TWM607385U - 光感測元及使用其的光學生物特徵感測器 - Google Patents

光感測元及使用其的光學生物特徵感測器 Download PDF

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Abstract

一種光感測元，將光能轉換成電能，至少包括：一個或多個主收光區；以及一連接區，直接連接至該一個或多個主收光區，以形成一個削減面積的收光區，該收光區具有一個或多個面積削減部分，以降低接面電容並增加感測電壓訊號。一種使用上述光感測元的光學生物特徵感測器亦一併揭露。

Description

光感測元及使用其的光學生物特徵感測器
本新型是有關於一種光感測元及使用其的光學生物特徵感測器，且特別是有關於一種光感測元及使用其的光學生物特徵感測器，利用配合收光結構來削減光感測元的面積來達成降低接面電容以及增加感測電壓訊號的效果。
現今的移動電子裝置(例如手機、平板電腦、筆記本電腦等)通常配備有使用者生物識別系統，包括了例如指紋、臉型、虹膜等等不同技術，用以保護個人數據安全，其中例如應用於手機或智慧型手錶等攜帶型裝置，也兼具有行動支付的功能，對於使用者生物識別更是變成一種標準的功能，而手機等攜帶型裝置的發展更是朝向全屏幕(或超窄邊框)的趨勢，使得傳統電容式指紋按鍵無法再被繼續使用，進而演進出新的微小化光學成像裝置(有些非常類似傳統的相機模組，具有互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor(CMOS)Image Sensor(簡稱CIS))感測元件及光學鏡頭模組)。將微小化光學成像裝置設置於屏幕下方(可稱為屏下)，透過屏幕部分透光(特別是有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以擷取按壓於屏幕上方的物體的圖像，特別是指紋圖像，可以稱為屏幕下指紋 感測(Fingerprint On Display，FOD)。
傳統上都是在半導體基板(例如矽(Si)基板)上製作光感測器，然而由於價格問題及需要大感測面積需求(例如可以同時感測兩隻手指)，使得利用玻璃或絕緣材料作為基板製作的TFT光學感測器變得很重要。
然而，在TFT光學指紋感測器中，為了提高感測電壓訊號，可以增加光感測元的收光面積，但是當光感測元的面積增加時，卻會造成感測元的接面(Junction)電容也等比提高，因此利用主動畫素感測(Active Pixel Sensing)並無法有效的提高輸出的電壓訊號。因此，如何有效地增加感測電壓訊號，實為本揭露內容所欲解決的問題。
因此，本新型的一個目的是提供一種光感測元及使用其的光學生物特徵感測器，利用配合收光結構來削減光感測元的面積來達成降低接面電容以及增加感測電壓訊號的效果。
為達上述目的，本新型提供一種光感測元，將光能轉換成電能，至少包括：一個或多個主收光區；以及一連接區，直接連接至該一個或多個主收光區，以形成一個削減面積的收光區，削減面積的收光區具有一個或多個面積削減部分，以降低接面電容並增加感測電壓訊號。
此外，本新型亦提供一種光學生物特徵感測器，至少包括：一感測基板，具有多個光感測元；以及一光傳遞層，具有多個收光結構，並且位於感測基板上或上方，此些收光結構將來自一物體的光線分別傳遞至此些光感測元，其中各收光結構至少包含一光孔，各光感測元至少包括：一個或多個主收光區，通過此些光孔的其中多個來接收光 線；以及一連接區，直接連接至所述一個或多個主收光區，以形成一個削減面積的收光區，削減面積的收光區具有一個或多個面積削減部分，以降低接面電容並增加感測電壓訊號。
藉由上述實施例的光感測元及使用其的光學生物特徵感測器，由於光孔的收光範圍取決於收光結構的準直器的準直特性或微透鏡的聚光特性，故可在不影響光感測元的收光面積以及不增加額外製程的情況下，利用配合收光結構來削減光感測元的面積，藉由改變光感測元的外型來配合收光結構，來達成降低接面電容以及增加感測電壓訊號的效果。
為讓本新型的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
A:面積
AMP,RESET,READ:電晶體
ARP:面積削減部分
D1:直徑
F:物體
W:距離
W1:寬度
VG,VPD,VDD:電壓
VSIG:電壓信號
10:感測基板
13:玻璃基板
15:半導體基板
20:光傳遞層
21:支撐層
22:阻光層
23:光學層
30:收光結構
31:光孔
32:微透鏡
50:顯示器
51,52:透光基板
90:光感測元
91:主收光區
92:連接區
93:收光區
94:橫向區域
95:縱向區域
96:區段
97:第一極板
98:第二極板
99:介質
100,100':光學生物特徵感測器
〔圖1A〕與〔圖1B〕顯示依據本新型較佳實施例的光學生物特徵感測器的兩個例子的局部剖面示意圖。
〔圖2A〕顯示感測基板與其上方的光孔的立體示意圖。
〔圖2B〕顯示光感測元的示意圖。
〔圖2C〕顯示光感測元的感測電路圖。
〔圖3〕顯示光感測元的初步實施例的俯視圖。
〔圖4〕至〔圖6〕顯示光感測元的較佳實施例的三個例子的俯視圖。
〔圖7A〕與〔圖7B〕顯示〔圖5〕的光感測元的兩個變化例子的示意圖。
〔圖8〕與〔圖9〕顯示光學生物特徵感測器應用於顯示器的兩個 例子的示意圖。
圖1A與圖1B顯示依據本新型較佳實施例的光學生物特徵感測器100的兩個例子的局部剖面示意圖。如圖1A與圖1B所示，本實施例的光學生物特徵感測器100至少包括一感測基板10以及一光傳遞層20。
感測基板10具有多個光感測元90。感測基板10至少包括一玻璃基板13或其他絕緣基板，此些光感測元90形成於玻璃基板13上。或者，感測基板10至少包括一個半導體基板15，光感測元90形成於半導體基板15上。
光傳遞層20具有多個收光結構30，並且位於感測基板10上或上方，可以貼合的方式或是利用半導體製程直接形成。此些收光結構30將來自位於一顯示器50上或上方的一物體F的光線分別傳遞至此些光感測元90，其中各收光結構30至少包含一光孔31。雖然光學生物特徵感測器100是以設置於顯示器50下方的指紋感測器作為例子來說明，但是並未將本新型限制於此，因為其也可以感測手指的血管圖像、血氧濃度圖像等生物特徵、或臉型、虹膜等生物特徵。
在圖1A中，各收光結構30為不具有微透鏡的光學準直結構，至少包括光孔31。在圖1B中，光傳遞層20包含有多個光孔31及多個微透鏡32。亦即，各收光結構30更包括微透鏡32，位於光孔31上方，此些微透鏡32分別將光線通過此些光孔31聚焦於此些光感測元90上。另一方面，光傳遞層20至少包括一支撐層21、一阻光層22及一光學層23。阻光層22位於支撐層21上，並具有此些光孔31。光學層23位於阻光層22上，且可能具有濾光結構，執行光線過濾處理，譬 如濾除特定波長的太陽光，或只讓紅外線通過。此些微透鏡32設置於光學層23上。支撐層21可以是黏膠層或絕緣層等。圖1A與圖1B提供的兩種光學準直結構(collimator)都可以用來配合此些光感測元90達成光學取像的目的。
圖2A顯示感測基板10與其上方的光孔31的立體示意圖。圖2B顯示光感測元的示意圖。如圖2A與圖2B所示，於本實施例中，光感測元90是以光電二極體(Photo diode)來實施。為使光感測元90能獲得最多的入射光線，光感測元90的面積A會依畫素尺寸放大，使此面積A可以對應到最多的光孔31(準直孔)，以得到最多的進光能量。雖然光感測元90的面積加大可以增加進光量，但本身的接面(Junction)電容C同時也會與面積A成正比地增加，其表示式為C=ε *(A/W)，其中ε為第一極板97及第二極板98之間的介質99的介電常數，W為第一極板97及第二極板98之間的距離。圖2C顯示光感測元的感測電路圖，其為感測基板10為玻璃或絕緣材料時，最常使用的畫素電路架構。如圖2C所示，使用三個電晶體式主動畫素感測器(3 Transistor-Active Pixel Sensor,3T-APS)架構中，採用三個電晶體RESET、AMP及READ，如圖所示地連接到電壓VG，VPD，VDD，譬如是光電二極體的光感測元90被照光後產生光電子，此光電子會累積在光電二極體的接面電容上並轉換成電壓信號。以電晶體AMP的節點的電壓信號VSIG來說，VSIG=(Qlight/C)，其中Qlight代表光電子的數量(其值正比於光感測元90的收光的面積A)，而C代表畫素的接面電容(其值正比於光感測元90的面積A)。因此由上面公式VSIG=(Qlight/C)看來，單純的加大光感測元90的面積A，根本無法有效的增加VSIG。
圖3顯示光感測元的初步實施例的俯視圖。為解決上述 問題，將原本應該延伸到整個光感測元90的收光面積的範圍削減成削減面積的收光區93。這是因為每個光感測元90配合光孔31的收光範圍具有一個主收光區91，超過此主收光區91就已經收不到光，或者說收到非常少量的光，若將光感測元90的收光面積填滿整個光感測元90，則不會有提高進光量的優點，反而會有增加接面電容而降低感測電壓訊號的缺點。因此，將不位於光孔31下方且收不到光線的光感測元90的分佈面積削掉，以在不影響進光量的前提下降低接面電容。
圖4至圖6顯示光感測元的較佳實施例的三個例子的俯視圖，其中左右兩個光感測元90具有相同結構，但有不同的標示特徵。如圖4所示，基於圖3的實施例的發現，本揭露內容的光感測元90可以作更進一步的改良，使得各光感測元90至少包括多個主收光區91以及一連接區92。此些主收光區91通過此些光孔31的其中多個來接收光線。各主收光區91呈現圓形的形狀。譬如，在圖4中，9個主收光區91排列成3*3的陣列，並且通過9個光孔31接收光線。連接區92將此些主收光區91直接連接在一起，以形成一個削減面積的收光區93，削減面積的收光區93具有一個或多個面積削減部分ARP(譬如是一個或多個內縮的凹狀輪廓、是一個或多個凹角或一個或多個截頭部分(Truncated Portion))，以降低光感測元90的接面電容並增加感測電壓訊號。於本實施例，連接區92不通過此些光孔31接收光線，亦即，連接區92通過此些光孔31接收不到光線。雖然以9個主收光區91排列成3*3的陣列作為例子來說明，但是並未將本揭露內容限制於此，此些主收光區91也可以排列成一個2*2陣列、4*4或5*5的正方形陣列等，亦可排列成一個長方形陣列。亦即，此些主收光區91排列成一個M*N陣列，其中M與N為大於或等於1的正整數。於此情況下，是依據感測器的 一個畫素尺寸以及光孔的收光範圍來決定光感測元90的尺寸。值得注意的是，亦可將不影響收進光量的情況下挖空收光區93的局部部分。或者，依據不同的定義或配置，可以使用單一主收光區配合單一連接區而形成光感測元(譬如具有放射形狀)即可。因此，光感測元可具有一個或多個主收光區以及直接連接至所述一個或多個主收光區的連接區，此時，一個或多個主收光區通過此些光孔的其中一個或多個來接收光線。
如圖5所示，本例子類似於圖4，差異在於削減面積的收光區93呈現放射狀，如此可以更進一步降低接面電容。如圖6所示，本例子類似於圖4，差異在於削減面積的收光區93呈現多個橫向區域94與一個縱向區域95的相交型態，縱向區域95垂直於或大致垂直於橫向區域94，如此也可更進一步降低接面電容。在圖5與圖6中，連接此些主收光區91的相鄰的兩個的連接區92的一區段96的寬度W1小於主收光區91的直徑D1。值得注意的是，於各光感測元90中，主收光區91與連接區92所形成的放射形狀結構可以是圖2B的第一極板97與第二極板98的其中一者或兩者。當第一極板97與第二極板98具有相同的放射形狀結構時，可以採用同一道光罩來形成兩者。當第一極板97具有上述放射形狀結構時，第二極板98可以具有不削減面積的構造(具有不同於第一極板97的形狀，譬如是矩形)，沿用現有的製程。或者，亦可將第二極板98設計成具有上述放射形狀結構，而將第一極板97設計成具有不削減面積的構造。
上述的光學生物特徵感測器100可以是獨立的TFT感測器；或互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)感測器。譬如是TFT液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)或TFT有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED)的內嵌式(in-cell)光學生物特徵感測器。
圖7A與圖7B顯示圖5的光感測元的兩個變化例子的示意圖。如圖7A所示，連接區92的中心區域具有圓形的形狀，如此可以讓連接區92減少一些銳角結構，以簡化製程及穩定連接區92的結構。如圖7B所示，連接區92的中心區域具有矩形的形狀，如此可以讓連接區92減少一些銳角結構，以簡化製程及穩定連接區92的結構。
如圖8所示，類似於光學生物特徵感測器100且與顯示畫素(未顯示)穿插整合的光學生物特徵感測器100'可以應用於OLED顯示器或LCD或任何有應用到TFT製程來製作TFT感測器的其他顯示器中，為一種內嵌式(in-cell)感測器。因此，玻璃基板13為顯示器50的兩個相對的透光基板51，52的其中一個(於圖8中是指下方的透光基板51，也可以說玻璃基板13是透光基板51的一部分)。兩透光基板51與52之間的材料層可以是OLED或LCD所具有的材料層。雖然圖6是以局部範圍的光學生物特徵感測器100'作為例子來說明，但是並未將本揭露內容限制於此。光學生物特徵感測器100'也可以延伸到涵蓋整個顯示器50的所有範圍，而成為一種全屏式的光學生物特徵感測器。如圖9所示，光學生物特徵感測器100是一種獨立的感測器，可以是TFT或CMOS感測器，設置透光基板51的下方。
本揭露內容亦提供一種光感測元90，將光能轉換成電能，至少包括多個主收光區91及一連接區92，如上所述。依據上述需求所設計出來的光感測元90的結構亦與傳統的結構不同，且具有其優勢。
藉由上述實施例的光感測元及使用其的光學生物特徵感測器，由於光孔的收光範圍取決於收光結構的準直器的準直特性或微透 鏡的聚光特性，故可在不影響光感測元的收光面積以及不增加額外製程的情況下，利用配合收光結構來削減光感測元的面積，藉由改變光感測元的外型來配合收光結構，來達成降低接面電容以及增加感測電壓訊號的效果，當然本新型利用了"放射狀"來描述新型的結構及精神，但是並不是要限縮本新型於該形狀及結構，凡是藉由削減”接面電容”面積來達到本新型目的者，皆是被本新型精神所包覆的。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本新型的技術內容，而非將本新型狹義地限制於上述實施例，在不超出本新型的精神及申請專利範圍的情況下，所做的種種變化實施，皆屬於本新型的範圍。
ARP:面積削減部分
31:光孔
90:光感測元
91:主收光區
92:連接區
93:收光區

Claims (19)

  1. 一種光感測元，將光能轉換成電能，至少包括：
    一個或多個主收光區；以及
    一連接區，直接連接至該一個或多個主收光區，以形成一個削減面積的收光區，該削減面積的收光區具有一個或多個面積削減部分，以降低接面電容並增加感測電壓訊號。
  2. 如請求項1所述的光感測元，其中各該主收光區呈現圓形的形狀。
  3. 如請求項1所述的光感測元，其中該些主收光區排列成一個M*N陣列，其中M與N為大於或等於1的正整數。
  4. 如請求項1所述的光感測元，其中該光感測元的一第一極板具有該削減面積的收光區，該光感測元的一第二極板的形狀不同於該第一極板。
  5. 如請求項1所述的光感測元，其中該削減面積的收光區呈現多個橫向區域與一個縱向區域的相交型態。
  6. 如請求項1所述的光感測元，其中連接該些主收光區的相鄰的兩個的該連接區的一區段的寬度小於該主收光區的直徑。
  7. 一種光學生物特徵感測器，至少包括：
    一感測基板，具有多個光感測元；以及
    一光傳遞層，具有多個收光結構，並且位於該感測基板上或上方，該些收光結構將來自一物體的光線分別傳遞至該些光感測元，其中各該收光結構至少包含一光孔，各該光感測元至少包括：
    一個或多個主收光區，通過該些光孔的其中一個或多個來接收該光線；以及
    一連接區，直接連接至該一個或多個主收光區，以形成一個削減面積的收光區，該削減面積的收光區具有一個或多個面積削減部分，以降低接面電容並增加感測電壓訊號。
  8. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中該連接區不通過該些光孔接收光線。
  9. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中各該主收光區呈現圓形的形狀。
  10. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中該些主收光區排列成一個M*N陣列，其中M與N為大於或等於1的正整數。
  11. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中該光感測元的一第一極板具有該削減面積的收光區，該光感測元的一第二極板的形狀不同於該第一極板。
  12. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中該削減面積的收光區呈現多個橫向區域與一個縱向區域的相交型態。
  13. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中連接該些主收光區的相鄰的兩個的該連接區的一區段的寬度小於該主收光區的直徑。
  14. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中各該收光結構更包括：一微透鏡，位於該光孔上方，該些微透鏡分別將該光線通過該些光孔聚焦於該些光感測元上。
  15. 如請求項14所述的光學生物特徵感測器，其中該光傳遞層包括：一支撐層；一阻光層，位於該支撐層上，並具有該些光孔； 以及一光學層，位於該阻光層上，其中該些微透鏡設置於該光學層上。
  16. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中各該收光結構為不具有微透鏡的光學準直結構。
  17. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中該感測基板至少包括一玻璃基板，該些光感測元形成於該玻璃基板上。
  18. 如請求項17所述的光學生物特徵感測器，其中該玻璃基板為一顯示器的兩個相對的透光基板的其中一個。
  19. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中該感測基板至少包括一個半導體基板，該光感測元形成於該半導體基板上。
TW109210407U 2020-02-20 2020-08-12 光感測元及使用其的光學生物特徵感測器 TWM607385U (zh)

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