專利名稱：包括電容透鏡的手指傳感器及其相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及生物測定傳感器裝置(biometric sensor device),并且,更具體地說，涉及一種手指傳感器結(jié)構(gòu)，該手指傳感器結(jié)構(gòu)具有置于傳感器陣列之上的保護(hù)性的美觀外殼(cover)。
背景技術(shù)：
生物測定傳感器，特別是指紋傳感器，在當(dāng)今是公知的。這樣的傳感器是各種不同裝置的元件，這些裝置使用對唯一的生物測定屬性(例如，指紋圖案)的識別和匹配來控制對建筑物、計(jì)算機(jī)、保險箱、軟件等的訪問。出于這一目的，盡管在本文中描述的背景和實(shí)施例可以被等同地應(yīng)用于針對用戶的其它唯一的生物測定屬性的傳感器，但是關(guān)注生物測定傳感器的種類內(nèi)的指紋傳感器。當(dāng)今典型的指紋傳感器包含這樣的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在該半導(dǎo)體的表面上形成有傳感器元件的陣列，以及用于驅(qū)動該傳感器陣列并操縱從其發(fā)送的信號的可選電路。典型的指紋感測系統(tǒng)包括容納在用于安裝到膝上型計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、門鎖等中的主體內(nèi)的這樣的傳感器。一種用于指紋感測的當(dāng)今使用的傳感器的通用形式是所謂的電容傳感器。通過電容型電場感測或通過在傳感器單元中的電容板之間生成彌散電場來操作這些裝置。進(jìn)入彌散場的材料的量會改變該單元的彌散場。這種改變可以被測量并且與接近該單元的指紋的脊線和谷線相關(guān)聯(lián)。存在兩種常見類型的電容傳感器，即，區(qū)域傳感器(areasensor)和帶狀傳感器(strip sensor)。在區(qū)域傳感器中，用戶將手指置于傳感器陣列之上，當(dāng)手指在適當(dāng)?shù)奈恢玫那闆r下，整個指紋被從該陣列讀取。在帶狀傳感器中，用戶用手指掃過窄的傳感器陣列。手指的運(yùn)動與來自傳感器的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并通過軟件來組合指紋的數(shù)字化圖像。在每一種類型的傳感器中，傳感器的靈敏度都是隨著指紋與電容器的板的接近程度而變。隨著手指與傳感器之間的距離增加，電場強(qiáng)度降低，并且在場中組織存在的影響的強(qiáng)度降低。此夕卜，如果導(dǎo)電材料被置于手指與傳感器之間，那么彌散場將被影響，并且感測精度將劣化。通常，傳感器僅能容忍傳感器表面與要被感測的指紋之間存在極小的間隙。例如，一種被稱為電容傳感器的傳感器使用電容電場內(nèi)的指紋的脊線和谷線的相對間距的影響來數(shù)字化指紋圖案。因此，傳感器表面本身通常未被覆蓋或被薄薄地覆蓋，并且在指紋感測的過程中，用戶直接將手指與其接觸。但是，暴露的或薄薄地覆蓋的傳感器容易受到來自環(huán)境的污染和機(jī)械破壞的影響。轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并通過引用全部并入本文的美國專利No. 6，376，393公開了一種用于指紋傳感器的各向異性涂層，其通過將磁場施加到可固化電介質(zhì)流體并然后固化該流體來制造。這樣產(chǎn)生垂直于各向異性電介質(zhì)層的阻抗，該阻抗小于平行于該層的阻抗。本專利還公開了由RF信號驅(qū)動的另一種類型的基于電場的感測像素。此外，指紋傳感器的組件通常包括其上形成傳感器陣列的芯片(die)。該芯片被固定在基板，該基板本身可以包括用來處理由傳感器陣列提供的信號的電子裝置。因此，例如，該傳感器陣列通常通過導(dǎo)線接合器(wire bond)的方法與基板電互連，該導(dǎo)線接合器連接到芯片的上表面上的接合焊盤、圍繞芯片的邊緣并位于芯片邊緣之上，并最終連接到基板上的接合焊盤。這些導(dǎo)線接合器是關(guān)鍵元件但也是容易損壞的元件，通常通過將其裝入不導(dǎo)電密封材料中進(jìn)行保護(hù)。由于需要最小化傳感器陣列與用戶手指之間的間隙，因此以這樣的方式模制密封材料，使得導(dǎo)線接合器被充分地密封，而傳感器表面不被覆蓋或被薄薄地覆蓋。由于導(dǎo)線接合器的一端附接到傳感器芯片的上表面，因此導(dǎo)線接合器通常延伸到傳感器芯片的表面之上的高度。這意味著，模制的裝置的上表面包括位于第一平面中的傳感器的第一區(qū)域，以及位于第一平面之上的第二平面中的導(dǎo)線接合器之上的第二區(qū)域。但是，模制形成這樣的薄的密封覆蓋物可能相對比較復(fù)雜且成本昂貴。另外，模制材料是公知并且比較完善的。因此，非常希望采用現(xiàn)有的模制材料。但是，現(xiàn)有的模制材料的介電特性可能會使得當(dāng)與基于電場的裝置一起使用時其欠最佳。這樣，出于上面討論的原因，通常需要盡力將傳感器之上的模制材料的厚度最小化。此外，當(dāng)使用用于傳感器覆蓋物的密封材料時，覆蓋物的顏色的唯一選擇就是密封材料的顏色。這可能不能滿足針對傳感器裝置的設(shè)計(jì)要求，例如，正如用戶要求、品牌偏 好等所指定的。此外，可能希望提供與感測功能相關(guān)的照明。與傳感器封裝相關(guān)的光源可以在裝置的操作期間為用戶提供某種形式的可視反饋。在通過引用全部并入本文的美國專利No. 7，272，723中公開了一個例子，其中，發(fā)光二極管(LED)為用戶提供正在由外圍鍵管理裝置執(zhí)行的操作的可視化指示。但是，可能存在希望將光源覆蓋在這樣的裝置中，以便既保護(hù)光源又提高裝置的美觀性。在這樣的已知裝置中，光源可以與電連接到處理硬件的基板進(jìn)行電連通，或者與其它驅(qū)動部件進(jìn)行電連通?？蛇x地，光源和基板可以被封閉在部分半透明或透明殼體的內(nèi)部之內(nèi)。在這樣的實(shí)施例中，殼體是在引入基板和LED之前模制的結(jié)構(gòu)。在最終裝置的組裝期間，基板和LED被放在一起并固定在事先模制的殼體內(nèi)。盡管電耦接到基板，但是光源并未安裝在基板上或是基板的集成部分。因此，這樣分開的殼體、基板和LED組件相對較大，限制了這樣的組件可以集成入的裝置的類型。另外，仍然存在降低成本并簡化制造的機(jī)會。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述背景，因此，本發(fā)明的目的是提供一種生物測定傳感器封裝，其具有置于傳感器陣列之上的在本文中被稱為電容透鏡的外殼。傳感器陣列可以被形成在傳感器芯片的表面上，該傳感器芯片被固定到基板?；迮c傳感器芯片通過導(dǎo)線接合器(或其它已知技術(shù))的方法電互連。密封材料保護(hù)組件的導(dǎo)線接合器和其它元件。根據(jù)一個方面，芯片附接材料可以被用來將電容透鏡物理地固定到芯片的表面。也可以采用諸如通用膠、環(huán)氧樹脂等的其它材料。芯片附接材料和附接的方法可以類似于用來將傳感器芯片附接到基板的材料和方法。根據(jù)另一個方面，電容透鏡具有高介電常數(shù)，在一個實(shí)施例中在5或更大的數(shù)量級，在另一個實(shí)施例中在5至20的數(shù)量級。因此可以承載相對較厚的電容透鏡，其在40微米與100微米厚度之間的數(shù)量級。根據(jù)另一個方面，電容透鏡可以是光學(xué)透明或半透明的，從而允許用戶通過其上表面看到源自于電容透鏡下方的光(并且，相反地，允許傳感器外部的光被諸如固態(tài)照相機(jī)等的位于電容透鏡下面并且與傳感器可選地關(guān)聯(lián)的元件所讀取)。根據(jù)另一個方面，電容透鏡可以是至少部分地鍍金屬(從而使得鍍金屬不會遮擋傳感器的操作)的玻璃板?？梢栽诎宓纳媳砻嫔线M(jìn)行鍍金屬，以便被用戶接觸。根據(jù)這一方面，可以在玻璃板的鍍金屬上表面與附接有芯片的基板之間提供電連接(例如，通孔、邊緣鍍金屬、導(dǎo)電帶等)，從而使得鍍金屬的玻璃板可以取代在這樣的組件中使用的傳統(tǒng)的金屬擋板(bezel)，以在感測操作期間將電流給予用戶的手指?；蛘撸梢栽陔娙萃哥R的底側(cè)進(jìn)行鍍金屬。根據(jù)該方面的變型，鍍金屬可以被著色和/或構(gòu)圖，從而使得文本、圖像、使用提示或其它視覺標(biāo)記可以在環(huán)境光和/或被從下面照明時可以被看到。電容透鏡可以充當(dāng)光導(dǎo)，從而使得當(dāng)從下面被照明時，其表面顯現(xiàn)出被相對均勻地照明。根據(jù)另一個變型，為了實(shí)現(xiàn)相同的效果，包含玻璃板的玻璃本身可以被著色。 以上對本發(fā)明的多個方面、特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。但是，該總結(jié)并不是詳盡的。因此，根據(jù)下面的詳細(xì)描述和附圖，本公開的這些和其它的方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。


在本文的附圖中，相同的附圖標(biāo)記在各個附圖之間表示相同元件。當(dāng)進(jìn)行圖示時，這些附圖未按照比例繪制。在附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的傳感器組件的俯視圖，示出置于傳感器芯片和基板之上的電容透鏡。圖2是圖I的傳感器組件的剖切側(cè)視圖，進(jìn)一步示出密封該組件的各個元件的密封材料。圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的傳感器組件的俯視圖，示出置于傳感器芯片和基板之上的電容透鏡，以及與基板電連通的多個光源。圖4是圖3的傳感器組件的剖切側(cè)視圖，進(jìn)一步示出密封該組件的各個元件的密封材料。圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的傳感器組件的俯視圖，示出置于傳感器芯片和基板之上的具有視覺標(biāo)記的電容透鏡。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的傳感器組件的俯視圖，示出置于傳感器芯片和基板之上的具有視覺標(biāo)記的電容透鏡。圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的傳感器組件的剖切側(cè)視圖，示出具有導(dǎo)電覆層的電容透鏡，該導(dǎo)電覆層具有在其上形成的通孔，并且在通孔內(nèi)和通孔下面的導(dǎo)電材料使得該覆層與基板歐姆接觸。圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的傳感器組件的剖切側(cè)視圖，示出具有導(dǎo)電覆層的電容透鏡，該導(dǎo)電覆層具有在其上形成的導(dǎo)電帶或?qū)щ娭?pillar)，該導(dǎo)電帶或?qū)щ娭沟迷摳矊优c基板歐姆接觸。圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的傳感器組件的剖切側(cè)視圖，示出具有多個位于其下方的固態(tài)傳感器的電容透鏡。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的傳感器組件的剖切側(cè)視圖，在制造過程中，電容透鏡被固定于包括透鏡接納區(qū)域的預(yù)先模制結(jié)構(gòu)。圖11是圖10的傳感器組件的剖切側(cè)視圖，該傳感器組件具有安裝在透鏡接納區(qū)域內(nèi)的電容透鏡。圖12是傳感器組件的剖切側(cè)視圖，示出以蓋的形式應(yīng)用于傳感器子組件上的電容透鏡，其包括芯片、基板、導(dǎo)線接合器、以及密封和保護(hù)導(dǎo)線接合器和其它部件的密封材料。
具體實(shí)施例方式首先指出，對于公知的起始原料(starting material)、工藝技術(shù)、部件、設(shè)備的描述和其它公知的細(xì)節(jié)僅作總結(jié)或被省略，以免不必要地混淆本發(fā)明的細(xì)節(jié)。因此，在細(xì)節(jié)是在其它的情況中公知的情況下，留待本發(fā)明的申請去建議或指定與這些細(xì)節(jié)有關(guān)的選擇。·
總體來說，本發(fā)明涉及手指感測裝置，其可以包含安裝基板、由安裝基板承載并包含基于電場的手指感測元件的陣列的集成電路(IC)芯片、以及將安裝基板與IC芯片耦接的多個第一電連接件。例如，第一電連接件可以是接合導(dǎo)線。另外，手指感測裝置可以包括在基于電場的手指感測元件的陣列之上附接的保護(hù)板，該保護(hù)板具有在所有方向上大于5的介電常數(shù)和大于40微米的厚度，以限定用于基于電場的手指感測元件的陣列的電容透鏡。該手指感測裝置還可以包括在安裝基板和IC芯片的附近以及至少在多個第一電連接件周圍的密封材料。例如，較優(yōu)選地，該保護(hù)板可以具有大于5且小于20的介電常數(shù)。例如，介電常數(shù)是各向同性的，也就是說，在所有方向上都相同，使得其比各向異性層更容易制造。例如，保護(hù)板還可以具有小于100微米的厚度，盡管更大的厚度也是可以的。在某些實(shí)施例中，手指感測裝置還可以包括由保護(hù)板承載的至少一個電導(dǎo)體。在這些實(shí)施例中，可以提供至少一個第二電連接件，以將所述至少一個電導(dǎo)體與安裝基板耦接。手指感測裝置還可以包含至少一個光學(xué)裝置，諸如光學(xué)檢測器或光學(xué)發(fā)射器。因此，保護(hù)板可以是光學(xué)透明的，并覆蓋至少一個光學(xué)裝置、以及基于電場的手指感測元件的陣列。在某些實(shí)施例中，保護(hù)板可以與相鄰的密封材料的上部齊平。在其它實(shí)施例中，保護(hù)板可以包含在基于電場的感測元件的陣列之上的頂部；以及從頂部向下延伸并至少封閉密封材料的側(cè)壁。在另一些其它實(shí)施例中，保護(hù)板可以由相關(guān)電子裝置的結(jié)構(gòu)的一部分(諸如移動通信裝置、膝上型計(jì)算機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)等的殼體的一部分，或者這些裝置的顯示屏幕的一部分)來提供。保護(hù)板可以包含電氣玻璃(electrical glass)、攝影玻璃(photographicglass)、派勒克斯耐熱玻璃(pyrex glass)、窗玻璃、電氣云母和尼龍中的至少一種。另外，手指感測裝置還可以包含將IC芯片和安裝基板固定在一起的第一粘合劑層、以及將保護(hù)板與IC芯片固定在一起的第二粘合劑層。方法方面是用于制造手指感測裝置。該方法可以包括在安裝基板上安裝包含基于電場的手指感測元件的陣列的集成電路(IC)芯片；以及創(chuàng)建將安裝基板與IC芯片耦接的多個第一電連接件。該方法還可以包括將保護(hù)板固定在基于電場的手指感測元件的陣列之上，該保護(hù)板具有在所有方向上大于5的介電常數(shù)和大于40微米的厚度，以限定用于基于電場的手指感測元件的陣列的電容透鏡。另外，該方法還可以包括在安裝基板和IC芯片的附近以及至少在多個第一電連接件周圍形成密封材料。當(dāng)然，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到的，記載的步驟的順序不應(yīng)當(dāng)是限制的。首先參考圖1，其中示出根據(jù)一個實(shí)施例的指紋傳感器組件10的俯視圖。為了清楚圖示，在沒有密封材料的情況下，在圖I中示出傳感器組件10。具有密封材料的傳感器組件10的剖切側(cè)視圖在圖2中示出，并在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。傳感器組件10包含基板12，在基板12上形成電互連導(dǎo)線，并且，可選地，傳感器組件10可以包括其它電子電路元件。例如，通過本領(lǐng)域已知的芯片附接環(huán)氧樹脂或其它機(jī)構(gòu)(例如，導(dǎo)電接合凸點(diǎn)(conductive bonding bump)等),將具有16個傳感器單元的陣列的傳感器芯片14固定到基板12的頂表面?；?2和芯片14每一個都分別設(shè)置有多個導(dǎo)線焊盤(wire bondpad)區(qū)域18、20。焊盤形成區(qū)域18、20的數(shù)量和位置將根據(jù)特定傳感器組件的應(yīng)用和設(shè)計(jì)而不同，因此本文中示出的其數(shù)量和位置并不限制本公開的范圍。導(dǎo)線接合器22與區(qū)域18和 20的焊盤電互連，從而使得傳感器陣列16的單元可以被恰當(dāng)?shù)貙ぶ?。在本文中被稱為電容透鏡24的結(jié)構(gòu)被附著在傳感器芯片14之上。正如下文將進(jìn)一步討論的，電容透鏡24具有相對較高的介電常數(shù)，以支持電容器板與置于電容透鏡之上的用戶的手指之間的更高的電容。電容透鏡根據(jù)與傳感器的距離有效地“放大”電容傳感器的靈敏度，因此使用“透鏡”這一術(shù)語。電容透鏡24可以通過在傳感器陣列16外圍的粘合劑(例如，圖2中所示的28)被附著到傳感器芯片14，從而使得粘合劑不會干擾傳感器陣列16的操作。在某些實(shí)施例中，電容透鏡24以這樣的方式被附有光學(xué)透明或半透明粘合劑，使得電容透鏡24的光透射性不被顯著地影響。在某些實(shí)施例中，將電容透鏡24附接到傳感器芯片14的粘合劑與用來將芯片14附著到基板12的芯片附接材料類似。以這種方式，用于將電容透鏡24附接到傳感器芯片14的方法和材料與在疊層芯片組件中使用的已經(jīng)就位的方法和材料類似。在另一個實(shí)施例中，未使用粘合劑，但是如下面進(jìn)一步描述的，作為替代，電容透鏡由模制材料圍繞并因此被適當(dāng)?shù)毓潭āＴ谝粋€實(shí)施例中，電容透鏡24是具有高介電常數(shù)的不導(dǎo)電材料的相對較薄的層。優(yōu)選地，電容透鏡24的介電常數(shù)大于5，并且對于某些實(shí)施例，其至少等于15。電容透鏡24的相對較高的介電常數(shù)允許其支持電場，這更類似于在其板之間的材料具有更高介電常數(shù)時電容器具有更高電容的情況。這允許支持這樣的場，通過該場，在更大的距離上(即，在傳感器之上提供的更厚的層之上)進(jìn)行電容感測操作。用于電容透鏡24的適當(dāng)?shù)牟牧系睦蛹捌浣殡姵?shù)范圍包括玻璃(帶涂層，電氣玻璃3. 8至14. 5、攝影玻璃-J. 5、派勒克斯耐熱玻璃4. 6至5. O、窗玻璃7. 6)、云母(例如，電氣云母4. O至9. O)、尼龍3. 24至22. 4等。通常，可以形成為相對薄片并可以使用相對標(biāo)準(zhǔn)的粘合劑粘附到芯片的相對較硬、結(jié)構(gòu)合理、化學(xué)惰性、不導(dǎo)電的材料是理想的。在某些實(shí)施例中，光學(xué)透明或半透明材料也是理想的。雖然有許多這樣的材料可以滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，但是出于圖示的目的，關(guān)注玻璃作為用于電容透鏡24的材料的情況。參考圖2，圖I的傳感器組件10在剖切側(cè)視圖中被示出。除了基板12、傳感器芯片14和電容透鏡24以外，連接這些元件的粘合劑(例如，芯片附接材料)分別在26、28處示出。此外，通過焊盤18、20 (未示出)的方式將基板12與傳感器芯片14互連的導(dǎo)線接合器22圍繞傳感器芯片14的邊緣并在傳感器芯片14的邊緣之上。導(dǎo)線接合器22是關(guān)鍵的但易碎的元件,這些元件通過用在本領(lǐng)域中在其它的情況中公知的類型的密封材料30封閉它們而得以保護(hù)。已知密封材料具有的性質(zhì)使得它們對于用于諸如電容傳感器的基于電場的裝置來說不太理想。例如，這樣的材料的介電常數(shù)通常相當(dāng)?shù)?，這意味著它們不能支持用于電容感測的電場。但是，密封材料非常適合于裝置密封的其它方面，諸如可模制性、耐久性等。并且，存在不改變這些材料的構(gòu)成從而使得這些合適的屬性免受影響的強(qiáng)烈的動機(jī)。因此，當(dāng)前的裝置使用已知的密封材料，但是將直接在傳感器之上的密封材料的層的厚度最小化(或不設(shè)置材料)，從而使得傳感器陣列與用戶的手指之間的間隙被最小化，以使密封材料對傳感器性能的負(fù)面影響最少化。由于需要最小化傳感器陣列與用戶手指之間的間隙，因此以這樣的方式模制密封材料30，使得導(dǎo)線接合器22被充分地密封，而傳感器芯片14表面上的傳感器元件的陣列不·被覆蓋或被薄薄地覆蓋。與本領(lǐng)域中已知的允許將導(dǎo)線接合器22密封而又最小地覆蓋陣列表面的相對較復(fù)雜的模制相反的，根據(jù)本公開，電容透鏡24的頂表面可以充當(dāng)用于該結(jié)構(gòu)的頂部的模子停止處(mold stop)。這樣，與當(dāng)前使用的復(fù)雜得多的剖面相反的，在截面中，模制部分是簡單的矩形。正如可以從圖2看出的，電容透鏡24的引入意味著，與沒有電容透鏡24的結(jié)構(gòu)相t匕，置于其上的手指將與傳感器陣列16隔開得更遠(yuǎn)。因此，電容透鏡24必須具有相對較高的介電常數(shù)。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有大于5的介電常數(shù)的材料，在某些實(shí)施例中，至少等于15的介電常數(shù)的材料，對于保持底層電容傳感器(underlying capactive sensor)的彌散電場是有效的，還允許指紋與傳感器之間相對較大的間距。該間距(電容透鏡24存在于其中)可以從當(dāng)今已知的約30微米提高到至多100微米。在一個示例性實(shí)施例中，具有5或更大的介電常數(shù)的40微米的玻璃板可以支持已知電容傳感器的彌散電場，以便用戶指紋的有效感測。其余的裝置說明和操作基本上可以在本領(lǐng)域中在其它的情況中被知道。接下來，參考圖3和圖4，其中分別示出根據(jù)本公開的具有電容透鏡54的生物測定傳感器組件40的另一個實(shí)施例的俯視圖和剖切側(cè)視圖。為了清楚圖示，在圖3中示出沒有密封材料的傳感器組件40，并在圖4中示出有密封材料60的傳感器組件40。傳感器組件40包含基板42，在基板12上形成有電互連導(dǎo)線，并且，可選地，基板12可以包括其它電子電路元件。例如，通過本領(lǐng)域公知的芯片附接環(huán)氧樹脂56或其它機(jī)構(gòu)(例如，導(dǎo)電接合凸點(diǎn)等)，將具有46個傳感器單元的陣列的傳感器芯片44固定到基板42的上表面?；?2和芯片44每一個都分別設(shè)置有多個導(dǎo)線焊盤區(qū)域48、50。焊盤形成區(qū)域88、50的數(shù)量和位置將根據(jù)特定傳感器組件的應(yīng)用和設(shè)計(jì)而不同，因此本文中示出的其數(shù)量和位置并不限制本公開的范圍。導(dǎo)線接合器52與區(qū)域48和50的焊盤電互連，從而使得傳感器陣列46的單元可以被恰當(dāng)?shù)貙ぶ贰ｋ娙萃哥R54被附著在傳感器芯片44之上。電容透鏡54可以通過在傳感器陣列46外圍的粘合劑58被附著到傳感器芯片44，從而使得粘合劑不會干擾傳感器陣列46的操作。在某些實(shí)施例中，以使得電容透鏡54的光透射性不被顯著地影響的方式，用光學(xué)透明或半透明粘合劑附著電容透鏡54。在某些實(shí)施例中，將電容透鏡54附接到傳感器芯片44的粘合劑58與用來將芯片44附著到基板42的芯片附接材料56類似。以這種方式，用于將電容透鏡54附接到傳感器芯片44的方法和材料與堆疊芯片組件中使用的已經(jīng)就位的方法和材料類似。電容透鏡54還是具有高介電常數(shù)的不導(dǎo)電材料的薄層。優(yōu)選地，電容透鏡54的介電常數(shù)大于5，并且對于某些實(shí)施例，其至少等于15。雖然用于電容透鏡54的適合的材料的例子包括玻璃、云母、尼龍等，我們將本描述關(guān)注于玻璃，但是應(yīng)當(dāng)理解本公開并不限于這種材料。參考圖4，通過將導(dǎo)線接合器52 (在本圖中不可見)封閉于本領(lǐng)域中在其它的情況中公知的密封材料60中來得以保護(hù)。與在本領(lǐng)域中已知的允許導(dǎo)線接合器52的密封而保留傳感器芯片的傳感器元件的陣列不覆蓋或薄薄地覆蓋的相對較復(fù)雜的模制相反的，根據(jù) 本公開，電容透鏡54的頂表面充當(dāng)用于該結(jié)構(gòu)的頂部的模子停止處，從而使得電容透鏡54所處的區(qū)域沒有密封材料。這樣，與當(dāng)前使用的復(fù)雜得多的剖面相反的，在截面中，根據(jù)本實(shí)施例的模制部分是簡單的矩形。出于上面解釋的原因，電容透鏡54應(yīng)當(dāng)具有相對較高的介電常數(shù)。在一個示例性實(shí)施例中，具有5或更大的介電常數(shù)的大約40微米厚度的玻璃板可以支持已知電容傳感器的彌散場，用于對用戶指紋的有效感測。在上文中參考圖I和圖2描述的實(shí)施例中，電容透鏡24的大小被調(diào)整以適應(yīng)傳感器芯片14的外圍。這允許傳感器芯片14為電容透鏡24提供物理支持。當(dāng)然，出于將在下面進(jìn)一步解釋的原因，在圖3和圖4中示出的實(shí)施例中，電容透鏡54的大小被調(diào)整，從而使得其至少在一個方向上延伸超出傳感器芯片44的外圍。傳感器組件40設(shè)置有例如固定到基板42的一個或多個光源62。在圖4中示出的實(shí)施例中，光源62被置于傳感器芯片44的前后，盡管在適當(dāng)?shù)膶?shí)施例中它們也可以或可替換地被置于傳感器芯片44的側(cè)面。光源62可以與基板42的元件進(jìn)行電連通，以控制光源62的開/關(guān)狀態(tài)、亮度、顏色等?；蛘撸庠?2可以由在芯片44上形成的電路、與光源62相關(guān)聯(lián)的專用電路或其它未示出的電路元件來控制。電容透鏡54的大小被調(diào)整,從而使得其懸掛在光源62之上并覆蓋光源62。這樣，可選的透明或半透明環(huán)氧樹脂64或類似的材料可以將光源62與電容透鏡54的底側(cè)物理地連接，以對延伸超出傳感器芯片44的外圍從而否則不被傳感器芯片44承載的電容透鏡54的部分提供物理支持。于是，由光源62發(fā)射的光可以通過透明或半透明環(huán)氧樹脂64和電容透鏡54被看到，從而為與傳感器組件40等的用戶交互提供視覺興趣、提示等。此外，電容透鏡54可以作為光導(dǎo)操作，以分散由光源62發(fā)射的光，從而使得電容透鏡54的表面的主要部分或全部似乎被均勻地照射。從光源62和電容透鏡54的組合可以獲得大量不同的視覺效果。電容透鏡54可以被著色和/或構(gòu)圖，從而使得文字、圖像、使用提示或其它視覺標(biāo)記可以在環(huán)境光和/或被光源62從下面照明時可以被看到。光源62的操作可以被定時，從而提供照明的圖案，例如，指示優(yōu)選的手指掃過的方向、傳感器的操作狀態(tài)(例如，等待感測、處理圖像等)或僅僅是用于視覺興趣的顏色的變換花樣和/或光的位置。設(shè)置在電容透鏡54之上的圖案或其顏色可以通過處理其一個或兩個主表面來實(shí)現(xiàn)。例如，如圖5所示，可以對一個表面進(jìn)行蝕刻或消蝕以提供標(biāo)志和/或文字48，或者在圖6中示出的使用傳感器組件的提示，諸如，指示手指掃過的方向和/或定時的箭頭72?；蛘撸粋€或兩個表面可以具有涂層或?qū)?，該涂層或?qū)涌梢詭в斜皇┘踊驑?gòu)圖的圖案以提供標(biāo)志和/或文字，并且其還可以為電容透鏡54所提供的視覺標(biāo)記提供各種顏色。如圖7所不，電容透鏡54還可以設(shè)置有導(dǎo)電材料的覆層76。在本實(shí)施例的一個變型例中，覆層76是可以通過旋涂、氣相沉積、濺射或本領(lǐng)域中已知的其它方法涂布的薄金屬涂層。這種鍍金屬可以在沉積期間(例如，過篩沉積)或沉積后(例如，通過蝕刻或消蝕)構(gòu)圖，以在電容透鏡54的表面上獲得想要的視覺圖像。在可替換的實(shí)施例中，電容透鏡54被設(shè)置有銦錫氧化物(ITO)薄層。導(dǎo)電覆層76的目的在于，提供用于在感測操作期間與用戶的手指接觸的導(dǎo)電表面。根據(jù)本領(lǐng)域中已知的電容傳感器裝置的一種設(shè)計(jì)，例如通過引用全部并入本文的美國專利No. 6，512，381中公開的，在感測過程期間，變化電壓電驅(qū)動被感測的指尖。通過添加外部電極以使用變化電壓來電驅(qū)動手指，指紋脊線的存在和不存在充當(dāng)可變電荷轉(zhuǎn)移輸入電容器，以補(bǔ)充指紋的脊線對傳感器電容器的彌散場造成的影響或干擾該彌散場的影 響，從而大大地提高傳感器的靈敏度。為了使用期望的變化電壓來驅(qū)動用戶的手指，手指與電壓源電接觸。根據(jù)在本領(lǐng)域中使用的一種設(shè)計(jì)，通過在傳感器的部分或全部周邊提供金屬擋板來進(jìn)行這種接觸。當(dāng)用戶通過將手指置于區(qū)域傳感器上或者將手指掃過帶狀傳感器來將手指施加于傳感器表面時，手指都與該擋板物理接觸和電接觸。因此，該擋板用于與手指接觸，以便將來自手指的電荷轉(zhuǎn)移到傳感器設(shè)備的輸入電容器。但是，導(dǎo)電覆層76的一個優(yōu)點(diǎn)是，其可以用于與手指電接觸，取代由已知傳感器組件設(shè)計(jì)所使用的分開的擋板。存在大量的方法來電互連導(dǎo)電覆層76與其驅(qū)動源，諸如基板42。在圖7中示出的一個這樣的方法是在電容透鏡54中設(shè)置通孔78，并在這些通孔與基板42上的適當(dāng)?shù)慕佑|焊盤之間通過導(dǎo)電材料80 (例如，焊接凸點(diǎn))進(jìn)行電接觸。一個可替換的方法是在傳感器芯片44的接觸區(qū)域之上設(shè)置通孔78，當(dāng)鍍金屬時，其使得覆層76與傳感器芯片44之間進(jìn)行電接觸。用于與覆層76進(jìn)行電接觸的另一個實(shí)施例82是如圖8所示，設(shè)置覆層76與其進(jìn)行歐姆接觸的導(dǎo)電帶或?qū)щ娭?4。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到的，也可以采用其它方法，并且使得覆層76與其驅(qū)動源之間進(jìn)行接觸的特定方法不應(yīng)形成對本公開的范圍的限制。在上述例子中，電容透鏡54 (或24)包含玻璃。在一個實(shí)施例中，玻璃開始作為具有5或更大的介電常數(shù)的片狀材料，在本實(shí)施例的其它變型例中，介電常數(shù)為10或更大，或15或更大。使用一種或多種不同的技術(shù)，玻璃最初可以被鍍金屬、構(gòu)圖和/或著色。根據(jù)特定的應(yīng)用，玻璃板可以被大量地涂布，或者玻璃板可以基于一個透鏡一個透鏡地被處理，以在后續(xù)處理中與玻璃板分開地產(chǎn)生各個電容透鏡。接下來，玻璃板可以被切成近似于典型的硅晶片的形狀，例如，8英寸的圓形。這使得允許玻璃在標(biāo)準(zhǔn)晶片處理裝置上被處理。然后，玻璃圓被背研磨(back-grind)為大約75和100微米之間的厚度。然后執(zhí)行對玻璃板的進(jìn)一步的處理、拋光等。最終，玻璃板被切割以獲得單個電容透鏡。在一個變型例中，玻璃片被切割成各種長度的條。每一個條基本上都具有在傳感器芯片的表面上的像素陣列的寬度。在將晶片分成單個芯片之前并在進(jìn)行任何組裝之前，這些玻璃條被粘附到芯片晶片的頂表面。當(dāng)芯片被分割(分成單個的芯片)時，在寬度方向上把玻璃切割為一定尺寸。
假設(shè)電容透鏡可以至少部分地透明，那么可以在其下面設(shè)置除了光源的其它光學(xué)裝置，并且，這些光學(xué)裝置作為傳感器的補(bǔ)充物操作或與傳感器一同操作。這樣的實(shí)施例120在圖9中示出。除了之前描述的元件以外，可以在電容透鏡126之下設(shè)置固態(tài)照相機(jī)122和透鏡124，電容透鏡126在寬度上延伸從而覆蓋照相機(jī)122和透鏡124。照相機(jī)122可以是公知的固態(tài)CCD或其它類型的照相機(jī)，透鏡124可以被設(shè)置用來限制由照相機(jī)122捕獲的光譜。這樣的布置可以用來幫助圖像處理(例如，手指速度和方向感測)、驗(yàn)證提供的手指是活著的(反欺騙)、測量其它生物測定數(shù)據(jù)(例如，心跳)、感測手指的存在(例如，用于開/關(guān)電源控制)、與指紋感測分開的功能(例如，光標(biāo)控制)等。雖然上述實(shí)施例關(guān)注其中電容透鏡被一體地模制到裝置中的裝置，但是根據(jù)另一個實(shí)施例，電容透鏡被固定在之前模制的傳感器結(jié)構(gòu)。這樣的傳感器組件90在圖10(進(jìn)行處理中)和圖11 (完成后)中的剖切側(cè)視圖中被示出。傳感器90包含基板92、傳感器芯片94和連接這些元件的芯片附接材料(粘合劑)96。通過焊盤98、100將基板92與傳感器芯 片94互連的導(dǎo)線接合器102圍繞傳感器芯片94的邊緣并在傳感器芯片94的邊緣之上。導(dǎo)線接合器102再次通過將其封閉用在本領(lǐng)域中在其它的情況中公知的類型的密封材料104封閉它們來得以保護(hù)。密封材料104由現(xiàn)有技術(shù)中已知的工藝進(jìn)行模制，以包括透鏡接納區(qū)域106。再一次，由于需要最小化傳感器陣列與用戶手指之間的間隙，因此以這樣的方式模制密封材料104，使得導(dǎo)線接合器102被充分地密封，而傳感器芯片94表面上的傳感器元件的陣列不被覆蓋或最多被薄薄地覆蓋。上述類型的電容透鏡108在其的一個表面上被設(shè)置有芯片附接材料、環(huán)氧樹脂或類似的粘合劑，然后被固定在透鏡接納區(qū)域106中。盡管本實(shí)施例在模制工藝中添加了形成芯片接納區(qū)域106的步驟，但是如圖11傳感器組件90中所示的最終組裝的裝置呈現(xiàn)平坦的頂表面，其在傳感器芯片之上主要包含電容透鏡108。與當(dāng)前使用的復(fù)雜得多的剖面相反的，在截面(未示出)中，模制部分是簡單的的矩形。如圖12所示，根據(jù)另一個實(shí)施例130，電容透鏡132被形成為蓋，該蓋在五側(cè)基本上覆蓋基板134和芯片136，并且其中放置有密封導(dǎo)線接合器140的密封材料138。這樣的布置提供了對傳感器結(jié)構(gòu)的良好的最后加工(fine finish)、一體裝置的外觀等。盡管上述實(shí)施例包括固定到包括透鏡接納區(qū)域的預(yù)先模制結(jié)構(gòu)的電容透鏡，但是在其它實(shí)施例中電容透鏡也可以被固定到不包括特別地模制的透鏡接納區(qū)域的預(yù)先模制結(jié)構(gòu)。確切的說，電容透鏡也可以被固定到非模制結(jié)構(gòu)。這樣，給定適當(dāng)?shù)膫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)，可以將電容透鏡固定到該傳感器結(jié)構(gòu)，即使該傳感器結(jié)構(gòu)在其它情況中不應(yīng)當(dāng)接納該電容透鏡?，F(xiàn)代電子裝置的物理性質(zhì)及其生產(chǎn)方法并不是絕對的，而確切地是產(chǎn)生理想的裝置和/或結(jié)果的統(tǒng)計(jì)工作。即使對處理的可重復(fù)性、制造設(shè)施的清潔度、開始和處理材料的純度等給予了最大限度的關(guān)注，變化和缺陷也會產(chǎn)生。因此，在對本公開的描述中的限制不可以或不應(yīng)當(dāng)被理解為絕對的。為了進(jìn)一步闡明這一點(diǎn)，術(shù)語“基本上”可以在本文中偶爾地使用(盡管對變化和缺陷的考慮并不僅局限于使用該術(shù)語的那些限制)。盡管精確地定義與限制本公開本身同樣困難，但是我們還是期望該術(shù)語被解釋為“最大程度地”、“接近可實(shí)用地”、“在技術(shù)極限之內(nèi)”等。此外，盡管在前述的詳細(xì)描述中已經(jīng)呈現(xiàn)了多個優(yōu)選的示例性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解還存在大量的變型例，并且這些優(yōu)選的示例性實(shí)施例僅僅是代表性的例子，并且不應(yīng)當(dāng)以任何方式限制本公開的范圍、應(yīng)用性或配置。各種上述公開的和其它的特征和功能、或其替換，可以理想地被組合到很多其它不同的系統(tǒng)或應(yīng)用中。各種當(dāng)前不可預(yù)見或不可期待的替換、變型例或及其改進(jìn)隨后可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員做出，它們也應(yīng)當(dāng)被包含在本公開內(nèi)。
因此，前述描述為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員提供用于實(shí)現(xiàn)本公開的方便的指南，并且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以設(shè)想對描述的實(shí)施例做出在功能和布置上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種手指感測裝置，包括 安裝基板； 集成電路(IC)芯片，由所述安裝基板承載并包含基于電場的手指感測元件的陣列； 多個第一電連接件，將所述安裝基板與所述IC芯片耦接； 保護(hù)板，被附接在所述基于電場的手指感測元件的陣列之上，并且具有在所有方向上大于5的介電常數(shù)和大于40微米的厚度，以限定用于所述基于電場的手指感測元件的陣列的電容透鏡；以及 密封材料，在所述安裝基板和所述IC芯片的附近，以及至少在所述多個第一電連接件的周圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板具有小于20的介電常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板具有小于100微米的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，還包括由所述保護(hù)板承載的至少一個電導(dǎo)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的手指感測裝置，還包括耦接所述至少一個電導(dǎo)體與所述安裝基板的至少一個第二電連接件。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，還包括至少一個光學(xué)裝置；并且，其中，所述保護(hù)板是透明的，并且覆蓋所述至少一個光學(xué)裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，其中，所述多個第一電連接件包括多個接合導(dǎo)線。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板與鄰近的所述密封材料的上部齊平。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板包括在所述基于電場的感測元件的陣列之上的頂部；以及從所述頂部向下延伸并至少包圍所述密封材料的側(cè)壁。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板包含電氣玻璃、攝影玻璃、派勒克斯玻璃、窗玻璃、電氣云母和尼龍中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手指感測裝置，還包含將所述IC芯片和所述安裝基板固定在一起的第一粘合劑層；以及將所述保護(hù)板與所述IC芯片固定在一起的第二粘合劑層。
12.—種手指感測裝置，包括 安裝基板； 集成電路(IC)芯片，由所述安裝基板承載并包含基于電場的手指感測元件的陣列； 多個第一電連接件，耦接所述安裝基板和所述IC芯片，所述多個第一電連接件包含多個接合導(dǎo)線； 保護(hù)板，被附接在所述基于電場的手指感測元件的陣列之上，并且具有在所有方向上大于5的介電常數(shù)和大于40微米的厚度，以限定用于所述基于電場的手指感測元件的陣列的電容透鏡； 密封材料，在所述安裝基板和所述IC芯片的附近，以及至少在所述多個第一電連接件的周圍； 由所述保護(hù)板承載的至少一個電導(dǎo)體；以及 至少一個第二電連接件，將所述至少一個電導(dǎo)體與所述安裝基板耦接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板具有小于20的介電常數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的手指感測裝置，還包括至少一個光學(xué)裝置；并且，其中，所述保護(hù)板是透明的，并且覆蓋所述至少一個光學(xué)裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板與鄰近的所述密封材料的上部齊平。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板包括在所述基于電場的感測元件的陣列之上的頂部；以及從所述頂部向下延伸并至少包圍所述密封材料的側(cè)壁。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的手指感測裝置，其中，所述保護(hù)板包含電氣玻璃、攝影玻璃、派勒克斯玻璃、窗玻璃、電氣云母和尼龍中的至少一種。
18.—種制造手指感測裝置的方法，包括 將集成電路(IC)芯片安裝在安裝基板上，該IC芯片包含基于電場的手指感測元件的陣列； 創(chuàng)建將安裝基板與IC芯片耦接的多個第一電連接件； 將保護(hù)板固定在所述基于電場的手指感測元件的陣列之上，該保護(hù)板具有在所有方向上大于5的介電常數(shù)和大于40微米的厚度，以限定用于所述基于電場的手指感測元件的陣列的電容透鏡；以及 在安裝基板和IC芯片的附近以及至少在所述多個第一電連接件的周圍形成密封材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的手指感測方法，其中，保護(hù)板具有小于20的介電常數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的手指感測方法，其中，保護(hù)板具有小于100微米的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的手指感測方法，還包括形成由保護(hù)板承載的至少一個電導(dǎo)體。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的手指感測方法，還包括形成耦接所述至少一個電導(dǎo)體與安裝基板的至少一個第二電連接件。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的手指感測方法，還包括提供至少一個光學(xué)裝置；并且，其中，保護(hù)板是透明的，并且覆蓋所述至少一個光學(xué)裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的手指感測方法，其中，保護(hù)板包含電氣玻璃、攝影玻璃、派勒克斯玻璃、窗玻璃、電氣云母和尼龍中的至少一種。
全文摘要
一種手指感測裝置可以包含安裝基板、由安裝基板承載并具有基于電場的手指感測元件的陣列的集成電路(IC)芯片、以及將安裝基板與IC芯片耦接的第一電連接件。另外，手指感測裝置可以包括被附接在基于電場的手指感測元件的陣列之上的保護(hù)板，該保護(hù)板具有在所有方向上大于5的介電常數(shù)和大于40微米的厚度，以限定用于基于電場的手指感測元件的陣列的電容透鏡。該手指感測裝置還可以包括在安裝基板和IC芯片的附近以及至少在第一電連接件的周圍的密封材料。
文檔編號G06K9/00GK102918546SQ201180026606
公開日2013年2月6日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者G·戈茲尼, R·H·邦德 申請人:奧森泰克公司