CN107615225A - 用于使用压敏膜捕获图像的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于全内反射的成像系统可以包括具有成像表面的透光构件。压敏膜可以布置在所述成像表面上。所述压敏膜可以包括顶面、底面、以及形成所述顶面的至少一部分的弹性的可变形膜。所述成像系统可以包括置于所述压敏膜与所述成像表面之间的带纹理的表面。所述顶面上的压力的施加可以使所述可变形膜变形，以减小所述可变形膜与所述成像表面之间的距离。光源可以配置成朝向所述成像表面发射光，从而在所述压敏膜的所述底面接触所述成像表面的地方出现所述光的减少的全内反射。传感器可以配置成捕获从所述成像表面反射的光。

Description

用于使用压敏膜捕获图像的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于使用压敏膜捕获物体的图像的系统和方法。
背景技术
各种各样的技术可用于获取指纹，其包括机械方法、光学方法、光电方法、电学方法和/或其它方法。机械方法强调油墨和粉末来以平面格式形成指纹的物理副本。光学方法利用传统的基于胶片的摄影术。光电方法包括数字摄影术以及各种各样的将光学图像或本地光学效应转换为电子记录的其它方式。电学方法生成电子指纹记录而不使用中介光学效应。这类电学方法通常包括一组传感器，这组传感器单独地响应于与手指的小区域的交互而监控本地电学特性的变化。
电子指纹记录的生成可以被预期为使用先进的电信和计算机技术促进指纹信息的快速通信和分析。光电指纹方法和电学指纹方法均可以用于制作具有平面格式的指纹获取系统。平面格式可以被预期为减小系统的尺寸、重量、和潜在的成本，由此作为便携设备或个人电子器件的子部件是可销售的。
然而，小型的(即小于大约1平方厘米)电气获取阵列可以得益于大规模的基于硅的集成电路制造技术的经济效益，许多指纹应用需要大约10cm×10cm或更大的获取阵列。这类大型基于硅的集成电路经常由于质量控制统计而变得极其昂贵。这可以导致可接受的优质设备的低有效收益率。
许多光电指纹方法和电学指纹方法经历手指组织和手指表面的特性的高度可变性。关注的手指特性包括湿度、盐度、污染、反射、散射、环境光、阻抗、电阻率/电导率、和/或其它特性。即使在相同指纹内，这些特性和其它特性在人与人之间、随着时间改变、以及随着距离改变而可以显著改变。这些手指特性的变化可以显著改变记录的指纹的质量和品质。
全内反射的解释
熟知的是光在不同材料中以不同速度行进。材料i的折射率ni为光在真空中的速度c除以光在该材料中的速度vi：ni＝c/vi。当光从一种材料传递到另一种材料时，速度变化导致折射。从垂直于表面来测量，入射角θ1和折射角θ2通过斯涅尔(Snell)定律给出：n1sin(θ1)＝n2sin(θ2)。因此，当光从玻璃块(n1约为1.5)显现到空气(n2＝1)中时，将使光朝向该表面折射。即，θ2>θ1，因为n1>n2。在临界入射角θc下，当折射光沿着玻璃-空气表面传播时，θ1变为90°，以形成消逝波。当θ1>θc时，通过被称为全内反射(Total Internal Reflection，TIR)的过程将入射光反射回到玻璃中。通过干扰(即扩散和/或吸收)消逝波，可以防止(即“阻挠”)全内反射现象。
采用受阻挠的TIR获得生物计量印迹的图像的系统在本领域中通常是已知的。这些传统系统的基本原理是，如果光入射在从一种介质(具有n1)到另一种介质(诸如空气)(具有n2<n1)的界面上，如果入射角足够大，则光将被全反射。照相机通常被取向为使反射光成像。反射光可以形成白色背景。然而，如果具有相对较高折射率的材料(诸如手指脊线)从空气侧与界面紧密接触，则全内反射被干扰且一些光被传输到接触的手指脊线中，而非被反射。因此，该区域在照相机图像中出现暗色。结果是高对比度的指纹图像。
对于基于全内反射的指纹询问的挑战
传统的基于TIR的成像系统具有多个缺点。例如，传统TIR系统可以从干燥手指捕获不完整的指纹，因为干燥手指不具有足够的折射率匹配的水分或油来与棱镜表面(例如玻璃或塑料)紧密接触。结果是干燥手指印迹通常呈现为多串间断点，而不是连续的暗色脊线的图案。
传统的基于TIR的成像系统的另一个缺点是，如果手指太湿，则指纹脊线之间的谷线充满流体以及低反射率接触区与手指的脊线和谷线二者重叠。结果是图像中的暗色的“一团”，从而可从图像分辨很少(如果有的话)指纹脊线。
传统的基于TIR的成像系统的另一个缺点是“晕轮”效应。即，当源于手指的水分就近凝结在棱镜表面上时。由于用于制作棱镜的玻璃或塑料通常为疏水的，因此凝结通常形成小液滴。这些小液滴部分地防止TIR，且因此在图像中呈现为围绕指纹的阴影或晕轮。
另一缺点是，传统的基于TIR的成像系统的棱镜表面上的残油可以生成不想要的残留指纹图像。如果操作者不经常清洁棱镜表面，则来自先前用户的明显残留指纹油图案可以保留在该棱镜上。由于残油，可能捕获错误的或混淆的合成指纹。
传统的基于TIR的成像系统具有允许环境光传输到系统中的棱镜表面区域。可以使用滤光器和光色调来帮助减轻环境光的效应，但仅仅是很小程度的。例如，在全日照下捕获指纹通常是不可能的，因为传输进入系统的环境日光在由来自设备的光源提供的光信号中占主要地位。环境光可以导致照相机检测器为饱和的，且经常可能检测不到指纹图像。
传统的电气指纹表征方法的限制
直接依赖于感测人体组织的替选的电气指纹表征方法可以经受低信噪比。低信号可以发生，因为人体组织的未优化的电气特性可以导致小于检测的电阻、电容等的预期变化，上述预期变化根据与电气读出网格的接近度或相对于电气读出网格的压力。高噪声可以发生，因为独立于指纹轮廓本身的人体组织特性的空间和/或时间变化。这些高信噪比可以有效地使指纹图像暗淡或模糊不清。这可以导致收集的指纹图像的差的空间分辨率，即使读出传感器几何结构具有足够精细的空间分辨率。
液晶显示器的许多开发者已并入触摸灵敏度以形成“触摸屏”。这些触摸屏允许人手指根据环境控制许多功能。尽管有时使用关于个人手指的低分辨率图案来提供基础安全和识别功能，但是通常认识到，触摸屏的当前分辨率不足以产生高质量指纹。
依赖人体组织来直接完成读出传感器阵列中的电路的替选方法取决于组织传感器接口处的高度可变条件，诸如水分、汗、油、灰尘、腐蚀、氧化、人体组织的电阻或阻抗在人与人之间的可变性、和/或其它可变条件。重复使电接触件暴露于人体组织可缩短这些替选电气方法的使用期限。
一些电气指纹表征方法包括在手指和读出网格之间的膜以保护电子器件。然而，这些传统膜趋向于降低传感机构的灵敏度。
发明内容
本发明包括涉及基于全内反射(TIR)的成像系统以及其它询问方法的创新。基于TIR的成像系统可以包括具有成像表面(例如询问表面、采集表面等)的透光构件。透光构件可以为棱镜或光学波导。
基于TIR的成像系统可以包括压敏膜。所述压敏膜可以包括顶面、与所述顶面相对的底面、以及形成所述顶面的至少一部分的弹性的可变形膜。所述压敏膜可以包括阻断环境光的吸光材料。
带纹理的表面可以置于所述压敏膜与所述成像表面之间。所述带纹理的表面可以与所述压敏膜的所述底面的至少一部分接触或与所述成像表面的至少一部分接触。所述带纹理的表面可以将所述压敏膜保持在默认位置。所述带纹理的表面和/或所述压敏膜可以被形成使得在所述压敏膜的所述顶面上的任何位置处的压力的施加可以使所述可变形膜变形，以在该位置处减小所述可变形膜与所述成像表面之间的距离。
基于TIR的成像系统可以包括光源，所述光源可以配置成从所述成像表面的与所述带纹理的表面相对的一侧向所述成像表面发射光，从而在所述成像表面上的、由于施加在所述压敏膜的所述顶面上的压力而使得所述压敏膜的所述底面接触所述成像表面的任何位置处，可以出现所述光的减少的全内反射。
基于TIR的成像系统可以包括传感器，所述传感器配置成捕获从所述成像表面反射的光。
压敏膜可以包括用于与各种各样的光电询问系统一起使用的光学活性材料和/或光学活性层。不利用全内反射的替选的光电询问系统可以用于询问压敏膜。例如，压敏膜可以包括具有荧光和/或散射行为的材料。
压敏膜可以包括用于与各种各样的电询问系统一起使用的电活性材料。可以使用电气传感器的平面阵列。电气传感器可以测量压敏膜的与电询问系统的采集表面接触或极为接近的区域的电行为的变化。
在参照附图考虑如下描述和所附权利要求之后，本文中所公开的系统和/或方法的这些和其它目的、特征和特性以及相关的结构元件的操作方法和功能以及制造部件和经济性的组合将变得更明显，所有的附图形成本说明书的一部分，其中，相同的附图标记在各图中指代对应部分。然而，要明确地理解，附图仅出于说明和描述的目的，且不意图作为本发明的限制的定义。如在说明书中和在权利要求中所使用，单数形式“一”和“该”包括复数个所指对象，除非上下文另有明确指示。
附图说明
图1示出根据一个或多个实现方式的基于TIR的成像系统的光学配置。
图2示出根据一个或多个实现方式的基于TIR的成像系统的光学配置。
图3示出根据一个或多个实现方式的用于使用基于TIR的成像系统捕获物体的图像的方法。
图4示出根据一个或多个实现方式的压敏膜的横截面。
图5示出根据一个或多个实现方式的压敏膜的横截面。
图6示出根据一个或多个实现方式的压敏膜的附加横截面。
图7示出根据一个或多个实现方式的荧光或散射光成像系统。
图8示出根据一个或多个实现方式的用于使用荧光或散射光成像系统捕获物体的图像的方法。
图9示出根据一个或多个实现方式的压敏膜连同电气读出网络。
图10示出根据一个或多个实现方式的压敏膜的导电膜。
图11示出根据一个或多个实现方式的环电极设计。
图12示出根据一个或多个实现方式的读出晶体管取向。
图13示出根据一个或多个实现方式的在电活性压敏膜中的等效电路。
图14示出根据一个或多个实现方式的使用压敏膜的模拟压敏电容测量。
图15示出根据一个或多个实现方式的各种电极设计。
图16示出根据一个或多个实现方式的用于处理电气压力传感器数据的流程图。
图17示出根据一个或多个实现方式的用于处理电气压力传感器数据的流程图。
图18示出根据一个或多个实现方式的各种指纹图像的比较。
图19示出根据一个或多个实现方式的来自从机械特性预测光学行为的模拟结果的趋势的比较。
图20示出根据一个或多个实现方式的用于使用电气压力传感器读出网格系统捕获物体的图像的方法。
具体实施方式
图1和图2示出了基于TIR的成像系统100的光学配置的示例。尽管基于TIR的成像系统100被示出且描述为具有特定部件和功能，但是可以实现具有更少或更多部件的其它变型以促成更少或更多功能。如在本示例中所示，基于TIR的成像系统100可以包括透光构件108。透光构件108可以为棱镜。如图1所示，棱镜108可以具有形成成像表面120的平斜边。成像表面120可以反射光线。
透光构件108可以由以下样的波长可透过的任何材料制成：该材料针对该波长而设计。这类材料的常用示例可以包括玻璃、塑料、氟化物、和/或任何其它材料。尽管透光构件108在图1中被示出为具有由矩形边形成的直角的三角形，但是这仅仅是说明性的。将领会到，根据应用，透光构件108可以为具有适合于实现预期光学效果的任何角度的任何形状。在一些实施方式中，棱镜108可以不为规则的几何形状。
基于TIR的成像系统100可以包括光源112和照相机114。如在本示例中所示，光源112可以放置在透光构件108的一侧。光源112可以以预先安排的角度、朝向透光构件108的成像表面120发射光束124。光源112可以从成像表面120的相反侧朝向成像表面120发射光束124。如所示，通常可以使光束124在透光构件108的成像表面120处全内反射。如所示，反射束126可以被照相机透镜收集到照相机114的焦平面上。
基于TIR的成像系统100可以包括压敏膜110。压敏膜110可以包括顶面128、与顶面128相对的底面130、以及弹性的可变形膜202。弹性膜202可以形成顶面128的至少一部分。如所示，压敏膜110可以包括带纹理的表面，诸如多个周期性凸起支柱204。
压敏膜110可以放置和/或布置在发生TIR的成像表面120上，从而当压敏膜110被物体按压(其中，压力分布在成像表面120上)时，在局部压力更高的区域处可以具有显著减少的局部全内反射。这可以使得照相机114将物体压力点成像为黑暗特征。在一些示例中，压敏膜110可以由吸光材料膜或包括吸光材料或吸光层的透光材料构成。压敏膜110在某些示例中可以为柔性的，因为弹性机械行为促进重复使用以捕获动态压力分布。
压敏膜110可以包括框架111。框架111可以包括围绕其周界的增大的刚度。在一些实施方式中出于各种原因而可以添加框架111，这些原因包括但不限于：帮助将压敏膜110从其原始形成表面移除，提供用于弹性膜202的支撑，将张力施加到弹性膜202，在释放压力后帮助压敏膜从成像表面120释放，将压敏膜110应用和保持在成像表面120附近，密封来自成像表面120的污染物、灰尘、或水分，将压敏膜110从成像表面120移除，在不使用时将压敏膜110保存在干净区域中，限定压敏膜110的预期形状(无论是平面的还是曲面的)、和/或其它原因。柔性可以允许压敏膜110在安装到电子设备中时弯曲以促进将多个部件机械放置在空间可用位置上。压敏膜110可以弯曲且仍保持与在光源112处生成的光的TIR相关的预期光学特性。在一些实施方式中，使压敏膜110弯曲可以允许从各个表面监控指纹或其它压力分布。在一些实施方式中，压敏膜110可以是基本上平面的，诸如传统的指纹扫描仪。在一些实施方式中，压敏膜110可以在底面130的微观区域上具有光滑表面，以进一步促进TIR的修改。在一些实施方式中，反射涂层或吸光涂层可以施加到压敏膜110的顶面128以改善其性能。例如，由照相机114获得的图像的光学对比度可以通过在压敏膜110内存在吸光层或吸光材料和/或光散射层或光散射材料而提高。采用该方式，可以阻止未发生全内反射的光通过其它间接路径传播到照相机114。此外，包括在压敏膜110之内或之上的吸光层或吸光材料、光散射层或光散射材料、和/或反光层或反光材料可以防止环境光进入棱镜108或到达照相机114。这可以提高基于TIR的成像系统100的光学对比度。
压敏膜110可以包括顶面128。顶面128可以包括基本上平面的一部分。顶面128可以采取类似于压敏膜110的形式的形式。顶面128可以作为与压敏膜110的物体接触界面。例如用户的手指与顶面128的接触可以使压敏膜110朝着成像表面120偏转，这导致在手指的脊线接触压敏膜110的地方附近或下方的区域处的TIR的至少部分减少。顶面128可以覆盖有柔性的耐划伤或减少磨损的涂层以延长压敏膜110的使用期限。压敏膜110可以包括随着电子设备接近其使用期限的末尾而改变其外观的层。
如所示，压敏膜110可以包括底面130。底面130可以用作与成像表面120的接触界面。多个周期性凸起支柱204(或包括预期尺寸的特征的其它纹理)可以形成到压敏膜110的底面130上。凸起支柱204可以通过任何手段形成到底面130上。在图2中所示的非限制性示例中，周期性凸起支柱204可以保持弹性膜202的底面130远离成像表面120。采用该方式，当低压力或无压力施加到弹性膜202时，存在一个或多个局部气隙210。因此，在底面130与成像表面120之间可以具有更小的局部直接接触208。该气隙210和减小的接触208可以确保局部入射光124a的大部分可以发生全内反射126a且被照相机114记录为明亮区域。
当将物体102(例如手指)放在压敏膜110上时，可以通过一个或多个脊线106局部地施加压力。该压力可以被传送到弹性膜202。在一个或多个脊线106的该压力下，弹性膜202的底面130可以变形。采用该方式，相比于在压敏膜110上方存在一个或多个谷线104的情况，底面130可以与在各个脊线106正下方的成像表面120进行显著更多接触206。一些入射光124b可以到达压敏膜110的与成像表面120进行更多紧密接触206的区域。该入射光124b可以被折射到压敏膜110的组分中且被压敏膜110的组分吸收。它们对应的到达照相机114的反射光线126b可以具有更低强度。采用该方式，压敏膜110可以经历来自脊线106的局部更高压力的位置可以呈现为由照相机114捕获的结果图像122的更暗部分。压敏膜110的光学特性和机械特性可以被调节，使得检测的光126a和/或光126b的局部强度为施加的局部压力的表现良好的功能。因此，结果图像122可以表示施加的压力分布的二维绘图。
由基于TIR的成像系统100借助压敏膜110捕获的物体102(诸如手指)的压力分布的结果图像122可以为高质量图像。如图1所示，指纹脊线106、谷线104、孔隙、和/或手指表面的其它细节可以被照相机114捕获，该照相机114具有良好的对比度和灰度的宽动态范围，该范围被设计为对应于局部压力等级的预期范围。这可以因为压敏膜110的可重复的光学机械特性。
在基于TIR的成像系统100中使用压敏膜110可以克服上述缺点。例如，使用压敏膜110可以不依赖于物体102上的水分和/或护肤油来与透光构件108的成像表面120进行良好接触以导致受阻挠的TIR。当与基于TIR的成像系统100一起使用时，压敏膜110的可重复的光学机械特性将由物体102在物体102的表面上的不同脊线106和谷线104处施加的压力差转换为成像表面120处的反射率差。由于水分或油条件可以在物体102上非确定性地改变，因此压敏膜110与基于TIR的成像系统100一起使用可以通过跨越透光构件108生成脊线106和谷线104之间更均匀的对比度而改善物体102的图像。采用该方式，压敏膜110可以缓解上文提及的物体102的导致差质量图像和/或与物体的真实压力分布特征不一致的图像的干湿条件的问题。
压敏膜110与基于TIR的成像系统100一起使用可以减小上文提及的由传统的基于TIR的成像系统捕获的图像中的晕轮效应。这是因为压敏膜110可以用作防止物体102上的油和/或水分凝结到透光构件108的成像表面120上的边界层。此外，形成在压敏膜110的顶面128上的任何凝结物可以不朝成像表面120添加压力，因此可以不被照相机114成像。类似地，压敏膜110与基于TIR的成像系统100一起使用可以减少图像中的残留印迹。在弹性膜202的顶面128上存在的残留印迹可以不转化为成像表面120处的压力变化。因此，出于不使凝结物或晕轮成像的类似原因，可以不使残留印迹成像。
压敏膜110可以是足够柔性的(如由其膜厚和/或有效弹性模量来确定)，使得由各个脊线106施加的压力可以保持局部化的，即不扩展且不在谷线104下方生成施加的压力。压敏膜110的弹性膜202和形成到其的纹理可以展现具有最小塑性变形的弹性变形。即，当从压敏膜110释放物体脊线压力106时，压敏膜110可以完全回弹且在快速恢复其默认的高反射率(低接触面积)的默认位置上。这可以允许物体102的一个接一个的多个印迹图像。
在一实施方式中，压敏膜110的有效折射率可以接近透光构件108的有效折射率。利用压敏膜110的这类折射率，从脊线106的高接触面积区域可以呈现为相对于全内反射光的明亮背景的黑暗区域。已经通过实验证明了，压敏膜110可以由具有宽范围的折射率值的材料形成且仍产生高质量压力分布图像。在缺少物体脊线压力时，可以预期小于几微米(μm)的气隙210形成在成像表面120处以生成用于较高图像对比度的较明亮的背景TIR强度。通过在底面130上的所选纹理的存在，可以促成该气隙210。
压敏膜110可以在其使用期限内被许多物体摩擦和/或按压。在这些应力下，压敏膜110可以通过由物体上的盐、油或水分引起的磨损、氧化或化学变化而过度拉伸、弯曲、撕裂、或降解，和/或在压敏膜110的使用期限内可以发生其它问题。压敏膜110可以被构造成阻挡用于使物体印迹成像的光波长的环境光。更硬材料的耐划伤涂层可以施加到压敏膜110的顶面128。这可以延长压敏膜110的使用期限，只要它们总的来说不干扰压敏膜110的弹性行为。可以使用压敏膜110的其它特性来优化基于TIR的成像系统100的性能。
弹性膜202的示例材料可以包括但不限于：任何类型的聚对二甲苯、尿烷、硅酮、聚酰亚胺、聚酯、聚丙烯、和/或可具有上述特征中的一者或多者的任何其它类型的柔性的聚合物衬底膜。聚对二甲苯C可以为用于形成压敏膜110的优选材料的示例，因为聚对二甲苯C为相对不昂贵的、具有高强度、热稳定性足以经受后续加工、可以沉积到仅几微米厚的非常薄的膜中、和/或可以沉积有非常均匀的膜厚。实现均匀的聚对二甲苯C膜的熟知的蒸汽聚合手段可以导致缺陷(诸如针孔、裂缝、裂纹、和/或不规则的表面特征)的最小化。此外，聚对二甲苯C的保形沉积可以允许有纹理的和/或图案化的衬底充当用于再现为实现上述压敏行为所设计的预期纹理的模具。然而，可以能够紧密接触成像表面120的任何柔性材料可以用于形成根据本发明的压敏膜110。
基于TIR的成像系统100的示例包括使用基于TIR的成像系统100来生成适合于执法机构识别人员的高质量指纹图像。照相机114可以在成像表面120上以大约1400像素/英寸(pixel per inch，ppi)(从而图像可以针对1000ppi设备而重定格式)或以大约850ppi(针对500ppi设备)捕获图像数据。在这些示例中，每个像素由成像表面120的一个区域形成，该区域为大约18μm×18μm(针对1000ppi设备)或高达大约30μm×30μm(针对500ppi设备)。
压敏膜110可以包括一个或多个特性。例如，压敏膜110可以在物体102(诸如手指)的常规压力范围内增大与压力的接触面积。当压敏膜110铺设在成像表面120上时，初始接触面积可以很低使得图像可以被处理为白色或相对浅的灰度值，从而不丢失对于压力敏感度有价值的带宽。当施加典型很低的平均总压力(例如，对于手指的温柔触摸，接近10kPa)时，可以登记完整指纹。随着逐步地施加更多压力(例如，高达65kPa的平均压力)，压敏膜110可以继续变形以提供与透光构件108的附加接触面积。
在另一示例中，压敏膜110可以包括特征的周期性(或伪周期性、或伪随机性)图案(诸如密度、膜厚、成分的局部变化和/或特征的其它图案)。特征的周期性图案可以包括受控的平均特征尺寸以在成像表面120上形成压敏接触区。当捕获指纹图像时，压敏膜110的压敏接触区的有效周期性应当小到足以生成精细分辨率指纹。例如，如果有效周期性小于手指脊线宽度(例如，通常大约300μm宽，但是在人与人之间可改变)的16.7％，则可以通过分别小于50μm跨度的至少6个区域使指纹脊线的形状成像。因此，联邦调查局(FederalBureau of Investigation，FBI)已确立，用于指纹成像设备的认证的标准之一为像素尺寸不大于50μm。如果基于TIR的成像系统100将被FBI认证，则压敏膜110上的纹理的周期性区域不应当比照相机114中的像素尺寸大很多，以便优化图像分辨率。小于这些上限的压敏接触区可以为优选的，从而不限制指纹扫描仪的分辨率，然而更小特征可能在经济上更难以制作。具有各种各样的对于指纹识别和其它压力分布成像的应用和市场，这些应用和市场不需要FBI认证且可以在更大像素尺寸下充分起作用。
压敏膜110的有纹理的底面130可以捕获气袋。捕获的空气可以防止弹性膜202接触成像表面120。因此，弹性膜202可以不对额外施加的压力作出响应。然而，可以设计底面130使得各个传感器可以包括封闭的气袋。在去除施加的压力之后，封闭的气袋可以帮助弹性膜202弹回而免于接触成像表面120。空气可以被连接的凸起特征捕获，该凸起特征诸如环形物、环、交叉线、多边形周界、和/或形成边界和/或壁的其它特征，这可以阻断微观尺度上的空气移动。可替选地，空气可以被捕获在压敏膜110的底面130中的封闭孔隙中。孔隙和/或针孔不应当穿透顶面128，因为这可以允许水分通过压敏膜110。这可以损害压敏膜110对物体102(诸如手指)的水分含量的不敏感度。
图3示出根据一个或多个实现方式的用于使用基于TIR的成像系统捕获物体的图像的方法300。下文呈现的方法300的操作意图是说明性的。在一些实现方式中，方法300可以在具有未描述的一个或多个附加操作的情况下、和/或在不具有所讨论的操作中的一个或多个操作的情况下来实现。另外，在图3中示出且在下文描述方法300的操作所按的次序不意图为限制性的。
在一些实现方式中，方法300可以在一个或多个处理设备(例如，数字处理器、模拟处理器、设计为处理信息的数字电路、设计为处理信息的模拟电路、状态机、和/或用于电处理信息的其它机构)中实现。该一个或多个处理设备可以包括响应于电存储在电子存储介质上的指令而执行方法300的一些或全部操作的一个或多个设备。该一个或多个处理设备可以包括通过硬件、固件、和/或软件而配置成专门设计为执行方法300的一个或多个操作的一个或多个设备。
在操作302，可以在布置在成像表面上的压敏膜的顶面上的任何位置处接收压力的施加。
在操作304，可以朝着成像表面发射光。
在操作306，可以捕获从成像表面反射的光。
在操作308，可以基于从成像表面反射的光生成压力的图像。
在图1、图2和图4中所示的压敏膜110可以在压敏膜110的底面130上包括纹理，该纹理包括凸起支柱元件204。参照图1、图2和图4，底面130的纹理可以包括周期性凸起支柱特征410。支柱特征410可以包括几何特征，诸如支柱高度414、支柱宽度418、支柱间隔416、和/或弹性膜202的厚度412。在不具有压力(例如可以将指纹谷线104放在气隙406上)的气隙406中，气隙406可以具有预定高度(例如支柱高度414)。如所示，在物体102施压(例如，指纹脊线106可以压缩压敏膜110)的区域402中，弹性膜202可以转向以与棱镜108的成像表面120进行接触404。如在图4的右上角所示，对于逐渐增大的所施加的物体压力420，压敏膜110可以接触成像表面120的逐渐扩大的区域被加阴影。压敏膜110可以由厚度在2μm和10μm之间的密集的聚对二甲苯C膜制成，具有0.5μm到5μm宽的支柱，这些支柱为0.2μm到1.0μm高且间隔20μm到100μm。
在一些实施方式中，可以从蚀刻到硅晶圆中的图案铸成在图4中所示的压敏膜110的支柱的纹理。使用现今的硅光刻处理技术，可以蚀刻硅晶圆以生成任何可想到的形状或尺寸且以各种阵列图案的孔或线。该过程可以允许支柱特征410受控制。这类晶圆可以充当主模，可以从该主模铸成压敏膜110。在非限制性示例中，通过在应用聚合物膜或其它柔性膜材料之前添加合适的脱模剂，可以将压敏膜110作为从这类模具浇铸的带纹理的膜移除，保留模具的带纹理的特征。可以理解，硅晶圆具有相对不太昂贵的前体的额外收益，这些前体相对较薄、重量轻且强到足以多次重复使用。硅晶圆的抛光表面可以固有地光滑到足以促成释放浇铸膜且在施加的压力下促成与成像表面120的紧密接触。
在已减小而使用周期性支柱来实践的压敏膜110的示例中，厚度为约3.5μm的致密的聚对二甲苯C弹性膜被沉积在硅晶圆上。硅晶圆具有直径为约2μm的圆形凹坑的图案，这些圆形凹坑被蚀刻为大约0.3μm深且在六边形密堆积阵列中间隔大约50μm。在聚对二甲苯沉积之前，使硅晶圆旋转而涂覆有脱模剂，即百万分之90的浓缩型清洗溶液的2％水溶液，这留下大约18nm厚的皂膜。在硅晶圆中蚀刻的凹坑控制浇铸的聚对二甲苯膜中的模具生成的支柱，这些支柱具有与蚀刻的凹坑基本相同的几何结构。
压敏膜110的特征的图案不应当创建相对于照相机像素的莫尔条纹。莫尔条纹可以通过使平均横向周期性的指定范围内的特征位置随机化来避免。当压力接触的支柱间隔416或横向周期性等于或明显小于或大于成像表面120上的有效像素尺寸时，可以避免莫尔条纹。接触之间的悬空长度相对于压敏膜110的厚度的纵横比应当被优化以实现预期偏转行为。压敏膜110的厚度可以大到足以为强健的且独立的。压敏膜110可以薄到足以将物体102的局部压力变化传递到成像表面120而不危害所需的分辨率。
参照图1和图5，图5示出了具有纹理的压敏膜110的横截面，该纹理可以从全息光栅(单向的或双向的)浇铸，以便实现光滑的正弦波纹理。这不意味着对本发明的限制，如可以使用生成具有波表面纹理的薄弹性膜的其它方法。如在本示例中所示，压敏膜110可以具有纹理115，该纹理115包括形成到压敏膜110的底面130上的波形特征510。波形特征510可以包括诸如波深514、波周期516、和/或弹性膜202的厚度512的特征。在未施加压力或施加很小压力的区域(诸如在物体102的谷线104下方)中，预定的波深514可以产生周期性气隙506，该周期性气隙506可以被成像为明亮区域，如上所述。波形纹理可以具有定义的波周期516，从而弹性膜202可以形成与成像表面120的周期性微观接触504。在施加压力的区域(诸如从物体102的脊线106)中，弹性膜202可以转向502成像表面120以扩大接触区504。如在图5的右上侧所示，对于逐渐增大的所施加的物体压力，与成像表面120的接触面积逐渐更大的区域520被加阴影，且被照相机114成像为逐渐更暗的像素。从双向光栅浇铸的这类膜为在每个像素下捕获各个气袋506的纹理的一个非限制性示例。如图5所示，可以通过将凹槽519添加到波形纹理来避免捕获的气袋506。
可以理解，尽管如图1、图2和图4所示的压敏膜110包括周期性支柱204之间的平坦区，但是这不意味着是本发明的限制特征。除了在图5中所示的波形纹理，压敏膜110的纹理的其它配置可以是可能的。在压敏膜110的一些实施方式中，可以通过用宽范围的特征规格、维数、形状和连接性表征的特征来生成底面130上的纹理。在图6中示出了宽范围的可能的纹理特性的说明性示例，包括但不限于微细孔泡沫630、粗糙的微观结构610、和纳米线聚对二甲苯620。
可以使用具有宽范围的尺寸的纹理来提供支持压敏膜110的功能的压敏光学机械行为。维数可以指描述纹理的主要子部件结构所需的尺寸的数量。对于点缺陷和/或纳米级内含物，维数可以接近0。对于线性的、单纤维的、柱状的和/或纤维状的子部件，维数可以接近1。对于平坦界面、薄片、和/或超薄层状子部件，维数可以接近2。对于测定体积的相、物体、和/或成形的子部件，维数可以接近3。在各种情况下，纹理的维数可以为从0到3的范围内的连续体。维数可以不是应用于压敏膜110的底面130的纹理的限制性特征。为了说明这点，在图6中所示的有用纹理的三个非限制性示例可以用不同等级的维数来表征。粗糙表面610可以具有接近3的维数，而纳米线620可以具有接近1的维数，以及微细孔泡沫630可以具有接近3的维数。尽管未示出，但是具有其它维数的纹理和具有类似维数的替选纹理可以被包括且可以用于在本发明的范围内实现压敏膜110的预期行为。
具有宽范围的相连接性(phase connectivity)的纹理可以用于实现压敏膜110的预期的光学机械行为。连接性可以描述沿着路径从给定材料的一个区域(点A)移动到相同材料的另一区域(点B)的可能程度，该路径位于该相同材料内，因此不需要越界进入分离材料以从点A去往点B。图6示出了采用具有不同等级的连接性的纹理的压敏膜110的三个非限制性示例。在一个非限制性示例中，粗糙表面610可以包含可连接良好的固体材料，同时可以连接该同一粗糙表面的空气。在另一个非限制性示例中，压敏膜110的带纹理的底面130可以包含微细孔泡沫630。微细孔泡沫630可以在弹性基体内包含多个气袋(或其它流体材料)。微细孔泡沫630可以为闭孔的、开孔的、或其混合。可以不连接在闭孔泡沫中的气相，而可以完全地或部分地连接闭孔泡沫的基体。在开孔泡沫中，可以连接空气，同时可以连接或部分地连接基体。如图6所示，微细孔泡沫630中沿着压敏膜110的底面130的空隙633可以减小经受低压的区域140(诸如手指谷线)中的有效折射率，从而这些区域可以经历TIR且向照相机114呈现明亮。如果通过施加局部压力(例如通过手指脊线)使这些空隙压缩635，则压敏膜110的接触成像表面的该部分的局部有效折射率可以增大到TIR“受阻挠”的点，从而该区域会向照相机呈现黑暗。在另一个非限制性示例中，压敏膜110的底面130可以包括多个纳米线620或大于纳米级特征的其它尺寸的细丝。这些细丝可以具有宽范围的取向。在非限制性示例中，细丝可以具有“长绒地毯”取向，其中，可以连接在这类细丝状结构中的空气，而可以不连接或可以间歇性地连接细丝材料。可以使用其它细丝取向，诸如任何其它纤维取向的“意大利面”状结构、铺席子的稻草、毛毡、编织物、缝纫物、垫子，来形成压敏膜110的纹理。
图6中所示的纹理特征可以产生预期的压敏光学机械行为，无论这些特征大于、类似于、还是小于光学询问波长，但是可以根据特征的尺寸而采用不同的解释。通常，如果主纹理特征大于光学询问波长，则可以依据在施加有压力的成像表面120处的接触面积的增大来评估压敏响应。如果特征类似于或小于光学询问波长，则可以将压敏响应更多地理解为消逝波耦合、光学隧穿、建设性或破坏性干扰、和/或靠近成像表面120的材料的有效局部折射率的压敏变化。
返回参照图2，可以描述被减小以实践使指纹成像的消逝波耦合和干扰效应的非限制性示例。压敏膜110可以被制作有0.2μm高的凸起支柱204且使用波长λ等于0.535μm的光源112来询问。当手指脊线106的压力将平坦底面130移动到与成像表面120相距0.401μm(1.5λ/2)的距离(其中凸起支柱204不接触成像表面120)时，破坏性干扰可以导致压敏膜110呈现黑暗。同样地，当平坦底面130在与成像表面120相距0.267μm(1.0λ/2)的距离时，建设性干扰可以导致压敏膜110呈现黑暗。当局部脊线压力106使底面130变形到与成像表面120相距小于λ/2的距离时，在沿着成像表面120传播的消逝波与弹性膜202的底面130之间可以出现显著耦合，即使不具有直接接触，这导致成像区域随着气隙210逐渐变得更小而逐渐更暗。
返回参照图6，在非限制性示例中，压敏膜110可以包括具有随机粗糙表面610的弹性膜202。在其未变形状态下，粗糙表面610可以包括偶尔更大的突起，这些突起比从弹性膜202的平均突起延伸更远，因此可以与成像表面120进行稀疏接触。在这些稀疏接触之间，在成像表面120与弹性膜202之间可以具有草皮612，这些草皮612形成弹性膜202与成像表面120之间的微观气隙。在施加的局部压力可忽略不计的区域208中，粗糙表面纹理610中的这些微观气隙可以允许入射在成像表面120上的大部分光继续展现全内反射，从而低表面接触的这类区域208可以被照相机114成像为明亮区域。在被测物体具有将压力施加到压敏膜110的脊线106的情况下，当将粗糙表面610按压在成像表面120上时，可以部分地填充(例如614)草皮612。粗糙表面610的这类压缩区域206可以逐渐地与成像表面120进行更多接触，这可以逐渐地减少在成像表面120处的全内反射，从而局部更高压力的这些区域206可以被照相机114记录为更暗区域。
不是所有的随机粗糙表面610都可以提供预期的压敏行为。在实验上已观察到，在更硬材料中的更深纹理不可以利用手动施加的压力减少TIR。另一个极端是，具有更低弹性模量的材料中的更浅纹理不可以随着压力释放而增加TIR。因此，对于具有其弹性模量的给定材料，可以具有提供有用的压敏TIR响应的受限范围的纹理深度。
在另一示例中，压敏膜110可以包括弹性膜202和具有纳米纹理的底层130。如图6所示，纳米纹理层可以包括多个纳米线620或细丝。在本示例中，纳米线620包括聚对二甲苯(或其它材料，诸如但不限于金属的纳米线、半导体、绝缘体、聚合物、DNA、RNA、或碳纳米管)和先前所讨论的其它可能部件。如图6所示，纳米线620可以沉积在弹性膜202的一侧，从而纳米线620形成与透光构件108的成像表面120的接触层。在一些示例中，可以使用斜角气相沉积将纳米线620沉积在弹性膜202上。纳米线620可以为通过斜角气相沉积生长的聚对二甲苯的形式，诸如在美国专利No.8,64,7654、No.8,603,623和No.8,652,632中所描述，这些美国专利通过引用并入在本文中。纳米线620可以为柱状、螺旋柱状、人字形、手掌形、明显的或交织的、和/或任何其它合适形状。在实现方式中，沉积纳米线620可以包括将对二甲苯衍生聚合物解热为单体的蒸汽，将单体的蒸汽导向到表面，使该表面旋转或平移、或保持该表面静止，将单体聚合在表面上，和/或其它任何操作。纳米线620的一些特性可以为预期的。例如，非限制地，在一些示例中，聚对二甲苯纳米线620直径和/或纳米线620之间的间隔可以明显小于可见光的波长，该波长通常在400nm和800nm之间。在一个示例中，纳米线620可以为柱状，且立柱直径可以从50nm到100nm，以及立柱之间的平均间隔可以从100nm到200nm。
当纹理特征小于光学询问波长时，可以有助于依据弹性膜202的底层130的平均或有效折射率neff讨论成像表面120附近的光学机械行为。本文中所描述和所示出的区域之间的TIR机制取决于大约波长尺寸的距离中的各个区域的neff。neff可以使用混合规则(neff＝f1*n1+f2*n2+...)来估计，这为分量折射率(ni)的体积分数(fi)加权平均值。这不意味着对本发明的限制，如可以根据部件的微结构而使用其它公式来评估neff。
压敏膜110的底面130上的斜的聚对二甲苯纳米线620的示例情况的光学机械行为在图6中示出且将参照图1来描述。在本非限制性示例中，透光构件108可以为折射率为1.515的BK7玻璃棱镜。在本示例中，弹性膜202可以由折射率为1.64的聚对二甲苯-C制成。此外，斜的纳米特征的聚对二甲苯立柱620的带纹理层可以沉积在弹性膜202的底面130上。报告了在聚对二甲苯纳米线620之间可以具有接近50％的空隙率，从而在纳米线聚对二甲苯层的中间，neff为1.32。在纳米-聚对二甲苯层的外表面上，一些纳米线620可以已生长得比邻近的纳米线620高，从而在聚对二甲苯纳米线620的最外层中的聚对二甲苯的净体积分数可以减小到10％，这在压敏膜110的最靠近成像表面120的稀疏纳米线区域626中将对应的neff减小到1.064。因此在施加很小局部压力或未施加局部压力的放松区域208中，具有稀疏的聚对二甲苯的纳米线626，以及入射在棱镜的成像表面120上的光在刚越过棱镜时经历接近空气的折射率(n＝1)的有效折射率。因此，入射在稀疏纳米线聚对二甲苯626的放松区域208上的光经历TIR，这是因为入射角(45°)大于对于Bk7和空气之间的TIR的临界角，以及因此该区域可以被照相机114记录为明亮区域。相比之下，在压缩压敏膜110的情况下，诸如在区域206，许多斜的纳米线620可以弯曲且铺设成几乎与成像表面120平行，从而纳米级气隙变得更小，以及密集的聚对二甲苯纳米线628之间的空隙率相应降低。例如，如果在区域206处的空隙率由于压力而减小到20％，则neff变为1.515，这为与玻璃棱镜大致相同的折射率。在这些条件下，从棱镜108内部入射在成像表面120上的光在刚越过棱镜时经历与棱镜内部的折射率相同的折射率，因此光继续传播到压敏膜110中，在该压敏膜110处可以使光散射和/或吸收。该区域可以向照相机114呈现黑暗。采用该方式，聚对二甲苯纳米线620的纹理将物体120的脊线106和谷线104之间的压力差转换为成像表面120处的反射率的差。
用于与基于TIR的成像系统100一起工作的压敏膜110的其它纹理可以包括从专门制备的表面浇铸的纹理。例如，非限制地，可以利用掩膜或不利用掩膜来蚀刻硅晶圆。即使不具有掩膜，腐蚀性试剂可以侵害硅晶圆中的缺陷，形成蚀刻的凹坑。这些凹坑的形状可以取决于蚀刻剂。例如，可以使用碱性蚀刻溶液产生锥状凹坑。诸如玻璃、金属或陶瓷的其它表面可以被抛光以获得光滑表面，或这些表面可以经过物理或化学处理以在控制纹理特征尺寸的情况下创建表面粗糙度。示例性表面纹理工艺可以包括但不限于：喷涂、打磨、喷砂、化学蚀刻、气相沉积、和/或粘附粒子(诸如细胞、细菌、真菌和/或地衣)的自然生长。表面可以被喷洒微粒，这些微粒将材料从表面去除或将材料添加到表面，从而创建具有预期特征和尺寸的受控纹理。这些不意味着对本发明的限制，如其它工艺可以生成可浇铸到施加的弹性膜202上的主模具纹理。纹理可以形成到弹性膜202上而不使用浇铸工艺。
可以通过删减工艺(诸如蚀刻)和/或添加工艺(诸如各种材料层的沉积或生长)使各种各样的其它纹理和图案直接形成在弹性膜202上。可以通过其它工艺将纹理特征施加到光滑的弹性膜202，诸如但不限于任何印制工艺、成核和生长、图案化晶种生长、光刻、喷涂技术、和/或各种各样的其它添加或删减工艺。可以处理弹性膜202以实现喷砂面。
本文中所描述的总体设计原理的其它变型可以由在膜沉积和纹理生成的领域中的技术人员来实现。本领域的技术人员将领会到，可以采用其它方法来产生根据本发明的具有纹理的压敏膜110。例如，已开发可用于为聚合物膜加纹理的其它方法。应当理解，上文所描述的产生用于压敏膜110的各种纹理的方法不意图为限制性的。例如，可以通过并入具有弹性分量的各种其它材料的纹理或结构来产生压敏膜110的压敏光学行为。
借助荧光散射的询问
为了能够借助荧光发射询问压敏膜，弹性膜可以包含荧光染料、发冷光或发磷光的粒子、荧光纳米粒子、和/或量子点。对于荧光或散射光询问，底面可以由对荧光材料的激发和发射波长二者都可透过的材料制成。底面中的荧光材料的浓度可以被优化使得光学“趋肤深度”(即，使传播信号减小一个量级所经过的距离)与弹性膜的厚度几乎相同。如果荧光材料的浓度太高，则潜在发射的荧光信号可能不再自吸收。如果荧光材料的浓度太低，则激发光与荧光材料的交互可能被减低。为了确保成像表面在光学上保持光滑，减小光学界面处的荧光材料的浓度可以是有益的。顶面可以包括设计为阻断环境光的吸光或反光材料，从而使激发或荧光光线的吸收最小化。
光散射粒子、材料和/或特征(诸如但不限于空隙内含物、和/或具有折射率与膜的基体不同的材料的界面)可以被并入底面中。可以从几乎垂直于成像表面的照相机角度来询问压敏膜。可能需要限制在压敏膜的最低边界处存在的光散射材料的浓度，从而压敏膜可以在施加压力下符合成像表面。光散射特征的尺寸可以类似于可用于成像表面的激励和评估的光的波长。
可以使用各种光学元件几何结构来促成借助荧光或光散射对压敏膜的询问。该询问方法的关键优势是，光收集平面(垂直于照相机光学器件的轴线)可以平行于成像表面。这可以提供具有最小梯形光学失真的指纹图像。对于借助荧光或散射发射的压力分布的高对比度成像，激发光线可以以接近用于全内反射的临界角的角度入射在波导表面上。作为非限制性示例，如果波导由BK7玻璃制成，则入射角可以离成像表面的法线大约45°，如在波导内所测量。通过以明显不同于表面法线的角度取向激发光线，该几何结构形成空间滤波器，该空间滤波器将发射光(即，几乎垂直于成像表面所发射的那些光线)的一部分与激发光分离。为了使照相机对激发背景光线的收集最小化，可以从成像表面以位于照相机光学器件的收集锥角外部的角度反射激发光线。例如，任何类型的传统棱镜可以被截去顶端以形成平行于成像表面的收集平面。另一非限制性几何示例为具有两个平行表面(包括收集平面和成像表面)的平面波导。也可以使用其它几何结构来借助荧光或光散射进行询问。
图7示出了散射或荧光成像系统700的示例性实施方式。散射或荧光成像系统700可以使用散射或荧光发射727从具有压力分布的物体102获取图像。散射或荧光发射727可以由与一个版本的压敏膜110和光学元件(诸如波导709)的成像表面120进行交互来产生。准直光源112可以位于波导709的周界上，使得入射光线124a以接近用于TIR 710的临界角的入射角到达成像表面120。因此，在从物体102未施加压力的情况下或在不具有压敏膜110的情况下，该光会借助TIR 710继续在波导709内传播。
在图7中所示的示例中，压敏膜110可以包括凸起支柱204。凸起支柱204可以在施加低压力的区域(诸如指纹谷线104)中产生弹性膜202和成像表面120之间的气隙210。当所选的入射光线124a入射到具有低的施加压力的区域时，存在与弹性膜202的较少接触706，从而大多数光能被反射126a且借助TIR710继续沿着波导709传播。由于从脊线106施加的压力，其它入射光线124b可以到达在成像表面120与压敏膜110之间具有较多接触708的区域。在该情况下，由于紧密接触，反射光线126b的强度可以减小，这是因为一些入射光能可以被折射到弹性膜202中。当该折射光与位于压敏膜110的底面130附近的反射特征712交互时，根据反射特征712的光学特性，可以使该光的一部分在各个方向上再次发射727，作为散射光或荧光发射。来自较多接触708的区域的这些发射727b的碰巧传播到照相机和/或CCD阵列114的那部分然后可以被检测为局部亮斑。采用该方式，压力较高的脊线区域106可以被照相机和/或CCD阵列114记录为亮像素，而低压的谷线区域104可以被记录为暗像素，这是因为来自较少接触706的区域的发射727a的强度可以最小，由于来自光源112的局部膜激发可忽略不计。
图8示出根据一个或多个实现方式的用于使用荧光或散射光成像系统捕获物体的图像的方法800。下文呈现的方法800的操作意图是说明性的。在一些实现方式中，方法800可以在具有未描述的一个或多个附加操作的情况下、和/或在不具有所讨论的操作中的一个或多个操作的情况下来实现。另外，在图8中示出且在下文描述方法800的操作所按的次序不意图为限制性的。
在一些实现方式中，方法800可以在一个或多个处理设备(例如，数字处理器、模拟处理器、设计为处理信息的数字电路、设计为处理信息的模拟电路、状态机、和/或用于电处理信息的其它机构)中实现。该一个或多个处理设备可以包括响应于电存储在电子存储介质上的指令而执行方法800的一些或全部操作的一个或多个设备。该一个或多个处理设备可以包括通过硬件、固件、和/或软件而配置成专门设计为执行方法800的一个或多个操作的一个或多个设备。
在操作802，可以在布置在成像表面上的压敏膜的顶面上的任何位置处接收压力的施加。
在操作804，可以朝着成像表面发射光。
在操作806，可以从成像表面捕获增强的荧光或散射光发射。
在操作808，可以基于来自成像表面的增强的荧光或散射光发射来产生压力的图像。
电气询问
本发明的另一实施方式可以包括压敏膜，该压敏膜将施加的局部压力分布转换为电学特性的改变的局部分布，该电学特性诸如电阻-电导、电容、电感、和/或磁场。可以使用读出网格来测量这些电学特性。读出网格可以包括二维传感器阵列和/或导体线的重叠(但电绝缘)的多行和多列之间的接合点，以及其它支持电子器件。交叉的行和列的附近接触垫之间的接合点可以在给定坐标处形成电子读出像素的部分。下文描述使用各种版本的压敏膜电气表征压力分布的新型方法和传统方法。在本发明中所描述的压敏膜可以用作改善现有或未来传感器网格读出系统的性能、从而改善获取的压力分布或指纹的质量的附件。作为非限制性示例，可以使用电活性压敏膜代替传统的触摸屏、智能手机和/或平板显示器中的薄玻璃盖，从而提高有效压力分布分辨率。尽管传统的触摸屏在理论上可以获取指纹图像，但是获取的实际指纹质量可受限于保护电子器件的玻璃盖的硬度，因此有效指纹特征分辨率可能不理想地很低。
利用本实施方式，可以通过薄平板格式的读出网格、基于压敏膜在各个坐标处的局部电学特性电读取高分辨率压力分布(诸如指纹)。例如，更高的局部施加压力可以产生具有适当设计优化的更高局部测量电导或电容。膜和读出网格的设计可以实现使强健的2D压力传感器阵列具有高收益的经济制造技术。
在图9中可以示出用于电气询问的总体特征。电制定的压敏膜110可以放在具有压力分布的物体102和电子读出网格900之间。压敏膜110可以包括弹性膜202。弹性膜202可以包括带纹理的特征。弹性膜202可以包括在弹性膜202上方的一个或多个可选涂层(例如涂层931)、或在弹性膜202下方的涂层(例如涂层932)。在一些实施方式中，耐划伤或耐湿涂层(例如涂层931)可以被添加在弹性膜202上方，以延长使用期限。通常，在弹性膜下方的涂层(例如涂层932)可以为均匀的或图案化的电阻层或导电层。在本非限制性示例中，凸起支柱204被示出为可产生压敏气隙210的纹理特征，这些纹理特征根据施加的局部压力控制接触读出网格900中的电导体阵列(或改变与该阵列的邻近度)的局部膜区域的量。在低压区域104中，凸起支柱204可以产生将压敏膜110的电活性层与读出网格900分离的气隙210。在接触较少和气隙较宽的坐标908处，读出网格900的电极可以测量低电容918和/或低电导928。在局部压力较高的区域906中，压敏膜110可以向读出网格900偏转，且展现接触较多和/或压敏膜110与读出网格900之间的气隙201的厚度减小的区域906。在接触较多和气隙较小的坐标906处，读出网格900的电极可以测量高电容916和/或高电导926。根据公式：C＝K*A/t，其中A为电极面积且K为绝缘体的介电常数，更小的气隙210厚度t可以在那些坐标处的电极944a和电极944b之间产生更高的测量电容C。同样地，更高的施加压力106(例如在物体102的脊线106处)可以增大压敏膜110与读出网格900的接触面积(例如更多接触906)。因此，在具有较高施加压力的坐标处的适当设计的电极944a和电极944b之间可以具有较低电阻R。读出网格900可以包括基板950和一个或多个绝缘层951。在读出网格900的实施方式中，晶体管(未示出)可以被并入基板950中/上，以提供用于各个传感器的偏置电路以改善传感器之间的电绝缘，如将在下文进一步详细描述。
对于使用可检测局部电阻或电导的读出网格900的压力分布的询问，压敏膜110可以被简化成包括在弹性膜202下方的涂层(例如涂层932)，而省略在弹性膜202上方的涂层(例如涂层931)以及省略界面绝缘层955。界面绝缘层955可以包括高介电材料，该高介电材料可以在高压下防止电容器电极之间的短路，从而在弹性膜202下方的涂层(例如涂层932)将不接触读出网格900。根据在弹性膜202下方的涂层(例如涂层932)的电阻率，系统的对比度可以被调谐成具有二进制或模拟压力敏感度。在一个实施方式中，在弹性膜202下方的涂层(例如涂层932)可以具有中等电阻率，这可以随着逐渐更高的局部施加压力而产生逐渐更高的被测局部电导，且这使与附近读出电极的串扰最小化。在弹性膜202下方的电阻或电导层(例如涂层932)可以为导电油墨、复合型聚合物(例如包含炭黑粒子)、导电聚合物(诸如但不限于聚苯胺或聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS))、石墨烯层、金属膜、和/或具有受控电阻率和预期柔性的其它材料。在本发明的一些配置中，可以通过绝缘层951或通过电阻层使用于各个传感器的电接触垫分离。可以将凸起支柱204并入弹性膜202中。可替选地，凸起支柱204可以被图案化为读出网格900，这可以简化将压敏膜110制造为光滑膜，以及自动地将接触区相对于读出电极944(例如944a和944b)对准。
可以参照图10描述可如何使用由读出网格900测量的局部电阻率来询问压敏膜110的细节。压敏膜110和读出网格900的组合可以创建压敏电阻器的阵列。在图10示出了两个实施方式。一个实施方式可以包括在弹性膜202下方的导电涂层(例如导电涂层932a)，以及另一个实施方式可以包括在弹性膜202下方的电阻涂层(例如电阻涂层932b)。
如图10所示，如果导电涂层932a在弹性膜202下方，则有效读出传感器电路可以包括具有环状电极1025和中心电极1007的电阻层1030。可以使电阻层1030图案化。在不存在局部压力的地方104，根据公式：R＝ρ*L/(W*t)，其中ρ为电阻率、L为电阻器长度1088、W为电阻器宽度1089、以及t为电阻器厚度1090，可以在环状电极1025和中心电极1007之间测量相对较高的电阻R。在标准电转换之后，可以平行于电极之间的电流流动1077的方向来测量有效电阻器长度1088，同时可以垂直于电极之间的电流流动1077的方向来测量电阻器宽度1089。对于最优压力敏感度，当在弹性膜202下方施加导电涂层932a时，可以便于使电阻器长度1088平行于支柱之间的方向1099而取向。随着施加逐渐更大的脊线压力106，在弹性膜202下方的导电涂层932a可以首先接触中心电极1007。然后接触区906d的边缘可以在电阻层1030的一部分上扩展。在脊线压力106下的该配置中，可以通过在弹性膜202下方的导电涂层932a使电流路径1077部分地分流，这可以随着施加的脊线压力106增大而继续减小有效电阻器长度1088。
如在图10中进一步所示，如果在弹性膜202下方施加电阻涂层932b，则起作用的压力传感器可以由取向电极944形成，从而有效电阻器宽度1089可以平行于支柱之间的方向1099。可变电阻器可以由在弹性膜202下方的电阻涂层932b的接触区906e的可在电极944之间且接触电极944的那部分形成。当将逐渐增大的脊线压力106施加到弹性膜202时，在弹性膜202下方的电阻涂层932b与电极944的接触区的边缘906e可以继续以逐步增大电阻器宽度1089的方式扩展。
图11示出了读出传感器设计上的变型，其包括具有中心电极1007和不具有中心电极1007的环状电极1025、连同帮助使传感器彼此隔离的晶体管。“A区段”视图的截面图和俯视图示出了包括中心电极1007的传感器的设计。可以通过Vcc总线1110施加电压，该Vcc总线1110可以连接到中心电极1007。电流流经在弹性膜202下方的导电涂层932a且然后流经如先前参照图9所描述的压敏电阻层1030，直到该电流到达环状电极1025。为了读取一个特定传感器，合适的行标引晶体管1146和列标引晶体管1141二者必须处于传导“接通”状态，如通过将合适偏置施加到所选的行导体1145和所选的列导体1140二者来控制。只有这样，在来自压力传感器的输出电压被接地面1149收集之后，该输出电压将通过待读取的“接通”晶体管。
图11的“B区段”视图示出了可以将电压从Vcc总线1110直接施加到在弹性膜202下方的导电涂层932a的特殊情况。在该情况下，无需中心电极1007。如上所述，当标引晶体管1146和标引晶体管1141二者均“接通”时，在电阻层1030两端的取决于压力的电压被接地面收集之后读取该电压。
如在图11的下半部所示，如果以方形阵列放置支柱204，则压敏膜110接触可以首先发生在支柱204之间的对角线的中心，该中心因此为用于中心电极1007的方便位置。八角形环状电极1025被示出为非限制性示例，如可以使用其它相关的电极配置，包括但不限于可为圆形、方形、多边形的环状电极，和/或为直的、弯曲的、曲线形的、和/或呈现不规则碎形几何结构的平行电极。当施加脊线压力106时，低压下的接触区906a为近乎圆形的。在中等压力下的接触区906b可以朝向最近的邻近支柱204之间的中间点扩展更多。在某个阈值高压下，接触区906c可以与环状电极1025交叉。如果导电涂层932a在弹性膜202下方，则该阈值高压可以引起环状电极1025和中心电极1007之间的直接短路，以及附加压力可以不引起对被测电阻率的进一步改变。然而，如果环状电极1025被电阻层1030覆盖，则可以不存在直接短路，以及额外施加的脊线压力106可以转化为逐渐更低的被测电阻，只要接触区906c在传感器的其它区域中继续朝向环状电极1025扩展。在本发明中，该压敏电阻信息然后可以被表达为灰度图像。
使用晶体管阵列使得读出参数(即电阻、电容等)在某一时刻仅对一个传感器上的压力敏感，可以使传感器之间的串扰最小化。
图12示出了在整个微矩阵压力传感器阵列内的特定传感器坐标内部的四个优选的潜在晶体管布置方式。这些包括电源、读取、偏置膜和双取向。通常，可以将测量偏压+Vcc1110施加在传感器电路中的一点处，该传感器电路包含全部串联的压力传感器头可变电阻器1200、标引晶体管、和读取节点。一个或多个指定的列导体1140和一个或多个指定的行导体1145可以将标引偏压(为逻辑高值或逻辑低值)施加到其各自的一个或多个n型MOSFET列晶体管1141的栅极和一个或多个n型MOSFET行晶体管1146的栅极。如果传感器内的所有标引晶体管具有逻辑高偏压，则晶体管导通，只有这样才能通过读取节点1213检测压力测量信号。
在图12中所示的电源取向1201中，标引晶体管1141和1146直接连接到测量偏压+Vcc 1110，从而意图仅使所选电极偏置。传感器头电阻1200可以一直连接到读取节点1213，这本质上从所有传感器读取压力分布的总和。标引的传感器的两端的压力应当控制读取信号1213。晶体管的电源取向1201可以与弹性膜202下方的导电涂层932a或电阻涂层932b一起工作。当在传感器矩阵中不存在细分时，电源取向1201很好地工作。然而，对于大型传感器矩阵阵列，将矩阵细分为全部可并行访问的更小细分体，有时是便利的。电源取向1201可以利用矩阵细分体产生寄生信号，这是因为一些测量偏压+Vcc 1110可以从一个细分体中选择性偏置的传感器泄漏到其它细分体中未选择但邻近的传感器(施加有脊线压力106)。当在弹性膜202下方存在导电涂层932a时，这类寄生信号是更有可能的。
在读取取向1202中，标引晶体管1141和1146可以直接连接到读取节点1213，因此仅读取所选的传感器。所有传感器的传感器头电阻1200可以连接到测量偏压+Vcc 1110，如图12所示。读取取向1202可以与弹性膜202下方的电阻涂层932b一起使用。如果在弹性膜202下方存在电阻涂层932b，则可以无意地借助弹性膜202下方的电阻涂层932b将一个传感器头1200两端的测量电压分布到多个附近的传感器头1200。如果测量偏压+Vcc 1110具体地被施加到中心电极1007，则该潜在的串扰源可以减小，这是因为周围的环状电极1025可以帮助阻断测量偏压+Vcc 1110的传播。如果在弹性膜202下方存在高电阻涂层932b，则可以使串扰最小化，这可以随着寄生偏压向邻近传感器行进一些距离而减小寄生偏压。读取取向1202可以允许矩阵细分，因为可以一直将+Vcc 1110施加到所有细分体之间的所有传感器的一个电极944。因此，从邻近细分体中的传感器泄漏的任何寄生偏压是恒定的，与那个传感器正在读取无关。
在图12中所示的偏置膜取向1203中，可以将测量偏压+Vcc 1110直接施加到弹性膜202下方的导电层932a，该导电层932a可以充当用于所有的传感器的公共电极。该取向可以不与弹性膜202下方的电阻涂层932b一起使用。假设从压敏膜110的周界施加测量偏压+Vcc 1110，则在通过弹性膜202下方的电阻涂层932b向较靠近压敏膜110的中心的传感器传播相对较长距离之后，残留偏压会变得小到可忽略。在该取向中，弹性膜202下方的电阻涂层932b在其在施加的脊线压力106下接触电阻层1030时可以如同中心电极1007那样运作，如图11的“B区段”视图中所示。因此，各个传感器头仅需要单一电极944且无需通向每个传感器的+Vcc总线1110，这可以降低传感器复杂度和生产成本。该偏置膜取向1203允许细分，因为所有传感器一直具有一个偏置电极。是否有一些偏压泄漏到其它细分体中的邻近传感器并不重要。单一电极传感器头设计可以更可靠，因为它们的响应不依赖于与中心电极1007的精确初始接触。偏置膜取向1203可以为具有一对标引晶体管的取向的优选实施方式。
在图12中所示的双取向1204中，通过一组标引晶体管将传感器头电阻1200与测量偏压+Vcc 1110分离，以及通过第二组标引晶体管将传感器头电阻1200与读取节点1213分离。该特征向双取向1204提供了最可靠的信号值和对抗串扰的鲁棒保护，因为它仅为有源传感器供电且从该有源传感器读取，且为冗余的以防止误读和意外传感器供电。不管是否使用弹性膜202下方的导电涂层932a或电阻涂层932b，双晶体管取向1204将利用所有传感器头1200和电极设计进行工作，除了为偏置膜取向1203设计的各个电极。双取向1204的劣势可以包括较高的传感器复杂度(导致较高的制造成本)和较高的功耗(导致较高的损耗)，因为每个传感器具有两倍那么多的晶体管。
为了使用弹性膜202下方的导电涂层932a，双取向1204和偏置膜取向1203可以为最有发展潜力的晶体管取向，仅在特定传感器头设计下考虑另外两种取向。
为了使用弹性膜202下方的电阻涂层932b，推荐双取向1204和读取取向1202。利用弹性膜202下方的电阻涂层932b，偏置膜取向1203变得难以实施，除非使每个支柱偏置，因为这会在大多数传感器的关键测量路径中添加大电阻。
图13示出了在以电气方式表征指纹时可遇到的各种寄生测量贡献。区段1353和/或区段1354示出用于使用压敏膜110的弹性膜202下方的导电涂层932a或电阻涂层932b(分别)进行指纹电阻测量的等效电路。本质上，支持电气电路1311测量可变电阻器R传感器1357的电阻，在弹性膜202下方的涂层932a或涂层932b接触传感器电极944之后，该可变电阻器R传感器1357随着施加的局部压力而减小电阻。区段1333示出在使用压敏膜110进行指纹电容测量时涉及的等效电路元件。在用于图13中所示的四种询问方法的所有等效电路中，存在表示电极944之间的绝缘体951的公共寄生电容1306。当在弹性膜202下方存在电阻涂层932b时，区段1354示出弹性膜202的寄生电容C膜1356如何可以影响测量。此处的关键点是，当使用压敏膜110表征指纹时，可以屏蔽掉导电涂层932a之上的所有寄生电容元素，无论该导电涂层932a施加在弹性膜202上方还是下方。
可以用电容测量的阵列来表征指纹。图13示出了区段1303中的传统的基于电容的表征方法的等效电路对比区段1333中的用于借助压敏膜110使用电容测量表征压力分布的等效电路。
如在图13的区段1303中所示，传统的指纹电容测量等效电路1303包含从一个电极944到另一个电极944的测量路径，该测量路径必须通过手指谷线中的空气电容1302b、然后通过皮肤电容1301b、然后通过更深手指组织的电容1304a。于是当电流再次离开手指时，该电流通过另一皮肤电容1301a和手指谷线中的另一空气电容1302a。该方法的信噪比可以被两个挑战危害。低信号分别源自于由接近1mm厚的皮肤层造成的低电容和由空气厚度在指纹脊线或谷线下从0到0.1mm的变化造成的低电容。高噪声级别由人体组织的传导性和介电常数的显著变化造成。此外，传统的基于电容的指纹表征方法的分辨率受到危害，因为电流可以与接近1mm的皮肤交互，即使电极间隔仅为大约0.05mm。如果电流在到达大型公共接地电极之前通过手指的大部分，则来自组织电性质的变化的噪声可以变得更大。该选项通过关闭接地开关1309来表示。
在图13中，压力分布的基于压敏膜的电容测量的等效电路1333示出了本发明显著提高信噪比的原因。在聚对二甲苯膜下方的高度导电层可以被接地以有效地阻止来自与人体组织1301或指纹谷线中的空气1302的交互的任何寄生电容贡献。因此，通过从一个电极传递到另一个电极的电流所测量的主要电容元件为在弹性膜下方的气隙的电容1332a和电容1332b。通过屏蔽掉弹性膜的恒定电容1356，测量的净电容可以变得对凸起支柱之间的气隙的厚度更加敏感。可以减小噪声而无人体组织的电性质的变化。可以保持精细分辨率，因为被测电容器的顶部电极可以反映小的电极大小。信号强度很高，因为来自分别在脊线或谷线下的厚度为0到0.3μm的窄气隙的被测电容很大。
图14示出了对于传统电容方法1401和本发明的压敏膜电容方法1402的从人体指纹脊线到谷线的预期范围的模拟电容测量的比较。如在图14中显示的模拟结果中所示，压敏膜方法产生的电容信号比来自传统的人体组织的直接表征的电容信号高大约5个量级。
在一实施方式中，可以读取压敏电阻传感器而不使用标引晶体管1141和标引晶体管1146。这可以需要将列导体1141与正电极944直接连接以及将行导体1146与负电极944直接连接，反之亦然。然而，当大的局部区域由于高局部压力而与读出网格接触时，在压力传感器之间可以存在串扰。相比于仅小的局部电阻区域接触传感器电极，传感器电极944之间的穿过弹性膜202下方的涂层932以及附近的传感器行导体和列导体的可能路径可以在所选的接合点产生甚至更低的被测电阻。适度地，这个环境放大信号效应是基于局部电阻测量(局部电导测量的倒数)评估局部压力的有益产物。在弹性膜202下方的电阻涂层932b的厚度和电阻率可以被制定成控制被测电阻且从而优化系统性能。假设通过记录由施加的电流脉冲引入的电压来测量电阻，则增大电阻可以增大对压力的敏感度。增大电阻可以减小发生环境放大信号效应所经过的有效距离，因此减小协同串扰且产生更精细的空间分辨率。采用该方式，可以从局部电阻解释局部压力，以及该解释的压力可以在生成的压力图像中被表示为灰度值。可替选地，可以通过用高度导电层932a(诸如薄金属涂层)代替电阻层932b来生成对比度高得多的图像。由导电层对电路的直接接触完成可以产生表示高于或低于压力阈值的局部压力值的黑白图像，该压力阈值可以通过压敏膜110的机械性质来确定。在压敏膜110中使用高度导电的底部接触层932a而无标引行晶体管1146和列晶体管1141的缺点是，在传感器之间可能存在显著的串扰，因为如果那些接触垫已通过在其它位置上与压敏膜110的接触而有效地短路，则可以存在从一个坐标到另一个坐标的多个导电路径。
在图15中示出了各种各样的非限制性示例电极设计。这些电极944的关键特征和功能可以不依赖电极是直接地、还是间接地(通过标引列晶体管1141和行晶体管1146)连接到列导体1140或行导体1145。在图15中，以两种不同的阴影示出了正电极944和负电极944，以及传感器内的每个电极被示出为分立的电隔离区域，如在与标引晶体管一起使用时将为这种情况。虚线示出了可以如何连接类似极性电极944，如在直接地连接到列导体1140或行导体1145时将为这种情况。在任一种情况下，为了与弹性膜202下方的涂层932始终如一的电接触交互，通常期望的是电极944全部都终止于同一共面的顶面。
最简单的电极为线电极1510，前文已参照图10描述了该线电极1510的行为。当在弹性膜202下方使用电阻涂层932b时，增大成像表面120的参与传感器的压敏响应的部分的一种方式是将电极944布置到电极944局部彼此平行的许多区域中。如果不存在支柱204和电极944之间的登记，则不规则碎形电极1520(诸如在图15中所示的不规则碎形电极)有效地将电极944之间的交互分布在成像表面120上。
在图15中所示的环状电极1025特别适合于存在支柱204和电极944的位置之间的认真登记或对准的情形。例如，这类对准可以通过将支柱204制作为电子读出网格900的一部分、而非将支柱204制作为压敏膜110的一部分而内置。环状电极1025可以使用围绕任何形状的中心电极1007的圆形的任何多边形近似来形成。已参照图11讨论了环状电极的设计和行为的细节。尽管在图15中所示的任何电极设计1500可以用于进行电阻或电容压敏测量，但是填充区域电极1530特别适合于进行电容压敏测量，因为电极1530的高表面积提供更大电容信号。在图15中所示的读出网格电极几何结构示出了可用于电询问压敏膜的各种电极图案。这不意味着对本发明的限制，如可以使用其它读出网格电极图案。
参照图16，表示施加到成像表面的压力分布的指纹图像可以通过从压力传感器阵列(被称为微传感器矩阵(Micro Sensor Matrix，MSM)1620)收集各个压力测量值(上文所描述)并将该数据置于表示局部压力数据的一系列连续值中来形成，该一系列连续值然后可以被重组为指纹的图像。图16示出了实现该任务的一个可行的传感器标引电路的流程图1600。这不意味着对本发明的限制，如该标引方法的其它变型是可能的。不管使用哪种标引晶体管取向(参看图12)，都可以将偏压从列导体1140或行导体1145寻址线施加到n型MOSFET晶体管的栅极。这些线携带逻辑高值或逻辑低值，且从片上周期性寻址逻辑(Periodic Addressing Logic，PAL)1610获得电力。PAL 1610可以仅使用时钟信号和电源按顺序选择MSM 1620中的不同传感器。MSM 1620可以被划分为总共K2个细分体，其中，K为沿着一侧的细分体的数量。在细分体内的各个传感器的读取节点1213可以连接到公共输出读取线。在特定寻址位置处的各个细分体的电输出参数(无论是电流还是电压)的值可以被传递到模拟-数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)1630，在该ADC 1630处可以将该值从模拟测量值转换为数字值。其它数字值方案可以是可行的。然后可以将数字值发送到传感器矩阵存储器(Sensor Matrix Memory，SMM)1650中，在此，存储器访问控制器(Memory Access Controller，MAC)1660可以从L个可能存储页面中确定哪个页面(数据的区段)将接收新数据。当已将N×M字节写入存储器时，SMM 1650可以该页面已满传达给MAC1660。MAC 1660可以按顺序选择下一个页面来接收新数据，跳过正被读取的页面。MAC 1660可以与USB控制器1670通信。MAC 1660可以读取通过USB线1680从SMM 1650发送到主计算机或其它设备的数据。使用来自SMM 1650的页面状态标志，MAC 1660可以选择最近期的完整存储器页面。使用类似于PAL 1610中的寻址逻辑的寻址逻辑，MAC 1660然后可以读取页面存储器内的各个值并将其发送到USB控制器1670，该USB控制器1670准备将其通过USB输出线1680进行传送。
PAL 1610可以脱离内置时钟发生器(Onboard Clock Generator，OCG)1640和从USB连接件1680接收的电力而运作。在初始化之后，PAL 1610可以在每个时钟周期使用移位寄存器来推进其行选择状态。当行移位寄存器“翻转”(即，在细分体内的所有行之间、在逻辑高输出值的位置上完成一个完整的移位循环)时，这可以触发列移位寄存器推进。列移位寄存器的最终状态可以翻转到其初始状态。该循环可以无休止地重复，且与SMM 1650同步操作，以正确地将传感器数据包存储到正确的存储器位置。可选地，PAL 1610可以不定期地重置SMM 1650以使其保持与MSM 1620标引同步。可以具有N/K个行选择状态和M/K个列选择状态，其中，K为每行的细分体的数量。可以使用“独热”编码法来编码选择状态，其中，一组N/K个逻辑晶体管中的第i个逻辑晶体管可以表示细分体内的行状态，以及一组M/K个逻辑晶体管中的第j个逻辑晶体管可以表示细分体内的列状态。这两种状态可以决定MSM 1620的K2个细分体中的每个细分体内的哪个(i,k)坐标将被读取(即，从K2个细分体中的每个细分体中的哪个传感器)到一个数据包中。
MSM 1620可以包括N×M压力传感器阵列(前文所描述)。在MSM 1620内可以无逻辑，除了各个传感器内部的标引晶体管1141和标引晶体管1146。MSM 1620可以从PAL 1610接收独热编码的列(i)状态和行(j)状态，如按顺序连接的列导体1140和行导体1145的组合。如前文参照图12所描述，当列导体1140和行导体1145分别将逻辑高值施加到给定传感器的列晶体管1141和行晶体管1146时，则来自该特定(i,j)传感器的输出信号可以主动地连接到其读取节点。同一细分体内的所有传感器的读取节点可以全部一起连接到该细分体的读取总线。在给定包内，可以便于从相对于每个细分体的左下角都具有同一(i,j)坐标的传感器采集信号值。PAL 1610和MSM 1620的组合连接可以被设计成在某一时刻从每个细分体输出一个信号。
ADC 1630可以首先接受来自MSM 1620的模拟值。MSM 1620中的各个细分体可以具有可物理上连接到其自身的ADC 1630的单独读取总线。在此，各个模拟读取值被缓存且然后被转换为数字值。这些ADC 1630可以使用闪存技术来实现，但是逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register，SAR)可以为一种选择。然后与来自PAL 1610的目前标引坐标同步地将数字传感器数据传递到SMM 1650。
SMM 1650可以将目前数据包存储到当前存储器页面中。SMM 1650可以为寄存器阵列(通常8位，但是可以使用其它级别的数据精度)，该寄存器阵列可以保有来自MSM 1620的L个矩阵读数包。SMM 1650可以由N×M个页面组成。SMM 1650可以与PAL 1610同步操作，正因如此，活跃页面中的SMM 1650写位置可以基于时钟脉冲而为确定性的。在SMM 1650变为与PAL 1610不同步的情况下，当PAL 1610移位寄存器翻转时，对于写位置而言可以复位回到当前页面的顶部。在该情况下，将不会丢失有意义的数据，因为去同步会使数据页面有缺陷，因此立即重写是不合逻辑的。当完成写入页面时，SMM 1650可以传达给MAC 1660以更新其“脏页表”。将来自MSM 1620的过去读数的阵列存储到SMM 1650设备上的益处是，这允许MSM 1620尽可能快地扫描整个页面，而不关注将数据传送回其主机的任何瓶颈。尽管使用该方法不可以将每次扫描都发送到主机，但是该方法确保扫描表示在最小可能时间间隔内获得的传感器的值。
MAC 1660可以从USB控制器1670接收对数据的请求，且可以针对相关数据查询SMM1650。MAC 1660可以使用所谓的“脏页表”管理哪个页面为待写的下一页面。MAC 1660可以基于从SMM 1650接收的脏页表标记和页面翻转标记来进行这些决定。脏页表可以具有如下可能标记(被存储为指示值)：“新的”(例如00)、“旧的”(例如01)、“读取”(例如10)和“写入”(例如11)。内存页面逻辑图示出了一个页面的标记可以如何在这些值之间移动。为了定义术语，如果页面为最近期写入的页面且还未被读取，则该页面为“新的”，因此“新的”页面准备被读取。如果页面已被读取或不是最近期写入的页面，则该页面为“旧的”，因此“旧的”页面准备被写入。如果页面当前正在被读取，则该页面为“读取”，以及如果页面当前正在被写入，则该页面为“写入”。MAC 1660可以按顺序选择未被读取且不是最近期写入的页面的下一页面。
OCG 1640可以生成驱动基板上的所有顺序逻辑的顺序脉冲。
USB控制器1670可以通过USB电缆1680来与主机通信。USB控制器1670可以充当电路和主机之间的中介。USB控制器1670可以读取由主机发送的请求且可以针对将发送回主机的所需数据查询MAC 1660。
在一些实施方式中，可以便于将机载存储器移动到不在与MSM 1620相同的集成电路上的位置，或完全去除该存储器。如果去往主机的数据传递速度为可接受的高速，则该方法可以是可行的，从而得益于使用现成的传感器矩阵内存芯片和/或现成的内存访问控制器芯片的经济性。在图17中总结了用于不具有SMM 1650和MAC 1660的这类简化集成电路的流程图1700。图17中的OCG1640现在明显地钟控USB控制器1670，以及USB控制器1670将时钟信号传递到PAL 1610。这可以允许USB控制器1670暂停时钟信号并通过USB电缆1680发送页面信号的末端以告诉主机已完成页面读取。在该取向中，从MSM 1620读取的K2个字节可以在通过USB电缆1680发送之前被缓存在USB控制器1670中。因此，OCG 1640时钟速度可以受USB电缆1680的瓶颈约束。PAL 1610、MSM 1620和/或ADC 1630功能可以与上文所描述的相同。内置时钟发生器OCG1640可以内在地被制作成如上文所描述的那样运作，然而在该简化电路中，OCG1640可以连接到USB控制器1670。在该情况下，USB控制器1670可以主要负责所有数字数据的控制。
图20示出根据一个或多个实现方式的用于使用电气压力传感器读出网格系统捕获物体的图像的方法2000。下文呈现的方法2000的操作意图是说明性的。在一些实现方式中，方法2000可以在具有未描述的一个或多个附加操作的情况下、和/或在不具有所讨论的操作中的一个或多个操作的情况下来实现。另外，在图20中示出且在下文描述方法2000的操作所按的次序不意图为限制性的。
在一些实现方式中，方法2000可以在一个或多个处理设备(例如，数字处理器、模拟处理器、设计为处理信息的数字电路、设计为处理信息的模拟电路、状态机、和/或用于电处理信息的其它机构)中实现。该一个或多个处理设备可以包括响应于电存储在电子存储介质上的指令而执行方法2000的一些或全部操作的一个或多个设备。该一个或多个处理设备可以包括通过硬件、固件、和/或软件而配置成专门设计为执行方法2000的一个或多个操作的一个或多个设备。
在操作2002，可以在布置在电采集表面上的压敏膜的顶面上的任何位置处检测压力的施加。
在操作2004，可以在电传感器读出网格的电极之间施加电流或电压。
在操作2006，可以基于对压力的电响应来生成压力的图像。
付诸实施
在本示例中，压敏膜的受控纹理采用从硅晶圆模具中的孔浇铸的凸起支柱的形式。硅晶圆模具包含直径为2微米的孔的六角密堆积阵列，这些孔间隔50μm且被蚀刻到280nm的深度。蚀刻的硅晶圆模具被旋压涂覆micro-90的清洗溶液的2％水溶液，作为脱模剂。为了提供对聚对二甲苯蒸汽的均匀暴露，将该晶圆放在附接到模型2010聚对二甲苯沉积系统的中心旋转引线的10个水平托中的一个水平托盘上，该沉积系统以标准方式配置有用于使聚对二甲苯蒸汽流通贯穿腔体的的多孔分叉管。在蒸发器中放置10g的聚对二甲苯C的负载。将该系统抽空，然后根据来自系统(Specialty Coating System)的制造商的指令来设置和使用标准聚对二甲苯沉积温度和条件。在大约70分钟的蒸汽聚合之后，4μm厚的聚对二甲苯C膜沉积到硅晶圆模具上。为了使与顶面(即，将施加具有压力分布的物体的地方)的光学交互最小化，当聚对二甲苯膜附着到硅模具时，通过将该膜染黑来提高聚对二甲苯膜的吸收率。使用非接触式升华染印转移工艺、使用T恤式按压对该膜染色。将染色的且带纹理的聚对二甲苯C膜粘着性地接合到柔性塑料框架且从硅晶圆模具移除。在将加框的压敏膜放在棱镜的成像表面上之后，在通过压敏膜施加手指压力之前，使用i3mini+指纹实时扫描系统获得图18中的压力分布图像1800。
图18将使用压敏膜获取的指纹的质量与不利用压敏膜获取的裸露指纹1855的图像相比较。使用上文结合i3mini+基于全内反射(TIR)的成像系统所描述的压敏膜获取示例性指纹压力分布图像1800。使用压敏膜110获取的压力分布图像1800清楚地示出非常精细的特征细节1801，诸如沿着脊线的终点的一串孤立节点和每个脊线内的粒状纹理。谷线1802全部是连续的，且指纹脊线1803是连续的。跨越整个指纹，具有均匀的压敏对比度1804(即，脊线内的平均灰度值跨越整个指纹是一致的)，而灰度的局部变化揭示了细小规格的脊线结构而不使大规模的脊线形结构模糊不清。这类高质量图像很容易被加工成可识别的指纹特征。
不利用压敏膜而从裸露手指1855获取的指纹图像可以对局部和全局水分含量水平高度敏感。例如，干燥手指1820的TIR图像可以用对比度高度可变的区域1824来标记。在具有较低水分的区域中，脊线的区段1823可能丢失，以及汗腺1821可以标记被成像为黑点的脊线的区域。这类干燥手指可能难以处理为可识别的指纹特征，因为在指纹脊线中的间断点可以看起来非常类似于脊线终点。汗腺1821可能一天在一些区域中活跃且另一天在完全不同的区域中活跃，这对获得对于长期数据库匹配可重复的指纹造成额外的挑战。在理想的水分含量1830下(这可以临时通过在手指上呼吸几秒钟来获得)，可以偶然获得指纹的预期质量，诸如细小特征细节1831、连续谷线1832、连续脊线1833、和均匀对比度1834。然而，在过度水分含量1840下，缩聚可以形成手指周围的晕轮1845、谷线1842可能是间歇的或完全丢失、以及合并的脊线1843可以形成大的黑暗的未定义区域。通过借助相同的右手食指施加2kg的相同负荷来获得图18中的所有压力分布指纹图像，如将该右手食指放在基于TIR的成像系统的棱镜上。
优化机械行为
使用聚对二甲苯膜(使用包含蚀刻的凹坑的Si晶圆来浇铸)作为非限制性示例，如下分析阐述了如何可以需要特定范围的几何参数和机械参数来优化压敏膜的性能。该分析然后可以被推广以指导由其它材料制成的压敏膜的设计。改变用于膜偏转的标准公式，使用伪-有限元素分析方法来计算弹性膜(在该情况下由聚对二甲苯制成)的偏转，该弹性膜被悬挂在一组凸起支柱(在该情况下布置在六角密堆积阵列中)上方。在图4中，先前呈现了支柱之间的偏转，绘制了在通常很轻施加的1kg的手指负荷下，在六角密堆积阵列中的最邻近支柱之间的横截面以及对角线支柱之间的膜的底部的横截面，其中，聚对二甲苯膜厚度为3μm、最邻近的2微米宽的支柱之间的间隔为50μm、以及支柱高度为0.2μm。这些为在图19中呈现的模拟结果中所使用的相同默认基准几何值。在图4中，支柱430之间的偏转可以使膜移动以沿着支柱间的对角线紧密接触特定区域中的成像表面，而最邻近的相邻支柱之间的偏转可能还没有达到支柱的全高度。弹性膜与成像表面之间的紧密接触的二维区域有效地中断全内反射且显得黑暗，而无这种紧密接触的像素区域允许全内反射且显得明亮。使用0表示100％接触且使用255表示0％接触，由照相机登记的像素的灰度可以被评估为像素区域的黑暗接触区域部分的线性插值。图19示出了来自从机械特性预测光学行为的模拟结果的趋势1900。最大偏转对比膜厚的绘图1910示出了，当膜厚增大仅几μm时，中心偏转减小几个数量级。注意，在通常很轻施加的1kg的手指负荷下，对于3μm厚的膜，最大中心偏转刚好大于0.2μm。因此，如果将支柱高度固定为0.2μm，则膜将在轻手指压力下开始接触成像表面。如在灰度对比聚对二甲苯膜厚的绘图1920中所示，在这些轻手指负荷的条件下，像素的灰度将随着从1.5μm到3.5μm的膜厚近似线性地增大。由于预期轻手指负荷产生浅灰色灰度，因此弹性膜的设计的良好开始点是选择接近3μm的膜厚。通过将膜厚固定为3μm，聚对二甲苯膜的灰度对比施加的局部压力的绘图1930示出了像素灰度将如何随着从0.06MPa到0.5MPa(表示在手指脊线下施加的局部压力的典型范围)变化的施加的手指负荷而从浅到深变化。注意，利用这些几何设计选择，在2cm2的常规区域上通常很低的1kg手指负荷下，压敏膜在每个脊线下产生预期的浅灰像素。通过将该相同曲线重新绘制为聚对二甲苯膜的灰度对比伸缩因子1940，且仅将X轴从压力变为用于各个压力的相应伸缩因子，可以使像素响应对各种膜参数的敏感度可视化。在该情况下，该伸缩因子被定义为(P/E)*(a/t)^3，其中，P是以MPa为单位的施加压力、E是以MPa为单位的弹性模量、“a”是以μm为单位的支柱之间的最近距离的一半、以及t是以μm为单位的膜厚。注意，伸缩因子仅对P/E的比值线性敏感，但是伸缩因子与“a”/“t”的立方成比例，这预示光学响应对膜几何结构极其敏感。灰度对比伸缩因子的这个绘图1940充当主曲线，因为可以针对几何结构、材料和施加压力的任何组合计算伸缩因子，以预测该压敏膜在被表征在基于全内反射的获取系统中时的光学响应。
尽管出于说明目的而基于当前被视为最实际的且优选的实现方式的实现方式详细描述了本发明的一个或多个系统和/或一个或多个方法，但是应当理解，这类细节仅仅出于该目的且本发明不限于所公开的实现方式，但是相反地意图覆盖在所附权利要求的精神和范围内的修改和等效布置。例如，应当理解，本发明预期，在可能的范围内，任一实现方式的一个或多个特征可以与任一其它实现方式的一个或多个特征组合。
尽管出于说明目的而基于当前被视为最实际的且优选的实现方式的实现方式详细描述了本发明的一个或多个系统和/或一个或多个方法，但是应当理解，这类细节仅仅出于该目的且本发明不限于所公开的实现方式，但是相反地意图覆盖在所附权利要求的精神和范围内的修改和等效布置。例如，应当理解，本发明预期，在可能的范围内，任一实现方式的一个或多个特征可以与任一其它实现方式的一个或多个特征组合。

Claims (41)

1.一种压敏膜，包括：
顶面；
与所述顶面相对的底面；以及
形成所述顶面的至少一部分的弹性的可变形膜；以及
置于所述底面与透光构件的成像表面之间的带纹理的表面，所述带纹理的表面与所述压敏膜的所述底面的至少一部分接触或与所述成像表面的至少一部分接触，所述带纹理的表面将所述压敏膜保持在默认位置，所述带纹理的表面和/或所述压敏膜被形成使得在所述压敏膜的所述顶面上的任何位置处施加的压力使所述可变形膜变形，以在所述位置处减小所述可变形膜与所述成像表面之间的距离。
2.如权利要求1所述的压敏膜，其中，所述弹性的可变形膜的折射率与所述透光构件的折射率相同或几乎相同。
3.如权利要求1所述的压敏膜，其中，所述压敏膜由厚度小于20μm的聚合物膜形成。
4.如权利要求3所述的压敏膜，其中，所述聚合物膜包括如下项中的一者或多者：聚对二甲苯、尿烷、聚酯、氟化乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、全氟烷氧基(PFA)、和/或聚酰亚胺。
5.如权利要求1所述的压敏膜，其中，所述带纹理的表面包括一个或多个凸起支柱、正弦波状物、高低不平的带纹理的表面、微孔泡沫、和/或无孔层。
6.如权利要求1所述的压敏膜，其中，所述带纹理的表面包括多个纳米线。
7.如权利要求1所述的压敏膜，其中，所述带纹理的表面从模具的表面来浇铸。
8.一种基于全内反射的成像系统，包括：
具有成像表面的透光构件；
布置在所述成像表面上的压敏膜，所述压敏膜包括顶面、与所述顶面相对的底面、以及形成所述顶面的至少一部分的弹性的可变形膜；
置于所述压敏膜与所述成像表面之间的带纹理的表面，所述带纹理的表面与所述压敏膜的所述底面的至少一部分接触或与所述成像表面的至少一部分接触，所述带纹理的表面将所述压敏膜保持在默认位置，所述带纹理的表面和/或所述压敏膜被形成使得在所述压敏膜的所述顶面上的任何位置处施加的压力使所述可变形膜变形，以在所述位置处减小所述可变形膜与所述成像表面之间的距离；
光源，所述光源配置成从所述成像表面的与所述带纹理的表面相对的一侧向所述成像表面发射光，从而在所述成像表面上的、由于施加在所述压敏膜的所述顶面上的压力而使得所述压敏膜的所述底面接触所述成像表面的任何位置处，出现所述光的减少的全内反射；以及
传感器，所述传感器配置成捕获从所述成像表面反射的所述光。
9.如权利要求8所述的基于全内反射的成像系统，其中，所述透光构件为棱镜或光学波导。
10.如权利要求8所述的基于全内反射的成像系统，其中，所述弹性的可变形膜的折射率与所述透光构件的折射率相同或几乎相同。
11.如权利要求8所述的基于全内反射的成像系统，其中，所述压敏膜由厚度小于20μm的聚合物膜形成。
12.如权利要求11所述的基于全内反射的成像系统，其中，所述聚合物膜包括如下项中的一者或多者：聚对二甲苯、尿烷、聚酯、氟化乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、全氟烷氧基(PFA)、和/或聚酰亚胺。
13.如权利要求8所述的基于全内反射的成像系统，其中，所述带纹理的表面包括一个或多个凸起支柱、正弦波状物、高低不平的带纹理的表面、微孔泡沫、和/或无孔层。
14.如权利要求8所述的基于全内反射的成像系统，其中，所述带纹理的表面包括多个纳米线。
15.如权利要求8所述的基于全内反射的成像系统，其中，所述带纹理的表面从模具的表面来浇铸。
16.一种荧光或散射光成像系统，包括：
具有成像表面的透光构件；
布置在所述成像表面上的压敏膜，所述压敏膜包括顶面、与所述顶面相对的底面、以及形成所述顶面的至少一部分的弹性的可变形膜；
置于所述压敏膜与所述成像表面之间的带纹理的表面，所述带纹理的表面与所述压敏膜的所述底面的至少一部分接触或与所述成像表面的至少一部分接触，所述带纹理的表面将所述压敏膜保持在默认位置，所述带纹理的表面和/或所述压敏膜被形成使得在所述压敏膜的所述顶面上的任何位置处施加的压力使所述可变形膜变形，以在所述位置处减小所述可变形膜与所述成像表面之间的距离；
光源，所述光源配置成从所述成像表面的与所述带纹理的表面相对的一侧向所述成像表面发射光，从而在所述成像表面上的、由于施加在所述压敏膜的所述顶面上的压力而使得所述压敏膜的所述底面接触所述成像表面的任何位置处，出现所述光的减少的全内反射以及出现增强的荧光或散射光发射；以及
传感器，所述传感器配置成从所述成像表面捕获所述增强的荧光或散射光发射。
17.如权利要求16所述的荧光或散射光成像系统，其中，所述透光构件为棱镜或光学波导。
18.如权利要求16所述的荧光或散射光成像系统，其中，所述弹性的可变形膜的折射率与所述透光构件的折射率相同或几乎相同。
19.如权利要求16所述的荧光或散射光成像系统，其中，所述压敏膜由厚度小于20μm的聚合物膜形成。
20.如权利要求19所述的荧光或散射光成像系统，其中，所述聚合物膜包括如下项中的一者或多者：聚对二甲苯、尿烷、聚酯、氟化乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、全氟烷氧基(PFA)、和/或聚酰亚胺。
21.如权利要求16所述的荧光或散射光成像系统，其中，所述带纹理的表面包括一个或多个凸起支柱、正弦波状物、高低不平的带纹理的表面、微孔泡沫、和/或无孔层。
22.如权利要求16所述的荧光或散射光成像系统，其中，所述带纹理的表面包括多个纳米线。
23.如权利要求16所述的荧光或散射光成像系统，其中，所述带纹理的表面从模具的表面来浇铸。
24.一种电气压力传感器读出网格系统，包括：
布置在电气采集表面上的压敏膜，所述压敏膜包括：
顶面；
与所述顶面相对的底面；
具有形成所述顶面的至少一部分的电活性层的弹性的可变形膜；以及
形成接触所述电气采集表面的所述压敏膜的所述底面的至少一部分的电活性层；
置于所述压敏膜与所述电气采集表面之间的带纹理的表面，所述带纹理的表面与所述压敏膜的所述底面的至少一部分接触或与所述电气采集表面的至少一部分接触，所述带纹理的表面将所述压敏膜保持在默认位置，所述带纹理的表面和/或所述压敏膜被形成使得在所述压敏膜的所述顶面上的任何位置处施加的压力使所述弹性的可变形膜变形，以在所述位置处减小所述弹性的可变形膜与所述电气采集表面之间的距离，导致所述电活性层的电气特性改变；以及
电气传感器读出网格，所述电气传感器读出网格配置成在所述电气传感器读出网格的处于所述电气采集表面处的电极之间施加电流或电压，从而在所述电气采集表面上的、由于所述压敏膜的所述顶面上的压力而使所述压敏膜的所述底面接触所述电气采集表面的任何位置处的电极之间，出现电气响应。
25.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述压敏膜由厚度小于20μm的聚合物膜形成。
26.如权利要求25所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述聚合物膜包括如下项中的一者或多者：聚对二甲苯、尿烷、聚酯、氟化乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、全氟烷氧基(PFA)、和/或聚酰亚胺。
27.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述带纹理的表面从模具的表面来浇铸。
28.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述电极以重复不规则分形图案来布置。
29.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述电极位于其它电极的周界周围。
30.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述带纹理的表面包括周期性或准周期性的凸起特征。
31.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述电气传感器读出网格通过印制工艺来制造。
32.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述压敏膜包括具有受控电气特性的层，所述受控电气特性包括中度电阻、高电导、高介电常数、和/或高磁化率中的一者或多者。
33.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述压敏膜包括具有压敏气隙的层，从而基于包括所述压敏膜的区域的电容的变化来测量施加的所述压力。
34.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述压敏膜包括具有高电导的层，所述高电导的层接地以使所述电气传感器读出网格对所述压敏膜的其它层的寄生电气特性或应用所述压力的施加的物体的寄生电气特性的灵敏度最小化。
35.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，通过第一组标引晶体管将压力传感器与测量偏置总线分离，以及通过第二组标引晶体管将每个压力传感器与读取总线分离，从而从一个隔离位置读取来自压力传感器阵列的数据，不管所述压力传感器的内部设计如何。
36.如权利要求35所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，通过第三组标引晶体管将每个压力传感器与输入总线分离，以及通过第四组标引晶体管将每个压力传感器与输出总线分离，从而从一个隔离位置读取来自所述压力传感器阵列的数据，不管所述压力传感器的所述内部设计如何。
37.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，在所述电气压力传感器读出网格系统内以第一速率获取压力传感器数据并将所述压力传感器数据存储到本地缓存器中，以及以不同于所述第一速率的速率检索且传输所述压力传感器数据，从而所述本地缓存器允许所述压力传感器数据被获取和被存储而不中断检索和传输所述压力传感器数据。
38.如权利要求37所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述压力传感器数据被硬连线到专用存储器分配中。
39.如权利要求37所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述压力传感器数据被自动地输入到时序存储器位置中。
40.如权利要求24所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，以第一速率获取输入数据并将所述输入数据存储到本地存储器结构中，以及以不同于所述第一速率的速率检索且传输输出数据，从而所述本地存储器结构允许所述输入数据被获取和被存储而不中断检索和传输所述输出数据。
41.如权利要求40所述的电气压力传感器读出网格系统，其中，所述输入数据从具有类似的格式和阵列维度的不同位置获取，其中，来自不同位置的所述输入数据被导向到专用存储器分配中。
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