包括三維圖案的指紋感測裝置的制作方法

本發明涉及指紋感測裝置。特別地，本發明涉及指紋感測裝置中的表面圖案。

背景技術：

隨著用于身份驗證的生物計量裝置的發展，特別是指紋感測裝置的發展，已經導致裝置被制造得更小、更便宜和更節能，對于這種裝置的可能應用在不斷增加。

特別地，由于小的形狀因數、相對有利的成本/性能因數和高的用戶接受度，指紋感測已經越來越多地應用于例如消費類電子裝置中。

基于用于提供指紋感測元件和輔助邏輯電路的CMOS技術而構建的電容指紋感測裝置越來越受歡迎，因為這種感測裝置可以做得小并且節能，同時能夠以高精度識別指紋。因此，電容指紋傳感器有利地用于消費類電子產品例如便攜式計算機、平板計算機以及移動電話如智能手機。

指紋傳感器可以例如被布置在諸如智能手機或平板計算機的手持裝置的前表面上，在此情況下，傳感器通常被布置成具有與用于裝置的顯示器的覆蓋玻璃在相同平面中的感測表面。為了使傳感器與覆蓋玻璃融合或者將指紋傳感器與覆蓋玻璃區分開，可能需要選擇指紋傳感器的特定顏色或圖案。

然而，包含顏料的常規著色層相當厚，有時大于40μm以實現所需要的顏色和光澤度。厚度影響傳感器性能，這是因為它增加了手指與感測芯片之間的距離。當涉及到產生包括不同顏色的圖案的可能性時，目前已知的使用顏料的涂料溶液也受到限制，因為每種顏色需要單獨的處理步驟，并且取決于應用技術，所得到的圖案的分辨率限于大約100μm。

此外，彩色顏料是僅部分反射入射光的分子，并且顏色由涂料中分子的光吸收限定。取決于所需的顏色，必須發現具有所需特性的分子，并且顏色的微調相當困難。此外，由于顏色取決于材料特性，所以顏色可能隨著顏料老化而變化。

技術實現要素：

鑒于指紋感測裝置的上述期望特性和現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種指紋感測裝置和一種用于制造具有有色表面而無需使用顏料的指紋感測裝置的方法。

根據本發明的第一方面，提供了一種指紋感測裝置，包括：感測芯片，感測芯片包括感測元件的陣列，感測元件被配置成連接到讀出電路，用于檢測在感測元件中的每一個與放置在感測裝置的感測表面上的手指之間的電容耦合；覆蓋層，該覆蓋層垂直地布置在該感測元件之上以覆蓋該感測元件的至少一部分，其中，該覆蓋層的外表面形成感測裝置的感測表面；其中，所述覆蓋層包括被配置成減少在可見光范圍的預定子范圍內的反射光的量的三維(3D)圖案。

覆蓋層垂直地布置在感測元件之上并不排除可以在覆蓋層與感測元件之間布置額外的層。覆蓋層包括三維圖案意味著：圖案包括在三維中具有擴展的單獨特征。

本發明基于這樣的認識：可以制造指紋傳感器，其可以通過使用覆蓋層來調整成具有期望的表面視覺外觀，該覆蓋層包括被配置成減少在可見光范圍的預定子范圍內的反射光的量的三維圖案，從而實現感測裝置的特定顏色。

由于指紋傳感器通常包括某種類型的覆蓋層以物理地保護感測元件。通過使用在覆蓋層中包括的三維圖案來實現關于指紋傳感器的視覺外觀的期望效果，而不會出現例如使用顏料時需要額外材料的情況。此外，可以通過關于尺寸、圖案形狀和材料組成調整三維圖案來實現不同的顏色。此外，可以實現與使用顏料的目前使用方法的已知分辨率相比更高的分辨率。

根據本發明的一個實施方式，三維圖案可以是等離激元陣列。等離激元陣列還可以包括其中納米結構彼此電流隔離的等離激元納米結構陣列。在本上下文中，納米結構通常是指具有至少一個維度并且通常所有三個維度在納米范圍中的結構。納米范圍被認為達到1000nm并包括1000nm。

根據本發明的一個實施方式，選擇納米結構的尺寸、形狀和分布以形成等離激元陣列，該等離激元陣列被配置成減少在可見光范圍的預定子范圍內的反射光的量。等離激元納米結構可以是柱、立方體、孔、盤或具有任何形狀的顆粒。入射光激發納米級結構中的局部表面電子等離子體振蕩。該結構具有基本上在可見光的波長的范圍中的尺寸。通過激發局部表面等離激元，入射光被部分吸收。由于白光由不同波長的光譜組成，所以如果波長中的一些被吸收，則光會改變顏色。光的哪一部分被吸收取決于納米結構的尺寸和周期性。這使得能夠通過改變圖案的尺寸和周期性來改變具有納米結構的樣品的顏色外觀。由于等離激元作用取決于單獨的導電納米結構，所以納米結構彼此電流隔離，使得不在相鄰納米結構之間形成導電路徑。

根據本發明的一個實施方式，三維圖案可以是反射衍射光柵，在此情況下，三維圖案包括用作衍射光柵的納米結構陣列。由于入射光在納米結構處的衍射引起光程長度差，這取決于角度。可以在不同的角度下觀察不同波長的干涉最大值，這取決于波長與光程長度差之間的比率。

根據本發明的一個實施方式，覆蓋層可以包括多個子層。因此，覆蓋層不一定是同質層，并且覆蓋層因此可以包括兩個或更多個子層以形成子層的堆疊。此外，一個或更多個附加層或結構可以布置在覆蓋層上面或之下。在子層或結構布置在三維圖案上面的應用中，這些層需要對于三維圖案至少部分透明，以使相對于傳感器的視覺外觀具有任何效果。

在本發明的一個實施方式中，三維圖案可以布置在被第二子層覆蓋的第一子層中。三維圖案可能需要保護層來為構成陣列的小結構提供機械保護。第二子層可以優選地是透明的以允許光通過第二子層而沒有被吸收。這樣的透明層可以例如是涂覆在三維圖案上的透明材料，或者透明層可以是玻璃蓋板。

根據本發明的一個實施方式，三維圖案可以布置在感測表面處，并且圖案可以有利地被配置成提供疏水性表面特性。除了圖案的波長反射特性之外，它們還可以被配置成提供排斥水的表面，這通過減少粘附到感測表面的水的量來改善指紋感測裝置的性能。該結構可以或者引起增加在液滴與基板表面之間的實際接觸線的粗糙度(Wenzel模型)，或者引起在表面與水滴之間的氣穴(pocket)而這防止液滴接觸表面(Cassie-Baxter模型)。在這兩種情況下，材料的疏水性增大。為了增強疏水效果，結構可以大到10μm。

根據本發明的一個實施方式，三維圖案可以被配置成針對感測裝置的不同區域部分來減少在可見光范圍的不同預定子范圍內的反射光的量，使得在感測表面上形成圖像。通過局部改變結構的尺寸和周期性，可以設計具有不同的單獨設計的顏色的像素，從而允許彩色圖案或者甚至全彩色照片類圖像具有高分辨率。由于該結構允許非常高的分辨率并且難以復制，所以該技術還可以用于創建水印或其他防偽特征。

在本發明的一個實施方式中，三維圖案可以被配置成使得預定子范圍對于不同的視角而言是不同的。取決于三維圖案的配置，還可以實現顏色的角度依賴性。由此可以實現具有非常小的特征尺寸并且難以復制的全息效應，從而提供確保指紋感測裝置的真實性的有效方法。

根據本發明的一個實施方式，覆蓋層的至少一部分可以被光學反射材料涂覆。例如，三維圖案的至少突出部分可以被光學反射材料涂覆。為了獲得更亮或更反射的顏色，可以在結構上面施加金屬，或者結構本身可以由金屬組成。這種反射金屬層不能是導電片，這意味著反射金屬層必須由孤立的金屬島組成。反射層也可以被布置為背景層，使得沒有被三維圖案反射的光可以被反射層反射。

根據本發明的第二方面，提供一種用于制造指紋感測裝置的方法，所述方法包括：提供包括感測元件的陣列的感測芯片，感測元件被配置成連接到讀出電路，用于檢測在感測元件中的每一個與放置在感測裝置的感測表面上的手指之間的電容耦合；形成垂直地布置在該感測元件之上以覆蓋該感測元件的至少一部分的覆蓋層，其中，該覆蓋層的外表面形成該感測裝置的感測表面；以及在該覆蓋層中，形成被配置成減少在可見光范圍的預定子范圍內的反射光的量的三維圖案。

在本發明的一個實施方式中，形成三維圖案的步驟可以有利地包括納米壓印光刻或光蝕刻。光蝕刻和納米壓印光刻(NIL)二者都是可以用于大規模生產的方法。NIL可以以低成本和高生產量使用。NIL基于復制具有期望的納米圖案或微米圖案的反轉的母模(master)。將母模壓在基板上以使熱塑性層或UV可固化層變形。對于大規模應用，可以用卷到卷NIL或模具插件。此外，與由光蝕刻形成的圖案相比，由NIL創建的圖案可以更容易地具有高分辨率。

根據本發明的一個實施方式，該方法還可以包括在三維圖案的突出部分上沉積反射涂層。

本發明的第二方面的額外的優點、效果和特征大部分類似于結合本發明的第一方面上面描述的優點、效果和特征。

當研究所附權利要求書和以下描述時，本發明的進一步的特征和優點將變得明顯。技術人員認識到，在不脫離本發明的范圍的情況下，本發明的不同特征可以組合以產生除了后面描述的那些實施方式之外的實施方式。

附圖說明

現在將參照示出本發明的示例實施方式的附圖更詳細地描述本發明的這些方面和其他方面，在附圖中：

圖1示意性地示出了包括根據本發明的實施方式的指紋感測裝置的手持電子裝置；

圖2a至圖2c示意性地示出了根據本發明的實施方式的指紋感測裝置；

圖3a至圖3f示意性地示出了根據本發明的實施方式的指紋感測裝置；

圖4a至圖4b示意性地示出了根據本發明的實施方式的指紋感測裝置；

圖5是概述根據本發明的實施方式的方法的一般步驟的流程圖；以及

圖6a至圖6c示意性地示出了制造根據本發明的實施方式的指紋感測裝置的方法。

具體實施方式

在本具體實施方式中，主要參考電容指紋感測裝置來討論根據本發明的指紋感測裝置的各種實施方式。還討論了一種用于制造指紋感測裝置的方法。

圖1是包括指紋感測裝置102的手持裝置100的示意圖，該指紋感測裝置102包括觸摸屏顯示器104。指紋感測裝置102可以用于例如移動電話、平板計算機、便攜式計算機或需要識別和/或認證用戶的任何其他電子裝置。

圖2a至圖2b是根據本發明的實施方式的指紋感測裝置200的示意圖。應當注意，附圖不是按比例繪制的，并且它們用于說明本發明的各種實施方式的總體構思。感測裝置200的外表面由于是放置手指以捕捉指紋圖像的表面而被稱為感測表面。指紋感測裝置基于包括感測元件204的陣列的感測芯片202。感測元件204在這里示出為以正方形陣列排列的正方形元件。通常，感測元件具有大約50×50μm的尺寸并且相鄰元件之間的距離為約5μm。感測元件204是導電的，通常是金屬的，并且可以作為一般近似被認為用作在平行板電容器中的一個板，其中，放置在指紋感測裝置200的感測表面上的手指代表另一個板。每個感測元件204連接至讀出電路(未示出)，用于檢測在感測元件204中的每一個與放置在感測表面201上的手指之間的電容耦合，以便捕捉指紋圖像。

感測裝置還包括布置在感測元件204的上面的覆蓋層206，并且覆蓋層206通常被布置成覆蓋感測芯片202的整個區域。此外，覆蓋層包括被配置成減少在可見光范圍的預定子區域內的反射光的量的三維圖案，使得感測裝置200的視覺外觀可以被調整成呈現所選擇的顏色。三維圖案包括以陣列布置的多個納米結構208。三維圖案可以具有等離激元陣列或者反射衍射光柵。在等離激元陣列的情況下，納米結構可以是導電的，通常為金屬的，或者可以由電介質材料制成。在導電納米結構208的情況下，納米結構優選地彼此不電接觸，即它們彼此電流隔離，以便不干擾指紋感測裝置的電容感測機制。然而，納米結構的整體集合的部件可以電連接，只要所得到的連接部分不干擾感測元件的操作即可。通常，這些連接部分不能大于感測元件，或者不能布置成與多個感測元件重疊。例如，當在導電層中以孔的陣列的形式提供納米結構時，導電層以更大的規模中斷，例如與感測元件對準。

圖2c概述了確定三維圖案和納米結構208的特性的參數、確定圖案的反射特性的參數中的一些，其中d表示納米結構208的寬度或直徑，s是在相鄰納米結構208之間的距離(間隔)，p是間距，并且h是納米結構208的高度。即使圖案在這里被示出為包括正方形納米結構的規則正方形陣列，圖案的不同配置也是可能的，并且納米結構可以具有不同形狀例如圓柱形、金字塔形、圓錐形或截頭圓錐形或截頭四棱錐形。納米結構還可以是柱、立方體、孔、盤或具有任意形狀的顆粒。在三維圖案是反射衍射光柵的實施方式中，納米結構可以是長形的，如下所示。

作為示例，用于等離激元陣列的納米結構208可以具有約150nm的高度、約200nm的直徑、周期性為約500nm的約300nm的間隔。應當注意，本發明的各種實施方式絕不限于根據上述的結構，并且給出的示例僅僅描述了納米結構的尺寸的數量級。關于如何形成用于反射不同波長的納米結構陣列的具體示例可以在例如Gu等的Nanoscale的2015年7卷第6409頁中找到。

對于衍射光柵，尺寸大致與上述相同，但是其他形狀也是可行的。

圖3a是指紋感測裝置300的示意圖，其中覆蓋層302包括兩個單獨的子層。第一子層304被布置成覆蓋感測元件204。第一子層304可以是例如用于保護感測元件204并形成可以形成有三維圖案的平坦表面的模具層。第二子層包括形成三維圖案的多個納米結構306。

圖3b是指紋感測裝置310的示意圖，其中，覆蓋層312包括類似于圖3a所示的兩個單獨的子層。然而，在圖3b中，納米結構314僅形成在第二子層316的一部分中。

圖3c是指紋感測裝置320的示意圖，其中覆蓋層322可以包括三個子層304、306和324，其中納米結構306的頂表面被反射材料324涂覆以增強圖案的反射特性，以便盡可能有效地反射未被三維圖案吸收的波長。反射材料324可以是例如金屬。

圖3d是指紋感測裝置330的示意圖，其中覆蓋層332包括：保護感測元件的第一子層304；包括反射材料的第二子層334；以及包括形成三維圖案的納米結構306的第三子層。在反射材料層334基本上覆蓋感測芯片202的整個表面的情況下，反射材料不能如上所述是導電的。

在上述的三維圖案形成指紋感測裝置的外表面的實施方式中，圖案可以有利地被配置成還提供疏水表面特性或者超疏水表面特性。

圖3e示意性地示出了指紋感測裝置340，其中覆蓋層342包括附加子層344，附加子層344布置成覆蓋用于形成三維圖案的納米結構208。附加層344可以是例如被布置成保護納米結構208的模具層。

圖3f示意性地示出了指紋感測裝置350，其中覆蓋層352包括呈保護板354形式的子層，保護板354被布置成覆蓋三維圖案并且形成指紋感測裝置350的外表面358即感測表面。保護板通常包括電介質材料，以便在放置于板上的手指與感測芯片的感測元件之間提供良好的電容耦合。特別地，保護板可以有利地包括玻璃或陶瓷材料，例如化學強化玻璃、ZrO2或藍寶石。上述材料都提供了有利的性能，因為它們是硬的并且因此耐磨損和耐撕裂，并且因為它們是電介質的從而在放置于保護板的表面上的手指與感測裝置的感測元件之間提供了良好的電容耦合。可以使用布置在圖案與板354之間的粘合劑356將保護板354附接至感測裝置。粘合劑356因此可以填充納米結構之間的空間，使得在裝置中沒有空氣進入。

在參照圖3e至圖3f描述的實施方式中，覆蓋三維圖案的材料至少部分地對可見光透明，使得光可以到達圖案。

基于圖3a至圖3f描述的實施方式，技術人員容易認識到，實施方式可以以許多不同的方式組合，從而得到本文未明確描述的感測裝置的配置。因此應當理解，本發明構思同樣適用于指紋感測裝置的大量可能的配置。

圖4a是根據本發明實施方式的指紋感測裝置400的示意圖，其中裝置400的不同區域部分402a至402c具有三維圖案的不同配置。每個區域部分可以被稱為子陣列或彩色像素402a至402c，其不與感測元件混淆。每個彩色像素可以具有被配置成減少在可見光的特定預定子范圍內的反射光的量的三維圖案。圖案和/或納米結構可以以前面討論的任何一種方式變化，使得每個彩色像素顯示期望的顏色。此外，三維圖案的彩色像素可以具有比感測元件的尺寸小得多的尺寸，從而提供在感測裝置400的表面上形成高分辨率圖像的可能性。例如，彩色像素可以具有在500nm×500nm范圍內的尺寸。

圖4b示意性地示出了感測裝置，其中裝置408的不同區域部分包括由鋸齒圖案410a至410b和細長脊412a至412b所示的不同類型的衍射光柵，其中各個圖案的尺寸是不同的以示出每個區域部分可以被調整成反射期望的波長光譜。因此，對于衍射光柵，可以使用與等離激元陣列相比不同形狀的納米結構。

示出的彩色像素還提供了將等離激元陣列與同一平面中的衍射光柵組合的可能性，其中可以基于哪種技術為特定顏色提供更好的結果來選擇用于實現每個特定彩色像素的期望顏色的技術。作為替選配置，還可以提供堆疊層，其中第一層包括等離激元陣列并且其中第二層包括衍射光柵。

關于如何形成具有不同波長反射特性的等離激元陣列的詳細示例可以在例如Si等的“Reflective plasmonic color filters based on lithographically patterned silver nanorod arrays”在Nanoscale的2013年5卷第6243頁中找到。

圖5是概述根據本發明的實施方式的方法的一般步驟的流程圖，并且圖6a至圖6c是概述根據本發明的實施方式的制造步驟的示意圖。將參照示出用于在指紋感測裝置中形成三維圖案的納米壓印光刻方法的圖6a至圖6c來描述該方法。

首先是502，提供了包括感測元件(未示出)的感測芯片602，并且隨后用形成有圖案的覆蓋層604涂覆504感測芯片。覆蓋層可以是例如熱塑性聚合物抗蝕劑。提供壓印模具606，其包括要在覆蓋層604中形成的圖案的反轉版本/鏡像版本。

接下來，在覆蓋層604被加熱到高于玻璃轉化溫度的同時，將壓印模具606壓在覆蓋層604上，使得覆蓋層604變得柔軟且可變形。因此，在覆蓋層604中形成506圖案608。

最后，感測芯片602和壓印模具606被冷卻，使得覆蓋層固化，從而得到其中用三維圖案覆蓋感測元件的感測裝置。

覆蓋層還可以包括UV可固化材料，在此情況下，在壓印模具被壓入覆蓋層之后通過UV光照射該覆蓋層以便硬化。

以上參照圖3a至圖3f描述的任何附加層可以使用常規的和已知的制造方法形成。

盡管已經參照本發明的具體示例性實施方式描述了本發明，但是對于本領域技術人員來說，許多不同的改變、修改等將變得明顯。此外，應當注意，裝置和方法的部分可以以各種方式被省略、交換或布置，該裝置和方法仍然能夠執行本發明的功能。

另外，本領域技術人員在實踐所要求保護的本發明時，可以通過研究附圖、公開內容和所附權利要求來理解和實現所公開的實施方式的變型。在權利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中記載某些措施的單純事實并不表示不能有利地使用這些措施的組合。