专利名称：主动式生物特征感测器及使用其的电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主动式(active)生物特征感测器及使用其的电子装置，且特别是有涉及一种利用主动式振动波来检测生物特征的感测器及使用其的电子装置。
背景技术：
传统的生物特征感测器(譬如是指纹感测器)感测的方法有几种，例如光学的感测原理，其缺点为无法有效感测干手指及脏污，而且需要一光学照明及成像系统，不仅消耗功率高且体积庞大。另外最常见的就是利用电容量测的半导体芯片，其优点是功耗小且体积小，但缺点为无法感测湿手指。另外有利用压力感测的方式，其特点是必须要提供一容易受压变形的结构，但是手指按压此感测器的力道必须足够。若手指接触此感测器的力道不够或没有按压到此感测器，则无法得到好的感测结果。另外以上技术都无法感测皮下组织， 作为更多生物信息的收集。另外一种方法是利用红外线感测皮下血管的技术，可以解决上述的量测缺点，但是复杂的光学系统使其体积，功耗及价格都不易普及应用。为解决以上所有问题，本发明将提供一主动式生物特征感测器，达到低功耗、体积小，不仅可以检测表面的生物特征，例如指纹，更可能检测皮下的生物特征，例如血管等信肩、O
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种低功耗、体积小、并能有效感测表面及皮下的生物特征且不受距离大幅影响的主动式生物特征感测器及使用其的电子装置。为达上述目的，本发明提供一种主动式生物特征感测器包含一第一载体、一固定第一电极、一悬浮第二电极、一支撑结构以及一驱动信号产生器。第一电极设置于第一载体。第二电极设置成面对第一电极。支撑结构隔开第一电极及第二电极，以使第一电极及第二电极形成一容置空间。信号产生器输出一驱动信号至第一电极或第二电极，以使第二电极产生第一振动波。第一振动波受一生物特征干扰而转变成第二振动波。此外，本发明亦提供一种使用前述主动式生物特征感测器的电子装置。通过本发明的上述主动式生物特征感测器，可以达成主动感测的功能，对于按压力道不够的手指的指纹仍能有相当好的感测效果。值得注意的是，由于主动感测的特征，故可以增加一个休眠及唤醒控制模块，使主动检测的第一振动波不用持续发出。或者，亦可增加一个感测功能以感测第一电极与第二电极的电容，以整合主动与被动检测的功能。本发明实施例的主动式生物特征感测器及使用其的电子装置，功耗低，体积小，并且能有效感测表面及皮下的生物特征且不受距离大幅影响。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中
图IA显示依据本发明第一实施例的主动式生物特征感测器的示意图。图IB显示第二电极与间隔层的一种结合方式。图IC显示第二电极与间隔层的另一种结合方式。图ID显示第二载体及第二电极的组合。图2显示第一电极与第二电极的相对运动状态的一种模式。图3显示依据本发明的生物特征感测器的每一感测元架构的一实施例。图4与图5显示依据本发明的生物特征感测器的应用。附图标号
Cl:电容C2:电容F :手指/生物特征FV :纹谷FR :纹峰OP :运算放大器SI :驱动信号S2 :感测信号Wl :第一振动波W2 :第二振动波I :生物特征感测器2 :笔记本电脑3 鼠标光标4:移动电话5 :感测元10 :第一载体20:第一电极22 :显示模块23 :处理模块30 :驱动信号产生器40:第二电极41 :第二中间材料层42 :显示模块43 :处理模块45:第三中间材料层50:支撑结构/间隔层51 :第三中间材料层55 :容置空间60:读取电路70 :第二载体
具体实施例方式为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。图IA显示依据本发明第一实施例的主动式生物特征感测器的示意图。如图IA所示，本实施例的主动式生物特征感测器I包含一第一载体10、一固定第一电极20、一悬浮第二电极40、一支撑结构(或称间隔层)50以及一驱动信号产生器30。第一电极20设置于第一载体10。第一载体10可以有好几种架构,例如在本实施例中，特别是具有集成电路整合的半导体基板，例如硅基板，加上制作于其内部的晶体管元件及其上方的电路结构，也可以构成本发明的第一载体10。当然第一载体10也可以是例如绝缘材料，例如玻璃、陶瓷或高分子基板等等。第一电极可以是例如集成电路制造工艺中的最后一道金属导体层，亦或者额外添加的导体层，第二电极40设置成面对第一电极20，第二电极40可以是整体为单一导体材料，例如是低阻值的硅，通过与SiO2间隔层50之间利用 接合技术及相关研磨刻蚀所形成的薄膜结构，在本实施例中两者是通过低温接合方式(lowtemperature fusion bonding)形成具有氢键强度的介面。当然在形成低温接合之前，更可以包括水清洗及例如低浓度氢氟酸以去除第二电极表面的氧化层(HF dip)，为了达到表面活化，更可以包括表面电浆(plasma)处理，例如暴露在氧气(O2)及氮气(N2)的电浆环境下，而且为了让接合的表面有很好的平坦度，更可以利用化学机械研磨法(CMP)将待接合的表面予以抛光及抛平。如果第一载体10内设置有晶体管及电路元件，则之后所提供的退火温度(annealtemperature)便只能在低于500°C的环境下形成高键结强度的共价键于间隔层50及第二电极40之间。然而，间隔层50与第二电极40除了上述的直接接合方式外，也可以在各间隔层50上设置有一第一中间材料层51，并且在第二电极40下设置一第二中间材料层41，再通过第二中间材料层41接合第一中间材料层51的方式,将第二电极40固设于间隔层50上,如图IB所示。其中，第一中间材料层51或第二中间材料层41可分别为铝和锗或者硅和金，例如招和锗可以在约420°C形成共晶接合(eutectic bonding),并且这两种材料与CMOS制造工艺相容，更适合应用在本实施例具有集成电路整合的设计。另外，间隔层50以及第二电极40之间也可以仅仅设置一第三中间材料层45来进行接合，如图IC所示，此第三中间材料层45则可为玻璃熔块(glass frit)、高分子胶合层及其他粘合材料等等。在另一实施例中，间隔层50譬如是由金属所构成，特别是由金(Au)所构成，或者是由复合金属结构(例如镍和金的复合结构)所构成，第二电极40亦可以设置于一第二载体70上，如图ID所示。第二载体70及第二电极40的组合例如是软性电路板，其由金属线路所形成的第二电极40及譬如聚亚酰胺(polyimide)的高分子材料层70所形成。金属线路及高分子材料层可以是单层或多层，涉及软性电路板的结构及材料为已知技术，在此不赘述。而软性电路板及金凸块的接合为已知技术，在此不赘述。由于这种结构类似于第一载体10与第一电极20的组合结构，故于此不再详述及绘示出。间隔层50隔开第一电极20及第二电极40，以使第一电极20及第二电极40形成一容置空间55。在本实施例中，间隔层50连接第一载体10及第二电极40，并设置于第一载体10及第二电极40之间。驱动信号产生器30输出一驱动信号(譬如是驱动电压信号)SI至第一电极20或第二电极40,由于静电力的关系,属于悬浮结构的第二电极40会被第一电极20吸引以改变其与第一电极20的距离。如果以某一特定频率驱动，则第二电极40会因此产生一特定频率的振动，因而对外界输出第一振动波W1，振动波的频率可以因应用而改变，甚至操作于超音波的频率，更可以通过将属于悬浮结构的第二电极40的共振频率设计成与驱动信号SI的频率相同，这样可以达到最省功耗及最大灵敏度。第一振动波Wl受一生物特征F干扰或因为相位的改变或因为振幅的改变，而转变成第二振动波W2。在第一实施例中，驱动信号产生器30电连接至第二电极40，并输出驱动信号SI至第二电极40，以使第二电极40产生第一振动波Wl。第一振动波Wl受生物特征F干扰而转变成第二振动波W2。在本发明中，生物特征为皮肤表层或其皮下生物特征，例如表皮指纹、真皮纹路或皮下血管纹路等等。而为了达到可以检测皮下特定的生物特征，例如血管纹路，可能需要操作于特定的频率，以避开皮肤表层的干扰，通常超音波的频率可以达到此功能，因此本发明的主动式结构也可用于非接触型及接触型的感测。在本实施例中，是以手指F的指纹(包 含纹峰FR及纹谷FV)当作生物特征来说明。值得注意的是，第一电极20、第二电极40及读取电路60构成一感测元5。此外，主动式生物特征感测器I的每一感测元5的第一电极20更可以电连接至一读取电路60，并读取每一对第一电极20与第二电极40之间的信号变化而获得一感测信号S2,感测信号S2对应于生物特征F与生物特征感测器I的特定信息，譬如是距离信息。如果感测元5没有受到纹峰干扰，则读取电路60通过第一电极20读取到的信号应所述是与第一振动波Wl相同的相位及振幅信号；反之如果受到干扰，则读取电路60通过第一电极20读取到的信号则会有相位或振幅的变化而获得感测信号S2，由于指纹的纹峰FR跟纹谷FV与第二电极的距离不同，故可对第一振动波Wl产生不同的干扰，从而使第二振动波W2有所差异，从而获得纹峰FR跟纹谷FV之间的距离的差异信息。生物特征感测器I可以依应用设计成二维阵列或一维阵列的架构，所以生物特征感测器I可以更包含(N-I)个感测元5，也就是生物特征感测器I总共包含N个感测元5，N个感测元5排成一阵列，其中N为大于或等于2的正整数。值得注意的是，信号产生器也可以电连接至第一电极，而控制电路可以电连接至第二电极。图2显示第一电极与第二电极的相对运动状态的一种模式。如图2所示，第一电极20相对固定，例如操作在共振模式下，则第二电极40可以上下振动以产生第一振动波
Wlo图3显示依据本发明的生物特征感测器的每一感测元包含电路架构的一实施例。如图3所不，电容Cl代表第一电极20与第二电极40之间的电容,而电容C2为一参考电容。在本实施例中，读取电路60包含一运算放大器0P，通过运算放大器OP的连接方式，将第一电极20连接于OP的负输入端，而OP的正输入端则电连接至一接地电位或者一固定电压，由于OP的特性，其两输入端视为等电位，因此第一电极20也视为接地电位，因此当输入一驱动信号SI于第二电极40时，两者会因电压差产生的静电力将悬浮的第二电极40吸往第一电极20，因而使得两者间的距离变近，因而使电容值Cl变大。通过OP及参考电容C2的转换，可以在OP的输出端得到一对应的S2信号。因此，如果输入的SI是固定周期变化，则没有受到干扰的感测元其S2输出也将是与SI相同相位的输出，且两者的振幅关系为S2 =S1*C1/C2。如果感测元受干扰，例如手指纹峰接触，则Cl值将受干扰使得输出的S2产生变化。图4与图5显示依据本发明的生物特征感测器的应用。如图4所示，生物特征感测器I可以被应用在笔记本电脑2，例如作为指纹输入装置，或者利用手指移动以控制鼠标光标3的移动及相关的按键功能。如图5所示，生物特征感测器I可以被应用在行动装置，例如电话4，以达到相同于前述的功能，并控制移动电话4的软件及硬件相关操作。其中，作为指向装置的生物特征感测器I利用可以取代传统机械操作装置的方向选取及按压选取，更可以提供左击、右击、双轴卷动、放大、缩小、切换、双击(Double click),以及长按超过一预定时间后进入预设应用程序等功能。当然除了上述笔记本电脑2及移动电话4的应用夕卜，本发明生物特征感测器I更可以被应用在任何需要指纹输入装置或指向性装置的电子装置。因此，本发明更提供一种具有前述生物特征感测器I的电子设备，以控制此电子设备的操作。 因此，本发明的电子装置2/4包含一感测装置(生物特征感测器)I、一显示模块22/42及一处理模块23/43。如图4所示，感测装置I被装设在笔记本电脑2中，处理模块23(可为中央处理器，CPU)再根据具有表面纹路分布的物体(如物体5，在此为手指)在感测装置I上移动所造成多点变形的变化，来控制应用程序(如光标3的移动或人机介面)，并控制显示模块22对应显示应用程序的画面(如人机介面的画面)。如图5所示，感测装置I被装设于移动电话4中，并以上述的方式操作移动电话4的显示模块42。更有甚者，在本应用例子，感测装置I可以不只当作光标3移动的控制或屏幕画面的切换等等功能，也可以提供压力感测，甚至当作取代机械式的按钮使用。除此之外，感测装置也可以读取足够的手指纹路信息作为生物辨识使用，甚至手指皮肤以下的其他生物信息以做为医疗或生物辨识使用。因此，本发明更提供一种电子装置，其包含前述的主动式生物特征感测器I、一处理模块23/43以及一显示模块22/42。处理模块23/43电连接至主动式生物特征感测器1，并接收感测信号S2，并处理及判别感测信号S2在至少一特定应用程序的意涵，譬如根据生物特征F在主动式生物特征感测器I上移动所造成多点变形的变化来控制一应用程序。至少一特定应用程序的意涵包含生物特征辨识或鼠标光标移动。显示模块22/42电连接至处理模块23，并显示对应应用程序的一画面。通过本发明的上述主动式生物特征感测器，可以达成主动感测的功能，对于按压力道不够的手指的指纹仍能有相当好的感测效果。值得注意的是，由于主动感测的特征，故可以增加一个休眠及唤醒控制模块，使主动检测的第一振动波不用持续发出。或者，亦可增加一个感测功能以感测第一电极与第二电极的电容，以整合主动与被动检测的功能。在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及权利要求范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。
权利要求
1.一种主动式生物特征感测器，其特征在于，至少包含 一第一载体； 一固定第一电极，设置于所述第一载体； 一悬浮第二电极，设置成面对所述第一电极； 一支撑结构，隔开所述固定第一电极以及所述悬浮第二电极，以使所述固定第一电极及所述悬浮第二电极形成一容置空间；以及 一驱动信号产生器，输出一驱动信号至所述第一电极或所述第二电极，以使所述悬浮第二电极产生第一振动波，所述第一振动波受一生物特征干扰而转变成第二振动波。
2.如权利要求I所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，更包含 一读取电路，电连接至所述第一电极或所述第二电极，接收所述第二振动波而获得一感测信号，所述感测信号对应于所述生物特征与所述生物特征感测器的特定信息。
3.如权利要求2所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，所述读取电路读取所述第一电极与所述第二电极之间的信号变化而获得所述感测信号。
4.如权利要求3所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，所述读取电路包含一运算放大器，所述第一电极连接于所述运算放大器的一负输入端，所述运算放大器的一正输入端电连接至一接地电位，所述运算放大器的一输出端通过一参考电容而电连接至所述运算放大器的所述负输入端，所述运算放大器的所述输出端输出所述感测信号。
5.如权利要求2所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，所述特定信息对应于所述感测信号的振幅变化或相位变化。
6.如权利要求2所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，所述读取电路以分时的方式输出所述驱动信号以及获得所述感测信号。
7.如权利要求I所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，更包含 一第一中间材料层，设置于所述支撑结构上； 一第二中间材料层，设置于所述第二电极下，所述第二中间材料层接合所述第一中间材料层。
8.如权利要求I所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，所述第一载体内设置有一电路兀件。
9.如权利要求8所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，所述支撑结构与所述第二电极形成有共价键。
10.如权利要求2所述的主动式生物特征感测器，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极及所述读取电路构成一感测元，且所述生物特征感测器更包含N-I个感测元，所述N个感测元排成一阵列，其中N为大于或等于2的正整数。
11.一种电子装置，其特征在于，至少包含 一主动式生物特征感测器,至少包含 一第一载体； 一固定第一电极，设置于所述第一载体； 一悬浮第二电极，设置成面对所述第一电极； 一支撑结构，隔开所述固定第一电极以及所述悬浮第二电极，以使 所述固定第一电极及所述悬浮第二电极形成一容置空间；一驱动信号产生器，输出一驱动信号至所述第一电极或所述第二电极，以使所述悬浮第二电极产生第一振动波，所述第一振动波受一生物特征干扰而转变成第二振动波；及一读取电路，电连接至所述第一电极或所述第二电极，并接收所述第二振动波而获得一感测信号，所述感测信号对应于所述生物特征与所述生物特征感测器的特定信息； 一处理模块，电连接至所述主动式生物特征感测器,并接收所述感测信号，并处理及判别所述感测信号在至少一特定应用程序的意涵；以及 一显示模块，电连接至所述处理模块，并显示对应所述应用程序的一画面。
12.如权利要求11所述的电子装置，其特征在于，所述至少一特定应用程序的意涵包含生物特征辨识或鼠标光标移动。
全文摘要
本发明公开了一种主动式生物特征感测器，包含一第一载体、一固定第一电极、一悬浮第二电极、一支撑结构以及一驱动信号产生器。第一电极设置于第一载体。第二电极设置成面对第一电极。支撑结构隔开第一电极及第二电极，以使第一电极及第二电极形成一容置空间。驱动信号产生器输出一驱动信号至第一电极或第二电极，以使第二电极产生第一振动波。第一振动波受一生物特征干扰而转变成第二振动波。一种使用前述感测器的电子装置亦一并揭露。本发明实施例的主动式生物特征感测器及使用其的电子装置，功耗低，体积小，并且能有效感测表面及皮下的生物特征且不受距离大幅影响。
文档编号A61B8/00GK102670241SQ20111006459
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者周正三 申请人:周正三