采用集成的噪声抑制结构的指纹传感器的制作方法

发明领域

本发明涉及用于电子感测位于传感器附近或周围的对象(诸如通常被称为指纹的表皮嵴图案)的传感器。

发明背景

包括用于测量手指表面中的特性的电极的指纹传感器是众所周知的。例如，ep0988614、us5,963,679、us6,069,970和us8,421,890描述了基于不同的阻抗或电容测量原理的传感器，其具有包括多个个体传感器元件的带状传感器或矩阵传感器。

指纹传感器的性质在于手指将必须接触或极为接近指纹传感器，以便传感器能够感测指纹图案。理想地，手指被认为是通过身体接地。然而，实际上，身体机能就像从周围环境拾取辐射或电子噪声的天线一样。电子噪声通过身体传播到手指和指纹传感器，并干扰由传感器检测到的信号。该人体干扰信号通常具有与正被测量的脊和谷之间的信号差相同的数量级。除了辐射噪声之外，电源噪声可以通过人体到与传感器不同的接地电势的电容连接件传导到传感器中。

除了通过人体的噪声之外，传感器到传感器和传感器内的变化可能由于各个栅格交叉结刻蚀、电介质变化和涂层变化的差异而出现。

当前技术的指纹传感器通常试图通过后检测滤波方法减少这些干扰系统噪声，而不是采用被设计用于减轻这些噪声源的先进的电子感测方法。因此，在行业中存在对于具有被特殊构建以改进对指纹传感器中发现的典型传导和辐射的噪声源的抑制的改进的指纹传感器的需要。

发明概述

本公开的方面体现在指纹传感器系统中，该指纹传感器系统包括：多个基本上平行的驱动线；多个基本上平行的拾取线，其被定向为横向于多个驱动线；绝缘层，其将多个拾取线与多个驱动线分开；多个电极对，每个电极对被界定在拾取线与驱动线交叉的位置处，其中每个电极对具有对接触或极为接近电极对的对象敏感的阻抗；一个或更多个参考拾取线，其被定向为与多个拾取线基本上平行；一个或更多个补偿驱动线，其被定向为与驱动线基本上平行，并且与拾取线和参考拾取线交叉，以将补偿驱动线电容地耦合到拾取线和参考拾取线中；以及参考拾取驱动线，其与参考拾取线交叉，以电容耦合参考拾取线和参考拾取驱动线。每个电极对具有在没有对象接触或极为接近电极对时的第一阻抗，并且驱动线、拾取线、参考拾取线、补偿驱动线和参考拾取驱动线被配置成使得补偿驱动线和交叉拾取线之间的第二阻抗、参考拾取线和交叉的参考拾取驱动线之间的第三阻抗、以及补偿驱动线和参考拾取线之间的第四阻抗基本上等于第一阻抗。信号源被配置为向驱动线和参考拾取驱动线中的一个提供第一信号，并向补偿驱动线提供第二信号。第二信号是相对于第一信号反转的固定的参考幅相。差分放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端连接到拾取线，第二输入连接到参考拾取线中的一个或更多个，并且差分放大器的输出指示接触或极为接近电极对中的一个或更多个的手指的脊和谷特征的存在。

根据另外的方面，驱动线、补偿驱动线和参考拾取驱动线中的每个具有第一宽度，并且拾取线和参考拾取线中的每个具有第二宽度，其中第二宽度与第一宽度不同。

根据另外的方面，第一宽度是第二宽度的两倍。

根据另外的方面，补偿驱动线位于与驱动线不同的物理层中。

根据另外的方面，补偿驱动线位于导电接地层内。

根据另外的方面，补偿驱动线位于导电接地层中的切口(cutout)中。

根据另外的方面，参考拾取驱动线包括在物理上与驱动线分开并平行于驱动线的参考驱动线。

根据另外的方面，参考驱动线位于与驱动线不同的物理层中。

根据另外的方面，参考驱动线位于导电接地层中。

根据另外的方面，参考驱动线位于导电接地层中的切口内。

根据另外的方面，每个参考拾取驱动线包括驱动线的一部分。

根据另外的方面，该系统包括两个参考拾取线。

根据另外的方面，每个参考拾取线包括单个导电材料条。

根据另外的方面，该系统还包括多个基本上平行的接地参考线，其被定向为与多个驱动线基本上成一直线并连接到接地，其中每个接地参考线与参考拾取线交叉。

根据另外的方面，接地参考线通过到接地层的通孔连接到接地。

根据另外的方面，多个驱动线被定向为基本上垂直于多个拾取线。

根据另外的方面，补偿驱动线位于通过交叉驱动线和拾取线界定的手指接触区域的外部。

根据另外的方面，参考拾取线位于手指接触区域内。

根据另外的方面，该系统还包括：接地层，其具有第一切口和第二切口，其中补偿驱动线位于第一切口内，并且参考拾取驱动线位于第二切口内；第二绝缘层，其将接地层与多个驱动线分开；互连层；第三绝缘层，其将互连层与接地层分开；多个拾取互连元件，其位于互连层中并与补偿驱动线交叉，并且拾取互连元件通过通孔连接到多个拾取元件，其中拾取互连元件和补偿驱动线的交叉提供拾取线与补偿驱动线的电容耦合；参考拾取互连元件，其位于互连层中并与补偿驱动线和参考拾取驱动线交叉，并且参考拾取互连元件通过通孔连接到参考拾取线，其中参考拾取互连元件和补偿驱动线的交叉提供参考拾取线与补偿驱动线的电容耦合，并且参考拾取互连元件和参考拾取驱动线的交叉提供参考拾取线与参考拾取驱动线的电容耦合。

根据另外的方面，第一信号是具有预定频率的交变rf信号。

根据另外的方面，该系统还包括：电感器，其连接在差分放大器的第一输入端和第二输入端之间；以及可调电容器，其连接在差分放大器的第一输入端和第二输入端之间，以提供具有被调谐到第一信号的预定频率的中心频率的可调谐带通滤波器。

根据另外的方面，电感器是中心抽头电感器。

根据另外的方面，中心抽头电感器包括两个基本相同的分立电感器。

根据另外的方面，两个基本上相同的分立电感器具有高电感l，并且可调电容器具有低电容c，以提供具有高q因子的带通滤波器。

本公开的方面体现在指纹传感器系统中，该指纹传感器系统包括：多个基本上平行的驱动线；多个基本上平行的拾取线，其被定向为横向于多个驱动线，以在拾取线与驱动线交叉的每个位置处将每个拾取线电容地耦合到驱动线；绝缘层，其将多个拾取线与多个驱动线分开；参考拾取线，其被定向为与拾取线基本上平行；补偿驱动线，其被定向为与驱动线基本上平行并与拾取线和参考拾取线交叉，以将补偿驱动线与拾取线和参考拾取线电容耦合；参考拾取驱动线，其与参考拾取线交叉，以电容耦合参考拾取线和参考拾取驱动线；信号源，其被配置为向驱动线和参考拾取驱动线中的一个提供第一信号，并向补偿驱动线提供第二信号，其中第二信号是第一信号的反相；以及差分放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端连接到拾取线，从而：(a)经由拾取线和电容耦合的驱动线将第一信号耦合到第一输入端，以及(b)经由拾取线和电容耦合的补偿驱动线将第二信号耦合到第一输入端。第二输入端连接到参考拾取线，从而：(a)经由参考拾取线和电容耦合的参考拾取驱动线将第一信号耦合到第二输入端，以及(b)经由参考拾取线和电容耦合的补偿驱动线将第二信号耦合到第二输入端。差分放大器的输出基本上没有共模噪声。

根据另外的方面，拾取线与驱动线交叉的每个位置界定电极对，每个电极对具有对接触或极为接近电极对的对象敏感的阻抗，并且每个电极对具有在没有对象接触或极为接近电极对时的第一阻抗。驱动线、拾取线、参考拾取线、补偿驱动线和参考拾取驱动线被配置成使得补偿驱动线和交叉拾取线之间的第二阻抗、参考拾取线和交叉参考拾取驱动线之间的第三阻抗、以及补偿驱动线和参考拾取线之间的第四阻抗基本上等于第一阻抗。

根据另外的方面，驱动线中的每个、拾取线中的每个、参考拾取线、补偿驱动线以及参考拾取驱动线具有第一宽度。

根据另外的方面，驱动线中的每个、补偿驱动线和参考拾取驱动线具有第一宽度，并且拾取线中的每个和参考拾取线具有与第一宽度不同的第二宽度。

根据另外的方面，第一宽度是第二宽度的两倍。

根据另外的方面，补偿驱动线位于与驱动线不同的物理层中。

根据另外的方面，补偿驱动线位于导电接地层内。

根据另外的方面，补偿驱动线位于导电接地层中的切口中。

根据另外的方面，参考拾取驱动线包括在物理上与驱动线分开并平行于驱动线的参考驱动线。

根据另外的方面，参考驱动线位于与驱动线不同的物理层中。

根据另外的方面，参考驱动线位于导电接地层中。

根据另外的方面，参考驱动线位于导电接地层中的切口内。

根据另外的方面，每个参考拾取驱动线包括驱动线的一部分。

根据另外的方面，该系统包括两个参考拾取线。

根据另外的方面，每个参考拾取线包括单个导电材料条。

根据另外的方面，该系统包括多个基本上平行的接地参考线，其被定向为与多个驱动线基本上成一直线并连接到接地，其中每个接地参考线与参考拾取线交叉。

根据另外的方面，接地参考线通过到接地层的通孔连接到接地。

根据另外的方面，多个驱动线被定向为基本上垂直于多个拾取线。

根据另外的方面，补偿驱动线位于通过交叉驱动线和拾取线而界定的手指接触区域的外部。

根据另外的方面，参考拾取线位于手指接触区域的外部。

根据另外的方面，该系统包括：接地层，其具有第一切口和第二切口，其中，补偿驱动线位于第一切口内，并且参考拾取驱动线位于第二切口内；第二绝缘层，其将接地层与多个驱动线分开；互连层；第三绝缘层，其将互连层与接地层分开；多个拾取互连元件，其位于互连层中并与补偿驱动线交叉，其中，拾取互连元件通过通孔连接到多个拾取元件，并且拾取互连元件和补偿驱动线的交叉提供拾取线与补偿驱动线的电容耦合；参考拾取互连元件，其位于互连层中并与补偿驱动线和参考拾取驱动线交叉，其中，参考拾取互连元件通过通孔连接到参考拾取线，并且参考拾取互连元件和补偿驱动线的交叉提供参考拾取线与补偿驱动线的电容耦合，并且参考拾取互连元件和参考拾取驱动线的交叉提供参考拾取线与参考拾取驱动线的电容耦合。

本公开的另外的方面体现在指纹传感器系统中，该指纹传感器系统包括：多个基本上平行的驱动线；多个基本上平行的信号拾取线，其被定向为横向于多个驱动线，并且被配置为接近对象并接收由驱动线中的每个发出的第一信号的至少一部分；绝缘层，其将多个信号拾取线与多个驱动线分开；多个电极对，每个电极对被界定在信号拾取线与驱动线交叉的位置处，其中每个电极对具有对接近电极对的信号拾取线的对象敏感从而影响由电极对的信号拾取线接收的第一信号的量的阻抗；一个或更多个参考拾取线，其被配置为接近也接近信号拾取线但没有被配置为对对象阻抗敏感的对象；一个或更多个补偿驱动线，其被配置为将第二信号注入到信号拾取线和参考拾取线中，而不在补偿驱动线和参考拾取线之间形成对于接近参考拾取线的对象阻抗敏感的电极对，其中，第二信号具有基本上等于第一信号的幅度的幅度，但具有与第一信号的相位不同的相位；以及差分放大器，其具有连接到拾取线中的一个的第一输入端、连接到一个或更多个参考拾取线的第二输入端以及输出端，其中，第二输入端为第一输入端提供共模噪声参考，使得差分放大器的输出指示接触或极为接近电极对中的一个或更多个的对象的表面特征。

本发明的其他特征和特性以及操作的方法、结构的相关元件的功能和部件的组合在考虑到参考附图的以下的描述和所附权利要求的情况下将变得更加清晰，所有这些形成了本说明书的部分，其中相似的参考数字指定各个附图中的相应部分。

附图简述

被并入本文中并形成说明书的部分的附图图示了本发明的各种非限制性的实施例。在附图中，共同的参考数字指示相同的或功能类似的元件。

图1图示了根据本发明的实施例的指纹传感器的顶部透视视图。

图2图示了根据本发明的实施例的指纹传感器的顶部透视视图。

图3a图示了根据本发明的实施例的指纹传感器系统的实施例。

图3b图示了根据本发明的实施例的阻抗敏感电极对的测量的电子电路。

图4a图示了根据本发明的实施例的用于指纹传感器系统的实施例。

图4b图示了根据本发明的实施例的用于阻抗敏感电极对的测量的电子电路。

图5图示了指纹传感器系统的电子电路。

图6示意性地图示了包括传感器部分和体现为asic的电子部分的指纹传感器系统。

图7图示了根据本发明的实施例的指纹传感器系统的实施例。

图8图示了指纹传感器系统的导电接地层。

图9a和图9b是接近指纹传感器的部分的指纹图案的局部视图，并图示了由接近传感器的有源拾取线的指纹图案引入的寄生负载电容。

图9c示出了包括寄生阻抗的电路的集总元件示意图。

发明的详细描述

除非另有定义，本文使用的所有技术、标记的术语以及其他技术术语或用辞具有本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同意思。所有专利、应用、公布的应用以及本文提及的其他应用通过引入以其整体并入。如果在本节中阐述的定义违背专利、应用、公布的应用以及本文中通过引用并入的其他应用中阐述的定义相反或与其不一致，则在该节中阐述的定义胜过通过引用并入本文的定义。

除非另有说明或上下文另有所指，否则如本文中所使用的，“一(a)”或“一(an)”是指“至少一个”或“一个或更多个”。

本说明书在描述组件、装置、位置、特征或它们的部分的位置和/或定向时可使用相对的空间和/或定向术语。除非特别声明，否则由说明书的上下文叙述的这样的术语(包括在没有限制的情况下的顶部、底部、以上、以下、在下面、在顶部、上面、下面、左侧、右侧、前面、后面、紧接、邻近、之间、水平、竖直、对角线、纵向、横向、径向、轴向等)用于方便指出附图中这样的组件、装置、位置、特征或它们的部分且不旨在限制。

此外，除非另有声明，否则本说明书中提及的任何特定的尺寸仅代表体现了本发明的方面的设备的示例性实施而不旨在限制。

本公开涉及用于检测接近放置的对象的电子传感器。在实施例中，传感器是检测放置在电子传感器上的手指的表面特征(例如，脊或谷)的指纹传感器。在实施例中，电子传感器基于包括驱动元件和拾取元件的电极对之间的交互作用运行。拾取元件可电容地耦合到驱动元件，并且可感测从驱动元件传到拾取元件的信号。接近放置的对象的特征可基于传感器是否检测到在拾取元件处所接收到的信号中的改变来检测。

在实施例中，电子传感器形成网格，以检测在多个位置处的接近放置的对象的表面特征。网格包括多个平行的驱动线，该驱动线各自可连接到驱动源，且网格包括多个平行的拾取线，该拾取线被定向为横向(例如，垂直)于驱动线。驱动线通过绝缘(例如，介电)层与拾取线分开。因此，每个驱动线可电容地耦合到拾取线。在该实施例中，驱动线可形成网格的一个轴(例如，x轴)，而拾取线形成网格的另一轴(例如，y轴)。驱动线和拾取线交叉的每个位置可形成阻抗敏感电极对。该阻抗敏感电极对可被视为像素(例如，x-y坐标)，在该像素处检测接近放置的对象的表面特征。网格形成可共同被扫描以创建接近放置的对象的表面特征的图的多个像素。例如，网格的像素可区分存在触摸电子传感器的指尖的脊所在的位置和存在指尖的谷所在的位置。图可用作与存储在数据库中的脊/谷模式进行匹配的模式。在题为“electronicimagerusinganimpedancesensorgridarrayandmethodofmaking”的美国专利号8,421,890中，更详细地论述了具有重叠的驱动线和拾取线的指纹传感器的附加细节，其内容通过引用以其整体并入。

图1图示了示例性指纹传感器结构100的一部分。传感器100包括包含多个驱动元件101的驱动层和包含多个拾取元件102的拾取层。在一个实施例中，驱动元件101可被形成为基本上彼此平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条(即，宽度大于厚度)，并且其也可被称为驱动线或驱动板。拾取元件102可被形成为基本上彼此平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且其也可被称为拾取线或拾取板。由介电材料制成的绝缘层107分开驱动线101和拾取线102。驱动元件101和拾取元件102被定向为彼此横向，并且在一个实施例中，基本上彼此垂直，从而在驱动线101和交叉的拾取线102之间形成重叠的区域。

传感器结构100还包括至少一个参考拾取元件106。在一个实施例中，参考拾取元件106可被形成为与拾取元件102基本上平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且也可被称为参考拾取线或参考拾取板。在一个实施例中，参考拾取元件106作为端线被定位在多个拾取元件102的一侧上。在另一实施例中，第二参考拾取元件可被定位在多个拾取元件102的相对侧上。在另外可选实施例中，参考拾取元件可被定位在两个相邻的拾取线102之间。在又另外可选实施例中，参考拾取线106不是如图1所示的连续的条，但可包括被布置成端对端(或重叠)且平行于拾取线102的两个或更多个节段，尽管这些节段可不必彼此共线。

传感器结构100还包括补偿驱动元件105和多个接地参考元件103。在一个实施例中，补偿驱动元件105可被形成为与驱动元件101基本上平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且其还可被称为补偿驱动线或补偿驱动板。补偿驱动元件105被定向成使得其与拾取元件102和参考拾取元件106交叉，从而将补偿驱动元件105与拾取元件102和参考拾取元件106电容耦合，并因而将被施加到补偿驱动元件105的反转的驱动信号(以下进行描述)耦合到拾取元件102和参考拾取元件106。在一个实施例中，补偿驱动元件105位于与驱动元件101相同的物理层中。在又一实施例中，补偿驱动元件105被定位在与顶部感测层电势上屏蔽的另一物理层中。

在可选实施例中，传感器包括多于一个补偿驱动元件。

在一个实施例中，多个接地参考元件103可被形成为基本上平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且也可被称为接地参考线或接地参考板。在一个实施例中，接地参考线103被以共面方式(即，在相同的物理层中)定向并且与驱动元件101基本上成一直线(即，每个接地参考线103与一个相关联的驱动元件101对齐)。接地参考元件103被定向成使得每个与参考拾取元件106交叉，以为参考拾取元件106提供接地和噪声参考。

在各个实施例中，被施加到传感器结构100的驱动信号(以下进行描述)耦合到参考拾取元件106。为此，传感器结构100包括连接到驱动信号源(以下进行描述)并电容地耦合到参考拾取元件106的一个或更多个参考拾取驱动元件(或参考拾取驱动线)。在一个实施例中，参考拾取驱动元件包括参考驱动元件104。在实施例中，参考驱动元件104不与诸如接地参考线103的相关联的驱动元件101对齐，并且位于补偿驱动线105和最末端接地参考线103之间。

参考驱动元件104可被形成为导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且也可被称为参考驱动线或参考驱动板。参考驱动元件104被定向成使得其与参考拾取元件106交叉，从而将参考驱动元件104与参考拾取元件106电容耦合，并因而将被施加到参考驱动元件104的驱动信号(以下进行描述)耦合到参考拾取元件106。在一个实施例中，参考驱动线104以与多个接地参考元件103平行的共面方式(即，在相同的物理层中)定向。在又一实施例中，参考驱动元件104被定位在与一个或更多个接地参考元件103不同的物理层中。

驱动元件101和拾取元件102交叉的每个位置形成阻抗敏感电极对。当没有对象与阻抗敏感电极对接触或接近时，阻抗敏感电极对具有由电极对的特性(诸如，驱动元件101的尺寸和拾取元件102的尺寸(其确定了在每个电极对处的驱动元件101和交叉的拾取元件102之间的重叠区域)以及绝缘层107的厚度和介电属性的)确定的第一阻抗。第一阻抗等效于平形板电容器，其中板电容器的面积由驱动元件101和拾取元件102的重叠区域确定。在一个实施例中，驱动元件101和拾取元件102的宽度相等，因此由驱动线的宽度和拾取线的宽度界定的重叠区域具有相等的宽度和长度。其中驱动元件101和拾取元件102的宽度不同的其他构型是可能的。例如，在一个实施例中，驱动元件101的每一个的宽度是拾取元件102的每一个的宽度的两倍，反之亦然。

每个交叉的拾取元件102和补偿驱动元件105之间的阻抗、每个交叉的接地参考元件103和参考拾取元件106之间的阻抗、以及补偿驱动元件105和参考拾取元件106之间的阻抗由各个元件的特性(诸如，元件的尺寸(其确定了元件之间的重叠区域)以及绝缘层107的厚度和介电性质)确定。出于消除噪声的目的，可指定这些特性以实现各个元件之间的平衡阻抗。

在一个实施例中，驱动元件101、拾取元件102、参考拾取元件106、补偿驱动元件105以及参考驱动元件104具有这样的尺寸，使得在没有对象存在时的交叉的拾取元件102和补偿驱动元件105之间的第二阻抗、在没有对象存在时的交叉的参考驱动元件104和参考拾取元件106之间的第三阻抗、以及在没有对象存在时的补偿驱动元件105和参考拾取元件106之间的第四阻抗基本上等于第一阻抗。在一个实施例中，驱动元件101、拾取元件102、参考拾取元件106、补偿驱动元件105和接地参考元件103的宽度相等。在其他实施例中，元件的宽度是不同的。在另一个实施例中，驱动元件101、补偿驱动元件105和接地参考元件103的宽度相同，并且是拾取元件102和参考拾取元件106的宽度的两倍。

在一个实施例中，接地参考元件103的尺寸使得每个接地参考元件103与参考拾取元件106之间的第五阻抗基本上等于第一阻抗。在一个实施例中，驱动元件104的宽度等于接地参考元件103的宽度。

图2图示了根据可选实施例的示例性指纹传感器结构200的一部分。传感器200包括多个驱动元件201和多个拾取元件202。在一个实施例中，驱动元件201可被形成为基本上彼此平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且其也可被称为驱动线或驱动板。拾取元件202可被形成为基本上彼此平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且其也可被称为拾取线或拾取板。由介电材料制成的绝缘层207分开驱动线201和拾取线202。驱动元件201和拾取元件202被定向为彼此横向，并且在一个实施例中，基本上彼此垂直，从而在驱动线201和交叉的拾取线202之间形成重叠的区域。

传感器结构200还包括至少一个参考拾取元件206。在一个实施例中，参考拾取元件206可被形成为与拾取元件202基本上平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且也可被称为参考拾取线或拾取板。在一个实施例中，参考拾取元件206作为端线被定位在多个拾取元件202的一侧上。在另一实施例中，第二参考拾取元件可被定位在多个拾取元件202的相对侧上。在另外的可选实施例中，参考拾取元件可被定位在两个相邻的拾取线202之间。在又另外的可选实施例中，参考拾取线206不是如图2所示的连续的条，但可包括被布置成端对端(或重叠)且平行于拾取线202的两个或更多个节段，尽管这些节段可不必彼此共线。

传感器还包括补偿驱动元件205。在一个实施例中，补偿驱动元件205可被形成为与驱动元件201基本上平行的导电材料(例如，铜、铝、金)的长形平条，并且其还可被称为补偿驱动线或补偿驱动板。补偿驱动元件205被定向成使得其与拾取元件202和参考拾取元件206交叉，从而将补偿驱动元件205与拾取元件202和参考拾取元件206电容耦合，并因而将被施加到补偿驱动元件205的反转的驱动信号(以下进行描述)耦合到拾取元件202和参考拾取元件206。在一个实施例中，补偿驱动元件205位于与驱动元件201相同的物理层中。在又一实施例中，补偿驱动元件205被定位在与一个或更多个驱动元件201不同的物理层中。

在图2的实施例中，出于以下将进行解释的原因，传感器结构200不包括多个接地参考元件(诸如，图1中所示的传感器结构100的接地参考元件103)。

此外，在实施例中，传感器结构200不包括参考驱动元件(诸如，传感器结构100的参考驱动元件104)。相反，传感器结构200的参考拾取元件206与驱动线201交叉，从而将驱动线201与拾取传感器元件206电容耦合。因此，传感器结构200的驱动线201用作连接到驱动信号源(以下进行描述)并将驱动信号耦合到参考拾取元件206的参考拾取驱动元件。参考驱动

驱动元件201和拾取元件202交叉的每个位置形成阻抗敏感电极对。当没有对象与阻抗敏感电极对接触或接近时，阻抗敏感电极对具有由电极对的特性确定的第一阻抗(诸如驱动元件201的尺寸和拾取元件202的尺寸(其确定每个电极对处的驱动元件和交叉的拾取元件之间的重叠面积))以及绝缘层207的厚度和介电性质。第一阻抗等效于板电容器，其中板电容器的面积由驱动元件201和拾取元件202的重叠区域确定。在一个实施例中，驱动元件201和拾取元件202的宽度相等，因此由驱动线的宽度和拾取线的宽度界定的重叠区域具有相等的宽度和长度。其中驱动元件201和拾取元件202的宽度不同的其他配置是可能的。例如，在一个实施例中，驱动元件201的每一个的宽度是拾取元件202的每一个的宽度的两倍，反之亦然。

每个交叉的拾取元件202和补偿驱动元件205之间的阻抗、交叉的驱动元件201和参考拾取元件206之间的阻抗、以及补偿驱动元件205和参考拾取元件206之间的阻抗由各个元件的特性(诸如，元件的尺寸(其确定了元件之间的重叠区域)以及绝缘层207的厚度和介电性质)确定。出于消除噪声的目的，可指定这些特性以实现各个元件之间的平衡阻抗。

在一个实施例中，驱动元件201、拾取元件202、参考拾取元件206、补偿驱动元件205具有这样的尺寸，使得在没有对象存在时的交叉的拾取元件202和补偿驱动元件205之间的第二阻抗、在没有对象存在时的交叉的驱动元件201和参考拾取元件206之间的第三阻抗、以及在没有对象存在时的补偿驱动元件205和参考拾取元件206之间的第四阻抗基本上等于在没有对象存在时的第一阻抗。在一个实施例中，驱动元件201、拾取元件202、参考拾取元件206和补偿驱动元件205的宽度相等。在其他实施例中，元件的宽度是不同的。例如，在一个实施例中，驱动元件201和补偿驱动元件205的宽度相同，并且是拾取元件202和参考拾取元件206的宽度的两倍。

图3a图示了示例性指纹传感器系统300的一部分。该指纹传感器系统300包括如上参照图1所述的指纹传感器结构100、信号源301和差分放大器302。信号源301适用于向驱动元件101和参考驱动元件104提供第一信号，并向补偿驱动元件105提供第二信号。在各个实施例中，第二信号是相对于第一信号反转的固定的参考幅相。在一个实施例中，第一信号是具有预定频率的交变rf信号，并且第二信号可通过在信号源301的输出端和补偿驱动元件105之间插入反相器304来提供。因此，在各个实施例中，第二信号等于第一信号的幅度但不一定等于第一信号的相位。参考拾取元件106与补偿驱动元件105和参考驱动元件104交叉，并且从而经由参考驱动元件104耦合到第一信号，并经由补偿驱动元件105耦合到第二信号。但是，参考拾取元件106和补偿驱动元件105之间的耦合对接触或接近参考拾取元件106的对象不是阻抗敏感的。

接地参考元件103连接到局部基底接地，从而为与接地参考元件103交叉的参考拾取元件106提供接地参考。在指纹传感器系统300中，参考拾取元件106位于手指接触区域303内。因此，接地参考元件103为受到手指接触的参考拾取元件106提供了平衡的接地耦合。

差分放大器302具有第一输入端、第二输入端和输出端。差分放大器302的第一输入端(例如，正(+)输入端)连接到拾取元件102，该拾取元件经由每个交叉的驱动元件101耦合到驱动信号，并经由补偿驱动元件105耦合到反转的驱动信号。第二输入端(例如，负(-)输入端)连接到参考拾取元件106，该参考拾取元件独立于拾取元件102，并经由参考驱动元件104耦合到驱动信号，并经由补偿驱动元件105耦合到反转的信号。差分放大器的输出端是指示手指的脊和谷特征在手指接触区域303上的存在的信号。为了简单说明，来自阵列102的一个拾取元件和来自阵列101的一个驱动元件连接到差分放大器302和信号源301，然而每个驱动元件101和拾取元件102可通过本领域技术人员众所周知的方法和电路通过合适的开关和/或多路复用器(未示出)选择性地和单独地连接到差分放大器302。

没有信号被施加到接地参考元件103，并且因此参考拾取元件106是无源参考，因为在差分放大器302的负(-)输入端处没有产生信号变化。也就是说，在负(-)输入端处的信号对由于手指或其他对象接触或接近参考拾取元件106而产生的阻抗变化不敏感。因此，参考拾取元件106没有被配置为相对于接触或接近参考拾取元件106的手指或其它对象阻抗敏感。然而，信号被施加到驱动元件101，因此，拾取元件102是有源的，并且耦合到差分放大器302的正(+)输入端的信号由于手指或其他对象接触或临近拾取元件102确实改变了，因为在每个电极对101/102处的信号对由于手指或其他对象的存在而产生的阻抗变化敏感。

图3b图示了根据本发明实施例的用于阻抗敏感电极对的测量的等效电路。补偿驱动元件105和参考驱动元件104被定位在手指接触区域303的外部，并且接地参考元件103连接到接地，以为至少部分地位于指纹感测区域303内的参考拾取元件106提供接地参考。可变阻抗z1是交叉的驱动元件101和拾取元件102的阻抗，并且将由于手指或其它对象的存在以及根据接触或临近阻抗敏感的电极对101/102的手指或对象的表面特征而变化。阻抗z2是拾取元件102和补偿驱动元件105之间的阻抗。阻抗z3是参考驱动元件104和参考拾取元件106之间的阻抗。阻抗z4是补偿驱动元件105和参考拾取元件106之间的阻抗。由于z1＝z2＝z3＝z4时，该配置构成了惠斯通平衡桥，结果是耦合到这些阻抗中的任何一个中的共模噪声在差分放大器302的第一输入端和第二输入端两处均等地出现，从而消除噪声，但是只有阻抗z1的变化产生任何净差分信号，因此有效地消除了共模噪声。因此，影响所有阻抗z1、z2、z3和z4的电子噪声(例如，人体噪声)被抵消，但是在驱动元件101和拾取元件102的交叉处形成的阻抗敏感电极对处的阻抗z1的变化由于极为接近或接触接触区域303的对象(例如，指纹的脊和谷)在差分放大器302处产生基本上没有这样的噪声的输出。

图4a图示了示例性指纹传感器系统400的部分。该指纹传感器系统400包括如上参照图2所述的指纹传感器结构200、信号源301和差分放大器302。信号源302适于向驱动元件201提供第一信号，并向补偿驱动元件205提供第二信号。第二信号是第一信号的反转。在一个实施例中，第一信号是具有预定频率的交变rf信号。在一个实施例中，第二信号可通过在第一信号的输出端和补偿驱动元件205之间插入反相器304来提供。差分放大器302具有第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端(例如，正(+)输入端)连接到拾取元件202，该拾取元件经由每个交叉的驱动元件201耦合到驱动信号，并经由补偿驱动元件205耦合到反转的驱动信号。第二输入端(例如，负(-)输入端)连接到参考拾取元件206，该参考拾取元件206经由驱动元件201耦合到驱动信号，并经由补偿驱动元件205耦合到反转的信号。差分放大器302的输出是指示手指的脊和谷的特征在手指接触区域401上的存在的信号。为了简单说明，一个拾取元件202和一个驱动元件201连接到差分放大器302和信号源301，然而，每个驱动元件201和拾取元件202可通过本领域技术人员众所周知的方法和电路通过合适的开关和/或多路复用器(未示出)选择性地和单独地连接到差分放大器302。

参考拾取元件206只位于直接手指接触区域401的外部但足够近，使得人体噪声被耦合到元件206中，以便使用差分放大器302来消除噪声。另外，局部接地传感器噪声通过驱动线202被拾取到参考拾取206中，以被差分放大器302减去。

图4b图示了根据本发明实施例的用于阻抗敏感电极对的测量的等效电路。补偿驱动元件205和参考拾取元件206被定位在手指接触区域401的外部。可变阻抗z1是交叉的驱动元件201和拾取元件202的阻抗，并且将由于手指或其它对象的存在以及根据接触或临近阻抗敏感的电极对201/202的手指或对象的表面特征而变化。阻抗z2是拾取元件202和补偿驱动元件205之间的阻抗。阻抗z3是驱动元件201与参考拾取元件206之间的阻抗。阻抗z4是补偿驱动元件205和参考拾取元件206之间的阻抗。由于z1＝z2＝z3＝z4，该配置构成了惠斯通平衡桥，结果是耦合到这些阻抗中的任何一个中的共模噪声在差分放大器的第一输入端和第二输入端两处均等地出现，从而消除噪声，但是只有阻抗z1的变化产生任何净差分信号，因此有效地消除了共模噪声。

本发明的不同实施例可以通过市售的半导体工艺制造为单个asic，可以被划分成几个asic，或者可被形成为传感器基底与一个或更多个asic的组合。

图5图示了根据本发明的实施例的可结合图3和图4中的结构使用或独立使用的噪声消除滤波器结构。共模噪声电流可能足够大以随着时间的推移集成到分别构成输入电容感测和参考板的c传感器和c参考中，并且可能使差分放大器302的输入电路饱和并使其不再以产生在图像中的没有指纹信息的空区域(voidedarea)的线性方式响应于输入信号。为了补救该行为，指纹传感器系统300的电路还包括在差分放大器302的第一输入端和第二输入端之间并联连接的分离电感器501和可调电容器502，以提供共模分流可调谐谐振带通滤波器。在一个实施例中，可调谐带通滤波器具有被调谐到来自信号发生器301的第一信号的预定频率的中心频率。具有在带通滤波器范围之外的频率的共模电流被分流到接地，并因而在差分放大器302的输入端之前被有效地衰减。该滤波器布置能够抑制通常由用于像蜂窝电话的消费设备的隔离不良的低成本充电器产生的大电流峰值。

在一个实施例中，电感器501包括由两个基本相同的分立电感器组成的中心抽头电感器。基本上相同的电感器可具有高电感l，并且可调电容器可具有低电容c，以提供具有高q因子的带通滤波器。

图6示意性地图示了包括传感器200和asic600的指纹传感器系统。传感器200可与图2中所示的传感器200相当。可选地，如图6中所示的指纹传感器系统可包括如图1中所示的传感器100。传感器200包括例如以平行共面的配置布置的驱动元件201以及例如平行于驱动元件201并与其间隔开布置的补偿驱动元件205。传感器200包括例如以平行共面的配置布置的拾取元件202以及例如平行于拾取元件202并与其间隔开布置的参考拾取元件206a、206b。

拾取元件202和驱动元件201被布置为横向于彼此，并且拾取元件202与驱动元件201交叉的区域界定了接触区域401。

例如，如美国专利号8,421,890和美国专利申请公开号2013-0279769中所描述的，拾取元件202和/或驱动元件201可被包括在含有一个或更多个柔性基板或者一个或更多个刚性基板或者刚性和柔性基板的某种组合的层内，这些专利的公开内容在此通过引用并入。

asic600包括信号源301，其连接到驱动元件201或者可例如选择性地通过驱动开关606连接到驱动元件201。在一个实施例中，补偿驱动元件205经由反相器608连接到驱动振荡器301。asic600还包括差分放大器302，其连接到拾取元件202或者例如选择性地通过拾取开关602可连接到拾取元件202。在一个实施例中，参考拾取元件206a、206b分别通过参考拾取开关604a、604b连接到差分放大器302。当选择接触区域401的下半部分的拾取元件202时，通常选择参考拾取元件206a，以提供最相关的参考信号，即，参考拾取元件206a比其它参考拾取元件206b更接近所选择的拾取元件202。类似地，当选择接触区域401的上半部分的拾取元件202时，选择其他参考拾取原件206b。

图7图示了示例性指纹系统700的一部分。指纹传感器系统700包括如以上参照图1和图3a所描述的指纹传感器结构100。指纹系统700包括在导电材料(例如，铜、铝、金)的第一层或拾取层707中形成的多个拾取元件102和参考拾取元件106，以及在导电材料(例如，铜、铝、金)的第二层或驱动层709中形成的多个驱动线101和多个接地参考元件103。指纹系统700还包括导电材料(例如，铜、铝、金)的第三层711和第四层713。第一导电层707和第二导电层709、第二导电层709和第三导电层711、以及第三导电层711和第四导电层713分别通过由介电材料制成的第一绝缘层708、第二绝缘层710和第三绝缘层712分开。asic600连接到第四导电层或互连层713。第三导电层或接地层711通过asic600或到接地的其他可能的连接件连接到接地。

接地参考元件103通过延伸穿过第二绝缘层710的通孔703连接到接地层711。驱动元件101通过延伸穿过第二绝缘层710和第三绝缘层712的通孔701连接到asic600(参见图6)中的信号源301。拾取元件102通过延伸穿过第一绝缘层708、第二绝缘层710和第三绝缘层712的通孔702以及互连层713上的多个拾取互连元件714连接到asic600中的放大器302的第一输入端。参考拾取元件106通过第一绝缘层708、第二绝缘层710和第三绝缘层712中的通孔706以及互连层713上的参考拾取互连元件715连接到asic600(参见图6)中的放大器302的第二输入端。

参考驱动元件704连接到asic600中的信号源301，并且补偿驱动元件705通过第三绝缘层712中的通孔(未示出)连接到asic600的反相器304。为了便于说明当前的实施例，补偿驱动元件705和参考驱动元件704被示为互连层713的一部分，然而，补偿驱动元件705和参考驱动元件704位于互连层713之上的接地层711中。图8图示了分别位于导电接地层711中的切口800和801内的补偿驱动元件705和参考驱动元件704。

返回到图7，拾取互连元件714在补偿驱动元件705之下通过。参考拾取互连元件715在补偿驱动元件705和参考驱动元件704之下通过。每个交叉的拾取互连元件714和补偿驱动元件705之间的阻抗、参考拾取互连元件715和补偿驱动元件705之间的阻抗、以及参考拾取互连元件715和参考驱动元件704之间的阻抗由各个元件的特性(诸如，元件的尺寸(其确定了元件之间的重叠区域)以及第三绝缘层712的厚度和介电性质)确定。可指定这样的特性以实现各个元件之间期望的(例如，平衡)的阻抗。

在一个实施例中，如以上参照图1和图3a所描述的，拾取元件102和驱动元件101确定了绝缘层108上的第一阻抗。此外，参考拾取106、拾取互连元件714、参考拾取互连元件715、补偿驱动元件705以及参考驱动元件704具有这样的尺寸，使得在没有对象存在时的交叉的拾取互连元件714和补偿驱动元件705之间的第二阻抗、在没有对象存在时的交叉的参考驱动元件704和参考拾取互连元件715之间的第三阻抗、以及在没有对象存在时的补偿驱动元件705和参考拾取互连元件715之间的第四阻抗基本上等于第一阻抗。

现在还参照图7，当前实施例的可变阻抗z1是交叉的驱动元件101和拾取元件102的阻抗。第二阻抗z2是拾取互连元件714和补偿驱动元件705之间的阻抗。第三阻抗z3是参考驱动元件704和参考拾取互连元件715之间的阻抗。第四阻抗z4是补偿驱动元件705和参考拾取互连元件715之间的阻抗。由于z1＝z2＝z3＝z4，该配置构成了惠斯通平衡桥，结果是耦合到这些阻抗中的任何一个中的共模噪声在差分放大器的第一输入端和第二输入端两处均等地出现，但是只有阻抗z1的变化产生任何净差分信号，因此有效地消除了共模噪声。

图9a和图9b图示了由接近有源拾取元件102(即，在该情况下，连接到差分放大器302的拾取元件102)的手指901上的指纹图案引入的寄生负载电容。如图3、图4和图7中所示，有源拾取元件102和有源驱动元件101(即，在该情况下连接到信号源301的驱动元件101)之间的交叉形成耦合到放大器302的正(+)输入端中的阻抗敏感节点或像素z1。拾取元件102具有到接地的额外的寄生电容z5，其中有源拾取元件102与无源驱动元件101(即，在该情况下没有连接到信号源301的驱动元件101)交叉，其被保持基本上接地电势处。手指901表面的脊特征902中的每一个影响z5到接地的平行路径阻抗，因为触摸传感器的人体提供了到接地的另一路径。到接地的该额外的阻抗路径z5将影响被提供给放大器302的信号的幅度。

类似地，参考拾取板106的到接地的阻抗由与106(z6)交叉的接地参考元件103和极为接近(见图3a)的手指901的阻抗的组合形成，并且保持恒定以捕获整个指纹图像，其中拾取元件102阵列的每个拾取元件被多路传输到放大器302中并通过该放大器302从参考板106中减去。

图9c示出了包括寄生阻抗z5和z6的电路的集总元件示意图。表面手指接触的量由指纹图案的数量、大小和间距来确定，导致在拾取元件102上具有依赖于图案的阻抗的寄生阻抗z5。对于给定的有源拾取元件102，对于在该线上形成的所有无源电极对(即，有源拾取元件102和每个无源驱动线101之间的每个交点)来说，到接地的寄生阻抗z5将基本相等。由于局部指纹图案的变化以及形成的阵列102的宽度、间距和厚度的生产变化，拾取元件阵列102内的每个单独的拾取线将具有到接地的不同的寄生阻抗z5。

对于由寄生负载z5和z6引起的信号变化的补偿可通过利用寄生阻抗z5沿着给定的有源拾取元件102将基本上恒定并且寄生阻抗z6沿着给定的参考拾取元件106将恒定的事实来实现。z5和z6中的手指接触变化将导致与比率z1/z5成比例的增益变化。虽然阻抗z1由于在沿着拾取元件102的每个交点处的指纹图案变化而变化，但这些影响相对于z1的标称阻抗通常非常小(<10％)，其对于被配置为产生500dpi传感器的元件通常约为1ff。因此，增益误差可近似为阵列102中每个拾取元件特有的固定偏移。因此，由于手指加载产生的增益误差可通过用给定的拾取元件102计算在放大器302的输出端处测量的所有信号电平的平均值并沿着有源拾取元件102从各个像素值(即，在包括有源拾取元件102和有源驱动元件101的电极对处的信号)中减去该平均值来校正。

测量、储存和减去这些影响的简单算法可应用在软件或硬件中。

虽然已经参考某些说明性实施例相当详细对本发明进行描述和示出，包括特征的各种组合和子组合，但是本领域中的技术人员将容易认识到包括在本发明的范围内的其他实施例和变型以及对它们的修改。此外，对这样的实施例、组合和子组合的描述并不旨在表达本发明要求除了权利要求中明确说明的那些特征以外的特征或特征的组合。因此，本发明被认为包括在以下所附权利要求的精神和范围内所包含的所有修改和变型。