一种具有指纹识别功能的全透明触控屏的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有指纹识别功能的全透明触控屏，包括兼具有指纹识别功能和触控功能的传感电路层，以及将传感电路层夹在中间的第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层的厚度小于300μm，并以第一绝缘层作为触控层。本发明采用双绝缘层结构，降低了触控屏触摸面的厚度，增大了感应电容，进而实现了触控屏的指纹识别。
【专利说明】
一种具有指纹识别功能的全透明触控屏
技术领域
[0001]本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种具有指纹识别功能的全透明触控屏。
【背景技术】
[0002]随着智能手机等数码产品的发展，触控屏技术早已融入人们的生活当中。触控屏包括传感电路层和位于其上的绝缘层，例如，投射式电容触控屏是在玻璃表面用一层或多层透明导电电极ITO制作X和y轴电极矩阵，该ITO电极矩阵即构成为传感电路层，玻璃即作为绝缘层。当手指触摸玻璃时，手指和ITO表面形成一个耦合电容，引起电流的微弱变动，通过扫描X轴和y轴电极矩阵，检测触摸点电容量的变化确定触摸点所在位置。
[0003]随着移动终端的广泛使用，尤其是手机支付的流行，其安全性、便捷性等性能日益受到重视，其中一种解决方案就是加入指纹识别模块。指纹由于其唯一性和终身不变性，被广泛应用于生物特征识别中。指纹识别技术可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，进而验证其身份。
[0004]对于现有的触控屏而言，为起到保护支撑作用，绝缘层较厚。这样导致电极与手指之间形成的电容过小，触控灵敏度不高，基本不能实现指纹识别功能，或即使能够实现指纹识别，但是识别精度也不高，不能投入实际应用。因此，为实现指纹识别功能，需要单独设置指纹识别模块。
[0005]而且由于当前市场上出现的若干种商用指纹识别器大多基于成熟的单晶硅或者多晶硅基CMOS工艺设计与制造，用金属构成电极与互连线，导致整个指纹识别模块无法做成透明的，不能与智能手机或平板电脑的透明触控屏集成。比如苹果移动市场的产品是将指纹识别模块集成在HOME键上形成正面指纹识别。这种在正面开孔做实体HOME键的做法使得手机ID设计面临难题。且不透明的实体按键就只能占据整个手机面板的额外区域，限制手机的有效显示面积。这样的缺陷显然与当今智能手机大屏化的趋势格格不入。特别是对于即将普及的可穿戴式设备，如智能手表，由于无法放置非透明的指纹识别模块，将影响在智能手表上进行移动支付的体验性和安全性。
[0006]此外，很多Android系统手机并没有HOME实体键，所以对于Android手机来说，指纹识别传感器置于正面是有难度的。为此，一部分手机厂商将指纹识别模块置于手机背面，也有部分手机厂商将手机下方的触控按键部分的玻璃掏空减薄，以减小玻璃厚度。但是这些折中措施都影响了手机使用的良好体验性，也不符合窄边化的趋势。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有指纹识别功能的全透明触控屏。
[0008]—种具有指纹识别功能的全透明触控屏，包括兼具有指纹识别功能和触控功能的传感电路层，以及将传感电路层夹在中间的第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层的厚度小于300μπι，并以第一绝缘层作为触控层。
[0009]为了解决电容小的问题，本发明使用减少触控层(即直接与手指接触的绝缘层的)厚度的方法，同时为了避免屏幕太薄容易形变的问题，将现有技术中的一层绝缘层既做触控层起到支撑作用结构改进为两个绝缘层的结构。通过单独设置的第二绝缘层作为支撑层防止屏幕变形，从而大大减小了触控层的厚度，增大了感应电容，提高了触控灵敏度，进而能够实现指纹识别功能。
[0010]在实际应用中，传感电路层必须与产品中的其他电路进行连接，以实现电子设备的触控功能或指纹识别功能。而对于一个电子设备而言，通常采用的传感电路层具有大量的引线，这样就需要大量连接线将这些引线引出至触控屏外，而且这些连接线是有一定厚度的，如果夹在第一第二绝缘层中间会引起边缘突起变形等问题。本发明提出一种背面绕线的方案来解决窄边化甚至无边化后的引线问题。
[0011]所述传感电路层的边沿相对于第一绝缘层的边沿对齐，相对于第二绝缘层的边沿向外延伸使所述全透明触控屏的侧边缘形成台阶区域，将传感电路层的引线引出至触控屏外部的连接线敷设于该台阶区域。如此设置台阶区域，解决了由于第一绝缘层厚度较小，无法在第一绝缘层与传感电路层的结合面上开槽以敷设用于将传感电路层的引线引出至触控屏外部的连接线的问题。且如此设计，能够最大程度的扩大触控面的有效触控面积，符合电子设备向大屏窄边化方向发展的趋势。
[0012]受到目前半导体工艺的限制，该结构可采用如下工艺制备:以第一绝缘层为衬底沉积或刻蚀导电层和半导体层形成传感电路层，然后通过贴合方式与第二绝缘层集成。由于此时第一绝缘层需要作为衬底，因此，所述第一绝缘层的厚度大于或等于ΙΟΟμπι。
[0013]为保证能够敷设连接线，且根据制备工艺可以看出，传感电路层的引线位于下表面(以与第一绝缘层的结合面为上表面)，如此设置，也便于电路布线。
[0014]作为另一种实现方法所述传感电路层的边沿相对于第二绝缘层的对齐，相对于第一绝缘层的边沿向外延伸使所述全透明触控屏的侧边缘形成台阶区域，将传感电路层的引线引出至触控屏外部的连接线敷设于该台阶区域。
[0015]该结构可采用如下工艺制备:第二绝缘层为衬底沉积或刻蚀导电层和半导体层形成传感电路层，然后通过贴合方式与第一绝缘层集成。此时第一绝缘层仅作为触控层，因此，所述第一绝缘层的厚度小于或等于ΙΟΟμπι。作为优选，所述第一绝缘层的厚度为0.1?80μπι。进一步优选，所述第一绝缘层的厚度为80μπι，最优的所述第一绝缘层的厚度为Ο.?μπι。
[0016]以上两种实现方案中，传感电路层相对于第一绝缘层或第二绝缘层向外延伸的长度为Imm?5mm。
[0017]作为另一种实现方式，所述传感电路层的边沿相对于第一绝缘层和二绝缘层的边沿均对齐，且传感电路层的引线绕至第二绝缘层的背面与连接线连接以将其引出至触控屏外部。
[0018]传感电路仅需要能够支持触控和指纹识别功能即可，可以整个触控屏全屏均支持指纹识别，也可以仅部分区域支持指纹识别。本发明的传感电路层包括支持指纹识别模式和触控模式的指纹识别区;所述指纹识别区内的每个阵元均对应有时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线，每个阵元包括:
[0019]电容电极，用于在指纹接触处形成感应电容；
[0020]充电开关，一端与电容电极连接，另一端与该阵元对应的第一扫描线相连，第一扫描线上施加高电平时充电开关导通；
[0021]转换模块，输入端连接该阵元对应的第二扫描线用以电压采样，输出端连接该阵元对应的感应线用以输出经转换放大的感应电流，控制端连接电容电极用以获取控制电压信号。
[0022]工作时以阵元作为最小功能单元，各个阵元的工作原理如下:
[0023]对于指纹接触处，电容电极与手指之间形成感应电容。当第一扫描线上施加的电压为高电平时，充电开关导通，通过第一扫描线对形成的感应电容进行充电。
[0024]此后，第一扫描线上施加的电压转为低电平，第二扫描线施加的电压为高电平，此时感应电容经过充电后，电容电极上有电荷存储，输出高电平，通过转移模块对第二扫描线和电容电极之间的压差进行转移放大，通过输出端输出转移放大后的感应电流，以供外围电容侦测电路进行侦测。
[0025]本发明的传感电路层通过转移放大输出的感应电流与现有技术中直接通过侦测电容放电电流的方式进行比较，能够大大提高指纹识别的精度。
[0026]本发明中传感电路层、绝缘层(包括第一绝缘层和第二绝缘层)均采用全透明材料。
[0027]电路传感层材质为锌、锡、铜或铟的氧化物或者锌、锡、铟、镓、铝、钛、银或铜的其中两种或两种以上的氧化物的混合物，也可以为镓、铝、或铟的氮化物或者镓、铝、或铟的其中两种或两种以上的氮化物的混合物。
[0028]本发明的触控屏中，所述第二绝缘层的材料为玻璃、石英或蓝宝石，厚度为200?ΙΟΟΟμπι。所述第一绝缘层的材料为玻璃、石英、蓝宝石或聚对苯二甲酸柔性材料，对应厚度为10?300μηι。作为优选，所述第一绝缘层为三氧化二铝、二氧化娃、氮化娃、氮化铝，PDMS、PI薄膜，此时厚度可为0.1?ΙΟΟμπι。
[0029]当第一绝缘层与传感电路层的边沿对齐时，即二者大小相同时，可以以第一绝缘层作为衬底在上沉积半导体导电层，然后再对半导体导电层进行刻蚀形成传感电路层，此时对第一绝缘层的厚度有一定要求，通常大于ΙΟΟμπι。也可以通过镀膜方法，选择一块衬底，依次在所选衬底上沉积第一绝缘层和半导体导电层，再对半导体导电层进行刻蚀形成传感电路层，之后将第一绝缘层和所选衬底剥离去除即可，此时对第一绝缘层的厚度无特殊要求，可以尽可能做薄，甚至可达0.Ιμπι。
[0030]在实际应用时，需要根据全透明触控屏的结构、各个绝缘层的材质选择合适的尺寸。
[0031]与现有技术相比，本发明采用双绝缘层结构，降低了触控屏触摸面的厚度，增大了感应电容，进而实现了触控屏的指纹识别。
【附图说明】
[0032]图1为实施例1的全透明触控屏的结构示意图；
[0033]图2为本实施例的传感电路层2的电路原理示意图；
[0034]图3为实施例2的全透明触控屏的结构示意图；
[0035]图4为实施例3的全透明触控屏的结构示意图；
[0036]图5所示为手指纹隔着不同厚度不同材质的第一绝缘层所采集到的电压信号。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0038]实施例1
[0039]如图1所示，本实施例的全透明触控屏包括兼具有指纹识别功能和触控功能的传感电路层2，以及将传感电路层夹在中间的第一绝缘层I和第二绝缘层3，并以第一绝缘层作为触控层。其中，传感电路层2的边沿相对于第一绝缘层I的边沿对齐，相对于第二绝缘层3的边沿向外延伸5mm使全透明触控屏的侧边缘形成台阶区域。
[0040]本实施例中传感电路层2的引线通过引线4引出至触控屏外部，本实施例中引线采用PFC，且FPC的接头贴合在台阶区域上，并采用光学胶5将FPC的接头固定在台阶区域上，另一方面也可以填充该台阶区域使全透明触控屏侧边缘平齐。
[0041]本实施例中传感电路层2、绝缘层(包括第一绝缘层I和第二绝缘层3)均采用全透明材料。
[0042]电路传感层材质为锌、锡、铜或铟的氧化物或者锌、锡、铟、镓、铝、钛、银或铜的其中两种或两种以上的氧化物的混合物，也可以为镓、铝、或铟的氮化物或者镓、铝、或铟的其中两种或两种以上的氮化物的混合物。
[0043]本实施例的具有指纹识别功能和触控功能的传感电路层2包括支持指纹识别模式和触控模式的指纹识别区。传感电路层2由若干个呈二维矩阵排列的阵元组成，本实施例中的阵元为任意相邻的两条扫描线和任意相邻的两条感应线围成的封闭区域。指纹识别区内的每个阵元均对应有时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线，每个阵元包括:
[0044]电容电极(本实施例中为自电容电极)，用于在指纹接触处形成感应电容；
[0045]充电开关，一端与电容电极连接，另一端与该阵元对应的第一扫描线相连，第一扫描线上施加高电平时充电开关导通；
[0046]转换模块，输入端连接该阵元对应的第二扫描线用以电压采样，输出端连接该阵元对应的感应线用以输出经转换放大的感应电流，控制端连接电容电极用以获取控制电压信号。
[0047]本实施例中每个阵元的大小为0.1 X0.1mm2，每个阵元内的充电开关和转换模块均通过薄膜晶体管实现。
[0048]图2为本实施例的传感电路层2的电路原理示意图，其中，充电开关包括第一薄膜晶体管Ql，且第一薄膜晶体管Ql的栅极和源极串联后与第一扫描线LI相连，漏极与电容电极C相连。
[0049]为提高指纹识别精度，转换模块可以为具有单级放大功能，能够在较小的电压作用下输出较大的感应电流。转化模块包括第二薄膜晶体管Q2，转换模块以第二薄膜晶体管Q2的栅极作为控制端连接电容电极C用以获取控制电压信号，源极作为输入端连接对应的第二扫描线L2用以电压采样，漏极作为输出端与感应线L3连接以输出感应电流。
[0050]传感电路层2在使用时需要外加扫描电路和电容侦测电路，通过扫描电路为扫描线施加时序脉冲，通过电容侦测电路侦测电容变化以用于指纹识别。其中每个阵元对应的时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线根据扫描时向各个扫描线施加时序脉冲顺序确定。
[0051]本实施例的传感电路层2工作时以阵元作为最小功能单元，各个阵元的工作过程如下:
[0052]对于指纹接触处，以电容电极作为一个正极板、手指作为虚地形成感应电容；
[0053]当第一扫描线上施加的时序脉冲为高电平，第二扫描线上施加的时序脉冲为低电平时，此时，作为充电开关的第一薄膜晶体管Ql导通，且由于第一扫描线的电压为高电平，对形成的感应电容充电；
[0054]此后，扫描电路施加给第一扫描线的时序脉冲的电压转为低电平，第二扫描线施加的时序脉冲的电压转为高电平，此时，感应电容充电后，作为正极板的电容电极上有电荷存储，输出高电平，第二薄膜晶体管Q2工作于放大区，最终输出较大的感应电流；
[0055]外围电容侦测电路根据第二薄膜晶体管Q2输出的感应电流完成电容侦测，进而确定该阵元是否存在指纹接触。
[0056]对于传感电路层2，根据所有阵元的侦测结果，即可完成指纹识别或触控。
[0057]本实施例中第一绝缘层的材料可选择玻璃、石英、或聚对苯二甲酸柔性材料和蓝宝石，对应厚度为10?300微米。作为优选，第一绝缘层的可用三氧化二铝、二氧化硅、氮化硅、氮化铝，PDMS、PI薄膜等材料，此时厚度可为0.1?100微米PI薄膜。
[0058]本实施例中第一绝缘层I的材质为玻璃，厚度为200μπι，第二绝缘层3的材质为玻璃，厚度为ΙΟΟμπι。
[0059]受到目前半导体工艺的限制，该结构可采用如下工艺制备:以第一绝缘层为衬底沉积导电层并刻蚀形成传感电路层，然后通过贴合方式与第二绝缘层集成。由于此时第一绝缘层需要作为衬底，因此，所述第一绝缘层的厚度大于ΙΟΟμπι。
[0060]为保证能够敷设连接线，且根据制备工艺可以看出，传感电路层的引线位于下表面(以与第一绝缘层的结合面为上表面)，如此设置，也便于电路布线。
[0061]该传感电路层2应用于指纹识别屏时，当手指轻接触和按压在指纹识别屏上时，实际感应出的接触面积有很大的区别。例如在同一面积的有源矩阵上，手指轻接触和按压屏幕产生的图形在显示器上感应出的点区域面积差别很大。利用面积大小与压力的关系可以做一个触摸屏上的压力传感器，运用到移动智能终端的应用、控制等领域。
[0062]本实施例的传感电路层2应用于触摸屏时，既可以作为普通的触摸屏，又能在触摸时进行指纹识别。根据指纹识别区的面积大小，可同时进行多个手指的指纹识别。根据识别的手指的个数，又可以形成组合密码，在原有指纹识别的基础上再增加一层安全性。
[0063]当本实施例的传感电路层2中可应用于大屏智能移动终端时，且整个屏幕都对应于传感电路层2的指纹识别区，由于屏幕大，相应的指纹识别区也大，因此能进行掌纹识别。
[0064]实施例2
[0065]如图3所示，本实施例的全透明触控屏实施例1中相同。所不同的是传感电路层2的边沿相对于第二绝缘层3的边沿对齐，相对于第一绝缘层I的边沿向外延伸3mm使全透明触控屏的侧边缘形成台阶区域。第一绝缘层I的材质为PI薄膜，厚度为0.Ιμπι，第二绝缘层3的材质为玻璃，厚度为ΙΟΟμπι。
[0066]本实施例中传感电路层2的引线通过引线4引出至触控屏外部，本实施例中连接线采用PFC，且FPC的接头贴合在台阶区域上，并采用光学胶5将FPC的接头固定在台阶区域上，另一方面也可以填充该台阶区域使全透明触控屏侧边缘平齐。
[0067]该结构可采用如下工艺制备:第二绝缘层为衬底沉积刻蚀导电层和半导体层并形成传感电路层，然后通过贴合方式与第一绝缘层集成，也可以通过镀膜的方式沉积第一绝缘层。
[0068]实施例3
[0069]如图4所示，本实施例的全透明触控屏与实施例1中相同，所不同的是传感电路层的边沿相对于第一绝缘层I和二绝缘层3的边沿均对齐。
[0070]本实施例中全透明触控屏采用如下工艺制备:以第二绝缘层为衬底沉积刻蚀导电层和半导体层形成传感电路层，然后通过贴合或镀膜方式集成第一绝缘层。此时，第二绝缘层的材质为玻璃，厚度为500μπι;第一绝缘层的材质为氮化硅，厚度为Ιμπι。相应的，如图4所示，将传感电路层2的引线6绕第二绝缘层的侧面引至其背面，再与FPC 4进行贴合连接到外部电路。全透明触控屏边缘的缝隙用光学胶填充及边框包络。
[0071]作为另一种实现方法，本实施例中全透明触控屏可采用如下工艺制备:以第一绝缘层为衬底沉积刻蚀导电层和半导体层形成传感电路层。同时在第二绝缘层沉积并刻蚀引线绕至背面，然后通过贴合方式与第一绝缘层集成。最后FPC 4与第二绝缘层背面的引线贴合连接到外部电路。此时，第二绝缘层的材质为玻璃，厚度为500μπι;第一绝缘层的材质为玻璃，厚度为ΙΟΟμπι。全透明触控屏边缘的缝隙用光学胶填充及边框包络。
[0072]图5所示为手指纹隔着不同厚度不同材质的触控层(第一绝缘层)触控时对单个感应电容两端的电压值的扫描结果，横轴为扫描时间，纵轴为电压值，且此时触控屏的结构可以是以上实施例中的任意一种。可见触控层的厚度越薄，材质的介电常数越高，所能采集到的单个感应电容的电压值越大，指纹识别的成功率越高。
[0073]以上所述的【具体实施方式】对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，包括兼具有指纹识别功能和触控功能的传感电路层，以及将传感电路层夹在中间的第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层的厚度小于300μπι，并以第一绝缘层作为触控层。2.如权利要求1所述的具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，所述传感电路层的边沿相对于第一绝缘层的边沿对齐，相对于第二绝缘层的边沿向外延伸使所述全透明触控屏的侧边缘形成台阶区域，将传感电路层的引线引出至触控屏外部的连接线敷设于该台阶区域。3.如权利要求1所述的具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，所述传感电路层的边沿相对于第二绝缘层的边沿对齐，相对于第一绝缘层的边沿向外延伸使所述全透明触控屏的侧边缘形成台阶区域，将传感电路层的引线引出至触控屏外部的连接线敷设于该台阶区域。4.如权利要求1所述的具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，所述传感电路层的边沿相对于第一绝缘层和二绝缘层的边沿均对齐，且传感电路层的引线绕至第二绝缘层的背面与连接线连接以将其引出至触控屏外部。5.如权利要求2或3所述的具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，向外延伸的长度为Imm?5mm。6.如权利要求2?4中任意一项所述的具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，所述第二绝缘层的材料为玻璃、石英或蓝宝石，厚度为200?ΙΟΟΟμπι。7.如权利要求6所述的具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，所述第一绝缘层的材料为玻璃、石英、蓝宝石或聚对苯二甲酸柔性材料，对应厚度为10?300μπι。8.如权利要求6所述的具有指纹识别功能的全透明触控屏，其特征在于，所述第一绝缘层为三氧化二铝、二氧化硅、氮化硅、氮化铝，PDMS、PI薄膜，此时厚度可为0.1?ΙΟΟμπι。
【文档编号】G06F3/041GK105867678SQ201610168813
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】叶志, 徐桦, 刘旸
【申请人】浙江大学