TWI757806B - 指紋感測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種指紋感測裝置。感測像素陣列包括多個感測像素，各感測像素感測包括指紋資訊的光信號，並依據光信號與操作電壓產生感測信號。控制電路依據感測信號調整操作電壓的電壓值，以使各感測像素產生的感測信號的電壓值落於預設範圍內。類比數位轉換電路將感測信號轉換為數位信號。

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。
薄膜電晶體(Thin Film Transistor，TFT)指紋傳感器可用以實現大面積的全屏指紋辨識。然而，由於薄膜電晶體具有閾值電壓變化大以及高導通電阻等特性，加上晶粒間差異(die-to-die variation)、溫度和老化等因素，容易導致指紋感測信號出現電壓變化過大的問題。由於類比數位轉換器的輸入範圍有限，過大的電壓變化將大幅降低可用動態範圍，而迫使製造者需選用高解析的類比數位轉換器，而大幅提高指紋感測器的生產成本。
本發明提供一種指紋感測裝置，可調整輸出至類比數位轉換電路的感測信號的變化範圍，降低對類比數位轉換電路的動態範圍的需求，有效避免提高指紋感測裝置的生產成本。
本發明的指紋感測裝置包括感測像素陣列、控制電路以及多個類比數位轉換電路。感測像素陣列包括多個感測像素，各感測像素耦接操作電壓，各感測像素感測包括指紋資訊的光信號，並依據光信號與操作電壓產生感測信號。控制電路耦接感測像素陣列，依據感測信號調整操作電壓的電壓值，以使各感測像素產生的感測信號的電壓值落於預設範圍內。多個類比數位轉換電路分別透過對應的感測信號線耦接對應的多個感測像素，將感測信號轉換為數位信號。
基于上述，本發明實施例的控制電路可依據感測信號調整輸出至各感測像素的操作電壓的電壓值，以使各感測像素產生的感測信號的電壓值落於預設範圍內，如此可降低對類比數位轉換電路的動態範圍的需求，有效避免提高指紋感測裝置的生產成本。
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陣列A1、多個類比數位轉換電路102-1~102-N以及控制電路104，其中N為大於1的整數。控制電路104耦接感測像素陣列A1與類比數位轉換電路102-1~102-N，類比數位轉換電路102-1~102-N分別透過對應的感測信號線L1~LN耦接至感測像素陣列A1中第1行~第N行的感測像素P1。感測像素陣列A1包括多個感測像素P1，各感測像素P1耦接控制電路104所提供的操作電壓VOP。
各感測像素P1可感測包括指紋資訊的光信號，並依據光信號與操作電壓VOP產生感測信號，例如在本實施例中，感測像素陣列A1中第1行~第N行中被選擇的感測像素P1可分別輸出感測信號S1~SN至對應的類比數位轉換電路102-1~102-N。控制電路104可依據感測信號S1~SN調整操作電壓VOP的電壓值，以使感測像素P1產生的感測信號S1~SN的電壓值落於預設範圍內。類比數位轉換電路102-1~102-N則可分別將感測信號S1~SN轉換為數位信號，以供後級電路(例如處理器電路)進行後續的指紋辨識處理。
如此藉由控制電路104依據感測信號S1~SN調整操作電壓VOP的電壓值，而將感測信號S1~SN的電壓值落於預設範圍內，可降低因晶粒間差異(die-to-die variation)、溫度和或指紋感測裝置老化等因素所造成的全域性的感測信號電壓變化，進而降低對類比數位轉換電路102-1~102-N的動態範圍的需求，有效避免提高指紋感測裝置的生產成本。此外，由於指紋感測裝置可藉由調整感測信號S1~SN的電壓值來改善類比數位轉換電路的可用動態範圍，因此對於薄膜電晶體製程的品質要求也可被降低。
進一步來說，感測像素P1的電路結構可例如圖2所示，感測像素P1可包括光電轉換單元D1以及由傳輸電晶體M1、重置電晶體M2、放大電晶體M3與選擇電晶體M4構成的感測信號產生電路，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的第二端耦接電流源I1與對應的類比數位轉換電路，選擇電晶體M4的控制端則接收選擇控制信號RSEL。
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。當感測像素P1的所在列被選擇以輸出感測信號時，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TG而被導通(此時重置電晶體M2處於斷開狀態)，光電轉換單元D1轉換包括指紋資訊的光信號所得到電信號並將其傳送至放大電晶體M3的控制端。此電信號的電壓可反應光電轉換單元D1的曝光情形而下降，進而改變放大電晶體M3導通程度，而將指紋資訊(在本實施例中以感測信號S1為例)透過選擇電晶體M4輸出給類比數位轉換電路。在本實施例中，控制電路104可依據選擇電晶體M4輸出的感測信號S1調整操作電壓Vdd的大小，亦即將操作電壓Vdd做為圖1實施例的操作電壓VOP進行調整，以使感測信號S1的電壓值落於預設範圍內，進而避免壓縮類比數位轉換電路可用的動態範圍。值得注意的是，在部份實施例中，控制電路104也可透過控制重置控制信號RST、傳輸控制信號TG或選擇控制信號RSEL的電壓來調整感測信號S1的電壓值。也就是說，圖1實施例的操作電壓VOP可包括操作電壓Vdd、控制重置控制信號RST、傳輸控制信號TG以及選擇控制信號RSEL的電壓值至少其中之一，而不以操作電壓Vdd為限。
圖3是依照本發明另一實施例的指紋感測裝置的示意圖，請參照圖3。在本實施例中，指紋感測裝置的控制電路104可以電源管理電路302、比較器電路304以及多個開關SW1~SWN來實施，其中電源管理電路302耦接各個感測像素P1(在圖4中僅示意地耦接至第一列的感測像素P1)以及比較器電路304的輸出端，開關SW1~SWN分別耦接於比較器電路304的其中一輸入端與對應的感測信號線L1~LN之間，比較器電路304的另一輸入端耦接參考電壓VREF。電源管理電路302控制開關SW1~SWN的導通狀態，以選擇感測信號線L1~LN其中之一所提供的感測信號的電壓與參考電壓VREF進行比較。電源管理電路302可依據感測信號S1~SN的電壓與參考電壓VREF的比較結果來調整操作電壓VOP。例如當感測信號S1~SN的電壓皆高於參考電壓VREF時，電源管理電路302可依據比較器電路304輸出的比較結果調整操作電壓VOP的電壓值(例如逐漸降低操作電壓Vdd的電壓值)，直到感測信號S1~SN的電壓皆低於參考電壓VREF，而使感測信號的電壓值落於預設範圍內。
圖4是依照本發明另一實施例的指紋感測裝置的示意圖，請參照圖4。本實施例的指紋感測裝置與圖3實施例的指紋感測裝置的不同之處在於，本實施例的指紋感測裝置還包括濾波電容C1~CN，濾波電容C1~CN分別耦接於對應的感測信號線L1~LN與對應的類比數位轉換電路102-1~102-N之間。濾波電容C1~CN可濾除感測信號S1~SN中的直流成分，而使數位轉換電路102-1~102-N僅針對光電轉換單元D1曝光所造成的感測信號S1~SN的電壓變化結果進行類比數位轉換，如此可進一步優化類比數位轉換電路102-1~102-N可用的動態範圍。
圖5是依照本發明另一實施例的指紋感測裝置的示意圖，請參照圖5。本實施例的指紋感測裝置與圖4實施例的指紋感測裝置的不同之處在於，本實施例的指紋感測裝置還包括多個多工器502-1~502-125，多工器502-1~502-125可例如與感測像素陣列A1配置於薄膜電晶體面板TP上，然不以此為限。各個多工器502-1~502-125分別耦接對應的多條感測信號線以及對應的濾波電容，以分別自對應的多條感測信號線上多個感測信號中選擇其一輸出至接收對應的濾波電容。例如多工器502-1可自感測信號S1~S4中選擇其一輸出至濾波電容C1，多工器502-125可自感測信號S497~S500中選擇其一輸出至濾波電容C125(在本實施例中假設感測信號線的數量為500，然不以此為限)。類似地，電源管理電路302可依據多工器502-1~502-125提供的感測信號S1~SN的電壓與參考電壓VREF的比較結果來調整操作電壓VOP，濾波電容C1~C125可濾除感測信號S1~SN中的直流成分，而使數位轉換電路102-1~102-125僅針對光電轉換單元D1曝光所造成的感測信號S1~SN的電壓變化結果進行類比數位轉換，由於其詳細的實施細節與上述實施例類似，因此在此不再贅述。如此藉由多工器502-1~502-125來選擇輸出感測信號S1~SN，可有效地減少指紋感測裝置的電路連接節點以及電子元件數量，進而縮小電路面積。
綜上所述，本發明實施例的控制電路可依據感測信號調整輸出至各感測像素的操作電壓的電壓值，以使各感測像素產生的感測信號的電壓值落於預設範圍內，如此可降低對類比數位轉換電路的動態範圍的需求，有效避免提高指紋感測裝置的生產成本。在部份實施例中，指紋感測裝置還可包括耦接於感測信號線與類比數位轉換電路間的濾波電容，濾波電容可濾除感測信號中的直流成分，而進一步優化類比數位轉換電路可用的動態範圍。
102-1~102-N:類比數位轉換電路 104:控制電路 302:電源管理電路 304:比較器電路 502-1~502-125:多工器 A1:感測像素陣列 L1~LN:感測信號線 VOP:操作電壓 S1~SN:感測信號 P1:感測像素 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:傳輸控制信號 RST:重置控制信號 Vdd:操作電壓 I1:電流源 RSEL:選擇控制信號 SW1~SWN:開關 VREF:參考電壓 C1~CN:濾波電容 TP:薄膜電晶體面板
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是依照本發明的實施例的一種感測像素的示意圖。 圖3是依照本發明另一實施例的指紋感測裝置的示意圖。 圖4是依照本發明另一實施例的指紋感測裝置的示意圖。 圖5是依照本發明另一實施例的指紋感測裝置的示意圖。
102-1~102-N:類比數位轉換電路
104:控制電路
A1:感測像素陣列
L1~LN:感測信號線
VOP:操作電壓
S1~SN:感測信號
P1:感測像素

Claims (8)

  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，各所述感測像素耦接操作電壓，各所述感測像素感測包括指紋資訊的光信號，並依據所述光信號與所述操作電壓產生感測信號；控制電路，耦接所述感測像素陣列，依據所述感測信號調整所述操作電壓的電壓值，以使各所述感測像素產生的感測信號的電壓值落於預設範圍內；以及多個類比數位轉換電路，分別透過對應的感測信號線耦接對應的多個感測像素，將所述感測信號轉換為數位信號，所述預設範圍對應所述多個類比數位轉換電路的動態範圍。
  2. 如請求項1所述的指紋感測裝置，其中所述控制電路包括：比較器電路，其第一輸入端耦接多條所述感測信號線，所述比較器電路的第二輸入端耦接參考電壓，所述比較器電路比較所述感測信號與所述參考電壓的電壓值而產生比較信號；以及電源管理電路，耦接所述比較器電路的輸出端與所述感測像素陣列，依據所述比較信號調整所述操作電壓的電壓值。
  3. 如請求項2所述的指紋感測裝置，所述控制電路還包括：多個開關，耦接於對應的感測信號線與所述比較器電路的第一輸入端之間，各所述開關受控於所述電源管理電路而提供對應的感測信號線上的感測信號至所述比較器電路的第一輸入端。
  4. 如請求項1所述的指紋感測裝置，還包括：多個濾波電容，耦接於對應的感測信號線與對應的類比數位轉換電路之間，濾除所述感測信號中的直流成分。
  5. 如請求項2所述的指紋感測裝置，還包括：多個多工器，各所述多工器的輸入端耦接對應的多條感測信號線，各所述類比數位轉換電路耦接對應的多工器的輸出端，各所述多工器自與輸入端耦接的多條感測信號線上的多個感測信號選擇其一輸出給對應的類比數位轉換電路。
  6. 如請求項5所述的指紋感測裝置，還包括：多個開關，耦接於對應的多工器的輸出端與所述比較器電路的第一輸入端之間，各所述開關受控於所述控制電路而提供對應的多工器提供的感測信號至所述比較器電路的第一輸入端。
  7. 如請求項1所述的指紋感測裝置，其中各所述感測像素包括：光電轉換單元，感測包括指紋資訊的光信號而產生電信號；以及感測信號產生電路，耦接所述光電轉換單元與所述操作電壓，依據所述電信號將所述操作電壓轉換為相應的所述感測信號。
  8. 如請求項7所述的指紋感測裝置，其中各所述感測信號產生電路包括：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電信號； 重置電晶體，其第一端耦接所述操作電壓，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，反應所述電信號的電壓值而產生所述感測信號；以及選擇電晶體，耦接於所述放大電晶體的第二端與所述感測信號產生電路的輸出端之間，受控於選擇控制信號而輸出所述感測信號。
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