包括手指传感器的电子设备和相关方法

包括手指传感器的电子设备和相关方法
【专利摘要】本发明公开了一种电子设备，所述电子设备可包括外壳和由所述外壳承载的电路。所述电子设备还可包括由所述外壳承载并耦合到所述电路的手指感测设备。所述手指感测设备可包括安装基板和半导体内插器，所述半导体内插器具有与所述安装基板相邻的下表面。所述手指感测设备还可包括多个半导体手指感测模片，所述多个半导体手指感测模片以并列且邻接的关系位于所述半导体内插器的上表面上，并且限定手指感测表面以在其上接受至少一个手指。
【专利说明】包括手指传感器的电子设备和相关方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子器件领域，并且更具体地讲，涉及手指传感器的领域。
【背景技术】
[0002]指纹感测和匹配是用于个人识别或验证的可靠且广泛应用的技术。具体地讲，指纹识别的一种通用方法涉及扫描样本指纹或其图像并存储该图像和/或指纹图像的独特特征。例如出于验证的目的，可将样本指纹的特征与已在数据库中的参考指纹的信息进行比较，以确定对人的正确识别。
[0003]在授予Setlak并转让给本发明的受让人的美国专利5，953，441中公开了指纹感测的一种特别有利的方法，该专利的全部内容以引用的方式并入本文。指纹传感器是这样一种集成电路传感器:其利用电场信号驱动用户的手指并利用集成电路基板上的电场感测像素阵列来感测该电场。
[0004]转让给本发明的受让人并以引用的方式全文并入的授予Mainguet的美国专利N0.6，289，114公开了一种包括手指感测集成电路IC的指纹传感器。手指感测IC包括置于上电极和下电极之间的压电或热电材料层，以提供表示指纹的脊线和谷线的图像的电信号。
[0005]在转让给本发明的受让人并以引用的方式全文并入的授予Setlak的美国专利N0.7，361，919中公开了一种多生物识别指纹感测的特别有利的方法。Setlak的专利公开了感测用户的手指的具有不同匹配选择性的不同生物识别特征的多生物识别手指传感器。
[0006]对于电子设备，更具体地讲例如便携式设备中的验证和/或认证而言，指纹传感器可能特别有利。此类指纹传感器可例如由便携式电子设备的外壳承载，并且其尺寸可设定为感测来自单个手指的指纹。例如，得自AuthenTec, Inc.(Melbourne, Florida)的AES3400传感器被广泛地用于各种笔记本电脑、台式电脑和PC外围设备中。同样得自AuthenTec, Inc.(Melbourne, Florida)的其他指纹传感器(例如,AES850)是多功能智能传感器，该多功能智能传感器在对传感器性能或耐久性具有减小的影响的同时扩展了触摸屏和QWERTY智能手机的基于触摸的功能。
[0007]在一些应用中，可能期望同时感测来自多个手指的指纹或感测来自相对较大手指感测区域的指纹。在一些应用中，可使用单个大面积芯片来感测多个手指。由于手指传感器的面积增大，因此来自每个晶片的产量可能降低，由此使大面积集成电路要昂贵得多。
[0008]授予Borza的美国专利N0.5，778，089公开了一种指纹感测设备,该指纹感测设备包括呈分立接触成像芯片的阵列的形式的感测板，该分立接触成像芯片以靠近但不接触的关系彼此相邻地设置。相邻芯片之间必须有小间隙，以避免相邻边缘之间发生接触。由于这些间隙，指纹图像数据可能丢失或可能不完整。对于特定应用而言，指纹图像数据的丢失可能是不可接受的。

【发明内容】
[0009]因此，根据前述【背景技术】，本发明的一个目的在于提供一种具有减少量的指纹图像数据丢失、降低的成本以及增大的手指感测区域的手指传感器。
[0010]根据本发明的该目的和其他目的、特征和优点由可包括外壳和由外壳承载的电路的电子设备来提供。该电子设备还可包括例如由外壳承载并耦合到电路的手指感测设备。手指感测设备可包括安装基板和半导体内插器，该半导体内插器具有与安装基板相邻的下表面。手指传感器还可包括多个半导体手指感测模片，该多个半导体手指感测模片以并列且邻接的关系位于半导体内插器的上表面上，并且限定手指感测表面以在其上接受至少一个手指。因此，例如，相比于其他增大面积的手指感测设备，该手指感测设备有利地具有增加的结构刚度和减小量的丢失的指纹图像数据。
[0011]半导体内插器和该多个半导体手指感测模片可各自具有在彼此的±20%内的热膨胀系数CTE。每个半导体手指感测模片可包括例如限定像素间距的像素阵列。每一对相邻的半导体手指感测模片可包括相对边缘部分，使得相对边缘部分上的像素之间的间隔不大于例如像素间距的1.5倍。相对边缘部分可限定缺失像素位置，并且处理器可被配置为例如基于相邻像素来针对缺失像素位置生成图像数据。
[0012]半导体内插器和该多个半导体手指感测模片可各自包括例如相同的半导体材料。该多个半导体手指感测模片可以多个行和多个列布置。该多个行和多个列中的至少一者可不大于例如2。
[0013]在该多个半导体手指感测模片的周边上，该多个半导体手指感测模片中的每一个可沿着其至少一侧包括多个接合焊盘。安装基板可包括例如耦合到该多个接合焊盘的球栅阵列基板和矩栅阵列基板中的一者。电子设备还可包括由安装基板承载并耦合到该多个接合焊盘的连接器。
[0014]电路可包括处理器和耦合到处理器的无线收发器。电子设备还可包括例如在该多个半导体手指感测模片之上的保护层。
[0015]本发明的方法方面涉及一种制造手指感测设备的方法。该方法可包括例如定位具有与安装基板相邻的下表面的半导体内插器。该方法还可包括以并列且邻接的关系在半导体内插器的上表面上定位多个半导体手指感测模片，以限定用于在其上接受至少一个手指的手指感测表面。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1为根据本发明的一种包括手指感测设备的电子设备的示意性平面图。
[0017]图2为图1的手指感测设备的顶部平面图。
[0018]图3为图2的手指感测设备的剖视图。
[0019]图4为图2的多手指感测设备的边缘邻接手指感测模片的邻接边缘的放大平面图。
[0020]图5为根据本发明的另一个实施例的另一个多手指感测设备的顶部平面图。
[0021]图6为根据本发明的另一个实施例的手指感测设备的剖视图。
[0022]图7为根据本发明的另一个实施例的手指感测设备的剖视图。
[0023]图8为根据本发明的另一个实施例的手指感测设备的剖视图。【具体实施方式】
[0024]现在将结合示出了本发明的优选实施例的附图而在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以多种不同的形式体现，并且不应将本发明理解为受限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开为周密且完整的，并且将向本领域的技术人员充分地表达本发明的范围。在全文中，类似的编号指示类似的元件，并且使用右上角加撇和加多个撇来指示不同实施例中的类似元件。
[0025]首先参见图1，现在描述根据本发明的一种手指感测设备20的一个实施例。手指感测设备20示例性地安装在电子设备50的暴露表面上。当然，手指传感器感测设备20也可与其他便携式电子设备或固定式电子设备一起使用。
[0026]电子设备50包括外壳51、由外壳承载的显示器52以及也由外壳承载且连接至显示器和手指感测设备20的电路53。还提供输入键54的阵列，并且如果例如电子设备50为蜂窝电话的形式，则输入键54的阵列可用于拨号以及如本领域的技术人员将想到的其他应用。
[0027]电路53可包括例如处理器57和耦合到处理器的存储器55。电路53还可包括被配置为执行无线通信功能(例如，语音和/或数据通信)的无线收发器56。天线58示例性地由外壳51承载并耦合到无线收发器56。
[0028]当然，手指感测设备20还可包括嵌入其中和/或与电路53协作的电路以提供如本领域的技术人员将想到的菜单导航和选择功能、触觉反馈和/或上电功能。
[0029]另外参见图2-3，手指感测设备20包括安装基板21。安装基板可例如为陶瓷的。安装基板21可为如本领域的技术人员将想到的另一种材料。
[0030]手指感测设备20还包括具有与所述安装基板21相邻的下表面的半导体内插器
22。半导体内插器22可例如为硅，或者为如本领域的技术人员将想到的另一种半导体材料。半导体内插器21可例如为600微米厚。可利用粘合剂材料(例如，环氧树脂)来将半导体内插器22耦合到安装基板21。
[0031]手指感测设备20还包括在半导体内插器22的上表面上的半导体手指感测模片
23。半导体内插器22和半导体手指感测模片23可各自包括相同的半导体材料。例如，半导体内插器22和半导体手指感测模片23可各自为硅。当然，半导体内插器22和半导体手指感测模片23可为另一种半导体材料。如本领域的技术人员将想到的那样，在一些实施例中，半导体内插器22和半导体手指感测模片23可包括不同的材料，但可具有在某一个范围内(例如，在彼此的±20%内，更优选地在彼此的土 10%内)的相应热膨胀系数CTE。当然，在一些实施例中，例如当半导体内插器和半导体手指感测模片各自为硅时，半导体内插器22和半导体手指感测模片23可具有相同的CTE。如本领域的技术人员将想到的那样，随着由半导体内插器22承载的手指感测模片23的数量的增加，可能需要例如在更窄范围内的相应CTE。此外，CTE的匹配例如可增加手指感测设备20的结构刚度。半导体内插器22和半导体手指感测模片23可各自具有在彼此不同范围(诸如，±40%、或另一个范围)内的CTE。
[0032]半导体手指感测模片23以并列且邻接的关系布置，并且更具体地讲，以行和列布置。半导体手指感测模片23的并列且邻接的关系有利地限定例如面积足够的手指感测表面来在其上接受多个手指61。
[0033]示例性地，半导体手指感测模片23被配置成两行三列共六个半导体手指感测模片(图2)。在这种构型中，每个半导体手指感测模片23均为外部半导体手指感测模片，即每一者在感测表面的周边上具有边缘。该六个半导体手指感测模片23可限定手指感测表面例如以接受两个手指61。当然，在其他实施例中，半导体手指感测模片23可以其他构型布置，如将在下文更详细地描述的那样。一个示例性半导体手指感测模片23可为约0.5英寸宽X 0.8英寸长。
[0034]现在另外参见图4，每个半导体手指感测模片23包括限定像素间距的像素24的阵列。像素24可为电场感测像素，例如，如在授予Setlak的美国专利N0.5，953，441中所述。作为另外一种选择或除此之外，像素24可为电容性感测像素，例如，如在授予Gozzini并转让给本发明的受让人且全部内容以引用的方式并入本文的美国专利N0.6，927，581中所述。
[0035]相邻像素之间的一个示例性间距P可为例如50.8微米。每一对相邻的半导体手指感测模片23具有相对边缘部分，使得相对边缘部分上的像素之间的间隔VP不大于像素间距P的1.5倍。换句话讲，相对边缘部分上的像素之间的间隔VP可小于或等于约76.2微米。在一些实施例中，可能更优选的是，每一对相邻的半导体手指感测模片23具有相对边缘部分，使得相对边缘部分上的像素之间的间隔VP不大于像素间距P，即约50.8微米。这例如有利地减少了单个像素行或列的任何丢失的图像数据。每个半导体感测模片23被配置为感测该多个手指的相邻部分。
[0036]相对边缘部分限定缺失像素位置，并且更具体地讲，限定缺失像素部分的行或列。换句话讲，例如，如果相邻芯片为单个芯片，则相邻半导体手指感测模片23邻接的边缘将通常包括像素的行或列。处理器57被配置为基于相邻像素来针对缺失像素位置生成图像数据。处理器57可例如通过插补来自相邻像素的图像数据来针对缺失像素位置生成图像数据。换句话讲，处理器57可使用相邻像素来感测死空间，这例如在具有相对较厚保护层或涂层的情况下可为尤其有利的。作为另外一种选择或除此之外，如本领域的技术人员将想到的那样，处理器57也可通过使用加权函数来由缺失像素位置生成图像数据。有利的是，图像数据可能不是完全丢失，这可将精确度提高例如至特定应用的可接受阈值。
[0037]处理器57还可被配置为例如与半导体手指感测模片23和存储器55协作以执行认证功能。处理器57还可与半导体手指感测模片23协作以执行欺骗检测功能。如本领域的技术人员将理解的那样，可由处理器57执行其他和/或附加的功能。
[0038]半导体手指感测模片23中的每一个还沿着半导体手指感测模片的外周边的一侧包括接合焊盘25 (图2)。当然，在其他实施例中，接合焊盘25可沿着半导体手指感测模片23的一个或任一数量的周边侧。如上文所指出的那样，每个半导体手指感测模片23均为外部手指感测模片。如本领域的技术人员将理解的那样，该构型有利地允许每个半导体手指感测模片23沿着其周边侧具有接合焊盘25。
[0039]安装基板21还包括以耦合到接合焊盘25的球32栅阵列的形式的安装结构(图3)。在其他实施例中，该安装结构可为耦合到接合焊盘25的矩栅阵列的形式。当然，如本领域的技术人员将理解的那样，安装基板21可包括附加的或其他类型的安装构造或结构。
[0040]半导体内插器22和安装基板21示例性地包括导电通孔33以将接合焊盘25耦合到安装基板。具体地讲，通孔33将接合焊盘25耦合到安装结构，即经由键合引线36耦合到球栅阵列。[0041]保护层31示例性地位于半导体手指感测模片23之上(图3)。保护层31可为例如环氧树脂。保护层31可为例如聚酰亚胺、玻璃或其他保护性材料。如本领域的技术人员将理解的那样，保护层31有利地为手指感测模片23提供增强的保护以防损坏，例如划伤。保护层可提供增加的结构刚度。
[0042]框架34或挡板可围绕半导体手指感测模片23(图3)。框架34可提供附加的结构刚度。当然，在一些实施例中，安装基板21可向上延伸以围绕半导体手指感测模片23。另夕卜，如本领域的技术人员将理解的那样，可使用驱动环。在其他实施例中，框架34可提供驱动环。
[0043]如本领域的技术人员将理解的那样，利用多个像素例如来感测多个手指的单个大面积手指感测模片可尤其易于受到缺陷的影响。更具体地讲，随着手指感测模片的尺寸增力口，单个像素中的缺陷例如可能导致整个手指感测模片失效。本发明的实施例有利地使用具有已认可的产量曲线的更小芯片制造技术。另外，如本领域的技术人员将理解的那样，手指感测模片23的放置以及处理器57的协作可有利地允许与例如PIV附录F和FIPS201标准所定义的图像质量规范相符。
[0044]现在参见图5，在另一个实施例中，半导体手指感测模片23’被配置成四行四列共十六个半导体手指感测模片，并且以与上文相对于图1-4所述的实施例相似的方式安装在半导体内插器22’的上表面上。十六个半导体手指感测模片23’可限定例如用于接受四个或更多个手指的手指感测表面。十六个半导体手指感测模片23’可总共为约3英寸高和
3.2英寸宽。如本领域的技术人员将理解的那样，中间芯片在其边缘例如对于接合焊盘而言是不可触及的，并因此中间芯片不能使用。如本领域的技术人员将理解的那样，为这些芯片使用其他芯片组装技术，例如硅通孔TSV。
[0045]现在参见图6，在另一个实施例中，半导体内插器22”可小于安装基板21”。这有利地允许框架34”耦合到与半导体内插器22”的下表面相邻的安装基板21”的上表面。框架34”可通过粘合剂层(例如，环氧树脂)耦合到安装基板21”。
[0046]安装基板21”示例性地承载连接器37”及其柔性电缆，例如诸如用于通用串行总线USB连接的电缆。
[0047]现在参见图7，半导体内插器22’ ’ ’可包括由其上表面承载的电路38’ ’ ’。电路38’’’可为有源电路，例如用于处理图像或像素数据。电路38’’’可包括其他电路，并且在一些实施例中，可与处理器协作以执行任何上文所指出的功能。如本领域的技术人员将理解的那样，电路38’ ’ ’可有利地增强手指感测设备20’ ’ ’的功能。
[0048]现在参见图8来介绍另一实施例，其中中间芯片对于接合焊盘而言是不可触及的(即，存在两个以上的行和/或列)。在中间芯片不可触及的情况下，TSV39’’’’可被配置为将中间芯片的连接路由至半导体内插器22’ ’ ’ ’的顶部上的导电性迹线40’ ’ ’ ’。
[0049]本发明的另一方面涉及一种制造手指感测设备20的方法，该方法包括定位具有与安装基板21相邻的下表面的半导体内插器22。该方法还包括以并列且邻接的关系在半导体内插器22的上表面上定位半导体手指感测模片23以针对手指感测表面上的至少一个手指来限定手指感测表面。
[0050]如本领域的技术人员将理解的那样，可使用划片机或激光器来以约5微米的放置容差从晶片切割硅芯片。因此，可以增加的精度限定手指感测模片23的边缘。手指感测模片23所切自的晶片为约700微米厚，这允许足够的材料来实现可重复的芯片邻接放置，如上所述。
[0051]虽然本文描述了可尤其有利于感测多个手指的若干半导体手指感测模片构造，但本领域的技术人员应当理解，手指感测设备可仅包括两个半导体手指感测模片以用于感测单个手指。由于更好的晶片产量，因此这些单个手指实施例可得益于更低的成本。受益于前文描述及相关附图中所呈现的教导内容的本领域的技术人员将想到本发明的许多修改形式和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改形式和实施例旨在涵盖于所附权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种电子设备,包括: 外壳; 电路，所述电路由所述外壳承载；以及 手指感测设备，所述手指感测设备由所述外壳承载并耦合到所述电路，所述手指感测设备包括 安装基板， 半导体内插器，所述半导体内插器具有与所述安装基板相邻的下表面，以及 多个半导体手指感测模片，所述多个半导体手指感测模片以并列且邻接的关系位于所述半导体内插器的上表面上，并且限定手指感测表面以在所述手指感测表面上接受至少一个手指。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述半导体内插器和所述多个半导体手指感测模片各自具有在彼此的±20%内的热膨胀系数CTE。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中每个半导体手指感测模片包括限定像素间距的像素阵列；并且其中每一对相邻的半导体手指感测模片包括相对边缘部分，使得相对边缘部分上的像素之间的间隔不大于所述像素间距的1.5倍。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述相对边缘部分限定缺失像素位置；并且所述电子设备还包括被配置为基于相邻像素来针对所述缺失像素位置生成图像数据的处理器。
5.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述半导体内插器和所述多个半导体手指感测模片各自包括相同的半导体材料。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述多个半导体手指感测模片以多个行和多个列布置。
7.根据权利要求6所述的电子设备，其中所述多个行和多个列中的至少一者不大于2。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中在所述多个半导体手指感测模片的周边上，所述多个半导体手指感测模片中的每一个沿着其至少一侧包括多个接合焊盘。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其中所述安装基板包括耦合到所述多个接合焊盘的球栅阵列基板和矩栅阵列基板中的一者。
10.根据权利要求8所述的电子设备，还包括由所述安装基板承载并耦合到所述多个接合焊盘的连接器。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述电路包括处理器和耦合到所述处理器的无线收发器。
12.根据权利要求1所述的电子设备，还包括在所述多个半导体手指感测模片之上的保护层。
13.一种手指感测设备，包括: 安装基板； 半导体内插器，所述半导体内插器具有与所述安装基板相邻的下表面；以及 多个半导体手指感测模片，所述多个半导体手指感测模片以并列且邻接的关系位于所述半导体内插器的上表面上，并且限定手指感测表面以在所述手指感测表面上接受至少一个手指。
14.根据权利要求13所述的手指感测设备，其中所述半导体内插器和所述多个半导体手指感测模片各自具有在彼此的±20%内的热膨胀系数CTE。
15.根据权利要求13所述的手指感测设备，其中每个半导体手指感测模片包括限定像素间距的像素阵列；并且其中每一对相邻的半导体手指感测模片包括相对边缘部分，使得相对边缘部分上的像素之间的间隔不大于所述像素间距的1.5倍。
16.根据权利要求13所述的手指感测设备，其中所述半导体内插器和所述多个半导体手指感测模片各自包括相同的半导体材料。
17.根据权利要求13所述的手指感测设备，其中所述多个半导体手指感测模片以多个行和多个列布置。
18.根据权利要求17所述的手指感测设备，其中所述多个行和多个列中的至少一者不大于2。
19.根据权利要求13所述的手指感测设备，其中在所述多个半导体手指感测模片的周边上，所述多个半导体手指感测模片中的每一个沿着其至少一侧包括多个接合焊盘。
20.根据权利要求19所述的手指感测设备，其中所述安装基板包括耦合到所述多个接合焊盘的球栅阵列基板和矩栅阵列基板中的一者。
21.根据权利要求19所述的手指感测设备，还包括由所述安装基板承载并耦合到所述多个接合焊盘的连 接器。
22.根据权利要求13所述的手指感测设备，还包括在所述多个半导体手指感测模片之上的保护层。
23.一种制造手指感测设备的方法，包括: 定位具有与安装基板相邻的下表面的半导体内插器；以及 以并列且邻接的关系在所述半导体内插器的上表面上定位多个半导体手指感测模片，以针对手指感测表面上的至少一个手指来限定所述手指感测表面。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述半导体内插器和所述多个半导体手指感测模片各自具有在彼此的±20%内的热膨胀系数CTE。
25.根据权利要求23所述的方法，其中每个半导体手指感测模片包括限定像素间距的像素阵列；并且其中每一对相邻的半导体手指感测模片包括相对边缘部分，使得相对边缘部分上的像素之间的间隔不大于所述像素间距的1.5倍。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述半导体内插器和所述多个半导体手指感测模片各自包括相同的半导体材料。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述多个半导体手指感测模片以多个行和多个列布置。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述多个行和多个列中的至少一者不大于2。
29.根据权利要求23所述的方法，还包括在所述多个半导体手指感测模片之上形成保护层。
【文档编号】G06K9/00GK103827890SQ201280046343
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月24日 优先权日:2011年9月25日
【发明者】R·H·邦迪, G·戈齐尼 申请人:奥森泰克公司