CN105989353B - 光动能指纹识别模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光动能指纹识别模块，其包括至少一发光单元以及半导体感光阵列。发光单元用以发出感测光束至手指，手指及指纹将感测光束反射为信号光束。半导体感光阵列包括多个排成阵列的半导体感光单元，这些半导体感光单元用以接收自手指反射回来的信号光束并产生多个电信号。每个半导体感光单元自靠近手指的一侧依次包括有抗反射结构、第一型掺杂半导体层以及第二型掺杂半导体层。第一型掺杂半导体层堆叠于抗反射结构及第二型掺杂半导体层之间。本发明提供的光动能指纹识别模块具有简单的构造及较高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明是有关于一种指纹识别模块，且特别是有关于一种光动能指纹识别模块。
背景技术
在以往的身份识别技术中，指纹识别的方法例如是利用将手指按压墨水后转印到纸张上形成指纹图形，接着再利用光学扫描输入电脑作建档或比对。上述的指纹识别方法具有无法即时处理的缺点，也无法符合现今社会中对于即时身份认证的需求。因此，电子指纹感应装置成为了目前科技发展的主流之一。
现有的电子指纹感应装置中，例如有电容式指纹感测装置，其利用集成电路来感应手指碰触一感测区时，所述感测区的电容值差异，进而通过电容值差异来输出对应的指纹信号。然而，上述电容式指纹感测装置需要精准控制感测区上每一点的电容值，因此感测区上例如是电极等电子元件的配置密度及精准度也随之提高，进而提升了制作难度及成本。另一方面，为了要让正负电极之间形成电容，电容式指纹感测装置往往也需要额外增加正电极及负电极之间的间距，进而增加了电容式指纹感测装置的体积及厚度。
发明内容
本发明提供一种光动能指纹识别模块，其具有简单的构造及较高的灵敏度。
本发明的实施例的用以检测手指的指纹的光动能指纹识别模块包括至少一发光单元以及半导体感光阵列。发光单元用以发出感测光束至手指，手指及指纹将感测光束反射为信号光束。半导体感光阵列包括多个排成阵列的半导体感光单元，这些半导体感光单元用以接收自手指反射回来的信号光束并产生多个电信号。每个半导体感光单元自靠近手指的一侧依次包括有抗反射结构、第一型掺杂半导体层以及第二型掺杂半导体层。第一型掺杂半导体层堆叠于抗反射结构及第二型掺杂半导体层之间。
在本发明的实施例中，上述的光动能指纹识别模块还包括基板。发光单元及半导体感光阵列配置于基板的表面上，且半导体感光阵列位于手指及基板之间。
在本发明的实施例中，上述的基板的表面包括感测区域以及至少一发光区域，且至少一发光区域位于感测区域旁。这些半导体感光单元排列于感测区域中，发光单元配置于发光区域中。
在本发明的实施例中，上述的至少一发光区域为多个发光区域，至少一发光单元为多个发光单元。这些发光区域位于感测区域的周边区域。
在本发明的实施例中，上述的感测区域具有矩形外型，且感测区域的每一边长大于等于4毫米(millimeter；简称mm)。
在本发明的实施例中，上述的发光单元沿着垂直于表面的方向发出光束。
在本发明的实施例中，上述的发光单元沿着倾斜于表面的方向发出光束。
在本发明的实施例中，上述的抗反射结构为抗反射层，且感测面位于抗反射层背对基板的一侧。
在本发明的实施例中，每个上述的半导体感光单元的抗反射结构为至少一光学微结构。
在本发明的实施例中，上述的发光单元与这些半导体感光单元的最短距离小于等于20毫米。
在本发明的实施例中，上述的半导体感光阵列还包括多个第一电极以及一第二电极。每个第一电极电性连接这些半导体感光单元的其中之一的第一型掺杂半导体层，第二电极电性连接这些第二型掺杂半导体层，其中这些第一电极用以传输这些电信号。
在本发明的实施例中，上述的这些半导体感光单元适于感测目标光束，目标光束的波长位于特定波段，特定波段包括感测光束的波长。
在本发明的实施例中，上述的特定波段的波长大于等于300纳米(nanometer；简称nm)并小于等于3微米(micrometer；简称μm)。
在本发明的实施例中，上述的光动能指纹识别模块还包括至少一处理单元。处理单元电性连接这些半导体感光单元，并且将这些电信号转换为至少一数字信号。
基于上述，本发明的实施例的光动能指纹识别模块通过发光元件来发出感测光束照射手指，并通过半导体感光阵列来接收手指被感测光束照射后所反射回来的信号光束，进而输出对应到上述指纹的电信号。上述的光动能指纹识别模块因为利用半导体感光阵列来形成，因此可以通过薄化半导体感光阵列来使光动能指纹识别模块的整体体积缩小。另一方面，上述的半导体感光阵列的半导体感测单元包括邻近手指配置的抗反射层，因此可以通过抗反射层来提高半导体感测单元的进光量，也就是提升半导体感测阵列对信号光束接收效率及灵敏度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的一种光动能指纹识别模块的局部剖面图；
图2是本发明的第二实施例的一种光动能指纹识别模块的局部剖面图；
图3是本发明的第三实施例的一种光动能指纹识别模块的俯视图及局部放大图；
图4是本发明的第四实施例的一种光动能指纹识别模块的俯视图。
附图标记说明：
A、B、C、D：区域；
d1：厚度；
d2、d3：距离；
d4、d5、d6：边长；
L1、L3：感测光束；
L2、L4：信号光束；
S1：电信号；
50：手指；
52：指纹；
100、100A、100B、100C：光动能指纹识别模块；
110、110A、110B、110C：发光单元；
111、111A：发光面；
112：透光封装；
120、120A、120B、120C：半导体感光阵列；
130、130A、130B：半导体感光单元；
132、132A：抗反射结构；
134、134A：第一型掺杂半导体层；
136、136A：第二型掺杂半导体层；
140、140A、140B、140C：基板；
141、141A、141B、141C：表面；
151、151A：第一电极；
152、152A：第二电极；
160B、160C：处理单元。
具体实施方式
图1是本发明的第一实施例的一种光动能指纹识别模块的局部剖面图。请参照图1，在本发明的第一实施例中，用以检测手指50的指纹52的光动能指纹识别模块100包括至少一发光单元110以及半导体感光阵列120。发光单元110用以发出感测光束L1至手指50，手指50及指纹52将感测光束L1反射为信号光束L2。上述信号光束L2并不限于图1所示出的来自手指50表面的反射光束，还包括穿透手指50表面后经手指50内组织所反射的光束，图1仅是示例性的示出其中一光束，其并非用以限定本发明。
请参照图1，在本实施例中，半导体感光阵列120包括多个排成阵列的半导体感光单元130。为了清楚说明上述各元件的配置关系，图1所示出的是这些半导体感光单元130的其中之一和发光单元110的示意图，其并非用以限定本发明。半导体感光单元130用以接收自手指50反射回来的信号光束L2并产生电信号S1。半导体感光单元130自靠近手指50的一侧依次包括有抗反射结构132、第一型掺杂半导体层134以及第二型掺杂半导体层136。第一型掺杂半导体层134堆叠于抗反射结构132及第二型掺杂半导体层136之间。因此，这些半导体感光单元130可以感测多个反射自手指50的信号光束L2，且这些信号光束L2会依据手指50内部及指纹52各位置不同的结构而具有不同的光能量特性，进而使这些半导体感光单元130所输出的这些电信号S1也带有手指50及指纹52的信息。另一方面，抗反射结构132可以辅助信号光束L2进入半导体感光单元130，因此本实施例的发光单元110及半导体感光阵列120可以提供良好的指纹识别效果。
在本实施例中，半导体感光单元130的第一型掺杂半导体层134例如是掺杂n型掺质的半导体材料，第二型掺杂半导体层136例如是掺杂p型掺质的半导体材料。第一型掺杂半导体层134及第二型掺杂半导体层136的半导体材料可包括硅、硫化镉(CdS)、铜铟镓二硒(CuInGaSe2；简称CIGS)、铜铟二硒(CuInSe2；简称CIS)、碲化镉(CdTe)、半导体有机材料(organic material)或上述材料堆叠的多层结构。上述的硅包括单晶硅(single crystalsilicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon)或是微晶硅(microcrystal silicon)。掺杂于半导体材料中的n型掺质可以是选自元素周期表中的第五族元素，例如磷(P)、砷(As)或是锑(Sb)等等。掺杂于半导体材料中的p型掺质可以是选自元素周期表中三族元素的群组，例如是硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等等，本发明不限于此。也就是说，本实施例的半导体感光单元130是当信号光束L2照射到第一型掺杂半导体层134及第二型掺杂半导体层136时，通过信号光束L2所提供的能量来产生光电流并形成电信号S1，因此所形成电信号S1会根据例如是信号光束L2的强度而改变。
详细来说，在本实施例中，半导体感光阵列120还包括多个第一电极151以及第二电极152。每个第一电极151电性连接这些半导体感光单元130的其中之一的第一型掺杂半导体层134，第二电极152电性连接这些第二型掺杂半导体层136，其中这些第一电极151用以传输这些电信号S1。具体来说，第二电极152例如是接地电极，而第一电极151配合第二电极152来辅助第一型掺杂半导体层134及第二型掺杂半导体层136中被激发出的电子电洞的移动，并传输所述电子电洞所形成的光电流。
请参照图1，在本实施例中，光动能指纹识别模块100还包括基板140。发光单元110及半导体感光阵列120配置于基板140的表面141上，且半导体感光阵列120位于手指50及基板140之间。也就是说，本实施例的发光单元110与半导体感光阵列120位于相同平面上，且半导体感光阵列120中的半导体感光单元130垂直于表面141的厚度d1例如小于5000微米。在本发明的实施例中，半导体感光单元的厚度例如小于200微米。
另一方面，本实施例的发光单元110与这些半导体感光单元130的最短距离d2小于等于20毫米。因此，手指50在半导体感光阵列120上可以充分的被发光单元110所照射，而手指50及指纹52所反射的信号光束L2可以带有更完整的信号，同时可以减少整体光动能指纹识别模块100的体积。
在本实施例中，发光单元110具有发光面111，发光面111平行于表面141。也就是发光单元110往垂直于表面141的方向发出感测光束L1。详细来说，本实施例的发光单元110外还可以具有透光封装112，感测光束L1通过透光封装112的折射来形成良好的光源，但本发明不限于此。图2是本发明的第二实施例的一种光动能指纹识别模块的局部剖面图。请参照图2，在本发明的第二实施例中，发光单元110A的发光面111A还可以是倾斜于表面141A设置，其中发光面111A和表面141A的角度端视半导体感光阵列120A的大小来设计，进而使感测光束L3更容易传递至手指50并反射出信号光束L4。因此，光动能指纹识别模块100A可以提供良好的指纹识别功能。另一方面，由于发光单元110A与半导体感光单元130A的最短距离d3小于等于20毫米，因此本实施例的发光单元110A不但可以作为良好的光源，还可以减少整体光动能指纹识别模块100A的体积。
另一方面，请参照图1，在本发明的第一实施例中，半导体感光单元130的抗反射结构132例如是多个光学微结构。进一步来说，在本发明的第一实施例中，半导体感光单元130的抗反射结构132例如是通过粗糙化第一型掺杂半导体层134的表面来形成的多个光学微结构，但本发明不限于此。
请参照图2，在本发明的第二实施例中，半导体感光单元130A的抗反射结构132A例如是抗反射层。详细来说，本实施例的半导体感光单元130A例如是自基板140A的表面141A依次堆叠第二电极152A、第二型掺杂半导体层136A、第一型掺杂半导体层134A、第一电极151A及抗反射结构132A(亦即抗反射层)而成，其中抗反射结构132A(亦即抗反射层)例如是多层抗反射镀膜，但本发明不限于此。另一方面，本实施例的抗反射结构132A(亦即抗反射层)例如是各自配置于这些半导体感光单元130A的多个抗反射结构132A(亦即抗反射层)，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，抗反射层还可以是覆盖全部半导体感光阵列120A的抗反射层，本发明不限于此。在本发明的实施例中，第一电极与抗反射层的配置并不限于上述第一电极151A及抗反射结构132A(亦即抗反射层)的配置方式，在本发明的其他实施例中，抗反射层还可以配置于第一型掺杂半导体层及第一电极之间。
在本发明上述的实施例中，半导体感光单元130、130A例如适于感测目标光束，目标光束的波长位于特定波段，特定波段包括感测光束L1、L3的波长。进一步来说，在本发明的实施例中，特定波段的波长大于等于300纳米并小于等于3微米。也就是说，上述的半导体感光单元130、130A例如主要是用以感测位于特定波段中的波长的光束，因此半导体感光单元130、130A可以针对信号光束L2、L4作感测，进而提供良好的指纹识别效果。上述的发光单元110、110A例如是发光二极管(Light Emitting Diode；简称LED)、激光发光二极管(LaserDiode；简称LD)或有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode；简称OLED)，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，发光单元还可以根据半导体感光单元所感测的主要波段来使用适当的发光光源。另一方面，在本发明的实施例中，发光单元发出的光束例如是可见光、不可见光或具有单一波长的光，本发明不限于此。在本发明的较佳实施例中，半导体感光单元用以接收300纳米至3微米的电磁波信号。
图3是本发明的第三实施例的一种光动能指纹识别模块的俯视图及局部放大图。请参照图3，在本发明的第三实施例中，基板140B的表面141B包括感测区域A以及二发光区域B，且发光区域B位于感测区域A的周边区域。这些半导体感光单元130B排列于感测区域A中，也就是半导体感光阵列120B配置于感测区域A，而发光单元110B配置于发光区域B中。详细来说，在本实施例中，发光区域B位于感测区域A的两侧，且这些发光单元110B配置于感测区域A的两侧。因此，当例如是上述的手指50按压于感测区域A时，这些发光单元110B发出的光可以更均匀地对手指50照射，进而使光动能指纹识别模块100B提供良好的指纹识别效果。
图4是本发明的第四实施例的一种光动能指纹识别模块的俯视图。本发明的实施例并不限于上述感测区域A及发光区域B的配置。在本发明的第四实施例中，基板140C的表面141C上的发光区域D还可以围绕感测区域C，且这些发光单元110C围绕感测区域C，进而使手指靠近感测区域C时可以被这些发光单元110C更均匀的照射，因此光动能指纹识别模块100C可以提供良好的指纹识别效果。另一方面，本发明的实施例中的发光单元并不限于上述发光单元110、110A的发光面是平行于基板表面或倾斜于基板表面，在本发明的第四实施例中，发光单元110C的发光面还可以垂直于基板140C的表面141C，也就是以水平的方式在半导体感光阵列120C上照射光束，本发明不限于此。
更详细来说，上述的感测区域A及感测区域C例如具有矩形外型。请参照图3及图4，在本实施例中，感测区域A及感测区域C例如具有正方形外型，且感测区域A的边长d4及感测区域C的边长d5大于等于4毫米，且这些半导体感测单元130B平行于表面141C的表面例如具有矩形外型，其每一边长d6(请参照图3)例如大于等于10微米并小于等于50微米，因此再搭配上述发光区域B或发光区域D的设计，都可以对手指作良好的指纹识别，但本发明不限于此。在本发明的实施例中，感测区域还可以具有例如是长方形的矩形外型。在本发明的实施例中，感测区域的矩形外型的每一边长大于等于4毫米且小于等于50公分。
请参照图3，在本发明的第二实施例中，光动能指纹识别模块100B还包括处理单元160B。处理单元160B电性连接这些半导体感光单元130B，并且将这些半导体感光单元130B所产生的电信号转换为至少一数字信号，但本发明不限于此。请参照图4，光动能指纹识别模块100C还可以包括多个处理单元160C，对半导体感光阵列120C的这些半导体感光单元作分组的信号处理或个别对每个半导体感光单元作信号处理，本发明不限于此。本发明的实施例中，上述的处理单元例如包括一模-数转换器(analog digital converter)，通过模-数转换器来形成至少一数字信号，且所述数字信号因为包括有指纹的信息，因此可以让指纹识别的后端信号处理更加便利。
综上所述，本发明的实施例的光动能指纹识别模块通过发光元件来发出感测光束照射手指，并通过半导体感光阵列中多个半导体感光单元接收手指被感测光束照射后所反射回来的多个信号光束，进而输出对应到上述指纹的电信号。由于上述的光动能指纹识别模块的厚度取决于这些半导体感光单元的厚度，因此可以通过薄化半导体感光阵列的这些半导体感光单元来使光动能指纹识别模块的整体厚度减少。同时，这些半导体感光单元具有抗反射层来辅助接收信号光束，也就是通过抗反射层来提高半导体感测单元的进光量，并提升半导体感测阵列对信号光束接收效率，因此本发明的实施例的光动能指纹识别模块可以提供高灵敏度的指纹识别效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种光动能指纹识别模块，用以检测手指的指纹，其特征在于，所述光动能指纹识别模块包括：
至少一发光单元，所述发光单元用以发出感测光束至所述手指，所述手指及所述指纹将所述感测光束反射为信号光束；以及
半导体感光阵列，包括多个排成阵列的半导体感光单元，该些半导体感光单元用以接收自所述手指反射回来的信号光束并产生多个电信号，每个所述半导体感光单元自靠近所述手指的一侧依次包括有抗反射结构、第一型掺杂半导体层以及第二型掺杂半导体层，所述第一型掺杂半导体层堆叠于所述抗反射结构及所述第二型掺杂半导体层之间。
2.根据权利要求1所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，还包括基板，所述至少一发光单元及所述半导体感光阵列配置于所述基板的表面上，且所述半导体感光阵列位于所述手指及所述基板之间。
3.根据权利要求2所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，所述基板的所述表面包括感测区域以及至少一发光区域，所述至少一发光区域位于所述感测区域旁，该些半导体感光单元排列于所述感测区域中，所述发光单元配置于所述发光区域中。
4.根据权利要求3所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，所述至少一发光区域为多个发光区域，所述至少一发光单元为多个发光单元，该些发光区域位于所述感测区域的周边区域。
5.根据权利要求3所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，所述感测区域具有矩形外型，且所述感测区域的每一边长大于等于4毫米。
6.根据权利要求2所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，所述至少一发光单元具有发光面，所述发光面平行于所述基板的表面。
7.根据权利要求2所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，所述至少一发光单元具有发光面，所述发光面倾斜于所述基板的表面。
8.根据权利要求1所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，该些抗反射结构为抗反射层。
9.根据权利要求1所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，每个所述半导体感光单元的所述抗反射结构为多个光学微结构。
10.根据权利要求1所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，所述发光单元与该些半导体感光单元的最短距离小于等于20毫米。
11.根据权利要求1所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，所述半导体感光阵列还包括多个第一电极以及第二电极，每个所述第一电极电性连接该些半导体感光单元的其中之一的所述第一型掺杂半导体层，所述第二电极电性连接该些第二型掺杂半导体层，该些第一电极用以传输该些电信号。
12.根据权利要求1所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，该些半导体感光单元适于感测目标光束，所述目标光束的波长位于特定波段，所述特定波段的波长大于等于300纳米并小于等于3微米，所述特定波段包括所述感测光束的波长。
13.根据权利要求1所述的光动能指纹识别模块，其特征在于，还包括至少一处理单元，所述至少一处理单元电性连接该些半导体感光单元，并且将该些电信号转换为至少一数字信号。
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