显示区域中的生物特征图像读取装置的制作方法

本实用新型涉及图像读取装置，更详细地涉及，能够在显示区域中使基于噪声的影响最小化并改善灵敏度的生物特征图像读取装置。

背景技术：

图像读取装置利用与光反应的半导体的性质来截图图像，或者利用图像读取装置中所包含的多个像素与检测对象物的关系中形成的电特性来截图图像。

随着最近关于安防的问题的关注度提高，这种图像读取装置还利用于个人验证用指纹感应。因此，需要指纹感应的设备，例如智能手机、平板电脑等个人便携设备上安装图像读取装置。

另一方面，智能手机、平板电脑等电子设备中，因对于大面积显示器的需求及设计的需求等，最近为了将用于指纹感应的图像读取装置配置于显示区域而作出努力。

在此情况下，由于在图像读取装置的上部配置较厚的保护层，例如防护玻璃罩(cover glass)，因此其上部的检测对象物和图像读取装置之间的距离变远，图像读取装置的各个像素与检测对象物的关系中形成的电特性的大小变小。

若存在外部干扰导致的噪声的情况下，噪声的大小和图像读取装置的各个像素输出的信号之间的大小类似，导致难以检测准确的图像。

技术实现要素：

本实用新型用于解决如上所述的问题，本实用新型的目的在于，提供使噪声的影响最小化且灵敏度提高的图像读取装置。

用于达成上述目的的本实用新型的一实施例提供一种图像读取装置，包括以构成多个行和列的矩阵形态配置的多个像素，并包括：像素信号处理电路，对第一输出电流及第二输出电流分别进行放大转换来输出第一电压值及第二电压值，上述第一输出电流从第一像素输出并由基于检测对象物的信号和基于噪声的信号相加而成，上述第二输出电流从第二像素输出并包括基于噪声的信号；以及模拟数字转换部，对上述第一电压值和第二电压值进行差分来进行数字化。

上述第二像素可以为上述多个像素中的配置于最外围的至少一个像素。

上述像素信号处理电路可包括数量与上述列的数量相同的信号检测电路。

上述信号检测电路可包括：放大器，第一输入端与上述第一像素相连接，第二输入端选择性地与上述第二像素相连接；第一反馈静电容量，连接在上述放大器的第一输入端与第一输出端之间；以及第二反馈静电容量，连接在上述放大器的第二输入端与第二输出端之间。

可向上述放大器的第二输入端选择性地供给基准电压。

上述放大器的第一输出端以及第二输出端分别可与多路复用器相连接。

上述模拟数字转换部可对通过上述多路复用器依次输出的上述放大器的第一输出端信号和第二输出端信号进行差分来进行数字化。

上述图像读取装置还可包括控制部，上述控制部改变上述第一反馈静电容量的大小、第二反馈静电容量的大小、第一反馈静电容量由上述第一输出电流充电的时间以及第二反馈静电容量由上述第二输出电流充电的时间中的至少一个。

上述控制部可基于上述第一输出电流的大小、上述放大器的工作状态、从多个像素输出的多个上述第一输出电流之间的偏差中的至少一个，来执行上述改变工作。

根据一实施例，在图像读取装置中，从各个像素输出信号对基于噪声的输出信号进行差分，因此能够实现不受噪声影响的图像检测。

并且，根据一实施例，在图像读取装置中，可改变用于放大各像素的输出信号的放大器的特性，因此可在多种环境下实现高分辨率的图像检测。

附图说明

图1为示出本实用新型的一实施例的图像读取装置的结构的附图。

图2为示出本实用新型的一实施例的图像读取装置中设置的单位像素的结构的附图。

图3为示出本实用新型的一实施例的输出信号处理电路的灵敏度改善电路的结构的附图。

图4为示出本实用新型的一实施例的图像读取装置的单位像素中栅源电压和输出电流之间的关系的图表。

具体实施方式

以下，参照附图对本实用新型的实施例进行详细说明，以便使本实用新型所属领域普通技术人员易于实施。本实用新型能够以多种不同的形态实施，因此本实用新型不局限于在此说明的实施例。并且，为了对本实用新型进行明确的说明，在附图中省略了与本实用新型的说明无关的部分，在整篇说明书中，对相同或类似的结构要素赋予相同的附图标记。并且，附图中示出的各个结构的大小或厚度是便于说明的任意大小或厚度，本实用新型并不局限于所图示的内容。

并且，在整篇说明书中，某一部分与另一部分“相连接”时，不仅包括“直接连接”的情况，而且包括在其中间存在其他部件来“间接连接”的情况。

以下，参考附图，对本实用新型的实施例进行详细说明。

图1为示出本实用新型的一实施例的图像读取装置的结构的附图。

参照图1，根据实施例的图像读取装置可包括传感器面板100、电源电压供给部200以及像素信号读取部300。

传感器面板100由以m×n(m、n为自然数)的矩阵形态配置的多个像素110构成。多个像素110分别与一个扫描线SL1、SL2、SL3、……、SLm及一个读取线RL1、RL2、……、RLn相连接。

对扫描线SL1、SL2、SL3、……、SLm中的特定扫描线SL1供给扫描信号，则与该扫描线SL1相连接的一个以上的像素110开始工作。将在后面对像素110的工作进行详细说明。

根据像素110的工作输出的输出信号通过读取线RL1、RL2、……、RLn来传递至信号读取部300。

各个读取线RL1、RL2、……、RLn的一端与电源电压供给部200相连接，另一端与信号读取部300相连接。

信号读取部300可包括像素信号处理电路310、多路复用部320、模拟数字转换部330。

像素信号处理电路310输出作为由模拟数字转换部330执行的噪声去除工作的基础的信号，将在后面对此进行详细说明。另一方面，像素信号处理电路310可包括低通滤波器(low pass filter)等来执行对于从各个像素110输出的信号的高频噪声去除工作。

在理想的情况下，从读取线RL1、RL2、……、RLn输出的信号仅受到传感器面板100的上部的检测对象的影响，然而实际上还受到外部干扰的影响。即，从各个读取线(RL1，RL2、……、RLbn)输出的信号是基于纯检测对象的信号和基于外部干扰的噪声的信号相加的形态。

像素信号处理电路310为了在从各个读取线RL1、RL2、……、RLn输出的信号中抵消噪声信号，执行抵消从与不受检测对象的影响的基准像素111相连接的读取线(RL1，RLn)输出的信号的工作。上述基准像素111可以为传感器面板100中未与检测对象相接的区域，例如可以为配置于传感器面板100的有效区域(active area)的外部的一个以上像素。

另一方面，像素信号处理电路310可以执行改变放大器的增益的功能，来防止其内部所包括的放大器的饱和。

将在后面说明像素信号处理电路310的详细工作。

通过像素信号处理电路310输出的多个信号输入至多路复用部320，多路复用部320向模拟数字转换部330依次输出该多个信号。

模拟数字转换部330使所输入的信号数字化来以像素信号读取部300的最终输出信号输出。

图2为示出本实用新型的一实施例的单位像素的结构的附图。

参照图2，根据一实施例的单位像素110可包括：传感垫SP，在与检测对象物(例如，指纹)的关系中形成感应静电容量Cs；第一晶体管T1，使数据线DL和传感垫SP相连接或断开连接；第二晶体管T2，输出根据传感垫SP的电位的电流信号。

第一晶体管T1的第一电极与扫描线SL相连接，第二电极与数据线DL相连接，第三电极与充电静电容量Ca及传感垫SP相连接。上述第一电极可以为栅极电极，第二电极及第三电极分别可以为源极电极(或者漏极电极)及漏极电极(或者源极电极)。

第二晶体管T2的第一电极与充电静电容量Ca及传感垫SP相连接，第二电极与图1所示的电源电压供给部200的电源电压VDD输入端相连接，第三电极通过读取线RL与像素信号读取部300相连接。上述第一电极可以为栅极电极，第二电极及第三电极分别可以为漏极电极(或者源极电极)及源极电极(或者漏极电极)。以下，以第二晶体管T2为n型晶体管且第二电极及第三电极分别为漏极电极及源极电极的情况为例进行说明。

充电静电容量Ca的一端与第一晶体管T1的第三电极、传感垫SP及第二晶体管T2的第一电极相连接，另一端与地电位相连接。并且，向数据线DL供给规定电位Vd。

构成根据一实施例的传感器面板100(参照图1)的单位像素110配置于显示面板(未图示)上，为了防止显示面板的画质劣化，传感器面板100应由透明或半透明物质构成。因此，单位像素110的传感垫SP、晶体管T1、T2、扫描线SL、数据线DL、读取线RL是实质上都应由透明的物质构成。作为一例，晶体管T1、T2可由使用铟镓氧化锌(IGZO，IndiumGalliumZinc Oxide)、氧化锌(ZnO，Zinc Oxide)、氧化铟锡(ITO，IndiumTin Oxide)等氧化物的晶体管实现，传感垫SP、扫描线SL、数据线DL、读取线RL也可由氧化铟锡(ITO，IndiumTin Oxide)等氧化物构成来实质上以透明的方式实现。

以下，对根据一实施例的单位像素110的工作进行说明。

若传感器面板100与检测对象物相接触，则传感垫SP和检测对象物之间形成感应静电容量Cs。

此时，开始向扫描线SL供给扫描信号，则第一晶体管T1转换为打开(ON)状态，在数据线DL和第一节点N1之间流动电流Ia。该电流对充电静电容量Ca及感应静电容量Cs进行充电，随着时间的经过，第一节点N1的电位V1上升。

经过规定时间而得到稳定化后，中断向扫描线SL供给扫描信号，则第一晶体管T1转换为关闭(OFF)状态。将第一晶体管T1维持打开状态的时间作为t0，则第一节点N1的电位V1可表示为如下。

V1(t0)＝Ia(t0)/(Ca+Cs)

参照上述数学式可知，第一节点N1的电位V1与感应静电容量Cs的大小成反比。

第一节点N1的电位V1为第二晶体管T2的第一电极，即，栅极电极(G)的电位，因此第一节点N1的电位V1的变化导致第二晶体管T2的输出电流Id大小的变化。第二晶体管T2具有固有的电流-电压(I-V)特性。根据该电流-电压特性，特定区间的栅源电压的变化导致大的输出电流Id大小的变化。

即，输出电流Id根据第二晶体管T2的栅源电压而不同。换句话说，输出电流Id的大小根据第一节点N1的电位V1而不同，如上所述，第一节点N1的电位V1根据感应静电容量Cs的大小而不同。因此，在输出电流Id对于第二晶体管T2的栅源电压急剧变化的区间，即使第一节点N1的电位V1出现微小的变化，也可通过输出电流Id以高灵敏度检测其变化。

在检测对象物为指纹的情况下，传感垫SP与指纹的脊(Rigde)相接的情况和与指纹的谷(Valley)相接的情况下分别形成的感应静电容量Cs不同。并且，因此，该传感垫SP所配置的像素110中的输出电流Id的大小也不同。因此，可从指纹的脊和谷的微小的电性差异以高灵敏度得出输出电流Id的值的差异，由此可以获得对于传感器面板100上的指纹的图像。

图2仅示出对像素的选择所利用的第一晶体管T1和像素信号进行放大及输出所利用的第二晶体管T2，然而还可包括用于执行追加的转换功能的追加的多个晶体管。

最近，指纹检测装置层叠于显示面板上或与显示面板构成一体化的趋势，由此，指纹检测装置上可配置有较厚的厚度的保护层(未图示)。

若保护层的厚度变厚，则形成于指纹和传感垫SP之间的感应静电容量Cs的大小与其厚度成反比地变小，在这种情况下，形成于传感垫SP和指纹的脊之间的感应静电容量Cs、形成于传感垫SP和指纹的谷之间的感应静电容量Cs之间的差异变小，在像素110与脊相接的情况下所输出的输出电流Id的大小、与谷相接的情况下所输出的输出电流Id的差也变小。

并且，上面所说明的第二晶体管T2的电流-电压特性中，只有在第二晶体管T2的栅源电压处于最佳范围内，才可对于微细的变化的输出电流Id的变化变大，然而根据保护层的影响，第二晶体管T2的栅源电压可能存在于该最佳范围外。在此情况下，对于第二晶体管T2的栅源电压变化的输出电流Id的变化量变小，导致难以确保指纹传感器的灵敏度。

另一方面，在传感器面板设置有多个像素，工序中无法避免发生特性的散布(dispersion)。因这种特性的散布等影响，会发生各个像素的特性的不均匀性。在此情况下，部分像素中第二晶体管T2的栅源电压可能超出最佳范围，各像素中的输出电流Id的差异不大的情况下，发生致使指纹感应的灵敏度下降的问题。

并且，指纹检测时，因外部环境的影响或形成于像素110的内部电路的寄生静电容量的影响，而在像素110的输出电流Id增加噪声，若在与脊相接的情况和与谷相接的情况的输出电流Id大小不大的情况下增加噪声，则可能难以区分指纹的脊和谷。

本实用新型的实施例为了解决上述问题，执行从像素110的输出信号抵消噪声信号的工作及提高灵敏度的工作。

图3为示出本实用新型的实施例的输出信号处理电路的结构的附图。

图3为示出在根据一实施例的图像读取装置中与一个读取线RL相连接的灵敏度改善电路311的附图，这种灵敏度改善电路311设置于像素信号处理电路310内的每一个读取线。即，根据一实施例的图像读取装置中的读取线设置有n个时，灵敏度改善电路311也设置有n个。

灵敏度改善电路311中，第一输入端IN1与特定读取线RL相连接，第二输入端IN2与虚拟通道DC相连接，使上述第一输入端IN1的信号放大来向第一输出端OUT1输出，使第二输入端IN2的信号放大来向第二输出端OUT2输出。

在放大器FEA的第一输入端IN1和第一输出端OUT1之间连接有第一反馈静电容量Cfb1，在第二输入端IN2和第二输出端OUT2之间连接有第二反馈静电容量Cfb2。第一反馈静电容量Cfb1及第二反馈静电容量Cfb分别以可变静电容量实现。

另一方面，在放大器FEA的第二输入端和虚拟通道DC之间连接有第一开关SW1，在第一反馈静电容量Cfb1的两端之间连接有第二开关SW2，第二反馈静电容量Cfb2的两端之间连接有第三开关SW3。并且，向放大器FEA的第二输入端IN2可选择性地供给基准电压Vref，还可包括用于对其进行控制的复位(reset)开关SWr。并且，向放大器FEA可施加用于工作的电源电压VDD。

虚拟通道DC与如下读取线相连接，上述读取线与构成传感器面板100的多个像素110(参照图1)中与检测对象物相接触的可能性不存在或最小的一个以上基准像素111(参照图1)相连接。

以下，对灵敏度改善电路311的工作进行说明。

首先，控制复位开关SWr处于打开状态，放大器FEA的第一输入端IN1和第二输入端IN2复位成基准电压Vref。同时，第二开关SW2及第三开关SW3被控制成打开状态，复位放大器FEA的反馈静电容量Cfb1、Cfb2。

之后，复位开关SWr、第二开关SW2及第三开关SW3被控制成关闭状态且第一开关SW1转换为打开状态，向放大器FEA的第一输入端IN1输入通过特定读取线RL流动的特定单位像素110的输出电流Id，向放大器FEA的第二输入端IN2输入通过虚拟通道DC流动的基准像素111的输出电流Ir。

放大器FEA将向第一输入端IN1输入的特定单位像素110的输出电流Id转换为第一电压V1来向第一输出端OUT1输出。并且，放大器FEA将向第二输入端IN2输入的基准像素111的输出电流Ir转换为第二电压V2来向第二输出端OUT2输出。

从特定单位像素110输出的电流Id可以视为不存在基于外部干扰等的噪声的情况的纯单位像素110的输出电流Ids和基于噪声的输出电流In相加的值。放大器FEA对这种输出电流Id进行放大并转换为第一电压值V1来输出，因此第一电压值V1成为对基于纯检测对象物的接触的单位像素111的输出电流Ids放大转换的电压值Vds和对基于噪声的输出电流In放大转换的电压值Vn相加的值(V1＝Vds+Vn)。

并且，由于基准像素111不与检测对象物相接，因此来自基准像素111的输出电流Ir可以视为基于外部干扰等的噪声的电流In。放大器FEA对基于噪声的电流In进行放大并转换为第二电压值V2来输出，因此第二电压值V2成为对基于纯噪声的电流In的放大转换的电压值Vn(V2＝Vn)。

放大器FEA的第一输出端OUT1及第二输出端OUT2分别与一个多路复用器321、322相连接。即，若根据一实施例的图像读取装置中的读取线存在n个，则设置于多路复用部320的多路复用器321、322的数量为2n个。

通过多路复用器321、322输入的放大器FEA的第一输出端OUT1及第二输出端OUT2信号，即，第一电压值V1及第二电压值V2依次向模拟数字转换部330(参照图1)输入。

模拟数字转换部330对依次输入的第一电压值V1和第二电压值V2进行差分并转换为数字值来输出。第一电压值V1为基于纯检测对象物的接触的单位像素111的输出电流Ids放大转换的电压值Vds和基于噪声的输出电流In放大转换的电压值Vn相加的值，第二电压值V2为基于纯噪声的电流In放大转换的电压值Vn，因此对第一电压值V1和第二电压值V2进行差分，则可输出去除基于噪声的信号的值（V1-V2=Vds+Vn-Vn=Vds）。

即，根据一实施例，在图像读取装置中，可以获得基于外部干扰等的噪声引起的信号值被去除的基于纯检测对象物的影响的信号，由此可以提高图像检测灵敏度。

另一方面，重新参照图2，如上所述，从特定像素110输出的电流Id根据第二晶体管T2的栅源电压Vgs而不同。图4示出其关系。

第二晶体管T2的栅极电压根据感应静电容量Cs而变化，感应静电容量Cs根据传感垫SP与检测对象物的哪个区域相接而不同如上面所述。假设检测对象物为指纹的情况，随着传感垫SP上接触指纹的脊所形成的第二晶体管T2的栅源电压Vgs、随着传感垫SP上接触指纹的谷所形成的第二晶体管T2的栅源电压Vgs位于图4的图表中的第③区域时，由此引起的单位像素110的输出电流Id的差异也充分，因此可以基于该输出电流Id获得指纹图像。

然而，如上所述，若在指纹检测装置上配置有较厚的保护层，则指纹和传感垫SP之间的感应静电容量Cs的大小变小，因此传感垫SP上接触指纹的情况下所形成的第二晶体管T2的栅源电压Vgs的大小（绝对值）也变小。

如果因保护层的影响或工序中发生特性散布的问题等而栅源电压Vgs的大小位于第⑥区域，则与传感垫SP与脊接触或者与谷接触无关地，单位像素110的输出电流Id低于噪声等级，从而无法区分指纹的脊和谷。并且，即使去除噪声，基于指纹的脊的输出电流Id的值和基于指纹的谷的输出电流Id的值的大小不大，从而无法确保高灵敏度。

用于解决上述问题的本实用新型的一实施例，参照图3说明的灵敏度改善电路311中所包括的放大器FEA的反馈静电容量Cfb的大小及向反馈静电容量Cfb1、Cfb2充电电荷的时间中的至少一个可能被改变。

参照图3具体说明，放大器FEA对向第一输入端IN1及第二输入端IN2输入的电流Id、In放大转换来输出第一电压值V1及第二电压值V2，第一电压值V1及第二电压值V2分别可表示为如下数学式。

V1=（Id.t1）/Cfb1

V2=（In.t2）/Cfb2

t1及t2分别为第一反馈静电容量Cfb1和第二反馈静电容量Cfb2维持充电状态的时间，即，第二开关SW2及第三开关SW3维持关闭状态的时间。

上述数学式中，若改变t1、t2、Cfb1、Cfb2中的至少一个，则从放大器FEA输出的第一电压值V1和第二电压值V2的大小也会改变，基于指纹的脊的接触的最终输出信号和基于谷的最终输出信号之间的差异也会增加。并且，也可控制放大器FEA避免成为饱和状态。

根据一实施例，t1、t2、Cfb1、Cfb2可以在设计图像读取装置的像素信号读取部300时被确定，也可在指纹感应工作中被确定。

根据一实施例，图3所示的灵敏度改善电路311的设计时，获得向放大器FEA输入的电流IN1、IN2和放大转换的输出电压V1、V2之间的关系以及根据t1、t2、Cfb1、Cfb2变化的输出电压V1、V2等后，检测对象物为指纹的情况下，反应基于指纹未接触时、与指纹的脊接触时、与指纹的谷接触时的输出电流，由此可确定能够获取可明确区分指纹的脊和谷的程度的输出电压V1、V2的t1、t2、Cfb1、Cfb2的值。

并且，根据另一实施例，在图像读取装置还可设置有用于调节第一反馈静电容量Cfb1和第二反馈静电容量Cfb2的大小以及各个充电时间的单独的控制部(未图示)，这种控制部可根据设置于特定像素110的第二晶体管T2的栅源电压Vgs或输出电流Id的值，生成用于可变设定第一反馈静电容量Cfb1和第二反馈静电容量Cfb2的大小以及各个充电时间的控制命令信号。在此情况下，第一反馈静电容量Cfb1和第二反馈静电容量Cfb2可以实现为可变静电容量。

例如，对向灵敏度改善电路311输入的电流Id、Ir的大小进行感应的结果，若判断为超出预设的临界电流，则可判断为存在放大器FEA可能成为饱和状态的可能性，并将反馈静电容量Cfb1、Cfb2的大小设置为高出预设的大小的值。并且，判断为当前放大器FEA的工作状态为饱和状态的情况下，之后感应工作时，可将反馈静电容量Cfb1、Cfb2的大小设置为高出预设的大小的值。

作为另一例，向灵敏度改善电路311输入的多个电流Id的偏差小于预设值的情况下，为了放大其差异，可将放大器FEA的反馈静电容量Cfb1、Cfb2执行充电工作的时间增加。即，通过将第二开关及第三开关SW3维持关闭状态的时间增加，来提高放大器FEA的增益的实施例也可实现。此时，作为另一方法，将放大器FEA的反馈静电容量Cfb1、Cfb2大小减小，来提高增益的方法也可实现。

上述电流Id、Ir大小的感应、放大器FEA的工作状态的感应及多个电流Id的偏差感应可由单独的控制部(未图示)执行。这种控制部根据上述感应结果，来生成用于控制反馈静电容量Cfb1、Cfb2的大小以及反馈静电容量Cfb1、Cfb2的充电时间中的至少一个的控制信号。

根据本实施例，即使在图像读取装置上配置有较厚的保护层，也可使噪声的影响最小化，并可准确识别检测对象物。

并且，根据本实施例，在图像读取装置中，即使确定像素的输出信号的晶体管不在最佳范围内工作，也可通过控制灵敏度改善电路内的器件大小及工作时间来确保传感灵敏度。

上述的本实用新型的说明是用于例示的，对于本实用新型所属领域的普通技术人员而言，在不改变本实用新型的技术思想或必须特征的情况下即可易于变形为其他具体的形态是显而易见的。

因此，以上记载的实施例在所有情况下仅仅是用于例示的，并不是用于限定的。例如，以单一形式说明的各个结构要素可以分散实施，同样，以分散形式说明的结构要素也可结合形态实施。

本实用新型的范围应根据实用新型保护范围而定，从实用新型保护范围的意思及范围以及等同概念导出的所有变更或变形的形态应解释为均属于本实用新型的范围。