包括参考感测元件的指纹感测系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种确定指纹图案的表示的方法。该方法包括以下步骤：捕获指示具有摩擦嵴的手表面与延伸跨过多个摩擦嵴的参考感测结构之间的电耦合的参考信号；以及基于参考信号以及手指与多个感测元件中的每个感测元件之间的电容耦合来确定指纹图案的表示。当信号品质良好时，所捕获的参考信号可以例如用于控制感测元件以使得使用有利定时来实现由感测元件所执行的感测。可替代地或结合地，所捕获的参考信号可以用于后处理，通过该后处理，由感测元件所获得的信号/信号值根据参考信号的相应值而被修改。
【专利说明】
包括参考感测元件的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，并且涉及确定指纹图案的表示的方法。
【背景技术】
[0002]各种类型的生物识别系统被越来越多地使用以提供增加的安全性和/或增强的用户便利性。
[0003]特别地，指纹感测系统已经被用在例如消费电子设备中，这是由于指纹感测系统的小的形状因子、高的性能和用户接受度。
[0004]在各种可用的指纹感测原理(诸如电容的、光学的、热的等)之中，电容感测是最常用的，特别是在尺寸和功耗是重要问题的应用中。
[0005]所有的电容指纹传感器提供指示若干个感测结构与放置于指纹传感器的表面上或移动通过指纹传感器的表面的手指之间的电容的测量值。
[0006]—些电容指纹传感器被动地读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要相对大的电容。因此，这种被动电容传感器通常设置有覆盖感测结构的很薄的保护层，这使得这样的传感器对划伤和/Sesd (静电放电)相当敏感。
[0007]US 7，864，992公开了一种指纹感测系统，在该指纹感测系统中，通过对布置在传感器阵列附近的导电结构施加脉冲来将驱动信号注入到手指中并且测量由此产生的由传感器阵列中的感测结构所携带的电荷的变化。
[0008]尽管根据US7，864，992的指纹感测系统提供了指纹图像品质和传感器保护的极佳组合，然而仍存在针对“困难的”手指特别是干手指的改进的空间。
【发明内容】
[0009]鉴于现有技术的前述缺点和其他缺点，本发明的目的是提供一种改进的指纹感测系统，特别是提供对来自“困难的”手指如干手指的指纹的改进的感测。此外，本发明人已经发现诸如源于开关式电源设备的共模噪声的高频分量的干扰可能影响指纹感测系统的指纹感测性能。因此，鉴于至少一些类型的电气干扰，另外的目的是提供一种更鲁棒的指纹感测。
[0010]根据本发明的第一方面，因此提供了一种使用指纹传感器来确定手指的指纹图案的表示的方法，指纹传感器包括多个感测元件，该方法包括以下步骤:捕获指示在具有摩擦嵴的手表面与参考感测结构之间的电耦合的参考信号，该参考感测结构被配置成使得:该参考感测结构的至少一部分面向摩擦嵴中的一个；以及基于参考信号以及手指与感测元件中的每个感测元件之间的电容耦合来确定指纹图案的表示。
[0011]参考感测结构可以是下述的任何结构:该结构被布置成电耦接至具有摩擦嵴的手表面诸如手指表面或者手掌表面并且该结构被配置成使得不管手如何精确放置，参考感测结构的至少一部分面向手表面的摩擦嵴中的一个。这可以例如通过将参考感测结构配置为足够大以覆盖手表面的多个摩擦嵴的整体结构来实现。可替代地，参考感测结构可以是包含多个子结构的分布式结构，所述多个子结构被随机地布置或被布置成图案以便确保不管手表面的位置如何子结构中的至少一个将面向手表面的摩擦嵴中的一个。这可以通过选择足够大的数目的子结构和/或选择与摩擦嵴的典型尺寸有关的适当的间距来确保。在这个上下文中，应当注意的是，成人的相邻摩擦嵴之间的典型距离是大约200-300μπι。
[0012]在本发明的实施例中，如果已经确定感测结构被布置成使得可以捕获指示在手指与感测结构之间的电容耦合的信号，则参考感测结构可以是包括在单个感测元件中的该特定感测结构(诸如金属板)。
[0013]“面向”摩擦嵴应当被理解为:被布置成与摩擦嵴相对，该摩擦嵴被布置成与参考感测结构或覆盖参考感测结构的介电层相接触。
[0014]参考感测结构可以包括在指纹传感器部件中，或者可以被提供在指纹传感器部件之外。
[0015]指纹图案的表示可以例如是原始指纹图像数据，或者数据可能已经被处理并且然后可以以条件性图像数据的形式或以任何其他形式被提供为指纹模板数据。
[0016]本发明是基于以下认识:被配置成面向至少一个摩擦嵴的参考感测结构可以用于获得对手指表面上的信号的品质的可靠指示。
[0017]例如，参考感测结构可以有利地延伸跨过多个摩擦嵴，通过上述布置，信号变成一种针对手指表面的平均信号，该平均信号指示手指条件(干或湿)和/或被提供至手指的激励信号的品质。
[0018]当信号品质良好时，所捕获的参考信号可以例如用于控制感测元件以使得使用有利定时来实现由感测元件所执行的感测。可替代地或组合地，所捕获的参考信号可以用于后处理，通过该后处理，由感测元件所得到的信号/信号值根据参考信号的相应值而被修改。
[0019]因此，本发明的实施例提供了一种特别是在困难的测量条件下的对指纹图案的改进的确定。这种困难的测量条件可以例如由特别干/湿的手指和/或外部干扰诸如共模噪声而产生。
[0020]根据本发明的各种实施例，确定的步骤可以包括以下步骤:使用取决于参考信号的捕获设置来捕获指示手指与感测元件中的每个感测元件之间的电容耦合的像素信号；以及基于像素信号来确定指纹图案的表示。
[0021]术语“捕获设置”应当被理解为:当捕获像素信号时一一包括特别是在捕获来自不同感测元件的像素信号时一一所使用的任何参数或参数的集合。
[0022]在这些实施例中，对像素信号的捕获可以发生在信号条件有利时和/或该捕获可以以下述方式来实现:使得以有利的方式使用感测元件的动态范围。例如，可以对一个或若干个感测元件进行控制以当参考信号弱时使用相对长的时间用于捕获并且当参考信号强时使用相对短的时间用于捕获。
[0023]在各种实施例中，捕获像素信号的步骤可以包括以下步骤:在采样时刻处对参考信号进行采样以产生参考信号值;在采样时刻处对来自感测元件中的至少一个感测元件的至少一个像素信号进行采样以产生至少一个像素信号值；以及如果参考信号值在参考信号值范围之外，则在稍后的采样时刻处对至少一个像素信号进行重新采样。
[0024]在这些实施例中，每个采样的参考信号值被用作对在相同采样时刻处所采样的一个或多个像素信号值的品质的指示。如果信号捕获条件在某个采样时刻处例如由于高频共模噪声而是不利的，则可以将在该采样时刻处所采样的任何像素信号值丢弃并且可以对相关感测元件进行重新采样。
[0025]根据影响手表面与参考结构之间的电位差的干扰信号如共模噪声，在给定捕获时刻处参考信号值可以低于或高于针对无高频干扰分量的情况所期望的参考信号值。
[0026]例如，可以使用第一样本与第二样本之间的差即所谓的相关双采样来有利地确定参考信号值和像素信号值。在这种情况下，发生在第一样本与第二样本之间的高频干扰信号可以产生非常低的信号值或非常高的信号值。在任一种情况下，所产生的像素信号值将不会准确地反映电容耦合，并且因此不会准确地反映感测元件与手指表面之间的距离。
[0027]因此，参考信号值范围可以有利地被确定大小为使得:对在期望的像素信号值之外的像素信号值进行重新采样。例如，参考信号值范围可以与不同手指条件以及无高频分量/无干扰的共模噪声的已知范围相对应。
[0028]为了降低能量消耗，可以阻止将丢弃的样本继续从模拟形式转换成数字形式。
[0029]因此，方法还可以包括以下步骤:仅当参考信号值在参考信号值范围之内时，将至少一个像素信号值从模拟的转换成数字的。
[0030]可替代地或组合地，仅当参考信号值在参考信号值范围之内时，对采样的像素信号值的任何其他的或另外的继续处理才可以被允许。
[0031]此外，根据各种实施例，捕获像素信号的步骤可以包括以下步骤:在一系列采样时刻处对参考信号进行采样以产生一系列参考信号值；以及在一系列采样时刻处对像素信号进行采样以产生一系列像素信号值，其中，指纹图案的表示是基于一系列参考信号值和一系列像素信号值来确定的。
[0032]在不具有影响对像素信号的捕获的干扰的情况下，或者如果干扰不具有任何高频分量，则在一系列参考信号值中的所有参考信号值应当基本上相同。然而，如果存在高频干扰，则采样可以与手指电位的快速变化一致，以产生一个或若干个不准确的像素信号值。然而，一系列参考信号值可以用于对该不准确进行补偿。
[0033]考虑特定采样时刻。如果在该采样时刻处所采样的参考信号低于平均值，则可以将在该采样时刻处所采样的一个或多个像素信号值修改为较高的值，以及如果在该采样时刻处所采样的参考信号高于平均值，则可以将在该采样时刻所采样的一个或多个像素信号值修改为较低的值。
[0034]因此，方法还可以有利地包括以下步骤:使用一系列参考信号值来修改一系列像素信号值以提供经修改的一系列像素信号值，其中，指纹图案的表示是基于经修改的一系列像素信号值来确定的。
[0035]因此，由在给定采样时刻处对参考信号的采样所产生的参考信号值可以有利地用来修改由在相同的给定采样时刻处对来自特定感测元件的像素信号的采样所产生的像素信号值。
[0036]此外，可以由参考感测结构来提供在给定采样时刻处所采样的参考信号，该参考感测结构包括多个包含上述特定感测元件的感测结构。
[0037]可以对模拟信号或数字信号实现该修改或后处理，并且可以在指纹传感器部件上或在指纹传感器部件之外诸如在移动电话或计算机等中的主处理器中执行该修改或后处理。
[0038]另外，根据本发明的各种实施例的方法还可以包括以下步骤:将时变电位的形式的激励信号提供至手指。对参考信号和像素信号的任何采样可以与该激励信号同步。在一些实施例中，激励信号可以具有给定的频率，以及在其他实施例中，激励信号能够被控制成在当干扰低(这可以使用参考感测结构来监视)时提供正侧面(flank)或负侧面。
[0039]作为提供激励信号的替代或补充，干扰信号中的适当的侧面可以被用作激励信号。
[0040]根据本发明的各种实施例，捕获的步骤可以包括以下步骤:对参考信号进行评估；以及使用取决于对参考信号的评估的采样定时对来自感测元件中的每个感测元件的像素信号进行采样。
[0041]在这些实施例中，可以使采样本身取决于参考信号与手表面之间的耦合。如果参考感测结构与手表面之间的电(通常是电容)耦合较强，则参考信号与在耦合较弱时相比将更快地达到给定参考信号值。根据本发明的本实施例，该现象用于决定对来自感测元件的像素信号进行采样的定时以便对像素信号值进行标准化。这将提供对指纹感测系统中的感测元件和读出电路的动态范围的改进的使用。
[0042]此外，采样的步骤可以有利地包括以下步骤:在第一采样时刻处执行第一采样；以及在比第一采样时刻迟的第二采样时刻处执行第二采样，并且第一采样时刻与第二采样时刻之间的时段可以基于参考信号来确定。
[0043]根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定手指的指纹图案的表示的指纹感测系统，该指纹感测系统包括:多个感测元件，每个感测元件均被配置成电容耦接至被布置成邻近感测元件的手指;参考感测结构，该参考感测结构被配置成使得:当具有摩擦嵴的手表面被布置成邻近参考感测结构时，参考感测结构的至少一部分面向摩擦嵴中的一个;读出电路，该读出电路能够连接至参考感测结构并且该读出电路被配置成捕获指示手表面与参考感测结构之间的电耦合的参考信号；以及指纹确定电路，该指纹确定电路被配置成基于参考信号以及手指与感测元件中的每个感测元件之间的电容耦合来确定指纹图案的表示。
[0044]为了提供对不同潜在用户手指/手拓扑的平均，参考感测结构可以被有利地确定大小为延伸跨过多个摩擦嵴，例如，参考感测结构可以具有至少200μπι或甚至更有利地至少300μηι的横向延伸。
[0045]根据指纹感测系统的实施例，参考感测结构可以包括多个感测元件。
[0046]这样的感测元件可以有利地为能够互连的以充当单个导电结构。例如，读出电路能够被控制成对所选感测元件进行互连并且捕获来自那些所选感测元件的参考信号。
[0047]应当注意的是，参考感测结构不一定需要在位置和/或配置方面被固定，而是可以在不同时间处被不同地配置。例如，在多个感测元件被配置成一起形成参考感测结构的实施例中，在捕获上述的指纹图案的表示期间的不同时间处，参考感测结构可以由不同的组来形成。
[0048]有利地，来自包括给定感测结构的参考感测结构的参考信号可以用于对通过对来自该感测结构的像素信号进行采样所获得的像素值进行修改。
[0049]此外，根据本发明的实施例的指纹感测系统还可以包括评估电路，该评估电路能够连接至读出电路并且该评估电路被配置成对参考信号的至少一个性质进行评估;以及采样电路，该采样电路能够连接至评估电路和感测元件中的每个感测元件，该采样电路被配置成使用取决于对参考信号的评估的采样定时对来自感测元件中的每个感测元件的像素信号进行采样。
[0050]此外，指纹感测系统可以有利地包括驱动电路，该驱动电路被配置成将上述激励信号提供至手指。可以通过手指驱动结构将激励信号提供至手指。在各种实施例中，参考感测结构可以用作手指驱动结构。
[0051]根据各种实施例，指纹感测系统还可以包括通信接口，该通信接口用于将所确定的指纹图案的表示提供至另外的设备或系统。通信接口可以是可以作为并行接口或串行接口的任何适当的通信接口。适当的通信接口的一个示例可以是SPI接口(串行外设接口)。
[0052]此外，根据本发明的实施例的指纹感测系统可以包括在指纹验证装置中，该指纹验证装置包括在电子设备中。电子设备还可以包括处理电路，该处理电路被配置成:对指纹验证装置进行控制以实现对用户的指纹验证；以及仅在用户使用指纹验证装置通过验证时执行用户请求的至少一个处理。
[0053]本发明的其他实施例以及通过本发明的该第二方面所获得的效果很大程度上与以上针对本发明的第一方面所描述的那些类似。
[0054]总之，本发明涉及一种确定指纹图案的表示的方法。方法包括以下步骤:捕获指示具有摩擦嵴的手表面与延伸跨过多个摩擦嵴的参考感测结构之间的电耦合的参考信号；以及基于参考信号以及手指与多个感测元件中的每个感测元件之间的电容耦合来确定指纹图案的表示。当信号品质良好时，所捕获的参考信号可以例如用于控制感测元件以使得使用有利定时来实现由感测元件所执行的感测。可替代地或组合地，所捕获的参考信号可以用于后处理，通过该后处理，由感测元件所获得的信号/信号值根据参考信号的相应值而被修改。
【附图说明】
[0055]现在将参照示出本发明的示例实施例的附图来更加详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中:
[0056]图1示意性地示出了根据本发明的示例实施例的指纹感测系统的应用；
[0057]图2是来自开关式电源的共模噪声的代表图；
[0058]图3a示意性地示出了根据本发明的指纹感测系统的第一实施例；
[0059]图3b示意性地示出了根据本发明的指纹感测系统的第二实施例；
[0060]图4a至图4b是图3b中的指纹感测系统的示意性功能图，其中，以截面来示出指纹传感器部件和指纹嵴的部分；
[0061]图5是示意性地示出根据本发明的方法的第一实施例的流程图；
[0062 ]图6a至图6 c示意性地示出了图5中的方法的步骤；
[0063]图7是示意性地示出根据本发明的方法的第二实施例的流程图；
[0064]图8是示意性地示出根据本发明的方法的第三实施例的流程图；
[0065]图9a至图9c示意性地示出了图8中的方法的步骤；以及
[0066]图1Oa至图1Ob示意性地示出了包括在根据本发明的指纹感测系统的实施例中的感测元件的示例配置。
【具体实施方式】
[0067]在本详细描述中，参考其中参考感测结构包括在指纹传感器部件包中的指纹感测系统来主要讨论根据本发明的指纹感测系统和方法的各种实施例。
[0068]应当注意的是，这决不限制本发明的范围，本发明同样包括例如以下指纹感测系统:在该指纹感测系统中，参考感测结构被布置在期望与使用指纹感测系统的用户的手指或者手掌接触的单独的位置处。
[0069]图1示意性地示出了根据本发明的实施例的具有集成指纹感测系统2的移动电话I的形式的针对指纹感测系统的示例应用。该指纹感测系统2可以例如用于对移动电话I进行解锁和/或对使用移动电话等实现的交易进行授权。
[0070]如图1所示，正在使用连接至AC电源插座4的充电器3对移动电话I进行充电。
[0071]对电话的充电可能引入共模噪声(CMN)，共模噪声使得移动电话I跟随共模噪声的电位，g卩，移动电话I将在电力上“上下弹跳”。
[0072]从移动电话I的角度而言，共模噪声将使用户面临电噪声。这可能影响依赖于对移动电话I与用户之间的电位差的评估的对移动电话I的使用。这样的使用包括例如对电容触摸屏的使用和对指纹感测系统2的使用。
[0073]图2是来自图1中的充电器3的共模噪声的代表图。如在图2中可以看出的，共模噪声具有低频分量(取决于AC电力频率的50/60HZ)和高频开关模式分量(图2的放大部分)，其中，低频分量具有相对高的幅度，高频开关模式分量具有较低的幅度。特别地，共模噪声的高频分量可以引起指纹感测系统的问题。在下文中，将描述本发明的各种实施例如何至少部分缓解这样的问题。
[0074]首先，将参照图3a至图3b来描述根据本发明的指纹系统的两个实施例:一个是基于接触式传感器的系统并且一个是基于刮擦式传感器的系统。
[0075]图3a示意性地示出了封装的接触式传感器部件9的形式的基于接触式传感器的指纹感测系统，封装的接触式部件9包括传感器阵列10和用于将激励信号提供至用户手指的导电边框或导电框架11。尽管未在图3a中明确示出，但是传感器部件9还包括电源接口和通信接口。
[0076]传感器阵列10包括大量的感测元件12(使用附图标记指示了感测元件中的仅一个以避免使附图凌乱)，每个感测元件能够被控制成感测包括在感测元件12中的感测结构(顶板)和与传感器阵列10的上表面接触的手指表面之间的距离。在图3a中的传感器阵列10的放大部分中，将感测元件的第一组13标记为感测“S”并且将感测元件的第二组14标记为“R”。第二组14中的感测元件一起形成具有足够大的横向延伸以延伸跨过用户手指的若干个摩擦嵴的参考感测结构。例如，传感器阵列1的间距可以是每英寸500个感测元件，这意指图3a中的示例性参考感测结构14的宽度是大约0.6mm。
[0077]图3b示意性地示出了封装的刮擦式传感器部件19的形式的基于刮擦式传感器的指纹感测系统，封装的刮擦式传感器部件19包括传感器阵列20和用于将激励信号提供至用户手指的导电条21a至21b。尽管未在图3b中明确示出，但是传感器部件19还包括电源接口和通信接口。
[0078]传感器阵列20包括一行或者若干行的感测元件12(使用附图标记指示了感测元件中的仅一个以避免使附图凌乱)，每个感测元件能够被控制成感测在包括在感测元件12中的感测结构(顶板)和与传感器阵列20的上表面接触的手指表面之间的距离。在图3b中的传感器部件19的放大部分中，将感测元件的组23标记为感测“S”。传感器部件19还包括被布置在导电条21a与传感器阵列20之间的单独的参考感测结构25。与以上针对接触式传感器部件9所描述的相比，图3b中的刮擦式传感器部件19的参考感测结构25因此并不是由传感器阵列中的感测元件的组来形成。然而，功能相同并且尺寸可以相似。
[0079]图3a至图3b中的指纹传感器部件9、19可以有利地使用CMOS技术来制造，然而其他技术和处理可能也是可行的。例如，可以针对制造过程中的一些或者全部处理步骤来使用绝缘基板和/或利用薄膜技术。
[0080]现在将参照图4a至图4b来更加详细地描述图3b中的指纹感测系统19的功能配置，在图4a和图4b中，手指29正在触摸指纹传感器部件19的表面。
[0081]为了帮助读者理解，图4a至图4b中的每个图是示意性截面图与功能性框图的混合。图4a是沿图3b中的感测元件的行穿过感测元件12的示意性截面，以及图4b是沿图3b中的参考感测元件25并且穿过图3b中的参考感测元件25的示意性截面。
[0082]首先参照图4a，包括多个摩擦嵴30a至30c的指纹表面与介电层32的上表面31接触，介电层32保护感测结构33(使用附图标记指示了感测元件中的仅一个以避免使附图凌乱)。
[0083]连接至感测结构33中的每个感测结构的是相应感测元件电路34。如图4a中所示，每个感测元件电路34具有用于提供指示相应感测结构33与手指29之间的电容耦合的像素信号Spixel的输出端35。电容耦合是对传感器19的上表面31与手指表面之间的距离的指示。
[0084]应当注意的是，结合图4a所提供的描述主要意在描述图3b中的指纹传感器部件19的基本配置以及在感测结构33尺寸与手指29的摩擦嵴30a至30c之间的示例关系，并未详细描述每个传感器元件/像素的精确电路和/或物理布局。
[0085]如技术人员将理解的，许多不同的电路布局和/或物理布局将在本发明的范围之内。在US 7，864，992——其全部内容通过引用合并到本文中——中提供了适当的像素布局的一个示例。下面将参照图1Oa至图1Ob进一步描述一个示例感测元件配置。
[0086]现在参照图4b，参考感测元件25被与图4a中的感测结构33相同的介电保护层32所覆盖。如图4b中示意性示出的，参考感测结构25连接至参考感测电路37，该参考感测电路37被配置成在其输出端38处提供指示由参考感测结构25所携带的电荷的变化的参考信号Srrf。电荷的变化又指示在参考感测结构25与手指29之间的电容耦合。
[0087]由于当用户将他/她的手指放置在(将他/她的手指擦过)指纹传感器部件19之上时，若干个摩擦嵴30a至30c变得被布置成邻近参考感测结构25，所以参考信号Sref指示参考感测结构25与手指29之间的平均电容耦合。因此，参考信号Sref可以有利地被用作瞬时信号捕获条件的指示符，瞬时信号捕获条件包括手指(湿/干)的电气性质和干扰的水平，该干扰可以例如是由以上参照图2所描述的共模噪声所引起的。
[0088]现在将参照图5中的流程图和图6a至图6c中的代表图来描述根据本发明的方法的第一实施例。在第一步骤101中，在第η个米样时刻tn处对参考信号Sraf和像素信号SpiXf3I进行采样以提供参考信号的第η个样本Sref,n(参考信号值)和像素信号的第η个样本Spixel,n(像素信号值)。可以有利地使用所谓的相关双采样来捕获各个样本，其可以用于去除共模噪声(见图2)的低频分量的任何影响。相关双采样本身是技术人员所公知的，在上述文档US 7，864，992中详细描述了来自电容指纹传感器的感测元件的相关双采样。
[0089]现在参照图6a至图6c，将描述如在第一步骤101中实现的示例性采样。图6a是例如使用图3a中的导电边框11或图3b中的导电条21a至21b而被提供至用户手指29的激励信号TX的示例，图6b示出了用户手指29的电位，以及图6c示出了参考信号Sref。
[0090]还在图6a至图6c中指示的是用于相关双采样的第一采样时刻仏()和第二采样时刻tn, I以及参考信号Sref的相应样本Sref, η, O和Sref, η, I。
[0091]由于以上参照图2所描述的共模噪声(CMN)，用户手指29的电位将出现如图6b中示意性示出的噪声。
[0092]由于CMN的高频分量的快速电位变化，手指电位可以在用于相关双采样的第一采样时刻to与第二采样时刻^之间大幅改变，这可以产生与无高频CMN(或其他相应干扰)的情况的参考信号值相比而强得多或弱得多(在这种情况下是更强的)的参考信号值Srrf,n。
[0093]返回至图5中的流程图，在步骤102中将采样的参考信号值Sref,n与由第一较低阈值Sth,工和第二较高阈值Sth,2所定义的预定参考信号值范围进行比较。
[0094]对于图6a至图6c中所说明的示例性情况，如果采样的参考信号值Sref,n在参考信号值范围之外，则方法进行至步骤103中的丢弃与评估的参考信号值Srrf,n同时捕获的像素信
直 Spixel, η O
[0095]随后，该方法进行至步骤104中的对样本计数器增加以及返回至第一步骤101以在稍后的采样时刻处对参考信号Srrf和来自相同感测元件33的像素信号Spixe3l进行重新采样。
[0096]如果在新的采样时刻处CMN情况更加有利，则在步骤102中参考信号值Srrf,η作为替代可以被确定为在参考信号值范围之内，并且方法作为替代进行至步骤105中的对像素信号值Spixei, η进行A/D转换和输出。
[0097]此后在步骤106中确定是否已经从所有感测元件33中捕获了像素信号值。如果情况并非如此，则方法进行至步骤104以对样本计数器增加并且此后返回至第一步骤101。如果已经捕获了所有像素信号值Spixel,η，则指纹捕获过程已经完成。
[0098]现在将参照图7中的流程图来描述根据本发明的方法的第二实施例。
[0099]根据本发明的方法的该第二实施例与上述第一实施例的区别主要在于:基于相应参考信号值Srrf, η来实现对像素信号值Spixel, η的后处理。
[0100]因此，在第一步骤201中，在采样时刻。至切处对一系列参考信号值Sref,η和相应的一系列像素信号值Spixel,η进行采样。可以如以上参照图5和图6a至图6c所描述来实现对每个参考信号值/像素信号值的采样。
[0101]在下一步骤202中，基于一系列像素信号值Spixe3l,n和相应的一系列参考信号值Sref, η来确定一系列经修改的像素信号值。
[0102]由于使用参考感测结构(图3a中的14和图3b中的25)所获得的平均，参考信号值Sref,?可以用于修改在相同捕获时刻1处所捕获的像素信号值Spixei,n。例如，在图6a至图6c所示出的情况下，参考信号值Sref,?已经被图6b中的CMN影响成比在无CMN或仅具有低频CMN的情况下参考信号值应当具有的值更高。因此，参考信号值Srrf,n可以用于将在相同捕获时亥^处所捕获的像素信号值Spixel,n减小为经修改的像素信号值，以补偿图6b中的CMN的影响。
[0103]最后，现在将参照图8中的流程图以及图9a至图9c中的代表图来描述根据本发明的方法的第三实施例。
[0104]图8中的流程图涉及对单个像素信号值的捕获(或者对来自若干个感测元件的像素信号的同时捕获)。
[0105]在第一步骤301中，在第一采样时刻tn,ο处对像素信号Spixe3l进行采样以产生第一样本Spixe3l,η,O。随后，在步骤302中，在第二采样时刻tn>1处对像素信号进行采样以产生第二样本Spixe3^1。并非在第一采样时刻与第二采样时刻之间存在固定时间差，而是第二采样时刻取决于参考信号Srrf的值。
[0106]特别地，将参考信号Sref与阈值Sref,th进行比较，并且当参考信号达到阈值时，得到像素信号的第二样本。
[0107]这在图9a至图9c示意性地示出，其中，图9a是例如使用图3a中的导电边框11或图3b中的导电条21a至21b而被提供至用户手指29的激励信号TX的示例，图9b示出了参考信号Sref，以及图9C示出了像素信号SpixeI。
[0108]还在图9a至图9c中指示的是用于相关双采样的第一采样时刻仏()和第二采样时刻tn,l、用于参考信号Srrf的阈值Srrf,th以及像素信号值Spixe3l,n。
[0109]如在图9c中可以看出的，在第一采样时刻U,ο处得到像素信号的第一样本Spixei,η,O。如图9b中所示，当参考信号Sref已经达到阈值Sref,th时，得到像素信号SpixeI的第二
^^^I^Spixel, η, I ο
[0110]在步骤303中，然后通过得到像素信号的第一样本与第二样本之间的差来确定像素{曰可值Spixel, η ο
[0111]在上述实施例中，已经描述了每次对来自一个感测元件的像素信号的一般捕获。然而，应当注意的是，可以有利地同时捕获来自若干个感测元件的像素信号。
[0112]现在将参照图1Oa至图1Ob来描述包括在图3a至图3b中的指纹传感器9、19中的感测元件12的示例配置。
[0113]如在图1Oa中可以看出的，感测元件12形成为层结构，该层结构包括以下三个导电层:在顶部的导电层M3、在中间的导电层M2以及下导电层Ml，在各个导电层M3、M2和Ml的下方具有绝缘介电材料的第一层51、第二层52和第三层53。导电层的材料的示例通常是铜、铝和掺杂的多晶硅。用于绝缘层的材料的示例通常是Si02、SiN、SiN0x和旋转涂布式玻璃。
[0114]此外，用于形成感测元件12的分层结构可以包括由导电层构成的第四层P2(第二多晶硅)，该第四层P2被保持在一定模拟电压电位AVdd处。另外，存在也由导电层构成的第五层Pl(第一多晶硅)，该第五层Pl被保持在地电位处以充当电屏蔽。在这些层P2、P1中的每个层的下方，存在绝缘介电材料的第四层63和第五层64。在底部，存在包括有源部件诸如电荷放大器54的半导体基板层D1。导电层P2、P1和上述的下导电层Ml可以例如用于对电气连接、电阻器和电屏蔽进行布线。导电层P2、P1中的一者也可以用于代替第二金属层M2来形成每个感测元件12的下电极55。
[0115]图1Oa中所示的感测元件12包括在顶部的导电层M3中形成的感测结构33。感测结构33连接至感测元件电路34，感测元件电路34包括电荷放大器54、下电极55、复位开关56和采样保持电路65。
[0116]如在图1Oa中可以看出的，感测结构33连接至电荷放大器54的负输入端子58。电荷放大器54的正输入端子59连接至地。因此，借助于电荷放大器54，相应感测结构33是虚拟接地的，这是由于在电荷放大器54的输入端子58、59上的电压几乎为零。
[0117]又如在图1Ob中可以看出的，每个感测结构33被在顶部的导电层M3中形成的屏蔽框60所包围，其中，屏蔽框60作为导电屏蔽被连接至地电位以防止相邻感测结构33之间的横向寄生电容，从而防止感测元件21之间的所谓的串扰。屏蔽框60还可以连接至其他适当的受控电压电位。
[0118]另外，再次参照图10a，存在覆盖感测结构33中的每个感测结构的保护介电层32以保护感测元件12免受ESD(静电放电)和外部磨损的损害。进入保护层32的上表面附近的手指29在手指29与感测结构33之间产生电容Cfinger。
[0119]如图1 Oa中可以看出的，包括在感测元件电路34中的下电极55形成在中间导电层M2中。下电极55连接至电荷放大器54的输出端子61。存在形成在感测结构33与每个下电极55之间的反馈电容Cref，该反馈电容Cref连接在电荷放大器54的负输入端子58和输出端子61之间。
[0120]与下电极55相邻的辅助下电极55a也形成在中间导电层M2中。辅助下电极55a连接至地并且被用作另外的屏蔽，这是由于与感测结构33相比，下电极55通常具有较小的面积。
[0121]下电极55可以被配置成实现传感器元件电路34的期望增益。特别地，可以适当地选择下电极55的尺寸，这是由于增益取决于反馈电容Crrf，而反馈电容Crrf又取决于感测结构33、下电极55以及第一绝缘层51的物理尺寸。可以调整辅助下电极55a的尺寸以便安装在下电极55的旁边。
[0122]如上所述，可以将激励信号TX(参见例如图6a至6c以及图9a至9c)提供至手指29。将激励信号TX提供至手指29引起由感测结构33(以及在提供有单独的参考感测结构25的实施例中的参考感测结构25)所携带的电荷的变化。
[0123]由感测结构33所携带的电荷的变化和皮肤与感测结构33之间的电容Cfinger成比例。由于感测结构33是虚拟接地的，所以它的电荷由电荷放大器54传输至下电极55。然后可以将由电荷放大器54输出的电压计算为:
[0124]Uout= ( Cf inger/Cref) Uin
[0125]由采样保持电路65优选地使用如上进一步描述的相关双采样来对输出电压Ucmt进行采样以去除共模噪声的低频分量。
[0126]采样保持电路65由控制信号控制并且将指示感测结构33与手指29之间的电容耦合的像素信号Spixel输出给模拟至数字转换器(未示出)。
[0127]根据本发明的实施例，可以基于由参考感测电路捕获的参考信号来控制采样保持电路65、模拟至数字转换和/或(模拟或数字)像素信号的任何后处理。例如，采样保持电路65的控制信号Ctrl可以取决于由参考感测电路捕获的信号的幅度的瞬时值。可替代地，可以存在被布置在采样保持电路65与模拟至数字转换器之间的开关电路，并且可以基于来自参考感测电路的参考信号来控制开关电路。如果参考信号具有低于或高于预定范围的幅度，则可以阻止像素信号Spixel到达模拟至数字转换器。
[0128]参考感测元件(包括参考感测结构和参考感测电路)的基本配置可以有利地与下面针对感测元件12所描述的基本上相同。取决于参考感测结构的尺寸，可以将下电极配置成提供适当的信号强度。如以上进一步所述，若干个感测结构33可以用于一起形成参考感测结构。这可以例如通过合并与所选感测结构对应的输出信号来实现，或通过提供用于对所选感测结构33进行互连和对所选下电极55进行互连的可控开关电路来实现。
[0129]本领域技术人员认识到本发明绝不限制于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内的许多修改和变型是可能的。
[0130]在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除复数。单个处理器或者其他单元可以实现权利要求中所记载的若干个项的功能。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的纯事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以存储在/分布在适当的介质上，诸如光学存储介质或者与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统来分布。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
【主权项】
1.一种使用指纹传感器来确定手指的指纹图案的表示的方法，所述指纹传感器包括:多个感测元件，每个感测元件包括感测结构和连接至所述感测结构的感测元件电路，所述感测元件电路具有用于提供指示所述感测结构与所述手指之间的电容耦合的像素信号的输出端， 其中，所述方法包括以下步骤: 捕获指示具有摩擦嵴的手表面与参考感测结构之间的电耦合的参考信号，所述参考感测结构被配置成使得:所述参考感测结构的至少一部分面向所述摩擦嵴中的一个;以及基于所述参考信号以及所述手指与所述感测元件中的每个感测元件之间的电容耦合来确定所述指纹图案的表示。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考感测结构被配置成延伸跨过多个所述摩擦嵴。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述确定的步骤包括以下步骤: 使用取决于所述参考信号的捕获设置来捕获指示所述手指与所述感测元件中的每个感测元件之间的所述电容耦合的像素信号；以及基于所述像素信号来确定所述指纹图案的表示。4.根据权利要求3所述的方法，其中，捕获所述像素信号的步骤包括以下步骤: 在采样时刻处对所述参考信号进行采样以产生参考信号值； 在所述采样时刻处对来自所述感测元件中的至少一个感测元件的至少一个像素信号进行采样以产生至少一个像素信号值;以及 如果所述参考信号值在参考信号值范围之外，则在稍后的采样时刻处对所述至少一个像素信号进行重新采样。5.根据权利要求4所述的方法，其中，还包括以下步骤: 如果所述参考信号值在所述参考信号值范围之内，则将所述至少一个像素信号值从模拟的转换成数字的。6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，捕获所述像素信号的步骤包括以下步骤: 在一系列采样时刻处对所述参考信号进行采样以产生一系列参考信号值；以及 在所述一系列采样时刻处对所述像素信号进行采样以产生一系列像素信号值， 其中，所述指纹图案的所述表示是基于所述一系列参考信号值和所述一系列像素信号值来确定的。7.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤: 使用所述一系列参考信号值来修改所述一系列像素信号值以提供经修改的一系列像素信号值， 其中，所述指纹图案的所述表示是基于所述经修改的一系列像素信号值来确定的。8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述捕获的步骤包括以下步骤: 对所述参考信号进行评估；以及 使用取决于对所述参考信号的评估的采样定时对来自所述感测元件中的每个感测元件的像素信号进行采样。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述评估的步骤包括以下步骤: 将所述参考信号与阈值进行比较， 其中，所述采样定时基于所述比较。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述采样的步骤包括以下步骤: 在第一采样时刻处执行第一采样；以及 在比所述第一采样时刻迟的第二采样时刻处执行第二采样， 其中，所述第一采样时刻与所述第二采样时刻之间的时段是基于所述参考信号来确定的。11.一种用于确定手指的指纹图案的表示的指纹感测系统，所述指纹感测系统包括: 多个感测元件，每个感测元件包括感测结构和连接至所述感测结构的感测元件电路，所述感测元件电路具有用于提供指示所述感测结构与所述手指之间的电容耦合的像素信号的输出端； 参考感测结构，所述参考感测结构被配置成使得:当具有所述摩擦嵴的手表面被布置成邻近所述参考感测结构时，所述参考感测结构的至少一部分面向所述摩擦嵴中的一个；读出电路，所述读出电路能够连接至所述参考感测结构并且所述读出电路被配置成捕获指示所述手表面与所述参考感测结构之间的电耦合的参考信号；以及 指纹确定电路，所述指纹确定电路被配置成基于所述参考信号以及所述手指与所述感测元件中的每个感测元件之间的电容耦合来确定所述指纹图案的表示。12.根据权利要求11所述的指纹感测系统，其中，所述参考结构具有至少200μπι的横向延伸。13.根据权利要求11或12所述的指纹感测系统，其中，所述参考感测结构包括多个所述感测元件。14.根据权利要求11至13中任一项所述的指纹感测系统，其中，所述指纹感测系统还包括: 评估电路，所述评估电路连接至所述读出电路并且所述评估电路被配置成对所述参考信号的至少一个性质进行评估;以及 采样电路，所述采样电路连接至所述感测元件中的每个感测元件并且所述采样电路连接至所述评估电路，所述采样电路被配置成使用取决于对所述参考信号的评估的采样定时对来自所述感测元件中的每个感测元件的像素信号进行采样。15.—种电子设备，包括: 指纹验证装置，所述指纹验证装置包括根据权利要求11至14中任一项所述的指纹感测系统；以及处理电路，所述处理电路被配置成:对所述指纹验证装置进行控制以实现对用户的指纹验证；以及仅在所述用户使用所述指纹验证装置通过验证时执行用户请求的至少一个处理。
【文档编号】G06K9/00GK105993019SQ201480065613
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年12月11日
【发明人】弗兰克·罗伯特·里戴克, 汉斯·特恩布卢姆
【申请人】指纹卡有限公司