CN106062775B - 具有包括时序电路的感测元件的电容式指纹传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，所述电容式指纹传感器包括多个感测元件，所述多个感测元件各自包括：将被所述手指所触摸的保护性介电顶层；被布置在所述顶层下面的导电的感测结构；连接至所述感测结构的电荷测量电路，用于在至少第一测量状态和第二测量状态之间依次转变以执行测量序列，所述测量序列导致从所述电荷测量电路产生输出信号，该输出信号指示由所述手指与所述感测结构之间的电位差的改变所导致的、所述感测结构所承载的电荷的改变；以及连接至所述电荷测量电路的时序电路，用于控制所述测量状态中的至少一个测量状态的时序。

Description

具有包括时序电路的感测元件的电容式指纹传感器
技术领域
本发明涉及一种电容式指纹感测装置以及一种感测指纹图案的方法。
背景技术
各种类型的生物识别***系越来越多被使用，以便于提供增大的安全性及/或增强的用户便利性。
特别地，由于其小的形状因数、高的性能以及用户接受度，指纹感测***例如已经被采用在消费者电子装置中。
在各种可利用的指纹感测原理(例如，电容式、光学式、热感式等等)中，电容式感测是最普遍使用的，特别是在其中尺寸及功率消耗是重要因素的应用中。
所有的电容式指纹传感器提供下述测量：该测量指示在数个感测结构与放置在指纹传感器的表面上或移动横跨该表面的手指之间的电容。
某些电容式指纹传感器被动地读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要在感测结构的每一个与手指之间的相当大的电容。因此，这种被动的电容式传感器通常被设置有覆盖感测结构的非常薄的保护层，这使得这种传感器对于刮痕及/或ESD(静电放电)是相当敏感的。
US 7 864 992公开了一种指纹感测***，其中通过下述方式将驱动信号注入到手指中：使被布置在传感器阵列附近的导电结构进行脉动(pulsing)，并且测量所产生的、传感器阵列中的感测结构所承载的电荷的改变。
这种类型的所谓的主动式指纹感测***一般使得能够在远比上述被动的***高的信噪比下进行电容与感测结构的测量。于是，这使得能够有相当厚的保护涂层，并且因此使得能够有更强健的电容式指纹传感器，其可以包括在遭受到相当大磨损的用品中，例如是行动电话。
然而，仍然有改善的空间。特别地，期望的是，通过甚至更厚的保护涂层来提供指纹感测及/或提供关于信噪比的进一步改善的性能。
发明内容
考虑到现有技术的上述以及其它的缺点，本发明的目的是实现一种改进的电容式指纹感测装置，特别是一种通过非常厚的保护涂层来提供改善的感测性能的电容式指纹感测装置。
根据本发明的第一方面，因此提出一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，所述电容式指纹传感器系包括多个感测元件，所述多个感测元件各自包括：将被所述手指所触摸的保护性介电顶层；被布置在所述顶层下面的导电的感测结构；连接至所述感测结构的电荷测量电路，用于在至少第一测量状态和第二测量状态之间依次转变以执行测量序列，所述测量序列导致从所述电荷测量电路产生输出信号，该输出信号指示由所述手指与所述感测结构之间的电位差的改变所导致的、所述感测结构所承载的电荷的改变；以及连接至所述电荷测量电路的时序电路，用于控制所述测量状态中的至少一个测量状态的时序。
感测结构可以有利的是用金属板的形式来进行设置，使得由感测结构(感测板)、局部的手指表面、以及保护涂层(以及任何可能局部存在于局部的手指表面与保护涂层之间的空气)来形成一种类型的平行板电容器。
保护涂层可以有利的是至少20μm厚的，并且具有高的介电强度以保护指纹感测装置的下面的结构免于磨损与撕裂以及ESD。甚至更有利的是，保护涂层可以是至少50μm厚的。在实施例中，保护涂层可以是数百微米厚的。
“电荷测量电路”是能够提供指示感测结构所承载的电荷的改变的输出信号的任何电路。输出信号可以是模拟或数字的。例如输出信号可以用与参考电位相关的电位的形式来提供。在各种的实施例中，电荷测量电路可以包括电荷放大器。
电荷测量电路可以是可控制的以执行预定的测量序列，该预定的测量序列包括以预定的序列在不同的测量状态之间转变。测量状态可以是由被提供至电荷测量电路的控制信号的特定组合所限定的。
应注意到的是，根据本发明的实施例的电容式指纹感测装置中的每一个感测元件或者群组的感测元件系包括时序电路，使得电荷测量电路的测量状态中的至少一个的时序控制是在每一个感测元件或者群组的感测元件中本地控制的。
换言之，至少一个测量状态的时点以及持续期间中的至少一者是在每一个感测元件或者群组的感测元件中本地控制的。因此可以说时序电路是作用为本地的状态机，其可以是非同步或同步的、或者其组合。
本发明是基于下述领悟：感测元件的越快的操作将会使得有来自每一个感测元件的多个读出，这于是将会提供改善的电容测量/感测性能，例如是在信噪比以及共模噪声的降低的方面。
本发明人已经进一步领悟到：可以通过在感测元件或者群组的感测元件中提供本地的时序而使得能够进行感测元件的期望的较快的操作、或者至少便利于该较快的操作。
通过至少提供测量状态之间的在时间上最关键的转变的本地的时序，测量时间可被缩短，且/或可以使得电容式指纹感测装置的设计变得容易。例如，将不需要小心地将某些时序控制信号路由至每一个感测元件，而是可以通过用于选择特定的感测元件或者群组的感测元件的外部信号来开始时序。
应注意到的是，电容式指纹感测装置可包括大量的感测元件，例如是至少100个感测元件的级数。某些电容式指纹感测装置可包括相当大数量的感测元件，例如是至少10000个感测元件。若读出频率从例如1MHz被增高到例如20MHz，则在不同的感测元件的导通时间上的差异可能会使得利用外部的中央时序控制来实现与测量相关的时序要求变成是困难的、或甚至实际上是不可能的。
于是，本发明的实施例提供较高的读出频率，其于是使得能够实现改善的测量性能，并且进一步使得能够进行多个输出信号的组合(其有时被称为某种滤波)，由此共模噪声可被降低，并且信噪比可被增大。
这于是使得通过例如电子装置(例如移动电话)的按钮或盖子的一部分的、较厚的涂层的测量。再者，可以降低指纹传感器的能量消耗及/或缩短获取指纹表示(图像)所需的时间。
根据实施例，每一个感测元件的时序电路可以进一步连接到至少一个另外的感测元件，以用于另外控制该至少一个另外的感测元件的状态。例如，时序电路可以控制相邻的感测元件，以提供适当的电压水平至其相应的感测结构。
根据本发明的各种实施例，时序电路可被配置为控制电荷测量电路来在由第一事件以及与第一事件相关的时间延迟所限定的转变时间从第一测量状态转变至第二测量状态。
第一事件可以是独立地由时序电路所提供的、或者第一事件可以是由在感测元件外部的电路所提供的。
根据各种实施例，时序电路可以有利地包括至少第一延迟元件，该第一延迟元件具有用于接收限定第一事件的第一信号的输入、以及用于提供第二信号的输出，其中第二信号限定与第一事件相关地被延迟的第二事件。
第一信号可以是时变的电压，并且第一事件例如可以是由第一信号的上升侧(rising flank)或者下降侧(falling flank)所限定的。
第一信号可以是在感测元件内部产生的，或者可以根据各种实施例而被提供为在感测元件之外产生的信号，其例如可以被称为激活信号。
第二信号可以被视为第一信号的延迟的版本，但应了解的是，除了延迟以外的其它转换也可能已经施加在第一信号上以形成第二信号。例如，第一信号可能已经另外被放大、及/或衰减、及/或反相、等等，以形成第二信号。
第一延迟元件可以有利地包括半导体电路，例如一或多个逻辑门。
由第二信号所限定的第二事件可以有利地包括上述从第一测量状态至第二测量状态的转变。
根据各种实施例，第一延迟元件的输出可以耦接至电荷测量电路，以用于使得第二信号能够控制所述电荷测量电路的操作。
第一延迟元件的输出可以直接连接至电荷测量电路，或者在第一延迟元件与电荷测量电路之间可以有另外的电路。例如，上述的第二信号以及另外的信号可以被输入到逻辑门，并且逻辑门的输出可被用来控制电荷测量电路的操作。
再者，时序电路可以另外包括第二延迟元件，该第二延迟元件具有耦接至第一延迟元件的输出的输入、以及用于提供第三信号的输出，该第三信号限定与第二事件相关地被延迟的第三事件。
该第三事件可以包括控制电荷测量电路来从上述的第二测量状态转变至第三测量状态。
为了该目的，第二延迟元件的输出可以耦接至电荷测量电路，以用于使得第三信号能够控制电荷测量电路的操作。
再者，根据各种实施例，时序电路可以进一步包括耦接在第一延迟元件的输出与第二延迟元件的输入之间的至少一个逻辑门。由此，可以使得通过第二延迟元件而被延迟的信号成为上述的第二信号以及另外的控制信号的逻辑函数，该另外的控制信号可以是在感测元件内部产生的、或者从在感测元件外部的电路提供的。这些实施例因此将会使得能够进行上述的第二事件的条件式的控制。
根据电荷测量电路的布置，上述的测量序列可包括不同数量的测量状态。时序电路可以通过布置成菊花链布置的多个延迟元件的设置而有利地适于测量状态的数量，其中，在菊花链布置中，一个延迟元件的输出系耦接至序列中的下一个延迟元件的输入。延迟元件的数量可以适于测量状态的数量，但是并不需要直接对应于测量序列中的测量状态的数量。
作为利用一个或数个延迟元件的替代方案或者补充方案，时序电路可包括与一个或数个逻辑门结合的一个或数个前馈及/或反馈回路。这可以使得形成物理上较小的时序电路，其可以便利于指纹感测装置的设计，且/或使得能够实现较小的感测元件。
在实施例中，延迟元件的序列可以是闭环序列，其可以受到或可以不受到外部信号的控制。在实施例中，可能有利的是，在输出指示手指与感测结构之间的电容性耦合的信号之前或者同时，使得感测元件能够自主地"执行经过"数个测量周期。
在各种的实施例中，可能有利的是，将电容式指纹感测装置配置为使得第一感测元件或者群组的感测元件能够开始第二感测元件或者群组的感测元件的测量序列。例如，指纹感测装置的列或行中的每一个感测元件或者群组的感测元件可以依次彼此触发，以执行测量序列。这将会使得例如整个行或列的快速的扫描，而这可以导致从该整个行或列产生快速的平均信号。这种平均信号例如可以有用于噪声消除、等等。
根据各种实施例，上述的测量序列可以至少包括重置状态，其中电荷测量电路的输出处的电位以感测结构的电位为基准而被设置。
电荷测量电路可包括电荷放大器，其包括：连接至感测结构的负输入；正输入；输出；连接在负输入与输出之间的反馈电容器；以及在正输入及负输入与输出之间的至少一个放大器级，其中电荷放大器被布置为使得负输入处的电位基本跟随正输入处的电位。
在这些实施例中，电荷测量电路可以进一步包括重置电路，其可控制以导电地连接负输入和输出以便对反馈电容器进行放电。
重置电路可以耦接至包括在感测元件中的时序电路，并且时序电路可以控制重置电路以对反馈电容器放电，以由此将电荷测量电路转变至上述的重置状态。
接着，时序电路可以控制重置电路以从输出断开负输入，由此使得反馈电容器能够保持电荷。该事件将会使得电荷测量电路从重置状态转变至测量备妥状态，其中由感测结构所承载的电荷可以利用电荷放大器来测量。
根据实施例，指纹感测装置可以进一步包括激励信号提供电路，用于提供与手指的电位相关的激励信号，该激励信号呈现时变的激励电位，该时变的激励电位包括从第一电位至一第二电位以及回到第一电位的往复改变；感测元件的每一个可以进一步包括连接至电荷测量电路的解调电路，用于对来自电荷测量电路的输出信号以及在时序上与激励信号相关的解调信号进行组合以提供组合信号，该组合信号包括指示由感测结构所承载的电荷的改变的直流(DC)信号成分；并且指纹感测装置可以进一步包括连接至感测元件的每一个的读出电路，用于根据来自感测元件的每一个的DC信号成分来提供指纹图案的表示。
因此，时变的电位应被理解为表示下述电位：该电位具有关于参考电位而随着时间改变的大小。时变的激励电位例如可以被提供为脉冲串，其具有脉冲重复频率、或者脉冲重复频率的组合。在这种脉冲串中的脉冲例如可以是方波脉冲。或者，时变的激励电位可被提供为正弦波、或者正弦波的组合。
本发明人已经领悟到，可以通过以感测信号的期望信息内容(即，上述的感测结构所承载的电荷的改变)由DC信号或接近DC信号(关于指纹感测***的参考电位的恒定电压)来指示的方式、在感测元件或者群组的感测元件中本地至少部份地解调感测信号来实现感测元件的、期望的较快的操作，而在功率消耗上并无对应的增加。
通过从每一个感测元件输出作为DC信号成分的、感测结构所承载的电荷的改变，将不需要上下移动读出线以在电位上对抗读出线的寄生电容，这提供每一读出事件的大为降低的能量消耗。
根据各种实施例，电容式指纹感测装置可以进一步包括激励信号提供电路，其连接至正输入并且被配置为将正输入处的电位从第一电位改变至第二电位，以由此改变感测结构的电位，由此提供手指与感测结构之间的电位差的改变。
激励信号提供电路可以是切换电路，其被配置为在被设置于不同线上的两个或多个不同的电位之间切换。替代或者组合地，激励信号提供电路可包括至少一个信号源，其被配置为提供例如是方波电压信号或者正弦波电压信号的时变电位。
根据实施例，每一个感测元件可包括用于该特定的感测元件的激励信号提供电路。
再者，对于每一个感测元件而言，时序电路可以连接至激励信号提供电路，以用于提供第一激励控制信号至激励信号提供电路，以用于在第一激励转变时间在电位上触发从第一电位至第二电位的改变；并且提供第二激励控制信号至激励信号提供电路，以用于在第二激励转变时间在电位上触发从第二电位回到第一电位的改变。
根据各种实施例，电荷测量电路可包括采样电路，其用于在手指与感测结构之间的电位差的改变之前的第一采样时间，对指示感测结构所承载的电荷的信号进行采样；以及在手指与感测结构之间的电位差的改变之后的第二采样时间，对指示感测结构所承载的电荷的信号进行采样。
采样电路可包括第一及第二采样电容器、以及切换电路，其可控制以在第一采样时间将上述指示感测结构所承载的电荷的信号提供至第一采样电容器，并且在第二采样时间将该信号提供至第二采样电容器。
在第一及第二采样时间对感测信号采样的处理一般被称为相关双重采样，并且该处理移除了指纹感测装置可能遭受到的偏移以及共模噪声的至少低频的成分的大部分。
时序电路可以有利地连接至采样电路，以用于提供第一采样控制信号至所述采样电路以用于在第一采样时间执行第一信号的采样；并且第二采样控制信号至采样电路以用于在第二采样时间提供执行第二信号的采样。
在各种的实施例中，根据本发明的电容式指纹感测装置可以有利地进一步包括读出电路，其连接至感测元件的每一个并且被配置为根据来自感测元件的每一个的输出信号而提供指纹图案的表示。
指纹图案的表示可以由读出电路提供至电容式指纹感测装置外部的其它电路。
根据本发明的各种实施例的电容式指纹感测装置可以有利地包括在电子装置中，其进一步包括处理电路，该处理电路系被配置为：从指纹感测装置获取指纹图案的所述表示；根据所述表示来对用户认证；以及只有在用户根据所述表示而被认证的情况下，才执行至少一个用户请求的处理。电子装置例如可以是例如移动电话或平板电脑的手持式通信装置、电脑、或者例如手表或类似者的电子式可穿戴的用品。
根据本发明的第二方面，提供了一种利用电容式指纹传感器来感测手指的指纹图案的方法，电容式指纹传感器包括多个感测元件，所述多个感测元件系各自包括：将被手指所触摸的保护性介电顶层；被布置在顶层下面的导电的感测结构；以及连接至感测结构的电荷测量电路，用于在至少第一测量状态和第二测量状态之间依次转变以执行测量序列，该测量序列导致从电荷测量电路产生输出信号，该输出信号指示由手指与感测结构之间的电位差的改变所导致的、感测结构所承载的电荷的改变，其中，该方法包括对于感测元件中的每一个件执行以下步骤：提供限定第一事件的第一信号；延迟第一信号以用于提供第二信号，该第二信号限定与第一事件相关地在时间上被延迟的第二事件；以及利用第二信号作为控制信号来控制电荷测量电路从第一测量状态转变至第二测量状态。
延迟的步骤可以有利地包括使得第一信号通过延迟元件的步骤。
根据各种实施例，电容式指纹感测装置可包括：采样电路，用于对电荷测量装置的输出信号进行采样；激励信号提供电路，用于提供手指与感测结构之间的电位差的改变：以及读出电路，连接至感测元件中的每一个，并且被配置为基于来自感测元件中的每一个的输出信号而提供指纹图案的表示，并且该方法可包括以下步骤：提供选择信号以用于选择感测元件；延迟选择信号以用于提供重置信号；将重置信号提供至电荷测量电路，以用于将电荷测量电路转变至重置状态；延迟重置信号以用于提供测量备妥信号；将测量备妥信号提供至电荷测量电路，以用于终止重置状态并转变至测量备妥状态；延迟测量备妥信号以用于提供第一采样控制信号；将第一采样控制信号提供至采样电路，以用于触发在第一采样时间对指示由感测结构所承载的电荷的第一信号的采样；延迟第一采样控制信号以用于提供第一激励控制信号；将第一激励控制信号提供至激励信号提供电路，以用于实现手指与感测结构之间的电位差的改变；延迟第一激励控制信号以用于提供第二采样控制信号；以及将第二采样控制信号提供至采样电路，以用于在第二采样时间触发对指示感测结构所承载的电荷的第二信号的采样。
本发明的该第二方面的进一步实施例以及通过该第二方面所获取的效果大部分类似于针对于本发明的第一方面所描述的实施例和效果。
附图说明
现在将会参考示出本发明的示例实施例的附图来更详细地描述本发明的这些方面以及其它方面，其中：
图1示意性地示出包括根据本发明的示例实施例的指纹感测***的移动电话；
图2示意性地示出图1中的指纹感测装置；
图3a至图3b是根据现有技术的指纹感测装置的示意性框图；
图3c是示意性地示出图3a至图3b中的指纹感测装置的操作的电路图；
图4是时序图，该时序图示出用于根据本发明的实施例的电容式指纹感测装置以及用于根据图3c中的现有技术的指纹感测装置的示例的测量序列；
图5a至图5b示意性地示出包括在根据本发明的实施例的指纹感测装置中的感测元件；
图6a在图5b中的感测元件的一部分的示意性的电路图，其包括电荷测量电路；
图6b示意性地示出时序电路，该时序电路用于控制由图6a中的电荷测量电路所执行的测量序列的时序；以及
图7是包括在图6b的时序电路中的延迟元件的电路图。
具体实施方式
在本详细说明中，根据本发明的指纹感测装置及方法的各种实施例主要参考电容式指纹感测装置来进行描述，其中每一个感测元件包括：电荷测量电路，包括用于测量由感测结构所承载的电荷的电荷放大器；激励信号提供电路，用于提供激励或驱动信号至感测结构；以及时序电路，包括用于控制电荷放大器以及激励信号提供电路的操作的多个延迟元件。再者，电容式指纹感测装置被示出为触摸传感器，其被给定尺寸并且配置为从静止的手指获取指纹表示。
应注意到的是，这绝非限制本发明的范围，本发明等同地也包括例如电容式指纹感测装置，其包括另外的电路配置，用于测量感测结构所承载的电荷的改变，该改变产生自手指与感测结构之间的电位差的改变。再者，本发明并不限于其中电位差的改变由驱动感测元件的感测结构来实现的电容式指纹感测装置。电位差可以替代地通过下述方式进行实现：将激励信号直接地提供至手指，或者经由与一个或数个目前被选择用于感测的感测元件不同的其它感测元件提供至手指。这种其它感测元件可被编程以作用为驱动元件。其它的传感器阵列布置也在所附的权利要求书所限定的本发明的范围内，上述其它的传感器阵列布置例如用于从移动的手指获取指纹表示的所谓的滑动式(swipe)传感器(或者线传感器)。
图1示意性地示出根据本发明的示例实施例的指纹感测装置的应用，其具有移动电话1以及集成的指纹感测装置2的形式。指纹感测装置2例如可被使用于解锁移动电话1，且/或用于授权利用移动电话来进行实行的交易、等等。
图2示意性地示出包括在图1的移动电话1中的指纹感测装置2。如同在图2中可见的，指纹感测装置2包括传感器阵列5、电源接口6以及通信接口7。传感器阵列5包括大量的感测元件8(感测元件中只有一个已经利用附图标记来指示，以避免图面的凌乱)，每一个感测元件都是可控制的，以对感测元件8中所包括的感测结构(顶板)与接触传感器阵列5的顶表面的手指的表面之间的距离进行感测。
电源接口6包括第一接触垫10a以及第二接触垫10b，其在此被示出为焊垫，以用于电源电压Vsupply至指纹传感器2的连接。
通信接口7包括多个焊垫，以用于使得能够控制指纹传感器2并且用于从指纹传感器2获取指纹数据。
为了有助于本发明的实施例的理解，现在将会参考图3a至图3c来进行提供已知的电容式指纹传感器的示例。
图3a是根据现有技术的电容式指纹传感器20的示意性框图。参考图3a，指纹传感器20包括电容式感测元件22的阵列21、列选择电路23、行选择电路24、读出电路26、状态机27以及激励信号放大器28。
状态机27接收由指向状态机27的宽箭头29所示出的指令，并且根据所接收到的指令，状态机27控制列选择电路23、行选择电路24、以及读出电路26。状态机27也提供激励信号，以用于经由激励信号放大器28来向手指提供驱动脉冲。
在已控制列选择电路23及行选择电路24以选择如在图3b中示意性地指示的特定的感测元件22之后，状态机27也将时序控制信号提供至包括在感测元件22中的电荷测量电路，并且提供至读出电路以用于读出由感测元件22所提供的感测信号。特别地，状态机27控制感测元件22以及读出电路26以执行测量序列，该测量序列系包括在多个顺序测量状态之间的转变。这将会在以下参考图3c以及图4中的示例时序图来更加详细地进行描述。
图3c部分地图3a至图3b的指纹感测装置20中的一个感测元件22的示意性横截面图，并且部分是示出由状态机27控制的指纹感测装置20的操作的功能框图。
参考图3c，感测元件22包括将被手指31(图3c示意性地示出手指图案的单一凸起纹(ridge)的横截面)触摸的保护性介电顶层30、导电的感测结构(板)32、以及电荷放大器33。电荷放大器33包括负输入35、正输入36、输出37、反馈电容器38、以及放大器39。
负输入35连接至感测结构(板)32，正输入36连接至接地，并且输出37连接至读出电路26。
反馈电容器38连接在负输入35与输出37之间、且限定电荷放大器33的放大率，并且感测元件22进一步包括与反馈电容器38并联的重置开关34。
在感测元件22外部，图3c中的框图示意性地指示状态机27、激励信号放大器28、以及读出电路26，该读出电路26包括采样保持电路(S/H电路)41以及模拟至数字转换器(ADC)42。
当指纹感测装置20是在操作中时，如将会在以下参考图3a至图3c以及另外参考图4来描述的，状态机27控制电荷放大器33以及读出电路26的时序。
图4示出用于根据现有技术的指纹传感器20以及用于根据本发明的各种实施例的指纹传感器2的示例测量序列。如通过在以下提供的说明而将会明显的是，现有技术的指纹传感器20与根据本发明的实施例的指纹传感器之间的主要差异是，图4中示出的测量序列或者其它适当的测量序列可以显著更快地进行执行，这使得能够较快的读出及/或来自每一个感测元件的多个读数，这产生了改善的测量性能。
参考图4，在其中所示出的时序图系从上到下包括激活信号ACT、驱动(激励)信号DRV、重置信号RST、第一采样控制信号S1、以及第二采样控制信号S2。
在所述时序图下，示意性地指示了一起构成上述的测量序列的测量状态S0-S9的序列。
为了图3a至图3b中的感测元件22的激活，通常可提供指示感测元件22的列选择的信号以及行选择的信号。在图4的简化及示意性的时序图中，这种选择信号由单一激活信号ACT来进行表示。
在第一时间t1，感测元件22由激活信号ACT从低到高的转变来进行激活。这例如可以包括激活放大器39。在和时间t1基本相同的时点，由状态机27经由激励信号放大器28而提供至手指31的驱动(激励)信号DRV被控制为从低变成高的。驱动信号DRV例如可以通过与手指电极的电流连接被提供至手指，其中手指电极例如是至少部份围绕指纹传感器20的边框(未显示)。或者，驱动信号DRV可以电容性耦合至手指31，这例如是通过下述方式来实现：施加驱动信号至目前并非在感测状态、而在驱动状态的一个或数个感测元件。
在时间t1，因此有从测量序列的"非作用中的(inactive)"状态S0至第一测量状态S1的转变。
驱动信号DRV施加至手指31将会产生由感测结构32所承载的电荷的改变。在某段时间以使来自电荷放大器的输出信号稳定化之后，在时间t2提供重置信号RST，以闭合重置开关34来由此对反馈电容器放电，并且使得电荷放大器33的输出37处的电位以感测结构(板)32的电位为基准而被设置。
通过提供重置信号的第一侧(flank)，存在从第一测量状态S1至第二测量状态S2(重置状态)的转变。
重置开关34在时间t3被释放(被使得再次开路)，由此转变至第三测量状态S3(测量备妥状态)。
在时间t4，存在至第四测量状态S4的转变，其中，第一采样控制信号S1从低变为高，以控制采样保持电路41对电荷放大器33的输出37处的感测信号采样。
在时间t5，存在至第五测量状态S5的转变，其中，第一采样控制信号S1从高变为低。
接着，在时间t6，驱动信号DRV从高变为低，以改变手指21与感测结构32之间的电位差。如在图4中示意性地指示出的，这也是至第六测量状态S6的转变。
在时间t7，存在至第七测量状态S7的转变，其中第二采样控制信号S2从低变为高，以控制采样保持电路41对电荷放大器33的输出37处的感测信号第二次采样。
在时间t8，存在至第八测量状态S8的转变，其中第二采样控制信号S2从高变为低。
最后，在时间t9，存在至第九测量状态S9的转变，其中感测元件22被解除激活，并且驱动信号DRV再次从低变为高。第九测量状态S9是和最初的"非作用中的"状态S0相同的。
尽管未显示在图4的时序图中，但测量序列可以另外包括控制ADC42以将S/H 41的输出转换成为代表手指31与感测结构32之间的电容耦合的数字值。
在图3a至图3b的现有技术的指纹感测***中，测量状态之间的转变的时序由全局的状态机针对于感测元件22的每一个来进行控制。例如，由于信号线至感测元件22的路由，状态转变的时序可能会随着感测元件的不同而稍微改变。例如，重置信号RST的时序可能会在感测元件之间有所改变。若在第二时间t2的转变至重置状态S2之前有充分的时间及/或在第三时间t3从重置状态S2转变至测量备妥状态S3之后有充分的时间，则测量将会是成功的。然而，若测量频率被增高而使得用于测量周期的总的可利用的时间被缩短，则可能会出现测量状态之间的全局控制的转变的时序的改变变得过大的情况，使得测量系受到影响。
如在以下将会进一步描述的，该情况可进行改善，并且通过本发明的实施例而提供在较高的测量频率下的电容式指纹测量系。
图5a至图5b示意性地示出包括在根据本发明的实施例的电容式指纹感测装置中的感测元件。
首先参考图5a，来自图2中的传感器阵列5的感测元件8系和其最接近的相邻者一起被示出。如在以上参考在图3a至图3c中的现有技术的电容式指纹感测装置20所述的，可以利用来自列选择电路以及行选择电路的激活信号来选择将要感测在其感测结构与手指31之间的电容性耦合的感测元件。这种激活信号在图5a中被指示为R-ACT以及C-ACT。像这种的激活信号也被提供以选择上述的现有技术的指纹感测装置20中的特定感测元件22。也如同以上所提及的，在指纹感测装置20中，另外的时序控制信号从状态机27被指定路由至每一个感测元件22。在图3a至图3c的指纹传感器20中，例如重置信号RST的这些另外的时序控制信号从状态机27提供至每一个感测元件，以提供如上参考图4所述的测量序列的至少一个部分的中央时序控制。
如同将会在以下进行描述的，相较之下，根据本发明的实施例的电容式指纹感测装置在每一个感测元件8或者群组的感测元件中本地提供用于测量序列中的状态转变的时序控制信号。这使得能够实现改善的时序控制，该改善的时序控制例如具有如上述重置控制信号RST的控制信号的更一致且精确的时序。
参考图5b，电容式指纹感测装置2中的每一个感测元件8包括电荷测量电路50以及时序电路51。
电荷测量电路50连接至感测结构(板)32以用于测量由感测结构32所承载的电荷的改变，该改变产生自手指31与感测结构32之间的电位差的改变。如上参考图4所述的，该测量是通过执行测量序列来实行的，该测量序列包括转变通过测量状态的序列。电荷测量电路50具有输出53以用于提供指示由所述感测结构32所承载的电荷的改变的信号，该改变是产生自感测结构32的电位与手指31的电位之间的电位差的改变。
时序电路51连接至电荷测量电路50，以用于控制测量状态中的至少一个的一时序。
如同在图5b中示意性地示出的，时序电路可以接收一个或数个控制信号以用于触发感测元件8的测量操作。例如，上述的列与行激活信号R-ACT及C-ACT可以由时序电路50来接收，其此后可以独立地提供各种时序控制信号至电荷测量电路50，如同由图5b中的箭头示意性地指示的那样。
在此所提供的示例中，以及利用来自图4的测量状态表示S0-S9，包括在感测元件8中的时序电路51因此控制图4中指示的测量状态中的至少一个的时序。
通过对包括在测量序列中的测量状态中的至少一个的时序的这种本地控制，可以对测量状态之间的转变的时序更准确及/或一致地进行控制，这使得在转变之间有较短的时间，而这于是使得实现较高的测量频率。
现在将会参考图6a来描述图5b中的电荷测量电路50的示例实施例。
图6a中的电荷测量电路50包括电荷放大器33、在此由可控制的电压源73来表示的激励信号提供电路、以及采样保持电路74。
如上针对于图3b中的感测元件22所述的，图6a的电荷测量电路50中的电荷放大器包括负输入35、正输入36、输出37、反馈电容器38、以及放大器39。
负输入35连接至感测结构(板)32，并且输出37连接至包括在感测元件8中的采样保持电路74。
反馈电容器38连接在负输入35与输出37之间，并且限定电荷放大器33的放大率，并且感测元件22进一步包括与反馈电容器38并联的重置开关34。
正输入36连接至可控制的电压源73，而非直接连接至接地或者另一参考电位。
采样保持电路74包括：第一采样电容器75、第一采样开关76及第一输出77，以及第二采样电容器79、第二采样开关80及第二输出81。
如同由在图6a中的箭头示意性地指示的，电荷测量电路50可被控制，以利用上述的控制信号(激活信号ACT、重置信号RST、驱动控制信号DRV、第一采样控制信号S1、以及第二采样控制信号S2)来执行以上参考图4所述的测量序列。当参考图4所述的测量序列已经被执行时，采样保持电路74的第一输出77与第二输出81之间的电位差将会指示感测结构32与手指31之间的电容性耦合。
应注意到的是，图6a中的电路图已经被简化以使得本发明的实施例的说明变得容易。例如，感测元件8的输出处的电平移位已经被省略。然而，电平移位的实施方式对于本领域技术人员而言是简单的。
由于电荷放大器以在负输入35的电位基本跟随正输入36处的电位(所谓的虚接地)的这种方式来进行布置，因此感测结构(板)32处的电位将会基本跟随通过可控制的电压源73的控制而被提供至正输入36的、相对于包括电容式指纹感测装置2的电子装置的参考电位的时变的电位。
由于手指31的电位相对于电子装置的参考电位是基本恒定的(例如通过电子装置与用户的手之间的电连接)，因此电荷放大器33的正输入36处的电位的随着时间的改变将会导致手指31与感测结构32之间的电位差的改变，而这于是将会导致由感测结构32所承载的电荷的改变，该改变指示手指31与感测结构(板)32之间的电容性耦合。
为了便利于从指纹传感器2输出指示手指31的指纹图案的指纹图案信号，在采样保持电路74的输出之间的电压VSH可以利用模拟至数字转换器而被转换成为数字形式，该模拟至数字转换器如同在图3a至图3c中示意性地指示地可被设置在传感器阵列的外部。
参考图6b，现在将描述图5b中的时序电路51的示例布置。如同在图6b中可见的，时序电路51包括第一与门83、第一延迟元件84、第二延迟元件85、第二与门86、第一反相器87、第三延迟元件88、第四延迟元件89、第三与门90、第二反相器91、第五延迟元件92、第六延迟元件93、第四与门94、第三反相器95、第七延迟元件96、第八延迟元件97、第五与门98、以及第四反相器99。
如同在图6b中示意性地指示的，列激活信号R-ACT以及行激活信号C-ACT被输入至第一逻辑与门83。同样也参考到图6a，第一与门83的输出被提供至电荷测量电路50的放大器39以作为上述的激活信号ACT、被提供至第一延迟元件84的输入、并且被提供至第四与门94。第一延迟元件84的输出被提供至第二与门86，并且被提供至第二延迟元件85的输入。第二延迟元件85的输出经由第一反相器87而被提供至第二与门86，并且被提供至第三延迟元件88的输入。第三延迟元件88的输出被提供至第三与门90的输入，并且被提供至第四延迟元件89的输入。第四延迟元件89的输出经由第二反相器91而被提供至第三与门90，并且被提供至第五延迟元件92的输入。第五延迟元件92的输出被提供至第六延迟元件93的输入。第六延迟元件93的输出经由第三反相器95而被提供至第四与门94，并且被提供至第七延迟元件96的输入。第七延迟元件96的输出被提供至第八延迟元件97的输入以及第五与门98的输入。最后，第八延迟元件97的输出经由第四反相器99而被提供至第五与门98的输入。
当包括图6a中的电荷测量电路50及图6b中的时序电路51的感测元件8经由将列激活信号R-ACT以及行激活信号C-ACT两者设定为高而被选择时，用于感测元件8的激活信号ACT变为高(参考图4，在时间t1)。来自第一与门83的输出通过第一延迟元件84，并且被延迟第一时间延迟ΔT1，以将激活信号ACT的第一延迟的版本提供至第二与门86。
第一时间延迟ΔT1对应于图4中的t2-t1，并且确定第一测量状态S1的持续期间。
来自第一延迟元件84的输出也被提供至第二延迟元件85的输入，并且被延迟以提供激活信号ACT的第二延迟的版本。
激活信号ACT的第二延迟的版本经由第一反相器87而被提供至第二与门86的输入，以在第二与门86的输出上实现重置控制信号RST。
第二时间延迟ΔT2对应于图4中的t3-t2，并且确定第二测量状态S2的持续期间(其中重置控制信号RST是高的)。
时序电路51的其余部分以相同的方式工作，其中延迟元件被配置为实现在图4的时序图中所示出的控制信号。
因此，第三时间延迟ΔT3对应于图4中的t4-t3并且确定第三测量状态S3的持续期间，第四时间延迟ΔT4对应于在图4中的t5-t4并且确定第四测量状态S4的持续期间，等等。
应注意到的是，时序电路51是一个简化示例，用于示出利用延迟元件及逻辑门的组合来对感测元件中所包括的电荷测量电路的测量状态的时序进行本地控制的原理。根据实际的实施方式，时序电路可包括用于例如信号成形及/或时序的另外或者其它的电路。根据在此提供的说明，本领域技术人员将会能够在无过度的负担下设计时序电路的适当的实施方式。
应了解的是，根据特定实施例，较少或者另外的时序控制信号可以从时序电路51独立地提供至感测电路50。
图7示出延迟元件100的说明性示例，其可以包括在图6a的时序电路51中。
延迟元件100包括串联连接的第一CMOS反相器101以及第二CMOS反相器102。该延迟元件的时间延迟将会依据延迟元件100中包括的构件的尺寸而定，并且该时间延迟因此可以在设计延迟元件时进行设定。若期望相当长的延迟时间，则可串联耦接另外的CMOS反相器。
本领域技术人员理解到本发明绝非受限于上述的优选实施例。相反地，许多修改及改变都可在所附的权利要求书的范围内。
在权利要求书中，词语"包括"并不排除其它的元件或步骤，并且不定冠词"一"或者"一个"并不排除复数。单一处理器或者其它单元可以实现在权利要求书中所述的数个项目的功能。单纯的事实是某些手段被阐述在互不相同的从属权利要求中，但是这并非指示这些手段的组合无法有利地被利用。计算机程序可以被存储在适当介质上/在适当介质上分发(该适当介质例如与其它硬件一起供应或者作为其它硬件的部分的光学存储介质或者固态介质)，但是也可以用其它形式来进行分发，例如经由因特网或者其它有线或无线的电信***。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。

Claims (25)

1.一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，所述电容式指纹感测装置包括多个感测元件，所述多个感测元件各自包括：
要被所述手指触摸的保护性介电顶层；
被布置在所述顶层下面的导电的感测结构；
连接至所述感测结构的电荷测量电路，用于在至少第一测量状态和第二测量状态之间依次转变以执行测量序列，所述测量序列导致从所述电荷测量电路产生输出信号，该输出信号指示由所述手指与所述感测结构之间的电位差的改变所导致的、所述感测结构所承载的电荷的改变；以及
连接至所述电荷测量电路的时序电路，用于控制所述测量状态中的至少一个测量状态的时序。
2.根据权利要求1所述的电容式指纹感测装置，其中，所述时序电路被配置为：控制所述电荷测量电路在由第一事件以及与所述第一事件相关的时间延迟所限定的转变时间从所述第一测量状态转变至所述第二测量状态。
3.根据权利要求2所述的电容式指纹感测装置，其中，所述时序电路包括至少第一延迟元件，所述第一延迟元件具有：用于接收第一信号的输入，所述第一信号限定所述第一事件；以及用于提供第二信号的输出，所述第二信号限定与所述第一事件相关地被延迟的第二事件。
4.根据权利要求3所述的电容式指纹感测装置，其中，所述第二事件包括从所述第一测量状态至所述第二测量状态的所述转变。
5.根据权利要求3或4所述的电容式指纹感测装置，其中，所述第一延迟元件的输出耦接至所述电荷测量电路，以用于使得所述第二信号能够控制所述电荷测量电路的操作。
6.根据权利要求3或4所述的电容式指纹感测装置，其中，所述时序电路进一步包括第二延迟元件，所述第二延迟元件具有耦接至所述第一延迟元件的输出的输入、以及用于提供第三信号的输出，所述第三信号限定与所述第二事件相关地被延迟的第三事件。
7.根据权利要求6所述的电容式指纹感测装置，其中，所述第二延迟元件的输出耦接至所述电荷测量电路，以用于使得所述第三信号能够控制所述电荷测量电路的操作。
8.根据权利要求6所述的电容式指纹感测装置，其中，所述时序电路进一步包括：耦接在所述第一延迟元件的输出与所述第二延迟元件的输入之间的至少一个逻辑门。
9.根据权利要求3或4所述的电容式指纹感测装置，其中，所述时序电路包括多个延迟元件，所述多个延迟元件各自具有输入以及输出，
所述延迟元件被布置成延迟元件的序列，以使得所述延迟元件中的每一个延迟元件的输出耦接至所述延迟元件的序列中的下一个延迟元件的输入。
10.根据权利要求9所述的电容式指纹感测装置，其中，所述序列是闭环序列。
11.根据权利要求2至4中任一项所述的电容式指纹感测装置，其中，对于所述多个感测元件中的每一个感测元件，所述第一事件是由在该感测元件外部产生的激活信号来提供的。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式指纹感测装置，其中，所述测量序列至少包括：
重置状态，其中，所述电荷测量电路的输出处的电位以所述感测结构的电位为基准而被设置。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式指纹感测装置，其中，所述电荷测量电路包括电荷放大器，所述电荷放大器包括：
连接至所述感测结构的负输入；
正输入；
输出；
连接在所述负输入与所述输出之间的反馈电容器；以及
所述正输入和所述负输入与所述输出之间的至少一个放大器级，
其中，所述电荷放大器被配置为使得所述负输入处的电位基本跟随所述正输入处的电位。
14.根据权利要求13所述的电容式指纹感测装置，其中，所述电容式指纹感测装置进一步包括：
激励信号提供电路，其连接至所述正输入，并被配置为将所述正输入处的电位从第一电位改变至第二电位，以由此改变所述感测结构的电位，由此提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的所述改变。
15.根据权利要求14所述的电容式指纹感测装置，其中，所述时序电路连接至所述激励信号提供电路以用于：
将第一激励控制信号提供至所述激励信号提供电路，以用于在第一激励转变时间触发电位从所述第一电位至所述第二电位的改变；以及
将第二激励控制信号提供至所述激励信号提供电路，以用于在第二激励转变时间触发电位从所述第二电位回到所述第一电位的改变。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式指纹感测装置，其中：
所述指纹感测装置进一步包括：激励信号提供电路，用于提供与所述手指的电位相关的激励信号，所述激励信号呈现时变的激励电位，所述时变的激励电位包括从第一电位至第二电位以及回到所述第一电位的往复改变；
所述感测元件中的每一个感测元件进一步包括：连接至所述电荷测量电路的解调电路，用于将来自所述电荷测量电路的所述输出信号以及与所述激励信号在时序上相关的解调信号进行组合以提供组合信号，所述组合信号包括指示所述感测结构所承载的电荷的所述改变的直流信号成分；以及
所述指纹感测装置进一步包括：连接至所述感测元件中的每一个感测元件的读出电路，用于基于来自所述感测元件中的每一个感测元件的所述直流信号成分来提供所述指纹图案的表示。
17.根据权利要求16所述的电容式指纹感测装置，其中，所述解调电路包括：信号乘法电路，用于将所述感测信号乘上所述解调信号。
18.根据权利要求17所述的电容式指纹感测装置，其中，所述解调电路进一步包括：低通滤波器，用于使得所述直流信号成分能够通过、同时移除较高频的成分。
19.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式指纹感测装置，其中，所述电荷测量电路包括采样电路，所述采样电路用于：
在所述手指与所述感测结构之间的电位差的所述改变之前的第一采样时间对指示所述感测结构所承载的电荷的信号进行采样；以及
在所述手指与所述感测结构之间的电位差的所述改变之后的第二采样时间对指示所述感测结构所承载的电荷的所述信号进行采样。
20.根据权利要求19所述的电容式指纹感测装置，其中，所述时序电路连接至所述采样电路以用于：
将第一采样控制信号提供至所述采样电路，以用于在所述第一采样时间执行对指示所述感测结构所承载的电荷的所述信号的所述采样；以及
将第二采样控制信号提供至所述采样电路，以用于在所述第二采样时间执行对指示所述感测结构所承载的电荷的所述信号的所述采样。
21.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式指纹感测装置，进一步包括下述读出电路：该读出电路连接至所述感测元件中的每一个感测元件，并且被配置为根据来自所述感测元件中的每一个感测元件的输出信号而提供所述指纹图案的表示。
22.一种电子装置，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置；以及
处理电路，被配置为：
从所述指纹感测装置获取所述指纹图案的表示；
基于所述表示来对用户进行认证；以及
只有在基于所述表示而认证了所述用户的情况下，才执行至少一个由用户请求的处理。
23.一种使用电容式指纹感测装置来感测手指的指纹图案的方法，所述电容式指纹感测装置包括多个感测元件，所述多个感测元件各自包括：
将被所述手指所触摸的保护性介电顶层；
被布置在所述顶层下面的导电的感测结构；以及
连接至所述感测结构的电荷测量电路，用于在至少第一测量状态和第二测量状态之间依次转变以执行测量序列，所述测量序列导致从所述电荷测量电路产生输出信号，该输出信号指示由所述手指与所述感测结构之间的电位差的改变所导致的、所述感测结构所承载的电荷的改变，
其中，所述方法包括对于所述感测元件中的每一个感测元件执行以下步骤：
提供限定第一事件的第一信号；
在该感测元件中延迟所述第一信号以用于提供第二信号，所述第二信号限定与所述第一事件相关地在时间上被延迟的第二事件；以及
利用所述第二信号作为控制信号来控制所述电荷测量电路从所述第一测量状态转变至所述第二测量状态。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述延迟的步骤包括以下步骤：
使得所述第一信号通过延迟元件。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述电容式指纹感测装置包括：
采样电路，用于对所述电荷测量装置的所述输出信号进行采样；
激励信号提供电路，用于提供所述手指与所述感测结构之间的电位差的所述改变；以及
读出电路，连接至所述感测元件中的每一个感测元件，并且被配置为基于来自所述感测元件中的每一个感测元件的所述输出信号而提供所述指纹图案的表示，
其中，所述方法包括以下步骤：
提供选择信号以用于选择感测元件；
延迟所述选择信号以用于提供重置信号；
将所述重置信号提供至所述电荷测量电路，以用于将所述电荷测量电路转变至重置状态；
延迟所述重置信号以用于提供测量备妥信号；
将所述测量备妥信号提供至所述电荷测量电路，以用于终止所述重置状态并转变至测量备妥状态；
延迟所述测量备妥信号以用于提供第一采样控制信号；
将所述第一采样控制信号提供至所述采样电路，以用于在第一采样时间触发对指示所述感测结构所承载的电荷的信号的采样；
延迟所述第一采样控制信号以用于提供第一激励控制信号；
将所述第一激励控制信号提供至所述激励信号提供电路，以用于实现所述手指与所述感测结构之间的电位差的所述改变；
延迟所述第一激励控制信号以用于提供第二采样控制信号；以及
将所述第二采样控制信号提供至所述采样电路，以用于在第二采样时间触发对指示所述感测结构所承载的电荷的所述信号的采样。
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