使用電場裝置的系統及方法
【專利摘要】本發明揭示一種具有電場裝置的生物計量掃描器及一種使用所述掃描器的方法。所述電場裝置(a)不具有電場產生器或具有防止給例如手指等生物計量對象提供電場的電場產生器，及(b)具有由多個電場傳感器組成的電場傳感器陣列。來自所述傳感器陣列的電容讀數用于產生歸屬于對應于所述傳感器的位置的值。
【專利說明】使用電場裝置的系統及方法
[0001]相關申請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2012年2月6日申請的第61/595，322號美國臨時專利申請案的優先權權益。
【技術領域】
[0003]本發明涉及指紋掃描裝置，其通過測量與分布在生物計量對象(例如手指)上的電荷相關聯的電場而運作。
【背景技術】
[0004]從十九世紀起已通過墨水及紙張從人類手指及手收集指紋信息。出于本文件的目的，術語指紋意指單一指紋的皮膚表面摩擦脊細節、部分指紋或直到及包含整個手或腳的皮膚表面摩擦脊的任何部分。近年來，已利用光學、電容、定向壓力、熱及聲音方法開發出各種電子指紋掃描系統。基于聲音、超音波、電容及電場測量的方法已被證明為最精確的，這是因為其幾乎不受油脂、灰塵、涂料、墨水及其它圖像污染物的影響。電容傳感器還可提供額外優點，所述優點在于其能在指紋的摩擦皮膚與掃描器平板之間存在較差的聲音阻抗匹配(例如當手指上的皮膚非常干燥時可能遇到)的情況下達成經改良的成像。
[0005]電場方法使用將手指電容性耦合到電場測量裝置陣列的傳感器。所述電場可為靜電場或使用通過與電極接觸而耦合到手指的產生裝置的電場。盡管所述電場幾乎均勻地跨越手指，但存在電容變化，其引起經測量電場的差異。舉例來說，當存在手指的摩擦皮膚的脊時，經測量的電場將與當存在摩擦皮膚的谷時不同。用圖形顯示此信息可建立與掃描器表面接觸的對象(人類手指或皮膚表面)的等高線圖。舉例來說，任何間隙結構(例如指紋的脊及谷)的深度可顯示為灰階位圖圖像。經由到平板表面的電容耦合而測量電場利用了電場為電容板(即，TFT輸入墊與手指的皮膚)之間的距離的函數的這一事實。指紋的脊較靠近輸入墊且谷為皮膚離TFT輸入電極墊較遠的地方，且因此區分可用于識別指紋的脊及谷的位置的電場測量。
【發明內容】
[0006]本發明可體現為具有電場裝置及耦合到傳感器陣列的計算機的生物計量掃描器。所述電場裝置(a)不具有電場產生器或具有防止對生物計量對象(例如手指)提供電場的電場產生器，及(b)具有由多個電場傳感器組成的電場傳感器陣列。所述計算機以通信方式耦合到所述傳感器陣列以從所述傳感器接收電容讀數。所述計算機經編程以按如下處理所述電容讀數:
[0007](i)識別所述電場傳感器中提供電容讀數的特定電場傳感器；
[0008](ii)將所述經識別電場傳感器的所述電容讀數與來自相鄰電場傳感器的電容讀數求和；
[0009](iii)將所述總和除以貢獻于所述總和的傳感器的數目以提供值；
[0010](iv)將所述值歸屬于所述經識別傳感器；
[0011](V)重復步驟⑴到(iv)直到已將值歸屬于全部傳感器。
[0012]所述計算機可進一步經編程以使用歸屬于各傳感器的所述值而建立所述生物計量對象的圖像。所述計算機可進一步經編程以使用所述值來確定所述生物計量對象是否與數據庫中的信息匹配。
[0013]本發明可體現為掃描生物計量對象的方法。此方法可:
[0014]⑴100提供電場裝置，所述電場裝置(a)不具有電場產生器或具有防止對生物計量對象提供電場的電場產生器，及(b)具有由多個電場傳感器組成的電場傳感器陣列；
[0015](ii) 103提供與所述電場裝置接觸的生物計量對象；
[0016](iii) 106識別所述電場傳感器中提供電容讀數的特定電場傳感器；
[0017](iv) 109將所述經識別電場傳感器的所述電容讀數與來自相鄰電場傳感器的電容讀數求和；
[0018](V)將所述總和除以貢獻于所述總和的傳感器的數目以提供值；
[0019](vi) 112將所述值歸屬于所述經識別傳感器；
[0020](Vii) 115重復步驟(iii)到(Vi)直到已將值歸屬于全部傳感器；及
[0021](viii) 118提供所述值作為所述生物計量對象的表示。
[0022]所述方法可進一步包括接受所述經提供的值及使用所述值以產生所述生物計量對象的視覺圖像。所述方法可進一步包括接受所述經提供的值及使用所述值以確定所述生物計量對象是否與數據庫中的信息匹配。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]為更全面地理解本發明的性質及目的，應參考附圖及隨后描述。簡單地說，圖式為:
[0024]圖1為展示電荷源及經分布電容層(其為傳感器的外平板表面)的機構的簡圖。
[0025]圖2為展示接收電荷以測量的測量電路的簡化示意圖。將手指簡單地展示為在檢測器與電場源之間的電路中的節點。
[0026]圖3為展示接收電荷以測量的測量電路的簡化示意圖。將手指展示為橋接檢測電路中的多個像素節點；在相鄰電容器之間手指電阻短路。
[0027]圖4描繪電場傳感器(TFT或CMOS)陣列。
[0028]圖5展示經配置為電場類型指紋掃描器的電場傳感器陣列。
[0029]圖6展示經配置為電容類型指紋掃描器的電場傳感器陣列。
[0030]圖7為圖5中描繪的所述掃描器的分解圖。
[0031]圖8為圖6中描繪的所述掃描器的分解圖。
[0032]圖9為所述電場類型指紋掃描器的操作的圖式。
[0033]圖10為所述電容類型指紋掃描器的操作的圖式。
[0034]圖11描繪TFT電場檢測像素示意圖。
[0035]圖12描繪在任意多個摩擦皮膚接觸點處的像素電容皮膚阻力網絡的示意圖。
[0036]圖13為描繪根據本發明的方法的流程圖。
[0037]圖14為根據本發明的系統。
[0038]在諸圖中，出現了某些參考數字。這些參考數字指示:
[0039]I電場掃描器
[0040]2TFT 電路
[0041]3電極陣列
[0042]4電介質層
[0043]5TFT 襯底
[0044]6天線或激發總線
[0045]7激發源(電場產生器)
[0046]8電容掃描器
[0047]9手指
[0048]10經由手指的電阻路徑
[0049]11電容板(身體導電手指表面的部分)
[0050]12從電極3經由電介質層4到手指9的電容
[0051]13平板上的多個接觸節點(已指示受關注節點)的手指摩擦皮膚阻力及傳感器電容的示意圖
[0052]14電極陣列3的任意傳感器元件與手指9之間的傳感器電容
[0053]15皮膚電阻
【具體實施方式】
[0054]本發明可體現為操作電場生物計量掃描器的方法。圖1到5、7及9描繪當根據先前技術操作時的電場手指掃描器。此掃描器測量來自生物計量對象(例如與用作成像平板的電介質層接觸的皮膚)的表面的局部電場。所述掃描器包含(a)電場激發產生器、(b)電極陣列、(C)覆蓋所述電極陣列的電介質層、及(d)電連接到所述電極陣列的電場傳感器。
[0055]圖1到9展示電場掃描器的方面。為清晰起見，大部分論述將參考圖9。在圖9中，展示電壓源7，其經由與手指9接觸的天線(或總線)6而輻射。電場傳導穿過手指電阻10且穿過與指紋讀取器I的電介質表面4接觸的摩擦皮膚表面而射出，其中電介質表面4均勻地安置在電極陣列3上，各電極連接到TFT的此些電路2的陣列中的電場檢測及測量電路。個別電路可經行及列尋址及讀取以提供信息到計算機系統，所述計算機系統顯示讀取的區域及與各像素電路相關聯的電場變化。在圖11的示意圖中展示用于TFT上的個別像素的電路。如先前技術中所知，來自指紋脊的電場比來自指紋谷的電場強，且經測量的值可共同地顯示為真實表示所述指紋的圖像。
[0056]為操作根據現有技術的所述指紋掃描器，用戶將手指9放置成與電介質平板表面4接觸，同時還接觸所述電場產生器(即，發射器)的天線(或激發總線)6，所述天線(或激發總線)6可采取呈指紋平板區域的周邊的金屬環的形式。手指9接收電場及使所述電場輻射穿過電介質到附接到電場檢測電路2的像素電極板3。所述電場直接與手指的指紋谷及脊相關地在強度上有所不同。在檢測及測量各電場傳感器2處的此電場變化之后，傳感器輸出以行及列方式被讀出以容許讀取電子系統重建類似于從手指脊及谷皮膚表面輻射的電場變化的灰階指紋圖像。
[0057]在根據本發明的方法中，是在沒有電場產生器的情況下操作所述電場掃描器。此可通過關閉所述產生器而實現，或通過使所述產生器的輸出接地使得不給手指提供電場而實現。以此模式，所述掃描器可作為電容指紋掃描器操作。從各電場傳感器發出的信號主要表不以下兩項:
[0058](a)介于電極、覆蓋所述電極的電介質材料與覆蓋所述電介質材料的皮膚之間的電容，以及
[0059](b)介于所述電極、覆蓋相鄰電極的電介質材料與覆蓋(覆蓋所述電介質材料的此些相鄰部分)的電介質材料的皮膚之間的電容。
[0060]理想上，從各電場傳感器發出的信號將不受項目“b”中所描述的電容影響，而是將僅由可歸屬于項目“a”的電容影響。
[0061]為補償對應于項目“b”的電容部分，來自特定電場傳感器的讀數及來自相鄰電場傳感器的讀數經處理以獲得值，接著將所述值歸屬于所述特定電場傳感器的位置。對各電場傳感器重復此過程以提供值并將所述值歸屬于各電場傳感器位置。對應于所述電容的此些經歸屬的值用作表示所述指紋的信息。
[0062]有效的特定過程將特定電場傳感器的讀數與來自相鄰電場傳感器的讀數求和，且接著除以貢獻于所述總和的傳感器的數目。因此，若特定傳感器具有八個相鄰傳感器，則除數將為九。然而，若特定傳感器具有五個相鄰傳感器，則除數將為六。圖13以流程圖形式描繪此方法。
[0063]在使用中，根據本發明的裝置使用經電容性耦合到手指的電場傳感器，所述電場傳感器不是通過電場產生器激發。當手指接觸覆蓋TFT陣列上的電場檢測及測量電路陣列的電介質平板時，電場透過手指皮膚傳導且透過所述電介質平板耦合到所述電場檢測電路的輸入電極。TFT上的個別像素電路(各傳感器為像素的部分)是經由行及列尋址而讀出，且信號經解譯及轉譯為TFT陣列的圖像表示以容許建立與和電介質平板接觸的手指相關聯的指紋的圖像。
[0064]已提供了對根據本發明的方法的綜述，將描述根據本發明的裝置，且如此將提供關于本發明方法的額外細節。圖10展示不具有電場產生器的電場手指掃描器。所述電場裝置在沒有電場產生裝置7或天線6的情況下操作。在此情形下，傳感器作為電容指紋掃描器裝置8操作，且當手指接觸電介質平板4時，所述手指使用手指9的電阻10完成相鄰像素輸入板之間的電阻-電容電路。因為此共享的電荷電容接收來自多個像素輸入板3的貢獻，故電荷分布在傳感器像素2之間，其中中心像素與其相鄰像素的各者共享電荷。此電容性電荷共享足以維持跨越傳感器表面的線條清晰度及圖像質量，而中心接觸皮膚像素接收比其直接相鄰像素的任一者更多倍的共享電荷(對于大多數傳感器大約為8倍)，例如在圖12中。盡管實際分布電路在所有方向上向外延伸且存在來自所有像素的貢獻，但為解釋起見，認為僅8個直接相鄰像素與任一受關注像素13共享連接，這是因為來自此區域外的像素的貢獻是可忽略的。
[0065]圖14描繪根據本發明的系統。在圖14中展示所述電場裝置(不具有電場產生器)及計算機。所述計算機經編程以按上文所概述的方式處理電場傳感器的電容讀數。此計算機可經編程以將特定電場傳感器的電容讀數與來自相鄰電場傳感器的讀數求和，且接著將所述總和除以貢獻于所述總和的傳感器的數目。接著將所得的值歸屬于所述特定傳感器位置。可通過所述計算機對全部電場傳感器執行此過程以提供對應于各傳感器位置的值。由所述計算機產生的所述值可接著由所述計算機使用以產生所述指紋的圖像，或所述值可用于與數據庫中的信息比較以確定所述指紋是否與先前經分析的指紋匹配。
[0066]盡管本發明已參考一或多個特定實施例予以描述，但應理解可在不脫離本發明精神及范圍的情況下進行本發明的其它實施例。因此，將本發明視為僅由隨附權利要求書及其合理解釋限制。
【權利要求】
1.一種生物計量掃描器，其包括: 電場裝置，其(a)不具有電場產生器或具有防止給生物計量對象提供電場的電場產生器，及(b)具有由多個電場傳感器組成的電場傳感器陣列； 計算機，其經耦合以從所述電場傳感器陣列的所述傳感器接收電容讀數，且經編程以按如下處理所述電容讀數: (i)識別所述電場傳感器中提供電容讀數的特定電場傳感器； 將所述經識別電場傳感器的所述電容讀數與來自相鄰電場傳感器的電容讀數求和； (?)將所述總和除以貢獻于所述總和的傳感器的數目以提供值； (iii)將所述值歸屬于所述經識別傳感器； (iv)重復步驟(i)到(iii)直到已將值歸屬于全部傳感器。
2.根據權利要求1所述的生物計量掃描器，其中所述計算機進一步經編程以使用所述值建立所述生物計量對象的圖像。
3.根據權利要求1所述的生物計量掃描器，其中所述計算機進一步經編程以使用所述值來確定所述生物計量對象是否與數據庫中的信息匹配。
4.一種掃描生物計量對象的方法，其包括: (i)提供電場裝置，所述電場裝置(a)不具有電場產生器或具有防止給生物計量對象提供電場的電場產生器，及(b)具有由多個電場傳感器組成的電場傳感器陣列； (?)提供與所述電場裝置接觸的生物計量對象； (iii)識別所述電場傳感器中提供電容讀數的特定電場傳感器； (iv)將所述經識別電場傳感器的所述電容讀數與來自相鄰電場傳感器的電容讀數求和； (v)將所述總和除以貢獻于所述總和的傳感器的數目以提供值； (vi)將所述值歸屬于所述經識別傳感器； (Vii)重復步驟(iii)到(Vi)直到已將值歸屬于全部傳感器 '及 (Viii)提供所述值作為所述生物計量對象的表示。
5.根據權利要求4所述的方法，其進一步包括使用所述所提供的值產生所述生物計量對象的視覺圖像。
6.根據權利要求4所述的方法，其進一步包括使用所述所提供的值確定所述生物計量對象是否與數據庫中的信息匹配。
【文檔編號】G06K9/62GK104380312SQ201380007918
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年2月6日 優先權日:2012年2月6日
【發明者】約翰·K·史科尼德, 杰克·C·奇辰司 申請人:高通股份有限公司