第三章 電容式指紋晶片之作用原理與分析
3.2 相關設計回顧
首先我們以像素單元(Pixel Cell)的讀出方式做分類，N. D. Young, G.
Harkin 等人提出類似 DRAM 架構的讀出方式[8]，同一行的電容感測單元經由 MOS 開關接到同一個放大器，以 charge integrators 的方式把電容的變化轉成電壓 的變化，如圖 3.4 所示。
圖 3.4 類似 DRAM 的讀出電路[8]
利用列移位暫存器或列解碼器送一固定寬度脈衝至每一列的 cell，相當於 對 cell 內感應到的電容充電，下一週期再經由另一個 MOS 開關將電荷輸出至行 放大器。這種結構因為電路簡單，在同樣的解析度比較下，每個 cell 內的感應 極板會比其它讀出方式的感應極板來得大，與手指表皮所感應出的電容也就愈 大，但由於每行共用一 charge integrator，若陣列愈大，則第一列與最後一 列到 charge integrator 的距離也就差異愈大，路徑愈長寄生電容愈大，且受 到雜訊干擾的機會也愈大，致使第一列與最後一列的 cell 雖然內部感應出的電 容值一樣，最後輸出的電壓值卻不相同，因此後來的研究大多是在 cell 內就先 做轉換放大，或是每個 cell 都有各自的輸出電路，如源極隨耦器。
接著是以每個 Pixel Cell 的輸出大小來做分類，分別是 1-bit 與 8-bit 的 輸出，Pixel Cell 若是 1-bit，則最後得到的指紋影像只有黑白兩種色階，而 8-bit 則可得到 256 階的灰階指紋影像。1-bit 輸出的好處在於每個 Pixel Cell 的結果可直接經由介面電路傳回給微處理器或電腦，而不用經過類比至數位轉
提[11]，如圖 3.5 所示，以電荷守恆的原理，先將手指感應出的電容 Cs與寄生 電容 Cp1預充電(pre-charge)後，再經由開關的切換達到 Cp1、Cp2與 Cs電荷平衡 (charge sharing)的狀態，N1在平衡狀態的電壓可由下式表式:
S
門禁系統(Access Control)等將會無法勝任。目前市面上可看到的指紋晶片產 品還是以 8-bit(256 灰階)影像為主，以 ST 公司所出的指紋感測器 TCS1AD 為例 [9]，在每個 cell 內以類似 charge integrator 的方式將感應到的電容值轉成 類比的電壓訊號，經由列/行選擇器把每個 cell 的電壓依序輸出給類比至數位 轉換器。另一種較為特殊的 8-bit 方式是以非傳統的類比至數位轉換器來實 現，重點在於將每個 cell 的輸出以時間差的方式來代表感應到的電容值不同，
以 Infineon 公司所出的 FingerTIPTM為例[10]，如圖 3.6，由於感應到的指紋電 容 Cp不同，經由開關 SW1與 SW2交互切換，相當於對電容 CC不斷的充電，當 CC 電位超過 Vref，比較器的輸出會由 low 變 high。陣列每一行接一個 8-bit 的計 數器(counter)，當 SW1與 SW2開始動作時，計數器也開始計數，一直到比較器 輸入一個邏輯低(logic low)到高(logic high)的訊號時，計數器才會停止計 數，此時計數器內的數值即代表影像的灰階值。以紋溝所感應到的 Cp為例，會 較紋脊所感應到 Cp小，所以開關每次切換後對 CC充的電荷會相對的較少，亦即 需要更久的時間才會使比較器變邏輯上的高，計數器內儲存的值也會相對的更 大，灰階值也愈大，顯示出的像素也愈偏白色。這一類利用時間差的方式來取 代傳統的類比至數位轉換器好處在於，調整 Vref可改變輸出的動態範圍(dynamic range)，此動態範圍代表指紋灰階影像中最深與最淺的差距，且不需再額外設 計複雜的類比至數位轉換電路，介面電路可以更簡化，面積相對地會更小。但 由於每一個 cell 都必須經過開關切換好幾次，開關切換愈多次所造成的誤差會 愈大，且每一列至少要等到計數器數完後才可繼續感應下一列，整體擷取的速 度會相對較慢。
圖 3.6 非傳統類比-數位轉換器的電路架構[10]
上述的幾種指紋晶片的共通點都是直接將感測到的影像資訊做輸出，無任 何的影像處理技巧，然而電容式指紋晶片的缺點在前面已介紹過，容易受到外 在環境潮濕、乾燥或手汗等影響，因此有些電容式指紋晶片的研究開始著重如 何克服這些難題，這些技巧就如同指紋辨識過程中的影像前級處理，也就是所 謂的灰階影像增強。相較於一般指紋辨識系統，不同之處在於把影像處理的技 巧融合在電路設計之內，而非經由電腦中的指紋辨識軟體。指紋晶片包含影像 處理電路可分成兩種，一種是像素層次(Pixel-Level)，把影像處理的過程設計 在每個 Pixel Cell 內。另一種則是系統層次(System-Level)，影像處理的方式 是利用額外的微控制器或特殊的類比至數位轉換器實現。具有 8-bit 輸出及像 素層次影像處理技巧最具代表性的應該是 K. H. Lee 所提出[1]，其電路除了利 用屏蔽的金屬(shielded metal)來減少感應極板寄生電容的效應，並且提出一 種電容擴散網路(capacitive diffusion network)的技巧來達到灰階影像增強 的目的，如圖 3.7(a)所示，Cf為感應到的指紋電容，經由開關的切換將電荷轉 移至 Cs與擴散電容(diffusion capacitor)Cd，如圖 3.7(b)，如此便可達到如圖 3.7(c)的影像處理原理，也就是利用原始得到的電荷減去擴散處理後的電荷得 到一平均值固定的圖型，結果示於圖 3.7(d)。
(a)架構圖與時序圖 (b)運作方式
(c)運用原理 (d)結果 圖 3.7 內嵌式影像處理指紋晶片[1]
像素層次的優點在於充分利用每個 Pixel Cell 的空間，cell 的大小若以 標準的 500dpi 來算大約為 50 微米乘以 50 微米，感測電路加上影像處理技巧的 電路面積絕對足夠容納的下，且內嵌影像處理電路可以提升影像處理的速度。
然而在實際的使用狀況下，並非每次擷取指紋時都會需要做影像處理的動作，
因此就整個使用情形來看，像素層次由於每次擷取時的操作時序過多，平均擷 取一張指紋影像的速度會相對地較慢。且對於整個系統來進行考量時，像素層 次的影像處理電路功能改變較不易，而分開設計的系統層次方式則只須考慮電 容感應部份電路的輸出電壓準位，便可以直接將新設計的微控制單元與感測單 元進行整合。
利用系統層次來做影像處理的例子則為 H. Morimura 與 S. Shigematsu 提 出一種新型的類比至數位轉換器[12]，其特點為經由電容感測陣列送出不同時 間的上緣脈波來代表不同的指紋電容大小，將此上緣脈波送至一可調整參數的 計數器，其參數為計數的速度 dT 與計數前的等待時間 Tw，如圖 3.8 所示，調
圖 3.8 可調參數的非傳統式類比至數位轉換器示意圖[12]
雖然 H. Morimura 與 S. Shigematsu 所提出的[12]確實可達到系統層次的 優點，但是擷取指紋的速度太慢，會拖累整個指紋辨識系統的速度。
經由上述相關設計的優缺點分析之後，我們所採用之設計方向如下:
1.主動式的 Pixel Cell 讀出方式:
訊號在 Pixel Cell 內先放大，減少寄生電容和雜訊的影響。
2.8-bit 輸出，256 灰階度:
符合 FBI 所定之指紋影像規格。
3.搭配傳統的類比至數位轉換器:
雖然電路較複雜，但相關研究頗多，整合較為容易，速度也較快。
使用系統層次的影像處理方式:
功能改量方便，可隨不同外在環境做出最佳調整，提升整體的指紋擷取速 度。