CN115546851A - 超声指纹传感器及其制备方法、电子设备 - Google Patents

超声指纹传感器及其制备方法、电子设备 Download PDF

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CN115546851A CN202211215510.1A CN202211215510A CN115546851A CN 115546851 A CN115546851 A CN 115546851A CN 202211215510 A CN202211215510 A CN 202211215510A CN 115546851 A CN115546851 A CN 115546851A
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纪登鑫
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Abstract

本申请提供一种超声指纹传感器及其制备方法、电子设备，本申请提供的超声指纹传感器的制备方法，在20℃～30℃的温度下对压电薄膜施加电压进行极化，无需降温以及升温的等待过程，使得超声指纹传感器在生产过程中的极化工艺时间缩短，提高生产效率；并且，在压电薄膜极化以及图形化形成压电层后，无需考虑极化方式对第二电极的影响，形成第二电极极化方式更加灵活。

Description

超声指纹传感器及其制备方法、电子设备
技术领域
本申请涉及指纹识别技术领域，尤其涉及一种超声指纹传感器及其制备方法、电子设备。
背景技术
超声指纹传感器通过发射并检测反射回来的超声波进行识别指纹，因其能够穿透显示屏或者壳体、避免光学干扰、识别真假手指等优点，越来越多地被应用到智能终端设备上。
超声指纹传感器的压电层具有压电效应，用来发射或者接收超声波。在相关技术中，为了提高极化效率，压电层的极化通常在高于室温的居里温度下极化。
但是，在极化后，需要等待降温且降温过程中需要保持极化时的高压，由于降温过程比较缓慢，且在进行下一片材料极化时还需要升温，这导致极化过程漫长，生产效率低。
发明内容
本申请提供一种超声指纹传感器及其制备方法、电子设备，以解决现有极化工艺耗费时间长、生产效率低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：
本申请的第一方面提供一种超声指纹传感器的制备方法，其包括：
在第一电极上涂敷压电共聚物溶液，并形成压电薄膜；
在第一温度下对所述压电薄膜进行晶化；所述第一温度大于所述压电薄膜的居里温度，且小于所述压电薄膜的熔化温度；
将所述压电薄膜的温度降低至第二温度，并施加电压以进行极化；所述第二温度的范围为20℃～30℃；
对极化后的所述压电薄膜进行图形化，形成压电层；
在所述压电层上形成第二电极。
与现有技术相比，本申请的第一方面提供的超声指纹传感器的制备方法具有如下优点：
本申请提供的超声指纹传感器的制备方法，通过在20℃～30℃的温度下对压电薄膜施加电压进行极化，无需降温以及升温的等待过程，使得超声指纹传感器在生产过程中的极化工艺时间缩短，提高生产效率；并且，在压电薄膜极化以及图形化形成压电层后，无需考虑极化方式对第二电极的影响，形成第二电极极化方式更加灵活。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述在第一电极上涂敷压电共聚物溶液，并形成压电薄膜，包括：
提供一互补金属氧化物半导体芯片，所述互补金属氧化物半导体芯片上形成所述第一电极；
利用旋涂工艺通过将所述压电共聚物溶液在所述第一电极上涂敷形成所述压电薄膜。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述利用旋涂工艺通过将所述压电共聚物溶液在所述第一电极上涂敷形成所述压电薄膜，具体包括：
将所述压电共聚物溶液滴落至所述第一电极，并以第一转速将所述压电共聚物溶液涂敷至所述第一电极上；
以第二转速再次涂敷并干燥，以形成预设厚度的所述压电薄膜；所述第二转速高于所述第一转速。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述第一转速的范围为300rpm～500rpm，所述第二转速的范围为800rpm～3000rpm。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述以第二转速再次涂敷并干燥，以形成预设厚度的所述压电薄膜，具体包括：
以所述第二转速再次涂敷，在预设干燥温度下干燥预设时长，以形成预设厚度的所述压电薄膜，所述预设干燥温度的范围为40℃～80℃，所述预设时长的范围为30s～5min。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述压电薄膜的厚度范围为5μm～20μm。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述压电薄膜的厚度范围为9μm～11μm。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述将所述压电薄膜的温度降低至第二温度，并施加电压以进行极化，具体包括：
将所述压电薄膜的温度降低至所述第二温度；
在所述第二温度，将所述压电薄膜放置于100V/μm～200V/μm的电场中极化。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述将所述压电薄膜放置于100V/μm～200V/μm的电场中极化，具体包括：将所述压电薄膜在100V/μm～200V/μm的电场中放置5min～20min，以对所述压电薄膜进行极化。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述在第一温度下对所述压电薄膜进行晶化，具体包括：以所述第一温度持续烘烤所述压电薄膜45min～120min。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述对极化后的所述压电薄膜进行图形化，形成压电层，具体包括：
在极化后的所述压电薄膜上形成第一粘接层；
在所述第一粘接层上形成光刻胶层，并在所述光刻胶层上形成刻蚀窗口；
利用刻蚀工艺对所述第一粘接层和所述压电薄膜的由所述刻蚀窗口露出部分进行刻蚀；
去除所述光刻胶层和所述第一粘接层，形成所述压电层。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述在第一电极上涂敷所述压电共聚物溶液并形成压电薄膜之前，还包括：
在所述第一电极上形成第二粘接层；
在所述第二粘接层涂敷所述压电共聚物溶液，并形成压电薄膜。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述第二粘接层的厚度为10nm～200nm。
作为本申请上述制备方法的一种改进，在对极化后的所述压电薄膜进行图形化之前，所述方法还包括：
在所述压电薄膜上形成导电保护薄膜，并对所述导电保护薄膜进行图形化，以形成所述导电保护层。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述导电保护层的厚度为50nm～500nm。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述方法还包括：在所述第二电极上形成保护层；所述保护层的厚度为4μm～50μm。
作为本申请上述制备方法的一种改进，所述第二电极的厚度为2μm～30μm。
本申请的第二方面提供一种超声指纹传感器，采用第一方面所述的超声指纹传感器的制备方法制备形成。
本申请的第二方面提供的超声指纹传感器，由于其采用第一方面所述的超声指纹传感器的制备方法制备形成，因此本申请的第二方面提供的超声指纹传感器也具有与第一方面所述的制备方法的相同的优点。
本申请的第三方面提供一种电子设备，其包括盖板以及第二所述的超声指纹传感器，所述超声指纹传感器安装于所述盖板的下方。
本申请的第三方面提供的电子设备，由于其包括第二方面所述的超声指纹传感器，因此本申请的第三方面提供的电子设备也具有与第二方面所述的超声指纹传感器的相同的优点。
附图说明
图1为本申请实施例提供的超声指纹传感器的制备方法的流程图；
图2a至图2d为本申请实施例一提供的超声指纹传感器的制备流程的俯视示意图；
图3a至图3d为本申请实施例一提供的超声指纹传感器的制备流程的剖视示意图；
图4a至图4f为本申请实施例一提供的超声指纹传感器在CMOS芯片上的制备流程的剖视示意图；
图5为本申请一实施例提供的超声指纹传感器的结构示意图；
图6为本申请另一实施例提供的超声指纹传感器的结构示意图；
图7为本申请又一实施例提供的超声指纹传感器的结构示意图；
图8a至图8d为本申请实施例一提供的超声指纹传感的压电薄膜图形化的流程示意图；
图9a至图9e为本申请实施例二提供的超声指纹传感器的制备流程示意图。
附图标记说明：
10：第一粘接层；20：光刻胶层；21：刻蚀窗口；
1000：CMOS芯片；2000：压电薄膜；
100：超声指纹芯片；101：可操作区；110：衬底；120：第一电极；130：钝化层；140：电极焊盘；150：引脚焊盘；161：第一连接线；162：第二连接线；
200：压电层；210：倾斜面；
300：第二电极；
400：保护层；
500：第二粘接层；
600：导电保护层。
具体实施方式
超声指纹传感器，利用超声波具有穿透材料的能力，且超声波到达不同材质表面时，被反射回的超声波能量及历经的路程不同，而进行指纹识别的。因此，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹的嵴与峪所在的位置。超声指纹传感器能够渗透到皮肤表面之下识别出指纹独特的三维特征，识别真假手指；而且由于超声波具有一定穿透性，在手指有少量污垢或潮湿的情况下仍能识别，可以穿透设备的显示屏或者外壳。因此，越来越多地被应用到智能终端设备上。
超声指纹传感器的压电层具有压电效应，具体的在压电层发生形变时，其两端产生电压差；在其两端产生电压差时，压电层可以发生形变。利用压电层的这种特性，实现机械振动和交流电信号的互相转换，从而可以发射或者接收超声波。
超声指纹传感器的工作频率越高，其穿透性越好，越有利于生产清晰的指纹图像，提高指纹识别的准确度。超声指纹传感器的工作频率与压电层的厚度成反比，在要求越高的指纹识别准确度时，意味着更薄的压电层。同时，为了获得足够的成像性能，超声指纹传感器的相邻两个压电柱之间的间隔应当小于超声波波长，对于典型的超声指纹传感器，其相邻两个压电柱之间的间隔通常在50μm～100μm之间。因此，压电层的形成工艺对超声波指纹的性能至关重要。
在相关技术中，为了提高极化效率，压电层的极化通常在高于室温的居里温度下极化。但是，为了避免发生退极化问题，在居里温度下的压电层不能直接移出机台，需要等待降温且降温过程中需要保持极化时的高压。由于需要考虑降温过程中材料应力释放等问题，降温过程通常比较缓慢，且在进行下一片材料极化时还需要再次升温，这导致超声指纹传感器在生产过程中的极化工艺耗费时间长，生产效率低。
有鉴于此，本申请实施例超声指纹传感器在制备过程中，在室温下施加电压对压电层进行极化，且采用100～200V/um的电场极化，该过程中无需降温以及升温的等待过程，使得超声指纹传感器在生产过程中的极化工艺时间缩短，提高生产效率。
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
实施例一
图1为本申请实施例提供的超声指纹传感器的制备方法的流程图；图2a至图2d为本申请实施例一提供的超声指纹传感器的制备流程的俯视示意图；
图3a至图3d为本申请实施例一提供的超声指纹传感器的制备流程的剖视示意图；图4a至图4f为本申请实施例一提供的超声指纹传感器在CMOS芯片上的制备流程的剖视示意图。图2a至图2d是以一个超声指纹芯片100为例，超声指纹传感器的制备过程中的俯视图，图3a至图3d为图2a至图2d对应的A-A向剖视图；而图4a至图4f示出的是在圆形的CMOS芯片1000制备超声指纹传感器的过程，其中，CMOS芯片1000上通常设置多个超声指纹芯片100。
步骤S110：结合图1、图2a、图3a以及图4b，在第一电极120上涂敷压电共聚物溶液，并形成压电薄膜2000。
在涂敷压电共聚物溶液之前，先配置压电共聚物溶液。具体过程包括：称重确定溶剂以及溶质质量、溶液配制以及过滤，形成压电共聚物溶液。在溶液配制过程中，在将溶剂和溶质分别加入至反应釜后，将反应釜水浴加热至20℃～30℃，如此配置形成的压电共聚物溶液形成的压电薄膜具有较大的压电常数d33，压电常数d33高达25±1pC/N。对于超声指纹传感器而言，其灵敏度与d33的关系满足Sloop∝STx*SRx∝d333，即超声指纹传感器的环路灵敏度Sloop，正比于发射超声波灵敏度STx和接收超声波灵敏度SRx的乘积，正比于压电常数d33的三次方。相关技术中，压电薄膜的d33大致为21±2pC/N；当d33从21增加到25时，超声传感器的灵敏度提升为原来的(25/21)3＝1.69倍，即提升接近70％；在实际的测试中，可能由于寄生电容的影响，超声指纹传感器的灵敏度提升接近50％，利于提高超声波信号强度，提高超声波成像清晰度。
可以理解的是，压电共聚物溶液的溶质为压电共聚物，其可以是聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)或者聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PolyvinylideneFluoride-trifluoroethylene，PVDF-TrFE)等。
通常的，在第一电极120上涂敷压电共聚物溶液的方式有多种，例如，狭缝涂布、浸涂、喷涂等。在本申请实施例中，第一电极120位于超声指纹芯片100上，超声指纹芯片100为用于超声指纹识别的专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)。本申请实施例采用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductortransistor，CMOS)芯片，以下简称CMOS芯片1000。为此，本申请实施例采用旋涂方式涂敷压电共聚物溶液。
结合图4a，CMOS芯片1000上具有多个超声指纹芯片100。每个超声指纹芯片100包括衬底110以及设置于衬底110上的第一电极120，第一电极120可以是通过溅射或者正度形成在衬底110表面的金属电极阵列，该金属电极的材料可以是铝或者金等。超声指纹芯片100除了包括第一电极120外，还包括电性连接用的焊盘以及放大器、开关等其他器件。
本申请实施例的超声指纹芯片100还包括设置于衬底110上表面的钝化层130，衬底110的上表面形成有第一电极120；钝化层130覆盖在第一电极120以及除去第一电极120剩余部分的衬底110的上表面上。第一电极120区域对应的钝化层130被去除，例如利用刻蚀工艺去除第一电极120区域的钝化层130，从而使得第一电极120露出。如此设置，能够使得第一电极120与压电层200接触，减少寄生电容，且保证第一电极120的激励信号的电压全部作用于压电层200上，利于提高超声指纹识别效果。
其中，寄生电容指的是，本来没有在“那个地方”设计电容，但由于布线之间总是有互容，互容就好像是寄生在布线之间的一样，所以叫寄生电容，又称杂散电容。在超声指纹传感器中，如果没有去除第一电极120对应的钝化层，那么压电层200和钝化层130之间形成的电容、钝化层130和第一电极120之间形成的电容，为寄生电容；而第一电极120与压电层200、压电层200与第二电极300之间的电容为有效电容。
当然，焊盘区域对应的钝化层130也被去除而使得焊盘露出，如此焊盘能够与其他部件电性连接。结合图2a，超声指纹芯片100的焊盘可以包括电极焊盘140以及引脚焊盘150。电极焊盘140用于与第二电极300电性连接，引脚焊盘150用于连接外部的电路板，示例性的，金线或者铝线等引线的两端分别焊接与引脚焊盘150和电路板上的焊盘上，实现超声指纹传感器与电路板之间的电性连接。引脚焊盘150与电极焊盘140电性连接，从而使得第一电极120的电信号可以传输至外部电路板。引脚焊盘150和电极焊盘140的电性连接方式可以有多种。
图5为本申请一实施例提供的超声指纹传感器的结构示意图；图6为本申请另一实施例提供的超声指纹传感器的结构示意图。
在一些实施例中，参照图5，引脚焊盘150和电极焊盘140通过第一连接线161电性连接，第一连接线161与第一电极120位于同一层，在形成第一电极120时形成第一连接线161，工艺简单。
在另一些实施例中，参照图6，引脚焊盘150和电极焊盘140通过第二连接线162电性连接，第二连接线162位于衬底110内部，利于保护第二连接线162，保证引脚焊盘150和电极焊盘14之间电性连接。
结合图4b，本申请实施例中CMOS芯片1000的衬底110为晶圆(wafer)，其形状为圆形。本申请实施例的制备方法利用旋涂工艺通过将压电共聚物溶液在第一电极120上涂敷形成压电薄膜2000。
相对于狭缝涂布，本申请实施例利用旋涂方式形成压电薄膜2000，可以直接与圆形的CMOS芯片1000相匹配，不需要额外定制机台，且后续配合光刻工艺可以得到精度更高、图形更加复杂的超声指纹传感器；而且涂料不会喷射到机台上，形成的压电薄膜2000厚度均匀。而狭缝涂布仅仅可以进行简单图形，即条状图像的制作，而且如果利用狭缝涂布在CMOS芯片1000上涂布，部分涂料会喷出至机台上，每次涂布后均需要清理机台，影响生产效率；利用浸涂的方式在CMOS芯片1000的两面均会被涂敷，不仅浪费涂料，而且会影响超声指纹识别效果；利用喷涂的方式在CMOS芯片1000形成的压电薄膜厚度不均匀，厚度控制精度差。
具体来说，将压电共聚物溶液滴落至第一电极120，并以第一转速将压电共聚物溶液涂敷至第一电极120上，结合图4b，压电共聚物溶液被涂敷而覆盖整个CMOS芯片1000。以第二转速再次涂敷并干燥，以形成预设厚度的压电薄膜2000。
示例性的，第一转速的范围为300rpm～500rpm；第二转速的范围为800rpm～3000rpm，在保证第二转速高于第一转速的同时，避免第一转速过小而影响涂敷效率，避免第二转速过大而影响涂敷效果。
本申请实施例通过先低速旋转均匀压电共聚物溶液，再高速旋转进一步均匀压电共聚物溶液的方式，不仅可以使得压电薄膜2000的均匀度更好，还可以减少气泡等缺陷，提高产品良率。
可选地，以第一转速涂敷3s～30s，将压电共聚物溶液涂敷至第一电极120上，避免低速涂敷时间过短影响压电薄膜2000的均匀度，避免涂敷时间过长影响生产效率。
在压电共聚物溶液被涂敷后，需要对被涂敷均匀的压电共聚物溶液进行干燥，以形成预设厚度的压电薄膜2000。
具体包括：以第二转速再次涂敷，在预设干燥温度下干燥预设时长，以形成预设厚度的压电薄膜2000，预设干燥温度的范围为40℃～80℃，预设时长的范围为30s～5min。
其中，预设干燥温度可以是室温，例如20～30℃，预设时长在30min以内；当然，为了缩短干燥时间，可以提高预设干燥温度，使得预设干燥温度可以高于室温，预设干燥温度的范围可以为40～80℃，示例性的，预设干燥温度为60℃，预设时长可以是3min～5min，在干燥形成压电薄膜2000，保证生产效率。
如此设置预设干燥温度和预设时长，不仅可以提高干燥效率，而且使得形成的压电薄膜2000表现为透明薄膜，其透明度较高而雾度低，成膜质量高。可以理解的，透明度较高的压电薄膜，其结晶度越高，对应的压电常数d33数值较大，进而利于提高超声指纹传感器的灵敏度。
压电薄膜2000的厚度影响超声指纹传感器的工作频率和性能。可选的，压电薄膜的厚度为5μm～20μm，进一步的，压电薄膜的厚度为9μm～11μm。如此设置，可以避免压电薄膜的厚度过薄使得超声指纹传感器的工作频率过高，而导致电路设计复杂，避免压电薄膜的厚度过薄使得接收超声波的灵敏度下降；可以避免压电薄膜的厚度过大，影响发射超声波的强度。
能够理解的是，单次旋涂工艺形成的压电薄膜2000的厚度范围为5μm～12μm，在需要的压电薄膜2000厚度较大时，可以通过多次旋涂的方式实现。
图7为本申请又一实施例提供的超声指纹传感器的结构示意图。结合图7，在一些可能的实现方式中，本申请的制备方法在第一电极上涂敷压电共聚物溶液并形成压电薄膜之前，还包括：在第一电极120上形成第二粘接层500，例如，采用旋涂或者气相沉积等方式形成第二粘接层500；然后在第二粘接层500涂敷压电共聚物溶液，并形成压电薄膜。其中，第二粘接层500起到增加第一电极120和压电薄膜粘附性的作用。可选的，第二粘接层500可以是硅烷类偶联剂。
第二粘接层500的厚度影响压电层200与第一电极120的接触，并且形成寄生电容，使得超声指纹传感器的性能下降。通常的，第二粘接层500的厚度在小于1.5微米即可实现增加第一电极120和压电薄膜粘附性的作用；可选的，第二粘接层500的厚度为10nm～200nm，既可以提高压电层200和超声指纹芯片100的粘附性，还可以避免过大的厚度影响超声指纹传感器的性能。此外，在质量管控阶段中，对压电层200与超声指纹芯片100的附着力进行拉膜测试，第二粘接层500利于保证压电层200与超声指纹芯片100的附着力达到4B以上，提高产品良率。其中，4B等级是ISO等级的1＝ASTM等级，表明在附着力测试中划格区内实际破损小于或等于5％。
在此需要说明的是，如果第二粘接层500影响引脚焊盘150的导电性能，或者对引脚焊盘150与电路板电性连接的引线产生影响时，可以利用光刻方式去除，光刻方式可以参照后续压电薄膜2000的光刻方式，以保证引脚焊盘150与引线的导电性能。
步骤S120：在第一温度下对压电薄膜2000进行晶化，使得压电薄膜2000的分子取向一致；示例性的，对于PVDF-TrFE压电薄膜，晶化使得分子的取向大部分变成β相位。其中，第一温度大于压电薄膜2000的居里温度，且小于压电薄膜2000的熔化温度。具体地，以第一温度持续烘烤压电薄膜45min～120min。压电薄膜2000的结晶度随时间增加并最终饱和，烘烤压电薄膜45min～120min，可以避免烘烤时间过短影响结晶度，避免结晶饱和后烘烤过长时间影响生产效率。
换言之，对压电薄膜2000晶化是以第一温度烘烤形成有压电薄膜2000的CMOS芯片1000。具体来说，先将烘箱预热至第一温度，并将形成有压电薄膜2000的CMOS芯片1000放入烘箱并等待45min～120min。可以理解的，在烘箱烘烤预设时长后，将形成有压电薄膜2000的CMOS芯片1000取出，在空气环境下冷却至室温即可。
步骤S130：将压电薄膜2000的温度降低至第二温度，并施加电压以进行极化，使得压电薄膜2000内的分子规则排列，使得分子的偶极朝向相同的方向，体现压电薄膜2000的压电特性。第二温度的范围为20℃～30℃，在实际制备过程中，将压电薄膜2000的温度降低至室温即可。
通常的，在相同电压下，处于居里温度的压电材料极化确实比常温极化要快。但是，处于居里温度的压电材料在完成极化后不能直接移出机台，需要等待降温；且在此过程中所加的极化用高压不能关闭，否则已经极化的压电材料会发生退极化，即极化消失的情况。由于需要考虑降温过程中材料应力释放等问题，降温过程通常比较缓慢，耗时比较长；并且，在下一片材料进机台极化之前，还需要时间升温至居里温度。这就使得整个极化过程耗费时间长，生产效率低。
而本申请实施例在20℃～30℃的常温下极化，无需降温以及升温的等待过程，使得超声指纹传感器在生产过程中的极化工艺时间缩短，提高生产效率。
通常极化电场需要高于压电薄膜2000的矫顽电场(45～55V/μm)，避免极化时间过长。随着极化电场电压的升高，极化时间缩短，但是对极化设备电源要求也随之升高，并有可能对芯片造成损伤。本申请实施例的制备方法，在第二温度将压电薄膜2000放置于100V/μm～200V/μm的电场中极化，在缩短极化时间，提高生产效率的同时，避免极化电场过大而损坏芯片。
可以理解的是，施加电压的极化方式可以是接触式极化方式，例如油浸式极化方式；也可以是非接触式加护方式，例如电晕极化方式。本申请实施例采用电晕极化方式，极化设备有上电极和下电极，上电极在下电极上方，上电极和下电极均为栅格结构。待极化的CMOS芯片置于下电极下方，并且不与下电极直接接触。通过给上电极和下电极加电压的方式，给压电薄膜施加极化电压，其中上电极的电压大于下电极电压。
可选地，将压电薄膜2000晶化后的CMOS芯片1000在100V/μm～200V/μm电场中放置5min～20min，以对压电薄膜进行极化，可以避免极化时间过短影响压电性能，避免极化时间过短影响生产效率。
步骤S140：参照图2b、图3b以及图4c，对极化后的压电薄膜2000进行图形化，形成压电层200。
本申请实施例采用光刻工艺对极化后的压电薄膜2000进行图形化。对于直接在压电薄膜2000上涂敷光刻胶，光刻胶与压电薄膜2000之间的粘附性较弱，影响图像化。图8a至图8d为本申请实施例一提供的超声指纹传感的压电薄膜图形化的流程示意图，结合图8a至图8d，本申请实施例的对极化后的压电薄膜2000进行图形化，形成压电层200，具体包括：
步骤1：结合图8a，在极化后的压电薄膜2000上形成第一粘接层10，以此增加压电薄膜2000和光刻胶层20之间的粘附性；第一粘接层10可以采用硅烷类偶联剂等。
步骤2：结合图8b，在第一粘接层10上形成光刻胶层20，例如，在第一粘接层10上旋涂形成光刻胶层20；结合图8c，在光刻胶层20上形成刻蚀窗口21，具体通过光刻机对光刻胶层20曝光，再经过显影液进行显影，在光刻胶层20上形成刻蚀窗口21。
步骤3：参照图8d，利用刻蚀工艺对第一粘接层10和压电薄膜2000的由刻蚀窗口21露出部分进行刻蚀。示例性的，利用等离子刻蚀工艺进行刻蚀，在刻蚀过程中，通常采用氧气作为刻蚀气体；在设置有第二粘接层时，氧气的刻蚀速率较慢且容易出现刻蚀不均匀的问题。为此，可以在氧气中添加氟基气体，例如四氟甲烷、三氟甲烷等，或者，在氧气中添加氩气，以提高刻蚀速度和刻蚀的均匀性。
在此需要说明的是，在刻蚀压电薄膜2000时，可以通过调整光刻胶固化的温度、刻蚀气体的流量、刻蚀气体的配置等，使得压电层200的边缘形成倾斜面210，如此有利于在涂敷形成第二电极300时，第二电极300的涂料在与电极焊盘140的连接处能够更好的“爬坡”电性连接。
步骤4：参照图3b，去除光刻胶层20和第一粘接层10，形成压电层200。例如，可以采用湿法清洗的方式去除光刻胶层20和第一粘接层10；当然，也可以采用干法等离子刻蚀的方式去除光刻胶层20和第一粘接层10。
再次结合图2b，超声指纹芯片100上具有可操作区(Active Area，AA区)101，第一电极120位于可操作区101内。图形化形成的压电层200的面积大于可操作区101的面积，使得压电层200在可操作区101上的投影覆盖至可操作区101以及可操作区101外侧的部分区域，如此设置较大面积的压电层200，利于提高超声指纹芯片100的抗静电击穿性能。这是因为，在超声指纹芯片100上形成的压电层200相对于一层“绝缘层”，相对于击穿厚度小于2微米的钝化层，击穿厚度较大的“绝缘层”需要更大强度的静电，因此，设置较大面积的压电层200利于提高超声指纹芯片100的抗静电击穿能力。
步骤150：参照图2c、图3c以及图4d，在压电层200上形成第二电极300。其中，第二电极300的材料可以是导电银浆、导电油墨、导电碳浆等。形成第二电极300的涂敷方式可以是丝印、喷涂等。本申请实施例采用丝印方式形成第二电极300，具体地，丝印网版的镂空区域可以允许电极涂料透过而涂敷，其它部分不会有电极涂料透过。待丝印网版和CMOS芯片对位后，由刮刀将电极涂料从CMOS芯片一侧刮到另一侧，即可将丝印网版图形转印在压电层200上。在涂敷形成第二电极300时，同时涂敷第二电极300与电极焊盘140电性连接的电性连接区域。
可选的，第二电极300的厚度为2μm～30μm，在保证导电性能的同时，较薄的第二电极300利于提高超声指纹传感器的性能。第二电极300需要通过电路板进行控制，第二电极300与超声指纹芯片100上的电极焊盘140电性连接，结合图3d，第二电极300与电极焊盘140之间具有高度差，第二电极300的厚度过小，可能会导致与压电层200的倾斜面210出相对的台阶处断裂，影响产品良率。
在一些实施例中，结合图2c，第二电极300在压电层200的投影位于压电层200的内部，使得压电层200面积大于第二电极300的面积，如此可以减小第二电极300和第一电极120之间施加电压时边缘电场对超声指纹芯片100性能的影响，也可以提高超声指纹芯片100的抗静电击穿性能。
在一些实施例中，超声指纹芯片100的可操作区101在第二电极300上的投影位于第二电极300的内部，使得第二电极300的面积大于可操作区101的面积，保证所有的第一电极120的上方均可以覆盖有第二电极300，保证超声指纹识别的面积。
由此，本申请实施例提供的超声传感器的制备方法，在20～30℃的常温下极化，无需降温以及升温的等待过程，使得超声指纹传感器在生产过程中的极化工艺时间缩短，提高生产效率；而且，极化且图形化后的压电层200上形成第二电极300，极化方式更加灵活，无需考虑极化方式对第二电极300的影响。
下面参照图2d、图3d以及图4e，由于压电层200对湿度比较敏感，且银浆材料的第二电极300易被氧化，为此，本申请实施例的制备方法还包括：在第二电极300上形成保护层400，实现压电层200、第二电极300以及超声指纹芯片100的保护作用。示例性的，保护层400的涂敷方式可以是丝印、喷涂、浸涂、狭缝涂布等。保护层400为不导电的绝缘材料，例如环氧树脂材料等。
可选的，保护层400不仅覆盖在第二电极300的上，保护层400还覆盖在压电层200和电极焊盘140的外侧，避免压电层200和电极焊盘140受水汽侵蚀而影响性能。
可选的，保护层400的厚度为4μm～50μm，既可以避免保护层400厚度过薄，影响保护效果，还可以避免保护层400厚度过大，导致超声波衰减。
可以理解的是，在保护层400的厚度范围内，可以通过调节保护层400的厚度调节超声指纹传感器的谐振频率。
结合图4e和图4f，磨削CMOS芯片1000直至CMOS芯片1000分离形成多个超声指纹芯片100，此时的超声指纹芯片100上层叠设置有压电层200、第二电极300以及保护层400。磨削CMOS芯片1000的方式可以参照现有的晶圆减薄形成裸片DIE的方式，例如砂轮磨削等。
实施例二
图9a至图9e为本申请实施例二提供的超声指纹传感器的制备流程示意图。请参考图9a至图9e，本实施例是在实施例一的基础进行的改进，其他具体工艺流程可以参照实施例一，不再赘述。本实施例与实施例一的区别在于在步骤S130和步骤S140之间增加形成导电保护层600的步骤。
图9a与图3a相同、图9c与图3b相同、图9d与图3c相同、图9e与图3d相同，在此不再赘述。
图9b，在对极化后的压电薄膜2000进行图形化之前，在压电薄膜2000上形成导电保护薄膜，并对导电保护薄膜进行图形化，以形成导电保护层600。具体来说，利用物理气相沉积((Physical Vapor Deposition，PVD)在压电薄膜2000上蒸镀形成氧化铟锡(IndiumTin Oxides，ITO)薄膜，对氧化铟锡薄膜图形化后形成导电保护层600，图形化方式可以是光刻、lift-off(揭开—剥离)工艺等。导电保护层600还可以是其他金属材料，只要足够致密、能够保护被遮盖的压电层200不受图形化过程中的溶液影响即可。
本申请实施例提供二提供的超声指纹传感器的制备方法，通过在压电薄膜2000上形成导电保护层600，保护压电薄膜2000在图形化过程中不会被溶液浸泡而导致性能下降。
可选的，导电保护层600的厚度为50nm～500nm，避免设置过薄的导电保护层600影响保护效果，避免设置过厚的导电保护层600影响压电层200的性能。
可选的，继续参照图9d，导电保护层600在压电层200上的投影位于压电层200内部，使得导电保护层600的面积小于压电层200的面积，如此设置可以减少可操作区以外的寄生电容，避免设置过大的导电保护层600，使得导电保护层600与可操作区意外的电路形成电容，影响超声指纹传感器的性能。
实施例三
本申请实施例提供一种超声指纹传感器，其采用实施例一或者实施例二的超声指纹传感器的制备方法制备形成，因此本申请实施例三提供的超声指纹传感器也具有与实施例一或者实施例二的制备方法的相同的优点，在此不再赘述。
本申请实施例的超声指纹传感器的具体工作过程为：
在第一电极120和第二电极300之间施加激励信号，压电层200基于压电效应产生振动，从而发射超声波信号；超声波信号穿出电子设备达到手指表面而产生回波信号；回波返回传输至压电层200，基于逆压电效应，在第一电极120和第二电极300之间产生电势差，而得到相应的电信号，相关的处理电路，例如电子设备的电路板，获取并根据该电信号形成指纹信息，最后通过将指纹信息与预先存储的指纹信息对比，达到指纹识别的目的。
实施例四
本申请实施例还提供一种电子设备，其包括盖板以及实施例三所述的超声指纹传感器，所述超声指纹传感器安装于所述盖板的下方。
盖板起到保护作用，从而可以提高超声指纹传感器的可靠性。盖板的顶面朝向接触对象(例如，用户的手指)。盖板可以为能够被超声波穿透的材料，例如玻璃、金属或复合材料等。另外，盖板可以直接为电子设备的壳体或者显示屏，或者盖板可以镶嵌于电子设备的壳体中。
本申请实施例四提供的电子设备，由于其包括实施例三所述的超声指纹传感器，因此本申请实施例四提供的电子设备也具有与实施例三所述的超声指纹传感器相同的优点，在此不再赘述。
作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以为终端设备、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑、游戏设备、车载电子设备或穿戴式智能设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(Automated Teller Machine，ATM)等其他电子设备。其中的穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分功能的设备，例如智能手表或智能眼镜等，以及包括只专注于某一类应用功能并且需要和其它设备如智能手机配合使用的设备，例如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等设备。
在以上描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (18)

1.一种超声指纹传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在第一电极上涂敷压电共聚物溶液，并形成压电薄膜；
在第一温度下对所述压电薄膜进行晶化；所述第一温度大于所述压电薄膜的居里温度，且小于所述压电薄膜的熔化温度；
将所述压电薄膜的温度降低至第二温度，并施加电压以进行极化；所述第二温度的范围为20℃～30℃；
对极化后的所述压电薄膜进行图形化，形成压电层；
在所述压电层上形成第二电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第一电极上涂敷压电共聚物溶液，并形成压电薄膜，包括：
提供一互补金属氧化物半导体芯片，所述互补金属氧化物半导体芯片上形成所述第一电极；
利用旋涂工艺通过将所述压电共聚物溶液在所述第一电极上涂敷形成所述压电薄膜。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用旋涂工艺通过将所述压电共聚物溶液在所述第一电极上涂敷形成压电薄膜涂敷，具体包括：
将所述压电共聚物溶液滴落至所述第一电极，并以第一转速将所述压电共聚物溶液涂敷至所述第一电极上；
以第二转速再次涂敷并干燥，以形成预设厚度的所述压电薄膜；所述第二转速高于所述第一转速。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述第一转速的范围为300rpm～500rpm，所述第二转速的范围为800rpm～3000rpm。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述以第二转速再次涂敷并干燥，以形成预设厚度的所述压电薄膜，具体包括：
以所述第二转速再次涂敷，在预设干燥温度下干燥预设时长，以形成预设厚度的所述压电薄膜，所述预设干燥温度的范围为40℃～80℃，所述预设时长的范围为30s～5min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压电薄膜的厚度范围为5μm～20μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述压电薄膜的温度降低至第二温度，并施加电压以进行极化，具体包括：
将所述压电薄膜的温度降低至所述第二温度；
在所述第二温度，将所述压电薄膜放置于100V/μm～200V/μm的电场中极化。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将所述压电薄膜放置于100V/μm～200V/μm的电场中极化，具体包括：将所述压电薄膜在100V/μm～200V/μm的电场中放置5min～20min，以对所述压电薄膜进行极化。
9.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述在第一温度下对所述压电薄膜进行晶化，具体包括：以所述第一温度持续烘烤所述压电薄膜45min～120min。
10.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述对极化后的所述压电薄膜进行图形化，形成压电层，具体包括：
在极化后的所述压电薄膜上形成第一粘接层；
在所述第一粘接层上形成光刻胶层，并在所述光刻胶层上形成刻蚀窗口；
利用刻蚀工艺对所述第一粘接层和所述压电薄膜的由所述刻蚀窗口露出部分进行刻蚀；
去除所述光刻胶层和所述第一粘接层，形成所述压电层。
11.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述在第一电极上涂敷所述压电共聚物溶液并形成压电薄膜之前，还包括：
在所述第一电极上形成第二粘接层；
在所述第二粘接层涂敷所述压电共聚物溶液，并形成压电薄膜。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二粘接层的厚度为10nm～200nm。
13.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，在对极化后的所述压电薄膜进行图形化之前，所述方法还包括：
在所述压电薄膜上形成导电保护薄膜，并对所述导电保护薄膜进行图形化，以形成所述导电保护层。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述导电保护层的厚度为50nm～500nm。
15.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第二电极上形成保护层；所述保护层的厚度为4μm～50μm。
16.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述第二电极的厚度为2μm～30μm。
17.一种超声指纹传感器，其特征在于，采用权利要求1-16任一项所述的超声指纹传感器的制备方法制备形成。
18.一种电子设备，其特征在于，包括盖板以及权利要求17所述的超声指纹传感器，所述超声指纹传感器安装于所述盖板的下方。
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