具有光学感应能力的多功能指纹传感器的制作方法

文档序号:13451337
具有光学感应能力的多功能指纹传感器的制作方法

本专利文献要求于2015年6月18日提交的、申请号为No.62/181,718、名称为“多功能指纹传感器和封装”(MULTIFUNCTION FINGERPRINT SENSOR AND PACKAGING)的美国临时专利申请的优先权,其全部内容通过引用结合在本专利文献中。

技术领域

本专利文献总体上涉及用于安全地访问包括移动和可穿戴装置的电子装置的指纹识别。



背景技术:

包括便携式或移动计算装置(例如,膝上型电脑、平板电脑、智能手机和游戏系统)的电子装置可以采用用户认证机制,以保护个人数据,并防止非授权访问。电子装置上的用户认证可以通过一种或多种形式的生物度量标识符执行,其可以单独使用或除常规密码认证方法之外使用。生物度量标识符的流行形式是人的指纹模式。指纹传感器可以内置于电子装置中以读取用户的指纹模式,使得该装置只能由其授权用户通过该授权用户的指纹模式的认证而被解锁。



技术实现要素:

本专利文献中描述的实现示例提供了指纹传感器设计,该指纹传感器使用用于感应指纹的光学传感器或者使用光学传感器和另一类型的指纹传感器(例如,电容传感器)的结合,以感应指纹。该描述的指纹传感器设计可以用于各种装置、系统或应用中,并且可以被配置为尤其适用于移动应用和各种可穿戴或便携式装置。

一方面,提供了一种具有触摸感应和指纹感应能力的电子装置,包括触摸屏,用于提供触摸感应操作;顶部透明层,形成在触摸屏上方,作为用于用户触摸以进行触摸感应操作的界面;以及光学传感器模块,位于触摸屏下方,用于接收从顶部透明层返回并且通过触摸屏的光。该光学传感器模块包括能够接收至少一部分返回的光的光电探测器的光学检测器阵列以检测指纹。在一实现方式中,该光学传感器模块包括光学准直器阵列,该光学准直器阵列位于触摸屏和光学检测器阵列之间,通过该光学准直器将接收到的部分返回的光对准至光电探测器。在另一实现方式中,该触摸屏包括指纹感应区,该指纹感应区用于用户触摸进行指纹感应,以生成由用于检测指纹的光学检测器阵列接收的返回的光;第一光感应区和第二光感应区;以及光学模块包括:(1)第一附加光学检测器,位于该光学检测器阵列的第一侧,用于接收来自第一光感应区的部分返回的光;以及(2)第二附加光学检测器,位于该光学检测器阵列的另一侧,用于接收来自第二光感应区的部分返回的光。该第一和第二附加光学检测器产生检测器信号,该检测器信号指示该返回的光是否是从活人的手指反射的。在又一实现方式中,触摸屏包括显示像素,该显示像素用于产生光,该光用于显示图像以及照亮与顶部透明层接触的用户的手指以产生返回的光;该触摸屏包括指纹感应区,该指纹感应区用于用户触摸进行指纹感应,以接收从生成照明光的一个或多个显示像素处到该指纹感应区的照明光,使得该照明光在顶部透明层的顶面经受全光反射,以将全反射光对准至用于检测指纹的光学检测器阵列。

另一方面,指纹传感器装置包括具有集成触摸传感器模块的触摸面板。该集成触摸传感器模块包括感应电路,该感应电路用于生成响应于检测的与指纹相关的接触输入的传感器信号。该感应电路包括指纹传感器和生物度量传感器,该指纹传感器用于检测接触输入,并且生成指示指纹的图像的信号;该生物度量传感器用于生成指示不同于指纹的生物度量标识的信号。生成的传感器信号包括指示指纹的图像的信号和指示不同于指纹的生物度量标识的信号。该感应电路包括通信地耦合到感应电路的处理电路,该处理电路用于处理生成的传感器信号,以确定与指纹相关的该接触输入是否属于活体指纹。在这些实现方式中,该感应电路的指纹传感器或生物度量传感器包括光学传感器。

另一方面,提供了一种电子装置,包括:中央处理器;触摸面板,该触摸面板与该中央处理器通信;以及指纹传感器装置,该指纹传感器装置被集成到触摸面板,并且与该中央处理器通信。该指纹传感器装置包括:感应电路,用于生成传感器信号,该传感器信号响应于检测的与指纹相关的接触输入。该感应电路包括指纹传感器和生物度量传感器,该指纹传感器用于检测接触输入,并且生成指示指纹的图像的信号;该生物度量传感器用于生成指示不同于指纹的生物度量标识的识别的信号。生成的传感器信号包括指示指纹的图像的信号和指示不同于指纹的生物度量标识的信号。处理电路通信地耦合到感应电路,用于处理该生成的传感器信号,以确定与指纹相关的接触输入是否属于活体指纹。在这些实现方式中,该感应电路的指纹传感器或生物度量传感器包括光学传感器。

另一方面,提供了一种在指纹扫描期间检测活体手指的方法,该方法包括:指纹传感器检测与指纹来源相关的接触输入;指纹传感器生成响应于检测到的接触输入的图像信号,其中该指纹传感器生成的图像信号指示指纹的一个或多个图像;生物度量传感器生成指示不同于指纹的生物度量标识的生物度量标识检测信号;以及处理电路处理该生成的图像信号和该生物度量标识检测信号,以确定检测到的接触和相关的一个或多个指纹图像是否来自活体手指。在这些实现方式中,该感应电路的指纹传感器或生物度量传感器包括光学传感器。

又一方面,提供了一种指纹扫描的方法,该方法包括:启动传感器检测,以激活包括光源和光学检测器的传感器模块;控制光源调制由该光源发射的光束,以承载包括振幅、相移、频率变化或组合的调制信号信息;获取响应于发射的调制后的光束的光信号;解调获取的光信号;以及处理解调后的信号,以生成指纹图像,并且获得不同于指纹的生物度量标识。

上述及其它方面、其实现方式以及应用将更加详细地在附图、说明书和权利要求书中进行描述。

附图说明

图1示出了移动装置中的可见光学指纹传感器封装的示例,包括图1A、1B和1C,其示出了与可见光学指纹传感器封装有关的特征的三种不同视图。

图2A和2B是可见封装中安装于移动装置(如图1中的移动装置)的示例性的指纹感应模块的框图。

图3是可见封装中用于心跳感应的示例性的指纹感应模块的框图。

图4是可见封装中用于血流速度感应的示例性的指纹感应模块的框图。

图5是示出了来自血流速度感应的示例性的信号的曲线图。

图6是示出了移动装置中的不可见光学指纹传感器封装的示例的框图,包括图6A、6B和6C,其示出了与不可见光学指纹传感器封装有关的特征的三种不同视图。

图7A和7B是不可见封装中安装在移动装置(如图6中的移动装置)的示例性的指纹感应模块的框图。

图8是不可见封装中用于心跳感应的示例性的指纹感应模块的框图。

图9是不可见封装中用于血流速度感应的示例性的指纹感应模块的框图。

图10A和10B是实现全反射指纹感应技术的示例性的指纹传感器模块的截面图和俯视图。

图11A和11B是实现全反射指纹检测扫描的示例性的指纹传感器模块的截面图和俯视图。

图12A、12B和12C表示安装于移动装置,并且实现全反射指纹检测扫描的示例性的指纹传感器模块。

图13是表示全反射指纹检测扫描的结果的图像。

图14A、14B和14C表示安装于移动装置,并且实现全反射指纹检测的另一示例性的指纹传感器模块。

图15A和15B表示安装于移动装置,并且实现全反射指纹感应的另一示例性的指纹传感器模块。

图16是示出了用于指纹检测的示例性的过程1600的流程图。

图17、18A和18B是示出了全反射触摸感应-折射率匹配技术的示例的图。

图19A、19B和19C是示出了全反射触摸感应-折射率匹配技术的示例的图。

图20A是实现具有有源传感器像素和放大器的自电容感应的示例性的指纹传感器装置的框图。

图20B示出了示例性的传感器像素。

图20C示出了传感器像素的等效电路。

图21A示出了除了用于每个传感器像素捕获指纹信息的光学传感器之外,还包含电容传感器的指纹传感器装置的示例。

图21B示出了在传感器像素阵列中的空间重叠配置中的每个混合传感器像素中结构地集成光学传感器和电容传感器的指纹传感器装置的另一示例,以减少每个混合感应像素的覆盖区。

图22是在每个混合感应像素中包含光学传感器和电容传感器的示例性的混合指纹传感器装置的俯视图。

图23A示出了具有用于指纹的电容感应和光学感应功能的示例性的混合指纹感应元件或像素的电路图。

图23B示出了用于另一示例性的混合指纹感应元件或像素的电路图。

图23C示出了用于执行来自光电探测器和电容传感器板的传感器信号的并行检测的示例性的混合指纹感应元件或像素的电路图。

图24A、24B、24C和24D示出了由包含光学和电容传感器的混合指纹传感器执行的指纹感应的示例性的过程的流程图。

图25A和25B示出了用于移动装置、平板电脑或其它装置的这种设计的示例,其中光学传感器模块作为单独的结构,在显示屏组件的外部。

具体实施方式

指纹感应是使用、提供或要求安全访问的移动应用和其它应用中有用的使用认证工具。例如,指纹感应可以用于为移动装置、电子装置或系统提供安全访问,或者为一个或多个系统或数据库提供电子门户,并且可以用于保护包括在线购买和其它数字信息的金融交易。这就需要包括适于移动装置或可穿戴装置的鲁棒且可靠的指纹传感器特征,同时为具有薄结构的这种指纹传感器提供小的覆盖区,以适应移动或便携式装置和其它紧凑装置中非常有限的空间。在一些应用中,还需要包括保护盖,以保护这种指纹传感器免受各种污染物,并且提供用于触摸感应和某些用户操作的用户界面。

本专利文献公开的技术可以用于单独地或组合地实现包括电容指纹传感器和光学指纹传感器等不同类型的指纹传感器。在电容指纹传感器中,感应是基于测量由于电容耦合和电容耦合强度的变化而引起的感应电极和手指表面之间的电容,电容耦合强度的变化是由于包括指纹脊和谷的位置和形状的指纹图案的表面拓扑。保护盖可以放置在电容传感器像素上,以保护该电容指纹传感器。随着该保护盖变厚,由每个电容传感器像素感应到的电场迅速地分散在空间中,并且在每个传感器像素处接收到的传感器信号强度也随着保护盖的厚度的增加而显著降低。此外,增加保护盖厚度可能导致传感器的空间分辨率急剧下降,这不是所期望的。在一些装置中,当保护盖的厚度超过一定阈值(例如,300μm)时,这种电容传感器可能难以在感应指纹图案中提供理想的高空间分辨率,以及以可接受的保真度可靠地解决感应到的指纹图案。

作为本专利文献公开的技术的一部分,指纹传感器也可以用于光学捕获指纹。用于光学指纹感应的光学指纹模块的厚度易导致光学指纹传感器对于某些应用或在某些技术或工程限制下太厚,并且由于技术和工程的限制或要求,光学指纹传感器的厚度使其难以集成到移动电话装置或紧凑装置中。

一方面,公开的技术提供了用于集成到移动或紧凑装置中的超薄光学指纹传感器的指纹传感器设计。另一方面,公开的技术提供了混合指纹传感器,该混合指纹传感器在像素化的传感器阵列的每个感应像素中包括光学和电容传感器。光学传感器可以在合适的位置被封装成光电二极管阵列,包括显示器下面的检测器位置(例如,显示器的边缘或外围区域)或显示器外部但邻近显示器的位置。窗口或部分透明的涂层可以与检测器一起使用或置于检测器中。公开的技术的实现示例可以用于介绍用于感应手指属性(包括指纹检测)的光学技术。光学指纹感应技术可以用于具有显示器结构的各种各样的装置。光学指纹感应技术可以在某些设计中被封装于分立装置中。

可见光学指纹传感器封装

可见光学指纹传感器封装可以用于将光学指纹传感器的一个或多个光电二极管阵列设置于显示屏区域外的一个或多个显示器侧面或边缘位置,使得在光学指纹传感器模块部分或全部位于显示屏区域外时,光学指纹传感器在上下文中的装置上“可见”。窗口或部分透明的涂层或盖可以用于这种视觉光学指纹传感器封装中的检测器阵列。

图1用与可见光学指纹传感器封装有关的特征的三种不同视图,示出了移动设备中的可见光学指纹传感器封装的示例。图1包括三种不同的视图:图1A(自移动装置的显示器侧的俯视图)、图1B(沿着图1A中的线B-B’的侧视图,以示出指纹传感器中的不同层)和图1C(示出了指纹传感器的光学检测器布局的示例的一些细节)。参考图1A,移动装置的示例包括具有集成检测手指属性的传感器部件的显示组件10。该显示组件10包括显示屏,该显示屏可以由LCD屏、OLED屏或其它显示屏设计来实现。显示组件10中的显示屏可以是触摸敏感屏,以在操作移动装置时提供触摸感应用户界面。参考图1B,显示组件10包括位于顶部的加强的盖板玻璃50和设置在加强的盖板玻璃50下方的显示屏的其它显示层54。如图1A所示,附图标记12指示另一传感器的位置的示例,除指纹传感器之外,两个或更多其它传感器可以放置在移动装置上。移动装置还可以包括可选的用户输入机构,例如,为智能终端准备的侧边按钮14和16。附图标记21表示指纹传感器所在的指纹传感器区域。附图标记23表示在一些指纹传感器实现方式中与指纹传感器相关的检测器阵列(图1C)。指纹传感器区域21位于显示组件10的显示屏外的选定位置,以允许指纹传感器区域21内用于捕获指纹的光学检测器能够接收来自用户的手指的反射或散射光进行指纹感应操作。如图1B中的插图所示,设置于光学检测器阵列23上方的是接收光器件24(例如,光学透镜或光学准直器),其是用于检测目标(例如,手指)反射的光的光学检测器。在光电探测器阵列23上方的接收光器件24可以具有各种配置,例如,在一些设计中可以包括的一个或多个透镜、没有透镜的光学准直器或透镜和准直器的组合。如图1B所示,具有集成电路的背板25设置在检测器阵列23的下方。在一些实现方式中,检测器阵列23可以被集成到背板25中。背板25可以设置在柔性电路板(FPC)27的上方。如图1A和1B所示的具体设计,其中用于光学指纹感应的光学检测器阵列23设置为紧挨着显示屏结构54的一端,支撑玻璃56可以设置在光学指纹传感器模块的另一侧以及盖板玻璃50的下方,以加强光学指纹传感器模块区域处的整体组件的机械强度,并且提高整体封装的结构完整性。对于使用具有高强度材料或具有足够厚的玻璃的盖板玻璃50的装置而言,可以消除该支撑玻璃56。

参见图1A,指定显示区域29位于显示组件10的显示屏内,靠近指纹传感器区域21,用于指纹检测,用户将用户手指放置在指定显示区域29,基于下方的指纹传感器的光学指纹感应,进行指纹检测。用于指纹检测的指定显示区域29是显示屏的一部分,因此用于显示图像和接收来自用户手指的指纹图案。作为显示屏的一部分且用于指纹检测的指定显示区域29位于显示组件10的显示屏外的指纹传感器区域21附近,使得来自手指按压显示区域29而被照明的部分的反射或散射的光可以进入指纹传感器区域21,到达光学检测器阵列23,以进行光感应操作。如图1B所示,光路窗口31设置在接收光器件的上方,并且靠近装置显示器内的用于指纹检测的指定显示区域29。检测器阵列23包括布置在不同检测器区域中的多个检测器元件,该不同检测器区域包括位于检测器阵列23的中心区域中的用于指纹和指纹属性检测的指纹检测器区域33和用于其它光学感应功能的一个或多个附加检测器区域41和43,如图1C所示,该附加检测器区域41和43可以是用于环境和血流速度检测的环境和血流检测器区域41和43。此外,附图标记37和39表示可以放置在加强的盖板玻璃50上方的附加指定区域,用于在一些实现方式中进行其它光学感应操作,例如,血流速度检测。在一些实现方式中,附加感应区域37和39中的每个附加感应区域都可以包括显示屏结构54中的一块显示像素,从而为附加光学感应产生理想的照明,例如,发射红光或理想的光谱范围的光,以照亮用户手指,来感应血流速度或血糖水平。该设计表示了一个示例:发光触摸屏(例如,OLED触摸屏)包括指纹感应区域29,该指纹感应区域29用于用户触摸进行指纹感应,以产生由用于检测指纹的光学检测器阵列接收到的返回的光;以及在区域29的两个相对的侧面上的第一光感应区37和第二光感应区39,以提供指纹感应之外的附加光学感应。

如图1B所示,这种特定的光学指纹传感器设计不同于一些其它指纹传感器设计,其使用独立于显示屏幕的指纹传感器结构,并且在移动装置表面上,显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(例如,在一些手机设计中的顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在图1B所示的设计中,指纹传感器区域21和用于检测指纹感应和其它光学信号的相关的光学检测器传感器模块23位于顶盖板玻璃或层50的下方,使得盖板玻璃或层50的顶面用作移动装置的顶面,作为横跨显示组件10的显示屏(包含靠近显示屏边缘用于指纹检测的指定显示区域29)、指纹传感器区域21和相关的光学检测器传感器模块23的连续且均匀的玻璃表面。这种将光学指纹感应和触摸敏感显示屏集成于通用且均匀的表面下的设计提供了包括改进装置集成、增强装置封装、增强装置对故障、磨损和撕裂的抵抗力以及增强用户体验等好处。该特征也存在于本文献公开的技术的其它实现方式中。然而,在指纹的光学感应和其它感应操作的一些实现方式中,光学传感器模块可以被封装在分立的装置配置中,其中光学传感器模块是具有结构边界或与显示屏分界的不同结构(例如,基于所有光学感应或者具有电容感应和光学感应的混合感应,在一些手机设计中的顶玻璃盖的开口中的按钮状指纹传感器结构)。

指纹传感器的可见封装可以用于具有显示器或类似光源的任何装置中。图1中的光学感应是基于对用户手指的照明。可以使用不同的照明机制。例如,在一些实现方式中,显示屏的显示元件位于图1A中的显示屏内的用于光学感应的几个区域29、37和39内,可以用于照亮用户的手指。来自显示屏的这些显示元件的光用于在显示屏上形成部分显示图像,作为移动装置操作的一部分,并且光在通过屏幕的顶层之后将照亮用户的手指形成自被照亮的手指的反射或散射的光,以允许检测器阵列23和其它检测器41、43、37和39进行光学感应。用于实现公开的光学传感器技术的合适的显示屏可以基于各种显示技术或配置,包括具有发光显示像素而无需使用背光的显示屏,其中每个像素产生用于在屏幕上形成显示图像的光,例如,有机发光二极管(OLED)显示屏或电致发光显示屏。公开的光学传感器技术还可以适用于其它显示屏,例如,使用一个或多个照明光源(例如,LED)以产生在背光或边缘照明配置中的照明光的LCD显示屏,以点亮LCD显示器像素,该LCD显示像素过滤和调制每个LCD像素处的照明光以显示图像。

当显示照明光用于照亮用户的手指,对用户的指纹或其它生物度量参数进行光学感应时,来自显示器的光可以直接由显示像素(例如,OLED显示像素)发射或可以被显示像素(例如,基于背光或边缘光设计的LED显示像素)光学地过滤,该光包含不同的颜色,例如红色(575nm-660nm)、绿色(490nm-575nm)和蓝色(410nm-490nm)的光。对于指纹以外的光学感应,例如,血流速度或心跳速率,可以在某些光波长处选择用于照亮用户手指的光的光波长,例如,在用于感应用户的血液的红色光谱中获得心率、血氧含量以及血糖含量等。在OLED显示屏中,每个彩色显示像素包括至少三种不同颜色的OLED像素,并且来自红色OLED像素的红色的光可以用于测量用户的血液信息。

几个集成的检测器阵列23、33、41和43(例如,光电二极管)可以用于检测从手指组织散射的光,并且检测环境中的光。检测器阵列23、33、41和43可以被放置并封装于靠近指定显示区域29、37和39的位置,以增强光检测效率。根据应用和特定的装置设计,图1所示的指定显示区域的位置可以根据如图1A所示的示例性的位置进行修改,并且可以被放置于显示组件10上的其它合适位置。

在各种实现方式中,一个或多个其它光源可以用于产生照亮用户手指的光,以对用户的指纹或其它生物度量参数进行光学感应。用于光学感应的这种光不同于由显示像素(例如,OLED显示像素)发射或从照明光源对准至显示像素(例如,基于背光或边缘光设计的LED显示像素)的显示照明光。用于光学感应的一个或多个光源可以被集成到图1中的显示器或移动装置中,为用户的手指进行光学感应提供特殊照明。用于光学感应的这种光源的光波长可以选择满足光学感应要求的。例如,一个或多个红色光源可以用于将红色的光照亮到用户的手指上,对用户的血液信息进行光学感应。这些其它光源的照明光可以被调制以改善光学感应检测。例如,可以以适当的模式调制显示器光源,以便在检测期间抑制背景光。传感器模块可以检测指纹、心跳和血流速度等。如果指定波长的光源被集成到显示器中,传感器模块可以监测其它生物参数,如血糖和血氧饱和度。

图2A和2B是可见指纹传感器封装中安装于移动装置(例如,图1中的移动装置)的指纹感应模块的示例的框图。图2A是可见封装中的指纹感应模块的俯视图。图2B是沿着与显示屏表面平行的方向的侧视图,其示出了基于检测的由光学检测器阵列23返回的光的示例性的指纹感应操作。如图2A所示,具有集成手指属性传感器的显示组件10包括用于指纹检测的指定显示区域29。附图标记62表示传感器上的手指按压。类似于图1,靠近指定显示区域29的检测器阵列23包括多个检测器元件,包括在指纹检测器区域33中,用于响应手指62按压传感器进行的指纹感应和指纹属性检测的检测器元件。检测器阵列23还包括用于环境和血流速度检测的环境和血流区域41和43中的检测器元件。检测器阵列23的检测器元件的示例包括例如光电二极管的光学装置。

如图2B所示,具有集成手指属性传感器部件的显示组件10包括盖板玻璃50和其它显示层54。显示组件10内的显示屏的显示元件71和73可以设置在显示层54中,并且被操作为发射调制的光以在显示器上显示图像。除了用于显示图像的功能之外,来自显示元件71和73的光在指定显示区域29中离开显示屏的顶面以用于在显示屏边缘附近进行指纹检测,该光也用于照亮按压在区域29中的用户的手指,以产生从手指朝向光学检测器阵列23的反射或散射的光,进行指纹发送和其它光学感应操作。显示元件71和73的示例包括各种类型的发光装置,例如,发光二极管(LED)和有机LED(OLED)。此外,检测器阵列23设置在盖板玻璃50的下方。从显示元件71和73发射的光束80和82与盖板玻璃50相接,其中的一些光束通过顶部玻璃10并且与手指60的不同部分相接。例如,从显示元件71发射的光束80中的至少一些光可以通过盖板玻璃50,并且与手指皮肤脊61相接。与手指皮肤脊61相接的光束80中的一部分光被耦合或吸收到手指组织60中的光83。光束80的另一部分光是自盖板玻璃50反射出的反射光81。

从显示元件73发射的光束82的一部分光通过盖板玻璃50,并且与手指皮肤谷63相接。与手指皮肤谷63相接的光束82的一部分光被示出为被耦合或吸收到手指组织60中的光89。光束82的另一部分光被示出为自盖板玻璃50反射出的反射光85。光束82的又一部分光被示出为自手指皮肤谷63反射出的手指皮肤反射光87。光束82的再一部分光最终成为散射到检测器阵列23(例如,光电二极管)中的散射光91。

指定区域29中的显示元件71和73以及区域33中的检测器元件用于测量指纹。区域41或43、或者41和43中的检测器元件用于监测环境光照。指定区域29中的显示元件形成为适合于指纹、环境和血流检测的一种或多种模式。例如,区域29中的显示元件可以分成小组,每组具有适当数量的检测器元件。可以依次打开检测器元件的小组,以照亮放置在传感器区域上或靠近传感器区域的手指。检测器阵列23中的检测器元件检测从手指散射的散射光91。区域33中的检测器阵列23元件的检测器信号携带指纹信息。来自区域41、43或41和43中的检测器元件的检测器信号用于校准来自区域33的指纹信号,以便消除环境光的影响,包括来自其它显示区域的影响。

如图2A和2B所示,响应于放置在显示屏上和光电二极管区域的手指,显示元件或光源71和73可以向手指发光,以执行指纹和指纹属性检测。手指皮肤的等效折射率在633nm处约为1.43。典型的裸露盖板玻璃折射率约为1.51。当显示元件71中的部分元件在手指皮肤脊位置61处被点亮时,手指脊-盖板玻璃接触面的反射光81消耗入射光80的极小功率(~0.1%)。光束80的大部分被传输83到手指组织60中。光束80的一部分被散射91到光电二极管阵列23中。

当显示元件73中的部分元件在手指皮肤谷位置63被点亮时,盖板玻璃表面反射入射光82的约3.5%作为反射光85,并且手指谷表面反射入射光的约3.3%作为反射光束87。表面反射总共损失光82的约6.8%。光82的大部分被传输89到手指组织60中。光82的一部分被散射91到光电二极管阵列23中。手指谷和手指脊之间的表面反射率差异携带指纹图谱信息。

显示元件71和73可以使用调制模式依次打开,例如,在不同位置处具有不同代码。此外,光电二极管的检测器阵列23可以与显示扫描同步。显示元件71和73的调制模式、检测器阵列23同步、或者两者一起可以用于获取信号序列。通过比较信号的幅度,可以解调该信号序列,以获取手指脊和谷的图谱。

当被点亮的显示元件和检测器(例如,光电二极管)之间的距离改变时,手指组织的光吸收也随之改变,使得光电二极管检测到的光功率受到影响。调节显示元件71和73的亮度可以校准或消除被点亮的显示元件和检测器之间的距离变化的影响。例如,距离检测器阵列更远的显示元件,比更靠近检测器阵列23的显示元件可以被照得更亮。由于显示元件发射光束的发散性,并且为了增强指纹图像对比度,例如RGB(红绿蓝)元件的显示元件可以设置为接近手指皮肤或者光束被准直。

图3是可见封装中用于心跳感应的示例性的指纹感应模块的框图。指纹感应模块包括具有集成手指属性传感器部件的显示组件10。检测器阵列23设置在显示组件附近并且能够接收由手指62与顶盖表面的接触造成的反射或散射的光。用于指纹检测的指定显示区域29被指定于显示屏内靠近检测器阵列23的显示组件10上。响应于触摸,打开显示区域29中的显示像素,向显示器的顶盖表面投射光,以照亮显示区域29内的顶盖表面区域,从而照亮用户的手指62。来自与显示区域29中的顶盖表面接触的用户手指62的反射或散射光的一部分光可以到达附近的检测器阵列23。检测器阵列23包括指纹检测器区域33中用于指纹和指纹属性检测的检测器元件。区域41和43中的检测器元件用于环境和血液流速检测。

为了检测心跳信号,同时打开更多的显示元件,以便为心跳信号的光学感应产生足够的入射光功率。手指组织的光吸收率随着由心跳控制的血流而变化。光吸收波动信号反映心跳速率。在公开的技术中,可以选择由显示元件发射的光的光波长优化检测。此外,可以以频率调制光照,以便进一步减小环境的影响。例如,可以以非常高的帧速率操作指定显示区域,以便实现调制。在一些实现方式中,可以调制显示器的光源。在一些实现方式中,额外的被调制的光源可以集成到显示组件10中。与指纹获取同时进行的心跳感应可以通过区分假指纹和来自活体手指的指纹,大幅度地提高移动装置的安全访问。

图4示出了可见封装中用于血流速度感应的示例性的指纹感应模块。指纹感应模块包括具有集成手指属性传感器部件的显示组件10。检测器阵列23设置在显示组件附近并且能够接收待监测的手指101。检测器阵列23包括指纹检测器区域33中用于指纹和指纹属性检测的检测器元件。区域41和43中的检测器元件用于环境和血液流速检测。显示组件10还包括显示屏区域内用于血液流速检测的指定区域37和39。

在图4中,指纹传感器组件被构造成在传感器区域101上接收手指,其中一侧与区域37和39中的显示元件重叠,并且另一侧与区域41和43中的检测器(例如,光电二极管)重叠。区域37中的显示元件和区域41中的检测器协同测量手指的一个位置处的脉动信号。区域39中的显示元件和区域43中的检测器协同测量手指的另一位置处的脉动信号。脉动信号在动脉中产生。在图4中,手指可以沿着如图所示的两个区域37和39的方向放置。在左区域37和右区域39处检测动脉中流动的血液,代表血液从左区域37流动到右区域39。当血液从右区域39回流到左区域37时,血液在静脉中流动,此时没有明显的脉动信号。通过比较两个位置37和39之间的脉动延迟时间,可以获取血流速度信息。由于血压与血流速度相关,因此图4所示的传感器也可以监测血压。

在一些实现方式中,可以调制由显示元件发射的照明光,以减少或消除背景噪声。例如,可以以预定频率调制发射光,以便进一步减少环境条件的影响。频率调制发射光可以包括以非常高的帧速率在指定显示区域中操作显示元件,以实现理想的调制。此外,可以调制显示光源。在一些实现方式中,指定的被调制的光源可以集成到显示组件10中。

图5是示出了在图4中执行的来自血流速度感应的示例性的信号的曲线图。图5示出了在由图4中的传感器模块测量的信号中沿着手指的两个位置(例如,位置1和位置2)之间存在时间延迟。在手指的主要动脉中,人类典型的血流速度约为每秒20cm。如果两个位置之间的距离约为20mm,时间延迟约为100ms。该时间延迟可以通过使用图4中公开的指纹传感器模块和本文献中的其它设计来检测。

不可见光学指纹传感器封装

通过使用“不可见”光学指纹传感器直接封装在显示器下方,以匹配一个或多个检测器阵列(例如,包含光电二极管的阵列),可以实现上述公开的与指纹感应和其它生物度量标识感应相关的光学感应功能,使得光学指纹传感器封装在装置显示屏的下方。因为光学感应模块现位于显示屏的下方,并且从手机的顶面的平面图中看不见光学感应模块,所以该设计是“看不见的”光学指纹传感器封装。这种屏幕下方的光学指纹感应封装的实现方式可以用于消除对于指纹传感器模块的窗口打开或指定区域的需要,使得移动装置的整个顶面可以用于扩大显示屏尺寸,并且仍然提供指纹和其它生物度量标识测量的光学感应。

图6是示出了移动装置中的不可见光学指纹传感器封装的示例的框图。图6包括三种不同的视图:图6A(自移动装置的显示器侧的俯视图),图6B(沿着图6A中的线B-B’的侧视图,以示出指纹传感器中的不同层)和6C(示出了指纹传感器的光学检测器布局的示例的一些细节)。参考图1A,使用指纹传感器的不可见封装的移动装置包括具有集成手指属性传感器部件的显示组件10。附图标记12指示移动装置上的一个或多个其它传感器。移动装置还可以包括用户输入机构,例如,为智能终端准备的侧边按钮14和16。附图标记21表示指纹传感器区域,其中指纹传感器位于显示屏的下方。指定显示区域29位于显示屏内,靠近指纹传感器区域21,用于指纹检测,以接收和照亮用户的手指,因此可以被称为照明区域29。区域21可以与照明区域29重叠或部分地重叠,以接收来自与照明区域29接触的被照亮的手指的反射或散射光的一部分。如图6B所示,附图标记123表示与指纹传感器相关的光学检测器阵列。设置于光学检测器阵列123上方的是接收光器件124,其是用于检测目标(例如,手指)反射的光的光学检测器。具有集成电路的背板设置于检测器阵列下方。在一些实现方式中,检测器阵列123可以被集成到背板125中。背板125可以设置于柔性电路板(FPC)127上方。

检测器阵列123包括布置在不同检测器区域中的多个检测器元件,该不同检测器区域包括用于指纹和指纹属性检测的指纹检测器区域133和用于环境和血流速度检测的环境和血流检测器区域141和143。参考图6C,附图标记37和39表示加强的盖板玻璃50上用于血流速度检测的指定区域。显示组件10包括该加强的盖板玻璃10和设置在加强的盖板玻璃50下方的其它显示层54。在一些实现方式中,支撑玻璃56可以设置在盖板玻璃50的下方。

如图6B所示,指纹传感器区域21和用于检测指纹感应和其它光学信号的相关的光学检测器传感器模块123位于顶部盖板玻璃或层50的下方,使得该盖板玻璃或层50的顶面用作移动装置的顶面,作为横跨显示组件10的显示屏(包含靠近显示屏边缘用于指纹检测的指定显示区域29)、指纹传感器区域21和相关的光学检测器传感器模块123的连续且均匀的玻璃表面。

不可见的光学指纹传感器封装可以用于具有显示器或类似光源的任何装置中。几个区域29、37和39的显示元件用于照亮用户的手指。位于显示屏下方的几个集成检测器(例如,光电二极管)阵列123、133、141和143用于检测从手指散射的光以及环境中的光。光电二极管阵列123、133、141和143被封装于靠近指定显示区域29、37和39,并且被固定在显示组件10的下方,以便实现高的光检测效率。指定显示区域29、37和39的位置并不限于图6所示的示例,并且可以调整为放置在各种合适的位置,以执行指纹检测和其它光学感应操作。

类似图1中的设计,可以以不同的方式提供用于光学指纹感应和其它光学感应的照明光。在一些实现方式中,显示像素可以用于向手指提供照明光。在其它实现方式中,附加光源可以被集成到显示器中,以提供特别的照明。此外,可以调制附加的光源。例如,可以使用合适的模式调制显示器光源,以便在检测期间抑制背景光。

如图6所示的传感器模块可以检测指纹和附加的生物度量标识,例如,心跳和血流速度。如果某些指定波长的光源被集成到显示器中,传感器模块可以进一步监测附加的生物参数,例如,血糖和血氧饱和度。

图7A和7B是不可见封装中安装于移动装置(例如,图6中的移动装置)的示例性的指纹感应模块的框图。图7A是可见封装中的指纹感应模块的俯视图。图7B是示出了不可见光学指纹传感器封装沿着图7A中的线B-B’的截面图的框图,并且进一步示出了示例性的指纹感应操作。如图7A所示,具有集成手指属性传感器的显示组件10包括用于指纹检测的指定显示区域29。附图标记62表示传感器上的手指按压。类似于图6,设置于指定显示区域29附近的检测器阵列123包括多个检测器元件,其中包括在指纹检测器区域133中,用于响应于手指62按压传感器进行指纹和指纹属性检测的检测器元件。检测器阵列123还包括用于环境和血流速度检测的环境和血流区域141和143中的检测器元件。检测器阵列123的检测器元件的示例包括例如光电二极管的光学装置。

如图7B所示,具有集成手指属性传感器部件的显示组件10包括盖板玻璃50和其它显示层54。显示元件71和73可以设置在其它显示层54中。显示元件71和73的示例包括各种类型的发光装置,例如,发光二极管(LED)。此外,检测器阵列123设置在盖板玻璃50的下方。从显示元件71和73发射的光束80和82与盖板玻璃50相接,其中一些光束通过顶部玻璃10并且与手指60的不同部分相接。例如,从显示元件71发射的光束80中的至少一些光可以通过盖板玻璃50,并且与手指皮肤脊61相接。与手指皮肤脊61相接的光束80中的一部分光被耦合或吸收到手指组织60中的光183。光束80的另一部分光是自盖板玻璃50反射出的反射光181。

从显示元件73发射的光束82的一部分光通过盖板玻璃50,并且与手指皮肤谷63相接。与手指皮肤谷63相接的光束82的一部分光被示出为被耦合或吸收到手指组织60中的光189。光束82的另一部分光被示出为自盖板玻璃50反射出的反射光185。光束82的又一部分光被示出为自手指皮肤谷63反射出的手指皮肤反射光187。光束82的再一部分光最终成为散射到检测器阵列123(例如,光电二极管)中的散射光191。

指定区域29中的显示元件71和73以及区域133中的检测器元件用于测量指纹。区域141、143、或者141和143中的检测器元件用于监测环境光照。指定区域29中的显示元件形成为适合于指纹、环境和血流检测的一种或多种模式。例如,区域29中的显示元件可以分成小组,每组具有适当数量的检测器元件。可以依次打开检测器元件的小组,以照亮放置在传感器区域上或靠近传感器区域的手指。检测器阵列23中的检测器元件检测从手指散射的散射光91。区域133中的检测器阵列23元件的检测器信号携带指纹信息。来自区域141、143或者两者一起的检测器元件的检测器信号用于校准来自区域133的指纹信号,以便消除环境光的影响,包括来自其它显示区域的影响。

如图7A和7B所示,响应于放置在显示屏上和光电二极管区域的手指,显示元件或光源71和73可以向手指发光,以执行指纹和指纹属性检测。手指皮肤的等效折射率在633nm处约为1.43。典型的裸露盖板玻璃折射率约为1.51。当显示元件71中的部分在手指皮肤脊位置61处被点亮时,手指脊-盖板玻璃接口的反射光181消耗入射光80的极小功率(~0.1%)。光束80的大部分被传输83到手指组织60中。光80的一部分被散射191到光电二极管阵列123中。

当显示元件73中的部分在手指皮肤谷位置63处被点亮时,盖板玻璃表面反射入射光82约3.5%作为反射光185,并且手指谷表面反射入射光的约3.3%作为反射光束187。表面反射总共损失光82的约6.8%。光82的大部分被传输189到手指组织60中。光82的一部分被散射191到光电二极管阵列23中。手指谷和手指脊之间的表面反射率差异携带指纹图谱信息。

显示元件71和73可以使用调制模式依次打开,例如,在不同位置处具有不同代码。此外,光电二极管的检测器阵列123可以与显示扫描同步。显示元件71和73的调制图案、检测器阵列123同步或者两者一起可以用于获取信号序列。通过比较信号的幅度,可以解调该信号序列,以获取手指脊和谷的图谱。

当被点亮的显示元件和检测器(例如,光电二极管)之间的距离改变时,手指组织的光吸收也随之改变,使得光电二极管检测到的光功率受到影响。调节显示元件71和73的亮度可以校准或消除被点亮的显示元件和检测器之间的距离变化的影响。例如,距离检测器阵列更远的显示元件比更靠近检测器阵列123的显示元件可以被照得更亮。由于显示元件发射光束的发散性,并且为了增强指纹图像对比度,例如RGB(红绿蓝)元件的显示元件可以设置为接近手指皮肤或者光束被准直。

图8是不可见封装中用于心跳感应的示例性的指纹感应模块的框图。指纹感应模块包括具有集成手指属性传感器部件的显示组件10。检测器阵列123设置在显示组件附近并且能够接收手指62的接触。用于指纹检测的指定显示区域29设置于显示组件10上,靠近检测器阵列123。检测器阵列123包括指纹检测器区域133中的检测器元件,用于指纹和指纹属性检测。区域141和143中的检测器元件用于环境和血液流速检测。

为了检测心跳信号,同时打开更多的显示元件,以便产生足够的入射光功率。手指组织的光吸收率随着由心跳控制的血流而变化。光吸收波动信号反映心跳速率。在公开的技术中,可以选择由显示元件发射的光的光波长优化检测。此外,可以以频率调制光照,以便进一步减小环境的影响。例如,可以以非常高的帧速率操作指定显示区域,以便实现调制。在一些实现方式中,可以调制显示器的光源。在一些实现方式中,额外的被调制的光源可以集成到显示组件10中。与指纹获取同时进行的心跳感应可以通过区分假指纹和来自活体手指的指纹,大幅度地提高移动装置的安全访问。

图9是不可见封装中用于血流速度感应的示例性的指纹感应模块的框图。指纹感应模块包括具有集成手指属性传感器部件的显示组件10。检测器阵列123设置在显示组件附近并且能够接收待监测的手指101。检测器阵列123包括指纹检测器区域133中用于指纹和指纹属性检测的检测器元件。区域141和143中的检测器元件用于环境和血液流速检测。显示组件10还包括用于血液速度检测的指定区域137和139。

如图9所示,指纹传感器组件构造成在传感器区域101上接收手指,其中一侧与区域137和139中的显示元件重叠,并且另一侧与区域41和43中的检测器(例如,光电二极管)重叠。区域137中的显示元件和区域141中的检测器协同测量手指的一个位置处的脉动信号。区域139中的显示元件和区域143中的检测器协同测量手指的另一位置处的脉动信号。脉动信号在动脉中产生。在图9中,在左区域137和右区域139处检测动脉中流动的血液,代表血液从左区域137流动到右区域139。当血液从右区域139回流到左区域137时,血液在静脉中流动,此时没有明显的脉动信号。通过比较两个位置137和139之间的脉动延迟时间,可以获取血流速度信息。由于血压与血流速度相关,因此图9所示的传感器也可以监测血压。

在一些实现方式中,可以调制由显示元件发射的照明光,以减少或消除背景噪声。例如,可以以预定频率调制发射光,以便进一步减少环境条件的影响。频率调制发射光可以包括以非常高的帧速率在指定显示区域中操作显示元件,以实现理想的调制。此外,可以调制显示光源。在一些实现方式中,指定的被调制的光源可以集成到显示组件10中。

全光反射指纹感应

另一方面,在移动装置的盖板玻璃处的全光反射效果可以用于获得指纹信号。检测器阵列可以某些情况下直接集成在显示器下方,例如,OLED显示器,或者固定在显示器边缘位置。

图10A和10B是在不可见的光学指纹传感器封装中实现全反射指纹感应技术的示例性的指纹传感器模块的截面图和俯视图。如图10A所示,具有集成手指属性传感器的显示组件10包括用于指纹检测的指定显示区域29。附图标记62表示显示器上手指60可以按压传感器的位置。类似于图1和6,设置在指定显示区域29附近的检测器阵列123包括多个检测器元件,包括在指纹检测器区域133中,用于响应于手指60在位置62处按压传感器进行的指纹和指纹属性检测的检测器元件。检测器阵列123还包括用于环境和血流速度检测的环境和血流区域141和143中的检测器元件。检测器阵列123的检测器元件的示例包括例如光电二极管光学装置。

如图10B所示,具有集成手指属性传感器部件的显示组件10包括盖板玻璃50和其它显示层54。显示元件73可以设置在其它显示层54中。显示元件73的示例包括各种类型的发光装置,例如,发光二极管(LED)。此外,检测器阵列123设置在盖板玻璃50和显示屏层54的下方。

如图10A和10B所示,手指60在光电二极管区域62处按压显示屏。手指皮肤的等效折射率在633nm处约为1.43。典型的裸露盖板玻璃折射率约为1.51。如果将盖板玻璃50和显示层54不留气隙地粘合在一起,显示元件73以大的入射角发射的光将在屏幕-空气接口处被全部反射。

当显示元件73打开时,发散光束可以被分成两组:没有被全部反射的中央光束82以及当对屏幕表面没有任何触摸时被全部反射的外部光束201、202、211和212。对于中央光束82而言,屏幕表面反射光束82的约0.1%~3.5%作为由光电二极管193接收的光束185,手指皮肤反射光束82的约0.1%~3.3%作为可以由一些光电二极管195接收的光束187。反射差异至少取决于光束82是否与手指皮肤脊61或谷63吻合。光束82的其余部分被耦合189到手指组织中。

对于外部光束201和202而言,如果对屏幕表面没有任何触摸,屏幕表面进行~100%反射,分别作为光束205和206。当手指皮肤脊触摸靠近光束201和202的屏幕表面时,光功率的大部分被耦合到手指组织60中作为光束203和204。

对于外部光束211和212而言,如果对屏幕表面没有任何触摸,屏幕表面以高反射率(例如,接近100%)进行反射,分别作为光束213和214。当手指触摸屏幕表面并且手指皮肤谷恰好处于光束211和212位置时,没有光能量被耦合到手指组织60中。

耦合到手指组织60中的所有光束可以被随机地散射,以形成低对比度的光191,并且可以由多个光电二极管207和215等接收。在外部光束照明区域中,手指皮肤脊和谷引起明显的反射差异,该反射差异在相应的接收光电二极管中被检测到。由于显示发射元件和处理光电二极管的坐标是已知的,所以通过比较基于显示元件和检测器元件的已知位置的差异获取指纹信号。

检测器阵列可以设置在显示器下方,或者设置在显示器之外,或者在可以检测到全反射的任何位置。检测器阵列可以胶合到显示层上,或借助光楔、棱镜或透镜等附着到显示层上。

图11A和11B是在不可见的光学指纹传感器封装中实现全反射指纹检测扫描的示例性的指纹传感器模块的截面图和俯视图。如图11A和11B所示,将盖板玻璃50和其它显示层54胶合在一起,以使得能够在盖板玻璃表面进行全反射。当基于盖板玻璃50表面和相应的显示元件和检测器元件之间的距离(例如,分别定义为H1、H2和L)来定义显示元件(例如,发光元件)241和检测器元件(例如,处理光电二极管)233时,可以计算相应的全反射区域231的坐标LF。当已知发光元件241的尺寸A和处理光电二极管233的尺寸D时,也可以计算相应的全反射区域231的尺寸W。在各种实现方式中,如果发射元件尺寸足够小,W可以小于D。对于显示屏结构54中的照明像素241的阵列而言,存在与照明像素241足够远的相应区域245,使得来自照明像素241的光被全反射。用于指纹感应和其它光学感应的光学检测器可以被放置在显示屏结构54的下方、来自区域245的全反射光束的路径内。

扩大发光元件241的尺寸A和处理光电二极管233的尺寸D,相应的全反射区域231的尺寸W也随之扩大。这意味着降低分辨率。假设环境是折射率接近1的空气,并且盖板玻璃的折射率为n,可以计算最小的全反射的入射角θ:θ=sin–1(1/n)。则可以计算出中央光束区域243。其余位置位于全反射区域245中。例如,如果n=1.51,并且H1=0.6mm,对于点光源而言,中央光束区域的直径为约1.06mm。如果给出H2,可以计算最接近的光电二极管距离Lmin。例如,当H2=1.2mm时,最小Lmin约为1.59mm。

当打开一个显示元件时,可以使用多个元件检测器阵列123同时获取多个点的指纹信号。或者,对于已知的光电二极管而言,可以通过依次点亮多个显示元件同时获取多个点的指纹信号。

图12A、12B和12C表示安装于移动装置中并且实现全反射指纹检测扫描的示例性的指纹传感器模块。如图所示,将盖板玻璃50和其它显示层54胶合或以另外的方式接合在一起,使得在盖板玻璃表面可以发生全反射。显示屏结构54的下方是具有多个光电探测器(例如,一组光电探测器233和另一组光电探测器235)的2D检测器阵列261。当触摸装置时,打开一个或多个发光元件241。来自发光元件241的每个光束在全反射区域245内的区域263中被全反射到朝向位于显示屏结构54下方的检测器阵列261的相应方向。例如,光束221和223被分别反射到光束222和224。反射光束222和224被光电二极管233接收。类似地,来自发光元件(例如,光源)241的其它光束被光电二极管235接收。

2D检测器阵列261用于检测来自区域263或区域245中的其它区域的全反射光。可以检测相应检测区域263中的指纹。由于反射光的弯曲以及由于探测光束的发散性,指纹图像中存在一些失真。可以基于光源和光电二极管的坐标,校正该失真。对称地,通过使用单个小尺寸的光电二极管,并且以二维扫描光源,也可以检测指纹。

在一些实现方式中,光源或附加光源可以被封装于其它位置,例如,在显示器一端的242。附加的光源可以是显示器的一部分,或者是独立的光源,例如,LED。当光源远离检测器阵列时,失真就会降低。

如上所述,2D检测器阵列的位置也是灵活的。任何可以接收全反射的位置都可以用于放置检测器阵列。

在一些应用中,例如在智能电话、平板电脑等中,可以借助识别触摸手指位置的触摸传感器消除指纹失真。

图13示出了在操作如图11A、11B、12A、12B和12C中的装置时表示全反射指纹检测扫描的结果的图像的示例。使用全反射获得的指纹的合成图像被2D光学检测器阵列捕获,用于之后的指纹感应操作。合成的指纹图像显示出质量增强的指纹图像。

图14A、14B和14C表示安装于移动装置中并且实现全反射指纹检测的另一示例性的指纹传感器模块。如图14A、14B和14C所示,盖板玻璃50和其它显示层54胶合在一起,以使得能够在盖板玻璃表面处进行全反射。打开发光元件(例如,光源)241。来自来源241的每个光束被反射到适当的方向。例如,光束221和223被分别反射到光束222和224。反射光束222和224被光电二极管233接收。类似地,来自光源241的其它光束被光电二极管235接收。

当线性检测器阵列271用于检测全反射光时,可以检测相应的检测线273中的指纹。由于反射光的弯曲以及由于探测光束的发散性,指纹图像中存在一些失真。可以基于光源和光电二极管的坐标校正该失真。当沿着线性方向275扫描光源241时,检测线273也被扫描,以覆盖2D检测区域。

在一些实现方式中,光源或附加光源可以被封装于其它位置,例如,在显示器一端的281。该光源可以是显示器的一部分或者是独立的光源,如,线性LED阵列。当光源远离检测器阵列时,失真就会降低。

来自光源元件的发射光可以基于代码系统进行调制,例如,基于包括码分多址(CDMA)的扩频代码系统中的任何一个,以便简化指纹图像检测。可以使用CDMA和混合CDMA技术中的任何一项技术。例如,可以使用直接序列扩频(DSSS)和包括自适应跳频扩频(FHSS)的FHSS。使用任意扩频技术,采用不同的正交伪随机扩展代码、不同频率、幅度、相位或其任何组合,都可以调制从光源元件发射的光。

另外,检测器阵列的位置是灵活的。任何可以接收全反射的位置都可以用于放置检测器阵列。

在一些应用中,例如在智能电话、平板电脑等中,可以借助识别触摸手指位置的触摸传感器消除指纹失真。

图15A和15B表示安装于移动装置中并且实现全反射指纹感应的另一示例性的指纹传感器模块。潜在的光学检测器模块为“不可见的”,部分位于显示屏结构54下方,而光学检测器模块的一部分为“可见的”,位于显示屏结构54的覆盖区之外,使得该封装是部分可见的且部分不可见的。图15A和15B的指纹传感器包括设置在指纹感应区域21附近的检测器阵列123和用于指纹检测的指定显示区域29。盖板玻璃50和其它显示层54胶合在一起,以使得能够在盖板玻璃表面处进行全反射。显示元件72和74被嵌入其它显示层54中,并且可以发射用于指纹检测的光束221和223。发射光束221和223几乎被100%反射为由光电二极管233和235捕获或检测的盖板玻璃的全反射光222和224。连接块251与显示层胶合,以增加尺寸H2(盖板玻璃50表面和显示元件之间的距离)。结果,最小的L(光源和检测器之间的距离)也随着增加。因此,处理光电二极管可以移出显示区域。因为光电二极管仅检测全反射的光,所以在盖板玻璃彩色层上不需要窗口。因此,这种设计也被认为是不可见的封装。

在一些实现方式中,连接块251可以是楔形或者是棱镜。借助于连接块,检测器阵列可以以适当的角度倾斜,以减少指纹图像失真。

图16是示出了用于指纹检测的示例性过程1600的流程图。可以启动(1602)传感器检测,以激活相关功能模块,包括光源、检测器阵列、调制器、处理电路、存储器、触摸传感器等。可以执行调制或编码操作(1604)以控制光源发射携带调制信号信息(包括振幅、相移、频率变化或组合)的光束。可以通过使检测器阵列接收光信号执行信号获取(1606)。执行解调(1608)以使处理电路放大信号并且检查电效应。执行检测结果评估(1610),以实现指纹图像和信号强度的时间依赖性(心跳、血流速度),并且将信号与标准进行比较。

为了确定是否需要重复检测(1612),可以执行以下操作。一旦对初始检测结果进行评估,处理器对以下任务做出决定:例如,处理器将指纹图像发送到存储器,进行开关控制或安全控制,确定用户的血流速度等。根据检测结果的应用情况,处理器确定是否继续检测。当处理器确定无需重复或继续检测时,可以根据检测结果执行新的作业激活(1616),以激活各种操作。

全反射触摸感应-折射率匹配

盖板玻璃全反射效果可以用于获取指纹和触摸信号。检测器阵列可以在某些情况下直接集成在显示器下方,例如,OLED显示器,或者固定在显示器边缘位置。在光源太远导致局部入射角太大的情况下,折射率匹配可以确保该构思的性能。

图17示出了另一装置设计的截面图,其中光学感应模块具备全反射触摸感应-折射率匹配技术。图18A和18B示出了基于全反射触摸感应-折射率匹配技术实现图17中的设计的装置的示例。如图17、18A和18B所示,盖板玻璃50和其它显示层54胶合在一起,使得在盖板玻璃表面可以发生全反射。用于连接盖板玻璃50和显示层54的胶水具有折射率n1,盖板玻璃50的折射率为n,以及触摸材料60a(手指等)的折射率为n2。如果局部入射角θ大于由n和n2决定的全反射角,光不能与触摸材料耦合。当n1不大于n2时,任何的局部入射角θ都是可接受的。因此,适当的胶料可以用于匹配折射率,从而有助于提高性能。来自发光元件241的每个光束被反射到适当的方向。例如,光束301和303被反射到光电二极管235。如果线性检测器阵列271用于检测全反射的光,可以检测相应的检测线273中的指纹。当沿着方向275扫描光源241时,检测线273也被扫描,以覆盖二维(2D)检测区域。当检测器阵列271为2D时,相应的检测区域273也是2D。当扫描光源241时,检测区域273也被扫描。

图19A、19B和19C是示出了全反射触摸感应-折射率匹配技术的示例的图。如图19A、19B和19C所示,盖板玻璃50和其它显示层54被组装在一起。连接块252在感应窗口50a下方胶合到盖板50,使得在感应窗口处可以发生全反射。连接块252的折射率为n1,盖板玻璃50的折射率为n,触摸材料60a(手指等)的折射率为n2。当n1不大于n2时,任何的局部入射角都是可接受的。使用适当的连接块材料匹配折射率可以提高性能。来自发光元件241的每个光束被反射到适当的方向。例如,光束305和307被反射到光电二极管235。当线性检测器阵列271用于检测全反射的光时,可以检测相应的检测线273中的指纹。当沿着方向275扫描光源241时,检测线273也被扫描,以覆盖2D检测区域。此外,当检测器阵列271是2D时,相应的检测区域273也是2D。当扫描光源241时,检测区域273也被扫描。

指纹传感器技术

在用于检测指纹和其他生物度量参数的上述示例中,指纹传感器基于光学感应。在一些实现方式中,光学指纹感应可以被其它指纹传感器代替,例如,电容指纹传感器,或用于感应指纹的光学感应和电容感应的混合指纹传感器。因此,本专利文献中公开的指纹传感器模块可以通过使用各种感应技术(包括自电容感应、互电容感应和光学感应等)的一种或组合实现。公开的用于检测活体手指的技术并不依赖于特定类型的感应技术,并且可以包含各种感应技术中的一种或多种的组合。

例如,图20A是实现具有有源传感器像素和放大器的自电容感应的示例性的指纹传感器装置2000的框图。指纹传感器装置2000是实现自电容感应的指纹传感器的一示例,并且可以用于替代图1至图19所示的光学指纹传感器。例如,图20A中的电容感应指纹传感器可以通过将其放置在如图1所示的可见的指纹传感器封装中的薄顶盖板玻璃层50下方的显示屏结构54的一端处,与光学传感器41和43组合使用。又例如,图20A中的电容感应指纹传感器可以通过将其放置于单独的传感器结构中,例如,在一些手机设计中的顶部玻璃盖板50的开口中的按钮状的指纹传感器结构中,与光学传感器41和43组合使用。自电容指纹传感器装置2000包括设置在基底载体2004上的传感器芯片2002和设置在传感器芯片2002上的保护膜或覆盖层2006。保护膜或覆盖层2006可以包括绝缘体或介电材料,例如,玻璃、二氧化硅(SiO2)、蓝宝石、塑料、聚合物和其它实质上相似的材料。保护膜或覆盖层2006可以用来保护传感器芯片2002,并且用作手指2001的表面与传感器芯片2002中的各个传感器像素的导电感应电极之间的介电层的一部分。保护膜或覆盖层2006是基于指纹传感器装置2000的应用的可选层。在一些实现方式中,指纹传感器装置2000可以被设置成穿过电子装置(例如,电话)顶部盖板玻璃的开口或位于电子装置的顶部盖板玻璃下方。当在玻璃下方的应用中使用时,不需要保护膜或盖2006,因为电子装置的顶部盖板玻璃将用于保护传感器芯片2002并且用作电介质层。

传感器芯片2002包括传感器像素的阵列,组合感应或捕获来自与保护膜或覆盖层2006接触的手指2001的指纹数据。图20B示出了示例性的传感器像素2008。基于与手指2001的脊或谷相关的电容器的电容,传感器芯片2002的每个传感器像素2008生成输出信号(例如,电压)。当该输出信号组合在一起时可以表示手指2001的指纹图像。像素传感器的数量越多,指纹图像的分辨率越高。

图20C示出了传感器像素的等效电路。传感器芯片2002的传感器像素阵列中的每个传感器像素可以大致上类似于示例性的传感器像素2008。示例性的传感器像素108包括用于放大由示例性的传感器像素2008检测到的电容相关信号(例如,电压信号)的运算放大器2022。包括导电材料(例如,各种金属之一)的传感器电极2012电连接到放大器2022的负极或反向端。相对于图20B(和本专利文献的其它图)所示且所描述的放大器配置仅仅是一示例,并且包括正极反馈配置的其它放大器配置也是可行的。传感器电极2012和手指2001的局部表面用作电容器CS 2030的相对板。电容器CS 2030的电容基于手指2001的局部表面与传感器电极2012之间的距离d'而变化,该距离为电容器CS 2030的两个板之间的距离。电容与电容器CS 2030的两个板之间的距离d'成反比。相较于与手指2001的谷相对,当传感器电极2012与手指2001的脊相对时电容较大。

此外,在示例性的传感器像素2008中的不同导电元件之间可以形成各种寄生电容器。例如,可以在传感器电极2012和装置接地端2014之间形成寄生电容器CP1 2026。可以在手指2001的局部表面和大地2016之间形成另一寄生电容器CP2 2017。装置接地紧密地耦合到大地。可以在放大器2022的输出导体和放大器2022的负极或反向转子之间形成又一电容器CF 128,用作放大器2022的反馈电容器。

放大器2022的正端电连接到激励信号Vin 2018。激励信号Vin 2018可以直接提供给每个传感器像素中的专用放大器的正端。通过将激励信号Vin2018直接提供给放大器2022的正端,示例性的传感器像素2008变为有源传感器像素。此外,将激励信号Vin 2018直接提供给放大器2022的正端消除了包括所有传感器像素共有的激励电极的需要,从而减少了来自传感器芯片2002的半导体结构的导电(例如,金属)层。此外,通过将激励信号Vin 2018直接提供给放大器2022,激励信号Vin 2018不直接施加于手指,避免了对手指2001潜在的刺激或损伤。此外,因为没有使用将激励信号直接施加到手指的激励电极,指纹传感器装置2000的所有部件都可以集成到单个封装装置中,并且整个指纹传感器装置2000可以设置在保护盖板玻璃下方。通过将整个指纹传感器装置2000设置在保护盖板玻璃下方,指纹传感器装置2000免受来自可能损坏指纹传感器的手指和其它外部元件的破坏。

放大器2022可以至少基于可变电容器CS 2030的可变电容生成输出信号,并且该输出信号可以有助于整体指纹数据。放大器2022可以至少基于上述可变电容和反馈电容器CF的反馈电容生成输出信号,除此以外,输出信号不再受其它非寄生电容的影响。如上所述,部分原因是在传感器像素2008中没有使用附加电极,例如,外部驱动电极。

指纹传感器技术:与像素集成的光学传感器

公开的技术的另一方面,指纹传感器装置的感应像素阵列的每个感应像素可以是如本专利文献公开的具有用于捕获指纹信息的电容传感器和用于捕获指纹信息(包括活体手指检测)的光学传感器的混合感应像素。

图21A和21B示出了在相同的感应像素内组合电容感应和光学感应的混合感应像素设计的两个示例。

图21A示出了指纹传感器装置2100的示例,该指纹传感器设备2100在捕获指纹信息时,为传感器像素阵列的每个传感器像素在光学传感器基础上并入电容传感器。通过结合电容传感器和光学传感器,借助于光学传感器获得的指纹图像可以用于更好地解析借助于电容传感器获得的3D指纹结构。为了说明性的目的,图21A所示的结构表示传感器像素阵列中的一传感器像素,并且每个传感器像素包括在相同的像素内彼此相邻设置的光学传感器2102和电容传感器2114。

光学传感器2102包括光电探测器2108和设置在光电探测器2108上方的准直器2106,以使从手指2102反射的光2124向着光电探测器2108变窄或聚焦。例如LED等一个或多个光源(未示出)可以设置在准直器2106周围以发射光,其作为反射光2124从手指反射并且向着相应的光电探测器2108对准或聚焦,用于捕获手指2102的指纹图像的一部分。准直器2106可以通过使用光纤束或具有孔或开口的一个或多个金属层实现。在光学检测器阵列上方使用多个光学准直器可以用作捕获具有理想的空间分辨率的指纹图像的无透镜的光学设计,以进行可靠的光学指纹感应。图21A示出了使用具有孔或开口2112的一个或多个金属层2110实现的准直器2106。在图21A中的顶部结构或层2104和光电探测器2108之间的层中的准直器2106包括由光纤或由一个或多个层(例如,硅或金属)中的孔或开口形成的多个单独的光学准直器,并且这些单独的光学准直器中的每一个光学准直器沿着每个光学准直器的纵向方向或者小角度范围内接收光线2124,如图所示,该光线2124可以由每个开口或孔的顶部开口和由管状结构捕获,使得来自每个准直器的纵向方向以大角度入射的光线被每个准直器抑制,无法到达光学准直器的另一端上的光电二极管。

在每个感应像素的电容感应部分中,电容传感器2114包括电容传感器板2116,该电容传感器板2116电磁耦合到与感应像素相邻或接触的手指的一部分,以执行电容感应。更具体地,当手指2102与可选盖板2104或实现指纹传感器装置2100的移动装置上的盖板接触或离得很近时,电容传感器板2116和手指2102作为一个或多个电容元件2122的两个板相互作用。电容传感器板2116的数量可以基于电容传感器2114的设计而变化。电容传感器板2116可以通过使用一个或多个金属层实现。电容传感器板2116通信地耦合到电容传感器电路2120,使得电容传感器电路2120可以处理来自电容传感器板2116的信号,以获得表示3D指纹结构的数据。路由或屏蔽材料可以设置在电容传感器板2116和电容传感器电路之间,以电屏蔽金属板2116。电容传感器电路2120可以通信地耦合到电容传感器板2116和光电探测器2108,以处理来自电容传感器板2116的信号和来自光电探测器2108的信号。在图21A中,在每个混合感应像素内的电容传感器和光学传感器彼此相邻但相互偏离,在空间上不会重叠。

在实现方式中,图21A中的混合传感器设计中的特征可以用于如图1中的示例所示的顶部盖板玻璃下方的显示屏结构的一端的可见的指纹传感器封装中,以及如图6中的示例所示的显示屏结构下方的不可见的指纹传感器封装。例如,图6中的光学指纹传感器设计,其中如图6B所示的顶部玻璃盖板50和显示屏结构54下方的光学指纹传感器可以通过检测器阵列123中的光学准直器元件构造每个光学检测器元件。因此,具有图21A中的光学准直器特征的光学感应可以在能够通过光学感应检测指纹的移动装置或者电子装置中实现,该移动装置或者电子装置包括显示屏结构;形成在显示屏结构上方的顶部透明层,作为用户触摸界面和用于传输来自显示屏结构的光以向用户显示图像的界面;以及光学传感器模块,位于显示屏结构下方,用于接收从顶部透明层返回的光以检测指纹。光学传感器模块包括接收返回的光的光电探测器的光学传感器阵列和光学准直器阵列,以经由显示屏结构收集来自顶部透明层的返回的光并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光,同时将收集的返回的光通过光学准直器对准至光学传感器阵列的光电探测器。

图21B示出了结构上在传感器像素阵列中的空间重叠配置中的每个混合传感器像素中集成光学传感器和电容传感器的指纹传感器装置2130的另一示例,以减少每个混合感应像素的覆盖区。在一些实现方式中,图21B中的混合光学-电容感应指纹传感器可以通过将其放置在如图1所示的可见的指纹传感器封装中的薄顶盖板玻璃层50下方的显示屏结构54的一端处,与光学传感器41和43组合使用。在其它实现方式中,图21B中的光学-电容感应指纹传感器可以通过将其放置单独的传感器结构(例如,在一些手机设计中的顶部玻璃盖板50的开口中的按钮状的指纹传感器结构)中,与光学传感器41和43组合使用。指纹传感器装置2130包括例如硅的半导体基板2131。在基板2131上设置有多个感应元件或感应像素2139。每个感应元件或感应像素2139包括有源电子电路区域2132,该有源电子电路区域2132包括用于处理传感器信号的CMOS开关、放大器、电阻器和电容器。每个感应像素或感应元件2139包括设置或嵌入有源电子电路区域2132中的光电探测器2133。用于电容感应的电容传感器的电容传感器板或顶部电极2134设置在光电探测器2133的上方,并且包括传感器板2134上的孔或开口2138,也用作用于将光对准至光电探测器2133上的光学准直器。设置填充有导电材料的通孔2135,将顶部电极2134电连接到有源电路元件2132。通过调整开口或孔和顶部电极2134与光电探测器2133的距离,可以调整光电探测器(例如,光电二极管)2133的光收集角2137。指纹传感器装置2130被保护盖2136覆盖,该保护盖2136包括例如蓝宝石、玻璃等硬质材料。光学探测器2133的光收集角2137可被设计为保留由光电二极管阵列收集的图像的空间分辨率。例如LED的光源2140被放置在指纹传感器装置2130侧面的盖板的下方,以发射被手指反射并对准至光电探测器2133用于捕获指纹图像的光。当手指触摸保护盖板或与保护盖板非常近时,手指和感应顶部电极2134的组合在人体和感应顶部电极2134之间形成电容耦合(例如,电容器2142)。包括光学传感器和电容传感器的指纹传感器装置2130可以获取指纹的光反射图像以及电容耦合图像。感应顶部电极2134具有两个目的:1)用于电容感应,以及2)作为准直器(通过在感应顶部电极2134上制造一个或多个孔)以使得从手指反射的光向光电探测器2133对准、变窄或聚焦。重新使用感应顶部电极2134消除了对附加金属层或光纤束的需要,从而减小了每个像素的尺寸,并且因此降低了指纹传感器装置2130的整体尺寸

在图21B中,光学感应设计使用在顶层2136和光电探测器2133的底部阵列之间形成的孔或开口2138作为光学准直器,仅选择某些角度2137内的光线,以保持如图所示的光电探测器阵列中由光电探测器2133采集的图像的空间分辨率。类似于图21A中的光纤或其它管状光学准直器,在顶层2136和光电探测器2133的底部阵列之间形成的孔或开口2138构成光学准直器,以经由显示屏结构收集来自顶部透明层的返回的光并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光,同时将收集的返回的光通过光学准直器对准至光电探测器2133。

图22是在每个混合感应像素中包含光学传感器和电容传感器的示例性的混合指纹传感器装置2200的俯视图。指纹传感器装置2200被实现为包括混合(包含光学传感器和电容传感器)感应元件的阵列或像素2222的CMOS硅芯片2221。可选地,图22中的布局也可以用于本文献中公开的所有光学感应设计,其中开口或孔2223表示图21A或21B中的光学准直器。例如,感应元件的尺寸或尺度可以在25μm至250μm的范围内。混合传感器装置2200可以包括在侧区域2224中的支持电路阵列,该支持电路阵列包括放大器、ADC和缓冲存储器。此外,混合传感器装置2200可以包括用于引线接合或凸起接合的区域2225。混合传感器元件2222的顶层2226可以包括用于电容感应的金属电极。可以在每个顶金属电极23上制造一个或多个开口或孔2223,在结构上用作准直器,将光在垂直方向上引导照射在顶部电极下方的光电探测器上。因此,顶层2226结构可以用于光学感应和电容感应的双重目的。可以提供传感器装置处理器,处理来自混合感应像素的像素输出信号,以提取指纹信息。

除了作为准直器共享用于电容感应和用于将垂直方向的光聚焦的相同结构之外,传感器信号检测电路的一实例可以在光学和电容传感器之间共享,以检测来自光电探测器和电容器传感器板的传感器信号。

图23A示出了具有用于指纹的电容感应和光学感应功能的示例性的混合指纹感应元件或像素2300的电路图。示例性的传感器像素2300包括传感器信号检测电路2316,用于在检测或获取基于电容感应的来自感应顶部电极(例如,顶部金属层)2308和基于光学感应的来自光电探测器(例如,光电二极管)2314的传感器信号之间选择性地切换,以从手指获取来自光电探测器2314的反射光学图像和来自电容传感器电极2308的电容耦合图像。在一些实现方式中,来自每个混合感应像素中的两个感应机制的两个图像可以由传感器信号检测电路串行处理。在所示的示例中,开关2310和2312具有分别电耦合到感应顶部电极2308和光电探测器2314的第一端,以及耦合到传感器信号检测电路2316的公共输入端的第二端,以向传感器信号检测电路2316提供来自光电探测器2314的相应的光学检测器信号和来自感应顶部电极2308的相应的电容感应信号。当开关2310断开(CAP_EN=0)并且开关2312接通时(Optical_en=1),传感器信号检测电路2316获取表示在特定混合感应像素处接收到的扫描指纹的光学图像的光学检测器信号。当开关2310CAP_EN=1和Optical_en=0时,传感器信号检测电路2316可以获取表示扫描指纹的电容图像的电容感应信号。在获取光学和电容图像之后,这两个图像可以单独地或组合地在下游电路中进行处理,以识别指纹特性。

利用上述混合感应像素的两种成像模态,通过不同的方式使用两种类型的图像可以增强指纹识别的性能。这种增强的指纹识别可以通过例如传感器装置处理器2321的传感器装置处理器实现,用于处理来自混合感应像素的像素输出信号,以提取指纹信息。例如,电容图像可以提供关于指纹特征的脊和谷的深度的3D图像。作为3D电容图像的补充,光学图像可以提供关于指纹特性的高分辨率2D信息。具有较高空间分辨率的光学2D图像可以用于恢复电容感应图像分辨率,因为在指纹的相同脊上的两个图像信息。在一些实现方式中,电容感应方法在识别指纹的谷方面比光学感应方法更加敏感和精确,使用电容感应方法获取的图像的空间分辨率可以基于盖的厚度而降低。电容感应的这个方面可以由光学感应补充。在操作中,对于所有传感器位置而言,传感器响应可以是固定的,并且电容传感器的点扩散函数可以是固定的。更高分辨率的光学感应可以用作分辨率恢复方法,并且可以应用于电容感应图像,以增强3D图像。来自光学感应的部分高分辨率图像有助于恢复方法。因此,可以通过基于高分辨率2D图像的内插或恢复,增强3D电容图像,以提供关于谷和脊的更多信息。

增强的3D图像可以提供改进的指纹识别和匹配。在另一示例中,每当执行指纹识别或匹配时,光学和电容图像可以被存储在一起,以提供两个比较。使用两种类型的图像进行比较增强了指纹感应系统的准确性和安全性。

传感器信号检测电路2316可以通过使用多种不同的电路设计以各种方式实现。在一示例中,积分感应电路2318可以被实现为存储由脊和谷接触或离移动装置的盖板很近的指纹传感器装置的盖板引起的电荷。积分电路2318的包含增强了信噪比(SNR)。积分感应电路包括运算放大器2322,用于放大传感器信号,例如,由示例性的传感器像素2300的感应顶部电极2308或光电探测器2314检测到的电容相关或光学相关信号(例如,电压信号)。包括例如各种金属之一的导电材料的感应顶部电极2308通过开关2310电连接到放大器2322的负极或反向端2328。感应顶部电极2108和手指2302的局部表面作为电容器Cf 2302的相对板。电容器Cf 2302的电容基于手指的局部表面与感应顶部电极2308之间的距离d',电容器Cf 2302的两个板之间的距离而变化。电容器Cf 2302的电容与电容器Cf 2302的的两个板之间的距离d'成反比。相较于与手指的谷相对,当感应顶部电极2308与手指的脊相对时,电容器Cf 2302电容较大。

此外,在示例性的传感器像素2300中的不同导电元件之间可以形成各种寄生或其它电容器。例如,可以在感应顶部电极2308和装置接地端2305之间形成寄生电容器CP 2304。装置接地紧密地耦合到大地接地。可以在放大器2322的输出导体和放大器2322的负极或反向端2328之间形成又一电容器Cr2324,用作放大器2322的反馈电容器。此外,开关2326可以耦合到放大器2322的输出和放大器2322的负极或反向端2328之间,以复位积分电路2318。

放大器2322的正端电连接到激励信号Vref。激励信号Vref可以直接提供给每个传感器像素中的专用放大器的正端。通过将激励信号Vref直接提供给放大器2322的正端,示例性的传感器像素2100变为有源传感器像素。此外,将激励信号Vref直接提供给放大器2322的正端消除了包括所有传感器像素共有的激励电极的需要,从而减少了来自传感器芯片的半导体结构的导电(例如,金属)层。在一些实现方式中,基于传感器像素的设计,可选的激励电极2306可以被实现,以增强SNR。此外,通过将激励信号Vref 2330直接提供给放大器2322,激励信号Vref 2322不直接施加到手指,避免了对手指潜在的刺激或损伤。此外,当没有使用将激励信号直接施加到手指的激励电极时,指纹传感器装置的所有部件都可以集成到单个封装装置中,并且整个指纹传感器装置可以设置在保护盖板玻璃下方。通过将整个指纹传感器装置设置在保护盖板玻璃下方,指纹传感器装置免受来自可能损坏指纹传感器的手指和其它外部元件的破坏。

在图23A中,传感器像素2300中的传感器信号检测电路2316(例如,放大器2322的Vpo)的输出信号(光学和电容)电耦合到开关2320,以选择性地输出从传感器像素2300到包括滤波器的信号处理电路的输出信号Vpo。开关2320可以通过使用晶体管或其它切换机构实现,并且电耦合到控制器,以控制开关2320的切换。通过控制开关2320、2310和2312,传感器像素阵列中的传感器像素可以选择性地在获取光信号和电容信号之间切换。在一实现方式中,可以获取阵列中的每一行、列或栏的传感器像素的光学或电容信号,然后切换该信号以获取该行、列或栏的其他类型的信号。光学信号和电容信号采集之间的切换可以逐行执行。在另一实现方式中,可以获取阵列中的所有传感器像素或元件的一种类型的信号(电容或光学),然后切换该信号以获取针对所有传感器像素或元件的另一种类型的信号。因此,不同信号类型的采集之间的切换可以发生在整个阵列中。两种类型的传感器信号的采集之间的切换的其它变化可以实现。

图23B示出了另一示例性的混合指纹感应元件或像素2340的电路图。混合指纹感应元件或像素2340与混合指纹感应元件或像素2300相对于具有相同附图标记的部件实质相同。关于对具有相同附图标记的公共部件的描述,参照图23A的描述。

混合指纹感应元件或像素2340实现感应顶部电极2308,包括用作准直器的孔或开口2342,以将反射光2344向光电探测器2314(例如,光电二极管)聚焦或窄化。光电探测器2314可以被定位或设置在使用感应顶部电极2308实现的准直器下方,以捕获由准直器2308聚焦的反射光2344。

在一些实现方式中,可以包括光学和电容传感器的传感器信号检测电路的单独实例,以并行地检测来自光电探测器和电容传感器板的传感器信号。

图23C示出了用于执行来自光电探测器和电容传感器板的传感器信号的并行检测的示例性的混合指纹感应元件或像素2350的电路图。混合指纹感应元件或像素2350与混合指纹感应元件或像素2340相对于具有相同附图标记的部件实质相同。关于对具有相同附图标记的公共部件的描述,参照图23A的描述。

为了并行地执行来自电容板和光电探测器的传感器信号检测,混合指纹感应元件或像素2350包括单独的传感器信号检测电路2316和2317,其分别与感应顶部电极2308和光电探测器2324通信耦合。传感器信号检测电路2317可以实现为大致上类似于传感器信号检测电路2316。在一些实现方式中,开关2310和2312可以被设置为具有分别电耦合到感应顶部电极2308和光电探测器2314的第一端,以及耦合到各自的传感器信号检测电路2316和2317的第二端,以向传感器信号检测电路2316和2317分别提供来自光电探测器2314的光学检测器信号和来自感应顶部电极2308的电容感应信号。当开关2310和2312一起接通或断开时,传感器信号检测电路2316和2317可以并行地执行来自电容板2308和光电探测器2314的传感器信号检测。当开关2310和2312彼此异相地导通和断开时,传感器信号检测电路2316和2317可以串行地执行来自电容板2308和光电探测器2314的传感器信号检测。此外,传感器装置处理器2321可以通过开关2320A和2320B直接地或间接地通信耦合到传感器信号检测电路2316和2317,以并行地或串行地处理来自电容板2308和光电探测器2314的检测到的传感器信号。

在公开的技术的另一方面中,相对于图21A、21B、22、23A和23B描述的光学传感器可以用于通过测量由于心脏的心跳和抽吸作用而导致的手指血流变化所引起的随着时间的反射光强度变化,测量人的心跳。该信息被包含在由手指反射、散射或扩散的接收到的光中,并且承载在光学检测器信号中。因此,光学传感器可以提供多种功能,包括获取指纹的光学图像以及测量人的心跳。在实现方式中,传感器装置处理器用于处理一个或多个光学检测器信号,以提取心跳信息。该传感器装置处理器可以是处理来自光学感应像素或混合感应像素的像素输出信号的相同的传感器装置处理器,以提取指纹信息。

图24A、24B、24C和24D示出了由包含光学和电容传感器的混合指纹传感器执行的指纹感应的示例性的过程2400的流程图。由指纹传感器装置形成的方法2400包括指纹传感器装置中的传感器像素电路阵列检测与来自指纹扫描的手指指示的触摸相关的电容(2402)。该方法包括指纹传感器装置中的传感器像素电路阵列检测与从手指反射的光相关的光学信号(2404)。该方法包括传感器像素电路阵列输出响应于检测到的电容和光学信号的输出信号(2406)。处理该输出信号以执行指纹识别(2408)。处理输出信号(2408)可以包括处理输出信号以获取指纹的光学图像和指纹的电容图像(2410)。获取的光学图像和电容图像可以存储为两种类型的注册指纹图像,用于在指纹识别期间比较被扫描的指纹(2412)。处理输出信号(2408)可以包括使用光学图像恢复关于电容图像中的指纹的脊的信息(2414)。输出信号可以被集成用于传感器像素电路阵列(2416)。集成可以包括由阵列中的所有传感器像素电路并行地集成输出信号。

如上所述,在指纹的光学感应和其它感应操作的一些实现方式中,光学传感器模块可以被封装在独立的装置配置中,其中光学传感器模块是与显示屏不同的结构,且与显示屏具有结构边界或分界(例如,在一些手机设计中的顶部玻璃盖板的开口中的按钮状指纹传感器结构)。图25A和25B示出了用于移动装置、平板电脑或其它装置的这种设计的示例,其中光学传感器模块作为单独的结构位于显示屏组件10的外部。顶部盖板玻璃层50被制造为包括开口或通孔2510,以至少适应光学传感器模块的顶部结构。该开口或通孔2510可以具有理想的形状,例如,像按钮这样的圆形、矩形(如图25A所示的细长的矩形)或者其它合适的形状。

图25B示出了沿着图25A中的线BB'的光学传感器模块的截面图。设置于光学检测器阵列23上方的是接收光器件24(例如,光学透镜或光学准直器),光学器件24上方的光学透明层或空间31以及形成光学输入界面的顶部光学透明层2520,以用于指纹感应和其它光学感应。具有集成电路的背板25设置在检测器阵列23的下方。在一些实现方式中,检测器阵列23可以集成到背板25中。背板25可以设置在柔性电路板(FPC)27上。

参考图25A,检测器阵列23包括布置在不同检测器区域中的多个检测器元件,该不同检测器区域包括位于检测器阵列23的中心区域中的用于指纹和指纹属性检测的指纹检测器区域33和用于其它光学感应功能的一个或多个附加检测器区域41和43,其中如图1C所示,附加检测器区域41和43可以是用于环境和血流速度检测的环境和血流检测器区域41和43。此外,附图标记37和39表示光学照明区域,以产生用于附加光学感应的理想的照明,例如,发射红光或理想光谱范围内的光,以照亮用户的手指来感应血流速度或血糖水平。

公开的技术可以应用于实现智能手机、平板电脑、膝上型电脑、便携式游戏机、便携式控制器以及其它使用安全访问的电子设备中的指纹传感器。在基于公开的技术的装置中,可以包括控制处理器控制电路可以用于提供公开的控制操作,例如,在光学指纹感应和其它控制功能和操作中调制照明光。

虽然该专利文献包含许多细节,但是这些不应理解为对发明范围或者可能要声明的部分的限制,而是应该理解为对于本发明的特定实施例具体的特征的说明。该专利文献中在单独实施例的上下文中描述的某种特征还可以在单个实施例中组合而实施。相反,在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可分别在多个实施例中实现,或以任意适合的子组合实现。此外,虽然上面以特定组合的方式描述了特征,甚至最初如此要求保护,但是要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中被删除,并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变化。

类似地,虽然在附图中以特定顺序描绘了操作,但是这不应被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行这些操作,或者执行所有所示的操作,以实现期望的结果。另外,在本专利文献中描述的实施例中分离各种系统部件不应理解为在所有实施例中要求这样的分离。

本专利文献仅描述了少许实现方式和示例,还可以基于本专利文献中描述和说明的内容实施其它实现方式、增强和变化。

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