技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电容式感测单元、电容式影像传感器及两者的操作方法，特别是一种涉及具有噪讯降低特色的电容式感测单元、电容式影像传感器及两者的操作方法。
背景技术
[0002] 为了安全目的，许多人类的生理特征用于人员识别，诸如指纹、
视网膜、虹膜、DNA，甚至是脸部特征。在能够区分人的某些生理特征的所有设备中，指纹辨识器具有最低的成本和复杂性，而且指纹辨识器的识别结果一般来说都不错。另外，存储一个指纹细节所需的数据大小很小(由120位到2K位)，这使得指纹辨识设备广泛用于许多应用中。
[0003] 对于指纹获取感测技术来说，也存在许多种的形式，最流行的是光学式和电容式感测技术。光学式指纹感测模
块利用来自
手指表面的反射光强度来探知手指
接触部位的脊部与谷部在何处。光学式技术的优点是可靠性和低成本。但是，由于嵌入式
光学透镜的尺寸的限制，光学式指纹感测模块的形状因子不能维持在较小的状态，光学式传感器难以嵌入便携式设备中。另一方面，电容式指纹辨识模块由
硅芯片制成，可以制作地非常轻小。在某些例子中，当一个指纹影像可以通过滑动扫描而取得，所述指纹传感器就可以做的更薄更小。电容式指纹辨识模块的小形状因子使得它适合可携式应用，比如
访问控制臂章、
银行卡、手机、平板计算机、USB接收器等。
[0004] 电容式指纹传感器是基于两个平行导电板的电容与它们之间的距离成反比的原理。一电容式指纹传感器包括一数组的感测单元，每一感测单元包括一感测
电极。通过使用所述感测电极作为二平板式电容器的其中一板，而手指表皮作为另一板，指纹的脊部与谷部能由测量不同的电容而
定位。有许多关于电容式指纹辨识模块的前案，其中多数用以应用于制造指纹传感器。但是，还有许多问题需要解决，其中之一是传感组件的
精度。
[0005] 由于高
密度的性质，流行的电容式指纹传感器主要是用
半导体工艺制造的。美国
专利第7,864,992号提供了一种电容式指纹感测装置。所述发明通过围绕传感器数组的导电驱动结构将一驱动讯号注入到手指中，并
测量传感器数组中感测结构对应的电荷的变化以取得指纹影像。虽然美国专利第7,864,992号的电容式指纹感测装置提供指纹影像
质量及传感器保护的优秀组合，但是在某些应用中，希望能够在不使用独立的导电驱动结构的情况下获得高质量的指纹影像。因此，需要一种创新具有噪讯降低特色的电容式
像素感测组件，及一种由所述像素感测组件制成的创新的电容式指纹传感器。
发明内容
[0006] 本段文字提取和编译本发明的某些特点。其它特点将被揭露在后续段落中。其目的在涵盖附加的
申请专利范围的精神和范围中，各式的
修改和类似的排列。
[0007] 为了满足上述需求，本发明提供一种电容式感测单元。所述电容式感测单元包括：一感测板；一第一
偏压源，用于提供一第一偏压；一第二偏压源，用于提供一第二偏压；一
开关单元，连接于所述二偏压源与所述感测板之间，用于选择性提供所述偏压之一给所述感测板；一激发
信号源，用于提供一二阶
波形的一激发信号；一参考电容器，形成在所述激发信号源与所述感测板间，用于注入所述激发信号至所述感测板；及一
电压随耦器，用于提供感测结果，其中所述电压随耦器的一输入
节点连接到所述感测板。所述第一偏压在一第一重设阶段提供至所述感测板。所述第二偏压在一第二重设阶段提供至所述感测板；第一偏压与第二偏压二者都在感测阶段被移除。一第一电压偏移在一第一感测阶段由所述激发信号源经所述参考电容器提供至所述感测板。一第二电压偏移在一第二感测阶段由所述激发信号源经所述参考电容器提供至所述感测板。所述电容式感测单元的一噪讯降低值由计算所述第一感测阶段与所述第二感测阶段之间的电压差值获得。
[0008] 在其中一个
实施例中，所述电容式感测单元可进一步包括一取样存储
电路，用于获取及存储一输入电压讯号，其中所述取样存储电路包括：一第一电荷
存储电容器，用于获取及存储一第一输出电位，其中所述第一电荷存储电容器的一节点连接到接地；一第二电荷存储电容器，用于获取及存储一第二输出电位，其中所述第二电荷存储电容器的一节点连接到接地；及一选择开关，用于在所述第一电荷存储电容器与第二电荷存储电容器之间选择输出目标。
[0009] 在其中一个实施例中，所述电容式感测单元可进一步包括一信号调节电路，用于放大所述第一输出电位与所述第二输出电位间的电压差值，其中所述信号调节电路包括：一
差分放大器，具有连接到所述第一电荷存储电容器的一第一输入节点，及连接到所述第二电荷存储电容的一第二输入节点器，用于产生一电压输出，所述电压输出正比于所述第一输出电位与所述第二输出电位之间的差值。
[0010] 在其中一个实施例中，所述电容式感测单元可进一步包括一模拟数字转换器，具有连接至所述
差分放大器的一
输出节点的一输入节点，用于数字化所述差分放大器的一
输出电压，及产生一二进制值，所述二进制值代表所述输出电压的
水平。
[0011] 在其中一个实施例中，所述开关单元包括：
[0012] 一第一偏压开关，用于把来自所述第一偏压源的所述第一偏压选择性提供到所述感测板；及
[0013] 一第二偏压开关，用于把来自所述第二偏压源的所述第二偏压选择性提供到所述感测板。
[0014] 一种电容式影像传感器，包括多个所述的电容式感测单元。
[0015] 一种用于操作包括所述电容式感测单元的电容式影像传感器的方法，包括步骤：
[0016] a)为每一像素依序收集在对应正波形与负波形下获得的所述噪讯降低值；
[0017] b)将所述噪讯降低值转换为数字化噪讯降低值；及
[0018] c)将所述数字化噪讯降低数值映射到对应的电容式感测单元的
位置。
[0019] 一种用于操作所述的电容式感测单元的方法，包括步骤：
[0020] a)关闭所有开关；
[0021] b)设定所述激发信号源为高电位，并开启所述第一偏压开关；
[0022] c)关闭所述第一偏压开关使得所述感测板浮动；
[0023] d)设定所述激发信号源为低电位；
[0024] e)对所述第一电荷存储电容器充电至一第一输出电位；
[0025] f)由所述第一电荷存储电容器保持所述第一输出电位；
[0026] g)将所述激发信号源维持在低电位，并开启所述第二偏压开关以将所述感测板充电至所述第二偏压；
[0027] h)关闭所述第二偏压开关使得所述感测板浮动；
[0028] i)设定所述激发信号源为高电位；
[0029] j)对所述第二电荷存储电容器充电至一第二输出电位；
[0030] k)由所述第二电荷存储电容器保持所述第二输出电位；及
[0031] l)由所述差分放大器产生一输出，所述输出正比于所述第一输出电位与所述第二输出电位之间的差值。
[0032] 在其中一个实施例中，所述的电容式感测单元进一步包括一控制与输出输入电路，用于处理操作时序与使用所述电容式感测单元的一电容式影像传感器的数据输入与输出，其中所述控制与输出输入电路包括：
[0033] 一控制与时序逻辑单元，用于控制所述电容式感测单元的所有开关；及[0034] 一缓冲与输入输出单元，连接至所述模拟数字转换器的一输出节点，用于接收所述模拟数字转换器的输出数据，及储存所述数据到一缓冲中，并接着于一适合时间送出所述数据。
[0035] 一种电容式影像传感器，包括多个所述的电容式感测单元。
[0036] 一种用于操作所述的电容式感测单元的方法，包括步骤：
[0037] a)设定所述激发信号源为高电位，并将所述感测板充电至所述第一偏压；
[0038] b)停止供应所述第一偏压，以使得所述感测板浮动；
[0039] c)设定所述激发信号源为低电位；
[0040] d)存储一第一输出电位；
[0041] e)将所述激发信号源维持在低电位，并将所述感测板充电至所述第二偏压；
[0042] f)停止供应所述第二偏压，以使得所述感测板浮动；
[0043] g)设定所述激发信号源为高电位；
[0044] h)存储一第二输出电位；及
[0045] i)由所述差分放大器产生一输出，所述输出正比于所述第一输出电位与所述第二输出电位间的差值。
附图说明
[0046] 图1为本发明一个实施例提供的一种电容式影像传感器的示意图。
[0047] 图2为沿图1A-A’线电容式影像传感器的一部分的截面示意图。
[0048] 图3为本发明一个实施例提供的一电容式影像传感器的一电容式感测单元(一像素)的等效电路。
[0049] 图4为本发明一个实施例提供的电容式影像传感器的典型实施的示意图。
[0050] 图5为本发明一个实施例提供的取样存储电路的另一种架构，以及差分放大器与取样存储电路之间连接的架构。
[0051] 图6为本发明一个实施例提供的操作电容式影像传感器中一电容式感测单元的步骤的
流程图。
[0052] 附图标号说明：
[0053] 10 电容式影像传感器
[0055] 13 保护层
[0056] 14 主动半导体电路
[0057] 15 隔离层
[0059] 40 电源的接触垫
[0060] 100 电容式感测单元
[0061] 101 开关单元
[0062] 102 第一偏压源
[0063] 103 第二偏压源
[0064] 110 感测板
[0065] 120 第一偏压开关
[0066] 130 第二偏压开关
[0067] 140 电压随耦器
[0068] 150 参考电容器
[0069] 160 激发信号源
[0070] 170 寄生电容器
[0071] 200 取样存储电路
[0072] 210 第一取样开关
[0073] 220 第一电荷存储电容器
[0074] 230 第二取样开关
[0075] 240 第二电荷存储电容器
[0076] 300 信号调节电路
[0077] 310 差分放大器
[0078] 311 第一输入节点
[0079] 312 第二输入节点
[0080] 320 模拟数字转换器
[0081] 400 控制与输出输入电路
[0082] 410 控制与时序逻辑单元
[0083] 420 缓冲与输入输出单元
[0084] 500 手指
[0085] 501 脊部
[0086] 502 谷部
[0087] 510 手指电容
[0088] 600 列开关
[0089] 700 行开关
[0090] 800 取样存储电路
[0091] 850 电压随耦器
[0092] 850a 电压随耦器
[0093] 850b 电压随耦器
[0094] 860 行选择开关
[0095] 860a 行选择开关
[0096] 860b 行选择开关
具体实施方式
[0097] 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一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0098] 请参见图1，图1为本发明一个实施例提供的使用电容式感测单元的一电容式影像传感器10(芯片)的示意图。电容式影像传感器10用来描绘一手指500表面的脊部与谷部，进一步转换结果为所述指纹的噪讯降低指纹影像。电容式影像传感器10包括一数组的电容式感测单元100、多个电源的接触垫40，及输入/输出接口的多个接触垫30。来自每一电容式感测单元100的输出代表指纹影像的一个对应的像素。
[0099] 图2为沿第1图A-A’线电容式影像传感器10的一部分的截面示意图，一保护层13位于电容式影像传感器10上表面及一指尖500放置于所述保护层13上。保护层13可以由玻璃、蓝
宝石、环
氧化合物或涂料所制成。电容式影像传感器10包括一半导体基板12。所述电容式感测单元100数组形成在所述半导体基板12上。手指500的表面包括接触保护层13的脊部501，与离开保护层13的谷部502。每一电容式感测单元100可以用来转换接近手指500表面的一部分与其上表面间的距离为一输出电位。图2中包括3个电容式感测单元100，其中一个电容式感测单元100被虚线框包围。每一电容式感测单元100包括一感测板110。在所述感测板110下方为主动半导体电路14。所述主动半导体电路14由斜线区域示意性地显示于图2中。至少形成一绝缘层15以包覆所述感测电极110，以彼此隔绝所述感测板110。所述主动半导体电路14的细节将在后面的段落中进行描述。
[0100] 请参阅图3，所述图3为本发明一个实施例提供的具有一电容式感测单元100(一像素)的电容式影像传感器10的等效电路。所述电容式影像传感器10包括一电容式感测单元100(以虚线框包围)、一取样存储电路200(以点线框包围)、一信号调节电路300(以双虚线框包围)，及一控制与输出输入电路400(以双点线框包围)。电容式影像传感器10中可以有更多的电容式感测单元100、取样存储电路200及信号调节电路300。为了方便说明起见，仅使用一个电容式感测单元100来说明。以下将详细描述每个电路。
[0101] 电容式感测单元100为电路与金属/绝缘子结构的组合，用于感测手指500的小区域中的微小电容差异，以产生一个对应电压输出。电容式感测单元100包括一感测板110、一开关单元101(以斜线点框包围)、一第一偏压源102、一第二偏压源103、一电压随耦器140、一参考电容器150，及一激发信号源160。一寄生电容器170代表感测板110与电容式感测单元100的其它未连接到所述感测板110部分之间的寄生电容总和。寄生电容的值，以Cp表示，可包括电压随耦器140的寄生输入电容、开关单元101的漏极-体极电容，或以一节点连接到所述感测板110的任何装置的杂散电容。当手指500接近所述电容式感测单元100时，一手指电容510，以Cf表示，形成在所述手指500和所述电容式感测单元100之间。感测电极110是电容式感测单元100上方侧的一个金属板，用于形成平行板电容器的一侧。此处，平行板电容器是一个等效电容器，代表手指电容510。平行板电容器的另一侧是手指500的表面，为人体的一部分。人体考虑与大地等电位，或以低阻抗连接至大地。开关单元101用于选择性提供偏压到感测板110。感测板110的电位在一重设阶段设定为第一偏压或第二偏压，并在一感测阶段为设为浮动(也就是说，第一偏压与第二偏压供应都被移除)。在本实施例中，所述开关单元101可包括一第一偏压开关120与一第二偏压开关130。第一偏压开关120是一个MOS装置，连接于第一偏压源102与感测板110之间。当第一偏压开关120开启时，第一偏压，以Vbias1表示，从所述第一偏压源102提供到感测板110；当第一偏压开关120关闭时，停止提供第一偏压。在本实施例中，第一偏压是一个2.5V定压参考。第二偏压开关130是另一个MOS装置，连接于第二偏压源103与感测板110之间。当第二偏压开关130开启时，第二偏压，以Vbias2表示，从所述第二偏压源103提供至感测板110；当第二偏压开关130关闭时，停止提供第二偏压。第二在本实施例中，第二偏压是一个0.7V定压参考。多个电容式感测单元100可分享相同的第一偏压源102与相同的第二偏压源103。电压随耦器140是一个电路装置，具有输入与
输出信号，输出信号跟随
输入信号。通常，电压随耦器实现为单位增益放大器。电压随耦器140的输入节点连接到所述感测板110、第一偏压开关120、第二偏压开关130及参考电容器150的一端，用于提供感测结果。激发信号源160是一个低阻抗电压源，用于提供一二阶波形(一正波形或一负波形)，作为一激发信号。参考电容器150形成于激发信号源160与感测板110之间，参考电容器150用来将所述激发信号注入到感测板110。
[0102] 图3中的取样存储电路200用来获取及存储输入电压讯号。取样存储电路200包括一第一取样开关210、一第一电荷存储电容器220、一第二取样开关230，及一第二电荷存储电容器240。第一取样开关210位于电压随耦器140的输出节点与第一电荷存储电容器220之间，是一个MOS装置，用作连接电压随耦器140输出到第一电荷存储电容器220的开关。第一电荷存储电容器220是一个电容器，用来获取及存储经由第一取样开关210，来自电压随耦器140的一第一输出电位(以V1表示)。第一电荷存储电容器220的一节点连接到第一取样开关210，另一节点连接到接地。第二取样开关230形成于电压随耦器140的输出节点与第二电荷存储电容器240之间，是一个MOS装置，用作连接电压随耦器140输出到第二电荷存储电容器240的开关。第二电荷存储电容器240是一个电容器，用来获取及存储经由第二取样开关230，来自电压随耦器140的一第二输出电位(以V2表示)。第二电荷存储电容器240的一节点连接到第二取样开关230，另一节点连接到接地。第一取样开关210与第二取样开关230一起工作作为一选取开关，供电压随耦器140选择输出对象(第一电荷存储电容器或第二电荷存储电容器)。在本实施例中，取样存储电路200在一对应的正波形或负波形下，存储至少一第一输出电位与第二输出电位。
[0103] 信号调节电路300是一个放大第一输出电位与第二输出电位间电压差量的电路，可能具有电压准位移位器，并接着转换结果为一数字化数值。信号调节电路300包括一差分放大器310与一模拟数字转换器320。差分放大器310的一第一输入节点311连接到第一电荷存储电容器220与第一取样开关210，差分放大器310的一第二输入节点312连接到第二电荷存储电容器240与第二取样开关230，差分放大器310的一输入节点连接到模拟数字转换器320的一输入节点。差分放大器310是一个放大器，用来产生一个电压输出，所述电压输出与第一输出电位及第二输出电位间的差量成正比。模拟数字转换器320转换差分放大器310的输出电位并产生一二进制值，所述二进制值代表电位水平。
[0104] 控制与输出输入电路400是处理电容式影像传感器10的时序与数据输入输出的电路。控制与输出输入电路400包括一控制与时序逻辑单元410及一缓冲与输入输出单元420。控制与时序逻辑单元410控制电容式影像传感器10中所有的开关。缓冲与输入输出单元420接收模拟数字转换器320的输出数据并储存所述数据到一缓冲中，接着在适当时间送出所述数据。
[0105] 请参阅图4，所述图4为本发明一个实施例提供的电容式影像传感器10的典型实施的示意图。电容式影像传感器10包括一二维数组的电容式感测单元100及数个取样存储电路200。在图4中，其它的电路没有绘出。所述二维数组的电容式感测单元100以一逐列序列启用。相同行中的电容式感测单元100透过各别列选择讯号分享相同输出线路，一列由对应的列选择讯号在一个时间点上启用。列选择讯号由列开关600控制，每一行输出线路连接一个分享的取样存储电路200及一个差分放大器310。差分放大器310的输出透过一组行选择讯号，多任务至一单一输出信号。行选择讯号由行开关700控制。一次只启动行选择信号之一，以允许差分放大器310的输出依序发送到信号调节电路300中的模拟数字转换器320。
[0106] 请参阅图5，图5为本发明一个实施例提供的一取样存储电路的另一种架构，以及差分放大器310与一取样存储电路800间连接的架构。取样存储电路800可透过额外的电压随耦器850，及位于电荷存储电容器与差分放大器310之间的行选择开关860，来共享相同的差分放大器310。例如，一电压随耦器850a与一行选择开关860a位于第一电荷存储电容器220与差分放大器310之间，一电压随耦器850b与一行选择开关860b位于第二电荷存储电容器240与差分放大器310之间。
[0107] 本发明也提供一种用来操作电容式感测单元100的方法。请参阅图6，所述图6为本发明一个实施例提供的操作电容式影像传感器10中电容式感测单元100的步骤的流程图，其步骤为：
[0108] (S01)在本方法的开始，关闭所有开关，包括第一偏压开关120、第二偏压开关130、第一取样开关210，及第二取样开关220；
[0109] (S02)设定激发信号源160为高电位(3V)，并开启第一偏压开关120以将感测板110充电至第一偏压(2.5V)；
[0110] (S03)关闭第一偏压开关120使得感测板110浮动；
[0111] (S04)设定激发信号源160为低电位(0V)；
[0112] (S05)开启第一取样开关210，对第一电荷存储电容器220充电至一第一输出电位V1，所述第一输出电位与感测板110的电位相同；
[0113] (S06)关闭第一取样开关210，由第一电荷存储电容器220保持第一输出电位；
[0114] (S07)将激发信号源160维持在低电位(0V)，并开启第二偏压开关130以将感测板110充电至第二偏压(0.7V)；
[0115] (S08)关闭第二偏压开关130使得感测板110浮动；
[0116] (S09)设定激发信号源160为高电位(3V)；
[0117] (S10)开启第二取样开关230，对第二电荷存储电容器240充电至一第二输出电位V2，所述第一输出电位与感测板110的电位相同；
[0118] (S11)关闭第二取样开关230，由第二电荷存储电容器240保持第二输出电位；及[0119] (S12)由差分放大器310产生一输出，所述输出正比于所述第一输出电位与所述第二输出电位间的差值。
[0120] 步骤S02到步骤S03为一第一重设阶段，步骤S04到步骤S06为一第一感测阶段。在第一感测阶段中，对应第一偏压且对应激发信号的第一电压改变的第一输出电位由取样存储电路200所存储。也就是说，在第一感测阶段，一第一电压偏移由激发信号源160，经参考电容器150提供至感测板110。步骤S07到步骤S08为一第二重设阶段，步骤S09到步骤S11为一第二感测阶段。在第二感测阶段中，对应第二偏压且对应激发信号的第二电压改变的第二输出电位由取样存储电路200所存储。换句话说，在第二感测阶段，一第二电压偏移由激发信号源160，经参考电容器150提供至感测板110。在步骤S12中，差分放大器310的输出电位为电容式感测单元100的噪讯降低值，这将在下方说明。一般来说，电容式感测单元100的噪讯降低值可由计算第一感测阶段与第二感测阶段间的一电压差值获得。可有额外的步骤来转换来自所述些电容式感测单元100的输出电位为数字化影像，所述步骤为：
[0121] (S13)为每一像素依序收集在对应正波形与负波形下获得的所述噪讯降低值；
[0122] (S14)将所述噪讯降低值转换为数字化噪讯降低值；及
[0123] (S15)将所述数字化噪讯降低数值映射到对应的电容式感测单元的位置。
[0124] 为了更好的理解，结果分析如下所示。在步骤S04之后，感测板110的电位应为[0125] 此处，Cf是手指电容510的值，Cp是寄生电容器170的值，Cr是参考电容器150的值，ΔVin1是由 激发信号源提供的电位改变。在步骤S05之后，第一输出电位可以由
来表示。此处，N是由电压随
耦器电路造成的固定模式噪讯，Gf是电压随耦器的增益因子，通常小于1。在步骤S09之后，感测板110的电位应为
[0126] 在步骤S10之后，第二输出电位可以由
[0127] 来表示。在最后步骤S12中，差分放大器310的输出可以由
[0128] 来 表示。此处，g是差分放大器的增益因子。在本方法中，固定模式噪讯被抵消掉。
[0129] 可以注意到的是，差分放大器的输入电压应该在大约相同电位水平，以避免不必要的偏移。通过具有设计参数将Cr设为 可以达成避免偏移的要求。当满足此条件时，可观察到当Cf＝0时，V1＝V2。
[0130] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，但是，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本
说明书记载的范围。
[0131] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附
权利要求为准。
