TWI431537B - 主動式生物特徵感測器及使用其之電子裝置 - Google Patents

Description

主動式生物特徵感測器及使用其之電子裝置

本發明係關於一種主動式生物特徵感測器及使用其之電子裝置，且特別是有關於一種利用主動式振動波來偵測生物特徵的感測器及使用其之電子裝置。

傳統的生物特徵感測器(譬如是指紋感測器)感測的方法有幾種，例如光學的感測原理，其缺點為無法有效感測乾手指及髒汙，而且需要一光學照明及成像系統，不僅消耗功率高且體積龐大。另外最常見的就是利用電容量測的半導體晶片，其優點是功耗小且體積小，但缺點為無法感測濕手指。另外有利用壓力感測的方式，其特點是必須要提供一容易受壓變形的結構，但是手指按壓此感測器的力道必須足夠。若手指接觸此感測器的力道不夠或沒有按壓到此感測器，則無法得到好的感測結果。另外以上技術都無法感測皮下組織，作為更多生物資訊的收集。另外一種方法是利用紅外線感測皮下血管的技術，可以解決上述的量測缺點，惟複雜的光學系統使其體積，功耗及價格都不易普及應用。

為解決以上所有問題，本發明將提供一主動式生物特徵感測器，達到低功耗、體積小，不僅可以偵測表面的生物特徵，例如指紋，更可能偵測皮下的生物特徵，例如血管等資訊。

因此，本發明之一個目的係提供一種低功耗、體積小、並能有效感測表面及皮下的生物特徵且不受距離大幅影響的主動式生物特徵感測器及使用其之電子裝置。

為達上述目的，本發明提供一種主動式生物特徵感測器包含一第一載體、一固定第一電極、一懸浮第二電極、一支撐結構以及一驅動訊號產生器。第一電極設置於第一載體。第二電極設置成面對第一電極。支撐結構隔開第一電極及第二電極，以使第一電極及第二電極形成一容置空間。訊號產生器輸出一驅動訊號至第一電極或第二電極，以使第二電極產生第一振動波。第一振動波受一生物特徵干擾而轉變成第二振動波。

此外，本發明亦提供一種使用前述主動式生物特徵感測器之電子裝置。

藉由本發明之上述主動式生物特徵感測器，可以達成主動感測的功能，對於按壓力道不夠的手指的指紋仍能有相當好的感測效果。值得注意的是，由於主動感測的特徵，故可以增加一個休眠及喚醒控制模組，使主動偵測的第一振動波不用持續發出。或者，亦可增加一個感測功能以感測第一電極與第二電極之電容，以整合主動與被動偵測的功能。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1A顯示依據本發明第一實施例之主動式生物特徵感測器之示意圖。如圖1A所示，本實施例之主動式生物特徵感測器1包含一第一載體10、一固定第一電極20、一懸浮第二電極40、一支撐結構(或稱間隔層)50以及一驅動訊號產生器30。

第一電極20設置於第一載體10。第一載體10可以有好幾種架構，例如在本實施例中，特別是具有積體電路整合的半導體基板，例如矽基板，加上製作於其內部的電晶體元件及其上方的電路結構，也可以構成本發明的第一載體10。當然第一載體10也可以是例如絕緣材料，例如玻璃、陶瓷或高分子基板等等。第一電極可以是例如積體電路製程中的最後一道金屬導體層，亦或者額外添加的導體層，第二電極40設置成面對第一電極20，第二電極40可以是整體為單一導體材料，例如是低阻值的矽，藉由與SiO₂ 間隔層50之間利用接合技術及相關研磨蝕刻所形成的薄膜結構，在本實施例中兩者係透過低溫接合方式(low temperature fusion bonding)形成具有氫鍵強度的介面。當然在形成低溫接合之前，更可以包括水清洗及例如低濃度氫氟酸以去除第二電極表面的氧化層(HF dip)，為了達到表面活化，更可以包括表面電漿(plasma)處理，例如暴露在氧氣(O₂ )及氮氣(N₂ )的電漿環境下，而且為了讓接合的表面有很好的平坦度，更可以利用化學機械研磨法(CMP)將待接合的表面予以拋光及拋平。

如果第一載體10內設置有電晶體及電路元件，則之後所提供的退火溫度(anneal temperature)便只能在低於500℃的環境下形成高鍵結強度的共價鍵於間隔層50及第二電極40之間。

然而，間隔層50與第二電極40除了上述的直接接合方式外，也可以在各間隔層50上設置有一第一中間材料層51，並且於第二電極40下設置一第二中間材料層41，再藉由第二中間材料層41接合第一中間材料層51的方式，將第二電極40固設於間隔層50上，如圖1B所示。其中，第一中間材料層51或第二中間材料層41係可分別為鋁和鍺或者矽和金，例如鋁和鍺可以在約420℃形成共晶接合(eutectic bonding)，並且這兩種材料與CMOS製程相容，更適合應用於本實施例具有積體電路整合的設計。另外，間隔層50以及第二電極40之間也可以僅僅設置一第三中間材料層45來進行接合，如圖1C所示，此第三中間材料層45則可為玻璃熔塊(glass frit)、高分子膠合層及其他黏合材料等等。

於另一實施例中，間隔層50譬如是由金屬所構成，特別是由金(Au)所構成，或者是由複合金屬結構(例如镍和金之複合結構)所構成，第二電極40亦可以設置於一第二載體70上，如圖1D所示。第二載體70及第二電極40之組合例如是軟性電路板，其係由金屬線路所形成之第二電極40及譬如聚亞醯胺(polyimide)之高分子材料層70所形成。金屬線路及高分子材料層可以是單層或多層，關於軟性電路板的結構及材料為習知技術，在此不贅述。而軟性電路板及金凸塊的接合為習知技術，在此不贅述。

由於這種結構係類似於第一載體10與第一電極20之組合結構，故於此不再詳述及繪示出。

間隔層50隔開第一電極20及第二電極40，以使第一電極20及第二電極40形成一容置空間55。於本實施例中，間隔層50連接第一載體10及第二電極40，並設置於第一載體10及第二電極40之間。

驅動訊號產生器30輸出一驅動訊號(譬如是驅動電壓訊號)S1至第一電極20或第二電極40，由於靜電力的關係，屬於懸浮結構之第二電極40會被第一電極20吸引以改變其與第一電極20之距離。如果以某一特定頻率驅動，則第二電極40會因此產生一特定頻率的振動，因而對外界輸出第一振動波W1，該振動波的頻率可以因應用而改變，甚至操作於超音波的頻率，更可以藉由將屬於懸浮結構之第二電極40的共振頻率設計成與驅動訊號S1的頻率相同，這樣可以達到最省功耗及最大靈敏度。第一振動波W1受一生物特徵F干擾或因為相位的改變或因為振幅的改變，而轉變成第二振動波W2。於第一實施例中，驅動訊號產生器30係電連接至第二電極40，用以輸出驅動訊號S1至第二電極40，以使第二電極40產生第一振動波W1。第一振動波W1受生物特徵F干擾而轉變成第二振動波W2。

於本發明中，生物特徵係為皮膚表層或其皮下生物特徵，例如表皮指紋、真皮紋路或皮下血管紋路等等。而為了達到可以偵測皮下特定的生物特徵，例如血管紋路，可能需要操作於特定的頻率，以避開皮膚表層的干擾，通常超音波的頻率可以達到此功能，因此本發明之主動式結構也可用於非接觸型及接觸型的感測。於本實施例中，係以手指F的指紋(包含紋峰FR及紋谷FV)當作生物特徵來說明。

值得注意的是，第一電極20、第二電極40及讀取電路60構成一感測元5。此外，主動式生物特徵感測器1之每一感測元5的第一電極20更可以電連接至一讀取電路60，用以讀取每一對第一電極20與第二電極40之間的訊號變化而獲得一感測訊號S2，感測訊號S2對應於生物特徵F與生物特徵感測器1之特定資訊，譬如是距離資訊。如果感測元5沒有受到紋峰干擾，則讀取電路60透過第一電極20讀取到的訊號應該是與第一振動波W1相同的相位及振幅訊號；反之如果受到干擾，則讀取電路60透過第一電極20讀取到的訊號則會有相位或振幅的變化而獲得感測訊號S2，由於指紋的紋峰FR跟紋谷FV與第二電極的距離不同，故可對第一振動波W1產生不同的干擾，從而使第二振動波W2有所差異，從而獲得紋峰FR跟紋谷FV之間的距離的差異資訊。

生物特徵感測器1可以依應用設計成二維陣列或一維陣列的架構，所以生物特徵感測器1可以更包含(N-1)個感測元5，也就是生物特徵感測器1總共包含N個感測元5，N個感測元5排成一陣列，其中N係為大於或等於2的正整數。

值得注意的是，訊號產生器也可以電連接至第一電極，而控制電路可以電連接至第二電極。圖2顯示第一電極與第二電極之相對運動狀態之一種模式。如圖2所示，第一電極20相對固定，例如操作在共振模式下，則第二電極40可以上下振動以產生第一振動波W1。

圖3顯示依據本發明之生物特徵感測器之每一感測元包含電路架構之一實施例。如圖3所示，電容C1代表第一電極20與第二電極40之間的電容，而電容C2為一參考電容。於本實施例中，讀取電路60包含一運算放大器OP，透過運算放大器OP的連接方式，將第一電極20連接於該OP的負輸入端，而該OP的正輸入端則電連接至一接地電位或者一固定電壓，由於OP的特性，其兩輸入端視為等電位，因此該第一電極20也視為接地電位，因此當輸入一驅動訊號S1於第二電極40時，兩者會因電壓差產生的靜電力將懸浮的第二電極40吸往第一電極20，因而使得兩者間的距離變近，因而使電容值C1變大。透過OP及參考電容C2的轉換，可以在OP的輸出端得到一對應的S2訊號。因此，如果輸入的S1是固定周期變化，則沒有受到干擾的感測元其S2輸出也將是與S1相同相位的輸出，且兩者的振幅關係為S2=S1*C1/C2。如果感測元受干擾，例如手指紋峰接觸，則C1值將受干擾使得輸出的S2產生變化。

圖4與5顯示依據本發明之生物特徵感測器之應用。如圖4所示，生物特徵感測器1可以被應用在筆記型電腦2，例如做為指紋輸入裝置，或者利用手指移動以控制滑鼠游標3的移動及相關的按鍵功能。如圖5所示，生物特徵感測器1可以被應用在行動裝置，例如電話4，以達到相同於前述之功能，藉以控制行動電話4的軟體及硬體相關操作。其中，作為指向裝置之生物特徵感測器1利用可以取代傳統機械操作裝置的方向選取及按壓選取，更可以提供左擊、右擊、雙軸捲動、放大、縮小、切換、雙擊(Double click)，以及長按超過一預定時間後進入預設應用程式等功能。當然除了上述筆記型電腦2及行動電話4之應用外，本發明生物特徵感測器1更可以被應用在任何需要指紋輸入裝置或指向性裝置的電子裝置。因此，本發明更提供一種具有前述生物特徵感測器1之電子設備，以控制此電子設備之操作。

因此，本發明之電子裝置2/4包含一感測裝置(生物特徵感測器)1、一顯示模組22/42及一處理模組23/43。如第5圖所示，感測裝置1係被裝設於筆記型電腦2中，處理模組23(可為中央處理器，CPU)再根據具有表面紋路分佈之物體(如物體5，在此為手指)在感測裝置1上移動所造成多點變形的變化，來控制應用程式(如游標3的移動或人機介面)，並控制顯示模組22對應顯示應用程式之畫面(如人機介面之畫面)。如第6圖所示，感測裝置1係被裝設於行動電話4中，並以上述的方式操作行動電話4之顯示模組42。更有甚者，在本應用例子，感測裝置1可以不只當作游標3移動的控制或螢幕畫面的切換等等功能，也可以提供壓力感測，甚至當作取代機械式的按鈕使用。除此之外，感測裝置也可以藉以讀取足夠的手指紋路資訊做為生物辨識使用，甚至手指皮膚以下之其他生物資訊以做為醫療或生物辨識使用。

因此，本發明更提供一種電子裝置，其包含前述之主動式生物特徵感測器1、一處理模組23/43以及一顯示模組22/42。處理模組23/43電連接至主動式生物特徵感測器1，用以接收感測訊號S2，並處理及判別感測訊號S2在至少一特定應用程式的實質意涵，譬如根據生物特徵F在主動式生物特徵感測器1上移動所造成多點變形的變化來控制一應用程式。至少一特定應用程式的實質意涵包含生物特徵辨識或滑鼠游標移動。顯示模組22/42電連接至處理模組23，用以顯示對應應用程式之一畫面。

藉由本發明之上述主動式生物特徵感測器，可以達成主動感測的功能，對於按壓力道不夠的手指的指紋仍能有相當好的感測效果。值得注意的是，由於主動感測的特徵，故可以增加一個休眠及喚醒控制模組，使主動偵測的第一振動波不用持續發出。或者，亦可增加一個感測功能以感測第一電極與第二電極之電容，以整合主動與被動偵測的功能。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。

C1．．．電容

C2．．．電容

F．．．手指/生物特徵

FV．．．紋谷

FR．．．紋峰

OP．．．運算放大器

S1．．．驅動訊號

S2．．．感測訊號

W1．．．第一振動波

W2．．．第二振動波

1．．．生物特徵感測器

2．．．筆記型電腦

3．．．滑鼠游標

4．．．行動電話

5．．．感測元

10．．．第一載體

20．．．第一電極

22．．．顯示模組

23．．．處理模組

30．．．驅動訊號產生器

40．．．第二電極

41．．．第二中間材料層

42．．．顯示模組

43．．．處理模組

45．．．第三中間材料層

50．．．支撐結構/間隔層

51．．．第三中間材料層

55．．．容置空間

60．．．讀取電路

70．．．第二載體

圖1A顯示依據本發明第一實施例之主動式生物特徵感測器之示意圖。

圖1B顯示第二電極與間隔層之一種結合方式。

圖1C顯示第二電極與間隔層之另一種結合方式。

圖1D顯示第二載體及第二電極之組合。

圖2顯示第一電極與第二電極之相對運動狀態之一種模式。

圖3顯示依據本發明之生物特徵感測器之每一感測元架構之一實施例。

圖4與5顯示依據本發明之生物特徵感測器之應用。

F．．．手指/生物特徵

FV．．．紋谷

FR．．．紋峰

S1．．．驅動訊號

S2．．．感測訊號

W1．．．第一振動波

W2．．．第二振動波

1．．．生物特徵感測器

5．．．感測元

10．．．第一載體

20．．．第一電極

30．．．訊號產生器

40．．．第二電極

50．．．支撐結構/間隔層

55．．．容置空間

60．．．讀取電路

Claims (12)

1. 一種主動式生物特徵感測器，至少包含：一第一載體；一固定第一電極，設置於該第一載體；一懸浮第二電極，設置成面對該第一電極；一支撐結構，隔開該固定第一電極以及該懸浮第二電極，以使該固定第一電極及該懸浮第二電極形成一容置空間；以及一驅動訊號產生器，輸出一驅動訊號至該第一電極或該第二電極，以使該懸浮第二電極產生第一振動波，該第一振動波受一生物特徵干擾而轉變成第二振動波。
2. 如申請專利範圍第1項所述之主動式生物特徵感測器，更包含：一讀取電路，電連接至該第一電極或該第二電極，用以接收該第二振動波而獲得一感測訊號，該感測訊號對應於該生物特徵與該生物特徵感測器之特定資訊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之主動式生物特徵感測器，其中該讀取電路讀取該第一電極與該第二電極之間的訊號變化而獲得該感測訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之主動式生物特徵感測器，其中該讀取電路包含一運算放大器，該第一電極連接於該運算放大器之一負輸入端，該運算放大器之一正輸入端電連接至一接地電位，該運算放大器之一輸出端係透過一參考電容而電連接至該運算放大器之該負輸入端，該運算放大器之該輸出端輸出該感測訊號。
5. 如申請專利範圍第2項所述之主動式生物特徵感測器，其中該特定資訊對應至該感測訊號之振幅變化或相位變化。
6. 如申請專利範圍第2項所述之主動式生物特徵感測器，其中該讀取電路係以分時的方式輸出該驅動訊號以及獲得該感測訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之主動式生物特徵感測器，更包含：一第一中間材料層，設置於該支撐結構上；一第二中間材料層，設置於該第二電極下，該第二中間材料層接合該第一中間材料層。
8. 如申請專利範圍第1項所述之主動式生物特徵感測器，其中該第一載體內設置有一電路元件。
9. 如申請專利範圍第8項所述之主動式生物特徵感測器，其中該支撐結構與該第二電極形成有共價鍵。
10. 如申請專利範圍第2項所述之主動式生物特徵感測器，其中該第一電極、該第二電極及該讀取電路構成一感測元，且該生物特徵感測器更包含(N-1)個感測元，該N個感測元排成一陣列，其中N係為大於或等於2的正整數。
11. 一種電子裝置，至少包含：一主動式生物特徵感測器，至少包含：一第一載體；一固定第一電極，設置於該第一載體；一懸浮第二電極，設置成面對該第一電極；一支撐結構，隔開該固定第一電極以及該懸浮第二電極，以使該固定第一電極及該懸浮第二電極形成一容置空間；一驅動訊號產生器，輸出一驅動訊號至該第一電極或該第二電極，以使該懸浮第二電極產生第一振動波，該第一振動波受一生物特徵干擾而轉變成第二振動波；及一讀取電路，電連接至該第一電極或該第二電極，用以接收該第二振動波而獲得一感測訊號，該感測訊號對應於該生物特徵與該生物特徵感測器之特定資訊；一處理模組，電連接至該主動式生物特徵感測器，用以接收該感測訊號，並處理及判別該感測訊號在至少一特定應用程式的實質意涵；以及一顯示模組，電連接至該處理模組，用以顯示對應該應用程式之一畫面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電子裝置，其中該至少一特定應用程式的實質意涵包含生物特徵辨識或滑鼠游標移動。