类压电d33装置及使用其的电子设备的制作方法

1.本发明是有关于一种类压电d33装置及使用其的电子设备，且特别是有关于一种具有增进的传感效能的类压电d33结构，其可被整合至显示器及被应用至各种电子设备，以及有关于一种使用上述类压电d33结构的电子设备。


背景技术：

2.传统的振动式收发器(或称传感器或换能器(transducer))，例如是声波或超声波收发器，可以用来作医疗器官影像的量测、手势侦测、三维触控、指纹感测、皮下生物资讯(微血管资讯、血流资讯)量测等，可以以空气或流体当作介质，也可以是物体接触式。传统的实施技术通常是使用压电材料，例如是聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，pvdf)或锆钛酸铅(lead zirconate titanate， pzt)等等，其操作的模式是使用材料的d33模式，亦即使施予材料的电场方向与其移动方向平行。
3.图1a与1b显示一种传统的d33振动式收发器的示意图。如图1a与1b 所示，传统的d33振动式收发器300包含一压电材料块310。压电材料块310 的上端及下端被通以电压源340而产生电场而使压电材料变形，当电场持续变化时，压电材料块310会沿着移动方向320振动，压电材料块310产生的电场方向330与移动方向320平行时，称为操作在d33模式。例如，在图1a中，电压源340分别对第一感测电极311与第二感测电极312施予负电压及正电压，造成朝上的电场方向330以及压电材料块310的收缩；而在图1b中，电压源 340分别对第一感测电极311与第二感测电极312施予正电压及负电压，造成朝下的电场方向330以及压电材料块310的伸长。当施予图1a与1b的交替电场时，可以造成压电材料块310的伸缩振动。
4.在制造上，pvdf是一种工程塑胶，不易采用光刻(lithography)等半导体制程来进行曝光、显影等加工方式，加工方式通常仅能依靠例如雷射加工。因此，要将pvdf整合到半导体制程是很有问题的。pzt具有污染性，很难加工，而且需要使用块状材料才能实现d33的操作模式。块状材料的pzt通常采用烧结方式来生产，烧结温度高达700至800℃，甚至高达1000℃。因此，传统的d33 的pzt元件都是独立的元件，也很难整合到半导体的制程，甚至无法与集成电路制程做整合，将压电元件制作整合于集成电路。且铅对于半导体材料又具有污染性。再者，pzt需要用白金当作电极，使得制造成本高昂。
5.再者，传统的压电材料在操作时，所施加的电压通常是几十伏特到几百伏特。这么高的电压在系统整合时是一个问题，与半导体制程整合时也是一大问题。
6.中国台湾专利twi725826(cn212012595u)揭示一种类压电d33振动式装置及整合其的显示器，虽然可以达到与半导体制程整合的效果，但是对于传感效能、结构及材料尚未提出进一步最佳化的设计及解决方案，此为本案所欲解决的问题。


技术实现要素：

7.因此，本发明的一个目的是提供一种具有良好的传感效能的类压电d33装置，具有的优点是容易与半导体制程整合，加工容易、成本低、无污染性，并且提供对于传感效能的
最佳化的设计方案。
8.为达上述目的，本发明提供一种类压电d33装置至少包含：一对完整且大致平行的电极，具有构成一接收器的第一与第二感测电极；一移动间隙，位于第一与第二感测电极之间，并具有一初始高度t0而且是由一半导体材料与一金属材料经过热反应形成半导体金属化合物后产生，其中第一感测电极包含半导体金属化合物以提供一完整的电容感测电极来感测与第二感测电极之间的电容变化并产生一感测信号；以及一电极间介电质，具有位于第一感测电极与第二感测电极之间的厚度d，并具有单层结构或多层结构，且具有平均介电常数εr，其中满足t0+d/εr≤100nm。
9.本发明亦提供一种电子设备，至少包含：至少一处理器；及所述的类压电 d33装置，其中处理器电连接至类压电d33装置，并处理来自类压电d33装置的感测信号。
10.上述实施例的类压电d33装置可以当作生物资讯感测、触控、压力感测装置使用，利用上述d/εr+t0≤100nm的设计准则，可以将压力式感测装置的传感效能最佳化。此外，通过接触层的设置，可以提高电性接触效果。
11.为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
12.图1a与图1b显示一种传统的d33振动式收发器的示意图。
13.图2a、图2b与图3显示依据本发明较佳实施例的类压电d33装置的三种应用的示意图。
14.图4与图5显示依据本发明的较佳实施例的类压电d33装置的配置示意图。
15.图6显示图4与图5的电容式感测原理的示意图。
16.图7显示依据本发明较佳实施例的类压电d33装置的示意图。
17.图8显示类压电d33装置的另一个例子的局部剖面图。
18.图9显示将本发明的类压电d33装置整合于cmos后段制程的示意图。
19.图9a至图9c显示图9的数个变化例的示意图。
20.图10显示图4的变化例的示意图。
具体实施方式
21.本发明的实施例提供的类压电d33装置使用一种具有真空或空气间隙的移动式电容结构，来达成让施加的电场方向与振动的方向相同的收发功能类似传统压电材料的d33效应。利用电极间介电质的介电常数及厚度的选择及移动间隙的高度的搭配，可以将传感效能最佳化。
22.图2a、2b与图3显示依据本发明较佳实施例的类压电d33装置100应用于手持式电子设备的三种应用的示意图，但并未将本发明限制于此。如图2a 所示，类压电d33装置100可以整合装设在手机200(亦可是例如笔记本电脑或平板电脑的电子设备)的正面的显示器210之中或组合于显示器210的下方(例如是直接或间接组合于显示器210的下表面)，类压电d33装置100可以通过手机200的处理器270电连接至人机界面(显示器210)，以让处理器270处理来自类压电d33装置100的感测信号。显示器210上面显示有多个操作方块220以供
用户点击，显示器210的旁边装设有前镜头230，本发明的类压电d33装置 100由于制造的特色，可以整合于电子设备的显示器中或下方，并且也可以仅是一部分区域(如图2a所示的虚线部分)，或者是涵盖全部面积(如图2b所示)，当然如果涵盖了显示器的全部面积时，类压电d33装置甚至可以涵盖多种功能在一起，同时可以作为生物特征感测(例如指纹、指静脉、血流速、心跳等等) 及3d触控及手势侦测等等，形成多合一功能的整合。
23.如图3所示，类压电d33装置100也可以装设在手机200的背面的背盖240 或侧边按钮区的下方，其中手机200的背面亦装设有后镜头250。类压电d33 装置100可以提供生物特征感测功能，但不限定于此，任何可以利用静态及动态力感测的物理量，都可以借此实施，当然本发明的装置亦可单独设计成一独立的振波系统装置的电容式微结构，可以将其利用来取代现有在市场应用的压电d33振波元件，例如利用手机及云端系统(可以结合人工智能)，与本发明的独立装置连结，可以做为携带式振波检测系统，例如医疗或工业应用影像使用等。本发明将以应用于手机的例如指纹感测当作一个例子来说明，以利熟知此技艺者了解本发明的特色。
24.于本发明的实施例中，使用电压去驱动两个电极来产生电场，其中一个电极为薄膜结构，另一电极固定于一基板上，两电极中有一真空或空气间隙，当施加电场为一交流信号时，该薄膜就会产生振动，并且如果该交流信号的频率与该薄膜结构的机械共振频相同时，则该薄膜会产生机械共振，放大了机械能量与振幅，这是一种较佳的实施例，当然本发明装置也可以通过薄膜结构的静电吸引甚至引入(pull-in)接触，因而改变结构的刚性，也可以因此改变共振的频率，通过这种方式，本装置便可以是一变频的收发器，感测物体的不同受感测物(特征)的深度资讯，有助于建构完整的3d图像，例如如果拿来量测手指的生物资讯，可以通过变频，甚至可以同时量测手指纹路及手指内部的静脉图案或血液资讯等等功能。
25.图4与图5显示依据本发明的较佳实施例的类压电d33装置的配置示意图。如图4所示，本实施例的类压电d33装置100至少包含一第一感测电极41、一第二感测电极42以及一移动间隙43。第二感测电极42的材料例如是氧化铟锡 (indium tin oxide，ito)导体，可以与电子设备整合，当然也可以是其他材料，例如铝等。于本例中，第一感测电极41与第二感测电极42都是完整的一对大致上平行的电容感测电极，没有被任何结构分隔成多个部分，可以通过感测在第二感测电极42与第一感测电极41之间的电容变化，以产生感测信号。两个电极的其中一个感测电极(例如第一感测电极41)包含金属硅化物，其与另一个电极(例如第二感测电极42)形成待感测电容。第一感测电极41位于一基板10 上，基板10可以是上面可制造电子电路的玻璃、聚合物或半导体基板，包含半导体集成电路(特别是互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxidesemiconductor,cmos))使用的硅基板或是薄膜电晶体(thin-film transistor， tft)使用的介电基板等。电子电路可以用来执行信号接收、发射或处理等功能。第二感测电极42沿着高度方向y位于第一感测电极41上方。第一感测电极41 与第二感测电极42组成发射器40t或接收器40r，或含有发射器与接收器的收发单元40。移动间隙43位于第一感测电极41与第二感测电极42之间，移动间隙43沿着高度方向y具有初始高度t0。移动间隙43中可以是高于、等于或低于一大气压。接收器40r可以当作纯粹的被动力或压力式感测器使用，也可以当作主动的振波发射器及接收器使用，故于此情况下可以被称为收发器。于其他例子中，接收器或收发器可以应用于生物资讯感测、触
控、压力感测等等。虽然仅绘制出单一个类压电d33单元，但是本实施例的架构亦可应用于一维或二维的类压电d33单元以构成符合各种需求的类压电d33装置100。
26.上述类压电d33装置100可以更包含一电极间介电质114，具有位于第一感测电极41与第二感测电极42之间的一厚度d(亦即，位于第一感测电极41 与第二感测电极42之间的电极间介电质114具有厚度d)。于本实施例中，第一感测电极41的一上表面41t与电极间介电质114的一下表面114b界定并且局部包围移动间隙43，且上表面41t与下表面114b的距离为t0。此外，电极间介电质114的一上表面114t(第二感测电极42的一下表面42b)与下表面 114b的距离为d。电极间介电质114的材料会影响发射及感测的效能，较佳实施例可以是介电常数(多层材料时，可以是平均值)大于3的材料，甚至是大于4 或5的上述材料。因此，电极间介电质114的材料包含选自于由氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钽、氧化钛所组成的群组。
27.上述类压电d33装置100可以更包含一保护层115，位于第二感测电极42 上，其可以为单层或多层材料组合，例如氧化硅、氮化硅、或其他介电材料，及上述材料的组合。上述类压电d33装置100可以更包含：一封装层116(例如标准的封装时的密封层、封装层、模塑料)，位于保护层115上；一耦合层117(在特定应用时例如设置于显示屏下的指纹或触控装置，用以将上述元件粘贴于一面板下方)，位于封装层116上；以及一盖板118(如前述的显示面板，也可以是单层，例如玻璃基板或多层不同功能基板的结合，或例如手机的后盖板，或例如任何按键(此时的类压电d33装置可以当作按键使用)的盖板等等任何习知电子装置的功能性、保护性及美观性的盖板设计)，位于耦合层117上。盖板118 可以是单纯覆盖材料层，可由玻璃、塑胶、陶瓷、蓝宝石、金属或金属合金中的一种或多多种形成。在一些实施中，盖板例如是显示器的防护玻璃罩或透镜玻璃。在另一些实施中，盖板可包括一或多种聚合物，诸如一或多种类型的聚对二甲苯。在又另一些实施中，盖板也可以是显示器，其可为基于数位微型快门(digital micro-shutter，dms)的显示器、发光二极管(light-emitting diode， led)显示器、有机发光二极管(organic light-emitting diode，oled)显示器、液晶显示器(liquid crystal display，lcd)、使用led作为背光的lcd显示器、电浆显示器、基于干涉式调变器(interferometric modulator display，imod)的显示器，或适合于结合触敏式用户界面系统使用的另一类型的显示器等等。
28.图5的例子类似于图4，差异点在于可以不需要封装层，例如直接通过耦合层117将盖板118贴合于保护层115上。因此，耦合层117位于保护层115 上，盖板118位于耦合层117上。可以理解的，本实施例的类压电d33装置可以与上述实施例的各种结构适当地搭配使用。
29.以下参考图6来说明如何最佳化类压电d33装置的传感效能。图6显示图 4与图5的电容式感测原理的示意图。如图4至图6所示，电极间介电质114(可以是单层或多层组合)的厚度为d，介电常数为εr(如果是多层组合的话，则可以是平均介电常数，故统一用平均介电常数来表示单层或多层的状况)；移动间隙43的厚度为t0，介电常数大约等于1。另一方面，真空电容率为ε0，在结构不变形的情况下(亦即没有受力)第一感测电极41与第二感测电极42之间的电容为c0(此时的移动间隙的初始高度为t0，其中t0定义为两平行感测电极的平均高度)，如果结构受外力而变形(例如振波反弹的压力)，将使第二感测电极42 改变其与第一感测电极41之间的移动间隙的高度为t1(因为结构变形不均匀，所以将t1定义为在均匀变
形状况下的平均高度)，其中t1《t0，使得两个电极间的电容改变而成c1，电极间重叠面积为a，因为在应用上a的横向尺度都是》》1 μm(例如》50μm)，而图中的t0与d都是《1μm，因此以下计算可以近似平板电容公式来计算。依据电容串联的公式，两电极间的电容c，1/c＝1/cd+1/ca，其中cd＝εrε0a/d，ca＝ε0a/t0，可以获得起始电容(不变形)c0＝εrε0a/(d+εrt0)，反应电容(变形)c1＝εrε0a/(d+εrt1)。因此，可以获得此一结构变形后产生的电容改变值
30.△
c＝c
1-c0＝εrε0a/(d+εrt1)－εrε0a/(d+εrt0)
31.＝(ε
r2
ε0at0－ε
r2
ε0at1)/(d+εrt1)(d+εrt0)
32.＝ε
r2
ε0a(t0－t1)/(d+εrt1)(d+εrt0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
[公式1]
[0033]
在这种电容感测装置中，其感测灵敏度通常界定为电容改变值对初始电容值的比例，其定义如下述[公式2]
[0034]
△
c/c0＝εr(t0－t1)/(d+εrt1)
………
[公式2]
[0035]
如果当元件的悬浮结构(至少包含第二感测电极42、电极间介电质114及保护层115，具有约为微米等级的厚度)利用一种封装制程用的厚模塑料贴附于一盖板118时，使得结构的刚性就由全部堆叠的材料的厚度来决定，其厚度通常是数百微米(μm)到数毫米(mm)。因此，当整个刚性结构受外力(包含反弹的振波)导致变形时，其间隙改变(变形量)
△
t相当小，大约是小于0.1nm的等级，亦即，间隙改变的上限是0.1nm，(t
0-t1)≤0.1nm(当第二感测电极执行感测时所呈现的最大变形量小于或等于0.1nm)，也就是t0几乎等于t1。为此，若要得到良好的信噪比(signal to noise ratio，snr)，则设计上必须作更进一步的考虑。
[0036]
在感测电路设计上，通常要求
[0037]
△
c/c0≥0.1％
………
[公式3]，
[0038]
才能得到较佳的snr，因此如何优化整体的机械结构尺度，便是本发明的重点之一。
[0039]
由[公式2]可以得知，当在设计上d＝0，也就是没有电极间介电质114，则 [公式3]可写成
△
c/c0＝(t0－t1)/(t1)，则带入实际数字，可以得到0.1nm/t1≥ 0.1％；也就是t1≤100nm。由于t0几乎等于t1，因此也就是说t0≤100nm，但是应用上会担心第一感测电极41与第二感测电极42接触短路，或者电弧放电(arcing)、崩溃(breakdown)等等，还是需要有电极间介电质114。因此，
△ꢀ
c/c0≈εr(t0－t1)/(d+εrt1)≥0.1％。因此，代入上述极值
△
t＝0.1nm且t0近似于t1，可以得到[公式4]的设计准则。
[0040]
d/εr+t0≤100nm[公式4]。
[0041]
于一较佳实施例中，t0＝50nm，d/εr≤50nm，如此可以让这两项(d/εr)与t0提供相同的贡献以简化设计。
[0042]
因此，于本实施例中，最佳的结构设计及介电质材料选用需要满足以下条件：d/εr+t0≤100nm。
[0043]
于数个合理的例子中，可以推导得到以下[表1]的参数。
[0044]
[表1]
[0045]
例子t0εrdd/εr150nm4(氧化硅)≤200nm≤50nm250nm7(氮化硅)≤350nm≤50nm375nm4≤100nm≤25nm
475nm7≤175nm≤25nm
[0046]
图7显示依据本发明较佳实施例的类压电d33装置100的示意图。图8显示类压电d33装置的另一个例子的局部剖面图。图4与图5的结构可以类似于图8的方式应用至图7。如图7与图8所示，本实施例的类压电d33装置100 至少包含一个或多个电晶体30及一个或多个接收器40r。多个接收器40r电连接至此等电晶体30，各电晶体30控制对应的各接收器40r接收被一物体f 反射一第一振波w1所产生的一第二振波w2而产生一感测信号。各接收器40r 具有一第一感测电极41、一第二感测电极42及位于第一感测电极41与第二感测电极42之间且由半导体金属化合物形成后产生的移动间隙43。移动间隙43 的高度可以被控制得相当小，例如是数十奈米，使得施加3.3至18伏特的驱动电压于第一感测电极41与第二感测电极42时所产生的电场，等效于施加数十到数百伏特的驱动电压到习知结构所产生的电场。第二感测电极42在电场的驱动下会上下振动而发出振波，然后接收物体反射回来的振波。于本实施例中，各接收器40r更可作为一发射器40t用而作为一收发单元40。收发单元40与此等电晶体30的对应的一个组成为一集成化收发器20。于集成化收发器20中，收发单元40邻近电晶体30，电晶体30于一第一时间点控制收发单元40发射出第一振波w1以后，于一第二时间点控制收发单元40接收第二振波w2。
[0047]
上述类压电d33装置100可以更包含一基板10以及一驱动感测电路模组 50。基板10具有一上表面10t及一下表面10b。各集成化收发器20设置于基板10的上表面10t上。值得注意的是，单一集成化收发器20亦可以达成本发明的功能，且驱动感测电路模组50可以是内建型或外接型电路装置。
[0048]
基板10可以是一玻璃基板、一软性基板(例如聚酰亚胺(polyimide，pi)基板)或任何绝缘基板，或者一个形成有一绝缘层的半导体基板等等，当然不限定于此。
[0049]
再次参见图7，驱动感测电路模组50可以是一个电连接至类压电d33装置 100的电子设备的模组。通过上述实施例，可以让类压电d33装置容易与半导体制程整合，加工容易、成本低、无污染性，且具有良好的发射与传感效能。此外，利用电极间介电质的介电常数及厚度的选择及移动间隙的高度的搭配，可以将传感效能最佳化，并可以达到高传感效能的单点感测、一维感测或二维感测的功能。
[0050]
图8是本发明利用tft制程的一个实施例，如前面所说，本发明的装置是通过应用于手机系统来做说明，而手机最主要的人机界面便是手机显示器，因此本发明的装置便是利用手机显示器的tft制程制作而成，也因此，可以是与手机的例如oled制程整合于单一面板，或者省略掉oled的制程，只保留 tft制程以完成本装置，当然并不限定是oled显示器，例如lcd或未来的μled技术等等都可以是本发明适用的技术平台，或者再通过组装方式设置于手机显示器或手机背盖或侧边的下方，这是本发明的最重要精神之一。多个集成化收发器20沿着图8的x轴方向排列成一阵列，并且设置于基板10上。各集成化收发器20包含电晶体30(可以是一个或多个电晶体，形成于玻璃基板上) 以及收发单元40。于本实施例中，电晶体30是以薄膜电晶体作为例子作说明，但并未将本发明限制于此。收发单元40设置于电晶体30的一侧(水平侧)。于其他实施例中，收发单元40可以堆叠在电晶体30的垂直侧(上方或下方，例如制造两层多晶硅层或非晶硅层)，如此可以不用牺牲水平方向的空间。电晶体 30设置于基板10上，并具有一栅极31、一漏极32、一源极33以及位于栅极 31、漏极32与源极33之间的一第一半导体层34。栅极31形成于基板10上。虽然所说明的实施例中的电晶
体30设置于收发单元40旁，但是于其他实施例中，电晶体30亦可设置于收发单元的下方。
[0051]
如图8与图7所示，收发单元40邻近电晶体30，并直接或间接电连接至电晶体30，电晶体30控制收发单元40的发射与接收(主动与被动功能)，通过对第一感测电极41与第二感测电极42通电，施加一个变动的电场以产生上下振动(驱动薄膜电极)的第一振波w1朝上传递到物体f(可以是生物体或非生物体)的一个或多个界面，物体f的界面反射第一振波w1而产生第二振波w2，收发单元40感测第二振波w2(振动薄膜电极)或感测第二振波w2与第一振波 w1的干涉波w3而产生感测信号。例如手指的物体f的纹峰fr与纹谷fv的距离不同，故会有对应的不同感测信号。有关收发单元40邻近电晶体30的意义可以涵盖收发单元40位于电晶体30的左侧、右侧、上侧、下侧、左上侧、左下侧、右上侧或右下侧等。于一例子中，电晶体30以及收发单元40组成的集成化收发器20所涵盖的空间彼此不重叠。
[0052]
于一例子中，第二振波w2朝下传递，干扰了第二感测电极42与第一感测电极41之间的感测电容的变化而产生感测信号。于另一例子，第二振波w2 朝下传递，并与朝下传递的第一振波w1产生干涉而产生干涉波w3。第二感测电极42与第一感测电极41通过感测电容的变化测量干涉波w3而产生感测信号。因此，通过一阵列类压电d33装置100的设计可以量测手指f的纹峰fr 与纹谷fv与类压电d33装置100的距离资讯，进而产生指纹图像(此时的皮肤为界面)，亦可同时或于不同时段调整第一振波w1的频率，也可以让第一振波 w1穿透皮肤，进而依据血管反射不同的振波来量测血管的分布图像(此时的血管管壁为界面)。于一例子中，干涉波w3是由第二振波w2与第一振波w1的建设性干涉所产生，以获得较大的振幅。于另一子中，干涉波w3是由第二振波w2与第一振波w1的破坏性干涉所产生，以获得较小的振幅。于又另一例子中，可以将类压电d33装置100设计成让与手指f的纹峰fr反射产生的第二振波w2与第一振波w1产生相长干涉，而让与手指f的纹谷fv反射产生的第二振波w2与第一振波w1产生相消干涉，如此可以提高纹峰与纹谷的辨别率。另一种发射感测模式为飞行时间模式(time of flight，tof)，通过切换发射以及感测的时间，利用感测的时间差判别振波行进的距离，进而建构出物体f的3d图像，因此前进波遇到不同界面的反射时间不同，可以同时堆叠不同界面的影像，例如指纹与静脉图像。同时，也可以通过发射不同频率的波达到感测不同界面的目的。在本实施例中，该振波的频率可以介于20khz到 200mhz，其最佳频率范围可以是2mhz到40mhz。又另外一种感测模式，可以同时控制几个收发单元，并且控制彼此收发单元的第一振波的相位差，用波束成型(beam forming)的方式，将能量集中并且依序扫描，可以让第一振波w1 的能量最大(反射的第二振波w2的能量也因此变大)，这样可以增加感测的灵敏度。
[0053]
为了简化起见，图7仅用以描述本发明类压电d33装置运作的基本原理及实际应用，例如图3的系统实施例，且该装置与感测物体(例如手指)间，包含另一显示器结构，亦即前述w1/w2需要在显示器中不同材料间传递，才能完成收发的功能，这部分对熟悉此技艺者，应该是可以了解的，因此在本文中，并不会对显示器的结构多做说明。
[0054]
收发单元40具有第一感测电极41、第二感测电极42及位于第一感测电极 41与第二感测电极42之间的移动间隙43及第二半导体层44。第二半导体层 44位于基板10与第一感测电极41之间。于本实施例中，第一半导体层34与第二半导体层44系为同一层的材料，例如是非晶硅、多晶硅层或锗(ge)层，是电晶体30的重要材料层。当使用薄膜电晶体时，第一半导体层34与第二半导体层44具有相同材料，甚至两者利用同一道制造流程而完成。但是
本发明并未受限于此，例如采用以下说明的图9中，第一半导体层34与第二半导体层 44可以是由不同材料所形成(例如第一半导体层的材料是单晶硅或多晶硅或非晶硅，第二半导体层44为多晶硅或非晶硅，也就是第一与第二半导体层两者可以是同层或不同层的材料)。移动间隙43的一高度(沿着图8的y轴方向)小于或等于100nm或甚至约50nm。由于在同一驱动电压下，电场强度与距离的平方成反比，且由于该间隙很小，因此即使很小的电压就可以产生很大的电场来驱动电极，这是本发明的另一精神。因此，使得电连接至各集成化收发器20 的驱动感测电路模组50可以提供一个3.3到18伏特的驱动电压给各集成化收发器20，而不用如习知技术必须提供几十伏特到几百伏特的驱动电压，另外在某些场合的实际电路设计时，为了更进一步提升信号传感效果，驱动感测电路模组50也可以提供一直流加交流(dc+ac)的驱动电压给集成化收发器20，其中dc电压介于3.3至80v(伏特)之间，更可以介于5至50v之间，而ac电压则是可以介于1.5至35v之间，更可以介于3.3至25v之间。因此在系统的设计及感测驱动集成电路(integrated circuit，ic)的设计都相对容易。电连接方式可以通过传统的导体连接方式达成，于此不再赘述。
[0055]
若要用习知的方式来实施如此小的移动间隙，通常是使用牺牲层的方式来实现。例如，先形成牺牲层以及牺牲层上的保护层，再于保护层上形成数个开口，通过此些开口来蚀刻掉牺牲层。然而，由于间隙很小，使得牺牲层很难被移除(毛细现象)，或者若将牺牲层移除后，又会让薄膜结构沾粘在底部电极，因此奈米级的牺牲层结构是没有效率且不容易制造的。此外，这些开口最后需要被填补起来，填补材料又很容易掉入开口中而顶住两薄膜，而使得结构无法达成振动的功能。因此，传统的技术是无法轻易达成的。目前的趋势，手指生物感测器的面积越大越好，可以满足用户的盲按(随便按都可以完成所需功能)，亦或者可以同时按压两枚以上指纹，增加安全性，但是若采用硅集成电路制程，成本将居高不下。若使用传统的压电材料块而整合或应用到薄膜电晶体液晶显示器(tft-lcd)，实施上是非常困难的，原因如前面所述，因为压电材料块需要非常高的温度才能烧结完成。因此本发明的结构及材料非常简单，不仅材料没污染性，其制作温度也相当低(《400℃)，可以整合于任何包括tft制程、硅集成电路制程(例如cmos制程)等等。
[0056]
于本实施例中，第一感测电极41包含一个半导体金属化合物(于本实施例中为金属硅化物层41a)与一金属层41b(非必要，因为有可能完全反应后变成金属硅化物层41a)，以提供一完整的电容感测电极来感测与第二感测电极42 之间的电容变化，并产生感测信号。金属硅化物层41a埋入于第二半导体层44 中，金属层41b位于金属硅化物层41a上。于一例子中，金属层41b(材料例如是镍、钛、钨等等，本实施例特别是镍)与第二半导体层44(材料例如是非晶硅或多晶硅)经过热反应(《400℃)，可以部份或全部反应而形成金属硅化物层 41a。通过这种金属硅化物在形成过程中的体积缩小，以及材料的选择性，例如本发明的较佳实施例，系利用镍与硅做为一对材料，镍与一保护层60(例如氧化硅或氮化硅，可以是单层或多层材料)，在温度400℃内并不会反应，因此镍(金属层41b)便会朝向第二半导体层44方向起反应并且缩小镍(金属层41b) 的体积，因此便开始产生镍(金属层41b)与保护层60间的移动间隙由零慢慢变大，通过材料厚度及反应温度及时间控制，可以让镍(金属层41b)完全反应或部分反应。因此，本实施例的移动间隙43是由半导体金属化合物形成后而产生。换言之，移动间隙43直接邻接其下方的金属层41b，而金属层41b直接邻接金属硅化物层41a(由于可以采用其他半导体材料，故于其他实施例可以是半导体金属化合物)；或者，
当金属层41b因为完全与第二半导体层44反应而完全变成半导体金属化合物的时候，移动间隙43直接邻接其下方的半导体金属化合物。因此，移动间隙43通过第一感测电极41的金属层41b而邻接半导体金属化合物，或直接邻接半导体金属化合物。而保护层下方的间隙便可以准确的控制在预定的奈米范围，例如用半导体物理气相沉积(physical vapordeposition，pvd)制作的镍薄膜厚度可以是100nm或50nm(可以介于 300nm～30nm，甚至200nm～50nm)，则形成的间隙就是相同或相当的数量级，这种方法可以真正达到如前面所提的优点，可以仅利用小的操作电压(《18v)，便可以得到大的电场以驱动类压电d33装置。
[0057]
因此，类压电d33装置100更包含前述保护层60及一绝缘层70(例如是氧化物或氮化物或其堆叠或其他材料)。保护层60的材料的选择很重要，它会影响传感效能，于一实施例中可以是介电常数大于3的材料，甚至是大于5，可采用的材料例如是氮化硅或氧化铝等高介电常数材料。保护层的厚度小于0.5 微米或0.3微米。保护层60覆盖漏极32、源极33、第一半导体层34与第二半导体层44。移动间隙43由保护层60及第一感测电极41所包围而成，第二感测电极42位于保护层60上。绝缘层70覆盖栅极31及基板10，并支撑第一半导体层34及第二半导体层44。至此，熟悉此技艺者可以了解，本发明装置通过相容于tft制程的温度及材料，仅增加一道硅化物金属制程(金属的较佳实施例为ni，但是不限定于此)，便可以完成类压电d33装置的制作，不仅是整合性的一大优势，也是成本的一大优势，更是性能的一大优势，当然在此仅用部分的tft制程及结构来说明，例如其他如后段的ito电极，例如oled或 lcd材料或其他电子设备材料及结构制作等等，并不是本发明的目的，因此在此加以忽略，然而任何制程的调整或材料的改变，不管是现在的技术或是未来的新技术，并不会改变或影响本发明的精神。
[0058]
于一例子中，此等收发单元40的此等第一感测电极41通过第二半导体层 44及第一半导体层34直接或间接电连接在一起以作为一个一体成型的共用电极。于另一例子中，也可将多个第二感测电极42电连接在一起作为共用电极。
[0059]
可以理解的，虽然图8是属于下栅极式(bottom-gate)薄膜电晶体，但是图 8亦可变化成上栅极式(top-gate)薄膜电晶体。
[0060]
上述的类压电d33装置100除了可以感测指纹以外，亦可用来感测手指f 的静脉的影像或血流资讯，可以通过飞行时间(time of fly，tof)的感测方式来达成，结合前述图7感测指纹的实施，本发明更可以结合两者，利用同一装置同时感测指纹及指静脉，甚至量测血流速及心跳。
[0061]
图9显示将本发明的类压电d33装置整合于cmos后段制程的示意图。亦即，是先制造好前段制程的电晶体及电路，再进行后段的收发单元的制作。如图9所示，仅显示出类压电d33装置100的一部分，也就是只有收发单元的部分，至于电晶体的部分系予以省略。本实施例的类压电d33装置100至少包含一本体110、第一感测电极41、第二感测电极42以及移动间隙43。
[0062]
第一感测电极41位于本体110中。第二感测电极42位于本体110中，并相对应于第一感测电极41，第一感测电极41及第二感测电极42的至少一者包含由金属材料(特别是镍)与半导体材料(特别是硅)反应成的化合物。移动间隙 43形成于本体110中，并位于第一感测电极41与第二感测电极42之间。
[0063]
本体110包含基板10(相当于图8的基板10)、一介电层组112(类似于图8 的绝缘层
70，由多个金属连接层及设置于此等金属连接层之间的多个介电层所组成，也可以设置于图4的对应位置)、一个半导体材料层113(相当于图8的第二半导体层44)、一电极间介电质114(相当于图8的保护层60)及保护层115。半导体材料层113包含前述的半导体材料。
[0064]
介电层组112位于基板10上。半导体材料层113位于介电层组112上，第一感测电极41位于半导体材料层113上。电极间介电质114与第一感测电极41共同定义出移动间隙43，而第二感测电极42位于电极间介电质114上。保护层115覆盖于电极间介电质114及第二感测电极42上。
[0065]
第一感测电极41包含金属硅化物层41a以及金属层41b。金属层41b可包含前述金属材料。金属硅化物层41a位于半导体材料层113上。金属层41b 邻接移动间隙43，并位于金属硅化物层41a上。金属层41b与半导体材料层 113在热反应后而形成金属硅化物层41a。
[0066]
在本实施例中，第一感测电极41包含金属导体，例如镍(ni),钛(ti),钨(w) 等等。第二感测电极42可以是相同于第一感测电极的金属导体或低阻值半导体或高分子导体等等，而半导体材料层113为多晶硅或非晶硅层，也可以是其他半导体材料层，例如锗(ge)层。
[0067]
介电层组112位于基板10上。值得注意的是，介电层组112可以是多层结构，在一般集成电路的组成结构中，可以是后段制程所形成的导体层(例如金属层)，导体层间的介电层以及导体层间的栓塞导体(via conductor)，由于该项技术为习知技术，故于此不作赘述。当然，介电层组112可以包含多个介电层及多个金属连接层组成的线路，配合硅基板10内的主动电路元件及被动电路元件而形成具有一特定功能的一组集成电路112a，因此本发明实施例更可以包含集成电路112a，位于类压电d33装置的底部或侧边并电连接至第一感测电极 41及第二感测电极42以作信号处理之用。
[0068]
半导体材料层113位于介电层组112上。金属硅化物层41a形成于半导体材料层113中。金属层41b位于半导体材料层113上，并与金属硅化物层41a 相连接并相对应。通过光刻方法(photolithography)，半导体材料层113、金属层 41b及金属硅化物层41a仅占有介电层组112的部分面积，因此电极间介电质 114亦可位于部分的介电层组112上。因此，通过四周及上下两面的密封，因而形成一个移动间隙43，此一腔式的形成特点将在后面加以描述。同时值得注意的是，金属层41b原来占有移动间隙43的完整体积，因为与底层的半导体材料层113在高温下形成化合物而消耗了部分的体积，因而形成了移动间隙43。
[0069]
移动间隙43位于电极间介电质114与金属层41b之间，中间可间隔有电极间介电质114，亦可以不间隔有电极间介电质114。第二感测电极42位于电极间介电质114上，并对应至移动间隙43及金属层41b。保护层115位于第二感测电极42及电极间介电质114上。保护层115的表面可以因此受物体触压。保护层115也可能是复数层的绝缘层结构，更可以因为系统的设计需求例如静电保护要求，增加导电性材料于其上。因此保护层115的最上表面系可以受一个可对其输入多讯息的物体的触压。当然，如果第二感测电极42不受环境干扰影响，例如不会暴露腐蚀，则本实施例的保护层115也可以是不需要的。因此，收发单元更具有：介电层组112，位于基板10与第一感测电极41之间，基板10与介电层组112共同形成集成电路112a，电连接至第一感测电极41 及第二感测电极42；电极间介电质114，位于移动间隙43与第二感测电极42 之间；以及保护层115，覆盖第二感测电极42。值得注意的是，保护层115并非是必要元件，故亦可以被省略。
[0070]
上述实施例中，可以采用玻璃基板或软性基板，其成本比半导体基板低得多，且容
易与手机显示器的制程整合。类压电d33装置100可以用来感测手势、指纹、手指静脉等生物资讯，或非生物资讯(工业应用)。以指纹感测器而言，集成化收发器20排列成一个二维阵列，间距(pitch)大约落于50至70微米之间。类压电d33装置100可以是独立的装置，也可以与显示器整合而成为显示器的一部分。
[0071]
图9a至9c显示图9的数个变化例的示意图。如图9a所示，本变化例类似于图9，不同之处在于介电层组112具有多个金属插塞112b，例如是铜插塞或钨插塞(当然不限定于此)，其设置于第一感测电极41与集成电路112a之间，并通过电性接触金属硅化物层41a将第一感测电极41电连接至集成电路112a。集成电路112a具有电连接至收发单元的前述至少一电晶体，设置于基板10上或基板10内。基板10例如为cmos元件所使用的硅基板，当然不限定于硅半导体基板或者cmos元件。值得注意的是，介电层组112及金属连接层也可以通过其他的金属插塞(未显示)来达成电连接功能。另外，图9也可以具有金属插塞，此时金属插塞设置于介电层组112与半导体材料层113之间，并将第一感测电极41电连接至集成电路112a。因此，在图9与图9a中，金属插塞112b 可以当作集成电路112a与金属硅化物层41a或该第二感测电极的一个半导体材料层113之间的电接触层。如图9b所示，本实施例类似于图9a，不同之处在于第二感测电极42的形成方式。于图9b中，在完成电极间介电质114之后，对电极间介电质114进行例如化学机械研磨法(chemical mechanical polishing, cmp)的平坦化制程，然后在预备好的硅晶圆(单晶硅)400上形成绝缘层410，接着在绝缘层410上形成多晶硅层(42)，将多晶硅层(42)接合至电极间介电质 114。于一例子中，电极间介电质114例如是经过化学机械研磨的氧化硅层作为融合接合(fusion bonding)的界面层。电极间介电质114与另一单晶硅晶圆通过低温接合方式(low temperature fusion bonding)形成具有氢键强度的界面。当然在形成低温接合之前，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cmp将待接合的表面予以抛光及抛平。接着，磨薄硅晶圆400，对残留的硅晶圆400进行蚀刻以露出绝缘层410，接着移除绝缘层410(或者可以不移除410)而露出多晶硅层(42)，将多晶硅层(42)图案化以形成第二感测电极42。最后再形成图9a所示的保护层115(这保护层也可以是前述绝缘层410)。值得注意的是，上述的多晶硅层(42)也可以被另一单晶硅晶圆取代，所使用的制程是已知的绝缘层上有硅(silicon on insulator,soi)的制程，于此不再赘述。
[0072]
如图9c所示，本实施例类似于图9a，不同之处在于第二感测电极42的形成方式。于图9c中，在完成电极间介电质114之后，对电极间介电质114 进行例如cmp的平坦化制程，然后将预备好的硅晶圆(单晶硅)400接合至电极间介电质114(类似于上述的融合接合)。当然，亦可以采用高分子材料接合 (polymer bonding)技术或者其他金属融合接合技术(eutectic bonding)等等。接着，磨薄硅晶圆400以形成第二感测电极42。最后再形成图9a所示的保护层115。
[0073]
图10显示图4的变化例的示意图。如图10所示，本例子整合了图4至图 9c，类压电d33装置100更包含基板10及一电路层112t。电路层112t(包含被动元件(可选的)、至少一主动元件(例如电晶体)及互连线)位于基板10上或局部位于基板10中，第一感测电极41位于电路层112t上，并且电连接至电路层112t，电路层112t控制对应的接收器产生一感测信号。电路层112t可以是采用tft或cmos制程形成。于本实施例中，移动间隙43是由半导体材料与
金属材料经过热反应使得半导体金属化合物形成后产生。电路层112t至少包含多个金属插塞112v、至少一金属配线层112m及一集成电路112a，此些金属插塞112v通过至少一金属配线层112m及一底层金属41c将第一感测电极41电连接至集成电路112a。集成电路112a至少包含电晶体。底层金属41c 位于半导体金属化合物之下以及电路层112t上。
[0074]
实际制作时，可以将半导体材料(特别是硅)设置于电路层112t上(半导体材料的沉积温度应低于400℃以避免损坏下方的电路层112t的功能)，将金属材料设置于半导体材料(特别是硅)上(金属材料的沉积温度应低于300℃以避免在沉积期间形成半导体金属化合物)，然后再依序形成电极间介电质114(沉积温度应低于300℃以避免在沉积期间形成半导体金属化合物)、第二感测电极42 与保护层115，接着加热到高于300℃或甚至350℃，使得金属材料与半导体材料反应而形成半导体金属化合物，同时形成移动间隙43，其中半导体材料与金属材料两者可以刚好反应完毕，或者是其中一者或两者部分残留下来。
[0075]
于另一例子中，实际制作时，可以在形成金属配线层112m以后，再用一个最上层的介电质(可以是单一或多层介电质)覆盖于金属配线层112m，然后对此介电质蚀刻，定义出金属插塞112v的孔洞，接着在孔洞填入金属材料(例如钛、钨或钼)，同时金属材料覆盖介电质而形成底层金属41c，底层金属41c可以是单层或多层金属材料结构，以当作接触金属结构。底层金属41c的沉积温度应低于400℃以避免损坏下方的电路层112t的功能。接着，在底层金属41c 上分别形成半导体材料层(半导体材料的沉积温度应低于400℃以避免形成半导体金属化合物)以及金属材料(例如镍)，以形成三明治结构及电极间介电质 114(沉积温度应低于300℃以避免在沉积期间形成半导体金属化合物)、第二感测电极42与保护层115，接着到高于300℃或甚至350℃，进行热反应以形成移动间隙43与第一感测电极41。例如，钛与硅需要很高的温度(化合反应温度) 才能形成钛硅化物，镍与硅的化合反应温度比较低，因此当镍与硅形成镍硅化物时，钛并不会干扰镍硅化物形成。因此，金属插塞112v先电性接触底层金属41c，底层金属41c电性接触第一感测电极41。如此，更有助于降低第一感测电极41与底部的电路层112t连接的电阻值。
[0076]
虽然上述的金属插塞112v与底层金属41c具有相同材料，但是于另一例子中，金属插塞112v与底层金属41c可以是具有不同材料，且底层金属41c 可以是由多层材料所构成。
[0077]
上述实施例的类压电d33装置可以当作生物资讯感测、触控、压力感测装置使用，利用上述d/εr+t0≤100nm的设计准则，可以将压力式感测装置的传感效能最佳化。此外，通过接触层的设置，可以提高电性接触效果。
[0078]
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以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以下申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。例如前述所提的第一感测电极与第二感测电极是可以在位置上互调的，只要满足其中一个感测电极包含了半导体金属化合物，并且由该半导体金属化合物的热反应过程形成了移动间隙即可。