[发明专利]基于AnsoftMaxwell的手指电容建模的方法

说明书

技术领域

本发明涉及指纹技术领域，具体涉及一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法。

背景技术

现有的指纹图象采集单元采用电容感应式采集原理，其主要机理是当手指放在采集器表面的时候，它会和采集器的感应极板之间产生一定的感应电容，称为手指电容。电容的大小与皮肤表面到感应极板的距离有关，利用手指指纹上的谷和脊与采集电容极板之间的距离不同，因而手指与采集极板之间形成的电容值不同，通过测量电容值的大小就可以分辨出指纹上的谷和脊，从而呈现出完整的指纹图形。因此探测手指电容的大小对于电路的设计有着至关重要的意义。

传统的测试电容的方法是在恒定电荷输入的情况下测量电压值，具体原理如下，如果电容输入端的电荷为Q，电容值为C，则输出电压为V＝Q/C，由于因此输出电压值与极板间的距离d成线性关系。由于手指的谷和脊到感应极板的距离不一样，得到的电压V值不一样。根据这一特征，采样电路将电容上的输出电压采样量化以后就可以将指纹的图像信息变成数字化的图像。

手指电容的组成比较复杂，因为在实际的芯片应用时，指纹传感器的金属感应极板并不是直接和手指接触，感应极板上会有钝化层、保护层等。因此，在采集单元电路设计时所需要的感应电容不仅仅是手指电容，而是钝化层电容、保护层电容和手指电容的并联值。由于钝化层、保护层等的相对介电常数不一样，单纯利用传统的测试电容的方法及电容的并联关系得到的感应电容值会存在误差，这样会影响电路设计，对后继处理存在严重的影响，尤其是影响指纹识别率。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本专利提供一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法。

本发明的目的是采用Ansoft Maxwell有限元仿真软件对模型进行静电场仿真计算，利用其强大的后处理功能，可以得到任意规模矩阵在确定电压、确定距离、不同手指状态下的精确电容值。

本发明计算电容值的原理为，当平行板电容两个极板相距较近时，由于电场的影响，该电容包括：两个极板构成垂直方向的平行板电容Cparallel，以及空间发射的电场从一个极板传递到另外一个极板形成的空间电容Cspace。

传统的平行板电容计算公式为：

其中，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。

平行板电容Cparallel的计算方法采用传统的平行板电容计算公式(1)。空间电容Cspace的电容模型不符合传统的平行板电容计算公式，而是采用非平行板电容器的电容计算公式。

根据电场能量和电容器的能量公式，可以求解非平行板电容器的电容计算公式。设非平行矩形板电容器A、B两极板长度为L，宽度为W，两极板间电压为U，A、B两极板延长线相交于O轴(垂直于纸面)，夹角为θ，极板两端到O轴的近、远距离分别为R1和R2，并且W＝R2-R1，其横截面如图2所示。

在A、B两极板之间，任取一体积元dV，该体积元是一个与O轴距离为r处的薄柱壳层，其厚度为dr，弧线长为rθ，极板长度为L，该体积元大小为dV＝rθLdr，根据电场能量公式得到整个非平行板电容的能量为:

根据带电电容器能量公式，可得非平行板电容Cs的计算公式为：

其中，ε_p2为两极板间空间分布多重材质的等效介电常数，θ为两极板延长线的夹角，L为两极板长度，R1和R2为两极板两端到延长线交点的近、远距离。

当θ＝180°时，两个极板成为水平共面，其电场分布及尺寸参数如图3所示，此时为当前电容极板形成的空间电容Cspace的实际物理结构。两极板延长线在两极板连线的中间位置相交，两极板间距为DH，θ为180°，R2为R1为带入公式(3)可得：

其中，Cspace为空间电容，ε_p2为两极板间空间分布多重材质的等效介电常数，DH为两极板间的距离，L为极板的长度，W为极板的宽度。

本专利的基本思路是，根据市场需求，确定指纹图像采集单元的大小，建立Ansoft Maxwell平板电容模型，利用Electrostatic求解器完成求解，完善模型之后赋予相应元件材料属性，并加上边界条件以及激励源，根据需要制定求解参数，然后设定求解规范，系统自适应求解，最后将求解结果通过后处理器显示出来。

本发明提供一种基于Ansoft Maxwell的手指电容建模的方法，包括以下步骤：