包括三维图案的指纹感测装置的制作方法

本发明涉及指纹感测装置。特别地，本发明涉及指纹感测装置中的表面图案。

背景技术：

随着用于身份验证的生物计量装置的发展，特别是指纹感测装置的发展，已经导致装置被制造得更小、更便宜和更节能，对于这种装置的可能应用在不断增加。

特别地，由于小的形状因数、相对有利的成本/性能因数和高的用户接受度，指纹感测已经越来越多地应用于例如消费类电子装置中。

基于用于提供指纹感测元件和辅助逻辑电路的CMOS技术而构建的电容指纹感测装置越来越受欢迎，因为这种感测装置可以做得小并且节能，同时能够以高精度识别指纹。因此，电容指纹传感器有利地用于消费类电子产品例如便携式计算机、平板计算机以及移动电话如智能手机。

指纹传感器可以例如被布置在诸如智能手机或平板计算机的手持装置的前表面上，在此情况下，传感器通常被布置成具有与用于装置的显示器的覆盖玻璃在相同平面中的感测表面。为了使传感器与覆盖玻璃融合或者将指纹传感器与覆盖玻璃区分开，可能需要选择指纹传感器的特定颜色或图案。

然而，包含颜料的常规着色层相当厚，有时大于40μm以实现所需要的颜色和光泽度。厚度影响传感器性能，这是因为它增加了手指与感测芯片之间的距离。当涉及到产生包括不同颜色的图案的可能性时，目前已知的使用颜料的涂料溶液也受到限制，因为每种颜色需要单独的处理步骤，并且取决于应用技术，所得到的图案的分辨率限于大约100μm。

此外，彩色颜料是仅部分反射入射光的分子，并且颜色由涂料中分子的光吸收限定。取决于所需的颜色，必须发现具有所需特性的分子，并且颜色的微调相当困难。此外，由于颜色取决于材料特性，所以颜色可能随着颜料老化而变化。

技术实现要素：

鉴于指纹感测装置的上述期望特性和现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种指纹感测装置和一种用于制造具有有色表面而无需使用颜料的指纹感测装置的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种指纹感测装置，包括：感测芯片，感测芯片包括感测元件的阵列，感测元件被配置成连接到读出电路，用于检测在感测元件中的每一个与放置在感测装置的感测表面上的手指之间的电容耦合；覆盖层，该覆盖层垂直地布置在该感测元件之上以覆盖该感测元件的至少一部分，其中，该覆盖层的外表面形成感测装置的感测表面；其中，所述覆盖层包括被配置成减少在可见光范围的预定子范围内的反射光的量的三维(3D)图案。

覆盖层垂直地布置在感测元件之上并不排除可以在覆盖层与感测元件之间布置额外的层。覆盖层包括三维图案意味着：图案包括在三维中具有扩展的单独特征。

本发明基于这样的认识：可以制造指纹传感器，其可以通过使用覆盖层来调整成具有期望的表面视觉外观，该覆盖层包括被配置成减少在可见光范围的预定子范围内的反射光的量的三维图案，从而实现感测装置的特定颜色。

由于指纹传感器通常包括某种类型的覆盖层以物理地保护感测元件。通过使用在覆盖层中包括的三维图案来实现关于指纹传感器的视觉外观的期望效果，而不会出现例如使用颜料时需要额外材料的情况。此外，可以通过关于尺寸、图案形状和材料组成调整三维图案来实现不同的颜色。此外，可以实现与使用颜料的目前使用方法的已知分辨率相比更高的分辨率。

根据本发明的一个实施方式，三维图案可以是等离激元阵列。等离激元阵列还可以包括其中纳米结构彼此电流隔离的等离激元纳米结构阵列。在本上下文中，纳米结构通常是指具有至少一个维度并且通常所有三个维度在纳米范围中的结构。纳米范围被认为达到1000nm并包括1000nm。

根据本发明的一个实施方式，选择纳米结构的尺寸、形状和分布以形成等离激元阵列，该等离激元阵列被配置成减少在可见光范围的预定子范围内的反射光的量。等离激元纳米结构可以是柱、立方体、孔、盘或具有任何形状的颗粒。入射光激发纳米级结构中的局部表面电子等离子体振荡。该结构具有基本上在可见光的波长的范围中的尺寸。通过激发局部表面等离激元，入射光被部分吸收。由于白光由不同波长的光谱组成，所以如果波长中的一些被吸收，则光会改变颜色。光的哪一部分被吸收取决于纳米结构的尺寸和周期性。这使得能够通过改变图案的尺寸和周期性来改变具有纳米结构的样品的颜色外观。由于等离激元作用取决于单独的导电纳米结构，所以纳米结构彼此电流隔离，使得不在相邻纳米结构之间形成导电路径。

根据本发明的一个实施方式，三维图案可以是反射衍射光栅，在此情况下，三维图案包括用作衍射光栅的纳米结构阵列。由于入射光在纳米结构处的衍射引起光程长度差，这取决于角度。可以在不同的角度下观察不同波长的干涉最大值，这取决于波长与光程长度差之间的比率。

根据本发明的一个实施方式，覆盖层可以包括多个子层。因此，覆盖层不一定是同质层，并且覆盖层因此可以包括两个或更多个子层以形成子层的堆叠。此外，一个或更多个附加层或结构可以布置在覆盖层上面或之下。在子层或结构布置在三维图案上面的应用中，这些层需要对于三维图案至少部分透明，以使相对于传感器的视觉外观具有任何效果。

在本发明的一个实施方式中，三维图案可以布置在被第二子层覆盖的第一子层中。三维图案可能需要保护层来为构成阵列的小结构提供机械保护。第二子层可以优选地是透明的以允许光通过第二子层而没有被吸收。这样的透明层可以例如是涂覆在三维图案上的透明材料，或者透明层可以是玻璃盖板。

根据本发明的一个实施方式，三维图案可以布置在感测表面处，并且图案可以有利地被配置成提供疏水性表面特性。除了图案的波长反射特性之外，它们还可以被配置成提供排斥水的表面，这通过减少粘附到感测表面的水的量来改善指纹感测装置的性能。该结构可以或者引起增加在液滴与基板表面之间的实际接触线的粗糙度(Wenzel模型)，或者引起在表面与水滴之间的气穴(pocket)而这防止液滴接触表面(Cassie-Baxter模型)。在这两种情况下，材料的疏水性增大。为了增强疏水效果，结构可以大到10μm。

根据本发明的一个实施方式，三维图案可以被配置成针对感测装置的不同区域部分来减少在可见光范围的不同预定子范围内的反射光的量，使得在感测表面上形成图像。通过局部改变结构的尺寸和周期性，可以设计具有不同的单独设计的颜色的像素，从而允许彩色图案或者甚至全彩色照片类图像具有高分辨率。由于该结构允许非常高的分辨率并且难以复制，所以该技术还可以用于创建水印或其他防伪特征。

在本发明的一个实施方式中，三维图案可以被配置成使得预定子范围对于不同的视角而言是不同的。取决于三维图案的配置，还可以实现颜色的角度依赖性。由此可以实现具有非常小的特征尺寸并且难以复制的全息效应，从而提供确保指纹感测装置的真实性的有效方法。

根据本发明的一个实施方式，覆盖层的至少一部分可以被光学反射材料涂覆。例如，三维图案的至少突出部分可以被光学反射材料涂覆。为了获得更亮或更反射的颜色，可以在结构上面施加金属，或者结构本身可以由金属组成。这种反射金属层不能是导电片，这意味着反射金属层必须由孤立的金属岛组成。反射层也可以被布置为背景层，使得没有被三维图案反射的光可以被反射层反射。

根据本发明的第二方面，提供一种用于制造指纹感测装置的方法，所述方法包括：提供包括感测元件的阵列的感测芯片，感测元件被配置成连接到读出电路，用于检测在感测元件中的每一个与放置在感测装置的感测表面上的手指之间的电容耦合；形成垂直地布置在该感测元件之上以覆盖该感测元件的至少一部分的覆盖层，其中，该覆盖层的外表面形成该感测装置的感测表面；以及在该覆盖层中，形成被配置成减少在可见光范围的预定子范围内的反射光的量的三维图案。

在本发明的一个实施方式中，形成三维图案的步骤可以有利地包括纳米压印光刻或光蚀刻。光蚀刻和纳米压印光刻(NIL)二者都是可以用于大规模生产的方法。NIL可以以低成本和高生产量使用。NIL基于复制具有期望的纳米图案或微米图案的反转的母模(master)。将母模压在基板上以使热塑性层或UV可固化层变形。对于大规模应用，可以用卷到卷NIL或模具插件。此外，与由光蚀刻形成的图案相比，由NIL创建的图案可以更容易地具有高分辨率。

根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括在三维图案的突出部分上沉积反射涂层。

本发明的第二方面的额外的优点、效果和特征大部分类似于结合本发明的第一方面上面描述的优点、效果和特征。

当研究所附权利要求书和以下描述时，本发明的进一步的特征和优点将变得明显。技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以组合以产生除了后面描述的那些实施方式之外的实施方式。

附图说明

现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了包括根据本发明的实施方式的指纹感测装置的手持电子装置；

图2a至图2c示意性地示出了根据本发明的实施方式的指纹感测装置；

图3a至图3f示意性地示出了根据本发明的实施方式的指纹感测装置；

图4a至图4b示意性地示出了根据本发明的实施方式的指纹感测装置；

图5是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤的流程图；以及

图6a至图6c示意性地示出了制造根据本发明的实施方式的指纹感测装置的方法。

具体实施方式

在本具体实施方式中，主要参考电容指纹感测装置来讨论根据本发明的指纹感测装置的各种实施方式。还讨论了一种用于制造指纹感测装置的方法。

图1是包括指纹感测装置102的手持装置100的示意图，该指纹感测装置102包括触摸屏显示器104。指纹感测装置102可以用于例如移动电话、平板计算机、便携式计算机或需要识别和/或认证用户的任何其他电子装置。

图2a至图2b是根据本发明的实施方式的指纹感测装置200的示意图。应当注意，附图不是按比例绘制的，并且它们用于说明本发明的各种实施方式的总体构思。感测装置200的外表面由于是放置手指以捕捉指纹图像的表面而被称为感测表面。指纹感测装置基于包括感测元件204的阵列的感测芯片202。感测元件204在这里示出为以正方形阵列排列的正方形元件。通常，感测元件具有大约50×50μm的尺寸并且相邻元件之间的距离为约5μm。感测元件204是导电的，通常是金属的，并且可以作为一般近似被认为用作在平行板电容器中的一个板，其中，放置在指纹感测装置200的感测表面上的手指代表另一个板。每个感测元件204连接至读出电路(未示出)，用于检测在感测元件204中的每一个与放置在感测表面201上的手指之间的电容耦合，以便捕捉指纹图像。

感测装置还包括布置在感测元件204的上面的覆盖层206，并且覆盖层206通常被布置成覆盖感测芯片202的整个区域。此外，覆盖层包括被配置成减少在可见光范围的预定子区域内的反射光的量的三维图案，使得感测装置200的视觉外观可以被调整成呈现所选择的颜色。三维图案包括以阵列布置的多个纳米结构208。三维图案可以具有等离激元阵列或者反射衍射光栅。在等离激元阵列的情况下，纳米结构可以是导电的，通常为金属的，或者可以由电介质材料制成。在导电纳米结构208的情况下，纳米结构优选地彼此不电接触，即它们彼此电流隔离，以便不干扰指纹感测装置的电容感测机制。然而，纳米结构的整体集合的部件可以电连接，只要所得到的连接部分不干扰感测元件的操作即可。通常，这些连接部分不能大于感测元件，或者不能布置成与多个感测元件重叠。例如，当在导电层中以孔的阵列的形式提供纳米结构时，导电层以更大的规模中断，例如与感测元件对准。

图2c概述了确定三维图案和纳米结构208的特性的参数、确定图案的反射特性的参数中的一些，其中d表示纳米结构208的宽度或直径，s是在相邻纳米结构208之间的距离(间隔)，p是间距，并且h是纳米结构208的高度。即使图案在这里被示出为包括正方形纳米结构的规则正方形阵列，图案的不同配置也是可能的，并且纳米结构可以具有不同形状例如圆柱形、金字塔形、圆锥形或截头圆锥形或截头四棱锥形。纳米结构还可以是柱、立方体、孔、盘或具有任意形状的颗粒。在三维图案是反射衍射光栅的实施方式中，纳米结构可以是长形的，如下所示。

作为示例，用于等离激元阵列的纳米结构208可以具有约150nm的高度、约200nm的直径、周期性为约500nm的约300nm的间隔。应当注意，本发明的各种实施方式绝不限于根据上述的结构，并且给出的示例仅仅描述了纳米结构的尺寸的数量级。关于如何形成用于反射不同波长的纳米结构阵列的具体示例可以在例如Gu等的Nanoscale的2015年7卷第6409页中找到。

对于衍射光栅，尺寸大致与上述相同，但是其他形状也是可行的。

图3a是指纹感测装置300的示意图，其中覆盖层302包括两个单独的子层。第一子层304被布置成覆盖感测元件204。第一子层304可以是例如用于保护感测元件204并形成可以形成有三维图案的平坦表面的模具层。第二子层包括形成三维图案的多个纳米结构306。

图3b是指纹感测装置310的示意图，其中，覆盖层312包括类似于图3a所示的两个单独的子层。然而，在图3b中，纳米结构314仅形成在第二子层316的一部分中。

图3c是指纹感测装置320的示意图，其中覆盖层322可以包括三个子层304、306和324，其中纳米结构306的顶表面被反射材料324涂覆以增强图案的反射特性，以便尽可能有效地反射未被三维图案吸收的波长。反射材料324可以是例如金属。

图3d是指纹感测装置330的示意图，其中覆盖层332包括：保护感测元件的第一子层304；包括反射材料的第二子层334；以及包括形成三维图案的纳米结构306的第三子层。在反射材料层334基本上覆盖感测芯片202的整个表面的情况下，反射材料不能如上所述是导电的。

在上述的三维图案形成指纹感测装置的外表面的实施方式中，图案可以有利地被配置成还提供疏水表面特性或者超疏水表面特性。

图3e示意性地示出了指纹感测装置340，其中覆盖层342包括附加子层344，附加子层344布置成覆盖用于形成三维图案的纳米结构208。附加层344可以是例如被布置成保护纳米结构208的模具层。

图3f示意性地示出了指纹感测装置350，其中覆盖层352包括呈保护板354形式的子层，保护板354被布置成覆盖三维图案并且形成指纹感测装置350的外表面358即感测表面。保护板通常包括电介质材料，以便在放置于板上的手指与感测芯片的感测元件之间提供良好的电容耦合。特别地，保护板可以有利地包括玻璃或陶瓷材料，例如化学强化玻璃、ZrO2或蓝宝石。上述材料都提供了有利的性能，因为它们是硬的并且因此耐磨损和耐撕裂，并且因为它们是电介质的从而在放置于保护板的表面上的手指与感测装置的感测元件之间提供了良好的电容耦合。可以使用布置在图案与板354之间的粘合剂356将保护板354附接至感测装置。粘合剂356因此可以填充纳米结构之间的空间，使得在装置中没有空气进入。

在参照图3e至图3f描述的实施方式中，覆盖三维图案的材料至少部分地对可见光透明，使得光可以到达图案。

基于图3a至图3f描述的实施方式，技术人员容易认识到，实施方式可以以许多不同的方式组合，从而得到本文未明确描述的感测装置的配置。因此应当理解，本发明构思同样适用于指纹感测装置的大量可能的配置。

图4a是根据本发明实施方式的指纹感测装置400的示意图，其中装置400的不同区域部分402a至402c具有三维图案的不同配置。每个区域部分可以被称为子阵列或彩色像素402a至402c，其不与感测元件混淆。每个彩色像素可以具有被配置成减少在可见光的特定预定子范围内的反射光的量的三维图案。图案和/或纳米结构可以以前面讨论的任何一种方式变化，使得每个彩色像素显示期望的颜色。此外，三维图案的彩色像素可以具有比感测元件的尺寸小得多的尺寸，从而提供在感测装置400的表面上形成高分辨率图像的可能性。例如，彩色像素可以具有在500nm×500nm范围内的尺寸。

图4b示意性地示出了感测装置，其中装置408的不同区域部分包括由锯齿图案410a至410b和细长脊412a至412b所示的不同类型的衍射光栅，其中各个图案的尺寸是不同的以示出每个区域部分可以被调整成反射期望的波长光谱。因此，对于衍射光栅，可以使用与等离激元阵列相比不同形状的纳米结构。

示出的彩色像素还提供了将等离激元阵列与同一平面中的衍射光栅组合的可能性，其中可以基于哪种技术为特定颜色提供更好的结果来选择用于实现每个特定彩色像素的期望颜色的技术。作为替选配置，还可以提供堆叠层，其中第一层包括等离激元阵列并且其中第二层包括衍射光栅。

关于如何形成具有不同波长反射特性的等离激元阵列的详细示例可以在例如Si等的“Reflective plasmonic color filters based on lithographically patterned silver nanorod arrays”在Nanoscale的2013年5卷第6243页中找到。

图5是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤的流程图，并且图6a至图6c是概述根据本发明的实施方式的制造步骤的示意图。将参照示出用于在指纹感测装置中形成三维图案的纳米压印光刻方法的图6a至图6c来描述该方法。

首先是502，提供了包括感测元件(未示出)的感测芯片602，并且随后用形成有图案的覆盖层604涂覆504感测芯片。覆盖层可以是例如热塑性聚合物抗蚀剂。提供压印模具606，其包括要在覆盖层604中形成的图案的反转版本/镜像版本。

接下来，在覆盖层604被加热到高于玻璃转化温度的同时，将压印模具606压在覆盖层604上，使得覆盖层604变得柔软且可变形。因此，在覆盖层604中形成506图案608。

最后，感测芯片602和压印模具606被冷却，使得覆盖层固化，从而得到其中用三维图案覆盖感测元件的感测装置。

覆盖层还可以包括UV可固化材料，在此情况下，在压印模具被压入覆盖层之后通过UV光照射该覆盖层以便硬化。

以上参照图3a至图3f描述的任何附加层可以使用常规的和已知的制造方法形成。

尽管已经参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得明显。此外，应当注意，装置和方法的部分可以以各种方式被省略、交换或布置，该装置和方法仍然能够执行本发明的功能。

另外，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，可以通过研究附图、公开内容和所附权利要求来理解和实现所公开的实施方式的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的单纯事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。