电容指纹感应电路和感应器的制作方法

本发明属于指纹识别领域，尤其涉及一种电容指纹感应电路和感应器。

背景技术：

人的手指纹路有深度差异，凸的地方称为“峰(ridge)”，凹的地方称为“谷(valley)”。电容式指纹感应系统利用指纹上包含的“峰”和“谷”对应的感应电容大小不同，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。

为防止反复触摸过程对指纹感应器的静电损伤，以及提高机械强度，需在指纹感应器表面放置不导电的厚介质层(cover)，从而产生介质层相关电容(共模部分)；另外指纹深度即指纹“峰”和“谷”产生与纹路深度相关的电容，两者构成了手指到传感器感应电极的耦合电容(差模部分)。现有技术如图1所示，通过电荷放大器将差模部分和共模部分的总和直接放大，差模部分在该总和中所占的比例很小，如此差模部分会淹没在总和里，不容易分辨出“峰”和“谷”的区别，即指纹感应器的灵敏度较低。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种电容指纹感应电路和感应器，旨在解决现有的指纹感应器灵敏度差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电容指纹感应电路，包括抵消模块和反馈放大器，所述抵消模块的第一输入端与第一外接驱动源连接，所述抵消模块的第二输入端通过按压在该第二输入端的手指与第二外接驱动源连接，所述抵消模块的输出端与所述反馈放大器的输入端连接，所述第一外接驱动源和所述第二外接驱动源输出的信号互为反相，所述第一外接驱动源送入到所述抵消模块的信号与所述第二外接驱动源耦合到所述抵消模块的信号产生抵消，得到与指纹深度相关的指纹感应信号，所述反馈放大器的输出端输出经放大后的指纹感应信号。

进一步地，所述抵消模块包括感应电容和抵消电容，所述感应电容的输入端为所述抵消模块的第二输入端，所述感应电容的输出端与所述抵消电容的输出端连接，所述抵消电容的的输入端为所述抵消模块的第一输入端，所述感应电容和所述抵消电容的连接点为所述抵消模块的输出端。

进一步地，所述抵消模块的第二输入端包含感应极板，手指和所述感应极板之间通过介质层隔离，形成所述感应电容，所述抵消模块的第一输入端包含抵消极板，所述感应极板和所述抵消极板之间形成所述抵消电容。

进一步地，所述感应极板和所述抵消极板均由金属层构成。

进一步地，所述反馈放大器为电流放大器，所述电流放大器包括第一低噪放大器以及连接在所述第一低噪放大器的输入端和输出端之间的电阻。

进一步地，所述反馈放大器为电荷放大器，所述电荷放大器包括第二低噪放大器以及连接在所述第二低噪放大器的输入端和输出端之间的反馈电容。

进一步地，所述反馈放大器还包括连接在所述第一低噪放大器或者所述第二低噪放大器的输入端和输出端之间的复位开关。

进一步地，所述电容指纹感应电路还包括驱动放大器和抵消放大器，所述驱动放大器的输入端与外接驱动源连接，所述驱动放大器的输出端与按压在所述抵消模块第二输入端的手指连接；所述抵消放大器的输入端与所述外接驱动源连接，所述抵消放大器的输出端与所述抵消模块的第一输入端连接；所述驱动放大器和所述抵消放大器的增益反相。

本发明还提出一种电容指纹感应器，所述电容指纹感应器包括多个像素单元，每个像素单元对应一个电容指纹感应电路，所述电容指纹感应电路为如上所述的任一种电容指纹感应电路。

进一步地，所述电容指纹感应器还包括驱动放大器和抵消放大器，所述驱动放大器的输入端与外接驱动源连接，所述驱动放大器的输出端与按压在每一电容指纹感应电路的抵消模块的第二输入端的手指连接，所述抵消放大器的输入端与所述外接驱动源连接，所述抵消放大器的输出端与每一电容指纹感应电路的抵消模块的第一输入端连接，所述驱动放大器和所述抵消放大器的增益反相。

本发明通过互为反相的外接驱动源和抵消模块衰减了与指纹无关的部分，仅放大与指纹深度相关的差模信号，因此后续级联的放大器不容易饱和，降低了指纹感应器的实现难度，提高了指纹感应器的灵敏度。进一步地，通过改变抵消放大器的增益，可适应不同厚度和材料的介质层，提高指纹传感器的兼容性。由于引入反馈放大器稳定感应极板的电压，因此信号处理过程与感应电极的寄生电容无关，提高了系统可靠性，本发明中的电容指纹感应电路结构简洁，兼容标准cmos工艺，集成成本低。

附图说明

图1是现有技术的指纹感应器的电路图。

图2是本发明实施例一提供的电容指纹感应电路的电路图。

图3是本发明实施例一提供的电容指纹感应电路的另一电路图。

图4是本发明实施例一提供的电容指纹感应电路的结构图。

图5是本发明实施例一提供的电容指纹感应电路的另一结构图。

图6是本发明实施例二提供的电容指纹感应器的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

实施例一

本发明实施例一提出一种电容指纹感应电路。如图2所示，本发明实施例一的电容指纹感应电路包括抵消模块10和反馈放大器20，抵消模块10的第一输入端与第一外接驱动源vs1连接，抵消模块10的第二输入端通过按压在该第二输入端的手指与第二外接驱动源vs2连接，抵消模块10的输出端与反馈放大器20的输入端连接，第一外接驱动源vs1和第二外接驱动源vs2输出的信号互为反相，第一外接驱动源vs1送入到抵消模块10的信号与第二外接驱动源vs2耦合到抵消模块10的信号产生抵消，得到与指纹深度相关的指纹感应信号，反馈放大器20的输出端输出经放大后的指纹感应信号。在本发明实施例一中，反馈放大器20可为电流放大器或者电荷放大器，为说明方便，以电荷放大器20为例进行说明。

本发明实施例一在放大手指耦合信号之前，首先通过抵消模块10的抵消操作，衰减与指纹无关的信号部分，然后通过电荷放大器20放大与纹路相关的微弱信号部分，再输出至指纹感应器的其他部分进行放大、模数转换、图像拼接等操作，提取出有效的指纹信息，实现对指纹信号的处理。

如图3所示，抵消模块10包括感应电容cs和抵消电容cc。感应电容cs的输入端为抵消模块10的第二输入端，感应电容cs的输出端与抵消电容cc的输出端连接，抵消电容cc的输入端为抵消模块10的第一输入端，感应电容cs和抵消电容cc的连接点为抵消模块10的输出端。

电荷放大器20包括第二低噪放大器(lownoiseamplifier，lna)107以及连接在第二低噪放大器107的输入端和输出端之间的反馈电容cfb。电荷放大器20还可包括连接在第二低噪放大器107的输入端和输出端之间的复位开关sw，用于在复位阶段将输入和输出节点电压置为偏置电压。

在本发明实施例一中，电容指纹感应电路还可包括驱动放大器101和抵消放大器102，驱动放大器101的输入端与外接驱动源vs连接，输出端与按压在抵消模块10第二输入端的手指连接，抵消放大器102的输入端与外接驱动源vs连接，输出端与抵消模块10的第一输入端连接，驱动放大器101和抵消放大器102的增益反相。

电容指纹感应电路的结构图如图4所示，其中包含感应极板201、抵消极板202和反馈极板203，手指与感应极板201之间通过绝缘的介质层204隔离，当手指接触或按压在指纹感应器的某一像素单元上时，手指和感应极板之间形成感应电容cs，感应极板201与抵消极板202之间形成抵消电容cc，反馈极板203与感应极板202之间形成反馈电容cfb。为了提高电路的集成度，感应极板201、抵消极板202和反馈极板203均采用金属层构成。

根据平板电容的计算公式可知，感应电容cs的电容值与绝缘材料的介电常数成正比，与上下极板之间的距离成反比，因此手指的峰和谷对应的感应电容cs大小不同，感应电容cs可分为两部分：共模部分(与绝缘的介质层204的材料、厚度等因素相关)；差模部分(与指纹纹路的深浅相关)。耦合到感应极板201的信号也相应的区分为共模部分以及差模部分，而手指纹路峰和谷的电容差即为指纹感应电路的有效探测对象。

本发明实施例一中，驱动放大器101、手指、感应电容cs构成耦合信号通路，抵消放大器102、抵消电容cc构成抵消信号通路，两者连接到感应极板201，再送入第二低噪放大器107进行信号放大。在手指到指纹感应电路较弱的耦合电容中区分出与手指纹路相关的电容，并保留峰谷的灰度信息。

具体地，当手指接触到指纹感应电路的表面时，外接驱动源vs经过驱动放大器101放大a1倍后加载到手指上，并通过感应电容cs耦合到感应极板201。同时，外接驱动源vs经抵消放大器102放大a2倍后通过抵消电容cc耦合到感应极板201。两个信号叠加之后，耦合信号的共模部分被部分或者完全抵消，差模部分送入第二低噪放大器107的负输入端。

反馈电容cfb连接在第二低噪放大器107的负输入端和输出之间，由于第二低噪放大器107的负反馈作用，感应极板201的电压保持不变，感应电容cs和抵消电容cc的电荷求和之后，转移到反馈电容cfb上，得到输出电压vout。

复位开关sw连接在第二低噪放大器107的输入和输出之间，在复位阶段将输入和输出节点电压置为偏置电压vcm。

为进一步说明本发明实施例一的抵消模块10的抵消作用，下面列出相关参数的计算。

指纹到感应极板201的耦合电容与介质层和手指的按压情况均有关。如果手指与指纹感应电路的表面接触紧密，则耦合电容主要取决于介质层的介电常数、厚度以及感应极板201的面积。如果峰谷与指纹感应电路的接触不够紧密，则有与按压情况相关的空气介质电容部分。假设手指的峰对应的感应电容为csr，谷对应的感应电容为csv，两者的差值为δcs，即csv＝csr+δcs。

外接驱动源vs通过耦合信号通路耦合到感应极板201的电荷为：vs*a1*cs。

通过抵消信号通路耦合到感应电极201的电荷为：vs*a2*cc。

由于负反馈的存在，感应极板201电压保持不变，寄生电容cg的电荷不变，不参与信号放大过程。

电荷在感应电容cs、抵消电容cc和反馈电容cfb之间转移完成后，输出电压为：

vout＝(vs*a1*cs+vs*a2*cc)/cfb；

峰对应的输出电压为：voutr＝(vs*a1*csr+vs*a2*cc)/cfb；

谷对应的输出电压为：

voutv＝(vs*a1*csv+vs*a2*cc)/cfb＝(vs*a1*csr+vs*a2*cc)/cfb+vs*a1*δcs/cfb；

记录voutc＝(vs*a1*csr+vs*a2*cc)/cfb，为共模部分；voutd＝vs*a1*δcs/cfb，为差模部分。由于指纹信息只关心峰谷之间的灰度，因此通过调整a2，使得a2*cc＝-a1*csr(由此可知a1和a2的符号相反，即驱动放大器101和抵消放大器102的增益反相，进入抵消模块10的第一输入端和第二输入端的信号互为反相)，可衰减甚至消除voutc，同时不减小voutd。

假设采用的绝缘材料的相对介电常数为10，厚度为300um，手指与指纹感应电路的接触可假设为平板电容，单个像素点对应的面积为50um*50um，根据平板电容的计算公式，感应电容大小为：cs≈0.74ff。

假设csr＝1ff，csv＝0.95ff，δcs＝-0.05ff，cfb＝10ff,cc＝10ff；vs＝1v，a1＝10。如果未经过抵消操作，第二低噪放大器107输出信号的幅值为：voutr＝voutc＝1v，voutv＝voutc+voutd＝950mv。如果电容指纹感应电路的后续放大器(与第二低噪放大器107的vout端相连)的工作电源为2v，共模点vcm＝1v，则增益设为1倍后输出信号幅度可达到0～2v，放大器出现饱和，有效信号即差模信号的幅度不能放大。

如果设定抵消放大器102的增益a2＝-1，将共模部分完整抵消，那么第二低噪放大器107输出信号的幅值为：voutr＝voutc＝0，voutv＝voutc+voutd＝-50mv。电容指纹感应电路的后续放大器增益可设为足够大(如15倍)，而不出现饱和。有效信号即差模信号的幅度被放大了15倍，从而提高了纹路识别的灵敏度。

从上述分析过程可知，一个效果良好的抵消操作，改变a1/a2，满足条件：a1*csr＝-a2*cc。由于csr与介质的材料和厚度有关，因此通过改变a2的大小，可适应不同的介质层。

如图5所示，上述实施例中的电荷放大器20也可用电流放大器代替，以完成相同的功能。电流放大器包括第一低噪放大器107以及连接在第一低噪放大器107的输入端和输出端之间的电阻rfb，还可包括连接在第一低噪放大器107的输入端和输出端之间的复位开关sw。

综上所述，本发明实施例一的电容指纹感应电路，通过抵消操作，提高了指纹感应电路灵敏度的同时，方便进行后续放大，提高后续处理精度。进一步地，通过改变抵消放大器的增益，可适应不同厚度和材料的介质层，提高指纹传感器的兼容性。由于引入反馈放大器稳定感应极板的电压，因此信号处理过程与感应电极的寄生电容无关，提高了系统可靠性。本发明实施例电路结构简洁，兼容标准cmos工艺，集成成本低。

实施例二

为了达到足够的分辨率dpi(dotsperinch)，电容指纹感应电路可用的面积较小，一个像素单元对应一个电容指纹感应电路，而驱动放大器和抵消放大器则可由多个像素单元共用。因此，本发明实施例二提出一种电容指纹感应器，如图6所示，本发明实施例二的电容指纹感应器包括多个像素单元，每个像素单元对应一个电容指纹感应电路。还包括驱动放大器401和抵消放大器402，驱动放大器401的输入端与外接驱动源vs连接，输出端通过按压在每一电容指纹感应电路的抵消模块40的第二输入端的手指连接，抵消放大器402的输入端与外接驱动源vs连接，输出端与每一电容指纹感应电路的抵消模块40的第一输入端连接，驱动放大器401和抵消放大器402的增益反相。

所述电容指纹感应电路的结构和工作原理与图2至图3所示的电容指纹感应电路类似，此处不再赘述。

电容指纹感应电路是电容式指纹感应器的基本单元，手指通过介质层将驱动信号耦合到感应电极301，同时驱动信号也通过内置的抵消电容cc送入感应电极301，从而衰减或者消除与指纹无关的公共耦合信号，再放大剩余信号并输出到后续处理电路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。