CN102272816B - 通过降低噪声的差分通道的用于大型传感器阵列的电压读取技术 - Google Patents
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Abstract
一种有源传感器装置包括排列成多列传感器元件和多行传感器元件的传感器元件阵列。该传感器装置包括多列薄膜晶体管开关和多行薄膜晶体管开关，用于选择性启动传感器元件；以及多列薄膜二极管和多行薄膜二极管，用于选择性寻址传感器元件，以从这些传感器元件获得信息。所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管形成在一公共衬底上。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年11月5日提交的美国临时专利申请61/111,411的优先权，在此并入其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及传感器阵列，更具体地涉及有源传感器阵列以及从这些有源传感器阵列寻址并读取数据的结构。
背景技术
在大面积电子器件领域中，低成本且高性能的传感器是最重要的目标应用之一。这些传感器可用于各种获取功能，例如热测量、x射线检测以及压力传感，这些仅是其中一些例子。这些器件应用于不同领域中，包括医疗、环境、安全和工业等等。这些传感阵列的发展和商业化通常由用于构造它们的加工技术的成本以及它们的传感精度决定。因为这些传感器以大面积方式构造，所以选择一种合适技术能够在可接受的成本下获得适当水平的精度通常是比较困难的。
最具效率和精度的传感阵列基于多个有源原理。有源传感器响应给定激源量化特定物理参数。例如，有源热传感器对于给定热激源测量物体的导热率。这种类型的传感器的实例公开于授予Dinh，发明名称为“基于热传递获取指纹图像的传感器(Sensor for Acquiring a Fingerprint Image Based on HeatTransfer)”的美国专利6,091,837中(以下，称为“Dinh I”)，以及同样授予Dinh，发明名称为“用于指纹传感和其他测量的装置(Apparatus forFingerprint Sensing and Other Measurements)”的WO2006/033582A1中(以下，称为“Dinh II”)，在此并入上述两文献的全部内容作为参考。由传感器阵列中的每个传感位点测量对激源的响应。这种响应在某种程度上是所提供的激源的函数，即，激源越大，则响应越大。
诸如高性能多结晶硅(“多晶硅”)薄膜晶体管的较低成本半导体电子部件的最新进展已经能够实现降低成本的精确传感阵列。利用这种技术还能提供在与传感阵列相同的面板上集成控制电路的能力，从而进一步降低成本并增加集成度。但是，使用这些较低成本技术的一个主要缺点是：与传统的、单晶电子部件相比，它们的器件性能受限。即使最近几年材料性质已经显著提升，但是仍需进一步改进。例如，获取没有电噪声的电信号(即，具有优良信噪比的信号)是很重要的。这种信噪比最终决定系统的精度。利用多晶材料形成的薄膜晶体管器件可产生大量电噪声，特别是在利用大激源获得高响应时。这使得获得优良信噪比变得困难。
因此，需要具有提高器件性能的传感器件。
发明内容
一种有源传感器装置包括排列成多列传感器元件和多行传感器元件的传感器元件阵列。该传感器装置包括多列薄膜晶体管开关和多行薄膜晶体管开关，用于选择性启动所述传感器元件，以及多列薄膜二极管和多行薄膜二极管，用于选择性寻址所述传感器元件，以从这些传感器元件获得信息。所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管形成在一公共衬底上。
本发明还提供一种用于测量物体表面中的图案的装置，包括传感器元件阵列，该阵列包括多列传感器元件和多行传感器元件。这些传感器元件响应阵列表面上的物体的物理参数。该装置包括电流源，多列薄膜晶体管开关和多行薄膜晶体管开关，用于选择性地将所述传感器元件连接到该电流源以进行启动；以及多列薄膜二极管和多行薄膜二极管，用于选择性寻址所述传感器元件，以从传感器元件获得代表物理参数的差分信号。所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管形成在一公共衬底上。
从结合附图提供的本发明优选实施例的以下详细说明中将更好地理解本发明的上述和其他特征。
附图说明
附图示出本发明的优选实施例以及与本发明有关的其他信息，其中：
图1(a)和图1(b)示出现有技术有源传感像素；
图2示出现有技术传感阵列；
图3示出具有用于选择性偏置和读取像素位点的开关结构的现有技术传感阵列；
图4(a)是多晶硅薄膜晶体管的截面图；
图4(b)是示出多晶硅薄膜PIN二极管的形成的截面图；
图5是根据本发明具有用于选择性偏置和读取像素位点的改进开关结构的传感阵列的局部示图；
图6(a)是例如用于热指纹传感器的示例性热传感元件的示图，且图6(b)是这些热传感元件的阵列的示图；以及
图7示出构成包含本文所述的传感器件的指纹识别系统的示意性框图。
具体实施方式
本文公开的布局技术用于有源传感器阵列寻址和信号获取，其能降低TFT开关噪声的感应。本文所探讨的这种方法用于使用偏置电流激源并产生电压响应的有源传感像素。因为它们在与薄膜晶体管(TFT)开关相比时可降低噪声水平，所以在各个行线端部和列线端部适当连接的二极管用于创建差分信号通道。TFT仍用作寻址开关(即，将偏置电流分配给阵列)。差分信号通道元件和寻址开关理想地形成在相同衬底上。在一个优选实施例中，设计利用这种布局技术的指纹传感器，其能够实现更高的信噪比，因此在各种不利条件下可更精确地识别指纹。
在大面积传感器阵列(例如100mm2或者更大)中，数以千计的传感位点排列成多个行和多个列，并由水平和垂直传导轨迹接入和控制。关键在于每个位点可被独立接入，且从一个位点读取信息不受其他传感位点的影响。而且，由于空间限制，所有功能必须由最少数量的器件实现。在现有技术中，图1(a)中标记为“ns”的可开关像素用于传感位点。通过使用非线性器件像素(例如二极管D)与传感器件S(如图1(b)中所述)组合，当以阵列方式连接时，由其他传感位点提供电绝缘。这种类型的阵列公开于Dinh II中。二极管D提供绝缘/选择功能，且传感器件S用作有源传感元件。具有两终端的传感位点可共享一个水平连接(形成多条行线)和一个垂直连接(形成多条列线)。这种设置示于图2中。如果二极管D的阳极连接列线，则垂直传导轨迹提供偏置电流。当传感位点相应的列终端被偏置且其相应的行终端接地时，偏置电流流至该传感位点。
阵列可由顺序使能每列和每行的外部电路控制。这可通过如下方式实现：将偏置电流施加至垂直传导轨迹(列选择)并将水平轨迹接地(行选择)。随后，外部电路用于测量所选择列的开头和所选择行的末尾的电压信号。这种差分信号表示每个传感位点的信息，该信息可与正被传感的物理参数相互关联。
如背景技术部分所述，诸如高性能多晶硅薄膜晶体管的较低成本半导体电子部件的进展已经能够实现降低成本的精确传感阵列。这些进展还提供在与传感阵列相同的面板上集成控制电路的能力，从而进一步降低成本并增加集成度。诸如移位寄存器、解码器以及行、列开关的寻址电路由于其较低的复杂度而成为用于寻址传感器阵列的优选电路实现方式。但是使用这些较低成本技术的一个主要的缺点在于与传统单晶电子部件相比，它们的器件性能受限。薄膜多晶材料可以生产产生大量电噪声的器件。特别地，集成外部电路与用于寻址功能的阵列，例如用于上拉阵列线或下拉阵列线的TFT开关，会将噪声引入用于读取传感器的差分信号通道。一种解决方法是形成非常大的器件(例如，对于多晶TFT来说，至少4mm宽)，以形成不同的读取通道(与偏置通道相比)，但这种方法会降低产量并影响动态响应。结合图3解释这种方法。
图3示出现有技术的传感装置100，其包括由非线性传感像素“ns”形成的传感器阵列110以及周围的行、列开关电路。附图标记112表示列线，且附图标记114表示行线。每个传感位点都具有与列线112连接的列终端以及与行线114连接的行终端。框140为阵列110中的每个像素位点提供来自电流源142的激源电流。偏置电流通过TFT开关“s3”导入正确的列线112，所述TFT开关“s3”可由解码器或移位寄存器电路多路复用。当选择列112时，TFT开关s3将各个列线112连接到电流源142，由此允许激源电流流进像素位点。当不选择列时，相应的TFT开关连接到地(未示出)以将列线接地。以类似的方式，行线由TFT开关“s1”启动。在选择行线时，这些开关接地，使得电流在流过像素“ns”之后从像素位点流出。当不选择行时，相应的TFT开关“s1”将行线连接到高电位(未示出)，反向偏置连接到未选择行的像素。
提供列和行解码器150、160用于分别控制列开关模块120和行开关模块130的开关s3、s4和s1、s2。这些解码器还可采用移位寄存器的形式。
在这种现有技术的传感器100中，由与框140中的两个高阻抗节点144、146连接的差分读取电路(未示出)从阵列100检测存在于每个像素处的数据信号(即，差分电压信号)，所述高阻抗节点144、146分别通过两个大晶体管“s4”和“s2”分别连接到列线112和行线114。这种技术最适于具有可接受的器件噪声水平的标准单晶技术。
如下文所述，本发明提供一种可降低开关噪声的用于有源阵列寻址和差分信号获取的新布局技术。与多晶硅TFT相比，薄膜多晶硅二极管(特别是结合图4(b)在下文说明的PIN二极管结构)已经显示出更低的噪声水平。为此，优选实施例的布局技术包括在每条行线和每条列线的末端适当连接的二极管，用于形成获取差分信号的通道。TFT仍用作寻址开关。
图5是根据本发明的传感阵列的局部示图，其具有用于选择性偏置和读取像素位点的改进开关结构。如图5中所示，传感元件阵列210连接到列开关模块220和行开关模块230。虽然仅示出一个传感元件“NS”，但其仅用于说明目的，且应当理解阵列210包括如图3中所示的与多个传感元件NS连接以形成阵列的多个行214和多个列212。列解码器250和行解码器260分别连接到开关模块220和230，以控制TFT开关S3和S1。电流源242通过开关S3与列212连接。开关S1选择性将行214接地(当选择时)和接到高电压(当未选择时)。
在图5所示的器件中，图3中所示的开关“s2”和“s4”由二极管“d2”和“d4”取代，所述二极管也优选制造成与多晶硅TFT开关s1、s3在同一衬底上的多晶硅薄膜器件。模块240中的节点244和246不需要再作为高阻抗终端，而是用于为开关二极管“d2”和“d4”提供小偏置电流。这些电流确保二极管d2、d4处于正确工作模式。二极管的极性是至关重要的。必须适当连接二极管，以便它们在相应行214和列212被选择时正向偏置(且因此“导通”)，以及在相应行214和列212未被选择时反向偏置(且因此“截止”)。二极管d4设置为其阳极连接到节点222，且其阴极连接到终端244，以便在节点222变成高电位时，即当开关s3将列212连接到电流源242时，二极管d4被正向偏置，并且在节点222变成低电位时，即当开关s3将列212接地时，二极管d4被反向偏置。类似地，二极管d2设置为其阳极连接到终端246，且其阴极连接到节点232，以便在节点232变成低电位时，即当开关s1将行214接地时，二极管d2被正向偏置，以及在节点232变成高电位时，即当开关s1将行214连接到VSS时，二极管d2被反向偏置(且因此“截止”)。
示例性模块240通过电流源242提供偏置像素电流，以及为二极管d2和d4提供二极管偏置电流。这些电流可通过外部低噪声源提供，并通过各列中的TFT顺序导入多个列中。这种外部模块240还组合了用于差分电压读取的电路。用于差分电压读取或传感的电路在现有技术中是已知的。仅为了举例，标准仪表放大器可适用于这种功能。这种电路可提供表示像素信号到电脑或其他分析工具的模拟或数字输出。
利用图5中所示的设计，由传感元件产生的数据电压与二极管d2、d4上的电压降串联。这些电压降均为常数，且可被认为是获取信号中的偏移量。因此，它们不会影响传感操作。
在本发明的一个示例性实施例中，开关架构并入(例如Dinh I和/或Dinh II中所公开的)用于指纹扫描的有源热传感器中。手指皮肤上的脊线和谷线构成的微细图案可通过具有高分辨率的传感阵列来测定。某些传感阵列，例如Dinh I和Dinh II中所述的传感阵列利用热信号，而其他传感阵列则利用电或光信号。精度水平受到用于读取指纹图案的物理原理的限制(即光、电容、压力等等)，且大多数不能具备生物特征识别安全目的所需的精度水平。而且，在执行指纹扫描时，对诸如灰尘或湿度的环境变化的抗扰度也是重要的。
有源热传感器测量物体对于给定的热激源的导热率。这种响应由传感器阵列中的每个传感位点来测量。元件的热响应在某种程度上是所提供的热激源的函数；热激源越大，则响应越大。
在本文所述的系统中，通过将大电流(大至几毫安)强行穿过每个传感位点(像素)而产生热效应。这种热电流由电流源242提供。在图6(a)中所示的传感位点的示例性实施例中，每个传感位点由与电阻R串联的二极管D构成(如Dinh II中所示)。或者，这种位点可包括一系列二极管。图6(b)示出这些传感位点的阵列。二极管D用作选择器件，其在被选定时允许流过电流，且在被反向偏置时提供与其他传感位点的绝缘。不应将这种二极管D与二极管d2、d4混淆，所述二极管d2、d4用于形成从每个位点读取信息的差分信号通道。电阻R用作有源传感元件以及热元件。该电阻上的电压是在器件被加热时所达到的温度的函数。如果将外来物(例如指纹脊线)放在该器件附近，则某些热量将从该器件散失，且其温度在给定时间内将不会达到其最高水平。这通过该器件上的电压变化(即所测量的信号)电学反映，该电压变化通过由图5的二极管d2和d4形成的连接来读取。
薄膜多晶硅二极管已经显示了比多晶硅TFT更低的噪声水平，通过使用薄膜多晶硅二极管作为用于差分信号获取的差分信号通道中的开关元件，降低了开关噪声并提高了器件精度。在实施例中，使用这种布局技术的指纹传感器将展现更高的信噪比，且因此将能够在各种不利情况下精确地识别指纹。而且也能显著地节省空间。在图3所示的现有技术电路中，为了显著降低噪声，TFT开关s2和s4必须形成约4-5mm的长度。但是，考虑到制造产量效益，这种尺寸的TFT是不切实际的。利用图5所示的方案，可借助长度例如约100μm的二极管器件实现显著的噪声降低。在具有数百行和列的阵列中，可节省很大的面积。例如，对于10mm长的正方阵列来说，具有5mm的现有技术TFT开关将使宽度和长度额外增加50％。
仅通过举例，图4(a)是多晶硅TFT的截面图，该TFT例如公开于美国专利7,229,860中，其可用作图5中所示的多晶硅TFT开关s1、s3。如图4(a)中所示，多晶硅半导体层20形成在衬底10上，该衬底10例如由玻璃、石英或聚合物形成。半导体层20包括沟道区21、源区22和相对于沟道区21而与源区22相对的漏区24。源区22和漏区24掺杂有n型或p型杂质，并可以包括硅化物层。在该TFT中，缓冲绝缘层可设置在衬底10与半导体层20之间。
由SiO2或SiNx制成的栅绝缘膜26形成在衬底10上，从而覆盖多晶硅半导体层20。栅极28形成在栅绝缘膜26上与沟道区21相对的位置。栅线(未示出)连接到栅极28，且可设置在栅绝缘膜26上。
层间绝缘膜30形成在栅绝缘膜26上，以覆盖栅极28。栅绝缘膜26和层间绝缘膜30具有接触孔(未示出)，该接触孔暴露半导体层20的源区22和漏区24，从而容纳源极和漏极(未示出)。与源极和漏极连接的数据线(未示出)可进一步形成在层间绝缘膜30上。由SiNx、SiO2、SiOC、SiOF或有机绝缘材料制成的钝化膜40可形成在层间绝缘膜30上，从而提供物理保护、电保护和/或热传导。
为了举例，图4(b)示出薄膜多晶硅PIN二极管结构的形成，该PIN二极管结构可用于图5的差分读取通道中的二极管d2和d4。PIN二极管结构还可用于非线性传感元件中的二极管D(图6(a)/6(b))。这种二极管结构在衬底上方形成连续多晶硅层，该连续多晶硅层分成三个区域：“p”掺杂区(标记为“P区”)、本征(未掺杂)区(标记为“i”区)以及“n”掺杂区(标记为“N区”)。PIN二极管适于这种应用，这是因为它们提供优良的电流驱动和非常低的泄漏电流(即信号无损失)。而且，如图6(b)所示，它们能够容易地用CMOS多晶硅加工技术制造。为了说明怎样注入多晶硅材料以形成“p”、“i”和“n”区，示出注入掩模。例如，首先使用“n选择”注入掩模来保护不需要“n”掺杂剂的那些区域。在适当位置使用这种掩模，使得“n”掺杂剂注入多晶硅层。第二步，使用“p选择”掩模保护不需要“p”掺杂剂的那些区域。在适当位置使用这种掩模，使得p掺杂剂注入多晶硅层。通过重叠这两个掩模，限定非掺杂本征区。
图7以示意性框图形式示出具有传感器件的指纹识别系统，该传感器件在此处用框300表示。该系统包括响应该器件的传感电路的输出以提供被传感指纹的代表数据的装置，以及用于将所述代表数据与用于一个或多个指纹的已存储的代表数据进行比较的装置。以类似于由公知光学指纹传感器件中图像传感器提供的视频输出的方式提供从传感器件获得的输出。因此，对于本领域技术人员来说显而易见的是，除了传感器件之外，系统的部件通常是使用于利用光学传感器件的系统中所采用的类型。根据应用标准，该代表数据可采用与脊线取向和细节特征的相对位置有关的信息的形式，所述细节特征即为线的结尾和分叉。处理从传感器件获得的信息以产生和比较代表数据可遵照已知方案和技术来执行。因为本发明的传感器件能够提供指纹的三维轮廓信息，所以通过除了使用细节特征的空间位置之外还使用布局技术特征能够实现提高精度的识别或验证，当然，如果较低精度是可接受的，也可以仅使用关于二维脊线图案的信息以简化所需处理。简而言之，器件300的输出在适当情形下馈送至分析电路310，该分析电路310被编程为检测被传感的指纹的特性特征，例如细节特征的位置。来自电路310的数据提供给计算机320，基于系统是用于辨别目的亦或是仅用于验证目的，该计算机320通过标准运算将该数据与存储于存储器件330中的多个指纹或单个指纹的代表数据进行比较，且根据是否发现匹配，该计算机320提供输出。
电路310可被编程为使用传感器件提供的三维信息用于高精度识别，或者借助合适的鉴别方法，利用代表具有二进制图像性质的二维脊线图案的特定信息(类似于从公知光学传感器件获得的信息)，从器件300选择特殊的输出信号值。
虽然已经借助示例性实施例描述了本发明，但本发明并不限于此。更确切地说，所附权利要求应广泛地解释为涵盖本领域技术人员在不脱离本发明的范围和等效范围的情况下可以进行的本发明的其他变型和实施例。
Claims (15)
1.一种有源传感器装置，包括：
传感器元件阵列，该阵列包括多列传感器元件和多行传感器元件；
多列薄膜晶体管开关和多行薄膜晶体管开关，用于选择性启动所述传感器元件；
多列薄膜二极管和多行薄膜二极管，用于选择性寻址所述传感器元件以从传感器元件获得信息，其中所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管形成在一公共衬底上；以及
连接到列薄膜二极管和行薄膜二极管的一对差分信号节点，用于提供偏置电流，从而在传感器元件的读取过程中保持二极管的正向偏置。
2.根据权利要求1所述的有源传感器装置，其中所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管是多晶硅薄膜器件。
3.根据权利要求1所述的有源传感器装置，其中所述传感器元件的每一个包括非线性元件。
4.根据权利要求3所述的有源传感器装置，其中所述传感器元件的每一个包括与电阻串联的二极管。
5.根据权利要求1所述的有源传感器装置，
其中每列薄膜二极管连接到相应的列线，从而在相应列薄膜晶体管开关被触发以选择该相应列线时该列薄膜二极管被正向偏置，以及
其中每行薄膜二极管连接到相应的行线，从而在相应行薄膜晶体管开关被触发以选择该相应行线时该行薄膜二极管被正向偏置。
6.根据权利要求1所述的有源传感器装置，还包括电流源，用于在所述列薄膜晶体管开关和行薄膜晶体管开关选择时向传感器元件提供电流。
7.一种用于测量物体表面中的图案的装置，包括：
传感器元件阵列，该阵列包括多列传感器元件和多行传感器元件，所述传感器元件响应该物体表面的物理参数；
电流源；
多列薄膜晶体管开关和多行薄膜晶体管开关，用于选择性地将所述传感器元件连接到该电流源以进行启动；
多列薄膜二极管和多行薄膜二极管，用于选择性寻址所述传感器元件，以从传感器元件获得代表物理参数的差分信号，其中所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管形成在一公共衬底上；以及
连接到列薄膜二极管和行薄膜二极管的一对差分信号节点，用于提供偏置电流，从而在传感器元件的读取过程中保持二极管的正向偏置。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管是多晶硅薄膜器件。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述传感器元件的每一个包括非线性元件。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述传感器元件的每一个包括与电阻串联的二极管。
11.根据权利要求7所述的装置，
其中每列薄膜二极管连接到相应的列线，从而在相应列薄膜晶体管开关被触发以选择该相应列线时该列薄膜二极管被正向偏置，以及
其中每行薄膜二极管连接到相应的行线，从而在相应行薄膜晶体管开关被触发以选择该相应行线时该行薄膜二极管被正向偏置。
12.根据权利要求7所述的装置，其中所述传感器元件的热启动由该电流源提供，且在该热启动导致的电压变化的基础上进行温度传感。
13.一种有源传感器装置，包括：
传感器元件阵列，该阵列包括与多条列线和多条行线连接的多个传感器元件；
电流源，用于在选择传感器元件时向传感器元件提供电流，以进行启动；
多个多晶硅薄膜晶体管开关，连接到所述列线和行线，用于选择性启动所述传感器元件；
多个多晶硅薄膜二极管，连接到所述列线和行线的末端，用于选择性寻址所述传感器元件，从而从传感器元件读取信息；以及
连接到列薄膜二极管和行薄膜二极管的一对差分信号节点，用于提供偏置电流，从而在传感器元件的读取过程中保持二极管的正向偏置，
其中连接到一列线的多个薄膜二极管的每一个设置成在连接到该列线的相应薄膜晶体管开关被触发以选择该列线时被正向偏置，
其中连接到一行线的多个薄膜二极管的每一个设置成在连接到该行线的相应薄膜晶体管开关被触发以选择该行线时被正向偏置，以及
其中所述薄膜晶体管开关和薄膜二极管形成在一公共衬底上。
14.根据权利要求13所述的有源传感器装置，其中所述传感器元件的每一个包括非线性元件。
15.根据权利要求14所述的有源传感器装置，其中所述传感器元件的每一个包括与电阻串联的二极管。
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