本發(fā)明是有關(guān)一種指紋傳感器，特別是一種電容式指紋傳感器。

背景技術(shù)：

電容式指紋傳感器的原理是檢測人體手指的脊部以及谷部間的電容變化。谷部的正常深度約為20-35μm，其中，填充空氣時的介電常數(shù)為1。人體組織的介電常數(shù)約為4-8，因此，微小的電容變化可被電容式指紋傳感器所檢測。

請參照圖1以說明基于電荷分享方法的電容式指紋傳感器的感測方法。電容式指紋傳感器包含多個陣列排列的感測單元SU。當(dāng)指紋FP與電容式指紋傳感器接觸時，指紋FP的脊部以及谷部具有電容C3。而封裝電容式指紋傳感器會形成氧化層OL，其具有電容C2。因此，電容C2以及電容C3彼此串接則具有電容值Cs，其能夠以下列公式計(jì)算得到：

1/Cs＝1/C2+1/C3

其中C2以及C3分別代表電容C2以及電容C3的電容值。

量測電容值Cs的變化可由以下步驟實(shí)現(xiàn)。首先，導(dǎo)通開關(guān)S1并斷開開關(guān)S2，以偏壓Va對電容C0預(yù)先充電。接著斷開開關(guān)S1以及導(dǎo)通斷關(guān)S2，使電容C0中的電荷重新分布，如此即產(chǎn)生偏壓V1，其能夠以下列公式計(jì)算得到：

V1＝Va*C0/(C0+C1+Cs)，其中，C0以及C1分別代表電容C0以及電容C1的電容值。電容C1為電路的寄生雜散電容。感測單元SU11的感 測節(jié)點(diǎn)的偏壓V1通過緩沖放大器BA輸出偏壓V2，其能夠以下列公式計(jì)算得到：

V2＝g*V1

其中g(shù)為緩沖放大器BA的增益。每一感測單元SU具有一緩沖放大器BA，其是由列開關(guān)Sr1以及行開關(guān)Sc1-Sc3控制輸出至取樣電容Csh。舉例而言，感測單元SU11是由列開關(guān)Sr1以及行開關(guān)Sc1控制輸出；感測單元SU12是由列開關(guān)Sr1以及行開關(guān)Sc2控制輸出；感測單元SU13是由列開關(guān)Sr1以及行開關(guān)Sc3控制輸出。最后，模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC將取樣電容Csh的偏壓V3轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。由于制程或其它因素的影響，感測單元間的緩沖放大器會有增益的變動，加上寄生雜散電容C1與電容C2影響，導(dǎo)致每一感測單元所輸出偏壓的均勻性較差，因而影響后續(xù)的信號處理，例如直流移位(DC subtraction)。

此外，請參照圖2，其顯示傳統(tǒng)封裝的電容式指紋傳感器的剖面圖。電容式指紋感測芯片120設(shè)置于基板110。金線130用以連接電容式指紋感測芯片120上的導(dǎo)電接點(diǎn)121以及基板110上的導(dǎo)線架111。完成芯片粘合以及打線接合后，整個芯片以一高介電填充材料140模封。然而，在模封制程時，電容式指紋感測芯片120以及填充材料140間的熱膨脹系數(shù)的差異將會造成管芯痕跡(die mark)或翹曲，如圖2所示的高度差H。因此，若翹曲的電容式指紋傳感器設(shè)置于一保護(hù)玻璃下，電容式指紋傳感器以及保護(hù)玻璃間將形成一空氣層或粘著膠體，導(dǎo)致感測信號的強(qiáng)度降低，且劣化感測單元間的信號均勻度。

綜上所述，如何使每一感測單元所輸出的偏壓具有較佳的均勻性便是目前極需努力的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種電容式指紋傳感器，其儲存每一感測單元的直流偏移參數(shù)以及增益補(bǔ)償參數(shù)，以補(bǔ)償每一感測單元所感測的感測信號，使每一感測單元所輸出的感測信號具有較佳的均勻性。

本發(fā)明一實(shí)施例的電容式指紋傳感器包含一電容式感測陣列、一補(bǔ)償存儲器、一數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器以及一補(bǔ)償電路。電容式感測陣列包含多個陣列排列的感測單元，其中，電容式感測陣列逐一輸出每一感測單元所測得的一感測信號。補(bǔ)償存儲器用以儲存每一感測單元的一直流偏移參數(shù)以及一增益補(bǔ)償參數(shù)。數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器與補(bǔ)償存儲器電性連接，用以依據(jù)直流偏移參數(shù)輸出一直流偏移補(bǔ)償信號。補(bǔ)償電路與電容式感測陣列、補(bǔ)償存儲器以及數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器電性連接，并依據(jù)直流偏移補(bǔ)償信號以及增益補(bǔ)償參數(shù)逐一補(bǔ)償每一感測單元所測得的感測信號，以輸出一補(bǔ)償后感測信號。

以下借由具體實(shí)施例配合所附的圖式詳加說明，當(dāng)更容易了解本發(fā)明的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及其所達(dá)成的功效。

【附圖說明】

圖1為一示意圖，顯示已知的電容式指紋傳感器的部分電路。

圖2為一示意圖，顯示已知的電容式指紋傳感器的封裝結(jié)構(gòu)。

圖3為一曲線圖，顯示電容式指紋傳感器的封裝翹曲與信號強(qiáng)度的關(guān)系。

圖4為一方塊圖，顯示本發(fā)明一實(shí)施例的電容式指紋傳感器。

圖5為一電路圖，顯示本發(fā)明一實(shí)施例的電容式指紋傳感器的補(bǔ)償電路。

圖6為一方塊圖，顯示本發(fā)明另一實(shí)施例的電容式指紋傳感器。

【符號說明】

110 基板

111 導(dǎo)線架

120 電容式指紋感測芯片

121 導(dǎo)電接點(diǎn)

130 金線

140 填充材料

A1 第一級放大器

A2 第二級放大器

ADC 模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器

BA 緩沖放大器

C0～C3 電容

CI 通信接口

CSA 電容式感測陣列

CC 補(bǔ)償電路

CFS 電容式指紋傳感器

Cs 電容值

Csh 取樣電容

CSS 補(bǔ)償后感測信號

Ct 控制器

DAC 數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器

DCOP 直流偏移參數(shù)

DCOS 直流偏移補(bǔ)償信號

DEc 行解碼器

DEr 列解碼器

DSS 數(shù)字感測信號

FP 指紋

GP 增益補(bǔ)償參數(shù)

H 高度差

Mc 補(bǔ)償存儲器

Me 外部存儲器

Md 數(shù)據(jù)存儲器

OL 氧化層

Ra 電阻

Reg 寄存器

Rg1～Rg5 電阻

S1、S2 開關(guān)

Sr1 列開關(guān)

Sc1～Sc3 行開關(guān)

Sg1～Sg5 開關(guān)

SS 感測信號

SU 感測單元

SU11～SU13 感測單元

V1～V3 偏壓

Va 偏壓

Vref 固定偏壓

【具體實(shí)施方式】

以下將詳述本發(fā)明的各實(shí)施例，并配合圖式作為例示。除了該多個詳細(xì)說明之外，本發(fā)明亦可廣泛地施行于其它的實(shí)施例中，任何所述實(shí)施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并以申請專利范圍為準(zhǔn)。在說明書的描述中，為了使讀者對本發(fā)明有較完整的了解，提供了許多特定細(xì)節(jié)；然而，本發(fā)明可能在省略部分或全部特定細(xì)節(jié)的前提下，仍可實(shí)施。此外，眾所周知的步驟或元件并未描述于細(xì)節(jié)中，以避 免對本發(fā)明形成不必要的限制。圖式中相同或類似的元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意的用，并非代表元件實(shí)際的尺寸或數(shù)量，有些細(xì)節(jié)可能未完全繪出，以求圖式的簡潔。

請參照圖3，其顯示設(shè)置在厚度為200μm的玻璃下的電容式指紋傳感器，其翹曲程度與信號強(qiáng)度的關(guān)系。如圖3所示，芯片翹曲的程度超過50μm時將造成20％以上的信號損失，而一般芯片翹曲約在50至100μm。需注意的是，指紋的脊部以及谷部所形成的信號變化僅約16％。因此，芯片封裝后的翹曲不僅導(dǎo)致每一感測單元所輸出偏壓的均勻性降低，亦使信噪比劣化。本發(fā)明的電容式指紋傳感器即在于補(bǔ)償每一感測單元所感測的感測信號，以使每一感測單元所輸出的感測信號具有較佳的均勻性。

請參照圖4，本發(fā)明的一實(shí)施例的電容式指紋傳感器包含一電容式感測陣列CSA、一補(bǔ)償存儲器Mc、一數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器DAC以及一補(bǔ)償電路CC。電容式感測陣列CSA包含多個陣列排列的感測單元，且逐一輸出每一感測單元所測得的一感測信號SS。舉例而言，電容式指紋傳感器更包含一列解碼器DEr、行解碼器DEc以及一控制器Ct。列解碼器DEr以及行解碼器DEc與電容式感測陣列CSA電性連接，并可定址電容式感測陣列CSA的每一感測單元?？刂破鰿t與列解碼器DEr以及行解碼器DEc電性連接，并經(jīng)由列解碼器DEr以及行解碼器DEc控制電容式感測陣列CSA逐一輸出每一感測單元所測得的感測信號SS。

補(bǔ)償存儲器Mc儲存電容式感測陣列CSA中每一感測單元的一直流偏移(DC offset)參數(shù)DCOP以及一增益補(bǔ)償參數(shù)GP。舉例而言，在電容式指紋傳感器封裝完成后或電容式指紋傳感器組裝于電子裝置后，可借由校正程序獲得每一感測單元的直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP，并儲存于補(bǔ)償存儲器Mc。數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器DAC與補(bǔ)償存儲器Mc電性連接。數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器DAC可依據(jù)直流偏移參數(shù)DCOP輸出一直流偏移補(bǔ)償信號DCOS。

補(bǔ)償電路CC與電容式感測陣列CSA、補(bǔ)償存儲器Mc以及數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器DAC電性連接。補(bǔ)償電路CC可依據(jù)數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器DAC所輸出 的直流偏移補(bǔ)償信號DCOS以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP逐一補(bǔ)償每一感測單元所測得的感測信號SS，并輸出一補(bǔ)償后感測信號CSS。舉例而言，控制器Ct一并與補(bǔ)償存儲器Mc電性連接，如此，控制器Ct借由列解碼器DEr以及行解碼器DEc控制電容式感測陣列CSA逐一輸出每一感測單元所測得的感測信號SS時，同時控制補(bǔ)償存儲器Mc輸出相對應(yīng)感測單元的直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP，以逐一補(bǔ)償感測信號SS。如此，可獲得均勻性以及信噪比較佳的補(bǔ)償后感測信號CSS。換言之，在與指紋的距離較遠(yuǎn)的情況下，例如電容式感測陣列與指紋間有較厚的保護(hù)玻璃，本發(fā)明的電容式指紋傳感器仍能有效感測指紋的脊部以及谷部的電容變化?？梢岳斫獾氖牵a(bǔ)償存儲器與電容式指紋傳感器的其它元件設(shè)計(jì)于單一管芯可獲得較佳的感測效率。但不限于此，補(bǔ)償存儲器亦可與電容式指紋傳感器的其它元件分離設(shè)置，例如以電子裝置的存儲器作為補(bǔ)償存儲器來儲存直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP。

于一實(shí)施例中，電容式指紋傳感器更包含一模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC以及一數(shù)據(jù)存儲器Md。模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC與補(bǔ)償電路CC電性連接，以接收補(bǔ)償電路CC所輸出的補(bǔ)償后感測信號CSS并轉(zhuǎn)換為一數(shù)字感測信號DSS。數(shù)據(jù)存儲器Md與模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC電性連接，以儲存模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC所輸出的數(shù)字感測信號DSS。于一實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲器Md可為一先進(jìn)先出(first-in first-out，F(xiàn)IFO)存儲器。

于一實(shí)施例中，電容式指紋傳感器更包含一通信接口CI，其與補(bǔ)償存儲器Mc、控制器Ct以及數(shù)據(jù)存儲器Md電性連接。電容式指紋傳感器經(jīng)由通信接口CI與外部電路電性連接，使外部電路可控制電容式指紋傳感器，以存取補(bǔ)償存儲器Mc以及數(shù)據(jù)存儲器Md，例如校正程序?qū)懭朊恳桓袦y單元的直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP至補(bǔ)償存儲器Mc或是讀取數(shù)據(jù)存儲器Md中的指紋感測結(jié)果。于一實(shí)施例中，通信接口CI可為串列周邊接口(Serial Peripheral Interface，SPI)、并列接口(Parallel Interface)、通用串列總線(Universal Serial Bus，USB)或集成電路總線(Inter-Integrated Circuit Bus，I²C)。

于一實(shí)施例中，補(bǔ)償電路CC可為一可程序化增益放大器(Programmable gain amplifier，PGA)?？梢岳斫獾氖?，可程序化增益放大器可為單級或多級放大器。舉例而言，請參照圖5，其為一多級放大器架構(gòu)的補(bǔ)償電路CC。圖5所示的補(bǔ)償電路CC包含一第一級放大器A1以及一第二級放大器A2。第一級放大器A1具有一固定增益，其由電阻Ra與Rb比值(1+Ra/Rb)決定。第一級放大器A1的正相輸入端輸入電容式感測陣列CSA所輸出的感測信號SS，負(fù)相輸入端輸入依據(jù)每一感測單元的直流偏移參數(shù)DOCP所產(chǎn)生的直流偏移補(bǔ)償信號DCOS。因此，第一級放大器A1即可對感測信號SS進(jìn)行直流移位處理，而對于感測信號SS信號減去直流偏移補(bǔ)償信號DCOS后可以再次做更大倍率的直流放大。

接續(xù)上述說明，第二級放大器A2的正相輸入端與第一級放大器A1的輸出端連接，其負(fù)相輸入端與一固定偏壓Vref連接。第二放大器A2的增益則是由電阻Rg1-Rg6、Rc以及開關(guān)Sg1-Sg5控制，借由增益補(bǔ)償參數(shù)GP控制開關(guān)Sg1-Sg5即可決定第二放大器A2的增益。于一實(shí)施例中，開關(guān)Sg1-Sg5能夠以金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)加以實(shí)現(xiàn)。舉例而言，開關(guān)Sg1-Sg5決定回授等效電阻值Rgi，第二放大器A2的增益即為(1+Rgi/Rc)。因此，第二級放大器A2可依據(jù)增益補(bǔ)償參數(shù)GP對每一相對應(yīng)的感測單元的感測信號SS進(jìn)行增益補(bǔ)償。經(jīng)各別補(bǔ)償直流偏移以及增益后，即可獲得均勻性較佳的補(bǔ)償后感測信號CSS。

于一實(shí)施例中，補(bǔ)償存儲器Mc可為一隨機(jī)存取存儲器或一非揮發(fā)性存儲器，例如觸發(fā)器、一次性可編程(One-time programmable，OTP)存儲器、多次可編程(Multiple times programmable，MTP)存儲器、電子可抹除可程序化唯讀存儲器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)或快閃存儲器(flash memory)。于一實(shí)施例中， 直流偏移參數(shù)DCOP可為一整體直流偏移加上相對應(yīng)每一感測單元的一個別直流偏移。例如整體直流偏移為一固定值，如此可降低存儲器的儲存空間?？梢岳斫獾氖牵袦y單元間所輸出的感測信號不均勻與芯片翹曲所形成的幾何形狀相關(guān)時，直流偏移參數(shù)DCOP亦可為一整體直流偏移加上每一感測單元與幾何位置相依的一個別直流偏移。舉例而言，每一感測單元的個別直流偏移能夠以一與芯片翹曲所形成的幾何形狀相關(guān)的校正函數(shù)呈現(xiàn)。同理，增益補(bǔ)償參數(shù)GP可為一整體增益補(bǔ)償加上相對應(yīng)每一感測單元的一個別增益補(bǔ)償；或者增益補(bǔ)償參數(shù)GP可為一整體增益補(bǔ)償加上每一感測單元與幾何位置相依的一個別增益補(bǔ)償，以降低存儲器的儲存空間。

于一實(shí)施例中，圖4所示的元件可設(shè)計(jì)于單一管芯中，但不限于此。于一實(shí)施例中，請參照圖6，圖4所示的補(bǔ)償存儲器Mc的功能可由一外部存儲器Me以及一寄存器Reg加以實(shí)現(xiàn)。外部存儲器Me以及寄存器Reg分別與控制器Ct電性連接，其中，外部存儲器Me儲存電容式感測陣列CSA中每一感測單元的直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP，而寄存器Reg僅儲存部分感測單元的直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP。依據(jù)此結(jié)構(gòu)，控制器Ct可在控制電容式感測陣列CSA逐一輸出感測信號SS時，亦同時從外部存儲器Me讀取相對應(yīng)感測單元的直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP并儲存于寄存器Reg，使數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器DAC以及補(bǔ)償電路CC可從寄存器Reg取得相對應(yīng)感測單元的直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP進(jìn)行補(bǔ)償。可以理解的是，寄存器Reg僅儲存少量直流偏移參數(shù)DCOP以及增益補(bǔ)償參數(shù)GP，因此占用芯片的面積較小。于一實(shí)施例中，外部存儲器Me可為一非揮發(fā)性存儲器，例如一次性可編程(OTP)存儲器、多次可編程(MTP)存儲器、電子可抹除可程序化唯讀存儲器(EEPROM)或快閃存儲器；寄存器Reg可為一隨機(jī)存取存儲器。

可以理解的是，圖6所示的電容式指紋傳感器CFS中的元件可設(shè)計(jì)于單一管芯，而外部存儲器Me則設(shè)計(jì)于另一管芯。外部存儲器Me再與適當(dāng)?shù)姆绞脚c電容式指紋傳感器CFS中的控制器Ct電性連接。舉例而言，電容 式指紋傳感器CFS以及外部存儲器Me能夠以多芯片封裝(Multi-chip Package，MCP)技術(shù)封裝于單一封裝件中，并使外部存儲器Me與控制器Ct電性連接。或者，電容式指紋傳感器CFS與外部電性連接的電路板或排線包含與通信接口CI相對應(yīng)的導(dǎo)電接點(diǎn)以及與控制器Ct電性連接的導(dǎo)電接點(diǎn)，而外部存儲器Me利用表面粘著技術(shù)(surface-mount technology，SMT)設(shè)置于與控制器Ct電性連接的導(dǎo)電接點(diǎn)上，如此外部存儲器Me即可與電容式指紋傳感器CFS中的控制器Ct電性連接，并形成一模塊化指紋感測元件。

綜合上述，本發(fā)明的電容式指紋傳感器包含一補(bǔ)償存儲器，其儲存每一感測單元的直流偏移參數(shù)以及增益補(bǔ)償參數(shù)，因此，本發(fā)明的電容式指紋傳感器可針對每一感測單元所測得的感測信號逐一補(bǔ)償，使每一感測單元所輸出的感測信號具有較佳的均勻性及信噪比。換言之，電容式感測陣列與指紋間有較遠(yuǎn)的距離時，例如較厚的保護(hù)玻璃，本發(fā)明的電容式指紋傳感器仍能有效感測指紋的脊部以及谷部的電容變化并辨識指紋。

以上所述的實(shí)施例僅是為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在使熟習(xí)此項(xiàng)技藝的人士能夠了解本發(fā)明之內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，當(dāng)不能以的限定本發(fā)明的專利范圍，即大凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。