一种射频式微电容指纹采集芯片的制作方法
【专利摘要】一种射频式微电容指纹采集芯片，该芯片包括多个参考感测单元、多个感测单元形成的二维感测单元阵列、绝缘层、作为手指的接触面的绝缘基板、射频信号产生电路、射频驱动电极、用于提供打开或关断感测单元所需的电源偏置的开关信号、以及提供感测单元所需的充放电时序信号的感测单元阵列控制器、模数转换阵列、控制模数转换阵列增益的数模转换器、感测单元偏差校正电路、指纹图像缓存器、指纹图像输出控制器和图像信号处理器。通过改进感测单元的结构和增加感测单元偏差校正电路使得本实用新型所提供的射频式微电容指纹采集芯片能够解决指纹残留、其他射频辐射干扰、假手指和探测深度问题，且该芯片能够将其嵌入到电容触摸屏中。
【专利说明】一种射频式微电容指纹采集芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种射频式微电容指纹采集芯片及其采集方法。
【背景技术】
[0002]随着人们对信息安全的要求越来越高，活体生物特征认证和身份识别越来越多地运用到人们的日常生活中。指纹认证作为在生物特征认证中具有很高的可靠性和性价比，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、更快速度、小体积、低功耗、高动态范围及高探测深度的指纹传感器将会占领巨大的市场，因此，具有上述优点的指纹传感器成为当前研究的重点，其中，电容式指纹传感器成为当前的主流产品之一。
[0003]随着指纹传感技术的逐渐成熟，苹果公司推出的先进指纹传感技术已经应用到移动手机及其它电子产品中，甚至中国第三代身份证需也采用指纹传感技术进行指纹信息的登记。不难预测，指纹识别技术会很快且广泛的应用到我们日常生活中来，特别是应用到移动设备中。
[0004]与此同时，高需求必然对指纹传感器的性能的要求会变得越来越高。一个好的指纹识别系统，不仅可以从算法上解决指纹传感器中存在的不足，更应该从根本上解决传感器的采集质量问题。也就是说，应用到移动设备上的指纹传感器，其必须有非常高的探测深度来满足应用要求，最好是能够将指纹传感器置于触控面板之下或集成到触控面板内而不影响其性能和移动设备的外观。
[0005]现有的国内指纹传感器都是纯电容式的指纹传感器，其指纹残留和其它污溃残留相对于射频式指纹传感器来说影响非常大，而且其探测深度不超过20um厚的绝缘介质。如中国专利号ZL021059608和申请号为201220476953均提供了一种电容式指纹读取方式，由于手指的直接接触面到感测阵列的感测电极之间的绝缘层是由厚度仅有几um的无机化合物构成，从而导致其疏水性、抗残留性、抗压性和抗静电特性极差。
[0006]本领域技术人员清楚，要达到20KV以上的静电保护则要求传感器感测电极之上的绝缘介质的厚度大于20um。现有的国外指纹传感器仅AUTHENTEC，FPC和VALIDITY三个公司实现了射频式指纹采集，AUTHENTEC和FPC两个公司的射频式采集原理基本同源，如美国专利US6512381，实现射频式指纹采集，能很好的抗指纹残留和其他污溃残留，其探测深度也仅几十um，由于一个射频脉冲对应检测一个或多个指纹像素，在某些射频辐射较强的应用场合其抗干扰能力较差。
[0007]当这个射频脉冲受到干扰时，该一个像素或多个像素将受到干扰。VALIDITY公司的传感器其使用的是液晶显示模块的典型结构(Chip-on-flex,简称C0F)原理,该传感器的工作原理本身就限制了传感器只能是滑动形式的，而滑动式的指纹传感器在用户体验效果上表现得非常差，以至于该类传感器不能广泛的使用。
[0008]例如，请参阅图1，图1是现有技术的指纹传感器的感测单元结构示意图。如图所示，现有感测单元I包含:由手指10跟感测电极形成的感测电容11、由感测电极与放大器的输出电极形成的边缘电容12、放大器13和复位开关电路14 ;该感测单元I通过检测由射频信号15发出的经手指反射的射频信号大小，该信号经电容积分放大电路放大后由后续的电路进一步处理，根据感测电容11值的不同检测到不同强度的射频信号，从而实现指纹采集。该方法对于手指10与感测电极之间的介质比较厚时(大于200u)，需要对感测单元I进行校正，且校正难度较大，而且，该方法的一个射频脉冲信号对应一个或多个像素，这样的射频信号在受到辐射干扰时局部感测单元将受到严重的干扰。
[0009]因此，现有的指纹传感器，不管是电容式的或射频式的指纹传感器都是检测手指谷线、脊线与传感器感测电极形成的谷脊电容差，对于现有国内的指纹传感器，能够检测的谷脊电容差在几个fF的数量级别，对于现有国外的指纹传感器能够检测的谷脊电容差在
0.1fF的数量级别，现有的国内外指纹传感器还不能满足移动设备的特殊要求。
实用新型内容
[0010]为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种射频式微电容指纹采集芯片及其采集方法，即不影响移动设备外观的情况下将传感器置于触控玻璃面板下仍然能够感测出清晰的指纹图像。本实用新型通过改进感测单元的结构和增加感测单元偏差校正电路实现能够检测到的谷脊电容差在0.005fF以下，通过改进后的指纹传感器可以将其置于0.5_厚的触控面板下仍然能够感测到清晰的指纹图像。
[0011]为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下:
[0012]一种射频式微电容指纹采集芯片，包括L个参考感测单元、M*N个感测单元形成的二维感测单元阵列、用以产生射频信号的射频信号产生电路、射频驱动电极、感测单元阵列控制器、模数转换阵列、感测单元偏差校正电路、指纹图像缓存器、数模转换器、指纹图像输出控制器以及图像信号处理器；射频驱动电极将所述射频信号产生电路产生的射频信号发射到接触到指纹传感器的手指；感测单元阵列控制器用于提供打开或关断感测单元所需的电源偏置的开关信号和提供感测单元所需的充放电时序信号；模数转换阵列由N个模数转换器并排构成，其将所述感测单元阵列检测到的感测电容转换成指纹图像灰度值；感测单元偏差校正电路，以L个参考感测单元采集到的数据作为基准来校正各感测单元之间的偏差；指纹图像缓存器，其用于存储当前转换的所述指纹图像数据和感测单元偏差校正数据；数模转换器，其控制所述模数转换阵列的增益；指纹图像输出控制器，用以传输指纹图像数据；图像信号处理器，其接收所述指纹图像输出控制器发送的指纹图像数据，根据所述指纹图像数据判断其真伪性和正常与否并做出相应的处理，其中，N，M为2到300的整数，L为小于N*M的整数，直接覆盖于采集芯片电路之上的绝缘层作为所述感测单元中感测电容的介质层。
[0013]优选地，所述每一个感测单元包含由集成电路工艺的顶层金属所形成的单个感测电极、感测电容介质层、参考电容和有源放大器等；感测电容介质层，其由直接覆盖于顶层金属之上的厚度为0.1um?150um的绝缘层构成，所述单个感测电极与手指及感测电容介质层形成单个感测电容；有源放大器，其被连接成单位增益缓冲器，其输入通过开关连接感测电极，其输出通过开关连接屏蔽电极；由集成电路工艺顶层金属之外的金属层所形成的单个屏蔽电极，所述单个屏蔽电极与单个感测电极形成单个屏蔽电容，所述单个屏蔽电极将单个感测电极与其它电极隔离，使得与单个感测电极形成的寄生电容为零；由集成电路工艺任一金属层所形成的单个校正电极，所述单个校正电极与单个感测电极形成单个校正电容；由集成电路工艺任一金属层形成的单个增强电极，所述单个增强电极与单个感测电极形成单个增强电容，增强电容用于增强采集效果；以及多个开关电路，其控制参考电容、感测电容、增强电容和校正电容进行充放电和电荷均衡。
[0014]优选地，所述感测单元偏差校正电路还包含加减法计数器阵列、乘法器阵、感测单元偏差统计电路和感测单元偏差校正因子计算电路，其中，所述加减法计数器阵列计算所述感测单元与参考感测单元的偏差；所述感测单元偏差统计电路统计所述偏差绝对值的平均值；所述感测单元偏差校正因子计算电路将所述数模转换器的输入与上位机输入的数值及所述偏差绝对值的平均值进行映射计算得到校正因子；所述乘法器阵列将所述偏差与所述校正因子相乘，其输出结果作为所述感测单元偏差的校正数据。所述映射计算的方法为:所述校正因子由上位机直接得到，所述校正因子直接等于上位机计算得到的校正因子；上位机计算校正因子的方法如下:
[0015]K1=B*N1*E1/H1 ；
[0016]其中，Kl为上位机计算得到的校正因子；
[0017]B为一固定系数；
[0018]NI为上位机通过指令读取的所述芯片的数模转换器输入的数值；
[0019]El为上位机通过指令读取所述感测单元与参考感测单元的偏差绝对值的平均值；
[0020]Hl为通过测试大量所述芯片获得的实际感测单元偏差的统计平均值；
[0021]或所述校正因子由所述芯片内部得到，校正因子的计算方法如下:
[0022]K2=B*N2*E2/H2;
[0023]其中，K2为所述芯片计算得到的校正因子；
[0024]B为一固定系数；
[0025]N2为所述芯片的数模转换器输入的数值；
[0026]E2所述感测单元偏差校正电路计算得到的感测单元与参考感测单元的偏差绝对值的平均值；
[0027]Hl为由上位机输入的通过测试大量所述芯片获得的实际感测单元偏差的统计平均值；
[0028]为实现上述目的，本实用新型的另一技术方案如下:
[0029]一种射频式微电容指纹采集芯片，包括L个参考感测单元、M*N个复合感测单元形成的二维感测单元阵列、用以产生射频信号的射频信号产生电路、射频驱动电极、复合感测单元阵列控制器、模数转换阵列、复合感测单元偏差校正电路、指纹图像缓存器、数模转换器、指纹图像输出控制器和图像信号处理器；所述复合感测单元由多个复合的子感测单元组成；射频驱动电极将所述射频信号产生电路产生的射频信号发射到接触到指纹传感器的手指；复合感测单元阵列控制器，用于提供打开或关断感测单元所需的电源偏置的开关信号和提供感测单元所需的充放电时序信号；模数转换阵列由N个模数转换器并排构成，其将所述复合感测单元阵列检测到的感测电容转换成指纹图像灰度值；复合感测单元偏差校正电路，以L个参考感测单元采集到的数据作为基准来校正各感测单元之间的偏差；指纹图像缓存器，其用于存储当前转换的所述指纹图像数据和复合感测单元偏差校正数据；数模转换器，其控制所述模数转换阵列的增益；指纹图像输出控制器用以传输指纹图像数据；图像信号处理器接收所述指纹图像输出控制器发送的指纹图像数据，根据所述指纹图像数据判断其真伪性和正常与否并做出相应的处理，其中，N为I到150的整数，M为2到300的整数，L为小于N*M的整数，直接覆盖于采集芯片电路之上的绝缘层作为所述复合感测单元中感测电容的介质层。
[0030]优选地，所述每一个复合感测单元包括由集成电路工艺的顶层金属所形成的N个感测电极、感测电容介质层、N个感测电容和复用参考电容等；感测电容介质层，其由直接覆盖于所述顶层金属之上的厚度为0.1um?150um的绝缘层构成；所述N个感测电极与手指及感测电容介质层形成N个感测电容；由集成电路工艺顶层金属之外的金属层所形成N个屏蔽电极，所述N个屏蔽电极与N个感测电极形成N个屏蔽电容；由集成电路工艺任一金属层形成的N个校正电极,所述N个校正电极与N个感测电极形成N个校正电容；由集成电路工艺任一金属层所形成N个增强电极，所述N个增强电极与N个感测电极形成N个增强电容，增强电容用于增强采集效果；N组开关电路；复用有源放大器，被连接成复用单位增益缓冲器，其输入通过N个开关连接N个感测电极，其输出通过N个开关连接N个屏蔽电极；所述N个感测电极、感测电容介质层、复用参考电容、N个屏蔽电容、N个校正电容、N个增强电容、N组开关电路和复用有源放大器构成N个子感测单元；其中，每一子感测单元包含:一个感测电极、感测电容介质层、一个屏蔽电容、一个校正电容、一个增强电容、一组开关、复用参考电容和复用有源放大器，其中复用参考电容与复用有源放大器为共用单元；所述复用参考电容和复用有源放大器被放置于由所述N个感测电极所形成区域的下方或放置于由所述N个感测电极所形成区域的旁侧，所述旁侧边缘位置离所述区域的边缘位置的垂直距离小于500um。
[0031]优选地，所述感测单元偏差校正电路还包含加减法计数器阵列、乘法器阵、感测单元偏差统计电路和感测单元偏差校正因子计算电路，其中，所述加减法计数器阵列计算所述感测单元与参考感测单元的偏差；所述感测单元偏差统计电路统计所述偏差绝对值的平均值；所述感测单元偏差校正因子计算电路将所述数模转换器的输入与上位机输入的数值及所述偏差绝对值的平均值进行映射计算得到校正因子；所述乘法器阵列将所述偏差与所述校正因子相乘，其输出结果作为所述感测单元偏差的校正数据。
[0032]从上述技术方案可以看出，本实用新型为了解决上述手指残留、抗干扰、抗静电和探测深度问题，提供一种射频式微电容指纹采集芯片，旨在现有技术的基础上通过改进感测单元的结构和增加感测单元偏差校正电路实现手指微电容检测，其通过特殊的射频方式抵御指纹残留、其它污溃残留和其它射频辐射干扰，并通过提高传感器的探测深度可以避免静电放电(Electro Static Discharge,简称ESD)效应和将传感器嵌入触摸电容屏下。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是现有技术中的指纹传感器的感测单元电路结构示意图
[0034]图2是本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片实施例中的电路结构图
[0035]图3是本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片实施例中的封装结构剖面示意图[0036]图4是本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片实施例中的感测单元电路结构示意图
[0037]图5是本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片实施例中的复合感测单元电路结构示意图
[0038]【图中符号说明】
[0039]1、现有技术的感测单元
[0040]10、手指
[0041]11、现有技术的感测电容
[0042]12、现有技术的边沿电容
[0043]13、放大器
[0044]14、复位开关
[0045]15、现有技术所使用的RF信号
[0046]2、射频式微电容指纹采集芯片
[0047]20、感测单元阵列
[0048]201、感测单元
[0049]202、参考感测单元
[0050]21、感测单元阵列控制器
[0051]22、column ADC 阵列
[0052]221、模数转换器(ADC)
[0053]23.、感测单元偏差校正电路
[0054]24、指纹图像缓存器
[0055]25、指纹图像输出控制器
[0056]26、指纹图像处理器
[0057]27、数模转换器(DAC)
[0058]28、RF信号产生电路
[0059]29、射频驱动电极
[0060]3、指纹传感器横截面
[0061]30、绝缘基板
[0062]31、非导电粘合剂
[0063]32a、射频驱 动电极
[0064]32b、射频驱动电极
[0065]33、感测单元
[0066]34、缓冲垫片
[0067]35、绝缘层
[0068]40、感测电容
[0069]401、手指真皮层
[0070]402、感测电极
[0071]410、411、412、413 开关电路
[0072]420、增强电容[0073]421、感测单元偏差校正电容
[0074]422、屏蔽电容
[0075]423、参考电容
[0076]430、431 电源
[0077]44、放大器
[0078]45、感测单元控制总线
[0079]50a、50b 感测电容
[0080]501、手指真皮层
[0081]502a、502b 感测电极
[0082]510a、511a、512a、513a、510b、511b、512b、513b 开关电路
[0083]520a,520b 增强电容
[0084]521a、521b感测单元偏差校正电容
[0085]522a、522b 屏蔽电容
[0086]523、复用参考电容
[0087]530a、531a、530b、531b 电源
[0088]54、复用放大器
[0089]55a、55b感测单元控制总线
【具体实施方式】
[0090]通过结合附图详细描述示范性实施例，本实用新型的上述特点和优点将变得更加明显，在附图中，在各个附图之间采用类似的附图标记表示类似的元件。所述附图只是示范性的而不是按比例绘制的。
[0091]下面结合附图2至5，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步的详细说明。本实用新型将通过实施例进行说明，但本实用新型的思路不限制于本实用新型的实施例。
[0092]请参阅图2，图2是本实用新型射频式微电容指纹芯片的电路结构示意图。如图所示，该射频式微电容指纹芯片2包含二维感测单元阵列20 (例如，M*N 二维感测单元阵列)、可选多个参考感测单元202 (例如，L个参考感测单元)、感测单元阵列控制器21、模数转换(column ADC)阵列22、感测单元偏差校正电路23、指纹图像缓存器24、指纹图像输出控制器25、图像信号处理器26、数模转换器27、射频(RF)信号产生电路28和射频驱动电极29。其中，在封装结构中，有一层绝缘层直接覆盖在二维感测单元阵列20和可选多个参考感测单元202之上。其中，N，M为2到300的整数，L为小于N*M的整数。
[0093]在本实施例中，二维感测单元阵列20由多个感测单元201拼接构成，感测单元阵列控制器21用于提供打开或关断感测单元201所需的电源偏置的开关信号和提供感测单元201所需的充放电时序信号；射频驱动电极29将RF信号产生电路28产生的射频信号发射到接触到指纹传感器的手指；模数转换阵列22由多个模数转换器221并排构成，其将感测单元阵列20检测到的感测电容转换成指纹图像灰度值；感测单元偏差校正电路23，用于校正各感测单元之间的偏差；指纹图像缓存器24用于存储当前有效行感测单元采集到的指纹信息和各感测单元之间的偏差；指纹图像处理器26产生采集指纹所需的一系列时序并对采集到的指纹信息做优化处理；指纹图像输出控制器25根据指纹图像处理器26输入的控制地址将采集到的指纹信息输出到指纹图像处理器26 ;并且，指纹图像处理器26接收所述指纹图像输出控制器25发送的指纹图像数据，根据所述指纹图像数据判断其真伪性和正常与否并做出相应的处理。
[0094]请参阅图3，图3是本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片的横截面结构示意图。如图所示，本实用新型提供的一种射频式微电容指纹采集芯片的横截面3包括多个感测单元33、多个感测单元之上的绝缘层35、非导电粘合剂31、绝缘基板30以及射频驱动电极32a、32b。其中，该绝缘基板30通过非导电粘合剂31与绝缘层35紧密地粘和在一起，该绝缘基板30通常作为手指的接触面；在本实施例中，绝缘基板横截面30的厚度可达1mm，非导电粘合剂横截面31的厚度尽可能的减薄至20um以下。除此之外，在本实施例中，还可以包括射频驱动电极32a、32b和缓冲垫片34，该射频驱动电极32a、32b可嵌入到绝缘基板30中。
[0095]需要说明的是，本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片实施例中的感测单元电路结构，可以采用如下两种实施方式。在实施例一中，如下图4所示，感测单元201使用一个参考电容和一个放大器；而在实施例二中，如下图5所示，感测单元201由2个复合的子感测单元组成，图5的两个子感测单元共用一个参考电容和一个放大器，图5所示的感测单元相比图4所示的感测单元的好处是，其放大器和参考电容可以做大，匹配性更好，寄生电容的影响更小。
[0096]【实施例一】
[0097]请参阅图4，图4是本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片实施例中的感测单元电路结构示意图。如图所示，每一个感测单元201可以包含:由集成电路工艺形成的顶层金属所形成的单个感测电极402和感测电容介质层，该感测介质层由顶层金属401之上的绝缘层构成，单个感测电极401与手指及感测电容介质层形成单个感测电容40。
[0098]除此之外，每一个感测单元201还包括参考电容423、有源放大器44、校正电容421、增强电容420、参考电容423和开关电路410、411、412、413。其中，由集成电路工艺任一金属层形成的单个校正电极，该单个校正电极与单个感测电极形成单个校正电容421 ；由集成电路工艺顶层金属之外的金属层所形成的单个屏蔽电极，该单个屏蔽电极与单个感测电极形成单个屏蔽电容422 ；由集成电路工艺任一金属层形成单个增强电极，该单个增强电极与单个感测电极形成单个增强电容420 ;4个开关电路410、411、412、413控制参考电容423、感测电容40、增强电容420和校正电容421进行充放电和电荷均衡。
[0099]在本实施例中，感测单元偏差校正电路23还包含加减法计数器阵列、乘法器阵、感测单元偏差统计电路和感测单元偏差校正因子计算电路，其中，所述加减法计数器阵列计算所述感测单元201与参考感测单元202的偏差；所述感测单元偏差统计电路统计所述偏差绝对值的平均值；所述感测单元偏差校正因子计算电路将所述数模转换器27的输入与上位机输入的数值及所述偏差绝对值的平均值进行映射计算得到校正因子；所述乘法器阵列将所述偏差与所述校正因子相乘，其输出结果作为所述感测单元偏差的校正数据。所述映射计算的方法为:所述校正因子由上位机直接得到，所述校正因子直接等于上位机计算得到的校正因子；上位机计算校正因子的方法如下:
[0100]K1=B*N1*E1/H1 ；
[0101]其中，Kl为上位机计算得到的校正因子；[0102]B为一固定系数；
[0103]NI为上位机通过指令读取的所述芯片的数模转换器输入的数值；
[0104]El为上位机通过指令读取所述感测单元与参考感测单元的偏差绝对值的平均值；
[0105]Hl为通过测试大量所述芯片获得的实际感测单元偏差的统计平均值；
[0106]或所述校正因子由所述芯片内部得到，校正因子的计算方法如下:
[0107]K2=B*N2*E2/H2;
[0108]其中，K2为所述芯片计算得到的校正因子；
[0109]B为一固定系数；
[0110]N2为所述芯片的数模转换器输入的数值；
[0111]E2所述感测单元偏差校正电路计算得到的感测单元与参考感测单元的偏差绝对值的平均值；
[0112]Hl为由上位机输入的通过测试大量所述芯片获得的实际感测单元偏差的统计平均值；
[0113]根据上述采集芯片的电路，采用上述芯片电路的射频式微电容指纹采集方法是基于频信号产生电路28、射频驱动电极29和具有电荷泵电路结构的感测单元通过电荷泵原理实现指纹信息到电信号的转换可以具体包括如下步骤:
[0114]步骤S1:当手指放在二维感测单元阵列20之上时，所述感测单元阵列控制器21选择所述二维感测单元阵列20中的一行感测单元作为当前采集指纹的有效行感测单元；
[0115]步骤S2:所述感测单元阵列控制器21输出初始化时序对当前有效行感测单元进行初始化；
[0116]步骤S3:所述感测单元阵列控制器21输出指纹采集时序对当前有效行感测单元进行指纹采集；
[0117]步骤S4:所述感测单元阵列控制器21输出指纹信息校正时序对当前有效行感测单元采集到的指纹信息进行校正；将当前有效行感测单元校正后的指纹信息取走；
[0118]步骤S5:所述感测单元阵列控制器21选择下一行感测单元作为当前采集指纹的有效行感测单元，顺序完成初始化、指纹采集、指纹信息校正和读取指纹信息四个过程，直到所述感测单元阵列控制器选择最后一行感测单元作为当前采集指纹的有效行感测单元，顺序完成初始化、指纹采集、指纹信息校正和读取指纹信息四个过程。
[0119]在本实施例中，上述步骤S2即初始化采集时序可以包含:
[0120]步骤S21:所述感测单元阵列控制器21输出第一脉冲信号到当前有效行感测单元，所述脉冲信号在脉冲宽度期间对当前有效行感测单元的参考电容423充电，使该参考电容423两端积累值为C1*V1的电荷量，所述Cl为参考电容的电容值，所述Vl为给参考电容充电的电压值；
[0121]步骤S22:所述感测单元阵列控制器21输出第二脉冲信号到当前有效行感测单元，所述脉冲信号与所述射频信号产生电路28产生的射频信号使当前有效行感测单元的校正电容421放电，使其两端的电荷量趋零；所述脉冲信号使当前有效行感测单元的增强电容420充电，使其两端积累值为C2*V2的电荷量，所述C2为增强电容的电容值，所述V2为给增强电容充电的电压值；所述脉冲信号使屏蔽电容两端的电位都为V2 ；[0122]步骤S23:所述感测单元阵列控制器21输出第三脉冲信号到当前有效行感测单元，所述射频信号产生电路28产生的射频信号先使增强电容420的部分电荷转移到所述校正电容上421和使当前有效行感测单元的单位增益缓冲器的输出连接到当前有效行感测单元的屏蔽电极，所述第三脉冲信号再使所述参考电容423、增强电容420和校正电容421进行电荷均衡，使得所述参考电容423两端的电荷量减少；
[0123]步骤S24:所述感测单元阵列控制器21输出固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号到当前有效行感测单元，所述射频信号产生电路28产生相同固定循环次数的射频信号，所述固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号与所述射频信号产生电路28产生的相同固定循环次数的射频信号共同使所述有效行感测单元的参考电容423两端的电压差逐次减小，循环结束后所述参考电容423两端的电压差被锁定，同时所述模数转换阵列22将所述电压差信号转换成当前有效行感测单元的初始化值；其中，初始化过程中的固定循环次数可设置为2的N次方，N为2到8的整数；
[0124]步骤S25:将所述当前有效行感测单元的初始化值传入指纹图像缓存器24，完成当前有效行感测单元的初始化过程。
[0125]在本实施例中，上述步骤S3即指纹采集时序可以包含:
[0126]步骤S31:初始化时序结束后，所述感测单元阵列控制器21再次输出第一脉冲信号到当前有效行感测单元，所述脉冲信号在脉冲宽度期间对当前有效行感测单元的参考电容423充电，使所述参考电容423两端积累一定的电荷量，所述一定的电荷量可以跟初始化的电荷量相同；
[0127]步骤S32:所述感测单元阵列控制器21再次输出第二脉冲信号到当前有效行感测单元，所述脉冲信号与所述射频信号产生电路28产生的射频信号使当前有效行感测单元的感测电容40和校正电容421放电，使其两端的电荷量趋零，所述脉冲信号使当前有效行感测单元的增强电容420充电，使其两端积累值为C2*V2的电荷量，其中C2为增强电容的电容值，V2为给增强电容充电的电压值；所述脉冲信号使屏蔽电容两端的电位都为V2 ；
[0128]步骤S33:所述感测单元阵列控制器21再次输出第三脉冲信号到当前有效行感测单元，所述射频信号产生电路28产生的射频信号通过所述射频驱动电极29向外发射，手指接触所述射频驱动电极29后将会在手指真皮层产生与所述射频信号同相的射频信号，所述射频信号产生电路28产生的射频信号与所述真皮层产生的射频信号共同先使增强电容420的部分电荷转移到所述感测电容40和校正电容上421，所述第三脉冲信号再使所述参考电容423、感测电容40、增强电容420和校正电容421进行电荷均衡，使得所述参考电容40两端的电荷量减少；
[0129]步骤S34:所述感测单元阵列控制器21输出另一固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号到当前有效行感测单元，所述射频信号产生电路28产生的射频信号通过所述射频驱动电极29向外发射相同固定循环次数的射频信号，所述固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号与所述射频信号产生电路产生的相同固定循环次数的射频信号及所述手指真皮层产生的相同固定循环次数的射频信号共同使所述有效行感测单元的参考电容423两端的电压差逐次减小，循环结束后所述参考电容423两端的电压差被锁定，同时所述模数转换阵22列将所述电压差信号转换成当前有效行感测单元采集到的指纹信息；其中所述固定循环次数为2的M次方，M为4到16的整数；[0130]步骤S35:将所述当前有效行感测单元采集到的指纹信息传入指纹图像缓存器24，完成当前有效行感测单元的指纹采集过程。
[0131]在本实施例中，上述步骤S4指纹信息校正时序可以包含:
[0132]步骤S41:当前有效行感测单元在完成初始化和指纹采集过程后，所述感测单元阵列控制器21输出第一校正时序，将当前有效行感测单元的初始值、参考感测单元的初始值、数模转换器的输入和上位机输入的数值输入到所述感测单元偏差校正电路计算感测单元偏差的校正数据，并将所述感测单元偏差的校正数据存储于指纹图像缓冲器24中；
[0133]步骤S42:所述感测单元阵列控制器输出第二校正时序，将所述有效行感测单元采集到的指纹信息减去所述感测单元偏差的校正数据得到校正后的指纹图像信息；
[0134]步骤S43:将当前有效行感测单元校正后的指纹图像信息存储于所述指纹图像缓存器24中，在上位机的控制下将所述校正后的指纹图像信息取走。
[0135]【实施例二】
[0136]请参阅图5，图5是本实用新型射频式微电容指纹传感器芯片实施例中的复合感测单元电路结构示意图。如图所示，
[0137]每一复合感测单元201包含可选多个子感测单元结构；由集成电路工艺的顶层金属所形成的两个感测电极502a和502b ;感测电容介质层(未画出)，其由集成电路工艺顶层金属之上的绝缘层、非导电粘合剂和绝缘基板构成，两个感测电极502a和502b与手指真皮层501及感测电容介质层形成感测电容50a和50b ；由两个感测电极502a和502b与集成电路工艺的其他金属 电极形成的两个增强电容520a和520b、两个感测单元偏差校正电容521a和521b和两个屏蔽电容522a和522b ;复用参考电容523 ;复用有缘放大器54 ;多个开关电路510a、510b、511a、511b、512a、512b、513a和513b，用于控制增强电容520a、感测电容50a、感测单元校正电容52Ia和复用参考电容523进行充放电和电荷均衡，或控制增强电容520b、感测电容50b、感测单元校正电容521b和复用参考电容523进行充放电和电荷均衡。
[0138]在本实施例中，感测单元偏差校正电路23还包含加减法计数器阵列、乘法器阵、感测单元偏差统计电路和感测单元偏差校正因子计算电路，其中，所述加减法计数器阵列计算所述感测单元201与参考感测单元202的偏差；所述感测单元偏差统计电路统计所述偏差绝对值的平均值；所述感测单元偏差校正因子计算电路将所述数模转换器27的输入与上位机输入的数值及所述偏差绝对值的平均值进行映射计算得到校正因子；所述乘法器阵列将所述偏差与所述校正因子相乘，其输出结果作为所述感测单元偏差的校正数据。所述映射计算的方法为:所述校正因子由上位机直接得到，所述校正因子直接等于上位机计算得到的校正因子；上位机计算校正因子的方法如下:
[0139]K1=B*N1*E1/H1 ；
[0140]其中，Kl为上位机计算得到的校正因子；
[0141]B为一固定系数；
[0142]NI为上位机通过指令读取的所述芯片的数模转换器输入的数值；
[0143]El为上位机通过指令读取所述感测单元与参考感测单元的偏差绝对值的平均值；
[0144]Hl为通过测试大量所述芯片获得的实际感测单元偏差的统计平均值；[0145]或所述校正因子由所述芯片内部得到，校正因子的计算方法如下:
[0146]K2=B*N2*E2/H2;
[0147]其中，K2为所述芯片计算得到的校正因子；
[0148]B为一固定系数；
[0149]N2为所述芯片的数模转换器输入的数值；
[0150]E2所述感测单元偏差校正电路计算得到的感测单元与参考感测单元的偏差绝对值的平均值；
[0151]Hl为由上位机输入的通过测试大量所述芯片获得的实际感测单元偏差的统计平均值；
[0152]根据上述采集芯片的电路，采用上述芯片电路的射频式微电容指纹采集方法可以具体包括如下步骤:
[0153]步骤SI':当手指10放在二维感测单元阵列20之上时，感测单元阵列控制器21选择二维感测单元阵列中的一行感测单元201的子感测单元作为当前采集指纹的有效行子感测单元；
[0154]步骤S2':感测单元阵列控制器21输出初始化时序对当前有效行子感测单元进行初始化；
[0155]步骤S3':感测单元阵列控制器21输出指纹采集时序对当前有效行子感测单元进行指纹采集；
[0156]步骤S4,感测单元阵列控制器21对当前有效行子感测单元采集到的指纹信息进行校正；
[0157]步骤S5'读取当前有效行子感测单元校正后的指纹信息；
[0158]步骤S6'感测单元阵列控制器21依次选择有效行感测单元的另一子感测单元作为当前有效行子感测单元，重复步骤S2'?步骤S5'直至完成所有子感测单元的初始化、指纹采集、指纹信息校正及指纹信息读取四个过程；
[0159]步骤S7,感测单元阵列控制器依次选择二维感测单元阵列中的下一行感测单元的子感测单元作为当前采集指纹的有效行子感测单元，重复步骤S2'?步骤S6'直至完成整个二维感测单元阵列对指纹的初始化、指纹采集、指纹信息校正及指纹信息读取四个过程。
[0160]在本实施例中，上述步骤S2'即子感测单元初始化采集时序具体包括:
[0161]步骤S21':所述感测单元阵列控制器21输出第一脉冲信号到当前有效行子感测单元，所述脉冲信号在脉冲宽度期间对当前有效行子感测单元的复用参考电容523充电，使所述复用参考电容523两端积累值为C1*V1的电荷量，所述Cl为复用参考电容的电容值，所述Vl为给复用参考电容充电的电压值；
[0162]步骤S22':所述感测单元阵列控制器21输出第二脉冲信号到当前有效行子感测单元，所述脉冲信号与所述射频信号产生电路28产生的射频信号使当前有效行子感测单元的校正电容放电521a或521b，使其两端的电荷量趋于零；所述脉冲信号使当前有效行子感测单元的增强电容520a或520b充电，使其两端积累值为C2*V2的电荷量，所述C2为增强电容的电容值，所述V2为给增强电容充电的电压值；所述脉冲信号使屏蔽电容两端的电位都为V2 ；[0163]步骤S23':所述感测单元阵列控制器21输出第三脉冲信号到当前有效行子感测单元，所述射频信号产生电路产生的射频信号先使有效行子感测单元的增强电容520a或520b的部分电荷转移到所述有效行子感测单元的校正电容521a或521b上，所述第三脉冲信号再使所述复用参考电容523、有效行子感测单元的增强电容520a或520b和校正电容521a或521b进行电荷均衡，使得所述复用参考电容523两端的电荷量减少；
[0164]步骤S24':所述感测单元阵列控制器21输出固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号到当前有效行子感测单元，所述射频信号产生电路28产生相同固定循环次数的射频信号，所述固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号与所述射频信号产生电路产生的相同固定循环次数的射频信号共同使所述有效行子感测单元的复用参考电容523两端的电压差逐次减小，循环结束后所述复用参考电容523两端的电压差被锁定，同时所述模数转换阵列22将所述电压差信号转换成当前有效行子感测单元的初始化值；其中，初始化过程中的固定循环次数可设置为2的N次方，N为2到8的整数；
[0165]步骤S25':将所述当前有效行子感测单元的初始化值传入所述指纹图像缓存器24，完成当前有效行子感测单元的初始化过程。
[0166]在本实施例中，上述步骤S3'即子感测单元指纹采集时序具体包括:
[0167]步骤S31':初始化时序结束后，所述感测单元阵列控制器21再次输出第一脉冲信号到当前有效行子感测单元，该脉冲信号在脉冲宽度期间对当前有效行子感测单元的复用参考电容523充电，使所述复用参考电容523两端积累一定的电荷量，这些电荷量可以跟初始化的电荷量相同；
[0168]步骤S32':所述感测单元阵列控制器21再次输出第二脉冲信号到当前有效行子感测单元，所述脉冲信号与所述射频信号产生电路28产生的射频信号使当前有效行子感测单元的感测电容50a或50b和校正电容521a或521b放电，使其两端的电荷量趋于零，所述脉冲信号使当前有效行子感测单元的增强电容520a或520b充电，使其两端积累值为C2*V2的电荷量，其中C2为增强电容的电容值，V2为给增强电容充电的电压值；所述脉冲信号使屏蔽电容两端的电位都为V2 ；
[0169]步骤S33':所述感测单元阵列控制器21再次输出第三脉冲信号到当前有效行子感测单元，所述射频信号产生电路28产生的射频信号通过所述射频驱动电极29向外发射，手指接触所述射频驱动电极29后将会在手指真皮层产生与所述射频信号同相的射频信号，所述射频信号产生电路28产生的射频信号与所述真皮层产生的射频信号共同先使有效行子感测单元的增强电容的部分电荷转移到所述有效行子感测单元的感测电容50a或50b和校正电容521a或521b上，所述第三脉冲信号再使所述复用参考电容523、感测电容50a或50b、增强电容520a或520b和校正电容521a或521b进行电荷均衡，使得所述复用参考电容523两端的电荷量减少；
[0170]步骤S34':所述感测单元阵列控制器21输出另一固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号到当前有效行子感测单元，所述射频信号产生电路28产生的射频信号通过所述射频驱动电极29向外发射相同固定循环次数的射频信号，所述固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号与所述射频信号产生电路产生的相同固定循环次数的射频信号及所述手指真皮层产生的相同固定循环次数的射频信号共同使所述有效行子感测单元的复用参考电容523两端的电压差逐次减小，循环结束后所述复用参考电容523两端的电压差被锁定，同时所述模数转换阵列22将所述电压差信号转换成当前有效行子感测单元采集到的指纹信息；其中所述固定循环次数为2的M次方，M为4到16的整数；
[0171]步骤S35':将所述当前有效行子感测单元采集到的指纹信息传入指纹图像缓存器24，完成当前有效行子感测单元的指纹采集过程。
[0172]在本实施例中，上述步骤S4'即指纹信息校正时序具体包括:
[0173]步骤S41':当前有效行子感测单元在完成初始化和指纹采集过程后，所述感测单元阵列控制器21输出第一校正时序，将当前有效行子感测单元201的初始值、参考感测单元202的初始值、所述数模转换器27的输入和上位机输入的数值输入到所述感测单元偏差校正电路23计算子感测单元偏差的校正数据，并将所述子感测单元偏差的校正数据存储于指纹图像缓冲器中；
[0174]步骤S42':所述感测单元阵列控制器21输出第二校正时序，将所述有效行子感测单元采集到的指纹信息减去所述子感测单元偏差的校正数据得到校正后的指纹图像信息；
[0175]步骤S43':将当前有效行子感测单元校正后的指纹图像信息存储于所述指纹图像缓存器24中，在上位机的控制下所述校正后的指纹图像信息取走。
[0176]以上所述的仅为本实用新型的优选实施例，所述实施例并非用以限制本实用新型的专利保护范围，因此凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种射频式微电容指纹采集芯片，其特征在于，包括: L个参考感测单元； M*N个感测单元形成的二维感测单元阵列； 射频信号产生电路，用以产生射频信号； 射频驱动电极，其将所述射频信号产生电路产生的射频信号发射到接触到指纹传感器的手指；还包括: 感测单元阵列控制器，用于提供打开或关断感测单元所需的电源偏置的开关信号和提供感测单元所需的充放电时序信号； 模数转换阵列，由N个模数转换器并排构成，其将所述感测单元阵列检测到的感测电容转换成指纹图像灰度值； 感测单元偏差校正电路，以L个参考感测单元采集到的数据作为基准来校正各感测单元之间的偏差； 指纹图像缓存器，其用于存储当前转换的所述指纹图像数据和感测单元偏差校正数据； 数模转换器，其控制所述模数转换阵列的增益； 指纹图像输出控制器，用以传输指纹图像数据； 图像信号处理器，其接收所述指纹图像输出控制器发送的指纹图像数据，根据所述指纹图像数据判断其真伪性和正常与否并做出相应的处理，其中，N，M为2到300的整数，L为小于N*M的整数，直接覆盖于采集芯片电路之上的绝缘层作为所述感测单元中感测电容的介质层。
2.根据权利要求1所述的射频式微电容指纹采集芯片，其特征在于，所述每一个感测单元包含: 由集成电路工艺的顶层金属所形成的单个感测电极； 感测电容介质层，其由直接覆盖于顶层金属之上的厚度为0.1um~150um的绝缘层构成，所述单个感测电极与手指及感测电容介质层形成单个感测电容； 参考电容； 有源放大器，其被连接成单位增益缓冲器，其输入通过开关连接感测电极，其输出通过开关连接屏蔽电极； 由集成电路工艺顶层金属之外的金属层所形成的单个屏蔽电极，所述单个屏蔽电极与单个感测电极形成单个屏蔽电容； 由集成电路工艺任一金属层形成的单个校正电极，所述单个校正电极与单个感测电极形成单个校正电容； 由集成电路工艺任一金属层形成的单个增强电极，所述单个增强电极与单个感测电极形成单个增强电容，增强电容用于增强采集效果；以及 多个开关电路，其控制参考电容、感测电容、增强电容和校正电容进行充放电和电荷均衡。
3.根据权利要求1所述的射频式微电容指纹采集芯片，其特征在于，所述感测单元偏差校正电路还包含加减法计数器阵列、乘法器阵、感测单元偏差统计电路和感测单元偏差校正因子计算电路，其中，所述加减法计数器阵列计算所述感测单元与参考感测单元的偏差； 所述感测单元偏差统计电路统计所述偏差绝对值的平均值； 所述感测单元偏差校正因子计算电路将所述数模转换器的输入与上位机输入的数值及所述偏差绝对值的平均值进行映射计算得到校正因子； 所述乘法器阵列将所述偏差与所述校正因子相乘，其输出结果作为所述感测单元偏差的校正数据。
4.一种射频式微电容指纹采集芯片，其特征在于，包括: L个参考感测单元； M*N个复合感测单元形成的二维感测单元阵列；所述复合感测单元由两个复合的子感测单元组成； 射频信号产生电路，用以产生射频信号； 射频驱动电极，其将所述射频信号产生电路产生的射频信号发射到接触到指纹传感器的手指；还包括: 复合感测单元阵列控制器，用于提供打开或关断感测单元所需的电源偏置的开关信号和提供感测单元所需的充放电时序信号； 模数转换阵列，由N个模数转换器并排构成，其将所述复合感测单元阵列检测到的感测电容转换成指纹图像灰度值； 复合感测单元偏差校正电路，以L个参考感测单元采集到的数据作为基准来校正各感测单元之间的偏差； 指纹图像缓存器，其用于存储当前转换的所述指纹图像数据和复合感测单元偏差校正数据； 数模转换器，其控制所述模数转换阵列的增益； 指纹图像输出控制器，用以传输指纹图像数据； 图像信号处理器，其接收所述指纹图像输出控制器发送的指纹图像数据，根据所述指纹图像数据判断其真伪性和正常与否并做出相应的处理，其中，N为I到150的整数，M为2到300的整数，L为小于N*M的整数，直接覆盖于采集芯片电路之上的绝缘层作为所述复合感测单元中感测电容的介质层。
5.根据权利要求4所述的射频式微电容指纹采集芯片，其特征在于， 所述每一个复合感测单元包括: 由集成电路工艺的顶层金属所形成的N个感测电极； 感测电容介质层，其由直接覆盖于所述顶层金属之上的厚度为0.1um~150um的绝缘层构成； 所述N个感测电极与手指及感测电容介质层形成N个感测电容； 复用参考电容； 由集成电路工艺顶层金属之外的金属层所形成N个屏蔽电极，所述N个屏蔽电极与N个感测电极形成N个屏蔽电容； 由集成电路工艺任一金属层形成的N个校正电极，所述N个校正电极与N个感测电极形成N个校正电容； 由集成电路工艺任一金属层所形成N个增强电极，所述N个增强电极与N个感测电极形成N个增强电容，增强电容用于增强采集效果； N组开关电路； 复用有源放大器，被连接成复用单位增益缓冲器，其输入通过N个开关连接N个感测电极，其输出通过N个开关连接N个屏蔽电极； 所述N个感测电极、感测电容介质层、复用参考电容、N个屏蔽电容、N个校正电容、N个增强电容、N组开关电路和复用有源放大器构成N个子感测单元；其中，每一子感测单元包含:一个感测电极、感测电容介质层、一个屏蔽电容、一个校正电容、一个增强电容、一组开关、复用参考电容和复用有源放大器，其中复用参考电容与复用有源放大器为共用单元；所述复用参考电容和复用有源放大器被放置于由所述N个感测电极所形成区域的下方或放置于由所述N个感测电极所形成区域的旁侧，所述旁侧边缘位置离所述区域的边缘位置的垂直距离小于500um。
6.根据权利要求4所述的射频式微电容指纹采集芯片，其特征在于，所述感测单元偏差校正电路还包含加减法计数器阵列、乘法器阵、感测单元偏差统计电路和感测单元偏差校正因子计算电路，其中， 所述加减法计数器阵列计算所述感测单元与参考感测单元的偏差； 所述感测单元偏差统计电路统计所述偏差绝对值的平均值； 所述感测单元偏差校正因子计算电路将所述数模转换器的输入与上位机输入的数值及所述偏差绝对值的平均值进行映射计算得到校正因子； 所述乘法器阵列将所述偏差与所述校正因子相乘，其输出结果作为所述感测单元偏差的校正数据。
【文档编号】G06F3/044GK203799390SQ201420141710
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】徐启波, 黄昊 申请人:成都费恩格尔微电子技术有限公司