指纹感测模块的制作方法

1.本公开内容涉及被配置成集成在装置中以用于对装置的用户进行生物特征认证的指纹感测模块，以及包括该指纹感测模块的装置基于用户的生物特征数据向用户显示信息的方法。


背景技术：

2.为了提高安全性和便利性，指纹传感器集成在不具有显示能力或以其他方式与用户通信的许多装置(例如锁、电子行李标签、智能卡等)中。这样的装置将受益于能够向用户给出关于认证成功的反馈或者基于成功认证向用户提供能够用于进一步安全访问的代码。
3.诸如智能卡的配备有指纹传感器和显示功能的装置将解决这个问题，并且允许集成到上述类型的装置中。此外，在智能信用卡的情况下，所关注的是能够提供指纹激活的动态卡验证值(cvv)码或卡验证码(cvc)，即，以规则的间隔新生成的cvv/cvc，以便防止无卡欺诈。
4.然而，这样的解决方案需要附加的部件并且因此需要相对大的空间，这在诸如智能卡的形体小的装置中通常是不可用的或者至少是不期望的。


技术实现要素：

5.一个目的是解决或至少减轻本领域中的这个问题，并且因此提供一种在装置上组合生物特征感测和信息显示的改进方法。
6.在第一方面中，通过指纹感测模块来实现该目的，该指纹感测模块被配置成集成在装置中，以用于对装置的用户进行生物特征认证。指纹感测模块包括指纹传感器和被配置成向用户显示信息的显示器。显示器包括像素元件，像素元件在显示器中被布置成使得像素元件不遮挡指纹传感器的感测区域，指纹传感器被配置成在该感测区域中检测用户的手指。
7.有利地，根据实施方式的指纹感测模块使得显示器能够与指纹传感器集成，这具有以下优点：在集成有该指纹感测模块的装置中以及在该装置(诸如智能卡)的表面上需要较少的空间。
8.此外，与使用单独的、非集成显示器相比，需要更少的部件。有利的是，在简化、产量损失降低、供应链复杂性等方面，要集成到智能卡/装置中的部件的数量减少具有很大的优点。
9.另一优点在于，所提供的解决方案解决了如下问题：特别地，通常用于与诸如智能卡的装置集成的电容指纹传感器对放置在指纹传感器的电容传感器元件上方的材料所引起的电容信号的干扰敏感。
10.因此，利用具有该指纹感测模块的解决方案，显示器的像素元件不直接位于传感器的传感器元件上方。
11.在实施方式中，指纹感测模块还包括基板，显示器布置在该基板上，基板还被配置
成具有开口，指纹传感器被布置成通过该开口突出，以与显示器接触。
12.在实施方式中，指纹感测模块还包括基板，显示器布置在该基板上，该基板由介电常数适合于传递电容指纹感测信号的介电材料(例如聚合物)构成，指纹传感器能够根据该电容指纹感测信号捕获用户的接触显示器的手指的生物特征数据。
13.在替选实施方式中，基板由光学透明度适合于传递光学指纹感测信号的材料或声阻抗适合于传递声学指纹感测信号的材料构成。
14.在实施方式中，显示器被布置成被丝网印刷在指纹感测模块的基板上。
15.在实施方式中，指纹感测模块的指纹传感器还包括至少一个连接点，该至少一个连接点被配置成将指纹传感器连接至指纹传感器集成在其中的装置。
16.在实施方式中，指纹感测模块的显示器还包括至少一个连接点，该至少一个连接点被配置成将显示器的像素元件连接至显示器集成在其中的装置。
17.在实施方式中，其中集成了指纹感测模块的装置是锁、电子行李标签或智能卡。
18.可以设想许多不同的应用，例如以下形式的智能家用电器：例如冰箱、用于咖啡机的个性化设置、用于微波炉的可定制设置、或物联网(iot)装置等。
19.在第二方面中，提供了一种包括根据第一方面的指纹感测模块的装置基于用户的生物特征数据向用户显示信息的方法。该方法包括：提取由指纹传感器捕获的用户的生物特征数据，将所提取的指纹特征数据与登记的生物特征数据进行比较，并且如果存在匹配，则基于所提取的生物特征数据生成信息，并且在指纹感测模块的显示器上显示所生成的信息。
20.有利地，利用第二方面的方法，基于用户的生物特征数据，可以由智能卡动态地生成诸如cvv码的码，并且将其显示给用户。
21.在实施方式中，在不存在匹配的情况下，不生成信息，并且该方法包括在指纹感测模块的显示器上显示指示不成功认证的信息。
22.在实施方式中，所生成的信息包括：基于生物特征数据的cvv码或cvc、针对用户的有关在登记或认证期间如何将其手指放置在指纹感测模块上的指令、或者关于利用装置(例如智能卡)的成功或不成功认证的信息。
23.在具有生物特征认证的传统智能卡中，在登记过程期间不可能引导用户。例如，可能期望在登记期间引导用户减慢或加速使手指重复地触摸传感器的过程、旋转手指、干燥手指、通知用户对于登记而言剩下的触摸次数等。
24.因此，指纹感测模块中的显示器提供了改进的且更加用户友好的登记过程，因为显示器可以用于在例如手指位置、手指旋转或传感器污染等方面引导用户进行登记。这可以提供更快的登记过程和/或更高质量的所登记的指纹表示。
25.在第三方面中，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括计算机可执行指令，当计算机可执行指令在装置中所包括的处理单元上执行时，计算机可执行指令用于使包括第一方面的指纹感测模块的装置执行在第二方面的方法中记载的步骤。
26.在第四方面中，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读介质，该计算机可读介质上体现根据第三方面的计算机程序。
27.下面将描述另外的实施方式。
28.通常，除非在本文中另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语将根据它们
在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”的所有引用都被开放地解释为指代该元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行。
附图说明
29.现在通过示例的方式，参照附图描述各个方面和实施方式，在附图中：
30.图1示意性地示出了智能卡，该智能卡包括可弯曲的主体和用于对使用智能卡执行的交易进行授权的生物特征传感器例如指纹传感器；
31.图2示出了用户将其手指放在其上的指纹传感器的放大视图；
32.图3示出了作为指纹感测系统的一部分的指纹传感器；
33.图4a示出了实施方式的指纹感测模块；
34.图4b示出了为了生物特征认证目的而布置在智能卡中的图4a的指纹感测模块；
35.图5a示出了为了生物特征认证目的而布置在智能卡中的实施方式的指纹感测模块；
36.图5b示出了为了生物特征认证目标而布置在智能卡中的另一实施方式的指纹感测模块；
37.图6a示意性地示出了仅在另一实施方式中的指纹感测模块；
38.图6b示意性地示出了仅在又一实施方式中的指纹感测模块；
39.图7示出了在实施方式中用户的手指接触显示器并且因此指纹传感器的感测区域布置在智能卡的显示器下方；
40.图8示出了流程图，该流程图示出了通过利用被配置成集成在智能卡中的指纹感测模块向用户显示信息的实施方式的方法；以及
41.图9是其中可以实现根据实施方式的指纹感测模块的指纹感测系统的一部分的示意性截面视图。
具体实施方式
42.现在将参照附图在下文中更全面地描述本公开内容的方面，在附图中示出了本发明的某些实施方式。
43.然而，这些方面可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限制。相反，这些实施方式是通过示例的方式提供的，以使得本公开内容是彻底和完整的，并且将本发明的所有方面的范围完全传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的数字表示相同的元件。
44.图1示意性地示出了智能卡100，其包括可弯曲的主体101和用于对使用智能卡100执行的交易进行授权的生物特征传感器102，例如指纹传感器。
45.图2示出了用户将其手指201放置到其上的指纹传感器102的稍微放大的视图。指纹传感器102被配置成包括多个感测元件。单个感测元件(也表示为像素)在图2中由附图标记202表示。
46.图3示出了作为指纹感测系统110的一部分的指纹传感器102。指纹感测系统110包
括指纹传感器102，以及用于控制指纹传感器102并且用于分析所捕获的指纹的处理单元103，例如微处理器。指纹感测系统110还可以包括存储器105。指纹感测系统110通常又形成智能卡100的一部分，如图1中所例示的。诸如一次性可编程(otp)存储器、闪速存储器或随机存取存储器(ram)的本地存储器108可以嵌入在传感器管芯(die)中。注意，指纹传感器102配备有数据处理能力，但是与处理单元103(通常称为主处理器)相比，在处理能力方面通常要弱的多。
47.现在，如前所述，假设智能卡100还设置有显示器(图1中未示出)，该显示器例如用于向用户显示动态生成的cvv码，则在智能卡100的外表面上以及在智能卡100内部需要更多的空间。
48.通过参照图4a和图4b示意性示出的实施方式的指纹感测模块120来克服上述问题，该指纹感测模块被配置成布置在诸如智能卡100的装置中以用于生物特征认证目的。
49.图4a是指纹感测模块120的示意性立体视图。在该实施方式中，指纹感测模块120是t形的，并且包括与电容指纹传感器102的感测区域无缝地集成并围绕该感测区域的显示器121。实际中，指纹传感器102包括布置在保护壳体结构中的传感器管芯像素矩阵104，该保护壳体结构通常称为包覆成型件(overmold)106。
50.图4b示出了t形指纹感测模块120在智能卡100中的组装。智能卡100包括具有与指纹感测模块120的t形相对应的倒t形的凹槽113。指纹感测模块120包括某种形式的连接垫126，以便与智能卡100的相应通孔连接件164形成电连接。可以例如使用导电粘合剂或导电焊接材料在通孔连接件164的位置处将指纹感测模块120附接至智能卡100。
51.有利地，利用图4a和图4b中所示的指纹感测模块120，在提供具有显示能力121的模块120的同时获得了非常紧凑的解决方案。
52.参照图5a示意性地示出了另一实施方式的指纹感测模块120，该指纹感测模块120被配置成布置在诸如智能卡100的装置中，以用于生物特征认证目的。指纹感测模块120包括通过有益的覆盖层而与电容指纹传感器102无缝地集成的显示器121(用虚线示出)。同样，指纹传感器102包括传感器管芯像素矩阵104，其布置在通常由塑料材料制成并且被例如玻璃、颜色涂层、抗指纹/疏水/疏油涂层等覆盖的包覆成型件106中，以用于传感器保护原因或者用于提供另外的功能。此外，指纹传感器102被放置在智能卡100内部的印刷电路板109(pcb)上。
53.进一步可以看出，t形指纹感测模块120布置在智能卡100的主体101的凹槽113中。显示器121的上平面可以从主体101的上外平面稍微突出，可以稍微嵌入到主体101中，或者可以与主体101的上外平面或多或少齐平(如图5a所示)。显示器121布置在指纹传感器102上方的基板111(例如pcb)上，该基板111被配置有开口，指纹传感器102通过该开口突出以与显示器121接触。由此，显示器121与指纹传感器102的感测区域接触。可以借助于粘合剂将显示器121附接至传感器102。
54.指纹感测模块120包括连接垫126，以与智能卡100的通孔连接件164形成电连接。可以例如使用导电粘合剂或导电焊接材料在通孔连接件164的位置处将指纹感测模块120附接至智能卡100。
55.此外，指纹管芯104经由接合线123(替选地甚至可以使用穿过第一基板109的硅通孔(tsv)连接件)电连接至第一基板109，而第一基板109经由另一接合线124连接至基板111
(并且进一步经由连接垫126连接至智能卡)。
56.显示器121的像素元件122布置在显示器内部，使得它们不遮挡指纹传感器102，或者至少不遮挡指纹传感器102的中心区域(称为感测区域)，在该中心区域处，指纹传感器以电容方式检测接触显示器121的上侧的用户手指201，并且因此形成与传感器102(即，管芯像素矩阵104正上方的区域)的电容接触。
57.有利地，根据参照图5a示意性示出的实施方式的指纹感测模块120使得显示器121能够与指纹传感器102集成，这具有在智能卡100的主体101上需要更少空间的优点。
58.另外的优点在于，所提供的解决方案解决了以下问题：通常用于与诸如智能卡的装置集成的电容指纹传感器对于放置在指纹传感器102的电容传感器元件202上方的材料所引起的电容信号的干扰敏感。
59.因此，利用具有图5a的指纹感测模块120的解决方案，显示器121的像素元件122不直接位于传感器102的电容传感器元件上方，即，不直接位于指纹感测区域上方。注意，适用于指纹感测的其他感测技术(例如光学和超声)也存在上述问题。
60.进一步参照图5a，在实施方式中，可以通过在基板111上丝网印刷(screen printing)显示器121来将显示器121布置在传感器102的顶部上。
61.在另一实施方式中，可以通过将显示器121丝网印刷在基板111上而将显示器121布置在传感器102的顶部上，该基板111可以是薄的柔性塑料基板。若是这样，则不需要将指纹传感器102布置在基板111的开口中。相反，指纹传感器102布置在基板111下方，基板111充当指纹传感器102的盖，而不干扰传感器信号。薄的柔性塑料基板111由介电常数适合于传递电容信号的介电聚合物材料构成，传感器102根据该电容信号捕获生物特征数据，并且该薄的柔性塑料基板可以是透明的或不透明的。
62.替选地，在利用光学感测或声学感测的情况下，基板111由光学透明度适合于传递光学指纹感测信号的材料构成，指纹传感器102能够根据该光学指纹感测信号捕获接触显示器121的用户手指的生物特征数据；或者基板111由声阻抗适合于传递声学光学指纹感测信号的材料构成，指纹传感器102能够根据该声学光学指纹感测信号捕获接触显示器121的用户手指的生物特征数据。
63.有利地，显示器121是柔性反射显示器，例如电子纸显示器或电致变色显示器。
64.图5b示出了参照图5a所示的实施方式的替选实施方式，其中显示器121具有开口112，用户将在该开口处插入其手指201以接触指纹传感器102的感测区域。因此，显示器121不一定被布置为传感器102顶上的盖。
65.图6a示出了另一实施方式，该另一实施方式示意性地仅示出了指纹感测模块120(未在智能卡100中实现)，其中可以利用任何适当的封装类型。这具有与先前描述的t形不同的形状因子(form factor)，并且以与t形模块(被插入倒t形凹槽中)类似的方式被插入到智能卡的矩形凹槽中。在该实施方式中，连接点124a、连接点124b——即，用于将电信号携载到电子部件(诸如电源和/或实现指纹感测模块120的装置所托管的图3的微处理器103)的端子——被布置在模块120的底侧上，以将指纹传感器信号传输至微处理器103以用于认证用户。
66.此外，另外两个连接点124c、124d连接至显示器121的底侧，所述底侧例如由保护覆盖膜来体现，该保护覆盖膜包括不遮挡指纹传感器102的感测区域的像素元件121。显示
器121的两个连接点124c、124d还连接至例如用于控制显示器121的像素元件122的主机装置的微处理器103。例如，显示器121可以由微处理器控制，以通知用户需要进一步登记其指纹，通知用户成功认证，或者显示新生成的动态cvc。
67.图6b示出了指纹传感器，该指纹传感器包括传感器管芯104以及与显示器121设置在同一水平上的薄的包覆成型件106。同样，连接点124c、连接点124d被布置成向/从布置有模块120的装置携载显示器121和传感器管芯104的信号。
68.图7示出了用户使其手指201接触智能卡100的指纹传感器102的感测区域。用户的手指201可以使用例如电容、超声或光学感测来建立与指纹传感器102的感测接触。
69.图8示出了通过利用指纹感测模块120向用户显示信息的方法的流程图，该指纹感测模块120根据上文描述的实施方式被配置为集成在诸如智能卡100的装置中。
70.在该实施方式中，在步骤s101中，指纹传感器102，或者更确切地说微处理器103，经由两个连接点124c、124d从接触显示器121和传感器102的手指201提取生物特征数据。因此，指纹传感器102捕获接触感测区域的手指的图像，并且微处理器103从图像中提取生物特征数据。
71.在步骤s102中，微处理器103将所提取的生物特征数据与存储在存储器105中的一个或更多个先前登记的生物特征数据模板进行比较，如果匹配，则成功地认证了用户。
72.在成功认证时，在步骤s103中，处理器103利用所提取的生物特征数据生成cvv码，该cvv码将被用户使用以执行例如因特网交易。例如，可以利用所提取的生物特征数据或该数据的子集作为用于生成cvv码的种子，使用随机值生成器来生成cvv码。
73.如果在步骤s102中没有成功地认证用户，则不生成cvv码。而是可选地设想：在步骤s105中，微处理器103在显示器121上向用户显示用于指示用户未被认证的信息，例如“x”或甚至闪烁的“x”。
74.在该特定示例性实施方式中，在步骤s102中，成功地认证了用户，并且通过使微处理器103经由连接至显示器121的底侧的两个连接点124c、124d中的一个或两个向显示器121和像素元件122提供cvv码，在步骤s103中生成的新cvv码是在步骤s104中在智能卡100的显示器121上向用户显示的“612”。
75.如所理解的，新生成的cvv码“612”从智能卡100传输至与用户进行因特网交易的一方，使得该方可以验证在交易期间由用户提供的cvv码的正确性。此外，如已经讨论的，可以在显示器121上向用户显示任何有用的和适当的信息，例如针对用户的有关在用户指纹的登记期间将其手指放置在传感器的感测区域上的指令。
76.在具有生物特征认证的传统智能卡中，在登记过程期间不可能引导用户。例如，可能期望在登记期间引导用户减慢或加速使手指重复地触摸传感器的过程、旋转手指、干燥手指、通知用户对于登记而言剩下的触摸次数等。
77.因此，指纹感测模块120中的显示器121提供了改进的且更为用户友好的登记过程，因为显示器121可以用于在例如手指位置、手指旋转或传感器污染等方面引导用户进行登记。这可以提供更快的登记过程和/或更高质量的所登记的指纹表示。因此，可以经由显示器121向用户提供任何有用的登记指令。
78.再次参照图8，由在装置100中实现的装置100指纹感测系统110执行的方法的步骤在实际中由处理单元103执行，该处理单元103体现为一个或更多个微处理器的形式，所述
微处理器被布置成执行下载到与微处理器相关联的存储介质105的计算机程序107，所述存储介质例如是随机存取存储器(ram)、闪速存储器或硬盘驱动器。处理单元103被布置成：当包括计算机可执行指令的适当计算机程序107被下载到存储介质105并且由处理单元103执行时，使装置100执行根据实施方式的方法。存储介质105还可以是包括计算机程序107的计算机程序产品。替选地，可以借助于合适的计算机程序产品(例如数字多功能盘(dvd)或记忆棒)将计算机程序107传送到存储介质105。作为另一替选方案，可以通过网络将计算机程序107下载到存储介质105。处理单元103可以替选地以数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、复杂可编程逻辑器件(cpld)等的形式来实现。还应当理解，借助于处理单元103提供的功能中的全部或一些部分可以至少部分地与指纹传感器102集成。
79.在本领域中，大多数指纹感测模块包括在指纹感测模块的顶上的边框(bezel)，以将接触传感器的用户的手指接地。在这样的模块中，由于布置在传感器的顶上的接地边框，难以也实现显示功能。
80.因此，根据实施方式的指纹感测模块120可以有利地使用所谓的摆动像素(swinging pixel)技术来实现，其中不利用边框。参照图9来说明这样的技术。
81.图9是指纹检测系统的一部分的示意性截面图，并且手指7放置在测量装置13的顶上。测量装置13包括多个测量元件9a至9c。
82.如图9中示意性地示出的，每个测量元件9a至9c(附图标记仅指示测量元件中的一个，以避免使附图混乱)包括保护性电介质顶层5、保护性电介质顶层5下面的导电指状电极(finger electrode)19、电荷放大器21、选择电路(此处功能性地示出为简单的选择开关23，用于允许从测量元件9a至9c获取感测信号)、以及用于可控地向指状电极19提供所选择的电位(恒定的或随时间变化的)的指状电极电位提供电路25，如将在下面更详细地描述的。
83.电荷放大器21包括至少一个放大级，此处示意性地示出为运算放大器(op amp)27，其具有连接至指状电极19的第一输入端(负输入端)29、连接至指状电极电位提供电路25的第二输入端(正输入端)31、以及输出端33。另外，电荷放大器21包括连接在第一输入端29与输出端33之间的反馈电容器35、以及复位电路，该复位电路在此处被功能性地示为开关37，以用于允许反馈电容器35的可控放电。通过操作复位电路37以使反馈电容器35放电，可以将电荷放大器21复位。
84.作为运算放大器27的常见情况，第一输入端29处的电位跟随施加到第二输入端31的电位。根据特定的放大器配置，第一输入端29处的电位可以与第二输入端31处的电位基本相同，或者第一输入端29处的电位与第二输入端31处的电位之间可以有基本固定的偏移。
85.使用指状电极电位提供电路25，可以向指状电极提供期望的电位，该期望的电位可以是相对于参考电位随时间变化的或者基本上恒定的。
86.例如，指状电极电位提供电路25可以被实现为多个可控开关，用于可控地将第二输入端31连接至所选择的电压线，该所选择的电压线携载要被提供给指状电极的期望电位。替选地，指状电极电位提供电路可以直接连接至指状电极19，以直接向指状电极提供期望的电位。
87.通过控制指状电极电位提供电路25，指状电极19因此可以根据特定测量元件9的期望功能而被提供以所选择的电位，如将在下面进一步更详细地描述的。
88.当给定的测量元件——即图9中的中心测量元件9b——要用作为下述感测测量元件时，可以将中心测量元件9b的指状电极电位提供电路25控制成向第二输入端31提供相对于传感器接地电位基本上恒定的感测指状电极电位：所述感测测量元件能够提供感测信号，所述感测信号指示所述感测测量元件的指状电极与另一测量元件的指状电极之间的电容耦合(即，相邻测量元件9a、9c中的任一个或两个)。同时，然后可以将相邻测量元件9a、9c的指状电极电位提供电路控制成向相邻测量元件9a、9c的第二输入端提供不同的感测指状电极电位。这种不同的感测指状电极电位可以相对于传感器接地电位随时间变化。
89.在图9中，手指7被示意性地表示为“接地”。应当理解，手指“地”可以不同于传感器地。例如，手指7可以处于包括有指纹感测系统3的电子装置的地电位。替选地，可以认为身体具有如此大的电“质量”，以致当指状电极19的电位变化时，手指的电位基本上保持恒定。
90.感测测量元件9b的指状电极19与相邻测量元件9a、9c的指状电极之间的电位差的上述变化在电荷放大器21的输出端33上产生感测信号vs。
91.当所指示的感测元件9b因此被控制作为感测测量元件时，选择开关23闭合，以将电荷放大器21的输出端33连接至读出线39。读出线39可以是用于2d测量装置13的行或列的公共读出线，读出线39在图9中被示为连接至复用器41。如图9中示意性地示出的，从测量装置13的其他行/列提供感测信号的附加读出线也连接至复用器41。
92.采样保持电路43对来自感测测量元件9b的感测信号vs进行解调。采样保持电路43的输出端连接至模数转换器45，模数转换器45用于将由采样保持电路输出的模拟dc电压信号转换为每个所选择的感测测量元件9b的测量值的数字表示。
93.通过使用图9中所示的结构来实现根据实施方式的指纹感测模块，其中显示器121布置在指纹传感器102的顶上，使得显示器121的像素元件122不遮挡指纹传感器102的感测区域，即由感测元件202形成的区域，由于不需要接地边框，因此可以利用围绕传感器的空间来向用户显示信息。
94.以上已经参考几个实施方式及其示例主要描述了本公开内容的各方面。然而，本领域技术人员容易理解的是，除了上面公开的实施方式之外的其他实施方式同样可以在本发明的范围内，如所附专利权利要求所限定的。
95.因此，虽然本文已经公开了各种方面和实施方式，但是其他方面和实施方式对于本领域技术人员将是明显的。在由所附权利要求指示真实范围和精神的情况下，本文公开的各个方面和实施方式是为了说明的目的，而不是旨在限制。