具有不同测量电路配置的指纹传感器的制作方法

1.本发明涉及一种包括在指纹传感器装置中的指纹传感器，该指纹传感器装置包括介电材料，该介电材料具有限定指纹传感器装置的手指接收表面的形貌的非均匀厚度分布。本发明还涉及指纹传感器装置，并且涉及电子设备。


背景技术：

2.生物识别系统被广泛用作提高个人电子设备例如移动电话等的便利性和安全性的手段。特别地，指纹感测系统现在包括在大部分所有新发布的个人通信设备例如移动电话中。
3.许多电子设备具有各种弯曲表面，以用于提供改进的用户体验。将期望提供改进的将指纹感测能力在这种电子设备中的集成。


技术实现要素：

4.鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供改进的指纹感测能力在具有至少一个弯曲表面部的电子设备中的集成。
5.根据本发明的第一方面，因此提供了一种包括在指纹传感器装置中的指纹传感器，该指纹传感器装置包括具有非均匀厚度分布的介电材料，该非均匀厚度分布限定了指纹传感器装置的手指接收表面的形貌，指纹传感器包括：布置在感测平面中以用于电容性地感测放置在指纹传感器装置的手指接收表面上的手指的指纹的多个导电感测结构；以及耦合至多个导电感测结构以用于提供指示多个导电感测结构中的每个感测结构与手指之间的电容耦合的测量信号的测量电路，其中，测量电路被布置成：使用第一测量电路配置提供来自多个导电感测结构中的第一组感测结构的第一组测量信号，该第一组感测结构被布置成由厚度在第一厚度范围内的介电材料覆盖；以及使用与第一测量电路配置不同的第二测量电路配置，提供来自多个导电感测结构中的第二组感测结构的第二组测量信号，所述第二组感测结构被布置成由厚度第二厚度范围内的介电材料的厚度覆盖，第二厚度范围仅包括比第一厚度范围更大的厚度。
6.应当注意，术语“测量电路配置”可以包括物理电路配置和电路设置中的任何一个或两个。
7.本发明基于如下一般性认识：在使用感测结构布置在感测平面中的电容指纹传感器的电子设备中实现手指接收表面的非平坦形貌将是有益的。本发明人进一步认识到，可以通过将不同的测量电路配置用于感测平面的不同部分，或者换言之，将不同的测量电路配置用于不同组的感测结构来改进在这种配置中的指纹传感器的感测性能，上述感测平面的不同部分或不同组的感测结构被布置成由不同厚度的介电材料覆盖。
8.由此，在感测平面上可以实现更均匀的信号强度基线，这继而提供了改进的指纹图像质量，这可以被转换为集成根据本发明的实施方式的指纹传感器的电子设备的改进的生物识别认证性能。
9.取决于应当集成指纹传感器的电子设备的设计，第一测量电路配置和第二测量电路配置可以用于指纹传感器的感测平面的不同部分。对于集成在电子设备的凸表面部中的指纹传感器，使用第二测量电路配置的第二组感测结构可以比使用第一测量电路配置的第一组感测结构更居中地定位。对于手指接收表面应当凹入的电子设备，第一组感测结构可以比第二组感测结构更居中地定位等。
10.测量电路可以被布置成将附加的、不同的测量电路配置用于其他组的感测结构。
11.此外，根据各种实施方式，第一组感测结构中的每个感测结构可以覆盖感测平面中的在第一区域范围内的区域；以及第二组导电感测结构中的每个感测结构可以覆盖感测平面中的在第二区域范围内的区域，第二区域仅包括比第一区域范围更大的区域。
12.覆盖不同区域范围内的区域的感测结构提供了用于改进具有感测平面的指纹传感器的感测性能的另外的工具，该指纹传感器集成在具有非平面手指接收表面的电子设备中。特别地，可以选择感测结构的不同区域以用于在感测平面上实现甚至更均匀的信号强度基线，这又提供了改进的指纹图像质量，这可以被转换为集成根据本发明的实施方式的指纹传感器的电子设备的改进的生物识别认证性能。此外，指纹传感器的性能可以不对共模干扰显著敏感，该共模干扰可以例如通过手指(经由人体)或通过指纹传感器集成的电子设备引入。共模干扰可以包括低频分量(例如来自网格)以及/或者可以源自开关电源或nfc信令等的高频分量。由于感测结构是感测链中的第一个，因此通过不同尺寸的感测结构减轻感测结构处的共模干扰在降低共模干扰的影响方面将比仅涉及感测链的其他部分的努力更有效。
13.根据本发明的实施方式的指纹传感器可以有利地包括在指纹传感器装置中，该指纹传感器装置还包括覆盖指纹传感器的感测平面的介电材料，该介电材料具有限定了指纹传感器装置的手指接收表面的形貌的非均匀厚度分布。
14.例如，介电材料可以以适当形状的窗口的形式设置，根据本发明的实施方式的指纹传感器的平面表面被压制或粘合抵靠该适当形状的窗口。替选地，或组合地，该介电材料可以成型在指纹传感器的感测表面上，由此实际上可以确保在感测平面与手指接收表面之间没有气隙。
15.根据本发明的第二方面，提供了一种使用指纹传感器装置获取指纹表示的方法，该指纹传感器装置具有由手指触摸的手指接收表面，该指纹传感器装置包括：布置在感测平面中的多个导电感测结构；耦合至多个导电感测结构以用于提供指示多个导电感测结构中的每个感测结构与手指之间的电容耦合的测量信号的测量电路；以及覆盖感测平面的介电材料，该介电材料具有非均匀厚度分布，该非均匀厚度分布限定了指纹传感器装置的手指接收表面的形貌，该方法包括以下步骤：使用第一测量电路配置，获取来自多个导电感测结构中的第一组感测结构的第一组测量信号，该第一组感测结构由厚度在第一厚度范围内的介电材料覆盖；以及使用与第一测量电路不同的第二测量配置设置，获取来自多个导电感测结构中的第二组感测结构的第二组测量信号，该第二组感测结构由厚度在第二厚度范围内的介电材料覆盖，第二厚度范围仅包括比第一厚度范围更大的厚度。
16.总之，本发明的实施方式因此涉及一种指纹传感器，该指纹传感器包括：布置在感测平面中以用于电容性地感测手指的指纹的多个导电感测结构；以及耦合至多个导电感测结构以用于提供指示多个导电感测结构中的每个感测结构与手指之间的电容耦合的测量
信号的测量电路，其中，测量电路被布置成：使用第一测量电路配置提供来自第一组感测结构的第一组测量信号；以及使用与第一测量电路配置不同的第二测量电路配置提供来自第二组感测结构的第二组测量信号。
附图说明
17.现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
18.图1是包括根据本发明的实施方式的指纹传感器装置的移动电话形式的示例性电子设备的图示；
19.图2是图1中的电子设备的一部分的放大图；
20.图3a至图3b是图1和图2中的移动电话中包括的指纹传感器装置的透视图；
21.图4是图1和图2中的移动电话中包括的指纹传感器装置的部分敞开的透视示意图；以及
22.图5是图4中的指纹传感器装置的示意性截面图；
23.图6示意性地示出了根据本发明的指纹传感器的第一实施方式；
24.图7示意性地示出了图6中的指纹传感器中的测量电路的第一示例配置；
25.图8示意性地示出了图6中的指纹传感器中的测量电路的第二示例配置；
26.图9a至图9b示意性地示出了根据本发明的指纹传感器的第二实施方式；以及
27.图10a至图10b示意性地示出了根据本发明的指纹传感器的第三实施方式。
具体实施方式
28.在本详细描述中，根据本发明的指纹传感器的各种实施方式主要参考包括基于半导体的电容指纹传感器集成电路(ic)的指纹传感器部件形式的指纹传感器装置来描述。应当注意，根据本发明的实施方式的指纹传感器不需要通过介电材料包覆成型，并且可以使用附接到指纹传感器或相对于指纹传感器适当布置的单独部分来替代地实现手指接收表面的形貌。此外，指纹传感器装置的手指接收表面主要例示为凸表面。应当注意，除了手指接收表面由具有非均匀厚度分布的介电材料限定以外，如由权利要求所限定的本发明不限于手指接收表面的任何特定形状或配置。因此，手指接收表面可以是凹的，部分凸的且部分凹的，或者平坦的但是相对于感测平面等倾斜。此外，指纹传感器不必是细长的，而是可以是任何其他形状，例如正方形或圆形等。此外，应该理解，图中的移动电话1仅是包括根据本发明的实施方式的指纹传感器的电子设备的一个示例。根据本发明的实施方式的指纹传感器可以有利地包括在包括例如计算机、电子手表和其他小工具以及智能卡等的许多其他电子设备中。
29.图1示意性地示出了包括设备壳体3和指纹传感器装置(此处，为指纹传感器部件5的形式)的电子设备(此处，为移动电话1的形式)。如图1中可见的，设备壳体3具有带有开口9的凸部7。指纹传感器部件5布置在开口9中，并且还呈现凸形状。指纹传感器部件5的凸形状可以至少在开口9处基本上遵循设备壳体3的凸部7的凸形状。这在图2中的部分放大中更好地看到。
30.图3a至图3b是包括在图1和图2中的移动电话1中的指纹传感器部件5的透视图。
31.图3a是示出指纹传感器部件5的部件顶面11和侧表面13的透视图。如图3a中可以看见的，在该特定示例配置中的指纹传感器部件5是细长的，具有长度l和宽度w。
32.图3b是示出指纹传感器部件5的部件底面15和侧表面13的透视图。如图3b中可见的，指纹传感器部件5具有在部件底面15上的部件导体图案17。在图3b的实施方式中，部件导体图案17限定了具有多个部件连接焊盘19(这些部件中只有一个由图3b中的附图标记指示以避免使附图混合)的栅格阵列(land grid array)。
33.图4是包括在图1中的移动电话1中的并且在图3a和图3b中示出的指纹传感器部件5的部分敞开的透视示意图。
34.参照图4，指纹传感器部件5包括基底21、指纹传感器管芯23和成型材料25。基底21具有基底顶面27和基底底面29。基底顶面27具有包括在图4中可见的接合焊盘31的顶面导体图案，并且(尽管在图4中不可见)基底底面29具有可以构成以上参照图3b描述的部件导体图案17的底面导体图案。指纹传感器管芯23具有管芯顶面33、管芯底面35以及连接管芯顶面33和管芯底面35的侧表面37。管芯顶面33包括平面感测表面39。指纹传感器管芯23的管芯底面35被接合至基底21的基底顶面27。如图4中示意性指示的，指纹传感器管芯23还包括被电连接至基底21的基底顶面27上的接合焊盘31的管芯连接焊盘43。该电连接可以使用如图4所示的接合线45或通过本领域技术人员已知的任何其他合适的连接器来实现。成型材料25覆盖指纹传感器管芯23的感测表面39和侧表面37，以及基底21的基底顶面27的未被指纹传感器管芯23覆盖的部分。如图4中示意性指示的，成型材料25在指纹传感器管芯23的感测表面39上呈现凸形状。如图4中示意性指示的，指纹传感器部件5可以替选地在成型材料25的顶部上另外地包括有色涂层47。
35.图5是图4中的指纹传感器部件5的沿图4中的线a-a'截取的部分的示意性截面图。除了上面已经参照图4描述的内容以外，图5示意性地示出了将基底21的顶面导体图案与基底21的底面导体图案17电连接的通孔49。
36.图5还指示了成型材料25的凸形状的有利配置。如图5所指示的，指纹传感器部件5的顶表面呈现具有曲率半径r的凸形状。指纹传感器部件5的曲率半径r可以适于基本上遵循电子设备1的设备壳体3的凸部7的曲率半径。
37.图6是指纹传感器装置5的示意性截面图，该指纹传感器装置5包括根据本发明的第一实施方式的指纹传感器23，以及具有限定指纹传感器装置5的手指接收表面51的形貌(在这种情况下为凸形貌)的非均匀厚度分布的介电材料25。指纹传感器23包括多个导电感测结构，此处，为以均匀阵列配置布置在感测平面——上面提及的感测表面39——中中的金属板41的形式，感测表面39用于电容感测放置在指纹传感器装置5的手指接收表面51上的手指53的指纹。
38.多个导电感测结构41包括感测结构的第一组41a、第二组41b和第三组41c。感测结构的第一组41a被布置成被具有第一厚度范围d1至d2内的厚度的介电材料25覆盖，感测结构的第二组41b被布置成被具有第二厚度范围d3至d4内的厚度的介电材料25覆盖，第二厚度范围d3至d4仅包括比第一厚度范围d1至d2大的厚度，并且感测结构的第三组41c被布置成被具有第三厚度范围d2至d3内的厚度的介电材料25覆盖，第三厚度范围d2至d3在第一厚度范围与第二厚度范围之间。
39.指纹传感器23的感测结构41与放置在手指接收表面51上的手指53之间的电容耦
合是由感测结构41、手指53以及感测结构41与手指表面之间的介电材料25形成的电容器的电容的测量手段。在图6的配置中，可以认为，最大电容(由与手指接收表面51的良好接触的手指图案的脊产生)与感测结构41的表面面积成比例，并且与感测结构与手指表面之间距离成反比。
40.如图6示意性地所示，指纹传感器23还包括耦合至感测结构41的测量电路57以用于提供指示感测结构41与手指53之间的电容耦合的测量信号sm。
41.在图6中，测量电路57被配置成呈现三个不同的测量电路配置57a至57c，示意性地指示为包括在总的测量电路57中的不同块。应当理解，这仅仅是帮助本实施方式的理解的说明，并且测量电路不一定在其不同部分中具有不同的配置。
42.因此，图6中的指纹传感器23中的测量电路57被布置为使用第一测量电路配置57a来提供由感测结构的第一组41a与手指53之间的电容耦合产生的测量信号的第一组，由感测结构的第二组41b与手指53之间的电容耦合产生的测量信号的第二组，以及由感测结构的第三组41c与手指53之间的电容耦合产生的测量信号的第三组。由测量电路57提供的测量信号sm可以是测量信号的第一、第二和第三组的汇集。
43.测量电路57的不同配置57a至57c可以是永久性的，或者测量电路57可以是可控制的以针对所有感测结构41或针对感测结构的各种组改变测量电路配置。测量电路的配置的这种可选可控性由图6中的虚线箭头59示意性地指示。因此，测量电路57可以被布置成在指纹捕获操作期间提供测量信号的第一组、测量信号的第二组和测量信号的第三组(如果适用)，以允许形成包括测量信号的第一组、测量信号的第二组和测量信号的第三组(如果适用)的指纹表示sm。例如，测量电路57可以被布置成同时提供测量信号的第一组，测量信号的第二组和测量信号的第三组(如果适用)。可替选地，可以使用第一测量电路配置57a执行第一指纹捕获操作，并且随后可以使用第二测量电路配置57b执行第二指纹捕获操作等。
44.在给定的测量电路配置中，测量电路57的一个或更多个特性可以适于旨在覆盖指纹传感器23的感测平面39的介电材料25的非均匀厚度分布。例如，对于不同的感测结构41，诸如偏移、增益或定时的参数可以是不同的，这取决于介电材料25的预期的非均匀厚度分布。例如，可以将偏移和/或增益和/或测量定时设置成补偿由非均匀厚度分布引起的指纹传感器23上的灵敏度变化。
45.指纹传感器装置5可以包括在指纹感测系统中，还包括耦合至指纹传感器23的指纹传感器控制器以用于控制指纹传感器23的操作。指纹传感器控制器未明确地示出在附图中，但是对于本领域普通技术人员来说清楚的是，指纹传感器控制器可以包括在电子设备例如图1中的移动电话1中。因此，上面提及的指纹感测系统可以部分地包括在电子设备中包括的电路。根据实施方式，指纹传感器控制器可以包括在集成在电子设备(移动电话1)中的指纹传感器模块中，并且根据另一实施方式，指纹传感器控制器的功能可以至少部分地由电子设备的主控制器实现。
46.在实施方式中，指纹传感器控制器可以被配置成借助于控制信号59控制指纹传感器23的测量电路57，以使用测量电路配置的初始设置提供初始测量信号。基于初始测量信号，指纹传感器控制器可以借助于控制信号59确定第一测量电路配置57a、第二测量电路配置57b和第三测量配置57c(在适用的情况下)，并且控制测量电路57以使用第一测量电路配置57a提供测量信号的第一组，使用第二测量电路配置57b提供测量信号的第二组以及使用
第三测量配置57c(在适用的情况下)提供测量信号的第三组。
47.图7示意性地示出了图6中的指纹传感器中的包括放大器电路63和模数转换器(adc)电路65的测量电路57的第一示例配置。如图7示意地指示的，放大器电路从一个或若干个感测结构41接收输入，并且向adc电路65提供放大的模拟信号。adc电路65输出数字测量信号sm。为了提供针对指纹传感器23的不同部分的不同测量电路配置，放大器电路63和/或adc电路65可以针对位于指纹传感器23的这些不同部分中的感测结构41呈现不同特性。为此，放大器电路63和/或adc电路65可以针对位于指纹传感器23的不同部分中的感测结构41而不同地构造。可替选地，放大器电路63可以能够使用一个或更多个外部模拟和/或数字控制信号(由虚线箭头67示出)来控制，以及/或者adc电路65可以能够使用一个或更多个外部控制信号(由虚线箭头69示出)来控制。
48.图8示意性地示出了图6中的指纹传感器中的测量电路的第二示例配置，其中放大器电路63被示出为包括电荷放大器71以及采样和保持放大器73。电荷放大器71可以包括运算放大器75、反馈电容器77和复位开关79。运算放大器75的第一输入81可以连接至感测结构41，并且运算放大器75的第二输入83可以根据指纹传感器装置5的整体配置连接至地，或者连接至可控电压源。运算放大器75的输出85连接至采样和保持放大器73，并且通过由感测结构41和反馈板87形成的反馈电容器77反馈耦合至第一输入81。可以通过操作复位开关79以使第一输入81和输出85短路来使电荷放大器71复位。
49.放大器电路63可以以本身的已知方式操作，以向adc电路65提供模拟信号。放大器电路63的特性可以例如使用影响运算放大器的偏移的控制信号(由虚线箭头89指示)、测量时间(通过控制复位开关79的操作的定时)，或者使用影响采样和保持放大器73的偏移和/或增益的控制信号(由虚线箭头91指示)来控制。替选地或组合地，不同的电荷放大器71可以永久地具有不同的特性。例如，电荷放大器71的增益受到反馈板87的面积的影响。
50.尽管在图7和图8中指示了一个放大器电路连接至单个感测结构41，但是应当注意，这不一定是这种情况，并且例如，一个放大器电路可以连接(可选择性地连接)至多个感测结构41。
51.现在将参照图9a至图9b描述根据本发明的指纹传感器23的第二实施方式，其中图9a是没有覆盖感测表面39的具有非均匀厚度的电介质的情况下指纹传感器23的部分俯视图，并且图9b是指纹传感器装置5的示意性截面图，该指纹传感器装置5包括图9a中的指纹传感器23以及具有限定指纹传感器装置5的手指接收表面51的形貌(在这种情况下为凸形貌)的非均匀厚度分布的介电材料25。
52.参照图9a至图9b，指纹传感器23包括多个导电感测结构，此处，为以均匀阵列配置布置在感测平面——上面提及的感测表面39——中的金属板41的形式，以用于电容感测放置在指纹传感器装置5的手指接收表面51上的手指53的指纹。如在图9a中可以最好地看出，多个导电感测结构41包括以空间上恒定的行间距和列间距布置在行53和列55中感测结构的第一组41a、第二组41b和第三组41c。因此，根据图9a至图9b中的第一示例性实施方式的指纹传感器中的感测结构41在整个阵列上呈现出均匀的感测结构密度(每单位面积的感测结构41的数量)。如图9a至图9b中示意性地指示的，感测结构的第一组41a中的每个感测结构覆盖在第一区域范围内的区域，感测结构的第二组41b中的每个感测结构覆盖在第二区域范围内的区域，以及感测结构的第三组41c中每个感测结构覆盖在第三区域范围内的区
域。第一区域范围包括图9a中所指示的第一区域aa，第二区域范围包括图9a中所指示的第二区域ab，以及第三区域范围包括图9a中所指示的第三区域ac。第二区域范围仅包括大于第一区域范围内的区域的区域，并且第三区域范围在第一区域范围与第二区域范围之间。
53.主要参照图9b，感测结构的第一组41a被布置成由具有第一厚度范围d1至d2内的厚度的介电材料25覆盖，感测结构的第二组41b被布置成由具有第二厚度范围d3至d4内的厚度的介电材料25覆盖，第二厚度范围d3至d4仅包括比第一厚度范围d1至d2大的厚度，并且感测结构的第三组41c被布置成由具有第三厚度范围d2至d3内的厚度的介电材料25覆盖，第三厚度范围d2至d3在第一厚度范围与第二厚度范围之间。
54.指纹传感器23的感测结构41与放置在手指接收表面51上的手指53之间的电容耦合是由感测结构41、手指53以及感测结构41与手指表面之间的介电材料25形成的电容器的电容的测量手段。在图9b的配置中，可以认为，最大电容(由与手指接收表面51良好接触的手指图案的脊产生)与感测结构41的表面面积成正比，并且与感测结构与手指表面之间距离成反比。为了充分补偿介电材料25的厚度上的差异，感测结构41的面积可以与介电材料25的厚度分布相反地连续变化。因此，感测结构的第一组41a中的不同感测结构可以覆盖不同的区域等。这可以有利于减少或避免由感测结构区域中的突然阶跃所产生的可能的图像伪影。然而，应当注意的是，由感测结构覆盖的区域可以替选地逐步变化。例如，感测结构的第一组41a中的每个感测结构可以基本上覆盖相同的区域aa，第二组41b中的每个感测结构可以基本上覆盖相同的区域ab，并且第三组41b中的每个感测结构可以基本上覆盖相同的区域ac。
55.图10a至图10b中示意性地示出根据本发明的指纹传感器23和指纹传感器装置5的第三示例实施方式。图10a至图10b中的指纹传感器23的第二实施方式与以上参照图9a至图9b描述的第一实施方式的主要不同之处在于感测结构41在感测平面39中以非均匀阵列配置布置。如图10b中可以看出的，感测结构41被布置成呈现空间上变化的感测结构密度(感测平面39中每单位面积的感测结构的数量)，感测结构密度根据用于覆盖感测结构41的介电材料25的非均匀厚度分布在感测平面上变化。特别地，感测结构密度取决于介电材料25的厚度的变化率，使得感测结构的第一组41a的平均感测结构密度大于用于第二组41b和第三组41c的平均感测结构密度。在对于图10b中指纹传感器装置5的示例性非均匀厚度分布的情况下，介电材料25的厚度的变化率在图10b中截面的中心部分最低，并且朝边缘对称地增加。
56.如由电容器符号61a至61c示意性地指示的，对于特定感测结构41的最大电容的方向可以不垂直于感测平面39，而是垂直于手指接收表面51。因此，如图10a至图10b指示的逐渐变化的感测结构密度可以帮助校正由于介电材料25的非均匀的厚度分布而产生的图像失真。
57.在实施方式中，例如以上参照图9a至图9b和图10a至图10b描述的这些，其中感测结构的不同组41a至41c包括覆盖感测平面39中不同区域的感测结构41，测量电路57的不同配置57a至57c可以用于放大或调整感测结构41的不同尺寸的影响。例如，测量电路配置57a至57c可以被调谐以补偿可能发生的以及可能引起感测结构图案与介电材料25的不均匀厚度分布之间的空间偏移的未对准。
58.在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一
个(an)”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施这一事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。