用于指紋識別的傳感器像素電路的制作方法

用于指紋識別的傳感器像素電路的制作方法
【專利摘要】一種用于指紋檢測的指紋傳感器裝置包含傳感器像素陣列，用于與手指的觸摸部分電容式耦合以形成與指紋關聯的電容器陣列，所述電容器陣列具有指示指紋的電容值。每一傳感器像素包括：輸出端，用于輸出指示與所述手指的所述觸摸部分的局部電容式耦合的輸出信號，所述輸出信號作為指紋檢測的部分指紋數據；電容式感測層，其包括可電容式耦合到手指觸摸部分的局部部分的導電材料，以形成與指紋關聯的電容器，所述電容式感測層可耦合到輸出端以形成輸出信號；導電的集成電路布局層；指紋電壓產生器；和布局電壓產生器。
【專利說明】
用于指紋識別的傳感器像素電路
技術領域
[0001 ]本專利文件涉及傳感器像素電路和指紋識別。
【背景技術】
[0002] 各種電子裝置或信息系統可采用用戶驗證機制來保護個人數據且防止未被授權 的訪問。電子裝置或信息系統上的用戶驗證可通過一或多個形式的個人識別和驗證方法來 實現，包含一或多個生物特征。生物特征可以單獨使用或者結合例如口令驗證方法等常規 驗證方法一起使用。常用的生物特征是個人的指紋圖案。指紋傳感器可以設置到電子裝置 中以讀取用戶的指紋圖案，從而使得裝置可僅由裝置的被授權用戶通過被授權用戶的指紋 圖案的驗證來解鎖。在一些實施方案中，例如指紋傳感器可包含傳感器像素電路，具有用于 捕獲指紋圖案以用于用戶識別的像素化像素傳感器元件。

【發明內容】

[0003] 本專利文獻描述用于提供裝置、系統和技術以在包含便攜式或移動計算裝置的電 子裝置中執行指紋檢測的技術，所述電子裝置例如膝上型計算機、平板計算機、智能電話和 游戲系統。
[0004] 本專利文獻中描述的技術可提供傳感器像素電路和用于準確指紋識別而無需使 用金屬環的指紋識別系統。
[0005] -方面，一種用于指紋檢測的指紋傳感器裝置包含傳感器像素陣列，用于與手指 的觸摸部分電容式耦合以形成與指紋關聯的電容器的陣列，該與指紋關聯的電容器的陣列 具有指示指紋的電容值。每一傳感器像素包含輸出端，其用于輸出指示與手指觸摸部分的 局部電容式耦合的輸出信號，作為指紋檢測的部分指紋數據。每一傳感器像素包含電容式 感測層，其包含可電容式耦合到手指觸摸部分的局部部分，從而形成與指紋關聯的電容器 的導電材料，電容式感測層可耦合到輸出端以造成輸出信號。每一傳感器像素包含集成電 路布局層，其為可導電的并且電容式耦合到接地端以形成與布局關聯的電容器，該布局層 可耦合到輸出端。每一傳感器像素包含指紋電壓產生器，其經電耦合以對電容式感測層供 電，以產生指紋電壓來對與指紋關聯的電容器進行充電。每一傳感器像素包含布局電壓產 生器，其經電耦合以對該集成電路布局層供電以產生布局電壓，來對該與布局關聯的電容 器進行充電。
[0006] 該指紋裝置可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。指紋裝置可包含 指紋開關電路，用于在將電容式感測層電連接到指紋電壓產生器和輸出端之間進行切換， 以選擇性使用指紋電壓對與指紋關聯的電容器進行充電。該指紋裝置包含布局開關電路以 在將集成電路布局層電連接到布局電壓產生器和輸出端之間進行切換，以選擇性使用布局 電壓對布局關聯電容器進行充電。
[0007] 該指紋裝置可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。指紋開關電路可 包含充電開關，其電連接于指紋電壓產生器與電容式感測層之間以選擇性在充電周期期間 對指紋關聯電容器進行充電。指紋開關電路可包含感測開關，其電連接于電容式感測層與 輸出端之間，以選擇性在不同于充電周期的感測周期期間感測與被充電的與指紋關聯的電 容器相關聯的信號。在充電周期期間，充電開關可接通，且感測開關可斷開。在感測周期期 間，充電開關可斷開，且感測開關可接通。布局開關電路可包含充電開關，其電連接于布局 電壓產生器與集成電路布局層之間，以選擇性在充電周期期間對所述布局關聯電容器進行 充電。布局開關電路可包含感測開關，其電連接于集成電路布局層與輸出端之間以選擇性 在不同于充電周期的感測周期期間感測與被充電的與布局關聯的電容器相關聯的信號。在 充電周期期間，充電開關可接通，且感測開關可斷開。在感測周期期間，充電開關可斷開，且 感測開關可接通。電容式感測層可以與手指的表面形成與手指關聯的電容器的兩個相對的 導電電極。指紋電壓產生器和布局電壓產生器可改變產生的指紋電壓和布局電壓。指紋電 壓產生器和布局電壓產生器可使產生的指紋和布局電壓彼此獨立地變化。指紋電壓產生器 和布局電壓產生器中的每一個可包含數/模轉換器以改變產生的指紋和布局電壓。
[0008] 該指紋裝置可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。指紋裝置可包含 積分器，其電耦合到連接到指紋關聯的電容器和布局關聯的電容器的輸出端，以響應于用 戶手指的觸摸而存儲與被充電的指紋關聯的電容器相關聯的電荷。積分器可包含參考電壓 產生器以產生參考電壓。積分器可包含放大器，其包含:正輸入端，其電親合到參考電壓產 生器以接收參考電壓；負輸入端，其電耦合到連接到指紋關聯電容器和布局關聯電容器的 輸出端；以及放大器的輸出端。積分器可包含積分電容器，其電親合于放大器的負輸入端與 輸出端之間。積分器可包含復位開關，其電親合于放大器的負輸入端與輸出端之間。參考電 壓產生器可改變產生的參考電壓。參考電壓產生器可包含數模轉換器以改變產生的參考電 壓。連接到指紋關聯的電容器和布局關聯的電容器的輸出端可產生與手指的脊線或谷線相 關聯的輸出信號。
[0009] 另一方面，一種用于指紋識別的指紋傳感器裝置包含:傳感器像素電路陣列，其形 成電連接傳感器像素電路的群組，以捕獲手指的觸摸部分的指紋圖案，陣列中的每一傳感 器像素電路包含輸出端，其用于輸出輸出信號，該輸出信號可作為指紋檢測的指紋數據。每 一傳感器像素電路包含電容式感測層，其電耦合到所述輸出端且電容式耦合到所述手指的 所述觸摸部分的局部部分以形成指紋關聯電容器。每一傳感器像素電路包含集成電路布局 層，其電耦合到輸出端且電容式耦合到接地端以形成布局關聯電容器。每一傳感器像素電 路包含指紋電壓產生器，其經電耦合以對電容式感測層供電以產生指紋電壓來對指紋關聯 電容器進行充電。每一傳感器像素電路包含布局電壓產生器，其經電耦合以對集成電路布 局層供電以產生布局電壓來對布局關聯電容器進行充電。指紋傳感器裝置包含單獨的模數 轉換器，其電耦合到電連接傳感器像素電路的每一群組。指紋傳感器裝置包含單獨的啟用 開關，其電耦合于電連接傳感器像素電路的對應群組中的每一傳感器像素電路與對應模數 轉換器之間。指紋傳感器裝置包含控制模塊，其電耦合到陣列中的每一傳感器像素電路，且 控制模塊可產生控制信號以控制陣列中的每一傳感器像素電路。
[0010]該指紋傳感器裝置可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。每一傳感 器像素電路可包含指紋開關電路以將所述電容式感測層電連接到所述指紋電壓產生器和 所述輸出端以選擇性使用所述指紋電壓對所述指紋關聯電容器進行充電。每一傳感器像素 電路可包含布局開關電路以將所述集成電路布局層電連接到所述布局電壓產生器和所述 輸出端以選擇性使用所述布局電壓對所述布局關聯電容器進行充電。
[0011]該指紋傳感器裝置可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。該指紋傳 感器裝置可包含充電開關，其電連接于指紋電壓產生器與電容式感測層之間，以選擇性在 充電周期期間對指紋關聯電容器進行充電。指紋傳感器裝置可包含感測開關，其電連接于 電容式感測層與輸出端之間，以選擇性在不同于充電周期的感測周期期間感測與被充電的 指紋關聯電容器相關聯的信號。在充電周期期間，充電開關可接通，且感測開關可斷開。在 感測周期期間，充電開關可斷開，且感測開關可接通。布局開關電路可包含充電開關，其電 連接于布局電壓產生器與集成電路布局層之間以選擇性在充電周期期間對布局關聯電容 器進行充電。布局開關電路可包含感測開關，其電連接于所述集成電路布局層與輸出端之 間以選擇性在不同于充電周期的感測周期期間感測與被充電布局關聯電容器相關聯的信 號。在充電周期期間，充電開關可接通，且感測開關可斷開。在感測周期期間，充電開關可斷 開，且感測開關可接通。電容式感測層可以與手指的表面形成手指關聯電容器的兩個相對 的導電電極。指紋電壓產生器和布局電壓產生器可改變產生的指紋和布局電壓。指紋電壓 產生器和布局電壓產生器可使產生的指紋和布局電壓彼此獨立地變化。指紋電壓產生器和 布局電壓產生器中的每一個可包含數模轉換器以改變產生的指紋和布局電壓。
[0012] 該指紋傳感器裝置可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。傳感器像 素電路可包含積分器，其電耦合到連接到指紋關聯電容器和布局關聯電容器的輸出端，以 響應于用戶的手指的觸摸而存儲與被充電的指紋關聯電容器相關聯的電荷。積分器可包含 參考電壓產生器以產生參考電壓。積分器可包含放大器，其包含：正輸入端，其電親合到參 考電壓產生器以接收參考電壓；負輸入端，其電耦合到連接到指紋關聯電容器和布局關聯 電容器的輸出端；以及放大器的輸出端。積分器可包含積分電容器，其電親合于放大器的負 輸入端與輸出端之間。積分器可包含復位開關，其電親合于放大器的負輸入端與輸出端之 間。參考電壓產生器可改變產生的參考電壓。參考電壓產生器可包含數模轉換器以改變產 生的參考電壓。響應于用戶的手指接近所述陣列中的至少一些感測像素電路的電容式感測 層，指紋識別系統可將輸出信號識別為脊線或谷線關聯信號。控制模塊可產生控制信號以 控制陣列中的每一傳感器像素電路以并行地集成陣列中的每一傳感器像素電路中的輸出 信號。
[0013] 另一方面，一種由指紋識別系統執行的方法包含：由指紋識別系統中的傳感器像 素電路陣列檢測與來自手指的觸摸相關聯的指示指紋掃描的電容。該方法包含由傳感器像 素電路陣列輸出響應于所檢測電容的輸出信號。該方法包含由所述傳感器像素電路陣列的 至少一個子集并行地集成所述輸出信號。
[0014] 該方法可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。由所述傳感器像素電 路陣列的至少一個子集集成可包含由所述陣列中的全部所述傳感器像素電路并行地集成 所述輸出信號。
[0015] 另一方面，一種用于指紋檢測的指紋傳感器裝置包含輸出端，以輸出指示與手指 的觸摸部分的電容式耦合的輸出信號，作為用于指紋檢測的一部分指紋數據。該指紋傳感 器裝置包含傳感器電極，其包含可電容式耦合到手指觸摸部分，從而形成指紋關聯電容器 的導電材料，且電容式感測層可耦合到輸出端以造成輸出信號。指紋傳感器裝置包含一對 大體上相同的導電的集成電路布局電極。該大體上相同的集成電路布局電極中的一個電容 式耦合到傳感器電極，從而形成第一布局關聯電容器，且該大體上相同的集成電路布局電 極中的另一個電容式耦合到傳感器電極，從而形成第二布局關聯電容器。該指紋傳感器裝 置包含指紋電壓產生器，其經耦合以供應指紋電壓以對該指紋關聯電容器進行充電。該布 局電壓產生器經耦合以將布局電壓供應到該大體上相同的集成電路布局電極中的另一個 以對第二布局關聯電容器進行充電。
[0016] 該指紋裝置可以通過各種方式實施以包含以下的一或多個特征。該指紋裝置可包 含指紋開關電路，以在將傳感器電極電連接到指紋電壓產生器和輸出端之間切換。該指紋 裝置可包含布局開關電路，以在將該大體上相同的集成電路布局電極中的另一者電連接到 布局電壓產生器和接地端之間切換。該布局電壓產生器可包含可變電壓產生器。
【附圖說明】
[0017] 圖1A是展示一種示范性指紋傳感器裝置的框圖。
[0018]圖1B是展示一種示范性傳感器芯片的圖。
[0019] 圖2是一種示范性傳感器像素電路的示意圖。
[0020] 圖3是圖1中的傳感器像素電路的等效電路的示意圖。
[0021] 圖4是一種具有像素內積分器的示范性傳感器像素電路的示意圖。
[0022] 圖5是圖4中傳感器像素電路的等效電路的示意圖。
[0023] 圖6是一種示范性傳感器像素電路的示意圖。
[0024] 圖7是一種示范性指紋識別系統的示意圖。
[0025] 圖8是說明相關聯信號的示范性波形的示意圖。
[0026] 圖9是根據本發明的一種實施例的示范性傳感器像素電路和外部電極的示意圖。
[0027] 圖10是說明根據本發明的一種實施例的時鐘信號的波形的示意圖。
[0028] 圖11是說明用以補償指紋識別系統中的電容器失配的又一示范性傳感器像素電 路的不意圖。
[0029] 圖12是說明用以補償指紋識別系統中的電容器失配的又一示范性傳感器像素電 路的不意圖。
[0030] 圖13是說明用以補償指紋識別系統中的電容器失配的又一示范性傳感器像素電 路的不意圖。
[0031] 圖14A是說明在傳感器像素電路之間共享積分器的一種示范性指紋識別系統的示 意圖。
[0032] 圖14B是說明在傳感器像素電路之間共享積分器的另一示范性指紋識別系統的示 意圖。
[0033] 圖14C是說明在兩個傳感器像素電路之間共享積分器的一種示范性指紋識別系統 的示意圖。
[0034] 圖14D是說明在兩個傳感器像素電路之間共享積分器的一種示范性指紋識別系統 的示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 電容式指紋識別裝置和系統通過感測電容變化以確定用戶手指的脊線和谷線。當 低信噪比（SNR)存在于電容式指紋識別系統中時，會降低指紋識別的準確性。一種增加 SNR 的技術是使用金屬環將激勵信號直接發射到待識別的手指以增強識別準確性。該金屬環占 用裝置的半導體布局上的寶貴空間，這增加了產品成本且影響產品的外觀。
[0036] 圖1A是展示一種示范性指紋傳感器裝置1的框圖。指紋傳感器裝置1包含設置在襯 底載體4上的傳感器芯片2以及設置在傳感器芯片2上的保護膜或覆蓋層6。保護膜或覆蓋層 6可包含絕緣體或電介質材料，例如玻璃、二氧化硅(Si0 2)、藍寶石、塑料、聚合物、其它大體 上類似的材料。保護膜或覆蓋層6可存在以保護傳感器芯片2,且潛在地充當手指8的表面與 傳感器芯片2中的個別傳感器像素的導電感測電極之間的電介質層的一部分。取決于指紋 傳感器裝置1的應用，保護膜或覆蓋層6是可選的層。指紋傳感器裝置1可穿過例如移動電話 等電子裝置的頂蓋玻璃的開口進行設置或設置于電子裝置的頂蓋玻璃下方。當應用在玻璃 下方時不需要保護膜或蓋6,因為電子裝置的頂蓋玻璃將用以保護傳感器芯片2且充當電介 質層。傳感器芯片2包括傳感器像素陣列，所述傳感器像素陣列組合地從與保護膜或覆蓋層 6接觸的手指8感測或捕獲指紋數據。傳感器芯片2的每一傳感器像素基于與手指8的脊線或 谷線相關聯的電容器的電容而產生輸出信號(例如，電壓）。輸出信號當組合時表示手指8的 指紋圖像。像素傳感器的數目越大，指紋圖像的分辨率越高。
[0037] 圖1B是展示示范性傳感器芯片2的圖。傳感器芯片2可包括像素化傳感器陣列3,其 可占據傳感器芯片2的重要部分。像素化感測元件陣列3中的每一傳感器像素可包括CMOS電 容式傳感器或可感測指紋特征的其它類型的傳感器。傳感器芯片2可包含用于處理從像素 化傳感器陣列3中的全部傳感器像素接收的信號的信號處理單元5,以及電耦合到信號處理 單元5的連接單元7。信號處理單元5可包含各種信號處理組件，包含放大器、濾波器和模/數 轉換器(ADC)。連接單元7可包含多個電極，所述電極可通過引線鍵合、凸點鍵合或其它連接 方式連接到外部電路。連接單元7可沿著傳感器芯片2的邊緣設置，以便于與指紋傳感器裝 置1的其它組件進行接合。
[0038]傳感器芯片2中的傳感器像素的陣列3可布置為具有各種形狀和大小。舉例來說， 傳感器像素的陣列3可布置為具有矩形形狀，所述矩形形狀的寬度大于所述矩形形狀的高 度。矩形傳感器芯片的示范性尺寸可包含24 X 88、32 X 88、56 X 88個傳感器像素。在一些實 施方案中，傳感器芯片2中的傳感器像素的陣列3可布置為具有正方形形狀。正方形傳感器 芯片2的示范性尺寸包含32 X 32、64 X 64、96 X 96和128 X 128個傳感器像素。
[0039]圖2是根據所揭示技術的實施例的一種示范性傳感器像素電路10的示意圖。傳感 器像素電路10對應于傳感器像素的陣列3中的每一傳感器像素的至少部分內部結構。傳感 器像素電路10包含電容式感測層100、布局層106、電壓產生器102和104,以及例如開關網絡 108和110的開關電路。在一些實施方案中，開關網絡108和110的電路可使用取樣保持電路 來實施。在每一傳感器像素內，電容式感測層100可為導電層或電極層，且可實施為電容器 中的相對傳感器板或電極中的一個。當與手指的表面相對設置時，電容式感測層100和手指 的表面(例如，手指的脊線或谷線)形成電容器的兩個相對的板。電容式感測層100可包括集 成電路(1C)布局內的金屬層，其形成具有接地端的電容器C1。電容式感測層100上方通常設 置有鈍化層（圖1中未說明）以覆蓋電容式感測層100,用于接收用戶的觸摸。鈍化層可為圖 1A中所示的保護膜或覆蓋層6。在一些實施方案中，例如采用玻璃下方配置結構，鈍化層是 電子裝置的頂蓋玻璃，用以保護傳感器芯片2且充當電介質層。鈍化層可包含絕緣材料，例 如玻璃、藍寶石、塑料或聚合物等。
[0040]當用戶的手指接近電容式感測層100時，電容器C1的電容值相應地變化。布局層 106可為用于1C布局的導電（例如，金屬)層的多層。布局層106形成具有信號接地端的電容 器Cp2。信號接地端不限于具有0電壓的系統接地端。接收固定電壓的端或布局層視為信號 接地端。電容器Cp2可為布局層106與另一布局層之間的寄生電容器，或包含親合于布局層 106與信號接地端之間的電容器。電壓產生器102和104可產生驅動電壓VI和V2。開關網絡 108包含開關S1和S2。開關S1和S2串聯連接，且電容式感測層100電耦合于開關S1與S2之間。 開關網絡110包含開關S3和S4。開關S3和S4串聯連接，且布局層106電耦合于開關S3與S4之 間。
[0041]開關S1和S2可由時鐘信號或其它控制信號控制，以使得在第一周期期間，開關網 絡108通過接通開關S1而接通電壓產生器102與電容式感測層100之間電連接，且通過斷開 開關S2而斷開電容式感測層100與輸出端N之間的電連接。在第二周期期間，開關網絡108通 過斷開開關S1而斷開電壓產生器102與電容式感測層100之間的電連接，且通過接通開關S2 而接通電容式感測層100與輸出端N之間的電連接。因此，開關S1充當充電且開關S2充當電 荷感測開關，以在相應時間周期期間同步地對與電容式感測層100相關聯的電容器C1進行 充電和感測。
[0042]類似地，開關S3和S4可由時鐘信號或其它控制信號控制，以使得在第一周期期間， 開關網絡110通過接通開關S3而接通電壓產生器104與布局層106之間的電連接，且通過斷 開開關S4而斷開布局層106與輸出端N之間的電連接。在第二周期期間，開關網絡110通過斷 開開關S3而斷開電壓產生器104與布局層106之間的電連接，且通過接通開關S4而接通布局 層106與輸出端N之間的電連接。因此，開關S3充當充電開關且開關S4充當電荷感測開關，以 在相應時間周期期間同步地對與集成電路布局層106相關聯的電容器Cp2進行充電和感測。 [0043] 開關網絡108和110可使用電壓產生器102和104對電容器C1和Cp2進行充分地充 電，且通過輸出端N輸出充電結果以增強指紋識別的準確性。另外，電壓產生器102和104可 通過改變產生的電壓VI和V2以增強指紋識別的準確性。
[0044]舉例來說，形成于電容式感測層100與接地端之間的電容器C1可包括形成于電容 式感測層100與接地端之間的寄生電容器Cpl，以及當用戶的手指(例如，手指的脊線）正觸 摸電容式感測層100上的鈍化層時形成的觸摸感測電容器Cf。電容器C1表示電容式感測層 100與接地端之間的等效電容器，其為并聯連接的寄生電容器Cp 1和觸摸感測電容器Cf的組 合（即，Cl=Cpl+Cf)。當用戶的手指不接觸電容式感測層100上的鈍化層時，觸摸感測電容 器Cf的電容值大體上為0,且當用戶的手指觸摸電容式感測層100上的鈍化層時，觸摸電容 器Cf具有取決于與電容式感測層100的間距的非零電容值。因此，電容器C1的電容值根據用 戶的手指是否觸摸電容式感測層100上的鈍化層以及手指的觸摸部分的位置與層100之間 的局部間距而變化。當用戶的手指觸摸電容式感測層100上的鈍化層時，觸摸感測電容器Cf 的電容值根據手指的觸摸電容式感測層100上的鈍化層的部分(例如，手指的脊線）與電容 式感測層100之間的距離而在手指的一個部分與另一部分之間變化。觸摸感測電容器Cf的 上述變化被傳感器像素陣列捕獲，且傳感器像素陣列的輸出提供表示手指的觸摸部分的表 面輪廓的圖，且因此可用以重構指紋圖案。基于觸摸感測電容器Cf的空間變化的上述重構 可由后續信號處理電路實現。實施實質上等效于圖1B中的傳感器芯片2的結構和功能的指 紋識別系統包括信號處理單元(例如，實質上類似于傳感器芯片2的信號處理單元5)，其與 傳感器像素電路(例如，實質上類似于傳感器像素的陣列3)通信，可感測觸摸感測電容器Cf 的電容變化，且確定在電容式感測層100中對應于觸摸電容式感測層100上的鈍化層的手指 的脊線或谷線的位置。
[0045] 圖3是展示傳感器像素電路10的一種示范性等效電路的電路圖。開關S1到S4由時 鐘信號控制以控制開關的接通-斷開狀態。當開關S1和S3接通時開關S2和S4斷開，且當開關 S1和S3斷開時開關S2和S4接通。在當開關S1和S3接通且開關S2和S4斷開時的第一周期期 間，電壓VI對電容器C1進行充電，且電壓V2對電容器Cp2進行充電。在當開關S1和S3斷開且 開關S2和S4接通時的第二周期期間，電容器C1與電容器Cp2交換電荷以形成輸出端N處的所 得電壓Vr。此外，所得電壓Vr的電壓值可使用以下方程式表示
：。因此， 傳感器像素電路10可將所得電壓Vr輸出到指紋識別系統的信號處理單元以根據所得電壓 Vr判斷傳感器像素電路10的位置是否對應于指紋的脊線或谷線。
[0046] 圖4是根據所揭示技術的實施例的一種示范性傳感器像素電路30的示意圖。圖5是 傳感器像素電路30的等效電路的示意圖。傳感器像素電路30實質上類似于傳感器像素電路 10。不同于傳感器像素電路10,傳感器像素電路30包括電耦合到輸出端N的積分器INT，用于 存儲由脊線和谷線觸摸電容感測層100上的鈍化層所導致的電荷Vl*Cf。積分器INT包含在 感器像素電路30中增強了信噪比（SNR)。積分器INT包括參考電壓產生器300、放大器0P、積 分電容器Cint和復位開關Srst。參考電壓產生器300可產生參考電壓Vref。放大器0P包含電 耦合到參考電壓產生器300以接收參考電壓Vref的正輸入端、電耦合到輸出端N以接收所得 電壓Vr的負輸入端，以及用于輸出輸出電壓Vo的輸出端。積分電容器Cint和復位開關Srst 電親合于放大器0P的負輸入端與輸出端之間。
[0047]電容器C1內的寄生電容器Cpl的電容值通常大于觸摸感測電容器Cf的電容值，這 使得難以識別觸摸感測電容器Cf的電容的變化。傳感器像素電路30中的放大器0P的負輸入 端接收的參考電壓Vref的電壓值可以進行調整，以使得觸摸感測電容器Cf的電容變化通過 積分器而更顯著地識別。在一些實施方案中，如果不存在來自用戶的手指觸摸(即，Cf = 0)， 那么可將參考電壓Vref設定為所得電壓Vr，如下表示
3如果不存在 手指觸摸，則在第一周期期間由電容器C1和電容器Cp2積聚的總電荷大于Vref * (Cp 1+Cp2)， 且存在存儲于積分電容器Cint中的電荷。當存儲在積分電容器Cint中的電荷大部分歸于觸 摸感測電容器Cf時，輸出電壓Vo更顯著地反映觸摸感測電容器Cf的電容值。對參考電壓 Vref進行充分設計可減少或甚至消除寄生電容器Cp 1對觸摸感測電容器Cf的電容值的確定 的影響。
[0048]在各種電路設計中，可能不容易獲取電容器Cpl和Cp2的電容值。在一些實施方案 中，當電容器Cpl、Cp2的電容值假定為相等時，參考電壓Vref可設定為Vrtvf = |(V I + V2) 電壓VI、V2、Vref中的至少一個可由電壓產生器102和104產生。可調整參考電壓產生器300 以提供Vl*Cpl+V2*Cp2 = Vref*(Cpl+Cp2)，這可幫助消除由制造工藝造成的電容器Cpl和 Cp2的電容失配。通過改變由電壓產生器102產生的電壓VI，可大體上消除由于制造工藝所 致的電容器Cpl和Cp2的電容失配。
[0049]在各種1C布局中，可將電容器Cpl和Cp2設計為具有大體上相等電容值，參考電壓 Vref可設定為Vref = 4(Vl_f V2)，且可調整電壓VI和V2的電壓值以實質上消除由于制造所 致的電容器Cpl和Cp2的電容失配。
[0050] 如上文所描述，通過對電容器C1和Cp2進行充電且通過輸出端N輸出充電結果，所 揭示技術的傳感器像素電路可增強指紋識別的準確性。可對上述傳感器像素電路(例如，傳 感器像素陣列3)和指紋識別系統（例如，包含傳感器像素陣列3和信號處理系統5的傳感器 芯片2)做出各種修改。舉例來說，為了大體上消除電容器Cpl和Cp2的失配，可調整由電壓產 生器102、104和參考電壓產生器300產生的電壓VI、V2和Vref中的至少一個。為了調整所述 電壓中的至少一個，可使用數/模轉換器(DAC)來輸出可變電壓。舉例來說，在一些實施方案 中，電壓產生器102可包含DAC，其受控制以輸出具有可變電壓值的電壓VI。在一些實施方案 中，電壓產生器104可包含DAC，其受制以輸出具有可變電壓值的電壓V2。在一些實施方案 中，參考電壓產生器300可包含DAC，其受控制以輸出具有可變電壓值的參考電壓Vref。
[0051] 除DAC之外，可提供開關調整機構以產生可控或可變的電壓VI和V2。圖6是根據所 揭示技術的實施例的一種示范性傳感器像素電路60的示意圖。在一個實施方案中，傳感器 像素電路60可實質上類似于傳感器像素電路30。傳感器像素電路60利用電荷供應模塊602 和604以充當圖2、3、4和5中的傳感器像素電路30的電壓產生器102和104。電荷供應模塊602 電親合于開關S2與電容式感測層100之間。電荷供應模塊604電親合于開關S4與布局層106 之間。電荷供應模塊602包括分別電耦合到電壓V+和電壓V-的開關S11和S12。類似地，電荷供 應模塊604包含分別電耦合到電壓V+和電壓V-的開關S31和S32。通過控制開關S11、S12、S31 和S32的接通-斷開狀態，可產生可控或可變的電壓VI和V2以改變存儲在電容器Cl和Cp2中 的電荷量，且實質上消除由于制造工藝所致的電容器Cpl和Cp2的電容失配。
[0052]圖7到8說明指紋識別系統的示范性實施例，所述指紋識別系統使用示范性傳感器 像素陣列布置以檢測在單個傳感器像素電路的特定位置處手指的脊線或谷線的存在。指紋 識別系統中的傳感器像素電路的恰當布置可幫助識別用戶的指紋。
[0053]圖7是示范性指紋識別系統70的示意圖。指紋識別系統70是組合了如圖1B中所示 的與信號處理系統5電連通的傳感器像素陣列3的結構和功能的傳感器芯片2的實施方案。 所述指紋識別系統包含傳感器像素電路Pix_ll到Pix_MN的陣列、對應的使能開關SW_11到 SW_MN、對應的模/數轉換器ADC_1到ADC_M，以及控制模塊700。傳感器像素電路Pix_l 1到 Pix_MN以示范性陣列配置排列。舉例來說，傳感器像素電路Pix_ll到Pix_MN的陣列排列成Μ 行和Ν列。每一傳感器像素電路對應于一個使能開關且電耦合到所述使能開關，且一行傳感 器像素電路對應于一個模/數轉換器且電耦合到所述模/數轉換器。
[0054]在一個實例配置中，傳感器像素電路Pix_ll到Pix_lN的群組（例如，行或列）電耦 合到模擬/對應數字轉換器ADC_1。類似地，傳感器像素電路Pix_21到Pix_2N的群組電耦合 到模/數轉換器ADC_2。傳感器像素電路的剩余群組可類似地電耦合到對應模/數轉換器。 [0055] 傳感器像素電路Pix_ll到Pix_MN的陣列以及使能開關SW_11到SW_MN電耦合到控 制模塊700,用于接收由控制模塊700產生的控制信號。傳感器像素電路Pix_ll到Pix_MN的 陣列的每一傳感器像素電路可實質上類似于傳感器像素電路30或60或本專利文獻中描述 的任何其它配置。此外，輸出電壓Vo_l 1到Vo_MN由傳感器像素電路Pix_l 1到Pix_MN的積分 器輸出。如本專利文獻中下文所述，多個傳感器像素電路可共享一個積分器以得到各種潛 在優點，包括例如節省布局空間和簡化設計。傳感器像素電路Pix_ll到Pix_MN的陣列中的 每一傳感器像素電路的操作原理和詳細操作可大體上類似于傳感器像素電路30或60或本 專利文獻中描述的任何其它配置的描述。
[0056]在指紋識別系統70中，控制模塊700控制使能開關SW_11到SW_MN，以使得對應于傳 感器像素電路陣列(例如，Pix_ll到Pix_MN)中的給定傳感器像素電路的使能開關的導通周 期和對應于同一行傳感器像素電路(例如，Pix_ll到Pix_MN)的另一傳感器像素電路的啟用 開關的導通周期可在時間上不同。舉例來說，控制模塊700選擇性接通和斷開開關SW_11到 SW_MN以選擇性改變同一行中的不同傳感器像素電路(例如，Pi x_l 1到Pix_MN)的導通周期， 以供ADC讀出。控制模塊700可針對其它行以類似方式控制傳感器像素電路。在一些實施方 案中，控制模塊700可實質上并行地接通傳感器像素電路陣列的使能開關。舉例來說，控制 模塊700可在實質上相同時間啟用SW11到SWMN，以使得ADC 1-M可并行地讀出數據。并且，控 制模塊700可一次掃描一或多條線(例如，行、列或其它群組）以讀出全部像素輸出電壓。 [0057]圖8說明與指紋識別系統相關聯的各種信號的波形的實例。具體來說，圖8中所示 的實例波與圖7中的傳感器像素電路行的第Μ行相關聯。積分器(例如，積分器INT)的輸出由 輸出電壓Vo_ml表示。使能開關SW_ml的控制信號在時間11拉高持續一時間周期，且輸出電 壓Vo_ml通過使能開關SW_ml傳遞到模/數轉換器ADC_m。在tl之后的某個時間，復位開關 Srst的控制信號在時間trl拉高，以使得傳感器像素電路Pix_ml的積分電容器Cint歸零，以 便準備執行下一時間周期的另一積分。并且，在傳感器像素電路Pix_ml的積分器執行積分 的同時，傳感器像素電路Pix_m2的積分器也實質上同時執行積分。類似地，使能開關SW_m2 的控制信號在時間t2拉高持續一時間周期，且輸出電壓Vo_m2通過使能開關SW_m2傳遞到 模/數轉換器ADC_m。時間t2是在11之后的某個時間。并且，傳感器像素電路Pix_m3到Pix_mN 中的每一個可在時間t2之后的不同時間將輸出電壓傳遞到對應模/數轉換器ADC_m。傳感器 像素電路Pix_ml到Pix_mN的不同時間實例可為不重疊的時間實例。模/數轉換器ADC_m接收 傳感器像素電路P i x_ml到P i x_mN的所在行中的每一傳感器像素電路的輸出電壓。
[0058] 傳感器像素電路P i x_l 1到P i x_MN的陣列內的每一傳感器像素電路包括專用積分 器。因此，給定行的傳感器像素電路(例如，Pi x_ml到Pix_mN)中的不同傳感器像素電路的積 分過程可由多個積分器并行地執行。通過用于每一積分器的固定積分周期，指紋識別系統 70可縮短傳感器像素電路陣列的總積分周期。由于傳感器像素電路Pix_ll到Pix_MN的整個 陣列中的全部傳感器像素電路的傳感器像素電路的并行積分，一行傳感器像素電路的總積 分周期可為固定的（例如，在比個別傳感器像素電路積分周期長的周期）以允許傳感器像素 電路Pix_ml到Pix_mn所在行中的每一傳感器像素電路的較長積分周期。因為可針對全部像 素傳感器電路并行執行個別積分過程，所以甚至當個別積分周期增加時也可減少總積分周 期。增加個別積分周期同時減少總積分周期可允許噪聲被充分平均化，可進一步增強傳感 器像素電路的SNR。因為每一像素積分器可充當像素級信號（電壓)存儲裝置，所以后續可使 用例如ADC和控制模塊通過掃描讀取過程讀出所存儲的信號。
[0059]在操作中，響應于手指觸摸(例如，在指紋識別系統上的鈍化層上），傳感器像素電 路的選定子集或整個陣列可以被啟用，以集中處理傳感器像素電路的所述選定子集或整個 陣列。連接到每一積分器的負反饋路徑的積分電容器可用作本地存儲器以存儲與對應傳感 器像素相關聯的電荷。傳感器像素數據的讀出可按傳感器像素電路陣列的選定群組或子集 來執行，例如每一行、列等。讀出過程相對于積分過程比較快速，且因此，在手指觸摸指紋識 別系統(例如，傳感器像素電路上的鈍化層)時傳感器像素電路的所述選定子集或整個陣列 的并行積分可以更有利的，因其不浪費手指觸摸下方的傳感器像素電路。
[0060] 上述實施方案是用于說明性目的，且對傳感器像素電路和指紋識別系統的一或多 個方面的各種修改是可能的。舉例來說，在一些實施方案中，指紋識別系統可經由電極(例 如，金屬環)將激勵信號直接應用于手指以增加觸摸感測電容器Cf的兩個端之間的電壓差， 以使得在第一周期期間在觸摸感測電容器Cf中積聚更多電荷。替代地，指紋識別系統可在 第二周期期間將高電壓應用于手指，以使得更多電荷存儲在積分電容器Cint中。
[0061] 圖9是示范性傳感器像素電路90和外部電極Et的示意圖。傳感器像素電路90可大 體上類似于傳感器像素電路30或60。不同于傳感器像素電路30,開關S1和S3由時鐘信號ckl 控制，且開關S2和S4由時鐘信號ck2控制。當時鐘信號ckl高時，開關S1和S3接通。當時鐘信 號ckl為低時，開關S1和S3斷開。當時鐘信號ck2為高時，開關S2和S4接通。當時鐘信號ck2為 低時，開關S2和S4斷開。另外，外部電極Et可電連接到時鐘信號ck2,以便在第二周期（即，當 開關S2和S4接通且開關S1和S3斷開時的周期）期間將通過外部電極Et施加于用戶手指的電 壓拉高。通過將高電壓施加到用戶的手指，在第二周期期間通過觸摸感測電容器Cf在積分 電容器Cint中存儲更多電荷，使得指紋識別系統可更準確地隔離且確定觸摸感測電容器Cf 的電容。
[0062] 圖10是說明時鐘信號ckl和ck2的示范性波形的示意圖。在圖10中所示的實例中， 時鐘信號ckl和ck2彼此反相而非同相。當ckl設定為高時，ck2設定為低。
[0063]其它修改是可能的。舉例來說，在指紋識別系統70中，一行傳感器像素電路(例如， Pix_ml到Pix_mN)耦合到對應模/數轉換器(例如，ADC_m)。在一些實施方案中，傳感器像素 電路單元可劃分成不同群組的傳感器像素電路。給定群組中的全部傳感器像素電路可電耦 合到同一對應的模/數轉換器。可使用允許對應于一個群組中的傳感器像素電路的使能開 關具有與對應于不同群組中的傳感器像素電路的另一使能開關不同的導通周期的行、列、 傳感器像素電路的預定數目、特定形狀(例如，正方形)或其它分組來確定傳感器像素電路 的群組。
[0064] 圖11、12和13展示傳感器像素電路的其他變形實例。
[0065] 圖11是展示用于補償指紋識別系統中的電容器失配的另一示范性傳感器像素電 路1100的圖。示范性傳感器像素電路可包括傳感器板或電容式感測層1102,其可操作或充 當指紋關聯電容器的兩個相對導電板中的一個。舉例來說，當用戶的手指1108接近傳感器 板或電容式感測層1102時，手指1108的表面和電容式感測層1102的傳感器板可操作或充當 電容器Cf的兩個相對板。電容器Cf的電容可至少部分地基于手指的表面(例如，脊線）與傳 感器板或電容式感測層1102之間的距離而變化。傳感器板或電容式感測層1102可包含導電 材料，例如各種金屬中的一種。電壓產生器1132電連接到傳感器板1102,所述傳感器板通過 手指108的表面電連接到系統接地。所述電壓產生器可產生用于對指紋關聯電容器Cf進行 充電的驅動電壓VDD。例如開關網絡1120的開關電路包含串聯的開關1122和1124，用于使得 傳感器板1102與電壓產生器1132和輸出端1140之間的電連接是可切換的。在一些實施方案 中，可使用取樣保持電路實施開關電路1120。
[0066]開關1122和1124可由時鐘信號或其它控制信號控制，以使得開關電路1120可在第 一周期期間通過接通開關1122從而接通電壓產生器1132與傳感器板1102之間的電連接，且 通過斷開開關1124從而斷開傳感器板1102與輸出端1140之間的電連接。在第二周期期間， 取樣保持電路1120可通過斷開開關1122從而斷開電壓產生器1132與傳感器板1102之間的 電連接，且通過接通開關1124從而接通傳感器板1102與輸出端1140之間的電連接。因此，開 關1122充當充電開關且開關1124充當電荷感測開關，以在相應時間周期期間同步地對與傳 感器板1102相關聯的電容器Cf進行充電和感測。
[0067]兩個實質上相同的導電層、電極或板1104和1106可設置于傳感器板1102下方。導 電板1104和傳感器板1102可形成對應電容器CP1。導電板1106和傳感器板1102可形成對應 電容器CP2。
[0068]當兩個導電板1104和1106實質上相同時，相應電容器CP1和CP2可共享實質上類似 的電容。例如開關網絡1126的開關電路可包含開關1128和1130以使得導電板1104與電壓產 生器1134和地1144之間的電連接是可切換的。另一導電板1106電連接到地且不由開關電路 1126電控制。電壓產生器1134可包含DAC11136和電壓緩沖器1138以產生且提供可變電壓到 導電板1104。在一些實施方案中，開關電路1126可使用取樣保持電路來實施。
[0069]開關1128和1130可由時鐘信號或其它控制信號控制，以使得開關電路1126可在第 一周期期間通過接通開關1128從而接通電壓產生器1134與導電板1104之間的電連接，且通 過斷開開關1130從而斷開導電板1104與接地1144之間的電連接。在第二周期期間，開關電 路1126可通過斷開開關1128從而斷開電壓產生器1134與導電板1104之間的電連接，且通過 接通開關1130從而接通導電板1104與接地1144之間的電連接。因此，開關1128充當充電開 關且開關1130充當接地開關以在相應時間周期期間同步地對與傳感器板1102相關聯的電 容器CP1進行充電和接地。
[0070] 在一些實施方案中，可選地，輸出端1140可電連接到用于存儲由手指的脊線和谷 線在觸摸傳感器板1102上的鈍化層時所導致的電荷的積分器1142。積分器INT包含在傳感 器像素電路1100中增強了信噪比（SNR)。積分器包括具有負輸入端的放大器1118,所述負輸 入端電連接到輸出端1140，所述輸出端連接到開關電路1120。放大器1118具有電連接到參 考電壓產生器1112的正輸入端以用于接收參考電壓Vref。參考電壓產生器1112可包括 DAC21114和電壓緩沖器1116以用于產生和提供可變參考電壓。放大器1118包括用于輸出輸 出電壓Vpo的輸出端114。積分電容器Cint 1146和復位開關rst 1148并聯電親合于放大器 0P 1118的負輸入端與輸出端1144之間。
[0071] 當兩個導電板1104和1106實質上類似時，DAC11136輸出可設定成VDD。在第一周期 CK1期間，開關1122和1128接通且開關1124和1130斷開。CP2中的電荷將為Cp2*VDD且CP1中 的電荷將為0。在第二周期CK2期間，開關1122和1128斷開且開關1124和1130接通。在第二周 期期間，CP1和CP2中的電荷將交換。當手指未觸摸傳感器板1102上的鈍化層時，Cf中的電荷 大體上為零，且放大器〇P 1118的負輸入處的電壓將為VDD/2。因為兩個導電板1104和1106 由于相同布局而可以實質上相同，所以DAC1可能是不必要的或變為可選的。通過移除DAC1， 像素輸出中將不再存在DAC1噪聲，這進一步增強SNR。
[0072]并且，可使用關于圖12和13所說明且描述的技術來補償寄生電容器CP1與CP2之間 的失配。圖12是展示用于補償指紋識別系統中的電容器失配的又一示范性傳感器像素電路 1200的圖。傳感器像素電路1200實質上類似于傳感器像素電路1100,但具有一些變化。舉例 來說，開關電路1126電連接于導電板1104與不包括DAC的電壓產生器1202之間。電壓產生器 1202的輸出預先設置到VDD。另外，第三電壓產生器1212電連接到另一開關電路1204。第三 電壓產生器1212可包括與電壓緩沖器1216串聯的DAC 1214DAC1。
[0073] 開關電路1204包括串聯的開關1206和1208,用于使得電容器1210Cc與電壓產生器 1212和連接到傳感器板1102和開關電路1120(在電連接到輸出端1140和電壓產生器1132中 可切換）的共同節點1218之間電連接是可切換的。電容器1210Cc的另一端電連接到地。參見 圖11的針對類似于傳感器像素電路1100的傳感器像素電路1200的電路組件的相關描述。 [0074]在傳感器像素電路1200中，在第二周期期間在無手指觸摸傳感器電極1102上的鈍 化層的情況下，在輸出端1144處的最終電壓VP0是(CP 1 *VDD+Cc* VDAC )/(Cc+Cpl+Cp2)。當兩 個導電板1104和1106實質上類似時，VDAC設定成VDD/2。當兩個導電板1104和1106非實質上 類似時，調整VDAC。
[0075] 圖13是展示用于補償指紋識別系統中的電容器失配的又一示范性傳感器像素電 路1300的圖。傳感器像素電路1300實質上類似于傳感器像素電路1200,但具有一些變化。舉 例來說，開關電路1204包括串聯式電連接的開關1206和1208,用于將電容器Cc 1210選擇性 電連接到電壓產生器1202和第四電壓產生器1220。電壓產生器1220可設定成VDD。電容器Cc 1210的另一端電連接到共同節點1218，所述共同節點連接到傳感器板1102和取樣保持電路 1120(與輸出端1140和電壓產生器1132的電連接可切換）。參見圖12的針對類似于傳感器像 素電路1200的傳感器像素電路1300的電路組件的對應描述的描述。
[0076] 在傳感器像素電路1300中，在第二周期Ck2期間在無手指觸摸的情況下，在輸出端 1144 處的最終電壓 VP0 是（CPl*VDD+Cc*Vdac)/(Cc+Cpl+Cp2)。當兩個導電板 1104 和 1106 非 實質上類似時，調整VDAC。
[0077] 在一些實施方案中，積分器可在若干傳感器像素電路單元之間共享以減少指紋識 別系統中的積分器的總數，這可提供許多潛在優點，包含例如成本減少、布局尺寸減小以及 設計的簡單。傳感器像素電路的多個單元可通過將來自選定數目的傳感器像素電路單元的 輸出信號多路復用到共享積分器從而實現積分器共享。舉例來說，當將傳感器像素電路單 元陣列分組為若干行，其中每一行指派給一個ADC時，一行中的每一傳感器像素電路單元可 與一或多行傳感器像素電路中的一或多個傳感器像素電路單元共享積分器。當將傳感器像 素電路陣列中的傳感器像素電路分組為若干列時，給定列中的每一傳感器像素電路可與一 或多個列中的一或多個傳感器像素電路共享積分器。
[0078]圖14A和14B展示用于在傳感器像素電路單元之間共享積分器的結構實例。
[0079]圖14A是展示用于傳感器像素電路單元陣列中的行之間的積分器共享的指紋識別 系統1400的實例的圖。指紋識別系統1400包含控制模塊1402,其可實質上類似于圖7中的控 制模塊700。傳感器像素電路的陣列傳感器像素11到傳感器像素 MN被分組為行1到M。所述陣 列中的每一行包含N列傳感器像素電路。在圖14A中所示的實例中，每兩行傳感器像素電路 共享積分器。然而，兩行以上傳感器像素電路也可共享積分器。控制模塊1402可通過接通和 斷開對應使能開關SW 11到SW MN而選擇性啟用/停用陣列中的每一傳感器像素電路。開關 信號可為一個或多個數字邏輯信號。通過經由使能開關控制適當的傳感器像素電路，控制 模塊1402可在陣列中并聯地集成任何數目的傳感器像素電路。在圖14A中所示的實例中，控 制模塊啟用奇數行的傳感器像素電路(例如，傳感器像素11到傳感器像素1N)以集成所述行 中的全部傳感器像素。奇數行中的像素可并行地執行積分，且在積分完成之后，控制模塊可 掃描每一像素以使用ADC讀出其數據。隨后控制模塊可切換接通偶數行的傳感器像素電路 (例如，傳感器像素21到傳感器像素2N)，所述偶數行的傳感器像素電路可共享由奇數行的 傳感器像素電路(例如，傳感器像素11到傳感器像素1N)使用的積分器以并行地執行積分。 可以相似方式處理全部的奇數和偶數行。在一些實施方案中，可實質上在相同時間并行地 處理全部奇數行。隨后可在大體上相同時間并行地處理全部的偶數行。在一些實施方案中， 可一起并行地處理任何數目的奇數和偶數行。另外，在一些實施方案中可首先處理偶數行。 因此，偶數和奇數行的次序不具限制性。
[0080] 圖14B是展示用于傳感器像素電路陣列中的列之間的積分器共享的示范性指紋識 別系統1410的圖。指紋識別系統1410包含控制模塊140 2，其可實質上類似于圖7中的控制模 塊700。傳感器像素電路的陣列傳感器像素11到傳感器像素4N被分組為列1到4。雖然陣列中 可包含4個以上的列，但為了說明性目的圖14B中展示僅4列。陣列中的每一列包含N行傳感 器像素電路。在圖14B中所示的實例中，每兩列傳感器像素電路共享積分器。然而，兩列以上 傳感器像素電路也可共享積分器。控制模塊1402可通過接通和斷開對應使能開關SW 11到 SW 4N而選擇性啟用/停用陣列中的每一傳感器像素電路。通過經由使能開關控制適當的傳 感器像素電路，控制模塊1402可在陣列中并聯地集成任何數目的傳感器像素電路。在圖14B 中所示的實例中，控制模塊啟用奇數列的傳感器像素電路(例如，傳感器像素11到傳感器像 素1N)以集成所述奇數列中的全部傳感器像素。奇數列中的傳感器像素可并行地執行積分， 且在積分完成之后，控制模塊可掃描每一傳感器像素以使用ADC讀出數據。隨后控制模塊可 切換接通偶數列的傳感器像素電路(例如，傳感器像素21到傳感器像素2N)，所述偶數列的 傳感器像素電路可共享由奇數列的傳感器像素電路(例如，傳感器像素11到傳感器像素1N) 使用的積分器以并行地執行積分。可以相似方式處理全部的奇數和偶數列。在一些實施方 案中，可大體上在相同時間并行地處理全部奇數列。隨后可在實質上相同時間并行地處理 全部的偶數列。在一些實施方案中，可一起并行地處理任何數目的奇數和偶數列。另外，在 一些實施方案中可首先處理偶數列。因此，偶數和奇數列的次序不具限制性。此外在圖14A 和14B中，傳感器像素陣列可以不同于行或列的方式分組，且可取決于傳感器像素陣列的分 組而以各種方式實施積分器共享。
[0081] 圖14C是展示其中兩個傳感器像素電路共享一個積分器的示范性傳感器像素電路 和指紋識別系統1420的圖。指紋識別系統1420展示其中兩個傳感器像素電路1422和1424共 享一個積分器1426的簡單實例。傳感器像素電路1422和1424可實質上類似于圖2中的傳感 器像素電路10或本專利文獻中描述的任何其它配置。
[0082] 圖14D是展示其中兩個傳感器像素電路共享一個積分器的示范性傳感器像素電路 和指紋識別系統1430的圖。指紋識別系統1430展示其中兩個傳感器像素電路1432和1434共 享一個積分器1436的簡單實例。傳感器像素電路1422和1424可實質上類似于圖11、12和13 中的傳感器像素電路或本專利文獻中描述的任何其它配置。
[0083] 在圖14A、14B、14C和14D中所示的實例中，僅為了說明性目的而在圖式中不包含包 括ADC的一些組件。
[0084] 已經描述所揭示技術的各種實施方案和實例。所揭示技術利用積分器來存儲由觸 摸感測電容器積聚的電荷，利用電壓產生器來輸出可變電壓且調整存儲在寄生電容器中的 電荷，且利用具有專用積分器的傳感器像素電路來實現一組傳感器像素電路并行地執行積 分以增強SNR。本專利文獻中描述的傳感器像素電路和指紋識別系統提供準確的指紋識別 而甚至無需金屬環。
[0085] 雖然本專利文獻含有許多具體細節，但這些不應當解釋如對任何發明的范圍或可 要求的內容的限制，而是作為對于具體發明的具體實施例可為特定的特征的描述。本專利 文獻中在單獨實施例的上下文中描述的某些特征也可在單個實施例中組合地實施。相反 地，在單個實施例的上下文中描述的各種特征也可單獨地在多個實施例中實施或以任何適 合子組合來實施。此外，盡管上文可將特征描述為以某些組合起作用且甚至最初按此主張， 但在一些情況下，可將來自所主張的組合的一或多個特征從組合中刪除，且所主張的組合 可針對子組合或子組合的變化。
[0086]類似地，雖然在圖式中按特定次序描繪操作，但此情形不應被理解為要求按所示 的特定次序或按順序次序執行此類操作，或執行所有所說明的操作，以實現所要結果。此 外，本專利文獻中描述的實施例中的各種系統組件的分離不應理解為在所有實施例中都要 求此分離。
[0087]僅描述幾個實施方案和實例，且可基于本專利文獻中描述和說明的內容而做出其 它實施方案、增強和變化。
【主權項】
1. 一種用于指紋檢測的指紋傳感器裝置，包括： 傳感器像素陣列，用于與手指的觸摸部分電容式耦合，以形成與指紋關聯的電容器陣 列，所述電容器陣列具有指示指紋的電容值， 每一傳感器像素包括： 輸出端，用于輸出指示與所述手指的所述觸摸部分的局部電容式耦合的輸出信號，所 述輸出信號作為指紋檢測的部分指紋數據； 電容式感測層，其包括可電容式耦合到所述手指的所述觸摸部分的局部部分的導電材 料，以形成與指紋關聯的電容器，所述電容式感測層可耦合到所述輸出端以形成所述輸出 信號； 集成電路布局層，其可導電并且電容式的耦合到接地端，從而形成與布局關聯的電容 器，所述布局層可與所述輸出端耦合； 指紋電壓產生器，用于通過電耦合對所述電容式感測層供電，以產生指紋電壓來對與 所述指紋關聯的電容器進行充電；以及 布局電壓產生器，用于通過電耦合對所述集成電路布局層供電，以產生布局電壓來對 所述與布局關聯的電容器進行充電。2. 根據權利要求1所述的指紋傳感器裝置，包括： 指紋開關電路，用于在將所述電容式感測層電連接到所述指紋電壓產生器和所述輸出 端的兩者之間進行切換，以選擇性使用所述指紋電壓對所述與指紋關聯的電容器進行充 電；以及 布局開關電路，用于在將所述集成電路布局層電連接到所述布局電壓產生器和所述輸 出端的兩者之間進行切換，以選擇性使用所述布局電壓對所述與布局關聯的電容器進行充 電。3. 根據權利要求1所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋開關電路包括： 充電開關，其電連接于所述指紋電壓產生器與所述電容式感測層之間，以選擇性在充 電周期期間對所述與指紋關聯的電容器進行充電；以及 感測開關，其電連接于所述電容式感測層與所述輸出端之間，以選擇性的在不同于所 述充電周期的感測周期期間感測信號，所述信號與被充電的所述與指紋關聯的電容器相關 聯。4. 根據權利要求3所述的指紋傳感器裝置，其中在所述充電周期期間，所述充電開關接 通，且所述感測開關斷開。5. 根據權利要求3所述的指紋傳感器裝置，其中在所述感測周期期間，所述充電開關斷 開，且所述感測開關接通。6. 根據權利要求1所述的指紋傳感器裝置，其中所述布局開關電路包括： 充電開關，其電連接于所述布局電壓產生器與所述集成電路布局層之間，以選擇性在 充電周期期間對所述布局關聯電容器進行充電；以及 感測開關，其電連接于所述集成電路布局層與所述輸出端之間，以選擇性在不同于所 述充電周期的感測周期期間感測與所述被充電布局關聯電容器相關聯的信號。7. 根據權利要求6所述的指紋傳感器裝置，其中在所述充電周期期間，所述充電開關接 通，且所述感測開關斷開。8. 根據權利要求6所述的指紋傳感器裝置，其中在所述感測周期期間，所述充電開關斷 開，且所述感測開關接通。9. 根據權利要求1所述的指紋傳感器裝置，其中所述電容式感測層用于與手指的表面 形成兩個相對的導電電極，所述兩個相對的導電電極為與手指關聯的所述電容器。10. 根據權利要求1所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋電壓產生器和所述布局電壓 用于改變產生的所述指紋電壓和所述布局電壓。11. 根據權利要求10所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋電壓產生器和所述布局電 壓產生器用于使產生的所述指紋電壓和所述布局電壓彼此獨立地變化。12. 根據權利要求10所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋電壓產生器和所述布局電 壓產生器中的任何一個都包含數模轉換器以改變產生的所述指紋電壓和所述布局電壓。13. 根據權利要求1所述的指紋傳感器裝置，包括： 積分器，其電耦合到所述輸出端，以響應用戶手指的觸摸存儲電荷，所述電荷與被充電 的所述與指紋關聯的電容器相關聯，所述輸出端連接到所述與指紋關聯的電容器和所述與 布局關聯的電容器。14. 根據權利要求13所述的指紋傳感器裝置，其中所述積分器包括： 參考電壓產生器，用于產生參考電壓； 放大器，包括： 正輸入端，其電耦合到所述參考電壓產生器以接收所述參考電壓； 負輸入端，其電耦合到所述輸出端，所述輸出端連接到所述與指紋關聯的電容器和所 述與布局關聯的電容器;和， 所述放大器的輸出端； 積分電容器，其電親合于所述放大器的所述負輸入端與所述輸出端之間;和， 復位開關，其電耦合于所述放大器的所述負輸入端與所述輸出端之間。15. 根據權利要求14所述的指紋傳感器裝置，其中所述參考電壓產生器用于改變產生 的所述參考電壓。16. 根據權利要求15所述的指紋傳感器裝置，其中所述參考電壓產生器包含數模轉換 器以改變產生的所述參考電壓。17. 根據權利要求1所述的指紋傳感器裝置，其中連接到所述與指紋關聯的電容器和所 述與布局關聯的電容器的所述輸出端用于產生與手指的脊線或谷線相關聯的所述輸出信 號。18. -種用于指紋識別的指紋傳感器裝置，包括： 傳感器像素電路陣列，其形成電連接的傳感器像素電路的群組，所述傳感器像素電路 用于捕獲手指的觸摸部分的指紋圖案，所述陣列中的每個傳感器像素電路包括： 輸出端，用于輸出輸出信號，所述輸出信號構成用于指紋檢測的指紋數據； 電容式感測層，其電耦合到所述輸出端且電容式耦合到所述手指的所述觸摸部分的局 部部分，以形成與指紋關聯的電容器； 集成電路布局層，其電耦合到所述輸出端且電容式耦合到接地端，以形成與布局關聯 的電容器； 指紋電壓產生器，其通過電耦合對所述電容式感測層供電以產生指紋電壓，以對所述 與指紋關聯的電容器進行充電；以及 布局電壓產生器，其通過電耦合對所述集成電路布局層供電以產生布局電壓，以對所 述與布局關聯的電容器進行充電； 單獨的模數轉換器，其電耦合到電連接傳感器像素電路的每一群組； 單獨的啟用開關，其電耦合于每一傳感器像素電路和對應的模數轉換器之間，所述每 一傳感器像素電路位于所述電連接傳感器像素電路的對應群組中；以及 控制模塊，其電耦合到所述陣列中的每一傳感器像素電路，所述控制模塊用于產生控 制信號以控制所述陣列中的每一傳感器像素電路。19. 根據權利要求18所述的指紋傳感器裝置，其中所述陣列中的每一傳感器像素電路 包括： 指紋開關電路，其用于在將所述電容式感測層電連接到所述指紋電壓產生器和所述輸 出端兩者之間進行切換，以選擇性的使用所述指紋電壓對所述與指紋關聯的電容器進行充 電；以及 布局開關電路，其用于在將所述集成電路布局層電連接到所述布局電壓產生器和所述 輸出端兩者之間切換，以選擇性的使用所述布局電壓對所述與布局關聯的電容器進行充 電。20. 根據權利要求18所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋開關電路包括： 充電開關，其電連接于所述指紋電壓產生器與所述電容式感測層之間，以選擇性在充 電周期期間對所述與指紋關聯的電容器進行充電；以及 感測開關，其電連接于所述電容式感測層與所述輸出端之間，以選擇性在不同于所述 充電周期的感測周期期間感測信號，所述信號與被充電的所述與指紋關聯的電容器相關 聯。21. 根據權利要求20所述的指紋識別系統，其中在所述充電周期期間，所述充電開關接 通，且所述感測開關斷開。22. 根據權利要求20所述的指紋識別系統，其中在所述感測周期期間，所述充電開關斷 開，且所述感測開關接通。23. 根據權利要求18所述的指紋傳感器裝置，其中所述布局開關電路包括： 充電開關，其電連接于所述布局電壓產生器與所述集成電路布局層之間，以選擇性在 充電周期期間對所述與布局關聯的電容器進行充電；以及 感測開關，其電連接于所述集成電路布局層與所述輸出端之間，以選擇性在不同于所 述充電周期的感測周期期間感測信號，所述信號與被充電的所述與布局關聯的電容器相關 聯。24. 根據權利要求23所述的指紋傳感器裝置，其中在所述充電周期期間，所述充電開關 接通，且所述感測開關斷開。25. 根據權利要求23所述的指紋傳感器裝置，其中在所述感測周期期間，所述充電開關 斷開，且所述感測開關接通。26. 根據權利要求18所述的指紋傳感器裝置，其中所述電容式感測層用于與手指的表 面形成所述與手指關聯的電容器的兩個相對的導電電極。27. 根據權利要求18所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋電壓產生器和所述布局電 壓產生器用于改變所述產生的指紋和布局電壓。28. 根據權利要求27所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋電壓產生器和所述布局電 壓產生器用于使產生的所述指紋電壓和所述布局電壓彼此獨立地變化。29. 根據權利要求27所述的指紋傳感器裝置，其中所述指紋電壓產生器和所述布局電 壓產生器中的每一個包含數模轉換器以改變產生的所述指紋電壓和所述布局電壓。30. 根據權利要求27所述的指紋傳感器裝置，包括： 積分器，其電耦合到所述輸出端，以響應用戶手指的觸摸存儲電荷，所述電荷與被充電 的所述與指紋關聯的電容器相關聯，所述輸出端連接到所述與指紋關聯的電容器和所述與 布局關聯的電容器。31. 根據權利要求30所述的指紋傳感器裝置，其中所述積分器包括： 參考電壓產生器，用于產生參考電壓； 放大器，包括： 正輸入端，其電耦合到所述參考電壓產生器以接收所述參考電壓； 負輸入端，其電耦合到連接到所述輸出端，所述輸出端連接到所述與指紋關聯的電容 器和所述與布局關聯的電容器;和， 所述放大器的輸出端； 積分電容器，其電親合于所述放大器的所述負輸入端與所述輸出端之間;和， 復位開關，其電耦合于所述放大器的所述負輸入端與所述輸出端之間。32. 根據權利要求31所述的指紋傳感器裝置，其中所述參考電壓產生器用于改變所述 產生的參考電壓。33. 根據權利要求32所述的指紋傳感器裝置，其中所述參考電壓產生器包含數模轉換 器以改變所述產生的參考電壓。34. 根據權利要求30所述的指紋傳感器裝置，其中： 所述控制模塊用于產生所述控制信號，以控制所述陣列中的每一傳感器像素電路來并 行地集成所述陣列中的每一傳感器像素電路中的所述輸出信號。35. 根據權利要求18所述的指紋傳感器裝置，其中： 響應于用戶手指接近所述陣列中的至少一些所述感測像素電路的所述電容式感測層， 所述指紋識別系統用于將所述輸出信號識別為與脊線或谷線關聯的信號。36. -種由指紋傳感器裝置形成的方法，所述方法包括： 通過所述指紋傳感器裝置中的傳感器像素電路陣列，檢測與來自手指觸摸相關聯的電 容，所述電容指示指紋掃描； 通過所述傳感器像素電路陣列，輸出響應于所述所檢測電容的輸出信號；以及 通過所述傳感器像素電路陣列的至少一個子集，并行地集成所述輸出信號。37. 根據權利要求35所述的方法，其中通過所述傳感器像素電路陣列的至少一個子集 集成包括:通過所述陣列中的全部所述傳感器像素電路并行地集成所述輸出信號。38. -種用于指紋檢測的指紋傳感器裝置，所述指紋傳感器裝置包括： 輸出端，用于輸出輸出信號作為指紋檢測的指紋數據的一部分，所述輸出信號指示與 手指的觸摸部分的電容式耦合； 傳感器電極，其包括可電容式耦合到所述手指的所述觸摸部分從而形成指紋關聯電容 器的導電材料，所述電容式感測層可耦合到所述輸出端以形成所述輸出信號； 一對大體上相同的導電集成電路布局電極，其中： 所述的大體上相同的集成電路布局電極中的一個電極電容式耦合到所述傳感器電極， 從而形成與布局關聯的第一電容器；以及 所述的大體上相同的集成電路布局電極中的另一個電極電容式耦合到所述傳感器電 極，從而形成與布局關聯的第二電容器； 指紋電壓產生器，其經耦合來提供指紋電壓，以對所述與指紋關聯的電容器進行充電； 以及 布局電壓產生器，其經耦合以將布局電壓供應到所述大體上相同的集成電路布局電極 中的另一個，以對所述與布局關聯的第二電容器進行充電。39. 根據權利要求38所述的指紋傳感器裝置，包括： 指紋開關電路，用于在將所述傳感器電極電連接到所述指紋電壓產生器和所述輸出端 兩者之間進行切換。40. 根據權利要求38所述的指紋傳感器裝置，包括： 布局開關電路，用于在將所述大體上相同的集成電路布局電極中的另一者電連接到所 述布局電壓產生器和所述接地端兩者之間進行切換。41. 根據權利要求38所述的指紋傳感器裝置，其中所述布局電壓產生器包含可變電壓 產生器。
【文檔編號】G06K9/00GK105981040SQ201480074928
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年10月13日
【發明人】楊孟達, 趙國豪, 詹昶
【申請人】深圳市匯頂科技股份有限公司