改良電容式指紋感測單元、獲取指紋的方法以及指紋傳感器與流程
2023-09-23 09:29:25
本發明涉及指紋感測
技術領域：
，特別是涉及一種改良電容式指紋感測單元、獲取指紋的方法以及指紋傳感器。
背景技術：
：為了安全目的，有許多人的生理特徵可用來作為人員識別，這些特徵諸如指紋、視網膜、虹膜、DNA甚至是臉部特徵。對那些能夠區分眾人的某些生理特徵的裝置而言，指紋傳感器具有最低的成本與複雜度，而鑑別結果一般都還不錯。此外，存儲一個指紋的細節所需要的數據量不多(從120位元組到2K字節)。這點使得指紋辨識裝置在許多領域中都廣泛地接受與使用。現有許多種類的感測技術可用於取得指紋，目前常見的是光學式和電容式的感測技術。光學式指紋感測模塊利用來自手指偵測面反射光的強度，辨別在手指的接觸部分何處是脊部，何處是谷部。光學式技術的優點是可靠性和低成本。然而，由於嵌入式光學式透鏡的尺寸的限制，使得光學式指紋感測模塊的外形無法縮小，這樣光學式傳感器就很難嵌設於便攜設備中。另一方面，電容式指紋辨識模塊是由矽晶片所組成，能製造得非常緊緻。在某些情形下，當一個指紋影像能通過滑動掃描取得時，指紋傳感器就也能變得更薄與更小了。電容式指紋辨識模塊的小外型使得它適用於攜帶式應用產品中，諸如門禁臂章、銀行卡、手機、平板計算機或USB適配器等。電容式指紋傳感器的原理是基於一個兩層平行金屬板電容器的電容值反比於兩板間距離的物理現象。電容式指紋傳感器包括數組感測單元，每一個感測單元包含感測平板。感測平板作為兩層平行金屬板電容器的其中一層平板，而人體表皮組織作為另一片平板，手指的脊部與谷部能由量測不同的電容值而定位出來。有許多關於電容式指紋辨識模塊的前案，例如，美國專利第6114862號揭露一種距離傳感器，它具有一個電容式單元，該電容式單元交替地具有第一電容器平板，第一電容器平板面對第二電容器平板設置，而第二電容器平板的 距離可以被量測得到。在採取指紋的情況下，第二電容器平板由手指的皮膚表面直接定義。該傳感器包括一個反相放大器，介於電容式單元連接處的輸入與輸出之間，以形成負回饋支路。通過將電荷階差作為反相放大器的輸入，電壓階差直接正比於量測的距離，並在反相放大器的輸出處獲得。雖然該傳感器的架構簡單，但是放大器遭遇到均勻性問題，且其能源效率並不好。另一前案揭露於美國專利第7663380號中，請參閱圖1與圖2。電容式指紋傳感器包含指紋電容器CF、參考電容器CS、第一電晶體33、第二電晶體34、第三電晶體35與第四電晶體36。指紋電容器CF具有電容，該電容是個谷部電容CFV或脊部電容CFR。參考電容器CS具有電容CS，CFV<CS在其中一個實施例中，放電開關設置在所述操作電路中，當所述分派開關關閉時，用於將所述操作電路與所述第二金屬層的電壓重設為訊號接地。本發明還涉及一種使用所述的改良電容式指紋感測單元來獲取指紋的方法，包含步驟：關閉分派開關以斷開充電電路與操作電路；施加第一電壓至第三金屬層，並通過開啟放電開關重設操作電路與第二金屬層的電壓；施加充電電壓至充電電路；關閉放電開關與充電開關；開啟分派開關並提供第二電壓以取代第一電壓；量測輸出電壓；及轉譯來自每個改良電容式指紋感測單元的輸出電壓，為對應一部分用戶的指紋的指紋影像數據。依照本發明的另一個方面，本發明還提供了一種指紋傳感器，包含數個所述的改良電容式指紋感測單元，以形成指紋感測數組，其中所述基底架構或指紋感測架構的相同架構彼此相鄰的設置在同一水平上，所有指紋感測單元的第三金屬層連接形成金屬網格。本發明的有益效果是：通過連接第三金屬層到瞬時電壓抑制裝置，改良電容式指紋感測單元可免於靜電放電的損害。通過增加第一金屬間介電層與第二金屬間介電層的厚度，寄生電容Cp與交叉電容Cx的值會降低。依照上述輸出電壓Vout的公式，改良電容式指紋感測單元的靈敏度可獲得改善。附圖說明圖1為現有的指紋傳感器在預充電階段的等效電路；圖2為圖1的指紋傳感器在評估階段的等效電路；圖3為本發明的改良電容式指紋感測單元一實施例的示意圖；圖4為本發明的改良電容式指紋感測單元一實施例的等效電路；圖5說明了兩個相鄰的改良電容式指紋感測單元的物理架構，以手指放置在其上，電容形成於其間；圖6為本發明的改良電容式指紋傳感器一實施例的上視圖；圖7為本發明中輸出電壓的電荷分派對應項的等效電路；圖8為本發明中輸出電壓的第二電壓對應項的等效電路；圖9為本發明的等效電路運作的流程圖；其中，1-改良電容式指紋傳感器，10-指紋感測數組，11-金屬網格，33第一電晶體，34第二電晶體，35-第三電晶體，36-第四電晶體，100-改良電容式指紋感測單元，110-指紋感測架構，110a-交叉電容器，110b-手指電容，110c-訊號電容器，111-第一金屬間介電層，112-第二金屬層，113-第二金屬間介電層，114-第三金屬層，115-鈍化層，116-輸入緩衝，120-基底架構，121-第一金屬層，122-充電電路，1221-充電電容器，1222-充電開關，1223-分派開關，1224-緩衝器，124-操作電路，1241-放電開關，124a-寄生電容器，150-焊墊，200-手指，d1-第一深度，d2-第二深度，Cm+1-讀出選擇線，VA-電壓，VB-電壓，CF-指紋電容器，CS-參考電容器。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。參見圖3到圖9，圖3為本發明的一種改良電容式指紋感測單元100的剖面圖，圖4為改良電容式指紋感測單元100的等效電路，圖5顯示兩個相鄰改良電容式指紋感測單元100，說明指紋感測架構110與位於其中對應的等效電容器，圖6是改良電容式指紋傳感器的上視圖，圖7為輸出電壓的電荷分派對應項的等效電路，圖8為輸出電壓的第二電壓對應項的等效電路，圖9為等效電路運作的流程圖。改良電容式指紋感測單元100基本上包含指紋感測架構110與基底架構120，指紋感測架構110設置在基底架構120上。指紋感測架構110具有數個子架構，它們分別是第一金屬間介電層111、第二金屬層112、第二金屬間介電層113、第三金屬層114與鈍化層115。第一金屬間介電層111可以由常見的，用於製造集成電 路中任何金屬間介電層的製程所形成。不同於傳統的用於指紋傳感器的感測單元，第一金屬間介電層111要具有一定的深度。它需要較大深度的理由將在之後討論。如圖3所示，該圖指出在相鄰金屬層間的第一金屬間介電層111的第一深度為d1。第一深度d1應大於3μm，比如可以是5μm。第二金屬層112設置在第一金屬間介電層111上，作用為一個感應金屬板，第二金屬層112與鄰近物體形成數個電容(有形或無形的電容器)。例如，圖5所示，當手指200靠近指紋感測單元100時，第二金屬層112與手指200形成手指電容110b。也就是說，第二金屬層112與手指200就是電容器的組件，而它的電容值隨著手指200接近的部分與第二金屬層112間的距離而變化。整體來說，手指電容的電容值反比於手指200與第二金屬層112之間的距離。第二金屬間介電層113設置在第二金屬層112上並環繞第二金屬層112，它覆蓋了感應金屬板(第二金屬層112)。為了最小化第三金屬層114與第二金屬層112間的電容值(其理由將說明於下)，第二金屬間介電層113與鄰近金屬層間的第二深度d2要大於一般傳統實作的深度。第二深度d2應大於3μm，比如可以是5μm。第三金屬層114設置在第二金屬層112上。第三金屬層114通過位於感應金屬板112上的開口，形成方形格子。此外，第三金屬層114連接到瞬時電壓抑制器(TransientVoltageSuppressor，TVS)裝置(未示出)。瞬時電壓抑制裝置是一種電子組件，用來保護敏感的電子裝置免受來自接電線的電壓突波的損害。瞬時電壓抑制裝置可不與改良電容式指紋感測單元100或包含改良電容式指紋感測單元100的指紋感測數組的指紋傳感器同時生產製造。瞬時電壓抑制裝置可以是個獨立的組件，連接到每個改良電容式指紋感測單元100的第三金屬層114。第三金屬層114的其它功能是接收第一電壓與第二電壓(圖4所示的Vin)。唯一的限制是，觸發瞬時電壓抑制裝置的限界電壓值應比第一電壓和/或第二電壓高。(在本實施例中，第二電壓出現在第一電壓之後，形成電壓降)。否則，任何高於限界電壓值的電壓將被釋出以避免破壞基底架構中的電路。因而，改良電容式指紋感測單元100不必包括一層額外的金屬層來提供ESD防護功能。最上層是 鈍化層115，它包覆了第三金屬層114並保護下方的各層結構免受衝撞與刮傷。由第一電壓與第二電壓造成的電壓變化可以由輸入緩衝116獲知。基底架構120具有至少一個第一金屬層121，至少一個第一金屬層121提供電路組件，諸如基底架構中的電容器與開關的互連。通過至少一個第一金屬層121，基底架構120形成充電電路122與操作電路124。充電電路122與操作電路124由圖4中等效電路的虛線框所描繪。基底架構120的主要目的是要交替地接收穩定的充電電壓(Vdd)，並分派來自充電電路122的電荷到操作電路124與指紋感測架構110中的電容，並同時停止接收充電電壓。充電電路122具有內置的充電電容器1221，當施加充電電壓時，充電電容器1221用來儲存電荷。充電電容器1221的一側連接到訊號接地。因此，充電電容器1221將在充電階段被充電到穩定電壓Vdd(步驟S03)。充電電容器1221可由電路組件，比如MOS或Poly-to-Poly電容器等實現，充電電容器1221的電容由MOS閘或多晶矽的幾何形狀決定。此外，當改良電容式指紋感測單元100形成時，或當手指200靠近改良電容式指紋感測單元100時，其它的等效電容Cx、Cp與Cf(之後將說明)會自然地存在。充電電路122也具有二個開關：充電開關1222與分派開關1223。當充電開關1222開啟且分派開關1223關上時，充電電壓將施加到充電電路122，充電電容器1221(Cr)將被充電至充電電壓Vdd。當充電開關1222關閉且分派開關1223也維持關閉狀態時，充電電壓Vdd的供應就停止了，充電電容器1221(Cr)保持充電電壓Vdd。分派開關1223設置在操作電路124與充電電路122之間，它切換接收充電電壓(如上所述，當充電開關1222開啟時)與分派電荷的操作。也就是說，當分派開關1223關上時，充電電路122與操作電路124彼此隔絕。另一方面，當分派開關1223開啟時，充電電路122與操作電路124彼此連接，電荷能在其間移轉，以便能達成新的電荷平均分布。充電電路122進一步包括緩衝器1224，緩衝器1224用來隔離改良電容式指紋感測單元100與其它的處理電路(未示出)，並傳送輸出電壓Vout給隨後的處理電路(未示出)。通常來說，緩衝器1224由"電壓隨耦器"製成。操作電路124設置在基底架構120中，但不屬於充電電路122的組件集合的通用名詞。換言之，任何由分派開關1223自充電電路122分離的，且存在於基底架構120中的組件，都是操作電路124的一部分。操作電路124的功用將與改良電容式指紋感測單元100的操作一同在下文中說明。操作電路124具有放電開關1241。當分派開關1223關閉時，放電開關1241用於將操作電路124的電壓與第二金屬層112的電壓重設(放電)為訊號接地。如上所述，數個電容會自然存在。為了對改良電容式指紋感測單元100的操作有較好的理解，所有這些電容是由等效電容器來具體化。寄生電容存在於操作電路124(通常，寄生電容形成於感應金屬板112與至少一個第一金屬層121之間)，交叉電容形成於第三金屬層114與感應金屬板112之間。因此，寄生電容器124a與交叉電容器110a各自用於說明。當手指200接近鈍化層115時，訊號電容形成於手指200與第三金屬層114之間。此外，手指電容形成於手指200與感應金屬板112間。相似地，訊號電容器110c與手指電容器110b也各自用於說明。圖5顯示了兩個相鄰的改良電容式指紋感測單元100(由虛線分隔開)，說明了指紋感測架構110與每一個位於其中的等效電容器。要強調的是指紋感測數組10(或指紋感測區)，即圖6虛線框包圍的區域，是由排列數組中改良電容式指紋感測單元100的相同架構彼此相鄰的設置在同一水平上形成的，且所有改良電容式指紋感測單元100的第三金屬層114是連接形成金屬網格11。考慮相互連接的第三金屬層114的總面積比個別感測平板(第二金屬層112)大的多，訊號電容器110c的電容也比其它指紋感測架構中等效電容器的電容大太多，即Cs>>Cx、Cf或Cp。因而，訊號電容器110c可以看成短路而在隨後的討論中忽略不計。請見圖6，圖6是改良電容式指紋傳感器1的上視圖。本發明能應用於改良電容式指紋傳感器1上，該改良電容式指紋傳感器1包含了上述的指紋感測數組10及數個輸入/輸出(I/O)焊墊150。這些輸入/輸出焊墊150連接到指紋感測數組10，用於與外部電路連接。改良電容式指紋感測單元100以下列程序運作，程序包含獨特的和反覆的階段，請參閱圖9。有三個主要的階段：設定階段、充電階段及分派階段。在設定階段，分派開關1223關閉(步驟S01)以便充電電路122與操作電路124斷開。在充電階段中，首先，第一電壓V1施加到第三金屬層114，操作電路124與第二金屬層112的電壓通過開啟放電開關1241(重設)放電至訊號接地(步驟S02)。接著，通過開啟充電開關1222，充電電壓施加到充電電路122中(步驟S03)。在充電階段的最後一步驟中，放電開關1241與充電開關1222關閉(步驟S04)。要注意的是步驟S02與步驟S03的順序可以交換，或同時進行。在充電階段末尾，充電電容器1221充電到充電電壓Vdd，等效電容器被充電至第一電壓V1。在充電階段之後是分派階段。在分派階段中，以下的步驟實質上是同時發生：開啟分派開關1223並提供第二電壓以取代第一電壓(步驟S05)。事實上，其中之一可能會比另一個略早發生，而順序並不會影響結果。當緩衝器1224的電壓穩定時，量測輸出電壓Vout。要注意的是當第二電壓發生時，充電電路122會獲得輸出電壓變化。很顯然，改良電容式指紋感測單元100中電荷的分布將會改變，進一步影響到輸出電壓Vout。事實上，輸出電壓的影響來自兩個來源：電荷分派及輸入緩衝116(第二電壓與第一電壓的差)的電壓變化。輸出電壓Vout是以上兩來源貢獻電壓值的加總，說明如下。為了更詳細地描述分派階段，繪製了如圖4所示的等效電路。Vdd是充電電壓的值，V1與V2分別表示的是第一電壓與第二電壓的值，Cr是充電電容器的電容值，Cp是寄生電容的值，Cf是手指電容的值，Cx是交叉電容的值，輸出電壓Vout跨越充電電容器Cr的電壓值，由輸出緩衝器1224量測。其中，Vout=CrCp+CX+Cf+CrVdd+Cf+CXCp+CX+Cf+Cr(V2-V1);]]>由線性電路的理論可知，經分派開關1223的電荷分派與驅動電壓由第一電壓V1到第二電壓V2變化的淨效果是電壓值的加成，經分派開關1223的電荷分派與驅動電壓由第一電壓V1到第二電壓V2的變化是分開施加的。經分派開關1223的電荷分派(無第一電壓V1到第二電壓V2的電壓變化)的等效電路描繪在圖7中。在輸入緩衝(充電電容Cr未被充電到Vdd情形)從第一電壓V1到第二電壓V2電壓降的等效電路描繪在圖8中。令V01代表當分派開關開啟在分派階段時，Vout的電壓變化，但輸入驅動維持在相同的第一電壓V1。令V02代表當輸入緩衝由第一電 壓V1變化到第二電壓V2，且充電電容Cr未被充電至Vdd時，Vout的電壓變化。Vout的淨結果將會是：Vout＝V01+V02；其中，V01=CrCp+CX+Cf+CrVdd,]]>且V02=Cf+CXCp+CX+Cf+Cr(V2-V1).]]>對自然形成的寄生電容Cp與交叉電容Cx而言，它們的值是依照物理架構與電容式指紋感測單元100的材料而決定。手指電容Cf是變數，由金屬層112到觸及傳感器的手指尖的谷部或脊部的距離決定。充電電容Cr由至少一個第一金屬層121內部的電路組件形成，而至少一個第一金屬層121能由電路組件的幾何形狀(比如MOS電晶體或Poly-to-Poly電容器)所決定，電路組件實際做成了充電電容Cr。為了證實提出改良電容式指紋感測單元100的架構設計，應給定輸出電壓Vout對充電電容Cf的一階導數。因此，可以得到：dVoutdCf=dV01dCf+dV02dCf=-VddCr(Cp+CX+Cf+Cr)2+(V2-V1)Cp+Cr(Cp+CX+Cf+Cr)2;]]>其中，dV01dCf=-VddCr(Cp+CX+Cf+Cr)2]]>dv02dCf=ddCf(V2-V1).(1-Cp+CrCp+CX+Cf+Cr)=(V2-V1).Cp+Cr(Cp+CX+Cf+Cr)2.]]>為了改善靈敏度(可表示為)，第一項與第二項必須具有相同的正負號；換句話說，如果Vdd是正值，那麼V2-V1必須是負值，也就是V1>V2。這也很明顯，寄生電容Cp與交叉電容Cx的值最好降低，以便靈敏度能增加。要達到這個目的，第一金屬間介電層111與第二金屬間介電層113的深度需要增 加，因為電容值反比於兩個導電平板間的距離。由實驗可知，第一深度d1與第二深度d2應大於3μm。因為在標準CMOS製程中，金屬間介電層的厚度是小於1μm，這一要求可能需要在製造過程中加入特殊的沉積過程。在分派階段的最後，當電荷的分布達到平衡時，輸出電壓Vout可以被量測(步驟S06)，因為改良電容式指紋感測單元100上手指的脊部與谷部的位置，最終由給定輸出電壓Vout體現。依序由每個改良電容式指紋感測單元100轉譯輸出電壓，從而對應一部分用戶的指紋的指紋影像數據(步驟S07)。要注意的是，以上描述的電壓是在不同電路節點的相對電壓。如果充電電壓Vdd的值是正的，第二金屬層112的重設過程為放電到0V或訊號接地。在這種情況下，在第一電壓V1之後發生的第二電壓V2與第一電壓V1形成負的階差，第一電壓V1到第二電壓V2的電壓變化是降壓過程。充電電壓Vdd的值也可能成為0V，在這種情形下，第二金屬層112的重設過程為充電成電壓正值。在這種情況下，在第一電壓V1之後發生的的第二電壓V2與第一電壓V1形成正的階差，第一電壓V1到第二電壓V2的電壓變化是升壓過程。後者可為操作改良電容式指紋感測單元100的選擇性替代方案。雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬
技術領域：
中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。當前第1頁1 2 3