包括差分测量电路的手指感测设备和相关方法

包括差分测量电路的手指感测设备和相关方法
【专利摘要】一种手指感测设备可以包括手指感测像素阵列，该手指感测像素阵列用于接纳与其相邻的用户手指。每一个手指感测像素可以包括手指感测电极。该手指感测设备可以包括手指驱动电极，该手指驱动电极被配置成将驱动信号通过用户手指耦合至手指感测像素阵列。该手指感测设备还可以包括差分像素测量电路，该差分像素测量电路耦接至手指感测像素阵列，并且被配置成，生成多个针对手指感测像素的相邻对的像素间差值测量结果。
【专利说明】包括差分测量电路的手指感测设备和相关方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子领域，并且更具体地说，涉及手指感测设备和相关方法。
【背景技术】
[0002]指纹感测和匹配对于个人识别或验证来说是一种可靠且广泛使用的技术。特别地，用于指纹识别的常见方法涉及扫描样本指纹或其图像，并且存储该图像和/或指纹图像的独特特征。可以将样本指纹的特征与已经在数据库中的基准指纹的信息相比较，以确定一个人的正确身份，例如出于验证目的。
[0003]近年来，已经实用且经济的是，利用射频(RF)电场形成指纹图案的电子表示，来构建高质量电子指纹感测设备。这种设备已经被制造为单晶硅基板上的标准CMOS集成电路。这些工艺允许电子结构必需从每一个传感器像素或要直接制造在像素下面的感测电极读取信号。将信号调节电子器件或感测放大器定位在像素下面对于电路的足够性能而言是重要的。
[0004]在转让给本发明受让人的Setlak等人的美国专利N0.5940526中公开了这样一种RF指纹感测设备。该专利公开了一种集成电路指纹传感器，其包括RF感测电极阵列以提供具有指纹摩擦脊谷的准确图像。更具体地说，RF感测例如允许对就在皮肤表面下的活体组织进行成像，以减少电子欺骗。Setlak等人的专利的全部内容通过引用并入于此。
[0005]Knapp的美国专利N0.5325442公开了指纹感测设备的另一示例。该指纹感测设备具有分别通过行与列导体组耦接至驱动电路和感测电路的感测元件行/列阵列。这些感测元件可由驱动电路有源地寻址。每一个感测元件都包括感测电极和用于有源寻址该感测电极的切换设备(如薄膜晶体管(TFT))。该感测电极被绝缘材料覆盖并且用于接纳手指。通过向感测电极施加电势并且测量充电性质，由单独的手指表面部分与感测电极组合产生的电容被感测电路感测出。
[0006]历史上，电子集成电路通常通过利用具有更小电子设备几何形状的制造工艺来实现减少制造成本。利用更小的设备几何形状，电路本身变得更小，使用更少硅，并由此制造成本更少。然而，电子指纹传感器通常不能制造得小于手指皮肤成像所需要的面积。更小的部件几何形状不能显著减少指纹传感器管芯尺寸或者成本。更小的部件几何形状的一个仅有结果可能是传感器像素之下的未使用的硅空间。
[0007]用于减少指纹感测成本的一种方法是，设计可以利用更小皮肤面积的图像来有效工作的系统。该方法已经在各种各样的设备中使用。第二种方法是使用滑动传感器。利用滑动传感器，手指或传感器在数据获取过程中移动，其允许较小传感器生成较大块皮肤的图像。然而，滑动传感器可能经受显著图像失真，和/或它们可能提供不便利的用户范例。
[0008]在可能希望感测与手指感测像素阵列相距相对较大距离处的手指的手指图像时，也可能存在图像失真或噪声。例如，可能希望扩展基于电场的手指传感器的范围，以使它们可以透过诸如模制塑料结构的显著更厚的电介质材料来对手指成像。
[0009]在个人电子设备(举例来说，如膝上型计算机和蜂窝电话)中使用的基于集成电路的指纹传感器通常可以有效地感测手指以用于用户身份认证。然而，这些手指传感器通常需要将手指非常靠近手指感测像素阵列放置。对用户手指紧密靠近的需要通常使得这些设备的机械封装和将这些设备集成到它们的主机产品中更难且成本更高。
[0010]致力于这些设备的集成电路封装的一些方法例如包括:专门模制的封装，其在模制件中具有允许手指靠近阵列的开口 ；和薄柔性电路基板上的专门封装，其允许手指靠近感测阵列。专门封装增加了这些传感器的成本。
[0011]针对用户手指靠近手指感测像素阵列的需要可能限制了可以放置在该阵列上的材料的厚度，这可能愈加限制了在阵列区上使用保护和装饰性涂层两者。将这些传感器机械地集成到它们的主机设备中通常需要手指传感器通过主机设备壳体中的孔伸出，以使手指感测像素阵列可以与壳体外表面大约齐平地定位。
[0012]然而，这些安装布置的消极面可能包括为了密封主机设备壳体中用于手指传感器的开口以防止湿气、灰尘及其它污染物进入而增加了难度和成本。另外，壳体中用于伸出手指传感器的开口对于主机设备意图的外观而言可能在美观方面无法接受，而且在壳体开口中安装手指传感器在某些设备中可能较难且代价较高。

【发明内容】

[0013]鉴于前述背景，因此，本发明的一个目的是，提供这样一种手指感测设备，其可以从与手指感测像素阵列相距相对较大距离处的手指生成具有减少的噪声的手指图像。
[0014]根据本发明的该目的和其它目的、特征以及优点通过一种手指感测设备来提供，该设备可以包括:手指感测像素阵列，用于接纳与其相邻的用户手指。每一个手指感测像素可以包括手指感测电极。该手指感测设备可以包括:手指驱动电极，该手指驱动电极被配置成，将驱动信号通过用户手指耦合至该手指感测像素阵列；和差分像素测量电路，该差分像素测量电路耦接至该手指感测像素阵列，并且被配置成，生成多个针对手指感测像素的相邻对的像素间差值测量结果。因此，该手指感测设备可以从与手指感测像素阵列相距相对较大距离处的手指来生成具有减少的噪声的手指图像。
[0015]该手指感测设备还可以包括位于手指感测像素上的盖层，该盖层具有例如范围为100微米-900微米的厚度。差分像素测量电路可以包括平衡差分像素测量电路。该平衡差分像素测量电路可以包括:耦接至每一个手指感测像素的每一个手指感测电极的相应差分放大器级；和切换电路，该切换电路用于针对手指感测像素的相邻对，按差分配置选择性地耦接差分放大器级的相应对。该平衡差分像素测量电路例如还可以包括耦接至切换电路的输出级。
[0016]该手指感测像素阵列可以包括多行和多列手指感测像素。该差分像素测量电路例如可以包括切换电路，该切换电路用于针对沿手指感测像素阵列的行和列两者的手指感测像素的相邻对，生成多个像素间测量结果。该手指感测设备还可以包括图像生成电路，该图像生成电路耦接至差分测量电路，并且被配置成，例如基于针对沿手指感测像素阵列的行和列两者的手指感测像素的相邻对的像素间测量结果，生成合成手指图像。
[0017]该图像生成电路还可以包括耦接至差分测量的核滤波电路。该手指感测设备例如还可以包括半导体基板。该手指感测像素阵列可以位于半导体基板上。该手指感测设备还可以包括耦接至手指驱动电极的射频驱动信号发生器。[0018]一个方法方面旨在提供一种感测手指的方法，该方法可以包括:接纳与手指感测像素阵列相邻的用户手指，每一个手指感测像素都包括手指感测电极。该方法例如还可以包括:经由手指驱动电极将驱动信号通过用户手指耦合至手指感测像素阵列。该方法例如还可以包括:利用耦接至手指感测像素阵列的差分像素测量电路，生成多个针对手指感测像素的相邻对的像素间差值测量结果。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1是根据本发明的手指感测设备的示意性框图。
[0020]图2是皮肤电性质与驱动信号衰减的关系图。
[0021]图3是对于直接和绝缘驱动手指接触布置，皮肤电性质与驱动信号衰减的关系图。
[0022]图4是2维平面中电场强度的图。
[0023]图5是对于不同大小的手指感测像素阵列，调制比与距手指感测像素阵列的距离的关系图。
[0024]图6是用于与本发明的手指感测设备一起使用的加权中值滤波器的模拟实现的示意图。
[0025]图7a_7c是例示在与手指感测像素阵列相距某一距离处的低空间频率的影响的指纹图像。
[0026]图8是根据本发明的、具有一维手指感测像素阵列的手指感测设备的一部分的示意图。
[0027]图9是根据本发明的另一实施例的、具有二维手指感测像素阵列的手指感测设备的一部分的示意图。
[0028]图1Oa-1Oc是示出水平和垂直差的三维图像。
[0029]图11是根据本发明另一实施例的手指感测设备的示意性框图。
[0030]图12是图11的手指感测设备的一部分的示意性电路图。
[0031]图13a_13f是根据本发明的、用于手指感测设备的手指感测像素阵列的可能扫描图案的示意性例示图。
[0032]图14a和14b分别是包括从垂直和水平像素差提取的脊取向矢量的放大很多的指纹图像。
[0033]图15是根据另一实施例的手指感测设备的示意性框图。
[0034]图16是例示根据图15的实施例的基于核的重构的示意图。
[0035]图17是根据本发明一实施例的、包括手指感测设备的包覆模制(overmolded)封装布置的示意图。
[0036]图18是根据本发明一实施例的、包括手指感测设备的标准按钮封装布置的示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面，参照附图，对本发明进行更全面描述，其中，示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以按许多不同形式具体实施，并且不应视为对在此阐述的实施方式进行限制。相反地，提供这些实施方式，以使本公开透彻和完整，并且向本领域技术人员全面表达本发明的范围。贯穿全文，相同标号指相同部件，并且符号“’”和多个“’”被用于指示另选实施例中的相似部件。
[0038]最初参照图1，手指感测设备20包括手指感测像素阵列30，以接纳与其相邻的用户手指21。手指感测像素阵列30由半导体基板22承载。手指感测像素阵列30可以是任何阵列尺寸，如本领域技术人员将理解的。每一个手指感测像素31都可以是电场感测像素。在一些实施例中，每一个手指感测像素例如可以是电容感测像素，或者其它类型的感测像素。每一个手指感测像素31都可以包括手指感测电极32。手指驱动电极33被配置成通过用户手指21将驱动信号耦合至手指感测像素阵列30。当然，手指驱动电极33可以通过多于一个用户手指来耦合驱动信号，并且可以使用多于一个手指驱动电极。射频驱动信号发生器36耦接至手指驱动电极33。
[0039]如本领域技术人员将理解的，手指感测设备20通过将来自手指驱动电极33的微小电信号注入用户手指21的皮肤的导电层中来工作。接着，测量由皮肤的该导电层生成的电场的形状。
[0040]手指驱动电极33可以被配置成按两种方式之一将该微小电信号注入用户手指中。手指驱动电极33可以被配置成作为接触电极手指驱动器来工作。另选的是或者作为附加，手指驱动电极33可以被配置成作为绝缘电极手指驱动器来工作。手指驱动电极33可以被配置成利用其它技术(例如，电和磁感应技术)来操作。
[0041]如果手指驱动电极33被配置成作为接触电极手指驱动器而工作，则导电表面与用户手指21的表面进行直接电接触。手指驱动电极33上的电信号以可变衰减程度耦合到用户手指21中，其中，该衰减取决于手指与电极的接触面积的大小，以及手指皮肤本身的电性质。应注意到，手指皮肤的电性质可能会在几个量级的范围上变动，人跟人不同，不同时间也不同。
[0042]图2的图形中所示曲线81、82、83、84根据电学建模导出，并且示出了用户手指21内部的驱动信号衰减，作为接触面积和皮肤电性质的函数。皮肤电性质范围从图表左侧的非常厚的干燥皮肤至该图右侧的薄的潮湿皮肤。四个不同曲线表示四个不同的手指接触面积，并且上曲线81表示最大面积，下曲线84表示最小面积。
[0043]如果手指驱动电极33被配置作为绝缘电极手指驱动器，则导电电极通过一定厚度的绝缘材料与用户手指21的表面分隔。绝缘电极上的电信号以电容方式耦合至附近皮肤表面。对于绝缘电极，因耦合而造成的信号衰减取决于几个参数的组合，这些参数包括皮肤靠近电极的区域的面积、电极与手指之间的绝缘材料的厚度、绝缘材料的电性质、以及手指皮肤本身的电性质。
[0044]图3的图形中所示曲线(根据电学建模导出)在手指皮肤电性质的范围上，比较直接接触手指驱动布置85、86、87、88和典型绝缘手指驱动布置80、90、91、92的手指驱动信号衰减。
[0045]可能重要的是要注意，绝缘手指驱动系统趋于减小干燥厚皮肤手指与潮湿薄皮肤手指之间的驱动信号衰减差异。在上述示例中，绝缘驱动以直接驱动系统的动态范围的一半来处理手指皮肤差异。一般来说，如果将一固定电压升压施加至绝缘手指驱动电极系统以克服平均衰减的差别，则所得系统可能需要比直接驱动系统显著更小的动态范围来处理手指皮肤差异，如曲线89、90、91、92所示。这种布置减少了在透过较厚绝缘材料对手指成像时保持大系统动态范围的问题，如本领域技术人员将理解的。
[0046]手指感测像素阵列30包括多行与多列手指感测像素。二维手指感测像素阵列31通常被用于通过测量已经受远程目标物体(例如，用户手指21)影响的能量场的强度，来测量该远程物体的形状。典型地，由阵列30的每一个像素31所测量的能量被用于设置远程物体的图像中的像素值。这种远程感测的一个示例是测量未与传感器阵列接触，而是通过各种厚度的保护材料与该阵列分隔的手指的指纹图案。在这种类型的典型系统中，该形状信息(加在基础场上的空间信号)随着目标物体进一步远离手指感测像素阵列而变得衰减。
[0047]为了在用户手指相距传感器阵列显著距离时更有效测量表示用户手指形状信息的衰减空间信号，手指感测设备20’包括差分像素测量电路40，其耦合至手指感测像素阵列30，并且被配置成，生成多个针对手指感测像素阵列31的相邻对的像素间差值测量结果O
[0048]如下进一步详细描述的，差分像素测量电路40有利地致力于解决根据其上具有大的总信号的手指感测像素31之间的很小信号差来测量形状信息的问题，和在存在强的低空间频率信号的情况下测量衰减的高空间频率信号的问题。差分测量电路40还在减少噪声的同时有利地测量弱的空间信号。如本领域技术人员应当清楚，差分像素测量电路40可以使用空间模拟-Λ / Σ时间序列测量来实现上述目的。
[0049]形状信息随着距离的衰减在被用于测量指纹的电场手指感测像素阵列中更明显。诸如在这些手指感测设备中使用的RF电场可以被建模为简单扩散场，并且在这种模型中分析空间信息衰减。
[0050]图4中的图形例示了场扩散仿真的结果，作为2D平面中场强的示意。在该图形中，形状信息承载量是空间正弦波的波峰与波谷之间的差。该图形例示了由空间变化电场强度源生成的场(在该图形右侧)怎样随着与源的距离增加而衰减。该仿真例示了要致力于解决的一些问题，以更准确地测量远离手指感测像素阵列的指纹图案的形状。
[0051]另外，场信号中形状信息的衰减对于不同空间频率的信息可能是不均匀的。在包括不使用聚焦机制的基于电场的手指感测像素的手指感测设备中，根据公知场扩散方程，更高的空间频率通常比更低的空间频率衰减更多。曲线93、94、95、96分别例示了对于16、8、4和2个像素，距离与调制比的关系。图5的图形例示了指示衰减怎样取决于所测量形状的空间频率内容的仿真结果。图5的图形在y轴使用调制比作为相对信号强度的归一化指示。最大尺寸93 (在该仿真中为16个像素)的特征具有最低空间频率，并且随着距离增加经历最少衰减。
[0052]基于图4的图形，形状信号(波峰与波谷之间的差)随着向该图形左侧移动而比场的平均值快得多地衰减。结果，在存在大得多的平均信号的情况下，位于远程手指感测像素阵列处的信号可能具有非常小的像素至像素差。最终，为再现指纹图案形状，可以从大的总像素信号中提取小的波峰至波谷差。
[0053]该小的差值信号可以在手指感测设备内的几个点处从较大总信号中提取。提取函数的各个可能位置可能具有不同优点和缺点。最佳选择可以取决于该系统的具体细节，并且可以根据手指感测设备而变。特别关注的是下述约束，即，该整体系统中携带被表示为大信号之间的小差值的信息的部分必须具有大动态范围。通过将提取小的像素至像素信号(或者相反地使大的公共信号无效(nullify))的处理在早期放置在处理链中，手指感测设备的其余部分的动态范围可以减小，代价是提取/无效点处的复杂性的一定增加。
[0054]抑制传感器本身处或放大级中的大的公共信号(上面讨论的)可以在降低下游信号处理和图像处理的动态范围方面有用。在一种方法中，该系统相等地向手指感测像素阵列施加激励信号(或者跨阵列所接收信号的平均值)的反相(对于AC感测来说可能是相移)形式。该反相信号的幅度可以可选地在成像期间调节，以实现最佳空值(null)。馈送至随后放大级的所得信号可以已经去除掉了大的公共信号的一大半，以使小的像素至像素差可以被放大，而不需要放大器具有过大的动态范围。
[0055]在基于电场的手指感测设备中，反相信号可以通过在天线板下面放置携带该反相信号的小电极而在电场感测像素天线处直接注入，如本领域技术人员将理解的。通过在天线处抑制相对较强的公共信号，可以使用高增益、低噪声的感测放大器而基本无需考虑饱和。
[0056]用于抑制手指感测像素阵列处的较大平均信号的反相信号插入机制即使在采用下面讨论的机制时也是有利的，因为它可以限制在感测放大器输入端看到的共模电压。
[0057]在一个实现中，来自一组手指感测像素的平均接收信号可以被用于建立接着被用作抑制信号源的信号。该机制通过根据情况改变抑制信号而允许感测像素阵列适于不同的总信号水平。生成平均信号的一种方法是，互连可能不会同时被扫描的一组手指感测像素，并且测量在该组互连像素上发展出的平均信号。在现实世界使用时，实体的手指感测像素阵列通常包括少量故障像素。手指感测设备应当继续以最少量的可能破坏来操作，而不管故障像素。计算集中趋势信号(其与平均信号相比，对少量像素的故障不太敏感)的一种方法是生成中值信号。
[0058]下面，另外参照图6中的示意图，例示了充当加权中值滤波器的滤波器电路60，其可以生成可用于抑制该架构的模拟部分中的较大公共信号的信号。滤波器电路60可以单独或者与附加滤波器或滤波技术(例如，下面进一步详细描述的差分测量电路40)—起在手指感测设备20中使用。滤波器电路60包括要耦接至每一个手指感测像素的差分放大器61a_61k和对应电阻器62a_62k。像素加权因子可以根据电流求和电阻器62的相对值来确定。求和电阻器62两端的电压Vm根据VM=V+if (Vpx>Vm)和VM=V-1f (Vpx〈=Vm)来确定。Vm是中值电压，而Vp是像素馈电电压。该加权中值滤波器可以被表达为:对于n=l至k，Σ (Vrn-Vm)*Rn=0o
[0059]如可以从图5的图形看出，在表示特定距离处的远程形状的信号中看到的衰减量可以作为该形状信息的空间频率内容的函数来改变。因此，远程形状的准确测量可能需要空间频率敏感补偿，或基本空间滤波。
[0060]空间频率补偿可以在手指感测设备内的几个不同位置执行。空间滤波可以直接在手指感测像素阵列处、模拟放大级中、或者在图像生成和处理级中的数据转换之后数字地来应用。与前述一样，关于针对空间频率补偿的上游级的大动态范围，和在信号流中早期并入该补偿的成本相对于所需动态范围的减少，在这里进行同一种权衡。
[0061]另外参照图7a_7c，例示了在测量处于距传感器阵列一定距离处的指纹时不希望的强的低空间频率信息的影响。图7a例示了从手指感测像素阵列附近测量的用户手指的指纹。图7b例示了由相对远离用户手指的手指感测像素阵列测量的同一用户手指。例示了空间频率低于指纹频率的支配性能量。图7c例示了在数字空间滤波之后的同一指纹。作为例示，数字空间滤波不能够从4比特灰度级图像提取全脊图案。
[0062]数字图像的空间滤波是本领域技术人员完全理解的，并且可以在手指感测设备中的图像处理级中应用。空间频率补偿可以通过将来自阵列中多个传感器的信号应用至模拟求和与求差模块而在手指感测像素和放大器层面应用，该求和与求差模块被配置成实现用于滤波的卷积核函数。
[0063]无源阻抗平面(如在Setlak等人的美国专利N0.6067368中描述的，其全部内容通过引用并入于此)可以被配置成充当空间高通滤波器，或者充当反锐化掩模滤波器，以提供空间频率补偿的形式。可以应用空间滤波器的多种模拟与数字实现，如本领域技术人员将理解的。
[0064]另外，诸如经由差分像素测量电路40 (下面进一步详细讨论的)的差分像素测量的方法可以被应用，以减小低空间频率信号对系统前端动态范围的支配，并且允许在图像处理级中构造经空间频率补偿的形状信号。
[0065]随着手指感测设备测量越来越小的信号，用于拒绝或无效化噪声的能力变得越来越重要。例如，与手指感测设备的感测级有关的公共噪声源可以包括外部干扰、激励噪声、本征传感器噪声、来自手指感测像素阵列的固定模式噪声、以及地电位噪声。致力于解决感测级中的噪声源问题的潜在的噪声管理技术可以包括平衡差分测量(下面进一步详细讨论的)，和相关双采样。
[0066]关于手指感测设备的放大与信号处理级，公共噪声源可以包括:采样和开关噪声、行与列噪声(其可以包括时间性的和固定模式噪声)、功率轨噪声、以及分量本征噪声(其可以包括时间性的和固定模式噪声)。致力于解决放大和信号处理级中的噪声源问题的潜在的噪声管理技术可以包括:差分放大和信号处理、信号集成、时间和空间带宽限制、校准和补偿、以及功率轨隔离。
[0067]关于手指感测设备的数据转换级，公共噪声源可以包括:量化噪声、基准噪声、以及开关噪声。致力于解决转换级处的噪声源问题的方法包括高分辨率数据转换和多样本平均化。在手指处理设备的图像处理级中，噪声管理方法可以包括:空间滤波与最佳均衡、帧平均化、启发式估算、以及特征重建。当然，在手指感测设备的各个级中的每一级处可能存在其它噪声源，从而可以使用其它和/或附加方法来解决这些噪声源问题，如本领域技术人员将理解的。
[0068]差分像素测量电路40有利地提供了一种远程形状测量，其在处理时间序列信号的Λ/Σ方法之后将该理论的某些要素应用至用于测量远程形状(如指纹图像)的系统的设计。与标准短程形状成像系统相比，所得到的手指感测设备20展现出如上所述用于更准确地测量远程形状的性质，并且减少了对成本和复杂性的影响。
[0069]如本领域技术人员应当清楚，包括差分像素测量电路40的手指感测设备20例如可以提供:真实平衡差分噪声消除、本征空间频率补偿、大共模信号的本征消除、以及手指感测设备带宽和动态范围的高效使用。与测量手指感测像素阵列30中的每一个手指感测像素31上的信号不同，差分像素测量电路40在同一时刻测量相邻像素之间的差。相邻像素31例如可以是对于典型的每英寸500像素传感器，其间以O至6个像素中任意个像素间隔开的像素，并且用于对典型的脊和谷成像。在一些实施例中，差分测量电路40可以测量每隔一个像素、每隔两个像素等之间的差值。因此，所测得的像素间增量是空间性的，而非典型地在时域Λ/Σ处理中测得的时间性增量。所测量的像素间增量通过差分像素测量电路40来处理，并且，通过经由图像处理电路51对像素间增量积分来在下游重建原始形状图像。
[0070]下面，另外参照图8，例示了包括一维手指感测像素阵列30’和差分像素测量电路40’的手指感测设备20’中执行空间Λ/Σ测量的一部分的实施例。时域Λ/Σ处理典型地包括使用I比特模数转换器和可变时间采样率。差分像素测量电路40’包括耦接在相邻的手指感测像素31’之间的差分放大器41’。
[0071]手指感测像素阵列30中的手指感测像素31之间的差值的测量可以被设计为完全平衡差分测量，共模信号和噪声抑制性质典型地与该方式的测量相关联。该差分像素测量接着在像素传感器处提供时间性噪声和外部干扰的消除，并且抑制扩散场测量中固有的较大共模信号。所得差值信号可以被放大至供后续处理的有用电平。
[0072]应注意到，场扩散处理的本征空间低通滤波性质可以限制用户手指在手指感测像素阵列30中的任两个相邻手指感测像素31之间可能引起的差值信号的大小。大于一限值的任何测得的信号差值可以被限幅，而不会损失有用数据，因为这些大的差值通常不能表示用户手指21的真实形状，因此可能是假的。
[0073]下面，另外参照图9，手指感测设备20包括二维手指感测像素阵列30。更具体地，手指感测像素阵列30包括多行与多列手指感测像素31。由此，可以有益的是，测量水平方向与垂直方向两者中的像素间差值，以获得有关用户手指21的完整信息集合。为实现这一点，差分像素测量电路40在每一行中的相邻手指感测像素30之间包括差分放大器41，并且在每一列中的相邻手指感测像素之间包括差分放大器。这向手指感测设备20添加了可以被用于减少噪声的冗余。最终积分的图像中每一个手指感测像素31的值例如都可以利用图像生成电路51沿着通过手指感测像素阵列30的几条不同“路径”之一积分来计算。组合几条路径的结果可以生成更鲁棒的结果，如本领域技术人员将理解的。下面，对使用多条路径进行更详细描述。应注意到，对于二维差值测量，所执行的测量是直接测量像素电压或进行一维测量的情况下的测量的大约两倍。该额外的测量例如可以用来抑制噪声并改进准确度。
[0074]下面，参照图10a-10C，例示了用户手指的图像。图1Oa例示了由标准手指感测设备形成的用户手指的图像，而图1Ob和IOc分别例示了针对同一用户手指测量的、表示沿垂直和水平方向的像素间差值的用户手指图像。在该差值图像中，灰色表示相邻像素很少或没有差值的区域，白色表示正差值，而黑色表示负差值。
[0075]然而，如上所述，每一个差分测量都被表示为通过单独的差分放大器来执行。虽然可以使用这种方法，但可能希望可以通过将来自不同像素的信号切换到更小的一组差分放大器来执行对手指感测像素阵列的测量。为利用差分像素测量电路来构建经济且可靠的手指感测设备，可能希望可以在每一个手指感测像素31下面添加尽可能少的电路。
[0076]下面，参照图11和12，在针对很高阻抗信号(举例来说，如由电场感测像素生成的那些)的另一实施例中，使用分裂差分放大器设计，其中，每一个手指感测像素31"包括定义差分放大器级42〃的平衡差分晶体管对的一侧。切换电路43〃在不同时间互连这些晶体管以作为不同配置中的不同对工作，使得进行不同的像素间测量。换句话说，平衡化差分像素测量电路40〃。
[0077]相应差分放大器级42"耦接至每一个手指感测像素31〃的每一个手指感测电极32"。每一个差分放大器级42"例示性地采用例如模拟晶体管的形式。
[0078]切换电路43"针对手指感测像素31〃的相邻对，按差分配置选择性地耦接差分放大器级42〃的相应对。如上所述，相邻像素31〃例如可以是对于典型的每英寸500像素传感器，其间以O至6个像素中任意个像素间隔开的像素，并且用于对典型的脊和谷成像。
[0079]针对每一行，切换电路43〃包括两根像素总线44a〃、44b〃，和一组总线开关45〃，其允许将总线切换成为将该行中的手指感测像素31"互连成差分晶体器级41"所需的各种配置。该切换电路43"还例示性地包括采用耦接至每一个手指感测像素31〃的模拟切换晶体管46"形式的相应模拟开关。手指感测像素31"交替连接至两组总线44a"、44b"允许将同一行中的两个相邻像素31"连接起来作为平衡差分对，如本领域技术人员将理解的。输出设备48〃(其例示性地采用差分放大器的形式)耦接至切换电路43"。所测得的信号，即，所测得的像素间差值测量结果，从输出级48"输出。
[0080]虽然仅例示了两个手指感测像素31"，但应当明白，可以在一行中添加附加手指感测像素，而且还可以包括几行手指感测像素。每一行手指感测像素都将具有它们关联的总线、开关组以及放大器，如本领域技术人员将理解的。
[0081]图像生成电路51〃耦接至差分测量电路40"，并且更具体地，可以耦接至输出级48〃。该图像生成电路可以被配置成，基于沿手指感测像素阵列30〃的行和列两者的手指感测像素31〃的相邻对的像素间测量结果，来生成合成手指图像。例如，可以对表示每行像素的相应输出级48〃积分，以生成合成手指图像。可以使用其它合成手指图像生成技术，如本领域技术人员将理解的。
[0082]下面，参照图13a_13f，例示了根据本发明一实施例的与手指感测设备一起使用的扫描序列，用于跨手指感测像素阵列30〃顺序地读取所有差分像素电压。该手指感测像素阵列被例示为8X8手指感测像素阵列。该扫描序列假定存在上述类型的8行放大器/开关组结构，每一行像素关联一行放大器/开关组结构。还假定这些放大器可以并行操作，以使可以在每一个扫描步骤期间，同时执行多达八个差分像素测量。图13a-13f中的每一个图表示一个扫描步骤，并且例示了阵列中哪些手指感测像素被差分地连接并且被测量。互连暗点72"和亮点73〃的黑线71"表示连接在一起成为差分对的像素，并且该暗点和亮点皆耦接至相应总线。当然，可以使用其它序列，其可以包括不同的测量冗余度，结果，可以具有增强的降噪益处。
[0083]另外，上述总线与切换布置是可以被用于将手指感测像素互连成差分放大器配置的、宽范围的不同总线与切换配置的示例。例如，以在可支持的扫描序列的灵活性较差为代价，可以将手指感测像素之下的将像素的模拟开关互连至列电流宿(sink)的双总线减少成使得切换组的复杂性降低的单一总线，如本领域技术人员将理解的。
[0084]在许多情况下，差分像素测量数据可以按其原始形式直接使用(或者仅有较小修改/增强)，而不实际重建用户手指的形状。再次参照图1Oa-1Oc,指纹脊的边缘清晰地呈现在像素差值数据的图像表示中。通常来说，该信息按该形式完全可用。例如，在其中手指感测像素阵列跨用户手指机械地移动的手指感测设备中，可以将来自数据流的几个帧的差分像素数据用于估算用户手指对象相对于手指感测像素阵列的移动。典型地用于该任务的相关估算方法可以有效利用包含在差分像素数据中的边缘信息。在第二示例中，某些类型的手指感测设备依靠提取和匹配脊图案的区域性取向。
[0085]下面，另外参照图14a和14b，在这个示例情况下，指纹的脊取向矢量场可以容易地从差分像素测量结果中直接提取。每一个脊方向矢量的置信水平用该矢量的强度来指示，并且暗矢量是最高置信水平，而亮矢量是最低置信度。通过组合根据垂直和水平像素差值而提取的取向数据可以生成完整的高置信度脊取向图。 [0086]远程形状感测的许多实践实现可能不使用要再现的该形状的所有空间频率分量。在执行图案识别的许多手指感测设备中，关注的图案可以被包括在有限空间频带内的信息中。该频带之外(之上与之下两者)的空间频率可以构成图案识别系统的噪声，并且典型地通过滤波或其它方式来去除。例如，在指纹图案匹配中，空间频率显著低于或显著高于摩擦脊频率的信息妨碍了识别。在这些应用中，可以通过在该处理中在早期去除不想要的信息从而不通过该系统携带该信息，来简化形状图像收集系统。
[0087]下面，参照图15和16，在根据差分像素测量结果重建形状信息时，可以通过将进行积分以对每个输出像素的值作出贡献的像素差值区域限制到小的核而从输出图像中去除低空间频率。显著大于核尺寸的空间频率对核积分的输出可以具有很小影响。用于查看核积分的一种方法是，考虑将沿着经过各个像素差值测量结果的几条路径导出的值平均化到其输出值为所计算值的像素。
[0088]图16中示意性地表示了表示基于核的重建过程的这种技术。图像生成电路51〃’包括核处理电路52"’，其被配置成，根据在给定手指感测像素的附近区域进行的差值测量来计算每一个手指感测像素31"’的值。具体来说:
[0089]像素值=SQV1*Δ oneStepPath (n) ] + [W2 * Δ oneStepPath (i2) ] +…
[0090]权重Wn的阵列构成滤波核，其可以赋予适合于手指感测设备的空间频率响应。由此，手指感测像素阵列31"’可以或多或少对不同空间频率敏感。
[0091]因为每一个手指感测像素的值是基于在不同时间利用不同手指感测像素晶体管进行的多个部分冗余的测量结果来计算的，所以可以减少固定模式噪声和时间性噪声两者。手指感测像素阵列30"’的二维性质通过提供更多测量冗余而增强这种效果。
[0092]利用这种类型的图像重建，在空间DC信号(例如，阵列信号中的均匀偏移)典型地不影响测量的意义上，手指感测设备20"’的行为类似于空间高通滤波器。如果手指感测像素阵列30"’例如正在跨较大图像移动，并且随着其移动捕捉多个帧，则波长小于手指感测像素阵列尺寸的空间频率可以不存在于所重建的图像中，除非在跨帧边界重建图像时采取了特别考虑，如本领域技术人员将理解的。
[0093]形状重建过程还可以被构造成，利用扩散场来补偿在远程测量中出现的特定于空间频率的衰减。再次参照图5以观看示出对空间频率敏感的衰减的仿真数据,可能希望通过平衡化不同空间频率分量来生成准确地表示原始用户手指的输出图像。用于实现其的一种方法是，设计用于重建的积分方法，以重新加强在远程场传播过程中更加强烈衰减了的空间频率。图16所示方法包括重建过程中的空间频率补偿的一个表示。
[0094]可以实现形状重建过程的另选表示。在该另选表示中，采用经典空间滤波卷积核提供了用户手指信息的空间频率经修剪的重建。更具体地，生成空间频率补偿的加权矩阵可以基于与所计算像素的距离。[0095]来自对所计算像素有贡献的每一个增量像素测量结果的贡献的符号通常取决于差分测量结果的极性的符号。对于水平增量来说，针对所计算像素左侧的测量结果与右侧的测量结果以相反的符号来累计。对于垂直增量来说，所计算像素上面的测量结果与下面的测量结果以相反的符号来累计。
[0096]用于图像构造操作的核可以是水平和垂直空间频率加权矩阵，其符号被修改成反映左/右和上/下标准。
[0097]对于输出图像中的每个像素:
[0098]像素值=Σ(Khi；j.Ahi, j) + X (Kviij.Δ vi；J)
[0099]其中:
[0100]Kh是水平图像构造核；
[0101]Kv是垂直图像构造核；
[0102]Δ h是水平增量矩阵；
[0103]Λ V是垂直增量矩阵；并且
[0104]i和j表示所计算像素周围的核的尺寸。
[0105]在某些情况下，可以利用快速傅立叶变换类型的数学方法来实现空间频率经修剪的核重建的更高效实现，以最小化冗余的部分结果计算，如本领域技术人员将理解的。
[0106]通过利用用于计算原始用户手指21"’的形状的多条路径(或空间滤波器表示中的另选实现)，可以减少单个差值测量中的噪声影响。取决于要抑制的噪声信号的特性，可以使用线性和非线性滤波两者来实现这一优点。
[0107]返回参照图14a和14b，强线性图案(例如指纹)的取向可以直接根据增量像素信息来计算。该取向信息连同也可以根据差值测量结果导出的图案的空间频率信息，可以被用于将核滤波电路52"’取向为非对称核形状重建滤波器。这种滤波器可以向具有强取向纹理的图案提供显著噪声消除和图像质量改进。
[0108]如本领域技术人员将理解的，手指感测设备20有利地从与手指感测像素阵列30相距较大距离的用户手指读取指纹。这允许许多可以减轻专门封装的缺点和机械集成的问题的不同机械封装和主机设备集成方法。
[0109]下面，另外参照图17，在IC封装领域，这些方法可以包括包覆模制IC封装，其是使用在手指感测像素阵列上方没有开口的标准模制封装的指纹感测IC的成本相对较低且产量较高的封装。作为例证，手指感测设备20〃〃包括:处于手指感测像素阵列30〃〃之上的包覆模制件53〃〃、手指驱动电极32〃〃、以及接合线54〃〃。颜色涂层55〃〃处于包覆模制件53〃〃上面，而表面透明涂层56〃〃处于颜色涂层上面。包覆模制件53〃〃以及透明涂层55〃〃和颜色涂层55〃〃的厚度例如可以处于100-900微米的范围中。这可以减少对当前在手指感测像素阵列上使用的特殊薄涂层的需要，而代之以标准模制化合物。还可以减少与这些传感器相关联的专门的制造和处理设备和实践。
[0110]下面，另外参照图18，另一方法例如涉及将手指感测设备20""’直接模制成标准按钮。作为例证，倒装芯片底部填料57〃〃’由手指感测像素阵列30〃〃’承载，而回填料58〃〃’包围手指感测像素阵列30〃〃’的侧面与下面。接合线54〃〃’穿过回填料58〃〃’耦接。互连基板59〃〃’(例如，Kapton基板)处于倒装芯片底部填料57〃〃’上面，并且部分地覆盖手指驱动电极32〃〃’。包覆模制件沿手指感测设备20〃〃’的长度在互连基板59〃〃’上面承载。膜顶表面层64〃〃’被包覆模制件53〃〃’承载。可在其上模制有标准厚度塑料材料而工作的手指感测设备20""’可以被模制为模制键帽的组成部分，有时，其对于电流传感器来说相对较难。
[0111]更进一步，在此描述的手指感测设备20可以被嵌入到标准分层标识(ID)卡中。可以经由在智能卡和RF-1D卡制造中使用的标准分层来对用户手指成像的手指感测设备现在可以利用标准低成本卡组装工艺来经济地构建到那些卡中。
[0112]另一方法涉及将手指感测设备20安装在主机设备壳体或外壳下面，而不需要穿透到壳体外。手指感测设备20透过壳体塑料读取指纹。下表1指示了位于主机设备的不
同外壳或外部结构下面的手指感测设备的总成像距离。
[0113]
【权利要求】
1.一种手指感测设备，包括: 手指感测像素阵列，用于接纳与其相邻的用户手指，每一个手指感测像素都包括手指感测电极； 手指驱动电极，被配置成将驱动信号通过用户手指耦合至所述手指感测像素阵列；以及 差分像素测量电路，该差分像素测量电路耦接至所述手指感测像素阵列，并且被配置成生成多个针对所述手指感测像素的相邻对的像素间差值测量结果。
2.根据权利要求1所述的手指感测设备，还包括位于所述手指感测像素之上的盖层，该盖层具有范围为100微米-900微米的厚度。
3.根据权利要求1所述的手指感测设备，其中，所述差分像素测量电路包括平衡差分像素测量电路。
4.根据权利要求3所述的手指感测设备，其中，所述平衡差分像素测量电路包括: 耦接至每一个手指感测像素的每一个手指感测电极的相应差分放大器级； 切换电路，用于针对所述手指感测像素的相邻对，按差分配置选择性地耦接差分放大器级的相应对；以及 耦接至所述切换电路的输出级。
5.根据权利要求1所述的手指感测设备，其中，所述手指感测像素阵列包括多行和多列手指感测像素；并且其中，所述差分像素测量电路包括切换电路，该切换电路用于针对沿所述手指感测像素阵列的行和列两者的所述手指感测像素的相邻对，生成多个像素间测量结果。
6.根据权利要求5所述的手指感测设备，还包括图像生成电路，该图像生成电路耦接至所述差分测量电路，并且被配置成，基于针对沿所述手指感测像素阵列的行和列两者的所述手指感测像素的相邻对的像素间测量结果，生成合成手指图像。
7.根据权利要求6所述的手指感测设备，其中，所述图像生成电路包括耦接至所述差分测量电路的核滤波电路。
8.根据权利要求1所述的手指感测设备，还包括半导体基板；并且其中，所述手指感测像素阵列位于所述半导体基板上。
9.根据权利要求1所述的手指感测设备，还包括耦接至所述手指驱动电极的射频驱动信号发生器。
10.一种手指感测设备，包括: 手指感测像素阵列，用于接纳与其相邻的用户手指，每一个手指感测像素都包括手指感测电极； 手指驱动电极，被配置成通过用户手指将驱动信号耦合至所述手指感测像素阵列；平衡差分像素测量电路，该平衡差分像素测量电路耦接至所述手指感测像素阵列，并且被配置成生成多个针对所述手指感测像素的相邻对的像素间差值测量结果；以及位于所述手指感测像素之上的盖层，该盖层具有范围为100微米-900微米的厚度。
11.根据权利要求10所述的手指感测设备，其中，所述平衡差分像素测量电路包括: 耦接至每一个手指感测像素的每一个手指感测电极的相应差分放大器级； 切换电路，用于针对所述手指感测像素的相邻对，按差分配置选择性地耦接差分放大器级的相应对；以及 耦接至所述切换电路的输出级。
12.根据权利要求10所述的手指感测设备，其中，所述手指感测像素阵列包括多行和多列手指感测像素；并且其中，所述平衡差分像素测量电路包括切换电路，该切换电路用于针对沿所述手指感测像素阵列的行和列两者的所述手指感测像素的相邻对，生成多个像素间测量结果。
13.根据权利要求12所述的手指感测设备，还包括图像生成电路，该图像生成电路耦接至所述平衡差分像素测量电路，并且被配置成，基于针对沿所述手指感测像素阵列的行和列两者的所述手指感测像素的相邻对的像素间测量结果，生成合成手指图像。
14.根据权利要求13所述的手指感测设备，其中，所述图像生成电路包括耦接至所述平衡差分像素测量电路的核滤波电路。
15.根据权利要求10所述的手指感测设备，还包括半导体基板；并且其中，所述手指感测像素阵列位于所述半导体基板上。
16.根据权利要求10所述的手指感测设备，还包括耦接至所述手指驱动电极的射频驱动信号发生器。
17.—种感测手指的方法，包括: 接纳与手指感测像素阵列相邻的用户手指，每一个手指感测像素都包括手指感测电极； 经由手指驱动电极将驱动信号通过用户手指耦合至手指感测像素阵列；以及 利用耦接至手指感测像素阵列 的差分像素测量电路，生成多个针对手指感测像素的相邻对的像素间差值测量结果。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括位于手指感测电极之上的盖层，该盖层具有范围为100微米-900微米的厚度。
19.根据权利要求17所述的方法感测设备，其中，该差分像素测量电路包括平衡差分像素测量电路。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，该平衡差分像素测量电路包括: 耦接至每一个手指感测像素的每一个手指感测电极的相应差分放大器级； 切换电路，用于针对手指感测像素的相邻对，按差分配置选择性地耦接差分放大器级的相应对；以及 耦接至切换电路的输出级。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，手指感测像素阵列包括多行和多列手指感测像素；其中，差分像素测量电路包括切换电路；并且其中，所述多个像素间测量结果是利用切换电路针对沿手指感测像素阵列的行和列两者的手指感测像素的相邻对而生成的。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括:经由耦接至差分测量电路的图像生成电路，基于针对沿手指感测像素阵列的行和列两者的手指感测像素的相邻对的像素间测量结果，生成合成手指图像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述合成手指图像是经由耦接至差分测量电路的核滤波电路而生成的。
【文档编号】G06K9/60GK103548035SQ201180055850
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2011年10月7日 优先权日:2010年10月8日
【发明者】D·R·赛特拉克, P·J·兰迪, R·什恩克, A·M·斯特劳博 申请人:苹果公司