CN108629234A - 一种陶瓷基应变指纹传感器装置 - Google Patents

一种陶瓷基应变指纹传感器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷基应变指纹传感器装置，属于传感器领域。一种陶瓷基应变指纹传感器装置，包括陶瓷基应变传感器、指纹芯片、FPC和结构支撑件；所述陶瓷基应变传感器采用结构陶瓷材料制成的陶瓷基板，在陶瓷基板上设有应变传感器；所述结构支撑件胶黏在指纹芯片的上表面；所述指纹芯片的下表面直接设置在陶瓷基应变传感器上形成电连接，同时陶瓷基应变传感器还与FPC电连接；或者所述指纹芯片的下表面直接设置在FPC的正面形成电连接，再通过FPC的反面设置在陶瓷基应变传感器上形成电连接；所述指纹信号和应变信号均通过FPC输出。本发明的结构更薄，更易于安装到手机、平板等内部空间狭小的整机产品中。

Description

一种陶瓷基应变指纹传感器装置
技术领域
本发明涉及一种传感器件，特别涉及陶瓷基应变指纹传感器装置。
背景技术
目前，现有的指纹传感器下面的压力传感器结构是基于电容检测结构或者电阻接触电阻变化的结构，需要复杂的相对挤压形变结构，可靠性差，安装结构复杂；另外，也有使用应变片材料制作的不需要相对挤压的结构，其结构是在指纹传感器背面的补强板上贴装应变片，造成整个结构厚度增加，另外应变片材料为PET，PI等塑料材质，其塑料本身的机械性能会造成传感器性能不良。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种陶瓷基应变指纹传感器装置，可靠性高。
本发明的目的是这样实现的：
一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，包括陶瓷基应变传感器、指纹芯片、FPC和结构支撑件；所述陶瓷基应变传感器采用结构陶瓷材料制成的陶瓷基板，在陶瓷基板上设有应变传感器；所述结构支撑件胶黏在指纹芯片的上表面；所述指纹芯片的下表面直接设置在陶瓷基应变传感器上形成电连接，同时陶瓷基应变传感器还与FPC电连接；或者所述指纹芯片的下表面直接设置在FPC的正面形成电连接，再通过FPC的反面设置在陶瓷基应变传感器上形成电连接；所述指纹信号和应变信号均通过FPC输出。
其中，所述陶瓷基应变传感器中的陶瓷基板代替指纹芯片原结构中的封装基板，使指纹芯片中的裸芯片部分直接设置在所述陶瓷基板上形成电连接并封装，再将FPC与陶瓷基板上的通信端子电连接。
其中，所述指纹芯片设置在所述陶瓷基板上形成电连接，所述FPC与陶瓷基板上的通信端子电连接。
其中，所述指纹芯片设置在FPC的正面形成电连接，所述FPC的反面设置于陶瓷基板的正面形成电连接。
其中，所述应变传感器为电阻型应变传感器。
其中，所述陶瓷基板具有正反面导通电路；所述电阻型应变传感器为正反四桥臂结构或正反两桥臂结构。
其中，所述电阻型应变传感器为单桥臂结构。
其中，支撑结构件可以是玻璃，金属，塑料，OLED显示屏，陶瓷等材料。
本发明的有益效果为：本发明采用指纹传感器和应变传感器组合的新结构模式，可以实现识别指纹的同时，通过应变传感器的应变量识别施加在指纹表面的手指压力的大小，而且该结构更薄，更易于安装到手机、平板等内部空间狭小的整机产品中。
附图说明
图1为正反四桥臂结构的陶瓷基应变传感器的结构示意图。
图2为陶瓷基板上正面传感器应变材料电阻桥臂的结构示意图。
图3为陶瓷基板上反面传感器应变材料电阻桥臂的结构示意图
其中：29-陶瓷基板；30-正面传感器应变材料电阻桥臂；31-正面传感器应变材料电阻桥臂的连接导线；32-导通导电孔；33-反面传感器应变材料电阻桥臂的连接导线；34-反面传感器应变材料电阻桥臂；35-电连接端子。
图4为实施例一的结构框图。
图5为实施例一的内部结构示意图。
其中：43-结构支撑件；44-裸芯片；45-Gold Wire；46-塑封料；47-正面的传感器应变材料电阻桥臂；48-上正面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线；49-陶瓷基板；50-反面的传感器应变材料电阻桥臂；51-反面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线；52-下绝缘层；53-导通导电孔；26-导电胶；27-FPC；28-FPC的出线端子。
图6为实施例一的操作模式图。
图7为实施例二的结构框图。
图8为实施例二的内部结构示意图。
其中：15-指纹芯片；16-绝缘胶体；17-导电胶；18-电连接端子；19-正面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线；20-正面的传感器应变材料电阻桥臂；21-陶瓷基板；22-反面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线；23-反面的传感器应变材料电阻桥臂；24-下绝缘层；25-导通导电孔；26-导电胶；27-FPC；28-FPC的出线端子。
图9为实施例二的操作模式图。
图10为实施例三的结构框图。
图11为实施例三的内部结构示意图。
其中：1-结构支撑件；2-指纹芯片；3-FPC；4-胶体层；5-电连接端子；6-上绝缘层；7-导电胶层；8-电连接端子；9-正面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线；10-正面的传感器应变材料电阻桥臂；11-陶瓷基板；12-反面的传感器应变材料电阻桥臂；13-下绝缘层；14-导通导电孔。
图12为实施例三的操作模式图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
一种陶瓷基应变指纹传感器装置，包括陶瓷基应变传感器、指纹芯片、FPC和结构支撑件。
其中，陶瓷基应变传感器采用结构陶瓷材料制成的陶瓷基板，在陶瓷基板上设有应变传感器。
所述结构陶瓷材料优选ZrO陶瓷，也可以是氧化铝，氮化铝，碳化硅，氧化硅等陶瓷。所述结构陶瓷采用流延法成型烧结或采用等静压法成型后烧结，烧结后经过研磨或切片成薄片，薄片厚度0.05mm～1.5mm，弹性模量>200GPa，抗弯强度>800MPa，导热系数2～3W/m.K。如果导热性要求高，如需要正反面导热更快的应用环境时，可以选用氮化铝陶瓷材料，导热系数180～220W/m.K。采用上述陶瓷材料制备的传感器，可以非常好的消除掉常规传感器基材(PET，PI，橡胶，PC，PMMA等)在形变过程中的应变残留、滞后和材料蠕变。同时，控制结构陶瓷基材的表面粗糙度在0.1um～100um，这样采用结构陶瓷材料制成的陶瓷基板和应变传感器材料的结合性相比常规基材(PET，PI等)和应变传感器材料的结合性明显提高，使得应变传感器可以有效降低噪声，提高灵敏度，且响应时间大幅度提高为<20ms。同时，控制上述结构陶瓷基材的热膨胀系数范围8～12*10-6/摄氏度，以有效减少热膨胀引起的应变传感器的应变误差。
所述应变传感器优选为电阻型应变传感器，所述电阻型应变传感器优选为正反四桥臂结构，相应地，在陶瓷基板上采用陶瓷金属线路化工艺制作正反面导通电路。其原理为：将四个传感器应变材料电阻桥臂设置到陶瓷片的正反面，形成惠斯通电桥，正面传感器应变材料电阻桥臂受压形变时传感器被压缩，电阻变小，反面传感器应变材料电阻桥臂受压形变时传感器被拉伸，电阻变大；四个传感器应变材料电阻桥臂经过调阻调平衡，可以互相消除温度引起的电阻飘逸。这种结构由于是电桥电路，四个传感器应变材料电阻桥臂可以使信号叠加为单传感器应变材料电阻桥臂的四倍。
电阻型应变传感器除采用上述正反四桥臂结构以外，也可以选用正反两桥臂结构和单桥臂结构。其中，正反两桥臂结构也具有一定的温度补偿特性，但单桥臂不具备该温度补充特性；另外，正反两桥臂结构的电阻型应变传感器的灵敏度是为单桥臂结构的电阻型应变传感器的两倍。
以下以正反四桥臂结构为例，具体说明陶瓷基应变传感器的结构。如图1-3所示，四个传感器应变材料电阻桥臂中相邻的两个分别在陶瓷基板的正反两面，且相邻两个传感器应变材料电阻桥臂的连接导线(即正面传感器应变材料电阻桥臂的连接导线和反面传感器应变材料电阻桥臂的连接导线)通过陶瓷基板上的导通导电孔实现连接后与陶瓷基板上电连接端子相连，由于是正反四桥臂结构，这里的电连接端子共有四个，一对相对的电连接端子分别为输入电压端VCC和接地端GND，另一对相对的电连接端子则分别为信号输出端S1和信号输出端S2。
所述指纹芯片设置于陶瓷基应变传感器之上，且指纹芯片和陶瓷基应变传感器均与FPC之间实现电连接，所述指纹信号和应变信号均通过FPC输出，所述结构支撑件胶黏在指纹芯片的上表面。以下给出几种陶瓷基应变指纹传感器装置的具体结构:
实施例一
本实施例中，陶瓷基板作为指纹芯片的封装基板，陶瓷基应变指纹传感器装置，在不含结构支撑件的情况下，装置厚度可以薄至0.6mm～0.8mm之间。
如图4-5所示，结构支撑件胶黏在指纹芯片中裸芯片的上表面，这个结构支撑件可以是玻璃，陶瓷，金属，塑料，OLED显示屏或其他材料；裸芯片的下表面直接胶黏在陶瓷基板的正面，裸芯片通过gold wire与陶瓷基板正面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线连接，以将应变信号接入指纹芯片；然后将陶瓷基板正面的传感器应变材料电阻桥臂通过印刷、涂敷、点胶、喷涂、蒸镀或磁控溅射等方式制作到陶瓷基板的正面；由于本实施例中陶瓷基板作为指纹芯片的封装基板使用，因此需要使用塑封料将裸芯片、gold wire以及陶瓷基板正面电路一起塑封并通过注塑成型；接着，陶瓷基板反面的传感器应变材料电阻桥臂也通过印刷、涂敷、点胶、喷涂、蒸镀或磁控溅射等方式制作到陶瓷基板的反面，并将反面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线通过陶瓷基板上的导通导电孔连接到正面的传感器应变材料电阻桥臂的连接导线上，在陶瓷基板的反面整体印刷、蒸镀或通过物理气相沉积绝缘胶体形成下绝缘层，以保护反面电路。在陶瓷基板正面还包括将信号引出到***的通信端子，所述FPC通过电连接导电胶热压到该通信端子上，使得FPC的电路和通信端子接通，再通过FPC的出线端子连接到***主机，所述FPC便可将指纹信号和应变信号传输给***主机。
本实施例中陶瓷基应变指纹传感器装置的操作模式如图6所示，从传感器装置的正面施加压力，(即在结构支撑件上施加压力)，造成裸芯片封装料形变，同时由于裸芯片和陶瓷基应变传感器封装结为一体，陶瓷基应变传感器也发生形变，使得附着在陶瓷基板上的传感器应变材料电阻桥臂受到挤压和拉伸进而产生电阻变化，通过电连接发送给指纹芯片。而陶瓷基应变传感器的后部为悬空状态，不需要相对挤压陶瓷基应变传感器。
实施例二
本实施例中，指纹芯片设置在陶瓷基板上，FPC与陶瓷基板上的通信端子电连接，相比实施例一中的陶瓷基应变指纹传感器装置要厚一些，在不含结构支撑件的情况下，装置厚度可以达到0.8～1.0mm之间。
如图7-8所示，结构支撑件胶黏在指纹芯片的上表面(这里的指纹芯片指封装好的芯片)，这个结构支撑件可以是玻璃，陶瓷，金属，塑料，OLED显示屏或其他材料；芯片的下表面直接胶黏在陶瓷基板的正面，并采用导电胶将指纹芯片与陶瓷基板正面的电连接端子形成电连接，以将应变信号接入指纹芯片；由于本实施例中采用的是封装好的指纹芯片，因此没有实施例一中的注塑封装步骤；其余部分结构及操作模式与实施例一一致，此处不再赘述。
实施例三
如图10-11所示，本实施例中，指纹芯片通过SMT工艺焊接到FPC正面形成电连接，焊接后点胶强化粘合，FPC背面通过胶体层(可以是非导电热熔胶，异方性导电胶等)和陶瓷基板的正面及其正面的电连接端子粘合连接，以将应变信号接入FPC的相应电连接端点，进而再接入指纹芯片；在陶瓷基板正面整体印刷、蒸镀或通过物理气相沉积绝缘胶体形成上绝缘层，以保护正面电路；其余部分结构及操作模式与实施例二一致，此处不再赘述。本装置厚度在不含结构支撑件的情况下可以达到0.9～1.1mm之间。
前述三个实施例中，陶瓷基应变传感器的控制电路都内置到了指纹芯片中，因此应变信号均接入指纹芯片中进行处理，也可以将陶瓷基应变传感器的控制电路可以设置到本装置的外部，通过FPC连接。

Claims (10)

1.一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，包括陶瓷基应变传感器、指纹芯片、FPC和结构支撑件；所述陶瓷基应变传感器采用结构陶瓷材料制成的陶瓷基板，在陶瓷基板上设有应变传感器；所述结构支撑件胶黏在指纹芯片的上表面；所述指纹芯片的下表面直接设置在陶瓷基应变传感器上形成电连接，同时陶瓷基应变传感器还与FPC电连接；或者所述指纹芯片的下表面直接设置在FPC的正面形成电连接，再通过FPC的反面设置在陶瓷基应变传感器上形成电连接；所述指纹信号和应变信号均通过FPC输出。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述陶瓷基应变传感器中的陶瓷基板代替指纹芯片原结构中的封装基板，使指纹芯片中的裸芯片部分直接设置在所述陶瓷基板上形成电连接并封装，再将FPC与陶瓷基板上的通信端子电连接。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述指纹芯片设置在所述陶瓷基板上形成电连接，所述FPC与陶瓷基板上的通信端子电连接。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述指纹芯片设置在FPC的正面形成电连接，所述FPC的反面设置于陶瓷基板的正面形成电连接。
5.根据权利要求1-4中任一所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述应变传感器为电阻型应变传感器。
6.根据权利要求5所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述陶瓷基板具有正反面导通电路；所述电阻型应变传感器为正反四桥臂结构或正反两桥臂结构。
7.根据权利要求5所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述电阻型应变传感器为单桥臂结构。
8.根据权利要求1-4中任一所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述陶瓷基应变传感器的控制电路内置到指纹芯片中，或者陶瓷基应变传感器的控制电路设置到本装置的外部通过FPC连接。
9.根据权利要求1所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述结构支撑件为玻璃、陶瓷、金属或塑料材料。
10.根据权利要求1所述的一种陶瓷基应变指纹传感器装置，其特征在于，所述结构支撑件为OLED显示屏。
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