CN113597612B - 超声指纹识别单元、指纹识别装置和指纹识别驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种超声指纹识别单元，包括：超声指纹识别电路(1)和电流供给电路(2)，所述超声指纹识别电路包括：检测电路(3)和源跟随电路(4)，所述检测电路(3)的输出端与所述源跟随电路(4)的输入端连接于采样节点，所述源跟随电路(4)的输出端通过信号读取线与所述电流供给电路(2)连接；所述电流供给电路(2)，配置为在所述超声指纹识别电路的工作过程中向所述源跟随电路(4)的输出端提供恒定电流；所述检测电路(3)，与超声波传感器(5)的接收电极连接，配置为根据所述超声波传感器(5)的接收电极输出的电信号向所述采样节点输出感测电压；所述源跟随电路(4)，配置为在所述恒定电流的作用下，根据所述感测电压向所述信号读取线输出相应的源跟随电压。

Description

超声指纹识别单元、指纹识别装置和指纹识别驱动方法

技术领域

本公开实施例涉及一种超声指纹识别单元、指纹识别装置和指纹识别驱动方法。

背景技术

基于超声波的指纹识别技术是一种新型指纹识别技术，其主要原理为：发射波接触到物体(例如手指)时，由于指纹有谷脊之分，所以反射波(也称为回波)的震动强度就会有差异，由此，通过检测反射波的震动强度就可以确定谷脊的位置，进而实现指纹识别。

源跟随电路是超声指纹识别电路的核心组件之一，其输入端与超声指纹识别电路中的采样节点连接，用于将采样节点处的信号作为输入信号基于源跟随原理进行输出。外部处理器通过信号读取线来获取到源跟随电路的输出端所输出的电流，并基于该电流的大小来识别出指纹的谷脊。

发明内容

本公开实施例提出了一种超声指纹识别单元、指纹识别装置和指纹识别驱动方法。

第一方面，本公开实施例提供了一种超声指纹识别单元，其中，包括：超声指纹识别电路和电流供给电路，所述超声指纹识别电路包括：检测电路和源跟随电路，所述检测电路的输出端与所述源跟随电路的输入端连接于采样节点，所述源跟随电路的输出端通过信号读取线与所述电流供给电路连接；

所述电流供给电路，配置为在所述超声指纹识别电路的工作过程中向所述源跟随电路的输出端提供恒定电流；

所述检测电路，与超声波传感器的接收电极连接，配置为根据所述超声波传感器的接收电极输出的电信号向所述采样节点输出感测电压；

所述源跟随电路，配置为在所述恒定电流的作用下，根据所述感测电压向所述信号读取线输出相应的源跟随电压。

在一些实施例中，所述电流供给电路包括：重置电路、写入及补偿电路、输出控制电路和驱动晶体管，所述驱动晶体管的控制极、所述重置电路和所述阈值补偿电路连接于控制节点；

所述重置电路，与第一电源端和第一控制信号线连接，配置为响应于所述第一控制信号线的控制将所述第一电源端提供的第一电压写入至所述控制节点；

所述写入及补偿电路，与第二电源端、第二控制信号线、所述驱动晶体管的第一极和所述驱动晶体管的第二极连接，配置为响应于所述第二控制信号线的控制将所述第二电源端提供的第二电压写入至所述驱动晶体管的第二极，以及将控制电压写入至所述控制节点，所述控制电压等于所述第二电压与所述驱动晶体管的阈值电压之和；

所述输出控制电路，与第三电源端和第三控制信号线连接，配置为响应于所述第三控制信号线的控制将所述第三电源端提供的第三电压写入至所述驱动晶体管的第二极；

所述驱动晶体管，配置为响应于所述控制电压和所述第三电压控制向所述信号读取线输出驱动电流，以向所述源跟随电路的输出端提供所述恒定电流。

在一些实施例中，所述重置电路包括：第一晶体管；

所述第一晶体管的控制极与所述第一控制信号线连接，所述第一晶体管的第一极与所述第一电源端连接，所述第一晶体管的第二极与所述控制节点连接。

在一些实施例中，所述写入及补偿电路包括：第二晶体管和第三晶体管；

所述第二晶体管的控制极与所述第二控制信号线连接，所述第二晶体管的第一极与所述第二电源端连接，所述第二晶体管的第二极与所述驱动晶体管的第二极连接；

所述第三晶体管的控制极与所述第二控制信号线连接，所述第三晶体管的第一极与所述驱动晶体管的第一极连接，所述第三晶体管的第二极与所述控制节点连接。

在一些实施例中，所述输出控制电路包括：第四晶体管；

所述第四晶体管的控制极与所述第三控制信号线连接，所述第四晶体管的第一极与所述驱动晶体管的第二极连接，所述第四晶体管的第二极与所述第三电源端连接。

在一些实施例中，所述电流供给电路中的各晶体管同时为N型晶体管；

或者，所述电流供给电路中的各晶体管同时为P型晶体管。

在一些实施例中，所述源跟随电路包括：源跟随晶体管；

所述源跟随晶体管的控制极与所述采样节点连接，所述源跟随晶体管的第一极与第四电源端连接，所述源跟随晶体管的第二极与所述源跟随电路的输出端连接。

在一些实施例中，所述检测电路包括：输入电路和降噪复位电路；

所述输入电路，与偏置电压端、输入控制信号线和所述超声波传感器的接收电极连接，配置为响应于所述输入信号线的控制将所述偏置电压端提供的第一偏振电压写入至超声波传感器的接收电极；

所述降噪复位电路，与所述偏置电压端连接，配置为将所述偏置电压端提供的第二偏置电压写入至所述采样节点，所述第一偏置电压小于所述第二偏置电压。

在一些实施例中，所述输入电路包括：输入晶体管；

所述输入晶体管的控制极与所述输入控制信号线连接，所述输入晶体管的第一极与所述偏置电压端连接，所述输入晶体管的第二极与所述超声波传感器的接收电极连接；

所述降噪复位电路包括：供压二极管；

所述供压二极管的第一端与所述偏置电压端连接，所述供压二极管的第二端与所述采样节点连接。

第二方面，本公开实施例还提供了一种指纹识别装置，其中，包括：至少一个超声波传感器和如上述实施例提供的所述超声指纹识别单元。

在一些实施例中，所述指纹识别装置包括呈阵列排布的多个所述超声波传感器和呈阵列排布的多个所述超声指纹识别电路，所述超声波传感器与所述超声指纹识别电路一一对应；

位于同一列的多个所述超声指纹识别电路内的多个所述源跟随电路的输出端通过同一条所述信号读取线与同一个所述电流供给电路连接。

在一些实施例中，所述指纹识别装置包括指纹识别功能区和位于所述指纹识别功能区周边的非功能区；

所述超声波传感器和所述超声指纹识别电路位于所述指纹识别功能区内，所述电流供给电路位于所述非功能区内。

在一些实施例中，所述指纹识别装置还包括：显示面板；

所述超声波传感器和所述超声指纹识别单元通过外挂方式设置固定于所述显示面板的外表面；

或者，所述超声波传感器和所述超声指纹识别单元通过内嵌方式集成于所述显示面板内部。

第三方面，本公开实施例还提供了一种指纹识别驱动方法，其中，所述指纹识别驱动方法基于上述实施例提供的所述超声指纹识别单元，所述指纹识别驱动方法包括：

在第一感测阶段，所述电流供给电路向所述源跟随电路的输出端提供恒定电流，所述超声波传感器未发射出超声波，所述超声波传感器的接收电极输出第一电信号，所述检测电路根据所述第一电信号向所述采样节点输出第一感测电压，所述源跟随电路在所述恒定电流的作用下根据所述第一感测电压输出第一源跟随电压；

在第二感测阶段，所述电流供给电路向所述源跟随电路的输出端提供所述恒定电流，所述超声波传感器发射出超声波且接收指纹反射的回波，所述超声波传感器的接收电极输出第二电信号，所述检测电路根据所述第二电信号向所述采样节点输出第二感测电压，所述源跟随电路在所述恒定电流的作用下根据所述第二感测电压输出第二源跟随电压，以供外部处理器根据所述第二源跟随电压与所述第一源跟随电压的差值确定出所述指纹为谷部或脊部。

在一些实施例中，在所述在第一感测阶段之前还包括预备阶段，所述预备阶段具体包括：

在重置阶段，所述重置电路响应于所述第一控制信号线的控制将所述第一电源端提供的第一电压写入至所述控制节点；

在写入及补偿阶段，所述写入及补偿电路响应于所述第二控制信号线的控制将所述第二电源端提供的第二电压写入至所述驱动晶体管的第二极，以及将控制电压写入至所述控制节点，所述控制电压等于所述第二电压与所述驱动晶体管的阈值电压之和；

在输出阶段，所述输出控制电路响应于所述第三控制信号线的控制将所述第三电源端提供的第三电压写入至所述驱动晶体管的第二极，所述驱动晶体管响应于所述控制电压和所述第三电压控制向所述信号读取线输出驱动电流，以向所述源跟随电路的输出端提供所述恒定电流。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种超声指纹识别单元的电路结构示意图；

图2为指纹对超声波进行反射时的示意图；

图3为本公开实施例中电流供给电路的一种电路结构示意图，

图4为本公开实施例提供的一种超声指纹识别单元的电路结构示意图；

图5a为图4中电流供给电路的一种驱动时序图；

图5b为图4中超声指纹识别电路的一种驱动时序图；

图6为图4所示超声指纹识别单元的一种工作时序图；

图7为本公开实施例提供的一种指纹识别装置的电路结构示意图；

图8为超声波传感器和超声指纹识别单元通过外挂方式设置固定于显示面板的外表面时的示意图；

图9为超声波传感器和超声指纹识别单元通过内嵌方式设置固定于显示面板的外表面时的示意图；

图10为本公开实施例提供的一种指纹识别驱动方法的流程图；

图11为本公开实施例提供的另一种指纹识别驱动方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种超声指纹识别单元、指纹识别装置和指纹识别驱动方法进行详细描述。

在下文中将参考附图更充分地描述示例实施例，但是所述示例实施例可以以不同形式来体现且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本公开透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本公开的范围。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由……制成”时，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。

将理解的是，虽然本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件/信号线/端口，但这些元件/信号线/端口不应当受限于这些术语。这些术语仅用于区分一个元件/信号线/端口和另一元件/信号线/端口。

除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本公开的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。

在本公开实施例中所采用的晶体管可以为薄膜晶体管或场效应管或其他具有相同、类似特性的器件，由于采用的晶体管的源极和漏极是对称的，所以其源极、漏极是没有区别的。在本公开实施例中，为区分晶体管的源极和漏极，将其中一极称为第一极，另一极称为第二极，栅极称为控制极。此外按照晶体管的特性区分可以将晶体管分为N型和P型；其中，N型晶体管受控于高电平控制信号而导通，且受控于低电平控制信号而截止；P型晶体管受控于低电平控制信号而导通，且受控于高电平控制信号而截止。以下实施例中是以N型晶体管进行说明的，当采用N型晶体管时，第一极为N型晶体管的漏极，第二极为N型晶体管的源极，P型相反。可以想到的是，采用P型晶体管来实现下述实施例的技术方案，是本领域技术人员可以在没有付出创造性劳动前提下轻易想到的，因此也是在本公开实施例的保护范围内。

在相关技术中，由于源跟随电路内电学器件的电学特性会随时间或环境发生偏移(例如，晶体管的阈值电压发生偏移)，使得对应同一输入信号，源跟随电路输出的电流的大小会发生改变，即存在信号失真问题，从而导致指纹识别精准度下降。为解决上述技术问题，本公开实施例提供了解决方案。

图1为本公开实施例提供的一种超声指纹识别单元的电路结构示意图，如图1所示，该超声指纹识别单元包括：超声指纹识别电路1和电流供给电路2；其中，超声指纹识别电路1包括：检测电路3和源跟随电路4，检测电路3的输出端与源跟随电路4的输入端连接于采样节点N1，源跟随电路4的输出端通过信号读取线RL与电流供给电路2连接。

其中，电流供给电路2配置为在超声指纹识别电路1的工作过程中向源跟随电路4的输出端提供恒定电流。

检测电路3与超声波传感器5的接收电极502连接，检测电路3配置为根据超声波传感器5的接收电极502输出的电信号向采样节点N1输出感测电压。

源跟随电路4配置为在恒定电流的作用下，根据感测电压向信号读取线RL输出相应的源跟随电压。

在本公开实施例中，超声波传感器5包括：发射电极501、接收电极502和位于发射电极501和接收电极502之间的压电组件503。在一些实施例中，压电组件503的材料可以包括：聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，简称PVDF)、氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)和氧化锌(ZnO)中的至少一种；发射电极501的材料可以为银等金属材料；接收电极502的材料可以为氧化铟锡(ITO)等导电材料，本公开实施例对此不作具体限定。

进行超声波指纹识别的过程如下：在发射阶段，可向发射电极501施加驱动信号(例如，正弦波信号)，同时向接收电极502施加恒定电压，则压电组件503由于受到电压激发产生逆压电效应，向外发射超声波，在发射出的超声波接触到物体(例如手指)时发生反射，产生回波；由于手指指纹有谷脊之分，所以回波的震动强度有差异。在采样阶段，停止给发射电极501施加驱动信号而变为施加恒定电压，并停止向接收电极502施加恒定电压，压电组件503受到经手指反馈的回波的影响，因正压电效应，在接收电极502上产生交流电信号(为正弦波信号或近似为正弦波信号)，该交流电信号可对采样节点N1进行充电，通过对采样节点N1处信号的幅值(最大电压，也称为最大波峰电压)进行测量，即确定出可确定出手指的谷脊位置，进而实现超声波指纹识别。

需要说明的是，本公开中实施例中的感测电压具体是指在采样阶段过程中采样节点N1处的最大电压。

与相关技术中通过采集源跟随电路4的输出端所输出的电流大小，来确定采样过程中采样节点N1处的最大电压，并基于该最大电压来识别指纹的谷脊的技术手段不同。在本公开实施例中，在进行指纹识别时，电流供给电路2向源跟随电路4的输出端提供恒定电流，通过检测源跟随电路4的输出端所输出的电压，来确定出采样过程中采样节点N1处电压的变化，从而确定出采样过程中采样节点N1处的最大电压。基于上述采样原理，采用“双采样作差”的方式，以确定出采样节点N1处加载由指纹回波所产生的交流电信号后所发生的电压变化，基于该电压变化可确定出指纹的谷脊。

图2为指纹对超声波进行反射时的示意图，如图2所示，一般而言，若超声波在手指谷部发生反射，则由于超声波运动距离相对(与超声波在手指脊部发生反射的情况相比)较远，因此到达超声波传感器5时的强度相对较弱，此时超声波传感器5所输出的电流相对较小，采样节点N1处的电压变化幅度相对较小，在基准电压一定的情况下，采样节点N1处的最大电压相对较小；若超声波在手指脊部发生反射，则由于其运动距离相对(与超声波在手指谷部发生反射的情况相比)较近，则到达超声波传感器5时的强度相对较强，此时超声波传感器5所输出的电流相对较大，采样节点N1处的电压变化幅度相对较大，在基准电压一定的情况下，采样节点N1处的最大电压相对较大。基于该采样节点N1处电压变化幅度，即可确定出指纹的谷脊。

在源跟随电路4的输出端的电流一定的情况下，源跟随电路4的输出端的电压Vout与源跟随电路4的输入端电压Vin呈线型正相关，可表示为：

Vout＝Vin+m

其中，m为常数，由源跟随电路4内的电学器件的电学特性、源跟随电路4的输出端的电流大小所决定。

为消除源跟随电路4内的电学器件的电学特性发生漂移而导致信号失真的问题，本公开中“双采样作差”的方式来求得采样节点N1处加载由指纹回波所产生的交流电信号后所发生的电压变化。

本公开实施例中的“双采样作差”原理如下：

首先，在第一次超声波指纹识别阶段(又称为第一感测阶段)，电流供给电路2向源跟随电路4的输出端提供恒定电流，其包括恒压施加阶段和第一采样阶段。其中，在恒压施加阶段，向发射电极501和接收电极502均施加恒定电压(两个恒定电压可以相同，也可以不同)，此时压电组件503不会输出超声波。在第一采样阶段，停止向接收电极502施加恒定电压，此时由于超声波传感器5在第一发射阶段未发出超声波，因此在第一采样阶段时超声波传感器5不会接收到回波。需要说明的是，受到检测电路3中的电学器件的电学特性发生漂移的影响，超声波传感器5的接收电极502所输出第一电信号的电压可能不等于在第一采样阶段时施加在接收电极502上的恒定电压。此时，检测电路3根据第一电信号向采样节点N1输出第一感测电压(第一感测电压包含了检测电路3中的电学器件的电学特性漂移对采样节点N1处电压的影响成份)，源跟随电路4在恒定电流的作用下根据第一感测电压输出第一源跟随电压。此时，第一感测电压记为Vin_1，第一源跟随电压记为Vout_1，Vout_1＝Vin_1+m。

在第二次超声波指纹识别阶段(又称为第二感测阶段)，电流供给电路2向源跟随电路4的输出端提供恒定电流(与第一次超声波指纹识别阶段中所提供的恒定电流相同)，其包括发射阶段和第二采样阶段。其中，其中，在发射阶段，向发射电极501施加驱动信号(例如，正弦波信号)，向接收电极502均施加恒定电压，此时压电组件503会输出超声波。发射出的超声波可在指纹表面发生反射产生回波。在第二采样阶段，向发射电极501施加恒定电压，停止向接收电极502施加恒定电压，压电组件503接收到回波后通过接收电极502输出第二电信号，检测电路3根据第二电信号向采样节点N1输出第二感测电压(第一感测电压包含了检测电路3中的电学器件的电学特性漂移对采样节点N1处电压的影响成份，以及回波所产生的交流电信号对采样节点N1处电压的影响成份)，源跟随电路4在恒定电流的作用下根据第二感测电压输出第二源跟随电压。此时，第二感测电压记为Vin_2，第二源跟随电压记为Vout_2，Vout_2＝Vin_2+m。

外部处理器6通过信号读取线RL可读取到第二源跟随电压Vout_2和第二源跟随电压Vout_1，通过将两个作差：

Vout_2－Vout_1

＝Vin_2+m－(Vin_1+m)...(1)

＝Vin_2－Vin_1

可求得第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差，即得到采样节点N1处加载由指纹回波所产生的交流电信号后所发生的电压变化大小，基于该差值可判断出指纹的谷脊。一般而言，可根据预先实验来设定一个判断阈值，当第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差大于或等于该判断阈值，则表明采样节点N1处加载由指纹回波所产生的交流电信号后所发生的电压变化较大，超声波传感器5所输出的电流相对较大，回波为指纹的脊部所反射；当第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差小于该判断阈值，则表明采样节点N1处加载由指纹回波所产生的交流电信号后所发生的电压变化较小，超声波传感器5所输出的电流相对较小，回波为指纹的谷部所反射。

通过上式(1)可见，通过采用将第二源跟随电压Vout_2和第二源跟随电压Vout_1作差的方式，来求得第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差值，可消除源跟随电路4内电学器件的电学特性漂移对检测过程的影响(Vin_2与Vin_1的差与m无关)，保证信号可信度。与此同时，通过求第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差值，也能消除检测电路3中的电学器件的电学特性漂移对采样节点N1处电压的影响成份，可有效提升识别精准度。

图3为本公开实施例中电流供给电路的一种电路结构示意图，如图3所示，在一些实施例中，电流供给电路2包括：重置电路201、写入及补偿电路202、输出控制电路203和驱动晶体管DTFT，驱动晶体管DTFT的控制极、重置电路201和阈值补偿电路202连接于控制节点N2。

其中，重置电路201与第一电源端和第一控制信号线CL1连接，重置电路201配置为响应于第一控制信号线CL1的控制将第一电源端提供的第一电压写入至控制节点N2。

写入及补偿电路202与第二电源端、第二控制信号线CL2、驱动晶体管DTFT的第一极和驱动晶体管DTFT的第二极连接，写入及补偿电路202配置为响应于第二控制信号线CL2的控制将第二电源端提供的第二电压写入至驱动晶体管DTFT的第二极，以及将控制电压写入至控制节点N2，控制电压等于第二电压与驱动晶体管DTFT的阈值电压之和。

输出控制电路203与第三电源端和第三控制信号线CL2连接，输出控制电路203配置为响应于第三控制信号线CL2的控制将第三电源端提供的第三电压写入至驱动晶体管DTFT的第二极。

驱动晶体管DTFT配置为响应于控制电压和第三电压控制向信号读取线RL输出驱动电流，以向源跟随电路4的输出端提供恒定电流。

在本实施例中，以第一电源端提供的第一电压Vrst，第二电源端提供的第二电压Vq，第三电源端提供第三电压Vss为例，来对图3中的电流供给电路2提供恒定电流的过程进行详细描述。其中，控制电压Vcon＝Vq+Vth，Vth为驱动晶体管DTFT的阈值电压。

当驱动晶体管DTFT的栅极电压为控制电压Vcon且第二极的电压为Vss时，根据驱动晶体管DTFT的饱和驱动电流公式可得：

其中，I为驱动晶体管DTFT输出的驱动电流(即，向源跟随电路4的输出端提供恒定电流)；K_DTFT为常数且其大小与驱动晶体管DTFT的阈值电压和电子迁移率相关。

基于上式(2)可见，驱动晶体管DTFT输出的驱动电流与驱动晶体管DTFT的阈值电压Vth无关，而与第二电压Vq相关，因此在第二电压Vq恒定的情况下，驱动晶体管DTFT可输出恒定电压。在实际应用中，可通过设定第二电压Vq的取值来设定驱动晶体管DTFT输出的恒定电流的大小。

图4为本公开实施例提供的一种超声指纹识别单元的电路结构示意图，如图4所示，图4所示超声指纹识别单元为基于图1所示超声指纹识别单元的一种可选具体方案，且图4所示超声指纹识别单元中的电流供给电路为基于图3所示电流供给电路的一种可选具体方案。

在一些实施例中，重置电路201包括：第一晶体管M1；其中，第一晶体管M1的控制极与第一控制信号线CL1连接，第一晶体管M1的第一极与第一电源端连接，第一晶体管M1的第二极与控制节点N2连接。

在一些实施例中，写入及补偿电路202包括：第二晶体管M2和第三晶体管M3；其中，第二晶体管M2的控制极与第二控制信号线CL2连接，第二晶体管M2的第一极与第二电源端连接，第二晶体管M2的第二极与驱动晶体管DTFT的第二极连接；第三晶体管M3的控制极与第二控制信号线CL2连接，第三晶体管M3的第一极与驱动晶体管DTFT的第一极连接，第三晶体管M3的第二极与控制节点N2连接。

在一些实施例中，输出控制电路203包括：第四晶体管M4；第四晶体管M4的控制极与第三控制信号线CL2连接，第四晶体管M4的第一极与驱动晶体管DTFT的第二极连接，第四晶体管M4的第二极与第三电源端连接。

在本实施例中，以第一电源端提供的第一电压Vrst，第二电源端提供的第二电压Vq，第三电源端提供第三电压Vss为例，来对图4中的电流供给电路2提供恒定电流的过程进行详细描述。

图5a为图4中电流供给电路的一种驱动时序图，如图5所示，该电流供给电路2的工作过程包括如下阶段：

在重置阶段t11，第一控制信号线CL1提供高电平控制信号，第二控制信号线CL2和第三控制信号线CL2均提供低电平控制信号。此时，第一晶体管M1导通，第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4均截止。由于第一晶体管M1导通，因此第一电压Vrst通过第一晶体管M1写入至控制节点N2。

在写入及补偿阶段t12，第二控制信号线CL2提供高电平控制信号，第一控制信号线CL1和第三控制信号线CL2均提供低电平控制信号。此时，第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第一晶体管M1和第四晶体管M4均截止。由于第二晶体管M2导通，因此第二电压Vq通过第二晶体管M2写入至驱动晶体管DTFT的第二极。与此同时，由于第三晶体管M3导通，驱动晶体管DTFT的第二极可通过驱动晶体管DTFT、第三晶体管M3以对控制节点N2进行充电，当控制节点N2的电压变为Vq+Vth时，驱动晶体管DTFT截止，充电结束。此时，控制节点N2的电压为控制电压Vcon＝Vq+Vth。

在输出阶段t13，第三控制信号线CL2提供高电平控制信号，第一控制信号线CL1和第二控制信号线CL2均提供低电平控制信号。此时，第四晶体管M4导通，第一晶体管M1、第三晶体管M3和第四晶体管M4均截止。由于第四晶体管M4导通，因此第三电压Vss通过第四晶体管M4写入至驱动晶体管DTFT的第二极，驱动晶体管DTFT再次导通并输出驱动电流。基于上式(2)可见，驱动晶体管DTFT输出的驱动电流

电流供给电路2中的各晶体管同时为N型晶体管的情况仅为本公开的一种优选实施方案，可使得电流供给电路2中的各晶体管通过相同的晶体管工艺得以同时制备，有利于减少制备工艺步骤，缩短生产周期。当然，电流供给电路2中的各晶体管同时为P型晶体管，也可实现上述效果。本公开的技术方案对电流供给电路2中各晶体管可分别选自N型晶体管或P型晶体管，本公开的技术方案对电流供给电路2中各晶体管的类型不作限定。

在本实施例中，还可在电流供给电路2中设置一稳压电容(未示出)，稳压电容的一端与控制节点N2连接，另一端与恒压电源端连接。通过该恒压电容可在输出阶段t13时维持控制节点N2处的电压始终为控制电压，以保证驱动晶体管DTFT输出恒定电流。

在一些实施例中，检测电路3包括：输入电路301和降噪复位电路302。

其中，输入电路301与偏置电压端Vbias、输入控制信号线Scan和超声波传感器5的接收电极502连接，输入电路301配置为响应于输入信号线的控制将偏置电压端Vbias提供的第一偏振电压写入至超声波传感器5的接收电极502。

降噪复位电路302与偏置电压端Vbias连接，降噪复位电路302配置为将偏置电压端Vbias提供的第二偏置电压写入至采样节点N1，第一偏置电压小于第二偏置电压。

在一些实施例中，输入电路301包括：输入晶体管Min；输入晶体管Min的控制极与输入控制信号线Scan连接，输入晶体管Min的第一极与偏置电压端Vbias连接，输入晶体管Min的第二极与超声波传感器5的接收电极502连接；降噪复位电路302包括：供压二极管D1；供压二极管D1的第一端与偏置电压端Vbias连接，供压二极管D1的第二端与采样节点N1连接。

源跟随电路4包括：源跟随晶体管Msf；源跟随晶体管Msf的控制极与采样节点N1连接，源跟随晶体管Msf的第一极与第四电源端连接，源跟随晶体管Msf的第二极与源跟随电路4的输出端连接。

在本实施例中，以第四电源端提供的第四电压Vdd，偏置电压端Vbias提供第一偏置电压Vb1、第二偏置电压Vb2为例，来对图4中的超声指纹识别电路1的工作过程进行详细描述。

图5b为图4中超声指纹识别电路的一种驱动时序图，如图5b所示，该超声指纹识别电路1的工作过程包括如下阶段：

在发射阶段ta，驱动信号端Tx向发射电极501提供驱动信号(例如，正弦波信号)，输入控制信号线Scan提供高电平控制信号，偏置电压端Vbias提供第一偏置电压Vb1。此时，输入晶体管Min导通，第一偏置电压Vb1通过输入晶体管Min写入至接收电极502，压电组件503基于逆压电效应发射出超声波。

在去噪阶段tb，驱动信号端Tx向发射电极501提供恒定电压，输入控制信号线Scan提供低电平控制信号，偏置电压端Vbias提供第二偏置电压Vb2。此时，输入晶体管Min截止。由于第二偏置电压Vb2小于第一偏置电压Vb1，因此供压二极管D1中有电流流过以采样节点N1进行充电，直至采样节点N1处的电压为Vb2-△V_D1，以实现对采样节点N1处的电压进行去噪、复位处理；其中，△V_D1为供压二极管D1两端的跨压，跨压大小与供压二极管D1的电学特性相关(例如，供压二极管D1的阈值电压)。

由于在指纹所反射的回波到达超声波传感器5之前，位于指纹与超声波传感器5之间的其他膜层可能会首先反射回超声波信号，并使得超声波传感器5输出电信号，从而使得采样节点N1处存在噪声。为消除该噪声，在采样阶段之前设置去噪阶段，以对采样节点N1进行去噪、复位处理，从而可以避免其他膜层反射的噪声信号对指纹反射的超声波信号的接收产生影响。

在采样阶段tc，驱动信号端Tx向发射电极501提供恒定电压，输入控制信号线Scan提供低电平控制信号，偏置电压端Vbias提供第一偏置电压Vb1。超声波传感器5接收指纹所反射的回波，并通过接收电极502输出电信号，该电信号可对采样节点N1进行充电。需要说明的是，由于接收电极502所输出的电信号为交流信号，包括正向电流部分和负向电流部分，其中正向电流部分可使得采样节点N1处的电压上升，负向电流部分可使得采样节点N1处的电压下降。其中，当采样节点N1处的电压为Vb1-△V_D1时，若采样节点N1处接收到负向电流，则采样节点N1处电压不会继续下降，而是维持于Vb1-△V_D1，这是因为一旦采样节点N1处的电压小于Vb1-△V_D1，供压二极管D1中会产生电流(供压二极管D1的另一端的电压为Vb1)，从而将采样节点N1处的电压上拉至Vb1-△V_D1。

在采样阶段tc中，采样节点N1处的电压会不断变化，源跟随电路4的输出端所输出的电压也会不断变化。在源跟随电路4的输出端处的电流一定的情况下，由于源跟随电路4的输出端所输出的电压与输入端的电压(即采样节点N1处的电压)呈线性正相关，因此源跟随电路4的输出端在采样阶段tc输出最大电压的时刻为采样节点N1处为最大电压的时刻。采样节点N1处的最大电压即为“感测电压”，源跟随电路4的输出端处的最大电压即为“源跟随电压”。

在一些实施例中，采样节点N1处还设置有存储电容Cst，存储电容Cst的一端与采样节点N1连接，存储电容Cst的另一端与恒定电压端连接，该存储电容Cst可有效保证采样节点N1处的电压稳定变化。

当然，在一些实施例中，接收电极502与采样节点N1之间还会设置一个整流二极管(未示出)，以使得接收电极502所输出交流信号中仅正向电流部分能够通过(负向电流部分无法通过整流二极管)以对采样节点N1处进行充电，则在采样过程中采样节点N1处电压会持续上升。此时，还需要在采样节点N1处配置一个复位晶体管(未示出)，以便于在采样阶段tc结束时通过控制该复位晶体管导通，以将预设的复位电压写入至采样节点N1，从而将采样节点N1处的电压拉低。

图6为图4所示超声指纹识别单元的一种工作时序图，如图6所示，该超声指纹识别单元的工作过程包括：预备阶段T1、第一感测阶段T2和第二感测阶段T3。

在预设阶段T1，其包括：重置阶段t11、写入及补偿阶段t12和输出阶段t13。对于重置阶段t11、写入及补偿阶段t12和输出阶段t13的具体描述，可参见前面对图5a的相应描述，此处不再赘述。在本公开实施例中，在输出阶段t13结束后，只要第三控制信号线CL2持续提供高电平控制信号，则电流供给电路2可持续输出恒定电流，以供在第一感测阶段T2和第二感测阶段T3使用。

第一感测阶段T2，其包括：恒压施加阶段t21、第一去噪阶段t22和第一采样阶段t23；在恒压施加阶段t21时，驱动信号端Tx向发射电极501施加恒定电压而非驱动信号，因此超声波传感器5不会发射出超声波。对于恒压施加阶段t21、第一去噪阶段t22和第一采样阶段t23的具体描述可参见前面对“第一次超声波指纹识别阶段”以及图5b的相应描述，此处不再赘述。其中，在第一采样阶段t23中，超声波传感器5的接收电极502输出第一电信号，检测电路3根据第一电信号向采样节点N1输出第一感测电压，源跟随电路4在恒定电流的作用下根据第一感测电压输出第一源跟随电压。

在第一感测阶段T2中，第一感测电压记为Vin_1，第一源跟随电压记为Vout_1，此时满足：

其中，Vth__Msf为源跟随晶体管Msf的阈值电压，I为电流供给电路2提供的恒定电流，K_Msf为常数且其大小与源跟随晶体管Msf的阈值电压和电子迁移率相关。

第二感测阶段T3，其包括：发射阶段t31、第二去噪阶段t32和第二采样阶段t33；对于发射阶段t31、第二去噪阶段t32和第二采样阶段t33具体描述，可参见前面对“第二次超声波指纹识别阶段”以及图5b的相应描述，此处不再赘述。其中，在第二采样阶段t33中，超声波传感器5的接收电极502输出第二电信号，检测电路3根据第二电信号向采样节点N1输出第二感测电压，源跟随电路4在恒定电流的作用下根据第二感测电压输出第二源跟随电压。

为保障后续识别结果的准确性，恒压施加阶段t21与发射阶段t31的时长相等或近似相等，第一去噪阶段t22与第二去噪阶段t32的时长相等或近似相等，第一采样阶段t23与第二采样阶段t33的时长相等或近似相等。

在第二感测阶段T3中，第二感测电压记为Vin_2，第二源跟随电压记为Vout_2，此时满足：

外部处理器6通过信号读取线RL可读取到第二源跟随电压Vout_2和第二源跟随电压Vout_1，通过将式(3)和(4)作差：

可求得第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差，即得到采样节点N1处加载由指纹回波所产生的交流电信号后所发生的电压变化大小，基于该差值可判断出指纹的谷脊。

通过上式(5)可见，通过采用将第二源跟随电压Vout_2和第二源跟随电压Vout_1作差的方式，来求得第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差值，可消除源跟随电路4内电学器件的电学特性漂移对检测过程的影响(Vin_2与Vin_1的差与Vth__Msf和K_Msf无关)，保证信号可信度。与此同时，通过求第二感测电压Vin_2与第一感测电压Vin_1的差值，也能消除检测电路3中的电学器件的电学特性漂移对采样节点N1处电压的影响成份，可有效提升识别精准度。

在本公开中，超声指纹识别电路1和电流供给电路2的具体结构并不限于图4中所示，图4所示情况仅为本公开中的一种可选实施方案，其不会对本公开的技术方案产生限制。例如，超声指纹识别电路1采用现有技术中任意的超声指纹识别电路1，电流供给电路2直接使用一个直流电流源，此处不一一举例。

图7为本公开实施例提供的一种指纹识别装置的电路结构示意图，如图7所示，该指纹识别装置包括：至少一个超声波传感器5和如上述实施例提供的超声指纹识别单元。

在一些实施例中，指纹识别装置包括呈阵列排布的多个超声波传感器5和呈阵列排布的多个超声指纹识别电路1，超声波传感器5与超声指纹识别电路1一一对应；位于同一列的多个超声指纹识别电路1内的多个源跟随电路4的输出端通过同一条信号读取线RL与同一个电流供给电路2连接。此时，可有效减少指纹识别装置中电流供给电路2的数量，且各信号读取线RL上的负载也不会过大。

当位于同一列的多个超声指纹识别电路1对应同一信号读取线RL和同一电流供给电路2时，可通过对位于同一列但位于不同行的多个超声指纹识别电路1的工作时序进行设计，以使得该多个超声指纹识别电路1依次进行第一检测阶段和第二检测阶段。例如，电流供给电路2先执行预备阶段的流程以输出恒定电流，然后位于第1行的超声指纹识别电路1执行第一检测阶段和第二检测阶段的流程，接着位于第2行的超声指纹识别电路1执行第一检测阶段和第二检测阶段的流程，依次类推，直至最后一行超声指纹识别电路1执行完成第一检测阶段和第二检测阶段的流程。

在一些实施例中，指纹识别装置包括指纹识别功能区16和位于指纹识别功能区周边的非功能区17；超声波传感器5和超声指纹识别电路1位于指纹识别功能区16内，电流供给电路2位于非功能区17内。

在一些实施例中，指纹识别装置还包括：显示面板；超声波传感器5和超声指纹识别单元通过外挂方式设置固定于显示面板的外表面；或者，超声波传感器5和超声指纹识别单元通过内嵌方式集成于显示面板内部。

图8为超声波传感器和超声指纹识别单元通过外挂方式设置固定于显示面板的外表面时的示意图，如图8所示，作为一个示例，该显示面板为有机发光显示面板(OrganicLight Emitting Display，简称OLED)，显示面板在图8中由上至下依次包括：上衬底7、阴极8、发光层9、显示像素阵列层10和下衬底11，其中现实像素阵列层10包括用于驱动有机发光二极管发光的显示像素驱动电路，显示像素驱动电路一般包括栅线、数据线、薄膜晶体管、电容、阳极等结构。在一些实施例中，上衬底背向下衬底的一侧还设置有触控层13和盖板12。

在将超声波传感器5和超声指纹识别单元外挂于显示面板的表面之前，可先在衬底上形成超声波传感器5阵列、超声指纹识别电路1阵列和多个电流供给电路2，以得到指纹识别基板，然后再将指纹识别基板外挂于显示面板的表面。其中，图8内指纹识别像素阵列层14表示超声指纹识别电路1、电流供给电路2以及超声波传感器5中的接收电极502。

图9为超声波传感器和超声指纹识别单元通过内嵌方式设置固定于显示面板的外表面时的示意图，如图9所示，与图8中不同的是，图9中的指纹识别像素阵列层14(包括：超声指纹识别电路1、电流供给电路2以及超声波传感器5中的接收电极502)集成设置在显示面板中的显示像素阵列层10中，压电组件503位于指纹识别像素阵列层14/显示像素阵列层10和下衬底11之间，发射电极501位于压电组件503与下衬底11之间。此时，可大大提升指纹识别装置的集成度，以及减小指纹识别装置的整体厚度。

图10为本公开实施例提供的一种指纹识别驱动方法的流程图，如10所示，该指纹识别驱动方法基于前述实施例提供的超声指纹识别单元，该指纹识别驱动方法包括：

步骤S1、在第一感测阶段，电流供给电路向源跟随电路的输出端提供恒定电流，超声波传感器未发射出超声波，超声波传感器的接收电极输出第一电信号，检测电路根据第一电信号向采样节点输出第一感测电压，源跟随电路在恒定电流的作用下根据第一感测电压输出第一源跟随电压。

步骤S2、在第二感测阶段，电流供给电路向源跟随电路的输出端提供恒定电流，超声波传感器发射出超声波且接收指纹反射的回波，超声波传感器的接收电极输出第二电信号，检测电路根据第二电信号向采样节点输出第二感测电压，源跟随电路在恒定电流的作用下根据第二感测电压输出第二源跟随电压。

对于步骤S1和步骤S2的具体描述可参见前述实施例中的相应内容，此处不再赘述。外部处理器根据第二源跟随电压与第一源跟随电压的差值确定出指纹为谷部或脊部。

图11为本公开实施例提供的另一种指纹识别驱动方法的流程图，如11所示，该方法基于前述实施例提供的超声指纹识别单元，其中电流供给电路包括：重置电路、写入及补偿电路、输出控制电路和驱动晶体管。该指纹识别驱动方法不但包括上述步骤S1和步骤S2，在步骤S1之前还包括：

步骤S01、在重置阶段，重置电路响应于第一控制信号线的控制将第一电源端提供的第一电压写入至控制节点。

步骤S02、在写入及补偿阶段，写入及补偿电路响应于第二控制信号线的控制将第二电源端提供的第二电压写入至驱动晶体管的第二极，以及将控制电压写入至控制节点，控制电压等于第二电压与驱动晶体管的阈值电压之和。

步骤S03、在输出阶段，输出控制电路响应于第三控制信号线的控制将第三电源端提供的第三电压写入至驱动晶体管的第二极，驱动晶体管响应于控制电压和第三电压控制向信号读取线输出驱动电流，以向源跟随电路的输出端提供恒定电流。

对于步骤S01～步骤S03的具体描述可参见前述实施例中的相应内容，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种超声指纹识别单元，其中，包括：超声指纹识别电路和电流供给电路，所述超声指纹识别电路包括：检测电路和源跟随电路，所述检测电路的输出端与所述源跟随电路的输入端连接于采样节点，所述源跟随电路的输出端通过信号读取线与所述电流供给电路连接；

所述电流供给电路，配置为在所述超声指纹识别电路的工作过程中向所述源跟随电路的输出端提供恒定电流；

所述检测电路，与超声波传感器的接收电极连接，配置为根据所述超声波传感器的接收电极输出的电信号向所述采样节点输出感测电压；

所述源跟随电路，配置为在所述恒定电流的作用下，根据所述感测电压向所述信号读取线输出相应的源跟随电压；

所述电流供给电路包括：重置电路、写入及补偿电路、输出控制电路和驱动晶体管，所述驱动晶体管的控制极、所述重置电路和所述写入及补偿电路连接于控制节点；

所述重置电路，与第一电源端和第一控制信号线连接，配置为响应于所述第一控制信号线的控制将所述第一电源端提供的第一电压写入至所述控制节点；

所述写入及补偿电路，与第二电源端、第二控制信号线、所述驱动晶体管的第一极和所述驱动晶体管的第二极连接，配置为响应于所述第二控制信号线的控制将所述第二电源端提供的第二电压写入至所述驱动晶体管的第二极，以及将控制电压写入至所述控制节点，所述控制电压等于所述第二电压与所述驱动晶体管的阈值电压之和；

所述输出控制电路，与第三电源端和第三控制信号线连接，配置为响应于所述第三控制信号线的控制将所述第三电源端提供的第三电压写入至所述驱动晶体管的第二极；

所述驱动晶体管，配置为响应于所述控制电压和所述第三电压控制向所述信号读取线输出驱动电流，以向所述源跟随电路的输出端提供所述恒定电流。

2.根据权利要求1所述的超声指纹识别单元，其中，所述重置电路包括：第一晶体管；

所述第一晶体管的控制极与所述第一控制信号线连接，所述第一晶体管的第一极与所述第一电源端连接，所述第一晶体管的第二极与所述控制节点连接。

3.根据权利要求1所述的超声指纹识别单元，其中，所述写入及补偿电路包括：第二晶体管和第三晶体管；

所述第二晶体管的控制极与所述第二控制信号线连接，所述第二晶体管的第一极与所述第二电源端连接，所述第二晶体管的第二极与所述驱动晶体管的第二极连接；

所述第三晶体管的控制极与所述第二控制信号线连接，所述第三晶体管的第一极与所述驱动晶体管的第一极连接，所述第三晶体管的第二极与所述控制节点连接。

4.根据权利要求1所述的超声指纹识别单元，其中，所述输出控制电路包括：第四晶体管；

所述第四晶体管的控制极与所述第三控制信号线连接，所述第四晶体管的第一极与所述驱动晶体管的第二极连接，所述第四晶体管的第二极与所述第三电源端连接。

5.根据权利要求1所述的超声指纹识别单元，其中，所述电流供给电路中的各晶体管同时为N型晶体管；

或者，所述电流供给电路中的各晶体管同时为P型晶体管。

6.根据权利要求1所述的超声指纹识别单元，其中，所述源跟随电路包括：源跟随晶体管；

所述源跟随晶体管的控制极与所述采样节点连接，所述源跟随晶体管的第一极与第四电源端连接，所述源跟随晶体管的第二极与所述源跟随电路的输出端连接。

7.根据权利要求1-6中任一所述的超声指纹识别单元，其中，所述检测电路包括：输入电路和降噪复位电路；

所述输入电路，与偏置电压端、输入控制信号线和所述超声波传感器的接收电极连接，配置为响应于所述输入控制信号线的控制将所述偏置电压端提供的第一偏置电压写入至超声波传感器的接收电极；

所述降噪复位电路，与所述偏置电压端连接，配置为将所述偏置电压端提供的第二偏置电压写入至所述采样节点，所述第一偏置电压小于所述第二偏置电压。

8.根据权利要求7所述的超声指纹识别单元，其中，所述输入电路包括：输入晶体管；

所述输入晶体管的控制极与所述输入控制信号线连接，所述输入晶体管的第一极与所述偏置电压端连接，所述输入晶体管的第二极与所述超声波传感器的接收电极连接；

所述降噪复位电路包括：供压二极管；

所述供压二极管的第一端与所述偏置电压端连接，所述供压二极管的第二端与所述采样节点连接。

9.一种指纹识别装置，其中，包括：至少一个超声波传感器和如上述权利要求1-8中任一所述的超声指纹识别单元。

10.根据权利要求9所述的指纹识别装置，其中，所述指纹识别装置包括呈阵列排布的多个所述超声波传感器和呈阵列排布的多个所述超声指纹识别电路，所述超声波传感器与所述超声指纹识别电路一一对应；

位于同一列的多个所述超声指纹识别电路内的多个所述源跟随电路的输出端通过同一条所述信号读取线与同一个所述电流供给电路连接。

11.根据权利要求10所述的指纹识别装置，其中，所述指纹识别装置包括指纹识别功能区和位于所述指纹识别功能区周边的非功能区；

所述超声波传感器和所述超声指纹识别电路位于所述指纹识别功能区内，所述电流供给电路位于所述非功能区内。

12.根据权利要求9-11中任一所述的指纹识别装置，其中，所述指纹识别装置还包括：显示面板；

所述超声波传感器和所述超声指纹识别单元通过外挂方式设置固定于所述显示面板的外表面；

或者，所述超声波传感器和所述超声指纹识别单元通过内嵌方式集成于所述显示面板内部。

13.一种指纹识别驱动方法，其中，所述指纹识别驱动方法基于上述权利要求1-8中任一所述的超声指纹识别单元，所述指纹识别驱动方法包括：

在第一感测阶段，所述电流供给电路向所述源跟随电路的输出端提供恒定电流，所述超声波传感器未发射出超声波，所述超声波传感器的接收电极输出第一电信号，所述检测电路根据所述第一电信号向所述采样节点输出第一感测电压，所述源跟随电路在所述恒定电流的作用下根据所述第一感测电压输出第一源跟随电压；

在第二感测阶段，所述电流供给电路向所述源跟随电路的输出端提供所述恒定电流，所述超声波传感器发射出超声波且接收指纹反射的回波，所述超声波传感器的接收电极输出第二电信号，所述检测电路根据所述第二电信号向所述采样节点输出第二感测电压，所述源跟随电路在所述恒定电流的作用下根据所述第二感测电压输出第二源跟随电压，以供外部处理器根据所述第二源跟随电压与所述第一源跟随电压的差值确定出所述指纹为谷部或脊部；

在第一感测阶段之前还包括预备阶段，所述预备阶段具体包括：

在重置阶段，所述重置电路响应于所述第一控制信号线的控制将所述第一电源端提供的第一电压写入至所述控制节点；

在写入及补偿阶段，所述写入及补偿电路响应于所述第二控制信号线的控制将所述第二电源端提供的第二电压写入至所述驱动晶体管的第二极，以及将控制电压写入至所述控制节点，所述控制电压等于所述第二电压与所述驱动晶体管的阈值电压之和；

在输出阶段，所述输出控制电路响应于所述第三控制信号线的控制将所述第三电源端提供的第三电压写入至所述驱动晶体管的第二极，所述驱动晶体管响应于所述控制电压和所述第三电压控制向所述信号读取线输出驱动电流，以向所述源跟随电路的输出端提供所述恒定电流。

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