本实用新型是有关于一种光学屏下指纹传感器及使用其的电子装置，且特别是有关于一种适用于低穿透屏的光学屏下指纹传感器及使用其的电子装置。
背景技术：
：现今的移动电子装置(例如手机、平板电脑、笔记本电脑等)通常配备有使用者生物识别系统，包括了例如指纹、脸型、虹膜等等不同技术，用以保护个人数据安全，其中例如应用于手机或智能手表等携带型装置，也兼具有行动支付的功能，对于使用者生物识别更是变成一种标准的功能，而手机等携带型装置的发展更是朝向全屏幕(或超窄边框)的趋势，使得传统电容式指纹按键无法再被继续使用，进而演进出新的微小化光学成像装置(有些类似传统的相机模组，具有互补型金属氧化物半导体(complementarymetal-oxidesemiconductor(cmos)imagesensor(简称cis))传感元件及光学镜头模组)。将微小化光学成像装置设置于屏幕下方(可称为屏下)，通过屏幕部分透光(特别是有机发光二极管(organiclightemittingdiode，oled)屏幕)，可以获取按压于屏幕上方的物体的图像，特别是指纹图像，可以称为屏幕下指纹传感(fingerprintondisplay，fod)。目前已知的光学指纹传感器，皆是利用互补型金属氧化物半导体(complementarymetal-oxidesemiconductor,cmos)前光照度(front-sideillumination,fsi)技术制作的光传感器，主要是因为每个传感像素的尺寸都约在6～8微米(μm)(甚至更大)，相较于传统相机的cmos图像传感器，像素尺寸都甚至<1μm(整个产业趋势是像素尺寸变小，总像素变多)，技术及设计理念相当的不同。然而fod技术考虑完全不同于传统相机的cmos图像传感器，由于设置于屏幕下方，必须要考虑其透光率，又指纹识别比对算法对图像解析度有一定的要求(例如>500dpi)，其中每一英寸的点数量(dotsperinch)称为dpi。因此屏下式指纹传感器需要配合显示屏幕的透光结构，才能有最优化的系统功能。总之，目前的显示屏幕不断地朝向高解析度的目标来发展。高解析度的显示屏幕的穿透率势必降低，使得光学指纹传感器收到的光线变少，目前的光学指纹传感器已经无法在低穿透率的显示屏幕下达成有效率的传感功能，为此本实用新型将着重在配合未来低穿透率的显示屏的情况下，如何提供高品质的光学屏下指纹传感器。技术实现要素：因此，本实用新型的一个目的是提供一种光学屏下指纹传感器及电子装置，依据低穿透屏的解析度的需求来设计指纹传感器，使得指纹传感器可以有效地执行屏下光学特征传感。为达上述目的，本实用新型提供一种光学屏下指纹传感器，用于安装于一低穿透屏的下方，来传感位于低穿透屏上或上方的一手指的指纹，光学屏下指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，并且具有转换增益cg，其中cg>40μv/e-，其中e-代表一个电子。本实用新型更提供一种电子装置，至少包括：一低穿透屏，具有多个显示像素，低穿透屏对于波长范围介于500nm到850nm之间的光线的平均穿透率小于2％；以及一指纹传感器，传感位于低穿透屏上或上方的一手指的指纹，指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，并且具有转换增益cg，其中cg>40μv/e-，其中e-代表一个电子。通过上述的适用于低穿透屏的光学屏下指纹传感器，采用具有bsi结构的指纹传感器，可以让光电转换效率比具有fsi结构的指纹传感器提高约2倍，再者，提高转换增益使得cg>40μv/e-，最少也可增加1.25倍的传感灵敏度。综合以上两点，曝光时间可以减少至少2.5倍，以满足或补偿现有显示器的5％的平均穿透率降至2％的影响，故可以在高解析度的显示器下实现光学指纹传感，且符合未来及正在发展中的行动装置的显示及指纹传感需求。为让本实用新型的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。附图说明图1为显示器的穿透率的数个例子的特性图。图2显示两种指纹传感器的特性图。图3a与图3b为两种显示器的穿透图案的示意图。图4显示本实用新型较佳实施例的电子装置的示意图。图5显示指纹传感器的局部电路示意图。图6显示传感单元的另一例子的俯视示意图。图7显示图4的指纹传感器的局部剖面示意图。附图说明：a：横向尺寸cfd：浮动扩散电容cpd：结电容cl：寄生电容col：共同输出线f：手指fd：节点mtx,mrs,msf,msel：晶体管pd：光电二极管q1：曲线群q2：曲线群t1,t2,t3：特性曲线vset,vdd：电压vout：电压信号φtx,φrs,φsf,φsel：信号10：低穿透屏12：显示像素20：指纹传感器21：传感芯片22：传感单元22a：子传感单元23：金属配线层24：介电层25：光机模组26：传感电路30：电池100：电子装置具体实施方式图1显示显示器的穿透率的数个例子的特性图。如图1所示，关于目前的oled显示器的波长对穿透率的特性曲线t1与t2，以波长530nm的光线而言，平均穿透率分别是在2％至3％左右，譬如特性曲线t1与t2的平均穿透率分别为3.1％和2.5％。因为oled显示器的解析度不断地提高，所以需要采用新的材料及提高显示单元及配线的密度，使得未来的oled显示器的穿透率降低，特性曲线t3为未来显示器的波长对穿透率的特性曲线，以波长530nm的光线而言，平均穿透率大约是1％，未来甚至会更低。本揭露内容的指纹传感器即是配合具有特性曲线t3的显示器，亦或者配合特性曲线t2的平均穿透率以下的状况来进行设计，例如<2％。因此，显示器对于波长范围介于500nm到850nm之间的光线的平均穿透率小于2％，譬如是介于1％与2％之间。或者，显示器对于波长530nm的光线的平均穿透率小于1％。图2显示两种指纹传感器的特性图。如图2所示，曲线群q1代表一种背光照度(back-sideillumination,bsi)传感器的波长对量子效率的关系图，曲线群q2代表前光照度(front-sideillumination,fsi)传感器的波长对量子效率的关系图。以波长530nm的光线而言，bsi传感器的量子效率可以高达约90％，而fsi传感器的量子效率大约60％。因此，对于未来的低穿透率的显示器而言，采用bsi传感器为本揭露内容的条件之一。由于指纹应用于例如手机系统，故从曝光到图像传输及识别比对，总共的需求时间一般约为<200ms(毫秒)，而图像传输及识别比对的时间差不多是固定的数字，最大的改变还是在于曝光的时间，其一般必须要小于100ms。当上述低穿透率的显示屏出现时，如果光传感器的尺寸及技术(譬如fsi)都不改变，则代表整个曝光时间将大于150ms，甚至200ms，这是完全没法满足系统规格的。以下表1显示利用bsi技术的不同像素尺寸的曝光时间比较，为了满足100ms的规格，可以发现像素尺寸必须要大于5μm，其为本实用新型的另一条件。表1bsi传感器的像素尺寸曝光时间5μm115ms7μm50ms10μm23ms简单来说，如果要满足曝光时间，则通过bsi的选择，搭配较大尺寸的传感像素或传感单元(>5μm)，则是可以达到的，可是由于fod产品设置于显示屏(例如oled)下方，显示屏会有达成预设解析度的结构及穿透图案(透光的几何形状)。图3a所示为现有oled显示屏的图案，没有阴影线填入的空白部分为透光区域，阴影部分为不透光区域，为元件及线路所造成。另外，图3b为未来的高解析度oled显示屏的图案，没有阴影线填入的空白部分为透光区域，阴影部分为不透光区域，因为元件及线路密度高，所以透光区域的比率大幅降低。图4显示本实用新型较佳实施例的电子装置的示意图。如图4所示，本实施例提供一种光学屏下指纹传感器20，其安装于电子装置100，譬如是手机、平板电脑等。电子装置100至少包括一低穿透屏10(或称显示器)以及指纹传感器20。用于安装于低穿透屏10的下方的指纹传感器20需要配合低穿透屏10的透光率进行改良的设计。低穿透屏10具有多个显示像素12。于一例子中，各显示像素12包括三原色像素。低穿透屏10可以是oled显示器，微发光二极管(microled)显示器或任何高解析度的其他显示器。指纹传感器20传感位于低穿透屏10上或上方的一手指f的指纹。由于bsi传感器的量子效率高，指纹传感器20为一种bsi指纹传感器，且至少包括一传感芯片21及一光机模组25。传感芯片21具有多个传感单元22(或称传感像素)，各传感单元具有一横向尺寸a。传感单元22将通过光机模组25的光信号转换成电信号。光机模组25设置于传感芯片21与低穿透屏10之间。为了在低穿透率的显示器的下方达成可识别的指纹传感结果，本揭露内容提出以下设计条件，也就是让指纹传感器20具有转换增益cg，其中cg>40μv/e-，其中e-代表一个电子，也就是本揭露内容提出的相关的限制条件，经过实际测试也证实可行。鉴于与现有显示屏搭配，传统的指纹传感器的cg<30μv/e-，不再适用于未来低穿透率的显示屏幕。当然，受限于屏下指纹应用，经过模拟及计算可以得到cg<500μv/e-。因此一个好的fod设计必须考虑到曝光时间，来设计转换增益cg，本实用新型是针对下世代的低穿透屏(<2％，甚至<1％)，其解析度将是大于600dpi，甚至是700dpi，因此必须要有较大的转换增益cg。于此非限制例中，40μv/e-<cg<500μv/e-。于另一非限制例中，50μv/e-<cg<500μv/e-。电子装置100可以更包括一电池30，提供电源给低穿透屏10及指纹传感器20使用。电池30位于低穿透屏10的下方及指纹传感器20的一侧。值得注意的是，虽然图4的指纹传感器20只有涵盖一部分的低穿透屏10，但并未将本揭露内容限制于此，因为也可以将指纹传感器20设计成涵盖低穿透屏10的全部，实施全屏指纹传感的功能。图5显示指纹传感器的局部电路示意图。如图5所示，在四晶体管的主动像素传感器(4-transistor-activepixelsensor,4t-aps)架构中，在像素内设置有四个晶体管mtx、mrs、msf及msel，分别由信号φtx、φrs、φsf及φsel控制。传感电路26形成于图4的传感芯片21中。光电二极管pd被照光后产生的光电子在读出时会被转移到浮动扩散(floatingdiffusion)节点fd，利用节点fd上的浮动扩散电容cfd将光电子转换成电压信号vout。运作时，电压vset将重启每个像素(传感单元22)的电压，然后具有结电容cpd的光电二极管pd将接收到的光子转换成电子到节点fd产生一个压差，因为晶体管msf与msel可以被看成是一个驱动(drive)，所以电压vdd就是驱动的电压，从共同输出线col接出的输出电压vout(耦接至寄生电容cl)会跟着节点fd的电压连动，为传感电路所读出来的电压数值，再转换成类比至数位转换(analog-to-digitalconversion,adc)码，获得传感信号。低穿透屏表示收光信号降低(因为光子数变少)，所以经过光电转换的电子束变少。由电子转换的输出电压不足，造成传感器的灵敏度不足，利用q＝cv的原理，1/c＝v/q，其中q为电量，c为电容值，v为电压，而转换增益cg＝v/q，表示一个电子可以转换成多少的电压。通过改变电路上的浮动扩散电容cpd的电容值，即可改变转换增益cg。依据40μv/e-<cg<500μv/e-，可以得到0.32ff<cfd<4ff。图6显示传感单元的另一例子的俯视示意图。如图6所示，各传感单元22是由多个子传感单元22a所组成。子传感单元22a排列成阵列，譬如是2×2的阵列，当然并不限定于此，也可以是3×3或更大阵列。此时，横向尺寸a等于两个子传感单元22a的横向尺寸的总和，此举的目的是为了具有更高解析度的图像(例如解析度提高4倍)，可以更有效解决显示屏的摩尔纹问题，但是又为了解决曝光时间，则必须要将子传感元的信号加总在一起(称为合并(binning))。由于单一传感单元22的尺寸大于5μm，所以单一子传感单元22a的尺寸可以大于2.5um。图7显示图4的指纹传感器20的局部剖面示意图。如图7所示，光机模组25至少包括一微透镜，将光线聚焦于传感单元22，传感芯片21更具有至少一金属配线层23(譬如是两金属配线层)，传感单元22设置于光机模组25与金属配线层23之间。金属配线层23之间填充有介电层24。由于金属配线层23不会遮挡进入传感单元22的光线，具有较高的量子效率，适用于上述实施例，值得注意的是该光机模组25在此并不限定是外挂式的光学芯片组合，甚至也包含完全整合于晶片制造的微透镜，亦或者是部分外挂部分整合，皆适用于本实用新型的精神。通过上述的适用于低穿透屏的光学屏下指纹传感器，采用具有bsi结构的指纹传感器，可以让光电转换效率比具有fsi结构的指纹传感器提高约2倍，再者，提高转换增益使得cg>40μv/e-，最少也可增加1.25倍的传感灵敏度。综合以上两点，曝光时间可以减少至少2.5倍，以满足或补偿现有显示器的5％的平均穿透率降至2％的影响，故可以在高解析度的显示器下实现光学指纹传感，且符合未来及正在发展中的行动装置的显示及指纹传感需求。在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本实用新型的技术内容，而非将本实用新型狭义地限制于上述实施例，在不超出本实用新型的精神及申请专利范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本实用新型的范围。当前第1页1 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技术特征：1.一种光学屏下指纹传感器，其特征在于，用于安装于一低穿透屏的下方，来传感位于该低穿透屏上或上方的一手指的指纹，该光学屏下指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，并且具有转换增益cg，其中cg>40μv/e-，其中e-代表一个电子。
2.如权利要求1所述的光学屏下指纹传感器，其特征在于，具有小于4ff的浮动扩散电容。
3.如权利要求1所述的光学屏下指纹传感器，其特征在于，40μv/e-<cg<500μv/e-。
4.如权利要求3所述的光学屏下指纹传感器，其特征在于，具有介于0.32ff与4ff之间的浮动扩散电容。
5.如权利要求1所述的光学屏下指纹传感器，其特征在于，至少包括一传感芯片及一光机模组，该传感芯片具有多个传感单元以及一金属配线层，所述多个传感单元将通过该光机模组的光信号转换成电信号，且所述多个传感单元设置于该光机模组与该金属配线层之间。
6.如权利要求5所述的光学屏下指纹传感器，其特征在于，各该传感单元的尺寸大于5μm。
7.如权利要求6所述的光学屏下指纹传感器，其特征在于，各该传感单元是由多个子传感单元所组成。
8.一种电子装置，其特征在于，至少包括：
一低穿透屏，具有多个显示像素，该低穿透屏对于波长范围介于500nm到850nm之间的光线的平均穿透率小于2％；以及
一指纹传感器，传感位于该低穿透屏上或上方的一手指的指纹，该指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，并且具有转换增益cg，其中cg>40μv/e-，其中e-代表一个电子。
9.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，该指纹传感器的多个传感单元的每一个的尺寸大于5μm。
10.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，该低穿透屏对于波长530nm的光线的平均穿透率小于1％。
11.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，该低穿透屏的解析度大于600dpi。
12.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，该低穿透屏为oled显示器或微发光二极管显示器。
技术总结本实用新型提供了一种光学屏下指纹传感器及电子装置，该光学屏下指纹传感器用于安装于一低穿透屏的下方，来传感位于低穿透屏上或上方的一手指的指纹，光学屏下指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，并且具有转换增益CG，其中CG>40μV/e‑，其中e‑代表一个电子。该电子装置使用上述光学屏下指纹传感器。
技术研发人员：高国峰;范成至;周正三
受保护的技术使用者：神盾股份有限公司
技术研发日：2020.09.04
技术公布日：2021.03.12
