TWM624312U - 電容式指紋感測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種電容式指紋感測裝置。感測畫素單元包括電容、重置電路以及感應電容，重置電路於重置期間提供重置電壓重置電容上的電壓，並於感測期間提供調整電流，調整於電容與重置電路的共同接點上產生的感測電壓。
Description
本新型創作是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種電容式指紋感測裝置。
現今指紋辨識廣泛運用於各種電子產品上，又以可攜式行動裝置例如是手機(Smart phone)、平板電腦(Tablet computer)最為常見。應用於智慧型手機的指紋辨識，目前常見的指紋識別裝置可分為光學式、電容式、超音波式等，其中以電容式指紋辨識裝置為其主流。
指紋感測器藉由偵測感測電極與手指之間的電容而獲得手指的指紋影像。舉例而言，指紋感測器可基於手指與指紋的脊(ridge)所位於的感測畫素中所包含的感測電極之間的電容、以及手指與指紋的谷(valley)所位於的感測畫素中所包含的感測電極之間的電容，而獲得手指的指紋影像。一般來說，要能夠識別指紋，所擷取的影像必需是高解析度，而擷取影像的解析度大小關聯於感測畫素的大小。
本新型創作提供一種電容式指紋感測裝置，可提供高解析度的指紋影像。
本新型創作的電容式指紋感測裝置，包括感測畫素單元以及緩衝放大器電路。感測畫素單元包括電容、重置電路以及感應電容。電容的第一端耦接偏壓電壓。重置電路耦接電容的第二端。感應電容反應手指的指紋感測操作而形成於電容與重置電路的共同接點與手指之間，重置電路於重置期間提供重置電壓重置電容上的電壓，並於感測期間提供調整電流，調整於電容與重置電路的共同接點上產生的感測電壓。緩衝放大器電路耦接感測畫素單元，放大感測電壓而產生輸出電壓給信號處理電路。
基于上述，本新型創作實施例的感測畫素單元包括電容、重置電路以及感應電容，重置電路於重置期間提供重置電壓重置電容上的電壓，並於感測期間提供調整電流，調整於電容與重置電路的共同接點上產生的感測電壓。如此可使電容式指紋感測裝置在提供高解析度的指紋影像的同時，提高指紋感測效率。
102:緩衝放大器電路
104:重置電路
P1:感測畫素單元
CB:電容
CF:感應電容
VB:偏壓電壓
F1:手指
IA:調整電流
I1~I3:電流源
Vout:輸出電壓
M1~M4:電晶體
TCON1、TCON2:控制信號
Vdd:電源電壓
VC1、VC2、VGL、VGL’、Vref:電壓
B1:緩衝器
A1、A2:反相器
S1、S2:時脈控制信號
圖1是依照本新型創作的實施例的一種電容式指紋感測裝置的示意圖。
圖2是依照本新型創作一實施例的電容式指紋感測裝置的操
作時序圖。
圖3是依照本新型創作的實施例的一種控制信號產生電路的示意圖。
圖4是依照本新型創作的實施例的一種重置電壓產生電路的示意圖。
圖5是依照本新型創作另一實施例的電容式指紋感測裝置的操作時序圖。
圖6是依照本新型創作另一的實施例的一種電容式指紋感測裝置的示意圖。
圖7是依照本新型創作另一實施例的電容式指紋感測裝置的操作時序圖。
為了使本新型創作之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本新型創作確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件，係代表相同或類似部件。
圖1是依照本新型創作的實施例的一種電容式指紋感測裝置的示意圖，請參照圖1。電容式指紋感測裝置可包括感測畫素單元P1以及緩衝放大器電路102，其中感測畫素單元P1包括電容CB、重置電路104以及感應電容CF，電容CB耦接於重置電路104與偏壓電壓VB之間，重置電路104與電容CB的共同接點耦
接緩衝放大器電路102的輸入端，感應電容CF反應手指F1的指紋感測操作而形成於電容CB與重置電路104的共同接點與手指F1之間。
重置電路104可於重置期間提供重置電壓VRST重置電容CB上的電壓，並於感測期間提供調整電流IA，以對電容CB與感應電容CF充電，而調整於電容CB與重置電路104的共同接點上產生的感測電壓VX。緩衝放大器電路102則可放大感測電壓VX而產生輸出電壓Vout給後級的信號處理電路進行指紋影像的信號處理。
如上所述，本實施例以簡單的電路結構來實施感測畫素單元P1，其中感測畫素單元P1的重置電路104於重置期間提供重置電壓VRST重置電容上的電壓，並於感測期間提供調整電流IA調整於電容CB與重置電路104的共同接點上產生的感測電壓VX，如此可有效減小感測畫素單元P1的電路面積，提供高解析度的指紋影像，並提高指紋感測效率。
進一步來說，在本實施例中，重置電路104可以電晶體M1來實施，然不以此為限，電晶體M1為P型電晶體。電晶體M1耦接於重置電壓VRST與電容CB之間，電晶體M1的導通狀態受控於控制信號TCON1。緩衝放大器電路102可包括電晶體M2以及電流源I1，電晶體M2耦接於電源電壓Vdd與緩衝放大器電路102的輸出端之間，電晶體M2的控制端耦接感測畫素單元P1的輸出端。電流源I1耦接於緩衝放大器電路102的輸出端與接地之
間。
如圖2所示，在重置期間，控制信號TCON1的電壓值為電壓VC2，而使電晶體M1處於導通狀態，此時重置電壓VRST可透過電晶體M1對電容CB進行電壓重置，而使電容CB上的感測電壓VX的電壓值等於重置電壓VRST。偏壓電壓VB在重置期間的電壓值為電壓VGL，其可例如為接地電壓，然不以此為限。在感測期間，控制信號TCON1的電壓值轉為具有較高電壓準位的電壓VC1(電壓VC1小於重置電壓VRST)，偏壓電壓VB則轉為具有較低電壓準位的電壓VGL’，如此可使電晶體M1提供調整電流IA對電容CB以及感應電容CF進行充電。重置電壓VRST、偏壓電壓VB與感測電壓VX間的關係可如下式所示。
進一步來說，假設對應指紋波峰的感應電容CF的電容值為CF1，對應指紋波谷的感應電容CF的電容值為CF1+△C，調整電流IA對電容CB以及感應電容CF進行充電的時間為△t，則對應指紋波峰的感測電壓VH與對應指紋波谷的感測電壓VL可分別如下所示。
在感測畫素單元P1的信號輸出期間，偏壓電壓VB可被拉高，以協助電晶體M2導通。感測電壓VH與感測電壓VL可經由由電晶體M2以及電流源I1構成的源極隨耦器被轉換為輸出電
壓Vout，而輸出給後級的信號處理電路進行指紋影像的信號處理。
詳細來說，控制信號TCON1可例如由圖3所示的控制信號產生電路產生，控制信號產生電路可包括P型電晶體M4、電流源I2、緩衝器B1以及反相器A1，P型電晶體M4耦接於參考電壓VR1與電流源I2之間，且P型電晶體M4的閘極與汲極相互耦接，電流源I2耦接於P型電晶體M4的汲極與接地之間。緩衝器B1的輸入端與輸出端分別耦接於P型電晶體M4的閘極與反相器A1的第一電源輸入端。反相器A1的第二電源輸入端耦接另一參考電壓(在本實施例中為電壓VC2)，反相器A1的輸出端耦接電晶體M1的閘極，反相器A1的輸入端則接收時脈控制信號S1。
其中，P型電晶體M4可反應電流源I2的電流大小而於其汲極產生電壓Vref，電壓Vref可透過P型電晶體M4的閘極以及緩衝器B1被輸出至反相器A1的第一電源輸入端。在本實施例中，電壓Vref可例如設計為等於圖1實施例的電壓VC1，然不以此為限。反相器A1可受控於時脈控制信號S1輸出控制信號TCON1，以在重置期間提供電壓值為電壓VC2的控制信號TCON1，並在感測期間提供電壓值為電壓VC1的控制信號TCON1。由於本實施例的控制信號產生電路的設計可使電流源I2的電流值等於感測期間電晶體M1(重置電路104)所提供的調整電流IA，而可以更直覺且方便的方式進行電流調整。
值得注意的是，在部分實施例中，也可透過改變重置電路104耦接的重置電壓VRST的方式，以使重置電路104在感測期間
提供調整電流IA。舉例來說，重置電壓VRST可例如由圖4所示的重置電壓產生電路提供，重置電壓產生電路可包括反相器A2，其第一電源端與第二電源端分別耦接參考電壓VR1與參考電壓VR2，反相器A2的輸出端耦接電晶體M1，以提供重置電壓VRST，反相器A1的輸入端則接收時脈控制信號S2，其中參考電壓VR1大於參考電壓VR2。反相器A2可受控於時脈控制信號S2輸出控制信號VRST，以在重置期間提供電壓值等於參考電壓VR2的重置電壓VRST，並在感測期間提供電壓值等於參考電壓VR1的重置電壓VRST。
如圖5所示，在重置期間，控制信號TCON1的電壓值為電壓VC2，而使電晶體M1處於導通狀態，此時重置電壓產生電路提供的重置電壓VRST(電壓值等於參考電壓VR2)可透過電晶體M1對電容CB進行電壓重置，而使電容CB上的感測電壓VX的電壓值等於參考電壓VR2。在感測期間，控制信號TCON1的電壓值轉為具有較高電壓準位的電壓VC1，重置電壓產生電路提供的重置電壓VRST(電壓值等於參考電壓VR1)與偏壓電壓VB間的電壓差可使電晶體M1提供調整電流IA對電容CB以及感應電容CF進行充電，而使感測電壓VX隨時間漸漸上升。與緩衝放大器電路102耦接的後級的信號處理電路可例如依據感測電壓VX上昇至預設電壓所需的時間來判斷感應電容CF的電容值，進而推知指紋影像內容，亦或是由感測電壓VX在感測期間結束後所具有的電壓值來判斷感應電容CF的電容值，從而推知指紋影像內容。
圖6是依照本新型創作另一實施例的一種電容式指紋感測裝置的示意圖，相較於圖1實施例。圖6實施例的重置電路104還可包括電晶體M3以及電流源I3，此外感測畫素單元P1還可更包括選擇電晶體M4，其中電流源I3以及電晶體M3串接於參考電壓VR1與電晶體M1以及電容CB的共同接點之間，選擇電晶體M4耦接於電晶體M1以及電容CB的共同接點與電晶體M2的閘極之間，其中參考電壓VR1大於重置電壓VRST。在本實施例中，電晶體M1以及M3的導通狀態分別受控於控制信號TCON1與TCON2，如圖7所示，在重置期間，控制信號TCON1處於低電壓準位，以導通電晶體M1，而使感測電壓VX的電壓值被重置為重置電壓VRST，控制信號TCON1則處於高電壓準位而使電晶體M3處於斷開狀態。在感測期間，控制信號TCON1處於為高電壓準位，而使電晶體M1處於斷開狀態，控制信號TCON2則處於低電壓準位，而使電晶體M3處於導通狀態，因此電流源I3可提供調整電流IA對電容CB以感應電容CF進行充電。在本實施例中，感測電壓VX的電壓值在感測期間被充電至電壓VX2。此外，選擇電晶體M4可受控於選擇信號而於感測畫素單元P1的信號輸出期間進入導通狀態，以將感測電壓VX輸出給緩衝放大器電路102，使放大器電路102依據感測電壓VX產生輸出電壓Vout給後級的信號處理電路進行指紋影像的信號處理。其中在信號輸出期間，偏壓電壓VB的電壓值可被拉高，以協助電晶體M2導通，而將感測電壓VX轉換為輸出電壓Vout。
綜上所述，本新型創作的實施例以簡單的電路結構來實施感測畫素單元，感測畫素單元可包括電容、重置電路以及感應電容，重置電路可於重置期間提供重置電壓重置電容上的電壓，並於感測期間提供調整電流，以調整於電容與重置電路的共同接點上產生的感測電壓。如此，可使電容式指紋感測裝置在提供高解析度的指紋影像的同時，提高指紋感測效率。
102:緩衝放大器電路
104:重置電路
P1:感測畫素單元
CB:電容
CF:感應電容
VB:偏壓電壓
F1:手指
IA:調整電流
I1:電流源
Vout:輸出電壓
M1、M2:電晶體
TCON1:控制信號
Vdd:電源電壓
Claims (10)
- 一種電容式指紋感測裝置，包括：一感測畫素單元，包括：一電容，其第一端耦接一偏壓電壓；一重置電路，耦接該電容的第二端；以及一感應電容，反應一手指的指紋感測操作而形成於該電容與該重置電路的共同接點與該手指之間，該重置電路於一重置期間提供一重置電壓重置該電容上的電壓，並於一感測期間提供一調整電流，調整於該電容與該重置電路的共同接點上產生的一感測電壓；以及一緩衝放大器電路，耦接該感測畫素單元，放大該感測電壓而產生一輸出電壓給信號處理電路。
- 如請求項1所述的電容式指紋感測裝置，其中該重置電路包括：一電晶體，耦接於該重置電壓與該電容的第二端之間，受控於一控制信號而於該重置期間提供該重置電壓，並於該感測期間提供該調整電流。
- 如請求項2所述的電容式指紋感測裝置，還包括：一控制信號產生電路，耦接該電晶體的控制端，產生該控制信號，該控制信號產生電路包括：一P型電晶體，其源極端耦接一第一參考電壓，該P型電晶體的汲極與閘極相互耦接； 一電流源，耦接於該P型電晶體的汲極與接地之間；一緩衝器，耦接該P型電晶體的閘極，依據該P型電晶體的閘極電壓輸出一第一電壓；以及一反相器，其第一電源輸入端耦接該緩衝器的輸出端，該反相器的第二電源輸入端耦接一第二電壓，該反相器受控於一時脈控制信號而於該重置期間輸出該第二電壓，並於該感測期間輸出該第一電壓，以控制該電晶體於該重置期間提供該重置電壓，並於該感測期間提供該調整電流。
- 如請求項3所述的電容式指紋感測裝置，其中該重置電壓大於該第一電壓。
- 如請求項2所述的電容式指紋感測裝置，其中該重置電壓於該感測期間具有一第一電壓值，且於該重置期間具有一第二電壓值，該第一電壓值大於該第二電壓值。
- 如請求項5所述的電容式指紋感測裝置，還包括：一重置電壓產生電路，耦接該電晶體，產生該重置電壓，該重置電壓產生電路包括：一反相器，其第一電源輸入端耦接一第一參考電壓，該反相器的第二電源輸入端耦接一第二參考電壓，該反相器受控於一時脈控制信號而於該感測期間輸出該第一參考電壓，並於該重置期間輸出該第二參考電壓，其中該第一參考電壓具有該第一電壓值，該第二參考電壓具有該第二電壓值。
- 如請求項1所述的電容式指紋感測裝置，其中該重置電路包括：一第一電晶體，耦接於該重置電壓與該電容的第二端之間，受控於一第一控制信號而於該重置期間提供該重置電壓，並於該感測期間處於斷開狀態；一電流源；以及一第二電晶體，與該電流源耦接於一參考電壓與該電容與該重置電路的共同接點之間，受控於一第二控制信號而於該感測期間提供該調整電流，該參考電壓大於該重置電壓。
- 如請求項1所述的電容式指紋感測裝置，其中該緩衝放大器電路包括：一電晶體，其第一端耦接一電源電壓，該電晶體的第二端耦接該緩衝放大器電路的輸出端，該電晶體的控制端耦接該感測畫素單元的輸出端；以及一電流源，耦接於該電晶體的第二端與接地之間。
- 如請求項2所述的電容式指紋感測裝置，其中該偏壓電壓於進入一信號輸出期間時，由一第一電壓轉為一第二電壓，以導通該電晶體。
- 如請求項1所述的電容式指紋感測裝置，還包括：一選擇電晶體，耦接於該電容與該重置電路的共同接點與該緩衝放大器電路之間，受控於一選擇信號而於一信號輸出期間進入導通狀態。
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