CN110287757A - 指纹感测装置 - Google Patents
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Abstract
根据本公开的第一方面，提供一种指纹感测装置，该指纹感测装置包括：基板；放置于该基板的一侧上的指纹传感器；放置于该基板的另一侧上的耦合电极，其中所述耦合电极被布置成提供手指的表面与所述指纹传感器的电路接地之间的耦合电容。根据本公开的第二方面，构想一种产生指纹感测装置的对应方法。
Description
技术领域
本公开涉及一种指纹感测装置。此外，本公开涉及一种生产指纹感测装置的对应方法。
背景技术
例如电容指纹传感器的指纹感测装置可以集成到资源约束装置中，例如，集成到智能卡、可穿戴装置、物联网(Internet of Things，IOT)装置或智能电网装置中。足够电容耦合和静电放电(electrostatic discharge，ESD)保护表示这种装置的挑战。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供一种指纹感测装置，该指纹感测装置包括：基板；放置于该基板的一侧上的指纹传感器；放置于该基板的另一侧上的耦合电极，其中所述耦合电极被布置成提供手指的表面与所述指纹传感器的电路接地之间的耦合电容。
在实施例中，耦合电极被另外布置成提供静电放电路径。
在实施例中，当在竖直方向上在放置指纹传感器的水平面上突出时，耦合电极不与所述指纹传感器重叠。
在实施例中，当在竖直方向上在放置指纹传感器的水平面上突出时，耦合电极包围所述指纹传感器。
在实施例中，耦合电极包括至少一个间隙。
在实施例中，指纹传感器包括由电容感测板形成的多个传感器元件。
在实施例中，装置另外包括静电放电电网，其中耦合电极电耦合到所述静电放电电网。
在实施例中，耦合电极由通孔和导电连接来连接到所述电路接地。
在实施例中，装置另外包括在基板的所述另一侧上的涂层，其中该涂层具有在5μm至50μm的范围内的厚度。
在实施例中，耦合电极的区域比指纹传感器大1.5倍至4倍。
在实施例中，装置嵌入T形封装中。
在实施例中，智能卡、可穿戴装置、物联网装置，或智能电网装置包括所阐述种类的指纹感测装置。
根据本公开的第二方面，构想一种产生指纹感测装置的方法，该方法包括：将指纹传感器放置于基板的一侧上；将耦合电极放置于该基板的另一侧上，其中所述耦合电极被布置成提供手指的表面与所述指纹传感器的电路接地之间的耦合电容。
在实施例中，放置耦合电极，使得当耦合电极在竖直方向上在放置指纹传感器的水平面上突出时，耦合电极不与所述指纹传感器重叠。
在实施例中，放置耦合电极，使得当耦合电极在竖直方向上在放置指纹传感器的水平面上突出时，耦合电极包围所述指纹传感器。
附图说明
将参考附图更详细地描述实施例，在附图中：
图1示出指纹感测系统的电容耦合模型的说明性实施例；
图2示出指纹感测系统的电容耦合模型的另一说明性实施例；
图3A示出指纹感测装置的例子；
图3B示出指纹感测装置的另一例子；
图3C示出指纹感测装置的说明性实施例；
图4示出T形封装的说明性实施例；
图5示出T形封装的俯视图的说明性实施例；
图6示出索引带的说明性实施例；
图7示出智能卡的说明性实施例。
具体实施方式
基于指纹的用户认证通常是方便和快捷的，且提供积极的用户体验。当前，基于指纹的认证主要在高性能移动计算装置中实现。然而，预期还在成本敏感和低性能计算平台领域存在实现此类认证的发展市场潜能。因此，实现低成本的基于指纹的用户认证将是有用的。例如电容指纹传感器的指纹感测装置可以集成到资源约束装置中，例如，集成到智能卡、可穿戴装置、物联网(Internet of Thing，IOT)装置或智能电网装置中。足够电容耦合和静电放电(electrostatic discharge，ESD)保护表示这种装置的挑战。
卡制造商将指纹传感器集成到智能卡中目前需要多个昂贵的制造工艺步骤。出于良品率原因，可能需要在卡层压之后插入传感器。这需要特定传感器封装，该传感器封装被配置成安装到铣削至智能卡中的空腔中。适合于此组装方法的传感器封装是所谓的T形封装。此封装包括载体基板，该载体基板具有附接到基板的下部部分的包覆成型组件。基板区域基本上大于包覆成型组件所覆盖的区域，因此确保封装的周边的厚度是基板的厚度，而不是基板厚度和模具厚度之和。这样实现热量从所述封装的顶部传递到底部。需要此热量来激活组装过程，该组装过程可以是焊接过程或导电胶合过程。对于具有基板厚度和模具厚度之和的厚度的封装，几乎不可能在合理的时间帧中将热量从该封装的顶部传递到其底部以促进组装步骤。
电容指纹传感器测量传感器的表面以及与传感器交互的手指的表面之间的电容。为了获得足够的灵敏度，需要将手指的表面电气耦合到传感器的电路接地电位。为此目的，经常使用环形电极，该环形电极将驱动信号电流地耦合到手指的表面中，该驱动信号用于测量手指的表面与传感器内的感测电极之间的电容。当将传感器封装在T形封装中时，仍应在载体基板的顶部施加绝缘刮擦保护。刮擦保护层通常应施加到载体基板的有源感测区域，这需要高成本的处理步骤。此外，传感器的整体光学外观不符合客户对均匀外观的要求。
电流耦合电极通常形成闭合环路，如果此耦合电极进入交变磁场，则可以引发交流电，当将指纹感测功能集成到非接触式指纹认证卡中时也是如此。感应电流将消耗来自供电场的电力，进而会减少可以由所述非接触式指纹认证卡接收的电量。成本压力的增加要求指纹传感器的尺寸减小。由于耦合电容与有源感测区域有关，因此耦合电容随感测区域的大小大致线性地减小。因此，在较小感测区域的需求与高传感器灵敏度的需求之间存在冲突：减小感测区域通常会减小耦合电容，进而减小传感器的灵敏度。现在论述一种用于减小感测区域而不会不利地影响传感器的灵敏度的装置。
因此，根据本发明，提供一种指纹感测装置，该指纹感测装置包括：基板；放置于该基板的一侧上的指纹传感器；以及放置于该基板的另一侧上的耦合电极。此外，耦合电极被布置成提供手指的表面与指纹传感器的电路接地之间的耦合电容。以此方式，通过将耦合电极添加在比放置传感器的一侧更接近手指表面的基板的一侧上，在传感器的电路接地与手指的表面电位之间实现足够电容耦合，同时传感器的区域仍可以减到最小。此外，通过耦合电极实现的电容耦合对载体基板厚度的变化不敏感。
在实施例中，耦合电极被另外布置成提供静电放电(electrostatic discharge，ESD)路径。具体而言，通过将耦合电极添加在比放置传感器的一侧更接近手指表面的基板的一侧上，还可以实现改进的ESD保护，因为耦合电极有效地提供极接近手指的放电路径。在实际且有效的实施方案中，耦合电极通过基板中的通孔以及导电连接连接到电路接地。在集成电路设计中，通孔是允许不同层之间的导电连接的绝缘层中的小开口。
图1示出指纹感测系统的电容耦合模型100的说明性实施例。在实际且有效的实施方案中，指纹传感器102包括由电容感测板(未示出)形成的多个传感器元件。因此，指纹传感器102的行为可以由多个电容Cs模型化，当手指104接近传感器102时，若干电容将活动且许多电容将不活动。传感器和手指104两者耦合到接地106，分别由耦合阻抗114和人体模型(Human Body Model，HBM)耦合阻抗112模型化。模型参数HBM耦合阻抗从标准化HBM模型获取，该标准化HBM模型定义了在制造环境中评定ESD的IC的方法。HBM预期模拟通过受测试电路从裸露手指向接地充电和放电的人。定义HBM的特定标准是国际JEDEC标准JS-001。传感器102还包括ESD电网，该ESD电网也被模型化为电容。无功感测板和ESD电网两者耦合到装置接地110(即，电路接地)。根据本公开，提供耦合电极108(即，耦合板)。耦合电极108还耦合到装置接地110。由于耦合电极108提供手指104的表面与装置接地110之间的耦合电容，因此该耦合电极108还通过电容模型化。
图2示出指纹感测系统的电容耦合模型200的另一说明性实施例。可以由聚酰亚胺或另一绝缘材料制成的载体基板212可以被配置成具有由导电材料(例如，铜)制成的耦合板208(即，耦合电极)，该耦合板208放置于面向手指204的基板的表面上。在有源感测板214与电路接地之间产生的电容由电容-数字数据转换器216测量，并且所得数据通过从其提取指纹特征另外进行处理。为了获得高质量测量，在手指的外皮202与电路接地之间实现足够的电容耦合是非常重要的。更具体来说，获得显著高于将在电容感测板上评估的电容的耦合电容是非常重要的。这可以通过所阐述种类的耦合板208实现。
手指的外皮由并联连接的电容器CSCi和电阻器RSCi模型化。一个耦合路径包括主体电阻RB、到地电位206的主体耦合电容CB，以及在地电位206与电路接地210之间的假定变压器的绕组电容CTR。电容CTR表示地电位206与传感器的电路接地之间的耦合电容，而不管使用变压器还是其它电路元件。另一耦合路径可以包括根据本公开的在手指的表面202与耦合板208之间产生的电容。耦合板208升高到传感器芯片组件(例如，电容感测板)上方，并且因此该耦合板208比传感器芯片组件更接近手指定位。因此，耦合板208可以提供大的耦合电容。此外，因为此耦合板208接近手指的表面定位，因此该耦合板208还可以用作另外的ESD放电电极，由此提高ESD保护等级。
另一耦合路径包括在给定时刻不用于电容测量的电容感测板；这些无功感测板因此可以被配置成提供另外的耦合电容。配置为耦合电容器的所有感测板的总电容可以随着感测区域的大小以及绝缘载体基板212的厚度而变化。与通过配置为耦合电容器的感测板提供的耦合相比，通过耦合板208提供的耦合可以相对较大，因为耦合板的区域可以相对较大，即比由结合在一起的感测板占据的区域大1.5倍至4倍，并且通过最小化放置于基板212和耦合板208上的涂层218的厚度，耦合板208与手指的表面202之间的平均距离可以相对较小(10μm至20μm)。用于实现此效果的涂层218的合适厚度范围是5μm至50μm。如所提及，由耦合板208占据的区域可以比由结合在一起的感测板占据的区域大1.5倍至4倍。例如，在实际实施方案中，对于具有8x 8mm2传感器表面的14x 14mm2T形，因数可以是2，并且对于具有5.8x 5.8mm2传感器表面的类似T形，因数可以是4。
图3A至3C示出指纹感测装置的说明性实施例。图3A中所示的指纹感测装置300包括传感器集成电路(integrated circuit，IC)302。传感器IC 302包括多个传感器单元308。传感器单元308包括感测板306。此外，多个传感器单元308被组织为传感器矩阵310。此外，根据本公开，传感器IC 302可以包括放电电极304。在此实施例中，放电电极304对所有传感器单元408共用并且形成电网。此外，传感器IC 302包括电路312，该电路312对所有传感器单元308共用并且可以例如用于控制传感器单元408以及从传感器单元308收集测量结果。在此例子中，通过使放电电流流过系统接地，可以首先通过连接到系统接地的电网降低ESD应力。此外，如图3C中所示，可以通过所阐述种类的耦合电极降低ESD应力。
图3B示出指纹感测装置314的另一说明性实施例。在图3A至3C中所说明的实施例中，指纹感测装置300、314、322包括共同电路112和传感器单元308的阵列，该传感器单元308的阵列被配置成测量传感器单元308的感测板306与手指(为示出)的表面之间的电容。传感器单元308被组织为具有布置成i行和j列的i*j个传感器单元308的矩阵。如在图3B中所示，所有i*j个传感器单元的ESD电极形成ESD电极电网，该ESD电极电网通过接触垫318、320、接合线和/或凸块连接到指纹感测装置外部的接地电位。在实施例中，多个接合线并联连接以减小耦合电感。ESD电网将耦合电容提供到充电手指。连接到ESD电网的多个接合线/凸块还有助于向ESD电网提供更高载流能力。共用电路以及传感器单元矩阵内的电路设置有单独模拟和数字电源电压以及使用单独IO焊盘单元AGND、DGND、AVDD、DVDD和接合线/凸块的接地连接，以避免噪声耦合。
图3C示出指纹感测装置322的另一说明性实施例。除了图3B中所示的元件之外，指纹感测装置322还包括包围传感器IC 302的耦合电极324。具体而言，如将参考图4更详细地解释，当耦合电极324在竖直方向上在放置传感器302的水平面上突出时，该耦合电极324包围传感器302。以此方式，通过耦合电极324实现的电容耦合可以增加。此外，为了避免传感器的表面被阻挡，当耦合电极324在竖直方向上在放置传感器302的水平面上突出时，该耦合电极324不与传感器302重叠。耦合电极324耦合到电路接地(即，装置接地)。此外，耦合电极324包括间隙326。在实施例中，耦合电极包括至少一个间隙。在传感器由来自交变磁场的能量供电的情况下，闭合环路电极可能导致不希望的功率吸收。通过将一个或多个间隙插入周围耦合电极中，降低了发生这种功率吸收的风险。
图4示出T形封装400的说明性实施例。通过应用管芯附接箔或各向异性导电膜(anisotropic conductive film，ACF)406，或另一合适的直接芯片附接方法，传感器管芯402组装在载体基板412下方，其中其传感器414(即，电容性感测电极)面向载体基板412。氮化物层404可以设置在管芯附接箔或ACF 406与传感器414之间。如示意性地示出，在载体基板412的顶部上的耦合电极408可以借助于通孔416和合适的导电连接而连接到传感器芯片402的电路接地。在传感器芯片402包括接地ESD电网418的情况下，耦合电极408还可以耦合到所述ESD电网418。耦合板408以及ESD电网418(如果存在)连接到传感器的电路接地。涂层410可以覆盖耦合电极408和载体基板412。包覆成型420完成T形封装400。此外，如还参考图3C所描述，当耦合电极408在竖直方向上在放置传感器414的水平面422上突出424时，该耦合电极408可以围绕传感器414。以此方式，通过耦合电极408实现的电容耦合可以增加。此外，为了避免传感器414的表面被阻挡，当耦合电极408在竖直方向上在放置传感器414的水平面422上突出424时，该耦合电极408不与传感器414重叠。在图4中，示出耦合电极408在放置传感器414的水平面422上的竖直突出部424不与所述传感器414重叠。在此截面中，无法看到突出的耦合电极408包围传感器414；然而，这可以在图3C和图5中所示的俯视图中看到。T形封装400有助于将指纹传感器集成到例如智能卡中。
图5示出图4中所示的T形封装400的俯视图500的说明性实施例。耦合电极506放置于载体基板502上。在此实施例中，耦合电极506包括间隙508。此外，传感器芯片504附接在载体基板502下方。因此，根据本公开，指纹传感器(即，传感器芯片504)放置于载体基板502的一侧上，该载体基板502的一侧与放置耦合电极506的载体基板502的一侧不同。
图6示出索引带600的说明性实施例。在此实施例中，含有传感器模块的T形封装的宽度和长度使得所述传感器模块602、604中的两个配合索引带600的宽度，并且在纵向带方向上的两个模块之间的距离dp配合索引孔距离di的倍数n，这样实现设计用于组装所述T形封装的简化冲压、抓放工艺。
图7示出智能卡700的说明性实施例。智能卡700包括指纹传感器702，该指纹传感器702可以是本文中所阐述种类的指纹感测装置。指纹传感器702与可以执行不同功能的处理模块704一起嵌入到智能卡700中。处理模块704包括处理单元(即，微控制器)706、安全元件708和电源管理单元710。指纹传感器702的图像捕获单元被配置成捕获指纹图像。安全元件708可以执行从卡上指纹匹配应用请求认证的支付应用，其中所述卡上指纹匹配应用与MCU 706通信，以获得与安全地存储在安全元件708中的指纹参考特征列表匹配的指纹特征列表。MCU 706与指纹传感器702通信，以便接收指纹图案的电子表示。MCU 706被另外配置成处理指纹图案的所述电子表示，以便从所述表示提取特征并且将该特征转换成机器可读格式的所述特征列表。此外，MCU 706可以通过用户反馈装置提供用户反馈以引导指纹成像过程。安全元件708可以通过ISO-7816和/或ISO-14443接口与支付网络和/或标识网络(未示出)通信。
应注意，已经参考不同的主题描述了以上实施例。具体而言，一些实施例可能是已参考方法类的权利要求来描述的，而其它实施例可能是已参考设备类的权利要求来描述的。然而，本领域技术人员将从上述内容了解到，除非另外指明，否则除属于一种类型主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征的任何组合，特别是方法类的权利要求的特征和设备类的权利要求的特征的组合，也视为用此文档公开。
此外，应注意附图是示意性的。在不同图式中，用相同的附图标记表示相似或相同元件。此外，应注意，为了提供说明性实施例的简洁描述，可能并未描述属于技术人员的习惯做法的实施细节。应了解，在任何此类实施方案的发展过程中，如在任何工程或设计项目中，必须制定大量实施方案特定的决策以便实现开发者的具体目标，例如遵守系统相关的和商业相关的约束条件，不同的实施方案可能具有不同的具体目标。此外，应了解，此类发展工作可能是复杂且耗时的，但不过是本领域的技术人员进行设计、制造和生产的例行任务。
最后，应注意，技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多可替换实施例。在权利要求书中，置于圆括号之间的任何附图标记不应解释为限制权利要求。“包括”这个词不排除在权利要求中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前的单词“一”不排除多个此类元件的存在。权利要求书中叙述的措施可以借助于包括若干不同元件的硬件和/或借助于适当编程的处理器来实施。在列出若干构件的装置权利要求中，可以通过硬件中的同一个物件实施若干这些构件。仅凭在彼此不同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实，并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
附图标记的列表
100 指纹感测系统的电容耦合模型；
102 传感器；
104 手指；
106 接地；
108 耦合板；
110 装置接地；
112 HBM耦合阻抗；
114 耦合阻抗；
200 指纹感测系统的电容耦合模型；
202 手指的外皮(角质层)；
204 手指的较深皮肤；
206 接地；
208 耦合板；
210 装置接地；
212 基板；
214 有源感测电容器；
216 电容-数字数据转换器；
218 涂层；
300 指纹感测装置；
302 传感器IC；
304 放电电极；
306 感测板；
308 传感器单元；
310 传感器矩阵；
312 共同电路；
314 指纹感测装置；
316 装置电源；
318 ESD电网接触垫；
320 ESD电网接触垫；
322 指纹感测装置；
324 耦合电极；
326 间隙；
400 T形封装；
402 管芯；
404 氮化物层；
406 管芯附接箔/ACF；
408 耦合电极；
410 涂层；
412 载体基板；
414 传感器；
416 通孔；
418 ESD电网；
420 包覆成型；
422 水平面；
424 突出部；
500 T形封装的俯视图；
502 载体基板；
504 附接在基板下方的传感器芯片；
506 耦合电极；
508 间隙；
600 索引带；
602 传感器模块；
604 传感器模块；
700 智能卡；
702 指纹传感器；
704 处理模块；
706 微控制器；
708 安全元件；
710 电源管理单元。
Claims (10)
1.一种指纹感测装置，其特征在于，包括：
基板；
放置于所述基板的一侧上的指纹传感器；
放置于所述基板的另一侧上的耦合电极，其中所述耦合电极被布置成提供手指的表面与所述指纹传感器的电路接地之间的耦合电容。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合电极被进一步布置成提供静电放电路径。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，当在竖直方向上在放置所述指纹传感器的水平面上突出时，所述耦合电极不与所述指纹传感器重叠。
4.根据在前的任一项权利要求所述的装置，其特征在于，当在竖直方向上在放置所述指纹传感器的水平面上突出时，所述耦合电极包围所述指纹传感器。
5.根据在前的任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述耦合电极包括至少一个间隙。
6.根据在前的任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述指纹传感器包括由电容感测板形成的多个传感器元件。
7.根据在前的任一项权利要求所述的装置，其特征在于，进一步包括静电放电电网，其中所述耦合电极电耦合到所述静电放电电网。
8.根据在前的任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述耦合电极通过通孔和导电连接来连接到所述电路接地。
9.一种智能卡、可穿戴装置、物联网装置，或智能电网装置，其特征在于，包括根据在前的任一项权利要求所述的指纹感测装置。
10.一种产生指纹感测装置的方法，其特征在于：
将指纹传感器放置于基板的一侧上；
将耦合电极放置于所述基板的另一侧上，其中所述耦合电极被布置成提供手指的表面与所述指纹传感器的电路接地之间的耦合电容。
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