CN1385813A - 使用压电薄膜的指纹传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种通过将作用于压电薄膜的压力转换成电信号来感知指纹的指纹传感器。该指纹传感器具有一个压电器件集合体,它包括:衬底;在衬底上形成的下部电极;在下部电极上形成的压电薄膜;在压电薄膜上形成的上部电极;在上部电极上形成的加压部分,该加压部分用于通过由于指纹接触所产生的压力来改变压电薄膜上的电荷量;以及在下部电极上形成的非导电层,该非导电层用于支撑和暴露所述加压部分。结果,能够提供一种结构简单,并且能够利用压电现象准确感知指纹信息的指纹传感器。该指纹传感器能够应用于公共机构和私人企业中用于确定人员身份的系统,以及个人便携系统。

Description

使用压电薄膜的指纹传感器
发明领域
本发明涉及使用压电薄膜的指纹传感器，更具体地，涉及通过将作用于压电薄膜的压力转换成电信号来感知指纹的指纹传感器。
相关技术描述
随着经济和社会的发展，在购买货物和支付货款时采用脱机直接交易和现金交易已逐渐发展起来。结果，就出现一种采用信用卡或者联机电子货币的新型支付方式。这样，私人信息的安全性就成了一个社会问题，而且，有必要通过感知个人的指纹来保证个人信息的安全性。另外，也需要一种能在要求私人信息的场合原位感知指纹并且破译所述指纹的技术。
图1是在美国专利4,394,773中公开的指纹传感器的透视图。参见图1，如果用手指压迫压电厚膜11，则由指纹12引起的压力13会改变指纹12与压电厚膜11之间的接触部分的电流密度。该电流密度通过用于感知指纹12的感知器件14被读取到输出线15。然而，由于使用厚膜而非薄膜来读取信息，因此，难于准确测定信息和将所述指纹传感器制成单片型。结果，存在个人难于携带所述指纹传感器，即，难于将其简单地应用于使携系统的问题。
图2是用于说明由Infineon开发的指纹传感器的操作过程的横截而视图。该指纹传感器采用电容CMOS传感器原理。对传感器表面22与指纹23之间的电容进行测量，转换成电信号，并且作为数字图像加以实现。
然而，这种方法受温度和湿度的影响很大。另外，还存在静电要求附加的电路和材料以及难于获得规律性结果的问题。而且，当操作所述指纹传感器时能够从指纹和传感器表面读取的电荷的数量很小，并且，因此，必须通过进行重复开关将所述电荷分别存储。
发明简述
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有薄膜形状的指纹传感器，其中，排列分布有利用压电现象用于精确感知由指纹的凸点和凸点间的凹沟引起的压力所产生的信息的单元器件。基于温度和湿度的变化测得的电容具有规律性，能够原位获得可靠结果。
因此，为了达到上述目的，提供了一种具有压电元件集合体的指纹传感器。该指纹传感器包括：衬底；在衬底上形成的下部电极；在下部电极上形成的压电薄膜；在压电薄膜上形成的上部电极；在上部电极上形成的加压部分，该加压部分用于通过由指纹接触所产生的压力来改变压电薄膜上的电荷数量；以及在下部电极上形成的非导电层，该非导电层用于支撑和暴露所述加压部分。
该压电器件的集合体还包括电容器，其在下部电极上形成并且储存出现在压电薄膜上的电荷数量的变化。
所述加压部分自非导电层表面突起，而且，所述加压部分的宽度小于指纹的每个凸点和凸点间的距离。
优选所述加压部分的宽度为50μm或更小。
优选所述压电器件的集合体具有各压电器件以规则间隔排列的结构。
所述指纹传感器还包括在衬底与下部电极之间形成的支撑层，优选该支撑层包括Si3N4或SiO2。
优选地，在衬底中存在空腔，而且，压电薄膜、上部电极和加压部分在与所述空腔相对的下部电极上形成。
优选所述压电薄膜包括PST，石英、BaTiO3，PZT，(Pb，Sm)TiO3，PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)，PVDF-FrFE，或者PVDF。
所述指纹传感器进一步包括用于输出出现在压电薄膜上的电荷变化的电路。
附图简述
通过结合附图，详细介绍本发明的优选实施方案，本发明的上述目的和优点将变得更为明显，所述附图中：
图1是在美国专利4,394,773中公开的指纹传感器的透视图。
图2是用于说明由Infineon开发的指纹传感器的操作过程的横截面视图。
图3是根据本发明的第一个实施方案的指纹传感器的单元结构的横截面视图。
图4是根据本发明的第二个实施方案的指纹传感器的横截面视图。
图5A是根据本发明的指纹传感器的阵列结构的平面视图。
图5B是根据本发明的指纹传感器的阵列结构的横截面视图。
图6示出的是受到根据指纹形状通过用手指压迫指纹传感器的加压部分施加的压力作用的单元的一部分。
图7是利用根据本发明的指纹传感器处理指纹信息的步骤流程图。
发明详述
现在参照图3介绍根据本发明的第一个实施方案的指纹传感器的单位压电器件的结构。
支撑层33在存在空腔32的衬底31上形成，下部电极34在所述支撑层33上形成，压电薄膜35形成在与空腔32相对的部分下部电极34上。上部电极36形成在压电薄膜35上。用于施加由于手指指纹接触产生的压力的加压部分38在上部电极上形成。非导电层37在加压部分38与下部电极34之间形成，用于将下部电极34与上部电极36的电流输送至外面的线路39在非导电层37中形成。
支撑层33并非必须存在，但是它能维持抵抗加压部分38的压力作用的弹性，而且，还对单元压电器件起支撑作用，以保持单元压电器件的结构安全性。这里，优选支撑层33由Si3N4或SiO2制成。下部电极34与上部电极36的作用是将由加压部分38的压力引起的压电薄膜35上的电流变化通过非导电层37中的线路39送至外面，下部电极34与上部电极36均由通常用于制造电极的材料制成。
加压部分38的作用是将由指纹凸点接触施加的压力传递到压电薄膜35上。加压部分38自非导电层37的表面突起。指纹所接触的加压部分38的宽度必须小于指纹的凸点以及凸点之间的距离。因此，加压部分38的尺寸优选小于50μm。
压电薄膜35可以由包括氧化物和聚合物的普通压电材料制成，所述压电材料包括PST，石英，BaTiO3，PZT，(Pb，Sm)TiO3，PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)，PVDF-TrFE，和PVDF。因为电场随施加压力的变化很大，优选这些压电材料，这可由公式(1)表示：
E1＝gX
X＝dE2                       …(1)
其中，E1，g和X分别代表感应电场、压电电压常数和外部压力；E2，x和d分别代表外部电场、诱发应力和压电应力常数。
压电电压常数g和压电应力常数d是基于每种压电材料的固有数值。由公式(1)可以看出在本发明的指纹传感器中，当g大而d小时，能取得更好的效果。下面的表1中列出了每种压电材料的g和d。
    材料     BaTiO3     PZT     PST   (Pb，Sm)TiO3   PVDF-TrFE
  g(10-3Vm/n)     12.6     26.1     19.7        42     380
  d(pC/N)     190     289     593        65     33
如表1所示，每种材料都可以用作本发明的指纹传感器的压电薄膜35。特别地，优选所述压电薄膜35由PVDF-TrFE或者(Pb，Sm)TiO3制成。
现在参照图4介绍根据本发明的第二个实施方案的指纹传感器。如图4所示，支撑层43在存在空腔42的衬底41上形成，下部电极44在支撑层43的预定部分上形成。
压电薄膜45在下部电极44的与空腔42相对的部分上形成，上部电极46在压电薄膜45上形成。用于施加由手指指纹接触产生的压力的加压部分48在上部电极46上形成。非导电层47在加压部分48与下部电极44和支撑层43之间形成。在第二个实施方案中描述的这种结构与第一个实施方案中的结构相同。
但是，在第二个实施方案中，电容器50在具有位于空腔42上方的加压部分48的下部电极44上形成，并且与压电薄膜45分隔开来，电容器50通过上部电极46与压电薄膜45相连。
下面，结合图5A和5B介绍根据本发明的指纹传感器的操作。
图5A和5B分别是在IC卡51上排列的指纹传感器的平面视图和横截面视图。参见图5A和5B，手指接触指纹传感器的加压部分55。结果，手指指纹的凸点通过加压部分55和上部电极54将压力传递到压电薄膜。在空腔52上方形成的上部电极54，压电薄膜和下部电极由于压力的作用会发生轻微弯曲。如公式(1)所示，压电薄膜上出现感应电场，电荷量由于压电薄膜变形以及热电特性的变化而改变。
所述感应电场起指纹的信息信号的作用，它利用每个单元的信息确定指纹的整个形状。这里，图4中，下部和上部电极直接将压电薄膜上出现的感应电场传送至外部。然而，在图5中，感应电场储存在单位器件的电容器50中，并且，如果感应电场能有规律地感知指纹时，则将其传送至外面。
图6示出的是受到根据指纹63的形状，通过用手指压迫根据本发明的应用于IC卡64上的指纹传感器的加压部分61产生的压力的作用的单元的一部分。
图7是采用根据本发明的指纹传感器处理指纹信息的步骤流程图。例如，如果手指接触包括采用定序器复位的200×200个单元的指纹传感器，则由于手指接触压力的作用，在与指纹凸点接触的单元压电薄膜上出现感应电场。
每个单元具有一个由行译码和列译码指定的地址。每个单元是否出现感应电流的信息被输送至信息处理装置，例如CPU，并且确定指纹的形状。
在这种情况下，如果感知指纹的目的是将目前的指纹信息与以前的指纹信息进行比较，则目前的指纹信息就会与储存在存储装置中的特定人员的指纹信息进行比较，以确定目前的指纹信息与特定人员的指纹信息是否一致。输出比较结果。安装有指纹传感器的指纹感知卡具有短路功能，它能够在指纹传感器的加压部分受到误压迫时快速去除信号输出并且将加压部分转换成重新感知指纹的初始状态。
根据本发明的指纹传感器具有能够快速准确地感知指纹的简单结构，在图2所示的传统指纹传感器中，由指纹和传感器表面产生的电荷量很小。这样，电荷在附加电容器中积累。这时，当电荷累计达到预定量时，将电荷作为感知指纹的信息信号输出。
然而，在根据本发明的指纹传感器中，由指纹接触在指纹传感器上产生的电荷足够多。这样，就不必存在积累电荷的附加过程，而且，指纹还能得到快速感知。结果，单位比特的成本得以降低，不再需要用于积累电荷的附加装置和电源，功率消耗降至最低。
根据本发明，能够提供一种指纹传感器，它结构简单，而且能够利用压电现象准确感知指纹信息。另外，由于压电现象产生的感应电流基于作用于指纹传感器内部的压力测定。结果，基于温度和湿度变化测定的感应电流几乎无变化，附加的保障线路和材料就没有必要。而且，能够快速原位获得可靠结果。因此，所述指纹传感器能够应用于公共机构和私人企业中用于确定人员身份的系统，以及个人的便携系统。

Claims (10)

1.具有一个压电器件集合体的指纹传感器，其包括：
衬底；
在衬底上形成的下部电极；
在下部电极上形成的压电薄膜；
在压电薄膜上形成的上部电极；
在上部电极上形成的加压部分，该加压部分用于通过由指纹接触的压力来改变压电薄膜上的电荷数量；以及
在下部电极上形成的非导电层，该非导电层用于支撑和暴露所述加压部分。
2.根据权利要求1的指纹传感器，其中，所述压电器件的集合体还包括一个电容器，该电容器在下部电极上形成并且储存在压电薄膜中出现的电荷量的变化。
3.根据权利要求1的指纹传感器，其中，所述加压部分自非导电层的表面凸起，而且，所述加压部分的宽度小于每个指纹的凸点以及凸点之间的距离。
4.根据权利要求3的指纹传感器，其中，所述加压部分的宽度为50μm或更小。
5.根据权利要求1的指纹传感器，其中，所述压电器件的集合体具有压电器件按规则间隔排列分布的结构。
6.根据权利要求1的指纹传感器，其进一步包括在衬底与下部电极间形成的支撑层。
7.根据权利要求6的指纹传感器，其中，所述支撑层包含Si3N4或SiO2。
8.根据权利要求1的指纹传感器，其中，空腔在衬底中形成，而且，压电薄膜、上部电极和加压部分与所述腔相对在下部电极上形成。
9.根据权利要求1的指纹传感器，其中，所述压电薄膜包含一种选自于PST，石英，BaTiO3，PZT，(Pb，Sm)TiO3，PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)，PVDF-TrFE和PVDF的物质。
10.根据权利要求1的指纹传感器，其进一步包括用于输出压电薄膜上出现的电荷量的变化的电路。
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