CN108427908A - 指纹辨识***及感测方法及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种指纹辨识***，包含面板，用于放置手指；光源，设置于面板的下方，用于产生光线，其中光线照向手指且反射，以产生反射光线；处理器，用于根据感测信号，对手指进行指纹辨识；以及光学感测阵列，设置于面板的下方，耦接于处理器，用于产生感测信号，包含光感测器，用于接收手指反射的反射光线，以产生感测信号；聚焦层，设置于光感测器的上方，用于将手指反射的反射光线聚焦；阻隔层，设置于聚焦层的下方，用于阻隔部分的反射光线以减少反射光线的绕射现象；遮光层，设置于阻隔层的下方，用于遮蔽部分的反射光线以控制反射光线的入射角度；光圈层，设置于遮光层的下方及光感测器的上方，用于阻挡杂散光线。

Description

指纹辨识***及感测方法及制造方法

技术领域

本发明是关于一种指纹辨识***及感测方法及制造方法，尤其指一种可聚焦从手指反射回来的反射光线以提升指纹辨识率的指纹辨识***及感测方法及制造方法。

背景技术

光学指纹辨识***为聚焦光线以进行指纹辨识，其可进一步地分为成像式(ImageSystem)以及非成像式(Non Image System)。成像式指纹辨识***可取得较大范围的光线角度，也具有较佳的影像质量，但其中的组件也需要具较大的厚度以及尺寸，以聚集成像范围的光线。非成像式指纹辨识***以准直镜***(Collimator System)为例，其结构较为密集，且不需要较大范围的光线角度，但是所取得的光线的角度范围受到限制，感测器接收的光线亮度较低，使指纹感测讯号的噪声比升高，因此对感测讯号质量产生不良的影响。

因此，成像式指纹辨识***需要的组件尺寸较大，造成成像式指纹辨识***在体积成本上较高的缺点。非成像式指纹辨识***的入射光线的角度范围受到限制，造成非成像式指纹辨识***在指纹辨识的讯号质量较差的缺点。在此情形下，现有的光学式指纹辨识***有改进的必要。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种指纹辨识***及感测方法及制造方法，以较低的面积成本，取得较大入射角度的反射光线，以提升指纹辨识的讯号质量。

本发明提出一种指纹辨识***，包含面板，用于放置手指；光源，设置于所述面板的下方，用于产生光线，其中所述光线照向所述手指且反射，以产生反射光线；处理器，用于根据感测信号，对所述手指进行指纹辨识；以及光学感测阵列，设置于所述面板的下方，耦接于所述处理器，用于产生所述感测信号，包含光感测器，用于接收所述手指反射的所述反射光线，以产生所述感测信号；聚焦层，设置于所述光感测器的上方，用于将所述手指反射的所述反射光线聚焦；阻隔层，设置于所述聚焦层的下方，用于阻隔部分的所述反射光线以减少所述反射光线的绕射现象；遮光层，设置于所述阻隔层的下方，用于遮蔽部分的所述反射光线以控制所述反射光线的入射角度；以及光圈层，设置于所述遮光层的下方及所述光感测器的上方，用于阻挡所述反射光线的杂散光线。

本发明也提出一种感测方法，应用于指纹辨识***，所述指纹辨识***包含有面板、光源、光学感测阵列，用于进行指纹感测，所述感测方法包含一使用者放置一手指在所述指纹辨识***的所述面板的上方，所述指纹辨识***的所述光源产生光线，照向所述手指且反射，以产生反射光线；利用所述指纹辨识***的聚焦层上的一同心圆光通道，将所述手指反射的所述反射光线进行聚焦；利用所述指纹辨识***的阻隔层阻隔部分的已通过所述聚焦层的所述反射光线，减少所述反射光线的绕射现象；利用所述指纹辨识***的遮光层遮蔽已通过所述聚焦层及所述阻隔层的所述反射光线的至少一部分，以控制所述反射光线的入射角度；利用所述指纹辨识***的光圈层阻挡已通过所述聚焦层、所述阻隔层及所述遮光层的所述反射光线的杂散光线；以及利用所述指纹辨识***的所述光感测器感测已通过所述聚焦层、所述阻隔层、所述遮光层及所述光圈层的所述反射光线，以产生感测信号。

本发明另提出一种制造方法，用于制造光学感测阵列，包含在硅基板的上方形成光感测器，所述光感测器用于接收手指反射的反射光线，以产生感测信号；在所述光感测器上形成光圈层，所述光圈层用于阻挡所述反射光线的杂散光线；在所述光圈层的上方形成至少一遮光层，所述至少一遮光层用于遮蔽部分的所述反射光线以控制所述反射光线的入射角度；在所述至少一遮光层的上方形成阻隔层，所述阻隔层用于阻隔部分的所述反射光线以减少所述反射光线的绕射现象；以及在所述至少一遮光层的上方形成聚焦层，所述聚焦层用于将所述手指反射的所述反射光线聚焦。

附图说明

图1A为本发明实施例一指纹辨识***的示意图。

图1B为本发明实施例指纹辨识***进行指纹辨识的示意图。

图2为本发明实施例一光学感测阵列的剖面示意图及各层的俯视图。

图3A至图3E为本发明实施例一感测单元的制造方法示意图。

图4为本发明实施例一流程示意图。

图5为本发明实施例一光学感测阵列的剖面示意图。

图6为本发明实施例一光学感测阵列的剖面示意图。

具体实施方式

请参考图1A及图1B，图1A为本发明实施例一指纹辨识***1的示意图，图1B为本发明实施例一指纹辨识***1进行指纹辨识的示意图。指纹辨识***1包含有一玻璃面板13、一处理器12，一光学感测阵列10，以及一光源14。当使用者的手指按压在指纹辨识***1的玻璃面板上的时候，来自光源14的光线L1会照向使用者的手指且反射，以产生反射光线L2，而指纹辨识***1中的光学感测阵列10会感测从使用者的手指反射而来的反射光线L2，以产生感测信号，光学感测阵列会将感测信号传送至处理器12以产生指纹信息并进行指纹辨识。

详细来说，如图1A所示，指纹辨识***1中的光学感测阵列10包含以矩阵方式排列的复数个感测单元11，感测单元11之间的间距可根据指纹纹峰与纹谷的宽度和/或密度而调整，但不限于此。本领域具通常知识者应可根据指纹中的波峰与波谷的宽度和/或密度设置光学感测阵列10的感测单元11的间隔距离，并在指纹影像质量以及光学感测阵列10的设置密度之间取得合理的平衡点。除此之外，光学感测阵列10的设置方式不限于图1中所示的棋盘式的设置方式，也可以环形设置或呈现蜂窝状的排列方式，也属本发明的范畴。

此外，如图1B所示，当使用者利用指纹辨识***1进行指纹辨识时，指纹辨识***1的光源14发射出光线L1，照向使用者的手指反射且产生反射光线L2后射至光学感测阵列10。光学感测阵列10中的感测单元11会对来自手指的反射光线L2进行聚焦以及去除噪声，以感测特定入射角度内的反射光线L2，以产生感测信号进行指纹辨识。

接着，请参考图2，图2的右侧为图1中光学感测阵列10的感测单元11的剖面示意图。如图所示，每一感测单元11包含有一聚焦层100、一阻隔层102、一遮光层104、一光圈层106以及一光感测器108。光学感测阵列10会接收从手指反射而来的反射光线L2，反射光线L2利用聚焦层100将反射光线L2聚焦，以及通过阻隔层102、遮光层104和光圈层106除去噪声后，再由光感测器108进行感测。详细来说，聚焦层100包含有一同心圆光通道，其具有一圆形孔洞1000，以及多个环绕上述圆形孔洞1000并具有不同直径的圆圈孔洞1002以形成一同心圆的图案，用以将反射光线L2进行聚焦。阻隔层102设置于聚焦层100的下方，用以将反射光线L2的绕射光线进行阻隔，以减少反射光线L2的绕射现象。遮光层104设置于阻隔层102的下方，用以控制反射光线L2的入射角度。值得注意的是，阻隔层102包含有一第二圆形孔洞1020，遮光层104包含有一第三圆形孔洞1040，为使遮光层104控制反射光线L2的入射角度，较佳地，第三圆形孔洞1040的直径可依据第二圆形孔洞1020的直径进行适当的调整，在此实施例中，第二圆形孔洞1020的直径大于第三圆形孔洞1040的直径。光圈层106则设置于遮光层104的下方，及光感测器108的上方，用于阻挡反射光线L2的杂散光线(straylight)。光感测器108则是感光组件，用于感测反射光线L2以取得指纹信息。值得注意的是，由于聚焦层100用于进行反射光线L2的聚焦，因此，聚焦层100至光感测器108之间的距离决定了反射光线L2经过聚焦层100的同心圆光通道后所形成的绕射角度。此外，聚焦层100、阻隔层102、遮光层104以及光圈层106各层间的距离可根据指纹波峰/波谷的宽度与特征分布密度、反射光线L2的亮度、玻璃面板的厚度，以及反射光线L2的波长而适当调整。

请继续参考图2，图2的左侧为感测单元11所包含的聚焦层100、阻隔层102、遮光层104以及光圈层106的俯视图。如图2的左侧所示，聚焦层100具有同心圆光通道，包含有一圆形孔洞1000以及不同直径的圆圈孔洞1002，形成一同心圆图案，用于将反射光线L2进行聚焦。值得注意的是，聚焦层100由黑色吸光材料形成，而其同心圆光通道形成圆形狭缝。有别于现有技术中，一般的光学镜头是以菲涅耳透镜(Fresnel Lens)的结构以减低透明镜片的厚度，本发明利用聚焦层100的同心圆光通道结构，使反射光线L2产生绕射，以产生帕松亮点(Poisson Spot)现象，以聚焦反射光线L2。值得注意的是，通过聚焦层100的同心圆光通道，本发明可有效地利用绕射现象以聚焦反射光线L2；同时，聚焦层100仅需要以单层平面结构的黑色吸光材料即可制作，可有效降低光学感测阵列在制作上的厚度、尺寸以及制作复杂度。另一方面，聚焦层100是用于聚焦从手指反射回来的反射光线L2，以取得手指的指纹特征等信息，因此，同心圆光通道宽度L1、狭缝宽度L2、狭缝间隔距离L3或狭缝数量等都可根据手指指纹的特征或光学感测阵列的分布进行适当地调整。其中，同心圆光通道宽度L1可根据指纹的特征分布、宽度或密度来决定。而为了取得足够的光线亮度以取得良好的感测讯号质量，狭缝宽度L2以及狭缝数量都可弹性地根据光线亮度做调整。需注意的是，为了将反射光线L2聚焦于光感测器108的中心点上，每一个别的狭缝间隔距离L3可不一致，个别的狭缝间隔距离L3是根据狭缝与圆形孔洞1000的中心之间的距离，且依据光感测器108接收反射光线L2的面积，调整同心圆光通道宽度L1、狭缝宽度L2及狭缝间隔距离L3，目的在使反射光线L2适当地聚焦于光感测器108上，以取得良好的感测讯号质量。

此外，如图2的左侧所示，阻隔层102为黑色材料形成的圆形孔洞，用于在反射光线L2经过聚焦层100产生绕射后，阻隔部分反射光线L2，使光感测器108在接收反射光线L2时可减少绕射现象，反射光线L2可较佳地进行聚焦，以避免噪声的发生，因此，阻隔层102可提升反射光线L2的聚焦质量。而遮光层104也为圆形孔洞，且与阻隔层102相比，其孔洞尺寸比阻隔层102小，可进一步用于限制反射光线L2的行进范围以及行进角度。值得注意的是，遮光层104可为多层结构，用于有效地限制反射光线L2的入射角度。具体来说，根据指纹辨识***1中感测单元11的排列方式，可适当地部署多层结构的遮光层104，用于有效地阻隔来自相邻或是其他感测单元11散射的反射光线L2，避免噪声的产生。最后，光圈层106为一方型孔洞，设置于光感测器108的上方，用于减少因反射光线L2偏移而造成的噪声。

此外，感测单元11的光圈层106以及光感测器108可通过互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)制程(CMOS Process)形成，而聚焦层100、阻隔层102以及遮光层104可通过微影制程(Lithography Process)形成在光圈层106以及光感测器108的上方。聚焦层100、阻隔层102以及遮光层104则可通过磊晶(Epitaxy)、堆栈(Stacking)或蚀刻(Etching)等制程而产生。此外，值得注意的是，光圈层106可由金属材质制成，可选择性地配合光感测器108的制程而形成在光感测器108上，或是配合聚焦层100、阻隔层102以及遮光层104的制程而形成在遮光层104下。换句话说，光圈层106的制程并不限于CMOS制程或是磊晶制程等，可根据光学感测阵列10的不同设计需求进行调整。

详细来说，请参考图3A至图3E，图3A至图3E为本发明实施例光学感测阵列10的制造方法示意图。如图3A所示，光感测器108是通过CMOS制程形成在硅基板上。如图3B所示，光圈层106形成在光感测器108上。其中，值得注意的是，光圈层106可利用CMOS制程，或是与聚焦层100、阻隔层102以及遮光层104等以相同的形成方式，通过磊晶、堆栈或蚀刻等制程而形成，只要光圈层106形成在光感测器108上以阻隔反射光线即可。遮光层104形成在光圈层106上，而阻隔层102则是形成在遮光层104上。最后，聚焦层100形成于在阻隔层102上。其中，聚焦层100、阻隔层102以及遮光层104都利用磊晶、堆栈或蚀刻等制程以形成在光圈层106上，而光圈层106可视制造或是使用者的需求来选择制程方式，以形成在光感测器108的上方。

进一步说明，请参考图4，如图4所示，指纹辨识***1的操作可归纳为一流程40。流程40包含有以下步骤：

步骤400：开始。

步骤402：使用者放置手指在指纹辨识***1的面板13的上方，且指纹辨识***1的光源14产生光线L1，照向手指且反射，以产生反射光线L2。

步骤404：利用光学感测阵列10的聚焦层100上的同心圆光通道，将从手指反射的反射光线L2进行聚焦。

步骤406：利用光学感测阵列10的阻隔层102阻隔部分的已通过聚焦层100的反射光线L2，减少反射光线L2的绕射现象。

步骤408：利用光学感测阵列10的遮光层104遮蔽已通过聚焦层100及阻隔层102的反射光线L2的至少一部分，以控制反射光线L2的一入射角度。

步骤410：利用光学感测阵列10的光圈层106阻挡已通过聚焦层100、阻隔层102及遮光层104的反射光线L2的一杂散光线。

步骤412：利用光学感测阵列10的光感测器108感测已通过聚焦层100、阻隔层102、遮光层104及光圈层106的反射光线L2，以产生一感测信号。

步骤414：结束。

首先，根据步骤402，使用者将手指放置在指纹辨识***1的面板13的上方，指纹辨识***1的光源14产生光线L1照向使用者的手指，由使用者的手指反射且产生反射光线L2，以使指纹辨识***1进行指纹辨识。根据步骤404，指纹辨识***1利用光学感测阵列10的聚焦层100上的同心圆光通道，将从手指反射的反射光线L2进行聚焦，以取得较大范围的反射光线L2入射角度。根据步骤406，利用光学感测阵列10的阻隔层102遮蔽已通过聚焦层100的反射光线L2，减少反射光线L2的绕射现象，以提升感测讯号的质量。根据步骤408，利用光学感测阵列10的遮光层104遮蔽已通过聚焦层100及阻隔层102的部分反射光线L2，使反射光线L2以适当的入射角度进行聚焦。同时，根据光学感测阵列10中感测单元11之间的间隔距离可适当调整遮光层104圆形孔洞的宽度、密度或形状，使遮光层104可以阻隔来自相邻或附近的其他感测单元11的散射光线，以避免噪声的产生。根据步骤410，利用光学感测阵列10的光圈层106阻挡已通过聚焦层100、阻隔层102及遮光层104的反射光线L2的杂散光线，可限制成像范围且提升感测讯号质量。最后，根据步骤412，利用光学感测阵列10的光感测器108感测已通过聚焦层100、阻隔层102、遮光层104及光圈层106的反射光线L2，根据感测所产生的感测信号进行指纹感测并判断使用者身分。

需注意的是，前述实施例是用以说明本发明的概念，本领域具通常知识者当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，请参考图5，图5为本发明实施例一光学感测阵列50的剖面示意图。光学感测阵列50与光学感测阵列10相似，因此相同的组件沿用相同的符号。如图5所示，光学感测阵列50包含复数个遮光层504，值得注意的是，图1中的阻隔层102可合并在遮光层504的多层结构中，只要其可将反射光线L2的绕射光线进行阻隔并限制反射光线L2的入射角度，并除去噪声，以使光感测器108进行感测即可。此外，光圈层106的孔洞形状也可以适应性地根据***设计需求调整为矩形、菱形或圆形等形状，只要可以阻隔反射光线L2的杂散光线，使其无法到达光感测器108即可。

此外，请参考图6，图6为本发明实施例一光学感测阵列60的剖面示意图。光学感测阵列60与光学感测阵列10相似，因此相同的组件沿用相同的符号。如图6所示，光源64设置于感测单元61的聚焦层100的上方，且为一有机发光二极管(Organic Light-EmittingDiode，OLED)显示器，其中光源64(即OLED显示器)可发出光线L1照向手指且反射，以产生反射光线L2，而感测单元61会接收从使用者的手指反射而来的反射光线L2。如此一来，光学感测阵列60可通过将光源64设置于聚焦层100的上方，取得较佳的感测讯号质量以进行指纹辨识。

综上所述，本发明光学感测阵列10通过聚焦层100进行聚焦，利用其同心圆光通道取得较大的反射光线入射角度，并进一步利用阻隔层102、遮光层104、光圈层106阻隔反射光线的杂散光线，最后再利用光感测器108对经过聚焦层100、阻隔层102、遮光层104及光圈层106而到达光感测器108的反射光线进行感测。本发明的光学感测阵列10可有效地控制反射光线的入射角度及行进范围，并阻隔噪声，以提升光感测器108所产生的感测讯号质量，以增进指纹辨识的辨识率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种指纹辨识***，其特征在于，包含：

面板，用于放置手指；

光源，设置于所述面板的下方，用于产生光线，其中所述光线照向所述手指且发射，以产生反射光线；

处理器，用于根据感测信号，对所述手指进行指纹辨识；以及

光学感测阵列，设置于所述面板的下方，耦接于所述处理器，用于产生所述感测信号，包含：

光感测器，用于接收所述手指反射的所述反射光线，以产生所述感测信号；

聚焦层，设置于所述光感测器的上方，用于将所述手指反射的所述反射光线聚焦；

阻隔层，设置于所述聚焦层的下方，用于阻隔部分的所述反射光线以减少所述反射光线的绕射现象；

遮光层，设置于所述阻隔层的下方，用于遮蔽部分的所述反射光线以控制所述反射光线的入射角度；以及

光圈层，设置于所述遮光层的下方及所述光感测器的上方，用于阻挡所述反射光线的杂散光线。

2.如权利要求1所述的指纹辨识***，其特征在于，所述聚焦层包含一圆形孔洞及复数个不同直径的圆圈孔洞，以形成一同心圆光通道。

3.如权利要求1所述的指纹辨识***，其特征在于，所述反射光线经过所述聚焦层时，所述反射光线经过所述同心圆光通道产生绕射现象而聚焦。

4.如权利要求1所述的指纹辨识***，其特征在于，所述阻隔层包含一第二圆形孔洞，所述遮光层包含一第三圆形孔洞，且所述第二圆形孔洞的直径大于所述第三圆形孔洞的直径。

5.如权利要求1所述的指纹辨识***，其特征在于，所述光圈层由金属制成。

6.如权利要求1所述的指纹辨识***，其特征在于，所述光圈层具有一方形孔洞。

7.如权利要求1所述的指纹辨识***，其特征在于，至少一所述遮光层以及所述聚焦层的颜色为黑色，且至少一所述遮光层以及所述聚焦层由吸光材料形成。

8.如权利要求1所述的指纹辨识***，其特征在于，所述光源为有机发光二极管显示器。

9.一种感测方法，应用于指纹辨识***，所述指纹辨识***包含有面板、光源、光学感测阵列，用于进行指纹感测，所述感测方法包含：

一使用者放置一手指在所述指纹辨识***的所述面板的上方，所述指纹辨识***的所述光源产生光线，照向所述手指且反射，以产生反射光线；

利用所述指纹辨识***的聚焦层上的一同心圆光通道，将所述手指反射的所述反射光线进行聚焦；

利用所述指纹辨识***的阻隔层阻隔部分的已通过所述聚焦层的所述反射光线，减少所述反射光线的绕射现象；

利用所述指纹辨识***的遮光层遮蔽已通过所述聚焦层及所述阻隔层的所述发射光线的至少一部分，以控制所述发射光线的入射角度；

利用所述指纹辨识***的光圈层阻挡已通过所述聚焦层、所述阻隔层及所述遮光层的所述发射光线的杂散光线；以及

利用所述指纹辨识***的所述光感测器感测已通过所述聚焦层、所述阻隔层、所述遮光层及所述光圈层的所述发射光线，以产生感测信号。

10.如权利要求9所述的感测方法，其特征在于，利用所述聚焦层上的所述同心圆光通道，将来自所述手指的所述发射光线进行聚焦的步骤，利用所述聚焦层上的所述同心圆光通道，使通过所述聚焦层的所述发射光线产生绕射现象，以进行聚焦。

11.一种制造方法，用于制造光学感测阵列，其特征在于，包含：

在硅基板的上方形成光感测器，所述光感测器用于接收手指反射的发射光线，以产生感测信号；

在所述光感测器上形成光圈层，所述光圈层用于阻挡所述发射光线的杂散光线；

在所述光圈层的上方形成至少一遮光层，所述至少一遮光层用于遮蔽部分的所述反射光线以控制所述反射光线的入射角度；

在所述至少一遮光层的上方形成阻隔层，所述阻隔层用于阻隔部分的所述反射光线以减少所述反射光线的绕射现象；以及

在所述至少一遮光层的上方形成聚焦层，所述聚焦层用于将所述手指反射的所述反射光线聚焦。

12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在所述聚焦层上形成一圆形孔洞及复数个不同直径的圆圈孔洞，以形成一同心圆光通道。

13.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在所述阻隔层上形成一第二圆形孔洞，且在所述遮光层上形成一第三圆形孔洞，且所述第二圆形孔洞的第二直径大于所述第三圆形孔洞的第三直径。

14.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述至少一遮光层以及所述聚焦层的颜色为黑色，且所述至少一遮光层以及所述聚焦层由吸光材料形成。

15.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述光圈层由金属制成。

16.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述光圈层的形成方法与所述光感测器或与所述聚焦层相同。

17.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述聚焦层、所述阻隔层以及所述遮光层的形成方法选自磊晶制程、堆栈制程或蚀刻制程的其中之一。

18.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述光感测器由互补式金氧半晶体管制程形成。