电容式压力微感测元件及其应用的指纹读取芯片

摘要

一种电容式压力微感测元件及其应用的指纹读取芯片，其中该电容式压力微感测元件，包括一基板，其特征是该基板上方设置一第一阶悬浮结构，其包括一悬浮薄板及其周缘向外平行该悬浮薄板延伸的至少一悬臂梁支脚；一第一凸块结构，设置在该悬浮薄板上表面中央处；一第二阶悬浮结构，是设置在第一凸块结构上表面，其中央部分与第一凸块结构相接触，且包覆该第一阶悬浮结构而与基板形成一封闭腔体；当外界压力改变，第二阶悬浮结构中央会有最大的位移量，进而带动整个第一阶悬浮结构平移，可达到最大的感测电容变量，大大提高感测灵敏度；且更可在一基板上形成压力微感测元件阵列以应用为指纹读取芯片，具有真实还原指纹纹峰形状的功效，而具实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力微感测器，特别涉及一种应用于流体压力检测以及生物触觉压力感测，特别是手指指纹纹峰轮廓侦测的电容式压力微感测元件及其应用的指纹读取芯片。

背景技术

以微机电技术制作的电容式压力感测器制程的方法相当多，包含了利用体型微加工技术(Bulkmicromachining)及面型微加工技术(Surfacemicromachining)，但是其结构基本上都不脱离一对平行板电容及其所包覆的一参考压力腔体，如图1所示，其是为目前已知的电容式压力微感测元件10的基本结构剖视图，电容式压力微感测元件10是一对平行板电容包含了一薄膜电极12及一固定电极(图中未示)而位于一基板14上，且在薄膜电极12与基板14间形成一具有参考压力P0的封闭腔体16，当外界压力P1大于封闭腔体16的压力P0时，如图2所示，薄膜电极12会受力变形，由于薄膜电极12的四周是连接固定在基板14上，故薄膜电极12中央会有最大变形量d，进而依序递减变形量直到薄膜四周为零变形量，如此的结构设计最大的缺点为该平行板电容因压力改变所改变的电容量有限，因而限制了电容式压力微感测元件10的灵敏度。

由于电容量与平行板的面积成正比，与两平行板的间距成反比，因此已知的解决方式大多是加大薄膜电极12的面积，但此举又将增加芯片成本；抑或以面型微加工技术缩小平行板电容的间距，如此又引进另一个薄膜应力变形或薄膜结构与基板的黏合(sticking)问题。

因此，本创作人是针对上述的问题进行研究改进，而创作出本发明。

发明内容

本发明是要提供一种电容式压力微感测元件及其应用的指纹读取芯片，以解决使其达到最大的感测电容变量，有效提高感测灵敏度，达到精确辨识指纹纹峰形状功效的技术问题。

解决上述技术问题所采用的技术方案是这样的：

一种电容式压力微感测元件，包括一基板，其特征是：该基板上方设置一第一阶悬浮结构，该第一阶悬浮结构包括一悬浮薄板及其周缘向外平行该悬浮薄板延伸的至少一悬臂梁支脚；

一第一凸块结构，设置在该悬浮薄板上表面的中央处；

一第二阶悬浮结构，其是设置在该第一凸块结构上表面，其中央部分与该第一凸块结构相接触，且包覆该第一阶悬浮结构而与基板形成一封闭腔体；

该悬浮薄板内设有一浮动电极，使其与该基板间形成一感测电容；

该第二阶悬浮结构为一薄膜结构；

该第二阶悬浮结构的上表面设有一以作为压力施加时的应力集中点的第二凸块结构。

一种指纹读取芯片，其特征是：包括有一基板及多个电容式压力微感测元件，其是设置在该基板的上表面而形成一压力感测元件阵列；

该基板是为硅基板；

每一该电容式压力微感测元件是包括：

一基板；

一第一阶悬浮结构，设置在该基板上方，包括一悬浮薄板及其周缘向外平行该悬浮薄板延伸的至少一悬臂梁支脚；

一第一凸块结构，设置在该悬浮薄板上表面的中央处；

一第二阶悬浮结构，其是设置在该第一凸块结构上表面，其中央部分与该第一凸块结构相接触，且包覆该第一阶悬浮结构而与该基板形成一封闭腔体；

该悬浮薄板内是设有一浮动电极，使其与该基板间形成一感测电容；

该第二阶悬浮结构是为一薄膜结构；

该第二阶悬浮结构的上表面设有一以作为压力施加时的应力集中点的第二凸块结构。

本发明提出一种具有二阶式悬浮结构的电容式压力微感测元件，其电极板在外界压力改变时，具有最大的平移位移量，以达到最大的感测电容变量，提高感测灵敏度；该电容式压力微感测元件形成阵列式排列时可应用在指纹读取芯片，以精确辨识指纹的纹峰形状。

本发明一实施样态，一种电容式压力微感测元件结构是包括一基板，在该基板上方设置一第一阶悬浮结构，其是包括一悬浮薄板及其周缘向外平行延伸的至少一悬臂梁支脚，在悬浮薄板上表面的中央处设置一第一凸块结构；以及一第二阶悬浮结构设置在第一凸块结构上表面，使中央部分与第一凸块结构相接触，且包覆该第一阶悬浮结构而与该基板形成一封闭腔体。

本发明另一实施样态，一种指纹读取芯片结构是包括一基板，在该基板的上表面设置多个上述的电容式压力微感测元件，其是以二维阵列排列而形成一压力感测元件阵列，从而解决了使其达到最大的感测电容变量，有效提高感测灵敏度，达到精确辨识指纹纹峰形状功效的技术问题。

本发明结构简单，其优点效果如下：

1、本发明是提供一种电容式压力微感测元件，利用二阶式的悬浮结构设计，在外界压力改变时，第二阶悬浮结构中央产生最大的位移量，进而带动第一阶悬浮结构平移，而使整个第一阶悬浮结构亦达到最大的位移量，以达到最大的感测电容变量，有效提高感测灵敏度。

2、本发明是在降低感测元件的面积，兼具维持良好的感测灵敏度，以作为流体压力感测，更可推广至全新的触觉压力感测。

3、本发明是在提供一种压力式指纹读取芯片，以在一芯片上设置电容式压力微感测元件阵列，作为指纹纹峰压力感测，利用在压力式指纹读取芯片上留下对应于该纹峰的电容值曲线，达到精确辨识指纹纹峰形状的功效。

附图说明

图1为已知电容式压力微感测元件结构示意图。

图2为已知电容式压力微感测元件的薄膜电极受力变形示意图。

图3为本发明电容式压力微感测元件的结构剖视图。

图4为本发明电容式压力微感测元件的第一阶悬浮结构及第一凸块结构的俯视图。

图5为本发明电容式压力微感测元件受外界压力作用时的动作示意图。

图6为本发明的一应用实施例示意图。

图7为本发明应用在指纹读取芯片的示意图。

具体实施方式

本发明为二阶式的电容式压力微感测元件，包含了二阶的悬浮结构设计，如图3及图4所示，其是分别为本发明的结构剖视图及部分结构俯视图，电容式压力微感测元件20包括一基板22，在基板22上方设置一第一阶悬浮结构24，其是包含一悬浮薄板26及其周缘四角落向外平行该悬浮薄板26延伸的四个悬臂梁支脚28，以由悬臂梁支脚28的支撑使悬浮薄板26平衡地悬浮在基板22上方，悬浮薄板26内含有一浮动电极(图中未示)，使其与基板22间形成一感测电容，在悬浮薄板26上表面的中央处设置一第一凸块结构30；一第二阶悬浮结构32设置在第一凸块结构30的上表面，使第二阶悬浮结构32中央部分与第一凸块结构30相接触或仅有一微小间隙，该第二阶悬浮结构32为一薄膜结构，覆盖住第一阶悬浮结构24而与基板22间形成一封闭腔体34，其中，在第二阶悬浮结构32的上表面更可设置一第二凸块结构(图中未示)，以作为压力施加时的应力集中点。

本发明的动作示意图如图5所示，当外界压力改变时，第二阶悬浮结构32中央会有最大的位移量d，进而带动悬浮薄板26可由弹性的悬臂梁支脚28的支撑，而近似平行地向下位移，使整个第一阶悬浮结构24亦达到d的位移量，因此本发明电容式压力微感测元件20可达到最大的感测电容变量。

本发明最大的优点为在降低感测元件的面积下仍可以维持良好的感测灵敏度，不仅可以取代传统的压力感测元件作为流体压力感测，更可以推广至全新的触觉压力感测，特别是指纹纹峰压力感测。当电容式压力微感测元件20作二维阵列排列时，可成为一种压力式指纹读取芯片40，请参见图6所示，其是为本发明的压力式指纹读取芯片40的立体结构示意图，压力式指纹读取芯片40是在一硅基板42的上表面设置多个电容式压力微感测元件20，其是以二维(2-D)阵列方式排列而形成一压力感测元件阵列，且在每一电容式压力微感测元件20的上表面中央设置有第二凸块结构44，以作为指纹纹峰接触时的应力集中点，加大第二阶悬浮结构32受力的位移量，以使电容改变量为最大，达成增加灵敏度的功效。

当手指46接触该压力式指纹读取芯片40时，如图7所示，手指46表面的不规则形状纹峰(Ridge)48会施力于部分电容式压力微感测元件20，而在压力式指纹读取芯片40上留下对应于该纹峰48的电容值曲线50，通过读取电容值曲线50的形状便可以还原出原来指纹纹峰48的形状。

本发明利用二阶式的悬浮结构设计，让第二阶悬浮结构因外界压力改变而使中央部分产生最大的位移量时，进而可带动第一阶悬浮结构平移，使整个第一阶悬浮结构亦达到最大的位移量，以达到最大的感测电容变量，因此本发明在降低感测元件的面积时仍旧可以维持良好的感测灵敏度；本发明的感测元件推广至指纹纹峰压力感测的应用时，可真实还原出原本的指纹纹峰形状，具有极佳的辨识能力。

以上所述是由实施例说明本发明的特点，其目的在使熟习该技术者能了解本发明的内容并据以实施，而非限定本发明的专利范围，故，凡其它未脱离本发明所揭示的精神所完成的等效修饰或修改，仍应包含在所述的申请专利范围中。

综上所述，本发明确具先进性、实用性，已符合发明专利申请要件，故依法提出发明专利申请。