TWI792173B

TWI792173B - 指紋感測系統

Info

Publication number: TWI792173B
Application number: TW110104177A
Authority: TW
Inventors: 黃振明
Original assignee: 力晶積成電子製造股份有限公司
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2023-02-11
Also published as: TW202232366A; US11954937B2; US20220245374A1

Abstract

一種指紋感測系統，用以接收經手指反射後再傳輸至指紋感測系統的照射光束，以產生指紋影像。指紋感測系統包括多個微透鏡、一感測器、一第一濾光層以及一第二濾光層。微透鏡排成陣列。感測器具有多個排成陣列的感測像素。第一濾光層設置在微透鏡與感測器之間，且具有多個第一開口。第二濾光層設置在第一濾光層與感測器之間，且具有多個第二開口。照射光束穿過第一開口或第二開口，使感測器接收照射光束。

Description

指紋感測系統

本發明是有關於一種感測系統，且特別是有關於一種指紋感測系統。

目前市場上的屏下指紋感測系統大致分為兩類。第一類的指紋感測系統為使用光學準直器的指紋感測系統，其中光學準直器例如是針孔陣列層。由於光學準直器可為厚度薄的光學薄膜，因此第一類的指紋感測系統具有整體厚度較薄的優點。當搭配在智慧型手機裡時，指紋感測系統具有較薄的厚度也有利於使電池模組的體積可提升。然而，由於光學準直器和感測器無法在一次半導體製程完成，需利用封裝製程使光學準直器與感測器封裝在一起，因此使第一類的指紋感測系統的成本較高。

第二類的指紋感測系統使用了透鏡陣列。由於透鏡陣列屬成熟產品製程，因此，第二類的指紋感測系統具有成本較低的優勢。然而，除了透鏡陣列本身的厚度之外，還需考量成像焦距的距離，使得第二類的指紋感測系統不易縮減系統厚度。

本發明提供一種指紋感測系統，其同時兼具整體厚度較薄且成本較低的優勢。

本發明的一實施例的指紋感測系統用以接收經手指反射後再傳輸至指紋感測系統的照射光束，以產生指紋影像。指紋感測系統包括多個微透鏡、一感測器、一第一濾光層以及一第二濾光層。微透鏡排成陣列。感測器具有多個排成陣列的感測像素。第一濾光層設置在微透鏡與感測器之間，且具有多個第一開口。第二濾光層設置在第一濾光層與感測器之間，且具有多個第二開口。照射光束穿過第一開口或第二開口，使感測器接收照射光束。

基於上述，在本發明的一實施例中，由於指紋感測系統使用相似於針孔陣列層的第一濾光層與第二濾光層，因此，本發明之指紋感測系統的成本較第一類指紋感測系統低且整體厚度較薄。

圖1是根據本發明的一實施例的指紋感測系統的剖面示意圖。圖2是圖1的第一濾光層、第二濾光層及第三濾光層的俯視示意圖。請參考圖1與圖2，本發明的一實施例的指紋感測系統100用以接收經手指F反射後再傳輸至指紋感測系統100的照射光束L，以產生指紋影像。指紋感測系統100包括多個微透鏡110、一感測器120、一第一濾光層130以及一第二濾光層140。

在本實施例中，微透鏡110排成陣列。感測器120具有多個排成陣列的感測像素122。感測器120可為薄膜電晶體（thin film transistor, TFT）、互補金氧半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）或電荷耦合元件（charge coupled device, CCD）的光感測器。

在本實施例中，第一濾光層130設置在微透鏡110與感測器120之間，且具有多個第一開口O1。第二濾光層140設置在第一濾光層130與感測器120之間，且具有多個第二開口O2。第一濾光層130與第二濾光層140為帶通濾光器（bandpass light filter），且分別為不同色光的濾光層。舉例來說，第一濾光層130可為使紅光通過且其餘色光被過濾的紅光濾光層。第二濾光層140可為使綠光通過且其餘色光被過濾的綠光濾光層。但本發明不以此為限，第一濾光層130或第二濾光層140也可為其他色光的濾光層。

在本實施例中，指紋感測系統100更包括一第三濾光層150，且具有多個第三開口O3。第三濾光層150設置在第二濾光層140與感測器120之間。第三濾光層150為帶通濾光器，且與第一濾光層130及第二濾光層140為不同色光的濾光層。舉例來說，第三濾光層150可為使藍光通過且其餘色光被過濾的藍光濾光層。但本發明不以此為限，第三濾光層150可為其他色光的濾光層。

在本實施例中，每一微透鏡110的光軸穿過第一開口O1的其中之一、第二開口O2的其中之一或第三開口O3的其中之一，且穿過感測像素122的其中之一。或者是，微透鏡110的其中之一的光軸僅穿過第一開口O1、第二開口O2與第三開口O3的其中兩者。再者，照射光束L穿過第一開口O1、第二開口O2或第三開口O3，使感測器120接收照射光束L。

例如，微透鏡110A的光軸C1穿過第二開口O2、第三開口O3與感測像素122A，使感測像素122A接收照射光束L中的紅光部分。微透鏡110B的光軸C2穿過第一開口O1、第三開口O3與感測像素122B，使感測像素122B接收照射光束L中的綠光部分。微透鏡110C的光軸C3穿過第一開口O1、第二開口O2與感測像素122C，使感測像素122C接收照射光束L中的藍光部分。微透鏡110D的光軸C4穿過第一開口O1、第二開口O2、第三開口O3與感測像素122D，使感測像素122D接收照射光束L的所有色光（例如是白光）。也就是說，各微透鏡110的光軸穿過的開口決定了對應的感測像素122可接收的色光，使指紋感測系統100可靈活設計各感測像素122的感測目標。例如，感測白光的感測像素122D可被設計為感測指紋影像，且其餘色光的感測像素122A、122B、122C可被設計為參考像素，用以提昇指紋辨識演算的精準度。

基於上述，在本發明的實施例中，由於指紋感測系統100包括了微透鏡110、第一濾光層130與第二濾光層140，且這些光學層都可與感測器120在一次半導體製程完成，因此，本發明之指紋感測系統100成本較第一類指紋感測系統低。再者，微透鏡110的厚度較小，且第一濾光層130與第二濾光層140的作用相似於針孔陣列層，因此，指紋感測系統100的整體厚度較薄。

除此之外，在本實施例中，第一濾光層130設置在第二濾光層140上的方式使大部分的斜向照射光束被濾光層130或140過濾，進而使雜散光不易入射至感測器120。而且，使用微透鏡110將照射光束成像至感測器120也提升了指紋感測系統100的感測效果。

圖3是根據本發明的另一實施例的指紋感測系統的剖面示意圖。請參考圖3，本實施例的指紋感測系統100’相似於圖1的指紋感測系統100，其主要差異如下。第一開口O1具有多個相同的開口大小，且第一開口O1的開口大小落在5 μm至30 μm的範圍內。第二開口O2具有多個相同的開口大小，且第二開口O2的開口大小落在5 μm至30 μm的範圍內。第三開口O3具有多個相同的開口大小，且第三開口O3的開口大小落在5 μm至30 μm的範圍內。

此外，在另一實施例中，第一開口O1的開口大小與第二開口O2或第三開口O3的開口大小不同，或第二開口O2的開口大小與第三開口O3的開口大小不同。舉例來說，在圖3中，第一開口O1與第二開口O2，或第三開口O3的開口大小不同，用以增加反射光聚焦的程度，防止雜散光的干擾。

請再同時參考圖1與圖3，在本實施例中，指紋感測系統100’更包括一紅外截止（IR cutoff）濾光層160。紅外截止濾光層160設置在第三濾光層150與感測器120之間，其中一第一距離H1、一第二距離H2、一第三距離H3與一第四距離H4中的其中之一的大小與其餘距離的大小可以不同。第一距離H1為微透鏡110與第一濾光層130之間的距離（即透明層500的厚度）。第二距離H2為第一濾光層130與第二濾光層140之間的距離（即透明層400的厚度），第三距離H3為第二濾光層140與第三濾光層150之間的距離（即透明層300的厚度），且第四距離H4為第三濾光層150與紅外截止濾光層160之間的距離（即透明層200的厚度）。舉例來說，第一距離H1的大小與第二距離H2、第三距離H3或第四距離H4的大小不同。第二距離H2與第三距離H3的大小可相同。第三距離H3與第四距離H4的大小不同。

除此之外，在本實施例中，第一距離H1落在2 μm至10 μm的範圍內，第二距離H2落在2 μm至10 μm的範圍內，第三距離H3落在2 μm至10 μm的範圍內，且第四距離H4落在2 μm至10 μm的範圍內。

基於上述，在本發明的一實施例的指紋感測系統100’中，由於可針對微透鏡110之間的節距設計的各開口O1、O2與O3的開口大小以及各距離H1、H2、H3與H3的大小，使指紋感測系統100’的感測效果更佳。例如，調整各距離H1、H2、H3與H3的大小，使微透鏡110至感測器120之間的距離接近於微透鏡110的焦距。而且，調整後的開口大小與距離大小使斜向照射光束L’更有效地被各濾光層130、140與150過濾，因此使雜散光更不易入射至感測器120。

圖4A至圖4G是圖1的指紋感測系統的製作過程的剖面示意圖。請參考圖1及圖4A至圖4G，在圖4A中，先製作感測器120後，在感測器120上依序形成紅外截止濾光層160及透明層200，如圖4A、圖4B與圖4C所示。接著，在透明層200上依序形成第三濾光層150、透明層300、第三濾光層140、透明層400、第一濾光層130及透明層500。最後，在透明層500上形成微透鏡110，以製作出指紋感測系統100。在本實施例中，透明層200、300、400、500可為透明絕緣材質，例如透明光阻劑、二氧化矽（Silicon dioxide），但本發明不此以為限。

綜上所述，在本發明的一實施例中，由於指紋感測系統包括了微透鏡、第一濾光層與第二濾光層，且這些光學層都可與感測器在一次半導體製程完成，因此，本發明之指紋感測系統成本較第一類指紋感測系統低。再者，微透鏡的厚度較小，且第一濾光層與第二濾光層為光學薄膜，因此，指紋感測系統的整體厚度較薄。

100、100’:指紋感測系統 110、110A、110B、110C、110D:微透鏡 120:感測器 122、122A、122B、122C、122D:感測像素 130:第一濾光層 140:第二濾光層 150:第三濾光層 160:紅外截止濾光層 200、300、400、500:透明層 C1、C2、C3、C4:光軸 F:手指 H1:第一距離 H2:第二距離 H3:第三距離 H4:第四距離 L:照射光束 L’:斜向照射光束 O1:第一開口 O2:第二開口 O3:第三開口

圖1是根據本發明的一實施例的指紋感測系統的剖面示意圖。圖2是圖1的第一濾光層、第二濾光層及第三濾光層的俯視示意圖。圖3是根據本發明的另一實施例的指紋感測系統的剖面示意圖。圖4A至圖4G是圖1的指紋感測系統的製作過程的剖面示意圖。

100:指紋感測系統

110、110A、110B、110C、110D:微透鏡

120:感測器

122、122A、122B、122C、122D:感測像素

130:第一濾光層

140:第二濾光層

150:第三濾光層

160:紅外截止濾光層

200、300、400、500:透明層

C1、C2、C3、C4:光軸

F:手指

L:照射光束

O1:第一開口

O2:第二開口

O3:第三開口

Claims

一種指紋感測系統，用以接收經手指反射後再傳輸至該指紋感測系統的照射光束，以產生指紋影像，包括：多個微透鏡，排成陣列；一感測器，具有多個排成陣列的感測像素；一第一濾光層，設置在該些微透鏡與該感測器之間，且具有多個第一開口；以及一第二濾光層，設置在該第一濾光層與該感測器之間，且具有多個第二開口，其中該照射光束穿過該些第一開口或該些第二開口，使該感測器接收該照射光束，其中該第一濾光層用以使一色光通過且其餘色光被過濾，該第二濾光層用以使不同於該色光的光色的另一色光通過且其餘色光被過濾。
如請求項1所述的指紋感測系統，其中每一微透鏡的光軸穿過該些第一開口的其中之一或該些第二開口的其中之一。
如請求項1所述的指紋感測系統，其中該些微透鏡的其中之一的光軸僅穿過該些第一開口與該些第二開口的其中之一。
如請求項1所述的指紋感測系統，其中該些第一開口具有多個相同的開口大小，且該些第一開口的開口大小落在5μm至30μm的範圍內。
如請求項1所述的指紋感測系統，其中該些第二開口具有多個相同的開口大小，且該些第二開口的開口大小落在5μm至30μm的範圍內。
如請求項1所述的指紋感測系統，更包括：一第三濾光層，設置在該第二濾光層與該感測器之間，且具有多個第三開口，其中該照射光束穿過該些第一開口、該些第二開口或該些第三開口，使該感測器接收該照射光束。
如請求項6所述的指紋感測系統，其中每一微透鏡的光軸穿過該些第一開口的其中之一、該些第二開口的其中之一或該些第三開口的其中之一。
如請求項6所述的指紋感測系統，其中該些微透鏡的其中之一的光軸僅穿過該些第一開口、該些第二開口與該些第三開口的其中兩者。
如請求項6所述的指紋感測系統，其中該些第三開口具有多個相同的開口大小，且該些第三開口的開口大小落在5μm至30μm的範圍內。
如請求項6所述的指紋感測系統，更包括：一紅外截止濾光層，設置在該第三濾光層與該感測器之間，其中一第一距離、一第二距離、一第三距離與一第四距離中的其中之一的大小與其餘距離的大小不同，該第一距離為該些微透鏡與該第一濾光層之間的距離，該第二距離為該第一濾光層與該第二濾光層之間的距離，該第三距離為該第二濾光層與該第三濾光層之間的距離，該第四距離為該第三濾光層與該紅外截止濾光層之間的距離。