电容式传感装置和电容式感测系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电容式传感技术领域，尤其涉及一种电容式传感装置和电容式感测系统。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，越来越多的电子设备(如:手机、平板电脑、穿戴式设备、以及智能家居等各种智能产品)一般都会设置一种或多种传感装置。所述传感装置包括如感测用户触摸操作的触摸传感装置、感测人体生物信息的生物信息传感装置等等。目前，生物信息传感装置等多采用电容式传感装置来执行感测操作。
[0003]电容式传感装置一般包括电容式传感器和控制电路。所述电容式传感器包括多个传感单元(sensor)。所述多个传感单元接收控制电路的驱动信号，并在用户触摸所述多个传感单元时对应输出感测信号给所述控制电路，以获得相应的感测信息。
[0004]然，各传感单元独立检测，分别输出单一感测信号，所述单一感测信号(如:电压和/或电量)一般强度较弱。另外，电压、电量等感测信号在被传输的过程中易受电容式传感装置中寄生电容的影响，较不稳定，从而导致电容式传感装置的感测存在不精确或者出现误判的情况，影响用户体验。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种感测精度较高的电容式传感装置以及电容式感测系统。
[0006]本发明提供了一种电容式传感装置，包括电容式传感器和控制电路；所述电容式传感器包括感测电极和差分对管；所述控制电路用于为所述感测电极和差分对管提供参考信号，所述差分对管响应感测电极因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化，而对应产生二不同的第二交流信号；所述控制电路进一步根据所述第二交流信号对应计算获得目标物体的预定生物信息。
[0007]优选地，所述控制电路提供电流源给所述差分对管，所述二不同第二交流信号之和与所述电流源输出的第一恒定电流信号相同。
[0008]优选地，所述控制电路包括接地端，所述接地端用于加载调制信号，所述控制电路输出的参考信号随所述调制信号的升高而升高、随所述调制信号的降低而降低。
[0009]优选地，所述差分对管包括二晶体管，所述电容式传感器包括多个传感单元，每一传感单元包括一所述感测电极和一所述差分对管，或者，每一传感单元包括一所述感测电极，相邻的传感单元各包括一所述差分对管中的一晶体管。
[0010]优选地，所述多个传感单元呈阵列式排布；当每一传感单元包括一所述感测电极，相邻的传感单元各包括一所述差分对管中的一晶体管时，定义所述差分对管中的二晶体管均为第三晶体管；所述控制电路用于控制每一传感单元的第三晶体管分时与行方向和列方向上相邻的传感单元的第三晶体管均形成差分对管。
[0011]优选地，所述第三晶体管包括第三控制电极、第五传输电极、和第六传输电极；其中，所述第三控制电极与所述感测电极为二电极，所述第三控制电极连接所述感测电极；或者，所述第三控制电极与所述感测电极为同一电极。
[0012]优选地，当所述第三控制电极连接所述感测电极时，所述第三控制电极直接连接所述感测电极，或者，第三控制电极通过限流元件连接所述感测电极。
[0013]优选地，所述传感单元进一步包括第一开关单元和第二开关单元，所述第一开关单元用于控制是否在电流源与第三晶体管之间有电流传输，所述第二开关单元用于控制是否传输参考信号给感测电极和差分对管。
[0014]优选地，所述电容式传感器进一步包括信号线群组，一信号线群组连接至少二传感单元，所述信号线群组包括第一信号线、第二信号线、和第三信号线，且第一、第二、第三信号线分别沿列方向延伸；所述第一开关单元用于通过所述第一信号线连接所述电流源；
[0015]对于位于同一列的二相邻传感单元:一传感单元中的第三晶体管的第六传输电极通过第二信号线连接控制电路，另一传感单元中的第三晶体管的第六传输电极通过第三信号线连接控制电路；所述二相邻传感单元的第一开关单元与同一第一信号线相连接。
[0016]优选地，所述电容式传感器进一步包括扫描线群组，包括第一扫描线、第二扫描线；所述第一开关单元包括:
[0017]第一晶体管，包括第一控制电极、第一传输电极、和第二传输电极，所述第一控制电极与第一扫描线连接，用于响应第一扫描线上传输的扫描信号而对应控制第一传输电极与第二传输电极是否电连通，第一传输电极与第一信号线连接，第二传输电极与第五传输电极连接；和
[0018]第二晶体管，包括第二控制电极、第三传输电极、和第四传输电极，其中，第二控制电极连接第二扫描线，用于响应第二扫描线上传输的扫描信号而对应控制第三传输电极与第四传输电极是否电连通，第三传输电极连接第二传输电极、第四传输电极连接第五传输电极。
[0019]优选地，所述扫描线群组进一步包括第三扫描线，所述第二开关单元包括第五晶体管，所述第五晶体管包括第五控制电极、第九传输电极、和第十传输电极，其中，第五控制电极通过第三扫描线连接控制电路，用于响应第三扫描线上传输的扫描信号而对应控制第九传输电极与第十传输电极是否电连通，第九传输电极连接参考信号线、第十传输电极连接第三控制电极。
[0020]优选地，所述扫描线群组进一步包括第四扫描线，所述传感单元进一步包括第七晶体管，所述第七晶体管包括第七控制电极、第十三传输电极、和第十四传输电极，所述第七控制电极通过第四扫描线连接控制电路，所述第十三传输电极连接第十传输电极，所述第十四传输电极连接第三控制电极，且第十三传输电极与第十四传输电极短接。
[0021]优选地，在一传感单元每次执行感测的过程中，所述控制电路控制所述第五晶体管和第七晶体管交替导通，导通的第七晶体管用于补偿第五晶体管截止时第三控制电极与第十传输电极之间的电压。
[0022]优选地，所述电容式传感装置为指纹传感装置。
[0023]优选地，所述电容式传感器进一步包括基板、接地线、和导电层，所述导电层与所述感测电极、差分对管设置在所述基板的相对二侧，所述接地线与所述感测电极、差分对管设置在所述基板的同侧，所述接地线与所述导电层均用于传输所述调制信号。
[0024]优选地，所述控制电路包括:
[0025]参考信号产生电路，用于提供所述参考信号；
[0026]处理电路，用于接收传感单元输出的第二交流信号，并根据第二交流信号计算目标物体的预定生物信息；
[0027]扫描驱动电路，连接扫描线群组，用于提供扫描信号给扫描线群组；和
[0028]第三开关单元，连接于电流源、处理电路与各传感单元之间；
[0029]同一行的传感单元通过所述第三开关单元分时复用所述电流源、和/或处理电路。
[0030]本发明还提供一种电容式感测系统，包括电源管理芯片和电容式传感装置，其中，所述电容式传感装置包括电容式传感器和控制电路；所述电容式传感器包括感测电极和差分对管；所述控制电路用于为所述感测电极和差分对管提供参考信号，所述差分对管响应感测电极因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化，而对应产生二不同的第二交流信号；所述控制电路进一步根据所述第二交流信号对应计算获得目标物体的预定生物信息；所述控制电路包括接地端，所述接地端用于加载调制信号，所述控制电路输出的参考信号随所述调制信号的升高而升高、随所述调制信号的降低而降低；所述电容式传感器进一步包括基板、接地线、和导电层，所述导电层与所述感测电极、差分对管设置在所述基板的相对二侧，所述接地线与所述感测电极、差分对管设置在所述基板的同侧，所述接地线与所述导电层均用于传输所述调制信号；所述电源管理芯片提供所述调制信号给所述控制电路的接地端、所述电容式传感器的导电层和接地线。
[0031]本发明还提供一种电容式传感装置，包括电容式传感器和控制电路；所述电容式传感器包括多个传感单元和信号线，每一信号线用于连接至少二传感单元至所述控制电路，每一传感单元包括:
[0032]感测电极，能够以电容方式耦合到目标物体；和
[0033]传感电路，包括转换电路，所述转换电路与所述感测电极相连接；
[0034]所述控制电路，用于与所述多个传感单元分别连接，所述控制电路用于提供参考信号给所述感测电极；
[0035]其中，所述转换电路用于转换感测电极因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化量为相应的电流信号，并通过所述信号线输出所述电流信号给所述控制电路，所述控制电路根据所述电流信号获知相应的预定生物信息。
[0036]优选地，所述转换电路通过一包括二级开关的开关单元与所述信号线连接。
[0037]由于所述电容式传感装置的电容式传感器包括差分对管，所述差分对管用于响应感测电极因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化，而对应产生二不同的第二交流信号给所述控制电路；所述控制电路根据所述第二交流信号对应获知目标物体的预定生物信息，其中，所述差分对管输出的二不同第二交流信号较稳定，因此，所述电容式传感装置的感测精度较准。相应地，具有所述电容式传感装置的电容式感测系统的感测精度也较准。
[0038]尽管公开了多个实施例，包括其变化，但是通过示出并描述了本发明公开的说明性实施例的下列详细描述，本发明公开的其他实施例将对所属领域的技术人员显而易见。将认识到，本发明公开能够在各种显而易见的方面修改，所有修改都不会偏离本发明的精神和范围。相应地，附图和详细描述本质上应被视为说明性的，而不是限制性的。
【附图说明】
[0039]通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的特征及优点将变得更加明显。
[0040]图1为本发明电容式传感装置的第一实施方式的示意图。
[0041]图2为图1所示电容式传感装置的电路结构示意图。
[0042]图3为图2所示电容式传感器的部分电路结构示意图。
[0043]图4为图2所示电容式传感装置的部分电路结构示意图。
[0044]图5与图6为图3所示传感电路的其它变更实施方式的示意图。
[0045]图7为图1所示电容式传感器的示意图。
[0046]图8至图11中主要示出电容式传感器的一传感单元的第三晶体管与感测电极的剖面结构示意图。
[0047]图12为图2所示的电容式传感装置的工作时序图。
[0048]图13为图1所示电容式传感器的部分方框示意图。
[0049]图14为本发明电容式传感装置的第二实施方式的示意图。
[0050]图15为图14所示一行方向上相邻二传感单元的电路结构示意图。
[0051]图16为图14的电容式传感装置的部分电路结构示意图。
[0052]图17为图14所示电容式传感器的方框结构示意图。
[0053]图18为本发明电容式传感装置的其它变更实施方式的示意图。
[0054]图19为在一片玻璃基板上形成多个电容式传感装置的示意图。
[0055]图20为图19所示的一电容式传感装置的侧视示意图。
[0056]图21和图22为电容式传感装置的其它变更实施方式的侧视图。
[0057]图23为本发明芯片组的一较佳实施方式的示意图。
[0058]图24为本发明电容式感测系统的第一实施方式的结构示意图。
[0059]图25为本发明电容式感测系统的第二实施方式的结构示意图。
[0060]图26为本发明电容式传感装置的封装结构第一实施方式的示意图。
[0061]图27与图28为本发明电容式传感装置的封装结构其它实施方式的示意图。
[0062]图29为本发明电容式感测模组的一较佳实施方式的示意图。
[0063]图30为本发明在电子设备的保护盖板下方设置电容式感测模组的示意图。
[0064]图31是图30沿r-r’方向的部分剖面示意图。
[0065]图32为电子设备的显示装置的TFT阵列基板的示意图。
[0066]图33为本发明电子设备的一较佳实施方式的示意图。
【具体实施方式】
[0067]现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。为了方便或清楚，可能夸大、省略或示意地示出在附图中所示的每层的厚度和大小、以及示意地示出相关元件的数量。另外，元件的大小不完全反映实际大小，以及相关元件的数量不完全反应实际数量。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构。
[0068]此外，所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本发明的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本发明。
[0069]在本发明的描述中，需要理解的是:“多个”包括两个和两个以上，除非另有明确具体的限定。“连接”可为电连接、机械连接、親接、直接连接、以及间接连接等多种实施方式，除非本发明下述特别说明，否则并不做特别限制。另外，各元件名称以及信号名称中出现的“第一”、“第二”等词语并不是限定元件或信号出现的先后顺序，而是为方便元件命名，清楚区分各元件，使得描述更简洁。
[0070]进一步需要说明的是:本发明提供的电容式传感装置适用于生物信息传感装置，尤其指纹传感装置。然，本发明并不限于此，所述电容式传感装置也可适用其它合适类型的传感装置，如触摸传感装置。所述生物信息传感装置用于感测目标物体的预定生物信息。所述目标物体如为用户的手指，也可为用户身体的其它部分、如手掌、脚趾、耳朵等，甚至也可为其它合适类型的物体，而并不局限为人体。所述预定生物信息如为指纹、掌纹、耳纹等。
[0071]所述电容式传感装置包括电容式传感器(sensors)和控制电路。所述控制电路连接电容式传感器，用于控制所述电容式传感器执行感测操作。
[0072]优选地，所述电容式传感器包括感测电极和差分对管。所述感测电极能够以电容方式耦合到目标物体，用于加载参考信号。所述差分对管与所述感测电极相关联，用于响应感测电极上因目标物体的接近或触摸所引起参考信号的变化，而对应产生差分信号。
[0073]所述控制电路接收所述差分信号，并根据所述差分信号对应获得相应的感测信息。所述感测信息如为目标物体的预定生物信息。类似地，所述控制电路也可根据差分信号获知目标物体接近或触摸了电容式传感装置这一感测信息。
[0074]由于本发明的电容式传感器传输给控制电路的感测信号为差分信号，所述差分信号较强，且差分信号在传输给控制电路的过程中受电容式传感装置中的寄生电容的影响较小，因此，所述控制电路根据差分信号获得的感测信息相对较准而能减少误判，从而能够提升用户体验。
[0075]优选地，所述差分信号为差分电流信号。
[0076]优选地，所述电容式传感器包括多个感测电极和多个差分对管。同一差分对管所产生的差分信号为同幅同频反相的第二交流信号。另外，所述差分对管用于与一电流源连接，所述电流源用于提供一第一恒定电流信号。所述二不同的第二交流电流信号之和与所述电流源提供的第一恒定电流信号相等。
[0077]所述差分对管与所述感测电极相关联，其中，所述差分对管或者与所述感测电极为二元件，所述差分对管与所述感测电极连接；又或者，所述差分对管包括所述感测电极，即，所述感测电极为差分对管的一部分。
[0078]所述差分对管包括二晶体管，所述二晶体管包括一第三晶体管，所述第三晶体管包括第三控制电极、第五传输电极、和第六传输电极。当所述差分对管与所述感测电极为二元件时，所述第三控制电极与所述感测电极连接；当所述差分对管包括所述感测电极时，所述第三控制电极与所述感测电极为同一电极。
[0079]当所述差分对管与所述感测电极为二元件时，所述第三控制电极与所述感测电极直接连接；或者，所述第三控制电极通过一限流元件与所述感测电极连接。优选地，所述限流元件包括电阻。相应地，所述限流元件可以起到防ESD、保护电容式传感器的作用。
[0080]所述电容式传感器包括多个传感单元(sensor)。每一传感单元包括一所述感测电极。另外，优选地，每一传感单元还包括一所述差分对管，或者，相邻的传感单元各自包括一所述差分对管中的一晶体管。
[0081]通过选择具有合适跨导的晶体管，当目标物体接近或触摸感测电极时，所述差分对管的晶体管对参考信号的变化量进行转换以及放大，产生二不同的第一交流信号，并将二不同的第一交流信号分别叠加至相同的第二恒定电流信号上，对应产生所述二不同的第二交流信号给控制电路。其中，所述第二恒定电流信号为第一恒定电流信号的一半。相应地，所述感测信号较强，所述控制电路根据所述感测信号获得的感测结果较准。
[0082]对于本发明的电容式传感器:或者每个传感单元输出单一电流信号作为感测信号；或者每个传感单元输出差分信号作为感测信号；或者相邻的传感单元输出差分信号作为感测信号；其中，所述差分信号如为差分电流信号；更优选地，组成差分对管的晶体管输出的感测信号为放大的信号；相应地，具有所述电容式传感器的电容式传感装置的感测精度较高。
[0083]下面结合附图对电容式传感装置的电路结构、芯片组、电容式感测系统的电路结构、电容式传感装置的封装结构、电容式感测模组的组装结构、以及电子设备的结构等的各种实施方式进行描述。
[0084]电容式传感装置的电路结构
[0085]请参阅图1，图1为本发明电容式传感装置的第一实施方式的示意图。所述电容式传感装置I用于应用在一电子设备(图未示)中，执行感测操作。所述电子设备如为移动电话、平板电脑、电视、遥控装置、智能门锁、穿戴式设备等各种智能设备。所述电容式传感装置I包括控制电路11和电容式传感器13。所述控制电路11与所述电容式传感器13连接。所述控制电路11用于控制电