传感像素单元及光学指纹传感器的制作方法

文档序号:13985193
传感像素单元及光学指纹传感器的制作方法

本申请涉及一种传感像素单元及光学指纹传感器,尤其涉及一种改善温度导致影像不一致的传感像素单元及光学指纹传感器。



背景技术:

随着科技日新月异,移动电话、数字相机、平板计算机、笔记本电脑等越来越多携带型电子装置已经成为了人们生活中必备的工具。由于携带型电子装置一般为个人使用,而具有一定的隐私性,因此其内部储存的数据,例如电话簿、相片、个人信息等等为私人所有。若电子装置一旦丢失,则这些数据可能会被他人所利用,而造成不必要的损失。虽然目前已有利用密码保护的方式来避免电子装置为他人所使用,但密码容易泄露或遭到破解,具有较低的安全性。并且,用户需记住密码才能使用电子装置,若忘记密码,则会带给使用者许多不便。因此,目前发展出利用个人指纹识别系统的方式来达到身份认证的目的,以提升数据安全性。

另一方面,随着指纹辨识技术的进步,隐形指纹传感器(Invisible Fingerprint Sensor,IFS)已逐渐受到消费者的青睐。在隐形指纹传感技术中,光学指纹传感器可设置于显示屏的下方,即屏幕下(Under Display)指纹感测。换句话说,用户可透过按压显示屏以进行指纹辨识。然而,由于制程的因素,指纹辨识传感器中的传感像素单元可能会受到金属污染,而对温度具有不同的灵敏度,而导致当温度越高时,光学指纹传感器的多个传感像素单元所输出的多个像素值的不一致或不均匀会较严重,举例来说,在不受光照的情况下,多个传感像素单元输出的多个像素值于温度为25℃、37℃、41℃、55℃时的标准偏差(Standard Deviation,STD)分别为1.3、1.9、2.7、9.9个单位数值。在实际的屏幕下(Under Display)应用中,由于光学指纹传感器设置于显示屏的下方,因此会受到显示屏所散发的热,而使得指纹影像的不一致或不均匀会更加严重,影响指纹判读的准确性。因此,现有技术实有改善之必要。



技术实现要素:

因此,本申请部分实施例的目的即在于提供一种改善温度导致影像不一致的传感像素单元及光学指纹传感器,以改善现有技术的缺点。

为了解决上述技术问题,本申请实施例提供了一种传感像素单元,应用于光学指纹传感器中,所述传感像素单元输出对应所述传感像素单元的一像素值,所述传感像素单元包括像素感光单元,包括多个感光元件,用来接受光照并输出相应于所述多个感光元件的多个感光子像素值,其中每一感光子像素值相应于一第一感光面积;多个参考元件,输出相应于所述多个参考元件的多个参考子像素值,其中每一参考子像素值相应于一第二感光面积,所述第二感光面积小于所述第一感光面积;以及整合单元,耦接于所述多个感光元件以及所述多个参考元件,用来根据所述多个感光子像素值以及所述多个参考子像素值,输出对应所述传感像素单元的所述像素值。

例如,所述多个参考元件中一参考元件包括感光二极管,具有感光区域;以及阻光层,设置于所述参考元件中所述感光二极管的所述感光区域之上。

例如,所述阻光层完全覆盖所述感光区域,所述第二感光面积为零。

例如,所述阻光层部份覆盖所述感光区域。

例如,所述阻光层为集成电路布局中的金属层。

例如,所述整合单元包括参考统计单元,用来计算所述多个参考子像素值的参考统计量;参考平均单元,接收一参考临限值,并根据所述参考临限值以及所述参考统计量,计算相应于所述多个参考子像素值的一参考平均值;感光统计单元,用来计算所述多个感光子像素值的感光统计量;查表单元,用来根据所述感光统计量,输出一感光临限值;感光平均单元,用来根据所述感光临限值以及所述感光统计量,计算相应于所述多个感光子像素值的一感光平均值;以及减法单元,耦接于所述参考平均单元以及所述感光平均单元,用来输出所述像素值为所述感光平均值与所述参考平均值的相减结果。

例如,所述参考平均单元用来执行以下步骤,以根据所述参考临限值以及所述参考统计量,计算所述参考平均值:根据所述参考统计量以及所述参考临限值,选取所述多个参考子像素值中多个正常参考子像素值,其中每一正常参考子像素值与该参考统计量的差值小于或等于所述参考临限值;以及计算所述参考平均值为所述多个正常参考子像素值的平均值。

例如,所述参考统计量为所述多个参考子像素值的最小值、中位数或平均值其中之一。

例如,所述感光平均单元用来执行以下步骤,以根据所述感光临限值以及所述感光统计量,计算所述感光平均值:根据所述感光统计量以及所述感光临限值,选取所述多个感光子像素值中多个正常感光子像素值,其中每一正常感光子像素值与该感光统计量的差值小于或等于所述感光临限值;以及计算所述感光平均值为所述多个正常感光子像素值的平均值。

例如,所述感光统计量为所述多个感光子像素值的最小值、中位数或平均值其中之一。

例如,所述传感像素单元还包括模数转换器,耦接于所述多个感光元件及所述多个参考元件与所述整合单元之间。

为了解决上述技术问题,本申请实施例还提供了一种光学指纹传感器,包括多个传感像素单元,用来输出相应于多个传感像素单元的多个像素值,其中每一传感像素单元前述传感像素单元,所述多个传感像素单元的多个像素感光单元排列成阵列。

例如,所述光学指纹传感器设置于电子装置的显示屏之下。

例如,所述光学指纹传感器耦接于指纹辨识单元,所述指纹辨识单元用来根据相应于所述多个传感像素单元的所述多个像素值,判断使用者的指纹。

本申请实施例利用多个感光元件及多个参考元件来组成传感像素单元;利用对光不敏感的参考元件所产生的参考子像素来消除或补偿感光子像素中受到温度影响的信号成份;利用整合单元剔除对温度特别敏感的元件并消除噪声。本申请改善现有技术中因温度所导致的不一致或不均匀,应用在光学指纹辨识领域,本申请增强指纹辨识的精准度。

附图说明

图1为本申请实施例一电子装置的剖面示意图;

图2为图1电子装置的功能方块示意图;

图3为本申请实施例一传感像素单元的示意图;

图4为本申请实施例感光元件以及参考元件的示意图;

图5为本申请实施例一整合单元的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。

请参考图1至图3,图1为本申请实施例一电子装置10的剖面示意图,图2为本申请实施例电子装置10的功能方块示意图,图3为本申请实施例一传感像素单元30的示意图。为了方便说明,图1至图3仅绘示与本申请发明特征相关的元件,而省略不相关的元件。电子装置10包括显示屏12、光学指纹传感器14以及指纹辨识单元16,光学指纹传感器14设置于显示屏12之下(即为屏幕下(Under Display)指纹感测),而耦接于指纹辨识单元16。光学指纹传感器14包含多个传感像素单元30,多个传感像素单元30分别输出多个像素值PX_out至指纹辨识单元16(即每一传感像素单元30输出其所对应的像素值PX_out至指纹辨识单元16),指纹辨识单元16可根据相应于多个传感像素单元30的多个像素值PX_out,判断使用者的指纹。其中,每一传感像素单元30的感光面积可大致为50×50μm2,使得光学指纹传感器14可至少具有508每英寸点数(Dots Per Inch,DPI)的分辨率,足以精准地辨识出指纹。

详细来说,每一传感像素单元30包括像素感光单元32、模数转换器ADC以及整合单元34,而多个传感像素单元30的多个像素感光单元32可于一平面上排列成为一阵列,其中像素感光单元32的面积大致为50×50μm2。像素感光单元32包括多个感光元件AP以及多个参考元件OBP,于图3所绘示的实施例中,传感像素单元30包括12个感光元件AP以及4个参考元件OBP(即N=12且K=4),而不在此限。多个感光元件AP及多个参考元件OBP可于像素感光单元32所在的区域中另排列成一阵列,多个感光元件AP可输出相应于多个感光元件AP的多个感光子像素值LSP1~LSPN,多个参考元件OBP可输出相应于多个参考元件OBP的多个参考子像素值RP1~RPK。另外,多个感光元件AP及多个参考元件OBP透过模数转换器ADC耦接于整合单元34,换句话说,模数转换器ADC将模拟的感光子像素值LSP1~LSPN及参考子像素值RP1~RPK转换成为数字的感光子像素值LSP1~LSPN及参考子像素值RP1~RPK,整合单元34即可对数字的感光子像素值LSP1~LSPN及参考子像素值RP1~RPK进行运算及处理,以产生对应传感像素单元30的像素值PX_out。

感光元件AP用来实际接受光照并据以产生光电子或光电流(其可视为主动式像点(Active Pixel)),其对光的灵敏度高。然而,感光元件AP因制程因素可能会对温度有不同的灵敏度。因此,为了降低/消除温度对像素值PX_out的影响,传感像素单元30利用对光不灵敏的参考元件OBP来消除/补偿温度的影响,参考元件OBP可视为光学黑像点(Optical Black Pixel)。

详细来说,请参考图4,图4为本发明实施例感光元件AP、参考元件OBP1以及参考元件OBP2的俯视示意图。参考元件OBP1及参考元件OBP2皆可用来实现像素感光单元32中的参考元件OBP。感光元件AP、参考元件OBP1以及参考元件OBP2皆包括具有相同感光区域/面积的感光二极管,其中感光二极管具有感光区域LSA以及非感光区域NSA,而感光区域LSA具有感光面积A1。感光元件AP单纯地为感光二极管,也就是说,感光元件AP具有感光区域LSA以及非感光区域NSA,而感光区域LSA的面积为感光面积A1。另一方面,与感光元件AP不同的是,参考元件OBP除了感光二极管之外还包括一阻光层LBL,阻光层LBL可为集成电路布局(IC Layout)中的金属层(Metal),其设置于感光二极管的感光区域之上。阻光层LBL用来缩小参考元件OBP中感光二极管的感光区域,即用来降低参考元件OBP对光的灵敏度,使得相应于参考元件OBP的感光面积A2为A2=A1-ΔA,其中ΔA代表阻光层LBL于感光二极管感光区域的投影面积,即参考元件OBP的感光面积A2小于感光元件AP的感光面积A1。简言之,相较于感光元件AP,参考元件OBP对光的灵敏度小于感光元件AP对光的灵敏度。

于一实施例中,阻光层LBL完全覆盖参考元件OBP中感光二极管的感光区域,即参考元件OBP的感光面积A2为零,如图4所示的参考元件OBP1,参考元件OBP1所输出的参考子像素不受光照影响而仅受温度影响,其可用来消除/补偿像素值PX_out中受到温度影响的信号成份。

更进一步的,于另一实施例中,阻光层LBL部份覆盖参考元件OBP中感光二极管的感光区域,如图4所示的参考元件OBP2,参考元件OBP2所输出的参考子像素受到少许光照影响以及温度影响,其可用来消除/补偿像素值PX_out中受到温度以及背景光影响的信号成份。

简言之,参考元件OBP所产生的参考子像素值RP1~RPK相较于感光元件AP受到光照的影响较小(甚至完全不受光照的影响,如参考元件OBP1),而参考元件OBP与感光元件AP受到温度的影响程度相同,因此,整合单元34侦测与排除元件(感光元件AP或参考元件OBP)因制程因素所造成的热像素点(Hot Pixel,或称之为白像素点(White Pixel)),而利用参考组件OBP所产生的参考子像素值RP1~RPK来补偿感光组件AP所产生的感光子像素值LSP1~LSPN

详细来说,请参考图5,图5为本申请实施例整合单元34的示意图,整合单元34包括感光统计单元50、查表单元52、感光平均单元54、参考统计单元56、参考平均单元58以及减法单元SUB。参考统计单元56用来计算参考子像素值RP1~RPK的参考统计量RPM,其中参考统计量RPM可为参考子像素值RP1~RPK的最小值、中位数或平均值其中之一。参考平均单元58接收参考统计量RPM以及一参考临限值D_th,并根据参考临限值D_th以及参考统计量RPM,计算相应于参考子像素值RP1~RPK的一参考平均值RPAVE,其中参考临限值D_th可在出厂前由生产人员设定。同样地,感光统计单元50用来计算感光子像素值LSP1~LSPN的感光统计量LSPM,感光统计量LSPM可为感光子像素值LSP1~LSPN的最小值、中位数或平均值其中之一。感光平均单元54接收感光统计量LSPM以及一感光临限值L_th,并根据感光临限值L_th以及感光统计量LSPM,计算相应于感光子像素值LSP1~LSPN的一感光平均值LSPAVE,其中感光临限值L_th可由查表而得。减法单元SUB耦接于感光平均单元54以及参考平均单元58,用来将感光平均值LSPAVE与参考平均值RPAVE相减,以输出像素值PX_out为感光平均值LSPAVE与参考平均值RPAVE的相减结果,如PX_out=LSPAVE-RPAVE,减法单元SUB即用来执行一共同项拒绝(Common-tern Rejection)运算。另外,于查表单元52可储存有感光统计量LSPM与感光临限值L_th之间的对应关系,而其对应关系可于电子装置10t的校准阶段事先建立完成,因此,当电子装置10进行正常操作时,查表单元52可根据感光统计量LSPM输出其所对应的感光临限值L_th。

参考平均单元58计算参考平均值RPAVE的细节详述如下。参考平均单元58逐一检视参考子像素值RP1~RPK与参考统计量RPM的差值是否大于参考临限值D_th,其中差值可为参考子像素值RP1~RPK中任一参考子像素值RPk与参考统计量RPM的相减结果的绝对值,即|RPk-RPM|。若差值|RPk-RPM|大于参考临限值D_th,代表参考子像素值RPk所对应的参考元件OBP极易受到温度影响,故参考平均单元58将参考子像素值RPk剔除,即在计算参考平均值RPAVE时不采用差值|RPk-RPM|大于参考临限值D_th的参考子像素值RPk。另一方面,若参考子像素值RPk与参考统计量RPM的差值|RPk-RPM|小于或等于参考临限值D_th,代表参考子像素值RPk为正常参考子像素值,在计算参考平均值RPAVE时参考平均单元58将参考子像素值RPk纳入计算参考平均值RPAVE时的考虑。于一实施例中,对每一个参考子像素值RPk(k=1,…,K)来说,当差值|RPk-RPM|大于参考临限值D_th时,参考平均单元58将对应参考子像素值RPk的权重wk设为0;当差值|RPk-RPM|小于或等于参考临限值D_th时,参考平均单元58将对应参考子像素值RPk的权重wk设为1;如此一来,参考平均单元58可计算参考平均值RPAVE为RPAVE=(Σk wk*RPk)/(Σk wk)(公式1)。换句话说,参考平均单元58先从参考子像素值RP1~RPK中挑选多个正常参考子像素值(其中每一正常参考子像素值与参考统计量RPM的差值小于或等于参考临限值D_th),再计算参考平均值RPAVE为多个正常参考子像素值的平均值。

同样地,感光平均单元54逐一检视感光子像素值LSP1~LSPN与感光统计量LSPM的差值是否大于感光临限值L_th,其中差值可为感光子像素值LSP1~LSPN中任一感光子像素值LSPn与感光统计量LSPM的相减结果的绝对值,即|LSPn-LSPM|。若差值|LSPn-LSPM|大于感光临限值L_th,代表感光子像素值LSPn所对应的感光元件AP极易受到温度影响,故感光平均单元54将感光子像素值LSPn剔除,即在计算感光平均值LSPAVE时不采用差值|LSPn-LSPM|大于感光临限值L_th的感光子像素值LSPn。另一方面,若感光子像素值LSPn与感光统计量LSPM的差值|LSPn-LSPM|小于或等于感光临限值L_th,代表感光子像素值LSPn为正常感光子像素值,在计算感光平均值LSPAVE时感光平均单元54将感光子像素值LSPn纳入计算感光平均值LSPAVE时的考虑。于一实施例中,对每一个感光子像素值LSPn(n=1,…,N)来说,当差值|LSPn-LSPM|大于感光临限值L_th时,感光平均单元54将对应感光子像素值LSPn的权重cn设为0;当差值|LSPn-LSPM|小于或等于感光临限值L_th时,感光平均单元54将对应感光子像素值LSPn的权重cn设为1;如此一来,感光平均单元54可计算感光平均值LSPAVE为LSPAVE=(Σncn*LSPn)/(Σn cn)(公式2)。换句话说,感光平均单元54先从感光子像素值LSP1~LSPN中挑选多个正常感光子像素值(其中每一正常感光子像素值与感光统计量LSPM的差值小于或等于感光临限值L_th),再计算感光平均值LSPAVE为多个正常感光子像素值的平均值。

从另一角度来说,参考平均单元58不但可以剔除由对温度敏感的参考元件OBP所产生的参考子像素值,利用公式1的取平均运算,参考平均单元58还可消除噪声;同样地,感光平均单元54不但可以剔除由对温度敏感的感光元件AP所产生的参考子像素值,利用公式2的取平均运算,感光平均单元54还可消除噪声。另外,利用减法单元SUB,可将传感像素单元30受到温度影响的成份消除掉(或补偿回来)。

如此一来,本申请可大幅缩小多个传感像素单元30输出的多个像素值PX_out的不一致或不均匀。具体来说,于温度为25℃、37℃、41℃、55℃时,多个传感像素单元30所输出的多个像素值PX_out的标准偏差(Standard Deviation,STD)分别为0.7、0.9、1.0、1.4个单位数值。特别是在高温的情况下,标准偏差下降的程度尤为明显,当温度为41℃、55℃时,标准偏差分别下降2.7、7.0倍。

整合单元不限于利用特定方式来实现,其可以缓存器传输级(Register-Transfer Level,RTL)电路等数字电路或特殊应用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)来实现,甚至可利用数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)来实现。

综上所述,本申请利用多个感光元件及多个参考元件来组成传感像素单元;利用对光不敏感的参考元件所产生的参考子像素来消除或补偿感光子像素中受到温度影响的信号成份;利用整合单元剔除对温度特别敏感的元件并消除噪声。本申请改善现有技术中因温度所导致的不一致或不均匀,应用在光学指纹辨识领域,本申请增强指纹辨识的精准度。

以上所述仅为本申请的部分实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

再多了解一些
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