电容式指纹传感器的制作方法

本发明是有关一种指纹传感器，特别是一种电容式指纹传感器。

背景技术：

电容式指纹传感器的原理是检测人体手指的脊部以及谷部间的电容变化。谷部的正常深度约为20-35μm，其中，填充空气时的介电常数为1。人体组织的介电常数约为4-8，因此，微小的电容变化可被电容式指纹传感器所检测。

请参照图1以说明基于电荷分享方法的电容式指纹传感器的感测方法。电容式指纹传感器包含多个阵列排列的感测单元SU。当指纹FP与电容式指纹传感器接触时，指纹FP的脊部以及谷部具有电容C3。而封装电容式指纹传感器会形成氧化层OL，其具有电容C2。因此，电容C2以及电容C3彼此串接则具有电容值Cs，其能够以下列公式计算得到：

1/Cs＝1/C2+1/C3

其中C2以及C3分别代表电容C2以及电容C3的电容值。

量测电容值Cs的变化可由以下步骤实现。首先，导通开关S1并断开开关S2，以偏压Va对电容C0预先充电。接着断开开关S1以及导通断关S2，使电容C0中的电荷重新分布，如此即产生偏压V1，其能够以下列公式计算得到：

V1＝Va*C0/(C0+C1+Cs)，其中，C0以及C1分别代表电容C0以及电容C1的电容值。电容C1为电路的寄生杂散电容。感测单元SU11的感 测节点的偏压V1通过缓冲放大器BA输出偏压V2，其能够以下列公式计算得到：

V2＝g*V1

其中g为缓冲放大器BA的增益。每一感测单元SU具有一缓冲放大器BA，其是由列开关Sr1以及行开关Sc1-Sc3控制输出至取样电容Csh。举例而言，感测单元SU11是由列开关Sr1以及行开关Sc1控制输出；感测单元SU12是由列开关Sr1以及行开关Sc2控制输出；感测单元SU13是由列开关Sr1以及行开关Sc3控制输出。最后，模拟至数字转换器ADC将取样电容Csh的偏压V3转换为数字格式。由于制程或其它因素的影响，感测单元间的缓冲放大器会有增益的变动，加上寄生杂散电容C1与电容C2影响，导致每一感测单元所输出偏压的均匀性较差，因而影响后续的信号处理，例如直流移位(DC subtraction)。

此外，请参照图2，其显示传统封装的电容式指纹传感器的剖面图。电容式指纹感测芯片120设置于基板110。金线130用以连接电容式指纹感测芯片120上的导电接点121以及基板110上的导线架111。完成芯片粘合以及打线接合后，整个芯片以一高介电填充材料140模封。然而，在模封制程时，电容式指纹感测芯片120以及填充材料140间的热膨胀系数的差异将会造成管芯痕迹(die mark)或翘曲，如图2所示的高度差H。因此，若翘曲的电容式指纹传感器设置于一保护玻璃下，电容式指纹传感器以及保护玻璃间将形成一空气层或粘着胶体，导致感测信号的强度降低，且劣化感测单元间的信号均匀度。

综上所述，如何使每一感测单元所输出的偏压具有较佳的均匀性便是目前极需努力的目标。

技术实现要素：

本发明提供一种电容式指纹传感器，其储存每一感测单元的直流偏移参数以及增益补偿参数，以补偿每一感测单元所感测的感测信号，使每一感测单元所输出的感测信号具有较佳的均匀性。

本发明一实施例的电容式指纹传感器包含一电容式感测阵列、一补偿存储器、一数字至模拟转换器以及一补偿电路。电容式感测阵列包含多个阵列排列的感测单元，其中，电容式感测阵列逐一输出每一感测单元所测得的一感测信号。补偿存储器用以储存每一感测单元的一直流偏移参数以及一增益补偿参数。数字至模拟转换器与补偿存储器电性连接，用以依据直流偏移参数输出一直流偏移补偿信号。补偿电路与电容式感测阵列、补偿存储器以及数字至模拟转换器电性连接，并依据直流偏移补偿信号以及增益补偿参数逐一补偿每一感测单元所测得的感测信号，以输出一补偿后感测信号。

以下借由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

【附图说明】

图1为一示意图，显示已知的电容式指纹传感器的部分电路。

图2为一示意图，显示已知的电容式指纹传感器的封装结构。

图3为一曲线图，显示电容式指纹传感器的封装翘曲与信号强度的关系。

图4为一方块图，显示本发明一实施例的电容式指纹传感器。

图5为一电路图，显示本发明一实施例的电容式指纹传感器的补偿电路。

图6为一方块图，显示本发明另一实施例的电容式指纹传感器。

【符号说明】

110 基板

111 导线架

120 电容式指纹感测芯片

121 导电接点

130 金线

140 填充材料

A1 第一级放大器

A2 第二级放大器

ADC 模拟至数字转换器

BA 缓冲放大器

C0～C3 电容

CI 通信接口

CSA 电容式感测阵列

CC 补偿电路

CFS 电容式指纹传感器

Cs 电容值

Csh 取样电容

CSS 补偿后感测信号

Ct 控制器

DAC 数字至模拟转换器

DCOP 直流偏移参数

DCOS 直流偏移补偿信号

DEc 行解码器

DEr 列解码器

DSS 数字感测信号

FP 指纹

GP 增益补偿参数

H 高度差

Mc 补偿存储器

Me 外部存储器

Md 数据存储器

OL 氧化层

Ra 电阻

Reg 寄存器

Rg1～Rg5 电阻

S1、S2 开关

Sr1 列开关

Sc1～Sc3 行开关

Sg1～Sg5 开关

SS 感测信号

SU 感测单元

SU11～SU13 感测单元

V1～V3 偏压

Va 偏压

Vref 固定偏压

【具体实施方式】

以下将详述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了该多个详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避 免对本发明形成不必要的限制。图式中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意的用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。

请参照图3，其显示设置在厚度为200μm的玻璃下的电容式指纹传感器，其翘曲程度与信号强度的关系。如图3所示，芯片翘曲的程度超过50μm时将造成20％以上的信号损失，而一般芯片翘曲约在50至100μm。需注意的是，指纹的脊部以及谷部所形成的信号变化仅约16％。因此，芯片封装后的翘曲不仅导致每一感测单元所输出偏压的均匀性降低，亦使信噪比劣化。本发明的电容式指纹传感器即在于补偿每一感测单元所感测的感测信号，以使每一感测单元所输出的感测信号具有较佳的均匀性。

请参照图4，本发明的一实施例的电容式指纹传感器包含一电容式感测阵列CSA、一补偿存储器Mc、一数字至模拟转换器DAC以及一补偿电路CC。电容式感测阵列CSA包含多个阵列排列的感测单元，且逐一输出每一感测单元所测得的一感测信号SS。举例而言，电容式指纹传感器更包含一列解码器DEr、行解码器DEc以及一控制器Ct。列解码器DEr以及行解码器DEc与电容式感测阵列CSA电性连接，并可定址电容式感测阵列CSA的每一感测单元。控制器Ct与列解码器DEr以及行解码器DEc电性连接，并经由列解码器DEr以及行解码器DEc控制电容式感测阵列CSA逐一输出每一感测单元所测得的感测信号SS。

补偿存储器Mc储存电容式感测阵列CSA中每一感测单元的一直流偏移(DC offset)参数DCOP以及一增益补偿参数GP。举例而言，在电容式指纹传感器封装完成后或电容式指纹传感器组装于电子装置后，可借由校正程序获得每一感测单元的直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP，并储存于补偿存储器Mc。数字至模拟转换器DAC与补偿存储器Mc电性连接。数字至模拟转换器DAC可依据直流偏移参数DCOP输出一直流偏移补偿信号DCOS。

补偿电路CC与电容式感测阵列CSA、补偿存储器Mc以及数字至模拟转换器DAC电性连接。补偿电路CC可依据数字至模拟转换器DAC所输出 的直流偏移补偿信号DCOS以及增益补偿参数GP逐一补偿每一感测单元所测得的感测信号SS，并输出一补偿后感测信号CSS。举例而言，控制器Ct一并与补偿存储器Mc电性连接，如此，控制器Ct借由列解码器DEr以及行解码器DEc控制电容式感测阵列CSA逐一输出每一感测单元所测得的感测信号SS时，同时控制补偿存储器Mc输出相对应感测单元的直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP，以逐一补偿感测信号SS。如此，可获得均匀性以及信噪比较佳的补偿后感测信号CSS。换言之，在与指纹的距离较远的情况下，例如电容式感测阵列与指纹间有较厚的保护玻璃，本发明的电容式指纹传感器仍能有效感测指纹的脊部以及谷部的电容变化。可以理解的是，补偿存储器与电容式指纹传感器的其它元件设计于单一管芯可获得较佳的感测效率。但不限于此，补偿存储器亦可与电容式指纹传感器的其它元件分离设置，例如以电子装置的存储器作为补偿存储器来储存直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP。

于一实施例中，电容式指纹传感器更包含一模拟至数字转换器ADC以及一数据存储器Md。模拟至数字转换器ADC与补偿电路CC电性连接，以接收补偿电路CC所输出的补偿后感测信号CSS并转换为一数字感测信号DSS。数据存储器Md与模拟至数字转换器ADC电性连接，以储存模拟至数字转换器ADC所输出的数字感测信号DSS。于一实施例中，数据存储器Md可为一先进先出(first-in first-out，FIFO)存储器。

于一实施例中，电容式指纹传感器更包含一通信接口CI，其与补偿存储器Mc、控制器Ct以及数据存储器Md电性连接。电容式指纹传感器经由通信接口CI与外部电路电性连接，使外部电路可控制电容式指纹传感器，以存取补偿存储器Mc以及数据存储器Md，例如校正程序写入每一感测单元的直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP至补偿存储器Mc或是读取数据存储器Md中的指纹感测结果。于一实施例中，通信接口CI可为串列周边接口(Serial Peripheral Interface，SPI)、并列接口(Parallel Interface)、通用串列总线(Universal Serial Bus，USB)或集成电路总线(Inter-Integrated Circuit Bus，I²C)。

于一实施例中，补偿电路CC可为一可程序化增益放大器(Programmable gain amplifier，PGA)。可以理解的是，可程序化增益放大器可为单级或多级放大器。举例而言，请参照图5，其为一多级放大器架构的补偿电路CC。图5所示的补偿电路CC包含一第一级放大器A1以及一第二级放大器A2。第一级放大器A1具有一固定增益，其由电阻Ra与Rb比值(1+Ra/Rb)决定。第一级放大器A1的正相输入端输入电容式感测阵列CSA所输出的感测信号SS，负相输入端输入依据每一感测单元的直流偏移参数DOCP所产生的直流偏移补偿信号DCOS。因此，第一级放大器A1即可对感测信号SS进行直流移位处理，而对于感测信号SS信号减去直流偏移补偿信号DCOS后可以再次做更大倍率的直流放大。

接续上述说明，第二级放大器A2的正相输入端与第一级放大器A1的输出端连接，其负相输入端与一固定偏压Vref连接。第二放大器A2的增益则是由电阻Rg1-Rg6、Rc以及开关Sg1-Sg5控制，借由增益补偿参数GP控制开关Sg1-Sg5即可决定第二放大器A2的增益。于一实施例中，开关Sg1-Sg5能够以金属氧化物半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)加以实现。举例而言，开关Sg1-Sg5决定回授等效电阻值Rgi，第二放大器A2的增益即为(1+Rgi/Rc)。因此，第二级放大器A2可依据增益补偿参数GP对每一相对应的感测单元的感测信号SS进行增益补偿。经各别补偿直流偏移以及增益后，即可获得均匀性较佳的补偿后感测信号CSS。

于一实施例中，补偿存储器Mc可为一随机存取存储器或一非挥发性存储器，例如触发器、一次性可编程(One-time programmable，OTP)存储器、多次可编程(Multiple times programmable，MTP)存储器、电子可抹除可程序化唯读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)或快闪存储器(flash memory)。于一实施例中， 直流偏移参数DCOP可为一整体直流偏移加上相对应每一感测单元的一个别直流偏移。例如整体直流偏移为一固定值，如此可降低存储器的储存空间。可以理解的是，感测单元间所输出的感测信号不均匀与芯片翘曲所形成的几何形状相关时，直流偏移参数DCOP亦可为一整体直流偏移加上每一感测单元与几何位置相依的一个别直流偏移。举例而言，每一感测单元的个别直流偏移能够以一与芯片翘曲所形成的几何形状相关的校正函数呈现。同理，增益补偿参数GP可为一整体增益补偿加上相对应每一感测单元的一个别增益补偿；或者增益补偿参数GP可为一整体增益补偿加上每一感测单元与几何位置相依的一个别增益补偿，以降低存储器的储存空间。

于一实施例中，图4所示的元件可设计于单一管芯中，但不限于此。于一实施例中，请参照图6，图4所示的补偿存储器Mc的功能可由一外部存储器Me以及一寄存器Reg加以实现。外部存储器Me以及寄存器Reg分别与控制器Ct电性连接，其中，外部存储器Me储存电容式感测阵列CSA中每一感测单元的直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP，而寄存器Reg仅储存部分感测单元的直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP。依据此结构，控制器Ct可在控制电容式感测阵列CSA逐一输出感测信号SS时，亦同时从外部存储器Me读取相对应感测单元的直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP并储存于寄存器Reg，使数字至模拟转换器DAC以及补偿电路CC可从寄存器Reg取得相对应感测单元的直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP进行补偿。可以理解的是，寄存器Reg仅储存少量直流偏移参数DCOP以及增益补偿参数GP，因此占用芯片的面积较小。于一实施例中，外部存储器Me可为一非挥发性存储器，例如一次性可编程(OTP)存储器、多次可编程(MTP)存储器、电子可抹除可程序化唯读存储器(EEPROM)或快闪存储器；寄存器Reg可为一随机存取存储器。

可以理解的是，图6所示的电容式指纹传感器CFS中的元件可设计于单一管芯，而外部存储器Me则设计于另一管芯。外部存储器Me再与适当的方式与电容式指纹传感器CFS中的控制器Ct电性连接。举例而言，电容 式指纹传感器CFS以及外部存储器Me能够以多芯片封装(Multi-chip Package，MCP)技术封装于单一封装件中，并使外部存储器Me与控制器Ct电性连接。或者，电容式指纹传感器CFS与外部电性连接的电路板或排线包含与通信接口CI相对应的导电接点以及与控制器Ct电性连接的导电接点，而外部存储器Me利用表面粘着技术(surface-mount technology，SMT)设置于与控制器Ct电性连接的导电接点上，如此外部存储器Me即可与电容式指纹传感器CFS中的控制器Ct电性连接，并形成一模块化指纹感测元件。

综合上述，本发明的电容式指纹传感器包含一补偿存储器，其储存每一感测单元的直流偏移参数以及增益补偿参数，因此，本发明的电容式指纹传感器可针对每一感测单元所测得的感测信号逐一补偿，使每一感测单元所输出的感测信号具有较佳的均匀性及信噪比。换言之，电容式感测阵列与指纹间有较远的距离时，例如较厚的保护玻璃，本发明的电容式指纹传感器仍能有效感测指纹的脊部以及谷部的电容变化并辨识指纹。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明之内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。