基于非晶铟镓锌氧化物3T-2C像素电路的有源矩阵自容式指纹传感器阵列实现全区域多身份识别

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：a-IGZO 3T-2C Pixel Circuit-Based Active-Matrix Self-Capacitive Fingerprint Sensor Array for Full-Area Multi-Identity Recognition

　　本文报道了一种基于非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管(TFT)的3T-2C像素电路架构，成功研制出256×256有源矩阵自容式触摸-指纹传感器阵列。该研究通过TCAD和SPICE仿真验证了像素电路的触摸感应机制，制备的传感器阵列像素尺寸为85μm×85μm(298 ppi)，信噪比(SNR)超过114.40 dB。结合特定信号处理算法，实现了全区域多指纹同时识别，为新一代人机交互(HMI)界面提供了可制造的高安全性生物识别解决方案。

　　

随着物联网(IoT)时代的到来，人机交互(HMI)界面正朝着智能化、多功能集成的方向快速发展。现代电子设备不仅需要实现高质量的显示功能，还迫切需求集成触摸输入、身份识别等智能感知能力。电容触摸技术因其直观的操作体验、高耐用性和与显示技术的无缝集成优势，已成为现代HMI系统的核心组成部分。

然而，将现有系统扩展到高分辨率、大面积传感等先进应用时，研究人员面临着电路复杂性和传感性能之间的艰难权衡。传统的多晶体管像素设计虽然能提高传感精度，但在高分辨率阵列中实施时需要进行额外的制造步骤和更复杂的驱动方案，大大增加了制造成本和难度。

在这项发表于《IEEE Journal of the Electron Devices Society》的研究中，上海交通大学的研究团队提出了一种创新的解决方案——基于非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管(TFT)的3T-2C像素电路架构，成功研制出具有全区域多身份识别能力的触摸-指纹传感器阵列。

研究团队采用了一套系统的技术方法验证其设计：首先通过Silvaco VictoryProcess和VictoryDevice进行三维器件建模和电特性仿真，建立精确的a-IGZO TFT模型；利用Silvaco Smart-SPICE进行像素级电路仿真，评估触摸响应特性；在G4.5显示产线采用标准交错结构IGZO TFT工艺制造传感器阵列；开发基于FPGA的读出系统，集成20位ADC和16位DAC组件，实现10fps的全阵列扫描能力；结合高斯模糊、分水岭分割和SIFT算法实现多指纹识别。

设计与仿真验证

研究的核心是提出的3T-2C像素电路，该电路包含三个IGZO薄膜晶体管(T1、T2、T3)和两个电容器(C1、Cs)。其中T1为传感单元，T2为复位单元，T3为读出单元。C1对应扫描电极与T1栅极之间的固定电容，Cs表示复位电极与T1栅极之间的电容。

通过TCAD仿真，研究团队深入分析了触摸感应机制。触摸引起的手指电容(Cf)变化通过电荷守恒改变T1的栅极电压，从而将触觉输入转换为可测量的输出电流信号。仿真结果显示，触摸事件会导致T1的转移特性曲线发生正向偏移，且接触面积的增大会进一步降低输出电流并提高信噪比(SNR)。

SPICE电路仿真进一步验证了像素电路的瞬态响应特性。电路操作分为复位和读出两个连续阶段：复位阶段通过第N-1行扫描信号激活，T2将T1的栅极节点充电至预定义的V_int电压；随后的读出阶段通过第N行信号激活，通过激活的T3实现电流信号检测。

传感器阵列性能评估

研究团队成功制备了256×256有源矩阵触摸传感阵列，像素尺寸为85μm×85μm(298 ppi)，有效传感面积为5.29 cm2。测试采用定制FPGA读出系统，配备USB 3.0接口，可实现10fps的全阵列扫描速率。

实验结果表明，该传感器阵列能够清晰捕获指纹的脊谷结构(特征宽度50-100μm)，呈现出高对比度的拓扑映射。全区域统计分析证实了卓越的信号保真度，信噪比高达114.40 dB。这一优异性能源于IGZO TFT极低的关态漏电流，在激活状态(~105 nA)和静态(<0.2 pA)之间提供了三个数量级的区分度。

多身份识别实现

为实现多身份识别功能，研究团队开发了特定的信号处理算法，包含去噪、分割和识别三个部分。去噪操作通过高斯核模糊感知数据并二值化为二值图像，抑制表面污染和读出电路串扰带来的噪声。分割部分通过形态学处理填充指纹谷像素，然后通过分水岭算法分割得到每个捕获指纹的掩模。最后通过尺度不变特征变换(SIFT)算法将分割后的指纹与目标指纹进行匹配。

验证实验表明，在不同手指组合的七种情况下，该电容传感阵列均能正确识别多个指纹。这种硬件算法协同设计有效解决了传感区域和识别精度之间的传统权衡，通过集成背板级泄漏抑制实现微尺度电流区分，像素级并行模拟保持信号完整性，以及特征空间算法减轻机械变形伪影。

研究意义与展望

这项研究提出了一种基于a-IGZO 3T-2C像素电路的高性能电容触摸-指纹传感阵列，实现了全区域多指纹识别。通过全面的器件级TCAD仿真和像素级SPICE仿真验证了像素电路设计具有稳健的触摸区域敏感性。制备的256×256传感器阵列表现出超过114.40 dB的高信噪比，并结合先进的信号处理算法实现了全区域多指纹同时识别。

该工作为基于可制造显示TFT的电容像素电路设计奠定了基础，为集成到具有增强安全性的下一代大规模人机交互界面铺平了道路。这种简化的像素架构在保持高性能的同时显著降低了制造复杂性，为未来大面积、高分辨率生物识别系统的商业化应用提供了可行的技术路径。