TW201635191A - 懸浮電容式指紋感測器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種懸浮電容式指紋感測器包括一基板；多個電容式感測單元，位於基板上，各電容式感測單元包含一固定電極、一懸浮電極以及一個位於固定電極與懸浮電極之間的容置空間；以及至少一絕緣保護層，覆蓋此等電容式感測單元，使得電容式感測單元透過該絕緣保護層來感測一手指之指紋。上述懸浮電容式指紋感測器的製造方法亦一併提供。

Description

懸浮電容式指紋感測器及其製造方法

本發明是有關於一種指紋感測器及其製造方法，且特別是有關於一種懸浮電容式指紋感測器及其製造方法。

隨著半導體積體電路製程的發展，新形式的半導體電容式指紋感測晶片重新建構了指紋辨識系統發展的新紀元，國內外晶片廠商也陸續發展出按壓式以及滑動式指紋感測器，電子產品系統大廠基於此項新技術，從2000年開始陸續發表搭載電容感應晶片式指紋感測器的相關應用產品，如IBM、Dell公司等已推出相關的筆記型電腦，2006年開始宏碁及華碩也推出了含相關配備的筆記型電腦，但指紋辨識在筆記型電腦上主要搭載於商用筆電，主要用於取代開機密碼以及檔案加密，但因為一直缺乏獨特型應用，所以電容式指紋感測器在筆電市場的搭載率一直難以提高。

但在資訊化、電子化的世界潮流下，愈來愈多的電子產品進入人們日常生活中，高速網路時代的來臨，行動支付和電子商務方興未艾，民眾在網路上進行交易的次數日漸頻繁，所以，電子認證的重要性與需求性愈來愈高。然而，目前一般採用的密碼認證術，具有密碼失竊，遺忘或被破解的風險，使用者也時常被要求需要定期修改，但複雜 的身份(Identification,ID)和密碼使用要求，不僅降低了民眾在網路上消費的意願，也增加了廠商的風險與額外的開銷。以方便、安全性高的個人身分認證技術來取代目前密碼認證術，增加電子交易的信心與意願，對於在移動性支付以及網路電子商務是有長遠正面的發展。

電容式指紋辨識晶片相對於傳統光學式辨識光機，具有體積小兼具活體辨識功能，不易受假手指欺騙的功能，其應用上跳脫過去僅限在大型政府機構辨識系統，在近十年來，指紋辨識的應用面在電子消費型市場有慢慢成長的趨勢，包含隨身碟，隨身硬碟盒，筆記型電腦，手機都有安裝指紋辨識晶片來增加消費者資料的安全性。直至2013年9月，Apple公司推出搭載指紋辨識晶片的iPhone 5s後，全球手機大廠也開始競相推出搭載指紋辨識功能的機種，造成指紋辨識技術又開始掀起消費電子應用風潮，再加上電子商務與行動支付的迅速發展，指紋辨識晶片有機會成為手持式裝置的標準配件。

指紋辨識裝置是生物辨識技術中的主流，傳統光學式指紋讀取方式請參見US4053228,US4340300等專利，其發展成熟，然而體積過於龐大且價格也不便宜。

另外，也有發明者利用壓力感測器的原理和方式，作為指紋感測單元，參見CN1228731，其利用手指按壓懸浮基板的凸塊，造成懸浮基板間的電容變化作為感測指紋紋路深淺的方式，但因為人的手指是軟的，而在指紋需求500dpi，懸浮基板最大面積不能超過50*50平方微米(um²)的面積下其結構剛性較強，手指按壓時的變化量很小，再者，手指必須直接觸碰懸浮基板結構，也容易破壞此基板，也不符合現在手持式裝置的晶片封裝與應用。

近年來因為手持式裝置的普及，輕薄短小的指紋感測器 日益受到重視，故電容式指紋感測器的發展也越趨迅速。利用矽晶片形成指紋辨識晶片的方式也應運而生，參見US7864992和US6512381。常見的感測單元結構為利用外加或內加驅動訊號，透過一組半導體製程形成之電極板與手接觸，此組電極板其上覆蓋一絕緣層，此組電極板可以相互垂直或是呈水平排列。因為人體具有導電特性，人的手指與電極板上方接觸時，會與感測電極板形成一感測電容Cf，而手指紋路上的紋峰(Ridge)與紋谷(Valley)會與此組電極板形成大小不一的感測電容值，紋峰形成的電容值會大於紋谷產生之電容值。此感測電容會與後端感測電路中的參考電容Cref與寄生電容Cp相互比較，藉以得出指紋紋峰(Ridge)與紋谷(Valley)的二維圖形。而感測電容Cf的數值會受到保護層厚度的影響，保護層厚度越厚，感測電容值Cf越小，若感測電容值Cf與參考電容Cref的差異太大，則會降低指紋感測單元對後端處理電路輸出訊號，造成靈敏度下降。

在早期安裝於筆記型電腦的應用上，因為筆記型電腦為開合結構，指紋感測器會受到筆記型電腦的上蓋保護，故指紋感測器上的保護層也多在5~10um左右。因為現今手持式裝置的大量應用，指紋辨識晶片皆必須對外裸露，以符合使用者需求和手持式裝置的機構，故在指紋辨識晶片上的保護層的厚度也必須提升。但是在傳統的半導體製程中，參考電容是由一絕緣層所形成，絕緣層多為二氧化矽，參考電容最小為Cref=ε*A/n*d，ε為：材料介電常數，A：感測電極的面積，d：單層二氧化矽厚度，n：二氧化矽的層數，絕緣層介電常數約為4。

現今的指紋辨識晶片，不論是利用外加或內加驅動源訊號來與感測電極產生訊號，保護層的厚度與保護層材料的介電常數，以及施加驅動訊號的強弱有正相關，為了可以以較厚的材料作為保護層， 有廠商以藍寶石基板作為保護層，因藍寶石介電常數約為9~11；也有廠商以介電常數為7~8之改質的模塑料(molding compound)取代傳統的模塑料做為表面保護層材料，但藍寶石基板的材料成本高，高介電係數的模塑料不穩定，容易影響封裝的良率。

下列敘述藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明之一個目的在於提供一種懸浮電容式指紋感測器及其製造方法。

本發明之另一目的在於提供一種高靈敏度之電容式指紋感測器，利用懸浮式電容結構，能減少感測結構與電路上所產生的寄生電容，同時也將電路上的參考電容降到最小，利用至少一運算放大器將輸出訊號增益獲得最大的提昇。

為達上述目的，本發明提供一種懸浮電容式指紋感測器，包括一基板；多個電容式感測單元，位於基板上，各電容式感測單元包含一固定電極、一懸浮電極以及一個位於固定電極與懸浮電極之間的容置空間；以及至少一絕緣保護層，覆蓋此等電容式感測單元，使得電容式感測單元透過絕緣保護層來感測一手指之指紋。

本發明亦提供一種懸浮電容式指紋感測器的製造方法，包含以下步驟：(a)提供一感測器母結構，其包含一基板及位於基板上之多個電容式感測單元母結構，各電容式感測單元母結構包含多個介電層及多個導體層，此等導體層穿插於此等介電層之間，此等導體層包含一上導體層、一下導體層及位於上導體層與下導體層之間之一個或多個中間導體層，非感測區之導體層主要用於銜接於基板之電晶體之導線用， 或形成配合感測電路之電阻與電容之特性；(b)於上導體層形成一第一貫通孔；(c)於上導體層形成一個二氧化矽層；(d)於二氧化矽層形成一第二貫通孔，第二貫通孔連通第一貫通孔；(e)於二氧化矽層形成一個氮化矽層；(f)於氮化矽層形成一第三貫通孔，第三貫通孔連通第二貫通孔，且氮化矽層更形成於此等第一至第三貫通孔的內側壁；(g)透過此等第一至第三貫通孔對此等介電層進行蝕刻，以移除位於上導體層與下導體層之間的部分的此等介電層，而形成一個位於上導體層與下導體層之間的容置空間，上導體層暴露至容置空間的部分作為一懸浮電極，下導體層作為一固定電極；以及(h)於氮化矽層上覆蓋一填料層，並使填料層封住第三貫通孔。

藉由上述之懸浮電容式指紋感測器，可以有效降低感測電容之寄生電容與參考電容之數值，藉以增加靈敏度與絕緣保護層之厚度，以達到充分保護指紋感測器的作用。

下列敘述藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

Cfinger‧‧‧感測電容

CF‧‧‧手指對懸浮電極之電容

Ci‧‧‧感測結構之初始電容

Cp‧‧‧寄生電容

Cref‧‧‧參考電容

d1、d2‧‧‧材料層的厚度

Fr‧‧‧紋峰

Fv‧‧‧紋谷

M1至M6‧‧‧導體層

Tx‧‧‧發射電極

Rx‧‧‧接收電極

Vdr‧‧‧驅動訊號

Vin‧‧‧輸入電壓訊號

Vout‧‧‧輸出電壓

Vref‧‧‧固定電位

10‧‧‧基板

20‧‧‧電容式感測單元

20M‧‧‧電容式感測單元母結構

21‧‧‧固定電極

22‧‧‧懸浮電極

22H‧‧‧第一貫通孔

23‧‧‧容置空間

23W‧‧‧側壁

24‧‧‧靜電放電環

25‧‧‧介電層

26‧‧‧接地電極

30‧‧‧運算放大器

31‧‧‧正輸入端

32‧‧‧負輸入端

33‧‧‧輸出端

40‧‧‧絕緣保護層

41‧‧‧二氧化矽層

41H‧‧‧第二貫通孔

42‧‧‧氮化矽層

42H‧‧‧第三貫通孔

43‧‧‧填料層

44‧‧‧外加保護層

50‧‧‧切換開關

60‧‧‧感測電路

61‧‧‧CDS

62‧‧‧PGA

63‧‧‧ADC

80‧‧‧走線區

100‧‧‧懸浮電容式指紋感測器

100M‧‧‧感測器母結構

150‧‧‧驅動電極

160‧‧‧模塑料

200‧‧‧印刷電路板

圖1顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器的示意圖。

圖2顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器的電路示意圖。

圖3顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器的剖面示意圖。

圖4顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器的局部放 大剖面示意圖。

圖5顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器母結構的剖面示意圖。

圖6顯示依據本發明較佳實施例之指紋感測器的俯視示意圖及局部放大圖。

圖7顯示依據本發明較佳實施例之指紋感測器的剖視示意圖。

圖8顯示依據本發明另一較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器的示意圖。

本發明提供的懸浮式電容式指紋感測器的結構包含多個電容感測單元，每個感測單元包含一組具有懸浮結構之感測電容結構，此組懸浮電容結構包含一固定電極與一懸浮電極，固定電極在此懸浮電極之下方，並與懸浮電極之間存在有一間隙，固定電極可以由金屬複合材料組成，可形成於一般互補金屬-氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)製程的第一層導體層；懸浮電容結構可以由金屬複合材料以及至少一介電層組成，且其上有多個蝕刻穿孔貫穿懸浮電極；蝕刻窗口由高分子材料或是半導體常用之絕緣材料填補之。固定電極與懸浮電極連接於一運算放大器的兩端，運算放大器具有一正輸入端、一負輸入端以及一訊號輸出端。懸浮電極連結於運算放大器之負輸入端，固定電極連接於正輸入端。且至少一絕緣保護層覆蓋於懸浮電極之上，透過絕緣保護層與手指接觸。因為該結構可提升指紋感測器之靈敏度，使指紋感測器表面在使用傳統封裝材料或一般強化玻璃(非高介電材料)的條件下至少有150um厚度以上的絕緣層做保護。

圖1至圖3分別顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容 式指紋感測器100的示意圖、電路示意圖及剖面示意圖。如圖1至圖3所示，本實施例之懸浮電容式指紋感測器100包括一基板10、多個電容式感測單元20以及多個運算放大器30。

多個電容式感測單元20位於基板10上，特別是排列成陣列。於此僅顯示出一個電容式感測單元20。各電容式感測單元20包含一固定電極21、一懸浮電極22以及一個位於固定電極21與懸浮電極22之間的容置空間23。容置空間23的一側壁23W係是由多個介電層25所形成，所述多個導體層M1至M5係形成於此等介電層25之間，導體層佈置在非感測區的空間，或懸浮電極與導體層的重疊面積盡量最小，以減少寄生電容。雖然圖中的側壁23W是以垂直型態顯示，但是於其他實施例中，側壁23W亦可以是彎曲狀，取決於蝕刻的程序。

懸浮電極22與一手指的一紋峰Fr或一紋谷Fv形成一感測電容Cfinger，固定電極21與懸浮電極22形成一參考電容Cref，懸浮電極22與下方的一個或多個導體材料形成一寄生電容Cp。固定電極21在垂直方向的延伸稱為感測區，其餘部分為非感測區。懸浮電極22是懸浮在固定電極21上方，但是在設計上仍是固定不動的，其面積大於固定電極21，在固定電極21的外圈周圍可以設有一接地的接地電極26，作為懸浮電極22對基板10上的電路的屏蔽。非感測區之導體層主要用於銜接於基板之電晶體之導線用，或形成配合感測電路之電阻與電容之特性。

多個運算放大器30形成於基板10上，並分別電連接至此等電容式感測單元20。各運算放大器30具有一正輸入端31、一負輸入端32及一輸出端33，正輸入端31電連接至一固定電位Vref，負輸入端32電連接至懸浮電極22，一輸入電壓訊號Vin施加於手指，輸出端33 電連接至固定電極21，並輸出一輸出電壓Vout，使其中理想之簡化電路模型為Vout=Vin*(Cfinger/Cref)。

詳細說明如下，在電路虛接地條件下，節點A的電壓等於Vref。如果Vref=0，則在電荷守衡條件下，可以消除寄生電容Cp的影響。

Vout*Cref=Vin *Cfinger

Vout=(Cfinger/Cref)*Vin

因為懸浮電極22與固定電極21之間原本是填滿絕緣材料，譬如是二氧化矽，而二氧化矽的介電常數約等於4~5。在二氧化矽被移除後，剩下空氣部分的介電常數是1，因此，理想情況的Cref縮減為四分之一。如此一來，Vout變成四倍。因此，可以提高靈敏度，且可降低寄生電容Cp的影響。

此外，懸浮電容式指紋感測器100可以更包括至少一絕緣保護層40、一切換開關50及多個感測電路60。絕緣保護層40覆蓋此等電容式感測單元20，使得手指透過絕緣保護層40來與懸浮電極22形成感測電容Cfinger，使得電容式感測單元20透過絕緣保護層40來感測手指之指紋。絕緣保護層40的材料是選自於由陶瓷材料、藍寶石材料、玻璃材料以及模塑料(molding compound)所組成的群組。切換開關50電連接於固定電極21與懸浮電極22之間，當作對參考電容Cref之充放電的控制用。各感測電路60形成於基板10與固定電極21之間，感測電路60具有運算放大器30、類比數位轉換電路等。於本實施例中，感測電路60具有前述之一個或多個導體材料來與懸浮電極形成寄生電容。於其他實施例中，多個導體材料包含走線區80之導體層M1至M5。

於本實施例中，是以5個導體層M1至M5作為例子來說 明，在非感測區中，導體層M1至M5作為走線區80，提供電連接及信號傳輸用，其中固定電極21與導體層M1可以是屬於同一層施以圖案化步驟而來。導體層M2至M5可以被稱為是中間導體層，各導體層中間含有一個二氧化矽絕緣層。值得注意的是，導體層M1至M5的其中一個或多個可以不存在，或者，單一個導體層M2、M3、M4或M5及單一個介電層25也可以達成本發明的功能。所有利用常用之CMOS製程所完成之電晶體電路架構，都是在導體層M1以下去完成，導體層M1至M5可以做為導線和電容、甚至電阻的設計需求使用。

於本實施例中。各電容式感測單元20更包含一靜電放電環24，形成於基板10上方及電容式感測單元20的周圍，靜電放電環24係接地。

圖4顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器100的局部放大剖面示意圖。如圖3與圖4所示，懸浮電極22具至少有一個連通至容置空間23之第一貫通孔22H。第一貫通孔22H是供給後續的蝕刻程序進行。絕緣保護層40包含一個二氧化矽層41、一個氮化矽層42以及一填料層43。此外，絕緣保護層40可以更包含一外加保護層44，覆蓋填料層43，外加保護層44可以是選自於陶瓷材料、藍寶石材料、玻璃材料以及模塑料(molding compound)所組成的群組，提供耐磨及保護下方晶片的效果。填料層43的材料譬如是聚醯亞胺(Polyimide)。值得注意的是，圖4的填料層43僅有顯示出左半部的剖面，並未顯示於右半部，以清楚地顯示出貫通孔。

二氧化矽層41覆蓋懸浮電極22，並具有一第二貫通孔41H，第二貫通孔41H連通至第一貫通孔22H。氮化矽層42覆蓋二氧化矽層41，並具有一第三貫通孔42H，第三貫通孔42H連通至第二貫通孔41H 。填料層43至少覆蓋氮化矽層42，並填入第三貫通孔42H，以封住容置空間23。於圖4中，填料層43可以填入第二貫通孔41H的一半，但本發明並未受限於此。於其他例子中，填料層43亦可填入到達第一貫通孔22H。

圖5顯示依據本發明較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器母結構的剖面示意圖。如圖5、圖4與圖3所示，本發明亦提供一種懸浮電容式指紋感測器100的製造方法，包含以下步驟。首先，提供一感測器母結構100M，其包含一基板10及位於基板10上之多個電容式感測單元母結構20M，如圖5所示，各電容式感測單元母結構20M包含多個介電層25及多個導體層。此等導體層穿插於此等介電層25之間，此等導體層包含一上導體層M6、一下導體層M1及位於上導體層M6與下導體層M1之間之多個導體層M2至M5。

然後，於上導體層M6形成一第一貫通孔22H。接著，於上導體層M6形成一個二氧化矽層41。然後，於二氧化矽層41形成一第二貫通孔41H，第二貫通孔41H連通第一貫通孔22H。接著，於二氧化矽層41形成一個氮化矽層42。然後，於氮化矽層42形成一第三貫通孔42H，第三貫通孔42H連通第二貫通孔41H，且氮化矽層42更形成於此等第一至第三貫通孔22H、41H、42H的內側壁。

接著，透過此等第一至第三貫通孔22H、41H、42H對此等介電層25進行蝕刻，譬如是乾蝕刻，以移除位於上導體層M6與下導體層M1之間的部分的此等介電層25，而形成一個位於上導體層M6與下導體層M1之間的容置空間23，該容置空間23可以依設計在金屬層M6與各金屬層M1至M5之間做選擇，也就是固定電極並不一定要屬於金屬層M1。如圖3所示，其中上導體層M6暴露至容置空間23的部分 作為一懸浮電極22，而下導體層M1暴露至容置空間23作為一固定電極21。接著，於氮化矽層42上覆蓋一填料層43，並使填料層43封住第三貫通孔42H，如圖4所示。最後，可以在填料層43上面覆蓋外加保護層44。

圖6顯示依據本發明較佳實施例之指紋感測器的俯視示意圖及局部放大圖。圖7顯示依據本發明較佳實施例之指紋感測器的剖視示意圖。如圖6與圖7所示，懸浮電容式指紋感測器100可以安裝於印刷電路板200上，並被模塑料160封住，模塑料160的外圍有驅動電極150，提供驅動信號用，其中懸浮電極22可具有一個、兩個或兩個以上的第一貫通孔22H。如此一來，可以製作出主動式指紋感測器。於其他實施例中，亦可以製作出被動式指紋感測器。

圖8顯示依據本發明另一較佳實施例之懸浮電容式指紋感測器的示意圖。如圖8所示，本實施例係類似於前述實施例，其中一驅動訊號Vdr耦接到固定電極21，以利用固定電極21與懸浮電極22之間之電場變化效應來感測手指之指紋，使得電容式感測單元透過絕緣保護層40來感測手指之指紋。懸浮電容式指紋感測器亦具有多個感測電路60，各感測電路60形成於基板與固定電極21之間，感測電路60耦接至懸浮電極22，用來處理懸浮電極22的輸出訊號。電場變化效應可操作在自容模式(self-capacitance mode)或是互容模式(mutual capacitance mode)。

於本實施例中，固定電極21當作發射電極Tx，懸浮電極22當作接收電極Rx。發射電極Tx傳輸訊號由上方的接收電極Rx接收後，經由電荷雙重取樣(Charge Double Sampling,CDS)，可程式增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PAG)，類比數位轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)做訊號處理，以描繪出指紋的紋峰Fr與紋谷Fv的分佈圖像。在利用上述的製造方法的情況下，電容式感測單元母結構20M會具有感測電路60。手指處碰絕緣保護層40時，在互容式(mutual type)的感測條件下，發射電極Tx對接收電極Rx的電力線密度會隨之改變，也就是原本發射電極Tx與接收電極Rx之間的電容Cs(=Ci-CF)會減小，Ci為感測結構之初始電容，CF為手指對懸浮電極之電容。假設所提供的驅動訊號的條件一樣，則發射電極Tx到手指端的距離等於d1+d2，其中d1與d2為材料層的厚度，遠端手指可以帶走的電荷為遠端最大的電荷量Q=E(d1+d2)2/K，其中K為庫倫常數。電荷量正比於電場強度，又由高斯定律可知，距離手指的電場強度為E=Q/(2π ε(d1+d2))，所以，電場強度與介電常數ε成反比，假設d1對應到空氣，因為則空氣(air)的介電常數ε小於二氧化矽(SiO₂)的ε，故在空氣介質下，電場強度E_air會大於電場強度，所以若Rx與Tx間形成懸浮基板的結構，則其訊號強度會大於具有二氧化矽之介質結構。

以本發明架構的感測方式，利用降低內部參考電容與減少寄生電容的方式以提升與感測電容的訊號比，以增強感測訊號，再者，也可同時提高外加或是內加的驅動源訊號強度，更可讓感測訊號有所提升，如此一來，可以以傳統材料與封裝方式作為指紋辨識晶片的封裝架構，再者，訊號強度提升也可實現將指紋辨識晶片隱藏於現有的手持式裝置之觸控面板玻璃底下，因目前手持式裝置的電容式觸控面板的保護玻璃，厚度約為0.5至0.7mm兩種，其厚度遠厚於目前指紋辨識晶片的保護層0.05至0.1mm。

利用此感測架構，可增加晶片上保護層厚度的可能性，可以避免既有電容式指紋感測器的封裝特殊性或是需要特殊高介電係數 之材料，使其可以使用較便宜的傳統的模塑料完全包覆晶片的封裝方式完成，使指紋感測器表面在使用傳統封裝材料或一般強化玻璃的條件下至少有150um厚度以上的絕緣層做保護，又或者，在提高驅動訊號源的條件下，配合本發明之設計，可以達到將指紋晶片隱藏於觸控蓋板之下。故上述的方法，可以改善現有電容式指紋感測器容易受外在敲打或刮傷等，抵抗外在衝擊能力弱的缺點，以及簡化行動式裝置外觀機構的設計。

本發明之懸浮電容式指紋感測器，可以有效降低感測電容之寄生電容與參考電容之數值，藉以增加靈敏度與絕緣保護層之厚度，以達到充分保護指紋感測器的作用。

以上所述實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

以上所述實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

Cfinger‧‧‧感測電容

Cp‧‧‧寄生電容

Cref‧‧‧參考電容

Fr‧‧‧紋峰

Fv‧‧‧紋谷

M1至M6‧‧‧導體層

10‧‧‧基板

20‧‧‧電容式感測單元

21‧‧‧固定電極

22‧‧‧懸浮電極

23‧‧‧容置空間

24‧‧‧靜電放電環

26‧‧‧接地電極

60‧‧‧感測電路

80‧‧‧走線區

100‧‧‧懸浮電容式指紋感測器

Claims (10)

1. 一種懸浮電容式指紋感測器，包括：一基板；多個電容式感測單元，位於該基板上，各該電容式感測單元包含一固定電極、一懸浮電極以及一個位於該固定電極與該懸浮電極之間的容置空間；以及至少一絕緣保護層，覆蓋該等電容式感測單元，使得該電容式感測單元透過該絕緣保護層來感測一手指之指紋。
2. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮電容式指紋感測器，其中：該懸浮電極與該手指的一紋峰或一紋谷形成一感測電容Cfinger，該固定電極與該懸浮電極形成一參考電容Cref，該懸浮電極與位於該懸浮電極下方的一個或多個導體材料形成一寄生電容Cp；以及該懸浮電容式指紋感測器更包含：多個運算放大器，形成於該基板上，並分別電連接至該等電容式感測單元，各該運算放大器具有一正輸入端、一負輸入端及一輸出端，該正輸入端電連接至一固定電位，該負輸入端電連接至該懸浮電極，一輸入電壓訊號Vin施加於該手指，該輸出端電連接至該固定電極，並輸出一輸出電壓Vout，其中Vout=Vin*(Cfinger/Cref)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮電容式指紋感測器，其中該懸浮電極具至少有一個連通至該容置空間之第一貫通孔，且該絕緣保護層包含：一個二氧化矽層，覆蓋該懸浮電極，並具有一第二貫通孔，連通至該第一貫通孔；一個氮化矽層，覆蓋該二氧化矽層，並具有一第三貫通孔，連通至該第二貫通孔；一填料層，覆蓋該氮化矽層，並填入該第三貫通孔，以封住該容置空間；一外加保護層，覆蓋於填料層之上，該外加保護層的材料為選自於由陶瓷材料、藍寶石材料、玻璃材料以及模塑料(molding compound)所組成的群組。
4. 如申請專利範圍第2項所述之懸浮電容式指紋感測器，更包括一切換開關，電連接於該固定電極與該懸浮電極之間，並當作該參考電容之充放電的控制用。
5. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮電容式指紋感測器，其中一接地電極設置於該固定電極的周圍，作為該懸浮電極對該基板上的電路的屏蔽，該接地電極係接地。
6. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮電容式指紋感測器，其中一驅動訊號耦接到該固定電極，以在該固定電極與該懸浮電極之間之電場變化效應來感測該手指之該指紋，其中該懸浮電容式指紋感測器更包含多個感測電路，各該感測電路形成於該基板與該固定電極之間，該感測電路耦接至該懸浮電極，用來處理該懸浮電極的輸出訊號，該電場變 化效應操作在自容模式(self-capacitance mode)或是互容模式(mutual capacitance mode)。
7. 如申請專利範圍第6項所述之懸浮電容式指紋感測器，其中該懸浮電極包含至少一個等電位之懸浮電極塊。
8. 一種懸浮電容式指紋感測器的製造方法，包含以下步驟：(a)提供一感測器母結構，其包含一基板及位於該基板上之多個電容式感測單元母結構，各該電容式感測單元母結構包含多個介電層及多個導體層，該等導體層穿插於該等介電層之間，該等導體層包含一上導體層、一下導體層及位於該上導體層與該下導體層之間之一個或多個中間導體層；(b)於該上導體層形成一第一貫通孔；(c)於該上導體層形成一個二氧化矽層；(d)於該二氧化矽層形成一第二貫通孔，該第二貫通孔連通該第一貫通孔；(e)於該二氧化矽層形成一個氮化矽層；(f)於該氮化矽層形成一第三貫通孔，該第三貫通孔連通該第二貫通孔，且該氮化矽層更形成於該等第一至第三貫通孔的內側壁；(g)透過該等第一至第三貫通孔對該等介電層進行蝕刻，以移除位於該上導體層與該下導體層之間的部分的該等介電層，而形成一個位於該上導體層與該下導體層之間的容置空間，該上導體層暴露至該容置 空間的部分作為一懸浮電極，該下導體層作為一固定電極；以及(h)於該氮化矽層上覆蓋一填料層，並使該填料層封住該第三貫通孔。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中各該電容式感測單元母結構具有一運算放大器，形成於該基板上，其中該懸浮電極與一手指的一紋峰或一紋谷形成一感測電容Cfinger，該固定電極與該懸浮電極形成一參考電容Cref，該懸浮電極與位於該懸浮電極下方的所述一個或多個導體材料形成一寄生電容Cp，各該運算放大器具有一正輸入端、一負輸入端及一輸出端，該正輸入端電連接至一固定電位，該負輸入端電連接至該懸浮電極，一輸入電壓訊號Vin施加於該手指，該輸出端電連接至該固定電極，並輸出一輸出電壓Vout，其中Vout=Vin*(Cfinger/Cref)。
10. 如申請專利範圍第8項所述之所述之製造方法，其中各該電容式感測單元母結構具有一感測電路，形成於該基板上，其中一驅動訊號耦接到該固定電極，以利用該固定電極與該懸浮電極之間之電場變化效應來感測一手指之指紋，各該感測電路形成於該基板與該固定電極之間，該感測電路耦接至該懸浮電極，用來處理該懸浮電極的輸出訊號。