TW202248836A - 具有屏蔽功能用於互電容式感測的感測器裝置 - Google Patents

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Abstract

一種矽感測器裝置包含複數個金屬層以及複數個介電層。複數個金屬層包含：一第一金屬層，其包含複數個發射器電極和複數個接收器電極；一第二金屬層，其設置在第一金屬層下方，其中第二金屬層包含用於複數個發射器電極的複數個佈線跡線；以及一或多個電路層，其設置在第二金屬層下方。用於一相應發射器電極的一相應佈線跡線係組態以屏蔽對應於相應發射器電極的一寬度的複數個接收器電極的多個相應部分免受源自一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。複數個金屬層和複數個介電層設置在同一晶粒上。

Description

具有屏蔽功能用於互電容式感測的感測器裝置
所述實施例一般有關於電子裝置，且更詳細而言，有關於電容式感測器。
包含電容式感測器裝置(例如，觸控板或觸控感測器裝置)的輸入裝置廣泛用於各種電子系統中。電容式感測器裝置可包含通常由一表面來劃定的感測區域，其中電容式感測器裝置決定一或多個輸入物體的存在、位置及/或運動。電容式感測器裝置可用於為電子系統提供介面。舉例來說，電容式感測器裝置可使用作為更大計算系統的輸入裝置(例如，整合在筆記型電腦或桌上型電腦中或在其週邊的不透明觸摸板)。電容式感測器裝置也經常用於較小的計算系統(例如，整合在行動電話中的觸控螢幕)。電容式感測器裝置也可用於偵測輸入物體(例如，手指、觸控筆、筆、指紋等)。
在主動電路位於接收器電極附近的裝置中，噪音及/或能量對感測器裝置的接收器電極的影響可能是個問題。舉例來說，在用於指紋感測的矽感測器裝置中，整體裝置尺寸可能相對緊湊，使得感測器裝置的主動電路位於接收器電極附近，而使得來自主動電路的噪音及/或能量可能對通過接收器電極所獲得的結果信號產生負面影響。
在一示例性實施例中，本申請提供一種矽感測器裝置，其包含複數個金屬層以及複數個介電層。複數個金屬層中的每一者設置在一相應介電層上。複數個金屬層中的每一者藉由一相應介電層與一相鄰金屬層隔開。複數個金屬層包含：一第一金屬層，其包含複數個發射器電極和複數個接收器電極；一第二金屬層，其設置在第一金屬層下方，其中第二金屬層包含用於複數個發射器電極的複數個佈線跡線；以及一或多個電路層，其設置在第二金屬層下方。用於一相應發射器電極的一相應佈線跡線係組態以屏蔽對應於相應發射器電極的一寬度的複數個接收器電極的多個相應部分免受源自一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。複數個金屬層和複數個介電層設置在同一晶粒上。
在另一示例性實施例中，本申請提供一種輸入感測裝置。輸入感測裝置包含：複數個感測器電極，其包含複數個發射器電極和複數個接收器電極；用於複數個發射器電極的複數佈線跡線；以及一處理系統，其耦合至複數個感測器電極，其中處理系統組態以藉由將多個感測器信號驅動到複數個發射器電極上並經由複數個接收器電極獲得多個結果信號來獲得在一感測區域中的一輸入物體的一影像。複數個發射器電極和複數個接收器電極設置在輸入感測裝置的一第一金屬層上。複數個佈線跡線設置在輸入感測裝置的一第二金屬層上，第二金屬層設置在第一金屬層下方。處理系統的至少一部分設置在一或多個電路層上，一或多個電路層設置在第二金屬層下方。用於一相應發射器電極的一相應佈線跡線係組態以屏蔽對應於相應發射器電極的一寬度的複數個接收器電極的多個相應部分免受源自一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。
在又一示例性實施例中，本申請提供一種感測器裝置。感測器裝置包含：複數個金屬層；以及複數個介電層，其中複數個金屬層中的每一者設置在一相應介電層上，且其中複數個金屬層中的每一者藉由一相應介電層與一相鄰金屬層隔開。複數個金屬層包含：一第一金屬層，其包含複數個發射器電極和複數個接收器電極；一第二金屬層，其設置在第一金屬層下方，其中第 二金屬層包含用於複數個發射器電極的複數個佈線跡線；以及一或多個電路層，其設置在第二金屬層下方。用於一相應發射器電極的一相應佈線跡線係組態以屏蔽對應於相應發射器電極的一寬度的複數個接收器電極的多個相應部分免受源自一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。
100:輸入裝置
105:感測器
110:處理系統
201:感測器主動區域
202:焊墊區域
205:指紋感測器
212:覆蓋層
220:感測區域
240:手指
301:Tx/Rx電極層
302:Tx佈線層
303:屏蔽層
304:電路層
311:發射器電極
312:焊墊
313:通孔
314:佈線跡線
321:接收器電極
331:網狀屏蔽
401:Tx/Rx電極層
402:佈線/屏蔽層
404:電路層
411:發射器電極
412:焊墊
413:通孔
414:佈線跡線
415:屏蔽塊
421:接收器電極
511:發射器電極
512:焊墊
513:通孔
514:寬佈線跡線
521:接收器電極
611:發射器電極
612:焊墊
621:接收器電極
622:接收器塊
圖1A至圖1B描繪了示例輸入裝置的示意方塊圖。
圖2描繪了根據示例性具體實施例的用於互電容式感測的矽感測器的俯視圖。
圖3A描繪了根據示例性具體實施例的用於互電容式感測的矽感測器的側面截面示意圖。
圖3B繪示了圖3A所示的用於互電容式感測的矽感測器的俯視示意圖，其說明了Tx/Rx電極層、Tx佈線層、和屏蔽層的元件。
圖3C繪示了圖3A所示的用於互電容式感測的矽感測器的屏蔽層的一部分的俯視示意圖。
圖4A描繪了根據另一示例性具體實施例的用於互電容式感測的矽感測器的側視截面示意圖。
圖4B繪示了圖4A所示的用於互電容式感測的矽感測器的俯視示意圖，其說明了Tx/Rx電極層和Tx佈線/屏蔽層的元件。
圖5繪示了用於互電容式感測的矽感測器的示意俯視圖，其顯示了替代示例性具體實施例中的Tx/Rx電極層和Tx佈線/屏蔽層的元件。
圖6繪示了用於互電容式感測的矽感測器的頂部示意圖，其顯示了另一個替代示例性具體實施例中的Tx/Rx電極層的元件。
下列實施方式本質上為示例性，且不欲限制所揭示內容或所揭示內容之應用和使用。再者，不欲受到前述該等圖式之背景、總結及簡要說明中所呈現任何明示或引申理論或下列實施方式約束。
在下文對示例性具體實施例的詳細描述中，為提供對所揭露技術的更透徹的理解，提出了許多細節。然而，對於本技術領域中具有通常知識者來說，顯而易見的是，所揭露的技術可在沒有這些具體細節的情況下實施。在其他情況下，對熟知的特徵並沒有作詳細的描述，以避免不必要地使描述複雜化。
在整個說明書中，序數(例如，第一、第二、第三等)可用作元件(即，本申請案中的任何名詞)的形容詞。序數的使用不是暗示或產生元件的任何特定順序，也不是將任何元件限制為僅是單個元件，除非明確揭露，例如藉由使用術語「之前」、「之後」、「單一」、以及其他此類術語。相反地，序數的使用是為了區分元件。作為示例，第一元件不同於第二元件，且第一元件可包含多於一個元件且在元件的排序中在第二元件之後(或之前)。
以下對感測器圖案的描述依賴於例如「水平」、「垂直」、「頂部」、「底部」和「下方」的術語來清楚地描述感測器圖案的某些幾何特徵。這些術語的使用並非旨在引入限制的方向性。舉例來說，幾何特徵可被旋轉到任何程度，而不偏離所揭露內容。此外，雖然在圖式中顯示了某些尺寸的圖案，但是在不偏離揭露內容的情況下，這些圖案可延伸及/或重複。舉例來說，使用術語列和垂直方向是為了分別區分行和水平方向。如果輸入裝置是矩形，則可將沿表面的任何方向指定為列延伸的垂直方向，並可將沿表面的任何實質正交的方向指定為行所延伸的垂直方向。
本發明的示例性具體實施例提供了用於互電容式感測的矽感測器的示例性具體實施例，其中提供了屏蔽以用於噪音減輕。在一些示例性具體實施例中，可通過將電路層與電極層分開的專用屏蔽層來提供屏蔽，在該電極層上設置有接收器電極。在一些示例性具體實施例中，屏蔽可整合到佈線層 中，且整合的佈線和屏蔽層將電路層與電極層分離，其中接收器電極設置在電極層上。此外，各種不同的示例性具體實施例提供不同的電極及/或佈線配置。
本發明的示例性具體實施例能夠實現優於傳統感測器設計的各種優點。舉例來說，相對於組態用於絕對電容式感測的傳統矽感測器，本發明的示例性具體實施例能夠實現更小的感測器晶粒尺寸(針對相同的感測器陣列尺寸)、較不複雜的電路以、及成本節約。此外，關於組態用於互電容式感測的傳統球柵陣列(BGA)感測器，本發明的示例性具體實施例提供更小的感測器間距、更高的解析度、相對容易的設計、和更低的成本。
圖1A為繪示可於其中實現本發明具體實施例的示例輸入裝置100的方塊圖。輸入裝置100可組態為向電子系統(為簡單起見未示出)提供輸入。此文件中所使用的術語「電子系統」(或「電子裝置」)泛指能夠以電子方式處理資訊的任何系統。電子系統的示例包含個人計算裝置(例如，桌上型電腦、膝上型電腦、筆記型電腦、平板電腦、網絡瀏覽器、電子書閱讀器、和個人數位助理(PDA))、穿戴式電腦(例如，智能手錶和活動追蹤器裝置)、複合輸入裝置(例如，實體鍵盤、操縱桿、和按鍵開關)、資料輸入裝置(例如，遙控器和滑鼠)、資料輸出裝置(例如，顯示螢幕和印表機)、遠程終端、資訊站、視頻遊戲機(例如，視頻遊戲控制台、可攜式遊戲裝置等)、通信裝置(例如，行動電話，例如智能電話)、和媒體裝置(例如，記錄器、編輯器、和播放器，例如電視、機上盒、音樂播放器、數位相框、和數位相機)。此外，電子系統可為輸入裝置100的主機或從機。
輸入裝置100可實現為電子系統的實體部分，或可與電子系統實體地分離。輸入裝置100可使用有線或無線互連和通信技術(例如匯流排和網絡)耦合到電子系統的部件(並與之通信)。示例技術可包含內部整合電路(I2C)、串列週邊介面(SPI)、個人系統/2(PS/2)、通用串列匯流排(USB)、藍牙®、紅外線資料協會(IRDA)、和由IEEE 802.11或其他標準所定義的各種射頻(RF)通信協定。
在圖1的示例中，輸入裝置100包含感測器105。感測器105包含一或多個感測元件，其組態為感測由輸入裝置100的感測區域中的一或多個輸入物體所提供的輸入。輸入物體的示例包含手指、觸控筆、和手。感測區域可包含輸入裝置100能夠偵測使用者輸入(例如，由一或多個輸入物體所提供的使用者輸入)的感測器105上方、周圍、之中、及/或附近的任何空間。特定感測區域的大小、形狀及/或位置(例如，相對於電子系統)可根據實際的實施狀況而變化。在一些具體實施例中，感測區域可從輸入裝置100的表面在一或多個方向上延伸到空間中，例如，直到感測器的信噪比(SNR)低於適用於精確物體偵測的臨界值。舉例來說，此感測區域在特定方向上延伸的距離可在小於一毫米、幾毫米、幾釐米或更多的量級上，且可隨所使用的感測技術的類型及/或所需的精確度而顯著變化。在一些具體實施例中，感測器105可偵測不涉及以下實體接觸的輸入：與輸入裝置100的任何表面的接觸、與輸入裝置100的輸入表面(例如，觸控表面及/或屏幕)的接觸、與耦合至一定量的施加力或壓力的輸入裝置100的輸入表面的接觸、及/或其組合。在各種具體實施例中，輸入表面可由感測器元件位於其內或其上的感測器基板的表面來提供、或由面板或位於感測器元件上方的其他覆蓋層來提供。
輸入裝置100包含用於偵測使用者輸入的一或多個感測元件。一些實施方式利用了感測元件的陣列或其他規則或不規則圖案來偵測輸入物體。輸入裝置100可利用感測器組件和感測技術的不同組合來偵測感測區域中的使用者輸入。
輸入裝置100可利用各種感測技術來偵測使用者輸入。示例感測技術可包含電容、彈性、電阻、電感、磁、聲、超聲波、和光學感測技術。在一些具體實施例中，輸入裝置100可利用電容式感測技術來偵測使用者輸入。舉例來說，感測區域可包含一或多個電容式感測元件(例如，感測器電極)以產生電場。輸入裝置100可基於感測器電極的電容變化來偵測輸入。舉例來說， 與電場接觸(或非常接近)的物體可能會導致感測器電極中的電壓及/或電流發生變化。這種電壓及/或電流的變化可被偵測為指示使用者輸入的「信號」。
感測器元件可配置成陣列(規則或不規則圖案)或其他組態，以偵測輸入。在一些實施方式中，單獨的感測元件可歐姆地短路在一起，以形成更大的感測器電極。一些電容式感測實施方式可使用提供均勻電阻的電阻片。
示例電容式感測技術可基於「自電容」(也稱作「絕對電容」)及/或「交互電容(mutual capacitance)」(也稱作「互電容(transcapacitance)」)。互電容式感測方法偵測感測器電極之間的電容耦合的變化。舉例來說，感測器電極附近的輸入物體可能會改變感測器電極之間的電場，從而改變感測器電極的量測電容耦合。在一些具體實施例中，輸入裝置100可藉由偵測一或多個發射器感測器電極(也稱作「發射器電極」或「驅動電極」)和一或多個接收器感測器電極(也稱作「接收器電極」或「拾取電極」)之間的電容耦合來實施互電容式感測。舉例來說，發射器感測器電極可相對於參考電壓進行調節以發射發射器信號，而接收器感測器電極可保持在相對恆定的電壓以接收發射信號。舉例來說，參考電壓可為基本恆定的電壓或系統接地。在一些具體實施例中，發射器感測器電極和接收器感測器電極都可被調節。接收器感測器電極所接收到的信號可能會受到環境干擾的影響(例如，來自其他電磁信號及/或接觸或靠近感測器電極的物體)。感測器電極可為專用的發射器或接收器、或可組態用於發射及接收兩者。
在一些實施方式中，輸入裝置100組態為提供跨越一維、二維、三維或更高維空間的影像。輸入裝置100可具有隨具體實施例不同而變化的感測器解析度，其根據例如所涉及的特定感測技術及/或感興趣的資訊的規模等因素而變化。在一些具體實施例中，感測器解析度由感測元件的陣列的實體分佈來決定，其中更小的感測元件及/或更小的間距可用於定義更高的感測器解析度。
輸入裝置100可實現為一指紋感測器，其感測器解析度高到足以擷取指紋的鑑別性特徵。在一些實施方式中，指紋感測器具有足以擷取細節(包含脊末端和分叉)、方向場(有時稱為「脊流」)、及/或脊骨架的解析度。這些有時稱作1級和2級特徵，且在示例性具體實施例中，至少每英寸250像素(ppi)的解析度能夠可靠地擷取這些特徵。在一些實施方式中，指紋感測器具有足以擷取更高級別特徵的解析度，例如汗孔或邊緣輪廓(即，各個脊的邊緣的形狀)。這些有時稱作3級特徵，且在示例性具體實施例中，至少每英寸750像素(ppi)的解析度能夠可靠地擷取這些更高級別的特徵。在矽指紋感測器中，可使用約500ppi的解析度來平衡成本和性能，但將理解到，在矽指紋感測器中可實現5000ppi(對應於5.08μm間距)或更高的解析度。
在一些具體實施例中，指紋感測器被實施為放置感測器(placement sensor)(也稱作「區域」感測器或「靜態」感測器)或掃滑感測器(swipe sensor)(也稱為「滑動」感測器或「掃動」感測器)。在放置感測器實施中，感測器組態為當使用者的手指在感應區域上保持靜止時擷取指紋輸入。通常，放置感測器包含能夠在單一訊框中擷取指紋的期望區域的感測元件的二維陣列。在掃滑感測器實施中，感測器組態為基於使用者手指和感應區域之間的相對移動來擷取指紋輸入。在一些具體實施例中，掃滑感測器可包含感測元件的線性陣列或薄二維陣列，其組態為在使用者的手指在感測區域上滑動或移動時擷取多個訊框。接著，可重新建構多個訊框以形成對應於指紋輸入的指紋影像。在一些實施方式中，感測器組態為擷取放置和掃滑輸入。
在一些具體實施例中，指紋感測器組態為在單一使用者輸入中擷取少於完整的使用者指紋區域(在本文中稱作「部分」指紋感測器)。一般而言，由部分指紋感測器所擷取的部分指紋區域足以使系統從單一使用者輸入的指紋(例如，單一手指放置或單一手指掃滑)進行指紋比對。部分放置感測器的一些示例性成像區域包含100平方毫米或更小的成像區域。在另一示例性具體 實施例中，部分放置感測器具有範圍在20-50mm2的成像區域。在一些實施方式中，部分指紋感測器具有與成像區域具有相同或基本相同尺寸的輸入表面。
在圖1A中，輸入裝置100包含處理系統110。處理系統110可包含一或多個積體電路(IC)及/或其他電路部件的部分或全部。處理系統110耦合到感測器105，並組態以操作輸入裝置100的硬體(例如，感測器105的感測硬體)，以偵測感測區域中的輸入。
處理系統110可包含組態用以利用輸入裝置100的感測硬體來驅動感測信號的驅動器電路及/或組態用以利用感測硬體來接收結果信號的接收器電路。舉例來說，處理系統100可組態為將發射器信號驅動到感測器105的發射器感測器電極上，及/或經由感測器105的接收器感測器電極來接收所偵測到的結果信號。
處理系統110可包含具有儲存於其上的處理器可執行指令(例如韌體碼、軟體碼等)的非暫態電腦可讀媒體。處理系統110可實現為感測器105的實體部分，或可與感測器105實體地分離。此外，處理系統110的組成部件可位於一起，或可彼此實體地分離。舉例來說，輸入裝置100可為耦合到計算裝置的週邊裝置，且處理系統110可包含組態為在計算裝置的中央處理單元和與中央處理單元分開的一或多個IC(例如，具有相關聯的韌體)上運行的軟體。作為另一示例，輸入裝置100可實體地整合在行動裝置中，且處理系統110可包含作為行動裝置的主處理器的一部分的電路和韌體。處理系統110可專用於實現輸入裝置100，或可執行其他功能，例如操作顯示螢幕、驅動觸覺致動器等。
處理系統110可操作輸入裝置100的感測器105的感測元件，以產生指示感測區域中的輸入(或缺少輸入)的電信號。處理系統110可對電信號執行任何適當的處理量，以轉換或產生提供給電子系統的資訊。舉例來說，處理系統110可將經由感測器電極所接收的類比電信號進行數位化及/或對所接收的信號執行濾波或調節。在一些具體實施例中，處理系統110可減去或以其他方式考慮與感測器電極相關聯的基線。舉例來說，基線可表示當沒有偵測到使用者 輸入時的感測器電極的狀態。因此，由處理系統110提供給電子系統的資訊可反應從感測器電極接收的信號與關連於每個感測器電極的基線之間的差異。作為又一示例，處理系統110可決定位置資訊、將輸入識別為命令、識別筆跡、匹配生物特徵樣本等。
在一些具體實施例中，輸入裝置100可包含觸控螢幕介面(例如，顯示螢幕)以及指紋感測器，其中指紋感測器的感測區域至少部分地與觸控螢幕介面的感測區域重疊。顯示裝置可為能夠向使用者顯示視覺介面的任何合適類型的動態顯示器，包含無機發光二極體(LED)顯示器、有機LED(OLED)顯示器、陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器、電致發光(EL)顯示器、或其他顯示技術。顯示器可為可撓性的或剛性的，且可為平面的、彎曲的、或具有其他幾何形狀。顯示器可包含用於薄膜電晶體(TFT)電路的玻璃或塑料基板，其可用於尋址顯示像素以提供視覺資訊及/或提供其他功能。顯示裝置可包含設置在顯示電路上方和顯示模組的內層上方的蓋板透鏡(有時稱作「蓋板玻璃」)，且蓋板透鏡還可為輸入裝置100提供輸入表面。蓋板透鏡材料的示例包含光學透明的非晶固體(例如化學硬化玻璃)，以及光學透明的晶體結構(例如藍寶石)。輸入裝置100和顯示裝置可共享實體元件。舉例來說，一些相同的電氣組件可用於顯示視覺資訊和用於輸入裝置100的輸入感測，例如使用一或多個顯示電極來進行顯示更新和輸入感測。作為另一示例，顯示螢幕可部分地或全部地由與輸入裝置100通信的處理系統110進行操作。
圖1B為顯示輸入裝置100包含指紋感測器205的方塊圖。指紋感測器205組態為擷取來自手指240的指紋的影像。指紋感測器205設置在覆蓋層212下方，其中覆蓋層212提供了一輸入表面，供指紋放置在指紋感測器205上或在指紋感測器205上掃滑。感測區域220可包含輸入表面，其面積大於、小於或類似於完整指紋的大小。指紋感測器205具有感測元件陣列，其具有組態以偵測手指240的表面變化的解析度。在某些具體實施例中，指紋感測器205可設置在顯示器的主動區域內。
圖2描繪了根據示例性具體實施例的用於互電容式感測的矽感測器的俯視圖。相對於用於互電容式感測的傳統BGA感測器，圖2所示的互電容式感測的矽感測器能夠實現更小的感測器間距(例如，50μm，或小於50μm，小至10μm(但應該理解，50μm通常對於指紋應用來說足夠小))。另外，相對於用於絕對電容感測的傳統矽感測器，圖2中所示的用於互電容式感測的矽感測器能夠實現更小的晶粒尺寸，同時提供相同的感測器陣列尺寸(例如，3.2毫米x 5毫米)，其至少節省25%的成本。舉例來說，在傳統的絕對電容感測器中，可能需要比感測器陣列尺寸大50%-100%的晶粒尺寸來容納此類感測器的電路，而在本申請案的示例性具體實施例中，晶粒尺寸可與感測器陣列尺寸大致相同，且電路配置在感測器陣列下方。
對於圖2中所示的矽感測器，晶粒尺寸對應於感測器主動區域(AA)201(對應於感測器陣列尺寸)和焊墊區域202，其中，舉例來說，感測器AA 201約為3.2mm x 5mm，且焊墊區域的尺寸約為3.2mm x 0.2mm，則整體晶粒尺寸約為3.2mm x 5.2mm。複數個電路可設置在感測器陣列下方，包含例如靜電放電(ESD)保護電路、類比前端、傳輸驅動器電路、電壓調節器、隨機存取記憶體(RAM)、快閃記憶體、控制電路、控制器(例如，微控制器單元(MCU)、數位信號處理器(DSP))、及/或其他電路。這些電路中的一些或全部可為處理系統(例如，如圖1A-1B中所繪示的處理系統100)的一部分。
圖3A描繪了根據示例性具體實施例的用於互電容式感測的矽感測器的側面截面示意圖。在此示例性具體實施例中，矽感測器包含七個金屬層，其包含發射器/接收器(Tx/Rx)電極層301(包含發射器和接收器電極)、Tx佈線層302(包含用於Tx電極的佈線跡線)、屏蔽層303(包含屏蔽結構)、和四個電路層304(包含主動電路)。金屬層由介電層隔開，且每一金屬層形成於一相應的介電層上。可使用標準的矽製造程序來形成圖3A所示的疊層，使得金屬層含有矽，且每一介電層的厚度可例如為約1μm。電路層304可包含前文結合圖2討論的複數個電路。屏蔽層303可例如為基本上實心的金屬層或網狀屏蔽層，其屏 蔽Tx/Rx電極層301的接收器電極免受來自電路層304的電路的能量及/或噪音的影響，從而阻止或減輕在沒有屏蔽層303的情況下這種能量及/或噪音對經由Tx/Rx電極層301的接收器電極獲得的結果信號的影響。
應當理解，儘管圖3A中描繪的示例性具體實施例和下文討論的其他示例性具體實施例係顯示為具有四個電路層304，但本申請案的示例性具體實施例並不限於此。在其他示例性具體實施例中，矽感測器可具有一或多個電路層。在一示例性實施方式中，矽感測器可具有例如三個或五個電路層。因此，應當理解，此處描述和討論的具有四個電路層的每一示例性具體實施例也可使用不同數量的電路層來實現。
圖3B繪示了圖3A所示的用於互電容式感測的矽感測器的俯視示意圖，其說明了Tx/Rx電極層301、Tx佈線層302、和屏蔽層303的元件。
在圖3B所繪示的示例中，在第一(垂直)方向上有九個發射器電極311，且在第二(水平)方向上有五個接收器電極321。應理解到，在其他示例性具體實施例中可使用其他陣列尺寸。舉例來說，代替9 Tx x 5 Rx陣列，其他陣列尺寸可包含64 x 100感測器網格。感測器陣列的尺寸可例如在12mm2至100mm2的範圍內。
每個發射器電極311包含設置在Tx/Rx電極層301中的複數個焊墊312、將Tx/Rx電極層301中的焊墊312連接到Tx佈線層302的複數個通孔313、以及將發射器電極311的通孔313彼此連接的佈線Tx佈線層302中的佈線跡線314。在感測器間距為50μm的示例性實施方式中，焊墊312的水平寬度可例如為接近50μm，在相鄰發射器電極311之間設有小間隙(例如，1μm)。舉例來說，每個焊墊312的垂直高度可在20-40μm的範圍內，且應當理解，在相應發射器電極的頂部和底部的邊緣焊墊312(其各自專用於僅一個相應的接收器電極321)可比中間焊墊312(其各自由兩個接收器電極321共享)短。另外，通孔尺寸和形狀在不同的實施方式中可能有所不同，其中在一示例中，通孔313可為圓形且具有範圍在0.5μm到數微米的直徑。佈線跡線314的寬度可例如為幾微米。
每個接收器電極321設置在Tx/Rx電極層301中，並且在發射器電極311的相鄰焊墊312之間的Tx/Rx電極層301的相應空間中與發射器電極311正交地延伸。舉例來說，每個接收器電極321的垂直寬度可在2-10μm的範圍內。接收器電極321和鄰近接收器電極的焊墊312之間的垂直距離也可例如在2-10μm的範圍內。不同的相鄰發射器電極311的相鄰焊墊312之間的水平距離可例如在0.1-10μm的範圍內。應當理解，所描述的這些尺寸僅為示例性的且可根據感測器最佳化而變化。
網狀屏蔽331設置在屏蔽層303中。網狀屏蔽331屏蔽Tx/Rx電極層301的接收器電極321免受來自屏蔽層303下方的電路層304的電路的能量及/或噪音303的影響。在某些示例性具體實施例中，相對於固體屏蔽層，圖3B所示的網狀屏蔽層可能是較佳的，以滿足標準金屬密度設計規則。舉例來說，網狀屏蔽可包含垂直和水平金屬線的陣列。在示例性實施方式中，標準金屬密度設計規則可提供70%的最大金屬密度、0.28μm的最小跡線寬度、和0.28μm的最小間距，且網狀屏蔽可用寬度為0.28μm的金屬線和間隔0.34μm的相鄰金屬線來實現。圖3C繪示了圖3A所示的用於互電容式感測的矽感測器的屏蔽層303的一部分的俯視示意圖，其中金屬線具有0.28μm的寬度，且其中相鄰的金屬線間隔0.34μm。
在具有圖3B所示的感測器電極配置和圖3A所示的電路配置的矽感測器裝置的操作期間，電路層304的傳輸驅動器電路可將感測信號驅動到發射器電極311上(用於相應發射器電極311的感測信號沿相應發射器電極311的焊墊312、通孔313和佈線跡線314傳輸)，並經由接收器電極321獲得相應的結果信號。結果信號可由部分或全部在電路層304中實現的處理系統進行處理，以獲得輸入物體在對應於圖3B所示的感測器陣列的感測區域中的影像。
圖3B所示的感測器電極配置的感測器間距(其對應於一感測像素的中心到相鄰感測像素的距離)可例如在50μm和70μm的範圍內。
通過使發射器電極311的焊墊312與也設置在頂層(Tx/Rx電極層301)上的接收器電極321一起設置在矽感測器裝置的頂層(Tx/Rx電極層301)上，根據本發明的示例性具體實施例，能夠實現增加的信號(以及因此而增加的信噪比(SNR))。此外，屏蔽層303的加入降低了噪音，進一步提高了SNR。
圖4A描繪了根據另一示例性具體實施例的用於互電容式感測的矽感測器的側視截面示意圖。在此示例性具體實施例中，矽感測器包含六個金屬層，其包含發射器/接收器(Tx/Rx)電極層401、發射器電極佈線/屏蔽層402、和四個電路層404。金屬層由介電層隔開，且每一金屬層形成於相應的介電層上。如上所述，標準矽製造程序可用於形成圖4A所示的疊層，使得金屬層含有矽，且每一介電質的厚度可例如為約1μm。電路層404可包含前文結合圖2討論的複數個電路。發射器電極佈線/屏蔽層402包含用作Tx/Rx電極層401的發射器電極的Tx佈線跡線的金屬元件，其中Tx佈線跡線的部分還提供對來自電路層404的電路的能量和/或噪音的屏蔽，從而阻止或減輕在沒有發射器電極佈線/屏蔽層402的屏蔽的情況下這種能量及/或噪音對通過Tx/Rx電極層401的接收器電極獲得的結果信號的影響。
圖4B繪示了圖4A所示的用於互電容式感測的矽感測器的俯視示意圖，其說明了Tx/Rx電極層401和Tx佈線/屏蔽層402的元件。
在圖4B所繪示的示例中，在第一(垂直)方向上有九個發射器電極411，且在第二(水平)方向上有五個接收器電極421。應當理解，在其他示例性具體實施例中可以使用其他陣列尺寸。舉例來說，取代9 Tx x 5 Rx陣列，其他陣列尺寸可包含64 x 100感測器網格。感測器陣列的尺寸可在例如12mm2至100mm2的範圍內。
每個發射器電極411包含設置在Tx/Rx電極層401中的複數個焊墊412、將Tx/Rx電極層401中的焊墊412連接到Tx佈線/屏蔽層402的複數個通孔413，以及將發射器電極411的通孔413彼此連接的Tx佈線/屏蔽層402中的佈線跡線414。在感測器間距為50μm的示例性實施方式中，焊墊412的水平寬度可例 如接近50μm，在相鄰發射器電極411之間有小間隙(例如，1μm)。每個焊墊412的垂直高度可例如在20-40μm的範圍內，且應當理解，在相應發射器電極的頂部和底部的邊緣焊墊412(其各自專用於僅一個相應的接收器電極421)可比中間焊墊412(其各自由兩個接收器電極421共享)短。另外，通孔尺寸和形狀在不同的實施方式中可能有所不同，其中在一示例中，通孔413可為圓形並具有範圍在0.5μm到數微米的直徑。佈線跡線414的寬度可例如為數微米。
每個接收器電極421設置在Tx/Rx電極層401中，並在發射器電極411的相鄰焊墊412之間的Tx/Rx電極層401的相應空間中與發射器電極411正交地延伸。舉例來說，每個接收器電極421的垂直寬度可在2-10μm的範圍內。接收器電極421和與接收器電極相鄰的焊墊412之間的垂直距離也可例如在2-10μm的範圍。不同的相鄰發射器電極411的相鄰焊墊412之間的水平距離可例如在0.1-10μm的範圍內。應當理解，這些描述的尺寸僅為示例性的，且可根據感測器最佳化而變化。
在圖4B所示的屏蔽配置中，每個佈線跡線414包含Tx佈線/屏蔽層402中的複數個屏蔽塊415。每個佈線跡線414的每個屏蔽塊415與相應的接收器電極421重疊，使得屏蔽塊415(其在Tx佈線/屏蔽層402中)設置在相應接收器電極421(其在Tx/Rx電極層401中)下方。屏蔽塊415的水平寬度可與發射器電極411的水平寬度相同，其在此具體實施例中對應於發射器電極411的焊墊412的水平寬度，且屏蔽塊415的垂直寬度可比相應的重疊接收器電極421的垂直寬度寬數微米(例如，寬1-5微米)。
假定圖4A所示的金屬層之間的介電厚度約為1μm，將屏蔽塊415的垂直寬度設定為比相應的重疊接收器電極421的垂直寬度寬幾μm就足以為接收器電極421提供屏蔽，使得來自電路層404的能量及/或噪音對接收器電極421的潛在影響得到實質的減輕或阻擋。
應當理解，發射器電極411具有來自驅動源的低阻抗，且不受來自電路層404的電路的干擾，使得不需要屏蔽來屏蔽發射器電極411的焊墊412免受電路層404的影響。
在圖4B中所示的具有感測器電極配置的矽感測器裝置及圖4A所示的電路配置的操作期間，電路層404的傳輸驅動器電路可將感測信號驅動到發射器電極411上(用於相應發射器電極411的感測信號沿著相應發射器電極411的焊墊412、通孔413、佈線跡線414和屏蔽塊415傳輸)，並通過接收器電極421獲得相應的結果信號。結果信號可由部分或全部實現在電路層404中的處理系統來處理，以獲得輸入物體在對應於圖4B所示的感測器陣列的感測區域中的影像。
圖4B中所示的感測器電極配置的感測器間距可例如在50μm到70μm的範圍內。
根據本發明的示例性具體實施例，通過使發射器電極411的焊墊412與同樣配置在頂層(Tx/Rx電極層401)上的接收器電極421一起配置在矽感測器裝置的頂層(Tx/Rx電極層401)上，可實現信號的增加(並且由此實現信噪比(SNR)的增加)。此外，加入Tx佈線/屏蔽層402中的屏蔽塊415可降低噪音，進一步增加了SNR。
圖4A-4B所示的矽感測器裝置配置比圖3A-3B所示的矽感測器裝置配置少了一個金屬層，因為圖4A-4B中所示的矽感測器裝置配置不使用專用的屏蔽層303，而是將屏蔽元件與Tx佈線元件結合在一起(在Tx佈線/屏蔽層402中)。在某些示例性具體實施例中，關於兩個矽感測器裝置配置的SNR性能是相當的，但是通過使用更少的金屬層，圖4A-4B所示的矽感測器裝置配置相對於圖3A-3B所示的矽感測器裝置配置能夠進一步實現節省約15%的晶粒成本。
圖5繪示了用於互電容式感測的矽感測器的示意俯視圖，其顯示了替代示例性具體實施例中的Tx/Rx電極層和Tx佈線/屏蔽層的元件。圖5所示的矽感測器裝置具有六個金屬層，其形成如圖4A所示的疊層。另外，圖5中所 示的感測器電極配置類似於圖4B所示的感測器電極配置(兩者都具有九個垂直發射器電極411/511，其具有焊墊412/512和通孔413/513和五個接收器電極421/521)，除了使用設置在Tx佈線/屏蔽層402中的寬佈線跡線514來用於每個發射器電極511，由此寬的佈線跡線514為接收器電極521提供屏蔽。因此，圖5的寬佈線跡線514執行圖4B的佈線跡線414的狹窄部分和佈線跡線414的屏蔽塊415兩者的功能。
寬佈線跡線514的寬度可例如與發射器電極511的焊墊512的寬度相同。設置在Tx佈線/屏蔽層402中的寬佈線跡線514可具有均勻的寬度，其跨越對應的發射器電極511的整個從上到下的長度，使得它與發射器電極511的每個焊墊512重疊。相應發射器電極511的寬佈線跡線514也與相應接收器電極521的相應部分重疊，以便為接收器電極521提供關於來自Tx佈線/屏蔽層402下方的電路層404的能量及/或噪音的屏蔽。
應當理解，在某些具體實施例中，關於圖5和圖4B中所示的矽感測器裝置的SNR性能可能相似，但相對於圖4B所示的矽感測器裝置，圖5所示的矽感測器裝置可能在發射器電極上承受更高的感測器負載。
圖6繪示了用於互電容式感測的矽感測器的頂部示意圖，其顯示了另一個替代示例性具體實施例中的Tx/Rx電極層的元件。圖6所示的矽感測器裝置可具有在如圖4A所示的疊層中六個金屬層、或具有在如圖3A所示的疊層中的七個金屬層。圖6所示的矽感測器裝置包含處於第一(水平)方向的複數個接收器電極621和處於第二(垂直)方向的複數個發射器電極611，每個相應的發射器電極611具有複數個互連的焊墊612(圖6中未示出用於焊墊612的通孔和佈線，其僅示出了頂部Tx/Rx電極層的元件)。圖6中所示的矽感測器裝置的通孔、佈線和屏蔽可根據前文描述和討論的圖3B、4B、或5的示例性具體實施例來配置。
在圖6所示的具體實施例中，每個接收器電極621不具有均勻的垂直寬度。相反地，每個接收器電極621包含與相應的發射器電極611對齊的複數個相對寬的部分(在本文中也稱作「接收器塊622」)，且相應的接收器電極 621的每個接收器塊622通過相應接收器電極621的相對較薄的部分來彼此連接。相應接收器電極621的相對薄的部分可具有範圍在例如2-10μm的垂直寬度，且接收器塊622的垂直寬度可比相對窄的部分寬例如5-10μm。舉例來說，在一示例性實施方式中，接收器電極621的相對較薄部分可具有4μm的垂直寬度，且接收器電極621的接收器塊622可具有10μm的垂直寬度。如圖6所示，接收器塊622的中心可垂直對齊於相應發射器電極611的中心，且基於感測器最佳化，接收器塊622的水平寬度可比相應發射器電極611的焊墊612的水平寬度更窄。舉例來說，接收器塊622的水平寬度可在10-40μm的範圍內(相對於接近50μm的發射器焊墊水平寬度)。
因此應當理解，圖6中所示的電極配置可與圖3B、4B、或5中所示的通孔/佈線/屏蔽配置結合使用。在圖6中所示的電極配置與圖4B所示的通孔/佈線/屏蔽配置一起使用的情況下，圖6所示的Tx/Rx電極層中的每一接收器塊與Tx佈線/屏蔽層中的相應屏蔽塊重疊，該屏蔽塊在所有方面都大於接收器塊(例如，在水平和垂直方向上寬數微米)，以提供足夠的屏蔽給相應的接收器塊。
在某些具體實施例中，相對於圖3B、4B和5中所示的均勻的薄接收器電極，具有圖6中所示的接收器塊622的接收器電極可提供增加的信號(從而增加SNR)。
應當理解，本文所描述和討論的示例性具體實施例僅為對發明原理的說明，且本發明不限於此。舉例來說，雖然圖3B、4B、5和6繪示了處於垂直定向的發射器電極和處於水平定向的接收器電極，但應當理解，可使用其他相對定向(例如，水平的發射器電極和垂直的接收器電極)。為了提供另一示例，儘管說明性具體實施例中所示的電極形狀大部分是矩形的，但應當理解，可使用其他形狀(例如具有圓角、菱形形狀、或其他變體的焊墊和塊)。
還將理解到，儘管本文描述和討論的示例性具體實施例關於矽感測器(即，感測器電極包含在晶粒中的感測器)，但本文討論的原理不限於 此，且也可應用在感測器電極位於晶粒外部的感測器裝置。舉例來說，如BGA感測器的非矽感測器和可撓性感測器也可使用如圖3A-3B所示的屏蔽層，及/或可從具有如圖4A-4B及圖5所示的組合式Tx佈線/屏蔽層中獲益。
藉由參照如同每個參考資料皆個別且具體指示併入作為參考並於文中完整闡述的相同程度，特此併入文中所引述的所有參考資料(包括出版品、專利申請案、及專利)。
在說明所揭示內容之示例性具體實施例之上下文中(尤其是在下列諸申請專利範圍之上下文中)使用該等用語「一」(a)和「一」(an)和「該」(the)和「至少一者」(at least one)及相似參照者，應理解為涵蓋該單數和該複數兩者，除非文中另有指示或與上下文明顯抵觸。使用該用語「至少一者」(at least one)接著係一個或多個項目之列表(例如「A和B中至少一者」(at least one of A and B))，應理解為意指從該等所列出項目(A或B)中選擇的一個項目或該等所列出項目(A和B)之兩個或多個之任何組合，除非文中另有指示或與上下文明顯抵觸。該等用語「包含」(comprising)、「具有」(having)、「包括」(including)、及「含有」(containing)應理解為開端式用語(即意指「包括但不限於」(including,but not limited to))，除非另有註明。文中詳述各值之範圍僅欲用作個別指稱落於該範圍內的每個分開值之簡寫方法，除非文中另有指示，且每個分開值皆如同其於文中個別所陳述併入本說明書中。文中所說明的所有方法皆可以任何合適次序進行，除非文中另有指示亦或與上下文明顯抵觸。使用文中所提供的任何及所有範例或示例性語言(如「例如」(such as))僅欲更好例示所揭示內容之該等示例性具體實施例，且並未對所揭示內容之範疇構成限制，除非另有主張。本說明書中的任何語言皆不應理解為指示任何非主張要素為至關重要。
文中說明此揭示內容之某些具體實施例。對此領域一般技術者而言，在閱讀前述說明後，那些具體實施例之變化例即可變得顯而易見。應可預期熟練技工可適當採用這樣的變化例，並可用與文中具體所說明不同的方式 實作所揭示內容之示例性具體實施例。據此，此揭示內容設想如適用法律所許可在此所附諸申請專利範圍中所陳述主旨之所有修飾例和相等物。而且，所揭示內容設想該等以上所說明其所有可變化例中的要素之任何組合，除非文中另有指示亦或與上下文明顯抵觸。
301:Tx/Rx電極層
302:Tx佈線層
303:屏蔽層
304:電路層

Claims (17)

  1. 一種矽感測器裝置，包含：
    複數個金屬層；以及
    複數個介電層，其中該複數個金屬層中的每一者設置在一相應介電層上，且其中該複數個金屬層中的每一者藉由一相應介電層與一相鄰金屬層隔開；
    其中該複數個金屬層包含：
    一第一金屬層，其包含複數個發射器電極和複數個接收器電極；
    一第二金屬層，其設置在該第一金屬層下方，其中該第二金屬層包含用於該複數個發射器電極的複數個佈線跡線；以及
    一或多個電路層，其設置在該第二金屬層下方；
    其中用於一相應發射器電極的一相應佈線跡線係組態以屏蔽對應於該相應發射器電極的一寬度的該複數個接收器電極的多個相應部分免受源自該一或多個電路層的能量及/或噪音的影響；以及
    其中該複數個金屬層和該複數個介電層設置在同一晶粒上。
  2. 如請求項1所述之矽感測器裝置，其中用於該相應發射器電極的該相應佈線跡線包含複數個窄部分和複數個寬部分，其中該複數個寬部分中的每一個設置在一相應接收器電極的一部分之下且組態以屏蔽該相應接收器電極的該部分免受源自該一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。
  3. 如請求項2所述之矽感測器裝置，其中該相應佈線跡線的一相應寬部分大於該相應接收器電極被其屏蔽的該部分。
  4. 如請求項2所述之矽感測器裝置，其中該相應發射器電極包含在該第一金屬層中的複數個焊墊，且其中該等焊墊的一寬度與該相應佈線跡線的該等寬部分的一寬度實質相同。
  5. 如請求項1所述之矽感測器裝置，其中用於該相應發射器電極的該相應佈線跡線具有對應於該相應發射器電極的該寬度的一實質均勻寬度。
  6. 如請求項5所述之矽感測器裝置，其中該相應發射器電極包含在該第一金屬層中的複數個焊墊，且其中該等焊墊的一寬度為該相應發射器電極的該寬度。
  7. 如請求項1所述之矽感測器裝置，更包含：
    複數個通孔，其設置在該第一金屬層和該第二金屬層之間的一介電層中，其中該複數個通孔將該第一金屬層中的該複數個發射器電極連接至該第二金屬層中的該複數個佈線跡線。
  8. 如請求項1所述之矽感測器裝置，其中該一或多個電路層包含至少三個電路層。
  9. 如請求項1所述之矽感測器裝置，其中該一或多個電路層包含：一靜電放電(ESD)保護電路、一類比前端、一傳輸驅動器電路、一電壓調節器、一隨機存取記憶體(RAM)、一快閃記憶體、控制電路、及/或控制器。
  10. 一種輸入感測裝置，包含：
    複數個感測器電極，其包含複數個發射器電極和複數個接收器電極；
    用於該複數個發射器電極的複數佈線跡線；以及
    一處理系統，其耦合至該複數個感測器電極，其中該處理系統組態以藉由將多個感測器信號驅動到該複數個發射器電極上並經由該複數個接收器電極獲得多個結果信號來獲得在一感測區域中的一輸入物體的一影像；
    其中該複數個發射器電極和該複數個接收器電極設置在該輸入感測裝置的一第一金屬層上；
    其中該複數個佈線跡線設置在該輸入感測裝置的一第二金屬層上，該第二金屬層設置在該第一金屬層下方；
    其中該處理系統的至少一部分設置在一或多個電路層上，該一或多個電路層設置在該第二金屬層下方；
    其中用於一相應發射器電極的一相應佈線跡線係組態以屏蔽對應於該相應發射器電極的一寬度的該複數個接收器電極的多個相應部分免受源自該一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。
  11. 如請求項10所述之輸入感測裝置，其中用於該相應發射器電極的該相應佈線跡線包含複數個窄部分和複數個寬部分，其中該複數個寬部分中的每一個設置在一相應接收器電極的一部分之下且組態以屏蔽該相應接收器電極的該部分免受源自該一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。
  12. 如請求項10所述之輸入感測裝置，其中用於該相應發射器電極的該相應佈線跡線具有對應於該相應發射器電極的該寬度的一實質均勻寬度。
  13. 如請求項10所述之輸入感測裝置，更包含：
    複數個通孔，其設置在該第一金屬層和該第二金屬層之間的一介電層中，其中該複數個通孔將該第一金屬層中的該複數個發射器電極連接至該第二金屬層中的該複數個佈線跡線。
  14. 一種感測器裝置，包含：
    複數個金屬層；以及
    複數個介電層，其中該複數個金屬層中的每一者設置在一相應介電層上，且其中該複數個金屬層中的每一者藉由一相應介電層與一相鄰金屬層隔開；
    其中該複數個金屬層包含：
    一第一金屬層，其包含複數個發射器電極和複數個接收器電極；
    一第二金屬層，其設置在該第一金屬層下方，其中該第二金屬層包含用於該複數個發射器電極的複數個佈線跡線；以及
    一或多個電路層，其設置在該第二金屬層下方；
    其中用於一相應發射器電極的一相應佈線跡線係組態以屏蔽對應於該相應發射器電極的一寬度的該複數個接收器電極的多個相應部分免受源自該一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。
  15. 如請求項14所述之感測器裝置，其中用於該相應發射器電極的該相應佈線跡線包含複數個窄部分和複數個寬部分，其中該複數個寬部分中的每一個設置在一相應接收器電極的一部分之下且組態以屏蔽該相應接收器電極的該部分免受源自該一或多個電路層的能量及/或噪音的影響。
  16. 如請求項14所述之感測器裝置，其中用於該相應發射器電極的該相應佈線跡線具有對應於該相應發射器電極的該寬度的一實質均勻寬度。
  17. 如請求項14所述之感測器裝置，更包含：
    複數個通孔，其設置在該第一金屬層和該第二金屬層之間的一介電層中，其中該複數個通孔將該第一金屬層中的該複數個發射器電極連接至該第二金屬層中的該複數個佈線跡線。
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