指纹检测电路和指纹检测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种指纹检测电路和指纹检测装置，所述指纹检测电路包括：信号发生电路，用于产生交流信号；发射电极，用于传递所述交流信号至手指；感应单元，用于采集手指的指纹信息；信号处理电路，用于处理所述指纹信息；所述信号发生电路与所述发射电极电连接，所述感应单元与所述信号处理电路电连接。从而，通过发射电极将具有一定幅度的交流信号耦合至手指，使得该交流信号通过手指和感应单元之间形成的第一电容与感应单元和地之间形成的第二电容产生分压信号，其经信号处理电路处理后产生包含了指纹信息的输出数据，最终实现指纹的检测。由于整个电路采用开环结构，不包含任何反馈环路，因此电路成本低，可靠性高，指纹检测速度快。
【专利说明】指纹检测电路和指纹检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及指纹检测【技术领域】，尤其是涉及一种指纹检测电路和具有该指纹检测电路的指纹检测装置。
【背景技术】
[0002]在指纹检测装置中，指纹检测电路是用于将指纹包含的“峰”和“谷”的图像信息转化为电信号的核心模块。中国专利200710129193.0披露了一种指纹检测电路，其包括外部电极10、检测单元20、电阻30和信号产生源40，外部电极10与信号产生源40分别耦接至参考电平Vcmb与Vcma，检测单元20通过电阻30耦接至信号产生源40，检测电路还包括一输出端OUT耦接于检测单元20与电阻30之间，输出端OUT连接判断电路和模数转换器。不同的检测单元20与手指50表面不同的纹路之间等效构成许多具有不同电容值的电容组件，对信号产生源40而言，电阻30以及电容组件则构成一个滤波电路，因此在输出端OUT上会根据信号产生源40所提供的参考信号，随着电阻30的电阻值与电容组件的电容值的不同而对应产生不同的检测信号，从而实现指纹检测。
[0003]然而，该技术方案存在以下缺陷:首先，由于电容组件的电容很小，要获得适当的截止频率就要求电阻30非常大，集成在芯片上会消耗很大的成本；其次，在检测单个指纹像素点时需要经历多个“比较器检测_>输入信号调节”周期来确定最终的直流电平，检测精度越高要求的检测周期越长，导致了检测速度和检测精度这两个重要指标不可兼得；最后，该专利的信号产生源40与模数转换器构成了一个闭环回路，使得电路存在环路不稳定的风险。
[0004]综上所述，现有的指纹检测电路，电路成本较高，电路稳定性较差，指纹检测速度较慢。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于提供一种指纹检测电路和指纹检测装置，旨在降低电路成本，提闻电路稳定性和指纹检测速度。
[0006]为达以上目的，本发明提出一种指纹检测电路，包括:
[0007]信号发生电路，用于产生交流信号；
[0008]发射电极，用于传递所述交流信号至手指；
[0009]感应单元，用于采集手指的指纹信息；
[0010]信号处理电路，用于处理所述指纹信息；
[0011]所述信号发生电路与所述发射电极电连接，所述感应单元与所述信号处理电路电连接；所述感应单元与所述手指之间有第一电容，所述感应单元与GND之间有第二电容。
[0012]优选地，所述信号发生电路包括数模转换器、驱动器和直流升压器，所述驱动器分别与所述数模转换器、直流升压器和发射电极电连接，其中所述驱动器的输入端与所述数模转换器的输出端电连接，所述驱动器的输出端与所述发射电极电连接。[0013]优选地，所述信号发生电路包括数模转换器和LC谐振电路，所述LC谐振电路的输入端与所述数模转换器的输出端电连接，所述LC谐振电路的输出端与所述发射电极电连接。
[0014]优选地，所述信号处理电路包括放大器和模数转换器，所述放大器的输入端与所述感应单元电连接，所述放大器的输出端与所述模数转换器的输入端电连接。
[0015]优选地，所述感应单元包括多个感应电极，所述放大器有多个，每一放大器电连接一感应电极。
[0016]优选地，所述发射电极和感应单元集成于一感应芯片。
[0017]优选地，所述发射电极为环形发射电极，其环绕于所述感应单元周围。
[0018]优选地，所述发射电极直接与手指接触或通过一导电体间接与手指接触来传递所述交流信号。
[0019]本发明同时提出一种指纹检测装置，包括一指纹检测电路，所述指纹检测电路包括:信号发生电路，用于产生交流信号；发射电极，用于传递所述交流信号至手指；感应单元，用于采集手指的指纹信息；信号处理电路，用于处理所述指纹信息；所述信号发生电路与所述发射电极电连接，所述感应单元与所述信号处理电路电连接；所述感应单元与所述手指之间有第一电容，所述感应单元与GND之间有第二电容。
[0020]本发明所提供的一种指纹检测电路，通过发射电极将具有一定幅度的交流信号耦合至手指，使得该交流信号通过手指和感应单元之间形成的第一电容与感应单元和地(GND)之间形成的第二电容产生分压信号，该分压信号即为指纹感应信号，其经信号处理电路处理后产生包含了指纹信息的输出数据，实现了指纹的检测。由于整个电路采用开环结构，不包含任何反馈环路，电路成本低，且不存在环路稳定性问题，可靠性高；而且本发明的指纹检测电路最快可仅使用一个模数转换器的转换周期的时间，即可将“峰”和“谷”的图像信息转化为相应的电信号，因此提高了指纹检测速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是现有技术的指纹检测电路的电路图；
[0022]图2是本发明的指纹检测电路一实施例的结构框图；
[0023]图3是图2中的指纹检测电路的等效电路图。
[0024]本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。【具体实施方式】
[0025]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]本发明的指纹检测电路，为电容分压式指纹检测电路，利用指纹上包含的“峰”和“谷”对应的第一电容Cl (或称感应电容)大小不同，所以在同样的交流信号激励下输出信号的幅度也不同的原理，将“峰”和“谷”的图像信息转化为相应的电信号。
[0027]参见图1、图2，提出本发明的指纹检测电路一实施例，所述指纹检测电路包括信号发生电路100、发射电极200、感应单元300和信号处理电路400，其中，信号发生电路100与发射电极200电连接，感应单元300与信号处理电路400电连接。信号发生电路100用于产生交流信号；发射电极200用于传递交流信号至手指500，其可以直接与手指500接触，或连接一导电体后通过该导电体间接与手指500接触；感应单元300用于采集手指500的指纹信息，即根据指纹产生相应幅度的电压信号，其表面覆盖一绝缘层以隔绝手指500和感应单元300 ;信号处理电路400用于对感应单元300采集到的指纹信息进行相应的处理，从而将电压信号转换为指纹数据。具体的等效电路图如图2所示，以下结合图2进行详细说明。
[0028]信号发生电路100包括数模转换器110、驱动器120和直流升压器130，驱动器120分别与数模转换器110、直流升压器130和发射电极200电连接，其中驱动器120的输入端与数模转换器110的输出端电连接，驱动器120的输出端与发射电极200电连接。输入驱动器120的交流信号源为数模转换器110的输出电压，数模转换器110可根据不同的数字编码输出各种交流波形，如正弦波、方波、三角波等。驱动器120的工作电源电压由直流升压器130提供，直流升压器130将系统中的低压电源电压升高为高压电源电压后输出给驱动器120，以增大驱动器120输出至发射电极200的交流信号的电压幅值。在某些实施例中，所述驱动器120与直流升压器130也可以由LC谐振电路代替，LC谐振电路的输入端与数模转换器110电连接，LC谐振电路的输出端与发射电极200电连接，从而LC谐振电路将数模转换器110输入的交流信号的电压幅值增大后输出至发射电极200。
[0029]发射电极200和感应单元300集成于一感应芯片。感应单元300由多个阵列排布的感应电极310构成，发射电极200为环形发射电极，其环绕于感应单元300周围。所述感应电极310通过检测手指500的指纹而产生不同的检测值而获取指纹信息，更明确地说，不同的感应电极310与手指500表面不同的纹路之间等效构成许多具有不同电容值的电容组件，该检测值即为电容组件的电容值，该电容组件的其中一个电极由感应电极310构成，而另一个电极则由手指500的表面与发射电极200等效构成，且绝缘层即成为电容组件中的介电层。手指500按压于感应芯片时，直接或间接的与发射电极200接触，以使发射电极200将交流信号耦合至手指500 ;同时手指500接触感应单元300表面的绝缘层，覆盖多个感应电极310，在交流信号的激励下，手指500表面与感应电极310之间形成第一电容Cl (或称感应电容)，根据平板电容的计算公式可知，电容值与电容上下极板之间的距离成反比，因此手指纹路中“峰”和“谷”对应的第一电容Cl大小不同。
[0030]信号处理电路400包括放大器410和模数转换器420，放大器410的输入端与感应单元300电连接，放大器410的输出端与模数转换器420的输入端电连接。放大器410的数量与感应电极310的数量相同，每一放大器410电连接一感应电极310 (为简化起见，图2中仅显示了一个感应电极与一个放大器的连接示意图)，每个感应电极310与地(Ground,GND)之间都存在一个第二电容C2 (或称寄生电容)，手指500上的交流信号经过第一电容Cl与第二电容C2之间的分压电压即为放大器410的输入电压,放大器410将输入电压放大后输出至模数转换器420，再由模数转换器420将接收到的模拟电压信号转换为数字信号后输出，输出的数据即检测到的指纹信息。通过采用合适精度的模数转换器420，可确保输出的数据包含足够的灰度信息。
[0031]下面按照常规的电路参数给出本发明的指纹检测电路中的相关参数计算:
[0032]假设感应电极310与指纹的“峰”形成的第一电容Cl最大为IfF，第二电容C2为20fF,驱动器120输出的交流信号的电压幅值为10V，放大器410的放大倍数为3倍，可算得放大器410的输出电压为:[0033]Vl=IOV*[IfF/ (lfF+20fF)]*3=1.428V
[0034]假设感应电极310与指纹的“谷”形成的第一电容Cl最小为0.95fF，其它参数不变(即其它参数与指纹的“峰”相同)，可算得放大器410的输出电压为:
[0035]V2=10V* [0.95fF/ (0.95fF+20fF) ] *3=1.36V
[0036]因此指纹的“峰”和“谷”之间的输出电压差值为:
[0037]Vl-V2=68mV
[0038]与该电压差值对应的8级灰度的分辨率电压为:
[0039]VLSB=68mV/8=8.5mV ；
[0040]假设模数转换器420的参考电压Vref=2V，则根据公式:VLSB=Vref/2N (其中N代表精度等级)可算得对模数转换器420的精度N要求为8-bit (8位)。
[0041]据此，本发明的指纹检测电路，通过发射电极200将具有一定幅度的交流信号耦合至手指500，使得该交流信号通过手指500和感应单元300之间形成的第一电容Cl与感应单元300和地之间形成的第二电容C2产生分压信号，该分压信号即为指纹感应信号，其经信号处理电路400处理后产生包含了指纹信息的输出数据，实现了指纹的检测。由于整个电路采用开环结构，不包含任何反馈环路，电路成本低，且不存在环路稳定性问题，可靠性高；而且本发明的指纹检测电路最快可仅使用一个模数转换器的转换周期的时间，即可将“峰”和“谷”的图像信息转化为相应的电信号，因此指纹检测速度快。
[0042]同时，鉴于移动终端系统中常用的电源电压较低(通常为2.8V)，致使数模转换器110产生交流信号的幅度较低，相应的会导致产生的指纹感应的有效信号幅度较低，本发明中采用直流升压器130将移动终端系统中的电压升高后输出至驱动器120，使得数模转换器110产生的交流信号通过驱动器120之后形成幅度足够大的交流信号，最后再由放大器410将感应单元300产生的指纹感应信号进行放大处理。从而，使得输出数据包含了精度足够的图像灰度以分辨指纹信息，具备对应8级图像灰度的电压精度，因此指纹检测精度较闻。
[0043]本发明同时提出一种指纹检测装置，包括一指纹检测电路，所述指纹检测电路包括包括:信号发生电路，用于产生交流信号；发射电极，用于传递所述交流信号至手指；感应单元，用于采集手指的指纹信息；信号处理电路，用于处理所述指纹信息；所述信号发生电路与所述发射电极电连接，所述感应单元与所述信号处理电路电连接；所述感应单元与所述手指之间有第一电容，所述感应单元与GND之间有第二电容。本实施例中所描述的指纹检测电路为本发明中上述实施例所涉及的指纹检测电路，在此不再赘述。
[0044]本发明的指纹检测装置，采用了上述指纹检测电路后，降低了成本，提高了可靠性，同时提高了指纹检测速度和检测精度。
[0045]应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种指纹检测电路，其特征在于，包括: 信号发生电路，用于产生交流信号； 发射电极，用于传递所述交流信号至手指； 感应单元，用于采集手指的指纹信息； 信号处理电路，用于处理所述指纹信息； 所述信号发生电路与所述发射电极电连接，所述感应单元与所述信号处理电路电连接；所述感应单元与所述手指之间有第一电容，所述感应单元与GND之间有第二电容。
2.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述信号发生电路包括数模转换器、驱动器和直流升压器，所述驱动器分别与所述数模转换器、直流升压器和发射电极电连接，其中所述驱动器的输入端与所述数模转换器的输出端电连接，所述驱动器的输出端与所述发射电极电连接。
3.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述信号发生电路包括数模转换器和LC谐振电路，所述LC谐振电路的输入端与所述数模转换器的输出端电连接，所述LC谐振电路的输出端与所述发射电极电连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的指纹检测电路，其特征在于，所述信号处理电路包括放大器和模数转换器，所述放大器的输入端与所述感应单元电连接，所述放大器的输出端与所述模数转换器的输入端电连接。
5.根据权利要求4所述的指纹检测电路，其特征在于，所述感应单元包括多个感应电极，所述放大器有多个，每一放大器电连接一感应电极。
6.根据权利要求1-3任一项所述的指纹检测电路，其特征在于，所述发射电极和感应单元集成于一感应芯片。
7.根据权利要求6所述的指纹检测电路，其特征在于，所述发射电极为环形发射电极，其环绕于所述感应单元周围。
8.根据权利要求6所述的指纹检测电路，其特征在于，所述感应单元由多个阵列排布的感应电极构成。
9.根据权利要求1-3任一项所述的指纹检测电路，其特征在于，所述发射电极直接与手指接触或通过一导电体间接与手指接触来传递所述交流信号。
10.一种指纹检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的指纹检测电路。
【文档编号】G06K9/00GK103902971SQ201410089028
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】詹昶 申请人:深圳市汇顶科技股份有限公司