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CN115551650A - 具有非均匀厚度的接触层的超声指纹传感器 - Google Patents

具有非均匀厚度的接触层的超声指纹传感器 Download PDF

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CN115551650A
CN115551650A CN202180020377.1A CN202180020377A CN115551650A CN 115551650 A CN115551650 A CN 115551650A CN 202180020377 A CN202180020377 A CN 202180020377A CN 115551650 A CN115551650 A CN 115551650A
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CN
China
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matching layer
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Application number
CN202180020377.1A
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English (en)
Inventor
马克·詹宁斯
陈美霖
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InvenSense Inc
Original Assignee
InvenSense Inc
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Publication date
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Abstract

一种超声传感器包括：超声换能器的二维阵列、接触层、二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层具有不均匀的厚度；以及阵列控制器，该阵列控制器被配置成在对超声换能器的二维阵列内的多个像素进行成像的成像操作期间控制超声换能器的激活。在成像操作期间，阵列控制器被配置成以不同的发射频率激活与超声换能器的二维阵列的不同区域相关联的超声换能器的不同子集，其中不同的频率被确定为使得一个区域处的匹配层的厚度基本上等于该区域的第一发射频率的四分之一波长。阵列控制器还被配置成将多个像素组合成复合指纹图像，该复合指纹图像补偿匹配层的不均匀厚度。

Description

具有非均匀厚度的接触层的超声指纹传感器
相关申请
本申请要求共同未决的美国临时专利申请62/987,266的优先权和权益，该美国临时专利申请由Mark Jennings等人于2020年3月9日提交，标题为“ULTRASONIC FINGERPRINTSENSOR WITH A CONTACT LAYER OF NON-UNIFORM THICKNESS”，代理人案卷号为IVS-952-PR，并转让给本申请的受让人，其全部内容通过引用并入本文。
本申请是Mark Jennings等人于2021年3月8日提交的、标题为“ULTRASONICFINGERPRINT SENSOR WITH A CONTACT LAYER OF NON-UNIFORM THICKNESS”的美国专利申请17/195,465的继续申请，该美国专利申请的代理人案卷号为IVS-952，并转让给本申请的受让人，其全部内容通过引用并入本文。
背景
指纹传感器在移动设备以及用于认证用户身份的其他应用中已变得无处不在。它们为用户解锁设备、提供支付认证等提供了快速便捷的方式。当前的指纹传感器通常是区域传感器，其获得呈现给传感器的用户手指区域的二维图像。可以使用不同的技术(例如电容、超声波和光学感测)对手指进行成像。一旦获得图像，匹配器将处理该图像以提取特征，并与存储的图像进行比较以认证用户。因此，捕获图像的准确性对于用于用户认证的图像匹配的性能至关重要。
附图简述
被结合到实施例的描述中并形成实施例的描述的一部分的附图与实施例的描述一起阐述了本主题的多个实施例，并且用于解释下面所讨论的主题的原理。除非特别指出，否则在附图简述中提到的附图应该理解为没有按比例绘制。在本文中，相似的项目以相似的项目编号来标记。
图1A为根据一些实施例的具有中心钉扎膜(center pinned membrane)的压电微机械超声换能器(PMUT)设备的示意图。
图1B为根据一些实施例的具有非钉扎膜的PMUT设备的示意图。
图2为示出了根据一些实施例的PMUT设备激活期间膜移动的示例的图。
图3示出了根据一些实施例的方形PMUT设备的示例阵列。
图4示出了根据各种实施例的示例指纹传感器。
图5A和图5B示出了根据实施例的具有均匀厚度的匹配层的超声指纹传感器的横截面图。
图6A示出了根据实施例的具有均匀厚度的匹配层的超声指纹传感器的横截面图。
图6B示出了根据实施例的具有非均匀厚度的匹配层的超声指纹传感器的横截面图。
图7A、图7B和图7C示出了根据实施例的具有非均匀厚度的匹配层的超声指纹传感器的横截面图。
图8示出了根据实施例的针对不同材料的超声指纹传感器的透射率与匹配层厚度关系的示例曲线图。
图9A、图9B、图9C和图9D示出了根据实施例的由厚度不均匀的匹配层下的超声指纹传感器使用的发射频率区域的示例。
图10示出了根据实施例的用于操作包括超声换能器的二维阵列的超声传感器的示例方法的流程图。
图11示出了根据实施例的用于校准包括超声换能器的二维阵列的超声传感器的示例方法的流程图。
实施例的描述
以下实施例的描述仅以示例的方式提供，而不具有限制性。此外，不意图被在前面的背景或下面的实施例的描述中提出的任何明示或暗示的理论约束。
现将详细参考本主题的各种实施例，其示例在附图中说明。虽然本文讨论了各种实施例，但是应当理解，它们并不旨在限制这些实施例。相反，所述实施例旨在覆盖可以包括在如所附权利要求所限定的各种实施例的精神和范围内的可选方案、修改及等同物。此外，在实施例的描述中，阐述了很多特定的细节，以提供对本主题的实施例的彻底理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。在其它实例中，没有详细描述公知的方法、过程、部件和电路，以免不必要地模糊所描述的实施例的方面。
符号和命名
下面的详细描述的一些部分是根据程序、逻辑块、处理和对电气设备内的数据的操作的其他符号表示来呈现的。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将他们的工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的方式。在本申请中，程序、逻辑块、过程等被认为是导致期望结果的一个或更多个自相容的程序或指令。程序是那些需要物理量的物理操纵的程序。通常，尽管不是必须的，这些量采取能够由电子设备发送和接收的声学(例如，超声波)信号和/或能够在电子设备中存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。
然而，应当意识到，所有这些和类似的术语将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非另有特别声明，否则从下面的讨论中明显的是，应当理解，贯穿实施例的描述，使用诸如“执行”、“控制”、“捕获”、“激活”、“生成”、“组合”、“传输”、“接收”、“激活”、“组合”、“确定”等术语的讨论指的是诸如电气设备的电子设备的动作和过程。
本文所述实施例可在处理器可执行指令的一般背景下进行讨论，处理器可执行指令驻留在某种形式的非暂时性处理器可读介质上，例如由一台或更多台计算机或其他设备执行的程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。在各种实施例中，程序模块的功能可以根据需要进行组合或分布。
在图中，可将单个块描述为执行一项或多项功能；然而，在实际实践中，由该块执行的一项或多项功能可以在单个部件中或跨多个部件来执行，和/或可以使用硬件、使用软件或使用硬件和软件的组合来执行。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，各种说明性的部件、块、模块、逻辑、电路和步骤已经根据它们的功能进行了总体描述。这类功能被实施为硬件还是软件取决于施加在整个系统的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以针对每个特定应用以不同的方式实现所描述的功能，但是这种实现决策不应被解释为导致脱离本公开的范围。此外，本文描述的示例指纹感测系统和/或移动电子设备可以包括除了所示出的部件之外的部件，包括众所周知的部件。
本文所述的各种技术可在硬件、软件、固件或其任意组合中实施，除非具体描述为以特定方式实施。被描述为模块或部件的任何特征也可以在集成逻辑设备中一起实现，或者作为分立但可互操作的逻辑设备单独实现。如果在软件中实现，则该技术可以至少部分地由非暂时性处理器可读存储介质来实现，该非暂时性处理器可读存储介质包括当被执行时执行本文描述的一个或更多个方法的指令。非暂时性处理器可读数据存储介质可以形成计算机程序产品的一部分，该计算机程序产品可以包括包装材料。
非暂时性处理器可读存储介质可包括随机存取存储器(RAM)，如同步动态随机存取存储器(SDRAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、FLASH存储器、其他已知存储介质等。附加地或备选地，这些技术可以至少部分地由处理器可读通信介质来实现，该介质承载或传送指令或数据结构形式的代码，并且可以由计算机或其他处理器来访问、读取和/或执行。
本文所述的各种实施例可由一个或更多个处理器执行，例如一个或更多个运动处理单元(MPU)、传感器处理单元(SPU)、主机处理器或其核心、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器(PLC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、分立门或晶体管逻辑、离散硬件部件或被设计成执行本文描述的功能的其任何组合，或者其他等效的集成或分立逻辑电路。本文使用的术语“处理器”可以指任何前述的结构或者适合于实现本文描述的技术的任何其他结构。如在本说明书中所采用的，术语“处理器”基本上可以指任何计算处理单元或设备，包括但不限于包括单核处理器；具有软件多线程执行能力的单处理器；多核处理器；具有软件多线程执行能力的多核处理器；具有硬件多线程技术的多核处理器；并行平台；以及具有分布式共享存储器的并行平台。此外，处理器可以利用纳米级架构，诸如但不限于基于分子和量子点的晶体管、开关和门，以便优化空间使用或增强用户设备的性能。处理器也可被实现为计算处理单元的组合。
此外，在一些方面，本文所述的功能可在如本文所述配置的专用软件模块或硬件模块内提供。同样，这些技术可以完全在一个或更多个电路或逻辑元件中实现。通用处理器可以是微处理器，但是可选地，该处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，SPU/MPU和微处理器的组合、多个微处理器、一个或更多个微处理器与SPU内核、MPU内核的结合或任何其他这样的配置。
讨论综述
根据各种实施例，讨论从示例压电微机械超声换能器(PMUT)的描述开始。然后描述包括PMUT设备的示例阵列。然后描述具有厚度基本上等于第一发射频率的四分之一波长的匹配层的超声指纹传感器的示例。然后描述操作超声指纹传感器的操作的示例。
根据所述实施例，指纹传感器用于捕获指纹图像，指纹图像用于执行指纹认证。随着指纹传感器的使用激增，希望在具有不同形状因子的设备中包括指纹传感器。在许多潜在的使用情况下，超声指纹传感器覆盖有不平坦的接触层(例如，具有弯曲的轮廓、倾斜的轮廓、圆形边缘等)。在其他情况下，接触层可以由具有不同声阻抗的材料组成，其中材料的声阻抗可以影响可以通过接触层传输的声信号的量。在这种使用情况下，接触层和指纹传感器之间的匹配层用于为接触层和指纹传感器之间的超声波信号提供传输介质。例如，匹配层可以是用于将接触层结合到指纹传感器的粘合层(例如，环氧树脂)。在接触层不平坦的情况下，材料厚度(接触层和匹配层的组合)的变化可能导致信号强度的降低。此外，具有不均匀厚度的匹配层将具有与恒定发射频率相关的不一致的信号强度。本文描述的实施例考虑了匹配层的不均匀厚度。
本文所述的实施例提供了一种传感器设备，该传感器设备包括：超声换能器的二维阵列、接触层、二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层具有不均匀的厚度；以及阵列控制器，其被配置为在对超声换能器的二维阵列内的多个像素成像的成像操作期间控制超声换能器的激活。在一些实施例中，匹配层是用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的粘合层。
在一些实施例中，匹配层的声阻抗介于超声换能器的二维阵列的声阻抗和接触层的声阻抗之间。在一些实施例中，超声传感器还包括覆盖超声换能器的二维阵列的封装环氧树脂，使得匹配层连接到封装环氧树脂和接触层。在一些实施例中，匹配层在第一区域的第一厚度基本上等于第一发射频率的四分之一波长加上或减去第一发射频率的八分之一波长，匹配层在第二区域的第二厚度基本上等于第二发射频率的四分之一波长加上或减去第二发射频率的八分之一波长。
在成像操作期间，阵列控制器被配置为以不同的发射频率激活与超声换能器的二维阵列的不同区域相关联的超声换能器的不同子集，其中确定不同的频率，使得一个区域处匹配层厚度基本上等于该区域的第一发射频率的四分之一波长。阵列控制器还被配置成将多个像素组合成复合指纹图像，该复合指纹图像补偿匹配层的不均匀厚度。在一些实施例中，第一区域和第二区域与超声换能器的二维阵列的不同超声换能器块相关联。在一些实施例中，第一区域和第二区域与超声换能器的二维阵列的不同列的超声换能器相关联。在一些实施例中，第一区域和第二区域与超声换能器的二维阵列的不同行的超声换能器相关联。
本文所述的实施例还提供了一种用于校准超声传感器的方法，该超声传感器包括超声换能器的二维阵列、覆盖超声换能器的二维阵列的接触层以及超声换能器的二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层在超声换能器的二维阵列上具有不均匀的厚度。
在一些实施例中，每个区域处匹配层的厚度基本上等于该区域处发射频率的四分之一波长。在一些实施例中，每个区域处匹配层的厚度基本上等于发射频率的四分之一波长加上或减去该区域的发射频率的八分之一波长。在一些实施例中，匹配层是用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的粘合层。在一些实施例中，匹配层的声阻抗在超声换能器的二维阵列的声阻抗和接触层的声阻抗之间。
超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的多个区域相关的超声换能器以多个发射频率激活，其中多个区域不重叠。监控多个区域处的多个发射频率中的每一个的信号。对于多个区域，多个发射频率中对于一个区域具有最高信号的发射频率被设置为该区域的发射频率。
压电微机械超声换能器(PMUT)
在一个或更多个方面，本文公开的系统和方法为声换能器(例如，压电微机械驱动换能器或PMUT)提供了有效的结构。现在参考附图描述一个或更多个实施例，其中相同的附图标记始终用于指代相同的元件。在以下的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对各个实施例的彻底理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种实施例。在其他情况下，以框图形式示出了公知的结构和设备，以便于更详细地描述实施例。
如在本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚明白，否则“X采用A或B”旨在表示任何自然包含性的排列。也就是说，如果X采用A；X采用B；或X采用A和B二者，则在任何前述情况下都满足“X采用A或B”。另外，如在本申请和所附权利要求中使用的冠词“一(a)”和“一(an)”通常应该被解释为意指“一个或更多个”，除非另有说明或从上下文中清楚地针对单数形式。此外，本文使用的词语“耦合”是指直接或间接的电气或机械耦合。此外，本文使用的词语“示例”是指用作示例、实例或说明。
本文所述的实施例提供了具有非均匀接触层的超声指纹传感器。应该理解，本文可以使用具有不同架构的不同类型的超声指纹传感器。例如，一些架构包括超声换能器阵列(例如，PMUT)，本文描述了其实施例。在一些实施例中，超声换能器可以是块体(bulk)压电致动器元件，例如锆钛酸铅(PZT)。其他架构可以利用基于膜的设计。尽管本文针对超声换能器阵列描述了实施例，但是该方法和技术可以应用于其他超声感测架构，其中可以单独调整对传感器的不同部分的操作参数的控制，以校正不均匀的接触表面。本文描述的实施例是关于具有不均匀接触层的传感器，但是所讨论的技术和原理在一些情况下也可以用于改善具有均匀接触表面的传感器的性能。
图1A为根据一些实施例的具有中心钉扎膜的PMUT设备100的示意图。PMUT设备100包括位于衬底140上的内部钉扎膜120，以限定空腔130。在一个实施例中，膜120附接到周围的边缘支撑件102和内部支撑件104两者。在一个实施例中，边缘支撑件102连接到电势。边缘支撑件102和内部支撑件104可以由导电材料制成，例如但不限于铝、钼或钛。边缘支撑件102和内部支撑件104也可以由介电材料制成，例如二氧化硅、氮化硅或氧化铝，它们在侧面或穿过边缘支撑件102或内部支撑件104的通孔中具有电连接，将下电极106电耦合到衬底140中的电线。
在一个实施例中，边缘支撑件102和内部支撑件104均附接到衬底140。在各种实施例中，衬底140可以包括硅或氮化硅中的至少一种，但不限于此。应当理解，衬底140可以包括电线和连接，例如铝或铜。在一个实施例中，衬底140包括结合到边缘支撑件102和内部支撑件104的CMOS逻辑晶片。在一个实施例中，膜120包括多层。在示例实施例中，膜120包括下电极106、压电层110和上电极108，其中下电极106和上电极108耦合到压电层110的相对侧。如图所示，下电极106耦合到压电层110的下表面，上电极108耦合到压电层110的上表面。应当理解，在各种实施例中，PMUT设备100是微机电(MEMS)设备。
在一个实施例中，膜120还包括机械支撑层112(例如，加强层(stiffeninglayer))，以机械加强这些层。在各种实施例中，机械支撑层112可以包括硅、氧化硅、氮化硅、铝、钼、钛等中的至少一种，但不限于此。在一个实施例中，PMUT设备100还包括膜120上方的声耦合层114，用于支持声信号的传输。应当理解，声耦合层可以包括空气、液体、凝胶状材料、环氧树脂或其他用于支持声信号传输的材料。在一个实施例中，PMUT设备100还包括声耦合层114上方的压板层116，用于容纳声耦合层114并为手指或其他感测对象提供与PMUT设备100的接触表面。应当理解，在各种实施例中，声耦合层114提供接触表面，使得压板层116是可选的。此外，应当理解，声耦合层114和/或压板层116可以包括在多个PMUT设备中，或者与多个PMUT设备结合使用。例如，PMUT设备的阵列可以与单个声耦合层114和/或压板层116耦合。应当理解，压板层116可以包括一种或更多种材料，包括但不限于：玻璃、塑料、金属(例如，铝、钛、不锈钢)等。在一些实施例中，压板116是覆盖一个或更多个PMUT设备的显示设备(例如，有机发光二极管(OLED)显示设备)。在这样的实施例中，压板116包括显示设备的多个层。
图1B在各方面与图1A相同，除了图1B的PMUT设备100’省略了内部支撑件104，因此膜120未被钉扎(例如，“非钉扎”)。可能存在需要非钉扎的膜120的情况。然而，在其他情况下，可以采用钉扎膜120。
图2为示出了根据一些实施例的PMUT设备100激活期间膜移动的示例的图。如关于图2所示，在操作中，响应于接近压板层116的对象，电极106和108向压电层110传递高频电荷，使得膜120的未被钉扎到周围边缘支撑件102或内部支撑件104的那些部分向上移位到声耦合层114中。这产生了可用于对象信号探测的压力波。回波(Return echo)可以被检测为引起膜移动的压力波，其中膜中压电材料的压缩引起与压力波幅度成比例的电信号。
所述PMUT设备100可用于将压力波转化为机械振动和/或电信号的几乎任何电气设备。在一个方面，PMUT设备100可以包括产生和感测超声波的声学感测元件(例如，压电元件)。在所产生的声波的路径上的对象可以产生干扰(例如，频率或相位、反射信号、回波等的变化)，其然后可以被感测。可以分析干扰以确定物理参数，例如(但不限于)对象的距离、密度和/或速度。举例来说，PMUT设备100可用于各种应用中，例如但不限于适用于无线设备、工业系统、汽车系统、机器人、电信、安全、医疗设备等的指纹或生理传感器。例如，PMUT设备100可以是传感器阵列的一部分，该传感器阵列包括沉积在晶片上的多个超声换能器，以及各种逻辑、控制和通信电子器件。传感器阵列可以包括同质或相同的PMUT设备100，或者多个不同或异构的设备结构。
在各种实施例中，PMUT设备100采用压电层110，包括例如但不限于氮化铝(AlN)、掺钪氮化铝(ScAlN)、锆钛酸铅(PZT)、石英、聚偏二氟乙烯(PVDF)和/或氧化锌等材料，以促进声信号产生和感测。压电层110可以在机械应力下产生电荷，并且相反地在存在电场的情况下经历机械应变。例如，压电层110可以感测由超声波束引起的机械振动，并以振动的频率(例如，超声波频率)产生电荷。此外，压电层110可以通过以振荡方式振动来产生超声波，该振荡方式可以与由施加在压电层110两端的交流(AC)电压产生的输入电流具有相同的频率(例如，超声波频率)。应当理解，压电层110可以包括几乎任何表现出压电特性的材料(或材料的组合)，使得材料的结构没有对称中心，并且施加到材料上的拉应力(tensilestress)或压应力(compressive stress)改变了电池中正负电荷位置之间的间隔，导致材料表面的极化。极化与施加的应力成正比，并且与方向有关，因此压应力和拉应力会产生相反极化的电场。
此外，PMUT设备100包括向压电层110提供电荷和/或从压电层110收集电荷的电极106和108。应当理解，电极106和108可以是连续的和/或图案化的电极(例如，在连续层和/或图案化层中)。例如，如图所示，电极106是图案化电极，电极108是连续电极。例如，电极106和108可以由几乎任何金属层组成，例如但不限于铝(Al)/钛(Ti)、钼(Mo)等，它们与压电层110耦合并位于压电层110的相对侧。在一个实施例中，PMUT设备还包括第三电极，如图10所示和如下所述。
根据实施例，声耦合层114的声阻抗被选择成与压板层116的声阻抗相似，以便声波通过声耦合层114和压板层116有效地传播至膜120或从膜120传播。作为一个示例，压板层116可以包括声阻抗在0.8到4MRayl范围内的各种材料，例如但不限于塑料、树脂、橡胶、特氟隆、环氧树脂等。在另一个示例中，压板层116可以包括具有高声阻抗(例如，大于10MRayl的声阻抗)的各种材料，例如但不限于玻璃、铝基合金、蓝宝石等。通常，可基于传感器的应用来选择压板层116。例如，在指纹应用中，压板层116可以具有与人类皮肤的声阻抗(例如，1.6×106Rayl)匹配(例如，精确地或近似地匹配)的声阻抗。此外，在一个方面，压板层116可以进一步包括一薄层抗刮擦材料。在各种实施例中，压板层116的抗刮擦层小于将要产生和/或感测的声波的波长，以在声波传播期间提供最小的干扰。作为一个示例，抗刮擦层可以包括各种坚硬且抗刮擦的材料(例如，在莫氏尺度上莫氏硬度超过7)，例如但不限于蓝宝石、玻璃、MN、氮化钛(TiN)、碳化硅(SiC)、金刚石等。例如，PMUT设备100可以在20MHz下工作，因此，通过声耦合层114和压板层116传播的声波的波长可以是70-150微米。在该示例场景中，通过利用厚度为1微米的抗刮擦层和整体厚度为1-2毫米的压板层116，可以降低插入损耗并提高声波传播效率。注意，本文使用的术语“抗刮擦材料”涉及耐刮擦和/或防刮擦并且提供对刮擦痕迹的充分保护的材料。
根据各种实施例，PMUT设备100可包括金属层(例如，铝(Al)/钛(Ti)、钼(Mo)等)，其图案化以形成限定在膜120的平面内的特定形状(例如，环形、圆形、正方形、八边形、六边形等)的电极106。电极可以放置在膜120的最大应变区域，或者放置在靠近周围的边缘支撑件102和内部支撑件104中的一个或两个的位置。此外，在一个示例中，电极108可以形成为提供与机械支撑层112接触的接地平面的连续层，机械支撑层112可以由硅或其他合适的机械加强材料形成。在另外其他实施例中，电极106可以沿着内部支撑件104布线，与沿着边缘支撑件102布线相比，有利地减少了寄生电容。
例如，向电极施加驱动电压时，膜120将变形并移出平面。然后，该运动推动与其接触的声耦合层114，并产生声波(超声波)。通常，空腔130内存在真空，因此空腔130内的介质产生的阻尼可以忽略。然而，膜120另一侧上的声耦合层114可以显著改变PMUT设备100的阻尼。例如，当PMUT设备100在具有大气压力的空气中操作时(例如，声耦合层114是空气)，可以观察到大于20的品质因数，并且如果PMUT设备100在水中操作(例如，声耦合层114是水)，品质因数可以降低到小于2。
图3示出了由基本上为方形的PMUT设备形成的方形PMUT设备301的示例二维阵列300，与结合图1A、图1B和图2讨论的相似。示出了方形的周围边缘支撑件302、内部支撑件304和围绕内部支撑件304的方形下电极306的布局，而为了清楚起见，没有示出其他连续层。如图所示，阵列300包括成行成列的方形PMUT设备301的列。应当理解，方形PMUT设备301的行或列可以偏移。此外，应当理解，方形PMUT设备301可以彼此接触或者间隔开。在各种实施例中，相邻的方形PMUT设备301是电隔离的。在其他实施例中，多组相邻的方形PMUT设备301电连接，其中多组相邻的方形PMUT设备301电隔离。
在操作中，在发射过程中，二维阵列中的PMUT设备的选定集合可发射声信号(例如，短超声波脉冲)，并且在感测过程中，二维阵列中的有源PMUT设备集合可检测(在声波路径中的)对象对声信号的干扰。接收到的(例如，基于来自对象的声信号的反射、回波等产生的)干扰信号然后可以被分析。例如，对象的图像、对象离感测部件的距离、对象的密度、对象的运动等，都可以基于将干扰信号的频率和/或相位与声信号的频率和/或相位进行比较来确定。此外，生成的结果可以被进一步分析或通过显示设备(未示出)呈现给用户。
图4示出了根据不同实施例的示例指纹传感器415。在一个实施例中，指纹传感器415包括超声换能器阵列450(例如，PMUT设备)、处理器460和存储器470。应当理解，一些或所有操作可以由指纹传感器415外部的处理器(例如，主处理器或应用处理器)来执行。在各种实施例中，处理器460根据存储在存储器470内的指令来执行某些操作。应当理解，指纹传感器415的部件是示例，并且诸如处理器460和/或存储器470的某些部件可以不位于指纹传感器415内。
在一个实施例中，指纹传感器415包括用于执行像素捕获的处理器460，其中使用指纹传感器415的超声换能器(例如，PMUT)子集执行像素捕获。在一些实施例中，像素组的像素捕获被相同地处理，使得像素组利用相同的成像操作(例如，根据相同的局部角度，利用超声换能器的第一子集和超声换能器的第二子集的相同的相对激活)。在其他实施例中，处理器460可以执行至少一些信号分析，例如阈值处理，以确定对象是否已经与指纹传感器415交互。在其他实施例中，处理器460可以分析捕获的像素，并确定对象是否具有手指的特征，例如，类似于指纹的脊/谷图案的图案。在其他实施例中，处理器460可以捕获指纹的图像，并将其转发给系统电路的处理器以供进一步分析。
根据实施例，处理器460被配置为控制超声换能器子集的激活，以产生超声波信号，本文也称为超声波束。使用多个超声换能器，其中一些相对于其他超声换能器有时间延迟，本文描述的实施例提供了将超声波信号的发射波束(例如，形成波束)聚焦到期望点，允许指纹或其他对象的高分辨率感测。例如，从多个PMUT发射超声波信号，其中一些PMUT相对于另外的PMUT以时间延迟发射，提供了将超声波束聚焦到指纹感测系统的接触点(例如，接触层的顶部)，用于感测与发射PMUT相关联的像素的高分辨率图像。在一些实施例中，激活包括从多个超声换能器的第一组超声换能器发射超声波信号，其中第一组超声换能器的至少一些超声换能器相对于第一组超声换能器的其他超声换能器有相位延迟，第一组超声换能器用于形成聚焦超声波束。该激活还包括在多个超声换能器的第二组超声换能器处接收反射的超声波信号。
尽管如上所述，图4的实施例包括处理器460和存储器470，但应理解，处理器460和存储器470的各种功能可存在于电子设备的其他部件中。此外，应当理解，处理器460可以是用于执行所述功能的任何部分的任何类型的处理器(例如，定制数字逻辑)。
具有调谐到匹配层的发射频率的示例超声传感器
指纹传感器用于电子设备中的用户认证，如移动电子设备、楼宇锁、汽车锁等。在许多情况下，为了获得良好的指纹，指纹传感器的表面区域需要尽可能地平坦和均匀。然而，在某些情况下，可能希望具有不平坦或不均匀指纹表面。例如，当指纹传感器安装在移动电话的背面时，凹的形式或结构化表面可以帮助将用户的手指引导到FP传感器上的正确位置。在其他情况下，该设计采用非平坦形状因素，例如凸形按钮、圆形门把手或汽车把手。该设计也可以采用不同硬度的覆盖材料，例如不锈钢、塑料、陶瓷、铝等。一些设计可能需要光滑的表面，而另一些设计可能需要粗糙或有纹理的表面。在其他情况下，指纹传感器可以集成在可穿戴设备中，例如智能手表，或者在手表的正面(例如，在显示器后面)，或者在主体的侧面。虽然在前一种布置中，表面可以相对平坦，但是在后一种布置中，传感器表面可以具有小的曲率半径。通常，集成传感器的设备或设备部分越小，曲率半径越小，即表面越弯曲。
本文所述的实施例提供了一种传感器设备，该传感器设备包括：超声换能器的二维阵列、接触层、二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层具有均匀或不均匀的厚度；以及阵列控制器，其被配置为在对超声换能器的二维阵列内的多个像素成像的成像操作期间控制超声换能器的激活。在一些实施例中，匹配层是用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的粘合层。在成像操作期间，阵列控制器被配置成以不同的发射频率激活与超声换能器的二维阵列的不同区域相关联的超声换能器的不同子集，其中不同的频率被确定为使得一个区域处的匹配层的厚度基本上等于该区域的第一发射频率的四分之一波长。阵列控制器还被配置成将多个像素组合成复合指纹图像，该复合指纹图像补偿匹配层的不均匀厚度。
尽管实施例针对超声传感器阵列进行描述，但该方法和技术可应用于其他超声感测架构，其中可单独调整传感器不同部分的操作参数的控制，以校正匹配层的不均匀厚度。此外，该方法和技术可以应用于具有均匀厚度的匹配层的超声传感器。
图5A和图5B示出了根据实施例的具有均匀厚度的匹配层的超声指纹传感器的横截面图。图5A示出了根据实施例的超声指纹传感器500的横截面图。如图所示，超声指纹传感器500包括几个不同的层。超声指纹传感器500包括衬底510顶部上的有源感测层520。有源感测层520可以使用各种技术例如声学或超声波技术来感测或检测指纹。应当理解，有源感测层520可以不延伸到接触层530的边缘。对于超声指纹传感器，感测层可以包括超声换能器阵列(例如，图1A的PMUT 100，图1B的PMUT 100’)、或者块体压电致动器元件、或者可以用于发射和检测超声波的压电膜(例如，PVDF)。在一些实施例中，感测层520包括用于发射超声波信号的发射层和用于接收反射的超声波信号的检测层。匹配层530覆盖感测层520。接触层540覆盖匹配层530，其中接触层540的外表面是接触表面545。在一些实施例中，匹配层530是用于将接触层540结合到感测层520的粘合层(例如，环氧树脂)。接触层540的接触表面545基本上是平的，并且平行于感测层520。例如，使用超声指纹传感器500的用户将他或她的手指放置成与接触表面545接触。
在一些实施例中，可在感测层520和接触层540之间、在匹配层530上方或下方使用其它层，如显示设备(未显示)。在一些实施例中，匹配层530是声耦合层。应当理解，在一些实施例中，接触层540和声耦合层是单层。还应当理解，超声指纹传感器500可以包括其他层，例如其他结合层和层压层，并且不旨在限于所示的特定层。在其他实施例中，可以使用包括分离的信号传输和信号检测层的超声指纹传感器(例如，在感测层520内)。
在超声指纹传感器500中，声波从感测层520行进穿过匹配层530和接触层540到达接触表面545，与表面上的对象(如手指)相互作用，然后可反射回感测层520，从而再次穿过匹配层530和接触层540。在一些实施例中，匹配层530的声阻抗介于感测层520的声阻抗和接触层540的声阻抗之间。在一些实施例中，匹配层530的硬度在感测层520的硬度和接触层540的硬度之间。在一些实施例中，匹配层530的厚度基本上等于感测层520的发射频率的四分之一波长(或者N个波长加上四分之一波长，其中N是整数)。匹配层530用作感测层520和接触层540之间的声耦合层。本文的实施例旨在优化发射信号和反射信号，以提供通过接触层540的高信号。在一些实施例中，匹配层530的厚度基本上等于感测层520的发射频率的四分之一波长加上或减去发射频率的八分之一波长。
图5B示出了根据另一实施例的超声指纹传感器550的横截面图。除了感测层520的组成之外，超声指纹传感器550以类似于图5A的超声指纹传感器500的方式工作，并包括其部件。如图所示，感测层520包括压电层552和覆盖压电层552的封装层554。在一些实施例中，感测层520是封装的感测设备，使得封装层554是覆盖压电层552的封装环氧树脂。在一些实施例中，压电层552包括超声换能器的二维阵列(例如，图1A的PMUT 100、图1B的PMUT100’或块体压电致动器元件)。在一些实施例中，封装层554是环氧树脂，也称为封装环氧树脂。覆盖压电层552的封装层554是封装超声传感器的一个示例，其中压电层552(例如，超声换能器的二维阵列)通过用封装层554密封压电层552而被封装到传感器单元中。应当理解，包括覆盖压电层的封装层的感测层可以用在本文描述的超声传感器的其他实施例中。
现在返回参考图1A、图1B、图5A和图5B，以及匹配层530(例如，声耦合层114)。根据应用，声耦合层114和匹配层530可以具有不同的厚度，并且可以选择材料来帮助将声能从感测层520传输到接触层540。在一些实施例中，可以选择匹配层530的厚度，以增加声能到接触层540的耦合。例如，匹配层530可以具有大约四分之一(1/4)波长的厚度，也称为四分之一λ层或四分之一波长层。虽然使用了术语四分之一波长层，但是该层也可以更厚，只要它是n阶四分之一波长，意味着任何整数值+四分之一λ。内部反射和相长干涉效应然后可能会增加进入接触层的传输声能。
在使用四分之一波长层的实施例中，该层的厚度可能需要根据声波的频率和材料的声速进行调整。例如，以声速为2700m/s的环氧树脂制成的匹配层530为例。在50Mhz的声频下，匹配层530应该具有大约13.5μm的厚度。应该注意，声耦合层的厚度变化不要太大，以免产生相消干涉的相反效果。当层厚接近波长的一半(1/2)时，发生相消干涉。这意味着四分之一波长层厚度的公差是八分之一(1/8)波长。如果厚度差异较大，则开始出现负面的相消干涉效应。在上述示例中，八分之一波长约为7μm，这意味着13.5μm层中的厚度变化不应超过正负7μm。在匹配层530的厚度不能被控制在期望规格内的情况和设备中，可以通过频率调谐来调整波长，以获得四分之一波长层的相长干涉效应。
在一些实施例中，声波的频率适用于匹配层530或用于产生相长干涉的任何其他层的局部厚度。类似于关于图9A到图9D描述的频率分组图可以用于这个目的。可以在校准阶段确定每个换能器或换能器组的频率，其中改变频率并观察对信号强度的影响。随着频率的变化，信号将经历最大值和最小值，分别对应于四分之一波长和半波长效应。然后对应于最大值的频率可以被选择用于最佳的四分之一波长效果。四分之一波长层的使用可以用于平坦表面或非均匀厚度的表面。四分之一波长层的使用在与具有大的声阻抗失配的材料(例如不锈钢)结合时尤其重要。
图6A示出了根据实施例的具有均匀厚度的匹配层620的超声指纹传感器600的横截面图。超声指纹传感器600包括压电层610上的覆盖层630，其中匹配层620位于压电层610上的覆盖层630之间。在一些实施例中，匹配层620是用于将覆盖层630结合到压电层610的粘合层(例如，环氧树脂)。如图所示，匹配层620的厚度基本上等于压电层610的发射频率的四分之一波长。
图6B示出了根据实施例的具有非均匀厚度的匹配层670的超声指纹传感器650的横截面图。超声指纹传感器650包括压电层660上的覆盖层680，其中匹配层670位于压电层660上的覆盖层680之间。在一些实施例中，匹配层670是用于将覆盖层680结合到压电层660的粘合层(例如，环氧树脂)。
如图所示，匹配层670的厚度不均匀。根据各种实施例，压电层660可操作以在与匹配层670的不同厚度区域相关联的不同频率下发射，其中每个区域的厚度基本上等于压电层660的发射频率的四分之一波长。在一些实施例中，每个区域的厚度基本上等于压电层660的发射频率的四分之一波长加上或减去该区域的发射频率的八分之一波长(或所需精度)。应当理解，超声指纹传感器650可以具有任意数量的压电层660的发射区域，范围从单个换能器到大的换能器区域。虽然匹配层670在二维横截面视图中显示为具有不同的厚度，但是应该理解，匹配层670可以在匹配层620的整个三维体积上具有变化的频率。
图7A、图7B和图7C示出了根据实施例的具有非均匀厚度的匹配层的超声指纹传感器的横截面图。图7A示出了根据实施例的具有线性非均匀厚度的匹配层714的超声指纹传感器700的横截面图。如图所示，超声指纹传感器700包括衬底710顶部上的有源感测层712、感测层712顶部上的匹配层714和匹配层714顶部上的接触层716。在一些实施例中，感测层712可包括可用于发射和检测超声波的超声换能器阵列(例如，图1A的PMUT 100、图1B的PMUT 100’或块体压电致动器元件)。在一些实施例中，匹配层714是用于将接触层716结合到感测层712的粘合层(例如，环氧树脂)。接触层716具有接触表面718。例如，使用超声指纹传感器700的用户将他或她的手指放置成与接触表面718接触。
如图所示，匹配层714包括两个区域714a和714b，其中每个区域714a和714b的厚度在感测层712的每个相应区域712a和712b的发射频率的四分之一波长或基本上四分之一波长的公差范围内。在一些实施例中，每个对应区域714a和714b处的厚度基本上等于感测层712的对应区域712a和712b的发射频率的四分之一波长加上或减去该区域处的发射频率的八分之一波长(例如，四分之一波长加上或减去发射频率的八分之一波长的范围)。在一些实施例中，发射频率被调谐，使得发射频率的四分之一波长基本上等于区域714a和714b的厚度。匹配层714的区域714a的厚度基本上等于感测层712的相应区域712a的发射频率的四分之一波长，并且匹配层714的区域714b的厚度基本上等于感测层712的相应区域712b的发射频率的四分之一波长，使得区域714a的厚度不同于区域714b。
应了解，匹配层714的斜率可决定或影响匹配层714不同区域的数量，匹配层714的两个区域714a和714b为示例。不同区域的数量可以根据精度公差、线性非均匀厚度的斜率、可用发射频率的数量、可用发射频率的控制、利用指纹传感器的应用等而变化。例如，在系统具有一定数量的可调节或可选择的发射频率的情况下，本文的实施例被配置成将超声换能器分组，以在可接受的公差内将可用的发射频率最佳地匹配到对应于匹配层714的区域的感测层712的区域中。
图7B示出了根据实施例的超声指纹传感器720的横截面图，其具有凸形非均匀厚度的匹配层734。如图所示，超声指纹传感器720包括衬底730顶部的有源感测层732、感测层732顶部的匹配层734和匹配层734顶部的接触层736。在一些实施例中，感测层732可包括可用于发射和检测超声波的超声换能器阵列(例如，图1A的PMUT 100、图1B的PMUT100’或块体压电致动器元件)。在一些实施例中，匹配层734是用于将接触层736结合到感测层732的粘合层(例如，环氧树脂)。接触层736具有接触表面738。例如，使用超声指纹传感器720的用户将他或她的手指放置成与接触表面738接触。
如图所示，匹配层734包括五个区域734a至734e，其中每个区域734a至734e的厚度基本上等于感测层732的每个相应区域732a至732e的发射频率的四分之一波长。在一些实施例中，每个对应区域734a至734e处的厚度基本上等于感测层732的对应区域732a至732e的发射频率的四分之一波长加上或减去该区域处的发射频率的八分之一波长(例如，四分之一波长加上或减去发射频率的八分之一波长的范围)。如图所示，匹配层734的区域734a的厚度基本上等于感测层732的相应区域732a的发射频率的四分之一波长，匹配层734的区域734b的厚度基本上等于感测层732的相应区域732b的发射频率的四分之一波长，匹配层734的区域734c的厚度基本上等于感测层732的相应区域732c的发射频率的四分之一波长，匹配层734的区域734d的厚度基本上等于感测层732的相应区域732d的发射频率的四分之一波长，匹配层734的区域734e的厚度基本上等于感测层732的相应区域732e的发射频率的四分之一波长。应当理解，至少两个区域734a至734e的厚度是不同的。如图所示，区域734a和734e的厚度基本相等，区域734b和734d的厚度基本相等。
应了解，匹配层734的斜率或曲线可决定或影响匹配层734不同区域的数量，匹配层734的五个区域734a至734b为示例。不同区域的数量可以根据精度公差、凸形的不均匀厚度的斜率、可用发射频率的数量、可用发射频率的控制、利用指纹传感器的应用等而变化。例如，在系统具有一定数量的可调节或可选择的发射频率的情况下，本文的实施例被配置成将超声换能器分组，以在可接受的公差内将可用的发射频率最佳地匹配到与匹配层734的区域相对应的感测层732的区域中。
图7C示出了根据实施例的超声指纹传感器740的横截面图，其具有厚度不均匀的凹形匹配层754。如图所示，超声指纹传感器740包括衬底750顶部的有源感测层752、感测层752顶部的匹配层754和匹配层754顶部的接触层756。在一些实施例中，感测层752可包括可用于发射和检测超声波的超声换能器阵列(例如，图1A的PMUT 100、图1B的PMUT100’或块体压电致动器元件)。在一些实施例中，匹配层754是用于将接触层756结合到感测层752的粘合层(例如，环氧树脂)。接触层756具有接触表面758。例如，使用超声指纹传感器740的用户将他或她的手指放置成与接触表面758接触。
如图所示，匹配层754包括五个区域754a至754e，其中每个区域754a至754e的厚度基本上等于感测层752的每个相应区域752a至752e的发射频率的四分之一波长。在一些实施例中，每个对应区域754a至754e处的厚度基本上等于感测层752的对应区域752a至752e的发射频率的四分之一波长加上或减去该区域处的发射频率的八分之一波长(例如，四分之一波长加上或减去发射频率的八分之一波长的范围)。如图所示，匹配层754的区域754a的厚度基本上等于感测层752的相应区域752a的发射频率的四分之一波长，匹配层754的区域754b的厚度基本上等于感测层752的相应区域752b的发射频率的四分之一波长，匹配层754的区域754c的厚度基本上等于感测层752的相应区域752c的发射频率的四分之一波长，匹配层754的区域754d的厚度基本上等于感测层752的相应区域752d的发射频率的四分之一波长，并且匹配层754的区域754e的厚度基本上等于感测层752的相应区域752e的发射频率的四分之一波长。应当理解，至少两个区域754a至754e的厚度是不同的。如图所示，区域754a和754e的厚度基本相等，并且区域754b和754d的厚度基本相等。
应了解，匹配层754的斜率或弯曲可决定或影响匹配层754不同区域的数量，匹配层754的五个区域754a至754b为示例。不同区域的数量可以根据精度公差、凹形不均匀厚度的斜率、可用发射频率的数量、可用发射频率的控制、利用指纹传感器的应用等而变化。例如，在系统具有一定数量的可调节或可选择的发射频率的情况下，本文的实施例被配置成将超声换能器分组，以在可接受的公差内将可用的发射频率最佳地匹配到与匹配层754的区域相对应的感测层752的区域中。
在一些实施例中，声波的频率适用于匹配层或用于产生相长干涉的任何其他层的局部厚度。类似于关于图9A至图9D描述的频率分组图可以用于此目的。可以在校准阶段确定每个换能器或换能器组的频率，其中改变频率并观察对信号强度的影响。随着频率的变化，信号将经历最大值和最小值，分别对应于四分之一波长和半波长效应。然后，可以选择对应于最大值的频率以获得最佳的四分之一波长效果，例如，如图8所示。四分之一波长层的使用可以用于平坦表面或非均匀厚度的表面。四分之一波长层的使用在与具有大的声阻抗失配的材料(诸如例如不锈钢)结合时尤其重要
图8示出了根据实施例的针对不同接触层材料的超声指纹传感器的透射率与匹配层厚度的关系的示例曲线图800。曲线图800示出了对于各种接触层材料(例如，铝、钛和不锈钢)，发射频率信号在厚度为发射频率的四分之一波长的匹配层处最高。例如，铝盖的阻抗ZL约为15。在50MHz的发射频率下，如线805所示，提供最高信号的匹配层的厚度约为14μm，如箭头810所示(以及约42μm、约70μm等)。在大约14μm处的这个最高信号基本上对应于50MHz的发射频率的四分之一波长。此外，从图8中可以看出，对于钛和不锈钢盖，提供最高信号的匹配层的厚度也大约为14μm。虽然信号强度对于所有覆盖材料都不同(例如，基于材料声阻抗而不同)，但是对于给定的发射频率，匹配层的厚度是相同的。
如从曲线图800中可以看出，在范围820处，提供最高信号的匹配层的厚度约为14μm，信号强度处于或接近最高值的范围820基本上为发射频率的四分之一波长加上或减去八分之一波长。超出范围820，在曲线的弯曲点，信号强度降低。在一些实施例中，使用较窄的范围830(例如，发射频率的四分之一波长加上或减去十六分之一波长)来提供较小的信号容限。
在一些实施例中，匹配层的厚度根据底层传感器的发射频率和覆盖材料进行选择。在一些实施例中，根据提供最高信号的匹配层的厚度来调谐发射频率。在一些实施例中，基于期望的发射频率选择匹配层的厚度，然后调谐或稍微调整发射频率以实现厚度基本等于四分之一波长的发射频率。这就补偿了实际厚度可能不完全等于期望厚度的事实。
图9A、图9B、图9C和图9D示出了根据实施例的供超声指纹传感器的超声换能器使用的发射频率区域的示例，该超声换能器位于厚度不均匀的匹配层下方。当匹配层的厚度在超声传感器层的表面上变化时，匹配层的不同区域对应于下面的超声换能器的不同发射频率，用于产生具有最高信号强度的超声波信号。应当理解，这些区域可以覆盖对应于发射频率的四分之一波长加或减八分之一波长的信号强度范围。超声换能器到区域中的分组允许超声换能器的集体控制，并且在选择其中信号强度的公差可以被集体控制在适当的信号强度范围内的区域时是有用的。
图9A示出了根据实施例的供位于厚度不均匀的匹配层下方的超声指纹传感器900使用的块发射频率区域910a至910n(统称为区域910)的示例。如图所示，超声指纹传感器900具有5×5个具有不同发射频率的区域。应当理解，区域910可以包括一个或更多个超声换能器。还应该理解，一些区域910可以具有超声换能器的相同工作发射频率。尽管这些区域被示为具有基本相等的尺寸，但是不同区域的尺寸可以变化，这取决于匹配层的厚度和/或所选择的频率。
图9B示出了根据实施例的供位于不均匀厚度的匹配层下方的超声指纹传感器920使用的环形发射频率区域930a至930n(统称为区域930)的示例。例如，图9B的环形发射频率区域930可以用于凹陷或弯曲(例如，凹形或凸形)形状的匹配层。如图所示，超声指纹传感器920有四个具有不同发射频率的区域，其中区域930d是圆形的，区域930b和930c是环形的，区域930a是带有圆形切口的方形。应当理解，区域930可以包括一个或更多个超声换能器。还应该理解，一些区域930可以具有超声换能器的相同工作发射频率。
图9C示出了根据实施例的供位于厚度不均匀的匹配层下方的超声指纹传感器940使用的柱状发射频率区域950a至950n(统称为区域950)的示例。例如，图9C的柱状发射频率区域950可以用于在水平方向上具有厚度变化的匹配层中。如图所示，超声指纹传感器940具有五个发射频率不同的柱状区域。应当理解，区域950可以包括一个或更多个超声换能器。还应该理解，一些区域950可以具有超声换能器的相同工作发射频率。
图9D示出了根据实施例的供非均匀厚度的匹配层下方的超声指纹传感器960使用的行状(row-shape)发射频率区域970a至970n(统称为区域970)的示例。例如，图9D的行状发射频率区域970可以用于在垂直方向上具有厚度变化的匹配层中。如图所示，超声指纹传感器960具有五个具有不同发射频率的行状区域。应当理解，区域970可以包括一个或更多个超声换能器。还应该理解，一些区域970可以具有超声换能器的相同工作发射频率。
在成像期间，使用不同区域的不同发射频率捕获图像的不同部分。可以基于频率区域的顺序来捕获频率区域的像素，例如参考图9A，从区域910a开始，然后是910b，等等。可选地，频率区域的像素可以按照频率的顺序被捕获，从低频到高频，反之亦然。应当理解，可以单独捕获部分，或者可以在相同的成像操作中捕获使用相同发射频率的所有部分。在其他实施例中，可以使用特定的发射频率来捕获整个图像，并且可以从这些图像中提取相关像素以用于最终的输出图像。对应于频率区域的像素然后被组合成单个输出图像。
应认识到，每个频率区域可以操作来在成像过程中并行、串行或并发地捕获像素。在串行捕获像素的情况下，图像捕获可能具有延迟，因此关于是并行、串行还是并发地捕获不同频率区域的像素的决定可能是设备或应用特定的。例如，不同的应用可能需要更高分辨率的图像(例如，安全应用)。因此，安全应用可以利用串行像素捕获来捕获高分辨率图像，接受额外的延迟，而其他应用可以利用并行排序或并发的不同的像素捕获来捕获具有较低延迟的图像。
图10和图11示出了根据不同实施例的操作由超声换能器组成的指纹传感器的示例方法的流程图。这些方法的过程将参考本文描述的各种附图的元素和/或部件来描述。应当理解，在一些实施例中，可以以与所描述的不同的顺序来执行这些过程，可以不执行所描述的一些过程，和/或可以执行所描述的那些过程之外的一个或更多个附加过程。流程图包括在各种实施例中由一个或更多个处理器(例如，主机处理器或传感器处理器)在存储在非暂时性计算机可读存储介质上的计算机可读和计算机可执行指令的控制下执行的一些过程。还应当理解，流程图中描述的一个或更多个过程可以用硬件或者硬件与固件和/或软件的组合来实现。
图10示出了根据实施例的用于操作包括超声换能器的二维阵列的超声传感器的示例方法的流程图1000。超声传感器包括超声换能器的二维阵列、覆盖在超声换能器的二维阵列上的接触层、以及在超声换能器的二维阵列和接触层之间用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的匹配层，其中匹配层具有覆盖超声换能器的二维阵列的不均匀的厚度。
在一些实施例中，匹配层的声阻抗介于超声换能器的二维阵列的声阻抗和接触层的声阻抗之间。在一些实施例中，超声传感器还包括覆盖超声换能器的二维阵列的封装环氧树脂，使得匹配层连接到封装环氧树脂和接触层。在一些实施例中，匹配层在第一区域的第一厚度基本上等于第一发射频率的四分之一波长加上或减去第一发射频率的八分之一波长，匹配层在第二区域的第二厚度基本上等于第二发射频率的四分之一波长加上或减去第二发射频率的八分之一波长。
在流程图1000的过程1010中，超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的第一区域相关的超声换能器第一子集以第一发射频率激活，以对像素的第一子集成像，其中确定第一发射频率，使得第一区域处匹配层的第一厚度基本等于第一发射频率的四分之一波长。
在过程1020中，超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的第二区域相关的超声换能器的第二子集以第二发射频率激活，以对像素的第二子集成像，其中确定第二发射频率，使得第二区域处匹配层的第二厚度基本等于第二发射频率的四分之一波长，其中第一区域和第二区域是超声换能器的二维阵列的非重叠区域，并且其中第一厚度和第二厚度不同。应当理解，过程1020可以与过程1010顺序、并行或并发执行。
在一些实施例中，如过程1030所示，超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的第三区域相关的第三超声换能器的子集以第三发射频率激活，以对像素的第三子集成像，其中第三区域处匹配层的第三厚度基本等于第三发射频率的四分之一波长，其中第一区域、第二区域和第三区域为超声换能器的二维阵列的非重叠区域。应当理解，过程1030可以与过程1010和/或1020顺序、并行或并发执行。
在过程1040中，像素的第一子集和像素的第二子集组合成复合指纹图像，其中复合指纹图像补偿匹配层的不均匀厚度。在一个实施例中，第三子集也被组合到复合指纹图像中。
图11示出了根据实施例的用于校准包括超声换能器的二维阵列的超声传感器的示例方法的流程图1100。超声传感器包括超声换能器的二维阵列、覆盖在超声换能器的二维阵列上的接触层、以及在超声换能器的二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层具有覆盖在超声换能器的二维阵列上的不均匀的厚度。在一些实施例中，每个区域处匹配层的厚度基本上等于该区域的发射频率的四分之一波长。在一些实施例中，每个区域处匹配层的厚度基本上等于发射频率的四分之一波长加上或减去该区域的发射频率的八分之一波长。在一些实施例中，匹配层是用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的粘合层。在一些实施例中，匹配层的声阻抗在超声换能器的二维阵列的声阻抗和接触层的声阻抗之间。
在流程图1100的过程1110中，超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的多个区域相关的超声换能器以多个发射频率激活，其中多个区域不重叠。在流程图1100的过程1120，监控多个区域处的多个发射频率中的每一个发射频率的信号。
在一个实施例中，如过程1130所示，确定超声换能器如何以可用频率进行分组。在一个实施例中，在有一定数量的固定发射频率的情况下，确定哪些超声换能器借助哪个发射频率进行分组，其中频率被选择成使得匹配层厚度最接近四分之一波长。在另一个实施例中，在存在一定数量的灵活发射频率的情况下，确定哪些超声换能器借助哪个发射频率进行分组。例如，确定发射频率和组的分布以获得最佳结果，例如，优化整个传感器的损失函数，其中损失函数取决于相对理想的四分之一波长设置的偏差。在另一个实施例中，在存在无限或单独可控的发射频率的情况下，每个超声换能器被分配一个发射频率。在过程1140，对于多个区域，多个发射频率中的针对一区域而具有最高信号的发射频率被设置为该区域的发射频率。
上述内容包括主题公开的示例。当然，不可能为了描述本主题而描述部件或方法的每一种可能的组合，但是应当理解，本主题公开的许多进一步的组合和置换是可能的。因此，所要求保护的主题旨在包含所有这些落入所附权利要求的精神和范围内的变更、修改和变化。
具体而言，关于上述部件、设备、电路、系统等执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所述部件的特定功能的任何部件(例如，功能等同物)，即使在结构上不等同于所公开的结构，其执行所要求保护的主题的本文所示示例性方面的功能。
前述系统和部件已针对若干部件之间的交互进行了描述。可以理解，这样的系统和部件可以包括那些部件或指定的子部件、指定的部件或子部件中的一些和/或附加部件，并且根据前述的各种排列和组合。子部件也可以被实现为通信地耦合到其他部件的部件，而不是被包括在父部件内(分层的)。此外，应当注意，一个或更多个部件可以被组合成提供聚合功能的单个部件，或者被分成几个单独的子部件。本文描述的任何部件也可以与本文没有具体描述的一个或更多个其他部件相互作用。
此外，虽然本主题创新的特定特征可能仅针对若干实现中的一个实现进行了公开，但该特征可与其他实现的一个或更多个其他特征相结合，这对于任何给定或特定应用而言可能是期望的和有利的。此外，就详细描述或权利要求中使用的术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有”、“包含”及其变体以及其他类似词语而言，这些术语旨在以类似于作为开放过渡词的术语“包括(comprising)”的方式包含，而不排除任何附加或其他元素。
因此，本文阐述的实施例和示例是为了最好地解释本发明的各种选定实施例及其特定应用并从而使本领域技术人员能够制造和使用本发明的实施例而呈现的。然而，本领域技术人员将会认识到，前面的描述和示例仅仅是为了说明和示例的目的而给出的。所阐述的描述并不旨在穷举或将本发明的实施例限制为所公开的精确形式。
概括地说，本申请至少公开了以下内容：
一种超声传感器包括：超声换能器的二维阵列、接触层、二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层具有不均匀的厚度；以及阵列控制器，该阵列控制器被配置成在对超声换能器的二维阵列内的多个像素进行成像的成像操作期间控制超声换能器的激活。在成像操作期间，阵列控制器被配置成以不同的发射频率激活与超声换能器的二维阵列的不同区域相关联的超声换能器的不同子集，其中不同的频率被确定为使得一个区域处的匹配层的厚度基本上等于该区域的第一发射频率的四分之一波长。阵列控制器还被配置成将多个像素组合成复合指纹图像，该复合指纹图像补偿匹配层的不均匀厚度。
本申请还公开了以下概念：
1.一种超声传感器，包括：
超声换能器的二维阵列，其中超声换能器的二维阵列基本上是平坦的；
覆盖超声换能器的二维阵列的接触层；
超声换能器的二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层具有覆盖超声换能器的二维阵列的不均匀厚度；和
阵列控制器，其被配置为在用于对超声换能器的二维阵列内的多个位置处的多个像素进行成像的成像操作期间控制超声换能器的激活，使得在成像操作期间，阵列控制器被配置为：
以第一发射频率激活超声换能器的二维阵列中与超声换能器的二维阵列的第一区域相关联的超声换能器的第一子集，其中确定第一发射频率，使得第一区域处匹配层的第一厚度基本上等于第一发射频率的四分之一波长；
以第二发射频率激活超声换能器的二维阵列中与超声换能器的二维阵列的第二区域相关联的超声换能器的第二子集，其中确定第二发射频率，使得第二区域处匹配层的第二厚度基本上等于第二发射频率的四分之一波长，其中第一区域和第二区域是超声换能器的二维阵列中的非重叠区域，并且其中第一厚度和第二厚度不同；和
将多个像素组合成复合指纹图像，其中复合指纹图像补偿匹配层的不均匀厚度。
2.根据前述或以下概念中任一项所述的超声传感器，其中第一区域和第二区域与超声换能器的二维阵列中的不同超声换能器块相关联。
3.根据前述或以下概念中任一项所述的超声传感器，其中第一区域和第二区域与超声换能器的二维阵列中的不同列的超声换能器相关联。
4.根据前述或以下概念中任一项所述的超声传感器，其中第一区域和第二区域与超声换能器的二维阵列中的不同行的超声换能器相关联。
5.根据前述或以下概念中任一个所述的超声传感器，其中在第一区域处匹配层的第一厚度基本上等于第一发射频率的四分之一波长加上或减去第一发射频率的八分之一波长，并且在第二区域处匹配层的第二厚度基本上等于第二发射频率的四分之一波长加上或减去第二发射频率的八分之一波长。
6.根据前述或以下概念中任一项所述的超声传感器，其中在成像操作期间，阵列控制器被配置成：
以第三发射频率激活超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的第三区域相关联的超声换能器第三子集，其中在第三区域处匹配层的第三厚度基本上等于第三发射频率的四分之一波长，其中第一区域、第二区域和第三区域是超声换能器的二维阵列中的非重叠区域。
7.根据前述或以下概念中任一个所述的超声传感器，其中第一厚度、第二厚度和第三厚度不同。
8.根据前述或以下概念中任一项所述的超声传感器，其中匹配层的声阻抗在超声换能器的二维阵列的声阻抗和接触层的声阻抗之间。
9.根据前述或以下概念中任一项所述的超声传感器，还包括覆盖超声换能器的二维阵列的封装环氧树脂，使得匹配层连接到封装环氧树脂和接触层。
10.根据前述或以下概念中任一项所述的超声传感器，其中匹配层是用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的粘合层。
11.一种用于操作超声传感器的方法，该超声传感器包括超声换能器的二维阵列、覆盖在超声换能器的二维阵列上的接触层、以及在超声换能器的二维阵列和接触层之间的匹配层，其中匹配层在超声换能器的二维阵列上具有不均匀的厚度，该方法包括：
以第一发射频率激活超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的第一区域相关联的超声换能器第一子集，以对像素的第一子集成像，其中确定第一发射频率，使得第一区域处匹配层的第一厚度基本上等于第一发射频率的四分之一波长；
以第二发射频率激活超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的第二区域相关联的超声换能器的第二子集，以对像素的第二子集成像，其中确定第二发射频率，使得第二区域处匹配层的第二厚度基本上等于第二发射频率的四分之一波长，其中第一区域和第二区域是超声换能器的二维阵列中的非重叠区域，并且其中第一厚度和第二厚度不同；和
将像素的第一子集和像素的第二子集组合成复合指纹图像，其中复合指纹图像补偿所述匹配层的不均匀厚度。
12.根据前述或以下概念中任一个所述的方法，其中在第一区域处匹配层的第一厚度基本上等于第一发射频率的四分之一波长加上或减去第一发射频率的八分之一波长，并且在第二区域处匹配层的第二厚度基本上等于第二发射频率的四分之一波长加上或减去第二发射频率的八分之一波长。
13.根据前述或以下概念中任一项所述的方法，进一步包括：
以第三发射频率激活超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的第三区域相关联的超声换能器的第三子集，以对像素的第三子集成像，其中在第三区域处匹配层的第三厚度基本上等于第三发射频率的四分之一波长，其中第一区域、第二区域和第三区域是超声换能器的二维阵列中的非重叠区域。
14.根据前述或以下概念中任一项所述的方法，其中第一厚度、第二厚度和第三厚度不同。
15.根据前述或以下概念中任一项所述的方法，其中激活超声换能器的第一子集和激活超声换能器的第二子集是基于使用复合指纹图像的应用的要求。
16.一种用于操作超声传感器的方法，超声传感器包括超声换能器的二维阵列、覆盖在超声换能器的二维阵列上的接触层、以及在超声换能器的二维阵列和接触层之间用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的匹配层，其中匹配层在超声换能器的二维阵列上具有不均匀的厚度，方法包括：
以多个发射频率激活超声换能器的二维阵列中的与超声换能器的二维阵列的多个区域相关联的超声换能器，其中多个区域是不重叠的；
在所述多个区域监控多个发射频率中的每一个发射频率的信号；和
对于多个区域，将多个发射频率中对于一个区域具有最高信号的发射频率设置为该区域的发射频率。
17.根据前述或以下概念中任一个所述的方法，其中每个区域处匹配层的厚度基本上等于该区域的发射频率的四分之一波长。
18.根据前述或以下概念中任一个所述的方法，其中每个区域处匹配层的厚度基本上等于发射频率的四分之一波长加上或减去该区域的发射频率的八分之一波长。
19.根据前述或以下概念中任一个所述的方法，其中匹配层是用于将超声换能器的二维阵列结合到接触层的粘合层。
20.根据前述或以下概念中任一项所述的方法，进一步包括：
确定超声换能器的二维阵列中的超声换能器如何以可用的发射频率进行分组。

Claims (20)

1.一种超声传感器，包括：
超声换能器的二维阵列，其中所述超声换能器的二维阵列基本上是平坦的；
接触层，其覆盖所述超声换能器的二维阵列；
所述超声换能器的二维阵列和所述接触层之间的匹配层，其中所述匹配层在所述超声换能器的二维阵列上具有不均匀厚度；和
阵列控制器，其被配置为在用于对所述超声换能器的二维阵列内的多个位置处的多个像素进行成像的成像操作期间控制超声换能器的激活，使得在所述成像操作期间，所述阵列控制器被配置为：
以第一发射频率激活所述超声换能器的二维阵列中与所述超声换能器的二维阵列的第一区域相关联的超声换能器的第一子集，其中确定所述第一发射频率，使得所述第一区域处所述匹配层的第一厚度基本上等于所述第一发射频率的四分之一波长；
以第二发射频率激活所述超声换能器的二维阵列中与所述超声换能器的二维阵列的第二区域相关联的超声换能器的第二子集，其中确定所述第二发射频率，使得所述第二区域处所述匹配层的第二厚度基本上等于所述第二发射频率的四分之一波长，其中所述第一区域和所述第二区域是所述超声换能器的二维阵列中的非重叠区域，并且其中所述第一厚度和所述第二厚度不同；和
将所述多个像素组合成复合指纹图像，其中所述复合指纹图像补偿所述匹配层的不均匀厚度。
2.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，所述第一区域和所述第二区域与所述超声换能器的二维阵列中的不同超声换能器块相关联。
3.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，所述第一区域和所述第二区域与所述超声换能器的二维阵列中的不同列的超声换能器相关联。
4.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，所述第一区域和所述第二区域与所述超声换能器的二维阵列中的不同行的超声换能器相关联。
5.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，在所述第一区域处所述匹配层的第一厚度基本上等于所述第一发射频率的四分之一波长加上或减去所述第一发射频率的八分之一波长，并且在所述第二区域处所述匹配层的第二厚度基本上等于所述第二发射频率的四分之一波长加上或减去所述第二发射频率的八分之一波长。
6.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，在所述成像操作期间，所述阵列控制器被配置为：
以第三发射频率激活所述超声换能器的二维阵列中与所述超声换能器的二维阵列的第三区域相关联的超声换能器的第三子集，其中在所述第三区域处所述匹配层的第三厚度基本上等于所述第三发射频率的四分之一波长，其中所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域是所述超声换能器的二维阵列中的非重叠区域。
7.根据权利要求6所述的超声传感器，其中，所述第一厚度、所述第二厚度和所述第三厚度不同。
8.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，所述匹配层的声阻抗介于所述超声换能器的二维阵列的声阻抗和所述接触层的声阻抗之间。
9.根据权利要求1所述的超声传感器，还包括封装环氧树脂，所述封装环氧树脂覆盖所述超声换能器的二维阵列，使得所述匹配层连接到所述封装环氧树脂和所述接触层。
10.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，所述匹配层是用于将所述超声换能器的二维阵列结合到所述接触层的粘合层。
11.一种用于操作超声传感器的方法，所述超声传感器包括超声换能器的二维阵列、覆盖在所述超声换能器的二维阵列上的接触层、以及在所述超声换能器的二维阵列和所述接触层之间的匹配层，其中所述匹配层在所述超声换能器的二维阵列上具有不均匀的厚度，所述方法包括：
以第一发射频率激活所述超声换能器的二维阵列中与所述超声换能器的二维阵列的第一区域相关联的超声换能器的第一子集，以对像素的第一子集成像，其中确定所述第一发射频率，使得所述第一区域处所述匹配层的第一厚度基本上等于所述第一发射频率的四分之一波长；
以第二发射频率激活所述超声换能器的二维阵列中与所述超声换能器的二维阵列的第二区域相关联的超声换能器的第二子集，以对像素的第二子集成像，其中确定所述第二发射频率，使得所述第二区域处所述匹配层的第二厚度基本上等于所述第二发射频率的四分之一波长，其中所述第一区域和所述第二区域是所述超声换能器的二维阵列中的非重叠区域，并且其中所述第一厚度和所述第二厚度不同；和
将所述像素的第一子集和所述像素的第二子集组合成复合指纹图像，其中所述复合指纹图像补偿所述匹配层的不均匀厚度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一区域处所述匹配层的第一厚度基本上等于所述第一发射频率的四分之一波长加上或减去所述第一发射频率的八分之一波长，以及所述第二区域处所述匹配层的第二厚度基本上等于所述第二发射频率的四分之一波长加上或减去所述第二发射频率的八分之一波长。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：
以第三发射频率激活所述超声换能器的二维阵列中与所述超声换能器的二维阵列的第三区域相关联的超声换能器的第三子集，以对像素的第三子集成像，其中在所述第三区域处所述匹配层的第三厚度基本上等于所述第三发射频率的四分之一波长，其中所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域是所述超声换能器的二维阵列中的非重叠区域。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一厚度、所述第二厚度和所述第三厚度不同。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，激活所述超声换能器的第一子集和激活所述超声换能器的第二子集是基于使用所述复合指纹图像的应用的要求。
16.一种用于操作超声传感器的方法，所述超声传感器包括超声换能器的二维阵列、覆盖在所述超声换能器的二维阵列上的接触层、以及在所述超声换能器的二维阵列和所述接触层之间用于将所述超声换能器的二维阵列结合到所述接触层的匹配层，其中所述匹配层在所述超声换能器的二维阵列上具有不均匀的厚度，所述方法包括：
以多个发射频率激活所述超声换能器的二维阵列中与所述超声换能器的二维阵列的多个区域相关联的超声换能器，其中所述多个区域是不重叠的；
在所述多个区域监控所述多个发射频率中的每一个发射频率的信号；和
对于所述多个区域，将所述多个发射频率中对于一个区域具有最高信号的发射频率设置为该区域的发射频率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，每个区域处的所述匹配层的厚度基本上等于该区域的发射频率的四分之一波长。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，每个区域处的所述匹配层的厚度基本上等于所述发射频率的四分之一波长加上或减去该区域处的所述发射频率的八分之一波长。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述匹配层是用于将所述超声换能器的二维阵列结合到所述接触层的粘合层。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
确定所述超声换能器的二维阵列中的超声换能器如何以可用的发射频率进行分组。
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