TW201624345A - 具有在感測元件內的解調變電路系統之電容式指紋感測裝置 - Google Patents

具有在感測元件內的解調變電路系統之電容式指紋感測裝置 Download PDF

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Abstract

本發明係有關於一種電容式指紋感測系統，其係包括提供激勵信號的電路以及複數個感測元件。每一個感測元件係包含一保護的介電頂端層；一導電的感測結構，其係耦接至該激勵信號以用於提供一指出藉由該感測結構所載有的一電荷的一變化之感測信號，該變化係產生自一在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化；以及連接至該感測電路的解調變電路，其係用於組合該感測信號以及一時序相關於該激勵信號的解調變信號以提供一組合的信號，該組合的信號係包含一指出藉由該感測結構所載有的該電荷的該變化之DC信號成分。該指紋感測系統進一步包括連接至該些感測元件的每一個的讀出電路，其係用於根據來自該些感測元件的每一個的該DC信號成分來提供該指紋圖案的一表示。

Description

具有在感測元件內的解調變電路系統之電容式指紋感測裝置
本發明係有關於一種電容式指紋感測系統以及一種感測一指紋圖案之方法。
各種類型的生物識別系統係越來越多被使用，以便於提供增大的安全性及/或強化的使用者便利性。
尤其，指紋感測系統由於其小的形狀因數、高的效能、以及使用者的接受度，而例如已經被採用在消費者電子裝置中。
在各種可利用的指紋感測原理(例如，電容式、光學式、熱感式等等)中，電容式感測是最普遍使用的，尤其是在其中尺寸及功率消耗是重要因素的應用中。
所有的電容式指紋感測器係提供一項指出在數個感測結構的每一個與一置放在該指紋感測器的表面上、或是移動橫跨該指紋感測器的表面的手指之間的電容之量測。
某些電容式指紋感測器是被動式讀出在感測結構與手指之間的電容。然而，此係需要在感測結構與手指之間的一相當大的電容。因此，此種被動的電容式感測器通常是被設置有一覆蓋該些感測結構之非常 薄的保護層，此係使得此種感測器對於刮痕及/或ESD(靜電放電)是相當敏感的。
US 7 864 992係揭示一種電容式指紋感測系統，其中一驅動信號係藉由脈動(pulsing)一被配置在感測器陣列附近的導電的結構而被注入到手指中，並且量測在該感測器陣列中的感測結構所載有的電荷之產生的變化。
此種主動的電容式指紋感測系統一般是致能在一遠比上述被動的系統高的信號雜訊比下，在手指與感測結構的每一個之間的電容的量測。於是，此係容許有相當厚的保護塗層，並且因此容許有更強健的電容式指紋感測器，其可以內含在遭受到相當大磨損的用品中，例如是行動電話。
然而，仍然有改善的空間。尤其，透過甚至更厚的保護塗層來提供指紋感測及/或提供相關於信號雜訊比的進一步改善的效能將會是所期望的。
考慮到習知技術的上述以及其它的缺點，本發明之一目的是達成一種改良的電容式指紋感測系統，尤其是一種透過非常厚的保護塗層來提供改善的感測效能之電容式指紋感測系統。
根據本發明的一第一特點，其因此提出一種用於感測一手指的一指紋圖案之電容式指紋感測系統，該電容式指紋感測系統係包括：提供激勵信號的電路，其係用於提供一呈現相關於該手指的一電位的一時變的(time-varying)激勵電位之激勵信號，該時變的激勵電位係包含從一第一電 位至一第二電位並且回到該第一電位之反復出現的變化；複數個感測元件，其分別包含：一保護的介電頂端層，其將被該手指所觸碰；一被配置在該頂端層下面的導電的感測結構，該感測結構係耦接至該提供激勵信號的電路以呈現一實質依循該激勵電位之時變的感測結構電位，其中該激勵電位從該第一電位至該第二電位的每一個變化係產生一在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化；連接至該感測結構的感測電路，其係用於提供一指出藉由該感測結構所載有的一電荷的一變化之感測信號，該變化係產生自在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化；以及連接至該感測電路的解調變電路，其係用於組合該感測信號以及一時序相關於該激勵信號的解調變信號以提供一組合的信號，該組合的信號係包含一指出藉由該感測結構所載有的該電荷的該變化之DC信號成分；以及連接至該些感測元件的每一個的讀出電路，其係用於根據來自該些感測元件的每一個的該DC信號成分來提供該指紋圖案的一表示。
在本申請案的上下文中，該術語"電位"應該被理解為表示"電位能"。
於是，一時變的電位應該被理解為表示一具有一相關於一參考電位隨著時間而改變的大小的電位。該時變的激勵電位譬如可以被提供為一脈波串，其係具有一脈波重複頻率、或是脈波重複頻率的一組合。在此種脈波串中的脈波例如可以是方波脈波。或者是，該時變的激勵電位可被提供為一正弦波、或是正弦波的一組合。
該些感測元件可以有利的是以一包括列與行的陣列來加以配置。
每個感測結構可以有利的是用一金屬板的形式來加以設置，因而一種類型的平行板電容器係藉由該感測結構(感測板)、本地的手指表面、以及保護塗層(以及任何根據在指紋圖案中的位置而可能本地存在於該本地的手指表面與保護塗層之間的空氣)而被形成。藉由該感測結構所載有的電荷之產生自在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化之變化是此平行板電容器的電容的一項指示，其於是為在該感測結構與手指表面之間的距離的一項指示。
該保護塗層可以有利的是至少20μm厚的，並且具有一高的介電強度以保護該指紋感測裝置的下面的結構免於磨損及撕裂，並且避免ESD。甚至更有利的是，該保護塗層可以是至少50μm厚的。在實施例中，該保護塗層可以是數百μm厚的。
每個感測元件可以是可控制以執行一預設的量測序列，其係涉及在一預設的序列中轉變在不同的量測狀態之間。一量測狀態可以是藉由被提供至內含在該感測元件中的電路之控制信號的某一組合所界定的。
該提供激勵信號的電路可包括切換電路，其係被配置以切換在被提供於不同的線上的兩個或多個不同的電位之間。替代或是組合地，該提供激勵信號的電路可包括至少一被配置以提供該時變的激勵電位之信號源。
該提供激勵信號的電路可以內含在一指紋感測器構件中，並且於是可以提供具有相關於該指紋感測器構件的一參考電位(例如是一感測器的接地電位)之時變的激勵電位的激勵信號。
或者是，該提供激勵信號的電路可以被設置在該指紋感測器 構件的外部，並且連接至該指紋感測器構件以提供該激勵信號作為一用於該指紋感測器構件的時變的參考電位。在此例中，該激勵信號可以呈現其相關於該指紋感測系統被內含於其中的電子裝置的一裝置接地電位之時變的激勵電位。外部的提供激勵信號的電路可以利用藉由內含在該指紋感測器構件中的時序電路所產生的控制信號來加以控制。
當在該激勵電位上的一變化在該感測結構電位上產生一對應的變化時，該時變的感測結構電位係實質依循該激勵電位。在該感測結構電位上的變化並不需要和在該激勵電位上的變化剛好同時的，而是根據在該提供激勵信號的電路與感測結構之間的耦合的性質而可以有某些延遲。再者，在該激勵電位與感測結構的電位之間可以有一電位轉換，而且可以有某些縮放。然而，該激勵電位的整體特性應該反映在該感測結構的電位上。
該解調變信號是時序相關於該激勵信號，此應該被理解為表示該激勵信號的上述從該第一電位至該第二電位及/或從該第二電位至該第一電位的變化的時序將會決定在該解調變信號的電位上的變化的時序。
在某些實施例中，該解調變信號可以是界定取樣事件的短的脈波，而在其它實施例中，該激勵信號本身可以構成該解調變信號。
本發明是根據體會到該些感測元件的越快的操作將會在一感測事件期間容許有多個來自每一個感測元件的讀出，此係產生一項指出介於該感測元件與手指表面之間的本地的距離的量測。此於是將會提供改善的感測效能，例如是在信號雜訊比以及共模雜訊的降低之方面。
本案發明人已經進一步體認到該些感測元件之所要的較快 的操作可以藉由在感測元件中本地用該感測信號之所要的資訊內容(亦即上述在藉由該感測結構所載有的電荷上的變化)是藉由一DC信號或是一接近DC信號(相關於該指紋感測系統的一參考電位之固定的電壓)來加以指出的此種方式以至少部份地解調變該感測信號來加以達成，而在功率消耗上並無對應的增加。
藉由從每個感測元件輸出藉由該感測結構所載有的電荷的變化為一DC信號成分，將不需要在電位上對抗該讀出線的寄生電容以上下移動該讀出線，此係提供每一讀出事件之大為降低的能量消耗。
於是，本發明的實施例係在能量消耗上並無對應的增加下提供一較高的讀出頻率，此於是容許有改善的感測效能，並且進一步透過本身為已知的濾波技術而致能多個輸出信號的組合，藉此該共模雜訊可被降低，而且該信號雜訊比可被增大。
此係容許透過例如是一電子裝置(例如一行動電話)的一控制按鈕或蓋子的一部分之較厚的介電塗層之量測。再者，降低該指紋感測器的能量消耗及/或縮短獲得一指紋表示(影像)所需的時間是可能的。
在實施例中，該讀出電路可被配置以提供一特定的感測元件或是群組的感測元件的數個讀數之一時間的平均值或是總和。在其它實施例中，該讀出電路可被配置以連續或實質同時地從複數個感測元件接收上述的組合的信號。藉此，一空間的平均值可加以形成，其例如可以是有用於雜訊抵消及/或增益控制。
在根據本發明的指紋感測系統的各種的實施例中，該感測電路可以有利的是包含一電荷放大器，其係包括一連接至該感測結構的第一 輸入；一連接至該提供激勵信號的電路的第二輸入；一提供該感測信號的輸出；一連接在該第一輸入與該輸出之間的回授電容器；以及至少一在該第一及第二輸入與該輸出之間的放大器級，該電荷放大器係以一在該第一輸入的電位實質依循一在該第二輸入的電位的此種方式來加以配置。
該電荷放大器係轉換在該第一輸入的電荷成為一在該輸出處的電壓。該電荷放大器的增益係藉由該回授電容器的電容來加以決定。
該電荷放大器係以在該第一輸入(有時亦被稱為負輸入)的電位實質依循在該第二輸入(有時亦被稱為正輸入)的電位的此種方式來加以配置，此應該被理解為表示在該第二輸入的電位上的一變化係在該第一輸入的電位上產生一實質對應的變化。根據該電荷放大器之實際的配置，在該第一輸入的電位可以是與在該第二輸入的電位實質相同的、或是在該第二輸入與該第一輸入之間可以有一實質固定的電位差。譬如，若該電荷放大器係被配置為單級放大器，則該電位差將會是該感測電晶體的閘極-源極電壓。
應注意到的是，該電荷放大器的輸出並不需要直接連接至該回授電容器，而且在該輸出與該回授電容器之間可以有額外的電路。此電路亦可以被置放在感測元件的陣列之外。
根據實施例，該解調變電路可包括信號放大電路，以用於將該感測信號乘上該解調變信號。
藉由相乘該感測信號以及該解調變信號，由該感測結構所載有的電荷的變化可以在數學上被分開成為該所要的DC信號成分，此係容許在該指紋感測系統中便於信號傳輸及處理。
該信號放大電路可以是任何能夠隨時將該兩個信號(該感測信號以及該解調變信號)的瞬間電壓一起相乘以產生其輸出信號之電路。
信號放大電路的例子係包含不同類型的混波器，例如乘法器混波器或是切換式混波器。
一用於相關雙重取樣的取樣器亦可以在數學上被視為信號放大電路，其中具有一負脈波以及一正脈波的一解調變信號係和該感測信號相乘。
該解調變電路可以進一步包括一低通濾波器，以用於容許該DC信號成分通過，同時移除較高頻的成分。替代或是組合地，一低通濾波器可被設置在該感測元件之外，以用於低通濾波藉由該感測元件所輸出之組合的信號。該低通濾波器可以內含在該讀出電路中。
在各種的實施例中，相互連接該些感測元件以及該讀出電路的讀出線可以作用為低通濾波器，這是由於在相鄰的讀出線之間、以及在一讀出線與該指紋感測器構件中的其它結構(例如是接地及/或供應電壓軌)之間的寄生電容之緣故。
為了使得該些讀出線以及其相關的寄生電容能夠作用為用於由該些感測元件所提供的組合的信號之適當的低通濾波器，每一個感測元件可被配置以提供一小於10μA的最大的輸出電流。
對於產生該些輸出線的一在1-10pF的級數的寄生電容、以及來自每一個感測元件的一在10-100MHz的級數的讀出頻率之一典型的CMOS設計而言，一小於10μA的最大的輸出電流將會容許該讀出線能夠作用為一低通濾波器(的一部分)。
藉此，較高頻的成分可以在每一個感測元件與該讀出電路之間充分地被衰減，因而在該讀出電路之處實質只剩下該所要的DC信號成分。此係提供一種簡化的指紋感測器設計，並且提供低的能量消耗。
根據各種實施例，內含在該電荷放大器中的該放大器級可包括一感測電晶體，該感測電晶體係具有一構成該第一輸入的閘極。該感測電晶體可被形成在一半導體基板中的一井內，一在該井與該基板之間的介面係用可以避免電流流動在該井與該基板之間的此種方式來加以配置。再者，該提供激勵信號的電路可以連接至該井，以用於將該井的一電位從一第三電位改變至一第四電位，一在該第三電位與該第四電位之間的差值係實質等於一在上述的第一電位與第二電位之間的差值，以藉此降低一在該感測結構與該井之間的寄生電容的一影響。
該半導體基板可以有利的是一摻雜的半導體基板，並且該井可以是該基板的一被摻雜相對該半導體基板相反的極性的部分(若該半導體基板是摻雜p型的，則該井可以是摻雜n型的，並且若該半導體基板是摻雜n型的，則該井可以是摻雜p型的)。這是一種達成在該井與該基板之間的一介面的方式，該介面係用可以避免電流流動在該井與該基板之間的此種方式來加以配置。尤其，該井以及該基板可被保持在此種電位，以使得沒有電流流過被形成在該基板與該井之間的介面處之二極體。
或者是，一絕緣層可被設置在該基板與該井之間，其例如是具有一薄層的玻璃的形式。此種絕緣層亦將會避免電流流動在該井與該基板之間。
本案發明人已經體認到在本發明的實施例中，在該指紋感測 裝置中的感測結構與半導體結構之間的寄生電容的影響可以藉由設置提供激勵信號的電路而大為降低，該提供激勵信號的電路係被配置以改變該電荷放大器的感測電晶體被形成於其中的井的電位。藉此，該井(其係為相鄰在該感測結構與該感測電晶體(該電荷放大器的輸入級)之間的連接的半導體結構)的電位可被控制以依循該感測結構的電位，因而在該井與該感測結構之間的電位差至少在相關於在該感測結構與該手指之間的電容的量測之時點係被保持實質固定的。
再者，根據各種實施例，該指紋感測裝置可以進一步包括一被配置在該感測結構與該基板之間的屏蔽結構。該提供激勵信號的電路可以進一步連接至該屏蔽結構，並且被配置以將該屏蔽結構的一電位從一第五電位改變至一第六電位，一在該第五電位與該第六電位之間的差值係實質等於一在上述的第一電位與第二電位之間的差值。
藉此，該感測結構可以有效地與該感測元件之其它可能在下面的部分，例如是在金屬層中的連接線、及/或被形成在該半導體基板中的連接線及/或半導體電路屏蔽開。此將會進一步降低在該感測元件中的寄生電容的影響。
該第五電位可以有利的是等於以上所提及的第三(及/或第一)電位，並且該第六電位可以有利的是等於上述的第四(及/或第二)電位。例如，該屏蔽結構(板)可以有利的是直接導電地連接至該井。
根據一第一組的實施例，該感測電晶體可以是一NMOS電晶體或是一PMOS電晶體，並且該井分別可以是一p型井或是一n型井。
根據一第二組的實施例，一p型井及/或一n型井可被形成 在連接至該提供激勵信號的電路的井中。當至少一p型井以及至少一n型井被形成在該井中時，該井可以有時被稱為一隔離井(iso-well)。
再者，該井可以是共用於複數個感測元件。譬如，該井可以是一圍繞數個感測元件的n型井及p型井的隔離井。該提供激勵信號的電路可以連接至該隔離井而且連接至被形成在該隔離井內的井，並且被配置以改變該隔離井以及在該隔離井內所形成的井之電壓。
根據各種實施例，該些感測元件的每一個可包括連接至該提供激勵信號的電路的時序電路，以用於：提供一第一激勵控制信號至該提供激勵信號的電路，以用於在一第一激勵轉變時間觸發一在手指與感測結構之間的電位差上的第一變化；並且提供一第二激勵控制信號至該提供激勵信號的電路，以用於在一第二激勵轉變時間觸發一在手指與感測結構之間的電位差上的第二變化。
再者，根據各種實施例，該些感測元件的每一個可以進一步包括：重置電路，其係可控制以放電該回授電容器；以及時序電路，其係連接至該重置電路以用於控制該重置電路在一其中該回授電容器係被放電的重置狀態、以及一其中該回授電容器可被充電以容許量測藉由該感測結構所載有的電荷的變化的量測備妥狀態之間。
透過在每一個感測元件或是群組的感測元件中本地設置時序電路，內含在該感測元件或是群組的感測元件中的電路的至少某些時序控制可以在每一個感測元件或是群組的感測元件中本地加以控制。
因此，可以說成該時序電路係作用為一本地的狀態機，其可以是非同步或是同步的、或是其之一組合。
藉由提供至少在量測狀態之間的最有迫切時限的轉變之本地的時序，可利用於量測的時間可被增加(對於一給定的讀出頻率而言)，且/或可以使得該電容式指紋感測裝置的設計變得容易。譬如，將不需要小心地繞線某些時序控制信號至每一個感測元件，而是該時序可以藉由選擇一特定的感測元件的一外部信號來加以起始。
於是，本發明的這些實施例進一步使得較高的讀出頻率的實現變得容易，其於是容許有改善的量測效能，並且進一步致能多個輸出信號的組合(例如是透過濾波)，藉此共模雜訊可以被降低，並且該信號雜訊比可以被增大。
該時序電路可以有利的是包括至少一第一延遲元件，以用於在一藉由一第一事件以及一相關於該第一事件的時間延遲所界定的轉變時間，控制該感測元件以從一第一量測狀態轉變至一第二量測狀態，該第一延遲元件係具有一用於接收一界定該第一事件的第一信號的輸入、以及一用於提供一界定從該第一量測狀態至該第二量測狀態的該轉變的第二信號的輸出。
該第一信號可以是一時變的電壓，並且該第一事件譬如可以是藉由該第一信號的一上升側或是下降側所界定的。
該第一信號可以是在該感測元件內部產生的、或者可以根據各種實施例而被提供為一在該感測元件之外產生的信號，其例如可以被稱為一啟動信號或是選擇信號。
該第二信號可以被視為該第一信號的一延遲的版本，但應瞭解的是除了延遲以外的其它轉換也可能已經施加在該第一信號上，以形成 該第二信號。譬如，該第一信號可能已經額外被放大、及/或衰減、及/或反相、等等，以形成該第二信號。
該第一延遲元件可以有利的是包括半導體電路，例如是一或多個邏輯閘。
根據本發明的各種實施例之電容式指紋感測系統可以有利的是內含在一電子裝置中，其進一步包括處理電路，該處理電路係被配置以：從該指紋感測系統獲得該指紋圖案的表示；根據該表示來認證一使用者；以及只有在該使用者根據該表示而被認證後，才執行至少一使用者請求的程序。該電子裝置例如可以是一例如行動電話或平板電腦的手持式通訊裝置、一電腦、或是一例如手錶或類似者的電子式可穿戴的用品。
根據本發明的一第二特點，其係提供有一種感測一手指的一指紋圖案之方法，其係利用一種包括提供激勵信號的電路以及複數個感測元件之電容式指紋感測系統，該複數個感測元件係分別包含：一保護的介電頂端層，其將被該手指所觸碰；一被配置在該頂端層下面的導電的感測結構；以及連接至該感測結構的感測電路，其係用於提供一指出藉由該感測結構所載有的一電荷的一變化之感測信號，該變化係產生自一在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化，其中該方法係包括以下步驟：利用該提供激勵信號的電路以提供一激勵信號至該手指以及該感測結構中的至少一個，以在該手指與該感測結構之間提供一時變的電位差；藉由該指紋感測系統以提供一時序相關於該激勵信號的解調變信號；藉由該指紋感測系統以組合該解調變信號以及該感測信號以提供一組合的信號，該組合的信號係包含一指出藉由該感測結構所載有的該電荷的該變化之DC信號成 分；並且利用在該些感測元件外部的讀出電路以根據來自該些感測元件的每一個的該DC信號成分來提供該指紋圖案的一表示。
透過本發明的此第二特點的進一步實施例以及獲得的效果係大部分類似於上述針對於本發明的第一特點的那些實施例以及獲得的效果。
總之，本發明係有關於一種電容式指紋感測系統，其係包括提供激勵信號的電路以及複數個感測元件。每一個感測元件係包含一保護的介電頂端層；一耦接至該激勵信號的導電的感測結構，以用於提供一指出藉由該感測結構所載有的一電荷的一變化之感測信號，該變化係產生自一在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化；以及連接至該感測電路的解調變電路，其係用於組合該感測信號以及一時序相關於該激勵信號的解調變信號以提供一組合的信號，該組合的信號係包含一指出藉由該感測結構所載有的該電荷的該變化之DC信號成分。該指紋感測系統進一步包括連接至該些感測元件的每一個的讀出電路，其係用於根據來自該些感測元件的每一個的該DC信號成分來提供該指紋圖案的一表示。
1‧‧‧行動電話
2‧‧‧指紋感測系統
4‧‧‧指紋感測器
5‧‧‧感測器陣列
6‧‧‧電源供應器介面
7‧‧‧通訊介面
8‧‧‧感測元件
10a‧‧‧第一接觸墊
10b‧‧‧第二接觸墊
11‧‧‧手指
13‧‧‧保護的介電頂端層
17‧‧‧金屬板
18‧‧‧電荷放大器
19‧‧‧提供激勵信號的電路(可控制的電壓源)
21‧‧‧選擇開關
24‧‧‧運算放大器
25‧‧‧第一輸入(負輸入)
26‧‧‧第二輸入(正輸入)
27‧‧‧輸出
29‧‧‧回授電容器
30‧‧‧重置開關
31‧‧‧解調變器
32‧‧‧提供解調變信號的電路
33‧‧‧讀出線
35‧‧‧第一輸入
36‧‧‧多工器
37‧‧‧取樣保持電路(第二輸入)
38‧‧‧類比至數位轉換器(輸出)
50‧‧‧感測電路
51‧‧‧時序電路
65‧‧‧屏蔽板
66‧‧‧參考板
68‧‧‧感測電晶體
69‧‧‧疊接電晶體
71‧‧‧偏壓電流源
73‧‧‧井
74‧‧‧取樣保持電路
75‧‧‧第一取樣電容器(驅動電晶體)
76‧‧‧第一取樣開關(驅動控制開關)
77‧‧‧第一輸出(重置控制開關)
79‧‧‧第二取樣電容器
80‧‧‧第二取樣開關
81‧‧‧第二輸出
82‧‧‧差分放大器
83‧‧‧第一AND閘
84‧‧‧第一延遲元件
85‧‧‧第二延遲元件
86‧‧‧第二AND閘
87‧‧‧第一反相器
88‧‧‧第三延遲元件
89‧‧‧第四延遲元件
90‧‧‧第三AND閘
91‧‧‧第二反相器
92‧‧‧第五延遲元件
93‧‧‧第六延遲元件
94‧‧‧第四AND閘
95‧‧‧第三反相器
96‧‧‧第七延遲元件
97‧‧‧第八延遲元件
98‧‧‧第五AND閘
99‧‧‧第四反相器
100‧‧‧延遲元件
101‧‧‧第一CMOS反相器
102‧‧‧第二CMOS反相器
105‧‧‧電晶體
106‧‧‧第一電阻器
107‧‧‧第二電阻器
125‧‧‧處理電路
126‧‧‧電源供應器電路
127‧‧‧感測器電壓源
129‧‧‧隔離電路
ACT‧‧‧啟動信號
C-ACT‧‧‧行啟動信號
CP、Cp1、Cp3‧‧‧寄生電容
DGND‧‧‧參考電位
DRV‧‧‧驅動(激勵)控制信號
R-ACT‧‧‧列啟動信號
RST‧‧‧重置信號
S1‧‧‧第一取樣控制信號
S2‧‧‧第二取樣控制信號
S0-S9‧‧‧量測狀態
VL‧‧‧參考電位
VS‧‧‧感測信號
本發明的這些特點以及其它特點現在將會參考展示本發明的一範例實施例之所附的圖式來更詳細地加以描述，其中：圖1係概要地描繪一包括一指紋感測系統之行動電話；圖2係概要地展示在圖1中的指紋感測系統；圖3是在圖2中的指紋感測系統的一部分的概要橫截面圖，其係描繪根據習知技術的一指紋感測裝置的一個例子，其係利用電路圖以描繪感測 元件的配置、以及感測信號從該些感測元件至讀出電路的傳輸；圖4a是在圖2中的指紋感測系統的一部分的一概要橫截面圖，其係描繪根據本發明的指紋感測系統的一第一實施例；圖4b是用於在圖4a中的指紋感測裝置之範例的解調變電路的電路圖；圖5a-b係概要地描繪內含在根據本發明的一第二實施例的一種感測系統中之一感測元件；圖6是在圖5b中的感測元件的一部分的概要的電路圖，其係包含該感測電路以及解調變電路；圖7是描繪用於在圖6中的電容式指紋感測系統之一範例的量測序列的時序圖；圖8係概要地描繪用於控制藉由在圖6中的感測元件所執行的量測序列的時序之範例的時序電路；圖9是內含在圖8的時序電路中的一延遲元件的電路圖；圖10a-b係概要地描繪根據本發明的指紋感測系統的一第三實施例；以及圖11係概要地描繪其中該提供激勵信號的電路係被配置並且組態設定以擺動該指紋感測器構件的一參考電位的實施例。
在本案的詳細說明中，根據本發明的指紋感測裝置及方法的各種實施例係主要參考一種電容式指紋感測系統來加以敘述的，其中每一個感測元件係包括用於提供一激勵或驅動信號至感測結構之提供激勵信號的電路。再者，該電容式指紋感測裝置係被描繪為一觸控感測器，其被給 定尺寸並且配置以從一靜止的手指獲得一指紋表示。
應注意到的是，此絕非限制本發明的範疇，因為本發明同樣良好地包含例如是一種電容式指紋感測系統，其中在手指電位與感測結構電位之間的電位差上的變化是替代地藉由相關於該指紋感測系統被內含於其中的電子系統的一參考電位來控制該指紋感測器構件的參考電位(例如，本地的接地位準)而被達成。其它的感測器陣列配置，例如是一種用於從一移動的手指獲得一指紋表示之所謂的滑動式(swipe)感測器(或是線感測器)亦在本發明的如同藉由所附的申請專利範圍所界定的範疇內。一觸控感測器亦可以具有和在所附的圖式中描繪的那些尺寸不同的其它尺寸。
圖1係概要地描繪根據本發明的一範例實施例的一種指紋感測系統的一應用，其係具有一行動電話1以及一整合的指紋感測系統2的形式。該指紋感測系統2例如可被使用於解鎖該行動電話1，且/或用於授權利用該行動電話來加以實行的交易、等等。
圖2係概要地展示內含在圖1的行動電話1中的指紋感測系統2。如同在圖2中可見的，該指紋感測系統2係包括一感測器陣列5、一電源供應器介面6以及一通訊介面7。該感測器陣列5係包括大量的感測元件8(該些感測元件中只有一個是已經利用一元件符號來指出，以避免圖面的凌亂)，每一個感測元件都是可控制的，以感測介於一內含在該感測元件8中的感測結構(頂端板)與一接觸該感測器陣列5的頂表面的手指的表面之間的一距離。
該電源供應器介面6係包括第一接觸墊10a以及第二接觸墊10b，其在此被展示為焊墊，以用於一供應電壓Vsupply至該指紋感測器2的連 接。
該通訊介面7係包括一些焊墊，以用於容許控制該指紋感測器2並且用於從該指紋感測器2獲得指紋資料。
圖3是根據習知技術的一指紋感測系統的一部分沿著如同在圖2中所指出的線A-A'所取的概要的橫截面，其中一手指11被置放在該感測器陣列5的頂端上。該指紋感測系統係包括複數個感測元件8，其分別包括一保護的介電頂端層13；一導電的感測結構，其在此具有一位在該保護的介電頂端層13下面的金屬板17的形式；一電荷放大器18；選擇電路，其在此於功能上被描繪為一簡單的選擇開關21以用於容許該感測元件8的選擇/啟動、以及提供激勵信號的電路19，其係用於提供一激勵信號至如同在圖3中概要地指出的手指。
該電荷放大器18係包括至少一放大器級，其在此概要地被描繪為一運算放大器(op amp)24，其具有一連接至該感測結構17的第一輸入(負輸入)25、一連接至該提供激勵信號的電路19的第二輸入(正輸入)26、以及一輸出27。此外，該電荷放大器18係包括一連接在該第一輸入25與輸出27之間的回授電容器29、以及重置電路，其在此功能上被描繪為一開關30，以用於容許該回授電容器29的可控制的放電。該電荷放大器18可以藉由操作該重置電路30以放電該回授電容器29來加以重置。
如同對於一op amp 24而言經常的情形是，在該第一輸入25的電壓係追隨被施加至該第二輸入26的電壓。根據該特定的放大器配置，在該第一輸入25的電位可以是和在該第二輸入26的電位實質相同的、或是在該第一輸入25的電位與在該第二輸入26的電位之間可以有一實質固定的 偏移。
時變的電位至該手指11的提供係產生在該感測結構17與手指11之間的一時變的電位差。
如同將會在以下進一步更詳細描述的，上述在該手指11與參考結構17之間的電位差上的變化係在該電荷放大器18的輸出27上產生一感測信號VS。
當所指出的感測元件8被選出以用於感測時，該選擇開關21係被閉合以連接該電荷放大器的輸出至該讀出線33。該讀出線33可以是用於圖2中的感測器陣列5的一列或是一行之一共同的讀出線，其係在圖3中被展示為連接至一多工器36。如同在圖3中概要地指出的，提供來自該感測器陣列5的其它列/行的感測信號之額外的讀出線亦連接至該多工器36。
來自該些感測元件8的感測信號VS係藉由被配置在感測元件的陣列之外的取樣保持電路37來加以解調變。該取樣保持電路37的輸出係連接至一類比至數位轉換器38，以用於轉換藉由該取樣保持電路輸出的類比DC電壓信號成為該手指11的指紋圖案的一數位表示。
如同在圖3中概要地指出的，在該讀出線33與接地之間有一寄生電容CP。當沿著該讀出線33發送該感測信號VS時，對抗該寄生電容CP以在電位上將該讀出線33上下驅動係需要一定的電流。此電流是頻率相依的。在已知的電容式指紋感測裝置所使用的讀出頻率(例如是在1MHz的級數)下，給定該感測裝置係被良好設計成使得該寄生電容例如是在1pF的的級數，則由於該讀出線的寄生電容所造成的功率消耗可以看出的是可接 受的。然而，若該讀出頻率將會被大為增加到例如是20MHz或更高，則由於該寄生電容CP所造成的功率消耗將會變成是相當大的。
本發明的各種實施例係容許在讀出頻率上的增加，而無上述由於該讀出線33的寄生電容所造成在電流消耗上的增加。
根據本發明的一種指紋感測系統的一第一實施例現在將會參考圖4a-b來加以描述。
在圖4a中的指紋感測系統係和以上參考圖3所述者主要不同是在於該提供激勵信號的電路19係耦接至該感測結構17，並且不同在於每一個感測元件進一步包括解調變電路，其在此係具有解調變器31的形式、以及提供解調變信號的電路32。
該手指11在圖4a中係概要地被指出為"接地的"。應瞭解的是，該手指的"接地"可以是不同於該感測器的接地。譬如，該手指可以是在該電容式指紋感測系統被內含於其中的電子裝置的接地電位。或者是，身體可被視為具有此種大的電性"質量"，使得當該參考結構17的電位改變時，手指的電位仍然維持實質固定的。
該提供解調變信號的電路32係連接至該提供激勵信號的電路19，以用於根據藉由該提供激勵信號的電路所輸出的激勵信號來提供一解調變信號。該解調變信號是時序相關於該激勵信號，並且因此亦時序相關於藉由該電荷放大器18所輸出的感測信號VS。
該解調變器31係連接至該電荷放大器18的輸出27以及該提供解調變信號的電路32，以用於組合該感測信號與該解調變信號以提供一組合的信號，該組合的信號係包含一DC信號成分指出以上所提及的藉由 該感測結構17所載有的電荷的變化，其係產生自在該手指11的電位與該感測結構17的電位之間的電位差上的反復的變化。
在某些實施例中，可以不需要有任何提供解調變信號的電路32，而是該激勵信號可以直接被提供至該解調變器31，以用於和該感測信號VS組合。在其它實施例中，該提供解調變信號的電路可以產生一或數個具有一相關該激勵信號的時序關係之解調變信號。具有時序電路的形式之提供解調變信號的電路32的一個例子將會在以下參考圖5a-b、圖6、圖7以及圖8進一步加以描述，該時序電路係產生用於一具有一雙重取樣器的形式之解調變器的取樣控制信號。
根據該感測元件8的配置以及該激勵信號的波形，該解調變器31可以用各種熟習技術者已知的方式來加以實施。原則上，任何被開發用於AM解調變之適當的混波器或解調變器都可被調適以用於在根據本發明的指紋感測系統中的感測元件。
圖4b是簡單的解調變電路(混波器)31的電路圖，其係具有一用於接收該感測信號VS的第一輸入35、一用於從該提供激勵信號的電路19接收該激勵信號的第二輸入37、以及一用於提供一組合的信號之輸出38，該組合的信號係包含一指出藉由該感測結構17所載有的電荷的變化之DC信號成分，其於是指出在感測結構17與手指11之間的(電性)距離。
圖5a-b係概要地描繪內含在根據本發明的一第二實施例的一種電容式指紋感測系統2中的一感測元件8。
首先參考圖5a，一來自在圖2中的感測器陣列5的感測元件8係和其最接近的相鄰者一起被展示。用以感測在其感測結構17與手指 11之間的電容性耦合的感測元件8可以利用來自列選擇電路以及行選擇電路的啟動信號來加以選擇。此種啟動信號在圖5a中係被指出為R-ACT以及C-ACT。
參照圖5b，在該電容式指紋感測系統2中的每一個感測元件8係包括感測電路50(例如，在圖4中的電荷放大器18、提供激勵信號的電路19、以及解調變器31)以及時序電路51。
該感測電路50係連接至該感測結構(板)17，以用於量測藉由該感測結構17所載有的電荷的變化，其係產生自在該手指11與感測結構17之間的一電位差上的變化。此量測係藉由執行一包括轉變通過一序列的量測狀態的量測序列來加以實行。一範例的量測序列將會在以下參考圖6及圖7加以進一步詳細地描述。該感測電路50係具有一輸出以用於提供上述由該解調變器所提供的組合的信號至該讀出線33。
該時序電路51係連接至該感測電路50，以用於控制該些量測狀態中的至少一個的時序。
如同在圖5b中概要地描繪的，該時序電路51可以接收一或數個用於觸發該感測元件8的一量測操作的控制信號。譬如，上述的列與行啟動信號R-ACT及C-ACT可以由該時序電路51來加以接收，其之後可以獨立地提供給該感測電路50各種的時序控制信號，即如同藉由在圖5b中的箭頭所概要地指出者。
透過內含在該量測序列中的量測狀態中的至少一個的時序之此種本地的控制，在量測狀態之間的轉變的時序可以是更準確且/或受到一致控制的，此係容許在轉變之間較短的時間，其於是容許有較高的量測 頻率。
在圖5b中的感測電路50的一個例子係更加詳細地被展示在圖6中。由該時序電路51所提供的控制信號(該啟動信號ACT、重置信號RST、驅動控制信號DRV、以及第一取樣控制信號S1及第二取樣控制信號S2)係在圖6中藉由箭頭來加以指出。
在圖6中的感測電路50係包括一電荷放大器18、在此藉由一可控制的電壓源19來加以表示的提供激勵信號的電路、以及一具有取樣保持電路74的形式之解調變器。
如上針對於在圖3中的感測元件8所述，在圖6的感測電路50中的電荷放大器係包括一負輸入25、一正輸入26、一輸出27、一回授電容器29、以及一放大器24。
該負輸入25係連接至該感測結構(板)17，並且該輸出27係連接至內含在該感測元件8中的取樣保持電路74。
該回授電容器29係連接在該負輸入25與輸出27之間並且界定該電荷放大器18的放大，並且該感測元件8進一步包括一與該回授電容器29並聯的重置開關30。
其並非是直接連接至接地或是另一參考電位，該正輸入26而是連接至該可控制的電壓源19。
該取樣保持電路74係包括一第一取樣電容器75、一第一取樣開關76以及一第一輸出77、以及一第二取樣電容器79、一第二取樣開關80以及一第二輸出81。
一差分放大器82係具有一連接至該第一輸出77的正輸入、 以及一連接至該取樣保持電路74的第二輸出81的負輸入。該差分放大器82的輸出係連接至讀出線33。
圖7係描繪一用於在圖6中的感測元件8之範例的量測序列。藉由在該感測元件8中本地控制在該量測序列中的量測狀態之間的轉變，在圖7中描繪的量測序列、或是另一適當的量測序列可以大為更快地加以執行，此係致能較快的讀出及/或來自每一個感測元件的多個讀取，此係產生改善的量測效能。
參照圖7，在其中所展示的時序圖係從頂端到底部包括一啟動信號ACT、一驅動(激勵)控制信號DRV、一重置信號RST、一第一取樣控制信號S1、以及一第二取樣控制信號S2。
在該時序圖之下的是，一起構成上述的量測序列之量測狀態S0-S9的序列係概要地加以指出。
為了在圖6中的感測元件8的啟動，指出該感測元件8的一列選擇的信號以及一行選擇的信號通常可加以提供。在圖7之簡化及概要的時序圖中並且在圖6中，此種選擇信號係藉由單一啟動信號ACT來加以表示。
在一第一時間t1，該感測元件8係藉由該啟動信號ACT從低到高的轉變來加以啟動。此例如可以牽涉到啟動該放大器24。在和時間t1實質相同的時點，由該時序電路51提供至該提供激勵信號的電路19的驅動(激勵)控制信號DRV係被控制以從低變成高的。
在該時間t1，因此有從該量測序列的"非作用中的(inactive)"狀態S0至第一量測狀態S1的轉變。
該激勵信號至該感測結構17的施加將會產生該感測結構17所載有的電荷上的變化。在某段時間以容許該電荷放大器的輸出穩定化之後，一重置信號RST係在該時間t2加以提供，以閉路該重置開關30來藉此放電該回授電容器，並且使得在該電荷放大器18的輸出27的電位參照到該感測結構(板)17的電位。
透過該重置信號的第一側的提供，有一個從該第一量測狀態S1至該第二量測狀態S2(重置狀態)的轉變。
該重置開關30係在時間t3被放開(被容許再次開路)，藉此轉變至第三量測狀態S3(量測備妥狀態)。
在時間t4，有一轉變至第四量測狀態S4，其中該第一取樣控制信號S1係從低變為高的，以控制該取樣保持電路74以取樣在該電荷放大器18的輸出27的感測信號。
在時間t5，有一轉變至第五量測狀態S5，其中該第一取樣控制信號S1係從高變為低的。
接著，在時間t6，該驅動信號DRV係從高變為低的，以改變在該手指11與感測結構17之間的電位差。此也是一轉變至第六量測狀態S6，即如同在圖7中概要地指出者。
在時間t7，有一轉變至第七量測狀態S7，其中該第二取樣控制信號S2係從低變為高的，以控制該取樣保持電路74來第二次取樣在該電荷放大器18的輸出27的感測信號。
在時間t8，有一轉變至第八量測狀態S8，其中該第二取樣控制信號S2係從高變為低的。
最後，在時間t9，有一轉變至第九量測狀態S9，其中該感測元件8係被解除啟動，並且該驅動信號DRV再次從低變為高的。該第九量測狀態S9是和最初的"非作用中的"狀態S0相同的。
如同藉由在圖6中的箭頭概要地指出的，該感測電路50可以利用上述的控制信號(該啟動信號ACT、重置信號RST、驅動控制信號DRV、第一取樣控制信號S1以及第二取樣控制信號S2)來加以控制，以執行以上參考圖7所述的量測序列。當參考圖4所述的量測序列已經被執行時，在該取樣保持電路74的第一輸出77與第二輸出81之間的電位差將會指出在該感測結構17與手指11之間的電容性耦合。此電位差係經由差分放大器82而被提供至該輸出線33。
在上述的範例實施例中，該解調變電路係由該取樣保持電路74所形成的，並且指出在電荷上的變化的DC信號成分是藉由組合在該電荷放大器18的輸出27的感測信號以及取樣控制信號S1及S2來加以提供的。該取樣控制信號是時序相關於該激勵信號，並且是藉由具有該時序電路51的形式之提供解調變信號的電路所產生的。
應注意到的是，在圖6中的電路圖已經被簡化以使得本發明的實施例的說明變得容易。譬如，在該感測元件8的輸出的位準轉換已經被省略。然而，位準轉換的實施方式對於具有此項技術的通常知識者而言是簡單的。再者，一位準轉換器的一簡單例子將會在以下參考圖10a進一步加以描述。
參考圖8，在圖5b中的時序電路51之一範例的配置現在將會加以描述。如同在圖6b中可見的，該時序電路51係包括一第一AND閘 83、一第一延遲元件84、一第二延遲元件85、一第二AND閘86、一第一反相器87、一第三延遲元件88、一第四延遲元件89、一第三AND閘90、一第二反相器91、一第五延遲元件92、一第六延遲元件93、一第四AND閘94、一第三反相器95、一第七延遲元件96、一第八延遲元件97、一第五AND閘98、以及一第四反相器99。
如同在圖8中概要地指出的，該列啟動信號R-ACT以及行啟動信號C-ACT係被輸入至該第一邏輯AND閘83。同樣亦參照到圖6，該第一AND閘83的輸出係被提供至該感測電路50的放大器24以作為上述的啟動信號ACT、被提供至該第一延遲元件84的輸入、並且被提供至該第四AND閘94。該第一延遲元件84的輸出係被提供至該第二AND閘86，並且被提供至該第二延遲元件85的輸入。該第二延遲元件85的輸出係經由該第一反相器87而被提供至該第二AND閘86，並且被提供至該第三延遲元件88的輸入。該第三延遲元件88的輸出係被提供至該第三AND閘90的輸入，並且被提供至該第四延遲元件89的輸入。該第四延遲元件89的輸出係經由該第二反相器91而被提供至該第三AND閘90，並且被提供至該第五延遲元件92的輸入。該第五延遲元件92的輸出係被提供至該第六延遲元件93的輸入。該第六延遲元件93的輸出係經由該第三反相器95而被提供至該第四AND閘94，並且被提供至該第七延遲元件96的輸入。該第七延遲元件96的輸出係被提供至該第八延遲元件97的輸入以及該第五AND閘98的輸入。最後，該第八延遲元件97的輸出係經由該第四反相器99而被提供至該第五AND閘98的輸入。
當包括在圖6中的感測電路50以及在圖8中的時序電路51 的感測元件8係藉由將該列啟動信號R-ACT以及行啟動信號C-ACT兩者設定為高的而被選出時，用於該感測元件8的啟動信號ACT係變為高的(在參考圖7的時間t1)。來自該第一AND閘83的輸出係通過該第一延遲元件84，並且被延遲一第一時間延遲△T1以提供該啟動信號ACT的一第一延遲的版本至該第二AND閘86。
該第一時間延遲△T1係在圖7中對應於t2-t1，並且決定該第一量測狀態S1的持續期間。
來自該第一延遲元件84的輸出亦被提供至該第二延遲元件85的輸入，並且被延遲以提供該啟動信號ACT的一第二延遲的版本。
該啟動信號ACT的第二延遲的版本係經由該第一反相器87而被提供至該第二AND閘86的輸入，以在該第二AND閘86的輸出上達成該重置控制信號RST。
該第二時間延遲△T2係在圖7中對應於t3-t2，並且決定該第二量測狀態S2的持續期間(其中該重置控制信號RST是高的)。
該時序電路51的其餘部分係用相同的方式作用，其中該些延遲元件是被配置以達成在圖7的時序圖中所展示的控制信號。
於是，該第三時間延遲△T3係在圖7中對應於t4-t3並且決定該第三量測狀態S3的持續期間，該第四時間延遲△T4係在圖7中對應於t5-t4並且決定該第四量測狀態S4的持續期間，依此類推。
應注意到的是，該時序電路51是用於描繪利用延遲元件以及邏輯閘的一組合，以用於本地控制內含在該感測元件中的電荷量測電路的量測狀態的時序的原理之一簡化的例子。根據實際的實施方式，該時序 電路可包括用於譬如是信號成形及/或時序之額外或是其它的電路。根據在此提供的說明，熟習技術者將會能夠在無過度的負擔下設計一時序電路之適當的實施方式。
應瞭解的是，較少或是額外的時序控制信號可以根據特定實施例，從該時序電路51獨立地提供至該感測電路50。
圖9係展示一延遲元件100之一舉例說明的例子，其可以內含在圖8的時序電路51中。
該延遲元件101係包括串聯連接的一第一CMOS反相器101以及一第二CMOS反相器102。此延遲元件的時間延遲將會依據內含在該延遲元件100中的構件的尺寸而定，並且該時間延遲因此可以在設計該延遲元件時加以設定。若相當長的延遲時間是所要的，則另外的CMOS反相器可加以串聯耦接。
在圖2中的指紋感測系統2的一第三實施例現在將會參考圖10a-b來加以描述。圖10a-b的實施例係提供用於在該感測元件8中的寄生電容的影響之移除或至少是相當大的減低，此於是進一步使得該感測元件8的高頻操作變得容易。
圖10a是在圖2中的感測元件8被形成在一摻雜的半導體基板上的一實施例之一個部份結構以及部份電路圖的混合。該保護介電層13、感測板17、一屏蔽板65以及一參考板66係概要地展示在一分解立體圖中，而該電荷放大器18係被描繪為具有一電晶體層級的電路圖的形式。
如同在圖10a中所展示的，一簡單的電荷放大器18的此例子係包括感測電晶體68、疊接(cascode)電晶體69、具有重置電晶體30的形 式的重置電路以及偏壓電流源71。該感測電晶體68、疊接電晶體69以及重置電晶體30都被形成在相同的井73(n型井、p型井或是隔離井)中。
為了有助於在圖10a中的部件及連線的理解，相同的概要的配置亦在一較抽象的層級上被展示於圖10b中，其中圖10a的電晶體電路是被一電荷放大器之一般的符號所取代，該電荷放大器係使得其負輸入25連接至該感測板17，其正輸入26是連接至提供激勵信號的電路19(在此具有一脈波產生器的形式)，並且其輸出27係提供一指出在藉由該感測板17所載有的電荷上的變化之感測信號VS，該變化係產生自一在該手指11與感測板17之間的電位差上的變化。如同在以上所解說的，在該手指11與感測板17之間的電位差上的變化是產生自藉由該脈波產生器19，經由該電荷放大器而被施加至該感測板17的變化的電位。一藉由該感測板17以及參考板66所形成的回授電容器係連接在該電荷放大器的負輸入25與輸出27之間。應注意到的是，電荷放大器之一般性的功能對於具有相關技術的普通技能者而言是眾所週知的。圖10b亦概要地指出該井73係連接至該提供激勵信號的電路19。
回到圖10a，可看出的是該感測電晶體68的閘極係構成該電荷放大器的負輸入25，並且該感測電晶體68的源極係構成該電荷放大器的正輸入26。該電荷放大器的正輸入26係連接至該屏蔽板65，其於是連接至該感測電晶體68被形成在其中的井73，並且連接至該脈波產生器19。
該感測元件8進一步包括一驅動電晶體75、一驅動控制開關76以及一重置控制開關77。該驅動控制開關76是可控制在一其中該驅動電晶體75的閘極係連接至該脈波產生器19的第一狀態與一其中該驅動電 晶體75的閘極係連接至感測器的接地的第二狀態之間。當該驅動控制開關76在其第一狀態時，該驅動電晶體75將會是導通的，並且因此將該感測結構17直接連接至該脈波產生器19。當該驅動控制開關在其第二狀態時，該驅動電晶體75將會是不導通的。在後者的情形中，因此將不會有透過該驅動電晶體75的在該感測結構17與脈波產生器19之間的直接的連接。如同在圖10a中可見的，該驅動電晶體75係被形成在該井73中。該偏壓電流源71可以是在該感測元件中、或是在該感測器陣列5之外。
用相同的方式，該重置控制開關77是可控制在一其中該重置電晶體30是不導通的，以容許在該感測板17與回授板66之間有一電位差的第一狀態、以及一其中該重置電晶體30是導通的，以等化該感測板17以及回授板66的電位的第二狀態之間。
參照圖10a，該感測元件8進一步包括一簡單的位準轉換器、以及具有一像是以上參考圖6所述的取樣器的形式之解調變電路31。
該位準轉換器係包括一電晶體105、一第一電阻器106以及一第二電阻器107，並且是藉由首先轉換在該電荷放大器的輸出27的感測信號成為一電流，並且接著將該電流轉換回到一現在是參照到感測器的接地之電壓來運作。
透過在圖10a中的感測元件8的配置，內部的寄生電容Cp1及Cp3的影響係被移除、或至少是顯著被降低。再者，驅動相鄰的感測結構將會移除或至少是顯著降低在相鄰的感測板之間的寄生電容的影響。
在上述的本發明的範例實施例中，該提供激勵信號的電路19已經被描繪為內含在該指紋感測構件中。在這些及其它實施例中，內含 在該指紋感測系統中的提供激勵信號的電路19可以替代地被設置在該指紋感測器構件之外，並且被配置及組態設定以將該指紋感測器構件(感測器的接地)的一參考電位相關於該手指11的電位來擺動在上述的第一及第二電位之間。
其中該提供激勵信號的電路19是在該指紋感測器構件之外的此替代方案現在將會簡短地參考圖11來加以敘述。圖11係概要地展示一種指紋感測系統2，其係包括一指紋感測器4、在此具有一微處理器的形式之處理電路125、以及電源供應器電路126。
如同也在以上參考圖2所述的，該指紋感測器4係包括一感測器陣列5、一電源供應器介面6以及一通訊介面7。該通訊介面7例如可以用一SPI介面(串列週邊介面)的形式來加以設置。
該微處理器125係從該指紋感測器4獲得指紋資料，並且可以按照應用所需地處理該指紋資料。譬如，該微處理器125可以執行一指紋比對(驗證及/或識別)演算法。
該電源供應器電路126係包括一被配置以輸出該供應電壓Vsupply的感測器電壓源127、以及提供激勵信號的電路(在此是一方波脈波產生器19)，以用於相關該指紋感測系統2被內含於其中的電子裝置1的一參考電位DGND來調變該感測器電壓源127的低電位側。
作為方波信號的一替代方案的是，該脈波產生器可以產生任何其它適當的脈波形狀，例如是一正弦波或是一鋸齒波信號等等。
該感測器電壓源127可以用一固定的電壓源的形式(例如一電池)來加以設置，其係專用於供應電源至該指紋感測器4。或者是，該感 測器電壓源127可包括用於至少部份地隔離一電壓源與該指紋感測器4的隔離電路。
如同利用一具有虛線邊界的方塊概要地指出的，該指紋感測系統2可以選配地額外包含隔離電路129，以用於提供在該感測器陣列5與微處理器125之間的電流隔離或是位準轉換。透過隔離電路129的使用，該微處理器125係被容許能夠獨立於該感測器陣列5的相關裝置的接地(DGND)之變化的參考電位VL來運作。
該隔離電路129可以用熟習技術者已知的許多不同的方式來加以實施。譬如，該隔離電路129可以利用例如是光耦合器、線圈及/或電容器的構件來加以實施。儘管在此被展示為個別的電路，但應瞭解的是該隔離電路129可以和該指紋感測器4或是微處理器125整合。
熟習此項技術者係理解到本發明絕非受限於上述的較佳實施例。相反地，許多修改及變化都可能是在所附的申請專利範圍的範疇之內。
在該申請專利範圍中，該字詞"包括"並不排除其它的元件或步驟，並且該不定冠詞"一"或是"一個"並不排除複數。單一處理器或是其它單元可以實現在該申請專利範圍中所述的數個項目的功能。單純的事實是某些手段係被闡述在相互不同的附屬項申請專利範圍中，但是此並非指出這些手段的一組合無法有利地被利用。一電腦程式可以被儲存/散布在一例如是和其它硬體一起供應或是作為其它硬體的部分之一光學儲存媒體或是一固態的媒體的適當的媒體上，但是亦可以用其它形式來加以散布，例如是經由網際網路或是其它有線或無線的電信系統。任何在該申請專利範圍 中的元件符號都不應該被解釋為限制該範疇。
2‧‧‧指紋感測系統
8‧‧‧感測元件
11‧‧‧手指
13‧‧‧保護的介電頂端層
17‧‧‧金屬板
18‧‧‧電荷放大器
19‧‧‧提供激勵信號的電路
21‧‧‧選擇開關
24‧‧‧運算放大器
25‧‧‧第一輸入(負輸入)
26‧‧‧第二輸入(正輸入)
27‧‧‧輸出
29‧‧‧回授電容器
30‧‧‧開關
31‧‧‧解調變器
32‧‧‧提供解調變信號的電路
33‧‧‧讀出線
36‧‧‧多工器
38‧‧‧類比至數位轉換器
CP‧‧‧寄生電容
VS‧‧‧感測信號

Claims (15)

  1. 一種用於感測一手指的一指紋圖案之電容式指紋感測系統，該電容式指紋感測系統係包括：提供激勵信號的電路，其係用於提供一呈現相關於該手指的一電位的一時變的激勵電位之激勵信號，該時變的激勵電位係包含從一第一電位至一第二電位並且回到該第一電位之反復出現的變化；複數個感測元件，其分別包含：一保護的介電頂端層，其將被該手指所觸碰；一被配置在該頂端層下面的導電的感測結構，該感測結構係耦接至該提供激勵信號的電路以呈現一實質依循該激勵電位之時變的感測結構電位，其中該激勵電位從該第一電位至該第二電位的每一個變化係在該手指與該感測結構之間的電位差上產生一變化；連接至該感測結構的感測電路，其係用於提供一指出藉由該感測結構所載有的一電荷的一變化之感測信號，該變化係產生自在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化；以及連接至該感測電路的解調變電路，其係用於組合該感測信號以及一時序相關於該激勵信號的解調變信號以提供一組合的信號，該組合的信號係包含一指出藉由該感測結構所載有的該電荷的該變化之DC信號成分；以及連接至該些感測元件的每一個的讀出電路，其係用於根據來自該些感測元件的每一個的該DC信號成分來提供該指紋圖案的一表示。
  2. 根據申請專利範圍第1項之電容式指紋感測系統，其中該感測電路係包括一電荷放大器，該電荷放大器係包括： 一連接至該感測結構的第一輸入；一連接至該提供激勵信號的電路的第二輸入；一提供該感測信號的輸出；一連接在該第一輸入與該輸出之間的回授電容器；以及至少一在該第一及第二輸入與該輸出之間的放大器級，該電荷放大器係以一在該第一輸入的電位實質依循一在該第二輸入的電位的此種方式來加以配置。
  3. 根據申請專利範圍第1項之電容式指紋感測系統，其中該解調變電路係包括信號放大電路，以用於將該感測信號乘上該解調變信號。
  4. 根據申請專利範圍第1項之電容式指紋感測系統，其中該解調變電路進一步包括一低通濾波器，以用於容許該DC信號成分通過，同時移除較高頻的成分。
  5. 根據申請專利範圍第1項之電容式指紋感測系統，其中該些感測元件的每一個係被配置以提供一小於10μA的最大的輸出電流。
  6. 根據申請專利範圍第1項之電容式指紋感測系統，其中該電容式指紋系統係包括一指紋感測器構件，該指紋感測器構件係包括該複數個感測元件以及該讀出電路。
  7. 根據申請專利範圍第6項之電容式指紋感測系統，其中該指紋感測器構件進一步包括該提供激勵信號的電路。
  8. 根據申請專利範圍第6項之電容式指紋感測系統，其中該提供激勵信號的電路係被配置與該指紋感測器構件分開的並且連接至該指紋感測器構件，以用於提供該激勵信號至該指紋感測器構件的一參考電位輸入，以使 得一用於該指紋感測器構件的參考電位相關於該手指的電位來變化。
  9. 根據申請專利範圍第2項之電容式指紋感測裝置，其中內含在該電荷放大器中的該放大器級係包括一感測電晶體，該感測電晶體係具有一構成該第一輸入的閘極，其中該感測電晶體係被形成在一半導體基板中的一井內，一在該井與該基板之間的介面係用可以避免電流流動在該井與該基板之間的此種方式來加以配置，其中該提供激勵信號的電路係連接至該井以用於將該井的一電位從一第三電位改變至一第四電位，一在該第三電位與該第四電位之間的差值係實質等於一在該第一電位與該第二電位之間的差值，以藉此降低一在該感測結構與該井之間的寄生電容的一影響。
  10. 根據申請專利範圍第9項之指紋感測裝置，其進一步包括一被配置在該感測結構與該基板之間的屏蔽結構，其中該提供激勵信號的電路係進一步連接至該屏蔽板並且被配置以將該屏蔽板的一電位從一第五電位改變至一第六電位，一在該第五電位與該第六電位之間的差值係實質等於一在該第一電位與該第二電位之間的差值。
  11. 根據申請專利範圍第1項之電容式指紋感測裝置，其中該些感測元件的每一個係包括連接至該提供激勵信號的電路的時序電路以用於：在一第一激勵轉變時間提供一第一激勵控制信號至該提供激勵信號的電路，以用於觸發一在該電位差上的第一變化；以及在一第二激勵轉變時間提供一第二激勵控制信號至該提供激勵信號的 電路，以用於觸發一在該電位差上的第二變化。
  12. 根據申請專利範圍第1項之電容式指紋感測裝置，其中該些感測元件的每一個進一步包括：重置電路，其係可控制以放電該回授電容器；以及時序電路，其係連接至該重置電路以用於控制該重置電路在一其中該回授電容器係被放電的重置狀態、以及一其中該回授電容器可被充電以容許量測藉由該感測結構所載有的該電荷的該變化的量測備妥狀態之間。
  13. 根據申請專利範圍第11項之電容式指紋感測裝置，其中該時序電路係包括至少一第一延遲元件以用於在一藉由一第一事件以及一相關於該第一事件的時間延遲所界定的轉變時間控制該感測元件以從一第一量測狀態轉變至一第二量測狀態，該第一延遲元件係具有一用於接收一界定該第一事件的第一信號的輸入以及一用於提供一界定從該第一量測狀態至該第二量測狀態的該轉變的第二信號的輸出。
  14. 一種電子裝置，其係包括：根據申請專利範圍第1項之指紋感測裝置；以及處理電路，其係被配置以：從該指紋感測裝置獲得該指紋圖案的該表示；根據該表示來認證一使用者；以及只有在該使用者根據該表示而被認證後，才執行至少一使用者請求的程序。
  15. 一種感測一手指的一指紋圖案之方法，其係利用一種包括提供激勵 信號的電路以及複數個感測元件之電容式指紋感測系統，該複數個感測元件係分別包含：一保護的介電頂端層，其將被該手指所觸碰；一被配置在該頂端層下面的導電的感測結構；以及連接至該感測結構的感測電路，其係用於提供一指出藉由該感測結構所載有的一電荷的一變化之感測信號，該變化係產生自一在該手指與該感測結構之間的電位差上的變化，其中該方法係包括以下步驟：利用該提供激勵信號的電路以提供一激勵信號至該手指以及該感測結構中的至少一個，以在該手指與該感測結構之間提供一時變的電位差；藉由該指紋感測系統以提供一時序相關於該激勵信號的解調變信號；藉由該指紋感測系統以組合該解調變信號以及該感測信號以提供一組合的信號，該組合的信號係包含一指出藉由該感測結構所載有的該電荷的該變化之DC信號成分；以及利用在該些感測元件外部的讀出電路以根據來自該些感測元件的每一個的該DC信號成分來提供該指紋圖案的一表示。
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