CN105359164B - 具有保护涂层的指纹感测设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种感测设备，该感测设备包括：多个感测元件，感测元件中的每个感测元件被配置成提供指示感测元件与放置在感测设备的表面上的手指之间的电磁耦合的信号；被布置成覆盖多个感测元件的第一层，该第一层包括多个凹部；以及被布置成覆盖第一层的第二层，第二层具有疏水性表面属性。还提供了用于制造这样的感测设备的方法。

Description

具有保护涂层的指纹感测设备

技术领域

本发明涉及感测设备。更具体地，本发明涉及用于感测指纹的设备，以及这样的设备的附属保护涂层。

背景技术

由于用于身份验证的生物设备的发展以及特别是指纹感测设备的发展已导致更小、更便宜以及更节能的设备，因此针对这样的设备的可能应用越来越多。

特别是，指纹感测由于小形状因素、相对有利的成本/性能因素以及高用户接受度(特别与视网膜扫描等相比)而在例如消费电子设备中越来越多地被采用。

基于用于提供指纹感测元件的CMOS技术以及辅助逻辑电路系统建立的电容式指纹感测设备越来越流行，因为可以使这样的感测设备在能够以高精度识别指纹的同时制作得小且节能。从而，电容式指纹传感器有利地用于消费电子产品例如便携式计算机、平板电脑以及移动电话。

然而，电容式指纹感测设备一般对位于传感器的电容式感测元件与要被测量的手指之间的污染物敏感。污染物可以从周围环境例如来自空气的水份引入或者从人的指尖的表面(例如，汗、洗手液等)引入。例如，感测表面上的残余指纹会降低感测设备的精度，并且在最坏的情况下会导致错误的读数。感测表面上的被放置使得其跨越感测元件之间的边界的污染物会例如导致相邻感测元件之间的耦合，这又降低了感测设备的精度。

因此，理想的是减少电容式指纹感测设备的感测表面上的污染物的出现。

为了解决污染物的存在，US 7,071,708公开了可以是电容式指纹传感器的芯片型传感器，该芯片型传感器具有包括聚合材料或陶瓷原子层的保护层以提供疏水性和亲水性表面。保护层的目的是为了防止潜在指纹形成在表面上。

然而，还被称为易清洁材料的疏水性和/或亲水性的材料一般对机械磨损和日常磨损和撕扯敏感。在磨损作用的影响下，所述材料被物理上去除或者失去易清洁属性，其化学上可以仅归因于表面的极少的第一纳米。这带来将这样的材料用于指纹传感器的问题，这是因为易清洁属性会随着传感器的正常使用随着时间的推移而退化。这对于其中需要用户在传感器表面上滑动指尖的扫测传感器而言特别有问题。

发明内容

鉴于指纹感测设备的上述期望属性，以及现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供改善的指纹感测设备，该指纹感测设备即使在暴露于例如由于传感器长时间段的日常使用而引起的过度的磨蚀动作之后也保持“易清洁”属性。

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种感测设备，该感测设备包括多个感测元件，感测元件中的每个感测元件被配置成提供指示感测元件与放置在感测设备的表面上的手指之间的电磁耦合的信号，被布置成覆盖多个感测元件的第一层，第一层包括多个凹部，以及被布置成覆盖第一层的第二层，第二层具有疏水性表面属性。

此外，提供了指纹感测设备，该指纹感测设备包括：感测元件的阵列，感测元件中的每个感测元件被配置成提供指示感测元件与放置在指纹感测设备的表面上的手指之间的电磁耦合的信号；被布置成覆盖感测元件的阵列的第一介电层，第一介电层在第一介电层的顶表面处包括多个凹部，凹部以下述方式跨感测元件的阵列分布：凹部中的相邻凹部之间的间隔小于400μm；以及被布置在第一介电层的顶表面上的在凹部中以及凹部之间的顶疏水性层，以提供感测设备的手指放置在其上的表面，使得当顶疏水性层通过对指纹感测设备的使用而被磨掉时，疏水性材料仍存在于凹部中，在所述凹部中，所述疏水性材料被保护而免受磨损和撕扯。

感测设备应当被理解为还包括感测电路系统，该感测电路系统连接至感测元件用于从感测元件读取信号。感测电路系统又可以包括或者连接至读出电路系统，该读出电路系统用于将感测设备的结果提供给外部设备以进行进一步分析。

第一层的凹部形成在第一层中而没有穿透第一层，这表示第一层的凹部没有通过第一层到达由第一层覆盖的感测元件。

在本上下文中，疏水性表面属性应当理解为一般排斥水的表面。例如，通过在第二层中使在聚合物或陶瓷主链结构上包含氟的官能团或者利用在主聚合物链中本质上包含氟的聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)来获得疏水性表面。第二层是感测设备的表面层并且还可以被称为顶涂层。

本发明是基于下述认识：当感测设备的顶疏水性层被磨掉时，疏水性材料会仍存在于凹部中，在该凹部中，疏水性材料被保护而免于受例如来自扫过指纹感测设备的表面的手指的磨损和撕扯。从而，仍存在于凹部中的疏水性材料会防止跨凹部的污染物例如汗滴的连续膜的形成。替代地，借助于凹部可以将位于表面上的污染物分成较小的部分，从而减小了跨相邻感测元件之间的边界形成连续膜的风险，这又减少了相邻感测元件之间的耦合的出现。如果污染物存在于感测设备的表面上，则存在污染物填充或者部分填充与表面接触的指纹谷的风险，这又会导致不可能区分谷，从而减小了感测设备的精度。换言之，位于指纹谷中的污染物会提供与手指所提供相同的到感测元件的耦合，并且因此会被感测元件看作手指的一部分。因此，位于指纹谷中的污染物可以作用为手指的相邻脊线之间的“短路”。由于凹部中的疏水性材料会起作用以防止污染物的连续膜的形成，因此会减少感测设备的表面部分(其中存在足够大量的污染物以填充指纹谷)的出现。因此，减小了相邻脊线之间或者脊线与谷之间的“短路”的风险。因此，根据本发明的感测设备在顶疏水性涂层已被磨掉之后对污染物较不敏感。从而，提供了更可靠的感测设备，该感测设备更耐磨损和撕扯，并且在感测设备的顶涂层已被(部分地)磨掉时该感测设备也可以在切断污染物的情况下起作用。取决于应用，凹部的特定大小形状和布置可以因例如感测元件的构型而不同。

此外，如果凹部被布置成使得凹部限制污染物跨凹部的移动，则可以通过所述凹部远离感测元件朝向设备的边缘引导污染物。从而，凹部在顶层被磨掉之前也具有有利效果。

此外，与第二层相比，优选地使第一层更耐磨损或者其他机械磨损和撕扯，使得即使第二层的一部分或全部被磨掉，第一层也会更耐用。

根据本发明的一个实施方式，第二层的厚度可以有利地小于凹部的最大深度。从而，感测设备的表面即感测表面也具有以与第一层的凹部对应的凹部形式的外形。结果，污染物可以例如收集在凹部中使得可以更容易地远离感测表面引导污染物。然而，还可以提供与凹部的深度相比相当较厚的第二层，以使得设置基本平面的感测表面。

在本发明的一个实施方式中，凹部的深度可以在1μm至50μm的范围中。因此，第一介电层可以有利地具有至少50μm的厚度。此外，所述凹部中的每个凹部可以有利地为至少5μm深以更好地保护顶疏水性层在凹部中的部分免受磨损和撕扯。应当注意，为了形成大于比如1μm深的凹部，可能需要从第一介电层去除材料。

在本发明的一个实施方式中，凹部可以基本为圆形的。可以以合适的图案容易地形成圆形凹部以防止在感测表面上形成太大范围的连续膜的污染物。然而，凹部的形状原则上可以是任何形状例如方形、椭球、多边形或自由形式形状。

根据本发明的一个实施方式，可以以多个延长的槽的形式有利地设置凹部，每个槽至少延伸与感测元件的边对应的距离。从而，槽可以防止跨过相邻感测元件之间的不止一个边界的、连续膜的污染物形成。术语槽、沟或者伸长的凹部可以被看作在本上下文内具有相同的意思。

在本发明的一个实施方式中，凹部可以被有利地布置成与所述感测元件之间的边界对准。通过以与感测元件之间的边界直接对准的槽或沟的形式放置凹部，减少了跨边界的连续膜的污染物的出现。

根据本发明的一个实施方式，相邻凹部之间的距离可以有利地小于400μm。由于手指的脊线通常近似在200μm至400μm的范围中，理想的是相邻凹部之间的距离小于两个脊线之间的距离，使得位于两个脊线之间的连续膜至少在脊线之间的一个位置处被中断。

在本发明的一个实施方式中，凹部的最小宽度为至少10μm。最小宽度为至少10μm表示如从上方看凹部的宽度在凹部最窄的地方为10μm或更多。对于圆形凹部而言，直径可以为至少10μm而对于方形或矩形凹部而言，最短边的长度可以为至少10μm。要求凹部的特定最小宽度，使得凹部可以防止形成连续膜的污染物。如果宽度太小，污染物会在凹入的部分上形成连续膜。此外，凹部的侧壁可以是垂直的或者是倾斜的，例如使得形成浅碗状凹部。

根据本发明的一个实施方式，凹部可以被设置为跨所述感测设备延伸的连续槽的网格，所述槽与所述感测元件之间的边界对准。通过形成与感测元件之间的边界对应的网格状凹部图案，确保在相邻感测元件之间的每个边界处存在有凹入的部分。此外，感测设备的感测元件通常以规则的阵列构型来布置。

在本发明的一个实施方式中，第二层可以有利地具有疏油性表面属性。防止尽可能多的可能污染物黏附至感测设备的感测表面是有利的。因此，形成感测表面的顶层可以优选地具有表面属性，使得若干不同的物质被排斥。疏油性表面还可以被称为疏脂性。此外，既是疏水性又是疏油性的表面有时被称为两疏性(omniphobic)。

根据本发明的一个实施方式，第二层的厚度优选地小于100nm。第二层的厚度与放置在感测表面上的对象位置与感测元件之间的耦合逆相关。因此，较薄的第二层导致感测设备的较高的灵敏度。

在本发明的一个实施方式中，第一层可以是介电层。此外，感测元件可以是电容式感测元件，该电容式感测元件被配置成提供指示感测元件与放置在感测设备的表面上的手指之间的电容耦合的信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造感测设备的方法，所述方法包括：设置衬底；在所述衬底上形成多个感测元件；设置覆盖所述感测元件的第一层；在所述第一层中形成多个凹部，并且设置覆盖所述第一层的第二层，所述第二层具有疏水性表面属性。

此外，提供了一种用于制造指纹感测设备的方法，所述方法包括：设置衬底，该衬底在衬底的顶表面上包括多个感测元件；在衬底的顶表面上设置第一介电层以覆盖感测元件；在第一介电层中形成多个凹部；凹部以下述方式跨感测元件的阵列分布：凹部中的相邻凹部之间的间隔小于400μm；以及在凹部中以及凹部之间在第一层上设置顶疏水性层。

可以通过从所述第一介电层去除材料来有利地形成凹部。可以使用本领域的技术人员已知的任何合适的方法例如使用蚀刻或激光烧蚀来进行这样的对材料的去除。当制造其中凹部距第一介电层的顶表面至少5μm深的指纹感测设备时，通过从第一介电层去除材料来形成凹部是特别有利的。

本发明的第二方面的效果和特征与以上结合本发明的第一方面描述的效果和特征大部分相似。

当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的另外的特征以及本发明的优点将变得明显。本领域的技术人员认识到在不背离本发明的范围的情况下可以组合本发明的不同的特征以创建不同于在下文中所描述的实施方式的实施方式。

附图说明

现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的感测设备；

图2a至图2d示意性地示出了根据本发明的感测设备的各种实施方式；

图3是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤的流程图；以及

图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的感测设备。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参照电容式指纹感测设备讨论根据本发明的感测设备的各种实施方式。应当注意，这决不限制本发明的范围，该范围同样适用于其他类型的感测设备例如RF感测设备。此外，还可以在触摸屏应用例如智能手机、平板计算机等中使用本发明的各种实施方式。

图1是感测设备100的示意图，该感测设备100包括被布置在衬底103上的导电板形式的多个感测元件102、被布置成覆盖感测元件102的第一层104，其中，第一层104包括多个凹部106。感测元件通常为具有大约50μm的尺寸的四边形。如由本领域的技术人员已经认识到的那样，感测元件的尺寸可以根据对其要使用感测元件的特定应用而不同。凹部具有约3μm至10μm的深度以及约10μm的宽度。此外，第二层108被布置在第一层104的顶部。第一层104是介电材料以提供放置在感测表面110上的对象与每个感测元件102之间的电容耦合。第二层可以例如具有近似100nm的厚度。然而，第二层还可以相当较厚，例如高达几十微米。也可以被称为顶层或者涂层的第二层108至少具有疏水性表面属性并且优选地还具有疏油性表面属性，以从感测表面110排斥污染物。污染物可以例如包括来自用户的手指或者来自周围环境的汗水、油脂或污垢。指纹感测设备100还包括读出电路系统(未示出)，该读出电路系统用于连接至每个感测元件102，使得放置在感测表面110上的对象与每个感测元件102之间的电容耦合可以通过外部设备或应用来确定并且读取。

图2a示意性地示出了感测设备，其中，凹部202是以规则分布的圆形凹部202的形式设置的。凹部还可以是随机分布或伪随机分布。只要相邻凹部之间的距离未超过一定长度，凹部就可以有效地起作用以防止形成连续膜的污染物，从而降低了相邻感测元件之间的短路的出现。

图2b示意性地示出了感测设备，其中，凹部204是以与相邻感测元件102之间的边界对准的延长槽或沟的形式设置的。

图2c示意性地示出了感测设备，其中，凹部206是以延长槽或沟的形式设置的，所述延长槽或沟两者都被布置成与相邻感测元件102之间的边界对准以及与感测元件102相交。

图2d示意性地示出了感测设备，其中，凹部208是以3×3规则阵列布置在每个感测元件的顶部上的圆形凹部的形式设置的。

本领域的技术人员认识到可以使用凹部的构型的无穷尽的变型，而仍然实现本发明的各种实施方式的目的，即防止跨感测元件的边界形成连续膜的污染物。例如，示出的图案可以被翻转使得现在被看作凹部的地方是高峰，或者可以以各种方式组合不同的图案。

图3是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤或者制造根据本发明的实施方式的感测设备的流程图。首先302，还参照图1，设置衬底103，假设读出电路系统已经形成在衬底103上。接下来304，形成感测元件102的合适的布置。感测元件102一般包括导电金属板。可以例如通过溅射或者蒸发来沉积用于形成感测元件的金属层，并且一般使用光刻来进行图案化。之后，设置306覆盖感测元件102的以介电材料形式的第一层104。在介电层104中，形成308例如根据前述构型中的任何构型的凹部106。可以通过湿式或干式蚀刻形成凹部。在最后的步骤310中，以疏水性涂层形式设置第二层108。

图4是感测设备的横截面的示意图，其中，第二层402基本上比图1所示较厚。通过使用更厚的第二层402，可以设置平面的感测表面。

假设衬底是硅衬底并且在制造方法中使用常规材料。因此，沉积并且图案化金属层和介电层的方法步骤对本领域的技术人员而言是全部已知的，并且因此不进一步详细描述。

即使已参照本发明的具体示例实施方式描述了本发明，但是许多不同的变化、修改等对本领域的技术人员而言将是明显的。此外，应当注意可以以各种方式省略、交换或布置系统的各部分，感测设备还能够执行本发明的功能。

另外，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解并且实现所公开的实施方式的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“a”或“an”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (15)

1.一种指纹感测设备，包括：

感测元件的阵列，所述感测元件中的每个感测元件被配置成提供指示所述感测元件与放置在所述指纹感测设备的表面上的手指之间的电磁耦合的信号；

被布置成覆盖所述感测元件的阵列的第一介电层，所述第一介电层在所述第一介电层的顶表面处包括多个凹部，所述凹部以下述方式跨所述感测元件的阵列分布：所述凹部中的相邻凹部之间的间隔小于400μm；以及

在所述凹部中以及所述凹部之间被布置在所述第一介电层的所述顶表面上的顶疏水性层，以提供所述感测设备的所述手指放置在上面的所述表面，使得当所述顶疏水性层通过使用所述指纹感测设备而被磨掉时，疏水性材料仍存在于所述凹部中，在所述凹部中，所述疏水性材料被保护而免受磨损和撕扯。

2.根据权利要求1所述的指纹感测设备，其中，所述第一介电层比所述顶疏水性层更耐磨。

3.根据权利要求1或2所述的指纹感测设备，其中，所述顶疏水性层的厚度小于所述凹部中的每个凹部的最大深度。

4.根据权利要求1或2所述的指纹感测设备，其中，所述凹部中的每个的深度为至少5μm。

5.根据权利要求1或2所述的指纹感测设备，其中，所述凹部中的每个部分地通过所述第一介电层延伸而没有穿透所述第一介电层。

6.根据权利要求1或2所述的指纹感测设备，其中，所述第一介电层的厚度为至少50μm。

7.根据权利要求1或2所述的指纹感测设备，其中，所述凹部中的每个在与所述指纹感测设备的所述手指放置在上面的所述表面平行的平面中具有基本圆形的横截面。

8.根据权利要求1或2所述的感测设备，其中，以多个延长的槽的形式设置所述凹部，每个槽至少延伸与所述感测元件中的一个感测元件的边对应的距离。

9.根据权利要求1或2所述的感测设备，其中，所述凹部被布置成与所述感测元件中的相邻感测元件之间的边界对准。

10.根据权利要求9所述的感测设备，其中，所述凹部被设置为跨所述指纹感测设备延伸的连续槽的网格，所述槽与所述感测元件之间的边界对准。

11.根据权利要求1或2所述的感测设备，其中，所述凹部中的每个凹部的最小宽度为至少10μm。

12.根据权利要求1或2所述的感测设备，其中，所述顶疏水性层附加地具有疏油性表面属性。

13.根据权利要求1或2所述的感测设备，其中，所述顶疏水性层的厚度小于100nm。

14.一种用于制造指纹感测设备的方法，所述方法包括：

设置衬底，所述衬底在所述衬底的顶表面上包括多个感测元件；

在所述衬底的所述顶表面上设置第一介电层以覆盖所述感测元件；

在所述第一介电层中形成多个凹部，所述凹部以下述方式跨所述感测元件的阵列分布：所述凹部中的相邻凹部之间的间隔小于400μm；以及

在所述凹部中以及所述凹部之间在所述第一介电层上设置顶疏水性层。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过从所述第一介电层去除材料来形成所述凹部。