专利名称：具有滤波和节电特性的指纹传感器以及相关的方法
技术领域：
本发明涉及人员识别与验证的领域，并且，特别是，涉及指纹感知与处理的领域。
指纹感知和匹配是用于人员识别与验证的一种可靠的和广泛使用的技术。特别是，普通的指纹识别方案涉及对一个样本指纹或者它的一幅图像进行扫描并存储该图像和/或该指纹图像的各种独特的特征。可以将一个样本指纹的特征跟已经存储在一个数据库里面的各参考指纹的信息进行比较，以确定一个人的本来身份，例如用于验证的目的。
一个典型的电子指纹传感器基于使用可见光、红外光或紫外辐射来照亮手指的表面。例如，用某种形式的摄像机来俘获所反射的能量，并且，所得到的图像作为一幅静态的数字图像被分成帧、数字化和存储。美国专利第4,210,899号的说明书公开了一种光学扫描指纹读出器，它跟一个中央处理站协同工作，用于一种安全入口应用场合，例如允许一个人进入一个位置或允许访问一个计算机终端。美国专利第4,525,859号的说明书公开了一部视频摄像机，用于俘获一份指纹图像，并且使用诸指纹的细节，即，指纹诸脊的各分支和各终点，来确定跟一个数据库中的各参考指纹是否匹配。
不幸的是，光学传感方法可能受到弄脏了的手指的影响，或者一个光学传感器可能会受到不是一个真正的实况指纹而是一个指纹的一张照片或印刷图像的表现形式的欺骗。此外，光学方案可能在手指接触表面以及相关的成像部件之间需要相当大的间隔。而且，这样的传感器典型地要求精细的对准以及复杂的光束扫描。
美国专利第4,353,056号的说明书公开了感知一个实况指纹的另一种方案。特别是，该专利公开了一个位于与该装置的敏感表面相平行的一个平面上的极端小的电容器组成的一个阵列。当一个手指接触该敏感表面并使该表面变形时，与这些电容器串联连接的一个电压分布可能发生改变。用多路复用器技术来测定每一个电容器上的电压。
美国专利第5,325,442号的说明书公开了包括多个敏感电极的指纹传感器。通过提供跟每一个敏感电极相关联的一个开关器件使得对各敏感电极的主动寻址成为可能。通过每一个敏感电极，结合各自的手指表面的压在上面的部分(这些部分依次地处于地电位)有效地形成一个电容器。可以使用半导体晶片以及集成电路工艺来制造该传感器。手指放在其上的电介质材料可以用氮化硅或一种聚酰亚胺制成。它可以被制成在各敏感电极的一个阵列之上的一个连续层。
不幸的是，由于相邻的诸电极可能互相影响，所以驱动紧凑排列的各敏感电极的阵列可能是很困难的。当在人与人之间，甚至在一个单独的指纹上，皮肤以及任何污染物的导电性可能出现千差万别时，这样的传感器能否区分一个指纹的诸脊和诸沟，就成为另一种困难。这样一种传感器的又一个困难，如同许多光学传感器所遇到的困难那样，就是指纹的不同部分可能需要相当复杂的后期图像收集处理，以便提供有用的信号电平和对比度，用以精确地确定指纹的诸脊和诸沟。美国专利第4,811,414号的说明书公开了针对用光学方法产生的指纹图像的噪声平均、照明均衡、方向滤波、曲面校正和标度校正的各种方法。
本发明包括一个指纹传感器，它由下列各部分组成各指纹敏感元件的一个阵列，多个有源电路，其中每一个有源电路都被连接到一个各自的指纹敏感元件，多个阻抗元件，它们被连接到所述各有源电路，使得一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个其他的各相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路，以产生跟一个指纹有关的诸信号，多个开关，其中每一个开关都被串联连接到一个各自的阻抗元件，还有滤波器控制装置，用以控制所述多个开关，以便对来自所述诸有源电路的诸信号进行滤波。
本发明还包括一种用于制作指纹传感器的方法，此方法又包括形成各指纹敏感元件和相关的各有源电路的一个阵列的诸步骤，形成多个阻抗元件的诸步骤，上述诸阻抗元件被连接到诸有源电路，使得一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路，以产生跟一个指纹有关的诸信号，还包括形成多个开关的步骤，其中，一个各自的开关跟每一个阻抗元件串联连接，在其中，形成多个阻抗元件的步骤包括形成一个各自的阻抗元件，后者可以被连接到介于每一个指纹敏感元件以及八个各自的相邻的指纹敏感元件之间，并且形成多个阻抗元件的步骤包括形成多个电阻的步骤。
本发明的一个目标和各项优点来自一个指纹传感器，它包括诸指纹敏感元件以及相关的诸有源电路的一个阵列，用以产生与指纹图像有关的诸信号，以及阻抗矩阵滤波装置，它被连接到各有源电路，用以对诸信号进行滤波。阻抗矩阵滤波装置最好包括多个阻抗元件，其中一个各自的阻抗元件可以被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个其他各相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路。阻抗矩阵滤波装置还可以包括多个开关，其中一个各自的开关都跟每一个阻抗元件串联连接。滤波控制装置可以操作诸开关，以便对由诸有源电路产生的诸信号进行处理。在一个实施例中，诸指纹敏感元件可以是诸电场敏感电极，并且诸有源电路可以是诸放大器。
可以提供脊流向测定装置，用于选择性地操作诸开关，以便确定该指纹图像的诸脊流向。更具体地说，脊流向测定装置可以选择性地操作诸开关，以便测定与指纹图像的诸脊流向有关的诸信号强度矢量，此外，该传感器还包括核心位置测定装置，它与所述脊流向测定装置协同工作，以确定指纹图像的一个核心位置，可以方便地提供二进制化滤波器装置，用以选择性地操作诸开关，以便将一份灰度等级指纹图像转换为一份二进制化指纹图像。从另一个角度来考虑，该阻抗矩阵可以被用来提供动态图像对比度增强。使用该阻抗矩阵还可以实现边缘平滑。也可以采用其他各种空间滤波器，用以选择性地操作诸开关，以便对指纹图像进行空间滤波。相应地，指纹图像的处理可以在传感器内部进行，从而降低对下游计算的附加要求。
阻抗矩阵滤波装置可以包括多个阻抗元件，其中一个各自的阻抗元件可以被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对各自的相邻的指纹敏感元件的八个其他有源电路之间，例如，诸阻抗元件可以是诸电阻或诸电容器。
可以适当地提供控制装置，用于顺序地向各组有源电路供电，由此节省功率并进行滤波。换句话说，可以顺序地连接各自的阻抗元件以实现滤波功能。电源控制装置还可以包括自适应装置，用以改变在一组正在被加电的有源电路中的有源电路的数目。此外，电源控制装置还可以包括在预定区域内由各自的指纹敏感元件所定义的一组有源电路中，仅向预定的一些有源电路供电的装置，由此，在进行滤波的同时，还可以进一步地节省功率。可以提供读控制装置，用于仅读出每一组有源电路中的预定的各子集(的数据)，使得来自相邻的诸有源电路的一种分布被用于滤波，但是其他各部分不需要加电。
一种用于制作一个指纹传感器的方法。该方法包括下列诸步骤形成各指纹敏感元件和相关的各有源电路的一个阵列，形成多个阻抗元件，使得一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路之间，以产生跟一个指纹有关的诸信号。
另一种方法是使用一种类型的指纹传感器来感知一个指纹图像，上述指纹传感器包括各指纹敏感元件以及相关的各有源电路，以及一个被连接到各有源电路的阻抗矩阵滤波器，该方法最好包括下列诸步骤从各有源电路产生各种指纹图像信号，并使用阻抗矩阵滤波器来确定在各种指纹图像信号中的诸脊流向。该方法还可以进一步地包括根据诸脊流向来确定指纹图像的一个核心位置的步骤。
本发明的又一个方法就是使用一个如上所述的传感器来感知一个指纹图像。此方法最好包括下列诸步骤从诸有源电路产生各种指纹图像信号；并使用阻抗矩阵滤波器，将一份灰度等级指纹图像转换为一份二进制化的指纹图像。
现在借助于实例并参照诸附图来公开本发明，在附图中
图1是一个指纹传感器的一份俯视图。
图2是如图1所示的指纹传感器的一个电路部分的一份概略图。
图3是如图1所示的指纹传感器的敏感部分的一份高度放大的俯视图。
图4是如图1所示的指纹传感器的另一个电路部分的一份概略图。
图5是如图1所示的指纹传感器的一部分的一份高度放大的侧视剖面图。
图6是指纹传感器的一个变通的实施例的一部分的一份高度放大的侧视剖面图。
图7是如图1所示的指纹传感器的另一个部分的一份高度放大的侧视剖面图。
图8是如图1所示的指纹传感器的又一个电路部分的一份概略的方框图。
图9是如图8所示的电路的一部分的一份概略的电路图。
图10是如图1所示的指纹传感器的再一个电路部分的一份概略的方框图。
图11是图10所示的电路部分的一个变通的实施例的一份概略的方框图。
图12是如图1所示的指纹传感器的一个附加的电路部分的一份概略的方框图。
图13是图12所示的电路部分的一个变通的实施例的一份概略的方框图。
参看图1-3，指纹传感器30包括一个外壳或包装物51，一个暴露于包装物上表面的电介质层52，它提供一个用于放置手指的表面，以及多个输出引脚，后者未示出。一个环绕电介质层52的周围的第一导电条或外部电极54，以及一个为手指79提供接触电极的第二外部电极53，这将在下面作更详细的叙述。传感器30可以在变化多端的诸电平的一个范围内提供各种输出信号，上述诸电平取决于被纳入到包装物里面的(数据)处理的电平。
传感器30包括多个单独的像素或敏感元件30a，它们被安排成阵列的图形，示于图3的可能是最佳的一种。这些敏感元件是如此之小，使得它们能够感知一个典型的指纹的诸脊59以及介于其中的诸沟60。根据本发明的来自电场传感器30的实况指纹诸读数可能比来自光学传感器的更为可靠，因为在诸脊和诸沟的一份图形中，想要模仿手指的皮肤阻抗是极端困难的。与此相对比，例如，可以用一份指纹的一张照片或其他类似的图像来对光学传感器进行欺骗。
传感器30包括一块基底65，在其上形成一个或多个有源的半导体器件，例如被概略地图示的放大器73。各有源半导体器件通过一个第一金属层66互相连接。一个第二或接地平面电极层68位于第一金属层66的上方，并通过一个绝缘层67与之隔离。一个第三金属层71位于另一个电介质层70的上面。在图示的实施例中，第一外部电极54被连接到一个激励驱动放大器74，该放大器用一个典型地处于大约1KHz到1MHz范围内的信号依次对手指79进行激励。相应地，驱动或激励的电子电路相当简单，使得传感器30的整体成本相当低，而与此同时其可靠性则是很高的。
圆形的电场敏感电极78位于绝缘层70之上。敏感电极78可以被连接到起敏感作用的集成电子电路那里，例如在图中被概略地示出的形成于基底65附近的所示的放大器73。
一个环形屏蔽电极80按照互相分隔的关系环绕着敏感电极78。敏感电极78以及环绕着它的屏蔽电极80可以具有其他各种形状，例如六角形，以便实现一种紧凑的包装安排或诸像素或诸敏感元件30a的阵列。屏蔽电极80是一种有源屏蔽，它由放大器73的输出的一部分来驱动，以帮助集中电场能量，并且，由此降低对相邻的电场敏感电极78进行驱动的要求。
传感器30仅包括3个金属层或导电层66，68和71。可以在不需要附加的各金属层的条件下来制作传感器30，否则将会增加生产成本，以及，或许，降低产量。相应地，传感器30跟含有4个或更多金属层的的传感器相比，其造价更为低廉，并且可能是更加结实和可靠的。
放大器73在大于1的增益下工作，以便驱动屏蔽电极80。各种稳定性问题不会从反面影响放大器73的工作。而且，根据本发明的这个特征，大大地增强了共模抑制和总的噪声抑制。此外，大于1的增益趋向于将电场集中到敏感电极78上来。
各敏感元件30a在非常低的电流和非常高的阻抗下进行工作。例如，来自每一个敏感电极78的输出信号最好是约为5到10毫伏，以便降低噪声的影响并且允许对诸信号作进一步的处理。由屏蔽电极80的外部尺寸所定义的每一个敏感元件30a的近似直径可能是大约0.002到0,005英寸。接地的平面电极68保护各有源的电子器件，使其不致受到不需要的激励。从诸电极78，80到有源电子电路之间的各种信号传导通路可以容易地被形成。
传感器30总的接触或敏感表面最好是约为0.5×0.5英寸--这是一个可以容易地被生产并且仍然能提供一个足够大的表面以便精确地进行指纹的感知和识别的尺寸。根据本发明的传感器30也能够很好地容忍失效的诸像素或诸敏感元件30a。虽然本发明也打算采用其他的阵列大小，但是一个典型的传感器30包括一个由256×256像素或敏感元件组成的阵列。也可以主要地使用常规的半导体制造技术一次制成传感器30，以便由此显著地降低生产成本。
现在附带地转到图4，该图描述了传感器30的另一方面。传感器可以包括电源控制装置，如由所示的手指感知方框或电路101所确定的那样，根据对手指与第一外部电极的接触的感知来控制有源电路部分的工作。例如，手指感知电路101可以根据对一个振荡器的阻抗的改变来进行工作，以便由此确定手指的接触。当然，本发明也打算采用其他方案，以感知与手指的接触。电源控制装置可以包括唤醒装置，用以仅在感知到手指跟第一外部电极发生接触时才向各有源电路部分供电，以便由此节约电功率。可选地或附加地，电源控制装置可以进一步地包括保护装置，用于在没有感知到手指跟第一外部电极发生接触时，将各有源电路部分接地。在图示的实施例中，示出了唤醒与保护控制器电路的一个组合101。
指纹传感器30还可以包括手指电荷释放装置，用于在与之发生接触时从一个手指或其他物体释放电荷。可以通过用于跟一个手指接触的包装物51所承载的第二外部电极53以及一个被连接到第二外部电极与一个接地点之间的电荷释放电阻104来实现手指电荷释放装置。如在图4的右上方所概略地表示的那样，可以变通地由一个可动的导电盖子53’来实现第二电极，该导电盖子53’可滑动地被连接到包装物51，用以遮盖暴露的上部电介质层52的开口。本发明也打算采用一个以枢轴方式连接的盖子。相应地，在正常条件下，随着盖子53’被移动以暴露传感器30的敏感部分，电荷将从手指上被释放。
手指电荷释放装置和电源控制装置可以(被设计成)这样，使得各有源部分保持接地，直到在向各有源电路部分供电之前电荷释放装置能够去除手指上的电荷为止，例如在唤醒时通过提供一段短暂的延时，这段延时足以允许电荷通过电阻104被放电。相应地，在传感器30中可以节省功率并由传感器提供ESD保护，因此，传感器是相当地廉价的，然而它很结实并且省电、
参看图5，该图描述了传感器30的另一个重要特征。电介质盖子52最好包括一个沿Z轴各向异性的电介质层110，用于集中一个电场，在图中用位于每一个电场敏感电极78处的图示的诸电力线来表示。换句话说，电介质层110可以相当厚，但又不致于使通过它传播的电场因Z轴的各向异性而分散。典型地将在电场集中以及机械防护之间取得折衷。不幸的是，一块适合于电场集中的薄膜，可能会使在它下面的电路更容易受到损坏。
本发明的沿Z轴各向异性的电介质层110，例如，可能具有大约处于0.0001到0.004英寸范围内的厚度。当然，沿Z轴各向异性的电介质层110最好也是在化学方面耐腐蚀的并且在机械方面具有足够的强度，以便能承受诸手指的接触，并且允许定期地用溶剂来清洗。沿Z轴各向异性的电介质层110最好能为集成电路模块120规定一个最外层的防护表面。相应地，整个的电介质盖子52在集成电路模块120之上以及沿Z轴各向异性电介质层110之下还可以包括至少一块相当薄的氧化物、氮化物、碳化物或者金刚石层111。薄层111典型地将是相当硬的，并且沿Z轴各向异性的电介质层110最好是比较软的，以便由此吸收更多的机械活动。
最好是由在一个经过处理的母体中的多个定向的电介质质点来生成沿Z轴各向异性的电介质层110。例如，沿Z轴各向异性的电介质层110可以包括在一个聚酰亚胺母体中的钛酸钡。
转到图6，通过多个对准于相应的电场敏感电极78的高介电常数诸部分112，以及低介电常数诸部分113的一个环绕的母体来概略地表示Z轴电介质盖子52’的另一个变种。本实施例的电介质盖子52’可以通过多种方法来形成，例如通过形成高介电常数或低介电常数诸部分的一层，选择性地照原样刻蚀，并且在被刻蚀掉的开口处填充以性质相反的材料。另一个方案可能是使用可极化的微型胶囊，并且在处理一种母体材料时，将其置于一个相同的电场之下。一种材料可以通过压缩而导致Z轴各向异性。
本发明的另一个方面涉及到能够完全地遮盖和防护集成电路模块120的整个上表面，并且仍然允许跟外部的各器件和各电路进行连接和通信，现在参照图7进一步地加以说明。第三金属层71(图2)最好进一步地包括多个电容耦合垫片116a-118a，以便跟集成电路模块120实现电容耦合。相应地，电介质盖子52最好在电容耦合垫片116a-118a以及诸像素30a的诸电场敏感电极78的阵列之上是连续的，与本发明的这个特征形成鲜明对比的是，常规的做法是通过一个外部的涂复层来产生各开口，以便跟各连接垫片建立电气连接。不幸的是，这些开口将为水和/或其他污染物的侵入提供路径，它们将触及模块并使之损坏。
包装物51的一部分包括一块印制电路板122，其上承载着对应的垫片115b-118b。一个电源调制电路124被连接到各垫片115b-116b，而一个信号调制电路126则被连接到各垫片117b-118b。进一步地使用图示的电源解调/稳压电路127以及信号解调电路128，就能容易地将电源和各信号连接到印制电路板122以及集成电路模块120之间。沿Z轴各向异性的电介质层110也能有利地减少介于相邻的各电容耦合垫片之间的串话。在本发明的这个实施例30中，没有任何部件贯穿电介质层52，所以潮气无法进入集成电路模块120并使之损坏。此外，介于集成电路以及外部环境之间，可以提供任何等级的绝缘。
对图示的指纹传感器30来说，包装物51最好具有一个对准于电场敏感电极阵列78(图1-3)的开口。在许多应用中，特别是在希望有一块连续的薄膜用以遮盖集成电路模块120以及各垫片116a-118a的场合中，除了图示的指纹传感器30以外，还可以有利地使用电容耦合和沿Z轴各向异性层110。
现在参照图8和9来说明本发明的阻抗矩阵滤波方面。如图8所示，指纹传感器30可以被认为是包括由各指纹敏感元件130以及相关的有源电路131的一个阵列，用以产生与指纹图像有关的诸信号。图示的传感器30也包括一个被连接到各有源电路的阻抗矩阵135，用以对由此发出的各信号进行滤波。
如图9所示，阻抗矩阵135包括多个阻抗元件136，其中如中央节点138所示，各阻抗元件可以被连接到介于各指纹敏感元件中的每一个有源电路以及其他有源电路(外部节点140)之间。阻抗矩阵135还包括多个开关137，其中一个各自的开关被串联连接到每一个阻抗元件136。经由图示的开关142及其相关的阻抗元件143，可以向中央节点138提供一输入信号。如图所示，阻抗元件可以是一个或多个电阻以及一个电容器134。
滤波控制装置可以操作各开关137，以便对由有源电路131所产生的各信号进行处理。在一个实施例中，各指纹敏感元件130可以是电场敏感电极78，并且各有源电路可以是诸放大器73(图2)。当然，其他各种敏感元件以及各种有源电路也可以得益于本发明的阻抗矩阵滤波。
可以提供脊流向测定装置145，用以选择性地操作矩阵135的诸开关137，以便测定指纹图像的脊流向。更具体地说，脊流向测定装置145可以选择性地操作诸开关137，用以测定涉及指纹图像的各脊流向的各信号强度矢量。可以基于众所周知的旋转狭缝原理来测定各脊流向。
传感器30可以包括核心位置测定装置146，它跟脊流向测定装置协同工作，用以测定指纹图像的一个核心位置。例如，在抽取和处理来自指纹图像的一些细节时，核心的位置是有帮助的。
如图8所示，可以提供一个二进制化的滤波器150，用以选择性地操作诸开关137，以便将一个灰度等级指纹图像转换为一个二进制化指纹图像。从另一个角度来考虑，可以使用阻抗矩阵135来增强动态图像对比度。此外，可以容易地实现一个边缘平滑滤波器155以改进图像(质量)。如图所示，正如各位专业人士所容易理解的那样，还可以使用阻抗矩阵135来实现其他的空间滤波器152，用以选择性地操作诸开关137，以便对指纹图像进行空间滤波。相应地，可以在传感器30中进行指纹图像的处理，并由此降低对下游计算的附加要求。
图9的实施例表明，阻抗矩阵135可以包括多个阻抗元件，其中各阻抗元件136可以被连接到针对一个给定的指纹敏感元件130的每一个有源电路以及针对各自相邻的各指纹敏感元件的8个其他有源电路之间。
一个控制装置153用于顺序地向各组有源电路131供电以便节省功率。当然，各阻抗元件136也希望能够顺序地被连接以执行滤波功能。已加电的各有源电路131可以被认为定义了一个云斑或内核。电源控制装置153可以在一种自适应方式下进行工作，由此可以动态地改变用于滤波的区域的大小，以获得所需的图像特性。此外，电源控制装置153可以仅向诸有源电路中对应于各敏感元件130的阵列的一个预定区域的某一部分进行供电。例如，每一个其他有源电路131都可以被供电，由此提供一块较大的区域，但功耗得以降低。
可以提供读控制装置154，用以仅读出每一组有源电路131的预定的各子集，使得可以使用来自相邻各有源电路的一种分布来进行滤波。换句话说，虽然相邻的各有源电路131以及相关的阻抗元件136也分别地被加电和连接，但典型地只有各有源电路131的一个子集被同时读出。例如，16个阻抗元件136可以定义一个子集并且容易地被同时读出。可以针对待测定的不同大小的各项特征来优化子集的大小。
相应地，各敏感元件130的阵列可以迅速地被读出，并且由于为了读出各有源电路的一个给定的集合，并不需要对各有源电路的全部进行供电，所以功耗实质上得以降低。对于一个典型的传感器来说，本文所描述的电源控制和阻抗矩阵特性的组合跟全阵列供电的方法相比，节电的因数约为10。
根据本发明的指纹传感器30的另一个重要优点就是防止传感器因受到欺骗而将一幅仿真的图像当作实况指纹图像来处理。本发明的指纹传感器30的独特的电场感知方法提供了一种基于一个手指的复数阻抗的有效的方案，以避免受到欺骗。
如图10所示，指纹传感器可以被认为是包括一个阻抗敏感元件160的阵列，用以产生与位于其附近的一个手指79或其他物体有关的各种信号。在本文所描述的实施例中，由诸电场敏感电极78以及与之连接的诸放大器73(图2)来形成诸阻抗敏感元件160。此外，每一个电场敏感电极78都可以连接一个防护屏蔽80，后者被连接到一个各自的放大器73。提供了欺骗克服装置161，用以确定位于阻抗敏感元件160附近的物体的一个阻抗是否符合于一个实况手指79，由此克服一个实况手指以外的一种物体对指纹传感器的欺骗。例如，一次欺骗可以由被概略地图示的灯163加以显示和/或被用来阻断进一步的处理。另一方面，一次实况的指纹测定也可以由灯164加以显示和/或用以允许指纹图像的进一步处理。
在一个实施例中，欺骗克服装置161可以包括阻抗测定装置165，用以检出一个对应于一个实况手指79的、大约处于相位角10°到60°范围内的复数阻抗。另一方面，欺骗克服装置161可以检出一个对应于一个实况手指以外的某些物体(例如一张成像于其上的纸)的、具有一个约为0°的相位角的阻抗。此外，欺骗克服装置161可以检出对应于其他各种物体的一个90°的阻抗。
现在转到图11，说明欺骗克服装置的另一个实施例。指纹传感器30最好包括驱动装置，用以驱动阻抗敏感元件160的阵列，例如图示的激励放大器74(图2)。传感器还包括同步解调器装置170，用以同步地解调来自各阻抗敏感元件的阵列160的诸信号。相应地，在本发明的一个特别有利的实施例中，欺骗克服装置包括用以在至少一个相位旋转角上运行该同步解调器装置的装置。例如，该同步解调器装置170可以在下列条件下运行相位角范围为10°到60°，幅度可以跟表示一个实况指纹的一个预定阈值相比拟。一个实况指纹典型地具有一个处于10°到60°范围内的复数阻抗。
作为替代，可以提供比值产生和比较装置172，用于跟同步解调器装置170协同工作，以便在第一和第二相位角θ1，θ2处同步地解调诸信号，产生其幅度的一个比值，并将该幅度比值跟一个预定的阈值进行比较，以确定该物体是一个实况指纹还是其他物体。相应地，同步解调器170可以容易地被用于产生阻抗信息，为了使传感器30免受一个实况手指以外的一种物体的欺骗，就需要这样的信息。例如，第一角度θ1和第二角度θ2之间可能具有一个差值，该差值处于大约45°到90°的一个范围内。
指纹传感器30还包括一种自动增益控制特性，以便适应由不同的手指以及在不同条件下所产生的诸图像信号在亮度方面的差异，并且适应由于加工上的变化而导致的传感器的差异。传感器能够在指纹的诸脊和诸沟之间进行鉴别，这对于精确地产生一个指纹图像是重要的。相应地，传感器30具有一种增益控制特性，参照图12就能理解它的一个第一实施例。
如图12所示，指纹传感器30的图示的部分包括各指纹敏感元件的一个阵列，后者采取诸电场敏感电极78以及被连接到诸放大器73的诸环绕屏蔽电极80的形式。其他的各指纹敏感元件也可以得益于下列的自动增益控制实施方案。
传感器30的信号处理电路最好包括如图所示的多个模拟-数字(A/D)转换器180。而且，每一个A/D转换器180可以具有一个可控制的标度。扫描装置182顺序地将不同的各元件连接到A/D转换器180。图示的增益处理器185提供量程确定和设置装置，用以根据上一次A/D转换来控制A/D转换器180的量程，由此提供改进了的转换分辨率。A/D转换器可以包括图示的参考电压输入Vref和偏置电压输入Voffset，用以设置该量程，这对专业人士来说是容易理解的。相应地，量程确定和设置装置还可以包括一个第一数字-模拟(D/A)转换器186，它被连接到介于增益处理器185以及A/D转换器180的参考电压Vref输入端之间。此外，一个第二D/A转换器189也按照图示的方式从增益处理器185被连接到偏置电压Voffset的输入端。
增益处理器185可以包括直方图产生装置，用以产生一份如上所述的、并且基于上一次A/D转换的直方图。在图12中，靠近增益处理器185的图形表示一份典型的直方图191。直方图191含有两个峰，分别对应于被感知的指纹的脊和沟。通过设置A/D转换器180的量程，可以按照需要容易地对各峰进行定位，由此适应上面所讨论的各种变化，并且使用A/D转换器180的全部分辨率。
附带地转到图13，A/D转换器180可以包括一个相关的、用以设置量程的输入放大器。在这个变种中，量程确定和设置装置还可以包括图示的增益处理器185，并且其中的放大器是一个被连接到处理器的可编程的增益放大器(PGA)187。从增益处理器185输出的一个数字字这样来设置PGA 187的增益，使得A/D转换器180的分辨率的充分利用得以实现，以便得到最佳精度。从增益处理器185输出并且通过图示的D/A转换器192被连接到放大器187的一个第二数字字也可以控制放大器的偏置。
增益处理器185的量程确定和设置装置可以包括默认(缺省)的设置装置，用以为各指纹敏感元件的最初几个设置一个默认的量程。本发明的自动增益控制特性允许D/A转换器180在其整个的分辨率的范围内进行工作，由此提高图像信号处理的精度。
一个指纹传感器包括诸指纹敏感元件的一个阵列和相关的诸有源电路，以及一个被连接到各有源电路的阻抗矩阵滤波器，用以对诸信号进行滤波。阻抗矩阵滤波器包括多个阻抗元件，其中一个各自的阻抗元件可以被连接到针对每一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对一个相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路。阻抗矩阵滤波器包括多个开关，其中一个各自的开关跟每一个阻抗元件串联连接。诸开关被选择性地操作，以确定指纹图像的诸脊流向。诸脊流向被用来确定指纹图像的一个核心位置。各开关被选择性地操作，以便将一份灰度等级指纹图像转换为一份二进制化的指纹图像。指纹图像的处理在传感器内部进行，并因而降低对下游计算的附加要求。
权利要求
1.一个指纹传感器包括，诸指纹敏感元件的一个阵列；多个有源电路，其中每一个有源电路被连接到各自的指纹敏感元件；多个阻抗元件，它们被连接到所述诸有源电路，使得一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个其他的各相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路，以产生跟一个指纹有关的诸信号；多个开关，其中每一个开关都被串联连接到一个各自的阻抗元件；以及滤波器控制装置，用以控制所述多个开关，以便对来自所述诸有源电路的诸信号进行滤波。
2.根据权利要求1所述的一个指纹传感器，其中所述滤波器控制装置包括脊流向测定装置，用以选择性地操作所述诸开关，以确定一份指纹图像的诸脊流向，在其中，所述脊流向测定装置包括用于选择性地操作所述诸开关的装置，以便确定与该指纹图像有关的诸脊流向的诸信号强度矢量。
3.根据权利要求2所述的一个指纹传感器包括核心位置测定装置，它跟所述脊流向测定装置协同工作，以便确定指纹图像的一个核心位置，并且所述滤波器控制装置还包括二进制化滤波器装置，用于选择性地操作所述诸开关，以便将一个灰度等级指纹图像转换为一个二进制化的指纹图像，在其中所述滤波器控制装置包括边缘平滑滤波器装置，用于选择性地操作诸开关，以便平滑指纹图像的各边缘。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的一个指纹传感器，其中所述多个阻抗元件被安排在一个矩阵之中，各阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个各自的指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对各自的八个相邻的指纹敏感元件的八个有源电路之间，并且每一个阻抗元件包括至少一个电阻和一个电容器。
5.根据权利要求4所述的一个指纹传感器包括电源控制装置，用以顺序地向多组有源电路供电，并将诸阻抗元件跟由位于各指纹敏感元件的阵列的一个对应的预定区域中的各自的指纹敏感元件所定义的每一组有源电路连接起来。
6.根据权利要求5所述的一个指纹传感器。其中所述电源控制装置包括自适应装置，用以改变在一组正在被加电的有源电路中的有源电路的数目，所述电源控制装置还包括在预定区域内由各自的指纹敏感元件所定义的一组有源电路中，仅向预定的一些有源电路供电的装置，在其中读控制装置用于同时读出在每一组有源电路中的多个有源电路，并且所述读控制装置包括用于读出在每一组有源电路中各有源电路的一个子集的装置，在其中，每一个指纹敏感元件都包括一个电场敏感电极；并且每一个有源电路都包括一个放大器，后者被连接到一个各自的电场敏感电极。
7.一个指纹传感器包括，诸指纹敏感元件的一个阵列；多个有源电路，其中每一个有源电路都被连接到一个各自的指纹敏感元件；控制装置，用于顺序地向多组有源电路供电，其中每一组有源电路由位于各指纹敏感元件的阵列的一个对应的预定区域中的各自的诸指纹敏感元件来定义；以及，读控制装置，用于随着每一组有源电路顺序地被加电，读出每一组有源电路中的多个有源电路。
8.根据权利要求7所述的一个指纹传感器。其中所述电源控制装置包括自适应装置，用以改变在一组正在被加电的有源电路中的有源电路的数目，所述电源控制装置还包括在预定区域内由各自的诸指纹敏感元件所定义的一组有源电路中，仅向预定的一些有源电路供电的装置，在其中，所述读控制装置包括用于读出在每一组有源电路中各有源电路的一个子集的装置。
9.根据权利要求8所述的一个指纹传感器包括多个阻抗元件，它们被连接到所述诸有源电路，使得一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个其他的各相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路，多个开关，其中每一个开关都被串联连接到一个各自的阻抗元件，滤波器控制装置，用于随着每一个有源电路顺序地被加电，为每一组有源电路连接各自的诸阻抗元件，在其中，所述多个阻抗元件被安排在一个矩阵之中，其中一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个各自的指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对各自的八个相邻的指纹敏感元件的八个其他有源电路之间，每一个阻抗元件包括至少一个电阻和一个电容器，并且在其中，每一个指纹敏感元件都包括一个电场敏感电极；并且每一个有源电路都包括一个被连接到一个各自的电场敏感电极的放大器。
10.一个指纹传感器包括，诸指纹敏感元件的一个阵列，多个有源电路，其中每一个有源电路都被连接到一个各自的指纹敏感元件，阻抗矩阵滤波装置，它被连接到所述多个有源电路，用以对由此发出的诸信号进行滤波，脊流向测定装置，它跟所述阻抗矩阵滤波装置协同工作，用以确定在指纹中的诸脊流向，所述阻抗矩阵滤波装置包括多个阻抗元件，它们被连接到所述诸有源电路，使得一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个其他各相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路，多个开关，其中每一个开关都跟一个各自的阻抗元件串联连接，在其中，所述脊流向测定装置包括用于选择性地操作所述诸开关的装置，用以测定与指纹图像的诸脊流向有关的诸信号强度矢量，核心位置测定装置与所述脊流向测定装置协同工作，以确定指纹图像的一个核心位置，所述多个阻抗元件被这样安排，使得一个各自的阻抗元件可以被连接到介于每一个指纹敏感元件以及八个各自的相邻的指纹敏感元件之间。
11.一种用于制作一个指纹传感器的方法包括，形成各指纹敏感元件的一个阵列和相关的各有源电路的诸步骤，形成多个阻抗元件的诸步骤，上述阻抗元件被连接到各有源电路，使得一个各自的阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个各自的指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路，以产生跟一个指纹有关的诸信号，还包括形成多个开关的诸步骤，其中，一个各自的开关跟每一个阻抗元件串联连接，在其中，形成多个阻抗元件的步骤包括形成一个各自的阻抗元件，后者可以被连接到介于每一个指纹敏感元件以及八个各自的相邻的指纹敏感元件之间，并且形成多个阻抗元件的步骤包括形成多个电阻。
12.一种使用一种类型的指纹传感器来感知一个指纹的方法，上述指纹传感器包括各指纹敏感元件的一个阵列以及相关的各有源电路，该方法包括下列诸步骤顺序地向多组有源电路供电，其中由位于各指纹敏感元件的阵列的一个对应的预定区域中的各自的指纹敏感元件来定义每一组有源电路，并且随着每一组有源电路顺序地被加电，在每一组有源电路中对多个有源电路进行读出，还包括在正在顺序地被加电的一组有源电路中，改变有源电路的数目的步骤，在其中，顺序地加电的步骤包括在由位于预定区域内的各自的指纹敏感元件所定义的一组有源电路中，仅向预定的一些有源电路供电的步骤。
13.根据权利要求12所述的一种方法，其中的读步骤包括在每一组有源电路中读出一个子集的步骤，并且指纹传感器还包括多个被连接到各有源电路的阻抗元件，使得各阻抗元件可以选择性地被连接到针对一个各自的指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路，以及多个开关，其中，每一个开关都跟一个各自的阻抗元件串联连接；并且其中该方法还包括，随着每一个有源电路顺序地被加电，为每一组有源电路连接各自的阻抗元件的步骤。
14.一种使用一种类型的指纹传感器来感知一个指纹的方法，上述指纹传感器包括各指纹敏感元件的一个阵列以及相关的各有源电路，以及一个被连接到各有源电路的阻抗矩阵滤波器，该方法包括下列诸步骤从各有源电路产生各种指纹图像信号，使用阻抗矩阵滤波器来确定在各种指纹图像信号中的诸脊流向，在其中，阻抗矩阵滤波器包括多个阻抗元件，一个各自的阻抗元件可以被连接到针对一个各自的指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对至少一个相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路之间， 以及多个开关，其中一个各自的开关都跟每一个阻抗元件串联连接；以及测定脊流向的步骤包括选择性地操作诸开关，以测定与指纹图像的诸脊流向有关的诸信号强度矢量。
15.根据权利要求14所述的一种方法，包括基于诸脊流向来确定指纹图像的一个核心位置的步骤。
全文摘要
一个指纹传感器包括诸指纹敏感元件的一个阵列和相关的诸有源电路，以及一个被连接到各有源电路的阻抗矩阵滤波器，用以对诸信号进行滤波。阻抗矩阵滤波器包括多个阻抗元件，其中一个各自的阻抗元件可以被连接到针对每一个指纹敏感元件的每一个有源电路以及针对一个相邻的指纹敏感元件的至少一个其他有源电路。阻抗矩阵滤波器包括多个开关，其中一个各自的开关都跟每一个阻抗元件串联连接。诸开关被选择性地操作，以确定指纹图像的诸脊流向。诸脊流向被用来确定指纹图像的一个核心位置。诸开关被选择性地操作，以便将一份灰度等级指纹图像转换为一份二进制化的指纹图像。指纹图像的处理在传感器内部进行，从而降低对下游计算的附加要求。
文档编号G06T1/00GK1511300SQ98806286
公开日2004年7月7日 申请日期1998年5月6日 优先权日1997年5月16日
发明者戴尔·R·塞特拉克, 达夫·格巴乌尔, 戴尔 R 塞特拉克, 格巴乌尔 申请人:奥森泰克公司