新型电容式指纹图像采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种新型电容式指纹图像采集系统，包括一感测元阵列，包含多个感测元；一感测元阵列驱动电路，用于向感测元阵列输入电压信号；一绝缘表面，覆盖于该感测元阵列之上，作为一手指的接触面；一比较器阵列，配置于该感测元阵列旁，感测元阵列的输出作为其输入；一可编程的参考电压源，作为比较器阵列的一输入参考电压；一自适应过程算法逻辑电路，用于自适应调节可编程的参考电压源。本发明提供的系统能够增加电容传感器的灵敏性，可使得干，湿，油，以及正常手指都能够采集到清晰的指纹图像，更加适用于某些特殊的手指的采集。
【专利说明】新型电容式指纹图像采集系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种适用于特殊手指采集的新型电容式指纹图像采集系统。
【背景技术】
[0002]随着电子自动化设计的高速发展，活体生物特征认证和身份识别越来越多的运用到人们的生活中，指纹认证作为在生物特征认证中具有最高可靠性和性价比，已经成为了当前生物认证的主流。与此同时，指纹采集技术也高速发展，一个更低成本，更小体积的传感器将会占领巨大的市场，因此具有上述优点的传感器成为当前研究的重点。其中电容式传感器成为当前主流产品之一。
[0003]随着指纹技术的逐渐成熟，以及成本的越来越低，相信指纹识别技术会广泛的应用到我们日常生活中来。与此同时，对传感器的要求也越来越高。一个好的指纹识别系统，不仅是从算法上解决指纹识别系统中存在的不足，更应该从根本上解决传感器采集到的图像质量问题，使得某些特殊手指都能够采集到清晰的指纹图像。现有的电容式传感器是通过利用电荷分享原理来实现的，比起过去利用电容充放电原理来感测微小电容值的结构有很大的改进，如中国专利编号ZL02105960.8，提供了一种电容式指纹读取芯片，包含以二维方式排列的电容感测元阵列以及一类动态随机存取存储器DRAM周边电路，此类感测元阵列利用DRAM的电荷分享原理检测指纹的纹峰和纹谷。该现有的电容式传感器的感测元结构不能消除背景电容(感测电极到其电极的寄生电容，包括感测电极到参考电极，感测电极到衬底等的寄生电容，而且每个感测元的寄生电容可能存在不一致性)，其感测元输出信号通过一比较器或A/D转换器得到的二进制或者灰度级的影像信息，只通过改变感测元的参考电容值或者改变屏蔽电容大小及所接的电位来粗调指纹图像的质量，该方法对于太湿或者太油的手指存在采集到的图像模糊不清，对于干燥及断裂的手指，采集到的图像纹路太浅或者根本分辨不出指纹纹路，导致特殊手指应用受到限制，同时如果采集到不清晰的指纹图像，给后续指纹处理及识别造成一定的影响
【发明内容】
[0004]本发明为了解决上述问题，提供一种改进型的电容式指纹图像采集系统，在现有技术的基础上通过改善感测元电路和对感测元输出信号所通过的比较器的参考电压进行自适应调整。
[0005]本发明提供一种新型电容式指纹图像采集系统，包括一感测元阵列，包含多个感测元；一感测元阵列驱动电路，用于向感测元阵列输入电压信号；一绝缘表面，覆盖于该感测元阵列之上，作为一手指的接触面；一比较器阵列，配置于该感测元阵列旁，感测元阵列的输出作为其输入；一可编程的参考电压源，作为比较器阵列的一输入参考电压；一自适应过程算法逻辑电路，用于自适应调节可编程的参考电压源；其特征在于，感测元阵列接被输入一第一电压信号,使该每一个感测兀内的一参考电容两端或感测电容两端产生一电压差；之后输入一第二电压信号，使参考电容两端与屏蔽电容两端无电压差，或者感测电容两端和屏蔽电容两端无电压差；然后输入一第三电压信号，使屏蔽电极链接到一电压，使该感测电容，该屏蔽电容与该参考电容进行电荷分享之后再断开该参考电容与该感测电容和该屏蔽电容的链接；顺序的重复输入第二，第三电压信号，直到比较器发生翻转再将每一个比较器的翻转信号输出，作为采集到的灰度级影像信息。
[0006]每一个感测元还包含:一传感器结构，包括:一感测电极，与手指、绝缘表面形成感测电容；
[0007]两个参考电极；及一绝缘层，配置于两个参考电极间，且在两个参考电极及绝缘层之间会形成参考电容；一屏蔽电极及配置于屏蔽电极与感测电极间的一绝缘层，在屏蔽电极、绝缘层及感测电极之间形成屏蔽电容；及多个开关电路。
[0008]自适应过程算法逻辑电路实时分析比较器阵列输入其中的灰度级指纹影像信息，之后输出一反馈信号用于调节比较器阵列的参考电压值。
[0009]多个感测元的版图结构如下:
[0010]最后一层金属作为感测电极，到数第二层金属作为屏蔽电极，用于隔绝其他电路从而消除背景电容，这两层金属之间的绝缘层与该两层金属之间形成屏蔽电容；每个感测元的屏蔽电极被顺序划分为多块，其中边缘两块连接恒定电压，使得各感测元之间的边缘寄生电容相同，其余的块连接在可变的电压源上，由感测元驱动电路驱动。
[0011]本发明根据电荷分享原理，通过自适应调整感测元输出信号所通过的比较器的参考电压，改善现有的感测元阵列进行电容值的检测，该系统能够增加电容传感器的灵敏性，可使得干，湿，油，以及正常手指都能够采集到清晰的指纹图像，更加适用于某些特殊的手指的采集。自适应过程算法由数字逻辑电路实现。
[0012]本发明另提供一种感测元的版图结构，使得数百上千个感测元的电荷分享一致性(各个感测元寄生电容的一致性)，进一步提高指纹输出图像的品质。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明电容式指纹采集系统示意图；
[0014]图2是本发明实施例的电容式指纹采集系统的感测元结构示意图；
[0015]图3是本发明实施例的电容式指纹采集系统的感测元版图结构示意图；
[0016]图4是本发明电容式指纹采集系统采集到的干手指指纹图像，其中图4a是未调整比较器参考电压值采集到的图像；图4b是调整比较器参考电压值采集到的图像。
[0017]图5是本发明电容式指纹采集系统采集到的湿手指指纹图像，其中图5a是未调整比较器参考电压值采集到的图像；图5b是调整比较器参考电压值采集到的图像。
[0018]图中符号说明:
[0019]I指纹采集系统
[0020]10感测元阵列
[0021 ] 11感测元阵列驱动电路
[0022]12输入参考电压可编程的比较器阵列
[0023]121输入参考电压可编程的比较器
[0024]13自适应过程算法逻辑电路[0025]14可编程参考电压源
[0026]2手指
[0027]20感测电极
[0028]201感测电容
[0029]202参考电容
[0030]203a、203b、203c、203d、203e、203e 屏蔽电容
[0031]301302303304a 304b 305a 305b 306a 306b 开关
[0032]401402403404a 404b 405a 405b 406a 406b 电压源
[0033]5节点
【具体实施方式】
[0034]本发明提供了一种电容式指纹图像采集系统，包含:一感测元阵列，包含多个感测元；一感测元阵列驱动电路；一绝缘表面，覆盖于该感测元阵列之上，作为一手指的接触面；一比较器阵列，配置于该电容感测元阵列旁，感测元阵列的输出作为其输入；一可编程的参考电压源，作为比较器阵列的一输入参考电压；一自适应过程算法逻辑电路，用于自适应调节可编程的参考电压源。该感测元阵列被输入一第一电压信号，使该每一个感测元内的一参考电容两端产生一电压差；之后输入一第二电压信号，使感测电容两端和屏蔽电容两端无电压差；然后输入一第三电压信号，使屏蔽电极链接到某一电压，使该感测电容、该屏蔽电容与该参考电容进行电荷分享之后再断开该参考电容与该感测电容和该屏蔽电容的链接；顺序的重复输入第二，第三电压信号，直到比较器发生翻转再将每一个比较器的翻转信号输出作为采集到的灰度级影像信息。
[0035]该输出信号输入到自适应过程算法逻辑电路处理后反馈回一信号用于调节可编程参考电压源，反复循环该过程，直到输出一副清晰的指纹图像。
[0036]根据本发明的一实施例，此电容式指纹图像采集系统，包含:一感测元阵列、一感测元阵列驱动电路、一绝缘表面、一比较器阵列、一可编程的参考电压源和一自适应过程算法逻辑电路；其中感测元阵列包含多个感测元，每一个感测元:还包含一传感器结构，包括一感测电极、两参考电极及配置于参考电极间的一绝缘层、一屏蔽电极及配置于屏蔽电极与感测电极间的一绝缘层、多个开关电路。
[0037]其中，绝缘表面覆盖于感测元阵列之上，作为一手指接触面；手指、绝缘表面及感测电极会形成感测电容，在两参考电极及绝缘层之间会形成参考电容，在屏蔽电极、绝缘层及感测电极之间会形成屏蔽电容；多个开关在感测元阵列驱动电路的作用下完成电容感测兀的电荷分享；其中感测兀阵列驱动电路输入一第一电压信号，使该每一个感测兀内的一参考电容两端产生一电压差(或感测电容两端产生电压差)；之后输入一第二电压信号，使感测电容两端(或参考电容两端)和屏蔽电容两端无电压差；然后输入一第三电压信号，使屏蔽电极链接到某一电压，使该感测电容，该屏蔽电容与该参考电容进行电荷分享之后再断开该参考电容与该感测电容和该屏蔽电容的链接；顺序的重复输入第二，第三电压信号，直到比较器发生翻转再将每一个比较器的翻转信号输出作为采集到的灰度级影像信息。
[0038]根据本发明的另一实施例，此感测元的版图结构如下:
[0039]最后一层金属作为感测电极，到数第二层金属作为屏蔽电极，用于隔绝其他电路从而消除背景电容，这两层金属及该两层金属之间的绝缘层形成屏蔽电容。每个感测元的屏蔽电极被顺序划分为多块，其中边缘两块连接恒定电压，使得各感测元之间的边缘寄生电容相同，其余的块连接在可变的电压源上，由感测元驱动电路驱动。
[0040]在本是实施例中，每个感测元屏蔽电极被划分为5小块A、B、C、D、E,其中A、E连接恒定电压，使得各感测元之间的边缘寄生电容大致相同，B、C、D连接在可变的电压源上，由感测元驱动电路驱动。通过调节B、C、D所链接的可变电压源可以得到一种最佳灵敏性的感测元。参考电容及开关电路置于该两层金属之下。该版图结构使得数百上千个感测元的电荷分享一致性(各个感测元寄生电容的一致性)，进一步提高指纹输出图像的品质。
[0041]不同于其他电容式指纹图像采集系统，本发明通过改善感测元的电路结构及其版图结构来提高采集图像品质，同时通过一个自适应算法过程来调节一个输入参考电压可编程的比较器来实现对特殊手指的采集。无论是采集正常的指纹或是采集特殊指纹，通过实时自适应的调整输入参考电压可编程的比较器，从而调整比较器的输出指纹影像品质，都能够采集到比较清晰的指纹图像。
[0042]参见图1，其是本发明电容式指纹采集系统示意图。该指纹采集系统I包含:一感测元阵列10，包含多个感测元101，用于检测手指表面与感测电极所形成的感测电容；感测元阵列驱动电路11，用于向感测元阵列输入电压信号；一输入参考电压可编程的比较器阵列12，包含多个比较器121，将感测元的输出转换为二进制灰度级指纹影像信息；一自适应过程算法逻辑电路13，用于实时分析输入其中的二进制灰度级指纹影像信息，之后输出一反馈信号用于调节比较器阵列12的参考电压值；一可编程参考电压源14，作为比较器阵列12的输入。
[0043]参见图2，其是本发明实施例电容式指纹采集系统其中一个感测元的结构示意图。该感测元包含:一感测电容201，由手指2、感测电极20及绝缘表面21所形成的电容；一参考电容 202 ;多个屏蔽电容 203a、203b、203c、203d、203e ;多个开关 301、302、303、304a、304b、305a、305b、306a、306b ;多个电压源 401、402、403、404a、404b、405a、405b、406a、406b ;当手指2接触感测元表面21时，感测元阵列驱动电路11会输入一第一电压，使得开关303关闭，参考电容202充电到某一电压值，如VDD，后断开开关303。之后感测元阵列驱动电路11输入一第二电压，使得开关301，304a，305a, 306a关闭，开关304b，305b, 306b断开，使感测电极上的电荷为零(如感测电容和屏蔽电容的两端电压为零)后断开关301，304a，305a，306a。然后输入一第三电压，使得开关302、304b、305b、306b关闭，电容203b、203c、203d链接到某一电压上，如VDD，感测电容、参考电容和屏蔽电容发生电荷分享后断开开关302、304b、305b、306b。重复输入第二、第三电压数次后，直到参考电容202的电压下降到比较器的参考电压值，使比较器发生反转。最后将比较器的输出传入实时的自适应过程算法逻辑电路13，自适应过程算法逻辑电路13反馈回一数字信号用于调节可编程参考电压源14。无论是正常手指或是特殊手指，通过该指纹采集系统后，可以输出一幅清晰的指纹图像。
[0044]此外，重复输入第二、第三电压一定的次数后，可以使屏蔽电容203a、203b、203c、203d、203e贡献到节点5的净电荷为零，从而消除背景电容的影响。
[0045]参见图3，其是本发明实施例电容式指纹采集系统的感测元的版图，由两层金属构成，最后一层金属(102)作为感测电极，到数第二层金属(101)作为屏蔽电极，用于隔绝其他电路从而消除背景电容，101，102及这两层金属之间的绝缘层形成屏蔽电容。每个感测元屏蔽电极被划分为5块(101a，101b, 101c, IOld, IOle)，其中101a, IOle连接恒定电压，使得各感测元间的边缘寄生电容大致相同，101b, 101c, IOld连接在可变的电压上，由感测元驱动电路驱动。通过调节101b，101c，IOld所链接的可变电压可以得到一种最佳灵敏性的感测元。参考电容及开关电路置于该两层金属之下。该版图结构使得数百上千个感测元的电荷分享一致性(各个感测元寄生电容的一致性)，进一步提高指纹输出图像的品质。
[0046]参见图4和图5，其中图4a图是传统电容式采集系统采集到干手指所得到的指纹图像，看上去指纹纹路太浅很难识别，图4b是本发明电容式指纹采集系统通过实时的自适应过程算法电路来调节输入参考电压可编程的比较器阵列得到的指纹图像，看上去清晰可见。图5a图是传统电容式采集系统采集到湿手指所得到的指纹图像，看上去指纹纹路模糊不清很难识别，图5b图是本发明电容式指纹采集系统通过实时的自适应过程算法电路来调节输入参考电压可编程的比较器阵列得到的指纹图像，看上去清晰可见。
[0047]本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
【权利要求】
1.新型电容式指纹图像采集系统，包括 一感测元阵列，包含多个感测元； 一感测元阵列驱动电路，用于向感测元阵列输入电压信号； 一绝缘表面，覆盖于该感测元阵列之上，作为一手指的接触面； 一比较器阵列，配置于该感测元阵列旁，感测元阵列的输出作为其输入； 一可编程的参考电压源，作为比较器阵列的一输入参考电压； 一自适应过程算法逻辑电路，用于自适应调节可编程的参考电压源； 其特征在于，感测兀阵列接被输入一第一电压信号，使该每一个感测兀内的一参考电容两端或感测电容两端产生一电压差；之后输入一第二电压信号，使参考电容两端与屏蔽电容两端无电压差，或者感测电容两端和屏蔽电容两端无电压差；然后输入一第三电压信号，使屏蔽电极链接到一电压，使该感测电容，该屏蔽电容与该参考电容进行电荷分享之后再断开该参考电容与该感测电容和该屏蔽电容的链接；顺序的重复输入第二，第三电压信号，直到比较器发生翻转再将每一个比较器的翻转信号输出，作为采集到的灰度级影像信肩、O
2.根据权利要求1所述的新型电容式指纹图像采集系统，其特征在于，每一个感测元还包含: 一传感器结构，包括: 一感测电极，与手指、绝缘表面形成感测电容； 两个参考电极；及 一绝缘层，配置于两个参考电极间，且在两个参考电极及绝缘层之间会形成参考电容； 一屏蔽电极及配置于屏蔽电极与感测电极间的一绝缘层，在屏蔽电极、绝缘层及感测电极之间形成屏蔽电容；及多个开关电路。
3.根据权利要求1所述的新型电容式指纹图像采集系统，其特征在于，自适应过程算法逻辑电路实时分析比较器阵列输入其中的灰度级指纹影像信息，之后输出一反馈信号用于调节比较器阵列的参考电压值。
4.根据权利要求2所述的新型电容式指纹图像采集系统，其特征在于，多个感测元的版图结构如下: 最后一层金属作为感测电极，倒数第二层金属作为屏蔽电极，用于隔绝其他电路从而消除背景电容，这两层金属之间的绝缘层与该两层金属之间形成屏蔽电容；每个感测元的屏蔽电极被顺序划分为多块，其中边缘两块连接恒定电压，使得各感测元之间的边缘寄生电容相同，其余的块连接在可变的电压源上，由感测元驱动电路驱动。
【文档编号】G06K9/00GK103679163SQ201210345176
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月18日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】徐启波 申请人:成都方程式电子有限公司