TWI730035B - 具有感測參考電位提供電路系統之指紋感測系統 - Google Patents

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Abstract

一種指紋感測系統，包括：一個裝置連接介面，該裝置連接介面包括一個裝置參考電壓輸入、一個感測配置以及一個感測參考電位提供電路系統。該感測配置包括複數個感測結構和連接到該感測結構的每一者的讀取電路系統。感測參考電位提供電路系統提供一個感測參考電位到感測配置，其中該感測參考電位是在第一感測參考電位和第二感測參考電位之間交替變化之感測參考信號的形式，並且該感測參考電位提供電路系統包括第一電容器；第二電容器；充電電路系統；切換電路系統，用於在第一狀態和第二狀態間交替地切換感測參考電位電路系統，其中在第一狀態，該第一電容器和第二電容器並聯連接到充電電路系統；和在第二狀態，該第一電容器和該第二電容器當充電時被串聯連接在該裝置參考電位輸入和感測配置之間。

Description

具有感測參考電位提供電路系統之指紋感測系統
本發明關於一種指紋感測系統，並且關於一種感測指紋型樣的方法。
各種類型的生物識別系統已日益增加使用，為了是能提供增加安全性及/或增強使用者便利。
特別是，指紋感測系統由於其小尺寸、高性能、和使用者認可的關係，已經被應用在像是消費電子裝置當中。
在各式各樣的所有可用的指紋感測原理中(諸如電容式、光學式、感熱型…等)，電容性感測是最常使用的，特別是在此應用中，尺寸和功率消耗上是重要議題。
所有的電容式指紋感測器係提供一量測，其可代表在該指紋感測器的表面上橫跨滑動或是放置於該表面上的一個手指與複數個感測結構中的每一者之間的電容值。
美國專利號7,864,992中揭示了一種指紋感測系統，其中藉 由對感測器陣列附近的導電結構進行脈衝，而將驅動信號注入到手指，並且對於感測器陣列中由感測結構所攜帶的電荷之造成的改變進行測量。
儘管根據美國專利號7,864,992的指紋感測系統能提供指紋影像品質和感測器保護的優良組合，在一些應用中其希望能獲得高品質的指紋影像，而不須改變手指的電位。具體而言，“難辨認”的手指似乎有改進的空間，例如乾的手指。
美國專利公開號2015/0015537揭示了一種指紋感測系統，其中感測器陣列的參考電位係允許相對於裝置參考電位的擺動。由於感測器陣列上的手指的手指電位可以假定為是恆定的，或相對於裝置參考電位緩慢變化，感測器陣列的參考電位的擺動可以替代根據美國專利7,864,992之指紋感測系統所使用的手指電位的擺動。由於根據美國專利公開號2015/0015537的方法實際上是與手指的導電性無關，因此可針對上述“難辨認”的手指獲得更好的結果。
美國專利號9,152,841揭示另一個指紋感測系統，其中單一感測元件或成群的感測元件的本地參考電位被控制以相對於一個裝置參考電位而擺動。根據美國專利號9,152,841，每一個感測元件包括形成在井中的感測電晶體，以及該井被控制為與感測元件的感測結構一起擺動，以減小寄生電容的影響。
希望能進一步改進的指紋感測，特別是能夠穿過一個較厚的介電結構。
考慮到現有技術的上述和其它的缺點，本發明的一個目的是提供一種改進的指紋感測系統，其可提供改善的指紋感測，特別是穿過一個較厚的介電結構。
根據本發明的第一個方面，其因此提供了一種用於感測一手指的指紋型樣並且提供一指示該指紋型樣的指紋型樣信號之指紋感測系統，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，用於將指紋感測系統連接到電子裝置，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，包括：複數個感測結構，其每一者係被由介電結構覆蓋，並且係經配置以在手指被放置在該介電結構上時電容性耦合到該手指；以及讀取電路系統，其係連接到該感測結構中的每一者，用於感測該感測結構中的每一者所攜載的電荷的變化，該電荷的變化係因為該手指的手指電位和該感測結構的感測結構電位之間的電位差之變化造成的，並且基於該電荷的變化來形成手指型樣信號，該讀取電路系統被連接到該感測結構的每一者，使得該感測結構電位依循該感測配置的感測參考電位；以及感測參考電位提供電路系統，其係連接到該感測配置，以用於提供該感測參考電位到該感測配置，該感測參考電位以相對於該裝置參考電位而在第一感測參考電位和第二感測參考電位之間交替變化之感測參考信號的形式，相對於該裝置參考電位而在該第一感測參考電位和該第二感測參考電位之間的電位差的變化係造成在該手指電位和該感測結構電位之間的電位差的變化，其中該感測參考電位提供電路系統包括：第一電容器；第二電容器；充電電路系統，其充電該第一電容器和該第二電容器；以及切換電路系統，其連接至該第一電容器、該第二電容器、該充電電路系統 和該感測配置，以用於交替地切換該感測參考電位提供電路系統介於第一狀態和第二狀態：在該第一狀態時，該第一電容器和該第二電容器並聯連接到該充電電路系統，以允許該充電電路系統充電該第一電容器和該第二電容器，並且該感測參考電位提供電路系統提供該第一感測參考電位給該感測配置；以及在該第二狀態時，該第一電容器和該第二電容器係與該充電電路系統斷開，並且串聯連接至該裝置參考電位輸入和該感測配置之間，藉此該感測參考電位提供電路系統提供該第二感測參考電位至該感測配置。
該指紋型樣信號可以是任何信號，可以是類比或數位的，該信號指示該手指的指紋型樣的至少一部分。
該裝置參考電位可以是用於電子裝置的任何參考電位，例如裝置接地(相關於裝置接地為0V)或裝置供應電壓(例如，相對於裝置接地為1.8V)。
該電子裝置可以是，例如，可以是可攜式電子裝置，諸如行動電話、智慧型手錶或晶片卡(所謂的智慧卡)。此外，該電子裝置可以是一個包括在一個更複雜裝置中的子系統，例如載具。
讀取電路系統可以包括用於將類比信號轉換成數位信號之電路。這種電路可以包括至少一個類比轉數位轉換器電路。因此，在這樣的實施例中，該指紋感測系統可提供該指紋型樣信號作為數位信號。在其他實施例中，可以提供該指紋型樣的信號作為類比信號。
有利的是，可以用金屬板的形式來提供該感測結構，使得平行平板電容器是由該感測結構(感測平板)、手指表面，以及覆蓋該感測結 構的介電結構(與局部存在於該手指表面及該介電結構之間的任何空氣)來形成的。
有利的是，該介電結構可以是至少20微米厚，並具有高的介電強度，以避免指紋感測裝置下的結構免於受到磨損和撕裂以及靜電放電(ESD)。更加有利的是，該介電結構可以是至少50微米厚。在實施例中，該介電結構可以是幾百微米厚。例如，該介電結構可至少部分地由電子裝置的結構部件組成，諸如玻璃外蓋或疊層。
該讀取電路系統連接到該感測結構的每一者，這樣的方式使得感測結構電位實質上依循該感測配置的感測參考電位，且上述說明應理解為，該感測參考電位的變化係造成在感測結構電位的一個實質對應變化。根據該讀取電路系統的結構，感測結構電位可以實質上與感測參考電位相同，或者在感測參考電位和感測結構電位之間可以有實質上恆定的電位差。
應指出的是，至少在該讀取電路系統執行一個感測操作所需的期間，一般可以假設該手指的手指電位相對於裝置參考電位為實質上恆定的。在實施例中，該指紋感測系統及/或包括在該指紋感測系統中的電子裝置可以包括一個導電結構，以將手指或使用者的手的另一部分連接到裝置參考電位。這種導電結構對於指紋感測系統而言並不需要操作地令人滿意，但對某些手指及/或使用的情況可以加強指紋感測系統的性能。
該充電電路系統可以是任何電路，其係在該第一電容器和該第二電容器的每一個電容器的第二電容器端子，連接至相對於該裝置參考電位為實質上恆定電位(優選是相同的電位)時，能夠將電荷加入到該第 一電容器和該第二電容器的每一個電容器的第一電容器端子。
在第一狀態時(充電狀態)，上述每一個電容器的第二電容器端子可以有利地藉由切換電路系統連接至裝置接地(至包含在該裝置連接介面中的裝置接地輸入)。
在第二狀態(升壓狀態)，該第一電容器的第一電容器端子可以有利地連接至裝置供應(至包括在該裝置連接介面的裝置供應電壓輸入)。該第二電容器的第一電容器端子可以連接至該第一電容器的第二電容器端子。結果是，該第二電容器的該第二電容器端子上的電位將是一個升壓電位。在該第一電容器和該第二電容器都是直接從裝置供應電位開始以串聯連接之範例性情況中，在第二終端處的電位將是該裝置供應電位加上兩倍的相對於該裝置接地電位之第一電容器和第二電容器的充電電壓。
為了實現更高的升壓電位(第二感測參考電位)，該感測參考提供電路可包括附加的電容器，並且該充電電路系統可被配置以在第一狀態時(充電狀態)將上述電容器進行並聯連接，並在第二狀態時(升壓狀態)進行串聯連接，如上所述。
本發明係用於實現改進的指紋感測性能，特別是能穿過一個相對厚的介電結構，其可以藉由增加該手指電位和該感測結構電位之間電位差的變化來實現。本發明人已進一步體認到，這可以一種成本效率的方式來實現，而在同一時間保持指紋感測系統的低能耗，其係藉由將至少兩個電容器並聯連接，在它們並聯連接將電容器進行充電，然後當它們進行充電時將電容器串聯連接，藉此提供一個升壓電位至一個或多個感測結構。
根據本發明實施例的方法，其允許該感測參考電位提供電路 系統被包括在一個積體電路中，並避免了相對昂貴和笨重的專用升壓元件的需要，例如，電感器或類似物。
根據本發明的指紋偵測系統的各種實施例，該讀取電路系統可包括：複數個充電放大器，其每一者連接到該感測結構中的至少一者用於提供感測信號，該感測信號指示由該至少一個感測結構所攜帶的電荷之變化，其中，每一個充電放大器包括：第一輸入，其連接到該至少一個感測結構；第二輸入，其連接到該感測參考電位提供電路系統用以接收該感測參考電位；輸出，提供該感測信號；反饋電容器，其係連接在該第一輸入與該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係介於該第一和第二輸入與該輸出之間，其中該充電放大器經配置，以這樣的方式使得在該第一輸入處的電位實質上依循在該第二輸入處的感測參考電位。
每一個充電放大器將在第一輸入(有時被稱為負輸入)處的電壓轉換成在輸出處的電荷。充電放大器的增益係由反饋電容器的電容值來確定。
充電放大器經配置以這樣的方式使得該第一輸入處的電位實質上依循在該第二輸入處(有時被稱為正輸入)的電位，應理解的是，上述說明係指在第二輸入處的電位變化係實質上造成在第一輸入處的電位之相應變化。取決於充電放大器的實際配置中，在第一輸入處的電位與在第二輸入處的電位可以是實質上相同的，或者是在第二輸入處和第一輸入處之間的可以有實質上恆定的電位差。例如，如果充電放大器經配置為單一級放大器，電位差可以是單一級放大器的電晶體的閘極一源極電壓。
應指出的是，充電放大器的輸出不需要直接連接到反饋電容 器，並可能有附加電路在該輸出和反饋電容器之間。
有利的是，該讀取電路系統可進一步包括取樣電路系統，其係連接至每一個充電放大器的輸出，以在取樣時間取樣感測信號，該取樣時間係與該第一感測參考電位和該第二感測參考電位之間的感測參考電位的變化相關。
在實施例中，該取樣電路系統可以被控制以在當感測參考電位處於第一感測參考電位或第二感測參考電位時，對輸出第一回取樣，並當感測參考電位處於第一感測參考電位及第二感測參考電位中的另一者，對輸出第二回取樣。
對感測信號進行第一和第二回取樣之取樣的程序，一般被稱為相關雙重取樣，並且可移除在該指紋感測系統可能遭受到共模雜訊的大部分的偏移以及至少低頻組成。
此外，每一個充電放大器可包括重置電路系統，其係用於在下列相關於該感測參考電位的變化的時間，對反饋電容器進行等化：從第一感測參考電位到第二感測參考電位，或從第二感測參考電位到第一感測參考電位。
本發明的發明人已經發現，能夠準確且一致地控制包括在該感測參考電位提供電路系統中的第一電容器和第二電容器的充電，對該指紋感測系統的性能是有利的。特別是，這係提供了針對每一個感測結構的感測結構電位和手指電位之間的電位差的一致變化。
為此目的，根據本發明的指紋感測系統的各種實施例，該充電電路系統可包括至少一個電流產生器，其係用於當該感測參考電位提供 電路系統在該第一狀態時，提供電荷至該第一電容器和第二電容器。
有利地，此外，該感測參考電位提供電路系統可額外包括：至少一個電壓偵測器，用以在該測參考電位提供電路在該第一狀態時，偵測橫跨該第一電容器和該第二電容器中之至少一者的電壓；以及控制電路系統，其係連接至該至少一個電壓偵測器和該至少一個電流產生器，用於控制該至少一個電流產生器提供電流，直到橫跨該第一電容器和該第二電容器中的至少一者的電壓達到預定的充電電壓。
本領域的技術人員熟知，該電壓偵測器和控制電路系統可以用各式各樣的方式來實現。例如，該電壓偵測器可由一個比較器來實行，當橫跨在該電容器中的至少一者上之電壓已達到一個預定值時，該比較器可以連接到一開關，用於將該第一電容器和該第二電容器與該電流產生器斷開。
為了允許該指紋感測系統和該外部電路之間的相互作用，無論該感測參考電位是如何地和裝置參考電位有關，根據本發明的實施例的指紋感測系統可以有利地進一步包括位準平移電路系統，其連接到該讀取電路系統，連接到該感測參考電位，以及連接到該裝置參考電位輸入，以用於從該讀取電路系統接收參考該感測參考電位之該手指型樣信號，用以位準平移該手指型樣信號，以及提供參考該裝置參考電位之該手指型樣信號。
在各種不同的實施例中，該位準平移電路系統可進一步被配置成從該裝置連接介面接收參考該裝置參考電位之控制信號，並提供參考該感測配置參考電位之控制信號至該感測配置。因此，該位準平移電路系 統可以是雙向的。
根據各種實施例，位準平移電路系統可以包括：按序列之第一位準平移器和第二位準平移器，該第一位準平移器橫跨連接於該第一電容器，並且該第二位準平移器橫跨連接於該第二電容器。
該第一位準平移器可以將一信號從參考該第一電容器的第一端子處的電位，轉移到參考該第一電容器的第二端子處之電位(其可以與在該第二電容器的第一端子處之電位相同)。該第二位準平移器可以接收來自於該第一位準平移器的信號，並將該信號從參考該第二電容器的第一端子處的電位，轉移到參考該第二電容器的第二端子處的電位。具有以並聯連接的充電的電容器之該電壓升壓配置係允許這種步進位準的平移，而這又提供了非常快速的位準平移。快速的位準平移使得可以快速操作該指紋感測系統，特別是可以快速讀取該指紋型樣信號。
在附加電容器被用於修改(升壓)參考電位之實施例中，也可以提供附加的位準平移器。
根據各種實施例，此外，該感測參考電位提供電路系統可以進一步包括：第一ESD保護電路，當該感測參考電位提供電路系統在該第一狀態和該第二狀態時，該第一ESD保護電路係與該第一電容器並聯連接；以及第二ESD保護電路，當該感測參考電位提供電路系統在該第一狀態和該第二狀態時，該第二ESD保護電路係與該第二電容器並聯連接。
因該感測參考電位提供電路系統處於第二狀態時複數個電容器係串聯的關係，每一個電容器將界定在該感測參考電位提供電路系統的一個電壓域。本發明人已經體認到，每一個電容器在靜電放電(ESD)事 件的情況下可能處於最薄弱的連結，並體認到在ESD事件的情況下，保護指紋感測系統免於受到損壞的一個有利的方法是將提供一連串的ESD保護電路，而至少在該感測參考電位提供電路系統處於其第二狀態時，每一個ESD保護電路被連接於第一和第二電容器的第一端子和第二端子之間。
在根據本發明的指紋感測系統的各種實施例中，該感測配置可以包括於第一積體電路中；並且該裝置連接介面和該感測參考電位提供電路系統可包括於第二積體電路中，該第二積體電路耦合到該第一積體電路。
在這些實施例中，該第一積體電路還可以包括一個感測配置介面；並且該第二積體電路可以進一步包括一個感測器連接介面，該感測器連接介面連接到該感測配置介面。
該第一積體電路(指紋感測器構件)可以是SPI(序列周邊介面)從屬裝置，並且該感測配置介面可以是包括序列時脈輸入(SCLK)的SPI埠口；主控輸出從屬輸入(MOSI)；從屬選擇輸入(CS)；以及主控輸入從屬輸出(MISO)。
根據各種實施例，該感測配置、該裝置連接介面、以及該感測參考電位提供電路系統可以被包括在單一積體電路中。
此外，根據實施例，該感測配置、該裝置連接介面、以及該感測參考電位提供電路系統可以被包括在單一積體電路中，該單一積體電路包括半導體基板；並且在每一個充電放大器的至少一個放大級可以包括：感測電晶體，其具有構成第一輸入之閘極，其中該感測電晶體係形成在一個半導體基板的井中，在該井和該基板之間的介面中經配置，以這樣 的方式使得，可以避免電流在該井和該基板之間流動，其中該井被連接到該感測參考電位提供電路系統以這樣的方式使得，該井的電位實質上依循該感測參考電位。
該半導體基板可有利地是一摻雜的半導體基板，並且該井可以是該基板的一部分，且其所摻雜的極性與該半導體基板相反(如果該半導體基板是p型摻雜，則該井可以n型摻雜，而如果該半導體基板是n型摻雜，則該井可以是p型摻雜的)。這是一種可以達成在該基板和該井之間的介面的一種方式，以這種方式配置使得，可以避免電流在該井和該基板之間流動。特別是，該井和該基板可以保持在這樣的電位，使得沒有電流會流過在該基板和該井之間的介面處所形成的二極體。
替代地，可以在該基板和該井之間提供一絕緣層，例如，以薄層的玻璃之形式。這樣的絕緣層還可以防止電流在該井和該基板之間流動。
該感測配置中的感測結構和半導體結構之間的寄生電容的影響可以大大減少，其係藉由將該井到該感測參考提供結構，以這樣的方式使得，該井的電位係實質上依循該感測參考電位。藉此，該井和該感測結構之間的電位差可以實質上保持恆定。
此外，有利的是，根據本發明實施例的指紋感測系統可以被包括在電子裝置中，其進一步包括處理電路系統，該處理電路系統經配置以：經由裝置連接介面而從指紋感測系統獲取指紋型樣信號；基於該指紋型樣信號驗證使用者；以及只有當該使用者已基於該指紋型樣信號而通過認證，才執行至少一個動作。
根據本發明的第二個方面，其提供一種使用指紋感測器系統來感測手指的指紋型樣的方法，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，其係用於將電子裝置連接該指紋感測系統，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，其係用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，該感測配置包括：複數個感測結構，其每一者係被介電結構覆蓋，並經配置以在當手指被放置在該介電結構時被電容地耦合到該手指；以及讀取電路系統，其係被連接到該感測結構的每一者，以這樣的方式使得，該感測結構電位係依循該感測配置的感測參考電位；以及感測參考電位提供電路系統，其係連接到該感測配置，以用於提供該感測參考電位到該感測配置，該感測參考電位提供電路系統包括第一電容器和第二電容器，該方法包括以下步驟：a)並聯連接該第一電容器和該第二電容器；b)當該第一電容器和該第二電容器係並聯連接時，充電該第一電容器和該第二電容器；c)當充電該第一電容器和該第二電容器時，提供第一感測參考電位至該感測配置；d)當提供該第一感測參考電位至該感測配置時，藉由該讀取電路系統感測該感測結構中的至少一者所攜載的第一電荷；e)將已充電的該第一電容器和已充電的該第二電容器串聯連接於該裝置參考電位輸入和該感測配置之間，以相關於該裝置參考電位來改變該感測參考電位，從該第一感測參考電位改變到第二感測參考電位；f)當提供該第二感測參考電位至該感測配置時，藉由該讀取電路系統感測該感測結構中的至少一者所攜載的第二電荷；以及g)藉由該讀取電路系統形成用於該至少一個感測結構之感測信號，其指示該第一電荷與該第二電荷之間的差值，其中重複步驟a)至g)，直到用於該感測結構中的每一者之該感測信號已形成。
應指出的是，根據本發明的各種實施例的方法的步驟不一定要以任何特定順序執行。例如，步驟a)至d)依序可以在步驟e)至f)之前或之後依序執行。因此，該感測信號可以表示從該第一感測參考電位改變到該第二感測參考電位所造成之電荷上的變化，或從該第二感測參考電位改變到第一感測參考電位所造成之電荷上的變化。
本發明的第二方面的進一步實施例以及透過此實施例所獲得的效果與本發明的第一方面所描述係大部分類似的。
總之，本發明關於包括一種指紋感測系統，包括：一個裝置連接介面，包括一個裝置參考電壓輸入，一個感測配置，以及感測參考電位提供電路系統。該感測配置包括連接到該感測結構的每一者的複數個感測結構和讀取電路系統。感測參考電位提供電路系統提供一個感測參考電位到感測配置，其中該感測參考電位是在第一感測參考電位和第二感測參考電位之間交替變化之感測參考信號的形式，並且該感測參考電位提供電路系統包括第一電容器、第二電容器、充電電路系統和切換電路系統，用於交替地切換感測參考電位電路系統在下列二狀態之間：第一狀態，該第一電容器和第二電容器並聯連接到充電電路系統；和第二狀態，第一電容器和第二電容器當充電時，被串聯連接在該裝置參考電位輸入和感測配置之間。
1:行動電話
2:指紋感測系統
3:指紋感測器
4:介面電路
6:保護性塗層
7:可撓性電路
8:感測元件
9:連接器
10:感測配置
12:感測配置控制器
13:感測配置介面
15:感測參考電位提供電路系統
16:位準平移電路系統
18:感測器連接介面
19:裝置連接介面
20:虛線
22:取樣電路系統
23:類比轉數位轉換器(ADC)
25:感測器通信介面
26:感測器電壓供應介面
27:時序輸出
29:序列時脈輸入(SCK)
30:主控輸出從屬輸入(MOSI)
31:從屬選擇輸入(CS)
32:主控輸入從屬輸出(MISO)
35:手指
36:感測結構/感測平板
37:讀取電路系統
38:充電放大器
39:多工器
40:選擇電路系統
41:運算放大器(op amp)
42:第一輸入
43:第二輸入
44:輸出
45:反饋電容器
46:重置開關
48:讀取線路
50:指紋感測系統構件/單一積體電路
52:屏蔽平板
53:參考平板
54:感測電晶體
55:疊接電晶體
56:重置電晶體
57:偏壓電流源
59:井
60:驅動電晶體
61:驅動控制開關
65a:升壓電容器
65b:升壓電容器
65c:升壓電容器
65d:升壓電容器
66:充電電路系統
67:充電輸出
68a:第一電容器端子
68b:第二電容器端子
69a:充電致能開關
69b:充電致能開關
70a:升壓致能開關
70b:升壓致能開關
70e:控制開關
71a:電壓偵測輸入
71b:電壓偵測輸入
72:二極體
73:電壓調節器
74:第一電容器
76:電壓偵測器
77:可控電流源
78:第二電容器
79:第一ESD保護元件
81:ESD事件/閃光
80a:ESD保護元件
80b:ESD保護元件
80c:ESD保護元件
80d:ESD保護元件
83a:位準平移器
83b:位準平移器
83c:位準平移器
83d:位準平移器
84a:位準平移器
84b:位準平移器
84c:位準平移器
84d:位準平移器
本發明的這些和其它方面現在將進行更詳細地描述，其係參照本發明的附圖中所示的實施例，其中： 圖1示意性地顯示一行動電話，其包括根據本發明的範例性實施例的指紋感測系統；圖2a示意性地包括在圖1的電子裝置中的指紋感測系統的第一實施例；圖2b是圖2a中的指紋感測系統的示意性方塊圖；圖3是圖2a中的指紋感測系統的一部分的示意性橫截面圖，其顯示了該感測配置的範例性配置並且提供來自感測配置的指紋感測信號；圖4a至圖4b是曲線圖，其示意性地例示了該感測參考電位和圖3中的充電放大器所輸出的感測信號，以及範例性的取樣時間之間的關係；圖5a示意性地顯示了包括在圖1中的電子裝置中的指紋感測系統的第二實施例；圖5b是圖5a中的指紋感測系統的示意性方塊圖；圖6a是包括在圖5a至圖5b中的指紋感測裝置中之感測配置的部分結構和部分電路示意圖之混合圖；圖6b是使用較高位準符號來顯示圖6a中的充電放大器，並設置了來自該感測配置的指紋感測信號的版本；圖7a至圖7b示意性顯示包括在根據本發明的各種實施例的指紋感測系統中之感測參考電位提供電路系統的範例性配置；圖8示意性地顯示用於在圖7a至圖7b中的感測參考電位提供電路系統之ESD保護配置；以及 圖9示意性地顯示了結合了感測參考電位提供電路系統和位準平移電路系統之一個範例性配置。
在本詳細描述中，根據本發明的指紋感測系統和方法之各種實施例主要是參照一指紋感測系統來描述，該指紋感測系統係經過封裝而可藉由可撓性印刷電路連接到電子裝置。雖然對於許多應用來說，這是方便的，但是應該注意的是，許多其它類型的電子裝置封裝取決於其應用可以適用於本指紋感測系統的實施例。在實施例中，該指紋感測系統還可以未封裝的，或者該電子裝置可以是封裝的一部分，諸如可能是，例如，當該電子裝置是一智慧卡的情況時。
圖1示意性地顯示根據本發明的範例性實施例之指紋感測裝置的應用，該指紋感測裝置係以一行動電話1的形式並具有整合式指紋感測系統2。例如，指紋感測系統2可以用於解鎖行動電話1及/或用於授權使用該行動電話來進行交易…等。
圖2a示意性地顯示包括在圖1中的行動電話1之指紋感測系統2的第一實施例。如圖2a中可以看出，該指紋感測系統2包括一個指紋感測器3和一個介面電路4。在本範例性實施例中，指紋感測器3被顯示為以保護性塗層6形式的介電結構來進行塗佈。取決不同的應用，保護性塗層6可具有不同的特性。如果該指紋感測器3被配置在行動電話1的玻璃外蓋下，由於玻璃外蓋將提供對指紋感測器3的保護的緣故，保護性塗層6可以是相當薄的。在其它應用中，即保護性塗層6是由使用者的手指 直接接觸時，該保護性塗層可以是相當厚的。例如，指紋感測器3可以藉由在電子封裝工業中所使用的合適聚合物來進行模製。
在本範例性實施例中，指紋感測器3被連接到介面電路4，介面電路4可經由具有連接器9之可撓性電路7而連接到一個電子裝置(如，在圖1中的行動電話1)。
如在圖2a中所示意性地指出，指紋感測器3包括大量的感測元件8(圖中僅以一個元件符號來指出感測元件中的一個感測元件，以避免混亂圖示)，每一個感測元件8被控制以感測在該感測元件8所包含的感測結構(頂板)與接觸該指紋感測器3的頂部表面的一手指之間的距離。
在圖2中的指紋感測器3可以有利地使用CMOS技術製造，但其他的技術和製程也可以是可行的。例如，可使用絕緣基板及/或可使用薄膜技術於製造指紋感測器3所需的一些或所有處理步驟中。
參照圖2b，其係圖2a中的指紋感測系統2的第一實施例的簡化示意方塊圖，該指紋感測器3包括一個感測配置10、一個感測配置控制器12、和一個感測配置介面13。該介面電路4包括，如在圖2b所示，一個感測參考電位提供電路系統15、一個位準平移電路系統16、一個感測器連接介面18、和一個裝置連接介面19。該感測器連接介面18係在該介面電路4的第一電壓域，其具有與指紋感測器3相同的參考電位，以及該裝置連接介面19係在該介面電路4的第二電壓域，其係參照該電子裝置的裝置參考電位。該第一電壓域和該第二電壓域之間的邊界是示意性地由在圖2b中之穿過感測參考電位提供電路系統15和位準平移電路系統16中的垂直虛線20所指出。
再次轉向圖2b中的指紋感測器3，感測配置10包括上述感測元件8、一個取樣電路系統22，其係用於取樣由感測元件8所輸出的感測信號、以及一個類比轉數位轉換器(ADC)23，其係用於將取樣電路系統22所取樣的類比值予以轉換成數位值，其可能構成指紋型樣信號，例如指紋影像。感測配置介面13包括一個感測器通信介面25、一個感測器電壓供應介面26、和一個時序輸出27。
在圖2a-圖2b的實施例中，該感測器通信介面25可以例如是SPI從屬介面，將指紋型樣信號經由介面電路4從ADC 23傳遞到電子裝置，並且將源自於電子裝置的該感測器控制信號傳遞到感測配置控制器12。
該感測器通信介面25被顯示為一簡化的SPI(序列周邊介面)埠口，其包括一個序列時脈輸入(SCK)29、一個主控輸出從屬輸入(MOSI)30、一個從屬選擇輸入(CS)31、和一個主控輸入從屬輸出(MISO)32。
感測器電壓供應介面26從介面電路4接收供應電壓作為在感測器接地電位SGND以及感測器供應電位SVDD之間的實質上恆定差。該感測器接地電位SGND和感測器供應電位SVDD係相關於裝置接地電位DGND而一起變化。
透過時序輸出27，指紋感測器3提供時序信號TXOUT到介面電路4，以允許介面電路的操作與感測配置10的操作合拍。
在圖2b的簡化實例中，介面電路4的裝置連接介面19包括輸入，其用於接收裝置接地電位DGND與裝置供應電位DVDD，並包括SPI介面，其用於允許經由介面電路4而在電子裝置與指紋感測器3之間，以 及在電子裝置與介面電路4之間的通信。
介面電路4的感測器連接介面18被連接到指紋感測器3的感測配置介面13，用於提供感測器接地電位SGND和感測器供應電位SVDD到指紋感測器3，用於允許與指紋感測器3的通信和用於接收由該感測器所提供的時序信號TXOUT。如在圖2b中示意性地表示，時序信號TXOUT係用於控制感測參考電位提供電路系統15和位準平移電路系統16中的操作。
現在將參照圖3來描述該感測配置10的範例性配置，以及從用於圖2a中的指紋感測系統的該感測配置提供指紋感測信號。
圖3是在圖2a上的指紋感測系統2的一部分的橫截面視圖，其係沿圖2a所顯示的A-A'線截取，並有一手指35放置在指紋感測器3的頂部上。該手指35具有手指電位FGND。如在圖3示意性顯示，指紋感測器3包括複數個感測結構36，在此係以在保護性塗層6下方之金屬板的形式，並且讀取電路系統37係連接到該感測結構的每一者36。在圖3的範例性實施例中，該讀取電路系統包括：複數個充電放大器38、一個多工器39、該上述取樣電路系統22、該上述ADC 23、以及選擇電路系統40，在此功能係圖示為簡單的選擇開關，以允許不同的感測元件8的選擇/啟用。
充電放大器38包括至少一個放大級，在此係示意性地顯示為運算放大器(op amp)41，其具有一個連接到感測結構36之第一輸入(負輸入)42、一個連接到感測器接地電位SGND之第二輸入(正輸入)43、和一個輸出44。另外，充電放大器38包括在該第一輸入42和該輸出44之間連接的一個反饋電容器45以及一個重置電路系統，在此功能顯示為一個重置開關46，用於允許可控制對反饋電容器45進行放電。該充電放大器38 可以藉由操作重置開關46而進行重置，以對反饋電容器45放電。
在通常為一個運算放大器41的情況下，在第一輸入42處的電位係依循施加到第二輸入43的電位。根據特定的放大器結構中，在第一輸入42處的電位與在第二輸入43處的電位可以是實質相同的，或者在第一輸入42處的電位與在第二輸入43處的電位之間可以有一個實質上固定的偏移。
除了包括感測結構36和讀取電路系統37之感測配置，指紋感測器3係進一步包括如上所述的感測配置控制器12。在圖3中，感測配置控制器12被顯示為控制該選擇電路系統40、多工器39、取樣電路系統22、和ADC 23。
圖3還示意性地顯示了連接到指紋感測器3和連接到電子裝置的其餘部分的介面電路4，如上參照圖2a-圖2b所描述。如在圖3示意性地指出，介面電路4提供上述感測參考電位(感測器接地電位SGND和感測器供應電位SVDD)到指紋感測器3。在圖3的簡化的例子中，感測器接地電位被提供到包括在讀取電路系統37之每一個充電放大器38的第二輸入43。
至少當指紋感測系統2處於指紋感測模式時，介面電路4提供感測器接地電位(SGND)至指紋感測器3，該感測器接地電位(SGND)係以一個感測參考信號的形式，並相對於裝置接地電位DGND而在第一感測參考電位VL和第二感測參考電位VH之間交替。由於手指電位FGND相對於裝置接地電位DGND係實質上恆定的(例如，透過該電子裝置以及使用者的手之間的電連接)，並且感測結構36的電位實質上依循在充電放大器 38的第二輸入43處的電位，相關於裝置接地電位DGND和在第二輸入43處的感測器接地電位SGND隨著時間之變化，導致該感測結構36與該手指35之間隨時間變化的電位差。
在感測結構36和手指35之間的電位差的變化將會依序地導致感測結構36所攜帶的電荷的變化，其係指出手指35與感測結構36(平板)之間的電容性耦合。在充電放大器38的輸出44處所提供的感測信號VS將指示感測結構36所攜載的電荷之此變化，並因此指出了在手指35與感測結構36之間的本地電容性耦合。
在多個感測操作之間，反饋電容器45需要進行重置(橫跨反饋電容器45的電荷要進行等化)。這是利用重置開關46來實現。
當所指出的感測元件8係被選擇用於感測，該選擇電路系統40係被關閉已將充電放大器的輸出連接到讀取線路48。讀取線路48被連接到多工器39。如在圖3中示意性地指出的，附加讀取線路係提供來自於其他群組的影像感測元件之感測信號，且附加讀取線路也連接到多工器39。
至少重置開關46及感測信號VS的取樣之操作需要與相關於該裝置接地電位DGND的感測器接地電位SGND變化進行同步。在圖3的範例性實施例中，這種同步是由感測配置控制器12來處理，該感測配置控制器12控制重置開關46的時序，並提供了上述時序信號TXOUT到介面電路，從而控制感測器接地電位SGND的時序，以相關於重置開關46的時序從第一感測參考電位VL轉移至第二感測參考電位VH，或從第二感測參考電位VH轉移至第一感測參考電位VL。
如在圖3中示意性地指示的，感測配置控制器還藉由控制取 樣電路系統22該感測信號VS之取樣的時序，並且藉由ADC 23來控制所取樣的感測信號之A/D轉換。
該感測器接地電位SGND、重置開關46的操作以及使用取樣電路系統22來取樣感測信號VS之間的範例性時序關係將在下方參考圖4a至圖4b進行描述。
圖4a顯示了相關於裝置接地電位DGND的感測參考電位(感測器接地電位SGND)。如上所述，相關於裝置接地電位DGND之感測結構36的電位將表現出實質上相同的行為，並且圖4b示意地顯示感測信號VS。
首先參考圖4a，感測器接地電位SGND在T1時相關於該裝置接地電位DGND而從第二感測參考電位VH變為第一感測參考電位VL，然後在T2時從VL變回到VH。這些轉移係受到了時序信號TXOUT之控制，時序信號TXOUT係從指紋感測器3提供到介面電路4。
在T1時，於第一轉移之後的第一延遲Δt1，該重置開關46係***作以將充電放大器38變為這樣的狀態(致能狀態)，此時如果感測版上的電荷有所變化時，該輸出係提供一信號。在第一轉移之後的第二延遲Δt2，該取樣電路系統22係被控制以對感測信號第一回取樣，從而產生第一取樣值S1。
當感測器接地電位SGND在T2時從低變為高時，在感測平板36上的電荷出現變化，其係源自於手指35的電容性耦合。這種電荷上的變化係被轉譯成由充電放大器38所提供的電壓變化，也就是，在感測信號VS的變化。
在T2時，於第二轉移之後的第三延遲Δt3，取樣電路系統22係被控制以對感測信號第二回取樣，從而產生第二取樣值S2。S2和S1之間的差異係指示該感測平板36與手指35之間的電容性耦合的量度。
圖5a至圖5b示意性地顯示包括在圖1中的行動電話1的指紋感測系統2的第二實施例。根據本第二實施例之指紋感測系統2與上面參考圖2a至圖2b、圖3、和圖4a至圖4b不同之處在於，該感測配置10、該裝置連接介面19、和該感測參考電位提供電路系統15全部都包括在單一積體電路50中。因此從電子裝置進出的信號係經由可撓性電路7和連接器9而直接從指紋感測系統構件50提供至電子裝置。
參照圖5b，其係在圖5a中的指紋感測系統2的第二實施例之簡化示意方塊圖，指紋感測系統構件50包括一個感測配置10、一個感測配置控制器12、一個感測參考電位提供電路系統15、一個位準平移電路系統16、以及一個裝置連接介面19。該感測配置10和該感測配置控制器12是在第一電壓域，以及該裝置連接介面19和該ADC 23是在第二電壓域，其係參考電子裝置的裝置參考電位。該第一電壓域和該第二電壓域之間的邊界是示意性地由在圖5b中之穿過感測參考電位提供電路系統15的垂直虛線20所指出。
該感測配置10包括上述的感測元件8和取樣電路系統22，其係用於取樣感測元件8所輸出的感測信號。在圖5b的實施例中，該取樣電路系統22所取樣之值在被提供至類比轉數位轉換器(ADC)23之前，係先藉由位準平移電路系統16進行位準平移。
在圖5a至圖5b的實施例中，該裝置連接介面19被顯示為 包括輸入，用於接收裝置接地電位DGND與裝置供應電位DVDD、以及SPI介面，用於允許電子裝置和指紋感測系統構件50之間的通信。
現在將參照圖6a至圖6b該來描述該感測配置10的一個範例性配置，以及從用於圖5a至圖5b的指紋感測系統的該感測配置提供指紋感測信號。
圖6a是包括在圖5a至圖5b中的指紋感測系統構件50的感測元件8的部分結構和部分電路示意圖的混合圖。保護性塗層6、感測平板36、屏蔽平板52、和參考平板53係以示意性的方式顯示於分解透視圖中，而充電放大器38係以電晶體等級的電路概略圖的形式來圖示。
如圖6a顯示，一個簡單的充電放大器38的第一實施例包括感測電晶體54、疊接電晶體55、重置電晶體56、和偏壓電流源57。感測電晶體54、疊接電晶體55、和重置電晶體56都形成在相同的井59中。
為了幫助理解在圖6a中的部件和連接方式，相同的概略結構係以更抽象的方式顯示在圖6b中，圖6a的電晶體電路係以一般的符號取代以用於表示一充電放大器，其具有一第一(負)輸入42，連接到感測平板36、一正輸入43，連接到感測參考電位提供電路系統15、以及一輸出44，提供感測信號VS，該感測信號VS指出因為在手指35和感測平板36之間的電位差的變化的關係而造成該感測平板36所攜載的電荷的變化。圖6b還示意性地指出該井59係連接到該感測參考電位提供電路系統15。
回到圖6a，可以看出，感測電晶體54的閘極構成該充電放大器38的負輸入42，並且該感測電晶體54的源極構成充電放大器38的正輸入43。正輸入43被連接到屏蔽平板52，其又連接到該井59以及該感測 參考電位提供電路系統15，該感測電晶體54係形成於該井59中。
該感測元件8進一步包括一個驅動電晶體60、一個驅動控制開關61、和一個重置開關46。該驅動控制開關61可控制於第一狀態和第二狀態之間，在該第一狀態時，該驅動電晶體60的閘極係被連接到感測參考電位提供電路系統15，在該第二狀態時，該驅動電晶體60的閘極係被連接到接地。當該驅動控制開關61處於其第一狀態時，該驅動電晶體60會導通，從而將感測結構36直接連接到感測參考電位提供電路系統15。當驅動控制開關在其第二狀態時，該驅動電晶體60將不導通。在後者情況下，因此在感測結構36和感測參考電位提供電路系統15之間將不會有直接的連接於通過該驅動電晶體60。如在圖6a中可看出，該驅動電晶體60形成在該井59中。該偏壓電流源57可以是在感測元件中或是在感測器陣列外部。
以同樣的方式，重置開關46可控制於第一狀態和第二狀態之間，在該第一狀態時，該重置電晶體56係非導通，以允許在感測平板36和反饋平板53之間存在一電位差，在該第二狀態時，該重置電晶體56係導通的，以等化感測平板36和反饋平板53的電位。
透過在圖6a中的感測元件8的結構，內部寄生電容CP1和CP3的影響係被消除或至少顯著地減小。
現在既然已用系統級的方式來描述根據本發明的指紋感測系統2的兩個範例性實施例，現在將以更詳細的方式來參考圖7a至圖7b、圖8、以及圖9來描述感測參考電位提供電路系統15和位準平移電路系統16的範例性配置。
現在將參考圖7a至圖7b的簡化電路圖，描述包括在根據本 發明的指紋偵測系統2的實施例中的感測參考電位提供電路系統15的一個範例性基本配置。在圖7a中，感測參考電位提供電路系統15係被顯示在第一(充電)狀態時，並且在圖7b中，感測參考電位提供電路系統15係被顯示在第二(升壓)狀態時。
現在首先看到圖7a，感測參考電位提供電路系統15包括四個升壓電容器65a至65d、一個充電電路系統66、和一個切換電路系統，其在圖7a中係由數個簡單的開關符號圖示。
升壓電容器65a至65d的每一者皆具有第一電容器端子68a和第二電容器端子68b。這些電容器端子都以元件符號65a標示以表示為第一升壓電容器65a，以避免混亂附圖。
充電電路系統66具有一充電輸出67和電壓偵測輸入71a至71b，該充電輸出67被連接於每一個升壓電容器65a至65d的第一電容器端子68a，該電壓偵測輸入71a至71b係被連接橫跨於該第一升壓電容器65a。
如在圖7a示意性地表示，該切換電路系統針對每一個升壓電容器65a至65d皆包括兩個充電致能開關69a至69b和兩個升壓致能開關70a至70b。充電致能開關69a至69b是可控制的，以允許第一電容器端子68a連接至裝置接地電位DGND，以及第二電容器端子68b連接到充電電路系統66。升壓致能開關70a至70b是可控制的，以允許第一電容器端子68a連接至用於升壓電容器65a至65d的一升壓地板電位，並允許該第二電容器端子68b連接到該感測參考電位提供電路系統15的下一級(或連接至感測參考電位輸出)。再次說明，這些開關都是被標示為第一升壓電容器65a之相同元件符號，以避免混亂附圖。
如在圖7a中也指出，感測參考電位提供電路系統15進一步包括一個二極體72、一個電壓調節器73，例如一個低壓差電壓調節器(LDO)、一個第一電容器74(平穩電容器)、以及一個第二電容器78。
至少在主動模式操作中，該感測參考電位提供電路系統15被控制為在第一狀態和第二狀態之間交替，第一狀態係如圖7a中示意性地表示，第二狀態係如在圖7b中示意性地表示。
在第一狀態時，該充電致能開關69a至69b係被控制，以將每一個升壓電容器65a至65d的第一電容器端子68a予以導電連接至裝置接地電位DGND，並且將每一個升壓電容器65a至65d的第二電容器端子68b予以導電連接至該充電電路系統66的充電輸出67。升壓致能開關70a至70b被控制，以將各個升壓電容器65a至65d與感測參考電位提供電路系統15的前級和後級予以斷開。此外，感測器接地電位SGND係被連接到裝置接地電位DGND，以提供相關於裝置接地電位DGND的第一感測參考電位VL，作為感測器接地電位SGND。在該感測參考電位提供電路系統15的第一狀態時，感測器供應電位SVDD實質上等於裝置供應電位DVDD。
為了確保該升壓電容器65a至65d係進行充電以提供相同的電壓升壓步驟，充電電路系統66包括一個電壓偵測器76，以用於偵測橫跨升壓電容器65a至65b、和可控電流源77的電壓，該可控電流源77可以被控制以提供一個恆定的充電電流到每一個升壓電容器65a至65b的第二電容器端子68b，直到該電壓偵測器76偵測一個預定的充電電壓V充電。為了進一步改善性能，可對每一個升壓電容器65a至65b的電荷進行個別監視。在這種情況下，該感測參考提供電路15可以針對每一個升壓電容器包括一個 充電電路系統。
當升壓電容器65a至65d被充電到充電電壓時，該感測參考電位提供電路系統15已準備好被切換到其第二狀態，升壓狀態。從第一狀態轉移到第二狀態的時序可以藉由該感測配置控制，特別是藉由一個時序信號(在圖2b和圖3中的TXOUT)，其可以從感測配置提供至感測參考電位提供電路系統15。
現在參考圖7b，其示意性地顯示了感測參考電位提供電路系統15在其第二狀態，該充電致能開關69a至69b被控制為將每一個升壓電容器65a至65d的第一電容器端子68a與裝置接地電位DGND進行斷開，並將斷開每一個升壓電容器65a至65d的第二電容器端子68b與該充電電路系統66的充電輸出67進行斷開。升壓致能開關70a至70b被控制，已將各個升壓電容器65a至65d連接到感測參考電位提供電路系統15的前級和後級，如在圖7b示意性顯示。據此，該感測器接地電位SGND係被連接到第四升壓電容器65d的第二電容器端子，以提供一相關於裝置接地電位DGND的第二感測參考電位VH，作為感測器接地電位SGND。在感測參考電位提供電路系統15的第二狀態時，感測器供應電位SVDD實質上等於裝置供應電位DVDD加上第二感測參考電位VH。在圖7a至圖7b的簡化例子中，第二感測參考電位VH大約是DVDD加上相關於裝置接地電位DGND的充電電壓V充電的四倍。
在第二狀態時，該二極體72避免電流從SVDD朝著DVDD流動，並且SVDD係藉由電容器78而升高，以保持SGND和SVDD的電位差實質上恆定。
圖8示意性地顯示用於在圖7a至圖7b中的感測參考電位提供電路系統15之ESD保護配置。在圖8中的感測參考電位提供電路系統15係顯示為在第二狀態(如同圖7b)，並且已使用簡化電路圖來表示ESD保護元件。第一ESD保護元件79係設置在感測參考電位提供電路系統15之輸出處，且介於該感測器接地電位SGND和該裝置接地電位DGND之間。為了在ESD事件(如圖8中的閃光81所示意性指出)的情況下提供改良的保護，該感測參考電位提供電路系統15包括額外的ESD保護元件80a-80d，其係耦合每一個升壓電容器65a至65d的第一電容器端子68a和第二電容器端子68b之間，從而保護升壓電容器65a至65d免於受到ESD事件81的損害，該ESD事件81可能不觸發第一ESD保護元件，但仍可能對於該感測參考電位提供電路系統15的不同內部電壓域的低電壓構件是有害的。
合適的ESD保護元件本質上對於本領域的技術人員是熟知的。
圖9示意性地顯示了結合了感測參考電位提供電路系統15和位準平移電路系統16之一個簡化的範例性配置。如在圖9中示意性地顯示，位準平移電路系統16包括第一組位準平移器83a-83d，其按順序係從該裝置電壓域(以裝置接地電位DGND表示)到該感測配置電壓域(以感測器接地電位SGND表示)，以及第二組位準平移器84a-84d，其按順序係從該感測配置電壓域到該裝置電壓域。
參照該第一組位準平移器83a-83d，每一個位準平移器將用於輸入信號的參考電位平移了一個橫跨升壓電容器(Vcharge)之電壓，並且 位準平移器83a的輸出係被連接到按順序的下一級的輸入83b。因此，可以實現非常快速的位準平移，此對於從該感測配置快速讀取該指紋型樣信號是重要的。第二組位準平移器84a-84d係與第一組位準平移器相同的方式進行作業。
如本領域技術人員可以理解的是，每一個位準平移器本質上可以用各種已知的方式來實現。
在申請專利範圍中，用語“包括”不排除其他元件或步驟，並且不定冠詞“一”或“一個”並不排除複數個。唯一的事實是，某些措施係以相互不同的附屬請求項來記載，此事實不表示這些措施的組合不能被有利地使用。
2:指紋感測系統
3:指紋感測器
4:介面電路
8:感測元件
10:感測配置
12:感測配置控制器
13:感測配置介面
15:感測參考電位提供電路系統
16:位準平移電路系統
18:感測器連接介面
19:裝置連接介面
20:虛線
22:取樣電路系統
23:類比轉數位轉換器(ADC)
25:感測器通信介面
26:感測器電壓供應介面
27:時序輸出
29:序列時脈輸入(SCK)
30:主控輸出從屬輸入(MOSI)
31:從屬選擇輸入(CS)
32:主控輸入從屬輸出(MISO)

Claims (15)

  1. 一種用於感測手指的指紋型樣之指紋感測系統，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，用於將該指紋感測系統連接到電子裝置，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，其包括：複數個感測結構，其每一者係被由介電結構覆蓋；以及讀取電路系統，其連接到該感測結構的每一者，用於提供感測信號，以指示在該感測結構的每一者與該手指之間的電容性耦合，以響應於該手指的手指電位與該感測結構的感測結構電位之間的電位差的變化，該讀取電路系統連接到該感測結構的每一者，使得該感測結構電位依循該感測配置的感測參考電位；以及感測參考電位提供電路系統，其係連接到該感測配置，以用於提供該感測參考電位到該感測配置，該感測參考電位以相對於該裝置參考電位而在第一感測參考電位和第二感測參考電位之間交替變化之感測參考信號的形式，該感測參考電位提供電路系統包括：第一電容器；第二電容器；充電電路系統，其充電該第一電容器和該第二電容器；以及切換電路系統，其連接至該第一電容器，該第二電容器，該充電電路系統和該感測配置，以用於交替地切換該感測參考電位提供電路系統介於： 第一狀態，在該第一狀態時該第一電容器和該第二電容器並聯連接到該充電電路系統，以允許該充電電路系統充電該第一電容器和該第二電容器，並且該感測參考電位提供電路系統提供該第一感測參考電位給該感測配置；和第二狀態，在該第二狀態時該第一電容器和該第二電容器係與該充電電路系統斷開，並且串聯連接至該裝置參考電位輸入和該感測配置之間，藉此該感測參考電位提供電路系統提供該第二感測參考電位至該感測配置。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該讀取電路系統包括：複數個充電放大器，其每一者連接到該感測結構中的至少一者，用於提供感測信號，該感測信號指示該至少一個感測結構所攜帶的電荷之變化，其中，每一個充電放大器包括：第一輸入，其連接到該至少一個感測結構；第二輸入，其連接到該感測參考電位提供電路系統，以接收該感測參考電位；輸出，提供該感測信號；反饋電容器，其係連接在該第一輸入與該輸出之間；以及至少一個放大器級，其係介於該第一輸入和該第二輸入與該輸出之間，其中該充電放大器經配置，以這樣的方式使得在該第一輸入處的電位實質上依循在該第二輸入處的感測參考電位。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之指紋感測系統，其中該讀取電路系統進一步包括：取樣電路系統，其係連接至每一個充電放大器的輸出，以在取樣時間取樣該感測信號，該取樣時間係與該第一感測參考電位和該第二感測參考電位之間的感測參考電位的變化相關。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中，該充電電路系統包括至少一個電流產生器，其係用於當該感測參考電位提供電路系統在該第一狀態時，提供電荷至該第一電容器和該第二電容器。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之指紋感測系統，其中該感測參考電位提供電路系統進一步包括：至少一個電壓偵測器，用以在該感測參考電位提供電路系統在該第一狀態時，偵測橫跨該第一電容器和該第二電容器中之至少一者的電壓；以及控制電路系統，其係連接至該至少一個電壓偵測器和該至少一個電流產生器，用於控制該至少一個電流產生器提供電流，直到橫跨該第一電容器和該第二電容器中的至少一者的電壓達到預定的充電電壓。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該指紋感測系統進一步包括位準平移電路系統，其連接到該讀取電路系統，連接到該感測參考電位，以及連接到該裝置參考電位輸入，以用於從該讀取電路系統接收參考該感測參考電位之該手指型樣信號，用以位準平移該手指型樣信號，以及提供參考該裝置參考電位之該手指型樣信號。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述之指紋感測系統，其中該位準平移電路 系統包括：按序列之第一位準平移器和第二位準平移器，該第一位準平移器橫跨連接於該第一電容器，並且該第二位準平移器橫跨連接於該第二電容器。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中該感測參考電位提供電路系統進一步包括：第一ESD保護電路，當該感測參考電位提供電路系統在該第一狀態和該第二狀態時，該第一ESD保護電路係與該第一電容器並聯連接；以及第二ESD保護電路，當該感測參考電位提供電路系統在該第一狀態和該第二狀態時，該第二ESD保護電路係與該第二電容器並聯連接。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中：該感測配置被包括在第一積體電路中；並且該裝置連接介面和該感測參考電位提供電路系統被包括在耦合於該第一積體電路之第二積體電路。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之指紋感測系統，其中：該第一積體電路進一步包括感測配置介面；並且該第二積體電路進一步包括連接到該感測配置介面之感測器連接介面。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統，其中：該感測配置、該裝置連接介面、以及該感測參考電位提供電路系統被包括在單一積體電路中。
  12. 根據申請專利範圍第2項所述之指紋感測系統，其中：該感測配置，該裝置連接介面，以及該感測參考電位提供電路系統被 包括單一積體電路中，該單一積體電路包括半導體基板；以及該至少一個放大器級包括：感測電晶體，其具有的閘極係構成該第一輸入，其中該感測電晶體係形成於該半導體基板中的一井中，該井和該基板之間的介面經配置，使得電流係避免在該井和該基板之間流動，並且其中，該井係連接至該感測參考電位提供電路系統，使得該井的電位實質上依循該感測參考電位。
  13. 一種電子裝置，包括：根據申請專利範圍第1項所述之指紋感測系統；以及處理電路系統，其經配置以：經由該裝置連接介面而從該指紋感測系統獲取指紋型樣信號；基於該指紋型樣信號驗證使用者；以及只有當該使用者已基於該指紋型樣信號而通過認證，才執行至少一個動作。
  14. 一種使用一指紋感測系統感測手指的指紋型樣之方法，該指紋感測系統包括：裝置連接介面，其係用於將該指紋感測系統連接電子裝置，該裝置連接介面包括裝置參考電位輸入，其係用於接收來自該電子裝置的裝置參考電位；感測配置，該感測配置包括：複數個感測結構，其每一者係被介電結構覆蓋，並經配置以在當該手指被放置在該介電結構時被電容地耦合到該手指；以及 讀取電路系統，其係被連接到該感測結構的每一者，以這樣的方式使得，該感測結構電位係依循該感測配置的感測參考電位；以及感測參考電位提供電路系統，其係連接到該感測配置，以用於提供該感測參考電位到該感測配置，該感測參考電位提供電路系統包括第一電容器和第二電容器，該方法包括以下步驟：a)並聯連接該第一電容器和該第二電容器；b)當該第一電容器和該第二電容器係並聯連接時，充電該第一電容器和該第二電容器；c)當充電該第一電容器和該第二電容器時，提供第一感測參考電位至該感測配置；d)當提供該第一感測參考電位至該感測配置時，藉由該讀取電路系統感測該感測結構中的至少一者所攜載的第一電荷；e)將已充電的該第一電容器和已充電的該第二電容器串聯連接於該裝置參考電位輸入和該感測配置之間，以相關於該裝置參考電位來改變該感測參考電位，從該第一感測參考電位改變到第二感測參考電位；f)當提供該第二感測參考電位至該感測配置時，藉由該讀取電路系統感測該感測結構中的至少一者所攜載的第二電荷；以及g)藉由該讀取電路系統形成用於該至少一個感測結構之感測信號，其指示該第一電荷與該第二電荷之間的差值，其中重複步驟a)至g)，直到用於該感測結構中的每一者之該感測信號已形成。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述之方法，其中該第一電容器和該第二電容器被充電，直到橫跨並聯的該第一電容器和該第二電容器之電位差達到預定的充電電壓。
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