指纹感测装置 |
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| 申请号 | CN201620045486.5 | 申请日 | 2016-01-18 | 公开(公告)号 | CN205486163U | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 指纹卡有限公司; | 发明人 | 卡尔·伦达尔; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及指纹感测装置，该指纹感测装置包括感测芯片，感测芯片包括电容性感测元件的阵列。感测装置包括：涂层材料，涂层材料被布置在感测元件的阵列之上的层中，涂层材料包括填充有 粘合剂 的多个腔，其中，腔的 位置 对应于感测元件的位置，以使得腔的横截面区域将对应感测元件的区域中的至少一部分 覆盖 ，以及其中，粘合剂的 介电常数 高于涂层材料的介电常数；以及，防护板，防护板通过粘合剂附接至感测芯片。本实用新型还涉及以下感测装置：在该感测装置中，涂层包括填充有粘合剂的沟槽，涂层与粘合剂相比具有较高的介电常数。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种指纹感测装置，包括： |
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| 说明书全文 | 指纹感测装置技术领域背景技术[0002] 随着用于身份验证的生物计量装置(特别是指纹感测装置)的发展，已经导致被做得更小、更便宜和更节能的装置，针对该种装置的可能的应用正在增加。 [0003] 特别地，由于小的形状因数、相对有益的成本/性能因素和高的用户认同，所以在例如消费性电子装置中已经越来越多地采用指纹感测。 [0004] 因为基于用于提供指纹感测元件和辅助逻辑电路的CMOS技术所构造的电容性指纹感测装置在能够以高的准确度识别指纹的同时可以被做得既小又节能，所以这样的感测装置正越来越流行。因而，电容性指纹传感器有利地用于消费性电子产品，例如便携式计算机、平板计算机和移动电话(例如智能电话)。 [0006] 通常的指纹传感器被保护，以使得手指与感测元件不发生物理接触。特别地，可能期望的是在传感器之上布置用于保护传感器的玻璃板，或者将传感器布置在显示玻璃之后。通过在感测表面与感测元件之间布置元件，感测表面与感测元件之间的距离增大，这减小了放置在装置的感测表面上的手指与电容性感测元件之间的电容耦合。这反过来导致图像模糊效应。作为手指与任意给定像素之间增加的距离的函数，每个像素开始从并不垂直地紧位于所述像素之上的区域接收信号，从而导致图像模糊，图像模糊消极地影响传感器用于解析指纹中的细微特征的能力。 [0007] 鉴于以上所述，期望的是提高放置在感测表面上的手指与感测元件之 间的电容耦合。 [0008] US2013/0201153公开了一种指纹感测装置，在该指纹感测装置中，导电线被布置在指纹感测装置的感测元件与感测表面之间。在导电线之间布置有绝缘材料。然而，手指与像素之间的直接电接触会引起与静电放电(ESD)有关的问题。而且，表面的金属部分会氧化，从而导致不期望的审美影响。实用新型内容 [0009] 鉴于指纹感测装置的上述期望的性质以及现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供指纹感测装置，其中，指纹感测装置提供放置在感测表面上的手指与感测装置的感测元件之间的改善的电容耦合。 [0010] 根据本实用新型的第一方面，提供了一种指纹感测装置，该指纹感测装置包括：感测芯片，其包括感测元件的阵列，感测元件被配置成连接至读出电路，读出电路用于检测感测元件中的每一个与在感测装置的感测表面上放置的手指之间的电容耦合；涂层材料，其被布置在感测元件的阵列之上的层中，涂层材料包括填充有粘合剂的多个腔，其中，腔的位置对应于感测元件的位置，以使得腔的横截面区域将对应感测元件的区域中的至少一部分覆盖，以及其中，粘合剂的介电常数高于涂层材料的介电常数；以及，防护板，其通过粘合剂附接至感测芯片。 [0011] 感测芯片在本上下文中应当被理解为包括具有导电板或导电垫的形式的通常以阵列布置的多个感测元件的芯片，感测元件能够形成在每个感测元件与放置在指纹感测装置的外表面上的手指之间的电容耦合。通过对于每个感测元件的电容耦合的读出，可以作为电容耦合的距离依赖性的结果而检测出指纹的脊和谷。为了实现具有足够的分辨率的指纹图像，感测元件通常基本上小于手指的特征(脊和谷)。一般，芯片又可以被称为管芯(die)。 [0012] 防护板通常包括介电材料以提供放置在板上的手指与感测芯片的感测元件之间的良好的电容耦合。特别地，防护板可以有益地包括玻璃材料或陶瓷材料，例如化学强化玻璃、ZrO2或蓝宝石。上述材料全部因为以下原因而提供有益的性质：它们是硬的并因此耐磨损；以及它们是电介质，从而提供放置在防护板的表面上的手指与感测装置的感测元件之间的良好的电容耦合。本文所描述的防护板通常形成指纹感测装置的外表面(又 被称为感测表面)。 [0014] 手指与感测元件之间的改善的电容耦合可以通过形成非均匀的涂层来实现，在非均匀的涂层中，层的、在感测元件之上的部分与周围部分相比具有较高的介电常数，从而将电场朝向相应的感测元件进行聚焦。此外，本实用新型基于以下认识：可以通过选择或形成具有比周围材料高的介电常数的粘合剂来将用于使防护板附接至感测装置的粘合剂用于实现该效果。从而，可以在没有对于材料堆叠的重大的改变的情况下实现改善的电容耦合，从而意味着可以使用传统的制造工艺。 [0015] 腔的横截面区域将对应感测元件的区域的至少一部分覆盖应当被解释为意指腔可以覆盖或可以不覆盖感测元件的全部区域。而且，并不要求腔在感测元件之上以感测元件为中心，尽管腔很可能是这样。 [0016] 此外，注意到以下是重要的：腔应当被理解为涂层材料中的腔(腔随后以粘合剂进行填充)。 [0017] 涂层材料可以指被布置成覆盖感测芯片以及特别是感测元件的任意材料。涂层材料常常被称为晶片涂层，并且它还可以起插入结构的作用。 [0018] 根据本实用新型的一个实施方式，涂层材料可以针对每个感测元件包括一个腔。虽然并不严格要求腔的数目与感测元件的数目为1:1的比率，但是这是最可能的可以实现电容耦合的最大改善的方式。然而，可能存在以下情况：期望仅在感测元件中的一些感测元件上具有腔。例如，因为各种原因可能难以分开相邻的腔，在该情况下，可以利用腔仅位于选择数目的感测元件之上的图案。 [0019] 根据本实用新型的一个实施方式，粘合剂的介电常数可以在5至100的范围内并且涂层材料的介电常数可以在2至5的范围内。所指定的范围应当被视为提供期望的效果的示例性的范围。粘合剂和涂层材料可以具有在本实用新型的各个实施方式的范围内所指定的范围之外的介电常数。 [0020] 此外，可以将粘合剂的介电常数与涂层材料的介电常数之间的比率有益地选择为等于或大于2:1。关于聚焦效果，两个介电常数之间的比率确定聚焦的量，较高的比率提供较好的聚焦。应当注意的是上述介电常数和比率仅是示例，并且原则上可以用高于1的任意比率来实现期望的有益效果(虽然效果随着增加的比率而增加)。 [0021] 在本实用新型的一个实施方式中，粘合剂可以有益地包括具有比粘合剂的平均介电常数高的介电常数的填充颗粒，这是修整粘合剂的平均介电常数的一种方式。填充颗粒可以被称为介电填充颗粒或高介电常数(high-k)填充颗粒。因此，可以选择粘合剂的介电常数，以使得可以针对涂层材料的不同选择来实现期望的比率。而且，可以使用一个和相同的粘合剂材料，同时根据对于特定应用所要求的来提供不同的介电常数。因为不需要针对不同的粘合剂来调整工艺，所以这简化了制造工艺。 [0022] 根据本实用新型的一个实施方式，填充颗粒可以有益地包括铁电材料，例如钛酸钡(BaTiO3)。存在具有高介电常数并且可以适于用作填充材料的铁电材料的范围。当然也可以使用其它填充颗粒，例如氧化铝(Al2O3)。因为粘合剂的介电常数在感测装置的全部表面上至少近似均匀是重要的，所以一个期望的性质是填充材料应当可以以可以与粘合剂均匀地混合的形式被提供并且填充材料在粘合剂中不凝聚。 [0023] 在本实用新型的一个实施方式中，腔中的每一个可以有益地包括将腔与至少一个相邻腔连通的至少一个侧面开口，从而使得在沉积粘合剂时粘合剂能够在相邻的腔之间流动。在制造指纹感测装置期间，通常以液体粘合剂的形式将粘合剂提供到包括腔的涂层结构上。期望的是在将防护板附接至感测装置时实现粘合剂的均匀的厚度分布，以在全部感测表面上既提供测量的一致性又提供良好的粘合。通过涂层中的侧面开口流动地连通相邻的腔，粘合剂可以在腔之间流动以在防护板被放置在感测装置上时形成均匀的分布。 [0024] 根据本实用新型的实施方式，涂层材料可以有益地为光刻胶。通过使用光刻胶，可以使用传统的光刻和显影工艺来形成腔，这简化了全部的工艺流程。而且，光刻胶可以被容易地修整成具有特定的介电常数，以使得可以实现介电常数的期望的比率。此外，可以使用例如旋涂或喷涂来以高的精确度和厚度一致性将光刻胶沉积在整个晶片上。 [0025] 根据本实用新型的第二方面，提供了一种指纹感测装置，该指纹感测装置包括：感测芯片，其包括感测元件的阵列，感测元件被配置成连接至读出电路，读出电路用于检测感测元件中的每一个与在感测装置的感测表面上放置的手指之间的电容耦合；涂层材料，其被布置在感测元件的阵列之上的层中，涂层材料包括填充有粘合剂的多个沟槽，其中，沟槽与感测元件之间的区域对准，以及其中，粘合剂的介电常数低于涂层材料的介电常数；以及防护板，其通过粘合剂附接至感测芯片。 [0026] 涂层材料中的沟槽可以被认为与感测元件之间的边界对准。通常，按照具有一定间距(此处间距被限定为感测元件的中心到中心的距离)的方形阵列来布置感测元件，其中，间距大于感测元件的尺寸，从而在相邻感测元件之间形成未被占据的区域。 [0027] 通过在沟槽中提供粘合剂(粘合剂的介电常数低于涂层材料的介电常数)，提供了非均匀的涂层并且实现了关于本实用新型的第一方面所讨论的聚焦效果。 [0028] 本实用新型的第三方面的另外的优点、效果和特征大部分类似于上面关于本实用新型的第一方面所描述的那些。 [0029] 本实用新型的进一步的特征和优点将在研究所附权利要求和以下描述时变得明显。技术人员认识到可以在不偏离本实用新型的范围的情况下将本实用新型的不同特征进行组合以创建除了以下描述的那些实施方式以外的实施方式。附图说明 [0030] 现在将参照示出本实用新型的示例实施方式的附图来详细描述本实用新型的这些以及其它方面，其中： [0031] 图1示意性地示出包括根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置的手持电子装置； [0032] 图2a至图2b示意性地示出根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置； [0033] 图3a至图3b示意性地示出根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置； [0034] 图4概述用于制造指纹感测装置的方法的一般步骤的流程图； [0035] 图5a至图5c示意性地示出用于制造指纹感测装置的方法； [0036] 图6示意性地示出根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置； [0037] 图7概述用于制造指纹感测装置的方法的一般步骤的流程图； [0038] 图8a至图8c示意性地示出用于制造指纹感测装置的方法； [0039] 图9示意性地示出根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置；以及[0040] 图10a至图10b示意性地示出根据本实用新型的实施方式的指纹感测 装置的细节。 具体实施方式[0041] 在本详细描述中，主要参考电容性指纹感测装置来讨论根据本实用新型的指纹感测装置的各个实施方式。还讨论了用于制造指纹感测装置的方法。 [0042] 图1为包括指纹感测装置102的手持装置100的示意性图示，其中，指纹感测装置102包括触摸屏显示器104。指纹感测装置102可以用于例如需要对用户进行识别和/或认证的方式的移动电话、平板计算机、便携式计算机或任意其它电子装置中。 [0043] 图2a为根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置200的示意性图示。因为感测装置200的外表面201是手指将被放置以捕获指纹图像的表面，所以外表面201被称为感测表面。指纹感测装置基于包括感测元件204的阵列的感测芯片202。感测元件204在此处被示为以方形阵列布置，感测元件具有约50×50μm的尺寸并且相邻元件之间的距离约为5μm。感测元件204是导电的(通常是金属的)，并且可以作为一般近似而被认为充当平行板电容器中的一个板，其中，放置在指纹感测装置200的感测表面201上的手指表示另一个板。每个感测元件204连接至读出电路(未示出)，读出电路用于检测所述感测元件204中的每一个与放置在感测表面201上的手指之间的电容耦合。 [0044] 涂层材料205被布置在感测元件204的阵列之上的层中，并且涂层材料包括通过粘合剂208(粘合剂208用于将防护板210附接至感测芯片)填充的多个腔206。防护板210可以为例如具有在100μm至1000μm的范围内的厚度的蓝宝石板。防护板还可以是包括触摸屏的手持装置中的保护玻璃，并且覆盖指纹感测装置的保护玻璃也可以覆盖手持装置的显示器和触摸屏部分。原则上，防护板可以是在起到覆盖并且保护感测装置的作用同时仍然允许放置在防护板的表面上的手指与感测元件之间的电容耦合的任意结构。 [0045] 腔206还可以被称为涂层材料205中的开口或凹槽。腔206的目的是使粘合剂被布置在感测元件204的正上方，以使粘合剂208被布置在感测元件204与感测表面201之间。粘合剂(粘合剂具有比涂层材料的介电常数高的介电常数)然后将充当聚焦元件，聚焦元件帮助将手指与感测元件 204之间的电磁场线朝向感测元件204进行聚焦。该效应在示出指纹感测装置200的侧视图的图2b中被进一步示出，其中手指212的脊和谷位于感测表面201上。可以看出，在感测表面上的未位于感测元件204的正上方的位置发源的场线214由于粘合剂 208的较高的介电常数而朝向涂层中包括粘合剂208的腔弯曲。此外，与电介质相比具有较低的介电常数的涂层材料充当阻断结构以减小或防止来自指纹脊的场线达到不位于脊的正下方的感测元件204。相应地，因为手指与感测元件之间的非垂直耦合被减小，所以图案化的涂层帮助防止所捕获的图像的模糊。在图2b中，由于介电常数的差异，与在粘合剂中相比，场在涂层材料中较弱。 [0046] 原则上，涂层材料的介电常数与粘合剂的介电常数之间的比率确定场线的分布。2:1的比率已经提供有益效果，然而在1:10至1:20的范围内的比率是更加优选的。本文所讨论的材料的介电常数是材料的平均相对介电常数。相应的材料可以例如为组合物并且包括具有各自不同的介电常数的颗粒，该颗粒连同散状材料一起提供最终的平均介电常数。例如，可以通过使用传统粘合剂并且添加其本身具有1000以上的介电常数的铁电材料(例如钛酸钡(BaTiO3))的颗粒来实现具有增大的介电常数的粘合剂。通过选择所添加的材料的类型及浓度，粘合剂以及还有涂层材料可以被修整成具有在合理的范围内(例如在2与100之间)的期望的介电常数。可以根据如下的Lichtenecker模型来确定具有不同的介电常数ε1、ε2的成分的混合物的最终的介电常数εeff [0047] logεeff＝v1logε1+v2logε2 [0048] 其中，v1和v2为经验性地确定的常数。 [0049] 根据图2a和图2b，还可以看出，粘合剂208具有与涂层205相同的厚度，以使得防护板210依靠在涂层205上。这具有以下的有益效果：防护板210可以被布置成依靠在感测芯片的区域上方的基本上均匀的表面上。这是可以在例如使用旋涂来沉积涂层205时被实现的良好的厚度一致性的结果。以下当然也可以：粘合剂208可以达到稍微高于腔206的深度，以使得感测芯片的区域的全部或主要部分被粘合剂208覆盖。这将提供感测芯片与防护板210之间改善的粘合，而仅有对于手指与感测元件204之间的电容耦合的边缘影响。 [0050] 图3a为根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置的示意性图示，其中，涂层中相邻的腔206经由腔的侧壁中的通道306或开口306相连。通道306使液体粘合剂在粘合剂的沉积期间在腔之间流动，将关联用于制 造指纹感测装置的方法再具体对此进行讨论。相邻腔之间的开口306被配置成大于在粘合剂208中存在的任意填充颗粒的颗粒尺寸，以使得粘合剂可以在腔之间自由流动，而没有填充颗粒堵塞开口的风险。优选地，开口具有大于填充颗粒的最大尺寸的尺寸。对于铁电颗粒(例如BaTiO3颗粒)，通常最大的颗粒尺寸可以在1μm至3μm的范围内。然而，也可以以具有亚微米直径的纳米颗粒的形式来提供具有高的介电常数的填充颗粒。相应地，可以基于填充颗粒的尺寸并且基于用于使涂层图案化的方法来选择相邻腔之间的开口306，并且开口306的实际尺寸可以在5μm至10μm的范围内。此外，粘合剂可以包括另外的填充颗粒以便修整粘合剂的例如粘性和热膨胀系数等参数。开口可以适合于具有大于也是这样的填充颗粒的最大尺寸的尺寸。然而，优先确保影响粘合剂的介电常数的介电颗粒可以自由流动，以使得可以在感测芯片的整个区域上的粘合剂中实现均匀的介电常数。 [0051] 图3b为根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置的示意性图示，其中，连接涂层材料中相邻的腔206的开口308位于感测元件204的角处。应当理解的是连接相邻的腔的开口可以以许多不同的方式进行配置以实现使粘合剂在相邻腔之间流动的期望效果。 [0052] 图4为概述制造方法的一般步骤的流程图。而且将参照图5a至图5c来讨论制造方法。 [0053] 首先，在步骤402中，提供感测芯片202并且使涂层沉积404在感测芯片202上。涂层通常具有一致的厚度并且被布置成覆盖感测芯片的全部区域。涂层可以例如为通过旋涂所沉积的光刻胶，并且光刻胶可以是正性光刻胶或者负性光刻胶。而且，旋涂和喷涂通常提供均匀厚度的涂层，均匀厚度的涂层简化了随后的对防护板的粘合。 [0054] 通过用于形成具有如图5a所例示的期望的形状和分布的腔的传统光刻和随后的显影来在涂层205中形成406腔206。通常，腔被配置成穿通涂层以露出感测元件。此外，感测元件可以由在CMOS加工工艺的领域中周知的基于氮化硅的钝化层(未示出)覆盖。然而，腔中剩余的涂层的某些小的厚度基本不会影响感测元件200的整体性质。一般，每个腔206在对应的感测元件204上并以其为中心，具有与感测元件204相同的形状，并且腔的尺寸优选地尽可能接近于感测元件204的尺寸。然而，腔之间的剩余的侧壁必须足够厚以保持结构稳定性。作为示例，对于具有50×50μm的尺寸的感测元件，涂层具有近似30μm的厚度并且腔优选地具有在 30×30μm至40×40μm的范围内的尺寸。 [0055] 在形成腔之后，可以在等离子清洗工艺中对涂层进行处理，以提高涂层与随后沉积的粘合剂之间的粘合。等离子清洗可以例如包括混合有惰性气体(例如氮或氩)的氧气。 [0056] 作为下一步骤，通过将液体粘合剂208施与到涂层205上来提供液体粘合剂208，以使得如图5b所示粘合剂208对腔进行填充。 [0057] 在如图5c所示的最后的步骤中，通过粘合剂208将防护板210附接410至感测装置。在已经将粘合剂涂在晶片上之后，可以存在涉及对粘合剂进行部分干燥的干燥步骤(有时被称为测试阶段(beta stage)固化)。在固化的情况下，可以在随后的装配步骤中通过应用热和压力将防护板附接至部分固化/干燥后的粘合剂。 [0058] 图6为根据本实用新型的另一实施方式的指纹感测装置600的示意性图示。指纹感测装置基于包括感测元件204的方形阵列的感测芯片202。在许多方面，图6的感测装置600类似于图2a的感测装置。然而，感测装置600包括具有填充了粘合剂606的多个沟槽604的涂层602。沟槽604与感测元件204之间的区域对准。此外，粘合剂606的介电常数低于涂层602的材料的介电常数。涂层602然后将充当聚焦元件，该聚焦元件以与关于图2a和图2b所讨论的类似的方式帮助将手指与感测元件204之间的电磁场线朝向感测元件204进行聚焦。此外，可以使用介电填充颗粒以与上面针对粘合剂所讨论的相同的方式来修整涂层的介电常数。 [0059] 图7为概述制造方法的一般步骤的流程图。还将参照图8a至图8c来讨论制造方法。 [0060] 首先，在步骤702中，提供感测芯片202并且接着使涂层沉积704在感测芯片202上。涂层通常具有一致的厚度并且被布置成覆盖包括感测元件的感测芯片的全部区域。涂层可以例如为通过旋涂所沉积的光刻胶，并且光刻胶可以是正性光刻胶或者负性光刻胶。为了实现具有比粘合剂材料的介电常数高的介电常数的涂层材料，可以将填充颗粒与涂层材料相混合。填充颗粒可以类似于上面关于由图2a至图2b示出的实施方式所讨论的填充颗粒。 [0061] 通过用于形成具有如图8a所例示的期望的形状和定向的沟槽的传统光刻和随后的显影来在涂层中形成706沟槽604。一般，沟槽与感测元件204之间的区域对准。剩余的涂层602因而形成布置在感测元件204之上 并且与感测元件204对准的方形结构。 [0062] 在涂层中形成沟槽之后，例如通过施与液体粘合剂来提供708粘合剂606，以使得粘合剂606填充沟槽604。 [0063] 最终，如图8c所示，防护板210通过粘合剂606附接710至感测芯片，以使得防护板的外表面201充当指纹感测装置600的感测表面。 [0064] 图9示意性地示出根据本实用新型的实施方式的指纹感测装置900。在大多方面，感测装置900类似于图2a所述的感测装置。然而，在图9的感测装置中，腔901较小，从而意味着围绕腔901的侧壁902较厚并且它们伸出越过感测元件204的部分。为了确保侧壁902的足够的结构稳定性，可以期望的是具有比相邻元件之间的距离厚的侧壁902。此外，虽然与腔中的粘合剂的较高的介电常数有关的有益效果近似正比于腔的尺寸，但是该效果对于较小的腔同样保持。 [0065] 已经在将光刻胶用作涂层的情况下描述了以上示例实施方式。然而，本实用新型构思的各种优点在使用另一涂层材料的情况下是可实现的。例如，涂层材料可以包括沉积的硬膜，沉积的硬膜随后通过例如深反应离子刻蚀(DRIE)来图案化。 [0066] 图10a为感测装置的感测元件204的示意性图示。在此，在感测元件204上布置有表示根据上面所讨论的各个实施方式的涂层或粘合剂的矩形长方体结构910。在图10b中，在感测元件204上布置有表示根据上面所讨论的各个实施方式的涂层或粘合剂的圆柱结构920。图10a和图10b意在示出位于感测元件之上并且具有比周围材料的介电常数高的介电常数的部分在原则上可以具有任意形状。例如，可以基于从制造视角而言最期望的来选择形状。 [0067] 应当注意的是，本文所讨论的本实用新型的一般方面并不限于本描述中所公开的特定的尺寸和大小。以上描述仅提供由权利要求限定的实用新型构思的示例实施方式。 [0068] 虽然已经参照本实用新型的特定例示性实施方式对本实用新型进行了描述，但是许多不同的变更和修改等对于本领域技术人员而言将变得明显。此外，应当注意的是，装置中的部分可以省略、交换或以各种方式进行布置，而装置仍能够执行本实用新型的功能。 [0069] 另外，技术人员在实践所要求保护的实用新型时根据对于附图、公开内容和所附权利要求的研究可以理解和实现所公开的实施方式的变型。在 权利要求中，术语“包括”并不排除其它要素或步骤，以及不定冠词“一个”或“一”并不排除复数。在互相不同的从属权利要求中叙述某些测量结果的单纯的事实并不表示这些所测量的组合不能用于获益。 |
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