指纹感测系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及指纹感测系统并且涉及操作指纹传感器的方法。
【背景技术】
[0002]越来越多地使用各种类型的生物识别系统以提供提高的安全性和/或增强的用户便利性。
[0003]特别是，指纹感测系统由于其小的形状因素、高性能和用户接受度而在例如消费电子设备中被米用。
[0004]在各种可用的指纹感测原理(例如，电容式、光学、热等)之中，最经常使用的是电容式感测，特别在其中尺寸和功耗是重要问题的应用中。
[0005]所有电容式指纹传感器提供指示若干感测结构与放置在指纹传感器的表面上或者跨指纹传感器的表面移动的手指之间的电容的度量。
[0006]一些电容式指纹传感器被动地读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要相对较大的电容。因此这样的被动电容式传感器通常设置有覆盖感测结构的非常薄的保护层，这使这样的传感器对划痕和/或ESD (静电放电)相当敏感。
[0007]US 7 864 992公开了一种指纹感测系统，其中，通过脉动布置在传感器阵列附近的导电结构并且测量由传感器阵列中的感测结构携带的电荷的结果变化来将驱动信号注入手指。
[0008]虽然根据US 7 864 992的指纹感测系统提供了指纹图像质量和传感器保护的极好的组合，但是看起来存在用于改善“困难”手指特别对于干手指的空间。
【发明内容】
[0009]鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供改进的指纹感测系统，特别是提供对来自“困难”手指例如干手指的指纹的改进的感测。
[0010]根据本发明的第一方面，因此提供了一种指纹感测系统，该指纹感测系统包括:传感器阵列，该传感器阵列具有:多个感测结构，该多个感测结构均面向传感器阵列的表面并且被布置成电容耦合至触摸传感器阵列的表面的手指；以及读出电路装置，该读出电路装置可连接至感测结构中的每个感测结构以提供对由感测结构中的每个感测结构携带的电荷的变化进行指示的感测信号；以及电源电路装置，该电源电路装置被布置成给读出电路装置提供基本恒定的供电电压，该基本恒定的供电电压为高电势与低电势之间的差，其中，指纹感测系统以下述方式被配置:在基本保持供电电压的情况下，低电势和高电势可变；以及读出电路装置以下述方式可连接至感测结构中的每个感测结构:在基本保持供电电压的情况下低电势和高电势的变动导致由连接至读出电路装置的感测结构携带的电荷的变化，由感测结构携带的电荷的变化指示感测结构与手指之间的电容耦合。
[0011 ] 上述“低电势”在本文有时还被称为传感器阵列的参考电势。
[0012]应当注意，低电势和高电势是关于包括指纹感测系统的设备的参考电势时变的。这样的设备的参考电势可以被称为“设备地”，并且时变低电势可以被称为“传感器地”。根据本发明的各种实施方式，“传感器地”可以关于“设备地”改变。手指的电势至少在进行指纹获取的有关时间内一般可以在关于“设备地”的基本恒定的电平处。例如，用户的身体可以针对未连接至某全局参考电势(如主要地(main ground))的便携式设备实际地定义“设备地”。
[0013]读出电路装置可以例如以下述形式提供模拟感测信号:指示手指与包括在传感器阵列中的感测结构之间的电容耦合的电压电平。
[0014]然而，根据各种实施方式，读出电路装置可以包括用于将模拟信号转换成数字信号的电路装置，这样的电路装置可以包括例如至少一个采样保持电路和至少一个模数转换电路。
[0015]本发明基于以下认识:可以通过使传感器阵列的参考电势相对于手指的电势“摆动”而不是在保持传感器阵列的参考电势(传感器地)恒定的情况下迫使手指电势改变来获得改善的指纹感测性能。
[0016]本发明人还实现了:可以设计其中使传感器阵列的参考电势能够“摆动”的指纹感测系统，使得该指纹感测系统能够在没有给手指供应信号的导电结构的情况下以及在不减小保护层的厚度的情况下读出高质量指纹图像。
[0017]不存在导电结构(例如，传感器阵列周围的导电框架)简化了指纹传感器到各种设备例如移动电话和计算机中的集成。此外，可以使指纹传感器系统的设计较不显眼，并且可以改善包括指纹传感器系统的产品的加工。
[0018]此外，可以在下述应用中改善感测性能:其中用户的手的手指或其他部分接触产品的其中包括指纹感测系统的导电部分。由于在根据本发明的指纹感测系统的各种实施方式中，指纹感测不依赖于手指的变化电势，可以使手指能够通过这样的产品的导电部分而被接地(或者被至少重负载)。这样的应用的示例包括具有暴露的导电部分的移动电话。
[0019]当通过直接导电连接给手指提供激励信号，或者换言之电流驱动手指时，对于具有不同的电特征的手指而言，触摸传感器阵列的手指表面与传感器阵列中的感测结构之间的电势差会是不同的。例如，对于干手指而言，电势差异会较低，导致可能难以进行分析的“较弱”指纹图像。
[0020]在本发明的各种实施方式中，手指的电势可以被看作是基本恒定的而传感器阵列的参考电势相反地可以被改变。在这样的实施方式中，对于具有不同电特征的手指而言，触摸传感器阵列的手指表面与传感器阵列中的感测结构之间的电势差将反而是基本相同的。试验已验证这对于干手指将导致改善的指纹图像。
[0021]根据本发明的各种实施方式，电源电路装置可以被配置成提供第一时变电势作为低电势以及提供第二时变电势作为高电势。
[0022]以这样的方式，可以将激励信号提供给传感器阵列而不是手指。由于电源电路装置可以相应地脉动传感器阵列的参考电势(“可变的传感器地”)，因此，激励信号的幅度不限于到传感器阵列的供电电压，而可以相当高。这将使得能够使用覆盖感测结构的较厚的保护涂层和/或使得能够使用新材料，这提供了更加鲁棒并且可能更加视觉上吸引人的指纹传感器。
[0023]在一些实施方式中，可以将激励信号提供给传感器阵列和手指两者或者仅提供给手指。例如，可以使用在传感器阵列外部的手指激励结构和/或使用当前未进行感测的感测结构来将激励信号提供给手指。
[0024]根据各种实施方式，读出电路装置能够控制以:以下述方式连接至第一组感测结构:低电势和高电势的变动导致第一组中的每个感测结构的电势的变动，并且读出电路装置提供对由第一组中的每个感测结构携带的电荷的变化进行指示的信号；以及以下述方式连接至不同于第一组感测结构的第二组感测结构:低电势和高电势的变动导致第二组中的每个感测结构的电势的变动。
[0025]据此，可以减少正进行感测的传感器元件与未进行感测的传感器元件之间的不想要的耦合的出现。这提供了由指纹感测系统进行的指纹感测的改进的质量。这在以下情况下特别如此:当感测传感器元件和非感测传感器元件被布置成彼此相邻时，换言之，当第二组中的感测结构被布置成与第一组中的感测结构相邻时。
[0026]有利地，第一组中的每个感测结构的电势的变动和第二组中的每个感测结构的电势的变动可以是基本相等的。
[0027]此外，指纹感测系统可以有利地包括驱动电路装置，该驱动电路装置可连接至感测结构中的每个感测结构并且可控制以改变连接至驱动电路装置的感测结构的电势。这样的驱动电路装置可以用于将上述激励信号提供给手指。驱动电路装置还可以用于减小由于传感器阵列的参考电势的变动而产生的对手指的不想要的激励。
[0028]因此，在本发明的各种实施方式中，读出电路装置可以被配置成提供对由第一感测结构携带的电荷的变化进行指示的感测信号；并且驱动电路装置可以被配置成给第二感测结构提供时变驱动信号，驱动信号使得第二感测结构的电势是恒定的或者随着时间的推移以第二感测结构的电势的峰峰幅度小于第一感测结构的电势的峰峰幅度而改变。
[0029]为了获得该效果，驱动电路装置可以例如被配置成使用驱动信号驱动第二感测结构，该驱动信号基本上与传感器阵列的参考电势的变动反相。在其中传感器阵列的参考电势的变动具有大于到传感器阵列的供电电压的峰峰幅度的实施方式中，驱动电路装置不能够使用驱动信号来完全补偿参考电势的变动。然而，还在这样的实施方式中，可以大幅度地减小对手指的不想要的激励(电容式驱动)。
[0030]应当注意的是读出电路装置和驱动电路装置可以有利地被组合成在感测状态与驱动状态之间可以是可控制的像素电路装置。
[0031 ] 驱动电路装置可以有利地被配置成将时变驱动信号同时提供给多个感测结构。例如，可以将时变驱动信号提供给除了当前进行感测的第一感测结构和周围感测结构以外的所有感测结构。
[0032]在根据本发明的指纹感测系统的实施方式中，电源电路装置可以包括恒定的电压源，该恒定的电压源被配置成提供基本恒定的供电电压并且专用于给传感器阵列供应电力。
[0033]可替代地，电源电路装置可以包括隔离电路装置，该隔离电路装置具有用于连接至电压源的输入侧和连接至传感器阵列的输出侧，隔离电路装置被配置成防止电流从输出侧流到输入侧，由此以使在输出侧上的输出电势不同于在输入侧上的输入电势。
[0034]隔离电路装置可以例如包括布置在电压源与传感器阵列之间的至少一个二极管，借此可以在二极管的不同的侧上获得不同的电势。
[0035]在一个实施方式中，隔离电路装置可以被配置成在电压源与读出电路装置之间提供电力隔呙。
[0036]对于本领域的技术人员而言，这样的提供电流隔离的隔离电路装置是公知的，可以例如包括光耦合器、或者基于一个或更多个(微型)线圈和/或一个或更多个电容器的电路装置。
[0037]根据各种实施方式，指纹感测系统还可以包括处理电路装置，该处理电路装置经由通信接口连接至传感器阵列以从传感器阵列获取指纹数据。
[0038]指纹数据可以是原始指纹图像数据，或者数据可能已被处理并且然后可以以经调节的图像数据的形式提供为指纹模板数据或者以任何其他形式提供。
[0039]通?目接口可以是任何合适的通?目接口，其可以