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集成式振波發射感測元及感測陣列及電子設備及制造方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201610322296.8

申請日:

2016.05.16

公開號:

CN106257485A

公開日:

2016.12.28

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G06K 9/00申請日:20160516|||公開
IPC分類號: G06K9/00; H03K17/955 主分類號: G06K9/00
申請人: 李美燕
發明人: 吳憲明
地址: 中國臺灣新竹市建中一路29號10樓之1
優先權: 2015.06.22 TW TW104119915
專利代理機構: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100 代理人: 趙郁軍;張衛華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201610322296.8

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2017.01.25|||2016.12.28

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種集成式振波發射感測元、使用其的感測陣列及電子設備及其制造方法,集成式振波發射感測元包括:一基板;一振波感測元,位于基板上,具有一腔室;一振波發射元,位于基板上方,并連接至振波感測元,振波發射元產生一第一振動波,朝上傳遞的第一振動波遇到接近振波發射元的一物體的一個或多個接口,并被物體的一個或多個接口反射而產生一第二振動波,振波感測元感測第二振動波的性質,或感測第二振動波與第一振動波的干涉波而產生一感測信號。亦揭露相關感測陣列、電子設備及制造方法。

權利要求書

1.一種集成式振波發射感測元,其特征在于,包括:
一基板;
一振波感測元,位于所述基板上,并具有一腔室;以及
一振波發射元,位于所述基板上方,并連接至所述振波感測元,所述振波
發射元產生一第一振動波,朝上傳遞的所述第一振動波遇到接近所述振波發射
元的一物體的一個或多個接口,并被所述物體的所述一個或多個接口反射而產
生一第二振動波,所述振波感測元感測所述第二振動波的性質,或感測所述第
二振動波與所述第一振動波的干涉波而產生一感測信號。
2.如權利要求1所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述振波
感測元包括:
一第一電極,位于所述基板上;
一間隔層,位于所述基板上;以及
一第二電極,位于所述基板上,所述第二電極面對所述第一電極,且所述
第二電極、所述第一電極與所述間隔層之間形成有所述腔室,所述第一電極與
所述第二電極形成一感測電容,所述第二電極可朝向靠近及遠離所述第一電極
的方向振動。
3.如權利要求2所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述第二
振動波朝下傳遞,干擾了所述第二電極與所述第一電極之間的所述感測電容的
變化而產生所述感測信號。
4.如權利要求2所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述第二
振動波朝下傳遞,并與朝下傳遞的所述第一振動波產生干涉而產生干涉波,所
述第二電極與所述第一電極通過所述感測電容的變化測量所述干涉波而產生
所述感測信號。
5.如權利要求2所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述基板
包括:
一基底;以及
一感測電路,位于所述基底上,并電連接至所述第一電極以及所述第二電
極,用于接收并處理所述感測信號;以及
一基板絕緣層,位于所述基底與所述感測電路上,并位于所述感測電路與
所述第一電極之間。
6.如權利要求2所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述振波
發射元包括:
一底電極,位于所述第二電極上方;
一壓電層,位于所述底電極上;以及
一頂電極,位于所述壓電層上,所述頂電極及所述底電極連接至一驅動信
號而使所述壓電層振動,進而使所述第二電極產生所述第一振動波。
7.如權利要求6所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述頂電
極與所述壓電層的一接觸區為一圓形或方形環狀區,所述底電極與所述壓電層
的一接觸區為一圓形區或矩形區。
8.如權利要求2所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述腔室
中為真空。
9.如權利要求2所述的集成式振波發射感測元,其特征在于,所述振波
感測元與所述振波發射元共用一個電極。
10.一種集成式振波發射感測陣列,其特征在于,包括:
多個如權利要求2所述的集成式振波發射感測元,排列成一個陣列,其中
所述的多個集成式振波發射感測元共用所述基板及所述第二電極。
11.一種電子設備,其特征在于,包括:
多個如權利要求1所述的集成式振波發射感測元,排列成一個陣列;
一驅動信號源,連接至所述的多個振波發射元,用于驅動各所述振波發射
元振動;
一振波傳遞層,設置于所述的多個振波發射元上,用于傳遞各所述第一振
動波;以及
一蓋板,覆蓋于所述振波傳遞層上,其中所述物體的所述一個或多個接口
是與所述蓋板接觸或接近。
12.如權利要求11所述的電子設備,其特征在于,還包括一顯示器,設
置于所述的多個集成式振波發射感測元的一側,所述蓋板覆蓋所述顯示器。
13.如權利要求11所述的電子設備,其特征在于,還包括一控制器,電
連接至所述驅動信號源及各所述集成式振波發射感測元,并具有調整各所述第
一振動波的頻率的功能,以適用多種感測模式。
14.如權利要求13所述的電子設備,其特征在于,所述控制器控制所述
驅動信號源及各所述集成式振波發射感測元感測所述第二振動波與所述第一
振動波干涉所產生的干涉波。
15.如權利要求13所述的電子設備,其特征在于,所述控制器控制所述
驅動信號源于一第一時間點發射各所述第一振動波后停止,并控制各所述集成
式振波發射感測元于各所述第一振動波停止后感測到所述第二振動波的第二
時間點,并將所述第一時間點與各所述第二時間點的差值轉換成距離信號,其
中所述控制器依據所述距離信號及所述感測信號獲得一物體接口信號。
16.如權利要求15所述的電子設備,其特征在于,所述控制器更依據所
述距離信號及所述感測信號獲得所述的多個接口中的各所述接口與所述振波
感測元的距離信息。
17.一種集成式振波發射感測元的制造方法,其特征在于,包括:
提供一感測元初始結構,具有:一基板;一第一電極,位于所述基板上;
以及一間隔層,位于所述基板上;
提供一載體基板,包括:一第一硅基板;一絕緣層,位于所述第一硅基板
上;及一第二硅基板,位于所述絕緣層上;
將所述載體基板的所述第一硅基板接合至所述間隔層,使所述第一硅基
板、所述第一電極與所述間隔層之間形成一腔室;
移除所述第二硅基板;以及
于所述絕緣層上形成一振波發射元,所述振波發射元對應于所述腔室。
18.一種集成式振波發射感測陣列的制造方法,其特征在于,包括:
提供一感測元陣列初始結構,具有:一基板;多個第一電極,位于所述基
板上;以及一間隔層,位于所述基板上;
提供一載體基板,包括:一第一硅基板;一絕緣層,位于所述第一硅基板
上;及一第二硅基板,位于所述絕緣層上;
將所述載體基板的所述第一硅基板接合至所述間隔層,使所述第一硅基
板、各所述第一電極與所述間隔層之間形成一腔室;
移除所述第二硅基板;以及
于所述絕緣層上形成多個振波發射元,所述的多個振波發射元分別對應于
所述的多個腔室。
19.一種電子設備的制造方法,其特征在于,包括:
提供一感測元陣列初始結構,具有:一基板;多個第一電極,位于所述基
板上;以及一間隔層,位于所述基板上;
提供一載體基板,包括:一第一硅基板;一絕緣層,位于所述第一硅基板
上;及一第二硅基板,位于所述絕緣層上;
將所述載體基板的所述第一硅基板接合至所述間隔層,使所述第一硅基
板、各所述第一電極與所述間隔層之間形成一腔室;
移除所述第二硅基板;
于所述絕緣層上形成多個振波發射元,所述的多個振波發射元分別對應于
所述的多個腔室;
于所述的多個振波發射元上形成一振波傳遞層;以及
于所述振波傳遞層上覆蓋一蓋板。
20.如權利要求19所述的制造方法,其特征在于,還包括:
于所述振波傳遞層的一側設置一顯示器;以及
將所述蓋板覆蓋于所述顯示器上。

說明書

集成式振波發射感測元及感測陣列及電子設備及制造方法

技術領域

本發明涉及一種發射感測元、使用其的感測陣列及電子設備及其制造方
法,且特別涉及一種集成式振波發射感測元、使用其的感測陣列及電子設備及
其制造方法。

背景技術

傳統的生物特征傳感器(譬如是指紋傳感器)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干手指及臟污,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,不利整合于現在的電子產品輕、薄、短、
小及低功耗的需求。另外一種常見的就是利用電容/電場量測的半導體芯片,
其優點是功耗小且體積小,但缺點為無法感測濕手指,并且不易辨別一種利用
導電材料所制作的假手指,這對于越來越多以指紋認證所規劃的移動支付交
易,很容易產生造假的犯罪行為。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,但是手指按壓此傳感器的力道必須足夠。若手
指接觸此傳感器的力道不夠或沒有按壓到此傳感器,則無法得到好的感測結
果。除了以上相關技術的個別缺點外,以上技術也都無法感測皮下組織,甚至
是手指內部的靜脈等等以更進一步作為第二道生物特征來輔助身份認證,作為
更多生物信息的收集,不僅可以增加辨識準確度,更可以增加安全性,防止上
述的缺點帶來的技術漏洞。

為解決以上所有問題,本發明將提供一種集成式振波發射感測式生物特征
傳感器,達到低功耗、體積小,不僅可以檢測表面的生物特征,例如指紋,更
可能檢測皮下的生物特征,例如血管等信息。

發明內容

因此,本發明的一個目的是提供一種集成式振波發射感測元以及使用其的
感測陣列及電子設備,利用發射振動波,配合電容式感測原理來感測電容變化,
進而感測到干涉波的變化,以達到生物特征的效果。

為達上述目的,本發明提供一種集成式振波發射感測元,包括:一基板;
一振波感測元,位于基板上,具有一腔室;一振波發射元,位于基板上方,并
連接至振波感測元,振波發射元產生一第一振動波,朝上傳遞的第一振動波遇
到接近振波發射元的一物體的一個或多個接口,并被物體的一個或多個接口反
射而產生一第二振動波,振波感測元感測第二振動波的性質,或感測第二振動
波與第一振動波的干涉波而產生一感測信號。

在上述的集成式振波發射感測元中,振波感測元包括:一第一電極,位于
基板上;一間隔層,位于基板上;以及一第二電極,位于基板上,第二電極面
對第一電極,且第二電極、第一電極與間隔層之間形成有腔室,第一電極與第
二電極形成一感測電容,第二電極可朝向靠近及遠離第一電極的方向振動。

本發明提供一種集成式振波發射感測陣列,包括:多個上述的集成式振波
發射感測元,排列成一個陣列,其中此些集成式振波發射感測元共用基板及第
二電極。

本發明更提供一種電子設備,包括:多個上述集成式振波發射感測元,排
列成一個陣列;一驅動信號源,連接至此些振波發射元,用于驅動各振波發射
元振動;一振波傳遞層,設置在此些振波發射元上,用于傳遞各第一振動波;
以及一蓋板,覆蓋在振波傳遞層上,其中物體的一個或多個接口是與蓋板接觸
或接近。

本發明又提供一種集成式振波發射感測元的制造方法,包括:提供一感測
元初始結構,具有:一基板;一第一電極,位于基板上;以及一間隔層,位于
基板上;提供一載體基板,包括:一第一硅基板;一絕緣層,位于第一硅基板
上;及一第二硅基板,位于絕緣層上;將載體基板的第一硅基板接合至間隔層,
使第一硅基板、第一電極與間隔層之間形成一腔室;移除第二硅基板;以及在
絕緣層上形成一振波發射元,振波發射元對應于腔室。

本發明再提供一種集成式振波發射感測陣列的制造方法,包括:提供一感
測元陣列初始結構,具有:一基板;多個第一電極,位于基板上;以及一間隔
層,位于基板上;提供一載體基板,包括:一第一硅基板;一絕緣層,位于第
一硅基板上;及一第二硅基板,位于絕緣層上;將載體基板的第一硅基板接合
至間隔層,使第一硅基板、各第一電極與間隔層之間形成一腔室;移除第二硅
基板;以及在絕緣層上形成多個振波發射元,此些振波發射元分別對應于此些
腔室。

本發明更提供一種電子設備的制造方法,包括:提供一感測元陣列初始結
構,具有:一基板;多個第一電極,位于基板上;以及一間隔層,位于基板上;
提供一載體基板,包括:一第一硅基板;一絕緣層,位于第一硅基板上;及一
第二硅基板,位于絕緣層上;將載體基板的第一硅基板接合至間隔層,使第一
硅基板、各第一電極與間隔層之間形成一腔室;移除第二硅基板;在絕緣層上
形成多個振波發射元,此些振波發射元分別對應于此些腔室;在此些振波發射
元上形成一振波傳遞層;以及在振波傳遞層上覆蓋一蓋板。

依據本發明的上述實施樣態,通過電容量測可以隔絕溫度與濕度變化的干
擾,通過壓電材料的振波發射元可以產生大的振幅,以提高感測電容的量測靈
敏度,通過干涉波的產生可以得知距離信息,如此,可以實現生物特征的感測,
特別是指紋的感測。此外,亦可通過飛行時間模式來進行混合生物特征的感測。
再者,本發明的上述實施例亦可應用于近接式傳感器、手勢傳感器或微型的超
音波裝置。

為讓本發明的上述內容能更明顯易懂,下文特舉較佳實施例,并配合附圖,
作詳細說明如下。

附圖說明

圖1是本發明較佳實施例的集成式振波發射感測元的剖面示意圖;

圖2是本發明較佳實施例的感測陣列的俯視示意圖;

圖3是本發明較佳實施例的電子設備的局部剖面示意圖;

圖4至圖7是本發明較佳實施例的集成式振波發射感測元的制造方法的各
步驟的剖面示意圖;

圖8是本發明較佳實施例的感測陣列的制造方法的其中一個步驟的剖面示
意圖;

圖9是本發明較佳實施例的集成式振波發射感測元的振動示意圖。

附圖標記說明:CR1-接觸區;CR2-接觸區;Cs-感測電容;DS-驅動信號;
F-物體;W1-第一振動波;W2-第二振動波;W3-干涉波;1-集成式振波發射感
測元;10-基板;11-基底;12-感測電路;14-基板絕緣層;15-振波感測元;
20-第一電極;25-腔室;30-間隔層;31-第一中間材料層;35-第三中間材料
層;40-第二電極;41-第二中間材料層;50-絕緣層;60-振波發射元;62-底
電極;64-壓電層;66-頂電極;100-集成式振波發射感測陣列;200-電子設備;
210-驅動信號源;220-振波傳遞層;230-蓋板;240-顯示器;250-控制器;310-
感測元初始結構;320-載體基板;321-第一硅基板;322-第二硅基板;330-感
測元陣列初始結構。

具體實施方式

本發明的實施例的原理在于利用一集成式振波發射感測元(在此可以簡稱
發感元),所述發感元為一懸浮振波發射元發射前進振動波,所述前進振動波
遇到不同的介質接口,會因此產生反射振動波,配合電容式感測原理來感測電
容變化,進而感測到反射振動波的變化,以達到對物體表面進而內部的接口信
息感測。振動波的感測方法有很多種,其中感測電容變化是一種穩定的方法,
因為電容感測不受溫度、濕度變化的影響。本發明特征之一,是利用懸浮壓電
振波發射元,以發射前進振動波,達到最佳能量轉換效率,并且在同一發感元
設計了一電容式壓力感測結構,以提高感測靈敏度及穩定度,并且為了降低寄
生電容的影響,本發明另一特征為將發射與感測電路元件集成整合于所述發感
元下方的半導體承載基板,達到最小的元件、最佳發射效率以及最好的感測敏
感度。此外,排成陣列的發感元可以同時被驅動以產生振動波,也可以分別被
驅動以產生振動波,在設計上可以考量各種狀況的需求而作最佳化。同時,應
用上,可以是單一發感元應用于例如近接式傳感器(proximity sensor),或者
兩個以上的小發感元陣列應用于例如手勢傳感器(gesture sensor),抑或更大
的發感元陣列應用于例如手指指紋生物信息的感測,當然本發明也能利用于微
型的超音波裝置,例如醫療檢測器材,相較于傳統的超音波裝置,更可以達到
輕薄短小及省電。因此本發明以下的實施例說明,僅為讓熟悉此一技藝者了解
并得據以實施,并不是單純要限制本發明于以下說明的狹小應用范圍,相反的
它是一個基礎的發感元設計,以便擴展各種可能的應用。

圖1顯示依據本發明較佳實施例的集成式振波發射感測元的剖面示意圖。
如圖1所示,集成式振波發射感測元1包括一基板10、一振波感測元15以及
一振波發射元60。振波感測元15位于基板10上,并具有一腔室25。振波感
測元15包括一第一電極20、一間隔層30、一第二電極40。如前所述,本發明
為一整合的結構,其中第一電極20、間隔層30、第二電極40構成了一壓力式
電容感測元(簡稱電容感測元),而電容感測元與振波發射元垂直堆疊,并且共
同組合成一懸浮結構,亦即僅靠間隔層30支撐,而懸浮于基板10的上方。

基板10較佳是一種半導體基板,特別是硅基板,但本發明當然不限于此,
也可以是其他導體,絕緣體基板。第一電極20位于基板10上,是一種固定電
極,在制造上本發明較佳例為由CMOS所制成,因此第一電極20可以是制造工
藝中的頂層金屬,抑或額外增加的導體制造工藝,其材料為Al、Cu、Ti、TiN、
Au、Ni、Pt、Cr或為兩者以上的疊層,相對于整個集成式振波發射感測元1
是不會移動的。間隔層30位于基板10上,材料譬如是氧化硅或氮化硅等絕緣
層或者是由不同導體層所形成的熔融導體層,間隔層30的高度譬如是介于1
至6微米(um)之間,但不限定于此,較佳是2um。第二電極40位于基板10上,
并面對第一電極20,且譬如是由單晶硅、多晶硅或其他導電材料所形成。第二
電極40、第一電極20與間隔層30之間形成有腔室25。腔室25中可以是接近
大氣壓力,或是呈現真空的狀態。第一電極20與第二電極40形成一感測電容
Cs。第二電極40可朝向靠近及遠離第一電極20的方向振動,也就是朝著圖面
的垂直方向振動。腔室25提供給第二電極40振動的空間。

在本實施例中,一絕緣層50位于第二電極40上。振波發射元60位于絕
緣層50上,因此是位于第二電極40上方,也是位于基板10的上方,并連接
至振波感測元15,且為一壓電振動元的結構設計,包括了上下電極以及兩者之
間的一壓電材料,例如AlN、PZT、ZnO等等,振波發射元通過上下電極的通電,
提供壓電材料電荷,以產生一上下振動的一第一振動波W1,朝上傳遞的第一振
動波W1遇到接近振波發射元60的一物體F的一個或多個接口,并被物體F的
接口反射而產生一第二振動波W2,振波感測元15感測第二振動波W2的性質,
或感測第二振動波W2與第一振動波W1的一干涉波W3而產生一感測信號。在
一例子中,第二振動波W2朝下傳遞,干擾了第二電極40與第一電極20之間
的感測電容Cs的變化而產生一感測信號。特別是,第二振動波W2朝下傳遞,
并與朝下傳遞的第一振動波W1產生干涉而產生干涉波W3。第二電極40與第一
電極20通過感測電容Cs的變化測量干涉波W3而產生感測信號,感測信號代
表第一電極20與物體F的接口之間的距離。物體例如為一手指,因此,通過
一陣列發感元的設計可以量測手指的紋峰與紋谷與感測元的距離信息,進而產
生指紋圖像(此時的皮膚為接口),亦可同時或在不同時段調整發射波的頻率,
也可以讓振動波穿透皮膚,進而依據血管反射不同的振動波來量測血管的分布
圖像(此時的血管管壁為接口)。在一例子中,干涉波W3是由第二振動波W2與
第一振動波W1的建設性干涉所產生,以獲得較大的振幅。在另一例子中,干
涉波W3是由第二振動波W2與第一振動波W1的破壞性干涉所產生,以獲得較
小的振幅。在另一例子中,可以將集成式振波發射感測元1設計成讓與手指的
紋峰反射產生的第二振動波W2與第一振動波W1產生相長干涉,而讓與手指的
紋谷反射產生的第二振動波W2與第一振動波W1產生相消干涉,如此可以提高
紋峰與紋谷的辨別率。

另一種發射感測模式為飛行時間模式(time of flight),切換發射以及感
測的時間,利用感測的時間差判別反射振波行進的距離,進而建構出物體的3D
圖像,因此前進波遇到不同接口的反射時間不同,可以同時堆疊不同接口的圖
像,例如指紋與靜脈圖像。同時,也可以通過發射不同頻率的波達到感測不同
接口的目的。在本實施例中,所述振動波的頻率可以介于20KHz到200MHz,其
最佳頻率范圍可以是2MHz到40MHz。

在本實施例中,基板10包括一基底11、一感測電路12以及一基板絕緣層
14。基底11的材料包括硅。感測電路12位于基底11上,并電連接至第一電
極20以及第二電極40,用于接收并處理感測信號。感測電路12可以利用半導
體制造工藝而形成,在此不再贅述。在另一例子中,感測電路12可以控制整
個感測的程序而產生感測信號。基板絕緣層14位于基底11與感測電路12上,
并位于感測電路12與第一電極20之間。基板絕緣層14隔絕感測電路12與第
一電極20。

在本實施例中,是以壓電元件來當作振波發射元60。振波發射元60包括
一底電極62、一壓電層64以及一頂電極66。底電極62位于絕緣層50上,也
就是位于第二電極40上方。壓電層64位于底電極62上。頂電極66位于壓電
層64上。頂電極66及底電極62連接至一驅動信號DS而使壓電層64振動,
進而使第二電極40產生第一振動波W1。在一例子中,壓電層64每伏特可以產
生大于或等于100納米(nm)的振動。壓電層64的材料譬如是氧化鋅(ZnO)、氮
化鋁(AlN)或鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate,PZT)等。值得注意的是,
在其他實施例中,絕緣層50可以被省略,使得振波感測元15與振波發射元60
共用一個電極,也就是底電極62與第二電極40被整合在一起而成為單一電極
層,以便簡化結構。

在本實施例中,頂電極66與壓電層64的一接觸區CR1為一圓形環狀區,
但不限于此,底電極62與壓電層64的一接觸區CR2為一圓形區。在其他實施
例中,頂電極66與壓電層64的一接觸區CR1為一方形環狀區,底電極62與
壓電層64的一接觸區CR2為一矩形區。

在另一實施例,圖1的結構中的第一電極20以及第二電極40是可以被省
略的,也就是振波發射元60本身也可以做為一感測元,其感測原理可以通過
飛行時間模式(time of flight),切換發射以及感測的時間,通過反射振波在
壓電層產生電荷,以判別反射波的時間差及強度。簡而言之,振波發射元也是
振波感測元。

圖2顯示依據本發明較佳實施例的感測陣列的俯視示意圖。如圖2所示,
集成式振波發射感測陣列100包括多個上述的集成式振波發射感測元1,排列
成一個陣列。此些集成式振波發射感測元1共用基板10及第二電極40。在制
造上,可以利用半導體制造工藝的方式形成整個集成式振波發射感測陣列100。
在另一例子中,此些集成式振波發射感測元1共用基板10,但具有各自的第二
電極40及間隔層30。相鄰的第二電極40之間隔開一個間隙,且相鄰的間隔層
30也隔開一個間隙,也就是相鄰的集成式振波發射感測元1之間亦有空腔存
在,避免相鄰的振動波有所干擾。當然在此所顯示的發感元為方形設計,然而
例如圓型的設計也可以是一種實施例(圖中未示),但本發明當然不限于此,甚
至是混合式的形狀設計也可以是一種實施例。

集成式振波發射感測陣列100的驅動方式,可以是全部的振波發射元60
同時驅動,亦可以是全部的振波發射元60分開驅動,亦或者是部分區域同時
驅動,部分區域分開驅動。接著,停止驅動振波發射元60,并開始量測各個感
測電容Cs,獲得其變化量,而產生感測信號。

圖3顯示依據本發明較佳實施例的電子設備的局部剖面示意圖。如圖3所
示,電子設備200包括多個上述的集成式振波發射感測元1、一驅動信號源210、
一振波傳遞層220以及一蓋板230。

多個集成式振波發射感測元1排列成一個陣列,特別是二維陣列。驅動信
號源210連接至此些振波發射元60,用于驅動各振波發射元60振動。振波傳
遞層220設置在此些振波發射元60上,用于傳遞各第一振動波W1,當然亦可
傳遞各第二振動波W2。振波傳遞層220的材質為軟性材料,所述材料可以容許
振波發射元不至于被完全固定,仍可以產生足夠大的振幅,例如大于10nm以
上,所述材料可以是例如硅膠(silicone),聚對二甲苯(Parylene)等等,當然
不限于此。蓋板230覆蓋在振波傳遞層220上。物體F的接口是與蓋板230接
觸或接近。值得注意的是,蓋板230除了可以是電子設備的外保護層(譬如玻
璃)以外,也可以是屬于一個按鍵。

此外,電子設備200可以還包括一顯示器240,設置在此些集成式振波發
射感測元1的一側,蓋板230覆蓋顯示器240。蓋板230譬如是顯示屏幕或觸
控屏幕的透光層,當然這樣的設計是可以適用于目前及未來顯示屏幕或觸控屏
幕的各種設計,可以直接與手指接觸。通過這樣的設計,集成式振波發射感測
元1所排列成的集成式振波發射感測陣列100可以完全隱藏于蓋板230的下方,
避免破壞電子設備的外觀完整性。此外,電子設備200可以還包括一控制器
250,電連接至驅動信號源210及各集成式振波發射感測元1,并具有調整各第
一振動波W1的頻率的功能,以適用多種感測模式,也就是通過發射不同頻率
的波來達到感測不同接口(皮膚、血管壁等)的目的。此外,控制器250可以控
制驅動信號源210及各集成式振波發射感測元1感測干涉波W3。當然,控制器
250可以是一外掛的元件,譬如是遠端或云端的計算裝置,也可以是一整合于
電子設備200內部的功能區塊。當然,另外一實施例也可以讓蓋板230具有一
開孔、手指(待感測的物體)與發感元之間具有一間隙,振波通過一空氣或流體
介質傳播。亦或者蓋板為例如電子設備的一機械按鍵的最外表層保護層(可以
為不透明的烤漆層),或一透光層(例如強化玻璃及藍寶石等等)。

圖4至圖7顯示依據本發明較佳實施例的集成式振波發射感測元的制造方
法的各步驟的剖面示意圖。本實施例的集成式振波發射感測元1的制造方法,
包括以下步驟。

首先,如圖4所示,提供一感測元初始結構310及一載體基板320。感測
元初始結構310具有:一基板10;一第一電極20,位于基板10上;以及一間
隔層30,位于基板10上。載體基板320包括:一第一硅基板321;一絕緣層
50,位于第一硅基板321上;及一第二硅基板322,位于絕緣層50上。載體基
板320的材料包括多晶硅或單晶硅。絕緣層50的材料包括氧化硅或氮化硅。

然后,如圖5A所示,將載體基板320的第一硅基板321接合至間隔層30,
使第一硅基板321、第一電極20與間隔層30之間形成一腔室25。采用的接合
方式可以是融合接合(Fusion bonding)、直接接合(Direct Bonding)、陽極接
合(Anodic Bonding)、共晶接合(Eutectic Bonding)或粘著接合(Adhesive
Bonding)等。

所述融合接合例如是采用低阻值的硅,通過與SiO2間隔層30之間利用接
合技術及相關研磨刻蝕而形成薄膜結構,在本實施例中兩者是通過低溫融合接
合方式(low temperature fusion bonding)形成具有氫鍵強度的接口。當然在
形成低溫融合接合之前,更可以包括水清洗及采用例如低濃度氫氟酸,以去除
第二電極表面的氧化層(此過程稱為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。

如果基板10內設置有晶體管及電路元件,則之后所提供的退火溫度
(anneal temperature)便只能在低于400℃的環境下,形成高鍵結強度的共價
鍵于間隔層30及第二電極40之間。

然而,間隔層30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30上設置有一第一中間材料層31,并且在第二電極40下設置一第二中
間材料層41,再通過第二中間材料層41接合第一中間材料層31的方式,將第
二電極40固設在間隔層30上,如圖5B所示。其中,第一中間材料層31或第
二中間材料層41可分別為鋁和鍺或者硅和金,例如鋁和鍺可以在約420℃形成
共晶接合(eutectic bonding),并且這兩種材料與CMOS制造工藝相容,更適
合應用于本實施例具有集成電路整合的設計。另外,間隔層30以及第二電極
40之間也可以僅僅設置一第三中間材料層35來進行接合,此第三中間材料層
35則可為玻璃熔塊(glass frit)、高分子膠合層及其他粘合材料等等,如圖
5C所示。

在另一實施例中,間隔層30譬如是由金屬所構成,特別是由金(Au)所構
成,或者是由復合金屬結構(例如鎳和金的復合結構)所構成,其可以直接與所
述低阻值的硅直接高溫熔合。

接著,如圖6所示,移除第二硅基板322。可以利用研磨或干刻蝕的方式
移除第二硅基板322,而絕緣層50就當作研磨或刻蝕停止層。

然后,如圖7所示,在絕緣層50上形成一振波發射元60,振波發射元60
對應于腔室25。

圖8顯示顯示依據本發明較佳實施例的感測陣列的制造方法的其中一個步
驟的剖面示意圖。如圖8所示,集成式振波發射感測陣列100的制造方法是與
集成式振波發射感測元1的制造方法類似,不同的處在于開始時是提供一感測
元陣列初始結構330及一載體基板320。載體基板320與集成式振波發射感測
元1的制造方法的對應步驟相同。感測元陣列初始結構330具有:一基板10;
多個第一電極20,位于基板10上;以及一間隔層30,位于基板10上。在將
載體基板320的第一硅基板321接合至間隔層30時,可以使第一硅基板321、
各第一電極20與間隔層30之間形成一腔室25。在移除第二硅基板322后,在
絕緣層50上形成多個振波發射元60,此些振波發射元60分別對應于此些腔室
25。

在集成式振波發射感測陣列100形成以后,可以繼續施以下述步驟,以制
造出電子設備200。這些步驟包括:在此些振波發射元60上形成一振波傳遞層
220;以及在振波傳遞層220上覆蓋一蓋板230。當然,顯示器240可以先被設
置在振波傳遞層220的一側,可以與振波傳遞層220直接接觸或隔開一段距離,
然后,將蓋板230覆蓋在振波傳遞層220以及顯示器240上。如此,可以提供
一個顯示模塊給譬如手機或平板電腦使用。

圖9顯示依據本發明較佳實施例的集成式振波發射感測元的振動示意圖。
如圖9所示,第二電極40可以相對于第一電極20作上下振動。在一例子中,
在集成式振波發射感測元1的一非工作狀態下,第二電極40的初始位置可以
如實線所示。在另一例子中,第二電極40的初始位置可以如下方的假想線所
示,第二電極40具有凹向上的形狀,特別是當腔室25是處于真空或接近真空
的狀態。在又另一例子中,第二電極40的初始位置可以如上方的假想線所示,
第二電極40具有凹向下的形狀。當然,第二電極40的初始形狀并非一定要處
于如圖9所示的最大振幅的形狀,也可是處于中間振幅的形狀,在此不特別限
制。

請再次參見圖3,電子設備200亦可以進入上述的飛行時間模式,使得第
一振動波W1與第二振動波W2不會同時存在,因而使第三振動波W3不會產生。
因此,在此具體實施方式中,振波發射元60產生一第一振動波W1,朝上傳遞
的第一振動波W1遇到接近振波發射元60的物體F的一個或多個接口,并被物
體F的一個或多個接口反射而產生一第二振動波W2。第二振動波W2朝下傳遞,
電容壓力感測結構的第二電極40受力而產生形變,第二電極40與第一電極20
通過感測電容Cs的變化測量第二振動波W2而產生一感測信號。感測信號代表
第一電極20與物體F的一個或多個接口之間的距離信息。控制器250電連接
至各集成式振波發射感測元1及驅動信號源210,并控制驅動信號源210于一
第一時間點發射各第一振動波W1后停止,并控制各集成式振波發射感測元1
于各第一振動波W1停止后感測到第二振動波W2的第二時間點,并將第一時間
點與各第二時間點的差值轉換成距離信號,結合上述電容變化信號(感測信
號),可以反推成具有3度空間的信號分布,進而建構例如接觸于蓋板上方的
手指接口信號,也就是控制器250可以依據距離信號及感測信號獲得物體接口
信號,譬如是指紋圖像信號,同時飛行模式感測會在時間軸上,推演出不同接
口的反射信號,例如進而穿透手指以得到例如手指靜脈的信息。控制器250可
以更進一步依據距離信號及感測信號獲得此些接口中的各接口與振波感測元
15的距離信息。

此外,控制器250更可具有調整各第一振動波W1的頻率的功能,以適用
多種感測模式。

當物體的接口為多個接口時,所獲得的距離信息是混合距離信息。此混合
距離信息可以作為物體特征,亦可以被分離成為獨立的物體特征,譬如是指紋
及血管圖案。在此情況下,控制器250更可將感測信號進行信號分離處理,以
依據距離信號及感測信號獲得此些接口中的各接口與第一電極20的距離信息。

依據本發明的上述實施例,通過電容量測可以隔絕溫度與濕度變化的干
擾,通過壓電材料的振波發射元可以產生大的振幅,以提高感測電容的量測靈
敏度,通過干涉波的產生可以得知距離信息,如此,可以實現生物特征的感測,
特別是指紋的感測。此外,亦可通過飛行時間模式來進行混合生物特征的感測。
再者,本發明的上述實施例亦可應用于近接式傳感器、手勢傳感器或微型的超
音波裝置。

在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用于方便說明本發明
的技術內容,而非將本發明狹義地限制于上述實施例,在不超出本發明的精神
及以下申請專利范圍的情況,所做的種種變化實施,皆屬于本發明的范圍。

關 鍵 詞:
集成 式振波 發射 感測元 陣列 電子設備 制造 方法
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