一种指纹传感器及应用其的智能设备的制造方法

一种指纹传感器及应用其的智能设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型本实用新型提供一种指纹传感器，包括：多个感应电极，传感转换电路和反馈发生电路，所述多个感应电极与所述传感转换电路的输入端连接，所述传感转换电路的输出端与所述反馈发生电路的输入端连接，所述反馈发生电路的输出端与所述传感转换电路的输入端连接。其中，所述多个感应电极用于获取多个感应电容；所述传感转换电路用于将所述多个感应电容及反馈信号转换为多个输出信号并最终获得多个指纹峰谷高度差信号，所述反馈发生电路根据所述多个输出信号获得反馈信号并反馈。本实用新型本实用新型提升了指纹传感器的灵敏度，降低了噪声，使指纹传感器可以透过更厚的绝缘介质获取清晰的指纹图像，或者在相同的介质厚度下，能够提供信噪比更高、更清晰的指纹图。
【专利说明】
一种指纹传感器及应用其的智能设备
技术领域
[0001] 本实用新型本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种电容式指纹传感器及 应用该传感器的智能设备。
【背景技术】
[0002] 人体指纹识别已经是比较成熟的技术，指纹识别主要由两项技术组成：指纹图像 的采集和指纹的识别算法。其中指纹图像的采集常用的技术有:光学指纹传感器(是指传统 技术，已经产业化应用多年;缺点:体积无法小型化，不能用于手机）；超声波指纹传感器(刚 刚开发出来，需要MEMS工艺制造传感器，制造工艺特殊，门槛高，还需要进行3维数字图像处 理，需要浮点数数字信号处理芯片，芯片功耗高，信号处理芯片设计复杂度也高，因此成本 也高）；压力感应指纹传感器（没有产业化）；热感应指纹传感器(集成在芯片上，曾经产业 化，但目前已经淘汰）；电容感应指纹传感器。
[0003] 近几年随着智能手机的普及应用，由于电容感应指纹传感器的体积小、成本低、功 耗小、可靠性也较好，在智能手机上得到了广泛应用。但是目前在智能手机上广泛使用的电 容感应指纹传感器的灵敏度和信噪比有限，手指和感应电极间的距离不能太大，已经量产 使用的电容感应指纹传感器的电极与手指间的绝缘介质厚度可以做到200um，据说已有能 做到绝缘介质厚度400um的技术，但目前没有量产。而且高灵敏度、厚绝缘介质的产品需要 升压电路，成本和功耗都有所增加。绝缘介质厚度400um以下的情况下，不能直接将电容感 应指纹传感器安装在手机屏幕保护玻璃下，需要在手机屏幕保护玻璃上开孔安装电容感应 指纹传感器，工艺复杂，也影响外观设计的自由度。手机屏幕保护玻璃的典型厚度是〇.7_， 目前的电容感应指纹传感器无法透过〇. 7_的绝缘介质采集指纹图像。
[0004] 电容感应指纹传感器的工作原理如下：人的手指纹路有深度差异，凸的地方称为 "峰(r idge)"，凹的地方称为"谷(va11ey)"。指纹上"峰"和"谷"与感应电极的距离不同，对 应的感应电容大小不同；与感应电极连接的电容测量电路将"峰"和"谷"对应电极上的感应 电容转化为相应的电压信号输出，从而得到指纹"峰"和"谷"的图像。典型的电容感应指纹 传感器由多个电容感应电极和相应的电容测量电路组成，每个电容感应电极对应一个指纹 图像的一个像素点。电容测量电路通过测量电容感应电极与手指间的电容量得到相应的 "峰"和"谷"的信息。典型的电容感应指纹传感器的感应电极是等间距的行列阵列排列，行 间距与列间距相等，电极的尺寸形状也相同，每个电极的面积也相同，因此可以认为每个电 极的电特性参数是相同的。根据平板电容原理，如果手指没有"峰"和"谷"，手指非常平整， 手指与每个电极的距离完全相同，那么每个电极的电容也会相同。但是，实际的手指有"峰" 和"谷"的存在，"峰"和"谷"与每个电极的距离不同，因而"峰"和"谷"与对应位置的感应电 极之间的电容就会不同，只要测量感应电极与手指间的电容的差别变化，就能获得手指的 "峰"和"谷"的指纹信息图像。因此不同感应电极之间的感应电容差，才是最终的有用指纹 信息，而感应电极的平均电容对指纹的识别没有用处。当感应电极与手指的距离很近时，最 近距离远小于"峰"和"谷"的高度差时，"峰"和"谷"对应感应电容的差值相对于最大电容的 百分比就较大，而当感应电极与手指的距离很远时，最近距离远远大于"峰"和"谷"的高度 差时，"峰"和"谷"对应感应电容的差值相对于最大电容的百分比就很小。比如，当最近距离 接近O时，"峰"和"谷"对应电容的差值相对于最大电容的变化百分比接近IOO %。而当距离 超过400um时，"峰"和"谷"对应电容的差值相对于最大电容的百分比只有百分之几，甚至小 于百分之一。电容测量电路将感应电容容值转换为对应的电压并放大合适的倍数，放大后 的输出电压，希望越大越好，但也不能饱和失真。电容测量电路将感应电容量转换为电压并 放大过程中，"峰"和"谷"的容值差值相对最大电容值的百分比不变，因此当手指和感应电 极间的绝缘介质较厚时，"峰"和"谷"对应的输出电压差值只占最大输出电压的很少部分。 而输出电压的最大值受限于测量电路的工作电源电压，因此是有限的。典型的电容测量电 路电源电压是3V，电容测量电路输出的电压还需要经过模数转换器转换为数字信号，送给 指纹识别算法模块进行数字化处理。而模数转换是有一定的分辨率位数的，在模数转换数 字化时，如果有用信号的差值部分所占百分比过小，模数转换后的差值部分数字幅度就会 过小，指纹信号有效部分的信号质量就会很差。虽然可以提高模数转换的分辨率位数，但是 由于存在各种噪声，当分辨率小于噪声时，再提高分辨率也就没有用处了，过高的模数转换 分辨率位数，也会增加电路的成本和功耗。
[0005] 为了提高手指峰谷的差值部分在输出电压信号中的比例，现有技术中，采取减基 准电容的方法，减去平均电容的一部分，或者减去输出平均电压的一部分，输出信号就不容 易饱和失真，从而可以将信号的放大倍数提高，最终提高有效信号在输出电压信号中的比 例。中国发明专利，专利号"201410105847.6"，名称为"电容指纹感应电路和感应器"的专利 文献，公开一种电容指纹感应电路和感应器，感应电路包括抵消模块和反馈放大器，抵消模 块的第一输入端与第一外接驱动源连接，抵消模块的第二输入端通过按压在该输入端的手 指与第二外接驱动源连接，抵消模块的输出端与反馈放大器的输入端连接，第一外接驱动 源和第二外接驱动源输出的信号互为反相，第一外接驱动源接入到抵消模块的信号与第二 外接驱动源耦合到抵消模块的信号产生抵消，得到与指纹深度相关的指纹感应信号，从而 实现增加有用信号的比例，进而可以提高有用信号的放大倍数。但这种方案有两个缺点:第 一、只能抵消一部分平均电容，不能抵消手指上感应的噪声信号，当抵消平均电容后，可以 提高放大倍数，但是，提高放大倍数时，手指上感应的噪声信号也被放大了，特别是放大倍 数较大时，手指上感应的噪声信号就不能忽略，因此有用的"峰"和"谷"差值电容占比很小 时，手指上感应的噪声信号严重影响指纹图像的质量。第二、抵消的大小必须预先设置好， 电路不能自动平衡抵消电容平均值，这样，由于温度、电源、绝缘介质厚度变化、磨损等等各 种原因造成平均值漂移时，要么需要重新测量后重新设置抵消值，要么只能留有足够大的 容差，允许一定范围的变化，总之不能完美的抵消平均值，另外由于手指人体(手指和人体 是同一个导体，可看成是同一个物体)与感应电路的地之间的电容是一个不确定的电容值， 随着不同的应用情况，可能会发生很大的变化，而手指人体与电路地之间的电容大小，也会 影响最终的等效平均电容值。所以，该专利中的方案做不到自动最大化有用信号的占比，从 而不能采集到最好的指纹图像。 【实用新型内容】
[0006] 针对上述现有技术的不足，本实用新型本实用新型的主要目的在于提供一种能够 提升电容感应指纹传感器的灵敏度、同时能够降低噪声，从而能够使得电容感应指纹传感 器透过更厚的绝缘介质获取清晰的指纹图像，或者在相同的介质厚度下，能够提供信噪比 更高、更清晰的指纹图像的自动消除平均电容的电容感应指纹传感器。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型本实用新型采用以下技术方案：
[0008] -种指纹传感器，包括:多个感应电极，传感转换电路和反馈发生电路，所述多个 感应电极与所述传感转换电路的输入端连接，所述传感转换电路的输出端与所述反馈发生 电路的输入端连接，所述反馈发生电路的输出端与所述传感转换电路的输入端连接，其中， 所述多个感应电极，用于采集手指指纹生成的多个感应电容;所述传感转换电路，用于将多 个感应电极生成的多个感应电容以及反馈信号转换为多个输出信号并输出至所述反馈发 生电路;所述反馈发生电路，用于将所述传感转换电路输出的多个输出信号进行累加放大 处理得到反馈信号，并将所述反馈信号反馈至所述传感转换电路的输入端;所述传感转换 电路，还用于根据所述多个感应电容和所述反馈信号得到多个指纹峰谷高度差信号。
[0009] 优选地，所述传感转换电路，具体用于通过以下公式生成所述输出信号V8,并通过 输出端输出所述输出信号V8:
[0010] V8=Kc6_v8*C6+Kvl0_v8*V10+Kvl2_v8*Vl2*C6。
[0011] 其中，C6为与传感转换电路输入端连接的感应电容，V12为手指感应噪声，VlO为反 馈信号;Kc6_v8为感应电容转换为输出信号的转换系数，Kvl0_v8为反馈信号转换为输出信 号的转换系数，Kvl2_v8为手指感应噪声转换为输出信号的转换系数。
[0012] 优选地，当手指感应噪声V12为0时，所述传感转换电路，具体用于通过以下公式生 成所述指纹峰谷高度差信号，并通过输出端输出所述指纹峰谷高度差信号V8[i]:V8[i] = Kc6_v8*C6 i/(I-K)+Kc6_v8*Cdet[i]〇
[0013] 其中，C6i是平均感应电容，Cdet[i]是各个测量感应电极的感应电容与平均感应 电容的差值，Kc6_v8为感应电容转换为输出信号的转换系数，K为开环放大倍数。
[0014] 优选地，反馈元件，连接在所述反馈发生电路的输出端和所述传感转换电路的输 入端之间，用于将所述反馈发生电路输出的反馈信号发送至所述传感转换电路。
[0015] 优选地，设置有与所述感应电极一一对应的反馈抵消电极，所述反馈元件设置为 由反馈抵消电极与对应感应电极间形成的反馈耦合电容。
[0016] 优选地，所述反馈元件包括电阻或电容或反馈网路或短接的导线。
[0017] 优选地，所述反馈发生电路包括累加器U5和反馈放大器U6,所述累加器U5设置有 多个输入端，所述累加器U 5的各个输入端分别与一个所述传感转换电路的输出端对应相 连，所述累加器U5的输出端与所述反馈放大器U6的输入端相连，所述反馈放大器U6的输出 端与传感转换电路的输入端相连。。
[0018] 优选地，所述传感转换电路包括第一传感转换单元22和信号源VI，所述第一传感 转换单元22包括第一运算放大器Ul、第二运算放大器U2、反相器U4、第一电容Cl、第一电阻 R1、第二电阻R2和第三电阻R3;所述第一运算放大器Ul的反相输入端与所述感应电极、反馈 元件的一端相连，所述第一运算放大器Ul的同相输入端接信号源VI，所述第一运算放大器 Ul的输出端接第一电容Cl的一端、第一电阻Rl的一端;所述第一电容Cl的另一端接第一运 算放大器Ul的反相输入端;所述反相器U4的输入端接信号源VI，所述反相器U4的输出端接 第二电阻R2的一端;所述第一电阻Rl的另一端、所述第二电阻R2的另一端均接所述第二运 算放大器U2的反相输入端;所述第二运算放大器U2同相输入端接地，所述第二运算放大器 U2的输出端接第三电阻R3的一端，所述第三电阻R3的另一端接第二运算放大器U2的反相输 入端，所述第二运算放大器U2的输出端同时接反馈放大电路的输入端，所述第一电阻Rl与 第二电阻R2相等。
[0019]优选地，所述传感转换电路包括第二传感转换单元23和信号源V2;所述第二传感 转换单元23包括第三运算放大器U3和第二电容C2,所述第三运算放大器U3的反相输入端与 感应电极、反馈元件的一端相连，同时所述信号源V2通过感应电容与第三运算放大器U3的 反相输入端相连;所述第三运算放大器U3的同相输入端接地，所述第三运算放大器U3的输 出端与所述第二电容C2的一端相连，所述第二电容C2的另一端与第三运算放大器U3的反相 输入端相连，所述第三运算放大器U3的输出端同时接反馈放大电路的输入端。
[0020] -种智能设备，包括以上所述的指纹传感器。
[0021] 相比于现有技术，本实用新型本实用新型的指纹传感器通过设置有反馈发生电 路，反馈发生电路将传感转换电路的输出信号经累加、放大后反馈至传感转换电路的输入 端，使反馈信号经转换后的信号与感应电容经转换后的信号相加，消除感应电容经转换后 的平均信号后，最终获得多个手指指纹的峰谷高度差信号，使得手指指纹峰谷高度差的电 容值有用信号相对于最大峰值信号的占比比例最大化。同时手指与感应电极产生感应电容 的同时也会产生手指感应噪声，反馈信号同时会和手指感应噪声信号相加消除手指感应噪 声的平均值信号，提升了本实用新型本实用新型指纹传感器的灵敏度，降低了噪声，使本实 用新型本实用新型指纹传感器可以透过更厚的绝缘介质获取清晰的指纹图像，或者在相同 的介质厚度下，能够提供信噪比更高、更清晰的指纹图像，提高了指纹识别比对的正确率， 降低指纹识别比对的认假率。
【附图说明】
[0022] 图1为本实用新型本实用新型传感器电路框图；
[0023]图2为本实用新型本实用新型传感器电路原理图；
[0024]图3为本实用新型本实用新型实施例1传感器电路原理图；
[0025] 图4为本实用新型本实用新型实施例1的传感转换电路原理图；
[0026] 图5为本实用新型本实用新型实施例1的感应电极和反馈抵消电极的结构示意图；
[0027] 图6为本实用新型本实用新型另一种实施例的感应电极和反馈抵消电极的结构示 意图；
[0028] 图7为本实用新型本实用新型实施例1的感应电极和反馈抵消电极的平面结构示 意图；
[0029] 图8为本实用新型本实用新型实施例2的感应电极、反馈抵消电极和发射电极的平 面示意图；
[0030] 图9为本实用新型本实用新型实施例2传感器电路原理图；
[0031 ]图10为本实用新型本实用新型实施例2的传感转换电路原理图；
[0032]图中，1、感应电极;2、传感转换电路、3、反馈发生电路;4、反馈元件;41、反馈抵消 电极;22、第一传感转换单元;23、第二传感转换单元。
【具体实施方式】
[0033]为了使本实用新型本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本实用新型本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具 体实施例仅仅用以解释本实用新型本实用新型，并不用于限定本实用新型本实用新型。 [0034] 实施例1
[0035] 电容感应指纹传感器包括有多个电容感应电极，感应电极分布于同一个平面上， 与被感应手指间有一层绝缘介质，绝缘介质厚度均匀。测量感应指纹时，指纹纹路的峰接触 绝缘介质，接触绝缘介质的指纹纹路的峰与感应电极的距离被厚度均匀的绝缘介质限定于 一个恒定的距离值，感应电极用于感应与手指指纹峰或谷的距离，从而获得指纹图像。感应 电极与手指纹路距离不同，感应电极感应到的感应电容就不同，将感应电极感应到的感应 电容转换为传感器输出电压信号，传感器输出电压信号经过后续的处理就可以得到与指纹 纹路峰谷相关的指纹图像信号。
[0036] 如图1所示，本实用新型本实用新型的电容感应指纹传感器包括感应电极1、传感 转换电路2、反馈发生电路3和反馈元件4。传感转换电路2的输入端与感应电极1连接，反馈 发生电路3的输入端与传感转换电路2的输出端相连，反馈发生电路3的输出端通过反馈元 件4与传感转换电路2的输入端相连;感应电极1用于获取与手指指纹感应产生的感应电容， 传感转换电路2用于将感应电容及反馈信号转换为多个输出信号，反馈发生电路将传感转 换电路2的多个输出信号经累加、放大合适的倍数后得到反馈信号并将该反馈信号经反馈 元件4发送至传感转换电路2的输入端，使反馈信号经转换后的信号与感应电容经转换后的 平均信号相抵消，使传感转换电路2最终输出的信号中只有指纹峰谷高度差的信号，即传感 器输出信号中只有指纹峰谷高度差的信号，使得指纹峰谷差值的有用信号相对于最大峰值 信号的占比比例最大化。同时反馈信号还能够抵消感应电极上接收到的手指感应平均噪声 信号，因此，本实用新型本实用新型的传感器还具有较强的抗噪能力。
[0037]如图2所示，设置有多个感应电极1和分别与各感应电极1 一一对应连接的传感转 换电路2，指纹峰谷对应的所有感应电极的感应电容值的图像数据通过一次测量获得;参与 测量指纹数据的感应电极称为测量感应电极。每个传感转换电路2的输出端分别与反馈发 生电路3的一个输入端相连，反馈发生电路3的输出端经与每个传感转换电路2的输入端对 应连接的反馈元件4分别与每个传感转换电路2的输入端相连。手指与测量感应电极1之间 的感应电容设为C6,手指与电路地之间没有直接连接，而是存在一个大约IpF到IOOpF之间 或者更大的感应电容Cll;手指与电路地之间的感应电容Cll远大于手指与测量感应电极1 间的感应电容C6，根据电路理论，可以推导出感应电极1与电路地之间的等效电容约等于感 应电容C6，因此简化等效电路中可以认为手指与电路地间电容Cl 1是短接的。传感转换电路 2将感应电容C6转换为其输出端的输出电压信号的一部分分量；同时，传感转换电路2也将 从反馈发生电路3反馈回来的反馈信号转换为传感转换电路2输出端的输出电压信号的另 一部分分量;如果存在手指感应噪声信号，传感转换电路2还将手指感应噪声信号转换为传 感转换电路2输出端输出电压信号的一部分分量;则传感转换电路2输出的电压信号至少是 感应电容C6、反馈发生电路3产生的反馈信号、手指感应噪声信号这三个信号经传感转换电 路2转换后输出的电压电信号共同影响的线性叠加。假设，传感转换电路2输出端输出的电 压信号为V8,手指感应噪声信号为V12,反馈信号为V10,利用数学公式表达则为：
[0038] V8=Kc6_v8*C6+Kvl0_v8*V10+Kvl2_v8*V12*C6 (式1)
[0039]其中，Kc6_v8是感应电容C6对传感转换电路2输出端输出电压信号V8的影响系数； Kvl0_v8是反馈信号VlO对传感转换电路2端出端输出电压信号V8的影响系数;Kvl2_v8手指 感应噪声V12对传感转换电路2端出端输出电压信号V8的影响系数，由于手指感应噪声V12 对传感输出电压信号V8的影响还与感应电容C6成正比，所以Kvl2_v8*V12*C6才是手指感应 噪声Vl 2对传感转换电路2输出电压信号V8的影响分量。
[0040] 在另一个实施例中，一个传感转换电路同时可以与多个感应电极相连，与同一个 传感转换电路相连的多个感应电极中每次只有一个感应电极参与测量，每次测量中，参与 测量指纹数据的感应电极称为测量感应电极，指纹峰谷对应的所有感应电极的感应电容值 的图像数据经多次测量获得。
[0041] 反馈发生电路3包括累加器U5和反馈放大器U6,累加器U5设置有多个输入端，其每 一个输入端分别与一个传感转换电路2输出端相连，累加器U5的输出端与反馈放大器U6的 输入端相连，反馈放大器U6的输出端经与每个传感转换电路2的输入端对应连接的反馈元 件4分别与每个传感转换电路2的输入端相连。累加器U5将传感转换电路2输出的电压信号 经累加后得到的累加信号传送给反馈放大器U6,反馈放大器U6将累加信号放大合适的倍数 后输出反馈信号并通过反馈元件4反馈给传感转换电路2的输入端。使反馈信号经传感转换 电路2转换后的电压信号与感应电容转换来的平均电压信号以及感应电极上接收到的手指 感应平均噪声信号相抵消。
[0042] 反馈放大器合适的放大倍数要求是，放大倍数尽可能大，但要保证闭环反馈后的 电路不会自已震荡，要有足够的闭环环路稳定性。放大倍数的正负极性要正确，要使反馈信 号是负反馈信号，不能是正反馈信号，正反馈信号会使电路震荡。开环的放大倍数越大，抵 消掉的平均感应电容越多，但闭环工作后，电路越不稳定。具体的反馈放大器放大倍数的确 定与稳定电路的设计，利用已有的放大器及反馈环路设计技术就能够实现，这里不再累述。
[0043] 而反馈放大器放大倍数与能够抵消的平均感应电容值的关系则由以下推导可以 得出，假定开环时，施加在反馈元件4的反馈信号为V10,反馈信号VlO通过反馈元件4親合到 传感转换电路2的输入端，经传感转换电路2转换后输出的电压信号为V8_l，信号从VlO转换 为V8_l的转换系数假定为Kvl0_v8,则有V8j=Kvl0_v8*V10。假定共有N = 999个感应电极 参与指纹的测量，累加器U5输出的信号为V9,那么累加器U5输出的信号则有：
[0044] V9 = V8_1*N=Kv10_v8*V10*N; (式 2)
[0045]假定反馈放大器U6的放大倍数是AMP，经反馈放大器放大后输出的开环电压信号 为Vl〇_l，则有：
[0046] V10-1 =V9*AMP=Kv10_v8*V10*N*AMP (式 3)
[0047]即输入信号VlO到反馈放大器U6输出端的开环放倍数为：
[0048] K = V10_l/V10=Kvl0_v8*N*AMP (式 4)
[0049] 假定手指感应噪声V12为0V，则闭环后，由式1有：
[0050] V8=Kc6_v8*C6+Kvl0_v8*V10+Kvl2_v8*V12*C6
[0051] =Kc6_v8*C6+Kvl0_v8*V10 (式 5)
[0052] 而且 Vl〇 = Vl〇_l =AMP*N*V8，V8 替换为 Kc6_v8*C6+Kvl0_v8*V10，则：
[0053] V10=AMP*N*(Kc6_v8*C6+Kvl0_v8*V10)(式 6)
[0054] 则有：
[0055] Vl0=AMP*N*Kc6_v8*C6/(I-AMP*N*Kv10_v8)
[0056] =AMP*N*Kc6_v8*C6/(I-K) (式 7)
[0057] 由 V10=AMP*N*V8,得 V8 = V10/(AMP*N)，将式 7 代入，则：
[0058] V8=Kc6_v8*C6/(l_K) (式 8)
[0059] 根据放大器电路理论知识可知，闭环反馈后，要形成稳定的负反馈电路，Kvl0_v8* N*AMP必须为负数。因此AMP和Kvl0_v8中有且只有一个是负数。假定Kvl0_v8为-1，AMP=1， 那么开环放大倍数为K = -999;假定开环时，手指感应电容平均值，经过传感转换数块2转换 后输出的电压信号V8 j等于1V(Kc6_v8*C6 = IV)，由以上分析可以得出，闭环反馈后，传感 转换电路2输出的、平均感应电容引起的分量约为1V/(1-K) = ImV,即闭环环路平均感应电 容输出减小到原来的（I-K)分之一。
[0060] 可见K的绝对值越大，传感转换电路2的输出端输出的平均感应电容引起的残余部 分电压越小。在闭环情况下，传感转换电路2的输出端输出的、感应电容平均值的输出分量 能够减小（I-K)倍，但与每个测量感应电极相关的指纹峰谷引起的输出电压部分不会受到 闭环反馈的影响。这是因为，每一个传感转换电路的输出信号是Kc6_ V8*C6+Kvl0_v8*V10， 可见单个传感转换电路的输出由这个测量感应电极的感应电容C6引起的部分以及反馈信 号VlO引起的部分这两部分组成。而最后生成的稳定的反馈信号VlO与所有C6的累加和相 关。所有测量感应电极的平均感应电容C6i的变化量，对VlO的影响是单个测量感应电极的 C6的变化量影响的N倍。N是感应电极的个数。因为单个感应电极的感应电容C6对所有感应 电容的总和的影响只是一份的影响，而平均感应电容对最终所有感应电容的总和的影响却 是N倍。
[0061] 前面的分析结论是，假定所有测量感应电极的感应电容都相等、并等于C6时，闭环 时每个传感转换电路的输出是没有反馈环路时输出的ι/(ι-κ)。
[0062] 如果某两个测量感应电极的感应电容C6相对于平均感应电容C6i，一个增加Cdet [i]，一个减小Cdet[i]，那么，所有测量感应电极的感应电容C6之和不变，所以此时的VlO与 原来的VlO是相同的，所以，这两个测量感应电极之外的其他感应电极的传感转换电路的输 出仍然不变，仍然是开环输出的1/(1-K)。只有两个变化了的测量感应电极的输出信号发生 Kc6_ V8*Cdet[i]的变化量。可见，这两个测量感应电极的传感转换电路的输出信号最终等 于Kc6_v8*Cdet[ i ] + (Kc6_v8*C6i/( 1-K))以及-Kc6_v8*Cdet[ i ] + (Kc6_v8*C6i/( 1-K))。
[0063] 作进一步的推广，所有的测量感应电极的感应电容C6不等于平均测量感应电容 时，其传感转换电路的输出也符合上式，即传感转换电路的输出等于Kc6_v8*Cdet [ i ] + (1^6_￥8扣61/(1-1〇)，其中0(16丨[1]是该感应电极的感应电容与平均感应电容的差值。
[0064] 可以这样考虑：1、反馈信号VlO决定于所有测量感应电容的和。2、反馈信号VlO由 于存在反馈循环，将会在每个传感转换电路的输出信号中抵消的部分只与所有测量感应电 容的和有关，尽管单个测量感应的感应电容会影响所有测量感应电容的和，但最终还是体 现为感应电容的和。3、所谓的平均电容是感应电容的和的N分之一。所以，平均电容和感应 电容的和的作用是等效的。4、对VlO影响的是感应电容的和（即平均电容），由于反馈的最终 作用，使得平均电容在传感转换电路的输出中变成了没有反馈时的（I-K)分之一。但对于单 个测量感应电极的感应电容与平均电容的差值部分，其对于传感转换电路的输出电压信号 的贡献部分不会被(I-K)除。
[0065] 也可以这样考虑，反馈使得每个传感转换电路的输出分量中，被反馈抵消掉了的、 感应电容和的影响部分，如果平均电容的变化为Cdet[i]，由于每个感应电容都变化了Cdet [i ]，其对最终感应电容总和的影响是N*Cdet [ i ]，而单个感应电容的变化Cdet [ i ]，只影响 最终感应电容总和的Cdet[i]，可见单个感应电极的电容变化，基本不会影响传感转换电路 的输出的、反馈抵消部分的输出。即单个感应电极的电容变化仍然以Kc6_ V8*Cde t [ i ]的变 化量在这个传感转换电路的输出中反映出来。
[0066] 尽管单个感应电极的电容变化Cdet[i]对感应电容总和有影响，但其影响部分，等 效于平均电容的Cde t [ i ] /N的变化量对感应电容总和的影响，而且单个感应电极的电容变 化的这一影响，实际上已经体现为平均电容了，所以已经考虑进了平均电容中。
[0067] 同样的结论也适用于手指感应噪声。在闭环的情况下，传感转换电路2的输出端输 出的，手指感应引起的平均噪声电压，只有开环情况下的（I-K)分之一，即平均噪声减小了 (I-K)倍，只残留了（I-K)分之一。
[0068] 先分析所有感应电容相同的时候，稳定时的输出，再来分析感应电容不相同时的 情况。当假定感应电容相同时，即C6等于平均值时，所有的传感转换电路的输出电压相同， 假定为V8，那么，反馈信号VlO = V8*N*AMP。如果稳定了，必然有V8 = Kc6_v8*C6+KvlO_v8* V10,则:V8 = Kc6_v8*C6/(l-K)，其中 K = KvlO_v8*N*AMP。如果各个电极的电容为 C6i+Cdet [i]时，C6i是平均电容，Cdet[i]是各个测量感应电极的感应电容比平均电容多的部分，而 且各个感应电极的Cde t [ i ]并不相同时，这个测量感应电极的传感转换电路的输出电压稳 定时等于：
[0069] V8[i]=Kc6_v8*C6i/(l-K)+Kc6_v8*Cdet[i]。
[0070] 平均感应电容C6i可以这样推算出，假定共有M个感应电极，经过k次的测量，第j次 测量N[ j]个感应电极的感应电容，其中j = 1，2，3. . . . k，感应电极总獎
，当第j次 测量N[j]个测量感应电极的感应电容时，这N[j]个感应电容称为测量感应电容。当在第j次 测量时间段，对共有N[j]个测量感应电极的感应电容进行测量时，其中每一个测量感应电 极的感应电容分别为C6[h]，其中h=l，2,3......N[j]。另外假定N[j]个感应电容的平均值 为C6i J
[0071] 如果手指上存在人体感应的手指感应噪声V12,手指感应噪声V12通过感应电容C6 输入给传感转换电路2,在传感器输出电压信号中体现出来，但是由于闭环负反馈环路的存 在，将会把这个噪声的平均值反馈抵消掉，反馈放大器的放大倍数越大，将会抵消掉的噪声 平均值越多，如果峰谷感应电极的感应电容差越小，抵消掉的噪声就越多，不能抵消掉的噪 声部分与感应电容差成正比。结果是，手指感应噪声V12造成的信噪比不会因为电容差变小 而变小，信噪比不会变差，因此即使透过较厚的绝缘介质，仍然能够得到较清晰的指纹图 像。只有噪声和感应电容的共模部分(平均感应电容)才能被反馈信号抵消掉，而感应电容 的峰谷差异部分不会被抵消掉，差值部分仍然会在传感器输出电压信号中得到体现。
[0072]比如，先考虑只有两个测量感应电极的情况，即N = 2的情况，更多测量感应电极时 与两个测量感应电极的结论相同，不再累述。对于一个感应电极时，假定感应电容为C6,传 感转换电路2将感应电容C6转换为电压信号V8输出的开环转换系数为Kc6_v8,则V8 = Kc6_ v8*C6;传感转换电路2的信号输入端假定是运算放大器的反相输入端，是虚地端，假设手指 感应电压噪声为V12,那么流过感应电容C6的噪声电流Inoise = V12/Xc，其中，Inoise为流 过感应电容C6的噪声电流，Xc是感应电容C6的容抗Xe = 1 /2对C6，其中f是噪声信号的频率。 假定传感转换电路2输出的噪声电压为Voutnoi se，传感转换电路2的输入噪声电流Inoi se 与传感转换电路2输出的噪声电压Voutnoise的开环转换系数为Knoise，则Voutnoise = Inoise*Knoise = Knoise*V12/Xc = Knoise*V12*2jrfC6。当只有两个测量感应电极时，假定 两个感应电容的平均值为C，与平均感应电容的差为cdet，即两个感应电容分别为C+cdet和 C-cdet，那么两个测量感应电极1的开环输出的有用信号电压分别为:Kc6_v8*C+Kc6_v8* cdet和Kc6_v8*C - Kc6_v8*cdet，两个测量感电极开环输出的噪声电压分别为:Knoise* V12*23ifC+Knoise*V12*23ifc det和Knoise*V12*23ifC-Knoise*V12*23ifc det。通过本实用 新型本实用新型的闭环反馈后，假设反馈放大器的放大倍数足够大，输出电压信号中的平 均值部分基本上全部抵消掉，没被抵消掉的部分远小于感应电容量差的输出分量，即平均 感应电容输出的电压信号部分会被反馈抵消掉，手指感应噪声引起的平均输出噪声信号部 分也基本上被反馈抵消掉。那么，闭环反馈后，传感转换电路2输出的信号中，感应电容C+ 。(^七的输出有用电压信号约为1^6_￥8处(161输出噪声电压约为1(11〇丨8钟￥12*2对( ；（161感 应电容C-cdet输出的有用电压信号约为-Kc6_v8*cdet，输出噪声约为-Knoise*V12*2Jif c det，它们的信噪比都为Kc6_v8/Knoise*V12*2Jif。可见手指感应噪声造成的信噪比与平均 感应电容值无关，与指纹峰谷的电容差值也无关。也就是说手指感应噪声造成的信噪比，跟 峰谷的电容差值和平均感应电容值都无关，也就是说信噪比与绝缘介质的厚度无关，即使 手指与测量感应电极的距离较大，指纹峰谷的高度差很小，手指感应噪声造成的信噪比也 不会变。当绝缘介质的厚度不变时，如果指纹峰谷的高度差减小时，虽然输出有用信号幅度 会减小，但是手指感应噪声造成的输出噪声也会同时减小。
[0073]如图3、图4所示，在本实施例中，反馈元件4设置为反馈耦合电容，反馈耦合电容为 由至少一个反馈抵消电极41与测量感应电极间形成的空间耦合电容。反馈抵消电极41分别 与每个测量感应电极1间形成一个反馈親合电容C7,反馈親合电容C7的一端就是测量感应 电极1，测量感应电极1与传感转换电路2的输入端连接，所以反馈耦合电容C7的这一端与传 感转换电路2的输入端连接，反馈耦合电容C7的另一端是反馈抵消电极41，反馈抵消电极41 与反馈放大器U6的输出端连接，所以反馈耦合电容C7的另一端与反馈放大器U6的输出端相 连。而在另一个实施例中，反馈元件4还可以设置为一个电阻或一个电容或一个反馈网路或 其他模块。如果传感转换电路2有专用反馈信号输入端，反馈元件4也可以设置为一个短接 的导线，反馈元件4的功能可以由传感转换电路2内部的其他元件实现。
[0074]在本实施例中，反馈抵消电极41设计成与手指间形成耦合电容，反馈抵消电极41 同时还与感应电极1间形成反馈親合电容C7。如图5所示，反馈抵消电极41和感应电极1布置 在同一平面内，与手指间有一层绝缘介质。反馈信号VlO通过手指耦合电容耦合到手指，可 以抵消手指感应的一部分噪声信号。施加在反馈抵消电极41上的反馈信号VlO还通过反馈 耦合电容C7耦合到感应电极1上。
[0075] 而在另一个实施例中，反馈抵消电极41设计成与感应电极1间形成反馈耦合电容 C7。如图6所示，感应电极1的一侧是与手指绝缘的绝缘介质材料，反馈抵消电极41设置在感 应电极1的另一侧，由感应电极1屏蔽反馈抵消电极41与手指间的信号耦合。施加在反馈抵 消电极41上的反馈信号VlO通过反馈耦合电容C7耦合到感应电极1上。
[0076] 如果手指与感应电极1的距离相同，感应电容C6就相同，如果反馈耦合电容C7也相 同，反馈信号VlO就能够在与手指距离相同的感应电极1上抵消掉相同的平均电容值，也能 抵消掉相同的手指感应噪声信号。
[0077] 为了使每个感应电极的电特性参数都相同一致，感应电极以行列等间距的矩阵的 方式排列，即行相邻的感应电极1的行距离相同，列相邻的感应电极1的列距离相同。每个感 应电极1的形状大小相同。所有感应电极1排列在同一个平面上。感应电极1与手指之间，感 应电极1的一侧覆盖有厚度均匀的绝缘介质材料，便于实现手指按压时保持手指与感应电 极1的距离的一致性。如图7所示，感应电极1和反馈抵消电极41布置于同一个平面上，反馈 抵消电极41由网格状的金属连接成一个单一电极，感应电极1是面积相等的正方形电极，被 反馈抵消电极41分隔开。
[0078] 当分析传感转换电路2将感应电容C6转换为电压信号V8输出时，可以将手指感应 噪声V12当成输出电压为0的电压源V12。又由于手指与电路地间电容Cll远大于感应电容 C 6，手指与电路地间电容C11对感应电容C 6的影响可以忽略，可以把手指与电路地间电容 Cll看成是一个短接的元件，简化后的等效电路如图4所示。传感转换电路2包括第一传感转 换单元22和信号源VI，其中，第一传感转换单元22包括第一运算放大器U1、第二运算放大器 U2、反相器U4、第一电容CU第一电阻RU第二电阻R2和第三电阻R3。第一运算放大器Ul的反 相输入端与感应电极1相连，等效连接于感应电容C6的一端，感应电容C6的另一端与手指感 应噪声电压源V12连接，手指感应噪声电压源V12的另一端接地；同时第一运算放大器Ul的 反相输入端还连接于反馈親合电容C7的一端，反馈親合电容C7的另一端为反馈抵消电极 41，即反馈耦合电容C7的另一端与反馈放大器U6的输出端相连。第一运算放大器Ul的同相 输入端接信号源Vl的一端，源号源Vl的另一端接地;第一运算放大器Ul的输出端接第一电 容Cl的一端;第一电容Cl的另一端与第一运算放大器Ul的反相输入端相连;第一运算放大 器Ul的输出端同时接第一电阻Rl的一端;第一电阻Rl的另一端与第二运算放大器U2的反相 输入端相连;反相器U4的输入端接信号源VI，反相器U4的输出端接第二电阻R2的一端;第二 电阻R2的另一端接第二运算放大器U2的反相输入端;第二运算放大器U2同相输入端接地， 第二运算放大器U2的输出端输出传感器输出电压信号；同时第二运算放大器U2的输出端接 第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接第二运算放大器U2的反相输入端。
[0079] 在本实施例中，第一电阻Rl与第二电阻R2的阻值相等，根据电路理论原理，可以推 出，当不连接反馈信号VlO时，反馈耦合电容C7等效于开路，即等效于开环。假定手指感应噪 声V12为0，开环时，C7开路没有连接，信号源Vl的信号频率为f，电压值为Vl，此时，第一运算 放大器Ul与感应电容C6、负反馈第一电容CU信号源Vl组成同相放大器，反相输入端对地阻 抗XC6 = -j/2JifC6，负反馈阻抗为XCl =-j/2JifCl，负反馈同相放大器的输出电压V3 = V1*( 1 +xci/xc6) =V1 +rfi/m j目抿由路捆论·不难椎导出，第二运算放大器U2输出的传感器 输出电压信，
传感转换电路2对感应电容C6的转 换系数 I感转换电路2对手指感应噪声V I 2的转换系数
第二运算放大器U2的输出端与 累加器U5的一个输入端连接，累加器U5将从所有输入端输入的输入信号V8累加后从输出端 输出累加信号V9,累加器U5的输出端与反馈放大器U6的输入端连接，反馈放大器U6将输入 的累加信号V9放大后从反馈放大器U6的输出端输出反馈信号V10。反馈放大器U6的输出端 与反馈抵消电极41连接，则构成负反馈环路放大器，从而组成一个可以自动抵消感应电容 的平均值和手指感应噪声引起的平均噪声输出值的电路装置。累加器U5和反馈放大器U6可 以合并成一个反馈信号发生器，反馈信号发生器同时实现累加和反馈放大的功能。以上的 推导分析结果，是在简化了一些条件后得出的，如果不简化这些条件，其分析结论也是相同 的，不简化的复杂分析过程这里不再累述。
[0080] 实施例2
[0081] 本实施例与实施例1不同之处在于传感转换电路2,本实施例的传感转换电路包括 信号源V2和传感转换单元23。信号源V2由发射极5产生，如图8所示，反馈抵消电极41和感应 电极1布置在同一平面内，反馈抵消电极41、感应电极1与手指间有一层厚度均匀的绝缘介 质。发射电极5是环状电极，布置于感应电极1、反馈抵消电极41四周，将感应电极1和反馈抵 消电极41包围在环的内部。发射电极5与手指间没有绝缘层介质或只有极薄的绝缘层介质， 手指与发射电极5间有一个电容值较大的耦合电容C15,或者手指与发射电极5间直接连通， 等效于电容C15是短路的无穷大的电容。反馈抵消电极41与感应电极1间形成反馈耦合电容 C7。反馈信号VlO通过反馈抵消电极41与手指间的手指耦合电容耦合到手指，可以抵消手指 感应的一部分噪声信号，但是由于手指与电路地间电容Cll远大于手指耦合电容，以及电容 C15也远大于手指耦合电容，通过手指耦合电容抵消的一部分噪声信号可以忽略。
[0082] 图9是本实施例的整体结构组成图，当分析传感转换电路2将感应电容C6转换为传 感转换电路2输出端输出的电压信号V8时，可以将手指感应噪声V12当成输出电压为0的电 压源V12。又由于手指与电路地间电容Cll远大于测量感应电容C6,以及电容C15也远大于测 量感应电容C6,手指与电路地间电容Cll对等效感应电容C6的影响可忽略，电容C15对等效 感应电容C6的影响也可以忽略。根据电路理论，可以得到传感转换电路2简化后的等效电路 如图10所示，图10中等效手指感应噪声电压源V12和等效发射信号源V2是等效后的电压值， 其数值与图9中手指感应噪声电压源V12和发射信号源V2的值不相同，根据基本的电路理论 可以确定它们之间的相互换算关系，换算关系的推导和结果计算公式这里不再累述。
[0083]第二传感转换单元23包括第三运算放大器U3和第二电容C2,第三运算放大器U3的 反相输入端与感应电极1相连，等效连接于感应电容C6的一端，感应电容C6的另一端串接两 个等效电压源（即等效手指感应噪声电压源V12和等效发射信号源V2)后接地，同时第三运 算放大器U3的反相输入端还连接于反馈親合电容C7的一端，反馈親合电容C7的另一端为反 馈抵消电极41;即反馈耦合电容C7的另一端连接反馈放大器U6的输出端;第三运算放大器 U3的同相输入端接地，第三运算放大器U3的输出端与第二电容C2的一端相连，第二电容C2 的另一端与第三运算放大器U3的反相输入端相连，第三运算放大器U3的输出端输出传感器 输出电压信号。
[0084] 根据已有的电路理论知识，可以推出，当不连接反馈信号VlO时，反馈耦合电容C7 等效于开路，即等效于开环，这时，根据电路理论，不难推导出，第三运算放大器U3输出的传 感器输出电压信?
。即传感转换电路2对感应电容的转换系数
=传感转换电路2对等效手指感应噪声V12的转换系类
则 V8 = Vl 2*Kvl 2_v8*C6+C6*Kc6_v8。第三运算放大器U3的输出端与累加器U5的其中一个输入 端连接，累加器U5将从所有输入端来的传感输出电压信号V8累加后从输出端输出累加信号 V9,累加器U5的输出端与反馈放大器U6的输入端连接，反馈放大器U6将输入的累加信号V9 放大后从反馈放大器U6的输出端输出反馈信号V10。反馈放大器U6的输出端与反馈抵消电 极41连接，则构成负反馈环路放大器，从而组成一个可以自动抵消测量感应电容的平均值 和等效手指感应噪声引起的平均噪声输出值的电路装置。累加器U5和反馈放大器U6可以合 并成同一个反馈信号发生器，反馈信号发生器同时实现累加和反馈放大的功能。以上的推 导分析结果，是在简化了一些条件后得出的，如果不简化这些条件，其分析结论也是相同 的，不简化的复杂分析过程这里不再累述。
[0085] 以上所述，仅为本实用新型本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型本实 用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型本实用新 型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型本实用新型的保 护范围之内。因此，本实用新型本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种指纹传感器，其特征在于，包括:多个感应电极，传感转换电路和反馈发生电路， 所述多个感应电极与所述传感转换电路的输入端连接，所述传感转换电路的输出端与所述 反馈发生电路的输入端连接，所述反馈发生电路的输出端与所述传感转换电路的输入端连 接，其中， 所述多个感应电极，用于采集手指指纹生成的多个感应电容； 所述传感转换电路，用于将多个感应电极生成的多个感应电容以及反馈信号转换为多 个输出信号并输出至所述反馈发生电路； 所述反馈发生电路，用于将所述传感转换电路输出的多个输出信号进行累加放大处理 得到反馈信号，并将所述反馈信号反馈至所述传感转换电路的输入端； 所述传感转换电路，还用于根据所述多个感应电容和所述反馈信号得到多个指纹峰谷 高度差信号。2. 根据权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，所述传感转换电路，具体用于通过 以下公式生成所述输出信号V8,并通过输出端输出所述输出信号V8: V8 = Kc6_v8*C6+Kv10_v8*V10+Kv12_v8*V12*C6； 其中，C6为与传感转换电路输入端连接的感应电容，V12为手指感应噪声，V10为反馈信 号;Kc6_v8为感应电容转换为输出信号的转换系数，Kvl0_v8为反馈信号转换为输出信号的 转换系数，Kvl2_v8为手指感应噪声转换为输出信号的转换系数。3. 根据权利要求2所述的指纹传感器，其特征在于，当手指感应噪声V12为0时，所述传 感转换电路，具体用于通过以下公式生成所述指纹峰谷高度差信号，并通过输出端输出所 述指纹峰谷高度差信号V8[i]: V8[i]=Kc6_v8*C6i/(l-K)+Kc6_v8*Cdet[i] 其中，C6i是平均感应电容，Cdet[i]是各个测量感应电极的感应电容与平均感应电容 的差值，Kc6_v8为感应电容转换为输出信号的转换系数，K为开环放大倍数。4. 根据权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，还包括： 反馈元件，连接在所述反馈发生电路的输出端和所述传感转换电路的输入端之间，用 于将所述反馈发生电路输出的反馈信号发送至所述传感转换电路。5. 根据权利要求4所述的指纹传感器，其特征在于，设置有与所述感应电极一一对应的 反馈抵消电极，所述反馈元件设置为由反馈抵消电极与对应感应电极间形成的反馈耦合电 容。6. 根据权利要求4所述的指纹传感器，其特征在于，所述反馈元件包括电阻或电容或反 馈网路或短接的导线。7. 根据权利要求1所述的指纹传感器，其特征在于，所述反馈发生电路包括累加器U5和 反馈放大器U6,所述累加器U5设置有多个输入端，所述累加器U5的各个输入端分别与一个 所述传感转换电路的输出端对应相连，所述累加器U5的输出端与所述反馈放大器U6的输入 端相连，所述反馈放大器U6的输出端与传感转换电路的输入端相连。8. 根据权利要求4所述的指纹传感器，其特征在于，所述传感转换电路包括:第一传感 转换单元22和信号源VI，所述第一传感转换单元22包括第一运算放大器U1、第二运算放大 器U2、反相器U4、第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3;所述第一运算放大器 U1的反相输入端与所述感应电极、反馈元件的一端相连，所述第一运算放大器U1的同相输 入端接信号源V1，所述第一运算放大器U1的输出端接第一电容C1的一端、第一电阻R1的一 端;所述第一电容C1的另一端接第一运算放大器U1的反相输入端;所述反相器U4的输入端 接信号源VI，所述反相器U4的输出端接第二电阻R2的一端;所述第一电阻R1的另一端、所述 第二电阻R2的另一端均接所述第二运算放大器U2的反相输入端;所述第二运算放大器U2同 相输入端接地，所述第二运算放大器U2的输出端接第三电阻R3的一端，所述第三电阻R3的 另一端接第二运算放大器U2的反相输入端，所述第二运算放大器U2的输出端同时接反馈放 大电路的输入端，所述第一电阻R1与第二电阻R2相等。9. 根据权利要求4所述的指纹传感器，其特征在于，所述传感转换电路包括第二传感转 换单元23和信号源V2;所述第二传感转换单元23包括第三运算放大器U3和第二电容C2,所 述第三运算放大器U3的反相输入端与感应电极、反馈元件的一端相连，同时所述信号源V2 通过感应电容与第三运算放大器U3的反相输入端相连;所述第三运算放大器U3的同相输入 端接地，所述第三运算放大器U3的输出端与所述第二电容C2的一端相连，所述第二电容C2 的另一端与第三运算放大器U3的反相输入端相连，所述第三运算放大器U3的输出端同时接 反馈放大电路的输入端。10. -种智能设备，其特征在于，包括上述权利要求1至9任一项所述的指纹传感器。
【文档编号】G06K9/00GK205665714SQ201620441158
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】戴孟军
【申请人】戴孟军