一种混合式指纹采集的芯片及采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种混合式指纹采集的芯片及其米集方法。
【背景技术】
[0002]随着人们对信息安全的要求越来越高，活体生物特征认证和身份识别越来越多的运用到人们的日常生活中。指纹认证作为在生物特征认证中具有很高的可靠性和性价比，已经成为了当前生物认证的主流。与此同时，指纹采集技术也高速发展，一个更低成本、小体积、低功耗及高动态范围的指纹传感器将会占领巨大的市场，因此具有上述优点的指纹传感器成为当前研究的重点，其中电容式指纹传感器成为当前的主流产品之一。
[0003]随着指纹传感技术的逐渐成熟，苹果公司收购AUTHENTEC公司并即将AUTHENTEC公司的先进指纹传感技术应用到移动手机及其它电子产品中，以及中国第三代身份证需要登记指纹信息，相信指纹识别技术会很快而且广泛的应用到我们日常生活中来，与此同时，对指纹传感器的要求越来越高。一个好的指纹识别体统，不仅是从算法上解决指纹传感器中存在的不足，更应所述从根本上解决传感器的采集质量问题，使得在某些特殊场合和某些特殊手指都能够采集到清晰的指纹图像，更重要的是要能够拒绝假手指的欺骗。
[0004]现有的国内指纹传感器都是纯电容式的指纹传感器，如中国专利号ZL021059608，201220476953都是提供了一种电容式指纹读取方式，其中手指的直接接触面到感测阵列的感测电极之间的绝缘层是由厚度仅有几个um的无机化合物构成，从而导致其疏水性、抗残留性、抗压性和抗静电特性极差。请参阅图1，图1为现有技术的指纹传感器的感测单元结构示意图。如图所示，所述现有感测单元10包含:感测电容11，由手指跟感测电极形成;边缘电容12，由感测电极与放大器的输出电极形成;放大器13;该感测单元通过检测由射频信号14发出的经手指反射的射频信号，该信号经电容积分放大电路后由后续的电路处理，根据感测电容值的不同检测到不同的射频信号，从而实现指纹采集，该方法由于每个感测单元10都使用一个放大器13，其功耗非常大，由于工艺的影响失配非常严重。因此，射频式指纹传感器应运而生。
[0005]射频式传感器是在电容式传感器的基础上扩展的，它是利用手指本身作为控制板以及作为介质。将手指放在传感器区域的周围，通过手指产生一个很低的射频信号;传感器检测到根据指纹的山谷和山脊扩散出的信号;然后，传感器阵列根据扩散信号来形成计算指纹的结构;最后，可以动态优化射频信号频率和水平，来获得最佳的指纹图像。射频传感器产生高质量的图像，因此射频是最可靠和最有力有解决方案。除此之外，高质量图像还允许减小传感器，无需牺牲认证的可靠性，从而降低成本并使得射频传感器应用到可移动和大小不受拘束的领域中。
[0006]现有的国外指纹传感器仅AUTHENTEC和FPC两个公司实现了射频式指纹采集，且该两个公司的射频式采集原理基本同源，如美国专利US6512381，实现射频式指纹采集，能很好的抗指纹残留和其它污质残留，但仅能拒绝大部分假手指的欺骗，如果在某些射频辐射较强的应用场合其抗干扰能力较差。
[0007]因此，现有的指纹传感器，不管是电容式的或是射频式的指纹传感器都是单一模式的指纹检测方式，其不能灵活的应用在不同的场所，且也不能很好的拒绝特殊假手指模型。若将假手指模型镀上一层导电材料或半导电材料且保证镀上材料后的指纹模型在受到按压时模型的指纹谷线深度大于2um(具体数值由传感器的灵敏度决定)，这一特殊的假手指模型是能够骗过现有的指纹传感器的检测的(虽然这种假手指模型其制造工艺相当复杂，其成本非常高，但不排除别有用心的人利用这种特殊假手指模型骗过验证)。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种多模式指纹采集芯片及其一种采集方法，其可以有效地解决上述单一性、手指残留、抗干扰、假手指识别和采集质量问题。本发明在现有技术的基础上通过改进感测单元的结构实现多模式指纹检测和采集，并且利用电容式和射频式的优缺点相互补偿，从而抵御指纹残留、其它污质残留、抗电磁辐射和拒绝假手指提高信息的安全性。
[0009]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0010]一种多模式指纹采集芯片，该芯片包括M行N列的二维感测单元阵列，M和N均为大于I的整数;钝化绝缘层，直接覆盖于该二维感测单元阵列之上；聚酯复合物绝缘层覆盖于该钝化绝缘层之上，作为手指的接触面;扫描控制器，该控制器使得M行感测单元从上到下或从下到上逐行有效;M行N列二维感测单元阵列的驱动电路，该驱动电路提供感测单元所需的时序信号;列级ADC阵列，配置于感测单元阵列旁或下方，N列感测单元的电信号输出作为其输入;移位寄存缓存器，作为列级ADC阵列输出的缓存区;模式控制电路，控制该芯片的工作模式;天线金属框及射频驱动电路，射频驱动电路驱动天线金属框及其它负载;假手指检测电极及假手指检测电路，该电极用于检测假手指;其通过上位机配置模式控制电路的参数来控制M行N列二维感测单元所需的采集时序，将该芯片配置成一种电容式指纹采集模块或一种射频式指纹采集模块或一种混合式指纹采集模块。
[0011]在本发明的一个实施例中，该电容式指纹采集模块的天线金属框被射频驱动电路驱动，并向被检测的手指发射射频信号，该射频信号的频率在数百KHz到数MHz的范围内，不会对人体造成伤害，射频信号仅存在于假手指检测期间；假手指检测电路通过假手指检测电极检测流过该电极的电流值及该电极上感测到的射频信号与天线金属框发出的射频信号的相位差，根据检测到的电流值及相位差大小确定是否为假手指。扫描控制器使感测单元阵列从上到下或从下到上逐行有效，感测单元阵列驱动电路输入第一脉冲信号到感测单元阵列，该脉冲信号在脉冲宽度期间对该感测单元阵列中被选中的每一个感测单元内的参考电容充电，使该参考电容两端积累一定的电荷量，之后感测单元阵列驱动电路输入第二脉冲信号到感测单元阵列，该脉冲信号对该被选中的每一个感测单元内的感测电容和增益电容放电，使其两端的电荷量为零，然后感测单元阵列驱动电路输入第三脉冲信号到感测单元阵列，该脉冲信号驱动增益电极到一高电平电压，与此同时该脉冲信号使该被选中的每一个感测单元内的参考电容和感测电容和增益电容进行电荷均衡，使得该参考电容两端的电荷量减少，然后感测单元阵列驱动电路输入固定循环次数的第二脉冲信号和第三脉冲信号到感测单元阵列，使该被选中的每一个感测单元内的参考电容两端的电压差逐次减小，循环结束后该参考电容两端的电压差被锁定，与此同时，所述列级ADC阵列将该电压差信号转换成指纹图像灰度值，该指纹图像灰度值输入到移位寄存缓存器，完成一行指纹图像的采集，在上位机的作用下将采集到的每一行指纹图像灰度值上传给上位机。
[0012]在本发明的一个较佳实施例中，上述每一个感测单元还可以包含电容传感器结构，该电容传感器结构包含:由集成电路工艺的顶层金属所形成的感测电极;感测电容绝缘层，该绝缘层由顶层金属之上的钝化层和该钝化层之上的聚酯复合物叠加形成，感测电极与手指及该感测电容绝缘层形成感测电容；由集成电路工艺顶层金属之外的其它金属层次的一层或多层金属所形成的多个增益电极，该多个增益电极与感测电极及该两电极之间的绝缘层形成多个增益电容;两个参考电极及该两参考电极之的绝缘层形成参考电容；多个开关电路，这些开关电路用于控制参考电容充电，感测电容和增益电容放电，均衡感测电容、增益电容和参考电容的电荷，这些开关电路的部分开关处于断开状态，其是用于射频模式下的开关。
[0013]其中，聚酯复合物可由纯聚酯物质和金属物质按一顶的质量比重或体积比重均匀复合而成，聚酯复合物质的厚度可达数十um甚至可达数百um。
[0014]其中，聚酯复合物亦可由纯聚酯物质和其它有机物质按一顶的质量比重或体积比重均匀复合而成，聚酯复合物质的厚度可达数十um甚至可达数百um。
[0015]在本发明的一个实施例中，该射频式指纹采集芯片的天线金属框被射频驱动电路驱动，并向被检测的手指发射射频信号，该射频信号的频率在数百KHz到数MHz的范围内，不会对人体造成伤害，射频信号存在于假手指检测期间和指纹采集期间；假手指检测电路通过假手指检测电极检测流过该电极的电流值及该电极上感测到的射频信号与天线金属框发出的射频信号的相位差，根据检测到的电流值及相位差大小确定是否为假手指。扫描控制器使感测单元阵列从上到下或从下到上逐行有效，感测单元阵列驱动电路输入第一脉冲信号到感测单元阵列，该脉冲信号在脉冲宽度期间对该感测单元阵列中被选中的每一个