CN103729615A - 生物传感器模块、组件、制造方法及使用其的电子设备 - Google Patents

Abstract

一种生物传感器模块包含一壳体、一生物传感器以及一耦合电极。壳体具有相对的一第一表面及一第二表面；生物传感器具有一感测面，感测面设置于壳体的第一表面，且感测面具有多个排列成阵列的感测元。耦合电极设置于壳体的第一表面或第二表面。感测面与耦合电极投影到壳体的第二表面的两个区域彼此不重迭。一耦合信号被提供至耦合电极并直接或间接将耦合信号耦合至一物体，使生物传感器的所述多个感测元用以感测一接触壳体的第二表面的物体的生物信息。本发明提供的一种主动隐藏式生物传感器模块、组件、制造方法及使用其的电子设备，此生物传感器能被隐藏于电子设备的壳体中，藉以提供高感测灵敏度且不影响电子设备的外观。

Description

生物传感器模块、组件、制造方法及使用其的电子设备

技术领域

本发明是涉及一种主动隐藏式生物传感器模块、组件、制造方法及使用其的电子设备。

背景技术

已知应用于人体皮肤的电容感测技术是可应用于例如感测手指纹路的指纹传感器或者作为电容触控的触控板或屏幕。

特别是作为皮肤纹路的传感器，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传感器，例如手指置放于其上时，手指纹路的纹峰(ridge)会与传感器直接接触，而手指纹路的纹谷(valley)则与传感器间隔一间隙，通过每一感测元与纹峰接触或与纹谷形成间隙，可以将手指纹路从二维电容图像撷取出来，这就是电容式皮肤纹路传感器的最基本原理。

最常见的感测元结构，因为人体体内的导电特性，因此与传感器接触的皮肤可以视为一等电位(virtual ground，虚拟接地)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角质层外，另有一传感器保护层设置于感测电极之上，作为与皮肤接触。所述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、耐磨耗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，即可以同时达到以上所有的要求。然而，太厚的保护层将导致很小的感测电容值，因而降低感测的灵敏度。

图1显示一种传统的电容式指纹传感器500的结构示意图。如图1所示，传统的电容式指纹传感器500通常分成两阶段来制作。第一阶段是指纹感测芯片510的制作阶段，利用半导体制造工艺可以将多个感测元514及多个芯片焊垫515制作于半导体基板511上，然后将芯片保护层512制作于感测元514上，以提供保护及耐冲击的特性。第二阶段是封装阶段，将指纹感测芯片510置放于封装基板520上，通过打线的方式将多条连接线530焊接至芯片焊垫515及封装焊垫525上，然后利用封装保护层(或称模塑料(MoldingCompound)层)540封住连接线530及焊垫515、525，并且只有露出具有感测元阵列的区域，这种已知的封装方式，需要特殊的模具及方法，以保护感测元区域不被模塑料覆盖，并且需要特殊的机台才能制作，因此成本高。

以现有的IC打线封装技术而言，芯片表面513到达封装面523的距离至少要100微米(um)以上。而以指纹传感器的500dpi规格为例，每一感测元514的面积约为50um×50um，以目前商用的模塑料的介电系数来计算，感测元的电容值约小于1fF，这是相当小的。若同时考量到封装基板、芯片等的厚度控制，这个距离更是会造成很大的误差。

因此，传统的封装保护层540是不能覆盖于感测元514的上方，所以必须于第一阶段制作芯片保护层512，且芯片保护层512的厚度(约1至20微米)不能太厚，以免影响感测的结果。如此一来，除了上述成本高之外，对于传感器耐环境腐蚀、耐力量冲击、耐磨耗及耐静电破坏等等特质的要求，更是一大挑战。

图2A显示一种传统的电容式指纹传感器600的局部感测电极的示意图。如图2A所示，电容式指纹传感器600的每一感测电极610除了与手指F间的感测电容Cf外，从感测电极610往芯片的内部看去，会存在一寄生电容Cp1。另外由于感测装置为阵列元件，具有多个感测元，所以每一感测电极610与周围各感测电极610之间也存在一寄生电容Cp2，这些寄生电容都是处于变动的状态。这种非固定的寄生电容会干扰量测，所以常常是造成无法达到高感测灵敏度的主因之一。

此外，由于这种已知知技术的低灵敏度，目前大部分的指纹传感器都是嵌设于电子设备的外壳的开口中，所以不但影响美观，而且灰尘及脏污会卡在传感器与电子设备的交界处，让外观更显难看。

如图2B所示，传统的行动电话2000若要装设有指纹传感器500，那么行动电话2000的外壳2010必须被挖开一个开口2015，且开口2015的上下侧必须要形成内凹的滑道2020，来引导手指接触这个指纹传感器500的晶片保护层512并进入感测区域。如此一来，整个行动电话2000的整体美观受到严重破坏，且指纹传感器500与开口2015之间的空隙2025也容易卡灰尘，影响美观及清洁。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种主动隐藏式生物传感器模块、组件、制造方法及使用其的电子设备，此生物传感器能被隐藏于电子设备的壳体中，藉以提供高感测灵敏度且不影响电子设备的外观。

为达上述目的，本发明提供一种生物传感器模块，其包含一壳体、一生物传感器以及一耦合电极。壳体具有相对的一第一表面及一第二表面；生物传感器具有一感测面，感测面设置于壳体的第一表面，且感测面具有多个排列成阵列的感测元。耦合电极设置于壳体的第一表面或第二表面。感测面与耦合电极投影到壳体的第二表面的两个区域彼此不重迭。一耦合信号被提供至耦合电极并直接或间接将耦合信号耦合至一物体，使生物传感器的所述多个感测元用以感测一接触壳体的第二表面的物体的生物信息。

本发明亦提供一种电子设备，其包含上述生物传感器模块、一显示器及一处理器。显示器装设于壳体，用来显示图片或资讯，以与一使用者进行互动。处理器设置在壳体中，并电连接至所述生物传感器及显示器，用于控制生物传感器及显示器的操作。

本发明又提供一种生物传感器组件，其包含一软性电路板、一生物传感器、多条打线以及一封胶层。生物传感器包含一感测面、一非感测面、一凹陷平面、一侧面、多个连接垫、多个焊垫以及多条连接导线。感测面具有多个排列成阵列的感测元，用于感测生物信息。非感测面位于感测面反侧。非感测面设置于软性电路板上。凹陷平面位于感测面与非感测面之间。侧面连接所述感测面及该凹陷平面。连接垫位于感测面上。焊垫位于凹陷平面上。连接导线分别将所述多个连接垫连接至所述多个焊垫。所述多个打线分别焊接至所述多个焊垫及软性电路板的多个电连接部。封胶层覆盖所述多个打线、生物传感器及软性电路板。

本发明又提供一种生物传感器组件的制造方法，包含以下步骤：于一硅基板上形成一电路元件区，电路元件区具有多个感测元及多个连接垫；于硅基板上形成一沟槽；在硅基板的电路元件区上面及沟槽上覆盖一绝缘保护层；在所述多个连接垫上方的绝缘保护层定义出多个窗口；在绝缘保护层上形成一金属层，金属层填满所述多个窗口而电连接至所述多个连接垫；对金属层进行图案化，以形成一沟槽及多条连接导线；沿着沟槽进行切割以形成多个感测晶片；以及将感测晶片进行打线及封装程序，以形成生物传感器组件。

通过本发明的上述实施例，可以实现主动、隐藏式且具有高感测灵敏度的传感器，并将其应用于电子设备中，提供美观的外观，且能有效防止脏污卡在传感器与电子设备的壳体的交界处。

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，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1显示一种传统的电容式指纹传感器的结构示意图。

图2A显示一种传统的电容式指纹传感器的局部感测电极的示意图。

图2B显示一种传统的行动电话的外观图。

图3显示依据本发明第一应用例的电容式感测阵列装置的结构示意图。

图4显示依据本发明第一应用例的电容式感测阵列装置的局部感测电极结构设计的示意图。

图5显示依据本发明第一应用例的电容式感测阵列装置的单一感测元及其对应的感测电路的示意图。

图6显示依据本发明第二应用例的电容式感测阵列装置的单一感测元及其对应的感测电路的电路示意图。

图7显示依据本发明第二应用例的电容式感测阵列装置的单一感测元的控制时序图。

图8显示依据本发明的应用例的电子设备的示意图。

图9显示沿着图8的线9-9的剖面图。

图10显示依据本发明的应用例的另一电子设备的示意图。

图11A显示依据本发明的第一实施例的电子设备的示意图。

图11B显示沿着图11A的线11B-11B的局部剖面图。

图12A与12B显示依据本发明第二实施例的电子设备的两个例子的局部剖面图。

图13与14显示本发明生物传感器与软性电路板的组合的两种例子的俯视图。

图15与16分别显示依据本发明第三及第四实施例的电子设备的局部剖面图。

图17A至17D分别显示依据本发明第五至第九实施例的电子设备的触控显示器的局部剖面图。

图18A至18D分别显示依据本发明第十至第十三实施例的电子设备的触控显示器的局部剖面图。

图18E显示依据本发明第十四实施例的电子设备的触控显示器的局部俯视图。

图19显示依据本发明的生物传感器组件的局部剖面图。

图20A至20G显示本发明的生物传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。

附图标号：

Cf：感测电容

Ch：电容器

Ch1-CHn：参考电容器

Cp1：寄生电容

Cp2、Cp22：寄生电容

F：物体

GND：接地电压

PH0：重置开关

S、T0、T1：开关

S1至Sn：参考开关

S740：耦合信号

Vdrive：耦合信号

Vout：输出信号

Vref：参考电压

1、1A：电容式感测阵列装置

10：感测电极

11B-11B：线

20：遮蔽导体层

30：耦合信号源

40：固定电压源

50：开关模块

60：读取电路

61：运算放大器

61A：正输入端

61B：负输入端

61C：输出端

62：可调式电容器

62A：第一端

62B：第二端

65：半导体基板

66：第二焊垫

67：感测元

70：封装基板

71：第一焊垫

72：连接线

73：封装保护层

74：外露表面

80：参考开关控制器

200、200A：电子设备

210：本体

220：显示器

230：壳体

240：处理器

500：电容式指纹传感器

510：指纹感测芯片

511：半导体基板

512：芯片保护层

513：芯片表面

514：感测元

515：芯片焊垫

520：封装基板

523：封装面

525：封装焊垫

530：连接线

540：封装保护层

600：电容式指纹传感器

610：感测电极

700、701、701'、702、703：电子设备

700M：生物传感器模块

704A：生物传感器组件

710：壳体/上层

711：第一表面

712：第二表面

713：凹部

715、715'：触控电极

720：生物传感器

720A：感测元部

720B：感测电路晶片

721：感测面

721R、730R：区域

722：感测元

723：非感测面

724：凹陷平面

725：侧面

726：连接垫

727：焊垫

728：连接导线

730：耦合电极/导电层

740：驱动电路

750：软性电路板

751：电连接部

752：线路

760：显示器

765：处理器

770：打线

780：封胶层

790、791、792、793、794、795、796、797、798：触控显示器

790A：触控面板结构

790B：显示器

790B1：下玻璃基板

790B2：液晶分子层

790B3：彩色滤光层

790B4：上玻璃基板

800：基板

801：电路元件区

802：沟槽

803：绝缘保护层

804：窗口

805：金属层

806：沟槽

820：感测晶片

2000：行动电话

2010：外壳

2015：开口

2020：滑道

2025：空隙。

具体实施方式

图3显示依据本发明第一应用例的电容式感测阵列装置1的结构示意图。图4显示依据本发明第一应用例的电容式感测阵列装置1的局部感测电极结构设计的示意图。图5显示依据本发明第一应用例的电容式感测阵列装置1的单一感测元及其对应的感测电路的示意图。如图3至5所示，本应用例的电容式感测阵列装置1包括多个感测电极10、一遮蔽导体层20、一耦合信号源30、一固定电压源40、多个开关模块50、一个半导体基板65、一封装基板70、多条连接线72以及一封装保护层73。

此等感测电极10、遮蔽导体层20、耦合信号源30、固定电压源40以及此等开关模块50可以构成一个感测元67的一部分或全部，且形成于半导体基板65中，在此，施加于所述半导体基板的制造工艺包括了一完整的前段及后段半导体制造工艺，例如晶体管元件制作以及连接导线，所述半导体制造工艺(例如CMOS制造工艺)是在本应用例被利用来完成这些结构的制作，使得制造成本可以大幅降低。半导体基板65设置于封装基板70上。利用打线接合的方式，可以利用此等连接线72将封装基板70的多个第一焊垫71电连接至半导体基板65上的多个第二焊垫66，以利于封装产品的信号及电源的输出输入用。封装保护层73是利用一般封装所用的模塑料，覆盖半导体基板65、此等连接线72、此等第一焊垫71及此等第二焊垫66。于一个例子中，封装保护层73的材料是使用环氧树脂(Epoxy)作为模塑料(molding compound)，且其厚度为大于或等于100um，硬度大于5H，因此能提供耐磨损、耐静电放电破坏(ESD)以及耐冲击等特性。此外，封装保护层73具有与一物体F接触的外露表面74，外露表面74为一个平面，且整个外露表面74作为电容式感测阵列装置1的一个完整的上部平面，而不再有如图1所是的起伏，故能适合全平面装置的需求。

涉及感测元67的细部构造方面，这些感测电极10彼此隔开地排列成一阵列，包括但不限于一维阵列或二维阵列。各感测电极10与物体F形成一感测电容Cf。于此的物体是以手指作为例子作说明，但是本发明并未受限于此，举凡利用电容式感测原理运作的装置，都可以应用本发明的感测阵列装置。

遮蔽导体层20位于此等感测电极10下方，遮蔽导体层20与各感测电极10形成一垂直寄生电容Cp1。遮蔽导体层20可以是一大片的导体层，也可以是多片导体层，可以利用一对一、一对多或多对一的型式对应于感测电极10，用于提供固定的寄生电容。

在图4中，中间的感测电极10与四周的感测电极10亦形成水平寄生电容Cp22。这些水平寄生电容Cp22在图5中被等效为一水平寄生电容Cp2。因此，此感测电极10与周围的感测电极10之间形成水平寄生电容Cp2。

遮蔽导体层20与感测电极10可以利用半导体制造工艺的金属制造工艺来完成，至于遮蔽导体层20与感测电极10之间的材料可以是单层或多层的金属间介电层(inter-metal dielectrics,IMD)。利用半导体制造工艺的多道金属及IMD制造工艺，即可完成感测元的制作。

耦合信号源30耦合至物体F，并提供一耦合信号Vdrive耦合至物体F。耦合信号Vdrive可以直接或间接耦合至物体F，直接耦合可以是利用一与物体F接触的耦合电极将耦合信号传送至物体F，亦或者所述耦合电极与物体F之间仍有一介电层，称之为间接耦合，其为电路的已知技术，故于此不作特别限制。

固定电压源40提供一固定电压至遮蔽导体层20，使遮蔽导体层20与各感测电极10形成稳定的垂直寄生电容Cp1。于本应用例中，是以0V的接地电压(GND)当作固定电压，然而，本发明并未受限于此，亦可以使用3.3V、5V或其他固定电压来达成本发明的效果，惟必须注意的是，所述固定电压源必须要相当稳定，且不易受外界干扰而浮动，因为那会降低感测元的灵敏度。

这些开关模块50，在图4与5中仅以T0及T1表示，且这些开关模块50一对一的电连接至这些个感测电极10及固定电压源。当选取一个感测电极10进行感测时，设定所述开关模块50使得感测电极10与固定电压源40之间成断路(open circuit)，同时使得其余感测电极10与固定电压源40之间成短路(short circuit)，使选取的感测电极10与其余感测电极10之间形成稳定的水平寄生电容Cp2，俾能使电容式感测阵列装置1的输出与水平寄生电容Cp2及垂直寄生电容Cp1无关(请参见以下的公式推导)。开关模块50可以用晶体管或其他适当手段来实施，本发明并不特别作限制。在图4与5中，当中间的感测电极10被选取以进行感测时，开关模块T0呈现断路，而开关模块T1呈现短路，也就是导通状态。如此一来，周遭的感测电极10都是接地(或耦合至固定电压)，同时也将底部的遮蔽导体层20设定成接地状态(或耦合至固定电压)，如此一来可以提供一稳定屏蔽环境(shielding environment)，将所述感测电极完全包覆在其中，虽然所述感测电极与四周的屏蔽环境间仍然存在一相当大的寄生电容，但是不同于已知设计，此一寄生电容为一固定且稳定值，此举是有利于感测电路的设计的。

如图5所示，电容式感测阵列装置1可以更包括多个读取电路60，分别电连接至此等感测电极10，并分别输出多个输出信号Vout。在本应用例中，为了避免每一感测电极的信号传输太远而被干扰，因而设计每一感测元有一运算放大器与感测电极相连结，用于就近放大感测信号，因而不怕传输线太长的干扰，因此，各读取电路60包括一运算放大器61、一可调式电容器62以及一重置开关PH0。

运算放大器61可以全部或部分制作于感测电极10的正下方，而且一个感测电极10可以对应于一个运算放大器61，当然也可以多个感测电极10对应于一个运算放大器61。运算放大器61具有一正输入端61A、一负输入端61B及一输出端61C，负输入端61B电连接至感测电极10，正输入端61A电连接至一参考电压Vref。可调式电容器62的第一端62A电连接至负输入端61B，其第二端62B电连接至输出端61C。于此例子中，可调式电容器62是由一电容器Ch与一开关S所构成。于本例子中，由于只有一个电容器Ch，所以可以移除开关S。重置开关PH0与可调式电容器62并联连接。

依据图5的电路图，可以通过电荷守恒原理，推导出输出信号Vout如下。

当Vdrive=0时，重置开关PH0为短路，节点A的电荷Q1可以表示如下：

Q1=Cf×(Vref-Vdrive)+Cp×Vref＝Cf×Vref+Cp×Vref

当Vdrive=高(high)时，重置开关PH0为断路，节点A的电荷Q2可以表示如下：

Q2=Cf×(Vref-Vdrive)+Cp×Vref+Ch×(Vref-Vout)

依据电荷守恒原理，Q1=Q2

也就是

Cf×Vref+Cp×Vref＝Cf×Vref-Cf×Vdrive+Cp×Vref+Ch×Vref-Ch×Vout

可以简化为

Cf×Vdrive-Ch×Vref＝-Ch×Vout

然后得到

Vout=Vref-(Cf/Ch)×Vdrive

其中，Cp=Cp1+Cp2，由以上公式可以发现输出信号Vout与寄生电容Cp1及Cp2无关，如前所言，本发明应用例的特色就是将寄生电容这一项变动值(因为周遭环境是变动的)，通过设计将其稳定，才能在运算放大器感测电路的特性下，自然地将其忽略。其中Cf/Ch为增益值，在实际设计上，Ch是越小越好，因为如此可以让感测信号在每一个独立感测元内就被放大，更可以避免在传输线中被干扰而影响信号品质。在本发明的一应用例中，Vdrive为3.3V，Vref为1.8V，Ch为1~4fF，然而并不以此为限。

图6显示依据本发明第二应用例的电容式感测阵列装置1的单一感测元及其对应的感测电路的示意图。如图6所示，本应用例类似于第一应用例，不同之处在于可调式电容器62包括多个参考电容器Ch1-CHn，分别通过多个参考开关S1至Sn而并联连接于负输入端61B及输出端61C之间，通过控制此等参考开关S1至Sn的断路及短路，以调整可调式电容器62的电容值。

于此例子中，电容式感测阵列装置1可以更包括一参考开关控制器80，电连接至此等参考开关S1至Sn，并控制此等参考开关S1至Sn的断路及短路。参考开关控制器80可以一次导通此等参考开关S1至Sn的其中一个，于此情况下，此等参考电容器Ch1-CHn最好被设计成具有多个电容值。或者，参考开关控制器80可以也可以一次导通此等参考开关S1至Sn的其中多个，于此情况下，这些参考电容器Ch1-CHn具有同一个电容值，当然也可以具有不同的电容值。参考开关S1至Sn的短路或断路可以通过另一组控制单元来控制。

这种自我增益调整是存在于每个感测元中，并非是全部的感测元共用一个增益调整单元，所以可以长距离传输而不受外部线路所造成的杂讯干扰。并且由于制造公差的存在，100um的保护层的厚度有可能是在80至130um之间，通过自我增益调整，可以消除制造差异所造成的问题，有效加强图像的均匀度及感测的灵敏度调整，这对任何感测元阵列都是最重要的，各感测元都可以独立的调整增益，以达到均匀的图像及信号强度。

图7显示依据本发明第二应用例的电容式感测阵列装置1的单一感测元的控制时序图。如图7所示，于时间t0至t1期间，设定开关T0为断路、开关T1为短路，并且设定开关PH0为短路，此时耦合信号Vdrive为低准位(在本应用例为0V)，此阶段为感测元运算放大器的前充电动作(pre-charge)。然后，于时间t1至t2期间，设定Vdrive到高准位(在本应用例为3.3V)，开关T0持续断路，开关T1持续短路，但开关PH0此时转换为断路，此阶段通过电荷重分配(charge sharing)，开始进行对应于开关T0的感测电极10的感测，经由单一感测元内部运算放大器放大而得到Vout。以此类推，接着下一组感测元亦实行如同前述的动作，便可以将完整感测元阵列的信号读出。Vout输出信号即代表每单一感测元与待测物体F运算的情况。

至此为止，本发明应用例是为提出一具有高感测灵敏度的电容感测装置，以适合本发明以下的实施例应用，然而本发明的实施例并不以此为限。

图8显示依据本发明的应用例的电子设备200实施例的示意图。图9显示沿着图8的线9-9的剖面图。如图8与9所示，本发明的电子设备200包括一本体210、一显示器220、一电容式感测阵列装置1、一壳体230以及一处理器240。显示器220安装至本体210，用于显示画面。电容式感测阵列装置1安装至本体210。壳体230安装于本体210上并覆盖显示器220及电容式感测阵列装置1。电容式感测阵列装置1隔着壳体230感测物体F的图案。处理器240电连接至电容式感测阵列装置1及显示器220，用于处理物体F的图案，并通过显示器220与一使用者互动。壳体230可以是透明或不透明的，也可以是整个电子设备的上盖、下盖或侧盖，于此不作特别限制。

图10显示依据本发明的应用例的另一实施例电子设备200A的示意图。如图10所示，电子设备200A类似于图8的电子设备200，不同之处在于电容式感测阵列装置1A是设置于一按钮内部(也是隐藏式的概念)，当作电子设备200A的主按键及方向键用，当然该按键更可以包括一机械按压开关，使其除了感测功能外，也具有按压功能，方便让使用者辨识那边是按键区。因此，除了提供对物体的感测功能以外，电容式感测阵列装置更可以提供按键功能，用于供使用者输入一控制指令，包括但不限于选取、移动等指令。

通过本发明的电容式感测阵列装置的设计，即使手指与电容式感测阵列装置有保护层及壳体的覆盖，仍能具有高感测灵敏度，且不会被寄生电容影响到感测结果，更能依据自我增益调整，来提升感测所得的图像的均匀度。

图11A显示依据本发明的第一实施例的电子设备700的示意图。图11B显示沿着图11A的线11B-11B的局部剖面图。如图11A与图11B所示，本实施例的电子设备700至少包含一壳体710、一生物传感器720、一耦合电极(或称为导电层)730、一显示器760及一处理器765。显示器760装设于壳体710，用来显示图片或资讯，以与使用者进行互动。处理器765设置在壳体710中，并电连接至生物传感器720及显示器760，用于控制生物传感器720及显示器760的操作。值得注意的是，在从电子设备700移除壳体710、显示器760、处理器765及相关元件以后，就可以获得一个主动隐藏式生物传感器模块700M。亦即生物传感器模块700M与一个壳体710、显示器760及处理器765及相关元件以后，可获得电子设备700。因此，生物传感器模块700M包含生物传感器720及耦合电极730，以及壳体的一部分或全部。

壳体710具有相对的一第一表面711及一第二表面712。壳体710可以是譬如行动电话的前面板、后背板，甚至是侧背板。壳体710可以是透明或不透明的。

生物传感器720具有一感测面721。感测面721设置于壳体710的第一表面711，譬如是透过粘胶而粘贴至第一表面711。感测面721具有多个排列成阵列的感测元722，用来感测譬如手指的物体F的纹路的图案，当然也可以用来感测手指的皮下组织、血管图案等。在本实施例中，其为用来感测手指纹路(简称指纹)，其技术特征为，手指纹路需要该感测元阵列的解析度达到300dpi以上，方能清楚解析以利指纹演算法处理，这样的感测技术需求，其感测技术难度是远高于目前习知的投射式触控面板技术的约5dpi。

耦合电极730设置于壳体710的第一表面711。于一例子中，可以采用铟锡氧化物(ITO)制作于第一表面711上以形成透明导电薄膜。于其他实施例中，亦可以采用其他具有导电特性的材料来形成耦合电极730。

一耦合信号S740可从一驱动电路740被提供至耦合电极730并直接或间接耦合至一物体F，使生物传感器720的此等感测元722用以感测一个接触壳体10的第二表面712的物体F的生物信息。在本实施例中，驱动电路740设置于生物传感器(感测晶片)720中，在另一实施例，驱动电路740是可以独立设置(也就是位于生物传感器720的外部并耦合至耦合电极730，参见图16)，抑或者与其他IC整合例如显示器的驱动IC等。同时本发明的感测晶片由于感测原理与触控面板相似，故也可以设计与该触控面板IC整合成单晶片，或与显示器驱动IC整合成单晶片，更可以将三者整合成单晶片。

感测面721与耦合电极730投影到壳体710的第二表面712的两个区域721R、730R彼此不重迭。于本实施例中，在感测面721正上方的第一表面711是没有被耦合电极730遮蔽的。导电层(其为前述应用例的耦合电极)730只是提供一个间接耦合至物体F的耦合信号S740，至于位于感测面721正上方的手指F不能被耦合电极730遮蔽，以免影响感测。

此外，本实施例的电子设备700更包含一软性电路板750。

在本实施例中，软性电路板750直接电连接至生物传感器720及直接或间接电连接至耦合电极730。位于感测面721反侧之生物传感器720的一非感测面723是安装于软性电路板750上，非感测面723无感测物体的生物特征的图案的功能。

图12A与12B显示依据本发明第二实施例的电子设备701的两个例子的局部剖面图。于图12A中，结构是类似于第一实施例，差异点在于壳体710具有一凹部713，生物传感器720是埋入至凹部713中。如此一来，生物传感器720与物体F的距离更近，可以提升感测效果及稳定度。

如图12B所示，电子设备701'是类于电子设备701，差异在于位于感测面721反侧的生物传感器720的非感测面723是安装于并电连接至软性电路板750上，耦合电极730是设置于软性电路板750与壳体710之间。如此一来，可以透过软性电路板750将生物传感器720更稳固地安装于壳体710上，在本实施例中，该耦合电极730可以设计成是软性电路板所裸露的部分金属层，直接贴附于第一表面711上。

图13与14显示本发明生物传感器与软性电路板的组合的两种例子的俯视图。在图13中，具有排列成二维阵列的感测元722的生物传感器720是譬如利用粘胶而装设于软性电路板750上，并电连接至软性电路板750上的线路752。值得注意的是，生物传感器可以先被封装好了，再透过表面粘着技术(SMT)粘接于软性电路板上。或者，生物传感器可以先透过打线来与软性电路板上的连接垫连接。图14的结构类似于图13，差异点在于耦合电极730是形成于软性电路板750上。因此，将图14的结构应用至图12B，及可将耦合电极730贴合至壳体710的第一表面711。如此一来，图14的结构可以当作一个模块来生产制造贩售，并可以直接被使用。

图15与16分别显示依据本发明第三及第四实施例的电子设备的局部剖面图。如图15所示，第三实施例的电子设备702是类似于第一实施例，差异点在于耦合电极730位于壳体710的第二表面712，而物体F直接耦合至耦合电极730。软性电路板750也可以依据需求而电连接至耦合电极730。如图16所示，第四实施例的电子设备703类似于第三实施例，不同之处在于生物传感器720是埋入至凹部713中，以缩短物体F与生物传感器720的距离，另一不同点在于图16的驱动电路740是属于外挂式，也就位于生物传感器720的外部。

图17A至17D分别显示依据本发明第五至第八实施例的电子设备的触控显示器的局部剖面图。如图17A所示，触控显示器790是为一触控面板结构790A与一显示器790B组装而成，触控面板结构790A至少包含壳体710及多个触控电极715，触控面板结构为一习知技术，在此仅就与本发明有关的部分结构描述，其于不赘述。壳体710在本实施例为触控显示器790的触控面板结构790A的一上层，壳体710的第一表面711上形成有多个触控电极715及耦合电极730。显示器790B由下而上至少包含一下玻璃基板790B1、一液晶分子层790B2、一彩色滤光层790B3及一上玻璃基板790B1，当然此种显示器结构仅是目前习知技术的一种，其余例如OLED等显示器结构也可以适用本发明。触控显示器790可以取代图1的显示器760。这种显示器称为是单元上(on-cell)触控显示器。在此实施例最大的特色是，耦合电极730是与触控面板的电极同时利用例如ITO材料制作，因此可以节省成本。

于图17B中，触控显示器791是一种单元内(in-cell)触控显示器，其包含一薄膜电晶体(TFT)玻璃基板719、一彩色滤光(CF)玻璃基板710以及位于其间的显示分子(未显示)。由于彩色滤光(CF)玻璃基板710直接与手指接触，所以亦可被视为是壳体710。因此，壳体710为一触控显示器791的上层，壳体710的之第一表面711上面形成有触控显示器790的多个触控电极715。亦即，显示器790具有上层710及下层719，中间有用以显示图案的显示分子，譬如是液晶分子，于此的上层710达成显示功能的不可或缺的元件。由于这种单元内触控显示器已经是属于习知技术，故于此不再详述及细部结构，当然其余例如OLED等显示器结构也可以适用本发明。

图17C的触控显示器792是类似于图17A的触控显示器790，不同之处在于触控显示器792的耦合电极730是设置在第二表面712上，所以耦合电极730对手指提供直接耦合的效果。其余细节部分已经详述于上，故于此不作赘述。

图17D的触控显示器793是类似于图17B的触控显示器791，不同之处在于触控显示器793的耦合电极730是设置在第二表面712上，所以耦合电极730对手指提供直接耦合的效果。其余细节部分已经详述于上，故于此不作赘述。

图18A至18D分别显示依据本发明第九至第十三实施例的电子设备的触控显示器的局部剖面图。

如图18A所示，第七实施例类似于第五实施例，不同之处在于本实施例的生物传感器模块是将如图4中的感测电极10与感测电路完全分开，该感测电极722是与触控面板的电极715同时制作，差别是在为了作为例如指纹感测，其解析度必须高达300dpi以上，而触控电极解析度仅为约5dpi，且触控显示器794更包含一感测电路晶片720B。此等触控电极715与此等感测元(感测电极)722具有相同的材料且同时形成。此等感测电极722与此等触控电极715与电连接至感测电路晶片720B。此等触控电极715的尺寸及节距大于此等感测元722的尺寸及节距。感测电路晶片720B提供耦合信号S740至耦合电极730。亦即，生物传感器被拆开成两个部分，一个是感测元部720A，另一个是感测电路晶片720B。感测元部720A的感测元722与触控电极715是由相同材料于同一制程同时完成，可以省去相当多的制造成本。再者，本发明的感测电路晶片720B更可以与其他IC整合例如显示器的驱动IC等。同时本发明的感测晶片由于感测原理与触控面板相似，故也可以设计与该触控面板IC整合成单晶片，或与显示器驱动IC整合成单晶片，更可以将三者整合成单晶片。

如图18B所示，第八实施例的触控显示器795是类似于第七与第六实施例，也就是属于第七与第六实施例的组合，熟习本项技艺者可以轻易从图18B轻易理解内容，故于此不再赘述。

图18C的触控显示器796是类似于图18A的触控显示器794，不同之处在于触控显示器796的耦合电极730是设置在第二表面712上，所以耦合电极730对手指提供直接耦合的效果。其余细节部分已经详述于上，故于此不作赘述。

图18D的触控显示器797类似于图18B的触控显示器795，不同之处在于触控显示器797的耦合电极730是设置在第二表面712上，所以耦合电极730对手指提供直接耦合的效果。其余细节部分已经详述于上，故于此不作赘述。

值得注意的是，在图17A至18D中的壳体710不限于单层构造。于一例子中，壳体710可以是透明基板加上保护膜的组合、透明基板加上偏光片的组合、透明基板加上其他功能片的组合等等。因为所加上的保护膜、偏光片或功能层都是属于绝缘层，不会影响到电容的感测，再加上譬如玻璃的透明基板的是越来越薄，所以电容的感测灵敏度是越来越高。因此，本发明并未对壳体710作特别限制。同时，在图17A至18D中，感测电极722与耦合电极730是与触控电极715在几何区域呈现分开状态，但是本发明另一实施例，如图18E所示，是可以将此两个感测区域相互重迭的，也就是说在触控萤幕区域，设计一个密度高(>300dpi)的感测电极，可以同时执行触控功能(仅触发约5dpi的感测电极)，也可以执行指纹感测。因此，于此例子中，触控显示器798的感测电极722所组成的13*13的阵列可以执行指纹感测，而6*6个感测电极722可以组成一个触控电极715'，利用6*6个感测电极722当作触控电极715'可以执行触控功能。至于其他的触控电极15，仍维持不变，因为其仅需要达成触控功能即可。然而，感测电极722及触控电极的数目与尺寸并未受限于图中所绘制的数目及尺寸。一般而言，感测电极722的阵列至少要100*100以上，每个触控电极的间距(或称为节距(pitch))大约5至6mm，而指纹感测电极722的间距至少是50至80um。

图19显示依据本发明的生物传感器组件704A的局部剖面图，其是为了提供一可以与壳体平面贴合的感测面，若无此平面贴合的设计，如图1的传统封装，则传感器会增加一多余的厚度而使灵敏度大幅降低。生物传感器组件与部份之壳体结合后，即可形成生物传感器模块。如图19所示，生物传感器组件704A包含软性电路板750、生物传感器720、多条打线770以及一封胶层780。生物传感器720包含感测面721及非感测面723，且更包含一凹陷平面724、一侧面725、多个连接垫726、多个焊垫727以及多条连接导线728。感测面721上面更可以形成一保护层(未显示)，用来保护感测面721免于湿气、脏污等干扰。在图19中，生物传感器720的表面是平坦的，且只有原来半导体制程时所产生的保护材料。生物传感器720可以利用粘胶先粘着于软性电路板750上，再进行打线制程。

凹陷平面724位于感测面721与非感测面723之间。侧面725连接感测面721及凹陷平面724。连接垫726位于感测面721上。焊垫727位于凹陷平面724上。连接导线728分别将此等连接垫726连接至此等焊垫727。于本例子中，焊垫727与连接导线728是利用习知的半导体制程制作连接，为此领域的人员熟悉的技术，在此不赘述。然而，本发明并未受限于此。焊垫727与连接导线728也可以是独立的结构。打线770分别焊接至多个焊垫727及软性电路板750的多个电连接部751。封胶层780覆盖此等打线770、生物传感器720及软性电路板750。

以下以一个例子来说明本发明的生物传感器的制造方法。图20A至20G显示本发明的生物传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。

首先，如图20A所示，于一硅基板800上形成一电路元件区801，其具有多个感测元722及多个连接垫726。电路元件区801的上面可以覆盖有保护层，于此不作特别显示。

然后，如图20B所示，于基板800上形成一个沟槽802。可以使用干蚀刻、硅异方性蚀刻或刀具切割的方式形成此沟槽802。

接着，如图20C所示，在基板800的电路元件区801上面及沟槽802上覆盖一绝缘保护层803。

然后，如图20D所示，在连接垫726上方的绝缘保护层803定义出多个窗口804。

接着，如图20E所示，在绝缘保护层803上形成一金属层805，金属层805同时填满窗口804而电连接至连接垫726。

然后，如图20F所示，对金属层805进行图案化，以形成沟槽806及连接导线728。

接着，如图20G所示，沿着沟槽806进行切割以形成多个独立的感测晶片820。各感测晶片820经过打线及封装后即可形成如图19所示的生物传感器组件704A的结构了。

通过本发明的上述实施例，可以实现主动、隐藏式且具有高感测灵敏度的传感器，并将其应用于电子设备中，提供美观的外观，且能有效防止脏污卡在传感器与电子设备的壳体的交界处。

在较佳应用例的详细说明中所提出的具体应用例仅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应用例，在不超出本发明的精神及申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。

Claims (18)

1.一种生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器模块包含：

一壳体，具有相对的一第一表面及一第二表面；

一生物传感器，具有一感测面，所述感测面设置于所述壳体的所述第一表面，且所述感测面具有多个排列成阵列的感测元；以及

一耦合电极，设置于所述壳体的所述第一表面或所述第二表面，所述感测面与所述耦合电极投影到所述壳体的所述第二表面的两个区域彼此不重迭，其中

一耦合信号被提供至所述耦合电极并直接或间接耦合至一物体，使所述生物传感器的所述多个感测元用以感测一接触所述壳体的所述第二表面的所述物体的生物信息。

2.如权利要求1所述的生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器模块更包含：

一软性电路板，电连接至所述生物传感器及所述该耦合电极，其中位于所述感测面反侧的所述生物传感器的一非感测面是安装于所述软性电路板上，所述非感测面无感测功能。

3.如权利要求2所述的生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器更包含：

一凹陷平面，位于所述感测面与所述非感测面之间；

一侧面，连接所述感测面及所述凹陷平面；

多个连接垫，位于所述感测面上；

多个焊垫，位于所述凹陷平面上；以及

多条连接导线，分别将所述多个连接垫连接至所述多个焊垫。

4.如权利要求3所述的生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器模块更包含：

多条打线，分别焊接至所述多个焊垫及所述软性电路板的多个电连接部；以及

一封胶层，覆盖所述多个打线、所述生物传感器及所述软性电路板。

5.如权利要求1所述的生物传感器模块，其特征是，所述壳体具有一凹部，所述生物传感器是埋入至所述凹部中。

6.如权利要求1所述的生物传感器模块，其特征是，所述耦合电极位于所述壳体的所述第二表面，而所述物体直接耦合至所述耦合电极。

7.如权利要求1所述的生物传感器模块，其特征是，所述耦合电极位于所述壳体的所述第一表面，而所述物体间接耦合至所述耦合电极。

8.如权利要求7所述的生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器模块更包含：

一软性电路板，电连接至所述生物传感器及所述耦合电极，其中位于所述感测面反侧的所述生物传感器的一非感测面是安装于并电连接至所述软性电路板上，所述耦合电极是设置于所述软性电路板与所述壳体之间。

9.如权利要求7所述的生物传感器模块，其特征是，所述壳体为一触控显示器的一上层，所述壳体的所述第一表面上形成有多个触控电极及所述耦合电极。

10.如权利要求9所述的生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器模更包含一感测电路晶片，其中所述多个触控电极与所述多个感测元具有相同的材料且同时形成，所述多个触控电极的尺寸及节距大于所述多个感测元的尺寸及节距，且所述多个触控电极与所述多个感测元电连接至所述感测电路晶片，所述感测电路晶片提供所述耦合信号至所述耦合电极。

11.如权利要求7所述的生物传感器模块，其特征是，所述壳体为一触控显示器的一上层，所述壳体的所述第一表面上面形成有所述触控显示器的多个触控电极。

12.如权利要求11所述的生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器模块更包含一感测电路晶片，其中所述多个触控电极与所述多个感测元具有相同的材料且同时形成，所述多个触控电极的尺寸及节距大于所述多个感测元的尺寸及节距，且所述多个触控电极与所述多个感测元电连接至所述感测电路晶片，所述感测电路晶片提供所述耦合信号至所述多个感测元，并提供一驱动信号以驱动所述触控显示器操作。

13.如权利要求8所述的生物传感器模块，其特征是，所述耦合电极是形成于所述软性电路板上并贴合至所述壳体的所述第一表面。

14.如权利要求1所述的生物传感器模块，其特征是，所述耦合信号从所述生物传感器被提供至所述耦合电极。

15.如权利要求1所述的生物传感器模块，其特征是，所述生物传感器模块更包含一驱动电路，耦接至所述耦合电极，并提供所述耦合信号至所述耦合电极。

16.一种电子设备，其特征是，所述电子设备包含：

如权利要求1至13中的任一项所述的生物传感器模块；

一显示器，装设于所述壳体，用来显示图片或资讯，以与一使用者进行互动；以及

一处理器，设置在所述壳体中，并电连接至所述生物传感器及所述显示器，用于控制所述生物传感器及所述显示器的操作。

17.一种生物传感器组件，其特征是，所述生物传感器组件包含：

一软性电路板；

一生物传感器，其包含：

一感测面，具有多个排列成阵列的感测元，用于感测生物信息；

一非感测面，位于所述感测面反侧，所述非感测面设置于所述软性电路板上；

一凹陷平面，位于所述感测面与所述非感测面之间；

一侧面，连接所述感测面及所述凹陷平面；

多个连接垫，位于所述感测面上；

多个焊垫，位于所述凹陷平面上；以及

多条连接导线，分别将所述多个连接垫连接至所述多个焊垫；

多条打线，分别焊接至所述多个焊垫及所述软性电路板的多个电连接部；以及

一封胶层，覆盖所述多个打线、所述生物传感器及所述软性电路板。

18.一种生物传感器组件的制造方法，其特征是，所述方法包含以下步骤：

于一硅基板上形成一电路元件区，所述电路元件区具有多个感测元及多个连接垫；

于所述基板上形成一沟槽；

在所述基板的所述电路元件区上面及所述沟槽上覆盖一绝缘保护层；

在所述的连接垫上方的所述绝缘保护层定义出多个窗口；

在所述绝缘保护层上形成一金属层，所述金属层填满所述多个窗口而电连接至所述多个连接垫；

对所述金属层进行图案化，以形成一沟槽及多条连接导线；

沿着所述沟槽进行切割以形成多个独立的感测晶片；以及

将所述感测晶片进行打线及封装程序，以形成所述生物传感器组件。

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