专利名称：表面传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量并成像在表面上的结构的传感器，尤其是一种指纹传感器， 包括在选定位置处用于耦接到手指表面的选定数量的传感器元件，所述传感器元件具有可 以与该手指表面中结构的尺寸类似的尺寸。更特别地，本发明涉及基于具有贯穿导电路径 的硅衬底的指纹传感器以及位于衬底的相对耦接到该手指表面的传感器元件一面上的由 电子电路组成的处理单元。
背景技术：
在近几年，生物识别技术，尤其是指纹传感器，对于人员身份的校验目的已经变得 普遍，例如入境检查，机场以及例如膝上型电脑等的个人设备。目前的解决方案仍然在应用 和生产中具有许多缺点。用于机场以及入境检查的指纹传感器对于许多应用而言是巨大的 和非常昂贵的，同时在某些膝上型计算机和手持设备中已知的条纹状指纹传感器具有的缺 点是传感器的生产技术要求他们是固定在产品外壳中的凹口中。这是不实用的并且带来功 能上以及产品设计美学上的限制。同样，通过要求用户按压手指到凹口中同时移动它，污垢 被留在凹口里面，这会降低已扫描图像的质量。一种与指纹传感器安装进入的产品的表面位于同一个表面的指纹传感器在 US7251351中描述，其中传感器元件位于配备有贯通衬底的通孔导体的绝缘衬底的一面。 该衬底可以由玻璃，陶瓷以及其他绝缘材料组成，尽管提到了硅可以用作为衬底，但具有的 缺点是材料可以是导电的并因此导体必须和衬底绝缘，结果伴随一种潜在的复杂的生产过程。另一个解决方案是在美国申请US2005/01010M以及US 7184581中讨论的一种单 芯片解决方案，其中在衬底中制成电子电路。如果涉及测量以及处理单元的电路或指纹传 感器元件位置的布局必须改变的话，这同样需要复杂的生产方法并需要改变整个生产。
发明内容
因此本发明的一个目标是提供一种实现了完善建立的高容量、低成本的半导体制 造过程的指纹传感器，同时还允许该传感器表面能被放置地充满在其中安装传感器的物体 的表面。通过这种方式，本发明确保一种灵活的传感器生产，即相同的传感器衬底能配备有 不同的处理单元，反之亦然。这是由按照上面说明的指纹传感器实现的，特征在独立权利要 求中描述。因此该指纹传感器是利用一种使用贯通晶片导线制备的硅片制造的，具有用于在 一面耦接到手指的传感器元件，并且具有在另一面很好地保护的处理单元。这种硅片的一 种生产方法本身可以从国际专利申请W02004/084300和W02007/089207中获得，并且在这 里不再讨论，但是运用这个或类似的生产方法提供制备传感器的灵活度优点，例如通过掺 杂(举例来说用于提供了在通孔/导体线中选择的电导率)，通过钻孔或蚀刻填充有导电 材料的绝缘孔洞或通过向硅衬底直接添加一些电路。W02007/089207中描述的方法允许通过10-20 μ m典型宽度的绝缘沟槽分离选定尺寸的硅衬底区域。其他可能的生产方法在 US7227213和US6838362中讨论，以及上面提到的US2005/01010M，其中孔洞被用来连接到 衬底中的电路。在下面的篇章中，术语阻抗是用来描述被测量的手指特征。这将被本领域技术人 员在应用中理解为处理单元中电压和/或电流测量以及源于此计算指纹结构的结果。此 外，术语耦接被理解为包括两个部分之间直接的电接触以及通过绝缘体的两部分的电容耦接。
本发明将结合下面附图更详细地来讨论，通过示例的方式图示。图1示出了本发明的优选实施例的截面图。图2示出了从上方看到的线性指纹传感器布局。图3示出了驱动传感器或地电极和衬底之间的绝缘区域的优选结构。图4示出了本发明的替代实施例的截面图。图5示出了本发明的第三实施例的截面图。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的指纹传感器的优选实施例的截面图。首先该传感器由 具有第一导线2作为衬底中的贯通芯片通孔的半导体衬底1构成。该第一导线由例如 W02007/089207中描述来制造，通过在掺杂的衬底材料中蚀刻沟槽，用绝缘材料3填充该沟 槽并然后移除该衬底的剩余部分以便该沟槽贯通该衬底并使环绕区域2从衬底1的剩余部 分电绝缘。其他的掺杂可以被添加到通孔和/或环绕衬底，例如来改善接触电阻和/或添 加二极管用于ESD保护。第一导体2的尺寸是选定的，使得它们小于典型的手指表面20中的结构，以便他 们能在表面的典型地具有300-600 μ m的间距的凹部和脊部之间进行区分。因此该第一导 体的一种典型的横截面可以是近似20-50 μ m,而绝缘沟槽的宽度是1-30 μ m,但是其他版 本是可以预见的，例如间距范围在IOOym内的更大的传感器。在一种已经实现的实施例 中，传感器间距是50.8 μ m。本发明的优选实施例目的是在手指表面处或内测量阻抗，并因此为衬底表面的传 感侧面提供第一电介质层5，并优选地为一保护层6。该保护层可以由碳基的材料组成，例 如类钻碳(DLC)或非晶金刚石，如EP0779497和US5963679中描述的。电介质层和保护层 的厚度可以被选为以便提供适合测量的阻抗，例如在500nm或更大范围。传感表面的相对面上，指纹传感器以本质上公知的方式配备有布线导线7以及电 介质层8、9、10，用于配合在处理单元18上的接触电极17的位置，来耦接到指纹传感器。因 为该处理单元18是独立制造，它能够被制造的比衬底小，并且相比较在衬底中制造电路的 解决方案而言，利用更有效较低成本的处理解决方案。根据优选实施例，衬底还配备有如第一导体线2相同的方式生产的第二贯通导体 4，但导体4具有较大的尺寸以便显著地大于手指表面的特征，并因此介于该第二导体和手 指之间的耦接不会受到表面结构的巨大影响。这种情况下，该处理单元适合于测量由第一导体线2提供的大量传感器元件中每一个与由一第二导体线4提供的驱动电极之间的阻 抗，因为处理单元还在第一和第二导体线之间施加静态的或变化的电压，并根据自身公知 的方式来测量阻抗，例如通过在第二导体和地之间施加电压，通过感测第一导体处从手指 流到地的电流来测量的该第一和第二导体之间的阻抗。由于尺寸的差异，仅仅是靠近第一 导体线的手指的结构将影响测量并因此被传感器测量。在本发明的这个实施例中，还可以 在第二电介质层5中提供开口或较薄的部分，以便最优化手指和传感器焊接区2、驱动器焊 接区4和/或衬底1的剩余部分之间的阻抗。也同样可以预想其他替代方式，例如具有靠近第一导体线并具有一类似尺寸的第 三导体(未示出)，例如US6, 512，381中描述的解决方案。图2示出了条纹形状的指纹传感器11的布局，由传感器元件12的基本上线性的 阵列组成，其中每个传感器元件与一个第二导体线2相关。基本上环绕传感器阵列12是与 第二导体线有关的激励或驱动电极14，因此确保在手指上具有平均的电压分布，以及与靠 近阵列的皮肤的结构变化相关的传感器阵列中感测的阻抗差异。图2中的布局还包括两个地电极15、16，例如用于数字和模拟接地耦接，从而还提 供ESD保护。这些电极还可以与贯通衬底的相应的导体线相关，或者如通过地电极16所 示的，地电极16自身提供为贯通衬底。位于地电极顶部的电介质层可以变薄或移除，来增 加ESD事件向地放电的可能性。用于提供ESD保护的其他解决方案可以通过以下来实现， 在衬底通孔或传感器衬底中掺杂二极管结构以及具有在驱动器电极和地之间连接外部ESD 二极管的外部ESD保护，例如通过倒装片组件。根据图2中示出的传感器布局的替代实施例，传感器线路可以由多行传感器元件 组成，可能在纵向方向上移位来提供一种交错的结构并改善测量中的分辨率。许多传感器 线路还可以允许通过US6289114中描述的压合来重新构造指纹图像或允许如US7054471中 描述的测量传感器上的手指运动。根据一替代实施例，地面和/或驱动/激励电极可以通过在衬底外部的外部电极 来提供，具有如US6，628，812和US6，683，971中讨论的减少衬底材料区域的优点。可以在传感器表面11上提供附加电极和电路，例如用于测量表面上方手指的运 动，如US7251351和US7110577中描述的，或用于引导或驱动屏幕上的指针，如US7129926 和US7308121中描述的。沟槽还可以用来其他目的的衬底部分的隔离，例如用于和指纹传 感器不相关的其他电路类型。如图1中示出的，电极和衬底之间的绝缘可以利用在衬底中填充绝缘材料3的沟 槽来提供，绝缘材料3优选地为电介质材料。图3中替代的解决方案被示出，其中采用双沟 槽12、13，双沟槽由通过以选定距离在他们之间伸展的沟槽而互相连接的两个沟槽组成，从 而提供一种类似梯子的形状。其具有的优点是生产中的误差不会导致梯形的一侧与另一 侧的直接连接，但是仅仅跨过一个沟槽，例如从梯形的一侧到在梯形中绝缘的岛12之一， 或者介于岛之间，同样在岛上给出了较少的耦接电容以及更好的绝缘。这种双沟槽是优选 的解决方案，尤其是驱动/激励电极14和地电极之间。实践中，线性阵列基本上也将具有 这种利用岛12作为传感器，可能具有位于梯形一侧或两侧上的附加传感器的结构。梯形 沟槽尺寸可以由范围在20-50 μ m的通孔组成，其被具有1-30 μ m宽度的沟槽分离，例如间 距50.8 μ m。梯形沟槽本身在Silex的出版物中是公知的，上面提到的W02007/089207的串请人，在 Tomas Bauer 的文章“First High Volumn Via Process for packaging and Integration of MEMS/CMOS”中，在他们的网站上公开。图4中示出了一种类似图1实施例的解决方案。这种情形中，跨过导体线2、4在 传感器一面的第一电介质层5中的开口提供在导体线2、4上方，且在开口中提供传感器焊 接区金属喷镀22、24。第二电介质层25被提供来覆盖金属传感器焊接区22、24，并在顶部 提供保护层6。金属传感器焊接区22、M改善了耦接，并增加了界定传感器区域的自由度， 因为这是在金属处理中界定的而不是在通孔处理中界定的。然而，这里存在电极(传感器 22和激励/驱动24)区域之间的交替使用，就好像传感器区域跨过下面的导体线2、4和绝 缘沟槽3的大小延伸，并且通过耦接到周围的衬底，这将影响传感器元件或驱动电极上的 阻抗。这给出了相对于表面的剩余部分上的电介质层而言在传感器和/或激励焊接区上的 电介质层具有不同的厚度的可能性，其可以改善传感器焊接区22和激励焊接区M之间的 信号耦接。本发明的这个实施例中，还可能在由驱动焊接区M或传感器元件焊接区22组 成的传感器焊接区上的第二电介质层25中提供开口或较薄的部分，以便最优化传感器焊 接区、驱动焊接区以及衬底剩余部分上的阻抗。图5中，导体线的位置已经被选定以便直接连接到处理单元，并且仅在导体上配 备有金属填充的开口 7的第一第二侧面电介质层8，用于耦接到处理单元。图4和5中示出 的实施例的组合还可以预期为在衬底的较上和较下的表面利用导体布线，因此在两面布线 导体线。在较上部分，图5中的衬底1的第一侧面，传感器元件的位置以与利用图4中衬底 下面的导电层和电介质层8、9、10来布线衬底下面的连接点相同的方式校准。在第一电介 质层5中提供开口，并且以第一金属层被提供为从贯穿通孔/导体线到传感器表面上的预 定位置组成金属导体线22、24的模式。第一金属层22、24由在传感器表面上电极和传感器 元件的预定位置处具有开口的第二电介质层25覆盖，并且第二金属层提供在传感器元件 和电极位置，并在传感器上构成屏蔽层42。上方的电介质层35和保护层6在这个的顶部被 涂敷。图5中较上部分示出的解决方案提供的优点是电极的布线允许该传感器元件之 间的间距比被描述的用于贯通衬底的导体导线的制造方法的距离小。因此会获得一种改进 的结果指纹图像的空间分辨率。因此，本发明尤其涉及具有传感器通孔的指纹传感器的实现，并同样优选地涉及 作为衬底的一部分的驱动电极通孔。该优选的传感器被集成的类似金刚石的保护涂料覆 盖，并在传感器线路和驱动绝缘沟槽中具有梯形结构，并且还可能分离传感器衬底的不同 部分用于不同功能。这导致具有平面表面的指纹传感器可能会位于与指纹传感器安装的表 面相同的平面。利用倒装片组件或类似的组件，提供了电子ASIC的片上组件的可能性。除了指纹传感器之外，本发明还可以在用于测量表面结构的其他区域中使用，例 如纸币或具有在表面结构中的隐藏信息的物品。总之，本发明涉及一种用于测量表面中结构的传感器，尤其是一种指纹传感器，包 括在选定位置上的选定数量的传感器元件，用于耦接到表面，具有尺寸小于或类似于表面 中结构的尺寸，以及处理单元，所述处理单元包括耦接到所述传感器元件的用于提供所述 表面结构处阻抗测量的询问电极，处理单元被安装在衬底的一面上，且传感器元件位于所述衬底的相对面上，该衬底包括位于所述传感器元件和所述询问电极之间的贯穿第一导 线。衬底由半导体材料制成，例如硅，并且所述第一导线由绝缘材料围绕的选定尺寸的贯穿 衬底部分构成，优选地为从衬底将它们分离的电介质。因此，传感器可以由测量表面的相对 侧面上具有询问处理单元的单个晶片制成。衬底还包括至少一个第二导体线，通过衬底方向上的横截面显著地大于表面的结 构，提供耦接到所述手指表面以及所述处理单元的外部电极。第二传导线同样由使用电介 质材料从衬底绝缘的一部分衬底构成，并且位于传感器元件的一侧或围绕他们。处理单元 优选地适用于测量外部电极和传感器元件之间的阻抗，并且传感器元件在所述衬底的有限 区域内分组，并且所述至少一个第二导体线位于所述有限区域的至少两面的平面上，从而 至少局部环绕具有传感器元件的有限区域。至少一个第二导体线可以耦接到地面作为参考 电势。为了保护外表面抵抗磨损，由碳基材料制成的外部保护层，例如非晶金刚石或 DLC，覆盖所述传感器元件并保护传感器表面。传感器焊接区可以由耦接到在导体线的范围外延伸的关联的导体上的导电区域 构成，但是为了减少串扰以及耦接到该衬底的电容，具有围绕电介质绝缘的导体线优选地 小于导体线以及相关绝缘材料的尺寸。传感器元件可以位于衬底表面的预定区域，传感器元件基本上被驱动电极围绕， 所述驱动电极被耦接到所述处理单元，所述处理单元适用于在驱动电极和地面之间施加变 化的电压并测量传感器元件和驱动电极之间的阻抗。更特别地，驱动电极可以通过与衬底 电绝缘的衬底中的第二导体线被耦接到处理单元，绝缘是由两个基本上平行的贯穿电介质 区域构成的绝缘结构，绝缘结构具有贯穿电介质区域，贯穿电介质区域在选定间隔处的每 个平行的电介质区域之间延伸，从而提供双绝缘区域。该传感器还可以包括至少一个地电 极。本发明的优选实施例特别地涉及一种表面传感器，其中传感器元件构成基本上线 性的阵列，用于测量一部分手指表面中的结构，所述基本上线性的阵列包括至少一行传感 器元件。从而传感器是用于测量表面结构的条纹传感器，尤其是测量手指相对于表面移动。 该处理单元或相关电路然后可以组合在不同时间期间从所述传感器元件采样的测量结果， 用于提供表面图像。条纹传感器中的传感器元件然后可以通过不同方式来布置，例如多个平行的传感 器线路，其提供利用压合来生成完整表面的图像的可能性。传感器线路还可以在纵向方向 上移位，从而提供交错线路，来改善结果图像中的分辨率。传感器还可以包括以本质上公知的方式测量表面相对于表面的运动的传感器元 件。这些传感器元件由选定数量的传感器元件构成，或者特别地被提供，并定位运动传感器。
权利要求
1.用于测量表面中结构的传感器，尤其是一种指纹传感器，包括，在选定位置处的选定数量的传感器元件，所述传感器元件用于耦接到表面，具有 尺寸小于或类似于所述表面中结构的尺寸，以及处理单元，所述处理单元包括耦接到所述 传感器元件的用于提供所述表面结构处阻抗测量的询问电极，所述处理单元安装在衬底的 一面上，且所述传感器元件位于所述衬底的相对面上，所述衬底包括所述传感器元件和所 述询问电极之间的贯穿第一导线，其中，所述衬底由半导体材料构成，例如硅，并且所述第一导线由绝缘材料围绕的选定 尺寸的贯穿衬底部分构成，优选地所述绝缘材料为从衬底将它们分离的电介质。
2.根据权利要求1所述的表面传感器，其中，所述衬底还包括至少一个第二导体线，贯 通衬底方向的横截面显著地大于所述表面的所述结构，提供耦接到所述手指表面以及所述 处理单元的外部电极，所述第二导体线同样由使用电介质材料从衬底绝缘的一部分衬底构 成。
3.根据权利要求2所述的表面传感器，其中，所述处理单元适用于测量所述外部电极 和所述传感器元件之间的阻抗。
4.根据权利要求3所述的表面传感器，其中，所述传感器元件在所述衬底的有限区域 内分组，并且所述至少一个第二导体线位于所述有限区域的至少两面的平面上，从而至少 局部环绕具有所述传感器元件的有限区域。
5.根据权利要求2所述的表面传感器，其中，所述至少一个第二导体线耦接到地面。
6.根据权利要求1所述的表面传感器，包括覆盖所述传感器元件位于其上的衬底面的 电介质层，并且所述电介质层在所述传感器元件上方具有开口或厚度减小的区域，并且还 包括至少位于所述开口中的构成传感器焊接区的导电层。
7.根据权利要求6所述的表面传感器，其中所述传感器焊接区的尺寸基本上与具有围 绕电介质绝缘的导体线横截面尺寸相同。
8.根据权利要求1所述的表面传感器，具有由碳基材料制成的覆盖所述传感器元件并 保护传感器表面的外部保护层。
9.根据权利要求1所述的表面传感器，其中，所述传感器元件位于衬底表面的预定区 域，传感器元件基本上由驱动电极围绕，所述驱动电极耦接到所述处理单元，所述处理单元 适用于在所述驱动电极和地面之间施加变化的电压，并测量所述传感器元件和所述驱动电 极之间的阻抗。
10.根据权利要求9所述的表面传感器，其中，所述驱动电极通过与衬底电绝缘的衬底 中的第二导体线耦接到所述处理单元，绝缘是由两个基本上平行的贯穿电介质区域构成的 绝缘结构，所述绝缘结构具有选定间隔的在每个平行电介质区域之间延伸的贯穿电介质区 域，从而提供双绝缘区域。
11.根据权利要求9所述的表面传感器，其中，所述传感器元件构成用于测量一部分手 指表面中结构的基本上线性的阵列，所述基本上线性的阵列包括至少一行传感器元件。
12.根据权利要求11所述的表面传感器，其中，所述线性传感器阵列包括多个平行的 传感器元件线路。
13.根据权利要求12所述的表面传感器，其中，所述平行线路相对于彼此移位选定距 离，从而提供一种交错的传感器元件线路。
14.根据权利要求11所述的表面传感器，包括距彼此选定距离的至少两个运动传感器 元件，用于测量所述传感器上的所述表面的运动。
15.根据权利要求14所述的表面传感器，其中，所述两个运动传感器元件中的至少一 个是由所述传感器阵列中的传感器元件构成。
16.根据权利要求10所述的表面传感器，还包括至少一个地电极。
17.根据权利要求1所述的表面传感器，其中，所述衬底还包括到所述衬底外部的外部 电极的至少一个第二导体，其基本上大于所述表面的所述结构，提供耦接到所述手指表面 以及所述处理单元的外部电极。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量表面上的结构的传感器，例如一种指纹传感器，包括在选定位置处用于耦接到手指表面的选定数量的传感器元件，其具有小于或类似于手指表面的结构尺寸的尺寸，以及处理单元，其包括耦接到所述传感器元件的用于提供所述手指表面处的阻抗测量的询问电极，所述处理单元安装到一衬底的一面上，且所述传感器元件位于所述衬底相对面上，所述衬底包括所述传感器元件和所述询问电极之间的贯穿第一导线，所述衬底由导体材料制成，例如硅，并且所述第一导线由从衬底将它们分离的绝缘电介质围绕的选定尺寸的贯穿衬底部分组成。
文档编号H01L23/48GK102138147SQ200980134246
公开日2011年7月27日 申请日期2009年9月1日 优先权日2008年9月1日
发明者A·纳塔斯, G·I·贝瑞德霍特, N·W·克里斯蒂, O·斯洛格达尔, R·W·伯恩斯特因 申请人:Idex公司