本發(fā)明關(guān)于一種像素感測單元，特別是關(guān)于一種使用該像素感測單元的電容式影像傳感器，以及操作該電容式影像傳感器的方法。

背景技術(shù)：

有許多的人體生理特征可為了安全目的用來提供人員識(shí)別，比如指紋、視網(wǎng)膜、虹膜、DNA，甚至是臉部特征。對于所有能夠區(qū)分人與人的某些生理特征的設(shè)備而言，指紋辨識(shí)器的成本與復(fù)雜性最低，而其識(shí)別結(jié)果通常來說也不錯(cuò)。此外，需要儲(chǔ)存指紋特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)量小(范圍由120字節(jié)到2K字節(jié))。這使得指紋辨識(shí)設(shè)備廣泛地接納于許多應(yīng)用。

擷取指紋有許多種感測技術(shù)，最普遍的是光學(xué)式與電容式。光學(xué)式指紋感測模塊利用來自手指表面的反射光強(qiáng)度來區(qū)分手指接觸部分的谷部與脊部。光學(xué)式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于信賴性與低成本。然而，因嵌入的光學(xué)鏡片的尺寸，光學(xué)式指紋感測模塊的形狀因子無法維持微小，造成光學(xué)式指紋傳感器難以嵌入可攜式設(shè)備中。在另一方面，電容式指紋感測模塊是由硅芯片制成，可被做的非常輕薄。在某些情況下，當(dāng)一個(gè)指紋影像能經(jīng)由滑動(dòng)掃描取得，該指紋傳感器可以做得更薄更小。電容式指紋辨識(shí)模塊較小的外型使得它能適合于可攜式應(yīng)用中，比如用于門禁徽章、銀行卡、手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、USB加密裝置等設(shè)備中。

電容式指紋傳感器是基于兩個(gè)平行的導(dǎo)電板的電容反比于它們之間的距離的原理，電容式指紋傳感器包含一數(shù)組的感測單元。每一感測單元包括一個(gè)感測板。經(jīng)由使用該感測板作為雙板電容器中的一個(gè)且真皮組織作為另一個(gè)，指紋的谷部與脊部可由量測不同電容而進(jìn)行定位。有許多的前案關(guān)于電容式指紋辨識(shí)模塊，多數(shù)已應(yīng)用在制作指紋傳感器。然而，還是有許多待解決的問題，其中之一是感測組件的準(zhǔn)確度。

因高密度的性質(zhì)，較普遍的電容式指紋傳感器大多以半導(dǎo)體制程制作。感測組件的精度受制程技術(shù)中的許多繼承因素影響，比如化學(xué)雜質(zhì)密度、光罩的調(diào)整、設(shè)備控制等，其不確定性或變化將反映在設(shè)備間的不同表現(xiàn)特性，甚或在相同設(shè)備的擷取指紋影像可見固定樣式的噪聲。為了達(dá)成人員識(shí)別的最佳表現(xiàn)程度，最好能提高擷取的指紋影像的質(zhì)量。一種常見的用來消除固定噪聲的做法是在使用前對該設(shè)備進(jìn)行校正。校正數(shù)據(jù)可以被計(jì)算并存儲(chǔ)作為制造過程的一部分，或用于設(shè)備使用前。然而在其它例子中，一部分內(nèi)存空間必須設(shè)定用來記錄該校正數(shù)據(jù)，這些內(nèi)存空間會(huì)增加系統(tǒng)的成本。因此，一種新穎的像素感測單元、一種由該像素感測單元制作的電容式指紋傳感器及操作該像素感測單元的方法，亟為所需。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本段文字提取和編譯本發(fā)明的某些特點(diǎn)。其他特點(diǎn)將被公開于后續(xù)段落中。其目的在涵蓋附加的申請專利范圍的精神和范圍中，各式的修改和類似的排列。

本發(fā)明公開一種電容式影像傳感器，該電容式影像傳感器包含：多個(gè)電容式感測單元，形成一數(shù)組，每一電容式感測單元用以將接近的手指的一部分表面與其上表面間距離轉(zhuǎn)化為輸出電壓，該輸出電壓值受外加于該手指的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而變化；模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，用以將該輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字并輸出該數(shù)字；信號(hào)源，用以提供該驅(qū)動(dòng)信號(hào)至該手指。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)為具有電壓轉(zhuǎn)換的信號(hào)，由正波形與負(fù)波形交替出現(xiàn)所形成。電容式感測單元每一部分的內(nèi)部電位在重設(shè)階段初始化為已知定值。這些電容式感測單元在感測階段接收該驅(qū)動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為輸出電壓。該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在量測階段進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換每一電容式感測單元在正波形與負(fù)波形下的輸出電壓的兩個(gè)數(shù)字之差為減噪數(shù)值，代表該手指的部分表面的像素。依序收集在每一像素對應(yīng)的正波形與負(fù)波形下的這些減噪數(shù)值以獲得該手指的減噪影像。

最好，該正波形與負(fù)波形的外觀對稱，該正波形或負(fù)波形可為躍階函數(shù)，該像素的影像值為數(shù)字值，該數(shù)字值對應(yīng)該像素的灰階影像值。

在第一實(shí)施例中，該電容式感測單元可進(jìn)一步包含：金屬板；電壓隨耦器，其中該電壓隨耦器的輸入端與該金屬板連接，該電壓隨耦器的輸出端與該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器連接；比較電容器，該比較電容器的電極與該金屬板電連接，另一電極與接地端電連接；恒定電壓源，用以提供恒定偏置電壓；及恒定偏置電壓開關(guān)，該恒定偏置電壓開關(guān)連接該恒定電壓源與該金屬板，用以切換該恒定偏置電壓的供應(yīng)。其中該恒定偏置電壓開關(guān)在該重設(shè)階段開啟，并在該感測階段及量測階段關(guān)閉。

依照本發(fā)明，具有電容值Cp的寄生電容結(jié)構(gòu)形成于該金屬板與接地端間；該比較電容器具有電容值Cm；參考電容值，Cr，由下式獲得：Cr＝Cm+Cp；當(dāng)該手指接近該電容式感測單元時(shí)，信號(hào)電容結(jié)構(gòu)由該手指與該信號(hào)源所形成；手指電容結(jié)構(gòu)由該手指與該金屬板所形成；該輸出電壓，V_out，由下式獲得：V_bias為該恒定偏置電壓值；V_in為該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化；C_f為該手指電容結(jié)構(gòu)電容值。

最好，該比較電容器可為金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管電容器、多晶硅電容器或金屬絕緣層金屬電容器。

在第二實(shí)施例中，該電容式感測單元可進(jìn)一步包含：金屬板；電壓隨耦器，其中該電壓隨耦器的輸入端與該金屬板連接，該電壓隨耦器的輸出端與該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器連接；恒定電壓源，用以提供恒定偏置電壓；及恒定偏置電壓開關(guān)，該恒定偏置電壓開關(guān)連接該恒定電壓源與該金屬板，用以切換該恒定偏置電壓的供應(yīng)。其中該恒定偏置電壓開關(guān)在該重設(shè)階段開啟，并在該感測階段及該量測階段關(guān)閉。

依照本發(fā)明，具有電容值Cp的一寄生電容結(jié)構(gòu)形成于該金屬板與接地端間；參考電容值，Cr，與Cp相同；當(dāng)該手指接近該電容式感測單元時(shí)，信號(hào)電容結(jié)構(gòu)由該手指與該信號(hào)源所形成；手指電容結(jié)構(gòu)由該手指與該金屬板所形成；輸出電壓，V_out，由下式獲得：V_bias為該恒定偏置電壓值；V_in為該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化C_f為該手指電容結(jié)構(gòu)電容值。

在第三實(shí)施例中，該電容式感測單元可進(jìn)一步包含：金屬板；電壓隨耦器，其中該電壓隨耦器的輸入端與該金屬板連接，該電壓隨耦器的輸出端與該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器連接；工作電壓源，用以提供工作電壓；工作電壓開關(guān)，該工作電壓開關(guān)的第一端連接該工作電壓源，用以切換該工作電壓的供應(yīng)；比較電容器，該比較電容器的電極與該工作電壓開關(guān)的第二端電連接，另一電極與接地端電連接；電荷分配開關(guān)，該電荷分配開關(guān)與該金屬板及該工作電壓開關(guān)的第二端電連接，以便當(dāng)開啟時(shí)平衡兩端的電荷；及接地開關(guān)，當(dāng)該接地開關(guān)開啟時(shí)該電容式感測單元內(nèi)累積的電荷釋放至接地端，當(dāng)該接地開關(guān)關(guān)閉時(shí)該電容式感測單元內(nèi)開始累積電荷。其中該工作電壓開關(guān)在重設(shè)階段開啟，并在該感測階段及該量測階段關(guān)閉；該電荷分配開關(guān)在該重設(shè)階段關(guān)閉，并在該感測階段及該量測階段開啟；該接地開關(guān)在該重設(shè)階段開啟，并在該感測階段及該量測階段關(guān)閉。

依照本發(fā)明，具有電容值Cp的寄生電容結(jié)構(gòu)形成于該金屬板與接地端間；該比較電容器具有電容值Cm；當(dāng)該手指接近該電容式感測單元時(shí)，信號(hào)電容結(jié)構(gòu)由該手指與該信號(hào)源所形成；手指電容結(jié)構(gòu)由該手指與該金屬板所形成；該輸出電壓，V_out，由下式獲得：V_dd為工作電壓值；V_in為該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化；C_f為該手指電容結(jié)構(gòu)電容值。

最好，該比較電容器可為金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管電容器、多晶硅電容器或金屬絕緣層金屬電容器。

一種用來操作該電容式影像傳感器以取得手指影像的方法，包含步驟：在第一重設(shè)階段將這些電容式感測單元重新設(shè)置為可感測狀態(tài)；在第一感測階段施加具有第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給這些電容式感測單元；在第一量測階段讀取來自各電容式感測單元的輸出電壓所轉(zhuǎn)換的數(shù)字；在第二重設(shè)階段將這些電容式感測單元重新設(shè)置為可感測狀態(tài)；在第二感測階段施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給這些電容式感測單元；在第二量測階段讀取來自各電容式感測單元的輸出電壓所轉(zhuǎn)換的數(shù)字；將同一電容式感測單元在不同量測階段所獲得的數(shù)字相減以取得該減噪數(shù)值；依序收集在每一像素對應(yīng)的正波形與負(fù)波形下的這些減噪數(shù)值；及拼湊這些減噪數(shù)值到對應(yīng)的電容式感測單元位置。若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。

一種用來操作第一實(shí)施例所述的電容式影像傳感器的方法，包含步驟：在第一重設(shè)階段開啟該恒定偏置電壓開關(guān)；在第一感測階段關(guān)閉該恒定偏置電壓開關(guān)，施加具有一第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給該電容式感測單元；在第一量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送第一輸出電壓；在第二重設(shè)階段開啟該恒定偏置電壓開關(guān)；在第二感測階段關(guān)閉該恒定偏置電壓開關(guān)，施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給該電容式感測單元；及在第二量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送第二輸出電壓。若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。

一種用來操作第二實(shí)施例所述的電容式影像傳感器的方法，包含步驟：在第一重設(shè)階段開啟該恒定偏置電壓開關(guān)；在第一感測階段關(guān)閉該恒定偏置電壓開關(guān)，施加具有第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給該電容式感測單元；在第一量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送第一輸出電壓；在一第二重設(shè)階段開啟該恒定偏置電壓開關(guān)；在第二感測階段關(guān)閉該恒定偏置電壓開關(guān)，施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給該電容式感測單元；及在第二量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送第二輸出電壓。若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。

一種用來操作第三實(shí)施例所述的電容式影像傳感器的方法，包含步驟：在第一重設(shè)階段開啟該工作電壓開關(guān)與該接地開關(guān)，并關(guān)閉該電荷分配開關(guān)；在第一感測階段先關(guān)閉該工作電壓開關(guān)與該接地開關(guān)，接著開啟該電荷分配開關(guān)并施加具有第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給該電容式感測單元；在第一量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送第一輸出電壓；在第二重設(shè)階段開啟該工作電壓開關(guān)與該接地開關(guān)，并關(guān)閉該電荷分配開關(guān)；在第二感測階段先關(guān)閉該工作電壓開關(guān)與該接地開關(guān)，接著開啟該電荷分配開關(guān)并施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)該手指給該電容式感測單元；及在第二量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送第二輸出電壓。若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。

附圖說明

圖1為依照本發(fā)明的電容式影像傳感器的示意圖。

圖2顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同態(tài)樣。

圖3為該電容式影像傳感器操作的步驟流程圖。

圖4顯示第一實(shí)施例中電容式感測單元設(shè)計(jì)的等效電路。

圖5為第一實(shí)施例中該電容式感測單元操作的步驟流程圖。

圖6繪示在第一實(shí)施例中兩個(gè)電壓的線性迭加。

圖7顯示第二實(shí)施例中電容式感測單元設(shè)計(jì)的等效電路。

圖8顯示第二實(shí)施例中該電容式感測單元操作的步驟流程圖。

圖9繪示在第二實(shí)施例中兩個(gè)電壓的線性迭加。

圖10顯示第三實(shí)施例中電容式感測單元設(shè)計(jì)的等效電路。

圖11為第三實(shí)施例中該電容式感測單元操作的步驟流程圖。

圖12繪示第三實(shí)施例中電容式感測單元設(shè)計(jì)的第一項(xiàng)的等效電路。

圖13繪示第三實(shí)施例中電容式感測單元設(shè)計(jì)的第二項(xiàng)的等效電路。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將經(jīng)由參照下列的實(shí)施方式而更具體地描述。

請見圖1，圖1為依照本發(fā)明的電容式影像傳感器10的示意圖。電容式影像傳感器10用來描繪手指200表面的谷部與脊部，進(jìn)而轉(zhuǎn)換其結(jié)果為指紋的減噪影像。許多的電子組件用來實(shí)現(xiàn)該電容式影像傳感器10，主要的組件包括多個(gè)電容式感測單元100、模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160、信號(hào)源170與控制器180。以下針對各主要組件進(jìn)行說明。

電容式感測單元100形成一個(gè)數(shù)組，每一電容式感測單元100能被用來將接近的手指200的一部分表面與其上表面間的距離轉(zhuǎn)化為輸出電壓。關(guān)于如何產(chǎn)生該輸出電壓的細(xì)節(jié)將在后面說明。輸出電壓的值可依照其間距離改變并可由施加到手指200的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而加強(qiáng)或變化。當(dāng)感測手指200時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可被用來降低噪聲。模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160轉(zhuǎn)換該輸出電壓為數(shù)字并輸出該數(shù)字。該數(shù)字是個(gè)數(shù)字值。信號(hào)源170能提供該驅(qū)動(dòng)信號(hào)給手指200。實(shí)作中，信號(hào)源170可包含金屬框或數(shù)個(gè)圍繞電容式感測單元100的金屬條(未繪示)。信號(hào)源170的上表面面積應(yīng)足夠大以讓手指接觸，其間的阻抗非常小，小到可以被忽略。一種簡便的方式是信號(hào)源170也可是一個(gè)金屬桿，當(dāng)電容式感測單元100進(jìn)行感測時(shí)，可以被手指200所觸及?？刂破?80可控制每一電容式感測單元100的各種狀態(tài)并與信號(hào)源170合作以取得減噪影像。

此處，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為具有電壓轉(zhuǎn)換的信號(hào)，由正波形與負(fù)波形交替出現(xiàn)所形成。正波形的電壓隨時(shí)間增加，而負(fù)波形的電壓隨時(shí)間減少，正波形與負(fù)波形的外觀應(yīng)對稱。請見圖2，圖2驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有正波形與負(fù)波形的不同態(tài)樣。顯示于圖2上端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有緩變外型，正波形與負(fù)波形分別標(biāo)示。然而，驅(qū)動(dòng)信號(hào)也可以較劇烈變化的方式施加，圖2下端所示。最好，正波形或負(fù)波形是一種躍階函數(shù)。經(jīng)由施加一定值的電壓，電容式感測單元100每一部分的內(nèi)部電位在重設(shè)階段初始化為已知定值，而該定值的電壓提供感測組件偏置電壓。電容式感測單元100在感測階段接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換該驅(qū)動(dòng)信號(hào)為輸出電壓。模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160在量測階段執(zhí)行轉(zhuǎn)換作業(yè)。重設(shè)階段、感測階段與量測階段為電容式感測單元100的狀態(tài)，將會(huì)與電容式感測單元100的說明一起在后文中詳細(xì)描述。轉(zhuǎn)換每一電容式感測單元100在正波形與負(fù)波形下的輸出電壓的兩個(gè)數(shù)字之差為減噪數(shù)值。該減噪數(shù)值代表手指200的部分表面的像素。也就是說，手指200的該部分表面位于對其進(jìn)行感測的電容式感測單元100之上。手指200的減噪影像(指紋)可以以下方式獲得：依序收集在每一像素對應(yīng)的正波形與負(fù)波形下的這些減噪數(shù)值；及拼湊這些減噪數(shù)值到對應(yīng)的電容式感測單元100的位置。

最好，像素影像值是一個(gè)數(shù)字值，對應(yīng)像素的灰階影像值。如此一來，手指200的任何部分能以特定的灰階值表示，代表電容式感測單元100與其上手指200部分間的距離。指紋影像可因而獲得。

電容式影像傳感器10的操作步驟由圖3中的流程圖來說明。第一步是在第一重設(shè)階段將這些電容式感測單元100重新設(shè)置為可感測狀態(tài)(S01)。此處，“可感測”表示電容式影像感測單元100準(zhǔn)備就緒以進(jìn)行感測，也稱作準(zhǔn)備狀態(tài)。準(zhǔn)備狀態(tài)對本發(fā)明不同的實(shí)施方式(或?qū)嵤├?可能是不同的。接著，在第一感測階段施加具有第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給這些電容式感測單元100(S02)。第一波形，舉例來說，是一個(gè)正波形。第三步驟是在第一量測階段讀取來自各電容式感測單元100的輸出電壓所轉(zhuǎn)換的數(shù)字(S03)。步驟S03由控制器180或其它設(shè)計(jì)用來執(zhí)行該工作的特定組件來執(zhí)行。下一步，在第二重設(shè)階段將這些電容式感測單元100重新設(shè)置為可感測狀態(tài)(S04)。再次強(qiáng)調(diào)，電容式感測單元100于下面步驟中都是處于可感測狀態(tài)。在第二感測階段施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給這些電容式感測單元100(S05)。第二波形為負(fù)波形。相似地，在第二量測階段讀取來自各電容式感測單元100的輸出電壓所轉(zhuǎn)換的數(shù)字(S06)。兩輪由電容式感測單元100搜集數(shù)字之后，將同一電容式感測單元100在不同量測階段所獲得的數(shù)字相減，也就是說，由第一與第二量測階段取得減噪數(shù)值(S07)。接著，依序收集在每一像素對應(yīng)的正波形與負(fù)波形下的這些減噪數(shù)值(S08)。最終，拼湊這些減噪數(shù)值到對應(yīng)的電容式感測單元100的位置，以取得手指200的減噪影像(指紋)。應(yīng)注意的是若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；反之，若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。再次強(qiáng)調(diào)，正波形與負(fù)波形應(yīng)對稱。

在第一實(shí)施例中，電容式感測單元100設(shè)計(jì)的等效電路顯示于第4圖中。電容式感測單元100基本包含金屬板101、電壓隨耦器102、比較電容器103、恒定電壓源104與恒定偏置電壓開關(guān)105。許多的寄生電容結(jié)構(gòu)自然形成于金屬板101與傳感器的其它金屬層(未繪示)間，所有寄生電容結(jié)構(gòu)的凈效果能以單一等效電容器來考慮；該等效電容器具有的電容值為Cp，形成于金屬板101與接地端108之間。寄生電容結(jié)構(gòu)不可避免出現(xiàn)于電容式感測單元100中。然而，其電容值(Cp)可以經(jīng)由適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)而良好地控制，以便每一電容式感測單元100中的寄生電容結(jié)構(gòu)具有同的電容值。等效寄生電容器106用來表示該寄生電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)手指200接近電容式感測單元100時(shí)，信號(hào)阻抗形成于手指200與信號(hào)源(未繪示)間，手指電容結(jié)構(gòu)由手指200與金屬板101所形成。因?yàn)樾盘?hào)源與手指間的重疊面積比單一金屬板101及電容式感測單元100間的重疊面積大的多，該信號(hào)阻抗甚小以至可以忽略其影響。等效手指電容器107用來表示該手指電容結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化(Vin的值，由波形變化所產(chǎn)生)可以經(jīng)由手指200施加到電容式感測單元100。電壓隨耦器102的輸入端102a連接金屬板101，而電壓隨耦器102的輸出端102b連接模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160。電壓隨耦器102提供輸出端102b與輸入端102a間有效隔絕，來避免輸入端102a的漏電，且最好設(shè)計(jì)越接近一個(gè)理想電壓隨耦器越好。比較電容器103由電路組件，如金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管電容器來實(shí)現(xiàn)，它也可以是多晶硅電容器或金屬絕緣層金屬電容器。比較電容器103的電極與金屬板101電連接，比較電容器103的另一電極與接地端108電連接。比較電容器103具有電容值Cm。恒定電壓源104用來提供恒定偏置電壓。該恒定偏置電壓開關(guān)105與恒定電壓源104及金屬板101連接，用來切換恒定偏置電壓的供應(yīng)。恒定偏置電壓開關(guān)105在重設(shè)階段開啟。在這階段，恒定偏置電壓施加到金屬板101、比較電容器103與寄生電容器106，以對電容式感測單元100建立適當(dāng)?shù)牟僮鳡顩r。恒定偏置電壓開關(guān)105在感測階段及量測階段關(guān)閉。

本實(shí)施例中電容式感測單元100的操作流程經(jīng)由圖5中的流程圖來說明。首先，在第一重設(shè)階段開啟恒定偏置電壓開關(guān)105(S11)。恒定電壓源104提供偏置電壓給電容式感測單元100中的電路，電容式感測單元100可開啟感測運(yùn)作。接著，在第一感測階段關(guān)閉該恒定偏置電壓開關(guān)105，施加具有第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給電容式感測單元100(S12)。此處很清楚感測階段為驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加電容式感測單元100以得到輸出電壓的時(shí)間(本發(fā)明說明中所提及的所有感測階段皆為此義)。接著，在第一量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160發(fā)送第一輸出電壓(S13)。在量測階段，輸出電壓發(fā)送至模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160，該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160轉(zhuǎn)換來自電容式感測單元100的所有接收的輸出電壓為各別的數(shù)字(本發(fā)明說明中所提及的所有量測階段皆為此義)。接下來的步驟為在第二重設(shè)階段開啟恒定偏置電壓開關(guān)105(S14)、在第二感測階段關(guān)閉恒定偏置電壓開關(guān)105，施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給電容式感測單元100(S15)，及在第二量測階段向模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160發(fā)送第二輸出電壓(S16)?；旧?，步驟S14到S16重復(fù)步驟S11到S13的動(dòng)作，兩個(gè)循環(huán)中唯一的不同點(diǎn)是應(yīng)用的波形。相似地，若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；反之，若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。兩個(gè)連續(xù)波形外型必須對稱。

在電壓隨耦器102的輸入端102a的輸出電壓，Vout，可由下公式獲得：V_bias為恒定偏置電壓值，V_in為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化，C_f為該手指電容結(jié)構(gòu)的電容值(等效手指電容器107)。參考電容值，Cr，由下式獲得：Cr＝Cm+Cp。上述公式推導(dǎo)如下。圖4中的電路是一個(gè)線性電路。因此，輸出電壓可以寫成兩項(xiàng)的線性結(jié)合：第一項(xiàng)代表為恒定電壓V_bias所影響的部分，第二項(xiàng)代表為電壓變化Vin所影響的部分。圖6左側(cè)為第一項(xiàng)的簡化電路，其中參考電容103a(比較電容器103與等效寄生電容器106的結(jié)合)與手指電容器107已被充電至恒定電壓V_bias。第一電壓輸出，Vout_A，能由以下公式獲得：Vout_A＝V_bias。圖6右側(cè)為當(dāng)施加Vin時(shí)，第二項(xiàng)的簡化電路。第二電壓輸出，Vout_B，能由以下公式獲得：因?yàn)閂out是Vout_A與Vout_B的線性迭加，故因?yàn)樯鲜龉街谐薈f以外所有的參數(shù)都為已知，Vout是Cf的函數(shù)，代表電容式感測單元100中金屬板101與其上手指200的部分表面間的距離。經(jīng)由搜集所有來自每一電容式感測單元100的輸出并轉(zhuǎn)換這些輸出為數(shù)字，作為灰階值，可以獲得指紋影像。

在第二實(shí)施例中，電容式感測單元具有不同的設(shè)計(jì)但有相同的操作步驟。電容式影像傳感器10可裝設(shè)有這種不同的電容式感測單元而其操作步驟不變。以下為第二電容式感測單元的說明。

在本實(shí)施例中，電容式感測單元100設(shè)計(jì)的等效電路顯示于圖7中。電容式感測單元100的結(jié)構(gòu)改變了，基本上包含金屬板111、電壓隨耦器112、恒定電壓源114與恒定偏置電壓開關(guān)115。很明顯，此設(shè)計(jì)中沒有比較電容器。許多的寄生電容結(jié)構(gòu)自然形成于金屬板111與傳感器的其它金屬層(未繪示)間，所有寄生電容結(jié)構(gòu)的凈效果能以單一等效電容器來考慮；該等效電容器具有的電容值為Cp，形成于金屬板111與接地端118間。相似地，Cp可以經(jīng)由適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)而良好地控制，以便每一電容式感測單元100中的寄生電容結(jié)構(gòu)具有同的電容值。Cp用作為參考電容，即Cr＝Cp。等效寄生電容器116用來表示該寄生電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)手指200接近電容式感測單元100時(shí)，信號(hào)阻抗形成于手指200與信號(hào)源(未繪示)間，手指電容結(jié)構(gòu)由手指200與金屬板111所形成，該信號(hào)阻抗甚小以至可以忽略其影響。等效手指電容器117用以代表該手指電容結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化(Vin的值，由波形變化所產(chǎn)生)可以經(jīng)由手指200施加到電容式感測單元100。電壓隨耦器112的輸入端112a連接金屬板111，而電壓隨耦器112的輸出端112b連接模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160。電壓隨耦器112的功能與前一實(shí)施例中的電壓隨耦器102相同。恒定電壓源114用來提供恒定偏置電壓。恒定偏置電壓開關(guān)115與恒定電壓源114及金屬板111連接，用以切換恒定偏置電壓的供應(yīng)。恒定偏置電壓開關(guān)115在重設(shè)階段開啟。在這階段，恒定偏置電壓施加到金屬板111與寄生電容器116，以對電容式感測單元100建立適當(dāng)?shù)牟僮鳡顩r。恒定偏置電壓開關(guān)115在感測階段與量測階段關(guān)閉。

本實(shí)施例中電容式感測單元100的操作流程經(jīng)由圖8中的流程圖來說明。首先，在第一重設(shè)階段開啟該恒定偏置電壓開關(guān)115(S21)。如同前一實(shí)施例，恒定電壓源114提供偏置電壓給電容式感測單元100中的電路，電容式感測單元100可開啟感測運(yùn)作。其次，在第一感測階段關(guān)閉該恒定偏置電壓開關(guān)115，施加具有第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給電容式感測單元100(S22)。接著，在第一量測階段向該模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160發(fā)送第一輸出電壓(S23)。接下來的步驟為在第二重設(shè)階段開啟該恒定偏置電壓開關(guān)115(S24)、在第二感測階段關(guān)閉該恒定偏置電壓開關(guān)115，施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給電容式感測單元100(S25)，及在第二量測階段向模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160發(fā)送第二輸出電壓(S26)。步驟S24到S26重復(fù)步驟S21到S23的動(dòng)作，兩個(gè)循環(huán)中唯一的不同點(diǎn)是應(yīng)用的波形。相似地，若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；反之，若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。兩個(gè)連續(xù)波形外型必須對稱。

在電壓隨耦器112的輸入端112a的輸出電壓，Vout，可由下公式獲得：基于相同的情況，V_bias為該恒定偏置電壓值，V_in為該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化及C_f為該手指電容結(jié)構(gòu)電容值(等效手指電容器117)。然而，參考電容值，Cr，與Cp相同，此因?qū)嵤├袩o比較電容器存在。上述公式推導(dǎo)如下。圖7中的電路是一個(gè)線性電路。因此，輸出電壓可以寫成兩項(xiàng)的線性結(jié)合：第一項(xiàng)代表為恒定電壓V_bias所影響的部分，第二項(xiàng)代表為電壓變化Vin所影響的部分。圖9左側(cè)為第一項(xiàng)的簡化電路，其中參考電容116(寄生電容器116即本實(shí)施例中的參考電容)與手指電容器117已被充電至恒定電壓，V_bias。第一電壓輸出，V_{out_A}，能由以下公式獲得：V_{out_A}＝V_bias。圖9右側(cè)為當(dāng)施加Vin時(shí)，第二項(xiàng)的簡化電路。第二電壓輸出，Vout_B，能由以下公式獲得：因?yàn)閂out是Vout_A與Vout_B的線性迭加，故因?yàn)樯鲜龉街谐薈_f以外所有的參數(shù)都為已知，Vout是C_f的函數(shù)，代表電容式感測單元100中金屬板111與其上手指200的部分表面間的距離。經(jīng)由搜集所有來自每一電容式感測單元100的輸出并轉(zhuǎn)換這些輸出為數(shù)字，作為灰階值，可以獲得指紋影像。

在第三實(shí)施例中，電容式感測單元具有不同的設(shè)計(jì)及不同的操作步驟。然而，電容式影像傳感器10可裝設(shè)有這種不同的電容式感測單元而其操作步驟不變。以下為第三電容式感測單元的說明。

請見圖10。圖10電容式感測單元100設(shè)計(jì)的等效電路。電容式感測單元100主要具有金屬板121、電壓隨耦器122、比較電容器123、工作電壓源124、工作電壓開關(guān)125、電荷分配開關(guān)129與接地開關(guān)130。金屬板121與電壓隨耦器122的功能如同前述實(shí)施例中的對應(yīng)組件。電壓隨耦器122的輸入端122a連接電荷分配開關(guān)129，而電壓隨耦器122的輸出端122b連接模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160。比較電容器123由電路組件，如金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管電容器來實(shí)現(xiàn)，它也可以是多晶硅電容器或金屬絕緣層金屬電容器。比較電容器123的一電極與工作電壓開關(guān)125的第二端125b電連接，比較電容器123的另一電極與接地端128電連接。比較電容器123具有電容值Cm。工作電壓源124能提供工作電壓給電容式感測單元100中的電路來運(yùn)作。工作電壓開關(guān)125的第一端125a連接工作電壓源124，用以切換該工作電壓的供應(yīng)。電荷分配開關(guān)129與金屬板121及工作電壓開關(guān)125的第二端125b電連接，以便當(dāng)開啟時(shí)平衡兩端的電荷。當(dāng)接地開關(guān)130開啟時(shí)可用來釋放電容式感測單元100內(nèi)累積的電荷至接地端128，而當(dāng)接地開關(guān)130關(guān)閉時(shí)，可讓電容式感測單元100內(nèi)開始累積電荷。工作電壓開關(guān)125與接地開關(guān)130在重設(shè)階段開啟并在感測階段及量測階段關(guān)閉。電荷分配開關(guān)129在重設(shè)階段關(guān)閉并在感測階段與量測階段開啟。許多的寄生電容結(jié)構(gòu)自然形成于金屬板121與傳感器的其它金屬層(未繪示)間，所有寄生電容結(jié)構(gòu)的凈效果能以單一等效電容器來考慮；該等效電容器具有的電容值為Cp，形成于金屬板121與接地端128之間，其可以連接至接地端128的等效寄生電容器126代表。當(dāng)手指200接近電容式感測單元100時(shí)，信號(hào)阻抗形成于手指200與信號(hào)源(未繪示)間，手指電容結(jié)構(gòu)由手指200與金屬板121所形成，該信號(hào)阻抗甚小以至可以忽略其影響。等效手指電容器127用以代表該手指電容結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例中電容式感測單元100的操作流程經(jīng)由圖11中的流程圖來說明。首先，在第一重設(shè)階段開啟工作電壓開關(guān)125與接地開關(guān)130，并關(guān)閉電荷分配開關(guān)129(S31)。不同前面的實(shí)施例，此處的操作是將工作電壓施加到比較電容器123而非將恒定偏置電壓同時(shí)施加到參考電容與手指電容器。一旦進(jìn)入了感測階段，累積在比較電容器123內(nèi)的電荷將改變。電荷重分配將如何影響輸出電壓的細(xì)節(jié)將詳述于后。其次，在第一感測階段先關(guān)閉工作電壓開關(guān)125與接地開關(guān)130，接著開啟該電荷分配開關(guān)129并施加具有第一波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給電容式感測單元100(S32)。接著，在第一量測階段向模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160發(fā)送第一輸出電壓(S33)。接下來的步驟為在第二重設(shè)階段開啟工作電壓開關(guān)125與接地開關(guān)130，并關(guān)閉電荷分配開關(guān)129(S34)、在第二感測階段先關(guān)閉工作電壓開關(guān)125與接地開關(guān)130，接著開啟電荷分配開關(guān)129并施加具有第二波形的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)手指200給該電容式感測單元100(S35)，及在第二量測階段向模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器160發(fā)送第二輸出電壓(S36)。步驟S34到S36重復(fù)步驟S31到S33的動(dòng)作，兩個(gè)循環(huán)中唯一的不同點(diǎn)是應(yīng)用的波形。相似地，若該第一波形為正波形，則該第二波形為負(fù)波形；反之，若該第一波形為負(fù)波形，則該第二波形為正波形。兩個(gè)連續(xù)波形的外型必須對稱。

在輸入端122a的輸出電壓，Vout，可由下公式獲得：V_dd為工作電壓值，V_in為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓變化，C_f為該手指電容結(jié)構(gòu)電容值。上述公式推導(dǎo)如下。圖10中的電路是一個(gè)線性電路。因此，輸出電壓可以寫成兩項(xiàng)的線性結(jié)合：第一項(xiàng)代表為工作電壓Vdd所影響的部分，第二項(xiàng)代表為電壓變化Vin所影響的部分。第一項(xiàng)，Vout_A，也稱作“分配項(xiàng)”。在重設(shè)階段中，比較電容器123充電為工作電壓，Vdd。在量測階段，第一項(xiàng)(分配項(xiàng))的等效電路顯示于圖12中。在這階段，電荷分配開關(guān)開啟前累積于比較電容器123內(nèi)的電荷重新進(jìn)行了分配。易言之，這些電荷在量測階段(電荷分配開關(guān)開啟時(shí))分給了手指電容器127與寄生電容器126。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，穩(wěn)定電壓簡化等效電路說明第二項(xiàng)，Vout_B，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Vin，間的關(guān)系顯示于圖13中，該圖表現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓變化的效果。第二電壓輸出(驅(qū)動(dòng)信號(hào)項(xiàng))，Vout_B，可由下公式獲得：因?yàn)閂out是Vout_A與Vout_B的線性迭加，故因?yàn)樯鲜龉街谐薈_f以外所有的參數(shù)都為已知，Vout是C_f的函數(shù)，代表電容式感測單元100中金屬板121與其上手指200的部分表面間的距離。經(jīng)由搜集所有來自每一電容式感測單元100的輸出并轉(zhuǎn)換這些輸出為數(shù)字，作為灰階值，可以獲得指紋影像。

雖然本發(fā)明已以實(shí)施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的申請專利范圍所界定者為準(zhǔn)。

【符號(hào)說明】

10 電容式影像傳感器

100 電容式感測單元

101 金屬板

102 電壓隨耦器

102a 輸入端

102b 輸出端

103 比較電容器

103a 參考電容

104 恒定電壓源

105 恒定偏置電壓開關(guān)

106 等效寄生電容器

107 等效手指電容器

108 接地端

111 金屬板

112 電壓隨耦器

112a 輸入端

112b 輸出端

114 恒定電壓源

115 恒定偏置電壓開關(guān)

116 等效寄生電容器

117 等效手指電容器

118 接地端

121 金屬板

122 電壓隨耦器

122a 輸入端

122b 輸出端

123 比較電容器

124 工作電壓源

125 工作電壓開關(guān)

125a 第一端

125b 第二端

126 等效寄生電容器

127 等效手指電容器

128 接地端

129 電荷分配開關(guān)

130 接地開關(guān)

160 模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

170 信號(hào)源

180 控制器

200 手指