專利名稱：半導體指紋采集器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種半導體指紋采集器件，它可以采集用戶手指指紋的脊和谷的圖樣，這個半導體指紋采集器件可作為指紋圖像傳感器集成電路的一個像素單元。
背景技術(shù)：
指紋是人體與生俱來、與他人相區(qū)別地獨一無二的不變特征。指紋識別技術(shù)也是較早被用來作為個人身份驗證的技術(shù)。作為自動的指紋采集、輸入技術(shù)，目前廣泛被熟知的包括光學成像、熱敏傳感器、電容式傳感器、人體遠紅外傳感器等。
指紋是由一系列皮膚表面上的脊和谷組成。指紋圖案的唯一性是由這些脊和谷組成的細節(jié)決定的。由這些脊和谷所組成的有代表性的細節(jié)通常包括有脊的分叉、脊的末端、拱形、帳篷式的拱形、左旋、右旋、螺旋和雙旋等。
當用戶的手指按壓在指紋傳感器的表面上時，皮膚表面上的脊和谷距離傳感器的感應(yīng)電極板的遠近不同，這決定了由手指耦合到電極板上的信號強弱不同，當傳感器檢測出信號強弱的變化也就檢測出了手指指紋的圖樣。
在美國申請的專利U.S.Pat.No.6636053與本發(fā)明相比較，兩者的技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用相似，但技術(shù)上存在很大的不同。比如，美國專利U.S.Pat.No.6636053中使用了一個電荷積分器，電荷積分器的增益與感應(yīng)面上的指紋是脊或谷相關(guān)；而本發(fā)明中的放大級45工作在兩種模式下，它的增益不隨用戶指紋的情況變化。本發(fā)明的一大特點是使用了雙端放大器，具有高共模抑制比的特性；本發(fā)明的另一個優(yōu)點是由結(jié)構(gòu)中引入復位開關(guān)所帶來的，它可以抵消放大器的失調(diào)電壓。上述這兩個優(yōu)點極大地提升了該半導體指紋采集器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
下文中使用了一些符號，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可用的表示符號有多種形式，使用這些符號是為了簡化和清楚地說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明是一種半導體指紋采集器件，包括一層保護層；一個由信號激勵源驅(qū)動的驅(qū)動電極；一個包括至少一個電極板的信號感應(yīng)級；一個包括一個差分輸入、差分輸出的放大器和一對復位開關(guān)的信號放大級。
以圖2為例，當用戶的手指50按壓在該半導體指紋采集器件60的表面11上時，手指50的皮膚與電極板30構(gòu)成了電容Cs的兩極。電容Cs的大小是電容兩極間距離的函數(shù)。電容Cs兩極間的距離取決于該傳感器的表面11上手指50皮膚的脊、谷的變化當按壓在該傳感器的表面11上是脊時，電容Cs的兩極間距離最小，電容值最大；當按壓在該器件60的表面11上是谷時，電容Cs的兩極間距離最大，電容值最小。
由于需要承受手指經(jīng)常性的按壓，該指紋傳感器陣列單元電路的表面必須具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕的保護層10。
通常認為，手指的皮膚表面是等電位的。本發(fā)明中，信號源Vs通過驅(qū)動電極20a把信號傳導給用戶的手指50，再經(jīng)過電容Cs傳導至差分輸入、差分輸出放大器I1的一個輸入端INP。信號被放大器I1放大后輸出。為了最大地不衰減所接收到的微弱信號，本發(fā)明沒有采用直流偏置電路為差分輸入、差分輸出放大器I1的兩個輸入端INP、INM提供工作點。而是采用在復位模式為與放大器I1的輸入端相連的電容充電，用電容上儲存的電荷為放大器I1提供在放大模式的直流偏置。
引入一對復位開關(guān)K1、K2實現(xiàn)放大器I1在兩個模式間的切換。其中開關(guān)K2的兩端分別與放大器I1的正相輸入端INP和反相輸出端OUTM相連，開關(guān)K1的兩端分別與放大器I1的反相輸入端INM和正相輸出端OUTP相連。當開關(guān)閉合時該半導體指紋采集器件60工作在復位模式，由放大器I1為與放大器I1的輸入端INP、INM相連的電容充電；當開關(guān)斷開時該傳感器陣列單元電路工作在放大模式，儲存在與放大器I1的輸入端INP、INM相連的電容上的電荷為放大器I1提供直流工作點。
采用差分輸入、差分輸出的放大器I1是為了利用該類放大器高信噪比、高共模抑制比等特性。本發(fā)明所采用的結(jié)構(gòu)和復位工作模式，可以極大地減小放大器I1自身的失調(diào)電壓所帶來的誤差影響。
本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件可作為指紋圖像傳感器集成電路的一個像素單元。為了獲得高分辨率，該指紋采集器件作為一個像素單元時，需要占用相當小的面積；而為了獲得高的信噪比，需要使電容Cs的值盡量大，也就是使電極板的面積盡量大。本發(fā)明中，為了使整個器件結(jié)構(gòu)緊湊，將半導體指紋采集器件60的部分電路61置于電極板30的下方。信號放大級45輸出的信號，經(jīng)過后繼的輸出電路I2以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路I3，如圖4中所示，最終以數(shù)字信號的形式輸出，供給識別電路實現(xiàn)指紋識別。


圖1為本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件的第一實施例的簡化縱向剖面圖；圖2為本發(fā)明所述的帶有電路連接關(guān)系的半導體指紋采集器件的第一實施例的簡化縱向剖面圖；圖3為本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件第一實施例的簡化電路圖；圖4為本發(fā)明第一實施例的帶有輸出電路的簡化電路圖；圖5為本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件的第二實施例的簡化縱向剖面圖；
圖6為本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件的第三實施例的簡化縱向剖面圖；圖7為與圖6相對應(yīng)的集成電路的簡化電路圖具體實施方式
下文通過一些具體實施例，并配合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
在這些實施例中，將本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件作為指紋圖像傳感器集成電路的一個像素單元。
如圖1所示，是本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件的一個實施例的簡化縱向剖面圖。圖中指示出了半導體指紋采集器件60的表面11，在該表面11的下方是本發(fā)明所述的高硬度、耐磨損、耐腐蝕的保護層10。圖中器件60的表面11的上方是用戶手指50的一部分按壓在指紋傳感器上。手指50的皮膚貼著傳感器表面11的部分是脊51，凹上去沒有貼著傳感器表面11的部分是谷52。在圖中左邊與手指50相接觸的是本發(fā)明所述的驅(qū)動電極20a，該驅(qū)動電極20a與通過受21控制的開關(guān)Ks與信號源Vs相聯(lián)接。驅(qū)動電極20a將信號傳導至用戶的手指50上。在圖中保護層10的下方標注了四個由金屬層構(gòu)成的極板感應(yīng)極板30，上層屏蔽極板32，下層屏蔽極板31，下層參考點極板33。半導體指紋采集器件的部分電路61被置于四個金屬極板下方。在圖的下方畫出的是集成電路的硅襯底12。圖中最下方標出了本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件60作為一個像素單元在集成電路上所占用的空間。將逾以千、萬計的本發(fā)明所述的半導體指紋采集器件排成一個二維陣列，就可以捕捉用戶手指指紋的圖像，當然，本發(fā)明所述的驅(qū)動電極20a，和與該驅(qū)動電極20a相聯(lián)接的信號源Vs可以是共用的。
進一步地在圖2中示出的是本發(fā)明帶有電路連接關(guān)系的第一實施例的簡化剖面圖。在剛剛敘述的四個由金屬層構(gòu)成的極板的正下方設(shè)計放置有一個差分輸入、差分輸出的放大器I1和一對復位開關(guān)K1、K2。差分輸入、差分輸出的放大器I1的兩個輸入端INP、INM分別與信號放大級的兩個輸入端41、40相連；差分輸入、差分輸出的放大器I1的兩個輸出端OUTP、OUTM分別與信號放大級的兩個輸出端42、43相連。將半導體指紋采集器件的部分電路61置于感應(yīng)電極板30的下方，這也就使得感應(yīng)極板30容易受到電路其它部分的干擾。一個與感應(yīng)極板30大小相當?shù)南聦悠帘螛O板31被置于感應(yīng)極板30的正下方，將下層屏蔽極板31接地(它可以是系統(tǒng)的信號地或是電源地，也可以是一個虛擬地)，用以克服干擾問題。
感應(yīng)極板30與下層屏蔽極板31間存在一個相對較大的寄生電容CP1，使得差分輸入、差分輸出的內(nèi)部放大器I1的兩個輸入端INP、INM失衡，這會降低該放大器I1工作的準確性。本實施例引入了上層屏蔽極板32和下層參考點極板33，這兩個極板間存在一個寄生電容CP2，將下層參考點極板33連至差分輸入、差分輸出放大器I1的另一個輸入端INM。若CP1與CP2的容值相當，差分輸入、差分輸出放大器I1的兩個輸入端INP、INM就獲得了平衡工作的條件。
上層屏蔽極板32與感應(yīng)極板30在同一平面上相鄰，上層屏蔽極板32與地相連(它可以是系統(tǒng)的信號地或是電源地，也可以是一個虛擬地)，用以屏蔽來自手指50表面的信號對下層參考點極板33的影響。下層參考點極板33處在上層屏蔽極板32的正下方，與下層屏蔽極板31在同一平面相鄰。
用戶手指50的皮膚與半導體指紋采集器件60的感應(yīng)極板30構(gòu)成了電容Cs的兩極，保護層10和空氣是電容Cs兩極間的絕緣層。在這里認為，整個手指的皮膚表面是等電位的，也就是說，電容Cs的上極板通過受21控制的開關(guān)Ks與信號源Vs相聯(lián)接。寄生電容CP1由感應(yīng)極板30與下層屏蔽極板31構(gòu)成；寄生電容CP2由上層屏蔽極板32和下層參考點極板33構(gòu)成。差分輸入、差分輸出的放大器I1的正相輸入端INP與感應(yīng)極板30相連；放大器I1的反相輸入端INM與下層參考點極板33相連。一對復位開關(guān)K1、K2受控制信號PRE_CHG控制。其中，復位開關(guān)K1的兩端分別與放大器I1的反相輸入端INM和正相輸出端OUTP相連；復位開關(guān)K2的兩端分別與放大器I1的正相輸入端INP和反相輸出端OUTM相連。
為了便于說明本發(fā)明的工作原理，圖3給出了本發(fā)明第一實施例的簡化電路原理圖。當復位開關(guān)K1、K2閉合，放大器I1的兩個輸出端OUTP、OUTM分別向電容CS、CP1、CP2充電；當復位開關(guān)K1、K2斷開時，儲存在電容Cs、CP1、CP2兩端的電荷為放大器I1的兩個輸入端INP、INM提供直流偏置，放大器I1工作于放大模式。從圖中可以看出，當復位開關(guān)K1、K2斷開時，放大器I1的兩個輸入端INP、INM沒有直流通路，這樣設(shè)計是為了獲得高輸入阻抗。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一個優(yōu)點是它可以自適應(yīng)調(diào)整放大器I1自身失調(diào)電壓所帶來的誤差。
在放大模式下，開關(guān)Ks閉合，信號源Vs提供一個信號Δv，電容Cs與CP1串連分壓，在放大器I1的輸入端INP，產(chǎn)生信號ΔVinΔvin=CSCS+CP1·Δv]]>公式1則得到差分輸出信號VOUTvOUT＝vOUTP-vOUTM＝A·Δvin公式2其中，A是放大器I1的電壓增益。
當按壓在感應(yīng)極板30上的是‘脊’時，電容值Cs最大，輸出信號VOUT最大；當按壓在該傳感器的表面11上是‘谷時，電容值Cs最小，輸出信號VOUT最小。輸出信號VOUT的大小變化反映手指指紋‘脊’與‘谷’的變化。
圖4所示的是本發(fā)明第一實施例加上輸出電路的簡化電路圖。輸出信號VOUT經(jīng)過輸出電路I2處理后，再由DAC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路I3轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。
圖5為本發(fā)明所述的指紋采集器件的第二實施例的簡化縱向剖面圖。與第一實施例相比較，圖5所示的第二實施例的區(qū)別主要有兩個第一個是其中的驅(qū)動電極20b直截與信號源Vs相聯(lián)接；第二個是驅(qū)動電極20b是由集成電路內(nèi)部的電極構(gòu)成。這個內(nèi)部的電極不被保護層10完全覆蓋，可以與用戶的手指50直截接觸。這個內(nèi)部的電極可以是分布于不同位置的觸點，或是金屬線，也可以是網(wǎng)格狀的。工作原理與本發(fā)明第一實施例相似。
圖6為本發(fā)明所述的指紋采集器件的第三實施例的簡化縱向剖面圖；與圖5所示的第二實施例相比較，區(qū)別只有一個驅(qū)動電極20c是由集成電路內(nèi)部的電極構(gòu)成，這個內(nèi)部的電極被保護層10完全覆蓋。這樣，驅(qū)動電極20c與用戶的手指50構(gòu)成了另一個電容CDRV。信號源通過電容CDRV把信號傳導給用戶的手指50。
圖7是與圖6相對應(yīng)的集成電路的簡化電路圖。由于本圖中引入了電容CDRV，信號ΔVin變換成為Δvin=CS·CDRVCS·CDRV+CP1·(CS+CDRV)·Δv]]>公式3顯然在第三實施例中，放大器I1輸入端的信號因為電容CDRV的引入而減小了。
盡管本實用新型已作了詳細的說明并引證了最優(yōu)的實例，但對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，顯然可以按照上述說明作出種種替代方案、修改和改動。因此，所有這些替代方案、修正和改動，都應(yīng)該包括在權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導體指紋采集器件，其特征是至少包含有一層保護層、一個驅(qū)動電極、一個信號感應(yīng)級、一個信號放大級。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體指紋采集器件，其特征是所述的驅(qū)動電極由一個信號激勵源驅(qū)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體指紋采集器件，其特征是所述的信號感應(yīng)級包含至少一個電極板和該電極板上的寄生電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導體指紋采集器件，其特征是所述的電極板位于指紋采集器件表面的下方。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導體指紋采集器件，其特征是所述的信號感應(yīng)級與信號放大級相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導體指紋采集器件，其特征是所述的信號放大級，包括一個差分輸入、差分輸出的放大器和一對復位開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體指紋采集器件，其特征是信號放大級的輸入端與放大器的輸入端相連，信號放大級的輸出端與放大器的輸出端相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導體指紋采集器件，其特征是所述的信號放大器的輸出端與輸出電路相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導體指紋采集器件，其特征是所述的信號放大器的正相輸入端與反相輸出端之間、反相輸入端與正相輸出端之間分別與復位開關(guān)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種半導體指紋采集器件。該器件可以采集用戶指紋的脊和谷的圖樣，然后以電信號輸出。該指紋采集器件感應(yīng)來自信號源，經(jīng)過驅(qū)動電極傳導給手指上的信號，然后將信號放大輸出，輸出信號的大小反映了用戶手指表皮與感應(yīng)電極板間的距離。該指紋采集器件工作的過程中，放大器工作在復位和放大兩種模式下。復位模式將放大器的輸出置零，同時為與放大器的輸入端相連的電容充電，用以提供在放大模式下放大器的直流工作點；在放大模式下對信號進行放大輸出。該指紋采集器件可作為指紋圖像采集集成電路的一個像素單元，完成整幅指紋圖像的采集工作，應(yīng)用于各種指紋識別系統(tǒng)。
文檔編號G06K9/20GK1564189SQ20041003399
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月22日
發(fā)明者葉軍, 熊從慶, 武敬 申請人:葉軍