包括參考感測元件的指紋感測系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種確定指紋圖案的表示的方法。該方法包括以下步驟：捕獲指示具有摩擦嵴的手表面與延伸跨過多個摩擦嵴的參考感測結構之間的電耦合的參考信號；以及基于參考信號以及手指與多個感測元件中的每個感測元件之間的電容耦合來確定指紋圖案的表示。當信號品質(zhì)良好時，所捕獲的參考信號可以例如用于控制感測元件以使得使用有利定時來實現(xiàn)由感測元件所執(zhí)行的感測?？商娲鼗蚪Y合地，所捕獲的參考信號可以用于后處理，通過該后處理，由感測元件所獲得的信號/信號值根據(jù)參考信號的相應值而被修改。
【專利說明】
包括參考感測元件的指紋感測系統(tǒng)和方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及指紋感測系統(tǒng)，并且涉及確定指紋圖案的表示的方法。
【背景技術】
[0002]各種類型的生物識別系統(tǒng)被越來越多地使用以提供增加的安全性和/或增強的用戶便利性。
[0003]特別地，指紋感測系統(tǒng)已經(jīng)被用在例如消費電子設備中，這是由于指紋感測系統(tǒng)的小的形狀因子、高的性能和用戶接受度。
[0004]在各種可用的指紋感測原理(諸如電容的、光學的、熱的等)之中，電容感測是最常用的，特別是在尺寸和功耗是重要問題的應用中。
[0005]所有的電容指紋傳感器提供指示若干個感測結構與放置于指紋傳感器的表面上或移動通過指紋傳感器的表面的手指之間的電容的測量值。
[0006]—些電容指紋傳感器被動地讀出感測結構與手指之間的電容。然而，這需要相對大的電容。因此，這種被動電容傳感器通常設置有覆蓋感測結構的很薄的保護層，這使得這樣的傳感器對劃傷和/Sesd (靜電放電)相當敏感。
[0007]US 7，864，992公開了一種指紋感測系統(tǒng)，在該指紋感測系統(tǒng)中，通過對布置在傳感器陣列附近的導電結構施加脈沖來將驅(qū)動信號注入到手指中并且測量由此產(chǎn)生的由傳感器陣列中的感測結構所攜帶的電荷的變化。
[0008]盡管根據(jù)US7，864，992的指紋感測系統(tǒng)提供了指紋圖像品質(zhì)和傳感器保護的極佳組合，然而仍存在針對“困難的”手指特別是干手指的改進的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于現(xiàn)有技術的前述缺點和其他缺點，本發(fā)明的目的是提供一種改進的指紋感測系統(tǒng)，特別是提供對來自“困難的”手指如干手指的指紋的改進的感測。此外，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)諸如源于開關式電源設備的共模噪聲的高頻分量的干擾可能影響指紋感測系統(tǒng)的指紋感測性能。因此，鑒于至少一些類型的電氣干擾，另外的目的是提供一種更魯棒的指紋感測。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，因此提供了一種使用指紋傳感器來確定手指的指紋圖案的表示的方法，指紋傳感器包括多個感測元件，該方法包括以下步驟:捕獲指示在具有摩擦嵴的手表面與參考感測結構之間的電耦合的參考信號，該參考感測結構被配置成使得:該參考感測結構的至少一部分面向摩擦嵴中的一個；以及基于參考信號以及手指與感測元件中的每個感測元件之間的電容耦合來確定指紋圖案的表示。
[0011]參考感測結構可以是下述的任何結構:該結構被布置成電耦接至具有摩擦嵴的手表面諸如手指表面或者手掌表面并且該結構被配置成使得不管手如何精確放置，參考感測結構的至少一部分面向手表面的摩擦嵴中的一個。這可以例如通過將參考感測結構配置為足夠大以覆蓋手表面的多個摩擦嵴的整體結構來實現(xiàn)?？商娲?，參考感測結構可以是包含多個子結構的分布式結構，所述多個子結構被隨機地布置或被布置成圖案以便確保不管手表面的位置如何子結構中的至少一個將面向手表面的摩擦嵴中的一個。這可以通過選擇足夠大的數(shù)目的子結構和/或選擇與摩擦嵴的典型尺寸有關的適當?shù)拈g距來確保。在這個上下文中，應當注意的是，成人的相鄰摩擦嵴之間的典型距離是大約200-300μπι。
[0012]在本發(fā)明的實施例中，如果已經(jīng)確定感測結構被布置成使得可以捕獲指示在手指與感測結構之間的電容耦合的信號，則參考感測結構可以是包括在單個感測元件中的該特定感測結構(諸如金屬板)。
[0013]“面向”摩擦嵴應當被理解為:被布置成與摩擦嵴相對，該摩擦嵴被布置成與參考感測結構或覆蓋參考感測結構的介電層相接觸。
[0014]參考感測結構可以包括在指紋傳感器部件中，或者可以被提供在指紋傳感器部件之外。
[0015]指紋圖案的表示可以例如是原始指紋圖像數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)可能已經(jīng)被處理并且然后可以以條件性圖像數(shù)據(jù)的形式或以任何其他形式被提供為指紋模板數(shù)據(jù)。
[0016]本發(fā)明是基于以下認識:被配置成面向至少一個摩擦嵴的參考感測結構可以用于獲得對手指表面上的信號的品質(zhì)的可靠指示。
[0017]例如，參考感測結構可以有利地延伸跨過多個摩擦嵴，通過上述布置，信號變成一種針對手指表面的平均信號，該平均信號指示手指條件(干或濕)和/或被提供至手指的激勵信號的品質(zhì)。
[0018]當信號品質(zhì)良好時，所捕獲的參考信號可以例如用于控制感測元件以使得使用有利定時來實現(xiàn)由感測元件所執(zhí)行的感測。可替代地或組合地，所捕獲的參考信號可以用于后處理，通過該后處理，由感測元件所得到的信號/信號值根據(jù)參考信號的相應值而被修改。
[0019]因此，本發(fā)明的實施例提供了一種特別是在困難的測量條件下的對指紋圖案的改進的確定。這種困難的測量條件可以例如由特別干/濕的手指和/或外部干擾諸如共模噪聲而產(chǎn)生。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的各種實施例，確定的步驟可以包括以下步驟:使用取決于參考信號的捕獲設置來捕獲指示手指與感測元件中的每個感測元件之間的電容耦合的像素信號；以及基于像素信號來確定指紋圖案的表示。
[0021]術語“捕獲設置”應當被理解為:當捕獲像素信號時一一包括特別是在捕獲來自不同感測元件的像素信號時一一所使用的任何參數(shù)或參數(shù)的集合。
[0022]在這些實施例中，對像素信號的捕獲可以發(fā)生在信號條件有利時和/或該捕獲可以以下述方式來實現(xiàn):使得以有利的方式使用感測元件的動態(tài)范圍。例如，可以對一個或若干個感測元件進行控制以當參考信號弱時使用相對長的時間用于捕獲并且當參考信號強時使用相對短的時間用于捕獲。
[0023]在各種實施例中，捕獲像素信號的步驟可以包括以下步驟:在采樣時刻處對參考信號進行采樣以產(chǎn)生參考信號值;在采樣時刻處對來自感測元件中的至少一個感測元件的至少一個像素信號進行采樣以產(chǎn)生至少一個像素信號值；以及如果參考信號值在參考信號值范圍之外，則在稍后的采樣時刻處對至少一個像素信號進行重新采樣。
[0024]在這些實施例中，每個采樣的參考信號值被用作對在相同采樣時刻處所采樣的一個或多個像素信號值的品質(zhì)的指示。如果信號捕獲條件在某個采樣時刻處例如由于高頻共模噪聲而是不利的，則可以將在該采樣時刻處所采樣的任何像素信號值丟棄并且可以對相關感測元件進行重新采樣。
[0025]根據(jù)影響手表面與參考結構之間的電位差的干擾信號如共模噪聲，在給定捕獲時刻處參考信號值可以低于或高于針對無高頻干擾分量的情況所期望的參考信號值。
[0026]例如，可以使用第一樣本與第二樣本之間的差即所謂的相關雙采樣來有利地確定參考信號值和像素信號值。在這種情況下，發(fā)生在第一樣本與第二樣本之間的高頻干擾信號可以產(chǎn)生非常低的信號值或非常高的信號值。在任一種情況下，所產(chǎn)生的像素信號值將不會準確地反映電容耦合，并且因此不會準確地反映感測元件與手指表面之間的距離。
[0027]因此，參考信號值范圍可以有利地被確定大小為使得:對在期望的像素信號值之外的像素信號值進行重新采樣。例如，參考信號值范圍可以與不同手指條件以及無高頻分量/無干擾的共模噪聲的已知范圍相對應。
[0028]為了降低能量消耗，可以阻止將丟棄的樣本繼續(xù)從模擬形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。
[0029]因此，方法還可以包括以下步驟:僅當參考信號值在參考信號值范圍之內(nèi)時，將至少一個像素信號值從模擬的轉(zhuǎn)換成數(shù)字的。
[0030]可替代地或組合地，僅當參考信號值在參考信號值范圍之內(nèi)時，對采樣的像素信號值的任何其他的或另外的繼續(xù)處理才可以被允許。
[0031]此外，根據(jù)各種實施例，捕獲像素信號的步驟可以包括以下步驟:在一系列采樣時刻處對參考信號進行采樣以產(chǎn)生一系列參考信號值；以及在一系列采樣時刻處對像素信號進行采樣以產(chǎn)生一系列像素信號值，其中，指紋圖案的表示是基于一系列參考信號值和一系列像素信號值來確定的。
[0032]在不具有影響對像素信號的捕獲的干擾的情況下，或者如果干擾不具有任何高頻分量，則在一系列參考信號值中的所有參考信號值應當基本上相同。然而，如果存在高頻干擾，則采樣可以與手指電位的快速變化一致，以產(chǎn)生一個或若干個不準確的像素信號值。然而，一系列參考信號值可以用于對該不準確進行補償。
[0033]考慮特定采樣時刻。如果在該采樣時刻處所采樣的參考信號低于平均值，則可以將在該采樣時刻處所采樣的一個或多個像素信號值修改為較高的值，以及如果在該采樣時刻處所采樣的參考信號高于平均值，則可以將在該采樣時刻所采樣的一個或多個像素信號值修改為較低的值。
[0034]因此，方法還可以有利地包括以下步驟:使用一系列參考信號值來修改一系列像素信號值以提供經(jīng)修改的一系列像素信號值，其中，指紋圖案的表示是基于經(jīng)修改的一系列像素信號值來確定的。
[0035]因此，由在給定采樣時刻處對參考信號的采樣所產(chǎn)生的參考信號值可以有利地用來修改由在相同的給定采樣時刻處對來自特定感測元件的像素信號的采樣所產(chǎn)生的像素信號值。
[0036]此外，可以由參考感測結構來提供在給定采樣時刻處所采樣的參考信號，該參考感測結構包括多個包含上述特定感測元件的感測結構。
[0037]可以對模擬信號或數(shù)字信號實現(xiàn)該修改或后處理，并且可以在指紋傳感器部件上或在指紋傳感器部件之外諸如在移動電話或計算機等中的主處理器中執(zhí)行該修改或后處理。
[0038]另外，根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的方法還可以包括以下步驟:將時變電位的形式的激勵信號提供至手指。對參考信號和像素信號的任何采樣可以與該激勵信號同步。在一些實施例中，激勵信號可以具有給定的頻率，以及在其他實施例中，激勵信號能夠被控制成在當干擾低(這可以使用參考感測結構來監(jiān)視)時提供正側(cè)面(flank)或負側(cè)面。
[0039]作為提供激勵信號的替代或補充，干擾信號中的適當?shù)膫?cè)面可以被用作激勵信號。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的各種實施例，捕獲的步驟可以包括以下步驟:對參考信號進行評估；以及使用取決于對參考信號的評估的采樣定時對來自感測元件中的每個感測元件的像素信號進行采樣。
[0041]在這些實施例中，可以使采樣本身取決于參考信號與手表面之間的耦合。如果參考感測結構與手表面之間的電(通常是電容)耦合較強，則參考信號與在耦合較弱時相比將更快地達到給定參考信號值。根據(jù)本發(fā)明的本實施例，該現(xiàn)象用于決定對來自感測元件的像素信號進行采樣的定時以便對像素信號值進行標準化。這將提供對指紋感測系統(tǒng)中的感測元件和讀出電路的動態(tài)范圍的改進的使用。
[0042]此外，采樣的步驟可以有利地包括以下步驟:在第一采樣時刻處執(zhí)行第一采樣；以及在比第一采樣時刻遲的第二采樣時刻處執(zhí)行第二采樣，并且第一采樣時刻與第二采樣時刻之間的時段可以基于參考信號來確定。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于確定手指的指紋圖案的表示的指紋感測系統(tǒng)，該指紋感測系統(tǒng)包括:多個感測元件，每個感測元件均被配置成電容耦接至被布置成鄰近感測元件的手指;參考感測結構，該參考感測結構被配置成使得:當具有摩擦嵴的手表面被布置成鄰近參考感測結構時，參考感測結構的至少一部分面向摩擦嵴中的一個;讀出電路，該讀出電路能夠連接至參考感測結構并且該讀出電路被配置成捕獲指示手表面與參考感測結構之間的電耦合的參考信號；以及指紋確定電路，該指紋確定電路被配置成基于參考信號以及手指與感測元件中的每個感測元件之間的電容耦合來確定指紋圖案的表示。
[0044]為了提供對不同潛在用戶手指/手拓撲的平均，參考感測結構可以被有利地確定大小為延伸跨過多個摩擦嵴，例如，參考感測結構可以具有至少200μπι或甚至更有利地至少300μηι的橫向延伸。
[0045]根據(jù)指紋感測系統(tǒng)的實施例，參考感測結構可以包括多個感測元件。
[0046]這樣的感測元件可以有利地為能夠互連的以充當單個導電結構。例如，讀出電路能夠被控制成對所選感測元件進行互連并且捕獲來自那些所選感測元件的參考信號。
[0047]應當注意的是，參考感測結構不一定需要在位置和/或配置方面被固定，而是可以在不同時間處被不同地配置。例如，在多個感測元件被配置成一起形成參考感測結構的實施例中，在捕獲上述的指紋圖案的表示期間的不同時間處，參考感測結構可以由不同的組來形成。
[0048]有利地，來自包括給定感測結構的參考感測結構的參考信號可以用于對通過對來自該感測結構的像素信號進行采樣所獲得的像素值進行修改。
[0049]此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的指紋感測系統(tǒng)還可以包括評估電路，該評估電路能夠連接至讀出電路并且該評估電路被配置成對參考信號的至少一個性質(zhì)進行評估;以及采樣電路，該采樣電路能夠連接至評估電路和感測元件中的每個感測元件，該采樣電路被配置成使用取決于對參考信號的評估的采樣定時對來自感測元件中的每個感測元件的像素信號進行采樣。
[0050]此外，指紋感測系統(tǒng)可以有利地包括驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路被配置成將上述激勵信號提供至手指?？梢酝ㄟ^手指驅(qū)動結構將激勵信號提供至手指。在各種實施例中，參考感測結構可以用作手指驅(qū)動結構。
[0051]根據(jù)各種實施例，指紋感測系統(tǒng)還可以包括通信接口，該通信接口用于將所確定的指紋圖案的表示提供至另外的設備或系統(tǒng)。通信接口可以是可以作為并行接口或串行接口的任何適當?shù)耐ㄐ沤涌?。適當?shù)耐ㄐ沤涌诘囊粋€示例可以是SPI接口(串行外設接口)。
[0052]此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的指紋感測系統(tǒng)可以包括在指紋驗證裝置中，該指紋驗證裝置包括在電子設備中。電子設備還可以包括處理電路，該處理電路被配置成:對指紋驗證裝置進行控制以實現(xiàn)對用戶的指紋驗證；以及僅在用戶使用指紋驗證裝置通過驗證時執(zhí)行用戶請求的至少一個處理。
[0053]本發(fā)明的其他實施例以及通過本發(fā)明的該第二方面所獲得的效果很大程度上與以上針對本發(fā)明的第一方面所描述的那些類似。
[0054]總之，本發(fā)明涉及一種確定指紋圖案的表示的方法。方法包括以下步驟:捕獲指示具有摩擦嵴的手表面與延伸跨過多個摩擦嵴的參考感測結構之間的電耦合的參考信號；以及基于參考信號以及手指與多個感測元件中的每個感測元件之間的電容耦合來確定指紋圖案的表示。當信號品質(zhì)良好時，所捕獲的參考信號可以例如用于控制感測元件以使得使用有利定時來實現(xiàn)由感測元件所執(zhí)行的感測?？商娲鼗蚪M合地，所捕獲的參考信號可以用于后處理，通過該后處理，由感測元件所獲得的信號/信號值根據(jù)參考信號的相應值而被修改。
【附圖說明】
[0055]現(xiàn)在將參照示出本發(fā)明的示例實施例的附圖來更加詳細地描述本發(fā)明的這些方面和其他方面，在附圖中:
[0056]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的指紋感測系統(tǒng)的應用；
[0057]圖2是來自開關式電源的共模噪聲的代表圖；
[0058]圖3a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的第一實施例；
[0059]圖3b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的第二實施例；
[0060]圖4a至圖4b是圖3b中的指紋感測系統(tǒng)的示意性功能圖，其中，以截面來示出指紋傳感器部件和指紋嵴的部分；
[0061]圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實施例的流程圖；
[0062 ]圖6a至圖6 c示意性地示出了圖5中的方法的步驟；
[0063]圖7是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實施例的流程圖；
[0064]圖8是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的方法的第三實施例的流程圖；
[0065]圖9a至圖9c示意性地示出了圖8中的方法的步驟；以及
[0066]圖1Oa至圖1Ob示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)的實施例中的感測元件的示例配置。
【具體實施方式】
[0067]在本詳細描述中，參考其中參考感測結構包括在指紋傳感器部件包中的指紋感測系統(tǒng)來主要討論根據(jù)本發(fā)明的指紋感測系統(tǒng)和方法的各種實施例。
[0068]應當注意的是，這決不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明同樣包括例如以下指紋感測系統(tǒng):在該指紋感測系統(tǒng)中，參考感測結構被布置在期望與使用指紋感測系統(tǒng)的用戶的手指或者手掌接觸的單獨的位置處。
[0069]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有集成指紋感測系統(tǒng)2的移動電話I的形式的針對指紋感測系統(tǒng)的示例應用。該指紋感測系統(tǒng)2可以例如用于對移動電話I進行解鎖和/或?qū)κ褂靡苿与娫挼葘崿F(xiàn)的交易進行授權。
[0070]如圖1所示，正在使用連接至AC電源插座4的充電器3對移動電話I進行充電。
[0071]對電話的充電可能引入共模噪聲(CMN)，共模噪聲使得移動電話I跟隨共模噪聲的電位，g卩，移動電話I將在電力上“上下彈跳”。
[0072]從移動電話I的角度而言，共模噪聲將使用戶面臨電噪聲。這可能影響依賴于對移動電話I與用戶之間的電位差的評估的對移動電話I的使用。這樣的使用包括例如對電容觸摸屏的使用和對指紋感測系統(tǒng)2的使用。
[0073]圖2是來自圖1中的充電器3的共模噪聲的代表圖。如在圖2中可以看出的，共模噪聲具有低頻分量(取決于AC電力頻率的50/60HZ)和高頻開關模式分量(圖2的放大部分)，其中，低頻分量具有相對高的幅度，高頻開關模式分量具有較低的幅度。特別地，共模噪聲的高頻分量可以引起指紋感測系統(tǒng)的問題。在下文中，將描述本發(fā)明的各種實施例如何至少部分緩解這樣的問題。
[0074]首先，將參照圖3a至圖3b來描述根據(jù)本發(fā)明的指紋系統(tǒng)的兩個實施例:一個是基于接觸式傳感器的系統(tǒng)并且一個是基于刮擦式傳感器的系統(tǒng)。
[0075]圖3a示意性地示出了封裝的接觸式傳感器部件9的形式的基于接觸式傳感器的指紋感測系統(tǒng)，封裝的接觸式部件9包括傳感器陣列10和用于將激勵信號提供至用戶手指的導電邊框或?qū)щ娍蚣?1。盡管未在圖3a中明確示出，但是傳感器部件9還包括電源接口和通信接口。
[0076]傳感器陣列10包括大量的感測元件12(使用附圖標記指示了感測元件中的僅一個以避免使附圖凌亂)，每個感測元件能夠被控制成感測包括在感測元件12中的感測結構(頂板)和與傳感器陣列10的上表面接觸的手指表面之間的距離。在圖3a中的傳感器陣列10的放大部分中，將感測元件的第一組13標記為感測“S”并且將感測元件的第二組14標記為“R”。第二組14中的感測元件一起形成具有足夠大的橫向延伸以延伸跨過用戶手指的若干個摩擦嵴的參考感測結構。例如，傳感器陣列1的間距可以是每英寸500個感測元件，這意指圖3a中的示例性參考感測結構14的寬度是大約0.6mm。
[0077]圖3b示意性地示出了封裝的刮擦式傳感器部件19的形式的基于刮擦式傳感器的指紋感測系統(tǒng)，封裝的刮擦式傳感器部件19包括傳感器陣列20和用于將激勵信號提供至用戶手指的導電條21a至21b。盡管未在圖3b中明確示出，但是傳感器部件19還包括電源接口和通信接口。
[0078]傳感器陣列20包括一行或者若干行的感測元件12(使用附圖標記指示了感測元件中的僅一個以避免使附圖凌亂)，每個感測元件能夠被控制成感測在包括在感測元件12中的感測結構(頂板)和與傳感器陣列20的上表面接觸的手指表面之間的距離。在圖3b中的傳感器部件19的放大部分中，將感測元件的組23標記為感測“S”。傳感器部件19還包括被布置在導電條21a與傳感器陣列20之間的單獨的參考感測結構25。與以上針對接觸式傳感器部件9所描述的相比，圖3b中的刮擦式傳感器部件19的參考感測結構25因此并不是由傳感器陣列中的感測元件的組來形成。然而，功能相同并且尺寸可以相似。
[0079]圖3a至圖3b中的指紋傳感器部件9、19可以有利地使用CMOS技術來制造，然而其他技術和處理可能也是可行的。例如，可以針對制造過程中的一些或者全部處理步驟來使用絕緣基板和/或利用薄膜技術。
[0080]現(xiàn)在將參照圖4a至圖4b來更加詳細地描述圖3b中的指紋感測系統(tǒng)19的功能配置，在圖4a和圖4b中，手指29正在觸摸指紋傳感器部件19的表面。
[0081]為了幫助讀者理解，圖4a至圖4b中的每個圖是示意性截面圖與功能性框圖的混合。圖4a是沿圖3b中的感測元件的行穿過感測元件12的示意性截面，以及圖4b是沿圖3b中的參考感測元件25并且穿過圖3b中的參考感測元件25的示意性截面。
[0082]首先參照圖4a，包括多個摩擦嵴30a至30c的指紋表面與介電層32的上表面31接觸，介電層32保護感測結構33(使用附圖標記指示了感測元件中的僅一個以避免使附圖凌亂)。
[0083]連接至感測結構33中的每個感測結構的是相應感測元件電路34。如圖4a中所示，每個感測元件電路34具有用于提供指示相應感測結構33與手指29之間的電容耦合的像素信號Spixel的輸出端35。電容耦合是對傳感器19的上表面31與手指表面之間的距離的指示。
[0084]應當注意的是，結合圖4a所提供的描述主要意在描述圖3b中的指紋傳感器部件19的基本配置以及在感測結構33尺寸與手指29的摩擦嵴30a至30c之間的示例關系，并未詳細描述每個傳感器元件/像素的精確電路和/或物理布局。
[0085]如技術人員將理解的，許多不同的電路布局和/或物理布局將在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在US 7，864，992——其全部內(nèi)容通過引用合并到本文中——中提供了適當?shù)南袼夭季值囊粋€示例。下面將參照圖1Oa至圖1Ob進一步描述一個示例感測元件配置。
[0086]現(xiàn)在參照圖4b，參考感測元件25被與圖4a中的感測結構33相同的介電保護層32所覆蓋。如圖4b中示意性示出的，參考感測結構25連接至參考感測電路37，該參考感測電路37被配置成在其輸出端38處提供指示由參考感測結構25所攜帶的電荷的變化的參考信號Srrf。電荷的變化又指示在參考感測結構25與手指29之間的電容耦合。
[0087]由于當用戶將他/她的手指放置在(將他/她的手指擦過)指紋傳感器部件19之上時，若干個摩擦嵴30a至30c變得被布置成鄰近參考感測結構25，所以參考信號Sref指示參考感測結構25與手指29之間的平均電容耦合。因此，參考信號Sref可以有利地被用作瞬時信號捕獲條件的指示符，瞬時信號捕獲條件包括手指(濕/干)的電氣性質(zhì)和干擾的水平，該干擾可以例如是由以上參照圖2所描述的共模噪聲所引起的。
[0088]現(xiàn)在將參照圖5中的流程圖和圖6a至圖6c中的代表圖來描述根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實施例。在第一步驟101中，在第η個米樣時刻tn處對參考信號Sraf和像素信號SpiXf3I進行采樣以提供參考信號的第η個樣本Sref,n(參考信號值)和像素信號的第η個樣本Spixel,n(像素信號值)?？梢杂欣厥褂盟^的相關雙采樣來捕獲各個樣本，其可以用于去除共模噪聲(見圖2)的低頻分量的任何影響。相關雙采樣本身是技術人員所公知的，在上述文檔US 7，864，992中詳細描述了來自電容指紋傳感器的感測元件的相關雙采樣。
[0089]現(xiàn)在參照圖6a至圖6c，將描述如在第一步驟101中實現(xiàn)的示例性采樣。圖6a是例如使用圖3a中的導電邊框11或圖3b中的導電條21a至21b而被提供至用戶手指29的激勵信號TX的示例，圖6b示出了用戶手指29的電位，以及圖6c示出了參考信號Sref。
[0090]還在圖6a至圖6c中指示的是用于相關雙采樣的第一采樣時刻仏()和第二采樣時刻tn, I以及參考信號Sref的相應樣本Sref, η, O和Sref, η, I。
[0091]由于以上參照圖2所描述的共模噪聲(CMN)，用戶手指29的電位將出現(xiàn)如圖6b中示意性示出的噪聲。
[0092]由于CMN的高頻分量的快速電位變化，手指電位可以在用于相關雙采樣的第一采樣時刻to與第二采樣時刻^之間大幅改變，這可以產(chǎn)生與無高頻CMN(或其他相應干擾)的情況的參考信號值相比而強得多或弱得多(在這種情況下是更強的)的參考信號值Srrf,n。
[0093]返回至圖5中的流程圖，在步驟102中將采樣的參考信號值Sref,n與由第一較低閾值Sth,工和第二較高閾值Sth,2所定義的預定參考信號值范圍進行比較。
[0094]對于圖6a至圖6c中所說明的示例性情況，如果采樣的參考信號值Sref,n在參考信號值范圍之外，則方法進行至步驟103中的丟棄與評估的參考信號值Srrf,n同時捕獲的像素信
直 Spixel, η O
[0095]隨后，該方法進行至步驟104中的對樣本計數(shù)器增加以及返回至第一步驟101以在稍后的采樣時刻處對參考信號Srrf和來自相同感測元件33的像素信號Spixe3l進行重新采樣。
[0096]如果在新的采樣時刻處CMN情況更加有利，則在步驟102中參考信號值Srrf,η作為替代可以被確定為在參考信號值范圍之內(nèi)，并且方法作為替代進行至步驟105中的對像素信號值Spixei, η進行A/D轉(zhuǎn)換和輸出。
[0097]此后在步驟106中確定是否已經(jīng)從所有感測元件33中捕獲了像素信號值。如果情況并非如此，則方法進行至步驟104以對樣本計數(shù)器增加并且此后返回至第一步驟101。如果已經(jīng)捕獲了所有像素信號值Spixel,η，則指紋捕獲過程已經(jīng)完成。
[0098]現(xiàn)在將參照圖7中的流程圖來描述根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實施例。
[0099]根據(jù)本發(fā)明的方法的該第二實施例與上述第一實施例的區(qū)別主要在于:基于相應參考信號值Srrf, η來實現(xiàn)對像素信號值Spixel, η的后處理。
[0100]因此，在第一步驟201中，在采樣時刻。至切處對一系列參考信號值Sref,η和相應的一系列像素信號值Spixel,η進行采樣?？梢匀缫陨蠀⒄請D5和圖6a至圖6c所描述來實現(xiàn)對每個參考信號值/像素信號值的采樣。
[0101]在下一步驟202中，基于一系列像素信號值Spixe3l,n和相應的一系列參考信號值Sref, η來確定一系列經(jīng)修改的像素信號值。
[0102]由于使用參考感測結構(圖3a中的14和圖3b中的25)所獲得的平均，參考信號值Sref,?可以用于修改在相同捕獲時刻1處所捕獲的像素信號值Spixei,n。例如，在圖6a至圖6c所示出的情況下，參考信號值Sref,?已經(jīng)被圖6b中的CMN影響成比在無CMN或僅具有低頻CMN的情況下參考信號值應當具有的值更高。因此，參考信號值Srrf,n可以用于將在相同捕獲時亥^處所捕獲的像素信號值Spixel,n減小為經(jīng)修改的像素信號值，以補償圖6b中的CMN的影響。
[0103]最后，現(xiàn)在將參照圖8中的流程圖以及圖9a至圖9c中的代表圖來描述根據(jù)本發(fā)明的方法的第三實施例。
[0104]圖8中的流程圖涉及對單個像素信號值的捕獲(或者對來自若干個感測元件的像素信號的同時捕獲)。
[0105]在第一步驟301中，在第一采樣時刻tn,ο處對像素信號Spixe3l進行采樣以產(chǎn)生第一樣本Spixe3l,η,O。隨后，在步驟302中，在第二采樣時刻tn>1處對像素信號進行采樣以產(chǎn)生第二樣本Spixe3^1。并非在第一采樣時刻與第二采樣時刻之間存在固定時間差，而是第二采樣時刻取決于參考信號Srrf的值。
[0106]特別地，將參考信號Sref與閾值Sref,th進行比較，并且當參考信號達到閾值時，得到像素信號的第二樣本。
[0107]這在圖9a至圖9c示意性地示出，其中，圖9a是例如使用圖3a中的導電邊框11或圖3b中的導電條21a至21b而被提供至用戶手指29的激勵信號TX的示例，圖9b示出了參考信號Sref，以及圖9C示出了像素信號SpixeI。
[0108]還在圖9a至圖9c中指示的是用于相關雙采樣的第一采樣時刻仏()和第二采樣時刻tn,l、用于參考信號Srrf的閾值Srrf,th以及像素信號值Spixe3l,n。
[0109]如在圖9c中可以看出的，在第一采樣時刻U,ο處得到像素信號的第一樣本Spixei,η,O。如圖9b中所示，當參考信號Sref已經(jīng)達到閾值Sref,th時，得到像素信號SpixeI的第二
^^^I^Spixel, η, I ο
[0110]在步驟303中，然后通過得到像素信號的第一樣本與第二樣本之間的差來確定像素{曰可值Spixel, η ο
[0111]在上述實施例中，已經(jīng)描述了每次對來自一個感測元件的像素信號的一般捕獲。然而，應當注意的是，可以有利地同時捕獲來自若干個感測元件的像素信號。
[0112]現(xiàn)在將參照圖1Oa至圖1Ob來描述包括在圖3a至圖3b中的指紋傳感器9、19中的感測元件12的示例配置。
[0113]如在圖1Oa中可以看出的，感測元件12形成為層結構，該層結構包括以下三個導電層:在頂部的導電層M3、在中間的導電層M2以及下導電層Ml，在各個導電層M3、M2和Ml的下方具有絕緣介電材料的第一層51、第二層52和第三層53。導電層的材料的示例通常是銅、鋁和摻雜的多晶硅。用于絕緣層的材料的示例通常是Si02、SiN、SiN0x和旋轉(zhuǎn)涂布式玻璃。
[0114]此外，用于形成感測元件12的分層結構可以包括由導電層構成的第四層P2(第二多晶硅)，該第四層P2被保持在一定模擬電壓電位AVdd處。另外，存在也由導電層構成的第五層Pl(第一多晶硅)，該第五層Pl被保持在地電位處以充當電屏蔽。在這些層P2、P1中的每個層的下方，存在絕緣介電材料的第四層63和第五層64。在底部，存在包括有源部件諸如電荷放大器54的半導體基板層D1。導電層P2、P1和上述的下導電層Ml可以例如用于對電氣連接、電阻器和電屏蔽進行布線。導電層P2、P1中的一者也可以用于代替第二金屬層M2來形成每個感測元件12的下電極55。
[0115]圖1Oa中所示的感測元件12包括在頂部的導電層M3中形成的感測結構33。感測結構33連接至感測元件電路34，感測元件電路34包括電荷放大器54、下電極55、復位開關56和采樣保持電路65。
[0116]如在圖1Oa中可以看出的，感測結構33連接至電荷放大器54的負輸入端子58。電荷放大器54的正輸入端子59連接至地。因此，借助于電荷放大器54，相應感測結構33是虛擬接地的，這是由于在電荷放大器54的輸入端子58、59上的電壓幾乎為零。
[0117]又如在圖1Ob中可以看出的，每個感測結構33被在頂部的導電層M3中形成的屏蔽框60所包圍，其中，屏蔽框60作為導電屏蔽被連接至地電位以防止相鄰感測結構33之間的橫向寄生電容，從而防止感測元件21之間的所謂的串擾。屏蔽框60還可以連接至其他適當?shù)氖芸仉妷弘娢弧?br>[0118]另外，再次參照圖10a，存在覆蓋感測結構33中的每個感測結構的保護介電層32以保護感測元件12免受ESD(靜電放電)和外部磨損的損害。進入保護層32的上表面附近的手指29在手指29與感測結構33之間產(chǎn)生電容Cfinger。
[0119]如圖1 Oa中可以看出的，包括在感測元件電路34中的下電極55形成在中間導電層M2中。下電極55連接至電荷放大器54的輸出端子61。存在形成在感測結構33與每個下電極55之間的反饋電容Cref，該反饋電容Cref連接在電荷放大器54的負輸入端子58和輸出端子61之間。
[0120]與下電極55相鄰的輔助下電極55a也形成在中間導電層M2中。輔助下電極55a連接至地并且被用作另外的屏蔽，這是由于與感測結構33相比，下電極55通常具有較小的面積。
[0121]下電極55可以被配置成實現(xiàn)傳感器元件電路34的期望增益。特別地，可以適當?shù)剡x擇下電極55的尺寸，這是由于增益取決于反饋電容Crrf，而反饋電容Crrf又取決于感測結構33、下電極55以及第一絕緣層51的物理尺寸?？梢哉{(diào)整輔助下電極55a的尺寸以便安裝在下電極55的旁邊。
[0122]如上所述，可以將激勵信號TX(參見例如圖6a至6c以及圖9a至9c)提供至手指29。將激勵信號TX提供至手指29引起由感測結構33(以及在提供有單獨的參考感測結構25的實施例中的參考感測結構25)所攜帶的電荷的變化。
[0123]由感測結構33所攜帶的電荷的變化和皮膚與感測結構33之間的電容Cfinger成比例。由于感測結構33是虛擬接地的，所以它的電荷由電荷放大器54傳輸至下電極55。然后可以將由電荷放大器54輸出的電壓計算為:
[0124]Uout= ( Cf inger/Cref) Uin
[0125]由采樣保持電路65優(yōu)選地使用如上進一步描述的相關雙采樣來對輸出電壓Ucmt進行采樣以去除共模噪聲的低頻分量。
[0126]采樣保持電路65由控制信號控制并且將指示感測結構33與手指29之間的電容耦合的像素信號Spixel輸出給模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(未示出)。
[0127]根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以基于由參考感測電路捕獲的參考信號來控制采樣保持電路65、模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換和/或(模擬或數(shù)字)像素信號的任何后處理。例如，采樣保持電路65的控制信號Ctrl可以取決于由參考感測電路捕獲的信號的幅度的瞬時值?？商娲?，可以存在被布置在采樣保持電路65與模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間的開關電路，并且可以基于來自參考感測電路的參考信號來控制開關電路。如果參考信號具有低于或高于預定范圍的幅度，則可以阻止像素信號Spixel到達模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0128]參考感測元件(包括參考感測結構和參考感測電路)的基本配置可以有利地與下面針對感測元件12所描述的基本上相同。取決于參考感測結構的尺寸，可以將下電極配置成提供適當?shù)男盘枏姸?。如以上進一步所述，若干個感測結構33可以用于一起形成參考感測結構。這可以例如通過合并與所選感測結構對應的輸出信號來實現(xiàn)，或通過提供用于對所選感測結構33進行互連和對所選下電極55進行互連的可控開關電路來實現(xiàn)。
[0129]本領域技術人員認識到本發(fā)明絕不限制于上述優(yōu)選實施例。相反，在所附權利要求的范圍內(nèi)的許多修改和變型是可能的。
[0130]在權利要求中，詞語“包括”并不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”并不排除復數(shù)。單個處理器或者其他單元可以實現(xiàn)權利要求中所記載的若干個項的功能。某些措施被記載在相互不同的從屬權利要求中的純事實并不表示這些措施的組合不能被有利地使用。計算機程序可以存儲在/分布在適當?shù)慕橘|(zhì)上，諸如光學存儲介質(zhì)或者與其他硬件一起提供或作為其他硬件的一部分提供的固態(tài)介質(zhì)，但是計算機程序也可以以其他形式分布，諸如經(jīng)由因特網(wǎng)或其他有線或無線電信系統(tǒng)來分布。權利要求中的任何附圖標記不應當被解釋為限制范圍。
【主權項】
1.一種使用指紋傳感器來確定手指的指紋圖案的表示的方法，所述指紋傳感器包括:多個感測元件，每個感測元件包括感測結構和連接至所述感測結構的感測元件電路，所述感測元件電路具有用于提供指示所述感測結構與所述手指之間的電容耦合的像素信號的輸出端， 其中，所述方法包括以下步驟: 捕獲指示具有摩擦嵴的手表面與參考感測結構之間的電耦合的參考信號，所述參考感測結構被配置成使得:所述參考感測結構的至少一部分面向所述摩擦嵴中的一個;以及基于所述參考信號以及所述手指與所述感測元件中的每個感測元件之間的電容耦合來確定所述指紋圖案的表示。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述參考感測結構被配置成延伸跨過多個所述摩擦嵴。3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，所述確定的步驟包括以下步驟: 使用取決于所述參考信號的捕獲設置來捕獲指示所述手指與所述感測元件中的每個感測元件之間的所述電容耦合的像素信號；以及基于所述像素信號來確定所述指紋圖案的表示。4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中，捕獲所述像素信號的步驟包括以下步驟: 在采樣時刻處對所述參考信號進行采樣以產(chǎn)生參考信號值； 在所述采樣時刻處對來自所述感測元件中的至少一個感測元件的至少一個像素信號進行采樣以產(chǎn)生至少一個像素信號值;以及 如果所述參考信號值在參考信號值范圍之外，則在稍后的采樣時刻處對所述至少一個像素信號進行重新采樣。5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，還包括以下步驟: 如果所述參考信號值在所述參考信號值范圍之內(nèi)，則將所述至少一個像素信號值從模擬的轉(zhuǎn)換成數(shù)字的。6.根據(jù)權利要求3至5中任一項所述的方法，其中，捕獲所述像素信號的步驟包括以下步驟: 在一系列采樣時刻處對所述參考信號進行采樣以產(chǎn)生一系列參考信號值；以及 在所述一系列采樣時刻處對所述像素信號進行采樣以產(chǎn)生一系列像素信號值， 其中，所述指紋圖案的所述表示是基于所述一系列參考信號值和所述一系列像素信號值來確定的。7.根據(jù)權利要求6所述的方法，還包括以下步驟: 使用所述一系列參考信號值來修改所述一系列像素信號值以提供經(jīng)修改的一系列像素信號值， 其中，所述指紋圖案的所述表示是基于所述經(jīng)修改的一系列像素信號值來確定的。8.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中，所述捕獲的步驟包括以下步驟: 對所述參考信號進行評估；以及 使用取決于對所述參考信號的評估的采樣定時對來自所述感測元件中的每個感測元件的像素信號進行采樣。9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述評估的步驟包括以下步驟: 將所述參考信號與閾值進行比較， 其中，所述采樣定時基于所述比較。10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中，所述采樣的步驟包括以下步驟: 在第一采樣時刻處執(zhí)行第一采樣；以及 在比所述第一采樣時刻遲的第二采樣時刻處執(zhí)行第二采樣， 其中，所述第一采樣時刻與所述第二采樣時刻之間的時段是基于所述參考信號來確定的。11.一種用于確定手指的指紋圖案的表示的指紋感測系統(tǒng)，所述指紋感測系統(tǒng)包括: 多個感測元件，每個感測元件包括感測結構和連接至所述感測結構的感測元件電路，所述感測元件電路具有用于提供指示所述感測結構與所述手指之間的電容耦合的像素信號的輸出端； 參考感測結構，所述參考感測結構被配置成使得:當具有所述摩擦嵴的手表面被布置成鄰近所述參考感測結構時，所述參考感測結構的至少一部分面向所述摩擦嵴中的一個；讀出電路，所述讀出電路能夠連接至所述參考感測結構并且所述讀出電路被配置成捕獲指示所述手表面與所述參考感測結構之間的電耦合的參考信號；以及 指紋確定電路，所述指紋確定電路被配置成基于所述參考信號以及所述手指與所述感測元件中的每個感測元件之間的電容耦合來確定所述指紋圖案的表示。12.根據(jù)權利要求11所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述參考結構具有至少200μπι的橫向延伸。13.根據(jù)權利要求11或12所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述參考感測結構包括多個所述感測元件。14.根據(jù)權利要求11至13中任一項所述的指紋感測系統(tǒng)，其中，所述指紋感測系統(tǒng)還包括: 評估電路，所述評估電路連接至所述讀出電路并且所述評估電路被配置成對所述參考信號的至少一個性質(zhì)進行評估;以及 采樣電路，所述采樣電路連接至所述感測元件中的每個感測元件并且所述采樣電路連接至所述評估電路，所述采樣電路被配置成使用取決于對所述參考信號的評估的采樣定時對來自所述感測元件中的每個感測元件的像素信號進行采樣。15.—種電子設備，包括: 指紋驗證裝置，所述指紋驗證裝置包括根據(jù)權利要求11至14中任一項所述的指紋感測系統(tǒng)；以及處理電路，所述處理電路被配置成:對所述指紋驗證裝置進行控制以實現(xiàn)對用戶的指紋驗證；以及僅在所述用戶使用所述指紋驗證裝置通過驗證時執(zhí)行用戶請求的至少一個處理。
【文檔編號】G06K9/00GK105993019SQ201480065613
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年12月11日
【發(fā)明人】弗蘭克·羅伯特·里戴克, 漢斯·特恩布盧姆
【申請人】指紋卡有限公司