CN1134746C - 容性的图像测定方法 - Google Patents

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Abstract

采用网格状布置的导体表面来进行容性的图像测定，其中，在为测量而设的导体(2)之间总是采用了屏蔽导体(8)。在多个充电和放电周期内，为避免屏蔽电容之间的位移电流，属于各个像点的导体上的电位总是相跟随的。为使该导体上的电位产生同等的变化，譬如可以采用带有反馈运算放大器(9，10)的补偿线路。

Description

容性的图像测定方法
本发明涉及一种容性的图像测定方法，它尤其适用于借助容性测量的传感器来测定指印。
在容性的表面传感器中，譬如在指印传感器中，待测物体(例如手指的表面)和传感器之间的间距是通过导体表面(衬垫)较小的网格状装置来测量的。在指印传感器的情况下，该导体表面非常小，其尺寸约为50μm至100μm。譬如，在ISSCC97中由M.Tartagni和R.Guerrieri所著的简要论文“基于反馈容性检测方案的390dpi活性指印成像器(A 390dpi Live Fingerprint Imager Based on FeedbackCapacitive Sensing Scheme)”的第154、155和402页曾讲述过这类容性测量的指印传感器。由于相对于被测物体的电容很小，所以，譬如相对于相邻导体或相对于相关传感器的载体的寄生电容会对测试结果产生干扰作用。为了能够把小的测试信号同较大的干扰信号分离开来，需要有灵敏的放大器。包含在放大信号中的干扰信号可以直接用测试技术进行抑制，或在AD转换后通过对获取的信号进行数字处理来抑制。该措施费用较高，而且需要较高的精确度。
本发明的任务在于，给出一种容性的图像测定方法，它尤其适用于测定指印，并可以用较低的技术费用实现。
在本发明的容性的图像测定方法中：
a)需要以图像形式测定的平面被分解成网格状的像点，所述像点分配有一种导电体装置，对于每个像点，所述导电体至少包括一个测试导体和一个处于该测试导体周围的屏蔽导体，
b)需要以图像形式测定的平面被放置在测试导体的对面，这样，在像点和测试导体之间总存在一个取决于相关像点的电容，
c)在每个像点处，测试导体和屏蔽导体总是与同一个电位相接，然后又分开，
d)在每个像点处，测试导体和/或屏蔽导体上的电荷被放电到相应的积聚电容上，其中，同时对测试导体和屏蔽导体之间产生的电位差进行补偿，以及
e)重复步骤c和d，直到积聚电容上积聚的电荷至少具有一个足够的预定值，使得可以对每个积聚电容进行单独地测量。
根据本发明，采用一种由容性测量的单传感器组成的装置，所述单传感器总包括有多个导体表面，该导体表面一部分被设为测试导体，一部分被用作屏蔽导体，以便把单传感器的电容同相邻的传感器屏蔽开来。利用作为开关形式使用的晶体管，在所有导体上循环地加上一个预定的电位，而且，对于因图像引起的相对于测试导体的不同电容，由于它们而在测试导体上所积聚的电荷被排放到积聚电容上。在该过程中，由一个接入的补偿线路-在优选实施方案中它具有带反馈的比较器-来负责至少近似地均衡各导体上的电位，这样，电容上不会存在电压，所存在的充电可以只通过其它的外部电容来完成，而不必通过各导体之间的不理想的位移电流。
待测图像相对于网格中放置的导体将引起局部变化的电容，对于指印的皮肤表面便是这种情况，所述图像的表面在测试过程中与导体平面呈平行放置。于是，对应于当前图像的电容，各个测试平面将产生不同的充电。借助单传感器的电容的多次充电和放电，每次在其上积聚的电荷可以累加到一个另外的电容上，使得该电荷可以用较低的技术费用测量出来。通过所采用的电路，包括被设作护环的导体在内的各个导体按照情况始终位于相同的电位，这样，在所有导体表面之间不会产生位移电流。通过这种方法，可以利用原理上大家都已知的用于图像测定的传感装置来测定诸如指印等图像，而所述这种图像只引起极小的电容差异。
下面借助附图1至3来详细阐述本发明的方法。
图1示出了具有适用该方法的电路的单传感器线路图，
图2示出了图1所示电路的各个点上的电位图，
图3以俯视图的形式示出了适用该方法的导电体的布置。
图1用截面图示出了适用该方法的导体装置的线路图，所述导体位于两个相互共面的平面上。图像表面1的一部分(譬如指印的凸纹)位于上导体平面的测试导体2的上方。在每个单传感器内，该测试导体2被装设用来测量图像表面1和该导体平面之间的电容(图像-导体电容3)。在同一平面内，测试导体2的侧面还有其它导体作为上屏蔽导体8。在第二平面上，与测试导体2相对处分别布置有一个其它导体，该其它导体组成了下屏蔽导体7，并与上屏蔽导体8形成电连接。存在于测试导体2和上屏蔽导体8之间的屏蔽电容5以及存在于测试导体2和下屏蔽导体7之间的屏蔽电容6都是用划线示出的，这与图像-导体电容3的画法一样，其目的是为了表示在这些位置没有电容极板，而认为是电容的电路图。在该实施例中，可以如此地规定上屏蔽导体8，使得它从四周包围测试导体2。于是，图1所示的上屏蔽导体8的两部分便形成了该围绕测试导体2的屏蔽导体的断面。
另外，图1还以实施例的形式示出了可用来实现测量的相关电路。本发明的方法以如下方式来实现，即首先在图像区的每个像素中把相关导体(测试导体和屏蔽导体)置为一个确定的电位。这可利用所示的电路以如下方式来实现，即通过脉冲控制Φ1使上面所示的晶体管导通，这样，端电位VDD便被接通到所示的点S和P上，并由此接通到单传感器的导体2、7、8上。接着，通过第二脉冲控制Φ2和下面示出的两个晶体管使电荷排放到各个导体上，以便在测试导体2和两个屏蔽导体7、8之间在电路技术上大体不会出现电位差。
优选地，这可由电路部分9来实现，它负责使点Q和R处的电位始终相同。该电路部分9优选地用一种带反馈的运算放大器10构成。倘若利用脉冲控制Φ2使下面示出的晶体管导通，则同样可使电路的点P和S保持相同电位。在用于每个图像像素(即每个单传感器)的方法的一种优选实施方案中，所述电位是单独地以上述方式跟踪的，由此避免了在各导体上产生电位差。利用这种方法实现了单个测量的较高的灵敏度，因为干扰电容或杂散电容被屏蔽了，而且抑制了不理想的位移电流。此外，两个导体平面之间的电场在测试导体2的边缘处得到了均匀化。另外，下面的屏蔽导体7还为测试装置屏蔽了譬如由基片-所述装置安放在其上-所引起的寄生电容(图1中的传感器-底板电容4)。原则上，可以采用多层金属化层的任意反电极作为下面的屏蔽导体7。
测试装置在每个充电周期之后所实施的放电由积聚电容Cs来实现，在该电容上积聚电荷，直到该电容上的电荷足够多或该电容上的电压足够大，以致于它可以用较低的技术费用测量出来。按照不同的图像-导体电容3，各像点之间在导体上产生的电荷是不相同的。相应地，各像点在积聚电容Cs上积聚的电荷也是不同的，由此便可以通过确定该电荷来重构图像。
优选地，各个像点可以通过读线路LL并按矩阵式存储器的单元区的种类来控制。这种装置的费用较高。对于单传感器的网格状布置的每一行，都尤其需要运算放大器10和补偿线路LLN。
假如在测试导体2和屏蔽导体7、8之间放弃对电位差进行完全补偿，本发明的方法也可以用简化的导体结构来实现。于是，用一个电路部分9就足以进行补偿了，而且采用一个运算放大器10用于所有的读线路LL。因此，该运算放大器由所述譬如位于单元区(单传感器的网格状布置)中心的一根读线路LL进行控制。由于在充电和放电过程中的电位变化与单传感器上的该过程的平均变化是一致的，所以在每个单传感器中都能以相当好的精度进行补偿。
利用较简单的装置来实施该方法的另一种可能性在于，完全放弃通过读线路进行控制。所有读线路都通过传感器的待测电容来进行模拟，且所述电容的电荷被简单地排放到积聚电容Cs上。在多个充电和放电周期后，如果其上已积聚有足够的电荷，则可以利用测试技术来测定该电荷。最简单的补偿形式是规定一个固定的电压。对此，将电路的点Q置为一个固定电位，于是没有电路部分9也是可行的。该电位对所有的单传感器来说都是相同的。尽管补偿线路在开始时有一个极小的电压升，而在结束时有一个较大的电压升，但补偿能够平均地得到均衡。在所有单传感器具有同等补偿的所述两种情形下，可以从传感区域的边缘开始进行控制，这样可以大大减少电路费用。
图2示出了图1所示电路的各个点上的典型电位变化。放电脉冲Φ2相对于充电脉冲Φ1总有一个时间偏移。依照所进行的补偿，点P和S处的电压变化是相同的，或在采用简化电路的简化实施方法中至少是近似相同的。由于积聚电容Cs不断充电，故点P或S处的电压在放电时降至一个较低值，而且点P或S处的最小电压由此在时间过程上表现为上升。在图2中同样还示出了点R和点Q处的电位，通过补偿作用，点Q处的电位与点R处的电位是相跟随的。
图3示出了上导体平面中各个为测试而设的测试导体2的网格状布置以及位于其中的屏蔽导体8。作为另一种实施例，此处示出的该屏蔽导体8是以条状的形式位于矩阵形布置的各个缝隙11之间。为了代替该布置的各个缝隙之间的这种屏蔽，也可以按图中划线所示的范围绕着测试导体2分别装设屏蔽导体8。
本发明的方法在实施时可以与导体的准确构造无关。对此，重要的只是，对于每个像点都有一组导体，其中有一确定的导体朝向图像表面，并被装设用来进行测试，而其余的导体则被用于屏蔽作用。必须要有一个电路，利用该电路，屏蔽导体上的电位能够在测试导体充电和放电时跟踪该测试导体的电位。屏蔽导体的几何布置可以轻易地与各种需要相匹配。

Claims (3)

1.容性的图像测定方法，其中：
a)需要以图像形式测定的平面(1)被分解成网格状的像点，所述像点分配有一种导电体装置，对于每个像点，所述导电体至少包括一个测试导体(2)和一个处于该测试导体周围的屏蔽导体(7，8)，
b)需要以图像形式测定的平面(1)被放置在测试导体(2)的对面，这样，在像点和测试导体(2)之间总存在一个取决于相关像点的电容，
c)在每个像点处，测试导体(2)和屏蔽导体(7，8)总是与同一个电位相接，然后又分开，
d)在每个像点处，测试导体(2)和/或屏蔽导体(7，8)上的电荷被放电到相应的积聚电容(Cs)上，其中，同时对测试导体(2)和屏蔽导体(7，8)之间产生的电位差进行补偿，以及
e)重复步骤c和d，直到积聚电容(Cs)上积聚的电荷至少具有一个足够的预定值，使得可以对每个积聚电容进行单独地测量。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，对于所有的像点，所述各个测试导体(2)和各个屏蔽导体(7，8)之间的电位差以如下方式进行同等地补偿，即把屏蔽导体(7，8)置为相同的预定电位。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中，对于所有的像点，所述各个测试导体(2)和各个屏蔽导体(7，8)之间的电位差以如下方式单独地补偿，即让各个屏蔽导体(7，8)始终处于相同的电位，且该电位恰好为测试导体(2)上的电位。
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