CN101727575B

CN101727575B - 图像感测装置

Info

Publication number: CN101727575B
Application number: CN2009101299645A
Authority: CN
Inventors: 周正三
Original assignee: Egis Technology Inc
Current assignee: Egis Technology Inc
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: CN101727575A

Abstract

一种图像感测装置，用来感测一物体的一图像。图像感测装置至少包括一负回馈放大器、一基板、一感测电极、一耦合电极及一绝缘保护层。感测电极及耦合电极位于基板的上方。绝缘保护层覆盖感测电极及耦合电极。感测电极与物体形成一感测电容。耦合电极与物体形成一耦合电容。负回馈放大器的一负输入端与感测电极电连接，且耦合电极电连接至负回馈放大器的一信号输出端及图像感测装置的一信号输入端的其一。

Description

图像感测装置

技术领域

本发明涉及一种图像感测装置，特别是涉及一种感测皮肤纹路的图像感测装置。

背景技术

已知应用于人体皮肤的电容感测技术，可应用于例如感测手指纹路的指纹感测器或者作为电容触控的触控面板或屏幕。

特别是作为皮肤纹路的感测器，其与皮肤纹路接触的部分的基本结构为阵列型的感测元，亦即由数个相同的感测元组成了二维感测器，例如手指置放于其上时，手指纹路具有纹峰(ridge)及纹谷(valley)，纹峰会与感测器直接接触，而纹谷则与感测器间隔一间隙，通过每一感测元或与纹峰接触或与纹谷形成间隙，可以将手指纹路在二维电容图像撷取出来，这就是电容式皮肤纹路感测器的最基本原理。

最常见的感测元结构，因为人体体内的导电特性，因此与感测器接触的皮肤可以视为一等电位的电极板，而每一感测元为一平板电极，其与皮肤间便可以形成一电容，而位于两电极板间的材料除了手指皮肤表层的死皮层外，另有一感测器保护层设置于感测电极之上，作为与皮肤接触。保护层为一单一绝缘层或多重绝缘层且必须具有耐环境腐蚀，耐力量冲击及耐静电破坏等等特质。

为了达到上述的保护层的特质，最直接的方法是增加保护层的厚度，即可以同时达到高强度及耐静电破坏的特性。然而，太厚的保护层将导致很小的感测电容(C_cell)值，因而降低感测的灵敏度。

因此，提供一种图像感测装置，其可以有效的增加保护绝缘层的厚度，而且不会降低感测灵敏度，实为本发明所欲实现的解决方案。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种图像感测装置，其可以有效的增加保护绝缘层的厚度，而且不会降低感测灵敏度。

为达上述目的，本发明提供一种图像感测装置，用来感测一物体的一图像。图像感测装置至少包括一负回馈放大器、一基板、一感测电极、一耦合电极、一绝缘保护层以及一参考电极。感测电极及耦合电极位于基板的上方。绝缘保护层覆盖感测电极及耦合电极。感测电极与物体形成一感测电容。耦合电极与物体形成一耦合电容。负回馈放大器的一负输入端与感测电极电连接，且耦合电极电连接至负回馈放大器的一信号输出端及图像感测装置的一信号输入端的其一。参考电极位于基板与感测电极之间。感测电极与参考电极之间形成一参考电容，参考电极位于感测电极的下方。

通过本发明的上述构造，可以增加绝缘保护层的厚度，增加抗静电破坏的能力，并增加耐冲击破坏的能力。

附图说明

图1显示本发明的感测装置的一部分的感测元阵列的俯视示意图。

图2为本发明的感测装置在使用状态下的示意图。

图3为显示依据本发明第一实施例的单一感测元的放大剖面示意图。

图4为显示图3的感测元结构及电路安排的等效电路图。

图5为图4的简化等效示意图。

图6为显示依据本发明第二实施例的单一感测元的放大剖面示意图。

图7为本发明的另一感测装置在使用状态下的示意图。

图8为显示依据本发明第三实施例的单一感测元的放大剖面示意图。

图9为显示图8的感测元结构及电路安排的等效电路图。

图10为图9的简化等效示意图。

图11显示本发明的另一例子的感测装置的一部分的感测元阵列的俯视示意图。

附图标号

SW：开关

1：图像感测装置

2：物体

10：基板

12：负回馈放大器

12N：负输入端

12O：信号输出端

12P：正输入端

20：感测电极

30：耦合电极

40：绝缘保护层

50：驱动电压产生器

60：参考电极

70：复合层

70D1：第一介电层

70D2：第二介电层

70D3：第三介电层

70D4：第四介电层

70M1：第一金属层

70M2：第二金属层

70M3：第三金属层

70P：多晶硅层

具体实施方式

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

图1显示本发明的感测装置1的一部分的感测元阵列的俯视示意图。图2为本发明的感测装置在一种使用状态下的示意图。图3为显示依据本发明第一实施例的单一感测元的放大剖面示意图。如图1至图3所示，本实施例的图像感测装置1用来感测一物体2的一图像。图像感测装置1至少包括一负回馈放大器12、一基板10、一感测电极20、一耦合电极30以及一绝缘保护层40。

基板10的材料在本发明为硅材料，也可以为玻璃材料、其他半导体材料或其他绝缘材料或高分子绝缘材料。感测装置除了作为与皮肤纹路接触的感测元阵列外，尚包括了与每一感测元对应的感测电路、放大电路、模拟数字转换电路、电源控制电路及其他控制电路等。本发明将在后续说明中说明本发明的感测元结构及读取电路外，其余电路及感测装置的系统结构在此不多加说明，熟知本技术领域人员当可以轻易理解。

当基板10的材料为硅材料或其他半导体材料时，负回馈放大器12及其他相关电路可以形成于基板10中。

感测电极20与耦合电极30都是位于基板10的上方，也就是同一侧，并位于感测电极20的周围。

绝缘保护层40覆盖于感测电极20及耦合电极30之上，感测电极20与放置于其上方的物体2形成一感测电容C_cell。耦合电极30与放置于其上方的物体2形成一耦合电容C_couple。负回馈放大器12的一负输入端12N与感测电极20电连接，且负回馈放大器12的一信号输出端12O是与耦合电极30电连接。

此外，图像感测装置1可以更包括一参考电极60，其位于基板10与感测电极20之间，其中感测电极20与参考电极60之间形成一参考电容C_ref，其电容值为C_ref。参考电极60位于感测电极20的下方或正下方。参考电极60电连接至一信号输入端NI，其接收一输入信号V_in。

此外，图像感测装置1可以更包括一开关SW。开关SW电连接于负回馈放大器12的负输入端12N及负回馈放大器12的信号输出端12O，用来重设感测电极20与耦合电极30之间的电位。当基板10的材料为硅材料或其他半导体材料时，开关SW可以形成于基板10中。负回馈放大器12的一正输入端12P接地。图像感测装置1依据负回馈放大器12的信号输出端12O得到输出的一输出信号V_out。

当本实施例的基板的材料为半导体材料时，绝缘保护层40与基板10之间填有一复合层70。复合层70包括一第一介电层70D1、一多晶硅层70P、一第二介电层70D2、一第一金属层70M1、一第三介电层70D3、一第二金属层70M2、一第四介电层70D4及一第三金属层70M3。第一介电层70D1位于基板10上。多晶硅层70P位于第一介电层70D1上。第二介电层70D2位于多晶硅层70P上。第一金属层70M1位于第二介电层70D2上。第三介电层70D3位于第一金属层70M1上。第二金属层70M2位于第三介电层70D3上。第四介电层70D4位于第二金属层70M2上。第三金属层70M3位于第四介电层70D4上。

于此实施例中，感测电极20形成于第三金属层70M3中，而参考电极60形成于第二金属层70M2中。感测电极20与耦合电极30距离基板10的距离相等，也就是感测电极20与耦合电极30同平面。于另一实施例中，感测电极20与耦合电极30是可以不在同一平面的。

以下以手指作为物体2来作说明。除了感测手指的指纹以外，本发明亦适用于任何皮肤纹路的感测，任何物体表面纹路，或者感测一物体与感测元形成的电容量测的应用。

如图2所示，当手指F接触感测装置1时，纹峰F_ridge及纹谷F_valley会分别接触并覆盖部分的感测电极20。每一感测电极20与纹峰F_ridge及纹谷F_valley间会形成不同的感测电容C_cell，其电容值为C_cell。为了更简化起见，C_ridge代表最大的电容值，也就是纹峰F_ridge与感测电极20所形成的电容值，而C_valley代表最小的电容值，纹谷F_valley与感测电极20所形成的电容值。绝缘保护层40介于感测电极20与皮肤之间，感测元是制作于硅基板10的上方，而在感测电极20与基板10之间设置有导体连线(图中未示)。

如图3所示，感测元与手指F的纹峰F_ridge相接触而形成一感测电容C_cell，其电容值为C_cell＝C_ridge，而围绕着感测电极20周围的耦合电极30与整个接触的手指之间也形成了一电容C_couple，其电容值为C_couple。值得说明的是，在本发明中，耦合电极30被设计穿插及包围所有的感测元，因此当手指F与整个感测装置1接触时，代表耦合电极30与手指F的接触面积将远大于单一感测元与手指F接触的面积，也就是说C_couple将远大于C_ridge。为了制造方便考量，本实施例中，感测电极20与耦合电极30为采用同一材料制作于同一平面，当然两者也可以制作于不同平面。

单一感测元结构除了感测电极20及周边的部分耦合电极30外，每一感测电极20的下方可以设置参考电极60。根据本发明所采用的硅集成电路制造工艺为一层多晶硅(polysilicon)及三层金属制造工艺。因此参考电极60在本实施例中是利用第二金属层设计制作完成，使得参考电极60与感测电极20之间形成了参考电容C_ref，而位于其间的介电材料为集成电路(IC)制造工艺中的标准介电材料，如氧化硅或氮化硅。当然熟悉本技艺者当知道，半导体集成电路制造工艺发展是可以随者制造解析度的提升，而在硅晶片表面堆迭更多层数的导体层，因此可以调整本发明的感测电极20和参考电极60的所在位置，而不限定为最顶层及其前一层依序作为感测电极20和参考电极60。为了降低参考电极60与耦合电极30间的杂散电容(parasitic capacitance)，参考电极60设置于感测电极20的下方或正下方，且其面积小于感测电极20。

除了感测电极20、参考电极60及部分的耦合电极30外，每一感测元还包括了一感测电路设置于硅基板内，此一感测电路基本上为一负回馈放大器(negative feedback amplifier)12，亦或者可以多个感测元共用一感测电路，例如如果为阵列感测元，可以同一列的感测元共用一放大电路，这一些变化都是熟悉本领域的技术人员可以了解的。在本实施例中，感测电极20连接于放大器12的负输入端12N，而耦合电极30连接于放大器12的信号输出端12O，而放大器12的正输入端12P与硅基板连接，在电特性上是连接于地(ground)。经过这样的电性安排，当输入信号V_in连接或耦合于参考电极60时，信号输出端12O将与感测元所有金属层结构相互间的电容值有关，特别是感测电极20，除了与手指纹峰间的电容C_ridge外，与耦合电极30间也存在一侧向杂散电容C_fringe，其电容值为C_fringe，而与硅基板间也有一杂散电容C_par2。耦合电极30与手指F之间也有电容C_couple，耦合电极30与硅基板间也有一杂散电容C_par3。而开关SW用来重设感测电极20与耦合电极30间的电位，其本身为一MOS开关。

图4为显示图3的感测元结构及电路安排的等效电路图。图5为图4的简化等效示意图。如图4与图5所示，由于放大器12的正输入端12P与地(GND)连接，而放大器12的特性在于正输入端12P与负输入端12N可以视为等电位。因此，负输入端12N的杂散电容C_par2可以视为接地状态，所以C_par2两端因为等电位而不会有电荷累积。这样的安排是可以很有效的消除输入端的杂散电容，因此可以大幅地提高感测的灵敏度。对于本发明的目的而言，可以藉此加厚绝缘保护层40的厚度，不仅可以增加抗静电破坏的能力，也可以增加耐冲击破坏的能力。

由图5可以得到V_out＝V_in×(C_ref/C_finger)，其中C_finger为电容C_cell与电容C_couple的等效电容C_finger的电容值。

由此公式可以发现(C_ref/C_finger)可以视为一电性的增益(Gain)，也就是设计上加大C_ref值而且降低C_finger值。

由于C_couple＞＞C_cell，因此由图4中可以得知V_out＝V_in×[C_ref/(C_cell+C_fringe)]。当感测电极20与纹峰或纹谷接触时；

V_ridge＝V_in×[C_ref/(C_ridge+C_fringe)] (1)

V_valley＝V_in×[C_ref/(C_valley+C_fringe)] (2)

因此可以得到感测电极20在纹峰与纹谷间的电压差ΔV

ΔV＝V_in×C_ref×(C_ridge-C_valley)/[(C_ridge+C_fringe)×(C_valley+C_fringe)]

由于本发明的目的在于加厚绝缘保护层的厚度，例如绝缘保护层厚度达到50微米，若保护层材料为一般高分子例如Polyimide，其电容值C_ridge将仅为几fF(femto-Farad，千万亿分之一法拉)，相较于感测电极20与周围耦合电极30间的侧向电容C_fringe为小，且纹谷与感测电极所形成的电容值C_valley也远小于纹峰与感测电极所形成的电容值C_ridge，因此可以用一最简单的公式表示本发明目的：

ΔV＝V_inC_refC_ridge/C_fringe ² (3)

从方程式(3)可知，若要提高ΔV，则必须加大C_ref和C_ridge以及降低C_fringe，然而这三个值彼此间有相互关系。例如，参考电极是设置于感测电极20的下方，其最大范围为相同于感测电极20的面积A_cell，当感测元阵列的规格确认以后(例如500dpi的空间解析度)，每一单元面积为约50微米*50微米，其包括了感测电极20及部分耦合电极30，也就是说感测电极20面积越大，其边缘就越靠近耦合电极30，则C_fringe也会越大。因此最佳化C_ref C_ridge/C_fringe ²将可以大幅地提高感测灵敏度，同时兼顾保护层厚度的增加，以达到本发明的目的。

图6为显示依据本发明第二实施例的单一感测元的放大剖面示意图。如图6所示，图像感测装置1更包括一驱动电压产生器50，用来产生一驱动电压V_drive，驱动电压V_drive直接接触或耦合于物体2。由于人体为一带电体，但是由于每个人的电性特质不同会增加量测时的灵敏度变化，为此可以提供与感测装置接触皮肤的电位控制。如图6所示，可以将驱动电压V_drive连接于皮肤。驱动电压V_drive的提供方式包括提供一导体(图中未明示)与皮肤接触。或者，可以通过导体与皮肤的中间串连一耦合电容或电阻或电感，将DC或AC信号连接至皮肤以提供驱动电压V_drive。

图7为本发明的另一感测装置在使用状态下的示意图。如图7所示，感测电极20与耦合电极30距离基板10的距离不相等，也就是感测电极20与耦合电极30并非位于同一水平面上。

本发明的另一特征在于多个感测电极20对应于一个耦合电极30。负回馈放大器12可以是一个或多个。因此，实施时，多个感测电极20位于基板10的上方，耦合电极30位于基板10的上方并位于感测电极20的周围。绝缘保护层40位于感测电极20及耦合电极30与物体2之间。各感测电极20与放置于其上方的物体2形成一感测电容C_cell。各负回馈放大器12的负输入端12N是与对应的感测电极20电连接，且负回馈放大器12的一信号输出端12O是与耦合电极30电连接。多个参考电极60分别位于基板10与感测电极20之间，其中感测电极20与参考电极60之间分别形成多个参考电容C_ref。由于此配置是图3的延伸，且为熟悉本领域的技术人员所能轻易理解，故于此不再赘述。

图8为显示依据本发明第三实施例的单一感测元的放大剖面示意图。如图8所示，本实施例类似于第一实施例，不同之处在于耦合电极30电连接至图像感测装置1的一信号输入端NI，其接收输入信号V_in。图9为显示图8的感测元结构及电路安排的等效电路图。图10为图9的简化等效示意图。纹峰与纹谷间的电压差ΔV可以由图9与图10推论出，如下所述。杂散电容C_parl与C_par3分别在整个电路的输出端及输入端，对整个感测信号并不会造成重大的影响。与图5相同的是，杂散电容C_par2都是连接到放大器12的负输入端12N。

如图9与图10所示，由于放大器12的正输入端12P与地(GND)连接，而放大器12的特性在于正输入端12P与负输入端12N可以视为等电位。因此，负输入端12N的杂散电容C_par2可以视为接地状态，所以C_par2两端因为等电位而不会有电荷累积。这样的安排是可以很有效的消除输入端的杂散电容，因此可以大幅地提高感测的灵敏度。对于本发明的目的而言，可以藉此加厚绝缘保护层40的厚度，不仅可以增加抗静电破坏的能力，也可以增加耐冲击破坏的能力。

由图10可以得到V_out＝V_in×(C_finger/C_ref)，其中C_finger为电容C_cell与电容C_couple及侧向杂散电容C_fringe的等效电容C_finger的电容值。

由此公式可以发现(C_finger/C_ref)可以视为一电性的增益(Gain)，也就是设计上可尽量加大C_finger值而且降低C_ref值。

等效电容C_finger的电容值可由下式计算得到

C_finger＝C_fringe+(C_cell×C_couple)/(C_cell+C_coupie) (4)

由于C_couple＞＞C_cell，因此公式(4)可以简化得到V_out＝V_in×(C_fringe+C_cell)/C_ref。当感测电极20与纹峰或纹谷接触时，所得到的输出电压V_ridge及V_valley如下：

V_ridge＝V_in×(C_ridge+C_fringe)/C_ref (5)

V_valley＝V_in×(C_valley+C_fringe)/C_ref (6)

因此可以得到感测电极20在纹峰与纹谷间的电压差ΔV如下：

ΔV＝V_in×(C_ridge-C_valley)/(C_ref) (7)

从方程式(7)可知，若要提高ΔV，则必须增加C_ridge与C_valley的差异及降低C_ref。例如，参考电极设置于感测电极20的下方，其最大范围为相同于感测电极20的面积A_cell，当感测元阵列的规格确认以后(例如500dpi的空间解析度)，每一单元面积为约50微米*50微米，其包括了感测电极20及部分耦合电极30，也就是说感测电极20面积越大，C_ridge与C_valley就会越大，因而感测电极20与手指的距离可以加大，故可以大幅地提高感测灵敏度，同时兼顾保护层厚度的增加，以达到本发明的目的。

因此，本发明的感测电极20都是连接到负回馈放大器的负输入端，而本发明最大的特色是通过一耦合电极30的设计，其可以连接到信号输入端或信号输出端。耦合电极30并没有直接与手指皮肤接触，而是耦合电极30与手指之间存在有一绝缘层。这样的效果可以大幅提升此装置的抗静电放电(ESD)的能力，因为如果耦合电极与皮肤接触，代表耦合电极必须要裸露于空气中，则来自手指的静电荷会直接导向裸露的耦合电极而传导至晶片内部，导致晶片内部被ESD破坏。耦合电极30的设计可以如图1及图11所示，设计成栅极型是包覆住每个感测电极，甚至延伸至晶片的其他区域或晶片外的区域。此外，耦合电极30亦可以位于此等感测电极的一侧(如图11所示)、两侧或三侧以及每个感测电极四周，且耦合电极30的总面积可以尽量加大以使图像感测装置的感测效果更良好。或者，耦合电极30可以不位于感测电极的四周。

通过本发明的上述实施例，可以增加绝缘保护层的厚度，增加抗静电破坏的能力，并增加耐冲击破坏的能力。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用来方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，例如本发明的一延伸变化可以是感测电极及耦合电极不是直接与感测集成电路(IC)整合制作于半导体基板(Si)上(称为系统晶片(system on chip，SOC))，而是与感测集成电路(IC)分开。例如在在高分子基板或绝缘基板或另一半导体基板上制作感测电极及耦合电极或参考电极，与感测IC通过封装连结在一起。另一种情况为高分子基板或绝缘基板会倒过来暴露于外让手接触，基板就好像是保护层一样，提供一与手接触的表面。当然在此情况下，基板与手接触的表面更可以包括一接触层与手接触，接触层提供与前述保护层相同的材料特性。简而言之，与物体直接接触的保护层或基板或接触层都能提供例如耐冲击、耐腐蚀、疏水及疏油特性。因此在不超出本发明的精神及权利要求范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。

Claims

1.一种图像感测装置，其特征在于，所述装置是用来感测一物体的一图像，所述图像感测装置至少包括：

一负回馈放大器；

一基板；

一感测电极，位于所述基板的上方；

一耦合电极，位于所述基板的上方；

一绝缘保护层，覆盖所述感测电极及所述耦合电极，所述感测电极与所述物体形成一感测电容，所述耦合电极与所述物体形成一耦合电容，所述负回馈放大器的一负输入端与所述感测电极直接电连接，所述耦合电极直接电连接至所述负回馈放大器的一信号输出端；以及

一参考电极，其位于所述基板与所述感测电极之间，其中所述感测电极与所述参考电极之间形成一参考电容，所述参考电极位于所述感测电极的下方，所述参考电极直接电连接至所述图像感测装置的一信号输入端，所述信号输入端接收一输入信号。

2.如权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，所述耦合电极位于所述感测电极的周围或所述感测电极的一侧。

3.如权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，所述感测电极与所述耦合电极距离所述基板的距离相等。

4.如权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，所述感测电极与所述耦合电极距离所述基板的距离不相等。

5.如权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，所述负回馈放大器形成于所述基板中。

6.如权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，所述装置更包括：

一驱动电压产生器，用来产生一驱动电压，所述驱动电压直接接触或耦合于所述物体。

7.如权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，所述装置更包括一开关，其中所述开关电连接于所述负回馈放大器的所述负输入端及所述负回馈放大器的所述信号输出端，用来重设所述感测电极与所述耦合电极之间的电位。

8.如权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，所述负回馈放大器的一正输入端接地。