電容式指紋傳感器的制造方法
【專利摘要】一種電容式指紋傳感器包含一電容式感測陣列以及一差動放大器。電容式感測陣列包含多個陣列排列的感測單元，且每一感測單元包含一感測電容以及一參考電容，其中感測電容靠近電容式感測陣列的感測表面設(shè)置；參考電容遠(yuǎn)離電容式感測陣列的感測表面設(shè)置。差動放大器與感測電容以及參考電容電性連接，以接收感測電容所輸出的第一偏壓以及參考電容所輸出的第二偏壓，并放大第一偏壓以及第二偏壓的差值。上述電容式指紋傳感器的多個感測單元間可輸出較為均勻的感測信號以利后續(xù)信號處理。
【專利說明】
電容式指紋傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型是有關(guān)一種指紋傳感器，特別是一種電容式指紋傳感器。
【【背景技術(shù)】】
[0002]電容式指紋傳感器的原理是檢測人體手指的脊部以及谷部間的電容變化。谷部的正常深度約為20-35μπι，其中填充空氣時的介電常數(shù)為I。人體組織的介電常數(shù)約為4-8，因此，微小的電容變化可被電容式指紋傳感器所檢測。
[0003]請參照圖1以說明基于電荷分享方法的電容式指紋傳感器的感測方法。電容式指紋傳感器包含多個陣列排列的感測單元SU。當(dāng)指紋FP與電容式指紋傳感器接觸時，指紋FP的脊部以及谷部具有電容C3。而封裝電容式指紋傳感器會形成介電層DL，其具有電容C2。因此，電容C2以及電容C3彼此串接則具有電容值Cs，其能夠以下列公式計算得到:
[0004]1/Cs = l/C2+1/C3
[0005]其中C2以及C3分別代表電容C2以及電容C3的電容值。
[0006]量測電容值Cs的變化可由以下步驟實現(xiàn)。首先，導(dǎo)通開關(guān)Sa并斷開開關(guān)Sb，以偏壓Va對電容CO預(yù)先充電。接著斷開開關(guān)Sa以及導(dǎo)通斷關(guān)Sb，使電容CO中的電荷重新分布，如此即產(chǎn)生偏壓Vl，其能夠以下列公式計算得到:
[0007]Vl=Va*C0/(C0+Cl+Cs)，其中CO以及Cl分別代表電容CO以及電容Cl的電容值。電容CI為電路的寄生雜散電容。感測單元SU11的感測節(jié)點的偏壓VI通過緩沖放大器BA輸出偏壓V2，其能夠以下列公式計算得到:
[0008]V2 = g*Vl
[0009]其中g(shù)為緩沖放大器BA的增益。每一感測單元SU具有一緩沖放大器BA，其是由列開關(guān)Srl以及行開關(guān)Scl-Sc3控制輸出至取樣電容Csh。舉例而言，感測單元SUll是由列開關(guān)Srl以及行開關(guān)Scl控制輸出；感測單元SU12是由列開關(guān)Srl以及行開關(guān)Sc2控制輸出；感測單元SU13是由列開關(guān)Srl以及行開關(guān)Sc3控制輸出。最后，模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC將取樣電容Csh的偏壓V3轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。由于制程或其它因素的影響，感測單元間的緩沖放大器會有增益的變動，加上寄生雜散電容Cl與電容C2影響，導(dǎo)致每一感測單元所輸出偏壓的均勻性較差，因而影響后續(xù)的信號處理，例如直流移位(DC subtract1n)。
[0010]請參照圖2以說明感測信號的直流移位處理。假設(shè)一感測單元對應(yīng)指紋谷部的初始感測信號為Vsl，對應(yīng)指紋脊部的初始感測信號為Vs2，因此，此一感測單元對應(yīng)指紋的谷部或脊部具有一電壓差A(yù) VI，如圖2的左側(cè)所示。感測單元所輸出的初始感測信號經(jīng)直流移位處理，亦即扣除偏壓DCsub后，即可在參考電壓Vref的范圍內(nèi)放大，使感測單元對應(yīng)指紋的谷部或脊部的電壓差A(yù)Vl放大為電壓差A(yù)V2，如圖2的右側(cè)所示，如此即可增加感測的靈敏度。然而，請參照圖3，由于制程或其它因素的影響，不同感測單元SUa、SUb對應(yīng)指紋的谷部或脊部的初始感測信號以及電壓差A(yù) Via、△ Vlb具有差異，其不利后續(xù)的信號處理。舉例而言，請一并參照圖3以及圖4，若以相同的偏壓DCsub對感測單元SUa、SUb的初始感測信號作直流移位處理后放大，感測單元SUa、SUb對應(yīng)指紋的谷部或脊部的電壓差分別為AV2a以及AV2b。很明顯的，感測單元SUb對于指紋的谷部或脊部的辨識度較低。
[0011]有鑒于此，如何使每一感測單元所輸出的偏壓具有較佳的均勻性便是目前極需努力的目標(biāo)。
【【實用新型內(nèi)容】】
[0012]本實用新型提供一種電容式指紋傳感器，其是于每一感測單元中設(shè)置與感測電容相對應(yīng)的一參考電容，使每一感測單元的感測電容所輸出的偏壓能夠扣除參考電容所輸出的偏壓以獲得感測電容對應(yīng)于指紋谷部或脊部的電壓差，進(jìn)而使得每一感測單元所輸出的感測信號較為均勻。
[0013]本實用新型一實施例的電容式指紋傳感器包含一電容式感測陣列以及一差動放大器。電容式感測陣列包含多個陣列排列的感測單元，且每一感測單元包含一感測電容、一參考電容、多個第一開關(guān)以及多個第二開關(guān)。感測電容靠近電容式感測陣列的一感測表面設(shè)置。參考電容遠(yuǎn)離電容式感測陣列的感測表面設(shè)置。多個第一開關(guān)與感測電容以及參考電容電性連接，其中多個第一開關(guān)選擇性導(dǎo)通以充電感測電容以及參考電容。多個第二開關(guān)與感測電容以及參考電容電性連接，其中多個第二開關(guān)選擇性導(dǎo)通以輸出感測電容的一第一偏壓以及參考電容的一第二偏壓。差動放大器與感測電容以及參考電容電性連接，以接收第一偏壓以及第二偏壓，并放大第一偏壓以及第二偏壓的差值。
[0014]以下借由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當(dāng)更容易了解本實用新型的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點及其所達(dá)成的功效。
【【附圖說明】】
[0015]圖1為一示意圖，顯示已知的電容式指紋傳感器。
[0016]圖2為一示意圖，顯示一感測單元對應(yīng)于指紋谷部以及脊部的初始感測信號以及放大的感測信號。
[0017]圖3為一示意圖，顯示不同感測單元對應(yīng)于指紋谷部以及脊部的初始感測信號。
[0018]圖4為一示意圖，顯示不同感測單元對應(yīng)于指紋谷部以及脊部的放大的感測信號。
[0019]圖5為一示意圖，顯示本實用新型一實施例的電容式指紋傳感器。
[0020]圖6為一示意圖，顯示本實用新型另一實施例的電容式指紋傳感器。
【【具體實施方式】】
[0021]以下將詳述本實用新型的各實施例，并配合圖式作為例示。除了該多個詳細(xì)說明之外，本實用新型亦可廣泛地施行于其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本實用新型的范圍內(nèi)，并以申請專利范圍為準(zhǔn)。在說明書的描述中，為了使讀者對本實用新型有較完整的了解，提供了許多特定細(xì)節(jié);然而，本實用新型可能在省略部分或全部特定細(xì)節(jié)的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件并未描述于細(xì)節(jié)中，以避免對本實用新型形成不必要的限制。圖式中相同或類似的元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意的用，并非代表元件實際的尺寸或數(shù)量，有些細(xì)節(jié)可能未完全繪出，以求圖式的簡潔。
[0022]請參照圖5，本實用新型的一實施例的電容式指紋傳感器包含一電容式感測陣列以及一差動放大器DA。電容式感測陣列包含多個陣列排列的感測單元SU。每一感測單元SU包含一感測電容、一參考電容、多個第一開關(guān)Sla、Slb、Slc、Sld以及多個第二開關(guān)S2a、S2b。于一實施例中，感測電容包含一第一金屬層L1、一第二金屬層L2以及一第三金屬層L3。第一金屬層LI通過第一開關(guān)Sla與一電源Vcc電性連接。第二金屬層L2通過第二開關(guān)S2a與第一金屬層LI電性連接。第三金屬層L3接地，且通過第一開關(guān)Slb與第二金屬層L2電性連接。感測電容靠近電容式感測陣列的一感測表面SF設(shè)置，因此，感測電容的電容值會隨著指紋的谷部或脊部接觸感測表面SF而變化。
[0023]參考電容包含一第四金屬層L4、一第五金屬層L5以及一第六金屬層L6。第四金屬層L4通過第一開關(guān)Sld與電源Vcc電性連接。第五金屬層L5通過第二開關(guān)S2b與第四金屬層L4電性連接。第六金屬層L6接地，且通過第一開關(guān)Slc與第五金屬層L5電性連接。參考電容則是遠(yuǎn)離電容式感測陣列的感測表面SF設(shè)置，以避免參考電容的電容值因指紋的谷部或脊部接觸感測表面SF而變化。于一實施例中，每一感測單元SU的感測電容以及參考電容的延伸方向垂直電容式感測陣列的感測表面SF。簡言之，每一感測單元SU的感測電容以及參考電容垂直感測表面SF排列，以降低指紋的谷部或脊部接觸感測表面SF對參考電容的電容值的影響。于一實施例中，每一感測單元SU的感測電容以及參考電容的接地側(cè)設(shè)置于感測電容以及參考電容之間，以作為一隔離層。依據(jù)此結(jié)構(gòu)，接地的隔離層可進(jìn)一步降低指紋的谷部或脊部接觸感測表面SF對參考電容的電容值的影響。
[0024]差動放大器DA與每一感測單元SU的感測電容以及參考電容電性連接，以接收感測電容所輸出的第一偏壓以及參考電容所輸出的第二偏壓。差動放大器DA可放大第一偏壓以及第二偏壓的差值。于一實施例中，差動放大器DA可對應(yīng)于每一感測單元SU設(shè)置?；蛘?，于一實施例中，差動放大器DA包含一差動緩沖器DB以及一放大器A，其中，差動緩沖器DB對應(yīng)于每一感測單元SU設(shè)置，而放大器A則設(shè)置于感測單元SU外部的讀取電路中。依據(jù)此結(jié)構(gòu)，可節(jié)省重復(fù)設(shè)置放大器A的芯片面積，且差動緩沖器DB可在每一感測單元SU內(nèi)產(chǎn)生緩沖以及直流移位的功能，細(xì)節(jié)容后說明。可以理解的是，差動放大器DA可設(shè)置于感測單元SU外部的讀取電路中，以進(jìn)一步節(jié)省芯片面積。
[0025]依據(jù)上述的感測單元SU的結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)Sla、Slb導(dǎo)通且第二開關(guān)S2a斷開時，感測電容的第二金屬層L2與第三金屬層L3電性連接而接地，而第一金屬層LI電性連接電源Vcc，因而對感測電容充電。因感測電容的一輸出端設(shè)置于第二開關(guān)S2a的接地側(cè)，此時感測電容的輸出偏壓為接地電壓。同理，參考電容的第五金屬層L5與第六金屬層L6電性連接而接地，而第四金屬層L4電性連接電源Vcc，因而對參考電容充電。因參考電容的一輸出端設(shè)置于第二開關(guān)S2b的接地側(cè)，此時參考電容的輸出偏壓亦為接地電壓。
[0026]當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)Sla、Slb斷開且第二開關(guān)S2a導(dǎo)通時，第一金屬層LI與電源Vcc斷開而停止充電。而第二金屬層L2與第三金屬層L3斷開且與第一金屬層LI電性連接，此時第一金屬層LI中的電荷將重新分布于第一金屬層LI以及第二金屬層L2?？梢岳斫獾氖?，指紋的谷部或脊部接觸感測表面SF將影響電荷重新分布的結(jié)果，此時，感測電容將輸出一第一偏壓。同樣的，第四金屬層L4與電源Vcc斷開而停止充電。而第五金屬層L5與第六金屬層L6斷開且與第四金屬層L4電性連接，此時第四金屬層L4中的電荷將重新分布于第四金屬層L4以及第五金屬層L5，并經(jīng)由參考電容的輸出端輸出一第二偏壓。于一實施例中，第一開關(guān)Sla、Sib、Slc、Sld以及第二開關(guān)S2a、S2b的導(dǎo)通期間需相異，亦即不能同時導(dǎo)通，以避免短路。較佳者，第一開關(guān)Sla、Slb、Slc、Sld以及第二開關(guān)S2a、S2b的導(dǎo)通期間之間具有一時間延遲，可進(jìn)一步避免第一開關(guān)Sla、Slb、SI c、Sld或第二開關(guān)S2a、S2b誤動作所造成的短路。
[0027]如前所述，參考電容所輸出的第二偏壓不會受到指紋的谷部或脊部接觸感測表面SF而變化或變化很小，理想上，參考電容所輸出的第二偏壓為一定值?？梢岳斫獾氖牵舾袦y電容以及參考電容的電容值相同時，感測電容所輸出的第一偏壓以及參考電容所輸出的第二偏壓的差值即為感測電容對應(yīng)于指紋谷部或脊部的電壓差。因此，差動放大器DA或差動緩沖器DB計算第一偏壓以及第二偏壓的差值即等同于執(zhí)行了直流移位處理。
[0028]請參照圖6，于一實施例中，圖5所示第三金屬層L3以及第六金屬層L6可整合為單一的分享金屬層Ls。分享金屬層Ls接地，因而可視為分隔感測電容以及參考電容的隔離層。于一實施例中，感測電容以及參考電容相對于分享金屬層Ls對稱配置，使感測電容以及參考電容的特性一致，例如具有相同的電容值。由于感測電容以及參考電容相對于電容式感測陣列的幾何位置相同，因此，制程或封裝等因素對感測電容以及參考電容的影響較為一致。換言之，每一感測單元所輸出的第一偏壓以及第二偏壓的差值較為一致，亦即不同感測單元間所輸出的第一偏壓以及第二偏壓的差值較為均勻。可以理解的是，后續(xù)即能夠以較大的倍率放大第一偏壓以及第二偏壓的差值。于一實施例中，差動放大器DA的直流增益范圍介于2-10。
[0029]綜合上述，本實用新型的電容式指紋傳感器是于每一感測單元中設(shè)置與感測電容的電容值相同的一參考電容，其中，參考電容的電容值不會隨著指紋接觸感測表面而變化，因此，每一感測單元的感測電容以及參考電容所輸出的偏壓的差值即為感測電容對應(yīng)于指紋谷部或脊部的電壓差。換言之，本實用新型的電容式指紋傳感器的每一感測單元所輸出的感測信號較為均勻，且能夠以較大放大倍率放大所測得的感測信號，以提升本實用新型的電容式指紋傳感器的感測靈敏度。
[0030]以上所述的實施例僅是為說明本實用新型的技術(shù)思想及特點，其目的在使熟習(xí)此項技藝的人士能夠了解本實用新型之內(nèi)容并據(jù)以實施，當(dāng)不能以的限定本實用新型的專利范圍，即大凡依本實用新型所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應(yīng)涵蓋在本實用新型的專利范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種電容式指紋傳感器，其特征在于，包含: 一電容式感測陣列，其包含多個陣列排列的感測單元，其中每一感測單元包含: 一感測電容，其靠近該電容式感測陣列的一感測表面設(shè)置； 一參考電容，其遠(yuǎn)離該電容式感測陣列的該感測表面設(shè)置； 多個第一開關(guān)，其與該感測電容以及該參考電容電性連接，其中該多個第一開關(guān)選擇性導(dǎo)通以充電該感測電容以及該參考電容；以及 多個第二開關(guān)，其與該感測電容以及該參考電容電性連接，其中該多個第二開關(guān)選擇性導(dǎo)通以輸出該感測電容的一第一偏壓以及該參考電容的一第二偏壓；以及 一差動放大器，其與該感測電容以及該參考電容電性連接，以接收該第一偏壓以及該第二偏壓，并放大該第一偏壓以及該第二偏壓的差值。2.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該感測電容以及該參考電容的電容值相同。3.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，每一該感測單元的該感測電容以及該參考電容的一延伸方向垂直該電容式感測陣列的該感測表面。4.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，每一該感測單元更包含一隔離層，其設(shè)置于該感測電容以及該參考電容之間且接地。5.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該差動放大器的直流增益范圍介于2-10。6.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該多個第一開關(guān)以及該多個第二開關(guān)的導(dǎo)通期間相異。7.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該多個第一開關(guān)以及該多個第二開關(guān)的導(dǎo)通期間之間具有一時間延遲。8.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該差動放大器包含一差動緩沖器以及一放大器，其中該差動緩沖器設(shè)置于每一該感測單元。9.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該感測電容包含: 一第一金屬層，其通過該第一開關(guān)與一電源電性連接； 一第二金屬層，其通過該第二開關(guān)與該第一金屬層電性連接；以及一第三金屬層，其接地，且通過該第一開關(guān)與該第二金屬層電性連接，其中該感測電容的一輸出端設(shè)置于該第二開關(guān)的一接地側(cè)。10.如權(quán)利要求9所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該參考電容包含: 一第四金屬層，其通過該第一開關(guān)與該電源電性連接； 一第五金屬層，其通過該第二開關(guān)與該第四金屬層電性連接；以及一第六金屬層，其接地，且通過該第一開關(guān)與該第五金屬層電性連接，其中該參考電容的一輸出端設(shè)置于該第二開關(guān)的一接地側(cè)。11.如權(quán)利要求10所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該第三金屬層以及該第六金屬層整合為單一的分享金屬層。12.如權(quán)利要求11所述的電容式指紋傳感器，其特征在于，該感測電容以及該參考電容相對于該分享金屬層對稱配置。
【文檔編號】G06K9/00GK205680105SQ201620459825
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月19日 公開號201620459825.4, CN 201620459825, CN 205680105 U, CN 205680105U, CN-U-205680105, CN201620459825, CN201620459825.4, CN205680105 U, CN205680105U
【發(fā)明人】黃家珍, 侯岳宏, 王建勛, 吳岱锜
【申請人】康達(dá)生命科學(xué)有限公司