專利名稱：半導(dǎo)體指紋采集器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到一種半導(dǎo)體指紋采集器件，它可以采集用戶手指指紋的脊和谷的圖樣，這個(gè)半導(dǎo)體指紋采集器件可作為指紋圖像傳感器集成電路的一個(gè)像素單元。
背景技術(shù)：
指紋是人體與生俱來(lái)、與他人相區(qū)別地獨(dú)一無(wú)二的不變特征。指紋識(shí)別技術(shù)也是較早被用來(lái)作為個(gè)人身份驗(yàn)證的技術(shù)。作為自動(dòng)的指紋采集、輸入技術(shù)，目前廣泛被熟知的包括光學(xué)成像、熱敏傳感器、電容式傳感器、人體遠(yuǎn)紅外傳感器等。
指紋是由一系列皮膚表面上的脊和谷組成。指紋圖案的唯一性是由這些脊和谷組成的細(xì)節(jié)決定的。由這些脊和谷所組成的有代表性的細(xì)節(jié)通常包括有脊的分叉、脊的末端、拱形、帳篷式的拱形、左旋、右旋、螺旋和雙旋等。
當(dāng)用戶的手指按壓在指紋傳感器的表面上時(shí)，皮膚表面上的脊和谷距離傳感器的感應(yīng)電極板的遠(yuǎn)近不同，這決定了由手指耦合到電極板上的信號(hào)強(qiáng)弱不同，當(dāng)傳感器檢測(cè)出信號(hào)強(qiáng)弱的變化也就檢測(cè)出了手指指紋的圖樣。
在美國(guó)申請(qǐng)的專利U.S.Pat.No.6636053與本實(shí)用新型相比較，兩者的技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用相似，但技術(shù)上存在很大的不同。比如，美國(guó)專利U.S.Pat.No.6636053中使用了一個(gè)電荷積分器，電荷積分器的增益與感應(yīng)面上的指紋是脊或谷相關(guān)；這種結(jié)構(gòu)是單端結(jié)構(gòu)。而本實(shí)用新型中的放大級(jí)是全雙端結(jié)構(gòu)，工作在兩種模式下，它的增益不隨用戶指紋的情況變化。眾所周知，單端模式電路易受到共模干擾和輸入級(jí)的失調(diào)電壓的影響；單端輸出結(jié)構(gòu)也易使信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到外界干擾。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服上述技術(shù)中單端結(jié)構(gòu)所具有的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是提供一種半導(dǎo)體指紋采集器件，該器件的結(jié)構(gòu)中輸入、輸出端都工作在差分模式。
本實(shí)用新型至少包含有一層保護(hù)層、一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極、一個(gè)信號(hào)感應(yīng)級(jí)、一個(gè)信號(hào)放大級(jí)；信號(hào)感應(yīng)級(jí)與信號(hào)放大級(jí)相連且位于保護(hù)層的下方，驅(qū)動(dòng)電極與被檢測(cè)的手指皮膚和信號(hào)感應(yīng)級(jí)間構(gòu)成信號(hào)通路。
更具體的是，本實(shí)用新型包含一層保護(hù)層，一個(gè)由信號(hào)激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電極，一個(gè)包括至少一個(gè)電極板的信號(hào)感應(yīng)級(jí)，一個(gè)包括一個(gè)差分輸入、差分輸出的放大器和一對(duì)復(fù)位開(kāi)關(guān)的信號(hào)放大級(jí)。信號(hào)感應(yīng)級(jí)、信號(hào)放大級(jí)作為固態(tài)電路，位于保護(hù)層的下方，驅(qū)動(dòng)電極與被檢測(cè)的手指皮膚和信號(hào)感應(yīng)級(jí)間構(gòu)成信號(hào)通路。
所述的信號(hào)感應(yīng)級(jí)包含至少一個(gè)電極板和該電極板上的寄生電容。所述的電極板位于指紋采集器件表面的下方。所述的信號(hào)感應(yīng)級(jí)與信號(hào)放大級(jí)相連。所述的信號(hào)放大級(jí)，包括一個(gè)差分輸入、差分輸出的放大器和一對(duì)復(fù)位開(kāi)關(guān)；信號(hào)放大級(jí)的輸入端與放大器的輸入端相連，信號(hào)放大級(jí)的輸出端與放大器的輸出端相連；所述的信號(hào)放大器的正相輸入端與反相輸出端之間、反相輸入端與正相輸出端之間分別與復(fù)位開(kāi)關(guān)相連。所述的信號(hào)放大器的輸出端與輸出電路相連。
下文中使用了一些符號(hào)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可用的表示符號(hào)有多種形式，使用這些符號(hào)是為了簡(jiǎn)化和清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型，而不是對(duì)本實(shí)用新型的限制。
以圖2為例，當(dāng)用戶的手指50按壓在該半導(dǎo)體指紋采集器件60的表面11上時(shí)，手指50的皮膚與電極板30構(gòu)成了電容CS的兩極。電容CS的大小是電容兩極間距離的函數(shù)。電容CS兩極間的距離取決于該傳感器的表面11上手指50皮膚的脊、谷的變化當(dāng)按壓在該傳感器的表面11上是脊時(shí)，電容CS的兩極間距離最小，電容值最大；當(dāng)按壓在該器件60的表面11上是谷時(shí)，電容CS的兩極間距離最大，電容值最小。
由于需要承受手指經(jīng)常性的按壓，該指紋傳感器陣列單元電路的表面必須具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕的保護(hù)層10。
通常認(rèn)為，手指的皮膚表面是等電位的。本實(shí)用新型中，信號(hào)源VS通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極20a把信號(hào)傳導(dǎo)給用戶的手指50，再經(jīng)過(guò)電容CS傳導(dǎo)至差分輸入、差分輸出放大器I1的一個(gè)輸入端INP。信號(hào)被放大器I1放大后輸出。為了最大地不衰減所接收到的微弱信號(hào)，本實(shí)用新型沒(méi)有采用直流偏置電路為差分輸入、差分輸出放大器I1的兩個(gè)輸入端INP、INM提供工作點(diǎn)。而是采用在復(fù)位模式為與放大器I1的輸入端相連的電容充電，用電容上儲(chǔ)存的電荷為放大器I1提供在放大模式的直流偏置。
引入一對(duì)復(fù)位開(kāi)關(guān)K1、K2實(shí)現(xiàn)放大器I1在兩個(gè)模式間的切換。其中開(kāi)關(guān)K2的兩端分別與放大器I1的正相輸入端INP和反相輸出端OUTM相連，開(kāi)關(guān)K1的兩端分別與放大器I1的反相輸入端INM和正相輸出端OUTP相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)該半導(dǎo)體指紋采集器件60工作在復(fù)位模式，由放大器I1為與放大器I1的輸入端INP、INM相連的電容充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)該傳感器陣列單元電路工作在放大模式，儲(chǔ)存在與放大器I1的輸入端INP、INM相連的電容上的電荷為放大器I1提供直流工作點(diǎn)。
采用差分輸入、差分輸出的放大器I1是為了利用該類放大器高信噪比、高共模抑制比等特性。本實(shí)用新型所采用的結(jié)構(gòu)和復(fù)位工作模式，可以極大地減小放大器I1自身的失調(diào)電壓所帶來(lái)的誤差影響。
本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件可作為指紋圖像傳感器集成電路的一個(gè)像素單元。為了獲得高分辨率，該指紋采集器件作為一個(gè)像素單元時(shí)，需要占用相當(dāng)小的面積；而為了獲得高的信噪比，需要使電容CS的值盡量大，也就是使電極板的面積盡量大。本實(shí)用新型中，為了使整個(gè)器件結(jié)構(gòu)緊湊，將半導(dǎo)體指紋采集器件60的部分電路61置于電極板30的下方。信號(hào)放大級(jí)45輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)后繼的輸出電路I2以及榭數(shù)轉(zhuǎn)換電路I3，如圖4中所示，最終以數(shù)字信號(hào)的形式輸出，供給識(shí)別電路實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。
本實(shí)用新型的一大特點(diǎn)是使用了雙端放大器，具有高共模抑制比的特性；本實(shí)用新型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由結(jié)構(gòu)中引入復(fù)位開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的，它可以抵消放大器的失調(diào)電壓。上述優(yōu)點(diǎn)極大地提升了該半導(dǎo)體指紋采集器件的性能。


圖1為本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件的第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化縱向剖面圖；圖2為本實(shí)用新型所述的帶有電路連接關(guān)系的半導(dǎo)體指紋采集器件的第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化縱向剖面圖；圖3為本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路圖；圖4為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的帶有輸出電路的簡(jiǎn)化電路圖；圖5為本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件的第二實(shí)施例的簡(jiǎn)化縱向剖面圖；圖6為本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件的第三實(shí)施例的簡(jiǎn)化縱向剖面圖；圖7為與圖6相對(duì)應(yīng)的集成電路的簡(jiǎn)化電路圖。
具體實(shí)施方式
下文通過(guò)一些具體實(shí)施例，并配合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
在這些實(shí)施例中，將本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件作為指紋圖像傳感器集成電路的一個(gè)像素單元。
如圖1所示，是本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化縱向剖面圖。圖中指示出了半導(dǎo)體指紋采集器件60的表面11，在該表面11的下方是本實(shí)用新型所述的高硬度、耐磨損、耐腐蝕的保護(hù)層10。圖中器件60的表面11的上方是用戶手指50的一部分按壓在指紋傳感器上。手指50的皮膚貼著傳感器表面11的部分是脊51，凹上去沒(méi)有貼著傳感器表面11的部分是谷52。在圖中左邊與手指50相接觸的是本實(shí)用新型所述的驅(qū)動(dòng)電極20a，該驅(qū)動(dòng)電極20a與通過(guò)受21控制的開(kāi)關(guān)KS與信號(hào)源VS相聯(lián)接。驅(qū)動(dòng)電極20a將信號(hào)傳導(dǎo)至用戶的手指50上。在圖中保護(hù)層10的下方標(biāo)注了四個(gè)由金屬層構(gòu)成的極板感應(yīng)極板30，上層屏蔽極板32，下層屏蔽極板31，下層參考點(diǎn)極板33。半導(dǎo)體指紋采集器件的部分電路61被置于四個(gè)金屬極板下方。在圖的下方畫(huà)出的是集成電路的硅襯底12。圖中最下方標(biāo)出了本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件60作為一個(gè)像素單元在集成電路上所占用的空間。將逾以千、萬(wàn)計(jì)的本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體指紋采集器件排成一個(gè)二維陣列，就可以捕捉用戶手指指紋的圖像，當(dāng)然，本實(shí)用新型所述的驅(qū)動(dòng)電極20a，和與該驅(qū)動(dòng)電極20a相聯(lián)接的信號(hào)源VS可以是共用的。
進(jìn)一步地在圖2中示出的是本實(shí)用新型帶有電路連接關(guān)系的第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖面圖。在剛剛敘述的四個(gè)由金屬層構(gòu)成的極板的正下方設(shè)計(jì)放置有一個(gè)差分輸入、差分輸出的放大器I1和一對(duì)復(fù)位開(kāi)關(guān)K1、K2。差分輸入、差分輸出的放大器I1的兩個(gè)輸入端INP、INM分別與信號(hào)放大級(jí)的兩個(gè)輸入端41、40相連；差分輸入、差分輸出的放大器I1的兩個(gè)輸出端OUTP、OUTM分別與信號(hào)放大級(jí)的兩個(gè)輸出端42、43相連。將半導(dǎo)體指紋采集器件的部分電路61置于感應(yīng)電極板30的下方，這也就使得感應(yīng)極板30容易受到電路其它部分的干擾。一個(gè)與感應(yīng)極板30大小相當(dāng)?shù)南聦悠帘螛O板31被置于感應(yīng)極板30的正下方，將下層屏蔽極板31接地(它可以是系統(tǒng)的信號(hào)地或是電源地，也可以是一個(gè)虛擬地)，用以克服干擾問(wèn)題。
感應(yīng)極板30與下層屏蔽極板31間存在一個(gè)相對(duì)較大的寄生電容CP1，使得差分輸入、差分輸出的內(nèi)部放大器I1的兩個(gè)輸入端INP、INM失衡，這會(huì)降低該放大器I1工作的準(zhǔn)確性。本實(shí)施例引入了上層屏蔽極板32和下層參考點(diǎn)極板33，這兩個(gè)極板間存在一個(gè)寄生電容CP2，將下層參考點(diǎn)極板33連至差分輸入、差分輸出放大器I1的另一個(gè)輸入端INM。若CP1與CP2的容值相當(dāng)，差分輸入、差分輸出放大器I1的兩個(gè)輸入端INP、INM就獲得了平衡工作的條件。
上層屏蔽極板32與感應(yīng)極板30在同一平面上相鄰，上層屏蔽極板32與地相連(它可以是系統(tǒng)的信號(hào)地或是電源地，也可以是一個(gè)虛擬地)，用以屏蔽來(lái)自手指50表面的信號(hào)對(duì)下層參考點(diǎn)極板33的影響。下層參考點(diǎn)極板33處在上層屏蔽極板32的正下方，與下層屏蔽極板31在同一平面相鄰。
用戶手指50的皮膚與半導(dǎo)體指紋采集器件60的感應(yīng)極板30構(gòu)成了電容CS的兩極，保護(hù)層10和空氣是電容CS兩極間的絕緣層。在這里認(rèn)為，整個(gè)手指的皮膚表面是等電位的，也就是說(shuō)，電容CS的上極板通過(guò)受2l控制的開(kāi)關(guān)KS與信號(hào)源VS相聯(lián)接。寄生電容CP1由感應(yīng)極板30與下層屏蔽極板31構(gòu)成；寄生電容CP2由上層屏蔽極板32和下層參考點(diǎn)極板33構(gòu)成。差分輸入、差分輸出的放大器I1的正相輸入端INP與感應(yīng)極板30相連；放大器I1的反相輸入端INM與下層參考點(diǎn)極板33相連。一對(duì)復(fù)位開(kāi)關(guān)K1、K2受控制信號(hào)PRE_CHG控制。其中，復(fù)位開(kāi)關(guān)K1的兩端分別與放大器I1的反相輸入端INM和正相輸出端OUTP相連；復(fù)位開(kāi)關(guān)K2的兩端分別與放大器I1的正相輸入端INP和反相輸出端OUTM相連。
為了便于說(shuō)明本實(shí)用新型的工作原理，圖3給出了本實(shí)用新型第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路原理圖。當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)K1、K2閉合，放大器I1的兩個(gè)輸出端OUTP、OUTM分別向電容CS、CP1、CP2充電；當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)Kl、K2斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在電容CS、CP1、CP2兩端的電荷為放大器I1的兩個(gè)輸入端INP、INM提供直流偏置，放大器I1工作于放大模式。從圖中可以看出，當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)K1、K2斷開(kāi)時(shí)，放大器I1的兩個(gè)輸入端INP、INM沒(méi)有直流通路，這樣設(shè)計(jì)是為了獲得高輸入阻抗。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以自適應(yīng)調(diào)整放大器I1自身失調(diào)電壓所帶來(lái)的誤差。
在放大模式下，開(kāi)關(guān)KS閉合，信號(hào)源VS提供一個(gè)信號(hào)Δv，電容CS與Cp1串連分壓，在放大器I1的輸入端INP，產(chǎn)生信號(hào)ΔVinΔvin=CSCS+CP1·Δv]]>公式l則得到差分輸出信號(hào)VOUTvVOUT＝vOUTP-vOUTM＝A·Δvin公式2其中，A是放大器I1的電壓增益。
當(dāng)按壓在感應(yīng)極板30上的是‘脊’時(shí)，電容值CS最大，輸出信號(hào)VOUT最大；當(dāng)按壓在該傳感器的表面11上是‘谷時(shí)，電容值CS最小，輸出信號(hào)VOUT最小。輸出信號(hào)VOUT的大小變化反映手指指紋‘脊’與‘谷’的變化。
圖4所示的是本實(shí)用新型第一實(shí)施例加上輸出電路的簡(jiǎn)化電路圖。輸出信號(hào)VOUT經(jīng)過(guò)輸出電路I2處理后，再由DAC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路I3轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。
圖5為本實(shí)用新型所述的指紋采集器件的第二實(shí)施例的簡(jiǎn)化縱向剖面圖。與第一實(shí)施例相比較，圖5所示的第二實(shí)施例的區(qū)別主要有兩個(gè)第一個(gè)是其中的驅(qū)動(dòng)電極20b直截與信號(hào)源VS相聯(lián)接；第二個(gè)是驅(qū)動(dòng)電極20b是由集成電路內(nèi)部的電極構(gòu)成。這個(gè)內(nèi)部的電極不被保護(hù)層10完全覆蓋，可以與用戶的手指50直截接觸。這個(gè)內(nèi)部的電極可以是分布于不同位置的觸點(diǎn)，或是金屬線，也可以是網(wǎng)格狀的。工作原理與本實(shí)用新型第一實(shí)施例相似。
圖6為本實(shí)用新型所述的指紋采集器件的第三實(shí)施例的簡(jiǎn)化縱向剖面圖；與圖5所示的第二實(shí)施例相比較，區(qū)別只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極20c是由集成電路內(nèi)部的電極構(gòu)成，這個(gè)內(nèi)部的電極被保護(hù)層10完全覆蓋。這樣，驅(qū)動(dòng)電極20c與用戶的手指50構(gòu)成了另一個(gè)電容CDRV。信號(hào)源通過(guò)電容CDRV把信號(hào)傳導(dǎo)給用戶的手指50。
圖7是與圖6相對(duì)應(yīng)的集成電路的簡(jiǎn)化電路圖。由于本圖中引入了電容CDRV，信號(hào)ΔVin變換成為Δvin=CS·CDRVCS·CDRV+CP1·(CS+CDRV)·Δv]]>公式3顯然在第三實(shí)施例中，放大器I1輸入端的信號(hào)因?yàn)殡娙軨DRV的引入而減小了。
盡管本實(shí)用新型已作了詳細(xì)的說(shuō)明并引證了最優(yōu)的實(shí)例，但對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，顯然可以按照上述說(shuō)明作出種種替代方案、修改和改動(dòng)。因此，所有這些替代方案、修正和改動(dòng)，都應(yīng)該包括在權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體指紋采集器件，其特征是至少包含有一層保護(hù)層、一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極、一個(gè)信號(hào)感應(yīng)級(jí)、一個(gè)信號(hào)放大級(jí)；信號(hào)感應(yīng)級(jí)與信號(hào)放大級(jí)相連且位于保護(hù)層的下方，驅(qū)動(dòng)電極與被檢測(cè)的手指皮膚和信號(hào)感應(yīng)級(jí)間構(gòu)成信號(hào)通路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體指紋采集器件，其特征是所述的驅(qū)動(dòng)電極由一個(gè)信號(hào)激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體指紋采集器件，其特征是所述的信號(hào)感應(yīng)級(jí)包含至少一個(gè)電極板和該電極板上的寄生電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體指紋采集器件，其特征是所述的電極板位于指紋采集器件表面的下方。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體指紋采集器件，其特征是所述的信號(hào)感應(yīng)級(jí)與信號(hào)放大級(jí)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體指紋采集器件，其特征是所述的信號(hào)放大級(jí)，包括一個(gè)差分輸入、差分輸出的放大器和一對(duì)復(fù)位開(kāi)關(guān)；信號(hào)放大級(jí)的輸入端與放大器的輸入端相連，信號(hào)放大級(jí)的輸出端與放大器的輸出端相連；所述的信號(hào)放大器的正相輸入端與反相輸出端之間、反相輸入端與正相輸出端之間分別與復(fù)位開(kāi)關(guān)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體指紋采集器件，其特征是所述的信號(hào)放大器的輸出端與輸出電路相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及的是一種半導(dǎo)體指紋采集器件。該器件可以采集用戶指紋的脊和谷的圖樣，然后以電信號(hào)輸出。該指紋采集器件感應(yīng)來(lái)自信號(hào)源，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電極傳導(dǎo)給手指上的信號(hào)，然后將信號(hào)放大輸出，輸出信號(hào)的大小反映了用戶手指表皮與感應(yīng)電極板間的距離。該指紋采集器件工作的過(guò)程中，放大器工作在復(fù)位和放大兩種模式下。復(fù)位模式將放大器的輸出置零，同時(shí)為與放大器的輸入端相連的電容充電，用以提供在放大模式下放大器的直流工作點(diǎn)；在放大模式下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大輸出。該指紋采集器件可作為指紋圖像采集集成電路的一個(gè)像素單元，從而完成整幅指紋圖像的采集工作，應(yīng)用于各種指紋識(shí)別裝置。
文檔編號(hào)G06K9/20GK2696049SQ20042004928
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月22日
發(fā)明者葉軍, 熊從慶, 武敬 申請(qǐng)人:葉軍