一种自电容指纹检测电路及方法与流程

1.本发明涉及电容式指纹检测技术领域，特别是涉及一种自电容指纹检测电路及方法。


背景技术：

2.指纹采集的方式多种多样，包括光学式指纹采集，电容式指纹采集和超声波式指纹采集等，其中电容式指纹采集依靠电容式指纹传感器获取指纹图像，电容指纹传感器由于其小体积、低功耗、高灵敏度等优点被广泛的应用在手机、电脑、门锁等各个领域。
3.一个典型的电容指纹传感器通常由很多指纹像素按照矩阵方式排列而成，单个指纹像素至少包含一个检测电极，用于感知该像素和手指之间电的容大小，还会包含一个隔离电极用于对检测电极进行隔离。在指纹传感器上覆盖层厚度达到100um的情形下，指纹谷脊之间的电容差值会小至0.1ff，而检测电极和隔离电极之间的寄生电容相对来说高达50ff～100ff，检测电极和相邻像素之间的寄生电容也会达到几个ff以上，这些寄生电容的存在大大的降低了指纹信号检测的灵敏度和动态范围。
4.为了减小这些寄生电容对信号采集的影响，一种方法是在指纹传感器的外围通过一个导电金属环发射一个电信号到手指上，再耦合回检测电极，此方法增加了指纹检测系统的成本和复杂度，同时降低了系统的可靠性；另一种方法是在检测电极工作时，增加一个额外的驱动电路，让隔离电极和周边相邻像素的电位随着被检测电极的电位同步变化，这种方法虽然可以补偿掉大部分的寄生效应，但是电路的复杂性和消耗的功率将大大增加。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种自电容指纹检测电路及方法，消除寄生电容，降低电路中功率的消耗并简化电路结构。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种自电容指纹检测电路，包括：目标像素、相邻像素、开关网络、局部运算放大器、第一电压源和第二电压源；
7.所述目标像素包括目标像素检测电极和目标像素隔离电极；所述相邻像素包括相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极；
8.所述目标像素与所述相邻像素通过所述开关网络与所述局部运算放大器相连，所述局部运算放大器将寄生电极进行复位，并将储存在所述目标像素检测电极与手指之间电容上的电荷转移至所述相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极上；所述第二电压源连接在所述局部运算放大器的正输入端；所述第一电压源通过所述开关网络与所述目标像素以及所述相邻像素相连，所述第一电压源对所述目标像素检测电极进行初始化。
9.进一步的，所述局部运算放大器通过所述开关网络与所述目标像素检测电极、所述目标像素隔离电极、所述相邻像素检测电极和所述相邻像素隔离电极相连；
10.所述第一电压源通过所述开关网络与所述目标像素检测电极、目标像素隔离电极、相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极相连。
11.进一步的，所述局部运算放大器的负输入端和输出端通过所述开关网络相连。
12.进一步的，所述开关网络包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关和第九开关；
13.所述相邻像素检测电极通过第七开关与第二开关与所述局部运算放大器的负输入端相连；所述相邻像素检测电极通过第七开关与第三开关与所述第一电压源相连；
14.所述相邻像素隔离电极通过第九开关和第二开关与所述局部运算放大器的负输入端相连；所述相邻像素隔离电极通过所述第五开关与所述局部运算放大器的输出端相连；所述相邻像素隔离电极通过第九开关与第三开关与所述第一电压源相连；
15.所述目标像素检测电极通过所述第六开关与所述第二开关与所述局部运算放大器的负输入端相连；所述目标像素检测电极通过所述第六开关与所述第三开关与所述第一电压源相连；
16.所述目标像素隔离电极通过所述第八开关与所述第二开关与所述局部运算放大器负输入端相连；所述目标像素隔离电极通过所述第四开关与所述局部运算放大器的输出端相连；所述目标像素隔离电极通过所述第八开关与所述第三开关与所述第一电压源相连；
17.所述局部运算放大器的负输入端与输出端通过所述第一开关连接。
18.本发明还提供一种自电容指纹检测方法，所述自电容指纹检测方法包括以下步骤：
19.将目标像素检测电极的电压初始化到第一电压源中设定的目标电位；
20.将寄生电极复位到第二电压源中设定的基准电位；以及
21.将储存在所述目标像素检测电极与手指之间电容上的电荷转移至相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极上，在局部运算放大器的输出端电压上反应所述电荷大小。
22.进一步的，在所述检测电极初始化的过程中，开关网络中的第一开关、第三开关和第六开关闭合，第二开关、第四开关、第五开关、第七开关、第八开关和第九开关断开；
23.当检测电极初始化完成后，所述第三开关和所述第六开关断开。
24.进一步的，在所述检测电极初始化过程中，所述局部运算放大器的负输入端和输出端短接；所述第一电压源通过开关网络与所述目标像素检测电极相连接；所述第一电压源将目标像素检测电极初始化到所述目标电位。
25.进一步的，在所述寄生电极复位的过程中，开关网络中的第一开关、第二开关、第五开关、第七开关和第八开关闭合，第四开关、第三开关、第六开关和第九开关断开。
26.进一步的，在所述寄生电极复位的过程中，目标像素隔离电极通过开关网络与所述局部运算放大的负输入端相连接，所述相邻像素检测电极和所述相邻像素隔离电极通过所述开关网络跨接在所述局部运算放大器的负输入端和输出端；所述局部运算放大器的负输入端和输出端短接；所述局部运算放大器对连接到负输入端和输出端的寄生电极进行复位。
27.进一步的，在所述手指电荷的转移的过程中，开关网络中的第二开关、第五开关、第六开关、第七开关和所述第八开关闭合，第一开关、第三开关、第四开关和第九开关断开。
28.进一步的，在手指电荷的转移的过程中，所述相邻像素检测电极通过开关网络连接到所述局部运算放大器的负输入端；所述相邻像素隔离电极通过开关网络连接到所述局
部运算放大器的输出端；所述目标像素检测电极和目标像素隔离电极通过开关网络连接在所述局部运算放大器的负输入端；所述局部运算放大器的负输入端和输出端之间断开连接；储存在所述目标像素检测电极与手指之间电容上的电荷转移至所述相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极上，所述电荷值反映在所述局部运算放大器的输出端电压上。
29.进一步的，储存在所述目标像素检测电极与手指之间电容上的电荷大小为(vprg-vref)*cf，在所述局部运算放大器输出端产生一大小为(vprg-vref)*cf/cs2的电压变化。
30.相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
31.本发明通过采用寄生电极和目标像素检测电极短接的方法来消除寄生效应，不需要增加额外的驱动电路，简化了电路复杂度，大大节省了功率消耗；此外，采用寄生电极和目标像素检测电极短接的方法来消除寄生效应，对寄生电荷的补偿更加彻底。
附图说明
32.图1为本发明实施例一中的自电容指纹检测电路的电路结构示意图；
33.图2为本发明实施例一中的自电容指纹检测电路具体电路图；
34.图3为本发明实施例二中检测电极初始化过程的电路连接示意图；
35.图4为本发明实施例二中寄生电极复位过程的电路连接示意图；
36.图5为本发明实施例二中手指电荷转移过程的电路连接示意图。
具体实施方式
37.下面将结合示意图对本发明的一种自电容指纹检测电路及方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
38.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
39.实施例一
40.本实施例提供一种自电容指纹检测电路，请参考图1，包括：目标像素、指纹像素、相邻像素、开关网络、局部运算放大器、第一电压源和第二电压源。
41.具体的，所述目标像素包括目标像素检测电极、目标像素隔离电极，所述相邻像素包括相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极。所述目标像素与所述相邻像素通过所述开关网络与所述局部运算放大器相连，所述局部运算放大器将寄生电极进行复位，并将储存在所述目标像素检测电极与手指之间电容上的电荷转移至所述相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极上；所述第二电压源连接在所述局部运算放大器的正输入端；所述第一电压源通过所述开关网络与所述目标像素以及所述相邻像素相连，所述第一电压源对所述目标像素检测电极进行初始化。
42.进一步的，所述局部运算放大器通过所述开关网络与所述目标像素检测电极、所述目标像素隔离电极、所述相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极相所述第一电压源通过所述开关网络与所述目标像素检测电极、目标像素隔离电极、相邻像素检测电极和相邻像
素隔离电极相连。
43.其中，所述第一电压源可通过开关网络将目标像素检测电极初始化到目标电压。
44.在本实施例中，请参考图2，所述开关网络包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关和第九开关。
45.具体的，所述相邻像素检测电极通过第七开关与第二开关与所述局部运算放大器的负输入端相连；所述相邻像素检测电极通过第七开关与第三开关与所述第一电压源相连。所述相邻像素隔离电极通过第九开关和第二开关与所述局部运算放大器的负输入端相连；所述相邻像素隔离电极通过所述第五开关与所述局部运算放大器的输出端相连；所述相邻像素隔离电极通过第九开关与第三开关与所述第一电压源相连。所述目标像素检测电极通过所述第六开关与所述第二开关与所述局部运算放大器的负输入端相连；所述目标像素检测电极通过所述第六开关与所述第三开关与所述第一电压源相连。所述目标像素隔离电极通过所述第八开关与所述第二开关与所述局部运算放大器负输入端相连；所述目标像素隔离电极通过所述第四开关与所述局部运算放大器的输出端相连；所述目标像素隔离电极通过所述第八开关与所述第三开关与所述第一电压源相所述局部运算放大器的正输入端与第二电压源相连；所述局部运算放大器的负输入端与输出端通过所述第一开关连接。
46.在一具体实施例中，所述局部运算放大器的负输入端与输出端通过所述第一开关短接，使得开关网络工作在单增益模式，为目标像素检测电极的复位以及寄生电容的复位作准备。
47.本实施例中的自电容指纹检测电路结构简单，仅需一局部运算放大器、开关网络和一电压源即可完成自电容指纹检测电路的构建；此外，所述自电容指纹检测电路能够将目标像素检测电极与寄生电极间的寄生效应完全消除，提高指纹灵敏度。
48.实施例二
49.本实施例提供一种自电容指纹检测方法，采用实施例一中的自电容指纹检测电路，所述自电容指纹检测方法包括检测电极初始化、寄生电极复位和手指电荷的转移这三个步骤。
50.步骤一为检测电极初始化，即，将目标像素检测电极的电压初始化到第一电压源中设定的目标电位；
51.所述第一电压源可以根据需要设定输出不同的目标电位，在一具体实施例中，所述目标电位可以为7v。
52.具体的，请参考图3，为了将目标像素检测电极初始化到目标电压，开关网络中的第一开关、第三开关和第六开关闭合，第二开关、第四开关、第五开关、第七开关、第八开关和第九开关断开；当检测电极初始化完成后，所述第三开关和所述第六开关断开。
53.此时，所述局部运算放大器的负输入端和输出端短接；所述第一电压源通过开关网络与所述目标像素检测电极相连接；所述第一电压源将目标像素检测电极初始化到所述目标电位。当所述检测电极初始化完成后，所述目标像素检测电极和手指之间的电容cf上存储的电荷量为vprg*cf。
54.优选地，在检测电极初始化过程中，所述目标像素隔离电极、所述相邻像素检测电极和所述相邻像素检测电极可以处于浮空状态或被钳位到任一电压。
55.由此可知，步骤一通过第一电压源将所述目标像素检测电极进行初始化，过程简
单，降低了系统成本，同时为后续的电荷转移过程作准备。
56.步骤二为寄生电极复位，即，将所述寄生电极复位到第二电压源中设定的基准电位。
57.具体的，请参考图4，当需要对寄生电极进行复位时，开关网络中的第一开关、第二开关、第五开关、第七开关和第八开关闭合，第四开关、第三开关、第六开关和第九开关断开。
58.此时，所述局部运算放大器工作在缓冲器模式，即，所述目标像素隔离电极通过所述开关网络与所述局部运算放大的负输入端相连接，所述相邻像素检测电极和所述相邻像素隔离电极通过所述开关网络跨接在所述局部运算放大器的负输入端和所述局部运算放大器的输出端；所述局部运算放大器的负输入端和输出端短接。工作在缓冲器模式下的局部运算放大器将寄生电极复位到第二电压源的电压值。
59.具体的，所述寄生电极包括所述目标像素隔离电极、所述相邻像素的寄生电极和所述相邻像素隔离电极。
60.此外，本领域技术人员不难得知，由于第六开关断开后的所述目标检测电极处于浮空状态，因此所述目标检测电极上的电荷不会减少。
61.步骤三为手指电荷的转移，即，将储存在所述目标像素检测电极与手指之间电容上的电荷转移至相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极上，在局部运算放大器的输出端电压上反应所述电荷大小。
62.具体的，请参考图5，当需要进行手指电荷的转移时，第二开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关闭合，第一开关、第三开关、第四开关和第九开关断开。
63.在本实施例中，所述相邻像素检测电极通过所述开关网络连接到所述局部运算放大器的负输入端；所述相邻像素隔离电极通过所述开关网络连接到所述局部运算放大器的输出端；所述目标像素检测电极和所述目标像素隔离电极通过开关网络连接在所述局部运算放大器的负输入端；所述局部运算放大器的负输入端和输出端之间断开连接。
64.优选地，进行手指电荷的转移时，既可以是所述相邻指纹像素的检测电极和隔离电极与局部运算放大器的负输入端与输出端分别连接，也可以是所述相邻指纹像素的检测电极和隔离电极与局部运算放大器的输出端与负输入端分别连接。
65.此时，所述局部运算放大器工作在电荷放大器模式，以相邻像素检测电极和相邻像素隔离电极之间的寄生电容为反馈电容；目标像素检测电极与手指之间电容上的电荷将转移到所述反馈电容上，电荷值将反映至所述到局部运算放大器的输出端电压上。
66.可以理解的是，当断开所述第一开关，闭合所述第六开关后，由于所述目标像素检测电极、所述目标像素隔离电极和所述相邻像素检测电极短接，所述目标像素检测电极因为寄生电容的存在而感应到的正电荷和负电荷将彻底抵消，因此目标像素检测电极与寄生电极间的寄生效应完全消除。
67.当电路稳定后，即，当所述目标像素检测电极上不再有储存的电荷转移到所述局部运算放大器的输出端时，转移到所述反馈电容上的电荷量为(vprg-vref)*cf，并在所述局部运算放大器的输出端产生一大小为(vprg-vref)*cf/cs2的电压变化，所述局部运算放大器输出端电压变化的幅度间接反映了检测电容的大小，且此变化呈线性。
68.由此可知，步骤三中采用将目标像素检测电极、所述目标像素隔离电极和所述相
邻像素检测电极短接这一方法实现寄生效应的消除，不但对寄生电荷的补偿更加彻底，而且简化了电路复杂度，大大节省了功率消耗。
69.综上所述，本发明不再使用通过类似金属环的外部电极对手指进行驱动，而是先对目标像素检测电极先进行电压初始化，后进行电荷转移的方式对手指进行驱动，降低了系统成本、提高了可靠性；此外，本实施例中不再使用寄生电极同步充放电的方式消除寄生效应，而是采用寄生电极和目标像素检测电极短接的方法来消除寄生效应，不但对寄生电荷的补偿更加彻底，而且简化了电路复杂度、大大节省了功率消耗。
70.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。