BR112019026786A2 - sensor biométrico com detecção de força e capacidade de geração de imagem ultrassônica - Google Patents

Abstract

As implementações da presente matéria descrita aqui se relacionam a sensores incluindo elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) e arranjos dos mesmos. Os elementos de sensor PMUT podem ser comutáveis entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica. Um elemento de sensor PMUT pode incluir um diafragma que é capaz de um deslocamento estático quando da aplicação de uma força, e é capaz de um deslocamento dinâmico quando o elemento de sensor PMUT transmite ou recebe sinais ultrassônicos. Em algumas implementações, um elemento de sensor PMUT inclui uma estrutura de gás de elétrons bidimensional no diafragma. Os sensores podem adicionalmente incluir um controlador de sensor configurado para comutar entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para um ou mais dos elementos de sensor PMUT, em que a força aplicada é medida no modo de detecção de força não-ultrassônica e em que um objeto é representado através de imagem ultrassônica durante o modo de geração de imagem ultrassônica.

Description

“SENSOR BIOMÉTRICO COM DETECÇÃO DE FORÇA E CAPACIDADE DE GERAÇÃO DE IMAGEM ULTRASSÔNICA” REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE

[0001] O presente pedido reivindica prioridade ao Pedido de Patente US No 15/633,386, intitulado "BIOMETRIC SENSOR WITH FORCE DETECTION AND ULTRASONIC IMAGING CAPABILITY", depositado em 26 de junho de 2017, o qual é por meio deste incorporado a título de referência.

CAMPO TÉCNICO

[0002] A presente revelação refere-se a transdutores ultrassônicos piezoelétricos e a um arranjo de sensores eletrônicos de transdutores ultrassônicos piezoelétricos para sensoriamento biométrico, geração de imagem, detecção de força e reconhecimento de toque.

DESCRIÇÃO DA TECNOLOGIA RELACIONADA

[0003] Os sistema de sensores ultrassônicos podem usar um transmissor ultrassônico para gerar e enviar ondas ultrassônicas através de um meio ou meios ultrassonicamente transmissivos e em direção a um objeto a ser detectado. O transmissor ultrassônico pode ser operativamente acoplado a um arranjo de sensores ultrassônicos configurado para detectar partes da onda ultrassônica que são refletidas a partir do objeto. Por exemplo, nos sensores de impressão digital ultrassônicos, uma onda ultrassônica pode ser produzida através do início e interrupção do transmissor durante um intervalo de tempo curto. Em cada interface de material encontrada pela onda ultrassônica, uma parte da onda ultrassônica pode ser refletida.

[0004] Por exemplo, no contexto de um sensor de impressão digital ultrassônico, a onda ultrassônica pode se deslocar através de uma placa sobre a qual um objeto, tal como o dedo de uma pessoa, pode ser colocado para obter informações de imagem de impressão digital.

Após passar através da placa, algumas partes da onda ultrassônica podem encontrar a pele que está em contato com a placa, por exemplo, cristas de impressão digital, enquanto que outras partes da onda ultrassônica encontram ar, por exemplo, vales entre cristas adjacentes de uma impressão digital, e podem ser refletidas com diferentes intensidades de volta em direção ao arranjo de sensores ultrassônicos.

O arranjo de sensores ultrassônicos pode converter a onda ultrassônica refletida em sinais ultrassônicos refletidos que são indicativos da intensidade local da onda ultrassônica refletida.

Os sinais refletidos associados com o dedo podem ser processados e convertidos em valores digitais representando as intensidades de sinal dos sinais refletidos.

Quando tais sinais refletidos são coletados ao longo de uma área distribuída, os valores digitais de tais sinais podem ser usados para produzir informações de imagem de impressão digital.

As informações de imagem de impressão digital podem ser usadas para produzir uma exibição gráfica da intensidade do sinal ao longo da área distribuída, por exemplo, convertendo os valores digitais em uma imagem, produzindo assim uma imagem da impressão digital.

Assim, um sistema de sensores ultrassônicos pode ser usado como um sensor de impressão digital ou outro tipo de scanner (digitalizador) biométrico.

[0005] Os transdutores acústicos piezoelétricos de filme fino são potenciais candidatos para diversas aplicações, inclusive sensores biométricos, dispositivos de geração de imagem ultrassônica e sensores de impressão digital. Tais transdutores podem incluir transdutores ultrassônicos micromecânicos piezoelétricos (PMUTs) configurados como uma pilha multicamadas que inclui uma pilha de camada piezoelétrica e uma camada mecânica disposta sobre uma cavidade. A pilha de camada piezoelétrica inclui uma camada de material piezoelétrico. Em algumas aplicações, um arranjo unidimensional ou bidimensional de qualquer número de elementos de sensor PMUT pode ser contemplado.

[0006] Mecanismos de ativação de autenticação de baixo custo e baixo consumo de energia são de interesse em dispositivos eletrônicos, como smartphones, tablets e carros autônomos, mas há enormes desafios envolvidos. Os mecanismos de detecção de toque capacitivos podem ser incapazes de diferenciar um toque determinado de um inadvertido, levando a eventos de ativação indesejados. Um toque leve por um dedo em um sensor de impressão digital pode resultar em má qualidade da imagem, tornando a autenticação de um usuário mais difícil.

SUMÁRIO

[0007] Cada um dos sistemas, métodos e dispositivos da presente revelação possui vários aspectos inovadores, nenhum deles sendo por si só unicamente responsável por seus atributos desejáveis aqui revelados.

[0008] Um aspecto inovador da matéria descrita na presente revelação relaciona-se a um aparelho incluindo um substrato; um sensor incluindo um arranjo de elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) sobre o substrato, em que cada elemento de sensor PMUT inclui um diafragma possuindo uma camada piezoelétrica e uma camada mecânica, em que o diafragma é capaz de um deslocamento estático quando da aplicação de uma força aplicada e é capaz de um deslocamento dinâmico quando o elemento de sensor PMUT recebe ou transmite sinais ultrassônicos; e um controlador de sensor configurado para comutar o sensor entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para um ou mais dos elementos de sensor PMUT, em que a força aplicada é medida no modo de detecção de força não-ultrassônica e em que um objeto é representado através de imagem ultrassônica durante o modo de geração de imagem ultrassônica.

Em algumas implementações, o aparelho é configurado para detectar um toque de dedo com base em uma força limiar de ativação sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força não-ultrassônica.

Em algumas implementações, o controlador de sensor pode ser configurado para fornecer, a um processador de aplicações, um sinal de ativação para ativar uma ou mais operações de ativação após o toque de dedo ser detectado.

Em algumas de tais implementações, o aparelho é configurado para detectar um levantamento de dedo após detectar o toque de dedo com base em uma força limiar de desativação sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força não-ultrassônica.

Em algumas implementações, a força limiar de desativação é menor do que a força limiar de ativação. Em algumas implementações, o controlador de sensor é configurado para inicializar o modo de geração de imagem ultrassônica após o toque de dedo ser detectado.

[0009] Em algumas implementações, o controlador de sensor é configurado para inicializar o modo de geração de imagem ultrassônica com base em uma força limiar de geração de imagem mínima sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força não-ultrassônica. Em algumas implementações, um ou mais dos elementos de sensor PMUT incluem uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta no diafragma. Em algumas implementações, o controlador de sensor é configurado para comutar entre o modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para cada um dos elementos de sensor PMUT no arranjo de elementos de sensor PMUT. Em algumas implementações, o controlador de sensor é configurado para comutar entre o modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para um subconjunto dos elementos de sensor PMUT no arranjo de elementos de sensor PMUT.

[0010] Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT do subconjunto dos elementos de sensor PMUT estão localizados na periferia do arranjo de elementos de sensor PMUT. Em algumas de tais implementações, os elementos de sensor PMUT do subconjunto dos elementos de sensor PMUT diferem do restante dos elementos de sensor PMUT do arranjo de elementos de sensor PMUT quanto à sua forma, tamanho ou ambos.

[0011] Outro aspecto inovador da matéria descrita na presente revelação diz respeito a um método de operação de um sensor de impressão digital, incluindo medir uma força de dedo de um dedo posicionado no sensor de impressão digital, gerar a imagem do dedo quando a força do dedo exceder um nível limiar de dedo pressionado, e autenticar o dedo com base na geração da imagem do dedo. Em algumas implementações, gerar a imagem do dedo inclui obter informações de imagem ultrassônica do dedo, e sendo que a autenticação do dedo se baseia nas informações de imagem ultrassônica. Em algumas implementações, gerar a imagem do dedo inclui obter informações de imagem ultrassônica do dedo quando a força do dedo excede um nível limiar mínimo de dedo representável em imagem. Em algumas implementações, gerar a imagem do dedo inclui obter informações de imagem ultrassônica do dedo quando a força do dedo é menor do que um nível limiar máximo de dedo representável em imagem. Em algumas implementações, o método adicionalmente inclui ativar pelo menos uma parte de um dispositivo móvel quando a força do dedo excede o nível limiar de dedo pressionado. Em algumas implementações, o método adicionalmente inclui reduzir a taxa de amostragem para medir a força do dedo quando a força do dedo for menor do que um nível limiar de dedo levantado.

[0012] Outro aspecto inovador da matéria descrita na presente revelação diz respeito a um aparelho incluindo um substrato; um diafragma incluindo uma camada mecânica disposta sobre uma cavidade, a cavidade sendo posicionada entre o diafragma e o substrato; e uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta sobre o diafragma. Em algumas implementações, a estrutura de gás de elétrons 2D é um transistor de nitreto de gálio-alumínio / nitreto de gálio (AlGaN/GaN). Em algumas implementações, o diafragma e a estrutura de gás de elétrons 2D são parte de um elemento de sensor, o diafragma é capaz de um deslocamento estático quando da aplicação de uma força aplicada, e a estrutura de gás de elétrons 2D é uma estrutura sensível à deformação configurada para fornecer um sinal de deslocamento estático que corresponde à força aplicada. Em algumas implementações, o diafragma é adicionalmente capaz de um deslocamento dinâmico quando o elemento de sensor recebe ou transmite sinais ultrassônicos. Em algumas tais implementações, o aparelho adicionalmente inclui um controlador de sensor configurado para comutar o elemento de sensor entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica, em que a força aplicada é medida no modo de detecção de força não-ultrassônica e em que um objeto é representado através de imagem ultrassônica durante o modo de geração de imagem ultrassônica.

[0013] Em algumas implementações em que o elemento de sensor é um de um arranjo de elementos de sensor no substrato, cada elemento de sensor inclui um diafragma e uma camada mecânica disposta sobre uma cavidade, a cavidade sendo posicionada entre o diafragma e o substrato, e cada elemento de sensor inclui uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta no diafragma. Em algumas implementações, o aparelho adicionalmente inclui um arranjo de elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) no substrato.

[0014] Em algumas implementações, o aparelho adicionalmente compreende uma pilha de camada piezoelétrica disposta no diafragma, em que a pilha de camada piezoelétrica é configurada para excitar o diafragma e gerar ondas ultrassônicas, em algumas implementações, a estrutura de gás de elétrons 2D é configurada para detectar deslocamentos estáticos ou deslocamentos dinâmicos do diafragma.

[0015] Outro aspecto inovador da matéria descrita na presente relaciona-se a um meio não-temporário legível por computador armazenando instruções executáveis por um ou mais processadores acoplados a um sensor de impressão digital, o sensor de impressão digital incluindo um arranjo de elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico piezoelétrico (PMUT), as instruções incluindo: instruções para operar os elementos de sensor PMUT em um modo de detecção de força; instruções para medir uma força aplicada sobre o sensor de impressão digital operando no modo de detecção de força; instruções para determinar que um dedo de um usuário tocou o sensor de impressão digital com base na força aplicada medida; instruções para operar os elementos de sensor PMUT em um modo de geração de imagem ultrassônica para obter informações de imagem de impressão digital do dedo; e instruções para autenticar o usuário com base nas informações de imagem de impressão digital.

[0016] Em algumas implementações, as instruções para determinar que um dedo tocou o sensor de impressão digital com base na força aplicada incluem instruções para comparar a força aplicada com uma força limiar de ativação. Em algumas implementações, as instruções adicionalmente incluem instruções para determinar, após detectar que o dedo tocou o sensor de impressão digital, que o dedo foi levantado do sensor de impressão digital com base em uma força limiar de desativação sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força não-ultrassônica. Em algumas de tais implementações, a força limiar de desativação é menor do que a força limiar de ativação. Em algumas implementações, o aparelho adicionalmente inclui instruções para determinar que a força aplicada é maior do que ou igual a uma força limiar mínima de geração de imagem. Em algumas implementações, o aparelho adicionalmente inclui instruções para inicializar o modo de geração de imagem ultrassônica após determinar que a força aplicada é maior do que ou igual a uma força limiar mínima de geração de imagem.

[0017] Outro aspecto inovador da matéria descrita na presente revelação diz respeito a um aparelho incluindo um substrato; um sensor incluindo um arranjo de elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) sobre o substrato, em que cada elemento de sensor PMUT inclui um diafragma possuindo uma camada piezoelétrica e uma camada mecânica, em que o diafragma é capaz de um deslocamento estático quando da aplicação de uma força aplicada e é capaz de um deslocamento dinâmico quando o elemento de sensor PMUT recebe ou transmite sinais ultrassônicos; e meios eletricamente acoplados ao sensor para comutar o sensor entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para um ou mais dos elementos de sensor PMUT, em que a força aplicada é medida em um modo de detecção de força não-ultrassônica e em que um objeto é representado através de imagem ultrassônica durante um modo de geração de imagem ultrassônica. Em algumas implementações, o aparelho adicionalmente inclui meios para determinar que um dedo tocou o sensor. Em algumas implementações, o aparelho adicionalmente inclui meios para determinar que o dedo foi levantado do sensor.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0018] Os detalhes de uma ou mais implementações da matéria relevante descrita neste relatório descritivo são expostos na presente revelação e nos desenhos acompanhantes. Outras características, aspectos e vantagens se tornarão aparentes a partir da leitura da revelação. Observe que as dimensões relativas dos desenhos e de outros diagramas desta revelação podem não ser desenhadas em escala real. As dimensões, espessuras, disposições, materiais, etc., ilustrados e descritos nesta revelação são assim apresentados somente a título de exemplo e não deverão ser interpretados como limitantes. Números de referência e designações similares nos vários desenhos indicam elementos similares.

[0019] As Figuras 1A e 1B ilustram vistas lateral e superior, respectivamente, de um exemplo de um elemento de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) possuindo capacidade de força não-ultrassônica/detecção de toque e capacidade de geração de imagem ultrassônica comutáveis.

[0020] A Figura 1C ilustra uma vista lateral de um exemplo do elemento de sensor PMUT ilustrado nas Figuras 1A e 1B operando em um modo de força não- ultrassônica/detecção de toque.

[0021] A Figura 1D ilustra uma vista lateral de um exemplo do elemento de sensor PMUT ilustrado nas Figuras 1A e 1B operando em um modo de geração de imagem ultrassônica.

[0022] A Figura 1E é um exemplo de um diagrama esquemático de um circuito equivalente do elemento de sensor PMUT 100 ilustrado nas Figuras 1C e 1D.

[0023] A Figura 2 ilustra uma vista lateral de uma configuração ilustrativa de um arranjo de sensores ultrassônicos PMUT capaz de geração de imagem ultrassônica.

[0024] A Figura 3A ilustra uma representação em diagrama de blocos dos componentes de um sistema de sensoriamento 300 ilustrativo de acordo com algumas implementações.

[0025] A Figura 3B mostra uma representação em diagrama de blocos dos componentes de um dispositivo móvel ilustrativo que inclui o sistema de sensoriamento da Figura 3A.

[0026] A Figura 4A mostra um exemplo de um fluxograma ilustrando um processo para detecção de força/toque, geração de imagem de impressão digital, e autenticação usando um sistema de sensor incluindo um arranjo de sensores ultrassônicos de acordo com certas implementações.

[0027] A Figura 4B mostra um exemplo de um fluxograma ilustrando um processo para detecção de força/toque, detecção de levantamento de dedo, geração de imagem de impressão digital, e autenticação usando um sistema de sensor incluindo um arranjo de sensores ultrassônicos.

[0028] A Figura 5A é um exemplo de um diagrama ilustrando a força do dedo aplicada versus tempo para detecção de toque de dedo e eventos de detecção de levantamento de dedo de um sensor de impressão digital operando em um modo de detecção de força não-ultrassônica.

[0029] A Figura 5B é um exemplo de um diagrama ilustrando a força do dedo aplicada versus tempo para a geração de imagem realizada por um sensor de impressão digital operando em um modo de geração de imagem ultrassônica.

[0030] A Figura 6 é um exemplo de um diagrama ilustrando um modo de detecção de força não- ultrassônica/toque e um modo de geração de imagem ultrassônica de um sensor de impressão digital versus força do dedo aplicada.

[0031] As Figuras 7A-7C ilustram um exemplo de um elemento de sensor PMUT que inclui uma estrutura de gás de elétrons 2D.

[0032] A Figura 7D ilustra uma vista lateral de um exemplo de uma estrutura de gás de elétrons 2D que pode ser implementada com ou sem os elementos de sensor PMUT descritos aqui.

[0033] As Figuras 8-13 ilustram exemplos de várias configurações de arranjos de sensores ultrassônicos que são configurados para comutar entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica.

[0034] As Figuras 14A a 17D ilustram exemplos de elementos de sensor PMUT que podem ser implementados em arranjos de sensores ultrassônicos de acordo com várias implementações.

[0035] As Figuras 18A a 18D ilustram um exemplo de um fluxo de processo para fabricar um elemento de sensor incluindo um substrato, um diafragma, e uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta no diafragma.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0036] A descrição que se segue está direcionada a certas implementações com a finalidade de descrever os aspectos inovadores desta revelação. No entanto, uma pessoa com conhecimento rudimentar na matéria reconhecerá prontamente que os ensinamentos aqui apresentados podem ser aplicados de várias maneiras diferentes. As implementações descritas podem ser implementadas em qualquer dispositivo, aparelho, ou sistema para sensoriamento ultrassônico. Além disso, é contemplado que as implementações descritas podem ser incluídas ou associadas com uma variedade de dispositivos eletrônicos, tal como, mas sem a isto se limitar: Telefones móveis, telefone celulares com capacidade de Internet multimídia, receptores de televisão móveis, dispositivos sem fio, smartphones, cartões inteligentes, relógios inteligentes,

tais como braceletes, braçadeiras, pulseiras, anéis, faixas de cabeça, adesivos, etc., dispositivos Bluetooth®, assistentes de dados pessoais (PDAs), receptores de correio eletrônico sem fio, computadores de mão ou portáteis, netbooks, notebooks, smartbooks, computadores tipo tablet, impressoras, copiadoras, digitalizadores, dispositivos de fác-símile, receptores/navegadores do Sistema de Posicionamento Global (GPS), câmeras, reprodutores de mídia digital (tais como aparelhos de MP3), filmadoras portáteis, console de jogos, relógios de pulso, relógios de parede, calculadoras, monitores de televisão, monitores de tela plana, dispositivos de leitura eletrônica (por exemplo, leitores eletrônicos (“e-readers”)), dispositivos móveis de saúde, monitores de computador, displays automotivos (inclusive displays de odômetro e velocímetro, etc.) controles e/ou visores de cabine de pilotagem, visores de visualização de câmera (tal como o visor de uma câmera de ré em um veículo), fotografias eletrônicas, letreiros ou placas eletrônicas, projetores, estruturas arquitetônicas, microondas, refrigeradores, sistemas estéreo, gravadores ou reprodutores de cassete, reprodutores de DVD, reprodutores de CD, VCRs, rádio, chips de memória portátil, lavadoras, secadoras, lavadoras/secadoras, caixa automáticos (ATMs), parquímetros, embalagens (tal como em aplicações de sistemas eletromecânicos (EMS) incluindo aplicações de sistemas microeletromecânicos (MEMS), bem como aplicações não-EMS), estruturas estéticas (tal como exibição de imagens em um artigo de joalheria ou vestuário) e uma variedade de dispositivos EMS.

Os ensinamentos aqui revelados também podem ser usados em aplicações tais como, sem a isto se limitar, dispositivos eletrônicos de comutação, filtros de radiofrequência, sensores, acelerômetros, giroscópios, dispositivos de detecção de movimento, magnetômetros, componentes inerciais para componentes eletrônicos do consumidor, partes de produtos eletrônicos do consumidor, portas para automóveis, volantes ou outras peças automotivas, varactores, dispositivos de cristal líquido, dispositivos eletroforéticos, esquemas de acionamento, processos de fabricação e equipamentos de teste eletrônico. Sendo assim, os ensinamentos não pretendem se limitar às implementações representadas somente as Figuras, mas, em vez disso, possuem ampla aplicabilidade, como será prontamente aparente a qualquer indivíduo capacitado na técnica.

[0037] As implementações da presente matéria descrita aqui relacionam-se a elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) e arranjos dos mesmos. Os elementos de sensor PMUT podem ser comutáveis entre um modo de detecção de força não- ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica. Um elemento de sensor PMUT pode incluir um diafragma que é capaz de um deslocamento estático quando da aplicação de uma força a partir de um objeto, tal como um dedo, e é capaz de um deslocamento dinâmico quando o elemento de sensor PMUT transmite ou recebe sinais ultrassônicos. Em algumas implementações, um elemento de sensor PMUT pode incluir uma estrutura de gás de elétrons bidimensional no diafragma.

[0038] As implementações da presente matéria aqui descrita também se relacionam a sensores incluindo um arranjo de elementos de sensor PMUT. Os sensores podem adicionalmente incluir um controlador de sensor configurado para comutar entre um modo de detecção de força não- ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para um ou mais dos elementos de sensor PMUT, em que a força aplicada é medida no modo de detecção de força não- ultrassônica e em que um objeto é representado através de imagem ultrassônica durante o modo de geração de imagem ultrassônica. As forças que ultrapassam os níveis de força limiar para ativação e geração de imagem podem ser detectadas e uma resposta é gerada em função disto.

[0039] As implementações específicas da matéria descrita na presente revelação podem ser implementadas para realizar uma ou mais das seguintes vantagens em potencial. Em um modo de detecção de força ultrassônico, os sensores permitem a ativação de um dispositivo com baixo consumo de energia. Ao detectar as forças que ultrapassam um nível de força limiar, o sensor pode se tornar insensível à luz, reduzindo toques acidentais com ativação não-intencional. O controle de qualidade de imagem para geração de imagem de impressão digital pode ser aprimorado usando um nível de força limiar para geração de imagem.

[0040] Os aspectos dos PMUTS foram descritos no Pedido de Patente US No 14/569,280, depositado em 12 de dezembro 2014 e intitulado "MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY", e no Pedido de Patente US No

14/569,256, depositado em 12 de dezembro de 2014 e intitulado "PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS", no Pedido de Patente US No 14/883,583, depositado em 14 de outubro 2015 e intitulado "THREE- PORT PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER", no Pedido de Patente US No 14/883,585, depositado em 14 de outubro de 2015 e intitulado "ACTIVE BEAM- FORMING TECHNIQUE FOR PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY", no Pedido de Patente US No 14/883,586, depositado em 14 de outubro de 2015 e intitulado "SUPERPIXEL ARRAY OF PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCERS FOR 2-D BEAMFORMING" e no Pedido de Patente US No 15/292,057, depositado em 12 de outubro de 2016 e intitulado "INTEGRATED PIEZOELECTRIC MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCER PIXEL AND ARRAY", cada um dos quais é propriedade do cessionário da presente invenção e é por meio deste incorporado a título de referência no presente pedido para todos os fins em sua totalidade.

[0041] As Figuras 1A e 1B ilustram vistas lateral e superior, respectivamente, de um exemplo de um elemento de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) possuindo capacidade de detecção força/toque não-ultrassônica e capacidade de geração de imagem ultrassônica comutáveis. Referindo-se à Figura 1A, o elemento de sensor PMUT 100 inclui uma pilha de camada piezoelétrica 110 e uma camada mecânica 130 disposta para formar um diafragma (que pode ser chamado aqui posteriormente de "diafragma PMUT" ou "diafragma deformável") suportado por uma estrutura de fixação 170 sobre uma cavidade 120. A pilha de camada piezoelétrica 110 inclui uma camada piezoelétrica 115, um eletrodo inferior 112 e um eletrodo superior 114. O eletrodo superior 114, na implementação ilustrada, também pode ser chamado de eletrodo interno, uma vez que é disposto em uma parte interna do diafragma deformável.

[0042] Na implementação ilustrada, o eletrodo inferior 112 é disposto abaixo da camada piezoelétrica 115 e próximo à cavidade 120, ao passo que o eletrodo superior 114 é disposto acima da camada piezoelétrica 115, próximo de uma superfície da camada piezoelétrica 115 que é oposta à cavidade 120. A cavidade 120 pode ser formada no ou sobre um substrato 160. A cavidade 120 é posicionada entre o diafragma e o substrato 160. Nas implementações em que a cavidade é formada no substrato 160, tal como uma implementação de cavidade-silício sobre isolador, a estrutura de fixação 170 pode ser parte do substrato 160.

[0043] O substrato 160 pode ser ou incluir, por exemplo, uma pastilha de silício, uma pastilha de silício sobre isolador (SOI), uma pastilha de silício ou SOI com conjunto de circuitos integrado, um substrato de semicondutor, ou um substrato de vidro ou polímero com conjunto de circuitos de transistor de filme fino (TFT). Em algumas implementações, o substrato 160 pode ser um substrato flexível, tal como uma camada fina de poliimida (PI), naftalato de polietileno (PEN) ou poli(tereftalato de etileno) (PET), ou um substrato flexível com conjunto de circuitos de InGaZnO (IGZO).

[0044] A pilha de camada piezoelétrica pode incluir uma camada piezoelétrica, tal como nitreto de alumínio (A1N), óxido de zinco (ZnO), titanato zirconato de chumbo (PZT) ou outro material piezoelétrico adequado com uma ou mais camadas de eletrodos eletricamente acopladas à camada piezoelétrica. A pilha de camada piezoelétrica pode ser padronizada e sulcada formar vias, orifícios de liberação e outros aspectos. A camada mecânica pode incluir dióxido de silício (SiO2), oxinitreto de silício (SiON), nitreto de silício (SiN), outro material dielétrico, ou uma combinação de materiais ou camadas dielétricas. Em alguns exemplos, o diafragma pode ser configurado como um retângulo alongado possuindo uma dimensão longitudinal de comprimento L e uma largura W, com L sendo pelo menos duas vezes W. Em alguns exemplos, o diafragma pode ter uma razão de largura W para espessura T entre 5:1 a 50:1.

[0045] Como pode ser visto na Figura 1B, o elemento de sensor PMUT 100 pode ter uma geometria circular. O elemento de sensor PMUT 100 é um exemplo de um PMUT de duas portas, que é um PMUT possuindo duas portas de entrada/saída, uma associada ao eletrodo inferior 112 e outra associada ao eletrodo superior 114. O eletrodo inferior 112 é um eletrodo de referência em uma tensão Vref e o eletrodo superior 114 é um eletrodo de saída/acionamento/detecção em uma tensão Vinner. O conjunto de circuitos de transceptor 180 é ilustrado esquematicamente como conectado ao eletrodo inferior 112 e ao eletrodo superior 114. O conjunto de circuitos de transceptor 180 pode ser eletricamente acoplado ao elemento de sensor PMUT 100 por meio das duas portas de entrada/saída associadas com o conjunto de circuitos de transceptor 180.

[0046] No exemplo das Figuras 1A e 1B, o eletrodo superior 114 pode ser chamado de eletrodo interno. Em algumas implementações, descritas em mais detalhes abaixo, um elemento de sensor PMUT de três portas pode ter dois eletrodos superiores, por exemplo, um eletrodo superior interno e um eletrodo superior externo com o eletrodo externo próximo à região periférica do diafragma deformável. Os elementos de sensor PMUT descritos aqui não se limitam a nenhuma geometria em especial. Exemplos adicionais de elementos de sensor PMUT de duas portas e três portas possuindo diversas geometrias são descritos abaixo com referência às Figuras 7A a 7C e 14A a 17D.

[0047] A Figura 1C ilustra uma vista lateral de um exemplo do elemento de sensor PMUT 100 ilustrado nas Figuras 1A e 1B operando em um modo de detecção de força/torque não-ultrassônico. A Figura 1D ilustra uma vista lateral de um exemplo do elemento de sensor PMUT 100 ilustrado nas Figuras 1A e 1B operando em um modo de geração de imagem ultrassônica. Voltando-se à Figura 1C, o elemento de sensor PMUT 100 é ilustrado com o diafragma PMUT deformável possuindo um deslocamento estático devido a uma força aplicada, conforme indicado pelas setas direcionadas para baixo e pelas linhas tracejadas do diafragma deformado. Em operação, a pilha de camada piezoelétrica 110 e a camada mecânica 130 são forçadas a se curvarem em resposta à força aplicada, que o elemento de sensor PMUT converte em um sinal elétrico que pode ser lido pelo conjunto de circuitos de transceptor 180 na Figura 1B.

Nas implementações descritas aqui, a força pode ser aplicada, por exemplo, por um dedo ou caneta Stylus exercendo pressão sobre o elemento de sensor PMUT 100 ou sobre uma placa, lâmina de vidro, ou outro envoltório de dispositivo que se sobrepõe ao elemento de sensor PMUT 100. A tensão de saída Vinner pode ser medida e é geralmente proporcional à força aplicada. Deve-se entender que, embora a descrição aqui se refira principalmente à detecção de força, os elementos de sensor também podem ser implementados para detecção de pressão, com a pressão sendo a razão de força sobre uma área à qual ela é aplicada. A detecção de força ou pressão possibilita a detecção do toque de um dedo, pelo menos na medida em que um toque (por exemplo, um toque leve) a partir de um dedo de um usuário ou outro objeto exerce uma força detectável sobre um ou mais dos elementos de sensor. A Figura 1E é um exemplo de um diagrama esquemático de um circuito equivalente do elemento de sensor PMUT 100 ilustrado nas Figuras 1C e 1D. A Figura 1E mostra as conexões elétricas com o eletrodo interno e o eletrodo de referência e a carga de superfície que se desenvolve nas superfícies da camada piezoelétrica quando o diafragma é deformado.

[0048] Em algumas implementações, a deflexão do diafragma PMUT com a força aplicada a partir de um dedo gera uma carga que pode ser usada para alimentar uma parte de interface frontal pequena de um controlador associado. Por exemplo, a carga gerada pela camada piezoelétrica após a deflexão estática pode ser armazenada em um capacitor de alimentação de energia que pode, por sua vez, alimentar o conjunto de circuitos de interface frontal do controlador associado. A parte de interface frontal pode ser usada para ativar outras partes do controlador ou para realizar uma função de detecção de limiar para evitar ativar o controlador e/ou um processador de aplicações associado, a menos que uma força limiar mínima tenha sido aplicada.

[0049] Em algumas implementações, descrita em mias detalhes abaixo com respeito às Figuras 7A a 7D, o elemento de sensor PMUT 100 pode incorporar uma estrutura de gás de elétrons 2D, tal como um transistor de gás 2D. Tais estruturas de gás de elétrons 2D são sensíveis à deformação devido à força aplicada e podem ser usadas no deslocamento estático, no modo de detecção de força não- ultrassônica ou em um modo de deslocamento dinâmico. Os elementos de sensor com um diafragma e uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta no diafragma podem ser usados para representar em imagem um objeto ultrassonicamente durante um modo de geração de imagem ultrassônica.

[0050] A Figura 1D ilustra uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 100 com deslocamentos dinâmicos devido à geração e detecção de ondas ultrassônicas. Durante a operação, a pilha de camada piezoelétrica 110 e a camada mecânica 130 podem ser forçadas a se curvarem e vibrar em resposta a uma tensão de excitação variável com o tempo aplicada através do eletrodo superior 114 e do eletrodo inferior 112 pelo conjunto de circuitos de transceptor 180. Como resultado, uma ou mais ondas de pressão ultrassônicas possuindo frequências em uma banda de frequências ultrassônicas podem ser propagadas para o ar, uma placa,

uma lâmina de vidro, um envoltório de dispositivo, ou outro meio de propagação que se sobrepõe ao elemento de sensor PMUT 100. A pilha de camada piezoelétrica 110 pode similarmente receber ondas de pressão ultrassônicas refletidas a partir de um objeto no meio de propagação, e converter as ondas de pressão ultrassônicas recebidas em sinais elétricos que podem ser lidos pelo conjunto de circuitos de transceptor 180. O diafragma deformável sobre a cavidade 120 pode se curvar e vibrar em resposta à onda de pressão ultrassônica refletida incidindo sobre uma superfície do elemento de sensor PMUT, gerando tensões e deformações mecânicas no diafragma PMUT gerando carga de superfície sobre as superfícies da camada piezoelétrica 115 que ser detectada pelo conjunto de circuitos subjacente.

O diafragma PMUT pode passar por um ou ambos de movimento flexural dinâmico e vibração quando o PMUT transmite ou recebe sinais ultrassônicos.

O diafragma PMUT deformável possuindo deslocamentos dinâmicos em um modo de transmissão ou em um modo de recepção é indicado na Figura 1D pelas setas direcionadas para cima e para baixo e pelas linhas de diafragma deformado tracejadas.

Na implementação representada, o eletrodo inferior 112 pode ser conectado a uma tensão de polarização constante Vref, tal como um potencial de referência terrestre.

Em algumas implementações, o eletrodo inferior 112 pode ser aterrado ou conectado a um sinal de polarização multinível, tal como uma tensão de polarização do receptor que pode ser fornecida pelo conjunto de circuitos de transceptor 180. O eletrodo superior 114 está na tensão de acionamento ou detecção (Vinner).

[0051] Em algumas implementações, um arranho de elementos de sensor PMUT pode ser configurado como um arranjo de sensores ultrassônicos que é configurado para geração de imagem de impressão digital ultrassônica. A Figura 2 ilustra uma vista lateral de uma configuração ilustrativa de um arranjo de sensores ultrassônicos PMUT capaz de geração de imagem ultrassônica. A Figura 2 representa um arranjo de sensores ultrassônicos 200 com um arranjo de PMUTs configurado como elementos transmissores e receptores que podem ser usados para geração de imagem ultrassônica. Os elementos de senso PMUT 262 em um substrato de arranjo de sensores PMUT 260 podem emitir e detectar ondas ultrassônicas. Como ilustrado, uma onda ultrassônica 264 pode ser transmitida a partir de um ou mais elemento de sensor PMUT 262. A onda ultrassônica 264 pode se propagar através de um meio de propagação, tal como um meio de acoplamento acústico 265 e uma placa 290, em direção a um objeto 202, tal como um dedo ou uma caneta Stylus posicionado(a) sobre uma superfície externa da placa

290. Uma parte da onda ultrassônica 264 pode ser transmitida através da placa 290 e para o objeto 202, enquanto que uma segunda parte é refletida a partir da superfície da placa 290 de volta em direção ao elemento de sensor PMUT 262. A amplitude da onda refletida pode depender, em parte, das propriedades acústicas do objeto 202 e da placa 290. A onda refletida pode ser detectada pelos elementos de sensor PMUT 262, a partir dos quais uma imagem do objeto 202 pode ser obtida. Por exemplo, com arranjos de sensores possuindo um passo de aproximadamente 50 micra (cerca de 500 pixels por polegada), as cristas e vales de uma impressão digital podem ser detectadas. Um meio de acoplamento acústico 265, tal como um adesivo, gel, uma camada compatível ou outro material de acoplamento acústico pode ser proporcionado para aprimorar o acoplamento entre um arranjo de elementos de sensor PMUT 262 dispostos no substrato de arranjo de sensores 260 e na placa 290. O meio de acoplamento acústico 265 pode auxiliar na transmissão das ondas ultrassônicas de e para os elementos de sensor PMUT 262. A placa 290 pode incluir, por exemplo, uma camada de vidro, plástico, safira, metal, liga metálica, ou outro material de placa. Uma camada de casamento de impedância acústica (não ilustrada) pode ser disposta em uma superfície externa da placa 290. A placa 290 pode incluir um revestimento (não ilustrado) na superfície externa. Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT podem ser co-fabricados com um conjunto de circuitos de transistor de filme fino (TFT) ou conjunto de circuitos CMOS sobre ou no mesmo substrato, que pode ser um substrato de silício, SOI, vidro ou plástico, em alguns exemplos. O substrato de TFT, silício ou semicondutor pode incluir componentes eletrônicos de endereçamento em linhas em colunas, multiplexadores, estágios de amplificação local e conjunto de circuitos de controle.

[0052] Um arranjo de sensores ultrassônicos pode ser parte de um sistema de sensoriamento de um dispositivo, por exemplo, um dispositivo móvel. A Figura 3A ilustra uma representação em diagrama de blocos dos componentes de um sistema de sensoriamento 300 ilustrativo de acordo com algumas implementações. Como ilustrado, o sistema de sensoriamento 300 pode incluir um sistema de sensor 302 e um sistema de controle 304 eletricamente acoplado ao sistema de sensor 302. O sistema de sensor 302 pode ser capaz de detectar a presença de um objeto, por exemplo, um dedo humano. O sistema de sensor 302 pode ser capaz de varrer um objeto e fornecer informações de imagem medidas brutas utilizáveis para obter uma assinatura de objeto, por exemplo , uma impressão digital de um dedo humano. O sistema de controle 304 pode ser capaz de controlar o sistema de sensor 302 e processar a informação de imagem medida bruta recebida a partir do sistema de sensores. Em algumas implementações, o sistema de sensoriamento 300 pode incluir um sistema de interface 306 capaz de transmitir ou receber dados, tal como informação de imagem medida bruta ou processada, de e para vários componentes dentro de ou integrados ao sistema de sensoriamento 300, ou, em algumas implementações, de e para vários componentes, dispositivos ou outros sistemas externos ao sistema de sensoriamento.

[0053] A Figura 3B mostra uma representação em diagrama de blocos dos componentes de um dispositivo móvel 310 ilustrativo que inclui o sistema de sensoriamento 300 da Figura 3A. O sistema de sensores 302 do sistema de sensoriamento 300 do dispositivo móvel 310 pode ser implementado com um arranjo de sensores ultrassônicos 312, tal como o arranjo de sensores ultrassônicos PMUT 200 ilustrado na Figura 2. O sistema de controle 304 do sistema de sensoriamento 300 pode ser implementado com um controlador 314 que é eletricamente acoplado ao arranjo de sensores ultrassônicos 312. Embora o controlador 314 seja ilustrado e descrito como um único componente, em algumas implementações, o controlador 314 pode se referir coletivamente a duas ou mais unidades de controle ou unidades de processamento distintas em comunicação elétrica uma com as outras. Em algumas implementações, o controlador 314 pode incluir um ou mais de um processador de único chip ou múltiplos chips de uso geral, uma unidade central de processamento (CPU), um processador de sinais digitais (DSP), um processador de aplicações, um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), uma matriz de portas programáveis em campo (FPGA) ou outro dispositivo lógico programável (PLD), lógica discreta de porta ou transistor, componentes de hardware discretos, ou qualquer combinação dos mesmos projetada para desempenhar as funções e operações aqui descritas.

[0054] O sistema de sensoriamento 300 da Figura 3B pode incluir um módulo de processamento de imagem

318. Em algumas implementações, a informação de imagem medida bruta fornecida pelo arranjo de sensores ultrassônicos 312 pode ser enviada, transmitida, comunicada ou de alguma outra forma fornecida ao módulo de processamento de imagem 318. O módulo de processamento de imagem 318 pode incluir qualquer combinação adequada de hardware, firmware e software configurado, adaptado ou de alguma outra forma operável para processar a informação de imagem fornecida pelo arranjo de sensores ultrassônicos

312. Em algumas implementações, o módulo de processamento de imagem 318 pode incluir circuitos ou componente de circuito de processamento de sinal ou imagem incluindo, por exemplo, amplificadores (tais como amplificadores de instrumentação ou amplificadores buffer), misturadores ou multiplicadores analógicos ou digitais, chaves, conversores analógico-digital (ADCs), filtros analógicos passivos ou ativos, dentre outros. Em algumas implementações, um ou mais de tais circuitos ou componentes de circuito podem ser integrados dentro do controlador 314, por exemplo, em que o controlador 314 é implementado como um sistema em chip (SoC) ou um sistema em pacote (SIP). Em algumas implementações, um ou mais de tais circuitos ou componentes de circuito podem ser integrados dentro de um DSP incluído dentro ou acoplado ao controlador 314. Em algumas implementações, o módulo de processamento de imagem 318 pode ser implementado pelo menos parcialmente através de software. Por exemplo, uma ou mais funções de, ou operações realizadas por um ou mais dos circuitos ou componentes de circuito recém-descritos podem, em vez disso, ser realizadas por um ou mais módulos de software sendo executados, por exemplo, em uma unidade de processamento do controlador 314 (tal como em um processador de uso geral ou um DSP).

[0055] Em algumas implementações, além do sistema de sensoriamento 300, o dispositivo móvel 310 pode incluir um processador separado 320, tal como um processador de aplicações, uma memória 322, uma interface 316 e uma fonte de alimentação 324. Em algumas implementações, o controlador 314 do sistema de sensoriamento 300 pode controlar o arranjo de sensores ultrassônicos 312 e o módulo de processamento de imagem 318, e o processador 320 do dispositivo móvel 310 pode controlar outros componentes do dispositivo móvel 310. Em algumas implementações, o processador 320 pode comunicar dados ao controlador 314 incluindo, por exemplo, instruções ou comandos. Em algumas de tais implementações, o controlador 314 pode comunicar dados ao processador 320, incluindo, por exemplo, informação de imagem bruta ou processada. Deve-se entender ainda que, em algumas outras implementações, a funcionalidade do controlador 314 pode ser implementado inteiramente, ou pelo menos parcialmente, pelo processador 320. Em algumas tais implementações, um controlador separado 314 para o sistema de sensoriamento 300 pode não ser necessário, uma vez que as funções do controlador 314 podem ser executadas pelo processador 320 do dispositivo móvel 310.

[0056] Dependendo da implementação, um dentre o controlador 314 e o processador 320, ou ambos, podem armazenar dados na memória 322. Por exemplo, os dados armazenados na memória 322 podem incluir informação de imagem medida bruta, informação de imagem filtrada ou processada de alguma outra forma, PSF estimado ou informação de imagem estimada, e PSF final refinado ou informação de imagem refinada final. A memória 322 pode armazenar código executável por processador ou outras instruções legíveis por computador executáveis capazes de execução por um ou ambos do controlador 314 e do controlador 320 para realizar várias operações (ou para fazer com que outros componentes, tal como o arranjo de sensores ultrassônicos 312, o módulo de processamento de imagem 318, ou outros módulos, executem operações), inclusive qualquer um dos cálculos, cálculos computacionais, estimações ou outras determinações descritas aqui (incluindo aquelas apresentadas em qualquer uma das equações a seguir). Deve-se entender ainda que a memória 322 pode se referir coletivamente a um ou mais dispositivos de memória (ou "componentes”). Por exemplo, dependendo da implementação, o controlador 314 pode precisar acessar e armazenar dados em um dispositivo de memória diferente além do processador 320. Em algumas implementações, um ou mais dos componentes de memória podem ser implementados como uma matriz de memória Flash baseada em NOR ou NAND. Em algumas outras implementações, um ou mais dos componentes de memória podem ser implementados como um tipo diferente de memória não-volátil. Adicionalmente, em algumas implementações, um ou mais dos componentes de memória podem incluir uma matriz de memória volátil, tal como, por exemplo, um tipo de RAM.

[0057] Em algumas implementações, o controlador 314 ou o processador 320 pode comunicar dados armazenados na memória 322 ou dados recebidos diretamente a partir do módulo de processamento de imagem 318 através de uma interface 316. Por exemplo, tais dados comunicados podem incluir informação de imagem ou dados derivados ou de alguma outra forma determinados a partir da informação de imagem. A interface 316 pode se referir coletivamente a uma ou mais interfaces de um ou mais vários tipos. Em algumas implementações, a interface 316 pode incluir uma interface de memória para receber dados a partir de ou armazenar dados em uma memória externa, tal como um dispositivo de memória removível. Adicionalmente ou como alternativa, a interface 316 pode incluir uma ou mais interfaces de rede sem fio ou uma ou mais interfaces de rede com fio que possibilitam a transferência de dados brutos ou processados, bem como a recepção de dados a partir de um dispositivo de computação, sistema ou servidor externo.

[0058] Uma fonte de alimentação 324 pode fornecer energia a alguns ou todos os componentes no dispositivo móvel 310. A fonte de alimentação 324 pode incluir um ou mais de uma variedade de dispositivos de armazenamento de energia. Por exemplo, a fonte de alimentação 324 pode incluir uma bateria recarregável, tal como uma bateria de níquel-cádmio ou uma batera de íons de lítio. Adicionalmente ou como alternativa, a fonte de alimentação 324 pode incluir um ou mais supercapacitores. Em algumas implementações, a fonte de alimentação 324 pode ser carregável (ou “recarregável”) usando a energia acessada a partir de, por exemplo, uma tomada de parede (ou “Tomada”) ou um dispositivo fotovoltaico (ou “célula solar” ou “arranjo de células solares”) integrado com o dispositivo móvel 310. Adicionalmente, ou como alternativa, a fonte de alimentação 324 pode ser carregável sem o uso de fio.

[0059] Como usado aqui posteriormente, o termo “unidade de processamento” refere-se a qualquer combinação de um ou mais de um controlador de um sistema ultrassônico (por exemplo, o controlador 314), um módulo de processamento de imagem (por exemplo, o módulo de processamento de imagem 318), ou a um processador separado de um dispositivo que inclui o sistema ultrassônico (por exemplo, o processador 320). Em outras palavras, as operações que são descritas abaixo como sendo realizadas por ou usando uma unidade de processamento podem ser executadas por um ou mais de um controlador do sistema ultrassônico, um módulo de processamento de imagem ou um processador separado de um dispositivo que inclui o sistema de sensoriamento.

[0060] Como descrito acima, o arranjo de sensores ultrassônicos pode ser configurado para operar em um modo estático, não-ultrassônico, para detectar a força de um dedo ou outro objeto exercendo pressão sobre o sensor. Uma vez que a presença de um dedo seja detectada, a impressão digital pode ser representada em imagem de forma ultrassônica pelo sensor e um usuário é autenticado. A Figura 4A mostra um exemplo de um fluxograma ilustrando um processo 400 para detecção de força/toque, geração de imagem de impressão digital, e autenticação usando um sistema de sensor incluindo um arranjo de sensores ultrassônicos de acordo com certas implementações. Deve-se observar, em relação à Figura 4A, bem como em relação à Figura 4B abaixo, que as funções que são executadas independentemente da detecção de força/toque (por exemplo, rotinas ou aplicativos) não são ilustradas por clareza.

[0061] O processo 400 começa no bloco 402 com a medição da força estática Fstatic no próximo evento de amostragem. Exemplos de taxas de amostragem podem variar de menor de cerca de 5 eventos por segundo a 20 eventos por segundo ou mais. A força estática pode ser medida para um ou mais elementos de sensor no arranjo de sensores ultrassônicos, como descrito acima com relação à Figura 1C, para um único elemento de sensor PMUT. O processo 400 continua em um bloco de decisão 404, onde a força estática medida Fstatic é comparada com um nível de força limiar de ativação, Fon,min. Em um exemplo, o nível limiar de ativação pode ser de 20 gramas-força (gf). Entretanto, entende-se que o nível limiar de ativação pode depender de um sensor, dispositivo e/ou usuário específico. Em algumas implementações, um nível limiar de ativação específico do usuário pode ser determinado durante um processo de registro. Se a força estática medida for menor do que o nível limiar de ativação, o processo 400 retorna ao bloco

402. Se a força estática medida for maior do que ou igual ao nível limiar de ativação, um toque de dedo é detectado e pode-se entrar em uma condição de dedo pressionado. A condição de dedo pressionado pode ser acionada quando a força medida do dedo ultrapassa o nível limiar de ativação, também chamado de nível limiar de dedo pressionado. O processo 400 continua então no bloco 406 com a execução de operações de ativação devido à detecção do toque de dedo. Por exemplo, referindo-se novamente à Figura 3B, o processador 320 pode ser ativado a partir de um modo de hibernação ou desligado pelo controlador 314. Em algumas implementações, um controlador ou processador de aplicações também pode ativar um meio de exibição. Em algumas implementações, entrar na condição de dedo pressionado pode incluir ativar pelo menos uma parte do dispositivo móvel (tal como uma parte do processador de aplicações ou uma parte do meio de exibição) quando a força medida do dedo ultrapassa o limiar de dedo pressionado. O processo então continua no bloco 420 com a geração de imagem ultrassônica da impressão digital. O bloco 420 pode ser realizado como descrito acima com relação à Figura 1D e à Figura 2. O processo 400 continua no bloco 422 com a execução de um processo de autenticação. O bloco 422 pode envolver determinar se a impressão digital representada em imagem no bloco 420 pertence a um usuário registrado.

[0062] Em algumas implementações, o sensor pode detectar quando um dedo é levantado do sensor e modificar as operações de um dispositivo móvel em função disto. A Figura 4B mostra um exemplo de um fluxograma ilustrando um processo 401 para detecção de força/toque, detecção de levantamento de dedo, geração de imagem de impressão digital, e autenticação usando um sistema de sensor incluindo um arranjo de sensores ultrassônicos como descrito aqui.

[0063] O processo 401 começa com os blocos 402, 404 e 406 executados como descrito acima em relação à Figura 4A. Após um toque de dedo de força mínima ser detectado e uma ou mais operações de ativação serem ativadas ou de alguma outra forma executadas no bloco 406, o processo 401 continua no bloco 408 com a medição da força estática. A taxa de amostragem para o bloco 408 pode ser a mesma ou diferente para o bloco 402. O processo 401 continua em um bloco de decisão 410, onde a força estática medida Fstatic é comparada com um nível de força limiar de desativação, Foff,max.

O nível limiar de desativação é tipicamente menor do que o nível limiar de ativação.

Em um exemplo, um nível limiar de desativação pode de 10 gf ou 10 gf menor do que o nível limiar de ativação.

Entretanto, entende-se que um nível limiar de desativação pode depender do sensor, dispositivo e/ou usuário envolvido específico.

Em algumas implementações, um nível limiar de desativação específico do usuário pode ser determinado durante um processo de registro.

Se a força estática medida for menor do que o nível limiar de desativação, um levantamento de dedo é detectado e pode-se entrar em uma condição de dedo levantado . Pode-se entrar na condição de dedo levantado quando a força medida do dedo é menor do que o nível limiar de desativação, também chamado de nível limiar de dedo levantado.

O processo 401 então continua no bloco 412 com operações de modificação devido à detecção do levantamento de dedo, tal como reduzir a taxa de amostragem na qual a força estática do dedo é medida.

O processo pode então retornar ao bloco 402. Se a força estática medida não for menor do que o nível limiar de desativação, o processo 401 continua no bloco 414 com a medição da força estática no próximo evento de amostragem.

A taxa de amostragem para o bloco 414 pode ser a mesma ou diferente para o bloco 402 ou o bloco 408. O processo 401 continua em um bloco de decisão 416, onde a força estática medida Fstatic é comparada com um nível de força limiar de geração de imagem, Fimage,min.

O nível limiar mínimo de geração de imagem pode ser a força mínima na qual a geração de imagem ultrassônica de uma impressão digital pode ser realizada para obter uma imagem suficientemente precisa e detalhada para autenticação. Se a força estática for menor do que o nível limiar mínimo de geração de imagem, o processo pode retornar ao bloco 408 para determinar se um dedo foi levantado.

[0064] Se a força estática medida no bloco 416 for maior do que ou igual ao nível mínimo limiar de geração de imagem, o processo 401 continua em um bloco de decisão 418, onde a força estática medida Fstatic é comparada com um nível limiar máximo de geração de imagem, Fimage,max. O nível limiar máximo de geração de imagem pode ser a força máxima na qual a geração de imagem ultrassônica de uma impressão digital pode ser realizada para obter uma imagem suficientemente precisa e detalhada para autenticação. Se a força estática for maior do que o nível limiar máximo de geração de imagem, o processo pode retornar ao bloco 414 e pode-se entrar em uma condição máxima de dedo representável em imagem. Pode-se entrar na condição máxima de dedo representável em imagem quando a força medida do dedo for maior do que o nível limiar máximo de geração de imagem, também chamado de nível limiar máximo de geração de imagem de dedo. Se a força estática for menor do que ou igual ao nível limiar máximo de geração de imagem e a força estática for maior do que o nível limiar mínimo de geração de imagem, o processo 401 pode entrar em uma condição de dedo representável em imagem e continua com a geração de imagem de impressão digital ultrassônica no bloco 420 e executando um processo de autenticação no bloco 422, como descrito acima com respeito à Figura 4A. Pode-se entrar na condição de dedo representável em imagem quando a força medida do dedo for maior do que o nível limiar mínimo de geração de imagem, também chamado de nível limiar mínimo de dedo representável em imagem. Em algumas implementações, pode-se entrar na condição de dedo representável em imagem quando a força medida do dedo for maior do que o nível limiar mínimo de dedo representável em imagem e menor do que o nível limiar máximo de dedo representável em imagem. Em algumas implementações, o nível limiar mínimo de dedo representável em imagem pode ser igual ou maior do que o nível limiar de dedo pressionado.

[0065] Em um exemplo, um nível limiar mínimo de geração de imagem pode ser de 40 gf e um nível limiar máximo de geração de imagem pode ser de 80 gf. Entretanto, entende-se que esses níveis limiares podem depender do sensor, dispositivo e/ou usuário específico. Em algumas implementações, os níveis limiares de geração de imagem específicos ao usuário podem ser determinados durante um processo de registro. Em algumas implementações, pode não haver um nível limiar máximo de geração de imagem com o processo 401 procedendo diretamente a partir do bloco 416 para o bloco 420.

[0066] Em algumas implementações, é realizado um processo de registro no qual uma força de dedo aplicada é medida. Uma gama de imagens de diferentes forças pode ser armazenada como parte do processo de registro, por exemplo, imagem 1 a 40 gf, imagem 2 a 50 gf, etc., e a força medida do dedo pode ser armazenada como parte de um ou mais modelos de registro que incluem a informação de imagem de impressão digital associada. Durante um processo de autenticação subsequente, a força do dedo representado em imagem pode ser comparada com a força de dedo armazenada dos modelos de registro usando um método de comparação com classificação por força. Por exemplo, se uma impressão digital for representada em imagem a uma força de dedo de 50 gf, um modelo de registro possuindo uma força de dedo em ou próximo de 50 gf pode ser usado primeiro durante o processo de autenticação numa tentativa de vitrificar se o usuário é um usuário registrado.

[0067] A Figura 5A é um exemplo de um diagrama 500 ilustrando a força do dedo aplicada versus tempo para detecção de toque de dedo e eventos de detecção de levantamento de dedo de um sensor de impressão digital operando em um modo de detecção de força não-ultrassônica. Dez eventos de amostragem, t1 a t10, são ilustrados, cada um possuindo uma duração de tsample. O nível limiar de ativação, Fon,min, e o nível limiar de desativação, Foff,max, são indicados no eixo y. Em 502, entre os eventos de amostragem t2 e t3, um dedo começa a tocar o sensor de impressão digital. Em 504, à medida que o dedo continua pressionando, a força do dedo aplicada é maior do que o nível limiar de ativação, Fon,min. Então, em 506, a força aplicada do dedo é medida como sendo maior do que o nível limiar de ativação, Fon,min, indicando uma detecção de toque de força mínima, que inicializa as operações de ativação, e pode enviar um sinal de ativação a um processador de aplicações para ativar uma ou mais operações de ativação. As operações de ativação e continuadas 520 do dispositivo, que podem incluir realizar operações de geração de imagem e autenticação, são realizadas. Entre t6 e t7, o dedo começa a levantar. Em 508, a força do dedo aplicada é menor do que o nível limiar de desativação Foff,max. O dedo é levantado do dispositivo em 510, o que é detectado em 512, o próximo evento de amostragem. As operações continuadas 522 podem ser realizadas, tal como amostragem em um modo de detecção de força não-ultrassônica e execução de aplicativos em segundo plano. Em algumas implementações, pode-se entrar na condição de dedo pressionado em 506, quando a força medida do dedo ultrapassa o nível limiar de dedo pressionado (Fon,min). Pode-se entrar na condição de dedo levantado quando a força aplicada do dedo é medida e determinada em 512 como sendo menor do que o nível limiar de dedo levantado (Foff,max).

[0068] A Figura 5B é um exemplo de um diagrama 501 ilustrando a força do dedo aplicada versus tempo para a geração de imagem realizada por um sensor de impressão digital operando em um modo de geração de imagem ultrassônica. Os eventos 502-512 relacionados à detecção de toque de dedo e detecção de levantamento de dedo, como descrito acima com relação à Figura 5A, são ilustrados no diagrama 501, embora se deva observar que alguns ocorrem em eventos de amostragem diferentes em relação ao no exemplo da Figura 5A.

[0069] O nível limiar mínimo de geração de imagem, Fimage,min, e o nível limiar máximo de geração de imagem, Fimage,max, são indicados no eixo y. No exemplo da Figura 5B, em 514, a força do dedo aplicada é medida como sendo maior do que o nível limiar mínimo de geração de imagem, Fimage.min. Isto inicializa uma operação de aquisição de imagem 526 com o sensor de impressão digital operando no modo de geração de imagem ultrassônica para adquirir ou obter imagens ultrassônicas e/ou informação de imagem de impressão digital do dedo. Um processo de autenticação 528 é então realizado. As operações continuadas 525 podem então ser realizadas. Se a impressão digital for autenticada, as operações continuadas 524 podem incluir executar vários aplicativos em um dispositivo móvel. No exemplo da Figura 5B, as operações continuadas 522, tal como amostragem em um modo de detecção de força não-ultrassônica, podem continuar durante as operações continuadas 524, entretanto, em algumas implementações, a amostragem no modo de detecção de força não-ultrassônica pode não continuar se o dispositivo estiver sendo usado ativamente após a autenticação. Em algumas implementações, pode-se entrar em uma condição de dedo representável em imagem em 514, com o dedo representado em imagem quando a força medida do dedo excede o nível limiar mínimo de dedo representável em imagem (Fimage,min) e, em algumas implementações, também é menor do que o nível limiar máximo de dedo representável em imagem (Fimage,max).

[0070] A Figura 6 é um exemplo de um diagrama 600 ilustrando um modo de detecção de força/toque não- ultrassônico e um modo de geração de imagem ultrassônica de um sensor de impressão digital versus força do dedo aplicada. O nível limiar de ativação Fon,min, o nível limiar de desativação Foff,max, o nível limiar mínimo de geração de imagem Fimage,min e o nível limiar máximo de geração de imagem Fimage,max são indicados. Deve-se observar que os níveis limiares associados à força aplicada são ilustrativos. No cenário ilustrado, um mínimo de 20 gf (Fon,min) é necessário para detecção de toque de dedo de força mínima e menor do que 10 gf (Foff,max) para detecção de levantamento de dedo. Um mínimo de 40 gf (Fimage,min) é necessário para geração de imagem de impressão digital. Acima de 80 gf de força aplicada (Fimage,max), a geração de imagem pode ser interrompida. Entretanto, como descrito acima com respeito às Figuras 4A e 4B, esses níveis limiares podem variar com base em um ou mais dentre o sistema de sensor, dispositivo ou usuário específicos.

[0071] No exemplo da Figura 6, o sensor de impressão digital pode estar em um modo de imagem ultrassônica 602 somente quando a força do dedo aplicada estiver entre 40 gf e 80 gf, os níveis limiares de geração de imagem mínimo e máximo, respectivamente. Como indicado acima com respeito à Figura 4B, em algumas implementações, pode não haver um nível limiar máximo de geração de imagem. Além disso, no exemplo da Figura 6, o modo de detecção de força/toque não-ultrassônico 604 pode ser implementado em todas as forças de dedo aplicadas. Deve-se observar que, entre 40 gf e 80 gf, o sensor de impressão digital pode estar ou no modo de geração de imagem ultrassônica 602 ou no modo de detecção de força não-ultrassônica 604. Por exemplo, se uma impressão digital não tiver sido representada como imagem ou autenticada, o modo de geração de imagem ultrassônica pode ser ativado quando a força aplicada do dedo é medida como estando dentro de 40 gf e 80 gf. No entanto, se uma impressão digital já tiver sido autenticada e o dispositivo estiver em uso, o sensor de impressão digital pode estar no modo de detecção não- ultrassônica neste intervalo de força de dedo aplicada para determinar, por exemplo, se o dedo foi ou não levantado. Como indicado acima, em algumas implementações, o modo de detecção não-ultrassônico pode ser empregado somente quando o dispositivo está em um modo de hibernação ou então desligado.

[0072] Em algumas implementações, um elemento de sensor PMUT pode incluir uma estrutura de gás de elétrons bidimensional (2D), tal como um transistor a gás 2D que é sensível à deformação. Uma estrutura de gás de elétrons 2D pode ser disposta em ou fabricada com um diafragma de um elemento de sensor PMUT. Um modo de detecção de força não-ultrassônica pode empregar um sinal de deslocamento estático a partir da estrutura de gás de elétrons 2D indicando um grau de deformação devido a um deslocamento estático do diafragma e que corresponde à força aplicada. Exemplos de estruturas de gás de elétrons 2D (por exemplo, “gás de elétrons bidimensional” ou “1DEG”) que podem ser empregadas incluem estruturas de transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT). Em um exemplo específico, heteroestruturas de nitreto de alumínio- gálio/nitreto de gálio (AlGaN/GaN) incluindo transistores de AlGaN/GaN e diodos Schottky de AlGaN/GaN podem ser empregadas.

[0073] As Figuras 7A-7C ilustram um exemplo de um elemento de sensor PMUT 700 que inclui uma estrutura de gás de elétrons 2D. A Figura 7A ilustra uma vista lateral do elemento de sensor PMUT; A Figura 7B ilustra uma vista superior do elemento de sensor PMUT; e a Figura 7C é um diagrama esquemático de um circuito equivalente do elemento de sensor PMUT 700 ilustrado nas Figuras 7A e 7B.

[0074] O elemento de sensor PMUT 700 é similar ao representado nas Figuras 1A a 1D, com a adição de uma estrutura de gás de elétrons 2D 740, que é formada em uma região externa da camada mecânica 730 do diafragma PMUT. Uma vista ampliada de um exemplo de uma estrutura de gás de elétrons 2D 740 é ilustrada na Figura 7D. O diafragma PMUT inclui uma pilha de camada piezoelétrica 710 e uma camada mecânica 730 suportada por uma estrutura de fixação 770 sobre uma cavidade 720. A cavidade 720 pode ser formada no ou sobre um substrato 760.

[0075] A pilha de camada piezoelétrica 710 inclui uma camada piezoelétrica 715, um eletrodo inferior 712 e um eletrodo superior 714. O eletrodo superior 714, na implementação ilustrada, também pode ser chamado de eletrodo interno, uma vez que é disposto sobre uma parte interna do diafragma deformável.

[0076] Um circuito equivalente do elemento de sensor PMUT 700 é ilustrado na Figura 7C. Cada um dos terminais ilustrados pode ser conectado ao conjunto de circuitos de transceptor, com a estrutura de gás de elétrons 2D usada durante o modo de detecção de força não-

ultrassônica e/ou no modo de geração de imagem ultrassônica. A estrutura de gás de elétrons 2D sensível à deformação pode ser usada para detectar vibrações ou outras deformações dinâmicas em vez de ou além da detecção de deflexões estáticas. Por exemplo, em algumas implementações, a pilha de camada piezoelétrica 710 pode ser configurada para excitar o diafragma e gerar ondas ultrassônicas, enquanto que a estrutura de gás de elétrons 2D serve de elemento receptor para detectar ondas ultrassônicas refletidas. Em tais implementações, o eletrodo superior 714 pode ser configurado como um eletrodo de acionamento e a estrutura de gás de elétrons 2D 740 pode ser configurada como um eletrodo de sentido. De maneira similar, em algumas implementações, o eletrodo superior 714 pode ser configurado como um eletrodo de sentido e a estrutura de gás de elétrons 2D 740 configurada como um eletrodo de acionamento.

[0077] A Figura 7D ilustra uma vista lateral de um exemplo de uma estrutura de gás de elétrons 2D 740 que pode ser implementada com ou sem os elementos de sensor PMUT descritos aqui. No exemplo da Figura 7D, a estrutura de gás de elétrons 2D 740 é um transistor de AlGaN/GaN que inclui uma camada tampão de GaN 782, uma camada de corpo de GaN 784, uma camada dielétrica de porta de AlGaN 786, uma pilha de fonte (S) 788, e uma pilha de porta (G) 792. Em um exemplo, a pilha de fonte 788 e a pilha de dreno 790 podem ser pilhas de titânio / alumínio / níquel / ouro (Ti/Al/Ni/Au) e a pilha de porta 792 pode ser uma pilha de Ni/Au. Uma camada de passivação (não ilustrada), tal como nitreto de silício (SiN) ou outro material dielétrico apropriado, pode ser depositada por conformação sobre a estrutura de gás de elétrons 2D 740. As interconexões metálicas (não ilustradas) propiciam conexões entre a pilha de fonte 788, a pilha de dreno 790, a pilha de porta 792 e o conjunto de circuitos de controlador apropriado.

[0078] A estrutura de gás de elétrons 2D 740 pode ser formada na camada mecânica 730 de um elemento de sensor PMUT 700 por técnicas de processamento de filme fino convencionais, tal como deposição química de organometálicos em fase vapor (MOCVD) ou deposição por epitaxia por feixe molecular (MBE), padronagem litográfica e corrosão química (etching). Em algumas implementações, uma estrutura de gás de elétrons 2D pode ser fabricada durante a fabricação da camada mecânica de um elemento de sensor PMUT, formando uma parte integral da camada mecânica.

[0079] Em algumas implementações, uma estrutura de gás de elétrons 2D pode ser formada em ou com um diafragma que não é um transdutor ultrassônico para formar um elemento de sensor não-ultrassônico. Estruturalmente, tal elemento de sensor pode ser similar ao ilustrado na Figura 7A, incluindo a estrutura de gás de elétrons 2D 740 em uma camada mecânica 730, isto é, suspensa sobre uma cavidade 720. Uma pilha de camada piezoelétrica 710 pode ou não estar presente. Como discutido em mais detalhes abaixo, um elemento de sensor não-ultrassônico incluindo uma estrutura de gás de elétrons 2D em um diafragma pode ser incorporada em um arranjo de sensores ultrassônicos que inclui elementos de sensor PMUT. Em algumas implementações, um elemento de sensor não- ultrassônico incluindo uma estrutura de gás de elétrons 2D em um diafragma ou outra estrutura, tal como uma viga em cantiléver, pode ser incorporado em qualquer arranjo de sensores apropriado ou de alguma outra forma usado para oferecer detecção de força altamente sensível.

[0080] As Figuras 8 a 13 ilustram exemplos de várias configurações de arranjos de sensores ultrassônicos que são configurados para comutar entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica. Em algumas implementações, apenas um subconjunto de elementos de sensor PMUT em um arranjo de elementos de sensor PMUT é usado para detecção de força no modo de detecção de força não-ultrassônica. Isso se deve ao fato de que, em algumas implementações, medições de força precisas podem ser obtidas usando apenas um subconjunto dos elementos de sensor PMUT.

[0081] A Figura 8 ilustra um exemplo de um arranjo de sensores ultrassônicos 800 incluindo elementos de sensor PMUT 802 e elementos de sensor PMUT 804 formados em um substrato 860. Os elementos de sensor PMUT 802 são ilustrados como elementos de sensor PMUT circulares. Exemplos de elementos de sensor PMUT circulares são descritos com referência às Figuras 1A a 1D, acima, e com referência às Figuras 14A a 14C, abaixo. Será entendido que esses elementos de sensor PMUT podem ter qualquer forma apropriada. Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT 802 não são usados para detecção de força no modo de detecção de força não-ultrassônica.

Os elementos de sensor PMUT 804 são maiores do que os elementos de sensor PMUT 802 e são ilustrados como retangulares.

Exemplos de elementos de sensor PMUT retangulares são descritos abaixo com referência às Figuras 15A a 15C e às Figuras 16A a 16C.

Será entendido que esses elementos de sensor PMUT podem ter qualquer forma e tamanho apropriado.

Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT 804 que são usados para detecção de força não-ultrassônica podem ser maiores do que os elementos de sensor PMUT 802 que são usados somente para geração de imagem ultrassônica.

Os elementos de sensor PMUT 804, usados durante o modo de detecção de força não-ultrassônica para detectar a força aplicada como descrito acima, estão localizados na periferia do arranjo de sensores ultrassônicos 800. Ao colocar os elementos de sensor PMUT 804 usados para detecção de força em torno da periferia, o arranjo de sensores eletrônicos pode ser usado para detecção de centralização.

Embora somente os elementos de sensor PMUT 804 sejam usados para detecção de força não-ultrassônica, tanto os elementos de sensor PMUT 802 quanto os elementos de sensor PMUT 804 podem ser usados para geração de imagem ultrassônica, como descrito acima em relação à Figura 2. Ou seja, os elementos de sensor PMUT 804 podem ser inicialmente usados para detectar estaticamente a força de um pressionamento de dedo e então serem comutados para um modo ultrassônico para geração de imagem ultrassônica em algumas implementações.

Em implementações alternativas, os elementos de sensor PMUT 804 podem ser usados somente para detecção de força, com somente os elementos de sensor PMUT 802 usados para geração de imagem ultrassônica. Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT 804 próximos à periferia do arranjo de sensores ultrassônicos 800 podem ser usados para controle de cursor, ponteiro ou ícone, ou para navegação em tela em um meio de exibição de um dispositivo móvel.

[0082] A Figura 9 ilustra um exemplo de um arranjo de sensores ultrassônicos 900 incluindo elementos de sensor PMUT 902 e elementos de sensor PMUT 904 formados em um substrato 960. Os elementos de sensor PMUT 904, que estão na periferia do arranjo formando a borda mais externa do arranjo, podem ser usados exclusivamente para detecção de força não-ultrassônica ou tanto para detecção de força não-ultrassônica quanto para geração de imagem ultrassônica. Os elementos de sensor PMUT 902, localizados no interior do arranjo, podem ser usados para geração de imagem ultrassônica e podem ou não ser usados para detecção de força não-ultrassônica em algumas implementações.

[0083] Em algumas implementações, os elementos de sensor PMU 904 incluem estruturas de gás de elétrons 2D para detecção de força. Em algumas implementações, os elementos de sensor 904 podem incluir pilhas de camada piezoelétrica, estruturas de gás de elétrons 2D, ou tanto as pilhas de camada piezoelétrico quanto as estruturas de gás de elétrons 2D. Exemplos de elementos de sensor PMUT que incluem estruturas de gás de elétrons 2D são descritos acima com relação às Figuras 7A a 7D e adicionalmente abaixo com relação às Figuras 17A a 17C. Nas implementações em que os elementos de sensor PMUT 902 não são usados para detecção de força, os elementos de sensor 902 podem ou não incluir estruturas de gás de elétrons 2D. Nas implementações em que os elementos de sensor PMUT 904 são usados para detecção de força não-ultrassônica, tanto os elementos de sensor PMUT 902 quanto os elementos de sensor PMUT 904 podem ser usados para geração de imagem ultrassônica. Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT 904, com ou sem estruturas de gás de elétrons 2D, podem ser usados para controle de cursor, navegação de tela, e para fins de controle.

[0084] A Figura 10 ilustra um exemplo de um arranjo de sensores ultrassônicos 1000 incluindo elementos de sensor PMUT 1002 e elementos de sensor PMUT 1004 formados em um substrato 1060. Os elementos de sensor PMUT 1004, que estão localizados na periferia do arranjo e a partir da borda mais externa do arranjo, podem ser usados para detecção de força não-ultrassônica ou geração de imagem ultrassônica, ou ambas. Os elementos de sensor PMUT 1002, localizados no interior do arranjo, podem ser usados para geração de imagem ultrassônica e não para detecção de força não-ultrassônica em algumas implementações. Como na Figura 8, os elementos de sensor PMUT 1004 são retangulares e maiores do que os elementos de sensor PMUT 1002. Os elementos de sensor PMUT 1004 podem ser usados, em algumas implementações, para controle de cursor, navegação de tela, e para fins de controle.

[0085] A Figura 11 ilustra um exemplo de um arranjo de sensores ultrassônicos 1100 incluindo elementos de sensor PMUT 1102 e elementos de sensor PMUT 1104 formados em um substrato 1160. Os elementos de sensor PMUT 1104, que estão localizados na periferia do arranjo e formam a borda mais externa do arranjo, podem ser usados para detecção de força não-ultrassônica e podem ou não ser usados para geração de imagem ultrassônica. Os elementos de sensor PMUT 1102, localizados no interior do arranjo, podem ser usados para geração de imagem ultrassônica e podem ou não ser usados para detecção de força não-ultrassônica em algumas implementações. Como na Figura 8, os elementos de sensor PMUT 1004 são retangulares e maiores do que os elementos de sensor PMUT 1002. No exemplo da Figura 11, os elementos de sensor 110 podem oferecer controle de cursor ou ponteiro x e y, com os elementos de sensor 1110 fornecendo controle de cursor x ou ponteiro x e os elementos de sensor 1108 fornecendo controle de cursor y ou ponteiro y.

[0086] A Figura 12 ilustra um exemplo de um arranjo de sensores ultrassônicos 1200 incluindo elementos de sensor PMUT 1204 formados em um substrato 1260. No exemplo da Figura 12, um subconjunto ou todos os elementos de sensor PMUT 120 no arranjo pode ser usado tanto para detecção de força não-ultrassônica quanto para geração de imagem ultrassônica. Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT 1204 podem incluir estruturas de gás de elétrons 2D como descrito, por exemplo, com as Figuras 7A a 7D e 17A e 17C junto com as pilhas de camada piezoelétrica. Em algumas implementações, os elementos de sensor PMUT 1204 podem não incluir estruturas de gás de elétrons 2D como descrito, por exemplo, com referência às Figuras 1A a 1E, às Figuras 14A a C, às Figuras 15A a 15C e às Figuras 16A a 16C.

[0087] Como indicado acima, em algumas implementações, uma estrutura de gás de elétrons 2D pode ser formada em ou com um diafragma que não serve de transdutor ultrassônico para formar um elemento de sensor não-ultrassônico. A Figura 13 ilustra um exemplo de um arranjo de sensores ultrassônicos 1300 incluindo elementos de sensor PMUT 1302 formados em um substrato 1360 e elementos de sensor de força não-ultrassônica 1306 que incluem estruturas de gás de elétrons 2D em diafragmas. Em algumas implementações, cada elemento de sensor PMUT 1302 no arranjo de sensores ultrassônicos 1300 pode ter um elemento de sensor de força não-ultrassônica 1306 correspondente em estreita proximidade. Em algumas implementações, tal como ilustrado na Figura 13, cada elemento de sensor 1302 pode incluir uma pilha de camada piezoelétrica e cada elemento de sensor 1306 pode incluir uma estrutura de gás de elétrons 2D.

[0088] Os arranjos de sensores eletrônicos representados nas Figuras 8 a 13 podem ser configurados como um botão “home” de um dispositivo móvel ou como um sensor de impressão digital independente. Além disso, eles podem ser implementados em mouses tridimensionais (3D) e em dispositivos hápticos.

[0089] As Figuras 14A a 17D ilustram exemplos de elementos de sensor PMUT que podem ser implementados em um arranjo de sensores ultrassônicos de acordo com várias implementações. As Figuras 14A e 14B ilustram vistas laterais de um exemplo de um elemento de sensor PMUT de três portas 1400 operando em um modo de detecção de força não-ultrassônica e em um modo de geração de imagem ultrassônica, respectivamente. A Figura 14C mostra uma vista superior do elemento de sensor PMUT 1400 ilustrado nas Figuras 14A e 14B. A Figura 14D mostra um circuito equivalente para o elemento de sensor PMUT ilustrado nas Figuras 14A e 14B. O elemento de sensor PMUT 1400 inclui uma pilha de camada piezoelétrica 1410 e uma camada mecânica 1430 disposta de modo a formar um diafragma deformável suportado por uma estrutura de fixação 1470 sobre uma cavidade 1420. A cavidade 1420 pode ser formada no ou sobre um substrato 1460. A pilha de camada piezoelétrica 1410 inclui uma camada piezoelétrica 1415, um eletrodo inferior 1412 e dois eletrodos superiores: um eletrodo interno 1414 e um eletrodo externo 1413.

[0090] Na implementação ilustrada, o eletrodo interno 1414, o eletrodo externo 1413 e o eletrodo inferior 1412 podem ser eletricamente acoplados ao conjunto de circuitos de transceptor e podem funcionar como eletrodos separados fornecendo transmissão de sinal, recepção de sinal, e uma referência em comum ou terra. Esta disposição possibilita que a temporização dos sinais de transmissão (Tx) e recepção (Tx) seja independente um do outro. Mais especificamente, a disposição ilustrada possibilita a transmissão e recepção substancialmente simultâneas dos sinais entre o elemento de sensor de transdutor ultrassônico piezoelétrico (PMUT) 1400 e o conjunto de circuitos de transceptor.

[0091] A Figura 14A é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1400 com deslocamento estático devido a uma força aplicada. Como descrito acima com respeito à Figura 1C, em operação, a pilha de camada piezoelétrica 1410 e a camada mecânica 1430 pode ser forçada a se curvar em resposta a uma força aplicada, que o elemento de sensor PMUT converte em um sinal elétrico que pode ser lido pelo conjunto de circuitos de transceptor.

[0092] A Figura 14B é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1400 com deslocamento dinâmico devido à geração e detecção de ondas ultrassônicas. Como descrito acima com respeito à Figura 1D, durante a operação em um modo de geração de imagem ultrassônica, a pilha de camada piezoelétrica 1410 e a camada mecânica 1430 podem ser forçadas a se curvar e vibrar em resposta a uma tensão de excitação variável com o tempo aplicada através do eletrodo interno 1414 e/ou eletrodo externo 1413 pelo conjunto de circuitos de transceptor. Como resultado, uma ou mais ondas de pressão ultrassônicas possuindo frequências em uma banda de frequências ultrassônicas podem ser propagadas para o ar, uma placa, uma lâmina de vidro, um envoltório de dispositivo, ou outro meio de propagação que se sobrepõe ao elemento de sensor PMUT 1400. A pilha de camada piezoelétrica 140 pode similarmente receber ondas de pressão ultrassônicas refletidas a partir de um objeto no meio de propagação, e converter as ondas de pressão ultrassônicas recebidas em sinais elétricos que podem ser lidos pelo conjunto de circuitos de transceptor.

[0093] Os elementos de sensor PMUT podem ter várias geometrias, incluindo, mas não limitado a geometrias circulares e retangulares. Em algumas modalidades, um arranjo ultrassônico pode incluir elementos de sensor PMUT possuindo diferentes geometrias.

[0094] Por exemplo, como descrito acima em relação às Figuras 10 e 11, os elementos de sensor PMUT que são usados para detecção de força não-ultrassônica, bem como para geração de imagem ultrassônica, podem ter uma geometria diferente dos elementos de sensor PMUT que são usados somente para geração de imagem ultrassônica. As Figuras 15A e 15B ilustram vistas laterais de um exemplo de um elemento de sensor PMUT de duas portas 1500 possuindo uma geometria retangular operando em um modo de detecção de força não-ultrassônica e em um modo de geração de imagem ultrassônica, respectivamente. A Figura 15C mostra uma vista superior do elemento de sensor PMUT 1500 ilustrado nas Figuras 15A e 15B. A Figura 15D mostra um circuito equivalente para o elemento de sensor PMUT ilustrado nas Figuras 15A e 15B.

[0095] O elemento de sensor PMUT 1500 inclui uma pilha de camada piezoelétrica 1510 e uma camada mecânica 1530 disposta de modo a formar um diafragma deformável suportado por uma estrutura de fixação 1570 sobre uma cavidade 1520. A cavidade 1520 pode ser formada no ou sobre um substrato 1560. A pilha de camada piezoelétrica 1510 inclui uma camada piezoelétrica 1515, um eletrodo inferior 1512 e um eletrodo superior 1514. O eletrodo superior 1514 também é conhecido como um eletrodo interno. A Figura 15A é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1500 com deslocamento estático devido à força aplicada como descrito acima em relação à Figura 1C. A Figura 15B é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1500 com deslocamento dinâmico devido à geração e detecção de ondas ultrassônicas como descrito acima em relação à Figura 1D.

[0096] As Figuras 16A e 16B ilustram vistas laterais de um exemplo de um elemento de sensor PMUT de três portas 1600 possuindo uma geometria retangular operando em um modo de detecção de força não-ultrassônica e em um modo de geração de imagem ultrassônica, respectivamente. A Figura 16C mostra uma vista superior do elemento de sensor PMUT 1600 ilustrado nas Figuras 16A e 16B. A Figura 16D mostra um circuito equivalente para o elemento de sensor PMUT ilustrado nas Figuras 16A e 16B.

[0097] O elemento de sensor PMUT 1600 inclui uma pilha de camada piezoelétrica 1610 e uma camada mecânica 1630 disposta de modo a formar um diafragma deformável suportado por uma estrutura de fixação 1670 sobre uma cavidade 1620. A cavidade 1620 pode ser formada no ou sobre um substrato 1660. A pilha de camada piezoelétrica 1610 inclui uma camada piezoelétrica 1615, um eletrodo inferior 1612 e dois eletrodos superiores: um eletrodo interno 1614 e um eletrodo externo 1613.

[0098] Como descrito acima com respeito à Figura 14, o eletrodo interno 1614, o eletrodo externo 1613 e o eletrodo inferior 1612 podem ser eletricamente acoplados ao conjunto de circuitos de transceptor e podem funcionar como eletrodos separados fornecendo transmissão de sinal, recepção de sinal, e uma referência em comum ou terra. A Figura 16A é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1600 com deslocamento estático devido à força aplicada. Como descrito acima com respeito à Figura 1C, em operação, a pilha de camada piezoelétrica 1610 e a camada mecânica 1630 pode ser forçada a se curvar em resposta a uma força aplicada, que o elemento de sensor PMUT converte em um sinal elétrico que pode ser lido pelo conjunto de circuitos de transceptor.

[0099] A Figura 16B é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1600 com deslocamento dinâmico devido à geração e detecção de ondas ultrassônicas. Como descrito acima com respeito à Figura 1D, durante a operação em um modo de geração de imagem ultrassônica, a pilha de camada piezoelétrica 1610 e a camada mecânica 1630 podem ser forçadas a se curvar e vibrar em resposta a uma tensão de excitação variável com o tempo aplicada através do eletrodo interno 1614 e/ou eletrodo externo 1613 pelo conjunto de circuitos de transceptor.

[00100] As Figuras 17A-17D ilustram um exemplo de um elemento de sensor PMUT 1700 que inclui uma estrutura de gás de elétrons 2D. O exemplo da Figura 17A a 17D é similar ao descrito acima em relação às Figuras 7A a 7D com o eletrodo superior sendo um eletrodo externo, em vez de um eletrodo interno. As Figuras 17A e 17B ilustram vistas laterais de um exemplo do elemento de sensor PMUT 1700 operando em um modo de detecção de força não-ultrassônica e em um modo de geração de imagem ultrassônica. A Figura 17C mostra uma vista superior do elemento de sensor PMUT 1700 ilustrado nas Figuras 17A e 17B. A Figura 17D mostra um circuito equivalente para o elemento de sensor PMUT ilustrado nas Figuras 17A e 17B.

[00101] O elemento de sensor PMUT 1700 inclui uma estrutura de gás de elétrons 2D 1740 formada na camada mecânica 1730 do diafragma PMUT. No exemplo das Figuras 17A a 17C, a estrutura de gás de elétrons 2D é disposta no centro de um diafragma circular, em vez de na periferia como ilustrado nas Figuras 7A e 7B. O diafragma deformável inclui uma pilha de camada piezoelétrica 1710 e uma camada mecânica 1730 suportada por uma estrutura de fixação 1770 sobre uma cavidade 1720. A cavidade 1720 pode ser formada no ou sobre um substrato 1760. A pilha de camada piezoelétrica 1710 inclui uma camada piezoelétrica 1715, um eletrodo inferior 1712 e um eletrodo superior 1713. O eletrodo superior 1713, na implementação ilustrada, também pode ser chamado de eletrodo externo, uma vez que é disposto ao redor de uma parte periférica externa do diafragma.

[00102] A Figura 17A é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1700 com deslocamento estático devido a uma força aplicada. Como descrito acima com respeito à Figura 1C, em operação, a pilha de camada piezoelétrica 1710 e a camada mecânica 1730 pode ser forçada a se curvar em resposta a uma força aplicada, que o elemento de sensor PMUT 1700 converte em um sinal elétrico que pode ser lido pelo conjunto de circuitos de transceptor.

[00103] A Figura 17B é uma vista lateral do elemento de sensor PMUT 1700 com deslocamento dinâmico devido à geração e detecção de ondas ultrassônicas. Como descrito acima com respeito à Figura 1D, durante a operação em um modo de geração de imagem ultrassônica, a pilha de camada piezoelétrica 1710 e a camada mecânica 1730 podem ser forçadas a se curvar e vibrar em resposta a uma tensão de excitação variável com o tempo aplicada através do eletrodo externo 1713 e/ou do eletrodo inferior 1712 pelo conjunto de circuitos de transceptor. De maneira similar, a estrutura de gás de elétrons 2D 1740 pode apresentar deformação mecânica durante o deslocamento estático do diafragma com força aplicada ou deslocamentos dinâmicos do diafragma em resposta às ondas ultrassônicas refletidas, o que pode resultar em características de transistor variáveis com o tempo ou estáticas que podem ser detectadas pelo conjunto de circuitos de transceptor.

[00104] As Figuras 18A a 18D ilustram um exemplo de um fluxo de processo para fabricar um elemento de sensor 1800 incluindo um substrato 1860, um diafragma, e uma estrutura de gás de elétrons 2D 1840 disposta no diafragma. O diafragma pode incluir partes de uma camada mecânica 1830 abrangendo uma cavidade 1820 com a cavidade 1820 posicionada entre a camada mecânica 1830 e o substrato

1860. A camada mecânica 1830 pode ser suportada sobre a cavidade 1820 por uma estrutura de âncora 1870. O substrato 1860 pode incluir uma ou mais camadas piezoelétricas sobre a camada mecânica 1830, tal como descrito e ilustrado acima com respeito ao elemento de sensor PMUT 700 na Figura 7A e com relação ao elemento de sensor PMUT 1700 na Figura 17A.

[00105] O substrato 1860 pode incluir um substrato de vidro ou um substrato de semicondutor, tal como um substrato de silício, um substrato SOI ou um substrato de cavidade-SOI. Em algumas implementações, o substrato 1860 pode incluir um substrato de cavidade-SOI com uma ou mais cavidades 1820 formadas entre um par unido de substratos de silício. Em algumas implementações, o substrato 1860 pode incluir uma ou mais cavidades seladas formadas a partir de processos de microusinagem de superfície que possibilitam a remoção do material de sacrifício na região de cavidade e a vedação subsequente das regiões de canal de corrosão química (não ilustradas) com um ou mais filmes finos depositados para estabelecer e reter um nível de vácuo prescrito dentro da cavidade 1820.

[00106] Como ilustrado na Figura 18A, uma camada tampão 1882, tal como uma camada tampão de nitreto de gálio (GaN), pode ser depositada sobre a camada mecânica 1830 usando, por exemplo, um processo tal como deposição química de organometálicos em fase vapor (MOCVD) ou epitaxia por feixe molecular (MBE). Em algumas implementações, uma camada de semente de nitreto de alumínio (AIN) ou uma pilha de camada de semente de nitreto de alumínio, molibdênio e nitreto de alumino (AIN/Mo/AIN) pode servir de camada tampão 1882. Uma camada de corpo 1884, tal como uma camada de corpo GaN, pode ser depositada de forma epitaxial sobre a camada tampão 1882 usando, por exemplo, um processo MOVCD ou MBE. Uma camada dielétrica de porta 1886, tal como uma camada dielétrica de nitreto de alumínio-gálio (AlGaN), pode ser depositada sobre a camada de corpo 1884 usando, por exemplo, um processo MOCVD ou MBE. A camada dielétrica de porta 1886, a camada de corpo 1884 e a camada tampão 1882 podem ser padronizadas e corroídas usando, por exemplo, um processo fotolitográfico com um material fotossensível (por exemplo, fotorresiste) que serve de máscara para corrosão a seco (por exemplo, corrosão a plasma ou corrosão por íons reativos) das camadas de AlGaN e GaN para formar o corpo da estrutura de gás de elétrons 2D 1840.

[00107] Como ilustrado na Figura 18B, uma pilha de fonte 1888 e uma pilha de dreno 1890 podem ser formadas na camada dielétrica de porta 1886. A pilha de fonte 1888 e a pilha de dreno 1890 podem ser formadas pela deposição de uma camada de barreira 1850 de titânio sobre a camada dielétrica de porta 1886, seguido da deposição de uma camada condutora 1852 de alumínio, uma segunda camada de barreira 1854 de níquel, e uma segunda camada condutora 1856 de ouro. A camada condutora 1856, a camada de barreira 1854, a camada condutora 1852 e a camada de barreira 1850 podem ser padronizadas e gravadas usando um processo fotolitográfico e parando sobre a camada dielétrica de porta 1886 para formar a pilha de fonte 1888 e a pilha de dreno 1890. Como alternativa, a camada de barreira 1850, a camada condutora 1852, a camada de barreira 1854 e a camada condutora 1856 podem ser padronizadas e gravadas usando um processo de destacamento (“lift-off”), no qual as camadas são depositadas sobre uma camada de fotorresiste padronizada com aberturas nas regiões de fonte e dreno, e em que a camada de fotorresiste é subsequentemente removida usando um processo de corrosão a úmido ou a seco juntamente com partes das camadas condutoras e de barreira sobrejacentes, deixando as camadas condutoras e de barreira nas regiões de fonte e dreno intactas para formar a pilha de fonte 1888 e a pilha de dreno 1890. Uma sequência de recozimento, tal como uma sequência de recozimento térmico rápido (RTA), pode ser usada para recozer o substrato 1860 e as camadas formadas sobre o mesmo, inclusive a pilha de fonte 1888 e a pilha de dreno 1890, e conduzir o dopante a partir das pilhas de fonte e dreno através da camada dielétrica de porta 1886 e para a camada de corpo 1884.

[00108] Uma pilha de porta 1892 pode ser formada na camada dielétrica de porta 1886, como mostra a Figura 18C. Uma camada de barreira 1864 de níquel e uma camada condutora 1866 de ouro podem ser depositadas sobre a camada dielétrica de porta 1886 usando, por exemplo, processos de deposição por pulverização catódica (sputtering) ou processos evaporativos seguidos de padronagem e corrosão química da camada condutora 1866 e da camada de barreira 1864. Como alternativa, a pilha de porta 1892 pode ser formada usando um processo de lift-off com camadas de barreira e condutoras depositadas.

[00109] Uma camada de passivação 1868, tal como uma camada de nitreto de silício, pode ser depositada sobre as partes expostas do substrato 1860, incluindo a pilha de fonte 1888, a pilha de porta 1892, e a pilha de dreno 1890, como mostra a Figura 18D. A camada de passivação 1868 pode ser padronizada e gravada para formar aberturas de contato e para expor partes externas da pilha de fonte 1888, da pilha de porta 1892 e da pilha de dreno 1890. Uma ou mais camadas de metal de interconexão (não ilustrado) podem ser usadas para fornecer conexões elétricas à fonte, porta e dreno da estrutura de gás de elétrons 2D 1840. Em algumas implementações, um processo de transferência pode ser usado para transferir materiais depositados com MBE e MOCVD a partir de um substrato portador (não ilustrado) para a camada mecânica 1830 ou o substrato 1860.

[00110] Como utilizado aqui, uma expressão referindo-se a “pelo menos um de uma lista de itens” refere-se a qualquer combinação desses itens, inclusive membros individuais. Como exemplo, “pelo menos um de: a, b ou c” pretende abranger: a, b, c, a-b, a-c, b-c e a-b-c.

[00111] As várias lógicas ilustrativas, blocos lógicos, módulos, circuitos e processos de algoritmo descritos em conexão com as implementações aqui reveladas podem ser implementados na forma de hardware eletrônico, software de computador, ou combinações de ambos. A intercambialidade do hardware e do software foi descrita de modo geral, em termos de funcionalidade, e ilustrada nos vários componentes, blocos, módulos, circuitos e processos ilustrativos descritos acima. A decisão quanto a se tal funcionalidade é implementada em hardware ou como software depende da aplicação específica e das restrições de design impostas sobre o sistema geral.

[00112] O hardware e aparelho de processamento de dados usados para implementar os vários blocos lógicos ilustrativos, e circuitos descritos em conexão com os aspectos aqui revelados podem ser implementados ou realizados com um processador de único chip ou múltiplos chips de uso geral, um processador de sinais digitais (DSP), um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), um arranjo de portas programáveis em campo (FPGA) ou outro dispositivo de lógica programável, lógica discreta de porta ou transistor, componentes de hardware discretos, ou qualquer combinação dos mesmos projetada para realizar as funções descritas aqui. Um processador de uso geral pode ser um microprocessador ou qualquer processador convencional, controlador, microcontrolador ou máquina de estados. Um processador também pode ser implementado como uma combinação de dispositivos de computação, por exemplo, uma combinação de um DSP e um microprocessador, uma pluralidade de microprocessadores, um ou mais em conjunto com um núcleo DSP, ou qualquer outra tal configuração. Em algumas implementações, processos e métodos específicos podem ser executados por um conjunto de circuitos que é específico a uma determinada função.

[00113] Em um ou mais aspectos, as funções descritas podem ser implementadas em hardware, conjunto de circuitos eletrônico digital, software de comutador, firmware, incluindo as estruturas reveladas neste relatório descritivo e seus equivalentes estruturais, ou em qualquer combinação dos mesmos. As implementações da matéria relevante descrita no presente relatório descritivo também podem ser implementadas como um ou mais programas de computador, isto é, um ou mais módulos de instruções de programa de computador codificadas em um meio legível por computador para execução pelo aparelho de processamento de dados ou para controlar a operação do mesmo.

[00114] Se implementadas em software, as funções podem ser armazenadas em ou transmitidas como uma ou mais instruções ou código em um meio legível por computador, tal como um meio não-temporário. Os processos de um método ou algoritmo aqui revelado podem ser implementados em um módulo de software executável por processador que pode residir em um meio legível por computador. Os meios legíveis por computador incluem tanto meios de armazenamento de computador quanto meios de comunicação incluindo qualquer meio que possa ser capacitado para transferir um programa de computador de um local para outro. Os meios de armazenamento podem ser qualquer meio disponível que possa ser acessado por um computador. A título de exemplo, e não limitação, os meios não-temporários podem incluir RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM ou outro armazenamento em disco óptico, armazenamento em disco magnético ou outros dispositivos de armazenamento magnético, ou qualquer outro meio que possa ser usado para armazenar código de programa desejado na forma de instruções ou estruturas de dados e que possa ser acessado por um computador. Além disso, qualquer conexão pode ser denominada apropriadamente de meio legível por computador. O termo disco, como utilizado aqui, inclui disco compacto (CD), disco a laser, disco óptico, disco versátil digital (DVD), disco flexível e disco Blu-ray, em que os discos geralmente reproduzem dados magneticamente, ao passo que os discos reproduzem dados opticamente com laser. Combinações dos itens listados acima também deverão ser incluídas no escopo dos meios legíveis por computador. Adicionalmente, as operações de um método ou algoritmo podem residir como um ou uma combinação ou conjunto de códigos e instruções em um meio legível por máquina e meio legível por computador, que pode ser incorporado em um produto de programa de computador.

[00115] Várias modificações às implementações descritas na presente revelação podem ser facilmente assimiladas pelos versados na técnica, podendo os princípios gerais aqui definidos ser aplicados a outras implementações sem se afastar do espírito ou escopo da presente revelação. Sendo assim, as reivindicações não pretendem se limitar às implementações aqui apresentadas, devendo ser acordadas ao mais amplo escopo em consonância com a presente revelação, seus princípios e aspectos novos aqui revelados. Adicionalmente, como será apreciado por qualquer indivíduo minimamente capacitado na técnica, os termos “superior” e “inferior”, “superior” e “inferior”, “frontal” e “traseiro”, e “sobre”, “sobrejacente”, “em”, “sob” e “subjacente” são algumas vezes utilizados pela simplicidade de descrição das figuras e indicam posições relativas correspondendo à orientação da figura em uma página orientada apropriadamente, e podem não refletir a orientação apropriada do dispositivo tal como implementado.

[00116] Certos aspectos que são descritos neste relatório descritivo no contexto de implementações separadas também podem ser implementados em combinação em uma única implementação. Inversamente, vários aspectos que são descritos no contexto de uma única implementação também podem ser implementados em múltiplas implementações separadamente ou em qualquer subcombinação adequada. Além do mais, embora os aspectos possam ser descritos acima como atuando em certas combinações e mesmo inicialmente reivindicados como tal, um ou mais aspectos de uma combinação reivindicada podem, em alguns casos, ser removidos da combinação, e a combinação reivindicada pode ser direcionada para uma subcombinação ou uma variação de uma subcombinação.

[00117] De modo similar, embora as operações sejam representadas nos desenhos em uma ordem específica, isso não deve ser entendido como uma exigência de que tais operações sejam realizadas na ordem específica ilustrada ou em ordem sequencial, ou que todas as operações ilustradas sejam realizadas, para alcançar resultados desejáveis. Ademais, os desenhos podem retratar esquematicamente um ou mais processos ilustrativos na forma de um fluxograma. No entanto, outras operações que não são retratadas podem ser incorporadas nos processos ilustrativos que são ilustrados esquematicamente. Por exemplo, uma ou mais operações adicionais podem ser realizadas antes, após, simultaneamente ou entre qualquer uma das operações ilustradas. Em certas circunstâncias, o processo paralelo e multitarefa pode ser vantajoso. Ademais, a separação dos vários componentes do sistema nas implementações descritas acima não deverá ser entendida como exigindo tal separação em todas as implementações, e deve ser compreendido que os componente de programa e sistemas descritos podem em geral ser integrados juntos em um único produto de software ou empacotados em múltiplos produtos de software.

Adicionalmente, outras implementações encontram-se dentro do escopo das reivindicações a seguir: Em alguns casos, as ações declaradas nas reivindicações podem ser realizadas em uma ordem diferente e ainda assim alcançar resultados desejáveis.

Claims (30)

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho, compreendendo: um substrato; um sensor incluindo um arranjo de elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) sobre o substrato, em que cada elemento de sensor PMUT inclui um diafragma possuindo uma camada piezoelétrica e uma camada mecânica, em que o diafragma é capaz de um deslocamento estático quando da aplicação de uma força aplicada e é capaz de um deslocamento dinâmico quando o elemento de sensor PMUT recebe ou transmite sinais ultrassônicos; e um controlador de sensor configurado para comutar o sensor entre um modo de detecção de força não- ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para um ou mais dos elementos de sensor PMUT, em que a força aplicada é medida no modo de detecção de força não- ultrassônica e em que um objeto é representado em imagem de forma ultrassônica durante o modo de geração de imagem ultrassônica.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o aparelho é configurado para detectar um toque de dedo com base em uma força limiar de ativação sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força não-ultrassônica.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, em que o controlador de sensor é configurado para fornecer, a um processador de aplicações, um sinal de ativação para ativar uma ou mais operações de ativação após o toque de dedo ser detectado.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, em que o aparelho é configurado para detectar um levantamento de dedo após detectar o toque de dedo com base em uma força limiar de desativação sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força não-ultrassônica.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, em que a força limiar de desativação é menor do que a força limiar de ativação.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, em que o controlador de sensor é configurado para inicializar o modo de geração de imagem ultrassônica após o toque de dedo ser detectado.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o controlador de sensor é configurado para inicializar o modo de geração de imagem ultrassônica com base em uma força limiar mínima de geração de imagem sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força não-ultrassônica.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que um ou mais dos elementos de sensor PMUT incluem uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta no diafragma.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o controlador de sensor é configurado para comutar entre o modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para cada um dos elementos de sensor PMUT no arranjo de elementos de sensor PMUT.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o controlador de sensor é configurado para comutar entre o modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica para um subconjunto dos elementos de sensor PMUT no arranjo de elementos de sensor PMUT.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, em que o subconjunto dos elementos de sensor PMUT está localizado na periferia do arranjo de elementos de sensor PMUT.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, em que os elementos de sensor PMUT do subconjunto dos elementos de sensor PMUT diferem do restante dos elementos de sensor PMUT do arranjo de elementos de sensor PMUT quanto a um ou mais dentre sua forma ou tamanho.

13. Aparelho, compreendendo: um substrato; um diafragma incluindo uma camada mecânica disposta sobre uma cavidade, a cavidade sendo posicionada entre o diafragma e o substrato; e uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta sobre o diafragma.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, em que a estrutura de gás de elétrons 2D é um transistor de nitreto de gálio-alumínio / nitreto de gálio (AlGaN/GaN).

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, em que o diafragma e a estrutura de gás de elétrons 2D são parte de um elemento de sensor, o diafragma é capaz de um deslocamento estático quando da aplicação de uma força aplicada, e a estrutura de gás de elétrons 2D é uma estrutura sensível à deformação configurada para fornecer um sinal de deslocamento estático que corresponde à força aplicada.

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15, em que o diafragma é adicionalmente capaz de um deslocamento dinâmico quando o elemento de sensor recebe ou transmite sinais ultrassônicos.

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, adicionalmente compreendendo um controlador de sensor configurado para comutar o elemento de sensor entre um modo de detecção de força não-ultrassônica e um modo de geração de imagem ultrassônica, em que a força aplicada é medida no modo de detecção de força não-ultrassônica e em que um objeto é representado em imagem de forma ultrassônica durante o modo de geração de imagem ultrassônica.

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15, em que o elemento de sensor é um de um arranjo de elementos de sensor no substrato, cada elemento de sensor incluindo um diafragma e uma camada mecânica disposta sobre uma cavidade, a cavidade sendo posicionada entre o diafragma e o substrato, e cada elemento de sensor incluindo uma estrutura de gás de elétrons 2D disposta no diafragma.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15, adicionalmente compreendendo um arranjo de elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico micromecânico piezoelétrico (PMUT) no substrato.

20. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, adicionalmente compreendendo uma pilha de camada piezoelétrica disposta no diafragma, em que a pilha de camada piezoelétrica é configurada para excitar o diafragma e gerar ondas ultrassônicas.

21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, em que a estrutura de gás de elétrons 2D é configurada para detectar deslocamentos estáticos ou deslocamentos dinâmicos do diafragma.

22. Meio não-temporário legível por computador armazenando instruções executáveis por um ou mais processadores acoplados a um sensor de impressão digital, o sensor de impressão digital incluindo um arranjo de elementos de sensor do tipo transdutor ultrassônico piezoelétrico (PMUT), as instruções compreendendo: instruções para operar os elementos de sensor PMUT em um modo de detecção de força; instruções para medir uma força aplicada sobre o sensor de impressão digital operando no modo de detecção de força; instruções para determinar que um dedo de um usuário tocou o sensor de impressão digital com base na força aplicada medida; instruções para operar os elementos de sensor PMUT em um modo de geração de imagem ultrassônica para obter informações de imagem de impressão digital do dedo; e instruções para autenticar o usuário com base nas informações de imagem de impressão digital.

23. Meio não-temporário legível por computador, de acordo com a reivindicação 22, em que as instruções para determinar que um dedo tocou o sensor de impressão digital com base na força aplicada incluem instruções para comparar a força aplicada com uma força limiar de ativação.

24. Meio não-temporário legível por computador, de acordo com a reivindicação 23, adicionalmente compreendendo instruções para determinar, após detectar que o dedo tocou o sensor de impressão digital, que o dedo foi levantado do sensor de impressão digital com base em uma força limiar de desativação sendo medida pelo aparelho no modo de detecção de força.

25. Meio não-temporário legível por computador, de acordo com a reivindicação 24, em que a força limiar de desativação é menor do que a força limiar de ativação.

26. Aparelho, de acordo com a reivindicação 23, adicionalmente compreendendo instruções para determinar que a força aplicada é maior do que ou igual a uma força limiar mínima de geração de imagem.

27. Aparelho, de acordo com a reivindicação 26, adicionalmente compreendendo instruções para inicializar o modo de geração de imagem ultrassônica após determinar que a força aplicada é maior do que ou igual a uma força limiar mínima de geração de imagem.

28. Método de operação de um sensor de impressão digital, o método compreendendo: medir uma força de dedo de um dedo posicionado sobre o sensor de impressão digital; gerar a imagem do dedo quando a força do dedo ultrapassa um nível limiar de dedo pressionado; e autenticar o dedo com base na geração da imagem do dedo.

29. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que gerar a imagem do dedo inclui obter informações de imagem ultrassônica do dedo, e em que a autenticação do dedo se baseia nas informações de imagem ultrassônica.

30. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que gerar a imagem do dedo inclui obter informações de imagem ultrassônica do dedo quando a força do dedo excede um nível limiar mínimo de dedo representável em imagem.

1 / 26

100

115 114 112

110

130 170

160

120 Figura 1A

100

110 114 120

112

Vinner Vref

180

Figura 1B

2 / 26

100 Vinner 115 Vref 114 112

110

130 170

160

120 Figura 1C 100 Vinner 115 Vref 114 112

110

130 170

160

120 Figura 1D

Vinner

++++

- - - -

Vref

Figura 1E

3 / 26

200 202

264

290 262 265

260

Figura 2

4 / 26

300

Sistema de Sistema de Sistema de Sensor Controle Interface 302 304 306

Figura 3A

310 300

Módulo de Processamento de Imagem 318 Arranjo de Alimentação de Sensores Energia Ultrassônicos 324 312

Controlador 314

Memória Interface 322 316

Processador 320

Figura 3B

5 / 26

400

Mede força estática Fstatic no próximo evento de 402 amostragem não Fstatic ≥ Fon,min ? 404 sim

Realiza operações de ativação devido à detecção 406 do toque do dedo

Gera imagem da impressão digital de forma ultrassônica 420

Executa processo de autenticação 422

Figura 4A

6 / 26

Mede força estática Fstatic no 401 próximo evento de 402 amostragem não Fstatic ≥ Fon,min? 404 sim Modifica operações devido Realiza operações de 412 à detecção do ativação devido à detecção 406 levantamento do dedo do toque do dedo

Mede força estática Fstatic no próximo evento de 408 amostragem sim Fstatic < Foff,max? 410 não Mede força estática Fstatic no próximo evento de 414 amostragem não Fstatic ≥ Fimage,min? 416 sim não Fstatic ≤ Fimage,max? 418 sim

Gera imagem da impressão digital de forma ultrassônica 420

Executa processo de 422 autenticação

Figura 4B

7 / 26

500

Pressionamento Levantamento Força do Dedo do Dedo Aplicada 512 do Dedo 506 520 522

Fon,min tsample 504 508 Foff,max 502 510 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 Tempo

Figura 5A

8 / 26

501

Fimage,max Força Pressionamento Levantamento Aplicada do Dedo 528 do Dedo 524 526 do Dedo 514 Fimage,min 520 522 512 tsample 504 506 Fon,min Foff,max 502 508 510 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 Tempo

Figura 5B

9 / 26

600

Pressionamento do Dedo Fimage,max Levantamento do Dedo Modo de Operação

Modo de Geração de Imagem Fimage,min Ultrassônica 602 Fon,min

604 Modo de Detecção de Força Não-Ultrassônica (Detecção de Força e Ativação)

Foff,max

0 20 40 60 80 100 120 140

Força Aplicada do Dedo (gf)

Figura 6

10 / 26

Vs 700 740 Vinner Vg

Vref 715 714 Vd 712 710

730 770

760

720 Figura 7A 700

710 720

714 740

712 Vinner Vref

Figura 7B

Vinner S G D

++++

- - - -

Vref

Figura 7C

11 / 26

740

788 790 792

786 - - - - - - - - - - 784

782

Figura 7D

12 / 26

800

802 804 860

804

Figura 8

13 / 26

900

904 902 960

Figura 9

14 / 26

1000

1002 1060 1004

Figura 10

15 / 26

1100

1108 1102 1160 1104

1110 1110

1108

Figura 11

16 / 26

1200

1204 1260

Figura 12

17 / 26

1300

1302 1306 1360

Figura 13

18 / 26

Vinner 1400 Vouter 1415 Vref 1414 1413 1412

1410

1430 1470

1460

1420

Figura 14A

Vinner 1400 Vouter 1415 Vref 1414 1413 1412

1410

1430 1470

1460

1420 Figura 14B

19 / 26

1400

Vouter 1413 1410 1414 1420

1412

Vinner Vref

Figura 14C

Vinner

Vouter

- - ++++ - -

Vref

Figura 14D

20 / 26

1500 Vinner 1515 Vref 1514 1512

1510

1530 1570

1560

1520

Figura 15A

1500 Vinner 1515 Vref 1514 1512

1510

1530 1570

1560

1520 Figura 15B

21 / 26

1500 1560

Vinner

Vref

1510 1520 1512 1514

Figura 15C

Vinner

++++

- - - -

Vref

Figura 15D

22 / 26

Vinner 1600 Vouter 1615 Vref 1614 1613 1612

1610

1630 1670

1660

1620

Figura 16A

Vinner 1600 Vouter 1615 Vref 1614 1613 1612

1610

1630 1670

1660

1620 Figura 16B

23 / 26

1600 1660

Vouter

Vinner

Vref

Vouter

1610 1620 1612 1613 1614

Figura 16C

Vinner

Vouter

- - ++++ - -

Vref

Figura 16D

24 / 26

1700 1740 Vs Vouter Vg Vd Vref 1715 1713 1712 1710

1730 1770

1760

1720

Figura 17A

1700 1740 Vs Vinner Vg Vd Vref 1715 1713 1712 1710

1730 1770

1760

1720

Figura 17B

25 / 26

1700

1710 1720 1730 1713 1740

1712 Vouter Vref

Figura 17C

Vouter S G D

++++ ++++

- - - - - -

Vref

Figura 17D

26 / 26

1886 1884 1882 1830 1870 1860 1820

Figura 18A 1856 1854 1888 1890 1852 1850 1886 1830 1870 1860 1820

Figura 18B 1866 1864 1892 1886 1884 1830 1870 1860 1820

Figura 18C 1800 1840 1888 1892 1890 1868 1830 1870 1860 1820

Figura 18D