專利名稱：主動式生物特征感測器及使用其的電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主動式(active)生物特征感測器及使用其的電子裝置，且特別是有涉及一種利用主動式振動波來檢測生物特征的感測器及使用其的電子裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的生物特征感測器(譬如是指紋感測器)感測的方法有幾種，例如光學(xué)的感測原理，其缺點為無法有效感測干手指及臟污，而且需要一光學(xué)照明及成像系統(tǒng)，不僅消耗功率高且體積龐大。另外最常見的就是利用電容量測的半導(dǎo)體芯片，其優(yōu)點是功耗小且體積小，但缺點為無法感測濕手指。另外有利用壓力感測的方式，其特點是必須要提供一容易受壓變形的結(jié)構(gòu)，但是手指按壓此感測器的力道必須足夠。若手指接觸此感測器的力道不夠或沒有按壓到此感測器，則無法得到好的感測結(jié)果。另外以上技術(shù)都無法感測皮下組織， 作為更多生物信息的收集。另外一種方法是利用紅外線感測皮下血管的技術(shù)，可以解決上述的量測缺點，但是復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)使其體積，功耗及價格都不易普及應(yīng)用。為解決以上所有問題，本發(fā)明將提供一主動式生物特征感測器，達到低功耗、體積小，不僅可以檢測表面的生物特征，例如指紋，更可能檢測皮下的生物特征，例如血管等信肩、O

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種低功耗、體積小、并能有效感測表面及皮下的生物特征且不受距離大幅影響的主動式生物特征感測器及使用其的電子裝置。為達上述目的，本發(fā)明提供一種主動式生物特征感測器包含一第一載體、一固定第一電極、一懸浮第二電極、一支撐結(jié)構(gòu)以及一驅(qū)動信號產(chǎn)生器。第一電極設(shè)置于第一載體。第二電極設(shè)置成面對第一電極。支撐結(jié)構(gòu)隔開第一電極及第二電極，以使第一電極及第二電極形成一容置空間。信號產(chǎn)生器輸出一驅(qū)動信號至第一電極或第二電極，以使第二電極產(chǎn)生第一振動波。第一振動波受一生物特征干擾而轉(zhuǎn)變成第二振動波。此外，本發(fā)明亦提供一種使用前述主動式生物特征感測器的電子裝置。通過本發(fā)明的上述主動式生物特征感測器，可以達成主動感測的功能，對于按壓力道不夠的手指的指紋仍能有相當(dāng)好的感測效果。值得注意的是，由于主動感測的特征，故可以增加一個休眠及喚醒控制模塊，使主動檢測的第一振動波不用持續(xù)發(fā)出。或者，亦可增加一個感測功能以感測第一電極與第二電極的電容，以整合主動與被動檢測的功能。本發(fā)明實施例的主動式生物特征感測器及使用其的電子裝置，功耗低，體積小，并且能有效感測表面及皮下的生物特征且不受距離大幅影響。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中
圖IA顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的主動式生物特征感測器的示意圖。圖IB顯示第二電極與間隔層的一種結(jié)合方式。圖IC顯示第二電極與間隔層的另一種結(jié)合方式。圖ID顯示第二載體及第二電極的組合。圖2顯示第一電極與第二電極的相對運動狀態(tài)的一種模式。圖3顯示依據(jù)本發(fā)明的生物特征感測器的每一感測元架構(gòu)的一實施例。圖4與圖5顯示依據(jù)本發(fā)明的生物特征感測器的應(yīng)用。附圖標(biāo)號
Cl:電容C2:電容F :手指/生物特征FV :紋谷FR :紋峰OP :運算放大器SI :驅(qū)動信號S2 :感測信號Wl :第一振動波W2 :第二振動波I :生物特征感測器2 :筆記本電腦3 鼠標(biāo)光標(biāo)4:移動電話5 :感測元10 :第一載體20:第一電極22 :顯示模塊23 :處理模塊30 :驅(qū)動信號產(chǎn)生器40:第二電極41 :第二中間材料層42 :顯示模塊43 :處理模塊45:第三中間材料層50:支撐結(jié)構(gòu)/間隔層51 :第三中間材料層55 :容置空間60:讀取電路70 :第二載體
具體實施例方式為讓本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。圖IA顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的主動式生物特征感測器的示意圖。如圖IA所示，本實施例的主動式生物特征感測器I包含一第一載體10、一固定第一電極20、一懸浮第二電極40、一支撐結(jié)構(gòu)(或稱間隔層)50以及一驅(qū)動信號產(chǎn)生器30。第一電極20設(shè)置于第一載體10。第一載體10可以有好幾種架構(gòu),例如在本實施例中，特別是具有集成電路整合的半導(dǎo)體基板，例如硅基板，加上制作于其內(nèi)部的晶體管元件及其上方的電路結(jié)構(gòu)，也可以構(gòu)成本發(fā)明的第一載體10。當(dāng)然第一載體10也可以是例如絕緣材料，例如玻璃、陶瓷或高分子基板等等。第一電極可以是例如集成電路制造工藝中的最后一道金屬導(dǎo)體層，亦或者額外添加的導(dǎo)體層，第二電極40設(shè)置成面對第一電極20，第二電極40可以是整體為單一導(dǎo)體材料，例如是低阻值的硅，通過與SiO2間隔層50之間利用 接合技術(shù)及相關(guān)研磨刻蝕所形成的薄膜結(jié)構(gòu)，在本實施例中兩者是通過低溫接合方式(lowtemperature fusion bonding)形成具有氫鍵強度的介面。當(dāng)然在形成低溫接合之前，更可以包括水清洗及例如低濃度氫氟酸以去除第二電極表面的氧化層(HF dip)，為了達到表面活化，更可以包括表面電漿(plasma)處理，例如暴露在氧氣(O2)及氮氣(N2)的電漿環(huán)境下，而且為了讓接合的表面有很好的平坦度，更可以利用化學(xué)機械研磨法(CMP)將待接合的表面予以拋光及拋平。如果第一載體10內(nèi)設(shè)置有晶體管及電路元件，則之后所提供的退火溫度(annealtemperature)便只能在低于500°C的環(huán)境下形成高鍵結(jié)強度的共價鍵于間隔層50及第二電極40之間。然而，間隔層50與第二電極40除了上述的直接接合方式外，也可以在各間隔層50上設(shè)置有一第一中間材料層51，并且在第二電極40下設(shè)置一第二中間材料層41，再通過第二中間材料層41接合第一中間材料層51的方式,將第二電極40固設(shè)于間隔層50上,如圖IB所示。其中，第一中間材料層51或第二中間材料層41可分別為鋁和鍺或者硅和金，例如招和鍺可以在約420°C形成共晶接合(eutectic bonding),并且這兩種材料與CMOS制造工藝相容，更適合應(yīng)用在本實施例具有集成電路整合的設(shè)計。另外，間隔層50以及第二電極40之間也可以僅僅設(shè)置一第三中間材料層45來進行接合，如圖IC所示，此第三中間材料層45則可為玻璃熔塊(glass frit)、高分子膠合層及其他粘合材料等等。在另一實施例中，間隔層50譬如是由金屬所構(gòu)成，特別是由金(Au)所構(gòu)成，或者是由復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)(例如鎳和金的復(fù)合結(jié)構(gòu))所構(gòu)成，第二電極40亦可以設(shè)置于一第二載體70上，如圖ID所示。第二載體70及第二電極40的組合例如是軟性電路板，其由金屬線路所形成的第二電極40及譬如聚亞酰胺(polyimide)的高分子材料層70所形成。金屬線路及高分子材料層可以是單層或多層，涉及軟性電路板的結(jié)構(gòu)及材料為已知技術(shù)，在此不贅述。而軟性電路板及金凸塊的接合為已知技術(shù)，在此不贅述。由于這種結(jié)構(gòu)類似于第一載體10與第一電極20的組合結(jié)構(gòu)，故于此不再詳述及繪示出。間隔層50隔開第一電極20及第二電極40，以使第一電極20及第二電極40形成一容置空間55。在本實施例中，間隔層50連接第一載體10及第二電極40，并設(shè)置于第一載體10及第二電極40之間。驅(qū)動信號產(chǎn)生器30輸出一驅(qū)動信號(譬如是驅(qū)動電壓信號)SI至第一電極20或第二電極40,由于靜電力的關(guān)系,屬于懸浮結(jié)構(gòu)的第二電極40會被第一電極20吸引以改變其與第一電極20的距離。如果以某一特定頻率驅(qū)動，則第二電極40會因此產(chǎn)生一特定頻率的振動，因而對外界輸出第一振動波W1，振動波的頻率可以因應(yīng)用而改變，甚至操作于超音波的頻率，更可以通過將屬于懸浮結(jié)構(gòu)的第二電極40的共振頻率設(shè)計成與驅(qū)動信號SI的頻率相同，這樣可以達到最省功耗及最大靈敏度。第一振動波Wl受一生物特征F干擾或因為相位的改變或因為振幅的改變，而轉(zhuǎn)變成第二振動波W2。在第一實施例中，驅(qū)動信號產(chǎn)生器30電連接至第二電極40，并輸出驅(qū)動信號SI至第二電極40，以使第二電極40產(chǎn)生第一振動波Wl。第一振動波Wl受生物特征F干擾而轉(zhuǎn)變成第二振動波W2。在本發(fā)明中，生物特征為皮膚表層或其皮下生物特征，例如表皮指紋、真皮紋路或皮下血管紋路等等。而為了達到可以檢測皮下特定的生物特征，例如血管紋路，可能需要操作于特定的頻率，以避開皮膚表層的干擾，通常超音波的頻率可以達到此功能，因此本發(fā)明的主動式結(jié)構(gòu)也可用于非接觸型及接觸型的感測。在本實施例中，是以手指F的指紋(包 含紋峰FR及紋谷FV)當(dāng)作生物特征來說明。值得注意的是，第一電極20、第二電極40及讀取電路60構(gòu)成一感測元5。此外，主動式生物特征感測器I的每一感測元5的第一電極20更可以電連接至一讀取電路60，并讀取每一對第一電極20與第二電極40之間的信號變化而獲得一感測信號S2,感測信號S2對應(yīng)于生物特征F與生物特征感測器I的特定信息，譬如是距離信息。如果感測元5沒有受到紋峰干擾，則讀取電路60通過第一電極20讀取到的信號應(yīng)所述是與第一振動波Wl相同的相位及振幅信號；反之如果受到干擾，則讀取電路60通過第一電極20讀取到的信號則會有相位或振幅的變化而獲得感測信號S2，由于指紋的紋峰FR跟紋谷FV與第二電極的距離不同，故可對第一振動波Wl產(chǎn)生不同的干擾，從而使第二振動波W2有所差異，從而獲得紋峰FR跟紋谷FV之間的距離的差異信息。生物特征感測器I可以依應(yīng)用設(shè)計成二維陣列或一維陣列的架構(gòu)，所以生物特征感測器I可以更包含(N-I)個感測元5，也就是生物特征感測器I總共包含N個感測元5，N個感測元5排成一陣列，其中N為大于或等于2的正整數(shù)。值得注意的是，信號產(chǎn)生器也可以電連接至第一電極，而控制電路可以電連接至第二電極。圖2顯示第一電極與第二電極的相對運動狀態(tài)的一種模式。如圖2所示，第一電極20相對固定，例如操作在共振模式下，則第二電極40可以上下振動以產(chǎn)生第一振動波
Wlo圖3顯示依據(jù)本發(fā)明的生物特征感測器的每一感測元包含電路架構(gòu)的一實施例。如圖3所不，電容Cl代表第一電極20與第二電極40之間的電容,而電容C2為一參考電容。在本實施例中，讀取電路60包含一運算放大器0P，通過運算放大器OP的連接方式，將第一電極20連接于OP的負輸入端，而OP的正輸入端則電連接至一接地電位或者一固定電壓，由于OP的特性，其兩輸入端視為等電位，因此第一電極20也視為接地電位，因此當(dāng)輸入一驅(qū)動信號SI于第二電極40時，兩者會因電壓差產(chǎn)生的靜電力將懸浮的第二電極40吸往第一電極20，因而使得兩者間的距離變近，因而使電容值Cl變大。通過OP及參考電容C2的轉(zhuǎn)換，可以在OP的輸出端得到一對應(yīng)的S2信號。因此，如果輸入的SI是固定周期變化，則沒有受到干擾的感測元其S2輸出也將是與SI相同相位的輸出，且兩者的振幅關(guān)系為S2 =S1*C1/C2。如果感測元受干擾，例如手指紋峰接觸，則Cl值將受干擾使得輸出的S2產(chǎn)生變化。圖4與圖5顯示依據(jù)本發(fā)明的生物特征感測器的應(yīng)用。如圖4所示，生物特征感測器I可以被應(yīng)用在筆記本電腦2，例如作為指紋輸入裝置，或者利用手指移動以控制鼠標(biāo)光標(biāo)3的移動及相關(guān)的按鍵功能。如圖5所示，生物特征感測器I可以被應(yīng)用在行動裝置，例如電話4，以達到相同于前述的功能，并控制移動電話4的軟件及硬件相關(guān)操作。其中，作為指向裝置的生物特征感測器I利用可以取代傳統(tǒng)機械操作裝置的方向選取及按壓選取，更可以提供左擊、右擊、雙軸卷動、放大、縮小、切換、雙擊(Double click),以及長按超過一預(yù)定時間后進入預(yù)設(shè)應(yīng)用程序等功能。當(dāng)然除了上述筆記本電腦2及移動電話4的應(yīng)用夕卜，本發(fā)明生物特征感測器I更可以被應(yīng)用在任何需要指紋輸入裝置或指向性裝置的電子裝置。因此，本發(fā)明更提供一種具有前述生物特征感測器I的電子設(shè)備，以控制此電子設(shè)備的操作。 因此，本發(fā)明的電子裝置2/4包含一感測裝置(生物特征感測器)I、一顯示模塊22/42及一處理模塊23/43。如圖4所示，感測裝置I被裝設(shè)在筆記本電腦2中，處理模塊23(可為中央處理器，CPU)再根據(jù)具有表面紋路分布的物體(如物體5，在此為手指)在感測裝置I上移動所造成多點變形的變化，來控制應(yīng)用程序(如光標(biāo)3的移動或人機介面)，并控制顯示模塊22對應(yīng)顯示應(yīng)用程序的畫面(如人機介面的畫面)。如圖5所示，感測裝置I被裝設(shè)于移動電話4中，并以上述的方式操作移動電話4的顯示模塊42。更有甚者，在本應(yīng)用例子，感測裝置I可以不只當(dāng)作光標(biāo)3移動的控制或屏幕畫面的切換等等功能，也可以提供壓力感測，甚至當(dāng)作取代機械式的按鈕使用。除此之外，感測裝置也可以讀取足夠的手指紋路信息作為生物辨識使用，甚至手指皮膚以下的其他生物信息以做為醫(yī)療或生物辨識使用。因此，本發(fā)明更提供一種電子裝置，其包含前述的主動式生物特征感測器I、一處理模塊23/43以及一顯示模塊22/42。處理模塊23/43電連接至主動式生物特征感測器1，并接收感測信號S2，并處理及判別感測信號S2在至少一特定應(yīng)用程序的意涵，譬如根據(jù)生物特征F在主動式生物特征感測器I上移動所造成多點變形的變化來控制一應(yīng)用程序。至少一特定應(yīng)用程序的意涵包含生物特征辨識或鼠標(biāo)光標(biāo)移動。顯示模塊22/42電連接至處理模塊23，并顯示對應(yīng)應(yīng)用程序的一畫面。通過本發(fā)明的上述主動式生物特征感測器，可以達成主動感測的功能，對于按壓力道不夠的手指的指紋仍能有相當(dāng)好的感測效果。值得注意的是，由于主動感測的特征，故可以增加一個休眠及喚醒控制模塊，使主動檢測的第一振動波不用持續(xù)發(fā)出?；蛘撸嗫稍黾右粋€感測功能以感測第一電極與第二電極的電容，以整合主動與被動檢測的功能。在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅方便說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，而非將本發(fā)明狹義地限制于上述實施例，在不超出本發(fā)明的精神及權(quán)利要求范圍的情況，所做的種種變化實施，皆屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種主動式生物特征感測器，其特征在于，至少包含 一第一載體； 一固定第一電極，設(shè)置于所述第一載體； 一懸浮第二電極，設(shè)置成面對所述第一電極； 一支撐結(jié)構(gòu)，隔開所述固定第一電極以及所述懸浮第二電極，以使所述固定第一電極及所述懸浮第二電極形成一容置空間；以及 一驅(qū)動信號產(chǎn)生器，輸出一驅(qū)動信號至所述第一電極或所述第二電極，以使所述懸浮第二電極產(chǎn)生第一振動波，所述第一振動波受一生物特征干擾而轉(zhuǎn)變成第二振動波。
2.如權(quán)利要求I所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，更包含 一讀取電路，電連接至所述第一電極或所述第二電極，接收所述第二振動波而獲得一感測信號，所述感測信號對應(yīng)于所述生物特征與所述生物特征感測器的特定信息。
3.如權(quán)利要求2所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，所述讀取電路讀取所述第一電極與所述第二電極之間的信號變化而獲得所述感測信號。
4.如權(quán)利要求3所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，所述讀取電路包含一運算放大器，所述第一電極連接于所述運算放大器的一負輸入端，所述運算放大器的一正輸入端電連接至一接地電位，所述運算放大器的一輸出端通過一參考電容而電連接至所述運算放大器的所述負輸入端，所述運算放大器的所述輸出端輸出所述感測信號。
5.如權(quán)利要求2所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，所述特定信息對應(yīng)于所述感測信號的振幅變化或相位變化。
6.如權(quán)利要求2所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，所述讀取電路以分時的方式輸出所述驅(qū)動信號以及獲得所述感測信號。
7.如權(quán)利要求I所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，更包含 一第一中間材料層，設(shè)置于所述支撐結(jié)構(gòu)上； 一第二中間材料層，設(shè)置于所述第二電極下，所述第二中間材料層接合所述第一中間材料層。
8.如權(quán)利要求I所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，所述第一載體內(nèi)設(shè)置有一電路兀件。
9.如權(quán)利要求8所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)與所述第二電極形成有共價鍵。
10.如權(quán)利要求2所述的主動式生物特征感測器，其特征在于，所述第一電極、所述第二電極及所述讀取電路構(gòu)成一感測元，且所述生物特征感測器更包含N-I個感測元，所述N個感測元排成一陣列，其中N為大于或等于2的正整數(shù)。
11.一種電子裝置，其特征在于，至少包含 一主動式生物特征感測器,至少包含 一第一載體； 一固定第一電極，設(shè)置于所述第一載體； 一懸浮第二電極，設(shè)置成面對所述第一電極； 一支撐結(jié)構(gòu)，隔開所述固定第一電極以及所述懸浮第二電極，以使 所述固定第一電極及所述懸浮第二電極形成一容置空間；一驅(qū)動信號產(chǎn)生器，輸出一驅(qū)動信號至所述第一電極或所述第二電極，以使所述懸浮第二電極產(chǎn)生第一振動波，所述第一振動波受一生物特征干擾而轉(zhuǎn)變成第二振動波；及一讀取電路，電連接至所述第一電極或所述第二電極，并接收所述第二振動波而獲得一感測信號，所述感測信號對應(yīng)于所述生物特征與所述生物特征感測器的特定信息； 一處理模塊，電連接至所述主動式生物特征感測器,并接收所述感測信號，并處理及判別所述感測信號在至少一特定應(yīng)用程序的意涵；以及 一顯示模塊，電連接至所述處理模塊，并顯示對應(yīng)所述應(yīng)用程序的一畫面。
12.如權(quán)利要求11所述的電子裝置，其特征在于，所述至少一特定應(yīng)用程序的意涵包含生物特征辨識或鼠標(biāo)光標(biāo)移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種主動式生物特征感測器，包含一第一載體、一固定第一電極、一懸浮第二電極、一支撐結(jié)構(gòu)以及一驅(qū)動信號產(chǎn)生器。第一電極設(shè)置于第一載體。第二電極設(shè)置成面對第一電極。支撐結(jié)構(gòu)隔開第一電極及第二電極，以使第一電極及第二電極形成一容置空間。驅(qū)動信號產(chǎn)生器輸出一驅(qū)動信號至第一電極或第二電極，以使第二電極產(chǎn)生第一振動波。第一振動波受一生物特征干擾而轉(zhuǎn)變成第二振動波。一種使用前述感測器的電子裝置亦一并揭露。本發(fā)明實施例的主動式生物特征感測器及使用其的電子裝置，功耗低，體積小，并且能有效感測表面及皮下的生物特征且不受距離大幅影響。
文檔編號A61B8/00GK102670241SQ20111006459
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者周正三 申請人:周正三