本申請是申請?zhí)枮?01480037088.2、申請日為2014年7月3日、名稱為“指紋感測系統(tǒng)和方法”的pct發(fā)明專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及指紋感測系統(tǒng)并且涉及操作指紋傳感器的方法。

背景技術(shù)：

越來越多地使用各種類型的生物識(shí)別系統(tǒng)以提供提高的安全性和/或增強(qiáng)的用戶便利性。

特別是，指紋感測系統(tǒng)由于其小的形狀因素、高性能和用戶接受度而在例如消費(fèi)電子設(shè)備中被采用。

在各種可用的指紋感測原理(例如，電容式、光學(xué)、熱等)之中，最經(jīng)常使用的是電容式感測，特別在其中尺寸和功耗是重要問題的應(yīng)用中。

所有電容式指紋傳感器提供指示若干感測結(jié)構(gòu)與放置在指紋傳感器的表面上或者跨指紋傳感器的表面移動(dòng)的手指之間的電容的度量。

一些電容式指紋傳感器被動(dòng)地讀出感測結(jié)構(gòu)與手指之間的電容。然而，這需要相對較大的電容。因此這樣的被動(dòng)電容式傳感器通常設(shè)置有覆蓋感測結(jié)構(gòu)的非常薄的保護(hù)層，這使這樣的傳感器對劃痕和/或esd(靜電放電)相當(dāng)敏感。

us7864992公開了一種指紋感測系統(tǒng)，其中，通過脈動(dòng)布置在傳感器陣列附近的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)并且測量由傳感器陣列中的感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的結(jié)果變化來將驅(qū)動(dòng)信號(hào)注入手指。

雖然根據(jù)us7864992的指紋感測系統(tǒng)提供了指紋圖像質(zhì)量和傳感器保護(hù)的極好的組合，但是看起來存在用于改善“困難”手指特別對于干手指的空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述和其他缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的指紋感測系統(tǒng)，特別是提供對來自“困難”手指例如干手指的指紋的改進(jìn)的感測。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，因此提供了一種指紋感測系統(tǒng)，該指紋感測系統(tǒng)包括：傳感器陣列，該傳感器陣列具有：多個(gè)感測結(jié)構(gòu)，該多個(gè)感測結(jié)構(gòu)均面向傳感器陣列的表面并且被布置成電容耦合至觸摸傳感器陣列的表面的手指；以及讀出電路裝置，該讀出電路裝置可連接至感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)以提供對由感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化進(jìn)行指示的感測信號(hào)；以及電源電路裝置，該電源電路裝置被布置成給讀出電路裝置提供基本恒定的供電電壓，該基本恒定的供電電壓為高電勢與低電勢之間的差，其中，指紋感測系統(tǒng)以下述方式被配置：在基本保持供電電壓的情況下，低電勢和高電勢可變；以及讀出電路裝置以下述方式可連接至感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)：在基本保持供電電壓的情況下低電勢和高電勢的變動(dòng)導(dǎo)致由連接至讀出電路裝置的感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化，由感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化指示感測結(jié)構(gòu)與手指之間的電容耦合。

上述“低電勢”在本文有時(shí)還被稱為傳感器陣列的參考電勢。

應(yīng)當(dāng)注意，低電勢和高電勢是關(guān)于包括指紋感測系統(tǒng)的設(shè)備的參考電勢時(shí)變的。這樣的設(shè)備的參考電勢可以被稱為“設(shè)備地”，并且時(shí)變低電勢可以被稱為“傳感器地”。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式，“傳感器地”可以關(guān)于“設(shè)備地”改變。手指的電勢至少在進(jìn)行指紋獲取的有關(guān)時(shí)間內(nèi)一般可以在關(guān)于“設(shè)備地”的基本恒定的電平處。例如，用戶的身體可以針對未連接至某全局參考電勢(如主要地(mainground))的便攜式設(shè)備實(shí)際地定義“設(shè)備地”。

讀出電路裝置可以例如以下述形式提供模擬感測信號(hào)：指示手指與包括在傳感器陣列中的感測結(jié)構(gòu)之間的電容耦合的電壓電平。

然而，根據(jù)各種實(shí)施方式，讀出電路裝置可以包括用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路裝置，這樣的電路裝置可以包括例如至少一個(gè)采樣保持電路和至少一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)：可以通過使傳感器陣列的參考電勢相對于手指的電勢“擺動(dòng)”而不是在保持傳感器陣列的參考電勢(傳感器地)恒定的情況下迫使手指電勢改變來獲得改善的指紋感測性能。

本發(fā)明人還實(shí)現(xiàn)了：可以設(shè)計(jì)其中使傳感器陣列的參考電勢能夠“擺動(dòng)”的指紋感測系統(tǒng)，使得該指紋感測系統(tǒng)能夠在沒有給手指供應(yīng)信號(hào)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的情況下以及在不減小保護(hù)層的厚度的情況下讀出高質(zhì)量指紋圖像。

不存在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(例如，傳感器陣列周圍的導(dǎo)電框架)簡化了指紋傳感器到各種設(shè)備例如移動(dòng)電話和計(jì)算機(jī)中的集成。此外，可以使指紋傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較不顯眼，并且可以改善包括指紋傳感器系統(tǒng)的產(chǎn)品的加工。

此外，可以在下述應(yīng)用中改善感測性能：其中用戶的手的手指或其他部分接觸產(chǎn)品的其中包括指紋感測系統(tǒng)的導(dǎo)電部分。由于在根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的各種實(shí)施方式中，指紋感測不依賴于手指的變化電勢，可以使手指能夠通過這樣的產(chǎn)品的導(dǎo)電部分而被接地(或者被至少重負(fù)載)。這樣的應(yīng)用的示例包括具有暴露的導(dǎo)電部分的移動(dòng)電話。

當(dāng)通過直接導(dǎo)電連接給手指提供激勵(lì)信號(hào)，或者換言之電流驅(qū)動(dòng)手指時(shí)，對于具有不同的電特征的手指而言，觸摸傳感器陣列的手指表面與傳感器陣列中的感測結(jié)構(gòu)之間的電勢差會(huì)是不同的。例如，對于干手指而言，電勢差異會(huì)較低，導(dǎo)致可能難以進(jìn)行分析的“較弱”指紋圖像。

在本發(fā)明的各種實(shí)施方式中，手指的電勢可以被看作是基本恒定的而傳感器陣列的參考電勢相反地可以被改變。在這樣的實(shí)施方式中，對于具有不同電特征的手指而言，觸摸傳感器陣列的手指表面與傳感器陣列中的感測結(jié)構(gòu)之間的電勢差將反而是基本相同的。試驗(yàn)已驗(yàn)證這對于干手指將導(dǎo)致改善的指紋圖像。

根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式，電源電路裝置可以被配置成提供第一時(shí)變電勢作為低電勢以及提供第二時(shí)變電勢作為高電勢。

以這樣的方式，可以將激勵(lì)信號(hào)提供給傳感器陣列而不是手指。由于電源電路裝置可以相應(yīng)地脈動(dòng)傳感器陣列的參考電勢(“可變的傳感器地”)，因此，激勵(lì)信號(hào)的幅度不限于到傳感器陣列的供電電壓，而可以相當(dāng)高。這將使得能夠使用覆蓋感測結(jié)構(gòu)的較厚的保護(hù)涂層和/或使得能夠使用新材料，這提供了更加魯棒并且可能更加視覺上吸引人的指紋傳感器。

在一些實(shí)施方式中，可以將激勵(lì)信號(hào)提供給傳感器陣列和手指兩者或者僅提供給手指。例如，可以使用在傳感器陣列外部的手指激勵(lì)結(jié)構(gòu)和/或使用當(dāng)前未進(jìn)行感測的感測結(jié)構(gòu)來將激勵(lì)信號(hào)提供給手指。

根據(jù)各種實(shí)施方式，讀出電路裝置能夠控制以：以下述方式連接至第一組感測結(jié)構(gòu)：低電勢和高電勢的變動(dòng)導(dǎo)致第一組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)，并且讀出電路裝置提供對由第一組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化進(jìn)行指示的信號(hào)；以及以下述方式連接至不同于第一組感測結(jié)構(gòu)的第二組感測結(jié)構(gòu)：低電勢和高電勢的變動(dòng)導(dǎo)致第二組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)。

據(jù)此，可以減少正進(jìn)行感測的傳感器元件與未進(jìn)行感測的傳感器元件之間的不想要的耦合的出現(xiàn)。這提供了由指紋感測系統(tǒng)進(jìn)行的指紋感測的改進(jìn)的質(zhì)量。這在以下情況下特別如此：當(dāng)感測傳感器元件和非感測傳感器元件被布置成彼此相鄰時(shí)，換言之，當(dāng)?shù)诙M中的感測結(jié)構(gòu)被布置成與第一組中的感測結(jié)構(gòu)相鄰時(shí)。

有利地，第一組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)和第二組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)可以是基本相等的。

此外，指紋感測系統(tǒng)可以有利地包括驅(qū)動(dòng)電路裝置，該驅(qū)動(dòng)電路裝置可連接至感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)并且可控制以改變連接至驅(qū)動(dòng)電路裝置的感測結(jié)構(gòu)的電勢。這樣的驅(qū)動(dòng)電路裝置可以用于將上述激勵(lì)信號(hào)提供給手指。驅(qū)動(dòng)電路裝置還可以用于減小由于傳感器陣列的參考電勢的變動(dòng)而產(chǎn)生的對手指的不想要的激勵(lì)。

因此，在本發(fā)明的各種實(shí)施方式中，讀出電路裝置可以被配置成提供對由第一感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化進(jìn)行指示的感測信號(hào)；并且驅(qū)動(dòng)電路裝置可以被配置成給第二感測結(jié)構(gòu)提供時(shí)變驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得第二感測結(jié)構(gòu)的電勢是恒定的或者隨著時(shí)間的推移以第二感測結(jié)構(gòu)的電勢的峰峰幅度小于第一感測結(jié)構(gòu)的電勢的峰峰幅度而改變。

為了獲得該效果，驅(qū)動(dòng)電路裝置可以例如被配置成使用驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第二感測結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)基本上與傳感器陣列的參考電勢的變動(dòng)反相。在其中傳感器陣列的參考電勢的變動(dòng)具有大于到傳感器陣列的供電電壓的峰峰幅度的實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)電路裝置不能夠使用驅(qū)動(dòng)信號(hào)來完全補(bǔ)償參考電勢的變動(dòng)。然而，還在這樣的實(shí)施方式中，可以大幅度地減小對手指的不想要的激勵(lì)(電容式驅(qū)動(dòng))。

應(yīng)當(dāng)注意的是讀出電路裝置和驅(qū)動(dòng)電路裝置可以有利地被組合成在感測狀態(tài)與驅(qū)動(dòng)狀態(tài)之間可以是可控制的像素電路裝置。

驅(qū)動(dòng)電路裝置可以有利地被配置成將時(shí)變驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)提供給多個(gè)感測結(jié)構(gòu)。例如，可以將時(shí)變驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給除了當(dāng)前進(jìn)行感測的第一感測結(jié)構(gòu)和周圍感測結(jié)構(gòu)以外的所有感測結(jié)構(gòu)。

在根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的實(shí)施方式中，電源電路裝置可以包括恒定的電壓源，該恒定的電壓源被配置成提供基本恒定的供電電壓并且專用于給傳感器陣列供應(yīng)電力。

可替代地，電源電路裝置可以包括隔離電路裝置，該隔離電路裝置具有用于連接至電壓源的輸入側(cè)和連接至傳感器陣列的輸出側(cè)，隔離電路裝置被配置成防止電流從輸出側(cè)流到輸入側(cè)，由此以使在輸出側(cè)上的輸出電勢不同于在輸入側(cè)上的輸入電勢。

隔離電路裝置可以例如包括布置在電壓源與傳感器陣列之間的至少一個(gè)二極管，借此可以在二極管的不同的側(cè)上獲得不同的電勢。

在一個(gè)實(shí)施方式中，隔離電路裝置可以被配置成在電壓源與讀出電路裝置之間提供電力隔離。

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，這樣的提供電流隔離的隔離電路裝置是公知的，可以例如包括光耦合器、或者基于一個(gè)或更多個(gè)(微型)線圈和/或一個(gè)或更多個(gè)電容器的電路裝置。

根據(jù)各種實(shí)施方式，指紋感測系統(tǒng)還可以包括處理電路裝置，該處理電路裝置經(jīng)由通信接口連接至傳感器陣列以從傳感器陣列獲取指紋數(shù)據(jù)。

指紋數(shù)據(jù)可以是原始指紋圖像數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)可能已被處理并且然后可以以經(jīng)調(diào)節(jié)的圖像數(shù)據(jù)的形式提供為指紋模板數(shù)據(jù)或者以任何其他形式提供。

通信接口可以是任何合適的通信接口，其可以是并行接口或者串行接口。合適的通信接口的一個(gè)示例可以是spi接口(串行外圍接口)。

還如上所述，由讀出電路裝置提供的感測信號(hào)可以是模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)可以直接提供給通信接口。在這樣的實(shí)施方式中，指紋感測系統(tǒng)還可以包括用于將模擬感測信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的外部電路裝置。

在其中在獲取到指紋數(shù)據(jù)的同時(shí)傳感器陣列的參考電勢改變的實(shí)施方式中，為了使能夠從傳感器陣列不受干擾地獲取指紋數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的指紋感測系統(tǒng)還可以有利地包括用于在傳感器陣列與處理電路裝置之間提供電流隔離的隔離電路裝置。

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，這樣的隔離電路裝置是公知的，并且這樣的隔離電路裝置可以例如包括光耦合器、或者基于一個(gè)或更多個(gè)(微型)線圈和/或一個(gè)或更多個(gè)電容器的電路裝置。

可替代地或者結(jié)合上述隔離電路裝置，電源電路裝置可以被配置成在所述處理電路裝置從所述傳感器陣列獲取指紋數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間段期間保持所述低電勢和所述高電勢中的每個(gè)電勢基本恒定。

通過配置電源以在獲取期間保持傳感器陣列的參考電勢恒定(并且基本上在與獲取指紋數(shù)據(jù)的處理電路裝置的地電平相同的電勢處)，獲取可以發(fā)生而不受在指紋感測事件期間改變的參考電勢的干擾。換言之，可以將從傳感器陣列讀取/獲取完整的指紋圖像劃分為不同的時(shí)間間隙，在不同的時(shí)間間隙期間，分別允許和禁止不同的活動(dòng)。例如，感測時(shí)間間隙之后可以是獲取時(shí)間間隙，在感測時(shí)間間隙之前可以再次是針對感測時(shí)間間隙的時(shí)間。時(shí)間間隙的數(shù)量和持續(xù)時(shí)間可以取決于傳感器陣列的尺寸和傳感器陣列的緩沖能力。對于滑動(dòng)式傳感器(有時(shí)還被稱為帶傳感器或者線傳感器)，單個(gè)感測時(shí)間間隙隨后是信號(hào)獲取時(shí)間間隙可以是足夠的，而對于觸控傳感器(區(qū)域傳感器)，其可能需要有交錯(cuò)的若干感測時(shí)間間隙和若干獲取時(shí)間間隙。

根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式，傳感器陣列可以有利地包括激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置，該激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置用于生成關(guān)于低電勢(傳感器地電勢)的時(shí)變激勵(lì)信號(hào)以同步所述讀出電路裝置的操作；以及激勵(lì)信號(hào)輸出端，該激勵(lì)信號(hào)輸出端用于從傳感器陣列輸出激勵(lì)信號(hào)。

在實(shí)施方式中，激勵(lì)信號(hào)可以用于控制或觸發(fā)包括在指紋感測系統(tǒng)中的電源電路裝置，以將關(guān)于其中包括指紋感測系統(tǒng)的電子設(shè)備的參考電勢的上述時(shí)變低電勢和時(shí)變高電勢提供給傳感器陣列。

在其他實(shí)施方式中，所述激勵(lì)信號(hào)輸出端導(dǎo)電地連接至其中包括指紋感測系統(tǒng)的設(shè)備的參考電勢，由此迫使所述低電勢和所述高電勢關(guān)于參考電勢隨著時(shí)間的推移而改變。

激勵(lì)信號(hào)可以例如是關(guān)于傳感器地電勢的方波信號(hào)。

由于傳感器陣列的傳感器地電勢關(guān)于包括指紋感測系統(tǒng)的電子設(shè)備的參考電勢可變，因此將激勵(lì)信號(hào)輸出端系至設(shè)備參考電勢會(huì)導(dǎo)致傳感器地電勢關(guān)于設(shè)備參考電勢上下擺動(dòng)。

傳感器地電勢的關(guān)于設(shè)備參考電勢的擺動(dòng)會(huì)造成傳感器陣列的感測結(jié)構(gòu)(像素板)的電勢也關(guān)于設(shè)備參考電勢上下擺動(dòng)，并且因此還關(guān)于觸摸傳感器陣列的頂表面的手指的電勢上下擺動(dòng)。

因此，將激勵(lì)信號(hào)輸出端系至設(shè)備參考電勢會(huì)導(dǎo)致手指與傳感器陣列的感測結(jié)構(gòu)中的至少所選的一個(gè)感測結(jié)構(gòu)之間的時(shí)變電壓。通過測量由于手指與所述感測結(jié)構(gòu)之間的電壓的變化而產(chǎn)生的由感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化，可以推導(dǎo)出指示由感測結(jié)構(gòu)、手指和在感測結(jié)構(gòu)上的介電涂層形成的電容器的電容的測量值。該測量值也是對手指表面與感測結(jié)構(gòu)之間的距離的指示。

此外，根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的指紋感測系統(tǒng)可以有利地包括在電子設(shè)備中，還包括處理電路裝置，該處理電路裝置被配置成從指紋感測系統(tǒng)獲取對指紋圖案的表示；基于該表示認(rèn)證用戶；以及僅在基于該表示認(rèn)證了用戶的情況下執(zhí)行至少一個(gè)用戶請求的處理。

在其中傳感器陣列包括上述激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置和激勵(lì)信號(hào)輸出端的實(shí)施方式中，激勵(lì)信號(hào)輸出端可以有利地連接至電子設(shè)備的參考電勢例如電子設(shè)備的設(shè)備地或更高的參考電勢(例如，關(guān)于設(shè)備地電勢的3.3v、2.5v或1.8v)。

在指紋感測系統(tǒng)的這些實(shí)施方式(以及包括指紋感測系統(tǒng)的電子設(shè)備的這些實(shí)施方式)中，傳感器陣列(指紋傳感器)的所有端子(除激勵(lì)信號(hào)輸出端以外)會(huì)呈現(xiàn)關(guān)于設(shè)備地電勢的時(shí)變電勢電平。為了給傳感器陣列提供連續(xù)的電力供應(yīng)以及為了在處理電路裝置與傳感器陣列之間提供通信，還如上文所討論的那樣，指紋感測系統(tǒng)可以包括隔離電路裝置。

此外，在各種實(shí)施方式中，指紋感測系統(tǒng)可以包括導(dǎo)電的手指接觸結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)電的手指接觸結(jié)構(gòu)被布置成與傳感器陣列相鄰以在指紋感測系統(tǒng)在使用中時(shí)與用戶的手指導(dǎo)電接觸。這樣的手指接觸結(jié)構(gòu)可以例如被設(shè)置為邊框或框架，或者一個(gè)或若干個(gè)帶。作為將激勵(lì)信號(hào)輸出端連接至用于電子設(shè)備的參考電勢端子(關(guān)于設(shè)備地將激勵(lì)信號(hào)輸出端保持在恒定電壓處)的替代例，可以將激勵(lì)信號(hào)輸出端導(dǎo)電地連接至手指接觸結(jié)構(gòu)。在這樣的實(shí)施方式中，用戶的手指會(huì)是指紋傳感器地關(guān)于其改變的參考電平。由于可以減小設(shè)備地上的常見模式噪聲對指紋感測的影響，因此該配置可以是有利的。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種操作指紋傳感器的方法，該指紋傳感器包括：傳感器陣列，該傳感器陣列具有多個(gè)傳感器元件，所述多個(gè)傳感器元件均包括面向指紋傳感器的表面的感測結(jié)構(gòu)，其中，傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件被配置成提供對感測結(jié)構(gòu)與放置在電容式指紋傳感器的表面上的手指之間的電容耦合進(jìn)行指示的信號(hào)；以及電源接口，該電源接口具有用于給傳感器陣列提供電力的低電勢輸入和高電勢輸入，其中，所述方法包括以下步驟：將第一時(shí)變電勢提供給電源接口的低電勢輸入并且將第二時(shí)變電勢提供給電源接口的高電勢輸入，第二時(shí)變電勢與第一時(shí)變電勢之間的差為基本恒定的電壓；以及在提供第一時(shí)變電勢和第二時(shí)變電勢的同時(shí)，從傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件獲取對感測結(jié)構(gòu)與放置在電容式指紋傳感器的表面上的手指之間的電容耦合進(jìn)行指示的信號(hào)。

從傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件獲取的上述信號(hào)可以從一個(gè)傳感器元件一次獲取或者從若干傳感器元件一次同時(shí)獲取。同時(shí)從若干傳感器元件獲取使能夠從指紋傳感器更快地讀出。

第二時(shí)變電壓高于第一時(shí)變電壓，并且第二時(shí)變電壓與第一時(shí)變電壓之間的差是供電電壓。供電電壓可以例如是3.3v、2.5v或1.8v。

根據(jù)各種實(shí)施方式，獲取的步驟可以包括以下步驟：以下述方式控制在第一組傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件：低電勢和高電勢的變動(dòng)導(dǎo)致在第一組中的每個(gè)傳感器元件的感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)，并且在第一組中的每個(gè)傳感器元件提供對感測結(jié)構(gòu)與放置在指紋傳感器的表面上的手指之間的電容耦合進(jìn)行指示的信號(hào)；以及以下述方式控制在不同于第一組感測結(jié)構(gòu)的第二組傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件：低電勢與高電勢的變動(dòng)導(dǎo)致在第二組中的每個(gè)傳感器元件的感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)。第二組中的傳感器元件不提供對那些感測結(jié)構(gòu)與手指之間的電容式耦合進(jìn)行指示的信號(hào)。

此外，獲取的步驟可以附加地包括以下步驟：以下述方式控制第三組感測元件中的每個(gè)傳感器元件：傳感器元件的感測結(jié)構(gòu)的電勢恒定或者隨著時(shí)間的推移以傳感器元件的感測結(jié)構(gòu)的電勢的峰峰幅度小于第一組傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件的感測結(jié)構(gòu)的電勢的峰峰幅度而改變。

此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法還有利地包括以下步驟：通過包括在指紋傳感器中的通信接口提供對手指的指紋圖案進(jìn)行指示的信號(hào)，對手指的指紋圖案進(jìn)行指示的信號(hào)還對用于進(jìn)行糾錯(cuò)的糾錯(cuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

本發(fā)明的該第二方面的另外的實(shí)施方式和通過本發(fā)明的該第二方面獲得的效果與上文針對本發(fā)明的第一方面所描述的實(shí)施方式和效果非常相似。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種操作指紋傳感器的方法，該指紋傳感器包括：傳感器陣列，該傳感器陣列包括多個(gè)傳感器元件，所述多個(gè)傳感器元件均包括面向指紋傳感器的表面的感測結(jié)構(gòu)，其中，傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件被配置成提供對感測結(jié)構(gòu)與放置在電容式指紋傳感器的表面上的手指之間的電容耦合進(jìn)行指示的信號(hào)；電源接口，電源接口具有用于給傳感器陣列提供電力的接收低電勢的低電勢輸入端和接收高電勢的高電勢輸入端；激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置，激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置用于生成關(guān)于低電勢的時(shí)變激勵(lì)信號(hào)以同步指紋傳感器的操作；以及激勵(lì)信號(hào)輸出端，激勵(lì)信號(hào)輸出端用于從指紋傳感器輸出激勵(lì)信號(hào)，其中，所述方法包括以下步驟：將激勵(lì)信號(hào)輸出端導(dǎo)電地連接至包括指紋傳感器的設(shè)備的參考電勢，導(dǎo)致低電勢和高電勢的關(guān)于參考電勢的隨著時(shí)間推移的變動(dòng)；在高電勢與低電勢之間提供基本恒定的電壓差；以及在提供激勵(lì)信號(hào)的同時(shí)從傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件獲取對感測結(jié)構(gòu)與放置在指紋傳感器的表面上的手指之間的電容耦合進(jìn)行指示的信號(hào)。

總地來說，本發(fā)明涉及指紋感測系統(tǒng)，該指紋感測系統(tǒng)包括：傳感器陣列，該傳感器陣列具有多個(gè)感測結(jié)構(gòu)和可連接至感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的讀出電路裝置，以及電源電路裝置，該電源電路裝置被布置成給讀出電路裝置提供是高電勢與低電勢之間的差的基本恒定的供電電壓。指紋感測系統(tǒng)以下述方式被配置：在基本保持供電電壓的情況下低電勢和高電勢可變，以及讀出電路裝置以下述方式可連接至感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)：在基本保持供電電壓的情況下低電勢和高電勢的變動(dòng)導(dǎo)致由連接至讀出電路裝置的感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化。電荷的變化指示感測結(jié)構(gòu)與手指之間的電容耦合。

附圖說明

現(xiàn)在參照示出本發(fā)明的示例實(shí)施方式的附圖來更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其他方面，其中：

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式的用于指紋感測系統(tǒng)的應(yīng)用；

圖2示意性地示出了包括在圖1中的指紋感測系統(tǒng)中的傳感器陣列；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式的指紋感測系統(tǒng)的示意性功能圖，其中，在截面圖中示出了感測結(jié)構(gòu)和指紋紋線；

圖4示意性地示出了用于減小手指的不想要的電容驅(qū)動(dòng)的方法；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的第一實(shí)施方式的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的第二實(shí)施方式的示意圖；

圖7a至圖7c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的第三實(shí)施方式；

圖8a至圖8b示意性地示出了包括在指紋感測系統(tǒng)中的電源電路裝置的示例實(shí)施方式；

圖9示意性地示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的讀出和與指紋感測系統(tǒng)中的傳感器陣列通信的有利時(shí)序；以及

圖10a至圖10b示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的實(shí)施方式中的感測元件的示例配置。

具體實(shí)施方式

在本詳細(xì)描述中，參照指紋感測系統(tǒng)主要地描述了根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)和方法的各種實(shí)施方式，其中，主動(dòng)地控制用于給傳感器陣列供電的供電電壓的低電勢和高電勢以與從傳感器陣列中的各個(gè)感測結(jié)構(gòu)的讀出同步地改變。此外，傳感器陣列被示出為尺寸確定并且配置成從靜止的手指獲取指紋表示的觸控傳感器。

應(yīng)當(dāng)注意，并未限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明同樣地包括例如下述指紋感測系統(tǒng)，其中，手指的電勢被主動(dòng)地改變并且用于給傳感器陣列供應(yīng)電力的供電電壓的低電勢和高電勢跟隨手指電勢的變動(dòng)。其他傳感器陣列配置例如用于從移動(dòng)的手指獲取指紋表示的所謂的滑動(dòng)式傳感器(或者線傳感器)也在本發(fā)明的由所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)。

圖1以具有集成的指紋感測系統(tǒng)2的移動(dòng)電話1的形式示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式的用于指紋感測系統(tǒng)的應(yīng)用。指紋感測系統(tǒng)2可以例如用于對移動(dòng)電話1進(jìn)行解鎖和/或用于授權(quán)使用移動(dòng)電話進(jìn)行的交易等。

圖2示意性地示出了包括在圖1中的指紋感測系統(tǒng)2中的電容式指紋傳感器4。如圖2可見，指紋傳感器4包括傳感器陣列5、電源接口6和通信接口7。傳感器陣列5包括大量像素8(用附圖標(biāo)記指示了像素中的僅一個(gè)像素以避免混淆附圖)，每個(gè)像素均可被控制以感測包括在像素8中的感測結(jié)構(gòu)(頂板)與接觸傳感器陣列5的頂表面的手指的表面之間的距離。在圖2中的傳感器陣列5的放大部分中，第一組像素被標(biāo)記為針對感測的“s”，第二組像素被標(biāo)記為針對非感測的“n”，以及第三組像素被標(biāo)記為針對驅(qū)動(dòng)的“d”。

電源接口6包括此處示出為接合焊盤的第一觸片10a和第二觸片10b，用于將供電電壓vsupply連接至指紋傳感器4。

通信接口7包括許多接合焊盤，所述許多接合焊盤用于使能夠控制指紋傳感器4以及用于從指紋傳感器4獲取指紋數(shù)據(jù)。

可以有利地使用cmos技術(shù)制造圖2中的指紋傳感器4，但是其他技術(shù)和處理也可以是可行的。例如，對于制造指紋傳感器4所需的一些處理步驟或者所有處理步驟，可以使用絕緣襯底和/或可以利用薄膜技術(shù)。

現(xiàn)在將參照圖3更加詳細(xì)地描述圖1中的指紋感測系統(tǒng)2的功能配置。

為了有助于讀者理解，圖3是示意性截面圖和功能框圖的混合。參照圖3，指紋紋線12接觸保護(hù)感測結(jié)構(gòu)15a至15c的介電層14的頂表面13。雖然圖3中未清楚地示出，但是指紋紋線12當(dāng)然被指紋谷包圍，在指紋谷中手指表面與傳感器陣列5的頂表面13隔開。連接至感測結(jié)構(gòu)15a至15c中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的是對應(yīng)的像素電路16a至16c。像素電路16a至16c由電源17經(jīng)由第一電力線18a和第二電力線18b來供電。如圖3所指示的，每個(gè)像素電路16a至16c具有用于提供指示對應(yīng)的感測結(jié)構(gòu)15a至15c與手指12之間的電容耦合的信號(hào)的控制輸入端19a至19c和輸出端20a至20c。

在圖3的示例實(shí)施方式中，通過將對應(yīng)的控制信號(hào)提供給相應(yīng)的控制輸入端19a至19c，每個(gè)像素電路16a至16c在感測狀態(tài)、非感測狀態(tài)與驅(qū)動(dòng)狀態(tài)之間是可控制的。

當(dāng)像素電路比如說16b處于感測狀態(tài)，使得像素是感測像素(由圖2中的“s”表示)時(shí)，像素電路被配置成在其輸出端20b處提供指示由像素電路連接至其的感測結(jié)構(gòu)15b攜帶的電荷的變化的感測信號(hào)。電荷的變化又指示感測結(jié)構(gòu)(平板)15b與手指12之間的電容耦合。電容耦合是對傳感器4的頂表面13與手指表面之間的距離的指示。

當(dāng)像素電路比如說16a和16c處于非感測狀態(tài)時(shí)，像素是非感測像素(由圖2中的“n”表示)。然后，像素電路16a、16c處于沒有感測信號(hào)輸出這樣的狀態(tài)。其他像素電路(圖3中未示出)可以處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)使得其像素是驅(qū)動(dòng)像素(由圖2中的“d”表示)。驅(qū)動(dòng)像素電路將信號(hào)提供給驅(qū)動(dòng)像素電路連接至其的感測結(jié)構(gòu)(平板)。

在感測操作期間，使限定供電電壓vsupply的低電勢vl和高電勢vh能夠如圖3中示意性地指示的那樣改變。因此，使用基本恒定的供電電壓vsupply給像素電路16a至16c中的每個(gè)像素電路供電，供電電壓vsupply在電勢上如圖3中示意性地指示的那樣上下移動(dòng)。

像素電路16a至16c以下述方式連接至其相應(yīng)的感測結(jié)構(gòu)15a至15c：在基本保持供電電壓vsupply的情況下低電勢vl和高電勢vh的關(guān)于其中包括指紋感測系統(tǒng)2的電子設(shè)備1的參考電勢的變動(dòng)導(dǎo)致也在連接至像素電路16a至16c的相應(yīng)的感測結(jié)構(gòu)15a至15c上的電勢的變動(dòng)。

應(yīng)當(dāng)注意結(jié)合圖3提供的描述重點(diǎn)在于給傳感器陣列供應(yīng)電力并且應(yīng)當(dāng)注意未詳細(xì)描述每個(gè)傳感器元件/像素的確切的電路和/或物理布局。

如本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的那樣，許多不同的電路布局和/或物理布局在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在us7864992中提供了合適的像素布局的一個(gè)示例，其全部內(nèi)容通過引用合并至本文。下文還將參照圖10a至圖10b進(jìn)一步描述所述示例性像素配置。

在一些實(shí)施方式中，可以期望的是減小在其相應(yīng)的感測結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)變化的電勢的像素的數(shù)量，以減小手指的電容驅(qū)動(dòng)。這可以通過使傳感器陣列的僅一段的電勢改變來實(shí)現(xiàn)，或者通過使用像素電路可以具有的驅(qū)動(dòng)能力來實(shí)現(xiàn)。

在其中所有像素電路連接至同一電源線18a-18b的實(shí)施方式中，針對每個(gè)像素電路的參考電勢(局部地)會(huì)跟隨在電源線18a和18b上的關(guān)于其中包括指紋感測系統(tǒng)2的電子設(shè)備1的參考電勢的電勢變動(dòng)。如果使傳感器陣列5的所有感測結(jié)構(gòu)能夠跟隨電源線18a和18b的電勢變動(dòng)，則感測結(jié)構(gòu)可以統(tǒng)一地電容驅(qū)動(dòng)手指12。手指12的所述電容驅(qū)動(dòng)會(huì)減小手指與一個(gè)或更多個(gè)當(dāng)前感測像素(“s”)的一個(gè)或更多個(gè)感測結(jié)構(gòu)15b之間的期望的電勢差。

減小手指12的所述不想要的電容驅(qū)動(dòng)的影響的示例性方法是將所選擇的像素電路控制到其驅(qū)動(dòng)狀態(tài)并且將驅(qū)動(dòng)信號(hào)vdrive提供給驅(qū)動(dòng)(“d”)像素的感測結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)vdrive基本上與由變化的低vl電勢和高vh電勢引起的電勢vs的變動(dòng)反相。

取決于低vl電勢和高vh電勢的變動(dòng)的幅度，在驅(qū)動(dòng)(“d”)像素的感測結(jié)構(gòu)上的結(jié)果電勢vn可以是基本上恒定的或者如圖4中示意性地示出的以比在一個(gè)或更多個(gè)感測(“s”)像素的一個(gè)或更多個(gè)感測結(jié)構(gòu)15b上的電勢vs較小的峰峰幅度而改變。

在下文中，將參照圖5、圖6和圖7a至圖7c中提供的示意性功能圖來描述根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的三個(gè)示例實(shí)施方式。

開始于第一示例實(shí)施方式，圖5示意性地示出了指紋感測系統(tǒng)2，該指紋感測系統(tǒng)2包括指紋傳感器4、此處以微處理器形式的處理電路裝置25以及電源電路裝置26。

如上文結(jié)合圖2所描述的那樣，指紋傳感器4包括傳感器陣列5、電源接口6以及通信接口7。在本示例中，通信接口7被設(shè)置成以spi接口(串行外圍接口)的形式。

微處理器25從指紋傳感器4獲取指紋數(shù)據(jù)并且可以處理如通過應(yīng)用所獲取的指紋數(shù)據(jù)。例如，微處理器25可以運(yùn)行指紋匹配(驗(yàn)證和/或識(shí)別)算法。

電源電路裝置26包括被配置成輸出供電電壓vsupply的傳感器電壓源27以及此處為方波脈沖發(fā)生器28的脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器用于關(guān)于其中包括指紋感測系統(tǒng)2的電子設(shè)備1的參考電勢dgnd調(diào)制傳感器電壓源27的低電勢側(cè)。

作為方波信號(hào)的替代例，脈沖發(fā)生器可以生成任何其他合適的脈沖形狀例如正弦波或鋸齒形信號(hào)等。

可以以專用于給指紋傳感器4供應(yīng)電力的恒壓源例如電池的形式設(shè)置傳感器電壓源27。可替代地，傳感器電壓源27可以包括隔離電路裝置，該隔離電路裝置用于至少部分地隔離電壓源與指紋傳感器4。

下文將參照圖8a至圖8b進(jìn)一步描述包括隔離電路裝置的傳感器電壓源27的示例配置。

在該第一實(shí)施方式中，指紋感測系統(tǒng)2不包括用于電接觸手指12的任何外部結(jié)構(gòu)。例如如參照圖4所描述的那樣，對于圖5中的指紋感測系統(tǒng)2而言，因此減小不想要的電容驅(qū)動(dòng)是有益的。

如使用具有虛線邊界的框示意性地指示的，可選地，指紋感測系統(tǒng)2可以附加地包括隔離電路裝置29，該隔離電路裝置29用于在傳感器陣列5與微處理器25之間提供電流隔離或電平偏移。通過使用隔離電路裝置29，使微處理器25能夠與傳感器陣列5的參考電勢vl關(guān)于dgnd的改變無關(guān)地起作用。

如在發(fā)明內(nèi)容部分中所述，可以以本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的許多不同的方式來實(shí)現(xiàn)隔離電路裝置29。例如，可以使用部件例如光耦合器、線圈和/或電容器來實(shí)現(xiàn)隔離電路裝置29。雖然此處示出為獨(dú)立的電路裝置，但是應(yīng)當(dāng)理解，隔離電路裝置29可以與指紋傳感器4或者微處理器25集成在一起。

圖6示意性地示出了圖1中的指紋感測系統(tǒng)2的第二實(shí)施方式，其與上文參照圖5所描述的第一實(shí)施方式的不同之處在于其附加地包括與指紋傳感器4相鄰布置的導(dǎo)電邊框或框架30以允許手指12放置在指紋傳感器4上時(shí)手指12觸摸邊框30。

此外，脈沖發(fā)生器28連接在電壓源27與邊框30之間而不是如圖5中的第一實(shí)施方式那樣在電壓源27與地之間。

通過手指12與導(dǎo)電邊框30之間的連接，可以減輕任何不想要的電容驅(qū)動(dòng)的影響。

可選地，導(dǎo)電邊框30可以被接地，這對于處理esd可以是有利的。當(dāng)指紋感測系統(tǒng)2在使用中時(shí)，導(dǎo)電邊框30會(huì)與用戶的手指導(dǎo)電接觸。與指紋傳感器4相比，用戶的手指(身體)是大許多的導(dǎo)電體，這表示手指電勢會(huì)很大地受由脈沖發(fā)生器28提供的脈沖的影響，并且傳感器地電勢vl會(huì)如圖6中示意性地指示的那樣上下擺動(dòng)。

圖7a至圖7c示意性地示出了圖1中的指紋感測系統(tǒng)2的第三實(shí)施方式，其與上文參照圖5描述的第一實(shí)施方式的不同之處在于到指紋傳感器4的電源輸入端不關(guān)于設(shè)備地dgnd主動(dòng)地改變，并且不同之處在于指紋傳感器4附加地包括激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置(圖7a中未示出)，該激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置用于對指示包括在傳感器陣列5中的感測結(jié)構(gòu)與手指表面之間的距離的信號(hào)的測量和讀出(例如采樣和a/d轉(zhuǎn)換)進(jìn)行同步。圖7a中的指紋傳感器4還包括用于從指紋傳感器5輸出激勵(lì)信號(hào)tx的激勵(lì)信號(hào)輸出端32。

在提供與設(shè)備地dgnc相關(guān)的恒定的供電電勢vcc的電壓供應(yīng)與指紋傳感器4的電壓供應(yīng)接口6之間，設(shè)置有使指紋傳感器側(cè)上的電勢電平獨(dú)立于設(shè)備側(cè)(圖7a中的左邊)上的電勢電平的電壓隔離電路裝置33?？梢砸韵嚓P(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的許多不同的方式實(shí)現(xiàn)電壓隔離電路裝置。下文將參照圖8b描述合適的電路裝置的一個(gè)示例。其他合適的電路裝置包括各種轉(zhuǎn)換器解決方案或者交換網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)在將參照圖7b至圖7c中的時(shí)序圖描述圖7a中的指紋感測系統(tǒng)2的操作。

圖7b至圖7c中的時(shí)序圖兩者都將電位示出為時(shí)間的函數(shù)，但是是關(guān)于不同的參考電勢。

在圖7b中，關(guān)于指紋傳感器4的參考電勢vl(也被稱為傳感器地)示出了示例性激勵(lì)信號(hào)tx。如圖7b可見，激勵(lì)信號(hào)tx是在低電平vl與高電平vh之間的隨著時(shí)間的推移而改變的方波信號(hào)。

圖7c示出了與圖7b中所示相同的激勵(lì)信號(hào)tx，但是現(xiàn)在是關(guān)于設(shè)備地dgnd。因此，如圖7a中示意性示出的那樣，激勵(lì)信號(hào)輸出端32導(dǎo)電地連接至設(shè)備1的供電電勢vcc，該供電電勢vcc關(guān)于設(shè)備地dgnd是恒定的電勢，并且指紋傳感器系統(tǒng)2被配置成使得指紋傳感器4的電勢電位的電勢上下擺動(dòng)，激勵(lì)信號(hào)tx會(huì)呈現(xiàn)關(guān)于設(shè)備地的基本恒定的電勢。因此，如圖7c中示意性地指示的那樣，傳感器地vl會(huì)關(guān)于設(shè)備地dgnd隨著時(shí)間的推移而改變。

圖8a示意性地示出了包括電壓源37例如電池和隔離電路裝置38的傳感器電壓源27的第一實(shí)施方式。隔離電路裝置38被配置成在其輸入側(cè)與其輸出側(cè)之間提供電流隔離，電壓源37連接至所述輸入側(cè)，所述輸出側(cè)連接至如圖5和圖6所示的傳感器4?？梢砸员绢I(lǐng)域的技術(shù)人員已知的許多不同的方式實(shí)現(xiàn)圖8a中的隔離電路裝置38。例如，可以使用部件例如光耦合器、線圈和/或電容器實(shí)現(xiàn)隔離電路裝置38。雖然此處示出為分離的電路裝置，但是應(yīng)當(dāng)理解，隔離電路裝置38可以集成在指紋傳感器4中。

圖8b示意性地示出了包括輸入端39、二極管40和電容器41的傳感器電壓源27的第二實(shí)施方式。二極管40連接在傳感器電壓源27的輸入端39與指紋傳感器4的高電勢輸入端之間，而電容器41連接在用于指紋傳感器4的供電電壓的低電勢vl與高電勢vh之間。輸入端39是為了連接如上文參照圖7a至圖7c描述的包括指紋感測系統(tǒng)2的設(shè)備的供電電壓vcc。

圖8b中的隔離電路不提供供電電壓vcc與指紋傳感器4之間的完全電流隔離，而是使能夠?qū)r(shí)變低電勢vl和高電勢vh提供給指紋傳感器4，即使供電電壓(或者是供電電勢)vcc保持恒定也如此。

應(yīng)當(dāng)注意，圖8a中的電壓源37以及在圖8b中的輸入端39上提供的供電電壓vcc一般可以用于給附加設(shè)備例如微處理器25和/或包括指紋感測系統(tǒng)2的設(shè)備的其他部件提供電力。

上文，作為使能夠從具有變化的(擺動(dòng)的)參考電勢的傳感器陣列獲取指紋數(shù)據(jù)的手段討論了隔離電路裝置29的使用?？商娲兀梢酝ㄟ^在不同的時(shí)間間隙調(diào)度從像素8的讀出以及從傳感器陣列5獲取指紋數(shù)據(jù)，通過微處理器25而不使用隔離電路裝置29來獲取來自傳感器陣列5的指紋數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在將參照圖8中的時(shí)序圖對此進(jìn)行描述，在圖8的時(shí)序圖中，針對傳感器讀出的每個(gè)時(shí)間間隙35a至35d之后是針對從傳感器陣列獲取指紋數(shù)據(jù)的時(shí)間間隙36a至36d。在針對傳感器讀出的每個(gè)時(shí)間間隙35a至35d期間，可以對來自所有像素的信號(hào)進(jìn)行采樣和處理(例如轉(zhuǎn)換成數(shù)字)，或者在針對傳感器讀出的每個(gè)時(shí)間間隙35a至35d期間，可以對傳感器的段進(jìn)行采樣和處理。在后一種情況下，與在針對讀出的特定時(shí)間間隙35a至35d期間進(jìn)行采樣和處理的段對應(yīng)的指紋數(shù)據(jù)是在針對指紋數(shù)據(jù)的獲取的隨后時(shí)間間隙36a至36d期間獲取的。

在針對傳感器讀出的時(shí)間間隙35a至35d期間，控制電源電路裝置26以使限定供電電壓vsupply的低vl電勢和高vh電勢能夠改變，以及在針對指紋數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間間隙36a至36d期間，控制電源電路裝置26以保持低vl電勢和高vh電勢恒定。特別地，可以控制電源電路裝置26以將低電勢vl設(shè)置成與微處理器25的地電勢(設(shè)備地dgnd)相同的電勢。

現(xiàn)在將參照圖10a至圖10b描述包括在上述指紋傳感器4的實(shí)施方式中的感測元件8的示例配置。

如圖10a可見，感測元件以層結(jié)構(gòu)形成，所述層結(jié)構(gòu)包括三個(gè)導(dǎo)電層；在頂層的導(dǎo)電層m3，在中間的導(dǎo)電層m2以及底層導(dǎo)電層m1，以及在相應(yīng)的導(dǎo)電層m3、m2、m1下面的第一層絕緣介電材料51、第二層絕緣介電材料52以及第三層絕緣介電材料53。用于導(dǎo)電層的材料的示例通常是銅、鋁以及摻雜多晶硅。用于絕緣層的材料的示例通常是sio2、sin、sinox以及旋轉(zhuǎn)涂布玻璃。

此外，用于形成感測元件3的層狀結(jié)構(gòu)可以包括由導(dǎo)電層構(gòu)成的第四層p2(第二多晶硅)，該第四層保持在關(guān)于傳感器地vl的一定模擬電壓電勢avdd處。此外，存在也由導(dǎo)電層構(gòu)成的第五層p1(第一多晶硅)，該第五層保持在傳感器地電勢vl處，作用為電屏蔽。在這些層p2、p1中的每個(gè)層下邊，存在第四層絕緣介電材料63和第五層絕緣介電材料64。在底部，存在包括有源部件例如電荷放大器54的半導(dǎo)體襯底層d1。上述導(dǎo)電層p2、p1以及較低導(dǎo)電層m1可以例如用于路由電連接、電阻器和電屏蔽。導(dǎo)電層p2、p1中之一還可以用于形成每個(gè)感測元件8的下電極55以代替第二金屬層m2。

圖10a中示出的感測元件8包括形成在頂層導(dǎo)電層m3中的感測結(jié)構(gòu)15b。感測結(jié)構(gòu)15b連接至感測元件電路16b，感測元件電路16b包括電荷放大器54、下電極55、復(fù)位開關(guān)56以及采樣和保持電路裝置65。

如在圖10a中可見，感測結(jié)構(gòu)15b連接至電荷放大器54的負(fù)輸入端子58。電荷放大器54的正輸入端子59連接至傳感器地電勢vl。因此，借助于電荷放大器54，對應(yīng)的感測結(jié)構(gòu)15b虛擬地接地(傳感器地)，這是由于電荷放大器54的輸入端子58、59上的電壓幾乎為零。取決于電荷放大器的電路實(shí)現(xiàn)方式，在運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端子58和正輸入端子59之間可以存在有小的基本恒定的電壓，例如cmos晶體管的柵極電壓。

如還從圖10b可見，每個(gè)感測結(jié)構(gòu)15b可以被形成在頂層導(dǎo)電層m3中的屏蔽框60包圍，其中，屏蔽框60連接至傳感器地電勢vl作為導(dǎo)電屏蔽以防止相鄰感測結(jié)構(gòu)15b之間的橫向寄生電容，從而防止或者至少減小感測元件8之間的所謂的串?dāng)_。屏蔽框60還可以連接至另一合適的電勢。

此外，再次參照圖10a，存在覆蓋感測結(jié)構(gòu)15b中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的保護(hù)介電層14以保護(hù)感測元件8不受esd(靜電放電)和外部磨損影響。來到保護(hù)層14的上表面附近的手指12使手指12與感測結(jié)構(gòu)15b之間的電容cfinger升高。

如圖10a可見，包括在感測元件電路16b中的下電極55形成在中間導(dǎo)電層m2中。下電極55連接至電荷放大器54的輸出端子20b。存在有形成在感測結(jié)構(gòu)15b與每個(gè)下電極55之間的反饋電容cref，該反饋電容cref連接在輸出端子20b與電荷放大器54的負(fù)輸入端子58之間。

輔助下電極55a也形成在中間導(dǎo)電層m2中，與下電極55相鄰。由于下電極55一般可以具有比感測結(jié)構(gòu)15b較小的面積，因此輔助下電極55a連接至傳感器地電勢vl并且用作額外屏蔽。

下電極55可以被配置成獲得針對傳感器元件電路16b的期望增益。特別地，由于增益取決于反饋電容cref，反饋電容cref又取決于感測結(jié)構(gòu)15b、下電極55和第一絕緣層51的物理尺寸，因此可以合適地選擇下電極55的尺寸。可以調(diào)節(jié)輔助下電極55a的尺寸以配合在下電極55旁邊。

如上所述，關(guān)于手指12的電勢擺動(dòng)傳感器地電勢vl導(dǎo)致每個(gè)感測結(jié)構(gòu)15b與手指12之間的電壓的變化，所述變化又導(dǎo)致由感測結(jié)構(gòu)15b攜帶的電荷的變化。

由感測結(jié)構(gòu)15b攜帶的電荷的變化與皮膚和感測結(jié)構(gòu)15b之間的電容cfinger成比例。由于感測結(jié)構(gòu)15b是關(guān)于傳感器地vl虛擬地接地的，因此，感測結(jié)構(gòu)15b的電荷被電荷放大器54轉(zhuǎn)移至下電極55。然后，可以如下計(jì)算從電荷放大器54輸出的電壓：

uout＝(cfinger/cref)uin

由采樣保持電路裝置65優(yōu)選地使用相關(guān)雙采樣去除共模噪聲的低頻分量來對輸出電壓uout進(jìn)行采樣。

采樣保持電路65由控制信號(hào)控制并且將對感測結(jié)構(gòu)15b與手指12之間的電容耦合進(jìn)行指示的像素信號(hào)spixel輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(未示出)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到本發(fā)明并不受限于上述示例實(shí)施方式。例如，讀出電路裝置和驅(qū)動(dòng)電路裝置可以被設(shè)置為分離的電路。

在權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，以及不定冠詞“a”或“an”不排除復(fù)數(shù)。在互不相同的從屬權(quán)利要求中敘述了某些措施這一事實(shí)不指示不能有利地使用這些措施的組合。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案包括以下方案。

方案1.一種指紋感測系統(tǒng)，包括：

傳感器陣列，所述傳感器陣列具有：

多個(gè)感測結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)感測結(jié)構(gòu)均面向所述傳感器陣列的表面并且被布置成電容耦合至觸摸所述傳感器陣列的所述表面的手指；以及

讀出電路裝置，所述讀出電路裝置連接至所述感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)，以提供指示所述感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的變化的感測信號(hào)；以及

電源電路裝置，所述電源電路裝置被布置成給所述讀出電路裝置提供基本恒定的供電電壓，所述基本恒定的供電電壓為高電勢與低電勢之間的差，其中，

所述指紋感測系統(tǒng)以下述方式被配置：在基本保持所述供電電壓的情況下，所述低電勢和所述高電勢關(guān)于包括所述指紋感測系統(tǒng)的設(shè)備的參考電勢可變；以及

所述讀出電路裝置以下述方式連接至所述感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)：在基本保持所述供電電壓的情況下所述低電勢和所述高電勢的變動(dòng)導(dǎo)致由連接至所述讀出電路裝置的感測結(jié)構(gòu)攜帶的所述電荷的變化，由所述感測結(jié)構(gòu)攜帶的所述電荷的所述變化指示所述感測結(jié)構(gòu)與所述手指之間的電容耦合。

方案2.根據(jù)方案1所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述電源電路裝置被配置成提供關(guān)于所述參考電勢而改變的第一時(shí)變電勢作為所述低電勢，以及提供第二時(shí)變電勢作為所述高電勢。

方案3.根據(jù)方案1或2所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述讀出電路裝置能夠被控制以：

以下述方式連接至第一組感測結(jié)構(gòu)：所述低電勢和所述高電勢的所述變動(dòng)導(dǎo)致在所述第一組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的電勢的關(guān)于所述參考電勢的變動(dòng)，并且所述讀出電路裝置提供指示所述第一組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的所述變化的信號(hào)；以及

以下述方式連接至不同于所述第一組感測結(jié)構(gòu)的第二組感測結(jié)構(gòu)：所述低電勢和所述高電勢的所述變動(dòng)導(dǎo)致所述第二組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)的電勢的關(guān)于所述參考電勢的變動(dòng)。

方案4.根據(jù)方案3所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述讀出電路裝置僅提供指示所述第一組中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)攜帶的電荷的所述變化的信號(hào)。

方案5.根據(jù)前述方案中任一項(xiàng)所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述電源電路裝置包括隔離電路裝置，所述隔離電路裝置具有用于連接至電壓源的輸入側(cè)和連接至所述傳感器陣列的輸出側(cè)，

所述隔離電路裝置被配置成防止電流從所述輸出側(cè)流到所述輸入側(cè)，以使在所述輸出側(cè)上的輸出電勢不同于在所述輸入側(cè)上的輸入電勢。

方案6.根據(jù)方案5所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述隔離電路裝置被配置成在所述輸入側(cè)與所述輸出側(cè)之間提供電流隔離。

方案7.根據(jù)前述方案中任一項(xiàng)所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述傳感器陣列還包括驅(qū)動(dòng)電路裝置，所述驅(qū)動(dòng)電路裝置能夠連接至所述感測結(jié)構(gòu)中的每個(gè)感測結(jié)構(gòu)并且能夠控制以改變連接至所述驅(qū)動(dòng)電路裝置的感測結(jié)構(gòu)的關(guān)于所述低電勢的電勢。

方案8.根據(jù)前述方案中任一項(xiàng)所述的指紋感測系統(tǒng)，還包括處理電路裝置，所述處理電路裝置經(jīng)由通信接口連接至所述傳感器陣列以從所述傳感器陣列獲取指紋數(shù)據(jù)。

方案9.根據(jù)方案8所述的指紋感測系統(tǒng)，還包括用于在所述傳感器陣列與所述處理電路裝置之間提供電流隔離的隔離電路裝置。

方案10.根據(jù)方案8或9所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述低電勢和所述高電勢關(guān)于所述處理電路裝置的參考電勢可變。

方案11.根據(jù)方案8至10中任一項(xiàng)所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述電源電路裝置被配置成在所述處理電路裝置從所述傳感器陣列獲取指紋數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間段期間保持所述低電勢和所述高電勢中的每個(gè)電勢關(guān)于所述處理電路裝置的所述參考電勢基本恒定。

方案12.根據(jù)前述方案中任一項(xiàng)所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述指紋感測系統(tǒng)還包括導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)被布置成在所述手指被放置在所述傳感器陣列的所述表面上時(shí)與所述手指處于電接觸。

方案13.根據(jù)前述方案中任一項(xiàng)所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述傳感器陣列包括：

激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置，所述激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置用于生成關(guān)于所述低電勢的、用以同步所述讀出電路裝置的操作的時(shí)變激勵(lì)信號(hào)；以及

激勵(lì)信號(hào)輸出端，所述激勵(lì)信號(hào)輸出端用于從所述傳感器陣列輸出所述激勵(lì)信號(hào)，

其中，所述激勵(lì)信號(hào)輸出端導(dǎo)電地連接至所述參考電勢，從而迫使所述低電勢和所述高電勢關(guān)于所述參考電勢隨著時(shí)間的推移而改變。

方案14.根據(jù)方案1至12中任一項(xiàng)所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，

所述指紋感測系統(tǒng)還包括導(dǎo)電的手指接觸結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電的手指接觸結(jié)構(gòu)被布置成與所述傳感器陣列相鄰以電接觸所述手指；以及

所述傳感器陣列包括：

激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置，所述激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置生成關(guān)于所述低電勢的、用以同步所述讀出電路裝置的操作的時(shí)變激勵(lì)信號(hào)；以及

激勵(lì)信號(hào)輸出端，所述激勵(lì)信號(hào)輸出端用于從所述傳感器陣列輸出所述激勵(lì)信號(hào)，

其中，所述激勵(lì)信號(hào)輸出端導(dǎo)電地連接至所述手指接觸結(jié)構(gòu)，從而迫使所述低電勢和所述高電勢關(guān)于所述手指的電勢隨著時(shí)間的推移而改變。

方案15.一種電子設(shè)備，包括

根據(jù)方案13所述的指紋感測系統(tǒng)，以及

處理電路裝置，所述處理電路裝置被配置成：

從所述指紋感測系統(tǒng)獲取所述指紋圖案的表示；

基于所述表示認(rèn)證用戶；以及

僅在基于所述表示認(rèn)證了所述用戶的情況下執(zhí)行至少一個(gè)用戶請求的處理，

其中，包括在所述指紋感測系統(tǒng)中的所述傳感器陣列的所述激勵(lì)信號(hào)輸出端導(dǎo)電地連接至所述電子設(shè)備的所述參考電勢。

方案16.一種操作指紋傳感器的方法，所述指紋傳感器包括：

傳感器陣列，所述傳感器陣列包括多個(gè)傳感器元件，所述多個(gè)傳感器元件均包括面向所述指紋傳感器的表面的感測結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件被配置成提供指示所述感測結(jié)構(gòu)與放置在電容式指紋傳感器的所述表面上的手指之間的電容耦合的信號(hào)；以及

電源接口，所述電源接口具有用于給所述傳感器陣列提供電力的低電勢輸入端和高電勢輸入端，

其中，所述方法包括以下步驟：

將關(guān)于包括所述指紋傳感器的設(shè)備的參考電勢的第一時(shí)變電勢提供給所述電源接口的所述低電勢輸入端并且將關(guān)于包括所述指紋傳感器的設(shè)備的參考電勢的第二時(shí)變電勢提供給所述電源接口的所述高電勢輸入端，所述第二時(shí)變電勢與所述第一時(shí)變電勢之間的差為基本恒定的電壓；以及

在提供所述第一時(shí)變電勢和所述第二時(shí)變電勢的情況下，從所述傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件獲取指示所述感測結(jié)構(gòu)與放置在所述指紋傳感器的所述表面上的手指之間的電容耦合的所述信號(hào)。

方案17.根據(jù)方案16所述的方法，其中，所述獲取的步驟包括以下步驟：

以下述方式控制第一組傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件：所述低電勢和所述高電勢的所述變動(dòng)導(dǎo)致所述第一組中的每個(gè)傳感器元件的所述感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)，并且所述第一組中的每個(gè)傳感器元件提供指示所述感測結(jié)構(gòu)與放置在所述指紋傳感器的所述表面上的手指之間的電容耦合的所述信號(hào)；以及

以下述方式控制不同于所述第一組感測結(jié)構(gòu)的第二組傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件：所述低電勢與所述高電勢的所述變動(dòng)導(dǎo)致所述第二組中的每個(gè)傳感器元件的所述感測結(jié)構(gòu)的電勢的變動(dòng)。

方案18.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述第二組中的傳感器元件被布置成與所述第一組中的至少一個(gè)傳感器元件相鄰。

方案19.根據(jù)方案17或18所述的方法，其中，所述獲取的步驟還包括以下步驟：

以下述方式控制第三組感測元件中的每個(gè)傳感器元件：所述傳感器元件的所述感測結(jié)構(gòu)的電勢恒定，或者關(guān)于所述參考電勢隨著時(shí)間的推移以峰峰幅度小于所述第一組傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件的所述感測結(jié)構(gòu)的電勢的峰峰幅度的方式而改變。

方案20.根據(jù)方案16至19中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟：

通過包括在所述電容式指紋傳感器中的通信接口提供指示所述手指的指紋圖案的信號(hào)，

指示所述手指的所述指紋圖案的所述信號(hào)還對使得能夠進(jìn)行糾錯(cuò)的糾錯(cuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

方案21.一種操作指紋傳感器的方法，所述指紋傳感器包括：

傳感器陣列，所述傳感器陣列包括多個(gè)傳感器元件，所述多個(gè)傳感器元件均包括面向所述指紋傳感器的表面的感測結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件被配置成提供指示所述感測結(jié)構(gòu)與放置在電容式指紋傳感器的所述表面上的手指之間的電容耦合的信號(hào)；

電源接口，所述電源接口具有接收低電勢的低電勢輸入端和接收高電勢的高電勢輸入端，用以給所述傳感器陣列提供電力；

激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置，所述激勵(lì)信號(hào)生成電路裝置用于生成關(guān)于所述低電勢的、用以同步所述指紋傳感器的操作的時(shí)變激勵(lì)信號(hào)；以及

激勵(lì)信號(hào)輸出端，所述激勵(lì)信號(hào)輸出端用于從所述指紋傳感器輸出所述激勵(lì)信號(hào)，

其中，所述方法包括以下步驟：

將所述激勵(lì)信號(hào)輸出端導(dǎo)電地連接至包括所述指紋傳感器的設(shè)備的參考電勢，導(dǎo)致所述低電勢和所述高電勢的關(guān)于所述參考電勢的隨時(shí)間的變動(dòng)；

在所述高電勢與所述低電勢之間提供基本恒定的電勢差；以及

在提供所述激勵(lì)信號(hào)的情況下從所述傳感器元件中的每個(gè)傳感器元件獲取指示所述感測結(jié)構(gòu)與放置在所述指紋傳感器的所述表面上的所述手指之間的電容耦合的所述信號(hào)。