TW201523457A - 用於靜脈辨識技術之偵測器陣列 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於靜脈辨識技術之偵測器陣列，該偵測器包含輻射吸收器。本發明進一步係關於一種包含該偵測器陣列之安全性系統，以及一種用於靜脈辨識之方法。

Description

用於靜脈辨識技術之偵測器陣列
本發明係關於一種用於靜脈辨識技術之偵測器陣列，該偵測器陣列包含輻射吸收器。本發明進一步係關於一種包含該偵測器陣列之安全性系統，以及一種用於靜脈辨識之方法。
生物測定辨識(或簡單地為生物測定學)涉及使用相異性解剖及行為特性或識別符(例如，指紋或掌紋、臉部、虹膜或語音)以進行個人識別，且與傳統的基於符記之方法(例如，密鑰或ID卡)及基於知識之方法(例如，密碼或PIN)比較，提供較高的安全性及便利性，此係因為該等特性或識別符難以錯放、偽造或共用。
在生物測定學內，與諸如臉部、虹膜、指紋及掌紋之其他生物測定性狀比較，手指靜脈識別技術已被識別為潛在更加安全的辨識系統。此係因為：不同於指紋或虹膜掃描，手指靜脈圖案隱藏於人體皮膚之下且不可能更改或欺騙。事實已證明，手指靜脈圖案對每個人而言為唯一的，且可用於個人驗證(參見(例如)T.Yanagawa,S.Aoki,T.Ohyama,Human Finger Vein Images Are Diverse and its Patterns Are Useful for Personal Identification；Kyushu University MHF Preprint Series：Kyushu,Japan,2007；第1頁)。靜脈直徑可歸因於天氣、身體狀況等等之波動而暫時地改變，但靜脈分佈圖案對個人而言仍保持唯一，且可與在前一天針對同一個人所儲存之原始圖案匹配(參見(例如) N.Miura,A.Nagasaka,T.Miyatake,Extraction of Finger-Vein Patterns Using Maximum Curvature Points in Image Profiles.IEICE Trans.Inform.Syst.2007,E90-D，第1185頁)。與指紋偵測對比，仍可在皮膚受到任何外部損傷之情況下量測手指靜脈圖案。手指靜脈辨識為非侵入式且非接觸式之技術，且因此對使用者而言更可接受。此技術使心理抗拒少得多，心理抗拒的情況為(例如)虹膜掃描。另外，不同於其他生物測定識別符，手指靜脈圖案可僅在活人體內予以識別。與(例如)用於基於手掌之驗證之器件比較，靜脈辨識所需要之器件可極緊密且小。
圖1中展示如US 2004/0184641、US 7,957,563 B2、US 8,155,402及US 8,223,199中揭示之一些例示性手指靜脈偵測系統。典型地，使自光源(例如，發光二極體(LED))發射的在近紅外線(NIR)區中之光透射通過受試者之手指。通常運用針對NIR光具有高敏感度之攝像系統(諸如，攝影機或影像感測器)來映射橫越手指之經透射光的空間變化。與手指中之其他色素及組織比較，血管優先地吸收較多NIR光。因此，在所擷取影像中，靜脈與周邊組織一樣顯得顯著地較暗。藉由亮度與暗度之間的差異而產生之圖案形成血管圖案。接著將後處理演算法應用於所擷取影像，以便移除背景雜訊且產生高對比度靜脈圖案，其可儲存於某一資料庫中以供以後擷取以進行圖案匹配。
與在其他偵測技術中一樣，四個主要步驟為影像獲取、預處理、特徵提取及匹配。已在最後三個領域中進行大量工作。本申請案集中於第一領域：影像擷取部分。
光譜之可見光部分被吸收於人體手指內部的諸如血紅素、肌血球素及黑色素之各種組織色素中。較長紅外線波長歸因於組織中之水的吸收而強烈地衰減。然而，在NIR波長下，相比於組織中之其他蛋白質，血紅素展現較高吸光度。因此，NIR光透射可用以選擇性地映射 受試者之手指中之血紅素位置，且因此映射血管圖案。此隱含著需要良好NIR偵測器。
針對NIR偵測器之最風行選擇為光學成像系統。此等系統通常被建置有電荷耦合器件(CCD)感測器抑或互補金氧半導體(CMOS)感測器。兩種類型之感測器執行將入射光轉換成電荷且將電荷處理成電子信號之相同任務。為了使系統在NIR波長光譜中更敏感，將濾波器置放於成像像素矩陣之前，該濾波器阻擋可見光且僅允許NIR光通過。此成像方法對裝置之用法強加嚴格的限定，例如，該裝置必須在經良好控制之照明條件下(諸如，在室內)使用，且該裝置需要待掃描物件(例如，受試者之手指)之極精確定位。
若未能滿足此等條件，則其可引起環境光洩漏至偵測器中，此情形可對影像品質產生嚴重的負面後果。在晴朗無雲的白天，相比於靜脈偵測裝置中之光源之NIR分量，環境光之NIR分量可強得多。若此亮背景光流入偵測系統，則處於手指輪廓外部(且因此接收未經衰減光)之一些像素的明度將以最大位準飽和。在最終整體影像中，將存在處於所要目標區域(手指內之特徵)外部的具有極高強度之局域化區。影像之其餘部分將相對暗，且因此將遭受不良影像對比度。成像系統經設計成產生亮光與暗光之間的極略微差異之影像作為手指內之血管圖案。因此，飽和像素之存在可導致關鍵資訊損失，且成像系統將不能夠產生血管分佈之可靠映射。
另外，在存在亮光的情況下，一些CCD感測器亦可遭受輝散效應(blooming effect)，此情形在所擷取影像中導致亮垂直條紋，從而再次引起嚴重的資訊損失。
此為文獻中描述之大多數手指靜脈偵測技術的嚴重缺點。雖然存在關於在即使一些背景光洩漏至偵測器陣列中之情況下亦使用成像感測器的一些專利，但此情形涉及對攝影機中之曝光時間、快門大小或 自動增益進行複雜的執行時間最佳化以遮蔽「強」環境光，同時確保仍自所要目標區域擷取足夠的光。此情形將需要手指之多次曝光，直至已擷取可接受之影像為止。為了後處理影像且使影像與儲存於資料庫中之原始手指靜脈圖案匹配，計算複雜性亦高得多。此情形導致個人驗證在金錢、能量及時間方面之成本整體上增加。下文所描述的吾人之新穎途徑將消除此問題且幫助顯著地縮減裝置之操作成本。
本發明者現在已意外地發現，先前技術之以上劣勢可由本申請案之偵測器陣列矯正。
因此，本申請案提供一種用於靜脈圖案辨識之偵測器陣列，該陣列包含能夠吸收輻射之吸收器，其中該吸收器為有機光伏打電池。
另外，本申請案提供一種包含以上偵測器陣列之安全性系統。
本申請案亦提供一種用於靜脈圖案辨識之方法，其包含以下步驟：(a)將包含靜脈之物件置放於偵測器陣列附近，該偵測器陣列包含能夠吸收輻射之吸收器；(b)使輻射通過包含靜脈之該物件而透射至該吸收器；及(c)偵測該經透射輻射之空間變化，藉此獲得包含靜脈之該物件之映像，其中該吸收器為有機光伏打電池。
此外，本申請案提供一種用於生產以上偵測器陣列之方法，該方法包含以下步驟：(A)生產有機光伏打感測器；及(B)將該有機光伏打感測器整合成偵測器陣列。
3‧‧‧光源
4‧‧‧成像系統
32‧‧‧成像系統
72‧‧‧光源
112‧‧‧成像系統
114‧‧‧光源
300‧‧‧有機光伏打電池
310‧‧‧基板
320‧‧‧電極/底部電極/層
330‧‧‧電洞輸送層/電子阻擋層
340‧‧‧光敏性層
350‧‧‧電子載體層/電洞阻擋層
360‧‧‧電極/頂部電極/層
370‧‧‧基板/玻璃基板
圖1a展示靜脈偵測系統之實例，其中光源3在手指上方且成像系 統4在手指下方。
圖1b展示靜脈偵測系統之實例，其中光源114在手指旁邊且成像系統112在手指下方。
圖1c展示靜脈偵測系統之實例，其中光源3在手指一側且成像系統在手指下方。
圖1d展示靜脈偵測系統之實例，其中光源72及成像系統32在手指下方。
圖2說明有機光伏打感測器在正向偏壓(高負載線)下、在零偏壓(低負載線)下及在反向偏壓(被施加反向電壓之負載線)下之操作。
圖3為例示性有機光伏打電池300之示意性橫截面圖。
圖4展示針對實例之感測器器件所獲得的電流：電壓曲線。
出於本申請案之目的，除非另有指示，否則可被縮寫為「NIR」之術語「近紅外線」用以表示波長為0.7μm至3.0μm之輻射。
出於本申請案之目的，術語「血管」及「靜脈」被同義地使用。
出於本發明之目的，「光伏打感測器」包含以矩陣而排列之整數個光伏打電池，其亦可被稱作「像素」，藉此允許按照在該矩陣中之位置來映射入射輻射強度。
如本文所使用，術語「聚合物」應被理解為意謂具有高相對分子質量之分子，其結構基本上包含實際上或概念上自具有低相對分子質量之分子衍生的多重重複之單元(Pure Appl.Chem.,1996,68,2291)。術語「寡聚物」應被理解為意謂具有中間相對分子質量之分子，其結構基本上包含實際上或概念上自具有較低相對分子質量之分子衍生的小複數個單元(Pure Appl.Chem.,1996,68,2291)。在較佳含義中，如本文所使用，聚合物應被理解為意謂具有>1個重複單元(亦 即，至少2個重複單元，較佳地5個重複單元)之化合物，且寡聚物應被理解為意謂具有>1個重複單元且<10個重複單元(較佳地<5個重複單元)之化合物。
另外，如本文所使用，術語「聚合物」應被理解為意謂涵蓋一或多種相異類型之重複單元(分子之最小組成單元)之主鏈且包括通常已知之術語「寡聚物」、「共聚物」、「均聚物」及其類似者的分子。另外，應理解，術語聚合物除了包括聚合物自身以外亦包括來自伴隨此聚合物之合成之引發劑、催化劑及其他元素的殘餘物，其中此等殘餘物應被理解為不共價地併入至該聚合物。另外，雖然此等殘餘物及其他元素通常在聚合後純化製程期間被移除，但此等殘餘物及其他元素典型地與聚合物混合或共混，使得當聚合物在容器之間或在溶劑或分散介質之間轉移時，此等殘餘物及其他元素一般與聚合物保持在一起。
如本文所使用，術語「重複單元」及「單體單元」可被互換地使用，且應被理解為意謂組成重複單元(CRU)，其為最小組成單元，該最小組成單元之重複組成規則巨分子、規則寡聚物分子、規則嵌段或規則鏈(Pure Appl.Chem.,1996,68,2291)。如本文進一步所使用，術語「單元」應被理解為意謂可獨自地為重複單元或可與其他單元一起形成組成重複單元之結構單元。
如本文所使用，術語「小分子」應被理解為意謂典型地不含有反應性基團之單體化合物，藉由該反應性基團，該單體化合物可起反應以形成聚合物，且該反應性基團被指定為以單體形式而使用。與此對比，除非另有敍述，否則術語「單體」應被理解為意謂承載一或多個反應性官能基之單體化合物，藉由該一或多個反應性官能基，該單體化合物可起反應以形成聚合物。
如本文所使用，術語「供體」或「供予」及「受體」或「接 受」應被理解為分別意謂電子供體或電子受體。「電子供體」應被理解為意謂將電子供予至另一化合物或化合物之原子之另一基團的化學實體。「電子受體」應被理解為意謂接受自另一化合物或化合物之原子之另一基團轉移至自身之電子的化學實體。亦參見International Union of Pure and Applied Chemistry,Compendium of Chemical Technology,Gold Book，2.3.2版本，2012年8月19日，第477及480頁。
如本文所使用，術語「n型」或「n型半導體」應被理解為意謂傳導電子密度超過行動電洞密度之外質半導體，且術語「p型」或「p型半導體」應被理解為意謂行動電洞密度超過傳導電子密度之外質半導體(亦參見J.Thewlis,Concise Dictionary of Physics,Pergamon Press,Oxford,1973)。
一般而言，本發明係關於一種用於靜脈圖案辨識之偵測器陣列，該陣列包含吸收器。吸收器能夠吸收輻射。該輻射可(例如)為環境輻射，或由發射器(若存在發射器)發射。因此，用於靜脈圖案辨識之較佳偵測器陣列包含能夠發射輻射之發射器，及能夠吸收由發射器發射之輻射之吸收器。
較佳地，用於本偵測器陣列中之吸收器為包含整數個有機光伏打電池(「像素」)之有機光伏打感測器。包含於該有機光伏打感測器中之有機光伏打電池的數目將取決於該偵測器陣列之預期應用所需要之解析度及品質。舉例而言，有機光伏打感測器可具有以矩陣而排列之至少100個、至少1000個或甚至至少10,000個有機光伏打電池。顯然，對於指定大小之偵測器陣列，有機光伏打電池之數目增加將引起解析度增加，且因此引起最終所獲得資料之品質增加。雖然包含於有機光伏打感測器中之有機光伏打電池之最大數目並不受到特定限制，但仍然較佳的是，有機光伏打感測器包含至多1,000,000個、更佳地至 多500,000個、甚至更佳地至多100,000個且最佳地至多50,000個有機光伏打電池。
各有機光伏打電池能夠將入射光子(其在本情況下可為環境光子，或-若存在發射器-起源於發射器)轉換成電子，接著可收集該等電子且記錄其數目。
用於本目的之輻射類型並不受到特別限制，限制條件為其能夠展示傳遞通過靜脈之光束與未傳遞通過靜脈之光束之間的差異。然而，較佳的是，本文所使用之輻射的波長在0.7μm至3.0μm之範圍內(「NIR」)。
近紅外線輻射(NIR)之選擇特別有利。當使近紅外線輻射傳遞通過富含靜脈之物件區(亦即，血管)時，經透射輻射歸因於受到血紅素之吸收而強烈地衰減。必然地，可忽略量之經透射輻射到達吸收器處之此特定點中，此意謂在有機光伏打感測器之對應區中產生低電流。與此對比，透射通過周邊區(亦即，無血管)的較大量之輻射將引起在吸收器之對應區中產生較高電流。有機光伏打電池特別有用於本申請案中，此係因為其中產生之短路電流係與落於其上之光成正比。來自有機光伏打感測器之不同區之電流變化可用以產生血管(靜脈)圖案之灰階影像。在所擷取影像中，暗區將受到特別關注，此係因為其表示血管。在使用後處理演算法來判定物件輪廓之後，接著可捨棄其外部之區。接著，可使用如(例如)以下各者中揭示之已知演算法來產生暗-亮圖案：Yang Jinfeng等人，Scattering removal for finger-vein image restoration,Sensors 12(3)(2012)，第3627頁；Yun-Xin Wang等人，Proceedings of SPIE(2009),7512(Optoelectronic Information Security),751204/1-751204/8；CN 101789076 A；N.Miura等人，Extraction of Finger-Vein Patterns Using Maximum Curvature Points in Image Profiles.IEICE Trans.Inform.Syst.2007,E90-D，第1185頁； Jinfeng Yang及Xu Li，2010 International Conference on Pattern Recognition，第1148頁；Gongping Yang等人，Finger Vein Recognition Based on a Personalized Best Bit Map,Sensors 2012,12,1738-1757；Yu Cheng-Bo等人，Finger-vein image recognition combining modified Hausdorff distance with minutiae feature matching,Computational life sciences(2009),1(4)，第280頁；CN102214297(A)；或KR20110078231(A)。
有機光伏打感測器有利地用於本申請案中，此係因為其亦在低光條件下(例如，在室內光或多雲漫射(「外部」)條件下)表現良好(參見(例如)R.Steim等人，Solar Energy Materials & Solar Cells 95(2011)3256-3261)。另外，有機光伏打電池展現短路電流與高達至少1.2個Sun AM1.5G強度(約120mW/cm2)之入射光強度之間的線性關係(參見(例如)Maurano等人，J.Phys.Chem.C 2011,115,5947-5957)，該入射光強度對應於約32,000至130,000 lx照度)。與此對比，取決於反向偏壓條件，矽基光電二極體一般傾向於展示在0.1至10mW/cm2(對應於約104 lx)下之飽和極限，因此展示出需要最小化在影像獲取期間進入偵測腔室之背景光的量。
如圖2所說明，可在正向偏壓模式中、在零偏壓下及在反向偏壓中使用有機光伏打感測器作為光電二極體。此情形亦允許易於適應於偵測器陣列在特定位置中所需要之效能。當在光導模式(第3象限，反向偏壓)中操作時，對於廣泛範圍之負載電阻，輸出電流係與照明強度成線性比例。雖然此設計受益於高速回應，但其遭受歸因於暗(漏)電流增加而增加之雜訊。若在零偏壓(低負載線)下操作，則電壓線性地取決於入射照明，且歸因於幾乎完全地消除漏電流而具有低雜訊。最終，若在光伏打模式(第4象限，高負載線，正向偏壓)中操作，則暗電流亦最小，且光產生電壓為入射光強度之對數函數。取決於偏壓 條件，因此有可能直接地自有機光伏打感測器量測短路電流抑或電壓。此情形縮減資料獲取所需要之電子件之複雜性。除了節省材料及製造成本以外，此亦隱含著整體吸收器區域係主要由有機光伏打電池(「像素」)構成，其中電子件之空間損失最小，因此提供較好的影像擷取。最後，操作偏壓之最終選擇取決於靜脈偵測裝置中之感測器的最終實施。
與習知成像系統對比，使用有機光伏打感測器之靜脈辨識裝置可因此用於室內或室外條件下。背景環境光亦可用以補充光源。可在存在足夠背景光的情況下縮減或甚至切斷被供應至光源之電力，因此使其成為節能「綠色(green)」技術。與矽光電二極體比較，有機光伏打感測器提供僅具有效能特性對操作溫度之可忽略相依性的額外優勢。此溫度相依性為矽光電二極體為何僅很少在光伏打模式中操作之原因。此情形使能夠在一系列環境條件下使用OPV感測器來進行可靠的影像獲取。
就發射器(若存在)、吸收器及待掃描的包含靜脈之物件的相對定位而言，本偵測器陣列亦允許高靈活性。如圖1a至圖1d所說明，光源可置放於物件及輻射吸收器上方、旁邊或下方。在各情況下，成像系統將以高的對比度及信雜比來擷取物件之靜脈圖案。光源可經置放為與偵測器陣列成一系列角度且與偵測器陣列相隔一系列距離。因為有機光伏打電池已被展示為在漫射光及斜射光下工作良好，所以其效能將不會顯著地更改。然而，建議將光源定位於有機光伏打感測器正上方且將待掃描物件置放於發射器與吸收器之間，此係因為：若光正入射於經掃描物件上，則到達吸收器之經透射光將由經掃描物件中之組織顯著較少地散射。此情形縮減產生最終高對比度影像所需要之後處理努力。然而，在一些情況下，取決於最終產品，可有利的是將感測器置放為與偵測器相隔某一距離且與偵測器成某一角度。在任一情況 下，有機光伏打感測器皆將展示良好結果。
另外，與矽基感測器比較，有機光伏打感測器及電池提供材料以及生產成本較低之優勢。已展示出，完整有機光伏打電池堆疊為溶液可處理的，且可以卷軸式製程而印刷於大面積薄片上(參見(例如)F.C.Krebs等人，J.Mater.Chem.,2009,19,5442-5451；及F.C.Krebs等人，Solar Energy Materials & Solar Cells 93(2009)394-412)。
用於本有機光伏打感測器中之有機光伏打電池之類型並不受到特定限制，且可(例如)基於聚合物或小分子或兩者。亦有可能使用染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell,DSSC)。雖然有機光伏打電池與有機光伏打感測器之結構可不同，但上文所描述之整體功能及有利特徵適用於各情況。
圖3展示例示性有機光伏打電池300之橫截面圖，有機光伏打電池300包括視情況選用之基板310、電極320、電洞輸送(或電子阻擋)層330、光敏性層340(例如，含有電子受體材料及電子供體材料)、電子載體(或電洞阻擋)層350、電極360，及視情況選用之基板370。或者，層330可為電子輸送(或電洞阻擋)層，且層350可為電洞輸送(或電子阻擋)層。整體堆疊可囊封於可撓性或剛性殼體內。
一般而言，在使用期間，光可照射於基板310之表面上，且傳遞通過基板310、電極320及電洞(或電子)輸送層330。接著，光與光敏性層340相互作用，從而造成將電子自電子供體材料(例如，共軛聚合物)轉移至電子受體材料(例如，經取代富勒烯(fullerene))。接著，電子受體材料將電子通過電子輸送層350(或330)而傳輸至電極360(或320)，且電子供體材料將電洞通過電洞載體層330(或350)而轉移至電極320(或360)。電極320及360經由外部負載而進行電連接，使得電子自電極320通過負載而傳遞至電極360。
若存在基板310，則其可由(例如)透明材料形成。如本文所提 及，透明材料為在一般用於光伏打電池300中之厚度下透射處於光伏打電池操作期間使用之波長或一系列波長的入射光之至少約60%(例如，至少約70%、至少約75%、至少約80%、至少約85%)的材料。可供形成基板310之例示性材料包括玻璃、聚對苯二甲酸伸乙酯、聚醯亞胺、聚萘二甲酸伸乙酯、聚合烴、纖維素聚合物、聚碳酸酯、聚醯胺、聚醚及聚醚酮。在某些實施例中，聚合物可為氟化聚合物。在一些實施例中，使用聚合材料之組合。在某些實施例中，基板310之不同區可由不同材料形成。
若存在基板310，則其亦可為非透明材料。例示性非透明材料為金屬箔，諸如，鋼箔或鋁箔。
一般而言，基板310可具可撓性、半剛性或剛性(例如，玻璃)。在一些實施例中，基板310具有小於約5,000mPa(例如，小於約1,000mPa或小於約500mPa)之撓曲模數。在某些實施例中，基板310之不同區可具可撓性、半剛性或非可撓性(例如，一或多個區具可撓性且一或多個不同區具半剛性；一或多個區具可撓性且一或多個不同區具非可撓性)。
典型地，基板310之厚度為至少約一微米(例如，至少約五微米或至少約10微米)及/或至多約5,000微米(例如，至多約2,000微米、至多約1,000微米、至多約500微米、至多約300微米、至多約200微米、至多約100微米或至多約50微米)。
一般而言，基板310可為有色的或無色的。在一些實施例中，基板310之一或多個部分為有色的，而基板310之一或多個不同部分為無色的。
基板310可具有一個平面表面(例如，光所照射之表面)、兩個平面表面(例如，光所照射之表面，及相對表面)或非平面表面。基板310之非平面表面可(例如)為彎曲或梯階形。在一些實施例中，基板 310之非平面表面被圖案化(例如，具有經圖案化梯階以形成菲涅爾透鏡(Fresnel lens)、雙凸透鏡或雙凸稜鏡)。
電極320一般係由導電材料形成。例示性導電材料包括導電金屬、導電合金、導電聚合物、導電金屬氧化物，及此等者之任何組合。例示性導電金屬包括金、銀、銅、鋁、鎳、鈀、鉑及鈦。例示性導電合金包括不鏽鋼(例如，332不鏽鋼、316不鏽鋼)、金合金、銀合金、銅合金、鋁合金、鎳合金、鈀合金、鉑合金及鈦合金。例示性導電聚合物包括聚噻吩(例如，摻雜聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)(摻雜PEDOT))、聚苯胺(例如，摻雜聚苯胺)、聚吡咯(例如，摻雜聚吡咯)。例示性導電金屬氧化物包括氧化銦錫、氟化氧化錫、氧化錫及氧化鋅。在一些實施例中，使用導電材料之組合。
在一些實施例中，電極320可包括網狀電極。美國專利申請公開案第2004-0187911號及第2006-0090791號中描述網狀電極之實例。
在一些實施例中，上文所描述之導電材料之任何組合可用以形成電極320。
進一步較佳地，OPV或有機光偵測器(OPD)器件在作用層與第一電極或第二電極之間包含充當電洞輸送層及/或電子阻擋層330之一或多個額外緩衝層，其包含諸如以下各者之材料：金屬氧化物，例如，氧化鋅錫(ZTO)、MoOx、NiOx；共軛聚合物電解質，例如，PEDOT：PSS；共軛聚合物，例如，聚三芳基胺(PTAA)；有機化合物，例如，N,N'-二苯基-N,N'-雙(1-萘基)(1,1'-聯苯基)-4,4'二胺(NPB)、N,N'-二苯基-N,N'-(3-甲基苯基)-1,1'-聯苯基-4,4'-二胺(TPD)；或者充當電洞阻擋層及/或電子輸送層之一或多個額外緩衝層，其包含諸如以下各者之材料：金屬氧化物，例如，ZnOx、TiOx；鹽，例如，LiF、NaF、CsF；共軛聚合物電解質，例如，聚[3-(6-三甲基銨己基)噻吩]、聚(9,9-雙(2-乙基己基)-茀)]-丁-聚[3-(6-三甲基銨己基)噻 吩]或聚[(9,9-雙(3'-(N,N-二甲基胺基)丙基)-2,7-茀)-交替-2,7-(9,9-二辛基茀)]；或有機化合物，例如，參(8-喹啉根基)-鋁(III)(Alq3)、4,7-二苯基-1,10-啡啉。
光敏性層340一般包含電子受體材料及電子供體材料。電子供體材料及電子受體材料亦可以諸如奈米管、奈米線或自組裝式互連網路之受控制微結構的形式而存在。另外，光敏性層340亦可包含另外組份，諸如，選自由以下各者組成之群組之任何一或多者：自由基清除劑、抗氧化劑、吸氣劑/乾燥劑，及UV吸收劑。或者，光敏性層340可在各別分離層中包含電子受體材料及電子供體材料，亦即，光敏性層340包含兩個鄰近層，其中之一者基本上由電子供體材料組成且另一者基本上由電子受體材料組成。
電子受體材料之實例可選自由以下各者組成之群組：金屬氧化物、石墨烯、富勒烯、無機奈米粒子、噁二唑、圓盤型液晶、碳奈米棒、無機奈米棒、含有能夠接受電子或形成穩定陰離子之部分之聚合物(例如，含有CN基團之聚合物或含有CF3基團之聚合物)，及其任何組合。在一些實施例中，電子受體材料可為如(例如)G.Yu等人(Science 1995，第270卷，第1789頁以下)中揭示且具有下文所展示之結構之經取代富勒烯(例如，茚-C60-富勒烯雙加合物或(6,6)-苯基-丁酸甲酯衍生甲橋C60富勒烯，亦被稱為「PCBM-C60」或「C60PCBM」)；或具有(例如)以下各者之結構類似化合物：C61富勒烯基團、C70富勒烯基團或C71富勒烯基團；或有機聚合物(參見(例如)K.M.Coakley及M.D.McGehee,Chem.Mater.2004,16,4533)。合適金屬氧化物可(例如)選自由以下各者組成之清單：氧化鋅(ZnOx)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鈦(TiOx)、氧化鉬(MoOx)、氧化鎳(NiOx)、硒化鎘(CdSe)或硫化鎘(CdS)。在一些實施例中，可在光敏性層340中使用電子受體材料之組合。
較佳地，電子受體材料係選自由以下各者組成之群組：富勒烯或經取代富勒烯，例如，PCBM-C60、PCBM-C70、PCBM-C61、PCBM-C71、雙-PCBM-C61、雙-PCBM-C71、ICMA-C60(1',4'-二氫-萘并[2',3'：1,2][5,6]富勒烯-C60)、ICBA-C60、oQDM-C60(11,4'-二氫-萘并[2',3'：1,9][5,6]富勒烯-C60-Ih)、雙-oQDM-C60；石墨烯；或金屬氧化物，例如，ZnOx、TiOx、ZTO、MoOx、NiOx；或量子點，例如，CdSe或CdS。
電子供體材料之實例可選自由以下各者組成之群組：聚合物、金屬氧化物、包含摻雜物之金屬氧化物，及其組合。合適聚合物之實例為共軛聚合物，諸如，聚噻吩、聚苯胺、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚苯、聚苯基伸乙烯、聚矽烷、聚伸噻吩基伸乙烯、聚異硫茚(polyisothianaphthanene)、聚環戊二噻吩、聚矽雜環戊二噻吩、聚環戊二噻唑、聚噻唑并噻唑、聚噻唑、聚苯并噻二唑、聚(噻吩氧化物)、聚(聚環戊二噻吩氧化物)、聚噻二唑并喹喏啉、聚苯并異噻唑、聚苯并噻唑、聚噻吩并噻吩、聚(噻吩并噻吩氧化物)、聚二噻吩并噻吩、聚(二噻吩并噻吩氧化物)、聚茀、聚四氫異吲哚及其共聚物。在一些實施例中，電子供體材料可選自由以下各者組成之群組：聚噻吩(例如，聚(3-己基噻吩))、聚環戊二噻吩及其共聚物。合適金屬氧化物之實例包括氧化銅、氧化鍶銅及氧化鍶鈦，或包含摻雜物之金屬氧化物。其實例包括p型摻雜氧化鋅或p型摻雜氧化鈦。有用摻雜物之實 例包括氟化物、氯化物、溴化物及碘化物之鹽或酸。在某些實施例中，可在光敏性層340中使用電子供體材料之組合。
已(例如)在美國專利第7,781,673號及第7,772,485號、PCT申請案第PCT/US2011/020227號以及美國申請公開案第2010-0224252號、第2010-0032018號、第2008-0121281號、第2008-0087324號、第2007-0020526號及第2007-0017571號中描述適合於用於光敏性層340中之其他聚合物之實例。
或者，對於小分子基有機光伏打感測器，將聚合物基塊材異質接面(BHJ)(或光敏性)層340替換成小分子供體(諸如，金屬酞青，例如，CuPc、ZnPc或SubPc)及小分子受體(諸如，PC61BM)的經共蒸發或經溶液處理之層，而剩餘層可與上文所描述者相同。
視情況，光伏打電池300可包括電洞阻擋層350。該電洞阻擋層一般係由在一般用於光伏打電池300中之厚度下將電子輸送至電極360且實質上阻擋電洞至電極360之輸送的材料形成。可供形成電洞阻擋層之材料之實例包括LiF、金屬氧化物(例如，氧化鋅或三氧化鈦)，及胺(例如，一級、二級或三級胺)。已(例如)在美國申請公開案第2008-0264488號(現在為美國專利第8,242,356號)中描述適合於用於電洞阻擋層中之胺之實例。
在不希望受到理論束縛的情況下，咸信，當光伏打電池300包括由胺製成之電洞阻擋層時，電洞阻擋層可促進在光敏性層340與電極360之間形成歐姆接觸，而不曝露於UV光，藉此縮減由UV曝光引起的對光伏打電池300之損害。
在一些實施例中，電洞阻擋層350之厚度可為至少約1nm(例如，至少約2nm、至少約5nm或至少約10nm)及/或至多約50nm(例如，至多約40nm、至多約30nm、至多約20nm或至多約10nm)。
電極360一般係由導電材料形成，該材料係諸如上文關於電極 320所描述之導電材料中的一或多者。在一些實施例中，電極360係由導電材料之組合形成。在某些實施例中，電極360可由網狀電極形成。較佳地，電極360係由銀形成。
基板370可與基板310相同或不同。在一些實施例中，基板370可由玻璃或一或多種合適聚合物形成，該或該等聚合物係諸如上文所描述的用於基板310中之聚合物。
雖然已揭示某些實施例，但亦可能存在其他實施例。
在一些實施例中，光伏打電池300包括作為底部電極(亦即，電極320)之陰極及作為頂部電極(亦即，電極360)之陽極。在一些實施例中，光伏打電池300可包括作為底部電極之陽極及作為頂部電極之陰極。
在一些實施例中，基板310及370中之一者可透明。在其他實施例中，基板310及基板370兩者皆可透明。
在一些實施例中，上文所揭示之電洞載體層亦可用於兩個光伏打電池共用一共同電極之系統中，此系統亦被稱為串聯光伏打電池。已在(例如)美國申請公開案第2009-0211633號、第2007-0181179號、第2007-0246094號及第2007-0272296號中描述例示性串聯光伏打電池。
雖然上文提及如圖3示意性地所說明之例示性有機光伏打電池，但顯然，上文同樣良好地適用於相比於圖3所展示者具有不同層序列之有機光伏打電池。
亦可(例如)在Waldauf等人(Appl.Phys.Lett., 2006,89,233517)中找到合適有機光伏打電池之一般描述。
製備光伏打電池300中之層320、330、340及360中之各者的方法可視需要而變化，例如，取決於應用、所需解析度及製造成本。在一些實施例中，可藉由選自(例如)諸如網版印刷或噴墨印刷之一系列熟 知印刷技術的基於氣相之塗佈製程或基於液體之塗佈製程來製備層320、330、340或360。相比於真空沈積技術，器件之液體(溶液)塗佈更合乎需要。溶液沈積方法尤其較佳。較佳的沈積技術包括但不限於浸塗、旋塗、噴墨印刷、噴嘴式印刷、凸版印刷、網版印刷、凹版印刷、刮刀塗佈、滾筒印刷、反向滾筒印刷、平版印刷、乾式平版印刷、柔性印刷、腹板印刷、噴塗、簾幕式塗佈、刷塗、狹縫染料塗佈或移印。對於OPV器件及模組之製造，與可撓性基板相容之區域印刷方法較佳，例如，狹縫染料塗佈、噴塗及其類似者。
當需要製備高解析度層及器件時，噴墨印刷特別較佳。本發明之選定調配物可藉由噴墨印刷或微分配而應用於經預製造之器件基板。較佳地，諸如但不限於由Aprion、Hitachi-Koki、InkJet Technology、On Target Technology、Picojet、Spectra、Trident、Xaar供應之彼等印刷頭的工業用壓電式印刷頭可用以將有機半導體層施加至基板。另外，可使用半工業用頭，諸如，由Brother、Epson、Konica、Seiko Instruments Toshiba TEC製造之半工業用頭；或單噴嘴微分配器，諸如，由Microdrop及Microfab生產之單噴嘴微分配器。
在一些實施例中，當層(例如，層320、330、340或360)包括無機半導體材料時，可藉由以下各者來進行基於液體之塗佈製程：(1)將無機半導體材料與溶劑(例如，含水溶劑或無水醇)混合以形成分散液；(2)將分散液塗佈至基板上；及(3)乾燥經塗佈分散液。
一般而言，用以製備含有有機半導體材料之層(例如，層320、330、340或360)的基於液體之塗佈製程可與用以製備含有無機半導體材料之層的製程相同或不同。在一些實施例中，為了製備包括有機半導體材料之層，可藉由以下各者來進行基於液體之塗佈製程：將有機半導體材料與溶劑(例如，有機溶劑)混合以形成溶液或分散液；將溶液或分散液塗佈於基板上；及乾燥經塗佈溶液或分散液。
在一些實施例中，可以諸如卷軸式製程之連續製造製程來製備光伏打電池300，藉此顯著地縮減製造成本。已在(例如)共同擁有的美國專利第7,476,278號及第8,129,616號中描述卷軸式製程之實例。
有機光伏打電池300之製造可(例如)進行如下：基板可為可撓性基板(諸如，PEN、PET)或諸如玻璃之剛性基板。可將透明電極320施加至此基板。典型地，此情形可藉由濺鍍提供可接受之導電性的氧化銦錫(ITO)或摻氟氧化錫(FTO)之層而達成。在一個實施例中，可藉由(例如)旋塗、刮刀塗佈、蒸發或印刷而將諸如PEDOT：PSS之電洞輸送層(HTL)施加於導電基板上。接著可使用較佳塗佈方法來施加在鹵化或非鹵化溶劑中包含諸如P3HT之有機供體材料及諸如PC61BM之有機受體材料的調配物，視情況接著進行退火步驟，藉此形成經隨機組織之塊材異質接面(BHJ)層。較佳地，在高於環境溫度之溫度下執行視情況選用之退火步驟。在此步驟之後可沈積經由蒸發或基於溶液之處理而塗佈的電子輸送層(ETL)，諸如，Ca或LiF。最終，可藉由(例如)經由遮光罩進行蒸發或藉由印刷而將金屬電極沈積於頂部上來完成器件。
在染料敏化太陽能電池(DSSC)之生產中，可將諸如TiO2、SnO2或ZnO之半導電金屬氧化物施加於諸如摻氟氧化錫(FTO)之透明導電氧化物上。此情形可(例如)使用諸如網版印刷、卷軸式塗佈等等之任何熟知印刷技術而進行。接著可運用吸光染料來使金屬氧化物敏化。風行使用之染料為基於釕之N3染料(順-雙(異-硫氰基)-雙(2,2-聯吡啶基-4,4-二-羧根基)釕(II))。或者，可將染料代替成鈣鈦礦，例如，具有通式(RNH3)BX3之有機金屬三鹵化物鈣鈦礦，其中R為CnH2n+1；X為I、Br或Cl；且B為Pb或Sn。此等鈣鈦礦已由M.Liu等人在Nature(2013年9月19日，第501卷，第395-398頁)中揭示。此後，可將電洞輸送材料(HTM)(例如，2,2',7,7'-肆-(N,N-二-對-甲氧基苯胺)9,9'-螺-聯 茀，其亦可被稱作螺-OMeTAD)或電解質(例如，I-/I3 -氧化還原電對)塗佈至基板上。最終，可經由蒸發或印刷而將金屬電極塗佈於頂部上。可在塗佈金屬電極之前抑或在蒸發之後使用基於真空之回填來施加HTM或電解質。
供將有機光伏打電池整合成偵測器陣列之方法並不受到特定限制，且可為通常所使用之方法中之任一者。舉例而言，可分離地製造有機光伏打電池，包括包含層壓及/或囊封之步驟，且隨後可覆疊電子組件，使得達成與個別像素之連接。或者，可在沈積頂部電極之後藉由(例如)塗佈、印刷或任何其他合適方法直接地施加電子組件。
相比於習知矽系統，有機光伏打感測器亦薄得多。所有此等者皆為當將生物測定偵測方案併入於諸如行動電話或個人數位助理(PDA)之行動手持型器件時極其合乎需要的特徵。
在一些實施例中，本偵測器陣列包含於安全性系統中。舉例而言，安全性系統可為存取控制系統。術語「存取控制」係在極廣泛意義上使用，且可適用於需要給出「受控制存取」之任何情形。此可(例如)為存取限定區域之情況，僅舉幾個實例，諸如存取工作場所或私人住宅，以及銀行帳戶或電腦網路。
本發明所揭示之偵測器陣列特別良好地適於辨識靜脈圖案。因此，本申請案亦係關於使用上文所定義之偵測器陣列以進行靜脈圖案辨識之用途或方法。
根據本發明，將包含靜脈之物件置放於包含如上文所定義之吸收器之偵測器陣列附近。接著使輻射通過包含靜脈之物件而透射至吸收器。若存在發射器，則將包含靜脈之物件置放於包含如上文所定義之發射器及吸收器之偵測器陣列附近，且接著使輻射自發射器通過包含靜脈之物件而透射至吸收器。在吸收器中，各分離有機光伏打電池(「像素」)產生與入射光強度成比例之電流，藉此允許偵測經透射輻 射之空間變化，此情形又可用以獲得包含靜脈之物件之映像。較佳地，在後續步驟中，使用熟知演算法以自該映像產生靜脈圖案。視情況，接著可對照靜脈圖案庫來檢查此靜脈圖案。若找到肯定匹配，則可引起動作，例如，給出對限定區域或電腦終端機之存取。
因此，以一般形式，用於靜脈圖案辨識之本方法包含以下步驟：(a)將待掃描物件置放於偵測器陣列附近；(b)使輻射透射通過該物件；及(c)偵測取決於經掃描區域中之各別位置的入射輻射強度。
較佳地，該方法之步驟(a)包含如早先在本申請案中所定義而將包含靜脈之物件置放於偵測器陣列附近的步驟。
較佳地，該方法之步驟(b)包含使輻射自發射器通過包含靜脈之物件而透射至吸收器的步驟。應注意，出於本申請案之目的，術語「透射輻射」意欲包括環境輻射傳遞通過該物件。
較佳地，該方法之步驟(c)包含如下步驟：偵測經透射輻射之空間變化，藉此獲得包含靜脈之物件之映像。
視情況，該方法可包含自步驟(c)中獲得之該映像產生靜脈圖案的另外步驟(d)。
除非上下文另有明確指示，否則如本文所使用，術語之複數形式在本文中應被認作包括單數形式，且反之亦然。
貫穿本說明書之描述及申請專利範圍，詞語「包含」及「含有」以及該等詞語之變化意謂「包括但不限於」，且並不意欲(及並不)排除其他組份。
應瞭解，可對本發明之上述實施例作出變化，而仍屬於本發明之範疇。除非另有敍述，否則本說明書中揭示之各特徵可被替換成用於相同、等效或類似目的之替代性特徵。因此，除非另有敍述，否則所揭示之各特徵僅為一系列通用的等效或類似特徵之一個實例。
本說明書中揭示之所有特徵皆可以任何組合進行組合，惟至少 一些此等特徵及/或步驟互斥的組合除外。詳言之，本發明之較佳特徵適用於本發明之所有態樣，且可以任何組合予以使用。同樣地，以非基本組合而描述之特徵可分離地(不以組合)予以使用。
實例
以下實例以非限制性方式說明本發明之優勢。
使用如圖3所說明之有機光伏打電池300來製造簡單感測器器件。將厚度為40nm的基於碳酸銫之電子輸送層350旋塗至具有透明導電氧化銦錫(ITO)膜作為頂部電極360之玻璃基板370上。接著將光敏性層340沈積至電子輸送層350上。該光敏性層包含在可見光區及NIR區中進行吸收之光敏性聚合物的摻合物，該聚合物為主要包含苯并二噻吩及2,1,3-苯并噻二唑單元以及重量比為1：1.5之PCBM-C71之共聚物。接著將厚度小於10nm之電子阻擋層330旋塗至光敏性層上。藉由10nm厚之銀層形成底部電極320。對無任何囊封之器件判定效能。
藉由在950nm下使來自LED之低強度光(自器件之ITO/玻璃側入射)發光來量測電流：電壓特性。在-5V與+5V之間掃描電壓，且使用Keithley源表單元(source meter unit,SMU)來量測所得電流。圖4中展示各別曲線，其中實線係在暗條件下取得，且點劃線係在明條件下取得。結果明確地展示出，明/暗敏感度具有2個以上數量級，此情形被認為足以用於實務使用。
本實例明確地展示有機光伏打感測器作為用於靜脈偵測系統之有效影像擷取器件的工作性。在手指置放於光源(其可(例如)為人造光或自然光)與感測器之間時的情況下，光之NIR部分將被任何血液承載靜脈吸收。因而，無NIR光將到達感測器，且所得感測器回應為圖4中之實黑線的回應，其被標記為「受阻擋光(暗)」。與此對比，傳遞通過無靜脈之手指區的任何光將允許NIR光到達感測器，其中所得曲線被展示為圖4中之點劃線，其被標記為「具有光」。回應「具有光」 與回應「受阻擋光(暗)」之間的差異足以產生明與暗影像映像，其分別對應於靜脈之不存在或存在。應注意，圖4所展示之結果係針對具有單一有機光伏打電池之有機光伏打感測器而獲得。然而，此情形可容易地應用於產生有機光偵測器像素之二維陣列，其將允許準確地產生(例如)置放於光源與感測器陣列之間的人體(特別是(例如)手)之任何部分中之靜脈圖案的影像。
3‧‧‧光源
4‧‧‧成像系統
32‧‧‧成像系統
72‧‧‧光源
112‧‧‧成像系統
114‧‧‧光源

Claims (17)

  1. 一種用於靜脈圖案辨識之偵測器陣列，該陣列包含能夠吸收輻射之吸收器，其中該吸收器為包含整數個有機光伏打電池之有機光伏打感測器。
  2. 如請求項1之偵測器陣列，其中該輻射之波長在0.7μm至3.0μm之範圍內。
  3. 如請求項1或2之偵測器陣列，其中該有機光伏打感測器包含至少100個有機光伏打電池。
  4. 如前述請求項中任一項之偵測器陣列，其中各有機光伏打電池包含光敏性層。
  5. 如前述請求項中任一項之偵測器陣列，其中各有機光伏打電池包含光敏性層，該光敏性層包含電子受體材料及電子供體材料。
  6. 如前述請求項中任一項之偵測器陣列，其中各有機光伏打電池包含光敏性層，該光敏性層包含選自由以下各者組成之群組的電子受體材料：金屬氧化物、石墨烯、富勒烯、無機奈米粒子、噁二唑、圓盤型液晶、碳奈米棒、無機奈米棒、含有能夠接受電子或形成穩定陰離子之部分的聚合物，及其組合。
  7. 如前述請求項中任一項之偵測器陣列，其中各有機光伏打電池包含光敏性層，該光敏性層包含選自由以下各者組成之群組的電子供體材料：聚合物、金屬氧化物、包含摻雜物之金屬氧化物、金屬酞青，及其組合。
  8. 如前述請求項中任一項之偵測器陣列，該陣列進一步包含能夠發射輻射之發射器，其中該吸收器能夠吸收由該發射器發射之該輻射。
  9. 一種安全性系統，其包含如請求項1至8中任一項之偵測器陣列。
  10. 如請求項9之安全性系統，其中該安全性系統為存取控制系統。
  11. 一種如請求項1至8中任一項之偵測器陣列之用途，其用於靜脈圖案辨識。
  12. 一種用於靜脈圖案辨識之方法，其包含以下步驟：(a)將包含靜脈之物件置放於偵測器陣列附近，該偵測器陣列包含能夠吸收輻射之吸收器；(b)使輻射通過包含靜脈之該物件而透射至吸收器；及(c)偵測該經透射輻射之空間變化，藉此獲得包含靜脈之該物件之映像，其中該吸收器為包含整數個有機光伏打電池之有機光伏打感測器。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包含以下步驟：(d)自步驟(c)中獲得之該映像產生靜脈圖案。
  14. 如請求項12或13之方法，其中該偵測器陣列係如請求項2至8中進一步所定義。
  15. 如請求項12至14中任一項之方法，其中在步驟(a)中，該偵測器陣列進一步包含能夠發射輻射之發射器，且在步驟(b)中，使該輻射自該發射器通過包含靜脈之該物件而透射至該吸收器。
  16. 一種用於生產如請求項1至8中任一項之偵測器陣列之方法，該方法包含以下步驟：(A)生產有機光伏打感測器；及(B)將該有機光伏打感測器整合成偵測器陣列。
  17. 如請求項16之方法，其中在步驟(B)中，將電子組件覆疊至該有機光伏打電池上，或可將該等電子組件直接地施加至頂部電極，以便達成與個別像素之連接。
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