指紋感測裝置及其感測方法
【專利摘要】一種指紋感測裝置及其感測方法，用來感測一手指的指紋信息。該指紋感測裝置包括一感測陣列、一讀取模塊及一處理器。該感測陣列包括多個感測單元。每一該等感測單元包括一感測電極。該讀取模塊根據來自該感測陣列的一第一感測電壓以及來自該感測陣列的多個第二感測電壓的一平均電壓而提供一感測輸出。該處理器根據該感測輸出，得到該手指的指紋信息。該第一感測電壓由該等感測單元的一第一感測單元的該感測電極所提供，以及每一該等第二感測電壓由該等感測單元的一第二感測單元的該感測電極所提供。該等第二感測單元位于該第一感測單元的鄰近區(qū)域。
【專利說明】
指紋感測裝置及其感測方法
技術領域
[0001]本發(fā)明有關于一種指紋感測裝置，且特別有關于一種能除去共模噪聲的指紋感測
目.0
【背景技術】
[0002]近年來，隨著生物辨識技術逐漸成熟，許多不同的生物特征皆可被用來辨識使用者的身份。其中，由于指紋辨識技術的辨識率及準確率較其它生物特征的辨識技術更好，故目前指紋辨識的應用層面較廣。
[0003]指紋辨識的技術先感測使用者的指紋圖樣(pattern)，再擷取指紋圖樣中獨特的指紋特征并儲存至存儲器中。之后，當使用者再次按壓或滑刷指紋時，指紋感測器會感測指紋圖樣并且擷取指紋特征，以便與先前所儲存的指紋特征進行比對以進行辨識。若二者相符，則使用者的身份得以確認。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種指紋感測裝置，用來感測一手指的指紋信息。該指紋感測裝置包括一感測陣列、一絕緣表面、一讀取模塊以及一處理器。該感測陣列包括設置在多條行線以及多條列線上的多個感測單元，其中每一該等感測單元包括一感測電極。該絕緣表面設置于該感測陣列的上方。該讀取模塊根據來自該感測陣列的一第一感測電壓以及來自該感測陣列的多個第二感測電壓的一平均電壓而提供一感測輸出。該處理器根據該感測輸出，得到該手指的指紋信息。該第一感測電壓由該等感測單元的一第一感測單元的該感測電極所提供，以及每一該等第二感測電壓由該等感測單元的一第二感測單元的該感測電極所提供。該等第二感測單元位于該第一感測單元的鄰近區(qū)域。
[0005]再者，本發(fā)明提供一種感測方法，適用于一指紋感測裝置，其中該指紋感測裝置包括具有設置在多條行線以及多條列線上的多個感測單元的一感測陣列。讀取該等感測單元的一第一感測單元的一第一感測電壓。讀取該等感測單元的多個第二感測單元的多個第二感測電壓。借由一差動放大器，根據該等第二感測電壓的一平均電壓以及該第一感測電壓，而得到一感測輸出。根據該感測輸出，得到該手指的指紋信息。
【附圖說明】
[0006]圖1顯示根據本發(fā)明一實施例所述的指紋感測裝置；
[0007]圖2顯示根據本發(fā)明一實施例所述的使用圖1的指紋感測裝置來讀取使用者的手指指紋的不意圖；
[0008]圖3顯示使用者的手指接觸到圖1的指紋感測裝置的剖面示意圖；
[0009]圖4顯示根據本發(fā)明另一實施例所述的指紋感測裝置；
[0010]圖5顯示根據本發(fā)明一實施例所述的感測陣列，用以說明目標感測單元與多個參考感測單元的相關性；
[0011]圖6顯示根據本發(fā)明另一實施例所述的感測陣列，用以說明目標感測單元與多個參考感測單元的相關性；
[0012]圖7顯示根據本發(fā)明另一實施例所述的感測陣列，用以說明目標感測單元與多個參考感測單元的相關性；以及
[0013]圖8顯示根據本發(fā)明一實施例所述的感測方法，適用于一指紋感測裝置。
[0014]其中，附圖標記說明如下:
[0015]100、400?指紋感測裝置；
[0016]110、410、500、600、700 ?感測陣列；
[0017]115、415?感測單元；
[0018]120?讀取模塊；
[0019]122?平均單元；
[0020]124?差動放大器；
[0021]130、430 ?處理器；
[0022]140?絕緣表面；
[0023]210 ?手指；
[0024]220?指紋波峰；
[0025]230?電容值曲線；
[0026]240?指紋圖樣；
[0027]310?半導體基底；
[0028]320?指紋波峰；
[0029]330?指紋波谷；
[0030]413、417_l-417_n、419_l-419_n ?開關；
[0031]415R、515R、615R、715R ?參考感測單元；
[0032]415S、515S、615S、715S ?目標感測單元；
[0033]420?誤差放大器；
[0034]CpC2'Ctop ?電容；
[0035]C「(；、Cn 2_(；+2?行線；
[0036]Ctrl、Sff?控制信號；
[0037]Dsen?感測輸出；
[0038]E1、E2 ?電極；
[0039]GND?接地端；
[0040]RO-Rn、Rn 2_Rn+2?列線；
[0041]S810-S850 ?步驟；
[0042]Vavg?參考平均電壓；
[0043]Vrefl TOfn?參考感測電壓；以及
[0044]V_?目標感測電壓
【具體實施方式】
[0045]為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下:
[0046]當使用者按壓或滑刷指紋時，指紋感測器會感測指紋的波峰(ridge)及波谷(valley)，并且產生相對應于波峰及波谷的不同電容值。接著，利用電荷分布(charge-sharing)的方式，取得相對應于電容值的電壓值，并將電壓值轉換成數字碼(digital code)，以提供給處理器，進行后續(xù)指紋辨識的演算與處理。
[0047]圖1顯示根據本發(fā)明一實施例所述的指紋感測裝置100。指紋感測裝置100包括感測陣列110、讀取模塊120、處理器130以及絕緣表面140。感測陣列110由多個感測單元115以二維方式排列而成，其中絕緣表面140覆蓋于感測陣列110的全部感測單元115之上。讀取模塊120可從感測陣列110中得到目標感測電壓V-以及多個參考感測電壓Vrefl _，其中目標感測電壓v_由感測陣列110中欲進行感測的目標感測單元115S所提供，而參考感測電壓Vrafl rafn分別由感測陣列110中鄰近于目標感測單元115S的多個參考感測單元115R所提供。讀取模塊120包括平均單元122以及差動放大器124。平均單元122用以對參考感測電壓Vrafl rafn進行平均，以提供參考平均電壓V avg。接著，差動放大器124會根據目標感測電壓V_以及參考平均電壓Vavg來提供對應于目標感測單元115S的感測輸出0_至處理器130。在得到目標感測單元115S的感測輸出D _之后，處理器130會判斷是否有使用者的手指接觸絕緣表面140，并進一步得到手指的指紋信息，以便判斷出該感測輸出0_對應于手指的指紋波峰(ridge)或指紋波谷(valley)。于是，處理器130可根據全部感測單元115的感測輸出Dsen而得到二階化(binary)或是灰階化(gray level)的指紋信息，以供后續(xù)程序使用，例如可經由指紋辨識演算法來執(zhí)行指紋辨識操作等。
[0048]圖2顯示根據本發(fā)明一實施例所述的使用圖1的指紋感測裝置100來讀取使用者的手指指紋的示意圖。在圖2中，當手指210接觸到指紋感測裝置100時，手指210表面的不規(guī)則形狀指紋波峰220會通過絕緣表面140觸壓感測單元115。于是，指紋感測裝置100可得到對應于指紋波峰220的電容值曲線230，并根據電容值曲線230的形狀而辨認出指紋波峰220的形狀，以得到指紋圖樣240。接著，其他電路或裝置便可根據指紋圖樣240來進行后續(xù)處理。
[0049]圖3顯示使用者的手指接觸到圖1的指紋感測裝置100的剖面示意圖。在圖3中，絕緣表面140設置在半導體基底310的上方。一般而言，絕緣表面140由集成電路制程的最后一道保護介電層所制成。絕緣表面140的厚度為dl，其中絕緣表面140的等效電容C1由厚度dl所決定。標號320表示手指的指紋波峰，其中手指的指紋波峰320會直接接觸到絕緣表面140。此外，標號330表示手指的指紋波谷，其中手指的指紋波谷330與絕緣表面140之間的距離為d2，且指紋波谷與絕緣表面140之間的電容C2由距離d2所決定。如先前所描述，感測陣列110由多個感測單元115所形成。每一感測單元115包括電極El與電極E2，其中電極El與電極E2分別由半導體基底310內的不同金屬層所形成。電極El由頂層金屬層(top metal)所形成的感測電極，并設置在絕緣表面140的下方，以及絕緣表面140與電極El之間絕緣層的厚度為d3，其中該絕緣層的等效電容Ctop由厚度d3所決定。因此，當指紋波峰320接觸到絕緣表面140時，指紋波峰320與電極El之間的感測電容Csen由電容Ctop與電容C:串聯所形成。此外，相較于指紋波峰320的感測電容C _，指紋波谷330與電極El之間的感測電容Csot由電容C top、電容C1以及電容C2串聯所形成。于是，當手指接觸絕緣表面140時，指紋波峰320與指紋波谷330會對應到不同的電容值，其中對應于指紋波谷330的感測電容C_小于對應于指紋波峰320的感測電容C _。因此，圖1的讀取模塊120便可經由感測單元的電極El來得到對應于感測電容Csen的感測電壓。再者，電極E2設置在電極El的下方，其中電極E2耦接于接地端GND。
[0050]圖4顯示根據本發(fā)明另一實施例所述的指紋感測裝置400。指紋感測裝置400包括感測陣列410、差動放大器420以及處理器430。感測陣列410包括多個感測單元415、多個開關413、多個開關417_0-417_n以及多個開關419_0_419_n。在此實施例中，每一感測單元415經由所對應的開關413而耦接于所對應的列(row)線上，其中每一開關413由對應于該感測單元的行(column)線所控制。此外，每一列線經由對應的開關417而耦接于差動放大器420的非反相(正相)輸入端，并經由對應的開關419而耦接于差動放大器420的反相輸入端。例如，開關417_0耦接于列線RO以及差動放大器420的非反相輸入端之間，而開關419_0耦接于列線RO以及差動放大器420的反相輸入端之間。在圖4中，假設欲進行感測的目標感測單元415S位于感測陣列410中列線Rl以及行線C2的交叉點上，則處理器430會提供控制信號Ctrl至感測陣列410，以便將對應于目標感測單元415S的開關413導通，并控制列線Rl上的其他開關413為不導通。此外，處理器430會提供控制信號SW至感測陣列410，以便控制開關417_1為導通而開關419_1為不導通。于是，來自目標感測單元415S的感測電極的目標感測電壓Vsen會傳送到差動放大器420的非反相輸入端。同時地，處理器430會通過控制信號Ctrl來控制列線RO與列線R2上的全部開關413為導通，并通過控制信號SW來控制開關419_0與419_2為導通而開關417_0與417_2為不導通。再者，處理器430會通過控制信號Ctrl來控制列線R3-列線Rn上的全部開關413為不導通，并通過控制信號SW來控制開關417_3-417-n以及開關419_3_419_n為不導通。于是，位于列線RO與列線R2上且鄰近于目標感測單元415S的全部參考感測單元415R的參考感測電壓Vtt3f會傳送到差動放大器420的反相輸入端。由于全部的參考感測單元415R的感測電極皆耦接于差動放大器420的反相輸入端，全部的參考感測單元415R的感測電容Csen會根據分壓的結果而提供等效的平均感測電壓Vavg至差動放大器420的反相輸入端。于是，差動放大器420可將平均感測電壓Vavg以及目標感測電壓V _的共模噪聲除去，即由各感測電極所接收到的干擾信號可以被去除。因此，所得到的感測輸出D_將包括目標感測單元415S的感測電極所感測的信號，且不含不想要的噪聲成分。
[0051]圖5顯示根據本發(fā)明一實施例所述的感測陣列500，用以說明目標感測單元515S與多個參考感測單元515R的相關性。在此實施例中，目標感測單元515S位于感測陣列500的特定行線(例如CJ上，而參考感測單元515R位于特定行線的鄰近的兩行線(例如相鄰的Cnil與CniJ上。由于參考感測單元515R鄰近于目標感測單元515S，因此對于相同的干擾噪聲，參考感測單元515R以及目標感測單元515S會有相似的感測輸出。于是，處理器可根據目標感測單元515S的目標感測電壓V_以及參考感測單元515R的參考平均電壓Vavg之間的差異而得到實際感測的結果。值得注意的是，用來作為參考感測單元515R的鄰近于目標感測單元515S的行線數量可根據實際應用而決定。
[0052]圖6顯示根據本發(fā)明另一實施例所述的感測陣列600，用以說明目標感測單元615S與多個參考感測單元615R的相關性。在此實施例中，目標感測單元615S位于感測陣列600的特定列線(例如Rn)上，而參考感測單元615R位于特定列線的鄰近四列線(例如上。如先前所描述，由于參考感測單元615R鄰近于目標感測單元615S，因此對于相同的干擾噪聲，參考感測單元615R以及目標感測單元615S會有相似的感測輸出。于是，處理器可根據目標感測單元615S的目標感測電壓V_以及參考感測單元615R的參考平均電壓Vavg之間的差異而得到實際感測的結果。值得注意的是，用來作為參考感測單元615R的鄰近于目標感測單元615S的列線數量可根據實際應用而決定。
[0053]圖7顯示根據本發(fā)明另一實施例所述的感測陣列700，用以說明目標感測單元715S與多個參考感測單元715R的相關性。在此實施例中，目標感測單元715S位于感測陣列700的特定列線與特定行線(例如Rn與CJ上，而參考感測單元715R位于由多條列線與多條行線所形成的參考區(qū)域720內，其中目標感測單元715S位于參考區(qū)域720的中心。在此實施例中，參考區(qū)域720由列線Rn 2至列線Rn+2以及行線Cni 2至行線(:?+2所形成的矩形區(qū)域。具體而言，在參考區(qū)域720中，參考感測單元715R設置在目標感測單元715S的周圍且包圍目標感測單元715S。如先前所描述，參考區(qū)域720的范圍可根據實際應用而決定。
[0054]圖8顯示根據本發(fā)明一實施例所述的感測方法，適用于一指紋感測裝置，其中該指紋感測裝置包括具有多個感測單元的一感測陣列、讀取模塊以及處理器。首先，在步驟S810，讀取模塊會從感測陣列中得到目標感測單元的目標感測電壓Vsen。接著，在步驟S820，讀取模塊會從感測陣列中得到多個參考感測單元的參考感測電壓V?f，其中每一參考感測單元鄰近于(neighboring to)目標感測單元，亦即位于目標感測單元的一鄰近區(qū)域。接著，在步驟S830，讀取模塊會得到全部參考感測電壓Vraf的參考平均電壓V avg。接著，在步驟S840，讀取模塊會根據參考平均電壓Vavg以及目標感測電壓V _而得到感測輸出D _。例如，使用差動放大器來有效地除去目標感測電壓V-與參考平均電壓V avg之間的共模噪聲，以便得到沒有受到干擾的感測信號。接著，在步驟S850，處理器會根據感測輸出D_來得到手指的指紋信息。
[0055]雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權利要求所界定者為準。
【主權項】
1.一種指紋感測裝置，用來感測一手指的指紋信息，包括: 一感測陣列，包括設置在多條行線以及多條列線上的多個感測單元，其中每一所述多個感測單元包括一感測電極； 一絕緣表面，設置于該感測陣列的上方； 一讀取模塊，用以根據來自該感測陣列的一第一感測電壓以及來自該感測陣列的多個第二感測電壓的一平均電壓而提供一感測輸出；以及 一處理器，用以根據該感測輸出，得到該手指的指紋信息， 其中該第一感測電壓由所述多個感測單元的一第一感測單元的該感測電極所提供，以及每一所述多個第二感測電壓由所述多個感測單元的一第二感測單元的該感測電極所提供， 其中所述多個第二感測單元位于該第一感測單元的一鄰近區(qū)域。2.如權利要求1所述的指紋感測裝置，其中該讀取模塊包括: 一差動放大器，包括: 一第一輸入端，耦接于該第一感測單元的該感測電極； 一第二輸入端，耦接于所述多個第二感測單元的所述多個感測電極；以及一輸出端，用以提供該感測輸出，其中該感測輸出表示該第一感測電壓以及所述多個第二感測電壓的該平均電壓之間的差異。3.如權利要求1所述的指紋感測裝置，其中該第一感測單元設置在該感測陣列的一特定行線，以及所述多個第二感測單元設置在該感測陣列中鄰近于該特定行線的其他行線。4.如權利要求1所述的指紋感測裝置，其中該第一感測單元設置在該感測陣列的一特定列線，以及所述多個第二感測單元設置在該感測陣列中鄰近于該特定列線的其他列線。5.如權利要求1所述的指紋感測裝置，其中所述多個第二感測單元設置在該第一感測單元的周圍且包圍該第一感測單元。6.一種感測方法，適用于一指紋感測裝置，其中該指紋感測裝置包括具有設置在多條行線以及多條列線上的多個感測單元的一感測陣列，該感測方法包括: 讀取所述多個感測單元的一第一感測單元的一第一感測電壓； 讀取所述多個感測單元的多個第二感測單元的多個第二感測電壓； 借由一差動放大器，根據所述多個第二感測電壓的一平均電壓以及該第一感測電壓，而得到一感測輸出；以及 根據該感測輸出，得到該手指的指紋信息。7.如權利要求6所述的感測方法，其中每一所述多個感測單元包括一感測電極，其中該差動放大器包括: 一第一輸入端，耦接于該第一感測單元的該感測電極； 一第二輸入端，耦接于所述多個第二感測單元的所述多個感測電極；以及一輸出端，用以提供該感測輸出，其中該感測輸出表示該第一感測電壓以及所述多個第二感測電壓的該平均電壓之間的差異。8.如權利要求6所述的感測方法，其中該第一感測單元設置在該感測陣列的一特定行線，以及所述多個第二感測單元設置在該感測陣列中鄰近于該特定行線的其他行線。9.如權利要求6所述的感測方法，其中該第一感測單元設置在該感測陣列的一特定列線，以及所述多個第二感測單元設置在該感測陣列中鄰近于該特定列線的其他列線。10.如權利要求6所述的感測方法，其中所述多個第二感測單元系設置在該第一感測單元的周圍且包圍該第一感測單元。
【文檔編號】G06K9/00GK105989327SQ201510053091
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月2日
【發(fā)明人】林功藝
【申請人】神盾股份有限公司