JP2022030129A - 光学式指紋センサ - Google Patents

Abstract

【課題】構成を簡略化しつつ、入射光のクロストークを低減することができる光学式指紋センサを提供する。【解決手段】有機ＥＬディスプレイの視認側とは反対面に設けられた光学式指紋センサであって、基材上に二次元に配列された複数の受光素子を有する受光層と、受光層の視認側に形成された透明層と、透明層の受光層とは反対側の面に形成された遮光層を備え、遮光層には受光素子に対応する位置にホールが配置され、遮光層の膜厚方向の断面視において、ホールの径は透明層側に向かうほど同径以上となる、光学式指紋センサである。【選択図】図２

Description

本発明は、指紋を光学的に認識する光学式指紋センサに関する。

スマートフォン等のタッチパネルを用いたモバイル端末装置が普及しつつある。モバイル端末装置には、セキュリティを保護するロックを解除するために、ユーザの本人認証の操作が行われるものがある。本人認証の方法は様々なものがあり、その中で生体認証センサはユーザ本人を確実に認証するものとして採用される。

例えば、特許文献１には、指の静脈を認識する生体認証センサが記載されている。生体認証センサは、例えば、複数の受光素子を有する受光層を備えている。受光層の受光素子において入射する光は、斜め方向にも進行して隣接する受光素子にも入射してクロストークと呼ばれるノイズとなる。クロストークを低減して受光層の読み取り精度を向上させるために、受光層の上層に光を遮断する遮光層が用いられる場合がある。遮光層は、複数の受光素子の上方に複数の受光素子に対応する位置に複数の開口したホールが形成されている。

例えば、特許文献１に記載された技術によれば、受光層の上層に複数のホールが形成された遮光層を２層設け、２層の遮光層の上層において複数のホールに対応する位置に複数のレンズを有するレンズ層を配置して入射光の進行方向を制限し、複数の受光素子に入射するクロストークを低減している。

特開２０１０－０９４４９９号公報

近年、携帯端末のタッチパネルの表面と反対側の下層に設けられた生体認証として指紋を認識する光学式指紋センサが採用されつつある。携帯端末は、より薄型化されることが求められている。タッチパネルの下層に光学式指紋センサを設ける場合、センサの厚さはなるべく薄くすることが望ましい。特許文献１に記載された技術をタッチパネルの下層に設けられる光学式指紋センサに適用しようとすると、２層の遮光層を設けると共に、２層のレンズ層の上層にレンズ層が設けられており、装置構成が複雑化すると共に、センサの厚みが増加するという課題がある。

本発明は、構成を簡略化しつつ、入射光のクロストークを低減することができる光学式指紋センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、有機ＥＬディスプレイの視認側とは反対面に設けられた光学式指紋センサであって、基材上に二次元に配列された複数の受光素子を有する受光層と、前記受光層の前記視認側に形成された透明層と、前記透明層の前記受光層とは反対側の面に形成された遮光層を備え、前記遮光層の膜厚方向の断面視において、前記遮光層には、前記受光素子に対応する位置にホール配置され、前記ホールの径は、前記透明層側に向かうほど同径以上となる、光学式指紋センサである。

本発明の一態様の前記ホールのうち、前記視認側の最表面に第１径を有する第１開口があり、前記透明層側の最表面に第２径を有する第２開口があり、前記遮光層の膜厚をｔ_１、前記透明層の膜厚をｔ_２、前記第２径をｄ_１、隣接する前記受光素子間の間隔をｄ_２、前記第２径と前記第１径との差の１／２をｘ、としたときに、条件式ｔ_１／（ｄ_１－ｘ）＞ｔ_２／ｄ_２を満たすように構成されていてもよい。

本発明の一態様の前記ホールは、前記遮光層の膜厚方向の断面形状において前記第１開口の端部と前記第２開口の端部とを結ぶ斜面が直線状に形成されていてもよい。

本発明の一態様の前記ホールは、前記遮光層の膜厚方向の断面形状において前記第１開口の端部と前記第２開口の端部とを結ぶ斜面が前記ホールの径方向において径の中心に向かって凸状になるように形成されていてもよい。

本発明の一態様の前記ホールは、前記遮光層の膜厚方向の断面形状において前記第１開口の端部と前記第２開口の端部とを結ぶ斜面が前記ホールの径方向において径の中心に向かって凹状になるように形成されていてもよい。

本発明によれば、構成を簡略化しつつ、入射光のクロストークを低減することができる。

本発明の実施形態に係る光学式指紋センサの使用状態を示す断面図である。 光学式指紋センサの構成を示す断面図である。 遮光層の構成を示す平面図である。 光学式指紋センサのＳ／Ｎ比を示す図である。 遮光層のホールの寸法を変更してクロストークの低減を計算した結果を示す図である。 遮光部における可視域の波長の光の透過率を示す図である。 遮光部における紫外域の波長の光の透過率を示す図である。 透過率が調整された材料により逆テーパ形状に形成された遮光部を示す断面図である。 透過率が調整された材料により順テーパ形状に形成された遮光部を示す断面図である。 カーボンブラックを含む材料により順テーパ形状に形成された遮光部を示す断面図である。 カーボンブラックを含む材料により逆テーパ形状に形成された遮光部を示す断面図である。 変形例１に係る遮光層の構成を示す断面図である。 変形例２に係る遮光層の構成を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る光学式指紋センサ及び光学式指紋センサの製造方法の実施形態について説明する。

図１に示されるように、光学式指紋センサ１は、例えば、スマートフォンＳ等の携帯端末に設けられたディスプレイＣの視認側と反対側の面側に設けられている。ディスプレイＣは、自発光する画素により表示画像を表示する有機ＥＬディスプレイであり、既知の構成を有する。光学式指紋センサ１は、ディスプレイＣの光源（画素）に照らされた指紋Ｙから反射した光の強度を検出することで、指紋のパターンを検出する。ユーザは、ディスプレイＣに表示された領域に指先を触れ、光学式指紋センサ１に指紋を認識させる。

図２及び図３に示されるように、光学式指紋センサ１は、光の強度を検出する受光層２と、受光層２の受光側の面側である上層に設けられた遮光層１０とを備える。受光層２は、複数の受光素子３を有する。受光素子３は、光を受光しその強度を検出する。受光素子３は、受光した光の強度に比例した電圧を出力する。複数の受光素子３は、基材Ｍの受光側の面に二次元のマトリクス状に配列されている。隣接する受光素子３同士の間隔は、例えば、ディスプレイＣの画素の間隔に配置されている。

受光素子３は、例えば、ディスプレイＣの面を視認側から法線方向に沿って見て円形に形成されている。受光素子３は、円形以外の形状に形成されていてもよい。基材Ｍは、例えば、シリコンウエハである。複数の受光素子３は、指紋から反射した光を受光して、指紋の凹凸により生じた反射光の強弱を検出し、指紋のパターンを検出する。受光層２の上層（受光側の面側）には、透明層Ｔが設けられている。

透明層Ｔは、可視光領域を透過する光学フィルタである。透明層Ｔは、例えば、４μｍから５μｍの厚さに形成されている。透明層Ｔは、例えば厚みや屈折率などが異なる複数の透明な光学フィルタ層が積層されることで形成されている。各層は、設定された波長域の可視光を干渉により相殺して遮蔽するように厚さや屈折率などが調整されている。すなわち透明層Ｔは、透明層Ｔの受光側から入射した光が、透明層Ｔの各層で段階的にそれぞれの波長域の光が遮断され、可視光領域が除去された所望の赤外線波長域の光が受光側の面と反対側の面側の受光層２に到達するような構成となっていることが好ましい。

透明層Ｔの上面（受光側の面）には、光を遮光する遮光層１０が形成されている。遮光層１０は、例えば、１．５μｍ程度の厚さに形成されている。遮光層１０には、複数のホール１１が形成されている。ホール１１は、視認側から平面視して受光素子３に対応する位置に二次元のマトリクス状に配列されている。ホール１１は、例えば、受光素子３の径の３倍程度の径となるように形成されている。

複数のホール１１は、例えば、複数の受光素子３と同心に配置されるように記載されている。複数のホール１１の配置関係はこれに限らず、受光素子３がホール１１の際に配置されていてもよい。但し、この場合においても複数の受光素子３と複数のホール１１とのピッチは等差である。

複数のホール１１は、光学式指紋センサ１の読取りの精度を向上するために設けられるものであり、隣接するホール１１から受光素子３に斜め方向から光が入りにくくなるように絞りとして形成されている。複数のホール１１は、径の大きさが透明層Ｔ方向に向かうほど拡大するように端部の断面が逆テーパ形状に形成されている。逆テーパ形状とは、例えば、ホール１１の開口が受光層２側の方向に向かうほど径が同径以上となるように形成されていることをいう。即ち、ホール１１は、傾斜面が直線状の逆皿状断面に形成されている。さらに、逆テーパ形状とは、ホール１１の透明層Ｔと接する面における径がホール１１の透明層Ｔとは反対側の層に接する面における径よりも大きい状態と定義することもできる。

透明樹脂層Ｊは、ホール１１を有する遮光層１０の透明層Ｔとは反対側の面に塗布され、複数のホール１１まで浸透する。透明樹脂層Ｊは、硬化後、遮光層１０をコーティングするように形成される。透明樹脂層Ｊは、例えば、光硬化樹脂を用いて形成されている。

次にホール１１の形状について説明する。

ホール１１は、斜め方向の入射光がホール１１に隣接するホールに対応する位置に配置された受光素子３に入射することが防止されるように形成されている。

ホール１１は、透明樹脂層Ｊ側の面（視認側の最表面）に第１径の第１開口１１Ａが形成され、受光素子３側の面（透明層２側の最表面）に第２径の第２開口１１Ｂが形成されている。第２開口１１Ｂの第２径は、第１開口１１Ａの第１径以上の大きさに形成されている。

ホール１１の膜厚方向の断面視における断面形状において、遮光層１０の膜厚をｔ_１、透明層Ｔの膜厚をｔ_２、第２開口１１Ｂの第２径をｄ_１、隣接する受光素子３間の間隔をｄ_２、逆テーパ形状の庇部分の距離（第２開口１１Ｂの第２径と第１開口１１Ａの第１径との差の１／２）をｘ、としたときに、以下の条件式（１）を満たすように形成されている。
ｔ_１／（ｄ_１－ｘ）＞ｔ_２／ｄ_２ （１）

式（１）において左辺は、第１開口１１Ａの端部と、ホール１１の径方向に対向する第２開口１１Ｂの端部とを結ぶ斜線を斜辺とする直角三角形の底辺と対辺との比である。ここで、ｘ≧０である。条件式（１）において右辺は、隣接する受光素子３の間隔を底辺、透明層Ｔの厚さを対辺とする直角三角形の底辺と対辺との比である。

遮光層１０は、条件式（１）を満たすように、ホール１１のテーパ形状が設計され、ホール１１における斜め方向の入射角θが最大値である入射光がホール１１に入射した際に、隣接する受光素子３に光が入射することを防止しクロストークを低減するように形成されている。条件式（１）に示す条件は、必ずしもホール１１に隣接する受光素子３に斜め方向の入射光の入射を完全に防止するものではない。しかしながら、ホール１１の設計時に条件式（１）を当てはめることにより、クロストークが低減されるか否かが検証される。

ホール１１に比して比較例に係る遮光層１０Ｈは、ホールの断面がホール１１の逆テーパ形状と開口の広がりの状態が逆の順テーパ形状に形成されている。遮光層１０Ｈのホールは、透明樹脂層Ｊ側の開口の径よりも透明層Ｔ側の開口の径が大きくなるように形成されている。比較例に係る遮光層１０Ｈの順テーパ形状のホールによれば、斜め方向の入射光が隣接するホール１１から受光素子３に入射し、クロストークが発生しやすくなる。

図４に示されるように、遮光層１０は、順テーパ形状に形成されたホールを有する遮光層１０Ｈに比してＳ／Ｎ比が改善され、ノイズ（クロストーク）が大幅に低減されている。

図５には、遮光層１０のホール１１の第２開口１１Ｂの第２径の大きさｄ_１を固定して他の上記各寸法を変更した実施例及び比較例の計算結果が示されている。計算結果に示されるように、ホール１１は、第２開口１１Ｂの第２径が第１開口１１Ａの第１径以上の大きさに形成されている場合、条件式（１）を満たし、クロストークが低減される。

次に、遮光層１０の物性について説明する。

遮光層１０は、黒色の遮光性物質が混入された光硬化樹脂により形成されている。光硬化樹脂は、透明であり、紫外線が照射されると硬化する感光性材料である。遮光層１０は、硬化前は遮光性物質である黒色顔料が混入された光硬化樹脂である。この光硬化樹脂は、透明層Ｔの受光側の面に塗布される。塗布された黒色顔料が混入された光硬化樹脂の受光側の面側に複数のホール１１部分を覆うフォトマスクを当てパターニング処理し、受光側（透明層Ｔと反対側の面）から紫外線を照射する。そうすると、複数のホール１１部分以外の部分の光硬化樹脂が硬化する。そして、複数のホール１１部分における未硬化の光硬化樹脂を除去すると遮光層１０が形成される。

ここで、上述したように、遮光層１０は遮光性を確保しつつ、硬化後に透明層Ｔとの間の剥離を防止するために透明層Ｔとの接触面にも紫外線を到達させる必要がある。そこで、遮光層１０は、赤外線領域を含む可視光領域の波長の光を遮断しつつ、紫外線領域の波長の光をわずかに透過するように形成されていることが好ましい。

図６及び図７に示されるように、遮光層１０は、波長４００ｎｍから７００ｎｍの範囲の光の透過率が１％以下であり、且つ、波長３６０ｎｍから４００ｎｍの光の透過率が０．０５％以上となるように形成されていることが好ましい。この透過率を実現するために遮光層１０には、例えば、窒化チタン、酸窒化チタン、酸化チタン、及び炭化チタンのうち少なくとも１つを主成分とする黒色顔料が含まれる。遮光層１０の透過率は、膜厚により変化する。透過率は、膜厚が厚くなると低下する。

図８に示されるように、上記の材料により形成された逆テーパ形状を有する遮光層１０は、光硬化に用いる紫外線（例えば、３６５ｎｍ）の透過を妨げず、硬化時に紫外線が照射されると透明層Ｔとの境界まで紫外線が到達し、透明層Ｔの受光側の面側に硬化した膜として形成される。

ホール１１のマスクをして紫外線を照射する際に、膜厚、露光時間、硬化時間のバランスを調整することにより、ホール１１のテーパ形状のテーパ角が調整される。テーパ角は、上述したように、ホール１１の庇部分の距離ｘの大きさにより決定される。

遮光層１０の硬化時において紫外線の露光時間を減少させると、遮光層１０において透明層Ｔまで到達する紫外線の経時的な光量が減少し、ホール１１において距離ｘが大きい逆テーパ形状に形成できる。遮光層１０の硬化時において紫外線の露光時間を増加させると、遮光層１０において透明層Ｔまで到達する紫外線の経時的な光量が増加し、ホール１１において距離ｘが小さい逆テーパ形状に形成できる。硬化後の遮光層１０は、赤外線領域を含む可視光領域の波長の光を遮断し、複数のホール１１部分からのみ光を透明層Ｔ側に透過させる。

図９に示されるように、紫外線の露光時間等を調整することにより遮光層１０は、ホール１１が順テーパ形状にも形成される。

遮光層１０は、カーボンブラックを含む黒色顔料により形成されていてもよい。この遮光層は、上記の材料に比して透明層Ｔ側に紫外線が到達しにくい。

図１０に示されるように、カーボンブラックを含む黒色顔料を含む材料を用いて遮光層１０を形成する場合、透明層Ｔ側に紫外線が到達するように露光時間を十分に調整すると順テーパ形状のホール１１を有する遮光層１０が形成される。

図１１に示されるように、カーボンブラックを含む黒色顔料を用いて逆テーパ形状の遮光層１０を形成する場合、対象物を覆うように形成する際に、対象物との間の境界に剥離が生じる場合がある。従って、上記の通り、遮光層１０は、紫外線領域の波長の光をわずかに透過する材料により形成された遮光層１０によれば、透明層Ｔとの境界における剥離が防止されるので、逆テーパ形状の遮光層１０は、この材料を用いて形成されることが望ましい。

［変形例１］
以下、遮光層１０の変形例について説明する。上記実施形態においては、クロストークを防止するようにホール１１の断面において、斜面が直線状の逆テーパ形状に形成される条件を示した。遮光層の形成過程においては、上記実施形態の遮光層１０の理想的なホール１１の逆テーパ形状に形成されるとは限らず、変形して形成される場合もあり得る。変形例においては、遮光層１０と同じ効果を奏しつつ、変形した逆テーパ形状に形成されているものを例示する。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成については同一の名称、符号を用い、重複する説明については適宜省略する。

図１２に示されるように、変形例１に係る遮光層１０Ｘは、膜厚方向においてホール１１Ｘに形成された第１開口１１ＸＡの端部と第２開口１１ＸＢの端部とを結ぶ斜面の断面形状がホール１１Ｘの径方向において中心方向に向かって凸状になるように形成されている。即ち、ホール１１Ｘは、傾斜面が曲線的な逆すり鉢状断面に形成されている。

遮光層１０Ｘのホール１１Ｘに斜め方向の入射光が入射した場合、遮光層１０Ｘは、上記式（１）を満たすように形成されている。ホール１１Ｘは、入射する最大の入射角θの斜め方向の入射光が第１開口１１ＸＡの端部と、ホール１１Ｘの径方向に対向する第２開口１１ＸＢの端部とを通過すると共に、ホール１１Ｘに隣接する受光素子３に入射しないように形成されている。

［変形例２］

図１３に示されるように、変形例２に係る遮光層１０Ｙは、膜厚方向においてホール１１Ｙに形成された第１開口１１ＹＡの端部と第２開口１１ＹＢの端部とを結ぶ斜面の断面形状がホール１１Ｙの径方向において中心方向に向かって凹状になるように形成されている。即ち、ホール１１Ｘは、傾斜面が曲線的な逆碗状断面に形成されている。

遮光層１０Ｙのホール１１Ｙに斜め方向の入射光が入射した場合、遮光層１０Ｙは、上記式（１）を満たすように形成されている。ホール１１Ｙは、入射する最大の入射角θの斜め方向の入射光が第１開口１１ＹＡの端部と、ホール１１Ｙの径方向に対向する第２開口１１ＹＢの端部とを通過すると共に、ホール１１Ｙに隣接する受光素子３に入射しないように形成されている。

上述したように、光学式指紋センサ１によれば、遮光層のホールの断面形状が逆テーパ形状に形成されているため、隣接する受光素子３への斜め方向の入射光を制限し、クロストークを低減することができる。光学式指紋センサ１によれば、遮光層のホールの断面形状を逆テーパ形状に形成することで装置構成を簡略化しつつもクロストークを低減することができる。

光学式指紋センサ１によれば、透明層Ｔを覆うように形成される遮光層１０は、透明層Ｔ側に紫外線が透過して確実に硬化するため、透明層Ｔとの境界における剥離が防止される。光学式指紋センサ１によれば、ホール１１の断面が逆テーパ状に形成されているため、隣接する受光素子３へのノイズとなる光の入射が防止され、ノイズを低減することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 光学式指紋センサ
２ 受光層
３ 受光素子
１０、１０Ｈ、１０Ｘ、１０Ｙ 遮光層
１１、１１Ｘ、１１Ｙ ホール
１１Ａ、１１ＸＡ、１１ＹＡ 第１開口
１１Ｂ、１１ＸＢ、１１ＹＢ 第２開口
Ｃ ディスプレイ
ＥＬ 有機
Ｊ 透明樹脂層
Ｍ 基材
Ｓ スマートフォン
Ｔ 透明層

Claims (5)

1. 有機ＥＬディスプレイの視認側とは反対側の面に設けられた光学式指紋センサであって、
   基材上に二次元に配列された複数の受光素子を有する受光層と、
   前記受光層の前記視認側に形成された透明層と、
   前記透明層の前記受光層とは反対側の面に形成された遮光層を備え、
   前記遮光層には前記受光素子に対応する位置にホールが配置され、
   前記遮光層の膜厚方向の断面視において、前記ホールの径は前記透明層側に向かうほど同径以上となる、
   光学式指紋センサ。
2. 前記ホールのうち、前記視認側の最表面に第１径を有する第１開口があり、前記透明層側の最表面に第２径を有する第２開口があり、
   前記遮光層の膜厚をｔ_１、前記透明層の膜厚をｔ_２、前記第２径をｄ_１、隣接する前記受光素子間の間隔をｄ_２、前記第２径と前記第１径との差の１／２をｘ、としたときに、条件式
   ｔ_１／（ｄ_１－ｘ）＞ｔ_２／ｄ_２
   を満たす、
   請求項１に記載の光学式指紋センサ。
3. 前記ホールは、前記遮光層の膜厚方向の断面形状において前記第１開口の端部と前記第２開口の端部とを結ぶ斜面が直線状に形成されている、
   請求項２に記載の光学式指紋センサ。
4. 前記ホールは、前記遮光層の膜厚方向の断面形状において前記第１開口の端部と前記第２開口の端部とを結ぶ斜面が前記ホールの径方向において径の中心に向かって凸状になるように形成されている、
   請求項２に記載の光学式指紋センサ。
5. 前記ホールは、前記遮光層の膜厚方向の断面形状において前記第１開口の端部と前記第２開口の端部とを結ぶ斜面が前記ホールの径方向において径の中心に向かって凹状になるように形成されている、
   請求項２に記載の光学式指紋センサ。

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