CN110741628A - 图像传感器及相关芯片、图像传感器操作方法及手持装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种图像传感器(100/200)，包括：光电二极管、传输门(102)以及读取电路(112)，所述读取电路具有输入端(Vin)及输出端(Vout)，所述读取电路包括：积分器(114)，用来针对所述读取电路的输入端进行积分，并输出至所述读取电路的所述输出端；以及开关(108)，和所述积分器并联设置；其中所述传输门耦接于所述光电二极管和所述读取电路的所述输入端之间。

Description

图像传感器及相关芯片、图像传感器操作方法及手持装置

技术领域

本申请涉及一种触摸控制器及相关芯片、触摸控制系统及触摸控制方法，尤其涉及一种基于相位调制的触摸控制器及相关芯片、触摸控制系统及触摸控制方法。

背景技术

传统的电容跨阻抗放大器(capacitive transimpedance amplifier,CTIA)像素结构和主动式像素传感器(active-pixel sensor,APS)结构不同，前者是利用光电二极管产生的光电流实时地对读取电路中的积分器的电容积分，在光电二极管和读取电路之间并不需要传输门来决定何时将光电二极管产生的光电流送到读取电路的积分器；相反的，主动式像素传感器需要靠光电二极管积累电荷再一次将积累的电荷倒入后方的源极随耦器，因此在光电二极管尚未完成曝光时，需要一个传输门来将光电二极管和源极随耦器断开，待光电二极管完成曝光后才通过将传输门导通来将电荷倒入后方的源极随耦器。

然而，电容跨阻抗放大器像素结构中，由于没有传输门的存在，故光电二极管会通过金属层导线来直接连接至读取电路，金属层导线势必需要通过导孔(via)来连接光电二极管，由于半导体工艺上的不完美，光电二极管上的导孔往往造成一定程度的暗电流，形成噪声。

发明内容

本申请的目的之一在于公开一种基于相位调制的触摸控制器及相关芯片、触摸控制系统及触摸控制方法，来解决上述问题。

本申请的一实施例公开了一种图像传感器，包括：光电二极管传输门以及读取电路，所述读取电路具有输入端及输出端，所述读取电路包括：积分器，用来针对所述读取电路的输入端进行积分，并输出至所述读取电路的所述输出端；以及开关，和所述积分器并联设置；其中所述传输门耦接于所述光电二极管和所述读取电路的所述输入端之间。

本申请的一实施例公开了一种芯片，包括：上述的图像传感器。

本申请的一实施例公开了一种图像传感器操作方法，用来操作上述的图像传感器，所述图像传感器操作方法包括：在重置阶段，控制所述传输门以及所述开关导通，以重置所述积分器；以及在曝光及采样阶段，使所述光电二极管曝光，同时控制所述传输门导通，以及使所述开关不导通，使所述光电二极管产生的光电流对所述积分器进行积分。

本申请的一实施例公开了一种图像传感器操作方法，用来操作上述的图像传感器，所述图像传感器操作方法包括：在曝光及重置阶段，使所述光电二极管曝光，同时控制所述开关导通以及所述传输门不导通，以重置所述积分器；以及在基准值采样阶段，使所述光电二极管停止曝光，同时控制所述传输门以及所述开关不导通，使所述读取电路的输出端产生基准值采样结果。

本申请的一实施例公开了一种手持装置，用以感测一特定对象的指纹，包括：显示面板；以及上述的图像传感器，用以获得所述特定对象的指纹信息。

本申请实施例利用额外的传输门来避免在光电二极管上形成导孔，以降低暗电流的发生。

附图说明

图1为本揭露的图像传感器的第一实施例的示意图。

图2为图1的图像传感器的部分电路的布局示意图。

图3为图1的图像传感器的操作的示意图。

图4为本揭露的图像传感器的第二实施例的示意图。

图5为图4的图像传感器的操作的示意图。

图6为本申请手持装置的实施例的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100、200 图像传感器

102 光电二极管

104 传输门

106 电容

108 开关

110 放大器

112 读取电路

114 积分器

116 采样电路

120、122 导线

600 手持装置

602 显示屏组件

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

传统的主动式像素传感器(active-pixel sensor,APS)结构的读取电路面积较小，因此多半搭配比较小的像素；相对的传统的电容跨阻抗放大器(capacitivetransimpedance amplifier,CTIA)像素结构的读取电路面积较大，例如其中的积分器的面积较大，因此在搭配比较小的像素时，会使填充系数(fill factor)明显地减少，故一般搭配较大的光电二极管来使用。

在使用图像传感器进行指纹辨识的应用中，由于指纹按压时，反射进图像传感器的光线往往较暗，故此应用中图像传感器的光电二极管和一般拍照用的图像传感器相比，会设计的比较大以增加感光能力，故指纹辨识应用中适合使用电容跨阻抗放大器像素结构。此外，电容跨阻抗放大器像素结构的读取电路使用积分器，使其线性度较主动式像素传感器结构来的好，对于指纹辨识的应用来说，对于线性度的需求比一般拍照来的高，所以电容跨阻抗放大器像素结构刚好满足其对线性度的需求。

为了解决背景技术中电容跨阻抗放大器像素结构的暗电流问题，本揭露提出的电容跨阻抗放大器像素结构在光电二极管和读取电路之间设置传输门，传输门的源极/漏极直接通过衬底连接至光电二极管，传输门的另一源极/漏极则连接至读取电路，因此光电二极管可通过传输门来连接至读取电路，而不需通过金属层导线来连接至读取电路。因此，本揭露所提出的电容跨阻抗放大器不需要通过导孔(via)来连接光电二极管和金属层导线，因而可避免如光电二极管上的导孔造成的暗电流，进而减少整体的暗电流，改善噪声。

图1为本揭露的图像传感器的第一实施例的示意图。在本实施例中，图像传感器100系采用互补金属氧化物半导体工艺实现。图像传感器100包括光电二极管102、传输门104、读取电路112以及采样电路116。其中传输门104可以是晶体管，在本实施例中，传输门104是N型互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管，但本申请不以此为限。读取电路112具有输入端Vin及输出端Vout，传输门104系耦接于光电二极管102和读取电路112的输入端Vin之间。

在本实施例中，读取电路112包括积分器114以及开关108。开关108的实施方式可以相同或相似于传输门104，例如以N型互补金属氧化物半导体晶体管，但本申请不以此为限。积分器114系用来用来针对读取电路112的输入端Vin的信号进行积分，并输出至读取电路112的输出端Vout。在本实施例中，积分器114包括放大器110以及电容106，放大器110系耦接于读取电路112的输入端Vin及输出端Vout之间，电容106则和放大器110并联设置。放大器110可以是单端放大器或双端的差动放大器。

采样电路116是用来依据采样控制信号Ss而将输出端Vout的模拟信号转换为数字信号Dout，采样电路116可以是相关双采样(correlated double sampling,CDS)电路，在某些实施例中，采样电路116可以用来执行数字双采样(digital double sampling,DDS)。

在本实施例中，以互补金属氧化物半导体工艺实现的光电二极管102具有半导体衬底与金属连接层，所述金属连接层堆叠设置于所述半导体衬底之上，且所述金属连接层包括介电层以及其中的导线。图像传感器100的至少一部分系设置于所述半导体衬底中。图2为图1的图像传感器100的部分电路的布局示意图。如图2所示，传输门104的闸极通过所述金属连接层中的导线122连接至第一参考电压VDD，使传输门104保持导通状态，在本实施例中，由于传输门104为N型互补金属氧化物半导体晶体管，因此第一参考电压VDD应为高电位，即逻辑值为1。光电二极管102的负极和传输门104的一端源极/漏极相邻，使光电二极管102的负极通过所述半导体衬底耦接至传输门104的一端源极/漏极。传输门104的另一源极/漏极则通过所述金属连接层中的导线120连接至读取电路112的输入端Vin。光电二极管102的正极则耦接至第二参考电压VSS，在本实施例中，第二参考电压VSS为低电位，即逻辑值为0。

光电二极管102和其上方的所述金属连接层并不会直接连接，也就是说，光电二极管102和所述金属连接层在彼此重叠的范围内，完全被介电层隔开，不具有导孔连接光电二极管102和上方的所述金属连接层中的导线。光电二极管102和所述金属连接层仅会在彼此重叠的范围外，间接地通过传输门104来使光电二极管102和所述金属连接层耦接。例如光电二极管102通过传输门104的闸极耦接至导线122；以及光电二极管102通过传输门104的另一源极/漏极耦接至导线120。此外，开关108的闸极则通过所述金属连接层耦接至控制信号S1。

图3为图1的图像传感器100的操作的示意图。图3的操作包括：重置阶段、曝光及感测值采样阶段以及基准值采样阶段。在所述重置阶段，传输门104保持导通，并通过控制信号S1控制开关108导通，以重置积分器114。在所述曝光及感测值采样阶段，使光电二极管开始曝光102，传输门104保持导通，同时通过控制信号S1控制开关108不导通，使光电二极管102产生的光电流实时地对积分器114进行积分，使读取电路112的输出端Vout升高。采样电路116依据采样控制信号Ss将输出端Vout的模拟信号转换为数字信号Dout以作为感测值，例如当采样控制信号Ss为高电位时，采样电路116针对输出端Vout进行数字双采样。

如前所述，传输门104在上述两个阶段皆保持导通，本揭露通过传输门104得以避免了使用导孔连接光电二极管102和上方的所述金属连接层中的导线，因此可以有效地减少图3的操作产生暗电流影响积分器114进行积分的结果，进而降低噪声。

在上述基准值采样阶段中，控制信号S1控制开关108导通以重置积分器114，之后采样电路116再依据采样控制信号Ss将积分器114重置时的输出端Vout信号读取出来以作为基准值，并可依据上述感测值和上述基准值得到校正后感测结果。

图4为本揭露的图像传感器的第二实施例的示意图。图像传感器200和图像传感器100的差异在于图像传感器200的传输门104系选择性地进入导通状态。具体来说，传输门104的闸极通过所述金属连接层受到控制信号S2的控制，而非如图像传感器100固定地连接至第一参考电压VDD。

图5为图4的图像传感器200的操作的示意图。图5的操作包括：重置阶段、曝光及感测值采样阶段以及基准值采样阶段。在所述重置阶段，通过控制信号S1控制开关108导通以重置积分器114。在所述曝光及感测值采样阶段，使光电二极管开始曝光102，通过控制信号S1控制开关108不导通，并在所述曝光及感测值采样阶段的前期通过控制信号S2控制传输门104保持导通，使光电二极管102产生的光电流实时地对积分器114进行积分，使读取电路112的输出端Vout升高，并且在所述曝光及感测值采样阶段的后期通过控制信号S2控制传输门104保持不导通，使光电二极管102产生的光电流停止对积分器114进行积分，之后，采样电路116依据采样控制信号Ss将输出端Vout的模拟信号转换为数字信号Dout以作为感测值，例如当采样控制信号Ss为高电位时，采样电路116针对输出端Vout进行数字双采样。因此，相较于图像传感器100，图像传感器200具有更多的好处的其中之一就在于可以避免采样电路116在采样时，光电二极管102还在输出电流到积分器114。

在上述基准值采样阶段中，控制信号S1控制开关108导通以重置积分器114，以及控制信号S2控制开关104导通，当积分器114重置完成后，控制信号S1控制开关108不导通，以在积分器114的输出端Vout复制出开关108由导通到关闭时的电荷注入(chargeinjection)噪声，并由后采样电路116依据采样控制信号Ss将其读取出来以作为基准值，并可依据上述感测值和上述基准值得到校正后感测结果。因此，相较于图3的图像传感器100的控制方法，图5的图像传感器200的控制方法具有更多的好处的其中之一就在于可以将开关108由导通到关闭时的电荷注入噪声从感测结果中消除。

本申请还提供了一种芯片，其包括图像传感器100或图像传感器200。在某些实施例中，图像传感器100/200可应用于指纹辨识的应用,举例来说，本申请还提供了一种手持装置，图6为本申请手持装置的实施例的示意图。手持装置600包括显示屏组件602以及图像传感器100/200。手持装置600可用来进行光学式屏下指纹感测以感测特定对象的指纹。其中，手持装置600可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等任何手持式电子装置。显示屏组件602可包括显示面板以及保护盖板，所述保护盖板设置在所述显示面板的上方，图像传感器100/200设置在所述显示面板的下方，在本实施例中，所述显示面板可以是一种有机电激发光显示面板(OLED)，但本申请不以此为限。

上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。

Claims (16)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

光电二极管；

传输门；以及

读取电路，具有输入端及输出端，所述读取电路包括：

积分器，用来针对所述读取电路的输入端进行积分，并输出至所述读取电路的所述输出端；以及

开关，和所述积分器并联设置；

其中所述传输门耦接于所述光电二极管和所述读取电路的所述输入端之间。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电二极管的上方具有金属连接层，且所述光电二极管和所述金属连接层在重叠的范围内，不具有导孔连接所述光电二极管和所述金属连接层。

3.如权利要求2所述的图像传感器，其中所述光电二极管和所述金属连接层在彼此重叠的范围内完全被介电层隔开。

4.如权利要求3所述的图像传感器，其中所述光电二极管和所述金属连接层在彼此重叠的范围外，通过所述传输门彼此耦接。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述传输门具有闸极，所述闸极耦接至参考电压，所述参考电压使所述传输门固定在导通状态。

6.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述积分器包括：

放大器，耦接于所述读取电路的所述输入端及所述输出端之间；以及

电容，和所述放大器并联设置。

7.如权利要求4所述的图像传感器，其中所述放大器为差动放大器。

8.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电二极体具有正极与负极，所述负极耦接至所述传输门。

9.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括：

如权利要求1-8任一项中所述的图像传感器。

10.一种图像传感器操作方法，用来操作如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器操作方法包括：

在重置阶段，控制所述传输门以及所述开关导通，以重置所述积分器；以及

在曝光及感测值采样阶段，使所述光电二极管曝光，同时控制所述传输门导通，以及使所述开关不导通，使所述光电二极管产生的光电流对所述积分器进行积分。

11.如权利要求10所述的图像传感器操作方法，另包括：

在基准值采样阶段，使所述光电二极管停止曝光，同时控制所述传输门以及所述开关导通，使所述读取电路的输出端产生基准值采样结果。

12.如权利要求11所述的图像传感器操作方法，另包括：

依据所述感测值采样结果以及所述基准值采样结果产生校正后感测结果。

13.一种图像传感器操作方法，用来操作如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器操作方法包括：

在重置阶段，控制所述传输门以及所述开关导通，以重置所述积分器；以及

在曝光及感测值采样阶段，使所述光电二极管曝光，并且先控制所述开关不导通以及所述传输门导通，使所述光电二极管产生的光电流对所述积分器进行积分，之后再控制所述开关以及所述传输门皆不导通。

14.如权利要求13所述的图像传感器操作方法，另包括：

在基准值采样阶段，使所述光电二极管停止曝光，并且先控制所述传输门以及所述开关导通，之后再控制所述传输门导通以及控制所述开关不导通，使所述读取电路的输出端产生基准值采样结果。

15.如权利要求14所述的图像传感器操作方法，另包括：

依据所述感测值采样结果以及所述基准值采样结果产生校正后感测结果。

16.一种手持装置，用以感测一特定对象的指纹，其特征在于，包括：

显示面板；以及

如权利要求1-8所述的图像传感器，用以获得所述特定对象的指纹信息。

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