本申請是國家申請?zhí)枮?01580002035.1、進入中國國家階段的日期為2016年3月29日、發(fā)明名稱為“具有改善了的感測元件的電容式指紋感測器”的pct申請的分案申請。

本發(fā)明涉及電容式指紋感測裝置，并且涉及感測指紋圖案的方法。

背景技術：

為了提高安全性和/或增強用戶的便利性，各種類型的生物測定系統(tǒng)被使用得越來越多。

具體地，歸功于指紋感測系統(tǒng)的小的形狀因子、高的性能以及用戶可接受性，在例如消費類電子裝置中采用了指紋感測系統(tǒng)。

在各種可用的指紋感測原理中(例如，電容式、光學式、熱能式等)，電容式感測最為常用，尤其是在尺寸以及功耗為重要問題的應用中。

所有電容式指紋感測器皆提供表示幾個感測結構中的每一個感測結構與放置在指紋感測器表面上的或移動跨越指紋感測器表面的手指之間的電容的度量。

某些電容式指紋感測器會無源地讀出感測結構與手指之間的電容。然而，這需要相對大型的電容。所以，這樣的無源電容式感測器通常設置有覆蓋感測結構的非常薄的保護層，這會使得這樣的感測器對刮擦和/或esd(靜電放電)相當敏感。

us7864992公開了一種有源電容式指紋感測裝置，其中，通過以下操作來將驅動信號注入手指：對布置在感測器陣列附近的導電驅動結構施以脈沖，并且對由感測器陣列中的感測結構所攜載的電荷的最終變化進行測量。

盡管根據us7864992的指紋感測系統(tǒng)提供了指紋圖像品質和感測器保護的優(yōu)異組合，但是，在某些應用中期望能夠在不使用單獨的導電驅動結構的情況下獲得高品質的指紋圖像。具體地，對于“困難”手指如干燥的手指，似有改善的空間。

在kwang-hyunlee和euisikyoon的論文“a500dpicapacitive-typecmosfingerprintsensorwithpixel-leveladaptiveimageenhancementscheme”(isscc2002/會議21/td:sensorsandmicrosystems/21.3)中描述了一種替代性有源指紋感測裝置。在此指紋感測裝置中，激勵脈沖被施加至每個像素的感測電極而非被施加至手指。假設手指的電位基本上恒定。

此指紋感測器看似無需單獨的導電驅動結構即可使用。然而，在“a500dpicapacitive-typecmosfingerprintsensorwithpixel-leveladaptiveimageenhancementscheme”中描述的指紋感測器據說被配置成呈現相對于手指的在0ff至200ff范圍中的電容(被測量的電容)。在指紋感測領域中，這是相對大型的電容，其表示設置在感測電極上的保護涂層非常薄。實際上，保護涂層指的是“鈍化層”，其通常被理解為厚度大約是1μm的sio層或sin層。具有這樣的薄保護涂層的指紋感測器在包括移動裝置應用的許多重要的應用中會不夠穩(wěn)健。

因此，期望提供其中激勵脈沖被施加至感測電極的更加穩(wěn)健的電容式指紋感測裝置，同時又能夠實現高品質的指紋表示。

技術實現要素：

鑒于上面所提及的缺點以及現有技術的其他缺點，本發(fā)明的目的在于提供改善了的電容式指紋感測裝置。

根據本發(fā)明的一方面，提供了一種用于感測手指的指紋圖案的指紋感測裝置，指紋感測裝置包括半導體基板；以及形成在半導體基板上的感測元件的陣列，其中，每個感測元件包括：要由手指觸摸的保護性介電頂層；以及被布置在頂層下方的導電的感測結構；其中，指紋感測裝置還包括：至少一個放大器，放大器被耦接至感測結構中的至少一個，感測結構用于提供指示手指與感測結構之間的電容性耦合的感測信號，放大器包括形成在半導體基板中的阱中的至少一個晶體管，阱與半導體基板之間的界面被配置成能夠防止電流在阱與半導體基板之間流動；以及激勵信號提供電路系統(tǒng)，激勵信號提供電路系統(tǒng)被耦接至感測結構并且被配置成改變感測結構的電位，從而提供手指與感測結構之間的電位差的變化。

根據又一方面，提供一種電子裝置，包括：根據以上的指紋感測裝置；以及處理電路系統(tǒng)，被配置成：從指紋感測裝置獲取指紋圖案的表示；基于表示來對用戶進行認證；以及僅當用戶基于表示被認證時，才執(zhí)行至少一項用戶請求的處理。

根據再一方面，提供一種使用指紋感測裝置來感測手指的指紋圖案的方法，指紋感測裝置包括摻雜的半導體基板；以及形成在半導體基板上的感測元件的陣列，其中，每個感測元件包括導電感測結構，導電感測結構被耦接至形成在半導體基板中的阱中的晶體管，阱被摻雜成與半導體基板極性相反，方法針對每個感測元件包括以下步驟：將感測結構的電位從第一電位改變?yōu)榈诙娢唬灰约疤峁└袦y信號，感測信號表示通過感測結構的從第一電位至第二電位的電位變化而實現的手指與感測結構之間的電位差變化所引起的感測結構所攜載的電荷的變化。

根據本發(fā)明的一方面，因此提供了一種用于感測手指的指紋圖案的電容式指紋感測裝置，所述指紋感測裝置包括半導體基板；以及形成在半導體基板上的感測元件的陣列，其中，每個所述感測元件包括：要由手指觸摸的保護性介電頂層；導電感測結構，被布置在所述頂層下方；以及電荷放大器，被連接至感測結構用于提供以下感測信號，所述感測信號表示由于手指與感測結構之間的電位差變化而導致的感測結構所攜載的電荷的變化。電荷放大器包括：負輸入端，被連接至感測結構；正輸入端；輸出端，用于提供所述感測信號；反饋電容器，被連接在負輸入端與輸出端之間；以及感測晶體管，感測晶體管的柵極構成負輸入端，其中，感測晶體管被形成在半導體基板中的阱中，所述阱與基板之間的界面被配置成能夠防止電流在所述阱與基板之間流動；并且其中，電荷放大器被配置成使得負輸入端處的電位基本上會隨動于正輸入端處的電位，其中，指紋感測裝置還包括激勵信號提供電路系統(tǒng)，激勵信號提供電路系統(tǒng)：被連接至正輸入端并且被配置成將正輸入端處的電位從第一電位改變?yōu)榈诙娢唬愿淖兏袦y結構的電位，從而改變手指與感測結構之間的電位差；以及被連接至所述阱用于將所述阱的電位從第三電位改變?yōu)榈谒碾娢?，第三電位與第四電位之間的差基本上等于第一電位與第二電位之間的差，以降低感測結構與所述阱之間的以及感測晶體管與所述阱之間的寄生電容的影響。

所述半導體基板可以有利地是摻雜的半導體基板，并且所述阱可以是基板的被摻雜成與半導體基板極性相反的一部分(如果半導體基板為p摻雜，則所述阱可以為n摻雜；如果半導體基板為n摻雜，則所述阱可以為p摻雜)。這是實現所述阱與基板之間的以下界面的一種方式，所述界面被配置成能夠防止電流在所述阱與基板之間流動。具體地，所述阱與基板可以被保持在這樣的電位處，所述電位使得沒有任何電流流過形成在基板與所述阱之間的界面處的二極管。

可替代地，在基板與所述阱之間可以設置有例如薄玻璃層形式的絕緣層。這樣的絕緣層還會防止電流在所述阱與基板之間流動。

電荷放大器會將負輸入端處的電荷轉換成輸出端處的電壓。電荷放大器的增益通過反饋電容器的電容來確定。

電荷放大器被配置成使得負輸入端處的電位基本上隨動于正輸入端處的電位，應當被理解為表示正輸入端處的電位的變化會導致負輸入端處的電位的基本上對應的變化。取決于電荷放大器的實際配置，負輸入端處的電位可以與正輸入端處的電位基本上相同，或者，正輸入端與負輸入端之間的電位差可以基本上恒定。例如，如果電荷放大器被配置成單級放大器，則所述電位差會是感測晶體管的柵極與源級之間的電壓。

應當注意，電荷放大器的輸出端不需要直接連接至反饋電容器，并且在輸出端與反饋電容器之間可以有額外的電路系統(tǒng)。所述電路系統(tǒng)還可以被放置在感測元件矩陣的外面。

激勵信號提供電路系統(tǒng)可以是被配置成用以在被提供于不同線路上的兩個或更多個不同電位之間進行切換的切換電路系統(tǒng)?？商娲鼗蛘吲c之結合地，激勵信號提供電路系統(tǒng)可以包括至少一個信號源，所述至少一個信號源被配置成提供時變電位，例如方波電壓信號或正弦波電壓信號。

感測結構可以有利地以金屬板的形式來提供，而使得感測結構(感測板)、局部手指表面和保護涂層(以及局部性存在于局部手指表面與保護涂層之間的任何空氣)能夠形成某種平行板電容器。

保護涂層可以有利地為至少20μm厚并且具有高介電強度以保護指紋感測裝置的底層結構，避免受到磨損、撕扯和esd的破壞。更有利地，保護涂層可以為至少50μm厚。在實施方式中，保護涂層可以為數百μm厚。

本發(fā)明基于以下認識：向感測電極(以及向感測晶體管)施加激勵信號需要注意當激勵信號被施加至手指時可能會看不見的相當大的寄生電容；以及需要明顯降低所述寄生電容的影響以能夠感測感測結構與手指之間非常小的電容——大約為0.1ff。而感測這樣的小電容可能又需要能夠使用厚的保護涂層來提供改善了的魯棒性。

如果激勵信號被施加至手指并且該感測結構保持在固定電位處(例如接地)，則感測結構與手指之間的電容的測量將不會受到感測結構與電荷放大器之間的任何寄生電容及/或感測結構與在其中形成電荷放大器的半導體基板之間的任何寄生電容的干擾，因為感測結構以及電荷放大器的相關部分(以及半導體基板)的電位會相同(或者在感測結構與電荷放大器的輸入級以及半導體基板之間的電位差會恒定)。然而，如果激勵信號被施加至感測結構，則感測結構與半導體基板之間將會有時變電位差。模擬表明，臨近感測結構與電荷放大器的輸入級之間的連接的位于感測結構與半導體基板(通常為n阱、p阱及/或半導體基板)之間的寄生電容的大小會是大約10ff，而要被感測的電容(在感測結構與手指之間)可能低至0.1ff或更小。此外，上面提及的寄生電容通?？赡芪粗矣捎诎雽w制造過程的變化而導致在不同的感測元件中可能并不相同。

本發(fā)明人意識到，指紋感測裝置中感測結構與半導體結構之間的此寄生電容的影響可以通過提供激勵信號提供電路系統(tǒng)來顯著地減小，所述激勵信號提供電路被配置成對其中形成電荷放大器的感測晶體管的所述阱的電位進行改變。因此，作為臨近感測結構與感測晶體管(電荷放大器的輸入級)之間的連接的所述阱的電位能夠受控隨動于感測結構的電位，從而使得所述阱與感測結構之間的電位差能夠保持基本上恒定，至少在與對感測結構與手指之間的電容的測量有關的時間點處保持基本上恒定。

哪些時間點與所述測量有關會因所使用的測量方法而異，并且技術人員將能夠例如基于電路模擬來確定這樣的時間點，而沒有不適當的負擔。例如，在其中感測信號在兩個采樣時間處被采樣的所謂的相關雙重采樣的情況下，這些采樣時間可以是與所述測量有關的時間點。

當經由直接導電電氣連接線來向手指提供激勵信號時，或者換言之，當電驅動手指時，觸摸感測器陣列的手指表面與感測器陣列中的感測結構之間的電位差對于具有不同電氣屬性的手指可能不同。例如，所述電位差對于較干燥的手指可能比較低，從而導致可能難以分析的“較微弱的”手指圖像。

本發(fā)明的各種實施方式提供了一種穩(wěn)健的電容式指紋感測器，所述電容式指紋感測器能夠在不需要與手指電連接的導電驅動電極的情況下獲取高品質的指紋表示。這改善了從“困難”手指(具體地，干燥的手指)獲取指紋。指紋圖案的表示可以例如是原始的指紋圖像數據；或者，可以在對所述數據處理過之后，按照調節(jié)的圖像數據如指紋模板數據的形式或其他任何形式來提供。

另外，因為根據本發(fā)明實施方式的指紋感測裝置的成功操作不取決于手指的變化的電位，所以手指可以通過其中包括所述指紋感測裝置的產品的導電部件而接地(或者至少有重負載)。

此外，沒有導電結構(例如，環(huán)繞感測器陣列的導電框架)簡化了將指紋感測器集成至各種裝置例如移動電話和計算機中。此外，指紋感測器系統(tǒng)的設計能夠在沒有任何突兀的情況下作出，并且包括所述指紋感測器系統(tǒng)的產品的完成可以獲得改善。

根據本發(fā)明的各種實施方式，激勵信號提供電路系統(tǒng)還可以被配置成同時將電荷放大器的正輸入端保持在第一電位并且將所述阱保持在第三電位；以及同時將電荷放大器的正輸入端保持在第二電位并且將所述阱保持在第四電位。因此，所述阱可能遭受以下電壓擺動，所述電壓擺動的幅度與感測結構的電壓擺動的幅度基本上相同。這會使得能夠去除或至少顯著地降低感測結構與所述阱之間的寄生電容的影響。

根據本發(fā)明的指紋感測裝置的各種實施方式還可以包括采樣電路系統(tǒng)，所述采樣電路系統(tǒng)被連接至電荷放大器的輸出端并且被配置成在第一采樣時間和第二采樣時間處對感測信號進行采樣，第一采樣時間為當電荷放大器的正輸入端保持在第一電位并且所述阱保持在第三電位時，第二采樣時間為當電荷放大器的正輸入端保持在第二電位并且所述阱保持在第四電位時。

在第一采樣時間與第二采樣時間處采樣感測信號的過程通常被稱為相關雙重采樣并且去除指紋感測裝置可能遭受的共模噪聲的大部分偏移值以及至少低頻分量。通過分別確保感測結構的電位與所述的電位至少與上述采樣時間同步，感測結構與所述阱之間的寄生電容的影響可以被去除或者至少明顯地降低。

此外在各種實施方式中，第三電位可以有利地基本上等于第一電位并且第四電位可以基本上等于第二電位。

此外，激勵信號提供電路系統(tǒng)還可以具有連接至正輸入端與所述阱中每一者的輸出端，用于將正輸入處的電位以及所述阱處的電位同時從第一電位改變成第二電位。

此外，根據各種實施方式，指紋感測裝置還可以包括被布置在感測結構與基板之間的屏蔽結構。激勵信號提供電路系統(tǒng)還可以被連接至屏蔽板并且被配置成將屏蔽板的電位從第五電位改變成第六電位，第五電位與第六電位之間的差基本上等于第一電位與第二電位之間的差。

因此，可以相對感測元件的其他可能的下方部件有效將感測結構屏蔽，所述其他可能的下方部件例如金屬層中的連接線路及/或形成在半導體基板中的連接線路及/或半導體電路系統(tǒng)。這將進一步降低感測元件中的寄生電容的影響。

第五電位可以有利地等于上述第三電位(和/或第一電位)，第六電位可以有利地等于上述第四電位(和/或第二電位)。例如，屏蔽板可以有利地直接導電連接至所述阱。

根據第一組實施方式，感測晶體管可以是nmos晶體管或pmos晶體管，并且所述阱可以相應地是p阱或n阱。

根據第二組實施方式，p阱和/或n阱可以被形成在與激勵信號提供電路系統(tǒng)連接的阱中。當至少p阱及至少n阱被形成在所述阱中時，所述阱有時可以被稱為iso阱。

此外，所述阱可以為多個感測元件所共用。例如，所述阱可以是環(huán)繞幾個感測元件的n阱和p阱的iso阱。激勵信號提供電路系統(tǒng)可以被連接至iso阱并且被連接至形成在iso阱內的阱，并且被配置成改變iso阱的電壓以及形成在iso阱內的阱的電壓。

根據各種實施方式，每個感測元件還可以包括重置切換器，所述重置切換器包括至少一個重置晶體管，所述至少一個重置晶體管被連接在電荷放大器的負輸入端與輸出端之間并且能夠被控制用于對反饋電容器進行放電，其中，重置晶體管被形成在所述阱中。

重置晶體管的柵極可以被連接至結合上述第三電位與第四電位而選擇的固定電位，以當重置晶體管受控用于對反饋電容器放電時保持重置晶體管導通；并且重置晶體管的柵極可以被連接至可以由激勵信號提供電路系統(tǒng)提供的變化的電位以保持重置晶體管不導通從而使得能夠對反饋電容器充電。

此外，根據各種實施方式，每個感測元件可以另外地包括包含有至少一個驅動晶體管的驅動信號提供電路系統(tǒng)，所述至少一個驅動晶體管被連接至感測結構并且能夠被控制用于向感測結構直接提供驅動信號，其中，驅動晶體管被形成在所述阱中。

例如，驅動晶體管可以被控制用于：當感測元件處于其“驅動”狀態(tài)中時，將感測結構連接至激勵信號提供電路系統(tǒng)；以及當感測元件處于其“感測”狀態(tài)中時，斷開感測結構與激勵信號提供電路系統(tǒng)的連接。為此，驅動晶體管的柵極可以被連接至結合上述第三電位與第四電位而選擇的固定電位，以在“驅動”狀態(tài)中保持驅動晶體管導通；并且驅動晶體管的柵極可以被連接至可以由激勵信號提供電路系統(tǒng)提供的變化的電位，以在“感測”狀態(tài)中保持驅動晶體管不導通。

盡管提供了驅動信號提供電路系統(tǒng)，但是，仍可以使得與當前正在感測的感測元件(像素)相鄰的感測元件(像素)的感測結構“隨動”于當前正在感測的感測元件的感測結構的電位，而不必操作該感測元件的電荷放大器。這可以降低指紋感測裝置的功耗。每個感測元件可以有利地能夠在至少“感測”狀態(tài)與“驅動”狀態(tài)之間被編程。還可以有以下第三狀態(tài)：感測結構可以被連接至固定電位或被電氣浮置。因此，感測結構與相鄰感測元件的感測結構之間的寄生電容的影響可以被去除或者至少顯著地被降低。

根據本發(fā)明的各種實施方式的指紋感測裝置還可以有利地包括讀出電路系統(tǒng)，所述讀出電路系統(tǒng)被連接至每個感測元件并且被配置成基于來自每個感測元件的感測信號來提供指紋圖案的表示。

該指紋感測裝置可以有利被包括在電子裝置中，電子裝置還包括處理電路系統(tǒng)，所述處理電路系統(tǒng)被配置成：從指紋感測裝置獲取指紋圖案的表示；基于所述表示來對用戶進行認證；以及僅當用戶基于所述表示被認證時才執(zhí)行至少一項用戶請求的處理。例如，電子裝置可以是如移動電話或平板計算機的手持式通信裝置、計算機或如手表等電子可穿戴物品。

根據本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供了一種使用指紋感測裝置來感測手指的指紋圖案的方法，指紋感測裝置包括：摻雜的半導體基板；以及形成在半導體基板上的感測元件的陣列，其中，每個感測元件包括導電感測結構，所述導電感測結構被連接至形成在半導體基板中的阱中的感測晶體管的柵極，所述阱被摻雜成與半導體基板極性相反，所述方法包括針對每個感測元件的以下步驟：將感測結構的電位從第一電位改變?yōu)榈诙娢?；將所述阱的電位從第三電位改變?yōu)榈谒碾娢?，第三電位與第四電位之間的差基本上等于第一電位與第二電位之間的差；以及提供感測信號，所述感測信號表示通過感測結構的從第一電位至第二電位的電位變化而實現的手指與感測結構之間的電位差的變化所引起的感測結構所攜帶的電荷的變化。

在根據本發(fā)明的方法的實施方式中，所述阱的電位可以按照以下方式來變化：當感測結構在第一電位時，所述阱在第三電位；以及當感測結構在第二電位時，所述阱在第四電位。

根據本發(fā)明的各種實施方式，所述方法還可以包括以下步驟：將多個相鄰感測元件中的每個感測結構的電位從第七電位改變?yōu)榈诎穗娢唬谄唠娢慌c第八電位之間的差基本上等于第一電位與第二電位之間的差。

因此，感測結構與相鄰感測元件的感測結構之間的寄生電容的影響可以被去除或者至少明顯地被降低。

本發(fā)明的第二方面的另外實施方式以及通過第二方面所獲得的效果與上面關于本發(fā)明的第一方面所描述的在很大程度上相同。

總之，本發(fā)明涉及一種電容式指紋感測裝置，所述電容式指紋感測裝置包括：半導體基板；以及形成在半導體基板上的感測元件的陣列。每個感測元件包括：保護性介電頂層；感測結構，被布置在所述頂層下方；以及電荷放大器，被連接至感測結構。電荷放大器包括：負輸入端，被連接至感測結構；正輸入端；輸出端，用于提供感測信號；反饋電容器；以及感測晶體管，感測晶體管的柵極構成負輸入端。感測晶體管被形成在半導體基板的絕緣性阱中。指紋感測裝置還包括激勵信號提供電路系統(tǒng)，激勵信號提供電路系統(tǒng)被連接至電荷放大器的正輸入端和所述阱，用于改變感測結構的電位以及所述阱的電位，從而降低感測元件中的寄生電容的影響。

附圖說明

現在將參考示出了本發(fā)明的示例實施方式的附圖來更加詳細地描述本發(fā)明的這些及其他方面，其中：

圖1示意性地示出了根據本發(fā)明的示例實施方式的指紋感測裝置的應用；

圖2示意性地示出了圖1中的指紋感測裝置；

圖3a是圖2中的指紋感測裝置的一部分的示意性橫截面圖；

圖3b是圖3a中的橫截面圖的一部分的放大圖，其示出了指紋感測裝置中的各個電容；

圖4a是圖2中的指紋感測裝置中所包括的感測元件的部分結構圖以及部分電路示意圖的混合圖；

圖4b是圖4a的以下版本：其中，圖中利用較高階附圖標記來示出電荷放大器；

圖5是圖4a中的感測元件的包括n阱的部分的概念性橫截面圖；

圖6是圖4a中的感測元件的包括iso阱的部分的概念性橫截面圖；

圖7a至圖7c是示意性地示出了將圖4a中的感測元件控制在其“驅動”狀態(tài)與“感測”狀態(tài)之間的時序圖；

圖8a至圖8c是示意性示出了被提供給感測結構/阱的信號以及從感測元件輸出的對應感測信號的圖；以及

圖9是示意性地示出了根據本發(fā)明的方法的示例實施方式的流程圖。

具體實施方式

在本詳細說明中，根據本發(fā)明的指紋感測裝置和方法的各種實施方式主要參考指紋感測裝置來描述，在該指紋感測裝置中，電荷放大器的正輸入端和阱被連接在一起并且相應地通過激勵信號提供電路系統(tǒng)來控制以隨動于相同的時變電位(結合參考電位，例如電氣地)，在所述阱中形成有包括在電荷放大器中的感測晶體管。指紋感測裝置中的感測結構(板)與下方結構之間的屏蔽板還被連接至電荷放大器的正輸入端。此外，反饋電容器由以下形成：感測板、與上述屏蔽板處于同一金屬層中的參考板、以及感測板與參考板之間的介電層。此外，指紋感測裝置被示為以下觸摸感測器，該觸摸感測器被成形并且被配置成從靜止的手指獲取指紋表示。

應當注意，這決不意味著限制本發(fā)明的范圍，例如，本發(fā)明同樣可以包括其中電荷放大器的正輸入端的電位、上述阱的電位和/或屏蔽板的電位會在不同的電位之間變化的指紋感測裝置，只要對于每一者的電位步進基本上相同即可。此外，反饋電容器可以使用感測元件中的其他結構來形成。例如，感測元件可以被配置成使得感測晶體管的柵極與漏極可以用作反饋電容器。其他感測器陣列配置例如用于從移動的手指獲取指紋表示的所謂的劃擦感測器(線感測器)，同樣落入本發(fā)明的由所附權利要求書限定的范圍內。

圖1示意性地示出了根據本發(fā)明的示例實施方式的指紋感測裝置的應用，其形式為具有集成式指紋感測裝置2的移動電話1。指紋感測裝置2例如可以用于解鎖移動電話1以及/或者用于授權使用移動電話來執(zhí)行的交易等。

圖2示意性地示出了包括在圖1中的移動電話1中的指紋感測裝置2。如圖2中所看見的，指紋感測裝置2包括感測器陣列5、電源接口6和通信接口7。感測器陣列5包括大量的感測元件8(為避免造成附圖混亂而使用附圖標記表示了僅一個感測元件)，每個感測元件8能夠被控制用于對包括在感測元件8中的感測結構(頂端板)與接觸感測器陣列5的頂端表面的手指表面之間的距離進行感測。在圖2中的感測器陣列5的放大部分中，第一感測元件被標記為“s”以表示感測，而第二組相鄰的感測元件被標記為“d”以表示驅動。

電源接口6包括第一觸墊10a和第二觸墊10b，此處被示為接合墊(bondpad)，用于將電源電壓vsupply連接至指紋感測器2。

通信接口7包括多個接合墊，以使得能夠控制指紋感測器2并且從指紋感測器2獲取指紋數據。

圖3a是圖2中的指紋感測裝置的一部分的沿圖2所示的線a-a’的示意性橫截面，在感測器陣列5上放置有手指11。參考圖3a，指紋感測裝置2包括：摻雜的半導體基板12；形成在半導體基板12上的所述多個感測元件8；以及感測元件上的保護性涂層13。手指11的表面包括與保護性涂層13接觸的多個脊部14以及與保護性涂層13分隔開的多個谷部15。

如圖3a中示意性地示出的，每個感測元件8包括與保護性涂層13相鄰并且形式為感測板17的感測結構。感測板17之下是另外的金屬結構以及圖3a中的用陰影線區(qū)域18示意性地表示的有源半導體電路系統(tǒng)。

圖3a近似地按比例繪制以說明保護性涂層13、感測元件18以及手指11的脊部14和谷部15的相對尺寸。如所看到的，保護性涂層13相當厚以防止感測元件受到磨損、撕扯和esd。不必說，保護性涂層13對于指紋感測裝置2的魯棒性而言非常重要。從圖3a中的相對尺寸還可以理解，感測結構17與手指11之間的電容非常小，尤其是相比感測板17與相鄰于感測板17的其他導電結構之間的寄生電容而言。這樣的導電結構的示例鄰近的感測板、上述另外的金屬結構、有源半導體電路系統(tǒng)18和基板12。

如在圖3b中示意性地示出的，感測元件18除了包括感測板17以外還包括屏蔽板20、參考板21和電荷放大器22。在圖3b中，電荷放大器22僅非常示意性地用虛線來表示。電荷放大器22的在圖中示出了一些細節(jié)的唯一部分是與感測板17連接的感測晶體管(mosfet)23。此類型圖示的理由是使得能夠表示出影響該感測元件8的最重要的寄生電容。

圖3b所表示的是感測板17與手指11之間的手指電容cf、感測板17與參考板21之間的參考電容cref、感測板17與屏蔽板20之間的第一寄生電容cp1、感測板與鄰近感測板之間的第二寄生電容cp2、以及感測板與其中形成有感測晶體管23的阱25之間的第三寄生電容cp3(實際上是阱25與連接感測板17和感測晶體管23的柵極的線路之間)。cp3還包括感測晶體管自身中的內部電容器。

為了使用圖3a至圖3b中的穩(wěn)健的指紋感測裝置2來實現高品質的指紋感測效果，最重要的是要去除或者至少降低與感測板17有關的寄生電容的影響。這可以基于對圖3b中的各個電容的近似大小的比較來清楚地理解。寄生電容cp1大約為100ff，cp2大約為10ff，cp3大約為5ff至10ff，而要被感測的手指電容cf大約為0.1ff。

現在將參考圖4a至圖4b來說明用以去除或者至少顯著地降低上述各個寄生電容的影響的感測元件8的示例配置。

圖4a是圖3a至圖3b中的感測元件8的部分結構示意圖及部分電路示意圖的混合示意圖。用分解視圖來示意性地示出保護性涂層13、感測板17、屏蔽板20和參考板21，而用晶體管層次的電路示意圖形式來示出電荷放大器22。

如圖4a所示，此簡易的電荷放大器22的第一示例包括感測晶體管23、級聯(lián)晶體管27、重置晶體管28和偏置電流源29。感測晶體管23、級聯(lián)晶體管27和重置晶體管28全部被形成在相同的阱25中。

為幫助理解圖4a中的部件和連接，還在圖4b中在更加抽象的層次示出了相同的示意性配置，用電荷放大器的通用符號來取代圖4a的晶體管電路，電荷放大器的負輸入端30與感測板17連接，電荷放大器的正輸入端31與在此處形式為脈沖發(fā)生器的激勵信號提供電路系統(tǒng)32連接，并且電荷放大器的輸出端33提供感測信號vout，感測信號vout表示因手指11與感測板17之間的電位差的變化而導致的由感測板17攜帶的電荷的變化。手指11與該感測板17之間的電位差變化由以下引起：脈沖發(fā)生器32經由電荷放大器施加給感測板17的變化電位。由感測板17和參考板21形成的反饋電容器被連接在電荷放大器22的負輸入端30與輸出端33之間。應當注意，電荷放大器的一般功能為相關領域技術人員所熟知。圖4b還示意性地表示阱25被連接至激勵信號提供電路系統(tǒng)32。

回到圖4a，可以看出，感測晶體管23的柵極構成電荷放大器22的負輸入端30，感測晶體管23的源極構成電荷放大器22的正輸入端31。電荷放大器22的正輸入端31被連接至屏蔽板20，而屏蔽板20又被連接至其中形成有感測晶體管23的阱25并且被連接至脈沖發(fā)生器32。

感測元件8還包括驅動晶體管26、驅動控制切換器35和重置控制切換器36。驅動控制切換器35能夠被控制成處于第一狀態(tài)或第二狀態(tài)，在第一狀態(tài)中驅動晶體管26的柵極被連接至該脈沖發(fā)生器32，在第二狀態(tài)中驅動晶體管26的柵極被接地。當驅動控制切換器35處于其第一狀態(tài)中時，驅動晶體管26導通并且因此將感測結構17直接連接至脈沖發(fā)生器32。當驅動控制切換器處于其第二狀態(tài)中時，驅動晶體管26不導通。在后一種情況下，在感測結構17與脈沖發(fā)生器32之間不會有經由驅動晶體管26的任何直接連接。如在圖4a中所看見的，驅動晶體管26被形成在阱25中。偏置電流源29可以位于感測元件中或者位于感測器陣列5的外部。

按照同樣的方式，重置控制切換器36能夠被控制成處于第一狀態(tài)或第二狀態(tài)，在第一狀態(tài)中重置晶體管28不導通以使得感測板17與反饋板21之間能夠存在電位差，在第二狀態(tài)中重置晶體管28導通以使得感測板17的電位與反饋板21的電位相等。

通過圖4a中的感測元件8的配置，內部寄生電容cp1與cp3的影響被去除或者至少顯著地被降低。此外，驅動鄰近感測結構會去除或者至少顯著地降低圖3b所示的鄰近的感測板17之間的寄生電容cp2的影響。這可以通過將鄰近的感測元件控制成處于它們的“感測”狀態(tài)或“驅動”狀態(tài)來實現，其中，“驅動”狀態(tài)的優(yōu)點是提供了指紋感測裝置2的較低的電流消耗。

應當注意，本發(fā)明不限于圖4a的具體的感測元件設計，而是可以按照基于本公開內容的對于本領域技術人而言很明顯的許多不同方式來實現感測元件的各個元件。例如，電荷放大器可以按照具有差分輸入端的兩級放大器的形式來提供。

為進一步幫助理解本發(fā)明的各種實施方式，在圖5中提供圖4a中的感測元件8的第一實現的另外橫截面圖。圖5中的圖示與圖4中的圖示的主要差別在于：在圖5中示出了包括在電荷放大器22中的一些晶體管(感測晶體管23與級聯(lián)晶體管27)的物理上的晶體管配置，而感測元件8(以及鄰近感測元件)的各種部件的電位方面的關系則使用“提靴帶(bootstrap)”50、51和52來作概念性表示。

圖5的主要目的是為了示出：上述被控制成“隨動”于感測板17的電位的阱25在這里是形成在p摻雜基板12中的n阱。明顯地，阱25可替代地是形成在n摻雜基板中的p阱。

圖6是與圖5類似的圖并且示意性地示出了圖4a中的感測元件8的第二實現，其與圖6所示的不同之處在于，n阱25和p阱54兩者被形成在iso阱55中，而iso阱55又形成在基板12(其可以為n摻雜、p摻雜、或未摻雜)中。在此實現中，iso阱55以及n阱25與p阱54受到控制而隨動于感測板17的電位，如通過另外的“提靴帶”53、56的示意性地示出。特別地，在這些阱之間會有電位差。

例如，參考圖6，iso阱55和n阱25可以保持在相同的電位處，而p阱54的電位可以隨動于iso阱/n阱的電位，但在不同(通常為較低)的電位處。

現在將參考圖7a至圖7c以及圖8a至圖8c的功能時序圖來說明根據本發(fā)明的各種實施方式的指紋感測裝置2的示例性操作。

還參考圖4a，圖7a示意性地示出了阱25的行為電位(以及具有偏移值的感測板17的行為電位)，圖7b示意性地示出了驅動控制切換器35的狀態(tài)，圖7c示意性地示出了重置控制切換器36的狀態(tài)。

在圖7a至圖7c的t0至t1中，感測元件8處于其“驅動”狀態(tài)中，在t1處，感測元件8通過操作驅動控制切換器35而轉變至其“感測”狀態(tài)，在t2處，感測元件8通過再次操作驅動控制切換器來經由驅動晶體管26將感測板17連接至脈沖發(fā)生器32而轉變回到其“驅動”狀態(tài)。

如在圖7a中示意性地示出的，阱25(和感測板17)呈現在“感測”狀態(tài)中與在“驅動”狀態(tài)中具有基本上相同行為的時變電位。在“驅動”狀態(tài)中，時變電位經由驅動晶體管26被施加至感測板17；在“感測”狀態(tài)中，時變電位(可能具有取決于電荷放大器配置的偏移)通過電荷放大器22被施加至感測板17。

如在圖7c中示意性地示出的，重置控制切換器36受控當感測元件8處于其“驅動”狀態(tài)中時保持重置晶體管28不導通并且當感測元件8處于其“感測”狀態(tài)中時交替切換在導通與不導通之間。下面將參考圖8a至圖8c來描述在感測期間被施加至感測板17的激勵信號與重置晶體管27的操作之間的示例性定時關系。

圖8a是圖7a的放大部分；圖8b示意性地示出了感測信號的模擬，即，圖4a中的電荷放大器22的輸出33端處的信號；以及圖8c示意性地示出了以固定參考電位(例如，大地)為基準而非以被施加至阱25的信號(其為圖4a中的電荷放大器22的局部參考電位)為基準的感測信號的模擬“校正”版本。

首先參考圖8a，被施加至感測板17的激勵信號在t3處從低電位變成高電位，并且接著在t4處從高電位回到低電位。在t3處，重置控制切換器36被操作用于使重置晶體管28導通，即，經由重置晶體管28將參考板21連接至感測板17。在t5處，重置控制切換器36再次被操作用于使重置晶體管28為不導通，即，使電荷放大器處于以下狀態(tài)：輸出表示感測板17上的電荷是否改變的信號。在t6處，感測信號第一次被采樣，而產生第一采樣值s1。當激勵信號在t4處從高變低時，感測板17上的電荷會因與手指11的電容性耦合而改變，假設手指11處于基本上固定的點位(至少在采樣事件的時間量程上)。此電荷變化會轉變成電荷放大器所提供的電壓的變化，即，感測信號vout的改變。在激勵信號從高至低的轉變之后感測信號的電位s2在t7處被采樣。根據圖4a很明顯地，感測信號與阱的電位有關(圖8a)。為取得“校正”的感測信號(圖8c)，可以從出現在電荷放大器22的輸出端33處的感測信號中減去激勵信號，從而產生校正的采樣電壓s1'與s2'。s2'與s1'之間的差是表示感測板17與手指11之間的電容性耦合的度量。

圖8c的校正的信號或至少校正的采樣可以用各種方式來獲得，例如通過使用儀表放大器或者通過使用激勵信號作為采樣電容器的參考電壓。

現在將參考圖9的流程圖來描述根據本發(fā)明的方法的示例實施方式。在第一步驟101中，感測板17的電位、屏蔽板20的電位、阱(圖6中的阱25或是圖7中的iso阱54)的電位以及相鄰感測板的電位同時從第一電位v1改變成第二電位v2(這個兩個電位以固定電位為基準，例如以電氣接地為基準)。在后續(xù)步驟102中，感測信號vout會被提供，其表示因步驟101中的電位變化造成手指11與感測板17之間的電位差變化進而造成感測板17所攜載的電荷的變化。

本領域技術人員應當意識到，本發(fā)明決不限于上述優(yōu)選實施方式。相比之下，在所附權利要求書的范圍內，可以有許多修改和變型。

在權利要求書中，“包括”并不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“a”或“an”不排除復數情況。單一處理器或其他單元可以實現權利要求書中所述的幾個項的功能。在互不相同的從屬權利要求中敘述特定手段的單純事實并不表示這些手段的組合不能有利地被使用。計算機程序可以被儲存在/分布在適合的介質中，例如與其他硬件一起或作為其他硬件的一部分的光存儲介質或固態(tài)介質；但是還可以其他形式來分布，例如經由因特網或其他有線或無線的電信系統(tǒng)。權利要求書中的任何參考標記不應當被解釋成限制本發(fā)明的范圍。

基于以上的說明，可知至少公開了以下技術方案：

附記1.一種用于感測手指的指紋圖案的電容式指紋感測裝置，所述指紋感測裝置包括半導體基板；以及形成在所述半導體基板上的感測元件的陣列，

其中，每個所述感測元件包括：

要由所述手指觸摸的保護性介電頂層；

被布置在所述頂層下方的導電感測結構；以及

電荷放大器，所述電荷放大器被連接至所述感測結構用于提供以下感測信號，所述感測信號表示由于所述手指與所述感測結構之間的電位差的變化而導致的所述感測結構所攜載的電荷的變化，所述電荷放大器包括：

負輸入端，被連接至所述感測結構；

正輸入端；

輸出端，用于提供所述感測信號；

反饋電容器，被連接在所述負輸入端與所述輸出端之間；以及

感測晶體管，所述感測晶體管的柵極構成所述負輸入端，

其中，所述感測晶體管被形成在所述半導體基板中的阱中，所述阱與所述基板之間的界面被配置成能夠防止電流在所述阱與所述基板之間流動；并且

其中，所述電荷放大器被配置成使得所述負輸入端處的電位基本上隨動于所述正輸入端處的電位，

其中，所述指紋感測裝置還包括：

激勵信號提供電路系統(tǒng)，所述激勵信號提供電路系統(tǒng)系：

被連接至所述正輸入端并且被配置成將所述正輸入端處的電位從第一電位改變?yōu)榈诙娢唬愿淖兯龈袦y結構的電位，從而提供所述手指與所述感測結構之間的電位差的變化；以及

被連接至所述阱用于將所述阱的電位從第三電位改變?yōu)榈谒碾娢?，所述第三電位與所述第四電位之間的差基本上等于所述第一電位與所述第二電位之間的差，從而降低所述感測結構與所述阱之間的寄生電容的影響。

2.根據附記1所述的指紋感測裝置，其中，所述激勵信號提供電路系統(tǒng)還被配置成：

同時將所述電荷放大器的所述正輸入端保持在所述第一電位并且將所述阱保持在所述第三電位；以及

同時將所述電荷放大器的所述正輸入端保持在所述第二電位并且將所述阱保持在所述第四電位。

3.根據附記1或2所述的指紋感測裝置，還包括采樣電路系統(tǒng)，所述采樣電路系統(tǒng)被連接至所述電荷放大器的所述輸出端，并且被配置成在第一采樣時間處以及在第二采樣時間處對所述感測信號進行采樣，所述第一采樣時間為當所述電荷放大器的所述正輸入端被保持在所述第一電位并且所述阱被保持在所述第三電位時，所述第二采樣時間為當所述電荷放大器的所述正輸入端被保持在所述第二電位并且所述阱被保持在所述第四電位時。

4.根據前述附記中任一項所述的指紋感測裝置，其中，所述第三電位基本上等于所述第一電位，并且所述第四電位基本上等于所述第二電位。

5.根據前述附記中任一項所述的指紋感測裝置，其中，所述激勵信號提供電路系統(tǒng)包括被連接至所述正輸入端與所述阱中每一者的輸出端，用于將所述正輸入端處的電位以及所述阱處的電位同時從所述第一電位改變?yōu)樗龅诙娢弧?/p>

6.根據前述附記中任一項所述的指紋感測裝置，還包括被布置在所述感測結構與所述基板之間的屏蔽結構，

其中，所述激勵信號提供電路系統(tǒng)還被連接至所述屏蔽板并且被配置成將所述屏蔽板的電位從第五電位改變成第六電位，所述第五電位與所述第六電位之間的差基本上等于所述第一電位與所述第二電位之間的差。

7.根據前述附記中任一項所述的指紋感測裝置，其中，所述感測晶體管是nmos晶體管或pmos晶體管，并且所述阱相應地是p阱或n阱。

8.根據附記1至6中任一項所述的指紋感測裝置，其中，p阱與n阱中至少之一形成在所述阱中。

9.根據附記8所述的指紋感測裝置，其中，所述阱為多個感測元件所共用。

10.根據前述附記中任一項所述的指紋感測裝置，其中，每個所述感測元件還包括：

重置切換器，包括至少一個重置晶體管，所述至少一個重置晶體管被連接在所述電荷放大器的所述負輸入端與所述輸出端之間并且能夠被控制用于對所述反饋電容器進行放電，

其中，所述重置晶體管被形成在所述阱中。

11.根據前述附記中任一項所述的指紋感測裝置，其中，每個所述感測元件還包括：

驅動信號提供電路系統(tǒng)，包括至少一個驅動晶體管，所述至少一個驅動晶體管被連接至所述感測結構并且能夠被控制用于直接向所述感測結構提供驅動信號，

其中，所述驅動晶體管被形成在所述阱中。

12.根據前述附記中任一項所述的指紋感測裝置，還包括讀出電路系統(tǒng)，所述讀出電路系統(tǒng)被連接至每個所述感測元件，并且被配置成基于來自每個所述感測元件的所述感測信號來提供所述指紋圖案的表示。

13.一種電子裝置，包括：

根據附記12所述的指紋感測裝置；以及

處理電路系統(tǒng)，被配置成：

從所述指紋感測裝置獲取所述指紋圖案的所述表示；

基于所述表示來對用戶進行認證；以及

僅當所述用戶基于所述表示被認證時，才執(zhí)行至少一項用戶請求的處理。

14.一種使用指紋感測裝置來感測手指的指紋圖案的方法，所述指紋感測裝置包括摻雜的半導體基板；以及形成在所述半導體基板上的感測元件的陣列，其中，每個所述感測元件包括導電感測結構，所述導電感測結構被連接至形成在所述半導體基板中的阱中的感測晶體管的柵極，所述阱被摻雜成與所述半導體基板極性相反，所述方法針對每個所述感測元件包括以下步驟：

將所述感測結構的電位從第一電位改變?yōu)榈诙娢唬?/p>

將所述阱的電位從第三電位改變?yōu)榈谒碾娢?，所述第三電位與所述第四電位之間的差基本上等于所述第一電位與所述第二電位之間的差；以及

提供感測信號，所述感測信號表示通過所述感測結構的從所述第一電位至所述第二電位的電位變化而實現的所述手指與所述感測結構之間的電位差變化所引起的所述感測結構所攜載的電荷的變化。

15.根據附記14所述的方法，還包括以下步驟：

將多個相鄰感測元件中的每個感測結構的電位從第七電位改變?yōu)榈诎穗娢?，所述第七電位與所述第八電位之間的差基本上等于所述第一電位與所述第二電位之間的差。