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Die
Erfindung betrifft einen Miniatursensorchip zum Messen von Strukturen
in einer Oberfläche, insbesondere
zum Messen von Strukturen in einer Fingeroberfläche.
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Fingerabdrucksensoren
auf der Basis einer kapazitiven Kopplung eines AC-Signals von der
Fingeroberfläche
mit Matrix-Sensorelementen sind z. B. aus der
WO 98/58 342 gut bekannt.
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Die
US-Patente 5 963 679 und
6 069 970 beschreiben ähnliche
Sensoren auf der Grundlage verschiedener Messprinzipien und mit
zweidimensionalen Sensormatrizes.
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Für spezialisierte
Anwendungen, z. B. um in Mobiltelefonen oder einem Lap-Top-PC befestigt
zu werden, ist es jedoch wichtig, die Sensoren so klein wie möglich herzustellen.
Solche Miniatursensoren werden auch kostengünstig sein, wenn sie unter
Verwendung von Herstellungsverfahren gefertigt werden, die für eine Massenproduktion
geeignet sind.
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Die
Herstellung von integrierten Schaltkreisen aus Silizium ist ein
Verfahren, das auf diese Weise eine Miniaturisierung mit niedrigen
Produktionskosten kombiniert. Die
US-Patente
5 963 679 und
6 069
970 wie auch Shigematsu et al. in „A 15 × 15 mm
2 Single-Chip
Fingerprint Sensor and identifier using Pixel-Parallel Processing", 1999 IEEE International
Solid state Circuits Conference, TA 7.5, (1999) und Inglis et al
in „A
robust, 1,8 V 250 μW
Direct-Contact 500 dpi Fingerprint Sensor", 1998 IEEE International Solid state
Circuits Conference, SA 17.7, (1998) beschreiben derartige kapazitive
Fingerabdrucksensoren, bei denen die Hauptaufgabe darin besteht,
die kapazitiven Sensorelemente mit Verstärker- und elektronischen Schaltkreisen
für eine
Signalbehandlung in einem Einzelschaltkreis aus Silizium oder einem
anderen Halbleitermaterial zu integrieren. Zusätzlich zu dem hohen Grad an
Miniaturisierung sieht dieses Konzept Vorteile in Bezug auf die
Signalqualität
vor, da die Verstärkerelektronik nahe
an den kapazitätsempfindlichen
Elementen in der Sensormatrix positioniert werden können. Die Empfindlichkeit
gegenüber
Rauschen und parasitären
kapazitiven Kopplungen kann daher auf ein Minimum reduziert werden.
Der Anspruch 1 ist gegenüber
diesem Stand der Technik abgegrenzt.
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Der
Nachteil in Bezug auf solche „integrierte" Sensoren ist jedoch
der, dass solche Halbleiterschaltkreise für einen direkten Kontakt mit
der Umgebung nicht geeignet sind und daher mit einem Gehäuse versehen
sein müssen,
das die Schaltkreise vor Feuchtigkeit, Verschleiß, Korrosion, chemischen Stoffen,
elektronischem Rauschen, mechanischen Einflüssen, elektrischen Sonnenlichtentladungen
etc. schützt.
Das
US-Patent 5 862 248 sieht
eine mögliche
Lösung
für dieses
Problem vor, bei der der Schaltkreis auf solch eine Weise umschlossen
ist, dass zugelassen wird, dass der Finger durch eine Öffnung in
der Oberseite des Gehäuses
mit der empfindlichen Oberfläche
des Sensors direkt in Kontakt gelangen kann.
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In
vielen Fällen
wird diese Lösung
nicht ausreichend sein, um die erforderliche Zuverlässigkeit bereitzustellen.
Die Materialien (Metall, Nichtleiter), die auf der Oberfläche der
integrierten Schaltkreise verwendet werden, sind üblicherweise
nicht ausreichend zuverlässig,
um dem Einfluss der äußeren Umgebung
und einem Kontakt mit dem Finger über eine längere Zeitspanne standzuhalten,
und daher wird auch diese Lösung
zu Zuverlässigkeitsproblemen
führen.
Die Probleme können
reduziert werden, indem zusätzliche
Schichten aus Metall und Nichtleitern auf der Chip oberfläche hinzugefügt werden,
wie in dem
US-Patent 6 069 970 beschrieben.
Solche Schichten werden jedoch im Allgemeinen die Produktionskosten
erhöhen
und Kompatibilitätsprobleme
mit dem Halbleiterverfahren (in Bezug auf die Verarbeitungstemperatur,
schwankende Abmessungen auf Grund von Temperaturdifferenzen etc.)
mit sich bringen.
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Ein
weiteres Problem mit dem in dem
US-Patent
5 862 248 beschriebenen Gehäuse besteht darin, dass die Öffnung,
die nach unten zu der Oberfläche
des Schaltkreises führt,
eine Differenz in der Höhe
zwischen der empfindlichen Oberfläche des Sensors und der Gehäusefläche im Allgemeinen
vorsieht, was beim Gebrauch unvorteilhaft ist. Gleichzeitig kann
das Verfahren nicht standardmäßige und kostspielige
Packungsverfahren zum Befestigen und Koppeln mit dem Sensorschaltkreis
erfordern.
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Die
US-Patente 5 963 679 und
6 069 970 wie auch die Artikel,
auf die oben stehend Bezug genommen wurde, beruhen alle auf dem
Prinzip einer zweidimensionalen Matrix. Ein Nachteil besteht darin, dass
die Sensoren zu kostspielig für
eine Anzahl von Anwendungen sein werden, da sie eine Siliziumfläche mit
einer Größe im Bereich
von 12·12
mm benötigen,
um eine Abbildung des gesamten Fingerabdrucks vorsehen zu können. Der
Herstellungspreis für
die integrierten Schaltkreise ist ungefähr proportional mit der Siliziumfläche, sodass
eine Reduktion dieser Fläche
Kosten sparen wird.
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Das
Problem mit einer solchen Siliziumfläche kann bis zu einem gewissen
Grad mit sogenannten „Liniensensoren" oder Scannern (
WO 98/58 342 ), die aus
einer oder mehreren Linien („eindimensionale” Matrix)
von Sensorelementen bestehen, vermieden werden. Die Idee besteht
darin, dass solche Sensoren eine Abbildung eines über dem
Sensor bewegten Fingers bereitstellen können. Durch Abtasten des Signals
von den Sensorelementen in gewählten
Zeitintervallen und Messen der Geschwindigkeit des Fingers kann
die Struktur des Fingerabdrucks bestimmt werden. Daher kann der
integrierte Schaltkreis, der so lang sein muss wie die Breite des
Fingerabdrucks, viel schmaler sein und daher eine weit kleinere
Fläche
aufweisen als der entsprechende Sensor, der auf einer zweidimensionalen
Matrix beruht. Die Erfahrung in der Produktion zeigt allerdings, dass
solche langen, schmalen Siliziumschaltkreise schwierig zu handhaben
sind und daher einen gewissen Anteil an Bruch bei der Herstellung
aufweisen, während.
sie gleichzeitig schwächer
sind, wenn sie äußeren Einflüssen wie
z. B. der Kraft von einer Fingeroberfläche ausgesetzt sind.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Miniatursensorlösung sicherzustellen,
die das technische Risiko bei einem Einfluss der äußeren Umgebung
auf den Sensor eliminiert, was ohne die Verwendung einer spezialisierten
oder nicht standardmäßigen Verpackungstechnologie
realisiert werden kann, was die Notwendigkeit eines integrierten
elektronischen Schaltkreises mit derselben Größe wie der Fingerabdruck, den
man abbilden will, eliminiert, und wobei der Schaltkreis nicht so
lang sein muss wie die Fingerbreite. Dieses Ziel wird durch Verwendung
eines Sensorchips erreicht, der in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben
ist.
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Die
Erfindung betrifft daher ein Substrat, das eine Grenzfläche gegen
die Finger eines Benutzers bildet, mit einem Halbleiterschaltkreis
an der entgegengesetzten Seite des Substrats integriert ist und eine
Verstärkungs- und Signalbehandlungselektronik zum
Lesen der Signale von dem Finger umfasst. Das Prinzip beruht auf
einer Positionierung des bildgebenden Sensorelements an der oberen
Seite des Substrats, und dass sie durch sogenannte Kontaktlöcher mit
der Abfrageelektronik auf der entgegengesetzten Seite des Substrats
gekoppelt sind. Die Abfrageelektronik ist vor zugsweise ein „nackter" (unverpackter) integrierter
Siliziumschaltkreis (ASIC), der unter Verwendung einer gut bekannten
Technologie auf der Rückseite
des Substrats befestigt ist.
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Keramische
Substrate mit kundenspezifischen Kontaktlöchern sind im Handel sowohl
als keramische Platten mit gebohrten oder metallgefüllten Löchern als
auch als sogenannte LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic = Niedertemperatur-Einbrand-Keramik)-Strukturen
erhältlich.
Die Kosten pro Fläche
für solche
keramischen Substrate sind derzeit deutlich niedriger als die Produktionskosten
für Siliziumschaltkreise.
Eine solche Hybridlösung
wird daher einen sehr kompakten Sensor mit niedrigeren Produktionskosten
als für
einen integrierten Sensor, der mit herkömmlichen Verpackungstypen aus
Kunststoff oder Keramik kombiniert ist, vorsehen.
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Indem
man Leiter von den Positionen der Sensorelemente entweder an der
Vorder- oder der Rückseite
des Substrats zu den Abfrage-Eingangs-Kontakten führt, stellt man die Fläche des
Abfrageschaltkreises unabhängig
von der Sensorform her. Es ist daher möglich, einen Abfrageschaltkreis mit
einer beliebigen Form und Größe zu verwenden. Dies
wird die Produktionskosten deutlich reduzieren. Zusätzlich zu
einem solchen Kosteneffekt besitzt die Kombination aus Substrat
und Halbleiterschaltkreis den Vorteil, dass sie viel von der technologischen
Unsicherheit in Bezug auf äußere Einflüsse eliminiert, da
das Substrat an sich einen Schutz vor vielen der oben erwähnten Einflüsse bereitstellen
wird, und dass sie eine größere Flexibilität bei der
Wahl der Materialien, die in direktem Kontakt mit dem Finger stehen
sollen, bezüglich
Verschleiß,
Zuverlässigkeit, Feuchtigkeitsaufnahme
etc. besitzt.
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Die
vorliegende Lösung
lässt auch
eine elegante Implementierung von Metallelektroden und ähnlichen
Strukturen an der Vorderseite des Substrats zu, um Funktionalität und sichere,
erhöhte
Signalqualität
hinzuzufügen,
wie z. B. eine Modulationselektrode (zum Koppeln einer AC-Spannung
in den Finger) und eine Aktivierungszelle zum Detektieren des Vorhandenseins
eines Fingers. Solche Metallelektroden werden auch eine wichtige
Funktion dabei erfüllen,
den Strom in Bezug auf die elektronischen Entladungen z. B. von
einem Finger wegzuleiten.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von keramischen
Substraten beschränkt.
Es ist auch möglich,
dieselbe Struktur auf der Basis von Substraten aus Glas, Materialien
auf Kunststoffbasis, z. B. Leiterplatten und Silizium, zu realisieren,
sofern sie elektrisch isoliert ist, um eine Isolierung zwischen
den elektrischen Leitern durch oder an dem Substrat vorzusehen.
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Durch
Verwenden von Siliziumsubstraten kann man auch einfache, aktive
Komponenten wie z. B. Transistoren, Dioden und Widerstände in Erwägung ziehen,
um z. B. Vorverstärker
und andere Komponenten entweder an der Vorder- oder der Rückseite
des Substrats direkt in dem Substrat zu realisieren. Im letzteren
Fall kann es auch von Vorteil sein, Siliziumverfahren zu verwenden,
die deutlich weniger kostspielig pro Fläche sind als typische Verfahren,
die zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet werden
wie z. B. CMOS oder BiCMOS. Solch eine Lösung mit einem „aktiven" Siliziumsubstrat
besitzt gemeinsame Merkmale mit einigen der oben erwähnten Patente,
in denen der Sensor auf einem integrierten Schaltkreis beruht. Allerdings
unterscheidet sich das vorgeschlagene Konzept von diesen Patenten
in der Verwendung von Kontaktlöchern
durch das Siliziumsubstrat, um die Signale von den Elementen zu
einem Signalbehandlungsschaltkreis an der Rückseite des Substrats zu leiten.
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Die
vorliegende Erfindung wird in größerem Detail
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die
die Erfindung beispielhaft veranschaulichen.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (schematisch).
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2 zeigt
einen Querschnitt einer alternativen, vereinfachten Ausführungsform
der Erfindung (schematisch).
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3 zeigt
einen Aufriss der Verteilung von Sensorpunkten gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
eine kombinierte Modulationselektrode und Aktivierungszelle zum
Positionieren auf einem Sensorchip gemäß der Erfindung.
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5 zeigt
eine Variante der in 2 veranschaulichten alternativen
Ausführungsform.
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6 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform der
Sensoranordnung, wenn sie in Anwendungen für eine Navigation/Maus verwendet
wird.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich,
besteht der Sensorchip gemäß der Erfindung
vorzugsweise aus einem nackten (unverpackten) Siliziumchip 1,
der mit einem keramischen Substrat 2 integriert ist, welches
die Grenzfläche
gegen die Finger des Benutzers bildet. Das Prinzip beruht darauf,
dass die bildgebenden Sensorelemente 3 an der Vorderseite
des Substrats positioniert sind, und dass sie durch sogenannte Kontaktlöcher 4 mit
der Ab frageelektronik an der Rückseite
des Substrats gekoppelt sind. Wie oben erwähnt, wird das Substrat 2 vorzugsweise
aus einem keramischen Material hergestellt sein, es sind aber auch
andere Lösungen,
z. B. Glas, Materialien auf Kunststoffbasis (z. B. Platinen/Glasfaserschichtstoffe)
und Silizium, vorstellbar.
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Die
vorliegende kombinierte Lösung
(Substrat 2 und nackter Chip 1) kann industriell
integriert werden, indem der Siliziumchip in die Rückseite
des Substrats befestigt wird und unter Verwendung einer gut bekannten
Technologie hier mit den Leitungsanschlüssen gekoppelt ist. Eine sehr
kompakte Lösung wird
durch Verwendung der sogenannten Flip-Chip-Technologie, z. B. mit sogenannten Lötkontakthügeln 5,
erhalten. Eine andere Lösung
kann darin bestehen, den Chip an das Substrat zu kleben und eine
elektrische Kopplung mit dem Substrat durch sogenanntes Drahtbonden
zu erhalten. Es sind auch Verfahren vorstellbar, in denen der Siliziumschaltkreis
auf eine geeignete Weise, um einen elektrischen Kontakt zu erhalten,
zu dem Substrat gerichtet beschichtet wird. Im Fall des Siliziumsubstrats
ist es auch möglich,
dass der separate elektronische Schaltkreis nicht notwendig ist,
da viele der erforderlichen Komponenten direkt in die Rückseite
des Substrats integriert sind.
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Für einen
elektrischen Kontakt von Eingangs- oder Ausgangsschnittstellen des
Sensorchips und um die Komponente auf einem darunter liegenden Komponententräger zu befestigen,
kann die Unterseite des Substrats mit sogenannten BGA(Ball Grid
Array)-Kugeln 13 versehen sein, was ebenfalls eine Standardtechnologie
darstellt.
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Um
die erforderliche Funktionalität
für das auf
der Kapazität
beruhende Messprinzip vorzusehen, ist das Substrat mit einer Anzahl
von Schichten wie z. B. in 1 offenbart,
versehen. Die Fig. beschreibt eine mögliche Lösung und stellt keine Einschränkung in
Bezug auf andere Kombinationen von Schichten dar.
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Die
vorgesehenen Schichten an dem Substrat, die in den 1 und 2 gezeigt
sind, zeigen Beispiele für
den Aufbau des Substrats und werden nachfolgend beschrieben. Ein
geschichteter Aufbau mit einem dünnen
Film oder einem dicken Film an einem keramischen oder anderen Arten
von Substraten ist eine gut bekannte Technologie, mit Ausnahme der
Funktionalität
der einzelnen Schichten und der Kombination derselben, die durch
die vorliegende Erfindung abgedeckt sind, insbesondere in Bezug
auf Fingerabdrucksensoren als eine Variante des in der internationalen
Patentanmeldung Nr. PCT/NO98/00 182 beschriebenen Sensors, der eine
im Wesentlichen lineare Sensoranordnung 11 umfasst, wie
in 3 gezeigt. 3 zeigt
auch sekundäre
Sensorgruppen 12, die unter anderem für Geschwindigkeitsmessungen
an einem relativ zu dem Sensor bewegten Finger verwendet werden
können,
wie in der oben erwähnten
Patentanmeldung beschrieben. Ein linienförmiger Sensor besitzt den großen Vorteil, dass
er viel weniger Platz und besondere Kanäle benötigt als ein zweidimensionaler
Sensor mit derselben Auflösung,
sodass er mit niedrigeren Kosten hergestellt werden kann.
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In
1 bildet
die erste Metallschicht
6 die bildgebenden Sensorelemente
3 und
Leitungsanschlüsse
6 von
den Elementen zu den Kontaktlöchern
4 durch
das Substrat
2 zu den darunter liegenden „Lötkontakthügeln"
5 über einen
kopfüber
direkt montierten ASIC
1. Wie erwähnt, können die Sensorelemente, wie
in
3 beschrieben, als eine Variante der patentierten
Lösung
in dem
norwegischen Patent Nr.
304 766 (das der PCT/NO98/00 182 entspricht) angeordnet
sein. Die erste dielektrische Schicht
7 in
1 dient
als eine Isolierschicht zwischen den Leitungsanschlüssen in
der ersten Metallschicht und der Erdungsebene der zweiten elektrisch leitenden
Schicht
8. Diese Schicht
7 kann die gesamte Substratoberfläche abdecken.
Die Schicht bildet auch einen Teil der gesamten dielektrischen Dicke (Isolierung)
zwischen dem Finger und dem Sensorelement. Um die geometrische Auflösung zu
bewahren, darf die Schicht im Bereich direkt über den Sensorpunkten nicht
zu dick sein. In diesem Bereich ist die dielektrische Dicke vorzugsweise
so groß oder kleiner
als die Distanz zwischen den Sensorpunktzentren. Gleichzeitig muss
sie ausreichend dick sein, um (zusammen mit der nächsten dielektrischen Schicht
und weiterer Elektronik zum Schutz vor elektrostatischer Entladung)
eine elektrische Leitung (bei elektrostatischen Entladungen) von
der Sensoroberfläche
zu den Sensorelementen zu verhindern.
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In
Abhängigkeit
von der Dicke der ersten dielektrischen Schicht 7 und der
Geometrie der Leitungsanschlüsse
wird eine parasitäre
Kapazität
zwischen den Leitungsanschlüssen
und der Erdungsebene entstehen, die zu einer Reduktion des gesamten
Messsignals beitragen wird. Um den Einfluss solch einer parasitären Impedanz
zu reduzieren, muss die Schicht eine bestimmte Dicke aufweisen.
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Eine
Variante der vorgeschlagenen Geometrie kann gebildet werden, indem
die dielektrische Schicht 7 mit einer variierenden Dicke
vorgesehen wird, sodass die Dicke am kleinsten im Bereich direkt über den
Sensorelementen und dicker zwischen den Leitungsanschlüssen in
der elektrisch leitenden Schicht 6 und der Erdungsebene 8 ist.
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In
dem Fall, in dem das Substrat aus Silizium hergestellt ist, ist
es möglich,
die Messkapazität durch
eine in Sperrrichtung geschaltete Diode zu ersetzen oder zu ergänzen. Durch Ändern der
Spannung über
dieser Diode ist es möglich,
die Kapazität der
Diode zu ändern,
sodass die Empfindlichkeit des Sensors unter Verwendung der voreingestellten Spannung über der
Diode gesteuert werden kann. Es ist möglich, die Diode aus einem
Basis-Emitter in einem bipolaren Transistor, der Teil eines Vorverstärkers ist,
zu bilden.
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Die
zweite Metallschicht 8 bildet eine Erdungsebene oder eine
Ebene mit einem anderen vorbestimmten Potential, die die Leitungsanschlüsse etc.
gegen ein Rauschen und gegen ein direktes Koppeln des AC-Signals
von dem Finger oder von der Modulationselektrode 10 abschirmt.
Die Erdungsschicht 8 ist vorzugsweise derart gebildet,
dass sie alle Leitungsanschlüsse
an der darunter liegenden ersten Metallschicht 6 abdeckt,
muss jedoch Fenster über
den Sensorelementen 3 aufweisen. Die Öffnungen in der Erdungsebene 8 über den
Sensorelementen 3 tragen dazu bei, das elektrische Feld durch
einen „Linsen"-Effekt und somit
die kapazitive Kopplung zwischen dem Finger und den Sensorelementen
zu formen. Die Konstruktion des Sensorelements 3 und der Öffnung in
der zweiten Metallschicht kann optimiert werden, um die Signalstärke zu maximieren,
ohne die geometrische Auflösung
zu reduzieren.
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Eine
Variante der vorgeschlagenen Geometrie kann erhalten werden, indem
Kontaktlöcher
weiter durch die erste und die zweite Metallschicht 6, 8 über dem
Sensorelement 3 hergestellt werden, sodass das Element
nach oben zu der zweiten Metallschicht 8 bewegt wird. Auch
die Verwendung von zwei Erdungsschichten zum Verbessern des Abschirmungseffekts
ist vorstellbar. Die zweite dielektrische Schicht sollte zwischen
der Erdungsebene 8 und der äußeren Metallschicht 10 isoliert
sein. Die Schicht besitzt auch (zusammen mit der Elektronik zum
Schutz vor elektrischer Entladung) eine wichtige Funktion zum Verhindern
eines elektrischen Durchschlags (durch elektrostatische Entladungen)
zwischen der zweiten Metallschicht und der äußeren Metallschicht 10 und
muss daher ausreichende dielektrische Eigenschaften für diesen
Zweck besitzen. Die Schicht bildet auch (wie oben erwähnt) einen
Teil der gesamten dielektrischen Dicke (Isolierung) zwischen dem
Finger und dem Sensorelement 3. Um die geometrische Auflösung des
Sensors beizubehalten, sollte sie jedoch nicht zu dick sein. Da
die äußere Metallschicht 10 aus Gründen der
Elektrik die Fläche über dem
Sensorelement 3 abdeckt, wird der Finger in direkten Kontakt mit
der zweiten dielektrischen Schicht 9 gelangen. Diese Schicht
sollte daher hart und verschleißfest sein,
um einem Verschleiß und
Bruch wie auch chemischen Einflüssen
von der äußeren Umgebung
und von dem Finger der Benutzer und anderen Objekten standzuhalten.
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Die äußere Metallschicht 10 ist
die oberste Schicht, wenn das Ziel darin besteht, eine Modulationsfrequenz,
wie in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/NO98/00 182 erwähnt, in
den Finger vorzusehen, um eine gute Signalqualität sicherzustellen und wie in 4 veranschaulicht.
Sie muss daher elektrisch leitend mit einer guten Kopplung mit dem
Finger sein und derart geformt sein, dass ein Teil des Fingers während Messungen
immer in Kontakt mit dieser Schicht steht. Gleichzeitig muss sie
hart und verschleißfest
sein, um einem Verschleiß und Bruch
wie auch chemischen Einflüssen
von der äußeren Umgebung
und von dem Finger der Benutzer standhalten zu können. Chrom ist ein mögliches
Metall für
diesen Zweck.
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Die
Modulationselektrode 10 kann mit einer zugewiesenen Ansteuerschaltung
(nicht gezeigt) gekoppelt sein, die wiederum für eine verbesserte Steuerung
der vorgesehenen Modulationen mit den Sensoren gekoppelt sein kann,
vorzugsweise jedoch mit einem Oszillator verbunden sein wird, der
einen Teil der montierten elektronischen Schaltkreise 1 bildet. Die
Leitungsanschlüsse
der Modulationselektrode 10 können auf dieselbe Weise wie
die anderen Leiter 4 durch die verschiedenen Schichten
und das Substrat 2 geführt
sein.
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Solch
eine Modulationselektrode kann mit einer z. B. kapazitiven Aktivierungszelle
kombiniert sein und kann daher verwendet werden, um die Aktivierung
des Sensors von einem Schlafzustand zu einer aktiven Verwendung
zu steuern, um den Energieverbrauch des Sensors zu minimieren.
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Eine
kapazitive Aktivierungszelle kann z. B. als eine ineinander greifende
Fingerkapazität
hergestellt sein, die aus zwei miteinander heiß verbundenen Nockenstrukturen
(Elektroden) 17 besteht, wie in 1 gezeigt.
Wenn das leitende Objekt, z. B. ein Finger, dieser Struktur nahe
kommt, erhöht
sich die Kapazität
zwischen den Elektroden und diese Änderung kann z. B. durch einen
Schwingkreis detektiert werden, der mit geringem Energieverbrauch
arbeiten kann. Es ist auch möglich,
dass das Aktivierungsprinzip auf einer Messung der Änderungen
der Kapazität zwischen
einer Elektrode und der zweiten Metallschicht 8 beruhen
kann.
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Wenn
eine der Elektroden in der äußeren Metallschicht 10 geerdet
ist, solange der Sensor sich im Schlafmodus befindet, wird dies
auch einen wirksamen Schutz gegen elektrostatische Entladungen von
einem Finger oder einem anderen aufgeladenen Objekt bereitstellen,
da die Entladung somit direkt zur Erde geführt. Selbst wenn eine dieser
Elektroden nicht mit der Erde gekoppelt ist, können die Strukturen in der äußeren Metallschicht 10 eine
wichtige Funktion zum Schutz vor elektrostatischer Entladung besitzen,
wenn sie mit Schaltungen zum Schutz vor elektrostatischer Entladung
wie z. B. Zener-Dioden, zwischen dieser Schicht und der Erde gekoppelt
sind.
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Solche
Schutz-Schaltkreise können
entweder separat an der Rückseite
des Substrats befestigt sein oder sich außen relativ zu dem Sensorchip
befinden.
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Ein
alternatives Verfahren, um die Modulationsfrequenz mit dem Finger
zu koppeln, besteht darin, das elektrisch leitende Material mit
einem dünnen dielektrischen
Film abzudecken, sodass die Kopplung kapazitiv ist. Dies kann den
Vorteil besitzen, dass die Kopplung von Person zu Person gleichmäßiger und
weniger abhängig
von der Feuchtigkeit der Finger ist.
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Eine
dritte Variante zum Koppeln der Finger besteht darin, einen Modulationsring
und eine Aktivierungszelle außerhalb
des Sensorsubstrats vorzusehen. Dies macht die äußere Metallschicht überflüssig.
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Da
die Kennlinie des Verstärkers
und anderer Signalbehandlungselektronik an dem Abfrageschaltkreis
von Element zu Element schwanken kann, wird es von großer Bedeutung
sein, in der Lage zu sein, die Antwort von jedem Sensorelement zu
kalibrieren. Dies kann erreicht werden, indem eine Querelektrode 14 nahe
an der Linie der Sensorelemente oder der zu ihnen führenden
Leiter, z. B. als ein Teil der zweiten Metallschicht 8,
vorgesehen wird. Durch Vorsehen eines modulierten Signals an der
Elektrode werden die Sensorelemente ohne einen Finger oder ein leitendes
Objekt in der Nähe
kapazitiv erregt. Auf der Grundlage der resultierenden Signale von
dem Verstärker
und der Signalbehandlungselektronik wird es daher möglich sein,
die Antwort von jedem Sensorelement abzugleichen. Durch Vorsehen
eines invertierten AC-Signals an dieser Elektrode während Messungen
wird es auch möglich
sein, ein Differenzialmessprinzip zu realisieren, bei dem der konstante
kapazitive Beitrag von den dielektrischen Schichten 7 und 9 von
den Messungen eliminiert ist.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
bei der die Öffnungen 3 in
dem Substrat 2 in den gewählten Positionen der Sensorelemente
positio niert sind, sodass die sie abdeckende erste dielektrische
Schicht 7 nicht notwendig ist. Dies vereinfacht den Aufbau
und kann eine dünnere
dielektrische Schicht vorsehen, erfordert jedoch die Möglichkeit, Kontaktlöcher mit
derselben Trennung wie die Sensorelemente herzustellen. Dies erfordert
es z. B., dass der Durchmesser der Kontaktlöcher wesentlich kleiner als
die Distanz zwischen zwei Sensorelementen ist, die zum Beispiel
50 μm betragen
kann.
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Die
Herstellung des Sensors kann z. B. unter Verwendung der folgenden
Verfahren erfolgen:
- 1. Auf Basis der „Dickfilmtechnologie":
- – Mit
einem Laser werden Öffnungen
durch ein keramisches Substrat (z. B. Aluminiumoxid) gebohrt.
- – Ein
Metall wird durch die Öffnungen
aufgedruckt oder aufgalvanisiert, um elektrisch leitende Kontaktlöcher vorzusehen.
- – Die
leitenden Schichten und Dielektrika an der Vorderseite des Sensors
werden mittels Standard-Dickfilmtechnologie wie z. B. Siebdruck
oder durch ein „Drucken-und-Korrodieren"-Verfahren strukturiert.
Leitende
Schicht: z. B. Gold, Silber, Palladium oder Kupfer.
Dielektrika:
z. B. Glaskeramikmischungen.
- – Entsprechende
Verfahren werden verwendet, um erforderliche Leitungsanschlüsse und
Verbinderpunkte an der anderen Seite des Substrats zu definieren.
- – Der
elektronische Schaltkreis wird durch Standardverfahren wie z. B.
Flip-Chip- oder Drahtbonden montiert.
- – Mögliche geometrische
Auflösung
in der Sensoranordnung (bei Verwendung der derzeit verfügbaren Technologie):
ca. 30–50 μm.
- 2. Auf Basis von Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken:
- – Wie
oben, allerdings werden die Leitungsanschlüsse durch das Substrat durch
sequenzielles Einbauen hergestellt, wobei verschiedene Schichten
aus Keramik und die Bahnen vor dem Sintern gestapelt werden. Mit
dieser Technologie ist es möglich,
eine „3-dimensionale" Struktur herzustellen,
bei der der Siliziumchip in einen Hohlraum unter dem Substrat gelegt
werden kann.
- 3. Auf Basis der Dünnfilmtechnologie:
- – Mit
einem Laser, einem Keramikbohr- oder einem korrosiven Verfahren
werden Öffnungen durch
ein Keramik-, Glas- oder Siliziumsubstrat hergestellt.
- – Ein
Metall oder ein anderes leitendes Material wird durch die Öffnungen
aufgedruckt, aufgalvanisiert oder abgeschieden, um elektrisch leitende Lochkontakte
vorzusehen.
- – Die
leitenden Schichten werden durch Abscheiden von dünnen Schichten
aus Metall (z. B. Al oder Gold) auf dem Substrat, Ausführen eines photolithografischen
Verfahrens und Wegkorrodieren von unerwünschtem Metall definiert.
- – Die
Dielektrika (polymer oder anorganisch) werden auf dem Substrat durch
Spinbeschichtung aufgebracht oder darauf abgeschieden und unter Verwendung
von Standardverfahren strukturiert.
- – Mögliche geometrische
Auflösung
in der Sensoranordnung (bei Verwendung der derzeit verfügbaren Technologie)
ca. 20 μm.
- 4. Auf Basis einer gedruckten Leiterplatte:
- – Gedruckte
Leiterplatten mit metallisierten Löchern werden unter Verwendung
von Standardverfahren einschließlich
eines sogenannten sequenziellen Aufbaus hergestellt.
- – Die
erste leitende Schicht auf jeder Seite des Substrats wird unter
Verwendung von Standard-Leiterplattenkorrosionsverfahren hergestellt (Metall:
Kupfer).
- – Weitere
dielektrische und leitende Schichten werden unter Verwendung eines
so genannten „Polymer-Dickfilmverfahrens" aufgedruckt. Mögliche geometrische
Auflösung
in einer Sensoranordnung (mit der heutigen Technologie) ca. 50–100 μm.
- 5. Wie 1–4,
wobei die Leiter jedoch nicht als separate Kontaktlöcher, sondern
als dünne,
vertikale Streifen von der Oberfläche durch einen oder mehrere
Schlitze 16 in dem Substrat durch das Substrat verlaufen,
wie in 5 gezeigt. Die dünnen Streifen 15 können als
so genannte Stud-Bumps
hergestellt sein, was im Wesentlichen bedeutet, dass auf eine bestimmte
Länge geschnittene
Streifen drahtgebondet werden. Der durchgehende Schlitz 16 kann
dann mit einem elektrisch isolierenden Gussmaterial (z. B. Epoxy) gefüllt werden,
das dann auf derselben Höhe
wie die Substratoberfläche
eingeebnet wird. Diese Struktur erfordert eine Übereinstimmung zwischen der
Kontaktstruktur an dem ASIC und der Form der Sensoranordnung.
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Es
ist auch vorstellbar, dass die dünnen,
vertikalen Streifen 15 (z. B. in der Form von Stud-Bumps)
an den Sensorelementen an der Oberseite des Substrats befestigt
werden und dass es danach mit einem Gussmaterial um die Streifen
herum versehen wird, sodass die Streifenenden von denn Gussmaterial
vorstehen. Man kann die Streifen an dem oberen Rand des Gussmaterials
abschneiden, um eine ebene Struktur vorzusehen. Der Kontakt zwischen
dem Finger und den Streifen wird dann ein ohm'scher sein, besitzt aber den großen Vorteil,
dass er sich nicht ändert,
wenn das Gussmaterial und die Streifen abgerieben werden. Um ein
kapazitives Messprinzip beizubehalten, kann eine kapazitive Kopplung
an einer anderen Stelle in der Struktur vorgesehen sein, z. B. indem
eine kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen der zwei Metallschichten
an der Substratoberseite verwendet wird.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die auf einzigartige
Weise die Vorteile eines Festkörper-Fingerabdrucksensors
bereitstellen. Eine entsprechende Technologie kann auch bei anderen
Anwendungen verwendet werden, bei denen Bedarf an einer Erkennung
von Fingerbewegungen über
einer Fläche
wie z. B. zur Navigation und für Zwecke
in Verbindung mit einer Maus besteht.
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Für solche
Anwendungen kann die Sensoranordnung z. B. aus mehreren Unteranordnungen
bestehen, die in verschiedenen Richtungen an der Sensoroberfläche orientiert
sind und jeweils aus zwei linienförmigen Sensoranordnungen oder
Gruppen von Sensorelementen bestehen, die wie in 6 veranschaulicht,
positioniert sind. Indem das Signal zwischen ver schiedenen Kombinationen
von Sensorpaaren in Beziehung gesetzt wird und festgestellt wird,
welche Sensorpaare mit einer in Beziehung stehenden Zeitdifferenz
korrelierende Signale aufweisen, wird es möglich sein, nicht nur die Fingergeschwindigkeit,
sondern auch die Richtung der Fingerbewegung über den Sensor festzustellen.
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Wenn
eine vollständige
Abbildung der gesamten Fingeroberfläche erforderlich ist, besteht auch
das Problem, dass bei flachen Fingerabdrucksensoren nicht die Möglichkeit
besteht, Messungen an den Seiten des Fingers durchzuführen. Eine
Möglichkeit
besteht daher darin, der Sensoroberfläche und der Sensoranordnung
eine U-Form zu verleihen, die geeignet ist, um die Fingeroberfläche zumindest teilweise
zu umschließen.
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Auch
wenn die hier beschriebenen elektrischen leitenden Schichten als
Metallschichten beschrieben sind, ist es offensichtlich, dass alternative elektrische
Leiter wie z. B. Polysilizium verwendet werden können, die auch verwendet werden
können, wenn
die Herstellungsverfahren und andere Eigenschaften es erlauben.