本實(shí)用新型涉及指紋識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于BCD工藝的高穿透能力的指紋傳感器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的大部分指紋傳感器采用傳感器產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)傳感器外圍安裝一個(gè)金屬環(huán)和待采集手指接觸該金屬環(huán)的方式，將此激勵(lì)信號(hào)施加到待采集手指表面，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)手指電極的原理實(shí)現(xiàn)指紋采集，如圖1(a)所示?，F(xiàn)有的采用手指激勵(lì)原理的指紋傳感器中，為了避免部分人在指紋采集中，手指造成刺痛感，手指上的脈沖激勵(lì)電壓最大值一般不超過(guò)4V。

此外，現(xiàn)有的部分傳感器采用高壓激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)指紋傳感器襯底，實(shí)現(xiàn)傳感器高穿透和解決激勵(lì)信號(hào)對(duì)手指表面造成的刺痛感，例如專利CN103376970A，如圖1(b)所示。由于傳感器的襯底處于被信號(hào)激勵(lì)的狀態(tài)，故傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)與上位機(jī)之間需要做DC隔離處理。故而在傳感器和上位機(jī)之間，需要增加一個(gè)接口轉(zhuǎn)換芯片。同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)傳感器的襯底需要較大的驅(qū)動(dòng)能力，所以，高壓信號(hào)由外部DCDC芯片升壓產(chǎn)生，并經(jīng)過(guò)接口轉(zhuǎn)換芯片斬波后形成襯底高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

在金屬環(huán)激勵(lì)方案中，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路的功耗較大。當(dāng)金屬環(huán)上激勵(lì)信號(hào)電平高于4V以后，部分人在指紋采集過(guò)程中，手指表面會(huì)由于激勵(lì)信號(hào)感受到一定程度的刺痛感。而低于4V的激勵(lì)信號(hào)，會(huì)極大的限制傳感器的穿透能力。由于需要外圍金屬環(huán)，芯片的封裝成本和封裝復(fù)雜度一般較高。金屬環(huán)是一個(gè)面積較大的導(dǎo)電電極，會(huì)對(duì)系統(tǒng)外部或者受系統(tǒng)外部的干擾。同時(shí)，帶有金屬環(huán)的傳感器在安裝到系統(tǒng)中，與系統(tǒng)級(jí)的機(jī)器外殼接觸時(shí)，存在安裝不方便的問(wèn)題。在襯底驅(qū)動(dòng)方案中，DCDC與高壓接口芯片在系統(tǒng)級(jí)會(huì)消耗較高的功耗，增加系統(tǒng)的成本；同時(shí)，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，調(diào)試不方便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利采用內(nèi)部阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路直接或間接驅(qū)動(dòng)手指指紋的形成，本專利激勵(lì)信號(hào)由電路內(nèi)部產(chǎn)生，并施加于芯片內(nèi)部，故不會(huì)施加于采集手指表面造成手指刺痛感的同時(shí)，能有效的提高傳感器的穿透能力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出了一種基于BCD工藝的高穿透能力的指紋傳感器，包括指紋采集單元電路和阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路。

所述指紋采集單元電路，輸入端連接高壓脈沖信號(hào)VHS，輸出端通過(guò)耦合電容Cc連接輸出電路或后級(jí)接收放大電路；所述阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路，輸入端連接高壓直流電源，輸出端連接所述指紋采集單元電路，生成阱電位調(diào)制信號(hào)，并提供給所述指紋采集單元電路作為高壓脈沖信號(hào)VHS。

進(jìn)一步地，所述高壓脈沖信號(hào)VHS為阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高低電平、信號(hào)頻率和占空比滿足指紋采集單元電路要求的阱電位調(diào)制信號(hào),用于直接或間接驅(qū)動(dòng)手指指紋的形成。

進(jìn)一步地，所述指紋采集單元電路還包括手指電容Cf、放大器、反饋電容Cfb和開關(guān)S；所述放大器，由n阱、直流電流源構(gòu)成、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二、偏置電壓Vb和電荷補(bǔ)償電容Cp構(gòu)成；所述n阱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二的獨(dú)立襯底。

進(jìn)一步地，所述手指電容Cf，由手指表面與頂層金屬兩個(gè)導(dǎo)電極板構(gòu)成，手指電容中間介質(zhì)層由芯片表面鈍化層、PI、molding材料、coating材料或陶瓷蓋板等常見介質(zhì)材料構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述輸出電路或后級(jí)接收放大電路的輸入端還通過(guò)直流補(bǔ)償電容Cdc耦合連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，產(chǎn)生合適的模擬量，用來(lái)調(diào)節(jié)電路的直流偏置。

進(jìn)一步地，所述放大器為低噪聲放大器LNA；所述低噪聲放大器處于線性放大工作區(qū)。

進(jìn)一步地，所述阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路的工作原理為：通過(guò)非交疊時(shí)鐘產(chǎn)生電路，內(nèi)部采用脈沖斬波電路，將高壓直流電源提供的高壓和內(nèi)部自帶低壓直流信號(hào)斬波形成對(duì)應(yīng)高電平和低電平的方波信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述高壓直流電源，為集成在傳感器內(nèi)部的直流電源或外部直流電源。

本專利實(shí)施例中，所述電荷補(bǔ)償電容Cp的一端連接所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一的柵極，一端連接所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一的源極；所述偏置電壓Vb連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二的柵極；所述直流電流源連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二的漏極；所述反饋電容Cfb與開關(guān)S并聯(lián)，一端連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一的柵極，一端連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二的漏極；所述高壓脈沖信號(hào)VHS連接所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一的源極；所述手指電容Cf連接所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一的柵極；進(jìn)一步地，所述耦合電容Cc一端連接所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二的漏極，一端連接所述輸出電路或后級(jí)接收放大電路，用于將上級(jí)單元電路采集到的指紋信號(hào)耦合到下一級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

本專利的有益效果是：

1.本專利所述傳感器電路，可以省掉現(xiàn)有技術(shù)傳感器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)和金屬環(huán)，避免手指直接接觸電信號(hào)。從而節(jié)省了激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路的功耗；避免了在指紋采集過(guò)程中，激勵(lì)信號(hào)對(duì)手指表面造成的刺痛感；由于去掉了外圍金屬環(huán)，本專利降低了芯片封裝成本和安裝復(fù)雜度；提高了芯片的抗干擾能力。

2.本專利激勵(lì)信號(hào)由電路內(nèi)部產(chǎn)生，并施加于芯片內(nèi)部，故激勵(lì)電壓可以達(dá)到20V以上的高壓，在不會(huì)對(duì)采集手指造成刺痛感的同時(shí)，能有效的提高傳感器的穿透能力。

3.本專利的實(shí)施，在保證原有傳感器的高穿透能力和不對(duì)手指造成刺痛感的前提下，能去掉接口轉(zhuǎn)換芯片，從而有效的降低了指紋采集模組的功耗，節(jié)省了模組的體積和成本，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1(a)現(xiàn)有技術(shù)中采用手指激勵(lì)的指紋采集單元電路；

圖1(b)現(xiàn)有技術(shù)中指紋傳感器襯底驅(qū)動(dòng)方案；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于局部阱電位調(diào)制的指紋采集單元電路；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，以由電容式感測(cè)元件陣列形成的電容式指紋傳感器為例對(duì)本專利進(jìn)行詳細(xì)描述，其中，電容式感測(cè)元件陣列包含兩個(gè)及兩個(gè)以上的指紋采集單元。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于局部阱電位調(diào)制的指紋采集單元電路；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路。

下面以高電平典型值20V、低電平典型值3V為例進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)用新型提出一種基于BCD工藝的高穿透能力的指紋傳感器，包括：指紋采集單元電路100和阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路。

指紋采集單元電路100，輸入端連接高壓脈沖信號(hào)VHS，輸出端通過(guò)耦合電容Cc連接輸出電路或后級(jí)接收放大電路101；阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路，輸入端連接高壓直流電源，輸出端連接指紋采集單元電路100，生成阱電位調(diào)制信號(hào)，并提供給所述指紋采集單元電路作為高壓脈沖信號(hào)VHS。

其中，高壓脈沖信號(hào)VHS為阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高低電平、信號(hào)頻率和占空比滿足指紋采集單元電路100要求的阱電位調(diào)制信號(hào)，用于直接或間接驅(qū)動(dòng)手指指紋的形成。

指紋采集單元電路100還包括手指電容Cf、放大器102、反饋電容Cfb和開關(guān)S。所述放大器102，由n阱103和直流電流源107，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一105、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二106、偏置電壓Vb和電荷補(bǔ)償電容Cp構(gòu)成；圖2中nwell為n阱103，n阱103為放大器102中絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一105、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二106的獨(dú)立襯底。

手指電容Cf，由手指表面與頂層金屬兩個(gè)導(dǎo)電極板構(gòu)成，手指電容中間介質(zhì)層構(gòu)成材料包括但不限于芯片表面鈍化層、PI、molding材料、coating材料或陶瓷蓋板等常見介質(zhì)材料。

其中，電荷補(bǔ)償電容Cp的一端連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一105的柵極，一端連接所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一105的源極；偏置電壓Vb連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二106的柵極；直流電流源107連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二106的漏極。

反饋電容Cfb與開關(guān)S并聯(lián)，一端連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一105的柵極，一端連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二106的漏極；高壓脈沖信號(hào)VHS連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一105的源極；手指電容Cf連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管一105的柵極。反饋電容Cfb,其構(gòu)成方式包括但不限于由第二極板即頂層金屬與下層金屬的寄生電容構(gòu)成，電容值大小在10fF數(shù)量級(jí)；耦合電容Cc一端連接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管二106的漏極，一端連接輸出電路或后級(jí)接收放大電路101，用于將上級(jí)單元電路采集到的指紋小信號(hào)耦合到下一級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步處理；所述開關(guān)S用于復(fù)位。

圖2中Output Circuit電路為放大器的輸出電路或后級(jí)接收放大電路101，DAC為數(shù)模轉(zhuǎn)換器104。輸出電路或后級(jí)接收放大電路101的輸入端還通過(guò)直流補(bǔ)償電容Cdc耦合連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器104；直流補(bǔ)償電容Cdc，其構(gòu)成方式包括但不限于由第二極板與下層金屬的寄生電容構(gòu)成，電容值大小在1fF數(shù)量級(jí)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器104，產(chǎn)生合適的模擬量，用來(lái)調(diào)節(jié)電路的直流偏置。

圖2中放大器102為低噪聲放大器LNA。在該實(shí)施例中，采用高壓脈沖驅(qū)動(dòng)LNA中放大器件的襯底，放大器102處于線性放大工作區(qū)。

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路。電路的輸入信號(hào)是由高壓直流電源201產(chǎn)生的高壓直流信號(hào)(如20V)和電路的低壓直流電源(如3V)，輸入一組由指紋傳感器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)非交疊時(shí)鐘產(chǎn)生電路202，生成一組非交疊時(shí)鐘CLK和利用該組非交疊時(shí)鐘，電路對(duì)高壓20V直流信號(hào)和低壓3V直流信號(hào)分別進(jìn)行斬波，生成一個(gè)高電平為20V、低電平為3V，同時(shí)信號(hào)頻率和占空比滿足時(shí)序要求的阱電位調(diào)制信號(hào)。

高壓直流電源201，為集成在傳感器內(nèi)部的直流電源或外部直流電源。圖3中示出的直流電源為外部直流到直流轉(zhuǎn)換器。

在本實(shí)施例中，采用BCD工藝，通過(guò)外部DCDC芯片為傳感器提供一個(gè)高壓(如20V)，再通過(guò)阱電位調(diào)制電壓產(chǎn)生電路，產(chǎn)生一個(gè)高電平20V、低電平3V的高壓脈沖信號(hào)VHS。采用該高壓脈沖驅(qū)動(dòng)指紋采集單元電路的放大器102中的放大器件，通過(guò)放大器102和Cfb反饋電容，將高壓脈沖信號(hào)VHS與手指電容Cf鏡像到指紋單元電路輸出端，輸出電壓信號(hào)Vout。

根據(jù)電荷守恒原理，輸出信號(hào)為，

其中，Vout為所述指紋采集單元電路的輸出信號(hào)，VH為所述高壓脈沖信號(hào)VHS的高電平，VL為所述高壓脈沖信號(hào)VHS的低電平，Cf為手指電容，Cfb為反饋電容。

由公式(1)知道，指紋單元電路輸出電壓Vout與Cf成正相關(guān)，由于指紋脊表現(xiàn)的Cf大，指紋谷表現(xiàn)的Cf小，所以指紋脊對(duì)應(yīng)的Vout大，指紋谷對(duì)應(yīng)的Vout小。得到電路輸出的Vout以后，經(jīng)過(guò)后級(jí)電路的放大和ADC轉(zhuǎn)換，電路最終可以將指紋信息轉(zhuǎn)換成固定位數(shù)字量輸出。

本實(shí)用新型實(shí)施例的詳細(xì)描述和附圖只是用于說(shuō)明本實(shí)用新型，而不是限制由權(quán)利要求和其等價(jià)物定義的本實(shí)用新型的范圍。