智能手機(jī)、筆記本電腦和其他電子設(shè)備已成為我們生活中不可或缺的一部分。從休閑到與朋友和家人保持聯(lián)系或在旅途中管理工作，這些設(shè)備正改變了我們的生活和工作方式，而顯示技術(shù)在這里面起到了至關(guān)重要。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，通過(guò)觸摸屏直接與內(nèi)容交互的能力徹底改變了人機(jī)交互。但這僅僅是開始。在過(guò)去幾年中，設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到包含更多傳感器，以增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)和安全性。其中包括接近傳感器、指紋讀取器、用于面部識(shí)別的 3D 傳感、虹膜掃描和前置攝像頭。

然而，傳感器的倍增與其他理想的屬性相矛盾：美觀和功能也推動(dòng)了對(duì)盡可能高的屏幕與機(jī)身比例的需求（即消除顯示器中的邊框和切口）。由于顯示器切口和打孔技術(shù)的進(jìn)步，傳感器最初位于顯示器外部（設(shè)備的邊緣），現(xiàn)已逐漸嵌入顯示器中。

Yole聲稱，理想情況下，傳感器將完全隱形在顯示屏下方。然而，這帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅餍枰獜脑O(shè)備環(huán)境中收集信息（例如光和聲音）。許多人還需要向外界發(fā)送信號(hào)并收集有關(guān)環(huán)境如何改變?cè)撔盘?hào)的數(shù)據(jù)。顯示器對(duì)傳感器和環(huán)境之間的雙向交換構(gòu)成了巨大的障礙。

“顯示屏下方”傳感器必須接收通過(guò)顯示屏進(jìn)出的信號(hào)，并且仍然足夠薄，不會(huì)增加設(shè)備的厚度。這意味著不僅需要針對(duì)傳感器進(jìn)行特定設(shè)計(jì)，而且在大多數(shù)情況下還需要針對(duì)顯示器進(jìn)行特定設(shè)計(jì)，以便信號(hào)可以雙向傳輸并保持可利用性（圖1 ）。

圖1、屏下傳感器面臨的挑戰(zhàn)。IR：紅外線；PI：聚酰亞胺；TFT：薄膜晶體管。來(lái)源：OTI

向屏下功能的過(guò)渡

第一個(gè)移動(dòng)到顯示屏后面的傳感器是指紋掃描儀 (FPS)。現(xiàn)在，我們將大量個(gè)人和關(guān)鍵信息（例如銀行憑證和健康相關(guān)數(shù)據(jù)）委托給我們的移動(dòng)設(shè)備，可靠的身份驗(yàn)證已成為一項(xiàng)關(guān)鍵功能。傳統(tǒng)的電容式 FPS 要求手指與傳感器之間的距離保持相當(dāng)短，因此不適合屏下集成。然而，2017 年，高通開發(fā)了一種 440 微米厚的超聲波 FPS，可以在 0.8 毫米的玻璃下運(yùn)行。

華為首先在其 Mate 機(jī)型中采用了該技術(shù)，三星在 2018 年的 Galaxy 10 中采用了該技術(shù)。此外，Synaptics、Goodix 和 Egis 開發(fā)了基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 圖像傳感器的光學(xué)屏下 FPS。該距離最大可達(dá) 1.5 毫米。這些光學(xué)傳感器比超聲波傳感器更便宜，但更容易被欺騙。然而，在這兩種情況下，傳感區(qū)域僅限于傳感器的區(qū)域。

設(shè)備制造商最終希望全屏 FPS 能夠?qū)崿F(xiàn)多指身份驗(yàn)證，從而將安全性和可靠性提高多個(gè)數(shù)量級(jí)。在 IMID 2022 上，三星顯示表示，從一個(gè)指紋到兩個(gè)或三個(gè)指紋，安全級(jí)別分別提高了 5 × 10 4和 2.5 × 10 9倍。

盡管高通展示了更大的 (20 × 30 mm 2 ) 傳感器，但使用 CMOS 成像器或超聲波傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的顯示傳感并不實(shí)際。因此，各公司正在開發(fā)基于薄膜晶體管（TFT）的全顯示傳感器。京東方于 2018 年展示了每英寸 500 像素 (ppi) 的解決方案，友達(dá)光電 (AUO) 緊隨其后，于 2019 年推出了 403 ppi 的解決方案。天馬在2022年展示了1,000ppi。Isorg還開發(fā)了TFT和有機(jī)光電二極管解決方案（圖2））。然而，基于 TFT 的傳感需要單獨(dú)的 TFT 模塊 (Isorg) 或?qū)?FPS 集成到顯示堆棧中 (Samsung)，但代價(jià)是顯著增加復(fù)雜性并可能增加良率損失。非 TFT 解決方案也在開發(fā)中，例如 Vkansee 的解決方案，它使用矩陣針孔圖像傳感技術(shù)。

圖2、Isorg 的 300μm厚 TFT + 有機(jī)光電二極管全顯示屏 FPS

Yole估計(jì)，屏下FPS市場(chǎng)將從2022年的3.79億臺(tái)增長(zhǎng)到2027年的6.19億臺(tái)，占市場(chǎng)份額超過(guò)50%。

人臉識(shí)別在許多智能手機(jī)中用作唯一（iPhone）或替代（Android）身份驗(yàn)證方式。Apple 使用基于結(jié)構(gòu)光方法的專有 3D 人臉識(shí)別技術(shù)。2019 年的一些 Android 手機(jī)使用了 3D ToF方法。此后Android 設(shè)備的采用率一直在下降，但可能很快就會(huì)反彈。大多數(shù)其他手機(jī)僅依賴于對(duì)前置（自拍）攝像頭捕獲的 2D 圖像進(jìn)行軟件分析。

對(duì)于 FPS，希望在顯示器下方集成 3D 傳感器（圖3 ），盡管主要障礙包括 OLED 面板對(duì)光的高吸收和衍射。為此，開發(fā)人員正在將紅外 (IR) 波長(zhǎng)從近紅外 (NIR) 轉(zhuǎn)變?yōu)槎滩ㄩL(zhǎng)紅外 (SWIR)。由于 OLED 在這些波長(zhǎng)下具有更高的透明度以及在這些波長(zhǎng)下對(duì)脆弱有機(jī)材料造成的損害減少，因此存在著關(guān)于 OLED 是否會(huì)具有一些優(yōu)勢(shì)的爭(zhēng)論。但真正的好處主要是減少背景噪音（來(lái)自場(chǎng)景的寄生光），這有助于補(bǔ)償 OLED 吸收造成的信噪比損失。2022 年 6 月，Trinamix 推出了基于標(biāo)準(zhǔn) CMOS 傳感器和艾邁斯歐司朗開發(fā)的專用投影儀的屏下 3D 面部認(rèn)證解決方案。

圖3、Apple iPhone 的傳感器集成路線圖。資料來(lái)源：Yole

作為紅外傳感器屏下集成的第一步，艾邁斯半導(dǎo)體于 2020 年推出了用于接近傳感器的完整“后置 OLED”(BOLED) 解決方案，該解決方案還包括自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)、通話期間自動(dòng)關(guān)閉觸摸屏以及閃爍功能用于消除視頻上的條帶的檢測(cè)。

iPhone 14 Pro 采用屏下接近傳感器，采用基于磷化銦 (InP) 技術(shù)的邊緣發(fā)射激光器 (EEL)，在短波紅外光譜部分運(yùn)行，這與目前使用的砷化鎵 (GaAs) 發(fā)射器不同近紅外光譜（圖4 ）。

圖4、?iPhone 14 Pro 的屏下接近傳感器。來(lái)源：Yole

隱藏的自拍策略

屏下傳感的最好的方案可能是用于自拍相機(jī)。2020年，中興通訊的Axon 20是首款配備屏下攝像頭（UDC）的智能手機(jī)，該攝像頭基于OLED面板制造商維信諾開發(fā)的解決方案。小米的 Mi MIX4 緊隨其后。三星的首款 UDC 同年出現(xiàn)在 Galaxy Z-Fold 3 中。所有主要 OLED 顯示器制造商（三星顯示器、京東方 [與 Oppo 合作] 和 TCL-CSOT）現(xiàn)在都有 UDC 解決方案。然而，采用率仍然有限。由于 OLED 材料和 TFT 電路的阻礙，OLED 面板的圖像質(zhì)量受到限制。提高 OLED 透明度的選項(xiàng)包括降低像素密度或相機(jī)上方像素的尺寸（圖5））。三星通過(guò)降低像素密度同時(shí)增加子像素尺寸以保持亮度，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)傳感器上方 OLED 顯示屏 33% 的透明度。LG Display 于 2021 年開始開發(fā)，目標(biāo)是 2023 年 OLED 透射率達(dá)到 20%，2024 年達(dá)到 40%。

圖5、三星和小米采用的策略是提高 OLED 面板在屏下攝像頭上方的透射率。插圖：Yole

金屬共陰極是一個(gè)主要問(wèn)題。OTI Lumionics 等公司正在與領(lǐng)先的面板制造商合作，實(shí)施陰極圖案化工藝，讓足夠的光線穿過(guò)面板。聚酰亞胺 (PI) TFT 基板的黃色色調(diào)是另一個(gè)問(wèn)題。相機(jī)軟件必須將顏色恢復(fù)正常。攝像頭模塊還必須變得更薄，才能安裝在顯示屏下方。最終，這些挑戰(zhàn)會(huì)導(dǎo)致圖像模糊，因?yàn)檠苌鋱D案、較差的低光性能、潛在的像素老化，以及由于鏡頭上方所需的像素結(jié)構(gòu)和尺寸的變化而導(dǎo)致相機(jī)區(qū)域保持可見。

一種可能且更有前景的替代方案是使用散布在 OLED 像素中或周圍的光傳感器陣列。蘋果在各種專利中描述了一種依賴OLED的解決方案。OLED像素可以共享陰極和其他結(jié)構(gòu)，例如空穴傳輸層 (HTL)、電子傳輸層 (ETL)、空穴注入層 (HIL) 和電子注入層 (EIL)、OLED像素層。OLED像素可以用作能夠獲取通話環(huán)境的一個(gè)或多個(gè)元素的圖像的相機(jī)（可見光相機(jī)或IR相機(jī)）、用戶的圖像（用戶的臉部、手指或視網(wǎng)膜）。

MicroLED 來(lái)了

microLED顯示器的開發(fā)始于2000年代初，由索尼和堪薩斯州立大學(xué)等多個(gè)學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)牽頭。Apple 于 2014 年收購(gòu)了 LuxVue（一家自 2009 年以來(lái)一直在開發(fā) microLED 顯示器的初創(chuàng)公司），使該技術(shù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，促使許多公司進(jìn)入該領(lǐng)域并呈指數(shù)級(jí)加速發(fā)展。截至 2023 年初，大多數(shù)領(lǐng)先的顯示器制造商和各種電子公司都展示了 microLED 顯示器原型。多種尺寸、像素密度和外形尺寸以及透明和柔性顯示器已被證明，可能服務(wù)于從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 到汽車、可穿戴設(shè)備、電視和公共信息顯示器的一系列應(yīng)用。

MicroLED 顯示器有可能提供高對(duì)比度、高切換速度、寬視角、低功耗和其他非常理想的功能。

有多種可能的 microLED 顯示架構(gòu)，基于 TFT 背板、微驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) 或兩者的組合。然而，所有設(shè)計(jì)都有一個(gè)共同特征，這是無(wú)機(jī) LED 所固有的。由于無(wú)機(jī) LED 的效率峰值處于比 OLED 高得多的電流密度（1–10 A/cm 2與 1–100 mA/cm 2），并且可以處理比 OLED 高得多的電流而不損壞，因此 LED 可以提供非常高的單位亮度表面積。這允許使用面積遠(yuǎn)小于像素間距的發(fā)射器，從而導(dǎo)致大多數(shù)應(yīng)用中的填充因子特別低（表 1）。

表 1. 各種 microLED 顯示應(yīng)用的填充因子

填充因子定義為總發(fā)射器面積除以像素面積。來(lái)源：Yole

這種配置已經(jīng)更有利于增加顯示透明度。此外，大多數(shù) microLED 顯示架構(gòu)都是頂部發(fā)射的（即，TFT 電路不會(huì)像某些（但不是全部）OLED 架構(gòu)那樣阻礙光發(fā)射）。PlayNitride、天馬和友達(dá)等各種 microLED 廠商已經(jīng)展示了在 114 ppi 的像素密度下透明度高達(dá) 70% 的顯示器。相比之下，目前的 55 英寸全高清商用透明 OLED 顯示器在 40 ppi 的像素密度下只能提供 38% 的透射率。在 Cite 2023 上，天馬討論了通過(guò)優(yōu)化像素組和 TFT 電路架構(gòu)來(lái)保持高 ppi microLED 顯示器高透明度的具體努力。

MicroLED 顯示器的高透明度是該技術(shù)的一個(gè)強(qiáng)大的差異化元素。它可能會(huì)實(shí)現(xiàn)各種新的商業(yè)和運(yùn)輸應(yīng)用。許多原型車和概念車的駕駛艙都使用透明顯示器。友達(dá)在Touch Taiwan 2023上展示了各種透明顯示器概念。2022年，該公司已在臺(tái)灣高雄航運(yùn)公司運(yùn)營(yíng)的渡船上安裝了第一批商用透明microLED顯示器。

定位在同一平面上

提高透明度已經(jīng)是 microLED 的一項(xiàng)了不起的壯舉，與 OLED 或 LCD 相比，它首先將允許在顯示器后面更輕松地安裝傳感器。

但是，當(dāng)?shù)吞畛湎禂?shù)留下足夠的空間將微型 IC 和傳感元件與 microLED 發(fā)射器一起放置在同一平面上時(shí)，為什么要把傳感器放在顯示器下方呢？隨著microLED技術(shù)的成熟，將傳感器從顯示器下方直接移動(dòng)到前平面將消除顯示器的任何障礙并減少設(shè)備厚度（圖6）。

圖6、屏下傳感器和屏內(nèi)傳感器移動(dòng)到前平面消除了障礙并減少了厚度  來(lái)源：Yole

相同的 RGB 或紅外 microLED 可以用作發(fā)射器或光傳感器（在反向偏壓下）。傳感器可以由 TFT 背板驅(qū)動(dòng)，盡管即使是最好的薄膜技術(shù)（例如低溫多晶硅 (LTPS) 或氧化物）所提供的有限晶體管性能，其復(fù)雜性也可能具有挑戰(zhàn)性。這就是 Si-CMOS 微驅(qū)動(dòng)器集成可以發(fā)揮作用的地方，可以在很小的占地面積內(nèi)集成復(fù)雜的功能。微型集成電路可以驅(qū)動(dòng)顯示器和傳感器。

探索可能性

MicroLED 顯示器制造商很快就建議在前平面中實(shí)現(xiàn)許多功能。來(lái)自主要顯示器和消費(fèi)電子公司以及初創(chuàng)公司和大學(xué)的 100 多個(gè)專利家族涉及這一主題。著名的公司包括蘋果、谷歌、Facebook、英特爾、歐司朗、Synaptics 以及幾乎所有領(lǐng)先的顯示器制造商。

描述的傳感功能包括觸摸、指紋、接近傳感、光傳感、3D傳感（面部、手勢(shì)識(shí)別）、眼動(dòng)追蹤、溫度傳感、健康傳感（心率、血氧、溫度和靜脈成像）、無(wú)鏡頭相機(jī)、天線，甚至用于集成揚(yáng)聲器或壓力傳感的微壓電元件（圖7 ）。

圖7、潛在的 microLED 顯示屏傳感器。NIR：近紅外；RGB：紅、綠、藍(lán)。來(lái)源：Yole （左）；原理圖和表格來(lái)自蘋果公司申請(qǐng)的專利。

許多公司已經(jīng)展示了在前平面上實(shí)現(xiàn)功能的概念。X-Display 從一開始就取消了 TFT 背板，轉(zhuǎn)而依靠微型 IC 來(lái)驅(qū)動(dòng)其 microLED 顯示器（圖8）。微型 IC 采用與發(fā)射器相同的巨量轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)組裝在前平面上。在其技術(shù)的某些版本中，發(fā)射器和微驅(qū)動(dòng)器被準(zhǔn)備為集成微系統(tǒng)，其中 microLED 發(fā)射器堆疊在微驅(qū)動(dòng)器頂部。其他公司，例如 Apple 或 V-Technology使用了微型 IC 概念。在所有這些演示中，很容易想象擴(kuò)展 IC 的功能以驅(qū)動(dòng)額外的 microLED 紅外發(fā)射器和微傳感器。

圖8、使用微驅(qū)動(dòng)器 IC (micro-IC) 的 MicroLED 顯示器。(a) 使用與 microLED 分離的微型 IC。(b) 封裝小芯片中 micro-LED 的特寫，發(fā)射器堆疊在 micro-IC 頂部。(c) 驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。來(lái)源：X-Display

然而，microLED 顯示屏內(nèi)傳感技術(shù)的公開演示卻很少。2021 年，臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院 (ITRI) 聲稱將指紋感應(yīng)集成到 microLED 顯示器中，但沒有提供有關(guān)架構(gòu)和性能的任何細(xì)節(jié)。2022年，工研院還展示了使用一系列IR microLED進(jìn)行發(fā)射和傳感，以在AR眼鏡中實(shí)現(xiàn)眼動(dòng)追蹤。

2022 年 4 月，艾邁斯歐司朗推出了一項(xiàng)結(jié)合 microLED 和紅外傳感器的顯示屏內(nèi)傳感專有技術(shù)。該公司展示了手指跟蹤功能，能夠識(shí)別、旋轉(zhuǎn)和縮放距顯示屏 20-30 厘米的手指手勢(shì)。未來(lái)，可以使用激光而不是光電二極管來(lái)測(cè)量距離和速度，并且自混合干涉測(cè)量（SMI）可以實(shí)現(xiàn)新功能（圖9 ）。