一种电容式指纹传感器及其温漂校准电路的制作方法

1.本发明涉及指纹辨识技术领域，具体涉及一种电容式指纹传感器及其温漂校准电路。


背景技术：

2.在现有技术中，如中国发明专利cn102954753a，揭露一种电容式距离感测器，基于电容值与电容极板间距离成反比的物理原理，当被检测导电体表面与传感器表面单侧电容测量极板之间形成耦合电容，根据电容测量极板到被测导电体表面的距离不同产生不同的耦合电容值。
3.将电容式距离感测器用于指纹感测时，指纹表面凹凸不平的形状构成了指纹的纹路，纹路呈嵴状形，其中凸起的纹路称为纹峰，下凹的部分称为纹谷，随着电容值的不同而对应产生不同的检测信号，从而实现指纹检测。然而所述感测器的输出电压vout受内部mos管关断漏电的影响，内部温度产生变化，导致输出电压值随温度变化而变化。参考电压vref由相同类型的电阻串接构成的分压模块产生(如图4所示)。温度升高时vout1向上漂移变成vout2。由于vref 不随温度变化，会导致背景图的计数时间发生变化由(t1-t0)变成(t2-t0)，指纹背景图会变亮。反之温度降低时，指纹背景图会变暗。这样在不同温度下采集的指纹图像具有很大的不一致性，不便于后续算法处理。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电容式指纹传感器及其温漂校准电路，消除不同温度下漏电导致的放电曲线的不同，确保指纹背景图不随温度变化，从而消除电容式指纹采集电路中温漂对指纹图像的影响，提高指纹图像的一致性，便于后续算法的处理。
5.一种电容式指纹传感器，包括：
6.指纹检测单元，用于检测手指的指纹脊谷信息并输出电信号；
7.比较器，其反向端子与指纹检测单元的输出端连接，正向端子用于输入参考电压信号；
8.温漂校准单元，与比较器的正向端子连接，并输出参考电压信号，所述参考电压信号随温度变化而产生的变化量与所述电信号相匹配。
9.进一步地，所述温漂校准单元包括电压源以及与电压源连接的电阻分压网络，还包括热敏电阻单元,所述热敏电阻单元的一端与电阻分压网络连接，另一端接地，所述电阻分压网络对电压源上的电压分压，得到各级参考电压信号，所述参考电压信号通过多路选择单元连接至正向端子；
10.还包括控制器，所述控制器通过控制多路选择单元从所述各级参考电压信号中选择一路参考电压信号连接至正向端子。
11.进一步地，还包括与控制器连接的译码器，所述多路选择单元包括与参考电压信号的数量相同的支路开关模块，所述译码器的各个输出端分别连接至支路开关模块，所述
控制器通过译码器控制支路开关模块的通断，从而选取一路参考电压信号输出到公共的正向端子。
12.进一步地，所述热敏电阻单元包括正温度系数热敏电阻和/或负温度系数热敏电阻。
13.进一步地，所述热敏电阻单元包括正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻，所述正温度系数热敏电阻的一端、负温度系数热敏电阻的一端分别通过主路开关模块连接至电阻分压网络，所述正温度系数热敏电阻的另一端、负温度系数热敏电阻的另一端分别连接到地，所述控制器通过控制主路开关模块的通断，从而选取一种热敏电阻与电阻分压网络连接。
14.进一步地，还包括计数器，所述计数器的输入端与比较器的输出端连接。
15.进一步地，还包括：信号放大器，与所述指纹检测单元连接并将所述电信号进行放大，获得放大后的电信号。
16.进一步地，所述指纹检测单元包括：
17.检测电极，所述检测电极用于与手指之间形成感测电容cf，并与虚地之间形成寄生电容cp，
18.充电电容cr，所述充电电容cr包括电性连接至地的放电端和电性连接至该检测电极的充电端；
19.开关组，包括第一开关模块pcsc0以及第三开关模块pcsc2，所述第一开关模块pcsc0的两端分别电性连接至输入高电压与所述充电电容cr的充电端之间，以控制该输入电压对该充电电容cr进行充电，所述第三开关模块pcsc2 的两端分别电性连接至检测电极以及第一开关模块pcsc0和充电电容cr充电端的公共端；
20.其中，该第一开关模块pcsc0控制该充电电容cr进行单次充电后，第三开关模块pcsc2控制充电电容cr进行多次电荷分享，所述指纹检测单元根据电荷分享后充电端的残余电压输出一指纹辨识信号。
21.进一步地，所述寄生电容cp的两端并联有第二开关模块pcsc1，所述第二开关模块pcsc1控制寄生电容cp与充电电容cr放电至两端的电荷为零。
22.一种温漂校准电路，应用于所述的一种电容式指纹传感器，包括：
23.电压源；
24.与电压源连接的电阻分压网络；
25.热敏电阻单元,所述热敏电阻单元的一端与电阻分压网络连接，另一端接地，所述电阻分压网络对电压源上的电压分压，得到各级参考电压信号，所述参考电压信号通过多路选择单元连接至正向端子；
26.还包括控制器；所述控制器通过控制多路选择单元从所述各级参考电压信号中选择一路参考电压信号连接至正向端子。
27.本发明具有的有益效果：
28.1、本发明通过温度漂移电路，优化参考电压产生电路、使参考电压和指纹放电曲线同时随温度变化来消除温度对指纹背景图像的影响，电路实现简单、功耗低，手指检测和指纹采集电路中均可使用，应用范围广；
29.2、通过检测指纹检测单元输出电信号随温度变化的曲线，选取匹配的热敏电阻，
当输出电信号随温度升高而升高时，选用正温度系数热敏电阻，当输出电信号随温度升高而降低时，选用负温度系数热敏电阻，电信号随温度变化而产生的变化量应与参考电压的变化量相同，从而准确消除电容式指纹采集电路中温漂对指纹图像的影响。
附图说明
30.图1为本发明的指纹检测单元电路原理图；
31.图2为本发明的开关控制放电时序示意图；
32.图3为本发明的指纹检测单元输出电压变化(未进行温度校准)示意图；
33.图4为本发明的传统参考电压电路原理图；
34.图5为本发明的温漂校准电路示意图；
35.图6为本发明的不同温度下传感检测单元输出与参考信号变化示意图；
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
38.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
39.另外，为了清楚和简洁起见，可能省略了对公知的结构、功能和配置的描述。本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文描述的示例进行各种改变和修改。
40.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
41.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
42.实施例1
43.在手机、电脑等消费类电子产品中，常用集成度较高的电容式指纹传感器，来实现指纹的识别。指纹检测单元(如图1)包括：放电开关及计生电容消除电路开关pcsc1、均衡开关pcsc2、充电开关pcsc0、感测电容cf、寄生电容 cp、充电电容cr，其中pcsc0～pcsc2是周期性动态脉冲控制信号(如图2)。
44.指纹检测单元的工作过程如下：
45.1)pcsc0控制信号使充电电容cr的充电开关闭合，使充电电容充电到vr；
46.2)pcsc2控制信号使cf与cp的放电开关闭合，使cf与cp两端的电荷为零；
47.3)pcsc1控制信号使均衡开关闭合，使cf、cp与cr进行电荷均衡。
48.4)重复2)、3)步骤直到放电结束(放电的次数由设计的精度确定)令充电电容cr初
始电平为vr，电荷均衡后的电平为vr’,假定被测物体表面为地电平，则根据电荷均衡方程得到
49.cr*vr＝(cr cf cp)*vr’；
50.vr’＝cr*vr/(cr cf cp)；
51.进行多次放电时，以上述方程作为迭代方程，导致充电电容cr电平vr逐次下降(如图3)。
52.本技术所要解决的技术问题是消除不同温度下漏电导致的放电曲线的不同，确保指纹背景图不随温度变化。
53.需要说明的是，关于指纹检测单元控制放电过程，此为现有技术，在中国发明专利cn201610382450.0，快速辨识的指纹辨识感测器中具有详细的工作原理描述，在此不再赘述。
54.现有技术中的电容式距离感测器，在指纹检测单元后连接类比数位转换器，由于电路中mos管的原因，使得输出的放电电压随着温度的变化而变化，从而使得指纹背景图随着温度产生变化，本技术将采用依次连接的比较器、计数器替换所述类比数位转换器，在比较器正向端子采用随温度变化而变化的参考电压信号，如图6所示，所述参考电压信号随温度变化的曲线与输出的放电电压的放电曲线相匹配。为实现所述功能，在电阻分压网络的一端接热敏电阻，所述热敏电阻的随温度变化的曲线与输出的放电电压的放电曲线相匹配，从而除不同温度下漏电导致的放电曲线的不同。
55.首先提供一种电容式指纹传感器，包括：
56.指纹检测单元，用于检测手指的指纹脊谷信息并输出电信号，所述电信号具有随温度变化的放电曲线；
57.比较器，其反向端子与指纹检测单元的输出端连接，正向端子用于输入参考电压信号；
58.温漂校准单元，与比较器的正向端子连接，并输出参考电压信号，所述参考电压信号随温度变化而产生的变化量与所述电信号相匹配。
59.所述比较器用来比较两个输入电压的大小，常见的型号有lm393双电压比较器。
60.所述温漂校准单元包括电压源以及与电压源连接的电阻分压网络，还包括热敏电阻单元,所述热敏电阻单元的一端与电阻分压网络连接，另一端接地，所述电阻分压网络对电压源上的电压分压，得到各级参考电压信号，所述参考电压信号通过多路选择单元连接至正向端子；
61.还包括控制器，所述控制器通过控制多路选择单元从所述各级参考电压信号中选择一路参考电压信号连接至正向端子。
62.所述电阻分压网络输出参考电压信号的个数与多路选择单元输入个数相等。
63.可选的，还包括与控制器连接的译码器，所述多路选择单元包括与参考电压信号的数量相同的支路开关模块，所述译码器的各个输出端分别连接至支路开关模块，所述控制器通过译码器控制支路开关模块的通断，从而选取一路参考电压信号输出到公共的正向端子。
64.所述译码器的各个输出端分别连接对应的支路开关模块，通过译码器某一路输出的高低选择导通对应的支路开关模块。
65.优选的，作为示例性的，所述比较器的输出端依次连接计数器、编码电路，实现指纹脊谷信息的模拟量到数字量的转换。
66.具体的，设计一种温漂校准电路，包括：
67.译码器、ldo、选择开关、电阻等组成。连接关系如(图5)所示：
68.所述第一电阻r0的一端接ldo的输出端vdac，第二端接开关模块s0和第二电阻r1的第一端，第二电阻r1的第二端接开关模块s1和第三电阻r2的第一端，第三电阻r2的第二端接开关模块s2和第四电阻r4的第一端，依此类推，第二百五十四电阻r253的第二端接开关模块s253和第二百五十五电阻r254 的第一端，第二百五十五电阻r254的第二端接开关模块s254和第二百五十五电阻r255的第二端，电阻r255的第二端分别接开关模块s255、开关模块sr1 的第一端，开关模块sr1第二端分别接电阻rptc的第一端，电阻rptc的第二端接地。开关模块s0、s2、s3
……
s253、s254、s255的第二端还连接输出vref。译码器的输出端分别接在开关模块s0、s1、s2
……
s253、s254、s255的控制端。
69.在传统参考电压电路(分压模块)中rdivider与r0、r2、、、r255采用的都是同一类型的电阻。输出电压vref不具有随着温度变化而变化的特性。
70.作为示例：开关模块s0、s1、s2、s3
……
s255、sr1均采用nmos、pmos 对称的三态门开关；
71.作为示例：r0、r1、r2、r3
……
r253、r254、r255电阻采用低阻值低温度系数的多晶电阻；
72.作为示例：电阻rptc采用高阻值正温度系数的多晶电阻；
73.作为示例：第二百五十七电阻采用低阻值低温度系数多晶电阻；
74.作为示例：第二百五十八电阻采用高阻值负温度系数扩散电阻；
75.不同温度下传感单元和分压模块输出波形如图6所示。
76.现有技术中指纹检测单元与分压模块的输出比较，以获得指纹的信号量，采用常规分压模块：常温下(25℃)计数脉冲宽度为(t2-t0)，高温下(85℃)计数脉冲宽度为(t3-t0)，低温下(-25℃)计数脉冲宽度为(t1-t0)。这样指纹背景图在高温时变亮，低温时变暗。
77.采用带正温度系数的分压模块：常温下(25℃)计数脉冲宽度为(t2-t0)，高温下(85℃)计数脉冲宽度为(t2-t0)，低温下(-25℃)计数脉冲宽度为(t2-t0)。不同温度下，指纹背景图不变。
78.本发明采用电容式指纹传感器的温漂校准电路替代原来的分压模块，从而消除不同温度下漏电导致的放电曲线的不同，确保指纹背景图不随温度变化。
79.实施例2
80.所述第一电阻r0的一端接ldo的输出端vdac，第二端接开关模块s0和第二电阻r1的第一端，第二电阻r1的第二端接开关模块s1和第三电阻r2的第一端，第三电阻r2的第二端接开关模块s2和第四电阻r4的第一端，依此类推，第二百五十四电阻r253的第二端接开关模块s253和第二百五十五电阻r254 的第一端，第二百五十五电阻r254的第二端接开关模块s254和第二百五十五电阻r255的第二端，电阻r255的第二端分别接开关模块s255、开关模块sr3 的第一端，开关模块sr3第二端分别接电阻rntc的第一端，电阻rntc的第二端接地。开关模块s0、s2、s3
……
s253、s254、s255的第二端还连接输出vref。译码器的输出端分别接在开关模块s0、s1、s2
……
s253、s254、s255的控制端。
81.作为示例：电阻rntc采用高阻值负温度系数扩散电阻。
82.实施例3
83.所述第一电阻r0的一端接ldo的输出端vdac，第二端接开关模块s0和第二电阻r1的第一端，第二电阻r1的第二端接开关模块s1和第三电阻r2的第一端，第三电阻r2的第二端接开关模块s2和第四电阻r4的第一端，依此类推，第二百五十四电阻r253的第二端接开关模块s253和第二百五十五电阻r254 的第一端，第二百五十五电阻r254的第二端接开关模块s254和第二百五十五电阻r255的第二端，电阻r255的第二端分别接开关模块s255、开关模块sr1、 sr2、sr3的第一端，开关模块sr1、sr2、sr3的第二端分别接电阻rptc、rdivider、rntc的第一端，电阻rptc、rdivider、rntc的第二端接地。开关模块s0、s2、 s3
……
s253、s254、s255的第二端还连接输出vref。译码器的输出端分别接在开关模块s0、s2、s3
……
s253、s254、s255的控制端。
84.作为示例：电阻rptc采用高阻值正温度系数的多晶电阻；
85.作为示例：电阻rdivider采用低阻值低温度系数多晶电阻；
86.作为示例：电阻rntc采用高阻值负温度系数扩散电阻。
87.传统的电压产生电路采用稳压器ldo提供电压，接电阻分压网络，经过电阻分压产生比较电压。本专利在稳压器的分压主路上通过开关接入了不同温度系数的分压电阻，这样通过控制主路开关模块的通断，可以使产生的比较电压具有不同的温度系数。具体的工作过程如下：
88.根据需要的vref的温度系数选择sr1、sr2、sr3的导通情况。若指纹检测单元放电曲线是正温度系数，vref也需要是正温度系数的。因此sr1导通,sr2、 sr3断开。
89.实施例4，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现所述的一种电容式指纹传感器的温漂校准方法。
90.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。