电容和超声波双模式指纹传感系统的制作方法

本实用新型涉及指纹辨识技术领域，尤其是涉及一种电容和超声波双模式指纹传感系统。

背景技术：

光学式指纹传感器、电容式指纹传感器及超声波指纹传感器是目前常见的指纹传感器种类。在不同的使用条件下(例如，干燥、潮湿或脏污的手指，温度的冷或热)，各种指纹传感器形成的指纹影像的质量不同，有时候会因所取得的指纹影像的质量不佳，导致指纹辨识失败。

电容式指纹传感器是将多个微型电容传感器，整合于一个晶片中，待指纹按压晶片表面时，内部微型电容传感器会根据指纹波峰与波谷聚集而产生的不同电荷量，形成指纹影像。以现行的技术来说，当手指干燥的时候，电容式指纹传感器可以形成质量较佳的指纹影像，辨识成功率较高；而当手指潮湿的时候，所形成的指纹影像的质量较差，容易造成误判或是辨识失败。

超声波指纹传感器主要由一个或多个压电微机械超声换能器(pmut)或一个或多个电容微机械超声换能器(cmut)所组成。利用指纹波峰与波谷处的空气密度差异，即可在接收超声波回波时采集指纹特征来绘制出指纹影像。依技术现况来说，当手指干燥的时候，超声波指纹传感器所形成的指纹影像的质量确实还不如光学式指纹传感器或电容式指纹传感器，但是，当手指潮湿的时候，超声波指纹传感器所形成的指纹影像的质量明显比光学式指纹传感器或电容式指纹传感器好。

指纹传感器的成本与晶片的面积有关，换句话说，晶片的面积愈小成本愈低。一般来说，电容式指纹传感器在干燥环境能形成的较佳的指纹影像，且电容式指纹传感器的晶片又具有薄型化与小型化的优点，适合运用在掌上型电子装置上，例如笔记本电脑及手机等。但电容式指纹传感器的缺点是在潮湿的环境或手指潮湿或脏污的情形下，所形成的指纹影像的品质不佳，容易造成误判或是辨识失败，而不适合运用在户外的交通工具(汽车)及门锁上。对于超声波指纹传感器而言，有不易受到油污、湿手指影响的优点，即使在潮湿的环境或手指潮湿或脏污的情形下，依然能形成品质良好的指纹影像，适合运用在户外环境中。

由于电容式指纹传感器和超声波指纹传感器各有其优点，倘若能将两种指纹传感器整合并取其优点，就能发展出同时适应干手指及湿手指的指纹传感器，也就是干手指时采用电容式指纹影像，湿手指时采用超声波指纹影像，无论处于干燥或潮湿的环境下皆可取得品质良好的指纹影像，而不会造成误判或是辨识失败。

技术实现要素：

本实用新型提供一种电容和超声波双模式指纹传感系统，包含一传感器阵列装置、一切换电路、一处理单元、一超声波发送控制电路、一超声波接收控制电路及一电容控制电路。

本实用新型提供一种电容和超声波双模式指纹传感系统，包含一传感器阵列装置、一处理单元、一超声波发送控制电路、一超声波接收控制电路及一电容控制电路。

附图说明

图1示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的示意图。

图2示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的处理单元的功能模块示意图。

图3示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的传感器阵列装置的示意图。

图4示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的传感器阵列装置的上电极的俯视示意图。

图5a示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的上电极及其耦接电路的示意图。

图5b示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的上电极及其耦接电路的示意图。

图6示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的示意图。

图7示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的处理单元的功能模块示意图。

图8示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的上电极及其耦接电路的示意图。

图9示出根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的指纹影像辨识方法的流程图。

具体实施方式

以下提出实施例进行详细说明，所举的实施例仅用以作为范例说明，并不是用来限缩本实用新型所要保护的范围。此外，实施例中的图示省略了非必要或以通常技术即可完成的元件，以清楚显示本实用新型的技术特点。

请参阅图1，其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的示意图。如图1所示，电容和超声波双模式指纹传感系统100包含一传感器阵列装置110、一切换电路207/209、一处理单元130、一上电极204、一超声波发送控制电路220、一超声波接收控制电路230及一电容控制电路240。所述切换电路207/209耦接到所述传感器阵列装置110中的所述上电极204及所述处理单元130，并选择性地耦接到所述超声波发送控制电路220、所述超声波接收控制电路230及(或)所述电容控制电路240。所述超声波发送控制电路220，用以产生发送到待测手指的超声波。所述超声波接收控制电路230，用以接收待测手指反射回来的超声波并产生一超声波感测信号。所述电容控制电路240，用以取得待测手指的电荷并产生一电容感测信号。所述处理单元130，用以将电容感测信号转换为一电容式指纹影像，以及将所述超声波感测信号转换为一超声波指纹影像，并从电容式指纹影像或超声波指纹影像中决定输出其中之一，并将输出的所述超声波指纹影像或所述电容式指纹影像与一认证指纹进行比对。。

以下请同时参阅图1及图2，图2其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的处理单元的功能模块示意图。如图2所示，本实用新型的电容和超声波双模式指纹传感系统100的处理单元130的功能模块包含有一模拟数字转换模块132、一储存模块133、一指纹影像质量评估模块134、一指纹影像选择模块136、一切换模块138、及一指纹鉴别模块139。所述模拟数字转换模块132，用以将电容感测信号转换为电容式指纹影像以及将超声波感测信号转换为所述超声波指纹影像。所述储存模块133，用以储存所述电容式指纹影像及所述超声波指纹影像。所述指纹影像质量评估模块134，用以评估所述电容式指纹影像或所述超声波指纹影像是否为一高质量指纹影像。详细地说，所述指纹影像质量评估模块134包含有一指纹影像评估法及其对应的一影像质量指数，该指纹影像评估法，用以评估所述电容式指纹影像及所述超声波指纹影像，并分别产生一电容式影像质量分数及一超声波影像质量分数，将所述电容式影像质量分数及所述超声波影像质量分数与所述影像质量指数进行比对以判断所述电容式指纹影像或所述超声波指纹影像是否为一高质量指纹影像，并输出一评估结果。在一实施例中，当所述电容式指纹影像及所述超声波指纹影像均被评估为非高质量指纹影像时，则电容和超声波双模式指纹传感系统将重新进行指纹感测，以产生一组新的电容式指纹影像及超声波指纹影像来评估。

所述指纹影像选择模块136，用以根据所述指纹影像质量评估模块134的评估结果以决定要输出所述电容式指纹影像或所述超声波指纹影像。详细地说，当所述电容式指纹影像和所述超声波指纹影像均被判断为高质量指纹影像时，所述指纹影像选择模块136以所述电容式指纹影像为准，输出所述电容式指纹影像。当所述电容式指纹影像被判断为非高质量指纹影像，且所述超声波指纹影像被判断为所述高质量指纹影像时，所述指纹影像选择模块136输出所述超声波指纹影像。而当所述电容式指纹影像和所述超声波指纹影像均被判断为非所述高质量指纹影像时，所述指纹影像选择模块136不输出所述电容式指纹影像及所述超声波指纹影像。

所述切换模块138用以控制切换电路207的动作，让所述上电极204选择性地耦接到所述超声波发送控制电路220、所述超声波接收控制电路230或所述电容控制电路240；或是控制切换电路209的动作，让所述上电极204选择性地耦接到所述超声波发送控制电路220或所述超声波接收控制电路230。所述指纹鉴别模块139，用以将被所述指纹影像选择模块136所输出的所述电容式指纹影像或所述超声波指纹影像与一认证指纹进行比对，若符合则辨识通过，若不符合则辨识不通过。详细地说，所述认证指纹为使用者事先设定好的指纹影像数据，作为日后让电容和超声波双模式指纹传感系统100识别该使用者之用。所述电容和超声波双模式指纹传感系统的处理单元130可为一种数字电路控制器，例如asic、dsp或mcu。

请参阅图3，其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的传感器阵列装置的示意图。如图3所示，本实用新型的电容和超声波双模式指纹传感系统的传感器阵列装置110的组成结构由下至上包含一互补式金属氧化物半导体电路层(cmoscircuitlayer)10、一电容/压电微机械超声换能器层(cap/pumtlayer)20、一耦合层(couplinglayer)30及一压盘(platen)40。所述互补式金属氧化物半导体电路层10还包含一基板(substrate)102。所述耦合层30使所述压盘40和所述电容/压电微机械超声换能器层20之间能完整密合。所述压盘40可承载用来取得指纹影像的手指f。

所述电容/压电微机械超声换能器层20包含至少一上电极(upperelectrode)204、至少一压电材料(piezoelectricmaterial)206、至少一下电极(lowerelectrode)208、及至少一腔室(cavity)202。所述腔室202设置在所述电容/压电微机械超声换能器层20的底部，所述腔室202可以是真空状态或是用难以传导超声波的材料填充。所述下电极208设置于所述腔室202的上方，可以接地或连接一参考电压，也可以耦接到偏压电路或其他控制电路，本实用新型并不以此为限。所述压电材料206设置于所述下电极208的上方。所述上电极204设置于所述压电材料206的上方。所述上电极204和所述下电极208的材质可为任何导电材料或铝。在所述上电极204和所述下电极208之间施加交流电偏压，能让所述压电材料206产生超声波。所述电容/压电微机械超声换能器层20中未设置有上述各组件的地方则以填充材料来填满，所述填充材料可依据工艺方法的差异而有所不同，例如，可以是sio2或su-8。

请参阅图4，其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的传感器阵列装置的上电极的俯视示意图。如图4所示，可清楚观察到本实用新型一实施例中传感器阵列装置110的电容/压电微机械超声换能器层20的上电极204是以行与列均对齐的阵列方式排列。在另一实施例中，上电极204也可呈交错式排列，亦即上、下相邻两行的上电极204的位置呈错位排列或左右相邻两列的上电极204的位置呈错位排列(未图示)。

请参阅图5a，其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的上电极及其耦接电路的示意图。如图5a所示，经由切换电路207的切换，所述上电极204可以选择性地耦接到所述超声波发送控制电路220、所述超声波接收控制电路230或所述电容控制电路240。在本实施例中，所述电容控制电路240、所述超声波接收控制电路230及所述超声波发送控制电路220能共用同一个上电极204，在不增设电极结构下进行超声波感测及电容感测。对电容式指纹传感器和超声波指纹传感器整合技术领域来说，本实用新型第一实施例所提出的技术构想具有不增加指纹传感器晶片面积及厚度的优点。

以下实施例请同时参阅图1、图2及图5a，本实用新型的电容和超声波双模式指纹传感系统100的所述处理单元130的切换模块138可控制所述切换电路207的切换动作来取得超声波感测信号及电容感测信号。所述切换电路207包含有一第一端及一第二端，所述第一端耦接到所述上电极204，所述第二端选择性地耦接到所述超声波发送控制电路220、所述超声波接收控制电路230或所述电容控制电路240。当运作取得超声波感测信号时，先将所述切换电路207的第二端耦接到所述超声波发送控制电路220，同时对上电极204施加一第一交流电偏压，使所述超声波发送控制电路220发出超声波脉冲信号以产生超声波，后将所述切换电路207的第二端耦接到所述超声波接收控制电路230，此时，不对上电极204施加交流电偏压，使所述超声波接收控制电路230接收手指反射回来的超声波并产生所述超声波感测信号。当运作取得电容感测信号时，将所述切换电路207的第二端耦接到所述电容控制电路240，并对上电极204施加直流或交流电偏压，只要控制适当的电位，即可使所述电容控制电路240获得待测手指的电荷来产生所述的电容感测信号。所述处理单元130的切换模块138可以控制所述切换电路207的运作先取得超声波感测信号再取得电容感测信号，或是先取得电容感测信号再取得超声波感测信号。

请参阅图5b，其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的上电极及其耦接电路的示意图。如图5b所示，所述上电极204被分配成一第一区204a及一第二区204b，所述第一区204a与所述第二区204b的范围彼此不重叠也不接触。在一实施例中，所述第一区204a及所述第二区204b可被设置成同心圆，但本实用新型并不以此为限。以配置为同心圆为例，所述第一区204a同心圆的半径小于所述第二区204b同心圆的半径，理论上所述第一区204a同心圆的半径约介于所述第二区204b同心圆的半径的0.4倍至0.9倍之间会有较佳感测效果，但本实用新型并不以此为限。借助第一区204a与第二区204b同心圆适当的半径比例配置，将不会导致任一第一区204a或第二区204b所配置的电极面积太小而影响到超声波感测或电容感测的感测效率。所述第一区204a同心圆有向外延伸的一连接部204c，在一实施例中，所述该连接部204c的长度可以为所述第二区同心圆的半径减掉所述第一区同心圆的半径，但本实用新型并不以此为限。所述切换电路209包含有一第一端及一第二端，所述第一端通过所述连接部204c耦接到所述上电极204的所述第一区204a，所述第二端选择性地耦接到所述超声波发送控制电路220或所述超声波接收控制电路230。经由所述切换电路209的切换所述超声波接收控制电路230及所述超声波发送控制电路220能共用所述上电极204的所述第一区204a来获得超声波感测信号。所述上电极204的所述第二区204b直接耦接到所述电容控制电路240，借助所述第二区204b所配置的上电极面积让所述电容控制电路240进行感测，以获得电容感测信号。在另一实施例中，亦可将所述上电极204的所述第一区204a连接到所述电容控制电路240，及将所述上电极204的所述第二区204b连接到所述切换电路209以选择性地耦接到所述超声波接收控制电路230或所述超声波发送控制电路220。

以下实施例请同时参阅图1、图2及图5b，本实用新型的电容和超声波双模式指纹传感系统100的所述处理单元130的切换模块138可控制所述切换电路209的切换动作来取得超声波感测信号，而所述处理单元130可控制所述电容控制电路240取得电容感测信号。当运作取得超声波感测信号时，先将所述切换电路209的第二端耦接到所述超声波发送控制电路220，同时对所述上电极204的所述第一区204a施加一交流电偏压，同时对所述上电极204的第一区204a施加一第一交流电偏压，使所述超声波发送控制电路220发出超声波脉冲信号以产生超声波，再控制所述切换电路209的第二端耦接到所述超声波接收控制电路230，此时，不对上电极204的第一区204a施加交流电偏压，使所述超声波接收控制电路230接收手指反射回来的超声波并产生所述超声波感测信号。当运作取得电容感测信号时，可对上电极的第二区204b施加直流或交流电偏压，只要控制适当的电位，所述处理单元130即可控制所述电容控制电路240获得待测手指的电荷来产生电容感测信号。在此实施例中，只要所述上电极204进行适当的分配，即可达成在不增设电极结构的条件下进行超声波感测及电容感测的目的。

请参阅图6，其为根据本实用新型另一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的示意图。如图6所示，电容和超声波双模式指纹传感系统600包含一传感器阵列装置110、一处理单元130、一超声波tx控制电路220、一超声波rx控制电路230及一电容控制电路240。所述处理单元130与所述传感器阵列装置110、所述超声波tx控制电路220、所述超声波rx控制电路230及所述电容控制电路240相耦合。

请同时参阅图6及图7，图7其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的处理单元的功能模块示意图。如图7所示，本实用新型电容和超声波双模式指纹传感系统600的处理单元130的功能模块包含有一模拟数字转换模块132、一储存模块133、一指纹影像质量评估模块134、一指纹影像选择模块136、及一指纹鉴别模块139。

请参阅图8，其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的上电极与控制电路的示意图。如图8所示，所述上电极204被分配成一第一区204d、一第二区204e及一第三区204f，所述第一区204d、所述第二区204e及所述第三区204f的范围彼此不重叠也不接触。在一实施例中，所述第一区204d、所述第二区204e及所述第三区204f可设置成同心圆，但本实用新型并不以此为限。在一实施例中，所述第一区204d同心圆的半径小于所述第二区204e同心圆的半径，所述第二区204e同心圆的半径小于所述第三区204f同心圆的半径。在一实施例中，所述第一区204d同心圆有向外延伸的一第一连接部204g，所述第二区204e同心圆有向外延伸的一第二连接部204h，且所述第一连接部204g的长度可以为所述第三区同心圆的半径减掉所述第一区同心圆的半径，而所述第二连接部204h的长度可以为所述第三区同心圆的半径减掉所述第二区同心圆的半径，但本实用新型并不以此为限。所述上电极204的所述第一区204d通过所述第一连接部204g耦接到所述超声波接收控制电路230，所述上电极204的所述第二区204e通过所述第二连接部204h耦接到所述超声波发送控制电路220，所述上电极204的所述第三区204f耦接到所述电容控制电路240。本实用新型并不限定所述第一区204d、所述第二区204e及所述第三区204f与所述超声波接收控制电路230、所述超声波发送控制电路220及所述电容控制电路240的配对方式。亦即，只要适当地分配上电极204的面积，就可通过所述电容控制电路240取得电容感测信号，通过所述超声波接收控制电路230及超声波发送控制电路220取得超声波感测信号，而不必另外增设电极结构，进而无须增加指纹传感器晶片面积及厚度。

以下实施例请同时参考图6至图8，本实用新型电容和超声波双模式指纹传感系统600的所述处理单元130可控制所述超声波发送控制电路220及所述超声波接收控制电路230来取得超声波感测信号，亦可控制所述电容控制电路240取得电容感测信号。当运作取得超声波感测信号时，对所述上电极204的第一区204d施加一第一交流电偏压，使所述超声波发送控制电路220发出超声波脉冲信号以产生超声波，之后，不对所述上电极204的第二区204e施加交流电偏压，使所述超声波接收控制电路230接收手指反射回来的超声波并产生所述超声波感测信号。当运作取得电容感测信号时，对所述上电极204的第三区204f施加直流或交流电偏压，只要控制适当的电位，所述电容控制电路240即可获得待测手指的电荷来产生电容感测信号。在本实施例中，所述上电极204只要进行适当的分配，即可达成在不增设电极结构的条件下进行超声波感测及电容感测的目的。

请参阅图9，其为根据本实用新型一实施例的电容和超声波双模式指纹传感系统的指纹影像辨识方法的流程图。在步骤902中，产生一电容式指纹影像及一超声波指纹影像；在步骤904中，评估所述电容式指纹影像及所述超声波指纹影像是否为一高质量指纹影像；在步骤906中，根据一评估结果决定输出所述电容式指纹影像或所述超声波指纹影像；以及，在步骤908中，将输出的所述超声波指纹影像或所述电容式指纹影像与一认证指纹进行比对。本实用新型的电容和超声波双模式指纹传感系统的指纹影像辨识方法能确保选出一个质量好的电容式指纹影像或超声波指纹影像以供指纹辨识之用。

当然，上述的各元件可为本领域技术人员进行各种均等的变更或设计，并依据实际运用时的需求而调整各元件的结构设计及尺寸规格，不应以前述较佳实施例为限制。因此，只要能达到相同功用的各种均等结构或方式，亦均属本案的专利保护范围内。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型，因此凡其他未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本案的发明构思中。