一种指纹检测电路和指纹检测传感器的制作方法

本实用新型涉及指纹检测领域，尤其是一种指纹检测电路和指纹检测传感器。

背景技术：

电容型指纹传感器由于使用方便快捷，而且具有很高的安全性，能够实现安全支付，因而已经越来越多地用于各种电子产品中，尤其是各种智能终端。

现有的电容型指纹检测装置，主要有两种检测方式，一种是主动式，另一种是被动式。其中，主动式穿透力强，但需要额外的控制芯片，成本相对被动式的高；而被动式穿透力虽然弱，但是不需要额外的控制芯片，因而成本相对较低。为了解决这个问题，很多公司会分别针对不同情况，设计不同的芯片，因而导致设计周期、费用，以及量产后的备货费用大大增加。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种兼容主动式工作方式和被动式工作方式的指纹检测电路，相应地，还提供一种指纹检测传感器。

本实用新型所采用的技术方案是：一种指纹检测电路，包括至少两层金属层、主控电路、外部信号源、第一信号源、第二信号源、第三信 号源和多个指纹检测单元，所述指纹检测单元包括第一开关、第二开关、第三开关和电荷放大器，所述主控电路用于输出第一时钟信号、第二时钟信号、第三时钟信号，用来分别控制第一开关、第二开关、第三开关的开关状态，并输出外部模拟信号、第一模拟信号、第二模拟信号、第三模拟信号，用来分别作为外部信号源、第一信号源、第二信号源、第三信号源；

手指与顶层金属之间形成指纹电容，所述第二信号源、第一信号源加在第a层金属上并分别与顶层金属形成第一电容、第二电容，所述第a层金属为顶层金属以下的任何一层金属，所述顶层金属与地之间形成第三电容，所述顶层金属与第a层金属之间形成基准电容，所述第三信号源通过第三开关与电荷放大器的正相输入端连接，所述第二开关的左侧接地，所述第二开关的右侧与电荷放大器的正相输入端连接，所述电荷放大器的反相输入端与顶层金属连接，所述电荷放大器的反相输入端与第一开关的左侧连接，所述第一开关的右侧与电荷放大器的输出端连接，所述电荷放大器的输出端与第a层金属连接，所述多个电荷放大器的输出端作为指纹检测电路的输出端输出信号。

进一步地，所述指纹检测电路还包括保护层，所述保护层设置于顶层金属之上，所述手指通过保护层与顶层金属形成指纹电容。

进一步地，所述主控电路包括控制电路和数字模拟转换器，所述控制电路用于控制第一开关、第二开关、第三开关的开关状态和输出外部模拟信号以及控制数字模拟转换器输出第一模拟信号、第二模拟信号和第三模拟信号，所述数字模拟转换器用于输出第一模拟信号、第二模拟 信号和第三模拟信号，所述控制电路的输出端与数字模拟转换器的输入端连接。

进一步地，所述保护层包括涂层、玻璃或陶瓷。

进一步地，所述指纹检测电路还包括主动式控制电路，所述外部信号源与主动式控制电路的输入端连接，所述主动式控制电路的输出端与指纹检测电路的地连接，用于根据外部模拟信号控制指纹检测电路的地的电压。

进一步地，所述基准电容和第一电容的电容值大小属于同一量级。

进一步地，所述基准电容和第一电容的电容值大小属于同一量级，所述第二电容和第三电容的电容值大小属于同一量级。

本实用新型采用的另一技术方案是：一种指纹检测传感器，包括所述的指纹检测电路。

本实用新型的有益效果是：本实用新型中一种指纹检测电路包括至少两层金属层、主控电路、外部信号源、第一信号源、第二信号源、第三信号源和多个指纹检测单元，指纹检测单元包括第一开关、第二开关、第三开关和电荷放大器，手指与顶层金属之间形成指纹电容，第二信号源、第一信号源加在第a层金属上并分别与顶层金属形成第一电容、第二电容，第a层金属为顶层金属以下的任何一层金属，顶层金属与地之间形成第三电容，顶层金属与第a层金属之间形成基准电容，第三信号源通过第三开关与电荷放大器的正相输入端连接，第二开关的左侧接地，第二开关的右侧与电荷放大器的正相输入端连接，电荷放大器的反相输入端与顶层金属连接，电荷放大器的反相输入端与第一开关的左侧连接， 第一开关的右侧与电荷放大器的输出端连接，电荷放大器的输出端与第a层金属连接；本实用新型的指纹检测电路将主动式和被动式结构合在一起，使指纹检测电路的应用设计可以根据不同的需求进行不同的设计，主控电路根据不同的设计需求向手指和指纹检测单元输入不同的时钟控制信号，进而可以封装成主动式或被动式方案，大大节约了指纹检测芯片的设计、验证、备货等各种成本。另外，本实用新型一种指纹检测传感器，包括指纹检测电路，相比较分别设计主动式芯片和被动式芯片来说，设计周期短且费用少。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

图1是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例结构示意图；

图2是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例电路示意图；

图3是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式工作控制波形图；

图4是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式电路的一具体实施例示意图；

图5是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式电路的另一具体实施例结构示意图；

图6是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式电路的另一具体实施例电路示意图；

图7是本实用新型中一种指纹检测电路的被动式工作控制波形图；

图8是本实用新型中一种指纹检测电路的被动式电路的一具体实施例示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种指纹检测电路，参考图1和图2，图1是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例结构示意图，图2是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例电路示意图，包括至少两层金属层、主控电路100、外部信号源、第一信号源、第二信号源、第三信号源和多个指纹检测单元200，多个指纹检测单元200构成指纹检测阵列，指纹检测单元200包括第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和电荷放大器CA，主控电路100用于输出第一时钟信号S1、第二时钟信号S2、第三时钟信号S3，用来分别控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3的开关状态，并输出外部模拟信号VTX、第一模拟信号VDAC1、第二模拟信号VDAC2、第三模拟信号VDAC3，用来分别作为外部信号源、第一信号源、第二信号源、第三信号源；

手指300与顶层金属M_top之间形成指纹电容Cfinger，第二信号源、第一信号源加在第a层金属M_a上并分别与顶层金属M_top形成第一电容C1、第二电容C2，第a层金属M_a为顶层金属M_top以下的任何一层金属，顶层金属M_top与地VSS之间形成第三电容C3，顶层金属M_top与第a层金属M_a之间形成基准电容Cref，第三信号源通过第三开关SW3与电荷放大器CA的正相输入端连接，第二开关SW2的左侧接地，第二开关SW2的右侧与电荷放大器CA的正相输入端连接，电荷放大器CA的反相输入端与顶层金属M_top连接，电荷放大器CA的反相输入端与第一开 关SW1的左侧连接，第一开关SW1的右侧与电荷放大器CA的输出端连接，电荷放大器CA的输出端与第a层金属M_a连接，多个指纹检测单元200对应多个电荷放大器CA的输出端，多个电荷放大器CA的输出端作为指纹检测电路的输出端输出信号。

本实用新型是主被动式一体的指纹检测电路，当该电路工作在主动式模式时，需要依靠一个外部信号源，该外部信号源输出外部模拟信号VTX，通过指纹电容Cfinger耦合到检测电路；对于相同的外部模拟信号VTX幅度，不同的指纹电容Cfinger可以得到不同的输出电压VCA；而当电容检测电路工作在被动式模式时，无需外部信号源，指纹电容相当于接地，通过输入不同的信号得到不同的输出电压VCA；因而通过量化VCA的值，间接量化指纹电容Cfinger的大小，实现指纹检测。本实用新型的指纹检测电路将主动式和被动式结构合在一起，使指纹检测电路的应用设计可以根据不同的需求进行不同的设计，主控电路根据不同的设计需求向手指和指纹检测单元输入不同的信号，进而可以封装成主动式或被动式方案，大大节约了指纹检测芯片的设计、验证、备货等各种成本。参考图2，图2是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例电路示意图，本实用新型中，电路处于主动式工作模式时，外部信号源输出的外部模拟信号VTX加在手指上，除此之外，外部信号源还可以采用现有技术中别的方式输入指纹检测电路中。

本实用新型采用CMOS工艺实现，但本实用新型不限于CMOS工艺，例如Bipolar工艺也可以实现本实用新型。如图2所示，M_top和M_a分别是CMOS工艺的顶层金属和第a层金属，顶层金属M_top是感应电极， 作为指纹感应电容的一个极板，与手指形成指纹电容Cfinger。顶层金属M_top与第a层金属M_a之间会产生3个寄生电容，分别为第一电容C1、第二电容C2和基准电容Cref，其中第一电容C1和第二电容C2都是用于调节电荷放大器CA的输出范围，第一电容C1用来调节主动式时电荷放大器CA的输出电压范围；第二电容C2用来调节被动式时电荷放大器CA的输出电压范围。基准电容Cref用于测量指纹电容Cfinger。第a层金属M_a根据设计需求，其可以是顶层金属下面第一层的金属M_top-1、顶层金属下面第二层的金属M_top-2，或者其它金属层。

作为技术方案的进一步改进，参考图2，图2是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例电路示意图，指纹检测电路还包括保护层

cover，保护层cover设置于顶层金属M_top之上，手指300通过保护层cover与顶层金属M_top形成指纹电容Cfinger。进一步地，保护层包括涂层、玻璃或陶瓷，用于保护芯片不受破坏，还可以直接将保护层cover粘合到芯片上；当手指300按压到保护层cover的表面后，顶层金属M_top与手指300表面形成指纹电容Cfinger。

作为技术方案的进一步改进，参考图1和图2，图1是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例结构示意图，图2是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例电路示意图，本实施例中，主控电路100包括控制电路101和数字模拟转换器102，控制电路101用于控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3的开关状态和输出外部模拟信号VTX以及控制数字模拟转换器102输出第一模拟信号VDAC1、第二模拟信号VDAC2和第三模拟信号VDAC3，数字模拟转换器102用于输出第一模拟信 号VDAC1、第二模拟信号VDAC2和第三模拟信号VDAC3，控制电路101的输出端与数字模拟转换器102的输入端连接，控制电路101输出第一时钟信号S1、第二时钟信号S2和第三时钟信号S3分别用于控制第一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3。数字模拟转换器(Digital to analog converter，英文缩写：DAC)是一种将数字信号转换为模拟信号(以电流、电压或电荷的形式)的设备。在很多数字系统中(例如计算机)，信号以数字方式存储和传输，而数字模拟转换器可以将这样的信号转换为模拟信号，从而使得它们能够被外界(人或其他非数字系统)识别。

作为技术方案的进一步改进，参考图1、图2、图3和图4，图1是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例结构示意图，图2是本实用新型中一种指纹检测电路的一具体实施例电路示意图，图3是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式工作控制波形图，图4是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式电路的一具体实施例示意图，指纹检测电路处于主动式工作模式时，需要外部信号源输出外部模拟信号VTX，本实施例中，外部模拟信号VTX输出至手指300；优选地，基准电容Cref和第一电容C1的电容值大小属于同一量级，基准电容Cref和第一电容C1的电容值可以相等或者相当，属于同一量级，基准电容Cref和第一电容C1的电容值相差不大，如基准电容Cref的电容值为3FF，第一电容C1的电容值为4FF；指纹检测电路的主动式工作控制时序具体为：

第二时钟信号S1为低电平信号，即SW2＝0；第三时钟信号S3为高电平信号，即SW3＝1；第一模拟信号VDAC1为低电平信号；第二模拟信号VDAC2为方波信号，第一时钟信号S1为低电平时，第二模拟信号VDAC2 的电压值为第一电压v1，第一时钟信号S1为高电平时，第二模拟信号VDAC2的电压值为第二电压v2，图3中的V1和V2是相对值，V1可能比V2大；第三模拟信号VDAC3为直流信号；第三模拟信号VDAC3只需要电压保持不变即可，第三模拟信号VDAC3的电压大小由主控电路控制；外部模拟信号VTX与第一时钟信号S1为非交叠信号，外部模拟信号VTX的低电平电压为0，外部模拟信号VTX的高电平电压为外部模拟电压vtx。

参考图3和图4，SW1＝1时，基准电容Cref上的电荷放电结束后就不再存储电荷；SW1＝0时，外部模拟信号VTX升高到vtx。按照图3的波形控制指纹检测电路时，指纹电容Cfinger的左端被充电到VTX，所需的电荷量为Q1＝VTX*Cfinger，而这些电荷量来自第一电容C1和基准电容Cref，其中第一电容C1提供的电荷量为Q2＝(v2-v1)*C1，基准电容Cref提供的电荷量为Q3＝(VCA-VDAC3)*Cref。根据电荷守恒定律有Q1＝Q2+Q3，因而可以计算得到电荷放大器CA的输出电压VCA的值，即：

由上式可知，第二模拟信号VDAC2和第一电容C1用于调节输出电压VCA的范围，使输出电压VCA更好地被后面的模数转换器量化。其中，VTX为外部模拟信号的电压值，Cfinger为指纹电容的电容值，C1为第一电容的电容值，Cref为基准电容的电容值，VDAC3为第三模拟信号的电压值。

作为技术方案的进一步改进，参考图5和图6，图5是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式电路的另一具体实施例结构示意图，图6是 本实用新型中一种指纹检测电路的主动式电路的另一具体实施例电路示意图，指纹检测电路还包括主动式控制电路，外部信号源与主动式控制电路的输入端连接，主动式控制电路的输出端与指纹检测电路的地连接，用于根据外部模拟信号控制指纹检测电路的地的电压，由此，指纹检测电路处理通过将外部模拟信号输出至手指实现主动式电路之外，还可以通过增加一个主动式控制电路来实现主动式电路，本实施例中，主动式控制电路采用一个主动式控制芯片来实现，图6中，主动式控制芯片的输出端与指纹检测电路的地VSS连接，本实施例中，主动式控制芯片的输出端示意性地连接第三电容的接地端，表示主动式控制芯片的输出端与指纹检测电路的地连接，另外，电荷放大器CA的接地端也与主动式控制芯片的输出端连接。

进一步地，参考图3和图6，图3是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式工作控制波形图，图6是本实用新型中一种指纹检测电路的主动式电路的另一具体实施例电路示意图，本实施例中，基准电容Cref和第一电容C1的电容值大小属于同一量级；指纹检测电路的主动式工作控制时序为：

第二时钟信号S1为低电平信号，即SW2＝0；第三时钟信号S3为高电平信号，即SW3＝1；第一模拟信号VDAC1为低电平信号；第二模拟信号VDAC2为方波信号，第一时钟信号S1为低电平时，第二模拟信号VDAC2的电压值为第一电压v1，第一时钟信号S1为高电平时，第二模拟信号VDAC2的电压值为第二电压v2，图3中的V1和V2是相对值，V1可能比V2大；第三模拟信号VDAC3为直流信号；第三模拟信号VDAC3只需要电 压保持不变即可，第三模拟信号VDAC3的电压大小由主控电路控制；本实施例中，外部信号源输出外部模拟信号VTX至主动式控制芯片上，外部模拟信号VTX与第一时钟信号S1为非交叠信号，外部模拟信号VTX的低电平电压为0，外部模拟信号VTX的高电平电压为外部模拟电压vtx；主动式控制芯片的电源电压为第一电源电压VDDHV，主动式控制芯片的输出电压为接地电压VGND；外部模拟信号VTX的低电平电压为0时，主动式控制芯片输出的接地电压VGND为0，控制指纹检测电路的地的电压为0；外部模拟信号VTX的高电平电压为vtx时，主动式控制芯片输出的接地电压VGND不为0，主动式控制芯片控制指纹检测电路的地的电压为接地电压VGND，此时，接地电压VGND可以是正电压，也可以是负电压，电压大小由主动式控制芯片控制。进一步地，电荷放大器的输出端的输出电压为：

其中，VDDHV为第一电源电压的电压值，Cfinger为指纹电容的电容值，C1为第一电容的电容值，Cref为基准电容的电容值，VDAC3为第三模拟信号的电压值。

作为技术方案的进一步改进，参考图7和图8，图7是本实用新型中一种指纹检测电路的被动式工作控制波形图，图8是本实用新型中一种指纹检测电路的被动式电路的一具体实施例示意图，此时，电路无需输入外部模拟信号，本实施例中，优选地，基准电容Cref和第一电容C1的电容值大小属于同一量级，第二电容C2和第三电容C3的电容值大小 属于同一量级，本实用新型中，第二电容C2和第三电容C3的电容值大小设置在几十飞法左右；具体的指纹检测电路的被动式工作控制时序为：

第一时钟信号S1和第二时钟信号S2为相同的时钟信号，第一时钟信号S1和第三时钟信号S3为非交叠时钟信号；

第一模拟信号VDAC1和第二模拟信号VDAC2为方波信号，第一时钟信号S1为高电平时，第二模拟信号VDAC2的电压值为第三电压v3，第一模拟信号VDAC1的电压值为第五电压v5；第一时钟信号S1为低电平时，第二模拟信号VDAC2的电压值为第四电压v4，第一模拟信号VDAC1的电压值为第六电压v6，图7中V3和V4是相对值，V3可能比V4大，图7中V5和V6是相对值，V5可能比V6大；第三模拟信号VDAC3为低电平信号或者高电平信号，同样地，第三模拟信号VDAC3为直流信号；第三模拟信号VDAC3只需要电压保持不变即可。

参考图7和图8，SW1＝1时，基准电容Cref上的电荷放电结束后就不再存储电荷，A点、B点和电荷放大器VCA这三个节点的电压都为0；SW3＝1时，A点变为VDAC3，B点由于电荷放大器CA的作用，也变为VDAC3，因而指纹电容Cfinger会被从0充电到VDAC3。

在上述工作过程中，指纹电容Cfinger的右端被充电到VDAC3，所需电荷量为Q1＝VDAC3*Cfinger，第三电容C3的上端也被充电到VDAC3，所需电荷量为Q2＝VDAC3*Cp，而Q1和Q2均来自第一电容C1、第二电容C2和基准电容Cref，其中第一电容C1提供的电荷量为Q3＝(v4-v3)*C1，第二电容C2提供的电荷量为Q4＝(v6-v5)*C2，基准电容Cref提供的电荷量为Q5＝(VCA-VDAC3)*Cref。根据电荷守恒定律有Q1+Q2＝Q3+Q4+Q5，因而 可以计算得到电荷放大器CA的输出电压VCA的值，即：

由上式可知，第一模拟信号VDAC1、第二模拟信号VDAC2、第一电容C1和第二电容C2用于调节输出电压VCA的范围，使输出电压VCA更好地被后面的ADC量化。其中，Cfinger为指纹电容的电容值，C3为第三电容的电容值，C1为第一电容的电容值，C2为第二电容的电容值，Cref为基准电容的电容值，VDAC3为第三模拟信号的电压值。

一种指纹检测传感器，包括上述的指纹检测电路，只要设计一颗芯片，就可以实现主动式和被动式，因此指纹检测传感器的设计周期短且费用少。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。