一种超声波指纹采集器件及其制备方法与流程

本发明涉及指纹图像采集技术领域，具体涉及一种超声波指纹采集器件及其制备方法。

背景技术：

每个人的指纹在形状、断点和纹路上各不相同，是唯一且终生不变的，依靠这种唯一性和稳定性，创造出了指纹识别技术，进行指纹识别首先就必须拥有准确高校的指纹采集装置进行指纹采集。指纹采集技术是一种获取人的指纹图案的技术，现有的指纹采集技术主要有光学识别技术、电容式技术等。

光学指纹传感器主要是利用光的折摄和反射原理，将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，光从底部射向三棱镜，并经棱镜射出，射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。用棱镜将其投射在电荷耦合器件上CMOS或者CCD上，进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。其优点是抗静电能力强，产品成本低，使用寿命长，但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。

电容式指纹传感器是在一块集成有成千上万半导体微电容的平板，手指贴在其上与其构成了电容的另一极板，由于手指平面凸凹不平，指纹的脊和谷与平板接触的实际距离大小就不一样，形成的电容数值也就不一样，设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总，就完成了指纹的采集。该技术是目前在移动设备上应用最广泛的指纹采集技术，具有成像快，成本低的优点，但同样具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差、对含有污垢的手指适用性差等缺点。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提一种超声波指纹采集器件及其制备方法，应用该超声波指纹采集器件的采集指纹过程可靠且高效，该指纹采集器件的适用性强，能够进行活体指纹鉴别、同时能够可靠且有效的识别干湿手指及含有污垢的手指，提高了指纹识别的效率及准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种超声波指纹采集器件，所述器件包括：由下至上依次连接的基底、超声波阵列层及封装层；

所述超声波阵列层成型在所述基底的顶面，且所述超声波阵列层与位于所述器件外部的基板电连接；

所述封装层成型在所述超声波阵列层上，且所述封装层包括：用于贴合手指指纹的刚性保护层，以及，成型在所述刚性保护层与所述超声波阵列层之间的耦合层；

所述器件还包括：成型在所述基底与超声波阵列层之间的上绝缘层、成型在所述基底底部的下绝缘层、以及部分成型在所述超声波阵列层与所述封装层之间的绝缘钝化层，且上绝缘层、下绝缘层及绝缘钝化层均为二氧化硅层。

进一步的，所述超声波阵列层包括：由下至上依次连接的黏附层、下电极、压电层及上电极；

所述黏附层成型在所述上绝缘层上；

所述下电极成型在所述黏附层上；

所述压电层成型在所述下电极上，且所述压电层的层表面为阵列单元图形；

所述上电极成型在所述压电层上，且所述上电极经设置在绝缘钝化层的窗口，用引线与位于所述器件外部的基板电连接；

其中，所述黏附层为钛层，所述下电极的材质为铂，所述压电层为锆钛酸铅薄膜层或氮化铝薄膜层，所述上电极的材质为铝。

进一步的，所述基底的底面成型有未与所述上绝缘层的底面接触的矩形振动腔，且所述基底为圆形的硅片。

另一方面，本发明还提供了一种超声波指纹采集器件的制备方法，所述方法包括：

步骤1.分别在选取的基底的两面形成绝缘层；

步骤2.在位于所述基底顶面的绝缘层上依次形成黏附层、下电极及压电层；

步骤3.对所述压电层进行图形化处理，并在经图形化处理后的所述压电层上形成上电极；

步骤4.在成型有所述上电极的当前器件的上表面形成绝缘钝化层，并在所述绝缘钝化层上刻蚀得到窗口，使得所述上电极自所述窗口内露出，以及将所述上电极引出至预设的基板上；

步骤5.在位于所述基底的底面的绝缘层上形成未与所述基底的底面接触的振动腔；

步骤6.在成型有所述绝缘硅钝化层的器件表面上依次形成耦合层及刚性保护层，完成所述指纹采集器件的制备。

进一步的，所述步骤1包括：

步骤1-1.选取圆形的硅片作为所述指纹采集器件的基底；

步骤1-2.根据热氧化工艺，在所述硅片的顶面氧化得到用于绝缘的上二氧化硅层，以及在所述硅片的底面氧化得到用于绝缘的下二氧化硅层，其中，所述上二氧化硅层及下二氧化硅层的厚度均小于所述硅片的厚度。

进一步的，所述步骤2包括：

步骤2-1.根据磁控溅射工艺，在所述上二氧化硅层上溅射得到作为黏附层的钛层，并将溅射得到的钛层在管式炉中进行氧化，其中，所述钛层的厚度小于所述二氧化硅层的厚度；

步骤2-2.在氧化后的所述钛层上溅射得到作为下电极的铂层，并将所述铂层在高温退火炉中进行热退火处理，其中，所述铂层的厚度大于所述钛层的厚度；

步骤2-3.根据磁控溅射工艺在经热退火处理的所述铂层上溅射得到作为压电层的锆钛酸铅薄膜层或氮化铝薄膜层；或者，根据溶胶-凝胶法在经热退火处理的所述铂层上淀积得到作为压电层的锆钛酸铅薄膜层。

进一步的，所述步骤3包括：

步骤3-1.根据光刻或刻蚀工艺对所述压电层进行图形化处理，将所述压电层的层表面处理为阵列单元图形；

步骤3-2.在经刻蚀处理后的所述压电层上成型得到作为所述上电极的铝片，使得所述下电极、压电层及上电极构成所述指纹采集器件的阵列。

进一步的，所述步骤4包括：步骤4-1.根据化学淀积法或磁控溅射法，在成型有所述上电极的当前器件的上表面成型得到作为绝缘钝化层的二氧化硅钝化层；

步骤4-2.根据光刻或刻蚀工艺，在所述二氧化硅钝化层上的需要引出信号的位置进行刻蚀，得到窗口，使得所述上电极的引出块自所述窗口内露出；

步骤4-3.根据引线键合的方式，用引线将所述上电极引出到用于测试或者封装的基板上。

进一步的，所述步骤5包括：

步骤5-1.将位于所述基底的底面分为两层，将其中与所述上绝缘层直接接触的一层作为所述器件的支撑层；

步骤5-2.根据双面光刻或深硅刻蚀工艺，在所述基底中且未与所述上绝缘层直接接触的另一层上刻蚀得到所述器件的振动腔。

进一步的，所述步骤6包括：

步骤6-1.在将所述上电极引出至预设的基板后，在成型有所述绝缘硅钝化层的器件表面上覆盖得到耦合层，且所述耦合层的材质为聚酰亚胺；

步骤6-2.在所述耦合层上覆盖得到刚性保护层，完成所述指纹采集器件的制备。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种超声波指纹采集器件及其制备方法，该器件包括由下至上依次连接的基底、超声波阵列层及封装层；超声波阵列层成型在基底的顶面，且超声波阵列层与位于器件外部的基板电连接；封装层成型在超声波阵列层上。该方法选取的基底的两面形成绝缘层，在位于基底顶面的绝缘层上依次形成黏附层、下电极及压电层，在经图形化处理后的压电层上形成上电极，并形成绝缘钝化层，在绝缘钝化层上刻蚀得到窗口，在位于基底的底面的绝缘层上形成振动腔，在器件表面上依次形成耦合层及刚性保护层；应用该超声波指纹采集器件的采集指纹过程可靠且高效，该指纹采集器件的适用性强，能够进行活体指纹鉴别、同时能够可靠且有效的识别干湿手指及含有污垢的手指，提高了指纹识别的效率及准确性。。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例一中的一种超声波指纹采集器件的结构示意图；

图2是本发明的实施例二中的一种上述超声波指纹采集器件的制备方法的流程示意图；

图3是本发明的实施例三中的制备方法中步骤100的流程示意图；

图4是本发明的实施例四中的制备方法中步骤200的流程示意图；

图5是本发明的实施例五中的制备方法中步骤300的流程示意图；

图6是本发明的实施例六中的制备方法中步骤400的流程示意图；

图7是本发明的实施例七中的制备方法中步骤500的流程示意图；

图8是本发明的实施例八中的制备方法中步骤600的流程示意图。

其中，10-基底；11-支撑层；12-矩形振动腔；20-超声波阵列层；21-黏附层；22-下电极；23-压电层；24-上电极；30-封装层；40-刚性保护层；50-耦合层；60-上绝缘层；70-下绝缘层；80-绝缘钝化层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例一提供了一种超声波指纹采集器件的具体实施方式。参见图1，所述指纹采集器件具体包括如下内容：

由下至上依次连接的基底10、超声波阵列层20及封装层30；所述器件还包括：成型在所述基底10与超声波阵列层20之间的上绝缘层60、成型在所述基底10底部的下绝缘层70、以及部分成型在所述超声波阵列层20与所述封装层30之间的绝缘钝化层80，且上绝缘层60、下绝缘层70及绝缘钝化层80均为二氧化硅层。

在基底10中，基底10的底面成型有未与所述上绝缘层60的底面接触的矩形振动腔12，且所述基底10为圆形的硅片，上绝缘层60中与所述基底10的底面接触的部分为支撑层11。

在超声波阵列层20中，所述超声波阵列层20成型在所述基底10的顶面，且所述超声波阵列层20用引线与位于所述器件外部的基板电连接。

在封装层30中，所述封装层30成型在所述超声波阵列层20上，且所述封装层30包括：用于贴合手指指纹的刚性保护层40，以及，成型在所述刚性保护层40与所述超声波阵列层20之间的耦合层50；且所述超声波阵列层20包括：由下至上依次连接的黏附层21、下电极22、压电层23及上电极24；所述黏附层21成型在所述上绝缘层60上；所述下电极22成型在所述黏附层21上；所述压电层23成型在所述下电极22上，且所述压电层23的层表面为阵列单元图形；所述上电极24成型在所述压电层23上，且所述上电极24经设置在绝缘钝化层80的窗口，用引线与位于所述器件外部的基板电连接。

在上述器件中，所述黏附层21为钛层，所述下电极22的材质为铂，所述压电层23为锆钛酸铅薄膜层或氮化铝薄膜层，所述上电极24的材质为铝，

从上述描述可知，本发明的实施例提供了一种可靠且高效的超声波指纹采集器件，该指纹采集器件的适用性强，能够进行活体指纹鉴别、同时能够可靠且有效的识别干湿手指及含有污垢的手指，提高了指纹识别的效率及准确性。

本发明的实施例二提供了一种上述超声波指纹采集器件的制备方法的具体实施方式。参见图2，所述制备方法具体包括如下内容：

步骤100：分别在选取的基底的两面形成绝缘层。

在本步骤中，首先选取圆形的硅片作为所述指纹采集器件的基底，而后在所述硅片的顶面氧化得到用于绝缘的上二氧化硅层，以及在所述硅片的底面氧化得到用于绝缘的下二氧化硅层。

步骤200：在位于所述基底顶面的绝缘层上依次形成黏附层、下电极及压电层。

在本步骤中，首先在所述上二氧化硅层上溅射得到作为黏附层的钛层，并将溅射得到的钛层在管式炉中进行氧化，在氧化后的所述钛层上溅射得到作为下电极的铂层，并将所述铂层在高温退火炉中进行热退火处理，以及根据磁控溅射工艺在经热退火处理的所述铂层上成型得到作为压电层的锆钛酸铅薄膜层或氮化铝薄膜层。

步骤300：对所述压电层进行图形化处理，并在经图形化处理后的所述压电层上形成上电极。

在本步骤中，根据光刻或刻蚀工艺对所述压电层进行图形化处理，将所述压电层的层表面处理为阵列单元图形，在经刻蚀处理后的所述压电层上成型得到作为所述上电极的铝片，使得所述下电极、压电层及上电极构成所述指纹采集器件的阵列。

步骤400：在成型有所述上电极的当前器件的上表面形成绝缘钝化层，并在所述绝缘钝化层上刻蚀得到窗口，使得所述上电极自所述窗口内露出，以及将所述上电极引出至预设的基板上。

在本步骤中，根据化学淀积法或磁控溅射法，在成型有所述上电极的当前器件的上表面成型得到作为绝缘钝化层的二氧化硅钝化层，并根据光刻或刻蚀工艺，在所述二氧化硅钝化层上的需要引出信号的位置进行刻蚀得到窗口，而后根据引线键合的方式用引线将所述上电极引出到用于测试或者封装的基板上。

步骤500：在位于所述基底的底面的绝缘层上形成未与所述基底的底面接触的振动腔。

在本步骤中，将位于所述基底的底面分为两层，将其中与所述上绝缘层直接接触的一层作为所述器件的支撑层，并在所述基底中且未与所述上绝缘层直接接触的另一层上刻蚀得到所述器件的振动腔。

步骤600：在成型有所述绝缘硅钝化层的器件表面上依次形成耦合层及刚性保护层，完成所述指纹采集器件的制备。

在本步骤中，在将所述上电极引出至预设的基板后，在成型有所述绝缘硅钝化层的器件表面上覆盖得到耦合层，且所述耦合层的材质为聚酰亚胺；在所述耦合层上覆盖得到刚性保护层，完成所述指纹采集器件的制备。

从上述描述可知，本发明的实施例提供了一种超声波指纹采集器件的制备方法，该方法的实现过程简单且制备得到的指纹采集器件可靠且适用性强，使得经该方法制备得到的指纹采集器件能够进行活体指纹鉴别、同时能够可靠且有效的识别干湿手指及含有污垢的手指。

本发明的实施例三提供了上述制备方法中步骤100的具体实施方式。参见图3，所述步骤100具体包括如下内容：

步骤101：选取圆形的硅片作为所述指纹采集器件的基底。

步骤102：根据热氧化工艺，在所述硅片的顶面氧化得到用于绝缘的上二氧化硅层，以及在所述硅片的底面氧化得到用于绝缘的下二氧化硅层，其中，所述上二氧化硅层及下二氧化硅层的厚度均小于所述硅片的厚度。

从上述描述可知，本发明的实施例能够精准且快速的分别在选取的基底的两面形成绝缘层，保证了后续步骤的可靠进行。

本发明的实施例四提供了上述制备方法中步骤200的具体实施方式。参见图4，所述步骤200具体包括如下内容：

步骤201：根据磁控溅射工艺，在所述上二氧化硅层上溅射得到作为黏附层的钛层，并将溅射得到的钛层在管式炉中进行氧化，其中，所述钛层的厚度小于所述二氧化硅层的厚度。

步骤202：在氧化后的所述钛层上溅射得到作为下电极的铂层，并将所述铂层在高温退火炉中进行热退火处理，其中，所述铂层的厚度大于所述钛层的厚度。

步骤203：根据磁控溅射工艺在经热退火处理的所述铂层上溅射得到作为压电层的锆钛酸铅薄膜层或氮化铝薄膜层；或者，根据溶胶-凝胶法在经热退火处理的所述铂层上淀积得到作为压电层的锆钛酸铅薄膜层。

从上述描述可知，本发明的实施例能够准确且高效的在位于所述基底顶面的绝缘层上依次形成黏附层、下电极及压电层，保证了后续步骤的顺利进行。

本发明的实施例五提供了上述制备方法中步骤300的具体实施方式。参见图5，所述步骤300具体包括如下内容：

步骤301：根据光刻或刻蚀工艺对所述压电层进行图形化处理，将所述压电层的层表面处理为阵列单元图形。

步骤302：在经刻蚀处理后的所述压电层上成型得到作为所述上电极的铝片，使得所述下电极、压电层及上电极构成所述指纹采集器件的阵列。

从上述描述可知，本发明的实施例能够通过对所述压电层进行图形化处理，准确的在经图形化处理后的所述压电层上形成上电极。

本发明的实施例六提供了上述制备方法中步骤400的具体实施方式。参见图6，所述步骤400具体包括如下内容：

步骤401：根据化学淀积法或磁控溅射法，在成型有所述上电极的当前器件的上表面成型得到作为绝缘钝化层的二氧化硅钝化层。

步骤402：根据光刻或刻蚀工艺，在所述二氧化硅钝化层上的需要引出信号的位置进行刻蚀，得到窗口，使得所述上电极的引出块自所述窗口内露出。

步骤403：根据引线键合的方式，用引线将所述上电极引出到用于测试或者封装的基板上。

从上述描述可知，本发明的实施例通过在成型有所述上电极的当前器件的上表面形成绝缘钝化层，并在所述绝缘钝化层上刻蚀得到窗口，使得所述上电极自所述窗口内露出，能够将当前的采集期间与外部的基板连接，提供了一种完整的指纹采集装置。

本发明的实施例七提供了上述制备方法中步骤500的具体实施方式。参见图7，所述步骤500具体包括如下内容：

步骤501：将位于所述基底的底面分为两层，将其中与所述上绝缘层直接接触的一层作为所述器件的支撑层。

步骤502：根据双面光刻或深硅刻蚀工艺，在所述基底中且未与所述上绝缘层直接接触的另一层上刻蚀得到所述器件的振动腔。

从上述描述可知，本发明的实施例能够准确且有效的在位于所述基底的底面的绝缘层上形成未与所述基底的底面接触的振动腔。

本发明的实施例八提供了上述制备方法中步骤600的具体实施方式。参见图8，所述步骤600具体包括如下内容：

步骤601：在将所述上电极引出至预设的基板后，在成型有所述绝缘硅钝化层的器件表面上覆盖得到耦合层，且所述耦合层的材质为聚酰亚胺。

步骤602：在所述耦合层上覆盖得到刚性保护层，完成所述指纹采集器件的制备。

从上述描述可知，本发明的实施例在成型有所述绝缘硅钝化层的器件表面上依次形成耦合层及刚性保护层，完成所述指纹采集器件的制备，实现过程简单且制备得到的指纹采集器件可靠且适用性强，使得经该方法制备得到的指纹采集器件能够进行活体指纹鉴别、同时能够可靠且有效的识别干湿手指及含有污垢的手指。

为进一步的说明本方案，本发明还提供了一种超声波指纹采集器件的制备方法的应用实例。所述制备方法具体包括如下内容：

步骤一：为了便于兼容集成电路工艺，使用硅片作为基底，本例使用标准4英寸的圆形硅片作为基底，硅片厚度为200um。

步骤二：使用热氧化工艺在硅片正反两面氧化一层二氧化硅，氧化厚度达到绝缘效果即可，本例使用500nm的二氧化硅厚度。

步骤三：在基底正面的二氧化硅层上通过磁控溅射工艺溅射30nm的钛作为后续溅射铂下电极的黏附层，溅射完毕后将其在650℃管式炉中进行氧化，氧化时间为3分钟，此步是为了保证后续高温工艺中钛不会被继续氧化成二氧化钛而钻出铂导致器件平整性问题；

步骤四：在氧化后的钛层上通过磁控溅射工艺溅射200nm的铂作为下电极，并在高温退火炉中进行700℃时长2分钟的热退火保证铂层应力释放。

步骤五：在铂层上淀积一层具有压电性能的压电薄膜层，包括但不限于使用磁控溅射的锆钛酸铅薄膜，使用磁控溅射的氮化铝薄膜，使用溶胶-凝胶法淀积的锆钛酸铅薄膜等，压电薄膜的厚度根据实际应用可以调整，大致在1-3um范围内，本例中使用的是通过溶胶-凝胶法在步骤四所得的基底上淀积1um厚的锆钛酸铅薄膜。

步骤六：通过光刻工艺、刻蚀工艺对步骤五的压电薄膜层进行图形化，将一整张薄膜通过微电子的光刻-刻蚀工艺转化成所设计的阵列单元图形。

步骤七：在步骤六的基础上，通过光刻工艺、溅射工艺、剥离工艺在步骤六所述的基底上溅射并图形化一层上电极层，至此，下点击-压电层-上电极结构的压电单元组成的阵列已经制备完毕，单元阵列的上下电极引出形式包括但不限于单元一一引出，行列上下电极结构引出等。

步骤八：在步骤七的基础上在表面通过化学淀积法或磁控溅射法淀积一层用于绝缘的二氧化硅钝化层，再在此基础上通过光刻工艺、刻蚀二氧化硅工艺将需要进行信号引出的地方刻蚀窗口，露出金属电极的引出块。

步骤九：通过双面光刻工艺、深硅刻蚀工艺在步骤八所得的基底背面压电单元下方对应的位置刻蚀出振动腔，保留一部分硅层作为支撑层，支撑层厚度可以根据设计要求保留3-10um不等。

步骤十：通过引线键合的方式将正面片上的电极引出到测试或者封装的基板上，完成封装。

步骤十一：面覆盖一层耦合层，此耦合层要求与人体组织的声阻抗相近，比如聚酰亚胺材料，耦合层厚度在10-200um之间。

步骤十二：在正面覆盖一层硬质的刚性保护层，如薄玻璃，厚度在10-100um之间，至此，一个用于指纹采集的装置就制备完毕。

应用该制备方法制得的指纹采集器件利用压电材料的压电和逆压电效应、基于脉冲回波方式进行成像的一种指纹采集装置，通过对压电材料施加高频的驱动电压使其发射出超声波束，超声波束碰到指纹的脊和谷会反射回不同的声波信号，压电材料能够根据反射回的声波信号产生相应的电信号从而被数字系统采集并用于成像。该采集装置包括：用于按压指纹的盖板，用于超声波传输的耦合中间层，字位线寻址方式连接的上下电极，互相独立的压电振膜单元阵列，以及传感结构的驱动及指纹信号采集系统；本发明所提供的超声波指纹采集装置可以应用于人类指纹的采集，相比传统的指纹采集装置，可以穿透玻璃金属等障碍进行指纹识别，使其可隐藏于屏幕下方或者边框下，提高手机或其他电子设备的集成度，同时其成像受水分、污垢影响小，可以成3D的指纹图像和皮下毛细血管像，克服生物识别(假指纹识别)问题。

从上述描述可知，本发明的应用实例解决了在现有指纹采集技术中无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指/含有污垢的手指适用性差的问题，该指纹采集器件的适用性强，提高了指纹识别的效率及准确性。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。