CN110023955B

CN110023955B - 具有衬底滤光器的光学传感器

Info

Publication number: CN110023955B
Application number: CN201780075852.9A
Authority: CN
Inventors: J.麦克唐纳; J.古德尔
Original assignee: TIANJIN JIHAO TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Beijing Jihao Technology Co Ltd
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: CN110023955A; US20180157889A1; WO2018106797A2; WO2018106797A3; US10055637B2

Abstract

公开了一种光学生物测定传感器。光学生物测定传感器包括具有顶表面和底表面的滤光器层。滤光器层包括：滤光器，所述滤光器包括形成孔口阵列的阻挡材料；衬底，所述衬底包括电互连，所述电互连包括导电体的集合。生物测定传感器还包括光学传感器，所述光学传感器包括感测元件阵列，所述感测元件阵列被安装到衬底的底表面，其中感测元件传感器阵列中的感测元件与孔口阵列对准并且被电连接到电互连。

Description

具有衬底滤光器的光学传感器

技术领域

本公开一般涉及光学传感器，并且更具体地涉及使用滤光器的光学传感器。

背景技术

对象成像在各种应用中是有用的。举例来说，生物测定识别系统成像生物测定对象，以用于并入识别系统的装置的认证和/或验证用户。生物测定成像提供了一种可靠的、非侵入性的方式来验证个体身份以用于识别目的。各种类型的传感器可用于生物测定成像。

像各种其它生物测定特性一样，指纹基于独特的个人特性并且因此提供用来识别个体的可靠机制。因此，指纹传感器具有许多潜在的应用。例如，指纹传感器可用来在诸如安全检查点的固定应用中提供访问控制。指纹传感器还可用来在诸如蜂窝电话、可穿戴智能装置（例如，智能手表和活动跟踪器）、平板计算机、个人数据助理（PDA）、导航装置和便携式游戏装置的移动装置中提供访问控制。因此，一些应用，特别是与移动装置有关的应用，可能需要既尺寸小又高度可靠的识别系统。

大多数移动装置中的指纹传感器是具有配置成感测指纹的脊和谷特征的感测阵列的电容性传感器。通常，这些指纹传感器或者检测绝对电容（有时称为“自电容”）或者检测跨电容（有时称为“互电容”）。在任一种情况下，阵列中每个感测元件处的电容取决于脊或谷是否存在而变化，并且电检测这些变化以形成指纹的图像。

虽然电容性指纹传感器提供某些优点，但是大多数商业上可得到的电容性指纹传感器难以通过大距离感测精细的脊和谷特征，从而需要指纹接触靠近感测阵列的感测表面。对于电容性传感器来说，穿过厚的层检测指纹仍然是重大挑战，其中厚层诸如是厚覆盖玻璃（本文中有时称为“覆盖透镜”），其保护许多智能电话和其它移动装置的显示器。为了解决这个问题，通常在显示器旁边的区域的覆盖玻璃中形成切口，并且在切口区域中放置分立的电容性指纹传感器（通常与机械按钮集成），以便它可检测指纹而不必穿过覆盖玻璃进行感测。对切口的需求使得难以在装置的面上形成齐平表面，从而降低了用户体验并使制造复杂化。机械按钮的存在也占用了宝贵的装置基板面。

光学传感器提供了对电容性传感器的备选方案。遗憾的是，常规光学指纹传感器太庞大而不能封装在移动装置和其它普通的消费者电子装置中，导致将它们的使用限制于门禁控制终端和类似应用中（其中传感器尺寸不受限制）。

发明内容

一个实施例提供了一种用于成像生物测定的光学成像装置。光学成像装置包括具有顶表面和底表面的滤光器层。滤光层包括滤光器和衬底，所述滤光器包括形成孔口阵列的阻挡材料，所述衬底包括电互连，所述电互连包括导电体的集合。光学成像装置还包括光学传感器，光学传感器包括感测元件阵列，光学传感器被安装到衬底的底表面，其中感测元件阵列的感测元件与滤光器对准并且被电连接到电互连。

另一个实施例提供了一种指纹传感器。指纹传感器包括滤光器层，滤光器层包括具有顶表面和底表面的衬底。滤光器层还包括：被形成在衬底中的滤光器，所述滤光器包括形成孔口阵列的多个金属层；以及被形成在衬底中的电互连，所述电互连包括导电体的集合。指纹传感器还包括光学传感器，光学传感器包括光电传感器阵列，光学传感器被安装到衬底的底表面，其中光电传感器与滤光器对准并且被电连接到电互连。

又一实施例提供了一种用于制作光学生物测定传感器的方法。方法包括形成具有顶侧和底侧的滤光器衬底，其还包括形成具有第一孔口阵列的第一金属层；在第一金属层上方形成由介电材料制成的第一透明层；在第一透明层上方形成具有第二孔口阵列的第二金属层，第二孔口阵列与第一孔口阵列对准；以及形成包括一个或多个导电体的电互连。

附图说明

图1是包括光学传感器和处理系统的系统的示例的框图。

图2图示了根据实施例的光学传感器的示例。

图3图示了根据另一实施例的光学传感器的示例。

图4图示了根据另一实施例的光学传感器的示例。

图5A-图5D图示了各种滤光器结构的示例。

图6图示了根据实施例的光与滤光器交互的示例。

图7图示了制作可被集成在衬底中或被连接到衬底的滤光器的过程或方法的示例。

具体实施方式

以下详细描述本质上是示例性的，并且不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受前述技术领域、背景技术、发明内容、附图说明或以下具体实施方式中所呈现的任何明示或暗示的理论的约束。

转到附图，并且如本文中更详细描述的，实施例提供了用来光学成像诸如生物测定（包括但不限于指纹）的输入对象的系统和方法。特别地，描述了用于具有衬底的生物测定传感器的系统和方法，衬底可以与滤光器集成，诸如倒装芯片的光学传感器可被安装到衬底上。倒装芯片管芯的传感器区域可与滤光器对准。生物测定传感器可被安装在诸如玻璃和/或显示器的覆盖层下面。

光学传感器的实施例包括使用衬底材料的图案化将滤光器结构集成到衬底中。可通过构建图案化材料（包括但不限于例如介电和金属材料片）的顺序层来制造多层电路层压。层可具有金属包层或仅是透明的和/或介电的。可在每层上执行随后的选择性材料的增加或去除、通孔形成、金属电镀和图案化以形成多层层压衬底。用于透明材料（其可以是介电的）和/或金属的这种微图案化方法可用于创建光学滤波器。通过由衬底图案化形成的阻挡光的“域”中的光学清晰的或透明的区域（例如，透射光的“孔”）的阵列形成光学滤波器。布置产生具有适合于与传感器（诸如标准CMOS图像传感器管芯（CIS））集成的直径和间距的滤光器。

光学传感器管芯可以是接合到衬底的倒装芯片，其中传感器区域与滤光器孔对准。侧面或底层填充环氧树脂可围绕倒装芯片管芯的外围而被施加，以用于环境保护和机械保护。

描述了用于创建滤光器的各种方法。一种方法是使用增加或减去的方法对衬底阻挡层（例如，金属）进行图案化，以在阻挡金属的域中形成如“孔”或孔口的敞开的金属区域阵列。取决于光学传输要求，透明物质（例如，电介质）可以保留在“孔”区域中，或者可以将其去除。去除方法可以是化学（蚀刻）或机械（钻口、激光、冲压）。可将诸如金属的阻挡材料镀在其中透明材料被去除的“孔”中，以进一步增强相邻孔之间的光学隔离。可实现实施例以降低封装高度和复杂性以及光学传感器的厚度。

图1是根据本公开的实施例的具有传感器100的示例性感测系统的框图。传感器100可配置成向电子系统（也称为“电子装置”）提供输入。电子系统的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板、电子书阅读器、个人数字助理（PDA）和可穿戴计算机（诸如智能手表和活动跟踪器装置）。附加示例电子系统包括复合输入装置，诸如包括输入装置100和单独的操纵杆或键开关的物理键盘。进一步的示例电子系统包括诸如数据输入装置（包括远程控制设备和鼠标）以及数据输出装置（包括显示屏和打印机）的外围设备。其它示例包括远程终端、信息亭和视频游戏机（例如，视频游戏控制台、便携式游戏装置等）。其它示例包括通信装置（包括蜂窝电话，诸如智能电话）和媒体装置（包括记录器、编辑器和播放器，诸如电视、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机）。另外，电子系统可以是输入装置的主机或从属设备。

传感器100可被实现为电子系统的物理部分，或者可与电子系统物理地分离。根据本公开，传感器100可被集成为电子装置的显示器的部分。视情况而定，传感器100可使用以下项中的任何一项或多项来与电子系统的部分进行通信：总线、网络和其它有线或无线互连。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线（USB）、蓝牙、RF和IRDA。

传感器100配置成感测由感测区120中的一个或多个输入对象140提供的输入。在一个实施例中，输入对象140是手指，并且传感器100被实现为配置成检测输入对象140的指纹特征的指纹传感器（也称为“指纹扫描仪”）。在其它实施例中，传感器100可被实现为血管传感器（例如，用于手指静脉识别）、掌形传感器或接近传感器（诸如触摸板、触摸屏和/或其它触摸传感器装置）。

感测区120包含传感器100上方、周围、内部和/或附近的任何空间，在其中传感器100能够检测输入（例如，由一个或多个输入对象140提供的用户输入）。特定感测区的尺寸、形状和位置可在不同实施例之间变化很大。在一些实施例中，感测区120从传感器100的表面在一个或多个方向上延伸到空间中。在各种实施例中，输入表面可由传感器元件驻留在其中的壳体的表面、由施加在传感器元件或任何壳体上的面板等来提供。在一些实施例中，当投影到输入装置100的输入表面上时，感测区120具有矩形形状。

传感器100可利用传感器组件和感测技术的任何组合来检测感测区120中的用户输入。传感器100包括用于检测用户输入的一个或多个检测器元件（或“感测元件”）。一些实现利用感测元件的阵列或其它规则或不规则的图案来检测输入对象140。

在本公开中阐述的输入装置100的光学实现中，一个或多个检测器元件检测来自感测区的光。在各种实施例中，检测到的光可从感测区中的输入对象反射、由感测区中的输入对象发射，或者其某一组合。示例光学检测器元件包括光电二极管、CMOS阵列、CCD阵列和配置成检测可见或不可见光谱中的光（诸如红外或紫外光）的其它类型的光电传感器。光电传感器可以是薄膜光电检测器，诸如薄膜晶体管（TFT）或薄膜二极管。

一些光学实现为感测区提供照明。检测来自感测区的（一个或多个）照明波长中的反射，以确定对应于输入对象的输入信息。

一些光学实现依赖于输入对象的直接照明的原理，输入对象取决于配置可以与或可以不与感测区的输入表面接触。可使用一个或多个光源和/或光导结构将光引导到感测区。当输入对象存在时，该光从输入对象的表面反射，该反射可由光学感测元件检测并且用于确定关于输入对象的信息。

一些光学实现依赖于内部反射的原理来检测与感测区的输入表面接触的输入对象。由于在由感测表面定义的边界的相对侧处的不同折射率，导致一个或多个光源可用于以一定的角度在透射介质中引导光，以该角度在感测区的输入表面处内部反射。由输入对象的输入表面的接触使得折射率跨该边界而改变，这更改了输入表面处的内部反射特性。如果使用受抑全内反射（FTIR）的原理来检测输入对象，则通常可实现更高的对比度信号。在这样的实施例中，除了其中输入对象与输入表面接触并且使得光部分地跨该界面透射之外，光可以其全内反射所采用的入射角被引导到输入表面。这种情况的示例是引入到由玻璃到空气界面所定义的输入表面的手指的存在。与空气相比，人类皮肤的更高折射率使得在到空气的界面的临界角处在输入表面的入射光部分地透射穿过手指，其中它否则将在玻璃到空气界面处全内反射。该光学响应可由系统检测并且用于确定空间信息。在一些实施例中，这可以用于成像小规模指纹特征，其中入射光的内部反射率取决于脊或谷是否与输入表面的那个部分接触而不同。

一些实现配置成提供跨越一维、二维、三维或更高维空间的图像。输入装置可具有传感器分辨率，其取决于诸如所涉及的特定感测技术和/或感兴趣的信息的规模之类的因素而在实施例之间变化。例如，一些生物测定感测实现可配置成检测输入对象的生理特征（诸如手指的指纹脊特征，或眼睛的血管图案），这可利用更高的传感器分辨率并且呈现与配置成检测输入对象相对于感测区的位置（诸如手指相对于输入表面的触摸位置）的一些接近传感器实现所不同的技术考虑。在一些实施例中，传感器分辨率由感测元件阵列的物理布置确定，其中更小的感测元件和/或更小的间距可用于定义更高的传感器分辨率。

在一些实施例中，传感器100被实现为指纹传感器，其具有足够高的传感器分辨率以捕获指纹的特征。在一些实现中，指纹传感器具有足以捕获细节（包括脊端和分叉）、取向场（有时称为“脊流”）和/或脊架的分辨率。这些有时被称为1级和2级特征，并且在示例性实施例中，至少250像素/英寸（ppi）的分辨率能够可靠地捕获这些特征。在一些实现中，指纹传感器具有足以捕获更高等级的特征（诸如汗孔或边缘轮廓（即，单独脊的边缘的形状））的分辨率。这些有时被称为3级特征，并且在示例性实施例中，至少750像素/英寸（ppi）的分辨率能够可靠地捕获这些更高等级的特征。

在一些实施例中，指纹传感器被实现为放置传感器（也称为“区域”传感器或“静态”传感器）或划擦传感器（也称为“滑动”传感器或“扫划”传感器）。在放置传感器实现中，传感器配置成在用户的手指在感测区上保持静止时捕获指纹输入。通常，放置传感器包括能够在单个帧中捕获指纹的期望区域的二维感测元件阵列。在划擦传感器实现中，传感器配置成基于用户的手指和感测区之间的相对移动来捕获指纹输入。通常，划擦传感器包括线性阵列或薄的二维感测元件阵列，其配置成在用户的手指在感测区上方划擦时捕获多个帧。然后可重建多个帧，以形成与指纹输入对应的指纹的图像。在一些实现中，传感器配置成捕获放置输入和划擦输入两者。

在一些实施例中，指纹传感器配置成在单个用户输入中捕获少于用户的指纹的整个区域（本文中称为“部分”指纹传感器）。通常，由部分指纹传感器捕获的指纹的所产生的部分区域足以用于系统来执行来自指纹的单个用户输入（例如，单个手指放置或单个手指划擦）的指纹匹配。用于部分放置传感器的一些示例成像区域包括100mm²或更小的成像区域。在另一示例性实施例中，部分放置传感器具有20-50mm²范围内的成像区域。在一些实现中，部分指纹传感器具有与成像区域相同尺寸的输入表面。

虽然在图1中的指纹传感器的上下文中一般地描述了输入装置，但是实施例包括其它生物测定传感器装置。在各种实施例中，生物测定传感器装置可配置成捕获用户的生理生物测定特性。一些示例生理生物测定特性包括指纹图案、血管图案（有时称为“静脉图案”）、掌纹和掌形。

在图1中，处理系统110被示出了在与输入装置100通信中。处理系统110包括以下项中的部分或全部：一个或多个集成电路（IC）（包括微处理器、微控制器等）和/或其它电路组件。在一些实施例中，处理系统可配置成操作输入装置的硬件以捕获输入数据，和/或基于由传感器100捕获的输入数据实现生物测定过程或其它过程。

在一些实现中，处理系统110配置成操作传感器100的传感器硬件以检测感测区120中的输入。在一些实现中，处理系统包括配置成利用输入装置的感测硬件驱动信号的驱动器电路和/或配置成利用感测硬件接收信号的接收器电路。例如，用于光学传感器装置的处理系统可包括配置成驱动照明信号到一个或多个LED、LCD背光或其它光源的驱动器电路，和/或配置成利用光学接收元件接收信号的接收器电路。

在一些实施例中，处理系统110包括电子可读指令，诸如固件代码、软件代码和/或类似物。在一些实施例中，处理系统110包括用于存储电子可读指令和/或其它数据（诸如用于生物测定识别的参考模板）的存储器。处理系统110可被实现为传感器100的物理部分，或者可与传感器100物理地分离。处理系统110可使用总线、网络和/或其它有线或无线互连来与传感器100的部分进行通信。在一些实施例中，组成处理系统110的组件定位在一起，诸如在传感器100的（一个或多个）感测元件附近。在其它实施例中，处理系统110的组件与靠近传感器100的（一个或多个）感测元件的一个或多个组件以及别处的一个或多个组件物理地分离。例如，传感器100可以是耦合到计算装置的外围设备，并且处理系统110可包括配置成在计算装置的中央处理单元上运行的软件以及与中央处理单元分离的一个或多个IC（可能具有相关联的固件）。作为另一示例，传感器100可物理地集成在移动装置中，并且处理系统110可包括作为移动装置的中央处理单元或其它主处理器的部分的电路和/或固件。在一些实施例中，处理系统110专用于实现传感器100。在其它实施例中，处理系统110执行与传感器相关联的功能并且还执行其它功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器、运行电子系统的操作系统（OS）等。

处理系统110可实现为操纵处理系统110的不同功能的模块的集合。每个模块可包括作为处理系统110的部分的电路、固件、软件或其组合。在各种实施例中，可使用不同的模块组合。示例模块包括用于操作诸如传感器电极和显示屏的硬件的硬件操作模块、用于处理诸如传感器信号和位置信息的数据的数据处理模块，以及用于报告信息的报告模块。另外的示例模块包括：传感器操作模块，其配置成操作（一个或多个）感测元件以检测输入；识别模块，其配置成识别手势，诸如模式改变手势；以及模式改变模块，其用于改变操作模式。在一个或多个实施例中，第一和第二模块可被包括在单独的集成电路中。例如，第一模块可至少部分地被包括在第一集成电路内，并且单独的模块可至少部分地被包括在第二集成电路内。此外，单个模块的部分可以跨多个集成电路。

在一些实施例中，处理系统110直接通过引起一个或多个动作来响应于感测区120中的用户输入（或没有用户输入）。示例动作包括解锁装置或以其它方式改变操作模式，以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其它功能的GUI动作。在一些实施例中，处理系统110将关于输入（或没有输入）的信息提供给电子系统的某个部分（例如，提供给与处理系统110分离的电子系统的中央处理系统，如果这样的分离中央处理系统存在的话）。在一些实施例中，电子系统的某个部分处理从处理系统110接收的信息以对用户输入起作用，诸如促进全范围的动作，包括模式改变动作和GUI动作。

例如，在一些实施例中，处理系统110操作传感器100的（一个或多个）感测元件以产生指示感测区120中的输入（或没有输入）的电信号。处理系统110在产生提供给电子系统的信息中可对电信号执行任何适当的量的处理。例如，处理系统110可数字化从传感器电极获得的模拟电信号。作为另一示例，处理系统110可执行滤波或其它信号调节。作为仍有的另一示例，处理系统110可减去或以其它方式考虑基线，使得信息反映电信号和基线之间的差异。作为仍有的另外的示例，处理系统110可确定位置信息、将输入识别为命令、对用户进行认证等。

在一些实施例中，传感器100的感测区120与显示屏的有源区域的至少部分重叠，诸如其中传感器100包括触摸屏界面的实施例和/或配置成检测有源显示区域上方的生物测定输入数据的生物测定感测实施例。例如，传感器100可包括大体上透明的传感器电极。显示屏可以是能够向用户显示视觉界面的任何类型的动态显示器，并且可包括任何类型的发光二极管（LED）、有机LED（OLED）、阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子体、电致发光（EL）或其它显示技术。显示屏也可以是柔性的或刚性的，并且可以是平的、弯曲的或者具有其它几何形状。在一些实施例中，显示屏包括用于TFT电路和/或其它电路的玻璃或塑料衬底，其可用于提供画面和/或提供其它功能性。在一些实施例中，显示装置包括被设置在显示电路上方的覆盖透镜（有时称为“覆盖玻璃”），其也可以为输入装置提供输入表面。示例覆盖透镜材料包括塑料、光学清晰的无定形固体（诸如化学硬化的玻璃），以及光学清晰的晶体结构（诸如蓝宝石）。根据本公开，传感器100和显示屏可共享物理元件。例如，一些实施例可利用相同的电子组件中的一些以用于显示画面以及以用于输入感测。在一个实施例中，显示装置的一个或多个显示电极可被配置用于显示更新和输入感测两者。作为另一示例，显示屏可部分或全部地由与输入装置进行通信的处理系统110操作。

图2图示了用于成像诸如指纹或其它生物测定的输入对象202的光学成像装置200的示例。光学成像装置200包括光学传感器204以及具有顶表面和底表面的滤光器层206。滤光器层206包括滤光器208和衬底210。如下面更详细描述的，滤光器208可被形成在衬底210中和/或作为衬底210的部分（例如，与衬底构成整体），或者可以是与衬底210可分离的或者不同的组件。

还示出了覆盖层212。覆盖层212保护光学成像装置200的内部组件，诸如光学传感器204和滤光器层206。覆盖层212可包括覆盖玻璃或覆盖透镜。在某些实施例中，覆盖层212包括显示叠层，诸如OLED显示器。因此，光学成像装置200可用于在整个显示器的任何部分上方、在显示器的设计的部分上方或者在没有显示器的覆盖透镜或玻璃上方成像输入对象202。

用于输入对象202的感测区被定义在覆盖层212上方。感测区包括由覆盖层212的顶表面形成的感测表面214，其为输入对象202（例如，指纹或更一般的生物测定）提供了接触区域。如先前在以上所描述的，感测区可在感测表面214上方延伸。因此，输入对象202不需要接触要被成像的感测表面214。

尽管为了说明目的一般在指纹的上下文中进行了描述，但是输入对象202是要被成像的任何对象。通常，输入对象202将具有各种特征。例如，在指纹的情况下，输入对象202具有可被光学地成像的脊和谷。用于成像的输入对象202的照明可由例如OLED的显示组件提供，和/或可由可被安装在滤光器层206下方或上方的单独光源（未示出）提供。当光源被安装在滤光器层206下面时，滤光器层206的部分可以是透明的，以允许光到达覆盖层212和感测表面214。

光学成像装置200包括用于调节从输入对象202反射的光和/或在感测表面214处反射的光的滤光器层206内的滤光器208。滤光器208包括孔口或孔的阵列216，其中每个孔口216一般在光学传感器204的一个或多个光学感测元件上方，使得光穿过孔口216到达感测元件。孔口阵列216可形成规则或不规则图案。孔口216可以是空隙或者可由透明材料制成，或者其组合，并且可使用增加或减去的方法（例如，激光、钻孔、蚀刻、冲压等）形成。在除了孔口216以外的区域中，滤光器208还包括将会阻挡、反射、吸收或以其它方式阻隔光借此穿过的材料（例如，金属）。因此，滤光器208通常只允许从输入对象202（例如，手指）或感测表面214以垂直或接近垂直的入射（相对于由滤光器层206定义的纵向平面）反射的光线穿过并且到达光学传感器204的光学感测元件。结合图5A-图5D进一步描述滤光器的结构的示例。

滤光器层206经由互连218被附接到覆盖层212。互连218是用来将滤光器层206机械地附接到覆盖层212的任何适合的机构。在某些实施例中，互连218还可保证覆盖层212和衬底210之间的电连接222，以在覆盖层212和其它系统组件之间传送例如信号和/或功率。例如，在覆盖层212是显示器的情况下，可使用这种电连接。

衬底210还包括电互连220。电互连220在光学传感器204与传感器电路224之间携带信号（例如，功率、数据等）。如所指出的，衬底210还可包括电互连222，以在覆盖层212与传感器电路224和/或其它系统组件之间携带信号。可使用任何合适部件（包括，例如，迹线或金属化层或衬底210内的其它导体）来构造电互连220和/或222。电互连220和222可被形成在单个层内或者可包括多个层，其可进一步与通孔或其它合适的部件互连。如下所述，用于电互连220和/或222的金属化层也可用于形成滤光器208的阻挡材料和孔口216。电互连220和/或222的导体也可用于将阻挡材料中的一些或所有接地。

光学传感器204被设置在滤光器层206下面并且包括感测区域205，其中感测区域通常与滤光器层216对准。感测区域205进而包括光学传感器阵列，其包括光学感测元件阵列，其中光学传感器阵列中的一个或多个感测元件通常被设置在滤光器208的孔口216的下面。光学传感器阵列中的光学感测元件检测穿过滤光器208的光的强度，其在感测区域205上成为入射。光学传感器204的示例包括CMOS图像传感器，其可由诸如CMOS图像传感器（CIS）管芯的半导体管芯形成。

光学传感器204可形成倒装芯片，其通过互连226的方式被电连接和机械连接到滤光器层206。在这样的布置中，互连226可例如由焊接凸块形成。可通过侧方填充或下方填充228的方式提供额外的保护，以保证机械和环境保护。

传感器电路224可以是柔性电路、电路板、线缆等，其进一步携带信号到用于控制和处理从感测区域205中的光学传感器阵列接收的数据的电路。用于控制和处理数据的电路也可被设置在传感器电路224的整体中或部分中。可使用互连227将传感器电路224连接到衬底210，互连227可以是用于机械和电连接的任何合适的部件，包括导电粘合剂、焊料等。

为了实现穿过覆盖层212来光学感测诸如指纹和指纹尺寸的特征的特征，通过滤光器208调节从输入对象202和/或感测表面214反射的光，使得到达感测区域205中的感测元件的光只来自输入对象202和/或感测表面214上的小点（通常在传感器元件的上方）。在没有这种调节的情况下，从输入对象202上远离光学感测元件的区抵达感测元件的任何光都促成了图像模糊。滤光器208通过只允许光穿过孔口216到达感测区域205并且因此到达光学传感器元件，来提供用于光学成像装置200的这样的光调节。

将理解，滤光器层206充当光调节器和用于安装光学传感器204的衬底。此外，衬底210可以在光学传感器204和传感器电路224之间携带信号。因此，光学成像装置提供紧凑且低成本的设计。

图3图示了图2的光学成像装置200的备选实施例，其中相似的参考标号表示相似的组件。

像图2一样，图3的实施例包括标记为230的滤光器，和标记为232的衬底。图3中，所述滤光器230被形成为从衬底232分离的组件。衬底232形成滤光器230通常被设置于其中的空隙。滤光器230经由互连234被附接到衬底232，所述互连234机械地将滤光器230连接到衬底232。在需要的情况下，例如如果期望滤光器230或其部分的接地，互连234还可形成电连接。图3的设计允许滤光器230由相较于衬底232的相同或不同的材料制成，以及进一步允许滤光器230的高度相较于衬底232相同或不同。例如，在将光学传感器204附加到光学成像装置200之前，滤光器230可以被预先附接（例如，附接）到衬底232。

图4图示了图2和图3的光学成像装置200的备选实施例，其中相似的参考标号表示相似的组件。

类似图3，可分离的或不同的滤光器240和衬底232被提供。然而，如所示，滤光器240直接定位到感测区域205上方的光学传感器204上。因此，在光学传感器被附接到衬底232之前，滤光器240可以可选地被安装到光学传感器204或者被构建在光学传感器204上并且与传感器元件对准。

图5A-图5D图示了滤光器衬底或结构的各种示例以及用于制作它们的方法。滤光器结构和方法可用于提供与衬底材料集成的滤光器（图2）或者可被连接到衬底材料和/或光学传感器的分立的滤光器（图3和图4）。如将理解的，可使用用于图案化材料（诸如硅、玻璃、聚合物、金属或复合材料）的增加或减去的方法来制作滤光器结构。

图5A图示了滤光器500的示例。将理解的是，滤光器500的结构是作为示例的。其它配置可用于限制穿过滤光器500的光，使得相对于示出的定向垂直或接近垂直的光线穿过滤光器，而具有距离垂直相对大的角度的光线被阻挡。结合图5B-图5D示出并描述滤光器的配置的其它非限制性示例。

滤光器500包括交替的阻挡材料504和透明材料506的层。阻挡材料504可以是金属（例如，铜）、陶瓷或其它不透明材料。可涂覆（例如，用暗氧化物涂覆）金属阻挡材料，以促进光的阻挡或吸收。透明材料506可以是有机的或无机的，并且可以是介电材料，诸如ABF、玻璃、环氧树脂、增塑剂、球形填料等。将注意，金属和介电材料的使用是作为示例的。例如当滤光器500要被由用于构造携带电信号的衬底的相同材料构造（图2）以简化制造时，这样的材料是有利的。为阻挡材料504和透明材料506所选择的材料的热膨胀系数可被选取使得材料在制造和使用期间将保持平坦。

透明材料506形成一系列透明层，每个透明层被形成在由阻挡材料504所形成的层的顶部上。在所示的示例中，图5A中的透明层通常是透明材料的连续的层。

阻挡材料504也形成一系列阻挡层。每层中的阻挡材料504定义孔口508。可通过选择性地增加阻挡材料504，或者通过增加阻挡材料的连续的层并且然后随后在所期望的孔口的区域中通过诸如蚀刻、激光钻孔或任何其它合适的技术的过程来去除阻挡材料504而形成孔口508。孔口508可作为空隙而被留下或可利用透明材料来填充，其可以与形成透明层506所使用的材料相同或不同。如前所提到的，孔口508形成孔口阵列，其可具有规则或不规则的图案。

图5B图示了滤光器500的备选实施例。图5B的实施例中，如所示，去除与孔口508对准的透明材料506。可通过以下操作来制作图5B的滤光器500：形成阻挡材料504和透明材料506的交替的连续的层，直到获得所期望的数量的层。可通过以下操作来形成孔口508：通过或者在形成每层时钻孔、蚀刻或以其它方式去除穿过各层的材料，或者通过在形成所有层之后去除所期望的孔口508的区域中的材料。备选地，可通过选择性地沉积阻挡材料504和透明材料506来制作每层，以形成孔口508。

图5C图示了滤光器550的备选实施例。滤光器550包括底部阻挡层552和顶部阻挡层554。在底部阻挡层552和顶部阻挡层554之间插入包括透明材料556的透明层。通过穿过底部阻挡层552、顶部阻挡层554和透明材料556的开口，形成孔口558。还如所示，可通过可选地涂覆或金属化与孔口558一起的侧壁来形成孔口558内的内侧壁560，以促进阻挡具有距离垂直相对大角度的光线。

可通过形成底部阻挡层552、形成透明层556，并且然后形成顶部阻挡层554来形成滤光器550。可通过选择性地在每层（阻挡层552、554和透明层556）沉积材料，或者通过形成连续层（阻挡层552、554和透明层556）并且然后在孔口558的区域中例如通过蚀刻、钻孔等来去除材料以形成孔口558。在形成孔口之后，可涂覆或金属化内侧壁560。

图5D图示了备选的滤光器550。除了利用透明材料562填充（例如，再填充）孔口558之外，图5D的滤光器550类似于图5C。透明材料562可以与透明材料556相同或者可以是不同的材料。

在各种实施例中描述的滤光器层中的孔口（例如，508、558）的数量和间距将取决于所期望的输入对象的特定成像分辨率，并且将取决于其它因素，诸如光学传感器的类型以及滤光器层的距离要被成像的输入对象的距离。作为示例，孔口的尺寸可以是大约12微米±2微米，孔口的间距可以是大约48微米，并且滤光器的厚度可以是大约140至160微米。滤光器的厚度与孔口的宽度的纵横比的示例大约是大于10：1。将会理解，每个阻挡层处的孔口的宽度不必相同。例如，顶层上的开口可具有比底层上的开口更大的直径，或者反之亦然。另外，可在层与层之间变化透明层的厚度。例如，可使用变化透明层的厚度和/或孔口宽度，以最大化穿过滤光器的光的透射能量，同时最小化空间噪声。这样的方法也可用于优化穿过孔口的功率的高斯分布。

阻挡材料的层（例如，504、552、554）的形成也可用于诸如当与滤光器集成的衬底层将包括电互连（例如，图2的220、222）时，提供导电体（例如，迹线）。在这种情况下，导电体中的一个或多个可被电连接到阻挡层中的一个或多个以保证接地。

图6图示了与滤光器600交互的光线的示例。所示特定结构类似于图5A的滤光器；然而，将会理解，示例适用于图5B-图5D中所示的结构，以及落入本公开的范围内的其它滤光器结构。

在使用中，滤光器600限制到达光学传感器的感测区域602的光。如所示，通常从孔口614上方起源的并且（相对于由感测区域602定义的平面）是垂直或接近垂直的光线610穿过滤光器600并且到达感测区域602中的光学感测元件608中的一个或多个。或者通常不是来自孔口614上方的和/或对于由感测区域602定义的平面相对远离垂直的光线612被阻挡材料604阻挡（例如，吸收或反射）。以这种方式，并且如前所述，滤光器600通过将到达每个感测元件的光限制于仅来自输入对象的小点（未示出）的光来提供光调节，从而允许小的特征（例如，脊和谷）的成像，同时最小化模糊。

将会理解，结合图5B-图5D描述的滤光器以类似于结合图5A示出并描述的方式来调节光（例如，允许或阻挡光线）。

图7图示了用于制作滤光器（诸如结合图5A-图5D描述的滤光器）的方法700。滤光器可与衬底构成整体或者不同于衬底。将会理解，步骤的序列仅是作为示例的。可以以任何顺序执行步骤，并且除非以其它方式显而易见，否则可删除步骤。

在步骤702中，形成底部阻挡层。底部阻挡层可形成为金属或其它阻挡材料的连续的层，或者可通过选择性地增加阻挡材料以留下用于孔口的空隙而被形成。阻挡材料可进一步被涂覆有例如暗氧化物或其它合适的材料以增加光吸收能力。

在步骤704中，形成透明层。透明层由透明材料所做成，并且在某些实施例中可以是介电材料。与底部阻挡层一样，透明层可被形成为连续层，或者可包括在其中期望孔口的区域中的空隙。

在步骤706中，形成顶部阻挡层。典型地，顶部阻挡层将以与针对底部阻挡层所描述的（步骤702）类似的方法而被构造和形成。

如步骤708中所示，可取决于所期望的层的数量来完成层的形成。例如，图5C-图5D概括地示出了一个底部阻挡层、一个顶部阻挡层和被插进的透明层。在其它情况下，诸如图5A-图5B中所示，额外的层可以是期望的，在这种情况下过程返回到步骤704，直到实现所期望的层的数量。

在步骤710中，如果例如孔口未作为上述层形成过程的部分而被形成，则形成孔口。可通过钻孔、蚀刻、激光或任何其它合适的方式来形成孔口。

在步骤712中，可涂覆（例如金属化）孔口的壁。可提供这样的涂覆或金属化，以促进阻挡进入孔口但是仍然具有相对远离垂直的角度的光线。

在步骤714中，可任选地利用透明材料再填充孔口。用于填充孔口的透明材料可以但不必与用于形成（一个或多个）透明层的透明材料相同。

在阻挡层中的一个或多个的形成（步骤702和/或704）期间，可能期望例如以迹线或其它导体的形式还形成导电体，以保证从光学传感器（例如，204，图2）到传感器电路（224）的信号的携带或者以保证从显示器到其它系统组件的信号的携带。与其组合或单独地，还可以是可期望的是，形成迹线或其它导体以保证阻挡层中的一个或多个的接地。

在如同每个参考被单独且具体地指示要通过引用被并入并且以其整体在本文中被地阐述一样的程度上，本文引用的所有参考（包括出版物、专利申请和专利）均通过引用由此被并入。

除非本文中以其它方式指示或明确与上下文相矛盾，否则在描述本发明的上下文中（特别是在以下权利要求的上下文中）使用术语“一”和“一个”和“所述”和“至少一个”以及类似的指示物要被解释为涵盖单数和复数两者。除非本文中以其它方式指示或明确与上下文相矛盾，否则使用术语“至少一个”后跟一个或多个项目的列表（例如，“A和B中的至少一个”）要被解释为表示从所列项目中选择的一个项目（A或B）或所列项目中的两个或多于两个的任何组合（A和B）。除非以其它方式说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”要被解释为开放式术语（即，表示“包括但不限于”）。除非本文中以其它方式指示，否则本文中对数值的范围的记载仅旨在充当单独提及落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独值如同它在本文中单独被记载一样并入本说明书中。

除非本文中以其它方式指示或除非以其它方式上下文明显矛盾，否则本文中所述的所有方法均可以任何合适的顺序而被执行。除非以其它方式声明，否则本文中提供的任何和所有示例或示例性语言（例如，“诸如”）的使用仅旨在更好地说明本发明，并且不对本发明的范围施加限制。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元素指示为对于本发明的实践是必不可少的。

本文中描述了本发明的优选实施例，包括对于发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。在阅读前面的描述时，那些优选实施例的变型对于本领域普通技术人员来说可变得显而易见。发明人希望本领域技术人员视情况而定采用这样的变型，并且发明人期望以不同于本文中具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明包括如由适用法律所允许的所附权利要求中所记载的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文中以其它方式指示或除非以其它方式上下文明显矛盾，否则由本发明涵盖上述元素的以其所有可能变型的任何组合。

Claims

1.一种用于成像生物测定的光学成像装置，包括：

滤光器层，所述滤光器层具有顶表面和底表面，所述滤光器层包括：滤光器，所述滤光器包括形成孔口阵列的阻挡材料；其中，定向垂直或接近垂直的光线穿过所述滤光器，而具有距离垂直相对大的角度的光线被阻挡；所述滤光器还包括：第一阻挡层，所述第一阻挡层具有定义所述孔口阵列的底部的第一开口阵列；第二阻挡层，所述第二阻挡层具有定义所述孔口阵列的顶部的第二开口阵列；以及透明材料，所述透明材料被设置在所述第一阻挡层和所述第二阻挡层之间；所述透明材料包括与所述第一开口阵列和所述第二开口阵列对准的空隙阵列，并且其中利用光吸收材料涂覆所述空隙的侧壁；

衬底，所述衬底包括电互连，所述电互连包括导电体的集合；以及

光学传感器，所述光学传感器包括感测元件阵列，所述光学传感器被安装到所述滤光器层的所述底表面，其中所述感测元件阵列的感测元件与所述滤光器对准并且被电连接到所述电互连。

2.根据权利要求1所述的光学成像装置，其中所述第一开口阵列和所述第二开口阵列具有不同直径。

3.根据权利要求1所述的光学成像装置，其中所述第一阻挡层和所述第二阻挡层包括金属，并且其中所述透明材料包括介电材料。

4.根据权利要求1所述的光学成像装置，其中所述滤光器与所述衬底构成整体。

5.根据权利要求1所述的光学成像装置，其中所述衬底形成空隙，其中所述滤光器被附接到所述衬底并且至少部分地被设置在所述空隙中。

6.根据权利要求1所述的光学成像装置，其中所述衬底形成空隙，其中所述滤光器被附接到所述光学传感器并且至少部分地被设置在所述空隙中。

7.根据权利要求1所述的光学成像装置，其中所述感测元件阵列被形成在半导体管芯中。

8.根据权利要求7所述的光学成像装置，其中所述半导体管芯是倒装芯片。

9.根据权利要求1所述的光学成像装置，还包括被设置在所述滤光器层上方的覆盖层。

10.根据权利要求9所述的光学成像装置，其中所述覆盖层包括有机发光二极管(OLED)显示器。

11.一种指纹传感器，包括：

滤光器层，所述滤光器层包括具有顶表面和底表面的衬底，所述滤光器层包括：

滤光器，所述滤光器被形成在所述衬底中，所述滤光器包括形成孔口阵列的多个金属层；其中，定向垂直或接近垂直的光线穿过所述滤光器，而具有距离垂直相对大的角度的光线被阻挡；所述滤光器还包括：第一金属层，所述第一金属层具有定义所述孔口阵列的底部的第一开口阵列；第二金属层，所述第二金属层具有定义所述孔口阵列的顶部的第二开口阵列；以及透明介电材料，所述透明介电材料被设置在所述第一金属层和所述第二金属层之间；所述透明介电材料包括与所述第一开口阵列和所述第二开口阵列对准的空隙阵列，并且其中利用阻挡材料涂覆所述空隙的侧壁；

电互连，所述电互连被形成在所述衬底中，所述电互连包括导电体的集合；以及

光学传感器，所述光学传感器包括光电传感器阵列，所述光学传感器被安装到所述滤光器层的所述底表面，其中所述光电传感器阵列与所述滤光器对准并且被电连接到所述电互连。

12.根据权利要求11所述的指纹传感器，其中所述光学传感器是接合到所述衬底的所述底表面的倒装芯片。

13.根据权利要求11所述的指纹传感器，还包括在所述滤光器层上方的覆盖层，所述覆盖层包括有机发光二极管(OLED)显示器。

14.一种用于制作光学生物测定传感器的方法，包括：

形成具有顶侧和底侧的滤光器衬底，包括：

形成具有第一孔口阵列的第一金属层；

在所述第一金属层上方形成由介电材料制成的第一透明层；

在所述第一透明层上方形成具有第二孔口阵列的第二金属层，所述第二孔口阵列与所述第一孔口阵列对准；以及

形成包括一个或多个导电体的电互连；

还包括：去除所述第一孔口阵列和第二孔口阵列之间的所述介电材料；在所述第一孔口阵列和第二孔口阵列之间形成金属侧壁。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

将光学传感器附接到所述衬底的所述底侧，所述光学传感器包括传感器元件阵列，所述传感器元件阵列与所述第一和第二孔口阵列对准。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述光学传感器被电连接到所述电互连。

17.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述衬底还包括：

在所述第二金属层上方形成由所述介电材料制成的第二透明层；以及

在所述第二透明层上方形成具有第三孔口阵列的第三金属层，所述第三孔口阵列与所述第一和第二孔口阵列对准。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述导电体中的所述一个或多个被电连接到所述第一或第二金属层。