指纹检测电路及指纹辨识系统的制作方法

本申请是对申请号为2015104444453，申请日为2015年07月24日、名称为“指纹检测电路及指纹辨识系统”的申请文件所作的分案申请。

本发明属于指纹检测技术领域，涉及一种指纹检测电路及指纹辨识系统，尤其涉及一种增强输出信号的指纹检测电路及指纹辨识系统。

背景技术：

随着科技日新月异，移动电话、数字相机、平板电脑、笔记本电脑等越来越多的便携式电子装置已经成为了人们生活中必备的工具。由于便携式电子装置一般为个人使用，具有一定的隐私性，因此其内部储存的数据，例如电话簿、相片、个人信息等等为私人所有。若电子装置一旦丢失，则这些数据可能会被他人所利用，而造成不必要之损失。虽然目前已有利用密码保护的方式来避免电子装置为他人所使用，但密码容易泄露或遭到破解，具有较低的安全性。并且用户需记住密码才能使用电子装置，若忘记密码，则会带给使用者许多不便。因此，目前发展出利用个人指纹辨识的方式来达到身份认证的目的，以提升数据安全性。

电容式指纹辨识系统是相当受欢迎的一种指纹辨识方法，其是利用感测电容变化判断使用者指纹的纹峰(fingerridge)或纹谷(fingervalley)。详细来说，电容式指纹辨识系统利用金属电极来接收使用者的手指接触，其中的指纹检测电路可将金属电极与使用者手指之间的电容转换成电压信号，并输出至后端的指纹判断模块，以进行指纹识别。然而，金属电极通常会以介电常数小的盖板加以覆盖，使得金属电极与使用者手指之间的电容相当微小(其电容值大约仅数十毫微微法拉(femtofarad，ff)左右)，指纹检测电路输出至指纹判断模块的输出信号的电压幅度随之减小，由此增加了指纹辨识的困难。

现有技术中，利用增加驱动信号的电压幅度以解决输出信号微小的问题，如美国专利申请us20130271422a1，其以12伏特(volt，v)甚至16伏特的驱动信号来驱动指纹检测电路，如此高电压幅度的规格不但不符合便携式电子装置的常规电压(3伏特或5伏特)，而且也增加电路复杂度和整体系统的功率消耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种增强输出信号的指纹检测电路及指纹辨识系统，旨在增加指纹检测电路的输出信号强度，且符合便携式电子装置的常规电压。

本发明实施方式提供了一种指纹检测电路，包括导电层和放大器，放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端耦接于导电层，并与输出端之间具有第一电容；导电层用于与手指形成第二电容，第二电容用于将传送至手指的第一信号耦合至第一输入端，且放大器的第二输入端用于接收第二信号；其中，第二信号的相位与第一信号的相位相反。

本发明实施方式还提供了一种指纹辨识系统，包括指纹判断模块和多个指纹检测电路，其中，指纹检测电路为上述指纹检测电路，指纹判断模块耦接于多个指纹检测电路，用来根据指纹检测电路的输出信号判断指纹检测电路所在位置是对应手指指纹的纹峰或是纹谷。

本发明实施例利用相位相反的二信号来驱动指纹检测电路，以增加指纹检测电路的输出信号强度，而降低指纹检测的困难度，同时降低功率消耗和生产成本，且符合便携式电子装置的常规电压。

另外，相位相反的第一信号和第二信号共同驱动指纹检测电路。本实施例利用相位相反的两个信号来驱动指纹检测电路，以增加指纹检测电路的输出信号强度。

另外，第二信号为：v2＝－k*v1；其中，v1表示第一信号，v2表示第二信号，k表示任何正值常数。本实施例提供了第二信号与第一信号的具体关系表达式。

另外，第一电容作为放大器的反馈电容，其为放大器的输出端与导电层之间形成的多晶硅绝缘体多晶硅或金属绝缘金属电容，或者是电性连接于放大器的输出端与导电层之间的电容。本实施例提供了两种第一电容的具体实现方式。

另外，导电层与地端形成第三电容。

另外，放大器用于产生与第一输入端接收到的第一信号相对应的第一输出信号，并产生与第二输入端接收到的第二信号相对应的第二输出信号，其中，放大器的输出端的输出信号为第一输出信号和第二输出信号的总和。

另外，第一输出信号、第二输出信号和输出信号分别满足以下公式：

vo1＝－(c2/c1)*v1；

vo2＝((c1+c2+c3)/c1)*v2；

vo＝－(c2/c1+k(c1+c2+c3)/c1)*v1；

其中，vo1和vo2分别表示第一输出信号和第二输出信号，vo表示放大器的输出端的输出信号，v1和v2分别表示第一信号和第二信号，c1、c2和c3分别表示第一电容、第二电容和第三电容的电容值，k为正值常数。本实施例提供了第一输出信号、第二输出信号和输出信号的具体表达式。

另外，第一信号和第二信号为相互反向的交流方波信号。

另外，还包括开关单元，用于建立放大器的直流偏压，开关单元的一端耦接于放大器的第一输入端，开关单元的另一端耦接于放大器的输出端。本实施例中，可以在电路进行指纹检测工作之前建立放大器的直流工作点，并且工作点建立速度快。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的纹检测电路的示意图；

图2是本发明实施例二提供的指纹辨识系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

如图1所示，为本发明实施例一指纹检测电路10的示意图。指纹检测电路10用于指纹辨识系统，该指纹辨识系统可产生第一信号v1并透过金属电极将第一信号v1传送至手指fg。

指纹检测电路10包含有导电层100、放大器amp和开关单元sw。导电层100为顶层导电层，其可为金属电极或是集成电路布局的金属层(metal)，用来接收手指fg的接触，与手指fg之间形成电容c2。放大器amp为运算放大器，其包含有负输入端(标示有「－」号)、正输入端(标示有「+」号)和输出端。负输入端耦接于导电层100，正输入端接收第二信号v2，输出端输出输出信号vo。开关单元sw耦接于放大器amp的负输入端和输出端之间。另外，第二信号v2的相位(即第二相位)与第一信号v1的相位(即第一相位)相反，即第二信号v2可表示为v2＝－k*v1，其中k代表任何正值常数。放大器amp的输出端与负输入端(或导电层100)之间具有电容c1，电容c1可为放大器amp的输出端与导电层100所形成的多晶硅绝缘体多晶硅(polysilicon–insulator–polysilicon，pip)电容或是金属绝缘金属(metal–insulator–metal，mim)电容，或是电性连接于放大器amp的输出端与导电层100之间的电容，电容c1可视为放大器amp的反馈电容。另外，导电层100与信号地端gnd形成有电容c3。

实际应用中，导电层100通常以绝缘介质(图1未示出)覆盖，绝缘介质可为盖板或是钝化层。当绝缘介质的厚度越厚或是绝缘介质的介电常数越小时，电容c2的电容值越小，而使得输出信号vo的电压幅度很小。为了解决输出信号vo的电压幅度很小的问题，指纹检测电路10将第二信号v2(其与第一信号v1相位相反)输入至放大器amp的正输入端，使得输出信号vo的电压幅度得以增强。

指纹检测电路10的工作原理如下：

因第一信号v1透过电容c2耦合至放大器amp的负输入端，放大器amp可产生对应于第一信号v1的第一输出信号vo1，第一输出信号vo1可表示为vo1＝－(c2/c1)*v1；同时，因放大器amp的正输入端接收第二信号v2，放大器amp可产生对应于第二信号v2的第二输出信号vo2，第二输出信号vo2可表示为vo2＝((c1+c2+c3)/c1)*v2。如此一来，放大器amp的输出信号vo为第一输出信号vo1与第二输出信号vo2的总和，换句话说，输出信号vo可表示为：

vo＝vo1+vo2＝－(c2/c1)*v1+((c1+c2+c3)/c1)*v2(式1)。

需注意的是，因第二信号v2与第一信号v1的相位相反(即第二信号v2可表示为v2＝－k*v1，k代表任何正值常数)，由式1可知，输出信号vo可进一步表示为：

vo＝－(c2/c1+k(c1+c2+c3)/c1)*v1(式2)。

由式2可知，输出信号vo的信号强度可藉由与第一信号v1的相位相反的第二信号v2得以增强。

举例来说，当电容c1为100微微法拉(femtofarad，ff)、电容c3为10ff以及电容c2为20ff的情况下，仅需第一信号v1和第二信号v2的电压幅度为2v，即可得到电压幅度为3v的输出信号vo，且第一信号v1和第二信号v2的电压幅度均符合便携式电子装置的常规电压。更进一步地，即使覆盖导电层100的绝缘介质增厚或选用具有更小介电系数的绝缘介质而导致电容c2的电容值更小时(如电容c2的电容值减小为10ff)，只要第一信号v1的电压幅度为3v且第二信号v2的电压幅度为2.25v，即可使输出信号vo的电压幅度达到3v，而第一信号v1和第二信号v2的电压幅度也符合便携式电子装置的常规电压。

相较之下，在现有技术中，放大器的正输入端为接地(即第二信号v2为0v)，在电容c1为100ff、电容c3为10ff和电容c2为20ff的情况下，需要电压幅度为15v的第一信号v1，才能达到电压幅度为3v的输出信号vo。当覆盖导电层100的绝缘介质增厚或选用更小介电系数的绝缘介质，而使得电容c2的电容值小至10ff时，需要将第一信号v1的电压幅度进一步提升为30v，才达得到电压幅度为3v的输出信号vo。在此情形下，假设电源仅能提供3v的电压，为了得到电压幅度为3v的输出信号vo，就需要额外的升压转换电路才能产生足够电压幅度的第一信号v1，反而增加功率消耗和生产成本。

由上述可知，本发明实施例的指纹检测电路10利用相位相反的第一信号v1和第二信号v2，以增加输出信号vo的信号强度，进而降低指纹检测的困难度，其中第二信号v2输入至放大器amp的正输入端。如此一来，第一信号v1和第二信号v2的电压幅度均符合便携式电子装置的常规电压，而功率消耗和生产成本也随之降低。

需注意的是，实施例一仅用以说明本发明的概念，本领域具通常知识者当可据以做不同之修饰，而不限于此。举例来说，于指纹检测电路10中，第一信号v1耦合至放大器amp的负输入端，而第二信号v2输入至放大器amp的正输入端，而不限于此，举例来说，第一信号v1可耦合至放大器的正输入端，且第二信号v2输入至放大器的负输入端，亦属于本发明之范畴。需注意的是，当第一信号v1耦合至放大器的正输入端且第二信号v2输入至放大器的负输入端时，开关单元sw和电容c1的连接方式需相应变化，此为本领域具通常知识者所熟知，在此不再赘述。

另外，指纹检测电路10可应用于指纹辨识系统，如图2所述，为本发明实施例二的指纹辨识系统20的示意图。指纹辨识系统20包含有指纹判断模块200和指纹检测电路10_1～10_m，指纹检测电路10_1～10_m的电路结构与指纹检测电路10相同，在此不再赘述。指纹检测电路10_1～10_m耦接于指纹判断模块200，将其产生的输出信号vo_1～vo_m输出至指纹判断模块200，指纹判断模块200即可根据输出讯号vo_1～vo_m判断指纹检测电路10_1～10_m的所在位置对应至手指的纹峰(fingerridge)或纹谷(fingervalley)。

综上所述，本发明实施例利用相位相反的二信号来驱动指纹检测电路，以增加指纹检测电路的输出信号强度，而降低指纹检测的困难度，同时降低功率消耗和生产成本，且符合便携式电子装置的常规电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。