CN1463674A - 温度传感器及其运用该温度传感器的指纹辨识晶片 - Google Patents

温度传感器及其运用该温度传感器的指纹辨识晶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度传感器及其运用该温度传感器的指纹辨识晶片,其中指纹辨识晶片由多个温度传感器以二维阵列方式排列而成。传感器包括有一硅基板、一热绝缘结构、一由热电偶串联而成的热电堆,该热电堆的热接触位于热绝缘结构的中央部位,该热电堆的冷接触区位于热绝缘结构周围的薄氧化层上、以及一导热管。该指纹辨识晶片以人体体温作为生物辨识原理,通过手指指纹纹峰与传感器以接触造成一温度梯度,再将该温度梯度转变成电信号,从而可得到指纹纹峰轮廓的电信号输出,达到指纹辨识的目的。

Description

温度传感器及其运用该温度传感器的指纹辨识晶片
技术领域
本发明涉及一种用于辨识指纹的设计,特别是一种基于热电温差感应原理与利用积体电路的制造方法来完成的温度传感器以及运用该温度传感器来读取指纹热像的指纹辨识晶片,且本发明关联到美国专利第6,300,554 B1号的制造热电敏感元件及热电敏感元件装置的方法(METHOD OFFABRTCATINTHERMOELECTRIC SENSOR ANDTHERMOELECTRICSENSOR DEVICE),以及美国发明专利第6,335,478 B1号的温差电堆红外线敏感元件、温差电堆红外线敏感元件的排列,以及制造上述设备的方法(THERMOPILE INFRARED SENSOR,THERMOPILEINFRAREDSENSORS ARRAY AND METHOD OF MANUFACTURING THESAME)。
背景技术
传统的指纹辨识方式中,最早的方式是利用油墨将指纹印压在纸上,再利用光学方式加以对比或是以扫描方式输入到电脑资料库中加以对比,以作为身份的认证使用。此传统方式最大缺点是无法达到及时处理,也就是说无法立即辨识身份的目的,因此,无法满足越来越多即时认证的需求,例如网络认证、电子商务、便携式电子产品保密、IC卡个人身份认证及保全***等等。
于是有几种可以作为即时指纹辨识的方式应运而生,包括:光学方式的指纹辨识,参见美国专利第4,053,228号及第4,340,300号;电子式的即时指纹辨识***有属于压电材料或电接触方式的,参见美国专利第4,394,773号、第5,503,029号、第5,400,662号及第5,844,287号等;属于手指静电感应方式的指纹辨识请参见美国专利第6,049,620号;散热感应方式的指纹辨识请参见美国专利第6,061,464号。
其中,光学***的价格较为昂贵,消耗功率高(光源消耗)且体积较大(受光学零组件的尺寸及光学成像所需固定距离的限制),使其不适用于许多便携式电子产品,如笔记本电脑和移动电话等。至于电子式***在体积上虽有相当大的改善,但仍有功率消耗大(电接触式的传感器在二电极接触时会有电流流通),且不易与积体电路制程结合(压电材料的制作不易与积体电路制程相匹配)的缺点。同时,静电感应与电容感应方式容易受到灰尘、手指上汗水及电磁的干扰,且需利用复杂的类比电路来读取传感器微小的电信号。在制造方面,静电感应与电容感应方式虽然可以匹配积体电路制程,却需要高阶的积体电路制程(<0.35μm)以得到良好的结果,从而增加成本。最后一种散热感应方式,其传感器的基本架构为一加热电阻及一温度感测器,利用该加热电阻使传感器温度高过人体体温,由手指接触带走部分热量造成较低的温度,通过该温度感测器可以得到一对应于指纹的温度图像,该散热感应方式的最大缺点为消耗功率过高,无法使用在电功率有限的便携式电子产品中,且制造方式也无法与积体电路制程相匹配。
由于上述原因使得目前利用传统技术制作的即时指纹辨识器还无法同时达到轻薄短小、制造容易、稳定度高、功率消耗低及价格便宜等要求。因此,如何克服上述缺点,是本发明中创作人的研创动机所在。其经多年的努力与研究,终得出本发明中利用温差感应式制成的温度传感器及其运用该温度传感器的指纹辨识晶片,以作为最佳身份的认证使用(生理上每个人的指纹不同)。
发明内容
本发明中的温度传感器及其运用该温度传感器的指纹辨识晶片主要是为了解决现有各种指纹辨识器还无法同时达到轻薄短小、制造容易、稳定度高、功率消耗低及价格便宜等要求。
本发明中的温度传感器是利用人体体温作为生物辨识原理,其通过手指指纹纹峰与传感器接触造成一温度梯度,进而将温度梯度转变成电信号,该传感器包括有:
一硅基板;
一位于所述硅基板上作为热绝缘结构的场氧化层或沟槽绝缘层;
至少由一热电偶串联而成的热电堆,该热电维的热接触位于所述场氧化层的中央部位,该热电堆的冷接触区位于所述场氧化层周围的薄氧化层上;以及
一导热管,该导热管至少包含一导体连线层与一介层穿孔栓塞金属,该导热管位于所述场氧化层的中央部位,并位于所述场氧化层与最表面的保护层之间。
另外,所述温度传感器还可包括有一加热电阻,该加热电阻设在所述热绝缘结构的上方,至少便于加热一热电偶的热接触区,使其温度高于手指温度。
本发明中运用温度传感器的指纹辨识晶片,其用于读取指纹热像,且其设计制造方法完全匹配于CMOS积体电路制程,该指纹辨识晶片包括有:多个以二维阵列方式排布的所述温度传感器,以及用于整合、读取信号的电路,该指纹辨识晶片以人体体温作为生物辨识原理,通过手指指纹纹峰与温度传感器接触造成一温度梯度,进而将温度梯度转变成电信号,并读取手指接触时的纹峰热像。
另外,所述指纹辨识晶片还包括有设在指纹辨识晶片下方的一热电致冷器,该热电致冷器用于控制稳定指纹辨识晶片的温度,使该晶片的温度高于或低于手指的温度。
另外,所述温度传感器的制作方法中至少有一层多晶硅与至少一从金属连线层金属的CMOS积体电路制程,该传感器包含下列元件:
一硅基板;
一位于所述硅基板上的热绝缘结构,该绝热结构为一场氧化层或一沟槽绝缘层;
一薄氧化层,其位于所述热绝缘结构的周围,并且该薄氧化层为闸极氧化层;
至少一热电偶,该热电偶包括有第一热电偶材料及第二热电偶材料,该热电偶的热接触区位于热绝缘结构的中央部位,该热电偶的冷接触区位于所述热绝缘结构周围的薄氧化层上;
至少一接触孔栓塞金属,该接触孔栓塞金属连接第一热电偶材料与第二热电偶材料;以及
一导热管,包含至少一导体层、至少一栓塞金属,该导热管位于热绝缘结构的中央部位,并位于所述热绝缘结构与最表面的保护层之间。
本发明中的温度传感器及其运用该温度传感器的指纹辨识晶片可同时达到较薄短小、制造容易、稳定度高、功率消耗低及价格便宜等功效,以利于推广应用,并作为身份认证的有效方式。
附图说明
下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。
图1是本发明中运用温度传感器的指纹辨识晶片在对手指指纹进行辨识时的示意图;
图2是本发明中运用温度传感器的指纹辨识晶片的感应原理示意图;
图3是本发明中单一温度传感器的结构剖视图;
图4是图3中所示单一温度传感器温度梯度的分析结果示意图;
图5a和图5b是本发明中指纹辨识晶片在不同环境温度下(30℃与40℃),温差ΔT时间的对应图;
图6是本发明中温度传感器另一实施例的结构剖视图;
图7是本发明中运用温度传感器的指纹辨识晶片的晶片温度稳定方式示意图。
具体实施方式
如图1所示,指纹辨识晶片1用于读取指纹热像,其包含有多个以二维(2-D)阵列方式排列的温度传感器10,当手指2接触该晶片1时,手指2表面不规则形状的纹峰(Ridge)20便会与部分传感器10接触,并在晶片1表面留下对应纹峰20的热曲线20a,通过了解该等温曲线20a的形状便可以辨识指纹纹峰20的形状。由于指纹辨识晶片1是多个传感器10的应用,因此其技术原理由传感器10的结构与特性来决定。
如图2所示,每一个传感器10都是利用积体电路制程来制造的,特别是COMS制程。其中,传感器10的基本结构包含有一硅基板100、一作为热绝缘结构的场氧化层(LOCOS)101、至少由一热电偶102串联而成的热电堆,该热电堆的热接触区200位于场氧化层101的中央部位,该热电堆的冷接触区300则位于场氧化层101周围的薄氧化层(Thin Oxide)(图中未示出)上,一导热管(Heat Pipe)400包含至少一导体连线层(Metal Interconnect)与至少一介层穿孔栓塞金属(Via Hole Metal Plug),导热管400设在场氧化层101的中央部位,并位于场氧化层101与最表面的保护层106(Passivation)之间。
手指指纹包含有指纹纹峰20与指纹纹谷21,当手指20与传感器10接触时,在指纹纹峰20与传感器10之间会有一热量(图中双箭头所示)通过固体热传导机制传递。其中,大部分的热能通过导热管400传导至场氧化层101上的热接触区200,再经该热接触区200向各方向传递,因而在该热接触区200与冷接触区300间产生一温度梯度(Temperature Gradient),从而造成一温差ΔT,传感器10借助于此温差ΔT感应出一电压信号,从而判别是否与指纹纹峰20接触。传感器10产生的电压信号可以由下列公式表示:
V=NαΔT                             (1)
其中,N值为串联的热电偶数目,α为单一热电偶的赛贝克系数(V/℃)。
为了更清楚地说明图2中所示传感器10的内部结构,如图3所示,传感器10采用一层多晶硅与两层金属(1P2M)由CMOS制程制作。由于CMOS积体电路制程为一传统技术,其详细制造流程在此不再详细描述,而仅对传感器10的结构与材料属性加以说明:
首先,在硅基板100上定义一热绝缘结构101,该热绝缘结构101利用CMOS制程中的场氧化层(Local Oxidation of Silicon)制作而成,围绕在该热绝缘结构101周围的定义为薄氧化层101a,该薄氧化层101a为CMOS制程中的闸极氧化层(Gate Oxide)。热电偶102由第一热电偶材料102a及第二热电偶材料102b组成,该第一热电偶材料102a为CMOS制程中闸极多晶硅(Poly-Silicon Gate)材料,而第二热电偶材料102b为CMOS制程中的第一金属连接线(Metal#1),其通常为铝或铝合金材料。第一热电偶材料102a与第二热电偶材料102b是通过穿孔栓塞金属103a连接,该介层穿孔栓塞金属103a通常为钨(W)材料,同时,传感器10的结构也包含有导体间介间层(Inter-Layer Dielectric,ILD)103,金属间介电层(Inter-Metal Dielectric,IMD)104以及最表面的保护层(Passivation)106。
特别值得一提的是,为了使热电偶102的热接触区200与冷接触区300有最大的温度梯度(温差),一导热管(Heat Pipe)400的设计可以增强此温度梯度的效应,该导热管400由至少一导体连线层与至少一栓塞金属组成,在本制程中,该导热管400包括部分多晶硅层102a、至少一接触孔栓塞金属103a、至少一介层穿孔栓塞金属104a、部分第一金属连线层102b以及部分第二金属连线层105。
如图4所示,曲线410~415中的每一线条为一等温度线,因此,可以发现热接触区200与冷接触区300确实位于不同的温度区域内而导致有一温差ΔT,该温差ΔT的分析结构,如图5a~5b所示。
曲线1代表该传感器10与指纹纹峰20接触时温差ΔT与时间的响应曲线,而曲线2代表传感器10与指纹纹谷21接触时温差ΔT与时间的响应曲线,分析结果显示在不同的环境温度下曲线2的数值越趋近于0,代表了相当低的电压信号输出(趋近于0),而即使环境温度有很大的改变,曲线1仍有相当大的绝对值温差ΔT。
举一实际规格为例:单一传感器画素(Pixel)的面积为80μm,包含60对热电偶,热电偶的赛贝克系数约为100μV/℃,若温差ΔT为1℃,由公式(1)可以计算得到高达6mV的热电动势,足见本发明温差感应式原理的优越性。
如图6所示,本发明中另一实施例与图3中所示实施例的最大差别仅在于在绝缘结构101的上方设有加热电阻700,该加热电阻700为多晶硅材料,以加热该热电偶102的热接触区200,使其温度高于手指温度,则与指纹纹峰接触的传感器10的温差ΔT较小,而与指纹纹谷接触的传感器10的温差ΔT较大,此方式的目的在于得到稳定的电信号输出。
如图7所示,图7中所示实施例与图2中所示实施例的最大差别在于利用一热电致冷器(Thermo-Electric Cooler,TE-Cooler)800以控制稳定指纹辨识晶片1的温度,其方式可以是使指纹辨识晶片的温度高于手指的温度,也可以使该指纹辨识晶片的温度低于手指的温度,此种利用一热电致冷器800来控制稳定指纹辨识晶片温度的最大目的在于得到稳定的电信号输出。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点,其目的在于使熟知此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,但不能作为本发明的保护范围,即凡是依据本发明所揭示的精神而加以修饰或变化,如适于本发明温度差感应式指纹辨识晶片的积体电路制程,特别是CMOS制程,其基本要求为具有至少一多晶硅层、至少二金属连线层,同时具有场氧化层或沟槽绝缘层制程的积体电路制程,仍应认为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种温度传感器,利用人体体温作为生物辨识原理,通过手指指纹纹峰与传感器接触造成一温度梯度,进而将温度梯度转变成电信号,其特征在于:所述传感器包括有:
一硅基板;
一位于所述硅基板上作为热绝缘结构的场氧化层或沟槽绝缘层;
至少由一热电偶串联而成的热电堆,该热电维的热接触位于所述场氧化层的中央部位,该热电堆的冷接触区位于所述场氧化层周围的薄氧化层上;以及
一导热管,该导热管至少包含一导体连线层与一介层穿孔栓塞金属,该导热管位于所述场氧化层的中央部位,并位于所述场氧化层与最表面的保护层之间。
2.根据权利要求1中所述的温度传感器,其特征在于:所述温度传感器还包括有一加热电阻,该加热电阻设在所述热绝缘结构的上方,至少便于加热一热电偶的热接触区,使其温度高于手指温度。
3.根据权利要求1或2中所述的温度传感器,其特征在于:所述热电偶包含第一热电偶材料及第二热电偶材料,该第一及第二热电偶材料分别为N型及P型硅导体,或为一硅导体及一金属导体。
4.根据权利要求2所述的温度传感器,其特征在于:所述加热电阻的材料为N型或P型硅导体。
5.一种运用温度传感器的指纹辨识晶片,其用于读取指纹热像,且其设计制造方法完全匹配于CMOS积体电路制程,其特征在于:该指纹辨识晶片包括有:多个以二维阵列方式排布的所述温度传感器,以及用于整合、读取信号的电路,该指纹辨识晶片以人体体温作为生物辨识原理,通过手指指纹纹峰与温度传感器接触造成一温度梯度,进而将温度梯度转变成电信号,并读取手指接触时的纹峰热像。
6.根据权利要求5中所述的温差感应式指纹辨识晶片,其特征在于:其还包括有设在指纹辨识晶片下方的一热电致冷器,该热电致冷器用于控制稳定指纹辨识晶片的温度,使该晶片的温度高于或低于手指的温度。
7.一种温度传感器,其制作方法至少一层多晶硅与至少一从金属连线层金属的CMOS积体电路制程,该传感器包含下列元件:
一硅基板;
一位于所述硅基板上的热绝缘结构,该绝热结构为一场氧化层或一沟槽绝缘层;
一薄氧化层,其位于所述热绝缘结构的周围,并且该薄氧化层为闸极氧化层;
至少一热电偶,该热电偶包括有第一热电偶材料及第二热电偶材料,该热电偶的热接触区位于热绝缘结构的中央部位,该热电偶的冷接触区位于所述热绝缘结构周围的薄氧化层上;
至少一接触孔栓塞金属,该接触孔栓塞金属连接第一热电偶材料与第二热电偶材料;以及
一导热管,包含至少一导体层、至少一栓塞金属,该导热管位于热绝缘结构的中央部位,并位于所述热绝缘结构与最表面的保护层之间。
8.根据权利要求7中所述的温度传感器,其特征在于:所述第一热电偶材料为多晶硅材料,第二热电偶材料为金属连接线。
9.根据权利要求7中所述的温度传感器,其特征在于:所述接触孔栓塞金属的材料为钨。
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