具有接合压电层的超声波传感器的制造方法
【专利说明】
[0001] 对相关申请案的夺叉参考
[0002] 本发明根据35U. S. C. § 119主张2013年6月3日申请的标题为"具有接合压电 层的超声波传感器（ULTRASONIC SENSOR WITH BONDED PIEZOELECTRIC LAYER)" 的美国临 时专利申请案第61/830,615号及2014年6月2日申请的标题为"具有接合压电层的超 声波传感器（ULTRASONIC SENSOR WITH BONDED PIEZOELECTRIC LAYER)" 的美国申请案第 14/293, 841号的优先权。先前申请案的揭示内容被视为本发明的部分且以引用的方式并入 本发明中以用于所有目的。
技术领域
[0003] 本发明大体来说是关于超声波传感器，且更特定来说，是关于包含压电发射器及 接收器的超声波传感器阵列。
【背景技术】
[0004] 在超声波传感器系统中，超声波发射器可用以透过一或多个超音透射型媒体且朝 向待检测的对象发送超声波。发射器可与经配置以检测超声波的自对象反射的部分的超声 波传感器阵列操作地耦合。举例来说，在超声波指纹成像器中，可通过在极短时间间隔期间 启动及停止发射器而产生超声波脉冲。在超声波脉冲遭遇的每一材料界面处，超声波脉冲 的一部分可被反射。
[0005] 举例来说，在超声波指纹成像器的内容脉络中，超声波可行进穿过可置放人的手 指的压板，以获得指纹影像。在穿过压板之后，超声波的一些部分遭遇与压板接触的皮肤 (例如，指纹脊线），而超声波的其它部分遭遇空气（例如，指纹的邻近脊线之间的凹部），且 可能被以不同强度反射回朝向超声波传感器阵列。可处理与手指相关联的经反射信号且将 其转换成表示经反射信号的信号强度的数字值。当在分布区域内收集这些经反射信号时， 可使用这些信号的数字值（例如）通过将数字值转换成影像借此产生指纹的影像来产生分 布区域上的信号强度的图形显示。因此，超声波传感器系统可用作指纹成像器其它。
【附图说明】
[0006] 本说明书中所描述的目标物的一或多个实施的细节阐述于随附图式及以下描述 中。其它特征、方面及优势将自所述描述、所述图式及权利要求书变得显而易见。应注意， 以下诸图的相对尺寸可能未按比例绘制。各图式中的相似参考数字及名称指示相似组件。
[0007] 图IA至IC展示超声波传感器系统的示意图的实例。
[0008] 图2展示超声波传感器系统的分解图的实例。
[0009] 图3A展示用于超声波传感器的像素的4X4像素阵列的实例。
[0010] 图3B展示超声波传感器系统的高阶框图的实例。
[0011] 图4展示包含接合压电接收器层的超声波传感器系统的示意图的实例。
[0012] 图5及6为说明用于超声波传感器的制造过程的流程图的实例。
[0013] 图7A及7B展示具有及不具有安置于超声波接收器与压板之间的间隔件层的超声 波接收器的实例。
[0014] 图8A至8D展示超声波传感器的超声波发射器及超声波接收器的布置的实例。
[0015] 图9A至9C展示包含背侧保护罩盖的超声波传感器的实例。
[0016] 图IOA至IOC展示发射器及接收器电极的电连接的实例。
[0017] 图IlA及IlB展示柔性印刷电路的电极与超声波传感器的压电层直接电通信的实 施的实例。
[0018] 图12A至12C展示同一压电层用于呈包覆配置的接收器及发射器两者的超声波传 感器的实例。
[0019] 图13A展示经配置以包覆薄膜晶体管衬底的柔性印刷电路的示意性说明的实例。
[0020] 图13B至13G展示用于将柔性印刷电路附接到薄膜晶体管传感器阵列的过程的各 种阶段的示意性说明的实例。
【具体实施方式】
[0021] 以下描述是关于用于描述本发明的创新方面的目的的某些实施。然而，所属领域 的一般技术者将易于认识到，可以多种不同方式来应用本文的教示。所描述实施可在包含 超声波感测系统的任何装置、设备或系统中加以实施。另外，预期所描述实施可包含于多 种电子装置中或与多种电子装置相关联，所述电子装置例如（但不限于）：移动电话、具备 多媒体因特网功能的蜂巢式电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、蓝牙?装置、个人 数据助理（PDA)、无线电子邮件接收器、手持型或携带型计算机、迷你笔记型计算机、笔记型 计算机、智能本、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传真机、全球定位系统（GPS)接收器 /导航仪、摄影机、数字媒体播放器（例如，MP3播放器）、摄录像机、游戏控制面板、腕表、钟 表、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读装置（例如，电子阅读器）、移动健康装置、 计算机监视器、汽车显示器（包含里程计显示器及速度计显示器等）、驾驶舱控制件及/或 显示器、摄影机景观显示器（例如，车辆中的后视摄影机的显示器）、电子照片、电子广告牌 或标识、投影仪、建筑结构、微波装置、冰箱、立体声系统、卡式录音机或播放器、DVD播放器、 ⑶播放器、VCR、收音机、携带型内存芯片、洗涤器、干燥器、洗涤器/干燥器、停车定时器、封 装（例如，在包含微机电系统（MEMS)应用的机电系统（EMS)应用以及非EMS应用中的封 装）、美观结构（例如，关于一件珠宝或衣服的影像显示）及多种EMS装置。本文的教示也 可用于例如（但不限于）以下各者的应用中：电子开关装置、射频滤波器、传感器、加速度 计、回转仪、运动感测装置、磁力计、用于消费型电子设备的惯性组件、消费型电子产品的零 件、可变电抗器、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造过程及电子测试装备。因此，所述教示 不意欲限于仅在诸图中描绘的实施，而实情为，具有如所属领域的一般技术者将易于显而 易见的广泛适用性。
[0022] 本文所描述的一些实施是关于超声波传感器，其包含通过胶粘剂而接合到薄膜晶 体管（TFT)阵列的压电接收器层。一些实施是关于用于形成超声波传感器的过程，包含将 压电接收器层接合到TFT阵列。本文所描述的实施的优势包含可通过标准TFT阵列实施的 超声波传感器。本文所描述的实施允许在不对TFT处理进行特殊修改的情况下接合压电接 收器层。
[0023] 图IA至IC展示超声波传感器系统的示意图的实例。如图IA所示，超声波传感器 系统10包含处于压板40的下的超声波发射器20及超声波接收器30。超声波发射器20可 为可产生超声波21 (参见图1B)的压电发射器。超声波接收器30包含安置于衬底上的压 电材料及像素电路阵列。在操作中，超声波发射器20产生穿过超声波接收器30行进至压 板40的曝露表面42的超声波21。在压板40的曝露表面42处，超声波能可能被与压板40 接触的对象25 (例如，指纹脊线28的皮肤）发射、吸收或分散，或被反射回。在空气接触压 板40的曝露表面42的那些位置（例如，指纹脊线28之间的凹部27)中，大部分超声波21 将被反射回朝向超声波接收器30以用于进行检测（参见图1C)。控制电子设备50可耦合 到超声波发射器20及超声波接收器30且可供应使得超声波发射器20产生一或多个超声 波21的计时信号。控制电子设备50接着可自超声波接收器30接收指示经反射超声波能 23的信号。控制电子设备50可使用自超声波接收器30接收的输出信号来建构对象25的 数字影像。
[0024] 图2展示超声波传感器系统10的分解图的实例，超声波传感器系统10包含处于 压板40的下的超声波发射器20及超声波接收器30。超声波发射器20可为包含实质上平 面压电发射器层22的平面波产生器。可通过以下操作产生超声波：取决于所施加的信号， 向压电层施加电压以扩展或收缩所述层，借此产生平面波。可经由第一发射器电极24及第 二发射器电极26将电压施加至压电发射器层22。以此方式，可通过扩展或收缩压电发射器 层22而产生超声波。此超声波可朝向手指（或其它待检测对象）行进，穿过压板40。所述 波的未被待检测对象吸收或发射的部分可被反射以便穿过压板40而传回且由超声波接收 器30接收。第一发射器电极24及第二发射器电极26可为金属化或以其它方式导电电极， 例如涂布压电发射器层22的对置侧的金属层。
[0025] 超声波接收器30可包含安置于也被称作背板的衬底34上的像素电路32的阵列， 及定位于或以其它方式耦合到底层像素电路32的压电接收器层36。在一些实施方案中，每 一像素电路32可包含一或多个薄膜晶体管且，在一些实施方案中，包含一或多个额外电路 组件，例如二极管、电容器及其类似者。每一像素电路32可经配置以将由接近像素电路的 压电接收器层36产生的电荷转换成电信号。每一像素电路32可包含将压电接收器层36电 耦合到像素电路32的像素输入电极38。在所说明的实施中，接收器偏置电极39安置于压 电接收器层36的相对像素电路32的一侧上。接收器偏置电极39可接地或经加偏置以控 制将哪些信号传递至TFT阵列。接收器偏置电极可包含（例如）一或多层铝、铝合金、铜、 铜合金、铜及镍、金、铂及金、铬及金、铬及铝、铬及铜、铬铜及金、银、铟锡氧化物（ITO)或其 它导电氧化物、银及聚氨酯聚合物或其它合适导电材料。通过压电接收器层36将自压板40 的曝露（顶）表面反射的超声波能转换成局部电荷。通过像素输入电极38可收集这些局 部电荷且将其传递至底层像素电路32。通过像素电路32可放大所述电荷且来自像素电路 的输出信号可被发送至用于信号处理的传感器控制器或其它电路。图3A中展示实例像素 电路32的简化示意图，然而，所属领域的一般技术者将了解，可预期对简化示意图中所示 的实例像素电路32的许多变化及修改。
[0026] 控制电子设备50可与第一发射器电极24及第二发射器电极26电连接，以及与接 收器偏置电极39及TFT衬底34上的像素电路32电连接。控制电子设备50可实质上如先 前关于图IA至IC所论述般操作。
[0027] 压板40可为可在声学上耦合到接收器的任何适当材料，其中实例包含塑料、陶 瓷、蓝宝石、复合材料、金属及金属合金、金属填充式聚合物、聚碳酸酯及玻璃。在一些实施 方案中，压板40可为盖板，例如用于显示器的防护玻璃罩或防护镜片。在一些实施方案中， 压板40可为例如铝、铝合金、铬-钼、不锈钢的金属或金属填充式聚合物。在需要时可经由 (例如）Imm或Imm以上的相对较厚的压板执行检测及成像。在一些实施方案中，用于电子 装置的壳体或外壳可充当压板。在一些实施方案中，移动装置罩壳的背部、侧面或前面可充 当压板，这是由于本文中所描述的超声波传感器可直接经由罩壳壁成像指纹或采集生物计 量信息。在一些实施方案中，例如聚氨脂薄层、丙烯酸、聚对二甲苯的涂层或类金刚石涂层 (DLC)可充当压板。
[0028] 可根据各种实施使用的压电材料的实例包含压电聚合物，其具有适当声学性质， 例如介于约2. 5兆瑞利（MRayl)与5兆瑞利之间的声阻抗。可使用的压电材料的特定实例 包含铁电聚合物，例如聚偏二氟乙烯（PVDF)及聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE)共聚 物。PVDF共聚物的实例包含60:40 (莫耳百分比）的PVDF-TrFE、70:30的PVDF-TrFE、80:20 的PVDF-TrFE及90:10的PVDR-TrFE。可使用的压电材料的其它实例包含铁氟能(TcHon)K. 及其它PTFE聚合物、聚二氯亚乙烯（PVDC)均聚物及共聚物、聚四氟乙烯（PTFE)均聚物及 共聚物及溴化二异丙胺（DIPAB)。
[0029] 压电发射器层22及压电接收器层36中的每一者的厚度可经选择以便适合于产生 及接收超声波。在一实例中，PVDF压电发射器层22约为28 μ m厚，且PVDF-TrFE接收器层 36约为12 μ m厚。超声波的实例频率的范围为5MHz至30MHz，及波长约为四分的一毫米或 更小。
[0030] 图IA至IC及2展示超声波传感器系统中的超声波发射器及超声波接收器的实例 布置及其它可能布置。举例来说，在一些实施方案中，超声