CN108985280A - 超声波指纹传感器及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波指纹传感器及其制备方法、应用。制备方法为:在基材的上表面刻蚀出一个凹槽阵列，在所述基材的上表面涂布干膜或湿膜；在所述干膜或湿膜上制备通孔阵列，所述通孔阵列的分布与所述凹槽阵列一致，之后固化所述干膜或湿膜，形成牺牲层；在所述固化之后，向所述凹槽和所述通孔中注入压电陶瓷粉或压电陶瓷浆料，之后烧结成压电陶瓷体，形成压电陶瓷柱阵列；按照产品的要求，在所述压电陶瓷柱阵列的空隙中注入预设的高分子材料，并固化；之后去除基材，在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面分别制作电极，得到产品。本发明的方法具有高产量、高良率以及适用范围广等优点。

Description

超声波指纹传感器及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及声电技术领域，尤其是涉及超声波指纹传感器及其制备方法、应用。

背景技术

指纹传感器(又称指纹Sensor)是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频RF传感器等。其中超声波传感器因具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点而得到广泛应用。

超声波指纹传感器的工作原理是：施加一定频率的交流电压信号到压电传感器，会产生超声波。超声波穿透各介质层到达手指表面后，手指表面的脊和谷会反射超声波信号，反射回的超声波信号再被压电传感器接收并转换为电信号输出。经脊和谷反射回压电传感器产生的不同电信号被算法解析后可形成指纹图像。

现有的超声波指纹识别传感器制备工艺比较复杂，首先需要用MEMS工艺制备一块压电薄膜硅片，在此硅片上有压电薄膜传感器阵列；同时需要用CMOS工艺制备一块具有信号传输线路的硅片；然后将两块硅片贴合在一起；再将压电薄膜传感器阵列切割成单独的一个个压电薄膜传感器。以上工艺的难点在于：因为两块硅片是单独制备，不可避免的存在工艺误差，所以难以将两块硅片上的传感器与信号传输线路准确贴合在一起，所以采用此技术路线制备的压电薄膜传感器的产量小，良率低，成本较高。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种超声波指纹传感器的制备方法，该制备方法具有高产量、高良率以及适用范围广等优点。

本发明的第二目的在于用此制备方法制作的一种超声波指纹传感器，该传感器具有结构简单、感应灵敏等优点。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

超声波指纹传感器的制备方法，包括下列步骤:

在基材的上表面刻蚀出一个凹槽阵列，在所述基材的上表面涂布干膜或湿膜；

在所述干膜或湿膜上制备通孔阵列，所述通孔阵列的分布与所述凹槽阵列一致，之后固化所述干膜或湿膜，形成牺牲层；

在所述固化之后，向所述凹槽和所述通孔中注入压电陶瓷粉或压电陶瓷浆料，之后烧结成压电陶瓷体，形成压电陶瓷柱阵列；

按照产品的要求，在所述压电陶瓷柱阵列的空隙中注入预设的高分子材料，并固化；之后去除基材，在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面分别制作电极，得到产品。

在以上方法中，烧结压电陶瓷的过程牺牲层会气化消失。

以上制备方法采用在一块单独基材上先烧结压电陶瓷阵列、后填充高分子材料、最后贴合电极的路线制作超声波指纹传感器，有别于传统的先单独两块硅片、后贴合硅片的路线，因此本发明可以达到以下技术效果：

1、避免了无法准确贴合导致的产品良率低的问题；

2、工艺对基材、干膜/湿膜等模具的面积没有任何要求，既适合大批量生产，又容易实现标准化操作，因此可以极大提高产量和产率；

3、基材中预先刻蚀的凹槽对压电陶瓷柱阵列具有保护、支撑作用，避免压电陶瓷在烧结过程中坍塌，进一步提高了产品质量。

综上，本发明的制备方法采用巧妙的生产路线解决了现有技术产率低、良率低、成本高的技术问题，为压电陶瓷更广泛的应用提供了有力技术支撑。

此外，以上制备方法还可以从其他方面改进，具体如下。

优选地，所述基材为硅片、碳化硅、氮化硅、金属、陶瓷、玻璃、高分子均可，优选硅片。

由于基材的主要作用是刻蚀出凹槽，为成品中的压电陶瓷柱阵列提供“地基”，避免烧结过程中的坍塌，因此要求基材具有容易刻蚀、耐烧结温度、与压电陶瓷不反应等特性。鉴于此，优选硅片、碳化硅或氮化硅等基材，尤其是硅片，硅片的加工难度低，适用范围广。

优选地，在所述注入压电陶瓷粉或压电陶瓷浆料之后和所述烧结之前还包括：

将与所述压电陶瓷柱接触面处的牺牲层去除，形成一层空气间隙层，将金属氧化物粉填入所述空气间隙层。

在烧结后，牺牲层气化，隔离粉会自动脱落，清除后即可进行后续工序。

该方案的目的在于为压电陶瓷柱提供了另一层支撑，即在压电陶瓷柱的左右两侧用隔离粉(即金属氧化物粉)将其与牺牲层隔离开，以免在去除牺牲层的过程中对压电陶瓷柱造成损害。

综上，该方案对压电陶瓷柱提供了双重保护，即在硅片孔和金属氧化物隔离粉的双重保护下，压电陶瓷粉在被烧结成压电陶瓷柱的过程中不会倒塌，可以形成形状规则的压电陶瓷柱阵列。

优选地，所述金属氧化物粉为氧化铝、氧化锆或氧化钛等高温金属氧化物粉末。

由于金属氧化粉的作用是隔离压电陶瓷与牺牲层，因此要求其不与压电陶瓷及牺牲层反应，且在烧结过程中不结块，因此通常选用耐高温的金属氧化物，例如氧化铝、氧化锆或氧化钛。

优选地，所述制作电极的方法为：

在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面各做一层电极。

优选地，所述高分子材料为环氧树脂、硅胶等各类高分子聚合物材料·

本发明上文所有方案制备的超声波指纹传感器，具有以下结构特点：

所述超声波指纹传感器包括压电陶瓷柱阵列，在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面分别贴合有电极；

电极的贴合方式是：在所述压电陶瓷柱阵列的上表面贴合有与所述压电陶瓷柱相连的电极，在所述压电陶瓷柱阵列的下表面贴合有与所述压电陶瓷柱相连的电极。

本发明所提供的超声波指纹传感器主要用于采集指纹，当然也可用于其他待开发的领域。

综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

(1)本发明所提供的超声波指纹传感器为柱状，其制备方法具有高产量、高良率以及适用范围广等优点；

(2)相比现有同功能的产品，本发明的传感器质量更高，适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的硅片开槽后的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的刻蚀通孔后的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的注入压电陶瓷后的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的超声波指纹传感器的结构示意图；

附图标记：

1-硅片，2-凹槽，3-牺牲层，4-通孔，5-压电陶瓷柱，6-上电极，7-下电极。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下实施例的超声波指纹传感器的结构为：所述超声波指纹传感器包括压电陶瓷柱阵列，在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面分别贴合有电极；电极的贴合方式是：在所述压电陶瓷柱阵列的上表面贴合有与所述压电陶瓷柱相连的电极，在所述压电陶瓷柱阵列的下表面贴合有与所述压电陶瓷柱相连的电极。

其制备方法的基本流程为：

在基材的上表面刻蚀出一个凹槽阵列，在所述基材的上表面涂布干膜或湿膜；

在所述干膜或湿膜上制备通孔阵列，所述通孔阵列的分布与所述凹槽阵列一致，之后固化所述干膜或湿膜，形成牺牲层；

在所述固化之后，向所述凹槽和所述通孔中注入压电陶瓷粉或压电陶瓷浆料，之后烧结成压电陶瓷体，形成压电陶瓷柱阵列；

按照产品的要求，在所述压电陶瓷柱阵列的空隙中注入预设的高分子材料，并固化；之后去除基材，在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面分别制作电极，得到产品。

以上制备方法采用先烧结压电陶瓷阵列、后填充高分子材料、最后贴合电极的路线制作超声波指纹传感器，有别于传统的先单独两块硅片、后贴合硅片的路线，因此本发明可以达到以下技术效果：

1、避免了无法准确贴合导致的产品良率低的问题；

2、工艺对基材、干膜/湿膜等模具的面积没有任何要求，既适合大批量生产，又容易实现标准化操作，因此可以极大提高产量和产率；

3、基材中预先刻蚀的凹槽对压电陶瓷柱阵列具有保护、支撑作用，避免压电陶瓷在烧结过程中坍塌，进一步提高了产品质量。

综上，本发明的制备方法采用巧妙的生产路线解决了现有技术产率低、良率低、成本高的技术问题，为压电陶瓷更广泛的应用提供了有力技术支撑。

此外，不同实施方式还改进了其他方面，例如以下优选方案。

优选地，所述基材为硅片、碳化硅、氮化硅、金属、陶瓷、玻璃、高分子均可，优选硅片。

由于基材的主要作用是刻蚀出凹槽，为成品中的压电陶瓷柱阵列提供“地基”，避免烧结过程中的坍塌，因此要求基材具有容易刻蚀、耐烧结温度、与压电陶瓷不反应等特性。鉴于此，优选硅片、碳化硅或氮化硅等基材，尤其是硅片，硅片的加工难度低，适用范围广。

优选地，在所述注入压电陶瓷粉或压电陶瓷浆料之后和所述烧结之前还包括：

将与所述压电陶瓷柱接触面处的牺牲层去除，形成一层空气间隙层，将金属氧化物粉填入所述空气间隙层。

在烧结后，牺牲层气化，隔离粉会自动脱落，清除后即可进行后续工序。

该方案的目的在于为压电陶瓷柱提供了另一层支撑，即在压电陶瓷柱的左右两侧用隔离粉(即金属氧化物粉)将其与牺牲层隔离开，以免在去除隔离层的过程中对压电陶瓷柱造成损害。

综上，该方案对压电陶瓷柱提供了双重保护，即在硅片孔和金属氧化物隔离粉的双重保护下，压电陶瓷粉在被烧结成压电陶瓷柱的过程中不会倒塌，可以形成形状规则的压电陶瓷柱阵列。

优选地，所述金属氧化物粉为氧化铝、氧化锆或氧化钛等高温金属氧化物粉末。

由于金属氧化粉的作用是隔离压电陶瓷与牺牲层，因此要求其不与压电陶瓷及牺牲层反应，且在烧结过程中不结块，因此通常选用耐高温的金属氧化物，例如氧化铝、氧化锆或氧化钛。

优选地，所述制作电极的方法为：

在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面各做一层电极，上电极与压电陶瓷柱相连，下电极与压电陶瓷柱相连。

优选地，所述高分子材料为环氧树脂、硅胶等各类高分子聚合物材料。

实施例1

第一步、

准备硅片1，首先采用蚀刻工艺在硅片上蚀刻出一个凹槽2阵列，如图1所示；然后覆压或喷涂一层干膜或湿膜在硅片表面，并制备形成通孔4阵列(通孔贯穿干膜或者湿膜)，并且保持图形和硅片图形一致，再加热使干膜或湿膜固化形成牺牲层3，如图2所示。

第二步、

将事先制备好的压电陶瓷粉或者压电陶瓷浆料注射进入牺牲层通孔4中，如图3所示。之后用蚀刻工艺将与压电陶瓷接触面处的牺牲层去除，形成一层空气间隙层，并将高熔点金属氧化物隔离粉填入空气间隙层进行最终烧结。在最终烧结过程中，牺牲层在高温下逐渐气化。而在硅片孔和金属氧化物隔离粉的双重保护下，压电陶瓷粉在被烧结成压电陶瓷柱的过程中不会倒塌，可以形成压电陶瓷柱5阵列。

第三步、

将高分子材料灌入压电陶瓷阵列当中并且固化，采用化学机械抛光的方式将硅片正反面同时研磨，可将压电陶瓷柱加工成需要的尺寸(底部硅片必须被全部蚀刻掉)。

第四步、

最后在压电陶瓷柱5阵列的上下表面各做一层电极，上电极6与压电陶瓷相连，下电极7与压电陶瓷相连，此时完成压电陶瓷传感器的制备，如图4所示。

以上传感器为收发一体型，施加一定频率的交流电压信号到压电传感器，会产生超声波。超声波穿透各介质层到达手指表面后，手指表面的脊和谷会反射超声波信号，反射回的超声波信号再被压电传感器接收并转换为电信号输出。经脊和谷反射回压电传感器产生的不同电信号被算法解析后可形成指纹图像。经统计，以上实施例制作的产品良率达到99.9％以上。

以上实施例所用的硅片、金属氧化物隔离粉可替换为其他材料，例如硅片可替换为碳化硅、氮化硅、金属、陶瓷、玻璃、高分子等，金属氧化物可选用氧化铝、氧化锆或氧化钛等。

另外，根据用材料的不同，工艺手段也可以适应性改变，例如制作通孔阵列时可采用冲压、模压或模切等工艺代替刻蚀。

根据传感器的应用领域选择压电陶瓷柱阵列填充的高分子材料，例如环氧树脂或硅胶。

硅片上凹槽的的尺寸是可以任意选择的，通常根据压电陶瓷柱阵列的尺寸、分布、密度等因素而定。

压电陶瓷柱阵列的尺寸以及分布规则则根据产品需求而定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.超声波指纹传感器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤:

在基材的上表面刻蚀出一个凹槽阵列，在所述基材的上表面涂布干膜或湿膜；

在所述干膜或湿膜上制备通孔阵列，所述通孔阵列的分布与所述凹槽阵列一致，之后固化所述干膜或湿膜，形成牺牲层；

在所述固化之后，向所述凹槽和所述通孔中注入压电陶瓷粉或压电陶瓷浆料，之后烧结成压电陶瓷体，形成压电陶瓷柱阵列；

按照产品的要求，在所述压电陶瓷柱阵列的空隙中注入预设的高分子材料，并固化；之后去除基材，在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面分别制作电极，得到产品。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基材为硅片、碳化硅、氮化硅、金属、陶瓷、玻璃或高分子树脂，优选硅片。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述通孔阵列通过蚀刻、冲压、模压或模切工艺制备。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述注入压电陶瓷粉或压电陶瓷浆料之后和所述烧结之前还包括：

将与所述压电陶瓷柱接触面处的牺牲层去除，形成空气间隙层，将金属氧化物粉填入所述空气间隙层。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物粉为氧化铝、氧化锆或氧化钛等高温金属氧化物粉末。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制作电极的方法为：

在所述压电陶瓷柱阵列的上下表面各做一层电极。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子材料为环氧树脂或硅胶。

8.超声波指纹传感器，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。

9.根据权利要求8所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述超声波指纹传感器包括压电陶瓷柱阵列，在所述压电陶瓷柱阵列的上表面贴合有与所述压电陶瓷柱相连的电极，在所述压电陶瓷柱阵列的下表面贴合有与所述压电陶瓷柱相连的电极。

10.权利要求8或9所述的超声波指纹传感器的采集指纹的应用。