薄膜晶体管指纹传感器及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明有关于一种电子式指纹传感器，且特别有关于一种使用薄膜晶体管阵列来感测使用者指纹的指纹传感器。
【背景技术】
[0002]目前，市面上的传统指纹传感器使用不同的方法来感测使用者指纹。第一类型的指纹传感器包括了互补式金氧半导体(CMOS)硅芯片，其具有能提供配置了许多像素的电路。互补式金氧半导体硅芯片被保护涂料所覆盖，其中保护涂料是由简单的化学涂层、可绕基底或其他薄的材料所形成。这种类型的指纹传感器需要跟像素阵列一样大的硅芯片。
[0003]第二类型的指纹传感器包括了形成在基底上以形成像素阵列的金属线，以及位于远端的硅芯片会电耦接于像素阵列，其中硅芯片的尺寸小于像素阵列。第二类型的指纹传感器可以实施在多种不同的封装配置内，例如球栅阵列(ball grid array，BGA)、芯片层级的扇出(wafer level fan-out,WLFO)、薄膜基底或是位于上方的塑料隆起(hump)/加固构件(stiffener)。
[0004]指纹的特征为出现在使用者手指的皮肤上波峰(ridge)与波谷(valley)的图样。目前，大多数市面上的指纹传感器是电容式触控感测装置，这意味着用于得到指纹影像的电路必须能区分所接收信号中的微小变化，其中所接收的信号是由位于电容式感测元件的感测板上的手指波峰或波谷的电容值所产生。这些电容式感测元件是设置在X行(row) XY列(column)的阵列内，通常称为像素阵列。每行与每列的交叉点被称为像素。这些像素阵列可由形成在半导体集成电路芯片本身的CMOS元件所产生，如同先前所描述的第一类型的指纹传感器。再者，像素阵列可由形成在非半导体基底材料内的金属线所形成，如同在先前所描述的第二类型的指纹传感器。
[0005]在CMOS硅芯片内，由于所形成的像素阵列的尺寸至少须为指纹影像所需要的大小，因此先前所描述的第一类型的指纹传感器需要较高的产品成本。在此触控感测装置或是二维感测装置中，可能需要相对大的硅区域来量测四分之三英寸或更大的方形，使得其相对昂贵。
[0006]另一方面，在先前所描述的第二类型的指纹传感器中，金属走线(trace)是形成在非半导体基底上，用来传送与接收得到指纹影像时所需的信号，其中由于线宽的限制，常常会形成较差的信号。较小尺寸的传送器和接收器，特别是传送器，也可能会严重地限制了上述感测装置的材料厚度。
[0007]第三类型的指纹传感器是使用液晶显示器(LCD)，其通常用来显示信息，而不是感测信息。在第三类型的感测装置中，液晶显示器本身用来显示和撷取指纹，其提供了具有显示器和指纹传感器的单一装置。该方法提出了使用显示器的“列驱动器”，其不仅能输出信息，并具有输入模式可感测显示器内像素的电容变化。在信号强度上，这个方法非常有限，因为列线必须当作传送线以及接收线使用。例如，在使用者手指未施加之前，在每个像素提供了预充电状态，然后在使用者手指出现时，则检测每个像素上的电压变化，因此可监测位于像素上的手指的波峰或波谷所提供的电容值。使用列线来进行传送(预充电)以及接收(或读取)会严重地限制了此方法所能产生的信号对杂讯(signal to noise)的能力。此夕卜，全部的列驱动器必须设计成能同时作为输出元件(于正常显示使用)和高灵敏度输入元件(作为指纹传感器使用)，因此这种方法是昂贵的。
[0008]为了使上述感测装置能正确地区分波峰与波谷的信号差异，手指必须尽可能地放置在接近于电容器的接收板。因此，需努力来减少指纹传感器的接收板的厚度，其中接收板覆盖于每个像素的电容板。然而，当接收板的厚度减小时，因为感测装置的表面紧密接近于底层的电路，指纹传感器更容易遭受到物理或机械的损害，因此会降低感测装置的耐用性和/或可靠度。例如，传统的BGA式指纹传感器，以及能让使用者滑动手指穿过聚酰亚胺(polyimide)表面而不会直接接触到感测电路的较新较先进的可挠性(flexible)指纹传感器，都容易受到这种类型的损坏。
[0009]如先前所描述，目前的指纹传感器需要使用者指尖接近于指纹传感器的电路，以便能明显地区别出指尖的波峰和波谷。因此，对于先前描述的第二类型的指纹传感器，用于保护指纹传感器的厚度和材料种类是非常有限的。目前用来覆盖指纹传感器的保护性涂层必须是不导电、及小于约200微米的厚度，并且要符合顾客的审美要求。例如，单纯的笔摔落而撞击到指纹传感器的暴露部分，则可能会损害到可挠性指纹传感器的薄聚酰亚胺表面，于是会造成外观毁损且可能会损害到位于该表面下的感测电路。放置较厚材料于感测装置上来增加指纹传感器的可靠度是非常需要的。然而，较厚的保护涂层/表面会产生至少两个新的挑战:1)随着覆盖厚度的增加，从信号传送器至手指然后返回接收器阵列的信号强度会减弱，其通常为所增加的距离的平方(即覆盖厚度增加一倍，则信号强度会减少4倍)；以及2)根据传送信号的产生方式，当传送的信号从传送器被传送至接收器时，所传送的信号会明显发散。
[0010]在指纹传感器之中，目前南韩的硅显示器提供了型号GCS-2的“玻璃电容传感器”。此装置提供了对应于92、160个感测单元的一个256行(row) X360 ^lJ (column)的多晶硅薄膜晶体管(TFT)电容性像素阵列。像素密度是对应于508dpi，且提供在12.8毫米X 18毫米的感测区域内。阵列中连续像素之间的间距(pitch)是350微米。基极/列移位寄存器(shift register)是形成在集成电路上，并用于选择在启动的行线上欲进行感测的像素。同样地，列移位寄存器是形成在集成电路上，用于选择在被选择的行线上欲进行感测的列线。在任何时间点，提供了四个模拟输出感测信号。多工器亦形成在集成电路上，并用于选择在任何时间点有哪些列输出感测信号被选择。申请人认为，该玻璃电容传感器本身为被动元件，其不包括任何信号产生电极，其中为了对形成在阵列中每一像素以及使用者指尖的有效电容值进行检测，信号产生电极会发射高频信号以接近像素阵列。
[0011]美国专利公告号6055324揭露了一种指纹成像装置，包括形成于基底内的二维阵列的薄膜晶体管、形成于基底上的介电层，以及形成于介电层的信号感测电极。信号感测电极连接于薄膜晶体管的源极。位于阵列的相同行线的薄膜晶体管的基极是连接于共同基极电极引线(lead)。基极电极引线是连接于移位寄存器的输出端，用于选择阵列中的哪些行线需要被启动。位于阵列的相同列线中的薄膜晶体管的漏极是连接于共同漏极电极引线。漏极电极引线是连接到信号检测电路的输入端。信号产生电极以网状或梳状的形式围绕着二维阵列的像素，并发射高频信号朝向覆盖于阵列的手指。阵列的信号感测电极在信号感测电极以及使用者手指之间会形成静电电容。由每个信号感测电极所接收的信号会一列接一列地被检测，以提供指纹的影像。然而，在此专利中，信号产生电极是如此纠缠于阵列中的每个信号感测电极，其中发射高频信号的信号产生电极会直接电容耦合于信号感测电极，而不会先通过使用者手指。因此，位于使用者指尖的波峰下方的第一信号感测电极以及位于使用者指尖的波谷下方的第二信号感测电极之间信号强度的差异，并不是其实际结果。再者，当用来将使用者手指隔离于底层信号感测电极的保护层的厚度增加时，从信号产生电极传送至阵列的信号感测电极的高频信号的直接电容耦合会大量地覆盖住高频信号通过使用者手指的任何次要耦合。
[0012]从苹果公司(Apple Inc)收购指纹感应技术开发商AuthenTec就可证明。指纹传感器是生物安全系统，在行动电话、笔记本电脑以及平板电脑方面具有极大的潜力。于是，将指纹传感器嵌入至液晶显示面板，或是将指纹传感器设计成能通用于许多媒体的零件，例如按钮，是非常需要的。
【发明内容】
[0013]因此，本发明的目的是提供一种指纹传感器，用于对使用者指纹成像，而不需要使用到与像素阵列相同尺寸的集成电路半导体芯片来撷取指纹的影像。
[0014]本发明的另一目的是提供一种指纹传感器，用于对施加在覆盖板的手指的波峰与波谷进行区分，其中覆盖板位于用于对指纹进行成像的像素阵列的上方。
[0015]再者，本发明的另一目的是提供一种指纹传感器，其中覆盖于像素阵列的覆盖层或涂层具有足够的厚度来充分地保护像素阵列，并允许像素阵列能容易地区分出所施加的指纹的波峰与波谷。
[0016]本发明的再一目的是提供一种以较低成本制造的指纹传感器。
[0017]再者，本发明的另一目的是提供一种指纹传感器，其能更有效地传送载波电子信号进入使用者指尖，而不会同时将载波电子信号直接耦合至像素阵列。
[0018]本发明的再一目的是提供一种指纹传感器，其减少在像素阵列以及相关的集成电路的间的电线数量，其中集成电路系用于处理由像素阵列所撷取的指纹影像。
[0019]再者，本发明的另一目的是提供一种指纹传感器，其中由像素阵列内的每个像素所监测的信号成分可以被差动地感测，以抑制共模杂讯信号。
[0020]再者，本发明的另一目的是提供一种指纹传感器，其中像素阵列可并入为传统触控灵敏板的一部分。
[0021]本发明的另一目的是提供一种指纹传感器，其能容易地传送信号到可由像素阵列所感测的使用者手指，其中所传送的信号不会经由指纹传感器本身而耦合至像素阵列。
[0022]本发明的再一目的是提供一种指纹传感器，其能容易地与传统触控板结合而提供单一元件，以便能在相同的感测层中对使用者指纹进行成像，并检测触控板上使用者正在触碰的特定位置。
[0023]本发明提供一种指纹传感器，其包括具有安排在R条行线和N条列线的二维阵列的像素的一第一基底。第一基底可以坚硬或是相对柔软。每一像素包括一开关元件，最好为薄膜晶体管，以及接近第一基底的一上表面的一电容板。本发明提供R个行寻址电极，其中每一行寻址电极耦接于像素阵列中所对应的行线的像素的开关元件，用以选择性地致能在所对应的行线上的开关元件。本发明亦提供了 N个数据电极，其中每一数据电极耦接于所对应的列线的像素的开关元件，用以感测由位于像素阵列中所选择的行线与所对应的列线的一交叉点上的像素的电容板所提供的一信号。
[0024]一或多个传送电极形成邻近于第一基底的上表面，用以传送一可变振幅电子信号。在一实施例中，传送电极是横向间隔于像素阵列，并较佳地大体上完全地环绕像素阵列的周围延伸。一覆盖层覆盖于第一基底的上表面，用以接收一使用者的一指尖。如果需要的话，覆盖层与第一基底可为一体成形。由传送电极所传送的可变振幅电子信号耦合于使用者的一手指，以及使用者是将指尖放置在覆盖层上，以及其中根据使用者的指尖的一波峰或一波谷是否覆盖于像素阵列中的一特定像素，耦合于使用者的手指的电子信号更经由像素阵列中的电容板而耦合至更大或更小的程度。
[0025]根据本发明另一实施例，多个传送电极设置在像素阵列的边缘，较佳地散置在连续的像素行线之间。选择性地致能传送电极以传送一载波信号，以传送至使用者手指。邻近于像素阵列中所选择的行线的传送电极会被禁能，而远离于像素阵列中所选择的行线的传送电极会被致能，并传送所需的载波信号。这使得载波信号会有效地传送至使用者指尖，而不会有任何明显的载波信号会直接耦合至目前所选择的列线内的像素。每次当新的行线被选择时，传送电极的致能与禁能会被更新，以确保邻近于所选择的行线的传送电极会被禁能，而较远的传送电极会被启动以传送载波信号。
[0026]根据本发明另一实施例，指纹传感器是并入于触控板内，其中触控板包括基底。一阵列的感测像素形成于基底且安排在沿着相交的多条行线与多条列线，用以感测施加在邻近于基底的上表面的一手指、触控笔或其他尖端的存在与位置。相邻的感测像素是彼此间隔对应于第一间距的一第一预定距离。每一感测像素提供一信号，以指示尖端是否被施加在邻近于感测像素。
[0027]触控板包括由基底所支撑的多条行寻址线。每一行寻址线关联于阵列的感测像素的一行线，用于选择性地致能并寻址行线内的感测像素。触控板包括由基底所支撑的多条列感测线。每一列感测线关联于感测像素的一列线，用于感测由已致能的行寻址线所选择的感测像素的行线上的感测像素所提供的一信号。
[0028]指纹感测区域形成在触控板基底的上方。指纹感测区域包括安排在沿着相交的多条行线与多条列线的多条细间距像素，以形成一细间距像素阵列。每一细间距像素包括一开关元件以及一电容板。每一细间距像素与相邻的细间距像素彼此间隔一第二预定距离，且第二预定距离小于触控板的感测像素彼此所隔离的第一预定距离的三分之一。
[0029]为了能在指纹感测区域内检测到使用者指纹的影像，本发明提供了多条细间距行寻址线。每一细间距行寻址线关联于细间距像素阵列内细间距像素的一行线，以及每一细间距行寻址线选择性地致能，用于寻址关联于细间距行寻址线的细间距像素。同样地，本发明提供了多条细间距列感测线，其中每一细间距列感测线关联于细间距像素的一列线。细间距列感测线用于对在细间距像素的已致能的行线上的细间距像素的电容板所提供的一信号进行感测。
[0030]触控板的指纹感测区域是由触控板行寻址线以及触控板列感测线所围住。理想地，当使用指纹感测区域来感测使用者指纹时，围绕指纹感测区域的至少一触控板行寻址线和/或触控板列感测线可当作传送电极来传送可变振幅电子信号。由传送电极所传送的可变振幅电子信号耦合至使用者的手指，其中使用者是将其指尖放置于指纹感测区域上。根据使用者指尖的一波峰或一波谷是否覆盖于细间距像素阵列中的一特定像素，耦合至使用者手指的电子信号更经由细间距像素阵列中的电容板而耦合至更大或更小的程度。
[0031]根据本发明另一实施例，当不需要指纹影像时，指纹感测区域能模拟触控板传感器的操作。如先前所描述，触控板包括安排在沿着相交的多条行线与多条列线的多个感测像素的阵列，其中感测像素彼此间隔一第一预定距离。触控板亦包括多条行寻址线，其中每一行寻址线关联于阵列中感测像素的一行线。每一行寻址线会选择性地致能以寻址关联于每一行线的感测像素。触控板还包括多条列感测线,其中每一列感测线关联于感测像素的一列线，用以对在感测像素的所寻址的行线上的感测像素所提供的信号进行感测。
[0032]如先前所描述，触控板包括指纹感测区域，其具有安排在沿着相交的行线与列线的一阵列的细间距像素。每一细间距像素包括一开关元件以及一电容板。每一细间距像素与相邻的细间距像素彼此间隔一第二预定距离，且第二预定距离小于触控板的感测像素彼此所隔离的第一预定距离的三分之一。
[0033]在先前所描述的实施例中，本发明提供了多条细间距行寻址线。每一细间距行寻址线对应于细间距像素阵列内细间距像素的一行线，以及每一细间距行寻址线选择性地致能，用于寻址关联于细间距行寻址线的细间距像素。同样地，本发明提供了多条细间距列感测线，其中每一细间距列感测线关联于细间距像素的一列线。细间距列感测线会对在细间距像素中已致能的行线上的细间距像素的电容板所提供的一信号进行感测。
[0034]本发明亦提供相应于一模式信号的一控制电路，用于决定细间距像素是否作为指纹感测像素或是触控板的传统感测像素。控制电路分别致能在每一细间距行线上的细间距像素。当作为指纹传感器时，会分别感测由每一细间距像素所提供的信号。另一方面，当模