指表面的部分的概要圖示；圖2B是利用一已知的電容式感測技術而產生自在圖2A中的感測組態的一範例的模擬的指紋影像的一圖示；圖3A是根據本發明的一實施例的一種指紋系統的概要的方塊圖；圖3B是在圖3A中的指紋感測系統的一部分的概要的橫截面圖；圖4是描繪根據本發明的一實施例的一種方法的流程圖；圖5A係概要地描繪一第一量測元件組態的一第一例子；圖5B係概要地描繪一第二量測元件組態的一第一例子；圖6A是產生自圖5A中的量測元件組態的一範例的指紋影像的一圖示，其中該些手指電極係和該使用者的手指分開一300μm的保護玻璃； 圖6B是產生自圖5B中的量測元件組態的一範例的指紋影像的一圖示，其中該些手指電極係和該使用者的手指分開一300μm的保護玻璃；圖7A是在圖5B及圖6B中的指紋影像的一簡單的逐一像素的平均；圖7B是和在圖2B中相同的指紋影像，以用於比較；圖8A係概要地描繪一第一量測元件組態的一第二例子；圖8B係概要地描繪一第二量測元件組態的一第二例子。
在本詳細的說明中，根據本發明的指紋感測系統及方法的各種實施例係主要參考一種指紋感測系統及方法來加以敘述，其中該細長的第一量測配置部分是一行(或是一行的部分)，並且該細長的第二量測配置部分是一列(或是一列的部分)。
應注意到的是，此絕非限制藉由所附的申請專利範圍所界定的範疇，其同樣良好地包含例如是其中該細長的第一及第二量測配置部分的任一或是兩者係不同地被定向、或是其中該細長的第一及第二量測配置部分並非垂直於彼此之指紋感測系統或方法。
圖1係概要地描繪一用於根據本發明的一範例實施例的一指紋感測裝置的應用，其係具有一帶有一整合的指紋感測系統3的行動電話1的形式。該指紋感測系統3例如可被使用於解鎖該行動電話1且/或用於授權利用該行動電話實行的交易、等等。如同在圖1中概要地指出的，該指紋感測系統3係被配置在該行動電話的一保護玻璃5之下，該保護玻璃5譬如可以是在0.2-0.4mm厚的範圍中。
圖2A是接觸在圖1中的保護玻璃5的一手指表面7的一部 分的立體圖。在圖2A中的保護玻璃5的感測器側邊上，對應於該指紋感測器的量測元件9的區域係概要地加以指出。在圖2A中的保護玻璃5、手指表面7、以及量測元件9的區域的尺寸係大致按照比例繪製的。
在習知的指紋感測系統的應用中，其中覆蓋該感測器表面的介電結構是相當薄的，例如是約0.1mm或更小，藉由一給定的量測元件所感測的手指表面的區域與該量測元件的區域並沒有非常的不同。此亦適用於已知其中一具有介電各向異性及/或一非常高的介電常數的保護結構(例如藍寶石)係被使用的指紋感測組態。
在較厚的介電保護塗層下(尤其是並不呈現介電各向異性及/或一非常高的介電常數的塗層)，已知的電容性量測技術將會利用每一個量測元件來執行空間的平均，即如同在圖2A中概要地指出的，其中藉由一給定的量測元件9所感測的手指區域11係概要地被指出。
在已知的電容性量測技術下，此空間的平均將會產生一模糊或是散焦的指紋影像。
此種模糊的指紋影像12的一個例子係被展示在圖2B中，其係為在圖2A中的利用一已知的電容式感測技術的感測組態的一模擬的結果。
圖3A是根據本發明的一實施例的一種指紋系統3的概要的方塊圖。參照圖3A，根據本發明的此範例實施例的指紋感測系統3係包括一個包含複數個量測元件9的二維的量測配置13、具有一感測器控制器15的形式的量測控制電路、以及具有一影像處理器17的形式的影像處理電路。該些量測元件9將會在以下參考圖3B更加詳細地加以描述，其是在藉 由圖3A中的線A-A'所指出的截面中的量測配置13的一部分的橫截面圖的電路圖。
在此上下文中，應注意到的是，在圖3A中的圖示是概要且簡化的。在根據本發明的實施例的一實際的指紋感測系統中，該量測配置通常將會包括非常大量的量測元件。再者，對於一種每吋500像素的感測器而言，量測元件的陣列的一典型的間距可以是在50μm左右。
再者，該指紋感測系統3係在此概要地被指出為在一封裝中的單一構件或是一系統。然而，應該理解到該指紋感測系統3的功能可被分散在數個構件及/或軟體模組之間，例如是一指紋感測器構件以及一主機處理器，其可以是一所謂的信任的元件、或是一所謂的安全元件。該指紋感測系統3的功能亦可以是部份地被分散在此種信任的元件以及此種安全元件之間。
圖3B是在圖3A中的指紋感測系統的一部分的概要的橫截面圖，其中一手指7係被置放在該量測配置13的頂端上。該量測配置13係包括複數個量測元件9a-c。
如同在圖3B中概要地所示，每一個量測元件9a-c(元件符號係只針對於該些量測元件中之一來加以指出，以避免弄亂該圖式)係包括一保護介電頂端層5、一在該保護介電頂端層5下面的導電的手指電極19、一電荷放大器21、選擇電路，其在此係功能上被描繪為一簡單的選擇開關23，以用於容許一量測值從該量測元件9a-c的獲得、以及提供手指電極電位的電路25，以用於可控制地提供一所選的電位(固定或是時變的)至該手指電極19，即如同將會在以下更加詳細進一步描述者。
該電荷放大器21係包括至少一放大器級，其在此係概要地被描繪為一運算放大器(op amp)27，其係具有一連接至該手指電極19的第一輸入(負輸入)29、一連接至該提供手指電極電位的電路25的第二輸入(正輸入)31、以及一輸出33。此外，該電荷放大器21係包括一回授電容器35，其係連接在該第一輸入29與該輸出33之間、以及重置電路，其在此係在功能上被描繪為一開關37，以用於容許該回授電容器35的可控制的放電。該電荷放大器21可以藉由操作該重置電路37以放電該回授電容器35來加以重置。
如同對於一運算放大器27而言的通常的情形，在該第一輸入29的電位係跟隨被施加至該第二輸入31的電位。根據該特定的放大器組態，在該第一輸入29的電位可以是與在該第二輸入31的電位實質相同的、或是在該第一輸入29的電位以及在該第二輸入31的電位之間可以有一實質固定的偏移。
利用該提供手指電極電位的電路25，一可以是相關於一參考電位時變的、或實質固定的所要的電位可被提供至該手指電極。
譬如，該提供手指電極電位的電路25可被實施為一些可控制的開關，以用於可控制地連接該第二輸入31至一載有將被提供至該手指電極的所要的電位之所選的電壓線。
透過該提供手指電極電位的電路25的控制，該手指電極19因此可以根據該特定的量測元件9的所要的功能而被提供有一所選的電位，即如同將會在以下更加詳細進一步描述者。
當一給定的量測元件(譬如在圖3B中的中心量測元件9b)將 作用為一能夠提供一指出在該手指電極19以及該手指7的表面之間的局部的距離的量測值之感測的量測元件時，該提供手指電極電位的電路25係被控制以提供一時變的感測的手指電極電位至該第二輸入31。
在圖3B中，該手指7係概要地被指出為"接地的"。應瞭解的是，該手指"接地"可以是不同於該感測器接地。譬如，該手指7可以是在該指紋感測系統3被納入於其中的電子裝置1的接地電位。或者是，該主體可被視為具有此種大的電性"塊"，該手指的電位係在該手指電極19的電位改變時維持實質固定的。
一時變的手指電極電位至該手指電極19的提供係在該手指電極19以及該手指7之間產生一時變的電位差。
如同將會在以下進一步更詳細描述的，上述在該手指電極19以及該手指7之間的電位差上的改變係在該電荷放大器21的輸出33上產生一感測信號Vs。
當所指出的感測元件9b係如此被控制為一感測的量測元件時，該選擇開關23係被閉合以連接該電荷放大器21的輸出33至該讀出線39。該讀出線39(其可以是用於該2D量測配置13的一列或是一行的一共同的讀出線)係在圖3B中被展示為連接至一多工器41。如同在圖3B中概要地指出的，從該量測配置13的其它列/行提供感測信號之額外的讀出線亦連接至該多工器41。
來自該感測的量測元件9b的感測信號Vs係藉由取樣及保持電路43來加以解調變。該取樣及保持電路43的輸出係連接至一類比至數位轉換器45，以用於對於每一個所選的感測的量測元件9b轉換藉由該取樣及 保持電路輸出的類比DC電壓信號成為該量測值的一數位表示。
現在已經介紹本發明的指紋感測系統的一實施例，根據本發明的方法的一實施例將會在以下參考在圖4中的流程圖、以及所指出的額外的圖示來加以描述。
透過根據本發明的方法的實施例，一手指的一指紋圖案的一表示係利用針對於複數個量測位置的每一個的量測值來加以決定。
如同在圖4中所指出的，一用於該量測位置編號n的計數器係最初被設定為n=0。在第一步驟400中，該計數器係被增量1。
對於第n個量測位置而言，一第一量測元件組態係在步驟401中加以提供。參照圖5A，該第一量測元件組態係包括一第一組的感測的量測元件，其係界定一細長的第一量測配置部分47、一第一組的防護的量測元件，其係界定一細長的第一防護的量測配置部分49、以及一第一組的週邊量測元件，其係界定一第一週邊量測配置部分51。如同在圖5A中概要地指出的，該第一防護的量測配置部分49係至少部份地圍繞該第一量測配置部分47，並且該第一週邊量測配置部分51係至少部份地圍繞該第一防護的量測配置部分49。
該第一量測配置部分47係包含量測位置n，其係在圖5A中藉由一'x'加以指出，並且具有一第一主要的延伸方向，其在此係被指出為沿著該量測配置13的行。儘管該第一量測配置部分47在此係被指出是藉由單一完整的行的感測的量測元件所形成的，但應注意到的是，該第一量測配置部分可以是較短的，且/或可以具有一不同的主要的延伸方向。
該第一防護的量測配置部分49係在圖5A中被指出為包括 緊鄰該第一量測配置部分47的行。然而，應注意到的是，該第一防護的量測配置部分49可以是超過一量測元件"寬的"。
該第一週邊量測配置部分51係在圖5A中被指出為構成該量測配置13的表面區域的其餘部分。此可以不一定是如此的，而是該第一週邊量測配置部分51可以佔用該量測配置13的表面區域的一較小的分數。
額外短暫地參照到圖3B，在該第一組的量測元件中的每一個量測元件的手指電極係呈現一第一時變的感測的手指電極電位。如同在以上相關圖3B進一步敘述的，此可以藉由控制該提供手指電極電位的電路25來加以達成，以提供一所要的時變的電位至該電荷放大器21的第二輸入31。
首先考量在圖3B中的量測元件9a-c的全部都包括在該第一組的感測的量測元件中，則該些量測元件9a-c的每一個的手指電極電位電路25係被控制以提供相同的第一時變的感測手指電極電位至該些量測元件9a-c的手指電極19。
回到圖5A，在該第一組的週邊量測元件中的每一個量測元件的手指電極係呈現一不同於該第一時變的感測手指電極電位的第一週邊手指電極電位。譬如，該第一週邊手指電極電位可以是相對於一系統接地電位實質固定的。在實施例中，在圖3B中的提供手指電極電位的電路25例如可被控制以提供一用於該指紋感測器的接地電位至該電荷放大器21的第二輸入31，此係導致該手指電極19呈現一在感測器接地、或是接近感測器接地的固定的電位。
最後，在該第一組的防護的量測元件中的每一個量測元件的 手指電極係呈現一不同於上述的第一週邊手指電極電位之第一防護的手指電極電位。為了改善的聚焦效果，該第一防護的手指電極電位亦可以是不同於該第一時變的感測的手指電極電位。再者，該第一量測元件組態可以在該第一防護的量測配置部分49以及該第一週邊量測配置部分51之間包括額外組的防護的量測元件。
如上針對於在該第一組的週邊量測元件中的週邊量測元件所述的，在被指定為防護的量測元件的量測元件中的提供手指電極電位的電路25例如可被控制以提供一實質固定的第一防護電位至該電荷放大器21的第二輸入31，此係導致在該第一組的防護的量測元件中的防護的量測元件的手指電極19呈現一不同於該時變的第一感測的手指電極電位以及該第一週邊手指電極電位的每一個之固定的防護的電位。
利用上述的第一量測元件組態，一針對於量測位置n的第一量測值係在步驟402中加以獲得。在實施例中，該第一量測值可以只利用單一感測的量測元件來加以獲得，如同在圖3B中概要地指出的，其係藉由在該組感測的量測元件中藉由該選擇開關23來只選擇一用於讀出的感測的量測元件9b。或者是，第一量測值可以藉由同時閉合用於在該第一組的感測的量測元件中的某些或全部的感測的量測元件的選擇開關23，而同時從數個感測的量測元件9a-c來加以獲得的。在後者的情形中，針對於每一個量測位置可以獲得數個第一量測值，此係透過信號整合來提供一改善的信號對雜訊比。
在下一個步驟403中，一第二量測元件組態係被提供。參照圖5B，該第二量測元件組態係包括一第二組的感測的量測元件，其係界定 一細長的第二量測配置部分53、一第二組的防護的量測元件，其係界定一細長的第二防護的量測配置部分55、以及一第二組的週邊量測元件，其係界定一第二週邊量測配置部分57。如同在圖5B中概要地指出的，該第二防護的量測配置部分55係至少部份地圍繞該第二量測配置部分53，並且該第二週邊量測配置部分57係至少部份地圍繞該第二防護的量測配置部分55。
像是上述的第一量測配置部分，該第二量測配置部分53係包含在圖5B中藉由一'x'指出的量測位置n，並且具有一第二主要的延伸方向，其係在此被指出為沿著該量測配置13的列。在以上有關於該第一量測配置組態的進一步說明及討論亦適用於該第二量測配置組態，因而為了簡潔的緣故而不會在此予以重複。
如上針對於該第一量測配置組態所述的，一針對於量測位置n的第二量測值係在步驟404中，利用該第二量測配置組態來加以獲得。
之後，在步驟405中，一針對於量測位置n之組合的量測值係根據利用該第一量測元件組態所獲得的第一量測值、以及利用該第二量測元件組態所獲得的第二量測值來加以決定。
在下一個步驟406中，其係判斷是否已經針對於每一個量測位置獲得第一及第二量測值，並且一組合的量測值是否已經被決定出。若並非如此的話，該方法係回到步驟400，其中該計數器係增量至下一個量測位置。在另一方面，若已經對於所有的量測位置獲得第一及第二量測值，並且組合的量測值已經被決定出，則該指紋圖案的一表示係在步驟407中，根據該些組合的量測值而被決定出。
應注意到的是，在圖4中的流程圖係描繪根據本發明的方法 的一可能的實施例。根據實施例，一完整的第一指紋表示可以針對於每一個量測位置，利用該第一量測元件組態來加以決定，並且一完整的第二指紋表示可以針對於每一個量測位置，利用該第二量測元件組態來加以決定。一完整的組合的指紋表示接著可以根據該第一及第二指紋表示來加以決定。
圖6A係展示一產生自利用上述的第一量測配置組態的一模擬的第一指紋影像59。除了所用的量測配置組態以外，所有其它的模擬參數係與那些用於產生在圖2B中的指紋影像12的模擬相同的。如同從在圖6A中的第一指紋影像59的研究明顯可見的，該第一指紋影像59的某些部分看起來是相當銳利的，而其它部分看起來是相當模糊的。尤其，具有主要垂直的指紋紋脊的部分大致看起來比具有主要水平的指紋紋脊的部分更為銳利的。
圖6B係展示一產生自利用上述的第二量測配置組態的一模擬的第二指紋影像61。除了所用的量測配置組態以外，所有其它的模擬參數係與那些用於產生在圖2B中的指紋影像12的模擬相同的。如同從在圖6B中的第二指紋影像61的研究明顯可見的，具有主要水平的指紋紋脊的部分大致看起來比具有主要垂直的指紋紋脊的部分更為銳利的。
為了達到該指紋圖案所要的改善的表示，根據本發明的實施例，藉由在圖6A中的第一指紋影像59所表示的第一量測值係和藉由在圖6B中的第二指紋影像61所表示的第二量測值加以組合。該些第一量測值以及該些第二量測值的組合來達到該改善的指紋圖案表示所根據的該些組合的量測值可以用各種方式來加以達到。
圖7A係展示藉由用最簡單的可能的方式，亦即藉由針對於每一個量測位置取得該第一及第二量測值的平均，來組合該些第一量測值(在圖6A中的第一指紋影像59)以及該些第二量測值(在圖6B中的第二指紋影像61)所達成的一組合的指紋影像63。
比較此簡單組合的指紋影像63與在圖2B中的指紋影像12(其係被重複為圖7B，以使得比較變得容易)，清楚可見的是即使該些第一及第二量測值的最簡單的組合也可以產生一更加非常銳利的模擬的指紋影像63。
對於具有此項技術的通常知識者將會明顯的是，甚至更佳的結果可以利用一種用於根據該些第一及第二量測值來決定該組合的量測值之更精細的設計來加以獲得的。譬如，該些第一及第二量測值分別可以根據該指紋圖案的主要的局部的方向而被指定權重。以此種方式，並且在此特定的例子中，該些第一量測值可被容許對於其中該指紋圖案的方向係處於或是接近上述的第一本質方向的部分是佔優勢的，並且該些第二量測值可被容許對於其中該指紋圖案的方向係處於或是接近上述的第二本質方向的部分是佔優勢的。
應注意到的是，一給定的第一(第二)量測值並不一定需要直接對應於從單一量測元件獲得的一感測信號，而是針對於一特定的量測位置的一第一(第二)量測值可以是根據從超過一量測元件所獲得的感測信號而定的。譬如，每一個量測值可以是一差動的量測值。
一用於差動量測的範例的第一量測元件組態係概要地在圖8A中展示，並且一用於差動量測的範例的第二量測元件組態係概要地在圖 8B中展示。
在圖8A中的第一量測元件組態係與以上參考圖5A所述的主要不同在於，該第一量測配置部分65是至少兩個量測元件寬的，並且至少兩個量測元件係被用來決定針對介於該兩個量測元件之間的量測位置(在圖8A中藉由'x'加以指出)的第一量測值。
在圖8B中的第二量測配置部分67也是至少兩個量測元件寬的。
熟習此項技術者係體認到本發明絕對不受限於上述的較佳實施例。相反地，在所附的申請專利範圍的範疇內，許多的修改及變化是可能的。
在申請專利範圍中，該字詞"包括"並不排除其它元件或步驟，並且該些不定冠詞"一"或是"一個"並不排除複數個。單一處理器或其它單元可以滿足在申請專利範圍中所闡述的數個項目的功能。事實上，某些手段係被闡述在相互不同的附屬項申請專利範圍中，但此並非指出這些手段的一組合無法被有利地來利用。一電腦程式可被儲存/散佈在一適當的媒體上，例如是和其它硬體一起加以提供、或是做為其它硬體的部分的一光學儲存媒體或一固態的媒體，但是亦可以用其它形式來加以散佈，例如經由網際網路或是其它有線或無線的電信系統。在申請專利範圍中的任何元件符號都不應該被解釋為限制範疇的。
400、401、402、403、404、405、406、407‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種利用指紋感測器來決定手指的指紋圖案的表示之方法，該感測器係包括一個包含複數個量測元件的二維的量測配置，該複數個量測元件係分別包括一和該手指藉由一介電結構間隔開的手指電極，該方法係包括以下的步驟，針對於在複數個量測位置中的每一個量測位置：提供一第一量測元件組態，其係包括：一第一組的感測的量測元件，其係界定一包含該量測位置的細長的第一量測配置部分並且具有一第一主要的延伸方向，在該第一組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第一時變的感測的手指電極電位；以及一第一組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第一量測配置部分的第一週邊量測配置部分，在該第一組的週邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一感測的手指電極電位的第一週邊手指電極電位；利用該第一量測元件組態以獲得針對於該量測位置的一第一量測值；提供一第二量測元件組態，其係包括：一第二組的感測的量測元件，其係界定一包含該量測位置的細長的第二量測配置部分並且具有一不同於該第一主要的延伸方向的第二主要的延伸方向，在該第二組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第二時變的感測的手指電極電位；以及一第二組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第二量 測配置部分的第二週邊量測配置部分，在該第二組的週邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二感測的手指電極電位的第二週邊手指電極電位；以及利用該第二量測元件組態以獲得針對於該量測位置的一第二量測值，其中該方法進一步包括以下的步驟：對於該些量測位置的每一個，根據針對於該些量測位置的每一個的該第一量測值以及該第二量測值來決定一組合的量測值；以及根據對於該些量測位置的每一個的該組合的量測值來決定該指紋圖案的該表示。
  2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中：該第一量測元件組態進一步包括：一第一組的防護的量測元件，其係界定一細長的第一防護的量測配置部分，該第一防護的量測配置部分係具有該第一主要的延伸方向並且是相鄰該第一感測量測配置部分，在該第一組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一週邊手指電極電位的第一防護的手指電極電位；以及該第二量測元件組態進一步包括：一第二組的防護的量測元件，其係界定一細長的第二防護的量測配置部分，該第二防護的量測配置部分係具有該第二主要的延伸方向並且是相鄰該第二感測量測配置部分，在該第二組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二週邊手指電極電位的第二防護的手指電極電位。
  3. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中：該第一量測元件組態進一步包括：一第三組防護的量測元件，其係界定一細長的第三防護的量測配置，該第三防護的量測配置係具有該第一主要的延伸方向並且是相鄰該第一組的防護的量測元件，在該第三組防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一防護的手指電極電位並且不同於該第一週邊手指電極電位的第三防護的手指電極電位；以及該第二量測元件組態進一步包括：一第四組的防護的量測元件，其係界定一細長的第四防護的量測配置，該第四防護的量測配置係具有該第二主要的延伸方向並且是相鄰該第二組的防護的量測元件，在該第四組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二防護的手指電極電位並且不同於該第二週邊手指電極電位的第四防護的手指電極電位。
  4. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中：該第一感測的手指電極電位係以在該第一感測的手指電極電位以及該第一週邊手指電極電位之間的一電位差係從在一第一時點的一第一電位差被改變成在一第二時點的一第二電位差的此種方式，相關於該第一週邊手指電極電位而為時變的；以及該第二感測的手指電極電位係以在該第二感測的手指電極電位以及該第二週邊手指電極電位之間的一電位差係從在一第三時點的一第三電位差被改變成在一第四時點的一第四電位差的此種方式，相關於該第二週邊手指電極電位而為時變的。
  5. 根據申請專利範圍第4項之方法，其中：在該複數個量測元件中的每一個量測元件係包括電荷放大器電路，其係可控制以提供一指出在該量測元件的該手指電極上的一電荷的感測信號。
  6. 根據申請專利範圍第5項之方法，其中：獲得該第一量測值的步驟係包括在該第一時點取樣由內含在該第一組的感測的量測元件中的一量測元件內的該電荷放大器電路所提供的一第一感測信號、以及在該第二時點取樣該第一感測信號；以及獲得該第二量測值的步驟係包括在該第三時點取樣由內含在該第二組的感測的量測元件中的一量測元件內的該電荷放大器電路所提供的一第二感測信號、以及在該第四時點取樣該第二感測信號。
  7. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該二維的量測配置是一具有該複數個以列與行配置的量測元件的量測元件陣列，其中該第一主要的延伸方向係平行於該行，並且該第二主要的延伸方向係平行於該列。
  8. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中：該第一量測值係根據從在該第一組的量測元件中被配置在該量測位置的單一量測元件所獲得的一信號而定的；以及該第二量測值係根據從在該第二組的量測元件中被配置在該量測位置的單一量測元件所獲得的一信號而定的。
  9. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中：該第一量測值係根據在來自於該第一組的量測元件中的相鄰的量測元 件的信號之間的一差值而定的；以及該第二量測值係根據在來自於該第二組的量測元件中的相鄰的量測元件的信號之間的一差值而定的。
  10. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中：該第一量測值係利用該第一量測元件組態，同時針對於內含在該第一量測配置部分中的複數個量測位置來加以獲得的；以及該第二量測值係利用該第二量測元件組態，同時針對於內含在該第二量測配置部分中的複數個量測位置來加以獲得的。
  11. 一種指紋感測系統，其係包括：一個包含複數個量測元件的二維的量測配置，在該複數個量測元件中的每一個量測元件係包括一手指電極；量測控制電路；以及影像處理電路，其中該量測配置係可藉由該量測控制電路組態的，而成為：一第一量測元件組態，其係包括：一第一組的感測的量測元件，其係界定一具有一第一主要的延伸方向的第一量測配置部分，在該第一組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第一感測的手指電極電位；以及一第一組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第一量測配置部分的第一週邊量測配置部分，在該第一組的週邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第一感測的手指電極電位的第一週邊手指電極電位；以及 一第二量測元件組態，其係包括：一第二組的感測的量測元件，其係界定一具有一第二主要的延伸方向的第二量測配置部分，在該第二組的感測的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一第二感測的手指電極電位；以及一第二組的週邊量測元件，其係界定一至少部份地圍繞該第二量測配置部分的第二週邊量測配置部分，在該第二組的週邊量測元件中的每一個量測元件的該手指電極係呈現一不同於該第二感測的手指電極電位的第二週邊手指電極電位，其中該量測控制電路係被配置以：控制該量測配置以利用該第一量測元件組態，來對於該些量測位置的每一個獲得一第一量測值；以及控制該量測配置以利用該第二量測元件組態，來對於該些量測位置的每一個獲得一第二量測值，其中該影像處理電路係被配置以：對於該些量測位置的每一個，根據針對於該些量測位置的每一個的該第一量測值以及該第二量測值來決定一組合的量測值；以及根據對於該些量測位置的每一個的該組合的量測值來決定該指紋圖案的一表示。
  12. 根據申請專利範圍第11項之指紋感測系統，其中：該第一量測元件組態進一步包括一第一組的防護的量測元件，其係界定一細長的第一防護的量測配置部分，該第一防護的量測配置部分係具有該第一主要的延伸方向並且是相鄰該第一感測量測配置部分； 該量測控制電路係被配置以控制該量測配置以提供一不同於該第一週邊手指電極電位的第一防護的手指電極電位至在該第一組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極；該第二量測元件組態進一步包括一第二組的防護的量測元件，其係界定一細長的第二防護的量測配置部分，該第二防護的量測配置部分係具有該第二主要的延伸方向並且是相鄰該第二感測量測配置部分；以及該量測控制電路係被配置以控制該量測配置以提供一不同於該第二週邊手指電極電位的第二防護的手指電極電位至在該第二組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極。
  13. 根據申請專利範圍第12項之指紋感測系統，其中：該第一量測元件組態進一步包括一第三組的防護的量測元件，其係界定一細長的第三防護的量測配置部分，該第三防護的量測配置部分係具有該第一主要的延伸方向並且是相鄰該第一防護的量測配置部分；該量測控制電路係被配置以控制該量測配置以提供一不同於該第一防護的手指電位以及該第一週邊手指電極電位的第三防護的手指電極電位至在該第三組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極；該第二量測元件組態進一步包括一第四組的防護的量測元件，其係界定一細長的第四防護的量測配置部分，該第四防護的量測配置部分係具有該第二主要的延伸方向並且是相鄰該第二防護的量測配置部分；以及該量測控制電路係被配置以控制該量測配置以提供一不同於該第二防護的手指電位以及該第二週邊手指電極電位的第四防護的手指電極電位至在該第四組的防護的量測元件中的每一個量測元件的該手指電極。
  14. 一種電子裝置，其係包括：根據申請專利範圍第11項之指紋感測系統；以及處理電路，其係被配置以：從該指紋感測系統獲得一使用者的一指紋圖案的一表示；根據該表示來認證該使用者；以及只有若該使用者係根據該表示而被認證，才執行至少一使用者所請求的程序。
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