自1922年阴极射线管（CRT）首次商业化，到近年的有机发光二极管（OLED），电子显示一直仅作为单向光学输出设备在人们的生活中无处不在。然而，随着智能移动设备的普及，显示设备的角色已逐渐转变为双向用户交互设备，直观的用户交互成为必备条件。但是，显示设备的作用仍然局限于基本的用户交互，例如触摸、手写和用户认证等，并且通常需要在显示设备中额外整合独立的传感器。因此，导致系统出现大量冗余，同时增加了成本、厚度和系统复杂性。最重要的是，它阻碍了智能设备的进一步发展。
在电子系统中，显示器是最有效的用户交互媒介，因为它能为用户提供即时、有冲击力的视觉反馈。考虑到显示屏对用户交互的友好特性，如果显示屏通过嵌入异构传感器开发成为具有复杂传感功能的全双向智能用户交互设备，势必带来巨大的协同效应。进而避免上述提及的冗余，为终端系统带来巨大优势，引领智能设备的新发展。这些传感功能包括但不限于生物信号、指纹、射频信号、用户手势以及周围物体的感知等。
最近提出了一种名为“一体化传感器OLED”的多功能传感器集成显示屏概念。为了验证这一概念，三星显示（Samsung Display）将完整有机光电二极管（OPD）嵌入到OLED的同一平面中，作为一个多对象传感平台，能够根据获得的光电容积脉搏波（PPG）和指纹信号识别用户的生理数据，例如血压（BP）、心率（HR）、心率变异性（HRV）和心血管健康（CH）等。但目前最先进的基于显示屏的传感器，无论是独立或集成显示屏的传感器结构，都只能支持单一目标检测（指纹或PPG）。
多功能传感器OLED概念
已有报道的文献展示了原型级别的显示屏集成指纹传感器，通过并排沉积的方式分别形成OLED和OPD的共用层，为避免共用层内的串扰，需要复杂的制造步骤，使其无法满足现实要求。即使OLED工艺本身，器件之间的共用层也是一项极其复杂的技术挑战，而在集成了两个相互冲突器件的传感器OLED中，情况则更加复杂。通过消除单独沉积带来的负担，减少制造步骤和交付周期，实现高分辨率显示，是实现高阶技术和卓越性能的必要前提。
多功能传感器OLED的实现
据麦姆斯咨询介绍，三星显示的研究人员近期在Communications Engineering期刊上发表了一篇题为“Sensor organic light-emitting diode display, combining fingerprint and biomarker capturing”的论文，提出了一种解决方案，包括分离器（Separator）结构和称为交替传感过程（ASP）的传感方法，从而实现了目标性能，并确保了可大规模生产的完整技术。就多对象传感功能而言，将两种相互矛盾的技术（PPG和指纹）融合到一个设备中，通过为指纹传感设置优化的结构来实现，并通过提出的多线集成传感方法（MLI）来补偿PPG传感的缺点（主要是信号减弱）。由此，实现了可作为多功能光学传感平台的传感器OLED显示屏，为显示技术的发展提出了新方向，进而推动智能设备的下一步发展。
多对象传感OLED。（a）指纹和PPG光学系统；（b）光学系统的影响：黑矩阵（BM）孔尺寸与指纹和PPG信噪比（SNR）的关系。
在该论文中，三星显示的研究人员介绍了：（1）一体化传感器OLED概念；（2）OPD与OLED的集成；（3）全面集成过程中的技术挑战及其解决方案，以规避问题，实现技术突破；（4）在单个显示设备中实现多对象传感功能的独特方法；（5）包括指纹和生物传感器等设备应用方面的实施结果。研究人员通过与商业血压监测仪结合的试点试验，重点介绍了将其作为血压传感器（BPS）的基本传感原理和初步验证结果。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44172-024-00239-8
延伸阅读：
《MicroLED显示技术及市场-2023版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
