CN105740756A - 指纹感测装置及其指纹感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指纹感测装置及其指纹感测方法。该指纹感测装置，包括一阻隔板在一电极板及一检测电路之间，用以降低该电极板与下方的导体之间的寄生电容，达到较大的信号动态范围，并防止检测电路的操作噪声干扰该电极板，而且该阻隔板与该电极板具有相同电位，因而能消除该阻隔板与该电极板之间的寄生电容效应。故本发明的指纹感测装置具有较佳的噪声抵抗能力。

Description

指纹感测装置及其指纹感测方法

技术领域

本发明是有关一种指纹感测装置及方法，特别是关于一种低寄生电容的指纹感测装置及其指纹感测方法。

背景技术

图1是已知的指纹感测装置10，其中保护层12供手指触碰及保护其下方的多个电极板16a、16b、16c，静电放电(Electro-StaticDischarge；ESD)层14用以提供静电放电保护，多个检测电路18a、18b、18c各自连接对应的电极板16a、16b、16c，用以检测电极板16a、16b、16c与手指(图中未示)间的电容值以得到感测电压。由于手指的指纹是由凹凸不平的纹路构成，因此指纹会有纹峰与纹谷。又指纹的纹峰与纹谷与电极板的距离不同，所以纹峰与纹谷所产生的感测电压也不同。指纹感测装置10根据感测电压的大小可以判断对应电极板16a、16b、16c的纹路为峰值或谷值。指纹感测装置10在取得所有电极板所对应的纹路后，即可得到手指的指纹图像。

然而，如图1所示，电极板16a、16b、16c与下方的导体之间存在寄生电容Cp1a、Cp1b、Cp1c。电极板下方的导体包括检测电路18a、18b、18c、地端以及其他的导体。寄生电容Cpla、Cp1b、Cp1c会影响电极板16a、16b、16c的感测，寄生电容Cpla、Cp1b、Cp1c越高，量测电极板16a、16b、16c所获得的感测电压的动态范围越小，越不易正确的辨识所检测到的纹路是纹峰还是纹谷。此外，检测电路18a、18b、18c的操作噪声也会经由寄生电容Cpla、Cp1b、Cp1c干扰电极板16a、16b、16c。

因此，一种低寄生电容的指纹感测装置，乃为所冀。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种低寄生电容的指纹感测装置及其指纹感测方法。

根据本发明，一种指纹感测装置包括一电极板、一回授电容、一元件层以及一阻隔板。该回授电容耦接该电极板，该回授电容与该电极板是各自独立的元件。该元件层位于该电极板下方，该元件层包含多个电路元件连接该回授电容以形成一检测电路供检测手指与该电极板之间的电容值，以判断该电极板上的指纹。该阻隔板在该电极板及该元件层之间。在激励模式时，该电极板及该阻隔板被施加一第一电压，在检测模式时，该电极板及该阻隔板被施加一第二电压。

根据本发明，一种指纹感测装置包括一电极板、一检测电路、一第一开关以及一阻隔板。该检测电路在检测模式时，检测该电极板与一手指之间的电容值，以判断该电极板上的指纹。该第一开关连接在该电极板及该检测电路之间。该阻隔板在该电极板及该检测电路之间。在激励模式期间，该第一开关为开路以断开该电极板与该检测电路之间的连接，该电极板及该阻隔板被施加一第一电压。在检测模式时，该第一开关为闭路以使该检测电路连接该电极板，该电极板及该阻隔板被施加一第二电压。

根据本发明，一种指纹感测方法包括：在激励模式时，断开一电极板及一检测电路之间的连接，并施加一第一电压至该电极板及一阻隔板；以及在检测模式时，连接该电极板及该检测电路并施加一第二电压至该电极板及该阻隔板，以使该检测电路检测手指与该电极板之间的电容值，以判断该电极板上的指纹为纹峰或纹谷。其中该阻隔板在该电极板及该检测电路之间。

本发明是利用在电极板下方设置阻隔板，来降低该电极板与下方其他导体之间的寄生电容，达到较大的信号动态范围，并防止检测电路的操作噪声干扰该电极板，而且在感测过程中，该阻隔板与该电极板具有相同电位，因而能消除该阻隔板与该电极板之间的寄生电容效应。

附图说明

图1是已知的指纹感测装置；

图2是本发明的指纹感测装置的第一实施例；

图3显示图2的指纹感测装置的结构；

图4显示图2的指纹感测装置在激励模式下的等效电路；

图5显示图2的指纹感测装置在检测模式下的等效电路；

图6显示图4及图5电路的时序图；以及

图7是本发明的指纹感测装置的第二实施例。

附图标号

10指纹感测装置

12保护层

14静电放电层

16a电极板

16b电极板

16c电极板

16d电极板

18a检测电路

18b检测电路

18c检测电路

18d检测电路

20a运算放大器

20b运算放大器

20c运算放大器

20d运算放大器

22指纹感测装置

24a阻隔板

24b阻隔板

24c阻隔板

24d阻隔板

28金属板

30金属板

32元件层

34手指

36切换开关

具体实施方式

图2是本发明的指纹感测装置22的一实施例，其与图1的指纹感测装置10同样包括保护层12、静电放电层14、电极板16a、16b、16c及检测电路18a、18b、18c。此外，指纹感测装置22还包括阻隔板24a、24b、24c以及开关SWse、SWsp，其中阻隔板24a在电极板16a与检测电路18a之间，阻隔板24b在电极板16b及检测电路18b之间，阻隔板24c在电极板16c及检测电路18c之间，开关SWse的一端连接阻隔板24a、24b、24c，开关SWse的另一端接收电压VR1，开关SWsp的一端连接阻隔板24a、24b、24c，开关SWsp的另一端接收电压VR2。在指纹感测装置22中，通过使用阻隔板24a、24b、24c，能够将电极板16a、16b、16c与下方其他导体(例如检测电路18a、18b、18c以及地端)之间的寄生电容由图1的Cpla、Cplb、Cplc减少到剩下Cp1aa、Cp1ba、Cp1ca，其中寄生电容Cplaa、Cplba、Cplca、Cplda远小于寄生电容Cpla、Cplb、Cplc。由于对应于电极板16a、16b、16c的寄生电容大大的降低，因而可达到较大的信号动态范围，获得较大的信号量。并且，阻隔板24a、24b、24c的设置，有助于改善检测电路18a、18b、18c的操作噪声干扰电极板16a、16b、16c。另外，通过控制开关SWse、SWsp的切换，可使阻隔板24a、24b、24c与电极板16a、16b、16c具有相同电位，因此在感测电极板16a、16b、16c的过程中，阻隔板24a、24b、24c与电极板16a、16b、16c之间的寄生电容Cp1ab、Cp1bb、Cp1cb的效应也可被消除。

图3显示图2的指纹感测装置22的结构的一实施例，在图3的实施例中，基于说明的方便，仅显示一组感测单元的结构。该感测单元包括电极板16a、检测电路18a、阻隔板24a以及连接在其间的开关SW1a、SW2a、SWse、SWsp。如图3所示，开关SW1a、SW2a、SW3a、SWse、SWsp及运算放大器20a等电路元件是设置在元件层32中，其中运算放大器20a及开关SW3a与回授电容Cfba组成检测电路18a。回授电容Cfba在阻隔板24a及元件层32之间，且位于阻隔板24a的正下方，回授电容Cfba是由金属板28及30组成，而且与电极板16a是各自独立的元件。阻隔板24a在电极板16a及元件层32之间，且位于电极板16a的正下方以减少电极板16a与下方其他导体(例如检测电路18a、地端)之间的寄生电容。元件层32至少包括一半导体基板(图中未示出)用于制作检测电路18a所需的元件。回授电容Cfba可以由其他方式来制作，例如由元件层32中的两层多晶硅(Polysilicon)来组成。

当手指34接触指纹感测装置22时，手指34与电极板16a之间将形成电容Csa，通过检测电容Csa可以判断对应电极板16a的指纹纹路为纹峰(peak)或纹谷(valley)。在激励模式时，开关SW1a、SW3a及SWsp为闭路(on)，开关SW2a及SWse为开路(off)，此时电极板16a及阻隔板24a皆被施加电压VR2，而回授电容Cfba处于短路状态，故回授电容Cfba上的电压被设定为0V。在检测模式时，开关SW1a、SW3a及SWsp为开路，开关SW2a及SWse为闭路以分别将电极板16a及阻隔板24a分别连接至运算放大器20a的反相输入端及电压VR1，由于运算放大器的虚接地特性，因此电极板16a也被施加电压VR1，此时检测电路18a检测电容Csa产生感测电压Voa，以供判断对应电极板16a的纹路为纹峰或纹谷。不论在激励模式或检测模式，电极板16a及阻隔板24a的电位皆相同，因此电极板16a与阻隔板24a之间的寄生电容Cp1ab的效应被消除。

图4及图5是图2的指纹感测装置22的等效电路，其中图4显示在激励模式下的操作，图5显示在检测模式下的操作。在图4及图5中，Csa、Csb、Csc、Csd是由手指与电极板16a、16b、16c、16d形成的电容，其中电极板16a、16b、16c、16d分别视为电容Csa、Csb、Csc、Csd右方的电极，手指则视为电容Csa、Csb、Csc、Csd左方的电极。开关SW1a的一端连接电极板16a及开关SW2a，开关SW1a的另一端接收电压VR2。开关SW2a连接在电极板16a及检测电路18a之间。Cp1aa为电极板16a与其下方导体之间的寄生电容。Cp1ab为电极板16a与阻隔板24a之间的寄生电容。检测电路18a包括一运算放大器20a、开关SW3a及回授电容Cfba，其中开关SW3a及回授电容Cfba是并联在运算放大器20a的反相输入端Ina及输出端Oa之间，运算放大器20a的非反相输入端Ipa接收电压VR1，电容Cp2a是运算放大器20a的反相输入端Ina上的寄生电容。开关SW1b的一端连接电极板16b及开关SW2b，开关SW1b的另一端接收电压VR2。开关SW2b连接在电极板16b及检测电路18b之间。Cp1ba为电极板16b与其下方导体之间的寄生电容。Cp1bb为电极板16b与阻隔板24b之间的寄生电容。检测电路18b包括一运算放大器20b、开关SW3b及回授电容Cfbb，其中开关SW3b及回授电容Cfbb是并联在运算放大器20b的反相输入端Inb及输出端Ob之间，运算放大器20b的非反相输入端Ipb接收电压VR1，电容Cp2b是运算放大器20b的反相输入端Inb上的寄生电容。开关SW1c的一端连接电极板16c及开关SW2c，开关SW1c的另一端接收电压VR2。开关SW2c连接在电极板16c及检测电路18c之间。Cp1ca为电极板16c与其下方导体之间的寄生电容。Cp1cb为电极板16c与阻隔板24c之间的寄生电容。检测电路18c包括一运算放大器20c、开关SW3c及回授电容Cfbc，其中开关SW3c及回授电容Cfbc是并联在运算放大器20c的反相输入端Inc及输出端Oc之间，运算放大器20c的非反相输入端Ipc接收电压VR1，电容Cp2c是运算放大器20c的反相输入端Inc上的寄生电容。开关SW1d的一端连接电极板16d及开关SW2d，开关SW1d的另一端接收电压VR2。开关SW2d连接在电极板16d及检测电路18d之间。Cp1da为电极板16d与其下方导体之间的寄生电容。Cp1db为电极板16d与阻隔板24d之间的寄生电容。检测电路18d包括一运算放大器20d、开关SW3d及回授电容Cfbd，其中开关SW3d及回授电容Cfbd是并联在运算放大器20d的反相输入端Ind及输出端Od之间，运算放大器20d的非反相输入端Ipd接收电压VR1，电容Cp2d是运算放大器20d的反相输入端Ind上的寄生电容。由于在电极板16a、16b、16c、16d与检测电路18a、18b、18c、18d之间有阻隔板24a、24b、24c、24d，因此图4及图5中在电极板16a、16b、16c、16d与下方其他导体之间的寄生电容由图1的Cpla、Cplb、Cplc降为Cplaa、Cplba、Cplca、Cplda。寄生电容Cplaa、Cplba、Cplca、Cplda远小于寄生电容Cpla、Cplb、Cplc。

图6显示图4及图5的电路在检测电极板16a时的时序图。如图4的电路及图6的时间t1～t2所示，指纹感测装置22在激励模式时，开关SW1a、SW3a、SW1b、SW3b、SW1c、SW3c、SW1d、SW3d、SWsp为闭路(on)，开关SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse为开路(off)。此时电压VR2对电容Csa、Csb、Csc及Csd充电，并且回授电容Cfba、Cfbb、Cfbc及Cfbd的电压为0V。由于运算放大器的虚接地特性，运算放大器20a、20b、20c、20d的反相输入端Ina、Inb、Inc、Ind的电压将等于VR1，又此时运算放大器20a、20b、20c、20d的输出端Oa、Ob、Oc、Od连接至其反相输入端Ina、Inb、Inc、Ind，故感测电压Voa、Vob、Voc、Vod将等于VR1。在激励模式中，寄生电容Cplab、Cplbb、Cplcb、Cpldb的两端的电位皆为VR2，故寄生电容Cplab、Cplbb、Cplcb、Cpldb的电压为0V。在激励模式结束时，如图6的时间t2所示，开关SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp变为开路，开关SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse保持在开路的状态，开关SW3b、SW3c、SW3d保持在闭路状态。

如图5的电路及图6的时间t3～t4所示，当指纹感测装置22进入检测模式且要检测对应电极板16a的指纹时，开关SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp保持在开路状态，开关SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse变为闭路，开关SW3b、SW3c、SW3d保持在闭路状态。此时感测电压Voa＝VR1-(VR2-VR1)×[(Csa/Cfba)+(Cp1aa/Cfba)]，指纹感测装置22可以根据感测电压Voa判断电容Csa的大小，进而判断对应电极板16a的纹路为纹峰或纹谷。在检测模式结束时，如图6的时间t4所示，开关SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp保持在开路状态，开关SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse变为开路，开关SW3b、SW3c、SW3d保持在闭路状态。在检测模式中，由于运算放大器的虚接地特性，因此寄生电容Cplab、Cplbb、Cplcb、Cpldb的两端的电位皆为VR1。从上述感测电压Voa的等式可知，电极板16a与阻隔板24a之间的寄生电容Cplab不影响感测电压Voa，而且电极板16a与下方其他导体只剩下极小寄生电容Cp1aa，因此相较于已知具有较大寄生电容Cpla的指纹感测装置10，本发明的指纹感测装置22具有较大的信号动态范围，可获得较大的输出信号量。并且能改善检测电路的操作噪声干扰电极板。另一方面，图式中的开关可以是设置在电极板与阻隔板的下方，本发明也可以改善这些开关的操作噪声干扰电极板。

在图6中，从激励模式到检测模式的过程中，开关SW1a、SW3a、SW1b、SW1c、SW1d、SWsp先打开之后，才闭合开关SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SWse。

图5是以量测电极板16a与手指之间电容Csa为例，熟习本项技术领域的人士当了解如何应用于量测其他电极板，在此不再赘述。

在图2的指纹感测装置22中，每一个电极板16a、16b、16c是对应一个检测电路18a、18b、18c，但在其他实施例中，也可以是多个电极板16a、16b、16c共用一个检测电路18a，如图7所示。在图7中，切换开关36是用以将检测电路18a连接至要检测的电极板18a、18b或18c。

在图2、图4、图5及图7的实施例中，是多个阻隔板24a、24b、24c、24d共用开关SWse、SWsp，但在其他实施例中，也可以是一个阻隔板对应一组开关SWse、SWsp。

以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例为解说本发明的原理以及让熟习该项技术者以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述。

Claims (8)

1.一种指纹感测装置，其特征在于，该指纹感测装置包括：

一电极板；

一回授电容，耦接该电极板，其中该回授电容与该电极板是各自独立的元件；

一元件层，位于该电极板下方，该元件层包含多个电路元件连接该回授电容以形成一检测电路供检测手指与该电极板之间的电容值，以判断该电极板上的指纹；以及

一阻隔板，在该电极板及该元件层之间；

其中，在激励模式时，该电极板及该阻隔板被施加一第一电压；在检测模式时，该电极板及该阻隔板被施加一第二电压。

2.如权利要求1所述的指纹感测装置，其特征在于，该多个电路元件包括：

一运算放大器，具有一反相输入端、一非反相输入端及一输出端，其中该非反相输入端接收该第二电压；以及

一第一开关，与该回授电容并联在该运算放大器的该反相输入端及该输出端之间，其中该第一开关在激励模式时为闭路，在检测模式时为开路。

3.如权利要求2所述的指纹感测装置，其特征在于，该元件层更包含：

一第二开关，具有两端，分别连接该运算放大器的该反相输入端及该电极板，其中该第二开关在激励模式时为开路，在检测模式时为闭路；

一第三开关，其一端连接该第二开关及该电极板，其另一端接收该第一电压，其中该第三开关在激励模式时为闭路，在检测模式时为开路；

一第四开关，其一端连接该阻隔板，其另一端接收该第一电压，其中该第四开关在激励模式时为闭路，在检测模式时为开路；以及

一第五开关，其一端连接该阻隔板，其另一端接收该第二电压，其中该第五开关在激励模式时为开路，在检测模式时为闭路。

4.一种指纹感测装置，其特征在于，该指纹感测装置包括：

一电极板；

一检测电路，在检测模式时，检测该电极板与一手指之间的电容值，以判断该电极板上的指纹；

一第一开关，连接在该电极板及该检测电路之间，其中在激励模式期间，该第一开关为开路以断开该电极板与该检测电路之间的连接，在检测模式时，该第一开关为闭路以使该检测电路连接该电极板；以及

一阻隔板，在该电极板及该检测电路之间；

其中，在该激励模式时，该电极板及该阻隔板被施加一第一电压；在检测模式时，该电极板及该阻隔板被施加一第二电压。

5.如权利要求4所述的指纹感测装置，其特征在于，该检测电路包括：

一运算放大器，具有一反相输入端、一非反相输入端及一输出端，其中该非反相输入端接收该第二电压；

一回授电容，连接在该反相输入端及该输出端之间；

一第二开关，与该回授电容并联，其中该第二开关在激励模式时为闭路，在检测模式时为开路。

6.如权利要求5所述的指纹感测装置，其特征在于，该指纹感测装置更包括：

一第三开关，其一端连接该第一开关及该电极板，其另一端接收该第一电压，其中该第三开关在激励模式时为闭路，在检测模式时为开路；

一第四开关，其一端连接该阻隔板，其另一端接收该第一电压，其中该第四开关在激励模式时为闭路，在检测模式时为开路；以及

一第五开关，其一端连接该阻隔板，其另一端接收该第二电压，其中该第五开关在激励模式时为开路，在检测模式时为闭路。

7.一种指纹感测方法，其特征在于，该指纹感测方法包括下列步骤：

在激励模式时，断开一电极板及一检测电路之间的连接，并施加一第一电压至该电极板及一阻隔板；以及

在检测模式时，连接该电极板及该检测电路并施加一第二电压至该电极板及该阻隔板，其中该检测电路检测手指与该电极板之间的电容值，以判断该电极板上的指纹为峰值或谷值；

其中，该阻隔板在该电极板及该检测电路之间。

8.如权利要求7所述的指纹感测方法，其特征在于，该指纹感测方法更包括：

在激励模式时，设定该检测电路中连接在运算放大器的反相输入端及输出端之间的回授电容的电压；以及

在检测模式时，连接该回授电容及该电极板，以使该回授电容上产生一感测电压供判断该电极板上的指纹，其中该感测电压跟该手指与该电极板之间的电容值相关。