一种包含积分器的电容指纹传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电容传感器，尤其涉及一种具备积分器的“C-Q-T”型电容指纹传感器。
【背景技术】
[0002]在中国发明专利《电容式距离传感器》(申请号为201210403271.2)中首次提出了“c-v-τ”型电容式距离传感器，其简化了测量电路，在同等工艺条件下超越了当时的全球领先水平。2013年，由于Apple公司推出了搭载了 Touch ID的iphone5S，对指纹传感器技术研发和应用起到了极大的推动作用，也使消费电子市场对指纹传感器技术提出了巨大的需求和更高的技术要求。
[0003]中国发明专利《电容指纹传感器》(申请号为201410004072.3)中提出的电容指纹传感器技术方案是在中国发明专利《电容式距离传感器》(申请号为201210403271.2)的基础上对传感方程和电路模型做了优化，提出的电路结构，成功实现了 “C-Q-T”的转换，但是也存在几个问题。
[0004]首先，从其传感方程Vt ’ = (Vs-Vt) * (Cd+Cg) / (Ct+Cd+Cg)可以看出，积分电容的电压Vt每次迭代的变化量Vt’是与Vt负相关的。一方面Vt’导致Vt不断减小，不断减小的Vt也导致vt’不断减小，较小的vt’容易被噪声干扰到，从而使比较器翻转提前或滞后，从而导致传感器输出被噪声干扰；另一方面，传感器输出的时间量和目标电容Cg的关系是凸非线性的。在《电容式距离传感器》和《电容指纹传感器》两个专利中解释了该凸非线性可作为距离到电容的凸非线性转换的补偿手段，但这基于一定的空间尺度范围。由于技术的发展，商用电容式指纹传感器在传感电极和目标电极之间的介质层厚度从1um量级增加到10um量级，从而使距离到电容的转换关系进入近似线性区域，所以目标电容到指纹传感器的输出之间的凸非线性转换已经成为了不利因素。
[0005]同时，在专利201410004072.3所述技术方案中，总线寄生电容被计算入积分电容，增加了积分电容的离散性，传感单元的背景电容未从传感方程中移除，使得背景电容的制造公差会引入指纹传感器阵列的单元不一致性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种线性度更好且抗噪性更强的电容指纹传感器。
[0007]为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
一种包含积分器的电容指纹传感器，包括传感阵列、积分器、总线和比较电路。
[0008]传感阵列包括多个传感单元，传感单元包括目标电极、传感电极、驱动电极、电平驱动器1、电平驱动器2、行选开关、初始化开关和参考电压1，每个传感单元的输出端连接到总线；
积分器的输入端连接到总线，输出端连接到比较电路的输入端；
比较电路的输入端连接积分器的输出端，输出端就是电容指纹传感器的输出端。
[0009]其中每个传感单元内:
传感电极为一个或多个电极，与初始化开关端口 I连接，与行选开关端口 I连接；所述目标电极为测量目标表面，与电平驱动器I连接，位于传感电极上方，与传感电极之间有介质层，目标电极与传感电极之间形成目标电容；
驱动电极，为一个或多个电极，与电平驱动器2连接，位于传感电极下方，与传感电极之间有介质层，驱动电极与传感电极之间形成驱动电容；
电平驱动器1，控制端与电平控制信号I连接，输出端与目标电极连接；
电平驱动器2，控制端与电平控制信号2连接，输出端与驱动电极连接；
行选开关端口 I与传感电极连接，端口 2连接到传感单元的输出端；
初始化开关，端口 I与传感电极连接，端口 2与参考电压I连接；
参考电压I，与初始化开关端口 2连接。
[0010]电平驱动器I在电平控制信号I为低时通过电阻器向目标电极输出电平VII，在电平控制信号I为高时通过电阻器向目标电极输出电平V12。
[0011]作为本发明进一步改进的技术方案，电平驱动器I在电平控制信号I为低时向电容器输出电平VII，在电平控制信号I为高时向电容器输出电平V12，电容器向目标电极耦合输出Vll和V12的交流分量。
[0012]作为本发明进一步改进的技术方案，电平驱动器I在电平控制信号I为低时向转换电路输出电平VII，在电平控制信号I为高时向转换电路输出电平V12，Vll和V12的交流分量经转换电路转换为反相的交流电平耦合到电容指纹传感器地电平。
[0013]电平驱动器2在电平控制信号2为低时向驱动电极输出电平V21，在电平控制信号2为高时向驱动电极输出电平V22。
[0014]其中，积分器由放大器、积分电容、参考电压2、复位开关2，复位开关3、跟随开关和参考电压4组成:
放大器的输入端I与积分器输入端连接，输入端2与参考电压2连接，输出端连接积分器的输出端；
积分电容的端口 I连接放大器的输入端1，端口 2连接复位开关3的端口 I ;
参考电压2与放大器输入端2连接；
复位开关2的端口 I连接至参考电压2，端口 2连接放大器的输入端I ;
复位开关3的端口 I连接积分电容的端口 2，端口 2连接参考电压4 ;
跟随开关的端口 I连接积分电容端口 2，端口 2连接积分器的输出端；
参考电压4与复位开关3端口 2连接。
[0015]积分器的复位时序为:
步骤1-1，断开跟随开关；
步骤1-2，闭合复位开关2，闭合复位开关3 ;
步骤1-3，断开复位开关2，断开复位开关3 ;
步骤1-4，闭合跟随开关。
[0016]本发明也可以使用一种简化的积分器设计，通过把放大器接成单位增益缓冲器来复位积分器，该简化的积分器包括放大器、积分电容、参考电压2和复位开关1:
放大器的输入端I与积分器的输入端连接，输入端2与参考电压2连接，输出端连接积分器的输出端；
积分电容为I个或多个电容器，端口 I与放大器输入端I连接，端口 2与放大器输出端连接；
参考电压2与放大器输入端2连接；
复位开关I的端口 I连接放大器输入端1，端口 2连接放大器输出端。
[0017]积分器的复位时序为:
步骤2-1，闭合复位开关I ;
步骤2-2，断开复位开关I。
[0018]其中，比较电路包括比较器和参考电压3:
比较器的输入端I与比较电路输入端连接，输入端2与参考电压3连接，输出端接比较电路的输出端；
参考电平3与比较器输入端2连接。
[0019]本发明涉及的原理、时序控制及传感方程如下:
本发明提供一种具备积分器的“C-Q-T”型指纹传感器，具体做法是:
以被测指纹表面(相当于目标电极)，与电容测量极板(相当于传感电极)之间形成耦合电容(相当于目标电容)，被测指纹表面的不同区域与相对应的传感器阵列的不同的电容测量极板单元的距离不同，导致目标电容不同。先将积分电容充电到参考电压4，并周期性的向目标电容放电。本发明设计的电路和控制方法使每次向目标电容放电的电荷量与目标电容大小有关，且对相同的目标电容的每次放电的电荷量相同。这使得积分电容内的电荷逐渐减少的速度和目标电容线性相关。当积分电容电压从参考电压4变化到参考电压3，也就是比较电路的参考电压时，比较电路将输出信号翻转，该信号翻转的时间是积分电容放电速率的倒数，在一定的数值区间近似线性。传感器的传感过程就是“目标电容大小一一积分电容放电速度差异一一比较电路翻转时间先后”，也就是“C-Q-T”的过程。
[0020]为分析电路方程，将“C-Q-T”分解为“C-Q”转换和“Q-T”转换。
[0021]“C-Q”转换过程包括复位积分器和积分电容向目标电容重复放电两个部分。
[0022]复位积分器的过程就是把积分电容充电到参考电压4。令参考电压2的值为VREF2，参考电压4的值为VREF4，积分电容值为Cr，那么积分电容中的电荷量Qr.rst=(VREF4-VREF2) *Cr。
[0023]当本发明中积分器采用另一种简化的复位电路时，该简化的复位电路是上一例积分器中VREF4=VREF2的情况，在积分器复位的时候，把放大器接成单位增益缓冲器，使积分器的输出端复位到VREF2，从而使积分电容两端的电平都是VREF2，那么积分电容中的电荷量 Qr.rst=0o
[0024]积分电容向目标电容重复放电的过程为:
步骤3-1，断开行选开关；
步骤3-2，闭合初始化开关，连接参考电压I到传感电极；
步骤3-3，电平控制信号I为高，电平控制信号2为高；
步骤3-4，断开初始化开关；
步骤3-5，闭合行选开关；
步骤3-6，电平控制信号I为低，电平控制信号2为低； 步骤3-7，回到步骤3-1。
[0025]令目标电容的电容值为Cf，驱动电容的电容值为Cd，传感单