DE69732149T2

DE69732149T2 - Fingerabdruckdigitalisierer mit verformbarem substrat

Info

Publication number: DE69732149T2
Application number: DE69732149T
Authority: DE
Inventors: Leslie William ROSS
Original assignee: Personal Biometric Encoders Ltd
Current assignee: Personal Biometric Encoders Ltd
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: EP1021785A1; WO1998011499A1; AU4131197A; WO1998011500A1; ES2236822T3; ATE286279T1; DE69732149D1; AU4131297A; EP1021785B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Schaltungen und Schaltungselemente. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Digitalisiergeräte, die eine Matrix von individuell zu betätigenden Erfassungszellen zum Erzeugen einer Bitmap eines erfassten Musters oder Merkmals umfassen. Solche Digitalisiergeräte können Fingerabdrucksensoren sein, die eine Matrix von Erfassungszellen umfassen, die jeweils durch einen Kontaktschalter definiert werden.
Die Herstellung von integrierten Schaltungen (IC) beinhaltet eine Folge von Verarbeitungsschritten, die Einheitsschrittprozesse genannt werden, die im Stand der Technik an einem Wafer aus einem Halbleitermaterial wie z. B. Silicium durchgeführt werden, das ein Substrat definiert, das sowohl als mechanische Auflage für die resultierende IC als auch das Basismaterial zum Erzeugen der verschiedenen gewünschten Schaltungselemente dient.
Diese Einheitsschrittprozesse beinhalten das Einführen und Transportieren von Dotierungsmitteln zum Ändern der Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats, das Aufwachsenlassen von thermischen Oxiden für eine Inter- und Intra-Level-Isolation innerhalb der IC, das Aufbringen von isolierenden und leitenden Filmen und das Strukturieren und Ätzen der verschiedenen Schichten bei der Bildung der IC.
Die bekannten IC-Herstellungsmethoden arbeiten mit einem Halbleitersubstrat. Solche Substrate müssen unter streng geregelten Bedingungen erzeugt werden und sind daher kostspielig. Ferner ergibt das Halbleitersubstrat eine starre und brüchige IC, die leicht beschädigt wird und kein erhebliches beaufschlagtes Biegemoment effektiv aushalten kann. Das Halbleitermaterial lässt sich nur schwer bohren oder schneiden. Die Verarbeitung von Halbleitermaterialien wie Silicium erfordert zahlreiche verschiedene Verarbeitungsschritte (Ätzen, Maskieren usw.) unter Verwendung von toxischen Chemikalien. Dies macht das Verarbeiten von Halbleitern und das Entsorgen des zugehörigen Abfalls kostspielig und zeitaufwändig.
Die US-A-4 862 743 (SEITZ PETER) vom 5. September 1989 offenbart einen Drucksensor auf der Basis von kapazitiven Elementen, die auf einer Oberfläche eines elastisch verformbaren Substrats angeordnet sind.
Die EP-A-0459808 (G. E. C. Marconi Limited – heute an Personal Biometric Encoders Limited übertragen) offenbart eine Sensorkonstruktion, die ein Digitalisiergerät hoher Auflösung erzeugt, das ein Muster von aufgebrachten niedrigen Differenzdrücken erkennen kann. Dieses bekannte Digitalisiergerät ist für den Einsatz als Fingerabdrucksensor beabsichtigt.
Die Sensoren des Standes der Technik wie die, die in der EP-A-0459808 beschrieben sind, umfassen ein nicht verformbares Isoliersubstrat, auf dessen Oberseite abwechselnde Lagen aus leitendem und isolierendem Material aufgebracht werden (durch Plattieren oder Vakuumauftrag), um einen ersten Satz von parallelen Leitern zu erzeugen, die von einem darüber liegenden und einen rechten Winkel dazu bildenden zweiten Satz von parallelen Leitern getrennt sind.
Solche Sensoren des Standes der Technik werden mit Techniken konstruiert, die denen bei der Herstellung von integrierten Schaltungen auf Siliciumwafern ähnlich sind (d. h. Einheitsschrittprozesse).
Ein nicht verformbares Isoliersubstrat wird maskiert und dann mit Metall beschichtet, um eine Mehrzahl von parallelen Reihenelektroden zu bilden, die einen ersten Satz von Leitern bilden. Metallkontaktstellen, die durch ein Nichrom-Dünnschichtwiderstandselement mit den Elektrodenreihen verbunden sind, werden ebenfalls auf das Substrat aufgebracht.
Ein Isoliermittel wie Polyimid wird dann auf die Reihenelektroden, Nichrom-Widerstände und zugehörigen Kontaktstellen aufgebracht. Durchkontaktierungen sind in der Polyimidschicht über jeder Kontaktstelle vorgesehen.
Dann erfolgt ein zweiter Metallauftrag auf diese erste Polyimidschicht, um parallele Spaltenelektroden zu bilden, die einen zweiten Satz von Leitern orthogonal zu den Reihenelektroden bilden. Dieser zweite Metallauftrag definiert nicht nur die Spaltenelektroden, sondern auch zweite Kontaktstellen, die elektrisch in die Spaltenelektroden integriert sind, und stellt einen dritten Satz von elektrisch separaten Kontaktstellen bereit, die durch die ersten Durchkontaktierungen in der ersten Polyimidschicht in elektrischem Kontakt mit dem ersten Satz von Kontaktstellen verlaufen.
Die Verwendung eines nicht verformbaren Isoliersubstrats ist nicht nur kostspielig und erfordert eine große Zahl von Verarbeitungsschritten zum Herstellen eines Digitalisiergeräts, sondern macht auch die Sensoren des Standes der Technik brüchig und für einen Einsatz auf einem flexiblen Substrat wie z. B. einer Kunststoffkarte der für Kreditkarten verwendeten Art ungeeignet.
Die Erfindung ist in den beiliegenden Verfahrensansprüchen 1 und 12, die sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Digitalisiergerätes bzw. einer integrierten Schaltung gemäß Definition in Anspruch 1 bzw. 12 beziehen, sowie in den Vorrichtungsansprüchen 20 und 23 dargelegt, die sich auf ein Digitalisiergerät bzw. auf eine integrierte Schaltung beziehen. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den davon abhängigen Ansprüchen definiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird eine verformbare Isolierfolie mit einem leitenden oder halbleitenden Material beschichtet, leitendes oder halbleitendes Material wird von einer ersten Oberfläche der beschichteten Folie entfernt, um eine Mehrzahl von diskreten ersten elektrischen Elementen zu bilden, leitendes oder halbleitendes Material wird von einer zweiten Oberfläche der beschichteten Kunststofffolie entfernt, um eine Mehrzahl von diskreten zweiten elektrischen Elementen zu bilden, die von den ersten Leitern getrennt sind und diese kreuzen, und leitende Durchkontaktierungen sind durch die verformbare Auflage vorgesehen, wobei jede leitende Durchkontaktierung elektrisch mit einem zweiten elektrischen Element und einer Kontaktstelle auf der ersten Oberfläche der verformbaren Auflage verbunden ist.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung erlauben die Herstellung einer integrierten Schaltung oder eines Sensors mit einem Minimum an Verarbeitungsschritten. Der Wegfall der Notwendigkeit, erhebliche Mengen an Halbleitermaterial von dem Schaltungs- oder Sensorsubstrat durch eine progressive Reihe von Maskierungs-, Ätz-, Reinigungs- und Trocknungs- oder Brennschritten (Härten bei hohen Temperaturen) reduziert die Herstellungskosten des Sensors oder der integrierten Schaltung erheblich.
Die leitenden Durchkontaktierungen der Erfindung ermöglichen auch eine effizientere Konvektion von Luft durch das Bauelement, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, und helfen damit, eine Überhitzung des Bauelementes zu verhüten.
Die Verwendung eines Substrats in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, das aus einem Kunststoffisoliermaterial wie Polyimid, Polyester, Polyethylen, Polystyrol, Polyethylenterephthalat oder Keramik besteht, das mit einer dünnen Schicht aus einem leitenden Material wie Edelstahl, Chrom oder Titan beschichtet ist, ergibt ein Substrat, das sowohl auf der primären als auch auf der sekundären Seite verarbeitet werden kann, um separate Schaltungselemente zu erzeugen. Die Wahl des Materials, das auf das Substrat aufgebracht wird, ist von den gewünschten elektrischen Eigenschaften des relevanten Teils der Schaltung abhängig.
Das Kunststoffsubstrat kann auch leicht beispielsweise durch Laserablation verarbeitet werden, um leitende Durchkontaktierungen durch das Substrat herzustellen, um die elektrischen Elemente auf gegenüberliegenden Seiten des Kunststoffsubstrats elektrisch zu verbinden. Alternativ können Kondensatoren hergestellt werden, indem leitende Elemente von wenigstens einem Teil der Dicke des Substrats getrennt gehalten werden. Ein zusätzlicher Vorteil des Kunststoffsubstrats ist der, dass es leichter und billiger herzustellen ist als ein Siliciumsubstrat mit der notwendigen Reinheit.
In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung in Bezug auf einen Sensor mit übereinander liegenden separaten Sätzen von parallelen Leitern wird durch die Bereitstellung der beiden Sätze von Leitern auf der Ober- und der Unterseite der Auflage und durch die Verwendung der Beschichtung auf einer Kunststoffauflage zum Definieren dieser Leiter die Notwendigkeit für einen erheblichen Teil der im Stand der Technik notwendigen Maskierungs- und Beschichtungsschritte vermieden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein(e) verformbare(s) Auflage oder Substrat dadurch gebildet, dass ein Isolator eine Beschichtung aus einem Leiter wie Edelstahl aufweist. Isoliermittelfolien wie z. B. aus Polyimid (z. B. Kapton – Warenzeichen) sind im Handel mit einer Edelstahlbeschichtung erhältlich. Daher ist eine verformbare Auflage aus einem mit Edelstahl beschichteten Polyimid leicht und billig erhältlich. Ferner erübrigt sich bei Verwendung einer Edelstahlbeschichtung, die einen signifikanten elektrischen Widerstand hat, die Notwendigkeit für den Auftrag separater Widerstandselemente aus Nichrom (oder ein ähnliches Material), wie dies bei dem Bauelement der EP 0 459 808 notwendig ist. Dadurch werden die Kosten in Verbindung mit der Produktion eines Digitalisierungssensors reduziert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Kunststoffsubstrat wie KALADEX (ICI-Warenzeichen für ein Polyesterprodukt), MYLAR, KAPTON (DuPont-Warenzeichen jeweils für Polyimid- und Polyethylenprodukte) oder UPILEX (UBE-Warenzeichen für ein Polystyrolprodukt) mit einer strukturierten Titanschicht beschichtet, auf die Gold aufgebracht wird.
Spezifische Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Matrix von einen Sensor definierenden Erfassungszellen;
2 einen Schnitt durch einen Teil der Linie I-I, die den Aufbau eines bekannten Fingerabdrucksensors illustriert;
3 und 4 weitere Ansichten, die Strukturen von Leitern auf einem Substrat illustrieren, das auf eine bekannte Weise konstruiert wurde;
5 einen Fingerabdrucksensor mit einer elektrischen Schaltung, die Aspekte der vorliegenden Erfindung ausgestaltet;
6a bis 6h eine schematische Darstellung eines Verfahrens, das Aspekte der vorliegenden Erfindung ausgestaltet;
7a bis 7d eine schematische Darstellung eines alternativen Verfahrens, das die vorliegende Erfindung ausgestaltet;
8 ein Diagramm mit einer schematischen Darstellung einer Produktionsstraße, die zum Implementieren des Verfahrens der 7a bis 7d geeignet ist;
9 eine schematische Draufsicht auf die Unterseite eines Fingerabdrucksensors, der Aspekte der vorliegenden Erfindung ausgestaltet;
10 eine interdigitalisierte Konfiguration für gepaarte Kontaktstellen, die für die Verwendung mit Sensoren geeignet sind, die Aspekte der vorliegenden Erfindung ausgestalten; und
11 einen Teil der Struktur von leitendem Material auf der Substratoberfläche zum Verbinden des betätigten Sensors mit dem zugehörigen Schaltkomplex.
Gemäß 1 wird eine Matrix von Erfassungszellen 15 durch die Überkreuzungspunkte eines ersten Satzes von parallelen Leitern 1 definiert, über denen lotrecht ein zweiter Satz von parallelen Leitern 3 liegt. Jeder aus dem ersten Satz von Leitern definiert einen Eingangsbus und jeder aus dem zweiten Satz von Leitern definiert einen Ausgangsbus. Die Eingangsbusse sind mit einer Stromversorgungsschaltung und die Ausgangsbusse mit einer Schaltung verbunden, die die Logikeinheiten zum Analysieren des Sensorausgangs enthält.
Jede Erfassungszelle 15 beinhaltet eine Kontaktstelle 11, die mit einem aus dem ersten Satz von Leitern 1 verbunden ist, und eine zweite Kontaktstelle 13, die mit einem aus dem zweiten Satz von Leitern 3 verbunden ist. Strom/Informationen fließt/fließen vom Eingangsbusleiter 1 einer aktivierten Zelle zum Ausgangsbus der Zelle 15, wenn die beiden Kontaktstellen 11, 13 elektrisch durch eine Kontaktbrücke verbunden werden, die mit den beiden Stellen 11, 13 als Reaktion auf Druck in Kontakt gebracht werden, der oberhalb der jeweiligen Erfassungszelle auf den Sensor aufgebracht wird.
Gemäß 2 liegen die Leiter 1, 3 eines bekannten Fingerabdrucksensors auf einem Substrat 5 auf, und der Sensor umfasst auch eine elastisch verformbare Membran 7, die über den Leitern 1, 3 aufliegt und leitende Fliesen 9 auf ihrer Unterseite hat.
Eine Verformung der elastischen Membran 7, z. B. durch den Grat eines Fingerabdruckmusters, bringt eine der leitenden Fliesen 9 mit Kontaktstellen 11, 13 in Kontakt, die jeweils mit einem der ersten Leiter 1 und einem der zweiten Leiter 3 am Überkreuzungspunkt der Leiter assoziiert sind, um die Lücke zwischen den beiden Leitern zu überbrücken. Strom/Informationen kann/können dann vom Eingangsbus zum Ausgangsbus über den Kontakt oder die leitende Fliese 9 fließen. Jede Zelle hat einen assoziierten Widerstand, der in einem Potenzialabfall über einen durch die leitende Fliese überbrückten Überkreuzungspunkt resultiert.
In der in 3 illustrierten Ausgestaltung der Erfindung liegt die Matrix aus gepaarten Kontaktstellen 11, 13 und den assoziierten Leitern 1, 3, die den Ein- und den Ausgangsbus bilden, auf einer/m verformbaren Auflage oder Substrat auf. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das unverformbare Substrat von Bauelementen des Standes der Technik durch ein verformbares Substrat zu ersetzen, das aus einem flexiblen Material wie z. B. KALADEX (ICI-Warenzeichen für ein Polyesterprodukt), MYLAR, KAPTON (DuPont-Warenzeichen jeweils für Polyimid- und Polyethylen-Produkte) oder UPILEX (UBE-Warenzeichen für Polystyrolprodukte) besteht.
Das Fingerabdruck-Digitalisiergerät (siehe 5) von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in eine kartenähnliche Baugruppe integriert, die einen Verbinder 231 zum Einführen in einen Kartenaufnahmeschlitz beinhaltet, um beispielsweise die Übertragung von Informationen zwischen der Karte und einer Datenverarbeitungseinrichtung oder dergleichen zuzulassen, die mit dem Kartenaufnahmeschlitz verbunden ist. Die Kartenbaugruppe hat einen integrierten Speicher und eine Datenverarbeitungseinrichtung 232 sowie einen Sensor- oder Digitalisierteil. Geeignete Karten können modifizierte PCMCIA-(Personal Computer Memory Card International Association)Karten sein.
In der Ausgestaltung von 5 wird ein Kunststoffsubstrat 201 mit einer Struktur von Leitern auf seiner Ober- und seiner Unterseite zwischen zwei Leiterplatten 220, 221 gehalten, die jeweils integrierte ASICs 222 (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) aufweisen. Die Innenseiten der Leiterplatten haben jeweils Kontakte, die im fertigen Sensor die ASICs mit Kontaktabschnitten 223 auf dem Kunststoffsubstrat 201 verbinden. Wie nachfolgend beschrieben wird, sind diese Kontaktabschnitte selbst mit den Digitalisierelektroden/-leitern verbunden, die durch die darüber liegende Leiteranordnung mit zueinander lotrechten Sätzen von parallelen beabstandeten Elektroden gebildet werden.
Eine der ASICs ist eine Treiberschaltung, die Strom/Informationen zum ersten, Eingangsbus, Satz von parallelen Leitern oder Elektroden der Digitalisiermatrix liefert, und die andere ASIC ist eine Erfassungsschaltung, die mit dem zweiten, Ausgangsbus, Satz von parallelen Leitern oder Elektroden verbunden ist, um eventuelle(n) Strom/Informationen zu empfangen, der/die beim Betrieb von der Treiberschaltung durch die Anwesenheit eines epidermalen Fingerabdruckgrates der das Digitalisiergerät umfassenden Schalter fließt/fließen. Die Kombination der ASICs von Kartendatenverarbeitung und Kartenspeicher erzeugt ein Signal, das für die Identifikationsmerkmale eines erfassten Fingerabdruckmusters repräsentativ sind.
Eine erste aktive Fläche des Sensorsubstrats beinhaltet eine Struktur aus leitendem Material, die einen Erfassungs- oder Digitalisierungsbereich 230 definiert, der einen ersten Satz von parallelen Elektroden oder Leitern (die Eingangsbusse bilden) enthält, die durch Leiterbahnen 224 mit Kontaktabschnitten 223 verbunden sind, um den ersten Satz von Elektroden mit den Kontakten der Treiberschaltung zu verbinden, die sich auf der Innenfläche von einer der Leiterplatten befindet. Die zweite gegenüberliegende Fläche des Sensorsubstrats beinhaltet eine Struktur aus leitendem Material, die einen zweiten Digitalisierbereich definiert, der dem auf der gegenüberliegenden Substratfläche entspricht, und das einen zweiten Satz von parallelen Elektroden von Leitern lotrecht zum ersten Satz aufweist. Die Struktur aus leitendem Material auf der zweiten Oberfläche definiert ebenfalls Leiterbahnen 224 und Kontakte 223, um den zweiten Satz von Elektroden (Ausgangsbusse) mit den Kontakten der Erfassungsschaltung auf der Innenseite von einer der Leiterplatten zu verbinden.
Die Treiber- und Erfassungsschaltungen oder ASICs können auch anders herum angeordnet werden, so dass die Treiberschaltung auf der aktiven Seite des beschichteten Substrats liegt.
Das Substrat beinhaltet eine Matrix von Durchkontaktierungen durch das Substrat von seiner ersten zu seiner zweiten Fläche. Jede Durchkontaktierung entspricht einem Überkreuzungspunkt der beiden Sätze von zueinander lotrechten parallelen Elektroden oder Leitern 1, 3. Die Elektroden auf der aktiven oder erfassenden Fläche des Substrats beinhalten einen Satz von ersten Kontaktstellen 11 an jedem Überkreuzungspunkt, und die Elektroden auf der gegenüberliegenden Substratfläche sind durch die Durchkontaktierungen mit einem Satz von zweiten Kontaktstellen 13 an jedem Überkreuzungspunkt elektrisch verbunden und von den jeweiligen ersten Kontaktstellen jedes Überkreuzungspunkts getrennt. Die erste und die zweite Kontaktstelle und Durchkontaktierung in Verbindung mit jedem Überkreuzungspunkt definieren einen mit jedem Überkreuzungspunkt assoziierten elektrischen Widerstand.
Der Teil des Substrats, der nicht zwischen den beiden Leiterplatten eingeschlossen ist, beinhaltet den Erfassungs- oder Digitalisierteil 230 des strukturierten Kunststoffsubstrats. Dieser Teil des Substrats wird umgefaltet und so an der Kartenbaugruppe fixiert, dass der durch die gepaarten Kontaktstellen 11, 13 definierte Erfassungsbereich (siehe 10) auf der Oberfläche der Kartenbaugruppe exponiert ist. Eine Kontaktbrücken definierende elastische Membran wird so an der Kartenbaugruppe über dem Erfassungsbereich fixiert, dass Digitalisierschalter in Kombination mit den Kontaktstellen des Erfassungsbereiches definiert werden. Bei Verformung der elastischen Membran als Reaktion auf das Vorliegen eines Kontakts mit einem epidermalen Grat werden Kontaktbrücken mit den gepaarten Kontaktstellen 11, 13 von Überkreuzungspunkten in Kontakt gebracht, um die gepaarten ersten und zweiten Kontaktstellen von Überkreuzungspunkten zu verbinden, die dem Ort von epidermalen Fingerabdruckgraten entsprechen.
Die Kartenbaugruppe kann eine Schutzhülle aufweisen, so dass nur der Erfassungsbereich des gefalteten Substrats exponiert ist. Die elastische Membran kann auch an der Schutzhülle angebracht sein.
Eine mögliche verformbare Membrankonstruktion 7 mit den Kontaktbrücken ist in unserer mitanhängigen Anmeldung beschrieben, die am selben Datum zusammen mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde. Die Membran 7 ist aus einem Material wie MYLAR oder KAPTON (Warenzeichen) und hat eine Dicke von weniger als 12 μm (vorzugsweise etwa 3 μm) und hat die notwendigen Festigkeits- und Verformbarkeitseigenschaften. Die Membran 7 hat auf ihrer der Matrix zugewandten Fläche eine kontinuierliche leitende Schicht 17 aus einem dotierten Polyanilinkopolymer mit einem Schichtwiderstand von 30 kΩ/☐. Diese Schicht 17 kann vor ihrem Anbringen am Sensor auf die MYLAR- oder KAPTON-Folie aufgebracht oder aufgesprüht werden. Die leitende Schicht 17 ist nur dann mit einer Spannungs- oder Potenzialquelle verbunden, wenn sie mit Elektroden 1, 3 verbunden ist und Strom über den Spalt zwischen den Kontaktstellen 11, 13 durch sie fließt.
Die Verwendung eines Sensors mit einem flexiblen Substrat und einer flexiblen Obermembran verbessert die Übereinstimmung der Sensormembran mit den Konturen eines aufgebrachten Fingerabdrucks und erlaubt eine genaue Messung eines Musters.
Darüber hinaus sind Kunststoffsubstrate weitaus leichter und billiger sowohl in der Herstellung als auch in der nachfolgenden Verarbeitung zu elektrischen Schaltungen und Schaltungselementen als Silicium- und starre Substrate.
Durch den Einsatz eines Sensors mit einem Kunststoffsubstrat können die Kosten für die Erzeugung eines Digitalisiergeräts erheblich reduziert werden, das eine Matrix aus Erfassungszellen umfasst, die auf die An- oder Abwesenheit eines epidermalen Fingerabdruckgrates ansprechen. Das Kunststoffsubstrat ist weitaus billiger als Siliciumsubstrate der bekannten Digitalisiergeräte. Es ist auch weitaus leichter, ein Kunststoffsubstrat zu verarbeiten, um die zueinander lotrechten Sätze von übereinander liegenden und getrennten Elektroden oder Leiter zu erzeugen, als ein Digitalisiergerät mit einem Silicium- oder Halbleitersubstrat herzustellen, wie es für die bekannten Fingerabdruck-Digitalisiergeräte vorgeschlagen wird.
Es ist wünschenswert, Fingerabdrucksensoren auf einen tragbaren Träger wie z. B. eine Kunststoffkreditkarte (oder einen ähnlichen Plastikträger) oder eine Chip-Karte wie z. B. eine PCMCIA-Karte aufzubringen. Fingerabdrücke lassen sich nur schwer fälschen und Fingerabdrucksensoren sind daher eine nützliche Form der Identifikation in jeder Umgebung zum Autorisieren von Transaktionen. Demzufolge sind Fingerabdrucksensoren, deren Schaltkomplex auf eine tragbare Karte aufgebracht werden kann, besonders vorteilhaft.
Tragbare Kunststoffkarten und Chip-Karten erfordern ein gewisses Maß an Flexibilität, um die Biegemomente und Spannungen in Verbindung mit ihrem Transport, ihrer Lagerung und ihrem Gebrauch auszuhalten. Kunststoffkarten tolerieren gewöhnlich ein Biegen von bis zu etwa 90°, und Fingerabdrucksensoren, die auf einer Kunststoffkarte wie beispielsweise einer Kredit- oder Gebührenkarte montiert sind, sollten daher in der Lage sein, ein solches Biegen auszuhalten. Eine Montage des Sensors in der Nähe eines Randes der Karte reduziert zwar die Menge an Biegung, die der montierte Sensor aushalten können muss, aber der montierte Sensor erfährt möglicherweise trotzdem noch Biegemomente, die ausreichen, um einen starren Sensor zu beschädigen.
Eine Lösung bestand darin, einen starren Sensor auf Siliciumbasis auf einer flexiblen Halterung zu montieren, die die Belastung in Verbindung mit dem Biegen des Plastikträgers absorbiert.
Die Verwendung einer dünnen Folie aus einem verformbaren Kunststoff wie Polyimid, Polyester, Polystyrol oder Polyethylenterephthalat, der mit einer dünnen Schicht wie z. B. aus einem leitenden Metall wie Gold beschichtet ist, um die Schaltungselemente zu erzeugen, ergibt einen Sensor, der ohne Schäden um sehr beträchtliche Winkel (bis etwa 180°) gebogen werden kann. Dieses Maß an Flexibilität ist zwar nicht für alle Ausgestaltungen der Erfindung erforderlich, aber einige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung lassen es zu, dass ein Sensor etwa 10–15 mm² in Richtung auf einen Rand eines Kunststoffträgers von etwa 8–9 cm (Standardkreditkarten haben eine Größe von 8,5 × 5,5 cm) montiert wird, um eine ausreichende Biegefähigkeit zu haben, so dass er zusammen mit einer Plastikkreditkarte gebogen werden kann, die ohne Schäden am Sensor um einen Winkel von bis zu 90° gebogen werden kann.
Das Kunststoffsubstrat, das für die Erfindung geeignet ist, muss in der Lage sein, die wahrscheinlichen mechanischen Belastungen und Umgebungsbedingungen auszuhalten, denen es wahrscheinlich ausgesetzt wird, und muss die notwendigen elektrischen Eigenschaften und die nötige maschinelle Bearbeitbarkeit besitzen.
Es wurde gefunden, dass Folien aus Polyethylenterephthalat oder Polyimid mit einer Dicke von 10 bis 50 μm als Substrate für Fingerabdruck-Digitalisiergeräte äußerst geeignet sind, da sie metallisiert und nachfolgend bearbeitet oder mit etablierten Verfahren geätzt werden und die notwendigen Leistungsparameter erreichen können.
Es wurde gefunden, dass besonders wünschenswerte Materialeigenschaften von Substraten für eine Fingerabdruck-Digitalisierschaltung wie folgt lauten:

a) hohe Zugfestigkeit mit einem Youngschen Modul im Bereich von 3000 bis 6000 MPa; 5500 MPa ist ein bevorzugter Wert;
b) geringe Wärmeschrumpfung, d. h. im gesamten Temperaturbereich von –10°C bis 250°C maßstabil; eine Glasübergangstemperatur von mehr als 200°C wird bevorzugt;
c) Kunststofffolie sollte flexibel sein und sich leicht handhaben lassen, ohne Falten zu schlagen; eine Dicke von 25 μm ist für KAPTON- oder MYLAR-Substrate geeignet;
d) Kunststoff sollte sich leicht mit konventionellen Werkzeugmaschinen und vorzugsweise auch Lasern bearbeiten lassen;
e) gute Hydrolysebeständigkeit – idealerweise weniger als 0,8% in vierundzwanzig Stunden bei 25°C;
f) gute Beständigkeit gegen Ätzmittel wie starke Säuren und Alkalis, Natriumhydroxid, Essigsäure und ähnliche;
g) hoher Schichtwiderstand (10¹⁶ Ω/☐);
h) hohe Kontakt- und Volumenbeständigkeit (Volumenwiderstand von 10¹⁸ Ωcm);
i) relativ hoher Schmelzpunkt – 125 bis 250° – vorzugsweise 250°C.

Um die Lebensdauer des Fingerabdrucksensors oder der elektrischen Schaltung zu maximieren, sollten die Kunststoffeigenschaften während der beabsichtigten Lebensdauer der Schaltung stabil bleiben.
Es werden nachfolgend mit Bezug auf die 4 bis 6 Methoden zur Herstellung von elektrischen Schaltungen beschrieben.
In der Fingerabdrucksensor-Ausgestaltung von 6 wird eine Polyimidfolie 101 von 36 μm Dicke mit einem 0, 01 μm Edelstahlüberzug 102 beschichtet (siehe 6a). Eine Matrix von Löchern 103 mit 10 μm Durchmesser wird dann durch die Folie beispielsweise durch Laserablation vorgenommen (siehe 6b). Laserleistung und -behandlung sind von der Dicke des Stahlüberzugs und der Polyimidfolie abhängig. Die Löcher 103 werden mit einer Dichte gemacht, die der gewünschten Auflösung des Fingerabdrucksensors entspricht. Die Auflösung des Sensors kann auch durch Staffeln oder Versetzen abwechselnder Reihen von Durchkontaktierungen beeinflusst werden. Es wird für jede Erfassungszelle in der Sensormatrix ein Loch 103 gemacht. Für eine gleichförmige Durchkontaktierungskonfiguration mit die Ecken von Quadraten definierenden Durchkontaktierungen beträgt der Zwischenlochabstand etwa 100 μm für eine 100 μm Zelle und etwa 50 μm für eine 50 μm Erfassungszelle.
Die perforierte Folie wird dann gleichförmig mit einer 0,5 μm Kupferschicht 104 bedeckt, z. B. durch einen aufbauarmen stromlosen Prozess (siehe 6c). Dies ergibt leitende Durchkontaktierungen 105 zwischen der beschichteten leitenden oberen 106 und unteren 107 Fläche der Folie.
Interdigitalisierte (siehe 10) obere (oder aktive) Oberflächenzellkontakte 108 und Reihenbusse 109 werden dann auf der oberen Seite konfiguriert, z. B. durch Laserablation (siehe 6d). Ein Kontakt jeder Zelle ist mit der leitenden Durchkontaktierung, der andere separate Kontakt mit einem zugehörigen Reihenbus 109 verbunden. Die Unterseite 107 der Folie wird dann beispielsweise durch Laserablation verarbeitet, so dass sie zum Bilden der Zellenwiderstände 116 und Spaltenbusse 110 konfiguriert werden kann; ein Spaltenbus 110 und ein Zellenwiderstand 116 werden mit jeder leitenden Durchkontaktierung 105 verbunden (siehe 6e und 9).
Die Zellenwiderstände 116 werden dann mit einem Maskierungsmaterial 121 maskiert, bevor die vom Rest der Edelstahl- und Kupferschicht definierten Schaltungen auf der Ober- und der Unterseite mit Gold 120 elektroplattiert werden, um ihre Leitfähigkeit zu verbessern (siehe 6f und 6g). Die Zellenwiderstände 116 werden nicht beschichtet, da ein hoher Widerstand in Bezug auf die Goldkontaktwiderstände gewünscht wird. Die Verwendung von Goldkontaktstellen führt zu einem äußerst effektiven Kontaktschalter, besonders dann, wenn sie in Kombination mit Kontaktbrücken aus einem leitenden Polymer wie z. B. einem dotierten Polyanilinkopolymer verwendet werden. Anstatt Gold können andere hochleitende Materialien (z. B. Silber) verwendet werden, obwohl sich Gold als besonders effektiv erwiesen hat. Ebenso kann der Edelstahlüberzug durch einen Überzug aus einem anderen leitenden Metall wie z. B. Chrom oder Titan ersetzt werden. Die Kombination aus einer Goldschicht auf Titan hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Schließlich wird (siehe 6h) das Maskenresist vom Zellenwiderstand 116 zurückgewonnen und die Folie wird z. B. mit einer Lösung auf Ammoniumbasis geätzt, um den elektrolosen Kupfer vom Widerstand zu entfernen. Der Widerstand des Zellenwiderstands 116 wird dann nur durch die elektrischen Eigenschaften und Abmessungen des Stahls definiert.
Gemäß 9 ist der mit jeder Zelle assoziierte Spaltenbus 110 durch den Zellenwiderstand 116 mit der jeweiligen leitenden Durchkontaktierung 105 verbunden.
In dem in den 7 und 8 gezeigten alternativen Verfahren bildet eine dünne Folie 301 (etwa 20 μm – aber es können auch dünnere Folien verwendet werden, was zu Handhabungsproblemen führt) aus einem geeigneten Kunststoffmaterial wie KAPTON, MYLAR, UPILEX oder KALADEX das Substrat oder die Auflage.
Es wird eine ebene Matrix von Durchkontaktierungen 303 (siehe 7b) durch die Kunststofffolie gebohrt. Dies erfolgt durch Laserablation mit etwa 300 Schüssen eines Lasers von 400 mJ/cm². Durch Verwenden eines stärkeren Lasers könnte die notwendige Behandlung reduziert werden. Wie nachfolgend erörtert, sind Abmessungen und Gestalt der Durchkontaktierungen wichtig, da der Oberflächeninhalt der Innenseite der Durchkontaktierungen den elektrischen Widerstand jeder Erfassungszelle bestimmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Durchkontaktierung durch Bohren von überlappenden kreisförmigen Löchern erzeugt, so dass jede Durchkontaktierung im Wesentlichen oval oder bohnenförmig und etwa 12,5 μm × 22,5 μm groß ist.
Die Oberflächen der gebohrten Kunststofffolie werden dann gereinigt. Dies erfolgt durch Scannen mit einem Laser geringer Intensität (Einzelschuss von etwa 200 mJ/cm²). Durch dieses Laserreinigen werden Schmutzteile beseitigt und es entsteht ein glanzloses oder mattes Finish auf der Substratoberfläche. Dieses Finish fördert die nachfolgende Beschichtung des Substrats mit einem leitenden Material.
Das gereinigte gebohrte Kunststoffsubstrat wird dann mit einer dünnen (ca. 500 Å) Titanschicht überzogen (siehe 7c). Das Titan wird beispielsweise durch ionenassistiertes Sputtern auf das Substrat aufgestäubt. Das Sputtern erfolgt in einer Reihe verschiedener Winkel zur Substratoberfläche, um zu gewährleisten, dass die Oberflächen innerhalb der Durchkontaktierungen vollständig mit Titan beschichtet werden.
Dann wird eine dünne Schicht aus Gold (etwa 0,1 μm oder 1000 Å) auf das Titan aufgestäubt (siehe 7c), um ein metallisiertes Substrat mit einer Außenschicht aus Gold auf einer Innenschicht aus Titan zu erzeugen, die wiederum an dem Kunststoffsubstrat fixiert ist. Wie bei der Titanbeschichtung, wird die Sputterrichtung variiert, um zu gewährleisten, dass eine ebene Schicht durch die Durchkontaktierung verläuft. Die Dicke der Gold- und/oder Titanschichten kann durch Variieren der Sputterzeit geregelt werden. Die Zwischenschicht aus Titan führt zu einer besseren Haftung des Goldes an dem Substrat. Weitere mögliche Zwischenschichtmaterialien sind z. B. Edelstahl und Chrom. Es wurde jedoch gefunden, dass Titan besonders vorteilhaft ist.
Ein Muster aus leitenden Abschnitten, die Elemente einer elektrischen Schaltung bilden, wird dann durch Entfernen von leitendem Material von jeder beispielsweise durch Laserablation auf den Substratoberflächen ausgebildet (siehe 7d). Eine geeignete Laserbehandlung ist fünf Schüsse mit 200 mJ/cm². Die Behandlungszeit sowie die Zahl der Schüsse würde für Laser mit einer anderen Leistung variiert. Das Muster der leitenden Abschnitte definiert die beiden Sätze von Elektroden und entsprechenden Kontaktabschnitten des Digitalisierabschnitts sowie die Verbindungen zum Verbinden des Digitalisiergeräts mit den Treiber- und Erfassungsschaltungen oder ASICs. Der Widerstand jeder Erfassungszelle wird im Wesentlichen durch den Widerstand der dünnen Goldschicht in der Durchkontaktierung definiert, die jeder Erfassungszelle entspricht. Eine 1000 Å (oder 0,1 μm) dicke Schicht in einer Durchkontaktierung von 12,5 μm × 22,5 μm Größe ergibt einen Zellenwiderstand von etwa 16 kΩ.
8 illustriert ein die Methode von 7 implementierendes Ablauflinienproduktionsverfahren.
Das oben beschriebene Verfahren arbeitet zwar mit Titan und Gold, aber diese können auch durch Edelstahl oder Chrom bzw. Silber ersetzt werden. Ferner beziehen sich zwar die oben beschriebenen Methoden auf die Produktion von Leitern, aber dasselbe Verfahren ist auch mit anderen Durchkontaktierungskonfigurationen oder Beschichtungsmaterialien anwendbar, um andere elektrische Elemente zu erzeugen. Es können Kondensatoren erzeugt werden, indem Durchkontaktierungen geschaffen werden, die nicht ganz durch das Substrat verlaufen, so dass Elemente erzeugt werden, die leitende Abschnitte umfassen, die von einem kleinen isolierenden oder dielektrischen Spalt getrennt sind. Es können andere Komponenten durch Auftragen der entsprechenden Materialien (z. B. Halbleiter) auf das Substrat hergestellt werden.
Die oben beschriebenen Techniken können auch zur Herstellung von elektrischen Komponenten wie integrierte Schaltungen eingesetzt werden.
Eine 100 μm dicke Schicht aus einem Kunststoffisoliermaterial wie einem Polyimid (MYLAR), Polyester (KALADEX), Polystyrol (UPILEX), Polyethylen oder Polyethylenterephthalat (KAPTON) mit einem Schmelzpunkt von etwa 500° oder höher, beschichtet mit einer dünnen leitenden Schicht (etwa 0,01 μm dick) eines Leiters wie Edelstahl, Titan oder Chrom, kann durch Laserablation verarbeitet werden, um Leiterbahnen zu erzeugen.
Halbleitermaterial wie Silicium wird dann auf gewählte Abschnitte der Ober- und Unterseiten des Substrats zur nachfolgenden Verarbeitung aufgebracht, um elektronische Bauelemente auszubilden, die eine integrierte Schaltung auf beiden Seiten des Substrats definieren. Das Halbleitermaterial kann mit einem beliebigen der etablierten Prozesse wie z. B. Diffusion, Vakuumauftrag oder Epitaxie aufgebracht werden. In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Bezug auf die Herstellung von integrierten Schaltungen wird das Silicium zum Erzeugen der elektronischen Komponenten nur dort aufgebracht, wo dies nötig ist, und die elektronischen Komponenten werden im Wesentlichen an ihren erforderlichen Positionen auf dem Substrat mit den Leiterbahnen hergestellt. Bei dieser Ausgestaltung erübrigt sich das aufwändige Entfernen von Halbleitermaterial mit toxischen Chemikalien in Verbindung mit den bekannten Methoden zur Herstellung integrierter Schaltungen.
Die integrierten Schaltungselemente auf gegenüberliegenden Seiten eines solchen Bauelementes werden über die leitenden Durchkontaktierungen verbunden, die in dem Substrat hergestellt wurden.
Eine integrierte Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt beide Seiten des Substrats, und es ist besonders vorteilhaft, eine Schaltung bereitzustellen, die eine Reihe von untereinander verbundenen doppelseitigen integrierten Schaltungen gemäß der Erfindung umfasst, die aufeinander angeordnet sind. Jede integrierte Schaltung oder Oberfläche einer integrierten Schaltung kann so gefertigt werden, dass sie eine bestimmte Funktion ausführt, und eine Kollektion solcher ICs kann zusammengefasst werden, so dass sie eine Datenverarbeitungsschaltung bildet.
Integrierte Schaltungen oder elektrische Schaltungen und/oder elektrische Elemente, die die vorliegende Erfindung ausgestalten, können auch auf Kunststoffsubstraten unter Verwendung beliebiger der bekannten Beschichtungsmethoden erzeugt werden, einschließlich Eintauchprozesse wie der von Englehard-CLAL verkaufte ATOCHEM-Prozess.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Digitalisiergeräts zum Erfassen eines Fingerabdruckmusters, umfassend eine Matrix von individuell zu betätigenden Erfassungszellen, einschließlich des Bereitstellens einer flexiblen Isolierauflage (101); Erzeugen von Löchern (103), die ganz oder teilweise durch die Isolierauflage verlaufen; Beschichten beider Oberflächen (106, 107) der Auflage und des Umfangs der genannten Löcher mit leitendem und/oder halbleitendem Material (104); Entfernen des leitenden oder halbleitenden Materials von einer ersten Oberfläche der beschichteten Auflage zur Bildung einer Mehrzahl von ersten leitenden oder halbleitenden Abschnitten (108, 109); Entfernen von leitendem oder halbleitendem Material von einer zweiten Oberfläche der beschichteten Auflage zur Bildung einer Mehrzahl von zweiten leitenden oder halbleitenden Abschnitten (116, 110), die von den ersten leitenden oder halbleitenden Abschnitten an Positionen getrennt sind und diese kreuzen, die der Position der Löcher entsprechen, so dass nach dem Betätigen des entsprechenden Abschnitts des Digitalisiergeräts eine elektrische Verbindung zwischen jeweiligen ersten und zweiten leitenden oder halbleitenden Abschnitten durch die Löcher hergestellt werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines Digitalisiergeräts nach Anspruch 1, wobei die Auflage eine Kunststoffauflage ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Löcher durch die Auflage verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Löcher nur teilweise durch die Auflage verlaufen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Auflage, umfassend eine dünne Folie aus einem Kunststoffmaterial wie z. B. aus Polyimid, Polyester, Polystyrol, Polyethylen.
Verfahren nach Anspruch 5, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Auflage, die eine dünne Folie aus Polyethylenterephthalat umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das leitende Material Edelstahl, Titan oder Chrom ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine zweite Schicht aus einem anderen leitenden Material auf die erste Schicht aus leitendem Material aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweite Schicht aus leitendem Material eine höhere Leitfähigkeit hat als die erste Schicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht eine dünne Schicht aus Titan und die zweite Schicht eine dünne Schicht aus Gold ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Schicht eine Schicht aus einem halbleitenden Material ist.
Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines flexiblen Isoliersubstrats (101); Beschichten gegenüberliegender Flächen (106, 107) des Substrats mit einer Schicht aus leitendem Material (104); Herstellen von leitenden Durchkontaktierungen (105), die die beschichteten gegenüberliegenden Flächen des Substrats verbinden; Auftragen von Halbleitermaterial auf die beschichteten gegenüberliegenden Substratflächen; Verarbeiten des aufgetragenen Halbleitermaterials zum Erzeugen von elektrischen oder elektronischen Bauelementen; und Entfernen von Abschnitten der leitenden Schichten zum Definieren von Leiterbahnen auf der Oberfläche des Substrats.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Substrat eine dünne Folie aus einem Kunststoffmaterial wie z. B. aus Polyimid, Polyester, Polystyrol, Polyethylen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat eine dünne Folie aus Polyethylenterephthalat umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das leitende Material Edelstahl, Titan oder Chrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem eine zweite Schicht aus einem anderen leitenden Material auf die erste Schicht aus leitendem Material aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die zweite Schicht aus leitendem Material eine höhere Leitfähigkeit hat als die erste Schicht.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Schicht eine dünne Schicht aus Titan und die zweite Schicht eine dünne Schicht aus Gold ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das leitende Material und das Isoliersubstrat mit einem Laser verarbeitet werden.
Digitalisiergerät zum Erfassen eines Fingerabdruckmusters, umfassend eine Matrix aus individuell zu betätigenden Erfassungszellen, die auf einer flexiblen Auflage (101) ausgebildet sind, wobei die Auflage Folgendes umfasst: eine dünne Folie aus einem Kunststoffmaterial wie Polyimid, Polyester, Polystyrol, Polyethylen, wobei das Digitalisiergerät auch eine Schicht aus einem leitenden oder halbleitenden Material (104) auf beiden Oberflächen der Kunststofffolie aufweist, wobei Löcher (103) ganz oder teilweise durch die beschichtete Plastikfolie verlaufen, wobei der Umfang der Löcher mit leitendem oder halbleitendem Material beschichtet ist, so dass eine elektrische Verbindung zwischen den Beschichtungen auf den beiden Oberflächen der Plastikfolie hergestellt werden kann.
Digitalisiergerät nach Anspruch 20, wobei die Auflage eine dünne Folie aus Polyethylenterephthalat umfasst.
Digitalisiergerät nach Anspruch 20 oder 21 mit auf die Auflage aufgetragenen Leiterbahnen.
Integrierte Schaltung, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Elementen, die auf gegenüberliegenden Seiten (106, 107) einer flexiblen Auflage (101) ausgebildet sind, wobei die Auflage eine dünne Folie aus einem Kunststoffmaterial wie Polyimid, Polyester, Polystyrol, Polyethylen mit leitenden Durchkontaktierungen (105) umfasst, die die genannten gegenüberliegenden Seiten verbinden.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 23, wobei die Auflage eine dünne Folie aus Polyethylenterephthalat umfasst.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 23 oder 24 mit auf die Auflage aufgetragenen Leiterbahnen.
Schaltung mit wenigstens zwei integrierten Schaltungen nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die genannten integrierten Schaltungen aufeinander angeordnet sind.