电容式指纹感测装置及使用该感测装置获取指纹的方法制造方法及图纸

本发明专利技术关于一种用于感测指纹图案的电容式指纹感测装置。该感测装置包括具有外表面的保护性介电顶部层，该外表面形成要被手指触摸的感测表面；导电感测结构的二维阵列，其布置在顶部层下方；读取电路系统，其耦接到每一个导电感测结构以接收感测信号，该感测信号指示手指与感测结构之间的距离；以及电声换能器，其布置在顶部层下方，并且配置为产生声波，并穿过保护性介电顶部层朝向感测表面发送声波，以在手指的脊部中感生超声波振动电位，该手指放置成与感测表面接触。

A capacitive fingerprint sensing device and the method of using the sensor to obtain fingerprints

The invention relates to a capacitive fingerprint sensing device used for sensing fingerprint patterns. The sensing device comprises a surface protective dielectric layer is formed on the external surface of the top, to be a finger touch sensing surface; conductive sensing two-dimensional array structure, which are placed under the top layer; the reading circuit system, which is coupled to each conductive sensing structure receives the sensing signal between the sensing signal and the sensing finger indicating structure distance; and electroacoustic transducer, which are placed under the top layer, and is configured to produce sound waves, and through a protective dielectric layer toward the top surface acoustic wave sensing transmission, with ultrasonic vibration induced potentials in the finger ridge, the finger is placed into the sensing surface contact.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容式指纹感测装置及使用该感测装置获取指纹的方法
本专利技术关于一种指纹感测装置。特别是，本专利技术关于一种包括电声换能器的电容式指纹感测装置，以及一种用于使用该感测装置来获取指纹的方法。
技术介绍
各种类型的生物识别系统被越来越多地使用，为了是能提供增加的安全性和/或增强的用户便利性。特别是，指纹感测系统由于其小尺寸、高性能、和用户认可的关系，已经被应用在例如消费电子装置当中。在各式各样的所有可用的指纹感测原理中(诸如电容式、光学式、感热型等)，电容性感测是最常使用的，特别是在尺寸和功率消耗是重要问题的应用中。所有的电容式指纹传感器提供测量，该测量代表在该指纹传感器的表面上移动或是放置于该表面上的手指与多个感测结构中的每一个之间的电容值。因为电容式传感器基于手指和传感器之间的电容值而检测手指，感测表面和感测结构之间的距离直接影响在该测量中所获取的指纹图像的对比度以及分辨率。这在过去并不构成问题，因为外盖材料的厚度可以被选择以具有小的设计压力。然而，根据新的设计趋势，希望将该传感器放置厚的玻璃外盖下，并且最终可将该指纹传感器整合于显示配置内。这出现一个具有挑战性的问题。此问题的根源不仅关系到因为手指到传感器距离的增加而造成电容信号的弱化。市售的电容式触控传感器透过厚的玻璃外盖依然可以良好运作。然而，问题是关于随着手指到传感器的距离增大分辨率和图像对比度的损失。这是因为以下事实造成的：在手指与传感器的距离很大时，从大的背景“平均值”中区分因手指纹路造成微小的电容变化变得极度困难，其中该大的背景“平均值”是来自对像素“可视的”所有脊部(ridge)和谷部(valley)的总和。因此，希望能够提供一种指纹传感器，以克服与透过厚的外盖层而进行电容性感测相关的一些上述困难。
技术实现思路
鉴于现有技术的上述和其它缺点，本专利技术的一个目的是提供一种用于电容式指纹测量的改进的指纹感测装置。根据本专利技术的第一个方面，提供了一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，该电容指纹感测装置包括：保护性介电顶部层，其具有外表面，该外表面形成要被手指触摸的感测表面；导电感测结构的二维阵列，其布置在该顶部层下方；读取电路系统，其耦接到每一个导电感测结构以接收感测信号，该感测信号指示手指与感测结构之间的距离；以及电声换能器，其布置在该顶部层下方，并且配置为产生声波，并穿过该保护性介电顶部层朝向感测表面发送声波，以在手指的脊部中感生超声波振动电位，该手指放置成与该感测表面接触。在本文中，该保护性介电顶部层可以是单个层，或者可以包括多个堆叠的层。此外，在本文中，层是介电性的意思是其是不导电的，并且其可以代表平行板电容器中的介电质，其中，由放置在感测装置的外表面上的手指以及每一个导电感测结构来表示两个板。相应地，导电感测结构的二维阵列布置在顶部层下方，其并不排除存在布置在感测结构和感测装置的外表面之间的附加层的可能性。此外，电声换能器布置在顶部层下方在本文中被解释为意指：当从感测装置的外感测表面观看时，该电声换能器是布置在该顶部层的下面(或底下)。从而，附加层可以被布置在电声换能器和顶部层之间，这将在下面进行说明。电声换能器将电信号转换为声学信号，以提供声波，其具有的频率通常是在超声波范围内，即高于可听范围的频率。当手指放置在指纹感测装置的表面上时，该手指的脊部与表面接触，然而该手指的谷部没有与表面接触。声波中到达该顶部层和该手指的脊部之间的分界面的部分会穿透进入手指中，而声波中到达该顶部层和空气之间的分界面的部分会被反射，这是因为在该顶部层和空气之间声学阻抗具有大的差异。接着，声波中穿透手指的部分引起了感生的超声波振动电位，其可以被电容式指纹感测装置检测。在手指中产生超声波振动电位背后的机制将在具体实施方式部分进行进一步的详细讨论。因此，本专利技术是基于以下实现：可以通过提供能够借助于电声换能器在手指中感生超声波振动电位、从而产生可被感测结构检测的电位的指纹感测装置，来改进电容性指纹感测。因此，手指的脊部和感测结构之间的改进的电容性耦合得以实现，并且在电容测量中来自于谷部的影响(即背景影响)得以降低。这与现有技术产生对比，在现有技术中，通过电化性(galvanic)耦合或电容性耦合到手指，电位被可控制地引入到手指，因此，整个手指，也就是脊部和谷部两者，被置于相同的电位水平。相比之下，上述感测装置仅在手指的脊部中感生电位，藉此提供脊部和谷部之间更大的对比，进而改进了电容测量的对比。本专利技术的上述概念也可应用以作为对现有电容式指纹感测技术的增强，其中在现有电容式指纹感测技术中，已经使用非声学装置以用于在手指中产生电位。此外，本专利技术打开了有关感测装置结构的崭新机会，因为这些用于在手指中引入电位的非声学装置可能会减少。根据本专利技术的一个实施例，该电声换能器可以是超声波发送器，其被配置为产生超声波。超声波发送器是常用类型的电声换能器，其将电信号转换成超声波，超声波发送器的特性是熟知的，有利于整合在指纹感测装置中。此外，有利地是，电声换能器可以是平面电声换能器，优点在于其容易整合在平面传感器结构中。在本专利技术的一个实施例中，该电声换能器可被配置为使得所发送的声波是平面波。藉由将该声波设置为平面波，与感测装置的表面接触的手指的所有部分，即与感测装置的表面接触的所有手指脊部，同时被穿透的声波所激发，并且因此呈现出超声波振动电位。因此，可以通过同时测量所有感测结构的电容性耦合而立即获得整个指纹的图像。此外，平面波在整个传感器区域上提供手指中的感生超声波振动电位的幅度的均匀性，这进而简化了电容测量，因为可以假定对于与该传感器接触的手指的所有部分而言该超声波振动电位的影响是相同的。在本专利技术的一个实施例中，该顶部层可以被配置为具有与手指的声学阻抗相匹配的声学阻抗。声波在顶部层和手指之间的分界面上转移的部分由其声学阻抗的差值来决定，其中声学阻抗的大的差值造成大部分的声波被反射，而小的差值意味着波跨过分界面行进。因此，所希望的是，从以下材料中选择该顶部层：该材料具有的声学阻抗尽可能类似于手指的声学阻抗。在空气和固体材料之间声学阻抗的差值通常是几个数量级。然而，尽管许多固体材料相比于空气在声学阻抗方面提供大的对比，但仍然希望选择以下材料：该材料具有的声学阻抗尽可能与手指的声学阻抗相似，以避免或减少在分界面处的反射损失。根据本专利技术的一个实施例，该换能器可以是压电声换能器，诸如压电微机械超声波换能器，PMUT。该压电声换能器可以包括压电晶体、压电陶瓷、或压电聚合物。此外，该电声换能器也可以是电容微机械超声波换能器，CMUT。根据本专利技术一个实施例，该电声换能器可以与感测结构的阵列具有相同的大小，这意味着该换能器的表面面积与感测结构的阵列的整体表面面积是相同的。从而，该换能器可发送声波，该声波在指纹感测装置的整个有效表面上在手指中感生超声波振动电位。根据本专利技术的实施例，该指纹感测装置可包括多个电声换能器，其中每一个电声换能器具有的面积对应于感测结构的阵列的子阵列的面积。感测结构的阵列的子阵列可以例如是规则的n×m阵列，其中可以基于希望的电声换能器的数目来选择n和m。另外，该多个电声换能器可以是个别地可控的，使得可以选择在任何给定时间哪个换能器是有效的。这可以是有利的，例如如果手指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，所述电容指纹感测装置包括：保护性介电顶部层，其具有外表面，所述外表面形成要被所述手指触摸的感测表面；导电感测结构的二维阵列，其布置在所述顶部层下方；读取电路系统，其耦接到每一个所述导电感测结构以接收感测信号，所述感测信号基于手指与相应感测结构之间的电容性耦合，指示所述手指与所述感测结构之间的距离；以及电声换能器，其布置在所述顶部层下方，并且被配置为产生声波，并且穿过所述保护性介电顶部层朝向所述感测表面发送所述声波，以在手指的脊部中感生超声波振动电位，所述手指放置成与所述感测表面接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.14 SE 1650342-71.一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测装置，所述电容指纹感测装置包括：保护性介电顶部层，其具有外表面，所述外表面形成要被所述手指触摸的感测表面；导电感测结构的二维阵列，其布置在所述顶部层下方；读取电路系统，其耦接到每一个所述导电感测结构以接收感测信号，所述感测信号基于手指与相应感测结构之间的电容性耦合，指示所述手指与所述感测结构之间的距离；以及电声换能器，其布置在所述顶部层下方，并且被配置为产生声波，并且穿过所述保护性介电顶部层朝向所述感测表面发送所述声波，以在手指的脊部中感生超声波振动电位，所述手指放置成与所述感测表面接触。2.根据权利要求1所述的感测装置，其中所述电声换能器是超声波发送器，其被配置为产生超声波。3.根据权利要求1所述的感测装置，其中所述电声换能器是平面电声换能器。4.根据前述权利要求中的任一项所述的感测装置，其中所述电声换能器被配置为使得所发送的声波是平面波。5.根据前述权利要求中的任一项所述的感测装置，其中所述顶部层被配置为具有与手指的声学阻抗相匹配的声学阻抗。6.根据前述权利要求中的任一项所述的感测装置，其中所述电声换能器是压电换能器。7.根据权利要求6所述的感测装置，其中所述电声换能器是压电微机械超声波换能器PMUT。8.根据权利要求1-5中任一项所述的感测装置，其中所述电声换能器是电容微机械超声波换能器CMUT。9.根据前述权利要求中的任一项所述的感测装置，其中所述电声换能器与所述感测结构的阵列具有相同大小。10.根据权利要求1-8中任一项所述的感测装置，包括多个电声换能器，每一个电声换能器具有的面积对应于所述感测结构的阵列的子阵列的面积。11.根据前述权利要求中的任一项所述的感测装置，其中所述感测结构的阵列布置在换能器和所述保护性介电顶部层之间。12.根据权利要求11所述的感测装置，进一步包括延迟层，所述延迟层布置在所述电声换能器和所述感测结构的阵列之间。13.根据权利要求12所述的感测装置，其中所述延迟层包括塑料材料或PMMA。14.根据前述权利要求中的任一项所述的感测装置，进一步包括屏蔽层，所述屏蔽层布置在所述电声换能器和所述感测结构的阵列之间，以将所述感测结构的阵列与所述电声换能器电屏蔽开。15.根据权利要求14所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：法尔赞·加瓦尼尼，
申请(专利权)人：指纹卡有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE