指紋采集系統(tǒng)及指紋信息采集方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種指紋采集系統(tǒng)，包括：指紋傳感器，其包括指紋感測(cè)單元陣列、天線金屬框和射頻驅(qū)動(dòng)電路，指紋感測(cè)單元陣列包括多個(gè)感測(cè)單元，射頻驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)天線金屬框發(fā)射射頻信號(hào)；掃描控制器，用于選擇指紋感測(cè)單元陣列中的至少一部分感測(cè)單元作為有效感測(cè)單元，以用于感測(cè)手指指紋并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；一感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路，用于提供各有效感測(cè)單元工作所需的時(shí)序信號(hào)；一圖像輸出單元，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式指紋圖像信息并輸出；一模式控制電路，用于控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出不同的時(shí)序信號(hào)來改變指紋采集系統(tǒng)的工作模式，工作模式至少包括：電容式采集模式和射頻式采集模式。其具有較廣的應(yīng)用范圍，且在各應(yīng)用場(chǎng)合中，采集與識(shí)別效果良好。
【專利說明】指紋采集系統(tǒng)及指紋信息采集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及指紋采集【技術(shù)領(lǐng)域】。特別地，本發(fā)明涉及一種指紋采集系統(tǒng)及指紋信息采集方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對(duì)信息安全的要求越來越高，活體生物特征認(rèn)證和身份識(shí)別越來越多的運(yùn)用到人們的日常生活中。指紋認(rèn)證作為在生物特征認(rèn)證中具有很高的可靠性和性價(jià)比，已經(jīng)成為了當(dāng)前生物認(rèn)證的主流。與此同時(shí)，指紋采集技術(shù)也高速發(fā)展，更低成本、更小體積、更低功耗及高動(dòng)態(tài)范圍的指紋傳感器將會(huì)占領(lǐng)巨大的市場(chǎng)，因此具有上述優(yōu)點(diǎn)的指紋傳感器成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)，其中電容式指紋傳感器成為當(dāng)前的主流產(chǎn)品之一。
[0003]隨著指紋傳感技術(shù)的逐漸成熟，先進(jìn)的指紋傳感技術(shù)逐漸應(yīng)用到移動(dòng)手機(jī)及其他電子產(chǎn)品中，以及中國(guó)第三代身份證需要登記指紋信息，指紋識(shí)別技術(shù)會(huì)很快而且廣泛的應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｉ钪衼?，與此同時(shí)，對(duì)指紋傳感器的要求越來越高。一個(gè)好的指紋識(shí)別體統(tǒng)，不僅應(yīng)解決指紋傳感器中軟件或硬件方面存在的不足，更應(yīng)該在應(yīng)用于特殊場(chǎng)合時(shí)、或在特殊手指出現(xiàn)時(shí)都能夠采集到清晰的指紋圖像，并能夠有效地拒絕假手指的欺騙。
[0004]現(xiàn)有的指紋傳感器大多采用純電容式的指紋傳感器，其指紋殘留和其他污質(zhì)殘留相對(duì)來說影響非常大，嚴(yán)重影響對(duì)指紋的識(shí)別。如現(xiàn)有技術(shù)中一種技術(shù)方案提供了一種電容式指紋讀取方式，其中手指的直接接觸面到感測(cè)陣列的感測(cè)電極之間的絕緣層是由厚度僅有幾個(gè)um的無機(jī)化合物構(gòu)成，從而導(dǎo)致其疏水性、抗殘留性、抗壓性和抗靜電特性極差?，F(xiàn)有的國(guó)外指紋傳感器中，僅AUTHENTEC和FPC兩個(gè)公司實(shí)現(xiàn)了射頻式指紋采集，且該兩個(gè)公司的射頻式采集原理基本同源，射頻式指紋采集能很好的抗指紋殘留和其他污質(zhì)殘留，但在某些射頻輻射較強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)合，其抗干擾能力較差，因而應(yīng)用范圍受限。
[0005]如圖1所示，一種現(xiàn)有技術(shù)中的指紋采集系統(tǒng)，其感測(cè)單元10包括:一感測(cè)電容11，由手指I跟感測(cè)電極形成；一邊緣電容12，由感測(cè)電極與放大器13的輸出電極形成；一放大器13，一輸入端連接于感測(cè)電容11與邊緣電容12之間，一輸入端接地，輸出端連接邊緣電容12另一端；該感測(cè)單元10通過檢測(cè)由射頻信號(hào)14發(fā)出的經(jīng)手指I反射的射頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過電容積分放大電路后由后續(xù)電路(未示出)處理，根據(jù)感測(cè)電容值的不同檢測(cè)到不同幅度的射頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)指紋采集，該系統(tǒng)由于每個(gè)感測(cè)單元10都使用一個(gè)放大器13，各放大器之間的工藝偏差很難校正，增加電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，且該系統(tǒng)的一個(gè)射頻脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)像素或多個(gè)像素信息，在射頻輻射干擾較強(qiáng)的地方較容易受到干擾。
[0006]上述現(xiàn)有的指紋傳感器，不管是電容式的或是射頻式的指紋傳感器都是單一模式的指紋檢測(cè)方式，均不能靈活地應(yīng)用在不同的場(chǎng)所，且也不能很好的拒絕特殊假手指模型的欺騙。若將假手指模型鍍上一層導(dǎo)電材料或半導(dǎo)電材料且保證鍍上材料后的指紋模型在受到按壓時(shí)模型的指紋谷線深度大于2um (具體數(shù)值由傳感器的靈敏度決定)，這一特殊的假手指模型是能夠騙過現(xiàn)有的指紋傳感器的檢測(cè)的(雖然這種假手指模型其制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，其成本非常高，但不排除別有用心的人利用這種特殊假手指模型騙過驗(yàn)證)。[0007]因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員期望獲得一種可抵御指紋殘留或其他污質(zhì)殘留，抗電磁輻射，以及拒絕假手指欺騙、從而提高系統(tǒng)安全性的指紋采集系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種指紋采集系統(tǒng)，其具有較廣的應(yīng)用范圍，且安全性更佳。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案如下:
[0010]一種指紋采集系統(tǒng)，包括:指紋傳感器，其包括指紋感測(cè)單元陣列、天線金屬框和射頻驅(qū)動(dòng)電路，指紋感測(cè)單元陣列包括多個(gè)感測(cè)單元，射頻驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)天線金屬框發(fā)射射頻信號(hào)；掃描控制器，用于選擇指紋感測(cè)單元陣列中的至少一部分感測(cè)單元作為有效感測(cè)單元，以用于感測(cè)手指指紋并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；一感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路，用于提供各有效感測(cè)單元工作所需的時(shí)序信號(hào)；一圖像輸出單元，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式指紋圖像信息并輸出；一模式控制電路，用于控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出不同的時(shí)序信號(hào)來改變指紋采集系統(tǒng)的工作模式；其中，工作模式至少包括:電容式采集模式和射頻式采集模式，其中，射頻式采集模式為:模式控制電路打開射頻驅(qū)動(dòng)電路，射頻驅(qū)動(dòng)電路使得天線金屬框向被采集的手指發(fā)射射頻信號(hào)，手指真皮層反射射頻信號(hào)，感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出一系列的充/放電時(shí)序信號(hào)到有效感測(cè)單元，使得有效感測(cè)單元在一系列充/放電時(shí)序信號(hào)和手指真皮層反射的射頻信號(hào)的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；電容式采集模式為:模式控制電路關(guān)閉射頻驅(qū)動(dòng)電路，天線金屬框被連接到地或ESD電路，感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出一系列的充/放電時(shí)序信號(hào)到有效感測(cè)單元，使得有效感測(cè)單元在一系列充/放電時(shí)序信號(hào)的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
[0011]優(yōu)選地，圖像輸出單元包括一 ADC陣列和一移位寄存器，指紋傳感器逐行檢測(cè)各有效感測(cè)單元與手指之間的電容值，ADC陣列逐行地將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，移位寄存器逐行地緩存ADC陣列輸出的數(shù)字信號(hào)并逐行輸出至外部數(shù)據(jù)接口。
[0012]優(yōu)選地，每一感測(cè)單元至少包括:一感測(cè)電極、至少一增益電極、至少一參考電極對(duì)、開關(guān)電路以及感測(cè)單元控制電路，至少一參考電極對(duì)分別形成為至少一參考電容的兩極，感測(cè)電極與按壓于感測(cè)電極上的手指形成為一感測(cè)電容的兩極，感測(cè)電極與至少一增益電極分別形成為至少一增益電容的兩極，感測(cè)單元控制電路通過開關(guān)電路控制如下多種電容的充電/放電狀態(tài):感測(cè)電容；至少一參考電容；以及，至少一增益電容。
[0013]優(yōu)選地，指紋傳感器還包括一假手指檢測(cè)電極，假手指檢測(cè)電極檢測(cè)流過該檢測(cè)電極的電流值，以及計(jì)算在該檢測(cè)電極上感測(cè)到的射頻信號(hào)與天線金屬框發(fā)出的射頻信號(hào)的相位差，用于確定按壓于手指接觸面上的物體是否為假手指。
[0014]本發(fā)明還提供一種指紋信息采集方法，包括以下步驟:感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第一脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元；該第一脈沖信號(hào)在脈沖寬度期間對(duì)有效感測(cè)單元的參考電容充電，使參考電容兩端積累一固定的電荷量；感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第二脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元；第二脈沖信號(hào)與手指真皮層反射的射頻信號(hào)對(duì)有效感測(cè)單元的感測(cè)電容進(jìn)行放電，使其兩端的電荷量減少；第二脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)有效感測(cè)單元的部分增益電極達(dá)到第一電位，同時(shí)驅(qū)動(dòng)有效感測(cè)單元的其余增益電極達(dá)到第二電位；感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元；第三脈沖信號(hào)與手指真皮層反射的射頻信號(hào)使有效感測(cè)單元內(nèi)的參考電容、感測(cè)電容和增益電容發(fā)生電荷均衡，從而使得參考電容兩端的電荷量減少；感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出一固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元，射頻驅(qū)動(dòng)電路輸出相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻脈沖信號(hào)到天線金屬框，該固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)與手指真皮層反射的相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻信號(hào)共同使有效感測(cè)單元的參考電容兩端的電壓差逐漸減小；固定循環(huán)次數(shù)循環(huán)結(jié)束后，參考電容兩端的電壓差被鎖定，ADC陣列將該電壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成指紋圖像灰度值，該指紋圖像灰度值輸入到移位寄存器中，形成數(shù)字式指紋圖像信息并輸出。
[0015]本發(fā)明提供的指紋采集系統(tǒng)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，以模式控制電路來改變指紋采集系統(tǒng)的工作模式，例如包括，以射頻采集工作模式來抵御指紋殘留或其他污質(zhì)殘留，以電容式采集工作模式來抵御電磁輻射較強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)合，此外，上述指紋采集系統(tǒng)可有效拒絕假手指欺騙、從而提高系統(tǒng)安全性。因而，本發(fā)明提供的指紋采集系統(tǒng)及指紋信息采集方法具有較廣的應(yīng)用范圍，且在各應(yīng)用場(chǎng)合中，采集與識(shí)別效果良好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中一指紋傳感器的感測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2示出本發(fā)明一實(shí)施例的指紋傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3示出上述指紋傳感器芯片的感測(cè)單元陣列周邊電路示意圖；
[0019]圖4示出上述實(shí)施例中感測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖5a示出現(xiàn)有技術(shù)中電容式采集模式采集到的干手指指紋圖像；
[0021]圖5b示出本發(fā)明的指紋采集系統(tǒng)采集到的干手指指紋圖像；
[0022]圖5C示出現(xiàn)有技術(shù)中電容式采集模式采集到的濕手指指紋圖像；
[0023]圖示出本發(fā)明的指紋采集系統(tǒng)采集到的濕手指指紋圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在以下詳細(xì)描述中，僅結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但應(yīng)理解，在不偏離本發(fā)明思想的情況下可以作出各種變形設(shè)計(jì)。
[0025]如圖2所示，本發(fā)明一實(shí)施例提供一種指紋采集系統(tǒng)，其形成于一芯片結(jié)構(gòu)上，該芯片上包括:指紋傳感器、模式控制電路21、掃描控制器22、感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23以及圖像輸出單元。其中，指紋傳感器包括指紋感測(cè)單元陣列20、天線金屬框(圖2中未示出)和射頻驅(qū)動(dòng)電路29，指紋感測(cè)單元陣列20包括多個(gè)感測(cè)單元201，射頻驅(qū)動(dòng)電路29驅(qū)動(dòng)天線金屬框發(fā)射射頻信號(hào)；掃描控制器22選擇指紋感測(cè)單元陣列20中的至少一部分感測(cè)單元201作為有效感測(cè)單元，以用于感測(cè)手指指紋并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23提供各有效感測(cè)單元201工作所需的時(shí)序信號(hào)；圖像輸出單元用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式指紋圖像信息并輸出；模式控制電路21用于控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23發(fā)出不同的時(shí)序信號(hào)來改變指紋采集系統(tǒng)的工作模式。
[0026]具體地，圖像輸出單元包括一 ADC陣列24和一移位寄存器25，ADC陣列24包括多個(gè)ADC單元241，指紋傳感器逐行檢測(cè)各有效感測(cè)單元201與手指之間的電容值，ADC陣列24逐行地將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，移位寄存器25逐行地緩存ADC陣列24輸出的數(shù)字信號(hào)，隨后逐行輸出至外部數(shù)據(jù)接口。[0027]自動(dòng)增益控制電路26可控制輸入控制ADC陣列24的可編程參考電壓源27和各有效感測(cè)單元201的增益，以使指紋采集系統(tǒng)可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，并提升指紋采集效果。采集時(shí)序產(chǎn)生及采集數(shù)據(jù)讀取控制電路28分別與模式控制電路21、ADC陣列24、自動(dòng)增益控制電路26以及射頻驅(qū)動(dòng)電路連接，向它們提供芯片工作所需的時(shí)序信號(hào)；采集時(shí)序產(chǎn)生及采集數(shù)據(jù)讀取控制電路28還接收移位寄存器25以及假手指檢測(cè)電路291的輸出，以轉(zhuǎn)送給外部數(shù)據(jù)接口。
[0028]其中，模式控制電路21 (直接或經(jīng)掃描控制器22中轉(zhuǎn))控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23發(fā)出不同的時(shí)序信號(hào)來改變指紋采集系統(tǒng)的工作模式，工作模式至少包括:電容式采集模式和射頻式采集模式，射頻式采集模式至少包括依靠手指真皮層對(duì)射頻信號(hào)的反射來控制有效感測(cè)單元201，以將手指指紋轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；電容式采集模式中感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出一系列充/放電時(shí)序信號(hào)來激勵(lì)有效感測(cè)單元2-1，以將手指指紋轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0029]具體地，射頻式采集模式下:模式控制電路21打開射頻驅(qū)動(dòng)電路29，射頻驅(qū)動(dòng)電路29使得天線金屬框向待采集手指發(fā)射射頻信號(hào)，手指真皮層反射該射頻信號(hào)，感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23同時(shí)輸出一系列的充/放電時(shí)序信號(hào)到有效感測(cè)單元201，使得各有效感測(cè)單元201在感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出的一系列充/放電時(shí)序信號(hào)和手指真皮層反射的射頻信號(hào)的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
[0030]電容式采集模式下，模式控制電路21關(guān)閉射頻驅(qū)動(dòng)電路29，天線金屬框被連接到地或ESD電路，感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出一系列的充/放電時(shí)序信號(hào)到有效感測(cè)單元201，有效感測(cè)單元201在該一系列的充/放電時(shí)序信號(hào)的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
[0031]進(jìn)一步地，根據(jù)上述實(shí)施例，還可提供一種混合式采集模式，在混合式采集模式下，模式控制電路21首先向感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23發(fā)出第一控制信號(hào)，控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23發(fā)出第一時(shí)序信號(hào)以使指紋采集系統(tǒng)工作于射頻式采集模式下，指紋傳感器判斷是否有手指接觸指紋傳感器，若是，則模式控制電路21向感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23發(fā)出第二控制信號(hào)，控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23發(fā)出第二時(shí)序信號(hào)以使指紋采集系統(tǒng)工作于電容式采集模式下，這時(shí)，指紋采集系統(tǒng)根據(jù)感測(cè)單元201與手指之間電容的變化來檢測(cè)手指指紋。
[0032]如圖3所示，根據(jù)上述實(shí)施例的一種【具體實(shí)施方式】，圖2中示出的假手指檢測(cè)電路291，可與假手指檢測(cè)電極321連接，假手指檢測(cè)電極321檢測(cè)流過該檢測(cè)電極321的電流值，以及計(jì)算在該檢測(cè)電極321上感測(cè)到的射頻信號(hào)與天線金屬框32發(fā)出的射頻信號(hào)33的相位差，用于確定按壓于手指接觸面31上的物體為假手指還是待采集指紋的手指30。其中，一鈍化絕緣層直接覆蓋于圖2中示出的指紋感測(cè)單元陣列20之上，在鈍化絕緣層之上還覆蓋一聚酯復(fù)合物絕緣層，其形成為手指接觸面31，天線金屬框32和假手指檢測(cè)電極321之間也設(shè)有絕緣物質(zhì)322。
[0033]以這種假手指檢測(cè)電路291與檢測(cè)電極321實(shí)現(xiàn)的假手指檢測(cè)方式可有效防止仿真度較高的假手指的欺騙，從而提高系統(tǒng)的安全性能。
[0034]如圖4所示,上述實(shí)施例中，指紋感測(cè)單元陣列20中每一感測(cè)單元201包括:由集成電路工藝的頂層金屬所形成的感測(cè)電極401、由集成電路工藝的其它層次的一層金屬或多層金屬所形成的多個(gè)增益電極41、一參考電極對(duì)、多個(gè)開關(guān)電路421、422、423、424以及感測(cè)單元控制電路45和射頻驅(qū)動(dòng)電路。其中，參考電極對(duì)、及電極對(duì)中間的絕緣層形成為參考電容43 ;感測(cè)電極401上方鋪設(shè)有感測(cè)電容絕緣層，其包含集成電路工藝的頂層金屬之上的鈍化絕緣層和聚酯復(fù)合物絕緣層，感測(cè)電極401與按壓于其上的手指及感測(cè)電容絕緣層形成為感測(cè)電容40 ;增益電極41為多個(gè)，一部份增益電極與一固定電位連接，其余增益電極分別連接各感測(cè)單元201的感測(cè)單元控制電路45，開關(guān)電路421、422、423、424中的部分開關(guān)在射頻采集模式下處于可控狀態(tài)，在電容采集模式下處于關(guān)斷狀態(tài)。射頻驅(qū)動(dòng)電路控制射頻信號(hào)33的發(fā)射。
[0035]進(jìn)一步地，增益電極41為五個(gè)，分別為第一、第二、第三、第四和第五增益電極，第一、第二、第三、第四和第五增益電極分別與感測(cè)電極形成為第一、第二、第三、第四和第五增益電容的兩電極，其中，第一增益電極與一直流電壓源441正極連接，第二增益電極與該直流電壓源441負(fù)極連接，第三、第四和第五增益電極分別與感測(cè)單元控制電路45連接。開關(guān)電路422、424還分別與直流電壓源442、443連接。從而，感測(cè)單元控制電路45通過開關(guān)電路421、422、423、424控制各感測(cè)電容、各參考電容、以及各增益電容的充/放電。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，指紋采集系統(tǒng)的工作模式至少包括:電容式采集模式和射頻式采集模式。
[0037]在射頻式采集模式中，手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換具體包括:感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出第一脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，該第一脈沖信號(hào)在脈沖寬度期間對(duì)有效感測(cè)單元201的參考電容43充電，使參考電容43兩端積累一固定的電荷量，之后感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出第二脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，該第二脈沖信號(hào)與手指(真皮層)反射回來的射頻信號(hào)使有效感測(cè)單元201的感測(cè)電容40兩端的電荷量減少，該第二脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)部分增益電極41到第一電位，同時(shí)驅(qū)動(dòng)其余增益電極41到第二電位，之后感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，與此同時(shí)該第三脈沖信號(hào)與手指反射回來的射頻信號(hào)使有效感測(cè)單元201內(nèi)的參考電容43、感測(cè)電容40和增益電容進(jìn)行電荷均衡，使得參考電容43兩端的電荷量減少，之后感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出一固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，射頻驅(qū)動(dòng)電路輸出相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻脈沖信號(hào)到天線金屬框，該固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)與手指真皮層反射的相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻信號(hào)共同使有效感測(cè)單元201的參考電容43兩端的電壓差逐次減小，循環(huán)結(jié)束后參考電容43兩端的電壓差被鎖定，與此同時(shí)ADC陣列24將該電壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成指紋圖像灰度值，該指紋圖像灰度值輸入到移位寄存器25，完成有效感測(cè)單元201對(duì)手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
[0038]其中，上述固定循環(huán)次數(shù)是一個(gè)模糊的量，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)ADC陣列的位數(shù)的不同，這個(gè)固定循環(huán)次數(shù)就不同，通常其可為2的η次方，其中η為大于等于4的正整數(shù)。
[0039]例如，在實(shí)際應(yīng)用中ADC為8位時(shí)，這個(gè)固定循環(huán)次數(shù)就等于256，ADC為9位時(shí)，這個(gè)固定循環(huán)次數(shù)就等于512。
[0040]在電容式采集模式中，手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換具體包括:感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出第一脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，該第一脈沖信號(hào)在脈沖寬度期間對(duì)有效感測(cè)單元201的參考電容43充電，使參考電容43兩端積累一固定的電荷量，之后感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出第二脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，該第二脈沖信號(hào)使有效感測(cè)單元201的感測(cè)電容40兩端的電荷量減少，該第二脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)部分增益電極41到某一電位，同時(shí)驅(qū)動(dòng)其余增益電極41到第二電位，之后感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，與此同時(shí)該第三脈沖信號(hào)使有效感測(cè)單元201內(nèi)的參考電容43、感測(cè)電容40和增益電容進(jìn)行電荷均衡，使得參考電容43兩端的電荷量減少，之后感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路23輸出固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元201，使有效感測(cè)單元201的參考電容43兩端的電壓差逐次減小，循環(huán)結(jié)束后參考電容43兩端的電壓差被鎖定，與此同時(shí)ADC陣列24將該電壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成指紋圖像灰度值，該指紋圖像灰度值輸入到移位寄存器25，完成有效感測(cè)單元201對(duì)手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
[0041]上述實(shí)施例提供的指紋采集系統(tǒng)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，以模式控制電路來改變指紋采集系統(tǒng)的工作模式，以射頻采集工作模式來抵御指紋殘留或其他污質(zhì)殘留，以電容式采集工作模式來抵御電磁輻射較強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)合，從而具有較廣的應(yīng)用范圍，且在各應(yīng)用場(chǎng)合中，采集與識(shí)別效果良好。
[0042]圖5A、圖5B分別示出電容式采集模式下采集到的干手指指紋圖像，與以本發(fā)明的指紋采集系統(tǒng)采集到的干手指指紋圖像；圖5C、圖分別示出電容式采集模式下采集到的濕手指指紋圖像，與以本發(fā)明的指紋采集系統(tǒng)采集到的濕手指指紋圖像。
[0043]本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種指紋信息采集方法，其可基于以上的指紋采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該采集方法包括如下步驟:
[0044]a)、工作模式配置步驟，用于為指紋采集系統(tǒng)配置工作模式；
[0045]b)、檢測(cè)有無手指接觸于指紋采集系統(tǒng)的指紋傳感器；
[0046]c)、若有，檢測(cè)各有效感測(cè)單元與手指之間電容的變化并輸出為電信號(hào)；
[0047]d)、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0048]e)、將數(shù)字信號(hào)組成為數(shù)字式指紋圖像并輸出；
[0049]其中，工作模式至少包括電容式采集模式和射頻式采集模式，它們的定義、工作機(jī)理與前述實(shí)施例中相同。
[0050]進(jìn)一步地，工作模式還包括混合式采集模式，在該模式下，在該模式下，首先向感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出第一控制信號(hào)，控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出第一時(shí)序信號(hào)以使上述指紋采集系統(tǒng)工作于射頻式采集模式下，指紋傳感器判斷是否有手指接觸，若是，則向感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出第二控制信號(hào)，控制感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出第二時(shí)序信號(hào)以使上述指紋采集系統(tǒng)工作于電容式采集模式下，指紋采集系統(tǒng)根據(jù)感測(cè)單元與手指之間電容的變化來檢測(cè)手指指紋。
[0051]進(jìn)一步地，步驟c)具體包括:逐行從上到下或從下到上檢測(cè)各有效感測(cè)單元與手指之間電容的變化，并將檢測(cè)到的電容轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)；步驟d)具體包括:逐行地將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；步驟e)具體包括:逐行地緩存數(shù)字信號(hào)，在組成一幅完整的指紋圖像后輸出。
[0052]本發(fā)明又一實(shí)施例提供一種指紋信息采集方法，同樣基于以上的指紋采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體地，其包括以下步驟:
[0053]感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第一脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元；
[0054]該第一脈沖信號(hào)在脈沖寬度期間對(duì)有效感測(cè)單元的參考電容充電，使參考電容兩端積累一固定的電荷量；
[0055]感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第二脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元；
[0056]第二脈沖信號(hào)與手指真皮層反射的射頻信號(hào)對(duì)有效感測(cè)單元的感測(cè)電容進(jìn)行放電，使其兩端的電荷量減少；
[0057]第二脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)部分感測(cè)單元的增益電極達(dá)到第一電位，以及驅(qū)動(dòng)其余的感測(cè)單元的增益電極達(dá)到第二電位；
[0058]感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元；
[0059]第三脈沖信號(hào)與手指真皮層反射的射頻信號(hào)使有效感測(cè)單元內(nèi)的參考電容、感測(cè)電容和增益電容發(fā)生電荷均衡，從而使得參考電容兩端的電荷量減少；也即是電壓差減少；
[0060]感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出一固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元，射頻驅(qū)動(dòng)電路輸出相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻脈沖信號(hào)到天線金屬框，該固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)與手指真皮層反射的相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻信號(hào)共同使有效感測(cè)單元的參考電容兩端的電壓差逐漸減小；
[0061]固定循環(huán)次數(shù)循環(huán)結(jié)束后，參考電容兩端的電壓差被鎖定，ADC陣列將該電壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成指紋圖像灰度值，該指紋圖像灰度值輸入到移位寄存器中，形成數(shù)字式指紋圖像信息并輸出。
[0062]進(jìn)一步地，其中固定循環(huán)次數(shù)為2的η次方，其中η為大于等于4的正整數(shù)。
[0063]上述指紋采集方法具有較廣的應(yīng)用范圍，且在各應(yīng)用場(chǎng)合中，采集與識(shí)別效果良好。
[0064]盡管已經(jīng)在本發(fā)明中示出了優(yōu)選實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可理解，基于本發(fā)明的思想，可作出各種可替換的和/或等效的變形設(shè)計(jì)，而不背離本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種指紋米集系統(tǒng)，包括: 指紋傳感器，其包括指紋感測(cè)單元陣列、天線金屬框和射頻驅(qū)動(dòng)電路，所述指紋感測(cè)單元陣列包括多個(gè)感測(cè)單元，所述射頻驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)所述天線金屬框發(fā)射射頻信號(hào)； 掃描控制器，用于選擇所述指紋感測(cè)單元陣列中的至少一部分感測(cè)單元作為有效感測(cè)單元，以用于感測(cè)所述手指指紋并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 一感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路，用于提供各所述有效感測(cè)單元工作所需的時(shí)序信號(hào)； 一圖像輸出單元，用于將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式指紋圖像信息并輸出； 一模式控制電路，用于控制所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出不同的時(shí)序信號(hào)來改變所述指紋采集系統(tǒng)的工作模式； 其中，所述工作模式至少包括:電容式采集模式和射頻式采集模式，其中， 所述射頻式采集模式為: 所述模式控制電路打開所述射頻驅(qū)動(dòng)電路，所述射頻驅(qū)動(dòng)電路使得所述天線金屬框向被采集的手指發(fā)射射頻信號(hào)，手指真皮層反射所述射頻信號(hào)，所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出一系列的充/放電時(shí)序信號(hào)到所述有效感測(cè)單元，使得所述有效感測(cè)單元在所述一系列充/放電時(shí)序信號(hào)和所述手指真皮層反射的射頻信號(hào)的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)所述手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換； 所述電容式采集模式為: 所述模式控制電路關(guān)閉所述射頻驅(qū)動(dòng)電路，所述天線金屬框被連接到地或ESD電路，所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出一系列的充/放電時(shí)序信號(hào)到所述有效感測(cè)單元，使得所述有效感測(cè)單元在所述一系列充/放電時(shí)序信號(hào)的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)所述手指指紋到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋采集系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像輸出單元包括一ADC陣列和一移位寄存器，所述指紋傳感器逐行檢測(cè)各所述有效感測(cè)單元與所述手指之間的電容值，所述ADC陣列逐行地將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，所述移位寄存器逐行地緩存所述ADC陣列輸出的所述數(shù)字信號(hào)并逐行輸出至外部數(shù)據(jù)接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的指紋采集系統(tǒng)，其特征在于，所述每一感測(cè)單元至少包括:一感測(cè)電極、至少一增益電極、至少一參考電極對(duì)、開關(guān)電路以及感測(cè)單元控制電路，所述至少一參考電極對(duì)分別形成為至少一參考電容的兩極，所述感測(cè)電極與按壓于所述感測(cè)電極上的手指形成為一感測(cè)電容的兩極，所述感測(cè)電極與至少一增益電極分別形成為至少一增益電容的兩極，所述感測(cè)單元控制電路通過所述開關(guān)電路控制如下多種電容的充電/放電狀態(tài): 所述感測(cè)電容； 至少一所述參考電容；以及， 至少一所述增益電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的指紋采集系統(tǒng)，其特征在于，所述射頻式采集模式具體包括:所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第一脈沖信號(hào)到所述有效感測(cè)單元，該第一脈沖信號(hào)在脈沖寬度期間對(duì)所述有效感測(cè)單元的參考電容充電，使所述參考電容兩端積累一固定的電荷量，之后所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第二脈沖信號(hào)到所述有效感測(cè)單元，所述第二脈沖信號(hào)與所述手指真皮層反射的射頻信號(hào)使所述有效感測(cè)單元的感測(cè)電容兩端的電荷量減少，所述第二脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述有效感測(cè)單元的部分增益電極到第一電位，同時(shí)驅(qū)動(dòng)所述有效感測(cè)單元其余的增益電極到第二電位，之后所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第三脈沖信號(hào)到所述有效感測(cè)單元，所述第三脈沖信號(hào)與所述手指真皮層反射的射頻信號(hào)使所述有效感測(cè)單元內(nèi)的參考電容、感測(cè)電容和增益電容進(jìn)行電荷均衡，以使得所述參考電容兩端的電荷量減少，隨后所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出一固定循環(huán)次數(shù)的所述第二脈沖信號(hào)和所述第三脈沖信號(hào)到所述有效感測(cè)單元，所述射頻驅(qū)動(dòng)電路輸出相同所述固定循環(huán)次數(shù)的射頻脈沖信號(hào)到所述天線金屬框，該固定循環(huán)次數(shù)的第二脈沖信號(hào)和第三脈沖信號(hào)與所述手指真皮層反射的相同所述固定循環(huán)次數(shù)的射頻信號(hào)共同使所述有效感測(cè)單元的參考電容兩端的電壓差逐次減小，循環(huán)結(jié)束后所述參考電容兩端的電壓差被鎖定，與此同時(shí)所述ADC陣列將該電壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成指紋圖像灰度值，該指紋圖像灰度值輸入到所述移位寄存器中，形成所述數(shù)字式指紋圖像信息并輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的指紋采集系統(tǒng)，其特征在于，所述指紋傳感器還包括: 一鈍化絕緣層，直接覆蓋于所述指紋感測(cè)單元陣列之上； 一聚酯復(fù)合物絕緣層，覆蓋于該鈍化絕緣層之上，形成為所述手指的接觸面，該聚酯復(fù)合物絕緣層的厚度達(dá)到數(shù)百微米以使所述指紋傳感器不受ESD影響； 其中，所述鈍化絕緣層、聚酯復(fù)合物絕緣層形成為所述感測(cè)電極與手指之間的絕緣物質(zhì)，并與所述感測(cè)電極以及手指形成為所述感測(cè)電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的指紋檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述指紋傳感器還包括一假手指檢測(cè)電極，所述假手指檢測(cè)電極檢測(cè)流過該檢測(cè)電極的電流值，以及計(jì)算在該檢測(cè)電極上感測(cè)到的射頻信號(hào)與所述天線金屬框發(fā)出的射頻信號(hào)的相位差，用于確定按壓于所述手指接觸面 上的物體是否為假手指。
7.一種指紋信息采集方法，包括以下步驟: 感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第一脈沖信號(hào)到有效感測(cè)單元； 該第一脈沖信號(hào)在脈沖寬度期間對(duì)所述有效感測(cè)單元的參考電容充電，使所述參考電容兩端積累一固定的電荷量； 所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第二脈沖信號(hào)到所述有效感測(cè)單元； 所述第二脈沖信號(hào)與所述手指真皮層反射的射頻信號(hào)對(duì)所述有效感測(cè)單元的感測(cè)電容進(jìn)行放電，使其兩端的電荷量減少； 所述第二脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述有效感測(cè)單元的部分增益電極達(dá)到第一電位，同時(shí)驅(qū)動(dòng)所述有效感測(cè)單元的其余增益電極達(dá)到第二電位；所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出第三脈沖信號(hào)到所述有效感測(cè)單元； 所述第三脈沖信號(hào)與所述手指真皮層反射的射頻信號(hào)使所述有效感測(cè)單元內(nèi)的參考電容、感測(cè)電容和增益電容發(fā)生電荷均衡，從而使得所述參考電容兩端的電荷量減少；所述感測(cè)單元驅(qū)動(dòng)電路輸出一固定循環(huán)次數(shù)的所述第二脈沖信號(hào)和所述第三脈沖信號(hào)到所述有效感測(cè)單元，所述射頻驅(qū)動(dòng)電路輸出相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻脈沖信號(hào)到天線金屬框，該固定循環(huán)次數(shù)的所述第二脈沖信號(hào)和所述第三脈沖信號(hào)與所述手指真皮層反射的相同固定循環(huán)次數(shù)的射頻信號(hào)共同使所述有效感測(cè)單元的參考電容兩端的電壓差逐漸減??； 所述固定循環(huán)次數(shù)循環(huán)結(jié)束后，所述參考電容兩端的電壓差被鎖定，所述ADC陣列將該電壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成指紋圖像灰度值，該指紋圖像灰度值輸入到所述移位寄存器中，形成所述數(shù)字式指紋圖像信息并輸出。
8.如權(quán)利要求7所述的采集方法，其特征在于，所述固定循環(huán)次數(shù)為2的η次方，其中η為大于等 于4的正整數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK103810479SQ201410072586
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】黃昊, 徐啟波 申請(qǐng)人:成都費(fèi)恩格爾微電子技術(shù)有限公司