201225265 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於影像感測器，且特定言之（但不排 他）’本發明係關於一種光學觸控螢幕成像器。 【先前技術】 吾人熟知在諸如個人數位助理、支付終端及可攜式電腦 之很多器件上的觸控螢幕。最常見的觸控螢幕使用撓性隔 膜技術’但此等隔膜並不耐久且隔膜定位於顯示器上，降 低顯示器的亮度及對比度。 另一種觸控螢幕技術使用經定位圍繞螢幕周邊的紅外 (IR)發光二極體（LED)。一種類型係由沿著顯示器兩側的 光感測器陣列及沿著相對侧的相對應IR光源（諸如LED)陣 列組成。光感測器藉由偵測感測器不再可見來自相對led 之IR光而偵測物件何時觸控螢幕。此技術工作良好，但為 了充足解析度，其需要如此密集的感測器及LED而致使其 對於某些應用而言變得過於昂貴且過於缺乏能量。另外， 此一配置不可縮放，意指對於各螢幕大小必須建立客製 LED陣列與感測器陣列。 另一種技術以較少數目的相機取代汛光感測器，但此等 相機體積大’使觸控螢幕大、厚、重且並非便於使用。 【實施方式】 中 定 參考下列®式描述本發明之祕制且㈣他實施例，其 在各圖式中相同參考數字指示相同部分，除非另外指 153347.doc 201225265 二，Γ光學觸控螢幕成像器之—系統及方法之諸實 諸實施2文描述f，描述許多具體細節以提供本發明之 諸實施例之一通透理解。 本發明可在無一伽^ 先、各此項技術者應認識到 件 ·”、5多個該等具體細節或以其他方法、組 件、材料等等而實殘。 在其他例子中，熟知結構、材料或 刼作未被詳細顯示式y .+. h ,、 戍描述但部涵蓋於本發明之範圍内。 在此說明書中參考「一膏 έ士入 實施例」或「一個實施例」意指 二該貫施例描述的—特別特徵部、結構或特性係包含於 =月之至^ 一實施例中。因此，在此說明書中短語「在 實施例中」或「在-個實施例中」未必全指示相同實施 例。此外，該等特別特徵部、結構或特性可以任何合適方 式組合於一個或多個實施例中。 圖1Α至圖1Β-起繪示一光學觸控螢幕成像器_之一實 施例。觸控螢幕成像器刚包含由—框架1〇2包圍的一觸控 區域1〇4。在該繪示的實施例中，框架⑽及觸控區域刚 兩者為四邊形，但在立#眚始办f + 逆^ 1仕八他貫施例中，兩者可具有其他形 狀，諸如圓形、橢圓形、或某—其他規則或不規則多邊 形。在其他實施例中’框架102及觸控區域1〇4無需具有相 同形狀。另外’雖然該繪示的實施例顯示由框架1〇2完全 包圍的觸控區域HM’但在其他實施例中，框架1〇2可在觸 控區域104之較少側上。 一對影像感測器106及108係沿著框架1〇2定位於觸控區 域104之二個拐角處。影像感測器1〇6具有一視域角度h， 而影像感測器106具有一視域角度β2。在一實施例中， 153347.doc 201225265 與β2相等，但在其他實施例中，01與32無需相等。心及、 之每一者可具有介於零度與90度之間之一值。在其中^及 β2均等於90度之一實施例中，影像感測器1〇6及1〇8兩者具 有完全罩蓋觸控區域104之一視域。觸控螢幕成像器1〇〇之 該繪示的實施例具有兩個影像感測器，但其他實施例可具 有更少或更多數目之影像感測器。舉例而言，一實施例可 僅具有一個影像感測器，而其他實施例可包含三個、四個 或更多個影像感測器。下文結合圖2Α至圖2Β、圖3、圖5 及圖6論述可用於觸控螢幕成像器1〇〇中之影像感測器之實 施例。在一實施例中，影像感測器1〇6及1〇8係耦合至電路 及邏輯以調節及處理由該等影像感測器產生的信號（見圖 7)。 -輻射源110係沿著相對於其中定位有影像感測器1〇6及 108之邊緣之觸控區域104之一邊緣定位於框架1〇2上，且 影像感測器1G6及⑽兩者係經定位以接收由輻射源11〇發 射的輻射112。輻射源110可發射自紅外光譜至紫外光譜之 各種波長下之輻射。在一實施例中，輻射源】1〇發射紅外 ⑻波長或近紅外（NIR)波長下之輻射，但在其他實施例 中’輻射源110當然可發射其他波長下之輻射。在-些實 施例中’輻射源110可包含發光二極體（LED)，但在其他實 施例中可使用其他類型之輕射源。雖然未在圖式中繪示， 但輻射源110亦可包含調節經發射的輻射112使得在離開輕 射源110之後其在實質上平行於觸控區域^ 04的平面之一薄 平面内行進之光學元件（見圖1B)。反射光學元件、折射光 153347.doc 201225265 學元件及繞射光學元件或此等元件之組合均可用於調節經 發射的輻射112 ;光學元件之具體實例包含稜鏡、反射 鏡、透鏡、繞射光柵、光纖、波導等等。 在觸控螢幕成像器100之操作中，輻射源110打開並在實 質上平行於觸控區域104之一平面内發射輻射112，使得輻 射係經導引入影像感測器106及108内。當一使用者接著放 置一手指或其他物件於觸控區域104内時，手指或物件阻 止輕射到達該等影像感測器中的特定像素。使用輕合至該 專影像感測器的處理電路（見圖7)，可識別手指或物件在觸 控區域内之位置。 圖2A至圖2C—起繪示可用作為影像感測器1〇6及1〇8之 一者或兩者之一影像感測器200之一實施例。在該繪示的 實施例中’影像感測器200係一 CMOS影像感測器，但在其 他實施例中’可使用其他類型之影像感測器（諸如電荷耗 合器件（CCD))。影像感測器200亦為一前照式（FSI)感測 器，意4曰影像感測器接收穿過其前側（通常為形成有像素 陣列之侧）之輻射；其他實施例可為背照式影像感測器（見 圖5)。圖2A續·示影像感測器2〇〇之主要元件。影像感測器 200包含一基板202，一像素陣列204及支援電子器件206形 成於該基板上。像素陣列204中的個別像素與支援電子器 件206之一個或多個元件通信，且像素陣列2〇4中的該等像 素以及支棱電子器件206之元件可透過一個或多個接點208 與影像感測器200外部之元件通信。 圖2B及圖2C繪示影像感測器200之細節；圖2B係一分解 153347.doc 201225265 圖，而圖2C係一組裝圖。一抗反射塗層21〇係形成於基板 2 〇 2的表面上使付該抗反射塗層至少罩蓋像素陣列2 〇 4，且 接著一光導211係形成於抗反射塗層21〇之上。當光導211 完成時，一罩蓋224係放置於該光導之上。 在一實施例中，像素陣列204為二維並包含成列與行配 置的複數個像素。繪示的像素陣列204係經規則成形，但 在其他實施例中，該陣列可具有不同於所顯示之一規則或 不規則配置並可包含相較於所顯示更多或更少的像素、列 及行。此外’在不同實施例中，像素陣列204可為包含紅 色像素、綠色像素及藍色像素之一彩色影像感測器或可為 一品紅-青色-黃色影像感測器。 抗反射塗層2 10可為降低或消除反射之任何種類塗層。 在一些實施例中，抗反射塗層21 0亦可作為一濾光器，過 濾掉非所欲的輻射波長使得僅所需波長到達像素陣列204 内的像素。譬如’在一實施例中，抗反射塗層2 1 〇僅容許 紅外波長或近紅外波長到達該像素陣列。在其他實施例 中，抗反射塗層210可容許其他波長（諸如可見波長或紫外 波長）通過。在其他實施例中，抗反射塗層210可容許一寬 範圍之波長通過。 光導211係形成於抗反射塗層210上，並包含其中具有一 狹槽214之金屬層212、一平坦化材料層216、一傾斜金屬 層218、一額外金屬層222及一光學透明材料220。金屬層 212係形成於抗反射塗層210上並在其中具有寬度為以且長 度為L之一狹槽214(見圖2Α)。狹槽214係形成於像素陣列 153347.doc 201225265 204之上’形成容許輻射到達像素陣列2〇4内的一個或多個 所選擇像素之一遮罩。以像素量測的尺寸w及L·在不同實 施例中可具有不同值《在一實施例中，舉例而言，寬度w 可為自一像素至數千像素之一寬度，而長度L可介於一單 排像素至像素陣列204的整個寬度。金屬層212可使用任何 類型之反射材料（包含鋁、金、銀、鉑及類似物）形成。 透明材料220係形成於自影像感測器2〇〇之邊緣延伸至至 少通過狹槽214之金屬層212之部分之上；在該繪示的實施 例中，透明材料220佔據由金屬層212、傾斜金屬層218、 額外金屬層222及光導211之輻射入口 221所限界的整個體 積。在該繪示的實施例中，輻射入口 221係與影像感測器 200之該邊緣齊平，但在其他實施例中光導211與影像感測 器200之尺寸無需相等，使得輻射入口 221無需與該影像感 測器齊平。舉例而言’在該繪示的實施例中，光導2丨i的 尺寸δ實質上等於影像感測器的尺寸△(見圖2b)，但在其他 實施例中δ無需等於△。一般而言，選擇用於透明材料22〇 之材料將取決於待由影像感測器220擷取的輻射之波長； 舉例而言’在其中抗反射層21〇可用於僅容許紅外波長或 近紅外波長到達影像感測器204之一實施例中，透明材料 220可對至少紅外波長及近紅外波長呈透明。在一實施例 中’透明材料220可為用於微透鏡的相同材料。 傾斜金屬層218係與透明材料220接觸並橫跨於金屬層 212與額外金屬層222之間。傾斜金屬層218實質上為平坦 並以相對於由金屬層212界定的一平面之一角度α形成。在 153347.doc
S 201225265 一實施例中，α具有45度之一值，但在其他實施例中以可具 有介於0度與90度之間之任何值，且在其他實施例中^可具 有介於15度與75度之間之值。如同金屬層212，傾斜金屬 層218可使用任何類型之反射金屬（包含鋁、金、銀、始及 類似物）形成。在一實施例中，傾斜金屬層218係由與金屬 層212及222相同的金屬製成，但在其他實施例中其無需由 與該另·一層金屬層之任一者相同的材料製成。 額外金屬層222係形成於透明材料22〇上、與金屬層212 隔開達一距離h並橫跨於傾斜金屬層218與輻射入口 221之 間。在一實施例中，距離h恆定並等於一個或多個像素的 寬度，但在其他實施例中h可採用不同值，且在其他實施 例中h無需恆定（即’額外金屬層222與金屬層212實質上無 需平行）。當尺寸h為小時，光導211的受光角相對應為小 且因此無需額外光學器件來聚焦光，但在一實施例中可添 加額外光學器件。如同金屬層212’額外金屬層222可使用 任何類型之反射金屬（包含铭、金、銀、鉑及類似物）形 成。在一實施例中’額外金屬層222係由與金屬層212及 2 18相同的金屬製成，但在其他實施例中其無需由與該另 二層金屬層之任一者相同的材料製成。 如圖2B所示，平坦化材料216係形成於金屬層212之部分 之上及傾斜金屬層218之上。在另一實施例中，平坦化材 料216亦可形成於金屬層222之上。平坦化材料21 6結合光 導211之其餘元件使用以形成其上可放置一罩蓋224之一實 質上平面表面。在一實施例中，罩蓋224可為玻璃，但在 153347.doc 201225265 其他實施例中可使用其他材料β 在影像感測器200之操作中，轄射係在實質上平行於像 素陣列2G4的平面且實質上與光導211之人口對齊之一平面 内入射於影像感測器携之邊緣上。該輕射到達影像感測 器200之該邊緣並進入透明材料22〇。透明材料22〇連同反 射金屬層212及222—起導引輻射至傾斜金屬層218，接著 傾斜金屬層218反射入射輻射朝向金屬層212中的狹槽 214。該輻射撞擊由狹槽214暴露的像素，建立可由適當電 路讀取及處理之一電信號（見圖7)。影像感測器2〇〇的構造 引起該影像感測器之一極小總體高度Η，使得當用於一光 學觸控螢幕100中時，該觸控螢幕的框架102將具有一小厚 度及一小重量。 圖3繪示一經封裝影像感測器300之一實施例。經封裝影 像感測器300係包含一影像感測器（諸如安裝於一基板3〇2 之一側上的影像感測器200)之一晶片級封裝（csp或 CSP2)，而焊球304以及支撐結構（諸如結合墊）係形成於基 板302的另一側上。影像感測器200可由各種方式（諸如引 線結合、透過晶片通孔或晶圓級封裝技術（諸如圍繞邊緣 引線結構之殼套））透過接點208電耦合至基板3 02。基板302 提供影像感測器200與焊球304之間之必需電互連，使得接 著影像感測器200將電耦合至封裝300由該等焊球所附接之 任何器件。對於一 BSI影像感測器而言，抗反射塗層21 0及 層211及224均在背表面上而陣列204及接觸墊208在影像感 測器300之前側上》在此情況下，接觸點208可經由導電 153347.doc • 10- 201225265 膏、焊球或其他構件直接連接至302頂側上的金屬墊。 在一實施例中影像感測器200可使用黏合劑而被安裝至 基板302，但在其他實施例中可使用其他形式之附接，諸 如焊接或緊固件。一旦被安裝於基板302上，影像感測器 200之邊緣（光透過該邊緣進入光導211)可由一透明邊緣密 封劑306罩蓋。在一實施例中，透明邊緣密封劑3〇6可形成 於一透鏡内以幫助聚焦入射輻射χ於光導211内，但在其他 實轭例中透明邊緣密封劑3 〇6無需形成一透鏡。在封裝3〇〇 之一些實施例中，輻射未入射於其上的影像感測器2〇〇之 邊緣亦可由透明邊緣密封劑308罩蓋，但在其他實施例中 無需存在密封劑308。 圖4Α至圖4F—起繪示用於製造一前照式（FSI)影像感測 器（諸如影像感測器2〇〇)之一製程之一實施例；用於製造 BSI影像感測器500(見圖5)之製程係該繪示的製程之一簡 單延伸。圖4A繪示該製程之起始點。若干影像感測器係形 成於一晶圓402上。像素陣列404以及影像感測器之其他光 學組件或電子組件係形成於一半導體晶圓402之前側上》 抗反射塗層406係形成於該晶圓之該前側之上使得該抗反 射塗層至少罩蓋像素陣列404。一金屬層4〇8係沈積於抗反 射塗層406之上，並接著係經圖案化及蝕刻以形成暴露抗 反射塗層406之部分之狹槽41〇 ’因此形成將容許光到達像 素陣列404之一些該等像素之遮罩。 圖4B繪示該製程之另一部分。以圖4 A中顯示的總成開 始’接著透明材料414係沈積於該晶圓表面上，使得該透 153347.doc 201225265 明材料罩蓋金屬層408並填充狹槽410。V形切口 416係形成 於光學透明材料414中以建立傾斜表面，諸如表面418。此 等V形切口亦可形成於垂直於所顯示的此等位置之位置並 在相同平面内但在狹槽410之端處。此等形成該狹槽之該 等端。 圖4C繪示該製程之另一部分。以圖4B中顯示的總成開 始’一金屬層420係沈積於光學透明材料414上。在傾斜表 面41 8上之金屬層420之部分形成最終影像感測器之傾斜金 屬表面218，而在平坦表面上之金屬層420之部分作為該最 終影像感測器中的額外金屬表面222終止（見圖2B)。 圖4D至圖4F繪示該製程之隨後部分。以圖4C中顯示的 總成開始’在圖4D中，一平坦化材料422係沈積於金屬層 420之上以形成一平面表面，一罩蓋可安裝於該平面表面 上。在圖4E中’ 一罩蓋424係形成於平坦化材料422之上。 圖4F繪示該製程之最終部分，其中晶圓402係經切割以使 個別影像感測器相互分離。在其中電引線係經形成圍繞影 像感測器基板之邊緣（殼套技術）之實施例中，晶粒分離步 驟與此製程中所使用的相同。 圖5繪示一背照式（「BSI」）影像感測器500之一實施 例。影像感測器500在大多數方面類似於影像感測器2〇〇。 主要差異在於影像感測器200係一前照式（「FSI」）影像感 測器。FSI影像感測器200及BSI影像感測器500兩者均包含 製造在基板202之一前側上的一像素陣列204，但一 FSI感 測器在該感測器之前側上接收輻射而一 BSI感測器透過該 153347.doc -12- 201225265 影像感測器之一背表面接收輻射。因此，在影像感測器 500中，光導211係形成於基板2〇2之背側而非前側，並與 狹槽214對齊以導引入射輻射穿過該基板之該背側至像素 陣列204。在大多數方面，：BSI影像感測器500以與影像感 測器200相同之方式操作並可在觸控螢幕成像器ι〇〇中用作 為影像感測器106及108之一者或兩者。 圖6續'示一前照式影像感測器6〇〇之一替代實施例。影像 感測器600在大多數方面類似於影像感測器2〇〇。主要差異 在於影像感測器600包含多個狹槽，輻射可穿過該等狹槽 到達像素陣列204。該缘示的實施例包含兩個狹槽：一個 具有寬度〜及長度’另一個具有寬度W2及長度L2。在一 實施例中，兩個狹槽具有相同大小，意指评1=^且L1=l2， 但在其他實施例中Wl無需等於W2，且Ll無需等於l2。此 外，雖然該繪示的實施例顯示兩個狹槽形狀相同，但在其 他實施例中該等狹槽無需具有相同形狀。多個狹槽之存在 可實現一立體成像器之構造。 圖7繪示用於處理來自一影像感測器之資訊或信號之一 成像系統700之一實施例。系統700可用於處理來自觸控螢 幕100中的影像感測器106及/或108之信號》像素陣列704 擷取影像且系統700之其餘部分處理來自該影像之像素資 料。 影像感測器702可為前照式影像感測器200(圖2A至圖2B) 或背照式影像感測器400(圖5)。在像素陣列704操作以擷取 一影像期間，在一特定曝光週期期間擷取入射光（即光子） 153347.doc -13· 201225265 之像素陣列704中的各像素將該等經收集的光子轉換為一 電荷。由各像素產生的該電荷可作為一類比信號讀出，且 該類比信號之一特性（諸如其電荷、電壓或電流）將表示在 該曝光週期期間入射於該像素上之光之強度。 影像感測器702包含信號讀取及處理電路71(^電路71〇 尤其可包含线地讀取來自各像素之類比信號、遽波此等 信號、校正缺陷像素等等之電路與邏輯。在其中電路 僅執行-些讀取及處理功能之—實施例中，其餘功能可由 /一個或多個其他組件（諸如信號調節器712或〇卯Η◦執 行。雖然在圆式中讀取及處理電路71〇顯示為與像素陣列 704分離之-元件，但在一些實施例中讀取及處理電路⑽ 可與像素陣列704整合在同—基板上或可包含嵌入該像素 陣列内的電路與邏輯。然而，在其他實施例中，讀取及處 理電路71G可為如該®式巾料的像素陣列7G4外部之一元 件°在其他實施例中，讀取及處理電路71G可為不僅在像 素陣列704外部而且在影像感測器7〇2外部之一元件。 節器712係耗合至影像感測器702以接收及調節來 自像素陣列704與讀取及處理電路m之類比信號。在不同 實施例中，信號調節器712可包含心調節類比信號之各 =組件^在該㈣調節11中㈣之組件之實例包含濟波 二放大盗、偏移電路、自動增益控制等等。在其 調！器712僅包含—些此等元件且僅執行-些調節功能之 貫粑例中，其餘功能可由— 路一”⑻執行位轉換 153347.doc -14- 201225265 合至信號調節器712以接收來自信號調節器712之對應於像 素陣列704中的各像素之經調節的類比信號並將此等類比 信號轉換為數位值。 數位信號處理器（DSP)716係耦合至類比轉數位轉換器 714以接收來自ADC 714之數位化像素資料並處理該數位 資料以產製一最終數位影像。Dsp 716可包含一處理器及 一内部記憶體，其中該記憶體可儲存及取出資料。在該影 像由DSP 716處理之後，該影像可被輸出至一儲存單元 718(諸如一快閃記憶體或一光或磁儲存單元）及一顯示單元 720(諸如一 LCD螢幕）之一者或兩者。 本發明之繪示的實施例之上文描述（包含摘要中所描述 之内容）並不意欲為排他性或限制本發明於所揭示之精確 形式。儘管在本文中為了繪示性目的描述本發明之具體實 施例及實例，但如熟習此項技術者應認識到，在本發明之 範圍内各種均等修改為可能。本發明之此等修改可根據上 文詳細描述而作出。 ;下歹]申凊專利範圍的該等用語不應解擇為限制本發 明於說明書及申請專利範圍中所揭示的該等具體實施例。 此外，本發明之範圍應由應根據申請專利範圍解譯之已建 立教不解譯之下列申請專利範圍整體決定。 【圖式簡單說明】 圖1A係-光學觸控螢幕成像器之—實施例之—平面圖； 圖1B係實質上沿著截面線B-B取得的圖1A之一光學觸栌 螢幕成像器之該實施例之一截面圖； ^ 153347.doc •15- 201225265 圖2A係可與一光學觸控螢幕成像器之一實施例（諸如圖 1A至圖1B中顯示的該光學觸控螢幕成像器）連用之/影像 感測器之一實施例之一平面圖； 圖2B係實質上沿著截面線b_b取得的圖2A之一影像感測 器之該實施例之一分解截面圖； - 圖2C係圖2B之一經組裝影像感測器之該實施例之一截 . 面圖； 圖3係用於封裝一影像感測器（諸如圖2A至圖2B中顯示的 該影像感測器）之一配置之一實施例之一截面圖； 圖4A至圖4F係用於製造一影像感測器之一實施例（諸如 圖2A至圖2B中顯示的該影像感測器）之一製程之一實施例 之截面圖； 圖5係一影像感測器之一替代實施例之一截面圖； 圖6係一影像感測器之另一替代實施例之一截面圖；及 圖7係用於處理來自一影像感測器之資料之一系統之~ 實施例之一方塊圖。 【主要元件符號說明】 100 光學觸控螢幕成像器 102 框架 . 104 觸控區域 106 影像感測器 108 影像感測器 110 輻射源 112 輻射 153347.doc 16 201225265 200 影像感測器 202 基板 204 像素陣列 206 支援電子器件 208 接點 210 抗反射塗層 211 光導 212 金屬層 214 狹槽 216 平坦化材料 218 傾斜金屬層 220 光學透明材料 221 輻射入口 222 額外金屬層 224 罩蓋 300 經封裝影像感測器 302 基板 304 焊球 306 透明邊緣密封劑 308 透明邊緣密封劑 400 背照式影像感測器 402 晶圓 404 像素陣列 406 抗反射塗層 153347.doc -17- 201225265 408 410 414 416 418 420 422 424 500 600 700 702 704 710 712 714 716 718 720 金屬層 狹槽 透明材料 V形切口 表面 金屬層 平坦化材料 罩蓋 背照式影像感測器 前照式影像感測器 成像系統 影像感測器 像素陣列 信號讀取及處理電路 信號調節器 類比轉數位轉換器 數位信號處理器 儲存單元 顯示單元 153347.doc -18-
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