CN217443895U - 指纹识别模组和电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种指纹识别模组和电子设备，包括基板；设置于基板上的电容芯片，电容芯片包含阵列传感器电路，阵列传感器电路包括多个呈矩阵分布的像素单元；以及位于电容芯片上方的封装层，封装层具有弧形外表面；像素单元包括：用于对手指指纹进行检测的第一金属层，且第一金属层设置于电容芯片朝向所述封装层的一面；以及第二金属层，设置于电容芯片朝向基板的一面，阵列传感器电路的每列上的像素单元的第一金属层到封装层的弧形外表面的距离与封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积与封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化。可以在使用时不影响图像质量以保证解锁率。

Description

指纹识别模组和电子设备

技术领域

本实用新型涉及指纹识别技术领域，特别涉及一种指纹识别模组和电子设备。

背景技术

目前，电容指纹识别技术已经比较成熟，并在终端设备如手机、平板、电脑中大量应用。除了识别区域(AA，Active Area)越来越小外，一些特殊应用也对其提出了新的挑战，比如弧形指纹识别模组。

在手机应用中，随着全面屏的广泛应用，侧边指纹以其更好的客户体验，正逐步取代背面指纹。侧边指纹，即将指纹模组和电源键进行合并，使传统电源按键，有了指纹解锁的功能。而从美观及体验角度考虑，手机侧边常常是弧形的，这就使常规的平面指纹识别模组成为限制。目前的做法是直接将平面模组打磨成弧形模组，在结构上适配新的需求。

电容指纹识别的原理是基于指纹谷脊的电容差，而电容又与指纹到电容芯片(IC)的距离密切相关，传统的电容芯片在搭配弧形模组后，由于指纹到电容芯片的距离不一致，导致图像质量出现下降，对解锁率造成相等影响。

有待提出一种新的指纹识别模组可以在适用弧形模组的同时不影响图像质量，从而保证解锁率。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种指纹识别模组和电子设备，从而既不损失信号量，又可以得到均匀的图像。

根据本实用新型的一方面，提供一种指纹识别模组，其特征在于，包括：基板；设置于所述基板上的电容芯片，所述电容芯片包含阵列传感器电路，所述阵列传感器电路包括多个呈矩阵分布的像素单元；以及位于所述电容芯片上方的封装层，所述封装层具有弧形外表面；其中，所述像素单元包括：用于对手指指纹进行检测的第一金属层，且所述第一金属层设置于所述电容芯片朝向所述封装层的一面；以及第二金属层，设置于所述电容芯片朝向所述基板的一面，其中，所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第一金属层到所述封装层的弧形外表面的距离与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化。

可选地，所述手指与所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第一金属层之间形成的感应电容Cs与每列上的像素单元的第一金属层和第二金属层之间形成的反馈电容Cf满足

其中，Cs1、Cs2…Csn分别为所述阵列传感器电路的第1、2…n列上的像素单元的第一金属层与手指形成的感应电容，Cf1、Cf2…Cfn分别为所述阵列传感器电路的第1、2…n列上的像素单元的第一金属层和第二金属层之间形成的反馈电容，n为正整数

可选地，所述多个呈矩阵分布的像素单元的第一金属层的表面面积相等。

可选地，所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积相等，所述第二金属层的表面面积由该列像素单元需要的所述反馈电容的电容值决定。

可选地，所述指纹识别模组还包括：放大器，所述放大器的第一输入端与所述感应电容相连，第二输入端接收预设电压，所述反馈电容连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间；第一开关，所述第一开关连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间。

可选地，所述指纹识别模组还包括：补偿电路，与所述放大器的第一输入端连接，在所述第一开关处于断开状态时，给所述感应电容提供电荷。

可选地，所述补偿电路包括补偿电容，所述补偿电容的电容值跟随所述反馈电容的电容值变化。

可选地，所述像素单元还包括：位于所述第一金属层和所述第二金属层之间的第三金属层，所述反馈电容由所述第一金属层和所述第三金属层之间构成的第一反馈电容和所述第二金属层和所述第三金属层之间构成的第二反馈电容串联形成。

可选地，所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积和所述第三金属层的表面面积由该列像素单元需要的所述反馈电容的电容值决定。

根据本实用新型的另一方面，提供一种电子设备，其特征在于，所述电子设备采用如上述所述的指纹识别模组。

本实用新型提供的指纹识别模组和电子设备，包括阵列传感器电路，阵列传感器电路的每列上的像素单元的第一金属层到封装层的弧形外表面的距离与封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积与封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，使得所有像素单元的感应电容和反馈电容的比值相等，以保证每列像素单元通过放大器输出端输出的信号量一致，从而得到均匀的图像。

在优选的实施例中，根据需要的反馈电容的电容值对第二金属层的表面面积和第三金属层的表面面积进行差异化处理，从而得到范围更广的反馈电容的电容值。

在优选的实施例中，指纹识别模组还包括补偿电路，通过补偿电路对固有电容补偿，使得放大器只量化感应电容的变化量，极大提高了信噪比。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了指纹识别模组的结构示意图；

图2示出了阵列传感器电路的结构示意图；

图3示出了封装层的弧形外表面到电容芯片的距离与阵列传感器电路的列编号的对应关系示意图。

图4示出了根据本实用新型第一实施例的阵列传感器电路的结构示意图；

图5示出了根据本实用新型第一实施例的第二金属层的表面面积随阵列传感器电路的列编号变化示意图；

图6示出了根据本实用新型第一实施例的指纹识别模组的电路连接示意图；

图7示出了根据本实用新型第一实施例的反馈电容的电容值随阵列传感器电路的列编号对应关系图；

图8示出了根据本实用新型实施例的指纹识别模组的信号时序图；

图9示出了根据本实用新型第二实施例的阵列传感器电路的结构示意图；

图10示出了根据本实用新型第三实施例的指纹识别模组的电路连接示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不相等要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出了指纹识别模组的结构示意图，图2示出了阵列传感器电路的结构示意图。

指纹识别模组100包括基板110、电容芯片120以及封装层130。电容芯片120设置于基板110上方，电容芯片120包括阵列传感器电路；封装层130位于电容芯片120上方，封装层130具有弧形外表面。

阵列传感器电路位于电容芯片120的识别区(Active Area，简称AA)，包括排列成M行N列的多个像素单元121，其中M，N为正整数。

封装层130的弧形外表面大致呈抛物线形状，电容芯片120到封装层130的弧形外表面的距离d与封装层130的弧形外表面的弧度成线性比例变化，假设封装层130的顶面的弧形外表面到电容芯片120的距离为d，阵列传感器电路的列编号为n(n为正整数)，则n和d之间的关系大致为d＝(n-a)²+bn+c，如图3所示即为n和d之间的对应关系示意图。

图4示出了根据本实用新型第一实施例的阵列传感器电路的结构示意图。

如图4所示，阵列传感器电路的像素单元121包括间隔设置的第一金属层Mn-1和第二金属层Mn-2，第一金属层Mn-1设置在电容芯片120朝向封装层130的一面，第二金属层Mn-2设置在电容芯片120朝向基板110的一面，第一金属层Mn-1用于对用户的手指指纹进行检测，当用户的手指触摸指纹识别模组100时，可以将人体看做接地端GND，阵列传感器电路的每列上的像素单元121的第一金属层Mn-1和手指之间会形成一个感应电容Cs，且阵列传感器电路的每列上的像素单元121的第一金属层Mn-1和第二金属层Mn-2之间会形成反馈电容Cf，反馈电容Cf由电容C0、C1…Cx共同构成，x为正整数，Ctest为测试电容，当用户的手指未触摸指纹识别模组100时，像素单元121会有一个固有电容Cd。反馈电容Cf可通过改变第二金属层Mn-2的表面面积进行调节，用于补偿指纹识别模组100输出信号的差异，如图5所示即为第二金属层Mn-2的表面面积随阵列传感器电路的列编号变化示意图。

用户的手指指纹与像素单元121的第一金属层Mn-1之间的感应电容表示为

表示介质介电常数，s表示正对手指的第一金属Mn-1的表面面积，每个像素单元121的第一金属层Mn-1的表面面积s均相等，从而保证信号量Cs无损失。

第一金属层Mn-1和第二金属层Mn-2之间形成的反馈电容表示为

1表示介质介电常数，s1表示第二金属层Mn-2的表面面积，d1表示第一金属层Mn-2和第一金属层Mn-1之间的距离，阵列传感器电路的每列上的像素单元121的第二金属层Mn-2的表面面积与封装层130的弧形外表面的弧度成线性比例变化。

图6示出了根据本实用新型第一实施例的电路连接示意图。

如图6所示，指纹识别模组100还包括放大器140以及第一开关S1。放大器140与阵列传感器电路相连，放大器140包括第一输入端、第二输入端以及输出端。例如，放大器140为普通的差分放大器，其第一输入端可以为正向输入端，第二输入端可以为反向输入端，反之亦可。放大器140的第一输入端接感应电容Cs，第二输入端接预设电压Vtx；第一开关S1与反馈电容Cf并联在放大器140的第一输入端和输出端。预设电压Vtx的电压由外设状态信号tx控制。

放大器140的输出端和模数转换器(图中未示出)相连，放大器140用于将感应电容Cs的电容转换成电压作为信号量Vout，模数转换器用于将信号量Vout转换为带有信息的数字信号，从而用于图像显示。

放大器140输出的信号量表示为

手指与阵列传感器电路的每列上的像素单元121的第一金属层Mn-1之间形成的感应电容Cs与每列上的像素单元121的第一金属层Mn-1和第二金属层Mn-2之间形成的反馈电容Cf满足

其中，Cs1、Cs2……Csn分别为阵列传感器电路的第1、2…n列上的像素单元121的第一金属层Mn-1与手指形成的感应电容，Cf1、Cf2……Csn分别为阵列传感器电路的第1、2…n列上的像素单元121的第一金属层Mn-1和第二金属层Mn-2之间形成的反馈电容，n为正整数。

根据

以及

可以推算出阵列传感器电路的每列上的像素单元121的反馈电容Cf的电容值随感器阵列的列编号n变化的曲线，反馈电容Cf的电容值随阵列传感器电路的列编号n的变化关系图如图7所示，对比图3和图7可知，封装层130的弧形外表面到电容芯片120的距离d的值越大，该列像素单元121需要的反馈电容Cf的值越小。根据反馈电容Cf的电容值随阵列传感器电路的列编号n的变化关系对每列像素单元121的第二金属层Mn-2的表面面积进行差异化设计，保证所有像素单元121的感应电容Cs与反馈电容Cf的比值相等，从而使得指纹识别模组100获得的图像均匀。

进一步地，对封装层130的弧形外表面到电容芯片120的距离d进行归一化处理，从而更准确的获得反馈电容Cf的电容值随阵列传感器电路的列编号n变化关系。

图8示出了根据本实用新型实施例的指纹识别模组的信号时序图。

预设电压Vtx的控制周期Tctrl包括第一时间周期Ts1(即T0～T2时间段)和第二时间周期Ts2(即T2～T4时间段)。预设电压Vtx在控制周期Tctrl内进行电平翻转时，第一开关S1从导通状态转换到断开状态。所预设电压Vtx在第一时间周期Ts1以及第二时间周期Ts2结束时，第一开关S1从断开状态转换到导通状态。

根据本实用新型实施例提供的指纹识别模组100，阵列传感器电路的每列上的像素单元121的第一金属层Mn-1到封装层130的弧形外表面的距离与封装层130的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且阵列传感器电路的每列上的像素单元121的第二金属层Mn-2的表面面积与封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，使得每列像素单元121的感应电容Cs和反馈电容Cf的比值相等，从而保证了每列像素单元121通过放大器140输出端输出的信号量Vout一致，使得指纹识别模组100得到的图像均匀，提高了指纹解锁率。

图9示出了根据本实用新型第二实施例的阵列传感器电路的结构示意图。

根据本实用新型第一实施例的阵列传感器电路和根据本实用新型第二实施例的阵列传感器电路的结构基本相同，以下只说明二者之间的区别。

阵列传感器电路的像素单元121还包括设置的在第一金属层Mn-1和第二金属层Mn-2之间的第三金属层Mn-3，第一金属层Mn-1和第三金属层Mn-3之间形成第一反馈电容Ca，第二金属层Mn-2和第三金属层Mn-3之间形成第二反馈电容Cb，每个像素单元121的反馈电容Cf由第一反馈电容Ca和第二反馈电容Cb串联构成，图9中Ca1…Can分别为阵列传感器电路的第1…n列上的像素单元121的第一金属层Mn-1和第三金属层Mn-3之间形成的第一反馈电容，Cb1…Cbn分别为阵列传感器电路的第1…n列上的像素单元121的第二金属层Mn-2和第三金属层Mn-3之间形成的第二反馈电容，n为正整数。通过第一反馈电容Ca和第二反馈电容Cb串联得到需要的反馈电容Cf，可以扩大反馈电容Cf的电容值的取值范围。

反馈电容Cf可通过改变第二金属层Mn-2和第三金属层Mn-3的表面面积进行调节，用于补偿指纹识别模组100输出信号的差异。

根据阵列传感器电路的每列的像素单元121需要的反馈电容Cf的电容值的比例对每列像素单元121的第二金属层Mn-2和第三金属层Mn-3的表面面积进行差异化设计，保证所有像素单元121的感应电容Cs与反馈电容Cf的比值相等，从而使得指纹识别模组100得到的图像均匀。

根据本实用新型实施例提供的指纹识别模组100，通过对影响反馈电容Cf的电容值的第二金属层Mn-2和第三金属层Mn-3的表面面积进行差异化处理，使得感应电容Cs和反馈电容Cf的比值相等，从而保证每列像素单元121通过放大器140输出端输出的信号量Vout一致，使得指纹识别模组100得到的图像均匀。

图10示出了根据本实用新型第三实施例的指纹识别模组的电路连接示意图。根据本实用新型第一实施例的指纹识别模组100和根据本实用新型第三实施例的指纹识别模组200的结构基本相同，以下只说明二者之间的区别。

指纹识别模组200还包括补偿电路150，补偿电路150与放大器140的第一输入端连接，用于在第一开关S1处于断开状态时给感应电容Cs提供电荷。

补偿电路150包括第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、补偿电容Ce以及补偿电压VCe，补偿电压VCe经由串联连接的第二开关S2和补偿电容Ce提供给放大器140的第一输入端，第一电压VDDA经由第三开关S3提供给第二开关S2和补偿电容Ce之间的公共节点m，第四开关S4连接在公共节点m与接地端GND之间，补偿电压VCe与预设电压Vtx同步。

假设像素单元121手指触摸前后的电容变化量为ΔV，电源供电端的电压为VDDA，则补偿电容为：

Ce＝(2Cd+Cf)/1.5VDDA-ΔV

根据阵列传感器电路的每列的像素单元121需要补偿电容Ce相应调整补偿电容Ce的电容值。

根据本实用新型实施例提供的指纹识别模组200，通过在放大器140的输入端设置补偿电路150对固有电容Cd补偿，使得放大器140只量化感应电容Cs的变化量，极大提高了信噪比。

本实用新型还提供了一种电子设备，该电子设备采用了上述所述的指纹识别模组。

依照本实用新型的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求及其等效物所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种指纹识别模组，其特征在于，包括：

基板；

设置于所述基板上的电容芯片，所述电容芯片包含阵列传感器电路，所述阵列传感器电路包括多个呈矩阵分布的像素单元；以及

位于所述电容芯片上方的封装层，所述封装层具有弧形外表面；

其中，所述像素单元包括：用于对手指指纹进行检测的第一金属层，且所述第一金属层设置于所述电容芯片朝向所述封装层的一面；以及

第二金属层，设置于所述电容芯片朝向所述基板的一面，

其中，所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第一金属层到所述封装层的弧形外表面的距离与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化，且所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积与所述封装层的弧形外表面的弧度成线性比例变化。

2.根据权利要求1所述的指纹识别模组，其特征在于，所述手指与所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第一金属层之间形成的感应电容Cs与每列上的像素单元的第一金属层和第二金属层之间形成的反馈电容Cf满足

其中，Cs1、Cs2…Csn分别为所述阵列传感器电路的第1、2…n列上的像素单元的第一金属层与手指形成的感应电容，Cf1、Cf2…Cfn分别为所述阵列传感器电路的第1、2…n列上的像素单元的第一金属层和第二金属层之间形成的反馈电容，n为正整数。

3.根据权利要求1所述的指纹识别模组，其特征在于，所述多个呈矩阵分布的像素单元的第一金属层的表面面积相等。

4.根据权利要求2所述的指纹识别模组，其特征在于，所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积相等，所述第二金属层的表面面积由该列像素单元需要的所述反馈电容的电容值决定。

5.根据权利要求4所述的指纹识别模组，其特征在于，所述指纹识别模组还包括：

放大器，所述放大器的第一输入端与所述感应电容相连，第二输入端接收预设电压，所述反馈电容连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间；

第一开关，所述第一开关连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间。

6.根据权利要求5所述的指纹识别模组，其特征在于，所述指纹识别模组还包括：

补偿电路，与所述放大器的第一输入端连接，在所述第一开关处于断开状态时，给所述感应电容提供电荷。

7.根据权利要求6所述的指纹识别模组，其特征在于，所述补偿电路包括补偿电容，所述补偿电容的电容值跟随所述反馈电容的电容值变化。

8.根据权利要求2所述的指纹识别模组，其特征在于，所述像素单元还包括：

位于所述第一金属层和所述第二金属层之间的第三金属层，所述反馈电容由所述第一金属层和所述第三金属层之间构成的第一反馈电容和所述第二金属层和所述第三金属层之间构成的第二反馈电容串联形成。

9.根据权利要求8所述的指纹识别模组，其特征在于，所述阵列传感器电路的每列上的像素单元的第二金属层的表面面积和所述第三金属层的表面面积由该列像素单元需要的所述反馈电容的电容值决定。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备采用如权利要求1所述的指纹识别模组。

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