本申请主张在2017年1月24日提出申请的序列号为62/450,049的美国临时申请的优先权。上述专利申请的全文并入本文供参考且构成本说明书的一部分。
本发明涉及一种光学传感器模块，具体来说涉及一种具有均匀照明光
(illuminatinglight)、高填充因数(fillfactor)、及高开孔率(apertureratio)的优点的光学传感器模块。
背景技术：
近来，开发出各种光学传感器模块来应用于许多产品。光学传感器模块可用于检查人的健康状态(例如，心率、血压等)及健身水平且也可用于电子装置中以检测指纹。
图1说明传统光学传感器模块的结构性剖视图。在图1中，传统光学传感器模块100包括背光元件(backlightelement)101、光电二极管阵列(photodiodearray)102、读出电路(readoutcircuit)tr、光阻挡或隔离元件(lightblockingorisolationelement)103、及覆盖板(coverlens)104。由于光学传感器模块100的底部中设置有背光元件101，因此光学传感器模块100具有相对大的高度。光阻挡或隔离元件103设置在背光元件101与所述两个光电二极管阵列102及读出电路tr之间，以防止光电二极管阵列102直接检测从背光元件101发出的造成干扰的光l1。如果使用光阻挡或隔离元件103的效率低，则所得图像(例如，指纹图像)的品质可能会不够好。
图2说明另一传统光学传感器模块的结构性剖视图。参照图2，传统光学传感器模块200包括侧面发光源(side-emittinglightsource)201、光电二极管阵列202、读出电路tr、及覆盖板203。光学传感器模块200的侧面发光源201设置在覆盖板203的横向侧上，且当对象(例如，手指)触摸覆盖板时，光电二极管阵列202检测通过受抑全内反射(frustratedtotalinternalreflection，ftir)而从覆盖板203的上表面(即，被触摸表面)反射的光l2。光学传感器模块200的高度可低于图1中的光学传感器模块100的高度。然而，指纹图像因侧面发光源201的存在而通常不具有良好的均匀性。
技术实现要素：
因此，本发明涉及一种具有均匀照明光、高填充因数、及高开孔率的优点的光学传感器模块。
本发明提供一种光学传感器，所述光学传感器包括衬底及多个像素单元。所述像素单元设置在所述衬底上，且所述像素单元中的每一个包括光源元件、光传感器元件、电路单元、及隔离元件。在本公开内容中，所述光源元件发出光，所述光传感器元件感测光学图像。所述电路单元被配置成驱动所述光源元件发出光且驱动所述光传感器元件感测所述光学图像。所述隔离元件将所述光传感器元件与所述光源元件隔离开。另外，所述光源元件设置在所述相应像素单元的所述隔离元件与相邻像素单元的隔离元件之间。
在本发明的一个实施例中，所述光传感器元件设置在由所述隔离元件界定的空间之下。
在本发明的一个实施例中，所述光源元件及所述隔离元件位于所述衬底上的第一层中。
在本发明的一个实施例中，所述光传感器元件与所述电路单元位于所述衬底上的第二层中，且所述第二层位于所述第一层之下。
在本发明的一个实施例中，投影到所述衬底上的所述光源元件的垂直投影与所述电路单元的垂直投影彼此重叠。
在本发明的一个实施例中，所述光传感器元件包括水平地集成或垂直地集成的正-本征-负光电二极管(positive-intrinsic-negativephotodiode)。
在本发明的一个实施例中，所述光传感器元件设置在由所述隔离元件界定的空间内。
在本发明的一个实施例中，所述光源元件、所述光传感器元件及所述隔离元件位于所述衬底上的第一层中。
在本发明的一个实施例中，所述电路单元位于所述衬底上的第二层中，且所述第二层位于所述第一层之下。
在本发明的一个实施例中，投影到所述衬底上的所述光源元件的垂直投影及所述光传感器元件的垂直投影与投影到所述衬底上的所述电路单元的垂直投影重叠。
在本发明的一个实施例中，所述光传感器元件包括水平地设置在所述空间中的两个电极及形成在所述空间中的光导膜。
在本发明的一个实施例中，所述光传感器元件包括水平地或垂直地设置在所述空间中的正电极及负电极、以及形成在所述空间中的光导膜。
在本发明的一个实施例中，所述光学传感器进一步包括设置在所述多个像素单元上的覆盖元件。
在本发明的一个实施例中，所述电路单元包括读出电路及驱动电路。所述读出电路连接到读出线且被配置成驱动所述光传感器元件感测所述光学图像。所述驱动电路连接到所述光源元件且被配置成驱动所述光源元件发出光。
在本发明的一个实施例中，所述驱动电路包括行(row)选择晶体管，所述行选择晶体管具有第一端、第二端及控制端。所述行选择晶体管的所述第一端耦合到所述光源元件，所述行选择晶体管的所述第二端耦合到系统电压，且所述行选择晶体管的所述控制端接收行选择信号。
在本发明的一个实施例中，所述驱动电路进一步包括反馈晶体管，所述反馈晶体管具有第一端、第二端及控制端。所述反馈晶体管的所述第一端耦合到所述行选择晶体管的所述第二端，所述反馈晶体管的所述第二端耦合到所述系统电压，且所述反馈晶体管的所述控制端耦合到所述读出线。
基于以上内容，如本发明的实施例中所述，由于自照明材料(self-illuminatingmaterial)充当光源元件，因此光学传感器模块中的光学路径得到简化，从而使照明光均匀。另外，由于电路单元放置在光源元件之下，因此光传感器元件设置在充足的区域上且所述电路单元实作在具有更大电路复杂度的较大的空间中。因此，每一像素单元的填充因数得到显著提高，且每一像素单元的开孔率/开口率(openingrate)提高。此外，为自照明材料的光源元件可执行显示功能。
通过阅读对示例性实施例的以下说明及以下随附图式，本发明的上述特征及优点将变得更显而易见且会被更好地理解。
附图说明
包含附图是为了提供对本发明的进一步理解，所述附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。所述图式说明本发明的实施例且与本说明一起用于解释本发明的原理。
图1说明传统光学传感器模块的结构性剖视图。
图2说明另一传统光学传感器模块的结构性剖视图。
图3说明根据本发明第一实施例的光学传感器模块的像素单元的结构性剖视图。
图4说明正-本征-负光电二极管的两种集成形式。
图5说明根据本发明第一实施例的光学传感器模块的结构性剖视图。
图6说明根据本发明第二实施例的光学传感器模块的像素单元的结构性剖视图。
图7说明根据本发明第二实施例的光学传感器模块的结构性剖视图。
图8说明根据本发明第三实施例的光学传感器模块的像素单元的结构性剖视图。
图9是本发明的光学传感器模块的像素单元的电路单元的示例性示意图。
[符号的说明]
100、200：光学传感器模块/传统光学传感器模块
101：背光元件
102、202：光电二极管阵列
103：光阻挡或隔离元件
104、203、305、405：覆盖板
201：侧面发光源
300、400a、400b：光学传感器模块
301、401：光源元件
302、402、502：光传感器元件
303、403：隔离元件
304、404：衬底
406a：电极
406b、407a、407b：电极
bpt：旁通晶体管
bpt1、fbt1、rs11、rs21、rst1、tx1：第一端
bpt2、fbt2、rs12、rs22、rst2、tx2：第二端
bptc、fbtc、rs1c、rs2c、rstc、txc：控制端
fbt：反馈晶体管
l1：光/第一层
l1a：第一层
l2：光/第二层
l2a：第二层
px1、px1a、px1b、px2、px2a、px3、px3a：像素单元
rs1：行选择晶体管/第一行选择晶体管
rs2：行选择晶体管/第二行选择晶体管
rst：重设晶体管
s、sa：空间
tr：读出电路/电路单元
tx：转移晶体管
vdd：系统电压
具体实施方式
在本发明的以下实施例中，使用例如有机发光二极管(organiclightemittingdiode，oled)等自照明材料作为光学传感器模块中的光源元件，且自照明光源元件可设置在所述光学传感器模块的每一像素单元中，进而提供均匀的光源。通过此方式，所得图像(例如，指纹图像)可具有比通过使用侧面发光源或背光源的传统光学传感器模块而产生的图像好的均匀性。另外，根据以下实施例的光学传感器模块可具有比图1所示传统光学传感器模块低的轮廓。换句话说，本发明中的光学传感器模块的高度可低于图1中的传统光学传感器模块的高度。
图3说明根据本发明第一实施例的光学传感器模块的像素单元的结构性剖视图。参照图3，提供光学传感器模块300的像素单元px1。像素单元px1包括光源元件301、光传感器元件302、电路单元tr、及至少一个隔离元件303。像素单元px1在光学传感器模块300中设置在衬底304上且被覆盖板305覆盖。在本公开内容中，光源元件301发出光，光传感器元件302感测例如指纹图像等光学图像。电路单元tr被配置成驱动光源元件301发出光且驱动光传感器元件302感测光学图像。隔离元件303将光传感器元件302与光源元件301隔离开。
在图3所示当前实施例中，光传感器元件302可为例如光电二极管等半导体装置，但本发明并非仅限于此。电路单元tr包括驱动电路及读出电路。驱动电路驱动为自照明光源元件的光源元件301。读出电路用于像素单元px1的光传感器元件302(例如，一个或多个光电二极管)。另外，驱动电路及读出电路设置在为自照明光源(例如，oled)的光源元件301之下。通过此方式，像素单元px1的光传感器元件302可设置在充足的区域上且每一像素单元的填充因数可得到显著提高。
在图3中，符号“tr”表示包括在薄膜晶体管(thinfilmtransistor，tft)制作工艺(例如，非晶硅(amorphoussilicon，a-si)、低温多晶硅(lowtemperaturepoly-silicon，ltps)等)中所制作的驱动电路及读出电路在内的电路单元，所述驱动电路用于驱动光源元件301(自照明光源元件)，所述读出电路用于像素单元px1。读出电路(可参照图9)可包括至少一个转移晶体管(transfertransistor)(tx)、重设晶体管(resettransistor)(rst)、及行选择晶体管(rs1)。驱动电路用于产生驱动电流且可通过各种电路来实作，所述驱动电流驱动光源元件301(自照明光源元件)。驱动电路的其中一个实施例也可参照(但不限于)图9，此实施例包括行选择晶体管(rs2)及反馈晶体管(fbt，其为可选择要否使用)。为了阻止光直接被光传感器元件302接收而无法从触摸覆盖板305表面的对象(例如，手指)反射，需要使用隔离元件303。
在当前实施例中，光传感器元件302设置在由隔离元件303界定的空间s之下。另外，光源元件301及隔离元件303位于衬底304上的第一层l1中。光传感器元件302及电路单元tr位于衬底304上的第二层l2中，且第二层l2位于第一层l1之下。
另外，在当前实施例中，投影在衬底304上的光源元件301的垂直投影与电路单元tr的垂直投影彼此重叠。然而，投影在衬底304上的光源元件301的垂直投影与光传感器元件302的垂直投影不彼此重叠。
在图3所示第一实施例中，光传感器元件302可为通过例如非晶硅tft工艺等tft制作工艺而制作的正-本征-负(p-i-n)光电二极管，且所述p-i-n光电二极管可如图4中所示水平地集成或垂直地集成。
由于光学传感器模块包括排列成阵列的多个像素单元，因此根据图3所示第一实施例的光学传感器模块的结构性剖视图可看起来和图5一样。参照图5，当前实施例的光学传感器模块300包括衬底304及具有相同结构的多个像素单元(例如，像素单元px1、px2、px3等)。像素单元设置在衬底304上且被覆盖板305覆盖。另外，光源元件301设置在相应像素单元px1的隔离元件303与相邻像素单元px2的另一隔离元件303之间。
图6说明根据本发明第二实施例的光学传感器模块的像素单元的结构性剖视图。参照图6，提供光学传感器模块400a的像素单元px1a。像素单元px1a包括光源元件401、光传感器元件402、电路单元tr、及至少一个隔离元件403。像素单元px1a在光学传感器模块400a中设置在衬底404上且被覆盖板405覆盖。当前实施例的光源元件401、光传感器元件402、电路单元tr、及隔离元件403的功能与以上图3中的第一实施例的光源元件301、光传感器元件302、电路单元tr、及隔离元件303的功能相似。在下文中阐述当前实施例与图3中的第一实施例之间的不同。
在图6中的第二实施例中，光传感器元件402设置在光学传感器模块400a中由隔离元件403所界定的空间sa内。光源元件401、光传感器元件402、及隔离元件403位于衬底404上的第一层l1a中。电路单元tr位于衬底404上的第二层l2a中，且第二层l2a位于第一层l1a之下。另外，投影在衬底404上的光源元件401的垂直投影及光传感器元件402的垂直投影与投影在衬底404上的电路单元tr的垂直投影重叠。
此外，图6所示第二实施例中的光传感器元件402是以与图3所示第二实施例中的光传感器元件302不同的方式制作。
更具体来说，光传感器元件402可通过涂布在其中设置有正电极及负电极的区域中的有机光导膜(organicphotoconductivefilm，opf)来实现，所述有机光导膜会根据所感测的光来改变自身的电特性(例如，导电性)。在图6中，电极406a及电极407a(其一是正电极，另一是负电极)水平地设置在空间sa中，但本发明并非仅限于此。电极406a及407a可由例如金属或透明导电材料(例如，氧化铟矽(indium-tin-oxide，ito))等导电材料制成。电压差可被施加到电极406a及407a，且当光传感器元件402感测到光时会有电流产生。换句话说，光传感器元件402包括水平地设置在空间sa中的两个电极406a及407a且光传感器元件402进一步包括形成在空间sa中的光导膜。
应注意，此处，从光学传感器模块400a的平面图观察，所述两个电极406a及407a中的每一个可包括多个部件。电极406a的部件及电极407a的部件被图案化成增大一个电极的面对另一电极的区域，例如被图案化成具有间隔(interval)的互锁手指形状(fingersinterlockedshape)。
在图6中，“tr”表示包括驱动电路及读出电路的电路，所述驱动电路用于驱动光源元件401(自照明光源元件)，所述读出电路用于像素单元px1a，其中所述驱动电路及所述读出电路可参照图9。为了阻止光直接被光传感器元件402接收而无法从触摸覆盖板405表面的对象(例如，手指)反射，需要使用隔离元件403。
在图6所示第二实施例中，驱动电路及读出电路设置在第二层l2a中，第二层l2a位于光源元件401之下且也位于光传感器元件402之下。通过此方式，不仅使得像素单元px1a的光传感器元件402设置在充足的区域上，而且使得读出电路及驱动电路也可实作在具有更大电路复杂度的较大的空间中。因此，每一像素单元(例如，像素单元px1a)的填充因数也可得到显著提高。
由于光学传感器模块包括排列成阵列的多个像素单元，因此根据图6所示第二实施例的光学传感器模块的结构性剖视图可看起来和图7一样。参照图7，当前实施例的光学传感器模块400a包括衬底404及具有相同结构的多个像素单元(例如，像素单元px1a、px2a、px3a等)。像素单元设置在衬底404上且被覆盖板405覆盖。
图8说明根据本发明第三实施例的光学传感器模块的像素单元的结构性剖视图。参照图8，提供光学传感器模块400b的像素单元px1b。像素单元px1b在光学传感器模块400b中设置在衬底404上且被覆盖板405覆盖。像素单元px1b包括光源元件401、光传感器元件402、电路单元tr、及至少一个隔离元件403。以下阐述图8中的第三实施例与图6中的第二实施例中之间的不同。光传感器元件402包括垂直地设置在空间sa中的电极406b及电极407b(其一是正电极，另一是负电极)、以及形成在空间sa中且位于电极406b与电极407b之间的光导膜。设置在另一电极上方的电极(即，设置在图8中的电极406b上方的电极407b)是透明电极。
在本发明的其他实施例中，光传感器元件也可包括垂直地设置的两个电极、及设置在所述两个电极之间的光导膜。所述两个电极中的下部电极及光导膜设置在由像素单元的隔离元件所界定的空间内，而所述两个电极中的上部电极(与图8中所示实例不同)则设置在光学传感器模块400b的像素单元的覆盖板与隔离元件之间。上部电极可被连续地形成且由光学传感器模块400b的像素单元共享。本发明并非仅限于此。
图9是根据本发明另一实施例的光学传感器模块的像素单元的电路单元的示例性示意图。参照图9，电路单元tr包括读出电路及驱动电路。读出电路连接到读出线且被配置成驱动光传感器元件感测光学图像。驱动电路连接到光源元件且被配置成驱动所述光源元件发出光。
另外，读出电路包括转移晶体管tx、重设晶体管rst、旁通晶体管(bypasstransistor)bpt、及第一行选择晶体管rs1。转移晶体管tx包括第一端tx1、第二端tx2、及控制端txc，其中转移晶体管tx的第二端tx2耦合到光传感器元件502，且转移晶体管tx的控制端txc接收转移信号。重设晶体管rst包括第一端rst1、第二端rst2、及控制端rstc，其中重设晶体管rst的第一端rst1耦合到系统电压vdd，重设晶体管rst的第二端rst2耦合到转移晶体管tx的第一端tx1，且重设晶体管rst的控制端rstc接收重设信号。旁通晶体管bpt包括第一端bpt1、第二端bpt2、及控制端bptc，其中旁通晶体管bpt的第一端bpt1耦合到系统电压vdd，旁通晶体管bpt的控制端bptc耦合到转移晶体管tx的第一端tx1。另外，第一行选择晶体管rs1包括第一端rs11、第二端rs12、及控制端rs1c，其中第一行选择晶体管rs1的第一端rs11耦合到旁通晶体管bpt的第二端bpt2，第一行选择晶体管rs1的第二端rs12耦合到读出线，且第一行选择晶体管rs1的控制端rs1c接收第一行选择信号。
此外，驱动电路包括第二行选择晶体管rs2及反馈晶体管fbt。第二行选择晶体管rs2包括第一端rs21、第二端rs22、及控制端rs2c，其中第二行选择晶体管rs2的第一端rs21耦合到光源元件(例如，oled)，第二行选择晶体管rs2的第二端rs22耦合到系统电压，且第二行选择晶体管rs2的控制端rs2c接收第二行选择信号。另外，反馈晶体管fbt包括第一端fbt1、第二端fbt2、及控制端fbtc，其中反馈晶体管fbt的第一端fbt1耦合到第二行选择晶体管rs2的第二端rs22，反馈晶体管fbt的第二端fbt2耦合到系统电压vdd，且反馈晶体管fbt的控制端fbtc耦合到读出线。
驱动电路用于产生驱动电流且可通过各种电路来实作，所述驱动电流驱动光源元件(自照明光源元件)。
在当前实施例中，可通过使用控制第一行选择晶体管rs1与第二行选择晶体管rs2二者的控制信号而使用于驱动光源元件(自照明光源(例如，oled))的驱动电路的运作与用于光传感器元件(例如，光电二极管)的读出电路的运作同步。通过此方式，像素单元的光传感器元件可仅接收来源于所述像素单元的光源元件且当对象(例如，手指)触摸光学传感器模块的覆盖板的表面时从被触摸表面反射的光，且可不发生因来源于相邻像素单元的光源元件的非期望光造成的干扰。
反馈晶体管是可选元件且用于根据被用作反馈信号的读出信号来控制光源元件的驱动电流。如果由光传感器元件接收的光不足够，则所得读出信号可具有较大的电压且会控制反馈晶体管产生较大的驱动电流供至光源元件。因此，光源元件可产生较高的光强度，且可增大由光传感器元件接收的光的强度以产生具有更好的对比的图像。
在另一实施例中，用于驱动自照明光源的驱动电路可以短的负载循环(dutycycle)进行调制，使得来自周围环境中的非期望光的干扰可不对读出信号产生大的影响。
在又一实施例中，光学传感器模块的光源元件(例如，oled)可进一步实现图像显示功能－如果驱动电路可提供此种电路复杂度的话。在此种情形中，光学感测功能与图像显示功能是可由开关控制的(switchable)，且驱动电路可包括可由开关控制的两个部分电路，其中一部分电路用于驱动自照明光源以实现光学感测，且另一部分电路用于驱动自照明光源以显示图像数据。
根据本发明实施例的光学传感器模块可在制作工艺中使用oled显示面板来制作且形成在同一衬底上，且所述光学传感器模块可被视作所述oled显示面板的一部分。举例来说，如果光学传感器模块是使用行动电话或平板装置的oled显示面板而制作，则光学传感器模块可形成在oled显示面板的下部区域中且与用于显示功能的显示有效区域(displayactivearea)间隔开。在另一实例中，光学传感器模块可使用oled显示面板的整个显示有效区域来制作(即，oled显示面板也起到较大的光学传感器模块的作用)，只要显示品质是可接受的即可。
综上所述，在本发明中，由于自照明材料充当光源元件，因此光学传感器模块中的光学路径得到简化，从而使照明光均匀。另外，由于电路单元放置在光源元件之下，因此光传感器元件设置在充足的区域上且所述电路单元实作在具有更大电路复杂度的较大的空间中。因此，每一像素单元的填充因数得到显著提高，且每一像素单元的开孔率/开口率提高。此外，为自照明材料的光源元件可执行显示功能。
对于所属领域中的技术人员将显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的条件下，可对本发明的结构作出各种修改及变化。鉴于上述说明，若本发明的修改及变化落于上述权利要求书及其等效形式的范围内，则旨在使本发明涵盖对本发明作出的修改及变化。