一种传感器像素及光学传感器的制作方法

本实用新型实施例涉及指纹识别技术，尤其涉及一种传感器像素及光学传感器。

背景技术：

指纹传感器目前主要分为两类，即光学指纹传感器和电容式指纹传感器。电容式指纹传感器是通过测量指纹谷线、脊线与平面传感电极阵列单元之间形成的连接电容的大小差异来对指纹成像。当传感电极阵列与手指之间的介质层越厚的时候，电容会衰减，传感器的成像也会越模糊。由于技术的发展，指纹传感器在传感电极和目标电极之间的介质层厚度从10um量级增加到100um量级。更有甚者，考虑到手机屏幕的工业设计的完整性，希望指纹传感器能直接穿透屏幕玻璃，也就是厚度400um-500um的化学强化玻璃。所以，光学指纹传感器的穿透力较之电容式指纹传感器具有非常大的优势。

但传统的光学指纹传感器应用在手机等智能设备上时，有个很大的缺点即光学指纹传感器的厚度通常较大，因为光学指纹传感器通常需要将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就不一样，形成光强空间分布图像，透镜等装置将图像投射聚焦在图像传感器上，得到多灰度指纹图像。由于需要透镜等光学结构，导致光程长，传感器总体厚度大，不利于手机的工业设计。

如果直接将光学指纹传感器设置在屏幕底部，那么由于折射和漫反射的原因每个像素受光范围很大，相邻的脊线或谷线反射的光线被同一颗像素接收到造成图像模糊。现有技术中通过在光学指纹传感器上设置准直器，来解决这一问题。但是经过改善的指纹传感器的像素的电子光圈无法调节，会出现因过曝光或曝光不足，使采集获得的指纹图像质量不高的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种传感器像素及光学传感器，以解决因过曝光或曝光不足带来的图像质量不高的问题，实现动态调节传感器像素的电子光圈大小、动态调节传感器像素的曝光，获得更好的图像质量，提高信噪比。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种传感器像素，包括：

准直层，所述准直层内形成有光学隧道，所述光学隧道用于接收目标手指反射的光中大致垂直方向的光；

至少两个感光元件，用于根据所述光学隧道接收的光输出电信号；

控制单元，用于控制所述感光元件选通的数量；

信号检测电路，与一个或多个所述感光元件电连接，用于获取选通的所述感光元件输出的电信号。

优选地，所述准直层包括至少一层遮罩层；所述遮罩层包括透光区域和不透光区域。

优选地，所述遮罩层的数量为至少两层；

相邻所述遮罩层的透光区域错开，形成的所述光学隧道的投影面积小于所述透光区域的面积。

优选地，每一所述感光元件对应一所述光学隧道。

优选地，所述的装置还包括负载电路、至少一个第一开关和至少一个第二开关；

所述负载电路用于提供驱动电压或者驱动电流；

每个所述传感器像素包括M行N列感光元件，其中M和N为大于等于1 的整数；

每一行所述感光元件的第一极通过一所述第一开关电连接至所述负载电路，每一列所述感光元件的第二极通过一所述第二开关电连接至信号检测电路的输入端。

优选地，所述信号检测电路包括：

积分电路，输入端通过所述第二开关电连接至所述感光元件的第二极，输出端与所述控制单元电连接；

所述控制单元用于根据所述积分电路的输出控制所述感光元件选通的数量。

优选地，所述积分电路包括：

放大器；其同向输入端用于输入第一参考电压，反向输入端与所述积分电路的输入端电连接，输出端与所述控制单元电连接；

积分电容，其第一极与所述放大器的反向输入端电连接，第二极与所述放大器的输出端电连接；

第一复位开关，与所述积分电容并联。

优选地，所述信号检测电路还包括：

比较器，其第一输入端与所述放大器的输出端电连接，第二输入端用于输入第二参考电压，输出端用于输出翻转信号。

优选地，所述信号检测电路还包括：

至少一个第二复位开关，每个所述第二复位开关的第一端与所述感光元件的第二极电连接，所述第二复位开关的第二端接地；

优选地，所述信号检测电路还包括补偿电路，所述补偿电路与所述积分电路的输入端电连接，用于向积分电路注入电荷以调整积分电路电荷累计量。

优选地，所述补偿电路包括电流源和第三开关，所述电流源通过所述第三开关与所述放大器的反向输入端电连接。

优选地，所述控制单元用于若所述积分电路输出的信号的电压值小于第一设定阈值，通过控制所述第一开关和所述第二开关的导通，增加选通所述信号检测电路电连接的所述感光元件的数量；若所述积分电路输出的信号的电压值大于第二设定阈值，通过控制所述第一开关和所述第二开关关断，减少选通所述信号检测电路电连接的所述感光元件的数量。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种光学传感器，包括传感器像素阵列，所述传感器像素阵列包括多个本实用新型任意实施例提供的传感器像素。

优选地，所述光学传感器还包括光源，所述光源位于所述传感器像素阵列的两侧。

本实用新型实施例提供了一种包括准直层的传感器像素，准直层内形成有光学隧道，可以接收目标手指反射的光中大致垂直方向的光，通过控制单元控制感光元件选通的数量，即通过控制感光元件选通的数量，可以调节传感器像素的电子光圈。解决了现有传感器像素的电子光圈无法调节，因过曝光或曝光不足会出现采集获得的图像质量不高的问题，实现了动态调节传感器像素的电子光圈大小，提高了获得的图像质量，提高了信噪比。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种传感器像素的剖面示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种传感器像素的分立结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种传感器像素的剖面示意图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种传感器像素的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的另一种传感器像素的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的一种光学传感器的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。本实用新型以指纹传感器为例解释积分调整电路的工作原理，但不限制本实用新型保护范围，本实用新型保护范围应以权利要求书的记载内容为准。

图1为本实用新型实施例提供的一种传感器像素的剖面示意图，该传感器像素100的具体结构如下：

准直层110，准直层110内形成有光学隧道111，光学隧道111用于接收目标手指反射的光中大致垂直方向的光；至少两个感光元件120用于根据光学隧道111接收的光输出电信号。

控制单元，用于控制感光元件120选通的数量。

信号检测电路，与一个或多个感光元件120电连接，用于获取选通的感光元件120输出的电信号。

其中，感光元件120可以是光电二极管或光敏电阻，每一感光元件120对应一光学隧道111。

待检测目标例如手指反射的光从多个角度照射在传感器像素100上。其中，只有大致垂直方向的光被准直层110中光学隧道111所接收，并从准直层110 的光学隧道111发射出，例如光11可以从光学隧道111中发射出，照射在感光元件120上，而与准直层110远离感光元件120的一面呈较小的角度的光12不能从光学隧道111中发射出。从而限制像素光线接收的范围，这样目标手指指纹相邻的脊线或谷线反射的光线一般只被同一颗像素接收，减少不同方向的光线对指纹图像的干扰以增强获得的指纹图像的清晰度。且本实用新型实施例提供的准直层110可以设置的足够薄以提供超薄指纹识别装置。感光元件120接收到光11后，向信号检测电路输出电信号。信号检测电路获取感光元件120输出的电信号，电信号的强弱对应不同的光线强度。控制单元可以包括逻辑电路，在本实用新型实施例的一种实施方式中，控制单元可以与信号检测电路的输出端电连接，根据信号检测电路输出的信号大小控制选通的感光元件120的个数。控制单元还可以接收外部的控制信号，例如接收外部的处理器的控制信号，根据控制信号控制选通的感光元件的个数。

具体地，可以根据一定的规则选通感光元件120的数量，例如，在环境光线弱的时候，感光元件120获得的光线较弱，感光元件120输出的电信号的值较小，此时信号检测电路输出的电信号的电压值较小，当该电压值小于设定的第一阈值时，控制单元可控制增加选通的感光元件120的个数；而在环境光较强时，感光元件120获得的光线较强，感光元件120输出的电信号的值较大，此时信号检测电路输出的电压值较大，当该电压值大于设定的第二阈值时，控制单元可控制减少选通的感光元件120的个数。

由此，控制单元可以通过控制选通感光元件120的个数，达到调整指纹传感器像素的电子光圈的效果，这样可以提高根据传感器像素输出的图像数据获取的图像的质量，例如传感器像素应用在指纹传感器中，可以提高获取的指纹图像的质量，提高信噪比。

本实施例的技术方案，通过提供一种传感器像素，该传感器像素设置包括准直层和至少两个感光元件、信号检测电路和控制选通感光元件数量的控制单元，解决了现有传感器像素的电子光圈无法调节，过曝光或曝光不足会出现采集获得的图像质量不高的问题，达到了动态调节传感器像素的电子光圈大小，相当于动态调节传感器像素的曝光，以获得更好的图像质量，提高信噪比的效果。

图2是本实用新型实施例提供的一种传感器像素的分立结构示意图，其中，该准直层110包括至少一层遮罩层113；遮罩层113包括透光区域113A和不透光区域113B。反射至遮罩层113的透光区域113A的光线可以从透光区域113A 发射出，反射至不透光区域113B的光线将不被发射出。

其中，遮罩层113的材料可以选用金属、金属氧化物或碳酸酯等材料。进一步的，遮罩层113可以是黑色，可以将向不透光区域113B照射的光线吸收，可以进一步降低其他方向的光对准直层接收的大致垂直方向的光造成的影响，以提高指纹图像的质量。

具体地，图3所示为本实用新型实施例提供的另一种传感器像素的剖面示意图，准直层110包括的遮罩层113的数量为至少两层；相邻遮罩层113的透光区域113A错开，形成的光学隧道111的投影面积小于透光区域113A的面积，例如光学隧道111投影在传感器上的面积122小于透光区域113A的面积，也就说光学隧道111的投影在传感器上面积122小于透光区域113投影在传感器上的面积121。

相邻遮罩层113设置成错开的结构；相应地，相邻遮罩层113的透光区域 113A相互错开，相邻遮罩层113的不透光区域113B相互错开，形成的光学隧道111的内壁结构呈现出阶梯状。相邻两个遮罩层113中的一个的不透光区域 113B遮挡另一个的透光区域113A的一部分，使得光学隧道111的投影面积小于透光区域113A的面积。遮罩层113这样设置的好处在于有利于进一步提高准直层的准直效果，使整个像素的受光范围更小。当使用一层遮罩层113，为了得到提高准直效果，一般通过减小遮罩层113透光区域113A的面积实现，当透光区域113A做的较小时，工艺难度比较大，甚至现有的工艺将无法实现。然而使用至少两个或者两个以上的遮罩层113相互交错以形成更小的光学隧道截面，提高准直效果，每个遮罩层113的透光区域不用做的很小，可以降低形成遮罩层113的工艺难度。

图4所示为本实用新型实施例提供的一种传感器像素的结构示意图，在上述实施例的基础上，该传感器像素还包括：

负载电路180、至少一个第一开关S10和至少一个第二开关S20。

负载电路180用于提供驱动电压或者驱动电流。

每个传感器像素包括M行N列感光元件120，其中M和N为大于等于1 的整数。

每一行感光元件120的第一极通过一第一开关S10电连接至负载电路180，每一列感光元件120的第二极通过一第二开关S20电连接至信号检测电路140 的输入端。其中第一开关S10、第二开关S20可以是开关晶体管，控制单元150 可与各开关晶体管的栅极电连接，可以控制各晶体管的导通或者关断。

与M行N列感光元件120对应的第一开关S10的数量可以为M个，第二开关S20的数量可以为N个。可以通过控制第一开关S10的导通或者关断，以及控制第二开关S20的导通或者关断，选通一个或者多个感光元件120。示例性地，当第i行的开关S10和第j列的开关S20闭合时，选通第i行第j列的感光元件120，该感光元件120将产生的电信号传输至信号检测电路140。当控制所有第一开关S10导通时，图4所示最左侧的第二开关S20导通时，将选通最左侧一列的感光元件120。

本实施例的技术方案，通过提供一种由感光元件阵列构成的传感器像素，控制第一开关的导通或者关断，以及控制第二开关的导通或者关断，可以控制感光元件的选通数量，对指纹图像进行电子光圈调节。解决了现有指纹传感器像素的电子光圈无法调节，过曝光或曝光不足会出现采集获得的指纹图像质量不高的问题，达到了动态调节传感器像素的电子光圈大小，即达到了动态调节传感器像素的曝光，可以获得更好的图像质量，提高信噪比的效果。

其中，信号检测电路140可包括：

积分电路142，积分电路142的输入端通过第二开关S20电连接至感光元件120的第二极，输出端与控制单元150电连接。

控制单元150用于根据积分电路142的输出控制感光元件120选通的数量。优选地，积分电路142包括：

放大器A10；放大器A10的同向输入端用于输入第一参考电压V10，反向输入端与积分电路142的输入端电连接，输出端与控制单元150电连接。

积分电容C10，其第一极与放大器A10的反向输入端电连接，第二极与放大器A10的输出端电连接。

第一复位开关S30，与积分电容C10并联。

放大器A10的反向输入端接收感光元件120发送的电信号，在积分电容C10 上积累。不同强度的光线进入感光元件120，例如指纹的脊线反射的光线强度高，谷线反射的光线强度弱，指纹的脊线反射光的光线和谷线反射的光线照射到传感器像素的感光元件120时，感光元件120的输出不同。具体地，若光学隧道接收的光线较强，感光元件120输出的电信号(电流)会较大，进而积分器输出达到预设电压的时间比较短，例如达到饱和的时间比较短。若光学隧道的接收的光线强度较小，感光元件120输出的电信号(电流)会较小，进而积分器输出达到预设电压的时间比较长。第一复位开关S30闭合时，对积分电容 C10复位。信号检测电路可以精确地得出对应传感器像素中的光学隧道中光线的多少的时间，从而根据时间得到清晰的指纹图像。例如，处理器通过获取积分器的输出电压达到预设电压的时间，进而得到指纹图像。

在上述实施例的基础上，信号检测电路140还包括：

至少一个第二复位开关S40，每个第二复位开关S40的第一端与感光元件 120的第二极电连接，第二复位开关S40的第二端接地。

电流源141和第三开关S50，电流源141通过第三开关S50与放大器A10 的反向输入端电连接。

设置第二复位开关S40对积分器142进行复位，以释放感光元件120的电荷，降低对传感器像素输出的下一帧数据的影响。

进一步的，在本实用新型实施例提供的传感器像素中，信号检测电路还可包括补偿电路，补偿电路与积分电路的输入端电连接，用于向积分电路注入电荷以调整积分电路电荷累计量。

示例性地，参见图5，图5是本实用新型实施例提供的另一种传感器像素的结构示意图。在上述实施例的基础上，该传感器像素还包括构成补偿电路的电流源141和第三开关S50，电流源141通过第三开关S50与积分电路142的输入端电连接。

第三开关S50闭合时，电流源141的电荷注入积分电路142，补偿积分电路142的积分速度，补偿电路的两种工作状态为补偿状态和复位状态，第三开关S50闭合时，电流源141的电荷注入积分电路142为补偿状态。补偿开关141 断开时为复位状态。在使用电流源141对积分电路142累积的电荷量进行补偿时，可根据积分的过程将积分电路补偿为在时间上是连续的或不连续的。

以下进一步对加入补偿电路的传感器像素的整体的工作过程和工作原理进行叙述。

请参照图5所示的传感器像素，为了使得感光元件120与脊线和谷线对应的电荷量形成可测量的电压信号，与感官元件120电连接的第二开关S20的另一端通过第四开关S60，也即电荷转移开关连接积分电路142的输入端，指纹传感器的工作步骤包括：

S1复位积分电路142；

S2复位感光元件120，复位补偿电路；

S3闭合第四开关S60，断开第二复位开关S40，闭合第三开关S50；

S4返回步骤S2。

在步骤S1复位积分电路142中，为了保证测量的一致性在积分前需要预先对积分电容C10复位，复位的过程即使得积分电容C10具有一个初始的电量，例如假设在积分电容C10两端的参考电压分别为Vref3和Vref5，积分电容522 的复位后电荷量为Qrst＝(Vref3-Vref5)*Cr，Cr为积分电容的电容值。图5所示的传感器像素中，为了简化复位电路的结构可用第一复位开关S30直接连接积分电容C10的两端，即复位后积分电容C10的电量Qrst＝0。积分电路142多次重复重积分的过程即，感光元件120产生的电荷多次重复向积分电容C10充电的过程。而每次对积分电容C10充电时，补偿电路通过第三开关S50与积分电路520D电连接，向积分电路520注入电荷。

在步骤S2中包括：步骤S21，闭合第二复位开关S40进行复位；步骤S22，补偿电路通过断开第三开关S50进行复位。

在步骤S3闭合第四开关S60，选通的感光元件120与积分电路520电连接，补偿电路向积分电路142注入电荷，对积分电路142的积分电荷累计量进行调整。积分电路142输出反应感光元件120产生电荷量的大小。

在上述实施例的基础上，信号检测电路140还包括：

比较器A20，其第一输入端与放大器A10的输出端电连接，其第二输入端用于输入第二参考电压V20，输出端用于输出翻转信号。

比较器A20的第一输入端与放大器A10的输出端电连接，当积分器142的输出电压达到比较器的第二输入端的电压时，比较器A20的输出电压信号发生翻转，翻转信号的时间量作为传感器像素的输出。则在步骤S3闭合第四开关S60中，选通的感光元件120通过电荷转移开关420连接至积分电路520的输入端，积分电路520的输出端连接至比较器A20的输入端，比较器A20的输出端作为传感器的输出，比较器A20输出翻转电压信号的时间T反映感光元件120 产电荷量的大小。

当该积分电路520输出电压的值变化与比较器A20中的参考电压值交叉时，比较器将输出信号翻转。

比较器的翻转时间为T＝(Qr.end-Qr.rst)/ΔQ，其中，Qr.end为比较器翻转时积分电容的电荷量，Qr.rst为积分电容的初始电荷量，对于给定的指纹传感器设计(Qr.end-Qr.rst)是定值，而根据式ΔQ与补偿电容初始化电荷量相关。在工程实际中为了简便T取整作为结果输出。

在上述实施例的基础上，控制单元150用于若积分电路142输出的信号的电压值小于第一设定阈值，通过控制第一开关S10和第二开关S20的导通，增加选通信号检测电路140电连接的感光元件120的数量；若积分电路142输出的信号的电压值大于第二设定阈值，通过控制第一开关S10和第二开关S20关断，减少选通信号检测电路140电连接的感光元件120的数量。

积分器142输出的电压值小于第一设定阈值时，例如控制单元150控制第一开关S10和第二S20选通一个或多个感光元件120以增加感光元件阵列的输出电流，相当于增大电子光圈；当积分器142输出的电压值大于第二设定阈值时，例如积分器的142输出的电压接近或者等于积分器142的饱和电压时，控制单元150控制第一开关S10和第二S20关闭一个或多个感光元件120以减小感光元件阵列的输出电流，相当于减小电子光圈。

本实施例的技术方案，通过提供一种传感器像素，该传感器像素设置包括准直层、感光元件信号检测电路和控制单元，解决了现有传感器像素的电子光圈无法调节，过曝光或曝光不足会出现采集获得的图像质量不高的问题，实现了动态调节传感器像素的电子光圈大小，即动态调节传感器像素的曝光，以获得更好的图像质量，提高信噪比的效果。

在本实用新型实施例的其他实施方式中，控制单元可以接收外部的控制信号，控制感光元件120选通的个数。例如外部的处理器接收传感器像素的输出，得到图像，根据图像的质量向传感器像素中的控制单元150发送控制信号，控制感光元件120选通的个数。具体地，处理器在检测到图像的质量较差时，可以向控制单元150发送控制信号，控制单元150根据该控制信号，控制增加选通的感应元件120的个数。处理器也可以根据环境的光线，在环境光线较强时，向控制单元150发送控制信号，控制单元150根据该控制信号，控制减少选通的感光元件120的个数；在环境光线较弱时，向控制单元150发送控制信号，控制单元150根据该控制信号，控制增加选通的感光元件120的个数。

本实用新型实施例还提供了一种光学传感器。图6是本实用新型实施例提供的一种光学传感器的剖面示意图，参见图6，该传感器像素阵列包括多个本实用新型任意实施例中的传感器像素100。传感器像素位于传感器的芯片101 上，上述光学传感器具备所包括的传感器像素100的功能模块和有益效果。光学传感器可以是光学指纹传感器，设置在终端的底部，例如设置在OLED终端的底部。由终端发出的光线照射到手指上后，手指指纹反射的光透过终端的玻璃进入传感器像素100上准直层的光学隧道，传感器像素输出信号，进而根据指纹传感器的信号进行指纹识别。

需要说明的是，如果光学传感器包括多个传感器像素，光学传感器中的多个传感器像素可以共用一个信号检测电路140，信号检测电路140分时检测各个传感器像素的感光元件120输出的电信号。

另外，光学传感器还包括光源300，光源300位于传感器像素阵列的两侧，也即位于芯片101的两侧。光源300用于提供光照，例如可以是LED。光源300 向外射出光线照射在手指表面，手指表面反射或散射光源300的光线进入传感器像素阵列。光源300这样设置可以使形成的图像更加清晰。

在上述实施例的基础上，光学传感器还包括保护层200、封装基板400和 PCB板500。保护层200选择穿透率较好的材料，例如可以是玻璃、屏幕、蓝宝石或陶瓷材料。该光学传感器在使用时，待测目标例如手指放置于保护层200 的远离传感器像素阵列的一侧的表面上，从手指指纹反射的光线穿过保护层200 射出到传感器像素阵列上。光学传感器可以设置在终端的底部，光学传感器可以不设置保护层200，以终端的玻璃替换保护层200。终端发出的光线可以照射到手指指纹上，手指指纹反射的光线穿透终端的玻璃进入光学传感器上传感器像素。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。