一種指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于感應(yīng)結(jié)構(gòu)，更具體地說，涉及一種指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年指紋識別技術(shù)不斷發(fā)展，其使用也慢慢普及到人們的日常生活。因光學(xué)指紋 頭的光路結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)的光學(xué)指紋頭采指面手指感應(yīng)靈敏度分布不均勻，導(dǎo)致感應(yīng)觸發(fā) 信號能力不一致。隨之帶來的使用不便主要體現(xiàn)在以下幾方面：a)因感指靈敏度分布不均 勻，采指面水平面上識別手指按壓能力存在區(qū)域性，導(dǎo)致手指按壓采指面采指信號發(fā)送至 控制芯片敏感度不一致。b)手指按壓采指面時候觸碰效果不一，導(dǎo)致用戶使用體驗(yàn)、舒適度 受影響。c)因感應(yīng)片設(shè)計(jì)不精良，指紋模塊感應(yīng)靈敏度與鎖具適配麻煩、困難，感應(yīng)電容匹 配不良時，觸摸鎖具外殼也將觸發(fā)指紋模塊工作。
[0003] 感應(yīng)片材料常用方形可導(dǎo)電金屬片制成，用導(dǎo)線將金屬感應(yīng)片與相應(yīng)的處理芯片 引腳連接。識別手指觸碰原理主要是依據(jù)人手指帶有靜電，當(dāng)手指靠近感應(yīng)片時，帶靜電的 手指面與感應(yīng)片構(gòu)成一對正對電極，感應(yīng)片上聚集與手指電性相反的電荷，此時帶靜電的 手指面與感應(yīng)片形成一個臨時的電容元件。容性元件電容量的定義為兩個極板間為單位電 壓時，每個極板上容納的電荷量：
[0005] 式中電容值C大小僅由電容器件的結(jié)構(gòu)決定，數(shù)學(xué)算式為：
[0007] 式中S為平行板間正對面積、d為平行板間距離、ε為平行板間絕緣介質(zhì)的介電系 數(shù)。由（1)式可知，當(dāng)S為固定值時，板間電壓與電容C成反比，帶靜電手指靠近感應(yīng)片時， 感應(yīng)片上電荷不斷聚集，若板間電容變化比設(shè)為Κ，那么有如下式子：
[0010] 當(dāng)K達(dá)到一定值時處理芯片檢測到有手指靠近，芯片即可依據(jù)要求輸出高低電信 號用于指紋模塊開發(fā)應(yīng)用。
[0011] 電容元件容值算式可知，容值C并非固定值，其與正對面積S、板間絕緣介質(zhì)ε成 正比，與板間距離d成反比。為便于及時感應(yīng)手指按壓采指面，傳統(tǒng)光學(xué)指紋模塊感應(yīng)片需 安裝于采指面棱鏡下方，且感應(yīng)片為矩形金屬片，那么當(dāng)手指以相同面積按壓采指面任何 區(qū)域時，即（2)式中S和ε為定值。這樣手指與感應(yīng)片產(chǎn)生的臨時容性元件C與手指面距 感應(yīng)片距離d成反比關(guān)系，即采指面距離感應(yīng)片距離越近手指與感應(yīng)片間的臨時容性元件 C值越大，如圖1所示。
[0012] 那么就導(dǎo)致相同面積手指在觸摸采指面時各區(qū)域的感應(yīng)靈敏度會不同，在感應(yīng)片 距離采指面最近的一端，甚至可能在手指還未觸摸到采指面同樣會觸發(fā)芯片識別到有手指 觸摸，導(dǎo)致誤觸發(fā)。
[0013] 現(xiàn)今技術(shù)為降低感應(yīng)靈敏度，防止誤觸發(fā)的方案是為感應(yīng)片并聯(lián)一個基礎(chǔ)電容 Cb，使電容變化量引起的電容變化比K值降低從而降低感應(yīng)片整體的靈敏度，用于解決最靈 敏端的誤觸問題，但是往往導(dǎo)致圖1中靠近d2端失去感應(yīng)觸發(fā)功能，這種方法無法徹底解 決采指面靈敏度分布不均勻的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種靈敏度分布均勻，匹配效果好的 指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)。
[0015] 這種指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括感應(yīng)片、棱鏡和外殼，所述棱鏡的采指 面與感應(yīng)片形成夾角；所述感應(yīng)片沿與采指面形成夾角方向設(shè)有缺口或鏤空。
[0016] 作為優(yōu)選：所述感應(yīng)片的缺口為梯形、鋸齒形或S形。
[0017] 作為優(yōu)選：所述感應(yīng)片的鏤空為三角形、橢圓形或圓形。
[0018] 作為優(yōu)選：感應(yīng)片與棱鏡的采指面的正對面積S滿足函數(shù)關(guān)系式：
[0019] S = k · tan α · L
[0020] α為所述棱鏡的采指面與感應(yīng)片的夾角角度，L為所述感應(yīng)片上任一點(diǎn)到感應(yīng)片 與棱鏡的采指面相交處的距離；其中
AC為感應(yīng)觸發(fā)所需電容值的變化量，AC為 固定值，ε為平行板間絕緣介質(zhì)的介電系數(shù)。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是：
[0022] 1.感指能力均勾
[0023] 通過感應(yīng)芯片感應(yīng)原理可知電容式手指感應(yīng)片通過采集手指與感應(yīng)片間的電容 變化量以達(dá)到感指的能力，同時由于電容元件的容值與元件結(jié)構(gòu)相關(guān)，本發(fā)明基于電容元 件容值算式（2)中影響容值的三個參數(shù)中易于設(shè)計(jì)的板間正對面積S，進(jìn)行感指均勻分布 式設(shè)計(jì)。由變形算式（8)，通過計(jì)算合適的k值，將不同環(huán)境下需求感指電容變化量及板間 介電質(zhì)系數(shù)ε進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，可達(dá)到最大限度的感指能力均勻分布。
[0024] 2.感應(yīng)靈敏度匹配靈活
[0025] 傳統(tǒng)的光學(xué)指紋模塊感應(yīng)片在應(yīng)對不同鎖具外殼時，為防止誤觸發(fā)，往往需依據(jù) 不同的模具修改算式（3)中的Cb值，以期望達(dá)到即不會誤觸發(fā)，又能保證感應(yīng)靈敏度足夠 觸發(fā)手指靠近。但是由于靈敏度分布不均勻，往往匹配電容Cb難以達(dá)到鎖具設(shè)計(jì)要求。本 發(fā)明通過修改感應(yīng)片與手指正對面積S的方式使得感指能力均勻分布于采指面同時，降低 了原本最靈敏處的觸發(fā)能力，這樣可大大降低感指誤觸發(fā)的情況。同時也可在感應(yīng)片設(shè)計(jì) 時可通過算式（4)與算式（7)計(jì)算同一環(huán)境下的比例系數(shù)k值，以達(dá)到最大程度的匹配。
【附圖說明】
[0026] 圖1為觸摸采指面電容效應(yīng)圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明缺口方案結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明鏤空方案結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖4為本實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖5為本實(shí)施例感應(yīng)片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 附圖標(biāo)記說明：感應(yīng)片1、棱鏡2、外殼3。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。雖然本發(fā)明將結(jié)合較佳實(shí)施例進(jìn) 行描述，但應(yīng)知道，并不表示本發(fā)明限制在所述實(shí)施例中。相反，本發(fā)明將涵蓋可包含在有 附后權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的替換物、改進(jìn)型和等同物。
[0033] 如圖2至圖5所示，這種指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括感應(yīng)片1、棱鏡2和 外殼3,所述棱鏡2的采指面與感應(yīng)片1形成夾角；所述感應(yīng)片1沿與采指面形成夾角方向 設(shè)有缺口或鏤空。采指面為平整鏡面，由于手指與感應(yīng)片觸摸面積不可控，故可通過修改感 應(yīng)片上的極板面積以達(dá)到控制正對面積的目的，由算式（2)可變形得：
[0035] 令C等于感應(yīng)觸發(fā)所需的電容值變化量為一定值，那么S與d成正比關(guān)系，上式可 簡寫為：
[0036] S = k · d...........(8)
[0037] 由上式可以得出，當(dāng)采指面越靠近感應(yīng)片時d值變小，為保證C值為觸發(fā)感應(yīng)電容 量，那么感應(yīng)片上與手指面的正對面積S就應(yīng)當(dāng)減少小，S與d成線性關(guān)系。同時由光學(xué)指 紋模塊的光路及結(jié)構(gòu)圖（4)，易知d與L存在如下函數(shù)關(guān)系：
[0038] d = tan α · L
[0039] 我們可將（8)式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：
[0040] S = k · tan α · L...........(9)
[0041] 針對這一特性可以通過對感應(yīng)片的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得手指按壓采指面任何區(qū)域 時其正對面積S與距離d成（9)式的函數(shù)關(guān)系，由此可以設(shè)計(jì)兩類感應(yīng)片布置方案。兩種 方案如下：
[0042] 感應(yīng)片外形設(shè)計(jì)：依據(jù)上述式對感應(yīng)片進(jìn)行切割，通過特殊造型用來減少不同位 置正對面積，從而使得采指面獲得均勻的感指能力。如圖2所示樣例：
[0043] 感應(yīng)片內(nèi)部掏空：據(jù)上述式對感應(yīng)片進(jìn)行掏空，通過不同孔形狀及孔大小用來減 少不同位置的正對面積，從而使得采指面獲得均勻的感指能力。如圖3所示樣例：
[0044] 本發(fā)明以一光學(xué)指紋模塊為例，如圖4所示，棱鏡采指面傾角為α =45°，即L = d。棱鏡材質(zhì)為玻璃材質(zhì)相對介電常數(shù)平均值為4。使用的感應(yīng)芯片觸發(fā)感指信號所需感應(yīng) 片電容變化量為Λ C = 4pF，感應(yīng)片尺寸為12.
[0045] 因手指在觸摸采指面時觸摸面積不可確定，為達(dá)到良好的均勻感應(yīng)效果，將感應(yīng) 片均分為20等分。如圖4可知每個小等分邊框尺寸為2. 5*2. 5mm，由于采指面為斜面，手 指與感應(yīng)片形成的臨時電容元件，其板間距離取一列上小矩形區(qū)域與傾斜面距離的平均值 (即l/2*d)。依據(jù)距離將小矩形區(qū)域按照d值序號標(biāo)號，由算式（7)和（9)可計(jì)算得：S = l*d，即可得下表：
[0047] 表1發(fā)明應(yīng)用實(shí)例
[0048] 依據(jù)表1可知距離d最近的小矩形區(qū)域內(nèi)需保證手指按壓后有效正對面積為 I. 25mm2,容易計(jì)算得小矩形面積Sd = 2. 5*2. 5 = 6. 25,那么將其等分的矩形進(jìn)行掏空處 理，每個掏空小方洞面積為1. 25_。如圖5所示：最終獲得感指能力較為均勻的感應(yīng)片。
[0049] 傳統(tǒng)解決方案通過修改算式（4)中基礎(chǔ)電容Cb來改變電容變化比K，這種方案 無法根本解決采指面感應(yīng)靈敏度分布不均勻的問題，為此本設(shè)計(jì)按光學(xué)指紋模塊的特殊結(jié) 構(gòu)，采用一種使采指面感指能力分布均勻的新型方案。為使感應(yīng)片在采指面上任何區(qū)域感 指能力相同，令手指觸摸采指面任何區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電容值一樣。由電容數(shù)值算式可知，帶 靜電手指與感應(yīng)片產(chǎn)生的電容與其正對面積S、板間絕緣介質(zhì)ε成正比，與板間距離d成反 比。
[0050] 光學(xué)指紋模塊在設(shè)計(jì)時對棱鏡材質(zhì)的折射率及采指面傾斜度都有相應(yīng)要求，故當(dāng) 感應(yīng)片放置于采指面下方時，其與采指面各區(qū)域絕緣介電質(zhì)系數(shù)ε及正對距離d都是無法 修改的，故本方案著眼于影響電容元件容值的另一個因素兩極板間正對面積S。通過適當(dāng)修 改手指與感應(yīng)片的正對面積S，以實(shí)現(xiàn)手指觸摸采指面不同區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電容一致，從而 令采指面感指能力分布均勻。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括感應(yīng)片（1)、棱鏡（2)和外殼（3)，其特征 在于：所述棱鏡（2)的采指面與感應(yīng)片（1)形成夾角；所述感應(yīng)片（1)沿與采指面形成夾角 方向設(shè)有缺口或鏤空。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述感應(yīng)片 (1)的缺口為梯形、鋸齒形或SB。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述感應(yīng)片 (1)的鏤空為三角形、橢圓形或圓形。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于：感應(yīng)片（1) 與棱鏡（2)的采指面的正對面積S滿足函數(shù)關(guān)系式： S=k·tanα·L α為所述棱鏡（2)的采指面與感應(yīng)片（1)的夾角角度，L為所述感應(yīng)片（1)上任一點(diǎn) ΑΓ 到感應(yīng)片（1)與棱鏡（2)的采指面相交處的距離；其中t=一；AC為感應(yīng)觸發(fā)所需電容 ε 值的變化量，AC為固定值，ε為平行板間絕緣介質(zhì)的介電系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種指紋采集器采指面均勻感應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括感應(yīng)片、棱鏡和外殼，所述棱鏡的采指面與感應(yīng)片形成夾角；所述感應(yīng)片沿與采指面形成夾角方向設(shè)有缺口或鏤空。本發(fā)明的有益效果是：通過感應(yīng)芯片感應(yīng)原理可知電容式手指感應(yīng)片通過采集手指與感應(yīng)片間的電容變化量以達(dá)到感指的能力，同時由于電容元件的容值與元件結(jié)構(gòu)相關(guān)，本發(fā)明基于電容元件容值算式(2)中影響容值的三個參數(shù)中易于設(shè)計(jì)的板間正對面積S，進(jìn)行感指均勻分布式設(shè)計(jì)。由變形算式(8)，通過計(jì)算合適的k值，將不同環(huán)境下需求感指電容變化量及板間介電質(zhì)系數(shù)ε進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，可達(dá)到最大限度的感指能力均勻分布。
【IPC分類】G06K9/00
【公開號】CN105260728
【申請?zhí)枴緾N201510778242
【發(fā)明人】唐宗錄
【申請人】杭州指安科技股份有限公司
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月13日