用于识别的微电容超声波换能器线性阵列装置的制作方法

本发明涉及mems(micro-electro-mechanicalsystem)传感器领域中的微电容超声波换能器阵列，具体是一种用于防水智能终端指纹识别的微电容超声波换能器线阵装置，可实现在湿手状态下和水下环境中指纹及其表皮底层结构的三维成像和识别。

背景技术：

随着互联网通讯和信息化时代的来临，越来越多的高科技智能产品（手机、平板电脑、笔记本等）被广泛应用到日常生活中，移动信息通讯带来的方便快捷使得利用智能终端存储隐私信息和管理电子财产成为普遍现象，与此同时，随之而来的是日益突出的身份验证识别安全隐患，正如传统“账号+密码”和磁卡身份验证识别方法存在着遗忘丢失、复制泄露、破解窃取等问题。生物特征识别技术（指纹、虹膜、dna、笔迹、步态等）作为一种更加便捷、安全、可靠的识别技术日益成为人们研究的焦点。在众多生物识别技术中，因指纹属性又具备唯一性、不变性、便捷性、十指组合安全性、易采集存储性等特征，使指纹识别技术成为目前应用于移动智能终端最为广泛和成熟的身份识别技术。

一个指纹识别系统，最关键最首要的任务就是如何高效、便捷、可靠地获取丰富的指纹特征信息。随着近几年指纹识别技术在智能终端中爆发性的态势增长，人们对指纹采集传感单元的要求越来越高，受到智能终端的成本和尺寸限制，光学识别中的大面积指纹采集传感单元难以在移动智能终端使用；电容式识别的集成小面积低成本的半导体指纹采集传感单元成为了当前市场移动智能终端指纹识别的主流技术，然而伴随着人们的使用，新的缺点再次暴露，由于电容信号较弱，通常电容指纹采集技术需要手指与传感单元尽可能接触，采集信息很容易受到手指条件（油腻、汗渍，湿水）干扰，采集环境限制（如防水手机、相机、手表难以在水下识别），给用户带来极大的使用困扰，常常出现识别效率低、识别准确率低的问题，甚至出现不识别的现象。针对以上问题，超声指纹采集技术被提出。超声指纹采集技术利用超声波方向性好、穿透能力强、对人体无害等特点，结合探测区域内指纹嵴与峪甚至汗毛孔对于声波阻抗的差异反馈原理，通过超声指纹传感器发射和接收超声信号来实现指纹特征采集。由于声阻抗相接近，超声指纹传感器发射的超声波可以较好穿透手指上常见的污渍、油脂、液体、以及由玻璃、不锈钢或塑料制成的智能终端外壳，同时结合超声指向性强的优势，可以较好实现对指纹及其底层组织结构三维特征信息的采集，避免了紧密接触式二维指纹特征采集纹路按压变形问题，大幅度提高了指纹匹配率。虽然超声指纹采集技术在智能终端指纹识别应用中具有许多优势，但经过多年研究却依然无法取代现有的接触式指纹识别技术被普及应用，其主要原因在于超声指纹传感器微型化加工技术含量较高、制作多个高一致性且微型化的阵元存在工艺难度大、成本高的问题，难以满足智能终端对指纹采集技术高精度、微型化、低功耗等方面同步发展的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是基于mems技术微型化、低成本、易于批量处理、集成等特点，提供一种利用mems电容式超声传感器(capacitivemicromachinedultrasonictransducer，cmut)的识别装置，可以实现湿手及水下指纹特征信息采集和识别。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于识别的微电容超声波换能器线性阵列装置，包括外壳，所述外壳内安装阵列芯片pcb引线板，所述阵列芯片pcb引线板上表面电连接cmut阵列芯片，所述外壳上位于cmut阵列芯片前方密封安装透声强化玻璃，所述cmut阵列芯片与透声强化玻璃之间充填硅油透声介质；所述壳体内位于阵列芯片pcb引线板背面封装屏蔽干扰信号的铜箔，所述壳体内为阵列芯片pcb引线板和铜箔的四周封装环氧树脂被衬吸声材料；所述阵列芯片pcb引线装置的引出导线穿出外壳。

进一步，所述cmut线性阵列芯片由n个阵元均匀布置排列构成线阵列，每个阵元内部又由2×x个敏感单元分两列整齐排列构成。具体为，包括公共硅衬底，公共硅衬底下表面设一体化下电极，公共硅衬底的上表面为氧化层，氧化层的上表面开设有若干圆柱形空腔，若干圆柱形空腔成排、列对齐布置，氧化层的上表面键合振动薄膜，振动薄膜的上表面设隔离层，围绕隔离层的四周边缘处开设有下沉的隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上（隔离槽用于隔开各阵元），氧化层上的若干圆柱形空腔都位于隔离槽内；隔离层的上表面上正对每个圆柱形空腔中心的位置处形成图形化上电极，隔离层的上表面位于每个阵元的两端边缘处位置分别设置有一个焊盘；每个阵元内，相邻上电极之间互联金属引线，焊盘与离其最近的一个上电极之间通过金属引线连接。

微电容超声波换能器线性阵列探头装置工作方式如图6a和6b所示，从图中可以看出不论是cmut工作在发射模式还是接收模式都存在直流偏置电压施加在敏感单元上下电极，直流偏置电压产生的静电力将敏感单元振动薄膜拉向极板下端，但由于薄膜自身存在反向的回复力，使得薄膜很快静止达到平衡状态。若在此刻对薄膜再次施加一定频率的交流激励电压，便会使振动薄膜发生挠曲，辐射相应频率的超声波；若在平衡状态下，薄膜受到声压变化引起挠曲，进而极板间电容变化产生微弱的电流信号，后经跨阻放大等处理电路实现回波电压信号接收。在湿手环境下，手指无需紧密接触，将手指短暂的停放在智能终端屏幕外壳上，感应或者手动启动，便可实现指纹识别；在水下，手指无需接触智能终端（手指表皮至终端屏幕距离保持在5mm内），短暂的停放便可实现手指非接触指纹识别。

本发明公开的cmut线性阵列装置包括阵列装置透声密封封装、收发一体高频cmut线阵芯片以及阵列电极pcb引线封装。利用超声波穿透智能终端外壳材质的优势，可实现智能终端外壳无孔式设计，提高智能终端的防水防尘性能；同时该新型cmut阵列芯片既具有电容式超声传感器的宽频带和高接收灵敏度的优势，也充分利用了mems微加工技术适合制作微型高密度阵列，实现阵元的高一致性批量化生产，有利于传感器与信号处理电路集成等优势，可有效降低超声指纹传感器的成本和制作难度，突破当前超声指纹采集技术的瓶颈，提高超声指纹传感器的综合性能，为我国未来微型化、低成本、高精度、高可靠性的移动智能终端身份认证产业的发展提供技术支持。

本发明装置设计合理，具有结构简单、微型化、低成本、易阵列加工、适于大批量生产等优点，可实现智能终端外壳无孔式设计，提高智能终端的防水防尘性能；同时也有效提高了湿手及水下指纹识别的识别精度、效率以及安全可靠性。

附图说明

图1表示本发明专利cmut线性阵列装置封装结构示意图。

图2表示本发明cmut线性阵列芯片布局示意图。

图3表示本发明换能器单个敏感单元结构示意图。

图4表示本发明cmut阵列制备示意图。

图5表示本发明cmut阵列金属线电极引线键合pcb板示意图。

图6a表示本发明cmut阵列工作方式图（发射）。

图6b表示本发明cmut阵列工作方式图（接收）。

图中：1-透声强化玻璃，2-硅油透声介质，3-cmut阵列芯片，4-阵列芯片pcb引线板，5-屏蔽干扰信号的铜箔，6-环氧树脂背衬吸声材料，7-（pvc）外壳，8-阵元，9-隔离槽，10-芯片焊盘，11-敏感单元结构，12-上电极，13-隔离层，14-振动薄膜，15-真空腔，16-氧化层（绝缘层），17-公共硅衬底，18-下电极，19-pcb矩形覆金区域，20-pcb下电极引出孔，21-金属引线，22-pcb连接焊盘，23-pcb上电极引出孔，24-引出导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

本发明以当前移动智能终端通讯领域重点发展的自动指纹识别方式为背景，瞄准mems技术、超声指纹识别技术的发展前沿，针对目前mems超声指纹识别中的关键科学问题和应用需求，提供一种用于识别的微电容超声波换能器线性阵列装置，主要用于防水智能终端超声指纹识别。

一种用于防水智能终端超声指纹识别的微电容超声波换能器线性阵列装置，包括阵列装置透声密封封装、收发一体高频cmut线性阵列芯片以及阵列电极引线封装。主要由透声强化玻璃、硅油透声介质、cmut阵列芯片、pcb引线封装、屏蔽干扰信号的铜箔和具有高阻抗、高衰减的环氧树脂背衬吸声材料以及消除杂散声场、易加工的pvc外壳构成。

具体连接关系如图1所示，pvc外壳7内安装阵列芯片pcb引线板4，阵列芯片pcb引线板4上表面电连接cmut阵列芯片3，pvc外壳7上位于cmut阵列芯片3前方密封安装透声强化玻璃1，所述cmut阵列芯片3与透声强化玻璃1之间充填硅油透声介质2；pvc壳体内位于阵列芯片pcb引线板4背面封装屏蔽干扰信号的铜箔5，pvc壳体内为阵列芯片pcb引线板4和铜箔5的四周封装环氧树脂被衬吸声材料6；阵列芯片pcb引线板4的引出导线24穿出外壳7，连接后续处理电路。

线性cmut阵列工作频率15mhz，由384个相同的收发一体的cmut阵元芯片等间距（0.5倍波长）排列构成，并通过金丝键合封装技术将cmut芯片通过引出导线连接至外部控制电路。具体为，如图2所示，cmut阵列芯片3通过384个阵元8排成一排构成，每个阵元由2×88个敏感单元11排列构成；具体如下：如图3所示，包括公共硅衬底17，公共硅衬底17的上表面为氧化层（绝缘层）16、其下表面覆盖一体化下电极18，所述氧化层16的上表面开设有若干圆柱形真空腔15，所述氧化层16的上表面键合振动薄膜14，所述振动薄膜14的上表面设隔离层13，围绕隔离层13的四周边缘处及其内部开设有下沉的隔离槽9，所述隔离槽9贯穿隔离层13和振动薄膜14后，其槽底开设于氧化层16上；所述隔离层13的上表面上正对每个真空腔15的中心位置处设有图形化上电极12；所述氧化层16上的真空腔15位于同一隔离区域内后形成一个阵元8；所述隔离层13的上表面位于一个阵元内的两端边缘处位置分别设有芯片焊盘10，一个阵元内相邻上电极12通过金属引线21连接，该阵元内所有上电极分为上下两部分；位于上端的芯片焊盘10与离其最近的一个上电极12之间通过金属引线21连接，即上半部分的上电极与上端的芯片焊盘电连接；位于下端的芯片焊盘10与离其最近的一个上电极12之间通过金属引线21连接，即下半部分的上电极与下端的芯片焊盘电连接。

如图5所示，cmut阵列芯片3的下电极18通过导电胶粘贴在阵列芯片pcb引线板4上表面中部的pcb矩形覆金区域19，pcb矩形覆金区域19通过金属引线连接pcb下电极引出孔20，所述pcb下电极引出孔20连接引出导线，cmut阵列芯片3的n个阵元8的芯片焊盘10与阵列芯片pcb引线板4相应位置的pcb连接焊盘22通过金属引线21一一连接；每个pcb连接焊盘22通过金属引线连接各自的pcb上电极引出孔23，pcb上电极引出孔23统一连接引出导线，连接后续处理电路；或者，为了实现相位控制，可以将n个相邻通道导线统一在一起，利用384/n个分散导线引出，连接控制电路。具体的处理方法本领域技术人员根据实际情况采用已有的编程技术进行设计，在此不再赘述。

具体制备时，cmut阵列芯片3长度10mm、宽度8mm。上电极12的厚度和半径分别为1.1μm和12.25μm；隔离层13厚度为0.1μm；振动薄膜14的厚度与半径分别为2.2μm和24.5μm；圆柱形真空腔15的半径和高度分别为24.5μm和0.25μm；圆柱形真空腔15底面距离公共硅衬底17上表面厚度为0.15μm；公共硅衬底17厚度为300μm；下电极18厚度为1μm。

cmut线性阵列芯片的加工工艺包括如下步骤：

1、如图4（a）所示，进行备片。选择硅片和soi晶片，并进行标准rca清洗，去除各种有机物、金尘埃和自然氧化层等；图中，wafer1为硅片，wafer2为soi片。

2、如图4（b）所示，对硅片双面热氧化处理，使其上下表面都形成氧化层。然后对上表面氧化硅进行刻蚀形成真空腔，同时留0.15μm厚度的二氧化硅作为绝缘层；

3、如图4（c）所示，对硅片进行标准rca清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与soi晶片在真空环境下采用硅-硅键合工艺进行低温键合。

4、如图4（d）所示，键合后用tmah溶液对soi晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用boe溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和soi晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、soi晶片剩余的硅层即为振动薄膜，初步形成微电容超声传感器的结构。

5、如图4（e）所示，采用lpcvd工艺在振动薄膜上沉积一层二氧化硅层作为0.1μm厚度的隔离层；在隔离层的上表面溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘，围绕隔离层的四周边缘处及内部刻蚀出隔离槽，形成阵元阵列，并用tmah溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；通过金属引线连接各上电极及焊盘；在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触，并溅射金属al形成一体化下电极。

具体封装过程如下：

（a）铜箔胶带固定，将铜箔胶带粘贴至pvc外壳内部（pcb板固定台下方）。

（b）芯片引线固定封装，cmut下电极通过导电胶与pcb矩形覆金区域粘贴，利用金丝键合将384个cmut芯片的阵元的上电极的芯片焊盘与pcb引线板相应位置的连接焊盘相连接。

（c）引出导线一端引入pvc外壳，并在pcb引线板的上下电极引线孔处焊接，另一端连接控制电路。

（d）放置固化后的环氧树脂吸声材料至pcb引线板安装台下方，并用螺钉拧紧在pcb固定在安装台上。

（e）利用聚氨酯胶粘贴透声强化玻璃进行密封。

（f）从pvc腔体外壳外侧用注射器注入硅油排出腔体中的空气气泡，尽可能保证真空。

（g）在注射孔上拧紧螺丝并涂抹聚氨酯胶，完成最后密封。

本防水智能终端超声指纹识别的微电容超声波换能器线性阵列探头装置工作方式如图6a和6b所示，从图中可以看出不论是cmut工作在发射模式还是接收模式都存在直流偏置电压施加在敏感单元上下电极，直流偏置电压产生的静电力将敏感单元振动薄膜拉向极板下端，但由于薄膜自身存在反向的回复力，使得薄膜很快静止达到平衡状态。若在此刻对薄膜再次施加一定频率的交流激励电压，便会使振动薄膜发生挠曲，辐射相应频率的超声波；若在平衡状态下，薄膜受到声压变化引起挠曲，进而极板间电容变化产生微弱的电流信号，后经跨阻放大等处理电路实现回波电压信号接收。

本发明的智能终端微型化超声指纹识别线阵装置在湿手环境下，手指无需紧密接触，将手指短暂的停放在智能终端屏幕外壳上，感应或者手动启动，便可实现指纹识别；在水下，手指无需接触智能终端（手指表皮至终端屏幕距离保持在5mm内），短暂的停放便可实现手指非接触指纹识别。

本发明结合波束控制和线性形扫描成像方式相结合的技术，通过对阵列各个阵元波束发射/接收延时控制和幅度控制，实现超声波束的偏转聚焦效果，对指纹表皮核心部分及皮下组织进行大范围扫描；再对扫描回波信号分别进行动态滤波、包络检波、对数压缩、灰度转换、三维坐标系构建、像素映射和插值填充等信号处理方法实现指纹的三维图像重建。最终结合以保存的指纹库信息和采集到的指纹信息特征匹配比对，实现指纹的扫描成像识别。

针对目前接触式指纹采集技术易受手指环境影响、可靠性难保障，难以在防水移动终端展开应用，以及现有超声指纹传感器阵列成本高、批量制造一致性差的问题，本发明创新性地提出了用于防水智能终端指纹识别的微电容超声波换能器线阵装置，对湿手以及水下指纹识别技术具有更好的识别精度和可靠性。利用超声波穿透终端外壳材质的优势，可实现终端外壳无孔式设计，提高智能终端的防水防尘性能；同时新型cmut既具有电容式超声传感器的宽频带和高接收灵敏度的优势，也充分利用了mems微加工技术适合制作微型高密度阵列，实现阵元的高一致性批量化生产，有利于传感器与信号处理电路集成等优势，可有效降低超声指纹传感器的成本和制作难度，突破当前超声指纹采集技术的瓶颈，提高超声指纹传感器的综合性能，为智能终端领域指纹识别技术的发展提供新的动力。

所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。