超声波指纹感应及传感器制造的制作方法

本专利文件要求于2017年5月1日提交的发明名称为“超声波指纹感应及传感器制造”的美国临时专利申请no.62/492,875的优先权和权益。上述专利申请的全部内容通过引用结合作为本专利文件的公开内容的一部分。

本专利文件涉及在电子设备或系统中指纹感应以及执行其他参数测量的一个或多个感应操作，该电子设备或系统包括诸如移动设备或可穿戴设备的便携式设备以及更大的系统。

背景技术：

各种传感器在电子设备或系统中的实现可以提供某些期望的功能。只有授权的用户才能被识别并且与非授权用户区进行区分的计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问的需求越来越大。例如，移动电话、数码相机、平板电脑、笔记本电脑和其他便携式电子设备在个人、商业和政府的使用中越来越普及。供个人使用的便携式电子设备可以配备一个或多个安全机制，仅限于授权用户访问，以便保护用户的隐私或可用于此设备的信息。用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统可以被保护为仅允许授权人员访问，以保护组织或企业的设备或系统的信息或者设备使用。

存储在便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中的信息可以具有应受保护的某些特征。例如，所存储的信息可以实质上是个人信息，例如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或者是组织或企业专用的机密信息，例如商业财务信息、员工数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则数据可能会被未授权获得访问的其他人访问，导致个人隐私丧失或有价值的机密信息丧失。除了信息的安全性以外，保护对计算机和计算机控制的设备或系统的访问还允许保护由计算机或计算机处理器控制的设备或系统(例如计算机控制的汽车)以及其他系统(例如atm)的使用。

对移动设备等设备或电子数据库和计算机控制的系统等系统的访问的安全防护可以以不同方式来实现，例如使用用户密码。然而，密码可能很容易传播或获取，密码的这种性质可能会降低安全级别。此外，用户需要记住密码来使用受密码保护的电子设备或系统，并且如果用户忘记密码，则用户需要执行某些密码恢复程序以获得认证，或以其他方式重新获得对该设备的访问。遗憾的是，各种情况下，这样的密码恢复过程对用户来说可能是繁琐的，而且具有各种实际限制和不便。

电子设备或系统上的用户认证可以通过一种或多种形式的生物标识符来执行，其可以单独使用，也可以和传统的密码认证方法一起使用。一种生物标识符的形式是人的指纹图案。个人指纹识别可以实现用户认证，用于增强数据安全性的同时减轻与密码相关联的某些非期望效果。便携式或移动计算设备等各种类型的电子设备或系统可以利用用户认证机制来保护个人数据或其他机密数据，并利用个人指纹识别技术来防止未经授权的访问。指纹传感器可以内置于电子设备或系统中，以读取用户的指纹图案作为认证过程的一部分，使得该设备或系统只能由授权用户通过该授权用户的指纹图案的认证来解锁。

指纹感应可以利用捕获指纹图像的不同感应技术来实现，例如指纹的谷和脊的电容感应、基于指纹的谷和脊的光学成像的光学感应以及基于指纹的谷和脊显示的不同声波信号的超声波感应。

技术实现要素：

所公开的是用于提供电子设备中基于超声波成像技术的指纹传感器的系统、设备和方法，以及用于制作基于超声波的指纹传感器的制造技术。

在一些方面，用于制造超声波指纹传感器设备的方法包括制作包括底部电极的阵列和基底芯片上的绝缘层的中间保护结构；在所述中间保护结构上形成声波换能器材料层；通过切割或刻蚀已形成的换能器材料层，在所述中间保护结构上制作换能器元件，以产生所述换能器元件，其中所述绝缘层包括的厚度使得：在所述切割或刻蚀所述已形成的声波换能器材料层的过程中，所述中间保护结构的部分承受减损，而对下面的基底芯片没有任何损坏；以及在制作的换能器元件上制作顶部电极。

在一些方面，一种超声波指纹传感器设备包括中间层，耦合至基底芯片，所述基底芯片包括在所述基底芯片的表面处具有导电触头的集成电路，所述中间层包括绝缘层和耦合至所述基底芯片的所述导电触头的底部电极，其中所述中间层通过以下步骤制作：在所述基底芯片上形成所述绝缘层；在所述基底芯片的导电触头上方的位置处，刻蚀穿过所述绝缘层的沟道；以及将导电材料沉积在刻蚀的沟道中，以形成所述底部电极，其中所述底部电极包括位于所述绝缘层的顶表面处或顶表面上方的界面表面；多个超声波换能器元件，包括耦合至所述底部电极的声波换能器材料，其中所述超声波换能器元件通过以下步骤制作：在所述中间层上形成所述声波换能器材料层；以及通过切割或刻蚀已形成的换能器材料层，在所述中间层上制作换能器元件，以产生所述超声波换能器元件，其中所述绝缘层包括的厚度使得：在所述切割或刻蚀所述已形成的声波换能器材料层的过程中，所述中间层的部分承受减损，而对下面的基底芯片没有任何损坏；以及多个顶部电极，位于所述超声波换能器元件上，其中所述顶部电极通过以下步骤制作：在制作的超声波换能器元件上涂覆导电材料。

在一些方面，一种超声波指纹传感器设备包括中间层，耦合至基底芯片，所述基底芯片包括在所述基底芯片的表面处具有导电触头的集成电路，所述中间层包括形成于所述基底芯片上的绝缘层和耦合至所述导电触头并穿过所述绝缘层的沟道电极结构的相应阵列，其中沟道电极在所述绝缘层的顶表面处或顶表面上方终止以提供底部电极；多个超声波换能器元件，包括耦合至所述底部电极的声波换能器材料；以及多个顶部电极，位于所述超声波换能器元件上。

这些方面、其他方面以及它们的实现方式将在附图、说明书和权利要求中进行更多详细描述。

附图说明

图1示出了根据本技术的电子设备与包括超声波指纹传感器的指纹识别设备的示例实施例接合的图。

图2a和2b示出了根据本技术的具有包括指纹识别设备的触摸感应显示屏组件和/或触摸感应按钮组件的示例电子设备的图。

图3示出了描述示例的a型超声波指纹传感器设备的二维侧视图和三维视图的图。

图4示出了与电子电路通信的示例a型超声波指纹传感器设备的图。

图5a-5d示出了根据本技术描述制造a型超声波指纹传感器设备的方法的说明图。

图6示出了与图5a-5d示出的用于制造a型超声波指纹传感器设备的方法一致的制造方法的示例实施例的框图。

图7a示出了描述示例b型超声波指纹传感器设备的二维侧视图和三维视图的图。

图7b-1和7b-2示出了图7a中所示的b型超声波指纹传感器设备的声波接收器组件的示例实施例的图。

图7c-1和7c-2示出了图7a中所示的b型超声波指纹传感器设备的声波发射器组件的示例实施例的图。

图8示出了包括用于控制a型超声波指纹传感器的发射和接收功能的多路驱动器和接收器架构的c型超声波指纹传感器设备的示例图。

图9示出了用于制作超声波传感器设备的批量生产方法的刻蚀工艺的另一示例。

图10示出了根据本技术具有包括指纹识别设备和时延层的触摸感应显示屏组件和/或触摸感应按钮组件的示例电子设备的图。

具体实施方式

所公开的是用于提供电子设备中基于超声波成像技术的指纹传感器的系统、设备和方法，以及用于制作基于超声波的指纹传感器的制造技术。

图1示出了电子装置188与包括超声波传感器的指纹识别设备180的示例实施例接合的图，该超声波传感器用于检测用于识别电子设备188的授权用户的指纹。指纹识别设备180包括超声波指纹传感器181、指纹传感器控制电路184以及数字处理器186，该数字处理器186可以包括一个或多个处理器，用于处理指纹图案并确定输入指纹图案是否为授权用户的指纹图案。指纹识别设备180利用超声波指纹传感器181获得指纹，并将获得的指纹与存储的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹识别设备180保护的计算机处理器控制的(电子)设备188中的功能。在一些实现方式中，例如，对电子设备188的访问由指纹处理处理器186基于捕获的用户指纹是否来自授权用户来控制。如图1所示，超声波指纹传感器181可以包括多个指纹感应区域或像素，例如共同表示指纹的至少一部分的区域或像素182a-182e。

例如，指纹识别设备180可以在作为电子设备188的自动柜员机(atm)处实现，以确定请求存取资金或其他交易的顾客的指纹。基于从指纹传感器181获得的顾客的指纹与一个或多个存储的指纹的比较，在肯定识别的情况下，指纹识别设备180可以使得atm设备188授权对用户账户请求的访问；或者，在否定识别的情况下，可以拒绝访问。在另一示例中，电子设备188可以是智能手机或便携式计算设备，并且指纹识别设备180是与电子设备188集成的模块。在另一示例中，电子设备188可以是设施或家庭的门或安全入口，其利用指纹传感器181来授权或拒绝进入。在又一示例中，电子设备188可以是汽车或其他交通工具，其利用指纹传感器181链接到发动机的起动，并识别某人是否被授权操作该汽车或交通工具。

图2a和2b示出了具有包括指纹识别设备180的示例实施例的触摸感应显示屏组件223和/或触摸感应按钮组件224的电子设备200的示例，该指纹识别设备180包括位于触摸感应显示屏组件223和/或触摸感应按钮组件224下方的超声波指纹传感器模块101。在该说明性示例中，电子设备200可以是同图1所示的电子设备188一样的便携式设备，例如智能手机或平板电脑。

图2a示出了电子设备200的正面的一面，可以与一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征相类似。电子设备200包括触摸感应显示屏组件223，该触摸感应显示屏组件223包括显示玻璃231和下面的显示模块233以及电子模块235，其中触摸感应显示屏组件223可以占电子设备200的正面空间的全部、大部分或显著部分。如图所示，在各种实现方式中，电子设备200的设备外壳可以具有侧面，该侧面支持当今市场上各种实现方式的智能手机中常见的侧面控制按钮227，229。此外，如图2a所示，一个或多个可选传感器225可以设置在电子设备外壳上任意一侧，包括除设备屏幕以外的电子设备200的正面。

超声波指纹传感器模块101可以位于触摸感应显示屏组件223的下方，例如在一个或多个感应区域211处，用于在电子设备200的显示屏上接收手指。例如，图2a和2b示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感应区域211，其可以被照亮为明显可识别的地区或区域，用于用户放置手指进行由超声波指纹传感器模块101执行超声波感应的指纹感应。此类指纹感应区除了提供指纹感应操作外，也能够像设备屏幕的其余部分一样用作显示图像。另外或可选地，例如，超声波指纹传感器模块101可以位于感应区域213处的显示边缘或外围区域的下方，用于接收和检测手指以获得指纹信息。如图所示，感应区域213位于显示区域外的外围区域中，可以包括触摸感应按钮组件224的按钮，用于在电子设备200的按钮上接收手指。在实现方式中，例如，超声波指纹传感器模块101位于触摸感应显示屏组件223和/或触摸感应按钮组件224的下方，使得各组件和传感器模块101之间没有间隙。

图2b示出了根据本技术的实施例的与超声波指纹传感器模块101有关的设备200中的示例模块的图。图2a所示的显示屏组件223包括在顶部具有触摸感应层的触摸感应屏模块，以及位于触摸感应屏模块下方的具有显示层的显示屏模块。显示屏组件223的示例包括显示盖板231(例如，盖板玻璃)以及下面的显示模块233和电子模块235。在设备200的一些实现方式中，设备200包括位于显示盖板231下方的颜色层。超声波传感器模块101位于设备200的顶盖231的下方，包括用于生成和感应超声波信号的超声波换能器元件和电路。在各种实现方式中，超声波传感器模块101在显示屏组件223下方，以将超声波引导至顶盖231上的指纹感应区域，并接收反射或返回的携带有指纹图像信息的超声波。超声波数据处理模块103与超声波指纹传感器模块101耦合，例如，包括电子电路，以控制超声波指纹传感器模块101中的超声波元件生成和传输超声波信号，并处理在超声波指纹传感器模块101处接收的返回的声波信号。在一些实现方式中，超声波数据处理模块103可以与设备电子模块235通信，以利用电子模块235的数字数据处理功能。

在一些实现方式中，超声波指纹传感器模块101可以安装在显示器下方的感应区域211处，以用于合适的显示条件，例如所有显示器组件在没有气隙层的情况下组装的oled或lcd显示器。在一些实现方式中，超声波指纹传感器模块101可以安装在显示边缘下方或用于触知用户界面条件的按钮下方的感应区域213处，例如用于柔性oled/lcd显示器，使得指纹感应超声波信号能够被引导穿过柔性显示器组件外的区域，这容易抑制超声波，因此对超声波成像操作会有不利影响。某些显示模块可以包括可显著抑制超声波信号的结构，因此能够定位超声波指纹传感器模块101以将超声波指向这些结构外。例如，一些lcd显示器包括显示器组件，其组装有对超声波传播呈现高阻抗的气隙层。

超声波指纹传感器模块101中的超声波换能器可以配置为以不同的配置方式进行超声波生成和超声波感应的操作。例如，在一种方法中，称为“a型”，超声波指纹传感器模块101的声波换能器可以构造为既用作声波源(声波发射器)又用作返回声波信号接收器(声波接收器)。在另一种方法中，称为“b型”，超声波指纹传感器模块101包括均为独立的超声波换能器的声波发射器和返回声波信号波接收器。

对a型和b型超声波指纹识别设备的一些示例性特征进行描述。例如，a型超声波指纹设备包括布置在感应阵列中并置于集成电路(ic)芯片(诸如cmos结构芯片)上的超声波指纹传感器换能器。例如，将用于每个换能器元件的电极都制备在芯片上。将单片或多个大片的超声波换能器材料(例如压电材料)粘合或涂覆到ic芯片上。连接对应的电极。对换能器材料进行切割或刻蚀以呈现离散的超声波换能器元件。例如，这种设计可以包括实现适当的谐振频率的目标。离散的超声波换能器元件之间的间隙中可以填充适当的填充材料，例如合适的环氧树脂。然后形成离散的超声波换能器的顶部电极。根据驱动模式，每个顶部电极可以包括单个或多个离散的超声波换能器元件，或者包括一行或一列离散的超声波换能器元件。当对换能器施加高电压时，会生成超声波。例如，将低压电路连接到换能器，以接收返回的超声波感应电信号。

对于b型超声波指纹设备，例如，分别制造用于产生超声波信号和感应超声波信号的两个超声波换能器层结构。例如，在一些实现方式中，顶层结构是具有超声波感应换能器的声波信号接收器，以检测返回的超声波信号，而单独的底层结构是具有超声波发射器换能器的声波信号生成器，以向顶部感应区域生成超声波信号。例如，两个超声波层结构可以以类似的方式形成以制作b型超声波指纹设备，但可以与本专利文件一样对特定过程进行修改。例如，将超声波指纹传感器换能器置于制备的ic芯片上，例如cmos结构化芯片上。例如，将每个换能器元件的电极都制备在芯片上。将单片或多个大片的超声波换能器材料(例如压电材料)粘合或涂覆到制备的ic芯片上。连接对应的电极。对换能器材料进行切割或刻蚀以呈现离散的超声波换能器元件。离散的超声波换能器元件之间的间隙中可以填充适当的填充材料，例如合适的环氧树脂。然后形成离散的超声波换能器的顶部电极，其中每个顶部电极根据驱动模式设计，例如，每个顶部电极可以包括单个或多个离散的超声波换能器元件，或包括一行或一列离散的超声波换能器元件。所制作的结构形成组装的超声波换能器阵列，以用作超声波信号接收器。

对于b型方法，制成第二层结构以布置在声波接收器层结构的下方。第二层结构可以包括粘合或涂覆到电极芯片上的单片或若干大片的超声波换能器材料(例如压电晶体等压电材料)。连接对应的电极。然后将换能器材料切割或刻蚀成离散的超声波换能器元件，例如条状。例如，目标是实现合适的谐振频率。离散的超声波换能器元件之间的间隙中可以填充适当的填充材料，例如合适的环氧树脂。形成离散的超声波换能器的顶部电极。根据驱动模式，每个顶部电极可以包括单个或多个离散的超声波换能器元件，或者包括一行或一列离散的超声波换能器元件，通常包括一行或一列换能器。第二层结构粘合在超声波信号接收器的下方，以作为超声波源。

图3示出了描述示例的a型超声波指纹传感器设备300的二维侧视图及三维视图的图，其中每个超声波换能器元件同时作为发射器和感应接收器。超声波传感器设备300包括具有用作超声波传感器设备的平台的集成电路(例如，cmos结构等)的基底芯片305。在一些实现方式中，例如，基底芯片305包括基底芯片表面上的导电接触点(例如，电极)阵列，称为基极325。超声波传感器设备300包括基底芯片305上的绝缘层309。在一些实现方式中，例如，可以将绝缘层309(例如氧化硅(sio2))沉积和/或生长在基底芯片305的顶表面上。超声波传感器设备300包括底部电极307，该底部电极307从基底芯片305的基极325延伸并延伸出绝缘层309的表面(或超出表面)。在一些实现方式中，在基极325的正上方位置处刻蚀绝缘层309，沉积厚导电材料以制作底部电极307，该底部电极307从基极325延伸到至少绝缘层309的表面。超声波传感器设备300包括超声波换能器元件311，该超声波换能器元件311包括粘合到底部电极307上的声波换能器材料，例如压电材料。在一些实现方式中，例如，在底部电极307和超声波换能器元件311之间可以直接形成导电粘合剂层；而在一些实现方式中，基于为各组件的材料选择，可以在底部电极307上直接形成换能器元件311。例如，导电粘合剂层可以包括可涂覆到电极上的氧化铟锡、导电聚合物等，其中，当底部电极307与超声波换能器元件311接触时，导电粘合剂材料提供导电性。在一些实施例中，例如，超声波传感器设备300包括填充在声波换能器元件311之间的间隙中的填充材料315(例如，底部填充材料层，如环氧树脂)，例如，填充在例如绝缘层309上方。超声波传感器设备300包括超声波换能器元件311上的顶部电极313。每个超声波换能器元件311同时作为由驱动器电路驱动的发射器和由独立的接收器电路驱动的感应接收器。

图4示出了与电子电路通信的a型超声波指纹传感器设备300中用于超声波换能器元件311的发射器电极和接收器电极的一示例，其中该电子电路包括用于控制设备300的声波传输的超声波源驱动器和用于处理接收的自设备300的返回的声波信号的超声波接收器。如图4所示，超声波指纹传感器设备300电耦合至驱动器电路317和接收器电路321。驱动器电路317通过在驱动器电路317和顶部电极313之间延伸的连接线119连接到顶部电极313，例如图4中所示的顶部电极313e。在一些实施例中，每个顶部电极313跨越或包括单个或多个离散的超声波换能器元件311，或者一行或一列离散的超声波换能器元件311。在实现方式中，驱动器电路317驱动换能器元件311在期望的高频(例如5mhz至40mhz)下生成声波脉冲(探测声波)。

接收器电路321通过在接收器电路321和超声波换能器电极311之间延伸的连接线323连接到离散的超声波换能器元件311。在实现方式中，例如，当反射的声波到达换能器元件311时，由返回的声波引起的压力刺激换能器元件311以生成电信号，在接收器电路321处接收该电信号。探测声波和返回的信号声波在时域上是分开的，例如，返回的信号声波相对于探测脉冲延迟一段时间。

图5a-5d示出了根据本技术描述制造a型超声波指纹传感器设备的方法的示例说明图。图5a示出了在超声波指纹传感器设备的基底芯片505(例如，cmos芯片)上制备包括电极阵列和绝缘层的中间保护结构的过程510。图5b示出了在中间保护结构上制作换能器材料层的过程520。图5c示出了在中间保护结构上方制作离散的换能器元件的过程530，其中保护结构的部分(例如，绝缘层)承受减损或消除，而对下面的基底芯片没有任何损坏。图5d示出了在制作的换能器元件上形成顶部电极以制作a型超声波指纹传感器设备的过程540。

例如，基底芯片505可以包括微芯片，该微芯片已经与包括集成电路的电路(诸如cmos处理器)集成，用作超声波指纹传感器设备300的平台。在一些实现方式中，图5a所示的基底芯片505是包括多个基底芯片(例如，cmos设备)的晶片。基底芯片505包括基底芯片505上的电极525。

如图5a所示，过程510包括在基底芯片505上形成绝缘层509，例如sio2。在过程510的一些实现方式中，例如，绝缘层509生长在基底芯片505上。例如，在基底芯片505上制作的绝缘层509为制造方法的后续过程(例如换能器层切割过程)提供了保护层或牺牲层(例如，缓冲材料)。过程510包括制作绝缘层509的顶部以及与基底芯片505的电极525之间接合的导电材料的底部电极507。在过程510的一些实现方式中，例如，通过在电极525位置处刻蚀绝缘层509并将导电材料沉积在刻蚀区域，以形成底部电极507。

过程510在基底芯片505上方制作保护结构(底部电极507和绝缘层509的复合体)。在一些实施例中，保护结构可以制作为具有0.1μm至10μm的厚度。保护结构为基底芯片505提供牺牲层，本质上“抬高”了基底芯片505的电接口区域(例如，电极525)，以安全地形成与基底芯片505接合的离散的换能器元件，而对基底芯片505没有任何损坏。例如，保护结构可以用作允许切割、刻蚀或任何破坏性制造技术的缓冲材料，以按期望的尺寸、形状以及其他物理参数制作换能器元件。在一些实现方式中，保护结构的示例厚度包括约1μm。

如图5b所示，过程520包括在基底芯片505上方的保护结构上制作诸如压电材料的换能器材料层511a。例如，换能器材料层511a粘合在保护结构上。在过程520的一些实现方式中，在保护结构上制作换能器材料层511a包括粘合层511a。例如，粘合可以包括胶合、焊接或其他粘合方法。在一些实现方式中，例如，粘合可以包括沉积能够在底部电极507与换能器材料层511a之间直接形成的导电粘合剂层。在一些实现方式中，例如，在底部电极507突出绝缘层509的顶部平面以上时，提供底部填充物以填充换能器材料511a与绝缘层509之间的间隙。

在过程520的实现方式中，例如，换能器材料层511a可以形成为单片或多片。换能器材料511a的顶表面和底表面可以制备电极涂层。例如，在一些实现方式中，过程520包括在换能器材料层511a上制作预先涂覆的电极图案512。在一些示例中，电极图案512预先涂覆在换能器材料511a的顶表面和底表面上。在刻蚀过程中，电极材料通常是金属材料。

如图5c所示，过程530包括通过在换能器材料层511a中切割或刻蚀(例如，激光刻蚀)结构来制作离散的换能器元件511b或511c，例如，制作为换能器元件的行或列511b，或者制作为换能器元件的二维阵列511c。在一些实现方式中，例如，换能器层511a可以在一个维度上切割或刻蚀，以形成换能器条511b。在切割或刻蚀过程中，绝缘层509可以用作缓冲区。过程530包括利用填充材料515填充间隙(例如，换能器条511b之间的切割或刻蚀区域中的间隙)。例如，可以基于制造的设备的期望响应频率来选择和添加填充材料515。

在一些实现方式中，例如，换能器层511a可以在两个维度上切割或刻蚀，以形成换能器元件511c。在此类实现方式中，过程530包括利用填充材料515填充换能器条511b之间的切割或刻蚀区域中的间隙，并在与换能器条511b不同的(例如垂直)方向上重复切割或刻蚀过程，以产生换能器元件的二维阵列511c。过程530包括利用填充材料515填充换能器元件511c之间的切割或刻蚀区域中的间隙。例如，可以基于制造的设备的期望响应频率来选择和添加填充材料515。

在一些实施例中，例如，填充材料515包括环氧树脂、凝胶、空气或其他合适的填充材料。例如，通过在对换能器层511a和/或换能器条515b切割或刻蚀后添加填充材料515，该制造方法在不影响换能器响应的情况下，增强了所制作的超声波指纹感应设备的鲁棒性。

如图5d所示，形成顶部电极的过程540包括将顶部电极层513a涂覆在形成的超声波换能器元件511b或511c上。形成顶部电极结构513的层设置为通过制造的设备制造用于生成声波探测波(例如，超声波源)的声波传输控制特征。在实现方式中，例如，顶部电极层513a设置有柔性层，以减少或消除声波信号的阻尼。

在过程540的一些实现方式中，可以在一个维度上处理顶部电极层513a，以形成条状结构513b。在过程540的一些实现方式中，顶部电极层113a可以处理为其他图案。在一些实施例中，形成的顶部电极结构513包括跨越单个、多个、一行或一列的换能器元件的平面结构(例如，像电极层513a)、条状结构(例如，像顶部电极条513b)或二维切割/刻蚀元件的阵列。

图6示出了与图5a-5d示出的用于制造a型超声波指纹传感器设备的方法一致的制造方法的示例实施例的框图。如图6所示，在框611处，该制造方法包括通过在集成电路设备上制造绝缘层并形成穿过绝缘层的选定区域的底部电极，在电路设备(例如cmos芯片晶片)上制作保护结构，以接触示例的cmos芯片晶片的顶表面上的连接位置(例如电极阵列)。在框613处，制造方法包括制备压电材料晶片，其中压电材料晶片的顶部和底部是金属的。在框615处，制造方法包括将压电材料晶片粘合到cmos芯片晶片。在一些实现方式中，在框617处，制造方法可选地包括应用底部填充材料以加强压电材料晶片和cmos芯片晶片的粘合。在框619处，制造方法包括切割(例如，利用切割刀片)压电-cmos-粘合的晶片，以形成压电换能器阵列。例如，根据期望的像素尺寸和位置，基于切割图案可以对压电-cmos-粘合的混合晶片进行切割以切下压电晶片材料，制作换能器元件的线性或二维阵列。在一些实现方式中，在框621处，制造方法可选地包括应用底部填充材料，例如，以加强像素元件。在框623处，制造方法包括将顶部导电膜粘合到压电材料的顶部，以连接像素元件。

在用于制造a型超声波换能器元件的以上示例中，首先形成合适的压电材料堆叠的完整层，然后将其处理成单独的换能器元件。该过程同时提供所有换能器元件的晶片级处理，以确保所有换能器元件的统一处理，避免先组装单个换能器元件再将组装的单个换能器元件拼接成阵列格式的高成本耗时过程。本专利文件中公开的用于制作超声波传感器设备的制造方法可扩展为能够用于任何应用的超声波传感器设备的大规模生产。所描述的过程允许在晶片(例如，具有多个cmos设备的晶片)上直接制造，其中，对于每个基底cmos设备，超声传感器设备的各层同时制成。例如，按这种方式，为待制作到晶片上的每个超声波传感器设备同时统一地制作超声波换能器元件。相反的，例如，制造超声波传感器设备的常规技术需要将换能器元件单独且不统一地组装在设备结构上。这些常规技术不可扩展用于这类设备的大规模生产，因此阻碍了声波传感器整个种类的发展和广泛采用。此外，由于组装单个部件以制作该设备的超声波换能器像素具有串联特性，所以这些常规技术在制造过程中存在组合错误的风险。

图7a示出了描述示例b型超声波指纹传感器设备700的二维侧视图和三维视图的图。超声波传感器设备700包括声波发射器组件733和声波接收器组件731。声波接收器组件731耦合至声波发射器组件733。例如，在一些实施例中，声波发射器组件733粘合至声波接收器组件731。在一些实施例中，声波接收器组件731包括a型超声波指纹传感器设备300的实施例，其包括的压电材料与声波发射器组件733的压电材料相比，具有较低的q因子。

如图7a所示，声波接收器组件731与声波发射器组件733耦合并位于其上方，以形成超声波指纹传感器设备700。然而，在一些实施例中，例如，声波接收器组件731和声波发射器组件733的位置可以互换，其中声波接收器组件731与声波发射器组件733耦合并位于其下方，以形成超声波指纹传感器设备700。

图7b-1示出了描述如图7a所示的b型超声波指纹传感器设备700的声波接收器组件731的示例实施例的二维侧视图和三维视图的图。例如，声波接收器组件731可以根据图5a-5c描述的关于a型超声波指纹传感器设备的方法制造，除了没有顶部电极层的形成。例如，作为接收器，声波接收器组件731的功能是从目标体积(例如，与指纹传感器区域接合的手指)接收返回的声波信号。在一些实现方式中，换能器材料311a可选择为对超声波频率非常敏感的，以制作超声波换能器元件711c。例如，可以应用涂覆过程形成换能器层311a。

如图7b-1所示，超声波接收器组件731包括具有用作超声波传感器设备700的平台的集成电路(例如，cmos)的基底芯片305。声波接收器组件731包括保护层(例如，具有底部电极307的绝缘层309，该底部电极307从基底芯片305的基极325延伸并延伸出或超出绝缘层309的表面)。声波接收器组件731包括超声波换能器元件711c，超声波换能器元件711c包括粘合在底部电极307上的声波换能器材料和填充在声波换能器元件711c之间的间隙中的填充材料315。

图7b-2示出了与电子电路721(称为接收器电路721)进行电通信的声波接收器组件731的图，该电子电路721用于处理由声波接收器组件731产生的信号。声波接收器组件731经由互连线723(例如，电线)电连接至接收器电路721。

图7c-1示出了描述如图7a所示的b型超声波指纹传感器设备700的声波发射器组件733的示例实施例的二维侧视图和三维视图的图。例如，声波发射器组件733可以根据图5a-5d描述的关于a型超声波指纹传感器设备的方法制造，其中顶部电极层713制作在发射器组件733上，例如，可以跨越覆盖单个、多个、一行或一列发射器传感器或者整个发射器传感器。例如，作为发射器，声波发射器组件733的功能是生成声波探测信号，以询问目标体积，例如与指纹传感器区域接合的手指。在一些实现方式中，换能器材料311a可以选择为强有力的材料，以期望的频率发出声波。例如，可以使用晶体材料形成换能器层311a，以制作换能器条711b。

在一些实现方式中，制造b型超声波指纹传感器设备的方法包括：制作包括基底芯片上的底部电极阵列和绝缘层的中间保护结构，例如与过程510所描述的任何示例一致。该方法包括在中间保护结构上形成声波换能器材料层，例如与过程520所描述的任何示例一致。该方法包括在中间保护结构上方制作换能器元件，例如，通过切割或刻蚀已形成的换能器材料层制造换能器元件，其中绝缘层包括的厚度使得：在切割或刻蚀该已形成的声波换能器材料层的过程中，中间保护结构的部分承受减损，而对下面的基底芯片没有任何损坏。制作换能器元件可以与过程530描述的任何示例一致。该方法包括将第二基底芯片附着到制作的换能器元件。该方法包括在第二基底芯片上制作包括第二底部电极的阵列和第二绝缘层的第二中间保护结构，例如与过程510所描述的任何示例一致。该方法包括在第二中间保护结构上形成第二声波换能器材料层，例如与过程520所描述的任何示例一致。该方法包括，在第二中间保护结构上制作第二换能器元件，例如，通过切割或刻蚀已形成的第二换能器材料层制作第二换能器元件，其中所述第二绝缘层包括的厚度使得：在切割或蚀刻已形成的第二声波换能器材料层的过程中，该第二中间保护结构的部分承受减损，而对下面的第二基底芯片没有任何损坏。制作第二换能器元件可以与过程530描述的任何示例一致。该方法包括在第二换能器元件上制作顶部电极。

图7c-2示出了与电子电路717(称为发射器电路717)进行电通信的声波发射器组件733的图，该电子电路721用于控制声波发射器组件733以生成声波探测信号。声波发射器组件733经由互连线719(例如，电线)电连接至发射器电路717。

图8示出了包括用于控制a型超声波指纹传感器的发射和接收功能的多路驱动器和接收器架构的c型超声波指纹传感器设备的示例图。在该示例中，c型超声波指纹传感器完全集成在基底芯片305(例如，cmos芯片)上，包括驱动器和接收器电路851和开关元件843，开关元件843用于将驱动器和接收器电路851连接至超声波指纹传感器设备的换能器元件，如图8所示的换能器元件841。例如，在驱动器和接收器电路块851内，具有多路元件，以将驱动器或接收器连接至换能器连接总线842。例如，可以如前所述制造换能器元件841，例如具有公共顶部电极。

图9示出了描绘用于制作包括修改的刻蚀过程的超声波传感器设备的批量生产方法的说明性图。该方法包括过程910，利用临时粘合剂903(例如临时粘合胶)将压电材料905(例如，aln、pzt等)粘合到载体晶圆901(例如，硅si、玻璃等)上。该方法包括过程920，利用高电场极化压电材料905。该方法包括过程930，在压电材料905的顶部生长电极材料907(例如cu、cu/sn、au等)，以形成预定图案，然后刻蚀电极和压电材料复合体，以制作离散的换能器元件。例如，在刻蚀过程中，临时粘合剂903(例如，临时粘合胶)也作为缓冲层。该方法包括过程940，对准刻蚀的压电晶片并将其粘合到设备晶片911(例如，cmos)上。例如，设备晶片911包括集成电路，并且在其表面上已制备有相应的电极图案。该方法包括过程950，移除载体晶片901。在一些实现方式中，例如，在过程960中，利用适当材料填充间隙以增强设备强度。例如，在刻蚀程序之后，可以增加其他处理步骤，例如在换能器顶部形成公共电极。

图10示出了根据本技术的实施例的如图2b中所示的设备(图10中标记为1000)的另一示例实施例的图。设备1000包括触摸感应显示屏组件223，触摸感应显示屏组件223包括显示器盖板231(例如，盖板玻璃)、下面的显示器模块233和电子模块235，其中超声波传感器模块101位于时延层1030下方，时延层1030设置在下面的显示模块233和超声波传感器模块101之间。在各种实现方式中，时延层1030在显示屏组件223的下面设置有材料，以延迟发射的超声波信号和从手指可以接触的表面反射的返回的超声波信号，例如携带有指纹图像信息。例如，时延层1030可以包括薄膜材料，或者在一些实施例中，包括耦合在一起的多个薄膜材料，以向在时延层1030中传播的超声波信号提供预定的阻抗，从而产生一定的时延。在一些实现方式中，时延层1030由一种特定材料或多种材料构成并具有一定厚度，以提供预定的声波阻抗，以在指纹接触区域(例如，显示器盖板玻璃231和显示模块233)和超声波传感器模块101之间产生超声波信号的时延。超声波指纹传感器模块101耦合至超声波数据处理模块103，例如，包括电子电路，以控制超声波指纹传感器模块101中的超声波元件生成和发射超声波信号，并利用时延处理在超声波指纹传感器模块101处接收的返回的声波信号。

示例

在根据本技术的示例实施例中(示例1)，一种超声波指纹传感器设备包括中间层，耦合至基底芯片，该基底芯片包括在基底芯片的表面处具有导电触头的集成电路，该中间层包括形成于基底芯片上的绝缘层和耦合至导电触头并穿过该绝缘层的沟道电极结构的相应阵列，其中该沟道电极结构在绝缘层的顶表面处或顶表面上方终止以提供底部电极；多个超声波换能器元件，包括耦合至底部电极的声波换能器材料；以及多个顶部电极，位于超声波换能器元件上。

示例2包括示例1的设备，还包括填充材料，该填充材料填充在绝缘层上方的超声波换能器元件之间的间隙中。

示例3包括示例2的设备，其中填充材料包括环氧树脂或凝胶中的一种或多种。

示例4包括示例1的设备，其中声波换能器材料包括包含锆钛酸铅(pzt)、氮化铝(aln)、磷酸镓、石英、电气石、铌镁酸铅-钛酸铅(pmn-pt)的压电晶体。

示例5包括示例1的设备，其中基底芯片包括cmos设备。

示例6包括示例1的设备，其中绝缘层包括氧化硅。

示例7包括示例1的设备，其中多个超声波换能器元件包括换能器元件的二维阵列，该阵列的每个换能器元件位于各自的底部电极上方。

示例8包括示例1的设备，其中多个超声波换能器元件包括位于底部电极组上方的换能器元件的一维阵列。

示例9包括示例1的设备，其中超声波指纹传感器设备可操作为在多个超声波换能器元件处向目标体积发送声波探测信号并接收从所述目标体积反射的返回声波信号，其中顶部电极耦合至驱动器电路以控制超声波换能器元件的动作，从而生成声波探测信号，并且超声波换能器元件耦合至接收器电路以处理接收的返回声波信号。

示例10包括示例1的设备，其中超声波指纹传感器设备可操作为向目标体积发送声波探测信号，其中顶部电极耦合至驱动器电路以控制超声波换能器元件的动作，从而生成声波探测信号，该设备还包括：多个第二超声波换能器元件，包括位于基底芯片下方的声波换能器材料；以及第二中间层，耦合至第二基底芯片，该第二基底芯片包括在第二基底芯片的表面处具有第二导电触头的第二集成电路，该第二中间层包括形成于第二基底芯片上的第二绝缘层和耦合至第二导电触头并穿过第二绝缘层的第二沟道电极结构的相应阵列，其中第二沟道电极结构在第二绝缘层的顶表面处或顶表面上方终止以提供第二底部电极，并且其中第二电极与第二超声波换能器元件耦合。

在根据本技术的示例实施例中(示例11)，一种用于制造超声波指纹传感器设备的方法包括在基底芯片上制作包括底部电极的阵列和绝缘层的中间保护结构；在该中间保护结构上形成声波换能器材料层；通过切割或刻蚀已形成的换能器材料层，在该中间保护结构上制作换能器元件，以产生该换能器元件，其中该绝缘层包括的厚度使得：在切割或刻蚀已形成的声波换能器材料层的过程中，该中间保护结构的部分承受减损，而对下面的基底芯片没有任何损坏；以及在制作的换能器元件上制作顶部电极。

示例12包括示例11的设备，其中绝缘层包括氧化硅。

示例13包括示例11的方法，其中声波换能器材料包括包含锆钛酸铅(pzt)、氮化铝(aln)、磷酸镓、石英、电气石、铌镁酸铅-钛酸铅(pmn-pt)的压电晶体。

示例14包括示例11的方法，其中基底芯片包括cmos设备。

示例15包括示例11的方法，还包括在绝缘层上方的制作的换能器元件之间的间隙中添加填充材料。

示例16包括示例15的方法，其中填充材料包括环氧树脂或凝胶中的一种或多种。

示例17包括示例11的方法，其中制作该中间保护结构包括：在基底芯片上形成绝缘层；在基底芯片的导电触头上方的位置处，刻蚀穿过该绝缘层的沟道；以及将导电材料沉积在刻蚀的沟道中，以形成底部电极，其中该底部电极包括位于绝缘层的顶表面处或顶表面上方的界面表面。

示例18包括示例11的方法，其中形成声波换能器材料层包括粘合该层，该粘合包括胶合和焊接中的一种或多种。

示例19包括示例11的方法，其中声波换能器材料层形成为单片或多片。

示例20包括示例19的方法，其中形成该层包括制备用于电极涂层的声波换能器材料的顶表面和底表面中的一者或两者，该制备包括在该声波换能器材料层上制作预涂覆电极图案。

示例21包括示例11的方法，其中将制作的换能器元件切割或刻蚀为该换能器元件的一维行或一维列。

示例22包括示例11的方法，其中将制作的换能器元件切割或刻蚀为底部电极上的离散的换能器元件的二维阵列。

示例23包括示例11的方法，还包括：利用填充材料填充声波换能器材料的切割区域或刻蚀区域中的间隙。

示例24包括示例11的方法，其中该制作顶部电极包括在制作的换能器元件上涂覆导电材料。

示例25包括示例11的方法，在制作顶部电极之前，该方法还包括：将第二基底芯片附着到制作的换能器元件；在第二基底芯片上制作包括第二底部电极的阵列和第二绝缘层的第二中间保护结构；在第二中间保护结构上形成第二声波换能器材料层；通过切割或刻蚀已形成的第二换能器材料层，在该第二中间保护结构上制作第二换能器元件，以产生该第二换能器元件，其中该第二绝缘层包括的厚度使得：在所述切割或蚀刻所述已形成的第二声波换能器材料层的过程中，所述第二中间保护结构的部分承受减损，而对下面的第二基底芯片没有任何损坏；以及在制作的第二换能器元件上制作顶部电极。

在根据本技术的示例实施例中(示例26)，一种超声波指纹传感器设备包括：中间层，耦合至基底芯片，该基底芯片包括在基底芯片的表面处具有导电触头的集成电路，该中间层包括绝缘层和耦合至该基底芯片的导电触头的底部电极，其中该中间层通过以下步骤制作：在该基底芯片上形成绝缘层；在基底芯片的导电触头上方的位置处，刻蚀穿过绝缘层的沟道；以及将导电材料沉积在刻蚀的沟道中，以形成底部电极，其中该底部电极包括位于绝缘层的顶表面处或顶表面上方的界面表面；多个超声波换能器元件，包括耦合至底部电极的声波换能器材料，其中该超声波换能器元件通过以下步骤制作：在中间层上形成声波换能器材料层；以及通过切割或刻蚀已形成的声波换能器材料层，在该中间层上方制作换能器元件，以产生换能器元件，其中该绝缘层包括的厚度使得：在切割或刻蚀已形成的声波换能器材料层的过程中，该中间层的部分承受减损，而对下面的基底芯片没有任何损坏；以及多个顶部电极，位于超声波换能器元件上，其中该顶部电极通过在制作的超声波换能器元件上涂覆导电材料制作。

示例27包括示例26的设备，还包括填充材料，该填充材料填充在绝缘层上的超声波换能器元件之间的间隙中。

示例28包括示例26的设备，其中绝缘层包括氧化硅。

示例29包括示例26的设备，其中多个超声波换能器元件包括换能器元件的二维阵列，该阵列的每个换能器元件位于各自的底部电极上方。

示例30包括示例26的设备，其中多个超声波换能器元件包括位于底部电极组上方的换能器元件的一维阵列。

虽然本专利文件包含许多细节，但是不应将这些细节解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而应解释为对可以特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。本专利文件中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管上文可以将特征描述为在某些组合起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描述了操作，但这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或以顺序次序执行，或者执行所有所示的操作以实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中的单独的各种系统部件不应理解为在所有实施例中都需要这种分离。

仅描述了几个实施例和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实施例、改进和变化。