TWI520008B - 複合式光學感測器及其製作方法和使用方法 - Google Patents

複合式光學感測器及其製作方法和使用方法 Download PDF

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Description

複合式光學感測器及其製作方法和使用方法
本發明涉及光學感測器領域，尤指一種複合式光學感測器及其製作方法和使用方法。
消費性電子設備，例如：手機和平板電腦...等，正在使用越來越多的感測器來增強其對各種環境參數的感知能力。指紋感測器、環境光感測器和距離感測器已經受到廣泛的應用。
環境光感測器的原理如圖1所示，通常環境中的可見光101從外界進入環境光感測器內部，環境光感測器內部經由光敏元件102(例如光敏二極體)檢測可見光101。光敏元件102產生的光電流和它所接收到的光強度成正比關係。另有半導體晶片(圖中未標示)檢測光敏元件102產生的光電流，並對其進行數位化，就可以產生正比於可見光101光強度的數位信號，從而達到對可見光101的測量。
距離感測器的基本原理如圖2所示，距離感測器的光源201發射入射光線202(通常入射光線202為紅外光)，入射光線202照射到物體203，物體203反射出反射光線204，反射光線204被距離感測器中的探測器205(通常也為光敏二極體)接收，並且探測器205接收到的反射光線204的光強度與探測器 205和物體203之間的距離成正比。因此，通過探測反射光線204的光強度，就能瞭解物體203至距離感測器的距離。
指紋感測器目前主要分為兩類，即光學指紋感測器和半導體指紋感測器。其中，光學指紋感測器又主要分為聚焦式和非聚焦式兩種。聚焦式光學指紋感測器主要是利用光的折射和反射原理，將指紋光線聚焦在面積較小的光學感測器上，以達成指紋感測目的。但是聚焦式光學指紋感測器具有一個很大的缺點：即聚焦式光學指紋感測器的厚度通常較大。這是因為，為了將指紋進行聚集，聚焦式光學指紋感測器通常需要將手指放在光學鏡片上，手指處在內置光源照射下，使光從設備底部射向三棱鏡，並經三棱鏡折射後射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的紋路上折射的角度及反射回去的光線明暗就會不一樣，形成光強度的空間分佈圖像，然後再次採用三棱鏡和透鏡等裝置將圖像投射聚焦在電荷耦合元件(例如CMOS圖元陣列或者CCD圖元陣列)上，進而得到多灰階指紋圖像。由此可知，聚焦式光學指紋感測器需要使用三棱鏡和透鏡等結構，光程長，整體厚度大。
而非聚焦式光學指紋感測器的原理是：手指貼在光學指紋感測器上，光學指紋感測器的光源照射手指，產生反射光線，反射光線進入光學指紋感測器內部。光學指紋感測器得到的圖像大小與原始圖像大小相同，並且反射光線的強度和空間分佈隨著指紋的形狀有所不同，光學指紋感測器檢測到反射光線的強度和空間分佈，形成了有效的指紋圖像。
目前，環境光感測器、距離感測器和非聚焦式光學指紋感測器通常都是各自獨立製作在電子產品內部，這種各自獨立的感測器存在以下缺點：
1.從結構上來看：多個感測器各自獨立，各感測器的電源、通信介面和光源等元件不能共用，需要使用多組元件加以支援，使得結構複雜 化，並造成生產成本的升高；同時，多個獨立的感測器勢必佔據電子產品內部更多空間，不利於電子產品朝微型化和可攜式發展。
2.從製作技術上來看：多個感測器各自獨立製作，技術步驟多而繁瑣，並且封裝時需要逐一分步進行，容易相互影響甚至相互破壞，增加了封裝難度，降低生產良率；同時，複雜的製作技術和封裝技術又延長製作時間，降低生產效率，並同樣造成生產成本的提高。
3.從應用上來看：多個感測器各自獨立，各感測器採集到的資訊相互之間沒有聯繫，不能共用，或者沒有共用意義，各感測器的功能單一，沒有交互作用，應用價值低。
本發明解決的問題是提供一種複合式光學感測器及其製作方法和使用方法，以簡化光學感測器的結構，簡化光學感測器的製作技術，增加光學感測器的應用功能，並降低光學感測器的生產成本。
為解決上述問題，本發明提供一種複合式光學感測器，包括：一光源；一透明基板，所述透明基板具有相對的一第一表面和一第二表面；所述複合式光學感測器進一步包括：一第一圖元陣列區，位於所述第一表面上，用於接收所述光源被外界物體反射回來的光線；一第二圖元陣列區，位於所述第一表面上，用於接收所述光源被指紋反射回來的光線；以及一第三圖元陣列區，位於所述第一表面上，用於接收從環境中傳入的可見光光線。
較佳的是，所述複合式光學感測器進一步包括：位於第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區上的至少一封裝基板，所述封裝基板覆蓋所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區。
較佳的是，所述複合式光學感測器進一步包括：一外蓋板，所述外蓋板與所述透明基板相對設置，並且所述外蓋板正對所述第一表面。
較佳的是，所述光源與所述透明基板相對設置，並且所述光源正對所述第二表面。
較佳的是，所述第一圖元陣列區具有陣列排列的複數個第一圖元單元，每個所述第一圖元單元包括一第一透明區域、一第一擋光區域和一第一光電二極體，所述第一光電二極體位於所述第一擋光區域上方；所述第二圖元陣列區具有陣列排列的複數個第二圖元單元，每個所述第二圖元單元包括一第二透明區域、一第二擋光區域和一第二光電二極體，所述第二光電二極體位於所述第二擋光區域上方；以及所述第三圖元陣列區具有陣列排列的複數個第三圖元單元，所述第三圖元單元包括一第三擋光區域和一第三光電二極體，所述第三光電二極體位於所述第三擋光區域上方。
較佳的是，所述第一擋光區域具有位於所述透明基板上的一第一遮光層；所述第二擋光區域具有位於所述透明基板上的一第二遮光層；以及所述第三擋光區域具有位於所述透明基板上的一第三遮光層。
較佳的是，所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元包括複數個薄膜電晶體，所述薄膜電晶體均為非晶矽薄膜電晶體。
較佳的是，所述第二圖元單元經由柵驅動電路連接至一控制晶片。
較佳的是，所述柵驅動電路位於所述透明基板上，或者所述柵驅動電路位於外接的電路晶片上。
較佳的是，所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元經由資料讀取電路連接至一系統晶片。
較佳的是，所述光源係選自紅外光光源或可見光光源其中之一或其組合。
較佳的是，所述第二圖元陣列區位於所述第一圖元陣列區與所述第三圖元陣列區之間。
為解決上述問題，本發明還提供了一種複合式光學感測器的使用方法，所述使用方法運用於如上所述的複合式光學感測器，所述使用方法包括：使用所述第三圖元陣列區接收從所述外蓋板外部傳來的可見光光線，產生一環境光資訊；使用所述第二圖元陣列區接收所述光源被貼附在所述外蓋板上的指紋反射回來的光線，形成一指紋圖像資訊；以及根據所述環境光資訊對所述指紋圖像資訊進行背景干擾消除處理。
較佳的是，所述使用方法進一步包括：使用所述第一圖元陣列區接收所述光源被靠近所述外蓋板的手指反射回來的光線，得到所述手指的一距離資訊；以及根據所述距離資訊，判斷所述手指是否貼附在所述外蓋板上。
為解決上述問題，本發明還提供了一種複合式光學感測器的製作方法，其包括：提供一透明基板和一光源，所述透明基板具有相對的一第一表面和一第二表面； 在所述第一表面上形成一第一圖元陣列區，所述第一圖元陣列區用於接收所述光源被外界物體反射回來的光線；在所述第一表面上形成一第二圖元陣列區，所述第二圖元陣列區用於接收所述光源被指紋反射回來的光線；以及在所述第一表面上形成一第三圖元陣列區，所述第三圖元陣列區用於接收從環境傳入的可見光光線。
較佳的是，所述製作方法進一步包括：在所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區上形成至少一封裝基板，所述封裝基板覆蓋所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區。
較佳的是，所述製作方法進一步包括：提供一外蓋板，在形成所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區之後，將所述外蓋板與所述透明基板相對設置，使所述外蓋板正對所述第一表面。
較佳的是，所述製作方法進一步包括：在形成所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區之後，將所述光源與所述透明基板相對設置，使所述光源正對所述第二表面。
較佳的是，在所述第一表面上形成所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區，其包括：在所述第一表面上形成陣列排列的複數個第一圖元單元，每個所述第一圖元單元包括一第一透明區域、一第一擋光區域和一第一光電二極體，所述第一光電二極體位於所述第一擋光區域上方；在所述第一表面上形成陣列排列的複數個第二圖元單元，每個所述第二圖元單元包括一第二透明區域、一第二擋光區域和一第二光電二極體，所述第二光電二極體位於所述第二擋光區域上方；以及 在所述第一表面上形成陣列排列的複數個第三圖元單元，所述第三圖元單元包括一第三擋光區域和一第三光電二極體，所述第三光電二極體位於所述第三擋光區域上方。
較佳的是，經由在所述透明基板上形成一第一遮光層而形成所述第一擋光區域；經由在所述透明基板上形成一第二遮光層而形成所述第二擋光區域；以及經由在所述透明基板上形成一第三遮光層而形成所述第三擋光區域。
較佳的是，所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元包括複數個薄膜電晶體，採用非晶矽薄膜電晶體形成技術形成所述薄膜電晶體。
較佳的是，在形成所述第二圖元單元的同時，形成一柵驅動電路使所述第二圖元單元連接至一控制晶片。
較佳的是，設置所述柵驅動電路於所述透明基板上，或者設置所述柵驅動電路於外接的電路晶片上。
較佳的是，在形成所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元的同時，形成一資料讀取電路使所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元的電荷信號或者電壓信號連接至一系統晶片。
較佳的是，所述光源係選自紅外光光源或可見光光源其中之一或其組合。
較佳的是，所述第二圖元陣列區形成在所述第一圖元陣列區與所述第三圖元陣列區之間。
與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：
本發明的技術方案中，由於將第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區製作在一起，至少具有以下三個方面的優點：
第一，三個圖元陣列區分別能夠達到距離感測器、指紋感測器和環境光感測器的功用，並且所述複合式光學感測器只需要一個單一的電源、通信介面、晶片和光源等元件，結構簡單，成本低，同時，所述複合式光學感測器結構設置合理，佔用空間小，有利於應用此複合式光學感測器的電子產品的微型化和輕薄化。
第二，第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區能夠進行交互工作，集合了三種功能，通過同一個系統控制，可以確保三種功能有序性地協調工作，避免相互干擾，同時各圖元陣列區採集到的資訊相互關聯，具有共用意義，並且能夠進行共用，因此不同圖元陣列區可以交互工作，有利於進行更多的操作和工作，提高了複合式光學感測器的應用價值。
第三，經由將第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區製作在一起，節省技術步驟，並且方便後續的封裝工作，同時各圖元陣列區分區形成，不會相互影響，降低了製作難度，提高生產良率，並且節省製程時間，降低生產成本。
101‧‧‧可見光
102‧‧‧光敏元件
201‧‧‧光源
202‧‧‧入射光線
203‧‧‧物體
204‧‧‧反射光線
205‧‧‧探測器
301‧‧‧封裝基板
302‧‧‧外蓋板
303‧‧‧光源
3031‧‧‧入射光線
3032‧‧‧反射光線
305‧‧‧透明基板
305A‧‧‧第一圖元陣列區
305B‧‧‧第二圖元陣列區
305C‧‧‧第三圖元陣列區
3071‧‧‧第一圖元單元
3071A‧‧‧第一透明區域
3071B‧‧‧第一擋光區域
30711‧‧‧第一光電二極體
30712‧‧‧薄膜電晶體區
3072‧‧‧第二圖元單元
3073‧‧‧第三圖元單元
3081‧‧‧驅動線
3082‧‧‧資料線
3091‧‧‧第一遮光層
3092‧‧‧第二遮光層
3093‧‧‧第三遮光層
311‧‧‧物體
313‧‧‧手指
315‧‧‧可見光光線
317‧‧‧柵極驅動走線
319‧‧‧控制晶片
321‧‧‧資料掃描走線
323‧‧‧系統晶片
圖1是現有技術之環境光感測器的原理示意圖。
圖2是現有技術之距離感測器的原理示意圖。
圖3是本發明實施例所提供的複合式光學感測器的剖面結構示意圖。
圖4是圖3所示複合式光學感測器中透明基板的俯視示意圖。
圖5是第一圖元單元的放大示意圖。
圖6是複數個第一圖元單元形成的圖元陣列示意圖。
圖7是本發明實施例所提供的複合式光學感測器的使用方法流程示意圖。
正如先前技術所述，現有技術中，距離感測器、環境光感測器和指紋感測器各自獨立設置在電子產品中，整個感測器系統結構複雜，佔據電子產品內部空間較大，並造成生產成本的提高，並且製作技術複雜，製作難度大，生產效率低，應用價值低。
為此，本發明提供一種複合式光學感測器及其製作方法和使用方法，所述複合式光學感測器包括一光源和一透明基板，所述透明基板具有相對的一第一表面和一第二表面，所述複合式光學感測器進一步包括一第一圖元陣列區、一第二圖元陣列區和一第三圖元陣列區，該第一圖元陣列區位於所述第一表面上，用於接收所述光源被靠近所述外蓋板的物體反射回來的光線；該第二圖元陣列區位於所述第一表面上，用於接收所述光源被貼附在所述外蓋板上的指紋反射回來的光線；該第三圖元陣列區位於所述第一表面上，用於接收從所述外蓋板外部傳來的可見光光線。由於所述複合式光學感測器具有第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區，三個圖元陣列區分別能夠達成距離感測器、指紋感測器和環境光感測器的功用，並且所述複合式光學感測器只需要一個單一的電源、通信介面、晶片和光源等元件，結構簡單，成本低，同時，所述複合式光學感測器結構設置合理，佔用空間小，有利於應用此複合式光學感測器於電子產品的微型化和輕薄化。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，以下配合圖式及本發明之較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。
本發明實施例提供一種複合式光學感測器，請結合參考圖3至圖6。
請參考圖3，其揭示了本實施例所提供的複合式光學感測器的剖面結構示意圖。
本實施例所提供的複合式光學感測器包括一光源303和一透明基板305。該透明基板305具有相對的一第一表面(圖中未標示)和一第二表面(圖中未標示)。
透明基板305上具有位於所述第一表面上的一第一圖元陣列區305A、一第二圖元陣列區305B和一第三圖元陣列區305C。圖3中，各圖元陣列區所在區域用虛線框表示。
第一圖元陣列區305A用於接收光源303被靠近外蓋板302的物體311反射回來的光線，第二圖元陣列區305B用於接收光源303被貼附在外蓋板302上手指313的指紋反射回來的光線，第三圖元陣列區305C用於接收從外蓋板302外部傳來的可見光光線315。
本實施例中，所述複合式光學感測器進一步包括一封裝基板301，封裝基板301位於第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C上，並且該封裝基板301覆蓋第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C。事實上，封裝基板301可以在形成第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C的一套完整製程中，一併形成，並且所形成結構中，透明基板305、第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B、第三圖元陣列區305C和封裝基板301構成一體結構。
本實施例中，所述複合式光學感測器進一步包括外蓋板302，外蓋板302具有透明性質，外蓋板302可以由玻璃材料或者樹脂材料製成，也可以採用其它適合材料製作，本實施例對此不作限定。
本實施例中，外蓋板302具有外側(圖中未標示)和內側(圖中未標示)，外蓋板302的外側亦即複合式光學感測器外部，而外蓋板302的內側即複合式光學感測器內部。
本實施例中，當各圖元陣列中的薄膜電晶體選擇用非晶矽薄膜電晶體時，透明基板305可以為玻璃基板。當然，在不同情況下，透明基板305可以有多種選擇，例如，在其它情況下，透明基板305也可以採用塑膠基板等其它適合材料。
需要說明的是，在本發明的其它實施例中，外蓋板302也可以省略。
本實施例中，透明基板305位於外蓋板302與光源303之間，所述第一表面正對外蓋板302，所述第二表面正對光源303。
本實施例中，光源303為面狀背光源。光源303位於外蓋板302內側，光源303能夠發出入射光線3031，入射光線3031在經過透明基板305之後，能夠繼續穿過外蓋板302傳播至外蓋板302外側，部分入射光線3031經反射後得到反射光線3032，反射光線3032能夠反射回透明基板305。
本實施例中，第一圖元陣列區305A作為距離感測器的功能，其工作原理為：背光源303產生的入射光線3031穿過外蓋板302照射到靠近外蓋板302的物體311後，被物體311反射回來，反射回來的反射光線3032再被第一圖元陣列區305A採集，並轉化為光電子或者光電流，光電子或者光電流被第一圖元陣列區305A轉化為電信號，物體311到第一圖元陣列區305A的距離與反射光線3032的光強度成正比，亦即物體311到第一圖元陣列區305A的距離與電信號的大小成正比，通過系統晶片323讀出電信號，即可以得到物體311到第一圖元陣列區305A的距離。
本實施例中，第二圖元陣列區305B作為指紋感測器的功能，其工作原理與第一圖元陣列區305A的工作原理基本相同，只是第二圖元陣列區305B採集的是手指313貼附在外蓋板302上產生的指紋，並且第二圖元陣列區305B採用的是非聚焦式光學指紋感測器的原理。具體而言，其工作原理為：當手指313貼在外蓋板302上時，光源303產生的入射光線3031照射在手指313上，反射光線3032反射回第二圖元陣列區305B，並且第二圖元陣列區305B採集到的圖像大小與貼附在外蓋板302上的指紋大小基本相同，同時，此部分反射光線3032的強度和空間分佈隨著指紋形狀的不同而有所不同，第二圖元陣列區305B此部分反射光線3032，就能夠形成有效的指紋圖像信號(例如相對應的指紋灰階圖像信號)，這些指紋圖像信號同樣可以被系統晶片323讀出。
本實施例中，第三圖元陣列區305C作為環境光感測器的功能，其工作原理為：從外界穿過外蓋板302到達第三圖元陣列區305C的環境光(即可見光光線315)被第三圖元陣列區305C所採集，第三圖元陣列區305C產生光電子或者光電流，此部分光電子或者光電流被第三圖元陣列區305C轉化為電信號，通過系統晶片323讀出電信號，得到環境光的強度。
第一圖元陣列區305A和第二圖元陣列區305B的工作原理決定位於它們內部的光電二極體底部必須被不透光層遮擋，以防止光源303直接照射到它們內部的光電二極體。同時，為了保證光源發出的入射光線3031能夠穿過透明基本305到達外蓋板302，又必須保證第一圖元陣列區305A和第二圖元陣列區305B具有透光區域。而由第三圖元陣列區305C的工作方式的原理可知，只須要保證光源303發出的入射光線3031不直接照射到第三圖元陣列區305C內部的光電二極體即可，並不要求入射光線3031穿過第三圖元陣列區305C，因此，第三圖元陣列區305C可以沒有透光區域。
從上述工作原理的分析可知，由於第一圖元陣列區305A和第二圖元陣列區305B的工作模式相同，且被集合在一起，所以二者可以共用光源303。而第三圖元陣列區305C不需要光源。這樣可以使整個複合式光學感測器的結構簡化、機構簡單、成本降低以及能耗降低。
需要說明的是，在本發明的其它實施例中，光源303的位置可以變換，例如可以設置在透明基板305周邊，此時，光源303發出的光線可不必經由透明基板305，而是直接到達外蓋板302並傳播至外蓋板302外側。
本實施例中，第一圖元陣列區305A具有陣列排列的複數個第一圖元單元3071，圖3中僅顯示出其中一個。第二圖元陣列區305B具有陣列排列的複數個第二圖元單元3072，圖3中僅顯示出其中三個。第三圖元陣列區305C具有陣列排列的複數個第三圖元單元3073，圖3中僅顯示出了其中一個。
本實施例中，第一圖元單元3071、第二圖元單元3072和第三圖元單元3073均可以為CMOS圖像感測器圖元單元，並且第一圖元單元3071、第二圖元單元3072和第三圖元單元3073包括多個薄膜電晶體(TFT)。
本實施例所使用的薄膜電晶體均為非晶矽(a-Si)薄膜電晶體，即第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C內部形成的均為非晶矽圖元單元。使用非晶矽薄膜電晶體優點是光線可以透過非晶矽層，從而保證光源303可以採用背光源303。另外，採用非晶矽薄膜電晶體技術還具有成本低的優點。
本實施例中，第一圖元陣列區305A還具有位於透明基板305上的第一遮光層3091。第二圖元陣列區305B還具有位於透明基板305上的第二遮光層3092。第三圖元陣列區305C還具有位於透明基板305上的第三遮光層3093。
本實施例中，第一遮光層3091、第二遮光層3092和第三遮光層3093的材料可以是印刷油墨做成的黑色矩陣(BM)，並且採用網版印刷方法形成，也可以是金屬層製作的擋光層，當為金屬層時，具體可以為金屬鉬層，並且可以透由蒸鍍方法形成在透明基板305的所述第一表面上。需要說明的是，在本發明的其它實施例中，也可以採用其它合適材料和方法形成第一遮光層3091、第二遮光層3092和第三遮光層3093，並且，第一遮光層3091、第二遮光層3092和第三遮光層3093也可以製作在透明基板305的所述第二表面上。
正是由於第一遮光層3091、第二遮光層3092和第三遮光層3093的存在，所以光源303發出的光線才不會直接到達第一圖元單元3071、第二圖元單元3072和第三圖元單元3073中的光電二極體。並且由此可知，第三遮光層3093可以位於整個第三圖元單元3073下方，但是第一遮光層3091和第二遮光層3092均對應位於部分第一圖元單元3071和第二圖元單元3072，以保證光源303的光線能夠穿過第一圖元陣列區305A和第二圖元陣列區305B，本實施方式將透過圖5和圖6對此作進一步說明。
請參考圖4，揭示本實施例所提供的複合式光學感測器中透明基板305的俯視示意圖。
本實施例中，透明基板305的第二圖元陣列區305B位於第一圖元陣列區305A與第三圖元陣列區305C之間。由於各圖元陣列區共同製作在透明基板305上，並且各圖元陣列區之間兩兩相鄰，因此，它們之間的資訊具有共用價值，可以相互利用和共用。
本實施例中，第二圖元陣列區305B的面積大於第一圖元陣列區305A和第三圖元陣列區305C的面積，而第一圖元陣列區305A的面積和第三圖元陣列區305C的面積基本相等。需要說明的是，在本發明的其它實施例中，第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C的面積大小 可以相同，也可以不同，並且各圖元陣列區的位置和形狀也可以根據需要變動。
本實施例中，第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C的週邊具有複數條相互平行的柵極驅動走線317和複數條相互平行的資料掃描走線321。其中，柵極驅動走線317將第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C電連接至控制晶片319(亦即柵驅動電路)，資料掃描走線321將第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C電連接至系統晶片323(電荷資料讀出晶片，亦即資料線讀取電路)。當第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C中為具有非晶矽薄膜電晶體結構的圖元陣列時，所述資料線讀取電路不製作在透明基板305上，而當第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C中採用單晶矽薄膜電晶體等其它類型的薄膜電晶體時，可以將所述資料線讀取電路集合形成在透明基板305上。
本實施例中，控制晶片319和系統晶片323均可以集合形成在透明基板305上，也可以使用軟性接插件與透明基板305連接，即柵驅動電路設置於外接的電路晶片上。
本實施例中，柵極驅動走線317和資料掃描走線321均可以是由金屬形成的平行線，所述金屬可以為鋁或者銅...等，並且柵極驅動走線317和資料掃描走線321可以在各圖元陣列區的各圖元單元形成過程中同時形成。
本實施例中，使用一個系統晶片323同時讀取第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C各自產生的電信號，並且使用一個控制晶片319控制每個圖元陣列區的工作時序，使每個圖元陣列區有秩序的工作，避免干擾現象出現，從而可以協調各圖元陣列區的工作。並且， 由於只需要一個控制晶片319和一個系統晶片323，因此所述複合式光學感測器的結構更加簡化，節省成本，並減小所述複合式光學感測器佔用的空間。
本實施例中，將第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C集合在一起，具體的，可以透由週邊走線(包括柵極驅動走線317和資料掃描走線321)對複合式光學感測器的工作時序進行控制，從而可以協調第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C進行不同的工作。並且透過所述時序控制，可以減小複合式光學感測器發生檢測錯誤的機率，例如透過協調第一圖元陣列區305A和第三圖元陣列區305C的工作，可以防止反射回第一圖元陣列區305A的反射光線3032淹沒在環境光(即圖3所示可見光光線315)中。
請參考圖5，揭示一個第一圖元單元3071的放大示意圖。
本實施例中，第一圖元單元3071包括一第一透明區域3071A、一第一擋光區域3071B和一第一光電二極體30711，第一光電二極體30711位於第一擋光區域3071B上方。第一擋光區域3071B具有位於透明基板305上的第一遮光層3091，或者說，第一遮光層3091限定出第一擋光區域3071B。第一光電二極體30711可以具有頂電極(圖中未標示)和底電極(圖中未標示)。第一圖元單元3071進一步包括存儲電容上極板(圖中未標示)等結構。第一圖元單元3071連接兩個軸向的走線，分別為驅動線3081和資料線3082。驅動線3081與圖4中柵極驅動走線317電連接，資料線3082與圖4中資料掃描走線321電連接。
本實施例中，第一圖元單元3071進一步包括有薄膜電晶體區30712(圖中部分顯示)，薄膜電晶體區30712可以具有一個或者複數個薄膜電晶體，所述一個或者複數個薄膜電晶體均為非晶矽薄膜電晶體，即本實施例採用非晶矽薄膜電晶體形成各圖元單元，並進一步形成各圖元陣列區。薄膜電晶體區30712中，所述一個或者複數個薄膜電晶體一方面電連接第一光電二極體 30711，另一方面電連接驅動線3081和資料線3082，從而使第一光電二極體30711產生的光電子或者光電荷能夠被控制和讀出。
當所述非晶矽薄膜電晶體為一個時，其直接與第一光電二極體30711連接，從而使第一光電二極體30711產生的光電子或者光電荷通過其傳輸至相對應的資料讀取電路。
當所述非晶矽薄膜電晶體為複數個時，具體而言可以為3個、4個或者5個。以4個非晶矽薄膜電晶體結構為例，具體的，所述4個MOS電晶體分別為復位電晶體、放大電晶體、選擇電晶體和傳輸電晶體。除了所述四個非晶矽薄膜電晶體之外，第一圖元單元3071進一步包括有位於傳輸電晶體柵極結構和復位電晶體柵極結構之間的浮置擴散區(Floating Diffusion，FD)。在具體的工作過程中，在未接收光照時，復位電晶體的柵極接收高電平脈衝信號，對浮置擴散區進行復位，使浮置擴散區為高電平；復位電晶體的柵極脈衝信號轉為低電平時，復位結束。然後選擇電晶體的柵極接收高電平的脈衝信號，讀出初始信號。然後光電二極體在預定時間內接收光照，並根據光照產生載流子。然後，傳輸電晶體的柵極接收高電平脈衝信號，將所述載流子從光電二極體傳輸至浮置擴散區，在浮置擴散區轉換成電壓信號。然後選擇電晶體接收高電平的脈衝電壓信號，所述電壓信號自浮置擴散區經過放大電晶體和選擇電晶體輸出，通過前後兩次信號的採集，並將採集結果進行(作差)運算，完成光信號(圖像信號)的採集與傳輸。
需要說明的是，與第一圖元陣列區305A相同的，本實施例中，第二圖元陣列區305B具有陣列排列的複數個第二圖元單元3072，每個第二圖元單元3072包括一第二透明區域、一第二擋光區域和一第二光電二極體，第二擋光區域具有位於透明基板305上的第二遮光層3092，第二光電二極體位於第二遮光層3092上方；第三圖元陣列區305C具有陣列排列的複數個第三圖元單元 3073，第三圖元單元3073包括一第三擋光區域和一第三光電二極體，第三擋光區域具有位於透明基板305上的第三遮光層3093，第三光電二極體位於第三遮光層3093上方。並且，進一步的，第二圖元單元3072和第三圖元單元3073可以與第一圖元單元3071具有相同的結構，即具有多個非晶矽薄膜電晶體。但是同時，也可以根據需要改變第二圖元單元3072和第三圖元單元3073的結構和大小，並且可以調整第一光電二極體30711和第二光電二極體的結構和大小，調整第一透明區域3071A和第二透明區域的大小等等。
請參考圖6，揭示複數個第一圖元單元3071形成的圖元陣列示意圖。本實施例中，複數個第一圖元單元3071可以形成如圖6所示的圖元陣列，此時，各第一圖元單元3071排列整齊，可以有效利用透明基板305中所述第一表面的面積。但是需要說明的是，在本發明的其它實施例中，各第一圖元單元3071也可以採取其它排列方式。
本實施例所提供的複合式光學感測器中，由於具有第一圖元陣列區305A、第二圖元陣列區305B和第三圖元陣列區305C，並且第一圖元陣列區305A用於接收光源303被靠近外蓋板302的物體反射回來的光線，第二圖元陣列區305B用於接收光源303被貼附在外蓋板302上的指紋反射回來的光線，第三圖元陣列區305C用於接收從外蓋板302外部傳來的可見光光線，因此，利用本實施例所提供的複合式光學感測器能夠同時具有距離感測器、環境光感測器和指紋感測器的功能。並且，複合式光學感測器只需要一個單一的電源、通信介面、晶片和光源等元件，結構簡單，成本低，並且由於結構設置合理，佔用空間小，有利於應用此複合式光學感測器於電子產品的微型化和輕薄化。
本實施例所提供的複合式光學感測器中，由於集合了三種感測器的功能，透過同一個系統控制，可以確保三種功能有序的協調工作，避免相互干擾，同時各圖元陣列區採集到的資訊相互關聯，具有共用意義，並且能夠 進行共用，因此不同圖元陣列區可以交互工作，有利於進行更多的操作和工作，提高了複合式光學感測器的應用價值。
本發明實施例還提供一種複合式光學感測器的使用方法，使用方法運用於前述複合式光學感測器，所述複合式光學感測器的具體結構和性質請參考前述實施例相對應內容。
請參考圖7，揭示本實施例所提供的複合式光學感測器的使用方法的各流程，具體的，所述使用方法包括步驟701至步驟705等五個步驟。
首先執行步驟701，使用所述第一圖元陣列區接收所述光源被靠近所述外蓋板的手指反射回來的光線，得到所述手指距離資訊。
本實施例中，第一圖元陣列區的作用是距離感測器，因此，先使用所述第一圖元陣列區接收所述光源被靠近所述外蓋板的手指反射回來的光線，可以得到手指到感測器的距離資訊。
執行步驟702，根據所述距離資訊，判斷所述手指是否貼附在所述外蓋板上。
本實施例中，判斷所述手指是否貼附在所述外蓋板上可以作為是否進行指紋採集的依據，當從手指到感測器的距離資訊判斷出手指已經貼附在外蓋板上時，即可進行指紋資訊的採集。
執行步驟703，使用所述第二圖元陣列區接收所述光源被貼附在所述外蓋板上的指紋反射回來的光線，形成指紋圖像資訊。
本實施例中，第二圖元陣列區的作用是指紋感測器，具體內容可參考前述實施例相對應內容。
執行步驟704，使用所述第三圖元陣列區接收從所述外蓋板外部傳來的可見光光線，產生環境光資訊。
本實施例中，第三圖元陣列區的作用是環境光感測器，具體內容可參考前述實施例相對應內容。
執行步驟705，根據所述環境光資訊對所述指紋圖像資訊進行背景干擾消除處理。
對於相互獨立的指紋感測器和環境光感測器而言，它們相互之間無法起到交互作用。然而，本實施例中的複合式光學感測器而言，由於第三圖元陣列區和第二圖元陣列區集合在同一透明基板上，因此，可以利用第三圖元陣列區獲得環境中的背景光光強度，然後既可以根據背景光光強度對第二圖元陣列區的光線採集提前做出調整，也可以在第二圖元陣列區獲得圖像之後，再根據第三圖元陣列區獲得的背景光作背景干擾消除處理。光學指紋識別感測器對應於本實施例中的第二圖元陣列區，其對環境光的干擾有一定的敏感性，本實施例透過將第三圖元陣列區和第二圖元陣列區集合在一起，並使兩者之間達成資訊共用，從而提高複合式光學感測器對指紋的識別效率和識別準確率。
需要說明的是，在本發明的其它實施方式中，可以省略步驟701和步驟702，而直接進行後續步驟，或者，也可以省略步驟704和步驟705。
本實施例採用步驟701至步驟705，充分利用了第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區進行一起工作，並且達到新的、有效的應用功能。此外，本發明所提供的複合式光學感測器還可以透過其它使用方法協調第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區進行工作，並可以因此減小複合式光學感測器做出錯誤檢測的機率，例如前面所述，通過協調第一圖元陣列區和第三圖元陣列區的工作，可以防止反射回第一圖元陣列區的反射光線淹沒在環境光中。
本發明實施例還提供了一種複合式光學感測器的製作方法，所述方法包括步驟一至步驟五。
首先，執行步驟一，提供一外蓋板、一透明基板和一光源，其中透明基板具有相對的第一表面和第二表面。
本實施例中，光源可以為紅外光光源或可見光光源其中之一或其組合。
本實施例中，外蓋板具有透明性質，其具體可以為玻璃或者塑膠基質的蓋板，也可以是其它任何適合材料，本發明對此不作限定。並且在本發明的其它實施例中，外蓋板可以省略。
本實施例中，透明基板可以為玻璃基板或者塑膠基板。
執行步驟二，在第一表面上形成一第一圖元陣列區、一第二圖元陣列區和一第三圖元陣列區，其中，第一圖元陣列區用於接收光源被靠近外蓋板的物體反射回來的光線，第二圖元陣列區用於接收光源被貼附在外蓋板上的指紋反射回來的光線，第三圖元陣列區用於接收從外蓋板外部傳來的可見光光線。
第二圖元陣列區形成在第一圖元陣列區與第三圖元陣列區之間。
具體而言，形成第一圖元陣列區的過程包括：在第一表面上形成陣列排列的複數個第一圖元單元，每個第一圖元單元包括一第一透明區域、一第一擋光區域和一第一光電二極體，該第一光電二極體位於第一擋光區域上方。同樣的，形成第二圖元陣列區的過程包括：在第一表面上形成陣列排列的複數個第二圖元單元，每個第二圖元單元包括一第二透明區域、一第二擋光區域和一第二光電二極體，該第二光電二極體位於第二擋光區域上方。形成第二圖元陣列區的過程包括：在第一表面上形成陣列排列的複數個第三圖元單元，每個第三圖元單元包括一第三擋光區域和一第三光電二極體，該第三光電二極體位於第三擋光區域上方。
本實施例中，透過在透明基板上形成一第一遮光層而形成一第一擋光區域，透過在透明基板上形成一第二遮光層而形成一第二擋光區域，透過在透明基板上形成一第三遮光層而形成一第三擋光區域。
本實施例中，第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元包括複數個薄膜電晶體，採用非晶矽薄膜電晶體形成技術形成薄膜電晶體。
本實施例中，在形成第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元的同時，形成柵驅動電路使第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元連接至控制晶片。
本實施例中，在形成第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元的同時，形成資料讀取電路使第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元的電荷信號或者電壓信號連接至系統晶片。
本實施例中，控制晶片和系統晶片均可以集合在透明基板上，也可以使用軟性接插件與透明基板連接，即柵驅動電路設置於外接的電路晶片上。
執行步驟三，在所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區上形成一封裝基板，所述封裝基板覆蓋所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區。
執行步驟四，將外蓋板與透明基板相對設置，並使外蓋板正對透明基板的第一表面。
本實施例中，可以將外蓋板和透明基板共同設置在電子產品中，其中，外蓋板密封在電子產品外殼，而透明基板置於電子產品內部。
執行步驟五，將光源設置於外蓋板內側，並使光源所發出的光線能夠穿過外蓋板傳遞至外蓋板外側。
本實施例中，進一步將透明基板設置於外蓋板與光源之間，第一表面正對外蓋板，第二表面正對光源。
需要說明的是，在本發明的其它實施例中，外蓋板和光源的設置順序可以任意調換。
本發明實施例所提供的複合式光學感測器的製作方法中，透過將第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區製作在一起，節省技術步驟，並且方便後續的封裝工作，同時各圖元陣列區分區形成，不會相互影響，降低了製作的技術難度，提高生產良率，並且節省製程時間，降低生產成本。
以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
301封裝基板                                  302外蓋板 303光源                                         3031入射光線 3032反射光線                                305透明基板 305A第一圖元陣列區                   305B第二圖元陣列區 305C第三圖元陣列區                    3071第一圖元單元 3072第二圖元單元                        3073第三圖元單元 3091第一遮光層                            3092第二遮光層 3093第三遮光層                            311物體 313手指                                         315可見光光線

Claims (26)

  1. 一種複合式光學感測器，其包括： 一光源； 一透明基板，所述透明基板具有相對的一第一表面和一第二表面； 所述複合式光學感測器進一步包括： 一第一圖元陣列區，位於所述第一表面上，用於接收所述光源被外界物體反射回來的光線； 一第二圖元陣列區，位於所述第一表面上，用於接收所述光源被指紋反射回來的光線；以及 一第三圖元陣列區，位於所述第一表面上，用於接收從環境中傳入的可見光光線。
  2. 如請求項1所述之複合式光學感測器，所述複合式光學感測器進一步包括：位於第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區上的至少一封裝基板，所述封裝基板覆蓋所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區。
  3. 如請求項2所述之複合式光學感測器，所述複合式光學感測器進一步包括：一外蓋板，所述外蓋板與所述透明基板相對設置，並且所述外蓋板正對所述第一表面。
  4. 如請求項3所述之複合式光學感測器，所述光源與所述透明基板相對設置，並且所述光源正對所述第二表面。
  5. 如請求項4所述之複合式光學感測器， 所述第一圖元陣列區具有陣列排列的複數個第一圖元單元，每個所述第一圖元單元包括一第一透明區域、一第一擋光區域和一第一光電二極體，所述第一光電二極體位於所述第一擋光區域上方； 所述第二圖元陣列區具有陣列排列的複數個第二圖元單元，每個所述第二圖元單元包括一第二透明區域、一第二擋光區域和一第二光電二極體，所述第二光電二極體位於所述第二擋光區域上方；以及 所述第三圖元陣列區具有陣列排列的複數個第三圖元單元，所述第三圖元單元包括一第三擋光區域和一第三光電二極體，所述第三光電二極體位於所述第三擋光區域上方。
  6. 如請求項5所述之複合式光學感測器， 所述第一擋光區域具有位於所述透明基板上的一第一遮光層； 所述第二擋光區域具有位於所述透明基板上的一第二遮光層；以及 所述第三擋光區域具有位於所述透明基板上的一第三遮光層。
  7. 如請求項5所述之複合式光學感測器，所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元包括複數個薄膜電晶體，所述薄膜電晶體均為非晶矽薄膜電晶體。
  8. 如請求項5所述之複合式光學感測器，所述第二圖元單元經由柵驅動電路連接至一控制晶片。
  9. 如請求項8所述之複合式光學感測器，所述柵驅動電路位於所述透明基板上，或者所述柵驅動電路位於外接的電路晶片上。
  10. 如請求項5所述之複合式光學感測器，所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元經由資料讀取電路連接至一系統晶片。
  11. 如請求項1所述之複合式光學感測器，所述光源係選自紅外光光源或可見光光源其中之一或其組合。
  12. 如請求項1所述之複合式光學感測器，所述第二圖元陣列區位於所述第一圖元陣列區與所述第三圖元陣列區之間。
  13. 一種複合式光學感測器的使用方法，所述使用方法運用於如請求項1至12任一項所述的複合式光學感測器，所述使用方法包括： 使用所述第三圖元陣列區接收從所述外蓋板外部傳來的可見光光線，產生一環境光資訊； 使用所述第二圖元陣列區接收所述光源被貼附在所述外蓋板上的指紋反射回來的光線，形成一指紋圖像資訊；以及 根據所述環境光資訊對所述指紋圖像資訊進行背景干擾消除處理。
  14. 如請求項13所述的複合式光學感測器的使用方法，所述使用方法進一步包括： 使用所述第一圖元陣列區接收所述光源被靠近所述外蓋板的手指反射回來的光線，得到所述手指的一距離資訊；以及 根據所述距離資訊，判斷所述手指是否貼附在所述外蓋板上。
  15. 一種複合式光學感測器的製作方法，其包括： 提供一透明基板和一光源，所述透明基板具有相對的一第一表面和一第二表面； 在所述第一表面上形成一第一圖元陣列區，所述第一圖元陣列區用於接收所述光源被外界物體反射回來的光線； 在所述第一表面上形成一第二圖元陣列區，所述第二圖元陣列區用於接收所述光源被指紋反射回來的光線；以及 在所述第一表面上形成一第三圖元陣列區，所述第三圖元陣列區用於接收從環境傳入的可見光光線。
  16. 如請求項15所述的複合式光學感測器的製作方法，所述製作方法進一步包括：在所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區上形成至少一封裝基板，所述封裝基板覆蓋所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區。
  17. 如請求項16所述的複合式光學感測器的製作方法，所述製作方法進一步包括：提供一外蓋板，在形成所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區之後，將所述外蓋板與所述透明基板相對設置，使所述外蓋板正對所述第一表面。
  18. 如請求項17所述的複合式光學感測器的製作方法，所述製作方法進一步包括：在形成所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區之後，將所述光源與所述透明基板相對設置，使所述光源正對所述第二表面。
  19. 如請求項18所述的複合式光學感測器的製作方法，在所述第一表面上形成所述第一圖元陣列區、第二圖元陣列區和第三圖元陣列區，其包括： 在所述第一表面上形成陣列排列的複數個第一圖元單元，每個所述第一圖元單元包括一第一透明區域、一第一擋光區域和一第一光電二極體，所述第一光電二極體位於所述第一擋光區域上方； 在所述第一表面上形成陣列排列的複數個第二圖元單元，每個所述第二圖元單元包括一第二透明區域、一第二擋光區域和一第二光電二極體，所述第二光電二極體位於所述第二擋光區域上方；以及 在所述第一表面上形成陣列排列的複數個第三圖元單元，所述第三圖元單元包括一第三擋光區域和一第三光電二極體，所述第三光電二極體位於所述第三擋光區域上方。
  20. 如請求項19所述的複合式光學感測器的製作方法： 經由在所述透明基板上形成一第一遮光層而形成所述第一擋光區域； 經由在所述透明基板上形成一第二遮光層而形成所述第二擋光區域；以及 經由在所述透明基板上形成一第三遮光層而形成所述第三擋光區域。
  21. 如請求項19所述的複合式光學感測器的製作方法，所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元包括複數個薄膜電晶體，採用非晶矽薄膜電晶體形成技術形成所述薄膜電晶體。
  22. 如請求項19所述的複合式光學感測器的製作方法，在形成所述第二圖元單元的同時，形成一柵驅動電路使所述第二圖元單元連接至一控制晶片。
  23. 如請求項22所述的複合式光學感測器的製作方法，設置所述柵驅動電路於所述透明基板上，或者設置所述柵驅動電路於外接的電路晶片上。
  24. 如請求項19所述的複合式光學感測器的製作方法，在形成所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元的同時，形成一資料讀取電路使所述第一圖元單元、第二圖元單元和第三圖元單元的電荷信號或者電壓信號連接至一系統晶片。
  25. 如請求項15所述的複合式光學感測器的製作方法所述光源係選自紅外光光源或可見光光源其中之一或其組合。
  26. 如請求項15所述的複合式光學感測器的製作方法，所述第二圖元陣列區形成在所述第一圖元陣列區與所述第三圖元陣列區之間。
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