技术领域本发明关于一种指纹感测器，尤指一种指纹感测器的感测方法及电路。
背景技术：
现有投射式电容指纹感测电路检测电极板与手指间的平板电容。如图11所示，电极板PA～PD分别与手指F形成四个平板电容，感测电路50测量这些平板电容，并分别输出电压信号VOA～VOD，这些电压信号VOA～VOD被用来识别电极板PA～PD上方的指纹。感测电路50耦接该四个电极板PA～PD。电极板PA～PD之间存在有边际电容。由于边际电容随指纹深浅的大小变化的特性与平板电容相反，因此测量电容时所获得电压信号VOA会变小，故有必要进一步改良之。
技术实现要素：
有鉴于上述现有技术的缺陷，本发明主要目的是提供一种指纹感测器的感测方法及电路，可改善待测量电极板与其他导体之间的边际电容影响待测量电极板的检测。欲达上述目的所使用的主要技术手段，是令该指纹感测器的感测方法用以感测一指纹感测器中的一待测量电极板，该感测方法包含：(a)于第一时相，将一第一电压施加至该待测量电极板以及一邻近于该待测量电极板的导体，并设定一感测电容的电压，其中该感测电容耦接在一运算放大器的一第一输入端与输出端之间，在该第一时相下，该待测量电极板不连接该运算放大器的第一输入端；以及(b)于第二时相，停止施加该第一电压至该待测量电极板与该导体，将一第二电压施加至该导体与该运算放大器的一第二输入端，并将该待测量电极板连接至该第一输入端，以使该感测电容的电压发生变化。欲达上述目的所使用的主要技术手段，本发明的感测电路包含：一第一运算放大器，包含有一第一输入端、一第二输入端及一输出端；一第一感测电容，耦接于该第一运算放大器的该第一输入端与该输出端之间；一第一切换单元，其一端连接该待测量电极板，另一端连接一第一电压；一第二切换单元，耦接在该待测量电极板与该第一运算放大器的该第一输入端之间；一第三切换单元，耦接在该第一运算放大器的该输出端与该第一输入端之间；一第四切换单元，其一端连接一导体，另一端连接该第一电压；以及一第五切换单元，其一端连接该导体，另一端连接一第二电压；其中：在第一时相，该第二切换单元与该第五切换单元打开，该第一切换单元闭合，使得该待测量电极板连接至该第一电压，该第四切换单元闭合，使得该导体连接至该第一电压，该第三切换单元闭合；在第二时相，该第一，第三与第四切换单元打开，第五切换单元闭合，该第一运算放大器的该第二输入端与该导体连接该第二电压，该第二切换单元闭合，使得该待测量电极板连接至该第一运算放大器的第一输入端。上述本发明指纹感测器的感测方法及电路将该待测量电极板以外的全部或一部份导体，在第一时相及第二时相下分别耦接至不同电压，以消除边际电容的影响。附图说明图1：本发明指纹感测器的第一实施例的部份结构示意图。图2：图1感测电路的电路图。图3A及3B：图2于第一及第二时相的电路动作图。图3C：在图3A第一时相与图3B第二时相中各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的波形图。图4：本发明指纹感测器的第二实施例的部份剖面结构示意图。图5A及5B：应用于图4的感测电路的电路动作图。图5C：在图5A第一时相与图5B第二时相时各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的波形图。图6说明一既有指纹感测器的静电防护结构示意图。图7：图6感测电路的电路图。图8A及8B：图7于第一及第二时相的电路动作图。图8C：在图8A第一时相与图8B第二时相时各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的波形图。图9A：本发明指纹感测器的第三实施例的部份结构示意图。图9B：图9A在第一时相与第二时相时各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的波形图。图10A：本发明指纹感测器的第四实施例的部份结构示意图。图10B：图10A在第一时相与第二时相时各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的波形图。图11：既有指纹感测器的部份结构示意图。其中，附图标记：10、10a、10b、10c感测电路11、11a测量单元12、12a、12b控制单元13静电防护电路14多工器20隔离电极板21介电层50感测电路具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。图1为一指纹感测器的示意图，该指纹感测器具有多个电极板PA～PD呈矩阵排列，这些电极板PA～PD连接至一感测电路10。感测电路10的组成如图2所示，包含有多个测量单元11。各测量单元11包含有一运算放大器(即OPA～OPD)、一感测电容(即Cfba～Cfbd)，以及一第一至第三切换单元(即SW1A～SW1D、SW2A～SW2D、SW3A～SW3D)。控制单元12用以控制该第一至第三切换单元SW1A～SW1D、SW2A～SW2D、SW3A～SW3D。如图2示，各测量单元11的组成大致相同。以电极板PA连接的测量单元11为例，运算放大器OPA包含有一反相输入端INA、一非反相输入端IPA及一输出端O/PA，感测电容Cfba耦接于运算放大器OPA的反相输入端INA与输出端O/PA之间。第一切换单元SW1A的一端连接至电极板PA，另一端连接至第一电压VR2，第二切换单元SW2A耦接在电极板PA与运算放大器OPA的反相输入端INA之间，第三切换单元SW3A耦接在运算放大器OPA的输出端O/PA与反相输入端INA之间，运算放大器OPA的非反相输入端IPA连接第二电压VR1。图号CFAB、CFBC、CFCD、CFAC、CFBD、CFAD分别表示两电极板之间存在的边际电容。除了手指与电极板之间的平板电容以及前述边际电容之外，其他对应于节点A～D的寄生电容以Cp1a～Cp1d表示。对应于各反相输入端节点INA～IND的寄生电容则以Cp2a～Cp2d来表示。以下以测量该电极板PA为例(即电极板PA为待测量电极)，说明图2电路的操作方法。于第一时相(激励时相)下，如图3A所示，所有的第二切换单元SW2A～SW2D打开。第一切换单元SW1A～SW1D闭合，使得该第一端点A～D耦接至一第一电压VR2，也就是说，电极板PA～PD都连接第一电压VR2。所有该第三切换单元SW3A～SW3D闭合。在其他实施例中，在第一时相时，只有待测量电极板PA连接的测量单元11中的第三切换单元SW3A闭合，运算放大器OPA的输出端O/PA与反相输入端INA形成短路，此时感测电容Cfba的电压为0(理论值)。第三切换单元SW3A闭合的目的在设定感测电容Cfba的电压。接下来的操作如图3B所示。在第二时相(读取时相)下，运算放大器OPA～OPD的非反相输入端IPA～IPD连接第二电压VR1。只有第三切换单元SW3A打开。第一切换单元SW1A～SW1D打开。第二切换单元SW2A～SW2D闭合，使得电极板PA～PD分别连接运算放大器OPA～OPD的反相输入端INA～IND。图中的第三切换单元SW3B～SW3D闭合，在其他的实施例中，图中的第三切换单元SW3B～SW3D打开。在图3A与图3B的实施例中，运算放大器OPA的非反相输入端IPA都连接第二电压VR1。在第二时相下，感测电容Cfba的电压发生改变，藉由读取运算放大器OPA输出端的电压信号VOA，可以计算待测量电极板PA与手指F间平板电容CSA的电容量。在第一时相下，电极板PA与周围电极板PB～PD均连接第一电压VR2。在第二时相下，电极板PA～PD分别连接到各运算放大器OPA～OPD的反相输入端INA～IND。由于运算放大器的虚接地特性，各个运算放大器OPA～OPD的反相输入端INA～IND的电位均为第二电压VR1。因此，电极板PA与周围电极板PB～PD都连接第二电压VR1。藉由前揭第一及第二时相的操作后，该待测量电极板PA的电压信号VOA可以表现如以下的式子：VOA＝VR1-[(VR2-VR1)×(CSA/CFBA+Cpla/CFBA)]。从该式子可知，藉由本发明获得的电压信号VOA，不包含待测量电极板PA与其它电极板PB～PD之间形成的边际电容，因此不会受到这些边际电容影响。在图3A所示的第一时相与图3B所示的第二时相中，各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的一实施例如图3C所示。在各切换单元的时序图中，高电位代表切换单元闭合，低电位代表切换单元打开。在这个实施例中，第一电压VR2大于第二电压VR1。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一切换单元SW1A～1D与第三切换单元SW3A，然后再闭合第二切换单元SW2A～2D。在图3A与图3B的实施例中，运算放大器OPA的反相输入端INA在第一及第二时相下均为第二电压VR1，因此于第二时相读取测量信号时，不会有电荷流入(或流出)反相输入端INA的寄生电容Cp2a。其他指纹感测器的架构，亦可能可以适用于本发明。从上述的说明，可以了解本发明能够消除待测量电极板与相邻导体之间的边际电容。这里所述的相邻导体，可以是相邻的其他电极板(例如前述的电极板PB～PD)，或者是其他用以提供静电防护，或屏蔽噪声的电极。这些电极可以是与待测量电极板位在同一层，或者是位在待测量电极上方或下方的不同层。图4提供本发明第二实施例，是在各电极板PA、PB的下方形成有一隔离电极板20，以隔绝各电极板PA、PB对下方电路元件的大部份寄生电容。电极板PA、PB与其下方的隔离电极板20之间具有一介电层21。以待测量电极板PA来看，其与其他导体之间存在的寄生电容会变小成电容Cp1a'；电容Cqa表示隔离电极板20与待测量电极板PA之间的电容。图5A所示的测量单元11a实施例应用于图4所示的结构，进一步包含有一第四切换单元SW4A～SW4D及一第五切换单元SW5A～SW5D，分别耦接对应隔离电极板20至第一或第二电压VR2、VR1。于第一时相下，该第四切换单元SW4A～SW4D闭合，第五切换单元SW5A～SW5D打开，该隔离电极板20耦接至第一电压VR2。于第二时相下，如图5B所示，该第四切换单元SW4A～SW4D打开，第五切换单元SW5A～SW5D闭合，该隔离电极板20耦接至该第二电压VR1。其他切换单元的状态则请参考图3A与图3B及其说明，在此不再赘述。在图5A所示的第一时相与图5B所示的第二时相中，各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的一实施例如图5C所示。在各切换单元的时序图中，高电位代表切换单元闭合，低电位代表切换单元打开。在这个实施例中，第一电压VR2大于第二电压VR1。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一切换单元SW1A～1D、第三切换单元SW3A以及第四切换单元SW4A～SW4D，然后再闭合第二切换单元SW2A～2D与第五切换单元SW5A～SW5D。在第一时相下，隔离电极板20与待测量电极板PA均被施加第一电压VR2。而于第二时相下，隔离电极板20与待测量电极板PA均连接至第二电压VR1，两者的电位相同。藉由这样的配置，电压信号VOA不会被待测量电极板PA与隔离电极板20之间的电容Cqa影响。图6说明一既有指纹感测器的静电防护。此指纹感测器包含有一围绕各该电极板PA～PD的一防护电极S。在任何时相下，这个防护电极S都是连接到地GND，为电极板PA～PD提供静电防护的作用。例如人体所带的静电，可自该防护电极S对地GND形成的放电路径(如虚线所示)排出，避免损坏该电极板PA～PD。惟待测量电极板PA与该防护电极S之间存在边际电容CFAS会影响该感测电路10输出的电压信号VOA。图7提供感测电路10a的一第三实施例，可以改善待测量电极板PA与该防护电极S之间存在的边际电容CFAS影响测量结果，图7较图2增加一静电防护电路13，一第六切换单元SWSP及一第七切换单元SWSE。第六切换单元SWSP的一端耦接至第一电压VR2，另一端经由静电防护电路13耦接至防护电极S。该第七切换单元SWSE的一端耦接至第二电压VR1，另一端经由静电防护电路13耦接至该防护电极S。该第六及第七切换单元SWSP、SWSE耦接至该控制单元12b，由该控制单元12b控制其闭合或打开。于第一时相下，如图8A所示，该第六切换单元SWSP闭合，第七切换单元SWSE打开，防护电极S耦接至第一电压VR2。于第二时相下，如图8B所示，该第六切换单元SWSP打开，第七切换单元SWSE闭合，防护电极S耦接至该第二电压VR1。在第一时相下，防护电极S与待测量电极板PA均被施加第一电压VR2，因此两者的电位相同。而于第二时相下，该防护电极S与待测量电极板PA均连接至第二电压VR1，因此两者的电位亦相同。藉由这样的配置，电压信号VOA不会被待测量电极板PA与防护电极S之间的边际电容CFAS影响。在图8A所示的第一时相与图8B所示的第二时相中，各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的一实施例如图8C所示。在各切换单元的时序图中，高电位代表切换单元闭合，低电位代表切换单元打开。在这个实施例中，第一电压VR2大于第二电压VR1。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一切换单元SW1A～1D、第三切换单元SW3A以及第六切换单元SWSP，然后再闭合第二切换单元SW2A～2D与第七切换单元SWSE。于本实施例中，静电防护电路13包含有一第一二极管D1、一第二二极管D2及一电阻元件R。第一二极管D1的阳极连接至防护电极S，其阴极连接至一高正电位V+(例如工作电压Vdd)。第二二极管D2的阴极连接第一二极管D1的阳极及防护电极S，其阳极接地GND。电阻元件R的一端连接防护电极S，另一端连接至该第六及第七切换单元SWSP、SWSE。防护电极S到高正电位V+，以及防护电极S到地GND，分别形成静电的渲泄路径，这两个渲泄路径的的阻抗都远小于电阻元件R的阻抗。正的静电会经由第一二极管D1流向高正电位V+，负的静电则经由第二二极管D2流向地GND，不会影响到第一电压VR2或第二电压VR1。以上说明，只是用4个电极板为例说明本发明，实际的指纹感测器具有多于4个的电极板，仍适用于本发明。在上述的实施例中，是以测量一个电极板PA为例说明本发明的技术内容，在不同的实施例中，可以同时测量及读取多个电极板的感测信号，例如同时测量及读取同一列的电极板的感测信号。第一至第三实施例，可以单独或组合使用，也就是说，根据本发明，可以同时切换待测量电极板与相邻电极板，静电防护电极，或隔离电极板的电位。图9A提供本发明感测电路10b的第四实施例，其相较图2所示的第一较佳实施例大致相同，惟各测量单元11分别增加第八切换单元SW6A～SW6D，该第八切换单元SW6A～SW6D的一端分别连接至对应电极板PA～PD，另一端连接至第二电压VR1。本实施例第一时相的操作与图2第一时相的操作相同，而且所有的第八切换单元SW6A～SW6D也全部打开。本实施例在第二时相下，将所有的第一切换单元SW1A～SW1D全部打开，也将第三切换单元SW3A打开，将第二切换单元SW2A闭合，也将连接电极板PB～PD的第八切换单元SW6B～SW6D闭合。由于运算放大器的虚接地特性，连接待测量电极板PA的运算放大器OPA的反相输入端INA的电位为第二电压VR1，如此，电极板PA与周围电极板PB～PD都连接第二电压VR1。相较图2，本实施例在第二时相下，与周围电极板PB～PD连接的测量单元11的第二及第三切换单元SW2B～SW2D、SW3B～SW3D维持第一时相的状态而不必切换。只要闭合第八切换单元SW6B～SW6D即可同样令周围电极板PB～PD连接第二电压VR1。图9A所示的实施例在第一时相与第二时相时，各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的一实施例如图9B所示。在各切换单元的时序图中，高电位代表切换单元闭合，低电位代表切换单元打开。在这个实施例中，第一电压VR2大于第二电压VR1。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一切换单元SW1A～1D与第三切换单元SW3A，然后再闭合第二切换单元SW2A与第八切换单元SW6B～SW6D。图10A提供本发明感测电路10c的第五实施例，其大多结构与图9A相同，惟第二切换单元SW2A～SW2D经由一多工器14耦接至一运算放大器OP。在测量电极板PA时，控制单元12控制多工器14，使运算放大器OP的反相输入端IN连接第二切换单元SW2A。在第一时相下，所有第一切换单元SW1A～SW1D全部闭合、所有第二切换单元SW2A～SW2D全部打开，由于本实施例只有一组运算放大器OP，故控制连接运算放大器OP的第三切换单元SW3闭合。在第二时相下，所有第一切换单元SW1A～SW1D全部打开、该运算放大器OP的第三切换单元SW3打开，与电极板PA连接的该第二切换单元SW2A闭合，与电极板PB～PD连接的该第八切换单元SW6B～SW6D闭合。本实施例相较图9A，除了于第二时相下不必切换周围电极板PB～PD的第二切换单元SW2B～SW2D外，更因为使用多工器14而节省更多运算放大器OPB～OPD。图10A所示的实施例在第一时相与第二时相时，各个切换单元的状态以及各个节点的电压变化的一实施例如图10B所示。在各切换单元的时序图中，高电位代表切换单元闭合，低电位代表切换单元打开。在这个实施例中，第一电压VR2大于第二电压VR1。在第一时相到第二时相的过程中，先打开第一切换单元SW1A～1D与第三切换单元SW3，然后再闭合第二切换单元SW2A与第八切换单元SW6B～SW6D。经由以上的说明，可以知道根据本发明提供的感测方法，用于感测指纹感测器的一待测量电极板，该感测方法包含：(a)于第一时相，将一第一电压施加至该待测量电极板以及一邻近于该待测量电极板的导体，并设定一感测电容的电压，其中该感测电容耦接在一运算放大器的一第一输入端与输出端之间，在该第一时相下，该待测量电极板不连接该运算放大器的第一输入端；以及(b于第二时相，停止施加该第一电压至该待测量电极板与该导体，将一第二电压施加至该导体与该运算放大器的一第二输入端，并将待测量电极板连接至与该第一输入端，以使该感测电容的电压发生变化。其中第二时相可被理解为读取时相，用以读取运算放大器的输出端的信号，以获得待测量电极板的感测结果。将上述的各个实施例予以组合是可能的，例如，在一指纹感测器具有静电防护电极与/或隔离电极板的实施例中，可以配合上述各实施例的操作，以避免待测量电极与相邻导体(例如静电防护电极，或隔离电极板)之间的电容影响测量结果。根据本发明提供的指纹感测器的感测电路，用于感测该指纹感测器中的一待测量电极板，该感测电路包含：一第一运算放大器，包含有一第一输入端、一第二输入端及一输出端；一第一感测电容，耦接于该第一运算放大器的该第一输入端与该输出端之间；一第一切换单元，其一端连接该待测量电极板，另一端连接一第一电压；一第二切换单元，耦接在该待测量电极板与该第一运算放大器的该第一输入端之间；一第三切换单元，耦接在该第一运算放大器的该输出端与该第一输入端之间；一第四切换单元，其一端连接一导体，另一端连接该第一电压；以及一第五切换单元，其一端连接该导体，另一端连接一第二电压；其中：在第一时相，该第二切换单元与该第五切换单元打开，该第一切换单元闭合，使得该待测量电极板连接至该第一电压，该第四切换单元闭合，使得该导体连接至该第一电压，该第三切换单元闭合；在第二时相，该第一，第三与第四切换单元打开，第五切换单元闭合，该第一运算放大器的该第二输入端与该导体连接该第二电压，该第二切换单元闭合，使得该待测量电极板连接至该第一运算放大器的第一输入端。以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。