用于指纹识别的传感器像素电路的制作方法

用于指纹识别的传感器像素电路的制作方法
【专利摘要】一种用于指纹检测的指纹传感器装置包含传感器像素阵列，用于与手指的触摸部分电容式耦合以形成与指纹关联的电容器阵列，所述电容器阵列具有指示指纹的电容值。每一传感器像素包括：输出端，用于输出指示与所述手指的所述触摸部分的局部电容式耦合的输出信号，所述输出信号作为指纹检测的部分指纹数据；电容式感测层，其包括可电容式耦合到手指触摸部分的局部部分的导电材料，以形成与指纹关联的电容器，所述电容式感测层可耦合到输出端以形成输出信号；导电的集成电路布局层；指纹电压产生器；和布局电压产生器。
【专利说明】
用于指纹识别的传感器像素电路
技术领域
[0001 ]本专利文件涉及传感器像素电路和指纹识别。
【背景技术】
[0002] 各种电子装置或信息系统可采用用户验证机制来保护个人数据且防止未被授权 的访问。电子装置或信息系统上的用户验证可通过一或多个形式的个人识别和验证方法来 实现，包含一或多个生物特征。生物特征可以单独使用或者结合例如口令验证方法等常规 验证方法一起使用。常用的生物特征是个人的指纹图案。指纹传感器可以设置到电子装置 中以读取用户的指纹图案，从而使得装置可仅由装置的被授权用户通过被授权用户的指纹 图案的验证来解锁。在一些实施方案中，例如指纹传感器可包含传感器像素电路，具有用于 捕获指纹图案以用于用户识别的像素化像素传感器元件。

【发明内容】

[0003] 本专利文献描述用于提供装置、系统和技术以在包含便携式或移动计算装置的电 子装置中执行指纹检测的技术，所述电子装置例如膝上型计算机、平板计算机、智能电话和 游戏系统。
[0004] 本专利文献中描述的技术可提供传感器像素电路和用于准确指纹识别而无需使 用金属环的指纹识别系统。
[0005] -方面，一种用于指纹检测的指纹传感器装置包含传感器像素阵列，用于与手指 的触摸部分电容式耦合以形成与指纹关联的电容器的阵列，该与指纹关联的电容器的阵列 具有指示指纹的电容值。每一传感器像素包含输出端，其用于输出指示与手指触摸部分的 局部电容式耦合的输出信号，作为指纹检测的部分指纹数据。每一传感器像素包含电容式 感测层，其包含可电容式耦合到手指触摸部分的局部部分，从而形成与指纹关联的电容器 的导电材料，电容式感测层可耦合到输出端以造成输出信号。每一传感器像素包含集成电 路布局层，其为可导电的并且电容式耦合到接地端以形成与布局关联的电容器，该布局层 可耦合到输出端。每一传感器像素包含指纹电压产生器，其经电耦合以对电容式感测层供 电，以产生指纹电压来对与指纹关联的电容器进行充电。每一传感器像素包含布局电压产 生器，其经电耦合以对该集成电路布局层供电以产生布局电压，来对该与布局关联的电容 器进行充电。
[0006] 该指纹装置可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。指纹装置可包含 指纹开关电路，用于在将电容式感测层电连接到指纹电压产生器和输出端之间进行切换， 以选择性使用指纹电压对与指纹关联的电容器进行充电。该指纹装置包含布局开关电路以 在将集成电路布局层电连接到布局电压产生器和输出端之间进行切换，以选择性使用布局 电压对布局关联电容器进行充电。
[0007] 该指纹装置可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。指纹开关电路可 包含充电开关，其电连接于指纹电压产生器与电容式感测层之间以选择性在充电周期期间 对指纹关联电容器进行充电。指纹开关电路可包含感测开关，其电连接于电容式感测层与 输出端之间，以选择性在不同于充电周期的感测周期期间感测与被充电的与指纹关联的电 容器相关联的信号。在充电周期期间，充电开关可接通，且感测开关可断开。在感测周期期 间，充电开关可断开，且感测开关可接通。布局开关电路可包含充电开关，其电连接于布局 电压产生器与集成电路布局层之间，以选择性在充电周期期间对所述布局关联电容器进行 充电。布局开关电路可包含感测开关，其电连接于集成电路布局层与输出端之间以选择性 在不同于充电周期的感测周期期间感测与被充电的与布局关联的电容器相关联的信号。在 充电周期期间，充电开关可接通，且感测开关可断开。在感测周期期间，充电开关可断开，且 感测开关可接通。电容式感测层可以与手指的表面形成与手指关联的电容器的两个相对的 导电电极。指纹电压产生器和布局电压产生器可改变产生的指纹电压和布局电压。指纹电 压产生器和布局电压产生器可使产生的指纹和布局电压彼此独立地变化。指纹电压产生器 和布局电压产生器中的每一个可包含数/模转换器以改变产生的指纹和布局电压。
[0008] 该指纹装置可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。指纹装置可包含 积分器，其电耦合到连接到指纹关联的电容器和布局关联的电容器的输出端，以响应于用 户手指的触摸而存储与被充电的指纹关联的电容器相关联的电荷。积分器可包含参考电压 产生器以产生参考电压。积分器可包含放大器，其包含:正输入端，其电親合到参考电压产 生器以接收参考电压；负输入端，其电耦合到连接到指纹关联电容器和布局关联电容器的 输出端；以及放大器的输出端。积分器可包含积分电容器，其电親合于放大器的负输入端与 输出端之间。积分器可包含复位开关，其电親合于放大器的负输入端与输出端之间。参考电 压产生器可改变产生的参考电压。参考电压产生器可包含数模转换器以改变产生的参考电 压。连接到指纹关联的电容器和布局关联的电容器的输出端可产生与手指的脊线或谷线相 关联的输出信号。
[0009] 另一方面，一种用于指纹识别的指纹传感器装置包含:传感器像素电路阵列，其形 成电连接传感器像素电路的群组，以捕获手指的触摸部分的指纹图案，阵列中的每一传感 器像素电路包含输出端，其用于输出输出信号，该输出信号可作为指纹检测的指纹数据。每 一传感器像素电路包含电容式感测层，其电耦合到所述输出端且电容式耦合到所述手指的 所述触摸部分的局部部分以形成指纹关联电容器。每一传感器像素电路包含集成电路布局 层，其电耦合到输出端且电容式耦合到接地端以形成布局关联电容器。每一传感器像素电 路包含指纹电压产生器，其经电耦合以对电容式感测层供电以产生指纹电压来对指纹关联 电容器进行充电。每一传感器像素电路包含布局电压产生器，其经电耦合以对集成电路布 局层供电以产生布局电压来对布局关联电容器进行充电。指纹传感器装置包含单独的模数 转换器，其电耦合到电连接传感器像素电路的每一群组。指纹传感器装置包含单独的启用 开关，其电耦合于电连接传感器像素电路的对应群组中的每一传感器像素电路与对应模数 转换器之间。指纹传感器装置包含控制模块，其电耦合到阵列中的每一传感器像素电路，且 控制模块可产生控制信号以控制阵列中的每一传感器像素电路。
[0010]该指纹传感器装置可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。每一传感 器像素电路可包含指纹开关电路以将所述电容式感测层电连接到所述指纹电压产生器和 所述输出端以选择性使用所述指纹电压对所述指纹关联电容器进行充电。每一传感器像素 电路可包含布局开关电路以将所述集成电路布局层电连接到所述布局电压产生器和所述 输出端以选择性使用所述布局电压对所述布局关联电容器进行充电。
[0011]该指纹传感器装置可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。该指纹传 感器装置可包含充电开关，其电连接于指纹电压产生器与电容式感测层之间，以选择性在 充电周期期间对指纹关联电容器进行充电。指纹传感器装置可包含感测开关，其电连接于 电容式感测层与输出端之间，以选择性在不同于充电周期的感测周期期间感测与被充电的 指纹关联电容器相关联的信号。在充电周期期间，充电开关可接通，且感测开关可断开。在 感测周期期间，充电开关可断开，且感测开关可接通。布局开关电路可包含充电开关，其电 连接于布局电压产生器与集成电路布局层之间以选择性在充电周期期间对布局关联电容 器进行充电。布局开关电路可包含感测开关，其电连接于所述集成电路布局层与输出端之 间以选择性在不同于充电周期的感测周期期间感测与被充电布局关联电容器相关联的信 号。在充电周期期间，充电开关可接通，且感测开关可断开。在感测周期期间，充电开关可断 开，且感测开关可接通。电容式感测层可以与手指的表面形成手指关联电容器的两个相对 的导电电极。指纹电压产生器和布局电压产生器可改变产生的指纹和布局电压。指纹电压 产生器和布局电压产生器可使产生的指纹和布局电压彼此独立地变化。指纹电压产生器和 布局电压产生器中的每一个可包含数模转换器以改变产生的指纹和布局电压。
[0012] 该指纹传感器装置可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。传感器像 素电路可包含积分器，其电耦合到连接到指纹关联电容器和布局关联电容器的输出端，以 响应于用户的手指的触摸而存储与被充电的指纹关联电容器相关联的电荷。积分器可包含 参考电压产生器以产生参考电压。积分器可包含放大器，其包含：正输入端，其电親合到参 考电压产生器以接收参考电压；负输入端，其电耦合到连接到指纹关联电容器和布局关联 电容器的输出端；以及放大器的输出端。积分器可包含积分电容器，其电親合于放大器的负 输入端与输出端之间。积分器可包含复位开关，其电親合于放大器的负输入端与输出端之 间。参考电压产生器可改变产生的参考电压。参考电压产生器可包含数模转换器以改变产 生的参考电压。响应于用户的手指接近所述阵列中的至少一些感测像素电路的电容式感测 层，指纹识别系统可将输出信号识别为脊线或谷线关联信号。控制模块可产生控制信号以 控制阵列中的每一传感器像素电路以并行地集成阵列中的每一传感器像素电路中的输出 信号。
[0013] 另一方面，一种由指纹识别系统执行的方法包含：由指纹识别系统中的传感器像 素电路阵列检测与来自手指的触摸相关联的指示指纹扫描的电容。该方法包含由传感器像 素电路阵列输出响应于所检测电容的输出信号。该方法包含由所述传感器像素电路阵列的 至少一个子集并行地集成所述输出信号。
[0014] 该方法可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。由所述传感器像素电 路阵列的至少一个子集集成可包含由所述阵列中的全部所述传感器像素电路并行地集成 所述输出信号。
[0015] 另一方面，一种用于指纹检测的指纹传感器装置包含输出端，以输出指示与手指 的触摸部分的电容式耦合的输出信号，作为用于指纹检测的一部分指纹数据。该指纹传感 器装置包含传感器电极，其包含可电容式耦合到手指触摸部分，从而形成指纹关联电容器 的导电材料，且电容式感测层可耦合到输出端以造成输出信号。指纹传感器装置包含一对 大体上相同的导电的集成电路布局电极。该大体上相同的集成电路布局电极中的一个电容 式耦合到传感器电极，从而形成第一布局关联电容器，且该大体上相同的集成电路布局电 极中的另一个电容式耦合到传感器电极，从而形成第二布局关联电容器。该指纹传感器装 置包含指纹电压产生器，其经耦合以供应指纹电压以对该指纹关联电容器进行充电。该布 局电压产生器经耦合以将布局电压供应到该大体上相同的集成电路布局电极中的另一个 以对第二布局关联电容器进行充电。
[0016] 该指纹装置可以通过各种方式实施以包含以下的一或多个特征。该指纹装置可包 含指纹开关电路，以在将传感器电极电连接到指纹电压产生器和输出端之间切换。该指纹 装置可包含布局开关电路，以在将该大体上相同的集成电路布局电极中的另一者电连接到 布局电压产生器和接地端之间切换。该布局电压产生器可包含可变电压产生器。
【附图说明】
[0017] 图1A是展示一种示范性指纹传感器装置的框图。
[0018]图1B是展示一种示范性传感器芯片的图。
[0019] 图2是一种示范性传感器像素电路的示意图。
[0020] 图3是图1中的传感器像素电路的等效电路的示意图。
[0021] 图4是一种具有像素内积分器的示范性传感器像素电路的示意图。
[0022] 图5是图4中传感器像素电路的等效电路的示意图。
[0023] 图6是一种示范性传感器像素电路的示意图。
[0024] 图7是一种示范性指纹识别系统的示意图。
[0025] 图8是说明相关联信号的示范性波形的示意图。
[0026] 图9是根据本发明的一种实施例的示范性传感器像素电路和外部电极的示意图。
[0027] 图10是说明根据本发明的一种实施例的时钟信号的波形的示意图。
[0028] 图11是说明用以补偿指纹识别系统中的电容器失配的又一示范性传感器像素电 路的不意图。
[0029] 图12是说明用以补偿指纹识别系统中的电容器失配的又一示范性传感器像素电 路的不意图。
[0030] 图13是说明用以补偿指纹识别系统中的电容器失配的又一示范性传感器像素电 路的不意图。
[0031] 图14A是说明在传感器像素电路之间共享积分器的一种示范性指纹识别系统的示 意图。
[0032] 图14B是说明在传感器像素电路之间共享积分器的另一示范性指纹识别系统的示 意图。
[0033] 图14C是说明在两个传感器像素电路之间共享积分器的一种示范性指纹识别系统 的示意图。
[0034] 图14D是说明在两个传感器像素电路之间共享积分器的一种示范性指纹识别系统 的示意图。
【具体实施方式】
[0035] 电容式指纹识别装置和系统通过感测电容变化以确定用户手指的脊线和谷线。当 低信噪比（SNR)存在于电容式指纹识别系统中时，会降低指纹识别的准确性。一种增加 SNR 的技术是使用金属环将激励信号直接发射到待识别的手指以增强识别准确性。该金属环占 用装置的半导体布局上的宝贵空间，这增加了产品成本且影响产品的外观。
[0036] 图1A是展示一种示范性指纹传感器装置1的框图。指纹传感器装置1包含设置在衬 底载体4上的传感器芯片2以及设置在传感器芯片2上的保护膜或覆盖层6。保护膜或覆盖层 6可包含绝缘体或电介质材料，例如玻璃、二氧化硅(Si0 2)、蓝宝石、塑料、聚合物、其它大体 上类似的材料。保护膜或覆盖层6可存在以保护传感器芯片2,且潜在地充当手指8的表面与 传感器芯片2中的个别传感器像素的导电感测电极之间的电介质层的一部分。取决于指纹 传感器装置1的应用，保护膜或覆盖层6是可选的层。指纹传感器装置1可穿过例如移动电话 等电子装置的顶盖玻璃的开口进行设置或设置于电子装置的顶盖玻璃下方。当应用在玻璃 下方时不需要保护膜或盖6,因为电子装置的顶盖玻璃将用以保护传感器芯片2且充当电介 质层。传感器芯片2包括传感器像素阵列，所述传感器像素阵列组合地从与保护膜或覆盖层 6接触的手指8感测或捕获指纹数据。传感器芯片2的每一传感器像素基于与手指8的脊线或 谷线相关联的电容器的电容而产生输出信号(例如，电压）。输出信号当组合时表示手指8的 指纹图像。像素传感器的数目越大，指纹图像的分辨率越高。
[0037] 图1B是展示示范性传感器芯片2的图。传感器芯片2可包括像素化传感器阵列3,其 可占据传感器芯片2的重要部分。像素化感测元件阵列3中的每一传感器像素可包括CMOS电 容式传感器或可感测指纹特征的其它类型的传感器。传感器芯片2可包含用于处理从像素 化传感器阵列3中的全部传感器像素接收的信号的信号处理单元5,以及电耦合到信号处理 单元5的连接单元7。信号处理单元5可包含各种信号处理组件，包含放大器、滤波器和模/数 转换器(ADC)。连接单元7可包含多个电极，所述电极可通过引线键合、凸点键合或其它连接 方式连接到外部电路。连接单元7可沿着传感器芯片2的边缘设置，以便于与指纹传感器装 置1的其它组件进行接合。
[0038]传感器芯片2中的传感器像素的阵列3可布置为具有各种形状和大小。举例来说， 传感器像素的阵列3可布置为具有矩形形状，所述矩形形状的宽度大于所述矩形形状的高 度。矩形传感器芯片的示范性尺寸可包含24 X 88、32 X 88、56 X 88个传感器像素。在一些实 施方案中，传感器芯片2中的传感器像素的阵列3可布置为具有正方形形状。正方形传感器 芯片2的示范性尺寸包含32 X 32、64 X 64、96 X 96和128 X 128个传感器像素。
[0039]图2是根据所揭示技术的实施例的一种示范性传感器像素电路10的示意图。传感 器像素电路10对应于传感器像素的阵列3中的每一传感器像素的至少部分内部结构。传感 器像素电路10包含电容式感测层100、布局层106、电压产生器102和104,以及例如开关网络 108和110的开关电路。在一些实施方案中，开关网络108和110的电路可使用取样保持电路 来实施。在每一传感器像素内，电容式感测层100可为导电层或电极层，且可实施为电容器 中的相对传感器板或电极中的一个。当与手指的表面相对设置时，电容式感测层100和手指 的表面(例如，手指的脊线或谷线)形成电容器的两个相对的板。电容式感测层100可包括集 成电路(1C)布局内的金属层，其形成具有接地端的电容器C1。电容式感测层100上方通常设 置有钝化层（图1中未说明）以覆盖电容式感测层100,用于接收用户的触摸。钝化层可为图 1A中所示的保护膜或覆盖层6。在一些实施方案中，例如采用玻璃下方配置结构，钝化层是 电子装置的顶盖玻璃，用以保护传感器芯片2且充当电介质层。钝化层可包含绝缘材料，例 如玻璃、蓝宝石、塑料或聚合物等。
[0040]当用户的手指接近电容式感测层100时，电容器C1的电容值相应地变化。布局层 106可为用于1C布局的导电（例如，金属)层的多层。布局层106形成具有信号接地端的电容 器Cp2。信号接地端不限于具有0电压的系统接地端。接收固定电压的端或布局层视为信号 接地端。电容器Cp2可为布局层106与另一布局层之间的寄生电容器，或包含親合于布局层 106与信号接地端之间的电容器。电压产生器102和104可产生驱动电压VI和V2。开关网络 108包含开关S1和S2。开关S1和S2串联连接，且电容式感测层100电耦合于开关S1与S2之间。 开关网络110包含开关S3和S4。开关S3和S4串联连接，且布局层106电耦合于开关S3与S4之 间。
[0041]开关S1和S2可由时钟信号或其它控制信号控制，以使得在第一周期期间，开关网 络108通过接通开关S1而接通电压产生器102与电容式感测层100之间电连接，且通过断开 开关S2而断开电容式感测层100与输出端N之间的电连接。在第二周期期间，开关网络108通 过断开开关S1而断开电压产生器102与电容式感测层100之间的电连接，且通过接通开关S2 而接通电容式感测层100与输出端N之间的电连接。因此，开关S1充当充电且开关S2充当电 荷感测开关，以在相应时间周期期间同步地对与电容式感测层100相关联的电容器C1进行 充电和感测。
[0042]类似地，开关S3和S4可由时钟信号或其它控制信号控制，以使得在第一周期期间， 开关网络110通过接通开关S3而接通电压产生器104与布局层106之间的电连接，且通过断 开开关S4而断开布局层106与输出端N之间的电连接。在第二周期期间，开关网络110通过断 开开关S3而断开电压产生器104与布局层106之间的电连接，且通过接通开关S4而接通布局 层106与输出端N之间的电连接。因此，开关S3充当充电开关且开关S4充当电荷感测开关，以 在相应时间周期期间同步地对与集成电路布局层106相关联的电容器Cp2进行充电和感测。 [0043] 开关网络108和110可使用电压产生器102和104对电容器C1和Cp2进行充分地充 电，且通过输出端N输出充电结果以增强指纹识别的准确性。另外，电压产生器102和104可 通过改变产生的电压VI和V2以增强指纹识别的准确性。
[0044]举例来说，形成于电容式感测层100与接地端之间的电容器C1可包括形成于电容 式感测层100与接地端之间的寄生电容器Cpl，以及当用户的手指(例如，手指的脊线）正触 摸电容式感测层100上的钝化层时形成的触摸感测电容器Cf。电容器C1表示电容式感测层 100与接地端之间的等效电容器，其为并联连接的寄生电容器Cp 1和触摸感测电容器Cf的组 合（即，Cl=Cpl+Cf)。当用户的手指不接触电容式感测层100上的钝化层时，触摸感测电容 器Cf的电容值大体上为0,且当用户的手指触摸电容式感测层100上的钝化层时，触摸电容 器Cf具有取决于与电容式感测层100的间距的非零电容值。因此，电容器C1的电容值根据用 户的手指是否触摸电容式感测层100上的钝化层以及手指的触摸部分的位置与层100之间 的局部间距而变化。当用户的手指触摸电容式感测层100上的钝化层时，触摸感测电容器Cf 的电容值根据手指的触摸电容式感测层100上的钝化层的部分(例如，手指的脊线）与电容 式感测层100之间的距离而在手指的一个部分与另一部分之间变化。触摸感测电容器Cf的 上述变化被传感器像素阵列捕获，且传感器像素阵列的输出提供表示手指的触摸部分的表 面轮廓的图，且因此可用以重构指纹图案。基于触摸感测电容器Cf的空间变化的上述重构 可由后续信号处理电路实现。实施实质上等效于图1B中的传感器芯片2的结构和功能的指 纹识别系统包括信号处理单元(例如，实质上类似于传感器芯片2的信号处理单元5)，其与 传感器像素电路(例如，实质上类似于传感器像素的阵列3)通信，可感测触摸感测电容器Cf 的电容变化，且确定在电容式感测层100中对应于触摸电容式感测层100上的钝化层的手指 的脊线或谷线的位置。
[0045] 图3是展示传感器像素电路10的一种示范性等效电路的电路图。开关S1到S4由时 钟信号控制以控制开关的接通-断开状态。当开关S1和S3接通时开关S2和S4断开，且当开关 S1和S3断开时开关S2和S4接通。在当开关S1和S3接通且开关S2和S4断开时的第一周期期 间，电压VI对电容器C1进行充电，且电压V2对电容器Cp2进行充电。在当开关S1和S3断开且 开关S2和S4接通时的第二周期期间，电容器C1与电容器Cp2交换电荷以形成输出端N处的所 得电压Vr。此外，所得电压Vr的电压值可使用以下方程式表示
：。因此， 传感器像素电路10可将所得电压Vr输出到指纹识别系统的信号处理单元以根据所得电压 Vr判断传感器像素电路10的位置是否对应于指纹的脊线或谷线。
[0046] 图4是根据所揭示技术的实施例的一种示范性传感器像素电路30的示意图。图5是 传感器像素电路30的等效电路的示意图。传感器像素电路30实质上类似于传感器像素电路 10。不同于传感器像素电路10,传感器像素电路30包括电耦合到输出端N的积分器INT，用于 存储由脊线和谷线触摸电容感测层100上的钝化层所导致的电荷Vl*Cf。积分器INT包含在 感器像素电路30中增强了信噪比（SNR)。积分器INT包括参考电压产生器300、放大器0P、积 分电容器Cint和复位开关Srst。参考电压产生器300可产生参考电压Vref。放大器0P包含电 耦合到参考电压产生器300以接收参考电压Vref的正输入端、电耦合到输出端N以接收所得 电压Vr的负输入端，以及用于输出输出电压Vo的输出端。积分电容器Cint和复位开关Srst 电親合于放大器0P的负输入端与输出端之间。
[0047]电容器C1内的寄生电容器Cpl的电容值通常大于触摸感测电容器Cf的电容值，这 使得难以识别触摸感测电容器Cf的电容的变化。传感器像素电路30中的放大器0P的负输入 端接收的参考电压Vref的电压值可以进行调整，以使得触摸感测电容器Cf的电容变化通过 积分器而更显著地识别。在一些实施方案中，如果不存在来自用户的手指触摸(即，Cf = 0)， 那么可将参考电压Vref设定为所得电压Vr，如下表示
3如果不存在 手指触摸，则在第一周期期间由电容器C1和电容器Cp2积聚的总电荷大于Vref * (Cp 1+Cp2)， 且存在存储于积分电容器Cint中的电荷。当存储在积分电容器Cint中的电荷大部分归于触 摸感测电容器Cf时，输出电压Vo更显著地反映触摸感测电容器Cf的电容值。对参考电压 Vref进行充分设计可减少或甚至消除寄生电容器Cp 1对触摸感测电容器Cf的电容值的确定 的影响。
[0048]在各种电路设计中，可能不容易获取电容器Cpl和Cp2的电容值。在一些实施方案 中，当电容器Cpl、Cp2的电容值假定为相等时，参考电压Vref可设定为Vrtvf = |(V I + V2) 电压VI、V2、Vref中的至少一个可由电压产生器102和104产生。可调整参考电压产生器300 以提供Vl*Cpl+V2*Cp2 = Vref*(Cpl+Cp2)，这可帮助消除由制造工艺造成的电容器Cpl和 Cp2的电容失配。通过改变由电压产生器102产生的电压VI，可大体上消除由于制造工艺所 致的电容器Cpl和Cp2的电容失配。
[0049]在各种1C布局中，可将电容器Cpl和Cp2设计为具有大体上相等电容值，参考电压 Vref可设定为Vref = 4(Vl_f V2)，且可调整电压VI和V2的电压值以实质上消除由于制造所 致的电容器Cpl和Cp2的电容失配。
[0050] 如上文所描述，通过对电容器C1和Cp2进行充电且通过输出端N输出充电结果，所 揭示技术的传感器像素电路可增强指纹识别的准确性。可对上述传感器像素电路(例如，传 感器像素阵列3)和指纹识别系统（例如，包含传感器像素阵列3和信号处理系统5的传感器 芯片2)做出各种修改。举例来说，为了大体上消除电容器Cpl和Cp2的失配，可调整由电压产 生器102、104和参考电压产生器300产生的电压VI、V2和Vref中的至少一个。为了调整所述 电压中的至少一个，可使用数/模转换器(DAC)来输出可变电压。举例来说，在一些实施方案 中，电压产生器102可包含DAC，其受控制以输出具有可变电压值的电压VI。在一些实施方案 中，电压产生器104可包含DAC，其受制以输出具有可变电压值的电压V2。在一些实施方案 中，参考电压产生器300可包含DAC，其受控制以输出具有可变电压值的参考电压Vref。
[0051] 除DAC之外，可提供开关调整机构以产生可控或可变的电压VI和V2。图6是根据所 揭示技术的实施例的一种示范性传感器像素电路60的示意图。在一个实施方案中，传感器 像素电路60可实质上类似于传感器像素电路30。传感器像素电路60利用电荷供应模块602 和604以充当图2、3、4和5中的传感器像素电路30的电压产生器102和104。电荷供应模块602 电親合于开关S2与电容式感测层100之间。电荷供应模块604电親合于开关S4与布局层106 之间。电荷供应模块602包括分别电耦合到电压V+和电压V-的开关S11和S12。类似地，电荷供 应模块604包含分别电耦合到电压V+和电压V-的开关S31和S32。通过控制开关S11、S12、S31 和S32的接通-断开状态，可产生可控或可变的电压VI和V2以改变存储在电容器Cl和Cp2中 的电荷量，且实质上消除由于制造工艺所致的电容器Cpl和Cp2的电容失配。
[0052]图7到8说明指纹识别系统的示范性实施例，所述指纹识别系统使用示范性传感器 像素阵列布置以检测在单个传感器像素电路的特定位置处手指的脊线或谷线的存在。指纹 识别系统中的传感器像素电路的恰当布置可帮助识别用户的指纹。
[0053]图7是示范性指纹识别系统70的示意图。指纹识别系统70是组合了如图1B中所示 的与信号处理系统5电连通的传感器像素阵列3的结构和功能的传感器芯片2的实施方案。 所述指纹识别系统包含传感器像素电路Pix_ll到Pix_MN的阵列、对应的使能开关SW_11到 SW_MN、对应的模/数转换器ADC_1到ADC_M，以及控制模块700。传感器像素电路Pix_l 1到 Pix_MN以示范性阵列配置排列。举例来说，传感器像素电路Pix_ll到Pix_MN的阵列排列成Μ 行和Ν列。每一传感器像素电路对应于一个使能开关且电耦合到所述使能开关，且一行传感 器像素电路对应于一个模/数转换器且电耦合到所述模/数转换器。
[0054]在一个实例配置中，传感器像素电路Pix_ll到Pix_lN的群组（例如，行或列）电耦 合到模拟/对应数字转换器ADC_1。类似地，传感器像素电路Pix_21到Pix_2N的群组电耦合 到模/数转换器ADC_2。传感器像素电路的剩余群组可类似地电耦合到对应模/数转换器。 [0055] 传感器像素电路Pix_ll到Pix_MN的阵列以及使能开关SW_11到SW_MN电耦合到控 制模块700,用于接收由控制模块700产生的控制信号。传感器像素电路Pix_ll到Pix_MN的 阵列的每一传感器像素电路可实质上类似于传感器像素电路30或60或本专利文献中描述 的任何其它配置。此外，输出电压Vo_l 1到Vo_MN由传感器像素电路Pix_l 1到Pix_MN的积分 器输出。如本专利文献中下文所述，多个传感器像素电路可共享一个积分器以得到各种潜 在优点，包括例如节省布局空间和简化设计。传感器像素电路Pix_ll到Pix_MN的阵列中的 每一传感器像素电路的操作原理和详细操作可大体上类似于传感器像素电路30或60或本 专利文献中描述的任何其它配置的描述。
[0056]在指纹识别系统70中，控制模块700控制使能开关SW_11到SW_MN，以使得对应于传 感器像素电路阵列(例如，Pix_ll到Pix_MN)中的给定传感器像素电路的使能开关的导通周 期和对应于同一行传感器像素电路(例如，Pix_ll到Pix_MN)的另一传感器像素电路的启用 开关的导通周期可在时间上不同。举例来说，控制模块700选择性接通和断开开关SW_11到 SW_MN以选择性改变同一行中的不同传感器像素电路(例如，Pi x_l 1到Pix_MN)的导通周期， 以供ADC读出。控制模块700可针对其它行以类似方式控制传感器像素电路。在一些实施方 案中，控制模块700可实质上并行地接通传感器像素电路阵列的使能开关。举例来说，控制 模块700可在实质上相同时间启用SW11到SWMN，以使得ADC 1-M可并行地读出数据。并且，控 制模块700可一次扫描一或多条线(例如，行、列或其它群组）以读出全部像素输出电压。 [0057]图8说明与指纹识别系统相关联的各种信号的波形的实例。具体来说，图8中所示 的实例波与图7中的传感器像素电路行的第Μ行相关联。积分器(例如，积分器INT)的输出由 输出电压Vo_ml表示。使能开关SW_ml的控制信号在时间11拉高持续一时间周期，且输出电 压Vo_ml通过使能开关SW_ml传递到模/数转换器ADC_m。在tl之后的某个时间，复位开关 Srst的控制信号在时间trl拉高，以使得传感器像素电路Pix_ml的积分电容器Cint归零，以 便准备执行下一时间周期的另一积分。并且，在传感器像素电路Pix_ml的积分器执行积分 的同时，传感器像素电路Pix_m2的积分器也实质上同时执行积分。类似地，使能开关SW_m2 的控制信号在时间t2拉高持续一时间周期，且输出电压Vo_m2通过使能开关SW_m2传递到 模/数转换器ADC_m。时间t2是在11之后的某个时间。并且，传感器像素电路Pix_m3到Pix_mN 中的每一个可在时间t2之后的不同时间将输出电压传递到对应模/数转换器ADC_m。传感器 像素电路Pix_ml到Pix_mN的不同时间实例可为不重叠的时间实例。模/数转换器ADC_m接收 传感器像素电路P i x_ml到P i x_mN的所在行中的每一传感器像素电路的输出电压。
[0058] 传感器像素电路P i x_l 1到P i x_MN的阵列内的每一传感器像素电路包括专用积分 器。因此，给定行的传感器像素电路(例如，Pi x_ml到Pix_mN)中的不同传感器像素电路的积 分过程可由多个积分器并行地执行。通过用于每一积分器的固定积分周期，指纹识别系统 70可缩短传感器像素电路阵列的总积分周期。由于传感器像素电路Pix_ll到Pix_MN的整个 阵列中的全部传感器像素电路的传感器像素电路的并行积分，一行传感器像素电路的总积 分周期可为固定的（例如，在比个别传感器像素电路积分周期长的周期）以允许传感器像素 电路Pix_ml到Pix_mn所在行中的每一传感器像素电路的较长积分周期。因为可针对全部像 素传感器电路并行执行个别积分过程，所以甚至当个别积分周期增加时也可减少总积分周 期。增加个别积分周期同时减少总积分周期可允许噪声被充分平均化，可进一步增强传感 器像素电路的SNR。因为每一像素积分器可充当像素级信号（电压)存储装置，所以后续可使 用例如ADC和控制模块通过扫描读取过程读出所存储的信号。
[0059]在操作中，响应于手指触摸(例如，在指纹识别系统上的钝化层上），传感器像素电 路的选定子集或整个阵列可以被启用，以集中处理传感器像素电路的所述选定子集或整个 阵列。连接到每一积分器的负反馈路径的积分电容器可用作本地存储器以存储与对应传感 器像素相关联的电荷。传感器像素数据的读出可按传感器像素电路阵列的选定群组或子集 来执行，例如每一行、列等。读出过程相对于积分过程比较快速，且因此，在手指触摸指纹识 别系统(例如，传感器像素电路上的钝化层)时传感器像素电路的所述选定子集或整个阵列 的并行积分可以更有利的，因其不浪费手指触摸下方的传感器像素电路。
[0060] 上述实施方案是用于说明性目的，且对传感器像素电路和指纹识别系统的一或多 个方面的各种修改是可能的。举例来说，在一些实施方案中，指纹识别系统可经由电极(例 如，金属环)将激励信号直接应用于手指以增加触摸感测电容器Cf的两个端之间的电压差， 以使得在第一周期期间在触摸感测电容器Cf中积聚更多电荷。替代地，指纹识别系统可在 第二周期期间将高电压应用于手指，以使得更多电荷存储在积分电容器Cint中。
[0061] 图9是示范性传感器像素电路90和外部电极Et的示意图。传感器像素电路90可大 体上类似于传感器像素电路30或60。不同于传感器像素电路30,开关S1和S3由时钟信号ckl 控制，且开关S2和S4由时钟信号ck2控制。当时钟信号ckl高时，开关S1和S3接通。当时钟信 号ckl为低时，开关S1和S3断开。当时钟信号ck2为高时，开关S2和S4接通。当时钟信号ck2为 低时，开关S2和S4断开。另外，外部电极Et可电连接到时钟信号ck2,以便在第二周期（即，当 开关S2和S4接通且开关S1和S3断开时的周期）期间将通过外部电极Et施加于用户手指的电 压拉高。通过将高电压施加到用户的手指，在第二周期期间通过触摸感测电容器Cf在积分 电容器Cint中存储更多电荷，使得指纹识别系统可更准确地隔离且确定触摸感测电容器Cf 的电容。
[0062] 图10是说明时钟信号ckl和ck2的示范性波形的示意图。在图10中所示的实例中， 时钟信号ckl和ck2彼此反相而非同相。当ckl设定为高时，ck2设定为低。
[0063]其它修改是可能的。举例来说，在指纹识别系统70中，一行传感器像素电路(例如， Pix_ml到Pix_mN)耦合到对应模/数转换器(例如，ADC_m)。在一些实施方案中，传感器像素 电路单元可划分成不同群组的传感器像素电路。给定群组中的全部传感器像素电路可电耦 合到同一对应的模/数转换器。可使用允许对应于一个群组中的传感器像素电路的使能开 关具有与对应于不同群组中的传感器像素电路的另一使能开关不同的导通周期的行、列、 传感器像素电路的预定数目、特定形状(例如，正方形)或其它分组来确定传感器像素电路 的群组。
[0064] 图11、12和13展示传感器像素电路的其他变形实例。
[0065] 图11是展示用于补偿指纹识别系统中的电容器失配的另一示范性传感器像素电 路1100的图。示范性传感器像素电路可包括传感器板或电容式感测层1102,其可操作或充 当指纹关联电容器的两个相对导电板中的一个。举例来说，当用户的手指1108接近传感器 板或电容式感测层1102时，手指1108的表面和电容式感测层1102的传感器板可操作或充当 电容器Cf的两个相对板。电容器Cf的电容可至少部分地基于手指的表面(例如，脊线）与传 感器板或电容式感测层1102之间的距离而变化。传感器板或电容式感测层1102可包含导电 材料，例如各种金属中的一种。电压产生器1132电连接到传感器板1102,所述传感器板通过 手指108的表面电连接到系统接地。所述电压产生器可产生用于对指纹关联电容器Cf进行 充电的驱动电压VDD。例如开关网络1120的开关电路包含串联的开关1122和1124，用于使得 传感器板1102与电压产生器1132和输出端1140之间的电连接是可切换的。在一些实施方案 中，可使用取样保持电路实施开关电路1120。
[0066]开关1122和1124可由时钟信号或其它控制信号控制，以使得开关电路1120可在第 一周期期间通过接通开关1122从而接通电压产生器1132与传感器板1102之间的电连接，且 通过断开开关1124从而断开传感器板1102与输出端1140之间的电连接。在第二周期期间， 取样保持电路1120可通过断开开关1122从而断开电压产生器1132与传感器板1102之间的 电连接，且通过接通开关1124从而接通传感器板1102与输出端1140之间的电连接。因此，开 关1122充当充电开关且开关1124充当电荷感测开关，以在相应时间周期期间同步地对与传 感器板1102相关联的电容器Cf进行充电和感测。
[0067]两个实质上相同的导电层、电极或板1104和1106可设置于传感器板1102下方。导 电板1104和传感器板1102可形成对应电容器CP1。导电板1106和传感器板1102可形成对应 电容器CP2。
[0068]当两个导电板1104和1106实质上相同时，相应电容器CP1和CP2可共享实质上类似 的电容。例如开关网络1126的开关电路可包含开关1128和1130以使得导电板1104与电压产 生器1134和地1144之间的电连接是可切换的。另一导电板1106电连接到地且不由开关电路 1126电控制。电压产生器1134可包含DAC11136和电压缓冲器1138以产生且提供可变电压到 导电板1104。在一些实施方案中，开关电路1126可使用取样保持电路来实施。
[0069]开关1128和1130可由时钟信号或其它控制信号控制，以使得开关电路1126可在第 一周期期间通过接通开关1128从而接通电压产生器1134与导电板1104之间的电连接，且通 过断开开关1130从而断开导电板1104与接地1144之间的电连接。在第二周期期间，开关电 路1126可通过断开开关1128从而断开电压产生器1134与导电板1104之间的电连接，且通过 接通开关1130从而接通导电板1104与接地1144之间的电连接。因此，开关1128充当充电开 关且开关1130充当接地开关以在相应时间周期期间同步地对与传感器板1102相关联的电 容器CP1进行充电和接地。
[0070] 在一些实施方案中，可选地，输出端1140可电连接到用于存储由手指的脊线和谷 线在触摸传感器板1102上的钝化层时所导致的电荷的积分器1142。积分器INT包含在传感 器像素电路1100中增强了信噪比（SNR)。积分器包括具有负输入端的放大器1118,所述负输 入端电连接到输出端1140，所述输出端连接到开关电路1120。放大器1118具有电连接到参 考电压产生器1112的正输入端以用于接收参考电压Vref。参考电压产生器1112可包括 DAC21114和电压缓冲器1116以用于产生和提供可变参考电压。放大器1118包括用于输出输 出电压Vpo的输出端114。积分电容器Cint 1146和复位开关rst 1148并联电親合于放大器 0P 1118的负输入端与输出端1144之间。
[0071] 当两个导电板1104和1106实质上类似时，DAC11136输出可设定成VDD。在第一周期 CK1期间，开关1122和1128接通且开关1124和1130断开。CP2中的电荷将为Cp2*VDD且CP1中 的电荷将为0。在第二周期CK2期间，开关1122和1128断开且开关1124和1130接通。在第二周 期期间，CP1和CP2中的电荷将交换。当手指未触摸传感器板1102上的钝化层时，Cf中的电荷 大体上为零，且放大器〇P 1118的负输入处的电压将为VDD/2。因为两个导电板1104和1106 由于相同布局而可以实质上相同，所以DAC1可能是不必要的或变为可选的。通过移除DAC1， 像素输出中将不再存在DAC1噪声，这进一步增强SNR。
[0072]并且，可使用关于图12和13所说明且描述的技术来补偿寄生电容器CP1与CP2之间 的失配。图12是展示用于补偿指纹识别系统中的电容器失配的又一示范性传感器像素电路 1200的图。传感器像素电路1200实质上类似于传感器像素电路1100,但具有一些变化。举例 来说，开关电路1126电连接于导电板1104与不包括DAC的电压产生器1202之间。电压产生器 1202的输出预先设置到VDD。另外，第三电压产生器1212电连接到另一开关电路1204。第三 电压产生器1212可包括与电压缓冲器1216串联的DAC 1214DAC1。
[0073] 开关电路1204包括串联的开关1206和1208,用于使得电容器1210Cc与电压产生器 1212和连接到传感器板1102和开关电路1120(在电连接到输出端1140和电压产生器1132中 可切换）的共同节点1218之间电连接是可切换的。电容器1210Cc的另一端电连接到地。参见 图11的针对类似于传感器像素电路1100的传感器像素电路1200的电路组件的相关描述。 [0074]在传感器像素电路1200中，在第二周期期间在无手指触摸传感器电极1102上的钝 化层的情况下，在输出端1144处的最终电压VP0是(CP 1 *VDD+Cc* VDAC )/(Cc+Cpl+Cp2)。当两 个导电板1104和1106实质上类似时，VDAC设定成VDD/2。当两个导电板1104和1106非实质上 类似时，调整VDAC。
[0075] 图13是展示用于补偿指纹识别系统中的电容器失配的又一示范性传感器像素电 路1300的图。传感器像素电路1300实质上类似于传感器像素电路1200,但具有一些变化。举 例来说，开关电路1204包括串联式电连接的开关1206和1208,用于将电容器Cc 1210选择性 电连接到电压产生器1202和第四电压产生器1220。电压产生器1220可设定成VDD。电容器Cc 1210的另一端电连接到共同节点1218，所述共同节点连接到传感器板1102和取样保持电路 1120(与输出端1140和电压产生器1132的电连接可切换）。参见图12的针对类似于传感器像 素电路1200的传感器像素电路1300的电路组件的对应描述的描述。
[0076] 在传感器像素电路1300中，在第二周期Ck2期间在无手指触摸的情况下，在输出端 1144 处的最终电压 VP0 是（CPl*VDD+Cc*Vdac)/(Cc+Cpl+Cp2)。当两个导电板 1104 和 1106 非 实质上类似时，调整VDAC。
[0077] 在一些实施方案中，积分器可在若干传感器像素电路单元之间共享以减少指纹识 别系统中的积分器的总数，这可提供许多潜在优点，包含例如成本减少、布局尺寸减小以及 设计的简单。传感器像素电路的多个单元可通过将来自选定数目的传感器像素电路单元的 输出信号多路复用到共享积分器从而实现积分器共享。举例来说，当将传感器像素电路单 元阵列分组为若干行，其中每一行指派给一个ADC时，一行中的每一传感器像素电路单元可 与一或多行传感器像素电路中的一或多个传感器像素电路单元共享积分器。当将传感器像 素电路阵列中的传感器像素电路分组为若干列时，给定列中的每一传感器像素电路可与一 或多个列中的一或多个传感器像素电路共享积分器。
[0078]图14A和14B展示用于在传感器像素电路单元之间共享积分器的结构实例。
[0079]图14A是展示用于传感器像素电路单元阵列中的行之间的积分器共享的指纹识别 系统1400的实例的图。指纹识别系统1400包含控制模块1402,其可实质上类似于图7中的控 制模块700。传感器像素电路的阵列传感器像素11到传感器像素 MN被分组为行1到M。所述阵 列中的每一行包含N列传感器像素电路。在图14A中所示的实例中，每两行传感器像素电路 共享积分器。然而，两行以上传感器像素电路也可共享积分器。控制模块1402可通过接通和 断开对应使能开关SW 11到SW MN而选择性启用/停用阵列中的每一传感器像素电路。开关 信号可为一个或多个数字逻辑信号。通过经由使能开关控制适当的传感器像素电路，控制 模块1402可在阵列中并联地集成任何数目的传感器像素电路。在图14A中所示的实例中，控 制模块启用奇数行的传感器像素电路(例如，传感器像素11到传感器像素1N)以集成所述行 中的全部传感器像素。奇数行中的像素可并行地执行积分，且在积分完成之后，控制模块可 扫描每一像素以使用ADC读出其数据。随后控制模块可切换接通偶数行的传感器像素电路 (例如，传感器像素21到传感器像素2N)，所述偶数行的传感器像素电路可共享由奇数行的 传感器像素电路(例如，传感器像素11到传感器像素1N)使用的积分器以并行地执行积分。 可以相似方式处理全部的奇数和偶数行。在一些实施方案中，可实质上在相同时间并行地 处理全部奇数行。随后可在大体上相同时间并行地处理全部的偶数行。在一些实施方案中， 可一起并行地处理任何数目的奇数和偶数行。另外，在一些实施方案中可首先处理偶数行。 因此，偶数和奇数行的次序不具限制性。
[0080] 图14B是展示用于传感器像素电路阵列中的列之间的积分器共享的示范性指纹识 别系统1410的图。指纹识别系统1410包含控制模块140 2，其可实质上类似于图7中的控制模 块700。传感器像素电路的阵列传感器像素11到传感器像素4N被分组为列1到4。虽然阵列中 可包含4个以上的列，但为了说明性目的图14B中展示仅4列。阵列中的每一列包含N行传感 器像素电路。在图14B中所示的实例中，每两列传感器像素电路共享积分器。然而，两列以上 传感器像素电路也可共享积分器。控制模块1402可通过接通和断开对应使能开关SW 11到 SW 4N而选择性启用/停用阵列中的每一传感器像素电路。通过经由使能开关控制适当的传 感器像素电路，控制模块1402可在阵列中并联地集成任何数目的传感器像素电路。在图14B 中所示的实例中，控制模块启用奇数列的传感器像素电路(例如，传感器像素11到传感器像 素1N)以集成所述奇数列中的全部传感器像素。奇数列中的传感器像素可并行地执行积分， 且在积分完成之后，控制模块可扫描每一传感器像素以使用ADC读出数据。随后控制模块可 切换接通偶数列的传感器像素电路(例如，传感器像素21到传感器像素2N)，所述偶数列的 传感器像素电路可共享由奇数列的传感器像素电路(例如，传感器像素11到传感器像素1N) 使用的积分器以并行地执行积分。可以相似方式处理全部的奇数和偶数列。在一些实施方 案中，可大体上在相同时间并行地处理全部奇数列。随后可在实质上相同时间并行地处理 全部的偶数列。在一些实施方案中，可一起并行地处理任何数目的奇数和偶数列。另外，在 一些实施方案中可首先处理偶数列。因此，偶数和奇数列的次序不具限制性。此外在图14A 和14B中，传感器像素阵列可以不同于行或列的方式分组，且可取决于传感器像素阵列的分 组而以各种方式实施积分器共享。
[0081] 图14C是展示其中两个传感器像素电路共享一个积分器的示范性传感器像素电路 和指纹识别系统1420的图。指纹识别系统1420展示其中两个传感器像素电路1422和1424共 享一个积分器1426的简单实例。传感器像素电路1422和1424可实质上类似于图2中的传感 器像素电路10或本专利文献中描述的任何其它配置。
[0082] 图14D是展示其中两个传感器像素电路共享一个积分器的示范性传感器像素电路 和指纹识别系统1430的图。指纹识别系统1430展示其中两个传感器像素电路1432和1434共 享一个积分器1436的简单实例。传感器像素电路1422和1424可实质上类似于图11、12和13 中的传感器像素电路或本专利文献中描述的任何其它配置。
[0083] 在图14A、14B、14C和14D中所示的实例中，仅为了说明性目的而在图式中不包含包 括ADC的一些组件。
[0084] 已经描述所揭示技术的各种实施方案和实例。所揭示技术利用积分器来存储由触 摸感测电容器积聚的电荷，利用电压产生器来输出可变电压且调整存储在寄生电容器中的 电荷，且利用具有专用积分器的传感器像素电路来实现一组传感器像素电路并行地执行积 分以增强SNR。本专利文献中描述的传感器像素电路和指纹识别系统提供准确的指纹识别 而甚至无需金属环。
[0085] 虽然本专利文献含有许多具体细节，但这些不应当解释如对任何发明的范围或可 要求的内容的限制，而是作为对于具体发明的具体实施例可为特定的特征的描述。本专利 文献中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中组合地实施。相反 地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地在多个实施例中实施或以任何适 合子组合来实施。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初按此主张， 但在一些情况下，可将来自所主张的组合的一或多个特征从组合中删除，且所主张的组合 可针对子组合或子组合的变化。
[0086]类似地，虽然在图式中按特定次序描绘操作，但此情形不应被理解为要求按所示 的特定次序或按顺序次序执行此类操作，或执行所有所说明的操作，以实现所要结果。此 外，本专利文献中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应理解为在所有实施例中都要 求此分离。
[0087]仅描述几个实施方案和实例，且可基于本专利文献中描述和说明的内容而做出其 它实施方案、增强和变化。
【主权项】
1. 一种用于指纹检测的指纹传感器装置，包括： 传感器像素阵列，用于与手指的触摸部分电容式耦合，以形成与指纹关联的电容器阵 列，所述电容器阵列具有指示指纹的电容值， 每一传感器像素包括： 输出端，用于输出指示与所述手指的所述触摸部分的局部电容式耦合的输出信号，所 述输出信号作为指纹检测的部分指纹数据； 电容式感测层，其包括可电容式耦合到所述手指的所述触摸部分的局部部分的导电材 料，以形成与指纹关联的电容器，所述电容式感测层可耦合到所述输出端以形成所述输出 信号； 集成电路布局层，其可导电并且电容式的耦合到接地端，从而形成与布局关联的电容 器，所述布局层可与所述输出端耦合； 指纹电压产生器，用于通过电耦合对所述电容式感测层供电，以产生指纹电压来对与 所述指纹关联的电容器进行充电；以及 布局电压产生器，用于通过电耦合对所述集成电路布局层供电，以产生布局电压来对 所述与布局关联的电容器进行充电。2. 根据权利要求1所述的指纹传感器装置，包括： 指纹开关电路，用于在将所述电容式感测层电连接到所述指纹电压产生器和所述输出 端的两者之间进行切换，以选择性使用所述指纹电压对所述与指纹关联的电容器进行充 电；以及 布局开关电路，用于在将所述集成电路布局层电连接到所述布局电压产生器和所述输 出端的两者之间进行切换，以选择性使用所述布局电压对所述与布局关联的电容器进行充 电。3. 根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述指纹开关电路包括： 充电开关，其电连接于所述指纹电压产生器与所述电容式感测层之间，以选择性在充 电周期期间对所述与指纹关联的电容器进行充电；以及 感测开关，其电连接于所述电容式感测层与所述输出端之间，以选择性的在不同于所 述充电周期的感测周期期间感测信号，所述信号与被充电的所述与指纹关联的电容器相关 联。4. 根据权利要求3所述的指纹传感器装置，其中在所述充电周期期间，所述充电开关接 通，且所述感测开关断开。5. 根据权利要求3所述的指纹传感器装置，其中在所述感测周期期间，所述充电开关断 开，且所述感测开关接通。6. 根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述布局开关电路包括： 充电开关，其电连接于所述布局电压产生器与所述集成电路布局层之间，以选择性在 充电周期期间对所述布局关联电容器进行充电；以及 感测开关，其电连接于所述集成电路布局层与所述输出端之间，以选择性在不同于所 述充电周期的感测周期期间感测与所述被充电布局关联电容器相关联的信号。7. 根据权利要求6所述的指纹传感器装置，其中在所述充电周期期间，所述充电开关接 通，且所述感测开关断开。8. 根据权利要求6所述的指纹传感器装置，其中在所述感测周期期间，所述充电开关断 开，且所述感测开关接通。9. 根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述电容式感测层用于与手指的表面 形成两个相对的导电电极，所述两个相对的导电电极为与手指关联的所述电容器。10. 根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述指纹电压产生器和所述布局电压 用于改变产生的所述指纹电压和所述布局电压。11. 根据权利要求10所述的指纹传感器装置，其中所述指纹电压产生器和所述布局电 压产生器用于使产生的所述指纹电压和所述布局电压彼此独立地变化。12. 根据权利要求10所述的指纹传感器装置，其中所述指纹电压产生器和所述布局电 压产生器中的任何一个都包含数模转换器以改变产生的所述指纹电压和所述布局电压。13. 根据权利要求1所述的指纹传感器装置，包括： 积分器，其电耦合到所述输出端，以响应用户手指的触摸存储电荷，所述电荷与被充电 的所述与指纹关联的电容器相关联，所述输出端连接到所述与指纹关联的电容器和所述与 布局关联的电容器。14. 根据权利要求13所述的指纹传感器装置，其中所述积分器包括： 参考电压产生器，用于产生参考电压； 放大器，包括： 正输入端，其电耦合到所述参考电压产生器以接收所述参考电压； 负输入端，其电耦合到所述输出端，所述输出端连接到所述与指纹关联的电容器和所 述与布局关联的电容器;和， 所述放大器的输出端； 积分电容器，其电親合于所述放大器的所述负输入端与所述输出端之间;和， 复位开关，其电耦合于所述放大器的所述负输入端与所述输出端之间。15. 根据权利要求14所述的指纹传感器装置，其中所述参考电压产生器用于改变产生 的所述参考电压。16. 根据权利要求15所述的指纹传感器装置，其中所述参考电压产生器包含数模转换 器以改变产生的所述参考电压。17. 根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中连接到所述与指纹关联的电容器和所 述与布局关联的电容器的所述输出端用于产生与手指的脊线或谷线相关联的所述输出信 号。18. -种用于指纹识别的指纹传感器装置，包括： 传感器像素电路阵列，其形成电连接的传感器像素电路的群组，所述传感器像素电路 用于捕获手指的触摸部分的指纹图案，所述阵列中的每个传感器像素电路包括： 输出端，用于输出输出信号，所述输出信号构成用于指纹检测的指纹数据； 电容式感测层，其电耦合到所述输出端且电容式耦合到所述手指的所述触摸部分的局 部部分，以形成与指纹关联的电容器； 集成电路布局层，其电耦合到所述输出端且电容式耦合到接地端，以形成与布局关联 的电容器； 指纹电压产生器，其通过电耦合对所述电容式感测层供电以产生指纹电压，以对所述 与指纹关联的电容器进行充电；以及 布局电压产生器，其通过电耦合对所述集成电路布局层供电以产生布局电压，以对所 述与布局关联的电容器进行充电； 单独的模数转换器，其电耦合到电连接传感器像素电路的每一群组； 单独的启用开关，其电耦合于每一传感器像素电路和对应的模数转换器之间，所述每 一传感器像素电路位于所述电连接传感器像素电路的对应群组中；以及 控制模块，其电耦合到所述阵列中的每一传感器像素电路，所述控制模块用于产生控 制信号以控制所述阵列中的每一传感器像素电路。19. 根据权利要求18所述的指纹传感器装置，其中所述阵列中的每一传感器像素电路 包括： 指纹开关电路，其用于在将所述电容式感测层电连接到所述指纹电压产生器和所述输 出端两者之间进行切换，以选择性的使用所述指纹电压对所述与指纹关联的电容器进行充 电；以及 布局开关电路，其用于在将所述集成电路布局层电连接到所述布局电压产生器和所述 输出端两者之间切换，以选择性的使用所述布局电压对所述与布局关联的电容器进行充 电。20. 根据权利要求18所述的指纹传感器装置，其中所述指纹开关电路包括： 充电开关，其电连接于所述指纹电压产生器与所述电容式感测层之间，以选择性在充 电周期期间对所述与指纹关联的电容器进行充电；以及 感测开关，其电连接于所述电容式感测层与所述输出端之间，以选择性在不同于所述 充电周期的感测周期期间感测信号，所述信号与被充电的所述与指纹关联的电容器相关 联。21. 根据权利要求20所述的指纹识别系统，其中在所述充电周期期间，所述充电开关接 通，且所述感测开关断开。22. 根据权利要求20所述的指纹识别系统，其中在所述感测周期期间，所述充电开关断 开，且所述感测开关接通。23. 根据权利要求18所述的指纹传感器装置，其中所述布局开关电路包括： 充电开关，其电连接于所述布局电压产生器与所述集成电路布局层之间，以选择性在 充电周期期间对所述与布局关联的电容器进行充电；以及 感测开关，其电连接于所述集成电路布局层与所述输出端之间，以选择性在不同于所 述充电周期的感测周期期间感测信号，所述信号与被充电的所述与布局关联的电容器相关 联。24. 根据权利要求23所述的指纹传感器装置，其中在所述充电周期期间，所述充电开关 接通，且所述感测开关断开。25. 根据权利要求23所述的指纹传感器装置，其中在所述感测周期期间，所述充电开关 断开，且所述感测开关接通。26. 根据权利要求18所述的指纹传感器装置，其中所述电容式感测层用于与手指的表 面形成所述与手指关联的电容器的两个相对的导电电极。27. 根据权利要求18所述的指纹传感器装置，其中所述指纹电压产生器和所述布局电 压产生器用于改变所述产生的指纹和布局电压。28. 根据权利要求27所述的指纹传感器装置，其中所述指纹电压产生器和所述布局电 压产生器用于使产生的所述指纹电压和所述布局电压彼此独立地变化。29. 根据权利要求27所述的指纹传感器装置，其中所述指纹电压产生器和所述布局电 压产生器中的每一个包含数模转换器以改变产生的所述指纹电压和所述布局电压。30. 根据权利要求27所述的指纹传感器装置，包括： 积分器，其电耦合到所述输出端，以响应用户手指的触摸存储电荷，所述电荷与被充电 的所述与指纹关联的电容器相关联，所述输出端连接到所述与指纹关联的电容器和所述与 布局关联的电容器。31. 根据权利要求30所述的指纹传感器装置，其中所述积分器包括： 参考电压产生器，用于产生参考电压； 放大器，包括： 正输入端，其电耦合到所述参考电压产生器以接收所述参考电压； 负输入端，其电耦合到连接到所述输出端，所述输出端连接到所述与指纹关联的电容 器和所述与布局关联的电容器;和， 所述放大器的输出端； 积分电容器，其电親合于所述放大器的所述负输入端与所述输出端之间;和， 复位开关，其电耦合于所述放大器的所述负输入端与所述输出端之间。32. 根据权利要求31所述的指纹传感器装置，其中所述参考电压产生器用于改变所述 产生的参考电压。33. 根据权利要求32所述的指纹传感器装置，其中所述参考电压产生器包含数模转换 器以改变所述产生的参考电压。34. 根据权利要求30所述的指纹传感器装置，其中： 所述控制模块用于产生所述控制信号，以控制所述阵列中的每一传感器像素电路来并 行地集成所述阵列中的每一传感器像素电路中的所述输出信号。35. 根据权利要求18所述的指纹传感器装置，其中： 响应于用户手指接近所述阵列中的至少一些所述感测像素电路的所述电容式感测层， 所述指纹识别系统用于将所述输出信号识别为与脊线或谷线关联的信号。36. -种由指纹传感器装置形成的方法，所述方法包括： 通过所述指纹传感器装置中的传感器像素电路阵列，检测与来自手指触摸相关联的电 容，所述电容指示指纹扫描； 通过所述传感器像素电路阵列，输出响应于所述所检测电容的输出信号；以及 通过所述传感器像素电路阵列的至少一个子集，并行地集成所述输出信号。37. 根据权利要求35所述的方法，其中通过所述传感器像素电路阵列的至少一个子集 集成包括:通过所述阵列中的全部所述传感器像素电路并行地集成所述输出信号。38. -种用于指纹检测的指纹传感器装置，所述指纹传感器装置包括： 输出端，用于输出输出信号作为指纹检测的指纹数据的一部分，所述输出信号指示与 手指的触摸部分的电容式耦合； 传感器电极，其包括可电容式耦合到所述手指的所述触摸部分从而形成指纹关联电容 器的导电材料，所述电容式感测层可耦合到所述输出端以形成所述输出信号； 一对大体上相同的导电集成电路布局电极，其中： 所述的大体上相同的集成电路布局电极中的一个电极电容式耦合到所述传感器电极， 从而形成与布局关联的第一电容器；以及 所述的大体上相同的集成电路布局电极中的另一个电极电容式耦合到所述传感器电 极，从而形成与布局关联的第二电容器； 指纹电压产生器，其经耦合来提供指纹电压，以对所述与指纹关联的电容器进行充电； 以及 布局电压产生器，其经耦合以将布局电压供应到所述大体上相同的集成电路布局电极 中的另一个，以对所述与布局关联的第二电容器进行充电。39. 根据权利要求38所述的指纹传感器装置，包括： 指纹开关电路，用于在将所述传感器电极电连接到所述指纹电压产生器和所述输出端 两者之间进行切换。40. 根据权利要求38所述的指纹传感器装置，包括： 布局开关电路，用于在将所述大体上相同的集成电路布局电极中的另一者电连接到所 述布局电压产生器和所述接地端两者之间进行切换。41. 根据权利要求38所述的指纹传感器装置，其中所述布局电压产生器包含可变电压 产生器。
【文档编号】G06K9/00GK105981040SQ201480074928
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年10月13日
【发明人】杨孟达, 赵国豪, 詹昶
【申请人】深圳市汇顶科技股份有限公司