本實用新型涉及指紋檢測領(lǐng)域，尤其是一種指紋檢測電路和指紋檢測傳感器。

背景技術(shù)：

電容型指紋傳感器由于使用方便快捷，而且具有很高的安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)安全支付，因而已經(jīng)越來越多地用于各種電子產(chǎn)品中，尤其是各種智能終端。

現(xiàn)有的電容型指紋檢測裝置，主要有兩種檢測方式，一種是主動式，另一種是被動式。其中，主動式穿透力強(qiáng)，但需要額外的控制芯片，成本相對被動式的高；而被動式穿透力雖然弱，但是不需要額外的控制芯片，因而成本相對較低。為了解決這個問題，很多公司會分別針對不同情況，設(shè)計不同的芯片，因而導(dǎo)致設(shè)計周期、費(fèi)用，以及量產(chǎn)后的備貨費(fèi)用大大增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的目的是提供一種兼容主動式工作方式和被動式工作方式的指紋檢測電路，相應(yīng)地，還提供一種指紋檢測傳感器。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：一種指紋檢測電路，包括至少兩層金屬層、主控電路、外部信號源、第一信號源、第二信號源、第三信 號源和多個指紋檢測單元，所述指紋檢測單元包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和電荷放大器，所述主控電路用于輸出第一時鐘信號、第二時鐘信號、第三時鐘信號，用來分別控制第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，并輸出外部模擬信號、第一模擬信號、第二模擬信號、第三模擬信號，用來分別作為外部信號源、第一信號源、第二信號源、第三信號源；

手指與頂層金屬之間形成指紋電容，所述第二信號源、第一信號源加在第a層金屬上并分別與頂層金屬形成第一電容、第二電容，所述第a層金屬為頂層金屬以下的任何一層金屬，所述頂層金屬與地之間形成第三電容，所述頂層金屬與第a層金屬之間形成基準(zhǔn)電容，所述第三信號源通過第三開關(guān)與電荷放大器的正相輸入端連接，所述第二開關(guān)的左側(cè)接地，所述第二開關(guān)的右側(cè)與電荷放大器的正相輸入端連接，所述電荷放大器的反相輸入端與頂層金屬連接，所述電荷放大器的反相輸入端與第一開關(guān)的左側(cè)連接，所述第一開關(guān)的右側(cè)與電荷放大器的輸出端連接，所述電荷放大器的輸出端與第a層金屬連接，所述多個電荷放大器的輸出端作為指紋檢測電路的輸出端輸出信號。

進(jìn)一步地，所述指紋檢測電路還包括保護(hù)層，所述保護(hù)層設(shè)置于頂層金屬之上，所述手指通過保護(hù)層與頂層金屬形成指紋電容。

進(jìn)一步地，所述主控電路包括控制電路和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，所述控制電路用于控制第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)和輸出外部模擬信號以及控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出第一模擬信號、第二模擬信號和第三模擬信號，所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器用于輸出第一模擬信號、第二模擬 信號和第三模擬信號，所述控制電路的輸出端與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸入端連接。

進(jìn)一步地，所述保護(hù)層包括涂層、玻璃或陶瓷。

進(jìn)一步地，所述指紋檢測電路還包括主動式控制電路，所述外部信號源與主動式控制電路的輸入端連接，所述主動式控制電路的輸出端與指紋檢測電路的地連接，用于根據(jù)外部模擬信號控制指紋檢測電路的地的電壓。

進(jìn)一步地，所述基準(zhǔn)電容和第一電容的電容值大小屬于同一量級。

進(jìn)一步地，所述基準(zhǔn)電容和第一電容的電容值大小屬于同一量級，所述第二電容和第三電容的電容值大小屬于同一量級。

本實用新型采用的另一技術(shù)方案是：一種指紋檢測傳感器，包括所述的指紋檢測電路。

本實用新型的有益效果是：本實用新型中一種指紋檢測電路包括至少兩層金屬層、主控電路、外部信號源、第一信號源、第二信號源、第三信號源和多個指紋檢測單元，指紋檢測單元包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和電荷放大器，手指與頂層金屬之間形成指紋電容，第二信號源、第一信號源加在第a層金屬上并分別與頂層金屬形成第一電容、第二電容，第a層金屬為頂層金屬以下的任何一層金屬，頂層金屬與地之間形成第三電容，頂層金屬與第a層金屬之間形成基準(zhǔn)電容，第三信號源通過第三開關(guān)與電荷放大器的正相輸入端連接，第二開關(guān)的左側(cè)接地，第二開關(guān)的右側(cè)與電荷放大器的正相輸入端連接，電荷放大器的反相輸入端與頂層金屬連接，電荷放大器的反相輸入端與第一開關(guān)的左側(cè)連接， 第一開關(guān)的右側(cè)與電荷放大器的輸出端連接，電荷放大器的輸出端與第a層金屬連接；本實用新型的指紋檢測電路將主動式和被動式結(jié)構(gòu)合在一起，使指紋檢測電路的應(yīng)用設(shè)計可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行不同的設(shè)計，主控電路根據(jù)不同的設(shè)計需求向手指和指紋檢測單元輸入不同的時鐘控制信號，進(jìn)而可以封裝成主動式或被動式方案，大大節(jié)約了指紋檢測芯片的設(shè)計、驗證、備貨等各種成本。另外，本實用新型一種指紋檢測傳感器，包括指紋檢測電路，相比較分別設(shè)計主動式芯片和被動式芯片來說，設(shè)計周期短且費(fèi)用少。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式作進(jìn)一步說明：

圖1是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例電路示意圖；

圖3是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式工作控制波形圖；

圖4是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式電路的一具體實施例示意圖；

圖5是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式電路的另一具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式電路的另一具體實施例電路示意圖；

圖7是本實用新型中一種指紋檢測電路的被動式工作控制波形圖；

圖8是本實用新型中一種指紋檢測電路的被動式電路的一具體實施例示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

一種指紋檢測電路，參考圖1和圖2，圖1是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例電路示意圖，包括至少兩層金屬層、主控電路100、外部信號源、第一信號源、第二信號源、第三信號源和多個指紋檢測單元200，多個指紋檢測單元200構(gòu)成指紋檢測陣列，指紋檢測單元200包括第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、第三開關(guān)SW3和電荷放大器CA，主控電路100用于輸出第一時鐘信號S1、第二時鐘信號S2、第三時鐘信號S3，用來分別控制第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、第三開關(guān)SW3的開關(guān)狀態(tài)，并輸出外部模擬信號VTX、第一模擬信號VDAC1、第二模擬信號VDAC2、第三模擬信號VDAC3，用來分別作為外部信號源、第一信號源、第二信號源、第三信號源；

手指300與頂層金屬M(fèi)_top之間形成指紋電容Cfinger，第二信號源、第一信號源加在第a層金屬M(fèi)_a上并分別與頂層金屬M(fèi)_top形成第一電容C1、第二電容C2，第a層金屬M(fèi)_a為頂層金屬M(fèi)_top以下的任何一層金屬，頂層金屬M(fèi)_top與地VSS之間形成第三電容C3，頂層金屬M(fèi)_top與第a層金屬M(fèi)_a之間形成基準(zhǔn)電容Cref，第三信號源通過第三開關(guān)SW3與電荷放大器CA的正相輸入端連接，第二開關(guān)SW2的左側(cè)接地，第二開關(guān)SW2的右側(cè)與電荷放大器CA的正相輸入端連接，電荷放大器CA的反相輸入端與頂層金屬M(fèi)_top連接，電荷放大器CA的反相輸入端與第一開 關(guān)SW1的左側(cè)連接，第一開關(guān)SW1的右側(cè)與電荷放大器CA的輸出端連接，電荷放大器CA的輸出端與第a層金屬M(fèi)_a連接，多個指紋檢測單元200對應(yīng)多個電荷放大器CA的輸出端，多個電荷放大器CA的輸出端作為指紋檢測電路的輸出端輸出信號。

本實用新型是主被動式一體的指紋檢測電路，當(dāng)該電路工作在主動式模式時，需要依靠一個外部信號源，該外部信號源輸出外部模擬信號VTX，通過指紋電容Cfinger耦合到檢測電路；對于相同的外部模擬信號VTX幅度，不同的指紋電容Cfinger可以得到不同的輸出電壓VCA；而當(dāng)電容檢測電路工作在被動式模式時，無需外部信號源，指紋電容相當(dāng)于接地，通過輸入不同的信號得到不同的輸出電壓VCA；因而通過量化VCA的值，間接量化指紋電容Cfinger的大小，實現(xiàn)指紋檢測。本實用新型的指紋檢測電路將主動式和被動式結(jié)構(gòu)合在一起，使指紋檢測電路的應(yīng)用設(shè)計可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行不同的設(shè)計，主控電路根據(jù)不同的設(shè)計需求向手指和指紋檢測單元輸入不同的信號，進(jìn)而可以封裝成主動式或被動式方案，大大節(jié)約了指紋檢測芯片的設(shè)計、驗證、備貨等各種成本。參考圖2，圖2是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例電路示意圖，本實用新型中，電路處于主動式工作模式時，外部信號源輸出的外部模擬信號VTX加在手指上，除此之外，外部信號源還可以采用現(xiàn)有技術(shù)中別的方式輸入指紋檢測電路中。

本實用新型采用CMOS工藝實現(xiàn)，但本實用新型不限于CMOS工藝，例如Bipolar工藝也可以實現(xiàn)本實用新型。如圖2所示，M_top和M_a分別是CMOS工藝的頂層金屬和第a層金屬，頂層金屬M(fèi)_top是感應(yīng)電極， 作為指紋感應(yīng)電容的一個極板，與手指形成指紋電容Cfinger。頂層金屬M(fèi)_top與第a層金屬M(fèi)_a之間會產(chǎn)生3個寄生電容，分別為第一電容C1、第二電容C2和基準(zhǔn)電容Cref，其中第一電容C1和第二電容C2都是用于調(diào)節(jié)電荷放大器CA的輸出范圍，第一電容C1用來調(diào)節(jié)主動式時電荷放大器CA的輸出電壓范圍；第二電容C2用來調(diào)節(jié)被動式時電荷放大器CA的輸出電壓范圍?；鶞?zhǔn)電容Cref用于測量指紋電容Cfinger。第a層金屬M(fèi)_a根據(jù)設(shè)計需求，其可以是頂層金屬下面第一層的金屬M(fèi)_top-1、頂層金屬下面第二層的金屬M(fèi)_top-2，或者其它金屬層。

作為技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，參考圖2，圖2是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例電路示意圖，指紋檢測電路還包括保護(hù)層

cover，保護(hù)層cover設(shè)置于頂層金屬M(fèi)_top之上，手指300通過保護(hù)層cover與頂層金屬M(fèi)_top形成指紋電容Cfinger。進(jìn)一步地，保護(hù)層包括涂層、玻璃或陶瓷，用于保護(hù)芯片不受破壞，還可以直接將保護(hù)層cover粘合到芯片上；當(dāng)手指300按壓到保護(hù)層cover的表面后，頂層金屬M(fèi)_top與手指300表面形成指紋電容Cfinger。

作為技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，參考圖1和圖2，圖1是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例電路示意圖，本實施例中，主控電路100包括控制電路101和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器102，控制電路101用于控制第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、第三開關(guān)SW3的開關(guān)狀態(tài)和輸出外部模擬信號VTX以及控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器102輸出第一模擬信號VDAC1、第二模擬信號VDAC2和第三模擬信號VDAC3，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器102用于輸出第一模擬信 號VDAC1、第二模擬信號VDAC2和第三模擬信號VDAC3，控制電路101的輸出端與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器102的輸入端連接，控制電路101輸出第一時鐘信號S1、第二時鐘信號S2和第三時鐘信號S3分別用于控制第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2和第三開關(guān)SW3。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital to analog converter，英文縮寫：DAC)是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號(以電流、電壓或電荷的形式)的設(shè)備。在很多數(shù)字系統(tǒng)中(例如計算機(jī))，信號以數(shù)字方式存儲和傳輸，而數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器可以將這樣的信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，從而使得它們能夠被外界(人或其他非數(shù)字系統(tǒng))識別。

作為技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，參考圖1、圖2、圖3和圖4，圖1是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實用新型中一種指紋檢測電路的一具體實施例電路示意圖，圖3是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式工作控制波形圖，圖4是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式電路的一具體實施例示意圖，指紋檢測電路處于主動式工作模式時，需要外部信號源輸出外部模擬信號VTX，本實施例中，外部模擬信號VTX輸出至手指300；優(yōu)選地，基準(zhǔn)電容Cref和第一電容C1的電容值大小屬于同一量級，基準(zhǔn)電容Cref和第一電容C1的電容值可以相等或者相當(dāng)，屬于同一量級，基準(zhǔn)電容Cref和第一電容C1的電容值相差不大，如基準(zhǔn)電容Cref的電容值為3FF，第一電容C1的電容值為4FF；指紋檢測電路的主動式工作控制時序具體為：

第二時鐘信號S1為低電平信號，即SW2＝0；第三時鐘信號S3為高電平信號，即SW3＝1；第一模擬信號VDAC1為低電平信號；第二模擬信號VDAC2為方波信號，第一時鐘信號S1為低電平時，第二模擬信號VDAC2 的電壓值為第一電壓v1，第一時鐘信號S1為高電平時，第二模擬信號VDAC2的電壓值為第二電壓v2，圖3中的V1和V2是相對值，V1可能比V2大；第三模擬信號VDAC3為直流信號；第三模擬信號VDAC3只需要電壓保持不變即可，第三模擬信號VDAC3的電壓大小由主控電路控制；外部模擬信號VTX與第一時鐘信號S1為非交疊信號，外部模擬信號VTX的低電平電壓為0，外部模擬信號VTX的高電平電壓為外部模擬電壓vtx。

參考圖3和圖4，SW1＝1時，基準(zhǔn)電容Cref上的電荷放電結(jié)束后就不再存儲電荷；SW1＝0時，外部模擬信號VTX升高到vtx。按照圖3的波形控制指紋檢測電路時，指紋電容Cfinger的左端被充電到VTX，所需的電荷量為Q1＝VTX*Cfinger，而這些電荷量來自第一電容C1和基準(zhǔn)電容Cref，其中第一電容C1提供的電荷量為Q2＝(v2-v1)*C1，基準(zhǔn)電容Cref提供的電荷量為Q3＝(VCA-VDAC3)*Cref。根據(jù)電荷守恒定律有Q1＝Q2+Q3，因而可以計算得到電荷放大器CA的輸出電壓VCA的值，即：

由上式可知，第二模擬信號VDAC2和第一電容C1用于調(diào)節(jié)輸出電壓VCA的范圍，使輸出電壓VCA更好地被后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化。其中，VTX為外部模擬信號的電壓值，Cfinger為指紋電容的電容值，C1為第一電容的電容值，Cref為基準(zhǔn)電容的電容值，VDAC3為第三模擬信號的電壓值。

作為技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，參考圖5和圖6，圖5是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式電路的另一具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是 本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式電路的另一具體實施例電路示意圖，指紋檢測電路還包括主動式控制電路，外部信號源與主動式控制電路的輸入端連接，主動式控制電路的輸出端與指紋檢測電路的地連接，用于根據(jù)外部模擬信號控制指紋檢測電路的地的電壓，由此，指紋檢測電路處理通過將外部模擬信號輸出至手指實現(xiàn)主動式電路之外，還可以通過增加一個主動式控制電路來實現(xiàn)主動式電路，本實施例中，主動式控制電路采用一個主動式控制芯片來實現(xiàn)，圖6中，主動式控制芯片的輸出端與指紋檢測電路的地VSS連接，本實施例中，主動式控制芯片的輸出端示意性地連接第三電容的接地端，表示主動式控制芯片的輸出端與指紋檢測電路的地連接，另外，電荷放大器CA的接地端也與主動式控制芯片的輸出端連接。

進(jìn)一步地，參考圖3和圖6，圖3是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式工作控制波形圖，圖6是本實用新型中一種指紋檢測電路的主動式電路的另一具體實施例電路示意圖，本實施例中，基準(zhǔn)電容Cref和第一電容C1的電容值大小屬于同一量級；指紋檢測電路的主動式工作控制時序為：

第二時鐘信號S1為低電平信號，即SW2＝0；第三時鐘信號S3為高電平信號，即SW3＝1；第一模擬信號VDAC1為低電平信號；第二模擬信號VDAC2為方波信號，第一時鐘信號S1為低電平時，第二模擬信號VDAC2的電壓值為第一電壓v1，第一時鐘信號S1為高電平時，第二模擬信號VDAC2的電壓值為第二電壓v2，圖3中的V1和V2是相對值，V1可能比V2大；第三模擬信號VDAC3為直流信號；第三模擬信號VDAC3只需要電 壓保持不變即可，第三模擬信號VDAC3的電壓大小由主控電路控制；本實施例中，外部信號源輸出外部模擬信號VTX至主動式控制芯片上，外部模擬信號VTX與第一時鐘信號S1為非交疊信號，外部模擬信號VTX的低電平電壓為0，外部模擬信號VTX的高電平電壓為外部模擬電壓vtx；主動式控制芯片的電源電壓為第一電源電壓VDDHV，主動式控制芯片的輸出電壓為接地電壓VGND；外部模擬信號VTX的低電平電壓為0時，主動式控制芯片輸出的接地電壓VGND為0，控制指紋檢測電路的地的電壓為0；外部模擬信號VTX的高電平電壓為vtx時，主動式控制芯片輸出的接地電壓VGND不為0，主動式控制芯片控制指紋檢測電路的地的電壓為接地電壓VGND，此時，接地電壓VGND可以是正電壓，也可以是負(fù)電壓，電壓大小由主動式控制芯片控制。進(jìn)一步地，電荷放大器的輸出端的輸出電壓為：

其中，VDDHV為第一電源電壓的電壓值，Cfinger為指紋電容的電容值，C1為第一電容的電容值，Cref為基準(zhǔn)電容的電容值，VDAC3為第三模擬信號的電壓值。

作為技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，參考圖7和圖8，圖7是本實用新型中一種指紋檢測電路的被動式工作控制波形圖，圖8是本實用新型中一種指紋檢測電路的被動式電路的一具體實施例示意圖，此時，電路無需輸入外部模擬信號，本實施例中，優(yōu)選地，基準(zhǔn)電容Cref和第一電容C1的電容值大小屬于同一量級，第二電容C2和第三電容C3的電容值大小 屬于同一量級，本實用新型中，第二電容C2和第三電容C3的電容值大小設(shè)置在幾十飛法左右；具體的指紋檢測電路的被動式工作控制時序為：

第一時鐘信號S1和第二時鐘信號S2為相同的時鐘信號，第一時鐘信號S1和第三時鐘信號S3為非交疊時鐘信號；

第一模擬信號VDAC1和第二模擬信號VDAC2為方波信號，第一時鐘信號S1為高電平時，第二模擬信號VDAC2的電壓值為第三電壓v3，第一模擬信號VDAC1的電壓值為第五電壓v5；第一時鐘信號S1為低電平時，第二模擬信號VDAC2的電壓值為第四電壓v4，第一模擬信號VDAC1的電壓值為第六電壓v6，圖7中V3和V4是相對值，V3可能比V4大，圖7中V5和V6是相對值，V5可能比V6大；第三模擬信號VDAC3為低電平信號或者高電平信號，同樣地，第三模擬信號VDAC3為直流信號；第三模擬信號VDAC3只需要電壓保持不變即可。

參考圖7和圖8，SW1＝1時，基準(zhǔn)電容Cref上的電荷放電結(jié)束后就不再存儲電荷，A點、B點和電荷放大器VCA這三個節(jié)點的電壓都為0；SW3＝1時，A點變?yōu)閂DAC3，B點由于電荷放大器CA的作用，也變?yōu)閂DAC3，因而指紋電容Cfinger會被從0充電到VDAC3。

在上述工作過程中，指紋電容Cfinger的右端被充電到VDAC3，所需電荷量為Q1＝VDAC3*Cfinger，第三電容C3的上端也被充電到VDAC3，所需電荷量為Q2＝VDAC3*Cp，而Q1和Q2均來自第一電容C1、第二電容C2和基準(zhǔn)電容Cref，其中第一電容C1提供的電荷量為Q3＝(v4-v3)*C1，第二電容C2提供的電荷量為Q4＝(v6-v5)*C2，基準(zhǔn)電容Cref提供的電荷量為Q5＝(VCA-VDAC3)*Cref。根據(jù)電荷守恒定律有Q1+Q2＝Q3+Q4+Q5，因而 可以計算得到電荷放大器CA的輸出電壓VCA的值，即：

由上式可知，第一模擬信號VDAC1、第二模擬信號VDAC2、第一電容C1和第二電容C2用于調(diào)節(jié)輸出電壓VCA的范圍，使輸出電壓VCA更好地被后面的ADC量化。其中，Cfinger為指紋電容的電容值，C3為第三電容的電容值，C1為第一電容的電容值，C2為第二電容的電容值，Cref為基準(zhǔn)電容的電容值，VDAC3為第三模擬信號的電壓值。

一種指紋檢測傳感器，包括上述的指紋檢測電路，只要設(shè)計一顆芯片，就可以實現(xiàn)主動式和被動式，因此指紋檢測傳感器的設(shè)計周期短且費(fèi)用少。

以上是對本實用新型的較佳實施進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本實用新型精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。