TWI614694B - 指紋感測裝置 - Google Patents

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TWI614694B TW105101865A TW105101865A TWI614694B TW I614694 B TWI614694 B TW I614694B TW 105101865 A TW105101865 A TW 105101865A TW 105101865 A TW105101865 A TW 105101865A TW I614694 B TWI614694 B TW I614694B
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Abstract

一種指紋感測裝置，包括多個感測單元，其中，各感測單元包括：讀取元件、感光元件、發光元件以及二極體。感光元件與讀取元件電性連接。發光元件與感光元件對應設置，且發光元件包括第一陽極、第一陰極以及位於第一陽極以及第一陰極之間的發光層。二極體包括第二陽極以及第二陰極以及位於第二陽極以及第二陰極之間的半導體層。第二陽極與發光元件之第一陰極電性連接，第二陰極與發光元件之第一陽極電性連接。

Description

指紋感測裝置
本發明是有關於一種指紋感測裝置，且特別是有關於一種可在戶外強光源下使用的指紋感測裝置。
指紋是最佳的生物辨識密碼，具有獨特性。隨著設備與辨識技術趨向成熟及普遍，除了居家防護的進出管制、個人證件、付款系統時的身分認證，或是需要高度管制進出的場所外，近年來，指紋感測裝置亦常見於行動裝置中做為應用辨識。
傳統的指紋感測裝置是利用背光源穿透感光元件而達到手指，其中，手指指紋具有波峰波谷的反射。感光元件接收反射回來的光源而偵測到波峰波谷光源的差異，進而可進行指紋的感測。然而，傳統的指紋感測裝置在戶外強光下，卻會有影像過曝的問題。詳細來說，由於太陽光在600nm以上波長的光源，會使穿透手指的光源過高，而造成感光元件光電流過飽和。換言之，若在戶外使用具有傳統指紋感測裝置的行動裝置，則容易造成指紋影像難以讀取。據此，如何解決現有指紋感測裝置在戶外強光源下難以使用之問題為目前所欲研究之主題。
本發明提供一種指紋感測裝置，可解決傳統指紋感測裝置在戶外強光源下無法使用之問題。
本發明的指紋感測裝置，包括多個感測單元，其中，各感測單元包括：讀取元件、感光元件、發光元件以及二極體。感光元件與讀取元件電性連接。發光元件與感光元件對應設置，且發光元件包括第一陽極、第一陰極以及位於第一陽極以及第一陰極之間的發光層。二極體包括第二陽極以及第二陰極以及位於第二陽極以及第二陰極之間的半導體層。第二陽極與發光元件之第一陰極電性連接，第二陰極與發光元件之第一陽極電性連接。
基於上述，由於本發明的指紋感測裝置中，發光元件與感光元件對應設置，且二極體中第二陽極與發光元件之第一陰極電性連接，第二陰極與發光元件之第一陽極電性連接。因此，此種架構的指紋感測裝置可完全阻隔正面光源，改善在太陽光下無法讀取等狀況，並且形成由指紋紋路控制發光元件的發光機制。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、100’、100”、200‧‧‧感測單元
110‧‧‧讀取元件
120‧‧‧感光元件
121‧‧‧下電極
122‧‧‧上電極
123‧‧‧感光富矽介電層
130、230‧‧‧發光元件
140、240‧‧‧二極體
150‧‧‧封裝層
AC‧‧‧交流驅動電源
AN1‧‧‧第一陽極
AN2‧‧‧第二陽極
CA1‧‧‧第一陰極
CA2‧‧‧第二陰極
CH‧‧‧通道
D‧‧‧汲極
EL‧‧‧發光層
EIL‧‧‧電子注入層
ETL‧‧‧電子傳輸層
G‧‧‧閘極
GI‧‧‧閘絕緣層
HIL‧‧‧電洞注入層
HTL‧‧‧電洞傳輸層
IN1、IN2‧‧‧介電層
S‧‧‧源極
SL‧‧‧遮光層
SM‧‧‧半導體層
圖1A為本發明一實施例指紋感測裝置之感測單元的剖面示意圖。
圖1B為圖1A指紋感測裝置之感測單元的第一變化實施例。
圖1C為圖1A指紋感測裝置之感測單元的第二變化實施例。
圖1D為圖1A實施例中發光元件的剖面示意圖。
圖2為本發明一實施例指紋感測裝置的等效電路圖。
圖3A及圖3B為本發明一實施例指紋感測裝置的發光機制示意圖。
圖4A為本發明另一實施例指紋感測裝置之感測單元的剖面示意圖。
圖4B為圖4A實施例中發光元件的剖面示意圖。
圖1A為本發明一實施例指紋感測裝置之感測單元的剖面示意圖。圖1B為圖1A指紋感測裝置之感測單元的第一變化實施例。圖1C為圖1A指紋感測裝置之感測單元的第二變化實施例。圖1D為圖1A實施例中發光元件的剖面示意圖。請同時參考圖1A、圖1B、圖1C以及圖1D。在本實施例中，指紋感測裝置包括多個感測單元100，其中，各感測單元100包括讀取元件110、感光元件120、發光元件130、二極體140以及封裝層150。感光元件120與讀取元件110電性連接。詳細來說，讀取元件110為一主動元件，且主動元件包括閘極G、通道CH、源極S以及汲極D。閘極G位於基板(於此省略繪示)上，且閘極G為金屬材料或導電材料，但不限於此。於閘極G上可形成閘絕緣層GI。閘絕緣層GI的材 質可選自無機材料、有機材料、聚合物、聚亞醯胺或其它合適的材料。
通道層CH形成於閘絕緣層GI上，且通道層CH上方形成有源極S以及汲極D，其中汲極D與感光元件120電性連接。詳細來說，在本實施例中，汲極D可以延伸至感光元件120的下方並做為感光元件120的下電極。運作時，感光元件120用以接收光線，並透過讀取元件110對應輸出感測訊號。另外，介電層IN1覆蓋讀取元件110且介電層IN2覆蓋感光元件120。
在其它變化實施例中，例如圖1B的第一變化實施例所示，指紋感測裝置之感測單元100’的感光元件120可包括與汲極D電性連接的下電極121、上電極122，並可採用感光富矽介電層123於上電極122以及下電極121之間，以提供良好的光電特性，但本發明不以此為限，且可運用其他習知的感光元件120。圖1B的變化實施例與圖1A的實施例類似，差異僅在於感光元件120之說明，因此，相同元件以相同標號表示，且不再重複贅述。
另外，如圖1C的第二變化實施例所示，指紋感測裝置之感測單元100”更可包含一遮光層SL。遮光層SL設置於讀取元件110上方，使讀取元件110不會受到外界環境光干擾，特別是當讀取元件110的通道層CH材料為感光材料時，可避免其影響讀取訊號。在一實施例中，可以在製作發光元件130時，將CA1金屬層延伸至讀取元件110上方並做為遮光層SL，以覆蓋讀取元件110。圖1C的實施例與圖1B的實施例類似，差異在於讀取元件110上 方的遮光層SL的說明，因此，相同元件以相同標號表示，且不再重複贅述。
在上述的實施例中，發光元件130與感光元件120對應設置，且發光元件130包括第一陽極AN1、第一陰極CA1以及位於第一陽極AN1以及第一陰極CA1之間的發光層EL。發光元件130位於感光元件120的上方，且發光元件130與感光元件120為上下堆疊結構。詳細來說，發光元件130的垂直投影與感光元件120的垂直投影至少部分重疊。於本實施例中，發光元件130的發光層EL位於第一陽極AN1的上方，且第一陰極CA1位於發光層EL的上方。第一陽極AN1是位於發光元件130中靠近感光元件120的一側，且第一陽極AN1的材料為透明導電材料，且例如為氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)，但不限於此。第一陰極CA1是位於發光元件130的最上方，做為各感測單元100之獨立金屬層，且可用以遮斷太陽光。也就是說，本實施例各感測單元100之間的第一陰極CA1不互相接觸，且各自為浮動電極。
參考圖1D，發光元件130更包括電子注入層EIL位於第一陰極CA1與發光層EL之間以及電子傳輸層ETL位於電子注入層EIL與發光層EL之間。另外，發光元件130更包括電洞注入層HIL位於第一陽極AN1與發光層EL之間以及電洞傳輸層HTL，位於電洞注入層HIL與發光層EL之間。接著，請繼續參考圖1A，二極體140包括第二陽極AN2以及第二陰極CA2以及位於第二陽極AN2以及第二陰極CA2之間的半導體層SM。二極體140的 半導體層SM位於第二陰極CA2的上方，且第二陽極AN2位於半導體層SM的上方。更詳細來說，第二陽極AN2與發光元件130之第一陰極CA1電性連接，且第二陰極CA2與發光元件130之第一陽極AN1電性連接。在本實施例中，第一陰極CA1與第二陽極AN2為同一膜層，且第一陽極AN1與第二陰極CA2為同一膜層。換句話說，第二陰極CA2的材料與第一陽極AN1同樣為透明導電材料，且例如為氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)，但不限於此。另外，第二陽極AN2是位於二極體140的最上方，且做為各感測單元100之獨立金屬層，且可用以遮斷太陽光。也就是說，本實施例各感測單元100之間的第二陽極AN2不互相接觸，且各自為浮動電極。
於本實施例中，半導體層SM並未特別限制，且可例如包括下文所列舉的四種類型結構。第一種結構為PIN二極體，其包括P-型材料層、N-型材料層以及本徵材料層。P-型材料層與第二陽極AN2電性連接，N-型材料層與第二陰極CA2電性連接，而本徵材料層位於P-型材料層與N-型材料層之間。第二種結構為PN二極體，其包括P-型材料層以及N-型材料層。P-型材料層與第二陽極AN2電性連接且N-型材料層與第二陰極CA2電性連接。第三種結構為N-i型二極體，其包括N-型材料層以及本徵材料層。N-型材料層與第二陰極CA2電性連接且本徵材料層與第二陽極AN2電性連接。第四種結構為P-i型二極體，其包括P-型材料層以及本徵材料層。P-型材料層與第二陽極AN2電性連接且本徵材 料層與第二陰極CA2電性連接。據此，可依據需求而設置適合的結構來做為半導體層SM。
參考圖1A、圖1B、圖1C，封裝層150用以覆蓋讀取元件110、感光元件120、發光元件130以及二極體140，其中，封裝層150可為透光材料或不透光材料。在圖1A至圖1D的實施例中，發光元件130與二極體140不重疊設置。更詳細來說，發光元件130與二極體140為並聯結構。圖2為本發明一實施例指紋感測裝置的等效電路圖。參考圖2，本實施例之發光元件130與二極體140為並聯結構，且包括交流驅動電源AC。此外，本實施例是利用交流驅動電源AC驅動等效電容，並將電容與兩顆極性相反且為並聯關係的二極體形成電流迴路。於本實施例中，發光元件130為有機發光二極體(OLED)，而二極體140為蕭基接觸二極體(Schottky contact Diode)，但不特別以此為限。
接下來，將對本發明實施例一指紋感測裝置的發光機制進行說明。圖3A及圖3B為本發明一實施例指紋感測裝置的發光機制示意圖。圖3A及圖3B中的元件是對應於圖1A至圖1D的感測單元100、100’、100”，因此，相同元件以相同標號表示，且不予贅述。參考圖3A，本實施例的指紋感測裝置包括交流驅動電源AC，其中，交流驅動電源AC的一端點與發光元件130的第一陽極AN1電性連接，而交流驅動電源AC的另一端點與手指接觸。當手指按壓指紋感測裝置的封裝層150時，則指紋感測裝置可如圖3B所示，形成電容以驅動發光元件130發光。詳細來說，由於 本實施例設置有發光元件130以及二極體140，且兩者為兩顆極性相反的二極體所形成電流迴路，因此，當手指接觸封裝層150時，則電容可在交流電狀況下而視同導通。若僅使用單一顆二極體，則無法有效地利用交流電將其導通，以使發光元件130發光。
據此，參考上述實施例可得知，由於本實施例的指紋感測裝置不包括背光源，而是利用發光元件130做為正面光源進行發光，且發光元件130之上電極(第一陰極CA1)可用以遮斷太陽光，因此，可完全阻隔外界光源干擾，改善在太陽光下指紋感測裝置無法讀取等狀況。更特別地是，由於本發明之有發光元件130以及二極體140為相反極性且為並聯結構，且可利用交流電導通，因此，可使得電流能夠藉由指紋波峰處穿透封裝層150，而形成由指紋紋路控制發光元件130的發光機制。
圖4A為本發明另一實施例指紋感測裝置之感測單元的剖面示意圖。圖4B為圖4A實施例中發光元件的剖面示意圖。請同時參考圖4A及圖4B。圖4A及圖4B的感測單元200與圖1A的感測單元100類似，因此，相同元件以相同標號表示，且不予贅述。圖4A及圖4B的實施例與圖1A的實施例差異在於其發光元件230以及二極體240中的陰極、陽極之設置位置相反。
詳細來說，參考圖4A、圖4B發光元件230的發光層EL位於第一陰極CA1的上方，且第一陽極AN1位於發光層EL的上方。換言之，於本實施例中，第一陰極CA1是位於發光元件230中靠近感光元件120的一側，且第一陰極CA1的材料為透明導電 材料，且例如為氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)，但不限於此。第一陽極AN1是位於發光元件230的最上方，且做為各感測單元200之獨立金屬層，且可用以遮斷太陽光。也就是說，本實施例各感測單元200之間的第一陽極AN1不互相接觸，且各自為浮動電極。另外，參考圖4B，此發光元件230與圖1D的發光元件130僅為上下顛倒之結構，因此不在多做說明，且可參考上述進行定義。
於本實施例中，二極體240的半導體層SM位於第二陽極AN2的上方，且第二陰極CA2位於半導體層SM的上方。更詳細來說，第二陽極AN2與發光元件230之第一陰極CA1電性連接，且第二陰極CA2與發光元件230之第一陽極AN1電性連接。在本實施例中，第一陰極CA1與第二陽極AN2為同一膜層，且第一陽極AN1與第二陰極CA2為同一膜層。換句話說，第二陽極AN2的材料與，第一陰極CA1同樣為透明導電材料，且例如為氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)，但不限於此。另外，第二陰極CA2是位於二極體240的最上方，且做為各感測單元200之獨立金屬層，且可用以遮斷太陽光。也就是說，本實施例各感測單元200之間的第二陽極AN2不互相接觸，且各自為浮動電極。
另外，圖4A及圖4B的實施例的電流迴路及發光機制可參考上述圖2、圖3A及圖3B進行定義。差異僅在於圖4A及圖4B的第一陽極AN1、第一陰極CA1、第二陽極AN2以及第二陰極CA2的位置與前述實施例完全相反。相同地，於本實施例中， 由於本實施例的指紋感測裝置不包括背光源，而是利用發光元件230做為正面光源進行發光，且發光元件230之上電極(第一陽極AN1)可用以遮斷太陽光，因此，可完全阻隔外界光源干擾，改善在太陽光下指紋感測裝置無法讀取等狀況。更特別地是，由於本發明之有發光元件230以及二極體240為相反極性且為並聯結構，且可利用交流電導通，因此，可使得電流能夠藉由指紋波峰處穿透封裝層150，而形成由指紋紋路控制發光元件230的發光機制。
綜上所述，本發明利用發光元件之上電極(第一陰極或第一陽極)遮斷太陽光，且運用發光元件當正面光源，因此，可完全阻隔外界光源干擾，改善在太陽光下指紋感測裝置無法讀取等狀況。另外，本發明之發光元件以及二極體為相反極性且為並聯結構，且可利用交流電導通，因此，可使得電流能夠藉由指紋波峰處穿透封裝層，而形成由指紋紋路控制發光元件的發光機制。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧感測單元
110‧‧‧讀取元件
120‧‧‧感光元件
130‧‧‧發光元件
140‧‧‧二極體
150‧‧‧封裝層
AN1‧‧‧第一陽極
AN2‧‧‧第二陽極
CA1‧‧‧第一陰極
CA2‧‧‧第二陰極
CH‧‧‧通道
D‧‧‧汲極
EL‧‧‧發光層
G‧‧‧閘極
GI‧‧‧閘絕緣層
IN1、IN2‧‧‧介電層
S‧‧‧源極
SM‧‧‧半導體層

Claims (15)

  1. 一種指紋感測裝置，包括多個感測單元，其中，各該感測單元包括：一讀取元件；一感光元件，與該讀取元件電性連接；一發光元件，與該感光元件對應設置，且該發光元件包括一第一陽極、一第一陰極以及位於該第一陽極以及該第一陰極之間的一發光層；一二極體，該二極體包括一第二陽極、一第二陰極以及位於該第二陽極以及該第二陰極之間的一半導體層，其中該第二陽極與該發光元件之該第一陰極電性連接，該第二陰極與該發光元件之該第一陽極電性連接；以及一交流驅動電源，該交流驅動電源的一端點與該發光元件的該第一陽極電性連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該發光元件與該二極體為並聯結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該發光元件與該二極體不重疊設置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該第一陰極與該第二陽極為同一膜層，且該第一陽極與該第二陰極為同一膜層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該發光元件位於該感光元件的上方，且該發光元件與該感光元件為上下堆疊結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中：該發光元件的該發光層位於該第一陽極的上方，且該第一陰極位於該發光層的上方；以及該二極體的該半導體層位於該第二陰極的上方，且該第二陽極位於該半導體層的上方。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中：該發光元件的該發光層位於該第一陰極的上方，且該第一陽極位於該發光層的上方；以及該二極體的該半導體層位於該第二陽極的上方，且該第二陰極位於該半導體層的上方。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該發光元件更包括：一電子注入層，位於該第一陰極與該發光層之間；一電子傳輸層，位於該電子注入層與該發光層之間；一電洞注入層，位於該第一陽極與該發光層之間；以及一電洞傳輸層，位於該電洞注入層與該發光層之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該二極體的該半導體層包括：一P-型材料層，與該第二陽極電性連接； 一N-型材料層，與該第二陰極電性連接；以及一本徵材料層，位於該P-型材料層與該N-型材料層之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該二極體的該半導體層包括：一P-型材料層，與該第二陽極電性連接；一N-型材料層，與該第二陰極電性連接。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該二極體的該半導體層包括：一N-型材料層，與該第二陰極電性連接；一本徵材料層，與該第二陽極電性連接。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該二極體的該半導體層包括：一P-型材料層，與該第二陽極電性連接一本徵材料層，與該第二陰極電性連接。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該讀取元件為一主動元件，該主動元件包括一閘極、一通道、一源極以及一汲極，其中該汲極與該感光元件電性連接。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，更包括一封裝層，覆蓋該讀取元件、該感光元件、該發光元件、該二極體，其中，該封裝層為透光或不透光材料。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該交流驅動電源的另一端點與手指接觸。
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