CN109815783A - 感测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种感测设备。所述感测设备包括：图像传感器；准直仪，位于所述图像传感器上方，所述准直仪具有孔径阵列；滤光层，位于所述准直仪与所述图像传感器之间，其中所述滤光层被配置成过滤透射过所述孔径阵列的一部分光；以及照明层，位于所述准直仪上方。

Description

感测设备
技术领域
本发明的实施例是有关于一种感测设备，且特别是有关于一种生物测定的感测设备。
背景技术
半导体集成电路(integrated circuit，IC)行业已经历了指数增长。集成电路材料及设计方面的技术进步已产生了若干代集成电路，其中每一代都比前一代具有更小且更复杂的电路。在集成电路演进的进程中，功能密度(即，每芯片面积互连装置的数目)通常增大而几何大小(即，可利用制作工艺生成的最小组件(或线))减小。此种按比例缩小工艺通常通过提高生产效率并降低相关联的成本来提供有利效果。此种按比例缩小还增加了处理及制造集成电路的复杂性。
举例来说，在有限的装置壳体内向消费及/或便携式电子装置(例如，智能手机、电子输入板、穿戴式装置等)提供生物测定传感器(例如，用于指纹识别的光学传感器)方面存在相当大的兴趣。在电子装置中表面空间常常是特别有限的资源。需要使生物测定传感器与装置壳体内的其他组件(例如，显示屏)进行堆叠以避免将宝贵的表面空间独占性地分配给可能仅在用户身份鉴定步骤期间短暂使用的生物测定传感器。通过堆叠生物测定传感器，电子装置外部的生物测定物体(例如，用户的手指)进一步远离传感器。来自杂散光及环境光的干扰可能变得更强烈，从而导致生物测定传感器的灵敏度变差。举例来说，由光学生物测定传感器获取的指纹图像可因所接收光的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)在干扰下劣化而变得模糊。因此，尽管在电子装置内集成生物测定传感器的传统方式一般来说已足以用于其预期目的，但所述传统方式并不能在各方面令人满意。
发明内容
本发明提供一种感测设备，其特征在于，包括：图像传感器；准直仪(collimator)，位于所述图像传感器上方，所述准直仪具有孔径(apertures)阵列；滤光层，位于所述准直仪与所述图像传感器之间，其中所述滤光层被配置成过滤透射过所述孔径阵列的一部分光；以及照明层，位于所述准直仪上方。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本公开。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制且仅用于说明目的。事实上，为论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1说明根据本公开的各种方面，在表面空间上具有生物测定感测区的电子装置；
图2是根据本公开的各种方面，在显示屏下方集成有光学传感器的电子装置的剖视图；
图3A及图3B是根据本公开的各种方面，在显示屏下方集成有光学传感器的电子装置的生物测定感测区的俯视图；
图4说明根据本公开的各种方面，一种捕捉生物测定图像的方法的流程图；
图5说明根据本公开的各种方面，一种制作在显示屏下方集成有光学传感器的电子装置的方法的流程图；
图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13及图14是根据本公开的各种方面，在图5所示方法的各种阶段处的电子装置的剖视图；
附图标记说明：
100：电子装置；
102：壳体；
104、202：显示屏；
106：边框板；
108：感测区；
110：用户的手指；
200：指纹识别系统；
204：光调节层；
206：图像感测层；
207：光学感测元件；
214：护罩玻璃；
216：顶表面；
220：显示层；
222：发光像素；
222B：发光像素/蓝色发光像素；
222G：发光像素/绿色发光像素；
222R：发光像素/红色发光像素；
224：阻挡层；
226：开口；
240：准直仪；
242：滤光膜；
246：孔径；
250：环境光；
252：介电层；
254：覆盖层；
256：防反射膜；
258：红色光减少膜；
260：开口/沟槽；
262：接合线；
264：接合垫；
266：对准标记；
269：缺口隅角；
270：光；
272：脊部；
274：谷部；
400：方法；
402-416、502-520：方块；
500：方法；
600：工件；
602、1202：半导体衬底；
d：孔径的直径；
D1：像素距离；
D2：宽度/直径；
H：孔径的高度；
Hd：覆盖层、滤光膜以及介电层的总厚度；
Ht：沟槽的深度；
L1：高度/长度；
L2：长度；
W1：宽度。
具体实施方式
以下公开内容提供用于实施本公开的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列的具体实例以简化本公开内容。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。例如，以下说明中将第一特征形成在第二特征“上方”或第二特征“上”可包括其中第一特征及第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本公开内容可能在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。这种重复使用是出于简洁及清晰的目的，而不是自身表示超出所述程度的各种实施例及/或配置之间的关系。
此外，在以下本公开中将特征形成在另一特征上、连接到另一特征、及/或耦合到另一特征可包括其中所述特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中可在所述特征之间夹置形成额外特征、进而使得所述特征可能不直接接触的实施例。此外，例如“下部(lower)”、“上部(upper)”、“水平(horizontal)”、“垂直(vertical)”、“上方(above)”、“之上(over)”、“下方(below)”、“之下(beneath)”、“上(up)”、“下(down)”、“顶(top)”、“底(bottom)”等及其派生词(例如，“水平地(horizontally)”、“向下(downwardly)”、“向上(upwardly)”等)等空间相对性用语是用于便于本公开说明一个特征与另一特征的关系。所述空间相对性用语旨在涵盖包括所述特征的装置的不同取向。
本公开大体来说涉及电子装置及制作。更具体来说，一些实施例涉及在电子装置的显示屏下方集成一个或多个光学传感器用于生物测定探测。本公开的一个目的是提供在生物测定探测期间用于有效增强由光学传感器接收的入射光的信噪比(SNR)的方法。
生物测定感测系统(例如，指纹识别系统)已成为一种引起了相当大的兴趣且用以向电子装置、且更具体来说消费及/或便携式电子装置(例如，智能手机、电子输入板、穿戴式装置等)提供安全特征的方式。生物测定感测系统是基于用户独特的特征，且可能不依赖于记忆或用户对其他输入装置的使用，例如密码输入。生物测定感测系统也因同样的原因而提供难以被非法入侵的优点。
在各种生物测定感测技术中，指纹识别是可靠且被广泛使用的技术，用于进行个人身份鉴定或验证。指纹识别系统通常包括指纹感测及匹配功能，例如收集指纹图像并将这些图像与已知的指纹信息进行比较。具体来说，一种指纹识别的方式涉及扫描参考指纹并存储所获取的参考图像。可对新指纹的特性进行扫描并与已存储在数据库中的参考图像进行比较，以确定一个人的正确身份，例如用于验证目的。指纹识别系统对于消费及/或便携式电子装置中的认证来说可能是特别有利的。举例来说，用于获取指纹图像的光学传感器可载于电子装置的壳体内。
生物测定安全系统的有效性可受能够探测独特生物测定数据的精确度的影响。在指纹识别系统的情形中，此意味着提高到达光学传感器的入射光的信噪比，并从而提高所获取的图像的分辨率。
同时，在集成生物测定安全系统的设计工作中，装置壳体内的空间的可利用性很重要。许多电子组件竞争此空间。可用的表面空间常常是特别有限的资源。在各种实施例中，电子装置包括显示屏及位置邻近所述显示屏的单独的指纹传感器。通过将指纹传感器放置在相邻的区域中，指纹传感器避免被显示屏阻挡且将接收更强的入射光。然而，通过将表面空间的此宝贵的部分独占性地分配给指纹传感器，显示屏必须收缩以容纳指纹传感器而不是扩展到电子装置的实质整个表面空间(例如，为了更好的用户观看体验)。
首先参照图1，现在阐述电子装置100。电子装置100说明性地为移动无线通信装置(例如，智能手机)。电子装置100可为任一其他适当的电子装置，例如，膝上计算机、电子输入板、便携式游戏装置、导航装置或穿戴式装置。电子装置100包括壳体102以及其他组件，例如位于壳体102内的处理器及存储器。
壳体102还载有显示屏104。在所说明的实施例中，显示屏104是有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)显示屏。在各种实施例中，显示屏104可为所属领域中的技术人员将理解的任一其他适当类型的显示屏，例如液晶显示(liquid-crystaldisplay，LCD)屏、发光二极管(light-emitting diode，LED)显示屏、或有源矩阵有机发光二极管(active-matrix organic light-emitting diode，AMOLED)显示屏。
在所说明的实施例中，显示屏104实质上扩展到电子装置100的整个表面空间。在显示屏104与壳体102的边缘之间的一些边宽可被留给边框板(bezel panel)106。显示屏104堆叠在用于指纹探测的图像感测特征之上、或堆叠在其他适当的生物测定感测特征之上。稍后将进一步详细阐述所述图像感测特征。显示屏104同时充当显示器及供图像感测特征获取指纹图像的输入装置。因此，显示屏104响应于用户输入执行多种装置功能。举例来说，当电子装置100处于锁定状态中时，显示屏104可首先在屏幕上显示提示(例如，手指图标或指令文本)。显示屏104可进一步突出显示感测区108。当用户的手指110或另一适当的物体以与显示屏104近场接触或直接接触的方式被放置在感测区108中时，图像感测特征被激活并从用户的手指110获取生物测定数据(例如，指纹图像)。此生物测定数据被发送到一个或多个处理器用于匹配及/或电子欺骗(spoof)探测。如果所述生物测定数据匹配存储在存储器中的参考指纹图像，那么电子装置100可随后转入解锁状态，且显示屏104开始示出桌面图标或对各种其他用户输入作出响应。显示屏104可进一步与触摸传感器阵列进行集成。在此种情形中，显示屏104也是触摸显示屏。
参照图2，说明了电子装置100的一部分的剖视图。电子装置100的此部分载有指纹识别功能且可被视为指纹识别系统200。指纹识别系统200具有层叠构造，所述层叠构造包括位于顶部的显示屏202、位于中间的光调节层204以及位于底部的图像感测层206。显示屏202对上方的感测区108进行照明。当从显示屏202发出的光从用户的手指110或其他适当的物体反射时，所反射的光向下传播穿过显示屏202及光调节层204并最终到达图像感测层206。图像感测层206包括一个或多个光学感测元件207，例如互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)传感器及/或电荷耦合器件(chargedcoupled device，CCD)传感器。光学感测元件207能够探测入射光的强度。图像感测层206由此将入射光转变成像素图像，所述像素图像包括用户的手指110的生物测定特性。像素图像的每一像素可与在光学感测元件207的对应位置处记录的入射光的强度相对应。
在一些实施例中，显示屏202包括保护电子装置100的内部组件的护罩玻璃214(或护罩透镜)。感测区108被界定在护罩玻璃214上方。护罩玻璃214的顶表面216形成感测表面，所述感测表面为用户的手指110或其他适当的物体提供接触区域。在感测区108内，用户的手指110可直接触摸顶表面216或在近场感测期间与顶表面216保持小的距离。护罩玻璃214可由玻璃、透明聚合材料或其他适当的材料制成。
显示屏202包括位于护罩玻璃214下方的显示层220。显示层220包括发光像素222的阵列。不同发光像素222可被配置成发出不同颜色，例如发出红色光的发光像素(被表示为222R)、发出绿色光的发光像素(被表示为222G)、或发出蓝色光的发光像素(被表示为222B)。由于与感测区108的几何关系，发光像素222可被分类成两组，一组位于感测区108正下方，且另一组位于感测区108之外。位于感测区108之外的发光像素222执行常规的显示功能，而位于感测区108正下方的发光像素222在生物测定感测期间根据应用而执行常规的显示功能及照明功能两者。在各种实施例中，相邻发光像素222之间的像素距离D1处于约5um到约30um的范围内。在具体的实例中，像素距离D1可处于约10um到约20um的范围内。
在一些实施例中，显示屏202还包括阻挡层224。阻挡层224是可设置在显示层220下方的半透明或不透明层。在感测区108之外，阻挡层224是连续的，从而遮蔽显示层220下方的组件免受由发光像素222发出的光及环境光的照射。在感测区108正下方，阻挡层224具有多个开口226。每一开口226位于两个相邻的发光像素222之间。开口226允许从感测区108反射的光通过其进行传播。在所说明的实施例中，在两个相邻的发光像素222之间存在一个开口226。开口226可具有与像素距离D1的比率介于约40％到约90％的宽度(或直径)D2。在一些其他实施例中，在两个相邻的发光像素222之间存在两个或更多个开口226。开口226因此可具有与像素距离D1的比率介于约20％到约40％的宽度(或直径)D2。
在各种实施例中，显示层220可为LCD显示器(利用具有滤色片的背光来形成RGB像素)、LED显示器(例如，微发光二极管(microLED)，其中的像素材料可为在LED中使用的无机材料)、OLED显示器、或任意其他适当的显示器。在所说明的实施例中，发光像素222是有机发光二极管(OLED)，且显示层220是OLED显示器。OLED显示器的实例可包括有源矩阵OLED(AMOLED)、无源矩阵OLED(passive-matrix OLED，PMOLED)、白色OLED(white OLED，WOLED)及RBG-OLED、及/或其他适当类型的OLED。OLED显示器通常比其他类型的显示器(例如，LCD或LED显示器)更轻薄且更灵活。OLED显示器不需要背光，因为可从OLED中的有机发光材料产生光，此使得像素能够被完全关闭。所述有机发光材料可为有机聚合物，例如聚对苯乙烯及聚芴。由于有机发光材料产生其自身的光，因此OLED显示器也可具有更宽的视角。此可与LCD显示器形成对比，所述LCD显示器通过阻挡可对某些视角造成阻碍的光而运作。
OLED二极管利用被称为电致发光(electroluminescence)的工艺来发光。电致发光是有机发光材料可响应于穿过其的电流而发光的现象。在一些实例中，OLED二极管可包括空穴注入层、空穴传输层、电子注入层、发光层及电子传输层。由OLED二极管发出的光的颜色取决于在发光层中使用的有机发光材料的类型。可通过有机发光材料的各种化学结构来获得不同颜色。举例来说，发光像素222R可由发出红色光的有机发光材料形成；发光像素222G可由发出绿色光的有机发光材料形成；且发光像素222B可由发出蓝色光的有机发光材料形成。光的强度可取决于所发出的光子的数目或施加到OLED二极管上的电压。在一些实施例中，每一个发光像素222R、222G或222B是由产生白色光的相同有机发光材料形成，但进一步分别包括红色、绿色或蓝色滤色片以滤除除目标颜色以外的颜色。滤色片可利用胆固醇滤料(cholesteric filter material)(例如，多层介电堆叠)形成，所述胆固醇滤料包括被配置成形成滤光器且具有不同折射率的材料。
图3A及图3B从感测区108的俯视图说明发光像素222及开口226的两种示例性排列。在图3A中，每一发光像素222R、222G或222B具有近似相同的形状及尺寸，例如高宽比(高度L1/宽度W1)介于约2:1到约8:1的圆角矩形形状。发光像素222R、222G及222B形成N×M阵列。所述阵列的每一列包括具有相同颜色的发光像素。举例来说，如在图3A中所说明，最左侧一列仅包括红色发光像素(222R)；左边第二列仅包括绿色发光像素(222G)；左边第三列仅包括蓝色发光像素(222B)；以此类推。此种发光像素排列也被称为R-G-B条带(stripe)排列。其他条带排列(例如，R-B-G-G-B-R条带排列或R-R-G-G-B-B条带排列)也可适用于显示层220。在一些实施例中，显示层220可具有多于三种原色，例如红色、绿色、蓝色及黄色(RGBY)的组合或红色、绿色、蓝色、黄色及青色(RGBYC)的组合。发光像素排列可分别为R-G-B-Y条带排列或R-G-B-Y-C条带排列、或任意其他适当的条带排列。在显示层220中，在每一颜色之下可具有实质上相同量的发光像素。
如在图3A中所说明，一列或多列开口226位于发光像素222的两个相邻的列之间。开口226的宽度D2可小于或大于发光像素222的宽度W1。在一些实施例中，宽度D2实质上相同于宽度W1。类似地，开口226的长度L2可小于或大于发光像素222的长度L1。在一些实施例中，长度L2实质上相同于长度L1。在一个实例中，开口226具有与发光像素222实质上相同的形状及尺寸。在另一实例中，开口226比发光像素222长约20％，而比发光像素222窄约10％。此种尺寸排列仅是说明性的，且并不旨在为限制性的。针对发光像素222及开口226存在众多替代示例性尺寸排列。
在图3B中，显示层220具有为蓝色发光像素222B或红色发光像素222R的两倍多的绿色发光像素222G。绿色发光像素222G具有圆形或椭圆形形状且较小，而红色发光像素及蓝色发光像素具有菱形形状且较大。在一些实施例中，蓝色发光像素222B甚至大于红色发光像素222R。此种发光像素排列利用通常最高效且持续寿命最长的绿色发光像素222G并平衡通常寿命最短的蓝色发光像素222B。开口226不是成列的群组而是在发光像素222之间交错。开口226可为具有直径D2的圆形形状。在一些实施例中，开口226小于绿色发光像素222G。在一些实施例中，开口226大于绿色发光像素222G但小于蓝色发光像素222B或红色发光像素222R。
返回参照图2，在感测区108之下，光调节层204堆叠在显示屏202之下。光调节层204包括准直仪240及滤光膜242。准直仪240包括孔径246阵列。每一孔径246位于图像感测层206中的一个或多个光学感测元件207正上方。孔径246阵列是由任意适当的技术(例如，等离子体刻蚀、激光钻孔等)形成。孔径246阵列对从感测区108反射的入射光进行调节。图像感测层206堆叠在底部，显示屏202、尤其是相对厚的护罩玻璃214在用户的手指110与图像感测层206之间增加额外的垂直距离，此使得来自用户的手指110的附近区的杂散光也与来自正上方的小点的光一起到达光学感测元件207。杂散光导致图像模糊。孔径246阵列有助于滤除杂散光且实质上仅允许来自正上方的小点的光能够被探测到，从而产生更清晰的图像。
准直仪240的度量是孔径246的高宽比，其被定义为孔径246的高度H除以孔径246的直径d。孔径246的高宽比足够大以允许法线或接近法线入射到准直仪240的光线通过并到达光学感测元件207。孔径246的适当高宽比的实例介于约5:1到50:1，且有时介于约10:1到约15:1。在实施例中，孔径246的高度H处于约30um到300um的范围内，例如约150um。在各种实施例中，准直仪240可为具有孔阵列的不透明层。在一些实施例中，准直仪240是单片半导体层，例如硅层。准直仪240的其他实例可包括塑料，例如聚碳酸酯、PET、聚酰亚胺、碳黑、无机绝缘或金属材料、或SU-8。
仍参照图2，光调节层204还包括滤光膜242。滤光膜242选择性地吸收或反射某些光谱的入射光，尤其是来自环境光250的组分，例如红外光及/或其他可见光(例如，红色光)的一部分。滤光膜242有助于减小光学感测元件207对环境光250的灵敏度并增大光学感测元件207对从发光像素222发出的光的灵敏度。在实例中，滤光膜242可包括吸收或反射某些光谱中的光的薄的金属层或金属氧化物层。在另一实例中，滤光膜242可包括吸收或反射某些光组分的染料及/或颜料。作为另外一种选择，滤光膜242可包括若干子层或纳米大小的特征，所述子层或纳米大小的特征被设计成对某些波长的入射光造成干扰。滤光膜242可沉积在介电层252上。视需要可存在保护滤光膜242的覆盖层254。在所说明的实施例中，滤光膜242是位于准直仪240下方的连续的膜。在一些实施例中，滤光膜242设置在显示屏202与准直仪240之间，例如在阻挡层224与准直仪240之间。在一些实施例中，滤光膜242可设置在显示层220与阻挡层224之间。
环境光250(例如，日光)可包括丰富的红外光组分，所述红外光组分可在感测区108中穿透用户的手指110或其他物体并到达光学感测元件207。与人眼相比，CMOS图像传感器及CCD图像传感器通常也对红外光(包括近红外光)敏感。穿过用户的手指110的红外光不载有生物测定信息，此减小从发光像素222发出的有用反射光的对比度。此种红外光可被视为在由图像感测层206产生的像素图像中的噪声的来源。因此，入射光的信噪比因所述不期望的红外光而减小。当环境光250变得更强时，红外光甚至可使光学感测元件207饱和，且信噪比可低于任何有意义的生物测定探测的阈值。举例来说，当电子装置处于强日光下时，生物测定探测功能可能失灵。在一些实施例中，滤光膜242是红外滤光片，也被称为红外截止滤光片(infrared light cut-off filter，IRCF)，使得红外光可实质上被阻挡，而从发光像素222发出的可见光可透射过红外截止滤光片。
介电层252可包括单个或多个材料层。在一些实施例中，介电层252包括设置在底部的防反射(anti-reflection，AR)膜256。在一些实施例中，介电层252还包括堆叠在防反射膜256上方的红色光减少膜258。红色光减少膜258减弱入射光中红色光组分的强度。与其他颜色的光相比，红色光更易于从光学感测元件207衍射并导致被称为鬼像(ghost image)的二次红色图像。红色光减少膜258可有助于抑制鬼像。
介电层252、滤光膜242以及覆盖层254的堆叠结构还可具有若干开口260。开口260允许接合线262将位于图像感测层206的顶表面上的接合垫264互连到外部电路，例如电子装置100的处理器。接合垫264路由到嵌置在图像感测层206中的控制信号线及电力/接地线。图像感测层206还可包括位于顶表面上的对准标记266用于在制作及装配期间进行对准控制。覆盖层254的与开口260相邻的侧壁可具有缺口隅角269。稍后将详细阐释存在缺口隅角269的原因。
图4说明根据本公开的实例，一种从由光调节层集成的显示屏进行照明的输入物体捕捉生物测定图像的方法400的流程图。以下将参照在图2中所说明的示例性电子装置100来阐述方法400。
在方块402处，方法400以在屏幕上显示提示而开始。电子装置100的屏幕可处于锁定状态中。所述提示可为图标，例如指纹图标或指令文本。所述提示在屏幕上突出显示感测区108。所述提示由位于感测区108之下的发光像素222示出。发光像素222可为OLED二极管。位于感测区108之外的发光像素222在可锁定状态中被关闭或可显示预设屏保图像(screensaver image)。
在方块404处，方法400探测在感测区108中显示出的输入物体，例如用户的手指110。所述探测可通过在光学感测元件207处感测入射光变化而实施。作为另外一种选择，显示屏202可为触摸屏且包括触摸传感器，且可由所述触摸传感器来实施探测。在一些应用中，用户的手指110没有必要实体触摸显示屏202的顶表面216。相反，可使用近场成像来感测透过用户的手套或其他障碍(例如，油类、胶类及水分)探测到的触摸。当用户的手指110保持不动超过预定时间时，例如用户使一只手指保持不动达约一百毫秒时，方法400进入生物测定探测模式。否则，方法400返回方块402，等待新的用户输入。
在方块406处，关闭示出在屏幕上的提示且位于感测区108下方的发光像素222开始对用户的手指110进行照明。从发光像素222发出的光270透过护罩玻璃214传播并到达用户的手指110。用户的手指110可包括脊部272及谷部274。手指的脊部272可因比谷部274更靠近顶表面216而反射更多的光，且谷部274可反射较少的光。光270继而朝光调节层204往回反射。
在方块408处，方法400在准直仪240处过滤光270中的杂散光组分。利用孔径246的高的高宽比，准直仪240仅允许从感测区108反射的法线或接近法线入射到准直仪240的光线通过并最终到达图像感测层206。光学感测元件207可用以测量光的强度并将所测量的强度转变成输入物体(例如，用户的手指110)的像素图像。另一方面，距离法线具有较大角度的杂散光在准直仪240的顶表面或孔径246内的表面(例如，孔径侧壁)处撞击准直仪240，并被阻挡且防止到达下方的图像感测层206。孔径246的高宽比足够大以防止杂散光透过准直仪240传播，例如为约5:1到约50:1。作为实例，在不存在准直仪240的情况下，从谷部274反射的光线可与法线方向呈大的角度传播并到达位于脊部272正下方的一个传感器元件。由于混合了来自脊部272区及谷部274区的光，因此由所述一个传感器元件产生的图像是模糊的。此种光线被称为杂散光。孔径246的较大的高宽比将接收光锥区(light acceptancecone)限制为较小的角度，从而提高系统的光学分辨率。在一些实施例中，孔径246的形状为圆柱形或圆锥形。孔径246的侧壁还可包括凹槽或其他结构以防止杂散光反射出壁并到达下方的图像感测层206。
在方块410处，方法400在滤光膜242处过滤某些光谱的光。在一些实施例中，滤光膜242是红外截止滤光片，所述红外截止滤光片例如通过吸收或反射而过滤(或减少)来自入射光的红外光组分。环境光250(例如，日光)是红外光的主要来源。红外光可轻易地穿透用户的手指110。因此，红外光不载有手指的生物测定特性的有用信息且可被视为噪声的一部分。将来自环境光的红外光组分与来自发光像素的反射光进行掺合会降低光学感测元件207的灵敏度。通过在感测之前过滤红外光，可增大入射光的信噪比。在一些其他实施例中，滤光膜242可将除红外光以外的某些光谱中的光(例如，可见光谱中的红色光或紫外光)作为目标。可制定滤光膜242的滤光轮廓以特别呈现颜色、质地或反射质量，从而使得能够具有最佳化的过滤性能。在一些实施例中，滤光膜242是红外截止滤光片，且存在堆叠在下方或上方的单独的膜用于过滤红色光，以减少鬼像。
在方块412处，方法400在图像感测层206处获取指纹图像。位于图像感测层206内部的光学感测元件207将入射光转变成电输出。每一光学感测元件207的输出可对应于指纹图像中的一个像素。光学感测元件207可包括彩色图像传感器及/或单色图像传感器。在一些实施例中，光学感测元件207中的每一者可被配置成对应于具体光波长，例如位于红色发光像素222R下方的传感器元件用于感测红色光波长、位于绿色发光像素222G下方的传感器元件用于感测绿色光波长，且位于蓝色发光像素222B下方的传感器元件用于感测蓝色光波长。
在方块414处，方法400将所获取的指纹图像与先前存储在存储器中的真实参考图像进行比较。如果指纹图像匹配，那么方法400进入方块416以解锁屏幕。位于感测区108下方的发光像素222将停止照明并加入位于感测区108之外的其他发光像素222以开始显示如在解锁状态中的常规桌面图标。如果指纹图像不匹配，那么方法400返回方块402以等待新的生物测定探测。
图5是一种制作具有生物测定感测系统的工件600的方法500的流程图。工件600可在许多方面实质上类似于图2所示的电子装置100。可在方法500之前、期间及之后提供额外的步骤，且针对方法500的其他实施例可替换或消除所述步骤中的一些步骤。以下结合图6到图14阐述方法500。图6到图14示出根据本公开的各种方面，在方法500的各种阶段处的工件600的剖视图。
首先参照图5所示的方块502及图6，接收包括半导体衬底602的工件600。在各种实例中，半导体衬底602包括元素(单一元素)半导体，例如晶体结构的硅或锗；化合物半导体，例如硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟；非半导体材料，例如钠钙玻璃、熔融硅石、熔融石英及/或氟化钙(CaF2)；及/或其组合。
工件600也包括一个或多个光学感测元件207。在一个实施例中，光学感测元件207可设置在前表面之上并延伸到半导体衬底602中。光学感测元件207各自可包括光感测区(light-sensing region)(或光电感测区(photo-sensing region))，所述光感测区可为具有n型及/或p型掺杂剂且通过例如扩散或离子植入等方法而形成在半导体衬底602中的掺杂区。光学感测元件207可包含在半导体衬底602中扩散或以其他方式形成的光电二极管、钉扎(pinned)层光电二极管、非钉扎(non-pinned)层光电二极管、复位晶体管、源极跟随器晶体管、转移晶体管、选择晶体管、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合装置(CCD)传感器、主动像素传感器、被动像素传感器及/或其他传感器。光学感测元件207可包括设置成传感器阵列或其他适当的构型的多个传感器像素。所述多个传感器像素可被设计成具有各种传感器类型。举例来说，一组传感器像素可为互补金属氧化物半导体图像传感器且另一组传感器像素可为被动传感器。此外，光学感测元件207可包括彩色图像传感器及/或单色图像传感器。
通常邻近光学感测元件207设置额外的电路系统及输入/输出，用于为光学感测元件207提供操作环境并用于提供与处理器的外部通信。举例来说，光学感测元件207还可包括例如电路等组件或耦合到例如电路等组件，使得光学感测元件207可被操作以对入射光提供恰当的响应。也可在衬底的前表面上方形成多个介电层及多个导电特征，所述多个导电特征包括耦合到多个接触件及/或通孔结构的多个金属结构。所述多个金属结构及所述多个接触件/通孔结构可在集成工艺(例如，镶嵌工艺或双镶嵌工艺)中形成，且此外，可在各种工艺(例如，光刻工艺及刻蚀工艺)中形成垂直特征及水平特征。所述多个金属结构可被路由到一个或多个接合垫264。接合垫264可设置在半导体衬底602的前表面上。接合垫264为接合线提供着陆区域(landing area)，所述接合线提供与所述多个金属结构的外部连接，例如电源、地面、控件及数据线的连接。工件600还可包括其他特征，例如对准标记266。对准标记266可设置在半导体衬底602的顶表面上。对准标记及随后光刻图案相对于这些标记的对准是半导体制造工艺的重要部分。一个图案层与前一层的对准通常是在设计在前一掩模层上的特殊对准图案的辅助下完成。当这些特殊图案对准时，便假设电路图案的剩余部分也正确地对准。
参照图5所示的方块504及图7，方法500沉积覆盖工件600的介电层252。介电层252可包含材料组合物，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及/或碳化硅。在示例性实施例中，介电层252包含氧化硅。介电层252可通过任意适当的工艺(包括热生长、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、高密度等离子体化学气相沉积(high-densityplasma CVD，HDP-CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、原子层沉积(atomic-layer deposition，ALD)及/或其他适当的沉积工艺)被形成到任意适当的厚度。介电层252在组成上可为均匀的或可包括各种层，例如位于底部的红色光减少膜及/或防反射(AR)膜。介电层252的厚度可介于约1μm到约10μm范围内，例如约2μm。
参照图5所示的方块506及图8，方法500沉积覆盖工件600的滤光膜242。滤光膜242选择性地吸收或反射某些光谱的入射光。在所说明的实施例中，滤光膜242过滤红外光。滤光膜242在组成上可为均匀的或可包括各种层。滤光膜242可包含金属、金属氧化物、染料及/或颜料。在一个实施例中，滤光膜242包含二氧化钽。在另一实施例中，滤光膜242包含氮化硅。滤光膜242可通过任意适当的工艺(包括化学气相沉积(CVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)及/或其他适当的沉积工艺)被形成到任意适当的厚度。滤光膜242的厚度可介于约2μm到约8μm范围内，例如约4μm。
参照图5所示的方块508及图9，方法500可视需要沉积覆盖工件600的覆盖层254。覆盖层254保护下方的滤光膜242免受后续制作工艺的损害。覆盖层254可包含介电质，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及/或碳化硅。在各种实施例中，覆盖层254及介电层252可包含相同或不同的材料组合物。在示例性实施例中，覆盖层254包含氮化硅且介电层252包含氧化硅。覆盖层254可通过任意适当的工艺(包括热生长、化学气相沉积(CVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)及/或其他适当的沉积工艺)被形成到任意适当的厚度。覆盖层254的厚度可介于约0.1μm到约2μm范围内，例如约0.5μm。
参照图5所示的方块512及图10，方法500在接合垫264正上方形成沟槽260。接合垫264未暴露在沟槽260中，因为在沟槽260的底部处的一层介电层252保持覆盖接合垫264，此保护接合垫264免受后续制作工艺的损害。方块512可包括各种工艺(例如，光刻及刻蚀)以形成沟槽260。光刻工艺可包括在工件600上方形成光刻胶(图中未示出)。示例性光刻胶包括对辐射(例如，紫外光、深紫外(DUV)辐射、及/或极紫外(EUV)辐射)敏感的光敏材料。对工件600执行光刻曝光，此将光刻胶的被选择的区域暴露于辐射。所述曝光使得在光刻胶的被暴露出的区域中发生化学反应。在曝光之后，对光刻胶施加显影剂。显影剂在正型光刻胶显影工艺的情形中溶解或以其他方式移除被暴露出的区域或在负型光刻胶显影工艺的情形中溶解或以其他方式移除未被暴露出的区域。在光刻胶被显影之后，可通过刻蚀工艺(例如，湿刻蚀、干刻蚀、反应离子刻蚀(Reactive IonEtching，RIE)、灰化及/或其他刻蚀方法)而移除工件600的被暴露出的部分。在刻蚀之后，可移除光刻胶。在一些实施例中，在沟槽260内部，刻蚀工艺移除覆盖层254、滤光膜242以及介电层252的上部部分。沟槽260的深度Ht与覆盖层254、滤光膜242以及介电层252的总厚度Hd的比率可介于约40％到约90％，例如在一个实例中为约50％。在一些实施例中，介电层252的材料组合物不同于覆盖层254及滤光膜242。通过选择以覆盖层254的材料组合物及滤光膜242的材料组合物作为目标同时抵抗对介电层252的刻蚀的一种或多种刻蚀剂，介电层252用作刻蚀终止层并实质上保持覆盖接合垫264。
参照图5所示的方块514及图11，方法500在覆盖层254上方堆叠半导体衬底1202。在一些实施例中，两个半导体衬底602及1202是硅衬底。然而，所公开的结构及方法不是限制性的且可延伸到其他适当的半导体衬底及其他适当的晶体取向。举例来说，半导体衬底602及1202中的任一者可在相同或不同的晶体结构中包括元素半导体，例如锗；化合物半导体，例如硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟；或其组合。举例来说，半导体衬底602是硅锗衬底且半导体衬底1202是硅衬底。
在所说明的实施例中，半导体衬底1202的堆叠是通过恰当的结合技术(例如，直接结合、共晶结合、熔融结合、扩散结合、阳极结合或其他适当的结合方法)将半导体晶片(或管芯)结合到覆盖层254而实施。在一个实施例中，材料层通过直接硅结合(direct siliconbonding，DSB)而结合在一起。举例来说，直接硅结合工艺可包括在较低温度下预处理、预结合并在较高温度下退火。当两个衬底被结合在一起时，可实施埋置氧化硅层(buriedsilicon oxide layer，BOX)。在一些实例中，半导体衬底1202可例如通过研磨或抛光等而变薄到在结合后具有恰当厚度，例如从约700μm变薄到约150μm。
参照图5所示的方块516及图12，方法500将结合的半导体衬底1202图案化有多个孔径246，从而形成准直仪240。覆盖层254的顶表面部分暴露在孔径246中。孔径246的适当高宽比的实例处于约5:1到约50:1的范围内，且有时处于约10:1到约15:1的范围内。图案化工艺也可移除结合的半导体衬底1202的覆盖沟槽260的部分。图案化工艺可为包括任意适当的刻蚀技术(例如，湿刻蚀、干刻蚀、反应离子刻蚀、灰化及/或其他刻蚀方法)的刻蚀工艺。举例来说，干刻蚀工艺可实施含氧气体、含氟气体(例如，CF4、SF6、CH2F2、CHF3及/或C2F6)、含氯气体(例如，Cl2、CHCl3、CCl4及/或BCl3)、含溴气体(例如，HBr及/或CHBR3)、含碘气体、其他适当的气体及/或等离子体、及/或其组合。举例来说，湿刻蚀工艺可包括在稀释的氢氟酸(DHF)；氢氧化钾(KOH)溶液；氨；含有氢氟酸(HF)的溶液、硝酸(HNO3)及/或乙酸(CH3COOH)；或其他适当的湿刻蚀剂中进行刻蚀。在所说明的实施例中，孔径246是通过等离子体刻蚀工艺而形成。沟槽260中剩余的介电层252保护位于下方的接合垫264及其他电子组件在等离子体轰击期间免受损害。
参照图5所示的方块518及图13，方法500从沟槽260的底部移除介电层252并暴露出接合垫264。介电层252的一些部分可通过刻蚀工艺(例如，湿刻蚀、干刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、灰化及/或其他刻蚀方法)而被移除。由于所选择刻蚀剂的刻蚀选择性，覆盖层254也可在刻蚀工艺期间具有顶表面刻蚀损失，从而导致与准直仪240相邻的缺口隅角269。覆盖层254暴露在孔径246中的部分也可具有一些但相对较少的顶表面刻蚀损失且可被视为在刻蚀工艺期间实质上保持，这是由于孔径246的高的高宽比以及刻蚀剂的对应负荷效应(loading effect)。
参照图5所示的方块520及图14，方法500可继续进行进一步的处理以便完成工件600的制作。举例来说，方法500可将接合垫264与导电特征(例如，接合线262)进行结合。接合线262延伸通过开口260，并将半导体衬底602中的内部布线(internal routing)路由到外部控制信号、数据线及电力线。方法500也可将显示屏202组装在准直仪240上方。显示屏202可包括护罩玻璃214、显示层220及/或阻挡层224。
尽管并非旨在为限制性的，但本公开的一个或多个实施例为生物测定感测系统(例如，在消费(或便携式)电子装置中的指纹识别系统)提供许多有利效果。举例来说，通过较高的分辨率及来自杂散及环境光的较低的噪声干扰，光学信号得以增强。可在图像传感器处获取具有增强的信噪比(SNR)的指纹图像。此外，所公开的方法可易于集成到现有的半导体制造工艺中。
在一个示例性方面中，本公开涉及一种感测设备。在实施例中，所述感测设备包括：图像传感器；准直仪，位于所述图像传感器上方，所述准直仪具有孔径阵列；滤光层，位于所述准直仪与所述图像传感器之间，其中所述滤光层被配置成过滤透射过所述孔径阵列的一部分光；以及照明层，位于所述准直仪上方。在实施例中，所述一部分光是红外光。在实施例中，所述滤光层包含金属氧化物。在实施例中，所述滤光层在所述准直仪正下方连续延伸且具有位于所述准直仪之外的开口。在实施例中，所述感测设备还包括：导电特征，耦合到所述图像传感器，所述导电特征延伸穿过所述开口。在实施例中，所述准直仪是通过在所述滤光层上方结合晶片衬底来形成。在实施例中，所述孔径阵列中的孔径的高度对所述孔径的直径的比率处于10:1到15:1范围内。在实施例中，所述照明层包括多个发光像素，所述多个发光像素的一部分被配置成对放置在所述照明层上方的物体进行照明。在实施例中，所述孔径阵列具有第一节距；所述多个发光像素具有第二节距；且所述第一节距等于或小于所述第二节距。在实施例中，所述照明层是有机发光二极管(OLED)显示器。在实施例中，所述感测设备还包括：阻挡层，位于所述照明层与所述准直仪之间，其中所述阻挡层具有位于所述多个发光像素的所述一部分下方的多个开口，所述开口允许从所述物体反射的光通过。
在另一示例性方面中，本公开涉及一种装置。在实施例中，所述装置包括：触摸显示屏；光调节层，位于所述触摸显示屏下方，所述光调节层包括准直仪及红外滤光片；以及图像感测层，位于所述光调节层下方，所述图像感测层被配置成感测从所述触摸显示屏发出的光。在实施例中，所述触摸显示屏的一部分被配置成指纹感测区。在实施例中，所述触摸显示屏包括多个有机发光二极管(OLED)。在实施例中，所述红外滤光片位于所述触摸显示屏与所述准直仪之间。在实施例中，所述红外滤光片位于所述准直仪与所述图像感测层之间。
在又一示例性方面中，本公开涉及一种制作感测设备的方法。在实施例中，所述方法包括：提供衬底，所述衬底包括一个或多个图像传感器；在所述衬底上方沉积红外滤光膜；在所述红外滤光膜上方结合半导体层；以及刻蚀所述半导体层以形成多个孔径。在实施例中，所述刻蚀所述半导体层包括等离子体刻蚀。在实施例中，所述方法还包括：在所述刻蚀所述半导体层之前薄化所述半导体层。在实施例中，所述方法还包括：在所述红外滤光膜中形成开口，其中所述开口位于所述衬底的顶表面上的接合垫正上方；以及将导电特征结合到所述接合垫，所述导电特征延伸穿过所述开口。
以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本发明的各个方面。所属领域中的技术人员应知，其可容易地使用本发明作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的及/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本发明的精神及范围，而且他们可在不背离本发明的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替、及变更。

Claims (1)

1.一种感测设备，其特征在于，包括：
图像传感器；
准直仪，位于所述图像传感器上方，所述准直仪具有孔径阵列；
滤光层，位于所述准直仪与所述图像传感器之间，其中所述滤光层被配置成过滤透射过所述孔径阵列的一部分光；以及
照明层，位于所述准直仪上方。
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