CN110555367B - 光学指纹感应模块 - Google Patents

Abstract

一种光学指纹感应模块包含一基板、一半导体层及一光通道结构层。基板包含多个光感应模块间隔设置。半导体层设置于基板上。光通道结构层设置于半导体层上以形成多个光通道，光通道结构层包含一第一复合光阻层。一微透镜结构设置于第一复合光阻层上方及第一复合光阻层内至少其中一处，其中多个微透镜结构形成上述光通道。上述指纹感应模块利用通过不透光光阻层有效过滤角度光以增加感应图像的品质。

Description

光学指纹感应模块

技术领域

本发明是有关一种光学式的指纹感应技术，特别是一种具有光通道的光学指纹感应模块。

背景技术

所谓指纹辨识，顾名思义就是利用人体手指上独有指纹信息进行辨识。常见的指纹辨识装置可由两种元素组成。其一为指纹感测器(Fingerprint Sensor)，主要目的是采集一枚完整的指纹图像。另一个元素则为指纹辨识演算法(Fingerprint Algorithm)。当前端的指纹感测器采集指纹图像后，后续则是交由演算法进行指纹图像处理与指纹特征点抽取，生成指纹模板后将原始指纹图像丢弃，最后再进行指纹比对。依照感测方式的不同，指纹辨识装置可分为光学式(Optical)与电容式(Capacity)。电容式指纹辨识装置，其原理是将高密度的电容感测器或是压力感测器等微型化感测器整合于一芯片之中，待手指按压芯片表面时，内部微型电容感测器会根据指纹的波峰与波谷聚集而产生的不同电荷量(或是温差)，进而形成指纹图像。电容式感测器的优点为薄型化与小型化，可被大量运用在手持装置上，不过其缺点为成本高及耐用性备受考验。光学式指纹辨识装置包括光源、影像撷取(感测)元件及透光元件。光源用以发出光束，以照射按压在透光元件上的手指，以指纹的波峰与波谷对于光线全反射的吸收与破坏，进而得到一枚指纹图像，再经由电荷耦合元件(CCD)将影像撷取与输出。由于光学式指纹感测器的采集方式是非接触芯片本身，也就是指纹按压处是由亚克力或是玻璃等光学元件所构成，故光学式最大的优势就是价格低廉且耐用。然而，在上述的取像过程中，被指纹反射的光束易散乱地传递至影像撷取元件，而造成取像品质不佳，影响辨识结果。

有鉴于此，如何改善光电式指纹辨识装置的取像品质便是目前极需努力的目标。

发明内容

本发明提供一种光学指纹感应模块，此指纹感应模块利用微透镜结构汇聚光线并通过不透光光阻层有效过滤角度光，以增加感应图像的品质。

本发明一实施例的光学指纹感应模块包含一基板、一半导体层及一光通道结构层。基板包含多个光感应模块间隔设置。半导体层设置于基板上。光通道结构层设置于半导体层上，以形成多个光通道，其中光通道结构层包含：一第一复合光阻层及多个微透镜结构。第一复合光阻层设置于半导体层上，且第一复合光阻层包含一第一光阻层。任一微透镜结构设置于任一第一复合光阻层上方、及第一复合光阻层内的至少其中一处，其中微透镜结构形成上述光通道。

以下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图1B为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图1C为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图2A为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图2B为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图2C为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图2D为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图2E为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图2F为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图2G为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图3为一剖视示意图，显示本发明又一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图4为一剖视示意图，显示本发明再一实施例的光学指纹感应模块的结构。

图5为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。

图6为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。

图7为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。

图8为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。

图9为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。

图10为一剖视示意图，显示本发明一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。

附图标号：

100 光学指纹感应模块

110 基板

111 光感应模块

1111 光感应元件

120 半导体层

121 金属层

1211 第二开口

130 光通道结构层

131 第一复合光阻层

1311 第一光阻层

1312 第一不透光光阻层

1313 第一开口

1314 第三不透光光阻层

1315 第三开口

132 第二复合光阻层

1321 第二光阻层

1322 第二不透光光阻层

1323 第四开口

1324 第四不透光光阻层

1325 第五开口

133 微透镜结构

134 通孔

135 低折射率层

具体实施方式

以下将详述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。图式中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。

请参照图1A，图1A为本发明的一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。光学指纹感应模块100包含一基板110、一半导体层120及一光通道结构层130。如图所示，基板110包含多个光感应模块111间隔设置，其中基板110包含但不限于硅基板，于此实施例中，任一光感应模块111可只包含一光感应元件1111。而半导体层120设置于基板110上。请继续参考图1A，光通道结构层130设置于半导体层120上，以形成多个光通道。其中光通道结构层130包含：一第一复合光阻层131及多个微透镜结构133。如图1A所示，第一复合光阻层131设置于半导体层120上。任一微透镜结构133设置于第一复合光阻层131上方、第一复合光阻层131内的至少其中一处(如图1A、图1B、图1C)，其中该多个微透镜结构形成该多个光通道。于一实施例中，请参考图2A，第一复合光阻层131包含一第一光阻层1311及一第一不透光光阻层1312堆叠设置于第一光阻层1311上，其中第一不透光光阻层1312具有多个第一开口1313。于又一实施例中，第一不透光光阻层1312由一低反射率材料所构成，其反射率小于30％，举例而言，较佳者，第一不透光光阻层1312为黑光阻层(Black Matrix)或彩色光阻层。于此实施例中，微透镜结构133的尺寸大于与其对应的第一开口1313的开口大小，可以理解的是，微透镜结构133的大小亦可恰巧等于第一开口1313的大小。此外，任一微透镜结构133不限制为图2A中所示的平凸透镜结构，亦可为双凸透镜结构(如图2B所示)、平凹透镜结构(如图2C所示)或双凹透镜结构(如图2D所示)，此外，依据不同形式的透镜结构，微透镜结构133可依据设计设置于第一开口1313上方(如图2A所示)、设置于第一开口1313下方(如图2E、图2F及图2G所示)、或设置于第一开口1313内(如图2C所示)，更者，微透镜结构133可依据设计设置于第一开口1313下方延伸至开口内(如图2B、图2D所示)。如图2E、图2F及图2G所示，于设置在第一开口1313下方的实施例中，其可利用适当方式在第一光阻层1311上先形成所需形状的凹槽再将微透镜结构133设置于其中，其制造方式此即不再赘述。上述结构中，光线由光通道结构层130射入，意即经由微透镜结构133、第一开口1313射入基板110的光感应模块111上，其中由于不透光光阻层的反射率低，举例而言，黑光阻的反射率约只有6％，故可有效吸光或可防止无效光线的继续反射，而微透镜结构133帮助光线聚焦于光感应模块111上，因此，本发明的指纹感应模块除有效汇聚光线之外，通过不透光光阻层的吸光作用有效过滤角度光，可增加感应图像的品质。以下实施例中，微透镜结构133皆以平凸透镜结构为主要实施范例，其余透镜的变化态样即不再赘述。

于一实施例中，请参考图3、图4，图3、图4为本发明不同一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。请参考图3、图4，于本实施例中，半导体层120更包含至少一金属层121，且金属层121具有多个第二开口1211，第二开口1211的位置与光感应模块111的位置对应。也就是说，本发明依实施例的光学指纹感应模块中由上而下，第一开口1313、第二开口1211与光感应模块111的位置是相互对应的。而于一实施例中，半导体层120举例而言包含但不限于1P5M(One-Poly-Five-Metal)结构，其中半导体层120的金属层结构可再次对于无效光线进行反射。于又一实施例中，任一个第二开口1211的开口大小小于与其对应的第一开口1313的开口大小；或者，任一个第二开口的开口大小小于与其对应的该第四开口1323的开口大小(参考图8)。于再一实施例中，半导体层120中的金属层121为多个层，且第二开口1211的位置于轴向位置上至少有部分重叠。也就是说，上下金属层的第二开口1211的位置可如图3所示，所有的开口位置完全重叠，亦或者，可如图4实施例所示，所有的开口位置不完全重叠。如此作法，是由于制造工艺技术的限制，开口的大小也许会有最小限制，通过让上下金属层开口位置不完全对齐，可控制光进入光感应模块111的位置。

于又一实施例中，如图5所示，图5为本发明又一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。于本实施例中，更包含至少一第三不透光光阻层1314设置于第一光阻层1311中，其中每一第三不透光光阻层1314具有一第三开口1315，且第三开口1315的位置与第一开口1313的位置的位置与光感应模块111的位置相互对应。于一实施例中，第三不透光光阻层1314为多个层，且第三开口1315的位置于轴向位置上至少有部分重叠(如图6所示)，原因如上述，此即不再赘述。于一实施例中，第三不透光光阻层1314可为黑光阻或彩色光阻，较佳者，第三不透光光阻层为黑光阻以有效吸收无效光线。

请参考图7，于一实施例中，光通道结构层130包含一第二复合光阻层132，且第二复合光阻层132堆叠设置于第一复合光阻层131上，且第二复合光阻层132包含一第二光阻层1321及一第二不透光光阻层1322堆叠设置于第二光阻层1321上，其中第二不透光光阻层1322具有多个第四开口1323。于图6的实施例中，第一复合光阻层131及第二复合光阻层132的结构可相同或不同。于又一实施例中，第二不透光光阻层1322亦可由一低反射率材料所构成，其反射率小于10％，其包含但不限于黑光阻层或彩色光阻层。于一实施例中，多个通孔134由第四开口1323往下贯穿第二光阻层1321，并露出至少部分多个微透镜结构133，其中第四开口1323、通孔134、微透镜结构133及第一开口1313形成上述光通道。于一实施例中，更包含一低折射率材质至少填充于通孔134内以形成一低折射率层135，也就是说，低折射率材质可填充至第四开口1323，更者，低折射率材质可填充至与第二不透光光阻层1322齐平。于又一实施例中，通孔134内亦可不填充任何物质。上述结构中，光线由光通道结构层130射入，经由第四开口1323、通孔134(低折射率层135)、微透镜结构133、第一开口1313射入基板110的光感应模块111上。

承上述，此处进一步解释微透镜结构133与不透光光阻层的作用。举例而言，如微透镜结构133本身的焦距为f，而微透镜结构133至光感应模块111的像距为v，微透镜结构133至成像物的物距为u，依透镜成像公式：

则可控制f及v，将距离u的指纹成像清楚，而其它距离的影像就会较模糊。如微透镜结构133的焦距f固定，则指纹距离u的成像是否清楚，由景深决定，因此，本发明的结构可通过控制第四开口1323的开口大小决定景深。也就是说，第二复合光阻层132的第二不透光光阻层1322除过滤角度光之外，其开口更决定景深大小，也就是成像是否清楚的主要关键之一。

于再一实施例中，请参考图8、图9，图8、图9为本发明又一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。如图所示，更包含至少一第四不透光光阻层1324设置于第二光阻层132中，其中每一第四不透光光阻层1324具有一第五开口1325，且第五开口1325的位置与第一开口1313的位置、第四开口1323的位置与光感应模块111的位置相互对应，于一实施例中，第四不透光光阻层1324为多个层，且第五开口1325的位置于轴向位置上至少有部分重叠(图7绘示完全重叠；图8绘示部分重叠)。

于再一实施例中，请参考图10，图10为本发明再一实施例的光学指纹感应模块的剖视示意图。如图所示，光感应模块111亦可包含多个光感应元件1111，其中光感应元件1111包含但不限于阵列设置于基板110上。多个阵列设置的光感应元件1111可用以收集不同角度的光，亦可增加感应图像的品质。

需说明的是，前述实施例是将光学指纹感应模块100应用于光学指纹辨识系统中，应而未显示光学指纹辨识系统的完整结构。光学指纹辨识系统的其它功能元件，例如光源结构、玻璃盖体结构，因已为本领域技术人员所熟知，且非为本发明的主要技术特征，故在此不再赘述。

综合上述，本发明的指纹感应模块，利用微透镜结构有效汇聚光线于光感应模块上，此外，并通过不透光光阻层有效过滤角度光、进而减少无效反射。更者，依据不同指纹辨识系统的厚度设计，可弹性设计不透光光阻层的开口大小，控制景深，以改善成像的品质。更者，光感应模块可以依据需求，设计成包含一个光感应元件或多个光感应元件，用以有效收集不同角度的光线。再者，为避免制造工艺技术的限制，本发明中所提及的不透光光阻层、金属层，皆可依据需求设计为上下开口位置完全重叠或部分重叠，以符合所需光通道。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以其限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种光学指纹感应装置，其特征在于，包含：

一基板，包含多个光感应模块间隔设置于该基板上；

一半导体层，设置于该基板上；以及

一光通道结构层，设置于该半导体层上，以形成多个光通道，其中该光通道结构层包含：

一第一复合光阻层，设置于该半导体层上；以及

多个微透镜结构，任一该微透镜结构设置于该第一复合光阻层上方、及该第一复合光阻层内的至少其中一处，其中该多个微透镜结构形成该多个光通道；

半导体层包括多个金属层，且所述金属层具有多个第二开口，所述第二开口的位置与光感应模块的位置对应，所述金属层用于对无效光线进行反射，上下相邻的两层所述金属层中的所述第二开口不完全对齐，以控制光进入所述光感应模块的位置；

一第二复合光阻层，堆叠设置于该第一复合光阻层上，该第二复合光阻层包含一第二光阻层及一第二不透光光阻层堆叠设置于该第二光阻层上，其中该第二不透光光阻层具有多个第四开口，所述第四开口的大小决定景深；多个通孔由该第四开口往下贯穿该第二光阻层，并露出至少部分该多个微透镜结构，所述通孔内不填充任何物质，其中该多个第四开口、该多个通孔、该多个微透镜结构成该多个光通道；多个第四不透光光阻层设置于该第二光阻层中，其中每一该第四不透光光阻层具有一第五开口，且该第五开口、该多个第四开口及该多个微透镜结构形成该多个光通道，该多个第五开口的位置于轴向位置上仅有部分重叠；

所述微透镜结构为平凸透镜，所述平凸透镜的曲面沿背离所述基板的方向设置，光线经所述平凸透镜的曲面射入所述平凸透镜后，依次经所述第一复合光阻层、所述半导体层中的所述第二开口射入所述光感应模块。

2.根据权利要求1所述的光学指纹感应装置，其特征在于，该第一复合光阻层包含一第一光阻层及一第一不透光光阻层堆叠设置于该第一光阻层上，且该第一复合光阻层具有多个第一开口，该多个第一开口及该多个微透镜结构形成该多个光通道。

3.根据权利要求2所述的光学指纹感应装置，其特征在于，该第一不透光光阻层由一低反射率材料所构成。

4.根据权利要求3所述的光学指纹感应装置，其特征在于，该第一不透光光阻层为黑光阻层或彩色光阻。

5.根据权利要求2所述的光学指纹感应装置，其特征在于，更包含至少一第三不透光光阻层设置于该第一光阻层中，其中每一该第三不透光光阻层具有一第三开口，该多个第三开口及该多个微透镜结构形成该多个光通道。

6.根据权利要求5所述的光学指纹感应装置，其特征在于，该第三不透光光阻层为多个层，且该多个第三开口的位置于轴向位置上至少有部分重叠。

7.根据权利要求1所述的光学指纹感应装置，其特征在于，该第二不透光光阻层由一低反射率材料所构成。

8.根据权利要求7所述的光学指纹感应装置，其特征在于，该第二不透光光阻层为黑光阻层或彩色光阻。

9.根据权利要求1所述的光学指纹感应装置，其特征在于，任一该光感应模块包含一光感应元件。

10.根据权利要求1所述的光学指纹感应装置，其特征在于，任一该光感应模块包含多个光感应元件。

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