CN105336752B - 面阵传感器装置及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种面阵传感器装置及其形成方法，面阵传感器装置包括：驱动电路和传感器电路，驱动电路和传感器电路形成在同一个衬底表面上，所述传感器电路包括由像素单元组成的像素单元阵列和连接所述像素单元的驱动线，所述驱动电路的输出端连接所述传感器电路的驱动线，所述驱动电路包括第一晶体管，所述像素单元包括第二晶体管；所述第一晶体管包括第一遮挡层，第二晶体管包括第二遮挡层。本发明技术方案的面阵传感器装置，驱动电路与传感器电路的器件可以制作在同一个衬底上，减小了占用面积，提高了可靠性，并且形成过程可以同步进行，无需增加额外工艺步骤。

Description

面阵传感器装置及其形成方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种面阵指纹传感器装置及其形成方法。
背景技术
面阵传感器是一种大面积的平面成像设备，由像素单元阵列、驱动线、信号读出线等构成。带有图像信息的光信号直接投射到传感器成像表面的各个像素单元，被传感器的像素单元吸收而成像。由于不经过透镜或光纤聚焦光，是同尺寸、无缩放比例的成像，因而会有更好的成像质量；同时成像设备也更加轻薄，所以已经大量应用于各个领域。
比如应用于指纹成像、文件扫描等领域的面阵传感器。如图1所示，从背面穿透过来的可见光照射到紧贴在面阵传感器11成像表面的物体13。可见光在面阵传感器11和被照物体13的接触面发生反射和透射，被照物体13反射的可见光返回到面阵传感器各像素单元。
如图2所示，各像素单元由开关器件111和光电器件112构成。可见光被面阵传感器11的各像素单元中的光电器件112转化为电子信号存储起来。系统控制器14控制驱动单元15上的驱动芯片151，来控制面阵传感器11上的驱动线113，进而控制像素单元阵列的逐行开启；同时系统控制器14控制信号采集单元16上的信号读出芯片161，通过面阵传感器11上的信号线114来读取像素单元阵列中被开启的那一行的电子信号，然后进行放大、模数转化、存储。最终实现一个与被照射物体13表面特征直接相关的数字化灰阶图像。
面阵传感器11一般以玻璃为基板，通过物理气相沉积法(Physical VaporDeposition，PVD)、等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)、干刻、湿刻等技术，制作一层或多层的导电层、绝缘层、保护层等薄膜，构建各个功能的光、电等器件单元，以及各种导线。
继续参考图2，在现有产品中，驱动芯片151通过芯片在薄膜上(Chip On Film，COF)绑定等方式，封装在一个柔性导电薄膜上，形成一个COF模块，然后通过薄膜在玻璃上(Film On Glass，FOG)绑定的工艺将COF模块绑定到面阵传感器11的相应位置上，实现面阵传感器11的驱动线113和驱动芯片151的电性连接和导通。然而，这种方式使得系统控制器14和面阵传感器11的驱动线113的连通路径比较复杂，降低了可靠性，并且占用面积较大。
发明内容
本发明解决的问题是现有面阵传感器可靠性较差，占用面积较大。
为解决上述问题，本发明提供一种面阵传感器装置，包括：驱动电路和传感器电路，驱动电路和传感器电路形成在同一个衬底表面上，所述传感器电路包括由像素单元组成的像素单元阵列和连接所述像素单元的驱动线，所述驱动电路的输出端连接所述传感器电路的驱动线，所述驱动电路包括第一晶体管，所述像素单元包括第二晶体管；
所述第一晶体管包括：
第一导电层，位于所述衬底表面；
第一绝缘层，覆盖所述第一导电层；
第一半导体层，位于所述第一绝缘层表面，所述第一半导体层与所述第一导电层相对应；
第二导电层，覆盖所述第一半导体层，所述第二导电层内具有第一开口，所述第一开口暴露所述第一半导体层的部分表面；
第二绝缘层，覆盖所述第二导电层并充满所述第一开口；
第一遮挡层，位于所述第二绝缘层表面，所述第一遮挡层与所述第一开口相对应；
所述第二晶体管包括：
第三导电层，位于所述衬底表面；
第三绝缘层，覆盖所述第三导电层；
第二半导体层，位于所述第三绝缘层表面，所述第二半导体层与所述第三导电层相对应；
第四导电层，覆盖所述第二半导体层，所述第四导电层内具有第二开口，所述第二开口暴露所述第二半导体层的部分表面；
第四绝缘层，覆盖所述第四导电层并充满所述第二开口；
第二遮挡层，位于所述第四绝缘层表面，所述第二遮挡层与所述第二开口相对应。
本发明还提供一种上述面阵传感器装置的形成方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面形成第一导电层和第三导电层；
形成覆盖所述第一导电层的第一绝缘层和覆盖所述第三导电层第三绝缘层；
在所述第一绝缘层表面形成第一半导体层，所述第一半导体层与所述第一导电层相对应，在所述第三绝缘层表面形成第二半导体层，所述第二半导体层与所述第三导电层相对应；
形成覆盖所述第一半导体层的第二导电层和覆盖所述第二半导体层的第四导电层；
在所述第二导电层内形成第一开口，所述第一开口暴露所述第一半导体层的部分表面，在所述第四导电层内形成第二开口，所述第二开口暴露所述第二半导体层的部分表面；
形成覆盖所述第二导电层并充满所述第一开口的第二绝缘层以及覆盖所述第四导电层并充满所述第二开口的第四绝缘层；
在所述第二绝缘层表面形成第一遮挡层，所述第一遮挡层与所述第一开口相对应，在所述第四绝缘层表面形成第二遮挡层，所述第二遮挡层与所述第二开口相对应。
与现有技术相比，本发明技术方案的面阵传感器装置，驱动电路可以与传感器电路的器件可以制作在同一个衬底上，减小了占用面积，提高了可靠性，并且形成过程可以同步进行，无需增加额外工艺步骤。
附图说明
图1是一现有面阵传感器的工作示意图；
图2是现有面阵传感器的结构示意图
图3是本发明的面阵传感器装置的结构示意图；
图4是本发明的驱动电路的结构示意图；
图5是本发明的信号波形示意图；
图6是本发明的基本移位单元的结构示意图；
图7是本发明的第一晶体管和第二晶体管的一剖面示意图；
图8是本发明的第一晶体管和第二晶体管的另一剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图3所示，本发明实施例提供一种面阵传感器装置，包括：驱动电路21和传感器电路，所述传感器电路包括由像素单元31组成的像素单元阵列和连接所述像素单元的驱动线41。所述像素单元31包括：第二晶体管311和光电器件312，所述第二晶体管311作为开关器件与驱动线41相连。像素驱动电路21适于逐行开启像素单元阵列。
如图4所示，本实施例提供一种驱动电路21的实现方式，驱动电路21包括m个基本移位单元212。第1个基本移位单元212的输出端G1…第n个基本移位单元212的输出端Gn、第n+1个基本移位单元212的输出端Gn+1…第m个基本移位单元212的输出端Gm分别对应连接驱动线41。所有基本移位单元212的第一电源端适于接收高电平信号VH，第二电源端适于接收低电平信号VL，第一时钟端适于接收第一时钟信号CLK，第二时钟端适于接收第二时钟信号CLKB，复位端适于接收复位信号RST。第1个基本移位单元212的第一触发端适于接收第一触发信号STV，第m个基本移位单元212的第二触发端适于接收第二触发信号STVB。第p个基本移位单元212的第一触发端连接第p-1个基本移位单元212的输出端，2≤p≤m，第p个基本移位单元212的输出端连接第p-1个基本移位单元212的第二触发端。驱动电路21也可以采用现有其他形式的电路加以实现。
如图5所示，所述第一时钟信号CLK和第二时钟信号CLKB为脉冲式时钟信号且两者互为反相信号，每个基本移位单元212在输出信号至驱动线41的同时，还关闭了上一个基本移位单元212的输出以及触发了下一个基本移位单元212的输出。第一触发信号STV用于启动第1个基本移位单元212输出信号，第二触发信号STVB用于关闭最后一个基本移位单元212输出信号。基本移位单元141在上述信号的控制下，依次输出开启信号到各个驱动线41，实现像素单元阵列的逐行开启。
如图6所示，本实施例提供一种基本移位单元212的实现方式。以第n个基本移位单元212为例，包括9个第一晶体管和第一电容C1、第二电容C2，分别为：第1个第一晶体管T1、第2个第一晶体管T2、第3个第一晶体管T3、第4个第一晶体管T4、第5个第一晶体管T5、第6个第一晶体管T6、第7个第一晶体管T7、第8个第一晶体管T8和第9个第一晶体管T9。基本移位单元212也可以采用现有其他形式的电路加以实现。
第1个第一晶体管T1的第一端适于接收高电平信号VH；第二端连接第2个第一晶体管T2的第一端、第3个第一晶体管T3的第一端、第5个第一晶体管T5的第三端、第6个第一晶体管T6的第一端、第4个第一晶体管T4的第三端和第二电容C2的第一端；第三端连接第n-1个基本移位单元212的输出端Gn-1。
第2个第一晶体管T2的第二端适于接收低电平信号VL；第三端连接第n+1个基本移位单元212的输出端Gn+1。
第3个第一晶体管T3的第二端适于接收低电平信号VL；第三端连接第5个第一晶体管T5的第一端、第7个晶体管T7的第三端和第一电容C1的第二端。
第4个第一晶体管T4的第一端连接第一电容C1的第一端并适于接收第一时钟信号CLK；第二端连接第二电容C2的第二端、第7个第一晶体管T7的第一端、第8个第一晶体管T8的第一端、第9个第一晶体管T9的第一端和第n条驱动线。
第5个第一晶体管T5的第二端适于接收低电平信号VL。
第6个第一晶体管T6的第二端适于接收低电平信号VL；第三端适于输入复位信号RST。
第7个第一晶体管T7的第二端适于接收低电平信号VL。
第8个第一晶体管T8的第二端适于接收低电平信号VL；第三端适于输入第二时钟信号CLKB。
第9个第一晶体管T9的第二端适于接收低电平信号VL；第三端适于输入复位信号RST。
上述第一晶体管的第一端为源极、第二端为漏极或者所述第一晶体管的第一端为漏极、第二端为源极，第一晶体管的第三端为栅极。所述第一晶体管可以是非晶硅薄膜晶体管(amorphous Silicon Thin Film Transistor，a-Si TFT)，也可以是低温多晶硅薄膜晶体管(Low Temperature Poly Silicon Thin Film Transistor，LTPS TFT)，还可以是氧化物半导体薄膜晶体管(Oxide Semiconductor Thin Film Transistor，OTFT)。
继续参考图3，在本实施例中，驱动电路21和传感器电路形成在同一个衬底20表面上。具体的，所述驱动电路21中的9个第一晶体管和第一电容C1、第二电容C2与传感器电路中像素单元的第二晶体管形成在所述衬底20表面上，驱动电路21可以位于所述像素单元阵列的外围区域。所述衬底可以是玻璃，也可以是其它透明的基板，如水晶、蓝宝石等。当可见光从衬底顶部表面入射时，所述衬底还可以是不透明的不锈钢，铝，塑料等基板。所述衬底顶部表面是指形成有驱动电路21和传感器电路的表面。
如图7所示，驱动电路21中第一晶体管包括：第一导电层2111，位于所述衬底20表面；第一绝缘层2112，覆盖所述第一导电层2111；第一半导体层2113，位于所述第一绝缘层2112表面，所述第一半导体层2113与所述第一导电层2111相对应；第二导电层2114，覆盖所述第一半导体层2113，所述第二导电层2114内具有第一开口2115，所述第一开口2115暴露所述第一半导体层2113的部分表面；第二绝缘层2116，覆盖所述第二导电层2114并充满所述第一开口2115；第一遮挡层2117，位于所述第二绝缘层2116表面，所述第一遮挡层2117与所述第一开口2115相对应。所述覆盖是指：覆盖物与被覆盖物的顶面以及侧面接触，例如，所述第一绝缘层2112接触所述第一导电层2111的顶面以及侧面。
所述第一遮挡层2117由不透光导电材料组成，可以是铝、钼或铝钕合金(AlNd)，也可以是其它合金金属，还可以是不同材料的多层结构。
第一导电层2111和第二导电层2114的材料可以是铝、钼或铝钕合金，也可以是其它合金金属或不同材料的多层结构。当可见光从衬底顶部表面入射时，第一导电层2111和第二导电层2114的材料还可以是氧化铟锡(ITO)等透明导电层。第一导电层2111为所述第一晶体管的栅极，位于第一半导体层2113两侧的第二导电层2114为第一晶体管的源极和漏极。
所述第一绝缘层2112和第二绝缘层2116的材料可以是氮化硅(SiNx)或氧化硅(SiOx)。
所述第一半导体层2113的材料是非晶硅、低温多晶硅或氧化物半导体。
第一半导体层2113中对应第一开口的部分2115可以视为第一晶体管的沟道。所述第一半导体层2113在第一导电层2111连接高电平电压时产生可自由移动的电子，从而处于可导通的状态，当位于其两侧的第二导电层2114之间具有电压差时，第一半导体层2113可以电连通位于其两侧的第二导电层2114。第一半导体层2113在第一导电层2111连接低电平电压时无可自由移动的电子产生，从而处于关闭的状态，即便位于其两侧的第二导电层2114之间具有电压差，第一半导体层2113也无法电连通位于其两侧的第二导电层2114。若第一半导体层2113接收到光信号，第一半导体层2113也可以产生自由移动的电子，这样会使得位于其两侧的第二导电层2114一直处于可连通状态，无法受第一导电层2111连接电压的控制。因此，本实施例的第一遮挡层2117由不透光材料组成，可以阻挡传感器在工作过程中接收到的光信号进入第一半导体层2113，从而保证了传感器装置输出正确的信号。为了更好的遮挡第一半导体层2113，所述第一遮挡层2117的面积可以大于被第一开口2115暴露的第一半导体层2113表面的面积。
所述传感器电路中像素单元的第二晶体管包括：第三导电层3111，位于所述衬底20表面；第三绝缘层3112，覆盖所述第三导电层3111；第二半导体层3113，位于所述第三绝缘层3112表面，所述第二半导体层3113与所述第三导电层3111相对应；第四导电层3114，覆盖所述第二半导体层3113，所述第四导电层3114内具有第二开口3115，所述第二开口3115暴露所述第二半导体层3113的部分表面；第四绝缘层3116，覆盖所述第四导电层3114并充满所述第二开口3115；第二遮挡层3117，位于所述第四绝缘层3116表面，所述第二遮挡层3117与所述第二开口3115相对应。
所述第二遮挡层3117由不透光导电材料组成，可以是铝、钼或铝钕合金(AlNd)，也可以是其它合金金属，还可以是不同材料的多层结构。
第三导电层3111和第四导电层3114的材料可以是铝、钼或铝钕合金，也可以是其它合金金属或不同材料的多层结构。当可见光从衬底顶部表面入射时，第三导电层3111和第四导电层3114的材料还可以是氧化铟锡(ITO)等透明导电层。第三导电层3111为第二晶体管的栅极，位于第二半导体层3113两侧的第四导电层3114为第二晶体管的源极和漏极。
所述第三绝缘层3112和第四绝缘层3116的材料可以是氮化硅(SiNx)或氧化硅(SiOx)。
所述第二半导体层3113的材料是非晶硅、低温多晶硅或氧化物半导体。第二遮挡层3117的作用与第一遮挡层2117作用类似，可以防止第二半导体层3113在接收到光信号后处于常导通状态。第二半导体层3113中对应第二开口的部分3115可以视为第二晶体管的沟道。
可选的，所述面阵传感器装置还可以包括覆盖所述第一遮挡层2117的第一保护层2118，以及覆盖所述第二遮挡层3117的第二保护层3118。所述第一保护层2118和第二保护层3118的材料可以是氮化硅或氧化硅。
本实施例中第一导电层2111和第三导电层3111可以在同一个工艺步骤中形成；第一绝缘层2112和第三绝缘层3112在同一个工艺步骤中形成；第一半导体层2113和第二半导体层3113在同一个工艺步骤中形成；第二导电层2114和第四导电层3114在同一个工艺步骤中形成；第一开口2115和第二开口3115在同一个工艺步骤中形成；第二绝缘层2116和第四绝缘层3116在同一个工艺步骤中形成；第一遮挡层2117和第二遮挡层3117在同一个工艺步骤中形成。
具体的，本实施例还提供一种面阵传感器装置的形成方法，包括：
步骤S1，提供衬底；
步骤S2，在所述衬底表面形成第一导电层和第三导电层；
步骤S3，形成覆盖所述第一导电层的第一绝缘层和覆盖所述第三导电层第三绝缘层；
步骤S4，在所述第一绝缘层表面形成第一半导体层，所述第一半导体层与所述第一导电层相对应，在所述第三绝缘层表面形成第二半导体层，所述第二半导体层与所述第三导电层相对应；
步骤S5，形成覆盖所述第一半导体层的第二导电层和覆盖所述第二半导体层的第四导电层；
步骤S6，在所述第二导电层内形成第一开口，所述第一开口暴露所述第一半导体层的部分表面，在所述第四导电层内形成第二开口，所述第二开口暴露所述第二半导体层的部分表面；
步骤S7，形成覆盖所述第二导电层并充满所述第一开口的第二绝缘层以及覆盖所述第四导电层并充满所述第二开口的第四绝缘层；
步骤S8，在所述第二绝缘层表面形成第一遮挡层，所述第一遮挡层与所述第一开口相对应，在所述第四绝缘层表面形成第二遮挡层，所述第二遮挡层与所述第二开口相对应。
所述步骤S2可以包括：在所述衬底表面形成第一导电薄膜，蚀刻所述第一导电薄膜以形成所述第一导电层和第三导电层。
所述步骤S3可以包括：在第一导电层和第三导电层上沉积第一绝缘薄膜以形成所述第一绝缘层和第三绝缘层。形成的第一绝缘层和第三绝缘层连接在一起。
所述步骤S4可以包括：在第一绝缘层和第三绝缘层上沉积第一半导体薄膜，在对应第一导电层和第三导电层的位置蚀刻所述第一半导体薄膜以形成所述第一半导体层和第二半导体层。
所述步骤S5可以包括：在所述第一半导体层和第二半导体层上沉积第二导电薄膜，蚀刻所述第二导电薄膜以形成所述第二导电层和第四导电层。形成的第二导电层和第四导电层不相连。
所述步骤S6可以包括：蚀刻所述第二导电层以形成第一开口，蚀刻所述第四导电层以形成第二开口。
所述步骤S7可以包括：在第二导电层和第四导电层上沉积第二绝缘薄膜以形成第二绝缘层和第四绝缘层。形成的第二绝缘层和第四绝缘层连接在一起。
所述步骤S8可以包括：在对应第一开口和第二开口的位置沉积第一遮挡薄膜以形成所述第一遮挡层和第二遮挡层。
所述第一保护层2118和第二保护层3118也可以在同一个工艺步骤中形成，与第一绝缘层和第三绝缘层的方法类似，此处不再赘述。
当驱动电路中的第一晶体管与像素单元中的第二晶体管具有电路连接关系时，所述面阵传感器装置还可以包括位于所述衬底表面的导电插塞，所述导电插塞的第一表面与第二导电层接触，所述导电插塞的第二表面与第二导电层接触。
图8提供了第4个第一晶体管T4、第二电容C2和第二晶体管311的结构和连接关系示意图。导电插塞4114的第一表面连接第二导电层2116，第二表面连接第三导电层3111。第二导电层2116和第一导电层2111的相对部分形成第二电容C2。
形成所述导电插塞4114的方法包括：在形成第三绝缘层3112之后，蚀刻第三绝缘层3112以形成第三开口，所述第三开口暴露所述第二导电层2116的部分表面，在所述第三开口内填充导电材料以形成导电插塞4114。导电插塞4114的第二表面与第二导电层2116接触，形成第二导电层2114时，第二导电层2114接触导电插塞4114的第一表面，这样使得第4个第一晶体管T4的源极或漏极连接第二晶体管311的栅极。
继续参考图3，本实施例提供的面阵传感器装置，驱动电路可以与传感器电路的器件同时进行，无需增加额外工艺步骤。驱动电路只需通过柔性连接体22电连接到系统控制器42，就可以实现系统控制器42对传感器电路的驱动线41的驱动，大大降低了成本、提高了集成度，提高了可靠性、提高了良率。
在本实施例中，全部第一晶体管中的第一遮挡层2117可以连接在一起，然后连接到固定电位，例如连接低电平信号VL或高电平信号VH。第一晶体管中的第一遮挡层2117也可以与和第二遮挡层3117连接在一起，然后连接到固定电位，例如连接低电平信号VL或高电平信号VH。将第一遮挡层和第二遮挡层连接到固定电位，可以防止第一遮挡层和第二遮挡层在制作过程中产生的静电积累击穿第二绝缘层2116和第四绝缘层3116。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种面阵传感器装置，其特征在于，包括：驱动电路和传感器电路，驱动电路和传感器电路形成在同一个衬底表面上，所述传感器电路包括由像素单元组成的像素单元阵列和连接所述像素单元的驱动线，所述驱动电路的输出端连接所述传感器电路的驱动线，所述驱动电路包括第一晶体管和第二电容，所述像素单元包括第二晶体管；
所述第一晶体管包括：
第一导电层，位于所述衬底表面；
第一绝缘层，覆盖所述第一导电层；
第一半导体层，位于所述第一绝缘层表面，所述第一半导体层与所述第一导电层相对应；
第二导电层，覆盖所述第一半导体层，所述第二导电层内具有第一开口，所述第一开口暴露所述第一半导体层的部分表面；
第二绝缘层，覆盖所述第二导电层并充满所述第一开口；
第一遮挡层，位于所述第二绝缘层表面，所述第一遮挡层与所述第一开口相对应；
所述第二晶体管包括：
第三导电层，位于所述衬底表面；
第三绝缘层，覆盖所述第三导电层；
第二半导体层，位于所述第三绝缘层表面，所述第二半导体层与所述第三导电层相对应；
第四导电层，覆盖所述第二半导体层，所述第四导电层内具有第二开口，所述第二开口暴露所述第二半导体层的部分表面；
第四绝缘层，覆盖所述第四导电层并充满所述第二开口；
第二遮挡层，位于所述第四绝缘层表面，所述第二遮挡层与所述第二开口相对应；
所述第二导电层和所述第一导电层的相对部分形成所述第二电容；
所述第一遮挡层和第二遮挡层均连接至固定电位。
2.如权利要求1所述的面阵传感器装置，其特征在于，所述驱动电路位于所述像素单元阵列的外围区域。
3.如权利要求1所述的面阵传感器装置，其特征在于，所述第一遮挡层和第二遮挡层的材料均为不透光导电材料。
4.如权利要求1所述的面阵传感器装置，其特征在于，所述第一半导体层的材料是非晶硅、低温多晶硅或氧化物半导体，所述第二半导体层的材料是非晶硅、低温多晶硅或氧化物半导体。
5.如权利要求1所述的面阵传感器装置，其特征在于，还包括：系统控制器和柔性连接体，所述驱动电路通过所述柔性连接体与所述系统控制器电连接。
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