JP2016536709A - 生体センサスタック構造 - Google Patents

Abstract

静電容量型生体センサなどの、生体センサを実装するための様々な構造及び方法が開示される。諸実施形態は、生体センサの様々な配置、生体センサを包囲する構造体、（電気的、物理的、若しくはその両方の）接続構造体、並びに改善されたセンサ撮像、センサ保持、及び生体センサの上方の適切な場所へのユーザの指の案内のための技法を組み込む。例えば、生体センサ組立体は、縁取り内に形成される開口であって、その開口内にキャップが配設される、開口を含むことができる。キャップの下方に生体センサが位置付けられてもよく、生体センサの下方にスイッチが位置付けられてもよい。

Description

（関連出願の相互参照）
本特許協力条約の特許出願は、２０１３年９月１０日出願の「Ｂｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｔａｃｋ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」と題された米国仮特許出願第６１／８７５，７７２号、及び２０１４年４月１８日出願の「Ｂｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｔａｃｋ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」と題された米国非仮特許出願第１４／２５６，８８８号の利益を主張する。それらの各々の内容は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示の技術分野。本出願は概して生体センサのための回路及び実装に関する。

開示の背景生体データの静電容量感知は、キャパシタンスの区別可能な測定に応じた、指紋情報などの、生体情報の収集を提供する。キャパシタンスのこのような測定は、一方で、指紋認識センサ内の１つ以上の静電容量性プレートと、他方で、ユーザの指（ユーザの指の表皮、又は場合により、ユーザの指の皮下層など）の隆線及び谷との間のものであることができる。

時として、キャパシタンスの測定は、ユーザの指の表皮上における電荷の導入を必要とすることがある。これには、ユーザが電荷を、時としてユーザの指の表皮上の刺痛又はその他の気付き得る効果として感じることなく、少量の電荷のみを導入することができるという効果がある。

時として、キャパシタンスの測定は、一方の指紋認識センサの静電容量性プレートと、もう一方のユーザの指の隆線及び谷との間のキャパシタンスの比較的小さな差を必要とすることがある。例えば、これは、ユーザの指をできるだけ静電容量性プレートの近くに配置することを必要とするであろう。これは、指紋認識センサのための設計の融通性を制限する影響を与え得る。

時として、キャパシタンスの測定は、指紋認識センサに対するユーザの指の位置付けを必要とすることがある。例えば、ユーザの指は場合によっては導電性リング内に配置される必要があり、指紋認識センサのサイズ及び位置を著しく制限する。これもまた、指紋認識センサのための設計の融通性を制限する影響を与え得る。

時として、キャパシタンスの測定は、表皮以外のユーザの指の部分との静電結合を必要とすることがある。例えば、静電結合（又はその他の指紋認識感知）には場合によってはユーザの指の皮下層として関与することがある。これは場合によっては、その静電結合を行うために比較的より大きな電荷の導入を必要とすることがある。以上において一部説明されたように、これは、ユーザが電荷を、時としてユーザの指の一部分における刺痛又はその他の気付き得る効果として感じることがあり得るという影響を与え得る。

これらの例の各々、並びにその他の考え得る留意事項のために、指紋認識センサ、及び指紋認識センサを組み込む機器（指紋認識を認証のために用いるコンピューティング機器など）には困難が生じ得る。指紋認識センサは場合によっては、サイズ、若しくは位置を制限されるか、又は指紋認識センサを組み込む機器の他の要素とともに比較的容易に組み込むことができるかどうかに関して制限されることがある。第１の例の場合、これによって、指紋認識センサが場合によってはいくつかの種類の機器（スマートフォン及びタッチパッドのような比較的小型の機器など）内に容易に組み込まれなくなることがあるという影響が生じ得る。第２の例の場合、これによって、指紋認識センサが場合によっては、比較的脆弱となるか、又は不所望の設計制約を別様に受けることを要求されることがあるという影響が生じ得る。

本出願は、指紋データなどの、生体画像及びデータに関する情報を受信することができ、生体認識を用いる機器内に組み込むことができる、回路及び設計を含む、技法を提供する。例えば、機器がユーザによって操作されている間の指紋認識及び認証のために、指紋センサ又はその他の生体センサを制御ボタン又は表示要素の真下に配設することができる。

一実施形態では、本技法は、他の要素の真下に配設されるが、それでもなお、指紋認識が行われる際にはユーザの指に比較的近接して配置される生体認識センサを提供することを含む。回路は、ボタンの真下、又は表示要素の真下に配設するが、１つ以上の静電容量性プレートとユーザの指との間の距離の量を減少させて配設することができる。いくつかの例の場合、回路は機器要素のすぐ下に配設することができる。指紋認識センサ回路自体は、以下のうちの１つ以上のことによって、削減された垂直間隔を有することができる。すなわち、（１）回路の最上部からシリコンウェハを貫通して穿たれた１つ以上の電極を通して配設されるボンディングワイヤを用いて指紋認識センサ回路を結合すること、（２）回路の縁部からシリコンウェハを貫通して穿たれた１本以上のトレンチを通して配設されるボンディングワイヤを用いて指紋認識センサ回路を結合すること、（３）少なくとも部分的に除去されるプラスチック成形体内に指紋認識センサ回路を密閉すること、並びに（４）密閉されたはんだボール若しくは圧縮されたはんだ要素などの、はんだ要素を用いて指紋認識センサ回路を他の回路に結合すること。

一実施形態では、回路が、指紋認識において指紋認識センサを手助けするために機器の要素を用いる技法を組み入れるか、又は利用してもよい。いくつかの例の場合、回路は、１つ以上の機器要素を用いて配設することができる。１つ以上の機器要素は、以下のうちの１つ以上のことによって指紋認識センサ回路を支援することができる。すなわち、（１）静電容量性要素を、機器の側部、又はボタン若しくはその他の機器要素の近くに結合すること、（２）指紋認識センサを支援するか、若しくは指紋認識センサ内に含まれる回路要素をボタン若しくはその他の機器要素の下面上に印刷すること、（３）指紋認識センサ回路要素をサファイア若しくは別の物質を含む異方性要素などの、指紋認識センサの電界の結合を改善するボタン又はその他の機器要素に結合すること、並びに（４）指紋認識センサ回路を支援するか、若しくはその内部に含まれるように、静電容量感知に加えて光学的感知若しくは赤外線感知を実行するための透明若しくは半透明のボタン若しくはその他の機器要素を用いること。

一実施形態では、回路が、指紋認識センサを使用する際にユーザを支援するために、指紋認識センサ回路を含む機器の要素を用いる技法を含む。いくつかの例の場合、回路は、機器要素を用いて配設することができる。機器要素は、以下のうちの１つ以上のことによって、ユーザを支援するために配設されることができる。すなわち、（１）指紋認識センサ回路を使用する際にユーザの指を指紋認識のために位置付けることを助けるために、ボタン若しくはその他の機器要素によって少なくとも一部形成されるくぼんだ形状を利用し、ボタン若しくはその他の機器要素のすぐ下に指紋認識回路を配設すること、並びに（２）指紋認識回路を、触知フィードバックを提供するためのタッチ応答押しボタンの真上に配設すること。

別の実施形態は、キャップと、このキャップを包囲し、接地リングを画定する縁取り（trim）と、キャップの真下に位置付けられるセンサと、このセンサの真下に位置付けられるスイッチとを含む、生体センサスタックの形態をとってもよい。いくつかの実施形態では、キャップが押圧されると、キャップ、縁取り、及びセンサは全て運動し、キャップが押圧されると、スイッチはつぶれる。なお更なる実施形態では、センサは、スイッチが電気信号を発生する間に生体データを獲得するように動作可能である。諸実施形態では、センサは、キャップと接触した複数の指からデータを獲得するように動作可能である。

複数の実施形態が、その変形形態を含めて開示されているが、当業者には、本開示の例示的実施形態を示し、説明する、以下の「発明を実施するための形態」から、本発明の更なる他の実施形態が明らかとなるであろう。理解されるように、本開示は、全て本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な明白な態様で修正が可能である。したがって、図面及び「発明を実施するための形態」は、本質的に例示と見なされるべきであり、限定と見なされるべきではない。

本明細書は、本開示を成すと見なされる主題を指摘し、明確にクレームする請求項をもって完結するが、本開示は、添付の図面と併せて考慮される以下の説明からより深く理解されるであろうと考えられる。

機器の一部分内に含まれる指紋認識センサの概念図を示す。 図１に関して部分的に説明されたとおりの、積層された層を示す、ボタン組立体の概念図を示す。 図１に関して部分的に説明されたとおりの、指紋認識センサを示す、ボタン組立体の別の概念図を示す。 図１に関して部分的に説明されたとおりの、指紋認識センサを示す、ボタン組立体の別の概念図を示す。 図１に関して部分的に説明されたとおりの、指紋認識センサを示す、ボタン組立体の別の概念図を示す。 図１に関して部分的に説明されたとおりの、指紋認識センサを示す、ボタン組立体を有する機器の概念図を示す。 平面レンズを有するくぼんだ設計における、ボタン組立体の別の概念図を示す。 サファイアについてのサンプルの結晶格子構造７００を一般的に示す。 サンプルの生体センサスタックの分解図を示す。 組み立てられた構成における図８のセンサスタックの断面図を示す。 組み立てられた構成における図８のセンサスタックの斜視図である。 サンプルの生体センサスタックを組み込むサンプルの電子機器を示す。 機器内の生体センサスタックを示す、キャップの中央を貫いて見た図１１のサンプルの電子機器の断面図である。 図１２のものと同様の斜視断面図である。 生体センサスタックを示す、図１３のものと同様の至近距離斜視断面図である。 長方形形状を有するサンプルの生体センサスタックを組み込むサンプルの電子機器を示す。 ローゼンジ（lozenge）形状を有するサンプルの生体センサスタックを組み込むサンプルの電子機器を示す。 円形形状を有し、機器の表面の上方に隆起したサンプルの生体センサスタックを組み込むサンプルの電子機器を示す。 円形形状を有し、機器の表面の下方にくぼんだサンプルの生体センサスタックを組み込むサンプルの電子機器を示す。

本開示は、限定するものではないが、スマートフォン（若しくはスマート・フォン）、タブレットコンピュータ、メディアプレーヤ、パーソナルコンピュータ、並びにその他のポータブル電子機器及びモバイル機器のための指紋画像センサを含む、電子機器のための指紋センサシステムに関する。いくつかの設計では、指紋センサは制御ボタン又は表示要素の真下に配設され、そのため、指紋認識及び認証は、機器がユーザによって操作されている間に実行することができる。

指紋センサ自体は、指紋画像を獲得するために、静電容量性要素の格子、若しくは光センサ、又はその他の好適な指紋撮像技術を利用してもよい。また、制御回路、例えば、タッチ若しくは圧力に応答する制御ボタン若しくはスイッチ要素、又は近接及び（複数の）タッチの位置付けに応答するタッチスクリーン制御システムも提供されることができる。いくつかの設計では、指紋センサは、サファイアなどの、異方性誘電体材料で形成される制御ボタン又は表示要素と組み合わせて利用される。

本明細書において説明される例及び実施形態は概して、静電容量センサなどの、センサを実装するための様々な構造及び方法を開示する。いくつかの実施形態は、そのセンサの様々な配置、センサを包囲する構造体、（電気的、物理的、若しくはその両方の）接続構造体、並びに改善されたセンサ撮像、センサの保持、及びセンサそのものが見えないところで、センサの上方の適切な場所へユーザの指を案内するための技法を組み込む。

追加の例及び実施形態は、機器、例えば、カバーガラス又はフレーム構造体内の凹部内に配設されるサファイアボタン又はレンズ要素、に対するセンサの配置を説明する。他の例では、センサは、（例えば、積層された）カバーガラスシステム内、又は機器の構造体若しくはハウジング内に埋め込まれてもよい。機器のハウジング又はフレームはまた、センサが配置される穴又はセンサ開口を含んでもよく、例えば、密閉センサ設計を用いて、センサの上方にプラスチック又は別の材料が成形される。オーバーモールド材料若しくは密閉材料はレンズ若しくはボタン構造体の一部を形成してもよいか、又はサファイア材料が用いられてもよい。

図１

図１は、機器１００の一部分内に含まれる指紋認識センサ１０２の概念図を示す。

機器１００の一部分の分解図の図は、指紋認識センサ１０２の回路を形成し、センサ１０２の回路を押しボタンの下方に位置付けるために配設される部品の集合を示す。本出願は、特定の押しボタン及び特定のセンサ１０２の回路を有する特定の組立体を記載しているが、本発明に関連して、このような限定は特に必要でない。例えば、押しボタンは指紋認識センサ１０２の回路からいくらか中心を外して配設されてもよいが、それでもなお、押しボタンはその目的のために依然として有効であり、その一方で、センサ１０２の回路は、近傍におけるユーザの指の位置付けと連動して依然として動作するという効果がもたらされる。本出願の読後、当業者は、多くの他の、及び更なる例示的組立体が本発明の範囲及び趣旨内に含まれ、実現可能であり、更なる発明又は必要以上の実験を要することはないことを認識するであろう。

カバーガラス（cover glass、ＣＧ）フレーム１０６が、スマートフォン、タッチパッド、携帯コンピューティング機器の一部分、入力機構、キーボードのキー、入力若しくは出力機器ハウジングの一部分、車両、電化製品若しくは同様のもののパネル若しくは本体、タッチスクリーン又はその他の機器１００のカバーガラス１０７に結合されるために配設され、機器１００のフレームに結合されるために配設される。（多くの実施形態では、機器１００は何らかの形態の携帯コンピューティング機器である。）カバーガラスフレーム１０６は、押しボタンを位置付けるために配設されるボタン孔１０８を含み、また、外部のねじ位置と一致させるように配設され、組立体が組み立てられるとカバーガラスフレーム１０６を（以下において更に説明されるとおりの）ベースプレートにおける所定位置に保持するための水平ねじを受容するために配設される１つ以上のねじホルダ１１０も含む。

カバーガラスフレーム１０６内のボタン孔１０８は、図に示されるように、ボタン１０４（これは、以下において説明されるように、押しボタンの最上部の要素を形成することができる）を保持するために配設される。ボタン１０４は、ボタン孔１０８内に嵌合するように配設される。ボタン１０４はレンズ１１２を含み、レンズ１１２の少なくともの一部分がくぼんだ形状の形成を助け、これにより、ユーザの指をボタン１０４上へ案内する効果がもたらされる。くぼんだ形状は同様に、接地リング内の面取り部によって少なくとも部分的に形成されてもよい。一実施形態では、ボタン１０４は以下の材料のうちの１つ以上、又はそれらの同等物で作製することができる：すなわち、酸化アルミニウム、ガラス若しくは化学処理したガラス、サファイア、それらの少なくともいくつかの性質を有する化学処理した化合物、又は同様の特性を有する別の化合物。レンズ１１２は接地リング１１４内に配設される。一実施形態では、接地リング１１４は、電磁作用を遮蔽するために用いることができ、これにより、キャパシタンス絶縁又はその他の電磁的絶縁を提供する効果がもたらされる。図において、接地リング１１４は、レンズ１１２を保持する円筒状縁部、及び組立体が組み立てられると、機器１００内で位置合わせされるか、又は正しく配向されることができるベースプレートを有するように示される。

ボタン１０４は指紋認識センサ１０２の回路の上方に配設され、それに結合される。一実施形態では、指紋認識センサ１０２の回路は比較的長方形状であり、これにより、ユーザの指紋の２次元（２Ｄ）画像を感知することができる効果がもたらされる。しかし、代替実施形態では、指紋認識センサ１０２の回路は、２Ｄ指紋画像情報を感受することに同じく適し得るであろう円形又は六角形形状などの、別の形状の上に配設することができる。

以下において説明されるように、指紋認識センサ１０２は、上に指紋認識回路が配設されるシリコンウェハ３０８（図３参照）を含み、指紋認識回路は機器１００の他の要素に電気結合される。指紋認識回路はユーザの指に比較的近接して配設され、これにより、指紋認識回路は、ユーザの指の各点におけるキャパシタンスの測定に応じたユーザの指の隆線及び谷に応じた指紋画像情報を収集することができるという効果がもたらされる。以下において、指紋認識回路と機器１００の他の要素との間の電気的結合について更に説明される。

上述されたように、本出願は主として、指紋認識センサ１０２の回路がユーザの指の表皮への静電結合のために配設される組立体を記載するが、本発明に関連して、このような限定は特に必要でない。例えば、指紋認識センサ１０２の回路はユーザの指の皮下部分に静電結合されるか、又は他の仕方で電磁結合されてもよいであろう。更に、指紋認識センサ１０２の回路は、ユーザの指紋の光学的感知、赤外線感知、又はその他の感知を実行する要素であって、それら自体は場合によって、ユーザの指の表皮、ユーザの指の皮下部分、又はユーザの指紋を表す何らかの他の特徴のいずれに結合されてもよい、要素と組み合わせて、又はそれらと連動して機能してもよいであろう。

一実施形態では、指紋認識センサ１０２は、２次元（２Ｄ）アレイ状に配列される１つ以上の静電容量性プレートを含む、集積回路を含む。このような静電容量性プレートは各々、それらのアレイ内の１つ以上の画素におけるユーザの指の隆線及び谷に応じた少なくともいくらかの指紋画像情報を収集するために配設される。これにより、各静電容量性プレートはそれらのアレイ内の１画素以上の指紋画像情報を収集するが、それらの静電容量性プレートの集合は全体として指紋画像情報の２Ｄアレイを感受するという効果がもたらされる。例えば、指紋画像情報の２Ｄアレイは、ユーザの指紋の実質的特徴を決定するために用いることができる。ユーザの指紋の実質的特徴は、ユーザの指紋を後の利用のためにデータベース内に登録するために用いることができるか、あるいはユーザの指紋を認識するため、及び場合により、その指紋画像情報に応じてユーザを認証するために、登録された指紋画像情報に対して後で比較することができる。

指紋認識回路は可撓性要素１１６の上方に配設され、それに結合される。可撓性要素１１６は、ユーザの指によってボタン１０４にかけられる任意の力を受けること、及びその力を（以下において更に説明されるとおりの）触知ドームスイッチ１１８に伝達することの両方のために配設される。可撓性要素１１６はまた、指紋認識センサ１０２からの（指紋画像情報を表すものなどの）電気信号を受信し、指紋認識センサ１０２からのそれらの電気信号をプロセッサへ伝達するために配設される。

可撓性要素１１６は触知ドームスイッチ１１８の上方に配設され、それに結合される。触知ドームスイッチ１１８は、ユーザの指によってボタン１０４にかけられる任意の力を受け、ユーザの指がボタン１０４を押したことを表す電気信号を押しボタン回路へ伝達し、任意選択的に、ボタン１０４が押されたことを指示するための触知フィードバックをユーザの指に提供する。

本明細書において更に説明されるように、触知ドームスイッチ１１８を指紋認識センサ１０２の回路と縦一列に配設することにより、ユーザがボタン１０４上に自分の指を位置付けると、ユーザの指紋を認識することができるという効果がもたらされる。例えば、ユーザは機器１００のための電源投入又は起動シーケンスの一部として自分の指をボタン１０４上に位置付けてもよいであろう。その時に、機器１００は、（Ａ）電源投入又は起動シーケンスに基づいて作動すること、及び（Ｂ）ユーザの登録又は認証などのためにユーザの指についての指紋画像認識を受信することの両方を同時に行ってもよいであろう。

触知ドームスイッチ１１８はスイッチガスケット１２０の上方に配設され、それに結合される。スイッチガスケット１２０は触知ドームスイッチ１１８を保持し、ボタン支持プレート１２２によって所定位置に保持される。ボタン支持プレート１２２はベースプレートに結合され、１本以上の垂直ねじによって所定位置に保持される。上述されたように、ベースプレートもまた１本以上の水平ねじによってカバーガラスフレーム１０６とともに所定位置に保持される。一実施形態では、ベースプレートはまた、マイクロフォンジャック又はその他の要素などの、他の機器要素とインタフェースをとるための孔などの、他の要素を有する。

本出願の読後、当業者は、説明されているとおりの組立体のこの特定の配設は絶対的に必要であるわけでなく、その多くの変形体が実現可能であり、本発明の範囲及び趣旨内に含まれ、更なる発明又は必要以上の実験を要しないことを認識するであろう。

１つの特徴において、触知ドームスイッチ１１８と比較的垂直方向に整列した指紋認識センサ１０２の回路の位置付けにより、機器１００は、指紋画像情報及びボタン押下情報を同時に感受する機能を組み合わせることが可能になる。

図２

図２は、図１に関して一部説明されたとおりの、積層された層を示す、ボタン組立体２００の概念図を示す。

図１に関して説明されたとおりのボタン組立体２００は、上述されたように、ユーザの指をボタン１０４上へ案内するための、レンズ１１２の一部分によって少なくとも一部形成されるくぼんだ形状を有する、レンズ１１２を含む。上述されたように、レンズ１１２は接地リング１１４内に配設される。接地リング１１４は、ボタン１０４の側部を包囲するボタンフランジ１１５を任意選択的に含む。一実施形態では、ボタンフランジ１１５もまた、この場合も先と同様に、ユーザの指をボタン１０４上へ案内する目的のために、ボタンフランジ１１５によって、くぼんだ形状の一部分を少なくとも一部形成させることができる。

レンズ１１２の下方に、一実施形態では２〜５層のインク層２０２を含む、インク組立体が配設される。一実施形態では、インク組立体は、レンズ１１２上に印刷するか、その上に蒸着するか、又は別の技法によって塗布することができる。これにより、さもなければ半透明のボタン１０４を不透明にすることができ、そのため、指紋認識センサの要素はユーザに直接見えなくなるという効果がもたらされる。レンズ１１２は、熱活性化フィルム及び周囲封止材２０４を用いて、その縁部において接地リング１１４に結合される。

上述されたように、指紋認識センサ回路はレンズ１１２の下方に配設される。レンズ１１２の下方に、指紋認識センサ回路を結合するべき液状ラミネーション層２０６が配設される。指紋認識センサ回路は、シリコン回路層、（以下において更に詳細に示されるとおりの）はんだ、及び（以下において更に詳細に示されるとおりの）アンダーフィル２１０を含む、シリコンパッケージ２０８を含む。

本明細書において更に説明されるように、指紋認識センサ回路は、ユーザの指の表皮などにおける、ユーザの指の隆線及び谷との静電結合を呈する。これにより、指紋認識センサは２Ｄ指紋画像情報を感受するという効果がもたらされ、その情報から、機器は、指紋はユーザの指紋であるのか、それとも誰か別の人の指紋であるのかを判定することができる。上述されたように、指紋認識センサ回路は更に、又は代わりに、指の皮下層などの、ユーザの指の別の部分との、又はユーザの指の別の特徴との静電結合を呈する場合があり得る。

上述されたように、指紋認識回路は可撓性要素１１６の上方に配設され、それに結合される。可撓性要素１１６は補剛材要素２１２に結合される。レンズ１１２を保持する接地リング１１４の縁部は、液状接着剤２１４を用いて補剛材要素２１２に結合される。補剛材要素は、ＶＨＢテープ２１６などの、高強度接着テープの上方に配設され、それに結合される。ＶＨＢテープ２１６は今度は可撓性要素１１７の上方に配設され、それに結合され、触知スイッチ（ボタンスイッチ）２１８に結合される。

本出願の読後、当業者は、説明されている組立体は、更なる発明又は必要以上の実験を行わずとも、ユーザの指までの距離が比較的より短く、積層高さが比較的より低い指紋認識センサを提供し、その一方、ユーザが、機器の押しボタン又はその他の要素に接近し、指紋認識センサを使用することを同時に可能にすることを認識するであろう。

第１の特徴において、上述されたとおりの組立体はくぼんだ形状を含む。これにより、ユーザの指は、指紋認識センサが優れた効果を有することができる位置へ案内されるという効果がもたらされる。くぼんだ形状は、レンズ１１２を含む、ボタン１０４の形状の一部分によって、及び（任意選択的に）接地リング１１４の形状の一部分によって、少なくとも一部形成される。上述されたように、指紋認識センサはボタン１０４の下方に配設される。これにより、ユーザの指がくぼんだ形状内へ案内されると、ユーザの指は指紋認識のためにうまく位置付けられるという効果がもたらされる。

第２の特徴において、上述されたとおりの組立体は、要素のスタックの底部において触知押しボタンを含む。これにより、指紋認識センサは、ユーザの指の表皮に比較的より近接して位置付けられることに応じて優れた効果を有することができ、その一方で同時に、ユーザは押しボタンを使用することができ、また、その押しボタンを押すか又は放すことからの触知フィードバック効果を有することもできるという効果がもたらされる。本明細書において説明されているように、押しボタンを指紋認識センサ回路と実質的に垂直に積層して配設することにより、（Ａ）機器が、ユーザからの押しボタン操作を受け入れ、ボタン１０４を押しているユーザの指に対する指紋認識を同時に実行することが可能になるとともに、（Ｂ）押しボタン又は指紋認識センサ回路のいずれをもユーザの指からさほど遠くに配設せず、機器が、指紋認識センサ回路とユーザの指との間の比較的優れた静電結合を呈することも可能になる。

図３

図３は、図１に関して一部説明されたとおりの、指紋認識センサを示す、ボタン組立体２００の別の概念図を示す。

ユーザの指紋の一連の隆線及び谷３０２が、ボタン組立体２００の上方に配置されるように示されており、隆線及び谷３０２は、ユーザの指紋の隆線はボタン１０４の外部表面に相対的により近接し、その一方で、ユーザの指紋の谷はボタン１０４の外部表面から相対的により遠く離れているという特性を有する。上述されたように、指紋認識センサ回路がユーザの指３０４の表皮に比較的近接して位置付けられた状態において、指紋認識センサ回路は、ユーザの指３０４の表皮などにおける、ユーザの指の隆線及び谷３０２との静電結合を呈する。

図３は、ユーザの指３０４をボタン１０４上へ案内するために、レンズ１１２の形状の一部分によって少なくとも一部形成されるくぼんだ形状３０６を含み、この場合も先と同様に、ユーザの指３０４をボタン１０４上へ案内するために、くぼんだ形状３０６の一部分を任意選択的に同じく含む、接地リング１１４のための構造を含む、図１に関して説明されたとおりのボタン組立体２００を同様に示す。図３は、レンズ１１２の下方に配設され、それに結合されるインク組立体２０２を同様に示す。これにより、さもなければ半透明のボタン１０４は不透明にされ、そのため、指紋認識センサの要素はユーザに直接見えなくなるという効果がもたらされる。図３は、レンズ１１２の下方に配設され、それに結合される指紋認識センサを同様に示す。

指紋認識センサは、一方で、１つ以上の静電容量性プレートと、他方で、ユーザの指紋（ユーザの指３０４の表皮上の隆線及び谷３０２など）との間のキャパシタンスを測定するための回路３１０を刻み込まれた、シリコンウェハ３０８を含み、これにより、ユーザの指３０４の隆線及び谷３０２についての指紋画像情報を提供する効果がもたらされる。接地リング１１４は電気的絶縁を提供し、これにより、測定されるキャパシタンスはユーザの指３０４と指紋認識センサとの間のものとなり、どの他の物体と指紋認識センサとの間のものでもなくなるという効果がもたらされる。接地リング１１４は、ボタン１０４のレンズ１１２に隣接して形成されるか、又はその近くに形成されてもよい。一例として、接地リング１１４は、ボタンフランジ１１５などの、接地リング１１４を支持又は一体化するための構造３１２内に組み込まれるか、又はその側面上に形成されてもよい。

一実施形態では、シリコンウェハ３０８は、一方で、シリコンウェハ３０８の最上部に配設される回路機構３１０と、他方で、シリコンウェハの下方又はその側部のいずれかに配設される回路機構との間の電気的接続を提供するために配設される、１つ以上のシリコン貫通電極（ＴＳＶ：through-silicon via）を含む。これにより、回路機構３１０をシリコンウェハ３０８から他の場所へ接続するために、ボンディングワイヤ３１４をシリコンウェハ３０８の表面から上に弧状に飛び出させる必要がなくなるという効果がもたらされる。

シリコンウェハ３０８の表面から上に弧状に飛び出すボンディングワイヤ３１４を用いると、シリコンウェハ３０８と、シリコンウェハ３０８の上方の隣の物体との間の垂直空間を別様に占有するであろう。シリコンウェハ３０８の最上部に配設された回路機構３１０を別の場所（シリコンウェハ３０８の底部における回路機構、又はシリコンウェハ３０８の側部の回路機構など）に接続するために、シリコン貫通電極を用いることにより、指紋認識センサのために必要な垂直空間の量がより少なくてすむという効果がもたらされ、これにより、指紋認識センサはユーザの指３０４により近接して配置することができ、比較的より良好な分解能及び有効性を有することができるという効果がもたらされる。

（場合により、シリコン貫通電極を有する実施形態と同時に用いられる）一実施形態では、シリコンウェハ３０８は、１本以上の縁部トレンチ３１６、すなわち、一方では、シリコンウェハ３０８の最上部の上に配設された回路機構３１０から、他方では、シリコンウェハ３０８の側部に配設された回路機構まで、シリコンウェハ３０８を貫通してエッチング又は掘削されるトレンチを含む。これにより、回路機構３１０をシリコンウェハから他の場所へ接続するために、ボンディングワイヤ３１４をシリコンウェハ３０８の表面から上に弧状に飛び出させる必要がなくなるという効果が同じくもたらされる。上述されたように、ボンディングワイヤ３１４をシリコンウェハ３０８の表面から上に弧状に飛び出させる必要性を低減することにより、ユーザの指３０４と指紋認識センサとの間に必要な垂直空間の量が低減される。

（この場合も先と同様に、場合により、上述された他の実施形態と同時に用いられる）一実施形態では、シリコンウェハ３０８は、プラスチック樹脂若しくはその他のエラストマー材料内に（又は代替的に、セラミック内に）密閉し、その後、プラスチック樹脂若しくはエラストマーの最上部分を、シリコンウェハ３０８の最上部の上に配設された回路３１０の配線がほとんど露出するか、又は代替的に、ぎりぎり露出する程度まで除去することによって構築される。これにより、指認識センサのためにウェハ実装によって使用される余分の垂直空間の量は比較的わずかしかなくなるため、製作されたシリコンウェハ３０８が使用する垂直空間は合理的に可能な限り少なくてすむという効果がもたらされる。

一実施形態では、シリコンウェハ３０８は、ウェハ３０８に結合され、ランダムに（又は疑似ランダム的に）配設される一連のはんだボール３１８を含むように構築される。任意選択的に、はんだボール３１８は実際のはんだを含む必要はなく、金、その他の変形可能な金属、又は圧力などの物理プロセスに応じて変形されることができるその他の導電性若しくは半導電性材料などの、他の導電性材料を含んでもよい。はんだボール３１８はプラスチック樹脂内に密閉することができ、その後、はんだボール３１８及びプラスチック樹脂が圧縮される程度まではんだボール３１８及びプラスチック樹脂の層の圧縮が行われる。これにより、プラスチック樹脂ははんだボール３１８から実質的にしぼり出され、はんだボール３１８は、シリコンウェハ３０８と、ボタン１０４などの、その他の要素との間で電気信号を伝導するように配設されるという効果がもたらされる。はんだボール３１８、又はその他の材料は、それらの層内において水平に分散されるため、これにより、それらの層は、それらの層を水平に横切る伝導、又はその内部における伝導を全く伴うことなく、上方の層から下方の層へ伝導するように動作するという効果ももたらされる。

シリコンウェハ３０８がボタン１０４に結合されるそれらの場合には、これにより、シリコンウェハ３０８の静電容量性プレートとボタン１０４の表面との間の伝導が増大するという効果がもたらされる。これにより、結果として、ユーザの指３０４の表皮とシリコンウェハ３０８との間の距離が減少するおかげで、ユーザの指３０４とシリコンウェハ３０８との間のキャパシタンスが増大する効果がもたらされる。これにより、結果として、指紋認識センサはユーザの指紋画像情報の優れたキャパシタンス感知を達成することができるようになる。

図４Ａ及び図４Ｂ

図４Ａ及び図４Ｂは、図１に関して一部説明されたとおりの、指紋認識センサを示す、ボタン組立体２００の別の概念図を示す。

図４Ａ及び図４Ｂの双方は、（図４Ａ）ボタン１０４及び指紋認識センサの側面破断図、及び（図４Ｂ）指紋認識センサシリコンウェハ３０８の上面図を示す。

上述されたように、ボタン１０４は、ユーザの指をボタン１０４上へ案内するためのくぼんだ形状３０６を有する、レンズ１１２（これは、ガラス、酸化アルミニウム、プラスチック、樹脂及び同様のものなどの、種々の材料から構築されてもよい）を含む。上述されたように、レンズ１１２は接地リング１１４（例えば、ＳＯＳアルミニウムなどの、陽極酸化アルミニウムで構築される）内に配設される。上述されたように、接地リング１１４は電気的絶縁を提供し、これにより、測定されるキャパシタンスはユーザの指と指紋認識センサとの間のものとなり、どの他の物体と指紋認識センサとの間のものでもなくなるという効果がもたらされる。

図において、接地リング１１４は、レンズ１１２を保持する円筒状縁部、及び組立体が組み立てられると、機器内で位置合わせされるか、又は正しく配向されることができるベースプレートを有するように示される。代替実施形態では、接地リング１１４の代わりに、１つ以上の静電容量性プレートがユーザの指の側方に配設されてもよい。これにより、静電的絶縁を提供する効果がもたらされ、そのため、生じる静電結合はいずれもユーザの指と指紋認識センサとの間のものだけになる。例えば、静電容量性プレートは、指紋認識センサが配置される領域を包囲するように配設されてもよく、これにより、指紋認識センサを静電的に絶縁して包囲する効果がもたらされる。同様に、静電容量性プレートは、スマートフォン又はその他の機器のためのケーシングなどの、機器のためのケーシングの近く又はその内部に配設されてもよく、これにより、指紋認識センサを静電的に絶縁して包囲する効果が同じくもたらされる。

上述されたように、インクの層２０２が、レンズ１１２の下方に配設され、それに結合される。

一実施形態では、指紋認識センサは、約３００ドット・パー・インチ（ｄｐｉ）若しくはその前後の密度（又は任意選択的に、より高いか、若しくはより低い密度）を有する画素を含む２Ｄアレイ状に配設される、一連の静電容量性プレートを含む。これにより、ユーザの指に関する２Ｄ指紋画像情報を提供する効果がもたらされる。一実施形態では、２Ｄ指紋画像はグレースケール値のセットを含み、画素ごとに１つ以上のこのような値がある。これにより、指紋認識のためにプロセッサへ送信するべきグレースケール値の２Ｄセットを提供する効果がもたらされる。

上述されたように、一実施形態、シリコンウェハ３０８の組立体は、ウェハ３０８に結合されてランダムに（又は疑似ランダム的に）配設され、圧縮されたプラスチック樹脂層内に密閉される一連のはんだボール３１８を含むように構築される。たとえ、ランダムに、又は疑似ランダム的に配設されても、一連のはんだボール３１８は、シリコンウェハ３０８と、以下において説明される、可撓性要素１１６若しくは１１７、又はその双方などの、その他の回路機構との間に実質的に均一な程度の電気的接続性を提供する。

図に示されるように、はんだボール３１８、又はその他の材料は、以下のもののうちの１つ以上の内部に配設することができる。すなわち、（Ａ）シリコンウェハ３０８の上方の層。これにより、シリコンウェハ３０８はウェハの上方のその層に少なくとも一部電気結合されるという効果がもたらされる。（Ｂ）シリコンウェハ３０８の下方の層。これにより、シリコンウェハ３０８はウェハの下方のその層に少なくとも一部電気結合されるという効果がもたらされる。

上述されたように、可撓性要素１１６又は１７７がシリコンウェハ３０８に結合される。これにより、ボタン１０４が押圧された時に、ウェハ３０８の構造に対する相当なリスクを伴うことなく、シリコンウェハ３０８を下に押圧することができるという効果がもたらされる。図は、可撓性要素１１６又は１１７とシリコンウェハ３０８との間のコネクタのセットを示す。これにより、ボタン１０４が下に押圧されると、可撓性要素１１６又は１１７は曲がり、その結果、ウェハ３０８は、構造歪みを伴うことなく押下されるという効果がもたらされる。

上述されたように、支持プレート１２２がウェハ３０８の下方に位置付けられ、それに結合される。ドーム構造体が支持プレート１２２の下方に位置付けられ、それに結合され、ボタン１０４が押されると、ユーザに触知応答を提供する。

図５

図５は、ボタン組立体２００と指紋認識センサ１０２との間の関係を示す概念図を示す。

一実施形態では、ボタン１０４は、ユーザの指を、指紋認識センサ回路を最もうまく利用することができる中心の位置に向けて案内するための凹部形状のくぼみを少なくとも一部形成する、処理したガラス又はサファイアなどの、上述されたとおりの材料を含む要素を含む。例えば、図に示されるように、ユーザに比較的より近接した機器１００の部分は、比較的より大きなボタン要素（水平に配向された長方形として示される）を含むことができる。ボタン要素は、比較的凹部形状のくぼみ（点線の円として示される）を覆い、くぼみは指紋認識センサ回路（点線の円とほぼ同じサイズの正方形として示される）を覆う。これにより、ユーザは、指紋認識センサ回路の位置を感触又はタッチによって容易に見つけることができ、自分の指を指紋認識センサ回路に対して容易に正しく位置付けることができるという効果がもたらされる。これによりまた、ユーザの指が指紋認識センサに対して比較的うまく位置付けられるため、指紋認識センサ回路を、押しボタンを包囲する円形の接地リングの内部に嵌合するように要求される場合よりも実質的に大きくすることができるという効果ももたらされる。

一実施形態では、特定の接地リングは特に必要でない。機器１００は、指紋認識センサ回路の側部に位置付けられる静電容量性プレート又は接地要素を含むことができる。これにより、指紋認識センサ回路は静電的絶縁を呈するという効果がもたらされ、指紋認識センサ回路は、何らかの外部の電磁的干渉源ではなく、ユーザの指の表皮に対して静電結合を有するという効果がもたらされる。例えば、機器１００は静電容量性プレート又は接地要素を以下のうちの１つ以上の場所に含むことができる。すなわち、（Ａ）指紋認識センサ回路の側部に直接位置し、機器１００の内部において、押しボタンの近くに位置付けられる場所、（Ｂ）機器ハウジング、若しくは押しボタンを含むサブハウジングの側部上、又は（Ｃ）機器ハウジング、若しくは押しボタンを含むサブハウジング上、若しくはその内部に別様に位置付けられる場所。

一実施形態では、押しボタンのための、ばね又はその他の触知要素などの、物理的触知センサは特に必要でない。例えば、機器１００は、ユーザがカバーガラス１０７を押圧しているかどうか（ユーザが、押圧するべき場所を指示するくぼんだへこみ内においてカバーガラス１０７を押圧しているかどうかなど）を判定する能力を有する１つ以上のセンサを含むことができる。上述されたように、押圧するべき場所を指示するくぼんだへこみは、ユーザの指を指紋認識センサ回路の上方に位置付けることも助ける。

第１の例では、機器１００は、ガラスにタッチしているユーザの指紋領域の面積比を測定することによって、ユーザがカバーガラス１０７を押圧しているかどうかを判定する能力を有する１つ以上のセンサを含むことができる。このようなセンサは、ユーザの指紋によって覆い隠されるカバーガラス１０７の面積に応じることができる。これにより、ユーザがカバーガラス１０７をより強く押圧していくと、ユーザの指によって覆われる面積は、相対的に小さな点（わずかにタッチしている時）から、相対的により大きな面積（より強く押圧している時）へ、相対的に最大の面積（ユーザの指がカバーガラス１０７に実質的に完全に押しつけられている時）へ変化するであろうという効果がもたらされる。

第２の例では、機器１００は、ガラスにタッチしている（又はさもなければガラスの比較的近くに配置されている）ユーザの指紋領域の隆線の比を測定することによって、ユーザがカバーガラス１０７を押圧しているかどうかを判定する能力を有する１つ以上のセンサを含むことができる。このようなセンサは、ユーザの指紋の隆線の数に応じることができる。これにより、ユーザがカバーガラス１０７をより強く押圧していくと、ユーザの指紋の隆線の数は、相対的に小さな数（わずかにタッチしている時）から、相対的により大きな数（より強く押圧している時）へ、相対的に最大の数（ユーザの指がカバーガラス１０７に実質的に完全に押しつけられている時）へ変化するであろうという効果がもたらされる。

第３の例では、機器１００は、歪みゲージを用い、温度に対する補償を任意選択的に行い、ユーザがカバーガラス１０７を押圧しているかどうかを判定する能力を有する１つ以上のセンサを含むことができる。このようなセンサは、ユーザの指による圧力からのカバーガラス１０７上の歪みを測定することができる。これにより、ユーザがカバーガラス１０７をより強く押圧していくと、歪みの量は、相対的に最小の値（わずかにタッチしている時）から、相対的により大きな値（より強く押圧している時）へ、相対的に最大の値（ユーザの指がカバーガラス１０７に実質的に完全に押しつけられている時）へ変化するであろうという効果がもたらされる。

いくつかの実施形態では、可撓性要素１１６に加えて、又はその代わりに、硬質基板が用いられてもよい。このような実施形態では、センサが硬質基板に取り付けられ、レンズの真下に配置されてもよい。触知スイッチ、又はその他の感圧式フィードバック機器が硬質基板の下面に取り付けられてもよい。代替的に、感圧フィードバック機器又はスイッチは、その下面によって、別の硬質基板などの、下方の別の回路要素に装着されてもよく、その一方で、第１の硬質基板は下部支持プレートの役割を果たす。

一実施形態では、指紋認識センサ回路は、指紋認識センサ回路がユーザの指の表皮（又は任意選択的に、ユーザの指の皮下部分）をより良好に感知することを可能にするために、ボタン材料（酸化アルミニウム、サファイア又は別の異方性材料など）の異方性などの、ボタン１０４の１つ以上の電気特性を利用することができる。これにより、ボタン材料の異方性のおかげで、指紋認識センサ回路はユーザの指に対して比較的優れた静電結合を呈するであろうという効果がもたらされ、指紋認識センサ回路は比較的優れた指紋画像情報のセットを得るであろうという効果がもたらされる。同様に、適用可能な場合には、指紋認識センサ回路はボタン材料の他の電磁特性を活用し、ボタン材料のそれらの他の電磁特性のおかげで、ユーザの指に対して比較的優れた静電結合を呈することができる。

異方性誘電体材料が、静電容量センサの上方に、カバーガラス１０７又はボタン表面層などの、１つ以上の層を形成するために用いられてもよいことを理解されたい。異方性誘電体は、静電容量型指紋センサアレイと指の表面（又は表面下）との間の距離によってさもなければ導入されるぼけを低減し得る。例えば、指及び静電容量センサアレイを覆うか、又はそれらの間に延在するサファイア層の配向を定めることにより、撮像が向上し得る。サファイア層は、そのＣ面と垂直なその軸のうちの１つ（Ｍ面及びＡ面など）が、センサ撮像アレイと、撮像されるべき指によって接触を受けるか、又はその近くにあるべき表面との間に延びるように配向されてもよい。概して、Ｃ面と垂直なサファイア軸は、Ｃ面と平行な方向よりも高い誘電率を有し、それゆえ、静電容量感知及び／又は撮像を向上させ得る。様々な実施形態では、単結晶又は多結晶のいずれのサファイアが用いられてもよいが、特定の実施形態は単結晶サファイアを特に用いてもよい。図７は、臨界面（critical plane）７０２（この場合には、Ｃ面）が頂面として配向された状態の、サファイアについてのサンプルの結晶格子構造７００を一般的に示す。

一実施形態では、指紋認識センサ回路は、ボタン１０４に結合される要素を含むことができ、これにより、指紋認識センサ回路はボタン１０４の追加の物理特性及び電気特性を利用することができるという効果がもたらされる。

第１の例の場合、指紋認識センサ回路は、ユーザの指から離れて位置付けられ、それゆえ比較的損傷を受ける恐れがない下面などの、ボタン１０４の表面上に印刷される回路要素を含むことができる。

第２の例の場合、指紋認識センサ回路は、ボタン１０４の表面上に堆積される回路要素を含むことができる。このような例では、それらの回路要素は、エッチング、スパッタリング、又は比較的非導電性の表面の表面上に半導体回路を一体化するためのその他の技法を用いて堆積させることができる。

一実施形態では、指紋認識センサ回路は、ボタン１０４の透過特性を利用するものなどの、光学要素によって支援されることができる。例えば、光学要素は、ユーザの指の表皮の光学像を（静止画像として決定されるのか、静止画像列として決定されるのか、それとも動画像列として決定されるのかにかかわらず）得ることができる。一例では、その光学像は、存在し得るであろう任意の陰影差などの、ユーザの指の隆線と谷との間で検出された光学的な差に関して処理することができるであろう。陰影差は、周辺光のために、あるいは機器１００内からの光源（又は任意選択的に、赤外線源若しくは別の適用可能な電磁周波数源）のために存在し得るであろう。

一実施形態では、指紋認識センサ回路は、ボタン１０４の透過又は半透過特性を利用するものなどの、赤外線感知要素によって支援されることができる。例えば、赤外線感知要素は、ユーザの指の表皮又はユーザの指の皮下部分の赤外線像を（静止画像として決定されるのか、静止画像列として決定されるのか、それとも動画像列として決定されるのかにかかわらず）得ることができる。一例では、その赤外線像は、存在し得るであろう任意の温度差又は赤外線周波数差などの、ユーザの指の隆線と谷との間で検出された赤外線の差に関して処理することができるであろう。温度差又は赤外線周波数差は、ユーザの指の内部温度のために、又は機器１００内からの光源、赤外線源、若しくはその他の適用可能な電磁周波数源のために存在し得るであろう。

このような例では、指紋認識センサ回路とユーザの指の表皮との間の静電結合、並びに任意の光学情報若しくは赤外線情報は、指紋画像情報の統合セットを形成するために組み合わせることができるであろう。代替的に、このような例では、指紋認識センサ回路とユーザの指の表皮との間の静電結合、並びに任意の光学情報若しくは赤外線情報は、ユーザの指紋を認識するために別個に処理することができるであろう。ユーザの指紋の認識を達成するためには、それらのうちの１つ以上が必要とされるか、又は任意選択的に重み付けされる。

本開示で説明される実施形態の特定の態様は、例えば、本開示によるプロセスを実行するように、コンピュータシステム（又は、他の電子装置）をプログラムするために使用することが可能な命令を記憶させた、コンピュータ可読記憶媒体又は非一時的機械可読媒体を含み得る、コンピュータプログラム製品若しくはソフトウェアとして提供することができる。非一時的機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって読み取り可能な形態（例えば、ソフトウェア、処理アプリケーション）で情報を記憶するための、任意の機構を含む。非一時的機械可読媒体は、磁気記憶媒体（例えば、フロッピー（登録商標）ディスケット、ビデオカセットなど）、光記憶媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気記憶媒体、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能プログラマブルメモリ（例えば、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリなどの形態をとることができるが、これらに限定されない。

図６は、図１に関して一部説明されたとおりの、指紋認識センサを示す、ボタン組立体２００の別の概念図を示す。

図６は、図１に関して説明されたように、機器１００などの電子機器のカバーガラス１０７に対して少しくぼんでいてもよい、実質的に平らな、又は平面状のレンズ１１２を有するボタン組立体２００を同様に示す。この設計では、レンズ１１２は、ユーザの指をボタン１０４上に合わせるための、レンズ１１２の形状の一部分によって少なくとも一部形成される平らな形状３０７を有する。ボタン１０４は、レンズ１１２に対して面一であるか、少しくぼんでいるか、又は少し盛り上がっているかのいずれかの配置による、平らな形状３０７の一部分を任意選択的に同様に含む、接地リング１１４のための構造を含む。図３は、レンズ１１２の下方に配設され、それに結合される指紋認識センサを同様に示す。

図８は、生体センサスタックの別の実施形態の分解図であり、それに対して、図９は、組み立てられた状態における生体センサスタックの断面図である。これらの図に示される実施形態では、キャップ８００が縁取り８０５内に嵌合されてもよく、ユーザがそれに外部から接近可能であってもよい。例えば、キャップは、ユーザが、電子機器の操作中に、又は機器を使用している間に、キャップにタッチし得るように位置付けられてもよい。ユーザは、機器が指紋を獲得することを可能にするため、又は電子機器に入力信号を提供するべくキャップを押下するために、キャップにタッチしてもよい。

キャップは任意の好適な材料で作製されてもよい。いくつかの実施形態では、キャップはサファイアで作製されてもよく、その一方で、他の実施形態では、キャップはガラス（化学的に強化されたものか、若しくは別の方法で強化されたもののいずれか）、プラスチック、並びに同様のものから作製されてもよい。キャップは、その寸法及び公差を精密に調整するためにレーザ切断されてもよく、それにより、キャップが、図８に示される円形の穴などの、縁取り８０５内に画定された穴の中にぴったり嵌合することを可能にする。キャップ８００の外面上に疎油性コーティング９００が配置されてもよい。ただし、これは必須ではない。

概して、及び本明細書の他の箇所において説明されているように、センサ８１０（静電容量感知アレイを有する静電容量センサであってもよい）は、キャップ８００を通して、指紋などの、生体データを感知するように動作する。図９に最も効果的に示されるように、センサ８１０は、キャップ８００の真下にじかに、又はほとんどじかに位置付けられてもよく、これにより、センサと、キャップ８００の上面にタッチしている指などの、感知されている物体との間の距離が減少する。キャップの厚さは実施形態の間で異なってもよく、キャップを形成するために用いられる材料によって異なってもよいが、概して、センサの動作を可能にするように選定される。すなわち、キャップ８００が厚すぎる場合には、センサ８１０は正しく動作しなくなる可能性があり、それは、ぼけた画像を生成するか、又は画像を全く生成しなくなる可能性がある。

センサ８００の適切な動作を可能にするために、キャップ８００の厚さ及び材料は調整されてもよい。例えば、キャップはサファイアから形成され、最大３５０ミクロンの厚さを有してもよい。一実施形態では、例えば、センサが、指紋の部分を獲得するように動作可能な静電容量型アレイセンサであるときには、キャップの厚さは、それを通したセンサ８１０の適切な動作を可能にするために、約２８５ミクロンであってもよい。接着剤、又はセンサをキャップに接合するその他の材料が存在すると仮定すると、キャップの厚さはこの材料の厚さなどの外部因子に同様に依存してもよい。例えば、接着剤の厚さが減少するにつれて、キャップの厚さは増大してもよい。

更に、いくつかの実施形態では、電気トレースがキャップの下面上に直接パターニングされてもよい。これは、例えば、キャップがサファイアから形成されるときに実施可能であってもよい。キャップ上にトレースをパターニングしてセンサ８１０を形成することによって、センサとキャップとの間のあらゆる間隙を無くすことができ、接着剤又はその他の接合剤の必要性を無くすことができる。

いくつかの実施形態では、キャップの下面（例えば、縁取り内に配置される側）は、キャップを着色するためにその上に堆積されるインクを有してもよい。インクは、物理蒸着、スクリーン印刷、吹き付け、又は任意のその他の好適なインク堆積方法を通じて堆積されてもよい。他の実施形態では、インクは省かれてもよいか、又はキャップの上面に塗布されてもよい。特に、インクがキャップ８００の上部の上に位置付けられる実施形態では、インク上に封止層が配置されてもよい。

図９に最も効果的に示されるように、キャップ８００は接着剤９０５によって縁取り８０５に付着されてもよい。特定の実施形態では、接着剤は光学的に透明な接着剤であってもよい。ただし、これは必須ではない。接着剤は、いくつかの実施形態では、非導電性であってもよく、埃、ちり、及びその他の粒子が開口８０７に侵入するのを阻止するための周辺シールを提供してもよい。

縁取り８０５は、キャップ８００を受容するための開口８０７を画定してもよい。開口は実施形態の間で深さが異なってもよい。それゆえ、いくつかの実施形態では、キャップ８００は、開口８０７を画定するリングの縁部と面一に位置してもよく、その一方で、他の実施形態では、キャップ８００は縁取りリング８１１に対して隆起しているか、又はくぼんでいてもよい。加えて、本実施形態の縁取りリングは、図１に示され、上述された接地リング１１４と同じであり、したがって、センサ８１０による指の検出及び／又は指紋の獲得を可能にするか、又は促進するために（上述されたように）調節されてもよいことを理解されたい。

１つ以上の棚部８０９が縁取りリング８１１から開口８０７内へ部分的に延在してもよく、キャップ８００が開口８０７内に（及びそれゆえ縁取り８０５内に）位置付けられた時に載る載置面を画定してもよい。棚部は、図９により詳細に示され、以下においてより詳細に説明されるように、キャップに接合されるべきセンサ８１０のための空間を提供しつつ、キャップを支持してもよい。図８では、棚部８０９は、平面状の内面を有するように示されているが、内面は任意の所望の形状を有してもよいことを理解されたい。

センサ８１０は、縁取り８０５の棚部８０９によって画定される開口８０７内に位置付けられてもよい。概して、及び図９に断面図で示されるように、Ｚ軸（例えば、図８及び図９の両図の配向における上向き）における空間を節約して使うために、センサは、開口内に完全に収まるサイズに作られる。更に、センサの厚さは概して、棚部８０７の厚さ及びそれゆえ縁取り８０５の厚さよりも小さい。

センサ８１０は、フレックス組立体８１５の１つの区分である、ボタンフレックス８１５Ａに接着されてもよい。フレックス組立体８１５はセンサからの信号を、プロセッサ（図示されていない）などの、電子機器の別の構成要素へ経路づけてもよい。フレックス組立体の動作、組立及び構造が、２０１３年９月９日に出願の「Ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ａ Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ａ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ］と題された、米国特許出願第６１／８７５，５７３号、及び２０１４年９月８日に出願の「Ｔａｃｔｉｌｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｉｎ Ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ」と題された、米国特許出願第１４／４８０，２７６号において一般的に説明されている。両文献は、あたかも本文書内に完全に明記されているかのように本明細書に組み込まれる。

図８に示されるように、フレックス組立体８１５は、生体センサスタックが完全に組み立てられると、センサ８１０と接触するコンタクトパッド８２５を含む。コンタクトパッドはセンサ８１０とフレックス組立体８１５との間の電気的接続を促進してもよく、センサ８１０からの電気信号をボタンフレックス部分構造体８１５Ａへ伝えるワイヤボンド９２０を含んでもよい。いくつかの実施形態では、コンタクトパッド８２５は少なくともある程度堅くてもよく、センサ８１０のためのいくらかの構造支持を提供してもよい。

図９は、縁取り８０５の下面に（例えば、フランジ８０７に）取り付けられる補剛板９３５を示す。補剛材は、ユーザが、キャップ８００に力を及ぼすことによってボタンを下に押圧した時に、センサに対する機械的支持を提供してもよい。いくつかの実施形態では、センサ８１０が取り付けられるボタンフレックス部分８１５Ａと、補剛板９３５との間に小さな間隙が存在してもよい。間隙はセンサ及び／又はボタンフレックスによるいくらかの屈曲を可能にしてもよいが、両者又はどちらかの、一定の程度を越えた変形を阻止してもよい。すなわち、例えば、ユーザがキャップ８００を押下した時に起こり得るように、ボタンフレックスはスタックアップの下方へのたわみの最中に補剛板９３５と接触してもよい。それゆえ、補剛板はボタン押圧動作の最中にフレックス及びセンサ８１０のいずれか又は両者を支持してもよい。

補剛板９３５は縁取り８０５に接合されるか、又は他の方法で接続されてもよい。一実施形態では、縁取り８０５及び補剛板９３５はレーザ溶接部９２５によって接続されてもよい。レーザ溶接部９２５は補剛材を、例えば、棚部８０９に接続してもよい。レーザ溶接部９２５（又はその他の接続／接合構造体）の数及び位置付けは実施形態の間で異なってもよい。いくつかの実施形態では、補剛板９３５は棚部８０９の各々に接続されてもよく、その一方で、他の実施形態では、全てより少ない棚部がそのように接続されてもよい。

いくつかの実施形態では、センサ８１０はワイヤボンド９２０を通じてボタンフレックス８１５Ａに電気接続されてもよい。ワイヤボンドは、ボタンフレックス８１５Ａ上のコンタクトパッド若しくはその他の電気的接続部に、並びにセンサ８１０の縁部に物理的に接続されてもよい。いくつかの実施形態では、ワイヤボンド９２０の取り付及び／又は走行を促進するために、センサ８１０上に縁部トレンチが形成されてもよい。ワイヤボンド９２０は、例えば、センサ８１０からの電気信号をボタンフレックス８１５Ａへ伝達してもよい。

補剛板９３５の底部はボタンフレックス８１５Ｂ（「ベースフレックス区分」）の第２の部分に付着されてもよい。フレックス回路８１５は概してぐるりと折り返し、それ自身の下に横たわってもよい。したがって、区分８１５Ａ及び８１５はどちらも、同じ連続したフレックス要素の一部である。ベースフレックス区分８１５Ｂは任意の好適な接着剤９３０によって補剛板９３５に接着されてもよい。

触知スイッチ８２０が、ベースフレックス区分８１５Ｂの反対側に取り付けられる。触知スイッチ８２０のドームは、以下においてより詳細に説明されるように、キャップ８００に対して作用される十分な力を受けると、つぶれてもよい。ドームスイッチ８２０がつぶれると、生体センサスタックアップが収容されている電子機器への入力の役割を果たし得る電気信号が発生されてもよい。いくつかの実施形態では、スイッチ８２０は、約２００グラムの力を受けると、つぶれてもよい。

特定の実施形態は、ドームスイッチ８２０によって生成された信号を、ボタンフレックス８１５を通じて経路づけしてもよく、それにより、フレックス８１５に、スイッチ８２０及びセンサ８１０の両方からの電気信号を伝えさせることに留意されたい。このように、フレックスは複数の異なる電気信号の経路づけを統合してもよく、センサ８１０又はスイッチ８２０のいずれかのための別個の信号経路にさもなければ当てられるであろう電子機器内の空間を潜在的に節約する。

図１０は、キャップ８００が縁取り８０５の内部に嵌合された状態の、組み立てられた構成における生体センサスタックを大まかに示す。概して、図１１に示されるように、生体センサスタックが製品内に配置されている時には、フレックス８１５は見えない。図１１は、電子機器の表面にわたって延在するカバーガラス１１００と面一なキャップ８００及び縁取り８０５を示す。

カバーガラスは、キャップ８００を形成するために用いられるのと同じ材料であってもよいか、又はそれは異なってもよい。それゆえ、いくつかの実施形態では、縁取り／接地リング８０５は、同じ材料で形成される２つの要素を分離する金属又はその他の導電性材料であってもよい。他の実施形態では、キャップ８００及びカバーガラス１１００は異なる材料から形成されてもよい。

図１２及び図１３は、図１１の電子機器の生体センサスタック及び包囲部分を貫いて見た断面図であり、機器内の図８〜図１０の生体センサスタックを示す。概して、両図は電子機器の構造体内のスタックを示す。図１４は、電子機器のハウジングに対する生体センサスタックの至近距離斜視断面図である。様々な電子的構成要素及び／又は機械的構成要素が、生体センサスタック、及び本明細書において説明されている構成要素の周りの空間を占有してもよい。機器の内部の大部分は、明解にする目的のために、空であるように示されているが、多くのサンプルの機器では、他の構成要素がその空間を占有することを理解されたい。

図１２に最も効果的に示されるように、金属ブラケット又はプレートであってもよい、支持プレート又は支持構造体１００５が、生体センサスタック、及び特に、触知スイッチの下に横たわる。触知スイッチが適切に位置付けられ、支持構造体とスイッチとの間に余分の空間が存在しないことを確実にするために、支持構造体１００５と触知スイッチとの間にシム１０００が位置付けられてもよい。これにより、ボタンがユーザによって押圧された時のボタンの感触が向上し得る。接着剤１０１０がシム１０００を支持構造体に接合してもよい。

支持構造体１００５は、ねじ１０１５又はその他の好適な締結具によって、電子機器のフレーム、ハウジング又はその他の構造部分（ブラケット１０２０など）に付着されてもよい。いくつかの実施形態では、締結具の代わりに接着剤が用いられてもよい。

シリコーンガスケットなどの、ガスケット１０２５が、縁取り８０５と、電子機器のハウジングとの間のシールを形成してもよい。ガスケット１０２５は、ボタン押圧の最中における変形、及び生体センサスタックの関連運動を可能にし、その一方で、ボタン／キャップが放されるとその元の構成に戻るために、可撓性であってもよい。ガスケットは、ちり、汗、水及び同様のものが電子機器の内部に侵入するのを阻止してもよい。特定の実施形態では、ガスケット１０２４は、接着剤１０３０、１０３５、機械的締結具、超音波溶接などによって、縁取りリング８０５、及び／又は機器のハウジングに付着されてもよい。

種々の電子的構成要素及び電気回路機構が、支持構造体１００５の真下において、エンクロージャの空洞内に位置付けられてもよい。例えば、データ／電力ケーブルのためのドックコネクタがその内部に位置付けられてもよい。同様に、様々なプロセッサ、メモリ要素、電池、センサ、及び同様のものが空洞内に配置されてもよい。このような回路機構及び構成要素の正確な機能、構成及び動作は、全て実施形態によって変わり得るため、本明細書において更に明記されない。

操作中に、ユーザはキャップを下に押圧し、触知スイッチを押しつぶしてもよく、それにより、入力を電子機器へ信号で伝える。キャップが押圧されると、キャップから下の生体センサスタック全体が運動する。触知スイッチはシム及び／又は支持構造体に接触してつぶれる。このつぶれは、ユーザのボタン押圧に対応する電気信号を発生する。

それに応じて、キャップ、センサ及び縁取りは全て下方へ運動する。いくつかの実施形態では、補剛板は縁取りに接続され、縁取りは今度はキャップに接続され、比較的堅い構造体を形成するため、センサ及びボタンフレックスはセンサスタックの移動の最中に補剛板と接触しなくてもよい。センサはこの構造体内にあり、キャップに対して力が作用されると、構造体は全体として運動するため、補剛板に対するセンサ及び／又はボタンフレックスの相対的なたわみは存在しなくてもよい（又はごくわずかしか存在しなくてもよい）。それゆえ、補剛板は、剛性及び構造的完全性を生体センサスタック全体に提供する役割を果たしてもよい。

センサが常時動作し得る限り、特に、ユーザがキャップと接触している時に動作し得る限り、ユーザがボタンを押圧している（例えば、キャップを押圧している）間にセンサによって生体データ（指紋情報など）を獲得することが可能である。したがって、生体センサスタックは、２つの機能：生体データを獲得すること、及び触知スイッチからの信号などの、別の入力を電子機器へ証明すること、を同時に、又は実質的に同時に実行してもよい。

図１５は、代替的な形状の生体センサスタック１５０５を有する、携帯電話などの、サンプルの電子機器１５００を示す。ここでは、生体センサスタック１５０５は長方形のキャップ及び縁取りを有する。代替実施形態では、キャップ及び縁取りは正方形若しくは菱形若しくは平行四辺形などであってもよい。

別の代替実施形態の例として、図１６は、ローゼンジ形状のキャップ及び縁取りを有する生体センサスタック１６０５を有する電子機器１６００を示す。本明細書における図の任意のものに示されるキャップ、縁取り及び生体センサスタックのサイズは、電子機器、機器の遮蔽された（例えば、非表示）領域１６１０などのサイズにより、異なってもよい。

ローゼンジ形状又は長方形形状のボタンは、複数の指がキャップに同時にタッチするのを受け入れるために十分に長くてもよい。それゆえ、十分に長いか、又は適切な形状に作られたボタン／キャップを有する実施形態は、複数の指からの生体データを同時に受信してもよい。このような実施形態では、センサは生体データ及び／又は画像を特定の順序で（例えば、左から右へ、上部から下部へ、など）受信してもよい。この生体データは一連のブロック、線、又はその他のデータ構成として受信されてもよい。概して、ただし、必ずというわけではないが、本実施形態は、生体データ、又は静電容量感知データの変化が全くないデータセットを探しながら、生体データを規定の順序で受け入れてもよい。例えば、獲得されたデータは一様である場合があり、それゆえ、センサのその部分の上方に指はないことを指示する。獲得された静電容量データが画像に変換されると、獲得された画像が、全て黒色、全て白色、全て灰色、及び同様のものに見える場合がある。

一続きのこのようなブロックは指の間の空間を指示することができ、それゆえ、両方の指からのデータを同時に、又はほぼ同時に認識する（又は獲得する）べく、生体データのセットを互いに分離するために用いられてもよい。これにより、多指入力及び／又は多指ジェスチャ入力などの、単一の指紋のみが認識される時には可能でない電子機器の特殊な動作が可能になってもよい。生体センサ及び／又はキャップのサイズ及び形状に依存して、２本を超える指が認識されてもよいか、又は２本を超える指からデータが得られてもよいことを理解されたい。

キャップ及び／又は縁取り及び／又は生体スタックの形状を変更することに加えて、カバーガラスに対するキャップ及び縁取りの相対位置が変化してもよい。例えば、図１７に示されるように、キャップ及び接地リングはカバーガラスの表面の上方に隆起していてもよい。逆に、図１８に示されるように、キャップ及び接地リングはカバーガラスに対してくぼんでいてもよい。

いくつかの実施形態では、接地リングは物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）によって着色されてもよい。これは、接地リングが異なる外観、及び場合によっては、感触を有することを可能にする場合がある。特定の実施形態では、色の付加は接地リング及び／又は縁取りの視認性を向上させる場合がある。加えて、接地リングはユーザの指に静電結合するため、接地リングは、キャップ材料、又は実施形態の上面を覆う材料（例えば、カバーガラス又はその他のこのような材料）などの基板で覆われてもよい。それゆえ、いくつかの実施形態では、接地リングは露出していなくてもよい。

同様に、生体センサは、ボタンなどの入力要素の真下ではなく、実施形態内の別の場所に位置付けられてもよい。例えば、生体センサは、電子機器の額（forehead）又は頤（chin）区域内（例えば、表示領域の上方又は下方）、側壁の近辺、エンクロージャの底部の真下などに位置付けられてもよい。センサは、アルミニウムなどの金属エンクロージャ、炭素繊維エンクロージャ、プラスチックエンクロージャなどを通して動作してもよい。それゆえ、センサは、本明細書において説明されているように位置付けられてもよいだけでなく、キャップがこれらの材料の任意のものから形成されてもよく、センサはその真下に位置付けられてもよい。

センサは静電容量型アレイセンサとして一般的に説明されたが、本明細書において説明されているいずれの実施形態においても、異なる種類のセンサが用いられてもよいことを理解されたい。例えば、アレイセンサではなく、スワイプセンサが用いられてもよい。同様に、抵抗型、光学式、焦電型又はその他の種類の生体センサが用いられてもよい。いくつかの実施形態では、データは、説明されたものと異なる種類のセンサを用いて、複数の指からキャップを通して獲得されてもよい。例えば、ローゼンジ形状のキャップが、アレイセンサの代わりに、その下に横たわるスワイプセンサを有してもよく、ローゼンジを横切ってスワイプされた複数の指からデータを獲得してもよい。

様々な実施形態を参照して、本開示を説明してきたが、これらの実施形態は例示的なものであり、本開示の範囲は、それらに限定されるものではないことが理解されるであろう。多くの変形、修正、追加、及び改善が可能である。より全般的には、本開示による実施形態は、特定の実施形態のコンテキストで説明されてきた。本開示の様々な実施形態では、機能性を、手順内で異なる方式で分離又は組み合わせることができ、あるいは異なる専門用語で説明することもできる。これらの変形、修正、追加、及び改善、並びに他の変形、修正、追加、及び改善は、以下の特許請求の範囲で定義されるような、本開示の範囲内に包含することができる。

Claims (28)

1. 生体センサ組立体であって、
   開口を含む縁取りであって、前記開口内にキャップが配設される、縁取りと、
   前記キャップの下方に位置付けられる生体センサと、
   前記生体センサの下方に位置付けられるスイッチと、を備える、生体センサ組立体。
2. 前記キャップの外面に対して力が作用されると、前記キャップ、前記生体センサ、及び前記縁取りが下方へ運動するように構成され、前記スイッチが作動されるように構成される、請求項１に記載の生体センサ組立体。
3. 前記生体センサが前記キャップの下方に垂直に積層され、前記スイッチが前記生体センサの下方に垂直に積層される、請求項１に記載の生体センサ組立体。
4. 前記生体センサと前記スイッチとの間に位置付けられる１つ以上の可撓性要素を更に備える、請求項１に記載の生体センサ組立体。
5. 前記生体センサと補剛材との間に第１の可撓性要素が位置付けられ、前記補剛材と前記スイッチとの間に第２の可撓性要素が位置付けられる、請求項４に記載の生体センサ組立体。
6. 前記第１の可撓性要素及び前記第２の可撓性要素がフレキシブル回路を各々含み、前記生体センサが前記第１のフレキシブル回路に電気接続され、前記スイッチが前記第２のフレキシブル回路に電気接続される、請求項５に記載の生体センサ組立体。
7. 前記縁取りが前記生体センサを電気的に絶縁する、請求項１に記載の生体センサ組立体。
8. 前記スイッチがドームスイッチを含む、請求項１に記載の生体センサ組立体。
9. 前記キャップの外面に対して力が作用されると、前記キャップ、前記生体センサ、及び前記縁取りが下方へ運動するように構成され、前記ドームスイッチがつぶれるように構成される、請求項８に記載の生体センサ組立体。
10. 前記生体センサが指紋センサを含む、請求項１に記載の生体センサ組立体。
11. 前記指紋センサが、１本以上の指から指紋データを獲得するように動作可能である、請求項１０に記載の生体センサ組立体。
12. 前記キャップが異方性誘電体材料で作製される、請求項１に記載の生体センサ組立体。
13. 電子機器であって、
    キャップと、
    開口を含む縁取りであって、前記開口内に前記キャップが配設される、縁取りと、
    前記キャップの下方に位置付けられる生体センサと、
    前記生体センサの下方に位置付けられるスイッチと、を備える、電子機器。
14. 前記キャップの外面に対して力が作用されると、前記キャップ、前記生体センサ、及び前記縁取りが下方へ運動するように構成される、請求項１３に記載の電子機器。
15. 前記生体センサが前記キャップの下方に垂直に積層され、前記スイッチが前記生体センサの下方に垂直に積層される、請求項１３に記載の電子機器。
16. 前記電子機器の表面にわたって延在するカバーガラスを更に含む、請求項１３に記載の電子機器。
17. 前記キャップが前記カバーガラス内のボタン孔内に位置付けられ、前記キャップが前記カバーガラスの外面の上方に隆起している、請求項１６に記載の電子機器。
18. 前記キャップを包囲する前記縁取りが前記ボタン孔内に位置付けられ、前記カバーガラスの前記外面の上方に隆起している、請求項１７に記載の電子機器。
19. 前記キャップが前記カバーガラス内のボタン孔内に位置付けられ、前記キャップが前記カバーガラスの外面の下方にくぼんでいる、請求項１６に記載の電子機器。
20. 前記キャップを包囲する前記縁取りが、前記縁取りと前記キャップの外面との間の面取り部として構成される、請求項１９に記載の電子機器。
21. 前記縁取りが前記生体センサを電気的に絶縁する、請求項１３に記載の電子機器。
22. 電子機器内の生体センサスタックを動作させるための方法であって、前記生体センサスタックは、キャップを包囲する構造体、前記キャップの下方に位置付けられる生体センサ、及び前記生体センサの下方に位置付けられるスイッチを備え、前記方法は、
    前記生体センサを用いて生体データを獲得することと、
    前記キャップに対して力が作用されると、前記生体センサスタックの下方への運動に基づいて前記スイッチを作動させることによって、入力を前記電子機器へ信号で伝えることと、を含む、方法。
23. 前記生体センサが運動を開始する直前に生体データを獲得することを更に含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記生体センサが運動を停止した直後に生体データを獲得することを更に含む、請求項２２に記載の方法。
25. 前記生体センサが指紋センサを含む、請求項２２に記載の方法。
26. 生体データを獲得することが、前記生体センサスタックが運動している時に１本以上の指から生体データを獲得することを含む、請求項２２に記載の方法。
27. 前記スイッチがドームスイッチを含む、請求項２２に記載の方法。
28. 前記生体センサスタックの下方への運動に基づいて前記スイッチを作動させることによって入力を前記電子機器へ信号で伝えることが、前記生体センサスタックの前記下方への運動に基づいて前記ドームスイッチをつぶすことによって入力を前記電子機器へ信号で伝えることを含む、請求項２２に記載の方法。