指纹识别传感器和终端设备的制作方法

本发明涉及指纹识别技术领域，尤其是涉及一种指纹识别传感器和终端设备。

背景技术：

指纹识别技术广泛应用于电子安防领域，是进行身份认证的一种比较可靠的方法。电容式指纹识别传感器是目前广泛使用的指纹传感器之一，它是由微型化的电容极板阵列构成的，极板的上面覆盖绝缘板，当用户将手指放在绝缘板上时，皮肤就组成了电容阵列的另一个极板。由于不同区域指纹的脊和谷与电容极板阵列之间的距离不相等，使得每个电容极板的电容量随之而变，由此可获得指纹图像。

图1所示为一种常见的电容式指纹识别传感器，包括传感器单元、驱动放大器101、驱动金属环103以及为传感器单元供电的电源(图未示)。传感器单元包括由若干电容感应单元102组成的电容阵列，其中图1中示意性的表示了其中任意一个电容感应单元102。传感器单元输出驱动信号至驱动放大器101，驱动放大器101对驱动信号进行放大处理后输出至驱动金属环103，手指104按压到传感器单元的电容阵列时，手指和电容感应单元102之间耦合电容为cx，驱动信号从金属环103通过电容ct耦合到手指，不同区域指纹的脊和谷与电容感应单元102之间cx不相等，电容感应单元102测量到电压随之变化，由此获得指纹图像。

这种结构的指纹识别传感器，需要外置一个金属环103，而为了尽可能增大电容ct，减小对信号衰减，指纹识别传感器所在区域需要挖空以放置金属环103，让手指能直接触摸到金属环103。然而，对于某些应用场合，如手机、平板的外观设计，为了达到镜面的屏幕效果，提高防水性能，并不希望在显示屏幕上开孔，这就限制了指纹识别传感器的应用范围。

此外，指纹识别传感器搭载的终端设备对大地的电容cs与人体对大地的电容cm相串联形成的等效电容，以及人体直接对设备的电容ch，均会对驱动金属环103上面的驱动信号产生衰减。当终端设备采用金属外壳，用户手握设备时，衰减会变得更严重，从而降低了指纹图像的清晰程度，影响了指纹识别效果。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种指纹识别传感器和终端设备，旨在扩大指纹识别传感器的应用范围，提高指纹识别效果。

为达以上目的，本发明提出一种指纹识别传感器，所述指纹识别传感器应用于终端设备，包括：

传感器单元，包括由多个电容感应单元组成的电容阵列，具有一输出端、供电端和传感器地端，所述输出端输出驱动信号；

调制电路，连接所述终端设备的设备地、所述传感器单元的输出端、供电端和传感器地端，将所述驱动信号调制为调制信号后输出至所述传感器地端，所述供电端的电压随着所述调制信号的变化而变化。

优选地，所述调制电路包括：

转换电路，连接所述终端设备的设备地以及所述传感器单元的输出端和传感器地端，将所述驱动信号调制为调制信号后输出至所述传感器地端；

储能电容，连接于所述供电端和所述传感器地端之间，以稳定所述传感器单元的工作电压；

高速晶体管开关，连接所述供电端，根据所述转换电路的状态进行同步开关，以使所述供电端的电压随着所述调制信号的变化而变化；

电源，连接所述转换电路以及通过所述高速晶体管开关连接所述传感器单元的供电端，为所述转换电路和传感器单元供电。

优选地，所述传感器单元通过通信接口连接所述终端设备的主控模块，所述传感器单元在调制空闲间隔时输出低电平的驱动信号，使得所述设备地和所述传感器地端的电平近似相等。

优选地，所述传感器单元通过导线直接与所述主控模块连接，且在所述转换电路调制所述驱动信号时保持所述通信接口为低电平；或者，所述指纹识别传感器还包括一电阻阵列，所述传感器单元通过所述电阻阵列与所述主控模块连接；或者，所述指纹识别传感器还包括一中继模块，所述传感器单元通过所述中继模块连接所述终端设备的主控模块。

优选地，当所述传感器单元通过所述中继模块与所述主控模块连接时，所述中继模块接收所述传感器单元发送的数据并缓存，所述主控模块从所述中继模块获取所述数据。

优选地，所述传感器单元和所述中继模块集成于一传感芯片。

优选地，所述电源通过一电源开关与所述传感器单元连接，所述主控模块或中继模块控制所述电源开关的开断。

优选地，所述转换电路、所述高速晶体管开关、所述电源开关和所述中继模块集成于一芯片中。

优选地，所述转换电路由晶体管、运算放大器、反相器、电平移位器和数字缓冲门中的任意一种或至少两种的组合以及电阻或/和电容构成。

优选地，所述转换电路由两反相器和一电阻构成，所述反相器包括第一反相器和第二反相器；所述第一反相器的正输入电源端连接所述传感器单元的供电端，负输入电源端连接所述设备地，输入端连接所述传感器单元的输出端以及通过所述电阻连接所述第二反相器的负输入电源端和所述设备地，输出端连接所述第二反相器的输入端；所述第二反相器的正输入电源端连接所述电源，负输入电源端连接所述设备地，输出端连接所述传感器地端。

优选地，所述第一反相器由第一nmos管、第一pmos管和第一电阻构成，所述第一nmos管和第一pmos管的栅极互相连接，构成第一反相器的输入端，所述第一pmos管的源级作为第一反相器的正输入电源端，所述第一nmos管的源级作为第一反相器的负输入电源端，所述第一nmos管和第一pmos管的漏极通过所述第一电阻连接，所述第一nmos管和第一pmos管的漏级均可以作为第一反相器的输出端；所述第二反相器由第二nmos管、第二pmos管和第二电阻构成，连接关系与所述第一反相器相同。

优选地，所述高速晶体管开关由肖特基二极管、快恢复二极管、晶体三极管、场效应管和可控硅中的任意一种或至少两种的组合构成。

优选地，还包括一低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器连接于所述供电端和储能电容之间。

本发明同时提出一种终端设备，所述终端设备包括一指纹识别传感器，所述指纹识别传感器包括：

传感器单元，包括由多个电容感应单元组成的电容阵列，具有一输出端、供电端和传感器地端，所述输出端输出驱动信号；

转换电路，连接所述终端设备的设备地以及所述传感器单元的输出端和传感器地端，将所述驱动信号调制为调制信号后输出至所述传感器地端；

储能电容，连接于所述供电端和所述传感器地端之间，以稳定所述传感器单元的工作电压；

高速晶体管开关，连接所述供电端，根据所述转换电路的状态进行同步开关，以使所述供电端的电压随着所述调制信号的变化而变化；

电源，连接所述转换电路以及通过所述高速晶体管开关连接所述传感器单元的供电端，为所述转换电路和传感器单元供电。

本发明所提供的一种指纹识别传感器，由高速晶体管开关和储能电容构成传感器单元的供电电路，由转换电路对传感器单元输出的驱动信号进行调制后驱动传感器单元的传感器地端。由于传感器单元的驱动信号被调制为调制信号，当手指按压传感器单元的电容感应单元时，调制信号通过它与手指之间的电容cx和人体与终端设备的设备地之间的电容形成回路，当cx变化时，传感器单元的电容感应单元的测量电压也随之变化，从而可以获得指纹图像，实现了指纹识别。

由于本发明的指纹识别传感器不需要驱动金属环，因此无需在终端设备的表面开孔来安置驱动金属环，所以不会影响终端设备的外观设计，可以应用于不希望在屏幕上开孔的手机、平板等终端设备，扩大了指纹识别传感器的应用范围。

同时，终端设备对大地的电容cs与人体对大地的电容cm相串联形成的等效电容，以及人体直接对终端设备的电容ch，它们对驱动信号的衰减影响将不复存在。相反地，这些电容越大，耦合越强，cx两端电压越大，指纹图像效果就越清晰，因此提高了指纹识别效果。

附图说明

图1是现有技术中指纹识别传感器的结构示意图；

图2是本发明的指纹识别传感器的电路结构示意图；

图3是本发明实施例中转换电路的电路连接示意图；

图4是本发明的指纹识别传感器第一实施例的电路连接示意图；

图5是本发明实施例中转换电路工作过程时序图；

图6是本发明的指纹识别传感器第二实施例的电路连接示意图；

图7是本发明的指纹识别传感器第三实施例的电路连接示意图；

图8是本发明的指纹识别传感器第四实施例的电路连接示意图；

图9是本发明的指纹识别传感器应用于手机的示意图。

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

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。

本发明的指纹识别传感器为电容式指纹识别传感器，可以应用于手机、平板电脑、掌上设备、智能穿戴设备、多媒体播放器、笔记本电脑、台式电脑、门禁安防等终端设备。其中，指纹识别传感器包括传感器单元和调制电路，传感器单元具有由多个电容感应单元组成的电容阵列、输出端、供电端和传感器地端，输出端输出驱动信号；调制电路连接终端设备的设备地、传感器单元的输出端、供电端和传感器地端，将驱动信号调制为调制信号后输出至传感器地端，供电端的电压随着调制信号的变化而变化。

作为本发明的一个实施例，指纹识别传感器如图2所示，传感器单元210，调制电路包括转换电路230、储能电容240、高速晶体管开关250和电源260。传感器单元210具有一输出端、供电端(sensorvdd，以下简称svdd)和一传感器地端(sensorground，以下简称sgnd)，输出端连接转换电路230；转换电路230连接终端设备的设备地(ground，以下简称gnd)和传感器单元的sgnd；高速晶体管开关250连接传感器单元210的svdd，高速晶体管250可以由肖特基二极管、快恢复二极管、晶体三极管、场效应管和可控硅中的任意一种或至少两种的组合构成，包括单个构成、多个通过串联或/和并联的连接方式构成，或者多种通过串联或/和并联的连接方式构成；电源260连接转换电路230，以及通过高速晶体管250开关连接传感器单元210的svdd，为转换电路230和传感器单元210供电；储能电容240连接于传感器单元210的svdd和sgnd之间，以稳定传感器单元210的工作电压。其中，高速晶体管开关250和储能电容240构成了传感器单元210的供电电路。

转换电路230可以由晶体管、运算放大器、反相器、电平移位器和数字缓冲门中的任意一种或至少两种的组合并配合电阻或/和电容构成。转换电路230优选如图3所示，由两反相器(231,232)和一电阻r3构成，两反相器包括第一反相器231和第二反相器232。其中，第一反相器231的正输入电源端连接传感器单元210的svdd，负输入电源端连接终端设备的gnd，输入端连接传感器单元210的输出端以及通过电阻r3连接第二反相器232的负输入电源端和终端设备的gnd，输出端连接第二反相器232的输入端；第二反相器232的正输入电源端连接电源260，负输入电源端连接终端设备的gnd，输出端连接传感器单元的sgnd。

其中，所述反相器优选由两个晶体管和一个电阻构成，其中晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidsemiconductor，以下简称mos管),包括pmos管(positivechannelmetaloxidesemiconductor，p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)和nmos管(negativechannelmetaloxidesemiconductor，n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)。如图3所示，pmos管(q1,q3)和nmos管(q2,q4)的栅极互相连接，构成反相器(231,232)的输入端，pmos管(q1,q3)的源级作为反相器(231,232)的正输入电源端，nmos管(q2,q4)的源级作为反相器(231,232)的负输入电源端，pmos管(q1,q3)和nmos管(q2,q4)的漏极通过电阻(r1,r2)连接，pmos管(q1,q3)和nmos管(q2,q4)的漏级均可以作为反相器(231,232)的输出端。

传感器单元210包括驱动放大器220和由若干电容感应单元211组成的电容阵列，其中图2中示意性的表示了其中任意一个电容感应单元211。驱动放大器220的输出端作为传感器单元的输出端连接转换电路230，驱动放大器220对传感器单元210的驱动信号进行放大处理后输出至转换电路230，转换电路230将驱动信号调制为调制信号后输出至传感器单元210的sgnd，高速晶体管开关250根据转换电路230的状态进行同步开关，以使传感器单元210的svdd的电压随着调制信号的变化而变化。

终端设备对大地的电容cs与人体对大地的电容cm相串联形成的等效电容，以及人体直接对终端设备的电容ch，会使人体与终端设备的gnd之间产生耦合，这种耦合不管在任何应用场景都始终存在。由于传感器单元210的驱动信号被调制为调制信号，当手指按压传感器单元210的电容感应单元211时，调制信号通过它与手指之间的电容cx和人体与终端设备gnd之间的电容形成回路，当cx变化时，传感器单元210的电容感应单元211的测量电压也随之变化，从而获得指纹图像。

如图4所示为本发明的指纹识别传感器具体应用的第一实施例。本实施例中传感器单元集成于一传感芯片，该传感芯片包括一扫描模块和串行外设接口(serialperipheralinterface，spi)模块，扫描模块输出驱动信号以对电容阵列进行扫描，spi模块提供spi接口，为传感芯片的通信接口，与终端设备的主控模块的通信接口连接，以通过该通信接口与主控模块进行通信，如传感芯片向主控模块发送指纹图像数据，主控模块向传感芯片发送控制命令等。通信接口除了spi接口外，还可以是i2c(inter-inegratedcircuit)接口和其他串/并行接口等。

转换电路230如图3所示，由四个晶体管和三个电阻构成。其中，晶体管为mos管,包括pmos管q1和q3，以及nmos管q2和q4，电阻包括r1、r2和r3。

结合参见图4和图5，转换电路的工作原理如下：

传感芯片对电容阵列进行扫描并读取不同电容感应单元的电压，扫描方式由扫描模块(scanblock)控制，扫描模块输出驱动信号tx，驱动信号tx是高频交流信号，可以是正弦波、方波、三角波等，在本实例中，驱动信号tx为方波信号，频率800khz，当然也可以是其它频率值。驱动信号tx经过转换电路230调制到sgnd，调制信号的峰峰值取决于供电电源260的大小，在本实施例近似等于输入电压2.8v，当然也可以是其它电压值。

传感芯片在调制空闲间隔时驱动信号tx是低电平sgnd，驱动信号tx和svdd压差接近2.8v，pmos管q1导通，r1阻值远大于pmos管q1、nmos管q2的导通内阻，由于电阻r1的存在，无论nmos管q2导通或截止，节点tx_s电压都被拉高至svdd，然后tx_s的svdd电压将使nmos管q4导通，pmos管q3截止，此时nmos管q4将sgnd连接到gnd，然后使驱动信号tx维持gnd电压，从而nmos管q2截止，pmos管q1、pmos管q3、nmos管q4的状态保持不变，sgnd的电压维持在gnd稳定不变，如图5的波形中阶段1(stage1)所示。

当驱动信号tx变为高电平时，驱动信号tx和svdd电压近似相等。此时，pmos管q1截止，nmos管q2导通，节点tx_s电压都被拉低至gnd，然后tx_s的低电压将使pmos管q3导通，nmos管q4截止，此时pmos管q3将sgnd强制拉高到2.8v。由于储能电容240两端电压不能突变，近似保持为2.8v，因此svdd电压将被强制“泵”到大约5.6v，高速晶体管开关250由于反向偏置而自然关断。svdd电压变为5.6v之后，驱动信号tx和svdd电压近似相等，因此驱动信号tx电压近似为5.6v，mos管q1-q4的状态维持不变，sgnd电压维持2.8v稳定不变，如图5的波形中阶段2(stage2)所示。

当驱动信号tx由高电平变为低电平时，驱动信号tx和sgnd电压近似相等约为2.8v，此时svdd电压为5.6v，pmos管q1、nmos管q2将同时导通，由于电阻r1，tx_s电压近似为svdd，令nmos管q4导通、pmos管q1截止，sgnd连通gnd，之后将重复阶段1的过程。驱动信号tx由高电平变为低电平的过程，如图5的波形中阶段3(stage3)所示。

上述即为转换电路的工作过程，传感芯片的sgnd将被调制到和驱动信号tx同频率同相位的方波波形，调制信号的电压等于电源260供电电压。

传感芯片获得指纹图像数据后，需要将数据传输到终端设备的主控模块，主控模块进行数据处理并识别指纹对象，本实例是采用spi接口连接指纹传感器芯片和主控模块，通信接口有多种方式实现，不局限于本实例的spi接口。

转换电路230将sgnd调制为交流方波信号时，spi接口的信号也同时被调制，被调制的spi信号无法直接被主控模块的spi模块识别，导致通信异常。但是，由于传感芯片并不是连续不间断的扫描电容阵列，不同的电容感应单元的扫描之间存在时间间隔，大部分情况下这个间隔时间足够大，以至于可以直接利用这个时间间隔进行数据传输。因此，只需要在这个扫描时间间隔内，即调制空闲间隔时，传感芯片内部的扫描模块输出低电平驱动信号，使得sgnd和gnd的电平近似相等，这时传感芯片内部的spi模块就能和主控模块的spi模块正常通信。

进一步地，指纹识别传感器还包括一电阻阵列270，传感芯片通过该电阻阵列270与主控模块连接，电阻阵列270中的电阻可以是串联电阻、上下拉电阻、上下拉tvs管等。当传感芯片的sgnd被调制为交流方波时，在通信线上的电压可能为高压(本实例为5.6v，相对于2.8v为高压)，这可能会对通信接口造成潜在伤害，电阻阵列270则可以避免这个问题，其电阻值约为20～2000欧姆，视实际情况而定。

在某些实施例中，电阻阵列270也可以省略，传感芯片直接通过导线与主控模块连接，此时在转换电路230调制驱动信号时(即sgnd的信号被调制为方波信号时)，保持通信接口(如本实施例中的spi接口)为低电平，则通信线上最高电压仅2.8v，避免了上述问题。

进一步地，电源260通过一可控的电源开关280与传感芯片连接，主控模块控制电源开关280的开断(开通或断开)，进而控制转换电路230和传感芯片的电源供电，当传感芯片在调制空闲时关闭或断开电源开关280，降低系统功耗。同时，由于传感芯片的sgnd被调制为交流方波时，传感芯片的复位rst引脚也被调制而导致外部复位异常，此时可以通过控制电源开关280，让传感芯片重新上电而实现复位。电源开关280可以由晶体三极管或/和场效应管构成，可以是单个也可以由多个组合构成，例如可以由pmos管构成。

进一步地，还可以在传感芯片的svdd和储能电容之间连接一低压差线性稳压器，以提高传感芯片供电的稳定性。

图6所示为本发明的指纹识别传感器的第二实施例，本实施例与第一实施例的区别是，传感芯片通过中继模块(relayblock)连接终端设备的主控模块。中继模块具有spi-a和spi-b两个spi接口，其中spi-a接口与传感芯片的spi接口连接，spi-b接口与中控模块的spi接口连接(当然也可以通过其它通信接口连接)。中继模块通过spi-a接口接收传感芯片发送的数据并缓存，主控模块通过中继模块的spi-b接口获取数据，例如，中继模块根据主控模块的命令，通过spi-b接口将数据发送给主控模块。同时，中继模块还接收主控模块的命令，并根据主控命令对传感芯片进行控制。

图4所示的第一实施例中，主控模块需要在电容阵列的扫描时间间隔内(即调整空闲间隔时)及时接收传感芯片的数据并处理，而扫描时间间隔可能不到1ms，对大部分主控系统，这个实时性要求太高难以实现，限制了实用范围。在本实例中，中继模块由mcu(microcontrolunit，微控制单元)构成，mcu具备两组独立的spi通信接口spi-a和spi-b。mcu控制spi-a接口在调整空闲间隔时接收传感芯片的数据并缓存，在主控模块空闲时根据主控模块的命令将数据通过spi-b接口传输到主控模块，这就大大降低了主控模块的实时性要求，提高了实用范围。mcu同时负责转发主控模块对传感芯片的命令，并控制sw信号。此外，中继模块也可以由mcu、fpga(field－programmablegatearray，现场可编程门阵列)、flash(闪存)和fifo(firstinfirstout，先入先出缓存器)中的任意一种或至少两种的组合所构成。

在存在中继模块的实施例中，可以由主控模块或中继模块来控制电源开关280的开断。

图7所示为本发明的指纹识别传感器的第三实施例，本实施例与第二实施例的区别是，将转换电路230、高速晶体管开关250、电源开关280和中继模块集成于同一芯片，则指纹识别系统主要由两颗芯片组成，芯片的外围电路更简洁，以适应对小尺寸终端设备的需求。

图8所示为本发明的指纹识别传感器的第四实施例，本实施例将中继模块和传感器单元一起集成于传感芯片，从而可以进一步减小指纹识别系统的尺寸，以适应对小尺寸终端设备的需求。

本发明的指纹识别传感器，不需要驱动金属环便可正常工作，因此无需在终端设备的表面开孔，只需将传感器安装于设备绝缘盖板下的某一区域，实现了隐藏式指纹传感器技术(invisiblefingerprintsensor，简称ifs技术)。如图9显示了ifs技术应用于智能手机的应用场景，智能手机包括一显示屏盖板10，中央部分为屏幕显示区域20，指纹识别传感器30则“隐藏”于显示屏盖板10下面，无需在显示屏盖板10上开孔来安置驱动金属环，因此对显示屏盖板10的外观设计影响很小，能实现完整镜面的屏幕效果。

另外，终端设备对大地的电容cs与人体对大地的电容cm相串联形成的等效电容，以及人体直接对终端设备的电容ch，它们对驱动信号的衰减影响将不复存在。相反地，这些电容越大，耦合越强，cx两端电压越大，指纹图像效果就越清晰。从而解决了设备金属壳衰减驱动信号，造成指纹信号清晰度下降的问题。

本发明同时提出一种终端设备，所述终端设备包括一指纹识别传感器，所述指纹识别传感器包括传感器单元、转换电路、储能电容、高速晶体管开关和电源。传感器单元具有一输出端、供电端和传感器地端，输出端输出驱动信号；转换电路连接终端设备的设备地以及传感器单元的输出端和传感器地端，将驱动信号调制为调制信号后输出至传感器地端；储能电容连接于供电端和传感器地端之间，以稳定传感器单元的工作电压；高速晶体管开关连接供电端，根据转换电路的状态进行同步开关，以使供电端的电压随着调制信号的变化而变化；电源连接转换电路以及通过高速晶体管开关连接传感器单元的供电端，为转换电路和传感器单元供电。本实施例中所描述的指纹识别传感器为本发明中上述实施例所涉及的指纹识别传感器，在此不再赘述。

本发明的终端设备，采用上述指纹识别传感器后，无需在表面开孔来安置驱动金属环，所以不会影响外观设计。同时，终端设备对大地的电容cs与人体对大地的电容cm相串联形成的等效电容，以及人体直接对终端设备的电容ch，它们对驱动信号的衰减影响将不复存在。相反地，这些电容越大，耦合越强，cx两端电压越大，指纹图像效果就越清晰，因此提高了指纹识别效果。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。