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电容式指纹传感器.pdf

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电容 指纹 传感器
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摘要
申请专利号:

CN201680001237.9

申请日:

2016.10.27

公开号:

CN106663202A

公开日:

2017.05.10

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06K 9/00申请日:20161027|||公开
IPC分类号: G06K9/00 主分类号: G06K9/00
申请人: 深圳市汇顶科技股份有限公司
发明人: 张孟文; 詹昶; 皮涛; 李周群
地址: 518000 广东省深圳市福田保税区腾飞工业大厦B座13层
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#21512;智同创知识产权代理有限公司 11545 代理人: 李杰
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法律状态
申请(专利)号:

CN201680001237.9

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2019.01.29|||2017.06.06|||2017.05.10

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明实施例提供一种电容式指纹传感器,其包括积分器、触发器和基底消除电路,所述积分器用于存储来自指纹电容的电荷以产生输出信号并传递至所述触发器,所述触发器用于在所述输出信号超过设定的阈值时触发所述基底消除电路产生基底消除信号并输出至所述积分器,所述基底消除信号用于将所述积分器的输出信号调整至所述设定的阈值之内,避免了积分器容易达到饱和,从而增加了所述积分器的动态范围。

权利要求书

1.一种电容式指纹传感器,其特征在于,包括:积分器、触发器和基底消除电路,所述积
分器用于存储来自指纹电容的电荷以产生输出信号并传递至所述触发器,所述触发器用于
在所述输出信号超过设定的阈值时触发所述基底消除电路产生基底消除信号并输出至所
述积分器,所述基底消除信号用于将所述积分器的输出信号调整至所述设定的阈值之内以
增加所述积分器的动态范围。
2.根据权利要求1所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述触发器具体用于在所述
积分器的输出信号超过所述设定的阈值时产生触发信号,所述基底消除电路在所述触发信
号的触发下产生所述基底消除信号并输出至所述积分器。
3.根据权利要求2所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述触发器输出的触发信号
包括第一开关控制信号和第二开关控制信号,其中所述第一开关控制信号和所述第二开关
控制信号相互反相。
4.根据权利要求3所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述基底消除电路包括开关
电路和基底消除电容,所述开关电路与所述基底消除电容连接,用于在所述触发信号的触
发下进行开关动作从而使得所述基底消除电容进行充放电处理以产生所述基底消除信号。
5.根据权利要求4所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述开关电路包括第一开
关、第二开关、第三开关和第四开关;所述第一开关的一端连接至电源电压,所述第一开关
的另一端与所述第二开关的一端连接,并与所述基底消除电容的正极板连接;所述第二开
关的另一端与系统地连接;所述第三开关的一端连接参考电压,所述第三开关的另一端与
所述第四开关的一端连接,并与所述基底消除电容的负极板连接;所述第四开关的另一端
用于输出所述基底消除信号。
6.根据权利要求5所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述第一开关和所述第三开
关接收所述第一开关控制信号并在所述第一开关控制信号的控制进行开关动作;所述第二
开关和第四开关接收所述第二开关控制信号并在所述第二开关控制信号进行开关动作。
7.根据权利要求3所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述触发器包括相互串联的
比较器以及反相器,所述比较器的反相输入端连接到所述积分器以接收所述输出信号,所
述比较器的同相输入端连接参考电压,所述参考电压的电压?#24213;?#20026;所述设定的阈值;所述
反相器的输出端作为第一开关控制端子,用于输出所述第一开关控制信号,所述放大器的
输出端作为第二开关控制端子,用于输出所述第二开关控制信号。
8.根据权利要求3所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述积分器包括积分电容和
放大器,所述积分电容用于存储来自所述指纹电容的电荷;所述放大器的同相输入端连接
参考电压,所述放大器的反相输入端作为所述积分器的输入端并连接到所述指纹电容,所
述放大器的输出端连接到所述触发器以向所述触发器输出所述输出信号;所述积分电容连
接在所述放大器的反相输入端和和输出端之间。
9.根据权利要求8所述的电容式指纹传感器,其特征在于,还包括失配消除电路,所述
失配消除电路设置在所述放大器和所述基底消除电?#20998;?#38388;,用于消除所述积分器与所述参
考电压产生的失配。
10.根据权利要求3所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述积分器包括积分电容
和第一反相器,所述积分电容用于存储来自所述指纹电容的电荷;所述第一反相器的输出
端连接到所述触发器以向所述触发器输出所述输出信号,所述第一反相器的输入端作为所
述积分器的输入端并连接到所述指纹电容,所述积分电容连接在所述第一反相器的输出端
和输入端之间。
11.根据权利要求10所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述触发器包括相互串联
的第二反相器和第三反相器,所述第三反相器的输入端连接到所述积分器的输出端;所述
第三反相器的输出端作为第一开关控制端子,用于输出所述第一开关控制信号,所述第二
反相器的输出端作为第二开关控制端子,用于输出所述第二开关控制信号。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电容式指纹传感器,其特征在于,还包括充电
电路,所述充电电路用于对所述指纹电容进行充放电处理;所述充电电路的输入端与电源
电压连接,所述电源电压作为充电电压;所述充电电路的信号输出端与所述积分器的输入
端连接。
13.根据权利要求12所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述充电电路包括第五开
关和第六开关,所述第五开关的一端作为所述充电电路的输入端并连接到所述电源电压,
所述第五开关的另一端分别与所述指纹电容和寄生电容的正极板连接;所述第六开关的一
端分别与所述指纹电容和寄生电容的正极板连接,所述第六开关的另一端作为所述充电电
路的输出端并连接到所述积分器;所述寄生电容的负极板和所述指纹电容的负极板均与系
统地连接。
14.根据权利要求13所述的电容式指纹传感器,其特征在于,还包括屏蔽电路,所述屏
蔽电路的输入端与电源电压连接,且其输出端与所述寄生电容相连接;所述屏蔽电路用于
消除或者减缓寄生电容转移电荷至所述积分器。
15.根据权利要求14所述的电容式指纹传感器,其特征在于,所述屏蔽电路包括第七开
关和第八开关,所述第七开关的其中一端作为所述屏蔽电路的输入端,且另一端连接到所
述寄生电容并与所述第八开关的其中一端相连接;所述第八开关的另一端与参考电压连
接。

说明书

电容式指纹传感器

技术领域

本发明实施例涉及生物特征识别技术领域,尤其涉及一种电容式指纹传感器。

背景技术

由于指纹具有终身不变性、唯一性和方?#38408;裕?#22240;此可以提供较高级别的身份安全
认证。在执行身份安全认证时,通常通过指纹传感器(Fingerprint Sensor)作为实现指纹
自动采集的器件。

指纹传感器按传感原理主要分为光学指纹传感器、半导体电容式传感器、半导体
热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频(RF)传感器等。

以半导体电容式指纹传感器为例,在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”
上,手指贴在其上形成了电容的另一面。由于手指表面凸凹不平,凸点处对应脊,凹点处对
应谷,使得凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小不同,从而导致形成的电容的数值也
不相同,将采集到的不同的电容的数值进行汇总,从而完成指纹的采集。

但是,对于积分式的半导体电容式指纹传感器来说,其通常包括一个积分器,指纹
电容中的基底电容、与指纹最近的金属层到系统地的电容即寄生电容会在积分器输出产生
一个非常大的基底信号,该基底信号的大小约为指纹电容对应的有效信号的100倍,在经过
放大器放大处理后,该基底信号远大于有效信号,导致有效信号显得较小;同时基底信号放
大后使得积分器容易达到饱和导致指纹传感器的输出动态范围较小。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电容式指纹传感器,用以至少解决现有技术中
的上述问题。

为实现本发明实施例的目的,本发明实施例提供了一种电容式指纹传感器,其包
括:积分器、触发器和基底消除电路,所述积分器用于存储来自指纹电容的电荷以产生输出
信号并传递至所述触发器,所述触发器用于在所述输出信号超过设定的阈值时触发所述基
底消除电路产生基底消除信号并输出至所述积分器,所述基底消除信号用于将所述积分器
的输出信号调整至所述设定的阈值之内以增加所述积分器的动态范围。

本发明实施例中,通过所述积分器存储来自指纹电容的电荷以产生输出信号并传
递至所述触发器,所述触发器在所述输出信号超过设定的阈值时触发所述基底消除电路产
生基底消除信号并输出至所述积分器,所述基底消除信号将所述积分器的输出信号调整至
所述设定的阈值之内,避免了积分器容易达到饱和,从而增加了所述积分器的动态范围。

附图说明

图1为一种典型的指纹传感器的电路结构示意图;

图2为本发明实施例一中指纹传感器的电路模块结构示意图;

图3为本发明实施例二中指纹传感器的电路模块结构示意图;

图4为本发明实施例三中指纹传感器的电路模块结构示意图;

图5为本发明实施例四中指纹传感器的电路模块结构示意图;

图6为本发明实施例五中指纹传感器的具体电路结构示意图;

图7为本发明实施例六中指纹传感器的具体电路结构示意图;

图8为本发明实施例七中指纹传感器的具体电路结构示意图;

图9为本发明实施例八中指纹传感器的具体电路结构示意图。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本申请的实施方式,藉此对本申请如何应用
技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

下述将进一步对本发明进行进一步示意性解释说明。

图1为一种典型的指纹传感器的电路结构示意图;如图1所示,指纹传感器包括积
分电容Ci、开关S1-S4、放大器100。其中,开关S1和S3的开关状态分受第一时钟信号ck1的控
制,开关S2和S4的开关状态受第二时钟信号ck2的控制,第一时钟信号ck1与第二时钟信号ck2
可以分别为?#36739;?#38750;交叠时钟信号。

在积分阶段,第一时钟信号ck1为高相位,而第二时钟信号ck2为低相位,此时开关
S2和S4断开,而开关S1和S3导通;指纹电容Cf、寄生电容Cp的正极板接到电源电压Vchg,此时
基底消除电容Cc两端都是一样的电源电压Vchg,因此基底消除电容Cc中的电荷被泄放干净。
之后,第二时钟信号ck2转换为高相位,而第一时钟信号ck1转换为低相位,此时开关S2和S4
导通,而开关S1和S3断开;指纹电容Cf、寄生电容Cp和基底消除电容Cc的正极板接入放大器
101的负端,而基底消除电容Cc的负极板接到外部数模转换器(Digital to Analog
Converter,简称DAC)的输出信号Vdac。此时由于反馈的作用,指纹电容Cf、寄生电容Cp和基
底消除电容Cc中的电荷转移到积分电容Ci中,完成一次积分过程,从而完成一次指纹的检
测。

为了叙述方便,将图1中电源电压Vchg、外部数模转换器DAC的输出信号Vdac、参考
电压Vref和输出信号Vout的电压分别简称为电源电压Vc、外部数模转换器DAC的输出信号
Vd、参考电压Vr和积分器的输出信号Vo,上述一次积分输出信号VoVo的变化量可由(1)表示。


由于寄生电容Cp的电容值通常是指纹电容Cf的10~100倍,因此若不消除寄生电容
Cp的影响,则会导致积分器在还未获得所需的信号量?#26412;?#36798;到饱和,因?#31169;?#19968;步导致指纹
传感器电路的动态范围较小。

因此,为了消除寄生电容Cp的影响,图1所示的指纹传感器电?#20998;?#21152;入了基底消除
电容Cc,并通过调节提供给基底消除电容Cc的外部数模转换器DAC的输出信号Vd来消除寄生
电容Cp的影响,其中,用于消除寄生电容Cp的影响所需的外部数模转换器的输出信号Vd可以
根据(2)给出。


根据上述公式(2),由于寄生电容Cp的不确定性及参考电压Vr随工艺角(Process
Voltage Temperature,简称PVT)的变化,需要经过大量经验和测试,才能获得外部数模转
换器DAC的输出信号Vd的准?#20998;擔?#22240;?#22235;?#20197;彻底消除基底信号,也即是指纹传感器的基底信
号消除?#36824;?#20934;确。

另一方面,由于电路的输出动态范围较小及基底信号消除?#36824;?#20934;确,图1所示的指
纹传感器电?#20998;?#38656;要较大的积分电容Ci来减小电路的增益G,随后通过增加积分次数来获
得数模转换所需的信号量,从而导致指纹传感器电路的信噪比下降。并且,除了信噪比下降
外,还会导致单次指纹采集的总时间变长,进而增加指纹传感器的平均功耗。

除了上述寄生电容Cp的存在会导致基底信号,指纹电容Cf包括的基底电容也会导
致基底信号,具体原因为:指纹电容Cf包括指纹的峰电容以及谷电容,而峰电容以及谷电容
均可以等效为基底电容和有效电容,指纹检测主要是根据峰电容和谷电容中各自包括的有
效电容完成指纹检测。但是峰电容以及谷电容中的基底电容?#23545;?#22823;于各自对应的有效电
容,从而导致指纹电容Cf的基底电容也会产生基底信号,上述图1技术方?#25913;?#20197;消除指纹电
容中基底电容产生的基底信号,进一步导致难以彻底消除基底信号,因此基底信号消除不
够准确。

为此,本发明下述实施例提供了一种电容式指纹传感器,其包括:积分器、触发器
和基底消除电路,所述积分器用于存储来自指纹电容Cf的电荷以产生输出信号Vo并传递至
所述触发器,所述触发器用于在所述输出信号Vo超过设定的阈值时触发所述基底消除电路
产生基底消除信号并输出至所述积分器,所述基底消除信号用于将所述积分器的输出信号
Vo调整至所述设定的阈值之内以增加所述积分器的动态范围。

图2为本发明实施例一中指纹传感器的电路模块结构示意图;如图2所示,本实施
例中,所述指纹传感器包括积分器101、触发器102、基底消除电路103,所述积分器101包括
第一信号输入端101a和第一信号输出端101b,所述触发器102包括第二信号输入端102a和
第二信号输出端102b,所述基底消除电路103包括第三信号输入端103a和第三信号输出端
103b。所述第一信号输出端101b与所述第二信号输入端102a连接,所述第二信号输出端
102b与所述第三信号输入端103a连接,所述第三信号输出端103b与所述第一信号输入端
101a连接。

所述积分器101用于在利用所述指纹传感器进行指纹检测的过程中在完成对指纹
电容Cf的充电之后存储来自所述指纹电容Cf的电荷,从而完成一次充电-积分过程,并?#20197;?br />?#23458;?#25104;一次充电-积分过程之后产生一输出信号Vo并传递至所述触发器102,具体地,所述
输出信号Vo通过所述积分器101的第一信号输出端101b传递至所述触发器102的第二信号
输入端102a。

所述触发器102具体用于当所述输出信号Vo超过设定的阈值时产生触发信号,所
述触发信号用于触发所述基底消除电路103产生基底消除信号并输出至所述积分器101。具
体地,所述触发信号通过所述第二信号输出端102b传递至所述基底消除电路103的第三信
号输入端103a。所述基底消除电路103产生的基底消除信号通过所述基底消除电路103的第
三信号输出端103b传递至所述积分器101的第一信号输入端101a,所述基底消除信号用于
对所述积分器101的输出信号Vo进行调整以使其不超过所述设定的阈值,即调整至所述设
定的阈值之内,从而增加所述积分器101的动态范围。在具体实施例中,所述设定的阈值可
以设定为大于所述积分器101输出向下饱和的最低电压。

本实施例中,所述触发器102可以包括一比较器,所述比较器用于将所述积分器
101的输出信号Vo与所述设定的阈值进行比较,当比较结果表明所述积分器101的输出信号
Vo超过了所述设定的阈值时,所述比较器则向所述基底消除电路103发送一触发信号,所述
基底消除电路103在所述触发信号的触发下产生所述基底消除信号。具体地,所述基底消除
信号可以是基底消除电压,所述基底消除电压的大小详细参见下述实施例记载。该基底消
除电压通过所述第三信号输出端103b输出至所述第一信号输入端101a,即传输给所述积分
器101,从而使得所述积分器101的输出信号Vo不超过所述设定的阈值。

本实施例中,由于每次基底消除电压是一个已知量,只要统计出基底消除的次数
和所述积分器101的输出信号Vo,即可反推得到实?#23454;?#31215;分电压量,进而调整所述积分器
101的输出信号Vo,从而使得所述积分器101的输出信号Vo始终在所述设定的阈值之内,因
此,采用本实施例提供的技术方案可以保证所述积分器101不会发生饱和,也即本实施例提
供的指纹传感器输出的动态范围在理论上可以是无穷大。

本实施例中,上述积分器101、基底消除电路103的实现可以结合具体的半导体器
件以及指纹传感器中的不同电极板形成的电容来实现,详细可参见下述实施例记载。

图3为本发明实施例二中指纹传感器的电路模块结构示意图;如图3所示,在上述
实施例一的基础上增加了充电电路104,所述充电电路104用于向所述指纹电容Cf进行充放
电处理。所述充电电路104包括第四信号输入端104a和第四信号输出端104b,所述充电电路
的输入端与电源电压Vc连接,具体地通过所述第四信号输入端104a与电源电压Vc连接来实
现,电源电压Vc在本申请中,作为所述充电电路104的充电电压。所述充电电路104的信号输
出端与所述积分器101的输入端连接,具体地通过所述第四信号输出端104b与所述积分器
101的第一信号输入端101a连接来实现。

在所述积分器101进行积分处理时,所述指纹电容Cf的电荷转移到所述积分器101
上。但是,本实施例中,由于包括所述基底消除电路103,可以通过触发所述基底消除电路
103产生基底消除信号,所述基底消除信号可以抵消来自基底电容以及寄生电容Cp对应的
电荷转移到所述积分器101上导致的所述积分器101的输出信号Vo超过设定的阈值的部分,
从而使得所述积分器101的输出不超过所述设定的阈值。

图4为本发明实施例三中指纹传感器的电路模块结构示意图;如图4所示,在上述
图3的基础上增加了屏蔽电路105与充电电路104相互并联,所述屏蔽电路105用于消除或者
减缓所述寄生电容Cp转移电荷至所述积分器101。本实施例中,所述屏蔽电路105的输入端
连接到所述电源电压VcVc,具体地通过所述屏蔽电路105中的第五信号输入端105a连接到
电源电压Vc来实现,所述屏蔽电路105的输出端与寄生电容Cp(图中未示出)连接,具体地通
过所述屏蔽电路105中的第五信号输出端105b连接到寄生电容Cp来实现,并且,所述屏蔽电
路105的第五信号输出端105b还进一步连接到所属接分期101的第一信号输入端101a。

本实施例中,通过在指纹传感器电?#20998;?#22686;加所述屏蔽电路105并利用所述屏蔽电
路105对所述寄生电容Cp进行充放电处理,从而避免所述寄生电容Cp上的电荷转移到所述积
分器101上,有效?#26723;图?#29983;电容Cp的存在对所述积分器101输出信号Vo的影响,因此可以进
一步避免了所述积分器101的输出信号Vo超过所述设定的阈值,从而有效增大了电路输出
的动态范围。

本实施例中,上述屏蔽电路105具体可以由半导体器件形成,详细请参见下述实施
例的示意性解释。

图5为本发明实施例四中指纹传感器的电路模块结构示意图;如图5所示,所述积
分器101基于负反馈机制而连接所述参考电压Vr,本实施例在上述图3实施例的基础上增加
失配消除电路106,所述失配消除电路设置在所述积分器101和所述基底消除电路103之间,
用于消除所述积分器101与所述参考电压Vr产生的失配,具体通过所述失配消除电路106设
置在所述积分器101的第一信号输入端101a和所述基底消除电路103的第三信号输出端
103b之间来实现。

在实际工作过程中,由于所述积分器101与所述参考电压Vr之间可能产生失配,通
常也会导致所述积分器101输出信号Vo的动态范围较小。因此,本实施例中,在上述图1的基
础上增加了失配消除电路106,消除所述积分器101与所述参考电压Vr可能产生的失配。所
述失配消除电路106的具体实现技术可以包括自动调零、相关双采样、斩波等技术,进而提
高所述指纹传感器各通道之间的匹配。

图6为本发明实施例五中指纹传感器的具体电路结构示意图;如图6所示,本实施
例中,指纹传感器的各单元具体结构如下:

所述积分器101包括积分电容111和放大器121,本实施例中,所述积分电容111用
于存储来自所述指纹电容Cf的电荷,所述放大器121可以为差分输入-单端输出放大器,以
下称为第一差分输入-单端输出放大器121。所述第一差分输入-单端输出放大器121的输出
端作为所述第一信号输出端101b,并连接到所述触发器102以向所述触发器102输出所述输
出信号Vo,所述第一差分输入-单端输出放大器121的同相输入端(或称为正输入端)连接到
所述参考电压Vr,所述第一差分输入-单端输出放大器121的反相输入端(或称为负输入端)
作为所述积分器101的输入端并连接到所述指纹电容Cf。所述积分电容111连接在第一差分
输入-单端输出放大器121的反相输入端和和输出端之间,具体通过连接在所述第一信号输
入端101a和所述第一信号输出端101b之间实现。具体地,所述积分电容111的正极板与所述
第一信号输出端101b连接,所述积分电容111的负极板与所述第一信号输入端101a连接。

所述触发器102包括?#21512;?#20114;串联的比较器112和反相器122,本实施例中,所述比较
器112可以采用差分输入-单端输出放大器,以下称为第二差分输入-单端输出放大器112,
所述反相器122可以采用单输入-单输出反相器,以下称为单输入-单输出反相器122。所述
第二差分输入-单端输出放大器112的反相输入端作为所述第二信号输入端102a,并通过与
所述积分器101的第一信号输出端101b连接从而连接到所述积分器101以接收所述输出信
号Vo;所述第二差分输入-单端输出放大器112的同相输入端连接所述参考电压Vr,所述参
考电压Vr作为所述触发器102的设定的阈值。

在本实施例中,所述触发器102可以包括两个开关控制端子:第一开关控制端子和
第二开关控制端子,所述两个输出端子共同构成如上所述的所述触发器102的第二信号输
出端102b。所述触发器输出的触发信号包括第一开关控制信号和第二开关控制信号,所述
第一开关控制信号和所述第二开关控制信号相互反相,?#28909;?#26412;实施例中,所述单输入-单输
出反相器122的输出端可以作为所述第一开关控制端子,用于输出所述第一开关控制信号
(或称为第一触发信号)Ca1,所述放大器112的输出端可以作为所述第二开关控制端子,用
于输出所述第二开关控制信号(或称为第二触发信号)Ca2。

本实施例中,所述基底消除电路103具体包括:开关电路和基底消除电容Cc,所述
开关电路与所述基底消除电容Cc连接,用于在所述触发信号的触发下进行开关动作从而使
得所述基底消除电容Cc进行充放电处理以产生所述基底消除信号。

?#28909;紓?#26412;实施例中,所述基底消除电路103中的开关电路可以具体包括第一开关
1131a(又标记为S3)、第二开关1131b(又标记为S4)、第三开关1132a(又标记为S5)和第四开
关1132b(又标记为S6)。其中,所述第一开关1131a的一端作为所述第三信号输入端103a,并
与所述电源电压Vc连接,所述第一开关1131a另一端与所述第二开关1131b的一端连接,并
与基底消除电容Cc的正极板连接;所述第二开关1131b的另一端与所述系统地Vg连接。第三
开关1132a的一端与所述参考电压Vr连接,第三开关1132a的另一端与所述第四开关1132b
的一端连接,并与基底消除电容Cc的负极板连接;所述第四开关1132b的另一端作为第三信
号输出端103b,用于输出所述基底消除信号。

本实施例中,所述第一开关1131a和第三开关1132a接收所述第一开关控制信号
(或称为第一触发信号)Ca1,并在所述第一开关控制信号Ca1的控制下进行开关动作;所述
第二开关1131b和第四开关1132b接收所述第二开关控制信号(或称为第二触发信号)Ca2,
并在所述第二开关控制信号Ca2的控制下进行开关动作。也即是说,在本实施例中,所述触
发器102输出给所述基底消除电路103的触发信号具体包括所述第一开关控制信号(或称为
第一触发信号)Ca1和所述第二开关控制信号(或称为第二触发信号)Ca2,二者相互反相。

所述充电电路104用于对所述指纹电容Cf进行充放电处理,所述充电电路104的输
入端与电源电压Vc连接,所述电源电压Vc作为充电电压;所述充电电路101的输出端与所述
积分器101的输入端连接。

具体地,所述充电电路104包括第五开关114(又标记为S1)和第六开关124(又标记
为S2)。所述第五开关114的一端作为第四信号输入端104a,即作为所述充电电路的输入端,
并与所述电源电压Vc连接,所述第五开关114的另一端分别与所述指纹电容Cf和所述寄生电
容Cp的正极板连接;与此同时,所述第六开关124的一端也分别与所述指纹电容Cf和所述寄
生电容Cp的正极板连接,所述第六开关124的另一端作为第四信号输出端104b,与所述第一
信号输出端101a连接,即作为所述充电电路104的输出端并连接到所述积分器101。所述寄
生电容Cp的负极板和所述指纹电容Cf的负极板均与所述系统地Vg连接。

本实施例中的指纹检测电流工作过程可如下:

充电电路104中的所述第五开关114(S1)和所述第六开关124(S2)受所述第一时钟
信号ck1和第二时钟信号ck2控制,当第一时钟信号ck1为高、第二时钟信号ck2为低时,所述
第五开关114(S1)导通,而所述第六开关124(S2)断开,此时所述指纹电容Cf和所述寄生电
容Cp的正极板被充至电源电压Vc。

在第二时钟信号ck2为高、第一时钟信号ck1为低时,所述第五开关114(S1)断开,而
所述第六开关124(S2)导通,所述指纹电容Cf中的电荷以一定比例转移到所述积分电容Ci,
完成一次积分过程。上述充电-积分过程在所述积分器的输出体现的电压增量ΔVo,cf由(3)
给出。


所述触发器102将所述积分器101中的输出信号Vo与所述参考电压Vr进行比对,若
所述输出信号Vo未超出所述参考电压Vr,则所述触发器102输出的触发信号具体为所述第一
开关控制信号(或称为第一触发信号)ca1为高,而第二开关控制信号(或称为第二触发信
号)ca2为低;若所述输出信号Vo超出所述参考电压Vr,则所述触发器102输出的触发信号具
体为所述第一开关控制信号(或称为第一触发信号)ca1为低,而所述第二开关控制信号(或
称为第二触发信号)ca2为高。

在所述基底消除电路103中,当所述第一开关控制信号(或称为第一触发信号)ca1
为高时,所述第一开关1131a(S3)和所述第三开关1132a(S5)导通,而所述第二开关1131b
(S4)和所述第四开关1132b(S6)断开,此时所述基底消除电容Cc的正极板接到所述电源电
压Vc,且其负极板接到所述参考电压Vr。当第二开关控制信号(或称为第二触发信号)ca2为
高时,所述第一开关1131a(S3)和所述第三开关1132a(S5)断开,而所述第二开关1131b(S4)
和所述第四开关1132b(S6)导通,此时所述基底消除电容Cc的负极板接到所述积分器101的
第一信号输入端101a,且其正极板接到系统地Vg。从而完成一次基底消除动作,该基底消除
动作在输出体现的基底消除电容Cc的电压增量ΔVo,cc可由式(4)表示。


根据式(4),所述基底消除电压与参考电压Vr无关,只与Cc/Ci和Vc有关,并且Cc/Ci
和Vc都是已知量,因此只要知道基底消除的次数,即可反推出基底消除的电压总量。

因此经过n次积分后,并发生了m次的基底消除,此时实际采样得到的积分器的输
出信号Vor可以用(5)表示。实际采样得到的指纹峰-谷电压之差Vor,p-v可由(6)表示,其中n与
m满足关系0≤nΔVo,cf+mΔVo,cc≤ΔVo,cc,n大于等于m。

Vor=nΔVo,cf+mΔVo,cc+Vr, (5)

Vor,p-v=nΔVo,Δcf+(mp-mv)ΔVo,cc, (6)

由于(6)中mp、mv、Vs、Cc/Ci都是已知量,mp、mv分别为指纹电容Cf中峰电容、谷电容参
与基底消除的次数。

因此只要将实际输出的峰-谷电压之差Vor,p-v减去总基底消除电压之差(mp-mv)Δ
Vo,cc,即可得到无限输出动态范围情况下的峰-谷电压之差Voi,p-v,如式(7)所示。


由(7)式可见,实际输出的峰-谷电压之差Vor,p-v与寄生电容Cp和指纹电容Cf中的基
底电容无关,只与指纹电容Cf中峰电容和谷电容之差ΔCf和积分电容Ci有关,因此,所述积
分器101的输出动态范围得到了无限的扩展。由于动态范围的提高,使得所述积分器101可
以采用更高的增益。在增益增加之后,获得同样的信号量,输出信噪比也随之变高,与此同
时,等效到所述积分器101输入的噪声也减小,因此可以有效?#26723;?#20102;ADC对精度的需求。

图7为本发明实施例六中指纹传感器的具体电路结构示意图;如图7所示,本实施
例六提供的指纹传感器在上述图6的基础上增加了增加失配消除电路106,所述失配消除电
路106设置在所述放大器121和所述基底消除电路103之间,用于消除所述积分器101与所述
参考电压Vr产生的失配。

对于图6的电路,假设所述放大器121与参考电压Vr之间的失配量为σVr,a2r,所述积
分器101积分n次后,理想情况?#36335;?谷电压之差Voi,p-v(n)的关系由(8)给出,而有效信号
与失配信号之比γa2r由(9)给出。



从(9)可知,在实际实施过程中,由于(Vr-Vs)/σVa2r>100,ΔCf/(Cf+Cp)≈1/100,可
见失配信号基本上与有效信号处于同一?#32771;叮?#29978;至大于想要获得的有效信号。因此若不做
任?#26410;?#29702;,所述积分器101的输出信号可能会发生一定的偏移。

因此,本实施例中,所述积分器101内部增加了所述失配消除电路106,如果所述放
大器121采用差分输入-单端输出放大器,则所述基底消除电路103的第三信号输出端103b
通过所述失配消除电路106与所述放大器121的反相输入端连接。

具体地,在一种实施例中,所述失配消除电路106可以包括两个输入端,其中一输
入端与所述第三信号输出端103b相连,另一输入端与所述参考电压Vr连接;另外,所述失配
消除电路106的输出端可以连接到所述放大器121的反相输入端。如上所述,所述失配消除
电路106的具体实现可有多重方式,?#28909;?#24120;见的技术有由自动调零、相关双采样、斩波等技
术。

图8为本发明实施例七中指纹传感器的具体电路结构示意图;如图8所示,本实施
例七提供的指纹传感器与上述实施例的主要不同点在于,本实施例中,所述积分器101包括
积分电容111和第一反相器131。所述第一反相器131为单输入-单输出反相器,所述第一反
相器131的输出端作为所述积分器101的输出端并连接到所述触发器102以向所述触发器输
出所述输出信号Vo,所述第一反相器131的输入端作为所述积分器101的输入端并连接到所
述指纹电容Cf,所述积分电容111连接在所述第一信号输出端101b和所述第一信号输入端
101a之间,即连接在所述第一反相器131的输出端和输入端之间。

本实施例中,所述触发器102包括?#21512;?#20114;串联的第二反相器132和第三反相器142,
所述第二反相器132的输入端连接到所述积分器101的输出端。这两个反相器132和142均可
以为单输入-单输出反相器。所述第三反相器142的输出端作为所述触发器102的第一开关
控制端子,用于输出所述第一开关控制信号(或称为第一触发信号)Ca1,所述第二反相器
132的输出端作为第二开关控制端子,用于输出第二开关控制信号(或称为第二触发信号)
Ca2。也即是说,在本实施例中,所述第三反相器132的输入端作为所述触发器102的第二信
号输入端102a,而所述触发器102的第二信号输出端102b具体包括所述第一开关控制端子
和所述第二开关控制端子。

与上述实施例相比,本实施例中,由于所述积分器101使用所述单输入-单输出的
反相器131来代替其他实施例的放大器121,因而可以减少贡?#33258;?#22768;的管脚数量的同时去除
了参考电压Vr引入的噪声,从而提高了所述积分器101输出的SNR;另外,所述单输入-单输
出的反相器131可以在获得与差分输入结构相同带宽的条件下,只消耗一半的功?#27169;?#22240;此有
效地?#26723;?#20102;所述指纹传感器的整体功?#27169;?#36827;而缩短了单次指纹采集的总时间。最后,由于使
用的单输入-单输出的反相器131结构相对于放大器121而言较为简单,因此也减小了所述
指纹传感器的电路面积。

图9为本发明实施例八中指纹传感器的具体电路结构示意图;如图9所示,本实施
例八提供的指纹传感器在上述图6的基础上增加了屏蔽电路105的具体电路,所述屏蔽电路
105具有第五信号输入端105a和第五信号输出端105b,具体地,所述屏蔽电路105包括第七
开关115(又标记为S7)和第八开关125(又标记为S8)。其中,所述第七开关115的一端作为第
五信号输入端105a,即所述屏蔽电路105的输入端,并连接到电源电压Vc,而所述第七开关
115的另一端通过所述第五信号输出端105b连接到所述寄生电容Cp,并同时连接到所述第
八开关125的其中一端;另一方面,所述第八开关125的另一端与所述参考电压VrVr连接。并
且,在本实施例中,所述第七开关115和所述第八开关125的开关状态同样地分别受所述第
一时钟信号ck1和第二时钟信号ck2的控制。

本实施例中的所述触发器102上述图7实施例中记载的相互串联的比较器112和反
相器122,详细不再赘述。本实施例的指纹传感器的工作过程详细如下:

当所述第一时钟信号ck1为高时,所述第五开关114(S1)和所述第七开关115(S7)
导通,而所述第六开关124(S2)和所述第八开关125(S8)断开,此时所述指纹电容Cf的正极
板和所述寄生电容Cp的两端都接到所述电源电压Vc,此时由于所述寄生电容Cp由于两端电
压一致,所以所述寄生电容Cp中无电荷。

当所述第二时钟信号ck2为高时,所述第五开关114(S1)和所述第七开关115(S7)
断开,而所述第六开关124(S2)和所述第八开关125(S8)导通,此时所述指纹电容Cf中的部
分电荷转移到所述积分器101中。由于所述放大器121正负两端虚短,因此所述放大器121的
反相输入端的电压Vin、加载到指纹电容Cf正极板,使得指纹电容Cf正极板的电压等于参考
电压Vr,进而使得寄生电容Cp负极板的电压为参考电压Vr,同时由于第八开关125的导通,使
得寄生电容Cp正极板的电压也为参考电压Vr,因此此时寄生电容Cp中依然无电荷。因此所述
积分器101单次积分输出信号的变化量ΔVo,cf由式(10)给出,从该式(10)可以看出,由于所
述屏蔽电路105的存在,所述寄生电容Cp的影响被完全消除。


本申请的实施例所提供的装置可通过计算机程序实现。本领域技术人员应该能够
理解,上述的单元以及模块划分方式仅是众多划分方式中的一种,如果划分为其他单元或
模块或不划分块,只要信息对象的具有上述功能,?#21152;?#35813;在本申请的保护范围之内。

本领域的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机
程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面
的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计
算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程
序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图
和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实?#33267;?#31243;图和/或方框图中的每一流程
和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指
令到通用计算机、专用计算机、?#24230;?#24335;处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生
一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现
在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特
定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一
个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造
性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然,本领域的技术人员可以对本申请
进行各?#25351;?#21160;和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样,?#28909;?#26412;申请的这些修改和变型
属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内,则本申请也意图包含这些改动和变型在
内。

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