CN105431865A - 表面传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量有机组织的物体表面的结构和特性的传感器单元，特别是指纹传感器，传感器包括：接触表面，其适合于与所述物体具有机械接触；第一介电层，其由具有选定厚度的介电材料制成；第一导体层，其包括至少一个屏蔽电极，该屏蔽电极基本上覆盖所述介电层的面向所述接触表面的区域，该至少一个屏蔽电极围绕至少一个基本上不导电的孔(14、15)，该孔界定具有预定尺寸的感测区段；第二导体层(11)，其通过所述第一介电层与所述第一导体层分离，并包括多个导电线，该多个导电线至少部分地在所述至少一个孔下面延伸，并具有基本上的方向。

Description

表面传感器

本发明涉及用于检测有机组织或其表面的结构和特性的传感器，特别地涉及指纹传感器，其包括用于电耦合和机械耦合至手指表面以及其组织的在选定位置的选定数量的传感器电极，该传感器电极具有的大小类似于手指组织或表面的结构、特征或特性的大小。

近年来，生物测定技术，且特别是指纹传感器已经变得普遍用于人的身份的验证，例如，在出入境管制处、在机场，以及常见于例如笔记本电脑、手机、卡、平板电脑等个人设备。本解决方案仍然具有多个缺点。用在机场和出入境管制中的指纹传感器对于许多应用而言过大且过于昂贵，在便携式设备中可见的更小的传感器通常是基于有限的鲁棒性、设计灵活性以及挑战性的电子互连的解决方案的硅。用于这样的传感器的传统的硅生产技术通常导致用于干扰设备的物理手指接口的电互连特征的解决方案。传感器通常实现凹进的安装在用户应用中，以改善这些缺点，但相对于美学设计与防止灰尘与水分可能不是最优的解决方案。传感器的大小(体积与面积两者)连同硅的刚性特性，显著限制在例如智能卡的薄且柔软的应用中集成指纹设备的可行性。

US7251351中描述了一种指纹传感器，该指纹传感器可以平齐安装至与其内安装有该指纹传感器的产品的表面相同的平面中，在该指纹传感器中，一组第一电极/传感器元件被定位在绝缘基板的设置有贯通基板通路导体(through-substrate-viaconductor)的一侧上。该基板可以由玻璃、陶瓷或其它绝缘材料制成。在国际专利申请WO2011/080262中，讨论了基于柔性材料的低成本生产的类似的解决方案。已知的手指传感器还在US2009/0252385与US7099496中进行描述，其中手指表面的特征通过在多个线端部与在距该线端部一定距离处延伸的电极之间的场的效果进行测量。该电极可以定位在介电材料之上或之下。由于该解决方案取决于从线端部延伸至垂直驱动电极的径向的边缘场(fringingfield)且该解决方案在电极的定位中还需要较高的精度，这个解决方案具有有限的分辨率。已知领域的另一个示例呈现在US8224044中，其中电路定位在基板的与手指表面相对的侧上。这提供简单的制造，但以分辨率为代价。

因此本发明的目的是提供通过良好建立的、高容量、低成本制造过程以高分辨率实现的低成本指纹传感器。这通过上面陈述的具有独立权利要求中描述的特征的指纹传感器实现。

通过这种方式获得传感器，其中传感器的分辨率取决于线的宽度与延伸到孔中的线的长度，该孔在介电层的相对侧上界定在该线之上的导电层中。在优选的实施方案中，线横跨该孔的宽度延伸，每个线的感测区域因此是线的宽度和孔的宽度的直接函数。在传感器单元的生产过程中，孔与线的精确定位不是关键的，因为测量取决于孔和线的宽度，因此，生产公差的要求可以降低，从而降低生产成本。由于在介电的一侧上的孔与在介电的另一侧上的线的定位可以被以相对较大的公差制造，因此传感器单元可以被低成本制成，而不用降低传感器的分辨率。

在下面的描述中，本领域技术人员应将术语“电压或电流的检测”理解成关于定位在传感器的电极之上的组织或其表面的相关的电容、阻抗、电磁场、指纹或其它生物测定的、物理的、生理的、热的或光的或特征或特性的信息的检测和收集方法。而且，除非特别提及，术语耦合应理解为包括两个部分之间的直接电接触以及由介电材料物理分离的两部分的电容耦合或感应耦合。

根据本发明的传感器单元在下面将通过参考借助于示例说明本发明的附图进行描述。

图1示出在薄箔上实施的本发明的示例性实施方案。

图2a、2b示出包括两个孔中的两个感测线的本发明的一个示例性实施方案。

图3a、3b示出包括一个孔中的两个感测线的本发明的一个示例性实施方案。

图4示出包括在基板的相同侧上实现的感测层和孔的本发明的一个示例性实施方案的横截面。处理电路安装在与感测层与孔层的相同侧上。

图5示出包括在基板的相同侧上实现的感测层和孔的本发明的一个示例性实施方案的横截面。处理电路安装在感测层与孔层的相对侧上。

图6示出包括在叠层过程中实现的感测层和孔的本发明的一个示例性实施方案的横截面。

图7示出包括在基板的一部分中实现的感测层和孔的本发明的一个示例性实施方案的横截面。为了制成包围处理电路的刚性外壳，第二基板被安装至另一侧。

如图1所示，示例性实施方案由具有感测区段2的薄箔5组成，感测区段2适合于提供电耦合到被定位在传感器之上的手指1。感测区段2优选地具有与手指的宽度相匹配的长度。在示例性实施方案中，该测量以本身已知的方式通过穿过手指1在驱动电极3与感测区域之间施加变化的电压进行。感测区域与驱动电极两者都耦合至ASIC4，ASIC4适合于提供基于检测的电压或电流测量指纹的阻抗的装置，且因此按时间序列提供指纹1的图案的二维表示。箔片还可以设置有接口触点6，例如，设置在箔片的使用标准连接器装置的一端处。

图2a与2b示出传感器单元的示例性实施方案的感测区段的细节，其中，图2a例示屏蔽和线电极的布局，而图2b例示传感器单元沿导电线的方向的横截面。耦合至ASIC4的处理单元的第一数量的传感器线11定位在介电层12的一侧上。屏蔽电极16定位在介电层的另一侧上，屏蔽电极界定在传感器线11之上的长形孔14。该屏蔽电极被第一介电层(未示出)覆盖，第一介电层组成用于手指的接触表面，该第一介电层提供在屏蔽电极与手指表面之间的绝缘层。另外，传感器单元设置有耦合至如上面所述的处理单元4的至少一个驱动电极17。因此，产生的电场在驱动电极17穿过手指与孔至传感器线11之间延伸。通过这种方式，与每个传感器线有关的每个传感器区域的大小由线11的呈现在孔14内的部分的宽度与长度界定。

这解决了在第一介电层的不同侧面上的第一导体层与第二导体层的对齐的问题，因为孔的精确定位不是关键的，只要宽度和方向被良好地界定。

如图2a与图2b所示，示例性传感器单元包括两组感测线11、13，每组在单独的孔中，所有的感测线耦合至处理单元4。因此，传感器单元包括两个平行的传感器区段14、15，如从US7110577已知的，在触击传感器(swipesensor)中区域14、15可以被用于测量在传感器之上的手指的运动。在另一个示例性实施方案中，感测线与孔的数量可以增加以提供因此包括在多个感测线之上的多个孔和例如使用用于获得读数的多路传输技术的二维传感器矩阵。

相比于孔外部的区域，在孔14、15中的介电箔片材料12可以具有减小的厚度，或可以被完全移除，或可以填充具有选定的特征的另一种材料(取决于传感器单元所需要的特征，例如阻抗)。

在图2a和图2b中的示例性实施方案可以在例如由聚酰亚胺制成的介电箔片上生产，其中，两个孔各具有130μm的宽度，且由150μm的箔片材料分开。每个线具有的宽度为20至50μm。如果传感器在更厚的载体基板的单侧上制成，在传感器线与孔之间的距离可以基本上更小，在0.1至10μm的范围中。

在图3a与图3b中示出简化的示例性实施方案，其中，设置有单个孔24，且感测线延伸预定的长度至孔中，且每个线的感测区域由进入到孔中的线的长度以及每个线的宽度界定。根据线层与孔层之间的对齐，在孔内的线的长度可以在+/-25μm的范围内变化。

本发明主要涉及用于测量有机组织的物体的表面的结构和特性的传感器单元，特别涉及指纹传感器，其中，在一个示例性实施方案中，物体以选定的方向滑过传感器单元。在其它的示例性实施方案中，物体可以静止或涂擦在传感器之上。传感器单元具有接触表面，该接触表面适合于与所述物体具有机械接触。这个接触表面将优选地是保护单元的其余部分的介电层，但还可以包括在物体与例如驱动电极(未示出)之间提供电流耦合的区域。

该单元由具有选定厚度的介电材料制成的第一介电层构成。第一导体层设置在介电层的面向接触表面的一侧上，其中，第一导体层包括至少一个屏蔽电极，该屏蔽电极基本上覆盖所述介电层的面向所述接触表面的区域。该屏蔽电极界定具有预定尺寸的非导电孔，基本上围绕该孔。在一个示例性实施方案中，该孔基本上是线性的，且该线性孔的方向基本上垂直于预定的滑动方向。在第一导体层中的屏蔽电极中的开口可以例如在提供介电接触表面的过程中填充介电材料。

传感器单元还包括通过所述第一介电层与所述第一导体层分开的第二导体层，第二导体层包括至少部分地在所述至少一个孔以下延伸的多个导电线。该线优选地在孔之下的区域中在基本上线性的方向上延伸，该方向基本上垂直于由该孔界定的所述线性感测区段，每个线具有预定的宽度。如上面讨论的，根据应用，该线可以横跨由该孔界定的区域延伸或部分延伸进入到由该孔界定的区域中，其中在第一种情况中，相关的感测区域由孔的宽度和线的宽度界定，而在后一种情况中，相关的感测区域由延伸长度和线的宽度界定。

通过这种方式，与每个线相关的感测区域被感测区域中的线的宽度以及在感测区段中延伸的每个线的长度界定。

每个线耦合至处理单元，所述处理单元还耦合至至少一个驱动电极，该至少一个驱动电极被定位成以便耦合至所述物体表面，且以便在驱动电极与所述感测区段中的所述线之间施加变化的电压。为了绝缘，第二介电层可以被设置在线以下，取决于预期的用途，第二介电层可以由刚性材料或柔性材料制成。为了增加处理电路中存在有限数量的通道时的分辨率，每个第二传感器元件可以连接至地面或固定电位。

线可以通过数种不同的实施方案耦合至处理器。根据一个实施方案，线如导体沿介电层在横向方向上以与WO2011/080262中类似的方式延伸，因此制成柔性传感器单元，在该传感器单元中，导体被引导通过柔性基板且可能在横向方向上延伸。涉及刚性基板的对应的解决方案在US7251351、US7848550以及WO2010/023323中进行讨论，其中，导体穿过基板延伸至另一侧上的处理器位置。如WO2003/049012中公开的，处理器还可以在导体的与感测区段相同侧上定位在距离感测区段一定的距离处。处理器还可以电耦合至用于与外部装备进行通信的接口装置。

如附图中所示的，传感器单元可以包括两个孔，每个孔代表一感测区段，且每个孔包括界定所述感测区段中的感测区域的线。可选择地，在线从相对侧部分地延伸至孔中时，仅使用一个孔获得两个感测区段。延伸长度与线的宽度然后将界定每个感测区域。在两种情况下，可以获得两组传感器，该两组传感器可以提供用于测量传感器之上的物体的有效性的装置。在另一个示例性实施方案中，感测线与孔的数量可以增加以提供二维传感器矩阵。

在一个示例性实施方案中的处理单元适合于测量按时间序列在各个的传感器区域中的特征，并基于在各个测量区域中的测量时间上的测量差值计算在传感器单元之上移动的表面的运动。在另一个示例性实施方案中，处理单元适合于通过使用多路传输技术测量各个传感器区域。

相比于围绕的区域，在孔(多个孔)中的第一介电层可以具有减小的厚度以调整该单元的阻抗。在孔中的介电材料被完全移除的情况下，线优选地被基板层支撑。

驱动电极由所述第一导体层的部分组成，驱动电极与所述屏蔽电极电绝缘，且穿过中间介电层电耦合至所述表面或以与物体直接电流接触地电耦合至所述表面。驱动电极穿过介电层或在介电层的外部耦合至处理器。

为了提供柔性传感器，第一介电层可以由例如聚酰亚胺的柔性材料制成。可选择地，为了提供刚性传感器，第一介质层可以由SiO₂制成或优选地由FR_4制成。

本发明还涉及由孔和具有相对于该孔的垂直方向的线组成的一个传感器元件的功能。更具体地，传感器元件被设置用于测量物体的表面阻抗。该传感器元件耦合至测量单元，该测量单元耦合至阻抗测量装置，该阻抗测量装置用于将变化的电压施加至驱动电极与传感器元件之间的物体。传感器元件包括具有介电开口的第一导体层、将第一导体层与第二导体层分离的介电层、包括至少部分地邻近所述开口延伸的线性导体的第二导体层，该线性导体耦合至所述阻抗测量装置。

根据图4中描述的可选择的实施方案，感测层11与孔层16(为简单起见，孔层中只有一个开口被画出，且该层至处理单元的耦合未示出)被放置在基板20的相同侧上。存在用于对两个导电层进行隔离的一个介电层12，且另外地，可存在用于对孔层进行机械保护和电隔离的保护性介电层22。保护性介电层22可以包括类金刚石涂层(DLC)或类似物。当可能时，类似的保护性介电层还可以被用在基板的相对侧上，例如，像示出在图4中的实施方案中或示出在图5以及图6中设置有用于接触垫26的开口的实施方案中。

处理电路23耦合在基板20的相同侧上，基板20耦合至感测导体11。这个解决方案自然地用于单侧处理技术(one-sidedprocessingtechniques)，无穿过基板的可能性。由于传感器的进一步的集成，该解决方案还可以是优选的。

I/O触点的示例被示出为24，其被放置在与感测电极相同的侧上。为了处理穿过基板的可能性，I/O触点还可以被放置在背侧上。

在图5中描述的本发明的可选择的实施方案示出了放置在基板20的一侧上的感测层11和孔层16，以及放置在另一侧上的处理单元23。取决于所要求的基板的特征，这可以在其中存在穿过基板的可能性的过程中实现，例如，US7251351、WO2010/023323或WO2011/080262中所描述的。为了利用进一步的功能，或者如果需要另外的层来实现所要求的布线，可以在基板的一侧或两侧上实现多个传导再分布层。

在示于图6中的本发明的可选择的实施方案中，示出在多层过程中的实现。基板在数个层的建立中实现，数个层包括导电层25，导电层25用于为导体布线并穿过通过绝缘层的导体朝向用于耦合至处理器的耦合垫26。感测层11与孔层16放置在最靠近手指10的层中，可以通过保护性层22与手指分离。一个或多个另外的层被添加以使得布线可能进入处理电路(未示出)，以增加功能或使得进一步的集成是可能的。

示出本发明的封装概念的可选择的实施方案示出在图7中。基板20的背侧上的围绕耦合至传感器垫26的处理电路23的结构29还提供有通过该结构的背侧上的传感器基板20实现耦合来自导体27的IO信号的可能性。目的是为了具有平坦的背侧以容易操作和至耦合装置28的安装。存在数种已知的方法制造这样的封装。一种方法是通过PCB技术制成框架(FR-4或其它材料)。然后，该PCB框架可装配到处于单个条或板的形式的感测基板、装配至传感器基板。如果I/O连接支撑在传感器基板与框架之间，该连接可以通过焊接、ACF(各向异性导电膜)或其它连接技术进行。这种实现的优点是利用适用于全球的在EMS(电子制造服务)设施处常见的SMT装配方法。制造具有这样的形状系数的封装的第二种方法是圆片级扇出(WLFO)封装，其中该ASIC圆片晶粒以圆片形式散布且框架由塑料模塑材料制成。感测层在塑料顶部被加工。这种方法是由OSAT(OutsourcedSemiconductorAssemblyandTest)公司提供的高容量先进封装方法。该工艺是高度自动化的且具有成本较低的能力。制造具有这样的形状系数的封装的第三种可能的方法是使用用于将硅晶片(处理电路)嵌入到PCB工艺中的技术。该技术主要由先进的PCB生产基地提供，且该技术基于强调低材料成本和大面板尺寸的层压工艺，因此能够实现低成本。

Claims (17)

1.用于测量有机组织的物体的结构和特性的传感器单元，特别是指纹传感器，所述传感器包括

-接触表面，其适合于与所述物体具有机械接触，

-第一介电层，其由具有选定厚度的介电材料制成，

-第一导体层，其包括至少一个屏蔽电极，所述屏蔽电极基本上覆盖所述介电层的面向所述接触表面的区域，所述至少一个屏蔽电极围绕至少一个基本上不导电的孔，所述至少一个基本上不导电的孔界定具有预定尺寸的感测区段，和

-第二导体层，其通过所述第一介电层与所述第一导体层分离且包括多个导电线，所述多个导电线至少部分地在所述至少一个孔下面延伸且具有基本上垂直于所述感测区段的方向，每个线具有预定的宽度，

-其中，与每个线相关的感测区域通过所述线的延伸到所述感测区段中的部分的宽度和长度界定。

2.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，每个线耦合至处理单元，所述处理单元还耦合至至少一个驱动电极，所述驱动电极被定位成以便电流耦合至所述物体表面或电容耦合至所述物体表面，且以便在所述驱动电极与所述感测区段中的所述线之间施加变化的电压。

3.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述至少一个孔界定基本上线性的感测区段。

4.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述线横跨所述感测区段的宽度延伸。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器单元，包括至少两个孔，每个孔代表一感测区段，且每个孔包括在所述感测区段中界定感测区域的线。

6.根据权利要求5所述的包括处理单元的传感器单元，其中，所述处理单元适合于按时间序列测量在各个传感器区域中的特征，并计算在所述传感器单元之上移动的表面的运动。

7.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述线延伸选定的长度至所述孔中，因此，延伸长度和线的宽度界定所述感测区域。

8.根据权利要求3所述的传感器单元，包括延伸小于所述孔的宽度的一半的距离至所述孔中的线，所述单元包括在横跨所述孔的宽度的方向上从所述孔的两侧延伸的线，因此在所述孔内界定两个线性感测单元。

9.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，在所述至少一个孔之下的所述第一介电层至少部分地包含具有减小的厚度的介电材料。

10.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，在所述至少一个孔之下的所述第一介电层被完全移除。

11.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述驱动电极由所述第一导体层的一部分组成，所述驱动电极与所述屏蔽电极电绝缘并电耦合至所述表面。

12.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述介电层由例如聚酰亚胺的柔性材料制成。

13.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述介电层由例如FR_4的刚性材料制成。

14.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述接触表面包括绝缘层，所述绝缘层覆盖所述第一导体层。

15.根据权利要求1所述的传感器单元，包括第二介电层，所述第二介电层通过所述第二导体层与所述第一介电层分离。

16.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述处理器电耦合至用于与外部装备进行通信的接口装置。

17.用于测量物体的表面阻抗的传感器元件，所述传感器元件耦合至测量单元，所述测量单元耦合至阻抗测量装置，用于将变化的电压在驱动电极与所述传感器元件之间施加至所述物体，所述传感器元件包括第一导体层、介电层，所述第一导体层具有介电开口，所述介电层将所述第一导体层与第二导体层分离，所述第二导体层包括线性导体，所述线性导体至少部分地邻近所述开口延伸，所述线性导体耦合至所述阻抗测量装置。