-
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 43–46 dünner zu
machen. Diese vier Randabschnitte 43–46 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 43–46 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 49–52,
die zwischen der horizontalen Kante vorhanden sind, und vom dünnen Substratbereich 43–46 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 49–52 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 43–46,
(2) den im allgemeinen zentrierten und sich nach oben verjüngenden
Bereich 49–52 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 43–46 und
in den geneigten Bereichen 49–52 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 43–46 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.