專利名稱：電容式指紋讀取芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容式指紋讀取芯片，尤其涉及一種應(yīng)用類動態(tài)隨機存取存儲器數(shù)據(jù)讀取結(jié)構(gòu)的電容式指紋讀取芯片。
實時的指紋讀取方法便成為生物辨識市場中的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的實時指紋讀取為光學(xué)方式，請參見美國專利編號4,053,228及4,340,300，其發(fā)展相當(dāng)成熟且精確度亦高，然而體積過于龐大且價格亦較為昂貴，不適用于各種便攜式電子產(chǎn)品及普及化推廣。
為此，利用硅半導(dǎo)體的芯片式指紋感測裝置應(yīng)運而生，克服了上述光學(xué)式的缺點?；诠杓呻娐分圃旃に嚨目紤]，電容式指紋讀取芯片成為最直接且簡單的方法，其較早的文獻(xiàn)請參見美國專利編號4,290,052、4,353,056。之后隨著集成電路的精進(jìn)、此種電容式指紋讀取芯片的結(jié)構(gòu)也漸趨于成熟乃至于進(jìn)入商業(yè)用途，其最主要的發(fā)展者首推Alexander G.Dickinson等人所發(fā)展的一種利用電容充放電原理感測微小電容值的結(jié)構(gòu)，如美國專利編號6,016,355及6,049,620所述。
但是此種充放電讀取方式主要的缺點在于必須控制芯片上每個電容感測元的固定電流放電MOS(由外部電流鏡Current Mirror控制)的特性一致才能獲得良好的輸出信號，但一般指紋讀取芯片包含上萬個以上的感測元，很難在工藝上控制到每個放電MOS的特性一致，因而降低輸出指紋信號的品質(zhì)。同時，上述方法亦無法提供良好的防止靜電破壞的方法。
本發(fā)明的又一目的是提供一種信號讀取結(jié)構(gòu)，使一電容式指紋讀取芯片得以利用類的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的周邊電路，讀取電容感測元的數(shù)據(jù)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種電容式指紋讀取芯片，包含一電容感測元陣列，包含多個電容感測元；一絕緣表面，覆蓋于該感側(cè)元陣列之上，作為一手指接觸面；及一類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路，至少包含一列譯碼器，配置于該電容感測元陣列旁；多個字符線，平行地穿插于該電容感測元陣列中，并連接至該列譯碼器；一行多任務(wù)器，配置于該電容感測元陣列的相鄰于該列譯碼器的一側(cè)；及多個位線，平行地穿插于該感側(cè)元陣列中，并與該多個字符線呈網(wǎng)狀交錯，且此多個位線系連接至該行多任務(wù)器；其中，該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路先輸入一第一電壓，使該每一個電容感測元內(nèi)的一感測電容兩端產(chǎn)生電壓差，且使其內(nèi)的一參考電容兩端無電壓差；然后再輸入一第二電壓，使該感測電容與該參考電容進(jìn)行電荷分享；再將每一個電容感測元內(nèi)穩(wěn)定后的電壓輸出。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，此電容式指紋讀取芯片，包含一電容感測元陣列、一絕緣表面及一類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路；其中，感測元陣列包含多個電容感測元，每一個電容感測元還包含一傳感器結(jié)構(gòu)，包括一感測電極、一參考電極及配置于感測電極與參考電極間的一絕緣層；以及一信號讀取電路，用以將每一電容感測元連接至類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路。
其中，絕緣表面覆蓋于感側(cè)元陣列之上，作為一手指接觸面；在手指、絕緣表面及感測電極之間會形成感測電容，而在感測電極、絕緣層及參考電極之間會形成參考電容；而類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路則至少包含一列譯碼器，配置于電容感測元陣列旁；多個字符線，平行地穿插于電容感測元陣列中，并連接至該列譯碼器；一行多任務(wù)器，配置于電容感測元陣列旁相鄰于該列譯碼器的一側(cè)；以及多個位線，垂直地穿插于感側(cè)元陣列中，并與多個字符線呈網(wǎng)狀交錯，且此多個位線連接至行多任務(wù)器；其中，該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路先輸入第一電壓于信號讀取電路作重置控制動作，使感測電容兩端產(chǎn)生電壓差(或參考電容兩端產(chǎn)生電壓差)且使參考電容兩端無電壓差(或感測電容兩端無電壓差)；然后再輸入第二電壓于信號讀取電路作電荷分享及讀取動作，原來蓄積于感測電容兩端的電荷量(或參考電容兩端的電荷量)將有一部份分享給參考電容兩端(或感測電容兩端)；再將每一個電容感測元內(nèi)穩(wěn)定后的電壓輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，此電容式指紋讀取芯片還包含另一電容感測元陣列與另一類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路，以及一觸發(fā)開關(guān)。此觸發(fā)開關(guān)配置于該一分為二的電容感測元陣列之間，用以在手指接觸該電容式指紋讀取芯片時，開啟此芯片電源。
根據(jù)本發(fā)明，此電容式指紋讀取芯片還包含一彎曲條狀金屬薄膜，配置于絕緣表面之上，用以加熱此電容式指紋讀取芯片，以去除水氣。
根據(jù)本發(fā)明，此彎曲條狀金屬薄膜亦可連接至接地電源，用以防止靜電破壞。
根據(jù)本發(fā)明，此彎曲條狀金屬薄膜與加熱電源或接地電源的連接由觸發(fā)開關(guān)控制。
根據(jù)本發(fā)明，此觸發(fā)開關(guān)包含一觸發(fā)電極；一觸發(fā)介電層，配置于觸發(fā)電極之上；及一觸發(fā)反相器；其中，當(dāng)手指接觸此觸發(fā)開關(guān)時，手指表面會與觸發(fā)電極形成觸發(fā)電容，此觸發(fā)電容會與觸發(fā)電極下的儲存電容進(jìn)行電荷分享，使流經(jīng)此觸發(fā)電極的電壓下降并低于觸發(fā)反相器的逆轉(zhuǎn)電壓，以開啟此電容式指紋讀取芯片的電源。
不同于其它電容式指紋讀取芯片，本發(fā)明的精神在于利用類動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的數(shù)據(jù)讀取結(jié)構(gòu)作為本發(fā)明電容式指紋讀取芯片的設(shè)計理念，其優(yōu)點在于DRAM的發(fā)展相當(dāng)完整及成熟，對于指紋讀取芯片所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展相當(dāng)容易。特別是在于計算機及各種便攜式的電子產(chǎn)品應(yīng)用時，可以提供相當(dāng)簡易的鑲?cè)胧皆O(shè)計(當(dāng)作一DRAM處理)。而且借用DRAM的制造程序(高階工藝分辨率)亦可以大大提高本產(chǎn)品生產(chǎn)良率(僅需要低分辨率工藝)，降低成本。本發(fā)明的電容式指紋讀取芯片可作為個人身分認(rèn)證的生物辨識使用，應(yīng)用于筆記本型計算機、個人數(shù)字助理及移動電話等便攜式電子產(chǎn)品，以及各種保全系統(tǒng)。


圖1是手指接觸本發(fā)明電容式指紋讀取裝置的示意圖；圖1a是本發(fā)明電容式指紋讀取芯片實際取得的二進(jìn)制指紋圖像圖2是本發(fā)明電容式指紋讀取芯片的主要布局結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明電容式指紋讀取芯片的感測元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是手指接觸感測元的放大示意圖；圖5是本發(fā)明實施例的電容式指紋讀取芯片的感測元結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明又一實施例的電容式指紋讀取芯片的感測元結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明解決靜電破壞及手指表面不同電位的設(shè)計示意圖；圖8是本發(fā)明實施例的電容式觸發(fā)開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中符號說明1手指10 基板11 紋峰11a 電容值曲線12 紋谷2裝置20 感測元24 彎曲條狀金屬薄膜241 開關(guān)242 加熱電源201、201a電容感測元陣列202 觸發(fā)開關(guān)202a 電容式觸發(fā)開關(guān)203 列譯碼器
204 行多任務(wù)器205 比較器206 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器213 字符線214 位線30 絕緣表面31、31a 感測電極32 參考電極33 絕緣層34、34a 傳感器結(jié)構(gòu)35、35a 信號讀取電路311 P型MOS源極跟隨器311aN型MOS源極跟隨器313、313a 重置開關(guān)315 手指316、317重置點318 端點320 反向器324、324a、324’、324a’ 感測電容325、325a 參考電容328 快門開關(guān)40 觸發(fā)電極41 觸發(fā)介電層401 觸發(fā)電容402 儲存電容406 觸發(fā)反相器407 觸發(fā)驅(qū)動電壓為了更清楚了解圖1所示電容式指紋讀取芯片的結(jié)構(gòu)，請參見圖2。圖中顯示本發(fā)明一實施例的電容式指紋讀取芯片的布局設(shè)計。本實施例主要是采用了類DRAM的布局方式，主要結(jié)構(gòu)包含二完全相同的電容感測元陣列201、201a及一觸發(fā)開關(guān)202，以拼湊出一完整的指紋讀取芯片2。此種結(jié)構(gòu)在DRAM中是為了降低導(dǎo)線的寄生電容，在本發(fā)明中則是為加入一觸發(fā)開關(guān)202而采用此結(jié)構(gòu)。每一電容感測元陣列201、201a包含M×N個電容感測元、一類DRAM周邊電路及一絕緣表面(圖中未示)。其中，此絕緣表面是作為一手指接觸面。
此外，本發(fā)明的電容式指紋讀取芯片亦可只包含一個電容感測元陣列及其相對應(yīng)的類DRAM周邊電路。
在圖2所示的實施例中，二個電容感測元陣列201、201a中間布局設(shè)計一長條型的觸發(fā)開關(guān)202，此觸發(fā)開關(guān)202的長度相等于M個電容感測元的長度。這樣的觸發(fā)開關(guān)布局，可以保證手指任意擺置于指紋讀取芯片2表面，至少有部份指紋紋峰11與觸發(fā)開關(guān)202接觸。觸發(fā)開關(guān)202的設(shè)計是為了節(jié)省指紋讀取芯片2的功率消耗，特別是在大部分的閑置時間，僅在手指接觸時才開啟讀取芯片的電源。有關(guān)觸發(fā)開關(guān)202的原理，請參閱后面的詳細(xì)說明。
此外，在此電容式指紋讀取芯片2的表面亦可設(shè)置一彎曲條狀金屬薄膜24，用以連接至接地GND或一加熱電源242。此彎曲條狀金屬薄膜24與接地GND或加熱電源242間的連接，是通過一組開關(guān)241所控制。當(dāng)此彎曲條狀金屬薄膜24連接接地GND時，是由避雷針原理，導(dǎo)通靠近物體的靜電為接地狀態(tài)，以防止靜電破壞。當(dāng)此彎曲條狀金屬薄膜24連接至加熱電源242時，可以加熱此電容式指紋讀取芯片表面，使手指接觸后殘留的水份蒸發(fā)。開關(guān)241的切換則是由觸發(fā)開關(guān)202及裝置邏輯控制。
參見圖3，每一電容感測元陣列201、201a的周邊電路結(jié)構(gòu)，至少須包含一列譯碼器203及一行多任務(wù)器204以選擇讀取每一電容感測元的電壓信號，本發(fā)明亦可將輸出的電壓信號通過一比較器205或一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器206輸出，以提供二進(jìn)制(Binary)或灰度級(Gray Level)的影像信息。
參見圖4，是手指接觸電容感測元陣列的放大示意圖。其中，單一電容感測元20利用集成電路工藝所制造，特別是CMOS工藝。每一電容感測元20的基本結(jié)構(gòu)包含一傳感器結(jié)構(gòu)34及一信號讀取電路35(此圖未示)。傳感器結(jié)構(gòu)34包含一感測電極31、一參考電極32及一絕緣層33。感測電極31利用CMOS工藝最后一道金屬工藝制作而成。通過覆蓋于其上方的絕緣表面與接觸的手指紋峰11間便形成一感測電容324(其電容值為Cfr)。若接觸者為手指紋谷12則感測電容為324’(其電容值為Cfv)(包含一空氣間隙)，由于手指視為一導(dǎo)體，故而Cfr遠(yuǎn)大于Cfv。絕緣表面的材料通常為CMOS工藝的最后保護(hù)介電層?，F(xiàn)有的材料為氧化硅及氮化硅的疊層，厚度則視所選擇的工藝而有所不同，其通常介于0.8～1.2微米間。然而為了增加指紋裝置使用壽命，亦可增加一高硬度、高介電系數(shù)材料如鈦酸鋇、鈦酸鍶、碳化硅及氧化鉭等于其上，且其厚度介于0.5~2微米。
感測電極31、絕緣層33與參考電極32間則是形成一參考電容325。感測電容與參考電容的設(shè)計是為了作為電荷分享原理使用，此原理來自DRAM設(shè)計，但不同之處在于DRAM是利用導(dǎo)線的寄生電容作為參考電容，而本發(fā)明將之更改為一特定設(shè)計的參考電容。當(dāng)手指接觸了裝置表面后，一固定電壓(Vdd)經(jīng)過感測電容與參考電容電荷分享后的平衡電壓，將因為Cfr與Cfv不同而有所不同，通過電壓的讀取便可以辨別紋峰或紋谷了。
參見圖5，其是本發(fā)明電容式指紋讀取芯片單一電容感測元的一實施例，提供了一種信號讀取電路35于電容感測元20，取代DRAM的單純晶體管開關(guān)。圖5所示設(shè)計包含一傳感器結(jié)構(gòu)34及一信號讀取電路35。其中傳感器結(jié)構(gòu)34已描述如前，而信號讀取電路35則由一反向器320、一重置(reset)開關(guān)313及一P型MOS源極跟隨器311(PMOS SourceFollower)構(gòu)成。此信號讀取電路35的操作方式，說明如下當(dāng)手指315接觸了指紋讀取芯片的電容感測元20，觸發(fā)開關(guān)202將開啟電容感測元陣列201或201a及其對應(yīng)電路的電源及讀取邏輯。首先，輸入重置點316的第一電壓為0V，反相器320使得參考電極32的電壓為Vdd，同時重置開關(guān)313也維持開啟狀態(tài)使得感測電極31的電壓亦為Vdd，因此參考電容325兩端無電位差，故不累積電荷。
然而，感測電極31與手指315間形成的感測電容324或324’因Vdd所累積在感測電極31上的電荷量Q31則為Q31＝Vdd*(C324+C326) (1)其中C326為寄生電容。
接著，對重置點316輸入電壓值為Vdd的第二電壓，使重置開關(guān)313關(guān)閉，切斷感測電極31與Vdd的連接，也利用反相器320將參考電容325的參考電極32由Vdd切換為接地狀態(tài)。因此，累積在感測電極31的電荷量Q31會進(jìn)行重新分配，電荷重新分配穩(wěn)定后(在幾個納秒nano second內(nèi))可得感測電極點的電壓V31為V31＝Q31/(C324+C325+C326)(2)將式(1)中的Q31帶入式(2)中可得V31＝Vdd*(C324+C326)/(C324+C325+C326)(3)一般寄生電容C326(＜10fF)相較于待測電容C324(50~150fF)及參考電容C325(50~150fF)是可以忽略的，故V31實際上是由C324及C325所決定，而且V31是由P型MOS源極跟隨器311耦合輸出，輸出電壓為Vout。
請參見圖6，是電容感測元20的另一實施例，包含一傳感器結(jié)構(gòu)34a及一讀取電路35a。其中傳感器結(jié)構(gòu)34a組成為感測電容324a或324a’，以及參考電容325a；而讀取電路35a組成為一快門開關(guān)328、一重置開關(guān)313a及一N型MOS源極跟隨器311a。其詳細(xì)說明如下當(dāng)手指315接觸了指紋讀取芯片，觸發(fā)開關(guān)202開啟了電容感測元陣列及其對應(yīng)電路的電源及讀取邏輯。首先，輸入重置點317的一第一電壓為0V，同時重置開關(guān)313a也維持開啟狀態(tài)使得感測電極31a電壓處于接地狀態(tài)，此時感測電容324a或324a’兩端無或幾乎電位差，同時參考電容325a兩端則為Vdd電位差。
緊接著對重置點317輸入電壓值為Vdd的一第二電壓，使重置開關(guān)313a關(guān)閉，切斷感測電極31與GND的連接，同時提供一脈沖電壓信號打開/關(guān)閉快門開關(guān)328，累積在感測電極31的電荷量Q31會進(jìn)行重新分配，電荷重新分配穩(wěn)定后(在幾個納秒nano second內(nèi))可得點318的穩(wěn)定電壓V31a’，而且V31a’是由N型MOS源極跟隨器311a耦合輸出，輸出電壓為Vout。
其中，利用快門開關(guān)328作為電荷分布的快門動作，類似照相機的快門原理，可以在指紋接觸瞬間即讀取整個陣列元件所有感測元的數(shù)據(jù)，并且將之閉鎖于點318，再依序讀取，即使手指的顫動也不會影響，也是此一實施例的最大優(yōu)點。
本發(fā)明除了上述利用CMOS集成電路工藝及類DRAM數(shù)據(jù)讀取結(jié)構(gòu)以設(shè)計電容式指紋讀取芯片外，還提出了解決一般電容式指紋讀取芯片靜電破壞及殘留水氣干擾的方法，此種干擾的來源來自于裝置表面的灰塵及殘留水氣的電荷與感測電極間所形成的噪聲電容，造成手指紋路讀取的失真。而且一般電容式指紋讀取芯片的讀取原理皆假設(shè)手指為一等電位(接地)體，實際情況則不然，導(dǎo)致同一紋路等高線不同點的輸出信號不同。
為此，請參見圖2及圖7，其是本發(fā)明實施例解決靜電破壞及手指表面不同電位的設(shè)計。主要為提供一彎曲條狀金屬薄膜24于本發(fā)明電容式指紋讀取芯片的最表面，此彎曲條狀金屬薄膜24是由一開關(guān)241連接至接地GND狀態(tài)或一加熱電源242。若觸發(fā)開關(guān)202激活后，則彎曲條狀金屬薄膜24則連接至接地GND狀態(tài)。此舉可以消除靠近間的手指靜電，確保裝置內(nèi)的電路元件不受手指接觸的靜電破壞。同時，因為手指與接地的彎曲條狀金屬薄膜24相接觸，確保了手指各點位于相同的接地電位，可以提供更精確的量測。此彎曲條狀金屬薄膜的材料利用CMOS工藝中的TiN，因為除了導(dǎo)體特性外，TiN相當(dāng)耐磨耗及腐蝕，適合長期使用。
請參見圖2，其是本發(fā)明實施例解決殘留水氣設(shè)計，通過前述彎曲條狀金屬薄膜，由開關(guān)241連接至一加熱電源242，此連接動作激活通常是在于手指離開讀取芯片后，以加熱裝置表面使水氣蒸發(fā)，確保裝置表面無水分造成的干擾電容，開關(guān)241的切換則是由觸發(fā)開關(guān)201及裝置邏輯控制。
此外，本發(fā)明的觸發(fā)開關(guān)202亦可設(shè)計成一電容式觸發(fā)開關(guān)202a，用以判定是否為手指接觸后，再開啟裝置電源。此舉可節(jié)省指紋讀取芯片的功率消耗(操作時功率消耗約為50~150mW)，以利使用于便攜式電子產(chǎn)品。本發(fā)明的電容式觸發(fā)開關(guān)的結(jié)構(gòu)請參見圖8。此電容式觸發(fā)開關(guān)202a包含一觸發(fā)電極40、一觸發(fā)介電層41及一觸發(fā)反向器406。其中，觸發(fā)介電層41的材料可與電容感測元陣列表面的絕緣表面30相同，利用CMOS工藝的最后保護(hù)介電層制成，厚度介于0.8～1.2微米間。亦可使用一高硬度、高介電系數(shù)的材料如鈦酸鋇、鈦酸鍶、碳化硅及氧化鉭等，且其厚度介于0.5~2微米。
若手指接觸了裝置表面，則與觸發(fā)介電層41、觸發(fā)電極40間形成了一觸發(fā)電容401，基于相同的電荷分享原理，觸發(fā)電容401分享了原來儲存于儲存電容402的電荷，使得觸發(fā)電極40點的電壓值瞬間由固定電壓Vdd下降至一電壓準(zhǔn)位Vmin，當(dāng)Vmin值小于觸發(fā)反相器406的逆轉(zhuǎn)電壓時(一般約為2.0~2.5伏特)，觸發(fā)信號407會由0轉(zhuǎn)為1，形成一上升電壓信號而可用來當(dāng)作裝置觸發(fā)開關(guān)的驅(qū)動信號，開啟指紋讀取芯片2電源。而整個觸發(fā)開關(guān)202的設(shè)計及制造方式則完全相同于前述的電容感測元，在此不贅述，但此項發(fā)明可以使得指紋裝置在大部分閑置時間，功率消耗小于1mW，相當(dāng)適合應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品。
在較佳實施例的詳細(xì)說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，而非將本發(fā)明狹義地限制于上述實施例，在不超出本發(fā)明的精神與權(quán)利要求書范圍的情況下，所作的種種變化實施，仍屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電容式指紋讀取芯片，包含一電容感測元陣列，包含多個電容感測元；一絕緣表面，覆蓋于該感側(cè)元陣列之上，作為一手指接觸面；及一類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路，至少包含一列譯碼器，配置于該電容感測元陣列旁；多個字符線，平行地穿插于該電容感測元陣列中，并連接至該列譯碼器；一行多任務(wù)器，配置于該電容感測元陣列的相鄰于該列譯碼器的一側(cè)；及多個位線，平行地穿插于該感側(cè)元陣列中，并與該多個字符線呈網(wǎng)狀交錯，且此多個位線系連接至該行多任務(wù)器；其中，該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路先輸入一第一電壓，使該每一個電容感測元內(nèi)的一感測電容兩端產(chǎn)生電壓差，且使其內(nèi)的一參考電容兩端無電壓差；然后再輸入一第二電壓，使該感測電容與該參考電容進(jìn)行電荷分享；再將每一個電容感測元內(nèi)穩(wěn)定后的電壓輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該每一個電容感測元還包含一傳感器結(jié)構(gòu)，包含一感測電極；一參考電極；及一絕緣層，配置于該感測電極與該參考電極之間；及一信號讀取電路，配置于該傳感器結(jié)構(gòu)旁，用以連接該傳感器結(jié)構(gòu)與相鄰的該字符線及該位線；其中，手指、該絕緣表面及該感測電極形成該感測電容，而該感測電極、絕緣層及該參考電極形成該參考電容。
3.如權(quán)利要求2所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該信號讀取電路包含一P型MOS源極跟隨器，用以隔絕導(dǎo)線寄生電容，將感測電容及參考電容分享后的平衡電壓耦合輸出。
4.如權(quán)利要求3所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一比較器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出二進(jìn)制信息。
5.如權(quán)利要求3所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出灰度級信息。
6.一種電容式指紋讀取芯片，包含一電容感測元陣列，包含多個電容感測元；一絕緣表面，覆蓋于該感側(cè)元陣列之上，作為一手指接觸面；及一類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路，包含一列譯碼器，配置于該電容感測元陣列旁；多個字符線，平行地穿插于該電容感測元陣列中，并連接至該列譯碼器；一行多任務(wù)器，配置于該電容感測元陣列的相鄰于該列譯碼器的一側(cè)；及多個位線，平行地穿插于該感側(cè)元陣列中，并與該多個字符線呈網(wǎng)狀交錯，且此多個位線連接至該行多任務(wù)器；其中，該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路先輸入一第一電壓，使該每一個電容感測元內(nèi)的一參考電容兩端產(chǎn)生電壓差，且使其內(nèi)的一感測電容兩端無電壓差；然后再輸入一第二電壓，使該感測電容與該參考電容進(jìn)行電荷分享；再將每一個電容感測元內(nèi)穩(wěn)定后的電壓輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該每一個電容感測元還包含一傳感器結(jié)構(gòu)，包含一感測電極；一參考電極；及一絕緣層，配置于該感測電極與該參考電極之間；及一信號讀取電路，配置于該傳感器結(jié)構(gòu)旁，用以連接該傳感器結(jié)構(gòu)與相鄰的該字符線及該位線；其中，手指、該絕緣表面及該感測電極形成該感測電容，而該感測電極、絕緣層及該參考電極形成該參考電容。
8.如權(quán)利要求7所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該信號讀取電路還包含一快門開關(guān)，用以控制該感測電容與該參考電容的連接，在其打開隨后關(guān)閉的瞬間會使該感測電容與該參考電容之間進(jìn)行電荷分享；及一N型MOS源極跟隨器，用以隔絕導(dǎo)線寄生電容，將感測電容及參考電容分享后的平衡電壓耦合輸出。
9.如權(quán)利要求8所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一比較器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出二進(jìn)制信息。
10.如權(quán)利要求8所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出灰度級信息。
11.一種電容式指紋讀取芯片，包含二個電容感測元陣列，每一個電容感測元陣列包含多個電容感測元；一絕緣表面，覆蓋于該二個感側(cè)元陣列之上，作為一手指接觸面；二個類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路，各自對應(yīng)至該每一個電容感測元陣列，該每一個類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路包含一列譯碼器，配置于該電容感測元陣列旁；多個字符線，平行地穿插于該電容感測元陣列中，并連接至該列譯碼器；一行多任務(wù)器，配置于該電容感測元陣列的相鄰于該列譯碼器的一側(cè)；及多個位線，平行地穿插于該感側(cè)元陣列中，并與該多個字符線呈網(wǎng)狀交錯，且此多個位線連接至該行多任務(wù)器；以及一觸發(fā)開關(guān)，配置于該二個電容感測元陣列之間，用以在手指接觸該電容式指紋讀取芯片時，開啟此裝置電源；其中，該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路先輸入一第一電壓，使該每一個電容感測元內(nèi)的一感測電容兩端產(chǎn)生電壓差，且使其內(nèi)的一參考電容兩端無電壓差；然后再輸入一第二電壓，使該感測電容與該參考電容進(jìn)行電荷分享；再將每一個電容感測元內(nèi)穩(wěn)定后的電壓輸出。
12.如權(quán)利要求11所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該每一個電容感測元還包含一傳感器結(jié)構(gòu)，包含一感測電極；一參考電極；及一絕緣層，配置于該感測電極與該參考電極之間；及一信號讀取電路，配置于該傳感器結(jié)構(gòu)旁，用以連接該傳感器結(jié)構(gòu)與相鄰的該字符線及該位線；其中，手指、該絕緣表面及該感測電極形成該感測電容，而該感測電極、絕緣層及該參考電極形成該參考電容。
13.如權(quán)利要求12所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該信號讀取電路還包含一P型MOS源極跟隨器，用以隔絕導(dǎo)線寄生電容，將感測電容及參考電容分享后的平衡電壓耦合輸出。
14.如權(quán)利要求13所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一比較器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出二進(jìn)制信息。
15.如權(quán)利要求13所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出灰度級信息。
16.如權(quán)利要求11所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該電容式指紋讀取芯片還包含一彎曲條狀金屬薄膜，配置于該絕緣表面之上，用以連接至一加熱電源或一接地電源，以去除水氣或防止靜電破壞；其中，該彎曲條狀金屬薄膜與該加熱電源或該接地電源間的連接系由該觸發(fā)開關(guān)控制。
17.如權(quán)利要求11所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該觸發(fā)開關(guān)包含一觸發(fā)電極；一觸發(fā)介電層，配置于該觸發(fā)電極之上；及一觸發(fā)反相器；其中，當(dāng)手指接觸該觸發(fā)開關(guān)時，手指表面會與該觸發(fā)電極形成一觸發(fā)電容，此觸發(fā)電容會與該觸發(fā)電極下的一儲存電容進(jìn)行電荷分享，使流經(jīng)該觸發(fā)電極的一電壓下降并低于該觸發(fā)反相器的逆轉(zhuǎn)電壓，以開啟該電容式指紋讀取芯片的電源。
18.一種電容式指紋讀取芯片，包含二個電容感測元陣列，每一個電容感測元陣列包含多個電容感測元；一絕緣表面，覆蓋于該二個感側(cè)元陣列之上，作為一手指接觸面；二個類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路，各自對應(yīng)至該每一個電容感測元陣列，該每一個類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路包含一列譯碼器，配置于該電容感測元陣列旁；多個字符線，平行地穿插于該電容感測元陣列中，并連接至該列譯碼器；一行多任務(wù)器，配置于該電容感測元陣列的相鄰于該列譯碼器的一側(cè)；及多個位線，平行地穿插于該感側(cè)元陣列中，并與該多個字符線呈網(wǎng)狀交錯，且此多個位線系連接至該行多任務(wù)器；以及一觸發(fā)開關(guān)，配置于該二個電容感測元陣列之間，用以在手指接觸該電容式指紋讀取芯片時，開啟此裝置電源；其中，該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路先輸入一第一電壓，使該每一個電容感測元內(nèi)的一參考電容兩端產(chǎn)生電壓差，且使其內(nèi)的一感測電容兩端無電壓差；然后再輸入一第二電壓，使該感測電容與該參考電容進(jìn)行電荷分享；再將每一個電容感測元內(nèi)穩(wěn)定后的電壓輸出。
19.如權(quán)利要求18所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該每一個電容感測元還包含一傳感器結(jié)構(gòu)，包含一感測電極；一參考電極；及一絕緣層，配置于該感測電極與該參考電極之間；及一信號讀取電路，配置于該傳感器結(jié)構(gòu)旁，用以連接該傳感器結(jié)構(gòu)與相鄰的該字符線及該位線；其中，手指、該絕緣表面及該感測電極形成該感測電容，而該感測電極、絕緣層及該參考電極形成該參考電容。
20.如權(quán)利要求19所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該信號讀取電路還包含一快門開關(guān)，用以控制該感測電容與該參考電容的連接，在其打開隨即關(guān)閉的瞬間會使該感測電容與該參考電容之間進(jìn)行電荷分享；及一N型MOS源極跟隨器，用以隔絕導(dǎo)線寄生電容，將感測電容及參考電容分享后的平衡電壓耦合輸出。
21.如權(quán)利要求20所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一比較器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出二進(jìn)制信息。
22.如權(quán)利要求20所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該類動態(tài)隨機存取存儲器周邊電路還包含一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接至該行多任務(wù)器，用以輸出灰度級信息。
23.如權(quán)利要求18所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該電容式指紋讀取芯片還包含一彎曲條狀金屬薄膜，配置于該絕緣表面之上，用以連接至一加熱電源或一接地電源，以去除水氣或防止靜電破壞；其中，該彎曲條狀金屬薄膜與該加熱電源或該接地電源間的連接系由該觸發(fā)開關(guān)控制。
24.如權(quán)利要求18所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該觸發(fā)開關(guān)包含一觸發(fā)電極；一觸發(fā)介電層，配置于該觸發(fā)電極之上；及一觸發(fā)反相器；其中，當(dāng)手指接觸該觸發(fā)開關(guān)時，手指表面會與該觸發(fā)電極形成一觸發(fā)電容，此觸發(fā)電容會與該觸發(fā)電極下的一儲存電容進(jìn)行電荷分享，使流經(jīng)該觸發(fā)電極的一電壓下降并低于該觸發(fā)反相器的逆轉(zhuǎn)電壓，以開啟該電容式指紋讀取芯片的電源。
25.如權(quán)利要求2、7、12或19項中任一項所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該感測電極是由互補式金氧半導(dǎo)體集成電路工藝的最后一道金屬層制成。
26.如權(quán)利要求17或24所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該觸發(fā)電極是由互補式金氧半導(dǎo)體集成電路工藝的最后一道金屬層制成。
27.如權(quán)利要求1、6、11或18項中任一項所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該絕緣表面是由互補式金氧半導(dǎo)體集成電路工藝的最后一道保護(hù)介電層制成。
28.如權(quán)利要求27所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該絕緣表面之上還包含一層鈦酸鋇、鈦酸鍶、碳化硅或氧化坦。
29.如權(quán)利要求28所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該層鈦酸鋇、鈦酸鍶、碳化硅或氧化坦的厚度為0.5至2微米。
30.如權(quán)利要求17或24所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該觸發(fā)介電層是由互補式金氧半導(dǎo)體集成電路工藝的最后一道保護(hù)介電層制成。
31.如權(quán)利要求30所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該觸發(fā)介電層之上還包含一層鈦酸鋇、鈦酸鍶、碳化硅或氧化坦。
32.如權(quán)利要求31所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該層鈦酸鋇、鈦酸鍶、碳化硅或氧化坦的厚度為0.5至2微米。
33.如權(quán)利要求1、6、11或18項中任一項所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該電容式指紋讀取芯片是利用集成電路工藝制作而成。
34.如權(quán)利要求33所述的電容式指紋讀取芯片，其特征在于該電容式指紋讀取芯片是利用互補式金氧半導(dǎo)體工藝制作而成。
全文摘要
一種電容式指紋讀取芯片，包含以二維方式排列的電容感測元陣列及一類動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)周邊電路。此電容感測元陣列利用DRAM的電荷分享原理檢測指紋的紋峰與紋谷。其類DRAM周邊電路會將每一電容感測元的檢測結(jié)果輸出。此電容式指紋讀取芯片的制造方法完全匹配于集成電路工藝，特別是互補式金氧半導(dǎo)體(CMOS)工藝。本發(fā)明的電容式指紋讀取芯片可作為個人身分認(rèn)證的生物辨識使用，應(yīng)用于筆記本型計算機、個人數(shù)字助理及移動電話等便攜式電子產(chǎn)品，以及各種保全系統(tǒng)。
文檔編號G06K9/62GK1450489SQ02105960
公開日2003年10月22日 申請日期2002年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月10日
發(fā)明者周正三, 張世彬, 鄭元偉 申請人:祥群科技股份有限公司