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Dokumentenidentifikation DE69825367T2 04.08.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000889521
Titel Gerät und Verfahren zur Verpackung von Festkörperfingerabdrucksensoren
Anmelder STMicroelectronics, Inc., Carrollton, Tex., US
Erfinder Kalnitsky, Alexander, San Francisco, California 94116, US;
Kramer, Alan, Berkeley, California 94708, US
Vertreter Samson & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69825367
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.06.1998
EP-Aktenzeichen 983051954
EP-Offenlegungsdatum 07.01.1999
EP date of grant 04.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.08.2005
IPC-Hauptklasse H01L 23/00
IPC-Nebenklasse G06K 9/20   

Beschreibung[de]

US-Patentanmedlung Nr. 08/799,548 von Marco Tartagni, angemeldet am 13. Februar 1997 unter dem Titel KAPAZITIVER ABSTANDSSENSOR (CAPACITIVE DISTANCE SENSOR), beschreibt einen kapazitiven Abstands-Sensor in der Form einer integrierten Schaltung (IC), der viele Anwendungsmöglichkeiten bietet, darunter auch die Erfassung von Fingerabdrücken. In diesem IC-Element, von welcher ein Teil in den 1 bis 3 hierzu dargestellt ist, umfaßt jede einzelne Zelle 2 einer Abtastanordung 3 aus vielen Zellen ein Paar flacher Armaturen 23, 24 im gegenseitigen Abstand in einer horizontalen Ebene, um einen Kondensator zu bilden und einen zu messenden Abstand "d" zu definieren. Jede Zelle 2 enthält auch die in 2 dargestellten Verstärkermittel, deren Eingang 16 mit einer Armatur 24 und deren Ausgang 17 mit der anderen Armatur 23 verbunden sind, so daß die Armatur/Kondensator-Anordnung die negative Rückkopplungsschleife 17, 23, 25, 18, 24, 16 für den Verstärker bildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft das Fachgebiet zum Abtasten, Erfassen oder Wiedererkennen von Fingerabdruck-Abbildungen, d. h. das Erfassen der kleinsten Einzelheiten von Fingerabdrücken, z. B. Enden und Verzweigungen der Rückenlinien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Halbleiter-Fingerabdrucksensor vom kapazitiven Typ, der viele Pixel erfaßt und eine neue ungewöhnliche Konstruktion und Anordnung der Kapselung aufweist.

Es ist wohlbekannt, daß der Fingerabdruck eines Menschen aus erhabenen Linien besteht, die sowohl Verzweigungsstellen aufweisen, die Bifurkationen genannt werden, und auch an plötzlich auftretenden Endpunkten enden können. Die Bifurkationen und Endpunkte werden auch als die Minutiae der Fingerabdrucke bezeichnet. Fingerabdrucke werden an Hand der Positionen und gegenseitigen Beziehungen dieser Minutiae identifiziert.

Traditionell wird zwar die Fingerabdruckerkennung in der Kriminalistik eingesetzt, sie findet jedoch auch Verwendung als persönlicher Erkennungsschlüssel, zum Beispiel zur Verbesserung der Sicherheit beim Kreditkarteneinsatz, als Zugangskontrolle für Sicherheitsbereiche, Computer und Banksysteme und als Ersatz für Haus- oder Automobilschlüssel.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Abstands-/Fingerabdruck-Sensor, wie im oben genannten, verwandten Patentantrag beschrieben, der gemäß der vorliegenden Erfindung in einer neuartigen Weise gekapselt ist. Die allgemeine Verwendung von Sensoren vom kapazitiven Typ ist generell bekannt.

Zum Beispiel enthält die Publikation SENSORS AND ACTUATORS (Sensoren und Betätigungselemente), Januar/Februar 1989, Nr. 1/2, auf den Seiten 141–153 einen Aufsatz mit dem Titel INTEGRATED TACTILE IMAGER WITH AN INTRINSIC CONTOUR DETECTION OPTION (Integrierte Berührungs-Abbildungsvorrichtung mit eingebauter Konturen-Erfassungsoption), der auf der vierten internationalen Konferenz für Halbleitersensoren und Betätigungselemente (Transducers '87), Tokyo, Japan, 2. bis 5. Juni 1987, vorgetragen wurde. Dieser Aufsatz beschreibt einen integrierten kapazitiven Berührungs-Abbildungssensor, der eine mehrschichtige Konstruktion aufweist, die einen unteren keramischen Träger, eine Anordnung quadratischer Aluminiumelektroden in 9 Reihen mit 9 Spalten auf dem Siliziumchip einer integrierten Schaltung, eine flexible und isolierende Zwischenschicht aus Naturkautschuk und eine oberste Schutzschicht umfaßt. In dieser Vorrichtung hängt der Kapazitätswert von der örtlichen Verformung der Naturkautschuk-Schicht ab. Die 81 einzelnen Aluminiumelektroden dieser Vorrichtung ermöglichen die kapazitive Meßerfassung eines Eindruckmusters in der Naturkautschukschicht, welches von einer Druckverteilung, die auf die oberste Schutzschicht einwirkt, verursacht wird.

Die Verwendung eines Sensors vom kapazitiven Typ zum Abtasten der Minutiae eines Fingerabdrucks ist ebenfalls bekannt.

Zum Beispiel die Veröffentlichung IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Band 18, Nr. 1, Januar 1997, Seiten 19–20, enthält einen Aufsatz mit dem Titel "NOVEL FINGERPRINT SCANNING ARRAYS USING POLYSILICON TFT'S OF GLASS AND POLYMER SUBSTRATES" (Neuartige Fingerabdruck-Abstastanordnungen mit Polysilizium-Dünnfilmtransistoren aus Glas und Polymersubstraten). Dieser Aufsatz beschreibt eine zweidimensionale (2D) kapazitive Abtastanordnung mit 200 × 200 Elementen, die 40000 einzelnen Pixeln entsprechen. Jedes Pixel der Anordnung umfaßt zwei Dünnfilmtransistoren (thin film transistors, TFTs) und eine Kondensatorplatte. Jedes Pixel der Anordnung liegt am Schnittpunkt einer Zeile und einer Spalte der Anordnung, und jedes Pixel der Anordnung kann über Zeilen- und Spalten-Treiberschaltungen einzeln adressiert werden.

In der folgenden Beschreibung werden die zwei TFTs, die einem jeweiligen Pixel zugeordnet sind, als TFT-A und TFT-B bezeichnet. Die Drain-Elektroden von TFT-A und TFT-B sind mit der Kondensatorplatte des Pixels verbunden, die Gate-Elektrode und die Source-Elektrode vom TFT-A sind mit einer dem Pixel zugeordneten Zeilenleitung verbunden, die Gate-Elektrode vom TFT-B ist mit der folgenden Zeilenleitung verbunden, und die Source-Elektrode vom TFT-B ist mit einer dem Pixel zugeordneten Spaltenleitung verbunden.

Ein dünner (0,1 Mikrometer dicker) Isolator aus Siliziumnitrid liegt über der Kondensatorplatte von jedem Pixel der Anordnung. Wenn eine Rückenlinie eines Fingerabdrucks direkt über der Kondensatorplatte liegt, bildet sich ein Kondensator zwischen der Kondensatorplatte und dem Finger. Dieser Kondensator wird aufgeladen, wenn ein Zeilenimpuls (Amplitude 8 bis 10 Volt Gleichspannung, Dauer 100 Mikrosekunden) am betreffenden Pixel über die Zeilenleitung und dem TFT-A, die diesem Pixel zugeordnet sind, angelegt wird. Die dabei gespeicherte Ladung wird dann auf die dem Pixel zugeordnete Spaltenleitung über den TFT-B übergeben, wenn ein Zeilenimpuls an die folgende Zeilenelektrode angelegt wird.

Ebenfalls von Interesse ist die Veröffentlichung 2997 IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE (Internationale Konferenz über Halbleiter-Schaltungen), die einen auf der Seite 200 beginnenden Aufsatz enthält mit dem Titel "A 390DPI FINGERPRINT (MAGER BASED ON FEEDBACK CAPACITIVE SENSING SCHEME" (Eine Fingerabdruck-Abbildungsvorrichtung mit 390 Bildpunkten pro Zoll auf der Grundlage eines kapazitiven Rückkopplungssystems). Dieser Artikel beschreibt einen Sensor, der eine aus 200 × 299 Elementen gebildete Anordnung in digitaler Zweimetall-CMOS-Technologie auf einem einzigen Chip umfaßt, auf der kapazitiven Abtastung mit Rückkopplung basiert und auf die Veränderung elektrischer Felder anspricht, die von der Fingerhaut-Oberfläche induziert werden. In jedem Element der Anordnung befinden sich zwei Metallplatten mit horizontalem Abstand, die vom benachbarten Abschnitt der Fingerhaut mittels einer passivierenden Oxidschicht isoliert sind. Da der Abstand zwischen der Haut und der Oberfläche des Sensors der Anwesenheit von Rückenlinien und Tälern des Fingerabdrucks entspricht, liefert die Anordnung der Elemente eine vollständiges Abbildung des Fingerabdruckmusters.

In jedem Element der Anordnung sind die zwei Metallplatten respektive mit dem Eingang und dem Ausgang eines Inverters mit hohem Verstärkungsfaktor verbunden, um somit einen Ladungsintegrator zu bilden. Im Betrieb wird der Ladungsintegrator zunächst zurückgesetzt, indem der Eingang und der Ausgang des Inverters miteinander verbunden werden. Eine vorgegebene Ladungsmenge wird dann am Eingang eingeprägt, so daß sich die Ausgangsspannung proportional zu einem Rückkopplungs-Kapazitätswert verändert, der dem Abstand zu den Rückenlinien und Tälern des Fingerabdrucks proportional ist. Die Anordnung der Zellen oder Sensoren liefert somit die vollständige Abbildung des Fingerabdruckmusters. Die Fingerabdruck-Abbildung verschwindet, wenn der Finger von der Abtastanordnung entfernt wird.

Die US-Patentschrift 4,353,056 ist von Interesse, indem sie einen kapazitiven Fingerabdrucksensor betrifft, bei welchem der Finger auf die Sensoroberfläche gedrückt wird, um die Rückenlinien und Täler des Fingerabdrucks abzulesen. Die Sensoroberfläche weist eine große Anzahl von Kondensatoren mit kleinen physischen Abmessungen auf. Zwei Sensoren werden beschrieben. Im ersten Sensortyp trägt ein elektrischer Isolator mehrere flexible, gebogene Metallelektroden in horizontalen Abständen, wobei jeweils zwei benachbarte Metallelektroden einen Kondensator bilden. Ein schützender Isolierfilm liegt über dem elektrischen Isolator, und wenn ein Finger mit diesem schützenden Isolierfilm in Berührung gebracht wird, werden die Elektroden physisch deformiert, wobei sich die Kapazitätswerte der vielen Kondensatoren entsprechend dem Muster der Rückenlinien und Täler des Fingerabdrucks verändern. Im zweiten Sensortyp weist die obere Fläche eines starren Trägers mehrere flache Elektroden in festen Positionen mit horizontalem Abstand auf. Oberhalb der Ebene der Metallelektroden befinden sich, in dieser Reihenfolge, ein flexibler Isolator, eine flexible Elektrode und eine flexible Schutzmembran. Zwischen der oberen flexiblen Elektrode und jeder der unteren Metallelektroden in fester Position bildet sich ein respektiver Kondensator. Wenn das Ende eines Fingers mit der flexiblen Membran in Berührung gebracht wird, nimmt die flexible Elektrode eine gewellte Form an, die den Rückenlinien und Tälern des Fingerabdrucks entspricht.

Außerdem betrifft die US-Patentschrift 5,325,442 einen kapazitiven Fingerabdrucksensor, der ein Abtastkissen aufweist, welches eine ebene Anordnung von Abtastelementen in Zeilen und Spalten mit einem Abstandsmaß von etwa 100 Mikrometer aufweist. Jedes Abtastelement befindet sich am Schnittpunkt einer Zeilenleitung und einer Spaltenleitung, und in jedem Abtastelement bildet sich ein Abtastkondensator auf einer ebenen Abtastelektrode, die von der Fingeroberfläche durch einen isolierenden Film, der über der Abtastelektrode liegt, getrennt ist. Die Mehrzahl der Abtastelektroden, die die Anordnung bilden, sind Rechtecke gleicher Größe mit regelmäßigem Abstand.

Die Abtastelemente werden in einem Fotolithograhischen Verfahren hergestellt, und jedes einzelne Abtastelement umfaßt einen Dünnschichttransistor (TFT) als Feldeffekttransistor (FET). Jedes FET-Gate ist mit einer Zeilenleitung verbunden, jede FET-Source ist mit einer Spaltenleitung verbunden, und jeder FET-Drain ist mit einer Abtastelektrode verbunden.

In einer Ausführungsform umfaßt jedes Abtastelement einen Abtastkondensator, der zwischen einer Abtastelektrode und dem Finger gebildet wird. In einer anderen Ausführungsform umfaßt jedes Abtastelement ein elektrisch isoliertes und leitendes Kissen, welches vom Finger berührt wird.

Vorrichtungen oben beschriebener Art gemäß dem Stand der Technik sind im allgemeinen für ihren begrenzten Einsatzzweck nützlich, es bleibt jedoch ein technischer Bedarf für eine kapazitive Fingerabdrucksensor-Anordnung, in welcher die Sensoranordnung mittels allgemein gebräuchlicher Halbleiter-Bearbeitungsverfahren zusammengebaut oder gekapselt wird, in einer Weise, die den Einsatz als Sensoranordnung verbessert und gleichzeitg Kontaminierung und sonstige negative Auswirkungen verhindert oder minimiert, wenn die aktive obere Fläche der Sensoranordnung von einem Finger berührt wird.

Unten werden nun Ausführungsformen beschrieben, die eine neuartige gekapselte integrierte Schaltung (IC) einer Anordnung kapazitiver Sensorzellen aufweisen, die zusammenwirkend das Fingerabdruckmuster einer Fingerspitze, die mit der oberen Fläche der gekapselten Einheit in Berührung gebracht wird, erfassen können. Die IC-Anordnung ist im allgemeinen rechteckig und flach, und die IC-Anordnung umfaßt eine relativ große Anzahl einzelner Sensorzellen oder Pixel, die sich in den vielen Zeilen und vielen Spalten der Anordnung befinden.

Die intern untergebrachte IC-Anordnung weist zur oberen Fläche der gekapselten Einheit hin, an welcher die Anordnung von einer flexiblen Membran mit kleiner dielektrischer Konstante überdeckt und geschützt wird, um beim Einsatz zum Erfassen eines Fingerabdruckmusters einen bequemen Zugang für die Fingerspitze zu bilden.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jede einzelne Sensorzelle der IC-Anordnung eine signalinvertierende Schaltung auf, deren Eingang und Ausgang mit einem MOS-Transistor überbrückt werden kann, der jedoch im Ruhezustand als offener Schalter wirkt und nur zum Zurücksetzen der Schaltung geschlossen wird. Jede Sensorzelle umfaßt außerdem ein Paar flacher oder planarer Metallplatten mit horizontalem Abstand, die im allgemeinen in der obersten Ebene angeordnet sind. Diese zwei Metallplatten wirken elektrisch mit der Fingerspitzenhaut zusammen, um zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren zu bilden, welche die negative Rückkopplung von Ausgang zum Eingang der signalinvertierenden Schaltung bilden, wobei der Grad der negativen Rückkopplung eine Funktion des Abstandsmaßes zwischen der Haut über der betreffenden Zelle und der Metallplatten jener Zelle ist.

Im Betrieb werden alle Sensorzellen zunächst entladen, indem alle Rücksetzschalter, von welchen es einen für jede Sensorzelle gibt, kurzzeitig geschlossen werden. Die Fingerspitze wird dann mit der passivierten Oberfläche der Anordnung in Berührung gebracht. Die Anwesenheit der Rückenlinien des Fingerabdrucks über den respektiven Metallplattenpaaren bewirkt eine verstärkte kapazitive Kopplung zwischen diesen diversen Palttenpaaren, verglichen mit den anderen Plattenpaaren, die einem Tal im Fingerabdruck gegenüberliegen. Das Fingerabdruckmuster wird daraufhin digitalisiert, indem die Unterschiede der Kapazitätswerte benachbarter Pixel abgetastet werden.

Da die Fingerspitze in die unmittelbare Nähe der Oberfläche der Abtastanordnung gebracht werden muß, sind die allgemein gebräuchlichen Verkapselungs-Technologien zum Verkapseln dieser Anordnung generell ungeeignet. Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung werden bezüglich einer Verkapselung erläutert, die zwei vertikal ausgerichtete, wandartige Chipkartenträger aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch einsetzbar für Anwendungen, die eine stationäre Installation der Sensoranordnung erfordern.

Die unten beschriebenen Ausführungsformen ergeben eine Verkapselungs-Konstruktion und Abtastanordnung mit einer horizontalen Oberflächen-Topographie, die interne Lötverbindungskissen erlaubt und die physische Trennung, den Schutz und die Positionierung der internen Schaltungswege mit gewünschtem Abstand unter der Oberfläche des Sensors ermöglicht, die als Berührungsfläche für die Fingerspitze dient, im allgemeinen unter einem oberen Chipkartenträger, der einen Randabschnitt der Oberflächentopographie umgibt und überdeckt.

Dieses Ergebnis wird erzielt, indem die vier Kanten oder Ränder der oberen Fläche eines im allgemeinen rechteckigen Siliziumsubstrats, dessen zentrale, im allgemeinen rechteckige und sich nach oben erstreckende, kuppelförmige, flache obere Fläche die oben beschriebene Anordnung aus vielen Zellen trägt, dünner gemacht werden. Diese Konstruktion und Anordnung ergibt einen sich deutlich verjüngenden Siliziumsubstrat-Übergangsbereich, der zwischen dem an den Kanten liegenden, dünneren Substratbereich und dem in den Mitte angeordneten, kuppelförmigen dickeren Substratbereich liegt, wodurch eine brauchbare Filmstufen-Überdeckung dieser dünnen/rampenförmigen/dicken Substrat-Oberflächentopographie bei der Bearbeitung ermöglicht wird.

Die obere Fläche des Substrats wird von einer zwischen dielektrischen Schichten liegenden Metallschicht überdeckt, und die elektrischen Verbindungen zur Sensoranordnung werden über eine oder mehrere Leiterbahnen aus Metall hergestellt, die sich über diese Planarisierungsschicht erstrecken, vom dünnen Bereich des Siliziumsubstrats nach oben entlang dem sich verjüngenden Bereich des Siliziumsubstrats, um am Rand oder an der Kante der sich oben befindlichen Sensoranordnung elektrisch zu enden und dort elektrisch verbunden zu sein.

Eine Passivierungsschicht wird über der Kombination des Siliziumsubstrats, der Sensoranordnung, der Planarisierungsschicht und der Anordnung der elektrischen Anschlüsse aufgebracht.

Die im allgemeinen flache untere horizontale Fläche des Siliziumsubstrats wird getragen von der oberen horizontalen Fläche eines etwas größeren und im allgemeinen komplementären, rechteckigen Trägerlaminats, welches aus starrem, elektrisch nicht leitendem Kunststoff hergestellt ist. Das Siliziumsubstrat ist im allgemeinen auf der oberen Fläche dieses Trägerlaminats zentriert angeordnet, und eine im allgemeinen rechteckige, zweiteilige, wandartige Chipträgerstruktur wird gestützt von und an der exponierten oberen Fläche dieses Trägerlaminats versiegelt, so daß sie das Siliziumsubstrat umgibt und schützt, wobei sie den dünneren Abschnitt des Siliziumsubstrats überlappt und dabei eine relativ kleine, zentral angeordnete und im allgemeinen rechteckige Öffnung bildet, durch welche nur die zentral angeordnete Kuppel des Siliziumsubstrats und ihre Sensoranordnung nach oben ragt, um im allgemeinen mit dem oberen Ende der umgebenden, wandartigen Struktur zusammenzutreffen.

Ein dünnes, im allgemeinen rechteckiges, flexibles, elektrisch nicht leitendes Laminat mit kleiner dielektrischen Konstante ist mit dem oberen Ende der wandartigen Chipträgerstruktur verbunden, um die Einheit gegen Kontaminierung und anderen negativen Einflüssen zu versiegeln.

Die wandartige Chipträgerstruktur umfaßt ein großflächiges unteres Element und ein kleinerflächiges oberes Element. Die elektrischen Anschlüsse zur Abtastanordnung werden über eine intern und extern exponierte Metallschicht, die zwischen dem unteren und dem oberen Element angeordnet ist, hergestellt.

Ein Ziel der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen ist das Bereitstellen einer Verkapselungsvorrichtung bzw. eines Verkapselungsverfahrens für einen Halbleiter-Fingerabdrucksensor, der eine planare, im allgemeinen rechteckige Multipixel-Fingerabdruck-Abtastanordnung aufweist, die auf einer horizontalen und im allgemeinen rechteckigen oberen Fläche einer Kuppel montiert ist, die sich im allgemeinen von der Mitte eines horizontal angeordneten und im allgemeinen rechteckigen Silizium-Substratelements nach oben erstreckt. Die Kuppel wird gebildet aus vier sich nach oben erstreckenden und geneigten oder verjüngenden Seitenwandflächen, von welchen wenigsten eine Wand die elektrischen Leiterbahnen trägt, welche die Verbindungen zur Abtastanordnung bilden. Eine im allgemeinen rechteckige wandartige Kartenträgereinheit umgibt das Substratelement. Die Kartenträgereinheit weist eine im allgemeinen horizontale obere Fläche auf, mit einer generell zentrierten Öffnung, durch welche nur die Kuppel und die Abtastanordnung physisch zugänglich sind. Die untere Fläche der Kartenträgereinheit ist an den Randabschnitten des Silizium-Substratelements in einer Weise montiert, die alles mit Ausnahme der sich nach oben erstreckenden Kuppel umgibt und schützt. Eine sehr dünne flexible Membran, oder ein Laminat, mit kleiner dielektrischer Konstante ist mit der oberen Fläche der Kartenträgereinheit verbunden, um eine flexible Schutzschicht über der Abtastanordnung zu bilden. Diese flexible Membran befindet sich in physikalisch engem Kontakt mit der oberen Fläche der Anordnung. Der enge Kontakt und die kleine dielektrische Konstante der flexiblen Membran ermöglichen eine problemlose Modulation der Kapazitätswerte der Pixel der Anordnung mit einer Fingerspitze.

Die Kartenträgereinheit enthält Leiterbahnen mit externen Abschnitten und mit internen Abschnitten, die mit den internen Leitungswegen verbunden sind, wobei die externen Abschnitte externe Anschlußmöglichkeiten für die intern untergebrachte Abtastanordnung bilden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, um eine kapazitive Fingerabdruck-Abtastanordnung zu verkapseln, um die Abtastanordnung physisch und gegen Umwelteinflüsse zu schützen, welches die folgenden Schritte umfaßt: Beschaffung einer kapazitiven Fingerabdruck-Abtastanordnung, gekennzeichnet durch: Beschaffung einer starren Substrateinheit, die eine obere Fläche und einen Boden aufweist, mit einer Kuppel, die sich von der oberen Fläche nach oben erstreckt, und mit einem obersten Kuppelflächenbereich auf der Kuppel, wobei dieser oberste Kuppelflächenbereich in einem vorgegebenen Abstand über dem Boden angeordnet ist; Anordnen der Abtastanordnung auf dem obersten Kuppelflächenbereich; Beschaffung eines Trägerelements mit einer Trägerelement-Oberseite; Montieren des Bodens der starren Substrateinheit an der Trägerelement-Oberseite; Beschaffung eines starren und ununterbrochenen Wandelements mit einer Bodenfläche und einer oberen Fläche, die im allgemeinen im vorgegebenen Abstand über der Bodenfläche angeordnet ist; Montieren der Bodenfläche des Wandelements am Trägerelement; Beschaffung eines flexiblen Membranelements mit kleiner dielektrischen Konstante; und Montage des Membranelements auf der oberen Fläche des Wandelements, um somit eine gleichmäßige obere Fläche mit kleiner dielektrischen Konstante zur Verfügung zu stellen, die von einer Fingerspitze berührt werden kann, deren Fingerabdruckmuster abgetastet werden soll.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, die einen internen Hohlraum zur Verfügung stellt, der einen kapazitiven Objektsensor physisch schützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein planares Trägerelement mit einer horizontalen oberen Fläche erster Größe; ein Halbleitersubstrat mit einer horizontalen unteren Fläche zweiter Größe, die kleiner als die erste Größe ist;

erstes Montagemittel zum Montieren der horizontalen unteren Fläche des Substrats, im allgemeinen zentriert auf der horizontalen oberen Fläche des Trägerelements, um somit einen exponierten Randabschnitt der horizontalen oberen Fläche des Trägerelements zu bilden, wobei das Substrat eine Topographie der oberen Fläche aufweist, die eine horizontale und planare Randfläche bildet, und eine sich nach oben verjüngende Fläche, die an einer im allgemeinen zentral angeordneten, planaren und oberen horizontalen Kuppelfläche endet, welche den kapazitiven Objektsensor enthält; wobei die planare Kuppelfläche im vorgegebenen Abstand oberhalb des exponierten Randabschnitts der horizontalen oberen Fläche des Trägerelements angeordnet ist; ein sich vertikal erstreckendes, ununterbrochenes Wandelement, welches eine umgebende Hohlraumwand bildet, die ein Durchgangsloch mit einer horizontalen oberen Fläche und einer horizontalen unteren Fläche bildet, wobei die obere Fläche im allgemeinen im vorgegebenen Abstand über der unteren Fläche angeordnet ist;

zweites Montagemittel, welches die untere Fläche des Durchgangslochs auf dem exponierten Randbereich der horizontalen oberen Fläche des Trägerelements montiert, um somit das Substrat und den Objektsensor innerhalb des Durchgangslochs zu positionieren; ein flexibles Membranelement mit kleiner dielektrischen Konstante; und

drittes Montagemittel, welches das Membranelement auf der oberen Fläche des Durchgangslochs montiert, um eine nach unten flexible Fläche mit kleiner dielektrischer Konstante zu bilden, welche dicht über dem kapazitiven Objektsensor liegt.

Diese und andere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann an Hand der nun folgenden detaillierten Beschreibung, die sich auf die folgenden Figuren bezieht, ersichtlich.

1 ist eine in der X-Y-Ebene aufgenommene Draufsicht einer im allgemeinen planaren Multipixel-Abstandsabtastanordnung mit mehreren Zeilen und Spalten, welche die vorliegende Erfindung verwendet, wobei diese Anordnung eine Mehrzahl kapazitiver Halbleitersensoren aufweist, die zusammenwirkend einen elektrischen Ausgang bilden, der einem Multipixel-Fingerabdruckmuster gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht.

2 ist eine schematische Darstellung der Schaltung einer einzelnen Zelle der Anordnung gemäß 1, wobei alle Zellen der Anordnung gemäß 1 im allgemeinen identische physikalische und elektrische Konstruktion und Konfiguration aufweisen.

3 zeigt das äquivalente Schaltbild der in 2 dargestellten Schaltung einer einzelnen Zelle.

4 ist eine perspektivische Ansicht von oben vom Silizium-Substratabschnitt einer Verpackungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

5 ist eine Seitenansicht von 4.

6 ist eine Seitenansicht, die verwendet wird, um die Bearbeitung des Silizium-Substratelements der 4 und 5 zu erläutern vor der Befestigung des Substratelements am unteren starren Laminatelement der 4 und 5, wobei 6 auch die Verwendung von zwei Leiterbahn-/Lötkissen-Paaren zeigt, um die elektrischen Anschlüsse der in 1 dargestellten IC-Einheit zu bilden.

7 ist eine Draufsicht, in welcher die alternative Verwendung von vier Leiterbahn-/Lötkissen-Paaren für die elektrischen Anschlüsse an die in 1 dargestellte IC-Einheit gezeigt wird.

8 ist eine auseinandergezogene Seitendarstellung einer fertig gekapselten Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei diese Figur die Anordnung von 6 vertikal abgetrennt vom in den 4 und 5 dargestellten Trägerlaminat zeigt, und diese Figur außerdem eine zweiteilige Chipkarteneinheit, eine Schicht mit Leiterbahnen aus Metall und ein oberstes, dünnes und flexibles Schutzlaminat zeigt, wobei alle diese Teile zusammenwirken, um den Zusammenbau gemäß 6 schützend zu verkapseln.

9 ist eine Seitenansicht der zusammengebauten, fertig verkapselten Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

1 ist eine Draufsicht eines IC-Bauelements, das eine im allgemeinen planare Multipixel-Anordnung 3 mit mehreren Zeilen und Spalten aufweist und eine relativ große Anzahl kapazitiver Halbleiter-Abtastzellen 2 umfaßt, die gemäß einem Aspekt dieser Ausführungsform zusammenwirken, um ein elektrisches Ausgangssignal 10 zu liefern, welches einem aus vielen Pixeln gebildeten Fingerabdruckmuster entspricht. Wie dargestellt ist 1 in der X-Y-Ebene aufgenommen. Die Anordnung 3 enthält eine Anzahl N horizontaler, d. h. sich in der X-Richtung erstreckender, Zeilen einzelner kapazitiver Abtastzellen 2, wobei jede Reihe eine Anzahl M einzelner Abtastzellen 2 enthält, und die Anordnung 3 enthält eine Anzahl M vertikaler, d. h. sich in der Y-Richtung erstreckender, Spalten einzelner kapazitiver Abtastzellen 2, wobei jede Spalte eine Anzahl N einzelner Abtastzellen enthält, wobei die Zahlen N und M Ganzzahlen sind, die gleich oder ungleich sein können. Die Anzahl der einzelnen Bildelemente, Pixel oder Zellen 2 in der Anordnung 3 ist groß und entspricht dem Produkt von M × N. In einem Beispiel sind 512 × 512 Pixel oder Zellen in der Anordnung 3 vorhanden, wobei die physischen Abmessungen der Anordnung 3 im Bereich von etwa 20 mm bis etwa 25 mm liegen.

Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine Halbleiter-Verkapselungsvorrichtung und um ein entsprechendes Verfahren, wobei die Anordnung 3 mit ihren vielen einzelnen Abstastzellen 2, im allgemeinen mittels Halbleiter-Verarbeitungstechniken, zusammengebaut oder verkapselt wird in einer Weise, die die Funktion der Anordnung 3 begünstigt und zugleich eine Kontaminierung mit Fett, Feuchtigkeit und Kondensat usw. verhindert oder minimiert, wenn eine Fingerspitze 18 in 2 mit der oberen aktiven Fläche 125 der Anordnung 3 physisch in Berührung gebracht wird.

Jede einzelne Abtastzelle 2 in der Anordnung 3 ist individuell adressierbar, indem sich die Zelle an einem bestimmten Schnittpunkt einer bestimmten Zeile und einer bestimmten Spalte der Anordnung 3 befindet. Die Weise, in welcher die einzelnen Abtastzellen 2 der Anordnung 3 adressiert und ausgelesen werden, um ein Fingerabdruckmuster zu digitalisieren, ist dem Fachmann wohlbekannt und bildet keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine integrierte Chipschaltung 1, die gemäß dieser Ausführungsform gekapselt werden soll. Das IC-Element 1 umfaßt eine) Horizontal-Abtaststufe oder Netzwerk 6 und eine) Vertikal-Abtaststufe oder Netzwerk 5, um sequentiell jeweils eine Zelle 2 gemäß eines vorgegebenen Abtastmusters abfragen oder auslesen zu können. Vorzugsweise umfassen die Stufen 5 und 6 Schieberegister oder Dekodierer, die die Ausgänge 17 der Zellen 2 in 2 sequentiell abfragen.

Das IC-Element 1 umfaßt auch eine) Stromversorgungs/Logikstufe oder Netzwerk (7), welche die Komponenten des IC-Elements, einschließlich aller Zellen 2, mit den erforderlichen Betriebsspannungen versorgt und die Schrittfolge steuert, die für die Funktion des IC-Elements 1 notwendig ist. Insbesondere liefert eine Gleichspannungsquelle 12 eine Referenz-Gleichspannung Vr. Ein Puffer 8 ist mit den Ausgängen 17 aller Zellen 2 verbunden. Am Ausgang des Puffers 8 erscheint das sequentiell organisierte Ausgangssignal des IC-Elements 1, wobei das Signal am Ausgang 10 von den Funktionen der Abtaststufen 5 und 6 gesteuert wird.

2 zeigt schematisch die Schaltung einer einzelnen Zelle 2 der in 1 dargestellten Anordnung 3, wobei alle Zellen 2 im allgemeinen identisch konstruiert und konfiguriert sind. Jede Zelle 2 umfaßt einen signalinvertierenden Kleinleistungs-Verstärker 13 mit einem typischen Verstärkungsfaktor im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2000. Der Anschluß 21 bildet den Eingang der Schaltung der Zelle 2, und der Anschluß 21 sowie der Eingangskondensator 20 sind mit dem Eingang 16 des Verstärkers 13 verbunden. Der Anschluß 17 bildet den Ausgang der Zelle 2 und des Verstärkers 13. Jede Zelle 2 umfaßt auch zwei X-Y-planare Armaturen oder Kondensatorplatten 23, 24 aus Metall, die im allgemeinen gleiche Flächengrößen und einen gegenseitigen Abstand in horizontaler oder X-Richtung innerhalb einer horizontalen X-Y-Fläche aufweisen. Eine dünne dielektrische Schicht 25 überdeckt die Kondensatorplatten 23, 24, und die obere horizontale Fläche 125 der Schicht 25 bildet eine aktive Oberfläche der Abtastanordnung, die physisch von der Hautfläche 18 eines Fingers, von welchem der Fingerabdruck abgetastet oder bestimmt werden soll, berührt wird. Die dielektrische Schicht 25 kann die gesamte Fläche des oberen Abschnitts des IC-Elements 1 überdecken, welche die Abtastanordnung 3 und ihre einzelnen Zellen 2 umfaßt.

Im Einsatz wird die Fingerspitze 18 auf die obere Fläche 125 der dielektrischen Schicht 25 der Anordnung 3 gebracht. Dabei bildet die Hautfläche 18 eine Armatur oder Elektrode, die vertikal oberhalb der X-Y-planaren Oberflächen der Kondensatorplatten 23, 24 liegt und diesen zugewandt ist. Die Hautfläche 18 wirkt mit den Platten 23, 24 zusammen, um den ersten Kondensator 34 in 3 sowie den zweiten Kondensator 33 in 3 zu bilden, wobei das in Reihe geschaltete Kondensatorpaar 33, 34 als negativer Rückkopplungsweg vom Ausgang 17 des Verstärkers zum Eingang 16 des Verstärkers verbunden ist.

Jede Zelle 2 weist auch einen im Ruhezustand offenen Start-, Rückstell- oder Steuerschalter auf, der vorzugsweise als MOS-Schalter implementiert ist. Der Schalter 19 schließt den Eingang 16 des Verstärkers mit dem Ausgang 17 des Verstärkers selektiv und momentan kurz. Der Schalter 19 wird mit einem Steuersignal "R" gesteuert, welches von der Stromversorgungs- und Logikeinheit 7 in 1 geliefert wird. Am Anfang einer Fingerabdruck-Erfassungsoperation werden die Schalter 19 von allen Zellen 2 der Anordnung kurzzeitig geschlossen, so daß der Spannungspegel an allen Zelleneingängen 21 auf einen bestimmten gleichen Wert gebracht wird. In dieser Weise wird die Eingangsspannung jeder Zelle 2 auf den gleichen Wert wie die Ausgangsspannung der Zelle gebracht.

Kurze Zeit danach öffnet die Stromversorgungs- und Logikeinheit 7 alle Rückstellschalter 19 und legt einen Spannungssprung gleicher Höhe wie die Referenzspannung Vr an alle Zelleneingänge 21. Nun wird eine elektrische Ladung an jedem Zellen-Eingangskondensator 20 induziert, so daß die lokalen einzelnen Zellenabstände "d" in der Z-Richtung, die zwischen den Kondensatorplatten 23, 24 der Zelle und der über der Zelle liegenden Hautoberfläche 18 vorliegen, abgelesen werden können.

Die Abtaststufen 5, 6 in 1 wirken nun, um das sequentielle Auslesen oder Abfragen der vielen Zellen 2 in der Anordnung 3 zu ermöglichen. In dieser Weise arbeitet der Puffer 8, um sequentiell ein Ausgangssignal 10 als eine Folge von Graustufen-Spannungswerten zu liefern, die einer dreidimensionalen Abbildung und Darstellung der Hautoberfläche des Fingers 18 darstellen, der aktuell auf der oberen Fläche 125 der Anordnung 3 liegt.

3 ist ein äquivalentes Schaltbild der in 2 dargestellten Schaltung einer einzelnen Zelle. Die Eingangskapazität des Verstärkers 13 trägt die Bezeichnung 30, und die Ausgangskapazität des Verstärkers 13 trägt die Bezeichnung 31, und die zwei oben erwähnten, in Reihe geschalteten, auf die Haut ansprechenden Kondensatoren tragen die Bezeichnungen 33, 34.

4 ist eine perspektivische Ansicht, von oben, des unteren Substratabschnitts 41 einer Halbleiter-Verkapselungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 5 ist eine Seitenansicht des unteren Abschnitts 41.

Die Bezeichnung 42 kennzeichnet ein im allgemeinen rechteckiges Silizium-Substratelement mit einer flachen oder horizontalen unteren Fläche 54. Wie in den 4 und 5 dargestellt ist, wurde ein Teil der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 42 in einer wohlbekannten Weise bearbeitet, um ihre vier Kanten oder Ränder 4346 dünner zu machen. Diese vier Randabschnitte 4346 liegen in der gleichen Ebene und im allgemeinen horizontal. In dieser Weise wird eine im allgemeinen zentral angeordnete, sich nach oben erstreckende Kuppel 47 mit im allgemeinen rechteckiger oberen Fläche erzeugt. Die Kuppel 47 weist eine flache, im allgemeinen horizontale obere Fläche 48 auf mit einer vorzugsweise zur X-Y-planaren Fläche des IC-Elements 1 komplementären Flächengröße, und die das IC-Element 1 und ihre aus vielen Zellen gebildete Anordnung 3 trägt. Der Fachmann wird erkennen, daß das IC-Element 1 integriert mit dem Silizium-Substratelement 41 erzeugt werden kann, oder daß das IC-Element 1 eine separate Vorrichtung sein kann, die auf der oberen Fläche der sich nach oben erstreckenden Kuppel 47 in der Mitte des Substrats montiert und an dieser Fläche befestigt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Substratflächen 54 und 48 parallel, und die Substratflächen 4346 liegen in der gleichen Ebene und parallel zu den Flächen 54, 58.

Diese neuartige Konstruktion und Anordnung weist ein Siliziumsubstrat 42 auf mit einem sich deutlich verjüngenden Übergangsbereich der oberen Fläche, der mit den vier sich nach oben verjüngenden Wänden 4952, die zwischen der horizontalen Kante vorhanden sind, und vom dünnen Substratbereich 4346 und dem horizontalen, in der Mitte befindlichen, kuppelförmigen, dicken Substratbereich 47 gebildet wird, so daß eine brauchbare Filmstufen-Überdeckung der dünnen/sich verjüngenden/dünnen Topographie der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 42 während der Bearbeitung gewährleistet ist. Die Bezeichnung 53 kennzeichnet den Winkel, unter welchem alle vier Wände 4952 geneigt sind oder sich relativ zur X-Y-Ebene verjüngen. Dieser Winkel kann im Bereich von etwa 30 Grad bis etwa 70 Grad liegen.

Die im allgemeinen flache Bodenfläche 54 des Siliziumsubstrats 42 wird von der im allgemeinen flachen oberen Fläche 55 eines etwas größeren und im allgemeinen komplementären rechteckigen Träger-Laminatelements 56 getragen, welches aus einem starren, elektrisch nicht leitenden Kunststoff hergestellt ist. Wie dargestellt, ist das Siliziumsubstrat 42 im allgemeinen zentriert auf der oberen Fläche 55 des Trägerlaminats 56 aufgebracht. Zum Beispiel kann das Trägerlaminat eine quadratische Form mit 30 mm Kantenlänge oder eine Größe etwa gleich der gebräuchlicher Kreditkarten aufweisen.

Wie ersichtlich, bietet die sich nach oben erstreckende Kuppel 47 des Silizium-Substratelements 42 eine hervorstehende Abtastfläche für die Berührung mit der Fingerspitze 18, während die sonstigen externen Teile der Verkapselungseinheit, die beschrieben werden, zum Versiegeln und zum Schutz noch anderer interner Teile einer Fingerabdruck-Abtastvorrichtung gemäß dem Sinn und dem Umfang der vorliegenden Erfindung dienen.

Vor der Befestigung des Silizium-Substratelements 42 und seiner IC-Einheit 1 am unteren Laminatelement 56, wird das Substratelement 42 so bearbeitet, wie nun mit Hinweis auf die 6 und 7 beschrieben wird.

Es ist ersichtlich, daß die Topographie der oberen Fläche des Silizium-Substratelements 42, d. h. die Topographie, welche (1) den unteren, koplanaren und umgebenden Randbereich 4346, (2) den im allgemeinen zentrierten und sich nach oben verjüngenden Bereich 4952 sowie (3) den obersten Kuppelbereich 48 umfaßt, die Anordnung von Lötkissen-Verbindungen, Schaltungsanschlüssen usw. in einem geschützten Abstand unterhalb einer oberen Abtastfläche ermöglicht, die gebildet wird von einem (zu beschreibenden) flexiblen Schutzlaminat (76) mit kleiner dielektrischer Konstante, welches eine flexible Schutzabdeckung der oben beschriebenen IC-Einheit 1 bildet, die an der oberen Fläche 48 der Kuppel 47 physisch getragen wird.

Beim Aufbau der In 6 dargestellten Konstruktion wird die obere Fläche 48 der Kuppel 47, d. h. die Fläche, welche die oben beschriebene Anordnung 3 von Abtastzellen 2 und die Schaltungen gemäß 2 aufweist, maskiert und dann mittels Ätzen bearbeitet, um damit das Siliziumsubstrat 42 in den Randbereichen 4346 und in den geneigten Bereichen 4952 vor dem Auftragen der dielektrischen Intermetallschicht 57 abzutragen.

Die Schicht 57 kann aufgetragen werden, indem eine erste Schicht eines Niedrigtemperaturoxids (zum Beispiel ein TEOS oder eine Chemikalie auf Silanbasis) aufgetragen wird, dieser erste Oxidschicht mit einer Lage aus Spin-On-Glas (SOG) planarisiert wird, gefolgt von einem Zurückätzvorgang mit einer Chemikalie, welche die SOG-Schicht und die erste Schicht aus Niedrigtemperaturoxid mit etwa gleicher Geschwindigkeit abträgt, wonach die in dieser Weise planarisierte Oberfläche mit einer zweiten Schicht eines Niedrigtemperaturoxids überdeckt wird. Die schließliche Gesamtdicke der Schicht 57 in der Z-Richtung liegt im Bereich von etwa 0,6 bis etwa 2,0 Mikrometer.

Durchgänge werden nun mit bekannten Mitteln in der Schicht 57 geöffnet.

Als nächster Schritt im in 6 dargestellten Verfahren werden mehrere Leiterbahnen 58 aus Metall erzeugt. 6 zeigt zwei solche Leiterbahnen 58, während die Draufsicht in 7 die alternative Verwendung von vier Leiterbahnen 58 zeigt. Wie wohlbekannt ist, werden die Leiterbahnen 58 in ausreichender Anzahl erzeugt, um die benötigten elektrischen Anschlüsse für die Abtastanordnung und für die oben beschriebenen Schaltungen in 2 zur Verfügung zu stellen. Die Abschnitte der Leiterbahnen 58, die sich über die vertieften Abschnitte 4346 des Substratelements 42 erstrecken, werden zur Bildung von Anschlußkissen verwendet.

Nun wird eine Passivierungsschicht auf dem oben beschriebenen Zusammenbau aufgetragen, wobei diese Schicht eine Anzahl Öffnungen 61 gleich der Anzahl Verbindungskissen oder Stoß-Lötstellen 67 aufweist, die mit bekannten Galvanisierungsverfahren hergestellt werden. Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, wird für jede Leiterbahn 58 eine Stoß-Lötstelle 58 vorgesehen. Die Passivierungsschicht 60 wird vorzugsweise aus Nitrid hergestellt, und die Schicht 60 weist eine Dicke von etwa 0,3 bis etwa 0,7 Mikrometer in der Z-Richtung auf.

Als Option wird das Verfahren gemäß 6 und 7 mit einem letzten Schritt abgeschlossen, in welchem die untere Fläche 54 des Substratelements 42 mittels bekanntem Abschleifverfahren dünner gemacht wird.

8 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer fertig verpackten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 8 zeigt die oben beschriebene Anordnung von 6, abgetrennt in vertikaler Richtung vom in den 4 und 5 dargestellten Trägerlaminat 56. 8 zeigt außerdem eine zweiteilige Chipkarten-Trägereinheit 70, 72, eine Lage 71 mit Leiterbahnen aus Metall sowie ein dünnes flexibles Schutzlaminat 76 mit kleiner dielektrischer Konstante, wobei diese Teile zusammenwirken, um den in 6 dargestellten Zusammenbau schützend zu versiegeln und zu kapseln. 9 ist, ähnlich wie 8, eine Seitenansicht, in welcher die verschiedenen Teile der Verkapselung oder Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengebaut dargestellt sind.

Die Chipkarten-Trägereinheit kann als ein dreiteiliger Zusammenbau aufgefaßt werden, der ein oberes, kleinfächiges Kartenträgerelement 70, eine Zwischenmetallschicht 71, die an der unteren Fläche 73 des oberen Kartenträgerelements 70 befestigt ist, und ein unteres großflächiges Kartenträgerelement 72, welches an der unteren Fläche der Metallschicht 71 befestigt ist, umfaßt. Somit ist der Zusammenbau 70, 71, 72 eine Einheit mit drei funktionellen Teilen, welche eine relativ großflächige und allgemein rechteckige untere Öffnung 75 sowie eine relativ kleinflächige und allgemein rechteckige obere Öffnung 74 aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die X-Y-planaren Flächen 74, 75 komplementäre Rechtecke, zum Beispiel Quadrate.

Die Kartenträgerelemente 70 und 72 sind aus einem nicht kritischen, elektrisch nicht leitenden, starren strukturellen Kunststoff hergestellt, zum Beispiel aus den wohlbekannten Kunststoffen, mit welchen Kreditkarten hergestellt werden.

Die Metallschicht 71 bildet die Leiterbahn-Netzwerke für die Zwischenverbindungen, die zwischen zwei dielektrischen Elementen 70, 72 untergebracht sind. In wohlbekannter Weise wirken die Leiterbahn-Netzwerke 71 mit den Stoß-Lötstellen 67 und den Leiterbahnen 58 aus Metall zusammen, um die internen zu externen elektrischen Verbindungen herzustellen, die für das IC-Element 1, für ihre Abtastanordnung 3 und für ihre vielen Abtastzellen 2 erforderlich sind.

Das obere Kartenträgerelement 70, in der Ansicht von oben und in der X-Y-Ebene, weist die Form eines rechteckigen Streifens mit rechteckigem Querschnitt auf, der ein zentrales Durchgangsloch 74 in der Z-Richtung aufweist, welches groß genug ist, um die obere Fläche 48 der Substratkuppel 47 und/oder die diversen IC-Abtastelemente aufzunehmen, die auf der oberen Fläche 48 der Kuppel 47 getragen werden.

Das untere Kartenträgerelement 72, in der Ansicht von oben und in der X-Y-Ebene, weist ebenfalls die Form eines komplementären rechteckigen Streifens mit ebenfalls rechteckigem Querschnitt auf. Der vom unteren Kartenträgerelement 72 definierte, rechteckige Streifen ist jedoch größer als der, der vom oberen Kartenelement 70 definiert ist. Somit stellt das Kartenträgerelement 72 ein relativ großflächiges, zentrales Durchgangsloch 75 in der Z-Richtung zur Verfügung, welches groß genug ist, um die gesamte, in 6 dargestellte Einheit schützend zu umgeben.

Zusätzlich bildet der obere X-Y-planare Abschnitt 171 des unteren Kartenträgerelements 72 den Träger für einen extern exponierten Abschnitt der Schicht 70 mit den Leiterbahnen aus Metall, und ermöglicht somit die Herstellung der elektrischen Anschlüsse an die internen elektrischen Schaltungsabschnitte der in 9 dargestellten, zusammengebauten, verkapselten Einheit.

Die sich im zusammengebauten Zustand ergebende Dicke in der Z-Richtung für das obere Kartenträgerelement 70, die Metallisierungsschicht 7 und das untere Kartenträgerelement 72 wird so gewählt, daß alles mit Ausnahme des oberen Abschnitts des in 6 dargestellten Zusammenbaus innerhalb eines internen Hohlraums untergebracht und von diesem geschützt wird, der von den Öffnungen 74 und 75 definiert ist, und so, daß nur der zentrale Abtast-Kuppelabschnitt des in 6 dargestellten Zusammenbaus sich bis zur X-Y-Ebene der oberen Fläche 77 des oberen Kartenträgerelements 70 erstreckt.

8 zeigt auch ein dünnes, flexibles Schutzlaminat 76, welches über dem gesamten, in 8 dargestellten Zusammenbau liegt. Das Laminat 76 kann aus einem Polyethylen- oder ähnlichem, flexiblem Kunststoffmaterial hergestellt sein. Das Laminat 76 wird auf der oberen Fläche 77 des oberen Kartenträgerelements 70 befestigt, zum Beispiel mit einem Klebstoff.

Da der zentrale Abtast-Kuppelabschnitt 47 des in 6 dargestellten Zusammenbaus nach oben hervorsteht, um im allgemeinen mit der X-Y-Ebene des oberen Endes des Durchgangslochs 74 zusammenzufallen, ermöglicht das Laminat 76 einen innigen physischen Kontakt zwischen der Fingerspitze 18 und der oberen Fläche von jeder Zelle 2 in der Abtastanordnung 3, so daß damit sichergestellt ist, daß die Rückenlinien und Täler der Fingerspitze 18 die Kapazitätswerte der Zellen 2 in der Abtastanordnung 3 modulieren können.

Die obere Fläche 79 des Laminats 76 ist eine aktive Fläche, mit welcher die Fingerspitze 18 des Fingers, von welchem der Fingerabdruck aufgenommen werden soll, in Berührung gebracht werden muß. Eine typische Höhe des in 9 dargestellten Zusammenbaus in der Z-Richtung beträgt etwa 1,0 mm.

Der mehrteilige Zusammenbau, welcher das flexible Laminat 76, den oberen Kartenträger 70, die Metallschicht 71 und den unteren Kartenträger 72 umfaßt, wird am in 6 dargestellten Zusammenbau mittels der Stoß-Lötstellen 67 befestigt, während die untere Fläche 54 des Substratelements 42 und die untere Fläche 80 des unteren Kartenträgers 72 an der oberen Fläche 55 des starren Laminatelements 56 mit einem Klebstoff befestigt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Kapseln einer kapazitiven Fingerabdruck-Abtastanordnung, um die Abtastanordnung physisch und gegen Umgebungseinflüsse zu schützen, welches folgende Schritte umfaßt:

    Bereitstellen einer kapazitiven Fingerabdruck-Abtastanordnung (3);

    dadurch gekennzeichnet, daß:

    eine starre Substrateinheit (42) bereitgestellt wird, die eine obere Fläche (43, 44, 45 und 46) und einen Boden (54) aufweist, mit einer Kuppel (47), die sich von der oberen Fläche (43, 44, 45 und 46) nach oben erstreckt und einen obersten Kuppelbereich (48) auf der Kuppel aufweist, wobei der oberste Kuppelbereich (48) sich in einem vorgegebenen Abstand oberhalb des Bodens (54) befindet;

    Plazieren der Abtastanordnung (3) auf dem obersten Kuppelbereich (48);

    Bereitstellen eines Trägerelements (56) mit einem Trägerelement-Oberteil (55);

    Montieren des Bodens (54) der starren Substrateinheit (42) auf dem Trägerelement-Oberteil (55);

    Bereitstellen eines starren ununterbrochenen Wandelements (70, 72), welches eine untere Fläche (80) und eine obere Fläche (77) aufweist, die sich im allgemeinen in der erwähnten, vorgegebenen Entfernung oberhalb von der unteren Fläche (80) befindet;

    Montieren der unteren Fläche des Wandelements (80) am Trägerelement (56);

    Bereitstellen eines flexiblen Membranelements (76), welches eine kleine dielektrische Konstante aufweist; und

    Montieren des Membranelements (76) auf der oberen Fläche (77) des Wandelements, um damit eine obere Fläche (79) mit kleiner dielektrischer Konstante für eine Fingerspitze zur Verfügung zu stellen, an welcher das Fingerabdruckmuster abgetastet werden soll.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Trägerelement-Oberteil (55) sich von unterhalb des Bodens (54) der starren Substrateinheit (42) erstreckt, und die untere Fläche (80) des Wandelements am Trägerelement-Oberteil (55) montiert ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, mit folgenden Schritten:

    Beschaffen eines ersten elektrischen Leitungswegs (58, 67) auf der Substrateinheit, der an der Abtastanordnung (3) angeschlossen ist; und

    Beschaffen eines zweiten elektrischen Leitungswegs (71), der sich durch das Wandelement hindurch erstreckt und am ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) angeschlossen ist, um damit eine externe elektrische Verbindung zum ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) zur Verfügung zu stellen.
  4. Vorrichtung zum Bereitstellen eines inneren Hohlraums, der einen kapazitiven Objektsensor physisch schützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung folgendes umfaßt:

    ein flaches Trägerelement (56), welches eine obere horizontale Fläche (55) einer ersten Größe aufweist;

    ein Halbleitersubstrat (42), welches eine untere horizontale Fläche (54) aufweist, mit einer zweiten Größe, die kleiner als die erste Größe ist;

    erstes Montagemittel zum Montieren der unteren horizontalen Fläche (54) des Substrats (42), allgemein zentriert auf der oberen horizontalen Fläche (55) des Trägerelements (56), um somit einen exponierten Randabschnitt der oberen horizontalen Fläche des Trägerelements zu bilden;

    wobei das Substrat (42) eine Topographie der oberen Fläche aufweist, die eine horizontale und ebene Randfläche (43, 44, 45 und 46) aufweist, und eine sich nach oben verjüngende Fläche (49, 50, 51 und 52), die an einer allgemein zentral angeordneten, ebenen und oben horizontalen Kuppelfläche (48) endet, die einen kapazitiven Objektsensor (3) enthält;

    wobei die Kuppelfläche (48) in einem vorgegebenem Abstand oberhalb des exponierten Randabschnitts der oberen horizontalen Fläche (55) des Trägerelements (56) angeordnet ist;

    ein sich vertikal erstreckendes, ununterbrochenes Wandelement (70, 72), welches eine umschließende Hohlraumwand definiert, die ein Durchgangsloch (74, 75) bietet mit einer oberen horizontalen Fläche (77) und einer unteren horizontalen Fläche (80), wobei die obere Fläche (77) allgemein im erwähnten, vorgegebenen Abstand oberhalb von der unteren Fläche (80) angeordnet ist;

    zweites Montagemittel, welches die untere Fläche des Durchgangslochs auf dem exponierten Randabschnitt der oberen horizontalen Fläche der Trägerelements montiert, um damit das Substrat (42) und den Objektsensor (3) innerhalb des Durchgangslochs (74, 75) anzuordnen;

    ein flexibles Membranelement (76), welches eine kleine dielektrische Konstante aufweist; und

    drittes Montagemittel, welches das Membranelement (76) auf der oberen Fläche (77) des Durchgangslochs montiert, um somit eine nach unten flexible Fläche mit kleiner dielektrische Konstante zu bilden, die dicht über dem kapazitiven Objektsensor (3) liegt.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, umfassend:

    einen ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) auf der sich nach oben verjüngenden Fläche des Substrats, der elektrisch am kapazitiven Objektsensor (3) angeschlossen ist; und

    einen zweiten elektrischen Leitungsweg (71), der sich durch die Hohlraumwand erstreckt;

    wobei der zweite elektrische Leitungsweg (71) einen internen Abschnitt aufweist, der am ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) angeschlossen ist; und

    wobei der zweite elektrische Leitungsweg (71) einen externen Abschnitt aufweist, der am ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) angeschlossen ist.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Hohlraumwand folgendes aufweist:

    eine untere umschließende Wand (72), die eine horizontale obere Fläche (171) und eine horizontale untere Fläche (80) aufweist;

    wobei die untere umschließende Wand (72) einen unteren Hohlraumabschnitt (75) bildet mit einer ersten Größe, die ausreicht, um die Substrateinheit (42) zu enthalten;

    wobei die horizontale Fläche (80) der unteren umschließenden Wand (72) auf dem exponierten Randabschnitt der oberen horizontalen Fläche des Stützelements (56) montiert ist;

    eine obere umschließende Wand (70), die eine obere horizontale Fläche (77) und eine untere horizontale Fläche (73) aufweist;

    wobei die obere umschließende Wand (70) einen oberen Hohlraumabschnitt (74) aufweist mit einer zweiten Größe, die kleiner ist als die erste Größe und ausreicht, um die sich nach oben verjüngende Fläche (49, 50, 51 und 52) sowie die obere horizontale Kuppelfläche (48) zu enthalten;

    wobei die untere horizontale Fläche (73) der oberen umschließenden Wand (70) auf der oberen horizontalen Fläche (171) der unteren umschließenden Wand (72) montiert ist; und

    die Membran (76) auf der oberen horizontalen Fläche (77) der oberen umschließenden Wand (70) montiert ist.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der zweite elektrische Leitungsweg folgendes umfaßt:

    Einen Weg (71) aus Metall, der zwischen der oberen (70) und der unteren (72) umschließenden Wand angeordnet ist;

    wobei der Weg (71) aus Metall einen internen Metallabschnitt aufweist, der am ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) angeschlossen ist; und

    der Weg (71) aus Metall einen externen Metallabschnitt aufweist.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Hohlraumwand folgendes umfaßt:

    eine untere schmale umschließende Wand (72), die eine obere horizontale Fläche (171) und eine untere horizontale Fläche (80) aufweist;

    wobei die schmale umschließende Wand (72) einen unteren Hohlraumabschnitt (75) definiert, der eine erste horizontale Hohlraumfläche aufweist, die ausreicht, um das Substrat (42) zu enthalten;

    eine obere, horizontal breite umschließende Wand (70), die eine obere horizontale Fläche (77) und eine untere horizontale Fläche (73) aufweist;

    wobei die breite umschließende Wand (70) einen oberen Hohlraumabschnitt (74) definiert, der eine zweite horizontale Hohlraumgröße aufweist, die kleiner als die erste Hohlraumgröße ist und ausreicht, um die sich nach oben verjüngende Fläche (49, 50, 51 und 52) und die obere horizontale Kuppelfläche (48) zu enthalten;

    wobei ein horizontaler äußerer Abschnitt der unteren Fläche (73) der breiten umschließenden Wand (70) auf einem horizontalen inneren Abschnitt der oberen Fläche (171) der schmalen umschließenden Wand (72) montiert ist; und

    wobei ein horizontaler innerer Abschnitt der unteren Fläche (73) der breiten umschließenden Wand (70) eine sich horizontal erstreckende Hohlraumwand bildet, die die horizontale flache Randfläche des Substrats (42) überragt.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, die auch folgendes umfaßt:

    einen ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) auf der sich nach oben verjüngenden Fläche (49, 50, 51 und 52) des Substrats (42), der am kapazitiven Objektsensor (3) angeschlossen ist; und

    einen zweiten elektrischen Leitungsweg (71), der sich horizontal zwischen der breiten umschließenden Wand (70) und der schmalen umschließenden Wand (72) erstreckt;

    wobei der zweite elektrische Leitungsweg (71) einen internen Abschnitt aufweist, der am ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67) angeschlossen ist; und

    wobei der zweite elektrische Leitungsweg (71) einen externen Abschnitt aufweist als elektrische Verbindung zum ersten elektrischen Leitungsweg (58, 67).
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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