TWI734861B - 包括顯示功能之電容式指紋感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種用於感測一手指的一指紋圖案之電容式指紋感測裝置係被提出，該電容式指紋感測裝置係包括複數個感測元件。每一個感測元件係包括一將被該手指觸碰的保護介電頂端層；一第一電極，其係包括一被配置在該頂端層下面的光學透明的導電的感測結構；指紋感測電路，其係連接至該第一電極並且被配置以提供一指出一在該手指以及該感測結構之間的距離的類比感測信號，一第二電極，其係被配置在該第一電極下面；一有機發光層，其係被配置在該第一及第二電極之間；顯示器元件控制電路，其係連接至該第二電極並且被配置以控制一包括該第一及第二電極以及該有機發光層的顯示器元件；以及一切換機構，其係被配置以將該感測元件切換在一指紋感測模式以及一顯示模式之間。

Description

包括顯示功能之電容式指紋感測裝置

本發明係有關於一種電容式指紋感測裝置，其係包括一整合在該電容式感測元件中的顯示器元件。

一指紋感測器在一顯示面板中的整合對於行動指紋感測的產業而言是非常期望的。一種用以解決此挑戰的習知方法係已經將一指紋感測器整合在一例如是LCD面板或OLED面板的常見的顯示面板中。在此方法中，顯示器的性質以及視覺的品質係被優先考量。因此，最終所要的產品是一能夠偵測一指紋的顯示面板。

在一具有指紋感測功能的顯示器中，在該顯示器中的像素亦作用為電容式感測元件。一觸控顯示器通常是根據用ITO實施的TFT技術，此係使得該電路實質透明的。然而，該TFT技術係受限於一種顯示器通常是每一像素包括1-6個電晶體，而一指紋感測器通常需要顯著更多的電晶體，此對於TFT顯示器而言是難以達成的。

於是，用於高解析度的電容式指紋感測的電路並無法輕易地用TFT技術來加以實施。尤其，為了在玻璃之下的感測，因為在手指以及 該感測器之間增大的距離，所以一較高靈敏度的指紋感測器是所需的，此於是需要額外的電路。

於是，對於一種具有整合的顯示功能之改善的指紋感測裝置係有所需求。

考慮到習知技術的上述及其它的缺點，本發明之一目的是提供一種亦包括顯示功能之高解析度的指紋感測裝置。

根據本發明的一第一特點，其係提出有一種用於感測一手指的一指紋圖案之電容式指紋感測裝置，該電容式指紋感測裝置係包括複數個感測元件。每一個感測元件係包括一將被該手指觸碰的保護介電頂端層；一第一電極，其係包括一被配置在該頂端層下面的光學透明的導電的感測結構；指紋感測電路，其係連接至該第一電極並且被配置以提供一指出一在該手指以及該感測結構之間的距離的類比感測信號，一第二電極，其係被配置在該第一電極下面；一有機發光層，其係被配置在該第一及第二電極之間；顯示器元件控制電路，其係連接至該第二電極並且被配置以控制一包括該第一及第二電極以及該有機發光層的顯示器元件；以及一切換機構，其係被配置以將該感測元件切換在一指紋感測模式以及一顯示模式之間。

該感測元件在本案上下文中可以被視為代表一像素，亦即一個別可控制的元件，其係根據該感測元件的所選的模式而對應於一顯示器像素或是一指紋感測像素。該術語顯示器元件亦可被使用。

該指紋感測元件係基於在一被置放於一感測表面(亦即一外 表面)上的手指以及該第一電極之間的一電容性耦合。在此所述的實施例中，該感測表面是該保護介電頂端層的外表面。該保護介電頂端層通常係包括一介電保護板，以便於提供一彈性機械式保護、以及在一被置放於該板上的手指以及該感測裝置的感測元件之間的良好的電容性耦合。尤其，該保護板可以有利地包括一玻璃或陶瓷材料，例如是一化學強化玻璃、ZrO2或藍寶石。以上的材料都提供有利的性質，此在於它們是堅硬的而且是抗磨損及撕裂的，並且在於它們是介電的，藉此提供一良好的電容性耦合。然而，其它適當的材料亦可被使用。

再者，該保護介電頂端層係至少部分光學透明的，以便於容許有產生在該發光層中的光的發射。所產生的功效是光係從該指紋感測裝置的感測表面發射。較佳的是，該保護介電頂端層是完全透明的，以強化從該發光層的光取出。

一有機發光層(其係和該第一及第二電極形成一有機發光二極體(OLED))係由於其高效能，並且由於如同將會在以下所論述的和指紋感測功能整合是可能的，而有利地加以利用。該OLED層於是可以包括複數個子層，以達成所期望的發光性質。一典型的OLED堆疊例如可以在從陽極到陰極的方向上包括陽極、電洞注入層、電洞傳輸層、發射層、阻擋層、電子傳輸層、以及最後是該陰極。然而，各種可利用的OLED配置對於熟習技術者而言是眾所週知的，因而在本揭露內容中將不會更詳細地論述。

本發明係基於體認到根據所述結構的一包括感測元件的指紋感測裝置可被操作在兩個不同的模式中，亦即一顯示模式以及一指紋感測模式。尤其，所述的感測裝置係能夠在不降低指紋感測的靈敏度下，提 供顯示功能以顯示視訊及影像。在本案的上下文中，該裝置的重點是在該指紋感測性質以及指紋影像品質上，而不是在視覺的效能上。於是，所述的裝置並非主要是打算取代一顯示面板。而是，該裝置係被視為一指紋感測器，其係能夠傳達具有視訊及影像的形式的視覺的資訊，以被使用於通知以及視覺的導引。然而，所述的技術同樣可以良好地被實施為一顯示面板。

根據本發明的一實施例，該切換機構係包括一藉由該第一及第二電極以及位在兩者之間的該有機發光層所形成的二極體，並且其中該二極體係被配置以在該顯示模式中被順向偏壓，使得一電流係從該第二電極穿過該有機發光層來流向該第一電極，並且在該指紋感測模式中被反向偏壓或是被次臨界(sub-threshold)偏壓，使得流動在該第二電極以及該第一電極之間的該電流是足夠低的，以便於容許指紋感測。

藉此，該切換機構的功能係被整合到本身具有該二極體形式的感測元件中。因此，原則上並不需要一專用的切換元件，此係簡化該感測元件的結構。在顯示模式以及指紋感測模式之間的切換係因而藉由控制在該第一電極以及該第二電極上的偏壓來加以控制。在該指紋感測模式中，最小化流過該二極體的電流是所期望的。較佳的是，該電流係盡可能靠近零的。因此，該二極體在該顯示模式中並未被順向偏壓。在某一電流量流過該二極體下，正確地捕捉一指紋影像仍然同樣是可能的。然而，該偏壓必須被控制以使得在該指紋感測模式中流過該二極體的電流並不會過大而使得其顯著地劣化該指紋感測功能。

一偏壓在此係被定義為一在該兩個電極之間的電位差。再 者，該二極體可以被反向偏壓、被順向偏壓、或是被次臨界偏壓。當該第二電極的一電位係高於該第一電極的一電位，並且當該電位差係高於該二極體的臨界電壓時，該二極體係被視被順向偏壓。當該二極體被順向偏壓，但是該兩個電極的電位差係低於該二極體的臨界電壓時，該二極體係被視為被次臨界偏壓。該次臨界偏壓區域亦包含零偏壓，其中該第一電極的一電位係實際等於該第二電極的一電位。當該第一電極的一電位係高於該第二電極的一電位時，該二極體係被視為被反向偏壓。

實際上，主要是該第二電極的偏壓係被該顯示器控制電路所控制，以控制該二極體的偏壓。該顯示器控制電路亦可包括電流控制電路，其係控制通過該二極體的電流的振幅，藉此控制所發射的光的強度。若該第一電極係接地，則該偏壓電位係單獨藉由該顯示器控制電路來加以控制。

根據本發明的一實施例，該指紋感測電路可包括一運算放大器，其係具有一連接至該感測結構的該第一電極的第一輸入、一連接至一參考電位的第二輸入、以及一輸出；一回授電容器，其係連接在該第一輸入以及該輸出之間；以及重置電路，其係包括一與該回授電容器並聯配置的重置開關以用於容許該回授電容器的可控制的放電，其中該重置開關係被配置以在該指紋感測器係在該指紋感測模式中的時間的至少一部分是開路的，並且在該顯示模式中是永久閉路的。

根據本發明的一實施例，該裝置可以進一步包括一參考負載，其係連接在該運算放大器的輸出以及接地之間。當該發光二極體被順向偏壓時，從該第二電極穿過該發光層而流向該第一電極的電流必須接著被耗散在某處。該參考負載之目的係藉此用以提供一從該第一電極至接地 的電流路徑，使得一在顯示模式中流過該二極體的電流可被耗散。於是，該參考負載的阻抗係被選擇成使得其係顯著地低於該運算放大器的輸入阻抗以及連接至該運算放大器的輸出的讀出電路的輸入阻抗。然而，應注意到的是，原則上該電流可以被耗散在該運算放大器中、及/或在該讀出電路中，只要該電流不會過高而損壞任一電路即可。

根據本發明的一實施例，該切換機構可以進一步包括一輸出開關，其係被配置在該運算放大器的輸出之後，以在該顯示模式中連接該運算放大器的輸出至一參考負載，並且在該指紋感測模式中連接該運算放大器的輸出至指紋讀出電路。

由於避免該電流被耗散在該讀出電路中或是在該運算放大器中(此可能會損壞該電路)可能是所期望的，因此一輸出開關可被利用以使得該電流可被耗散在該參考負載中，藉此防止在該讀出電路中的任何負面的影響。因此，該輸出開關係根據該操作模式來操作，使得在該顯示模式中流過該二極體的電流可以經由該重置開關以及該輸出開關來通過，以被耗散在該參考負載中。

根據本發明的一實施例，該切換機構可包括一輸入開關，其係被配置在該第一電極以及該運算放大器的第一輸入之間，該輸入開關係被配置以在該顯示模式中連接該第一電極至一參考負載，並且在該指紋感測模式中連接該第一電極至該運算放大器的輸入。藉此，在該顯示模式中流過該發光層的電流可被導引至該參考負載來加以耗散。在該指紋感測模式中，該輸入開關係連接該第一電極至該運算放大器，以致能指紋讀出。

根據本發明的一實施例，該參考電位可以是一接地電位。該 運算放大器的第二輸入因而將會是接地的，此係表示該第一電極實際上是接地的。藉由利用一接地參考作為該參考電位，該發光層的操作可以單獨地藉由控制在該第二電極上的電位來加以控制。藉此，基於該第一電極是在接地電位，該顯示器元件控制電路可以在該顯示模式中控制在該二極體上的偏壓。

根據本發明的一實施例，該第一電極可以有利地包括銦錫氧化物(ITO)。ITO是既透明而且導電的，並且因此是非常適合作為電極材料。再者，ITO是普遍用在微電子製造方法中，因而其性質係眾所週知的，此係使得其容易整合在既有的製程中。

根據本發明的一實施例，該指紋感測電路以及該顯示器元件控制電路可以用CMOS電路的形式而被設置在一Si基板中。藉此，用於該顯示器元件控制電路以及更多用於該指紋感測電路所需的電路複雜度可被提供。一額外的優點是眾所週知的矽上OLED技術可被利用以形成該發光層，藉此使得該指紋感測裝置的製造變得容易。

根據本發明的一實施例，該複數個感測元件係以一陣列來加以配置，並且該有機發光層在一藉由該陣列所界定的xy平面中係均勻的，其係覆蓋在該陣列中的該些第二電極的全部。在本案上下文中，該發光層在該xy平面中是均勻的係表示在該發光層本身中沒有已界定的像素。而是，該些像素(亦即該些感測元件/顯示器元件)係藉由個別可定址的該些第一及第二電極所界定的，藉此提供一具有一像素尺寸對應於該第一電極的尺寸之顯示器。應注意到的是，該發光層在一垂直於該電極的z方向上，亦即在一介於該第一及第二電極之間的方向上仍然可包括複數個子層。

根據本發明的一實施例，該複數個感測元件係以一陣列來加以配置，並且該有機發光層係包括對應於該第一及第二電極的位置之個別的發光區域。藉此，該像素尺寸係藉由該些電極以及該發光層兩者來加以界定的。

根據本發明的一實施例，該感測裝置可以進一步包括驅動信號電路，其係被配置以在該指紋感測模式中，在一被置放於該感測表面上的手指以及該第一電極之間提供一隨時間變化的電位，其中該顯示器元件控制電路係被配置以根據該驅動信號來調適一在該二極體上的偏壓，使得該二極體係被反向偏壓或是被次臨界偏壓，亦即不被順向偏壓。在該指紋感測模式中，藉由一隨時間變化的驅動信號以在該手指以及該感測電極之間形成一隨時間變化的電位是常見的。該驅動信號可以利用在該指紋感測器附近的一導電的邊框而被直接施加至該手指。該驅動信號亦可以被提供至該運算放大器的第二輸入，並且藉此被提供至該第一電極、或是該驅動信號可被提供至該感測元件的一參考接地電位，使得該感測元件接地位準係根據該驅動信號而變化。該隨時間變化的電位的一結果是該第一電極的電位將會變化，而且不論該隨時間變化的電位是如何被產生的，重要的是該二極體在該指紋感測模式中並不被順向偏壓。藉此，在該第二電極上的電位係被控制以維持該發光二極體上的偏壓在該次臨界或是該反向偏壓區域中。此例如可藉由降低該第二電極的電位至一位準是該發光二極體絕對不會被在該第一電極處的產生自該驅動信號的任何可行的電位擺幅加以順向偏壓來確保。或者是，一對應於該第一電極所遭受到的隨時間變化的電位之隨時間變化的電位可被施加至該第二電極。

根據本發明的一第二特點，其係提出有一種控制一用於感測一手指的一指紋圖案的電容式指紋感測裝置之方法，該電容式指紋感測裝置係包括複數個感測元件。每一個感測元件係包括：一將被該手指觸碰的保護介電頂端層；一第一電極，其係包括一被配置在該頂端層下面的光學透明的導電的感測結構；指紋感測電路，其係連接至該第一電極並且被配置以提供一指出一在該手指以及該感測結構之間的距離的類比感測信號；一第二電極，其係被配置在該第一電極下面；一有機發光層，其係被配置在該第一及第二電極之間；顯示器元件控制電路，其係連接至該第二電極並且被配置以控制一包括該第一及第二電極以及該有機發光層的顯示器元件；以及一切換機構，其係被配置以將該感測元件切換在一指紋感測模式以及一顯示模式之間。該方法係包括控制該切換機構以將該指紋感測裝置切換在一指紋感測模式以及一顯示模式之間。

根據本發明的一實施例，該方法可以進一步包括在該顯示模式中施加一順向偏壓在一包括該第一電極與該第二電極以及該有機發光層的二極體上，使得一電流係從該第二電極穿過該有機發光層來流向該第一電極、以及在該指紋感測模式中施加一反向偏壓或是一次臨界偏壓在該二極體上，使得流動在該第二電極以及該第一電極之間的該電流是足夠低的，以便於容許指紋感測。

根據本發明的一實施例，該方法可以進一步包括在該指紋感測模式中提供一驅動信號以用於在該手指以及該感測結構之間的電位差上提供一改變、以及根據該驅動信號來調適一在該二極體上的偏壓，使得該二極體係被反向偏壓或是被次臨界偏壓。

根據本發明的一實施例，根據該驅動信號來調適一在該二極體上的偏壓可包括施加一對應於該驅動信號的電位至該第一電極及/或至該第二電極，以最小化在該第一及第二電極之間的該電流。

根據本發明的一實施例，根據該驅動信號來調適一在該二極體上的偏壓可包括施加一電位至該第一電極及/或至該第二電極，使得在該第一及第二電極的每一個上的該電位是相同的。藉此，透過該發光層的該電流可以在該指紋感測模式中被最小化。舉例而言，在該第二電極上的電位可以藉由該顯示器控制電路來加以控制，並且在該第一電極上的電位可以被量測並且回授到該顯示器控制電路，藉此使得控制在該二極體上的該偏壓為零是可能的。

本發明的第二特點的功效及特徵係大部分類似於以上相關本發明的第一特點所述的那些功效及特徵。

本發明的進一步的特點及優點在研讀所附的申請專利範圍 以及以下的說明時將會變成是明顯的。熟習技術者係理解到本發明的不同特點可加以組合以產生除了在以下敘述的那些實施例以外的實施例，而不脫離本發明的範疇。

10‧‧‧智慧型手機

20‧‧‧指紋感測裝置

22‧‧‧感測元件

24‧‧‧感測器陣列

26‧‧‧連接墊

30‧‧‧保護介電頂端層

32‧‧‧手指

34‧‧‧第一電極

36‧‧‧第二電極

38‧‧‧有機發光層

40‧‧‧指紋感測電路

42‧‧‧顯示器元件控制電路

44‧‧‧電荷放大器

46‧‧‧運算放大器

47‧‧‧驅動信號電路

48‧‧‧第一輸入

50‧‧‧第二輸入

52‧‧‧輸出

54‧‧‧回授電容器

56‧‧‧重置開關

58‧‧‧讀出電路

60‧‧‧輸出開關

62‧‧‧參考負載

64‧‧‧輸入開關

70‧‧‧填充材料

81‧‧‧選擇指紋感測模式

82‧‧‧將二極體偏壓在非順向偏壓模式中

83‧‧‧讀取在第一電極上的電荷以形成感測信號

84‧‧‧選擇顯示模式

85‧‧‧順向偏壓二極體

86‧‧‧提供發光

91‧‧‧提供驅動信號至手指

92‧‧‧根據驅動信號來調適二極體的偏壓

D‧‧‧顯示模式

FP‧‧‧指紋感測模式

V_DRV‧‧‧驅動信號

V_s‧‧‧感測電壓信號

本發明的這些及其它特點現在將會參考展示本發明的一範例實施例的所附的圖式來更詳細地加以描述，其中：圖1是概要地描繪根據本發明的實施例的一種包括一指紋感測器的電子裝置；圖2是概要地描繪根據本發明的實施例的一指紋感測器； 圖3A-B是概要地描繪根據本發明的實施例的一指紋感測器的感測元件；圖4A-B是概要地描繪根據本發明的實施例的一指紋感測器的感測元件；圖5是概要地描繪根據本發明的實施例的一指紋感測器的一感測元件；圖6是概要地描繪根據本發明的實施例的一指紋感測器的感測元件；圖7是概要地描繪根據本發明的實施例的一指紋感測器的感測元件；圖8是概述根據本發明的一實施例的一種方法的一般的步驟的流程圖；以及圖9是概述根據本發明的一實施例的一種方法的一般的步驟的流程圖。

在本詳細的說明中，根據本發明的系統及方法的各種實施例係主要參考一被配置在一智慧型手機中的電容式指紋感測裝置來加以敘述的。然而，應注意到的是本發明係可應用於廣範圍的應用中。

圖1是概要地描繪一智慧型手機10係包括根據本發明的一範例實施例的一指紋感測裝置20。該指紋感測裝置20例如可被使用於解鎖該智慧型手機10、及/或用於授權利用該智慧型手機來實行的交易、等等。根據本發明的各種實施例的一指紋感測裝置亦可被用在其它裝置中，例如是平板電腦、膝上型電腦、智慧卡、或是其它類型的消費者電子設備中。所述的指紋感測裝置亦可被用在例如是智慧卡、車輛等等的應用中。

圖2是概要地展示內含在圖1中的智慧型手機10中的指紋感測裝置20。如同在圖2中可見的，該指紋感測裝置20係包括被配置成一 感測器陣列24的複數個感測元件22。該指紋感測裝置20進一步包括連接墊26，其係形成一電源供應器介面以及一通訊介面。該感測器陣列24係包括大量的感測元件22，每一個感測元件22都是可控制的，以感測一在內含於該感測元件中的一導電的感測結構以及一接觸該感測裝置20的頂表面的手指的表面之間的距離。

圖3A係概要地描繪該電容式指紋感測裝置20、以及尤其是該感測裝置的一感測元件22。每一個感測元件係包括一將被該手指32觸碰的保護介電頂端層30、一第一電極34，其係包括一被配置在該頂端層30下面的光學透明且導電的感測結構、一被配置在該第一電極下面的第二電極36、以及一被配置在該第一及第二電極34、36之間的有機發光層38。

應注意到的是，即使該有機發光層38係在此被描繪為一層，但是其可以由複數個層所組成的，其係包含但不限於電子傳輸層、電洞傳輸層、電子阻擋層、電洞阻擋層、以及發射層。

同樣應注意到的是，即使該介電頂端層30係在此被描繪為一層，但是該頂端層可以是由複數個層所組成的。除了一例如是玻璃或石英板的保護介電層之外，該頂端層亦可以包括一或多個墨水層、黏著層、等等。

每一個感測元件22係進一步包括指紋感測電路40，其係連接至該第一電極34並且被配置以提供一指出在該手指32以及該感測結構34之間的一距離的類比感測信號。該感測元件22進一步包括顯示器元件控制電路42，其係連接至該第二電極36並且被配置以控制一包括該第一及第二電極34、36以及該有機發光層38的顯示器元件。於是，該顯示器元件 是該感測元件22的部分，並且內含在該感測元件22中。再者，該感測元件22係包括一切換機構，其係被配置以將該感測元件22切換在一指紋感測模式以及一顯示模式之間。

該切換機構在此係藉由一種二極體結構來加以體現，該二極體結構係藉由該第一電極34、第二電極36以及被配置在兩者之間的有機發光層38來加以形成。該二極體的操作，亦即該二極體的偏壓模式係主要藉由該顯示器控制電路42來加以控制，該顯示器控制電路42係被配置以控制該第二電極36的電位。在該二極體上的偏壓亦將會依據任何被施加至該第一電極34的電位而定。在該顯示模式中，該二極體係被順向偏壓，使得一可控制的電流係透過該有機發光層38而流動在該第二電極36以及該第一電極34之間，藉此激勵發光，其中所發射的光的強度係成比例於該電流的振幅。在該指紋感測模式中，一電位係被施加至該二極體的第二電極36，使得較佳的是沒有電流流動在該第二電極36以及該第一電極34之間。於是，該二極體係被反向偏壓或是被次臨界偏壓，並且流動在該第一及第二電極34、36之間的電流應該是足夠小到不干擾到指紋感測。該第一電極34可被稱為該發光二極體的陰極，並且該第二電極36可被稱為該發光二極體的陽極。

一般而言，在該指紋感測模式中所期望的是最小化在該第一及第二電極34、36之間的電流，其係藉由將包括該OLED層38的二極體偏壓在該次臨界區域中、或是在該反向偏壓區域中。藉此，相較於朝向該第二電極36的電阻，從該第一電極34朝向該指紋感測電路40所看到的電阻將會是較低的。藉此，該電流或是至少大部分的該電流都將會流動在該 第一電極34以及該指紋感測電路40之間，藉此致能指紋感測。

在該顯示模式中，從該發光層38發射的光的強度係藉由控制通過該層的電流來加以控制，其中一較高的電流係產生一較強的發射。根據習知的二極體特徵，該電流係於是相關於該二極體的順向電壓。二極體偏壓以及控制電路的許多不同的實施方式係存在，並且為熟習技術者眾所週知的，因而將不會在此詳細地論述。

如同概要地在圖3A中所指出的，該感測元件22的感測電路40進一步包括一電荷放大器44、以及用於控制並且提供一驅動信號V_DRV至該手指的驅動信號電路47。該驅動信號電路47例如可以包括一可控制的電壓源、或是一脈衝產生器。如同進一步在圖3A中所描繪的，該手指32的一脊部係位在該感測結構34之正上方，此係指出在該手指32以及該感測結構34之間的最小的距離，即如同藉由該介電頂端層30的厚度所界定者。

該電荷放大器44係包括至少一放大器級，其在此被概要地描繪為一運算放大器(op amp)46，其係具有一連接至該感測結構34的第一輸入(負輸入)48、一連接至接地或是至另一參考電位的第二輸入(正輸入)50、以及一輸出52。此外，該電荷放大器44係包括一回授電容器54，其係連接在該第一輸入48與該輸出52之間、以及重置電路，其在此功能上被描繪為一開關56，以用於容許該回授電容器54的可控制的放電。該電荷放大器44可以藉由操作該重置電路56以放電該回授電容器54來加以重置。應注意到的是，在該指紋感測模式中，該重置開關56係在取樣的不同階段期間被開路及閉路的，而在該顯示模式中，該重置開關56係被永久地 閉合，以便於旁路該回授電容器54。

如同在一種負回授的配置中的運算放大器46之通常的情形，在該第一輸入48的電壓係跟隨在該第二輸入50的電壓。根據特定的放大器配置，在該第一輸入48的電位可以是與在該第二輸入50的電位實質相同的、或是在該第一輸入48的電位以及在該第二輸入50的電位之間可以有一實質固定的偏移。在圖3A的配置中，該電荷放大器的第一輸入48實際上是接地的。藉此，由於該第二輸入50係接地，因此該第一電極34係被保持在接地電位。於是，在該第一電極34上的電位係由在該運算放大器46的正輸入50上的電位來加以決定的。

當一時變的電位係藉由該驅動信號電路47而被提供至該手指32時，一對應的時變的電位差係發生在該感測結構34以及該手指32之間。由於在該手指32以及該感測結構34之間的電容性耦合，因此該時變的電位差係被轉換成為在該感測結構34上的一電荷變化，其於是被轉移至該回授電容器54，此係在該電荷放大器44的輸出52上產生一感測電壓信號V_s。該時變的電位V_DRV例如可以經由一邊框(未顯示)而被提供至該手指32，該邊框係具有一被配置在該指紋感測裝置周圍的導電的框的形式。

在該感測元件22的外部，在圖3A中的方塊圖係描繪讀出電路58，其可包括取樣及保持電路以及一類比至數位轉換器，以用於轉換一或多個類比感測信號成為被用來形成一指紋的一數位表示的數位資訊。該讀出電路58係連接至該電荷放大器46的輸出52，以接收及取樣該感測信號V_s。

描述感測信號的讀出以及後續的步驟以從該陣列24的感測 元件形成一指紋影像的進一步的細節係在電容式指紋感測的領域中眾所週知的。

圖3B係概要地描繪一電容式指紋感測裝置20，其係大部分類似於以上參考圖3A所論述的裝置。其差異係在圖3B中，該驅動信號電路47係連接至該運算放大器46的第二(正)輸入50，而該手指32係接地或是浮接的。

如上所論述的，該運算放大器46的第一輸入48的電位係實質跟隨該第二輸入50的電位(亦即電壓)。藉此，被施加至該第二輸入50的一由該驅動信號電路47所提供的驅動信號係實際上被施加至該第一電極34，亦即該感測結構34。藉此，一在該手指32以及該第一電極34之間的電位差上的改變係藉由提供一驅動信號至該運算放大器46的第二輸入50來加以達成。

該驅動信號電路47亦可以是連接至該感測元件22的一參考接地電位，使得該接地位準係根據該驅動信號來振盪。藉此，在該手指32以及該感測結構34之間的電位差上的變化係藉由提供一驅動信號至該參考接地連接來加以達成，使得該感測裝置的接地電位跟隨該驅動信號電位。同樣重要的是注意到該手指32並不和該感測電路40共用該接地連接。

圖4A係概要地描繪一包括一參考負載62的感測裝置，該參考負載62係被配置在該運算放大器的輸出52以及接地之間。在該指紋感測模式中，該重置開關56係在取樣的不同階段期間被開路及閉路的，而在該顯示模式中，該重置開關56係被永久地閉合，以便於旁路該回授電容器54並且連接該第一電極34至該參考負載62，因而在該顯示模式中流過 該OLED層38的一電流可被耗散在該參考負載62中。該參考負載係被選擇以具有一低於該運算放大器46以及該讀出電路58的輸入阻抗的阻抗。

圖4B係概要地描繪一種進一步包括一輸出開關60的感測裝置，該輸出開關60係被配置在該運算放大器46的輸出52之後，以在該顯示模式(在此被表示為D)中連接該運算放大器46的輸出52至該參考負載62，並且在該指紋感測模式(在此被表示為FP)中連接該運算放大器46的輸出52至指紋讀出電路58。藉此，保護該讀出電路58以確保在該顯示模式中沒有電流到達該讀出電路58是可能的。

圖5是概要地描繪一種進一步包括一輸入開關64的感測裝置，該輸入開關64係被配置在該第一電極34以及該運算放大器46的第一輸入48之間，該輸入開關64係被配置以在該顯示模式D中連接該第一電極34至一參考負載62，並且在該指紋感測模式FP中連接該第一電極34至該運算放大器46的第一輸入48。

在圖4A-B及5中，該驅動信號係被描繪為藉由驅動信號電路47來直接提供至該手指，該驅動信號電路47係提供該驅動信號至例如一導電的邊框(未顯示)，該邊框係被配置成使得當該手指被設置在該指紋感測器表面上時，該手指係接觸該邊框。然而，用於指紋感測所需的電位差亦可以用其它方式而被達成，而不利用一邊框，例如是如同在圖3B中所繪的利用該驅動信號電路47連接至該運算放大器的第二輸入50。

圖6是概要地描繪一指紋感測裝置的一部分，其中該複數個感測元件係以一陣列24來加以配置的，並且其中該有機發光層38在一藉由該陣列所界定的xy平面中是均勻的。於是，在此的感測元件22係包括 該第一電極34、該第二電極36、以及該發光層38的位在該第一及第二電極34、36之間的部分。

該像素尺寸係因此藉由該第一及第二電極34、36的尺寸所界定的，並且用於一指紋感測裝置的一像素的一典型的尺寸大約是50×50μm。然而，該像素尺寸可以根據所要的應用來加以改變。在目前可利用的OLED製造技術下，產生具有幾μm(例如是5-10μm)的一尺寸的像素是可能的。然而，此種高解析度通常不是指紋感測所需的。

如上所述並且在圖6中描繪的一均勻的發光層(其係覆蓋在該陣列中的所有的第二電極)例如可以簡化該感測裝置的製造，因為並沒有必要來圖案化該發光層38。然而，在所述的其中感測電路40及讀出電路58是在一基板中位於每一個像素元件之下的實施例中，在該第一電極34以及該感測電路之間仍然必須有一連接，亦即一透過該發光層38的連接，使得在該感測陣列中的每一個第一電極34是個別可定址的。

圖7是概要地描繪一指紋感測裝置的一部分，其中該複數個感測元件22係以一陣列24來加以配置，並且其中該有機發光層38係包括對應於該第一及第二電極34、36的位置之個別的發光區域。一填充材料70係被配置在介於像素元件之間的區域中。

形成一種其中該發光層係在該xy平面中被分成區段之指紋感測裝置也是可能的，其中區段的數目可以是超過一，但是小於第一電極的數目。

圖8是概述根據本發明的一實施例的一種方法的一般的步驟的流程圖。首先，一指紋感測模式81或是一顯示模式84係被選擇。若 該指紋感測模式被選擇，則一電位係被施加至該第二電極36、及/或至該第一電極34，使得該二極體係被反向偏壓、或是被偏壓在次臨界區域中。接著，該感測電路40係讀取在該第一電極34上的電荷，以用於提供一感測信號V_S至該讀出電路58。

若該顯示模式84被選擇，則一電位係被施加至該第二電極36、及/或至該第一電極34，以順向偏壓該二極體，使得一電流係流過該發光層38，藉此激勵發光86。再者，該第一電極34較佳的是連接至一參考負載，以用於耗散流過該二極體的電流。

圖9是概述根據本發明的一實施例的一種方法的一般的步驟的流程圖。所述的方法係可應用在該指紋感測模式81中，並且包括提供91一驅動信號，以用於在該手指32以及該感測結構34(亦即該第一電極)之間的電位差上提供一改變。接著，在該二極體上的偏壓係根據該驅動信號而被調適92，使得該二極體係維持被反向偏壓或是被次臨界偏壓。根據該驅動信號來調適一在該二極體上的偏壓可包括施加一對應於在該第一電極34上的源自於該驅動信號所產生的電位之額外的偏壓至該第二電極36，以藉此在該第一及第二電極34、36之間維持一固定的偏壓。亦可以是該顯示器控制電路42並不知道在該第一電極34上所產生的偏壓的情形。在該情形中，一電壓可被施加在該第二電極36上，以確保該二極體係被反向偏壓或是被次臨界偏壓，並且較佳的是使得任何在該第一電極34以及該第二電極36之間的電流流動是足夠小到使得該指紋感測操作並不受到干擾。

上述的方法步驟並不必用上述的特定順序來加以執行。同時執行其中數個步驟也是可能的。

所述的方法的進一步的特點及功效係在以上參考該指紋感測裝置20的操作來加以概述的。

即使本發明已經參考其之特定的例證實施例加以敘述，但是許多不同的改變、修改與類似者對於熟習此項技術者而言將會變成是明顯的。再者，應注意到的是，該指紋感測裝置的部分可以用各種方式被省略、交換或是配置，該感測裝置仍然是能夠執行本發明的功能。

此外，所揭露的實施例之變化可被熟習技術者在實施所主張的發明中，從該圖式、本揭露內容、以及所附的申請專利範圍的研究而理解及達成。在該申請專利範圍中，該字詞"包括"並不排除其它的元件或步驟，並且該不定冠詞"一"或是"一個"並不排除複數個。事實單純是在相互不同的附屬項申請專利範圍中所闡述的某些手段並非指出無法有利地利用這些手段的一組合。

22‧‧‧感測元件

30‧‧‧保護介電頂端層

32‧‧‧手指

34‧‧‧第一電極

36‧‧‧第二電極

38‧‧‧有機發光層

40‧‧‧指紋感測電路

42‧‧‧顯示器元件控制電路

44‧‧‧電荷放大器

46‧‧‧運算放大器

47‧‧‧驅動信號電路

48‧‧‧第一輸入

50‧‧‧第二輸入

52‧‧‧輸出

54‧‧‧回授電容器

56‧‧‧重置開關

58‧‧‧讀出電路

V_DRV‧‧‧驅動信號

V_s‧‧‧感測電壓信號

Claims (16)

1. 一種用於感測手指的指紋圖案之電容式指紋感測裝置，該電容式指紋感測裝置係包括複數個感測元件，每一個感測元件係包括：一將被該手指觸碰的保護介電頂端層；一第一電極，其係包括一被配置在該頂端層下面的光學透明的導電的感測結構；一第二電極，其係被配置在該第一電極下面；一有機發光層，其係被配置在該第一及第二電極之間；指紋感測電路，其係連接至該第一電極並且被配置以提供一指出一在該手指以及該感測結構之間的距離的類比感測信號；顯示器元件控制電路，其係連接至該第二電極並且被配置以控制一包括該第一及第二電極以及該有機發光層的顯示器元件；以及一切換機構，其係被配置以將該感測元件切換在一指紋感測模式以及一顯示模式之間，其中該切換機構係包括一藉由該第一電極與該第二電極以及該有機發光層所形成的二極體，並且其中該二極體係被配置以在該顯示模式中被順向偏壓，使得一電流係從該第二電極穿過該有機發光層來流向該第一電極，並且在該指紋感測模式中被反向偏壓或是被次臨界偏壓，使得流動在該第二電極以及該第一電極之間的該電流是足夠低的，以便於容許指紋感測。
2. 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該指紋感測電路係包括：一運算放大器，其係具有一連接至該感測結構的該第一電極的第一輸入、一連接至一參考電位的第二輸入、以及一輸出； 一回授電容器，其係連接在該第一輸入以及該輸出之間；以及重置電路，其係包括一與該回授電容器並聯配置的重置開關，以用於容許該回授電容器的可控制的放電，其中該重置開關係被配置以在該指紋感測器係在該指紋感測模式中的時間的至少一部分是開路的，並且在該顯示模式中是永久閉路的。
3. 根據申請專利範圍第2項之裝置，其進一步包括一連接在該運算放大器的輸出以及接地之間的參考負載(62)。
4. 根據申請專利範圍第3項之裝置，其中該切換機構係包括一輸出開關，其係被配置在該運算放大器的輸出之後，以在該顯示模式中連接該運算放大器的輸出至該參考負載，並且在該指紋感測模式中連接該運算放大器的該輸出至指紋讀出電路。
5. 根據申請專利範圍第2項之裝置，其中該切換機構係包括一輸入開關，其係被配置在該第一電極以及該運算放大器的第一輸入之間，該輸入開關係被配置以在該顯示模式中連接該第一電極至一參考負載，並且在該指紋感測模式中連接該第一電極至該運算放大器的該輸入。
6. 根據申請專利範圍第2項之感測裝置，其中該參考電位是一接地電位。
7. 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一電極係包括銦錫氧化物ITO。
8. 根據申請專利範圍第1項之感測裝置，其中該指紋感測電路以及該顯示器元件控制電路係以CMOS電路的形式而被設置在一Si基板中。
9. 根據申請專利範圍第1項之感測裝置，其中該複數個感測元件係以一 陣列來加以配置，並且其中該有機發光層在一藉由該陣列所界定的xy平面中係均勻的，其係覆蓋在該陣列中的該些第二電極的全部。
10. 根據申請專利範圍第1項之感測裝置，其中該複數個感測元件係以一陣列來加以配置，並且其中該有機發光層係包括對應於該第一及第二電極的位置之個別的發光區域。
11. 根據申請專利範圍第1項之感測裝置，其進一步包括驅動信號電路，其係被配置以在該指紋感測模式中，在一被置放於該感測表面上的手指以及該第一電極之間提供一隨時間變化的電位，其中該顯示器元件控制電路係被配置以根據該驅動信號來調適一在該二極體上的偏壓，使得該二極體係被次臨界偏壓或是被反向偏壓。
12. 一種控制用於感測手指的指紋圖案的電容式指紋感測裝置之方法，該電容式指紋感測裝置係包括複數個感測元件，每一個感測元件係包括：一將被該手指觸碰的保護介電頂端層；一第一電極，其係包括一被配置在該頂端層下面的光學透明的導電的感測結構；指紋感測電路，其係連接至該第一電極並且被配置以提供一指出一在該手指以及該感測結構之間的距離的類比感測信號；一第二電極，其係被配置在該第一電極下面；一有機發光層，其係被配置在該第一及第二電極之間；顯示器元件控制電路，其係連接至該第二電極並且被配置以控制一包括該第一及第二電極以及該有機發光層的顯示器元件；以及一切換機構，其係被配置以將該感測元件切換在一指紋感測模式以及 一顯示模式之間，其中該切換機構係包括一藉由該第一電極與該第二電極以及該有機發光層所形成的二極體，並且其中該二極體係被配置以在該顯示模式中被順向偏壓，使得一電流係從該第二電極穿過該有機發光層來流向該第一電極，並且在該指紋感測模式中被反向偏壓或是被次臨界偏壓，使得流動在該第二電極以及該第一電極之間的該電流是足夠低的，以便於容許指紋感測，該方法係包括：控制該切換機構以將該指紋感測裝置切換在一指紋感測模式以及一顯示模式之間。
13. 根據申請專利範圍第12項之方法，其進一步包括在該顯示模式中施加一順向偏壓在包括該第一及第二電極以及該有機發光層的該二極體上，使得一電流係從該第二電極穿過該有機發光層來流向該第一電極，並且在該指紋感測模式中施加一反向偏壓或是次臨界偏壓在該二極體上，使得流動在該第二電極以及該第一電極之間的該電流是足夠低的，以便於容許指紋感測。
14. 根據申請專利範圍第12或13項之方法，其進一步包括：在該指紋感測模式(81)中，提供一驅動信號(91)以用於在該手指以及該感測結構之間的電位差上提供一改變，以及根據該驅動信號來調適(92)一在該二極體上的偏壓，使得該二極體係維持被反向偏壓或是被次臨界偏壓。
15. 根據申請專利範圍第14項之方法，其中根據該驅動信號來調適一在該二極體上的偏壓係包括施加一對應於該驅動信號的電位至該第一電極及/或至該第二電極，以最小化在該第一及第二電極之間的該電流。
16. 根據申請專利範圍第15項之方法，其中根據該驅動信號來調適一在 該二極體上的偏壓係包括施加一電位至該第一電極及/或至該第二電極，使得在該第一及第二電極的每一個上的電位係相同的。

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