用于指纹识别感测的装置、电子设备及移动设备的制作方法
【专利摘要】本公开涉及用于指纹识别感测的装置、电子设备及移动设备。所述装置包括：被置于设备元件下面的指纹传感器，所述设备元件包括控制按钮和显示元件中的一个或多个；指纹传感器包括能够以电容方式耦合到用户手指的用户指纹的一组电容性元件；以及对所述用户手指的接近敏感的响应性元件，响应性元件包括对所述控制按钮的运动敏感的第一电路和对所述用户手指和所述显示元件之间的耦合敏感的第二电路中的一个或多个；所述指纹传感器被安置在比所述响应性元件更靠近所述用户手指的位置；所述设备元件包括各向异性电介质材料。本公开的一个有益效果是提供了一种可以接收关于指纹图像的信息并可以被结合到使用指纹识别的设备中的包括电路和设计的技术。
【专利说明】用于指纹识别感测的装置、电子设备及移动设备
【技术领域】
[0001]本申请一般涉及用于指纹识别感测的装置、电子设备及移动设备，以及指纹传感器的电路和封装。
【背景技术】
[0002]对指纹的电容性感测，一方面响应于指纹识别传感器中的一个或多个电容极板之间，另一方面响应于用户手指的脊和谷(诸如用户的手指的表皮，或可能用户的手指的皮下层)之间的不同的电容度量，来提供指纹信息的集合。
[0003]有时会发生对电容的测量涉及在用户手指的表皮上引入电荷的情况。这会具有这样的效果:只会引入少量电荷，用户感觉不到电荷(有时作为用户手指的表皮上的麻刺感或其他明显的效果)。
[0004]有时发生这样的情况，对电容的测量涉及:一方面指纹识别传感器的电容极板，与另一方面用户手指的脊和谷之间的电容的相对较小的差异。例如，这将涉及将用户手指尽可能靠近电容极板放置。这会具有限制指纹识别传感器的设计灵活性的效果。
[0005]有时会发生对电容的测量涉及相对于指纹识别传感器定位用户手指的情况。例如，用户手指可能必须放置在导电环内，显著限制了指纹识别传感器的大小和位置。这也会具有限制指纹识别传感器的设计灵活性的效果。
[0006]有时会发生对电容的测量涉及与用户手指的除表皮以外的部分电容耦合的情况。例如，电容耦合(或其他指纹识别感测)可能会涉及用户手指的皮下层。这可能会涉及引入相对较大的电荷以传导该电容耦合。如上文部分地描述的，这会具有这样的效果:用户可能会感觉到电荷(有时作为用户手指的一部分上的麻刺感或其他明显的效果)。
[0007]这些示例中的每一个，以及其他可能的考虑，会给指纹识别传感器以及结合指纹识别传感器的设备(诸如使用指纹识别来进行认证的计算设备)造成麻烦。指纹识别传感器可能会在大小、或位置或它是否可以相对容易地与结合指纹识别传感器的设备的其他元件组合方面受限制。作为第一示例，这会具有这样的效果:指纹识别传感器可能不会容易地结合到某些类型的设备中(诸如相对较小的设备，如智能电话和触摸板)。作为第二示例，这会具有这样的效果:可能需要指纹识别传感器相对不稳定，或以其他方式遭受不希望有的设计约束。
实用新型内容
[0008]本公开的一个实施例的一个目的是要提供一种可以接收关于指纹图像的信息并可以被结合到使用指纹识别的设备中的包括电路和设计的技术。
[0009]根据本公开的一个方面，提供了一种用于指纹识别感测的装置，所述装置包括:被置于设备元件下面的指纹传感器，所述设备元件包括控制按钮和显示元件中的一个或多个；其中，所述指纹传感器包括能够以电容方式耦合到用户手指的用户指纹的一组电容性元件；以及对所述用户手指的接近敏感的响应性元件，所述响应性元件包括对所述控制按钮的运动敏感的第一电路和对所述用户手指和所述显示元件之间的耦合敏感的第二电路中的一个或多个；其中，所述指纹传感器被安置在比所述响应性元件更靠近所述用户手指的位置；以及其中，所述设备元件包括各向异性电介质材料。
[0010]根据一个实施例，所述指纹传感器包括耦合到通过在硅晶片中形成的一个或多个通孔安置的一个或多个接合线的传感器电路。
[0011]根据一个实施例，所述传感器电路被置于所述硅晶片的顶侧，所述硅晶片的所述顶侧靠近所述用户手指。
[0012]根据一个实施例，所述指纹传感器包括耦合到通过从所述传感器电路的边缘开槽硅晶片的一个或多个沟槽安置的一个或多个接合线的传感器电路。
[0013]根据一个实施例，所述指纹传感器包括封装在塑料模制品中的传感器电路。
[0014]根据一个实施例，所述塑料模制品至少被部分地去除。
[0015]根据一个实施例，所述指纹传感器包括耦合到一个或多个压缩的焊接元件的传感器电路。
[0016]根据一个实施例，所述压缩的焊接元件包括一层封装的焊球。
[0017]根据一个实施例，所述设备元件包括具有被配置成将所述用户手指相对于所述指纹传感器定位的透镜的控制按钮。
[0018]根据一个实施例，所述控制按钮存在于所述装置的防护玻璃中，以便所述透镜相对于所述防护玻璃凹陷。
[0019]根据一个实施例，所述透镜具有用于接触所述用户手指的基本上平的表面。
[0020]根据本公开的另一个方面，提供了一种用于指纹识别感测的电子设备，所述电子设备包括:显示元件；包括在所述显示元件内或相对于所述显示元件安置的控制元件；安置在所述显示元件和所述控制元件中的一个或两个下面的至少一个指纹传感器，所述至少一个指纹传感器被配置成感测用户手指的指纹；对来自所述用户手指的压力敏感的压敏元件，其中所述压敏元件被安置在所述至少一个指纹传感器下面，以便所述至少一个指纹传感器被安置在比所述压敏元件更靠近所述用户手指的位置。
[0021]根据一个实施例，所述至少一个指纹传感器包括被配置成通过电容耦合到所述用户手指上的指纹脊线来感测所述指纹的一组电容性元件。
[0022]根据一个实施例，所述至少一个指纹传感器被安置在所述显示元件下面，以及其中，所述显示元件包括蓝宝石材料。
[0023]根据一个实施例，所述蓝宝石材料具有垂直于所述蓝宝石材料的C平面的平面轴，所述平面轴在指纹图像传感器和由所述用户手指接触的所述显示器的表面之间延伸。
[0024]根据一个实施例，所述至少一个指纹传感器被安置在所述控制元件下面，以及其中，所述控制元件包括具有蓝宝石透镜元件的控制按钮。
[0025]根据一个实施例，所述控制按钮具有围绕所述蓝宝石透镜元件的周边延伸的接地法兰。
[0026]根据一个实施例，所述蓝宝石透镜元件相对于所述电子设备的防护玻璃凹陷。
[0027]根据一个实施例，所述蓝宝石透镜元件在所述用户手指接触所述控制按钮的位置具有基本上平面的形状。
[0028]根据一个实施例，所述控制元件包括对其上所述用户手指的压力敏感的蓝宝石按钮构件，并且所述控制元件还包括被配置成对所述用户指纹进行成像的光学或红外传感器。
[0029]根据一个实施例，所述控制元件是透明的、半透明的、或透明并半透明的。
[0030]根据一个实施例，所述电子设备还包括:被配置成基于来自所述用户手指的压力来确定所述显示元件上的应变的应变仪。
[0031]根据本公开的再一个方面，提供了一种用于指纹识别感测的移动设备，所述移动设备包括:显示器；相对于所述显示器安置的控制元件；被置于所述控制元件下面的指纹传感器，其中所述指纹传感器被配置成感测用户手指的指纹；对来自所述用户手指的压力敏感的压敏元件，其中所述压敏元件被安置在所述指纹传感器下面，以便所述指纹传感器被安置在比所述压敏元件更靠近所述用户手指的位置。
[0032]根据一个实施例，所述指纹传感器包括安置在晶片上的传感器电路，所述传感器电路耦合到通过在硅晶片中形成的多个通孔安置的多个接合线。
[0033]根据一个实施例，所述指纹传感器包括安置在晶片上的传感器电路，所述传感器电路耦合到一层压缩的封装的焊球。
[0034]根据一个实施例，在所述移动设备的防护玻璃中提供所述显示器，以及其中，所述控制元件包括相对于所述防护玻璃成凹陷关系安置的透镜。
[0035]根据本公开的一个实施例的一个技术效果是提供了一种可以接收关于指纹图像的信息并可以被结合到使用指纹识别的设备中的包括电路和设计的技术。
[0036]在一个实施例中，所述技术包括提供安置在其他元件下面，但是当进行指纹识别时仍安置在相对来说靠近用户手指的指纹识别传感器。电路可以被安置在按钮下面或显示元件下面，但是一个或多个电容极板和用户手指之间的距离量减少。作为某些示例，电路可以被安置在设备元件下面，指纹识别传感器电路本身通过下列各项中的一项或多项，具有缩小的垂直间隔:(I)使用通过从电路的顶部开槽硅晶片的一个或多个通孔安置的接合线，耦合指纹识别传感器电路，(2)使用通过从电路的边缘开槽硅晶片的一个或多个沟槽安置的接合线，耦合指纹识别传感器电路，(3)在至少被部分地去除的塑料模制品中封装指纹识别传感器电路，以及(4)使用诸如封装的焊球之类的压缩的焊接元件，将指纹识别传感器电路耦合到其他电路。
[0037]在一个实施例中，电路可以具体化或使用利用设备的元件来帮助指纹识别传感器进行指纹识别的技术。作为某些示例，电路可以使用一个或多个设备元件被安置，其中一个或多个设备元件通过下列各项中的一项或多项来帮助指纹识别传感器电路:(I)将电容性元件耦合到设备的一端或耦合到按钮或其他设备元件附近，(2)印刷电路元件以帮助指纹识别传感器，或在按钮或其他设备元件的下面包括在指纹识别传感器，(3)将指纹识别传感器电路元件耦合到改善耦合指纹识别传感器的电场的按钮或其他设备元件，诸如包括蓝宝石或另一种物质的各向异性元件，以及(4)使用透明或半透明按钮或其他设备元件来除电容性感测之外还执行光学感测或红外感测，以帮助指纹识别传感器电路或包括在指纹识别传感器电路中。
[0038]在一个实施例中，电路包括使用包括指纹识别传感器电路的设备的元件来在用户使用指纹识别传感器时帮助用户的技术。作为某些示例，电路可以使用设备元件被安置，其中设备元件通过下列各项中的一项或多项来帮助用户:(1)当使用指纹识别传感器电路，并将指纹识别电路安置在按钮或其他设备元件下面时，使用至少部分地由按钮或其他设备元件形成的凹陷形状来帮助定位用户手指，以进行指纹识别，以及(2)将指纹识别电路安置在触敏按钮上方，以提供触觉反馈。
[0039]尽管公开了多个实施例，包括其变化，但是通过示出并描述了本公开的说明性实施例的下列详细描述，本公开的其他实施例将对所属领域的技术人员显而易见。将认识到，本公开能够在各种显而易见的方面修改，所有修改都不会偏离本实用新型的精神和范围。相应地，附图和详细描述本质上应被视为说明性的，而不是限制性的。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]尽管说明书以特别指出并明确声明要求被视为构成本公开的主题的权利要求来结束，但是可以相信通过结合附图的下列描述将更好地理解本公开，其中:
[0041]图1示出了设备的一部分中所包括的指纹识别传感器的示意图。
[0042]图2示出了按钮组件的示意图，示出了如参考图1所部分地描述的层压层。
[0043]图3示出了按钮组件的另一个示意图，示出了如参考图1所部分地描述的指纹识别传感器。
[0044]图4A和4B示出了按钮组件的另一个示意图，示出了如参考图1所部分地描述的指纹识别传感器。
[0045]图5示出了带有按钮组件的设备的示意图，示出了如参考图1所部分地描述的指纹识别传感器。
[0046]图6示出了带有平透镜的凹陷设计的按钮组件的另一个示意图。
[0047]图7 —般性地示出了蓝宝石的示例晶格结构700。
【具体实施方式】
[0048]对相关申请的交叉引用
[0049]本申请要求2012年5月18日提交的编号为N0.61/649，217的发明名称为“Capacitive Sensor Packaging”的美国临时申请，2012年6月29日提交的编号为N0.61/666, 607的发明名称为“Capacitive Sensor Packaging”的美国临时申请，以及2013年3月15日提交的编号为N0.13/842，920的发明名称为“Capacitive Sensor Packaging”的美国非临时申请的优先权，这里引用所有这些申请作为参考。
[0050]此处所描述的各实施例一般性地公开了用于封装诸如电容传感器之类的传感器的各种结构和方法。各实施例可以公开传感器的各种布局、环绕传感器的结构、传感器的连接结构(电气、物理、或两者)、用于增强传感器成像的方法和结构，用于固定传感器的方法和结构，当传感器本身不能被用户看到时用于将手指引导到传感器上方的适当位置的方法和结构等等。
[0051]这里所描述的各实施例一般性地讨论了传感器在框架中的凹陷内的布局，诸如防护玻璃、蓝宝石元件或透镜。在其他实施例中，传感器可以被嵌入在电子设备或其他合适的设备的结构或外壳中(诸如塑料结构)。作为另一种选项，框架可以包括其中放置了传感器的开口，以及在传感器上方超模压(over-mold)的塑料或另一种材料。在这样的实施例中，超模压的或溢出的材料可以取代此处所提及的任何透镜。[0052]图1示出了设备100的一部分中所包括的指纹识别传感器102的示意图。
[0053]设备100的一部分的分解图示出了组装部件，所述部件被安置成形成指纹识别传感器102电路，并将传感器102电路定位于按钮下面。尽管本申请描述了带有特定按钮和特定传感器102电路的特定组件，但是，在本实用新型的上下文中，对于任何这样的限制没有特定要求。例如，按钮可以被安置在稍微偏离指纹识别传感器102电路的中心，带有这样的效果:按钮对于其用途仍有效，而传感器102电路仍与将用户的手指定位在附近一起操作。在阅读本申请之后，所属领域的技术人员将认识到，许多其他和进一步的示例组件将在本实用新型的范围和精神内，将是切实可行的，并且将不需要进一步的实用新型或不适当的实验。
[0054]防护玻璃(CG)框架106被安置为耦合到智能电话、触摸板、移动计算设备的一部分、输入机制、键盘的键、输入或输出设备外壳的一部分、车辆的面板或机身、电器等等、触摸屏或其他设备100的防护玻璃107上，并被安置为耦合到设备100的框架。(在许多实施例中，设备100是某种形式的移动计算设备)。当构建组件时，防护玻璃框架106包括被安置为定位按钮的按钮孔108，还包括被安置为匹配外部螺杆位置并被安置为接收用于将防护玻璃框架106固定在基板上的水平螺杆的一个或多个螺杆夹住器110(如下面所进一步描述的)。
[0055]防护玻璃框架106中的按钮孔108被安置为夹持按钮104(可以构成按钮的顶部元件，如下面所描述的)，如图所示。按钮104被安置为装入按钮孔108中。按钮104包括透镜112，透镜112的至少一部分帮助构成凹陷形状，带有将用户手指引向按钮104上的效果。凹陷形状可以同样至少部分地通过基环中的倒角形成。在一个实施例中，按钮104可以由下列材料或其等效物中的一个或多个制成:氧化铝、玻璃或经过化学处理的玻璃、蓝宝石、经过化学处理的具有其至少某些特征的化合物，或具有类似性质的另一种化合物。透镜112被安置在基环114内。在一个实施例中，基环114可以被用来屏蔽电磁效应，带有提供电容隔离或其他电磁隔离的效果。基环114在图中被示为具有夹持透镜112以及当构建组件时可以在设备100内对齐或定向的基板的圆柱形边缘。
[0056]按钮104被安置在指纹识别传感器102电路上方并与其耦合。在一个实施例中，指纹识别传感器102电路相对来说是矩形，带有能够感测用户的指纹的二维(2D)图像的效果。然而，在替换实施例中，指纹识别传感器102电路可以被置于诸如圆形或六边形形状之类的也可以适于接收2D指纹图像信息的另一种形状。
[0057]如下面所描述的，指纹识别传感器102包括向其上安置了指纹识别电路的硅晶片308，指纹识别电路电耦合到设备100的其他元件。指纹识别电路被安置在与用户手指相对靠近的位置，带有这样的效果:指纹识别电路可以响应于用户手指的脊和谷，响应于用户手指上的每一个点处的电容的测量，来收集指纹图像信息。下面将进一步描述指纹识别电路与设备100的其他元件之间的电气耦合。
[0058]如上文所描述的，尽管本申请主要描述了其中安置了指纹识别传感器102电路以便电容耦合到用户手指的表皮的组件，但是在本实用新型的上下文中，对于任何这样的限制没有特定要求。例如，指纹识别传感器102电路可以以电容方式耦合，或以其他方式以电磁方式耦合到用户手指的皮下部分。此外，指纹识别传感器102电路可以与执行对用户的指纹的光学感测、红外感测、或其他感测的元件结合或组合地工作，这些元件本身可以耦合到用户手指的表皮、用户手指的皮下部分、或者表示用户的指纹的某种其他特征。
[0059]在一个实施例中，指纹识别传感器102包括集成电路，包括以二维(2D)阵列排列的一个或多个电容极板，每一个这样的电容极板都被安置为响应于其阵列中的一个或多个像素处的用户手指的脊和谷，收集至少某些指纹图像信息。这具有这样的效果:当每一个电容极板在其阵列中收集指纹图像信息的一个或多个像素时，这些电容极板组集体地接收2D阵列的指纹图像信息。例如，2D阵列的指纹图像信息可以被用来确定用户的指纹的实质性特征，这些实质性特征可以被用来在数据库中注册用户的指纹，供以后使用，或可以以后将实质性特征与注册的指纹图像信息进行比较，以识别用户的指纹，并可能响应于该指纹图像信息来认证用户。
[0060]指纹识别电路被安置在柔性元件116上方并与其耦合，柔性元件116被安置为接收由用户手指在按钮104上施加的任何力，并将该力传输到触觉锅仔片118(如下面所进一步描述的)。柔性元件116还被安置为从指纹识别传感器102接收电信号(诸如表示指纹图像信息)，并将这些电信号从指纹识别传感器102传输到处理器。
[0061]柔性元件116被安置在触觉锅仔片118上方并与其耦合，触觉锅仔片118接收由用户手指在按钮104上施加的任何力，将表示用户手指按下按钮104的电信号传输到按钮电路，并可任选地向用户手指提供触觉反馈，以指出按钮104被按下。
[0062]如此处进一步描述的，与指纹识别传感器102电路在一列中安置触觉锅仔片118具有这样的效果:当用户将他们的手指定位在按钮104上时，可以识别用户的指纹。例如，用户可以作为设备100的通电或启动序列的一部分将他们的手指定位在按钮104上，此时设备100可以并行地(A)在通电或启动序列中操作，以及(B)接收关于用户手指的指纹图像识别，诸如用于对用户的注册或认证。
[0063]触觉锅仔片118被安置在开关衬垫120上方并与其耦合，开关衬垫120夹持触觉锅仔片118，并通过按钮支撑板122被固定就位。按钮支撑板122耦合到基板，并通过一个或多个立式螺杆被固定就位。如上文所描述的，基板通过一个或多个水平螺杆与防护玻璃框架106 —起被固定就位。在一个实施例中，基板还具有其他元件，诸如用于连接其他设备元件的孔，诸如麦克风插孔或其他元件。
[0064]在阅读本申请之后，所属领域的技术人员将认识到，如上文所描述的组件的这种特定安置不是绝对需要的，其许多变体将是切实可行的，将在本实用新型的范围和精神内，并且将不会需要进一步的实用新型或不适当的实验。
[0065]在一个特定实施例中，与触觉锅仔片118相对垂直对准地定位指纹识别传感器102电路可使设备100组合并行地接收指纹图像信息和按钮-按下信息的功能。
[0066]图2示出了按钮组件200的示意图，示出了如参考图1所部分地描述的层压层。
[0067]如参考图1所描述的按钮组件200包括透镜112，如上文所描述的，带有至少部分地通过透镜112的一部分形成的将用户手指引向按钮104的凹陷形状。如上文所描述的，透镜112被安置在基环114内，基环114可任选地包括环绕按钮104的侧面的按钮法兰115。在一个实施例中，按钮法兰115还可以导致凹陷形状的一部分至少部分地通过按钮法兰115形成，再次为了将用户手指引向按钮104。
[0068]在一个实施例中，在透镜112的下面安置油墨组件，包括2-5层油墨202。在一个实施例中，油墨组件可以被印刷在透镜112上，蒸汽沉积在其上，或通过另一种技术施加在其上。这具有这样的效果:可以使否则半透明的按钮104不透明，如此指纹识别传感器的元件不会立即对用户可见。透镜112使用热量激活的薄膜和周边密封剂204在其边缘耦合到基环114。
[0069]如上文所描述的，指纹识别传感器电路被安置在透镜112下面。液体层压层206被安置在指纹识别传感器电路与其耦合的透镜112下面。指纹识别传感器电路包括硅封装208,包括娃电路层、焊料(如下面进一步详细示出的)，以及底层填料(underfill) 210 (如下面进一步详细示出的)。
[0070]如此处进一步描述的，指纹识别传感器电路表现出与用户手指的脊和谷的电容耦合，诸如在用户手指的表皮处，带有这样的效果:指纹识别传感器接收2D指纹图像信息，根据该信息，设备可以确定指纹是否是用户的指纹还是某个其他人的指纹。如上文所指出的，指纹识别传感器电路也可以或代替表现出与用户手指的另一部分，诸如其皮下层，或与用户手指的另一个特征的电容耦合。
[0071]如上文所描述的，指纹识别电路被安置在柔性元件116上方并与其耦合。柔性元件116耦合到加强件元件212。夹持透镜112的基环114的边缘使用液体粘合剂214耦合到加强件元件212。加强件元件被安置在高强度结合条(诸如VHB条216)上方并与其耦合，而高强度结合条又被安置在柔性元件117和触觉开关(按钮开关)218上方并与其耦合。
[0072]在阅读本申请之后，所属领域的技术人员将认识到，如上文所描述的组件给指纹识别传感器提供与用户手指的相对较小的距离，以及相对较小的层叠高度，而同时允许用户访问使用指纹识别传感器的设备的按钮或其他元件，无需进一步的发明或不适当的实验。
[0073]在第一特定实施例中，如上文所描述的组件包括凹陷形状，带有这样的效果:用户手指被导向指纹识别传感器可以具有卓越效果的位置。凹陷形状至少部分地通过按钮104的形状的一部分形成，包括透镜112，并(可任选地)通过基环114的形状的一部分形成。如上文所描述的，指纹识别传感器被安置在按钮104下面，带有这样的效果，当用户手指被引导到凹陷形状时，用户手指被很好地定位，以便进行指纹识别。
[0074]在第二特定实施例中，如上文所描述的组件在元件的叠层的底部包括触觉按钮，带有这样的效果:指纹识别传感器可以响应于被定位得与用户手指的表皮相对来说更靠近的位置，具有卓越的效果，同时，用户可以使用按钮，还具有来自按下或释放该按钮的触觉反馈效果。如此处所描述的，与指纹识别传感器电路基本上垂直叠加地安置按钮可以(A)允许设备接受来自用户的按下按钮操作，并同时地对按下按钮104的用户手指执行指纹识另O，以及(B)允许设备表现出指纹识别传感器电路和用户手指之间的相对来说卓越的电容耦合，而不会将按钮或者指纹识别传感器电路安置得离用户手指太远。
[0075]图3示出了按钮组件200的另一个示意图，示出了如参考图1所部分地描述的指纹识别传感器。
[0076]用户的指纹的一组脊和谷302被示为安置在按钮组件200的上方，脊和谷302具有用户指纹的脊与按钮104的外表面相对来说更靠近，而用户指纹的谷相对来说远离按钮104的外表面的性质。如上文所描述的，指纹识别传感器电路表现出与用户手指的脊和谷302的电容耦合，诸如在用户手指304的表皮处，指纹识别传感器电路被定位得相对来说靠近用户手指304的表皮。[0077]图3类似地示出了如参考图1所描述的按钮组件200，包括至少部分地通过透镜112的一部分形成的将用户手指304引向按钮104的凹陷形状306，并包括基环114的结构，可任选地，还包括凹陷形状306的一部分，再次将用户手指304引向按钮104。图3类似地示出了安置在透镜112下方并与其耦合的油墨组件，带有这样的效果:使否则半透明的按钮104不透明，如此指纹识别传感器的元件不会立即对用户可见。图3类似地示出了被安置在透镜112下面并耦合到透镜112的指纹识别传感器。
[0078]指纹识别传感器包括硅晶片308，上面印刷了电路310，用于测量一方面一个或多个电容极板之间的，另一方面用户的指纹(诸如用户手指304的表皮上的脊和谷302)之间的电容，带有提供关于用户手指304的脊和谷302的指纹图像信息的效果。基环114提供电绝缘，带有这样的效果:测量到的电容是用户手指304和指纹识别传感器之间的，而不是任何其他对象和指纹识别传感器之间的。基环114可以在按钮104的透镜112附近形成。作为一个示例，基环114可以包括到用于支撑或集成基环114的结构312(诸如按钮法兰115)的一侧，或在一侧形成。
[0079]在一个实施例中，硅晶片308包括一个或多个硅通孔(TSV)，被安置为一方面，在安置在硅晶片308的顶部的电路310之间，另一方面，安置在硅晶片308的下面或者侧面的电路之间提供电连接。这具有这样的效果:接合线314不必从硅晶片308的表面拱起，以将电路310从硅晶片308连接到别处。
[0080]使用从硅晶片308的表面向上拱起的接合线314将以别的方式占据硅晶片308和紧挨硅晶片308上方的对象之间的垂直空间。使用硅通孔将安置在硅晶片308的顶部的电路310连接到另一个位置(诸如在娃晶片308底部的电路，或娃晶片308的侧面的电路)具有这样的效果:指纹识别传感器需要的垂直空间量较小，带有这样的效果:指纹识别传感器可以被放置得更靠近用户手指304，并可以具有相对来说更好的分辨率和有效性。
[0081]在一个实施例中(可能与具有硅通孔的各实施例并行地使用)，硅晶片308包括一个或多个边缘沟槽316，即，一方面，从安置在硅晶片308的顶部的电路310，到另一方面，安置在硅晶片308侧面的电路，蚀刻穿过或挖通硅晶片308的沟槽。这还具有这样的效果:接合线314不必从硅晶片308的表面拱起，以将电路310从硅晶片308连接到别处。如上文所描述的，降低将接合线314从硅晶片308的表面拱起的必要性缩小了在用户手指304和指纹识别传感器之间需要的垂直空间量。
[0082]在一个实施例中(再次，可能与上文所描述的其他实施例并行地使用)，硅晶片308通过下述方式构造:封装在塑料树脂中(或者可另选地，封装在陶瓷中)，接下来去除塑料树脂的顶部部分到这样的程度:安置在硅晶片308顶部的电路310的线路几乎暴露，或者可另选地，刚刚暴露。这具有这样的效果:制造的硅晶片308尽可能合理的少用垂直空间，因为手指识别传感器的晶片封装所使用的额外垂直空间的量相对来说有限。
[0083]在一个实施例中，硅晶片308被构建为包括一组焊球318，该组焊球318随机地(或伪随机地)被安置为耦合到晶片308。可任选地，焊球318不必包括实际焊料，但是可以包括其他导电材料，诸如金，其他可变形的金属，或响应于诸如压力之类的物理过程可以变形的其他导电或半导体材料。焊球318可以被封装在塑料树脂中，接下来压缩焊球318和塑料树脂的层，到焊球318和塑料树脂被压缩的程度。这具有这样的效果:塑料树脂基本上被挤压得远离焊球318，以及焊球318被安置为在硅晶片308与诸如按钮104之类的其他元件之间传导电信号。由于焊球318或其他材料，水平地在它们的层中分散，因此这还具有这样的效果:它们的层操作以从上方的一层传导到下面的一层，没有跨它们的层或在它们的层内的任何水平导电。
[0084]在硅晶片308耦合到按钮104的情况下，这具有这样的效果:娃晶片308的电容极板和按钮104的表面之间的导电增强。这又具有这样的效果:由于用户手指304的表皮和硅晶片308之间的距离缩短，用户手指304和硅晶片308之间的电容增大。这又可使指纹识别传感器实现对用户的指纹图像信息的卓越的电容感测。
[0085]图4A和4B示出了按钮组件200的另一个示意图，示出了如参考图1所部分地描述的指纹识别传感器。
[0086]图4A和4B示出了按钮104和指纹识别传感器的侧面切开的视图(图4A)，以及指纹识别传感器硅晶片308的顶视图(图4B)。
[0087]如上文所描述的，按钮104包括具有凹陷形状306，以将用户手指引向按钮104上的透镜112 (可以利用诸如玻璃、氧化铝、塑料、树脂等等之类的各种材料构建)。如上文所描述的，透镜112被安置在基环114(例如，由诸如SOS铝之类的阳极化铝构建)内。如上文所描述的，基环114提供电绝缘，带有这样的效果:测量到的电容是用户手指和指纹识别传感器之间的，而不是任何其他对象和指纹识别传感器之间的。
[0088]基环114在图形中被示为具有夹持透镜112的圆柱形边缘，以及当构建组件时可以在设备内对齐或定向的基板。在替换实施例中，代替基环114，一个或多个电容极板可以被安置在用户手指的一侧，带有提供电容性隔离的效果，以便发生的任何电容耦合只在用户手指和指纹识别传感器之间。例如，电容极板可以被安置在指纹识别传感器所在的区域周围，带有利用电容性隔离环绕指纹识别传感器的效果。类似地，电容极板可以被安置在设备的外壳(诸如智能电话或其他设备的外壳)附近或内部，也带有利用电容性隔离环绕指纹识别传感器的效果。
[0089]如上文所描述的，安置在透镜112的下方并与其耦合的是油墨层202。
[0090]在一个实施例中，指纹识别传感器包括以2D阵列安置的一组电容极板，包括具有大致300点/英寸(dpi)的密度或差不多的密度(或可任选地，较大的或较小的密度)的像素，带有提供关于用户手指的2D指纹图像信息的效果。在一个实施例中，2D指纹图像包括一组灰度值，每一个像素都有一个或多个这样的值，带有提供一组2D灰度值以便发送到处理器供进行指纹识别的效果。
[0091]如上文所描述的，在一个实施例中，硅晶片308组件被构建为包括一组焊球318，该组焊球318随机地(或伪随机地)被安置为耦合到晶片308，并封装在压缩的塑料树脂层中。甚至在随机地或伪随机地安置的情况下，该组焊球318在硅晶片308与诸如下面所描述的柔性元件116或117，或两者之类的其他电路之间提供基本上均匀的电气连接性的度量。
[0092]如图所示，焊球318或其他材料，可以被安置在下列一处或多处:(A)硅晶片308上方的层，带有这样的效果:硅晶片308至少部分地电耦合到该上方的层，(B)硅晶片308下方的层，带有这样的效果:硅晶片308至少部分地电耦合到该下方的层。
[0093]如上文所描述的，柔性元件116或177耦合到硅晶片308，带有这样的效果:当按钮104被按下时，可以按下硅晶片308，对晶片308的结构没有实质性的风险。图形示出了柔性元件116或117和硅晶片308之间的一组连接器，带有这样的效果:当按下按钮104时，柔性元件116或117弯曲，导致晶片308被按下，而没有结构应变。
[0094]如上文所描述的，支撑板122被定位在晶片308下方并与其耦合。穹状结构被定位在支撑板122下方并与其耦合，当按下按钮104时，向用户提供触觉响应。
[0095]图5示出了按钮组件200和指纹识别传感器102之间的关系的示意图。
[0096]在一个实施例中，按钮104包括含有诸如经处理的玻璃或蓝宝石之类的如上文所描述的材料的元件，至少部分地形成凹陷形状的缺口，以将用户手指引向可以最佳地使用指纹识别传感器电路的中心位置。例如，如图所示，设备100的相对来说与用户更靠近的部分可包括相对来说较大的按钮元件(示为水平定向的矩形)，该元件覆盖相对来说凹陷形状的缺口(示为虚线的圈)，该缺口覆盖指纹识别传感器电路(示为大致与虚线的圈一样大小的正方形)。这具有这样的效果:用户可以通过感觉或触摸容易地定位指纹识别传感器电路，并可以容易地相对于指纹识别传感器电路定向他们的手指。这还具有这样的效果:如果需要的话，可以使指纹识别传感器电路比它本身应有的大小大得多，以放在环绕按钮的圆形的基环内，因为用户手指相对于指纹识别传感器相对来说很好地定位。
[0097]在一个实施例中，对于特定基环没有特定要求。设备100可包括被定位到指纹识别传感器电路的侧面的电容极板或接地元件，带有这样的效果:指纹识别传感器电路表现出电容性隔离，并且带有这样的效果:指纹识别传感器电路具有到用户手指的表皮，而并非到某种外面的电磁干扰源的电容耦合。例如，设备100可在下列各处中的一处或多处包括电容极板或接地元件:(A)直接到指纹识别传感器电路的侧面，定位在设备100内并靠近按钮，(B)在包括按钮的设备外壳或子外壳的侧面，或(C)以别的方式定位在包括按钮的设备外壳或子外壳上或中。
[0098]在一个实施例中，对于按钮的诸如弹簧或其他触觉元件之类的物理触觉传感器没有特定要求。例如，设备100可包括能够确定用户是否正在压在防护玻璃107上(诸如用户是否正在以指出按下哪里的凹陷压在防护玻璃107上)的一个或多个传感器。如上文所描述的，指出按下哪里的凹陷还帮助将用户手指定位在指纹识别传感器电路上方。
[0099]在第一示例中，设备100可包括能够通过测量用户触摸玻璃的指纹区域的区域比率来确定用户是否正在压在防护玻璃107上的一个或多个传感器。这样的传感器可以对由用户的指纹模糊的防护玻璃107的一个区域敏感，带有这样的效果:当用户较硬地按到防护玻璃107上时，由用户手指覆盖的区域将从相对较小的点(当勉强凑合触摸时)变为相对较大的区域(当较硬地按下时)到相对最大的区域(当用户手指基本上完全地压住防护玻璃107时)。
[0100]在第二示例中，设备100可包括能够通过测量用户触摸玻璃(或以其他方式被安置成与玻璃相对靠近)的指纹区域的脊的比率来确定用户是否正在压在防护玻璃107上的一个或多个传感器。这样的传感器会对用户的指纹的若干个脊敏感，带有这样的效果:当用户较硬地按到防护玻璃107上时，用户的指纹的脊的数量将从相对较小的数量(当勉强凑合触摸时)变为相对较大的数量(当较硬地按下时)到相对最大数量(当用户手指基本上完全地压住防护玻璃107时)。
[0101]在第三示例中，设备100可包括能够使用应变仪来确定用户是否正在压在防护玻璃107上的一个或多个传感器，带有可选的温度补偿。这样的传感器可以从用户手指的压力来测量防护玻璃107上的应变的相对量，带有这样的效果:当用户较硬地按到防护玻璃107上时，应变的量将从相对最小值(当勉强凑合触摸时)变为相对较大的值(当较硬地按下时)到相对最大值(当用户的手指基本上完全地压住防护玻璃107时)。
[0102]在某些实施例中，除柔性元件116之外，或代替柔性元件116，可以使用刚性衬底。在这样的实施例中，传感器可以附接到刚性衬底，并置于透镜下面。触觉开关或其他压敏反馈设备，可以附接到刚性衬底的下面。可另选地，可以安装压敏反馈设备或开关，其下面朝另一个电路元件，诸如另一个刚性衬底，而第一刚性衬底充当底部支撑板。
[0103]在一个实施例中，指纹识别传感器电路可以利用按钮104的一个或多个电特性，诸如按钮材料(诸如氧化铝、蓝宝石或另一种各向异性材料)的各向异性，使指纹识别传感器电路较好地感测用户手指的表皮(或可任选地，用户的手指的皮下部分)。这具有这样的效果:指纹识别传感器电路将借助于按钮材料的各向异性，表现出与用户手指的相对来说卓越的电容耦合，指纹识别传感器电路将获得相对来说卓越的一组指纹图像信息。类似地，在适用的情况下，指纹识别传感器电路可以利用其他按钮材料的电磁特性，以借助于按钮材料的这些其他电磁特性，表现出与用户手指的相对来说卓越的电容耦合，
[0104]应该理解，可以使用各向异性电介质材料来在电容传感器上方形成一层或多层，诸如防护玻璃107或按钮表面层。各向异性电介质可以减少否则由电容性指纹传感器阵列和手指的表面(或皮下)之间的距离所引入的模糊。例如，定向在手指和电容传感器阵列之间覆盖或延伸的蓝宝石层可以增强成像。可以定向蓝宝石层，使得其垂直于其C平面(诸如M-平面和A平面)的轴中的一个轴在传感器成像阵列和由要被成像的手指接触的表面或手指附近的表面之间延伸。一般而言，垂直于C平面的蓝宝石轴可以具有比平行于C平面的方向更高的介电常数，如此增强电容性感测和/或成像。虽然在各实施例中可以使用单晶或者多晶蓝宝石，但是某些实施例可以专门使用单晶蓝宝石。图7—般性地示出了蓝宝石的示例晶格结构700，临界面702 (在此情况下，C平面)被定向为顶表面。
[0105]在一个实施例中，指纹识别传感器电路可包括耦合到按钮104的元件，带有指纹识别传感器电路可以利用按钮104的额外的物理和电特性的效果。
[0106]对于第一示例，指纹识别传感器电路可包括印刷在按钮104的表面(诸如远离用户手指的底表面，如此相对来说不容易损坏)上的电路元件。
[0107]对于第二示例，指纹识别传感器电路可包括沉积在按钮104的表面上的电路元件。在这样的示例中，这些电路元件可以使用蚀刻、溅射、或其他用于将半导体电路集成到相对来说不导电的表面的表面的技术来沉积。
[0108]在一个实施例中，指纹识别传感器电路可以由诸如使用按钮104的透明特征的光学元件之类的光学元件来帮助。例如，光学元件可以获得用户手指的表皮光学视图(无论被确定为静止图像、作为静止图像的序列，或作为视频序列)。在一个示例中，可以相对于在用户手指的脊和谷之间检测到的光学差异(诸如可能存在的任何阴影差异)，来处理该光学视图。阴影差异可能由于环境光，或由于来自设备100内部的光学(或可任选地，红外线或另一种适用的电磁频率)源而存在。
[0109]在一个实施例中，指纹识别传感器电路可以由诸如使用按钮104的透明或半透明特性的红外感测元件之类的红外感测元件来帮助。例如，红外感测元件可以获得用户手指的表皮或用户手指的皮下部分的红外线视图(无论被确定为静止图像、作为静止图像的序列，或作为视频序列)。在一个示例中，可以相对于在用户手指的脊和谷之间检测到的红外线差异(诸如可能存在的任何温度差异或红外线频率差异)，来处理该红外线视图。温度差异或红外线频率差异可能由于用户手指内部温度、或由于来自设备100内部的光学、红外线、或其他适用的电磁频率而存在。
[0110]在这样的示例中，指纹识别传感器电路和用户手指的表皮之间的电容耦合，以及任何光学信息或红外信息，可以组合以形成一组统一的指纹图像信息。可另选地，在这样的示例中，指纹识别传感器电路和用户手指的表皮之间的电容耦合，以及任何光学信息或红外信息，可以被分别地处理，以识别用户的指纹，其一个或多个被需要，或可任选地被加权，以取得对用户的指纹的识别。
[0111]在本公开中所描述的各实施例的某些方面可以作为计算机程序产品或软件来提供，可以包括例如在其上存储了指令的计算机可读存储介质或非瞬时机器可读介质，指令可以被用来编程计算机系统(或其他电子设备)以执行根据本公开的过程。非瞬时机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读形式(例如，软件、处理应用)存储信息的任何机制。非瞬时机器可读介质可以呈现下列形式但不仅限于:磁存储介质(例如，软盘、录像带等等)；光存储介质(例如，CD-ROM);磁光存储介质；只读存储器(ROM);随机存取存储器(RAM);可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPR0M);闪存；等等。
[0112]图6示出了按钮组件200的另一个示意图，示出了如参考图1所部分地描述的指纹识别传感器。
[0113]图6类似地示出了带有基本上平的或平面的透镜112的按钮组件200，透镜112可以相对于诸如设备100之类的电子设备的防护玻璃107稍微凹陷，如参考图1所描述的。在此设计中，透镜112具有至少部分地由透镜112的形状的一部分形成的平面形状307，以将用户手指接纳到按钮104上，包括基环114的结构，可任选地还包括平面形状307的一部分，以相对于透镜112齐平、稍微凹陷，或者稍微凸出的布局。图3类似地示出了置于透镜112下面并耦合到透镜112的指纹识别传感器。
[0114]尽管是参考各实施例来描述本公开，但是可以理解，这些实施例是说明性的，并且本实用新型的范围不仅限于它们。许多变化、修改、添加、以及改进都是可能的。更一般而言，根据本公开的各实施例是在特定实施例的上下文中描述的。功能可以在本公开的各实施例中在过程中以不同的方式分离或组合，或利用不同的术语来描述。这些及其他变化、修改、添加、以及改进可以在如随后的权利要求书所定义的本公开的范围内。
【权利要求】
1.一种用于指纹识别感测的装置，其特征在于，所述装置包括: 被置于设备元件下面的指纹传感器，所述设备元件包括控制按钮和显示元件中的一个或多个； 其中，所述指纹传感器包括能够以电容方式耦合到用户手指的用户指纹的一组电容性元件；以及 对所述用户手指的接近敏感的响应性元件，所述响应性元件包括对所述控制按钮的运动敏感的第一电路和对所述用户手指和所述显示元件之间的耦合敏感的第二电路中的一个或多个； 其中，所述指纹传感器被安置在比所述响应性元件更靠近所述用户手指的位置；以及 其中，所述设备元件包括各向异性电介质材料。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述指纹传感器包括耦合到通过在硅晶片中形成的一个或多个通孔安置的一个或多个接合线的传感器电路。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感器电路被置于所述硅晶片的顶侧，所述硅晶片的所述顶侧靠近所述用户手指。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述指纹传感器包括耦合到通过从所述传感器电路的边缘开槽硅晶片的一个或多个沟槽安置的一个或多个接合线的传感器电路。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述指纹传感器包括封装在塑料模制品中的传感器电路。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述塑料模制品至少被部分地去除。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述指纹传感器包括耦合到一个或多个压缩的焊接元件的传感器电路。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述压缩的焊接元件包括一层封装的焊球。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述设备元件包括具有被配置成将所述用户手指相对于所述指纹传感器定位的透镜的控制按钮。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制按钮存在于所述装置的防护玻璃中，以便所述透镜相对于所述防护玻璃凹陷。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述透镜具有用于接触所述用户手指的基本上平的表面。
12.一种用于指纹识别感测的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括: 显示元件； 包括在所述显示元件内或相对于所述显示元件安置的控制元件； 安置在所述显示元件和所述控制元件中的一个或两个下面的至少一个指纹传感器，所述至少一个指纹传感器被配置成感测用户手指的指纹； 对来自所述用户手指的压力敏感的压敏元件，其中所述压敏元件被安置在所述至少一个指纹传感器下面，以便所述至少一个指纹传感器被安置在比所述压敏元件更靠近所述用户手指的位置。
13.如权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述至少一个指纹传感器包括被配置成通过电容耦合到所述用户手指上的指纹脊线来感测所述指纹的一组电容性元件。
14.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，所述至少一个指纹传感器被安置在所述显示元件下面，以及其中，所述显示元件包括蓝宝石材料。
15.如权利要求14所述的电子设备，其特征在于，所述蓝宝石材料具有垂直于所述蓝宝石材料的C平面的平面轴，所述平面轴在指纹传感器和由所述用户手指接触的所述显示器的表面之间延伸。
16.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述至少一个指纹传感器被安置在所述控制元件下面，以及其中，所述控制元件包括具有蓝宝石透镜元件的控制按钮。
17.如权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述控制按钮具有围绕所述蓝宝石透镜元件的周边延伸的接地法兰。
18.如权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述蓝宝石透镜元件相对于所述电子设备的防护玻璃凹陷。
19.如权利要求18所述的电子设备，其特征在于，所述蓝宝石透镜元件在所述用户手指接触所述控制按钮的位置具有基本上平面的形状。
20.如权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述控制元件包括对其上所述用户手指的压力敏感的蓝宝石按钮构件，并且所述控制元件还包括被配置成对所述用户指纹进行成像的光学或红外传感器。
21.如权利要求20所述的电子设备，其特征在于，所述控制元件是透明的、半透明的、或透明并半透明的。
22.如权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括:被配置成基于来自所述用户手指的压力来确定所述显示元件上的应变的应变仪。
23.一种用于指纹识别感测的移动设备，其特征在于，所述移动设备包括: 显示器； 相对于所述显示器安置的控制元件； 被置于所述控制元件下面的指纹传感器，其中所述指纹传感器被配置成感测用户手指的指纹； 对来自所述用户手指的压力敏感的压敏元件，其中所述压敏元件被安置在所述指纹传感器下面，以便所述指纹传感器被安置在比所述压敏元件更靠近所述用户手指的位置。
24.如权利要求23所述的移动设备，其特征在于，所述指纹传感器包括安置在晶片上的传感器电路，所述传感器电路耦合到通过在硅晶片中形成的多个通孔安置的多个接合线。
25.如权利要求23所述的移动设备，其特征在于，所述指纹传感器包括安置在晶片上的传感器电路，所述传感器电路耦合到一层压缩的封装的焊球。
26.如权利要求23所述的移动设备，其特征在于，在所述移动设备的防护玻璃中提供所述显示器，以及其中，所述控制元件包括相对于所述防护玻璃成凹陷关系安置的透镜。
【文档编号】G06K9/00GK203535651SQ201320268670
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】B·J·波普, S·阿诺德, B·J·科尔勒特, T·L·吉尔腾, S·胡赛尼, S·韦伯斯特, S·A·迈耶斯, M·D·希尔, B·B·莱昂 申请人:苹果公司