[发明专利]电容式感测阵列装置及使用其的电子设备

说明书

技术领域

本发明是涉及一种电容式感测阵列装置及使用其的电子设备，且特别是涉及一种具有高感测灵敏度及高图像撷取率的电容式感测阵列装置及使用其的电子设备。

背景技术

已知应用于人体皮肤的电容感测技术，是可应用于例如感测手指纹路的指纹传感器或者作为电容触控的触控板或屏幕。

特别是作为皮肤纹路的传感器，其与皮肤纹路接触的部分的基本结构为阵列型的感测元，亦即由数个相同的感测元组成了二维传感器，例如手指置放于其上时，手指纹路的纹峰(ridge)会与传感器直接接触，而手指纹路的纹谷(valley)则与传感器间隔一间隙，通过每一感测元与纹峰接触或与纹谷形成间隙，可以将手指纹路从二维电容图像撷取出来，这就是电容式皮肤纹路传感器的最基本原理。

最常见的感测元结构，因为人体体内的导电特性，因此与传感器接触的皮肤可以视为一等电位的电极板，而每一感测元为一平板电极，其与皮肤间便可以形成一电容，而位于两电极板间的材料除了手指皮肤表层的角质层外，另有一传感器保护层设置于感测电极之上，作为与皮肤接触。所述保护层为一单一绝缘层或多重绝缘层且必须具有耐环境腐蚀、耐力量冲击、耐磨耗及耐静电破坏等等特质。

为了达到上述的保护层的特质，最直接的方法是增加保护层的厚度，即可以同时达到以上所有的要求。然而，太厚的保护层将导致很小的感测电容值，因而降低感测的灵敏度。

图1显示一种传统的电容式指纹传感器500的结构示意图。如图1所示，传统的电容式指纹传感器500通常分成两阶段来制作。第一阶段是指纹感测芯片510的制作阶段，利用半导体制造工艺可以将多个感测元514及多个芯片焊垫515制作于半导体基板511上，然后将芯片保护层512制作于感测元514上，以提供保护及耐冲击的特性。第二阶段是封装阶段，将指纹感测芯片510置放于封装基板520上，通过打线的方式将多条连接线530焊接至芯片焊垫515及封装焊垫525上，然后利用封装保护层(或称模塑料(MoldingCompound)层)540封住连接线530及焊垫515、525，并且只有露出具有感测元阵列的区域，这种已知的封装方式，需要特殊的模具及方法，以保护感测元区域不被模塑料覆盖，并且需要特殊的机台才能制作，因此成本高。

以现有的IC打线封装技术而言，芯片表面513到达封装面523的距离至少要100微米(um)左右。而以指纹传感器的500dpi规格为例，每一感测元514的面积约为50um×50um，以目前商用的模塑料的介电系数来计算，感测元的电容值约小于1fF，这是相当小的。若同时考量到封装基板、芯片等的厚度控制，这个距离更是会造成很大的误差。

因此，传统的封装保护层540是不能覆盖于感测元514的上方，所以必须于第一阶段制作芯片保护层512，且芯片保护层512的厚度(约1至20微米)不能太厚，以免影响感测的结果。如此一来，除了上述成本高之外，对于传感器耐环境腐蚀、耐力量冲击、耐磨耗及耐静电破坏等等特质的要求，更是一大挑战。

图2显示一种传统的电容式指纹传感器600的局部感测电极的示意图。如图2所示，电容式指纹传感器600的每一感测电极610除了与手指F间的感测电容Cf外，从感测电极610往芯片的内部看去，会存在一寄生电容Cp1。另外由于感测装置为阵列元件，具有多个感测元，所以每一感测电极610与周围各感测电极610之间也存在一寄生电容Cp2，这些寄生电容都是处于变动的状态。这种非固定的寄生电容会干扰量测，所以常常是造成无法达到高感测灵敏度的主因之一。为了达到Cf小于1fF的感测能力，解决Cp1及Cp2的干扰是最重要的问题。

为此本发明的发明人于中国台湾发明专利申请案号101137686(对应于中国专利申请号201210418123.8，以下简称基础案)，申请日为2012年10月12日，发明名称为“具有高感测灵敏度的电容式感测阵列装置及使用其的电子设备”，揭露了以下结构，并据此作为参考。

图3显示依据所述基础案第一实施例的电容式感测阵列装置1的结构示意图。图4显示依据所述基础案第一实施例的电容式感测阵列装置1的局部感测电极结构设计的示意图。图5显示依据所述基础案第一实施例的电容式感测阵列装置1的单一感测元及其对应的感测电路的示意图。如图3至5所示，本实施例的电容式感测阵列装置1包括多个感测电极10、一遮蔽导体层20、一耦合信号源30、一固定电压源40、多个开关模块50、一个半导体基板65、一封装基板70、多条连接线72以及一封装保护层73。