CN109643364A - 包括无源像素矩阵的有源热图案传感器 - Google Patents

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Abstract

包括多个像素(102)行和像素列的矩阵的热图案传感器(100)，每个像素包括：包括位于下电极(112)与上电极(130)之间的热电部的热电电容，其中，这些电极中的第一电极形成读取电极；以及能够加热所述像素的热电部的加热元件(130)；对于每个像素行，加热元件能够独立于其他像素行中像素的加热元件来对所述像素行中像素的热电部进行加热，并且对于每个像素列，每个像素的读取电极彼此电链接并且由第一导电部(112)形成，该第一导电部与所述像素列的像素的热电部相接触并与其他像素列的像素的第一导电部相隔开。

Description

包括无源像素矩阵的有源热图案传感器
技术领域
本发明涉及一种诸如指纹传感器的热图案传感器，该热图案传感器执行有源热检测并且包括无源像素矩阵。
背景技术
指纹传感器包括热检测装置。这些热检测装置可以对应于热电元件、二极管、热敏电阻、或能够将温度变化转换为电位或电流的变化的任何其他温度敏感元件。
如文献US 4394773、US 4429413和US 6289114中所述，可以通过利用手指与传感器之间的温差的所谓的“无源”传感器来执行指纹检测。但是，这些传感器具有仅依赖于手指与传感器之间的温差来进行测量的缺点。因此，当手指和传感器处于相同温度时(例如，当手指在传感器上保持某一时长时)，可能出现所获得的信号电平为零，或者可能出现所捕获图像的对比度变化，从而在后期图像处理时出现问题。
为了消除无源热传感器引起的问题，特别是在手指不移动的静态采集的情况下，已经例如在文献US 6091837和EP 2385486A1中提出了所谓的“有源”指纹传感器。在这样的传感器中，每个像素包括由其间布置有热电材料部的两个导电电极形成的热电电容以及加热元件。加热元件在像素中耗散一定量的热，并且在手指出现在传感器上的情况下，在也称为积分时间的某个采集时间结束时测量像素的热量。这使得能够根据热量是被皮肤吸收(针对在指纹的脊处的像素)还是保留在像素中(针对在指纹的谷处的像素)来区分在每个像素处出现的是被检测指纹的脊还是谷。与谷处的像素相比，在皮肤吸收热量的脊处的像素最终温度较低。
首先，这种传感器使得能够测量与传感器接触的元素的发热量，也称为热容量。获得的测量值还取决于传感器与出现的元素的部分(在指纹的情况下为脊或谷)之间的热导率。
为了形成有源热传感器，该传感器的像素耦合到通常使用焦耳效应的加热元件，该加热元件从电流流过的电阻元件散热。形成像素的技术叠层中的一层最好用于形成这些加热元件。例如，如果这些导电层中的一层包括如下导电材料，则可以使用用于制造晶体管和传感器的互连的一个导电层，所述导电材料具有合适电阻率并且足以向该导电材料施加可用电压中的一种电压(例如，传感器的电源电压)以通过焦耳效应产生加热。在以下情况下尤其使用这种方法：传感器包括在玻璃衬底或塑料衬底上制造的薄膜晶体管(TFT)型晶体管。
通过形成多个行和多个列的矩阵来布置这种传感器的像素。逐行来对像素进行读取。然后，还可以使用位于每一行的最前面的晶体管来控制该行的加热元件，从而避免在每个像素中增加控制晶体管。每一行的加热元件例如在像素矩阵的一侧接地，并且在像素矩阵的另一侧连接到控制晶体管，该控制晶体管与该行像素相关联并且连接到电源以控制流过加热元件的电流，从而通过这些加热元件将焦耳效应产生的热功率注入像素中。
为了读取有源热传感器的每个像素的热电电容中出现的电荷数量的变化，每个像素包括至少一个选择晶体管，并且每个像素列中的像素的选择晶体管连接到导线，导线本身连接到读取电路。在读取一行像素期间，该行中像素的选择晶体管导通，这使得可以将该行中像素的有源节点连接到位于每个像素列的基部的读取电路。其他像素行中像素的截止的选择晶体管防止电荷从这些其他像素移位到读取电路。每个像素中也可以包括其他晶体管，特别是当像素是电压读取时以及当需要复位晶体管和电压跟随晶体管时，或者传感器还形成其中每个像素中存在晶体管以将每个像素的光电二极管连接到专用读取电路的光学传感器。
然而，在像素矩阵内存在这些晶体管表示技术限制以及制造传感器中的显著成本。
发明内容
本发明旨在提供一种有源热图案传感器，即该有源热图案传感器包括用于加热传感器中像素的元件以及无源像素矩阵，该有源热图案传感器的结构在不借助于每个像素中的晶体管的情况下能够实现对像素的读取。
为了实现该目的，本发明提出了热图案传感器，该热图案传感器包括包含多个像素列和多个像素行的矩阵的热图案传感器，每个像素至少包括：
热电电容，其由布置在下电极与上电极之间的至少一个热电材料部形成，其中，下电极和上电极中的第一电极对应于像素的读取电极；以及
加热元件，其能够在通过该像素的热电电容测量热图案期间加热所述像素的热电电容的热电材料部，
并且其中，
对于每个像素行，所述像素行中像素的加热元件能够独立于其他像素行中像素的加热元件来对所述像素行中像素的热电材料部进行加热，并且
对于每个像素列，所述像素列中每个像素的读取电极电连接在一起，并且由至少一个第一导电部形成，该至少一个第一导电部与所述像素列中像素的热电材料部相接触并与形成其他像素列的像素的读取电极的第一导电部分开。
传感器对应于制造有无源像素矩阵的有源传感器(因为包括加热像素)，也就是说，在像素内不存在晶体管。因此，传感器的制造不受限于需要在像素矩阵中制造晶体管的技术，并且可以实现如下步骤：该步骤不仅适于在诸如硅的半导体衬底或玻璃上的衬底上的制造，而且适于在例如柔性衬底上使用印刷电子技术的制造。
像素矩阵中不存在晶体管，可以简化像素矩阵的制造，并且可以将像素矩阵的制造总结为以期望的分辨率来制造平行导线网的能力。这使得使用比半导体上光刻更便宜的方法变成可能，半导体上光刻为例如那些制造印刷电路的光刻、印刷(凹版印刷、胶片印刷等)、激光成型等。形成传感器的像素的元件的不同导电部可以用足够稳定的导电墨水制造，从而不需要高性能封装。可以通过例如在简单的塑料衬底(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜)上印刷来设想以非常低的成本制造传感器。
根据本发明的传感器执行热检测并且不对应于电容型传感器，这是因为在根据本发明的传感器中，产生的热电电荷而非电容值被读取。在根据本发明的传感器中不注入电荷。
这样的传感器还具有减少其管理所需的信号数量的优点，这是因为对像素行的选择是通过逐行加热像素来进行的。
包括待由传感器检测的热图案的元素将与传感器物理接触，也就是说，在检测该热图案期间抵靠传感器布置。
对于每个像素行，所述像素行中像素的加热元件能够独立于其他像素行中像素的加热元件而被控制。
根据一个实施例，热图案传感器可以使得：
在每个像素中，下电极和上电极中的第二电极对应于像素的与加热元件相分开的偏置电极。
在每个像素行中，该像素行中像素的加热电极和偏置电极并列布置在所述像素行中像素的热电材料部之上或之下。
根据另一实施例，热图案传感器可以使得在每个像素行中，至少一个第二导电部形成所述像素行中每个像素的下电极和上电极中的第二电极和加热元件两者。
传感器还可以包括覆盖矩阵中每个像素的上电极的介电层以及布置在该介电层上的第一导电层。该第一导电层形成传感器的能够降低例如来自传感器上的指纹的电磁噪声的电磁屏蔽。
根据另一实施例，传感器可以使得：
每个像素的下电极和上电极中的第二电极由第二导电层来形成，该第二导电层为矩阵中所有像素所共用并且能够电连接至参考电位。
在每个像素行中，至少一个第二导电层可以形成像素的加热元件。
在此情况下，第二导电层形成传感器的电磁屏蔽层。
第二导电层可以布置在加热元件与读取电极之间。在此情况下，第二导电层形成该第二电极和电磁屏蔽层两者。
每个第二导电部也可以包括在每个像素中的电阻大于该第二导电部中的其余部分的电阻的部分。这样的配置是有利的，并且可以限制传感器的像素之间透热。
对于每个像素行，所述像素行中每个像素的加热元件可以电连接在一起，并且由至少一个第二导电部形成，所述至少一个第二导电部与其他像素行中加热元件相分开并且能够同时加热该像素行中像素的所有热电材料部。
有利地，读取电极可以对应于像素的下电极。在此情况下，包括待由传感器检测的热图案的元素将在像素的上电极一侧上(也就是说，在传感器的正面一侧上例如覆盖传感器的保护层上)与传感器相接触。
然而，读取电极可以对应于像素的上电极。在此情况下，包括待由传感器检测的热图案的元素将在像素的下电极一侧上(也就是说，在传感器的背面一侧，例如抵靠在其上制造传感器的不同元件的衬底的背面)与传感器相接触。
每个加热元件可以包括多个叠置的导电部。
本发明也涉及用于制造热图案传感器的方法，该热图案传感器包括包含多个像素行和像素列的矩阵，该方法至少包括实现以下步骤：
针对每个像素，制造由布置在下电极与上电极之间的至少一个热电材料部形成的热电电容，其中，下电极和上电极中的第一电极对应于像素的读取电极；以及
制造加热元件，该加热元件能够在由所述像素的热电电容测量热图案期间加热所述像素的热电电容的热电材料部，
并且其中，
对于每个像素行，所述像素行中像素的加热元件能够独立于其他像素行中像素的加热元件来对所述像素行中像素的热电材料部进行加热，以及
对于每个像素列，所述像素列中每个像素的读取电极电连接在一起，并且由至少一个第一导电部形成，所述至少一个第一导电部与所述像素列中像素的热电材料部相接触并与形成其他像素列中像素的读取电极的第一导电分开。
制造像素的下电极和/或像素的上电极和/或像素的加热元件可以包括通过对至少一个导电材料(最好为导电墨水)的印刷来实现至少一个沉积。
附图说明
参考附图以及阅读对仅为了说明的目的而非限制的示例性实施例的描述可以更好地理解本发明，在附图中，
图1示出了本发明的主题的热图案传感器中一部分像素的截面图；
图2示出了根据第一实施例的本发明的主题的热图案传感器的一部分的俯视图；
图3示出了与本发明的主题的与热图案传感器的像素列相关联的读取电路的制造示例；
图4示出了根据第二实施例的本发明的主题的热图案传感器的一部分的俯视图；
图5示出了根据第三实施例的本发明的主题的热图案传感器的一部分的俯视图；
图6示出了根据第二实施例和第三实施例中任一个的本发明的主题的热图案传感器的一部分的俯视图；
图7示出了根据替代实施例的本发明的主题的热图案传感器中一部分像素的截面图；以及
图8示出了在图3中的模拟/数字转换器上读取的根据每个像素注入的功率的变化的低有效位(low significant bits)的数目。
下文中所描述的不同附图中的相同、相似或等同部分表示为相同的附图标记，以易于从一个附图过渡到另一个附图。
为了使得附图易于阅读，附图中示出的不同部分不一定基于同一个比例。
不同的可能性(替代方案和实施例)应当被理解为不是互相排斥的，而可以结合在一起。
具体实施例
首先参照图1，图1示出了热图案传感器100中一部分像素102的截面图。
在对应于诸如玻璃衬底或半导体(例如硅)衬底的衬底104上制造像素102。衬底104也可以是柔性衬底，例如包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在该柔性衬底上通过印刷电子技术(例如，通过使用喷墨式写头的制造方法)或光刻来制造传感器100的诸如TFT的电子元件。
通过形成具有多个像素102行和多个像素102列的矩阵来布置传感器100的像素102。像素102在平面(X，Y)(即，衬底104的平面)上的间距在例如约50μm至100μm之间。在传感器100的分辨率等于500每英寸点数(dpi)的情况下，像素102的间距等于50.8μm。
传感器100的每个像素102包括由热电电容形成的热测量装置或热检测装置。每个热电电容包括布置在下电极108与上电极110之间的热电材料部106。热电材料部106最好是P(VDF-TrFE)或PVDF。在替代方案中，热电材料部106可以是AlN或PZT，或适于形成热电电容的任何其他热电材料。热电材料部106的厚度在例如约500nm至10μm之间。
电极108和110均包括诸如金属材料的至少一个导电材料，该金属材料例如为厚度约为0.2μm的钛、和/或钼、和/或铝、和/或诸如氧化铟锡(ITO)的导电氧化物和/或导电聚合物。电极108和110中的一个(最好是上电极110)或每一个可以由多个导电材料的叠层形成，例如Ti/TiN/AlCu叠层。电极108和110中的每个的厚度均在例如约0.1μm至1μm之间。电极108和110中的每个的厚度均可以更大，例如高达约5μm，尤其是在这些电极是通过使用诸如银、铜、碳或聚3，4-亚乙基二氧噻吩(PEDOT)的材料进行印刷来制造的情况下。
保护层109覆盖上电极110，该保护层109对应于例如氮化铝层或适于制造该层的任何其他材料层。保护层109的厚度可以在几微米至约100μm之间，或者更多(例如300μm或更大的量级)。保护层109的上表面113对应于待检测的热图案例如指纹待被检测的手指位于其上的表面。
为了使热电材料部106的PVDF获得其热电(以及压电)特性，该材料一旦在热电电容的使用期中就经受每微米厚度的PVDF约100伏的电场。即使当PVDF不再经受该电场，PVDF内部的分子也会取向，并保持该取向。由此可以通过将初始偏置电压施加到电极108和110的端部来偏置PVDF。
在初始偏置之后，当热电材料部106经受温度变化ΔT时，该温度变化ΔT导致在电极108与110之间出现产生电荷ΔQ的附加电场，使得：
ΔQ＝S.γ.ΔT
参数S表示热电材料部106的面向每个电极108和110的表面。参数γ表示热电材料部106的热电系数。例如，PVFD-TrFE的热电系数γ约等于32μC/m2/K。
热电材料部106和电极108和110形成与寄生电容Cp相加的电容值C，所产生的电荷ΔQ致使在电极108与110之间的电位差ΔV，使得：
(C+Cp)ΔV＝ΔQ＝S.γ.ΔT
除了通过电容值C所产生的电荷之外，还可以通过存在的寄生电容Cp产生其他寄生电荷。
当读取电极(由电极108和110中的一个形成)上的电位固定时(所谓的“电流读数”)，产生的电荷流到读取电路，同时在输出端形成积分电流，在此情况下：
ζ表示通过像素进行测量期间的积分时间。这样的电流读数具有对第一阶也就是对电容的值不敏感的优点，尤其是对寄生电容不敏感。
在电极108与110之间获得的电流的方向取决于最初偏置热电材料部106的PVDF的电场的方向。在某些其他热电材料如氮化铝的情况下，该初始偏置方向取决于沉积热电材料的方式、顺序以及结晶取向。而且，所获得的电流的方向可以根据热电电容所经受的温度变化为正还是为负而变化。
传感器100还包括在像素102中(尤其是在热电材料中)消散一定热量的加热元件。这些加热元件例如由导电部形成，该导电部从与用于制造上电极110或下电极108的层相同的层得到。在图1的示例中，加热元件是不可见的，并且由如下文结合图2所描述的用于制造上电极110的导电层的一部分制成。
使电流在加热元件中循环来在每个像素102中形成加热电阻，从而获得对热电材料部106的加热。
图2示出了根据第一实施例的传感器100的多个像素102的俯视图。
这里形成像素102的读取电极的下电极由第一导电材料部112形成，在该读取电极上热电电容产生的电荷将被恢复以被读取。由于同一列像素中的这些下电极由同一第一导电部112形成，因此同一像素列中像素的下电极电连接在一起，第一导电部112在该像素102列的整个长度上延伸并与该列中所有像素的热电材料部106相接触。每个第一导电部112沿平行于像素102列的方向(也就是说，在垂直方向或平行于轴Y的方向)延伸。此外，每个第一导电部112与用于形成其他列中像素102的读取电极的其他第一导电部112相分开。
在每列像素的基部，每个第一导电部112电连接到为同一列中的所有像素所共用的读取电路(图2中不可见)。
这里传感器100的矩阵中的所有像素的热电材料部106被以覆盖像素102的所有下电极的单层热电材料的形式制造。
这里的上电极对应于像素102的偏置电极，并且由导电部114形成。每个导电部114对于同一像素行中所有像素102是共用的。每个导电部114沿着例如与像素102的行平行的方向(也就是说，在图2中水平方向或平行于轴X的方向)延伸。
因此，在每个像素102中，热电电容由第一导电部112和导电部114的互相叠置的部分以及位于第一导电部112与导电部114的这些部分之间的热电材料形成。因此，第一导电部112和导电部114的叠置表面代表所产生的电荷量，并且优选地是最大可能的电荷量。
像素102的加热元件由导电部116形成，每个导电部116为同一像素行中所有像素102所共用，并且与形成像素的偏置电极的导电部114相分开。这里的每个导电部116沿着与像素102的行基本平行的方向(也就是说，平行于图2中的轴X的方向)延伸。
导电部114和116最好从同一导电层获得。在图2中，在同一行像素102内，导电部114和116在热电材料层上方彼此并列布置。
在图2的示例中，每个第一导电部112的宽度(沿轴X的量度，也就是说，位于像素102的平面中并且与像素102的列所延伸的方向垂直的尺寸)在其整个长度范围内是恒定的。例如，在像素间距等于约50μm时，每个第一导电部112的宽度可以等于约45μm，这些第一导电部112能够彼此间隔开约5μm。
在替代方案中，每个第一导电部112的宽度可能在其整个长度范围内不是恒定的。第一导电部112的面向导电部114和116的部分的宽度(也就是说，在每个像素102内的宽度)可以大于第一导电部112的位于像素102之间的部分的宽度。
根据另一替代方案，可以使第一导电部112的面向导电部114的部分的宽度大于第一导电部112的位于像素102之间的部分以及面向导电部116的部分的宽度。因为在此情况下，这种替代方案具有降低寄生电容的优点。
而且，只有由导电部112和114的叠置所形成的电容可以被偏置，因此导电部112和116的叠置不产生电荷。
此外，在图2的示例中，考虑到像素间距等于约50μm，导电部114和116中的每个导电部的宽度例如小于或等于约20μm(考虑到每个导电部之间的间距约为5μm)。
形成像素行的加热元件的每个导电部116包括要被施加加热电压的两个端子118和120。这两个端子118和120中的一个端子例如连接到地，并且通过例如由电连接形成的加热装置对这两个端子118和120中的另一个端子施加非零加热电位，而将电压施加到该另一个端子。例如，如果导电部116的端子120接地，并且如果将加热电位Vheat施加到一个导电部116的端子118，如在图2中的情况下，则电流从该一个导电部116的端子118流至端子120，使得在该导电部116中通过焦耳效应产生热，从而加热由该导电部116加热的该像素行中所有像素102的热电材料。
在图2的示例中，形成加热元件的导电部116的端子120都连接至另一导电部122，该另一导电部122是所有导电部116所共有的并连接至传感器100的地。
每个导电部114包括要被施加偏置电位的第一端子124和连接至传感器100的地的第二端子126。在图2的示例中，导电部114的端子126连接至另一导电部128，该另一导电部128是所有像素行所共有的并连接至传感器100的地。
根据所期望的加热功率来选择施加到导电部116的端子118与120的加热电压的值，该功率根据导电部116的材料的电阻率、要被加热的热电材料部的厚度、保护层109的厚度、热电材料的热电系数、读取电路的灵敏度、读取电路的噪声水平和积分时间而变化。在像素102中，加热功率在例如约0.1mW至10mW之间。
在传感器100中，由于每个导电部116可以独立于与其他像素行相关联的其他导电部116而被寻址，因此可以彼此独立地触发对每个像素行的加热。另外，由于同一列的像素的下电极连接在一起，因此在形成下电极108的每个导电部的基部处获得的电荷对应于由在属于已被加热的像素行中的像素产生的电荷。
因此，传感器100不借助像素102内的任何选择晶体管，这是因为通过将同一列的像素102的读取电极连接在一起，由加热元件执行的对像素行的寻址足以知道哪些像素对应于位于像素列的基部的读取电路所接收的电荷。
对导电部114施加固定电位，例如地的电位。
图3示出了制造导电部112(形成像素102的读取电极)中的每一个所连接的读取电路50的示例。
导电部112所连接的读取电路50的输入端对应于读取放大器52的反相输入端。这里，读取放大器52对应于运算放大器。偏置电位Vref被施加到放大器52的非反相输入端。放大器52的输出端通过电容器54在其反相输入端环回。开关56或换向器并联连接到电容器54，这使得其可以使电容器54短路。读取放大器52的输出端还连接到模拟/数字转换器58的输入端。读取放大器52、电容器54、开关56和模拟/数字转换器58对于同一列中的所有像素102是共用的。模拟/数字转换器58可以为传感器100的所有像素102列所共用，同时在与不同像素列相关联的读取放大器52的输出端与模拟/数字转换器58之间增加电子多路复用元件。
可以在与制造像素102的衬底不同的衬底上制造形成读取电路50的电子元件，这些衬底能够在以后彼此组装。因此，这些读取电路的电子元件可以使用与用于制造像素102的制造技术(例如通过印刷)不同的制造技术(例如CMOS)来制造。
在该第一实施例中，加热元件与偏置电极处于相同的层级，这是因为形成加热元件的导电材料部和形成偏置电极的导电材料部源自同一导电材料层。然而，加热元件可以不直接布置在热电材料上，而是布置在热电电容的旁边或上方或下方。
在替代方案中，可能的是，与待被检测的热图案所抵靠的表面对应于衬底104的背面，也就是说，与电极108所处的面相对的面。当所寻求的主要标准不是传感器100的分辨率时，该替代方案可能是有利的。在这种情况下，衬底104形成要与手指相接触的鲁邦表面。另外，在这种情况下的加热元件可以由如前面针对上电极110所描述的那样制造的下电极108来形成。最后，该替代方案使得可以将读取电路定位在传感器100的敏感区旁边，但是因为读取电路被布置在衬底104的与要定位手指的一侧相对的一侧上，所以读取电路仍受保护。
图4示出了根据第二实施例的传感器100的多个像素102的俯视图。
与其中偏置电极和加热元件由彼此相邻布置的、不同的导电材料部形成的第一实施例不同，这些元件在此由用于每个像素102行的单个第二导电材料部形成。在图4中，第二导电部130沿平行于轴X的方向延伸，使得每个第二导电部130形成对应于偏置电极的上电极以及同一行像素中的像素的加热元件两者。
每个导电部130包括要被施加加热电位的第一端子132以及通过导电部136连接到参考电位(此处为地)的第二端子134。
在前面描述的第一实施例中，每个像素102的热电电容仅由热电材料的位于读取电极(由导电部112形成)与偏置电极(由导电部114形成)之间的部分形成。由于加热元件在偏置电极旁边，热电材料的位于加热元件与读取电极之间的部分不形成该热电电容部分。在第一实施例中，加热元件因此不直接加热每个像素的热电电容的热电材料部。
在图4所示的第二实施例中，由于每个像素102的加热元件和偏置电极由同一个导电部130形成，所以位于读取电极与导电部130的面向读取电极的部分之间的所有热电材料部形成热电电容部分。
通过使电流在要用于形成加热元件的电极中循环来加热热电材料部。然而，该电极还用于偏置热电电容。因此，每个像素102的加热电阻也用于在由这些像素102执行测量期间偏置每个像素102的热电电容的一个电极(在测量期间施加的偏置不同于前面描述的PVDF的初始偏置)。
可以使用像素102的上电极和下电极中的一个来形成加热元件，这是因为在读取热图案期间施加到该电极的电位值在读取电荷期间是恒定的。
在该第二实施例中，使用单个信号来管理传感器100的像素102行，也就是说，执行对加热的控制以及对像素行的选择。如果像素未被加热，则没有任何发生，而当像素被加热时，产生一定数量的电荷(在指纹的情况下，该数量取决于存在于像素的元件上元素脊或谷)。因此，通过一次仅对一行像素进行加热然后读取它，电加热电位一次可同时起到加热和管理/定位像素行的作用。
相对于导电部130的金属的电阻率来调节施加到导电部130上所施加的的加热电压的值，以在像素102中产生期望的热能。
在前述第一实施例和第二实施例的替代方案中，像素的上电极和加热元件可以被介电层覆盖，介电层本身覆盖有电连接到地的第一导电层。该第一导电层可以覆盖有保护层109。因此，包括例如导电墨水的该导电层在待检测热图案的元素(例如在指纹传感器100的情况下的手指)与每个像素的偏置电极之间形成电磁屏蔽，从而避免在测量中恢复电磁噪声(例如来自主电源的50Hz的噪声)。该导电层还使得可以保护传感器100免受静电放电(ESD)的影响。
图5示出了根据第三实施例的传感器100的多个像素102的俯视图。
如在前面的实施例中那样，传感器100包括形成像素的读取电极的第一导电部112，所述像素的读取电极在每列像素内电连接在一起。另外，如在前述实施例中，在读取电极上布置有热电材料层(图4中不可见)。
热电材料层被诸如金属的导电层138覆盖，该导电层138没有被结构化并且覆盖整个热电材料层。导电层138接地。导电层138覆盖有介电层，该介电层上布置有形成像素的加热元件的第二导电部130。
与其中电磁屏蔽层布置在热电电容上方的前述替代实施例相比，根据该第三实施例的传感器通过使用形成像素的热电电容的上电极的导电层来将该电磁屏蔽层集成在热电材料的正上方。在这种配置中，很小的电流穿过像素的上电极和下电极。因此，这些电极可以有利地通过沉积导电墨水来制造，从而有利于制造传感器100。
为了能够读取矩阵中每行的像素，每行像素的加热元件同时仅加热单行像素，以便在每列像素的基部没有加在一起的两个像素的响应。在加热一行像素期间，被加热的像素行中每个像素产生电荷，该电荷分布在整个像素列上。在该列的基部，读取所产生的电荷。
下面更详细地描述对像素行的读取。
首先复位读取电路。在诸如前面结合图3描述的读取电路的情况下，通过闭合开关56来进行该复位。第一导电部112的电位为值Vref。接下来，通过在形成像素行的加热元件的导电部的端子之间施加加热电压来开始加热矩阵中的一行像素。此时，此行像素的热电电容处于温度T0。
接下来断开开关56。然后，在例如等于约500μs的积分时间ζ期间，对该行中像素102的热电电容开始积分。在该积分时间ζ期间，由该行中像素102的热电电容产生电荷。由于开关56断开，由该行中的像素102的热电电容产生的电荷流到电容器54。
在该积分时间ζ结束时，热电电容处于温度T1(针对不同像素而不同)，并因此经受温度变化ΔT＝T1-T0，由于温度变化，在热电电容产生电荷并且该电荷被存储在电容器54。因此，放大器52的输出端的电位为Vout＝Q.Cref+Vref，其中Q表示产生的电荷，而Cref表示电容器54的值。然后，由模拟/数字转换器58读取和采样电位。接下来停止对像素行进行加热。当完成对结果的读取和采样操作时，开关56被换向到闭合位置以使电容器54放电。
在这样的读取期间，施加到热电电容(在根据第一实施例的传感器100的端子118上或者在根据第二实施例和第三实施例的传感器100的端子132上)的一个电极上的电位Vheat在整个像素读取期间是恒定的。另一方面，由于施加了该电位的导电材料部对于与该导电材料部相关联的像素行中所有像素102是共用的，因此施加到每个像素102的热电电容上的热电位的值针对不同的像素而不同。
在例如图4所示的第二实施例中，最靠近端子132的热电电容的上电极所经受的电位基本等于Vheat。后面的热电电容的上电极所经受的电位基本等于Vheat-δV。施加到热电电容的上电极的电位值与热电电容相对于端子132的距离成比例地减小。当导电部136接地时，与最靠近端子134的热电电容相对应的最后一个热电电容所经受的电位基本等于0V，即地的电位。因为在所有这些像素102的加热电阻都是相同的情况下，导致在产生热量的导电部130中的电流在所有第二导电部130中都是相同的并且对于该像素行中所有像素102也是相同的，所以对不同像素所施加的电热电位的变化不会改变像素所产生的热量。
在读取一行像素时，每个像素的偏置电极上的电位值是不同的。另一方面，对于相同的温度变化，在像素的热电电容的端子处所产生的电压差或电荷数的差是相同的。然而，读取到的相对于参考电压产生的过量电荷，无论这些电荷是正的还是负的。例如，在图3所示的示例性实施例的情况下，在放大器52的输出端处所获得的最后读取电压是Vout＝Vref±ΔQ/Cf，其中Cf表示电容器54的值，在积分时间内电位Vheat稳定时，该值独立于热电电容端子处的电压。
在前述结合图3的示例性实施例中，直接由放大器52来读取所产生的电荷。
包括读取电路50的芯片最好由硅衬底制成，并且被转移到其上制造有像素102的另一电路上。
由于同一列的像素的读取电极由单个导电部形成，并且因此在读取像素期间所有这些读取电极都连接到读取电路，因此在读取一行像素之后并读取下一行像素之前，优选地遵循冷却时间，以便不考虑在冷却开始时大量产生的负电荷。该冷却持续时间例如为加热时间的约2倍至5倍之间。因此，可以在大约2ms内读取并冷却传感器100的一行像素，这使得能够每秒读取约500行像素。
读取电路的信噪比取决于连接到读取电路的像素所形成的电容值。电容值越高，获得的噪声越高。因此，在传感器的像素行数和可容许噪声之间进行折衷(传感器中的像素行数越多，连接到每个读取电路的像素的数量越大，读取电路接收的噪声越高)，以使得测量保持正确。还可以通过增加像素的加热功率来增加该信噪比。
在包括300行像素的传感器100中，每一列上的总电容对应于300个像素的热电电容的总和。对于(热电材料的厚度)厚度等于约1μm的热电电容，每列像素的电容约为100fF×300＝30pF。因此，传感器100最好包括约100行像素至300行像素。
下表给出了使用根据第二实施例的传感器100针对不同像素间距(间距是两个相邻像素的中心之间的距离)所获得的结果。
在上表中，针对热电材料的厚度等于1μm的情况获取热电电容值。
因此，对于尺寸等于50μm×50μm的像素，当像素经受至少约1K至2K的温度变化时，获得足够幅度的信号。利用厚度约为2μm级别的保护层109，每个像素的功率输入为约0.2mW使得可以具有足够强的输出信号。可以调整热量输入以在所读取像素中获得至少一度的变化。
图8的曲线202、204和206表示对于不同的积分时间(曲线202：ζ＝250μs；曲线204：ζ＝500μs；曲线206：ζ＝1600μs)，根据每个像素注入的功率(以μW为单位)的变化，在16位(即最多65536个码)的模拟/数字转换器58(这里是由Texas Instrument出售的AFE1256类型)上读取的低有效位(LSB)的数量。这些曲线表示在与空气接触的像素(指纹的谷)和与水接触的像素(指纹的脊)之间获得的位的数量。例如，通过在传感器上放置一滴水并测量水滴边缘的每一侧之间的差值来测量所述位的数量。这些结果也代表了可以获得的最大对比度。该对比度线性地依赖于所注入的功率和积分时间。该对比度的值也依赖于保护层109的厚度。
在图4和图5所示的第二实施例和第三实施例中，第二导电部130形成沿着像素102行延伸的具有均匀宽度(沿轴线Y的尺寸)的导电条。因此，热量沿着每个导电条以均匀的方式扩散。
根据可应用于第二实施例和第三实施例的图6所示的替代实施例，每个第二导电部130的宽度在其整个长度范围内不均匀。每个第二导电部130的面向每个像素102的第一导电部112的中心部分的部140(也就是说，以每个像素102为中心的部分)的宽度小于跨越在两个像素的上方并且每个均连接两个部140的其他部142的宽度。该替代实施例使得可以将所产生的热集中在每个像素102上，并且由于在部140和相邻部142之间的接合点处(这些接合点位于像素102上而不在像素102之间)电阻增加而可以限制像素102之间的热量损失，这导致更大的焦耳效应和在这些接合处更大的热量输入。使热点集中在像素102上也减少了透热问题，也就是说，相邻像素之间的热量的横向传递。然而，该替代方案由于热电材料的面向第二导电部130的表面减小而导致所产生的热电电荷略微减少，这表明必须在不同的热参数、读取速度等之间找到折衷方案。
集中在像素102上的这些热点可以不是通过降低像素102处的每个第二导电部130的宽度来产生，而是通过降低像素102处的第二导电部130的导电材料的厚度来产生。
在前面描述的实施例的替代方案中，可能的是，不同像素102列的第一导电部112可以一开始(也就是说，在制造传感器100期间)电连接在一起，以便可以将热电材料的初始偏置电压从单个接入点施加到每个第一导电部112。接下来，在单一化传感器期间(在切割用于产生多个传感器的晶圆期间)，连接第一导电部112的导线被去除，从而在每个传感器内将导电部112彼此电隔离。
在前述读取像素行的示例中，每行像素的加热元件被依次接通和关断，在每次触发对一个像素行的加热之间具有冷却阶段。
在替代方案中，在读取每行像素期间，除了由与该行像素相关联的加热元件执行加热之外，还可以接通与一个或多个先前的像素行相关联的加热元件。这是可行的，原因在于对这些先前的像素行所执行的测量可以用于恢复所读取的像素行的值。例如，为了读取第一行像素102，仅接通该第一行像素的加热元件。在断开这些加热元件并等待第一行像素的冷却之后，可以通过触发与第二行像素相关联的加热元件以及第一行的加热元件来读取第二行像素。可以使用在接通两行像素的加热元件时所获得的测量结果以及在加热第一行像素期间所获得的先前的测量结果来获得由第二行像素所输出的值。因此，根据借助于对先前所读取的像素行的测量的线性组合来获得测量结果。
根据其中同时激活多个像素行的加热元件来读取像素的该替代方案，可以在加热下一行像素之前，无需等待冷却而连续加热多行像素。因此，例如可以加热第一行像素，然后无需等待第一行像素冷却就接着加热另一行像素等。连续加热的不同行像素最好不布置为一行紧挨着另一行，以限制不同行像素之间透热。例如，可以先加热第一行像素，然后加热第五行像素等。当传感器100包括有限的像素行，例如小于10行像素时，这种替代方案是有利的。另外，在该替代方案中，在所读取的像素达到准热平衡(例如，约为像素的热平衡的90％)时进行对电荷的读取。
而且，施加到不同像素行的加热功率也可能不完全相似。例如，在读取不同像素行之间不需要冷却的情况下，为了限制在先前读取的像素行的冷却期间产生的电荷影响，可以在读取每个新的像素行时相对于已经加热的在先的像素行所使用的功率来增加现在读取像素行所使用的功率。
最后，也可以在读取每行像素时不对读取电路进行复位。
在所有实施例中，可以通过对所做的测量进行例如维纳滤波器类型的数字处理来补偿在相邻像素之间发生的透热效应。另外，为了减少这些透热现象效应，优选以使两个相邻的像素行不会一个接着一个立即被加热的方式来加热像素行。例如，在包括从1到8连续编号的8行像素(第一行位于传感器100顶部，并且第8行位于传感器100底部)的传感器100中，可以按照1、3、5、7、2、4、6和8的顺序来加热和读取像素行。在这种情况下，将加热的像素行相对于先前加热的像素行间隔开1个像素(除了对第2行像素的加热，其中第2行中的像素相对于第7行中的像素间隔4个像素)。因此，相比于读取的像素由于透热而经历加热并且在读取之前没有充分冷却的情况，读取像素的初始温度基本上彼此相等。加热的像素行也可以相对于先前加热的像素行间隔开多于一个像素，例如，间隔开两个或三个像素，或者在传感器100包括大量的像素行的情况下间隔开甚至更多的像素。
在前述实施例中，加热元件由导电部层形成，其中，电流在该层的平面内循环。在替代方案中，加热元件可以由多个层和/或多个叠置的导电部形成，如图7中示意性所示。在图7中，像素102的加热元件由形成像素102的上电极的第一导电部150、布置在第一导电部150上和介电层154内的电阻元件152、以及布置在介电层154和电阻元件152上的第二导电部156形成。加热电流来自层150，穿过电阻元件152并同时产生热量，然后通过第二导电部156(其连接到地)传送到地。这种替代方案具有使加热元件的位置相对于上电极的位置分开的优点，同时保留了在同一导电元件内共享像素的加热功能和像素的偏置功能而带来的优点。由此可以将电阻元件152恰当地集中在像素102的中间，以便尽可能地集中在像素102中产生的热量。
在前面描述的实施例的替代方案中，用于偏置热电电容和用于加热像素102的热电材料两者的导电部可以不对应于形成像素102的上电极110的导电部，而是对应于形成像素102的下电极108的导电部。另外，可以设想形成每个像素102的热电电容的电极以及像素102的加热元件的导电部的除了前面描述的形状或设计之外的形状或设计。
虽然没有示出，但是传感器100包括控制电路，其可以施加上述控制信号以通过将信号发送至加热元件来驱动对像素102的读取，从而触发对加热期望像素的启动。
由传感器100检测的热图案最好对应于指纹，但是可以对应于具有热容和比热容的任何图案。
尽管未示出，但是传感器100还可以包括电子处理电路，其能够根据在每个像素102处进行的测量来构建整个热图案的图像。该电子处理电路还能够将该图像与存储在数据库中的若干图像进行比较，以识别所检测的图案是否对应于存储在数据库中的图案之一。电子处理电路还能够显示所检测的热图案的图像。
此外，除了先前描述的热检测元件之外，传感器100最好包括光学或电容检测元件，这使得可以检测也检测到热图案的元件的图像。因此，传感器100可以包括与热检测像素交错的光学检测像素的矩阵。

Claims (13)

1.一种热图案传感器(100)，所述热图案传感器包括包含多个像素(102)行和多个像素(102)列的矩阵，每个像素(102)至少包括：
热电电容，所述热电电容由布置在下电极(108，112)与上电极(110，114，130，145)之间的至少一个热电材料部(106)形成，其中，所述下电极(108，112)和所述上电极(110，114，130，145)中的第一电极对应于所述像素(102)的读取电极；以及
加热元件(116，130，145)，所述加热元件能够在通过所述像素(102)的热电电容测量热图案期间加热所述像素(102)的热电电容的热电材料部(106)；
并且其中，
对于每个像素(102)行，所述像素行中像素(102)的加热元件(116，130，145)能够独立于其他像素行中像素(102)的加热元件(116，130，145)来对所述像素行中像素(102)的热电材料部(106)进行加热，以及
对于每个像素(102)列，所述像素列中每个像素(102)的读取电极电连接在一起，并且由至少一个第一导电部(112)形成，所述至少一个第一导电部(112)与所述像素列中像素(102)的热电材料部(106)相接触并与形成其他像素列的像素(102)的读取电极的第一导电部(112)分开。
2.根据权利要求1所述的热图案传感器(100)，其中，
在每个像素(102)中，所述下电极和所述上电极中的第二电极对应于所述像素(102)的与所述加热元件(116)相分开的偏置电极(114)；以及
在每个像素(102)行中，所述像素行中像素(102)的加热元件(116)和偏置电极(114)并列布置在所述像素行中像素(102)的热电材料部(106)之上或之下。
3.根据权利要求1所述的热图案传感器(100)，其中，
在每个像素(102)行中，至少一个第二导电部(130)形成所述像素行中每个像素(102)的所述下电极和所述上电极中的第二电极以及所述加热元件两者。
4.根据前述权利要求中任一项所述的热图案传感器(100)，还包括：
覆盖所述矩阵的每个像素(102)的所述上电极的介电层，以及布置在所述介电层上的第一导电层。
5.根据权利要求1所述的热图案传感器(100)，其中，
每个像素(102)的所述下电极和所述上电极中的第二电极由第二导电层(138)形成，所述第二导电层为所述矩阵中的所有像素(102)所共用并且能够电连接到参考电位，以及
在每个像素(102)行中，至少一个第二导电部(130)形成所述像素(102)的所述加热元件。
6.根据权利要求5所述的热图案传感器(100)，其中，所述第二导电层(138)布置在所述加热元件(130)与所述读取电极(112)之间。
7.根据权利要求3、5和6中任一项所述的热图案传感器(100)，其中，
所述每个第二导电部(130)包括在每个像素(102)中的以下部分：所述部分的电阻大于所述第二导电部(130)的其余部分的电阻。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热图案传感器(100)，其中
针对每个像素(102)行，所述像素行中每个像素(102)的加热元件(116，130)电连接在一起，并且由至少一个第二导电部(116，130)形成，所述至少一个第二导电部与其他像素(102)行的加热元件相分开并能够同时加热所述像素行中像素(102)的所有热电材料部(106)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热图案传感器(100)，其中，所述读取电极对应于所述像素(102)的所述下电极。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的热图案传感器(100)，其中，所述读取电极对应于所述像素(102)的所述上电极。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热图案传感器(100)，其中，所述加热元件均包括多个叠置的导电部(150，152，156)。
12.一种用于制造热图案传感器(100)的方法，所述热图案传感器包括包含多个像素(102)行和多个像素(102)列的矩阵，所述方法至少包括实现以下步骤：
针对每个像素(102)，制造由布置在下电极(108，112)与上电极(110，114，130，145)之间的至少一个热电材料部(106)形成的热电电容，其中，所述下电极(108，112)和所述上电极(110，114，130，145)中的第一电极对应于所述像素(102)的读取电极；以及
制造加热元件(116，130，145)，所述加热元件能够在通过所述像素(102)的热电电容测量热图案期间加热所述像素(102)的热电电容的热电材料部(106)；
并且其中，
对于每个像素(102)行，所述像素行中像素(102)的加热元件(116，130，145)能够独立于其他像素行中像素(102)的加热元件(116，130，145)来对所述像素行中像素(102)的热电材料部(106)进行加热，以及
对于每个像素(102)列，所述像素列中每个像素(102)的读取电极电连接在一起，并且由至少一个第一导电部(112)形成，所述至少一个第一导电部与所述像素列中像素(102)的热电材料部(106)相接触并与形成其他像素列中像素(102)的读取电极的第一导电部(112)分开。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，制造所述像素(102)的下电极(108)和/或所述像素(102)的上电极(110)和/或所述像素(102)的所述加热元件(116，130，145)包括通过对至少一个导电材料的印刷来实现至少一个沉积。
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