TWI803323B

TWI803323B - 感測信號讀出電路、指紋識別裝置及資訊處理裝置

Info

Publication number: TWI803323B
Application number: TW111118577A
Authority: TW
Inventors: 李偉江; 楊俊; 陳飛祥; 桑田
Original assignee: 大陸商北京集創北方科技股份有限公司
Priority date: 2022-05-18
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-05-21
Also published as: TW202347169A

Abstract

本發明主要揭示一種感測信號讀出電路，係受控一微控制單元從而自電容感測模組讀出感測電容值，且包括：M×N個電荷放大器單元以及M×N個電容補償單元，其中所述電容補償單元具有一補償電容。並且，所述感測信號讀出電路更包括：M×N個補償信號產生單元，用以產生M×N個補償信號以分別傳送至M×N個所述補償電容。依據本發明之設計，各所述補償信號皆具有一補償電壓，且每一列的N個所述補償電壓係具有一電壓值分布。依此設計，利用本發明之感測信號讀出電路自該電容感測模組讀出感測電容值並轉換成一灰階圖像之後，該灰階圖像的兩側不會出現所謂的黑邊，因而不需要再利用圖像處理軟體對該灰階圖像進行任何修復處理。

Description

感測信號讀出電路、指紋識別裝置及資訊處理裝置

本發明為指紋識別之有關技術領域，尤指一種感測信號讀出電路，受控於一微控制單元從而自一電容感測模組讀出感應電容信號。

已知，電容式指紋識別裝置已被廣泛地應用於各式電子產品之中。傳統上，電容式指紋識別裝置通常設置在一移動智能終端(如：智慧型手機)正面或背面。然而，隨著智慧型手機朝向全屏幕化發展，電容式指紋識別裝置和電源鍵共用位置，從而發展成側邊電容式指紋識別裝置。圖1即顯示習知的一種全屏幕智慧型手機的側視圖。如圖1所示，一電容式指紋識別裝置2a設置在該全屏幕智慧型手機1a的側邊。進一步地，圖2為圖1所示之側邊式的電容式指紋識別裝置2a的示意性立體圖。一般而言，該電容式指紋識別裝置2a包括一電容感測模組20a以及一指紋識別電路21a，其中該指紋識別電路21a包括一電路基板210a與一指紋識別晶片211a，且該指紋識別晶片211a內含一感測信號讀取電路及一微控制單元。

圖3為圖2所示之電容感測模組20a的側剖視圖。如圖2與圖3所示，該電容感測模組20a通常包括一基板201a、設於該基板201a之上的一電容感測器陣列202a、以及一表面覆層203a。進一步地，圖4為圖3所示之電容感測器陣列202a的側剖視圖。如圖4所示，所述電容感測器陣列202a由一表面覆層203a所覆蓋，且包括M×N個第一金屬板M1a。當一手指按壓在該表面覆層203a之上時，所述第一金屬板M1a和該手指之間會形成一感應電容(Cs1, Cs2,……,Csn)。因此，可將所述第一金屬板M1a定義為感測畫素。

圖5為圖2所示之電容感測模組20a的上視圖。請同時參閱圖5、圖2與圖1，隨著智慧型手機越來越輕，設置在手機側邊的電容式指紋識別裝置2a的寬度也被迫縮減，導致其電容感測模組20a的有效識別區域(Active area, AA)越來越小。目前，AA區域的寬度已經從3mm降低至1.5mm甚至更低。

更詳細地說明，圖6為習知的一個電荷放大器單元的電路拓樸圖。一般而言，整合在圖2所示的指紋識別晶片211a之中的感測信號讀出電路包含複數個電荷放大器單元。如圖6所示，所述電荷放大器單元212a包括：一運算放大器21OPa、一反饋電容CFa、一第一開關S1a、一第二開關S2a、以及一基準電容。值得注意的是，在有手指觸摸的情況下，電荷放大器單元212a自電容感測模組20a讀出的電容值為ΔC，在圖6的電路中以電容Csa表示。同時，圖6還繪出所謂的寄生電容Cpa，其中寄生電容Cpa代表一個第一金屬板M1a的對地寄生電容。

研究發現，受到邊緣效應的影響，越靠近電容感測模組20a邊緣的感測畫素(第一金屬板M1a)所附帶的寄生電容越大；反之，越靠近電容感測模組20a中心的感測畫素所附帶的寄生電容則越小。若電容感測模組20a包含M×N個感測畫素，則第j列的N個寄生電容的電容值大小可由下式(1)表示：

……

……

………(1)

同時，由於受邊緣效應影響，越靠近電容感測模組20a邊緣的感測畫素的感應電容Cs的信號量也同樣會比較大。如圖7所示，按第1行至第N行讀出感應電容Cs的信號量之後，可以發現感測數據的灰階強度出現中間低且兩邊高的現象。感測數據如圖8所示，越靠近邊沿，圖像越黑(信號量)，最終成為黑邊。因此，若利用此電容感測模組20a感測手指指紋，則讀出的圖像會因為邊沿區域的信號量過大而出現飽和，從而造成圖像失真。

目前的解決方案是將電容感測模組20a最外側的1~2行作為dummy感測畫素，以確保感測數據讀出且轉換成灰階指紋圖像之後不會出現黑邊(即，圖像失真)，之後再利用圖像處理軟體對採集到的灰階指紋圖像進行修復。然而，這樣的方式會使動態範圍和信噪比下降，並非理想的解決方案。

由上述說明可知，本領域亟需一種新式的感測信號讀出電路。

本發明之主要目的在於提供一種感測信號讀出電路，係受控一微控制單元從而自電容感測模組讀出感測電容值。在利用本發明之感測信號讀出電路自該電容感測模組讀出感測電容值並轉換成一灰階圖像之後，該灰階圖像的兩側不會出現所謂的黑邊，因而不需要再利用圖像處理軟體對該灰階圖像進行任何修復處理。

為達成上述目的，本發明提出所述感測信號讀出電路的一第一實施例，其係受控一微控制單元而自包含M×N個感測畫素的一電容感測模組讀出複數個感測電容值，且包括：M×N個電荷放大器單元以及分別與M×N個所述電荷放大器單元耦接的M×N個電容補償單元，其中所述電容補償單元具有一補償電容；其特徵在於，所述感測信號讀出電路更包括： M×N個補償信號產生單元，用以產生M×N個補償信號以分別傳送至M×N個所述補償電容；其中，每一列的N個所述補償信號皆具有具有一電壓值分布。

在一實施例中，所述補償信號產生單元為一數位類比轉換器或一非反相放大器。

在一實施例中，每一列的N個所述補償信號的高準位電壓係滿足以下數學不等式：

……

……

其中，Vc1為傳送至第1行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，Vc2為傳送至第2行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，Vcc為傳送至中間行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，Vcc+1為傳送至中間行的鄰行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，且VcN為傳送至最後一行M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓。

在一實施例中，每一列的N個所述補償電容的係具有一補償電容值分布。

為達成上述目的，本發明同時提出所述感測信號讀出電路的一第二實施例，其受控一微控制單元從而自包含M×N個感測畫素的一電容感測模組讀出複數個感測電容值，且包括：M×N個電荷放大器單元以及分別與M×N個所述電荷放大器單元耦接的M×N個電容補償單元，其中所述電容補償單元具有一補償電容；其特徵在於，所述感測信號讀出電路更包括： M×N個補償信號產生單元，用以產生M×N個補償信號以分別傳送至M×N個所述補償電容；其中，每一列的N個所述補償電容具有一補償電容值分布。

在一實施例中，每一列的N個所述補償電容係滿足以下數學不等式：

……

……

；其中，CB1為第1行的M個所述補償電容的電容值，CB2為第2行的M個所述補償電容的電容值，CBc為中間行的M個所述補償電容的電容值，CBc+1為傳送至中間行的鄰行的M個所述補償電容的電容值，且CBN最後一行的M個所述補償電容的電容值。

在一實施例中，各所述補償信號皆具有一補償電壓，且每一列的N個所述補償信號的高準位電壓係滿足以下數學不等式：

……

；其中，Vc1為傳送至第1行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，Vc2為傳送至第2行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，Vcc為傳送至中間行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，Vcc+1為傳送至中間行的鄰行的M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓，且VcN為傳送至最後一行M個所述補償電容的該補償信號之高準位電壓。

本發明同時提供一種指紋識別裝置，其包括一電容感測模組、一微控制單元以及如前所述本發明之感測信號讀取電路。

本發明同時提供一種資訊處理裝置，其具有如前所述本發明之指紋識別裝置。在一實施例中，該資訊處理裝置是選自於由智慧型手機、智慧型手錶、智慧手環、智慧型電視、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、門禁裝置、電子式門鎖、自動提款機、和指紋打卡機所組成群組之中的一種電子裝置。

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9為具有本發明之一種指紋識別裝置的一智慧型手機的側視圖。並且，圖10為本發明之一種指紋識別裝置的示意性立體圖。如圖9與圖10所示，本發明之指紋識別裝置2應用在一智慧型手機1之中，從而作為一側邊式的電容式指紋識別裝置，且包括：一電容感測模組20與一指紋識別電路21，其中該指紋識別電路21包括一電路基板210與一指紋識別晶片211，且該指紋識別晶片211內含一感測信號讀取電路及一微控制單元。進一步地，圖11為圖10所示之電容感測模組20的示意性側剖視圖。如圖10與圖11所示，該電容感測模組20包括：一基板201、設於該基板201之上的一電容感測器陣列202、以及覆於該電容感測器陣列202之上的一表面覆層(Passivation)203。

圖12為圖11所示之電容感測器陣列202的側剖視圖，且圖13為圖11所示之基板201與電容感測器陣列202的上視圖。如圖12與圖13所示，在該電容感測器陣列202之中，M×N個第一金屬板M1係作為M×N個感測畫素，其中，M和N皆為正整數。依此設計，當一手指按壓在該表面覆層203之上時，所述第一金屬板M1和該手指之間會形成一感應電容(Cs1, Cs2,……,Csn)。因此，M×N個第一金屬板M1即為該電容感測模組20所具有之M×N個感測畫素。

更詳細地說明，圖10所示之指紋識別電路21包括一感測信號讀取電路和一微控制單元。在可行的實施例中，所述感測信號讀取電路和所述微控制單元整合成為如圖10所示之指紋識別晶片211，其中，該感測信號讀取電路包括M×N個電荷放大器單元以及與該M×N個電荷放大器單元分別耦接的M×N個電容補償單元。圖14即顯示一個電荷放大器單元與一個電容補償單元的第一電路拓樸圖。如圖14所示，所述電荷放大器單元212包括：一運算放大器21OP、一反饋電容CF、一第一開關SW1、以及一第二開關SW2。另一方面，所述電容補償單元213包括：一補償電容CB、一第三開關SW3、以及一第四開關SW4。

如圖14與圖13所示，所述感測信號讀出電路更包括：M×N個補償信號產生單元214，係用以產生M×N個補償信號以分別傳送至M×N個所述補償電容CB。依據本發明之設計，各所述補償信號皆具有一補償電壓Vc，且每一列的N個所述補償電壓Vc係具有一電壓值分布。

同時，圖14還繪出所謂的寄生電容Cp，其中所述寄生電容Cp代表一個第一金屬板M1的對地寄生電容。實務經驗發現，越靠近電容感測模組20邊緣的感測畫素(第一金屬板M1)所附帶的寄生電容越大；反之，越靠近電容感測模組20中心的感測畫素所附帶的寄生電容則越小。同時，受到邊緣效應的影響，越靠近電容感測模組20邊緣的感測畫素的感應電容Cs的信號量也同樣會比較大。如圖7所示，按第1行至第N行讀出感應電容Cs的信號量之後，可以發現感測數據的灰階強度出現中間低且兩邊高的現象，最終會在採集的灰階圖像的兩側形成黑邊。

依據圖14的電路圖可以推算出，△Vc＝△V _STIM((Cf＋CB)∕CB)＋△V _STIM(Cp∕CB)。其中，△V _STIM為激勵電壓的變化量、Cf為反饋電容的電容值、CB為補償電容的電容值、Cp為寄生電容的電容值，且△Vc為補償信號的高準位電壓的變化量。亦即，在固定反饋電容CF和補償電容CB的物理量的情況下，可以確定△Vc和寄生電容Cp之間的關係。因此，根據不同的寄生電容(Cp1,…Cpc,…CpN)選擇不同補償電壓(Vc1,…Vcc,…VcN)，便能夠實現黑邊補償(消除)。

故而，為了補償(消除)黑邊，本發明令所述補償信號產生單元214為一數位類比轉換器(DAC)或一非反相放大器，並控制每一列的N個所述補償信號產生單元214產生N個所述補償信號，其中所述N個補償信號的高準位電壓係滿足以下數學不等式(I)：

……

…………(I)

於數學不等式(I)之中，如圖13與圖14所示，Vc1為傳送至第1行的M個所述補償電容CB的該補償信號之高準位電壓，Vc2為傳送至第2行的M個所述補償電容CB的該補償信號之高準位電壓，Vcc為傳送至中間行的M個所述補償電容CB的該補償信號之高準位電壓，Vcc+1為傳送至中間行的鄰行的M個所述補償電容CB的該補償信號之高準位電壓，且VcN為傳送至最後一行M個所述補償電容CB的該補償信號之高準位電壓。從而，在滿足數學不等式(I)的情況下，每一列的N個所述補償信號之高準位電壓具有如圖15所示之電壓值分布。

依據圖8的採集灰階圖像可知，黑邊通常為第1～3行以及倒數第1～3行的感測畫素。因此，應用本發明時，可以只選擇對電容感測模組20的第1～3行以及倒數第1～3行的感測畫素進行黑邊補償，就可以消除圖8的採集灰階圖像所帶有的黑邊。另外，由於黑邊具對稱性，因此也可以對接近的補償電壓Vc進行合併，以降低晶片面積。

進一步地，圖16顯示一個電荷放大器單元與一個電容補償單元的第二電路拓樸圖。如圖16所示，在可行的實施例中，所述電容補償單元213還會更包含一第五開關SW5以及一偏置電壓VDDA。因此，可以依據圖16的電路圖推算出如下數學式：

其中，V _STIM為激勵電壓、Cs為感應電容的電容值、CF為反饋電容的電容值、CB為補償電容的電容值、Cp為寄生電容的電容值，V _DDA為偏置電壓，且Vc為補償信號的高準位電壓。亦即，在固定反饋電容CF、補償電容CB以及偏置電壓VDDA的物理量的情況下，可以確定補償信號的高準位電壓Vc和寄生電容Cp之間的關係。因此，根據不同的寄生電容(Cp1,…Cpc,…CpN)選擇不同補償電壓(Vc1,…Vcc,…VcN)，便能夠實現黑邊補償(消除)。故而，為了補償(消除)黑邊，本發明令所述補償信號產生單元214可以為一數位類比轉換器(DAC)或一非反相放大器，並控制每一列的N個所述補償信號產生單元214產生N個所述補償信號，且所述N個補償信號的高準位電壓係滿足如上所示數學不等式(I)。

由前述說明可知，無論感測信號讀出電路具有如圖14或圖16所示之電荷放大器單元212及電容補償單元213，本發明之技術方案都可以在感測信號讀出電路自一電容感測模組20讀出感測電容值的過程中提供補償。最終，利用本發明之感測信號讀出電路自該電容感測模組讀出感測電容值並轉換成一灰階圖像之後，該灰階圖像的兩側不會出現所謂的黑邊，因而不需要再利用圖像處理軟體對該灰階圖像進行任何修復處理。

進一步地，圖17顯示補償電容的補償電容值分布曲線圖。在可行的實施例中，無論感測信號讀出電路具有如圖14或圖16所示之電荷放大器單元212、電容補償單元213以及補償信號產生單元214，可以通過變更電容的上極板和下極板的面積之方式，使每一列的N個所述補償電容CB具有如圖17所示之補償電容值分布。如此設計，可以進一步提高對於兩側第1～3行的電容感測量的補償，確保外側補償多，而中間補償低。

如此，上述已完整且清楚地說明本發明之一種感測信號讀出電路；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：

(1)本發明揭示一種感測信號讀出電路，係受控一微控制單元從而自電容感測模組讀出感測電容值。在利用本發明之感測信號讀出電路自該電容感測模組讀出感測電容值並轉換成一灰階圖像之後，該灰階圖像的兩側不會出現所謂的黑邊，因而不需要再利用圖像處理軟體對該灰階圖像進行任何修復處理。

(2)本發明同時提供一種指紋識別裝置，其包括一電容感測模組、一微控制單元以及如前所述本發明之感測信號讀取電路。

(3)本發明同時提供一種資訊處理裝置，其具有如前所述本發明之指紋識別裝置。並且，該資訊處理裝置是選自於由智慧型手機、智慧型手錶、智慧手環、智慧型電視、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、門禁裝置、電子式門鎖、自動提款機、和指紋打卡機所組成群組之中的一種電子裝置。

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。

1a:全屏幕智慧型手機

2a:電容式指紋識別裝置

20a:電容感測模組

201a:基板

202a:電容感測模組

203a:表面覆層

21a:指紋識別電路

210a:電路基板

211a:指紋識別晶片

212a:電荷放大器單元

21OPa:運算放大器

M1a:第一金屬板

CFa:反饋電容

Cpa:寄生電容

Csa:感應電容

SW1a:第一開關

SW2a:第二開關

1:全屏幕智慧型手機

2:指紋識別裝置

20:電容感測模組

201:基板

202:電容感測模組

203:表面覆層

21:指紋識別電路

210:電路基板

211:指紋識別晶片

212:電荷放大器單元

21OP:運算放大器

213:電容補償單元

214:補償信號產生單元

M1:第一金屬板

CF:反饋電容

CB:補償電容

Cp:寄生電容

Cs:感應電容

Cs1～Csn:感應電容

SW1:第一開關

SW2:第二開關

SW3:第三開關

SW4:第四開關

SW5:第五開關

圖1為顯示習知的一種全屏幕智慧型手機的側視圖；圖2為圖1所示之側邊式的電容式指紋識別裝置的示意性立體圖；圖3為圖2所示之電容感測模組的側剖視圖。圖4為圖3所示之電容感測器陣列的側剖視圖；圖5為圖2所示之電容感測模組的上視圖；圖6為習知的一個電荷放大器單元的電路拓樸圖；圖7為依列自電容感測模組所讀出的感測數據的曲線圖；圖8為自電容感測模組所讀出的感測數據的灰階圖像；圖9為具有本發明之一種指紋識別裝置的一智慧型手機的側視圖；圖10為本發明之一種指紋識別裝置的示意性立體圖；圖11為圖10所示之電容感測模組的示意性側剖視圖；圖12為圖11所示之電容感測器陣列202的側剖視圖；圖13為圖11所示之基板與電容感測器陣列的上視圖；圖14為一個電荷放大器單元與一個電容補償單元的第一電路拓樸圖；圖15為補償電壓的電壓值分布曲線圖；圖16為電荷放大器單元與電容補償單元的第二電路拓樸圖；以及圖17為補償電壓的電壓值分布曲線圖。