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CN212391803U - 光感测元及使用其的光学生物特征感测器 - Google Patents

光感测元及使用其的光学生物特征感测器 Download PDF

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CN212391803U CN202021666677.6U CN202021666677U CN212391803U CN 212391803 U CN212391803 U CN 212391803U CN 202021666677 U CN202021666677 U CN 202021666677U CN 212391803 U CN212391803 U CN 212391803U
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周正三
黄振昌
范成至
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Abstract

本实用新型提供了一种光感测元及使用其的光学生物特征感测器，其中光感测元，将光能转换成电能，并且至少包括：一个或多个主收光区；以及一连接区，直接连接至该一个或多个主收光区，以形成一个削减面积的收光区，该收光区具有一个或多个面积削减部分，以降低接面电容并增加感测电压信号。

Description

光感测元及使用其的光学生物特征感测器
技术领域
本实用新型是有关于一种光感测元及使用其的光学生物特征感测器，且特别是有关于一种光感测元及使用其的光学生物特征感测器，利用配合收光结构来削减光感测元的面积来达成降低接面电容以及增加感测电压信号的效果。
背景技术
现今的移动电子装置(例如手机、平板电脑、笔记本电脑等)通常配备有使用者生物识别系统，包括了例如指纹、脸型、虹膜等等不同技术，用以保护个人数据安全，其中例如应用于手机或智能手表等携带型装置，也兼具有移动支付的功能，对于使用者生物识别更是变成一种标准的功能，而手机等携带型装置的发展更是朝向全屏幕(或超窄边框)的趋势，使得传统电容式指纹按键无法再被继续使用，进而演进出新的微小化光学成像装置(有些非常类似传统的相机模组，具有互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor(CMOS)Image Sensor(简称CIS))感测元件及光学镜头模组)。将微小化光学成像装置设置于屏幕下方(可称为屏下)，通过屏幕部分透光(特别是有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以撷取按压于屏幕上方的物体的图像，特别是指纹图像，可以称为屏幕下指纹感测(Fingerprint On Display，FOD)。
传统上都是在半导体基板(例如硅(Si)基板)上制作光感测器，然而由于价格问题及需要大感测面积需求(例如可以同时感测两只手指)，使得利用玻璃或绝缘材料作为基板制作的TFT光学感测器变得很重要。
然而，在TFT光学指纹感测器中，为了提高感测电压信号，可以增加光感测元的收光面积，但是当光感测元的面积增加时，却会造成感测元的接面(Junction)电容也等比提高，因此利用主动像素感测(Active Pixel Sensing)并无法有效的提高输出的电压信号。因此，如何有效地增加感测电压信号，实为本揭露内容所欲解决的问题。
实用新型内容
因此，本实用新型的一个目的是提供一种光感测元及使用其的光学生物特征感测器，利用配合收光结构来削减光感测元的面积来达成降低接面电容以及增加感测电压信号的效果。
为达上述目的，本实用新型提供一种光感测元，将光能转换成电能，至少包括：一个或多个主收光区；以及一连接区，直接连接至该一个或多个主收光区，以形成一个削减面积的收光区，削减面积的收光区具有一个或多个面积削减部分，以降低接面电容并增加感测电压信号。
此外，本实用新型亦提供一种光学生物特征感测器，至少包括：一感测基板，具有多个光感测元；以及一光传递层，具有多个收光结构，并且位于感测基板上或上方，上述多个收光结构将来自一物体的光线分别传递至上述多个光感测元，其中各收光结构至少包含一光孔，各光感测元至少包括：一个或多个主收光区，通过上述多个光孔的其中多个来接收光线；以及一连接区，直接连接至所述一个或多个主收光区，以形成一个削减面积的收光区，削减面积的收光区具有一个或多个面积削减部分，以降低接面电容并增加感测电压信号。
藉由上述实施例的光感测元及使用其的光学生物特征感测器，由于光孔的收光范围取决于收光结构的准直器的准直特性或微透镜的聚光特性，故可在不影响光感测元的收光面积以及不增加额外工艺的情况下，利用配合收光结构来削减光感测元的面积，藉由改变光感测元的外型来配合收光结构，来达成降低接面电容以及增加感测电压信号的效果。
为让本实用新型的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1A与图1B显示依据本实用新型较佳实施例的光学生物特征感测器的两个例子的局部剖面示意图。
图2A显示感测基板与其上方的光孔的立体示意图。
图2B显示光感测元的示意图。
图2C显示光感测元的感测电路图。
图3显示光感测元的初步实施例的俯视图。
图4至图6显示光感测元的较佳实施例的三个例子的俯视图。
图7A与图7B显示图5的光感测元的两个变化例子的示意图。
图8与图9显示光学生物特征感测器应用于显示器的两个例子的示意图。
附图标记：
A：面积
AMP,RESET,READ：晶体管
ARP：面积削减部分
D1：直径
F：物体
W：距离
W1：宽度
VG,VPD,VDD：电压
VSIG：电压信号
10：感测基板
13：玻璃基板
15：半导体基板
20：光传递层
21：支撑层
22：阻光层
23：光学层
30：收光结构
31：光孔
32：微透镜
50：显示器
51,52：透光基板
90：光感测元
91：主收光区
92：连接区
93：收光区
94：横向区域
95：纵向区域
96：区段
97：第一极板
98：第二极板
99：介质
100,100'：光学生物特征感测器
具体实施方式
图1A与图1B显示依据本实用新型较佳实施例的光学生物特征感测器100的两个例子的局部剖面示意图。如图1A与图1B所示，本实施例的光学生物特征感测器100至少包括一感测基板10以及一光传递层20。
感测基板10具有多个光感测元90。感测基板10至少包括一玻璃基板13或其他绝缘基板，上述多个光感测元90形成于玻璃基板13上。或者，感测基板10至少包括一个半导体基板15，光感测元90形成于半导体基板15上。
光传递层20具有多个收光结构30，并且位于感测基板10上或上方，可以贴合的方式或是利用半导体工艺直接形成。上述多个收光结构30将来自位于一显示器50上或上方的一物体F的光线分别传递至上述多个光感测元90，其中各收光结构30至少包含一光孔31。虽然光学生物特征感测器100是以设置于显示器50下方的指纹感测器作为例子来说明，但是并未将本实用新型限制于此，因为其也可以感测手指的血管图像、血氧浓度图像等生物特征、或脸型、虹膜等生物特征。
在图1A中，各收光结构30为不具有微透镜的光学准直结构，至少包括光孔31。在图1B中，光传递层20包含有多个光孔31及多个微透镜32。亦即，各收光结构30更包括微透镜32，位于光孔31上方，上述多个微透镜32分别将光线通过上述多个光孔31聚焦于上述多个光感测元90上。另一方面，光传递层20至少包括一支撑层21、一阻光层22及一光学层23。阻光层22位于支撑层21上，并具有上述多个光孔31。光学层23位于阻光层22上，且可能具有滤光结构，执行光线过滤处理，譬如滤除特定波长的太阳光，或只让红外线通过。上述多个微透镜32设置于光学层23上。支撑层21可以是黏胶层或绝缘层等。图1A与图1B提供的两种光学准直结构(collimator)都可以用来配合上述多个光感测元90达成光学取像的目的。
图2A显示感测基板10与其上方的光孔31的立体示意图。图2B显示光感测元的示意图。如图2A与图2B所示，于本实施例中，光感测元90是以光电二极管(Photo diode)来实施。为使光感测元90能获得最多的入射光线，光感测元90的面积A会依像素尺寸放大，使此面积A可以对应到最多的光孔31(准直孔)，以得到最多的进光能量。虽然光感测元90的面积加大可以增加进光量，但本身的接面(Junction)电容C同时也会与面积A成正比地增加，其表示式为C＝ε×(A/W)，其中ε为第一极板97及第二极板98之间的介质99的介电常数，W为第一极板97及第二极板98之间的距离。图2C显示光感测元的感测电路图，其为感测基板10为玻璃或绝缘材料时，最常使用的像素电路架构。如图2C所示，使用三个晶体管式主动像素感测器(3Transistor-Active Pixel Sensor,3T-APS)架构中，采用三个晶体管RESET、AMP及READ，如图所示地连接到电压VG，VPD，VDD，譬如是光电二极管的光感测元90被照光后产生光电子，此光电子会累积在光电二极管的接面电容上并转换成电压信号。以晶体管AMP的节点的电压信号VSIG来说，VSIG＝(Qlight/C)，其中Qlight代表光电子的数量(其值正比于光感测元90的收光的面积A)，而C代表像素的接面电容(其值正比于光感测元90的面积A)。因此由上面公式VSIG＝(Qlight/C)看来，单纯的加大感测元90的面积A，根本无法有效的增加VSIG。
图3显示光感测元的初步实施例的俯视图。为解决上述问题，将原本应该延伸到整个光感测元90的收光面积的范围削减成削减面积的收光区93。这是因为每个光感测元90配合光孔31的收光范围具有一个主收光区91，超过此主收光区91就已经收不到光，或者说收到非常少量的光，若将光感测元90的收光面积填满整个光感测元90，则不会有提高进光量的优点，反而会有增加接面电容而降低感测电压信号的缺点。因此，将不位于光孔31下方且收不到光线的光感测元90的分布面积削掉，以在不影响进光量的前提下降低接面电容。
图4至图6显示光感测元的较佳实施例的三个例子的俯视图，其中左右两个光感测元90具有相同结构，但有不同的标示特征。如图4所示，基于图3的实施例的发现，本揭露内容的光感测元90可以作更进一步的改良，使得各光感测元90至少包括多个主收光区91以及一连接区92。上述多个主收光区91通过上述多个光孔31的其中多个来接收光线。各主收光区91呈现圆形的形状。譬如，在图4中，9个主收光区91排列成3×3的阵列，并且通过9个光孔31接收光线。连接区92将上述多个主收光区91直接连接在一起，以形成一个削减面积的收光区93，削减面积的收光区93具有一个或多个面积削减部分ARP(譬如是一个或多个内缩的凹状轮廓、是一个或多个凹角或一个或多个截头部分(Truncated Portion))，以降低光感测元90的接面电容并增加感测电压信号。于本实施例，连接区92不通过上述多个光孔31接收光线，亦即，连接区92通过上述多个光孔31接收不到光线。虽然以9个主收光区91排列成3×3的阵列作为例子来说明，但是并未将本揭露内容限制于此，上述多个主收光区91也可以排列成一个2×2阵列、4×4或5×5的正方形阵列等，亦可排列成一个长方形阵列。亦即，上述多个主收光区91排列成一个M×N阵列，其中M与N为大于或等于1的正整数。于此情况下，是依据感测器的一个像素尺寸以及光孔的收光范围来决定光感测元90的尺寸。值得注意的是，亦可将不影响收进光量的情况下挖空收光区93的局部部分。或者，依据不同的定义或配置，可以使用单一主收光区配合单一连接区而形成光感测元(譬如具有放射形状)即可。因此，光感测元可具有一个或多个主收光区以及直接连接至所述一个或多个主收光区的连接区，此时，一个或多个主收光区通过上述多个光孔的其中一个或多个来接收光线。
如图5所示，本例子类似于图4，差异在于削减面积的收光区93呈现放射状，如此可以更进一步降低接面电容。如图6所示，本例子类似于图4，差异在于削减面积的收光区93呈现多个横向区域94与一个纵向区域95的相交型态，纵向区域95垂直于或大致垂直于横向区域94，如此也可更进一步降低接面电容。在图5与图6中，连接上述多个主收光区91的相邻的两个的连接区92的一区段96的宽度W1小于主收光区91的直径D1。值得注意的是，于各光感测元90中，主收光区91与连接区92所形成的放射形状结构可以是图2B的第一极板97与第二极板98的其中一者或两者。当第一极板97与第二极板98具有相同的放射形状结构时，可以采用同一道光罩来形成两者。当第一极板97具有上述放射形状结构时，第二极板98可以具有不削减面积的构造(具有不同于第一极板97的形状，譬如是矩形)，沿用现有的工艺。或者，亦可将第二极板98设计成具有上述放射形状结构，而将第一极板97设计成具有不削减面积的构造。
上述的光学生物特征感测器100可以是独立的TFT感测器；或互补式金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)感测器。譬如是TFT液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)或TFT有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode,OLED)的内嵌式(in-cell)光学生物特征感测器。
图7A与图7B显示图5的光感测元的两个变化例子的示意图。如图7A所示，连接区92的中心区域具有圆形的形状，如此可以让连接区92减少一些锐角结构，以简化工艺及稳定连接区92的结构。如图7B所示，连接区92的中心区域具有矩形的形状，如此可以让连接区92减少一些锐角结构，以简化工艺及稳定连接区92的结构。
如图8所示，类似于光学生物特征感测器100且与显示像素(未显示)穿插整合的光学生物特征感测器100'可以应用于OLED显示器或LCD或任何有应用到TFT工艺来制作TFT感测器的其他显示器中，为一种内嵌式(in-cell)感测器。因此，玻璃基板13为显示器50的两个相对的透光基板51，52的其中一个(于图8中是指下方的透光基板51，也可以说玻璃基板13是透光基板51的一部分)。两透光基板51与52之间的材料层可以是OLED或LCD所具有的材料层。虽然图6是以局部范围的光学生物特征感测器100'作为例子来说明，但是并未将本揭露内容限制于此。光学生物特征感测器100'也可以延伸到涵盖整个显示器50的所有范围，而成为一种全屏式的光学生物特征感测器。如图9所示，光学生物特征感测器100是一种独立的感测器，可以是TFT或CMOS感测器，设置透光基板51的下方。
本揭露内容亦提供一种光感测元90，将光能转换成电能，至少包括多个主收光区91及一连接区92，如上所述。依据上述需求所设计出来的光感测元90的结构亦与传统的结构不同，且具有其优势。
藉由上述实施例的光感测元及使用其的光学生物特征感测器，由于光孔的收光范围取决于收光结构的准直器的准直特性或微透镜的聚光特性，故可在不影响光感测元的收光面积以及不增加额外工艺的情况下，利用配合收光结构来削减光感测元的面积，藉由改变光感测元的外型来配合收光结构，来达成降低接面电容以及增加感测电压信号的效果，当然本实用新型利用了"放射状"来描述实用新型的结构及精神，但是并不是要限缩本实用新型于该形状及结构，凡是藉由削减”接面电容”面积来达到本实用新型目的者，皆是被本实用新型精神所包覆的。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本实用新型的技术内容，而非将本实用新型狭义地限制于上述实施例，在不超出本实用新型的精神及申请专利范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本实用新型的范围。

Claims (19)

1.一种光感测元，将光能转换成电能，其特征在于，该光感测元至少包括：
一个或多个主收光区；以及
一连接区，直接连接至该一个或多个主收光区，以形成一个削减面积的收光区，该削减面积的收光区具有一个或多个面积削减部分，以降低接面电容并增加感测电压信号。
2.如权利要求1所述的光感测元，其特征在于，各该主收光区呈现圆形的形状。
3.如权利要求1所述的光感测元，其特征在于，所述多个主收光区排列成一个M×N阵列，其中M与N为大于或等于1的正整数。
4.如权利要求1所述的光感测元，其特征在于，该光感测元的一第一极板具有该削减面积的收光区，该光感测元的一第二极板的形状不同于该第一极板。
5.如权利要求1所述的光感测元，其特征在于，该削减面积的收光区呈现多个横向区域与一个纵向区域的相交型态。
6.如权利要求1所述的光感测元，其特征在于，连接所述多个主收光区的相邻的两个的该连接区的一区段的宽度小于该主收光区的直径。
7.一种光学生物特征感测器，其特征在于，至少包括：
一感测基板，具有多个光感测元；以及
一光传递层，具有多个收光结构，并且位于该感测基板上或上方，所述多个收光结构将来自一物体的光线分别传递至所述多个光感测元，其中各该收光结构至少包含一光孔，各该光感测元至少包括：
一个或多个主收光区，通过所述多个光孔的其中一个或多个来接收该光线；以及
一连接区，直接连接至该一个或多个主收光区，以形成一个削减面积的收光区，该削减面积的收光区具有一个或多个面积削减部分，以降低接面电容并增加感测电压信号。
8.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该连接区不通过所述多个光孔接收光线。
9.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，各该主收光区呈现圆形的形状。
10.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述多个主收光区排列成一个M×N阵列，其中M与N为大于或等于1的正整数。
11.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该光感测元的一第一极板具有该削减面积的收光区，该光感测元的一第二极板的形状不同于该第一极板。
12.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该削减面积的收光区呈现多个横向区域与一个纵向区域的相交型态。
13.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，连接所述多个主收光区的相邻的两个的该连接区的一区段的宽度小于该主收光区的直径。
14.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，各该收光结构更包括：一微透镜，位于该光孔上方，所述多个微透镜分别将该光线通过所述多个光孔聚焦于所述多个光感测元上。
15.如权利要求14所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该光传递层包括：一支撑层；一阻光层，位于该支撑层上，并具有所述多个光孔；以及一光学层，位于该阻光层上，其中所述多个微透镜设置于该光学层上。
16.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，各该收光结构为不具有微透镜的光学准直结构。
17.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该感测基板至少包括一玻璃基板，所述多个光感测元形成于该玻璃基板上。
18.如权利要求17所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该玻璃基板为一显示器的两个相对的透光基板的其中一个。
19.如权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该感测基板至少包括一个半导体基板，该光感测元形成于该半导体基板上。
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