CN105378617A - 用于操作传感器阵列的方法及集成电路 - Google Patents

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Abstract

一种设备包含经配置以可操作地耦合到经配置以产生超声波的传感器阵列的集成电路。所述集成电路包含经配置以将第一信号提供到所述传感器阵列的发射器电路。所述集成电路进一步包含经配置以响应于提供所述第一信号而从所述传感器阵列接收第二信号的接收器电路。所述传感器阵列包含经配置以响应于所述第一信号而产生所述超声波的超声波发射器及经配置以检测所述超声波的反射的压电接收器层。

Description

用于操作传感器阵列的方法及集成电路
相关申请案的交叉参考
本申请案要求共同拥有的2013年7月15日提交的第61/846,585号美国临时专利申请案、2013年7月15日提交的第61/846,592号美国临时专利申请案、2013年7月15日提交的第61/846,604号美国临时专利申请案及2014年7月15日提交的第14/332,267号美国非临时专利申请案的优先权，这些专利申请案的内容明确地通过引用全文结合在此。
技术领域
本发明大体上涉及一种用于操作传感器阵列的方法及集成电路。
背景技术
技术的进步已产生更小且更强大的电子装置及通信系统。举例来说，目前存在各种移动装置，例如，无线电话、个人数字助理(PDA)、平板电脑及寻呼装置。移动装置可为小型的、轻型的且易于由用户携带。例如蜂窝电话及因特网协议(IP)电话等无线电话可经由无线网络传送语音及数据包。此外，许多无线电话包含并入其中的其它类型装置。举例来说，无线电话还可包含数字静态相机、数码摄像机、数字记录器及音频流播放器。而且，无线电话可处理可执行指令，包含软件应用程序，例如可用于接入因特网的网络浏览器应用程序。因此，无线电话及其它移动装置可包含显著计算能力。
移动装置通常包含向用户显示图形用户接口(GUI)及其它信息的显示装置。某些显示装置包含使用户能够输入文本、滚动选择及通过与显示装置交互(例如，触摸)执行其它操作的电容式触控传感器。然而，电容式触控传感器可具有某些限制。举例来说，电容式触控传感器的分辨率可受到限制且无法(具体来说)通过显示器的保护玻璃检测指纹的脊线及谷线。为了获得所需分辨率，电容式指纹传感器可需要经定位以允许相对靠近地访问指尖。因此，电容式装置可与某些移动装置配置(例如，包含相对厚的玻璃显示部分或其中显示器占据大部分移动装置区域的配置)不兼容。
发明内容
揭示一种用于操作传感器阵列的方法及集成电路。在特定实施例中，集成电路对应于专用集成电路(ASIC)，其经配置以驱动传感器阵列、从所述传感器阵列接收感测到的数据及将所述感测到的数据提供到处理器(例如，移动装置的应用处理器)。集成电路(IC)可称为超声波传感器阵列控制器IC、超声波传感器控制器或简单地称为控制器芯片。
超声波传感器阵列可安装在显示装置中且可响应于用户交互。举例来说，传感器阵列可基于从集成电路接收到的命令发射超声波。超声波可从物体(例如，用户的指尖)反射。可在传感器阵列处接收所述反射，并且可将至少一个信号从所述传感器阵列提供到集成电路。集成电路可数字化信号且将所述经数字化信号提供到处理器。在特定实施例中，集成电路经配置以操作传感器阵列并且将从所述传感器阵列感测到的数据提供到应用处理器。
在特定实施例中，设备包含经配置以可操作地耦合到经配置以产生超声波的传感器阵列的集成电路。集成电路包含经配置以将第一信号提供到传感器阵列的发射器电路。集成电路进一步包含经配置以响应于提供第一信号而从传感器阵列接收第二信号的接收器电路。传感器阵列包含经配置以响应于第一信号而产生超声波的超声波发射器及经配置以检测超声波的反射的压电接收器层。传感器阵列可包含像素。超声波的反射可从用户的指尖反射。
在另一特定实施例中，使用集成电路操作传感器阵列的方法包含将来自集成电路的第一信号提供到传感器阵列。所述方法进一步包含从传感器阵列接收第二信号。响应于超声波的反射而产生第二信号。可响应于第一信号而在传感器阵列处产生超声波。传感器阵列包含经配置以响应于第一信号而产生超声波的超声波发射器及经配置以检测超声波的反射的压电接收器层。传感器阵列可包含像素。超声波的反射可从用户的指尖反射。
在另一特定实施例中，设备包含经配置以可操作地耦合到经配置以产生超声波的传感器阵列的集成电路。集成电路包含用于将第一信号提供到传感器阵列的装置及用于响应于提供所述第一信号而从所述传感器阵列接收第二信号的装置。传感器阵列包含经配置以响应于第一信号而产生超声波的超声波发射器及经配置以检测超声波的反射的压电接收器层。传感器阵列可包含像素。超声波的反射可从用户的指尖反射。
在另一特定实施例中，计算机可读媒体存储可由集成电路执行以执行操作的指令。所述操作包含将来自集成电路的第一信号提供到传感器阵列及从传感器阵列接收第二信号。响应于超声波的反射而产生第二信号。可响应于第一信号而在传感器阵列处产生超声波。传感器阵列包含经配置以响应于第一信号而产生超声波的超声波发射器及经配置以检测超声波的反射的压电接收器层。
在另一特定实施例中，揭示一种使用集成电路操作传感器阵列的方法。所述方法包含在集成电路的第一终端处产生接收器偏置电压以偏置传感器阵列的薄膜晶体管。所述方法进一步包含在集成电路的第二终端处产生控制信号以致使传感器阵列的超声波发射器产生超声波。所述方法进一步包含从传感器阵列接收数据样本。数据样本可对应于超声波的反射。
在另一特定实施例中，设备包含集成电路。集成电路包含第一终端，其经配置以产生接收器偏置电压以偏置传感器阵列的薄膜晶体管；及第二终端，其经配置以产生控制信号以致使传感器阵列的超声波发射器产生超声波。集成电路进一步包含经配置以从传感器阵列接收数据样本的第三终端。数据样本可对应于超声波的反射。
在另一特定实施例中，计算机可读媒体存储可由集成电路执行以致使集成电路操作传感器阵列的指令。操作传感器阵列包含在集成电路的第一终端处产生接收器偏置电压以偏置传感器阵列的薄膜晶体管及在集成电路的第二终端处产生控制信号以致使传感器阵列的超声波发射器产生超声波。操作传感器阵列进一步包含从传感器阵列接收数据样本。数据样本可对应于超声波的反射。
在另一特定实施例中，设备包含集成电路。集成电路包含用于产生接收器偏置电压以偏置传感器阵列的薄膜晶体管的装置及用于产生控制信号以致使传感器阵列的超声波发射器产生超声波的装置。集成电路进一步包含用于从传感器阵列接收数据样本的装置。数据样本可对应于超声波的反射。
具有用于指纹检测的分辨能力又能够通过显示装置的相对厚的保护玻璃或盖板玻璃操作的传感器是合乎需要的。所揭示的实施例中的至少一者提供的一个特定优点在于，用户能够与包含相对厚(例如，厚度在约一半与若干毫米之间)的玻璃部分的显示器或触摸屏交互。举例来说，传感器阵列可与相对厚的玻璃部分兼容。此配置可与其它指纹传感器技术不兼容，因为那些装置可能不需要为了对用户交互作出响应或检测指纹或其它生物计量数据而相对靠近显示器的表面定位。另外，使用集成电路的某些组件(例如，移动装置组件)的设计、制造及装配与使用离散电路而不是集成电路的装置相比可得到简化。在审查整个申请案后，将明白本发明的其它方面、优点及特征，申请案包含以下部分：附图简要说明、具体实施方式及权利要求书。
附图说明
图1是包含经配置以操作传感器阵列的集成电路的系统的图；
图2是包含集成电路(例如，图1的集成电路)的系统的图；
图3是例如图1的传感器阵列的一部分的装置的图；
图4是例如图1的集成电路的集成电路的图；
图5是包含集成电路(例如，图1的集成电路)的系统的特定说明性实施例的图；
图6是说明包含传感器阵列(例如图1的传感器阵列)的系统的实例操作的图；
图7说明例如图1的集成电路的集成电路的实例操作的图；
图8是说明行状态机(例如，包含于图2的集成电路中的行状态机)的实例操作的图；
图9是操作集成电路(例如，图1的集成电路)的方法的特定说明性实施例的图；及
图10是包含经配置以操作传感器阵列的集成电路(例如，图1的集成电路)的移动装置的特定说明性实施例的图。
具体实施方式
参考图1，描绘系统的特定说明性实施例且一般将其表示为100。系统100可包含集成电路102、传感器阵列104、印刷电路板(PCB)112、柔性印刷电路(FPC)或柔性电路114及一或多个额外组件110。
传感器阵列104可包含薄膜晶体管(TFT)像素106在TFT衬底220及超声波发射器108上的布置。传感器阵列104可经配置以产生超声波，如下文进一步描述。举例来说，传感器阵列104可经配置以发射超声波且检测超声波的反射(例如，从指尖的反射)。或者或除了产生超声波之外，传感器阵列104可经配置以发送及接收一或多个其它信号(例如，至显示器及/或在例如触摸屏装置的显示装置处接收信息，如参考图10进一步描述)。
一或多个额外组件110可包含处理器，例如，移动装置的应用处理器。举例来说，应用处理器可运行与移动装置相关联的一或多个软件应用程序。额外组件110可包含一或多个离散电阻器、电容器、电感器、有源装置或集成电路(IC)。柔性电路114可含有介接在传感器阵列104与集成电路102之间的分隔电迹线。或者，集成电路102及/或一或多个额外组件110可附接及电连接到柔性电路114。额外组件110中的一或多者可形成于传感器阵列104上或另外附接到所述传感器阵列。柔性电路114可包含一或多个电气层以提供电屏蔽及增强的连接性。柔性电路114上的迹线可配置为一或多个电容器或电感器。组件可安装在柔性电路114的一或多个部分或侧面上。一个以上柔性电路114或其它连接装置(例如，导线、同轴电缆或编织线)可用以将传感器阵列104连接到PCB112。
在操作中，集成电路102可与传感器阵列104通信。举例来说，集成电路102可致使超声波发射器108产生超声波。超声波可从例如触控笔、手指或用户指尖等物体反射，如图1中所说明。TFT像素106可响应于反射的超声波产生信号。可在集成电路102处接收由TFT像素106产生的信号。集成电路102可关于从TFT像素106接收到的信号执行一或多个操作并且可将信号提供到额外组件110中的任一者，例如，移动装置的应用处理器。
因为集成电路102执行可由离散组件(例如，用于驱动及感测超声波传感器阵列的定制电路)执行的一或多个操作，所以系统100的操作与使用多个离散组件的系统相比得到简化。举例来说，定制电路可为繁琐的、大体积的、成本高的及/或不能够放入移动装置的壳体中。在具有小形状因数的移动装置的情况下，定制电路可为尤其繁琐的。因此，集成电路102可结合移动装置实现某些超声波操作。
参考图2，描绘系统的特定说明性实施例且一般将其表示为200。可参考图1描述系统200的某些组件及操作。举例来说，系统200可包含集成电路102及传感器阵列104。传感器阵列104可包含TFT像素106及超声波发射器108。集成电路102及传感器阵列104可经由柔性电路114耦合。
在图2中所说明的特定实例中，集成电路102包含行控制状态机202、模/数转换器(ADC)204、存储器装置206、例如串行外围接口(SPI)的通信接口208及行读取状态机210。此外，在图2的实例中，集成电路102可包含发射器H桥电路212、发射器状态机214、升压电路216及发射器电压产生器218。
另外，在图2中所说明的实例中，超声波传感器阵列104可包含第一层列多路复用器(MUX)222、第二层列MUX224、第一行状态机226及第二行状态机228。传感器阵列104可进一步包含TFT衬底，例如，图1的TFT衬底220。TFT像素106可形成于TFT衬底220上。集成电路102可包含经配置以在传感器阵列104的个别TFT像素之间进行选择的选择逻辑。举例来说，行控制状态机202及行读取状态机210可经配置以在传感器阵列104的个别TFT像素之间进行选择。多个栅极驱动器232可经配置以响应于集成电路102(例如，响应于发射器H桥电路212)而驱动TFT像素106。
尽管行状态机226、228在TFT像素106的左侧及右侧上示为具有位于其间的栅极驱动器232，但是可使用其它配置。在一个实例中，所有栅极驱动器232可处于TFT像素106的一侧或另一侧上。在另一实例中，一个以上行状态机228及相关联栅极驱动器232可位于TFT像素106的一侧或另一侧上，以允许并行的一或多行TFT像素106的同时驱动或允许交错行选择方法。尽管TFT像素106的布置在一个方向上示出行且在另一方向上示出列，但应理解，行及列可互换而不丧失普遍性并且TFT像素106可不同于行列布置进行布置，例如，圆形阵列或布置为可(举例来说)用作超声波按钮的传感器阵列的一或多个像素的组。
系统200可进一步包含处理器，例如，应用处理器230。应用处理器230可经由柔性电路114、接口、通信接口、总线、一或多个其它结构、或其组合耦合到集成电路102。在图2的特定实例中，应用处理器230经由SPI接口208耦合到集成电路102。
在操作中，集成电路102可经由柔性电路114操作传感器阵列104。举例来说，集成电路102可利用行控制状态机202来操作第一行状态机226及/或第二行状态机228以选择一或多个个别TFT像素106或TFT衬底220的TFT像素106行。此外，发射器电压产生器218可产生经由柔性电路114提供到超声波发射器108的信号。发射器H桥电路212可将电压施加到超声波发射器108。响应于来自发射器H桥电路212的信号，超声波发射器可产生超声波。超声波可通过系统200的组件传播到例如触控笔或用户的手指等的物体。超声波可通过物体反射且可在TFT衬底220处接收到。反射的超声波可在TFT衬底220处诱发电压，所述电压通过TFT像素106感测到以产生可从TFT衬底220读出的数据。
集成电路102可使用行读取状态机210来操作MUX222、224且选择来自TFT衬底220的数据输出(例如，数据列)，使得可基于在TFT像素106处检测到的超声波读取来自TFT衬底220的值。通过集成电路102从MUX222、224读取的数据可提供到ADC204且加载到存储器装置206中。数据可经由SPI接口208提供到应用处理器230或由所述应用处理器访问。在特定实施例中，列多路复用器可配置于单级组中。或者，列多路复用器可配置成两个或两个以上级或成组成并行组。
因为传感器阵列104由集成电路102操作，所以应用处理器230的处理资源可释放或另外可用于运行其它应用程序。举例来说，因为集成电路102操作TFT像素106及超声波发射器108，所以应用处理器230处的处理资源自由地执行其它处理任务。因此，应用处理器230处的性能相比于其中应用处理器230直接控制传感器阵列的某些配置可得到改进。
参考图3，描绘装置的特定说明性实施例且一般将其表示为300。在特定实施例中，装置300对应于图1的传感器阵列104的一部分。在特定实施例中，图3说明TFT衬底220中的传感器阵列104的一部分的截面图。
装置300可包含TFT像素106及TFT衬底220。TFT衬底220可耦合到显示器或保护玻璃304(例如，移动装置的保护玻璃或盖板玻璃)。压电发射器层314可耦合到第一发射器电极310及第二发射器电极312及TFT衬底220。压电发射器层314及发射器电极310、312可对应于图1的超声波发射器108。发射器电极310或312中的一者或两者可为分段式的。在至少一个替代实施例中，发射器电极310、312均不是分段式的。TFT衬底220可耦合到接收器偏置电极306、像素输入电极308及压电接收器层316。像素输入电极308可通过将超声波冲击到TFT像素106上来传递由压电接收器层316产生的电荷。压电接收器层316可具有对应于特定应用的厚度。根据各种实施例，厚度可在100微米(μm)与5毫米(mm)之间。
在操作中，压电发射器层314可响应于施加在发射器电极310、312处的信号。举例来说，跨越发射器电极310、312中的一者或多者的电压的应用可致使压电发射器层314发出超声波。超声波可从例如用户的手指(例如，如图3中所说明的指纹谷线或指纹脊线)等物体反射。反射的超声波可通过显示器或保护玻璃304传播且可在压电接收器层316处接收到。压电接收器层316可耦合到TFT衬底220。压电接收器层316可在接收器偏置电极306与像素输入电极308之间产生电压，所述电压被提供到TFT衬底220的TFT像素106。可从TFT衬底220的TFT像素106读取对应于反射的超声波的数据。
参考图3所说明的技术可实现与具有相对厚的保护玻璃部分的显示装置进行用户交互。举例来说，即使当显示器或保护玻璃304具有约0.5毫米与若干毫米之间的厚度或更大厚度时，也可检测到用户交互及/或用户特征。另外，由于超声波可通过具有如图3中所说明的指纹脊线及指纹谷线特征的用户指尖反射，因此反射的超声波可用于指纹检测及/或识别，如参考图10进一步解释。如图3中所展示，压电接收器层316位于压电发射器层314与显示器或保护玻璃304的外表面之间。在其它配置中，压电发射器层314可位于压电接收器层316与显示器或保护玻璃304的外表面之间。在其它配置之中，压电发射器层314及压电接收器层316可处于TFT衬底220的相同侧上。
参考图4，描绘集成电路的特定说明性实施例且一般将其表示为400。集成电路400可对应于图1的集成电路102。
集成电路400可包含存储器模块412、接收器模块414、通信模块416、有时称为控制器模块的数字模块418、偏置产生模块420及发射器模块422。此外，集成电路400可包含用于与其它电路及/或装置通信的多个接口。举例来说，在图4的特定实例中，集成电路400包含电源接口402、数据接口404(例如，集成电路102的一或多个输入终端)、应用处理器接口408、偏置电压接口424、发射器驱动器接口426(例如，集成电路102的一或多个输出终端)、栅极驱动器接口428及行控制接口430。
在操作中，集成电路400可利用一或多个接口来发送及接收信号及/或信息。举例来说，偏置产生模块420可产生一或多个偏置电压(例如，接收器偏置或RBIAS，如图7中所描述)，所述偏置电压可经由偏置电压接口424施加到超声波传感器阵列。作为另一实例，发射器模块422可产生及施加一或多个信号，所述信号可经由发射器模块422内的发射器驱动器电路及发射器驱动器接口426(例如，H桥控制及启用，如图7中)施加到超声波发射器。作为另一实例，数字模块418可产生经由栅极驱动器接口428及/或行控制接口430施加到传感器阵列的信号。栅极驱动器接口428可连接到TFT衬底上的栅极驱动器且控制所述栅极驱动器，例如，与图2中所展示的左侧及右侧行状态机相关联的驱动器。
此外，集成电路400的多个接口可用于在集成电路400处接收电力。在图4的实例中，集成电路400可利用电源接口402来从一或多个电压源接收电力。集成电路400可利用数据接口404来接收数据(例如，来自传感器阵列的数据)，所述数据可对应于图1的传感器阵列104。集成电路400可使用栅极驱动器接口428及行控制接口430控制来自传感器阵列的数据行及/或列的选择。此外，集成电路400可利用应用处理器接口408来发送数据及/或从处理器接收数据，例如，图2的应用处理器230。
因为集成电路400包含可在离散电路中实施的一或多个功能性及/或结构，所以集成电路400的制造及/或设计与离散装置相比可得到简化。举例来说，代替将多个离散电路安装在印刷电路板(PCB)或柔性电路上，单个集成电路可安装在PCB或柔性电路上。
参考图5，描绘系统的特定说明性实施例且一般将其表示为500。可参考图1、2及4描述图5的系统500的某些组件及操作。举例来说，系统500可包含图1的集成电路102。此外，系统500可包含图1的超声波发射器108。系统500可进一步包含图2的ADC204及存储器装置206。作为额外实例，系统500可包含图4的接收器模块414、数字模块418、发射器模块422及偏置电压产生模块420。
在图5的特定实例中，系统500进一步包含图4的电源接口402、数据接口404、应用处理器接口408及发射器驱动器接口426。此外，在图5的实例中，系统500包含可为偏置电压接口424的子集的RBIAS或接收器偏置电压接口506。
系统500可进一步包含谐振器电路508及图2的升压电路216。谐振器电路508可包含谐振装置，例如，谐振电感器-电容器(LC)电路。在图5的特定实例中，谐振器电路508包含感应元件，例如，电感器Ls1、Ls2。举例来说，电感器Ls1、Ls2可由离散电感装置或由柔性电路114上的电感迹线形成。根据其它实施例，谐振器电路508可包含与图5的实例不同的组件。本领域技术人员将认识到，可取决于特定应用实施各种谐振电路。
在操作中，集成电路102可从传感器阵列(例如，图1的传感器阵列104)接收数据。所述数据可经由数据接口404接收(例如，表示响应于反射的超声波存储在TFT传感器像素处的信号电平的数据)。ADC204可将数据从模拟表示转换成数字表示以产生数字数据。可将数字数据提供到存储器装置206。数字数据可经由应用处理器接口408从存储器装置206提供到处理器，例如，图2的应用处理器230。在特定说明性实施例中，经由应用处理器接口408将一行数据(对应于传感器阵列104的一行像素)从存储器装置206提供到处理器，而将另一行数据加载到存储器装置206。也就是说，可在“每行”基础上将来自传感器阵列的数据行提供到处理器。在另一特定实施例中，可选择行的一部分或传感器阵列的一部分用于读出。举例来说，可每隔一行或每隔两行或三行读出以增加用于捕获超声波图像的帧率。可读出个别TFT像素或TFT像素组。可多次选择单个行或行的集合用于读出。传感器控制器IC可在正向方向上读取一或多个行且随后在反向或后向方向上读取一或多个行。可多次读取在TFT衬底220的周边附近或TFT衬底220的选择部分中的TFT像素以实现更佳的信噪比或信号质量。扫描的速度及模式可通过传感器控制器IC确定。扫描的速度及模式可通过应用处理器230确定。
集成电路102可在发射器H桥电路212处产生信号。可经由发射器驱动器接口426将由发射器H桥电路212产生的电压提供到超声波发射器108。在特定实施例中，耦合到TFT像素106的压电接收器层可经由接收器偏置电压接口506使用接收器偏置电压(例如，图5中所说明的RBIAS)偏置。接收器偏置电压接口506可控制TFT像素何时检测超声波，如参考图7进一步描述。集成电路102可具有驱动传感器阵列104及逐行读取传感器阵列104的机载控制。举例来说，发射器状态机可控制发射器模块422来产生提供到传感器阵列104的超声波发射器108的驱动电压。发射器状态机可例如，通过扫描或变化超声波发射器108的操作频率(响应于来自处理器的控制信号)来控制超声波的频率及时序。可控制施加到超声波发射器的电压或电流脉冲或循环的量值、频率及/或数目。此外，行控制状态机可控制多路复用器的操作以从传感器阵列104读取数据。
在特定实施例中，发射器H桥电路212对来自升压电路216的升压信号作出响应。举例来说，发射器H桥电路212可从升压电路216接收30伏特升压信号，如图5的特定实例中所说明。应了解，图5的实例是说明性的且提供到发射器H桥电路212(如果存在)的特定升压信号将通常取决于具体应用。
发射器H桥电路212可对升压电路216作出响应以在发射器驱动器接口426处产生输出信号。可在谐振器电路508处施加输出信号。谐振器电路508可经配置以基于输出信号在特定频率处谐振以将突发信号提供到超声波发射器108。突发信号可为数百伏特(例如，大致200伏特)的突发信号。举例来说，在特定说明性实施例中，在谐振条件下，谐振器电路508经配置以产生电压增益，所述电压增益基于由发射器H桥电路212提供的输出信号将电压从大致30伏特放大至高压突发信号。在特定实施例中，突发信号具有30伏特峰间值至400伏特峰间值的电压摆动。突发信号可致使超声波发射器108产生超声波，如下文中进一步描述。
图5的系统500可实现改进的操作效率。举例来说，系统500可通过在“每行”基础上将数据行从存储器装置206提供到处理器而实现集成电路102与处理器之间的有效通信。因此，可将第一行数据提供到处理器，而第二行数据从传感器阵列104感测到及/或加载到存储器装置206。
参考图6，描绘系统600的实例操作。可参考图1描述系统600的某些组件及/或操作。举例来说，系统600可包含图1的传感器阵列104及柔性电路114。在特定说明性实施例中，柔性电路114可包含将传感器阵列104耦合到图1的集成电路102的伸缩电缆。系统600可包含图3的显示器或保护玻璃304。根据至少一个替代实施例，保护玻璃部分可从系统600省略。
如所说明，系统600的操作可包含将高压突发发送到超声波发射器，例如，图1的超声波发射器108(例如，通过图3的压电发射器层314)。高压突发可经由柔性电路114通过图1的集成电路102发射。高压突发可致使超声波发射器发出超声波。超声波可通过附接衬底的表面发射且从所述表面反射。
图6的实例说明某些组件及材料。应了解，图6的具体实例是说明性的且其它配置在本发明的范围内。举例来说，系统600的组件的特定尺寸将取决于特定应用。在特定实施例中，图6中所说明的粘合剂各自具有大致25-50微米(μm)的范围内的厚度。接收器部分(Rx)可具有大致12μm的厚度。发射器部分(Tx)可具有大致28μm的厚度。帽盖/屏蔽部分可具有大致200μm的厚度。显示器或保护玻璃304可具有大致130-170μm(例如，大致150μm)的范围内的厚度。柔性电路114可具有大致10mm、30mm及0.1mm的尺寸。
如图6的实例中所说明，超声波可由例如指尖等物体反射。反射的超声波可通过图3的压电接收器层316及电耦合到压电接收器层316的TFT像素106阵列在传感器阵列104处检测到。TFT像素可响应于反射的超声波及跨越压电接收器层316产生的电压而改变状态(例如，存储电压)。
因此，一或多个TFT传感器像素可响应于反射的超声波而产生电压。电压可经由柔性电路114发射到图1的集成电路102。此外，图2的ADC204可接收电压且数字化电压来产生可供处理器使用的数字数据，例如，图2的应用处理器230。
参考图7，描绘集成电路的实例操作的时序图且一般将其表示为700。参考图7描述的集成电路可对应于图1的集成电路102。图7的特定实例说明与一或多个特定应用相关联的特定时序。举例来说，超声波的主要突发的启动与一或多个反射波的开始之间的时序可约为450纳秒(ns)。允许用于采样第一反射的时序可约为360ns。本领域的技术人员将了解，此时序仅出于说明性目的提供且特定时序及/或持续时间将取决于特定应用。举例来说，超声波的时序可尤其取决于超声波发射器108的大小(例如，“声波堆叠厚度”)及TFT衬底220的厚度。
为了进一步说明，图7说明第一时间间隔704及第二时间间隔708的特定实例持续时间。应了解，时间间隔704、708是说明性的且未必按比例绘制。举例来说，取决于特定应用，第二时间间隔708可具有长于第一时间间隔704的持续时间。在特定实施例中，时间间隔704、708分别包括大致450纳秒(ns)及360ns。应了解，时间间隔704、708的持续时间可取决于图3的压电接收器层316的大小(例如，“声波堆叠厚度”)、图2的TFT衬底220的厚度、另一度量值，或其组合。
如图7中所说明，操作可包含集成电路的起始操作。举例来说，发射器状态机，例如，图2的发射器状态机214可开始所述操作。此外，可将H桥装置，例如，图2的发射器H桥电路212置于待用模式。可将集成电路的某些放大器，例如，AB类放大器置于操作状态，而不是低功率待用模式。在图7的实例中，所述操作包含将接收器偏置电压RBIAS转变到阻挡操作模式中。可将RBIAS电压施加到超声波传感器阵列，例如，可操作地耦合到图1的TFT像素106的图3的接收器偏置电极306。在特定实施例中，阻挡操作模式与其中TFT像素106未响应于超声波冲击像素(发出的或反射的)而产生电压的状态相关联。在特定实施例中，接收器偏置电压RBIAS在大致1至3微秒(μs)的范围内的持续时间内具有阻挡值(如图7中所说明)。接收器偏置电压RBIAS具有阻挡值的持续时间可取决于组件厚度，例如，TFT衬底220的厚度、H桥启用信号的持续时间(例如，多个突发循环)、H桥启用信号的频率，或其组合。
操作可进一步包含操作(例如，激活及/或去激活)H桥装置，例如，通过启用及控制H桥装置以致使压电发射器层314或超声波发射器108产生超声波。举例来说，图7描绘在超声波(例如，通过超声波发射器108发射的超声波)的主要突发期间确证H桥启用信号。举例来说，H桥启用信号可致使发射器H桥电路212从“备用”操作模式转变到“开启”操作模式。在特定实施例中，相比于在0.24至0.53μs之间的发射持续时间，超声波的主要突发具有在大致20纳秒(ns)至1.1μs的范围内的持续时间。主要突发的持续时间可取决于超声波发射器108的多个突发循环、超声波发射器108的频率，或其组合。
图7进一步描绘H桥控制信号在主要突发期间一或多次地改变值(例如，值被切换)。图7中所说明的主要突发的持续时间可取决于循环数及H桥控制信号的频率。在特定实施例中，在发射器H桥电路212处施加H桥控制信号以致使发射器H桥电路212在参考图5描述的发射器驱动器接口426处产生输出信号。可在谐振器电路508处施加输出信号。谐振器电路508可经配置以基于输出信号在特定频率处谐振以将突发信号提供到超声波发射器108。突发信号可致使超声波发射器108产生超声波，例如，图7的实例中所说明的超声波的“主要突发”。在特定实施例中，接收器偏置电压RBIAS在大致0.25至1.5微秒(μs)的范围内的持续时间内具有样本值(如图7中所说明)。接收器偏置电压RBIAS具有样本值的特定持续时间可取决于H桥启用信号的持续时间(例如，多个突发循环)、H桥启用信号的频率，或其组合。
在发射超声波之后，接收器偏置电压RBIAS可从阻挡模式转变到其中可在TFT像素处接收电压的样本模式。在图7中所说明的实例中，从阻挡模式到样本模式的转变包含从时序事件“4”至时序事件“4B”的持续时间，如所说明。持续时间可对应于显示器或保护玻璃部分(例如，显示器或保护玻璃304)的厚度。举例来说，因为主要突发可需要通过显示器或保护玻璃部分传播，所以接收器偏置电压RBIAS可维持在阻挡值，直到主要突发已传播经过接收器装置，例如，图3的压电接收器层316为止。接收器偏置电压RBIAS可在主要突发的第一反射在接收器装置处接收到之前转变到时序事件“4”与时序事件“4B”之间的样本值。
在样本模式期间，压电接收器层316可响应于超声波的第一反射到达接收器装置而产生信号。TFT像素可响应于由压电接收器层产生的信号而存储电压。操作可进一步包含将接收器偏置电压RBIAS的值从样本模式转变到阻挡模式及/或将偏置电压从样本模式转变到保持操作模式。操作可进一步包含使装置休眠，例如，使H桥装置休眠及/或将放大器置于低电流操作模式。
当在超声波的主要突发期间，接收器偏置电压RBIAS具有与阻挡操作模式相关联的值时，TFT像素并未响应于超声波的接收或发射而存储电压。此外，如图7中所说明，当发生反射波的额外反弹时接收器偏置电压RBIAS可具有阻挡值，由此减少或防止在接收超声波的第一反射之后接收反弹。
参考图8，描绘图2的行读取状态机210的实例操作的特定说明性实施例且一般将其表示为800。图8的操作可对应于在图2的传感器阵列104处读取数据帧。在808处，所述操作包含在行读取状态机210，一般称为有限状态机(FSM)处起始操作。在812处，所述操作包含在发射突发施加到超声波发射器108时选择第一行。在820处，可从TFT像素106读取一行数据。所述数据行可存储在存储器装置，例如，存储器装置206处。在824处，可确证中断(例如，以指示数据行可用于通过应用处理器，例如，应用处理器230从存储器装置读取)。作为特定实例，可将存储在集成电路102的触发器处的位设定成指示数据可用于通过应用处理器从存储器装置读取。所述位可经由接口(例如，SPI208)由应用处理器读取。
在826处，确定是否已读取最后一行数据帧。如果已读取最后一行数据帧，那么图8的操作可终止。举例来说，在确定已读取最后一行后可起始第二数据帧的读取。如果尚未读取最后一行，那么可在804处或在806处基于突发事件是否发生而起始行控制序列。在810处，可读取一行数据。在822处，可将数据从存储器装置提供到应用处理器。举例来说，在814处、在816处及在818处，数据可从行控制状态机提供。
图8的操作说明数据样本(例如，一行数据)可缓存在存储器装置中且提供到应用处理器，而额外的数据样本(例如，第二行数据)从传感器阵列，例如，传感器阵列104的TFT像素106读取。图8的操作可实现改进的操作效率。举例来说，图8的操作可通过在“每行”基础上将数据行从存储器装置206提供到应用处理器230而实现集成电路102与应用处理器230之间的有效通信。因此，第一行数据可提供到应用处理器230，而第二行数据从传感器阵列104感测到及/或加载到存储器装置206中。在特定实施例中，指纹的图像可通过以下方式获得：获取第一或参考数据帧而不产生超声波，接着在产生超声波之后获取第二或图像数据帧，随后从图像帧中减去参考帧以获得超声波图像。可每参考帧获取一或多个图像帧。在另一特定实施例中，参考帧可在获取图像帧之后获取且相应地减去。在另一特定实施例中，可在具有及不具有伴随的超声波的情况下获取来自一或多行TFT像素的数据以允许几乎立即减去背景或参考信号电平。举例来说，可在应用处理器中或集成电路102内执行减法。
参考图9，描绘集成电路的操作方法的特定说明性实施例且一般将其表示为900。参考图9描述的集成电路可对应于图1的集成电路102。
方法900可包含在902处通过集成电路偏置传感器阵列的薄膜晶体管(TFT)像素。传感器阵列及TFT传感器像素可分别对应于图1的传感器阵列104及TFT像素106。TFT像素可使用接收器偏置电压偏置，例如，参考图5及7描述的接收器偏置电压RBIAS，所述接收器偏置电压可响应于反射的超声波而防止传感器阵列的TFT像素响应于来自压电接收器层316的信号而存储电压，如下文中进一步描述。当偏置电压具有致使传感器阵列的TFT像素根据备用操作模式操作的第一值时，TFT像素可使用接收器偏置电压偏置。第一值可对应于参考图7描述的保持模式。
方法900可进一步包含在904处在集成电路处起始超声波感测操作。在906处，可将接收器偏置电压调整到致使TFT像素根据阻挡操作模式操作的第二值。举例来说，第二值可对应于参考图7描述的阻挡模式。在908处，可将第一信号从集成电路提供到传感器阵列。第一信号可对应于参考图6描述的高压突发，所述高压突发可驱动超声波发射器108以产生超声波。
在910处，可将接收器偏置电压调整到致使TFT像素根据样本操作模式操作的第三值。第三值可对应于参考图7描述的样本模式。方法900可进一步包含在912处从传感器阵列接收第二信号。可响应于超声波的反射，例如，参考图7描述的超声波的第一反射产生第二信号。举例来说，可响应于第一信号而在压电发射器层314处产生超声波。第二信号可对应于由TFT传感器像素及压电接收器层316响应于超声波的反射而产生的电压。方法900可进一步包含在914处在从传感器阵列接收第二信号之后将接收器偏置电压调整至第二值。可将接收器偏置电压调整至第二值以减少或防止在TFT像素处接收超声波反射的反弹(例如，以阻止TFT像素响应于可在压电接收器层316处出现的不需要的信号而存储电压)。在反射之后的反弹可对应于参考图7描述的多个反弹中的一或多者。
因为在超声波的主要突发期间接收器偏置电压具有与阻挡模式相关联的值并且因为在超声波的第一反射期间接收器偏置电压具有样本值，所以启用超声波的第一反射的接收且禁止超声波的主要突发的接收。此外，如图9中所说明，在产生反射的额外反弹时接收器偏置电压可具有阻挡值，由此减少或防止接收在超声波的第一反射之后的反弹。
参考图10，描绘移动装置的特定说明性实施例的框图且一般将其表示为1000。移动系统1000可包含处理器，例如，图2的应用处理器230。在图10的特定实例中，应用处理器230包含指纹标识符1012及频率选择器1014。或者，应用处理器230可包含超声波标识符或超声波触摸屏标识符(未展示)。
应用处理器230可耦合到计算机可读媒体，例如，耦合到存储器1032(例如，非暂时性计算机可读媒体)。存储器1032可存储可由应用处理器230执行的指令1054及可由应用处理器230使用的数据1056。
图10还展示耦合到应用处理器230及显示装置1028(例如，触摸屏装置)的显示控制器1026。在图10的实例中，显示装置1028包含图1的集成电路102及传感器阵列104。根据其它实施例，集成电路及/或传感器阵列104可位于移动系统1000处的其它地方。举例来说，移动装置1000可包含与显示装置1028分离的专用指纹传感器。因此，显示装置1028可用作显示器及超声波传感器系统以发射超声波突发、接收超声波突发的反射及基于反射的超声波突发提供与位于显示装置1028附近或显示装置1028上的物体有关的信息(例如，在逐像素基础上)。在其它实施例中，显示装置1028可包含电容式触摸屏，其具有触摸屏的一部分或触摸屏附近具有可用于触摸、触控笔或指纹检测的超声波传感器阵列的区域。
编码器/解码器(CODEC)1034也可耦合到应用处理器230。扬声器1036及麦克风1038可耦合到CODEC1034。移动系统1000可包含相机。举例来说，图10描绘相机1046可耦合到相机控制器1090。相机控制器1090可耦合到应用处理器230。图10还指示无线控制器1040可耦合到应用处理器230。无线控制器1040可经由射频(RF)接口1050进一步耦合到天线1042。
在特定实施例中，应用处理器230、存储器1032、显示控制器1026、相机控制器1090、CODEC1034、无线控制器1040及RF接口1050包含于系统级封装或片上系统装置1022中。输入装置1030及电力供应器1044可耦合到片上系统装置1022。此外，在特定实施例中并且如图10中所说明，显示装置1028、输入装置1030、相机1046、扬声器1036、麦克风1038、天线1042及电力供应器1044在片上系统装置1022外部。然而，显示装置1028、输入装置1030、相机1046、扬声器1036、麦克风1038、天线1042及电力供应器1044中的每一者可耦合到片上系统装置1022的组件，例如接口或控制器。
在操作中，应用处理器230可从集成电路102接收数据样本。数据样本可对应于由传感器阵列104产生的特定频率的反射超声波的测量。可在“每行”基础上将数据样本从集成电路102提供到应用处理器230，如参考图5所描述。
响应于从集成电路102接收数据样本，应用处理器230可分析与数据样本相关联的度量值。在特定实施例中，应用处理器经配置以分析与数据样本相关联的信噪比(SNR)。如果SNR满足阈值(例如，具有大于预定阈值SNR的值)，那么应用处理器230可将指示集成电路102将在特定发射器激励频率处保持传感器阵列104的操作的信号发送到集成电路102。此外，应用处理器230可利用指纹标识符1012来识别及/或辨别与数据样本相关联的指纹(例如，为了认证移动系统1000的用户)。
如果SNR不满足阈值(例如，具有小于预定阈值SNR的值)，那么应用处理器230可利用频率选择器1014来确定将操作传感器阵列104的另一频率。举例来说，应用处理器230可选择第一频率1016或第n频率1018。应用处理器230可将响应发送到集成电路102以指示集成电路根据第一频率1016及/或第n频率1018开始操作传感器阵列104，从而基于操作的经更新频率提供数据样本。
作为响应，集成电路可根据经更新频率操作传感器阵列104(例如，可致使传感器阵列104在选定频率处产生超声波)。在特定实施例中，应用处理器230分析传感器阵列104的转移函数特征。举例来说，应用处理器230可尝试确定对应于传感器阵列104的传递函数特征的“峰值”区域的频率(例如，为了增加与测量到的数据样本相关联的SNR)。传递函数可表示在发射器驱动器频率的范围内来自TFT像素的信号的量值。部分取决于超声波发射器及压电接收器层的厚度、区域及介电常数，可在所关注的频率范围内(例如，在约5MHz与约20MHz之间)获得局部峰值。
因为集成电路102控制与传感器阵列104相关联的操作，所以可释放应用处理器230处的处理资源。此外，因为集成电路102包含可使用离散组件实施的组件，所以移动装置1000的设计及/或制造与具有多个离散组件的装置相比可得到简化且更紧凑。
尽管参考指纹识别描述图10的特定实例，但是应了解，其它配置也在本发明的范围内。举例来说，本领域的技术人员将认识到，结合所描述的实施例，可从触控笔(例如，由用户用于指示一或多个操作的触控笔)发射及反射超声波。可替代地或另外，可基于“用户触摸”操作发射及反射超声波。如本文所使用，用户触摸操作可包含用户接触(例如，显示装置1028的)显示面以指示一或多个操作。举例来说，用户触摸操作可指示选择操作(例如，“单击”)、缩放操作、“长按”操作(例如，在特定持续时间内触摸触摸屏的一部分，例如，以便选择或删除文本及/或图标)，或其组合。
结合所描述的实施例，计算机可读媒体(例如，存储器1032)存储可由集成电路102、应用处理器230或其组合执行以执行本文所描述的一或多个操作的指令(例如，指令1054)。所述操作可包含将来自集成电路102的第一信号提供到传感器阵列104及从传感器阵列104接收第二信号。可响应于超声波的反射而产生第二信号。响应于第一信号而在传感器阵列104处产生超声波。传感器阵列包含经配置以响应于第一信号而产生超声波的产生装置(例如，超声波发射器108)及用于检测超声波的反射的装置(例如，压电接收器层316)。超声波的反射从用户的指尖反射。
结合所描述的实施例，设备包含经配置以可操作地耦合到经配置以产生超声波的传感器阵列的集成电路。集成电路可对应于集成电路102。传感器阵列可对应于传感器阵列104。集成电路包含用于将第一信号提供到传感器阵列的装置(例如，可包含集成电路的一或多个输入终端的数据接口404)。集成电路进一步包含用于响应于提供第一信号而从传感器阵列接收第二信号的装置(例如，可对应于集成电路的一或多个输出终端的发射器驱动器接口426)。传感器阵列包含经配置以响应于第一信号而产生超声波的超声波发射器(例如，超声波发射器108)及经配置以检测超声波的反射的压电接收器层(例如，压电接收器层316)。超声波的反射从用户的指尖反射。
本领域的技术人员将了解，前述所揭示的装置及功能性可经设计且配置为存储于计算机可读媒体上的计算机文件(例如RTL、GDSII、GERBER等)。一些或所有此类文件可提供给基于此类文件制造装置的制造操作者。所得产品包含分成半导体裸片且封装到半导体芯片中的半导体晶片，例如，图1的集成电路102。半导体芯片随后可被采用或以其它方式集成或包含在装置内，例如，图10的移动装置或移动系统1000内。集成电路102可经配置以读取具有布置成行及列的像素的传感器阵列。行及列的数目可介于仅几个(对应于一或多个超声波按钮或小传感器阵列)至每行及列中的数千个或更多(对应于多种手指或掌纹读取器，或对应于超声波触控板或超声波触摸屏)的范围内。唤醒或加电检测电路可配备有超声波传感器控制器，所述超声波传感器控制器检测超声波传感器阵列上的单个分接头或一系列分接头且产生信号(举例来说)以唤醒移动装置。分接头的序列可表示用于限制访问移动装置的口令或代码。
本领域的技术人员将进一步了解，结合本文中所揭示的实施例描述的各种说明性逻辑块、配置、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。上文已大体在其功能性方面描述各种说明性组件、框、配置、模块、电路及步骤。此功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用及施加于整个系统的设计约束。本领域的技术人员可针对每一特定应用以不同的方式实施所描述的功能性，但此类实施决策不应被解释为会造成对本发明的范围的偏离。
结合本文所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现在硬件、由处理器执行的软件模块或所述两者的组合中。软件模块可驻留在随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移除式磁盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)或本领域中已知的任何其它形式的存储媒体中。示范性非暂时性媒体耦合到处理器，以使得处理器可从存储媒体读取信息及将信息写入到存储媒体。在替代方案中，存储媒体可集成到处理器。处理器及存储媒体可驻留在专用集成电路(ASIC)及/或现场可编程门阵列(FPGA)芯片中。ASIC及/或FPGA芯片可驻留在计算装置或用户终端中。在替代方案中，处理器及存储媒体可作为离散组件驻留在计算装置或用户终端中。
提供对所揭示实施例的先前描述以使得本领域的技术人员能够制作或使用所揭示实施例。本领域的技术人员将容易明白对这些实施例的各种修改，且可将本文定义的原理应用到其它实施例而不脱离本发明的范围。因此，本发明并不希望限于本文展示的实施例，而应符合与如通过所附权利要求书界定的原理及新颖特征一致的可能的最广范围。

Claims (22)

1.一种设备，其包括：
集成电路，其经配置以可操作地耦合到传感器阵列，所述传感器阵列包含像素且经配置以产生超声波，其中所述集成电路包含：
发射器电路，其经配置以将第一信号提供到所述传感器阵列；及
接收器电路，其经配置以响应于提供所述第一信号而从所述传感器阵列接收第二信号，
其中所述传感器阵列包含：
超声波发射器，其经配置以响应于所述第一信号而产生所述超声波；及
压电接收器层，其经配置以检测所述超声波的反射。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射器电路包含经配置以将所述第一信号提供到所述传感器阵列的所述集成电路的第一终端，并且其中所述接收器电路包含经配置以从所述传感器阵列接收所述第二信号的所述集成电路的第二终端。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射器电路包含经配置以将所述第一信号提供到所述传感器阵列的所述超声波发射器的一或多个发射器驱动器电路，并且其中所述接收器电路包含经配置以在所述传感器阵列的个别薄膜晶体管像素之间进行选择的选择逻辑。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述集成电路进一步包含经配置以将所述第一信号施加到所述传感器阵列的发射器驱动器电路。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述发射器驱动器电路包含H桥电路。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述集成电路进一步包含经配置以产生接收器偏置电压以偏置所述传感器阵列的薄膜晶体管像素的偏置电路。
7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括所述传感器阵列。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述第一信号包含用于致使所述超声波发射器发出所述超声波的电压突发，并且其中所述第二信号对应于由所述传感器阵列的薄膜晶体管像素感测到的样本集合，所述样本集合对应于所述超声波的所述反射。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述超声波的所述反射从用户指尖、触控笔或用户触摸操作反射。
10.根据权利要求7所述的设备，其进一步包括印刷电路板，其中所述集成电路及所述传感器阵列附接到所述印刷电路板。
11.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括将所述集成电路可操作地耦合到所述传感器阵列的柔性电路。
12.根据权利要求11所述的设备，其包含在移动装置内。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述移动装置包含显示装置，并且其中所述显示装置包含所述传感器阵列。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述接收器电路包括经配置以从所述传感器阵列选择样本的选择逻辑。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述接收器电路包含经配置以缓存所述样本的存储器，且进一步包括经配置以将所述样本输出到处理器的处理器接口。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述处理器接口包含串行外围接口。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述集成电路是经配置以驱动所述传感器阵列的专用集成电路ASIC。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述传感器阵列对由所述ASIC控制的谐振电路作出响应，并且其中所述谐振电路包含电感器。
19.根据权利要求17所述的设备，其进一步包括所述传感器阵列的一或多个多路复用器MUX，其中所述一或多个MUX经配置以将数据样本提供到所述ASIC。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述一或多个MUX进一步经配置以基于从所述ASIC的行读取状态机接收到的多个启用信号将所述数据样本提供到所述ASIC。
21.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括显示装置，其中所述传感器阵列集成在所述显示装置内。
22.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括衬底，其中压电传感器元件形成于所述衬底上。
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