CN107563315B - 透明面板指纹识别装置及指纹识别器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种透明面板指纹识别装置及指纹识别器。其中，透明面板指纹识别装置包括开关模块、电容电极和反相器。开关模块分别与第一扫描线、电容电极连接；电容电极与反相器连接，电容电极用于在指纹接触处形成感应电容；反相器与第二扫描线连接，输入端与电容电极连接，输出端与第一输出线连接，反相器用于对输入端输入的电平进行反向跳变操作后输出。此外，本装置还包括信号放大模块和时间数字转换模块。本发明通过电容电极和反相器，通过电容放电及反向跳变操作产生脉冲信号时间间隔，可有效消除外界噪声对指纹信号的垂直扰动，从而提高指纹采集的准确性和抗干扰性。

Description

透明面板指纹识别装置及指纹识别器

技术领域

本发明属于指纹认证领域，涉及指纹检测与识别技术，特别涉及一种透明面板指纹识别装置及指纹识别器。

背景技术

随着智能手机和平板电脑的普及，为了信息安全以及便于使用，这些电子产品的解锁方式也呈多元化发展。指纹解锁作为目前常见的一种解锁方式，只需将手指放置在扫描区，等待短暂的扫描比对，一旦吻合就可自动进行解锁。

在指纹认证领域，主要基于光电、电容和超声波检测这三种技术实现指纹识别。其中，电容式指纹传感器由于其具有更高的灵敏度和识别精度，被广泛地应用于各种电子设备和安保系统中。目前，市面上的大多电容式指纹识别器是利用单晶硅或者多晶硅基工艺进行加工和制造的，其成本较低，体积较小。但是，由于指纹识别模块加入了金属构成的电极以及导线，其无法与电子设备中的透明触摸面板集成，使其在电子设备中需要占据一定的额外面积。

因此，人们希望能将指纹传感器也做成透明面板，从而完美结合于各种显示屏中。例如，申请公开号为CN104834423A的中国专利申请中披露了上述的器件。其公开了一种透明指纹识别面板阵列结构，该阵列结构能够实现指纹传感器和显示屏透明导电面板一体式结合的目的。当手指按压在导电面板上时，手指与导电面板的电极之间将形成一个小型电容。该电容的电容值大小由导电面板的面积大小以及手指与面板电极的间距所决定。当控制每个电极的面积相等，则电容大小就由电极与手指的间距所决定。众所周知，指纹是由脊线和谷线相互排列而成。当手指接触玻璃面板时，指纹中凸出的脊线与面板电极之间的距离就会小于谷线的，从而使得不同指纹位置形成不同大小的电容。再用薄膜晶体管作为放大器将电容储存的电荷进行放大，从而方便采集信号。然而，该发明也存在不足之处，即该阵列结构所能获得的电容值往往很小，并且薄膜晶体管的信号放大作用不足以区分信号之间的差别。此外，当微弱的信号受到外界噪声的干扰时，致使叠加随机噪声后的信号之间的差异更小，从而导致了指纹采集的精度不高以及可能出现许多伪特征点，给后期的指纹识别认证带来巨大的麻烦。

发明内容

本发明的目的是提出一种透明面板指纹识别装置及指纹识别器，可以应用到指纹认证领域上，实现指纹的精准识别，并具有较好的抗干扰性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：

本发明提出一种透明面板指纹识别装置，其包括开关模块、电容电极和反相器。开关模块，包括第一端和第二端，第一端与第一扫描线连接，第二端和电容电极连接；当第一端的电位为第一电平时，开关模块处于导通状态，当第一端的电位为第二电平时，开关模块处于断开状态。电容电极与反相器连接，电容电极用于在指纹接触处形成感应电容。反相器与第二扫描线连接，输入端与电容电极连接，输出端与第一输出线连接，反相器用于将电容电极形成的感应电容的电平进行反向跳变操作后输出。

优选的，透明面板指纹识别装置还包括时间数字转换模块。时间数字转换模块连接第一输出线，时间数字转换模块用于计算两个脉冲信号预设电压下的时间间隔，两种感应电容的放电信号经反相器输出得到两个脉冲信号。

优选的，开关模块包括第一薄膜晶体管，第一薄膜晶体管的漏极与电容电极连接，第一薄膜晶体管的栅极、源极分别与第一扫描线连接。

优选的，反相器包括第二薄膜晶体管和第三薄膜晶体管，第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，第二薄膜晶体管的源极连接地线，第二薄膜晶体管的漏极与第一输出线连接。

优选的，第三薄膜晶体管的栅极、源极分别与第二薄膜晶体管的漏极连接，第三薄膜晶体管的漏极与第二扫描线连接。

优选的，第三薄膜晶体管的源极与第二薄膜晶体管的漏极连接，第三薄膜晶体管的栅极、漏极分别与第二扫描线连接。

优选的，反相器包括第二薄膜晶体管和上拉电阻，第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，第二薄膜晶体管的源极连接地线，第二薄膜晶体管的漏极与第一输出线连接；上拉电阻一端与第二扫描线连接，另一端与第二薄膜晶体管的漏极连接。

优选的，反相器和第一输出线之间还设有信号放大模块。信号放大模块，一端与反相器连接，另一端与第一输出线连接，信号放大模块用于将反相器输出的信号进行放大。

本发明提出一种指纹识别器，其包括m行扫描线、n列输出线以及如上所描述的透明面板指纹识别装置，m、n都为正整数。透明面板指纹识别装置呈阵列式排布。m行扫描线分别与所在同一行的透明面板指纹识别装置中的开关模块连接，m行扫描线分别与所在上一行的透明面板指纹识别装置中的反相器连接。n列输出线分别与所在同一列的透明面板指纹识别装置中的反相器连接。

优选的，指纹识别器还包括k列地线，k为正整数。两列相邻的透明面板指纹识别装置的反相器与所在同一列的地线连接。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明提供了一种透明面板指纹识别装置及指纹识别器，通过电容电极与脊纹、谷纹之间产生两种感应电容，将两种感应电容的充放电信号通过反相器处理，从而获得两条具有时间间隔的电信号曲线。并通过时间数字转换模块计算得到时间间隔的数值，从而表征指纹信息。本发明可有效消除外界噪声对指纹信号的垂直扰动，从而提高指纹采集的准确性和抗干扰性。选用薄膜晶体管作为开关模块，可在不影响透明面板显示效果的基础上实现指纹识别。

附图说明

图1为本发明的一实施例提供的透明面板指纹识别装置的结构框图；

图2为本发明的另一实施例提供的透明面板指纹识别装置的结构框图；

图3为本发明的一实施例提供的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图；

图4为本发明的一实施例提供的透明面板指纹识别装置在指纹识别过程中的电路示意图；

图5为本发明的一实施例提供的反相器的输出特性示意图；

图6为本发明的一实施例提供的透明面板指纹识别装置电路的电压状态仿真图；

图7a为本发明的一实施例提供的另一种反相器的电路示意图；

图7b为本发明的一实施例提供的又一种反相器的电路示意图；

图8为本发明的另一实施例提供的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图；

图9为本发明的又一实施例提供的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图；

图10本发明的另一实施例提供的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

如图1所示，本发明实施例提供了一种透明面板指纹识别装置，透明面板指纹识别装置100包括开关模块110、电容电极120和反相器130。开关模块110的第一端与第一扫描线150连接，开关模块110的第二端和电容电极120连接，开关模块110的第一端的电位为第一电平时，开关模块处于导通状态，开关模块11的第一端的电位为第二电平时，开关模块处于断开状态。电容电极120与反相器130连接，电容电极120用于在指纹接触处形成感应电容。反相器130与第二扫描线160连接，反相器130的输入端与电容电极120连接，反相器130的输出端与第一输出线连接，反相器130用于对电容电极所形成的感应电容的电平进行反向跳变操作后输出。反向跳变操作即反相器将接收的高电平转化为低电平输出，或将接收的低电平转化为高电平输出。

在另一实施例中，透明面板指纹识别装置还包括时间数字转换模块。时间数字转换模块与第一输出线连接，时间数字转换模块用于计算两个脉冲信号预设电压下的时间间隔。两种脉冲信号的获取方式如下：两种指纹线与电容电极之间形成两个电容，两个电容的放电信号经反相器的反向跳变操作，并通过第一输出线输出获得两个脉冲信号。脉冲信号在预设电压下的时间间隔可表征指纹，预设电压与反相器的阈值电压相关。

开关模块包括第一薄膜晶体管，第一薄膜晶体管的漏极与电容电极连接，第一薄膜晶体管的栅极、源极分别与第一扫描线连接。

反相器包括第二薄膜晶体管和第三薄膜晶体管，第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，第二薄膜晶体管的源极连接地线，第二薄膜晶体管的漏极与第一输出线连接。

第三薄膜晶体管的栅极、源极分别与第二薄膜晶体管的漏极连接，第三薄膜晶体管的漏极与第二扫描线连接。

另一种实施例中，第三薄膜晶体管的源极与第二薄膜晶体管的漏极连接，第三薄膜晶体管的栅极、漏极分别与第二扫描线连接。

另一种实施例中，反相器包括第二薄膜晶体管和上拉电阻，第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，第二薄膜晶体管的源极连接地线，第二薄膜晶体管的漏极与第一输出线连接；上拉电阻一端与第二扫描线连接，另一端与第二薄膜晶体管的漏极连接。

如图2所示，本发明实施例提供了另一种透明面板指纹识别装置，透明面板指纹识别装置200包括开关模块210、电容电极220、反相器230、信号放大模块270、AD转换模块240和时间数字转换模块280。

开关模块210的第一端与第一扫描线250连接，开关模块210的第二端和电容电极220连接，开关模块210用于当其第一端的电位为第一电平时导通，当其第一端的电位为第二电平时断开。电容电极220与反相器230连接，电容电极220用于在指纹接触处形成感应电容。反相器230与第二扫描线160连接，反相器230的输入端与电容电极220连接，反相器230的输出端与信号放大模块270连接，反相器230用于对其输入端输入的电平进行反向跳变操作后输出。反向跳变操作即反相器将接收的高电平转化为低电平输出，或将接收的低电平转化为高电平输出。信号放大模块270与第一输出线连接(图中未示出)，第一输出线与AD转换模块连接，第一输出线将信号放大模块的输出信号传输给AD转换模块连接。信号放大模块270用于将反相器输出的信号进行放大处理，并输出给AD转换模块。AD转换模块240与时间数字转换模块280连接，AD转换模块240用于将接收的信号进行模数转换。

时间数字转换模块用于计算两个脉冲信号预设电压下的时间间隔。两种脉冲信号的获取方式如下：两种指纹线与电容电极之间形成两个电容，两个电容的放电信号经反相器的反向跳变操作，并通过AD转换模块从而获得两个脉冲信号。脉冲信号在预设电压下的时间间隔可表征指纹，预设电压与反相器的阈值电压相关。

如图3所示，本发明实施例提供的一种透明面板指纹识别装置，其中开关模块包括第一薄膜晶体管Q1，第一薄膜晶体管Q1的漏极与电容电极C连接，第一薄膜晶体管Q1的栅极、源极分别与第一扫描线L1连接。反相器包括第二薄膜晶体管Q2和第三薄膜晶体管Q3，第二薄膜晶体管Q2的栅极与电容电极C连接，第二薄膜晶体管Q2的源极连接地线C3，第二薄膜晶体管Q2的漏极与第一输出线连接。反相器的输出信号通过列扫描线C2进行传输，并经第一输出线传输给AD转换模块。其中，C2为另一透明面板指纹识别装置的列扫描线。第三薄膜晶体管Q3的栅极、源极分别与第二薄膜晶体管Q2的漏极连接，第三薄膜晶体管Q3的漏极与第二扫描线L2连接。

如图4所示，为本发明的一实施例提供的透明面板指纹识别装置在指纹识别过程中的电路示意图。第一薄膜晶体管Q1连接第一扫描线。当指纹接触透明面板时，指纹与电容电极之间形成电容，人体一端视为接地。第三薄膜晶体管Q3的漏极与第二扫描线连接。

如图5所示，为实施例提供的反相器的输出特性示意图。当第二薄膜晶体管Q2栅极的电压V_in未到达第二薄膜晶体管Q2的阈值电压V_th时，第二薄膜晶体管Q2的反向电阻较大，此时可将薄膜晶体管Q2视为大电阻。当输入第二薄膜晶体管Q2栅极的电压V_in小于第二薄膜晶体管Q2的阈值电压V_th，薄膜晶体管Q2关闭，第三薄膜晶体管Q3输入高电平，并且此时第三薄膜晶体管Q3打开，反相器的输出电压V_out为高电平，反向器实现信号翻转。类似的，当输入第二薄膜晶体管Q2栅极的电压大于第二薄膜晶体管Q2的阈值电压，薄膜晶体管Q2打开，反相器的输出电压为低电平。

在本发明的一个实施例中，透明面板指纹识别装置包括开关模块、电容电极、反相器、信号放大模块和时间数字转换模块。即反相器与信号放大模块连接，而不加入AD转换模块。当反相器的反向输出信号的转变过程较短时(如图5所示)，不需要加入AD转换模块亦能较佳地获得的最终时间间隔信号。当反相器的反向输出信号的转变过程较长时，加入AD转换模块后，可将模拟信号图直接转化为数字信号图，利于时间数字转换模块获取高电平的持续时间从而计算时间差。

如图6所示，为一实施例提供的透明面板指纹识别装置电路的电压状态仿真图。纵坐标为Y0的图为第一扫描线处随时间的电压变化图，纵坐标为Y1的图为反相器输入端随时间的电压变化图，纵坐标为Y2的图为反相器输出端随时间的电压变化图。当手指接触透明面板时，指纹中凸出的脊线和电极间的距离就会小于谷线，从而使得不同位置形成不同大小的电容。图6仿真了两种电容大小下的电路电压状态，当第一扫描线以方波信号A0输入时，电容C01的反相器输入端电压变化为曲线A1，反相器输出端电压变化为曲线B1；电容C02的反相器输入端电压变化为曲线A2，反相器输出端电压变化为曲线B2。

指纹接触透明面板时，第一扫描线输入一方波信号(可视为高电平)，作为开关模块的第一薄膜晶体管Q1打开，电容C实现充电。当第一扫描线的输入方波信号结束后，电容C充电完毕。第二扫描线时序在后输入一个方波信号，此时第二薄膜晶体管Q2的栅极为高电平，第二薄膜晶体管Q2打开，反相器输出为低电平信号。电容C充电结束后，电容C将进行放电，此时第二薄膜晶体管Q2的栅极为高电平，第二薄膜晶体管Q2打开，反相器输出仍为低电平信号。电容C两端的电压随着电荷的流失而慢慢降低，当其电压低于第二薄膜晶体管Q2的阈值电压，则第二薄膜晶体管Q2关闭，此时反相器输出跳变为高电平信号。由于指纹的脊线、谷线接触透明面板所形成的电容大小不同，因此电容的放电速度有所不同，从纵坐标为Y2的图中可得到可以看到两个电容的放电速度不同所形成的时间差Δt非常明显。设定V_th为2V，两个电容到达V_th的时间分别为8.719ms和13.47ms，此时对应的输出信号刚好达到一个跳变，延迟时间Δt则可用来表示电容值的相对大小。当手指的脊按压透明指纹面板，将形成更大的电容，其放电速度越慢，则反向器输出信号的跳变点越往右移，产生的时间差Δt越大，因此可以利用Δt来表示电容的大小，从而还原指纹图像。因此，可将电路中的模拟信号转化为数字信号中的时间间隔。

如图7a所示，为本发明的一实施例提供的另一种反相器的电路示意图。图7a中的反相器包括第二薄膜晶体管和第三薄膜晶体管，第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，第二薄膜晶体管的源极连接地线，第二薄膜晶体管的漏极与第一输出线连接。第三薄膜晶体管的源极与第二薄膜晶体管的漏极连接，第三薄膜晶体管的栅极、漏极分别与第二扫描线连接。当第三薄膜晶体管一直处于打开状态，其电阻相对较小，通过调整第二薄膜晶体管和第三薄膜晶体管的导电沟道长宽比即可调整第三薄膜晶体管的正向导通电阻以实现分压的目的，当调整第三薄膜晶体管正向电阻远大于第二薄膜晶体管时可实现反相器功能。

如图7b所示，为本发明的一实施例提供的又一种反相器的电路示意图。该反相器包括第二薄膜晶体管和上拉电阻，第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，第二薄膜晶体管的源极连接地线，第二薄膜晶体管的漏极与第一输出线连接。上拉电阻一端与第二扫描线连接，另一端与第二薄膜晶体管的漏极连接。反相器中直接加入一个电阻较大的上拉电阻来实现反向器功能，电阻较大是相对第二薄膜晶体管而言的。

如图8所示，为本发明一实施例提供的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图。反相器I1为图7a中的反相器结构。

如图9所示，为本发明一实施例提供的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图。反相器I2为图7b中的反相器结构。

如图10所示，为本发明的另一实施例提供的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图。透明面板指纹识别装置包括开关模块、电容电极、反相器和信号放大模块。其中，反相器包括第二薄膜晶体管Q2和第三薄膜晶体管Q3。反相器可采用本发明实施例所提出的三种模型，图10中的反相器为其中的一种反相器，另两种反相器所对应的透明面板指纹识别装置阵列的电路示意图不再另为给出，信号放大模块为第四薄膜晶体管L。第四薄膜晶体管L的栅极与第三薄膜晶体管Q3的栅极和源极连接，第四薄膜晶体管L的漏极与第二扫描线连接，第四薄膜晶体管L的源极与第一输出线连接。

本发明实施例提供一种指纹识别器，其包括m行扫描线、n列输出线以及如上所描述的透明面板指纹识别装置，m、n都为正整数。透明面板指纹识别装置呈阵列式排布。m行扫描线分别与所在同一行的透明面板指纹识别装置中的开关模块连接，m行扫描线分别与所在上一行的透明面板指纹识别装置中的反相器连接。即扫描线L1既可与其下方一行(称之为同一行)的透明面板指纹识别装置的开关模块连接，又可与其上方一行(称之为上一行)的透明面板指纹识别装置的反相器连接。n列输出线分别与所在同一列的透明面板指纹识别装置中的反相器连接。指纹识别器还包括k列地线，k为正整数；两列相邻的透明面板指纹识别装置的反相器与同一列的地线连接。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种透明面板指纹识别装置，其特征在于，包括开关模块、电容电极和反相器；

所述开关模块，包括第一端和第二端，所述第一端与第一扫描线连接，所述第二端和所述电容电极连接；当所述第一端的电位为第一电平时，所述开关模块处于导通状态，当所述第一端的电位为第二电平时，所述开关模块处于断开状态；

所述电容电极，与所述反相器连接，用于在指纹接触处形成感应电容；

所述反相器，与第二扫描线连接，输入端与所述电容电极连接，输出端与第一输出线连接，用于将所述电容电极形成的感应电容的电平进行反向跳变操作后输出；

还包括时间数字转换模块；所述时间数字转换模块，连接所述第一输出线，用于计算两个脉冲信号预设电压下的时间间隔，两种所述感应电容的放电信号经反相器输出得到所述两个脉冲信号；

通过电容电极与脊纹、谷纹之间产生两种感应电容，将两种感应电容的充放电信号通过反相器处理，从而获得两条具有时间间隔的电信号曲线。

2.根据权利要求1所述的透明面板指纹识别装置，其特征在于，所述开关模块包括第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的漏极与所述电容电极连接，所述第一薄膜晶体管的栅极、源极分别与第一扫描线连接。

3.根据权利要求1所述的透明面板指纹识别装置，其特征在于，所述反相器包括第二薄膜晶体管和第三薄膜晶体管，所述第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，所述第二薄膜晶体管的源极连接地线，所述第二薄膜晶体管的漏极与所述第一输出线连接。

4.根据权利要求3所述的透明面板指纹识别装置，其特征在于，所述第三薄膜晶体管的栅极、源极分别与所述第二薄膜晶体管的漏极连接，所述第三薄膜晶体管的漏极与第二扫描线连接。

5.根据权利要求3所述的透明面板指纹识别装置，其特征在于，所述第三薄膜晶体管的源极与所述第二薄膜晶体管的漏极连接，所述第三薄膜晶体管的栅极、漏极分别与第二扫描线连接。

6.根据权利要求1所述的透明面板指纹识别装置，其特征在于，所述反相器包括第二薄膜晶体管和上拉电阻，所述第二薄膜晶体管的栅极与电容电极连接，所述第二薄膜晶体管的源极连接地线，所述第二薄膜晶体管的漏极与所述第一输出线连接；所述上拉电阻一端与第二扫描线连接，另一端与所述第二薄膜晶体管的漏极连接。

7.根据权利要求1所述的透明面板指纹识别装置，其特征在于，所述反相器和第一输出线之间还设有信号放大模块；

所述信号放大模块，一端与所述反相器连接，另一端与所述第一输出线连接，用于将所述反相器输出的信号进行放大。

8.一种指纹识别器，其特征在于，包括m行扫描线、n列输出线以及如权利要求1至7中任一权利要求所述透明面板指纹识别装置，m、n都为正整数；

所述透明面板指纹识别装置呈阵列式排布；

所述m行扫描线分别与所在同一行的所述透明面板指纹识别装置中的开关模块连接，所述m行扫描线分别与所在上一行的所述透明面板指纹识别装置中的反相器连接；

所述n列输出线分别与所在同一列的所述透明面板指纹识别装置中的反相器连接。

9.根据权利要求8所述的指纹识别器，其特征在于，还包括k列地线，k为正整数；两列相邻的所述透明面板指纹识别装置的反相器与所在同一列的所述地线连接。