自1922年陰極射線管（CRT）首次商業化，到近年的有機發光二極管（OLED），電子顯示一直僅作為單向光學輸出設備在人們的生活中無處不在。然而，隨著智能移動設備的普及，顯示設備的角色已逐漸轉變為雙向用戶交互設備，直觀的用戶交互成為必備條件。但是，顯示設備的作用仍然局限于基本的用戶交互，例如觸摸、手寫和用戶認證等，并且通常需要在顯示設備中額外整合獨立的傳感器。因此，導致系統出現大量冗余，同時增加了成本、厚度和系統復雜性。最重要的是，它阻礙了智能設備的進一步發展。
在電子系統中，顯示器是最有效的用戶交互媒介，因為它能為用戶提供即時、有沖擊力的視覺反饋。考慮到顯示屏對用戶交互的友好特性，如果顯示屏通過嵌入異構傳感器開發成為具有復雜傳感功能的全雙向智能用戶交互設備，勢必帶來巨大的協同效應。進而避免上述提及的冗余，為終端系統帶來巨大優勢，引領智能設備的新發展。這些傳感功能包括但不限于生物信號、指紋、射頻信號、用戶手勢以及周圍物體的感知等。
最近提出了一種名為“一體化傳感器OLED”的多功能傳感器集成顯示屏概念。為了驗證這一概念，三星顯示（Samsung Display）將完整有機光電二極管（OPD）嵌入到OLED的同一平面中，作為一個多對象傳感平臺，能夠根據獲得的光電容積脈搏波（PPG）和指紋信號識別用戶的生理數據，例如血壓（BP）、心率（HR）、心率變異性（HRV）和心血管健康（CH）等。但目前最先進的基于顯示屏的傳感器，無論是獨立或集成顯示屏的傳感器結構，都只能支持單一目標檢測（指紋或PPG）。
多功能傳感器OLED概念
已有報道的文獻展示了原型級別的顯示屏集成指紋傳感器，通過并排沉積的方式分別形成OLED和OPD的共用層，為避免共用層內的串擾，需要復雜的制造步驟，使其無法滿足現實要求。即使OLED工藝本身，器件之間的共用層也是一項極其復雜的技術挑戰，而在集成了兩個相互沖突器件的傳感器OLED中，情況則更加復雜。通過消除單獨沉積帶來的負擔，減少制造步驟和交付周期，實現高分辨率顯示，是實現高階技術和卓越性能的必要前提。
多功能傳感器OLED的實現
據麥姆斯咨詢介紹，三星顯示的研究人員近期在Communications Engineering期刊上發表了一篇題為“Sensor organic light-emitting diode display, combining fingerprint and biomarker capturing”的論文，提出了一種解決方案，包括分離器（Separator）結構和稱為交替傳感過程（ASP）的傳感方法，從而實現了目標性能，并確保了可大規模生產的完整技術。就多對象傳感功能而言，將兩種相互矛盾的技術（PPG和指紋）融合到一個設備中，通過為指紋傳感設置優化的結構來實現，并通過提出的多線集成傳感方法（MLI）來補償PPG傳感的缺點（主要是信號減弱）。由此，實現了可作為多功能光學傳感平臺的傳感器OLED顯示屏，為顯示技術的發展提出了新方向，進而推動智能設備的下一步發展。
多對象傳感OLED。（a）指紋和PPG光學系統；（b）光學系統的影響：黑矩陣（BM）孔尺寸與指紋和PPG信噪比（SNR）的關系。
在該論文中，三星顯示的研究人員介紹了：（1）一體化傳感器OLED概念；（2）OPD與OLED的集成；（3）全面集成過程中的技術挑戰及其解決方案，以規避問題，實現技術突破；（4）在單個顯示設備中實現多對象傳感功能的獨特方法；（5）包括指紋和生物傳感器等設備應用方面的實施結果。研究人員通過與商業血壓監測儀結合的試點試驗，重點介紹了將其作為血壓傳感器（BPS）的基本傳感原理和初步驗證結果。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-024-00239-8
延伸閱讀：
《MicroLED顯示技術及市場-2023版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2024版》
