感测器装置的制作方法

1.本公开整体上涉及一种玻璃内生物特征感测器，并且更具体地说，尤其涉及一种玻璃内指纹感测器的感测器装置。


背景技术：

2.在现今，如ic卡、智能手机、笔记本电脑等移动设备的便利给我们带来了更好的生活，但同时也带来了隐私威胁。这些移动设备越普及，人身安全问题就越重要。因此，对用户身份验证的需求变得越来越重要。一些生物特征，如指纹、掌纹、指静脉、虹膜和声纹等，已经在用户认证中得到广泛应用。由于低成本、易整合和高可靠性的特性，指纹感测器得到了广泛的发展。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种感测器装置，以解决上述至少一个问题。
4.根据本发明实施例，提供了一种装置。该感测器装置包含一生物特征感测器，该生物特征感测器包含一基板和位于该基板上方的多个感测电极。该感测器装置还包含一放大器，其电气耦接该生物特征感测器并且经配置以根据于该生物特征感测器接收到的一触控事件而提供一输出信号。该感测器装置还包含位于该放大器和该多个感测电极之间的一界面电路。
5.在一些实施例中，该生物特征感测器是一触控式生物特征感测器。
6.在一些实施例中，该生物特征感测器包含一基板，其由玻璃、石英或氧化硅制成。
7.在一些实施例中，该感测器装置进一步包含一显示器，其位于该生物特征感测器下方，其中该基板对该显示器发射的光是透明的。
8.在一些实施例中，该界面电路包含一电阻器。
9.在一些实施例中，该放大器包含一非反相端子和一反相端子，其中该电阻器串联连接到该反相端子。
10.在一些实施例中，其中该放大器包含一第一级，其通过一耦合电容器耦接到一第二级，该第二级界定一跨导，其中该电阻器具有一电阻，其大于该跨导的一倒数的大约10倍。
11.在一些实施例中，该界面电路包含一电流源，其在该生物特征感测器和接地之间连接；一放大电容器，其在该电流源与该放大器之间耦接；及一第一开关，其在该电流源与该放大电容器之间耦接。
12.在一些实施例中，该感测器装置进一步包含一电压缓冲器，其在该多个感测电极中的至少一个与该电流源之间。
13.在一些实施例中，该界面电路的该第一开关在一感测步骤的一第一取样阶段期间闭合。
14.在一些实施例中，该界面电路进一步包含一第二开关，其中该第二开关包含连接
到该第一开关和该放大电容器之间的一节点的一第一端点。
15.在一些实施例中，在该一感测步骤的一第二取样阶段期间，该第一开关打开而该第二开关闭合。
16.在一些实施例中，该感测器装置进一步包含：一感测控制区块，其经配置以产生一初始感测信号；及一信号传输元件，其电气耦接该感测控制区块并经配置以根据于根据该触控事件的该初始感测信号向一用户传输一传输感测信号。
17.在一些实施例中，该信号传输元件包含一外框，其位于该生物特征感测器上方并且经配置以在该触控事件期间与该用户接触。
18.在一些实施例中，该初始感测信号具有多个感测周期，其中每一该感测周期包含与一第二取样周期交替排列的一第一取样周期，其中该初始感测信号的具有一波形包含分别对应于该第一取样周期和该第二取样周期的开始时间的一上升边缘和一下降边缘。
19.在一些实施例中，该感测控制区块经配置以分别在该第一取样周期和该第二取样周期期间针对该用户的一相同部位连续产生一第一感测信号和一第二感测信号。
20.在一些实施例中，该感测器装置进一步包含一处理器，该处理器经配置以通过将该第一感测信号减去该第二感测信号来产生一处理信号。
21.在一些实施例中，该感测器装置进一步包含一模拟数字转换器，该模拟数字转换器经配置以将该输出信号转换为一数字信号。
22.上文已经相当宽泛地概述若干实施例的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本公开的详细描述。本公开的额外特征和优点将在下文中描述。本领域普通技术者应当理解，在不背离本公开的精神及范畴的情况下，本公开所公开的概念和具体实施例可易于用作修改或设计其他结构及程序以实施相同于本文中所引入的实施例的目的的一基础。
附图说明
23.在附图和以下描述中阐述了本公开的一或多个实施例的细节。本公开的其他特征和优点将从描述、附图和权利要求中显而易见。在各种视图和示出实施例中，相同的附图标记用于表示相同的元件。现在将详细参考附图中所示出的示例实施例。
24.图1是根据本公开一些实施例的生物特征感测器装置的截面图。
25.图2a和图2b是根据本公开各种实施例的图1中所示的生物特征感测器装置的保护层的俯视图。
26.图3是根据本公开各种实施例的感测电路的示意区块图。
27.图4a是根据本公开各种实施例的感测电路的示意区块图。
28.图4b是根据本公开各种实施例的放大器的示意区块图。
29.图5a和图5b分别是根据本公开各种实施例的感测电路和感测电路的放大器的电路图。
30.图5c和图5d分别是根据本公开各种实施例的感测电路和感测电路的放大器的电路图。
31.图6a是根据本公开各种实施例的感测电路的示意区块图。
32.图6b是根据本公开各种实施例的界面电路的电压波形图。
33.图6c是根据本公开各种实施例的感测电路的示意区块图。
34.图6d是根据本公开各种实施例的界面电路的电压波形图。
35.图7是根据本公开各种实施例的感测电路的信号模型示意图。
36.附图标记如下：
37.100:生物特征感测器装置
38.101:手指
39.110:第一电路板
40.112:生物特征感测器
41.112a:第一侧
42.112b:第二侧
43.113:感测电极
44.114:保护层
45.114c:导电层
46.114d:绝缘层
47.114e:导电层
48.116:盖板
49.117:导电层
50.118:模制材料
51.120:第二电路板
52.122:显示器
53.124:胶层
54.126:电子装置
55.128:总线
56.130:第三电路板
57.132:电子装置
58.134:连接器
59.135:总线
60.136:连接端口
61.138:电子装置
62.140:导电柱
63.142:连接器
64.150:外框
65.300:生物特征感测器装置
66.302:时钟脉冲产生器
67.304:感测电路
68.305:感测控制模块
69.306:信号缓冲区块
70.307:接收控制模块
71.308:信号传输元件
72.312:界面电路
73.314:放大电路
74.316:模拟数字转换器
75.322:放大器
76.324:开关
77.400:生物特征感测器装置
78.412:界面电路
79.600:感测电路
80.601:感测电路
81.602:电压缓冲器
82.604:电流源
83.606:开关
84.612:界面电路
85.616:开关
86.622:界面电路
87.700:感测电路
88.c1:电容器
89.ca:放大电容器
90.cc:耦合电容器
91.cfinger:手指电容器
92.cf:回馈电容器
93.cl:负载电容器
94.cm:电流镜
95.cp:寄生电容器
96.cs:基板电容器
97.d1
off
:第一信号偏移
98.d2
off
:第二信号偏移
99.ix:电流负载
100.iy:电流负载
101.i1:电流源
102.i2:电流源
103.m1:晶体管
104.m2:晶体管
105.m3:晶体管
106.m4:晶体管
107.m5:晶体管
108.m
sf
:晶体管
109.n1:输出节点
110.n2:输出节点
111.ri:电阻器
112.r1:电阻器
113.r2:电阻器
114.s1:第一级
115.s2:第二级
116.sa:输出信号
117.sb:缓冲感测信号
118.sc:控制信号
119.sck:时钟脉冲信号
120.sd:数字化感测信号
121.sf:缓冲的接收感测信号
122.sh:控制信号
123.si:初始感测信号
124.sj:初始感测信号
125.sp:处理信号
126.sr:感测信号
127.st:传输感测信号
128.tm:感测周期
129.tn:感测周期
130.td1:时滞
131.td2:时滞
132.td3:时滞
133.td4:时滞
134.td5:时滞
135.td6:时滞
136.tr:复位周期
137.ts:取样周期
138.tr1:复位周期
139.tr2:复位周期
140.ts1:第一取样周期
141.ts2:第二取样周期
[0142]vcm
:电压
[0143]
vi :差分输入端子
[0144]
vi-:差分输入端子
[0145]
vin:电压
[0146]
vin:正极性
[0147]-vin:负极性
[0148]
vout(n2):输出电压
[0149]
vo1(n1):输出端子
[0150]vcm,h
:电压
[0151]vcm,l
:电压
[0152]vsf,h
:电压
[0153]vsf,l
:电压
[0154]vsig,h
:电压
[0155]vsig,l
:电压
[0156]vsa,h
:电压
[0157]vsa,m
:电压
[0158]vsa,l
:电压
[0159]
vt:放大输入电压
[0160]
vx:供应电压
[0161]
vy:供应电压
[0162]
vz:供应电压
[0163]
δvo:电压差
具体实施方式
[0164]
为了使本公开易于理解，以下描述中提供了详细的步骤和结构。显而易见的是，本公开的实施并不限制本领域技术人员已知的特定细节。另外，对已知的结构和步骤不再赘述，以免对本公开造成不必要的限制。下面将详细描述本公开的优先实施例。然而，除了详细描述之外，本公开还可以广泛地实施在其他实施例中。本公开的范围不限于详细描述，而是由权利要求限定。
[0165]
除此之外，应当理解的是，当一个元件被指为“连接”或“耦合”或“耦接”另一个元件时，可以直接连接到或耦接到另一个元件，或者可以存在中间元件。
[0166]
尽管阐述本公开的广泛范畴的数值范围及参数为近似值，但要尽可能精确报告具体实例中所阐述的数值。然而，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必然由个别测试测量中常见的偏差所导致的。而且，如本文中所使用，术语“约”、“实质”及“实质上”一般意谓在一给定值或范围的10％、5％、1％或0.5％内。或者，术语“约”、“实质”及“实质上”意谓由本领域普通技术者所考虑时在平均值可接受标准误差内。除在操作/工作实例中之外，或除非另有明确说明，否则本文中所公开的所有数值范围、数量、值及百分比，例如材料数量、持续时间、温度、操作条件、数量比等那些其中在本公开的内容应被理解为在所有例项中由术语“约”、“实质”及“实质上”所修饰。因此，除非有相反的指令，否则本公开及所附权利要求中所阐述的数值参数可根据需要变动的近似值。至少应该根据报告的有效数字的数量及通过应用一般舍入技术来解释各数值参数。范围在本文中可表示为自一端点至另一端点或在两个端点之间。除非另有说明，否则本文中所公开的所有范围均包含端点。
[0167]
图1是根据本公开一些实施例的生物特征感测器装置100的截面图。在一些实施例中，生物特征感测器装置100经配置以感测生物特征数据并通过生物特征数据认证用户。生物特征感测器装置100可适用于与电子装置(本文未示出)(例如智能手机、个人电脑和个人数字助理)一同运作。或者，生物特征感测器装置100适用于与以实质钥匙或密码保护的个人物品(例如门锁、密码锁、身份证、保险箱等)一同运作，使得生物特征感测器装置100可以用于代替钥匙或密码来保护用户的个人信息。在本实施例中，生物特征感测器装置100包含
指纹或掌纹感测器，而生物特征是用户的指纹及/或掌纹图案。
[0168]
生物特征感测器装置100可以经配置为触控感测器装置，其中在生物特征感测器装置100的触控事件期间可以由感测元件接收刺激源，例如指纹。在一些实施例中，生物特征感测器装置100适于在非触控感测模式下工作，其中感测信号被传输到用户的手指或手掌101并反射回生物特征感测器装置100。反射的感测信号可能包含有关用户指纹或掌纹图案的信息，因此可以进行处理以验证用户的身份。
[0169]
参照图1，生物特征感测器装置100包含第一电路板110、第二电路板120、第三电路板130、导电柱140和外框150。生物特征感测器装置100还包含生物特征感测器112、保护层114、盖板116、显示器122和胶层124。
[0170]
在本实施例中，显示器122为自发光显示器。显示器122位于第二电路板120上方并电气连接第二电路板120。显示器122可由有机发光二极管(oled)面板或其他合适的自发光显示器形成。作为示例的oled显示面板，显示器122可以包含(但不限于)基板、阳极层、空穴传输层、发光层、电子传输层和阴极层，设置以堆叠方式排列以根据于阳极层和阴极层上的偏压电压而发光。显示器122的光可以通过胶层124、生物特征感测器112、保护层114和盖板116，将光传输到盖板116上方的用户手指或手掌101。在整个本公开中，图1所示的符号101在掌纹识别的上下文中也可以代表用户的手掌，为简洁起见，对用户手掌的说明不再赘述。
[0171]
生物特征感测器112形成在显示器122的上方。生物特征感测器112可以包含指纹感测器，其经配置以提取或感测用户的手的指纹或掌纹数据。在一些实施例中，生物特征感测器112包含面向用户的手指或手掌101的第一侧112a和与第一侧112a相对的第二侧112b。生物特征感测器112包含由透明的材料制成的基板。在一些实施例中，基板对显示器122发射的光而言是透明的，使得显示器122的图像通过生物特征感测器112为可见的。在一些实施例中，显示器122发射的光包含在可见光范围内的波长，例如在大约300纳米和大约700纳米之间。在一些实施例中，生物特征感测器112的基板由氧化硅形成并且可以是玻璃或石英的形式，因此生物特征感测器112在本文中被称为“玻璃内指纹感测器”。
[0172]
生物特征感测器112包含在生物特征感测器112的基板的第一侧112a的表面上的一或多个感测电极113。感测电极113可以排列成阵列。在一些实施例中，感测电极113包含透明导电材料，例如氧化铟钨(ito)、掺氟氧化锡(fto)或掺杂氧化锌。在一些实施例中，生物特征感测器112还包含围绕感测电极113并且电气连接感测电极113的感测电路(本文未示出)。感测电路可以包含一或多个晶体管，其经配置以根据感测电容提供感测电压，或根据感测电极提供感测电压。在一些实施例中，该感测电压传输至第三电路板130以作进一步处理。
[0173]
在一些实施例中，胶层124用于将生物特征感测器112黏合到显示器122。胶层124可以包含光学透明胶(oca)，例如loca(liquid optically clear adhesive,液体光学透明胶)。
[0174]
盖板116位于生物特征感测器112上方。在一些实施例中，盖板116对于显示器122的辐射光谱是透明的，例如在大约400纳米和大约700纳米之间的范围内，使得显示器122的图像通过盖板116对用户是可见的。在一些实施例中，盖板116由玻璃或其他合适的透明材料制成。
[0175]
在一些实施例中，保护层114形成在生物特征感测器112和盖板116之间，并且经配
置以保护生物特征感测器112或生物特征感测器装置100的其他特征免受静电放电(esd)效应的破坏。在一些实施例中，保护层114位于生物特征感测器112的第一侧112a之上。图2a示出了覆盖有生物特征感测器112的保护层114的俯视图，其中图1的截面图是取自图2a的截面线aa。参考图1和图2a，生物特征感测器112包含多个感测电极113，经配置以检测用户手指101的耦合电容。在一些实施例中，感测电极113设置以形成网格或阵列。在一些实施例中，感测电极113分为提供驱动信号的驱动电极和接收感测信号的接收电极。驱动电极可以与接收电极交替设置。
[0176]
在一些实施例中，保护层114包含导电层114c和围绕导电层114c的绝缘层114d。在一些实施例中，导电层114c由导电材料形成，例如铜、钨、铝或其他合适的导电材料。绝缘层114d用于将导电层114c与生物特征感测器装置100的其他导电特征电绝缘。绝缘层114d可由电介质材料形成，例如氧化硅、氮化硅、树脂、环氧树脂、聚合物或其他合适的材料。
[0177]
导电层114c形成在感测电极113的阵列上方并且经配置以保护感测电极113免受esd破坏。在本实施例中，导电层114c的网孔图案将感应电极113的电极划分为多个电极群组，从俯视角度来看，每个电极群组包含四个电极。然而，本公开不限于此。导电层114c的网孔图案可以经配置以另外将感测电极113划分为各种电极数量的电极群组。在一些实施例中，保护层114在z方向上的厚度在约1微米和约3微米之间的范围内，例如2微米。在一些实施例中，第一电路板110的厚度实质上等于生物特征感测器112、保护层114和盖板116的厚度总和。在一些实施例中，第一电路板110的厚度实质上等于生物特征感测器112、保护层114、盖板116和胶层124的厚度总和。
[0178]
图2b是根据另一实施例的覆盖有生物特征感测器112的保护层114的俯视图。在图2b所示的实施例中，保护层114包含导电层114e和绝缘层114d。导电层114e在许多方面类似于导电层114c，除了导电层114e形成网孔图案，该网孔图案将感测电极113的阵列划分为单独的电极。在一些实施例中，从俯视角度来看，每个感测电极113被导电层114e的网孔图案横向地围绕。
[0179]
参照图1，第一电路板110、第二电路板120和第三电路板130沿xy平面相互平行设置。由盖板116、保护层114、生物特征感测器112、胶层124和显示器122形成的堆叠形成在第二电路板120之上并延伸穿过第一电路板110。第一电路板110、第二电路板120和第三电路板130通过导电柱140连接。导电柱140可以由螺钉、螺栓、钉子或其他导电构件形成，并且可以在垂直于xy平面的z方向上穿过第一电路板110、第二电路板120和第三电路板130。在一些实施例中，电路板110、120或130在z方向上的厚度在大约600微米和大约1000微米之间的范围内，例如700微米。在一些实施例中，电路板110、120和130中的每一个包含绝缘材料，例如阻焊材料，其经配置以使导电柱140与电路板110、120和130的导电构件电气绝缘。导电柱140可以做到固定电路板110、120和130的作用。在一些实施例中，导电柱140经配置以在电路板110和130之间提供电子信号，例如感测信号。电子信号可以经传输到用户的手指101，并且有助于在用户的手指101和感测电极113之间建立电场，从而在用户的手指101出现的情况下产生耦合电容。
[0180]
外框150位于第一电路板110上方并且与盖板116相邻。在一些实施例中，外框150包含暴露盖板116的上盖部分。外框150可以由刚性材料形成以提供第一电路板110的机械支撑。在盖板116和外框150之间提供模制材料118以包覆盖板116。模制材料118可以由树
脂、环氧树脂等材料形成。在一些实施例中，外框150由导电材料形成并且经配置以根据于触控事件而接收到从电路板110、120或130而来的电子信号。尽管本文未单独示出，外框150可包含斜面部分围绕盖板116、保护层114和生物特征感测器112的侧壁。
[0181]
在一些实施例中，外框150包含例如由金属材料形成的导电材料，其电气耦接导电柱140。外框150面向用户的手指101并且通过导电柱140导通电流。在操作过程中，当用户的手指101接触盖板116时，用户的手指101也会接触导电外框150。如此一来，手指101将藉助外框150导通电流，以方便指纹的感测过程。在一些实施例中，第一电路板110包含从第一电路板110的上表面暴露的导电层。第一电路板110的导电层可以面向外框150和用户的手指101，其中该导电层经配置以在触控事件期间从导电柱140向用户的手指101传输电子信号。在一些其他实施例中，外框150由非导电材料形成，例如玻璃、塑胶、陶瓷等，并且感测信号以另一种方式提供给手指101。
[0182]
第一电路板110经配置以支撑外框150。在一些实施例中，第一电路板110经配置以固定并电气连接生物特征感测器112。第一电路板110可以是印刷电路板(pcb)、金属基印刷电路板(mcpcb)或可挠性印刷电路板(fpcb)。第一电路板110可以包含界定位于中央部分的开口的外围区域，其中生物特征感测器112嵌入开口中并且被第一电路板110的外围区域横向地包围。在一些实施例中，虽然未明确示出，但是第一电路板110包含总线，例如，由导电布线或通孔形成，电气连接生物特征感测器112。
[0183]
在一些实施例中，第一电路板110包含导电层117，导电层117形成在第一电路板110的上表面上并横向地围绕盖板116。导电层117可以电气耦接外框150，并且经配置以根据于触控事件而通过外框150将电子信号传输到第二电路板120或第三电路板130。
[0184]
第二电路板120包含上表面，显示器122位于该上表面上。在一些实施例中，第二电路板120经配置以将显示器122与外部装置电气连接。第二电路板120可以是pcb、mcpcb或fpcb。在一些实施例中，第二电路板120包含电子装置126，电子装置126位于其与第二电路板120的上表面相对的下表面。电子装置126可以是经配置以控制显示器122的显示功能的显示器驱动装置。在一些实施例中，第二电路板120包含总线128以将显示器122与电子装置126电气连接。总线128可以是形成为可挠性印刷电路(fpc)的总线，或者包含延伸穿过第二电路板120的接合线或导电通孔。
[0185]
第三电路板130经配置以将第一电路板110和第二电路板120电气连接外部装置。第三电路板130可以是pcb、mcpcb或fpcb。第三电路板130包含位于下表面上的电子装置132、连接器134和连接端口136。第三电路板130还包含位于与第三电路板130的下表面相对的上表面上的电子装置138和连接器142。
[0186]
电子装置132可以是处理器、微控制器、信号处理单元等，经配置以控制生物特征感测器112的感测功能和显示器122的显示功能。第三电路板130通过总线135(例如，fpc或接合线)或第三电路板130上的连接器134电气连接生物特征感测器112。连接器134可以是电气耦接总线135的插槽或焊垫。连接器134可以是串联连接器或并联连接器。在一些实施例中，连接端口136是通用串联总线(usb)端口，用于将第三电路板130与生物特征感测器装置100外部的装置电气连接。
[0187]
在一些实施例中，电子装置138是经配置以启用生物特征感测器112的感测功能的感测器驱动装置。在一些实施例中，电子装置132经配置以分别通过电子装置138和126控制
生物特征感测器112和显示器122。电子装置138可以通过总线135和连接器134并且可选择地通过第三电路板130的导电通孔电气连接生物特征感测器112。在一些实施例中，电子装置138经配置以产生感测信号并通过第一电路板110或外框150将感测信号传输至用户的手指101。
[0188]
连接器142可以将第三电路板130电气连接第二电路板120。在一些实施例中，连接器142包含总线，例如fpc或接合线，以及用于将第二电路板120电气耦接第三电路板130从而在电路板120和130之间提供电力或信号的插槽。连接器142可以是串联连接器或并联连接器。
[0189]
在触控事件期间，生物特征感测器112经配置以感测用户手指101的出现。生物特征感测器112和电子装置132经配置以通过识别用户的指纹图案来对用户进行认证。在一些实施例中，显示器122经配置以产生包含指令或识别结果的图像，这些指令或识别结果可以通过玻璃内生物特征感测器112显示给用户。在一些实施例中，显示器122经配置以根据于生物特征感测器112所产生与用户的生物特征相关联的感测结果而向用户显示图像。在一些实施例中，显示器122经配置以在执行指纹识别过程之前、期间或之后显示与生物特征感测器112提供的感测结果相关联的图像。由于生物特征感测器112的基板和感测电极113由透明材料制成，因此在触控事件期间用户可以立即地看到显示器122的图像。不需要提供另外的区域给个别的生物特征感测器112和显示器122。因此，生物特征感测器装置100能够以最小的装置尺寸提供显示和指纹识别功能。
[0190]
在一些实施例中，通过包含设置于第二电路板120上的脉搏血氧计(未单独示出)或简称血氧计，可以将生物特征感测器装置100应用于血氧检测的应用。在一些实施例中，血氧计可以额外地设置在第二电路板120上与显示器122相邻。脉搏血氧计可用作自发光装置。在一些实施例中，脉搏血氧计经配置以通过将感测光通过生物特征感测器112和盖板116传输到用户的手指101，以非侵入性方式测量用户血液中的氧含量。在一些实施例中，脉搏血氧计的感测光在红光和红外光的范围内。在触控事件中，生物特征感测器装置100能够实质上同时执行用户认证和血氧浓度测量。除此之外，由于生物特征感测器112的基板和感测电极113的透明特性，脉搏血氧计的感测光可以在触控事件期间立即地传输至用户并反射至脉搏血氧计。当从上方观察时，不需要额外的区域来配置个别的生物特征感测器112和脉搏血氧计。因此，生物特征感测器装置100能够以最小的装置尺寸提供血氧浓度测量和用户认证功能。
[0191]
图3是根据本公开各种实施例的感测电路的示意区块图。感测电路300可以由上述生物特征感测器装置100的元件形成。参考图3的顶部子图，感测电路300包含时钟脉冲产生器302、感测控制区块304、信号缓冲器区块306和信号传输元件308。感测电路300进一步包含与感测控制区块304电气连接的生物特征感测器112和电子装置132，在上文的参考图1已进行了讨论。
[0192]
在一些实施例中，时钟脉冲产生器302包含在感测控制区块304中，并且电子装置138包含用于实现时钟脉冲产生器302和感测控制区块304的电路。在一些实施例中，生物特征感测器装置100包含不止一个电子装置，其设置于电路板110、120或130中的至少一个上，以用于个别地实施时钟脉冲产生器302和感测控制区块304。在一些实施例中，信号缓冲器区块306被包含在感测控制区块304中，并且电子装置138包含用于实施感测控制区块304和
信号缓冲器区块306的电路。在一些实施例中，生物特征感测器装置100包含不止一个电子装置，其设置于电路板110、120或130中的至少一个上，以用于个别地实现感测控制区块304和信号缓冲区块306。
[0193]
在一些实施例中，感测控制区块304在时钟脉冲产生器302产生的时钟脉冲信号sck的帮助下执行规律的感测步骤。感测控制区块304包含传输感测控制模块305和接收感测控制模块307。在感测步骤期间，对用户或认证程序提供的启用指令反应，传输感测控制模块305经配置以接收时钟脉冲信号sck并产生初始感测信号si和控制信号sc。传输感测控制模块305还可以通过信号缓冲区块306和信号传输元件308将初始感测信号si传输到用户的手指101。在一些实施例中，传输感测控制模块305经配置以将初始传感信号si或控制信号sc发送给接收感测控制模块307，用于使接收感测信号和控制接收感测控制模块307中的元件，例如开关，达到同步。初始感测信号si可以在波形或取样频率上类似于控制信号sc。在一些其他实施例中，初始感测信号si与控制信号sc具有不同的波形但仍与控制信号同相，例如，初始感测信号si具有对应于控制信号sc的信号转换边缘。在一些实施例中，初始感测信号si的信号边缘与控制信号sc的信号边缘同步。在一些实施例中，初始感测信号si的通路状态或断开状态可以分别与控制信号sc的通路状态或断开状态相同或相反。
[0194]
参考图3的底部子图，示出了初始感测信号si和控制信号sc的信号波形。在一些实施例中，初始感测信号si包含具有感测周期tm的信号振幅vin。感测周期tm包含复位周期tr和取样周期ts，控制信号sc的工作周期表示为dc＝tr/ts。在本公开全文中，时钟脉冲产生器302在通路状态提供具有非零值输入电压vin并且在断开状态具有实质为零的电压(或接地位准)的初始感测信号si。在一些实施例中，初始感测信号si提供具有上升边缘的信号转换电压 vin，对应于或实质对准取样周期ts的开始时间。在初始感测信号si的上升边缘出现的信号极性 vin可用作感测电压，因而感测电压可在取样周期ts期间产生。感测电压可具有与信号转换电压相同的信号极性，例如正电压或负电压。
[0195]
在一些实施例中，控制信号sc经配置以控制接收感测控制模块307中的开关的打开或闭合状态。例如，在复位周期tr期间，根据控制信号sc的通路状态，一些开关被打开并且一些其他开关被闭合。类似地，在复位周期tr期间打开或闭合的开关分别根据取样周期期间控制信号sc的断开状态而闭合或打开。
[0196]
在一些实施例中，信号缓冲区块306经配置以缓冲初始感测信号si并产生缓冲感测信号sb。信号缓冲区块306还可将初始感测信号si的电压或电流位准转换为另一信号位准以提供感测步骤所需的驱动能力。在一些实施例中，信号缓冲区块306包含电流放大器和位准位移器中的至少一个，经配置以根据于初始感测信号si而产生缓冲感测信号sb。
[0197]
在一些实施例中，信号传输元件308经配置以根据于缓冲感测信号sb而产生传输感测信号st并将其传输至用户的手指101。信号传输元件308可通过接触手指101或以非接触方式传输缓冲感测信号sb。在一些实施例中，在触控模式下，信号传输元件308包含导电层117及/或外框150，缓冲感测信号sb通过导电层117和/或外框150传输作为传输感测信号st。在触控事件期间，手指101接触外框150或第一电路板110上的导电层117(如果没有外框150)。因此，手指101接收传输感测信号st所提供的电流以进行感测。
[0198]
或者，在非触控模式中，信号传输元件308经配置以将感测信号sb从电气形式转换为光学形式的传输感测信号st，并将经过光学调制的传输感测信号st发射至手指101。在一
些实施例中，信号传输元件308包含激光二极管，用于将电气感测信号sb转换为光学传输感测信号st，并利用传输感测信号st照明用户的手指101。
[0199]
在一些实施例中，在触控事件期间，手指101接近或接触生物特征感测器112并接收传输感测信号st。因此在手指101和生物特征感测器112之间产生电容cfinger。在本公开全文中，为便于标注，电容器所使用的符号，例如cfinger，也可以指该电容器的电容。感测电极113可以产生接收感测信号sr，其由传输到手指101的传输感测信号st和根据于触控事件的电容cfinger所产生。
[0200]
在一些实施例中，接收感测控制模块307经配置以接收接收感测信号sr并产生数字化感测信号sd，其代表感测电极113根据于触控事件而提供的感测结果。数字化感测信号sd可传输至电子装置132，其中对不同感测电极113检测到的手指101不同部位的各个数字化感测信号sd进行处理，形成代表手指101指纹图像的处理信号sp。
[0201]
在一些实施例中，接收感测控制模块307包含界面电路312、放大电路314和模拟数字转换器(adc)316。在一些实施例中，界面电路312将生物特征感测器112与放大电路314相互连接并且经配置以提高用于玻璃内类型的生物特征感测器112的放大电路314的放大性能。在以下段落中将更详细地描述界面电路312。
[0202]
在一些实施例中，放大电路314经配置以增加adc316的量化解析度并减少在感测步骤期间引进的噪声。在一些实施例中，放大电路314包含运算(op)放大器。在本实施例中，放大电路314包含电压放大器；然而，其他类型的放大器，例如电流放大器、跨导放大器或跨阻放大器，也是可能的。在一些实施例中，放大电路314包含两级放大设计。在一些实施例中，adc316经配置以将接收感测信号sr的模拟值转换为用作数字化感测信号sd的数字形式的数字信号，以促进电子装置132的处理。在一些实施例中，adc316包含逐渐近似暂存器(successive approximation register,sar)adc、三角积分(δσ)adc、双斜率adc、管线式adc、快闪adc等。
[0203]
图4a是根据本公开各种实施例的感测电路400的示意区块图。感测电路400可被视为感测电路300的实施方式之一。参考图4a，界面电路412包含电阻元件ri，放大电路314包含放大器322、回馈电容器cf和开关324。放大器322并联连接至回馈电容器cf和开关324。
[0204]
如图4a所示，放大器322包含反相端子(-)和非反相端子( )，其中非反相端子连接到供应电压vz。在一些实施例中，供应电压vz被预定为vdd/2。除此之外，反相端子耦接电阻元件ri。放大器322还包含输出端子以提供输出信号sa作为放大感测信号。
[0205]
在感测步骤的第一阶段，即感测周期tm的复位周期tr期间，开关324闭合，使得放大器322经配置在复位模式并且以单元增益强制到其初始状态。在感测步骤的第二阶段，即感测周期tm的取样周期ts期间，开关324打开，使得放大器经配置为放大模式，并通过接收感测信号sr的放大来产生输出信号sa。开关324的时序可以与控制信号sc同步或同相，例如开关324的开路和闭路分别对应控制信号sc的断开状态和通路状态。
[0206]
电阻元件ri电气耦接在生物特征感测器112和放大电路314的放大器322之间。电阻元件ri可以是电阻器。在一些实施例中，电阻元件ri通过半导体处理工艺形成在基板上方用于形成接收感测控制模块307或感测控制区块304的金属化层中，并且电气耦接感测电极113和放大器322。电阻元件ri可以包含扩散型电阻器、离子注入电阻器、薄膜电阻器、多晶硅电阻器等。在一些实施例中，电阻元件ri是生物特征感测器112或放大器322外部的独
立电阻器，例如，电阻元件ri设置于电路板110、120或130上，并且经由电路板110、120或130经由各种接合技术(例如引线接合)而电气耦接感测电极113及放大器322。
[0207]
电阻器ri的电阻(在本文中也标记为ri)被适当地决定以增强放大器322的稳定性。如上文所描述的，生物特征感测器112包含由诸如玻璃、石英或氧化硅之类的介电材料形成的基板。虽然具有介电基板的生物特征感测器112可以提供优点，例如可以降低处理成本，生物特征感测器112的基板的介电特性可能使得基板电容cs电气耦接放大电路314。基板电容cs会引起放大器322的稳定性问题，从而严重影响放大器322的操作频宽或操作电流。
[0208]
图4b是根据本公开各种实施例的放大器322的示意区块图。如图4b所示，放大器322包含第一级s1和通过耦合电容器cc耦接第一级s1的第二级s2。图4b中所示出的两级放大器的实施仅用于说明目的。其他类型的放大器322也在本公开的预期范围内。
[0209]
参照图4b，第一级sl包含一对输入晶体管ml和m2，其中输入晶体管m1和m2的栅极端子经配置为一对差分输入端子vi-和vi ，分别对应于放大器322的反相输入(-)和非反相输入( )对，如图4a所示。输入晶体管m1和m2中的每一个包含耦接到电流镜cm的漏极端子和耦接到电流负载ix的源极端子。
[0210]
在一些实施例中，电流镜电路cm包含一对晶体管m4和m5，其中晶体管m4和m5的源极端子耦接供应电压vx，例如vdd，并且晶体管m4和m5的漏极端子分别耦接到输入晶体管m1和m2的漏极端子。晶体管m4和m5的栅极端子电气耦接在一起并且还电气耦接晶体管m4的漏极端子。
[0211]
电流负载ix耦接在供应电压vy(即接地电位)与输入晶体管ml和m2的源极端子之间。在一些实施例中，电流负载ix包含电流源。
[0212]
在操作期间，第一级sl经配置以根据于提供给输入端子的差分输入电压而在晶体管m5的漏极端子和晶体管m2的漏极端子之间的输出节点nl处提供差分增益vi 和vi-。
[0213]
第二级s2包含晶体管m3，其栅极端子耦接第一级sl的输出节点nl，源极端子耦接供应电压vx，例如vdd，并且漏极端子耦接电流负载iy。第二级s2包含耦接在晶体管m3和电流负载iy之间的输出节点n2。输出节点n2对应于图4a所示的放大器322的输出端子，以提供放大的感测信号sa。
[0214]
电流负载iy耦接在供应电压vy(即地电位)和晶体管m3之间。在一些实施例中，电流负载iy包含电流源。耦合电容器耦接在第一级s1的输出节点n1与第二级s2的输出节点n2之间。
[0215]
在操作期间，第二级s2经配置为a类、b类或ab类放大器并且根据于第一级sl的节点nl处提供的中间电压而在输出节点n2处提供放大电压。
[0216]
在一些实施例中，晶体管m1、m2和m3包含金属氧化物半导体(mos)晶体管，例如n型mos(nmos)晶体管或p型mos(pmos)晶体管。在一些实施例中，输入晶体管m1和m2具有相同的导电类型，例如n型或p型。图4b中所示的放大器322的电流镜cm和电流负载ix和iy仅用于说明目的，其他类型的电流镜和电流负载也在本公开的预期范围内。
[0217]
在一些实施例中，第一级sl的输出节点nl具有有效电阻器(或等效地，电阻)rl和有效寄生电容器(或等效地，电容)cl。在一些实施例中，输入晶体管m1或m2包含跨导gm1，其由偏压电流(例如由电流负载ix所提供)以及输入晶体管m1或m2的相应通道区域的尺寸(例
如输入晶体管m1或m2的通道长度、通道宽度等)所决定。在一些实施例中，第二级s2的输出节点n2具有有效电阻器(或等效地，电阻)r2和有效寄生电容器(或等效地，电容)cp。在一些实施例中，晶体管m3包含跨导gm2，其由偏压电流(例如由电流负载iy所提供)以及晶体管m3的通道区域的尺寸(例如晶体管m3的通道长度、通道宽度等)所决定。
[0218]
图5a和图5b分别是根据本公开各种实施例的放大电路314和放大器322的电路图。图5a和图5b所示的放大电路314和放大器322分别表示图4a和图4b所示的放大器322在小信号分析下的电路图，并不包含界面电路412(即电阻元件ri和adc316)的影响，以说明图4b中所示的独立放大器322的性能。
[0219]
在复位阶段的小信号分析下，反相端子(-)与回馈回路断开。除此之外，由于放大器322经配置以在复位周期tr期间放大输入电压vt，所以开关324闭合。假设接收感测控制模块307没有图4a中的界面电路412，因此放大器322的反相端子(-)直接耦接生物特征感测器112的感测电极113或位于生物特征感测器112和接收感测控制模块307之间的导电互连电路。根据界面电路412不存在并且生物特征感测器112和放大电路314之间的总电阻可以忽略不计的假设，在小信号分析下，放大器322所导致的回馈回路可以表示为在放大器322的输出节点n2(也标记为“vout”)处以并联方式连接的寄生电容器cp和基板电容器cs。
[0220]
如图5b所示，就两级运算放大器结构和小信号分析而言，放大器322包含第一级，其在第一级s1的输出节点n1处由电流源i1与电阻器r1和电容器c1并联连接构成。第一级s1在输出节点n1提供输出端子vo1，电流源i1表示为i1＝-gm1
·
vt。
[0221]
如图5b所示出，第二级s2经由耦合电容器cc耦接第一级s1。就小信号分析而言，第二级s2由电流源i2与电阻r2和负载电容器cl并联构成，其中负载电容器cl的电容可以表示为基板电容器cs和寄生电容器cp的电容和，即cl＝cs cp。电流源i2表示为i2＝gm2
·
vo1。第二级s2提供放大器322的输出信号sa的输出电压vout。
[0222]
根据图5b所示的小信号分析电路图，可以推导出放大器322的电压增益如下：
[0223][0224]
在上述方程序(1)中，电压增益vout/vt的频率响应包含两个极点ω
p1
和ω
p2
。在一些实施例中，以下方程序(2)中列出的条件被满足：
[0225]
gm2＞＞1/r
2 and c
p
＜＜csꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0226]
使用方程序(2)中给的条件以简化方程序(1)可得出两个极点ω
p1
和ω
p2
的近似值表示，如下所示：
[0227][0228]
由以上分析可知，决定放大器322的稳定性的第二极点ω
p2
，是由跨导gm2以及基板电容器cs和寄生电容器cp的电容和所决定的。基板电容器cs的电容通常大于寄生电容器cp的电容，例如至少是寄生电容器cp的电容的10倍。结果是，放大器322的稳定性由于第二极
点ω
p2
的频率降低而受到显着限制。
[0229]
图5c和图5d分别是根据本公开各种实施例的放大电路314和放大器322的电路图。不同于图5a和图5b所示的电路图，图5c和图5d中所示的放大电路314和放大器322分别说明了在复位阶段期间图4a和图4b所示，包含了界面电路412(即电阻元件ri)的放大器322的小信号分析。如图5c所示，所导致的回馈回路可以表示为寄生电容器cp在输出节点vout或n2处并联连接电阻元件ri，同时电阻元件ri串联连接到基板电容器cs。
[0230]
如图5d所示，就两级运算放大器结构和小信号分析而言，放大器322的第一级s1表示为电流源i1，其与第一级s1的输出节点vo1或n1的电阻器r1和电容器c1并联连接。电流源i1表示为i1＝-gm1
·
vt。
[0231]
第二级s2表示为电流源i2，当电阻元件ri与基板电容器cs串联连接时，电流源i2在输出节点vout或n2处并联连接电阻器r2、寄生电容器cp和电阻元件ri。电流源i2表示为i2＝gm2
·
vo1。
[0232]
根据图5d所示的电路图，放大器322的电压增益可以表示如下：
[0233][0234]
在上述方程序(4)中，电压增益vout/vt的频率响应包含一个零点ωz和三个极点ω
p1
、ω
p2
和ω
p3
。
[0235]
在一些实施例中，方程序(2)中所给的条件被满足。使用方程序(2)中给的条件以简化方程序(4)可得到以下方程序(5)中所示的三个极点的近似值表示：
[0236][0237]
在一些实施例中，放大器322的频宽由第二极点ω
p2
决定，这不仅由基板电容器cs决定，也是由界面电路412的电阻元件ri的电阻所决定的。在一些实施例中，选择电阻ri为远大于跨导gm2的倒数，即ri》》1/gm2。因此，方程序(5)的第二极点ω
p2
可以进一步简化如方程序(6)所示：
[0238][0239]
[0240]
经由将方程序(6)代入方程序(4)，零点ωz的近似值和第二极点ω
p2
的近似值被抵消，从而得到以下方程序(8)：
[0241][0242]
在一些实施例中，电阻元件ri的电阻远大于跨导gm2的倒数，例如，跨导gm2的倒数大于大约10倍、大于大约20倍、大于大约50倍或大于大约100倍。
[0243]
基于方程序(8)，很明显的是，决定放大器322稳定性的第三极点ω
p3
大部分仅由寄生电容器cp决定而非基板电容器cs决定。如上文所描述的，基板电容器cs的电容通常具有比电容器cp的电容大至少10倍的电容。结果是，由方程序(3)与方程序(7)之间的比较可公开，图5c中(有电阻器ri出现的情况下)所示的放大器322的第三极点ω
p3
明显大于图5a中(没有电阻器ri的情况下)所示的放大器322的第二极点，其中基板电容器cs的电容远大于寄生电容器cp。在不牺牲放大器322的性能的情况下，可以大大提高放大器322的稳定性和工作频率。
[0244]
在一些实施例中，为了增加放大器322的稳定性，即使在所提出的界面电路412不存在的情况下，也可以另外提高第二极点ω
p2
。从方程序(3)可以清楚地看出，增加第二跨导gm2也可以成比例地提高第二极点ω
p2
。然而，这种安排表示放大器322的第二级s2中的电流源的偏压电流必须增加，这必定需要第二级s2更大的功率消耗和发热。对比之下，所提出的界面电路412可以有助于有效地提高第二极点ω
p2
而不增加第二级s2的偏压电流位准。结果是，可以以有效的方式改进放大器322的性能和功率效率。
[0245]
图6a是根据本公开各种实施例的感测电路600的示意区块图。感测电路600在许多方面类似于图4a中所示的感测电路400，因此，为简洁起见，不再重复对感测电路600的这些特征的描述。感测电路600与感测电路400的不同之处在于生物特征感测器装置100进一步包含电压缓冲器602，其位于生物特征感测器112和感测控制区块304之间。另外，感测电路400的接收感测控制模块307包含界面电路612，其包含电流源604、开关606和放大电容器ca。放大电容器ca设置于开关606与放大器322的反相端子(-)之间，并串联连接回馈电容器cf和开关324。
[0246]
在一些实施例中，电压缓冲器602包含源极随耦器或共用漏极mos晶体管msf，其中电压缓冲器602包含耦接到生物特征感测器112的感测电极113的栅极端子、耦接到供应电压vx例如vdd的漏极端子以及耦接到界面电路612的源极端子。电压缓冲器602的源极端子根据于接收感测信号sr而提供经缓冲的接收信号vsf。尽管图6b仅示出了用于整个感测电极113阵列的一个电压缓冲器602，在一些实施例中，生物特征感测器112可包含多个电压缓冲器602，其在感测电极113阵列的每一行或每一列的输出处，或设置于每一感测电极113的输出处。
[0247]
在一些实施例中，电流源604在接收控制模块307的输入端子和地电位之间耦接，用于提供生物特征感测器112的低电阻输出。以此方式，可通过电流源604有效减轻或忽略基板电容器cs的非明显电容的影响。
[0248]
图6b示出了根据本公开各种实施例的界面电路612的电压波形。在感测步骤期间，控制信号sc或初始感测信号si传输至接收控制模块307以控制开关324与606的状态。
[0249]
在一些实施例中，参考图6a和图6b所提出的感测步骤需要两个阶段(周期)，包含一个复位周期tr和一个取样周期ts。在感测步骤的第一阶段，即具有复位周期tr的复位阶段，控制信号sc被设定在振幅vin的逻辑高(logic-high)状态，这使得开关324闭合。因此，回馈电容器cf被旁通。在一些实施例中，开关606在复位阶段期间闭合。在一些实施例中，接收感测信号sr被设定在初始状态，例如处于低电压v
sig,l
，并且与触控事件独立。电压缓冲器602的源极端子处的电压v
sf
提供缓冲电压v
sf,l
。在一些实施例中，电压v
sf,l
与电压v
sig,l
之间的差值遵循v
sf,l
＝v
sig,l-vgs的关系，其中电压vgs为电压缓冲器602的开启电压vgs且大于0伏特。在一些实施例中，放大器322的输出信号sa在复位阶段期间在放大器322的回馈模式下被设定为电压v
cm
，即v
out,1
＝v
cm
。在一些实施例中，电压v
cm
被预定为例如vdd/2。在一些实施例中，电压v
cm
可以大于或小于电压v
sf,l
或v
sig,l
。结果是，放大电容器ca的两个端点会产生电压差。
[0250]
在感测步骤的第二阶段，即具有取样周期ts的取样阶段，控制信号sc被设定在逻辑低(logic-low)状态，其振幅低于电压vin，例如0伏特，这使得开关324打开。同时，开关606保持闭合。根据于触控事件，感测电极113感测由于电容cfinger的出现而引起的电压变化，并将此电压变化传输至接收感测信号sr。因此，接收感测信号sr的电压增加以达到高电压v
sig,h
。接收感测信号sr的上升边缘以一时间延迟td1落后控制信号sc的下降边缘。时间延迟td1是由于初始感测信号si和接收感测信号sr在传输感测控制模块305、信号缓冲区块306、信号传输元件308和感测电极113之间的传播延迟或处理延迟而产生。在一些实施例中，引入时间延迟td1以确保开关324的正确切换时间和放大器322的正常运作。电压v
sig,h
的振幅根据不同的感应电容cfinger而不同，因而在同一触控事件中，可以根据手指101的不同手指高度或不同部位而变化。结果是，缓冲的接收感测信号sf的电压v
sf
根据增加的电压v
sig,h
增加到高电压v
sf,h
。电压v
sf,h
和v
sig,h
遵循v
sf,h
＝v
sig,h
–
vgs的关系，其电压差表示为δv
sig
＝v
sig,h-v
sig,l
。在缓冲的接收感测信号sf的上升边缘和初始感测信号si的下降边缘之间观测到时间延迟td2。由于电压缓冲器602的传输延迟，时间延迟td2可能大于时滞td1。在一些实施例中，由于回馈电容器cf的存在和接收感测信号sr的增加，放大器322的输出信号sa被驱动至低电压，如下：
[0251]vout,2
＝v
cm-(v
sf,h-v
sf,l
)(ca/cf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)在检测阶段，电压差δvo＝v
out,2-v
out,1
由下方程序表示：
[0252][0253]
根据方程序(10)，图6a所示的放大器322的放大效果可由界面电路612所决定，即放大电容器ca与回馈电容器cf的电容比率，且与基板电容器cs无关。在一些实施例中，放大电容器ca决定为包含大于回馈电容器cf的电容，例如，可以是回馈电容器cf的1倍到10倍之间的范围内的电容。根据图6a所示的界面电路612，可有效减轻基板电容器cs的电容效应，并改善感测步骤。
[0254]
图6c是根据本公开各种实施例的感测电路601的示意区块图。感测电路601在很多方面类似于图6a所示的感测电路600，因此，为简洁起见，不再重复对感测电路600的这些特征的描述。感测电路601与感测电路600的不同之处在于感测电路601包含界面电路622，而不是图6a所示的界面电路612。比较界面电路612和界面电路622，界面电路622还包含开关
616，其具有连接到开关606和放大电容器ca之间的节点的第一端点，和连接到供应电压vz例如vdd/2的第二端点。在一些实施例中，开关606还连接到放大器322的非反相端子( )。在一些实施例中，放大器322的非反相端子( )连接到供应电压vz。
[0255]
图6d示出了根据本公开各种实施例的界面电路622的电压波形。在感测步骤过程中，控制信号sc或初始感测信号si传输到接收控制模块307以控制开关324的状态，同时产生额外的控制信号sk及sh分别控制开关616及606。在一些实施例中，控制信号sh与控制信号sc同相，而控制信号sk与控制信号sc反相。
[0256]
在一些实施例中，参考图6c和图6d所提出的感测步骤需要四个阶段(周期)，包含两个复位周期，称为复位周期tr1和tr2，以及两个取样周期ts，称为取样周期ts1和ts2。在一些实施例中，在每个复位周期tr1、tr2和取样周期ts1、ts2中，开关324和606的开闭状态与开关616的开闭状态相反。
[0257]
在感测步骤的第一阶段，即具有复位周期trl的复位阶段，初始感测信号si和控制sh被设定在振幅vin的逻辑高状态，这使得开关324和606闭合。因此，回馈电容器cf被旁通。同时，控制信号sk被设定在逻辑低状态，这使得开关616打开。在一些实施例中，接收感测信号sr被设定在初始状态，例如低电压v
sig,l
。缓冲接收感测信号sf在电压缓冲器602的源极端子处具有缓冲电压v
sf,l
。在一些实施例中，电压v
sf,l
经由v
sf,l
＝v
sig,l-vgs与电压v
sig,l
相关联。在一些实施例中，在复位阶段，放大器322的输出信号sa被设定为中间电压v
sa,m
，例如vdd/2。结果是，放大电容器ca的两个端点会产生电压差。
[0258]
在具有第一取样周期tsl的第二阶段，即第一取样阶段，控制信号sc和sh被设定为具有振幅低于电压vin的逻辑低状态，例如，0伏特，这使得相应的开关324和606打开。除此之外，控制信号sk被设定在逻辑高状态，这使得开关616闭合。控制信号sk的上升边缘与控制信号sc的下降边缘之间形成时间延迟td3，控制信号sh的下降边缘与控制信号sc的下降边缘之间形成时间延迟td4。在一些实施例中，时间延迟td3大于时间延迟td4。在一些实施例中，时间延迟td4实质上大于零。在一些实施例中，引入时间延迟td3和td4以确保开关324、606和616的正确切换顺序以及放大器322的正常运作。
[0259]
在一些实施例中，在第二阶段期间，接收信号sr是在初始阶段配置的，与任何触控事件无关，因此接收感测信号sr和缓冲感测信号sf的电压分别保持在电压v
sig,l
和v
sf,l
。在开关616闭合后，放大器322的输出电压经历一个转换期间并被驱动到第一输出电压如下：
[0260]vout,1
＝v
sa,m
(v
sf,l-v
sa,m
)(ca/cf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0261]
在感测步骤的第三阶段，即具有复位周期tr2的复位阶段，开关324和606以类似于复位周期trl的方式闭合。除此之外，开关616打开。控制信号sk的下降边缘与控制信号sc的上升边缘之间形成时间延迟td5，控制信号sh的上升边缘与控制信号sc的上升边缘之间形成时间延迟td6。在一些实施例中，时间延迟td5大于时间延迟td6。在一些实施例中，时间延迟td6实质上等于、大于或小于零。在一些实施例中，引入时间延迟滞td5和td6以确保开关616、606和324的正确切换顺序以及放大器322的正常运作。
[0262]
在第三阶段，感测电极113感测触控事件，因此接收感测信号sr根据于触控事件而被驱动至高电压v
sig,h
。电压缓冲器602的源极端子提供缓冲电压v
sf,h
，其中v
sf,h
＝v
sig,h-vgs。除此之外，由于开关324的闭合，放大器322的输出信号sa恢复为中间电压v
sa,m
。
[0263]
在感测步骤的第四阶段，即具有取样周期ts2的第二取样阶段，控制信号sc和sh被
设定为具有振幅低于电压vin的逻辑低状态，例如0伏特，这使得相应的开关324和606打开。同时，控制信号sk被设定在逻辑高状态，这使得开关616闭合。在开关616闭合后，放大器322的输出电压经历一个转换期间并被驱动到第二输出电压如下：
[0264]vout,2
＝v
sa,m
(v
sf,h-v
sa,m
)(ca/cf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0265]
在检测阶段，电压差δvo＝v
out,2-v
out,1
由以下方程序表示：
[0266][0267]
在上述方程序(13)中，电压差表示为δv
sig
＝v
sig,h-v
sig,l
。
[0268]
根据方程序(13)，图6c所示的放大器322的放大效果可由界面电路622决定，即通过适当控制的开关324、606和616，放大电容器ca与回馈电容器cf之间的电容比率与基板电容器cs无关。在一些实施例中，放大电容器ca决定为包含大于回馈电容器cf的电容，例如是在回馈电容器cf的电容的1倍到10倍之间的范围内。根据图6c所示的界面电路622，可有效减轻基板电容器cs的电容效应，而改善感测步骤。
[0269]
图7是根据本公开实施例的感测电路700的信号模型示意图。感测电路700在许多方面类似于感测电路300，因此，为简洁起见，不再重复对感测电路700的这些特征的描述。感测电路700在噪声或干扰下模拟感测电路300，其中一或多个信号偏压源被引入到接收感测控制模块307中的信号处理路径中。
[0270]
在一些实施例中，在放大电路314的输出节点vout处看到第一信号偏移d1
off
，例如，运算放大器322的输出端子。第一信号偏移d1
off
可以被加到放大电路314的理想输出信号va。由于放大电路314的模拟前端电路的非理想效应偏移，例如，放大器322中的模拟前端电路，可能会出现第一信号偏移d1
off
。
[0271]
在一些其他实施例中，在adc316的输出端子处看到第二信号偏移d2
off
。第二信号偏移d2
off
可以被加到adc316的理想数字化感测信号sd。由于adc316的模拟前端电路的非理想效应，可能会出现信号偏移d2
off
。
[0272]
在本公开中，提出了一种新的检测方法来消除感测电路300或700中内含的信号偏移d1
off
或d2
off
。
[0273]
在一些实施例中，感测控制区块304通过经修改初始感测信号sj的帮助下执行感测步骤，调整过的初始感测信号sj是由发送感测控制模块305根据于时钟脉冲产生器302而产生。请参考图7的底部子图，其显示经修改初始感测信号sj与控制信号sc的信号波形。在一些实施例中，感测电路700的感测步骤在经修改初始感测信号sj和控制信号sc的时序控制下，包含定时的重复取样操作。参考图4a和图7，经修改初始感测信号sj与初始感测信号si的不同之处在于，对于单个感测电极113而言，经修改初始感测信号sj具有感测周期tn，是感测电路300的感测周期tm的两倍。每个感测周期tn由两个复位周期tr1和tr2以及与复位周期tr1和tr2交替排列的两个取样周期ts1或ts2形成，其中经修改初始感测信号sj包含分别在第一取样周期ts1和第二取样周期ts2开始时的上升边缘 vin和下降边缘-vin。第一取样周期ts1和第二取样周期ts2也分别被称为感测步骤的第一取样阶段和第二取样阶段。经修改初始感测信号sj包含在复位周期tr1和tr2中实质上为零电压的波形，该设定与初始感测信号si中使用的设定相似。
[0274]
参考图3和图7，在无偏压存在的假设下，感测电路300的感测步骤对于单个感测电
极113需要一个感测周期tm。相比之下，感测电路700的感测步骤需要一个感测周期tn来完成手指101的同一位点的单次感测步骤。因此，第一取样阶段和第二取样阶段对于手指101的同一感测部位得到两个连续的取样周期ts1和ts2。在一些实施例中，第一取样周期ts1和第二取样周期ts2的开始时间分别对应于或实质对准经修改初始感测信号sj的上升边缘 vin和下降边缘-vin，在该时间感测电极113经配置以产生具有与感测手指电容器cfinger相关的振幅的感测信号sr。感测信号sr的信号极性取决于信号转换极性，即在分别取样周期ts1或ts2开始时初始感测信号sj的上升边缘或下降边缘。
[0275]
在一些实施例中，电子装置132经配置以分别在第一取样阶段和第二取样阶段接收同一位点的第一感测信号p1和第二感测信号p2，如下所示：
[0276]
p1＝(v
in
*c
finger
/c
p
d1
off
)*g
adc
d2
off
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0277]
p2＝(-v
in
*c
finger
/c
p
d1
off
)*g
adc
d2
off
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0278]
在上述方程序(14)和(15)中，adc316的信号增益表示为符号g
adc
。在第一取样周期ts1开始时，根据于初始感测信号sj的正极性(即 vin)而得到第一感测信号p1，而当在第二取样周期ts2的开始时根据于初始感测信号sj的负极性(即-vin)而得到第二感测信号p2。将方程序(14)减去方程序(15)，最终检测阶段的处理信号sp如下图所示：
[0279]
sp＝(p1-p2)/2＝v
in
*c
finger
/c
p
*g
adc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0280]
由方程序(16)所示的处理结果，很清楚的，对于同一感测位点，使用所提出的两级感测步骤可以有效地消除由第一信号偏移d1
off
或第二信号偏移d2
off
产生的信号偏压。感测电路300或700的信号检测性能可以使用参考图7所提出的偏压消除方案来加以改进。
[0281]
在一些实施例中，通过包含更多的取样周期ts以减少随机噪声，可以进一步提高与取样周期ts相关联的建议方案的性能。例如，参考图7和方程序(14)-(16)，仅在一个感测周期tn内执行的感测步骤可扩展至多个感测周期tn以提取多于一个(例如，介于2至10之间的整数k)处理信号sp。这些处理过的信号sp是针对手指101的同一部位单独产生的，并且可以加以组合，例如通过平均，以减少内含的随机噪声。因此，与方程序(16)中获得的单个处理信号sp相比，平均处理信号的信号噪声比可以增加k的平方根的倍数。
[0282]
虽然本公开已经对关于一或多种实施方式示出和描述，但是根据对本说明书和附图的阅读和理解，本领域的其他技术人员将想到等效的改变和修改。本公开包含所有此类修改和变更，并且仅受以下权利要求的范围限制。