CN115437524A - 用于具有屏蔽的跨电容性感测的传感器设备 - Google Patents

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Abstract

硅传感器设备包括多个金属层和多个介电层。多个金属层包括：包括多个发射器电极和多个接收器电极的第一金属层；设置在第一金属层下方的第二金属层，其中第二金属层包括用于多个发射器电极的多个布线迹线；以及设置在第二金属层下方的一个或多个电路层。用于相应发射器电极的相应布线迹线被配置为屏蔽对应于相应发射器电极的宽度的多个接收器电极的相应部分免受源自一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。多个金属层和多个介电层设置在同一管芯上。

Description

用于具有屏蔽的跨电容性感测的传感器设备
技术领域
所描述的实施例总体上涉及电子设备，并且更具体地，涉及电容性传感器。
背景技术
包括电容性传感器设备（例如，触摸板或触摸传感器设备）的输入设备广泛用于各种电子系统中。电容性传感器设备可以包括感测区，其通常由表面来区分，其中电容性传感器设备确定一个或多个输入对象的存在、位置和/或运动。电容性传感器设备可以用于为电子系统提供接口。例如，电容性传感器设备可以用作用于较大计算系统（例如，集成在笔记本或台式计算机中、或者外设于笔记本或台式计算机的不透明触摸板）的输入设备。电容性传感器设备也经常用于较小的计算系统（例如，集成在蜂窝电话中的触摸屏）中。电容性传感器设备还可以用于检测输入对象（例如，手指、触控笔、笔、指纹等）。
噪声和/或能量对传感器设备的接收器电极的影响在其中有源电路位于接收器电极附近的设备中可能是一个问题。例如，在用于指纹感测的硅传感器设备中，整体设备尺寸可以相对紧凑，使得传感器设备的有源电路位于接收器电极附近，使得来自有源电路的噪声和/或能量可能对经由接收器电极获得的结果信号产生负面影响。
发明内容
在示例性实施例中，本申请提供了一种硅传感器设备，其包括多个金属层和多个介电层。多个金属层中的每个设置在相应的介电层上。多个金属层中的每个通过相应的介电层与相邻的金属层分离。多个金属层包括：包括多个发射器电极和多个接收器电极的第一金属层；设置在第一金属层下方的第二金属层，其中第二金属层包括用于多个发射器电极的多个布线迹线；以及设置在第二金属层下方的一个或多个电路层。用于相应发射器电极的相应布线迹线被配置为屏蔽对应于相应发射器电极的宽度的多个接收器电极的相应部分免受源自一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。多个金属层和多个介电层设置在同一管芯上。
在另一示例性实施例中，本申请提供了一种输入感测设备。输入感测设备包括：多个传感器电极，其包括多个发射器电极和多个接收器电极；用于多个发射器电极的多个布线迹线；以及耦合到多个传感器电极的处理系统，其中处理系统被配置为通过将感测信号驱动到多个发射器电极上并经由多个接收器电极获得结果信号来获得感测区中的输入对象的图像。多个发射器电极和多个接收器电极设置在输入感测设备的第一金属层上。多个布线迹线设置在输入感测设备的第二金属层上，第二金属层设置在第一金属层下方。处理系统的至少一部分设置在一个或多个电路层上，一个或多个电路层设置在第二金属层下方。用于相应发射器电极的相应布线迹线被配置为屏蔽对应于相应发射器电极的宽度的多个接收器电极的相应部分免受源自一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。
在又一示例性实施例中，本申请提供了一种传感器设备。传感器设备包括：多个金属层；以及多个介电层，其中多个金属层中的每个设置在相应的介电层上，并且其中多个金属层中的每个通过相应的介电层与相邻的金属层分离。多个金属层包括：包括多个发射器电极和多个接收器电极的第一金属层；设置在第一金属层下方的第二金属层，其中第二金属层包括用于多个发射器电极的多个布线迹线；以及设置在第二金属层下方的一个或多个电路层。用于相应发射器电极的相应布线迹线被配置为屏蔽对应于相应发射器电极的宽度的多个接收器电极的相应部分免受源自一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。
附图说明
图1A-1B描绘了示例性输入设备的示意性框图。
图2描绘了根据示例性实施例的用于跨电容性感测的硅传感器的俯视图。
图3A描绘了根据示例性实施例的用于跨电容性感测的硅传感器的侧视横截面示意图。
图3B描绘了图3A中所示的用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了Tx/Rx电极层、Tx布线层和屏蔽层的元件。
图3C描绘了图3A中所示的用于跨电容性感测的硅传感器的屏蔽层的一部分的俯视示意图。
图4A描绘了根据另一示例性实施例的用于跨电容性感测的硅传感器的侧视横截面示意图。
图4B描绘了图4A中所示的用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了Tx/Rx电极层和Tx布线/屏蔽层的元件。
图5描绘了用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了替代示例性实施例中的Tx/Rx电极层和Tx布线/屏蔽层的元件。
图6描绘了用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了另一替代示例性实施例中的Tx/Rx电极层的元件。
具体实施方式
附图和以下详细描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制所公开的技术或所公开的技术的应用和使用。此外，不意图受前述技术领域、背景技术或以下详细描述中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
在示例性实施例的以下详细描述中，阐述了许多细节以便提供对所公开技术的更透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的技术。在其他情况下，尚未详细描述公知的特征，以避免不必要地使描述复杂化。
在整个申请中，序数（例如，第一、第二、第三等）可以用作元件（即，本申请中的任何名词）的形容词。序数的使用不是为了暗示或创建元件的任何特定排序，也不是将任何元件限制为仅单个元件，除非明确公开，诸如通过使用术语“之前”、“之后”、“单个”和其他这样的术语。相反，序数的使用是为了区分元件。作为示例，第一元件与第二元件不同，并且第一元件可以包含多于一个元件并且在元件的排序中在第二元件之后（或之前）。
传感器图案的以下描述依赖于诸如“水平”、“垂直”、“顶部”、“底部”和“之下”的术语来清楚地描述传感器图案的某些几何特征。这些术语的使用不旨在引入限制性方向性。例如，在不脱离本公开的情况下，几何特征可以旋转到任何度。此外，虽然在附图中示出了某些尺寸的图案，但是在不脱离本公开的情况下，图案可以延伸和/或重复。例如，术语列和垂直方向的使用分别是为了区分行和水平方向。如果输入设备是矩形的，则沿着表面的任何方向可以被指定为垂直方向（列沿着该垂直方向延伸），并且沿着表面的任何基本上正交的方向可以被指定为垂直方向（行沿着该垂直方向延伸）。
本公开的示例性实施例提供了用于跨电容性感测的硅传感器的示例性实施例，其中提供屏蔽以用于噪声减轻。在一些示例性实施例中，屏蔽可以经由专用屏蔽层来提供，该专用屏蔽层将电路层与电极层分离，在该电极层上面设置接收器电极。在一些示例性实施例中，屏蔽可以被集成到布线层中，并且集成的布线和屏蔽层将电路层与电极层分离，在该电极层上面设置接收器电极。另外，各种不同的示例性实施例提供不同的电极和/或布线布置。
本公开的示例性实施例能够实现优于常规传感器设计的各种优点。例如，相对于被配置用于绝对电容感测的常规硅传感器，本公开的示例性实施例能够实现更小的传感器管芯尺寸（对于相同的传感器阵列尺寸）、更不复杂的电路和成本节省。另外，相对于被配置用于跨电容性感测的常规球栅阵列（BGA）传感器，本公开的示例性实施例提供了更小的传感器间距、更高的分辨率、相对容易的设计和更低的成本。
图1A是描绘示例输入设备100的框图，可以在该示例输入设备100内实现本实施例。输入设备100可以被配置为向电子系统（为简单起见未示出）提供输入。如本文档中所使用的，术语“电子系统”（或“电子设备”）广泛地指代能够电子地处理信息的任何系统。电子系统的示例包括个人计算设备（例如，台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、web浏览器、电子书阅读器、和个人数字助理（PDA））、可穿戴计算机（例如，智能手表和活动跟踪器设备）、复合输入设备（例如，物理键盘、操纵杆和按键开关）、数据输入设备（例如，遥控器和鼠标）、数据输出设备（例如，显示屏和打印机）、远程终端、信息亭、视频游戏机（例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等）、通信设备（例如，蜂窝电话，诸如智能电话）、和媒体设备（例如，记录器、编辑器、以及播放器，诸如电视、机顶盒、音乐播放器、数字相框和数码相机）。另外，电子系统可以是输入设备100的主机或从机。
输入设备100可以被实现为电子系统的物理部分，或者可以与电子系统物理分离。输入设备100可以使用有线或无线互连和通信技术（诸如总线和网络）耦合到电子系统的部件（并与电子系统的部件通信）。示例技术可以包括内部集成电路（I2C）、串行外围接口（SPI）、个人系统/2（PS/2）、通用串行总线（USB）、蓝牙®、红外数据协会（IRDA）、以及由IEEE802.11或其他标准定义的各种射频（RF）通信协议。
在图1A的示例中，输入设备100包括传感器105。传感器105包括被配置为感测由输入设备100的感测区中的一个或多个输入对象提供的输入的一个或多个感测元件。输入对象的示例包括手指、触控笔和手。感测区可以包含传感器105上方、周围、之中和/或附近的任何空间，其中输入设备100能够检测用户输入（例如，由一个或多个输入对象提供的用户输入）。特定感测区的尺寸、形状和/或位置（例如，相对于电子系统）可以取决于实际实现方式而变化。在一些实施例中，感测区可以在一个或多个方向上从输入设备100的表面延伸到空间中，例如，直到传感器的信噪比（SNR）下降到适合于准确对象检测的阈值以下。例如，该感测区在特定方向上延伸到的距离可以在小于一毫米、几毫米、几厘米或更大的量级上，并且可以随着所使用的感测技术的类型和/或期望的精度而显著变化。在一些实施例中，传感器105可以检测涉及不与输入设备100的任何表面物理接触、与输入设备100的输入表面（例如，触摸表面和/或屏幕）接触、与耦合有一定量的所施加的力或压力的输入设备100的输入表面接触、和/或其组合的输入。在各种实施例中，输入表面可由传感器衬底的表面提供，传感器元件定位在该传感器衬底内或该传感器衬底上，或由定位在传感器元件上方的面板或其它覆盖层提供。
输入设备100包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。一些实现方式利用感测元件的阵列或其他规则或不规则图案来检测输入对象。输入设备100可以利用传感器部件和感测技术的不同组合来检测感测区中的用户输入。
输入设备100可以利用各种感测技术来检测用户输入。示例感测技术可以包括电容性、弹性、电阻、电感、磁性、声学、超声波和光学感测技术。在一些实施例中，输入设备100可以利用电容性感测技术来检测用户输入。例如，感测区可以包括一个或多个电容性感测元件（例如，传感器电极）以创建电场。输入设备100可以基于传感器电极的电容的改变来检测输入。例如，与电场接触（或紧靠电场）的对象可以引起传感器电极中的电压和/或电流的改变。电压和/或电流的这种改变可以被检测为指示用户输入的“信号”。
传感器元件可布置成阵列（规则或不规则图案）或其它配置以检测输入。在一些实现方式中，单独的感测元件可以欧姆地短接在一起以形成较大的传感器电极。一些电容性感测实现方式可以利用提供均匀电阻的电阻片。
示例电容性感测技术可以基于“自电容”（也称为“绝对电容”）和/或“互电容”（也称为“跨电容”）。跨电容感测方法检测传感器电极之间的电容性耦合的改变。例如，传感器电极附近的输入对象可以更改传感器电极之间的电场，从而改变传感器电极的所测量的电容性耦合。在一些实施例中，输入设备100可通过检测一个或多个发射器传感器电极（也称为“发射器电极”或“驱动电极”）与一个或多个接收器传感器电极（也称为“接收器电极”或“拾取电极”）之间的电容性耦合来实现跨电容感测。例如，发射器传感器电极可以相对于参考电压被调制以发射发射器信号，而接收器传感器电极可以被保持在相对恒定的电压以接收所发射的信号。参考电压可以是例如基本上恒定的电压或系统接地。在一些实施例中，发射器传感器电极和接收器传感器电极都可以被调制。由接收器传感器电极接收的信号可能受到环境干扰（例如，来自与传感器电极接触或紧靠传感器电极的其他电磁信号和/或对象）的影响。传感器电极可以是专用发射器或接收器，或者可以被配置为既发射又接收。
在一些实现方式中，输入设备100被配置为提供跨越一维、二维、三维或更高维空间的图像。输入设备100可以具有传感器分辨率，该传感器分辨率取决于诸如所涉及的特定感测技术和/或感兴趣的信息的尺度（scale）之类的因素随实施例而变化。在一些实施例中，传感器分辨率由感测元件阵列的物理布置确定，其中较小的感测元件和/或较小的间距可用于限定较高的传感器分辨率。
输入设备100可以被实现为具有足够高以捕获指纹的区别特征的传感器分辨率的指纹传感器。在一些实现方式中，指纹传感器具有足以捕获细节（包含脊（ridge）末端及分叉）、取向场（有时被称作“脊流”）和/或脊骨架（skeleton）的分辨率。这些有时被称为1级和2级特征，并且在示例性实施例中，至少250像素每英寸（ppi）的分辨率能够可靠地捕获这些特征。在一些实现方式中，指纹传感器具有足以捕获较高级特征（诸如，汗孔（sweat pore）或边缘轮廓（即，个别脊的边缘的形状））的分辨率。这些有时被称为3级特征，并且在示例性实施例中，至少750像素每英寸（ppi）的分辨率能够可靠地捕获这些较高级特征。在硅指纹传感器中，可以使用大约500 ppi的分辨率来平衡成本和性能，但是应当理解，在硅指纹传感器中可以实现5000 ppi（对应于5.08µm间距）或更高的分辨率。
在一些实施例中，指纹传感器被实现为放置传感器（也称为“区域”传感器或“静态”传感器）或扫划传感器（也称为“滑动”传感器或“滑擦”传感器）。在放置传感器实现方式中，传感器被配置为当用户的手指在感测区上方保持静止时捕获指纹输入。通常，放置传感器包括能够在单个帧中捕获指纹的期望区域的感测元件的二维阵列。在扫划传感器实现方式中，传感器被配置为基于用户的手指与感测区之间的相对移动来捕获指纹输入。在一些实施例中，扫划传感器可以包括感测元件的线性阵列或薄二维阵列，其被配置为当用户的手指在感测区上扫划或移动时捕获多个帧。然后可以重构多个帧以形成与指纹输入相对应的指纹的图像。在一些实现方式中，传感器被配置为捕获放置和扫划输入两者。
在一些实施例中，指纹传感器被配置为在单个用户输入中捕获小于用户指纹的全部区域（在本文中称为“部分”指纹传感器）。通常，由部分指纹传感器捕获的指纹的结果部分区域足以使系统根据指纹的单个用户输入（例如，单个手指放置或单个手指扫划）执行指纹匹配。用于部分放置传感器的一些示例性成像区域包括100 mm2或更小的成像区域。在另一示例性实施例中，部分放置传感器具有在20-50 mm2范围内的成像区域。在一些实现方式中，部分指纹传感器具有与成像区域具有相同或基本上相同尺寸的输入表面。
在图1A中，处理系统110被包括在输入设备100中。处理系统110可以包括一个或多个集成电路（IC）和/或其他电路部件的部分或全部。处理系统110耦合到传感器105，并且被配置为操作输入设备100的硬件（例如，传感器105的感测硬件）以检测感测区中的输入。
处理系统110可以包括被配置为利用输入设备100的感测硬件驱动感测信号的驱动器电路和/或被配置为利用感测硬件接收结果信号的接收器电路。举例来说，处理系统100可被配置为将发射器信号驱动到传感器105的发射器传感器电极上，和/或接收经由传感器105的接收器传感器电极检测到的结果信号。
处理系统110可以包括其上存储有处理器可执行指令（诸如固件代码、软件代码和/或类似物）的非暂时性计算机可读介质。处理系统110可以被实现为传感器105的物理部分，或者可以与传感器105物理分离。此外，处理系统110的组成部件可以定位在一起，或者可以彼此物理分离地定位。例如，输入设备100可以是耦合到计算设备的外围设备，并且处理系统110可以包括被配置为在计算设备的中央处理单元和与中央处理单元分离的一个或多个IC（例如，具有相关联的固件）上运行的软件。作为另一示例，输入设备100可以物理地集成在移动设备中，并且处理系统110可以包括作为移动设备的主处理器的一部分的电路和固件。处理系统110可以专用于实现输入设备100，或者可以执行其他功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器等。
处理系统110可以操作输入设备100的传感器105的（一个或多个）感测元件以产生指示感测区中的输入（或没有输入）的电信号。处理系统110可以对电信号执行任何适当量的处理，以转换或生成提供给电子系统的信息。例如，处理系统110可数字化经由传感器电极接收的模拟电信号和/或对接收的信号执行滤波或调节。在一些实施例中，处理系统110可以减去或以其他方式计及与传感器电极相关联的基线。例如，基线可以表示当没有检测到用户输入时传感器电极的状态。因此，由处理系统110提供给电子系统的信息可以反映从传感器电极接收的信号和与每个传感器电极相关联的基线之间的差异。作为另外的示例，处理系统110可以确定位置信息，将输入识别为命令，识别手写，匹配生物测量样本等。
在一些实施例中，输入设备100可以包括触摸屏接口（例如，显示屏）以及指纹传感器，其中指纹传感器的感测区至少部分地与触摸屏接口的感测区重叠。显示设备可以是能够向用户显示视觉界面的任何合适类型的动态显示器，包括无机发光二极管（LED）显示器、有机LED（OLED）显示器、阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子显示器、电致发光（EL）显示器或其他显示技术。显示器可以是柔性的或刚性的，并且可以是平坦的、弯曲的或具有其他几何形状。显示器可以包括用于薄膜晶体管（TFT）电路的玻璃或塑料基板，其可以用于寻址显示像素以提供视觉信息和/或提供其他功能。显示设备可包括被布置在显示电路上方和显示模块的内层上方的覆盖透镜（有时被称为“覆盖玻璃”），并且覆盖透镜还可为输入设备100提供输入表面。覆盖透镜材料的示例包括光学透明的无定形固体（诸如化学硬化玻璃）和光学透明晶体结构（诸如蓝宝石）。输入设备100和显示设备可以共享物理元件。例如，相同的电气部件中的一些可以用于显示视觉信息和用于利用输入设备100的输入感测两者，诸如使用一个或多个显示电极以用于显示更新和输入感测两者。作为另一示例，显示屏可以部分地或全部地由与输入设备100通信的处理系统110操作。
图1B是将输入设备100描绘为包括指纹传感器205的框图。指纹传感器205被配置为从手指240捕获指纹的图像。指纹传感器205设置在覆盖层212下方，该覆盖层212为要放置在指纹传感器205上或在指纹传感器205上扫划的指纹提供输入表面。感测区220可以包括具有大于、小于或在尺寸方面类似于完整指纹的面积的输入表面。指纹传感器205具有感测元件阵列，该感测元件阵列具有被配置为检测手指240的表面变化的分辨率。在某些实施例中，指纹传感器205可以设置在显示器的工作区域内。
图2描绘了根据示例性实施例的用于跨电容性感测的硅传感器的俯视图。相对于用于跨电容性感测的常规BGA传感器，图2中所示的用于跨电容性感测的硅传感器能够实现更小的传感器间距（例如，50 µm、或小于50 µm低至如10 µm一样小（但是应当理解，50 µm对于指纹应用通常足够小））。另外，相对于用于绝对电容感测的常规硅传感器，图2中所示的用于跨电容性感测的硅传感器能够实现小得多的管芯尺寸，同时提供相同的传感器阵列尺寸（例如，3.2 mm×5 mm），具有至少25%的成本节省。例如，在常规绝对电容传感器中，可能需要比传感器阵列尺寸大50%-100%的管芯尺寸来容纳用于这种传感器的电路，而在本申请的示例性实施例中，管芯尺寸可以与传感器阵列尺寸大致相同，其中电路设置在传感器阵列下方。
对于图2所示的硅传感器，管芯尺寸对应于传感器工作区域（AA）201（对应于传感器阵列尺寸）和接合焊盘区域202，其中，例如，传感器AA 201约为3.2 mm×5 mm，并且接合焊盘区域的尺寸约为3.2 mm×0.2 mm，其中总管芯尺寸约为3.2 mm×5.2 mm。多个电路可以设置在传感器阵列下方，包括例如，静电放电（ESD）保护电路、模拟前端、传输驱动器电路、电压调节器、随机存取存储器（RAM）、闪存、控制电路、控制器（例如，微控制器单元（MCU）、数字信号处理器（DSP））、和/或其他电路。这些电路中的一些或全部可以是处理系统（例如，如图1A-1B所示的处理系统100）的一部分。
图3A描绘了根据示例性实施例的用于跨电容性感测的硅传感器的侧视横截面示意图。在该示例性实施例中，硅传感器包括七个金属层，包括发射器/接收器（Tx/Rx）电极层301（包含发射器和接收器电极）、Tx布线层302（包含用于Tx电极的布线迹线）、屏蔽层303（包含屏蔽结构）和四个电路层304（包含有源电路）。金属层由介电层分开，并且每个金属层形成在相应的介电层上。可以利用标准硅制造工艺来形成图3A中所示的叠层，使得金属层包含硅，并且每个介电层的厚度可以是例如约1 µm。电路层304可以包括上面结合图2讨论的多个电路。屏蔽层303可以是例如基本上实心的金属层或网格屏蔽层，其屏蔽Tx/Rx电极层301的接收器电极免受来自电路层304的电路的能量和/或噪声的影响，从而阻挡或减轻这种能量和/或噪声在不存在屏蔽层303的情况下将对经由Tx/Rx电极层301的接收器电极获得的结果信号的影响。
应当理解，尽管图3A中描绘的示例性实施例和下面讨论的其他示例性实施例被示出为具有四个电路层304，但是本申请的示例性实施例不限于此。在其他示例性实施例中，硅传感器可以具有一个或多个电路层。在一个示例性实现方式中，硅传感器可以具有例如三个或五个电路层。因此，应当理解，本文中描绘和讨论的具有四个电路层的每个示例性实施例也可以用不同数量的电路层来实现。
图3B描绘了图3A中所示的用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了Tx/Rx电极层301、Tx布线层302和屏蔽层303的元件。
在图3B中描绘的示例中，存在处于第一（垂直）取向的九个发射器电极311和处于第二（水平）取向的五个接收器电极321。应当理解，在其他示例性实施例中可以利用其他阵列尺寸。例如，代替9 Tx×5 Rx阵列，其他阵列尺寸可以包括64×100传感器网格。传感器阵列的大小可以在例如12 mm2至100 mm2的范围内。
每个发射器电极311包括设置在Tx/Rx电极层301中的多个焊盘312、将Tx/Rx电极层301中的焊盘312连接到Tx布线层302的多个通孔313、以及Tx布线层302中的将发射器电极311的通孔313彼此连接的布线迹线314。在其中传感器间距为50 µm的示例性实现方式中，焊盘312的水平宽度可以例如接近50 µm，其中在相邻发射器电极311之间提供小间隙（例如，1 µm）。每个焊盘312的垂直高度可以例如在20-40 µm的范围内，并且应当理解，各自专用于仅一个相应接收器电极321的相应发射器电极的顶部和底部处的边缘焊盘312可以比各自由两个接收器电极321共享的中间焊盘312短。另外，通孔尺寸和形状可以在不同的实现方式中变化，其中在一个示例中，通孔313可以是圆形的并且具有在0.5 µm至若干µm的范围内的直径。布线迹线314的宽度可以是例如若干µm。
每个接收器电极321设置在Tx/Rx电极层301中，并且在发射器电极311的相邻焊盘312之间的Tx/Rx电极层301的相应空间中与发射器电极311正交地延伸。每个接收器电极321的垂直宽度可以例如在2-10 µm的范围内。接收器电极321和与接收器电极相邻的焊盘312之间的垂直距离也可以例如在2-10 µm的范围内。不同的相邻发射器电极311的相邻焊盘312之间的水平距离可以例如在0.1µm至10 µm的范围内。应当理解，这些描述的大小仅仅是示例性的，并且可以取决于传感器优化而变化。
网格屏蔽331设置在屏蔽层303中。网格屏蔽331屏蔽Tx/Rx电极层301的接收器电极321免受来自屏蔽层303下方的电路层304的电路的能量和/或噪声的影响。在某些示例性实施例中，如图3B所示的网格屏蔽层相对于实心屏蔽层可以是优选的，从而满足标准金属密度设计规则。例如，网格屏蔽可以包括垂直和水平金属线的阵列。在示例性实现方式中，标准金属密度设计规则可以规定70%的最大金属密度、0.28 µm的最小迹线宽度和0.28 µm的最小间隔，并且网格屏蔽可以用宽度为0.28 µm的金属线和间隔开0.34 µm的相邻金属线来实现（从而实现69.9%的金属密度）。图3C描绘了图3A中所示的用于跨电容性感测的硅传感器的屏蔽层303的一部分的俯视示意图，其中金属线具有0.28 µm的宽度，并且其中相邻金属线间隔开0.34 µm。
在具有图3B所示的传感器电极布置和图3A所示的电路布置的硅传感器设备的操作期间，电路层304的传输驱动器电路可以将感测信号驱动到发射器电极311上（相应发射器电极311的感测信号沿着相应发射器电极311的焊盘312、通孔313和布线迹线314发射），并且经由接收器电极321获得对应的结果信号。结果信号可以由部分或完全实现在电路层304中的处理系统处理，以获得对应于图3B中所示的传感器阵列的感测区中的输入对象的图像。
图3B中所示的传感器电极布置的传感器间距（其对应于一个感测像素的中心到相邻感测像素的距离）可以例如在50 µm和70 µm的范围内。
根据本公开的示例性实施例，通过使发射器电极311的焊盘312设置在硅传感器设备的顶层（Tx/Rx电极层301）上以及接收器电极321也一起设置在顶层（Tx/Rx电极层301）上，能够实现增加的信号（以及由此实现增加的信噪比（SNR））。此外，屏蔽层303的包括降低了噪声，进一步增加了SNR。
图4A描绘了根据另一示例性实施例的用于跨电容性感测的硅传感器的侧视横截面示意图。在该示例性实施例中，硅传感器包括六个金属层，包括发射器/接收器（Tx/Rx）电极层401、发射器电极布线/屏蔽层402和四个电路层404。金属层由介电层分开，并且每个金属层形成在相应的介电层上。如上所述，可以利用标准硅制造工艺来形成图4A中所示的叠层结构，使得金属层包含硅，并且每个介电层的厚度可以是例如约1 µm。电路层404可以包括上面结合图2讨论的多个电路。发射器电极布线/屏蔽层402包括充当用于Tx/Rx电极层401的发射器电极的Tx布线迹线的金属元件，其中Tx布线迹线的部分还提供对来自电路层404的电路的能量和/或噪声的屏蔽，从而阻挡或减轻这种能量和/或噪声在不存在发射器电极布线/屏蔽层402的屏蔽的情况下将对经由Tx/Rx电极层401的接收器电极获得的结果信号的影响。
图4B描绘了图4A所示的用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了Tx/Rx电极层401和Tx布线/屏蔽层402的元件。
在图4B中描绘的示例中，存在处于第一（垂直）取向的九个发射器电极411和处于第二（水平）取向的五个接收器电极421。应当理解，在其他示例性实施例中可以利用其他阵列尺寸。例如，代替9 Tx×5 Rx阵列，其他阵列尺寸可以包括64×100传感器网格。传感器阵列的尺寸可以在例如12 mm2至100 mm2的范围内。
每个发射器电极411包括设置在Tx/Rx电极层401中的多个焊盘412、将Tx/Rx电极层401中的焊盘412连接到Tx布线/屏蔽层402的多个通孔413、以及将发射器电极411的通孔413彼此连接的Tx布线/屏蔽层402中的布线迹线414。在其中传感器间距为50 µm的示例性实现方式中，焊盘412的水平宽度可以例如接近50 µm，其中在相邻发射器电极411之间提供小间隙（例如，1 µm）。每个焊盘412的垂直高度可以例如在20-40 µm的范围内，并且应当理解，各自专用于仅一个相应接收器电极421的相应发射器电极的顶部和底部处的边缘焊盘412可以比各自由两个接收器电极421共享的中间焊盘312短。另外，通孔尺寸和形状可以在不同的实现方式中变化，其中在一个示例中，通孔413可以是圆形的并且具有在0.5 µm至若干µm的范围内的直径。布线迹线414的宽度可以是例如若干µm。
每个接收器电极421设置在Tx/Rx电极层401中，并且在发射器电极411的相邻焊盘412之间的Tx/Rx电极层401的相应空间中与发射器电极411正交地延伸。每个接收器电极421的垂直宽度可以例如在2-10 µm的范围内。接收器电极321和与接收器电极相邻的焊盘312之间的垂直距离也可以例如在2-10 µm的范围内。不同的相邻发射器电极311的相邻焊盘312之间的水平距离可以例如在0.1 µm至10 µm的范围内。应当理解，这些描述的大小仅仅是示例性的，并且可以取决于传感器优化而变化。
在图4B所示的屏蔽布置中，每个布线迹线414包括Tx布线/屏蔽层402中的多个屏蔽块415。每个布线迹线414的每个屏蔽块415与相应的接收器电极421重叠，使得屏蔽块415（其在Tx布线/屏蔽层402中）被设置在相应的接收器电极421（其在Tx/Rx电极层401中）下方。屏蔽块415的水平宽度可以与发射器电极411的水平宽度相同，其在该实施例中对应于发射器电极411的焊盘412的水平宽度，并且屏蔽块415的垂直宽度可以比相应的重叠接收器电极421的垂直宽度宽几µm（例如，宽1-5 µm）。
给定图4A中所示的金属层之间的～1µm的介电厚度，将屏蔽块415的垂直宽度设置为比相应的重叠接收器电极421的垂直宽度宽几µm足以为接收器电极421提供屏蔽，使得来自电路层404的能量和/或噪声对接收器电极421的潜在影响基本上被减轻或阻挡。
应当理解，发射器电极411具有来自驱动源的低阻抗并且不受来自电路层404的电路的干扰，使得不需要屏蔽来将发射器电极411的焊盘412与电路层404屏蔽。
在具有图4B中所示的传感器电极布置和图4A中所示的电路布置的硅传感器设备的操作期间，电路层404的传输驱动器电路可以将感测信号驱动到发射器电极411上（相应发射器电极411的感测信号沿着相应发射器电极411的焊盘412、通孔413、布线迹线414和屏蔽块415发射），并且经由接收器电极421获得对应的结果信号。结果信号可以由部分或完全实现在电路层404中的处理系统处理，以获得对应于图4B中所示的传感器阵列的感测区中的输入对象的图像。
图4B中所示的传感器电极布置的传感器间距可以例如在50 µm和70 µm的范围内。
根据本公开的示例性实施例，通过使发射器电极411的焊盘412设置在硅传感器设备的顶层（Tx/Rx电极层401）上以及接收器电极421也一起设置在顶层（Tx/Rx电极层401）上，能够实现增加的信号（以及由此实现增加的信噪比（SNR））。此外，在Tx布线/屏蔽层402中包括屏蔽块415降低了噪声，进一步增加了SNR。
图4A-4B中所示的硅传感器设备布置包含比图3A-3B中所示的硅传感器设备布置少一个金属层，因为图4A-4B中所示的硅传感器设备布置不利用专用屏蔽层303，而是将屏蔽元件与Tx布线元件（在Tx布线/屏蔽层402中）结合在一起。在某些示例性实施例中，关于两个硅传感器设备布置的SNR性能是相当的，但是通过使用少一个金属层，相对于图3A-3B中所示的硅传感器设备布置，图4A-4B中所示的硅传感器设备布置能够进一步实现关于管芯成本的～15%节省。
图5描绘了用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了替代示例性实施例中的Tx/Rx电极层和Tx布线/屏蔽层的元件。图5所示的硅传感器设备具有如图4A所示的叠层中的六个金属层。另外，图5中所示的传感器电极布置类似于图4B中所示的传感器电极布置（两者都具有九个具有焊盘412/512和通孔413/513的垂直发射器电极411/511以及五个接收器电极421/521），除了设置在Tx布线/屏蔽层402中的宽布线迹线514用于每个发射器电极511，由此宽布线迹线514为接收器电极521提供屏蔽。因此，图5的宽布线迹线514执行图4B的布线迹线414的窄部分和布线迹线414的屏蔽块415两者的功能。
宽布线迹线514的宽度可以例如与发射器电极511的焊盘512的宽度相同。设置在Tx布线/屏蔽层402中的宽布线迹线514可具有跨越对应发射器电极511的总的顶部到底部长度的均匀宽度，使得其与发射器电极511的焊盘512中的每个重叠。相应发射器电极511的宽布线迹线514还与相应接收器电极521的相应部分重叠，以为接收器电极521提供关于来自Tx布线/屏蔽层402下方的电路层404的能量和/或噪声的屏蔽。
应当理解，在某些实施例中，关于图5和图4B中所示的硅传感器设备的SNR性能可以是类似的，但是图5中所示的硅传感器设备相对于图4B中所示的硅传感器设备可能在发射器电极上经历更高的传感器负载。
图6描绘了用于跨电容性感测的硅传感器的俯视示意图，其示出了另一替代示例性实施例中的Tx/Rx电极层的元件。图6所示的硅传感器设备可以具有如图4A所示的叠层中的六个金属层，或者可以具有如图3A所示的叠层中的七个金属层。图6中所示的硅传感器设备包括处于第一（水平）取向的多个接收器电极621和处于第二（垂直）取向的多个发射器电极611，每个相应的发射器电极611具有多个互连焊盘612（焊盘612的通孔和布线未在图6中示出，其仅示出顶部Tx/Rx电极层的元件）。用于图6中所示的硅传感器设备的通孔、布线和屏蔽可以根据如上所描绘和讨论的图3B、4B或5的示例性实施例来布置。
在图6所示的实施例中，接收器电极621中的每个不具有均匀的垂直宽度。相反，接收器电极621中的每个包括与相应的发射器电极611对准的多个相对宽的部分（本文中也称为“接收器块622”），并且相应的接收器电极621的接收器块622中的每个经由相应的接收器电极621的相对薄的部分彼此连接。相应接收器电极621的相对薄的部分可以具有在例如2-10 µm的范围内的垂直宽度，并且接收器块622可以具有比相对窄的部分宽例如5-10 µm的垂直宽度。例如，在一个示例性实施方式中，接收器电极621的相对薄的部分可以具有4 µm的垂直宽度，并且接收器电极621的接收器块622可以具有10 µm的垂直宽度。接收器块622的中心可以与相应发射器电极611的中心垂直对准，如图6所示，并且基于传感器优化，接收器块622的水平宽度可以比相应发射器电极611的焊盘612的水平宽度窄。例如，接收器块622的水平宽度可以在10-40 µm的范围内（相对于接近50 µm的发射器焊盘水平宽度）。
因此应当理解，图6中所示的电极布置可以与图3B、4B或5中所示的通孔/布线/屏蔽布置组合使用。在图6中所示的电极布置与图4B中所示的通孔/布线/屏蔽布置一起使用的情况下，图6中所示的Tx/Rx电极层中的每个接收器块与Tx布线/屏蔽层中的相应屏蔽块重叠，Tx布线/屏蔽层中的相应屏蔽块大于所有侧上的接收器块（例如，在水平和垂直取向两者上都宽几µm），以为相应的接收器块提供足够的屏蔽。
在某些实施例中，相对于图3B、4B或5中所示的均匀薄的接收器电极，具有图6中所示的接收器块622的接收器电极可以保证信号的增加（从而增加SNR）。
应当理解，本文中描绘和讨论的示例性实施例仅是关于本发明原理的说明性实施例，并且本发明不限于此。例如，尽管图3B、图4B、图5和图6描绘了处于垂直取向的发射器电极和处于水平取向的接收器电极，但是应当理解，可以利用其他相对取向（例如，水平发射器电极和垂直接收器电极）。为了提供另一示例，尽管在说明性实施例中示出的电极形状大部分是矩形的，但是应当理解，可以使用其他形状（诸如具有圆角、菱形形状或其他变型的焊盘和块）。
还应当理解，尽管本文中描绘和讨论的示例性实施例涉及硅传感器（即，其中传感器电极被包括在管芯中的传感器），但是本文中讨论的原理不限于此，并且还可以应用于其中传感器电极位于管芯外部的传感器设备。例如，诸如BGA传感器和柔性传感器的非硅传感器也可以利用如图3A-3B所示的屏蔽层和/或可以受益于具有如图4A-4B和图5所示的组合Tx布线/屏蔽层。
本文中引用的所有参考文献（包括出版物、专利申请和专利）均通过引用特此并入，其达到与如同每个参考文献被单独且具体地指示为通过引用并入并且以其整体在本文中阐述相同的程度。
在描述本发明的上下文中（特别是在所附权利要求书的上下文中），术语“一”和“一个”和“该”和“至少一个”以及类似指示物的使用应被解释为涵盖单数和复数两者，除非本文中另有说明或与上下文明显矛盾。使用术语“至少一个”之后接着一个或多个项目的列举（例如，“A和B中的至少一个”）应被解释为意指选自所列项目中的一个项目（A或B）或所列项目中的两个或更多个的任何组合（A和B），除非本文中另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语（即，意指“包括但不限于”）。除非本文中另有说明，否则本文中值的范围的叙述仅旨在用作单独涉及落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独值并入本说明书中，如同其在本文中单独叙述一样。除非本文中另有说明或与上下文明显矛盾，否则本文中所述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非以其他方式要求保护，否则本文中提供的任何和所有示例或示例性语言（例如，“诸如”）的使用仅旨在更好地说明本发明，而不是对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元件指示为对于本发明的实践是必不可少的。
本文中描述了示例性实施例。在阅读前面的描述后，那些示例性实施例的变型对于本领域普通技术人员而言可能变得显而易见。应当理解，本领域技术人员能够适当地采用这些变型，并且本发明可以以不同于本文中具体描述的方式实践。因此，本发明包括如由适用法律准许的所附权利要求书中所叙述的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文中另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元件在其所有可能变型中的任何组合。

Claims (17)

1.一种硅传感器设备，包括：
多个金属层；以及
多个介电层，其中所述多个金属层中的每个设置在相应的介电层上，并且其中所述多个金属层中的每个通过相应的介电层与相邻的金属层分离；
其中所述多个金属层包括：
第一金属层，所述第一金属层包括多个发射器电极和多个接收器电极；
设置在所述第一金属层下方的第二金属层，其中所述第二金属层包括用于所述多个发射器电极的多个布线迹线；以及
设置在所述第二金属层下方的一个或多个电路层；
其中用于相应发射器电极的相应布线迹线被配置为屏蔽对应于所述相应发射器电极的宽度的所述多个接收器电极的相应部分免受源自所述一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响；以及
其中所述多个金属层和所述多个介电层被设置在同一管芯上。
2.根据权利要求1所述的硅传感器设备，其中用于所述相应发射器电极的所述相应布线迹线包括多个窄部分和多个宽部分，其中所述多个宽部分中的每个设置在相应接收器电极的一部分下方，并且被配置为屏蔽所述相应接收器电极的所述部分免受源自所述一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。
3.根据权利要求2所述的硅传感器设备，其中所述相应布线迹线的相应宽部分大于由此屏蔽的所述相应接收器电极的所述部分。
4.根据权利要求2所述的硅传感器设备，其中所述相应发射器电极包括所述第一金属层中的多个焊盘，并且其中所述焊盘的宽度与所述相应布线迹线的所述宽部分的宽度基本上相同。
5.根据权利要求1所述的硅传感器设备，其中用于所述相应发射器电极的所述相应布线迹线具有对应于所述相应发射器电极的所述宽度的基本上均匀的宽度。
6.根据权利要求5所述的硅传感器设备，其中所述相应发射器电极包括所述第一金属层中的多个焊盘，并且其中所述焊盘的宽度是所述相应发射器电极的所述宽度。
7.根据权利要求1所述的硅传感器设备，还包括：
多个通孔，所述多个通孔设置在所述第一金属层与所述第二金属层之间的介电层中，其中所述多个通孔将所述第一金属层中的所述多个发射器电极连接到所述第二金属层中的所述多个布线迹线。
8.根据权利要求1所述的硅传感器设备，其中所述一个或多个电路层包括至少三个电路层。
9.根据权利要求1所述的硅传感器设备，其中所述一个或多个电路层包括：静电放电（ESD）保护电路、模拟前端、传输驱动器电路、电压调节器、随机存取存储器（RAM）、闪存、控制电路、和/或控制器。
10.一种输入感测设备，包括：
多个传感器电极，所述多个传感器电极包括多个发射器电极和多个接收器电极；
用于所述多个发射器电极的多个布线迹线；以及
处理系统，所述处理系统耦合到所述多个传感器电极，其中所述处理系统被配置为通过将感测信号驱动到所述多个发射器电极上并且经由所述多个接收器电极获得结果信号来获得感测区中的输入对象的图像；
其中所述多个发射器电极和所述多个接收器电极设置在所述输入感测设备的第一金属层上；
其中所述多个布线迹线设置在所述输入感测设备的第二金属层上，所述第二金属层设置在所述第一金属层下方；
其中所述处理系统的至少一部分设置在一个或多个电路层上，所述一个或多个电路层设置在所述第二金属层下方；
其中用于相应发射器电极的相应布线迹线被配置为屏蔽对应于所述相应发射器电极的宽度的所述多个接收器电极的相应部分免受源自所述一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。
11.根据权利要求10所述的输入感测设备，其中用于所述相应发射器电极的所述相应布线迹线包括多个窄部分和多个宽部分，其中所述多个宽部分中的每个设置在相应接收器电极的一部分下方并且被配置为屏蔽所述相应接收器电极的所述部分免受源自所述一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。
12.根据权利要求10所述的输入感测设备，其中用于所述相应发射器电极的所述相应布线迹线具有对应于所述相应发射器电极的所述宽度的基本上均匀的宽度。
13.根据权利要求10所述的输入感测设备，还包括：
多个通孔，所述多个通孔设置在所述第一金属层与所述第二金属层之间的介电层中，其中所述多个通孔将所述第一金属层中的所述多个发射器电极连接到所述第二金属层中的所述多个布线迹线。
14.一种传感器设备，包括：
多个金属层；以及
多个介电层，其中所述多个金属层中的每个设置在相应的介电层上，并且其中所述多个金属层中的每个通过相应的介电层与相邻的金属层分离；
其中所述多个金属层包括：
第一金属层，所述第一金属层包括多个发射器电极和多个接收器电极；
设置在所述第一金属层下方的第二金属层，其中所述第二金属层包括用于所述多个发射器电极的多个布线迹线；以及
设置在所述第二金属层下方的一个或多个电路层；
其中用于相应发射器电极的相应布线迹线被配置为屏蔽对应于所述相应发射器电极的宽度的所述多个接收器电极的相应部分免受源自所述一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。
15.根据权利要求14所述的传感器设备，其中用于所述相应发射器电极的所述相应布线迹线包括多个窄部分和多个宽部分，其中所述多个宽部分中的每个设置在相应接收器电极的一部分下方并且被配置为屏蔽所述相应接收器电极的所述部分免受源自所述一个或多个电路层的能量和/或噪声的影响。
16.根据权利要求14所述的传感器设备，其中用于所述相应发射器电极的所述相应布线迹线具有对应于所述相应发射器电极的所述宽度的基本上均匀的宽度。
17.根据权利要求14所述的传感器设备，还包括：
多个通孔，所述多个通孔设置在所述第一金属层与所述第二金属层之间的介电层中，其中所述多个通孔将所述第一金属层中的所述多个发射器电极连接到所述第二金属层中的所述多个布线迹线。
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