超声波指纹传感器及其制造方法与流程

本发明涉及指纹传感器技术，特别涉及一种超声波指纹传感器及其制造方法。

背景技术：

现有的超声波传感器包括压电柱阵列，每个压电柱对应超声波指纹传感器的一个像素，通过每个压电柱激发超声波及检测反射的超声波可以检测指纹对应像素的像素值，从而最终实现指纹识别。现有的压电柱需要通过微机电系统加工得到，设备成本高且工艺复杂，导致产品成本高。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种超声波指纹传感器及其制造方法。

一种超声波指纹传感器的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

在绝缘基底上蚀刻出呈阵列排布的多个通孔以形成框架；及

填充压电材料到所述通孔以形成与所述多个通孔对应的多个压电柱。

在某些实施方式中，所述制造方法包括以下至少一个步骤：

在所述框架下方形成多条发射极线，每条发射极线与对应一行所述压电柱连接；及

在所述框架上方形成多条接收极线，每条接收极线与对应一列所述压电柱连接。

在某些实施方式中，所述制造方法包括以下至少一个步骤：

形成覆盖所述接收极线的上保护层；及

形成覆盖所述发射极线的下保护层。

在某些实施方式中，所述制造方法包括：

形成贯穿所述框架的多根导线，每根所述导线与对应一条所述接收极线连接；及

在所述框架下方形成多个接收电极，每个所述接收电极与对应一根所述导线连接。

在某些实施方式中，所述制造方法包括：

在所述框架下方形成多个发射电极，每个所述发射电极与对应一根所述发射极线连接。

一种超声波指纹传感器，所述超声波指纹传感器包括：

框架，所述框架包括绝缘基底，所述绝缘基底蚀刻形成有呈阵列排布的多个通孔；及

与所述多个通孔对应的多个压电柱，所述压电柱通过填充压电材料到所述通孔形成。

在某些实施方式中，所述绝缘基底的材料包括二氧化硅。

在某些实施方式中，所述通孔的横截面包括矩形、圆形或三角形。

在某些实施方式中，所述通孔沿第一方向排成多行并且沿第二方向排成多列，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角为直角或锐角。

在某些实施方式中，相邻两个所述通孔之间的距离小于50微米。

在某些实施方式中，所述框架的高度为70-80微米。

在某些实施方式中，所述压电材料包括压电陶瓷。

在某些实施方式中，所述压电柱的两端与所述框架的两个表面平齐。

在某些实施方式中，所述超声波指纹传感器包括：

形成在所述框架下方的多条发射极线，每条发射极线与对应一行所述压电柱连接；及/或

形成在所述框架上方的多条接收极线，每条接收极线与对应一列所述压电柱连接。

在某些实施方式中，所述发射极线及/或所述接收极线包括银材料。

在某些实施方式中，所述发射极线及/或所述接收极线的厚度为2.5微米。

在某些实施方式中，所述超声波指纹传感器包括：

覆盖所述接收极线的上保护层；及/或

覆盖所述发射极线的下保护层。

在某些实施方式中，所述上保护层及/或所述下保护层包括绿漆及二氧化硅。

在某些实施方式中，所述上保护层及/或所述下保护层的厚度为5微米左右。

在某些实施方式中，所述超声波指纹传感器包括：

贯穿所述框架的多根导线，每根所述导线与对应一条所述接收极线连接；及

形成在所述框架下方的多个接收电极，每个所述接收电极与对应一根所述导线连接。

在某些实施方式中，所述超声波指纹传感器包括：

形成在所述框架下方的多个发射电极，每个所述发射电极与对应一根所述发射极线连接。

本发明实施方式的超声波指纹传感器及其制造方法，利用蚀刻方式在绝缘基底上形成框架，再在框架中填充压电材料形成压电柱，从而形成超声波指纹传感器。由于蚀刻的设备成本低且工艺简单，因此可以降低超声波指纹传感器的成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的超声波指纹传感器的制造方法的流程示意图。

图2是本发明实施方式的超声波指纹传感器的制造工艺示意图。

图3是本发明实施方式的超声波指纹传感器的压电柱俯视示意图。

图4是本发明另一个实施方式的框架俯视示意图。

图5是本发明又一个实施方式的框架俯视示意图。

图6是本发明另一个实施方式的超声波指纹传感器的制造方法的流程示意图。

图7是本发明实施方式的超声波指纹传感器的另一个制造工艺示意图。

图8是本发明实施方式的超声波指纹传感器的又一个制造工艺示意图。

图9是本发明又一个实施方式的超声波指纹传感器的制造方法的流程示意图。

图10是本发明实施方式的超声波指纹传感器的又一个制造工艺示意图。

图11是本发明又一个实施方式的超声波指纹传感器的制造方法的流程示意图。

图12是本发明实施方式的超声波指纹传感器的又一个制造工艺示意图。

图13是本发明又一个实施方式的超声波指纹传感器的制造方法的流程示意图。

图14是本发明实施方式的超声波指纹传感器的又一个制造工艺示意图。

主要元件符号说明：

超声波指纹传感器10、框架12、绝缘基底122、通孔124、压电柱14、发射极线16、接收极线18、下保护层11、上保护层13、发射电极15、导线17、接收电极19。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的实施方式在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本发明实施方式的超声波指纹传感器的制造方法包括以下步骤：

S10：在绝缘基底上蚀刻出呈阵列排布的多个通孔以形成框架；及

S20：填充压电材料到通孔以形成与多个通孔对应的多个压电柱。

请参阅图2和图3，超声波指纹传感器10包括框架12及多个压电柱14。框架12包括绝缘基底122，绝缘基底122蚀刻形成有呈阵列排布的多个通孔124。压电柱14通过填充压电材料到通孔124形成。

本发明实施方式的制造方法可用于制造本发明实施方式的超声波指纹传感器10。

本发明实施方式的超声波指纹传感器10及其制造方法，利用蚀刻方式在绝缘基底122上形成框架12，再在框架12中填充压电材料形成压电柱124，从而形成超声波指纹传感器10。由于蚀刻的设备成本低且工艺简单，因此可以降低超声波指纹传感器10的成本。

在某些实施方式中，绝缘基底122采用二氧化硅。

二氧化硅是半导体材料，适用于半导体制造技术中的蚀刻工艺，使得超声波指纹传感器的制造方法与半导体制造技术兼容，有利于进一步降低成本。

可以理解，绝缘基底122还可以是其他同时具有非导电性及非压电性的材料，在此不做限制。例如，绝缘基底122可以是黑胶材料，例如，黑胶环氧树脂。黑胶环氧树脂为绝缘材料，具有良好的耐温耐溶性，并且固化后表面光亮，粘接能力强。如此，通过黑胶材料可以使得多个压电柱14之间良好的粘连。

请参阅图4，在某些实施方式中，通孔124的横截面可以是矩形、圆形、三角形或其他多边形。

采用规则几何图形，易于设计及制造。

可以理解，由于压电柱14通过在瞳孔12内填充压电材料制成，因此，压电柱14的横截面对应通孔12的横截面。也即是，压电柱14也可以包括有矩形、圆形、三角形或其他多边形。

工作时，压电柱14形成的超声波是沿多个方向发出的，包括纵向波、侧向波。纵向波是超声波指纹传感器10利用的有效波，侧向波是产生噪声干扰的干扰波。超声波的侧向波碰到不同压电柱14的切面形成的反馈讯号大小不同，所以产生的噪声大小也不同。根据应用情况，如某种规格的传感器，选择相对应形状的压电柱14，可以降低超声波的侧向噪声。

请参阅图5，在某些实施方式中，超声波指纹传感器10中的多个通孔124沿第一方向排成多行并且沿第二方向排成多列，第一方向与第二方向之间的夹角为直角。

也即是说，通孔124呈正矩阵排列，排列规则，易于设计与制造。

在某些实施方式中，第一方向与第二方向之间的夹角为锐角。

也即是说，通孔124呈斜矩阵排列，又或者说，不同行的通孔124错位排列。如此，可以通过压缩行距利用同行相邻两个通孔124之间的空间布置相邻一行的通孔124，也即是说，相邻两行通孔124之间的距离小于同行相邻两个通孔124之间的距离，从而提高空间利用率，增加通孔124的密度。

在某些实施方式中，相邻两个通孔124之间距离小于50微米。

如此，可以使超声波指纹传感器10的采样分辨率的大于508DPI(Dots per Inch，每英寸所打印的点数)。当间隙大于50微米时，采样分辨率将会降低。

在某些实施方式中，框架12的高度为70-80微米。

可以理解，压电柱14与通孔124对应是指压电柱14的形状及尺寸与通孔124基本相同。由于是通过在通孔124内填充压电材料制成，因此，压电柱14的形状与通孔124的形状相同，尺寸也相同。

因此，对应的，压电柱14的厚度也为70-80微米。超声波指纹传感器10的振动频率与压电柱14的厚度成反比，厚度为70-80微米的压电柱14所发出的声波属于超声波并且对人体无损。当然，对于不同的设计需求，压电柱14的厚度也可以进行对应的改变。

在某些实施方式中，压电材料包括压电陶瓷。

如此，利用压电陶瓷的正压电效应接收超声波，逆压电效应发射超声波。压电陶瓷具有稳定的温度性、优异的电性能以及振动稳定性能；同时，压电陶瓷的制备工艺简单，原材料容易获得且价格低廉。利用压电陶瓷作为压电材料，可确保超声波指纹传感器10压电柱14的稳定性，也可降低制造成本。

在某些实施方式中，压电柱14的两端与框架12的两个平面平齐。

具体的，在填充压电材料时可以在平整的基板(图未示)上进行，一般还需要对压电材料进行挤压，可以采用平整的压板进行挤压，如此，可以使得压电柱14的两端与框架12的两个平面平行。当然，还可以填充后进行研磨等工艺，进一步保证压电柱14的两端与框架12的两个平面的平整度。如此，有利于在后续的布线等工艺。

请参阅图6，在某些实施方式中，超声波指纹传感器的制造方法包括以下至少一个步骤：

S30：形成在框架下方的多条发射极线，每条发射极线与对应一行压电柱连接；及

S40：形成在框架上方的多条接收极线，每条接收极线与对应一列压电柱连接。

请参阅图7和图8，在某些实施方式中，当压电柱14呈m*n的矩阵阵列时，每一列压电柱14上表面形成一条接收极线18，也即是说，在框架12上方将形成n条接收极线18。而每一行压电柱14下表面形成一条发射极线16，也即是说，在框架12下方形成m条发射极线16。

需要说明的是，发射极线16与接收极线18需要交叉设置，也即是说，发射极线16与接收极线18不能平行设置。在某些实施方式中，例如采用如图2的通孔124时，发射极线16与接收极线18呈直角设置；采用图5的通孔124时，发射极线16与接收极线18呈锐角设置。

如此设置，发射极线16与接收极线18相互交叉且与一个压电柱14对应，作为超声波指纹传感器10的一个像素，可以检测接近压电柱14或与压电柱14接触的物体的轮廓。

工作时，手指按压在超声波指纹传感器10上，对一个发射电极及接收电极19施加高频交流电压，其中，接收电极19接地，对应的压电柱12发生高频波动形变，并将电能转化为机械能，发射出超声波。然后，发射电极15接地，接收电极19接信号读出装置(图未示)，超声波经由手指反射后，返回压电层10，压电柱12会将机械能转化为电能，在压电柱12两端形成电压，即接收电极19的电压。从而，超声波指纹传感器100可以读出电压识别手指对应一点的深度。

在某些实施方式中，发射极线16及/或接收极线18包括银材料。

在某些实施方式中，发射极线16及接收极线18可采用溅镀工艺形成。

溅镀工艺利用电子或高能激光轰击靶材，并使靶材表面组分以原子团或离子形式溅射出来，并最终沉淀在基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。

在某些实施方式中，选用银作为靶材，通过溅镀工艺形成位于框架12上方的接收极线18及位于框架下方的发射极线16。

在某些实施方式中，发射极线16及/或接收极线18的厚度为2.5微米。

如此，可使得接收极线18及发射极线16的厚度满足工艺需求以保证良好的电性能。

请参阅图9，在某些实施方式中，超声波指纹传感器的制造方法包括以下至少一个步骤：

S50：形成覆盖所接收极线的上保护层；及

S60：形成覆盖所发射极线的下保护层。

请参阅图10，在某些实施方式中，超声波指纹传感器10包括：覆盖接收极线18的上保护层13及/或覆盖发射极线16的下保护层11。

如此，保护层的设计将可以对极线起到保护作用，进而保证超声波指纹传感器10的电性能。

在某些实施方式中，上保护层13及/或下保护层11包括绿漆及二氧化硅。

需要说明的是，由于在后续封装制程中，需通过接点将超声波指纹传感器10与电路板上相应的接点进行电连接，因此保护层应当避让发射电极15及接收电极19设置。

在某些实施方式中，上保护层13及/或下保护层11的厚度为5微米左右。

请参阅图11，在某些实施方式中，超声波指纹传感器的制造方法包括以下至少一个步骤：

S70：形成贯穿框架的多根导线，每根导线与对应一条接收极线连接；及

S80：在框架下方形成多个接收电极，每个接收电极与对应一根导线连接。

请参阅图12，在某些实施方式中，超声波指纹传感器10包括：

贯穿框架12的多根导线17，每根导线17与对应一条接收极线18连接；及

形成在框架12下方的多个接收电极19，每个接收电极19与对应一根导线17连接。

需要说明的是，由于接收极线18仅需一侧出线，或者说每根接收极线18仅需选择一端作为接点，因此在制作导线17的过程中，可根据实际设计的接点位置选择进行穿孔的压电柱14，例如，可以在矩阵阵列相对的两侧选择穿孔，当然也可以将穿孔全部置于一侧。

在某些实施方式中，导线17采用电镀银工艺制作，如此可将位于框架12上方的接收极线18通过导线17导通至框架12的下方，并在穿孔的压电柱14下方形成接收电极18。

需要说明的是，在形成穿孔的一行或两行压电柱14下方将不再设置发射极线16，以防止极线间相接而造成短路。

请参阅图13，在某些实施方式中，超声波指纹传感器的制造方法包括以下步骤：

S90：在所框架下方形成多个发射电极，每个发射电极与对应一根发射极线连接。

请参阅图14，在某些实施方式中，超声波指纹传感器10包括：

形成在框架12下方的多个发射电极15，每个发射电极15与对应一根发射极线16连接。

与接收极线18类似，发射极线16也仅需要一侧出线，因此可选择发射极线16的任一端作为发射电极15。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。