CN206546583U - 超声波生物识别传感器 - Google Patents

Abstract

一种超声波生物识别传感器包含一感测芯片，其包含一基板、一超声波传感阵列以及一控制电路。超声波传感阵列设置于基板上，且包含多个阵列排列的压电组件，其中每一压电组件设置于一浮板，且浮板以横向延伸的至少一支持臂悬浮于一空腔的一开口端。控制电路亦设置于基板上，并经由支持臂与每一压电组件电性连接，以控制超声波传感阵列产生一超声波并读取超声波传感阵列所接收的一超声波反射信号。上述超声波生物识别传感器易于生产且良率高。

Description

超声波生物识别传感器

技术领域

本实用新型是有关一种生物识别传感器，特别是一种超声波生物识别传感器。

背景技术

电容式指纹传感器的目前应用较为广泛的生物识别传感器。然而，电容式指纹传感器的穿透力较差，无法轻易穿透行动上网装置(例如智能型手机)的玻璃面板，且使用者的手指潮湿或出汗时亦会影响电容式指纹传感器取像的对比度。此外，使用者的指纹容易因油渍而被翻制成假指纹，亦即防伪性较差，导致安全上的漏洞。

超声波能够穿透智能型手机常用的外壳材料(例如玻璃、铝、不锈钢、石英或塑料构等)进行扫描，且能穿透皮肤表层，侦测手指的3D细节以及独特的指纹特征，如凸纹线、汗孔等。因此，相较于电容式指纹传感器，超声波指纹传感器具备高穿透力、3D造影能力以及防伪性高等优点，属于另一种高性能的生物识别传感器，可作为个人身分识别的用途。

超声波指纹传感器是利用声波阻抗学(Acoustic Impediography)原理来实现。当超声波在不同介质密度内行进时，遇到声波阻抗不同将产生反射波，其工作原理如图1所示。超声波指纹传感器100包含超声波传感器101以及CMOS感测电路102，其用来处理超声波传感器101所接收到的信号。超声波传感器101所发出的超声波会经由缓冲层110(包含封装材料以及面板或外壳)传送到接触的使用者手指的指纹FP。由于指纹的脊部R与谷部V的声波阻抗不同，例如Zr以及Zv分别为指纹脊部R以及谷部V的声波阻抗，各为1.5M Rayl与0.00043Mrayl，因此将产生不同的声波反射比率。假设缓冲层110的声波阻抗为Z0，则声波反射的比率Γ为

Γ＝(Zi-Z0)/(Zi+Z0)

Zi为指纹脊部R以及谷部V的声波阻抗。当Γ为负值时代表相位为180度，亦即产生反相波。如图1所示，US为入射波，USr与USv分别代表超声波在指纹脊部R以及谷部V与缓冲层110接触接口的超声波变化。由于指纹脊部R以及谷部V的声波阻抗不同，其所对应的超声波传感器101所接收到的反射波强度亦有不同。举例而言，入射脊部R的超声波USr大部分为透射波，而入射谷部V的超声波USv大部分为反射波，因而可以区别出脊部R以及谷部V的影像。当超声波穿过手指表皮，碰到骨头或肌肉组织(例如脂肪)时，其反射率亦有不同。在不同时间差时即可鉴别出不同的肌层结构，因此超声波指纹传感器可提供较佳的防伪性。

请再参照图1，习知的超声波指纹传感器100的超声波传感器101以及CMOS感测电路102是经由垫高层103彼此电性连接，同时藉由垫高层103在超声波传感器101下方形成一空腔104，使超声波传感器101所产生的超声波大部分朝向缓冲层110发射。依据此结构，习知的超声波指纹传感器100是利用晶圆镕接(Wafer Bonding)将超声波传感器芯片与CMOS感测芯片做镕接，因此生产成本较高且良率较差。

有鉴于此，如何避免使用晶圆镕接技术来制造超声波指纹传感器以提升生产效率便是目前极需努力的目标。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超声波生物识别传感器。

该超声波生物识别传感器是在同一基板上制作控制电路以及超声波传感阵列后，利用异向蚀刻制程在超声波传感阵列中的每一压电组件下形成空腔，因此本实用新型无需使用晶圆镕接制程，而可提升良率以及产率，进而降低生产成本。

本实用新型一实施例的超声波生物识别传感器包含一感测芯片。感测芯片包含一基板、一超声波传感阵列以及一控制电路。基板包含一第一区域以及一第二区域。超声波传感阵列设置于基板的第一区域，且包含多个阵列排列的压电组件，其中每一压电组件设置于一浮板，且浮板以横向延伸的至少一支持臂悬浮于一空腔的一开口端。控制电路设置于基板的第二区域，并经由支持臂与每一压电组件电性连接，以控制超声波传感阵列产生一超声波并读取超声波传感阵列所接收的一超声波反射信号。

以下藉由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为一示意图，显示习知的超声波指纹传感器。

图2为一示意图，显示本实用新型一实施例的超声波生物识别传感器。

图3至图5为一俯视图，显示本实用新型的超声波生物识别传感器的多种压电组件的局部结构。

图6为一方块图，显示本实用新型一实施例的超声波生物识别传感器的控制电路。

图7为一示意图，显示本实用新型一实施例的超声波生物识别传感器的封装结构。

图8至图10为一示意图，显示本实用新型一实施例的超声波生物识别传感器的制备步骤。

符号说明

100 超声波指纹传感器

101 超声波传感器

102 CMOS感测电路

103 垫高层

104 空腔

110 缓冲层

20 感测芯片

21 基板

211 第一区域

212 第二区域

213 空腔

214 外部导电接点

22 超声波传感阵列

221 压电组件

222 浮板

223 支持臂

224、225 导电迹线

224a 下电极

224b、224c 导电接点

23 控制电路

231 控制器

232 超声波脉冲产生器

233 行译码器

234 放大电路

235 列译码器

236 模拟至数字转换器

237 通讯接口

24 保护层

25 金属凸块

26 填充材料

30 封装基板

31 被动组件

32 导电接点

40 平板

41 黏胶

FP 指纹

R 脊部

US 入射的超声波

USr 脊部的超声波

USv 谷部的超声波

V 谷部

具体实施方式

以下将详述本实用新型的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细说明之外，本实用新型亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本实用新型的范围内，并以权利要求为准。在说明书的描述中，为了使读者对本实用新型有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本实用新型可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或组件并未描述于细节中，以避免对本实用新型形成不必要的限制。图式中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意之用，并非代表组件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。

请参照图2，本实用新型的一实施例的超声波生物识别传感器包含一感测芯片20，其包含一基板21、一超声波传感阵列22以及一控制电路23。基板21包含一第一区域211以及一第二区域212。超声波传感阵列22设置于基板21的第一区域211。超声波传感阵列22包含多个阵列排列的压电组件221，且每一压电组件221设置于一浮板222。浮板222是以横向延伸的至少一支持臂223悬浮于一空腔213的一开口端。举例而言，请参照图3，于一实施例中，浮板222是以二个横向延伸的支持臂223悬浮于空腔213的开口端。但不限于此，浮板222亦能够以一个或四个支持臂223悬浮于空腔213的开口端，如图4以及图5所示。于一实施例中，压电组件221的材料可为聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-trifluoroethylene，PVDF-TrFE)的混合材料、氮化铝(AlN)或锆钛酸铅(Lead Zirconate Titanate，PZT)等。压电组件221的工作频率介于20-30Mhz。超声波传感阵列22的像素间距，即压电组件221之间距可为50μm。

控制电路23设置于基板21的第二区域212。控制电路23可经由支持臂223与每一压电组件221电性连接，以控制超声波传感阵列22产生超声波并读取超声波传感阵列22所接收的超声波反射信号。举例而言，请参照图2以及图3，控制电路23可藉由通过支持臂223的导电迹线224、225与压电组件221的下电极以及上电极电性连接。请参照图6，于一实施例中，控制电路23包含一控制器231、一超声波脉冲产生器232、一行译码器233、一放大电路234、一列译码器235、一模拟至数字转换器236以及一通讯接口237。控制器231可接收外部指令产生频率信号，以控制超声波传感阵列22的超声波发射以及接收的电路动作，并产生生物识别输出信号。超声波脉冲产生器232则由控制器231控制来产生时序(timing)。于一实施例中，超声波的工作频率介于20-30Mhz，较佳者，超声波的工作频率为25Mhz。于一实施例中，控制器231控制行译码器233的开关，逐行驱动超声波传感阵列22产生超声波，并控制放大电路234进行同步取样与维持(Sample and hold)的动作。控制器231再控制列译码器235逐列输出超声波反射信号至模拟至数字转换器236，并将超声波反射信号转换为数字信号。可以理解的是，放大电路234以及模拟至数字转换器236可视为一信号处理器。模拟至数字转换器236所输出的数字信号可暂存于控制器231内部缓存器，经运算后即可透过通讯接口237输出生物识别输出信号至外部装置，例如智能型手机的运算单元。于一实施例中，通讯接口237可为序列周边接口(Serial Peripheral Interface，SPI)或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)。

请参照图7，于一实施例中，本实用新型的超声波生物识别传感器更包含一保护层24，其覆盖超声波传感阵列22以及控制电路23(参照图2)。可以理解的是，保护层24应避免填入空腔213，以避免降低发射超声波的效能。于一实施例中，保护层24的材料可为光阻材料或聚酰亚胺(polyimide，PI)。

于一实施例中，本实用新型的超声波生物识别传感器更包含一封装基板30以及至少一被动组件31。封装基板30包含多个导电接点32，其用以与外部电性连接。于一实施例中，封装基板30的材料可为聚酰亚胺(PI)。被动组件31设置于封装基板30的一第一表面。感测芯片20亦设置于封装基板30的第一表面，亦即与被动组件31位于封装基板30的相同侧。感测芯片20可藉由基板21上的外部导电接点214以及封装基板30上的导电迹线与导电接点32以及被动组件31电性连接。举例而言，感测芯片20能够以外部导电接点214上的多个金属凸块25与封装基板30共晶键合(eutectic bonding)，以达到接合以及电性连接的目的。或者，感测芯片20亦能够以多个金属凸块25以及异向导电膜(Anisotropic ConductiveFilm，ACF)固接于封装基板30。

于一实施例中，本实用新型的超声波生物识别传感器更包含一填充材料26，其填充于感测芯片20以及封装基板25之间，以去除空气间隙。举例而言，填充材料26可为硅胶。封装完成的超声波生物识别传感器可利用黏胶41固定于使用者可接触的平板40，例如智能型手机的面板或外壳。使用者的手指即可在超声波传感阵列22的感测区域内接触平板40以读取手指的指纹或其它生物特征进行使用者的身分识别。

请参照图8至图10，以说明本实用新型的超声波生物识别传感器的制造方法。首先，在基板21的第二区域212内制作控制电路23。举例而言，控制电路23包含互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)等集成电路组件以及内连接线。接着，在最上层的金属层(例如导电迹线224)上形成钝化层(Passivation Layer)，并在钝化层上形成开孔以曝露出部分导电迹线224作为压电组件221的下电极224a或导电接点224b、224c，如图8所示。举例而言，导电接点224b可作为与压电组件221的上电极电性连接的导电接点；导电接点224c可作为图7所示的外部导电接点214。

接着，请参照图9，在下电极224a上沈积或镀上压电材料以作为压电组件221。于一实施例中，压电材料可为聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)的混合材料、氮化铝(AlN)或锆钛酸铅(PZT)。举例而言，以PVDF作为压电材料时，先利用旋转涂布(spin coating)形成一PVDF层，再镀上金属保护层后，利用光罩制程以湿式蚀刻定义出压电组件221的位置以及尺寸大小。所采用的湿蚀刻液可为N,N'-二甲基乙酼胺(N,N'–dimethylacetamide，DMA)。以PVDF-TrFE作为压电材料时，所采用的蚀刻液可为2-丁酮(2-butanone)。可以理解的是，采用干式蚀刻(Reactive Ion Etching)亦可部分移除PVDF或PVDF-TrFE以定义出所需的压电组件221图案。

于一实施例中，以不会产生CMOS制程污染物的氮化铝(AlN)作为压电材料时，可透过反应脉冲直流磁控溅镀(reactive pulsed-DC magnetron sputtering)形成一氮化铝层。接着，以干式蚀刻法(dry etching)或以四甲基氢氧化铵(Tetramethylammoniumhydroxide，TMAH)作为蚀刻液的湿式蚀刻法，部分移除氮化铝以定义出所需的压电组件221图案。

于一实施例中，以锆钛酸铅(PZT)作为压电材料时，美国公开专利申请案US 2014/0049136A1所揭露的溅镀方法形成一锆钛酸铅薄膜。接着，以干式蚀刻法或湿式蚀刻法部分移除锆钛酸铅以定义出所需的压电组件221图案。

接着，请参照图10，利用蒸镀等金属薄膜制程以及黄光制程镀上并定义出压电组件221的上电极，其透过导电迹线225与导电接点224b电性连接。以PVDF作为压电材料时，因PVDF材料有多孔的粗糙特性，因此，压电组件221的上电极可选用半导体制程所使用的铝或钛等材料。以氮化铝(AlN)作为压电材料时，可选用钼(molybdenum，Mo)作为压电组件221的上电极材料。

最后，打开蚀刻窗口，并利用异向蚀刻法(Anisotropic etching)，以四甲基氢氧化铵(TMAH)作为蚀刻液移除压电组件221下方的部分基板21即可形成空腔213以及悬浮于空腔213开口端的浮板222，如图2所示。依据上述制程，浮板222主要是由钝化层(例如二氧化硅或氮化硅(Silicon Nitride)等材料)所构成。可以理解的是，利用异向蚀刻法所形成的空腔213，其相对于基板21的投影面积将大于或等于浮板222相对于基板21的投影面积。此外，空腔213的侧壁为一斜面亦为异向蚀刻法的特征之一。

需说明的是，上述实施例是将超声波传感阵列以及控制电路以横向配置的方式设置于基板上。可以理解的是，利用多层结构以及设置牺牲层的方式亦能够将超声波传感阵列以及控制电路以直向配置的方式实现。

综合上述，本实用新型的超声波生物识别传感器是在同一基板上制作控制电路以及超声波传感阵列后，整合微机电系统(microelectrical mechanical system，MEMS)制程，利用异向蚀刻制程在超声波传感阵列中的每一压电组件下形成空腔，因此本实用新型无需使用晶圆镕接制程，且良率以及产率高，进而降低生产成本。

以上所述的实施例仅是为说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，当不能以之限定本实用新型的专利范围，即大凡依本实用新型所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本实用新型的专利范围内。

Claims (15)

1.一种超声波生物识别传感器，其特征在于，包含：

一感测芯片，其包含：

一基板，其包含一第一区域以及一第二区域；

一超声波传感阵列，其设置于该第一区域，且包含多个阵列排列的压电组件，其中每一该压电组件设置于一浮板，且该浮板以横向延伸的至少一支持臂悬浮于一空腔的一开口端；以及

一控制电路，其设置于该第二区域，并经由该支持臂与每一该压电组件电性连接，以控制该超声波传感阵列产生一超声波并读取该超声波传感阵列所接收的一超声波反射信号。

2.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该空腔相对于该基板的投影面积大于或等于该浮板相对于该基板的投影面积。

3.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该空腔是以异向蚀刻法所形成。

4.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该空腔的侧壁为一斜面。

5.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该压电组件的材料包含聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯的混合材料、氮化铝或锆钛酸铅。

6.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该控制电路包含：

一控制器，用以产生一频率信号，以控制该超声波传感阵列产生该超声波；

一信号处理器，其与该控制器以及该超声波传感阵列电性连接，以处理该超声波传感阵列所接收的该超声波反射信号，以供该控制器产生一生物识别输出信号；以及

一通讯接口，其与该控制器电性连接，使该超声波生物识别传感器经由该通讯接口与一外部装置通讯。

7.如权利要求6所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该通讯接口包含序列周边接口或通用串行总线。

8.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，更包含：

一保护层，其覆盖该超声波传感阵列以及该控制电路。

9.如权利要求8所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该保护层的材料包含光阻材料或聚酰亚胺。

10.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，更包含：

一封装基板，其包含多个导电接点；以及

至少一被动组件，其设置于该封装基板的一第一表面，其中该感测芯片设置于该封装基板的该第一表面，且与该多个导电接点以及该至少一被动组件电性连接。

11.如权利要求10所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该封装基板的材料包含聚酰亚胺。

12.如权利要求10所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该感测芯片以多个金属凸块与该封装基板共晶键合。

13.如权利要求10所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该感测芯片以异向导电膜固接于该封装基板。

14.如权利要求10所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，更包含：

一填充材料，其填充于该感测芯片以及该封装基板之间。

15.如权利要求1所述的超声波生物识别传感器，其特征在于，该压电组件的一工作频率介于20-30Mhz。