CN108021843A - 基于bcd工艺的高灵敏度指纹传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，包括：指纹采集单元电路、高压脉冲产生电路与内部升压电路。指纹采集单元电路，输入端连接高压脉冲信号和数模转换器，输出端连接输出电路或后级接收放大电路；高压脉冲产生电路，输出端连接所述指纹采集单元电路，为指纹采集单元电路输出高压激励信号，用于直接或间接驱动手指指纹的形成；内部升压电路，输出端与高压脉冲产生电路相连，用于将电源提供的较低电压升到较高电压，向所述高压脉冲产生电路输入高压。本发明采用内部升压电路，本发明激励信号由电路内部产生，并施加于芯片内部，故不会施加于采集手指表面造成手指刺痛感的同时，能有效的提高传感器的探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及指纹识别技术领域，尤其是涉及一种基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器。
背景技术
现有的大部分指纹传感器采用传感器产生一个激励信号，通过传感器外围安装一个金属环和待采集手指接触该金属环的方式，将此激励信号施加到待采集手指表面，以实现驱动手指电极的原理实现指纹采集，如图1(a)所示。现有的采用手指激励原理的指纹传感器中，为了避免部分人在指纹采集中，手指造成刺痛感，手指上的脉冲激励电压最大值一般不超过4V。
此外，现有的部分传感器采用高压激励信号驱动指纹传感器衬底，实现传感器高穿透和解决激励信号对手指表面造成的刺痛感，例如专利CN103376970A，如图1(b)所示。由于传感器的衬底处于被信号激励的状态，故传感器输出的数字信号与上位机之间需要做DC隔离处理。故而在传感器和上位机之间，需要增加一个接口转换芯片。同时，由于驱动传感器的衬底需要较大的驱动能力，所以，高压信号由外部DCDC芯片升压产生，并经过接口转换芯片斩波后形成衬底高压驱动信号。
在金属环激励方案中，激励信号产生电路的功耗较大。当金属环上激励信号电平高于4V以后，部分人在指纹采集过程中，手指表面会由于激励信号感受到一定程度的刺痛感。而低于4V的激励信号，会极大的限制传感器的探测灵敏度。由于需要外围金属环，芯片的封装成本和封装复杂度一般较高。金属环是一个面积较大的导电电极，会对系统外部或者受系统外部的干扰。同时，带有金属环的传感器在安装中，与系统级的机器外壳贴合时，存在安装不方便的问题。在衬底驱动方案中，DCDC与高压接口芯片在系统级会消耗较高的功耗，增加系统的成本；同时，系统构成复杂，调试不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，没有外部金属环激励，在外部应用中不采用DCDC和高压接口芯片的同时，提高指纹传感器的采集灵敏度。
为了实现上述目的，本发明提出的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，包括：指纹采集单元电路、高压脉冲产生电路与内部升压电路。
所述指纹采集单元电路，输入端连接高压脉冲信号VH和数模转换器DAC，输出端连接输出电路或后级接收放大电路；所述高压脉冲产生电路，输出端连接所述指纹采集单元电路，为指纹采集单元电路输出高压激励信号VH，用于直接或间接驱动手指指纹的形成。所述内部升压电路，输出端与高压脉冲产生电路相连，用于将电源提供的较低电压升到较高电压，向所述高压脉冲产生电路输入高压Vout’。
进一步地，所述指纹采集单元电路还包含第一极板和第二极板，所述第一极板、第二极板与手指表面之间形成边缘电场手指电容Cf。
进一步地，所述指纹采集单元电路还包含放大器、参考电压和反馈电容；所述放大器包含正相输入端、反相输入端和输出端；所述参考电压Vref由前级电路产生，输入到所述放大器的正相输入端；所述反馈电容Cfb的一端与所述放大器的反相输入端相连，所述反馈电容的另一端与所述放大器的输出端相连；所述放大器的反相输入端还与第二极板相连；所述放大器的输出端输出所述指纹采集单元电路的输出信号Vout。
进一步地，所述数模转换器DAC，产生合适的模拟量，通过直流补偿电容Cdc耦合到所述放大器的反相输入端，用来调节电路的直流偏置。
进一步地，所述放大器为低噪声放大器LNA。
进一步地，所述高压脉冲产生电路包括非交叠时钟产生电路、动态电平转移电路一、动态电平转移电路二、输出绝缘栅场效应晶体N管、输出绝缘栅场效应晶体P管。
高压脉冲产生电路的工作原理为：电路输入信号为较低电压的高电平V0，低电平为0V，通过非交叠时钟产生电路和动态电平产生电路一，生成一组非交叠时钟，同时将脉冲的高电平提升到V1，作为输出N管的控制时序；通过动态电平转移电路二，将脉冲的高电平V1提升到V2，作为输出P管的控制时序；通过对输出N管和P管的开关控制，输出与输入信号同时序的高电平为V2、低电平为0V的输出高压Vout”。该信号输入到指纹采集单元电路输入端，即为高压脉冲信号VH。所述V0、V1由电路实际需要确定，高电平V2的大小由Vout’确定。
进一步地，所述内部升压电路为电荷泵。
本专利的有益效果：
1.本专利所述传感器电路，可以省掉现有技术指纹传感器产生的激励信号和金属环，避免手指直接接触电信号。从而节省了激励信号产生电路的功耗；避免了在指纹采集过程中，激励信号对手指表面造成的刺痛感；由于去掉了外围金属环，降低了芯片封装成本和安装的复杂度；提高了芯片的抗干扰能力。
2.本专利激励信号由电路内部产生，并施加于芯片内部，故激励电压可以达到20V以上的高压，在不会对采集手指造成刺痛感的同时，能有效的提高传感器的探测灵敏度。
3.本专利的实施，在保证原有传感器的高灵敏度和不对手指造成刺痛感的前提下，能去掉外部生成高压的DCDC芯片和接口转换芯片，从而能有效的降低指纹采集模组的功耗，节省了模组的体积和成本，在简化系统的同时，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1(a)现有技术中采用手指激励的指纹采集单元电路；
图1(b)现有技术中指纹传感器衬底驱动方案；
图2是本发明实施例的基于边缘电场手指电容和高压脉冲的指纹采集单元电路；
图3是本发明实施例的高压脉冲产生电路；
图4是本发明实施例的电荷泵升压电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图来说明本发明的优选实施例，以由电容式感测元件阵列形成的电容式指纹传感器为例对本专利进行详细描述，其中，电容式感测元件阵列包含两个及两个以上的指纹采集单元。图2是本发明实施例的基于边缘电场手指电容和高压脉冲的指纹采集单元电路。图3是本发明实施例的高压脉冲产生电路。图4是本发明实施例的电荷泵升压电路。
本发明提出的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，包括：指纹采集单元电路100、高压脉冲产生电路200与内部升压电路。
指纹采集单元电路100，输入端连接高压脉冲信号VH和数模转换器101，输出端连接输出电路或后级接收放大电路102；高压脉冲产生电路200，输出端连接指纹采集单元电路100，为指纹采集单元电路100输出高压脉冲信号VH，用于直接或间接驱动手指指纹的形成。内部升压电路，输出端与高压脉冲产生电路200相连，用于将电源提供的较低电压升到较高电压，向高压脉冲产生电路200输入高压Vout’。
指纹采集单元电路100还包含第一极板103、第二极板104、放大器105、参考电压Vref和反馈电容Cfb。
其中，高压脉冲信号VH包括但不限于16V、20V，下面以高压值20V为例。
其中，第一极板103、第二极板104与手指表面106之间形成边缘电场手指电容Cf；第一极板103和第二极板104为芯片的顶层金属，芯片表面介质层材料包括但不限于芯片表面钝化层、PI、molding材料、coating材料或陶瓷盖板等常见介质材料。
放大器105包含正相输入端、反相输入端和输出端；参考电压Vref由前级电路产生，输入到放大器105的正相输入端；所述反馈电容Cfb的一端与放大器105的反相输入端相连，所述反馈电容Cfb的另一端与放大器105的输出端相连,反馈电容Cfb由第二极板104与下层金属的寄生电容构成，电容值大小在10fF数量级；放大器105的反相输入端还与第二极板104相连；放大器105的输出端输出指纹采集单元电路100的输出信号Vout。本实施例中放大器105为低噪声放大器LNA。
图2中DAC为数模转换器101，产生合适的模拟量，通过直流补偿电容Cdc耦合到放大器105的反相输入端，用来调节电路的直流偏置。直流补偿电容Cdc是由第二极板4与下层金属的寄生电容构成，电容值大小在1fF数量级。
图2中Output Circuit电路为LNA的输出电路或后级接收放大电路105。在该指纹采集单元电路中，采用高压脉冲驱动手指电容的第一极板103，通过放大器105和反馈电容Cfb，将高压脉冲信号VH与边缘电场手指电容Cf镜像到单元电路输出端。
图3为本发明实施例的高压脉冲产生电路。高压脉冲产生电路200包括非交叠时钟产生电路201、动态电平转移电路一202、动态电平转移电路二203、输出绝缘栅场效应晶体N管204、输出绝缘栅场效应晶体P管205。图3中Change Pump电路为电荷泵电路206。
假设电路的输入信号为高电平1.8V,低电平0V的脉冲信号，通过非交叠时钟产生电路201和动态电平产生电路一202，生成一组非交叠时钟，同时将脉冲的高电平提升到相对较高电压，例如3V，以此作为输出N管204的控制时序。利用高电平为3V的脉冲信号作为输入信号，经过3V到20V的动态电平转移电路二203，得到高电平为20V的脉冲信号，以此作为输出P管205的控制时序。通过对输出N管204和P管205的开关控制，实现了与输入信号同时序的高电平为20V高压，低电平为0V的输出信号。该信号输入到指纹采集单元电路100输入端，即为高压脉冲信号VH。
本实施例中，内部升压电路为电荷泵。图4为本发明实施例的电荷泵升压电路。采用两相非交叠时钟和逐级的电荷泵电容，经过n+1个时钟周期后(n为电容个数)，电路可以将电源提供的较低电压升到较高电压Vout’，例如将1.8V输入电压升高到20V输出。该高压Vout’输入到高压脉冲产生电路200，作为高压脉冲产生电路的高压部分电源。
本专利采用BCD工艺，片上通过内部升压电路集成实现高压产生，再通过高压脉冲产生电路200，产生一个高压脉冲。阵列单元中的两个极板之间会形成一个边缘电场电容Cf。手指表面离极板越近，两个极板间的电场效应越弱，Cf越小，反之则反。采用该高压脉冲驱动手指电容的第一极板，通过放大器105和Cfb反馈电容，将高压脉冲信号与Cf镜像到单元电路输出端，单元电路输出电压Vout，根据电荷守恒原理，
其中，Vout为所述指纹采集单元电路的输出信号，VH为所述高压脉冲信号，Cf为边缘电场手指电容，Cfb为反馈电容。
从公式(1)知道，单元电路输出电压Vout与Cf成正相关，说明指纹脊对应的Vout小，指纹谷对应的Vout大。得到电路输出的Vout以后，经过后级电路的放大和ADC转换，电路最终可以将指纹信息转换成固定位数字量输出。
本发明实施例的详细描述和附图只是用于说明本发明，而不是限制由权利要求和其等价物定义的本发明的范围。
Claims (10)
1.一种基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，包括：指纹采集单元电路、高压脉冲产生电路与内部升压电路；
所述指纹采集单元电路，输入端连接高压脉冲信号VH和数模转换器DAC，输出端连接输出电路或后级接收放大电路；
所述高压脉冲产生电路，输出端连接所述指纹采集单元电路，为指纹采集单元电路输出高压激励信号VH，用于直接或间接驱动手指指纹的形成；
所述内部升压电路，输出端与高压脉冲产生电路相连，用于将电源提供的较低电压升到较高电压，向所述高压脉冲产生电路输入高压Vout’。
2.如权利要求1所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述指纹采集单元电路还包含第一极板和第二极板，所述第一极板、第二极板与手指表面之间形成边缘电场手指电容Cf。
3.如权利要求2所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述第一极板和第二极板为芯片的顶层金属；芯片表面介质层由常见介质材料构成。
4.如权利要求2所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述指纹采集单元电路还包含放大器、参考电压和反馈电容；
所述放大器包含正相输入端、反相输入端和输出端；
所述参考电压Vref由前级电路产生，输入到所述放大器的正相输入端；
所述反馈电容Cfb的一端与所述放大器的反相输入端相连，所述反馈电容的另一端与所述放大器的输出端相连；所述反馈电容Cfb，由第二极板与下层金属的寄生电容构成。
5.如权利要求4所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述数模转换器DAC，产生合适的模拟量，通过直流补偿电容Cdc耦合到所述放大器的反相输入端，用来调节电路的直流偏置；所述直流补偿电容Cdc，由第二极板与下层金属的寄生电容构成。
6.如权利要求4所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述放大器的反相输入端还与第二极板相连。
7.如权利要求4所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述放大器的输出端输出所述指纹采集单元电路的输出信号Vout，输出信号为：
<mrow>
<mi>V</mi>
<mi>o</mi>
<mi>u</mi>
<mi>t</mi>
<mo>=</mo>
<mi>V</mi>
<mi>H</mi>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>C</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>C</mi>
<mi>f</mi>
<mi>b</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，Vout为所述指纹采集单元电路的输出信号，VH为所述高压脉冲信号，Cf为边缘电场手指电容，Cfb为反馈电容。
8.如权利要求4所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述放大器为低噪声放大器LNA。
9.如权利要求1所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述高压脉冲产生电路包括非交叠时钟产生电路、动态电平转移电路一、动态电平转移电路二、输出绝缘栅场效应晶体N管、输出绝缘栅场效应晶体P管；
高压脉冲产生电路的工作原理为：电路输入信号为较低电压的高电平V0，低电平为0V，通过非交叠时钟产生电路和动态电平产生电路一，生成一组非交叠时钟，同时将脉冲的高电平提升到V1，作为输出N管的控制时序；通过动态电平转移电路二，将脉冲的高电平V1提升到V2，作为输出P管的控制时序；通过对输出N管和P管的开关控制，输出与输入信号同时序的高电平为V2、低电平为0V的输出高压Vout”；所述V0、V1由电路实际需要确定，高电平V2的大小由Vout’确定。
10.如权利要求1所述的基于BCD工艺的高灵敏度指纹传感器，其特征在于，所述内部升压电路为电荷泵。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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