ES2312443T3 - Chip sensor en miniatura, especialmente para sensores de huellas dactilares. - Google Patents

Abstract

Chip sensor para medir estructuras en una superficie dactilar, el chip sensor comprendiendo elemento sensor que forma un conjunto esencialmente lineal y un grupo sensor secundario para cálculos de velocidad en un modo conocido en sí y un chip de silicio que comprende un sistema de circuitos electrónico, incluyendo un número de electrodos de interrogación para mediciones de capacidad, estando dicho chip sensor caracterizado porque el chip sensor está provisto de una primera capa eléctricamente conductora, comprendiendo dicha primera capa eléctricamente conductora (1) dichos elementos sensores (8) que definen posiciones de sensores en el chip sensor, estando acoplados dichos elementos sensores (8) a los electrodos de interrogación en el chip de silicio (6) y comprendiendo además el chip sensor: una primera capa dieléctrica (2) que cubre sustancialmente la primera capa eléctricamente conductora (1), una segunda capa eléctricamente conductora (3) que comprende aperturas allí formadas encima de los elementos sensores (8), en la primera capa dieléctrica (2) y una segunda capa dieléctrica (4) en ésta, en la que está montada una capa eléctricamente conductora exterior (5), dicha segunda capa eléctricamente conductora (3) constituyendo un plano de tierra, estando la capa eléctricamente conductora exterior (5) para contacto eléctrico con dichas estructuras en dicha superficie dactilar y no cubriendo el área sobre los elementos sensores (8), estando adaptado, por lo tanto, el chip de silicio para medir la capacidad entre la capa eléctricamente conductora exterior (5) y dichos electrodos de interrogación a través de los elementos sensores (8).

Description

Chip sensor en miniatura, especialmente para sensores de huellas dactilares.

Esta invención se refiere a un chip sensor, especialmente para medir estructuras en una superficie dactilar.

Sensores de huellas dactilares basados en el acoplamiento capacitivo de una señal CA del patrón de surcos y crestas del dedo para un conjunto (matriz) de elementos sensores que se conocen de la solicitud internacional de patente WO98/58342. La patente estadounidense 5.963.679 describe un sensor similar con un principio de medición diferente y una matriz de sensor bidimensional.

Para solicitudes especiales, por ejemplo, cuando se montan en teléfonos móviles o un ordenador portátil, es importante que el sensor esté hecho lo más pequeño y ligero posible. Un sensor en miniatura como éste también puede estar hecho de manera rentable usando técnicas de producción apropiadas para la producción en serie.

Las consideraciones sobre el ruido son importantes cuando se coloca el circuito de interrogación electrónico, a menudo un circuito de silicio ("ASIC") especificado por el cliente tan cerca de los elementos sensibles a la capacidad en el conjunto del sensor como sea posible, de manera que la longitud de los conductores eléctricos entre el circuito de silicio y los elementos sensores se minimice.

Los requisitos anteriormente mencionados relativos al tamaño y funcionalidad electrónica pueden ser difíciles de realizar usando técnicas de empaquetado estándar en las que se monta el circuito de silicio en un alojamiento con base de plástico o de cerámica. Al mismo tiempo que el alojamiento protege eficazmente el sensor de influencias externas, una solución como ésta puede tener como resultado un sensor con dimensiones relativamente grandes, mientras que las "patas" del alojamiento dan una interfaz inapropiada para el dedo.

Además de estos problemas generales, es muy deseable proporcionar componentes que añadan funcionalidad extra a la interfaz de cara al usuario, para asegurar calidad de señal óptima. Por lo tanto, sería una gran ventaja si componentes como éstos pudieran integrarse en el propio sensor.

El objeto de esta invención es asegurar una solución de sensor miniaturizado y rentable basada en un chip de silicio desnudo (ASIC) con una metalización multicapas que tiene una superficie que define la interfaz hacia los dedos del usuario. El principio está basado en el hecho de que el conjunto de elementos de sensor de imagen está colocado en una de las capas de metal superiores en una superficie de silicio.

En un proceso de producción estándar para ASICs se proporciona la superficie de silicio con un número de capas de metal con hilos conductores, estando separados por finas capas dieléctricas. Además, puede que esté construida una denominada estructura de sándwich con capas extra de metal y dieléctricas encima de las otras capas. Se puede producir un sensor en miniatura como el descrito arriba poniendo las estructuras funcionales para detección del patrón del dedo en las capas superiores del ASIC.

En las patentes de Estados Unidos número 6.069.970, 5.862.248 y 5.963.679 se describen sensores de huellas dactilares basándose en las técnicas anteriormente mencionadas. Estas soluciones, sin embargo, difieren sustancialmente en construcción, de manera que las funciones de cada capa son diferentes. Estas soluciones se refieren a estructuras de sensor bidimensionales muy complejas en las que se mide la impedancia localmente con electrodos de transmisión para cada píxel. Esto es, sin embargo, exigir requisitos estrictos al sistema electrónico de circuitos en general.

La presente invención se refiere a una solución simplificada que se caracteriza como se desvela en la reivindica-
ción 1.

Usando un electrodo de estimulación en contacto eléctrico con el dedo se obtiene una medición de impedancia a través del dedo y la superficie hacia un electrodo sensor. Esto, además de la estructura de sensor sustancialmente lineal, proporciona, por lo tanto, un sensor muy simplificado en relación con las soluciones conocidas, por ejemplo, siendo sencillos de producir y poner en práctica en aparatos pequeños y móviles.

Ya que el sensor puede producirse, por lo tanto, usando procesos estándar de producción CI, esto dará un sensor muy rentable que sea apropiado para la producción en serie.

La invención se describirá más abajo con referencia a los dibujos anexos, que ilustran la invención a modo de ejemplo.

La figura 1 muestra un corte transversal de la construcción de metal con capas y de las capas dieléctricas en el lado superior del sensor (esquemáticamente).

La figura 2 muestra un dibujo en perspectiva del lado superior del sensor y de cómo el chip sensor puede estar montado en un paquete (esquemáticamente).

La figura 3 muestra un boceto de la distribución del punto sensor según una realización preferida de la invención.

La figura 4 muestra un electrodo de modulación combinada y una célula de activación para colocar en el chip sensor según la invención.

Como resulta evidente de los dibujos el chip sensor según la invención consiste preferentemente en un chip de silicio desnudo 6 en un alojamiento 7 sin una cubierta (o posiblemente en una placa de circuito o sustrato de cerámica) con un número de capas de metal u otro material eléctricamente conductor como polisilicio y un dieléctrico que constituye la interfaz hacia los dedos del usuario. El principio se basa en elementos sensores de imagen que constituyen una parte de la tercera o cuarta capa superior de las capas eléctricamente conductoras 1 en el circuito de silicio, y en que el hilo conductor se encamina entonces de los elementos hacia abajo individualmente hacia los circuitos amplificadores en la superficie del chip de silicio.

La presente solución puede producirse industrialmente por procedimientos estándar para producción y empaquetado ASIC, ya que el chip de silicio está montado en un alojamiento con base de cerámica o plástico sin una tapa o en una placa de circuito o sustrato de cerámica. El chip de silicio está acoplado eléctricamente la placa de circuito o alojamiento con la denominada unión por alambre.

Para proporcionar la funcionalidad necesaria para la capacidad basada en el principio de medición, las tres o cuatro capas superiores en el ASIC deben usarse para diferentes estructuras con una función eléctrica dada como se ilustra, por ejemplo, en la figura 1. La figura muestra que una posible solución no es limitativa en relación con otras combinaciones de capas.

Las capas proporcionadas en el sustrato mostrado en las figuras 1 y 2 muestran ejemplos de la construcción de las capas superiores de los ASIC con metal y dieléctrico, respectivamente, y será explicada más abajo. El proceso para realizar las capas de metal y dieléctricas en el chip de silicio es tecnología bien conocida, pero la funcionalidad de las capas individuales y la combinación de éstas abarca por la presente invención, especialmente dirigida a sensores de huellas dactilares, como una variante del sensor descrito en la solicitud de patente internacional WO98/58342 que comprende un conjunto de sensores 8 esencialmente lineal, tal como se muestra en la figura 3. Las figuras 2 y 3 también muestran grupos de sensores secundarios que pueden usarse para cálculos de velocidad, como se describe en la patente anteriormente mencionada. Un sensor con forma lineal presenta la gran ventaja de que necesita mucho menos espacio y menos canales individuales que un sensor bidimensional con la misma resolución, de manera que se puede hacer a un coste mucho menor.

En la figura 1 la capa eléctrica 1 constituye los elementos sensores de imagen 8. Como se ha mencionado, los elementos sensores pueden estar colocados como se muestra en la figura 3, como una variante de la solución patentada en la solicitud de patente internacional número PCT/NO98/00182.

La capa dieléctrica 2, en la figura 1, funciona como una capa de aislamiento entre los hilos conductores en la capa eléctricamente conductora 1 y la toma de tierra en la capa eléctricamente conductora 3. La capa también constituye una parte del espesor dieléctrico total (aislamiento) entre el dedo y el elemento sensor.

La capa eléctricamente conductora 3 constituye un plano de puesta a tierra que apantalla los hilos conductores, etc., contra el acoplamiento directo de señal de CA del dedo y del anillo de modulación 5. La capa de puesta a tierra 3 estará preferentemente formada para cubrir todos los hilos conductores en la primera capa conductora eléctrica 1 subyacente, pero debe tener ventanas sobre los elementos sensores 8. Las aperturas en la toma de tierra 3 encima de los elementos sensores 8 contribuyen con un efecto "lente" a dar forma al campo eléctrico y, por lo tanto, al acoplamiento capacitivo entre el dedo y los elementos sensores y la forma del elemento sensor 8 y la apertura en la segunda capa eléctricamente conductora 3 pueden optimizarse para maximizar la fuerza de la señal sin ir de acuerdo con la resolución geométrica del sensor.

Alternativamente la estructura de protección de puesta a tierra puede estar usando dos capas eléctricamente conductoras que están aisladas una de otra por una capa dieléctrica. Esto proporcionará un mejor apatanllamiento y efecto lente comparados con el uso de una capa.

La segunda capa dieléctrica 4 puede aislar entre la toma de tierra 3 y la capa eléctricamente conductora exterior 5 y la segunda capa dieléctrica 4 funciona como un acoplamiento CA de la señal al sistema electrónico. La capa 4 también constituye (como se menciona anteriormente) una parte del espesor dieléctrico total (aislamiento) entre el dedo y el elemento sensor 8. Ya que la capa eléctricamente conductora exterior 5 por razones eléctricas no cubre el área sobre los elementos sensores 8, el dedo no entrará en contacto con la segunda capa dieléctrica 4. Por lo tanto, esta capa debe ser dura y resistente al desgaste para resistir desgaste y ruptura, así como a influencias químicas del entorno que la rodea y de los dedos del usuario y otros objetos. Esto se puede obtener usando dieléctricos duros e impenetrables tal como Si_{3}N_{4} y SiO_{2}.

La primera capa eléctricamente conductora 1 puede estar constituida en algunos casos por un acoplamiento entre un circuito electrónico separado y la primera capa dieléctrica, de manera que se puedan producir por separado. Estas dos partes se pueden producir con tecnología denominada flip-chip.

Además las otras capas conductoras eléctricamente, el chip que se esboza en la figura 1 comprende una capa eléctricamente conductora inferior 11 haciendo una toma de tierra común para el circuito.

La capa eléctricamente conductora exterior 5 es la capa de encima que tiene el fin de proporcionar una señal de estimulación, como se menciona en la solicitud de patente internacional número PCT/NO98/00182, al dedo para asegurar la calidad de la señal y como se ilustra en la figura 4. Por consiguiente, ésta debe ser eléctricamente conductora con buen acoplamiento al dedo. También debe ser dura y resistente al desgaste para resistir desgaste y ruptura, así como a influencias químicas del entorno que la rodea y los dedos del usuario. El cromo es un metal posible para este fin.

Preferentemente, la capa conductora eléctrica exterior está acoplada al circuito de transmisión para controlar la frecuencia y amplitud de la señal de estimulación.

Un electrodo de estimulación como éste se puede combinar con, por ejemplo, una célula de activación capacitiva que es capaz de detectar cuándo un dedo toca el sensor y, por lo tanto, se usa para controlar la activación del sensor de un modo de hibernación a un uso activo, para minimizar el consumo de energía del sensor.

Una célula de activación por impedancia puede, por ejemplo, estar hecha como una estructura dactilar interdigitada que consiste en dos "estructuras de cámara" (electrodos) 10 no interconectados mutuamente que se muestra en la figura 4. Cuando un objeto conductor, por ejemplo, un dedo, se acerca a esta estructura la impedancia entre los electrodos aumentará y este cambio puede ser detectado, por ejemplo, por un circuito oscilante que funciona con un consumo de energía bajo.

Si uno de los electrodos se acopla a la tierra siempre y cuando esté en modo de hibernación, proporcionará una protección eficaz de descargas ESD (por sus siglas en inglés, descarga de electricidad estática) de un dedo u otros objetos cargados cerca del sensor, ya que la descarga pasará directamente a la tierra. Incluso si uno de estos electrodos no está acoplado a la tierra, las estructuras en la capa eléctricamente conductora exterior 10 tendrán una función importante para la protección ESD si los circuitos que protegen de ESD están acoplados entre las estructuras en esta capa y la tierra.

Un procedimiento alternativo para el acoplamiento de una frecuencia de estimulación al dedo es cubrir el material conductor con una película dieléctrica fina de manera que el acoplamiento se haga puramente capacitivo. Esto puede tener la ventaja de que el acoplamiento sea más parecido de persona a persona y es independiente de la humedad del dedo.

Ya que las características de los amplificadores y otros sistemas de circuitos de tratamiento de señal en el chip variarán de elemento a elemento, puede ser de mucha importancia poder calibrar la respuesta de cada elemento sensor. Esto se puede obtener usando un electrodo transversal cerca de la línea de elementos sensores o los conductores que llevan a ellos, por ejemplo, como parte de una capa de puesta a tierra 3 u otra capa eléctricamente conductora debajo de ésta. Proporcionando una señal de calibración en este electrodo, los elementos sensores serán estimulados capacitivamente sin la presencia de un dedo u otro objeto eléctricamente conductor cerca del sensor. Basado en las señales resultantes del amplificador y los sistemas de circuitos de tratamiento de señal, será entonces posible igualar la respuesta de cada elemento sensor.

La presente invención consiste en un dispositivo que proporciona de una forma única las ventajas requeridas para un sensor de huellas dactilares de estado sólido. También puede usarse la tecnología correspondiente en otras aplicaciones que requieran el reconocimiento de movimientos dactilares en una superficie, por ejemplo, para fines de navegación/ratón.

Claims (8)

1. Chip sensor para medir estructuras en una superficie dactilar, el chip sensor comprendiendo elemento sensor que forma un conjunto esencialmente lineal y un grupo sensor secundario para cálculos de velocidad en un modo conocido en sí y un chip de silicio que comprende un sistema de circuitos electrónico, incluyendo un número de electrodos de interrogación para mediciones de capacidad, estando dicho chip sensor caracterizado porque el chip sensor está provisto de una primera capa eléctricamente conductora, comprendiendo dicha primera capa eléctricamente conductora (1) dichos elementos sensores (8) que definen posiciones de sensores en el chip sensor, estando acoplados dichos elementos sensores (8) a los electrodos de interrogación en el chip de silicio (6) y comprendiendo además el chip sensor:

una primera capa dieléctrica (2) que cubre sustancialmente la primera capa eléctricamente conductora (1),

una segunda capa eléctricamente conductora (3) que comprende aperturas allí formadas encima de los elementos sensores (8), en la primera capa dieléctrica (2) y una segunda capa dieléctrica (4) en ésta, en la que está montada una capa eléctricamente conductora exterior (5), dicha segunda capa eléctricamente conductora (3) constituyendo un plano de tierra,

estando la capa eléctricamente conductora exterior (5) para contacto eléctrico con dichas estructuras en dicha superficie dactilar y no cubriendo el área sobre los elementos sensores (8),

estando adaptado, por lo tanto, el chip de silicio para medir la capacidad entre la capa eléctricamente conductora exterior (5) y dichos electrodos de interrogación a través de los elementos sensores (8).

2. Chip sensor según la reivindicación 1, en el que la primera capa eléctricamente conductora (1) está acoplada capacitivamente a los electrodos de interrogación.

3. Chip sensor según la reivindicación 1, en el que la capa eléctricamente conductora exterior (5) está acoplada a un circuito de transmisión para controlar la frecuencia y amplitud de una señal de estimulación de la capa eléctricamente conductora exterior (5).

4. Chip sensor según la reivindicación 1, en la que la segunda capa eléctricamente conductora (3) constituye una capa esencialmente continua con aperturas definidas sobre los electrodos de sensor en la primera capa eléctricamente conductora.

5. Chip sensor según la reivindicación 1, en el que el espesor de las dos capas dieléctricas (2, 4) es igual o inferior a la distancia entre los centros de puntos de contacto eléctrico en la primera capa eléctricamente conductora (1).

6. Chip sensor según la reivindicación 1, que comprende una capa eléctricamente conductora inferior (11) colocada debajo del chip electrónico.

7. Chip sensor según la reivindicación 1, en el que la capa eléctricamente conductora exterior (5) está acoplada eléctricamente a un modulador eléctrico en el chip electrónico.

8. Chip sensor según la reivindicación 1, en el que la capa eléctricamente conductora exterior (5) comprende una estructura que cambia la impedancia, como una capacidad cuando se acerca a un objeto eléctricamente conductor, que junto con un circuito eléctrico apropiado se adapta para activar el sensor.