JP5647726B2 - 容量性レンズを含む指センサ及びこれに関連する方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオメトリック（生体計測）センサデバイスに関するものであり、より具体的には、センサアレイの真上に配置された保護兼美観用カバーを有する指センサ構造に関するものである。

バイオメトリックセンサ、特に指紋センサは、今日周知である。こうしたセンサは、一意的なバイオメトリック（生体）属性（例えば、指紋パターン）の識別及び整合を用いて、建物、コンピュータ、金庫、ソフトウェア、等へのアクセスを制御する種々の異なる装置の要素である。その目的のために、バイオメトリックセンサの部類では指紋センサに焦点を当てるが、本明細書で説明する背景及び実施形態は、他の一意的なユーザのバイオメトリック属性用のセンサにも同等に適用可能である。

今日の代表的な指紋センサは半導体構造を具え、その表面上に、センサ素子のアレイ、及び随意的に、センサを駆動し、センサから発生する信号を処理するための回路が形成されている。代表的な指紋センサシステムは、こうしたセンサを、ラップトップ・コンピュータ内、携帯電話内、ドアロック内、等に実装するための本体内に収容された形で含む。

今日、指紋検出（指紋センシング）用に使用されているセンサの１つの一般的形態は、いわゆる容量センサである。これらのデバイスは、容量性電界の検出によって、あるいは、センサセル内の容量性プレート（極板）間にフリンジ電界を発生させることによって動作する。フリンジ電界中に入る材料の体積が、このセルのフリンジ電界を変化させる。この変化を測定して、このセルに近接した指紋の山及び谷と相関させることができる。２つの一般的種類の容量センサ、即ちエリアセンサ及びストリップセンサが存在する。エリアセンサでは、ユーザが指をセンサアレイの真上に置き、定位置ある指の指紋全体をアレイから読み取る。ストリップセンサでは、ユーザが、センサの狭いアレイ上で指を滑らせる。この指の動きを、センサからのデータと相関させ、デジタル化した指紋の画像をソフトウェアによって組み立てる。各種類のセンサにおいて、センサの感度は、コンデンサのプレートへの指紋の近接度の関数である。指とセンサとの間の距離が増加すると共に、電界強度は減少し、電界中に組織が存在する影響の強さは減少する。さらに、指とセンサとの間に導電材料が入り込めば、フリンジ電界が影響を受け、検出精度が低下する。

一般に、センサは、センサ表面と検出される指紋との間に、最小限のギャップしか許容することができない。例えば、容量センサと称されるセンサの一種は、容量性電界中にある指紋の山と谷との相対間隔を用いて、指紋パターンをデジタル化する。従って、センサの表面自体は一般に、カバーがないか薄くカバーされ、指紋検出のプロセス中に、ユーザは、指をこの表面に直接接触させる。しかし、露出しているか薄くカバーされているセンサは、環境からの汚染及び機械的損傷の影響を受けやすい。

本発明の譲受人に譲渡され、その全文を参照する形で本明細書に含める米国特許第６３７６３９３号明細書（特許文献１）は、凝固性の誘電性流体に磁界を加えて、この流体を凝固させることによって製造される指紋センサの異方性コーティングを開示している。これにより、異方性の誘電層に平行なインピーダンスよりも小さい、この誘電層に直交するインピーダンスが生じる。本願は、ＲＦ信号によって駆動される、他の種類の電界ベースの検出（センシング）画素も開示する。

さらに、指紋センサのアセンブリは一般にダイを含み、このダイ上にセンサアレイが形成されている。このダイは基板に固定され、基板自体が処理電子回路を含んで、センサアレイが供給する信号を処理することができる。従って、このセンサアレイは、例えばワイヤボンドによって基板と相互接続され、これらのワイヤボンドは、ダイの上面上のボンディングパッドに接続され、ダイのエッジ上から立ち上がってエッジの上を回って、最終的に基板上のボンディングパッドに接続される。これらのワイヤボンドは重要であるが脆弱な素子であり、一般に、非導電性の封止材で固めることによって保護する。センサアレイとユーザの指との間のギャップを最小化する必要性により、ワイヤボンドは十分に封止されるが、センサ表面はカバーされないか薄くカバーされるように封止材を成形する。ワイヤボンドの一端がセンサダイの上面に取り付けられるので、ワイヤボンドは一般に、センサダイの表面より上の高さまで延びる。このことは、成形したデバイスの上面が、第１平面内にあるセンサの第１領域、及び第１表面より上の第２平面内にある、ワイヤボンドより上の第２領域を含むことを意味する。しかし、このように薄い封止カバーを形成するための成形は、比較的複雑で高価になり得る。

これに加えて、成形材は周知であり、十分に確立されている。従って、既存の成形材を利用することが強く望まれる。しかし、既存の成形材が有する誘電特性は、これらの成形材を、電界ベースのデバイスと共に使用する際に最適なものとしないことがある。従って、以上説明した理由で、一般に、センサ上の成形材の厚さを最小にする努力が払われている。

さらに、封止材をセンサのカバー用に用いる際は、この封止材の色が、カバーの色の唯一の選択肢である。この選択肢は、例えば、顧客の要求、ブランド確立の嗜好、等によって決定され得るセンサデバイスのデザイン要求と一致しないことがある。

さらにその上、センシング機能に関連する照明を提供することが望まれ得る。センサパッケージに関連する光源は、装置の動作中に、ある種のフィードバックをユーザに提供することができる。その全文を参照する形で本明細書に含める米国特許第７２７２７２３号明細書（特許文献２）に一例が開示され、この例では、発光ダイオード（ＬＥＤ）が、周辺キー管理装置によって実行されている動作の可視指示をユーザに提供する。しかし、こうした装置では、光源を保護すると共に装置の美観を向上させるために、光源をカバーする要望が存在し得る。

こうした既知の装置では、光源を、処理ハードウェアへの電気接続を有するか他の駆動手段と通電する基板と通電させることができる。これらの光源及び基板は、随意的に、部分的に半透明または透明の筐体の内部に封入することができる。こうした好適例では、筐体は、基板及びＬＥＤを導入する前に成形された構造である。最終装置の組み立て中に、基板とＬＥＤとが一緒にされて、予め成形された筐体内に固定される。光源は、基板と電気結合されているが、基板上には実装されず、基板の一体部分でもない。従って、このように別個の筐体、基板、及びＬＥＤのアセンブリは比較的大型になり、こうしたアセンブリを統合することのできる装置の種類を限定する。これに加えて、コストを低減し製造を簡略化する機会はまだ残っている。

米国特許第６３７６３９３号明細書 米国特許第７２７２７２３号明細書 米国特許第６５１２３８１号明細書

従って、以上の背景を考慮すれば、本発明の目的は、センサアレイの真上に配置された、本明細書では容量レンズと称するカバー付きのバイオメトリック・センサパッケージを提供することにある。このセンサアレイは、基板に固定されたセンサダイの表面上に形成することができる。これらの基板とセンサダイとは、ワイヤボンド（または他の既知の技術）によって電気的に相互接続されている。封止材が、ワイヤボンド及びアセンブリの他の素子を保護する。

１つの態様によれば、ダイ取付材を用いて、容量性レンズをダイの表面に固定する。汎用接着剤、エポキシ、等の他の材料を用いることもできる。ダイ取付材、及び取付方法は、センサダイを基板に取り付けるために用いる材料及び方法と同様にすることができる。

他の態様によれば、容量性レンズが高い誘電定数を有し、一具体例では５以上のオーダーであり、他の具体例では５〜２０のオーダーである。これにより、比較的厚い、厚さ４０ミクロン〜１００ミクロンのオーダーの容量性レンズをサポートすることができる。

さらに他の態様によれば、容量性レンズを光学的に透明または半透明にして、容量性レンズの下から出る光を、ユーザがその上面を通して見ることを可能にし、（逆に、センサ外の光を、容量性レンズの下に配置され、随意的にセンサに関連する素子、例えば固体カメラ等が読み取ることを可能にする）。

さらに他の態様によれば、容量性レンズを、少なくとも部分的に（金属化がセンサの動作を阻止しないように）金属化したガラス板とすることができる。この金属化は、ユーザが触れるガラス板の上側にすることができる。この態様によれば、電気接続（例えば、ビア、エッジ金属化、導電テープ、等）を、ガラス板の金属化した上面とダイを取り付ける基板との間に設けて、金属化したガラス板が、こうしたアセンブリに用いられる従来の金属ベゼル（周囲枠）の代わりをして、検出動作中にユーザの指に電流を伝えることができる。その代わりに、金属化を、容量性レンズの底部側にすることができる。

この態様の変形例によれば、この金属化を着色及び／またはパターン化して、文字、画像、使用の手掛かり、または他の視覚表示が、周辺光中で、かつ／または下から照らした際に見えるようにすることができる。容量性レンズは導光板（ライトガイド）として機能することができ、これにより、下から照らした際に、その表面が比較的均一に照射されているように見える。さらに他の変形例によれば、同じ効果のために、上記ガラス板を含むガラス自体を着色することができる。

以上は、本発明の多数の態様、特徴、及び利点の概要である。しかし、この概要は排他的なものではない。従って、本発明のこれら及び他の態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明及び図面より一層明らかになる。

図面中では、種々の図面どうしの間で、同様の参照番号は同様の要素を表す。これらの図面は例示的であり、原寸に比例して描いたものではない。

本発明の一実施形態によるセンサアセンブリの平面図であり、センサダイ及び基板の真上に配置された容量性レンズを示す。 図１のセンサアセンブリの側断面図であり、アセンブリの種々の素子を封止する封止材をさらに例示する。 本発明の他の実施形態によるセンサアセンブリの平面図であり、センサダイ及び基板の真上に配置された容量性レンズを、基板と通電する複数の光源と共に示す。 図３のセンサアセンブリの側断面図であり、アセンブリの種々の素子を封止する封止材をさらに例示する。 本発明の他の実施形態によるセンサアセンブリの平面図であり、センサダイ及び基板の真上に配置された、視覚表示を伴う容量性レンズを示す。 本発明のさらに他の実施形態によるセンサアセンブリの平面図であり、センサダイ及び基板の真上に配置された、視覚表示を伴う容量性レンズを示す。 本発明の他の実施形態によるセンサアセンブリの側断面図であり、容量性レンズを、その真上に形成されたビア付きの上層と共に示し、これらのビア内及びその下にある導電材料が、上層と基板とをオーム接触させる。 本発明の他の実施形態によるセンサアセンブリの側断面図であり、容量性レンズを、その真上に形成された導電性の上層と共に示し、導電テープまたは導電ピラーが、上層と基板とをオーム接触させる。 本発明の他の実施形態によるセンサアセンブリの側断面図であり、容量性レンズを、その下に配置された複数の固体センサと共に示す。 本発明の他の実施形態による、製造工程中のセンサアセンブリの側断面図であり、容量性レンズが、予め成形されたレンズ受け領域を含む構造に固定されている。 図１０のセンサアセンブリの側断面図であり、容量性レンズがレンズ受け領域内に実装されている。 センサアセンブリの側断面図であり、ダイ、基板、ワイヤボンド、及びワイヤボンドと他の構成部品を封止して保護する封止材を含むセンサアセンブリ上に被せたキャップ形式の容量性レンズを示す。

本発明の詳細を無用にあいまいにしないために、周知の出発原料、処理技術、構成要素、装置、及び他の周知の詳細は、単に要約するか省略することを、最初に指摘しておく。従って、詳細が周知でなければ、これらの詳細に関する選択を提案または決定することが、本発明の出願に委ねられている。

一般論として、本発明は指センシングシステム装置に関するものであり、この装置は、実装基板と、この実装基板によって担持され、電界ベースの指センシング素子のアレイを具えた集積回路（ＩＣ）ダイと、実装基板とＩＣダイとを結合する複数の第１電気接続部とを具えている。第１電気接続部は、例えばボンディングワイヤとすることができる。これに加えて、この指センシング装置は、電界ベースの指センシング素子のアレイの真上に取り付けられた保護プレートを含むことができ、この保護プレートは、５より大きい誘電定数を全方向に有し、かつ４０ミクロンより大きい厚さを有して、電界ベースの指センシング素子のアレイ用の容量性レンズを規定することができる。この指センシング装置は、実装基板及びＩＣダイに隣接し、少なくとも複数の第１電気接続部を囲む封止材を含むこともできる。

上記保護プレートは、例えば、５より大きく２０より小さい誘電定数を有することができることが、より好ましい。この誘電定数は等方性であり、即ち全方向に同一であり、例えば、異方性の層よりも製造が容易になる。上記保護プレートは、１００ミクロン未満の厚さを有することもできるが、より大きい厚さも可能である。

一部の実施形態では、上記指センシング装置が、上記保護プレートによって担持された少なくとも１つの導電体をさらに含むことができる。これらの実施形態では、少なくとも１つの第２電気接続部を設けて、少なくとも１つの導電体と上記実装基板とを結合することができる。

上記指センシング装置は、少なくとも１つの光デバイス、例えば光検出器または発光器をさらに具えることができる。従って、上記保護プレートを光学的に透明にして、少なくとも１つの光デバイス、並びに上記電界ベースの指センシング素子のアレイをカバーすることができる。

一部の実施形態では、上記保護プレートを、これに隣接する封止材の上部と面一にすることができる。他の実施形態では、上記保護プレートが、上記電界ベースのセンシング素子のアレイの真上にある上部、及びこの上部から下向きに延びて、少なくとも上記封止材を包囲する側壁を具えることができる。さらに他の実施形態では、上記保護プレートを、関連する電子装置の構造の一部分、例えば移動通信装置、ラップトップ・コンピュータ、ＰＤＡ（personal digital assistant：個人用携帯情報端末）、等の筐体の一部分、あるいはこうした装置の表示スクリーンの一部分によって提供することができる。

上記保護プレートは、電気ガラス、写真用ガラス、パイレックスガラス、窓ガラス、電気用マイカ（雲母）、及びナイロンのうち少なくとも１つを含むことができる。これに加えて、上記指センシング装置は、上記ＩＣダイと上記実装基板とを互いに固定する第１接着層、及び上記保護プレートと上記ＩＣダイとを互いに固定する第２接着層を、さらに具えることができる。

方法の態様は、指センシング装置を製造する方法である。この方法は、電界ベースの指センシング素子のアレイを具えた集積回路（ＩＣ）ダイを実装基板上に実装するステップと、実装基板とＩＣダイとを結合する複数の第１電気接続部を確立するステップとを含むことができる。この方法は、保護プレートを、上記電界ベースの指センシング素子のアレイの真上に固定するステップを含むこともでき、この保護プレートは、５より大きい誘電定数を全方向に有し、かつ４０ミクロンより大きい厚さを有して、上記電界ベースの指センシング素子のアレイ用の容量性レンズを規定する。これに加えて、この方法は、上記実装基板及び上記ＩＣダイに隣接し、少なくとも上記第１接続部を囲む封止材を形成するステップを含むことができる。もちろん、以上に挙げたステップの順序は、これに限定されることを意図していないことは、当業者の理解する所である。

まず図１を参照すれば、一実施形態による指紋センサアセンブリ１０の平面図が示されている。図１では、図示を明瞭にするために、センサアセンブリ１０を封止材なしで示している。封止材付きのセンサアセンブリ１０の側断面図は、図２に示して、以下でさらに詳細に説明する。センサアセンブリ１０は基板１２を具え、基板１２上に電気的相互接続用リード線が形成され、基板１２は随意的に、他の電子回路素子を含むことができる。センサセルのアレイ１６を有するセンサダイ１４は、基板１２の上面に、例えばダイ取付用エポキシ、あるいは現在技術において周知の他のメカニズム（例えば、導電ボンディングバンプ等）によって固定されている。基板１２及びダイ１４の各々は、複数のワイヤボンドパッド領域１８、２０をそれぞれ設けられている。領域１８、２０を形成するボンドパッドの数及び位置は、特定のセンサアセンブリの用途及び設計によって変化し、従って、本明細書に示すこれらの数及び位置は、本発明の範囲を限定するものではない。ワイヤボンド２２は、センサアレイ１６のセルが適切にアドレス指定されるように、領域１８のパッドと領域２０のパッドとを電気的に相互接続する。

本明細書で容量性レンズ２４と称する構造は、センサダイ１４の上に取り付けられている。以下でさらに説明するように、容量性レンズ２４は比較的高い誘電定数を有して、コンデンサ極板と、容量性レンズの真上に置かれたユーザの指との間の、より高い容量をサポートする。容量性レンズは実際に、容量センサの、当該容量センサからの距離当たりの感度を「拡大」し、従って「レンズ」という用語を用いる。

容量性レンズ２４を、センサアレイ１６の周囲につけた接着剤（例えば図２に示す接着剤２８）によって、接着剤がセンサアレイの動作を妨げないように、センサダイ１４に取り付けることができる。一部の実施形態では、容量性レンズ２４を、光学的に透明または半透明な接着剤で、容量性レンズ２４の光透過率が大幅に影響されないように取り付ける。特定の実施形態では、容量性レンズ２４をセンサダイ１４に取り付ける接着剤が、ダイ１４を基板１２に取り付けるために用いるダイ取付材と同様である。このように、容量性レンズ２４をセンサダイ１４に取り付けるために用いる方法及び材料は、積層ダイ・アセンブリにおいて用いられる既に実施中の方法及び材料と同様である。他の実施形態では、接着剤を用いず、その代わりに、容量性レンズを成形材料によって包囲し、従って、成形材料によって定位置に固定し、これについては以下でさらに説明する。

一実施形態では、容量性レンズ２４が、高い誘電定数を有する非導電材料の比較的薄い層である。容量性レンズ２４の誘電定数は５を超えることが好ましく、特定の実施形態では、誘電定数が少なくとも１５である。容量性レンズ２４の比較的高い誘電定数により、ちょうどコンデンサの極板間の材料がより高い誘電定数を有する際にコンデンサがより高い容量を有するように、容量性レンズが電界をサポートすることができる。これによりサポートされる電界によって、容量の検出がより大きい距離にわたって機能すること、即ち、センサの真上に設けられたより厚い層にわたって機能することができる。容量性レンズ２４に適した材料、及びそれらの誘電定数範囲の例は、次のものを含む：ガラス（電気ガラス：３．８〜１４．５、写真用ガラス：７．５、パイレックスガラス：４．６〜５．０、窓ガラス：７．６、コーテッドガラス）、マイカ（例えば電気用マイカ：４．０〜９．０）、ナイロン：３．２４〜２２．４、等。一般に、比較的硬質で、構造的にしっかりし、化学的に不活性で、比較的薄いシートとして形成することができ、比較的標準的な接着剤を用いてダイに接着することのできる非導電材料が望ましい。随意的に、特定の実施形態では、透明または半透明材料も望ましい。多数のこうした材料がこれらの基準を満足するが、例示目的で、容量性レンズ２４用の材料としてガラスに焦点を当てる。

図２を参照すれば、図１のセンサアセンブリ１０が、側断面図の形で示されている。基板１２に加えて、センサダイ１４及び容量性レンズ２４、これらの要素を接続する接着剤（例えば、ダイ取付材）を、それぞれ２６、２８で示す。さらに、基板１２とセンサダイ１４とを、ボンディングパッド１８、２０（図示せず）を用いて相互接続するワイヤボンド２２が、センサダイ１４のエッジから立ち上がってエッジの上を回る。ワイヤボンド２２は重要であるが脆弱な材料であり、現在技術において他の点では周知の種類の封止材３０中に封入することによって保護する。

既知の封止材が有する特性は、容量性センサのような電界ベースのデバイス上での使用にとって理想的ではないことがある。例えば、こうした材料の誘電定数は一般に非常に低く、このことは、これらの材料が容量検出のための電界をサポートすることができないことを意味する。しかし、これらの封止材は、デバイス封止の他の側面、例えば成形性、耐性、等にとっては非常に適している。そして、これらの材料の適切な特性が悪影響されないように、これらの材料の組成を変更しない非常に強い動機が存在する。従って、現在のデバイスは既知の封止材を使用するが、センサの真上にある封止材の層の厚さを最小化し（あるいは、材料を設けず）、これにより、センサアレイとユーザの指との間のギャップを最小化して、封止材のセンサ性能に対する悪影響を最小にする。

センサアレイとユーザの指との間のギャップを最小化するこうした必要性により、ワイヤボンド２２は適切に封止されるが、センサダイ１４の表面上にあるセンサ素子のアレイはカバーされないか薄くカバーされる方法で、封止材３０を成形する。ワイヤボンド２２の封止は可能にするがアレイ表面は最小限にカバーする、現在技術において既知の比較的複雑な成形とは対照的に、本発明によれば、容量性レンズ２４の上面が、構造の最上部における成形停止部として機能することができる。従って、断面では、現在使用されているずっと複雑な外形とは対照的に、成形部分は単純な矩形である。

図２からわかるように、容量性レンズ２４の導入は、その上に置かれた指が、センサアレイから、容量性レンズ２４のない構造における間隔よりも大きい間隔をとることを意味する。従って、容量性レンズ２４は比較的高い誘電定数を有しなければならない。５を超える誘電定数、特定の実施形態では１５を有する材料が、下にある容量センサのフリンジ電界を維持するのに有効であるが、指紋とセンサとの間に比較的大きい間隔を許容することを、発明者は見出している。この間隔は、容量性レンズ２４を間において、今日知られている３０ミクロンから１００ミクロンまで増加する。１つの好適な実施形態では、５以上の誘電定数を有する４０ミクロンのガラス板が、既知の容量性センサのフリンジ電界をサポートして、ユーザの指紋の有効な検出を行うことができる。残りのデバイスの仕様及び動作は本質的に、他の点では現在技術において既知のようにすることができる。

次に図３及び図４を参照すれば、本発明による、容量性レンズ５４を有するバイオメトリック・センサアセンブリ４０の他の実施形態の、それぞれ平面図及び断面図が示されている。センサアセンブリ４０は、図３では、図示を明瞭にするために封止材なしで示し、図４では、封止材６０付きで示す。センサアセンブリ４０は基板４２を具え、基板４２上に電気的相互接続用リード線が形成され、基板４２は随意的に他の電気回路素子を含むことができる。センサセルのアレイ４６を有するセンサダイ４４が、基板４２の上面に、例えばダイ取付用エポキシ５６、あるいは現在技術において周知の他のメカニズム（例えば、導電ボンディングバンプ、等）を用いて固定されている。基板４２及びダイ４４の各々は、複数のワイヤボンドパッド領域４８、５０をそれぞれ設けられている。領域４８、５０を形成するボンドパッドの数及び位置は、特定のセンサアセンブリの用途及び設計によって変化し、従って、本明細書に示すこれらの数及び位置は、本発明の範囲を限定するものではない。ワイヤボンド５２は、センサアレイ４６のセルが適切にアドレス指定されるように、領域４８のパッドと領域５０のパッドとを電気的に相互接続する。

容量性レンズ５４は、センサダイ４４の上に固定されている。容量性レンズ５４を、センサアレイ４６の周囲につけた接着剤５８によって、接着剤５８がセンサアレイの動作を妨げないようにセンサダイ４４に取り付けることができる。一部の実施形態では、容量性レンズ５４を、光学的に透明または半透明な接着剤で、容量性レンズ５４の光透過率が大幅に影響されないように取り付ける。特定の実施形態では、容量性レンズ５４をセンサダイ４４に取り付ける接着剤５８が、ダイ４４を基板４２に取り付けるために用いるダイ取付材５６と同様である。このように、容量性レンズ５４をセンサダイ４４に取り付けるために用いる方法及び材料は、積層ダイ・アセンブリにおいて用いられる既に実施中の方法及び材料と同様である。

ここでも、容量性レンズ５４は、高い誘電定数を有する非導電材料の薄層である。容量性レンズ５４の誘電定数は５を超えることが好ましく、特定の実施形態では、誘電定数が少なくとも１５である。容量性レンズ５４に適した材料、及びそれらの誘電定数範囲の例は、ガラス、マイカ、ナイロン、等を含むが、本発明はこうした材料に限定されないことを理解の上で、ここでは説明のためにガラスに焦点を当てる。

図４を参照すれば、ワイヤボンド５２（この図では見えない）は、他の点では現在技術において既知の封止材料６０中に封入することによって保護されている。ワイヤボンド５２の封止は可能にするがセンサダイのセンサ素子のアレイはカバーしないままにするか薄くカバーする、現在技術において既知の比較的複雑な成形とは対照的に、本発明によれば、容量性レンズ５４の上面が、構造の最上部における成形停止部として機能し、このため、容量性レンズ５４が配置された領域には封止材がない。従って、断面では、現在使用されているずっと複雑な外形とは対照的に、この実施形態による成形部分は単純な矩形である。

以上説明した理由で、容量性レンズ５４は比較的高い誘電定数を有すべきである。１つの好適な実施形態では、５以上の誘電定数を有するおよそ４０ミクロンの厚さのガラス板が、既知の容量センサのフリンジ電界をサポートして、ユーザの指紋の有効な検出を行うことができる。図１及び図２に関して上述した実施形態では、容量性レンズ２４が、センサダイ１４の外周に合うサイズであった。これにより、センサダイ１４が容量性レンズ２４を物理的に支持することができる。しかし、以下でさらに説明する理由で、図３及び図４に示す実施形態では、容量性レンズ５４は、少なくとも１つの寸法がセンサダイ４４の外周を超えるサイズである。

センサアセンブリ４０は、例えば基板４２に固定された１つ以上の光源６２を設けられている。図４に示す実施形態では、光源６２がセンサダイ４４の前部及び後部に配置されているが、適切な実施形態では、これらの光源を、センサダイ４４の側部にも、あるいは代わりに側部に配置することができる。光源６２を基板４２の素子と通電させて、光源６２のオン／オフ状態、明るさ、色、等を制御することができる。その代わりに、光源６２は、ダイ４４上に形成した回路、光源６２に関連する専用回路、または図示しない他の回路素子によって制御することができる。

容量性レンズ５４は、光源６２上に張り出して光源６２をカバーするサイズである。従って、随意的な透明または半透明エポキシ６４、あるいは同様の材料が、光源６２を容量性レンズ５４の底部側に物理的に接続して、センサダイ４４の外周を超えて広がり、従ってセンサダイ４４によって支持されない容量性レンズ５４の部分の物理的支持を行うことができる。従って、光源６２が放出する光は、透明または半透明エポキシ６４及び容量性レンズ５４を通して見ることができ、視覚的関心、センサアセンブリ４０とのユーザ・インタラクション（相互作用）の手掛かり、等を提供することができる。さらに、容量性レンズ５４は、光源６２が放出する光を拡散させる導光板として動作することができ、これにより、容量性レンズ５４の表面の大部分または全体が均一に照射されて見える。

光源６２と容量性レンズ５４との組合せから、多数の異なる視覚効果が得られる。容量性レンズ５４は、着色及び／またはパターン化して、テキスト（文字列）、画像、使用の手掛かり、または他の視覚表示が、周辺光中で、かつ／または光源６２によって下から照らした際に見えるようにすることができる。光源６２の動作にタイミングを与えて照明のパターンを提供し、例えば、指を滑らせる好ましい方向、センサの動作状態、あるいは単なる視覚的関心のための、色及び／または光の位置が変化するパターンを示すことができる。

容量性レンズ５４上で提供されるパターン、あるいは容量性レンズ５４の色は、その主面の一方または両方を処理することによって実現することができる。例えば、一方の面をエッチングまたはアブレートして、図５に例示するように、ロゴ及び／またはテキスト５８を提供するか、あるいは、図６に示す、指を払う方向及び／またはタイミングを示す矢印７２のようなセンサアセンブリの使用の手掛かりを提供することができる。その代わりに、一方または両方の面が、与えられたパターンを有するかパターン化することのできるコーティング（被覆）または層を有して、ロゴ及び／またはテキストを提供することができ、これらのコーティングまたは層はさらに、容量性レンズ５４によって提供される視覚表示に種々の色を与えることができる。

図７に示すように、容量性レンズ５４は、導電材料の上層７６を設けることもできる。この実施形態の１つの変形例では、上層７６が薄い金属コーティングであり、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、または現在技術において既知の他の方法によって付加することができる。この金属化は、堆積（例えばスクリーン堆積）中、または堆積後（例えばエッチングまたはアブレーションによって）のいずれか、あるいは両方においてパターン化することができる。代案の実施形態では、容量性レンズ５４に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：indium tin oxide）の薄層を設ける。導電性の上層７６の目的は、検出動作中にユーザの指を接触させるための導電面を提供することにある。

現在技術において既知の容量センサデバイスの１つの設計、例えば、その全文を参照する形で本明細書に含める米国特許第６５１２３８１号明細書（特許文献３）に開示されたものによれば、変動電圧が、検出プロセス中に検出される指先を電気的に駆動する。変動電圧で指を電気的に駆動するための外部電極の追加により、指紋の山の存在または不在が可変電荷移動入力コンデンサとして作用して、指紋の山が動作中に有する、センサコンデンサのフリンジ電界と相互作用する効果を補完し、これにより、センサの感度を大幅に向上させることができる。

ユーザの指を所望の変動電圧で駆動するために、指を電圧源と電気接触させる。現在技術において用いられている１つの設計によれば、この接触は、金属ベゼルを、センサの周囲の一部または全体に設けることによって行われる。ユーザが指を、エリアセンサ上に置くこと、あるいはストリップセンサの真上で滑らせる動きのいずれかによってセンサ面に当てると、指がベゼルと物理的かつ電気的に接触する。次に、ベゼルが指との接点として機能して、電荷を指からセンサ装置の入力コンデンサへ移動させる。

しかし、導電性の上層７６の１つの利点は、既知のセンサアセンブリの設計が用いる別個のベゼルにとって代わる、指用の電気接点として機能することができることにある。導電性の上層７６とその駆動源、例えば基板４２とを電気的に相互接続する多数の方法が存在する。図７に例示する１つのこうした方法は、ビア７８を容量性レンズ５４内に設け、これらのビアと基板４２上の適切な接点パッドとの電気接触を、導電材料８０（例えばハンダバンプ）によって行うことである。代案の方法は、ビア７８をセンサダイ４４の接触領域の真上に設けて金属化した際に、上層７６とセンサダイ４４とを電気接触させる。上層７６との電気接触を行うさらに他の実施形態８２は、図８に示すように、導電テープまたは導電ピラー８４を設けて、このテープまたはピラーに上層７６がオーミック接触する。当業者が理解する他の方法を用いることもでき、上層７６と駆動源とを接触させる特定の方法は、本発明の範囲に限定を生じさせない。

以上の例では、容量性レンズ５４（または２４）がガラスを含む。一実施形態では、ガラスが５以上の誘電定数を有するシート材から始まり、この実施形態の他の変形例では、１０以上、あるいは１５以上の誘電定数を有する。ガラスは、種々の異なる技術の１つ以上を用いて、最初に金属化、パターン化、及び／または着色することができる。特定用途に応じて、ガラス板をバルクコーティングすることができ、あるいは、ガラス板をレンズ単位で処理して、後続する処理中に個別のガラス板から分離される個別の容量性レンズを作製することができる。次に、ガラス板を、一般的なシリコンウェハーの形状に近い形状、例えば直径８インチの円形に切り分けることができる。このことは、ガラスを標準的なウェハー処理装置上で処理することを可能にする。次に、この円形ガラスを後研磨して、およそ７５〜１００ミクロンの厚さにする。次に、ガラス板のさらなる処理、仕上げ研磨、等を実行する。最後に、ガラス板をダイスカットして、個別の容量性レンズを得る。１つの変形例では、ガラスシートを種々の長さのストリップに切断する。各ストリップは、ほぼ、センサダイの表面上にある画素アレイの幅である。これらのガラスストリップは、ウェハーを個別のダイに分離する前に、かつ他のあらゆる組立を行う前に、ダイウェハーの上面に接着する。ダイを単一化する（個別のダイに分離する）際に、ガラスを幅方向のサイズに切断する。

容量性レンズを少なくとも部分的に透明にすることができるものとすれば、光源以外の光学デバイスをその下に設けて、センサに加えて、あるいはセンサと共に動作させることができる。こうした実施形態１２０を図９に示す。前述した素子に加えて、固体カメラ１２２及びレンズ１２４を容量性レンズ１２６の下に設け、容量性レンズ１２６の幅を広げて、カメラ１２２及びレンズ１２４をカバーすることができる。カメラ１２２は、周知の固体ＣＣＤ、または他の種類のカメラとすることができ、レンズ１２４を設けて、カメラ１２２が捕捉する光のスペクトルを制限することができる。こうした構成を用いて、画像処理（例えば、指の速度及び方向検出）、差し出された指が生であることを検証すること（なりすまし防止）、他のバイオメトリックデータ（例えば心拍）を測定すること、（例えば電源オン／オフ制御のために）指の存在を検出すること、指紋検出とは別個の機能（例えばカーソル制御）を支援することができる。

上述した実施形態は、容量性レンズを一体成形してデバイスにしたものに焦点を当ててきたが、他の実施形態によれば、容量性レンズを予め成形したセンサ構造に固定する。こうしたセンサアセンブリ９０を、図１０（製造中）、及び１１（完成品）に側断面図で示す。センサ９０は、基板９２、センサダイ９４、及びこれらの要素を接続するダイ取付材（接着剤）９６を具えている。基板９２とセンサダイ９４とを、ボンディングパッド９８、１００を用いて相互接続するワイヤボンド１０２は、センサダイ９４のエッジから立ち上がってエッジの上を回る。ここでも、ワイヤボンド１０２は、他の点は現在技術において既知の封止材１０４中に封入することによって保護されている。

封止材１０４は、現在技術において既知のプロセスによって成形されて、レンズ受け領域１０６を含む。ここでも、センサアレイとユーザの指との間のギャップを最小化する必要性により、ワイヤボンド１０２は適切に封止されるが、センサダイ９４の表面上にあるセンサ素子のアレイはカバーされないか最も薄くカバーされる方法で、封止材１０４を成形する。上述した種類の容量性レンズ１０８は、ダイ取付材、エポキシ、または同様の接着剤を、その一方の面上に設け、次にレンズ受け領域１０６内に固定する。この実施形態は、ダイ受け領域１０６を形成するステップを成形工程に追加するが、図１１に示す、最終的に組み立てられた装置のセンサアセンブリ９０は、主にセンサダイの真上の容量性レンズから成る平坦な上面を提供する。断面（図示せず）では、現在使用されているずっと複雑な外形とは対照的に、成形部分が単純な矩形である。

図１２に例示する、さらに他の実施形態１３０によれば、容量性レンズ１３２はキャップとして形成され、このキャップは基板１３４及びダイ１３６の５つの面をほぼカバーし、このキャップ内に、ワイヤボンド１４０を封止する封止材１３８が配置されている。こうした構成は、センサ構造に、良好な仕上げ、単一装置の外観、等をもたらす。

上述した実施形態は、レンズ受け領域を含む予め成形した構造に固定された容量性レンズを含むが、他の実施形態では、特別に成形したレンズ受け領域を含まない予め成形した構造に容量性レンズを固定することができる。実際に、容量性レンズは非成形の構造にも固定することができる。従って、適切なセンサ構造が与えられれば、このセンサ構造が容量性レンズを他のやり方で受けることを意図していなくても、そのセンサ構造に容量性レンズを固定することができる。

現代の電気装置の物理構造、及びこれらの装置の製造方法は絶対的なものではなく、所望の装置及び／または結果を生み出すための統計的な取り組みである。工程の再現性、製造設備の清浄度、出発原料及び処理材料の純度、等に最大限の注意を払っても、変動及び欠陥が生じる。従って、本発明の説明における限定は、絶対的なものとして読むことはできないか、読むべきものではない。このことをさらに強調するために、本明細書では、「ほぼ」等を時として用いることがある（但し、変動及び欠陥についての考慮は、この語と共に用いる限定のみに制約されない）。本発明の限定そのものとして正確に規定することは困難であるが、この語は、「相当程度まで」、「できる限り実行可能に近い」、「技術的限度内で」、等を意図している。

さらに、以上の詳細な説明では、複数の好適な実施形態を提示してきたが、膨大な数の変形例が存在し、これらの好適な実施形態は代表例に過ぎず、本発明の範囲、適用性、または構成をいかなる形でも限定することを意図していないことは明らかである。以上に開示した、及び他の種々の特徴、機能、またはそれらの代案を所望のように組み合わせて、他の多数の異なるシステムまたは応用にすることができる。当業者は、現在予期または予測されていない種々の代替、変更、変形、または改良を、その後に加えることができ、これらの代替、変更、変形、改良も、本発明に包含される。

従って、以上の説明は、本発明の実施のための好都合な指針を通常の当業者に与えるものであり、上述した実施形態の機能及び構成における種々の変更を、本発明の範囲を逸脱することなしに加えることができる。

Claims (22)

1. 実装基板と；
   前記実装基板によって担持され、電界ベースの指センシング素子のアレイを具えた集積回路（ＩＣ）ダイと；
   前記実装基板と前記ＩＣダイとを結合する複数の第１電気接続部と；
   前記電界ベースの指センシング素子のアレイの真上に取り付けられ、５より大きい誘電定数を全方向に有し、かつ４０ミクロンより大きい厚さを有して、前記電界ベースの指センシング素子のアレイ用の容量性レンズを規定する保護プレートと；
   前記実装基板及び前記ＩＣダイに隣接し、少なくとも前記複数の第１電気接続部を囲む封止材と；
   前記保護プレートによって担持される少なくとも１つの導電体と
   を具えていることを特徴とする指センシング装置。
2. 前記保護プレートが、２０未満の誘電定数を有することを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
3. 前記保護プレートが、１００ミクロン未満の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
4. 前記少なくとも１つの導電体と前記実装基板とを結合する少なくとも１つの第２接続部を、さらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
5. 少なくとも１つの光デバイスをさらに具え、前記保護プレートが透明であり、前記少なくとも１つの光デバイスをカバーすることを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
6. 前記複数の第１電気接続部が、複数のボンディングワイヤで構成されることを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
7. 前記保護プレートが、当該保護プレートに隣接する前記封止材の上部と面一であることを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
8. 前記保護プレートが、前記電界ベースのセンシング素子のアレイの真上にある上部と、前記上部から下向きに延びて、少なくとも前記封止材を包囲する側壁とを具えていることを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
9. 前記保護プレートが、電気ガラス、写真用ガラス、パイレックスガラス、窓ガラス、電気用マイカ、及びナイロンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
10. 前記ＩＣダイと前記実装基板とを互いに固定する第１接着層と、前記保護プレートと前記ＩＣダイとを互いに固定する第２接着層とを、さらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の指センシング装置。
11. 実装基板と；
    前記実装基板によって担持され、電界ベースの指センシング素子のアレイを具えた集積回路（ＩＣ）ダイと；
    前記実装基板と前記ＩＣダイとを結合し、複数のボンドワイヤで構成される複数の第１電気接続部と；
    前記電界ベースの指センシング素子のアレイの真上に取り付けられ、５より大きい誘電定数を全方向に有し、かつ４０ミクロンより大きい厚さを有して、前記電界ベースの指センシング素子のアレイ用の容量性レンズを規定する保護プレートと；
    前記実装基板及び前記ＩＣダイに隣接し、少なくとも前記複数の第１電気接続部を囲む封止材と；
    前記保護プレートによって担持される少なくとも１つの導電体と；
    前記少なくとも１つの導電体と前記実装基板とを結合する少なくとも１つの第２接続部と
    を具えていることを特徴とする指センシング装置。
12. 前記保護プレートが、２０未満の誘電定数を有することを特徴とする請求項１１に記載の指センシング装置。
13. 少なくとも１つの光デバイスをさらに具え、前記保護プレートが透明であり、前記少なくとも１つの光デバイスをカバーすることを特徴とする請求項１１に記載の指センシング装置。
14. 前記保護プレートが、当該保護プレートに隣接する前記封止材の上部と面一であることを特徴とする請求項１１に記載の指センシング装置。
15. 前記保護プレートが、前記電界ベースのセンシング素子のアレイの真上にある上部と、前記上部から下向きに延びて、少なくとも前記封止材を包囲する側壁とを具えていることを特徴とする請求項１１に記載の指センシング装置。
16. 前記保護プレートが、電気ガラス、写真用ガラス、パイレックスガラス、窓ガラス、電気用マイカ、及びナイロンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の指センシング装置。
17. 指センシング装置を製造する方法であって、
    電界ベースの指センシング素子のアレイを具えた集積回路（ＩＣ）ダイを実装基板上に実装するステップと；
    前記実装基板と前記ＩＣダイとを結合する複数の第１電気接続部を確立するステップと；
    保護プレートを、前記電界ベースの指センシング素子のアレイの真上に固定するステップであって、前記保護プレートが、５より大きい誘電定数を全方向に有し、かつ４０ミクロン大きい厚さを有して、前記電界ベースの指センシング素子のアレイ用の容量性レンズを規定するステップと；
    前記実装基板及び前記ＩＣダイに隣接し、少なくとも前記第１接続部を囲む封止材を形成するステップと；
    前記保護プレートによって担持される少なくとも１つの導電体を形成するステップと
    を含むことを特徴とする指センシング装置の製造方法。
18. 前記保護プレートが、２０未満の誘電定数を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記保護プレートが、１００ミクロン未満の厚さを有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記少なくとも１つの導電体と前記実装基板とを結合する少なくとも１つの第２接続部を形成するステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 少なくとも１つの光デバイスを用意するステップをさらに含み、前記保護プレートが透明であり、前記少なくとも１つの光デバイスをカバーすることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 前記保護プレートが、電気ガラス、写真用ガラス、パイレックスガラス、窓ガラス、電気用マイカ、及びナイロンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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