本實(shí)用新型是有關(guān)一種生物識別傳感器，特別是一種超聲波生物識別傳感器。

背景技術(shù)：

電容式指紋傳感器的目前應(yīng)用較為廣泛的生物識別傳感器。然而，電容式指紋傳感器的穿透力較差，無法輕易穿透行動(dòng)上網(wǎng)裝置(例如智能型手機(jī))的玻璃面板，且使用者的手指潮濕或出汗時(shí)亦會影響電容式指紋傳感器取像的對比度。此外，使用者的指紋容易因油漬而被翻制成假指紋，亦即防偽性較差，導(dǎo)致安全上的漏洞。

超聲波能夠穿透智能型手機(jī)常用的外殼材料(例如玻璃、鋁、不銹鋼、石英或塑料構(gòu)等)進(jìn)行掃描，且能穿透皮膚表層，偵測手指的3D細(xì)節(jié)以及獨(dú)特的指紋特征，如凸紋線、汗孔等。因此，相較于電容式指紋傳感器，超聲波指紋傳感器具備高穿透力、3D造影能力以及防偽性高等優(yōu)點(diǎn)，屬于另一種高性能的生物識別傳感器，可作為個(gè)人身分識別的用途。

超聲波指紋傳感器是利用聲波阻抗學(xué)(Acoustic Impediography)原理來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)超聲波在不同介質(zhì)密度內(nèi)行進(jìn)時(shí)，遇到聲波阻抗不同將產(chǎn)生反射波，其工作原理如圖1所示。超聲波指紋傳感器100包含超聲波傳感器101以及CMOS感測電路102，其用來處理超聲波傳感器101所接收到的信號。超聲波傳感器101所發(fā)出的超聲波會經(jīng)由緩沖層110(包含封裝材料以及面板或外殼)傳送到接觸的使用者手指的指紋FP。由于指紋的脊部R與谷部V的聲波阻抗不同，例如Zr以及Zv分別為指紋脊部R以及谷部V的聲波阻抗，各為1.5M Rayl與0.00043Mrayl，因此將產(chǎn)生不同的聲波反射比率。假設(shè)緩沖層110的聲波阻抗為Z0，則聲波反射的比率Γ為

Γ＝(Zi-Z0)/(Zi+Z0)

Zi為指紋脊部R以及谷部V的聲波阻抗。當(dāng)Γ為負(fù)值時(shí)代表相位為180度，亦即產(chǎn)生反相波。如圖1所示，US為入射波，USr與USv分別代表超聲波在指紋脊部R以及谷部V與緩沖層110接觸接口的超聲波變化。由于指紋脊部R以及谷部V的聲波阻抗不同，其所對應(yīng)的超聲波傳感器101所接收到的反射波強(qiáng)度亦有不同。舉例而言，入射脊部R的超聲波USr大部分為透射波，而入射谷部V的超聲波USv大部分為反射波，因而可以區(qū)別出脊部R以及谷部V的影像。當(dāng)超聲波穿過手指表皮，碰到骨頭或肌肉組織(例如脂肪)時(shí)，其反射率亦有不同。在不同時(shí)間差時(shí)即可鑒別出不同的肌層結(jié)構(gòu)，因此超聲波指紋傳感器可提供較佳的防偽性。

請?jiān)賲⒄請D1，習(xí)知的超聲波指紋傳感器100的超聲波傳感器101以及CMOS感測電路102是經(jīng)由墊高層103彼此電性連接，同時(shí)藉由墊高層103在超聲波傳感器101下方形成一空腔104，使超聲波傳感器101所產(chǎn)生的超聲波大部分朝向緩沖層110發(fā)射。依據(jù)此結(jié)構(gòu)，習(xí)知的超聲波指紋傳感器100是利用晶圓镕接(Wafer Bonding)將超聲波傳感器芯片與CMOS感測芯片做镕接，因此生產(chǎn)成本較高且良率較差。

有鑒于此，如何避免使用晶圓镕接技術(shù)來制造超聲波指紋傳感器以提升生產(chǎn)效率便是目前極需努力的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種超聲波生物識別傳感器。

該超聲波生物識別傳感器是在同一基板上制作控制電路以及超聲波傳感陣列后，利用異向蝕刻制程在超聲波傳感陣列中的每一壓電組件下形成空腔，因此本實(shí)用新型無需使用晶圓镕接制程，而可提升良率以及產(chǎn)率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

本實(shí)用新型一實(shí)施例的超聲波生物識別傳感器包含一感測芯片。感測芯片包含一基板、一超聲波傳感陣列以及一控制電路?；灏坏谝粎^(qū)域以及一第二區(qū)域。超聲波傳感陣列設(shè)置于基板的第一區(qū)域，且包含多個(gè)陣列排列的壓電組件，其中每一壓電組件設(shè)置于一浮板，且浮板以橫向延伸的至少一支持臂懸浮于一空腔的一開口端?？刂齐娐吩O(shè)置于基板的第二區(qū)域，并經(jīng)由支持臂與每一壓電組件電性連接，以控制超聲波傳感陣列產(chǎn)生一超聲波并讀取超聲波傳感陣列所接收的一超聲波反射信號。

以下藉由具體實(shí)施例配合所附的圖式詳加說明，當(dāng)更容易了解本實(shí)用新型的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及其所達(dá)成的功效。

附圖說明

圖1為一示意圖，顯示習(xí)知的超聲波指紋傳感器。

圖2為一示意圖，顯示本實(shí)用新型一實(shí)施例的超聲波生物識別傳感器。

圖3至圖5為一俯視圖，顯示本實(shí)用新型的超聲波生物識別傳感器的多種壓電組件的局部結(jié)構(gòu)。

圖6為一方塊圖，顯示本實(shí)用新型一實(shí)施例的超聲波生物識別傳感器的控制電路。

圖7為一示意圖，顯示本實(shí)用新型一實(shí)施例的超聲波生物識別傳感器的封裝結(jié)構(gòu)。

圖8至圖10為一示意圖，顯示本實(shí)用新型一實(shí)施例的超聲波生物識別傳感器的制備步驟。

符號說明

100 超聲波指紋傳感器

101 超聲波傳感器

102 CMOS感測電路

103 墊高層

104 空腔

110 緩沖層

20 感測芯片

21 基板

211 第一區(qū)域

212 第二區(qū)域

213 空腔

214 外部導(dǎo)電接點(diǎn)

22 超聲波傳感陣列

221 壓電組件

222 浮板

223 支持臂

224、225 導(dǎo)電跡線

224a 下電極

224b、224c 導(dǎo)電接點(diǎn)

23 控制電路

231 控制器

232 超聲波脈沖產(chǎn)生器

233 行譯碼器

234 放大電路

235 列譯碼器

236 模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器

237 通訊接口

24 保護(hù)層

25 金屬凸塊

26 填充材料

30 封裝基板

31 被動(dòng)組件

32 導(dǎo)電接點(diǎn)

40 平板

41 黏膠

FP 指紋

R 脊部

US 入射的超聲波

USr 脊部的超聲波

USv 谷部的超聲波

V 谷部

具體實(shí)施方式

以下將詳述本實(shí)用新型的各實(shí)施例，并配合圖式作為例示。除了這些詳細(xì)說明之外，本實(shí)用新型亦可廣泛地施行于其它的實(shí)施例中，任何所述實(shí)施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)，并以權(quán)利要求為準(zhǔn)。在說明書的描述中，為了使讀者對本實(shí)用新型有較完整的了解，提供了許多特定細(xì)節(jié)；然而，本實(shí)用新型可能在省略部分或全部特定細(xì)節(jié)的前提下，仍可實(shí)施。此外，眾所周知的步驟或組件并未描述于細(xì)節(jié)中，以避免對本實(shí)用新型形成不必要的限制。圖式中相同或類似的組件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，并非代表組件實(shí)際的尺寸或數(shù)量，有些細(xì)節(jié)可能未完全繪出，以求圖式的簡潔。

請參照圖2，本實(shí)用新型的一實(shí)施例的超聲波生物識別傳感器包含一感測芯片20，其包含一基板21、一超聲波傳感陣列22以及一控制電路23?；?1包含一第一區(qū)域211以及一第二區(qū)域212。超聲波傳感陣列22設(shè)置于基板21的第一區(qū)域211。超聲波傳感陣列22包含多個(gè)陣列排列的壓電組件221，且每一壓電組件221設(shè)置于一浮板222。浮板222是以橫向延伸的至少一支持臂223懸浮于一空腔213的一開口端。舉例而言，請參照圖3，于一實(shí)施例中，浮板222是以二個(gè)橫向延伸的支持臂223懸浮于空腔213的開口端。但不限于此，浮板222亦能夠以一個(gè)或四個(gè)支持臂223懸浮于空腔213的開口端，如圖4以及圖5所示。于一實(shí)施例中，壓電組件221的材料可為聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-trifluoroethylene，PVDF-TrFE)的混合材料、氮化鋁(AlN)或鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate，PZT)等。壓電組件221的工作頻率介于20-30Mhz。超聲波傳感陣列22的像素間距，即壓電組件221之間距可為50μm。

控制電路23設(shè)置于基板21的第二區(qū)域212。控制電路23可經(jīng)由支持臂223與每一壓電組件221電性連接，以控制超聲波傳感陣列22產(chǎn)生超聲波并讀取超聲波傳感陣列22所接收的超聲波反射信號。舉例而言，請參照圖2以及圖3，控制電路23可藉由通過支持臂223的導(dǎo)電跡線224、225與壓電組件221的下電極以及上電極電性連接。請參照圖6，于一實(shí)施例中，控制電路23包含一控制器231、一超聲波脈沖產(chǎn)生器232、一行譯碼器233、一放大電路234、一列譯碼器235、一模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器236以及一通訊接口237?？刂破?31可接收外部指令產(chǎn)生頻率信號，以控制超聲波傳感陣列22的超聲波發(fā)射以及接收的電路動(dòng)作，并產(chǎn)生生物識別輸出信號。超聲波脈沖產(chǎn)生器232則由控制器231控制來產(chǎn)生時(shí)序(timing)。于一實(shí)施例中，超聲波的工作頻率介于20-30Mhz，較佳者，超聲波的工作頻率為25Mhz。于一實(shí)施例中，控制器231控制行譯碼器233的開關(guān)，逐行驅(qū)動(dòng)超聲波傳感陣列22產(chǎn)生超聲波，并控制放大電路234進(jìn)行同步取樣與維持(Sample and hold)的動(dòng)作?？刂破?31再控制列譯碼器235逐列輸出超聲波反射信號至模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器236，并將超聲波反射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?？梢岳斫獾氖?，放大電路234以及模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器236可視為一信號處理器。模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器236所輸出的數(shù)字信號可暫存于控制器231內(nèi)部緩存器，經(jīng)運(yùn)算后即可透過通訊接口237輸出生物識別輸出信號至外部裝置，例如智能型手機(jī)的運(yùn)算單元。于一實(shí)施例中，通訊接口237可為序列周邊接口(Serial Peripheral Interface，SPI)或通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)。

請參照圖7，于一實(shí)施例中，本實(shí)用新型的超聲波生物識別傳感器更包含一保護(hù)層24，其覆蓋超聲波傳感陣列22以及控制電路23(參照圖2)?？梢岳斫獾氖牵Ｗo(hù)層24應(yīng)避免填入空腔213，以避免降低發(fā)射超聲波的效能。于一實(shí)施例中，保護(hù)層24的材料可為光阻材料或聚酰亞胺(polyimide，PI)。

于一實(shí)施例中，本實(shí)用新型的超聲波生物識別傳感器更包含一封裝基板30以及至少一被動(dòng)組件31。封裝基板30包含多個(gè)導(dǎo)電接點(diǎn)32，其用以與外部電性連接。于一實(shí)施例中，封裝基板30的材料可為聚酰亞胺(PI)。被動(dòng)組件31設(shè)置于封裝基板30的一第一表面。感測芯片20亦設(shè)置于封裝基板30的第一表面，亦即與被動(dòng)組件31位于封裝基板30的相同側(cè)。感測芯片20可藉由基板21上的外部導(dǎo)電接點(diǎn)214以及封裝基板30上的導(dǎo)電跡線與導(dǎo)電接點(diǎn)32以及被動(dòng)組件31電性連接。舉例而言，感測芯片20能夠以外部導(dǎo)電接點(diǎn)214上的多個(gè)金屬凸塊25與封裝基板30共晶鍵合(eutectic bonding)，以達(dá)到接合以及電性連接的目的?；蛘撸袦y芯片20亦能夠以多個(gè)金屬凸塊25以及異向?qū)щ娔?Anisotropic Conductive Film，ACF)固接于封裝基板30。

于一實(shí)施例中，本實(shí)用新型的超聲波生物識別傳感器更包含一填充材料26，其填充于感測芯片20以及封裝基板25之間，以去除空氣間隙。舉例而言，填充材料26可為硅膠。封裝完成的超聲波生物識別傳感器可利用黏膠41固定于使用者可接觸的平板40，例如智能型手機(jī)的面板或外殼。使用者的手指即可在超聲波傳感陣列22的感測區(qū)域內(nèi)接觸平板40以讀取手指的指紋或其它生物特征進(jìn)行使用者的身分識別。

請參照圖8至圖10，以說明本實(shí)用新型的超聲波生物識別傳感器的制造方法。首先，在基板21的第二區(qū)域212內(nèi)制作控制電路23。舉例而言，控制電路23包含互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)等集成電路組件以及內(nèi)連接線。接著，在最上層的金屬層(例如導(dǎo)電跡線224)上形成鈍化層(Passivation Layer)，并在鈍化層上形成開孔以曝露出部分導(dǎo)電跡線224作為壓電組件221的下電極224a或?qū)щ娊狱c(diǎn)224b、224c，如圖8所示。舉例而言，導(dǎo)電接點(diǎn)224b可作為與壓電組件221的上電極電性連接的導(dǎo)電接點(diǎn)；導(dǎo)電接點(diǎn)224c可作為圖7所示的外部導(dǎo)電接點(diǎn)214。

接著，請參照圖9，在下電極224a上沈積或鍍上壓電材料以作為壓電組件221。于一實(shí)施例中，壓電材料可為聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)的混合材料、氮化鋁(AlN)或鋯鈦酸鉛(PZT)。舉例而言，以PVDF作為壓電材料時(shí)，先利用旋轉(zhuǎn)涂布(spin coating)形成一PVDF層，再鍍上金屬保護(hù)層后，利用光罩制程以濕式蝕刻定義出壓電組件221的位置以及尺寸大小。所采用的濕蝕刻液可為N,N'-二甲基乙酼胺(N,N'–dimethylacetamide，DMA)。以PVDF-TrFE作為壓電材料時(shí)，所采用的蝕刻液可為2-丁酮(2-butanone)?？梢岳斫獾氖牵捎酶墒轿g刻(Reactive Ion Etching)亦可部分移除PVDF或PVDF-TrFE以定義出所需的壓電組件221圖案。

于一實(shí)施例中，以不會產(chǎn)生CMOS制程污染物的氮化鋁(AlN)作為壓電材料時(shí)，可透過反應(yīng)脈沖直流磁控濺鍍(reactive pulsed-DC magnetron sputtering)形成一氮化鋁層。接著，以干式蝕刻法(dry etching)或以四甲基氫氧化銨(Tetramethylammonium hydroxide，TMAH)作為蝕刻液的濕式蝕刻法，部分移除氮化鋁以定義出所需的壓電組件221圖案。

于一實(shí)施例中，以鋯鈦酸鉛(PZT)作為壓電材料時(shí)，美國公開專利申請案US 2014/0049136A1所揭露的濺鍍方法形成一鋯鈦酸鉛薄膜。接著，以干式蝕刻法或濕式蝕刻法部分移除鋯鈦酸鉛以定義出所需的壓電組件221圖案。

接著，請參照圖10，利用蒸鍍等金屬薄膜制程以及黃光制程鍍上并定義出壓電組件221的上電極，其透過導(dǎo)電跡線225與導(dǎo)電接點(diǎn)224b電性連接。以PVDF作為壓電材料時(shí)，因PVDF材料有多孔的粗糙特性，因此，壓電組件221的上電極可選用半導(dǎo)體制程所使用的鋁或鈦等材料。以氮化鋁(AlN)作為壓電材料時(shí)，可選用鉬(molybdenum，Mo)作為壓電組件221的上電極材料。

最后，打開蝕刻窗口，并利用異向蝕刻法(Anisotropic etching)，以四甲基氫氧化銨(TMAH)作為蝕刻液移除壓電組件221下方的部分基板21即可形成空腔213以及懸浮于空腔213開口端的浮板222，如圖2所示。依據(jù)上述制程，浮板222主要是由鈍化層(例如二氧化硅或氮化硅(Silicon Nitride)等材料)所構(gòu)成?？梢岳斫獾氖?，利用異向蝕刻法所形成的空腔213，其相對于基板21的投影面積將大于或等于浮板222相對于基板21的投影面積。此外，空腔213的側(cè)壁為一斜面亦為異向蝕刻法的特征之一。

需說明的是，上述實(shí)施例是將超聲波傳感陣列以及控制電路以橫向配置的方式設(shè)置于基板上?？梢岳斫獾氖?，利用多層結(jié)構(gòu)以及設(shè)置犧牲層的方式亦能夠?qū)⒊暡▊鞲嘘嚵幸约翱刂齐娐芬灾毕蚺渲玫姆绞綄?shí)現(xiàn)。

綜合上述，本實(shí)用新型的超聲波生物識別傳感器是在同一基板上制作控制電路以及超聲波傳感陣列后，整合微機(jī)電系統(tǒng)(microelectrical mechanical system，MEMS)制程，利用異向蝕刻制程在超聲波傳感陣列中的每一壓電組件下形成空腔，因此本實(shí)用新型無需使用晶圓镕接制程，且良率以及產(chǎn)率高，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

以上所述的實(shí)施例僅是為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，當(dāng)不能以之限定本實(shí)用新型的專利范圍，即大凡依本實(shí)用新型所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的專利范圍內(nèi)。