CN105426865B - 指纹检测电路、指纹传感器以及指纹检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种指纹检测电路、指纹传感器以及指纹检测方法，涉及生物特征识别领域。在对指纹信号进行采集时，提供对应的补偿信号，对检测传感器感应到的电荷进行补偿，放大了指纹谷和指纹脊之间的信号差，能够在手指存在杂质时，保证指纹识别的准确性，提高指纹图像的质量。

Description

指纹检测电路、指纹传感器以及指纹检测方法

技术领域

本发明涉及生物特征识别技术领域，具体而言，涉及一种指纹检测电路、指纹传感器以及指纹检测方法。

背景技术

随着人们对信息安全的要求越来越高，活体生物特征认证和身份识别越来越多的运用到人们的日常生活之中。由于在生物特征认证中具有很高可靠性和性价比，指纹认证已经成为了当前生物特征认证的主流。随着指纹传感技术的逐渐成熟，指纹识别技术会很快且广泛的应用到我们的日常生活之中来，特别是应用到移动设备之中。

目前，电容感应式的指纹检测装置在进行指纹检测时，如果手指上存在死皮、污渍残留和水渍等干扰，其采集到的指纹图像质量会变差，从而影响到后续的处理和导致用户体验降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种指纹检测电路、指纹传感器以及指纹检测方法，使得指纹谷和指纹脊因杂质的存在而无法准确的被区分的问题得到了改善。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明提供了一种指纹检测电路，应用于指纹传感器，所述指纹检测电路包括提供激励信号VF_in的激励信号源、用于连接手指的外部电极、检测传感器、隔离电极、电压缓冲器以及对所述检测传感器的电荷量进行积分的积分器。

所述激励信号源、所述外部电极、所述检测传感器、所述隔离电极以及所述电压缓冲器依次串联连接。

其中，当所述外部电极被手指接触时，所述外部电极将所述激励信号源提供的激励信号VF_in转换为待测信号VF′_in，所述待测信号通过所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器；

所述电压缓冲器提供与所述激励信号对应的补偿信号V_REF2通过寄生电容C_bot耦合到所述对检测传感器对所述待测信号VF′_in进行补偿；

所述积分器根据预设的积分周期，对所述检测传感器的电荷量积分累加；

所述积分器对积分累加后的总电荷进行计算，得到与所述外部电极接触的手指指纹对应的电压幅值，以用于指纹传感器生成指纹图像。

优选地，所述外部电极与所述检测传感器之间电连接一被测电容C_f，所述检测传感器与所述隔离电极之间电连接一寄生电容C_bot，所述电压缓冲器的输入端连接一补偿信号V_REF2，所述电压缓冲器的输出端连接所述隔离电极。

所述积分器包括运算放大器和跨接在所述运算放大器的输出端和反向输入端之间的积分电容C_int，所述运算放大器的反向输入端与所述检测传感器连接，所述运算放大器的正向输入端连接基准电压V_REF1，所述运算放大器的输出端为所述指纹检测电路的输出端。

优选地，所述指纹检测电路还包括第一开关，所述第一开关串联于所述电压缓冲器与所述隔离电极之间。

优选地，所述指纹检测电路还包括第二开关，所述第二开关串联于所述检测传感器与所述运算放大器的反向输入端之间。

优选地，所述指纹检测电路还包括第三开关，所述第三开关与所述积分电容并联。

本发明实施例还提供了一种指纹传感器，所述指纹传感器包括多个呈阵列排布的像素单元，所述像素单元包括上述的指纹检测电路。

本发明实施例还提供了一种指纹检测方法，应用于该指纹传感器，所述指纹检测方法包括：

当所述外部电极与手指接触时，所述外部电极将所述激励信号源发出的激励信号VF_in转换为待测信号VF′_in，所述待测信号通过所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器；

所述电压缓冲器提供与所述激励信号对应的补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述对检测传感器对所述待测信号VF′_in进行补偿；

所述积分器根据预设的积分周期，对所述检测传感器的电荷量积分累加；

所述积分器对积分累加后的总电荷进行计算，得到与所述外部电极接触的手指指纹对应的电压幅值，

每个所述像素单元根据所述电压幅值计算得到对应的像素图像；

所述指纹传感器根据每个像素单元得到的像素图像生成指纹图像。

优选地，所述激励信号源发出的激励信号VF_in为方波信号，在所述激励信号VF_in的正半周期，所述激励信号源输出高电平，所述补偿信号V_REF2＝V_REF1，在所述激励信号VF_in的负半周期，所述激励信号源输出低电平，所述补偿信号V_REF2＝V_REF1+ΔV。

在正半周期内，所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器上的正电荷量Q＝VF′_in·C_f，所述补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器上的电荷量Q2＝ΔV·C_bot，其中ΔV为预设的补偿幅值，所述检测传感器的正电荷量Q₊＝VF′_in·C_f-ΔV·C_bot。

在负半周期内，所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器上的负电荷量Q＝VF′_in·C_f，所述补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器上的电荷量Q2＝ΔV·C_bot，所述检测传感器的负电荷量Q_-＝VF′_in·C_f-ΔV·C_bot。

在所述激励信号源输出高电平时，积分电容C_int的正极与运算放大器的反向输入端连接，负极与所述运算放大器的输出端连接，在所述激励信号源输出低电平时，在所述激励信号VF_in的一个周期内，所述积分电容C_int累积的电荷量为ΔQ＝Q₊+Q_-＝2(VF′_in·C_f-ΔV·C_bot)。

优选地，所述积分器按照预设的积分周期的长度N，对N个激励信号周期的所述检测传感器的电荷量进行积分累加，所述积分电容C_int累积的电荷量为NΔQ，所述电压幅值V_out＝NΔQ/C_int。

优选地，所述指纹检测方法还包括：

在所述外部电极与手指接触之前，闭合第一开关、第二开关、第三开关，将所述检测传感器和所述积分电容C_int上的电荷清零。

本发明实施提供的指纹检测电路、指纹传感器以及指纹检测方法，在对指纹信号进行采集时，提供对应的补偿信号，对检测传感器感应到的电荷进行补偿，放大了指纹谷和指纹脊之间的信号差，能够在手指存在杂质时，保证指纹识别的准确性，提高指纹图像的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明实施例提供的指纹传感器的像素单元排列示意图。

图2为本发明实施例提供的指纹传感器的像素单元中的指纹检测电路的示意图。

图3是本发明实施例提供的指纹检测方法的优选的实施流程图。

图中标记为：

激励信号源101、外部电极102、检测传感器103、隔离电极104、电压缓冲器105、积分器106、运算放大器107；

第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3；

指纹传感器100、像素单元200。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，是本发明实施例提供的指纹传感器100的像素单元排列示意图，特别地，所述指纹传感器100包括多个呈阵列排布的像素单元200，每一个像素单元200都包括有指纹检测电路。

当手指与指纹传感器100接触时，其中多个像素单元200被接触。被接触的像素单元200根据指纹检测电路检测到的结果生成像素图像。其中，被接触的像素单元200生成的图像组合起来，得到完整的指纹图像。

指纹特征包括手指表皮上的纹线，包括指纹谷和指纹脊。由于指纹谷和指纹脊分别具有不同的高度，当手指与指纹传感器100接触时，不同位置的指纹特征导致的指纹检测电路的电压变化量是不同的。根据电压变化量的区别，像素单元200即可生成对应的像素图像。

如2图所示，本发明实施例提供的指纹传感器100的像素单元200中的指纹检测电路的示意图。

所述指纹检测电路包括提供激励信号VF_in的激励信号源101、用于被手指触摸的外部电极102、检测传感器103、隔离电极104、电压缓冲器105以及对所述检测传感器103的电荷量进行积分的积分器106。

所述激励信号源101、所述外部电极102、所述检测传感器103、所述隔离电极104以及所述电压缓冲器105依次串联连接。

具体地，所述外部电极102与所述检测传感器103之间电连接一被测电容C_f，所述检测传感器103与所述隔离电极104之间电连接一寄生电容C_bot。所述电压缓冲器105包括一输入端以及一输出端，所述输入端连接一补偿信号V_REF2，所述输出端连接所述隔离电极104。

所述积分器106包括运算放大器107和跨接在所述运算放大器107的输出端和反向输入端之间的积分电容C_int。所述运算放大器107的反向输入端与所述检测传感器103电性连接，所述运算放大器107的正向输入端电连接一基准电压V_REF1。所述运算放大器107的输出端作为所述指纹检测电路的输出端。

所述激励信号源101发出的激励信号VF_in经过所述外部电极102后变化为待测信号VF′_in，所述待测信号VF′_in通过所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器103。所述电压缓冲器105提供与所述激励信号对应的补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器103对所述待测信号VF′_in进行补偿。所述积分器106根据预设的积分周期，对所述检测传感器103的电荷量进行积分累加。所述积分器106对积分累加后的总电荷进行计算，得到与所述外部电极102接触的手指指纹对应的电压信号(如电压幅值)。

进一步地，所述指纹检测电路还包括第一开关sw1，所述第一开关sw1串联于所述电压缓冲器105与所述隔离电极104之间。所述指纹检测电路还包括第二开关sw2，所述第二开关sw2串联于所述检测传感器103与所述运算放大器107的反向输入端之间。所述指纹检测电路还包括第三开关sw3，所述第三开关sw3与所述积分电容并联。在所述外部电极102与手指接触之前，所述第一开关sw1、第二开关sw2以及第三开关sw3闭合，使所述检测传感器103和所述积分电容C_int上的电荷清零。

指纹传感器100通过指纹检测电路检测指纹的方法如图3所示，具体的方法如以下描述。

步骤S101，初始化。

在所述外部电极102与手指接触之前，闭合所述第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3，使所述检测传感器103和所述积分电容C_int上的电荷清零，防止指纹检测电路进行指纹检测时，所述检测传感器103和所述积分电容C_int上的残留电荷对检测结果产生影响。

作为优选的实施方式，在本实施例中，在清理所述检测传感器103和所述积分电容C_int上的电荷时，保持激励信号源101持续输出低电平信号以及电压缓冲器105的输出值V_REF2＝V_REF1+ΔV。同时将施加到运算放大器107的反向输入端和输出端电压初始化为所述基准电压V_REF1，完成指纹检测电路的初始化。

步骤S102，周期电荷量采集。

初始化完成后，指纹检测电路开始正常工作，激励信号源101持续输出激励信号VF_in。当外部电极102被手指接触时，手指对激励信号VF_in产生影响，使得激励信号VF_in经过所述外部电极102后变化为待测信号VF′_in，所述待测信号通过所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器103。同时由电压缓冲器105提供的补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器103。由于被测电容C_f和寄生电容C_bot分别连接在检测传感器103的两端，此时检测传感器103上累积的电荷量是被测电容C_f的电荷量与寄生电容C_bot的电荷量的差值。

在本实施例中，激励信号VF_in为方波信号，该方波信号的一个周期包括高电平的正半周期和低电平的负半周期。具体的，在所述激励信号VF_in的正半周期，所述激励信号源101输出高电平，所述补偿信号V_REF2＝V_REF1。在所述激励信号VF_in的负半周期，所述激励信号源101输出低电平，所述补偿信号V_REF2＝V_REF1+ΔV。在正半周期内，所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器103上的正电荷量Q＝VF′_in·C_f，所述补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器103上的电荷量Q2＝ΔV·C_bot，其中ΔV为预设的补偿幅值，所述检测传感器103的正电荷量Q₊＝VF′_in·C_f-ΔV·C_bot。在负半周期内，所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器103上的负电荷量Q＝VF′_in·C_f，所述补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器103上的电荷量Q2＝ΔV·C_bot，所述检测传感器103的负电荷量Q_-＝VF′_in·C_f-ΔV·C_bot。

如果积分器106直接对检测传感器103的正半周期和负半周期的电荷量进行累加，会导致正负电荷的抵消。因此，在所述激励信号源101输出高电平时，所述积分电容C_int的正极与所述运算放大器107的反向输入端连接，负极与所述运算放大器107的输出端连接。在所述激励信号源101输出低电平时，所述积分电容C_int的极性反转。通过这样的操作，在所述激励信号VF_in的一个周期内，所述积分电容C_int累积的电荷量ΔQ＝Q₊+Q_-＝2(VF′_in·C_f-ΔV·C_bot)。

步骤S103，判断是否达到预设的积分周期长度。如果是，则执行步骤S104，如果否，则返回步骤S102。

积分周期的长度N需要预先进行设置，N值越大，积分电容上累加的电荷量就越多，指纹检测电路对指纹的检测准确度也越高。

步骤S104，计算所述运算放大器107输出的电压幅值。

积分器106按照预设的积分周期的长度N，对N个激励信号周期的所述检测传感器103的电荷量进行积分累加，所述积分电容C_int累积的电荷量为NΔQ。根据电荷量、电容值以及电压之间的关系可以计算得到，所述运算放大器107输出的电压幅值V_out＝NΔQ/C_int。积分电容C_int的大小可以根据实际对指纹识别的精度的要求进行调整，从而选择合适的电容值的积分电容C_int。

步骤S105，根据所述电压幅值计算得到对应的像素图像。

步骤S106，指纹传感器100根据每个像素单元200得到的像素图像生成指纹图像。

每个像素单元200的指纹检测电路的都可以计算得到一个电压幅值，然后进行模数转换，将电压幅值转换为数字形式的电压值，根据预设的电压值与指纹的对应关系，像素单元200可以生成对应指纹谷或者指纹脊的像素图像，将所有的被手指覆盖的像素单元200生成的像素图像进行组合，得到完整的指纹图像。

当手指上存在死皮、污渍残留或者水渍等杂质时，杂质阻碍了手指与指纹传感器100的直接接触，导致有杂质的位置指纹谷和指纹脊引起电压变化量区别不明显，进而使得指纹图像整体的质量不好。

本发明实施例在对检测传感器103的电荷量进行检测时，提供了与激励信号相对应的补偿信号进行补偿，使得检测传感器103上的电荷量中激励信号对应的基底信号被抵消，积分器106对检测传感器103上的电荷量进行周期的累加，将由指纹引起的电荷量变化的部分进行放大。当杂质导致指纹谷和指纹脊引起电压变化量区别较小时，随着积分器106经过多个周期的累加，区别被放大，变得易于区分和测量。

例如，有杂质时，指纹谷和指纹脊分别对应的被测电容C_f耦合到检测传感器103上的电荷量的数值为90和100，补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器103上的电荷量为的数值90，此时，一个周期积分电容C_int分别0和20，假设进行5个周期的累加，指纹谷和指纹脊之间的区别就达到了0和100。区分0和100的难易程度要远小于区分90和100。通过这样的方式，使得指纹谷和指纹脊因杂质的存在而无法准确的被区分的问题得到了改善。将循环周期的长度调整到合适的数字，即可实现对指纹的有效识别。

本发明实施提供的指纹检测电路、指纹传感器100以及指纹检测方法，在对指纹信号进行采集时，提供对应的补偿信号，对存在的基底信号进行补偿，放大了指纹谷和指纹脊之间的信号差，能够在手指存在杂质时，保证指纹识别的准确性，提高指纹图像的质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种指纹检测电路，应用于指纹传感器，其特征在于，所述指纹检测电路包括提供激励信号VF_in的激励信号源、外部电极、检测传感器、隔离电极、电压缓冲器以及对所述检测传感器的电荷量进行积分的积分器，

所述激励信号源、所述外部电极、所述检测传感器、所述隔离电极以及所述电压缓冲器依次串联连接，

其中，

当所述外部电极被手指接触时，所述外部电极将所述激励信号源提供的激励信号VF_in转换为待测信号VF′_in，所述待测信号通过被测电容C_f耦合到所述检测传感器；

所述电压缓冲器提供与所述激励信号对应的补偿信号V_REF2通过寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器对所述待测信号VF′_in进行补偿；

所述积分器根据预设的积分周期，对所述检测传感器的电荷量积分累加；

所述积分器对积分累加后的总电荷进行计算，得到与所述外部电极接触的手指指纹对应的电压幅值，以用于指纹传感器生成指纹图像。

2.根据权利要求1所述的指纹检测电路，其特征在于，所述外部电极与所述检测传感器之间电连接一被测电容C_f，所述检测传感器与所述隔离电极之间电连接一寄生电容C_bot，所述电压缓冲器的输入端电连接一补偿信号V_REF2，所述电压缓冲器的输出端与所述隔离电极电连接，

所述积分器包括运算放大器和跨接在所述运算放大器的输出端和反向输入端之间的积分电容C_int，所述运算放大器的反向输入端与所述检测传感器连接，所述运算放大器的正向输入端连接基准电压V_REF1，所述运算放大器的输出端为所述指纹检测电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的指纹检测电路，其特征在于，所述指纹检测电路还包括第一开关，所述第一开关串联连接于所述电压缓冲器与所述隔离电极之间。

4.根据权利要求2所述的指纹检测电路，其特征在于，所述指纹检测电路还包括第二开关，所述第二开关串联连接于所述检测传感器与所述运算放大器的反向输入端之间。

5.根据权利要求2所述的指纹检测电路，其特征在于，所述指纹检测电路还包括第三开关，所述第三开关与所述积分电容并联连接。

6.一种指纹传感器，其特征在于，所述指纹传感器包括多个呈阵列排布的像素单元，所述像素单元包括如权利要求1-5任意一项所述的指纹检测电路。

7.一种指纹检测方法，其特征在于，应用于如权利要求6所述的指纹传感器，所述指纹检测方法包括：

当所述外部电极与手指接触时，所述外部电极将所述激励信号源发出的激励信号VF_in转换为待测信号VF′_in，所述待测信号通过被测电容C_f耦合到所述检测传感器；

所述电压缓冲器提供与所述激励信号对应的补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器对所述待测信号VF′_in进行补偿；

所述积分器根据预设的积分周期，对所述检测传感器的电荷量积分累加；

所述积分器对积分累加后的总电荷进行计算，得到与所述外部电极接触的手指指纹对应的电压幅值，

每个所述像素单元根据所述电压幅值计算得到对应的像素图像；

所述指纹传感器根据每个像素单元得到的像素图像生成指纹图像。

8.根据权利要求7所述的指纹检测方法，其特征在于，所述激励信号源发出的激励信号VF_in为方波信号，在所述激励信号VF_in的正半周期，所述激励信号源输出高电平，所述补偿信号V_REF2＝V_REF1，在所述激励信号VF_in的负半周期，所述激励信号源输出低电平，所述补偿信号V_REF2＝V_REF1+ΔV，

在正半周期内，所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器上的正电荷量Q＝VF′_in·C_f，所述补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器上的电荷量Q2＝ΔV·C_bot，其中ΔV为预设的补偿幅值，所述检测传感器的正电荷量Q₊＝VF′_in·C_f-ΔV·C_bot，

在负半周期内，所述被测电容C_f耦合到所述检测传感器上的负电荷量Q＝VF′_in·C_f，所述补偿信号V_REF2通过所述寄生电容C_bot耦合到所述检测传感器上的电荷量Q2＝ΔV·C_bot，所述检测传感器的负电荷量Q_-＝VF′_in·C_f-ΔV·C_bot，

在所述激励信号源输出高电平时，积分电容C_int的正极与运算放大器的反向输入端连接，负极与所述运算放大器的输出端连接，在所述激励信号源输出低电平时，在所述激励信号VF_in的一个周期内，所述积分电容C_int累积的电荷量为ΔQ＝Q₊+Q_-＝2(VF′_in·C_f-ΔV·C_bot)。

9.根据权利要求8所述的指纹检测方法，其特征在于，所述积分器按照预设的积分周期的长度N，对N个激励信号周期的所述检测传感器的电荷量进行积分累加，所述积分电容C_int累积的电荷量为NΔQ，所述电压幅值V_out＝NΔQ/C_int。

10.根据权利要求9所述的指纹检测方法，其特征在于，所述指纹检测方法还包括：

在所述外部电极与手指接触之前，闭合第一开关、第二开关、第三开关，将所述检测传感器和所述积分电容C_int上的电荷清零。