指纹检测装置和移动终端的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种指纹检测装置和移动终端，所述指纹检测装置包括电容式指纹传感器和与该电容式指纹传感器电连接的电容式触控芯片，所述电容式指纹传感器用于采集指纹信息，并将该指纹信息转换为模拟信号；所述电容式触控芯片用于将所述模拟信号转换为数字信号，并根据该数字信号生成指纹图像信息。相对于现有技术中指纹检测装置专门的控制芯片，电容式触控芯片的设计和生产技术更成熟，生产和应用成本更低。特别是应用于电容式触控终端时，可以复用该电容式触控终端本身的电容式触控芯片来实现指纹的检测和识别，极大的提高了技术集成度，降低了应用成本。
【专利说明】指纹检测装置和移动终端
【技术领域】
[0001]本发明涉及指纹检测【技术领域】，尤其是涉及一种电容式指纹检测装置和具有该指纹检测装置的移动终端。
【背景技术】
[0002]电容式指纹检测装置可以应用于各种终端设备，目前已开始逐渐应用于电容式触摸屏移动终端。现有的电容式指纹检测装置包括电容式指纹传感器和控制芯片。电容式指纹传感器的电极图案如图1所示，包括环形发射电极b和多个感应电极a。感应电极a的分布图案如图2所示，呈Cm行Rn列排列，共mxn个。控制芯片需要具有多个信号通道，多个信号通道分别与感应电极a和环形发射电极b连接，从而实现指纹扫描。
[0003]电容式触控屏移动终端的触控屏模组由电容式触控芯片和电容式触控屏电极组成，电容式触控屏电极图案如图3所示，其中X和Y可以分别为感应电极和驱动电极或互换，电容式触摸芯片需要i+j个信号通道分别与X和Y电极连接来实现触摸控制检测。
[0004]发明人通过上述仔细对比和深入研究，发现电容式指纹扫描技术与电容式触摸屏检测技术的检测扫描方式类似。而电容式触控芯片的设计和生产技术比较成熟，制造和应用成本较低；电容式指纹检测装置的控制芯片是专门的控制芯片，设计和生产技术尚不成熟，因此制造和应用成本较高。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于提供一种指纹检测装置和移动终端，旨在降低指纹检测装置的应用成本。
[0006]为达以上目的，本发明提出一种指纹检测装置，包括电容式指纹传感器和与该电容式指纹传感器电连接的电容式触控芯片，所述电容式指纹传感器用于采集指纹信息，并将该指纹信息转换为模拟信号；所述电容式触控芯片用于将所述模拟信号转换为数字信号，并根据该数字信号生成指纹图像信息。
[0007]优选地，所述电容式指纹传感器包括环形发射电极和指纹扫描模拟前端，所述电容式触控芯片包括第一模拟前端和第一数字逻辑电路，所述环形发射电极与所述第一模拟前端电连接，所述指纹扫描模拟前端分别与所述第一模拟前端和第一数字逻辑电路电连接。
[0008]优选地，所述第一模拟前端包括驱动通道，所述驱动通道与所述环形发射电极电连接。
[0009]优选地，所述第一模拟前端包括感测输入通道，所述指纹扫描模拟前端包括第二数字逻辑电路和模拟信号缓冲电路，所述第二数字逻辑电路与所述第一数字逻辑电路电连接，所述模拟信号缓冲电路与所述感测输入通道电连接。
[0010]优选地，所述指纹扫描模拟前端还包括行列模拟开关，所述行列模拟开关用于分时切换所述电容式触控芯片对所述电容式指纹传感器进行数据扫描的扫描区域。[0011]优选地，所述电容式触控芯片包括模数转换单元、处理单元和指纹识别单元，所述模数转换单元用于将所述模拟信号转换为数字信号，所述处理单元用于根据所述数字信号生成指纹图像信息，所述指纹识别单元用于根据所述指纹图像信息进行指纹识别。
[0012]优选地，所述电容式指纹传感器上分布有多个感应电极，所述多个感应电极构成一感应电极矩阵，所述感应电极矩阵周围设有补偿电极。
[0013]优选地，所述补偿电极有多个，分布于所述感应电极矩阵周围；或，
[0014]所述补偿电极为一环形的补偿电极，环绕于所述感应电极矩阵周围。
[0015]优选地，所述电容式指纹传感器上具有由多个感应电极构成的感应电极矩阵，所述电容式指纹传感器分时复用所述电容式触控芯片，以使所述电容式触控芯片分时对所述感应电极矩阵进行区域扫描，所述电容式触控芯片每次扫描至少三个感应电极，且每次仅读取位于扫描区域中心的感应电极的数据。
[0016]优选地，所述电容式指纹传感器包括一环形发射电极，所述电容式触控芯片用于:
[0017]判断所述环形发射电极是否被触摸；
[0018]若否，则控制所述电容式指纹传感器进入省电模式；
[0019]若是，则控制所述电容式指纹传感器进入工作模式。
[0020]优选地，所述电容式触控芯片用于:
[0021]检测所述环形发射电极的寄生电容是否为预设值；
[0022]若是，则判定所述环形发射电极没有被触摸；
[0023]若否，则判定所述环形发射电极被触摸。
[0024]本发明同时提出一种移动终端，其包括一指纹检测装置，该指纹检测装置包括电容式指纹传感器和与该电容式指纹传感器电连接的电容式触控芯片，所述电容式指纹传感器用于采集指纹信息，并将该指纹信息转换为模拟信号；所述电容式触控芯片用于将所述模拟信号转换为数字信号，并根据该数字信号生成指纹图像信息。
[0025]本发明所提供的一种指纹检测装置，利用电容式触控芯片替代现有的指纹检测装置中专门的控制芯片，相对于专门的控制芯片，电容式触控芯片的设计和生产技术更成熟，生产和应用成本更低。特别是应用于电容式触控终端时，可以复用该电容式触控终端本身的电容式触控芯片来实现指纹的检测和识别，极大的提高了技术集成度，降低了应用成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是电容式指纹传感器的电极图；
[0027]图2是电容式指纹传感器的感应电极分布示意图；
[0028]图3是电容式触摸屏模组的电极图；
[0029]图4是本发明的指纹检测装置第一实施例的结构框图；
[0030]图5是图4中的电容式指纹传感器和电容式触控芯片的电路连接示意图；
[0031]图6是本发明的指纹检测装置分时扫描的示意图；
[0032]图7是本发明的指纹检测装置分时扫描的另一示意图；
[0033]图8是本发明的指纹检测装置电场补偿式分时扫描的示意图；
[0034]图9是现有技术中电容式指纹传感器感应电极的电场分布示意图；[0035]图10是本发明的指纹检测装置的补偿电极的电路连接示意图；
[0036]图11是本发明的指纹检测装置的补偿电极的电路连接另一示意图；
[0037]图12是本发明的指纹检测装置的补偿电极设置示意图；
[0038]图13是本发明的指纹检测装置的补偿电极设置另一示意图；
[0039]图14是本发明中电容式指纹传感器感应电极的电场分布示意图；
[0040]图15是本发明的指纹检测装置的省电方法一实施例的流程图；
[0041]图16是本发明中检测环形发射电极的电路图；
[0042]图17是手指触摸图17中的环形发射电极的示意图；
[0043]图18是图15中步骤S102的具体流程图；
[0044]图19是本发明的指纹检测装置第二实施例的结构框图；
[0045]图20是本发明的指纹检测装置第三实施例的结构框图。
[0046]本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
【具体实施方式】
[0047]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0048]有鉴于电容式指纹扫描技术与电容式触摸屏检测技术的检测扫描方式类似，本发明利用电容式触控芯片替代现有的电容式指纹检测装置专门的控制芯片，实现降低应用成本的目的。本发明的指纹识别装置特别适用于电容式触控终端，通过复用该电容式触控终端本身的电容式触控芯片来实现指纹的检测和识别，技术集成度较高，应用成本较低。
[0049]参见图1、图2，提出本发明的指纹检测装置第一实施例，所述指纹检测装置包括电容式指纹传感器100和电容式触控芯片200，所述电容式指纹传感器100用于采集指纹信息，并将该指纹信息转换为模拟信号；所述电容式触控芯片200用于将所述模拟信号转换为数字信号，并根据该数字信号生成指纹图像信息。
[0050]电容式指纹传感器100包括环形发射电极110和指纹扫描模拟前端120，指纹扫描模拟前端120包括由多个感应电极构成的感应电极矩阵和放大电路等辅助电路，环形发射电极110环绕于感应电极矩阵周围；感应电极矩阵包括第二模拟前端121、第二数字逻辑电路123和模拟信号缓冲电路124。电容式触控芯片200包括第一模拟前端210、第一数字逻辑电路240、模数转换单元220和处理单元230，第一模拟前端210包括驱动通道211和感测输入通道212。环形发射电极120与第一模拟前端210的驱动通道211电连接，作为优选，本实施例中环形发射电极120通过一驱动缓冲电路300与驱动通道211电连接，在某些实施例中，环形发射电极120也可以直接与驱动通道211电连接；指纹扫描模拟前端120的第二数字逻辑电路123与电容式触控芯片200的第一数字逻辑电路240电连接；指纹扫描模拟前端120的模拟信号缓冲电路124与第一模拟前端210的感测输入通道212电连接。
[0051]电容式指纹传感器100的指纹扫描模拟前端120采集指纹信息，并将指纹信息转换为模拟信号；电容式触控芯片200的第一模拟前端210通过感测输入通道212获取模拟信号，并将模拟信号传送给模数转换单元220，模数转换单元220将模拟信号转换为数字信号后传送给处理单元230，处理单元230根据该数字信号生成指纹图像信息，从而完成了对指纹的检测。
[0052]进一步地，由于电容式指纹传感器100的感应电极较多，而电容式触控芯片200的感测输入通道212较少，因此电容式触控芯片200可以通过多次扫描来获取电容式指纹传感器100采集的指纹信息。为此，本实施例中指纹扫描模拟前端120的感应电极矩阵还包括行列模拟开关122，行列模拟开关122用于分时切换电容式触控芯片200对电容式指纹传感器100进行数据扫描的扫描区域。从而，电容式指纹传感器100可以分时复用电容式触控芯片200，以使电容式触控芯片200分时对感应电极矩阵进行区域扫描，最终获取所有感应电极采集到的整体指纹信息。
[0053]分时扫描方法可以如图6所示，其中黑色方块表示正在扫描的感应电极，阴影方块表示不工作的感应电极，每次扫描呈矩形排列的四个感应电极，从感应电极矩阵的左上角扫描到右下角(或者其它扫描顺序)，直至扫描完所有感应电极，读取到整个指纹信息。分时扫描方法也可以如图7所示，每次扫描并排呈直线的三个感应电极，从感应电极矩阵的左上角扫描到右下角(或者其它扫描顺序)，直至扫描完所有感应电极，读取到整个指纹信息。分时扫描方法根据实际需要，还可以是其它各种形式，在此不做限制。
[0054]进一步地，在进行分时扫描时，为了省电，阴影部分的感应电极通常是不工作的，这样就会造成黑色区块与阴影区块的感应电极的电场有差异。为了尽量减少阴影区块对黑色区块的感应电极的影响，电容式触控芯片200每次扫描至少三个感应电极，且每次仅读取位于扫描区域中心的感应电极的数据，直至读取完所有感应电极的数据，获取整个指纹信息。即如图8所示，其中黑色区块为扫描区域，扫描感应电极矩阵的四个角时，每次扫描三个感应电极即可；扫描感应电极矩阵的边缘时，每次扫描四个感应电极即可；扫描感应电极矩阵的中部时，每次扫描五个感应电极即可；电容式触控芯片200每次仅读取扫描区域中心的感应电极A的数据，其它的感应电极仅用作补偿电极，来缓冲阴影区块的感应电极对扫描区域的感应电极的电场的影响。从而，获取的指纹信息更准确和稳定，生成的指纹图像的质量更好。
[0055]进一步地，电场分布的物理规律决定了电容式指纹传感器100的感应电极矩阵边缘的电场与中间部分的电场不一样，如图9所示，在感应电极矩阵的中心部分，感应电极10的电场分布较为均匀，而边缘的感应电极10的电场是发散的，由此会造成获取的指纹图像在边缘会有失真现象。为了解决该问题，如图10-图14所示，本实施例在感应电极矩阵的周围设计补偿电极20，补偿电极20不用来做信号检测，不输出数据，仅仅是在电路设计上使其信号特性等同于感应电极10即可，补偿电极20的电路图可以如图10或图11所示。补偿电极20的设置可以采用多种方法，可以如图12所示，采用多个补偿电极20，每个补偿电极20的尺寸与感应电极10相同，均匀分布于感应电极矩阵周围，位于环形发射电极110和感应电极10之间；在某些实施例中，每个补偿电极20的长度尺寸也可以是感应电极10长度尺寸的两倍、三倍等；也可以如图13所示，采用一环形的补偿电极20，环绕于感应电极矩阵周围，位于环形发射电极110和感应电极10之间；在某些实施例中，所述补偿电极也可以是两圈或多圈。添加了补偿电极20后，感应电极10的电场分布如图14所示，感应电极矩阵边缘的电场与中心部分的电场一样均匀，极大的提升了采集的指纹图像的质量。
[0056]进一步地，为了节省电能，降低功耗，本实施例中电容式触控芯片200通过判断电容式指纹传感器100处于闲置状态还是使用状态，来控制电容式指纹传感器100进入省电模式或工作模式。当判定电容式指纹传感器100处于闲置状态，则控制其进入省电模式，即关闭电容式指纹传感器100的指纹扫描功能，停止指纹扫描，节省电能；当判定电容式指纹传感器100处于使用状态，则控制其进入工作模式，即快速启动电容式指纹传感器100的指纹扫描功能，进行指纹扫描。
[0057]具体的，电容式触控芯片用于:判断所述环形发射电极是否被触摸；若没有被触摸，则控制电容式指纹传感器进入省电模式；若被触摸，则控制电容式指纹传感器进入工作模式。其具体控制流程如图15所示，包括以下步骤:
[0058]步骤S101、检测环形发射电极
[0059]电容式触控芯片通过实时检测电容式指纹传感器的环形发射电极来判断电容式指纹传感器当前是处于闲置状态还是使用状态。
[0060]步骤S102、判断环形发射电极是否被触摸
[0061]用户在使用电容式指纹传感器进行指纹扫描时，必定会触摸到环形发射电极，电容式触控芯片通过判断发射电极是否被触摸来判断电容式指纹传感器当前是处于闲置状态还是使用状态。若判定环形发射电极没有被触摸，则进入步骤S103 ;若判定环形发射电极被触摸，则进入步骤S104。
[0062]电容式触控芯片与环形发射电极的电路连接图如图16所示，在正常状态下，环形发射电极对远端大地的寄生电容是恒定的；如图17所示，当手指触摸环形发射电极时，会改变环形发射电极对远端大地的寄生电容。因此，可以根据以上原理来判断环形发射电极是否被触摸，即电容式触控芯片用于:检测环形发射电极的寄生电容是否为预设值；若为预设值，则判定环形发射电极没有被触摸；若不为预设值，则判定环形发射电极被触摸。其具体判断流程如图18所示，包括以下步骤:
[0063]步骤S201、判断环形发射电极的寄生电容是否为预设值
[0064]正常状态下，环形发射电极对远端大地的寄生电容恒定，将该恒定值预存为预设值。电容式触控芯片检测环形发射电极当前的寄生电容值，若为预设值，则进入步骤S202 ；若发生了改变，不为预设值，则进入步骤S203。
[0065]步骤S202、判定环形发射电极没有被触摸
[0066]电容式触控芯片检测到环形发射电极当前的寄生电容为预设值，则判断环形发射电极没有被触摸。
[0067]步骤S203、判定环形发射电极被触摸
[0068]电容式触控芯片检测到环形发射电极当前的寄生电容不是预设值，则判断环形发射电极被触摸。
[0069]从而通过对环形发射电极寄生电容的检测，实现了对环形发射电极是否被触摸的判断。上述功能也可以用作虚拟按键功能。
[0070]步骤S103、控制电容式指纹传感器进入省电模式
[0071]当判定环形发射电极没有被触摸，则说明用户没有使用指纹检测功能，电容式指纹传感器处于闲置状态，为了节省电能，电容式触控芯片即控制电容式指纹传感器进入省电模式，关闭电容式指纹传感器的指纹扫描功能，停止指纹扫描。接着返回步骤S101，电容式触控芯片继续对电容式指纹传感器的环形发射电极进行实时检测。
[0072]步骤S104、控制电容式指纹传感器进入工作模式
[0073]当判定环形发射电极被触摸，则说明用户正在使用指纹检测功能，电容式指纹传感器处于使用状态，则控制电容式指纹传感器进入工作模式，即快速启动电容式指纹传感器的指纹扫描功能，进行指纹扫描，电容式触控芯片生成并输出指纹图像。指纹扫描结束后，电容式触控芯片返回步骤S101，继续对电容式指纹传感器的环形发射电极进行实时检测。
[0074]电容式触控芯片可以通过一控制单元来实现对电容式指纹传感器的实时检测和控制。
[0075]本实施例的指纹检测装置，通过扫描指纹后获取指纹图像，再将指纹图像传送给终端设备的主控芯片，由主控芯片根据该指纹图像进行指纹识别，认证身份信息。
[0076]如图19所示，电容式触控芯片200还可以集成一指纹识别单元250，该指纹识别单元250用于根据指纹图像信息进行指纹识别，实现身份认证。从而指纹检测装置可以同时实现对指纹的检测和识别功能，即既可以扫描指纹获取指纹图像，又可以根据该指纹图像进行指纹识别，认证身份信息。
[0077]如图20所示，当终端设备为电容式触控终端时，电容式触摸屏电极400与电容式指纹传感器100可以复用同一个电容式触控芯片200，极大的提高了技术集成度，降低了应用成本。
[0078]据此，本发明的指纹检测装置，具有以下优势:
[0079]I)、利用电容式触控芯片替代现有的指纹检测装置中专门的控制芯片，相对于专门的控制芯片，电容式触控芯片的设计和生产技术更成熟，生产和应用成本更低。特别是应用于电容式触控终端时，可以复用该电容式触控终端本身的电容式触控芯片来实现指纹的检测和识别，极大的提高了技术集成度，降低了应用成本。
[0080]2)、电容式指纹传感器分时复用电容式触控芯片，使得电容式触控芯片分时对感应电极矩阵进行区域扫描，最终获取所有感应电极采集到的整体指纹信息，从而电容式触控芯片以较少的感测输入通道就能获得质量较佳的指纹图像，兼顾了成本与质量。
[0081]3)、在进行分时扫描时，电容式触控芯片每次仅读取扫描区域中心的感应电极的数据，其它的感应电极仅用作补偿电极，来缓冲阴影区块的感应电极对扫描区域的感应电极的电场的影响。从而，获取的指纹信息更准确和稳定，极大的提高了指纹图像的质量。
[0082]4)、通过在感应电极矩阵周围设置补偿电极来实现电场补偿，解决了感应电极矩阵边缘电场发散的问题，使得感应电极矩阵边缘的电场与中心部分的电场一样均匀，改善了指纹图像的边缘质量，极大的提升了指纹图像的整体质量。
[0083]5)、利用电容式触控芯片实时检测电容式指纹传感器的环形发射电极是否被触摸，来控制电容式指纹传感器进入工作模式或省电模式，节省了电能，降低了功耗。
[0084]本发明同时提出一种移动终端，其包括一指纹检测装置，该指纹检测装置包括电容式指纹传感器和与该电容式指纹传感器电连接的电容式触控芯片，所述电容式指纹传感器用于采集指纹信息，并将该指纹信息转换为模拟信号；所述电容式触控芯片用于将所述模拟信号转换为数字信号，并根据该数字信号生成指纹图像信息。本实施例中所描述的指纹检测装置为本发明中上述实施例所涉及的指纹检测装置，在此不再赘述。
[0085]本发明的移动终端采用了上述指纹检测装置，利用电容式触控芯片替代现有的指纹检测装置中专门的控制芯片，相对于专门的控制芯片，电容式触控芯片的设计和生产技术更成熟，生产和应用成本更低。特别是当移动终端为电容式触控终端时，可以复用该电容式触控终端本身的电容式触控芯片来实现指纹的检测和识别，极大的提高了技术集成度，降低了应用成本。
[0086]应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种指纹检测装置，其特征在于，包括电容式指纹传感器和与该电容式指纹传感器电连接的电容式触控芯片，所述电容式指纹传感器用于采集指纹信息，并将该指纹信息转换为模拟信号；所述电容式触控芯片用于将所述模拟信号转换为数字信号，并根据该数字信号生成指纹图像信息。
2.根据权利要求1所述的指纹检测装置，其特征在于，所述电容式指纹传感器包括环形发射电极和指纹扫描模拟前端，所述电容式触控芯片包括第一模拟前端和第一数字逻辑电路，所述环形发射电极与所述第一模拟前端电连接，所述指纹扫描模拟前端分别与所述第一模拟前端和第一数字逻辑电路电连接。
3.根据权利要求2所述的指纹检测装置，其特征在于，所述第一模拟前端包括驱动通道，所述驱动通道与所述环形发射电极电连接。
4.根据权利要求2或3所述的指纹检测装置，其特征在于，所述第一模拟前端包括感测输入通道，所述指纹扫描模拟前端包括第二数字逻辑电路和模拟信号缓冲电路，所述第二数字逻辑电路与所述第一数字逻辑电路电连接，所述模拟信号缓冲电路与所述感测输入通道电连接。
5.根据权利要求4所述的指纹检测装置，其特征在于，所述指纹扫描模拟前端还包括行列模拟开关，所述行列模拟开关用于分时切换所述电容式触控芯片对所述电容式指纹传感器进行数据扫描的扫描区域。
6.根据权利要求1-3任一项所述的指纹检测装置，其特征在于，所述电容式触控芯片包括模数转换单元、处理单元和指纹识别单元，所述模数转换单元用于将所述模拟信号转换为数字信号，所述处理单元用于根据所述数字信号生成指纹图像信息，所述指纹识别单元用于根据所述指纹图像信息进行指纹识别。
7.根据权利要求1-3任一项所述的指纹检测装置，其特征在于，所述电容式指纹传感器上分布有多个感应电极，所述多个感应电极构成一感应电极矩阵，所述感应电极矩阵周围设有补偿电极。
8.根据权利要求7所述的指纹检测装置，其特征在于，所述补偿电极有多个，分布于所述感应电极矩阵周围；或， 所述补偿电极为一环形的补偿电极，环绕于所述感应电极矩阵周围。
9.根据权利要求1-3任一项所述的指纹检测装置，其特征在于，所述电容式指纹传感器上具有由多个感应电极构成的感应电极矩阵，所述电容式指纹传感器分时复用所述电容式触控芯片，以使所述电容式触控芯片分时对所述感应电极矩阵进行区域扫描，所述电容式触控芯片每次扫描至少三个感应电极,且每次仅读取位于扫描区域中心的感应电极的数据。
10.根据权利要求1所述的指纹检测装置，其特征在于，所述电容式指纹传感器包括一环形发射电极，所述电容式触控芯片用于: 判断所述环形发射电极是否被触摸； 若否，则控制所述电容式指纹传感器进入省电模式； 若是，则控制所述电容式指纹传感器进入工作模式。
11.根据权利要求10所述的指纹检测装置，其特征在于，所述电容式触控芯片用于: 检测所述环形发射电极的寄生电容是否为预设值；若是，则判定所述环形发射电极没有被触摸；若否，则判定所述环形发射电极被触摸。
12.—种移动终端，其特征在于`，包括如权利要求1-11任一项所述的指纹检测装置。
【文档编号】G06F3/044GK103745194SQ201310711909
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】冉锐, 杨孟达, 王智攀, 张键洋, 卓光明, 钟华 申请人:深圳市汇顶科技股份有限公司