TWI714295B - 嵌設於平板顯示器的指紋感測器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一種嵌設於平板顯示器的指紋感測器，包含光感測器；選擇電晶體，分別相應串聯至光感測器；切換電晶體，分別相應串聯至選擇電晶體，且分別相應並聯至光感測器；及偵測電路，其偵測通過一導通之選擇電晶體的信號。

Description

嵌設於平板顯示器的指紋感測器及其操作方法

本發明係有關一種平板顯示器，特別是關於一種嵌設有指紋感測器的平板顯示器。

行動裝置(例如智慧型手機)為一種電腦裝置，其體積很小而能夠以手握持與操作。行動裝置通常具有觸控螢幕，其佔用行動裝置的前表面的相當大比例(例如70%)。

當代行動裝置可執行很多的功能，並適用於各種的用途，例如交際互動、金融交易、個人或商業通信。鑑於此，通常會使用生物測定(例如指紋)技術來識別使用者及其身分，用以保護儲存於行動裝置內的機密資料。指紋辨識不但是一種識別使用者的保全方法，且是存取行動裝置的一種快速方法。

許多行動裝置(例如智慧型手機)裝設有指紋辨識，其通常包含實體按鈕，設於前表面的觸控螢幕的外部。行動裝置的觸控螢幕有逐漸增大的趨勢，用以因應行動裝置更多更強的功能。然而，將指紋辨識按鈕設於行動裝置的前表面會阻礙使用大觸控螢幕的趨勢。

因此，有人提出一種將指紋感測器嵌設於平板顯示器(例如液晶顯示器)。然而，傳統指紋感測器的信號雜訊比(SNR)極低，因而減低了整體的效能。因此，亟需提出一種新穎且具高效能的指紋感測器。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種嵌設於平板顯示器的指紋感測器，具有增強的信號雜訊比與效能。

根據本發明實施例，嵌設於平板顯示器的指紋感測器包含光感測器、選擇電晶體、切換電晶體及偵測電路。選擇電晶體分別相應串聯至光感測器。切換電晶體分別相應串聯至選擇電晶體，且分別相應並聯至光感測器。偵測電路偵測通過一導通之選擇電晶體的信號。

第一圖顯示嵌設有指紋感測器的平板顯示器(例如液晶顯示器100)的剖視圖，其中指紋感測器整合於液晶顯示器100的主動區。液晶顯示器100可為薄膜電晶體(TFT)液晶顯示器。薄膜電晶體(TFT)液晶顯示器可使用低溫多晶矽(LTPS)技術形成，其執行於相當低的溫度(大約攝氏650度或更低)，然而傳統方法則執行於攝氏900度以上。低溫多晶矽(LTPS)可用以製造大尺寸液晶顯示器。

液晶顯示器100可包含薄膜電晶體(TFT)基板11，其表面形成有第一介電層12。第一介電層12可包含氧化矽或/且氮化矽。形成多個切換薄膜電晶體13於第一介電層12內，作為顯示之用。切換薄膜電晶體13可包含多晶矽層(作為通道)131、第一金屬層M1(作為閘極)132設於多晶矽層131上、第二金屬層M2(作為源極與汲極)133設於多晶矽層131的表面且圍繞第一金屬層132，其中第一介電層12隔離第一金屬層132與第二金屬層133。

形成至少一光感測器(或光偵測器)14於第一介電層12內。光感測器14可包含多晶矽層131與其表面的第二金屬層133。第二金屬層133圍繞一通道，用以通過代表指紋的光束，再由光感測器14偵測。多晶矽層131的一端摻雜P型摻雜物，另一端摻雜N型摻雜物，因而形成p-n介面作為光感測器。此外，基部金屬層(M0)130設於第一介電層12內且位於薄膜電晶體基板11的表面，作為第一光屏障，用以阻擋或屏障背光。

形成至少一選擇薄膜電晶體14B，以配合光感測器14。選擇薄膜電晶體14B可包含多晶矽層(作為通道)131、第一金屬層M1(作為閘極)132設於多晶矽層131上、第二金屬層M2(作為源極與汲極)133設於多晶矽層131的表面且圍繞第一金屬層132，其中第一介電層12隔離第一金屬層132與第二金屬層133。選擇薄膜電晶體14B藉由第二金屬層133而連接至相應光感測器14。

液晶顯示器100可包含光源，例如背光模組(未顯示於圖式)，設於薄膜電晶體(TFT)基板11下。液晶顯示器100的光源可發射可見光或非可見光束。

液晶顯示器100可包含透明的平坦化(PLN)層15，其具有大致平坦的頂面，且形成於第一介電層12上。平坦化層15可包含透明材質，例如樹脂，用以讓光線通過。形成第三金屬層(M3)134於平坦化層15的底部。第三金屬層134可作為第二光屏障，用以阻隔或屏障通道方向以外的(傾斜)光線，使其不會進入光感測器14。

液晶顯示器100可包含第二介電層16，形成於平坦化層15的表面。第二介電層16可包含氧化矽或/且氮化矽。至少一導電層形成於第二介電層16內。如第一圖所例示，所述至少一導電層可包含第一氧化銦錫(ITO)層161，形成於第二介電層16的底部(例如形成於平坦化層15的表面)；及第二氧化銦錫(ITO)層162，形成於第二介電層16的頂部(例如形成於第一氧化銦錫層161上)。第二介電層16隔離第一氧化銦錫層161與第二氧化銦錫層162。如第一圖所示，第一氧化銦錫層161可連接至切換薄膜電晶體13的第二金屬層133。

液晶顯示器100可包含液晶(LC)層17，形成於第二介電層16上。至少一透明的光間隔物(photo spacer)171設於液晶層17內，用以隔離相鄰液晶區。液晶顯示器100的光間隔物171可包含透明材質，例如樹脂。液晶顯示器100還可包含彩色濾光(CF)層18，形成於液晶層17上，且設於彩色濾光(CF)基板19的底面。彩色濾光層18可包含多個彩色濾光片，例如紅色、綠色及藍色濾光片，用以分別讓紅光、綠光及藍光通過。彩色濾光層18還可包含至少一黑色濾光片，用以阻隔光線。未被黑色濾光片覆蓋的區域為顯示區。如第一圖所示，黑色濾光片大致對準於下方的光間隔物171。在本實施例中，光感測器14位於未被彩色濾光層18的黑色濾光片覆蓋的主動顯示區。

液晶顯示器100可包含至少一透鏡區20，設於光感測器14上並於垂直方向大致對準於光感測器14。在本實施例中，透鏡區20連接至平坦化層15的頂面，並向上延伸。透鏡區20可包含透明材質，其可相同或異於平坦化層15。透鏡區20垂直伸長，並(由下而上依序)通過第二介電層16、液晶層17與彩色濾光層18。

根據上述，嵌設有指紋感測器的液晶顯示器100包含光源、透鏡區20與光感測器14。第二圖顯示本實施例的指紋感測器的示意圖。光源21發射光束至手指22。透鏡區20作為棒狀透鏡(rod lens)23，用以聚焦反射自指紋的光束。光感測器14作為光偵測器24，用以偵測代表指紋的光束，並將其轉換為電子信號。

第三A圖顯示嵌設於液晶顯示器100(第一圖)之指紋感測器300的電路圖。指紋感測器300可包含複數光感測器14，例如光二極體。指紋感測器300可包含複數選擇電晶體14B(例如選擇薄膜電晶體TFT[N]~TFT[N+M])，分別相應串聯至光感測器14。雖然第三A圖以N型薄膜電晶體作為例示，然而也可使用P型薄膜電晶體。

指紋感測器300可包含偵測電路31，用以偵測其中一待偵測分支(branch)的光感測器14的信號(例如電流)。其中，選擇電晶體14B的汲極電性連接至相應光感測器14的陰極(其陽極電性連接至共電壓VCM)，選擇電晶體14B的源極電性連接至偵測電路31的輸入端。

第三B圖分別顯示選擇電晶體14B的閘極的控制信號TFT[N]~TFT[N+M]之時序圖。如第三B圖所示，每一時間僅有一個選擇電晶體14B被導通，且依預設順序導通該些選擇電晶體14B，如第三B圖所例示。

被導通之選擇電晶體14B的阻抗通常具有數千歐姆(ohm)，被關閉之選擇電晶體14B的阻抗通常具有數百萬(mega)歐姆。由於光感測器14的信號電流一般僅數微微(pico)安培，且被關閉之選擇電晶體14B的阻抗也僅有數百萬歐姆，因此偵測電路31不僅接收通過導通之選擇電晶體14B的信號，同時也接收通過關閉之選擇電晶體14B的信號，因而影響了指紋感測器300的信雜比(SNR)及效能。

第四A圖顯示本發明實施例之嵌設於平板顯示器(例如第一圖之液晶顯示器100)之指紋感測器400的電路圖。本實施例之指紋感測器400類似於第三A圖之指紋感測器300，可包含光感測器14、選擇電晶體14B及偵測電路31，其細節不再贅述。

根據本實施例的特徵之一，指紋感測器400可更包含複數切換電晶體41(例如切換薄膜電晶體)，分別相應串聯至選擇電晶體14B，但分別相應並聯至光感測器14。雖然本實施例以P型薄膜電晶體作為例示，然而也可使用N型薄膜電晶體。在一較佳實施例中，選擇電晶體14B包含N型薄膜電晶體，且切換電晶體41包含P型薄膜電晶體。

切換電晶體41的源極電性連接至相應選擇電晶體14B的汲極(及光感測器14的陰極)，且切換電晶體41的汲極電性連接至偏壓VBIAS。

第四B圖分別顯示選擇電晶體14B及切換電晶體41的閘極的控制信號TFT[N]~TFT[N+M]之時序圖。值得注意的是，如果切換電晶體41使用N型薄膜電晶體，則控制信號TFT[N]~TFT[N+M]的極性需相反。

根據本實施例的另一特徵，當選擇電晶體41被導通，則相應切換電晶體41必須被關閉；當選擇電晶體41被關閉，則相應切換電晶體41必須被導通。換句話說，切換電晶體41的切換狀態(亦即導通或關閉)係相反於相應選擇電晶體14B的切換狀態。

雖然光感測器14的信號電流僅有數微微(pico)安培且被關閉之選擇電晶體14B的阻抗僅有數百萬(mega)歐姆，由於相應切換電晶體41被導通，因此偵測電路31僅接收通過導通之選擇電晶體14B的信號，但不會接收通過關閉之選擇電晶體14B的信號，因而增強指紋感測器400的信雜比(SNR)並提升指紋感測器400的效能。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100:液晶顯示器

11:薄膜電晶體基板

12:第一介電層

13:切換薄膜電晶體

130:基部金屬層

131:多晶矽層

132:第一金屬層

133:第二金屬層

134:第三金屬層

14:光感測器

14B:選擇薄膜電晶體

15:平坦化層

16:第二介電層

161:第一氧化銦錫層

162:第二氧化銦錫層

17:液晶層

171:光間隔物

18:彩色濾光層

19:彩色濾光基板

20:透鏡區

21:光源

22:手指

23:棒狀透鏡

24:光偵測器

300:指紋感測器

31:偵測電路

400:指紋感測器

41:切換電晶體

M0:基部金屬層

M1:第一金屬層

M2:第二金屬層

M3:第三金屬層

TFT:薄膜電晶體

PLN:平坦化

ITO:氧化銦錫

LC:液晶

CF:彩色濾光

TFT[N]~TFT[N+M]:薄膜電晶體/控制信號

VCM:共電壓

VBIAS:偏壓

第一圖顯示嵌設有指紋感測器的平板顯示器的剖視圖。 第二圖顯示本實施例的指紋感測器的示意圖。 第三A圖顯示嵌設於液晶顯示器(第一圖)之指紋感測器的電路圖。 第三B圖分別顯示選擇電晶體的閘極的控制信號之時序圖。 第四A圖顯示本發明實施例之嵌設於平板顯示器(第一圖)之指紋感測器的電路圖。 第四B圖分別顯示選擇電晶體及切換電晶體的閘極的控制信號之時序圖。

400:指紋感測器

14:光感測器

14B:選擇薄膜電晶體

31:偵測電路

41:切換電晶體

TFT[N]~TFT[N+M]:薄膜電晶體/控制信號

VCM:共電壓

VBIAS:偏壓

Claims (13)

1. 一種嵌設於平板顯示器的指紋感測器，包含：複數光感測器；複數選擇電晶體，分別相應串聯至該些光感測器；複數切換電晶體，分別相應串聯至該些選擇電晶體，且分別相應並聯至該些光感測器；及一偵測電路，其偵測通過一導通之選擇電晶體的信號；其中該選擇電晶體的汲極電性連接至該相應光感測器的陰極，且該選擇電晶體的源極電性連接至該偵測電路的輸入端。
2. 如請求項1之嵌設於平板顯示器的指紋感測器，其中該切換電晶體的切換狀態相反於該相應選擇電晶體的切換狀態。
3. 如請求項2之嵌設於平板顯示器的指紋感測器，其中當該選擇電晶體被導通，則該相應切換電晶體被關閉；當該選擇電晶體被關閉，則該相應切換電晶體被導通。
4. 如請求項1之嵌設於平板顯示器的指紋感測器，其中該平板顯示器包含一液晶顯示器。
5. 如請求項1之嵌設於平板顯示器的指紋感測器，其中該光感測器包含一光二極體。
6. 如請求項1之嵌設於平板顯示器的指紋感測器，其中該選擇電晶體包含N型薄膜電晶體，且該切換電晶體包含P型薄膜電晶體。
7. 如請求項1之嵌設於平板顯示器的指紋感測器，其中每一時間僅有一個該選擇電晶體被導通。
8. 如請求項1之嵌設於平板顯示器的指紋感測器，其中該切換電晶體的源極電性連接至該相應選擇電晶體的汲極與該相應光感測器的陰極，且該切換電晶體的汲極電性連接至偏壓。
9. 一種嵌設於平板顯示器的指紋感測器的操作方法，包含：提供複數分支，每一分支包含一光感測器、一選擇電晶體及一切換電晶體，該切換電晶體相應串聯至該選擇電晶體且相應並聯至該光感測器；電性連接該選擇電晶體的汲極至該相應光感測器的陰極；導通一待偵測分支的該選擇電晶體且關閉該待測分支的該切換電晶體，但關閉其他非待測分支的該些選擇電晶體且導通該些非待測分支的該些切換電晶體；及偵測通過該待測分支之該導通選擇電晶體的信號。
10. 如請求項9之嵌設於平板顯示器的指紋感測器的操作方法，其中該平板顯示器包含一液晶顯示器。
11. 如請求項9之嵌設於平板顯示器的指紋感測器的操作方法，其中該光感測器包含一光二極體。
12. 如請求項9之嵌設於平板顯示器的指紋感測器的操作方法，其中該選擇電晶體包含N型薄膜電晶體，且該切換電晶體包含P型薄膜電晶體。
13. 如請求項9之嵌設於平板顯示器的指紋感測器的操作方法，更包含電性連接該切換電晶體的源極至該相應選擇電晶體的汲極與該相應光感測器的陰極，且電性連接該切換電晶體的汲極至偏壓。

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