JP6651522B2 - Capacitive fingerprint sensing device with sensing element demodulation circuit configuration - Google Patents

Capacitive fingerprint sensing device with sensing element demodulation circuit configuration Download PDF

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Description

本発明は、容量性指紋感知システム及び指紋パターンの感知方法に関する。   The present invention relates to a capacitive fingerprint sensing system and a fingerprint pattern sensing method.

様々なタイプの生体認証システムが、安全性を向上するため、及び/又はユーザの利便性を高めるために、用いられることが多くなっている。   Various types of biometric authentication systems are increasingly being used to enhance security and / or increase user convenience.

特に、指紋感知システムは、その小さな形状因子、高い性能及びユーザ受け入れのため、例えば家電装置に採用されている。   In particular, fingerprint sensing systems are employed, for example, in home appliances due to their small form factor, high performance and user acceptance.

(静電容量式、光学式、熱式などのような)様々に利用可能な指紋感知原理の中でも、静電容量感知が最も一般的に用いられており、特に、大きさ及び消費電力が重要な課題である適用例に用いられている。   Of the various available fingerprint sensing principles (such as capacitive, optical, thermal, etc.), capacitive sensing is the most commonly used, especially for size and power consumption. It is used for the application example which is a serious problem.

あらゆる容量性指紋センサは、いくつかの感知構造のそれぞれと、指紋センサの表面に置かれるか指紋センサの表面を横切って動く指との間の静電容量を示す測定値を提供する。   Every capacitive fingerprint sensor provides a measure of the capacitance between each of a number of sensing structures and a finger resting on or across the surface of the fingerprint sensor.

いくつかの容量性指紋センサは、感知構造と指との間の静電容量を受動的に読み取る。しかし、これには、感知構造と指との間の比較的大きな静電容量を必要とする。このため、そのような受動的な静電容量センサは概して、感知構造を覆う非常に薄い保護層を備える。このため、そのようなセンサは引っかき傷及び/又はESD(静電放電)に対していくらか敏感になる。   Some capacitive fingerprint sensors passively read the capacitance between the sensing structure and the finger. However, this requires a relatively large capacitance between the sensing structure and the finger. For this reason, such passive capacitance sensors generally comprise a very thin protective layer over the sensing structure. This makes such sensors somewhat sensitive to scratches and / or ESD (electrostatic discharge).

米国特許US7864992は、センサアレイの近傍に配置された導電構造をパルス操作して、センサアレイの感知構造が帯びる電荷の結果変化を測定することによって、駆動信号が指に注入される指紋感知システムを開示する。   U.S. Pat. No. 7,864,992 discloses a fingerprint sensing system in which a drive signal is injected into a finger by pulsing a conductive structure located in the vicinity of the sensor array and measuring the resulting change in charge carried by the sensing structure of the sensor array. Disclose.

そのような能動的指紋感知システムは、上記の受動的システムよりもかなり高い信号対雑音比で指と感知構造のそれぞれとの間の静電容量の測定を概ね可能にする。次に、これにより保護被覆を大幅に厚くすることができるため、いっそう頑強な容量性指紋センサを、かなりの摩耗にさらされる携帯電話のようなアイテムに組み入れることができる。   Such an active fingerprint sensing system generally allows measurement of the capacitance between a finger and each of the sensing structures with a significantly higher signal-to-noise ratio than the passive systems described above. Second, this allows the protective coating to be significantly thicker, so that more robust capacitive fingerprint sensors can be incorporated into items such as mobile phones that are subject to significant wear.

しかし、更に向上の余地がある。特に、厚みが更に増した保護被覆を介して指紋を感知すること及び/又は信号対雑音比の点で更に性能を向上させることが望ましいであろう。   However, there is still room for improvement. In particular, it would be desirable to further improve performance in terms of sensing fingerprints and / or signal-to-noise ratio through an even thicker protective coating.

上記の欠点をはじめとする先行技術の欠点に鑑みて、本発明の目的は、改良した容量性指紋感知装置、特に、きわめて厚い保護被覆を通しての感知性能が向上した容量性指紋感知装置を得ることである。   In view of the drawbacks of the prior art, including the above drawbacks, it is an object of the present invention to provide an improved capacitive fingerprint sensing device, and in particular, a capacitive fingerprint sensing device with improved sensing performance through a very thick protective coating. It is.

このため、本発明の第一の態様によれば、指の指紋パターンを感知する容量性指紋感知システムが提供される。容量性指紋感知システムは、指の電位に対して第一の電位から第二の電位に変化し第一の電位に戻る循環変化を含み時間的に変化する励起電位を示す励起信号を供給する励起信号供給回路構成と、複数の感知素子であって、それぞれが、指が接触する対象である保護誘電最上層と、最上層の下に配置される導電性感知構造であって、感知構造は励起信号供給回路構成に連結され、励起電位に実質的に追従して時間的に変化する感知構造電位を示す導電性感知構造において、第一の電位から第二の電位への励起電位の変化が指と感知構造との間の電位差の変化をもたらす、導電性感知構造と、感知構造に接続されて、指と感知構造との間の電位差の変化に起因して感知構造が帯びる電荷に生じる変化を示す感知信号を供給する、感知回路構成と、感知回路構成に接続されて、感知信号を励起信号とタイミングに関して関係のある復調信号に結合して、感知構造が帯びる電荷の変化を示すDC信号成分を含む結合信号を供給する、復調回路構成と、を含む感知素子と、を含む複数の感知素子と、感知素子のそれぞれに接続されて、感知素子のそれぞれからのDC信号成分に基づいて指紋パターンの表示を提供する読み出し回路構成と、を備える。   Thus, according to a first aspect of the present invention, there is provided a capacitive fingerprint sensing system for sensing a fingerprint pattern of a finger. The capacitive fingerprint sensing system includes an excitation that provides an excitation signal indicative of a time-varying excitation potential that includes a cycling change from a first potential to a second potential with respect to the finger potential and back to the first potential. A signal supply circuitry, a plurality of sensing elements, each of which is a protective dielectric top layer to be contacted by a finger, and a conductive sensing structure disposed below the top layer, wherein the sensing structure comprises an excitation In a conductive sensing structure coupled to a signal supply circuitry and exhibiting a temporally varying sensing structure potential substantially following an excitation potential, a change in the excitation potential from a first potential to a second potential is a finger. A conductive sensing structure, connected to the sensing structure, which causes a change in the potential difference between the sensing structure and the change in the charge carried by the sensing structure due to the change in the potential difference between the finger and the sensing structure. A sensing circuit for supplying a sensing signal A demodulation circuitry coupled to the sensing circuitry for coupling the sensing signal to a demodulation signal related in timing to the excitation signal to provide a combined signal including a DC signal component indicative of a change in charge carried by the sensing structure; And readout circuitry coupled to each of the sensing elements for providing an indication of a fingerprint pattern based on a DC signal component from each of the sensing elements. .

本出願の文脈では、用語「電位」は「任意の点での電界強度」を意味すると理解すべきである。   In the context of the present application, the term “potential” should be understood to mean “field strength at any point”.

よって、時間的に変化する電位とは、基準電位に対して時間の経過とともに変化する大きさを有する電位を意味すると理解されよう。時間的に変化する励起電位は、例として、一つのパルス繰り返し周波数又は各種パルス繰り返し周波数の組み合わせを有するパルス列として供給されてもよい。そのようなパルス列の各種パルスは、例えば、矩形波パルスであってもよい。これとは別に、時間的に変化する励起電位は、一つの正弦波又は各種正弦波の組み合わせとして供給されてもよい。   Therefore, the potential that changes over time is understood to mean a potential that has a magnitude that changes over time with respect to the reference potential. The temporally varying excitation potential may be provided, for example, as a pulse train having one pulse repetition frequency or a combination of various pulse repetition frequencies. Various pulses of such a pulse train may be, for example, rectangular wave pulses. Alternatively, the temporally varying excitation potential may be provided as a single sine wave or a combination of various sine waves.

感知素子は、行と列からなるアレイに有利に配置されてもよい。   The sensing elements may be advantageously arranged in an array of rows and columns.

各感知構造は、ある種の平行板コンデンサが、感知構造(感知板)、指表面の一部、及び保護被覆(及び、指表面の一部と指紋パターンの場所に依存する保護被覆との間に部分的に存在する可能性のある任意の空気)によって形成されるように、金属板の形態で有利に設けられてもよい。指と感知構造との間の電位差の変化から起因して感知構造によって担持される電荷の変化は、平行板コンデンサのキャパシタンスの表示であり、次いで、これは感知構造と指表面との間の距離の表示である。   Each sensing structure is a type of parallel plate capacitor that includes a sensing structure (sensing plate), a portion of the finger surface, and a protective coating (and between the portion of the finger surface and the protective coating depending on the location of the fingerprint pattern). May be advantageously provided in the form of a metal plate, as formed by any air which may be partially present in the air. The change in charge carried by the sensing structure resulting from the change in the potential difference between the finger and the sensing structure is an indication of the capacitance of the parallel plate capacitor, which in turn is the distance between the sensing structure and the finger surface. Is displayed.

保護被覆は、少なくとも20μmの厚さと、指紋感知装置の基底構造を摩耗及び断裂のほかESDからも保護する高い絶縁耐力を有利に有してもよい。その上更に有利なことには、保護被覆は少なくとも50μmの厚さであってもよい。実施形態では、保護被覆は数百μmの厚さであってもよい。   The protective coating may advantageously have a thickness of at least 20 μm and a high dielectric strength that protects the underlying structure of the fingerprint sensing device from wear and tear as well as from ESD. Even more advantageously, the protective coating may be at least 50 μm thick. In embodiments, the protective coating may be several hundred μm thick.

各感知素子は、所定の順序での異なる測定状態間の遷移に及ぶ所定の測定シーケンスを実行するように制御可能であってもよい。測定状態を、感知素子に含まれる回路構成に供給される制御信号の特定の結合によって規定してもよい。   Each sensing element may be controllable to perform a predetermined measurement sequence that spans a transition between different measurement states in a predetermined order. The measurement state may be defined by a particular combination of control signals supplied to circuitry included in the sensing element.

励起信号供給回路構成は、異なるライン上の二つ以上の異なる電位間を切り替わるように構成されるスイッチング回路構成を備えてもよい。これとは別に、あるいはこれと併せて、励起信号供給回路構成は、時間的に変化する励起電位を供給するように構成される少なくとも一つの信号源を備えてもよい。   The excitation signal supply circuitry may include a switching circuitry configured to switch between two or more different potentials on different lines. Alternatively or additionally, the excitation signal supply circuitry may include at least one signal source configured to provide a time-varying excitation potential.

励起信号供給回路構成は指紋センサ部品に含まれ、その結果、指紋センサ部品の基準電位、例えば、センサ接地電位に対して時間的に変化する励起電位を有する励起信号を供給してもよい。   The excitation signal supply circuit configuration may be included in the fingerprint sensor component and, as a result, supply an excitation signal having an excitation potential that varies with respect to a reference potential of the fingerprint sensor component, for example, a sensor ground potential.

これとは別に、励起信号供給回路構成は、指紋センサ部品の外部に設けられ、指紋センサ部品のための時間的に変化する基準電位として励起信号を供給するために指紋センサ部品に接続される。この場合、励起信号は、指紋感知システムを含む電子装置の装置接地電位に対して時間的に変化する励起電位を表してもよい。外部励起信号供給回路構成は、指紋センサ部品に含まれるタイミング回路構成によって生成される制御信号を用いて、制御されてもよい。   Alternatively, the excitation signal supply circuitry is provided external to the fingerprint sensor component and is connected to the fingerprint sensor component to provide an excitation signal as a time-varying reference potential for the fingerprint sensor component. In this case, the excitation signal may represent an excitation potential that changes over time with respect to the device ground potential of the electronic device including the fingerprint sensing system. The external excitation signal supply circuit configuration may be controlled using a control signal generated by a timing circuit configuration included in the fingerprint sensor component.

時間的に変化する感知構造電位は、励起電位の変化が感知構造電位の対応する変化をもたらすときに、励起電位に実質的に追従する。感知構造電位の変化は、励起電位の変化と正確に同時である必要はないが、励起信号供給回路構成と感知構造との間の連結の特性によってはいくぶん遅延が生じることがある。その上、励起電位と感知構造電位との間に電位シフトが生じることがあり、いくぶんかのスケーリングが生じることがある。しかし、励起電位の全体的挙動は、感知構造電位に反映される必要がある.   The time-varying sensing structure potential substantially follows the excitation potential when a change in the excitation potential results in a corresponding change in the sensing structure potential. The change in the sensing structure potential need not be exactly the same as the change in the excitation potential, but some delays may occur depending on the nature of the connection between the excitation signal supply circuitry and the sensing structure. In addition, there may be a potential shift between the excitation potential and the sensing structure potential, and some scaling may occur. However, the overall behavior of the excitation potential needs to be reflected in the sensing structure potential.

復調信号が励起信号とタイミングに関して関係があるということは、励起信号の第一の電位から第二の電位及び/又は第二の電位から第一の電位への上記の変化のタイミングが復調信号の電位の変化のタイミングを決定するであろうということを意味すると理解する必要がある。   The fact that the demodulated signal is timing related to the excitation signal means that the timing of the change from the first potential of the excitation signal to the second potential and / or the second potential to the first potential is the timing of the demodulated signal. It should be understood that this means that the timing of the potential change will be determined.

いくつかの実施形態では、復調信号は、サンプリング事象を規定する短パルスであってもよい。他の実施形態では、励起信号自体が復調信号を構成してもよい。   In some embodiments, the demodulated signal may be a short pulse defining a sampling event. In other embodiments, the excitation signal itself may constitute the demodulated signal.

本発明は、感知素子の動作を高速化すると、一回の感知事象中に各感知素子からの多重的な読み出しを実施して感知素子と指表面との間の局所距離を示す測定値を得ることが可能になるであろうという認識に基づくものである。これは、ひいては、例えば、信号対雑音比及び同相モードノイズの低減の観点から感知性能を向上させるであろう。   The present invention, when speeding up the operation of the sensing elements, performs multiple reads from each sensing element during a single sensing event to obtain a measurement indicative of the local distance between the sensing element and the finger surface. It is based on the realization that it will be possible. This will, in turn, improve the sensing performance in terms of signal to noise ratio and common mode noise reduction, for example.

本発明者は、感知信号の望ましい情報内容(感知構造が帯びる電荷の上記の変化)がDC信号又はDC信号に近い信号(指紋感知システムの基準電位に対して一定の電圧)によって示されるように、感知素子内に局在する感知信号を少なくとも部分的に復調することによって、電力消費量の対応する増大を生じさせることなく、感知素子の動作の望ましい高速化を達成できることを理解している。   The inventor has determined that the desired information content of the sensing signal (the aforementioned change in charge carried by the sensing structure) is indicated by a DC signal or a signal close to the DC signal (a constant voltage with respect to the reference potential of the fingerprint sensing system). It is understood that by at least partially demodulating the sensing signal localized within the sensing element, a desired speed up of operation of the sensing element can be achieved without causing a corresponding increase in power consumption.

DC信号成分としての感知構造が帯びる電荷の変化を各感知素子から出力することによって、読み出しラインの寄生容量に対して電位の読み出しラインを上下に移動させる必要がなくなり、読み出し事象当たりのエネルギー消費が大幅に減少するようになるであろう。   By outputting from each sensing element a change in charge that the sensing structure takes as a DC signal component, there is no need to move the potential read line up and down with respect to the parasitic capacitance of the read line, and energy consumption per read event is reduced. It will be greatly reduced.

このため、本発明の実施形態では、読み出し周波数を、エネルギー消費の対応する増大なしで高くし、ひいては感知性能を向上させることができ、それ自体が既知のフィルタリング法を用いて多重出力信号同士の結合を更に可能にすることにより、同相モードノイズを減少させ、信号対雑音比を増大させることができる。   Thus, in embodiments of the present invention, the readout frequency can be increased without a corresponding increase in energy consumption, and thus the sensing performance, and the multiple output signals can be interlocked using a filtering method known per se. By allowing more coupling, common mode noise can be reduced and the signal-to-noise ratio can be increased.

これは、制御ボタン又は携帯電話のような電子装置のカバーの一部など、更に厚めの誘電被覆を通した測定を可能にする。その上、指紋センサのエネルギー消費及び/又は指紋表示(画像)を取得するのに必要な時間を減少させることができる可能性がある。   This allows measurements through thicker dielectric coatings, such as control buttons or parts of covers of electronic devices such as cell phones. In addition, the energy consumption of the fingerprint sensor and / or the time required to acquire a fingerprint display (image) may be potentially reduced.

実施形態では、読み出し回路構成は、特定の感知素子又は感知素子群の数回の読み取りの時間的平均又は合計を提供するように構成されてもよい。他の実施形態では、読み出し回路構成は、複数の感知素子から上記の結合信号を(連続して、あるいは実質的に同時に)受信するように構成されてもよい。これにより、空間平均値を形成することができ、これが、例えば、雑音消去及び/又はゲイン制御に有用であることがある。   In embodiments, the readout circuitry may be configured to provide a temporal average or sum of several reads of a particular sensing element or group of sensing elements. In other embodiments, the readout circuitry may be configured to receive the combined signals from multiple sensing elements (either sequentially or substantially simultaneously). This allows a spatial average to be formed, which may be useful, for example, for noise cancellation and / or gain control.

本発明の指紋感知システムの種々の実施形態では、感知回路構成は電荷増幅器を有利に含んでもよい。この電荷増幅器は、感知構造に接続される第一の入力と、励起信号供給回路構成に接続される第二の入力と、感知信号を供給する出力と、第一の入力と前記出力との間に接続される帰還コンデンサと、第一及び第二の入力と前記出力との間の少なくとも一つの増幅器段と、を備える。電荷増幅器は、第一の入力での電位が第二の入力での電位を実質的に追従するように構成される。   In various embodiments of the fingerprint sensing system of the present invention, the sensing circuitry may advantageously include a charge amplifier. The charge amplifier has a first input connected to the sensing structure, a second input connected to the excitation signal supply circuitry, an output for providing a sense signal, and a first input connected to the output. And at least one amplifier stage between first and second inputs and the output. The charge amplifier is configured such that the potential at the first input substantially tracks the potential at the second input.

電荷増幅器は、第一の入力での電荷を出力での電圧に変換する。電荷増幅器のゲインは帰還コンデンサの静電容量によって決定される。   The charge amplifier converts the charge at the first input to a voltage at the output. The gain of the charge amplifier is determined by the capacitance of the feedback capacitor.

電荷増幅器は、(負の入力と呼ばれることもある)第一の入力での電位が(正の入力と呼ばれることもある)第二の入力での電位を実質的に追従するように構成されるということは、第二の入力での電位の変化が第一の入力での電位に実質的に対応する変化をもたらすことを意味すると理解する必要がある。電荷増幅器の実際の構成によっては、第一の入力での電位は第二の入力での電位と実質的に同一であってもよく、あるいは、第二の入力と第一の入力との間に実質的に一定の電位差が生じてもよい。例として、電荷増幅器が1段増幅器として構成される場合、電位差はセンストランジスタのゲート・ソース電圧になるであろう。   The charge amplifier is configured such that the potential at the first input (sometimes referred to as the negative input) substantially follows the potential at the second input (sometimes referred to as the positive input). That should be understood to mean that a change in the potential at the second input results in a substantially corresponding change in the potential at the first input. Depending on the actual configuration of the charge amplifier, the potential at the first input may be substantially the same as the potential at the second input, or between the second input and the first input. A substantially constant potential difference may occur. As an example, if the charge amplifier is configured as a one-stage amplifier, the potential difference will be the gate-source voltage of the sense transistor.

なお、電荷増幅器の出力は帰還コンデンサに直接接続される必要はなく、出力と帰還コンデンサとの間に追加回路構成を設けてもよい。この回路構成は感知素子の配列の外側に配置されることもあり得る。   The output of the charge amplifier does not need to be directly connected to the feedback capacitor, and an additional circuit configuration may be provided between the output and the feedback capacitor. This circuitry could be located outside the array of sensing elements.

実施形態によれば、復調回路構成は、感知信号を復調信号とともに逓倍する信号逓倍回路構成を備えてもよい。   According to the embodiment, the demodulation circuit configuration may include a signal multiplication circuit configuration that multiplies the sensing signal together with the demodulation signal.

感知信号及び復調信号を逓倍することにより、感知構造が帯びる電荷の変化を、所望のDC信号成分として数学的に分離することができ、指紋感知システムでの信号の移送及び加工を容易にすることが可能となる。   By multiplying the sensing and demodulation signals, the change in charge carried by the sensing structure can be mathematically separated as a desired DC signal component, facilitating signal transport and processing in a fingerprint sensing system. Becomes possible.

信号逓倍回路構成は、二つの信号(感知信号及び復調信号)の瞬間電圧をともに逓倍し、その出力信号をその瞬間ごとに生成することが可能なものであれば、いかなる回路構成でもよい。   The signal multiplying circuit configuration may be any circuit configuration that can multiply both instantaneous voltages of two signals (a sensing signal and a demodulated signal) and generate an output signal at each instant.

信号逓倍回路構成の例には、乗算器ミキサ又はスイッチングミキサのような異なる種類のミキサが挙げられる。   Examples of signal multiplying circuit configurations include different types of mixers, such as multiplier mixers or switching mixers.

また、相関二重サンプリング用サンプラを、負パルス及び正パルスを有する復調信号を感知信号とともに逓倍する信号逓倍回路構成として数学的に考慮してもよい。   Alternatively, the correlated double sampling sampler may be mathematically considered as a signal multiplying circuit configuration for multiplying the demodulated signal having a negative pulse and a positive pulse together with the sensing signal.

復調回路構成は、高周波化した周波数成分を除去しながらDC信号成分が通過できるようにするローパスフィルタを更に備えてもよい。これとは別に、あるいはこれに併せて、ローパスフィルタを、感知素子が出力する結合信号を低域フィルタリングする感知素子の外部に設けてもよい。ローパスフィルタは読み出し回路構成に含まれてもよい。   The demodulation circuit configuration may further include a low-pass filter that allows a DC signal component to pass while removing a frequency component whose frequency has been increased. Alternatively or additionally, a low-pass filter may be provided outside the sensing element for low-pass filtering the combined signal output by the sensing element. The low-pass filter may be included in the readout circuit configuration.

種々の実施形態では、感知素子と読み出し回路構成とを相互接続する読み出しラインが、隣接する読み出しライン間及び読み出しラインとアース端子及び/又は供給電圧レールのような指紋センサ部品の他の構成との間の寄生容量のために、ローパスフィルタとして動作してもよい。   In various embodiments, the read lines interconnecting the sensing element and the read circuitry are between adjacent read lines and between the read lines and other components of the fingerprint sensor component, such as ground terminals and / or supply voltage rails. It may operate as a low-pass filter because of the parasitic capacitance between them.

読み出しライン及びそれらの関連する寄生容量が、感知素子が供給する結合信号のための適切なローパスフィルタとして動作できるようにするために、各感知素子は10μΑより低い最大出力電流を提供するように構成されてもよい。   Each sensing element is configured to provide a maximum output current of less than 10 μΑ so that the read lines and their associated parasitic capacitance can operate as a suitable low pass filter for the combined signal provided by the sensing element. May be done.

ほぼ1〜10pF程度の出力の寄生容量をもたらす典型的なCMOS設計と、各感知素子からのほぼ10〜100MHz程度である読み出し周波数とに対しては、最大出力電流が10μΑより低いと、一つ(又は複数)の読み出しラインがローパスフィルタ(の一部)として機能することが可能となるであろう。   For a typical CMOS design that produces an output parasitic capacitance of approximately 1-10 pF and a read frequency of approximately 10-100 MHz from each sensing element, if the maximum output current is less than 10 μΑ, then one One or more readout lines would be able to function as (part of) the low pass filter.

これにより、高周波化した周波数成分を、各感知素子と読み出し回路構成との間で、充分に減衰させることができ、所望のDC信号成分のみが実質的に読み出し回路構成に残ることになる。これは、指紋センサ設計を簡素化するほか、エネルギー消費を低くする。   As a result, the frequency component having a high frequency can be sufficiently attenuated between each sensing element and the read circuit configuration, and only the desired DC signal component substantially remains in the read circuit configuration. This simplifies fingerprint sensor design and lowers energy consumption.

種々の実施形態によれば、電荷増幅器に含まれる増幅器段は、第一の入力を構成するゲートを有するセンストランジスタを備えてもよい。センストランジスタは半導体基板のウェルに形成されてもよく、ウェルと基板との間のインタフェースが、ウェルと基板との間を電流が流れるのを防ぐことができるように構成される。更に、励起信号供給回路構成は、ウェルに接続されて、第三の電位と第四の電位との間の差が上記の第一の電位と第二の電位との間の差と実質的に等しい状態で、ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変化させ、これにより感知構造とウェルとの間の寄生容量の影響を軽減してもよい。   According to various embodiments, the amplifier stage included in the charge amplifier may include a sense transistor having a gate forming a first input. The sense transistor may be formed in a well of a semiconductor substrate, and an interface between the well and the substrate is configured to prevent a current from flowing between the well and the substrate. Further, the excitation signal supply circuit configuration is connected to the well, and the difference between the third potential and the fourth potential is substantially equal to the difference between the first potential and the second potential. Under the same condition, the potential of the well may be changed from the third potential to the fourth potential, thereby reducing the influence of the parasitic capacitance between the sensing structure and the well.

半導体基板は、有利にドープ半導体基板であってもよく、ウェルは半導体基板に対して反対の極性にドープされた基板の一部であってもよい(半導体基板がpドープされた場合、ウェルはnドープされてもよく、半導体基板がnドープされた場合、ウェルはpドープされてもよい)。これは、ウェルと、ウェルと基板との間を電流が流れるのを防ぐことができるように構成される基板との間のインタフェースを達成する一つの方法である。特に、ウェル及び基板は、基板とウェルとの間のインタフェースに形成されるダイオードを通って電流が流れない程度の電位に維持してもよい。   The semiconductor substrate may advantageously be a doped semiconductor substrate, and the well may be part of a substrate doped with the opposite polarity to the semiconductor substrate (if the semiconductor substrate is p-doped, the well may be (The well may be p-doped if the semiconductor substrate is n-doped). This is one way to achieve an interface between the well and a substrate configured to prevent current flow between the well and the substrate. In particular, the well and the substrate may be maintained at such a potential that no current flows through a diode formed at the interface between the substrate and the well.

これとは別に、絶縁層を、例としてガラスの薄層の形態で基板とウェルとの間に設けてもよい。そのような絶縁層はほかにも、電流がウェルと基板との間を流れるのを防ぐであろう。   Alternatively, an insulating layer may be provided between the substrate and the well, for example in the form of a thin layer of glass. Such an insulating layer would also prevent current from flowing between the well and the substrate.

本発明の実施形態では、指紋感知装置の感知構造と半導体構造との間の寄生容量の影響は、電荷増幅器のセンストランジスタが形成されるウェルの電位を変化させるように構成される励起信号供給回路構成を設けることによって大幅に軽減させることができる。これにより、感知構造とセンストランジスタ(電荷増幅器の入力段)との間の接続に隣接する半導体構造であるウェルの電位は、感知構造の電位を追従するように制御され、感知構造と指との間の静電容量の測定に関連する時点に少なくとも、ウェルと感知構造との間の電位差が実質的に一定に維持されるようにすることができる。   In an embodiment of the present invention, the effect of parasitic capacitance between the sensing structure of the fingerprint sensing device and the semiconductor structure is such that the excitation signal supply circuit is configured to change the potential of the well in which the sense transistor of the charge amplifier is formed. The provision of the configuration can greatly reduce the number of components. Thereby, the potential of the well, which is the semiconductor structure adjacent to the connection between the sensing structure and the sense transistor (the input stage of the charge amplifier), is controlled to follow the potential of the sensing structure, and the potential of the sensing structure and the finger is controlled. At least at the time associated with the measurement of the capacitance between, the potential difference between the well and the sensing structure can be kept substantially constant.

種々の実施形態によれば、更に、指紋感知装置は、感知構造と基板との間に配置される遮蔽構造を更に備えてもよい。励起信号供給回路構成は、遮蔽構造に更に接続され、第五の電位と第六の電位との間の差が上記の第一の電位と第二の電位との間の差と実質的に等しい状態で、遮蔽構造の電位を第五の電位から第六の電位に変化させるように構成されてもよい。   According to various embodiments, the fingerprint sensing device may further include a shielding structure disposed between the sensing structure and the substrate. The excitation signal supply circuitry is further connected to the shielding structure, wherein a difference between the fifth potential and the sixth potential is substantially equal to the difference between the first potential and the second potential. In the state, the potential of the shielding structure may be changed from the fifth potential to the sixth potential.

これにより、感知構造は、金属層の接続ライン及び/又は半導体基板に形成される接続ライン及び/又は半導体回路構成のような、感知素子の下に配置される可能性のある他の部品から効果的に遮蔽される可能性がある。これは、感知素子の寄生容量の影響を更に低減するであろう。   This allows the sensing structure to benefit from other components that may be located beneath the sensing element, such as connection lines in the metal layer and / or connection lines formed in the semiconductor substrate and / or semiconductor circuitry. May be shielded. This will further reduce the effect of the parasitic capacitance of the sensing element.

第五の電位は上記の第三(及び/又は第一)の電位と有利に等しくてもよく、第六の電位は上記の第四(及び/又は第二)の電位と有利に等しくてもよい。例えば、遮蔽構造(板)は有利に、ウェルに直接伝導的に接続されてもよい。   The fifth potential may be advantageously equal to the third (and / or first) potential described above, and the sixth potential may be advantageously equal to the fourth (and / or second) potential described above. Good. For example, the shielding structure (plate) may advantageously be conductively connected directly to the well.

実施形態の第一のセットによれば、センストランジスタはNMOSトランジスタ又はPMOSトランジスタであってもよく、ウェルはpウェル又はnウェルであってもよい。   According to a first set of embodiments, the sense transistors may be NMOS or PMOS transistors and the wells may be p-wells or n-wells.

実施形態の第二のセットによれば、pウェル及び/又はnウェルを励起信号供給回路構成に接続されているウェルに形成してもよい。少なくとも一つのpウェル及び少なくとも一つのnウェルをウェルに形成した場合、このウェルはisoウェルと呼ばれることがある。   According to a second set of embodiments, p-wells and / or n-wells may be formed in wells connected to the excitation signal supply circuitry. If at least one p-well and at least one n-well are formed in a well, this well may be called an iso well.

更に、ウェルは複数の感知素子に共通のものであってもよい。例として、ウェルは、いくつかの感知素子のnウェル及びpウェルを取り囲むisoウェルであってもよい。励起信号供給回路構成は、isoウェルに接続され、ウェルの内部に形成される一つ(又は複数)のisoウェルに接続され、isoウェル及びisoウェルの内部に形成される一つ(又は複数)のウェルの電圧を変化させるように構成される。   Further, the well may be common to multiple sensing elements. By way of example, the well may be an iso well surrounding the n-well and p-well of some sensing elements. The excitation signal supply circuit configuration is connected to the iso well, connected to one (or a plurality of) iso wells formed inside the well, and one (or a plurality of) formed inside the iso well and the iso well. Is configured to change the voltage of the well.

種々の実施形態によれば、感知素子のそれぞれは、タイミング回路構成であって、励起信号供給回路構成に接続されて、第一の励起制御信号を励起信号供給回路構成に供給して、第一の励起遷移時間での指と感知構造との間の電位差の第一の変化を引き起こし、第二の励起制御信号を励起信号供給回路構成に供給して、第二の励起遷移時間での指と感知構造との間の電位差の第二の変化を引き起こす、タイミング回路構成を備えてもよい。   According to various embodiments, each of the sensing elements is a timing circuit configuration and is connected to the excitation signal supply circuit configuration to provide a first excitation control signal to the excitation signal supply circuit configuration, Causing a first change in the potential difference between the finger and the sensing structure at the excitation transition time of the excitation and providing a second excitation control signal to the excitation signal supply circuitry, and the finger at the second excitation transition time. Timing circuitry may be provided to cause a second change in potential difference between the sensing structure.

種々の実施形態によれば、更に、前記感知素子のそれぞれは、帰還コンデンサを放電するように制御可能なリセット回路構成と、リセット回路構成に接続されて、帰還コンデンサが放電されるリセット状態と帰還コンデンサが充電されて感知構造が帯びる電荷の変化の測定が可能になる測定レディ状態との間でリセット回路構成を制御するタイミング回路構成と、を更に備えてもよい。   According to various embodiments, further, each of the sensing elements is connected to a reset circuit configuration that is controllable to discharge a feedback capacitor, and a reset state and a feedback state where the feedback capacitor is discharged. A timing circuit for controlling the reset circuit configuration between a time when the capacitor is charged and a change in the charge carried by the sensing structure is enabled to be measured.

各感知素子又は感知素子群内にタイミング回路構成を局所的に設けることにより、感知素子又は感知素子群に含まれる回路構成のタイミング制御の少なくとも一部を、各感知素子又は感知素子群で局所的に制御してもよい。   By locally providing a timing circuit configuration within each sensing element or group of sensing elements, at least part of the timing control of the circuit configuration included in the sensing element or group of sensing elements is locally controlled by each sensing element or group of sensing elements. May be controlled.

このため、タイミング回路構成は、非同期式又は同期式あるいはその組み合わせであることがある局所状態機械として機能するということが言える。   Thus, it can be said that the timing circuitry functions as a local state machine, which may be asynchronous or synchronous or a combination thereof.

測定状態間の少なくとも最も緊急を要する一つ(あるいは複数)の遷移のタイミングを局所化することにより、測定に利用できる時間を(任意の読み出し周波数に対して)増大させたり、及び/又は容量性指紋感知装置の設計を容易にしたりできる。例として、一定のタイミング制御信号の各感知素子へのルート設定を慎重に実施する必要はないであろうが、特定の感知素子又は感知素子群を選択する外部信号によってタイミングを開始することができる。   By localizing the timing of at least one (or more) of the most urgent transitions between measurement states, the time available for measurement can be increased (for any read frequency) and / or capacitive Or to facilitate the design of a fingerprint sensing device. By way of example, it may not be necessary to carefully route certain timing control signals to each sensing element, but timing may be initiated by an external signal that selects a particular sensing element or group of sensing elements. .

このため、本発明のこのような実施形態は、読み出し周波数を高くし、ひいては測定性能を向上させることができ、更に(例えば、フィルタリングを経て)多重出力信号同士の結合を可能にすることにより、同相モードノイズを減少させ、信号対雑音比を増大させるということの実現を更に容易にする。   Thus, such an embodiment of the present invention can increase the readout frequency, and thus improve the measurement performance, and further by allowing (eg, via filtering) the coupling of multiple output signals, Reducing common-mode noise and increasing the signal-to-noise ratio further facilitates the realization.

タイミング回路構成は、第一の事象と第一の事象に対する時間遅延とによって規定される遷移時間に第一の測定状態から第二の測定状態に遷移するように感知素子を制御する少なくとも第一の遅延素子を有利に備えてもよい。第一の遅延素子は、第一の事象を規定する第一の信号を受信する入力と、第一の測定状態から第二の測定状態への遷移を規定する第二の信号を供給する出力と、を有する。   The timing circuitry is configured to control the sensing element to transition from the first measurement state to the second measurement state at a transition time defined by a first event and a time delay for the first event. A delay element may be advantageously provided. The first delay element has an input for receiving a first signal defining a first event, and an output for providing a second signal defining a transition from a first measurement state to a second measurement state. And

第一の信号は時間的に変化する電圧であってもよく、第一の事象は、例として、第一の信号の立ち上がり面又は立ち下がり面によって規定されてもよい。   The first signal may be a time-varying voltage, and the first event may be defined by, for example, a rising or falling surface of the first signal.

第一の信号は感知素子の内部で生成されてもよく、あるいは、種々の実施形態によれば、感知素子の外部で生成され、起動信号又は選択信号などと称されることがある信号として供給されてもよい。   The first signal may be generated internally to the sensing element, or, according to various embodiments, generated externally to the sensing element and provided as a signal, which may be referred to as an activation signal or a selection signal, or the like. May be done.

第二の信号は、第一の信号の遅延バージョンとしてもよい。しかし、遅延以外の変換を第一の信号に付与して第二の信号を形成してもよいことを理解すべきである。例として、第一の信号を、追加的に増幅及び/又は減衰及び/又は反転して第二の信号を形成してもよい。   The second signal may be a delayed version of the first signal. However, it should be understood that transformations other than delay may be applied to the first signal to form the second signal. By way of example, the first signal may be additionally amplified and / or attenuated and / or inverted to form a second signal.

第一の遅延素子は、一つ以上の論理ゲートのような半導体回路構成を有利に備えてもよい。   The first delay element may advantageously comprise a semiconductor circuit configuration such as one or more logic gates.

本発明の種々の実施形態による容量性指紋感知システムは、電子装置に有利に含まれてもよい。電子装置は、処理回路構成であって、指紋パターンの表示を指紋感知装置から取得し、表示に基づいてユーザを認証し、表示に基づいてユーザが認証された場合にのみ少なくとも一つのユーザ要求処理を実施する、ように構成される処理回路構成、を更に備えてもよい。電子装置は、例えば、携帯電話又はタブレットのような携帯用通信装置、コンピュータ、あるいは腕時計又はそれに類似する装置のような装着型電子部品であってもよい。   A capacitive fingerprint sensing system according to various embodiments of the present invention may be advantageously included in an electronic device. The electronic device is a processing circuit configuration, wherein the electronic device obtains a display of the fingerprint pattern from the fingerprint sensing device, authenticates the user based on the display, and performs at least one user request process only when the user is authenticated based on the display. May be further provided. The electronic device may be, for example, a portable communication device such as a mobile phone or tablet, a computer, or a wearable electronic component such as a watch or similar device.

本発明の第二の態様によれば、励起信号供給回路構成と複数の感知素子とを備える容量性指紋感知システムを用いて指の指紋パターンを感知する方法が提供される。各感知素子は、指が接触する対象である保護誘電最上層と、最上層の下に配置される導電性感知構造と、感知構造に接続されて、指と感知構造との間の電位差の変化に起因して感知構造が帯びる電荷に生じる変化を示す感知信号を供給する、感知回路構成と、を含む。この方法は、励起信号供給回路構成を用いて、励起信号を指及び感知構造の少なくともいずれかに供給し、指と感知構造との間の時間的に変化する電位差を提供する工程と、指紋感知システムによって、励起信号とタイミングに関して関係のある復調信号を供給する工程と、指紋感知システムによって、復調信号と感知信号を結合して、感知構造が帯びる電荷の変化を示すDC信号成分を含む結合信号を供給する工程と、感知素子の外部の読み出し回路構成を用いて、感知素子のそれぞれからのDC信号成分に基づいて指紋パターンの表示を供給する工程と、を含む。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for sensing a fingerprint pattern of a finger using a capacitive fingerprint sensing system including an excitation signal supply circuit configuration and a plurality of sensing elements. Each sensing element is connected to the sensing structure and a change in potential difference between the finger and the sensing structure. Providing a sensing signal indicative of a change in charge carried by the sensing structure due to the sensing circuitry. The method includes using an excitation signal supply circuitry to provide an excitation signal to a finger and / or a sensing structure to provide a time-varying potential difference between the finger and the sensing structure. Providing a demodulated signal that is timing related to the excitation signal by the system and combining the demodulated signal and the sense signal by the fingerprint sensing system to include a DC signal component indicative of a change in charge carried by the sensing structure. Supplying a fingerprint pattern based on DC signal components from each of the sensing elements using a readout circuit configuration external to the sensing elements.

本発明の上記以外の実施形態及び本発明の第二の態様から得られる効果は、本発明の第一の態様に対するこれまでの記載と大部分類似している。   Effects obtained from the other embodiments of the present invention and the second aspect of the present invention are largely similar to those described above for the first aspect of the present invention.

要約すれば、本発明は、励起信号供給回路構成と複数の感知素子とを備える容量性指紋感知システムに関する。各感知素子は、保護誘電最上層と、励起信号に結合された導電性感知構造であって、指と感知構造との間の電位差の変化に起因して感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給する導電性感知構造と、感知回路構成に接続されて、感知信号と励起信号にタイミング的に関係する復調信号とに結合して、感知構造が帯びる電荷の変化を示すDC信号成分を含む結合信号を供給する復調回路構成と、を含む。指紋感知システムは、感知素子のそれぞれに接続されて、感知素子のそれぞれからのDC信号成分に基づいて指紋パターンの表示を提供する読み出し回路構成、を更に備える。   In summary, the present invention relates to a capacitive fingerprint sensing system comprising an excitation signal supply circuit configuration and a plurality of sensing elements. Each sensing element is a protective dielectric top layer and a conductive sensing structure coupled to the excitation signal, the sensing element exhibiting a change in charge carried by the sensing structure due to a change in potential difference between the finger and the sensing structure. A conductive sensing structure for providing a signal; and a DC signal component coupled to the sensing circuitry and coupled to the sensing signal and the demodulated signal timingly related to the excitation signal to indicate a change in charge carried by the sensing structure. And a demodulation circuit configuration for supplying a combined signal. The fingerprint sensing system further comprises readout circuitry connected to each of the sensing elements for providing an indication of the fingerprint pattern based on a DC signal component from each of the sensing elements.

上記の態様をはじめとする本発明の態様を、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して、更に詳細に以下に説明する。ここで、
図1は、指紋感知システムを備える携帯電話の概略図である。 図2は、図1の指紋感知システムの概略図である。 図3は、感知素子の構成と感知素子から読み出し回路構成への感知信号の伝達とを図示する回路図を用いて、先行技術による指紋感知装置の例を図示する図2の指紋感知システムの一部の概略断面図である。 図4aは、本発明の指紋感知システムの第一の実施形態を図示する図2の指紋感知システムの一部の概略断面図である。 図4bは、図4aの指紋感知装置で用いられる復調回路構成の例の回路図である。 図5a‐bは、本発明の第二の実施形態による感知システムに含まれる感知素子の概略図である。 図5a‐bは、本発明の第二の実施形態による感知システムに含まれる感知素子の概略図である。 図6は、感知回路構成及び復調回路構成を含み、図5bに示される感知素子の一部の概略回路図である。 図7は、図6の容量性指紋感知システムのための測定シーケンスの例を図示するタイミング図である。 図8は、図6の感知素子によって実行される測定シーケンスのタイミングを制御するタイミング回路構成の例の概略図である。 図9は、図8のタイミング回路構成に含まれる遅延素子の回路図である。 図10a‐bは、本発明の指紋感知システムの第三の実施形態の概略図である。 図10a‐bは、本発明の指紋感知システムの第三の実施形態の概略図である。 図11は、励起信号供給回路構成が配置され、指紋センサ要素の基準電位を上下させるように構成される実施形態の概略図である。
Aspects of the present invention, including those described above, are described in further detail below with reference to the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments of the present invention. here,
FIG. 1 is a schematic diagram of a mobile phone having a fingerprint sensing system. FIG. 2 is a schematic diagram of the fingerprint sensing system of FIG. FIG. 3 is a circuit diagram illustrating the configuration of the sensing element and the transfer of the sensing signal from the sensing element to the readout circuitry, and illustrates one example of the fingerprint sensing system of FIG. It is a schematic sectional drawing of a part. FIG. 4a is a schematic cross-sectional view of a portion of the fingerprint sensing system of FIG. 2 illustrating a first embodiment of the fingerprint sensing system of the present invention. FIG. 4B is a circuit diagram of an example of a demodulation circuit configuration used in the fingerprint sensing device of FIG. 4A. 5a-b are schematic diagrams of a sensing element included in a sensing system according to a second embodiment of the present invention. 5a-b are schematic diagrams of a sensing element included in a sensing system according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic circuit diagram of a part of the sensing element shown in FIG. 5b, including a sensing circuit configuration and a demodulation circuit configuration. FIG. 7 is a timing diagram illustrating an example of a measurement sequence for the capacitive fingerprint sensing system of FIG. FIG. 8 is a schematic diagram of an example of a timing circuit configuration for controlling the timing of a measurement sequence executed by the sensing element of FIG. FIG. 9 is a circuit diagram of a delay element included in the timing circuit configuration of FIG. 10a-b are schematic diagrams of a third embodiment of the fingerprint sensing system of the present invention. 10a-b are schematic diagrams of a third embodiment of the fingerprint sensing system of the present invention. FIG. 11 is a schematic diagram of an embodiment in which the excitation signal supply circuit configuration is arranged and configured to raise or lower the reference potential of the fingerprint sensor element.

この詳細な説明では、本発明による指紋感知装置及び指紋感知方法の種々の実施形態が容量性指紋感知装置を参照して主に説明される。この容量性指紋感知装置では、各感知素子が、励起信号又は駆動信号を感知構造に供給する励起信号供給回路構成を備える。更に、容量性指紋感知装置は、静止した指から指紋表示を獲得するように寸法が決められ構成されるタッチセンサとして図示される。   In the detailed description, various embodiments of the fingerprint sensing device and the fingerprint sensing method according to the present invention will be mainly described with reference to the capacitive fingerprint sensing device. In this capacitive fingerprint sensing device, each sensing element comprises an excitation signal supply circuit configuration for supplying an excitation signal or a drive signal to the sensing structure. Further, the capacitive fingerprint sensing device is illustrated as a touch sensor sized and configured to obtain a fingerprint display from a stationary finger.

なお、このことは、決して本発明の範囲を限定せず、例えば、指電位と感知構造電位との間の電位差の変化が、指紋感知システムを含む電子システムの基準電位に対して指紋センサ部品の局所接地レベルのような基準電位を制御することによって代わりにもたらされる容量性指紋感知システムを同じように良好に含む。動く指から指紋表示を獲得するための、いわゆるスワイプセンサ(又はラインセンサ)のような他のセンサアレイ構成もまた、添付の請求の範囲で定義されるように、本発明の範囲内である。また、タッチセンサが添付図面に図示される寸法以外の寸法を有してもよい。   Note that this does not limit the scope of the present invention in any way, for example, a change in the potential difference between the finger potential and the sensing structure potential may cause the fingerprint sensor component to fail relative to the reference potential of an electronic system including the fingerprint sensing system. It equally well includes a capacitive fingerprint sensing system that is instead provided by controlling a reference potential, such as a local ground level. Other sensor array configurations, such as so-called swipe sensors (or line sensors), for obtaining a fingerprint display from a moving finger are also within the scope of the present invention, as defined in the appended claims. Further, the touch sensor may have dimensions other than those illustrated in the accompanying drawings.

図1は、本発明の例示的実施形態による指紋感知装置の適用例を指紋感知装置2が組み込まれた携帯電話1の形態で概略的に示す。指紋感知装置2は、例えば、携帯電話1のロックを解除するため、及び/又は携帯電話を用いて実行される処理を認証するため等に用いられてもよい。   FIG. 1 schematically shows an application example of a fingerprint sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention in the form of a mobile phone 1 in which a fingerprint sensing device 2 is incorporated. The fingerprint sensing device 2 may be used, for example, to unlock the mobile phone 1 and / or authenticate a process performed using the mobile phone.

図2は、図1の携帯電話1に含まれる指紋感知装置2を概略的に示す。図2に示すように、指紋感知装置2は、センサアレイ5、電源インタフェース6及び通信インタフェース7を備える。センサアレイ5は、多数の感知素子8(図面が乱雑になるのを避けるために、一つの感知素子のみに参照記号を付して示す)を備える。感知素子8はそれぞれ、感知素子8に含まれる感知構造(天板)とセンサアレイ5の上面に接触する指の表面との距離を感知するよう制御可能である。   FIG. 2 schematically shows a fingerprint sensing device 2 included in the mobile phone 1 of FIG. As shown in FIG. 2, the fingerprint sensing device 2 includes a sensor array 5, a power supply interface 6, and a communication interface 7. The sensor array 5 includes a large number of sensing elements 8 (only one sensing element is shown with a reference number to avoid cluttering the drawing). Each of the sensing elements 8 is controllable to sense a distance between a sensing structure (top plate) included in the sensing element 8 and a surface of a finger that contacts an upper surface of the sensor array 5.

電源インタフェース6は、ここでは接着パッドとして示され、供給電圧Vsupplyを指紋センサ2に接続する第一の接触パッド10a及び第二の接触パッド10bを備える。 The power supply interface 6 comprises a first contact pad 10a and a second contact pad 10b, here shown as adhesive pads, connecting the supply voltage V supply to the fingerprint sensor 2.

通信インタフェース7は、指紋センサ2の制御を可能にし、指紋センサ2から指紋データを取得する多数の接着パッドを備える。   The communication interface 7 includes a number of adhesive pads that enable control of the fingerprint sensor 2 and obtain fingerprint data from the fingerprint sensor 2.

図3は、先行技術による指紋感知システムの一部の図2のA‐A’線による概略断面図であり、指11がセンサアレイ5の上面に置かれている。指紋感知システムは複数の感知素子8を備え、各感知素子8は、保護誘電最上層13と、ここでは保護誘電最上層13の下の金属板17の形態の導電性感知構造と、電荷増幅器18と、感知素子8の選択/起動を可能にする簡素な選択スイッチ21としてここでは機能的に図示される選択回路構成と、図3に概略的に図示するように指に励起信号を供給する励起信号供給回路構成19と、を備える。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a part of a fingerprint sensing system according to the prior art, taken along line A-A ′ of FIG. 2, wherein a finger 11 is placed on the upper surface of the sensor array 5. The fingerprint sensing system comprises a plurality of sensing elements 8, each sensing element 8 comprising a protective dielectric top layer 13, a conductive sensing structure here in the form of a metal plate 17 under the protection dielectric top layer 13, and a charge amplifier 18. And a selection circuit configuration, here functionally illustrated as a simple selection switch 21 enabling selection / activation of the sensing element 8, and an excitation for supplying an excitation signal to the finger as schematically illustrated in FIG. And a signal supply circuit configuration 19.

電荷増幅器18は、感知構造17に接続される第一の入力(負の入力)25と、励起信号供給回路構成19に接続される第二の入力(正の入力)26と、出力27と、を有する演算増幅器(オペアンプ)24としてここでは概略的に図示される少なくとも一つの増幅器段を備える。更に、電荷増幅器18は、第一の入力25と出力27との間に接続される帰還コンデンサ29と、ここではスイッチ30として機能的に図示され、帰還コンデンサ29の放電を制御可能にするリセット回路構成と、を備える。電荷増幅器18は、帰還コンデンサ29が放電するようにリセット回路構成30を動作させることによってリセットされてもよい。   Charge amplifier 18 has a first input (negative input) 25 connected to sensing structure 17, a second input (positive input) 26 connected to excitation signal supply circuitry 19, and an output 27. It comprises at least one amplifier stage, schematically shown here as an operational amplifier (op-amp) 24 having Furthermore, the charge amplifier 18 comprises a feedback capacitor 29 connected between the first input 25 and the output 27, and a reset circuit, functionally shown here as a switch 30, enabling control of the discharge of the feedback capacitor 29. And a configuration. Charge amplifier 18 may be reset by operating reset circuitry 30 so that feedback capacitor 29 discharges.

オペアンプ24にはよくあることであるが、第一の入力25での電圧は、第二の入力26に印加される電圧に追従する。特定の増幅器構成によっては、第一の入力25での電位は第二の入力26での電位と実質的に同一であるか、第一の入力25での電位と第二の入力26での電位との間に実質的に固定されたオフセットがあってもよい。   As is common with op amps 24, the voltage at first input 25 tracks the voltage applied to second input 26. Depending on the particular amplifier configuration, the potential at the first input 25 is substantially the same as the potential at the second input 26, or the potential at the first input 25 and the potential at the second input 26. And there may be a substantially fixed offset between them.

時間的に変化する電位を指11に供給することによって、感知構造17と指11との間に時間的に変化する電位差が生じる。   By providing the finger 11 with a time-varying potential, a time-varying potential difference is created between the sensing structure 17 and the finger 11.

更に詳細に以下に記載するように、指11と参照構造17との間の電位差の上記変化によって、電荷増幅器18の出力27に感知信号Vsが生じる。 As described below in more detail, by the potential difference of the change between the reference structure 17 and the finger 11, the sensing signal V s is produced at the output 27 of the charge amplifier 18.

指示された感知素子8が感知のために選択されると、選択スイッチ21は閉じられて電荷増幅器の出力を読み出しライン33に接続する。図2のセンサアレイ5の行又は列のための共通読み出しラインであってもよい読み出しライン33は、マルチプレクサ36に接続されるように図3に示される。図3に概略的に示すように、センサアレイ5の他の行/列から感知信号を発する追加読み出しラインがこのほか、マルチプレクサ36に接続される。   When the indicated sensing element 8 is selected for sensing, the select switch 21 is closed and connects the output of the charge amplifier to the readout line 33. A read line 33, which may be a common read line for a row or column of the sensor array 5 of FIG. 2, is shown in FIG. As shown schematically in FIG. 3, an additional readout line for emitting a sense signal from another row / column of the sensor array 5 is also connected to the multiplexer 36.

感知素子8からの感知信号Vsは、感知素子の配列の外側に配列されるサンプルホールド回路構成37によって復調される。サンプルホールド回路構成37の出力は、サンプルホールド回路構成によって出力されるアナログDC電圧信号を指11の指紋パターンのデジタル表示に変換するアナログ・デジタル変換器38に接続される。 The sensing signal V s from the sensing element 8 is demodulated by a sample and hold circuitry 37 arranged outside the array of sensing elements. The output of the sample and hold circuitry 37 is connected to an analog to digital converter 38 that converts the analog DC voltage signal output by the sample and hold circuitry to a digital representation of the fingerprint pattern of the finger 11.

図3に概略的に示すように、読み出しライン33とアース端子との間に寄生容量Cpがある。感知信号Vsを読み出しライン33に沿って伝送する場合、読み出しライン33を駆動して寄生容量Cpに対して電位を上下させるのに一定の電流が必要とされる。この電流は周波数に依存する。既知の容量性指紋感知装置で用いられるほぼ1MHz程度の読み出し周波数を用いると、読み出しラインの寄生容量による電力消費量は、寄生容量がほぼ1pF程度になるように感知装置が適切に設計されているのであれば、受け入れ可能であると考えられる。しかし、読み出し周波数がおよそ20MHz以上に大幅に上昇した場合には、寄生容量Cpによる電力消費量は相当なものになるであろう。 As shown schematically in Figure 3, there is a parasitic capacitance C p between the read line 33 and the ground terminal. When transmitting along the read line 33 the sensing signal V s, is required constant current to raise and lower the potential to parasitic capacitance C p and drives the read line 33. This current is frequency dependent. Using a read frequency of approximately 1 MHz used in known capacitive fingerprint sensing devices, the sensing device is appropriately designed such that the parasitic capacitance of the read line is approximately 1 pF in power consumption. If so, it is considered acceptable. However, when the read frequency is greatly increased above about 20MHz, the power consumption by the parasitic capacitance C p would be substantial.

本発明の種々の実施形態では、読み出しライン33の寄生容量に起因する上記の電流消費を増大させることなく、読み出し周波数を増大させることができる。   In various embodiments of the present invention, the read frequency can be increased without increasing the current consumption due to the parasitic capacitance of the read line 33.

ここで、本発明の指紋感知システムの第一の実施形態を図4a及び図4bを参照して説明する。   Here, a first embodiment of the fingerprint sensing system of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.

図4aの指紋感知システムは、励起信号供給回路構成19が感知構造17に連結される点と、各感知素子がここでは復調器31の形態の復調回路構成と復調信号供給回路構成32とを更に備える点とで、図3を参照して記載されたものと主に異なる。   The fingerprint sensing system of FIG. 4 a further comprises the point that the excitation signal supply circuit 19 is connected to the sensing structure 17, and that each sensing element comprises a demodulation circuit arrangement in the form of a demodulator 31 here and a demodulation signal supply circuit arrangement 32. It differs from that described with reference to FIG. 3 mainly in that it is provided.

指11は、「接地」されている状態が図4aに概略的に示されている。指「接地」はセンサ接地とは異なることがあることを理解されたい。例として、指は容量性指紋感知システムを含む電子装置の接地電位であってもよい。これとは別に、身体は、参照構造17の電位が変化するときに指の電位が実質的に一定の状態を維持するほど大きな電気的「質量」を有していると考えることができる。   The state in which the finger 11 is "grounded" is shown schematically in FIG. 4a. It should be understood that finger "ground" may be different from sensor ground. As an example, the finger may be at the ground potential of an electronic device that includes a capacitive fingerprint sensing system. Alternatively, the body can be considered to have an electrical "mass" that is so large that the potential of the finger remains substantially constant as the potential of the reference structure 17 changes.

復調信号供給回路構成32は励起信号供給回路構成19に接続されて、励起信号供給回路構成によって出力される励起信号に基づいて復調信号を供給している。復調信号はタイミングに関して励起信号に関連づけられており、ひいては電荷増幅器18によって出力される感知信号Vsにタイミングに関して関連づけられる。 The demodulation signal supply circuit configuration 32 is connected to the excitation signal supply circuit configuration 19 and supplies a demodulation signal based on the excitation signal output by the excitation signal supply circuit configuration. Demodulated signal is associated with the excitation signal with respect to timing, associated with respect to the timing to the sensing signal V s output by thus charge amplifier 18.

復調器31は電荷増幅器18の出力27と復調信号供給回路構成32とに接続されて、感知信号を復調信号に結合して、指11の電位と感知構造17の電位との間の電位差の度重なる変化に起因して感知構造17が帯びる電荷に生じる上記の変化を示すDC信号成分を含む結合信号を発する。   The demodulator 31 is connected to the output 27 of the charge amplifier 18 and the demodulated signal supply circuitry 32 to couple the sensed signal to the demodulated signal and to determine the magnitude of the potential difference between the potential of the finger 11 and the potential of the sensing structure 17. The sensing structure 17 emits a combined signal that includes a DC signal component indicative of the above-described changes in the charge carried by the overlapping changes due to the overlapping changes.

いくつかの実施形態では、復調信号供給回路構成32を全く必要としないことがあるが、励起信号は感知信号Vsとの結合のために復調器31に直接供給されてもよい。他の実施形態では、復調信号供給回路構成は、励起信号に対するタイミング関係を有する一つ又はいくつかの復調信号を生成してもよい。二重サンプラの形態の復調器に対するサンプリング制御信号を生成するタイミング回路構成の形態の復調信号供給回路構成32の一例を、図5a、図5b、図6、図7及び図8を参照して以下で更に説明する。 In some embodiments, it may not require any demodulation signal supply circuitry 32, the excitation signal may be supplied directly to the demodulator 31 for coupling the sensing signal V s. In other embodiments, the demodulated signal supply circuitry may generate one or several demodulated signals having a timing relationship to the excitation signal. An example of a demodulation signal supply circuit configuration 32 in the form of a timing circuit configuration for generating a sampling control signal for a demodulator in the form of a double sampler will be described below with reference to FIGS. 5a, 5b, 6, 6, 7 and 8. This will be further described below.

感知素子8の構成及び励起信号の波形によっては、復調器31は、当業者に知られている様々な方法で実装されてもよい。原則として、AM復調のために開発された適切なミキサまたは復調器はいずれも、本発明による指紋感知システムの感知素子での使用に適合するものであってもよい。   Depending on the configuration of the sensing element 8 and the waveform of the excitation signal, the demodulator 31 may be implemented in various ways known to those skilled in the art. In principle, any suitable mixer or demodulator developed for AM demodulation may be adapted for use in the sensing element of the fingerprint sensing system according to the invention.

図4bは、感知信号Vsを受信する第一の入力35と、励起信号供給回路構成19から励起信号を受信する第二の入力37と、感知構造17が帯びる電荷の変化を示し、ひいては感知構造17と指11との間の(電気的)距離を示すDC信号成分を含む結合信号を発する出力38と、を有する簡素な復調回路構成(ミキサ)31の回路図である。 FIG. 4b shows a first input 35 for receiving the sensing signal V s , a second input 37 for receiving the excitation signal from the excitation signal supply circuitry 19, and the change in charge carried by the sensing structure 17 and thus the sensing. FIG. 3 is a circuit diagram of a simple demodulation circuit arrangement (mixer) 31 having an output 38 that produces a combined signal including a DC signal component indicating the (electrical) distance between the structure 17 and the finger 11.

図5a及び図5bは、本発明の第二の実施形態による容量性指紋感知システム2に含まれる感知素子8を概略的に示す。   5a and 5b schematically show a sensing element 8 included in a capacitive fingerprint sensing system 2 according to a second embodiment of the present invention.

まず、図5aを参照すると、図2のセンサアレイ5からの一つの感知素子8がその周囲の素子とともに示される。一つ(または複数)の感知素子8であって、その感知構造と指31との間の容量結合を感知するための感知素子8は、行選択回路構成及び列選択回路構成からの起動信号を用いて選択されてもよい。そのような起動信号はR-ACT及びC-ACTとして図5aに示される。   Referring first to FIG. 5a, one sensing element 8 from the sensor array 5 of FIG. 2 is shown, along with the surrounding elements. One (or more) sensing element 8 for sensing capacitive coupling between the sensing structure and the finger 31 receives activation signals from the row selection circuit configuration and the column selection circuit configuration. And may be selected using the Such activation signals are shown in FIG. 5a as R-ACT and C-ACT.

図5bを参照すると、容量性指紋感知システム2の各感知素子8は、(図4の電荷増幅器18、励起信号供給回路構成19及び復調器31のような)感知回路構成50と、タイミング回路構成51と、を備える。   Referring to FIG. 5b, each sensing element 8 of the capacitive fingerprint sensing system 2 includes a sensing circuitry 50 (such as the charge amplifier 18, excitation signal supply circuitry 19 and demodulator 31 of FIG. 4) and a timing circuitry. 51.

感知回路構成50は、感知構造(板)17に接続されて、指11と感知構造17との間の電位差の変化に起因して感知構造17が帯びる電荷に生じる変化を測定する。この測定は、一連の測定状態を経る遷移を含む測定シーケンスを実行することによって実施される。測定シーケンスの一例を図6及び図7を参照して以下で更に詳細に説明する。感知回路構成50は、復調器によって読み出しライン33へ供給される上記の結合信号を発する出力を有する。   The sensing circuitry 50 is connected to the sensing structure (plate) 17 and measures the change in the charge carried by the sensing structure 17 due to the change in the potential difference between the finger 11 and the sensing structure 17. This measurement is performed by executing a measurement sequence that includes a transition through a series of measurement states. One example of the measurement sequence is described in more detail below with reference to FIGS. The sensing circuitry 50 has an output that emits the above combined signal provided by the demodulator to the readout line 33.

タイミング回路構成51は感知回路構成50に接続されて、測定状態の少なくとも一つのタイミングを制御する。   Timing circuitry 51 is connected to sensing circuitry 50 and controls at least one timing of the measurement state.

タイミング回路構成51は、図5bに概略的に図示するように、感知素子8の測定動作を始動させる一つ又はいくつかの制御信号を受信してもよい。例として、上記の行起動信号R-ACT及び列起動信号C-ACTはタイミング回路構成51によって受信されてもよい。その後、タイミング回路構成51は図5bの矢印によって概略的に示すように、種々のタイミング制御信号を独立して電荷測定回路構成50に供給してもよい。   The timing circuitry 51 may receive one or several control signals that trigger the measuring operation of the sensing element 8, as schematically illustrated in FIG. 5b. As an example, the row activation signal R-ACT and the column activation signal C-ACT described above may be received by the timing circuitry 51. Thereafter, timing circuitry 51 may independently supply various timing control signals to charge measurement circuitry 50, as schematically indicated by the arrows in FIG. 5b.

測定シーケンスに含まれる測定状態の少なくとも一つのタイミングのこの局所的制御を経て、測定状態間の遷移のタイミングは、更に正確及び/又は均一に制御されることから、遷移間の時間が更に短縮され、ひいては測定周波数が上昇するという効果がある。   Through this local control of at least one timing of the measurement states involved in the measurement sequence, the timing of the transitions between the measurement states is controlled more precisely and / or uniformly, so that the time between the transitions is further reduced. This has the effect of increasing the measurement frequency.

図5bの感知回路構成50の一例を図6に更に詳細に示す。タイミング回路構成51が発する制御信号(起動信号ACT、リセット信号RST、駆動制御信号DRV、第一のサンプリング制御信号S1及び第二のサンプリング制御信号S2)を図6に矢印で示す。   An example of the sensing circuitry 50 of FIG. 5b is shown in more detail in FIG. The control signals (start signal ACT, reset signal RST, drive control signal DRV, first sampling control signal S1 and second sampling control signal S2) generated by the timing circuit configuration 51 are shown by arrows in FIG.

図6の感知回路構成50は、電荷増幅器18と、ここでは制御可能電源19によって表される励起信号供給回路構成と、サンプルホールド回路構成74の形態の復調器と、を備える。   The sensing circuitry 50 of FIG. 6 includes the charge amplifier 18, an excitation signal supply circuitry represented here by the controllable power supply 19, and a demodulator in the form of a sample and hold circuitry 74.

図3の感知素子8について上記で説明したように、図6の感知回路構成50の電荷増幅器は、負の入力25、正の入力26、出力27、帰還コンデンサ29、及び増幅器24を備える。   As described above for sensing element 8 of FIG. 3, the charge amplifier of sensing circuitry 50 of FIG. 6 includes a negative input 25, a positive input 26, an output 27, a feedback capacitor 29, and an amplifier 24.

負の入力25は感知構造(板)17に接続され、出力27は感知素子8に含まれるサンプルホールド回路構成74に接続される。   Negative input 25 is connected to sensing structure (plate) 17 and output 27 is connected to sample and hold circuitry 74 included in sensing element 8.

帰還コンデンサ29は負の入力25と出力27との間に接続され、電荷増幅器18の増幅を規定する。感知素子8は、帰還コンデンサ29と並列のリセットスイッチ30を更に備える。   Feedback capacitor 29 is connected between negative input 25 and output 27 and defines the amplification of charge amplifier 18. The sensing element 8 further comprises a reset switch 30 in parallel with the feedback capacitor 29.

正の入力26は、直接接地されるか別の基準電位に接続されるのではなく、制御可能電源19に接続される。   The positive input 26 is connected to the controllable power supply 19 rather than being directly grounded or connected to another reference potential.

サンプルホールド回路構成74は、第一のサンプリングコンデンサ75、第一のサンプリングスイッチ76及び第一の出力77、第二のサンプリングコンデンサ79、第二のサンプリングスイッチ80及び第二の出力81を備える。   The sample and hold circuit configuration 74 includes a first sampling capacitor 75, a first sampling switch 76 and a first output 77, a second sampling capacitor 79, a second sampling switch 80, and a second output 81.

差動増幅器82には、第一の出力77に接続される正の入力と、サンプルホールド回路構成74の第二の出力81に接続される負の入力と、がある。差動増幅器82の出力は読み出しライン33に接続される。   Differential amplifier 82 has a positive input connected to first output 77 and a negative input connected to second output 81 of sample and hold circuitry 74. The output of the differential amplifier 82 is connected to the read line 33.

図7は、図6の感知素子8のための例示的測定シーケンスを図示する。測定シーケンスでの測定状態間の遷移を感知素子8内で局地的に制御することにより、図7に図示する測定シーケンス又は別の適切な測定シーケンスを更にかなり速く実行することができ、いっそう速い読み出し及び/又は各感知素子からの複数回の読み取りが可能になるため、測定性能が向上することになる。   FIG. 7 illustrates an exemplary measurement sequence for the sensing element 8 of FIG. By locally controlling the transitions between the measurement states in the measurement sequence within the sensing element 8, the measurement sequence illustrated in FIG. 7 or another suitable measurement sequence can be performed much faster, and even faster. Since reading and / or multiple readings from each sensing element are possible, measurement performance will be improved.

図7を参照すると、その図に示されるタイミング図は、上から下に向かって、起動信号ACT、駆動(励起)制御信号DRV、リセット信号RST、第一のサンプリング制御信号S1、及び第二のサンプリング制御信号S2を備える。   Referring to FIG. 7, the timing diagram shown in the figure is, from top to bottom, a start signal ACT, a drive (excitation) control signal DRV, a reset signal RST, a first sampling control signal S1, and a second sampling control signal S1. A sampling control signal S2 is provided.

タイミング図の下には、上記の測定シーケンスをともに形成する測定状態S0〜S9のシーケンスが概略的に示される。 Below the timing diagram, the sequence of measurement states S 0 -S 9 that together form the above measurement sequence is schematically shown.

図6の感知素子8の起動のために、感知素子8を示す行選択信号及び列選択信号が典型的に供給されてもよい。図7の簡素かつ概略的なタイミング図では、そのような選択信号を単一の起動信号ACTによって表す。   To activate the sensing element 8 of FIG. 6, a row select signal and a column select signal indicative of the sense element 8 may typically be provided. In the simplified and schematic timing diagram of FIG. 7, such a selection signal is represented by a single activation signal ACT.

第一の時間t1では、感知素子8は起動信号ACTの低から高への遷移によって起動される。これは、例えば、増幅器39の起動にまで及んでもよい。時間t1と実質的に同一の時点では、タイミング回路構成51によって励起信号供給回路構成19に供給される駆動(励起)制御信号DRVは低から高へ向かうように制御される。 In t 1 the first time, the sensing element 8 is activated by a low-to-high transition of the activation signal ACT. This may extend, for example, to the activation of the amplifier 39. At substantially the same point in time as time t 1 , the drive (excitation) control signal DRV provided by the timing circuitry 51 to the excitation signal supply circuitry 19 is controlled from low to high.

このため、時間t1では、測定シーケンスの「休止」状態S0から第一の測定状態S1への遷移がみられる。 Thus, at time t 1 , a transition from the “pause” state S 0 of the measurement sequence to the first measurement state S 1 is seen.

励起信号を感知構造17に印加すると、感知構造17が帯びる電荷が変化することになる。電荷増幅器の出力が安定することが可能になるある程度の時間が経過したのち、時間t2にリセット信号RSTを供給してリセットスイッチ30を閉じることにより、帰還コンデンサを放電し、電荷増幅器18の出力27での電位の基準を感知構造(板)17の電位とする。 When an excitation signal is applied to the sensing structure 17, the charge carried by the sensing structure 17 will change. After a lapse of a certain period of time at which the output of the charge amplifier can be stabilized, a reset signal RST is supplied at time t 2 to close the reset switch 30, thereby discharging the feedback capacitor and causing the output of the charge amplifier 18 to output. The reference of the potential at 27 is the potential of the sensing structure (plate) 17.

リセット信号の第一の立ち上がりを設けることにより、第一の測定状態S1から第二の測定状態S2(リセット状態)に遷移する。 By providing the first rising edge of the reset signal transitions from the first measurement state S 1 to the second measurement state S 2 (reset state).

リセットスイッチ30は時間t3で解除(再度開放を許可)され、これにより、第三の測定状態S3(測定レディ状態)に遷移する。 The reset switch 30 is released (permitted to be opened again) at time t 3 , thereby transiting to the third measurement state S 3 (measurement ready state).

時間t4では、第四の測定状態S4への遷移が認められる。ここでは、第一のサンプリング制御信号S1が低から高に変わり、電荷増幅器18の出力27での感知信号をサンプリングするようにサンプルホールド回路41を制御する。 At time t 4 , a transition to the fourth measurement state S 4 is recognized. Here, the sample-and-hold circuit 41 is controlled so that the first sampling control signal S1 changes from low to high, and the sensing signal at the output 27 of the charge amplifier 18 is sampled.

時間t5では、第五の測定状態S5への遷移が認められ、第一のサンプリング制御信号S1が高から低に変わる。 At time t 5, the transition to the fifth measurement state S 5 is observed, the first sampling control signal S1 is changed from high to low.

次に、時間t6では、駆動信号DRVは高から低に変わり、指11と感知構造17との間の電位差を変化させる。これは、図7に概略的に示すように、第六の測定状態S6への遷移でもある。 Next, at time t 6 , the drive signal DRV changes from high to low, changing the potential difference between the finger 11 and the sensing structure 17. This is because, as shown schematically in Figure 7 is also a transition to a sixth measurement state S 6.

時間t7では、第七の測定状態S7への遷移が認められる。ここでは、第二のサンプリング制御信号S2は低から高に変わり、電荷増幅器18の出力27での感知信号を二度サンプリングするようにサンプルホールド回路74を制御する。 At time t 7, the transition to the seventh measurement state S 7 is observed. Here, the second sampling control signal S2 changes from low to high, and controls the sample and hold circuit 74 to sample the sensing signal at the output 27 of the charge amplifier 18 twice.

時間t8では、第二のサンプリング制御信号S2が高から低に変わる第八の測定状態S8への遷移がみられる。 At time t 8 , there is a transition to the eighth measurement state S 8 where the second sampling control signal S2 changes from high to low.

最後に、時間t9では、第九の測定状態S9への遷移がみられる。ここでは、感知素子8は停止され、駆動信号DRVが再度低から高に変わる。第九の測定状態S9は初期の「休止」状態S0と同一である。 Finally, at time t 9, the transition to the ninth measurement state S 9 can be seen. Here, the sensing element 8 is stopped and the drive signal DRV changes from low to high again. Ninth measurement state S 9 is the same as the "dormant" state S 0 of the initial.

電荷測定回路構成50は、図6の矢印によって概略的に示すように、上記の各種制御信号(起動信号ACT、リセット信号RST、駆動制御信号DRV、第一のサンプリング制御信号S1及び第二のサンプリング制御信号S2)を用いて図7を参照して上記で説明した測定シーケンスを実行するように制御される。図4を参照して記載される測定シーケンスが実行されている場合、サンプルホールド回路74の第一の出力77と第二の出力81との間の電位差は、感知構造17と指11との間の容量結合を示すであろう。この電位差は差動増幅器82を介して出力ライン33に提供される。   The charge measurement circuit configuration 50 includes the various control signals (the start signal ACT, the reset signal RST, the drive control signal DRV, the first sampling control signal S1, and the second sampling signal) as schematically indicated by arrows in FIG. The control signal S2) is controlled to execute the measurement sequence described above with reference to FIG. If the measurement sequence described with reference to FIG. 4 is being performed, the potential difference between the first output 77 and the second output 81 of the sample and hold circuit 74 will be between the sensing structure 17 and the finger 11. Will be shown. This potential difference is provided to the output line 33 via the differential amplifier 82.

上記の例示的実施形態では、復調回路構成はサンプルホールド回路74によって形成され、電荷の変化を示すDC信号成分は、電荷増幅器18の出力27での感知信号をサンプリング制御信号S1及びS2に結合することによって提供される。サンプリング制御信号は励起信号とタイミングに関して関連づけられ、タイミング回路51の形態の復調信号供給回路構成によって生成される。   In the above exemplary embodiment, the demodulation circuitry is formed by the sample and hold circuit 74, and the DC signal component indicative of the change in charge couples the sense signal at the output 27 of the charge amplifier 18 to the sampling control signals S1 and S2. Provided by that. The sampling control signal is timing related to the excitation signal and is generated by a demodulation signal supply circuit configuration in the form of a timing circuit 51.

なお、図6の回路図は、本発明の実施形態の説明を容易にするために簡略化されている。例として、感知素子8の出力でのレベルシフトが省略されている。もっとも、レベルシフトの実行は当業者にとって容易なことである。更に、レベルシフタの簡略な例を、図10aを参照して以下で説明する。   Note that the circuit diagram of FIG. 6 is simplified in order to facilitate the description of the embodiment of the present invention. As an example, the level shift at the output of the sensing element 8 has been omitted. However, performing a level shift is easy for those skilled in the art. Further, a simple example of a level shifter is described below with reference to FIG.

図8を参照して、図5bのタイミング回路51の例示的構成をここで説明する。図6bに示すように、タイミング回路51は、第一のANDゲート83、第一の遅延素子84、第二の遅延素子85、第二のANDゲート86、第一のインバータ87、第三の遅延素子88、第四の遅延素子89、第三のANDゲート90、第二のインバータ91、第五の遅延素子92、第六の遅延素子93、第四のANDゲート94、第三のインバータ95、第七の遅延素子96、第八の遅延素子97、第五のANDゲート98、及び第四のインバータ99を備える。   With reference to FIG. 8, an exemplary configuration of the timing circuit 51 of FIG. 5b will now be described. As shown in FIG. 6B, the timing circuit 51 includes a first AND gate 83, a first delay element 84, a second delay element 85, a second AND gate 86, a first inverter 87, a third delay The element 88, the fourth delay element 89, the third AND gate 90, the second inverter 91, the fifth delay element 92, the sixth delay element 93, the fourth AND gate 94, the third inverter 95, A seventh delay element 96, an eighth delay element 97, a fifth AND gate 98, and a fourth inverter 99 are provided.

図8に概略的に示すように、行起動信号R‐ACT及び列起動信号C‐ACTは第一の論理ANDゲート83に入力される。また、図6を参照すると、第一のANDゲート83の出力は、上記の起動信号ACTとして感知回路構成50の増幅器24に供給され、第一の遅延素子84の入力に供給され、第四のANDゲート94に供給される。第一の遅延素子84の出力は、第二のANDゲート86に供給され、第二の遅延素子85の入力に供給される。第二の遅延素子85の出力は、第一のインバータ87を介して第二のANDゲート86に供給され、第三の遅延素子88の入力に供給され。第三の遅延素子88の出力は、第三のANDゲート90の入力に供給され、第四の遅延素子89の入力に供給される。第四の遅延素子89の出力は、第二のインバータ91を介して第三のANDゲート90に供給され、第五の遅延素子92の入力に供給される。第五の遅延素子92の出力は第六の遅延素子93の入力に供給される。第六の遅延素子93の出力は、第三のインバータ95を介して第四のANDゲート94に供給され、第七の遅延素子96の入力に供給される。第七の遅延素子96の出力は、第八の遅延素子97の入力及び第五のANDゲート98の入力に供給される。最後に、第八の遅延素子97の出力は第四のインバータ99を介して第五のANDゲート98の入力に供給される。   As schematically shown in FIG. 8, the row activation signal R-ACT and the column activation signal C-ACT are input to a first logical AND gate 83. Referring also to FIG. 6, the output of the first AND gate 83 is supplied to the amplifier 24 of the sensing circuit arrangement 50 as the above-mentioned activation signal ACT, and is supplied to the input of the first delay element 84, The signal is supplied to an AND gate 94. The output of the first delay element 84 is supplied to a second AND gate 86, and is supplied to the input of the second delay element 85. The output of the second delay element 85 is supplied to the second AND gate 86 via the first inverter 87 and to the input of the third delay element 88. The output of the third delay element 88 is supplied to the input of the third AND gate 90 and is supplied to the input of the fourth delay element 89. The output of the fourth delay element 89 is supplied to the third AND gate 90 via the second inverter 91, and is supplied to the input of the fifth delay element 92. The output of the fifth delay element 92 is provided to the input of a sixth delay element 93. The output of the sixth delay element 93 is supplied to the fourth AND gate 94 via the third inverter 95, and is supplied to the input of the seventh delay element 96. The output of the seventh delay element 96 is provided to the input of an eighth delay element 97 and the input of a fifth AND gate 98. Finally, the output of the eighth delay element 97 is provided via a fourth inverter 99 to the input of a fifth AND gate 98.

図6の感知回路構成50及び図8のタイミング回路51を備える感知素子8が行起動信号R‐ACTも列起動信号C‐ACTも高に設定することによって選択された場合、感知素子8に対する起動信号ACTは(図7の時間t1で)高になる。第一のANDゲート83からの出力は、第一の遅延素子84を通過し、第一の時間遅延ΔT1だけ遅延し、起動信号ACTの第一の遅延バージョンを第二のANDゲート86に供給する。 When the sensing element 8 comprising the sensing circuit arrangement 50 of FIG. 6 and the timing circuit 51 of FIG. 8 is selected by setting both the row activation signal R-ACT and the column activation signal C-ACT high, the activation for the sensing element 8 is performed. The signal ACT goes high (at time t 1 in FIG. 7). The output from the first AND gate 83 passes through a first delay element 84 and is delayed by a first time delay ΔT 1 to provide a first delayed version of the activation signal ACT to a second AND gate 86. I do.

第一の時間遅延ΔT1は図7のt2‐t1に相当し、第一の測定状態S1の持続時間を規定する。 The first time delay ΔT 1 corresponds to t 2 -t 1 in FIG. 7 and defines the duration of the first measurement state S 1 .

また、第一の遅延素子84からの出力は、第二の遅延素子85の入力に提供され、遅延して起動信号ACTの第二の遅延バージョンを提供する。   Also, the output from the first delay element 84 is provided to the input of the second delay element 85 and is delayed to provide a second delayed version of the activation signal ACT.

起動信号ACTの第二の遅延バージョンは、第一のインバータ87を介して第二のANDゲート86の入力に提供され、第二のANDゲート86の出力にリセット制御信号RSTをもたらす。   A second delayed version of the activation signal ACT is provided via a first inverter 87 to the input of a second AND gate 86, providing a reset control signal RST at the output of the second AND gate 86.

第二の時間遅延ΔΤ2は、図7のt3‐t2に相当し、第二の測定状態S2(ここではリセット制御信号RSTは高)の持続時間を規定する。 The second time delay ΔΤ 2 corresponds to t 3 -t 2 in FIG. 7 and defines the duration of the second measurement state S 2 (here the reset control signal RST is high).

タイミング回路51の残りの部分は同一の方法で動作し、このとき遅延素子は図7のタイミング図に示される制御信号が達成されるように構成される。   The rest of the timing circuit 51 operates in the same way, with the delay elements being configured such that the control signals shown in the timing diagram of FIG. 7 are achieved.

このため、第三の時間遅延ΔΤ3は図7のt4‐t3に相当し、第三の測定状態S3の持続時間を規定する。第四の時間遅延ΔΤ4は図7のt5‐t4に相当し、第四の測定状態S4などの持続時間を規定する。 Therefore, the third time delay ΔΤ 3 corresponds to t 4 -t 3 in FIG. 7 and defines the duration of the third measurement state S 3 . The fourth time delay ΔΤ 4 corresponds to t 5 -t 4 in FIG. 7 and defines the duration of the fourth measurement state S 4 and the like.

なお、タイミング回路51は、遅延素子と、感知素子に含まれる電荷測定回路構成の測定状態のタイミングを局所的に制御する論理ゲートと、の併用の動作原理を図示する簡略化された例である。タイミング回路構成は、実際の実装状態によっては、信号整形及び/又はタイミングなどのための追加または他の回路構成を備えてもよい。当業者は、本明細書の記載に基づいて、不当な負担なく、タイミング回路の適切な実装を設計することができるであろう。   The timing circuit 51 is a simplified example illustrating the operating principle of the combination of a delay element and a logic gate that locally controls the timing of the measurement state of the charge measurement circuit configuration included in the sensing element. . The timing circuitry may include additional or other circuitry for signal shaping and / or timing, etc., depending on the actual implementation. Those skilled in the art will be able to design a suitable implementation of the timing circuit without undue burden based on the description herein.

なお、特定の実施形態によっては、更に少ないか追加のタイミング制御信号をタイミング回路構成51から感知回路構成50に独立して供給してもよい。   It should be noted that, depending on the particular embodiment, fewer or additional timing control signals may be provided independently from timing circuitry 51 to sensing circuitry 50.

図9は、図8のタイミング回路構成51に含まれることがある遅延素子100の説明に役立つ実例を示す。   FIG. 9 illustrates an illustrative example of a delay element 100 that may be included in the timing circuitry 51 of FIG.

遅延素子100は、第一のCMOSインバータ101と、直列に接続される第二のCMOSインバータ102と、を備える。この遅延素子の時間遅延は、遅延素子100に含まれる構成要素の寸法設定に左右されるため、遅延素子の設計時に設定できるであろう。遅延時間を更にかなり長くすることが望まれるのであれば、追加のCMOSインバータを直列に連結できる。   The delay element 100 includes a first CMOS inverter 101 and a second CMOS inverter 102 connected in series. Since the time delay of the delay element depends on the dimension setting of the components included in the delay element 100, it can be set when designing the delay element. If it is desired to further increase the delay time, additional CMOS inverters can be connected in series.

ここで、図2の指紋感知システム2の第三の実施形態を図10a及び図10bを参照して説明する。図10a及び図10bの実施形態は、感知素子8の寄生容量の影響を除去するか少なくとも大幅に減少させ、ひいては感知素子8の高周波数での動作を促進するためのものである。   Here, a third embodiment of the fingerprint sensing system 2 of FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 10A and 10B. The embodiment of FIGS. 10a and 10b is intended to eliminate or at least greatly reduce the effect of the parasitic capacitance of the sensing element 8, thus facilitating the operation of the sensing element 8 at high frequencies.

図10aは、ドープ半導体基板上に形成される図2の感知素子8の実施形態を、一部を概略構成図、一部を概略回路図として示したものである。保護誘電体層13、感知板17、遮蔽板65、及び基準板66は分解斜視図の形で概略的に示されるのに対し、電荷増幅器18はトランジスタレベル回路図の形で図示される。   FIG. 10a shows an embodiment of the sensing element 8 of FIG. 2 formed on a doped semiconductor substrate, partially in a schematic configuration diagram and partially in a schematic circuit diagram. The protective dielectric layer 13, the sensing plate 17, the shielding plate 65, and the reference plate 66 are schematically shown in an exploded perspective view, while the charge amplifier 18 is shown in a transistor level circuit diagram.

図10aに示すように、この簡略な電荷増幅器18の例は、センストランジスタ68、カスコードトランジスタ69、リセットトランジスタ30の形態のリセット回路構成、及びバイアス電流源71を備える。センストランジスタ68、カスコードトランジスタ69、及びリセットトランジスタ30はいずれも、同一のウェル73(nウェル、pウェル又はisoウェル)に形成される。   As shown in FIG. 10 a, this simple example of charge amplifier 18 includes a sense transistor 68, a cascode transistor 69, a reset circuit configuration in the form of a reset transistor 30, and a bias current source 71. The sense transistor 68, the cascode transistor 69, and the reset transistor 30 are all formed in the same well 73 (n-well, p-well, or iso-well).

図10aの部品と接続の理解を助けるため、同一の概略構成を更に抽象的なレベルで図10bにも示す。ここでは、図10aのトランジスタ回路構成は、感知板17に接続される負の入力25と、ここではパルス発生器の形態である励起信号供給回路構成19に接続される正の入力26と、指11と感知板17との間の電位差の変化に起因して感知板17が帯びる電荷に生じる変化を示す感知信号Vsを発する出力27と、を有する電荷増幅器を表す一般的な記号に置き換えられる。上記で説明したように、指11と感知板17との間の電位差の変化は、パルス発生器19が電荷増幅器を介して感知板17に印加する電位が変化することに起因するものである。感知板17及び基準板66によって形成される帰還コンデンサを電荷増幅器の負の入力25と出力27との間に接続する。なお、電荷増幅器の一般的な機能性は、当業者には周知のことである。図10bはこのほか、ウェル73が励起信号供給回路構成19に接続される状態を概略的に示す。 The same schematic configuration is also shown at a more abstract level in FIG. 10b to aid in understanding the components and connections of FIG. 10a. Here, the transistor circuit arrangement of FIG. 10a comprises a negative input 25 connected to the sensing plate 17 and a positive input 26 connected to an excitation signal supply circuit 19, here in the form of a pulse generator, is replaced with a general symbol representing charge amplifier having an output 27 for emitting a sensing signal V s indicating the changes occurring to the electric charge is sensed plate 17 tinged due to a change in potential difference between the 11 and the sensing plate 17 . As described above, the change in the potential difference between the finger 11 and the sensing plate 17 is caused by a change in the potential applied by the pulse generator 19 to the sensing plate 17 via the charge amplifier. The feedback capacitor formed by the sense plate 17 and the reference plate 66 is connected between the negative input 25 and the output 27 of the charge amplifier. The general functionality of a charge amplifier is well known to those skilled in the art. FIG. 10 b schematically shows the well 73 connected to the excitation signal supply circuit configuration 19.

図10aに戻ると、センストランジスタ68のゲートが電荷増幅器の負の入力25を構成し、センストランジスタ68のソースが電荷増幅器の正の入力26を構成することがわかる。電荷増幅器の正の入力26は遮蔽板65に接続され、ひいてはセンストランジスタ68が形成されるウェル73に接続され、パルス発生器19に接続される。   Returning to FIG. 10a, it can be seen that the gate of the sense transistor 68 comprises the negative input 25 of the charge amplifier and the source of the sense transistor 68 comprises the positive input 26 of the charge amplifier. The positive input 26 of the charge amplifier is connected to the shielding plate 65, and thus to the well 73 in which the sense transistor 68 is formed, and to the pulse generator 19.

感知素子8は、駆動トランジスタ75、駆動制御スイッチ76、及びリセット制御スイッチ77を更に備える。駆動制御スイッチ76は、駆動トランジスタ75のゲートがパルス発生器19に接続される第一の状態と駆動トランジスタ75のゲートがセンサ接地に接続される第二の状態との間で制御可能である。駆動制御スイッチ76がその第一の状態にある場合、駆動トランジスタ75は通電状態であるため、感知構造17をパルス発生器19に直接接続するであろう。駆動制御スイッチがその第二の状態にある場合、駆動トランジスタ75は非通電状態になるであろう。このため、後者の場合、駆動トランジスタ75を経て感知構造17とパルス発生器19とが直接接続されることはないであろう。図10aに示すように、駆動トランジスタ75はウェル73に形成される。バイアス電流源71は、感知素子内かセンサアレイ5の外側に設置可能である。   The sensing element 8 further includes a drive transistor 75, a drive control switch 76, and a reset control switch 77. The drive control switch 76 is controllable between a first state in which the gate of the drive transistor 75 is connected to the pulse generator 19 and a second state in which the gate of the drive transistor 75 is connected to the sensor ground. When the drive control switch 76 is in its first state, the drive transistor 75 will be energized and will connect the sensing structure 17 directly to the pulse generator 19. If the drive control switch is in its second state, drive transistor 75 will be in a de-energized state. Thus, in the latter case, there will not be a direct connection between the sensing structure 17 and the pulse generator 19 via the driving transistor 75. As shown in FIG. 10A, the driving transistor 75 is formed in the well 73. The bias current source 71 can be installed inside the sensing element or outside the sensor array 5.

同じように、リセット制御スイッチ77は、リセットトランジスタ30が非通電状態であって感知板17とフィードバック板66との間に電位差が生じる第一の状態と、リセットトランジスタ30が通電状態であって感知板17の電位とフィードバック板66の電位が等しくなる第二の状態と、の間で制御可能である。   Similarly, the reset control switch 77 detects the first state in which the reset transistor 30 is in the non-conductive state and a potential difference occurs between the sensing plate 17 and the feedback plate 66, and the reset state in which the reset transistor 30 is in the conductive state. Control is possible between the potential of the plate 17 and a second state in which the potential of the feedback plate 66 is equal.

図10aを参照すると、感知素子8は、簡略なレベルシフタと、図6を参照して上記で説明したようなサンプラの形態の復調回路構成31と、を更に備える。   Referring to FIG. 10a, the sensing element 8 further comprises a simple level shifter and a demodulation circuit configuration 31 in the form of a sampler as described above with reference to FIG.

レベルシフタは、トランジスタ105、第一のレジスタ106、及び第二のレジスタ107を備え、まず、電荷増幅器の出力27での感知信号を電流に変換し、その後この電流を、ここではセンサ接地を基準とする電圧に戻すことによって動作する。   The level shifter comprises a transistor 105, a first register 106, and a second register 107, first converting the sensed signal at the output 27 of the charge amplifier into a current, which is then referenced to a sensor ground, here. It operates by returning to a voltage that does.

図10aの感知素子8の構成を経て、内部寄生容量Cp1及びCp3の影響は、除去されるか少なくとも大幅に軽減される。更に、隣接する感知構造を駆動すると、隣接する感知板同士の間の寄生容量の影響を除去するか少なくとも大幅に軽減するであろう。 Through the configuration of the sensing element 8 of FIG. 10a, the effects of the internal parasitic capacitances C p1 and C p3 are eliminated or at least greatly reduced. Further, driving adjacent sensing structures will eliminate or at least greatly reduce the effects of parasitic capacitance between adjacent sensing plates.

本発明の上記の例示的実施形態では、励起信号供給回路構成19は、指紋感知部品に含まれる状態で図示されている。上記の実施形態をはじめとする実施形態では、指紋感知システムに含まれる励起信号供給回路構成19は、指紋センサ部品の外側に代替的に設けられ、指11の電位に対して上記の第一の電位と第二の電位との間で指紋センサ部品(センサ接地)の基準電位を上下させるように配置、構成されることがあってもよい。   In the above exemplary embodiment of the present invention, the excitation signal supply circuitry 19 is illustrated as being included in a fingerprint sensing component. In the embodiments including the above embodiments, the excitation signal supply circuit configuration 19 included in the fingerprint sensing system is provided alternately outside the fingerprint sensor component, and the first signal supply circuit configuration 19 with respect to the potential of the finger 11 is used. The fingerprint sensor component (sensor ground) may be arranged and configured to raise and lower the reference potential of the fingerprint sensor component (sensor ground) between the potential and the second potential.

ここで、励起信号供給回路構成19を指紋センサ部品の外側に配置するというこの代替案を、図11を参照して簡潔に説明する。図11は、指紋センサ4と、ここではマイクロプロセッサの形態の処理回路構成125と、電源回路構成126と、を備える指紋感知システム2を概略的に示す。   This alternative of arranging the excitation signal supply circuitry 19 outside the fingerprint sensor component will now be briefly described with reference to FIG. FIG. 11 schematically shows a fingerprint sensing system 2 comprising a fingerprint sensor 4, a processing circuitry 125, here in the form of a microprocessor, and a power supply circuitry 126.

指紋センサ4は、図2を参照して上記でも説明したように、センサアレイ5、電源インタフェース6、及び通信インタフェース7を備える。通信インタフェース7は、例えば、SPIインタフェース(直列周辺装置インタフェース)の形態で設けられてもよい。   The fingerprint sensor 4 includes the sensor array 5, the power supply interface 6, and the communication interface 7, as described above with reference to FIG. The communication interface 7 may be provided, for example, in the form of an SPI interface (serial peripheral device interface).

マイクロプロセッサ125は、指紋データを指紋センサ4から取得し、アプリケーションの要求に応じて指紋データを加工してもよい。例として、マイクロプロセッサ125は指紋照合(確認及び/又は識別)アルゴリズムを実行してもよい。   The microprocessor 125 may acquire the fingerprint data from the fingerprint sensor 4 and process the fingerprint data according to the request of the application. By way of example, microprocessor 125 may execute a fingerprint verification (confirmation and / or identification) algorithm.

電源回路構成126は、供給電圧Vsupplyを出力するように構成されるセンサ電源127と、指紋感知システム2を含む電子装置1の基準電位DGNDに対するセンサ電源127の低電位側を変調する励起信号供給回路構成(ここでは矩形波パルス発生器19)と、を備える。 The power supply circuit configuration 126 includes a sensor power supply 127 configured to output a supply voltage V supply and an excitation signal supply that modulates a low potential side of the sensor power supply 127 with respect to a reference potential DGND of the electronic device 1 including the fingerprint sensing system 2. And a circuit configuration (here, a rectangular wave pulse generator 19).

パルス発生器は、矩形波信号の代替として、正弦波又は鋸歯状波信号などのような、任意の他の適切なパルス形状を生成してもよい。   The pulse generator may generate any other suitable pulse shape, such as a sine wave or sawtooth signal, as an alternative to a square wave signal.

センサ電源127は、指紋センサ4への電力の供給に特化したバッテリのような定電圧源の形態で設けられてもよい。これとは別に、センサ電源127は、少なくとも部分的に電源を指紋センサ4から分離する分離回路構成を備えてもよい。   The sensor power supply 127 may be provided in the form of a constant voltage source such as a battery specialized for supplying power to the fingerprint sensor 4. Alternatively, the sensor power supply 127 may include a separation circuit configuration that at least partially separates the power supply from the fingerprint sensor 4.

境界線が点線である囲み枠を用いて概略的に示すように、指紋感知システム2は、センサアレイ5とマイクロプロセッサ125との間のガルバニック分離又はレベルシフトを提供する分離回路構成129を任意追加的に含んでもよい。分離回路構成129を用いることによって、マイクロプロセッサ125は、装置接地(DGND)に対してセンサアレイ5の基準電位VLを変化させることとは関係なく動作することができる。 The fingerprint sensing system 2 optionally includes an isolation circuit 129 that provides galvanic isolation or level shifting between the sensor array 5 and the microprocessor 125, as schematically illustrated by a box with a dotted border. May be included. By using the isolation circuit configuration 129, the microprocessor 125 can operate independently of changing the reference potential VL of the sensor array 5 with respect to the device ground (DGND).

分離回路構成129は、当業者に知られている多くの異なる方法で実装可能である。例として、分離回路構成129は、オプトカプラ、コイル及び/又はコンデンサのような部品を用いて実装してもよい。ここでは別個の回路構成として示されているが、分離回路構成129は指紋センサ4又はマイクロプロセッサ125と一体的であってもよいことが理解されよう。   Isolation circuitry 129 can be implemented in many different ways known to those skilled in the art. By way of example, the isolation circuitry 129 may be implemented using components such as optocouplers, coils and / or capacitors. Although shown here as separate circuitry, it will be appreciated that the isolation circuitry 129 may be integral with the fingerprint sensor 4 or the microprocessor 125.

当業者は、本発明が決して上記の好適な実施形態に限定されるものではないことを理解している。それどころか、添付請求項に記載の範囲内で多くの修正及び変更が可能である。   Those skilled in the art understand that the present invention is in no way limited to the preferred embodiment described above. On the contrary, many modifications and variations are possible within the scope of the appended claims.

請求の範囲では、「備える」という文言は他の要素又は工程を除外するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除外するものではない。単一のプロセッサをはじめとする装置が、請求項に記載のいくつかの特徴の各種機能を発揮する可能性がある。単に特定の手段が相互に異なる従属項に記載されているというだけでは、このような手段の組み合わせを有利に用いることができないことを示すことにはならない。コンピュータプログラムを、他のハードウェアとともに、あるいはその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体に保存/分配してもよいが、ほかにも、インターネットあるいは有線又は無線電気通信システムを介してというような他の形態で分配してもよい。請求項に記載のいかなる参照符号も請求の範囲を限定するものと解釈すべきではない。   In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or steps, and the indefinite article “a” or “an” does not exclude a plurality. A single processor or other device may perform the functions of several features recited in the claims. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage. The computer program may be stored / distributed on a suitable medium, such as an optical storage medium or solid state medium provided with or as a part of other hardware, but may also be stored on the Internet or via a wired or wireless electrical device. The distribution may be performed in another form such as through a communication system. Any reference signs in the claims shall not be construed as limiting the scope.

Claims (14)

指の指紋パターンを感知する容量性指紋感知システムであって、前記容量性指紋感知システムは、
前記指の電位に対して第一の電位から第二の電位に変化し第一の電位に戻る循環変化を含み時間的に変化する励起電位を示す励起信号を供給する励起信号供給回路構成と、
複数の感知素子であって、それぞれが
前記指が接触する対象である保護誘電最上層と、
前記保護誘電最上層の下に配置される導電性感知構造であって、前記感知構造は前記励起信号供給回路構成に連結され、前記励起電位に追従して時間的に変化する感知構造電位を示す導電性感知構造において、前記第一の電位から前記第二の電位への前記励起電位の変化のそれぞれが前記指と前記感知構造との間の電位差の変化をもたらす、導電性感知構造と、
前記感知構造に接続されて、前記指と前記感知構造との間の電位差の前記変化に起因して前記感知構造が帯びる電荷の変化を示す感知信号を供給する、感知回路構成と、
前記感知回路構成に接続されて、前記感知信号と、前記励起信号の電位の変化のタイミングが復調信号の電位の変化のタイミングを決定するという方法で前記励起信号にタイミング的に関係する復調信号とを結合して、前記感知構造が帯びる電荷の前記変化を示すDC信号成分を含む結合信号を供給する復調回路構成と、
を含む複数の感知素子と、
前記感知素子のそれぞれに接続されて、前記感知素子のそれぞれからの前記DC信号成分に基づいて前記指紋パターンの表示を提供する読み出し回路構成と、
を備える容量性指紋感知システム。
A capacitive fingerprint sensing system for sensing a fingerprint pattern of a finger, wherein the capacitive fingerprint sensing system comprises:
An excitation signal supply circuit configuration that supplies an excitation signal indicating an excitation potential that changes with time, including a cyclic change returning from the first potential to the second potential with respect to the finger potential, and returning to the first potential,
A plurality of sensing elements, each of which is a protective dielectric top layer with which the finger contacts,
A conductive sensing structure disposed beneath said protective dielectric top layer, wherein the sensing structure is coupled to the excitation signal supply circuit arrangement, the sensing structure potential varying the perform additional follow in time to the excitation potential The conductive sensing structure shown, wherein each change in the excitation potential from the first potential to the second potential results in a change in a potential difference between the finger and the sensing structure;
A sensing circuit arrangement connected to the sensing structure for providing a sensing signal indicative of a change in charge carried by the sensing structure due to the change in the potential difference between the finger and the sensing structure;
Connected to the sensing circuitry, the sensing signal, and a demodulated signal timing related to the excitation signal in such a way that the timing of the change in potential of the excitation signal determines the timing of the change in potential of the demodulation signal. And a demodulation circuit arrangement for providing a combined signal comprising a DC signal component indicative of said change in charge carried by said sensing structure;
A plurality of sensing elements, including:
A readout circuitry connected to each of the sensing elements for providing an indication of the fingerprint pattern based on the DC signal component from each of the sensing elements;
A capacitive fingerprint sensing system comprising:
前記感知回路構成は、
電荷増幅器であって、
前記感知構造に接続される第一の入力と、
前記励起信号供給回路構成に接続される第二の入力と、
前記感知信号を供給する出力と、
前記第一の入力と前記出力との間に接続される帰還コンデンサと、
前記第一及び第二の入力と前記出力との間の少なくとも一つの増幅器段と、
を備える電荷増幅器、を備え、
前記電荷増幅器は、前記第一の入力での電位が前記第二の入力での電位を追従するように構成される、
請求項1に記載の容量性指紋感知システム。
The sensing circuit configuration includes:
A charge amplifier,
A first input connected to the sensing structure;
A second input connected to the excitation signal supply circuitry;
An output for providing the sensing signal;
A feedback capacitor connected between the first input and the output;
At least one amplifier stage between the first and second inputs and the output;
A charge amplifier comprising:
The charge amplifier is configured so that the potential at the first input is additionally follow the potential at the second input,
The capacitive fingerprint sensing system according to claim 1.
前記復調回路構成は、前記感知信号を前記復調信号とともに逓倍する信号逓倍回路構成を備える、請求項1又は請求項2に記載の容量性指紋感知システム。   3. The capacitive fingerprint sensing system according to claim 1, wherein the demodulation circuit configuration includes a signal multiplication circuit configuration that multiplies the sensing signal together with the demodulation signal. 4. 前記復調回路構成は、高周波化した周波数成分を除去しながら前記DC信号成分が通過できるようにするローパスフィルタを更に備える、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム。   4. The capacitive fingerprint according to claim 1, wherein the demodulation circuit configuration further includes a low-pass filter that allows the DC signal component to pass while removing a frequency component having a high frequency. 5. Sensing system. 前記感知素子のそれぞれは、10μΑより低い最大出力電流を供給するように構成される、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム。   The capacitive fingerprint sensing system according to any of the preceding claims, wherein each of the sensing elements is configured to provide a maximum output current of less than 10 μΑ. 前記容量性指紋感知システムは、前記複数の感知素子及び前記読み出し回路構成を備える指紋センサ部品を備える、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム。   6. The capacitive fingerprint sensing system according to claim 1, wherein the capacitive fingerprint sensing system includes a fingerprint sensor component including the plurality of sensing elements and the readout circuit configuration. 7. 前記指紋センサ部品は前記励起信号供給回路構成を更に備える、請求項6に記載の容量性指紋感知システム。   7. The capacitive fingerprint sensing system of claim 6, wherein said fingerprint sensor component further comprises said excitation signal supply circuitry. 前記励起信号供給回路構成は、前記指紋センサ部品から分離して配置され、前記励起信号を前記指紋センサ部品の基準電位入力に供給して前記指紋センサ部品のための基準電位を前記指の電位に対して変化させるために前記指紋センサ部品に接続される、請求項6に記載の容量性指紋感知システム。   The excitation signal supply circuit configuration is disposed separately from the fingerprint sensor component, and supplies the excitation signal to a reference potential input of the fingerprint sensor component to set a reference potential for the fingerprint sensor component to the potential of the finger. 7. The capacitive fingerprint sensing system of claim 6, wherein the capacitive fingerprint sensing system is connected to the fingerprint sensor component for changing relative thereto. 前記電荷増幅器に含まれる前記増幅器段は、前記第一の入力を構成するゲートを有するセンストランジスタを備え、
前記センストランジスタは半導体基板のウェルに形成され、前記ウェルと前記基板との間のインタフェースが、前記ウェルと前記基板との間を電流が流れるのを防ぐことができるように構成され、
前記励起信号供給回路構成は、前記ウェルに接続されて前記ウェルの電位を第三の電位から第四の電位に変化させ、前記第三の電位と前記第四の電位との間の差が前記第一の電位と前記第二の電位との間の差と等しく、これにより前記感知構造と前記ウェルとの間の寄生容量の影響を軽減する、
請求項に記載の容量性指紋感知システム
The amplifier stage included in the charge amplifier includes a sense transistor having a gate constituting the first input,
The sense transistor is formed in a well of a semiconductor substrate, and an interface between the well and the substrate is configured to prevent a current from flowing between the well and the substrate.
The excitation signal supply circuit configuration is connected to the well, changes the potential of the well from a third potential to a fourth potential, and the difference between the third potential and the fourth potential is the difference and equal properly between the first potential and said second potential, thereby to reduce the influence of parasitic capacitance between said sensing structure well,
The capacitive fingerprint sensing system according to claim 2 .
前記感知構造と前記基板との間に配置される遮蔽を更に備え、
前記励起信号供給回路構成は、前記遮蔽板に更に接続され、前記遮蔽板の電位を第五の電位から第六の電位へ変化させるように構成され、前記第五の電位と前記第六の電位との間の差が前記第一の電位と前記第二の電位との間の差と等しい、
請求項9に記載の容量性指紋感知システム
Further comprising a shielding plate disposed between the sensing structure and the substrate,
The excitation signal supply circuit configuration is further connected to the shield plate, and configured to change the potential of the shield plate from a fifth potential to a sixth potential, wherein the fifth potential and the sixth potential correct equal the difference between the difference between said first potential and said second potential between,
The capacitive fingerprint sensing system according to claim 9.
前記感知素子のそれぞれは、
前記励起信号供給回路構成に接続されたタイミング回路構成であって、
第一の励起制御信号を前記励起信号供給回路構成に供給して、第一の励起遷移時間での前記電位差の第一の変化を引き起こし、
第二の励起制御信号を前記励起信号供給回路構成に供給して、第二の励起遷移時間での前記電位差の第二の変化を引き起こす、
タイミング回路構成、
を備える、請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム
Each of the sensing elements is
A timing circuit configuration connected to the excitation signal supply circuit configuration,
Providing a first excitation control signal to the excitation signal supply circuitry to cause a first change in the potential difference at a first excitation transition time;
Supplying a second excitation control signal to the excitation signal supply circuitry to cause a second change in the potential difference at a second excitation transition time;
Timing circuit configuration,
The capacitive fingerprint sensing system according to any one of the preceding claims, comprising:
前記感知素子のそれぞれは、
帰還コンデンサを放電するように制御可能なリセット回路構成と、
前記リセット回路構成に接続されて、前記帰還コンデンサが放電されるリセット状態と、前記帰還コンデンサが充電されて前記感知構造が帯びる電荷の前記変化の測定が可能になる測定レディ状態と、の間で前記リセット回路構成を制御するタイミング回路構成と、
を更に備える、請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システム
Each of the sensing elements is
A reset circuit configuration that can be controlled to discharge the feedback capacitor,
Between a reset state, in which the feedback capacitor is discharged, connected to the reset circuitry, and a measurement ready state, in which the feedback capacitor is charged and the change in charge carried by the sensing structure is enabled. A timing circuit configuration for controlling the reset circuit configuration;
The capacitive fingerprint sensing system according to any one of claims 1 to 11, further comprising:
前記タイミング回路構成は、第一の事象と前記第一の事象に対する時間遅延とによって規定される遷移時間に第一の測定状態から第二の測定状態に遷移するように前記感知素子を制御する少なくとも第一の遅延素子を備え、
前記第一の遅延素子は、前記第一の事象を規定する第一の信号を受信する入力と、第一の測定状態から第二の測定状態への前記遷移を規定する第二の信号を供給する出力と、を有する、
請求項11又は請求項12に記載の容量性指紋感知システム
The timing circuitry controls the sensing element to transition from a first measurement state to a second measurement state at a transition time defined by a first event and a time delay for the first event. Comprising a first delay element,
The first delay element provides an input for receiving a first signal defining the first event and a second signal defining the transition from a first measurement state to a second measurement state. Having an output and
A capacitive fingerprint sensing system according to claim 11 or claim 12.
電子装置であって、
請求項1から請求項13までのいずれか一項に記載の容量性指紋感知システムと、
処理回路構成であって、
前記容量性指紋感知システムから前記指紋パターンの前記表示を取得し、
前記表示に基づいてユーザを認証し、
前記表示に基づいて前記ユーザが認証された場合にのみ少なくとも一つのユーザ要求処理を実施する、
ように構成される処理回路構成と、
を備える電子装置。
An electronic device,
14. A capacitive fingerprint sensing system according to any one of the preceding claims,
A processing circuit configuration,
Obtaining the indication of the fingerprint pattern from the capacitive fingerprint sensing system ;
Authenticate the user based on the display,
Perform at least one user request process only when the user is authenticated based on the display,
A processing circuit configuration configured as
An electronic device comprising:
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