浅谈指纹识别模组热压工艺设备分析

浅谈指纹识别模组热压工艺设备分析

张剑青

（深圳市诺峰光电设备有限公司）

摘要：为了实现指纹识别模块自动化生产，和完善产品的生产效率和产量，我们提出了指纹识别模块，自动热压过程中，并描述了自动热压设备部件的功能详细介绍了其结构和工作原理。

关键词：指纹识别模块；热压工艺；结构设计；

引言

2013年苹果以引领市场的姿态率先采用指纹识别技术，iPhone5S的指纹解锁功能一经推出便深受用户欢迎。2015年9月苹果发布ApplePay，既支持线上支付，也支持NFC近场支付。线上支付可以实现“一键完成”，不再需要输入信用卡信息和地址等，通过TouchID，用户可以凭指纹来轻松确认支付。而NFC近场支付，也无需密码等任何信息，只要将具备NFC功能的手机或智能可穿戴设备靠近POS机(具备近场支付功能)，通过指纹确认即可。

指纹识别功能作为手机上一项新功能历经考验成为标配，关键在于要切中用户痛点。摄像头、触摸屏、大屏化等成为手机标配都说明了这一点。指纹识别既迎合移动智能设备对安全性要求更高的痛点，又满足用户使用便捷性需求。

一、指纹识别原理及结构组成

指纹识别模组根据传感器采集类型不同大致可分为以下三种：

第一种为光学传感器。光学传感技术可以说是扫描仪的缩小版。使用时，用户将手指按在扫面设备的玻璃表面，光源光线照射到压有指纹的玻璃表面形成反射光线，反射光线再经过凸镜聚焦后由光电图像传感器去捕获成像，并对比资料库看是否一致。

第二种为电容式指纹识别传感器。该技术得益于硅晶体电容传感器诞生，电容式指纹识别术才出现。如图1所示电容传感器包含数万个金属导体阵列，外部一层绝缘保护层。手指放上面时，金属导体阵列/绝缘层/皮肤构成相应的小电容器阵列。利用指纹的凹凸，通过对每个像素点上充放电，便可检测到指纹的纹路情况，要求绝缘保护层很薄。电容式指纹识别技术才使指纹识别真正普及开来，进入每一个电子设备。

第三种为生物射频式指纹识别传感器。射频传感器在电容式传感器的基础上扩展，通过发射微量的射频信号，穿透手指的表皮层获取里层的纹路以获取信息。相比之下，射频传感技术可以排除手指表面的污垢、油脂干扰，精确度很高。

iPhone5S指纹识别的原理。iPhone5s的TouchID指纹传感器被放置在Home键，这个用户与iPhone自然而然频频接触的地方。按钮表面由激光切割的蓝宝石水晶制成，可精确聚焦手指，保护传感器；该传感器会识别和记录指纹信息。按钮周围是不锈钢环，用于监测手指，激活传感器和改善信噪比。随后，软件将读取指纹信息，查找匹配指纹来解锁手机。

图1指纹识别模块结构示意图

二、指纹识别模组自动热压工艺流程

（1）设备启动后，在触摸屏中选择热板加热模式，选择所需工作温度（例如：120℃）。当所有温控表显示值稳定到120℃后，使用测温计对各个加热板上的温度进行测量。确认所有加热板表面温度是否与温控表显示温度一致，是否保持在±2℃范围之内。确认工作完成进行温度校准后，设备方可进行正常工作。

（2）指纹识别模组工件通过搭载机搭载完成一版后，工件从搭载机传输轨道送出至热板机的上料机构接收轨道，热板机上料机构传感器检测工件到位，由电动机驱动平皮带运动，将工件传送至一号缓存料盒中，缓存料盒接收工件后自动上升一定距离至下一接收工作位置，等待接收下版工件。搭载机完成一版模组搭载时间约为1min，每片工件传送时间间隔为1min，一号缓存料盒设计为六层。预计6min一号缓存料盒存满工件。

（3）一号缓存料盒接收六版工件后，由推料机构的旋转气缸驱动拨杆旋转90°，使拨杆处于缓存料盒正前方中心位置，由伺服电机驱动拨杆进行x向运动。将6片工件整体推入二号缓存料盒中。

（4）一号缓存料盒运动至初始位置继续接收工件，二号缓存料盒由伺服电器驱动模组进行y向运动，二号缓存料盒运动至一号固化线，z向电机驱动二号缓存料盒，将最底层工件提升至传输轨道位置高度，同时由拨爪A推动工件进入一号固化线传输轨道后，拨爪A返回初始位置，二号缓存料盒下降一定距离，将第二版工件运动至传输导轨位置高度。拨爪A推动第二版工件进入轨道，同时拨爪B推动第一版工件至第二加热工位，依此类推，直至六版工件由1号固化线七个拨爪全部推入一号固化线六个加热工位。二号缓存料盒运动至初始位置，等待继续接收工件，此过程时间约为2min左右。

（5）一号固化线6个加热工位分别由6个气缸驱动同时上升，将六版工件顶起至上压板位置，上下压板压紧工件后，计时器开始计时进行固化，固化时间为30min。

（6）当一号固化线工件固化完成后，气缸驱动加热工位向下运动，六版工件下降至传输导轨上，由步进电机驱动同步带运动，带动6个拨爪拨动工件同时向前运动，收料机构收取第一版固化完成的工件，同时气缸驱动拨杆机构向上运动，电机驱动拨杆回到初始位置后，气缸驱动拨杆机构向下运动。依次往复运动，将一号固化线六版工件传送至收料盒中，于此同时，二号缓存盒运动至一号固化线，继续向一号固化线传送工件。

（7）收料机构继续等待二号固化线工件完成固化，进行收料。收料盒设置为30层。

（8）当收料部件第一个料盒收满30个产品，收料机构运动至卸载料盒位置，由电机驱动卸载料盒机构向料盒方向运动，卸载料盒机构运动至料盒上方，z向气缸驱动夹紧气缸向下运动，由夹紧气缸夹紧料盒。z向气缸向上运动，电机驱动模组向后运动，运动至料盒缓存台位置，气缸向下运动，将料盒放置料盒缓存台。收料机构继续收料，直至第二个料盒收满，运动至卸载料盒位置，设备报警提醒操作人员取走缓存台上的料盒。卸载料盒机构继续重复卸载料盒动作。操作人员放置空料盒继续生产。

三、结构设计

为了实现指纹识别模组生产自动化，提高产品生产效率，减少因人工干预产生的不良率，该设备设计了指纹识别模组的接收传送机构，加热压合机构。采用步进电机、同步带以及导轨组合的接收传送机构。采用气缸、直线轴承、导向轴以及通过电气比例阀控制压力的结构设计了加热压合结构。

3.1接收传送机构

接收传送机构示意图如图2所示。接收传送机构主要由步进电机、同步带、推杆、导杆气缸组成。该机构工作原理是通过气缸来控制皮带传送机构整体上下运动，推杆机构中6个推杆分别等间距安装在导轨上，滑块固定安装在上下导板上，导轨由电机驱动同步带进行往复运动，带动6个推杆进行前后运动，从而实现了推杆往复传送指纹识别模组的功能，能够将指纹识别模组推送进各自加热工位进行热压固化。

在产品固化加热前，推杆向前推送指纹识别模组过程中，采用此机构可以消除推杆因运动而产生的振动，避免了因推杆振动导致产品发生位置偏移，从而增加了产品的良率。机构中使用同步带作为传动媒介，是由于同步带在工作时无滑动，有准确的传动比，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比，将产品精确的推送到加热工位。并且在产品送入加热工位后，加热台需上升对产品进行压合，此时推杆必须避让开压合位置。设计此机构既可以满足自动推送产品的需求，在产品进行加热压合时又巧妙避开了产品压合位置。

3.2加热压合机构

随着产品工艺的改进，产品对于温度和压力精度的要求更为苛刻。为了满足现有指纹识别模组对压力精度XXN±3N的要求。必须改善现有的压合结构以及压力控制方式，提高产品的良率。从决定压力精度的因素分析，有静态和动态两方面因素，静态方面有:上下压板平行精度及工作表面的平面度；动态方面有气缸进行动作时对气缸输出力时的控制方式。

图2接收传送机构示意图

加热压合机构示意图如图3所示。加热压合机构主要由气缸、导向轴上压板组件、加热板、隔热板等组成。其中，上压板是通过关节轴承连接在上基板上，在上压板的下表面贴附柔性的硅海绵。防止压合时产品直接接触金属表面，对产品造成划伤、压伤。由于硅海绵使用一段时间后会产生磨损。需要定时更换，每次更换后需要重新调节上下压板的平行度。在一台自动生产线上有30个工位，所以调节平行度的方便与快捷至关重要。在压合机构的上基板上装有4个调节螺杆，它们的作用就是调节上下压板的平行度。在调整前先将4个调节螺杆旋至离开上压板，使上压板处于自由状态。控制下加热板组件气缸动作，使下加热板组件上升，上下压板压合，上压板以下加热板为基准自动找平。在这个状态下，将上基板的4个调节螺杆旋转至上压板表面贴合，然后用螺母锁紧，上下压板的平行精度调整完成。平行精度的调整保证了在压合过程中不会使产品发生位置偏移，不会导致一版产品中由于压合力度不均匀，部分产品胶水在规定工艺时间内不能烘干、产生气泡、胶水溢出等不良现象。

图3加热压合机构示意图

结束语

为了实现客户自动化连线生产要求，开发研制的指纹识别模组全自动热压设备。它是一种对指纹识别模组的设备，适用于高度小于11mm的指纹识别模组。通过自动接收传输指纹识别模组，可连续完成多个指纹识别模组的热压，可以提高指纹识别模组的生产效率和品质。是指纹识别模组后制程中的关键设备之一。

该设备的性能指标达到了生产企业提出的要求。在指纹识别模组生产企业已经连续使用两年多的时间，效果良好。同时该设备适用于摄像头模组的生产。

参考文献

[1]孟倩.指纹识别模组热压机构的设计.轻工科技，2018.08.

[2]来瞒虔.机械原理教学指南.北京：高等教育出版社，2016.10.

[3]周曹.半导体激光器模组的设计.红外，2015.01.

[4]徐胜.一种大面积OLED模组均匀调光技术研究.液晶与显示，2014.03.