CN108883435A - 用于超声换能器像素读出的驱动方案 - Google Patents

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Abstract

本发明提供与用于超声换能器像素读出的驱动方案相关联的系统、方法和设备的一些实施方案。在一些实施方案中，压电超声换能器具有第一电极(508)、第二电极(512)，以及安置在所述第一电极与所述第二电极之间的压电层(504)。所述第二电极与采样节点耦合。采样二极管(524)具有输入端和输出端。所述输入端经耦合以接收二极管偏压信号(DBias)。所述输出端与所述采样节点耦合。控制器电路经配置以控制所述二极管偏压信号以至少部分地驱动在所述采样节点处的电压。读取电路与所述采样节点耦合以读取所述电压。

Description

用于超声换能器像素读出的驱动方案
优先权数据
本专利文档主张以下专利的优先权：2016年4月4日由Hinger递交的标题为“用于超声换能器像素读出的驱动方案(DRIVE SCHEME FOR ULTRASONIC TRANSDUCER PIXELREADOUT)”的第62/318,117号美国临时专利申请(代理人案号QUALP436PUS/161909P)，其以引用的方式并入本文中，以及2017年3月30日由Hinger递交的标题为“用于超声换能器像素读出的驱动方案(DRIVE SCHEME FOR ULTRASONIC TRANSDUCER PIXEL READOUT)”的第15/474,084号美国专利申请(代理人案号QUALP436US/161909)，其以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及压电超声换能器，并且在一些实施方案中涉及用于生物计量感测、成像和触摸或手势识别的压电换能器的电子传感器阵列或交互式显示器。
背景技术
超声传感器系统可使用发射器以产生超声波并且通过传送媒体且朝向待检测的对象发送超声波。超声发射器可以可操作地耦合到经配置以检测从对象反射的超声波的部分的超声传感器阵列。举例来说，在超声指纹传感器中，可以通过在短的时间间隔期间开始和停止发射器而产生超声脉冲。在超声脉冲遇到的每个材料界面处，可以反射超声脉冲的一部分。
压电超声换能器对于例如包含指纹传感器的生物计量传感器系统、手势检测系统、麦克风和扬声器、超声成像系统以及化学传感器的众多应用是有吸引力的候选项。此类换能器可并入压电材料作为用于检测超声信号的接收器。压电超声换能器通常包含悬置于空腔上方的压电堆叠。压电堆叠可包含压电材料的层和在压电层的每一侧上的经图案化或未经图案化的电极的层。
发明内容
本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责本文中所公开的所期望的属性。
在一些方面，设备包含压电超声换能器，所述压电超声换能器具有第一电极、第二电极，以及安置在第一电极与第二电极之间的压电层。第二电极与采样节点耦合。采样二极管具有输入端和输出端。输入端经耦合以接收二极管偏压信号。输出端与采样节点耦合。控制器电路经配置以控制二极管偏压信号以至少部分地驱动在采样节点处的电压。读取电路与采样节点耦合以读取电压。
在一些实施方案中，控制器电路经配置以控制二极管偏压信号以在包含第一电平和第二电平的两个电压电平之间切换。在采样窗口对应于读取电路的激活期间第二电平得到确证。举例来说，第一电平可对应于读取电路的正常操作模式，并且第二电平可对应于读取电路的采样操作模式。
在一些实施方案中，衬底与压电层相对地安置为邻近于第二电极。衬底可为薄膜晶体管(TFT)层并且可包含采样二极管。在一些例子中，复位晶体管形成于TFT层中并且与采样二极管耦合以控制电压的复位。
在一些实施方案中，第一电极与接地端子、直流电压源或固定的交流电压源耦合。在一些其它实施方案中，第一电极是浮动的。
在一些实施方案中，所述设备进一步包含与第一电极耦合的触摸控制器，并且触摸控制器经配置以提供压电层的触摸控制。在一些实施方案中，所述设备进一步包含与压电层相对地安置为邻近于第一电极的压板。
在一些方面，方法包含将二极管偏压信号提供到与采样节点耦合的采样二极管。超声信号的发射是使用如上文所描述的压电超声换能器起始的。压电超声换能器能够接收超声信号的反射部分并且基于超声信号的反射部分产生响应特性。二极管偏压信号可以经控制以与从正常模式到采样模式的操作模式的临时过渡结合向二极管施加偏压。在采样操作模式期间，启用在采样节点处的电信号的采样。在一些实施方案中，所述方法进一步包含使用与二极管耦合的复位开关在采样节点处复位电压。
在一些方面，非暂时性计算机可读媒体存储将由一或多个处理器执行的程序代码。所述程序代码包含经配置以引起以下操作的指令：将二极管偏压信号提供到与采样节点耦合的采样二极管；使用如上文所描述的压电超声换能器起始超声信号的发射；控制二极管偏压信号以与从正常模式到采样模式的操作模式的临时过渡结合向二极管施加偏压；以及在采样操作模式期间启用在采样节点处的电信号的采样。
附图说明
在附图及下文描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。其它特征、方面和优点将从所述描述、图式和权利要求书中变得显而易见。应注意，本发明的图式和其它图的相对尺寸可不按比例绘制。本发明中所示出和描述的大小、厚度、布置、材料等仅借助于实例作出且不应理解为限制。各个图式中的相同参考数字及名称指示相同元件。
图1示出了根据一些实施方案的包含超声感测系统的移动装置100的实例的图形表示的正视图。
图2A示出了根据一些实施方案的超声感测系统200的实例的组件的框图表示。
图2B示出了包含图2A的超声感测系统的移动装置210的实例的组件的框图表示。
图3A示出了根据一些实施方案的超声感测系统300的实例的一部分的图形表示的截面投影视图。
图3B示出了根据一些实施方案的图3A的超声感测系统的放大的截面侧视图。
图4示出了根据一些实施方案的图3A和3B的超声感测系统的组件的实例的分解投影视图。
图5示出了根据一些实施方案的并入薄膜压电材料以充当接收器的超声传感器500的实例的截面投影视图。
图6示出了根据一些实施方案的建模超声传感器和读取电路的电路600的实例的电路图。
图7示出了根据一些实施方案的组合图6的电路与用于基于驱动方案读取数据的读取控制器的电路700的实例的电路图。
图8示出了根据一些实施方案的包含说明图6和7中的电路的操作的信号的实例的时序图。
图9示出了根据一些实施方案的用于超声感测的方法900的实例的流程图。
具体实施方式
以下描述涉及出于描述本发明的创新方面的目的的某些实施方案。然而，所属领域的技术人员将易于认识到，可以许多不同方式应用本文中的教示。所描述的实施方案可以在任何用于超声感测的装置、设备或系统中实施。另外，预期所描述的实施方案可包含在多种电子装置中或与多种电子装置相关联，所述电子装置例如但不限于：移动电话、具多媒体因特网功能的蜂窝式电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、智能卡、例如手链、臂环、腕带、戒指、头带、眼罩等可穿戴装置、装置、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持式或便携式计算机、上网本、笔记本计算机、智慧笔记型计算机、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传真装置、全球定位系统(GPS)接收器/导航仪、相机、数字媒体播放器(例如，MP3播放器)、摄录影机、游戏控制台、腕表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读取装置(例如，e-阅读器)、移动健康装置、计算机监视器、汽车显示器(包含里程表和速度计显示器等)、驾驶舱控制器和/或显示器、相机视图显示器(例如，车辆中的后视相机的显示器)、电子相片、电子布告板或标牌、投影仪、架构结构、微波炉、冰箱、立体声系统、盒式录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、收音机、便携式存储器芯片、洗涤器、干燥器、洗涤器/干燥器、停车计时器、封装(例如，在包含微机电系统(MEMS)应用的机电系统(EMS)应用中，以及非EMS应用)、美观性结构(例如，在一件珠宝或衣服上显示图像)以及多种EMS装置。本文中的教示也可用于例如(但不限于)以下各项的应用中：电子开关装置、射频滤波器、传感器、加速度计、陀螺仪、运动感测装置、磁力计、用于消费型电子装置的惯性组件、消费型电子装置产品的零件、方向盘或其它汽车零件、变容二极管、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造过程和电子测试设备。因而，所述教示并不意图仅限于图中所描绘的实施方案，而实际上具有广泛适用性，如所属领域的技术人员将易于显而易见的。
借助于实例，一些指纹传感器可与使用压电材料的超声传感器系统一起实施以用于超声波的发射和接收。举例来说，跨越对应于发射器的压电材料施加的电压可引起压电材料拉伸或收缩，例如，变形，使得所述材料响应于所施加的电压张紧，引起超声波的产生，如先前论述。反射信号(例如，超声波的反射部分，如先前论述)可引起对应于接收器的压电材料的拉伸或收缩。这引起表面电荷的产生，并因此可被用作表示原始图像数据的一部分的电输出信号的跨越压电材料的电压的产生，所述原始图像数据的一部分表示指纹图像数据。
本发明中所描述的标的物的一些实施方案提供用于通过并入薄膜压电材料的超声传感器的像素的施加偏压的像素读出的有效的驱动方案。在一些实施方案中，超声传感器包含包夹压电材料的层的顶部电极或电极的层以及底部电极或电极的层。压板通常安装在顶部电极上(与压电层相对)。底部电极耦合到采样二极管。当偏压信号DBias被施加到二极管时，从底部电极中形成的一或多个像素可以通过控制DBias波形有效地驱动。举例来说，DBias可具有两个电压电平。对于像素的读出，采样可以通过并入与DBias信号结合的二极管得到优化。在一些实施方案中，顶部电极可以接地，保持在接触直流电压或甚至留下来浮动而不影响图像质量和整个系统性能。
可实施本发明中所描述的标的物的特定实施方案以实现以下潜在优点中的一或多个。通过驱动耦合到像素的二极管，在一些实施方案中，不必将顶部电极连接到放大器且连接到相关联的RBias采样信号，这是一些常规系统的约束条件。在此类常规系统中，例如AB类放大器的放大器可消耗大量的电力并且需要高频率(例如，128MHz)以用于操作，并且在设计中是昂贵的并且占据大量空间。在所公开的实施方案中的一些中，DBias的电压摆动可以低于常规的三电平高电压摆动RBias信号以降低系统中的功耗。并且，减少系统中的组件的数目(通过消除放大器)可提供开销节省并且减小芯片占据面积。一些实施方案对穿过顶部电极的电路径上的电阻不太敏感，其中电阻可以受到各种层压材料和压板的影响。并且，在一些实施方案中，在制造或使用期间在不需要的压板缩短的情况下图像质量不受影响。这可引起用于整个系统尤其是经由顶部电极的更好的静电放电(ESD)保护。另外，基于二极管的电容负荷，像素可以在较高采样频率下采样。
图1示出了根据一些实施方案的包含超声感测系统的移动装置100的实例的图形表示的正视图。举例来说，移动装置100可表示例如蜂窝式电话、智能电话、多媒体装置、个人游戏装置、平板计算机和膝上型计算机的各种便携式计算装置，以及其它类型的便携式计算装置。然而，本文中所描述的各种实施方案不限于便携式计算装置的应用。实际上，本文中所公开的各种技术和原理可以在传统地非便携式装置和系统中应用，例如，在计算机监视器、电视显示器、一体机、车辆导航装置和音频系统中，以及其它应用。另外，本文中所描述的各种实施方案并不限于在包含显示器的装置中应用。
移动装置100大体上包含壳体(或“壳”)102，各种电路、传感器和其它电气组件驻留在所述壳体内。在所说明的实例实施方案中，移动装置100还包含触摸屏显示器(在本文中也被称为“触敏显示器”)104。触摸屏显示器104大体上包含显示器和布置在显示器上方或者并入到显示器中或与显示器集成的触摸屏。显示器104可大体上表示采用多种合适的显示器技术中的任一个的多种合适的显示器类型中的任一个。举例来说，显示器104可以是基于数字微快门(DMS)的显示器、发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)显示器、液晶显示器(LCD)、使用LED作为背光的LCD显示屏、等离子显示器、基于干涉式调制器(IMOD)的显示器，或适合结合触敏用户接口(UI)系统使用的另一类型的显示器。
移动装置100可以包含各种其它装置或组件以用于与用户互动，或者将信息传送给用户或者从用户接收信息。举例来说，移动装置100可以包含一或多个麦克风106、一或多个扬声器108，并且在一些情况下一或多个至少部分地机械按钮110。移动装置100可以包含实现额外特征(例如，一或多个视频或静态图像相机112、一或多个无线网络接口114(例如，蓝牙、WiFi或蜂窝式)以及一或多个有线接口116(例如，通用串行总线(USB)接口或HDMI接口))的各种其它组件。
移动装置100可以包含能够扫描且成像对象签名(例如，指纹、掌印或手纹)的超声感测系统118。在一些实施方案中，超声感测系统118可充当触敏控制按钮。在一些实施方案中，触敏控制按钮可以与放置在超声感测系统118下方或者与超声感测系统118集成的机械或电压敏系统一起实施。换句话说，在一些实施方案中，超声感测系统118所占据的区域可充当用户输入按钮以控制移动装置100以及充当指纹传感器以实现安全特征(例如，用户认证特征)。
图2A示出了根据一些实施方案的超声感测系统200的实例的组件的框图表示。如图所示，超声感测系统200可以包含传感器系统202和电耦合到传感器系统202的控制系统204。传感器系统202可以能够扫描对象并且提供可使用的原始测量到的图像数据以获取对象签名，例如，人手指的指纹。控制系统204可以能够控制传感器系统202并且处理从传感器系统接收到的原始测量到的图像数据。在一些实施方案中，超声感测系统200可以包含接口系统206，所述接口系统能够发射数据(例如，原始或经过处理的测量到的图像数据)到在超声感测系统200内或与超声感测系统200集成的各种组件或从在超声感测系统200内或与超声感测系统200集成的各种组件接收数据(例如，原始或经过处理的测量到的图像数据)，或者在一些实施方案中，发射数据(例如，原始或经过处理的测量到的图像数据)到在超声感测系统外部的各种组件、装置或其它系统或从在超声感测系统外部的各种组件、装置或其它系统接收数据(例如，原始或经过处理的测量到的图像数据)。
图2B示出了包含图2A的超声感测系统200的移动装置210的实例的组件的框图表示。举例来说，移动装置210可以是下文绘示于图1中且参考图1所描述的移动装置100的框图表示。移动装置210的超声感测系统200的传感器系统202可以与超声传感器阵列212一起实施。超声感测系统200的控制系统204可以与电耦合到超声传感器阵列212的控制器214一起实施。虽然控制器214示出且描述为单个组件，但是在一些实施方案中，控制器214可统一地指代彼此电连通的两个或大于两个不同控制单元或处理单元。在一些实施方案中，控制器214可以包含通用单或多芯片处理器、中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、应用程序处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置(PLD)、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其被设计成执行本文中所描述的功能和操作的任何组合中的一或多个。
图2B的超声感测系统200可以包含图像处理模块218。在一些实施方案中，由超声传感器阵列212提供的原始测量到的图像数据可被发送、发射、传送或者提供到图像处理模块218。图像处理模块218可以包含经配置、调适或以其它方式操作以处理由超声传感器阵列212所提供的图像数据的硬件、固件和软件的任何合适的组合。在一些实施方案中，图像处理模块218可以包含信号或图像处理电路或电路组件，所述信号或图像处理电路或电路组件包含(例如)放大器(例如，仪表放大器或缓冲放大器)、模拟或数字混合器或倍增器、开关、模/数转换器(ADC)、被动或主动模拟滤波器等等。在一些实施方案中，此类电路或电路组件中的一或多个可集成于控制器214内，例如，其中控制器214被实施为系统级芯片(SoC)或封装内系统(SIP)。在一些实施方案中，此类电路或电路组件中的一或多个可集成于DSP内，所述DSP包含于控制器214内或耦合到控制器214。在一些实施方案中，图像处理模块218可至少部分地经由软件来实施。举例来说，刚刚描述的电路或电路组件中的一或多个的一或多个功能或通过电路或电路组件中的一或多个执行的操作可实际上由(例如)在控制器214的处理单元中(例如，在通用处理器或DSP中)执行的一或多个软件模块来执行。
在一些实施方案中，除超声感测系统200之外，移动装置210还可以包含单独的处理器220、存储器222、接口216和电源224。在一些实施方案中，超声感测系统200的控制器214可控制超声传感器阵列212和图像处理模块218，并且移动装置210的处理器220可控制移动装置210的其它组件。在一些实施方案中，处理器220将包含(例如)指令或命令的数据传送到控制器214。在一些此类实施方案中，控制器214可将包含(例如)原始或经过处理的图像数据的数据传送到处理器220。还应理解，在一些其它实施方案中，控制器214的功能可完全地或至少部分地通过处理器220来实施。在一些此类实施方案中，可能并不需要用于超声感测系统200的单独的控制器214，这是因为控制器214的功能可通过移动装置210的处理器220来执行。
取决于实施方案，控制器214和处理器220中的一或两者可在存储器222中存储数据。举例来说，存储于存储器222中的数据可以包含原始测量到的图像数据、滤波或者处理后的图像数据、估计的PSF或估计的图像数据以及最终改进的PSF最终改进的图像数据。存储器222可存储能够通过控制器214和处理器220中的一或两者执行的处理器可执行代码或其它可执行计算机可读指令以执行各种操作(或者以使得其它组件(例如，超声传感器阵列212、图像处理模块218)或其它模块来执行操作)，所述各种操作包含运算、计算、估计或本文中所描述的其它判定(包含在下文方程式中的任一个中所呈现的那些)中的任一个。还应理解，存储器222可统一地指代一或多个存储器装置(或“组件”)。举例来说，取决于实施方案，控制器214可在与处理器220不同的存储器装置中存取和存储数据。在一些实施方案中，存储器组件中的一或多个可被实施为基于“或非”或“与非”的快闪存储器阵列。在一些其它实施方案中，存储器组件中的一或多个可被实施为不同类型的非易失性存储器。另外，在一些实施方案中，存储器组件中的一或多个可以包含易失性存储器阵列，例如，RAM的类型。
在一些实施方案中，控制器214或处理器220可传送存储于存储器222中的数据或通过接口216直接地从图像处理模块218接收的数据。举例来说，此类所传送的数据可包含图像数据或由图像数据导出的数据或者通过图像数据所确定的数据。接口216可统一地指代一或多个不同类型的一或多个接口。在一些实施方案中，接口216可以包含用于从外部存储器(例如，可移除存储器装置)接收数据或将数据存储到外部存储器(例如，可移除存储器装置)的存储器接口。另外或替代地，接口216可以包含能够将原始或经处理的数据传递到外部计算装置、系统或服务器以及从外部计算装置、系统或服务器接收数据的一或多个无线网络接口或一或多个有线网络接口。
电源224可对移动装置210中的一些或全部组件提供电力。电源224可以包含多种储能装置中的一或多个。举例来说，电源224可以包含可再充电电池，例如，镍镉电池或锂离子电池。另外或替代地，电源224可以包含一或多个超级电容器。在一些实施方案中，电源224可以是可使用存取自(例如)壁式插座(或“插座”)或与移动装置210集成的光伏装置(或“太阳能电池”或“太阳能电池阵列”)的电力充电(或“再次充电”)。另外或替代地，电源224可为无线可充电的。
如下文所使用的，术语“处理单元”是指超声系统的控制器(例如，控制器214)、图像处理模块(例如，图像处理模块218)或包含超声系统的装置的单独的处理器(例如，处理器220)中的一或多个的任何组合。换句话说，下文描述为通过处理单元执行或使用处理单元的操作可通过超声系统的控制器、图像处理模块或包含超声感测系统的装置的单独的处理器中的一或多个来执行
图3A示出了根据一些实施方案的超声感测系统300的实例的一部分的图形表示的截面投影视图。图3B示出了根据一些实施方案的图3A的超声感测系统的放大的截面侧视图。举例来说，超声感测系统300可实施参考图1所描述的超声感测系统118或参考图2A和2B示出且描述的超声感测系统200。超声感测系统300可以包含上覆于衬底304且下伏于压板(“盖板”或“盖玻片”)306的超声换能器302。超声换能器302可以包含超声发射器308和超声接收器310两者。
超声发射器308大体上经配置以产生朝向压板306以及在所说明的实施方案中朝向定位于压板的上表面上的人的手指的超声波。在一些实施方案中，超声发射器308可更确切地说经配置以产生朝向压板306的超声平面波。在一些实施方案中，超声发射器308包含压电材料的层，例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)或PVDF共聚物，例如，PVDF-TrFE。举例来说，超声发射器308的压电材料可经配置以将由超声感测系统的控制器提供的电信号转换成在扫描频率下的超声平面波的持续或脉冲序列。在一些实施方案中，超声发射器308可另外或替代地包含电容式超声装置。
超声接收器310大体上经配置以检测超声反射314，所述超声反射产生于通过超声发射器308发射的超声波与限定经扫描的手指312的指纹的脊线316和谷线318的相互作用。在一些实施方案中，超声发射器308上覆于超声接收器310，如例如在图3A和3B中所说明。在一些其它实施方案中，超声接收器310可上覆于超声发射器308(如下文描述的图4中所示)。超声接收器310可经配置以产生和输出对应于检测到的超声反射的电输出信号。在一些实施方案中，超声接收器310可以包含不同于超声发射器308的压电层的第二压电层。举例来说，超声接收器310的压电材料可以是任何合适的压电材料，例如，PVDF或PVDF共聚物的层。超声接收器310的压电层可将由超声反射所引起的振动转换成电输出信号。在一些实施方案中，超声接收器310进一步包含薄膜晶体管(TFT)层。在一些此类实施方案中，TFT层可以包含经配置以放大由超声接收器310的压电层产生的电输出信号的传感器像素电路的阵列。由传感器像素电路的阵列提供的放大的电信号可随后作为原始测量到的图像数据被提供到处理单元以供用于处理图像数据、识别与图像数据相关联的指纹，并且在一些应用中，鉴定与指纹相关联的用户。在一些实施方案中，单个压电层可充当超声发射器308和超声接收器310。在一些实施方案中，衬底304可以是可以在其上面制造电子电路的玻璃、塑料或硅衬底。在一些实施方案中，传感器像素电路的阵列以及超声接收器310的相关联的接口电路可从形成于衬底304中或形成于衬底304上的CMOS电路中配置。在一些实施方案中，衬底304可以放置在压板306与超声发射器308和/或超声接收器310之间。在一些实施方案中，衬底304可充当压板306。一或多个保护层、声波匹配层、抗污迹层、粘合剂层、装饰层、导电层或其它涂层(未示出)可以包含在衬底304和压板306的一或多个侧上。
压板306可以由可声学地耦合到超声发射器308的任何合适的材料形成。举例来说，压板306可以由玻璃、塑料、陶瓷、蓝宝石、金属或金属合金中的一或多个形成。在一些实施方案中，压板306可以是盖板(例如，盖玻片)或底层显示器的透镜玻璃。在一些实施方案中，压板306可以包含一或多种聚合物(例如，一或多种类型的聚对二甲苯)，并且可以大体上更薄。在一些实施方案中，压板306可以具有在约10微米(μm)到约1000μm或更大的范围内的厚度。
在一些实施方案中，超声感测系统300可进一步包含聚焦层(未示出)。举例来说，聚焦层可以放置在超声发射器308上方。聚焦层可大体上包含能够更改由超声发射器308所发射的超声波的路径的一或多个声透镜。在一些实施方案中，所述透镜可以被实施为柱面透镜、球面透镜或环带透镜。在一些实施方案中，所述透镜中的一些或全部可以是凹透镜，而在一些其它实施方案中所述透镜中的一些或全部可以是凸透镜，或包含凹透镜和凸透镜的组合。
在包含此类聚焦层的一些实施方案中，超声感测装置300可额外包含声波匹配层以确保聚焦透镜与放置在压板306上的对象(例如，手指)之间的恰当声波耦合。举例来说，声波匹配层可以包含掺杂有改变声波匹配层的密度的粒子的环氧树脂。如果声波匹配层的密度发生改变，那么如果声速保持不变则根据密度的改变，声波阻抗将同样发生改变。在替代的实施方案中，声波匹配层可以包含掺杂有金属或陶瓷粉末的硅橡胶。在一些实施方案中，用于处理输出信号的采样策略可以利用穿过聚焦层的透镜接收到的超声反射实施。举例来说，从透镜的焦点返回的超声波将行进到透镜中并且可以朝向满足声学互易性原理的接收器阵列中的多个接收器元件传播。取决于从散射场返回的信号强度，调节主动接收器元件的数目是可能的。一般来说，越多接收器元件被激活以接收返回的超声波，则信噪比(SNR)越高。在一些实施方案中，一或多个声波匹配层可以放置在压板306的一侧或两侧上，具有或不具有聚焦层。
图4示出了根据一些实施方案的图3A和3B的实例超声感测系统的组件的实例的分解投影视图。超声发射器308可以包含能够充当平面波产生器的大体上平面的压电发射器层422。超声波可以通过跨越压电发射器层422施加电压以膨胀或收缩所述层而产生，取决于所施加的电压信号，由此产生平面波。在此实例中，处理单元(未示出)能够使得发射器激励电压经由第一发射器电极424和第二发射器电极426跨越压电发射器层422施加。第一发射器电极424和第二发射器电极426可以是金属化电极，例如，涂覆压电发射器层422的相对侧的金属层。由于压电效应，所施加的发射器激励电压引起压电发射器层422的厚度的改变，并且通过此类方式，在发射器激励电压的频率下产生超声波。
超声波可朝向目标对象(例如，手指)行进穿过压板306。不被目标对象吸收或发射的超声波的一部分可穿过压板306反射回来并且由超声接收器310接收，在图4中所说明的实施方案中，所述超声接收器上覆于超声发射器308。超声接收器310可以包含安置在衬底434和压电接收器层436上的传感器像素电路432的阵列。在一些实施方案中，每个传感器像素电路432可以包含一或多个TFT或CMOS晶体管元件、电互连件迹线，并且在一些实施方案中，一或多个额外的电路元件，例如，二极管、电容器及类似者。每个传感器像素电路432可经配置以将在接近于像素电路的压电接收器层436中产生的电荷转换成电信号。每个传感器像素电路432可以包含将压电接收器层436电耦合到传感器像素电路432的像素输入电极438。
在所说明的实施方案中，接收器偏压电极440安置在接近压板306的压电接收器层436的侧面上。接收器偏压电极440可以是金属化电极，并且可接地或施加偏压以控制哪些信号可被传递到传感器像素电路432的阵列。从压板306的暴露的(上部/顶部)表面442反射的超声能量可通过压电接收器层436转换成局部化的电荷。这些局部化的电荷可被像素输入电极438收集，并且传递到底层传感器像素电路432上。电荷可由传感器像素电路432放大或缓冲且提供到处理单元。处理单元可以与第一发射器电极424和第二发射器电极426电连接(直接或间接)，以及与接收器偏压电极440和衬底434上的传感器像素电路432电连接(直接或间接)。在一些实施方案中，处理单元可大体上如上文所描述的操作。举例来说，处理单元可以能够处理从传感器像素电路432接收的信号。
可用于形成压电发射器层422或压电接收器层436的合适的压电材料的一些实例包含具有适当的声波属性的压电聚合物，例如，介于约2.5兆瑞利与5兆瑞利之间的声波阻抗。可以采用的压电材料的特定实例包含铁电聚合物，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物。PVDF共聚物的实例包含60:40(摩尔百分比)的PVDF-TrFE、70:30的PVDF-TrFE、80:20的PVDF-TrFE和90:10的PVDR-TrFE。可以利用的压电材料的其它实例包含聚偏二氯乙烯(PVDC)均聚物和共聚物，聚四氟乙烯(PTFE)均聚物和共聚物以及二异丙胺溴化物(DIPAB)。
压电发射器层422和压电接收器层436中的每一个的厚度可以经选择以便适合于分别产生和接收超声波。在一个实例中，PVDF压电发射器层422的厚度近似地为28μm，且PVDF-TrFE接收器层436的厚度近似地为12μm。超声波的实例频率可以在约1兆赫兹(MHz)到约100MHz的范围内，其中波长的数量级为毫米或更小。
图5示出了根据一些实施方案的并入薄膜压电材料的层以充当接收器504的超声传感器500的实例的截面投影视图。在一些其它实施方案中，压电材料的层可以经配置为发射器。仅借助于实例，压电材料可以呈共聚物、PVDF、锆钛酸铅(PZT)或其某一组合的形式。在一些实施方案中，压电层是单层，而在一些其它实施方案中，压电层包含两个或大于两个层。
在图5中，传感器500并入有压电换能器，所述压电换能器包含接收器504、形成于接收器504的顶部侧上的顶部电极508，以及形成于接收器504的底部侧上的与顶部电极508相对的底部电极512。所属领域的技术人员应理解本文中使用“顶部”和“底部”仅是出于便利性和相对于彼此描述电极的目的；当此类设备在使用中时，随着设备的移动、旋转等，这些电极可具有沿X、Y和Z轴的任何相对位置和定向。并且，底部电极在本文中有时被称作采样电极。压板516附连到或者安放在顶部电极508上方(与接收器504相对)，例如，通过施加在压板516与顶部电极508之间的层合。在图5的实例中，不存在定位在顶部电极508与压板516之间的填充、接触或其它导电元件或导电层，因此压板516可能均匀地搁置在顶部电极508上。并且，在图5的实例中，不存在放大器，例如，与顶部电极508电连接的AB类放大器。底部电极512安放在由例如硅的适当的材料组成的衬底520上。举例来说，衬底520可以是具有例如500微米的适当的厚度的TFT层。
在一些实施方案中，顶部电极508不与任何像素电连接，而一或多个像素是从底部电极512中形成的。在一些实施方案中，底部电极512由氧化铟锡(ITO)组成。在一些实施方案中，顶部电极508接地。在一些其它实施方案中，顶部电极508是浮动的。在一些其它实施方案中，电压源与顶部电极508电连接以向顶部电极508供应恒定的直流电压。在一些其它实施方案中，交流电源与顶部电极508耦合以向顶部电极508提供固定的交流波形。
在图5中，二极管524构建在衬底520中，具有在电连接到底部电极512的二极管524的阴极处的输出端子。通过这种方式，二极管524通过底部电极512耦合到接收器504。二极管偏压信号DBias在连接到二极管524的阳极的输入端子处供应。DBias是具有经配置以驱动接收器504以提供所期望的采样的波形的驱动信号，如下文中更详细地解释。在一些实施方案中，DBias被施加到二极管524以促进以每像素方式采样。
在一些实施方案中，任选触摸控制器528呈外部芯片或与顶部电极508电连接的其它外部电路形式。任选地，当期望时，触摸控制器528可以产生和输出RBias信号以提供接收器504的触摸控制。在此类实施方案中，触摸控制器528可以直接地连接到顶部电极508而无需放大器到顶部电极508的任何额外的耦合。在图5的实例中，无论触摸控制器528是否连接和/或是否提供RBias，且无论RBias的波形如何，接收器504通过DBias驱动，DBias是在二极管524的阳极处注射的。在一些实施方案中，具有提供采样控制的电路的控制器532可产生DBias且将DBias输出到二极管524的阳极。如下文中更详细地解释，在采样周期期间当在读取电路中向读取晶体管施加偏压(在下文中更详细地描述)被起始以读出数据时DBias信号可以得到确证。此类数据的采样可以与接收器504的移动相关，这是由于二极管524穿过底部电极512耦合到接收器504。
在图5中，超声频带中的超声信号或压力波可通过换能器产生以穿过压板且朝向对象和/或到对象中传播，所述对象例如安置在压板上或上方的人的手指(与顶部电极508相对)。当到达对象时，压力波的一部分可以被反射回来，使得接收器504响应于反射的压力波振动并且产生对应的电信号，如上文所描述。
图6示出了根据一些实施方案的建模超声传感器和读取电路的电路600的实例的电路图。在图6中，如上文所描述的超声换能器被表示为电容器604，具有经耦合以接收RBias的第一(顶部)电极，如上文所描述。电容器604的第二(底部)电极耦合到采样二极管608的阴极，而二极管608的阳极经耦合以接收DBias，如上文所描述。呈晶体管612形式的复位开关与二极管608并联耦合并且由复位信号驱动以控制复位操作，例如，在读出之后。举例来说，晶体管612可以是形成于图5的衬底520中的NMOS TFT。晶体管612可经配置以复位在输出节点614(也被称作采样节点)处的电路600的输出电压Vg，这是在Vg被外部读取电路616俘获(或读取)之后发生的。如图所示，电容器604的第二电极和二极管608的阴极耦合到输出节点614。复位信号可以由合适的控制器产生和控制。在图6中，电路600中的电容器618表示接收器(例如，图5的接收器504)的寄生电容Cpix。在采样操作期间在输出节点614处读取的输出电压Vg可以与接收器的移动相关(且因此与反射的压力波相关)并且用于产生表示在压板处的对象的数据，例如，手指的指纹的图像。
在一些实施方案中，在图6的实例中，并非将二极管608连接到放大器的输出端且并非使用其中RBias确定超声传感器的操作模式的驱动方案，所述驱动方案可以由DBias的波形和切换来管理。这是因为二极管608的阳极经耦合以接收DBias信号，并且二极管608的阴极与电容器604的第二电极耦合，其中第二电极充当采样端子或采样电极。因此，二极管608可以控制读取电路616的操作模式。
图7示出了根据一些实施方案的组合图6的电路与用于基于驱动方案读取数据的读取控制器的电路700的实例的电路图。在图7中，电路700包含全部如上文参考图6所描述的耦合的电容器604、二极管608和复位晶体管612。在图7的实例中，晶体管612呈NMOS TFT形式。在图7中，剩余的晶体管704、708和712如图7中所示耦合并且是图6的读取电路616的组件。在此实例中，这些读取晶体管704、708和712同样是NMOS TFT。读取晶体管704、708和712可连接到读取控制器710并且由读取控制器710施加偏压，所述读取控制器包含提供行驱动器、列驱动器等的驱动器电路、模/数转换器，以及经实施以确定在采样操作期间对应于在输出节点614处监测的电信号的图像数据的其它电路。
在图7的实例中，当发射器被施加偏压以产生压力波时复位晶体管612可以开启以复位输出节点614。接下来，DBias可以升高到适当的电压以提供采样操作。这允许晶体管704的栅极是响应性的，例如，基于在由DBias驱动的输出节点614处的电压并且基于通过二极管608提供的整流开启。在图7中，读取控制器710可以将读取控制信号施加到晶体管708以使得晶体管708开启并且允许晶体管704的栅极上的输出信号穿过晶体管708传递以供读取(例如，以确定图像数据)。
图8示出了根据一些实施方案的包含说明图6和7中的电路的操作的信号的实例的时序图。在图8中，RBias可以接地、固定在直流电压处、浮动等，如上文所解释。DBias经配置以在两个不同的电压之间切换以提供用于图6中的读取电路616的两个操作模式：正常和采样。在图8的实例中，示出了对应于DBias的较低电压的DBias波形的正常部分804a和804b，同时还示出了对应于DBias的较高电压的采样部分808，例如，窗口。在图8中采样操作在DBias的采样部分808期间发生，其中DBias引起图6和7的二极管608被前向施加偏压。通过这种方式，通过接收器的压电材料的变形产生的电信号(基于反射的压力波)提供在到输出节点614的底部电极上，其与图6的二极管608的阴极和读取电路616耦合，如上文所解释。正常操作可将二极管608放置在反向偏压状态中。在图8的实例中，在正常操作期间的DBias的电压低于在采样操作期间的电压。
在一些但非全部实施方案中，操作模式受限于两个，例如，在图8的实例中的正常和采样。此类实施方案可以与一些常规的驱动方案对照，在所述常规的驱动方案中提供至少第三操作模式用于与同超声传感器的顶部电极耦合的放大器结合的阻断。也就是说，在由于接收器的变形而没有放大器用于放大在第二电极处产生的电信号的情况中，第三，即，阻断或保持操作可以被忽略。在正常操作期间发射器可产生压力波，并且当所期望的反射的压力波将被采样时，采样操作可通过对DBias恰当地施加偏压来执行。
具有基于切换DBias的驱动方案可引起电路设计的减小的面积和电力需求，这是因为不需要使用放大器，并且因为较低电压摆动可用于DBias的两个电压电平，例如，如图8中所说明。另外，在一些实施方案中，因为采样是在底部电极上完成的，所以这可允许顶部电极在厚度上相对均匀，并且因此降低了涉及压板的分层和短路的可能性。另外，电路(例如，二极管和读取电路)可以与顶部电极隔离，并且因此不大可能受由于压板的静电过应力(EOS)事件的影响。
此外，在一些实施方案中，其它电路可以与RBias耦合，这是因为放大器不耦合到顶部电极。举例来说，RBias可以与触摸电路耦合(例如，在控制器电路或其它类型的电路中)并且用于检测压板上的触摸。因此，超声传感器可用于检测在压板上的对象(例如，手指)的触摸以及产生可用于产生表示对象的数据(例如，图像数据)的电信号。
图9示出了根据一些实施方案的用于超声感测的方法900的实例的流程图。方法900的一或多个操作可通过上文所描述的控制器中的一或多个起始。在图9的904，例如图5的采样控制器532的控制器通过将DBias提供到二极管524而向二极管524施加偏压，如上文所解释。DBias可具有类似于8图中所说明的波形的波形，其中DBias受到控制以在两个电压电平之间切换以提供正常操作模式或采样模式。在此实例中，DBias最初具有对应于正常操作模式的电压电平。在图9中，方法900进一步包含在908处起始超声感测操作。举例来说，返回到图2B，控制器214可从处理器220接收指示控制器214起始超声感测操作的命令。
在图9的912处，发射控制信号被提供到超声传感器或图2B的整个超声传感器阵列212。在一些实施方案中，此发射控制信号可使用谐振器电路产生。举例来说，发射控制信号可以呈提供到超声换能器的发射器的脉冲信号的形式以起始超声波的主脉冲的产生。在916处，控制器引起从正常模式到采样模式的过渡的操作，例如，通过将DBias的电压从一个水平切换到如通过在图8的实例中的上升边缘812所说明的另一个水平。此过渡引起压电材料根据操作的样本模式操作。
在图9中，在920处，在传感器阵列处接收到反射信号。反射信号可以基于超声波的反射通过超声传感器产生，如上文所解释。在924处，DBias受到控制以使得在反射信号被接收到之后操作切换回到正常模式，如通过在图8的实例中的下降边缘816所说明。
如本文中所使用，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包含单个成员。作为实例，“以下各项中的至少一个：a、b或c”意图涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
结合本文中所公开的实施方案描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路和算法过程可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。硬件与软件的互换性已大体就功能性而言加以描述，且在上文所描述的各种说明性组件、块、模块、电路及过程中加以说明。将此功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。
结合本文中所公开的方面描述的用于实施各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件和数据处理设备可通过以下各者来实施或执行：通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合。通用处理器可以是微处理器或任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器可实施为计算装置的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心结合的一或多个微处理器，或任何其它此类配置。在一些实施方案中，特定过程和方法可由特定针对给定功能的电路执行。
在一或多个方面中，可以硬件、数字电子电路、计算机软件、固件(包含本说明书中所公开的结构及其结构等效物)或以其任何组合来实施所描述的功能。在本说明书中描述的标的物的实施方案可被实施为一或多个计算机程序，即，在计算机存储媒体上编码的计算机程序指令的一或多个模块以用于由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。
如果在软件中实施，那么所述功能可作为一或多个指令或代码而存储在计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)上或经由所述计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)发射。本文中所公开的方法或算法的过程可以在可以驻留于计算机可读媒体上的处理器可执行软件模块中实施。计算机可读媒体包含计算机存储媒体和通信媒体两者，通信媒体包含可经启用以将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可供使用的媒体。借助于实例而非限制，非暂时性媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构形式存储所期望的程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，可将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。如本文中所使用的磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常是以磁性方式再现数据，而光盘是用激光以光学方式再现数据。以上各项的组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。另外，方法或算法的操作可作为代码及指令中的任一者或任何组合或集合驻留于可并入到计算机程序产品中的机器可读媒体及计算机可读媒体上。
所属领域的一般技术人员可容易地显而易见对本发明中所描述的实施方案的各种修改，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中所定义的一般原理可应用于其它实施方案。因此，本发明并不意图限于本文中所示出的实施方案，而应被赋予与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。词语“示例性”在本文中专门使用(如果完全)以表示“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施方案未必应解释为比其它实施方案优选或有利。
在本说明书中在单独实施方案的上下文中描述的某些特征还可在单个实施方案中组合地实施。相反地，在单个实施方案的上下文中描述的各种特征也可单独地在多个实施方案中实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初如此主张，但在一些情况下，可将来自所主张的组合的一或多个特征从组合中删除，且所主张的组合可针对子组合或子组合的变化。
类似地，虽然在附图中按特定次序描绘操作，但这不应被理解为要求按所示的特定次序或按顺序次序执行此类操作，或执行所有所说明的操作，以实现所期望的结果。在某些情况下，多重任务处理和并行处理可为有利的。此外，上文所描述的实施方案中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方案中需要此类分离，且应理解，所描述的程序组件和系统大体上可一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。另外，其它实施方案在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，权利要求书中所叙述的动作可以不同次序来执行且仍实现所期望的结果。
应理解，除非明确地指示特定所描述实施方案中的任一者中的特征彼此不兼容，或周围上下文暗示其相互排斥且不容易在互补和/或支持性意义上组合，否则本发明的全部内容预期且设想那些互补实施方案的特定特征可经选择性组合，以提供一或多个全面、但略微不同的技术解决方案。因此，将进一步了解，已仅借助于实例给出以上描述，且详细修改可在本发明的范围内进行。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：
压电超声换能器，其具有第一电极、第二电极，以及安置在所述第一电极与所述第二电极之间的压电层，所述第二电极与采样节点耦合；
采样二极管，其具有输入端和输出端，所述输入端经耦合以接收二极管偏压信号，所述输出端与所述采样节点耦合；
控制器电路，其经配置以控制所述二极管偏压信号以至少部分地驱动在所述采样节点处的电压；以及
读取电路，其与所述采样节点耦合以读取电压。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器电路经配置以控制所述二极管偏压信号以在包括第一电平和第二电平的两个电压电平之间切换，在采样窗口对应于所述读取电路的激活期间所述第二电平得到确证。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一电平对应于所述读取电路的正常操作模式，并且所述第二电平对应于所述读取电路的采样操作模式。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其进一步包括与所述压电层相对的安置为邻近于所述第二电极的衬底，所述衬底是薄膜晶体管TFT层并且包括所述采样二极管。
5.根据权利要求4所述的设备，其进一步包括形成于所述TFT层中并且与所述采样二极管耦合以控制所述电压的复位的复位晶体管。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的设备，其中所述第一电极与以下项中的一个耦合：接地端子、直流电压源或固定的交流电压源。
7.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的设备，其中所述第一电极是浮动的。
8.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的设备，其进一步包括与所述第一电极耦合的触摸控制器，所述触摸控制器经配置以提供所述压电层的触摸控制。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的设备，其进一步包括与所述压电层相对地安置为邻近于所述第一电极的压板。
10.一种方法，其包括：
将二极管偏压信号提供到与采样节点耦合的采样二极管；
使用压电超声换能器起始超声信号的发射，所述压电超声换能器具有第一电极、第二电极，以及安置在所述第一电极与所述第二电极之间的压电层，所述第二电极与所述采样节点耦合，所述压电超声换能器能够接收所述超声信号的反射部分并且基于所述超声信号的所述反射部分产生响应特性；
控制所述二极管偏压信号以与从正常模式到采样模式的操作模式的临时过渡结合向所述二极管施加偏压；以及
在所述采样操作模式期间启用在所述采样节点处的电信号的采样。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述二极管偏压信号经控制以在包括第一电平和第二电平的两个电压电平之间切换，所述第一电平在所述正常操作模式期间得到确证，所述第二电平在所述采样操作模式期间得到确证。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中读取电路经控制以在所述采样操作模式期间执行所述采样。
13.根据权利要求10到12中任一权利要求所述的方法，其进一步包括：
使用与所述二极管耦合的复位开关复位在所述采样节点处的电压。
14.根据权利要求10到13中任一权利要求所述的方法，其中衬底与所述压电层相对地安置为邻近于所述第二电极，所述衬底是薄膜晶体管TFT层并且包括所述采样二极管。
15.一种存储将由一或多个处理器执行的程序代码的非暂时性计算机可读媒体，所述程序代码包括经配置以引起以下操作的指令：
将二极管偏压信号提供到与采样节点耦合的采样二极管；
使用压电超声换能器起始超声信号的发射，所述压电超声换能器具有第一电极、第二电极，以及安置在所述第一电极与所述第二电极之间的压电层，所述第二电极与所述采样节点耦合，所述压电超声换能器能够接收所述超声信号的反射部分并且基于所述超声信号的所述反射部分产生响应特性；
控制所述二极管偏压信号以与从正常模式到采样模式的操作模式的临时过渡结合向所述二极管施加偏压；以及
在所述采样操作模式期间启用在所述采样节点处的电信号的采样。
16.根据权利要求15所述的计算机可读媒体，其中所述二极管偏压信号经控制以在包括第一电平和第二电平的两个电压电平之间切换，所述第一电平在所述正常操作模式期间得到确证，所述第二电平在所述采样操作模式期间得到确证。
17.根据权利要求15或16所述的计算机可读媒体，所述指令进一步经配置以引起以下操作：
使用耦合到所述二极管的复位开关复位在所述采样节点处的电压。
18.一种设备，其包括：
换能器装置，其用于产生超声波并且接收所述波的反射部分，所述换能器装置具有第一电极、第二电极，以及安置在所述第一电极与所述第二电极之间的压电层，所述第二电极与采样节点耦合；
二极管偏压装置，其用于至少部分地驱动在所述采样节点处的电信号，所述二极管偏压装置与所述采样节点耦合；以及
读取装置，其用于读取所述电信号，所述读取装置与所述采样节点耦合。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述二极管偏压装置响应于受到控制的偏压信号以在包括第一电平和第二电平的两个电压电平之间切换，所述第二电平在采样窗口对应于所述读取装置的激活期间得到确证。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述第一电平对应于所述读取装置的正常操作模式，并且所述第二电平对应于所述读取装置的采样操作模式。
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