感测装置的制作方法

1.本揭露相关于一种感测装置，尤指一种可提高辨识准确度的光学感测装置。


背景技术：

2.随着生物辨识技术逐渐成熟，许多不同的生物特征皆可被用来辨识使用者的身份。其中，指纹辨识技术具有高辨识率及高准确率的优点，因此常被整合于各式电子装置中而广泛地使用。以智能型手机等显示器为例，使用者可无需记诵密码而直接通过指纹辨识来管理电子装置。并且，由于指纹辨识过程快速且不易仿造，因此可提供良好的便利性或安全性。
3.一般指纹辨识技术主要是先使用感测装置感测用户的指纹图案(pattern)，再获取指纹图案中独特的指纹特征并以储存，或是直接储存指纹图案。之后当用户再次进行指纹扫描时，指纹感测装置会感测指纹图案以且获取指纹特征，以便与先前所存储的指纹特征进行比对以进行辨识，或是直接与先前所存储的指纹图案进行比对。若二者相符，则可确认使用者的身份。因此，如何提高指纹辨识的准确度是重要课题。


技术实现要素：

4.本揭露提供一种感测装置，其包含多个感测组合，所述多个感测组合中的至少一者包含至少两个透镜和一个感测单元。所述多个感测组合可以让被侦测的光线通过所述至少两个透镜后被所述感测单元所收集。
5.本揭露提供一种显示装置，其包含一显示面板和一感测装置。所述感测装置设置在所述显示面板下，且包含多个感测组合。所述多个感测组合中的至少一者包含至少两个透镜和一个感测单元。所述多个感测组合可以让被侦测的光线通过所述至少两个透镜后被所述感测单元所收集。
附图说明
6.图1为本揭露实施例中一种显示装置的示意图。
7.图2a为本揭露实施例感测装置的上视图。
8.图2b和图2c为本揭露实施例感测装置的放大上视图。
9.图2d为本揭露实施例感测装置沿着一切线的侧视图。
10.图2e为本揭露实施例感测装置沿着一切线的详细结构图。
11.图3a和图3b为本揭露实施例显示装置在不同透镜设计和分辨率下处理指纹信号时的示意图。
12.图4a为本揭露另一实施例感测装置的上视图。
13.图4b为本揭露另一实施例感测装置沿着一切线的侧视图。
14.图4c为本揭露另一实施例感测装置沿着一切线的侧视图。
15.图5为本揭露另一实施例感测装置沿着一切线的详细结构图。
16.附图标记说明：5-手指；10-显示面板；11-基板；12-保护层；13-15、41-49-绝缘层；16-显示单元；18-控制电路；20-感测装置；22-透镜；22l-透镜下表面；24-遮光层；28-孔洞；30-感测单元；30u-感测单元上表面；32-感测元件；32u-上电极；32l-下电极；32p、32n-半导体层；33-导电层；34-驱动层；36i-本征层；38-基板；55-末端；57-转折点；100-显示装置；120-闸极；122、124-源极/漏极区；126-半导体层；lt-光线；a-a
’‑
切线；sm-感测组合；c-中心点；sq-最小矩形；r1、r2-对角线；r3、r4-参考线；r3’、r4
’‑
正交中心线；th-透镜厚度；tft-薄膜晶体管。
具体实施方式
17.说明书与请求项中所使用的序数例如”第一”、”第二”等的用词以修饰请求项的元件，其本身并不意含及代表该请求元件有任何之前的序数，也不代表某一请求元件与另一请求元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一请求元件得以和另一具有相同命名的请求元件能作出清楚区分。
18.另外，当在本说明书中使用术语"包括(含)"和/或"具有"时，其指定了所述特征、区域、步骤、操作和/或元件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、区域、步骤、操作、元件和/或其组合的存在或增加。当诸如层或区域的元件被称为在另一元件(或其变型)"上"或延伸到另一元件"上"时，它可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者两者之间还可以存在插入的元件。另一方面，当称一元件"直接"在另一元件(或其变型)上或者"直接"延伸到另一元件上时，两者间不存在插入元件。并且，当一元件被称作"电连接"或"耦接"到另一元件(或其变型)时，它可以直接连接到另一元件或通过一或多个元件间接地连接到另一元件。在本说明书中使用术语“大约”、“等于”、“相等”或“相同”、“实质上”或“大致上”一般解释为在所给定的值20％以内的范围，或解释为在所给定的值的10％、5％、3％、2％、1％或0.5％以内的范围。在本揭露中，数值的测量方式可以是采用光学显微镜或/及电子显微镜测量而得，但不以此为限。
19.此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示，这些重复仅为了简单清楚地叙述本揭露，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。此外，在本揭露中的在另一特征部件之上形成、连接到及/或耦接到另一特征部件可包括其中特征部件形成为直接接触的实施例，并且还可包括其中可形成插入上述特征部件的附加特征部件的实施例，使得上述特征部件可能不直接接触。
20.图1为本揭露实施例中一种显示装置100的示意图。显示装置100包含一显示面板10、一保护层12，和一感测装置20。显示面板10包含绝缘层13-15、显示单元16和控制电路18，设置在一基板11上。保护层12可提供可供使用者手指5按压的表面。保护层12材料可为玻璃(cover glass)、橡胶和聚合物材料(例如pi、pen、pc、聚胺酯、聚二甲基硅氧烷或/及pet)上述材料的至少一种、上述材料的混合物或其他适合的材料，但不以此为限。保护层12可包括单层材料结构或多层材料结构。绝缘层13-15设置在保护层12和基板11之间。显示单元16可采用发光二极管(light-emitting diode,led)、有机发光二极管(oled)、量子点发光二极管(qd led)，或其它适合的元件或上述元件的组合，分别由对应的控制电路18来控制以提供朝向使用者的光线lt。上述该些发光二极管依尺寸可分为微发光二极管(micro led)或毫发光二极管(mini led)。然而，保护层12和显示单元16的形状、材质、尺寸或种类
并不限定本揭露的范畴。
21.在本实施例中，感测装置20可做为指纹感测装置。当使用者将手指5放置在保护层12以进行指纹感测时，显示单元16所提供的光线lt会被反射至感测装置20。由于指纹的波峰与波谷会反射光线，因此感测装置20接收、收集或感测到的反射光会包含明暗对比条纹，可依此来达到指纹辨识的效果。值得注意的是，上述光线lt示意为部分的光的路径，只要是可被感测装置20所感测的光线都可属于本揭露的光线lt。在本揭露中，被反射的光线可为被侦测的光线，多个感测组合sm可以让被侦测的光线通过多个透镜22后被感测单元30所接收、收集及/或感测。
22.图2a为本揭露实施例显示装置100中感测装置20的上视图。图2b和图2c为本揭露实施例显示装置100中感测装置20的放大上视图。图2d为本揭露实施例显示装置100中感测装置20沿着切线a-a’的侧视图。图2e为本揭露实施例显示装置100中感测装置20沿着切线a-a’的详细结构图。感测装置20包含多个感测组合sm、一遮光层24、一驱动层34、一基板38，以及绝缘层41-44。
23.如图2a所示，感测装置20包含多个感测组合sm，其中至少一感测组合sm包含至少两个透镜22和一感测单元30。感测装置20更可选择性地包含位于透镜22和感测单元30之间的遮光层24。不同感测组合sm之间的透镜22及/或遮光层24可为同一连续层及/或同一道制程形成，但不局限在此。遮光层24具有多个孔洞28，该孔洞28可使被反射的光线lt聚焦。在本实施例中，俯视上的孔洞28可为一封闭型孔洞(未绘)，可避免邻近的噪声光(如大角度光或乱反射光)入内到该感测组合sm，可提高讯噪比(signal-to-noise ratio)。遮光层24可包括单层材料结构或多层材料结构，可采用绝缘材料或金属材料，但不限定于此。
24.在本实施例中，每一透镜22的中心点c分别对应至遮光层24上的孔洞28，具有聚光的功能。本揭露中”对应”指沿着z轴方向和透镜22的中心点c位置部份或完全重叠的孔洞28。在一实施例中，透镜22可为对称设计或不对称设计，例如正圆形、椭圆形或其他不规则形状等，但不以此为限，而中心点c可由俯视上围绕单一透镜22的最小虚拟矩形sq中取至少两条参考线(例如对角线r1和r2)相交定义。
25.为了说明目的，图2a例示性地显示感测装置20中的4个相邻感测组合sm，其中每一感测组合sm包含一个感测单元30和4个透镜22的实施例。在其它实施例中，每一感测组合sm中感测单元30和透镜22的数量可为其它比例，例如1对2、1对3、1对5，或甚至1对144，但不以此为限。多个感测组合sm中感测单元30和透镜22的数量可为同一比例，或是为多个不同比例。然而，每一感测组合中感测单元和透镜数量比例并不限定本揭露的范畴。
26.在本实施例中，同一剖面可通过至少一个透镜22的中心点c取得，但可以有少许可容许的位移或误差。举例来说，切割剖面的可容许公差差异可小于
±
5微米，如图2b所示，公差剖面线1021、1022与精准剖面切线a-a’的公差差异以符号dt1与dt2表示。此外，切割剖面的旋转角度的可容许公差可以小于3
°‑5°
，如图2c所示，旋转角度公差以公差剖面线1023、1024的旋转角度θ1、θ2表示。图2b和图2c所示状况可同时或择一发生，在说明书后述公式需要考虑当一个剖视有两个透镜和两个孔洞时，剖视的切线需经过两个透镜中心点，而两个透镜中心点可能同时发生图2b或图2c所示的相同误差，或分别发生图2b和图2c所示的不同误差，并不限定本揭露的范畴。
27.如图2d所示，x轴、y轴和z轴互相垂直，其中z轴是垂直基板38的方向。d1定义为沿
着z轴从感测单元30到对应的孔洞28的距离，例如感测单元30到对应的孔洞28中间的距离。在本实施例中，孔洞28的中间可由剖视中遮光层24的总厚度th取中间值定义。d2定义为沿着z轴从透镜22到对应的孔洞28的距离。l定义为透镜22在x-y平面上的最大宽度。上述的数值可由同一剖视中获得，后面公式相关的定义也是一样，将不多描述。如此一来，透镜22的宽度在指纹的位置都可以感测出有差异的信号，进而提高辨识度。
28.如图2e所示，感测装置20包含一感测组合sm(两个透镜22和一感测单元30)、一遮光层24、一驱动层34、一基板38，以及绝缘层41-49。驱动层34设置在基板38上，可驱动感测单元30。感测单元30包含一上电极32u、一下电极32l、一低掺杂的本征(intrinsic)层36i设置在上电极32u跟下电极32l之间、一半导体层32p设置在上电极32u跟本征层36i之间，以及一半导体层32n设置在下电极32l跟本征层36i之间。在一实施例中，感测单元30可选择性包含导电层33。在本实施例中，半导体层32p为p型杂质掺杂，半导体层32n为n型杂质掺杂，然而，感测单元30的种类并不限定本揭露的范畴。感测单元30可将穿过透镜后的光线lt转化为电信号，再通过层叠结构34传送至处理器芯片(未显示)来进行分析比对以验证指纹。在本实施例中，感测单元30的范围可由相同电位的下电极32l定义，但并不限定本揭露的范畴。
29.在图2d和图2e所示的实施例中，d1可为感测单元30接收光线lt的表面30u(例如半导体层32p上表面)到对应的孔洞28中间的距离，d2可为透镜22最靠近感测单元30的下表面22l到对应的孔洞28中间的距离。在本实施例中，透镜22的下表面22l可为通过透镜22的曲面变化的末端55，且平行xy平面(例如基板表面)的一表面。另外，本实施例中，透镜22的曲面变化的末端55位于绝缘层41的上表面。在其他的实施例中，可省略制程导电层33，由上电极32u接触半导体层32p，此时感测单元30接收光线lt的表面30u可为上电极32u的上表面。
30.此外，感测装置20另包含绝缘层41-49，其中绝缘层41和绝缘层42设置在透镜22和遮光层24之间，而绝缘层43和44设置在遮光层24和感测单元30之间。在一实施例中，绝缘层41可为一有机材料，绝缘层43和44可为无机材料，但不限定本揭露的范畴。
31.驱动层34可包含一个或多个薄膜晶体管。为了简洁起见，图2c仅绘示单一薄膜晶体管tft，但薄膜晶体管的数目并不限定本揭露的范畴。薄膜晶体管tft可包含闸极120、源极/漏极(s/d)区电极122、源极/漏极电极124和半导体层126。驱动层34亦可选择性包含绝缘层45-48，其中绝缘层48可作为缓冲层。
32.在本揭露其它实施例中，感测单元30亦可包含电荷耦合元件(charge coupled device,ccd)感测元件、互补式金属氧化物半导体感测元件(cmos image sensor,cis)，或其它适合的元件或上述元件的组合。然而，每一感测组合中感测元件所使用的影像传感器并不限定本揭露的范畴。
33.在本揭露中，透镜22可采用熔硅石(fused silica)、二氧化硅(silicon dioxide)、氮化硅(silicon nitride)、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,pmma)材质，或其它适合的材料或上述材料的组合。然而，透镜22的材质和折射率并不限定本揭露的范畴。
34.在本揭露感测单元30中，基板11与基板38可做为支撑使用。基板11与基板38可包括单层材料结构或多层材料结构。基板11与基板38可采用聚酰亚胺(pi)、聚乙烯对苯二甲酸酯(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚醚砜(pes)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚萘二甲酸乙二醇
酯(pen)、聚芳酯(par)，或其他适当的材料或上述材料的组合，但不以此为限。
35.在本揭露驱动层34中，半导体层126的材料可包含但不限于非晶硅、多晶硅、锗、化合物半导体(例如氮化镓、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟)、合金半导体(例如sige合金、gaasp合金、alinas合金、algaas合金、gainas合金、gainp合金、gainasp合金)，或前述的组合。半导体层126的材料亦可包含但不限于金属氧化物，例如铟镓锌氧化物(igzo)、铟锌氧化物(izo)、铟镓锌氧化物(igzto)、或包含多环芳香族化合物的有机半导体，或前述的组合。在一些实施例中，半导体层126可掺杂有p型或n型掺杂剂。
36.在本揭露驱动层34中，绝缘层45-48的材料可包含但不限于氮化硅(silicon nitride)、氧化硅(silicon oxide)、氮氧化硅(silicon oxynitride)、氧化铝(al2o3)与氧化铪(hfo2)等无机材料。绝缘层45-48的材料也可包含但不限于丙烯酸类树脂(acrylic resin)或其它适合的有机材料。绝缘层45-48可为单层结构或是多层结构，但不限定本揭露的范畴。
37.在本揭露感测单元30中，上电极32u和下电极32l的材料可包含但不限于不透明导电层的材料，例如金属、金属氧化物或其他适合的导电材料所构成的单层或多层复合结构。举例来说，可分别包括铝、铜、银、铬、钛、钼的其中至少一种、上述材料的复合层或上述材料的合金。在另一实施例中，上电极32u和下电极32l的材料可包含但不限于透明导电层的材料，例如透明氧化物电极(transparent conducting oxide,tco)、ito(indium tin oxide)电极或izo(indium doped zinc oxide)电极。在另一实施例中，上电极32u和下电极32l的材料可包含但不限于半透明金属薄膜电极，例如镁银合金薄膜电极、金薄膜电极、铂薄膜电极，或铝薄膜电极等。
38.导电层33的材料可包含透明材料，使光线通过以让感测单元30接收、收集及/或感测到。当上电极32u和下电极32l的材料包含透明材料时，透明材料的透光率需要能让光线通过以让感测单元30接收到。当上电极32u和下电极32l的材料包含金属或可反射光材料时，可选择性设置不跟孔洞28重叠，以降低阻挡光线的机会。
39.图3a和图3b为本揭露实施例显示装置100在不同透镜设计和分辨率下处理指纹信号时的示意图。在图3a和图3b所示的实施例中，透镜22的宽度l等为100μm，感测单元30的分辨率为127每英寸像素(pixels per inch,ppi，fp1代表用户的指纹，而光学指纹信号包含强中弱三个区间，在透镜22的宽度l小于100μm的设计下，本揭露显示装置100皆能辨识出光学指纹信号中对应的区间变化。
40.显示装置并不以实施例为限，且可具有不同的变化实施例。为简化说明，下文中不同的变化实施例将使用与图2a-2c实施例相同标号标注相同元件。为容易比较第一实施例与不同的变化实施例之间的差异，下文将突显不同的变化实施例的差异，且不再对重复部分作赘述。
41.图4a为本揭露另一实施例显示装置100中感测装置20的上视图。图4b为本揭露另一实施例显示装置100中感测装置20沿着切线a-a’的侧视图。图4c为本揭露另一实施例显示装置100中感测装置20沿着切线a-a’的侧视图。
42.如图4a所示，感测装置20包含多个感测组合sm，其中至少一感测组合sm包含至少两个透镜22和一个感测单元30。至少一感测装置20包含更可选择地包含位于透镜22和感测单元30之间的一遮光层24。不同感测组合sm及/或遮光层24可为同一连续层及/或同一道制
程形成，但不局限在此。沿着俯视方向的z-轴，遮光层24具有多个孔洞28，该孔洞28可使被反射的光线lt聚焦。
43.为了说明目的，图4a例示性地显示感测装置20中的4个相邻感测组合sm，其中每一感测组合sm包含一个感测单元和4个透镜的实施例，其中相邻两透镜22之间的间隔距离为m。上述相邻两透镜22是指两透镜之间并无其它相同元件。在本实施例中，相邻两透镜22之间的间隔距离可等于或相异于另外相邻两透镜22之间的间隔距离。
44.如图4b和图4c所示，m定义为两相邻透镜22在x-y平面上的距离，n定义为经由上述两相邻透镜22的光线lt通过孔洞28后在感测单元30的两投影范围的间隔，且m、n和d1可在同一个剖视中获得，其中剖视的取法如说明书先前所述，以通过中心点c为准。weff定义为光线lt通过孔洞28后在感测单元30的感测投影范围在x-y平面上的最大宽度，其中weff的值如下列公式(1)所示。在图4a和图4b所示的实施例中，透镜之间的间距m不为0，可调整间距m的值来对应不同ppi显示区。
45.weff＝d1
×
l/d2
…
(1)
46.在图4b所示的实施例中，d1和d2的值设计成使得光线lt通过孔洞28后在感测单元30的各个投影范围并未重叠，此时感测装置20的设计如下列公式(2)-(5)所示。
47.0≦n《l m
…
(2)
48.l/2 l/2 m＝weff/2 weff/2 n
…
(3)
49.l m-weff＝n
…
(4)
50.再经由下列公式(6)-(7)的推导后，可得知要达到无投影重叠范围，感测装置20的设计需满足下列公式(8)所示的条件。
51.l m-d1
×
l/d2≧0
…
(6)
52.l m≧d1
×
l/d2
…
(7)
53.0《d1/d2≦(l m)/l
…
(8)
54.在图4c所示的实施例中，d1和d2的值可设计成使得光线lt通过孔洞28后在感测单元30的两相邻范围会有重叠区域ov，其中重叠区域ov在x-y平面上的最大宽度不能大于weff/2，也就是需满足下列公式(9)和(10)所示的条件，再经由推导后可知当重叠范围时感测装置20的设计需满足下列公式(11)所示的条件。
55.0《ov《l m
…
(9)
56.ov＝weff-(l m)
…
(10)
57.(l m)/l《d1/d2《2
×
(l m)/l
…
(11)
58.依据上述公式(8)和(11)所示的条件，感测装置20中透镜22间距m不为0时，感测装置20的可采用如下列公式(12)所示较大范围的条件。
59.0《d1/d2《2
×
(l m)/l
…
(12)
60.图5为本揭露另一实施例显示装置100中感测装置20沿着切线a-a’的详细结构图。相较于图2c所示的结构，图5中感测装置20的导电层33可具有高低起伏的上表面(例如波浪状，但不以此为限)，进而提升光学效率。在本实施例中，当相邻的透镜22相连，透镜22的下表面22l可为通过两相邻透镜间的转折点57，且平行xy平面(例如基板表面)的一虚拟表面。
61.值得注意的，上述各实施例间特征只要不违背发明精神或相冲突，均可任意混合搭配使用。
62.综上所述，在本揭露的显示装置中，每一感测组合采用过一个感测单元对应多个透镜的架构来提升指纹辨识准确度。此外，通过调整透镜之间的距离、调整遮光层和透镜之间的距离，或调整遮光层和/感测单元之间的距离，本揭露的显示装置可对应不同ppi显示区，以供用户更为弹性且便利地使用指纹辨识功能。
63.以上所述仅为本揭露的实施例而已，并不用于限制本揭露，对于本领域的技术人员来说，本揭露可以有各种更改和变化。凡在本揭露的精神和原则的内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本揭露的保护范围的内。