专利名称：生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够读取指纹或静脉纹的光学生物传感器。
背景技术：
近来开始使用通过指纹或静脉纹识别的生物鉴定来确保移动电话、个人计算机和其它器件的安全。指纹传感器可光学地操作，或根据电容(例如，参见日本特开专利申请第2002-267408号)、压力或其它特性操作，并且光学传感器和电容传感器在精确的指纹检测方面是有利的。然而，电容指纹传感器具有易受静电放电影响的缺点，并且由于光学指纹传感器的传感器基板是半导体，所以大的传感器非常昂贵。此外，在过去静脉纹传感器还受限于CCD(电荷耦合器件)传感器、CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器和其它光学静脉传感器。为了使生物传感器普遍代替门钥匙，例如，必须提供耐久性和精确度，以便当手指按在传感器上时能够始终如一地检测指纹，并且还希望是低成本的。
已经开发了通过增加指纹读取光电传感器单元的光透射率所获得的光学传感器。具体地，向光电传感器单元的背面提供背光，光从该背光射向光电传感器单元，并且穿过光电传感器单元的光在接触光电传感器单元表面的手指端部发生反射。通过光电传感器检测反射光从而识别指纹。这种类型的光电传感器包括如下的光电传感器某些光电传感器从垂直于指尖表面的直线方向发射光并且读取由指纹凸起部分反射回的光、某些光电传感器利用棱镜以全反射的临界角发出光并且读取由指纹凹进部分反射回的光、以及其它光电传感器。
图1示出了在日本特开专利申请第2003-60844号中描述的常规指纹传感器中的背光结构的透视图。图2示出了在其公开中描述的光接收基板的结构的平面图。如图1所示，背光配置有导光板101、配置在导光板101侧面的光源100、配置在导光板101顶部的棱镜102、以及配置在棱镜102上方的漫射片103。由光源100发出的光进入导光板101，并根据配置在导光板101底部的反射图案由导光板101发射到棱镜102。入射在棱镜102上的光通过棱镜部分被赋予方向性，并发射到漫射片103。被漫射片103散射的光穿过光接收基板，光照射到与光接收基板的表面相接触的指纹上，并通过接收反射光读取指纹。
如图2所示，光接收基板具有如下的结构，其中两个由底栅极104、漏极105和源极106组成的标准反转交错TFT(薄膜晶体管)串联连接，并且如从上面所观察的，在TFT上还具有顶栅极107。漏极105和源极106分别连接至漏极线108和源极线109。从背光入射在光接收基板上的光从光接收基板的布线的空隙发射到指纹，光在手指和基板表面之间反射，并且根据进入TFT的光的强度测量反射光作为电荷，通过上述过程读取指纹。
在Corona Publishing公司，1997年出版的“Bio-informationVisualization Techniques”，Bio-information Visualization TechniquesEditorial Committee ed.，的“Optical Fluoroscopy and Imaging of In VivoFunctions”(第80-105页)3.1节中，描述了通过接收传输通过有机体(手掌)的光从而观察手掌中血液流动。
然而，上面描述的常规技术具有如下的这些缺点。如图1所示，在日本特开专利申请第2003-60844号中描述的常规指纹传感器利用棱镜102对来自背光的光赋予方向性，为此很难获得清晰明确的方向性。光发射的方向也必须通过追踪光路来确认，并且这也难于自由地设定发射方向。此外，与发射方向无关的图案也用在光接收基板的布图中，并且该常规技术具有光接收效率低的缺点。
如上所述，电容指纹传感器也具有易受静电放电影响的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较高光接收效率的能够读取指纹或静脉纹的光学生物传感器。
根据本发明的生物传感器包括光接收基板，在该光接收基板中在透明基板上形成了光接收元件、用于保护光接收元件的保护层、用来从基板的背面发光的背光，和百叶窗(louver)，用于指引由背光发射的光。该百叶窗配置在背光和基板之间。指纹或静脉纹通过下述过程检测，其中被百叶窗赋予方向性的光照射到设置在保护层上的有机部分上，反射光被光接收元件接收，并检测反射光的强度。
在本发明中，借助穿过百叶窗从而为从背光发出的光提供了清晰明确的方向性。通过百叶窗的光传过光接收基板，照射到放置在保护层上的有机部分上，然后反射，在这之后，通过光接收元件对该光进行检测。在指纹传感器中，例如，通过下面的过程识别指纹，其中根据指纹的表面不规则性，利用光接收元件检测反射光，并以二维扫描反射光的强度。在这种情况下由于照射光具有方向性，所以增加了光的接收效率，并且可以高精度地检测指纹。
可以配置该传感器以便在基板的表面上形成不透明的膜，该不透明的膜具有用于传输光的开口，并且连接该开口和保护层上有机部分的方向与由百叶窗引导的光的发射方向相平行。由此明显提高了光的接收效率。
光接收元件还可以包括下电极、透明的上电极和形成在下电极和上电极之间的半导体层。例如，通过利用p-i-n光接收元件作为半导体层，可以或多或少地改变LCD(液晶显示器)的排列工艺，用以制造光接收基板，并且即使生物传感器的表面积很大也可以制造便宜的生物传感器。
例如，通过背光发射的光可以是600到700nm或接近760nm波长的近红外光。由此制造出适合检测静脉纹的生物传感器。这样做的原因是在静脉中流动着大量的还原血红蛋白，而在动脉中流动着大量氧合血红蛋白，并且由于在上面提到的波段中在两种类型的血红蛋白之间的吸收系数显著不同，所以在该波段的光适合于检测静脉纹。
通过背光发射的光也可以具有400到760nm的波长。在该波段的光适合检测指纹。
此外，背光可以包括两种类型的光源，该光源包括在600到700nm或接近760nm波长处发射近红外光的第一光源和发射具有400到760nm波长的光的第二光源。在第一和第二光源之间的切换使该生物传感器既能够检测静脉纹也能检测指纹。
图1示出了在日本特开专利申请第2003-60844号中描述的常规指纹传感器中的背光结构的透视图；图2示出了在日本特开专利申请第2003-60844号中描述的光接收基板结构的平面图；图3示出在根据本发明实施例的生物传感器中用于检测指纹或静脉纹的单元的平面图；图4示出了沿着图3中示出的线A-A的纵截面图；图5示出了根据本发明实施例的改进实例的生物传感器，并且是和图4相同的纵向截面图；和图6示出了与如Bio-information Visualization Techniques EditorialCommittee ed.，“Bio-information Visualization Techniques，”CoronaPublishing公司，1997，所描述的氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收系数相关联的波长的图。
具体实施例方式
在下文中将参考附图详细地描述本发明的实施例。图3示出了在根据本实施例的生物传感器中用于检测指纹或静脉纹的单元的平面图，图4是沿着图3中示出的线A-A的纵截面图。
如图4所示，例如，在由LED(发光二极管)组成的背光单元1上放置百叶窗2。例如，百叶窗2是具有大约300μm厚度的百叶窗膜，其由透明部分和不透明部分以交替方式层叠的膜组成。光接收基板也放置在百叶窗2上。在该光接收基板中，在由例如玻璃组成的透明绝缘基板3上形成传感器元件。具体地，在基板3上形成具有开口12的不透明膜4，在不透明膜4上和开口12内形成透明绝缘膜5，并且在绝缘膜5上，在不透明膜4的正上方的位置上形成下电极6和数据线8。如图3所示，下电极6在垂直于数据线8的方向上延伸，并连接到信号提取线18。在下电极6上形成半导体层7，该半导体层7构成光接收元件，该光接收元件带有下电极6和将在下文中描述的作为上电极的ITO(铟锡氧化物)膜11。例如，半导体层7是具有p-i-n结的二极管，在该p-i-n结中p-i-n层按该顺序从底到顶层叠。还在基板3的整个表面上形成透明钝化膜9，并去除位于半导体层7和数据线8上的部分钝化膜9，以形成接触孔10。在半导体层7和数据线8上形成透明ITO膜11，用该ITO膜11填充半导体层7和数据线8的接触孔10，并将数据线8与下电极6和半导体层7电连接。还形成保护层13a，使得覆盖整个光接收基板。保护层13a的上表面是当手指接触时用来检测指纹的指纹检测单元。由此如图3所示，通过形成网格的信号提取线18和数据线8所限定的每个部分是具有开口12和半导体层7(阴影线区域)的传感器。在图4中，示出了被检测的有机部分为指纹的凹进部分的实例，且因此在指纹15和保护层13a的上表面之间形成了由空气层组成的空隙16。在本实施例中下电极6用作信号提取线，但是可以通过利用不透明膜4或其它布线使信号提取线用作与下电极6分开的布线。下面将详细描述每个组成元件。
例如，可以通过形成具有大约2μm厚度的丙烯酸或其它树脂的涂层从而形成保护层13a，并平整其表面。通过基板3并被保护层13a的上表面反射的光的发射角取决于保护层的材料特性，但是该发射角几乎总是在相对于垂直于基板3表面的线的±30度或以下。
如上所述，例如，在玻璃、塑料或其它透明绝缘的基板3上形成金属膜(其还可用作信号提取电极)作为不透明膜4。例如，通过利用溅射方法形成具有大约200nm厚度的Cr(铬)膜，并通过通常的光刻法形成布线，或通过在保留了不透明膜的部分中选择性地形成抗蚀剂，利用硝酸铈类的蚀刻液进行蚀刻，并剥离抗蚀剂，从而形成该膜。
利用例如CVD(化学气相淀积)方法，通过淀积氮化膜形成绝缘膜5，使得具有例如大约300nm的厚度。可以层叠该绝缘膜5，以包括具有100nm厚度的氧化膜和具有200nm厚度的氮化膜。
例如，通过溅射方法和进行光致抗蚀剂工艺、蚀刻工艺和剥离工艺建立具有大约100nm厚度的Cr膜，从而形成下电极6。除了Cr或另外的金属外，还可以利用ITO、SnO2(氧化锡)、ZnO(氧化锌)、CuAlO2(氧化铝铜)、SrCu2O2(氧化铜锶)或其它氧化半导体或聚合物半导体形成下电极6。
例如，可以根据下面描述的方法形成半导体层7。首先，在包含硼(B)的气体(例如，二硼烷(B2H6))中对基板的整个表面进行等离子体处理。当在下电极6上形成N型半导体层时，在包含磷的气体(例如，磷化氢(PH3))中进行该等离子体处理。在下电极6被图案化之后进行该等离子体处理，但是可以在形成膜之后和图案化处理之前进行。通过下面的工艺形成半导体层7，其中，例如，通过CVD方法淀积具有大约200nm厚度的非掺杂的氢化非晶硅；然后，例如，淀积大约50nm厚度的磷掺杂的氢化非晶硅；并进行通常的光刻工艺和RIE(反应式离子蚀刻)工艺。在这里描述了氢化非晶硅的一个实例，但是也可以以相同的方式使用微晶硅、多晶硅等。
然后通过向具有大约140nm厚度的膜中溅射例如Cr，进行通常的光刻工艺，并利用硝酸铈类的蚀刻液蚀刻Cr，从而形成数据线8。
通过CVD方法淀积例如具有大约150nm厚度的氮化膜从而形成钝化膜9，并通过进行通常的光刻工艺和利用氢氟酸类的蚀刻液的蚀刻工艺形成接触孔10。对于半导体层7的上电极，例如，通过溅射方法建立具有大约50nm厚度的ITO膜11，并通过通常的光刻工艺和利用王水类的蚀刻溶液的蚀刻工艺去除抗蚀剂。
接下来将描述用来检测指纹或静脉纹的光的波长。考虑到由作为光源的LED发射的光的波段、由半导体接收的光的波段、以及与指纹传感器相关的其它因素，例如，可以利用400到760nm波长的光来检测指纹。在静脉传感器中，例如，可以利用具有600到700nm或接近760nm波长的光来检测静脉纹。利用这些波长的原因如下。如在Bio-information Visualization Techniques Editorial Committee ed.，“Bio-information Visualization Techniques，”Corona Publishing公司，1997中所描述的，图6示出了与氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收系数相关联的波长图。由于大部分还原血红蛋白在静脉中流动，且大部分氧合血红蛋白在动脉中流动，所以在这两种类型的血红蛋白的吸收系数之间具有较大差异处的波长(例如，600到700nm或接近760nm)适用于检测静脉纹。
接下来将描述根据由此配置的本实施例的生物传感器的工作。如图4所示，在背光单元1和基板3之间配置百叶窗2，用于限制光的发射方向。从背光单元1发射的光通过百叶窗2的引导，从基板3上的开口12进入光接收基板。在这种布置中，相对于百叶窗2的方向成一定角度而被引导的光被阻挡了，并且与百叶窗2基本相同方向的光从百叶窗2射出。根据放置在保护层13a上的手指的静脉纹或指纹15，射出的光再一次通过光吸收基板并反射。通过半导体层7接收反射光(见光路17)。在指纹检测的实例中，由于在指纹的凹进部分和保护层13a的上表面之间的空间中形成了由空气层构成的间隙16，所以光几乎全部反射，并且反射光变得更强。由于在指纹的凸起部分和保护层13a的上表面之间没有由空气层形成的间隙，所以光被手指吸收，并且反射光强度不强。利用下电极6和数据线8，根据光的强度，检测由半导体层7接收的反射光作为电压或电流。通过扫描下电极6和数据线8，由此可获得静脉纹或两维指纹数据。
在指纹检测的情况下，为百叶窗的方向选择角度，使得这样的比率(反差)最大，所述比率是在通过指纹的凹进部分形成空气层间隙并且光被强烈反射的情形和在指纹的凸起部分中由手指吸收光并且光较弱反射的情形之间的比率。在静脉纹检测的情况下，百叶窗的方向被设定为最大化静脉纹反差的角度。当静脉纹和指纹都检测时，选择使静脉纹和指纹的反差都最大化的角度。虽然取决于光的波长，但是在两种类型的角度之间存在着很小的差异。
接下来将描述本实施例的效果。在根据本实施例的生物传感器中，由于从背光单元1发射的光通过百叶窗2被设置有清晰明确的方向性，所以接收反射光的效率增加了，并且能够高精度地检测指纹和静脉纹。由于发射方向也容易设定，所以当考虑发射方向而建立光接收基板的布图时，可以更进一步地增加光的接收效率。例如，可以布置光接收基板，以便使连接开口12和手指放置位置的方向平行于由百叶窗引导的光的发射方向。还可以采用这样的结构，其中以发光原点为基准的基板3上开口12的方向、以发光原点为基准的作为光接收元件的半导体层7的方向和由百叶窗2引导的发光方向之间大体上相匹配(相同)。该结构显著增加了光的接收效率。同利用透镜或其它聚光系统的常规技术相比较，还简化了传感器的结构。根据由此配置的本实施例，光路和光接收基板上的每个部分之间的关系是在几何上明确定义的，并且可以形成具有优良光接收效率的生物传感器。通过利用p-i-n光接收元件作为半导体层7，通过稍微改变LCD(液晶显示器)的排列工艺可以制造出便宜的面积较大的生物传感器。本实施例不像电容型传感器那样存在易受静电放电影响的缺点。
当获得与静脉纹相关的数据时，由于在与手指接触的界面上的反射，因此存在一些与指纹相关信息的交迭。然而，通过利用关于指纹图案(检测的图案或记录的图案)的差分数据，可以提高用其检测的静脉纹的精度。通过应用这种方法，当在液体中弄湿手指以致在指纹的凹进部分中不能形成空气空间时，也能够提高静脉纹检测的精度。
在本实施例中下电极6用作信号提取线，但是使用不透明膜4或布线的其它元件也能够使信号提取线成为与下电极6分开的布线的元件(信号提取线和下电极电连接)。
接下来将描述本发明的实施例的一个改进实例。图5示出了根据本改进实例的生物传感器，且是和图4相同的纵向截面图。如图5所示，本改进实例和前述的实施例的不同在于，在基板3和形成在光接收基板表面上的保护膜13b之间布置间隔物14。具体地，在图中示出的实例中，间隔物14保持在保护膜13b和形成在基板3上的ITO膜11之间。本改进实例的其它方面与先前描述的实施例相同。例如，间隔物14具有大约4μm的直径，并且可以为球形或圆柱形。通过形成ITO膜11的工艺形成用于覆盖光接收元件的保护层，并在基板3的周围对具有大约2mm宽度的密封部件进行图案化，在这之后分配间隔物14，并在其上粘结玻璃、塑料或其它透明基板。根据本改进实例，由于使用刚性玻璃等形成保护膜13b，所以与使用丙烯酸树脂形成保护层的情形相比，提高了用于检测指纹或静脉纹的单元的耐久性和耐湿性。间隔物14用来保持保护膜13b和半导体层7之间的空隙，并且结合百叶窗方向的角度确定该空隙。
由于当在本实施例和改进实例中对半导体层7的图案化大于下电极6时，p-i结没有出现在蚀刻表面上，所以不会在该结附近形成复合中心，并可以抑制泄漏电流的增加。还能够利用下电极、上电极、漏电极、触点和其它组件，从而连接布置在平面上的不同位置的多个半导体层7，以及从而增加电动势。
在本实施例和改进实例中，层叠的二极管从底部按p-i-n的次序排列，但是也可以使用相反的顺序n-i-p排列。TFT的栅极可以与下电极6(或信号提取线)相连接，TFT的漏极可以与数据线8相连接，且用于光接收的半导体层7可以连接在TFT的源极和下电极6之间，以选择光接收元件。通过在被手指接触的传感器的最外表面上形成ITO膜或其它透明电极，使得建立了经由电阻的接地连接，从而可以减轻静电冲击，并且ITO膜还可用作接触传感器的电极。
本发明可以适当地用于移动电话、个人电脑、门钥匙和其它使用生物鉴别的器件中。
权利要求
1.一种生物传感器，包括光接收基板，在所述光接收基板中，在透明基板上形成了光接收元件；用来保护所述的光接收元件的保护层；从所述基板的背面发射光的背光；和百叶窗，用于引导从所述背光发射的光，该百叶窗配置在所述背光和所述基板之间，并向设置在所述保护层上的有机部分照射赋予了方向性的光；其中所述光接收元件通过接收来自有机部分的反射光并检测该反射光的强度，从而对指纹或静脉纹进行检测。
2.根据权利要求1的生物传感器，进一步包括形成在所述基板表面上的不透明膜，所述不透明膜具有用于传输光的开口；其中连接所述开口和所述保护层上的所述有机部分的方向平行于被所述百叶窗引导的光的发射方向。
3.根据权利要求1的生物传感器，其中所述的光接收元件包括下电极；透明的上电极；和形成在下电极和上电极之间的半导体层。
4.根据权利要求1的生物传感器，其中由所述背光发射的光是具有600到700nm或接近760nm波长的近红外光；和在该波段中的光用于检测所述有机部分的静脉纹。
5.根据权利要求1的生物传感器，其中由所述背光发射的光具有400到760nm的波长；和在该波段中的光用于检测所述有机部分的指纹。
6.根据权利要求1的生物传感器，其中所述背光包括两种类型的光源，包括第一光源，其用于发射600到700nm或接近760nm波长的近红外光，和第二光源，其用于发射具有400到760nm波长的光；和切换所述的第一和第二光源，以检测静脉纹和检测指纹。
全文摘要
本发明涉及一种生物传感器。该光学生物传感器具有较高光接收效率的、能够读取指纹或静脉纹。在该传感器中，在背光单元和基板之间配置百叶窗，用于通过下面的过程来识别指纹，其中，从背光单元发射的光穿过基板并照射到与保护层的上表面相接触的指纹上，并且，根据指纹的表面不规则性反射的光被作为光接收元件的半导体层所接收。由此发射的光被设置成具有清晰明确的方向性，因此增加了通过传感器的光接收效率。
文档编号G06K9/00GK1954776SQ20061014289
公开日2007年5月2日 申请日期2006年10月27日 优先权日2005年10月27日
发明者高桥美朝 申请人:Nec液晶技术株式会社