DE60132460T2 - Sensoreinheit, insbesondere für Fingerabdrucksensoren - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Miniatursensorchip zum Messen von Strukturen in einer Oberfläche, insbesondere zum Messen von Strukturen in einer Fingeroberfläche.
- Fingerabdrucksensoren auf der Basis einer kapazitiven Kopplung eines AC-Signals von der Fingeroberfläche mit Matrix-Sensorelementen sind z. B. aus der
WO 98/58 342 - Die
US-Patente 5 963 679 und6 069 970 beschreiben ähnliche Sensoren auf der Grundlage verschiedener Messprinzipien und mit zweidimensionalen Sensormatrizes. - Für spezialisierte Anwendungen, z. B. um in Mobiltelefonen oder einem Lap-Top-PC befestigt zu werden, ist es jedoch wichtig, die Sensoren so klein wie möglich herzustellen. Solche Miniatursensoren werden auch kostengünstig sein, wenn sie unter Verwendung von Herstellungsverfahren gefertigt werden, die für eine Massenproduktion geeignet sind.
- Die Herstellung von integrierten Schaltkreisen aus Silizium ist ein Verfahren, das auf diese Weise eine Miniaturisierung mit niedrigen Produktionskosten kombiniert. Die
US-Patente 5 963 679 und6 069 970 wie auch Shigematsu et al. in „A 15 × 15 mm2 Single-Chip Fingerprint Sensor and identifier using Pixel-Parallel Processing", 1999 IEEE International Solid state Circuits Conference, TA 7.5, (1999) und Inglis et al in „A robust, 1,8 V 250 μW Direct-Contact 500 dpi Fingerprint Sensor", 1998 IEEE International Solid state Circuits Conference, SA 17.7, (1998) beschreiben derartige kapazitive Fingerabdrucksensoren, bei denen die Hauptaufgabe darin besteht, die kapazitiven Sensorelemente mit Verstärker- und elektronischen Schaltkreisen für eine Signalbehandlung in einem Einzelschaltkreis aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial zu integrieren. Zusätzlich zu dem hohen Grad an Miniaturisierung sieht dieses Konzept Vorteile in Bezug auf die Signalqualität vor, da die Verstärkerelektronik nahe an den kapazitätsempfindlichen Elementen in der Sensormatrix positioniert werden können. Die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und parasitären kapazitiven Kopplungen kann daher auf ein Minimum reduziert werden. Der Anspruch 1 ist gegenüber diesem Stand der Technik abgegrenzt. - Der Nachteil in Bezug auf solche „integrierte" Sensoren ist jedoch der, dass solche Halbleiterschaltkreise für einen direkten Kontakt mit der Umgebung nicht geeignet sind und daher mit einem Gehäuse versehen sein müssen, das die Schaltkreise vor Feuchtigkeit, Verschleiß, Korrosion, chemischen Stoffen, elektronischem Rauschen, mechanischen Einflüssen, elektrischen Sonnenlichtentladungen etc. schützt. Das
US-Patent 5 862 248 sieht eine mögliche Lösung für dieses Problem vor, bei der der Schaltkreis auf solch eine Weise umschlossen ist, dass zugelassen wird, dass der Finger durch eine Öffnung in der Oberseite des Gehäuses mit der empfindlichen Oberfläche des Sensors direkt in Kontakt gelangen kann. - In vielen Fällen wird diese Lösung nicht ausreichend sein, um die erforderliche Zuverlässigkeit bereitzustellen. Die Materialien (Metall, Nichtleiter), die auf der Oberfläche der integrierten Schaltkreise verwendet werden, sind üblicherweise nicht ausreichend zuverlässig, um dem Einfluss der äußeren Umgebung und einem Kontakt mit dem Finger über eine längere Zeitspanne standzuhalten, und daher wird auch diese Lösung zu Zuverlässigkeitsproblemen führen. Die Probleme können reduziert werden, indem zusätzliche Schichten aus Metall und Nichtleitern auf der Chip oberfläche hinzugefügt werden, wie in dem
US-Patent 6 069 970 beschrieben. Solche Schichten werden jedoch im Allgemeinen die Produktionskosten erhöhen und Kompatibilitätsprobleme mit dem Halbleiterverfahren (in Bezug auf die Verarbeitungstemperatur, schwankende Abmessungen auf Grund von Temperaturdifferenzen etc.) mit sich bringen. - Ein weiteres Problem mit dem in dem
US-Patent 5 862 248 beschriebenen Gehäuse besteht darin, dass die Öffnung, die nach unten zu der Oberfläche des Schaltkreises führt, eine Differenz in der Höhe zwischen der empfindlichen Oberfläche des Sensors und der Gehäusefläche im Allgemeinen vorsieht, was beim Gebrauch unvorteilhaft ist. Gleichzeitig kann das Verfahren nicht standardmäßige und kostspielige Packungsverfahren zum Befestigen und Koppeln mit dem Sensorschaltkreis erfordern. - Die
US-Patente 5 963 679 und6 069 970 wie auch die Artikel, auf die oben stehend Bezug genommen wurde, beruhen alle auf dem Prinzip einer zweidimensionalen Matrix. Ein Nachteil besteht darin, dass die Sensoren zu kostspielig für eine Anzahl von Anwendungen sein werden, da sie eine Siliziumfläche mit einer Größe im Bereich von 12·12 mm benötigen, um eine Abbildung des gesamten Fingerabdrucks vorsehen zu können. Der Herstellungspreis für die integrierten Schaltkreise ist ungefähr proportional mit der Siliziumfläche, sodass eine Reduktion dieser Fläche Kosten sparen wird. - Das Problem mit einer solchen Siliziumfläche kann bis zu einem gewissen Grad mit sogenannten „Liniensensoren" oder Scannern (
WO 98/58 342 - Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Miniatursensorlösung sicherzustellen, die das technische Risiko bei einem Einfluss der äußeren Umgebung auf den Sensor eliminiert, was ohne die Verwendung einer spezialisierten oder nicht standardmäßigen Verpackungstechnologie realisiert werden kann, was die Notwendigkeit eines integrierten elektronischen Schaltkreises mit derselben Größe wie der Fingerabdruck, den man abbilden will, eliminiert, und wobei der Schaltkreis nicht so lang sein muss wie die Fingerbreite. Dieses Ziel wird durch Verwendung eines Sensorchips erreicht, der in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben ist.
- Die Erfindung betrifft daher ein Substrat, das eine Grenzfläche gegen die Finger eines Benutzers bildet, mit einem Halbleiterschaltkreis an der entgegengesetzten Seite des Substrats integriert ist und eine Verstärkungs- und Signalbehandlungselektronik zum Lesen der Signale von dem Finger umfasst. Das Prinzip beruht auf einer Positionierung des bildgebenden Sensorelements an der oberen Seite des Substrats, und dass sie durch sogenannte Kontaktlöcher mit der Abfrageelektronik auf der entgegengesetzten Seite des Substrats gekoppelt sind. Die Abfrageelektronik ist vor zugsweise ein „nackter" (unverpackter) integrierter Siliziumschaltkreis (ASIC), der unter Verwendung einer gut bekannten Technologie auf der Rückseite des Substrats befestigt ist.
- Keramische Substrate mit kundenspezifischen Kontaktlöchern sind im Handel sowohl als keramische Platten mit gebohrten oder metallgefüllten Löchern als auch als sogenannte LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic = Niedertemperatur-Einbrand-Keramik)-Strukturen erhältlich. Die Kosten pro Fläche für solche keramischen Substrate sind derzeit deutlich niedriger als die Produktionskosten für Siliziumschaltkreise. Eine solche Hybridlösung wird daher einen sehr kompakten Sensor mit niedrigeren Produktionskosten als für einen integrierten Sensor, der mit herkömmlichen Verpackungstypen aus Kunststoff oder Keramik kombiniert ist, vorsehen.
- Indem man Leiter von den Positionen der Sensorelemente entweder an der Vorder- oder der Rückseite des Substrats zu den Abfrage-Eingangs-Kontakten führt, stellt man die Fläche des Abfrageschaltkreises unabhängig von der Sensorform her. Es ist daher möglich, einen Abfrageschaltkreis mit einer beliebigen Form und Größe zu verwenden. Dies wird die Produktionskosten deutlich reduzieren. Zusätzlich zu einem solchen Kosteneffekt besitzt die Kombination aus Substrat und Halbleiterschaltkreis den Vorteil, dass sie viel von der technologischen Unsicherheit in Bezug auf äußere Einflüsse eliminiert, da das Substrat an sich einen Schutz vor vielen der oben erwähnten Einflüsse bereitstellen wird, und dass sie eine größere Flexibilität bei der Wahl der Materialien, die in direktem Kontakt mit dem Finger stehen sollen, bezüglich Verschleiß, Zuverlässigkeit, Feuchtigkeitsaufnahme etc. besitzt.
- Die vorliegende Lösung lässt auch eine elegante Implementierung von Metallelektroden und ähnlichen Strukturen an der Vorderseite des Substrats zu, um Funktionalität und sichere, erhöhte Signalqualität hinzuzufügen, wie z. B. eine Modulationselektrode (zum Koppeln einer AC-Spannung in den Finger) und eine Aktivierungszelle zum Detektieren des Vorhandenseins eines Fingers. Solche Metallelektroden werden auch eine wichtige Funktion dabei erfüllen, den Strom in Bezug auf die elektronischen Entladungen z. B. von einem Finger wegzuleiten.
- Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von keramischen Substraten beschränkt. Es ist auch möglich, dieselbe Struktur auf der Basis von Substraten aus Glas, Materialien auf Kunststoffbasis, z. B. Leiterplatten und Silizium, zu realisieren, sofern sie elektrisch isoliert ist, um eine Isolierung zwischen den elektrischen Leitern durch oder an dem Substrat vorzusehen.
- Durch Verwenden von Siliziumsubstraten kann man auch einfache, aktive Komponenten wie z. B. Transistoren, Dioden und Widerstände in Erwägung ziehen, um z. B. Vorverstärker und andere Komponenten entweder an der Vorder- oder der Rückseite des Substrats direkt in dem Substrat zu realisieren. Im letzteren Fall kann es auch von Vorteil sein, Siliziumverfahren zu verwenden, die deutlich weniger kostspielig pro Fläche sind als typische Verfahren, die zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet werden wie z. B. CMOS oder BiCMOS. Solch eine Lösung mit einem „aktiven" Siliziumsubstrat besitzt gemeinsame Merkmale mit einigen der oben erwähnten Patente, in denen der Sensor auf einem integrierten Schaltkreis beruht. Allerdings unterscheidet sich das vorgeschlagene Konzept von diesen Patenten in der Verwendung von Kontaktlöchern durch das Siliziumsubstrat, um die Signale von den Elementen zu einem Signalbehandlungsschaltkreis an der Rückseite des Substrats zu leiten.
- Die vorliegende Erfindung wird in größerem Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die die Erfindung beispielhaft veranschaulichen.
-
1 zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (schematisch). -
2 zeigt einen Querschnitt einer alternativen, vereinfachten Ausführungsform der Erfindung (schematisch). -
3 zeigt einen Aufriss der Verteilung von Sensorpunkten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. -
4 zeigt eine kombinierte Modulationselektrode und Aktivierungszelle zum Positionieren auf einem Sensorchip gemäß der Erfindung. -
5 zeigt eine Variante der in2 veranschaulichten alternativen Ausführungsform. -
6 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Sensoranordnung, wenn sie in Anwendungen für eine Navigation/Maus verwendet wird. - Wie aus den
1 und2 ersichtlich, besteht der Sensorchip gemäß der Erfindung vorzugsweise aus einem nackten (unverpackten) Siliziumchip1 , der mit einem keramischen Substrat2 integriert ist, welches die Grenzfläche gegen die Finger des Benutzers bildet. Das Prinzip beruht darauf, dass die bildgebenden Sensorelemente3 an der Vorderseite des Substrats positioniert sind, und dass sie durch sogenannte Kontaktlöcher4 mit der Ab frageelektronik an der Rückseite des Substrats gekoppelt sind. Wie oben erwähnt, wird das Substrat2 vorzugsweise aus einem keramischen Material hergestellt sein, es sind aber auch andere Lösungen, z. B. Glas, Materialien auf Kunststoffbasis (z. B. Platinen/Glasfaserschichtstoffe) und Silizium, vorstellbar. - Die vorliegende kombinierte Lösung (Substrat
2 und nackter Chip1 ) kann industriell integriert werden, indem der Siliziumchip in die Rückseite des Substrats befestigt wird und unter Verwendung einer gut bekannten Technologie hier mit den Leitungsanschlüssen gekoppelt ist. Eine sehr kompakte Lösung wird durch Verwendung der sogenannten Flip-Chip-Technologie, z. B. mit sogenannten Lötkontakthügeln5 , erhalten. Eine andere Lösung kann darin bestehen, den Chip an das Substrat zu kleben und eine elektrische Kopplung mit dem Substrat durch sogenanntes Drahtbonden zu erhalten. Es sind auch Verfahren vorstellbar, in denen der Siliziumschaltkreis auf eine geeignete Weise, um einen elektrischen Kontakt zu erhalten, zu dem Substrat gerichtet beschichtet wird. Im Fall des Siliziumsubstrats ist es auch möglich, dass der separate elektronische Schaltkreis nicht notwendig ist, da viele der erforderlichen Komponenten direkt in die Rückseite des Substrats integriert sind. - Für einen elektrischen Kontakt von Eingangs- oder Ausgangsschnittstellen des Sensorchips und um die Komponente auf einem darunter liegenden Komponententräger zu befestigen, kann die Unterseite des Substrats mit sogenannten BGA(Ball Grid Array)-Kugeln
13 versehen sein, was ebenfalls eine Standardtechnologie darstellt. - Um die erforderliche Funktionalität für das auf der Kapazität beruhende Messprinzip vorzusehen, ist das Substrat mit einer Anzahl von Schichten wie z. B. in
1 offenbart, versehen. Die Fig. beschreibt eine mögliche Lösung und stellt keine Einschränkung in Bezug auf andere Kombinationen von Schichten dar. - Die vorgesehenen Schichten an dem Substrat, die in den
1 und2 gezeigt sind, zeigen Beispiele für den Aufbau des Substrats und werden nachfolgend beschrieben. Ein geschichteter Aufbau mit einem dünnen Film oder einem dicken Film an einem keramischen oder anderen Arten von Substraten ist eine gut bekannte Technologie, mit Ausnahme der Funktionalität der einzelnen Schichten und der Kombination derselben, die durch die vorliegende Erfindung abgedeckt sind, insbesondere in Bezug auf Fingerabdrucksensoren als eine Variante des in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/NO98/00 182 beschriebenen Sensors, der eine im Wesentlichen lineare Sensoranordnung11 umfasst, wie in3 gezeigt.3 zeigt auch sekundäre Sensorgruppen12 , die unter anderem für Geschwindigkeitsmessungen an einem relativ zu dem Sensor bewegten Finger verwendet werden können, wie in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben. Ein linienförmiger Sensor besitzt den großen Vorteil, dass er viel weniger Platz und besondere Kanäle benötigt als ein zweidimensionaler Sensor mit derselben Auflösung, sodass er mit niedrigeren Kosten hergestellt werden kann. - In
1 bildet die erste Metallschicht6 die bildgebenden Sensorelemente3 und Leitungsanschlüsse6 von den Elementen zu den Kontaktlöchern4 durch das Substrat2 zu den darunter liegenden „Lötkontakthügeln"5 über einen kopfüber direkt montierten ASIC1 . Wie erwähnt, können die Sensorelemente, wie in3 beschrieben, als eine Variante der patentierten Lösung in demnorwegischen Patent Nr. 304 766 7 in1 dient als eine Isolierschicht zwischen den Leitungsanschlüssen in der ersten Metallschicht und der Erdungsebene der zweiten elektrisch leitenden Schicht8 . Diese Schicht7 kann die gesamte Substratoberfläche abdecken. Die Schicht bildet auch einen Teil der gesamten dielektrischen Dicke (Isolierung) zwischen dem Finger und dem Sensorelement. Um die geometrische Auflösung zu bewahren, darf die Schicht im Bereich direkt über den Sensorpunkten nicht zu dick sein. In diesem Bereich ist die dielektrische Dicke vorzugsweise so groß oder kleiner als die Distanz zwischen den Sensorpunktzentren. Gleichzeitig muss sie ausreichend dick sein, um (zusammen mit der nächsten dielektrischen Schicht und weiterer Elektronik zum Schutz vor elektrostatischer Entladung) eine elektrische Leitung (bei elektrostatischen Entladungen) von der Sensoroberfläche zu den Sensorelementen zu verhindern. - In Abhängigkeit von der Dicke der ersten dielektrischen Schicht
7 und der Geometrie der Leitungsanschlüsse wird eine parasitäre Kapazität zwischen den Leitungsanschlüssen und der Erdungsebene entstehen, die zu einer Reduktion des gesamten Messsignals beitragen wird. Um den Einfluss solch einer parasitären Impedanz zu reduzieren, muss die Schicht eine bestimmte Dicke aufweisen. - Eine Variante der vorgeschlagenen Geometrie kann gebildet werden, indem die dielektrische Schicht
7 mit einer variierenden Dicke vorgesehen wird, sodass die Dicke am kleinsten im Bereich direkt über den Sensorelementen und dicker zwischen den Leitungsanschlüssen in der elektrisch leitenden Schicht6 und der Erdungsebene8 ist. - In dem Fall, in dem das Substrat aus Silizium hergestellt ist, ist es möglich, die Messkapazität durch eine in Sperrrichtung geschaltete Diode zu ersetzen oder zu ergänzen. Durch Ändern der Spannung über dieser Diode ist es möglich, die Kapazität der Diode zu ändern, sodass die Empfindlichkeit des Sensors unter Verwendung der voreingestellten Spannung über der Diode gesteuert werden kann. Es ist möglich, die Diode aus einem Basis-Emitter in einem bipolaren Transistor, der Teil eines Vorverstärkers ist, zu bilden.
- Die zweite Metallschicht
8 bildet eine Erdungsebene oder eine Ebene mit einem anderen vorbestimmten Potential, die die Leitungsanschlüsse etc. gegen ein Rauschen und gegen ein direktes Koppeln des AC-Signals von dem Finger oder von der Modulationselektrode10 abschirmt. Die Erdungsschicht8 ist vorzugsweise derart gebildet, dass sie alle Leitungsanschlüsse an der darunter liegenden ersten Metallschicht6 abdeckt, muss jedoch Fenster über den Sensorelementen3 aufweisen. Die Öffnungen in der Erdungsebene8 über den Sensorelementen3 tragen dazu bei, das elektrische Feld durch einen „Linsen"-Effekt und somit die kapazitive Kopplung zwischen dem Finger und den Sensorelementen zu formen. Die Konstruktion des Sensorelements3 und der Öffnung in der zweiten Metallschicht kann optimiert werden, um die Signalstärke zu maximieren, ohne die geometrische Auflösung zu reduzieren. - Eine Variante der vorgeschlagenen Geometrie kann erhalten werden, indem Kontaktlöcher weiter durch die erste und die zweite Metallschicht
6 ,8 über dem Sensorelement3 hergestellt werden, sodass das Element nach oben zu der zweiten Metallschicht8 bewegt wird. Auch die Verwendung von zwei Erdungsschichten zum Verbessern des Abschirmungseffekts ist vorstellbar. Die zweite dielektrische Schicht sollte zwischen der Erdungsebene8 und der äußeren Metallschicht10 isoliert sein. Die Schicht besitzt auch (zusammen mit der Elektronik zum Schutz vor elektrischer Entladung) eine wichtige Funktion zum Verhindern eines elektrischen Durchschlags (durch elektrostatische Entladungen) zwischen der zweiten Metallschicht und der äußeren Metallschicht10 und muss daher ausreichende dielektrische Eigenschaften für diesen Zweck besitzen. Die Schicht bildet auch (wie oben erwähnt) einen Teil der gesamten dielektrischen Dicke (Isolierung) zwischen dem Finger und dem Sensorelement3 . Um die geometrische Auflösung des Sensors beizubehalten, sollte sie jedoch nicht zu dick sein. Da die äußere Metallschicht10 aus Gründen der Elektrik die Fläche über dem Sensorelement3 abdeckt, wird der Finger in direkten Kontakt mit der zweiten dielektrischen Schicht9 gelangen. Diese Schicht sollte daher hart und verschleißfest sein, um einem Verschleiß und Bruch wie auch chemischen Einflüssen von der äußeren Umgebung und von dem Finger der Benutzer und anderen Objekten standzuhalten. - Die äußere Metallschicht
10 ist die oberste Schicht, wenn das Ziel darin besteht, eine Modulationsfrequenz, wie in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/NO98/00 182 erwähnt, in den Finger vorzusehen, um eine gute Signalqualität sicherzustellen und wie in4 veranschaulicht. Sie muss daher elektrisch leitend mit einer guten Kopplung mit dem Finger sein und derart geformt sein, dass ein Teil des Fingers während Messungen immer in Kontakt mit dieser Schicht steht. Gleichzeitig muss sie hart und verschleißfest sein, um einem Verschleiß und Bruch wie auch chemischen Einflüssen von der äußeren Umgebung und von dem Finger der Benutzer standhalten zu können. Chrom ist ein mögliches Metall für diesen Zweck. - Die Modulationselektrode
10 kann mit einer zugewiesenen Ansteuerschaltung (nicht gezeigt) gekoppelt sein, die wiederum für eine verbesserte Steuerung der vorgesehenen Modulationen mit den Sensoren gekoppelt sein kann, vorzugsweise jedoch mit einem Oszillator verbunden sein wird, der einen Teil der montierten elektronischen Schaltkreise1 bildet. Die Leitungsanschlüsse der Modulationselektrode10 können auf dieselbe Weise wie die anderen Leiter4 durch die verschiedenen Schichten und das Substrat2 geführt sein. - Solch eine Modulationselektrode kann mit einer z. B. kapazitiven Aktivierungszelle kombiniert sein und kann daher verwendet werden, um die Aktivierung des Sensors von einem Schlafzustand zu einer aktiven Verwendung zu steuern, um den Energieverbrauch des Sensors zu minimieren.
- Eine kapazitive Aktivierungszelle kann z. B. als eine ineinander greifende Fingerkapazität hergestellt sein, die aus zwei miteinander heiß verbundenen Nockenstrukturen (Elektroden)
17 besteht, wie in1 gezeigt. Wenn das leitende Objekt, z. B. ein Finger, dieser Struktur nahe kommt, erhöht sich die Kapazität zwischen den Elektroden und diese Änderung kann z. B. durch einen Schwingkreis detektiert werden, der mit geringem Energieverbrauch arbeiten kann. Es ist auch möglich, dass das Aktivierungsprinzip auf einer Messung der Änderungen der Kapazität zwischen einer Elektrode und der zweiten Metallschicht8 beruhen kann. - Wenn eine der Elektroden in der äußeren Metallschicht
10 geerdet ist, solange der Sensor sich im Schlafmodus befindet, wird dies auch einen wirksamen Schutz gegen elektrostatische Entladungen von einem Finger oder einem anderen aufgeladenen Objekt bereitstellen, da die Entladung somit direkt zur Erde geführt. Selbst wenn eine dieser Elektroden nicht mit der Erde gekoppelt ist, können die Strukturen in der äußeren Metallschicht10 eine wichtige Funktion zum Schutz vor elektrostatischer Entladung besitzen, wenn sie mit Schaltungen zum Schutz vor elektrostatischer Entladung wie z. B. Zener-Dioden, zwischen dieser Schicht und der Erde gekoppelt sind. - Solche Schutz-Schaltkreise können entweder separat an der Rückseite des Substrats befestigt sein oder sich außen relativ zu dem Sensorchip befinden.
- Ein alternatives Verfahren, um die Modulationsfrequenz mit dem Finger zu koppeln, besteht darin, das elektrisch leitende Material mit einem dünnen dielektrischen Film abzudecken, sodass die Kopplung kapazitiv ist. Dies kann den Vorteil besitzen, dass die Kopplung von Person zu Person gleichmäßiger und weniger abhängig von der Feuchtigkeit der Finger ist.
- Eine dritte Variante zum Koppeln der Finger besteht darin, einen Modulationsring und eine Aktivierungszelle außerhalb des Sensorsubstrats vorzusehen. Dies macht die äußere Metallschicht überflüssig.
- Da die Kennlinie des Verstärkers und anderer Signalbehandlungselektronik an dem Abfrageschaltkreis von Element zu Element schwanken kann, wird es von großer Bedeutung sein, in der Lage zu sein, die Antwort von jedem Sensorelement zu kalibrieren. Dies kann erreicht werden, indem eine Querelektrode
14 nahe an der Linie der Sensorelemente oder der zu ihnen führenden Leiter, z. B. als ein Teil der zweiten Metallschicht8 , vorgesehen wird. Durch Vorsehen eines modulierten Signals an der Elektrode werden die Sensorelemente ohne einen Finger oder ein leitendes Objekt in der Nähe kapazitiv erregt. Auf der Grundlage der resultierenden Signale von dem Verstärker und der Signalbehandlungselektronik wird es daher möglich sein, die Antwort von jedem Sensorelement abzugleichen. Durch Vorsehen eines invertierten AC-Signals an dieser Elektrode während Messungen wird es auch möglich sein, ein Differenzialmessprinzip zu realisieren, bei dem der konstante kapazitive Beitrag von den dielektrischen Schichten7 und9 von den Messungen eliminiert ist. -
2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Öffnungen3 in dem Substrat2 in den gewählten Positionen der Sensorelemente positio niert sind, sodass die sie abdeckende erste dielektrische Schicht7 nicht notwendig ist. Dies vereinfacht den Aufbau und kann eine dünnere dielektrische Schicht vorsehen, erfordert jedoch die Möglichkeit, Kontaktlöcher mit derselben Trennung wie die Sensorelemente herzustellen. Dies erfordert es z. B., dass der Durchmesser der Kontaktlöcher wesentlich kleiner als die Distanz zwischen zwei Sensorelementen ist, die zum Beispiel 50 μm betragen kann. - Die Herstellung des Sensors kann z. B. unter Verwendung der folgenden Verfahren erfolgen:
- 1. Auf Basis der „Dickfilmtechnologie":
- – Mit einem Laser werden Öffnungen durch ein keramisches Substrat (z. B. Aluminiumoxid) gebohrt.
- – Ein Metall wird durch die Öffnungen aufgedruckt oder aufgalvanisiert, um elektrisch leitende Kontaktlöcher vorzusehen.
- – Die leitenden Schichten und Dielektrika an der Vorderseite des Sensors werden mittels Standard-Dickfilmtechnologie wie z. B. Siebdruck oder durch ein „Drucken-und-Korrodieren"-Verfahren strukturiert. Leitende Schicht: z. B. Gold, Silber, Palladium oder Kupfer. Dielektrika: z. B. Glaskeramikmischungen.
- – Entsprechende Verfahren werden verwendet, um erforderliche Leitungsanschlüsse und Verbinderpunkte an der anderen Seite des Substrats zu definieren.
- – Der elektronische Schaltkreis wird durch Standardverfahren wie z. B. Flip-Chip- oder Drahtbonden montiert.
- – Mögliche geometrische Auflösung in der Sensoranordnung (bei Verwendung der derzeit verfügbaren Technologie): ca. 30–50 μm.
- 2. Auf Basis von Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken:
- – Wie oben, allerdings werden die Leitungsanschlüsse durch das Substrat durch sequenzielles Einbauen hergestellt, wobei verschiedene Schichten aus Keramik und die Bahnen vor dem Sintern gestapelt werden. Mit dieser Technologie ist es möglich, eine „3-dimensionale" Struktur herzustellen, bei der der Siliziumchip in einen Hohlraum unter dem Substrat gelegt werden kann.
- 3. Auf Basis der Dünnfilmtechnologie:
- – Mit einem Laser, einem Keramikbohr- oder einem korrosiven Verfahren werden Öffnungen durch ein Keramik-, Glas- oder Siliziumsubstrat hergestellt.
- – Ein Metall oder ein anderes leitendes Material wird durch die Öffnungen aufgedruckt, aufgalvanisiert oder abgeschieden, um elektrisch leitende Lochkontakte vorzusehen.
- – Die leitenden Schichten werden durch Abscheiden von dünnen Schichten aus Metall (z. B. Al oder Gold) auf dem Substrat, Ausführen eines photolithografischen Verfahrens und Wegkorrodieren von unerwünschtem Metall definiert.
- – Die Dielektrika (polymer oder anorganisch) werden auf dem Substrat durch Spinbeschichtung aufgebracht oder darauf abgeschieden und unter Verwendung von Standardverfahren strukturiert.
- – Mögliche geometrische Auflösung in der Sensoranordnung (bei Verwendung der derzeit verfügbaren Technologie) ca. 20 μm.
- 4. Auf Basis einer gedruckten Leiterplatte:
- – Gedruckte Leiterplatten mit metallisierten Löchern werden unter Verwendung von Standardverfahren einschließlich eines sogenannten sequenziellen Aufbaus hergestellt.
- – Die erste leitende Schicht auf jeder Seite des Substrats wird unter Verwendung von Standard-Leiterplattenkorrosionsverfahren hergestellt (Metall: Kupfer).
- – Weitere dielektrische und leitende Schichten werden unter Verwendung eines so genannten „Polymer-Dickfilmverfahrens" aufgedruckt. Mögliche geometrische Auflösung in einer Sensoranordnung (mit der heutigen Technologie) ca. 50–100 μm.
- 5. Wie 1–4,
wobei die Leiter jedoch nicht als separate Kontaktlöcher, sondern
als dünne,
vertikale Streifen von der Oberfläche durch einen oder mehrere
Schlitze
16 in dem Substrat durch das Substrat verlaufen, wie in5 gezeigt. Die dünnen Streifen15 können als so genannte Stud-Bumps hergestellt sein, was im Wesentlichen bedeutet, dass auf eine bestimmte Länge geschnittene Streifen drahtgebondet werden. Der durchgehende Schlitz16 kann dann mit einem elektrisch isolierenden Gussmaterial (z. B. Epoxy) gefüllt werden, das dann auf derselben Höhe wie die Substratoberfläche eingeebnet wird. Diese Struktur erfordert eine Übereinstimmung zwischen der Kontaktstruktur an dem ASIC und der Form der Sensoranordnung. - Es ist auch vorstellbar, dass die dünnen, vertikalen Streifen
15 (z. B. in der Form von Stud-Bumps) an den Sensorelementen an der Oberseite des Substrats befestigt werden und dass es danach mit einem Gussmaterial um die Streifen herum versehen wird, sodass die Streifenenden von denn Gussmaterial vorstehen. Man kann die Streifen an dem oberen Rand des Gussmaterials abschneiden, um eine ebene Struktur vorzusehen. Der Kontakt zwischen dem Finger und den Streifen wird dann ein ohm'scher sein, besitzt aber den großen Vorteil, dass er sich nicht ändert, wenn das Gussmaterial und die Streifen abgerieben werden. Um ein kapazitives Messprinzip beizubehalten, kann eine kapazitive Kopplung an einer anderen Stelle in der Struktur vorgesehen sein, z. B. indem eine kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen der zwei Metallschichten an der Substratoberseite verwendet wird. - Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die auf einzigartige Weise die Vorteile eines Festkörper-Fingerabdrucksensors bereitstellen. Eine entsprechende Technologie kann auch bei anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen Bedarf an einer Erkennung von Fingerbewegungen über einer Fläche wie z. B. zur Navigation und für Zwecke in Verbindung mit einer Maus besteht.
- Für solche Anwendungen kann die Sensoranordnung z. B. aus mehreren Unteranordnungen bestehen, die in verschiedenen Richtungen an der Sensoroberfläche orientiert sind und jeweils aus zwei linienförmigen Sensoranordnungen oder Gruppen von Sensorelementen bestehen, die wie in
6 veranschaulicht, positioniert sind. Indem das Signal zwischen ver schiedenen Kombinationen von Sensorpaaren in Beziehung gesetzt wird und festgestellt wird, welche Sensorpaare mit einer in Beziehung stehenden Zeitdifferenz korrelierende Signale aufweisen, wird es möglich sein, nicht nur die Fingergeschwindigkeit, sondern auch die Richtung der Fingerbewegung über den Sensor festzustellen. - Wenn eine vollständige Abbildung der gesamten Fingeroberfläche erforderlich ist, besteht auch das Problem, dass bei flachen Fingerabdrucksensoren nicht die Möglichkeit besteht, Messungen an den Seiten des Fingers durchzuführen. Eine Möglichkeit besteht daher darin, der Sensoroberfläche und der Sensoranordnung eine U-Form zu verleihen, die geeignet ist, um die Fingeroberfläche zumindest teilweise zu umschließen.
- Auch wenn die hier beschriebenen elektrischen leitenden Schichten als Metallschichten beschrieben sind, ist es offensichtlich, dass alternative elektrische Leiter wie z. B. Polysilizium verwendet werden können, die auch verwendet werden können, wenn die Herstellungsverfahren und andere Eigenschaften es erlauben.
Claims (16)
- Sensorchip, insbesondere zum Messen von Strukturen in einer Fingeroberfläche, umfassend einen elektrischen Chip (
5 ), der auf eine an sich bekannte Weise mit einer Anzahl von Abfrageelektroden für Kapazitätsmessungen versehen ist, wobei der elektronische Chip an einem elektrisch isolierten Substrat (2 ) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2 ) mit einer Anzahl von Öffnungen (4 ) versehen ist, wobei durch die Öffnungen elektrische Leiter (6 ), die mit den Abfrageelektroden gekoppelt sind, geführt sind, wobei die Enden der elektrischen Leiter (6 ) Sensorelemente (3 ) in einer Sensoranordnung (11 ,12 ) für Kapazitätsmessungen bilden, und die Sensoranordnung (11 ,12 ) an einer ersten Seite des Substrats (2 ) positioniert ist und der elektronische Chip (5 ) an der anderen Seite des Substrats positioniert ist. - Sensorchip nach Anspruch 1, wobei die Position jeder Öffnung (
4 ) durch die gewählte Form der Sensoranordnung (11 ,12 ) bestimmt ist und somit auch die Orte der Enden (3 ) der elektrischen Leiter definiert, und wobei der Chip ferner umfasst: – eine elektrisch leitende und geerdete Schicht (8 ), die Öffnungen über den Enden (3 ) der elektrischen Leiter umfasst, – eine dielektrische Schicht (9 ), die die elektrisch leitende Schicht (8 ) sowie die Leiterenden (3 ) abdeckt. - Sensorchip nach Anspruch 1, wobei die Sensorseite des Substrats versehen ist mit: – einer ersten elektrisch leitenden Schicht (
8 ), die zumindest die elektrischen Leiter einschließlich ihrer Endpunkte (3 ) umfasst, – einer ersten dielektrischen Schicht (9 ), die die erste elektrisch leitende Schicht (8 ,3 ) abdeckt, – einer zweiten elektrisch leitenden geerdeten Schicht (10 ), die Öffnungen über den Enden (3 ) der elektrischen Leiter umfasst und durch die erste dielektrische Schicht (9 ) von der ersten teilweise elektrisch leitenden Schicht (8 ) elektrisch isoliert ist, – einer zweiten dielektrischen Schicht, die die zweite elektrisch leitende Schicht sowie die Leiterenden abdeckt. - Sensorchip nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Dicke der dielektrischen Schicht oder Schichten (
9 ) nicht größer als die Distanz zwischen den Zentren der Enden (3 ) der dielektrischen Leiter ist. - Sensorchip nach Anspruch 2 oder 3, wobei die äußerste dielektrische Schicht mit einer äußeren elektrisch leitenden Schicht versehen ist, die auch Öffnungen über den Enden der Enden der elektrischen Leiter umfasst und geeignet ist, um einen Kontakt zwischen den Fingern vorzusehen, und mit einem elektrischen Modulator gekoppelt ist.
- Sensorchip nach Anspruch 5, wobei die äußere elektrisch leitende Schicht für eine rein kapazitive Kopplung mit dem Finger mit einer äußeren dielektrischen Schicht versehen ist.
- Sensorchip nach Anspruch 5, wobei der elektrische Modulator einen Teil der elektronischen Schaltkreise bildet und mit ihnen durch mindestens eine der Öffnungen in dem Substrat gekoppelt ist.
- Sensorchip nach Anspruch 5, wobei die äußere elektrisch leitende Schicht eine Struktur umfasst, die die Impedanz ändert, wenn sie sich nahe an einem elektrisch leitenden Objekt befindet, was zusammen mit einem geeigneten Schaltkreis geeignet ist, um den Sensor zu aktivieren, wenn sich die zu messende Oberfläche dem Sensor nähert.
- Sensorchip nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Substrat aus einem Material aus Keramik, Glas oder Glasfaserschichtstoff hergestellt ist.
- Sensorchip nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Substrat aus Silizium hergestellt ist.
- Sensorchip nach Anspruch 10, wobei Verstärker und andere elektronische Schaltkreise in dem Substrat hergestellt sind.
- Sensorchip nach Anspruch 1, wobei die Sensoranordnung im Wesentlichen linear ist und geeignet ist, um eine relative Bewegung zwischen der Anordnung und einer Fingeroberfläche zu messen.
- Sensorchip nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine der leitenden Schichten (
8 ,10 ) eine Elektrode umfasst, die jedes Sensorelement (3 ) kapazitiv erregen kann, so dass die Antwort von jedem Sensorelement unabhängig von dem Vorhandensein eines Fingers oder ei nes anderen leitenden Objekts in der Nähe der Sensoroberfläche kalibriert werden kann. - Sensorchip nach Anspruch 1, wobei die Leiterenden (
3 ) in direktem Kontakt mit dem Finger stehen und die Messkapazität zwischen den Leiterenden und den Abfrageelektroden in dem elektronischen Schaltkreis gekoppelt ist. - Sensorchip nach Anspruch 1, der ausgebildet ist, um die Kapazität der Sensoranordnung elektronisch anzupassen, um die Signalstärke anzupassen.
- Sensorchip nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Chips U-förmig ist, um eine optimale Kopplung mit dem Finger sicherzustellen.
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