CN107004121A - 电容性感测的电荷转移电路和具有其的检测指纹的设备 - Google Patents

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Abstract

根据本揭示内容的实施例的一种用于电容性感测的电荷转移电路，包含通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定的可变电容器、安置于电压输入端子与X驱动线的与可变电容器对置的另一端之间的X驱动部分、安置于电压输出端子与其一端连接到可变电容器的驱动线的另一端之间的开关电容器积分器和连接到开关电容器积分器的第一输入端子的屏蔽板，其中第一输入端子连接到驱动线的另一端。

Description

电容性感测的电荷转移电路和具有其的检测指纹的设备
技术领域
本揭示内容涉及一种用于电容性感测的电荷转移技术，且更确切地说，涉及一种对寄生电容不敏感且使用开关电容器积分器或有效输出电压反馈技术的用于电容性感测的电荷转移电路，和一种包含所述电荷转移电路的指纹辨识装置。
背景技术
归因于高识别率和安全性，在各种生物统计学的领域当中已非常频率地使用指纹，且当前保留了实质上足够大量的个人数据。最近，随着自动指纹辨识技术的发展，已需要用于实时获取指纹的指纹辨识***。
随着用于在此指纹辨识***中使用的指纹传感器的价格近来已降低，指纹传感器不仅应用到特殊安全装置，而且应用到个人计算机的***装置(例如，键盘、鼠标和类似者)，以便用于电子商务。
因此，为了进入此市场，用于制造使用起来简单的指纹传感器的技术消耗低功率，且具有紧凑大小，应保证低价和高清。过去数十年来已进行了研究以开发用于电感测指纹的技术。当今所提议的指纹感测方法可大体分类成光学类型、热类型和电容性类型。
根据基于电容随两个电极之间的距离变化的原理的电容性类型，可通过基于在感测电极与指纹的谷线之间产生的电容与在感测电极与指纹的脊线之间产生的电容之间的差来辨识指纹的谷线和脊线而获得指纹图像。由于可使用标准互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)工艺技术来实施电容性类型，因此电容性类型实现传感器的简单结构且不需要额外装置或特殊工艺，由此带来紧凑大小、低功耗和低成本的优点。然而，脊线或谷线的感测的电容具有非常小的值(例如，若干毫微微法拉)，且在触摸屏面板中通常由氧化铟锡(indium tin oxide；ITO)形成的电极具有寄生元件(例如，电容和电阻)，就触摸敏感度和准确性来说，这可造成严重的性能降低。
发明内容
技术问题
本揭示内容提供一种在包含大寄生元件的触摸装置中的在宽动态范围上具有改善的触摸敏感度的指纹辨识装置。
本揭示内容还提供一种用于电容性感测的电荷转移电路，其可有效地用于在包含大寄生元件的触摸装置中的在宽动态范围上具有改善的触摸敏感度的指纹辨识装置中。
本揭示内容的目的不限于以上提到的目的，且未提到的其它目的将由所属领域的技术人员从以下揭示内容清晰地理解。
对问题的解决方案
根据示范性实施例，一种用于电容性感测的电荷转移电路包含：可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；开关电容器积分器，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及屏蔽板，其连接到所述开关电容器积分器的第一输入端子，其中所述开关电容器积分器的所述第一输入端子连接到所述驱动线的所述另一端。
在实施例中，所述开关电容器积分器的所述第一输入端子可接收参考电压。
在实施例中，所述传感器板与所述屏蔽板可具有在其间的寄生电容器。
在实施例中，所述开关电容器积分器可包含：运算放大器；第三开关，其一个端子连接到所述驱动线的所述另一端且其另一端子连接到所述运算放大器的反相输入端子；第四开关，其一个端子连接到所述驱动线的所述另一端和所述第三开关的所述一个端子，且其另一端子连接到所述运算放大器的非反相输入端子和所述屏蔽板；存储电容器，其一个端子连接到所述第三开关的所述另一端子和所述运算放大器的所述反相输入端子，且其另一端子连接到所述运算放大器的输出端子；以及复位开关，其一个端子连接到所述第三开关的所述另一端子、所述运算放大器的所述反相输入端子和所述存储电容器的所述一个端子，且其另一端子连接到所述运算放大器的所述输出端子和所述存储电容器的所述端子，其中所述运算放大器的所述非反相输入端子连接到所述驱动线的所述端和所述屏蔽板。
在实施例中，所述X驱动部分可包含：第一开关，其被配置以通过第一时钟信号接通和通过第二时钟信号关断；以及第二开关，其被配置以通过所述第一时钟信号关断和通过所述第二时钟信号接通。
在实施例中，所述X驱动部分可包含：第一开关，其被配置以通过第二时钟倒置信号接通和通过第一时钟倒置信号关断；以及第二开关，其被配置以通过所述第二时钟倒置信号关断和通过所述第一时钟倒置信号接通。
在实施例中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号可不相互重叠。
在实施例中，可将预置电压或复位电压施加到所述电压输入端子。
根据另一示范性实施例，一种用于电容性感测的电荷转移电路包含：可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；有效输出电压反馈单元，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及屏蔽板，其连接到所述有效输出电压反馈单元的输出端子，其中所述有效输出电压反馈单元的与所述驱动线的所述一端对置的所述输出端子连接到所述驱动线的所述另一端。
在实施例中，所述有效输出电压反馈单元可包含：第三开关和第四开关，其并联连接到所述驱动线的所述端；缓冲器电路单元，其连接到所述第三开关的与所述驱动线对置的一个端子；存储电容器，其一个端子连接于所述第三开关的所述一个端子与所述缓冲器电路单元的输入端子之间，且其另一端子接地；以及复位开关，其一个端子连接到所述第三开关的所述一个端子、所述缓冲器电路单元的所述输入端子和所述存储电容器，且其另一端子接地，其中所述缓冲器电路单元的与所述第三开关对置的输出端子连接到所述驱动线的所述端。
在实施例中，所述第三开关可通过第一时钟信号关断和通过第二时钟信号接通，且所述第四开关可通过所述第一时钟信号接通和通过所述第二时钟信号关断。
在实施例中，所述第三开关可通过第二时钟倒置信号关断和通过第一时钟倒置信号接通，且所述第四开关可通过所述第二时钟倒置信号接通和通过所述第一时钟倒置信号关断。
在实施例中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号可不相互重叠。
在实施例中，所述缓冲器电路单元可为运算放大器。
在实施例中，所述运算放大器的非反相输入端子可连接到所述第三开关的所述一个端子，且所述运算放大器的反相输入端子可连接于所述运算放大器的输出端子与所述第四开关之间。
根据另一示范性实施例，一种指纹辨识装置包含：用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包含：可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；开关电容器积分器，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及屏蔽板，其连接到所述开关电容器积分器的第一输入端子，其中所述开关电容器积分器的所述第一输入端子连接到所述驱动线的所述另一端；以及边框，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指直接接触。
根据另一示范性实施例，一种指纹辨识装置包含：用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包含：可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；有效输出电压反馈单元，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及屏蔽板，其连接到所述有效输出电压反馈单元的输出端子，其中所述有效输出电压反馈单元的与所述驱动线的所述一端对置的所述输出端子连接到所述驱动线的所述端；以及边框，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指直接接触。
在实施例中，所述边框可由金属或传导性聚合物制成。
根据另一示范性实施例，一种指纹辨识装置包含：用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包含：可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；开关电容器积分器，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及屏蔽板，其连接到所述开关电容器积分器的第一输入端子，其中所述开关电容器积分器的所述第一输入端子连接到所述驱动线的所述端；以及顶部金属，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指通过钝化层接触。
根据另一示范性实施例，一种指纹辨识装置包含：用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包含：可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；有效输出电压反馈单元，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及屏蔽板，其连接到所述有效输出电压反馈单元的输出端子，其中所述有效输出电压反馈单元的与所述驱动线的所述一端对置的所述输出端子连接到所述驱动线的所述另一端；以及顶部金属，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指通过钝化层接触。
在实施例中，所述顶部金属可与另一顶部金属隔开，使得所述顶部金属的所述一端只连接到所述X驱动线的所述一端且所述顶部金属的所述另一端可由所述手指通过所述钝化层接触。
根据另一示范性实施例，一种指纹感测方法包含：接收指纹的脊线和谷线的电容；根据可变时钟对所述接收的电容积分；采样或保持所述经积分的电容；将所述采样或保持的电容转换成数字值；以及基于根据所述脊线与所述谷线的所述电容的差转换的所述数字值，确定指纹部分是所述脊线还是所述谷线。
在实施例中，所述根据所述可变时钟对所述接收的电容积分可为离散时间积分。
发明的有利效应
如上所述，根据本揭示内容，一种用于电容性感测的电荷转移电路包含开关电容器积分器或有效输出电压反馈单元，且因此可使由寄生元件造成的寄生效应最小化。因此，本揭示内容可提供一种在宽动态范围上具有改善的触摸敏感度的用于电容性感测的电荷转移电路，和包含所述电荷转移电路的指纹辨识装置。
附图说明
图1为说明根据本揭示内容的实施例的指纹辨识装置的框图。
图2为说明根据本揭示内容的另一实施例的指纹辨识装置的框图。
图3说明施加到图1或2中说明的指纹辨识装置的开关控制信号。
图4为根据本揭示内容的实施例的指纹辨识装置的时序图。
图5为包含在根据本揭示内容的实施例的指纹辨识装置中的根据本揭示内容的实施例的用于电容性感测的电荷转移电路的电路图。
图6为包含在根据本揭示内容的实施例的指纹辨识装置中的根据本揭示内容的另一实施例的用于电容性感测的电荷转移电路的电路图。
图7为说明施加到根据本揭示内容的实施例的用于电容性感测的电荷转移电路的开关控制信号和根据指纹的脊线和谷线的输出电压的时序图。
图8为说明基于图1的直接方法将图5的用于电容性感测的电荷转移电路用于指纹辨识装置中的情形的示意图。
图9为说明基于图1的直接方法将图6的用于电容性感测的电荷转移电路用于指纹辨识装置中的情形的示意图。
图10为说明基于图2的伪直接方法将图5的用于电容性感测的电荷转移电路用于指纹辨识装置中的情形的示意图。
图11为说明基于图2的伪直接方法将图6的用于电容性感测的电荷转移电路用于指纹辨识装置中的情形的示意图。
图12为基于图1的伪直接方法的指纹辨识装置的布局俯视图。
具体实施方式
用于进行本发明的最佳模式
本文中描述的具体结构或操作只希望描述本揭示内容的实施例。然而，本揭示内容的实施例可以各种形式实施，且不应被解释为限于本文中所描述的实施例。
本发明可不同地加以修改，且可具有各种形式。然而，特定实施例示范性地说明于附图中，且在下文详细描述。然而，应理解，本发明不限于具体形式，而相反地，涵盖属于本发明的精神和范围的所有修改、等效内容或替代。
术语“第一”、“第二”和类似者可用于描述各种元件，但所述元件不应被解释为受到所述术语限制。此类术语只是用于将一个元件与其它元件区分开来。举例来说，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可被称作第二元件，并且，同样地，第二元件可被称作第一元件。
将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件或可存在***元件。相比之下，当元件被称作“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在***元件。应以相同的方式来解释用于描述元件当中的关系的其它术语，例如，“在……之间”、“直接在……之间”、“邻近”、“紧邻”和类似者。
本文中使用的术语不用于来划定本发明的界限，而是用于描述具体实施例。单数形式的术语可包含复数形式，除非另有指定。应进一步理解，术语“包括(comprise、comprising)”、“包含(include、including)”或“具有(have、having)”当在本文中使用时，指定陈述的特征、数目、步骤、操作、元件、组件或其组合的存在，但不排除一或多个其它特征、数目、步骤、操作、元件、组件或其组合的存在或添加。
本文中使用的术语(包含技术或科学术语)具有与由所属领域的技术人员所理解相同的含义。通常使用的术语(例如，在常用词典中定义的术语)应在相关技术中按照常例来解释，但不应按理想化或过度形式化的意义来解释，除非本文中另有定义。
在可不同实施一些实施例的情况下，可以与流程图中所描述的顺序不同的顺序执行关于具体块描述的功能或操作。举例来说，可实质上同时操作两个连续块，或取决于有关功能或操作，可反向地操作两个连续块。
以下参看附图描述本揭示内容的优选实施例。
图1为说明根据本揭示内容的实施例的指纹辨识装置1a的框图。图2为说明根据本揭示内容的另一实施例的指纹辨识装置1b的框图。图3说明施加到图1或2中说明的指纹辨识装置1a或1b的开关控制信号。
参看图1，指纹辨识装置1a可包含第一时钟产生器10、第二时钟产生器20、边框驱动器30、边框40a、传感器单元阵列50、Y驱动部分60、X驱动部分70、计数器80、X多路复用器(X-multiplexer；XMUX)90和模数转换器(analog-to-digital converter；ADC)100。
第一时钟产生器10可与***时钟CLK同步地产生第一时钟信号φ1和/或第二时钟信号φ2。此外，第一时钟产生器10可产生第一时钟倒置信号和/或第二时钟倒置信号
此处，如图3中所说明，第一时钟信号φ1与第二时钟信号φ2可不相互重叠。第一时钟倒置信号为第一时钟信号φ1的反相型式，且第二时钟倒置信号为第二时钟信号φ2的反相型式。
第二时钟产生器20可基于***时钟CLK产生为具有可变周期的复位/评估脉冲的信号clk_i，且可根据信号PERIOD产生各种周期。第二时钟产生器20初始接收信号RESET，以开始操作。
边框驱动器30可接收第一时钟信号φ1和/或第二时钟信号φ2以输出用于驱动边框的信号。此外，边框驱动器30可接收第一时钟倒置信号和/或第二时钟倒置信号以输出用于驱动边框的信号。
边框40a可用以将电力输入信号直接施加到手指。边框40a可由金属、传导性聚合物或导电性物件制成。如下所述，通过经边框40a直接接触手指而执行操作的方法被称作直接方法。
传感器单元阵列50可为以一个像素为单位按矩阵布置的多个传感器板，且可检测根据接触的指纹部分为脊线还是谷线而产生的电容。
Y驱动部分60可依序选择和驱动在传感器单元阵列50的每一行中布置的传感器单元。X驱动部分70可依序选择和驱动在传感器单元阵列50的每一列中布置的传感器单元。
计数器80可通过增大传感器单元阵列50的每一行和每一列的值来依序启动每一传感器单元，以便检测从接触的指纹产生的每一传感器单元的电容。
X多路复用器90可根据输入信号HOLD采样/保持从选自传感器单元阵列50的一个像素的传感器单元感测的电容值。ADC 100可将由X多路复用器90采样/保持的电容值转换成数字值。
安置于内部或外部的微处理器、中央处理单元(central processing unit；CPU)、应用程序处理器(application processor；AP)或类似者可根据转换成数字值的电容值确定指纹部分是脊线还是谷线。
图2为说明根据本揭示内容的另一实施例的指纹辨识装置1b的框图。与以上所描述相同的元件由相同参考数字指代，且以下省略相同元件的详细描述。
图2中所说明的指纹辨识装置1b与指纹辨识装置1a的不同之处在于，用于施加电力输入信号的电极被为芯片的顶部金属的Tx板40b替换，然而将边框40a用作指纹辨识装置1a中的电极。如下所述，允许手指通过钝化层接触Tx板以便执行操作的方法被称作伪直接方法。
图4为说明根据本揭示内容的实施例的指纹辨识装置1a和1b的操作的时序图。
参看图4，当将在低电平下的信号RESET施加到指纹辨识装置1a或1b时，指纹辨识装置1a或1b开始操作。按一个周期的间隔将信号PERIOD增大1。
信号CLK_I可由第二时钟产生器20响应于***时钟CLK和/或信号PERIOD产生，以便具有可变周期，且可输入到传感器单元阵列50的每一传感器单元以产生复位/评估脉冲。此处，复位信号可为预充电信号。此外，可将信号CLK_I输入到计数器80。
当信号CLK_I在高电平时，可对选定传感器单元预充电，并且，当信号CLK_I在低电平时，可输出选定传感器单元的电容值。
在信号CLK_I的一个周期期间，如果信号HOLD在低电平，那么可采样/保持根据每一传感器单元的电容值的电压值。
图5为包含在指纹辨识装置1a或1b中的根据实施例的用于电容性感测的电荷转移电路200a的电路图，且图6为包含在指纹辨识装置1a或1b中的根据另一实施例的用于电容性感测的电荷转移电路200b的电路图。
图7为说明根据指纹的脊线和谷线施加到用于电容性感测的电荷转移电路200a或200b的开关控制信号和输出电压Vout的时序图。
参看图5，用于电容性感测的电荷转移电路200a可包含X驱动部分70、X驱动线71、驱动线61、界定于X驱动线71与驱动线61之间的可变电容器Cfinger和寄生电阻器Rfinger、在以下描述的屏蔽板(金属屏蔽)与传感器板之间产生的寄生电容器Cshield和开关电容器积分器210a。
第一开关MP1和第四开关TG2可通过第一时钟信号φ1和第一时钟倒置信号接通或关断。第二开关MN1和第三开关TG1可通过第二时钟信号φ2和第二时钟倒置信号接通或关断。
相互串联连接的寄生电阻器Rfinger和可变电容器Cfinger可表示接触的手指的简单模型化。
X驱动部分70可安置于X驱动线71的与可变电容器Cfinger对置的一端与电压输入端子Vin1之间。X驱动部分70可包含第一开关MP1和第二开关MN1。
第一开关MP1可安置于X驱动线71的与可变电容器Cfinger对置的一端与电压输入端子Vin1之间。第二开关MN1的一个端子可连接到X驱动线71的与可变电容器Cfinger对置的一端，且第二开关MN1的另一端子可连接到接地。
可将预置电压VDD或GND或复位电压施加到电压输入端子Vin1和/或接地。此处，复位电压可表示可不同地建立偏压以获得所要的电荷转移程度。举例来说，可将第一供电电压Vin1和/或第二供电电压Vin2输入到电压输入端子Vin1和/或接地。
参看图7，第一时钟信号φ1和第二时钟信号φ2可调整开关电容器积分器210a和开关的输出电压Vout，连同第一时钟倒置信号和第二时钟倒置信号一起开关。
如图7中所说明，第一时钟信号φ1与第二时钟信号φ2可不相互重叠。第一时钟倒置信号为第一时钟信号φ1的反相型式，且第二时钟倒置信号为第二时钟信号φ2的反相型式。
返回参看图5，如下所述，可在连接到驱动线61的传感器板与用于阻挡由传感器板下的电路产生的噪声以改善触摸敏感度的屏蔽板(金属屏蔽)之间产生寄生电容器Cshield。传感器板下的电路可包含开关电容器积分器210a、有效输出电压反馈单元210b或其它电路。此处，其它电路可不与从手指提取可变电容器Cfinger的操作有关。
开关电容器积分器210a可安置于电压输出端子Vout与连接到可变电容器Cfinger的一个端子的驱动线61的另一端之间。
开关电容器积分器210a可包含：第三开关TG1，其一个端子连接到第四开关TG2和驱动线61，且其另一端子连接到运算放大器211的反相输入端子；第四开关TG2，其一个端子连接到驱动线61，且其另一端子连接到参考电压输入端子Vref；和运算放大器211，其反相输入端子连接到第三开关TG1的另一端子，且其非反相输入端子接收参考电压Vref。
此外，开关电容器积分器210a可包含：存储电容器Cs，其一个端子连接到第三开关TG1的另一端子和运算放大器211的反相端子，且其另一端子连接到电压输出端子Vout；和复位开关rst，其一个端子连接到第三开关TG1的另一端子、运算放大器211的反相端子和存储电容器Cs的一个端子，且其另一端子连接到电压输出端子Vout和存储电容器Cs的另一端子。
一般来说，电荷从高电压侧流动到低电压侧，直到两侧的电压等同。因此，可能需要其对寄生电容器Cshield充电使得驱动线61的电压vp等于运算放大器211的反相输入端子的电压vg，以便避免当将电荷从可变电容器Cfinger转移到存储电容器Cs时在如下所述的屏蔽板(金属屏蔽)与连接到驱动线61的传感器板之间产生的寄生电容器Cshield的寄生效应。
当接通第一时钟信号φ1时，用参考电压Vref对寄生电容器Cshield的输出节点充电。运算放大器211的反相输入端子实际上与参考电压Vref输入到的非反相输入端子短路连接。
因此，当将电荷从可变电容器Cfinger转移到存储电容器Cs时，驱动线61的输出节点电压vp等于运算放大器211的反相输入节点电压vg，且因此无电荷从寄生电容器Cshield转移到存储电容器Cs。结果，存储于驱动线61的寄生电容器Cshield中的电荷不能够影响输出电压，且可避免驱动线61的寄生电容器Cshield的寄生效应。
将根据本揭示内容的实施例的用于电容性感测的电荷转移电路200的转移函数表达为等式1。
其中z表示z变换的参数，Cf表示可变电容器Cfinger的电容，且Cs表示存储电容器Cs的电容。
存储电容器Cs可在第二时钟信号φ2的上升时间对从可变电容器Cfinger转移的电荷积分。此处，积分值的梯度随可变电容器Cfinger的电容值变化。可变电容器Cfinger的电容值在脊线处高，且在谷线处低。
因此，如图7中所说明，随着时钟的数目增加，从参考电压Vref开始的运算放大器211的输出电压Vout在脊线处在比谷线处增大得多。
图6为包含在指纹辨识装置1a或1b中的根据本揭示内容的另一实施例的用于电容性感测的电荷转移电路200b的电路图。与以上所描述相同的元件由相同参考数字指代，且以下省略相同元件的详细描述。
以下描述图6的用于电容性感测的电荷转移电路200b与以上提到的用于电容性感测的电荷转移电路200a之间的差异。
包含在有效输出电压反馈单元210b中的运算放大器211的非反相输入端子可连接到第三开关TG1的每一个端子、存储电容器Cs和复位开关rst，且存储电容器Cs的另一端子和复位开关rst可连接到接地。第三开关TG1的另一端子可连接到第四开关TG2的一个端子和寄生端子Cshield的一个端子。
缓冲器电路单元212可为运算放大器211的反相输入端子连接到其输出端子的电压跟随器。
运算放大器211的反相输入端子可连接到其输出端子，和寄生电容器Cshield的另一端子与第四开关TG2。因此，输出电压Vout可供应到电压跟随器且可反馈回到第四开关TG2和寄生电容器Cshield，由此防止电荷从寄生电容器Cshield转移。当第一时钟信号φ1在接通第一开关MP1和第四开关TG2的高电平时，可对寄生电容器Cshield充电，使得因包含运算放大器211的缓冲器电路的输入端子的电压跟随器产生的反馈输出电压，驱动线61的电压vp等同于缓冲器电路的输入端子电压vg。结果，存储于寄生电容器Cshield中的电荷不能够影响输出电压。在本揭示内容中，用于执行此类操作的电路被称作有效输出电压反馈单元210b。
图8为说明基于图1的直接方法将图5的用于电容性感测的电荷转移电路200a用于指纹辨识装置1a中的情形的示意图。
参看图8，第一时钟倒置信号为第一时钟信号φ1的反相型式，且第二时钟倒置信号为第二时钟信号φ2的反相型式。第一开关MP1为P通道金属氧化物半导体(P-channel metal-oxide semi-conductor；PMOS)晶体管，且第二开关MN1为N通道MOS(N-channel MOS；NMOS)晶体管。第三开关TG1和第四开关TG2为PMOS晶体管与NMOS晶体管相互并联连接的传输门。
第一开关MP1和第四开关TG2可通过第一时钟信号φ1和第一时钟倒置信号接通或关断。第二开关MN1和第三开关TG1可通过第二时钟信号φ2和第二时钟倒置信号接通或关断。
屏蔽板(金属屏蔽)500可阻挡由传感器板400下的电路产生的噪声，由此改善触摸敏感度。在传感器板下的电路可包含开关电容器积分器210a或与从手指提取可变电容器Cfinger的操作不相关的其它电路。
此处，寄生电容器Cshield可产生于传感器板400与屏蔽板500之间。举例来说，根据传感器单元大小，寄生电容器Cshield可具有数十fF与数百fF之间的值。
如上参看图5所描述，可能需要有效输出电压反馈单元210b对寄生电容器Cshield充电，使得驱动线61的电压vp等于运算放大器211的反相输入端子的电压vg，以便避免在屏蔽板(金属屏蔽)与连接到驱动线61的传感器板之间产生的寄生电容器Cshield的寄生效应。
当接通第一时钟信号φ1时，用参考电压Vref对寄生电容器Cshield的输出节点充电。运算放大器211的反相输入端子实际上与参考电压Vref输入到的非反相输入端子短路连接。
因此，当将电荷从可变电容器Cfinger转移到存储电容器Cs时，驱动线61的输出节点电压vp等于运算放大器211的反相输入节点电压vg，且因此可避免寄生电容器Cshield的寄生效应。
边框40a可接触手指以直接施加电力输入信号Vin1或Vin2。如上所述，通过经边框直接接触手指执行操作的方法被称作直接方法。
边框40a可由金属、传导性聚合物或导电性物件制成。
如图8中所说明，可将手指简单地模型化为相互串联连接的可变电容器Cfinger和寄生电阻器Rfinger。此处，可变电容器Cfinger可为脊线电容器Cridge或谷线电容器Cvalley。
传感器板400可与手指通过钝化层分开。因此，手指电容器Cfinger可包含相互串联连接的在芯片表面与手指皮肤之间的空气电容器Cair和在传感器板与芯片表面之间的钝化层电容器Cpass。
经由边框接触将由X驱动部分70的驱动器驱动的电力输入信号Vin1或Vin2直接引入到手指。
可将累积于手指电容器Cfinger中的电荷转移到存储电容器Cs。取决于脊线电容器Cridge或谷线电容器Cvalley，手指电容器Cfinger可具有不同值。
谷线电容器Cvalley对应于相互串联连接的芯片表面与手指皮肤之间的空气电容器Cair和传感器板400与芯片表面之间的钝化层电容器Cpass，然而脊线电容器Cridge对应于传感器板400与芯片表面之间的钝化层电容器Cpass。这可表达为如下等式。
Cridge＝Cpass (等式2)
可将定义为脊线电容器Cridge与谷线电容器Cvalley之间的差的手指电容器Cfinger的变化表达为如下等式。
ΔCfinger＝Cridge-Cvalley (等式4)
在传感器板400与屏蔽板500之间产生的寄生电容器Cshield可电连接到第四开关TG2的一个端子和运算放大器211的非反相输入端子。此处，可将参考电压Vref输入到非反相输入端子。
因此，当接通第四开关TG2时，因输入到运算放大器211的非反相输入端子的参考电压Vref，传感器板400的电压等同于屏蔽板500的电压，且因此，可从驱动线61有效地去除寄生电容器Cshield。因此，可将本揭示内容的用于电容性感测的电荷转移电路的每单个电荷转移的输出电压Vout表达为以下。
其中电容器Cfinger为脊线电容器Cridge或谷线电容器Cvalley。可如下定义具有参数z的转移函数。
可从等式5获得脊线电容器Cridge和谷线电容器Cvalley的输出电压，且可如下定义脊线电容器Cridge与谷线电容器Cvalley的输出电压之间的差。
结果，在第n次积分后，如下定义为脊线电容器Cridge与谷线电容器Cvalley的输出电压之间的差的感测电压Vsense。
Vsense＝n·Vdiff (等式8)
图9为说明基于图1的直接方法将图6的用于电容性感测的电荷转移电路200b用于指纹辨识装置1a中的情形的示意图。与以上所描述相同的元件由相同参考数字指代，且以下省略相同元件的详细描述。
以与以上参看图6描述的相同方式操作有效输出电压反馈单元210b。即，当第一时钟信号φ1在接通第一开关MP1和第四开关TG2的高电平时，可对寄生电容器Cshield充电，使得因由包含运算放大器211的缓冲器电路的输入端子的电压跟随器产生的反馈输出电压，驱动线61的电压vp等同于缓冲器电路的输入端子电压vg。因此，可去除寄生电容器Cshield。
图10为说明基于图1的伪直接方法将图5的用于电容性感测的电荷转移电路200a用于指纹辨识装置1b中的情形的示意图。与以上所描述相同的元件由相同参考数字指代，且以下省略相同元件的详细描述。
图10中说明的指纹辨识装置1b与指纹辨识装置1a的不同之处在于，用于转移电力输入信号Vin1或Vin2的电极被为芯片的顶部金属的Tx板40b替换，而将边框40a用作指纹辨识装置1a中的电极。如上所述，允许手指通过钝化层接触Tx板以便执行操作的方法被称作伪直接方法。
此处，归因于Tx板300b与手指之间的钝化层，可产生钝化层电容器Cperi。如图10中所说明，钝化层电容器Cperi可通过手指和电阻器连接到电容器Cfinger和地面节点。
因此，钝化层电容器Cperi可串联连接到手指电容器Cfinger，且可将总电容Ctotal表达为如下等式。
可理解，假定钝化层电容器Cperi的值大于手指电容器Cfinger的值，那么总电容Ctotal通常遵从手指电容器Cfinger。如果Tx板的大小足够大于传感器单元大小，那么归因于钝化层电容器Cperi，可实质上忽略手指电容器Cfinger的改变。此外，由于本揭示内容的伪直接方法是基于有效输出电压反馈积分器，因此电压输出范围可为电力供应器电压的全部间隔。
图11为说明基于图1的伪直接方法将图6的用于电容性感测的电荷转移电路200b用于指纹辨识装置1b中的情形的示意图。
与以上所描述相同的元件由相同参考数字指代，且以下省略相同元件的详细描述。
由于使用伪直接方法，因此为顶部金属的Tx板40b将电力输入信号Vin1或Vin2转移到经由钝化层接触的手指，这不同于将边框用作电极的方法。电路操作与以上参看图6所描述相同。
图12为基于图2的伪直接方法的指纹辨识装置的布局俯视图。
为顶部金属的Tx板包围芯片的外部。可将Tx板与传感器单元块隔开使得间隙电容器Cgap足够小，由此防止施加到Tx电极的输入信号直接转移到传感器单元阵列。可根据钝化层的厚度适当地调整此间隙。

Claims (23)

1.一种用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包括：
可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；
X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；
开关电容器积分器，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及
屏蔽板，其连接到所述开关电容器积分器的第一输入端子，
其中所述开关电容器积分器的所述第一输入端子连接到所述驱动线的所述另一端。
2.根据权利要求1所述的电荷转移电路，其中所述开关电容器积分器的所述第一输入端子接收参考电压。
3.根据权利要求1所述的电荷转移电路，其中所述传感器板与所述屏蔽板具有在其间的寄生电容器。
4.根据权利要求1所述的电荷转移电路，其中所述开关电容器积分器包括：
运算放大器；
第三开关，其一个端子连接到所述驱动线的所述另一端且其另一端子连接到所述运算放大器的反相输入端子；
第四开关，其一个端子连接到所述驱动线的所述另一端和所述第三开关的所述一个端子且其另一端子连接到所述运算放大器的非反相输入端子和所述屏蔽板；
存储电容器，其一个端子连接到所述第三开关的所述另一端子和所述运算放大器的所述反相输入端子且其另一端子连接到所述运算放大器的输出端子；以及
复位开关，其一个端子连接到所述第三开关的所述另一端子、所述运算放大器的所述反相输入端子和所述存储电容器的所述一个端子，且其另一端子连接到所述运算放大器的所述输出端子和所述存储电容器的所述另一端子，
其中所述运算放大器的所述非反相输入端子连接到所述驱动线的所述另一端和所述屏蔽板。
5.根据权利要求1所述的电荷转移电路，其中所述X驱动部分包括：
第一开关，其被配置以通过第一时钟信号接通和通过第二时钟信号关断；以及
第二开关，其被配置以通过所述第一时钟信号关断和通过所述第二时钟信号接通。
6.根据权利要求1所述的电荷转移电路，其中所述X驱动部分包括：
第一开关，其被配置以通过第二时钟倒置信号接通和通过第一时钟倒置信号关断；以及
第二开关，其被配置以通过所述第二时钟倒置信号关断和通过所述第一时钟倒置信号接通。
7.根据权利要求5所述的电荷转移电路，其中所述第一时钟信号与所述第二时钟信号不相互重叠。
8.根据权利要求1所述的电荷转移电路，其中预置电压或复位电压被施加到所述电压输入端子。
9.一种用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包括：
可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；
X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；
有效输出电压反馈单元，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及
屏蔽板，其连接到所述有效输出电压反馈单元的输出端子，
其中所述有效输出电压反馈单元的与所述驱动线的所述一端对置的所述输出端子连接到所述驱动线的所述另一端。
10.根据权利要求9所述的电荷转移电路，其中所述有效输出电压反馈单元包括：
第三开关和第四开关，其并联连接到所述驱动线的所述另一端；
缓冲器电路单元，其连接到所述第三开关的与所述驱动线对置的一个端子；
存储电容器，其一个端子连接于所述第三开关的所述一个端子与所述缓冲器电路单元的输入端子之间，且其另一端子接地；以及
复位开关，其一个端子连接到所述第三开关的所述一个端子、所述缓冲器电路单元的所述输入端子和所述存储电容器，且其另一端子接地，
其中所述缓冲器电路单元的与所述第三开关对置的输出端子连接到所述驱动线的另一端。
11.根据权利要求10所述的电荷转移电路，
其中所述第三开关通过第一时钟信号关断和通过第二时钟信号接通，且
其中所述第四开关通过所述第一时钟信号接通和通过所述第二时钟信号关断。
12.根据权利要求10所述的电荷转移电路，
其中所述第三开关通过第二时钟倒置信号关断和通过第一时钟倒置信号接通，且
其中所述第四开关通过所述第二时钟倒置信号接通和通过所述第一时钟倒置信号关断。
13.根据权利要求11所述的电荷转移电路，其中所述第一时钟信号与所述第二时钟信号不相互重叠。
14.根据权利要求10所述的电荷转移电路，其中所述缓冲器电路单元为运算放大器。
15.根据权利要求14所述的电荷转移电路，其中所述运算放大器的非反相输入端子连接到所述第三开关的所述一个端子，且所述运算放大器的反相输入端子连接于所述运算放大器的输出端子与所述第四开关之间。
16.一种指纹辨识装置，包括：
用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包括：
可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；
X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；
开关电容器积分器，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及
屏蔽板，其连接到所述开关电容器积分器的第一输入端子，其中所述开关电容器积分器的所述第一输入端子连接到所述驱动线的所述另一端；以及
边框，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指直接接触。
17.一种指纹辨识装置，包括：
用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包括：
可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；
X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；
有效输出电压反馈单元，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及
屏蔽板，其连接到所述有效输出电压反馈单元的输出端子，其中所述有效输出电压反馈单元的与所述驱动线的所述一端对置的所述输出端子连接到所述驱动线的所述另一端；以及边框，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指直接接触。
18.根据权利要求16所述的指纹辨识装置，其中所述边框由金属或传导性聚合物制成。
19.一种指纹辨识装置，包括：
用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包括：
可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；
X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；
开关电容器积分器，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及
屏蔽板，其连接到所述开关电容器积分器的第一输入端子，其中所述开关电容器积分器的所述第一输入端子连接到所述驱动线的所述另一端；以及
顶部金属，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指通过钝化层接触。
20.一种指纹辨识装置，包括：
用于电容性感测的电荷转移电路，所述电荷转移电路包括：
可变电容器，其通过连接到驱动线的一端和X驱动线的一端的传感器板界定；
X驱动部分，其安置于电压输入端子与所述X驱动线的与所述可变电容器对置的另一端之间；
有效输出电压反馈单元，其安置于电压输出端子与其所述一端连接到所述可变电容器的所述驱动线的另一端之间；以及
屏蔽板，其连接到所述有效输出电压反馈单元的输出端子，其中所述有效输出电压反馈单元的与所述驱动线的所述一端对置的所述输出端子连接到所述驱动线的所述另一端；以及
顶部金属，其一端连接到所述X驱动线的所述一端且其另一端可由手指通过钝化层接触。
21.根据权利要求19所述的指纹辨识装置，其中所述顶部金属与另一顶部金属隔开，使得所述顶部金属的所述一端只连接到所述X驱动线的所述一端且所述顶部金属的另一端可由所述手指通过所述钝化层接触。
22.一种指纹感测方法，包括：
接收指纹的脊线和谷线的电容；
根据可变时钟对所述接收的电容积分；
采样或保持所述经积分的电容；
将所述采样或保持的电容转换成数字值；以及
基于根据所述脊线与所述谷线的所述电容的差转换的所述数字值，确定指纹部分是所述脊线还是所述谷线。
23.根据权利要求22所述的指纹感测方法，其中所述根据所述可变时钟对所述接收的电容积分为离散时间积分。
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