電路實現與運作方式

我們將感測單元分成三部分來討論，即 Pixel Cell、取樣與保持電路和輸 出級電路。

4.1.1Pixel Cell

電容感測陣列是由 Pixel Cell 所組成，圖 4.4 為其架構圖，此架構是以類 似 CMOS Active Pixel Image Sensor[13]的方式達成。我們以開關切換的方式 對指紋電容 C^f充電，當 C^f充至飽和後開關打開，C^f便經由定電流源 I 放電，Vout

絕緣層(passivation layer ) Cfi

Cfa

空氣

感應極板 (metal plate ) Cf

charge

經過一段固定的時間取樣所擷取到的電壓會相對地較小，因此，若紋脊與紋溝 所對應的△t 之間差異愈大，則輸出電壓的變動範圍也會愈廣，擷取到的指紋 影像也就愈清晰。電晶體 M3 與 M4 則是用來節省動態功率消耗，因為感測陣列 在運作時只會有一列在動作，charge 訊號與 V^b偏壓是所有 cell 共用的，若沒 有加上電晶體 M³與 M⁴，則其它不是正在運作的所有 cell 也會對 C^f與 C^p充放電，

浪費不少動態功率消耗。因此加上電晶體 M³與 M⁴，並分別以ROW 和ROW訊號 做控制，只有被選到的那一列 cell 內的電容充放電路徑才會被導通，其它的則 形同開路，不會有電容充放電的功率消耗。每個 cell 的輸出都是經由源級隨偶 器 M⁵當作緩衝器，再經由列選擇電晶體 M⁶接至取樣與保持電路。

charge

V

ROW ROW

圖 4.3 Pixel Cell 控制訊號時序圖

4.1.2Pixel Cell 模擬結果

利用 HSPICE 軟體進行模擬而得。以下便就模擬進行的過程進行詳述圖 4.4 為 Pixel Cell 電路的模擬點示意圖，首先我們假設 Metal 感應到不同的指紋紋

路所對應 5 組不同電容值的放電情形，分別是 30fF，60fF，90fF，120fF，150fF，

如圖 4.5 所示。

圖 4.4 Pixel Cell 電路的模擬點示意圖

圖 4.5 不同 C 對於 V^out的模擬結果

由圖 4.5 很明顯的可以看出，當感應電容值越大的時候，Pixel 的放電速度 越慢，如果在 380ns 的時候取樣，可以看出 30f 大約相對應 0.03V 而感應到最 大的 150f 大約是 1.15V，動態輸出範圍大約 1.1V。

V^b最小必須大於 MOS 的臨界電壓 V^th，雖然電容放電的時間愈久，對於後面的取 樣與保持電路可調整的範圍就愈大，但是相對地整個晶片的存取速度也會跟著 變慢。當 V^b偏壓固定後，電容的放電速度就會依照感應出的指紋電容大小不同 而定。在某一特定的時間取樣，愈大的指紋電容會因為放電速度較慢，轉換出 的電壓會愈大，如圖 4.6。

Vb=0.65V

V^b=0.65V

Vb=0.75V

(b)Vb=0.75V

圖 4.6 不同電容值的 Pixel Cell 輸出

圖 14.15 是以 V^b=0.65V 與 V^b=0.75V 分別測試不同的電容值，五條曲線中由 下至上所代表的電容值各為 30fF、60fF、90fF、120fF 與 150fF 。30fF 所代表 的意義為感應極板對地的寄生電容，指紋紋溝最小所感應出的電容可幾乎不 計，紋脊所感應出的最大電容約為 120fF，加上寄生電容可得等效電容約為 150fF。圖 14.15(a)顯示，當 V^b=0.65V 時，最大可設定的取樣等待時間 t^SH約為 160ns(600ns-440ns)，電壓輸出動態範圍約為 1.2V; 圖 14.15(b)則顯示當 V^b=0.75V，t^SH最大約為 270ns(970ns-600ns)，動態輸出範圍 1.2V。