基本原理

一般電容式指紋晶片主要是由電容感測陣列，讀出電路以及介面電路所組 成，同時也是必備的部份，以下將就各個部份進行更詳盡的介紹。

3.1.1 電容感測陣列

電容感測陣列乃是由一個個最基本的像素單元(Pixel Cell)所組成，如圖 3.1 所示，每一單元即代表指紋影像的一個像素，通常包含一大塊感應用的金 屬板，此感應極板是由 CMOS 製程最上層的金屬來製作。

圖 3.1 電容感測陣列

3.1.2 讀出電路

訊號讀出的方式可分為兩大類，一種是同一行的 Pixel Cell 共用一個放大 器，另一種則是在每個 Cell 內先將訊號放大後再傳送出去。第一種方式類似 DRAM 的架構，每個 Pixel Cell 就如同 DRAM 中的儲存電容，經由一個開關將電 容的變化量輸出至行放大器，但由於手指感應出的電容相當小，若是經過一段 距離再放大，線路的寄生電容對感應出的電容變化靈敏度會降低，且受到的雜 訊干擾也愈嚴重，因此目前幾乎不再使用這種方式來做讀出電路。第二種方式 則類似於 CMOS 影像感測器的主動式像素(Active Pixel)，通常包含了源極隨 耦器(Source Follower)及偏壓電晶體(Biasing Transistor)，如圖 3.2，透過 源極隨耦器進行電壓位準的平移，以便將電壓讀出，同時亦具有緩衝器(buffer) 的作用。

VSS VDD

電容感測電路

Source Follower Row_Sel

Bias For each

column

Vout Pixel Cell

圖 3.2 具源極隨耦器(Source Follower)的電壓讀出電路

除了利用源極隨耦器在 Pixel Cell 內當作輸出級，也有使用切換式電容放 大器(Switched-Capacitor)[7]的方式在每個 cell 內做放大，如圖 3.3。首先 假設開關與運算放大器都是理想的，在取樣模式時，開關 S¹與 S²關上(ON)，S³

們已可以從感應出的電容大小得到相對應的電壓訊號，然而要得到一個完整的 指紋影像，還需依照空間中的相對位置將這些電壓訊號傳送出來，並經過類比 至數位轉換後進行顯示。其中介面電路即負責將這些電壓訊號依據所要求的順 序依序傳送出來，通常可以分為列移位暫存器(row shift register)以及行移 位暫存器(column shift register)，主要在於產生所要求的時脈訊號，以控制 Pixel Cell 中的電晶體開關。此部份之設計必須搭配讀出電路時序上的要求，

且通常需要多個不同的時脈順序(clock phase)，故多半利用時序產生器(clock generator)來控制移位暫存器以達成所要求的控制電壓訊號; 而在設計時序產 生器時，除了使用邏輯電路來組合出所需的時脈外，亦可利用鎖相迴路(Phase Lock Look)來達成，然而使用鎖相迴路所需付出的代價較高。此外，有時介面 電路還會包含類比至數位轉換電路以得到數位訊號的輸出，以減輕晶片分離 (off-chip)的處理負擔以及面積與成本的提高。