TWI817508B - 電容感測模組、指紋識別裝置及資訊處理裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明主要揭示一種電容感測模組，用以和一感測信號讀取電路以及一微控制單元共同組成一指紋識別裝置，且包括：具有一厚度分布的一表面覆層、一電容感測層以及一第一反饋電容層。其中，該第一反饋電容層包含複數個第二金屬板，且複數個所述第二金屬板各自具有一第二面積，使得複數個所述第二面積沿著所述表面覆層呈現一面積分布。依據本發明之設計，該厚度分布與該面積分布分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線。依此設計，即使所述表面覆層具有一弧形表面，該感測信號讀取電路所讀出的各個感測點的感測數據也不會出現數據灰階強度不均勻之狀況。
Description
本發明為指紋識別之有關技術領域，尤指用以與一控制晶片一同組成一指紋識別裝置的一種電容感測模組，且有助於提升該指紋識別裝置的採集指紋圖像之質量。
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，傳統的電容式指紋識別裝置的寬度也被迫縮減，導致其電容感測模組的識別區域(Active area, AA)越來越小，最終發展為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，一窄寬度的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所示之窄寬度的電容式指紋識別裝置2a的側剖視圖。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、一感測信號讀取電路以及一微控制單元。如圖2所示，該電容感測模組20a包括一基板201a、設於該基板201a之上的一電容感測器陣列202a、以及一模塑層(或稱覆層Passivation)203a。更詳細地說明，為了增加手指和該電容感測模組20a之間的表面接觸面積，習知技術係特別設計該模塑層203a具有一弧形表面。依此設計，手指和該電容感測模組20a之間的表面接觸面積於是增大，提升了指紋採集的準確性。
圖3為圖2所示之電容感測器陣列202a的側剖視圖，且圖4為圖2所示之窄寬度的電容式指紋識別裝置2a的架構圖。如圖3與圖4所示，所述電容感測器陣列202a由具有弧形表面的一模塑層203a所覆蓋，且包括M×N個第一金屬板M1a。當一手指按壓在該模塑層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)。
進一步地，圖5為習知的一個電荷放大電路的電路拓樸圖。一般而言，該感測信號讀出電路包含複數個電荷放大電路。如圖5所示，所述電荷放大電路包括：一運算放大器12Pa、一反饋電容CFa、一第一開關SW1a以及一第二開關SW2a，且一個所述第一金屬板M1a視為一個感測點Spa從而耦接至該運算放大器12Pa的負輸入端。圖6為圖5所示之感測點Spa的第一側剖視圖。值得說明的是，現有技術通常將所述反饋電容CFa整合在該電容感測器陣列202a之中。如圖5與圖6所示，一個感測點Spa結構包括：一個第一金屬板M1a以及複數個第二金屬板M2a，其中該第一金屬板M1a和所述第二金屬板M2a係由介金屬層所隔開。依此設計，該第一金屬板M1a和所述第二金屬板M2a之間即形成一個電容(C2,C1,C0,Ctest)以作為該電荷放大電路的該反饋電容CFa。
再者，圖7為圖5所示之感測點Spa的第二側剖視圖。如圖7所示，在一些應用中，會設計使一個感測點Spa結構包括：一個第一金屬板M1a、複數個第二金屬板M2a以及複數個第三金屬板M3a。如此設計，則圖6所示的電容C2則為圖7所示的電容C2w與C2v之串聯，依此類推。透過這樣的結構設計係利於調整每個感測點Spa所帶有的反饋電容CFa的大小。
進一步地，圖8為模塑層203a的厚度分佈曲線圖，且圖9為第N行的M個感測點Spa的感測數據的分佈曲線圖。由前述說明可知，現有技術係設計令每個感測點Spa具有相同的結構(即，如圖6或圖7之結構)。然而，由於模塑層203a具有弧形表面，因而具有兩邊低且中間高的厚度分佈(如圖8所示)，導致下方的電容感測陣列23a在進行指紋感測之時會發生指紋信號強度不均勻之情事。如圖9所示，採用假手指測試時，發現讀出的感測數據的灰階強度出現中間低且兩邊高的現象。另一方面，採用真手指測試時，邊緣信號容易飽和，因此信號增益設置不能過大，而此時中心信號量卻不足，最終導致圖像質量變差。
由上述說明可知，本領域亟需一種新式的電容感測模組。
本發明之主要目的在於提供一種電容感測模組，用以和一感測信號讀取電路以及一微控制單元共同組成一指紋識別裝置，且包括：具有一厚度分布的一表面覆層、一電容感測層以及一第一反饋電容層。其中，該第一反饋電容層包含複數個第二金屬板，且複數個所述第二金屬板係各自具有一第二面積，使得複數個所述第二面積沿著所述表面覆層呈現一面積分布。並且，該厚度分布與該面積分布分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線。依此設計，即使所述表面覆層具有一弧形表面，該感測信號讀取電路所讀出的各個感測點的感測數據也不會出現數據灰階強度不均勻之狀況，有助於提升該指紋識別裝置的採集指紋圖像之質量。
為達成上述目的，本發明提出所述電容感測模組的一實施例，其包括一表面覆層、位於該表面覆層下方的一電容感測層、以及位於該電容感測層下方的一第一反饋電容層，其中該電容感測層包含M×N個第一金屬板，M和N皆為正整數，且該第一反饋電容層包含複數個第二金屬板，使得各個所述第一金屬板皆和至少一個所述第二金屬板上下重疊；其特徵在於：
所述表面覆層具有一厚度分布；以及
M×N個所述第一金屬板皆具有相同的一第一面積，且複數個所述第二金屬板係各自具有一第二面積，使得複數個所述第二面積沿著所述表面覆層呈現一面積分布；
其中，該厚度分布與該面積分布分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線。
在可行的實施例中，本發明所述電容感測模組更包括：位於該第一反饋電容層下方的一第二反饋電容層，其中，該第二反饋電容層包含複數個第三金屬板，使得各個所述第二金屬板皆和各個所述所述第三金屬板上下重疊。
在一實施例中，該第一曲線由數學式
所表示，其中x∈M，y為所述表面覆層在x的厚度，且a、b和c為三個擬合參數(fitting parameter)。
在一實施例中，所述電容感測模組與一感測信號讀取電路和一微控制單元共同組成一指紋識別裝置，其中該感測信號讀取電路具有複數個補償電容，且複數個所述補償電容係各自具有一電容值，使得複數個所述電容值沿著所述厚度分布而具有一電容值分布。
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、一感測信號讀取電路以及一微控制單元，該電容感測模組包括一表面覆層、位於該表面覆層下方的一電容感測層、以及位於該電容感測層下方的一第一反饋電容層；其中，該電容感測層包含M×N個第一金屬板，M和N皆為正整數，且該第一反饋電容層包含複數個第二金屬板，使得各個所述第一金屬板皆和至少一個所述第二金屬板上下重疊；其特徵在於：
所述表面覆層具有一厚度分布；以及
M×N個所述第一金屬板皆具有相同的一第一面積，且複數個所述第二金屬板係各自具有一第二面積，使得複數個所述第二面積沿著所述表面覆層呈現一面積分布；
其中，該厚度分布與該面積分布分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線。
在可行的實施例中，本發明所述之指紋識別裝置的該電容感測模組係更包括：位於該第一反饋電容層下方的一第二反饋電容層，其中，該第二反饋電容層包含複數個第三金屬板，使得各個所述第二金屬板皆和各個所述第三金屬板上下重疊。
在一實施例中，該第一曲線由數學式
所表示，其中x∈M，y為所述表面覆層在x的厚度，且a、b和c為三個擬合參數(fitting parameter)。
在一實施例中，該感測信號讀取電路具有複數個補償電容，且複數個所述補償電容係各自具有一電容值，使得複數個所述電容值沿著所述厚度分布而具有一電容值分布。
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10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11為本發明之一種指紋識別裝置的示意性立體圖。如圖10與圖11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。進一步地，圖12為圖11所示之電容感測模組20的示意性側剖視圖。如圖11與圖12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13為圖12所示之電容感測器陣列202的第一側剖視圖，且圖14為圖12所示之基板201、電容感測器陣列202及表面覆層203的上視圖。如圖13與圖14所示，在該電容感測器陣列202之中，M×N個第一金屬板M1構成位於該表面覆層203下方的一電容感測層，其中，M和N皆為正整數。更詳細地說明，複數個第二金屬板M2構成位於該電容感測層下方的一第一反饋電容層，且各個所述第一金屬板M1皆和至少一個所述第二金屬板M2上下重疊。如圖13所示，所述M×N個第一金屬板M1和所述複數個第二金屬板M2之間由一個介金屬層20ML所間隔。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)。
進一步地，圖15為圖13所示之第一反饋電容層與介金屬層20ML的上視圖。如圖13、圖14與圖15所示，在該電容感測模組20之中，M×N個所述第一金屬板M1皆具有相同的一第一面積，且複數個所述第二金屬板M2係各自具有一第二面積。值得加以說明的是，所述表面覆層203具有一厚度分布，且該複數個第二金屬板M2之複數個所述第二面積係沿著表面覆層203呈現一面積分布。
請見圖16與圖17，其中圖16為表面覆層203的厚度分佈曲線圖，而圖17為第j行的M個反饋電容CF的電容值的分佈曲線圖，j∈N。依據本發明之設計，該表面覆層203之厚度分布與該複數個第二金屬板M2之面積分布係可分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線。更詳細地說明，由於反饋電容CF為一平行板電容，因此，在該複數個第二金屬板M2的該複數個第二面積沿著表面覆層203(其所述厚度分布擬合第一曲線)呈現一面積分布(即，擬合第二曲線)的情況下，該複數個反饋電容CF的該複數個電容值也同樣具有擬合第二曲線的一電容值分佈。換句話說，圖16即顯示擬合第一曲線的該表面覆層203之厚度分布，而圖17則顯示擬合第二曲線(即，第一曲線的反曲線)的複數個所述反饋電容值的之分布曲線。舉例而言，該第一曲線可以由數學式
所表示，其中x∈M，y為所述表面覆層203在x的厚度，且a、b和c為三個擬合參數(fitting parameter)。
更詳細地說明，圖11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。在可能的實施例中，所述感測信號讀取電路和所述微控制單元整合成為如圖11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18即顯示一個電荷放大器單元與一個電容補償單元的電路拓樸圖。如圖18所示，所述電荷放大器單元包括：一運算放大器12OP、一積分電容CF、一第一開關S1、以及一第二開關S2。另一方面，所述電容補償單元包括：一第三開關S3、一第四開關S4、一第五開關S5、以及一補償電容CB。
依據圖13與圖18可知，在該電容感測器陣列202之中，一個感測點Sp結構包括：一個第一金屬板M1以及至少一個第二金屬板M2。依此設計，該第一金屬板M1和所述第二金屬板M2之間即形成一個電容(CF1,CF2,CF3,CFn)以作為該電荷放大器單元的該反饋電容CF。因此，在可行的實施例中，本發明設計複數個所述補償電容CB各自具有一電容值，且複數個所述電容值沿著所述厚度分布而具有一電容值分布。更詳細地說明，該運算放大器12OP的輸出電壓係由數學式
所表示。因此，如圖13與圖18所示，只要設計讓
，即使所述表面覆層203具有一弧形表面，感測信號讀取電路所讀出的各個感測點Sp的感測數據也不會出現數據灰階強度不均勻之狀況。
圖19為圖12所示之電容感測器陣列202的第二側剖視圖。比較圖13與圖19可知，在可行的實施例中，該電容感測模組20的該電容感測器陣列202更包括：位於該第一反饋電容層下方的一第二反饋電容層，其中，該第二反饋電容層包含複數個第三金屬板M3，使得各個所述第二金屬板M2皆和各個所述第三金屬板M3上下重疊。並且，所述第二金屬板M2和所述第三金屬板M3由另一介金屬層21ML所間隔。在此應用例，一個感測點Sp結構包括：一個第一金屬板M1、至少一個第二金屬板M2以及至少一個三金屬板M3。如此設計，則圖18所示的反饋電容CF為圖19所示的電容CFnw與CFnv之串聯，依此類推。透過這樣的結構設計係利於調整每個感測點Sp所帶有的反饋電容CF的大小。
如此，上述已完整且清楚地說明本發明之一種電容感測模組；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：
(1)本發明揭示一種電容感測模組，用以和一感測信號讀取電路以及一微控制單元共同組成一指紋識別裝置，且包括：具有一厚度分布的一表面覆層、一電容感測層以及一第一反饋電容層。其中，該第一反饋電容層包含複數個第二金屬板，且複數個所述第二金屬板係各自具有一第二面積，使得複數個所述第二面積沿著所述表面覆層呈現一面積分布。並且，該厚度分布與該面積分布分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線。依此設計，即使所述表面覆層具有一弧形表面，該感測信號讀取電路所讀出的各個感測點的感測數據也不會出現數據灰階強度不均勻之狀況。
(2)本發明同時提供一種指紋識別裝置，其包括一感測信號讀取電路、一微控制單元以及如前所述本發明之容感測模組。
(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:模塑層
M1a:第一金屬板
M2a:第二金屬板
M3a:第三金屬板
12Pa:運算放大器
CFa:反饋電容
SW1a:第一開關
SW2a:第二開關
Spa:感測點
1:智慧型手機
2:指紋識別裝置
20:電容感測模組
201:基板
202:電容感測器陣列
203:表面覆層
21:指紋識別電路
211:指紋識別晶片
M1:第一金屬板
M2:第二金屬板
M3:第三金屬板
20ML:介金屬層
21ML:介金屬層
12OP:運算放大器
CF:反饋電容
CB:補償電容
Cs1～Csn:感應電容
CF1～CFn:反饋電容
CF1w～CF1w:反饋電容
CF1v～CF1v:反饋電容
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
Sp:感測點
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所示之窄寬度的電容式指紋識別裝置的側剖視圖；
圖3為圖2所示之電容感測器陣列的側剖視圖；
圖4為圖2所示之窄寬度的電容式指紋識別裝置2a的架構圖；
圖5為習知的一個電荷放大電路的電路拓樸圖；
圖6為圖5所示之感測點的第一側剖視圖；
圖7為圖5所示之感測點的第二側剖視圖；
圖8為模塑層的厚度分佈曲線圖；
圖9為第N行的M個感測點的感測數據的分佈曲線圖。
圖10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11為本發明之一種指紋識別裝置的示意性立體圖；
圖12為圖11所示之電容感測模組的示意性側剖視圖；
圖13為圖12所示之電容感測器陣列的第一側剖視圖；
圖14為圖12所示之基板、電容感測器陣列及表面覆層的上視圖；
圖15為圖13所示之第一反饋電容層與介金屬層的上視圖；
圖16為為表面覆層的厚度分佈曲線圖；
圖17為第N行的M個反饋電容的電容值的分佈曲線圖；
圖18為一個電荷放大器單元與一個電容補償單元的電路拓樸圖；以及
圖19為圖12所示之電容感測器陣列的第二側剖視圖。
202:電容感測器陣列
203:表面覆層
M1:第一金屬板
M2:第二金屬板
M3:第三金屬板
20ML:介金屬層
Cs1~Csn:感應電容
CF1~CFn:反饋電容
Claims (8)
- 一種電容感測模組，其包括一表面覆層、位於該表面覆層下方的一電容感測層、以及位於該電容感測層下方的一第一反饋電容層，其中該電容感測層包含M×N個第一金屬板，M和N皆為正整數，且該第一反饋電容層包含複數個第二金屬板，使得各個所述第一金屬板皆和至少一個所述第二金屬板上下重疊；其特徵在於：所述表面覆層具有一厚度分布；以及M×N個所述第一金屬板皆具有相同的一第一面積，且複數個所述第二金屬板係各自具有一第二面積，使得複數個所述第二面積沿著所述表面覆層呈現一面積分布；其中，該厚度分布與該面積分布分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線；其中，所述電容感測模組更位於該第一反饋電容層下方的一第二反饋電容層，且該第二反饋電容層包含複數個第三金屬板，使得各個所述第二金屬板皆和各個所述第三金屬板上下重疊。
- 如請求項1所述之電容感測模組，其中，該第一曲線由數學式y=(x-a)2+bx+c所表示，其中xM，y為所述表面覆層在x的厚度，且a、b和c為三個擬合參數(fitting parameter)。
- 如請求項1所述之電容感測模組，其中，所述電容感測模組與一感測信號讀取電路和一微控制單元共同組成一指紋識別裝置，其中該感測信號讀取電路具有複數個補償電容，且複數個所 述補償電容係各自具有一電容值，使得複數個所述電容值沿著所述厚度分布而具有一電容值分布。
- 一種指紋識別裝置，其包括一電容感測模組、一感測信號讀取電路以及一微控制單元，該電容感測模組包括一表面覆層、位於該表面覆層下方的一電容感測層、以及位於該電容感測層下方的一第一反饋電容層；其中，該電容感測層包含M×N個第一金屬板，M和N皆為正整數，且該第一反饋電容層包含複數個第二金屬板，使得各個所述第一金屬板皆和至少一個所述第二金屬板上下重疊；其特徵在於：所述表面覆層具有一厚度分布；以及M×N個所述第一金屬板皆具有相同的一第一面積，且複數個所述第二金屬板係各自具有一第二面積，使得複數個所述第二面積沿著所述表面覆層呈現一面積分布；其中，該厚度分布與該面積分布分別擬合一第一曲線與一第二曲線，且該第二曲線為該第一曲線的反曲線；其中，所述電容感測模組更位於該第一反饋電容層下方的一第二反饋電容層，且該第二反饋電容層包含複數個第三金屬板，使得各個所述第二金屬板皆和各個所述第三金屬板上下重疊。
- 如請求項4所述之指紋識別裝置，其中，該第一曲線由數學式y=(x-a)2+bx+c所表示，其中xM，y為所述表面覆層在x的厚度，且a、b和c皆為擬合參數(fitting parameter)。
- 如請求項4所述之指紋識別裝置，其中，該感測信號讀取電路具有複數個補償電容，且複數個所述補償電容係各自具有 一電容值，使得複數個所述電容值沿著所述厚度分布而具有一電容值分布。
- 一種資訊處理裝置，其具有如請求項4至請求項6中任一項所述之指紋識別裝置。
- 如請求項7所述之資訊處理裝置，其中，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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW111118576A TWI817508B (zh) | 2022-05-18 | 2022-05-18 | 電容感測模組、指紋識別裝置及資訊處理裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW111118576A TWI817508B (zh) | 2022-05-18 | 2022-05-18 | 電容感測模組、指紋識別裝置及資訊處理裝置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| TWI817508B true TWI817508B (zh) | 2023-10-01 |
| TW202347168A TW202347168A (zh) | 2023-12-01 |
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ID=89857813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| TW111118576A TWI817508B (zh) | 2022-05-18 | 2022-05-18 | 電容感測模組、指紋識別裝置及資訊處理裝置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI817508B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201643770A (zh) * | 2015-06-10 | 2016-12-16 | 比亞迪股份有限公司 | 調整指紋檢測晶片激發電壓的方法和裝置 |
| TWM552134U (zh) * | 2017-06-20 | 2017-11-21 | Xin-Yan Xie | 降低寄生電容之指紋辨識感測器 |
| TWM577135U (zh) * | 2018-11-07 | 2019-04-21 | 洋華光電股份有限公司 | Capacitive touch sensor |
-
2022
- 2022-05-18 TW TW111118576A patent/TWI817508B/zh active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201643770A (zh) * | 2015-06-10 | 2016-12-16 | 比亞迪股份有限公司 | 調整指紋檢測晶片激發電壓的方法和裝置 |
| TWM552134U (zh) * | 2017-06-20 | 2017-11-21 | Xin-Yan Xie | 降低寄生電容之指紋辨識感測器 |
| TWM577135U (zh) * | 2018-11-07 | 2019-04-21 | 洋華光電股份有限公司 | Capacitive touch sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202347168A (zh) | 2023-12-01 |
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