电容式感测系统以及电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电容式传感技术领域，尤其涉及一种电容式感测系统以及电子设备。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，越来越多的电子设备(如:手机、平板电脑、穿戴式设备、以及智能家居等各种智能产品)一般都会设置一种或多种感测系统。所述感测系统包括如感测用户触摸操作的触摸感测系统、感测人体生物信息的生物信息感测系统等等。目前，所述感测系统多采用电容式感测系统来执行感测操作。
[0003]电容式感测系统通常包括电容式传感装置和电源管理电路，电源管理电路用于为电容式传感装置供电。所述电容式传感装置一般包括传感器(sensors)和控制电路。然，所述控制电路与传感器通常采用相同工艺制作，形成一颗芯片，由此导致电容式感测系统的设计灵活性不高。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种设计灵活性较高的电容式感测系统，以及具有所述电容式感测系统的电子设备。
[0005]本发明提供了一种电容式感测系统，包括:
[0006]电容式传感装置，包括电容式传感器和控制芯片，所述控制芯片用于控制所述电容式传感器执行感测操作；和
[0007]电源管理芯片，用于为所述电容式传感器提供第一电源电压，为所述控制芯片提供第二电源电压，其中，第一电源电压不同于第二电源电压。
[0008]优选地，所述电容式传感器与所述控制芯片为两颗芯片，其中，所述第一电源电压高于第二电源电压。
[0009]优选地，所述电容式传感器与所述控制芯片均采用半导体基板上形成包括互补金属氧化物半导体晶体管的集成电路工艺制成，其中，所述电容式传感器中的晶体管的最小特征特征线宽大于所述控制芯片中的晶体管的最小特征线宽；或者，所述电容式传感器采用绝缘基板上形成包括薄膜晶体管的集成电路工艺制成，所述控制芯片采用半导体基板上形成包括互补金属氧化物半导体晶体管的集成电路工艺制成。
[0010]优选地，所述电容式传感器包括第一电源输入端，所述控制芯片包括第二电源输入端，所述电源管理芯片包括第一电源输出端和第二电源输出端，其中，所述第一电源输出端与第一电源输入端连接，所述第二电源输出端与所述第一电源输入端连接，所述电源管理芯片通过第一电源输出端输出第一电源电压给所述第一电源输入端，以及通过第二电源输出端输出第二电源电压给所述第二电源输入端。
[0011]优选地，所述电容式传感器包括接地端，所述控制芯片包括接地端，所述电源管理芯片包括调制端，所述调制端与所述电容式传感器的接地端和所述控制芯片的接地端分别连接，所述电源管理芯片通过所述调制端输出调制信号给所述二接地端，其中，所述第一电源输入端接收到的第一电源电压随所述调制信号的变化而变化，所述第二电源输入端接收到的第二电源电压随所述调制信号的变化而变化。
[0012]优选地，所述第一电源电压和第二电源电压均随所述调制信号的升高而升高、随所述调制信号的降低而降低。
[0013]优选地，所述第一电源电压经所述调制信号调制后成为一第三电源电压，所述第二电源电压经所述调制信号调制后成为一第四电源电压。
[0014]优选地，所述电源管理芯片包括接地端，用于连接电子设备的设备地，所述电容式感测系统进一步包括第一保护电路和第二保护电路，其中，所述第一保护电路设置在所述第一电源输出端和第一电源输入端之间，所述第一保护电路用于在第三电源电压高于第一电源输出端处的第一电源电压时，断开第一电源输出端与第一电源输入端之间的连接；所述第二保护电路设置在所述第二电源输出端和第二电源输入端之间，所述第二保护电路用于在第四电源电压高于第二电源输出端处的第二电源电压时，断开第二电源输出端与第二电源输入端之间的连接。
[0015]优选地，所述第一保护电路包括第一二极管，所述第一二极管串联于所述第一电源输出端与第一电源输入端之间；所述第二保护电路包括第二二极管，所述第二二极管串联于所述第二电源输出端与所述第二电源输入端之间。
[0016]优选地，所述第一二极管的阳极通过一第一电容连接电源管理芯片的接地端，第一二极管的阴极通过一第二电容连接调制端；所述第二二极管的阳极通过一第三电容连接电源管理芯片的接地端，第二二极管的阴极通过一第四电容连接调制端。
[0017]优选地，所述第一保护电路包括第九晶体管和第一控制单元，所述第九晶体管包第九控制电极、第十七传输电极、和第十八传输电极；所述第九控制电极连接所述第一控制单元，第十七传输电极连接第一电源输出端，第十八传输电极连接第一电源输入端；在第三电源电压高于第一电源输出端处的第一电源电压时，所述第一控制单元控制第九晶体管截止；所述第二保护电路包括第十晶体管和第二控制单元，所述第十晶体管包第十控制电极、第十九传输电极、和第二十传输电极；所述第十控制电极连接所述第二控制单元，第十九传输电极连接第二电源输出端，第二十传输电极连接第二电源输入端；在第四电源电压高于第二电源输出端处的第二电源电压时，所述第二控制单元控制第十晶体管截止。
[0018]优选地，所述第一控制单元与所述第二控制单元为同一控制单元。
[0019]优选地，所述电容式感测系统进一步包括闪存单元，所述闪存单元内置在所述控制芯片中，或者，所述闪存单元为一独立的芯片，与所述控制芯片连接，或与所述电源管理芯片连接。
[0020]优选地，所述电容式传感器包括感测电极和差分对管；所述控制芯片用于为所述感测电极提供参考信号，为所述差分对管提供共模信号，所述共模信号与所述参考信号相关联，所述差分对管响应感测电极因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化，而对应产生二不同的第二交流信号；所述控制芯片进一步根据所述第二交流信号对应计算获得目标物体的预定生物信息。
[0021]优选地，所述控制芯片提供电流源给所述差分对管，所述二不同的第二交流信号之和与所述电流源输出的第一恒定直流信号相同。
[0022]优选地，所述电容式传感器包括多个传感单元，每一传感单元包括一所述感测电极和一所述差分对管，或者，每一传感单元包括一所述感测电极，相邻的传感单元各包括一所述差分对管中的一晶体管。
[0023]优选地，当每一传感单元包括一所述感测电极和一所述差分对管时，所述差分对管包括:
[0024]第三晶体管，包括第三控制电极、第五传输电极、和第六传输电极，其中，第三控制电极或与所述感测电极为二电极，所述第三控制电极连接所述感测电极，或者，第三控制电极与所述感测电极为同一电极；和
[0025]第四晶体管，包括第四控制电极、第七传输电极、和第八传输电极，其中，第四控制电极与第三控制电极用于接收共模信号，第七传输电极、第五传输电极与所述电流源连接，第六传输电极与第八传输电极用于输出第二交流信号；
[0026]当每一传感单元包括一所述感测电极，相邻的传感单元各包括一所述差分对管中的一晶体管时，所述差分对管包括二第三晶体管，每一第三晶体管包括第三控制电极、第五传输电极、和第六传输电极，其中，第三控制电极或与所述感测电极为二电极，所述第三控制电极连接所述感测电极，或者，第三控制电极与所述感测电极为同一电极；第五传输电极均用于与电流源连接，第六传输电极均用于输出第二交流信号。
[0027]优选地，所述传感单元进一步包括第一开关单元，连接于所述差分对管与所述电流源之间，用于控制是否在所述差分对管与所述电流源之间进行电流传输。
[0028]优选地，所述传感单元进一步包括第二开关单元，用于控制是否传输参考信号给所述感测电极、以及是否传输共模信号给差分对管。
[0029]优选地，所述差分对管与所述感测电极连接，或者，所述差分对管包括所述感测电极。
[0030]优选地，所述多个传感单元呈阵列式排布。
[0031]优选地，所述电容式传感装置进一步包括绝缘基板，所述多个传感单元形成在所述绝缘基板上。
[0032]优选地，所述控制芯片压合在所述绝缘基板上。
[0033]优选地，所述电容式传感装置为指纹传感装置。
[0034]优选地，所述参考信号、所述共模信号随所述调制信号的升高而升高、随所述调制信号的降低而降低。
[0035]优选地，所述调制信号包括接地信号和驱动信号；当第二开关单元断开时，所述调制端的调制信号包括驱动信号；当第二开关单元闭合时，所述调制端的调制信号为接地信号
[0036]优选地，随着感测电极因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化，所述差分对管的共模信号输入中出现差模信号。
[0037]本发明还提供一种电子设备，包括电容式感测系统，其中，所述电容式感测系统为上述中任意所述的电容式感测系统。
[0038]优选地，所述电子设备为移动电话、平板电脑、智能家居、穿戴式设备。
[0039]由于本发明的电容式感测系统的电容式传感装置包括电容式传感器与控制芯片两颗芯片，因此，电容式感测系统的电源管理芯片可根据信号需要对应提供不同的电源电压分别给所述电容式传感器与控制芯片，从而提高产品的设计灵活性。相应地，具有所述电容式感测系统的电子设备的设计灵活性也较高。
[0040]尽管公开了多个实施例，包括其变化，但是通过示出并描述了本发明公开的说明性实施例的下列详细描述，本发明公开的其他实施例将对所属领域的技术人员显而易见。将认识到，本发明公开能够在各种显而易见的方面修改，所有修改都不会偏离本发明的精神和范围。相应地，附图和详细描述本质上应被视为说明性的，而不是限制性的。
【附图说明】
[0041 ]通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的特征及优点将变得更加明显。
[0042]图1为本发明电容式传感装置的第一实施方式的示意图。
[0043]图2为图1所示电容式传感装置的电路结构示意图。
[0044]图3为图2所示电容式传感器的部分电路结构示意图。
[0045]图4为图2所示电容式传感装置的部分电路结构示意图。
[0046]图5与图6为图3所示传感电路的其它变更实施方式的示意图。
[0047]图7为图1所示电容式传感器的示意图。
[0048]图8至图11中主要示出电容式传感器的一传感单元的第三晶体管与感测电极的剖面结构示意图。
[0049]图12为图2所示的电容式传感装置的工作时序图。
[0050]图13为图1所示电容式传感器的部分方框示意图。
[0051]图14为本发明电容式传感装置的第二实施方式的示意图。
[0052]图15为图14所示一行方向上相邻二传感单元的电路结构示意图。
[0053]图16为图14的电容式传感装置的部分电路结构示意图。
[0054]图17为图14所示电容式传感器的方框结构示意图。
[0055]图18为本发明电容式传感装置的其它变更实施方式的示意图。
[0056]图19为在一片玻璃基板上形成多个电容式传感装置的示意图。
[0057]图20为图19所示的一电容式传感装置的侧视示意图。
[0058]图21和图22为电容式传感装置的其它变更实施方式的侧视图。
[0059]图23为本发明芯片组的一较佳实施方式的示意图。
[0060]图24为本发明电容式感测系统的第一实施方式的结构示意图。
[0061]图25为本发明电容式感测系统的第二实施方式的结构示意图。
[0062]图26为本发明电容式传感装置的封装结构第一实施方式的示意图。
[0063]图27与图28为本发明电容式传感装置的封装结构其它实施方式的示意图。
[0064]图29为本发明电容式感测模组的一较佳实施方式的示意图。
[0065]图30为本发明在电子设备的保护盖板下方设置电容式感测模组的示意图。
[0066]图31是图30沿r-r’方向的部分剖面示意图。
[0067]图32为电子设备的显示装置的TFT阵列基板的示意图。
[0068]图33为本发明电子设备的一较佳实施方式的示意图。
【具体实施方式】
[0069]现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。为了方便或清楚，可能夸大、省略或示意地示出在附图中所示的每层的厚度和大小、以及示意地示出相关元件的数量。另外，元件的大小不完全反映实际大小，以及相关元件的数量不完全反应实际数量。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构。
[0070]此外，所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本发明的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本发明。
[0071]在本发明的描述中，需要理解的是:“多个”包括两个和两个以上，除非另有明确具体的限定。“连接”可为电连接、机械连接、親接、直接连接、以及间接连接等多种实施方式，除非本发明下述特别说明，否则并不做特别限制。另外，各元件名称以及信号名称中出现的“第一”、“第二”等词语并不是限定元件或信号出现的先后顺序，而是为方便元件命名，清楚区分各元件，使得描述更简洁。
[0072]进一步需要说明的是:本发明提供的电容式传感装置适用于生物信息传感装置，尤其指纹传感装置。然，本发明并不限于此，所述电容式传感装置也可适用其它合适类型的传感装置，如触摸传感装置。所述生物信息传感装置用于感测目标物体的预定生物信息。所述目标物体如为用户的手指，也可为用户身体的其它部分、如手掌、脚趾、耳朵等，甚至也可为其它合适类型的物体，而并不局限为人体。所述预定生物信息如为指纹、掌纹、耳纹等。
[0073]所述电容式传感装置包括电容式传感器(sensors)和控制电路。所述控制电路连接电容式传感器，用于控制所述电容式传感器执行感测操作。
[0074]优选地，所述电容式传感器包括感测电极和差分对管。所述感测电极能够以电容方式耦合到目标物体，用于加载参考信号。所述差分对管与所述感测电极相关联，用于响应感测电极上因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化，而对应产生差分信号。
[0075]所述控制电路接收所述差分信号，并根据所述差分信号对应获得相应的感测信息。所述感测信息如为目标物体的预定生物信息。类似地，所述控制电路也可根据差分信号获知目标物体接近或触摸了电容式传感装置这一感测信息。
[0076]由于本发明的电容式传感器传输给控制电路的感测信号为差分信号，所述差分信号较强，且差分信号在传输给控制电路的过程中受电容式传感装置中的寄生电容的影响较小，因此，所述控制电路根据差分信号获得的感测信息相对较准而能减少误判，从而能够提升用户体验。
[0077]优选地，所述差分信号为差分电流信号。
[0078]优选地，所述电容式传感器包括多个感测电极和多个差分对管。同一差分对管所产生的差分信号为同幅同频反相的第二交流信号。另外，所述差分对管用于与一电流源连接，所述电流源用于提供一第一恒定电流信号。所述二不同的第二交流电流信号之和与所述电流源提供的第一恒定电流信号相等。
[0079]所述差分对管与所述感测电极相关联，其中，所述差分对管或者与所述感测电极为二元件，所述差分对管与所述感测电极连接；又或者，所述差分对管包括所述感测电极，即，所述感测电极为差分对管的一部分。
[0080]所述差分对管包括二晶体管，所述二晶体管包括一第三晶体管，所述第三晶体管包括第三控制电极、第五传输电极、和第六传输电极。当所述差分对管与所述感测电极为二元件时，所述第三控制电极与所述感测电极连接；当所述差分对管包括所述感测电极时，所述第三控制电极与所述感测电极为同一电极。
[0081]当所述差分对管与所述感测电极为二元件时，所述第三控制电极与所述感测电极直接连接；或者，所述第三控制电极通过一限流元件与所述感测电极连接。优选地，所述限流元件包括电阻。相应地，所述限流元件可以起到防ESD、保护电容式传感器的作用。
[0082]所述电容式传感器包括多个传感单元(sensor)。每一传感单元包括一所述感测电极。另外，优选地，每一传感单元还包括一所述差分对管，或者，相邻的传感单元各自包括一所述差分对管中的一晶体管。
[0083]通过选择具有合适跨导的晶体管，当目标物体接近或触摸感测电极时，所述差分对管的晶体管对参考信号的变化量进行转换以及放大，产生二不同的第一交流信号，并将二不同的第一交流信号分别叠加至相同的第二恒定电流信号上，对应产生所述二不同的第二交流信号给控制电路。其中，所述第二恒定电流信号为第一恒定电流信号的一半。相应地，所述感测信号较强，所述控制电路根据所述感测信号获得的感测结果较准。
[0084]对于本发明的电容式传感器:或者每个传感单元输出单一电流信号作为感测信号；或者每个传感单元输出差分信号作为感测信号；或者相邻的传感单元输出差分信号作为感测信号；其中，所述差分信号如为差分电流信号；更优选地，组成差分对管的晶体管输出的感测信号为放大的信号；相应地，具有所述电容式传感器的电容式传感装置的感测精度较高。
[0085]下面结合附图对电容式传感装置的电路结构、芯片