[发明专利]电容指纹传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容传感器，尤其涉及一种可组成阵列对指纹进行成像的电容指纹传感器。

背景技术

通过测量指纹脊线谷线和平面传感电极阵列单元间形成耦合电容的大小差异来对指纹进行成像的技术，最早见于专利US4353056A（Simens,1980）。30多年来，基于测量耦合电容来对指纹进行成像的传感器技术不断被提出，涉足该领域的著名企业曾有Simens,AT&T Bell,Philips,Toshiba,ST,NEC,Motorola,Sharp,Intel,Epson等，风险企业不计其数。

绝大部分电容指纹传感器技术路线基于宏观电容传感器电路原型来建立。但是，传感器领域的技术规律决定了，电容传感器是电路与传感器方程的结合体，电路尺度和实现工艺决定了传感器方程中各参变量的取值范围和公差范围。大部分可使用宏观尺度电子元器件组成的技术方案，当替换为微尺度电子元器件，其灵敏度、噪声特性将发生恶化。进一步，电容指纹传感器，作为一种阵列传感器，还对单元间失配敏感，而这正是微尺度电子元器件相对于宏观尺度电子元器件难以控制的。同时，由于测量电路往往尺寸较大，导致阵列传感器一般设计为单通道，各单元分时复用测量电路。为保证一定的图像帧率，延长采样时间这个传感器设计中重要的提高信号增益的方法在阵列传感器设计中受到很大局限，对于点数较多的单通道阵列传感器甚至不可行。

这些技术条件制约导致只有极少数技术路线有走向商用化的潜力；不符合客观规律要求的技术路线则走向消亡。到2013年，有一定应用规模的电容指纹传感器共有3个技术类别：射频响应型，测量射频反射信号的幅度，代表为美国Authentec（US5828773A），2012年被Apple公司收购，最主要应用为Apple公司的iPhone5S；瞬态响应型，测量瞬态耦合的电平，代表为瑞典Fingerprint Cards（US20080069413A1），最主要应用为中国国有银行柜员系统；电荷转移型，代表为台湾Egistec（US7099497B2），最主要应用为Lenovo公司的ideaPad。其中前两者被业界称为主动式，后一者被称为被动式，其共同特征是：将电容量转换为电压量以进行测量。从传感器的分类来看，这归类为“C-V”型传感器。

近年来，在千万像素级CMOS光电传感器领域，为适应越来越大的图像点数要求，从单通道向多通道发展。所谓多通道阵列传感器，实际上就是多个独立的单通道阵列传感器在空间上的组合。考虑到实际电路布局的限制，由于测量电路从一个变成多个，必须大幅度减小测量尺寸。“V-T”型ADC是一种新型的模数转换器，相对于直接型ADC，其优点是在同等幅度分辨率要求下电路尺寸大大减小，其缺点是需要更长的采样保持时间。多通道CMOS传感器往往采用“V-T”转换器，并在通道数、采样保持时间、电路尺寸三者之间权衡，以确定最佳的设计方案。

成都微阵列电子有限责任公司于2012年申请的发明专利《电容式距离传感器》（公开号CN201210403271.2）中披露了一种新颖的“C-V-T”型电容式距离传感器。具体实现方法是，以指纹被测导体表面（目标电极），其与电容测量极板（传感电极）耦合形成的测量电容（目标电容）；被测导体表面（目标电极）到不同阵列单元的电容测量极板（传感电极）的距离有大有小，耦合形成的测量电容（目标电容）亦大小不同；电容耦合极板（驱动电极）受可编程电平生成器1（电平驱动器）驱动，使电容测量极板（传感电极）电位上升，上升程度因并联的测量电容（目标电容）大小不同而不同；参考电容（积分电容）先充满电荷然后向电平上升后的电容测量极板（传感电极）放电，因电容测量极板（传感电极）电位不同而放电程度不同；重复放电使参考电容（积分电容）电位持续下降，由于下降速率不同，通过可编程电平生成器2（参考电平）生成的阈值电平的时间不同，从而使比较器在不同时刻输出翻转；该比较器输出翻转的时间对应的放电次数即为电容式距离传感器的输出。

将该传感器的测量函数视为“S-C-V-T”，即，以指纹到传感电极的距离为自变量，以该时间向计数值作为的函数值，则该测量函数具备抗漂移、线性化的优势。结合该传感器技术方案在提高分辨率、抑制热噪声方面具备的天然优势，大大提高了最终性能表现。经流片验证，在同等工艺条件下技术水平高于2012年全球领先水平，但低于2013年全球领先水平，即iPhone5S所装载的Touch ID的技术水平。