电容式图像传感器的制作方法

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种电容式图像传感器。

背景技术

电容式图像传感器，例如指纹传感器，包括具有多个感测电极的传感器阵列、读取电路(readoutcircuit)和模拟数字转换器。传感器阵列携载手指电容的电荷，读取电路将电荷转换为感测信号，模拟数字转换器将感测信号转换为指纹图像相关的数字信号。然而，一般的读取电路容易受到系统电压的噪声(即电源噪声)的影响，导致产生不正确的感测信号。

技术实现要素：

本发明提供一种电容式图像传感器，通过对称式读取电路架构来消除电源噪声的干扰。

本发明的实施例提供一种电容式图像传感器。所述电容式图像传感器包括第一电荷放大器、第二电荷放大器以及差分放大器。第一电荷放大器耦接至传感器阵列的多个感测电极中的一个感测电极。差分放大器具有第一输入端、第二输入端以及差分输出端对。差分放大器的第一输入端耦接至第一电荷放大器。差分放大器的第二输入端耦接至第二电荷放大器。

基于上述，本发明诸实施例所述电容式图像传感器使用电路架构相似的两个电荷放大器。第一电荷放大器用以接收对应于传感器阵列的一个感测电极的感测结果，并提供感测信号给差分放大器的第一输入端。第二电荷放大器用以提供参考电压信号给差分放大器的第二输入端。通过对称式读取电路架构，所述电容式图像传感器可以有效消除电源噪声的干扰。

本发明的另一实施例提供一种电容式图像传感器。所述电容式图像传感器包括传感器阵列，所述传感器阵列包括多个感测电极和多个参考电极，其中所述多个参考电极设置在传感器阵列的中间区域。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是电容式图像传感器的电路方块示意图。

图2是依照本发明的一实施例所示出的一种电容式图像传感器的电路方块示意图。

图3是依照本发明的一实施例说明图2所示第一电荷放大器与第二电荷放大器的电路方块示意图。

图4是依照本发明的另一实施例所示出的一种电容式图像传感器的电路方块示意图。

图5是说明图3所示差分放大器的输入信号的波形示意图。

图6是说明图4所示差分放大器的输入信号的波形示意图。

图7是依照本发明的又一实施例所示出的一种电容式图像传感器的电路方块示意图。

符号说明：

100：电容式图像传感器

110：传感器阵列

111：感测电极

120：读取电路

121：电荷放大器

122：参考电压产生器

123：差分放大器

200：电容式图像传感器

210：传感器阵列

211：感测电极

220：读取电路

221：第一电荷放大器

221a：感测信号

222：第二电荷放大器

222a：参考电压信号

223：差分放大器

224：多工电路

225：开关

400：电容式图像传感器

413：参考电极

420：参考感测信号

700：电容式图像传感器

710：传感器阵列

711：感测电极

713：参考电极

720：参考感测信号

a1、a3、a4：运算放大器

avdd：系统电压

c1：电容

c2、c3、c4：反馈电容

outdiff1、outdiff2：差模输出信号

sw1、sw3、sw4：复位开关

v1、v2：参考电压

vcom：参考电压信号

vin：输入电压信号

vout：输出电压信号

具体实施方式

在本案说明书全文(包括申请专利范围)中所使用的“耦接(或连接)”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接(或连接)于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤代表相同或类似部分。不同实施例中使用相同标号或使用相同用语的元件/构件/步骤可以相互参照相关说明。

图1是电容式图像传感器100的电路方块(circuitblock)示意图。电容式图像传感器100包括传感器阵列(sensorarray)110与读取电路(readoutcircuit)120。传感器阵列110包括多个感测电极。读取电路120包括多个电荷放大器(chargeamplifier)121和单端转差分放大器(singletodifferentialamplifier，以下称差分放大器)123，每一电荷放大器121对应至一感测电极。基于叙述方便，图1仅示出一个电荷放大器121。每一个感测电极电性耦接至一个对应的电荷放大器121的输入端，举例来说，图1的感测电极111电性耦接至一个对应的电荷放大器121。在一些实施例中，读取电路120可以被实现为一个集成电路，而传感器阵列110可以被实现为另一个集成电路。在另一些实施例中，读取电路120与传感器阵列110可以被整合在同一个集成电路。

电荷放大器121包括运算放大器a1、反馈电容c2以及复位开关sw1。运算放大器a1具有反相输入端、非反相输入端与输出端。运算放大器a1的反相输入端作为电荷放大器121的输入端。运算放大器a1的非反相输入端耦接至参考电压v1。运算放大器a1的输出端耦接至差分放大器123的第一输入端。反馈电容c2耦接于运算放大器a1的反相输入端与运算放大器a1的输出端之间。复位开关sw1耦接于运算放大器a1的反相输入端与运算放大器a1的输出端之间，用来控制反馈电容c2放电。在电荷放大器121量测感测电极111携载的电荷时，复位开关sw1位于关闭(不导通)状态。

电荷放大器121用来接收输入电压信号vin，输入电压信号vin是碰触电容式图像传感器100的手指的信号，并且电荷放大器121放大输入电压信号vin以产生输出电压信号vout。当周期性驱动信号或定电压通过导体，例如电容式图像传感器100上的金属环，耦接至手指时，即产生输入电压信号vin。输入电压信号vin视为对应于感测电极111的感测结果，感测结果和手指与感测电极111之间形成的电容c1的电荷相关。精确来说，电容c1形成于手指纹峰或手指纹谷与感测电极111之间。输出电压信号vout视为电荷放大器121输出的感测信号。电荷放大器121的放大比例由电容c1与反馈电容c2的电容值来决定，也即所述输出电压信号vout＝vin*(c1/c2)。

差分放大器123的第一输入端经由多工电路(开关)124耦接至多个感测电极所对应的多个电荷放大器的输出端。举例来说，当多工电路124将电荷放大器121的输出端电性耦接至差分放大器123的第一输入端时，电荷放大器121可以将关于感测电极111的感测信号(即输出电压信号vout)经由多工电路124传送至差分放大器123的第一输入端。差分放大器123的第二输入端耦接至参考电压v2，参考电压v2由参考电压产生器122产生。差分放大器123可以将电荷放大器121所输出的感测信号(单端信号)转换为差模输出信号(differentialoutputsignal)outdiff1，然后将此差模输出信号outdiff1提供给下一级电路(未示出)。下一级电路可以是另一差分放大器或模拟数字转换器(analog-to-digitalconverter)。

然而，任何非理想共模扰动都会造成单端电路(例如电荷放大器)的输出信号异常抖动。电荷放大器121与参考电压产生器122皆被供应系统电压avdd，但是二者的运作特性不同。电荷放大器121用来接收输入电压信号vin，也就是来自感测电极的感测结果，而参考电压产生器122则是用来产生稳定的参考电压v2。一般而言，参考电压产生器122可以是单增益缓冲器。参考电压产生器122的电源抑制比(powersupplyrejectionratio,psrr)不同于电荷放大器121的电源抑制比。因此，差分放大器123的输入信号容易受系统电压avdd的噪声所干扰，进而导致差分放大器123的差模输出信号outdiff1也受系统电压avdd的噪声所干扰。

请参照图1，系统电压avdd可以供电给电荷放大器121、参考电压产生器122与其他元件。当系统电压avdd发生负脉冲噪声时，参考电压产生器122的参考电压v2会出现负脉冲噪声，而电荷放大器121所输出的感测信号(即输出电压信号vout)会出现正脉冲噪声。参考电压v2与输出电压信号vout二者之间的电压差(即，差分放大器123的差模输入信号)会被差分放大器123加以放大，如图1所示，因此，电压差中的噪声成分也被放大。也即，图1所示一般的读取电路120很容易会将系统电压avdd的噪声放大而使差分放大器123所输出的差模输出信号outdiff1中携带显著噪声。

图2是依照本发明的一实施例所示出的一种电容式图像传感器200的电路方块示意图。电容式图像传感器200包括传感器阵列210与读取电路220。图2所示传感器阵列210可以参照图1所示传感器阵列110的相关说明来类推，故不再赘述。读取电路220包括多个第一电荷放大器221、第二电荷放大器222和差分放大器223，每一个第一电荷放大器221对应至一感测电极。基于叙述方便，图2仅示出一个第一电荷放大器221。每一个感测电极电性耦接至一个对应的第一电荷放大器221的输入端，举例来说，图2的感测电极211电性耦接至一个对应的第一电荷放大器221。在一些实施例中，读取电路220可以被实现为一个集成电路，而传感器阵列210可以被实现为另一个集成电路。在另一些实施例中，读取电路220与传感器阵列210可以被整合在同一个集成电路。

虽未显示于图2，第一电荷放大器221可包括一运算放大器、一反馈电容和一复位开关，与图1的电荷放大器121相似。第一电荷放大器221用来接收输入电压信号，输入电压信号是碰触电容式图像传感器的手指的信号，并且第一电荷放大器221放大输入电压信号以产生输出电压信号。输入电压信号视为对应于感测电极211的感测结果，感测结果和手指与感测电极211之间形成的电容的电荷相关。输出电压信号视为第一电荷放大器221输出的感测信号。差分放大器223具有第一输入端、第二输入端以及差分输出端对。在一些实施例中，读取电路220可以包括仅一个差分放大器223，并且读取电路220的多个第一电荷放大器221通过一多工电路(图2未显示)分时输出至差分放大器223的第一输入端。例如，在某一段时间中，差分放大器223的第一输入端耦接至第一电荷放大器221的输出端，以接收感测信号221a。在另一些实施例中，读取电路220可以包括多个差分放大器223，每一个差分放大器分时接收多个第一电荷放大器221其中一部分的第一电荷放大器221所输出的多个感测信号。

差分放大器223的第二输入端耦接至第二电荷放大器222的输出端，以接收参考电压信号222a。差分放大器223可以将第一电荷放大器221输出的的感测信号221a转换为差模输出信号outdiff2，然后经由差分放大器223的差分输出端对将此差模输出信号outdiff2提供给下一级电路(未示出)。图2所示差分放大器223可以参照图1所示差分放大器123的相关说明来类推，故不再赘述。

第一电荷放大器221与第二电荷放大器222的运作特性是相似的。举例来说，第二电荷放大器222的电源抑制比相近于第一电荷放大器221的电源抑制比。系统电压avdd可以供电给第一电荷放大器221、第二电荷放大器222与其他元件。当系统电压avdd发生负脉冲噪声时，第一电荷放大器221所输出的感测信号221a会出现正脉冲噪声，而第二电荷放大器222所输出的参考电压信号222a也会出现正脉冲噪声。换言之，差分放大器223的两个输入端的信号同时出现共模噪声。基于差分放大器223的差模特性，此共模噪声可相抵消，因此所述共模噪声并不会影响差分放大器223输出的差模输出信号outdiff2。因此，图2所示读取电路220可以有效地消除电源噪声的干扰。

图3是依照本发明的一实施例说明图2所示第一电荷放大器221与第二电荷放大器222的电路方块示意图。图3所示传感器阵列210可以参照图1所示传感器阵列110的相关说明来类推，故不再赘述。

在图3所示实施例中，第一电荷放大器221包括运算放大器a3、反馈电容c3以及复位开关sw3。运算放大器a3具有反相输入端、非反相输入端与输出端。运算放大器a3的反相输入端耦接至传感器阵列210的感测电极211。运算放大器a3的非反相输入端耦接至参考电压信号vcom。所述参考电压信号vcom的电平可以依照设计需求来决定。运算放大器a3的输出端耦接至差分放大器223的第一输入端。反馈电容c3耦接于运算放大器a3的反相输入端与运算放大器a3的输出端之间。复位开关sw3耦接于运算放大器a3的反相输入端与运算放大器a3的输出端之间。图3所示第一电荷放大器221可以参照图1所示电荷放大器121的相关说明来类推，故不再赘述。

在图3所示实施例中，第二电荷放大器222包括运算放大器a4、反馈电容c4以及复位开关sw4。运算放大器a4具有反相输入端、非反相输入端与输出端。运算放大器a4的反相输入端不耦接至感测电极。运算放大器a4的非反相输入端耦接至参考电压信号vcom。运算放大器a4的输出端耦接至差分放大器223的第二输入端。反馈电容c4耦接于运算放大器a4的反相输入端与运算放大器a4的输出端之间。复位开关sw4耦接于运算放大器a4的反相输入端与运算放大器a4的输出端之间。

读取电路220可以让同一个差分放大器223分时接收多个第一电荷放大器221输出的感测信号。举例来说，可以在多个第一电荷放大器的输出端与差分放大器的第一输入端之间，设置分时控制的多工电路(开关)224。基于电路对称性，可以在第二电荷放大器222的输出端和差分放大器的第二输入端之间设置开关，如图3的开关225。读取电路220可以有一个或多个第二电荷放大器222，每一个第二电荷放大器222可各自供应参考电压信号给相对应的一个差分放大器，或者每一个第二电荷放大器可供应参考电压信号给多个差分放大器。请注意，第二电荷放大器222的数量以及差分放大器与第二电荷放大器222的对应关系，本发明实施例未有限制。

在感测电极211的复位期间，多工电路224使第一电荷放大器221的输出端不连接差分放大器223的第一输入端，而且复位开关sw3为导通(turnon)，因此反馈电容c3与反馈电容c4的电荷可以被复位。在感测电极211的复位期间，第二电荷放大器222的复位开关sw4可以关闭(不导通)并且开关225导通，此时可能是另一个感测电极的感测期间。在感测电极211的感测期间，多工电路224使第一电荷放大器221的输出端电性连接至差分放大器223的第一输入端，而且复位开关sw3不导通(turnoff)，因此第一电荷放大器221形成单增益放大器(unitygainbuffer)，使得第一电荷放大器221可以接收感测电极211的感测结果以及输出感测信号221a给差分放大器223的第一输入端。在感测电极211的感测期间，复位开关sw4不导通并且开关225导通，因此第二电荷放大器222可以提供参考电压信号222a给差分放大器223的第二输入端。如此一来，差分放大器223可以将第一电荷放大器221输出的感测信号221a转换为差模输出信号outdiff2，然后经由差分放大器223的差分输出端对将此差模输出信号outdiff2提供给下一级电路(未示出)。

在图3所示实施例中，用以提供参考电压信号的第二电荷放大器222的电路结构相似(或相同)于用以接收感测电极的感测结果并且产生感测信号的第一电荷放大器221的电路架构。因此，第二电荷放大器222的电源抑制比相似(或相同)于第一电荷放大器221的电源抑制比。参照图3，系统电压avdd可以供电给第一电荷放大器221、第二电荷放大器222与其他元件。当系统电压avdd发生负脉冲噪声时，第二电荷放大器222所提供的参考电压信号222a会出现正脉冲噪声，而第一电荷放大器221输出的感测信号221a也会出现正脉冲噪声。换言之，差分放大器223的两个输入信号中皆出现共模噪声。差分放大器223的差模特性可抵消此共模噪声。因此，所述共模噪声并不会影响差分放大器223输出的差模输出信号outdiff2。因此，图3所示读取电路架构可以有效地消除电源噪声的干扰。

图4是依照本发明的另一实施例所示出的一种电容式图像传感器400的电路方块示意图。电容式图像传感器400包括传感器阵列210与读取电路220。图4所示传感器阵列210可以参照图3所示传感器阵列210的相关说明来类推，故不再赘述。

在图4所示实施例中，电容式图像传感器400的读取电路220包括第一电荷放大器221、第二电荷放大器222、差分放大器223以及多工电路224。图4所示第一电荷放大器221、第二电荷放大器222、差分放大器223以及多工电路224可以参照图3所示第一电荷放大器221、第二电荷放大器222、差分放大器223以及多工电路224的相关说明来类推，故不再赘述。

在图4所示实施例中，第二电荷放大器222的运算放大器a4的反相输入端耦接至一个或多个参考电极(referenceelectrode)413。参考电极413没有偶接至第一电荷放大器221。图4所示参考电极413的数量和位置可以依照设计需求来决定。举例来说，在一些实施例中，这些参考电极413可以配置在图4所示传感器阵列210的外面并且靠近传感器阵列210。在另一些实施例中，这些参考电极413可以配置在图4所示传感器阵列210内，换言之，传感器阵列210包括多个感测电极和多个参考电极413，在此情形下，这些感测电极413可设置在传感器阵列210的中间区域。在另一些实施例中，参考电极413可被配置在传感器阵列210中的不同区域。举例来说，传感器阵列210的中间区域有多个参考电极413，同时传感器阵列210的周围区域也有多个参考电极413。

图4的第一电荷放大器221和第二电荷放大器222在感测电极211的复位期间和感测期间的行为模式可参考关于图3的描述，在此不重复。在此假设传感器阵列210用来感测指纹图像。当手指接近传感器阵列210时，传感器阵列210的一些感测电极感测到手指指纹的纹峰，而传感器阵列210的另一些感测电极感测到手指指纹的纹谷。因此，图4的感测电极211可能感测到纹峰或纹谷。第一电荷放大器221可接收相关于指纹纹峰或纹谷与感测电极211之间形成的电容的感测结果，并且输出感测信号221a至差分放大器223的第一输出端。第二电荷放大器222可接收相关于指纹纹峰以及纹谷与多个参考电极413之间形成的多个电容的参考感测结果，并且输出参考感测信号420至差分放大器223的第二输出端。若参考电极413的数量为n，n大于1，图4的反馈电容c4的电容值需是图3的反馈电容c4的电容值的n倍。如此一来，参考感测信号420相关于指纹纹峰以及纹谷的平均电容值。由于参考感测信号420和感测信号221a都是基于电极的感测结果而产生，参考感测信号420中的噪声和感测信号221a中的噪声可能接近。因此，差分放大器223可以消除此噪声(共模噪声)。

图5与图6描述了在不同实施例中的差分放大器223的运作比较。图5是说明图3所示差分放大器223的输入信号的波形示意图，图6是说明图4所示差分放大器223的输入信号的波形示意图。在图5与图6中，横轴表示感测电极位置，纵轴表示差分放大器223的输入信号的电压电平。

请参照图3与图5，差分放大器223的输入信号是感测信号221a和参考电压信号222a。在图5所示范例中，参考电压信号222a的电平标示为vref(例如0伏特)，其会追随运算放大器a4的非反向输入端的电压电平。假设对应于纹峰位置的感测信号221a的电平是0.5伏特，而对应于纹谷位置的感测信号221a的电平是0.1伏特。因此，差分放大器223的差模输入信号包含直流偏移(dcoffset)成分此直流偏移成分会被差分放大器223放大，而此经放大的直流偏移成分需要额外电路去滤除。

请参照图4与图6，差分放大器223的输入信号是感测信号221a和参考感测信号420。在图6所示范例中，假设对应于纹峰位置的感测信号221a的电平是+0.2伏特，而对应于纹谷位置的感测信号221a的电平是-0.2伏特。因为参考感测信号420是相关于指纹纹峰和纹谷与参考电极形成的电容值，所以参考感测信号420的电压电平，标示为vref，可能接近相关于指纹纹峰和纹谷的多个感测信号221a的电压电平的平均值，如图6。在此情况下，差分放大器223的差模输入信号中的直流偏移成分可大幅减少，差模输入信号趋近于无直流偏移成分的交流信号。根据图4所示实施例，参考感测信号420可根据传感器阵列210的应用环境而适应性改变。如此一来，不欲放大的直流偏移成分尽可能地被预先消除。

在本发明另一实施例中，图3所示实施例中的无输入信号的第二电荷放大器222和图4所示实施例中的参考电极413可以并存于电容式图像传感器中。可以利用开关电路(未示出)来决定第二电荷放大器222的感测端是无输入信号，或是接收参考电极413的感测结果。

图7是依照本发明的又一实施例所示出的一种电容式图像传感器700的电路方块示意图。电容式图像传感器700包括传感器阵列710、参考电极713与读取电路220。图7所示传感器阵列710可以参照图3所示传感器阵列210的相关说明来类推，图7所示读取电路220可以参照图3所示读取电路220的相关说明来类推，故不再赘述。

第二电荷放大器222的运算放大器a4的反相输入端耦接至参考电极713。第二电荷放大器222用以输出参考感测信号720给差分放大器223的第二输入端。在图7所示实施例中，参考电极713可以是屏蔽网格的一部分，屏蔽网格是用来屏蔽各感测电极。屏蔽网格是由导体材料制成。参考电极713可以是设置在传感器阵列710的这些感测电极711之间的一条或多条导电线。如图7所示，传感器阵列710中的相邻二个感测电极之间配置了导线，其中这些导线相互电性连接而形成网格状导体(即参考电极713)。在另一实施例中，参考电极713的导线可以配置为其他图样。当物体(例如手指)接触了电容式图像传感器700时，手指的纹峰(或纹谷)与传感器阵列710的感测电极711之间会形成电容，而手指的纹峰和纹谷与参考电极713(网格状导体)之间也会形成电容。第一电荷放大器221接收感测电极711的感测结果，并将感测信号221a输出给差分放大器223的第一输入端。第二电荷放大器222接收参考电极713的参考感测结果，并将参考感测信号7200输出给差分放大器223的第二输入端。类似于图4与图6所示实施例，图7所示差分放大器223所接收的参考感测信号720也有助于降低差模输入信号中的直流偏移成分。

在本发明另一实施例中，图3所示实施例中的无输入信号的第二电荷放大器222和图7所示实施例中的参考电极713可以并存于电容式图像传感器中。可以利用开关电路(未示出)去决定第二电荷放大器222的反向输入端是无输入信号，或是接收参考电极713所侦测到的感测结果。

综上所述，本发明诸实施例所述电容式图像传感器使用电路架构相似的两个电荷放大器。第一电荷放大器221用以接收传感器阵列的一个感测电极的感测结果，并将感测信号提供给差分放大器223的第一输入端。第二电荷放大器222用以提供参考电压信号或参考感测信号给差分放大器223的第二输入端。通过对称式读取电路架构，所述电容式图像传感器可以有效消除电源噪声的干扰。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。