电子设备、超声波指纹识别装置及其制造方法与流程

本申请涉及超声波指纹识别技术领域，尤其是涉及一种电子设备、超声波指纹识别装置及其制造方法。

背景技术：

在超声波指纹识别技术中，超声波指纹识别装置的主要功能是将激励信号转化为超声波并朝垂直指纹的方向定向发射，同时接收指纹反射回的超声波，并将其转化为相应的电信号。因此，超声波指纹识别装置的设计非常关键。

在超声波指纹识别装置的设计中，压电材料的制备同样是一项关键点。目前所选用的压电材料一般为aln、锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectricceramictransducer，简称pzt)或有机压电材料聚氟乙烯(pvf)等。相对而言，pzt具有良好的发送效率(即具有良好的压电效应)，但pzt的接收效率(即具有良好的逆压电效应)较小。而aln和pvf等材料具有更好的接收效率，但发送效率却不如pzt。

在现有的超声波指纹识别装置的制造技术中，一般根据实际应用场景，从中选择一种压电材料来完成超声波指纹识别装置的设计。比如对于一些发送和接收设备分离的应用情况，可以选择pzt做为发送敏感元件，而选择aln或pvf做为接收敏感元。

然而，在超声波指纹识别技术中，超声波指纹识别装置则需要同时具有发送和接收功能。因此，目前采用单独一种的压电材料的超声波指纹识别装置的方案，往往容易造成回路效率(回路效率＝发送效率×接收效率)偏低，从而制约了超声波指纹识别装置的识别灵敏度。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种电子设备、超声波指纹识别装置及其制造方法，以提高超声波指纹识别装置的回路效率，从而提高超声波指纹识别装置的识别灵敏度。

为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种超声波指纹识别装置的制造方法，包括：

在基底层顶部形成具有特定压电应变常数的第一压电层；

在所述第一压电层顶部形成第一平面电极；

在所述第一平面电极顶部形成具有特定压电电压常数的第二压电层；

在所述第二压电层顶部形成第二平面电极；

在所述基底层上形成谐振空腔，并在所述谐振空腔内形成第三平面电极，以形成第一器件；所述第一平面电极、所述第二压电层和所述第二平面电极用于实现超声波发射；所述第三平面电极、所述第一压电层、所述第二压电层和所述第二平面电极用于实现超声波接收；

将所述第一器件与配合的半导体器件进行集成，以形成超声波指纹识别装置优选的，在所述基底层顶部形成第一压电层的工艺包括淀积工艺。

优选的，所述在所述第一压电层顶部形成第一平面电极，包括：

对所述第一压电层进行图形化，以形成第一接触沟槽；

通过淀积工艺在所述第一压电层顶部形成第一平面电极，并在所述第一接触沟槽内形成第一导电部件。

优选的，在所述基底层顶部形成第二压电层的工艺包括淀积工艺。

优选的，在所述第二压电层顶部形成第二平面电极的工艺包括淀积工艺。

优选的，所述在所述基底层上形成谐振空腔，并在所述谐振空腔内形成第三平面电极，包括：

将形成所述第二平面电极后所得到的结构垂直翻转；

图形化所述基底层，以形成谐振空腔；

在所述谐振空腔内形成导电层；

图形化所述导电层，以形成彼此绝缘隔离的第三平面电极和第二导电部件；所述第二导电部件的一端与所述第一导电部件电性连接，所述第二导电部件的另一端用于与所述半导体器件的发射电极电性连接；所述第三平面电极用于与所述半导体器件的接收电极电性连接。

优选的，所述集成的工艺包括晶圆键合工艺。

优选的，还包括：

在所述第二平面电极顶部形成钝化保护层。

优选的，所述图形化通过刻蚀工艺实现。

另一方面，本申请实施例还提供了一种通过上述方法制造的超声波指纹识别装置。

再一方面，本申请实施例还提供了配置有上述超声波指纹识别装置的电子设备。

优选的，所述电子设备包括移动终端。

再一方面，本申请实施例还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

在基底层顶部形成具有特定压电应变常数的第一压电层；

在所述第一压电层顶部形成第一平面电极；

在所述第一平面电极顶部形成具有特定压电电压常数的第二压电层；

在所述第二压电层顶部形成第二平面电极；

在所述基底层上形成谐振空腔，并在所述谐振空腔内形成第三平面电极，以形成第一器件；所述第一平面电极、所述第二压电层和所述第二平面电极用于实现超声波发射；所述第三平面电极、所述第一压电层、所述第二压电层和所述第二平面电极用于实现超声波接收；

将所述第一器件与配合的半导体器件进行集成，以形成超声波指纹识别装置。

本申请实施例的超声波指纹识别装置中包括三个平面电极和间隔位于其间的两个压电层；第一平面电极、第二压电层和第二平面电极用于实现超声波发射；第三平面电极、第一压电层、第二压电层和第二平面电极用于实现超声波接收；由于第二压电层具有特定压电应变常数，在实现超声波发射时，可以提高超声波发射效率；对应的，由于第一压电层具有特定压电电压常数，在实现超声波接收时，可以提高超声波接收效率，从而使得本申请实施例的超声波指纹识别装置可具有较高的回路效率，进而有利于提高超声波指纹识别装置的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请一实施例中超声波指纹识别装置的制造方法流程图；

图2为本申请一实施例所提供的基底的结构示意图；

图3为本申请一实施例在基底层顶部形成第一压电层后的结构示意图；

图4为本申请一实施例中的第一压电层在图形化后的结构示意图；

图5为本申请一实施例在图形化后的第一压电层顶部形成第一平面电极后的结构示意图；

图6为本申请一实施例在第一平面电极顶部形成第二压电层后的结构示意图；

图7为本申请一实施例在第二压电层顶部形成第二平面电极后的结构示意图；

图8为本申请一实施例在第二平面电极顶部形成钝化保护层后的结构示意图；

图9为在将图8所示的结构垂直翻转并对基底进行图形化后形成的结构示意图；

图10为本申请一实施例在将图9所示结构进行淀积后形成的结构示意图；

图11为本申请一实施例在将图10所示结构中的导电层进行图形化后形成的结构示意图；

图12为本申请一实施例在将图11所示结构垂直翻转并与配合的半导体器件集成后形成的超声波指纹识别装置的结构示意图；

图13为本申请一实施例的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。例如在下面描述中，在第一部件上方形成第二部件，可以包括第一部件和第二部件以直接接触方式形成的实施例，还可以包括第一部件和第二部件以非直接接触方式(即第一部件和第二部件之间还可以包括额外的部件)形成的实施例等。

而且，为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其他元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为“在”其他元件或部件“上方”或“之上”。

此外，除非上下文清楚地另有指示，本申请下述实施例使用的“一”、“一个”、“该”、“所述”等看似单数形式的术语，也可以包括复数形式。还需要说明的是，本申请下述实施例使用的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，意在指定所述特征、整体、步骤、操作、元件、部件等的存在，但不排除一种或多种其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件等的存在或添加。

虽然下文描述的操作流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，各个操作流程是以有助于理解本申请所述的实施例的方式，依次被描述为多个分立操作的。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必须是顺序相关的。具体而言，这些操作可以不必要以呈现的顺序被执行，例如这些过程还可以包括更多或更少的操作。

参考图1所示，本申请实施例的超声波指纹识别装置的制造方法可以包括以下步骤：

s101、在基底层顶部形成具有特定压电应变常数的第一压电层。

在本申请一些实施例中，如图2所示，所述基底层101可用作制造超声波指纹识别装置的基材，并且同时还可以起到底部支撑的作用。

在本申请一些实施例中，所述基底层101的材质例如可以为单晶硅、多晶硅、或非晶态结构的硅或锗的元素半导体材料。在本申请另一些实施例中，所述基底层101的材质也可以为碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟等化合物半导体材料，在本申请其他一些实施例中，所述基底层101的材质还可以为诸如sige或gaasp等合金半导体材料。

在本申请一些实施例中，如图3所示，可通过淀积工艺在基底层101顶部形成具有特定压电应变常数的第一压电层102，在本申请一些示例性实施例中，根据需要所述淀积工艺例如可以为化学气相淀积(cvd)、物理气相淀积(pvd)、电镀、蒸发(例如分子束外延等)或旋涂等。此外，下文提及的淀积或淀积工艺亦可以参考本部分的描述，以免赘述。

在本申请一些实施例中，所述具有特定压电应变常数是指所述第一压电层102的压电应变常数可以较大(具体的，其压电应变常数可不低于一个指定阈值)，以提高超声波指纹识别装置的发射效率。有鉴于此，在本申请一些示例性实施例中，所述第一压电层102可选择诸如pzt等具有较大压电应变常数的压电材料。

s102、在所述第一压电层顶部形成第一平面电极。

在本申请一些实施例中，所述在所述第一压电层顶部形成第一平面电极可以包括：

首先，如图4所示，对所述第一压电层102进行图形化，以形成第一接触沟槽103。

其次，如图5所示，可通过例如淀积等工艺在所述第一压电层102顶部形成第一平面电极104，并在所述第一接触沟槽103内形成第一导电部件104’。

本申请一些实施例中，所述的图形化例如可以通过刻蚀工艺实现。在本申请一些示例性实施例中，所述的刻蚀工艺可以为任何适合的湿法刻蚀或干法刻蚀等刻蚀工艺，例如光刻、x射线刻蚀、电子束刻蚀或离子束刻蚀等。此外，下文提及的图形化或图形化工艺亦可以参考本部分的描述，以免赘述。

在本申请一些实施例中，所述第一平面电极104的材质可以为诸如金属、金属硅化物、金属氮化物、金属氧化物或导电碳等导电材料。在本申请一些示例性实施例中，所述第一平面电极104的材质具体可以为al、cu、ag、au、ni、co、tial、tin或tan等。

s103、在所述第一平面电极顶部形成具有特定压电电压常数的第二压电层。

在本申请一些实施例中，如图6所示，可通过淀积工艺在第一平面电极104顶部形成第二压电层102’。

在本申请一些实施例中，所述具有特定压电电压常数是指所述第二压电层102’的压电电压常数可以较大(具体的，其压电电压常数可不低于一个设定阈值)，以提高超声波指纹识别装置的接收效率。有鉴于此，在本申请一些示例性实施例中，所述第二压电层102’可选择诸如aln等具有较大压电电压常数的压电材料。

s104、在所述第二压电层顶部形成第二平面电极。

在本申请一些实施例中，如图7所示，可通过淀积工艺在第二压电层102’顶部形成第二平面电极105。

在本申请一些实施例中，所述第二平面电极105的材质可以为诸如金属、金属硅化物、金属氮化物、金属氧化物或导电碳等导电材料。在本申请一些示例性实施例中，所述第二平面电极105的材质具体可以为al、cu、ag、au、ni、co、tial、tin或tan等。

在本申请另一些实施例中，如图8所示，还可以通过淀积等工艺在所述第二平面电极105顶部形成钝化保护层106。在本申请一些实施例中，所述钝化保护层106的材料例如可以为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、低k介电材料、其他合适的材料或他们的组合。

s105、在所述基底层上形成谐振空腔，并在所述谐振空腔内形成第三平面电极，以形成第一器件；所述第一平面电极、所述第二压电层和所述第二平面电极相互配合可用于实现超声波发射；所述第三平面电极、所述第一压电层、所述第二压电层和所述第二平面电极相互配合可用于实现超声波接收。

在本申请一些实施例中，所述超声波接收是指接收发射出的超声波在遇到障碍物(例如手指)反射回来的反射波。

在本申请一些实施例中，在所述基底层上形成谐振空腔，并在所述谐振空腔内形成第三平面电极，可以包括：

首先，将形成所述第二平面电极后所得到的结构垂直翻转，以便于后续可方便的对所述基底层进行图形化。

其次，如图9所示，图形化所述基底层101，以形成谐振空腔107。

其次，结合图10所示，在所述谐振空腔107内形成导电层108；在本申请一些实施例中，可通过淀积工艺在所述基底层101内形成所述导电层108。

然后，结合图11所示，图形化所述导电层108，以形成彼此绝缘隔离的第三平面电极109和第二导电部件110；所述第二导电部件110的一端与所述第一导电部件104’电性连接，所述第二导电部件110的另一端用于与所述半导体器件的发射电极电性连接；所述第三平面电极109用于与所述半导体器件的接收电极电性连接。

为了便于理解本申请实例原理及其效果，下面作进一步解释说明：

对于超声波发射，假设etx为超声波元件的发送效率，vtx为驱动电压幅度，utx为产生的超声波幅度；则有：etx＝utx/vtx。

在忽略超声波路径的衰减因子的情况下(因为对于不同方案，此衰减因子一般是恒定值)，对于返回的超声波接收，假设erx为超声波元件的接收效率，vrx为接收信号幅度；则有：erx＝vrx/utx。

超声波元件的回路效率eloop可以定义为：eloop＝vrx/vtx＝etx*erx。

以pzt和aln分别作为单一压电材料的超声波元件为例，其发送效率和接收效率对应为：

etx_pzt＝5*etx_norm，erx_pzt＝erx_norm；

etx_aln＝etx_norm，erx_aln＝10*erx_norm；

其中，etx_norm为发送效率归一化值，erx_norm接收效率归一化值。

由于归一化回路效率为eloop_norm＝etx_norm*erx_norm，则：

如果采用以pzt为单一压电材料的超声波元件，则其回路效率为5倍的归一化回路效率：eloop_pzt＝etx_pzt*erx_pzt＝5*eloop_norm；

而如果采用以aln为单一压电材料的超声波元件，则其回路效率为10倍的归一化回路效率：eloop_aln＝etx_aln*erx_aln＝10*eloop_norm；

而采用本申请实施例将所述第一平面电极104、所述第二压电层102’和所述第二平面电极105用于实现超声波发射。即在发射时，将可将所述第一平面电极104接入dc电平，将所述第二平面电极105接入交流驱动信号，所述第二压电层102’作为发射层，利用压电效应将所述交流驱动信号转化为超声波，而所述第三平面电极109和所述第一压电层102则不参与实现超声波发射，具体可通过选择性的将所述第三平面电极109悬空，或将所述第三平面电极109接入与所述第一平面电极104接入相同的电平信号(例如接入dc电平)来实现。则此时超声波元件的超声波发送效率为：

etx_our＝etx_pzt＝5*etx_norm；

而采用本申请实施例将所述第三平面电极109、所述第一压电层102、所述第二压电层102’和所述第二平面电极105用于实现超声波接收。即在接收时，所述第一压电层102和所述第二压电层102’均利用逆压电效应，将反射回来的超声波转化为电压信号，产生的电压信号同相叠加，此时所述第一压电层102和所述第二压电层102’共同作为将反射回来的超声波转化为电压信号的接收层，所述第三平面电极109和所述第二平面电极105用于采集所述接收层输出的电压信号。在本申请示例性实施例中，例如可将所述第二平面电极105接入dc电平，而将所述第三平面电极109连接接收电极(即与所述第一器件与配合的半导体器件的接收电极)；而所述第一平面电极104则不参与实现超声波接收，具体可通过选择性的将所述第一平面电极104悬空来实现。则此时超声波元件超声波接收效率为：

erx_our＝erx_aln+erx_pzt＝11*erx_norm；

在此情况下，本申请实施例的超声波指纹识别装置的归一化回路效率为：

eloop_our＝etx_our*erx_our＝55*eloop_norm；

由此可见，本申请实施例的超声波指纹识别装置的回路效率远远大于使用单一材料做为超声波元件的回路效率，从而提高了超声波指纹识别装置的识别灵敏度，具体表现为使超声波指纹识别装置具有更强的介质穿透力和更好的指纹成像能力。

当然，在本申请一些实施例中，位于所述第二压电层102’和所述第一压电层102之间的所述第一平面电极104还可以兼做过渡层，以起到应力过渡和组合离子扩散的作用，从而有利于保证两个压电层各自特性的完整性。为达到该目的，所述第一平面电极104所用材料的晶格尺寸，应介于所述第二压电层102’所用材料的晶格尺寸以及所述第一压电层102所用压电材料的晶格尺寸之间。

s106、将所述第一器件与配合的半导体器件进行集成，以形成超声波指纹识别装置。

在本申请一些实施例中，如图12所示，可以采用晶圆键合等任何合适的集成工艺将所述第一器件10与配合的半导体器件20进行集成，从而形成超声波指纹识别装置。在本申请一些示例性实施例中，所述半导体器件例如可以为用于信号处理的cmos芯片等。

在本申请一些实施例中，超声波指纹识别装置可以配置于任何适合的电子设备中，以达到通过指纹识别来实现身份识别的目的。

在本申请一些实施例中，一种典型的电子设备为智能电话(一种移动终端)，例如图13所示。在该图中，智能电话200上配置有本申请实施例的超声波指纹识别装置201，当用户用手指位于超声波指纹识别装置201上(可以为手指与超声波指纹识别装置201直接接触，也可以为手指靠近超声波指纹识别装置201上方，但不与之接触)时，超声波指纹识别装置201所发射出的超声波遇到手指后发生反射，由于指纹具有凸起的纹峭和凹陷的纹峪，这样反射回来超声波就会携带有手指的指纹信息；而反射回来的超声波反过来会作用于超声波指纹识别装置201的压电传感部件，从而使之产生相应的携带有指纹信息的电信号，这些携带有指纹信息的电信号被传输至智能电话200内的处理装置202(处理装置202可以为特定的处理软件、硬件或软件和硬件的结合)，处理装置202在获得采集到的指纹信息后，将其与预先存储于智能电话200内的特定指纹信息进行对比匹配，如果采集到的指纹信息与特定指纹信息一致，则通过身份识别。否则，身份识别失败。

在本申请一些示例性实施例中，所述电子设备还可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、个人数字助理(pda)、媒体播放器、导航设备、游戏控制台、平板计算机或可穿戴设备等等。在本申请其他一些示例性实施例中，所述电子设备还可以为安防门禁电子系统、汽车无钥进入电子系统或汽车无钥启动电子系统等等。

本申请还可以提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

在基底层顶部形成具有特定压电应变常数的第一压电层；

在所述第一压电层顶部形成第一平面电极；

在所述第一平面电极顶部形成具有特定压电电压常数的第二压电层；

在所述第二压电层顶部形成第二平面电极；

在所述基底层上形成谐振空腔，并在所述谐振空腔内形成第三平面电极，以形成第一器件；所述第一平面电极、所述第二压电层和所述第二平面电极用于实现超声波发射；所述第三平面电极、所述第一压电层、所述第二压电层和所述第二平面电极用于实现超声波接收；

将所述第一器件与配合的半导体器件进行集成，以形成超声波指纹识别装置。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。