CN108981897A - 超声波信号接收电路和信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供超声波信号接收电路，压电元件，被配置为接收超声波信号并将其转换成相应的电荷信号；峰值检测电路，用于检测所述压电元件输出的电荷信号；放大电路，与所述峰值检测电路连接，用于大所述电荷信号产生输出信号；所述峰值检测电路包括在峰值检测时导通的第一参考电压；本方案具有功耗低设计方案简易的特点。
Description
技术领域
本发明属于TFT超声波传感器领域，特别涉及对超声波图像传感器信号接收电路的改进。
背景技术
指纹识别是应用最广泛的生物识别技术。近年来，基于热，电，声，光等方法的指纹采集技术被开发出来。自2013年，apple公司在其手机产品上使用了电容式指纹传感器，指纹识别传感器在手机上得到了广泛应用。但是，电容式指纹传感器对表面材质的穿透能力小于400um，无法支持屏幕下指纹识别的要求。而目前，手机的发展趋势是全面屏，正面的指纹识别传感器需要具有1mm以上的穿透力以穿透屏幕。能达到1mm以上穿透力的指纹识别技术主要有光学采集技术和超声波采集技术两种。尤其是超声波技术，模组更薄，采集面积更大并且相比光学来说，不受外界环境的影响，超声波技术将成为后续移动设备的主流指纹采集技术。
美国高通公司在超声波指纹识别技术已经成功用于手机上。其第三代产品有望穿透1.5mm左右的屏幕，来配合全面屏手机的结构设计。该方案中包含一个全局驱动信号DBIAS，连接到每个像素，在传感器从等待模式切换到采集模式的时候，DBIAS要从电平信号1变化到电平信号2，在传感器从采集模式切换到等待模式时，DBIAS要从电平信号2变化到电平信号1；由于存在走线寄生电阻和寄生电容，每个像素接收的DBIAS会有很大的延时，从而使传感器采集到图像存在很大不一致；另外，由于是DBIAS是全局驱动，需要很大的驱动能力和驱动速度，DBIAS前端的驱动缓冲器要有很大的驱动能力和足够快的驱动速度，也会消耗很大的功耗。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种超声波信号接收电路，包括：
压电元件，被配置为接收超声波信号并将其转换成相应的电荷信号；
峰值检测电路，用于检测所述压电元件输出的电荷信号；
放大电路，与所述峰值检测电路连接，用于大所述电荷信号产生输出信号；
所述峰值检测电路包括在峰值检测时导通的第一参考电压。
优选地，所述峰值检测电路包括第一极与所述压电元件连接的二极管，所述二极管的第二极通过开关与所述第一参考电压连接；还包括连接所述二极管第一极和第二参考电压的第二开关。
优选地，所述放大电路的输入端与二极管的第一极连接，放大电路的输出端连接输出开关。
优选地，所述放大电路包括第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的栅极与所述二极管的第一极连接，源极与输出开关连接，漏极连接供电端。
优选地，所述输出开关为第二薄膜晶体管，第二薄膜晶体管的源极与所述第一薄膜晶体管的源极连接。
优选地，所述压电单元包括压电材料和设置在压电材料两端的电极和其中一侧为电荷输出电极，所述第二开关与电荷输出电极连接。
优选地，所述第一开关在峰值检测时闭合。
优选地，所述放大电路将所述电荷信号转换为电流信号。
本发明另一发明提供一种超声波信号的接收方法，包括步骤：
压电单元发射超声波信号；
压电元件接收超声波信号并转换为相应的电荷信号；
峰值检测电路接收并累积所述电荷信号；
打开输出开关，放大电路输出与所述电荷信号相关电流信号。
优选地，所述步骤“压电单元发射超声波信号”包括：闭合所述第二开关向；所述压电单元输入驱动信号。
优选地，所述步骤“峰值检测电路接收并累积所述电荷信号”包括：闭合所述第一开关使得二极管的第二极与所述第一参考电压连接。
优选地，所述步骤“闭合第二开关重置峰值检测电路”包括：闭合所述第二开关使得二极管的第一极与第二参考电压连接。
本发明相对现有技术的有益技术效果是使用新第一参考电压替代全局驱动信号代替，提出新的TFT电路方法，避免使用全局的驱动信号。用一个开关和参考电压VREF来实现二极管的控制，降低了驱动器的设计难度同时降低了功耗，也能够提高输出信号的一致性。
附图说明
图1为本发明超声波接收电路模块结构示意图。
图2为本发明超声波接收电路结构示意图。
图3为本发明超声波接收电路工作时序示意图。
具体实施方式
参照图1至图3所示的超声波信号接收电路100，其中在峰值检测时使用第一参考电压Vref1代替全局驱动。超声波信号接收电路包括，压电元件11，被配置为接收超声波信号并将其转换成相应的电荷信号；峰值检测电路12，用于检测所述压电元件11输出的电荷信号；放大电路13，与所述峰值检测电路12连接，用于大所述电荷信号产生输出信号；所述峰值检测电路12包括在峰值检测时导通的第一参考电压Vref1。
所述压电单元11的输入端为超声波信号u，超声波信号的强度反应了反射超声波信号的物质距离超声波发射源的距离。压电单元11将超声波信号转换成电荷信号，同时产生与所述电荷信号对应的电压信号Vin以及电流信号。所述电压信号Vin和电流信号与超声波发射的信号频率基本相同。
所示压电元件11包括压电材料层110和设置在其两侧的电极111、112，所述压电材料层110可包括压电陶瓷或压电聚合物(PVDF)等。经过压电材料层110产生的电荷经过电极112输出至峰值检测电路12。在优选的方案中，所述压电单元11同时作为发射和接收超声波信号的介质，在发射时压电单元连接超声波驱动电平DRV。
峰值检测电路12的输入端121与所述压电单元的输出端113连接,峰值检测电路12用于累积所述电荷信号并将电荷信号输出至所述放大电路13。峰值检测是指检测所述超声信号对应的电压信号Vin的波峰值或波谷峰值。
放大电路的输入端131与所述峰值检测电路122的输出端连接，放大电路的输出端连接超声波接收电路100的输出端out，输出信号可以为电压信号或电流信号，本文中将以输出电流信号为例进行说明。
由于在参考电压Vref1为固定值因此其简化峰值检测电路的驱动电路，避免使用电压可变驱动电路的能够降低驱动电路的功耗，同时提高了输出信号的一致性。
所述峰值检测电路包括第一极D1与所述压电元件11连接的二极管D，峰值检测电路12与所述压电元件的连接节点Rx同时作为峰值检测电路12的输出端122；所述峰值检测电路12的节点Rx等效为电荷输出节点。
所述二极管D的第二极D2通过开关S1与所述第一参考电压Vref1连接，所述第一参考电压Vref1作为峰值检测时的参考电压。峰值检测电路12还包括连接所述二极管D第一极D1和第二参考电压的第二开关S2。所述第二开关S2与节点Rx和参考电压Vref2连接，所述第二开关S2用于复位峰值检测电路12，第二参考电压Vref2用于复位所述节点Rx处的电荷。第二开关S2闭合时所述节点Rx与参考电压Vref2连接，Rx节点的电荷被复位，防止多次重复检测产生累积误差。
峰值检测时所述压电单元11输出与所述超声波信号相应的电压信号Vin，第一开关S1和第二开关S2断开时所述电压信号与超声波信号的频率大致相同；开关S1闭合，开关S2断开当节点Rx的电压为Vin的波谷时，所述二极管第一极D1和第二极D2的电压差大于二极管的导通电压，节点Rx被充电并累积电荷。应当注意的是二极管导通时节点RX充电所述电压信号Vin的波形受到影响波幅逐渐衰减。在理想情况下所述电荷节点Rx经过半个电压信号V的波形周期即刻完成充电，但实际情况可能会经过多个波形周期才能完成充电，充电过程仅仅存续于电压信号Vin波谷所在的周期。
放大电路13与所述节点Rx连接，所述节点Rx的电荷输入放大电路13，放大电路13形成与所述电荷量对应的电流信号i，所述电流信号的强度与放大电路的增益值和Rx处节点的电荷量相关。所述放大电路13的输入端与二极管D的第一极D1连接，放大电路13的输出端连接输出开关T2。
如图2所示，所述放大电路13包括第一薄膜晶体管T1，所述第一薄膜晶体管的栅极与所述节点Rx连接，漏极T12连接供电端Vcc，所述节点Rx处的电荷可产生导通所述第一薄膜晶体管T1的电压，所述节点Rx的电荷量越大相应的所述源极T11的电流越大。
所述输出开关为第二薄膜晶体管T2，第二薄膜晶体管的源极T21与所述第一薄膜晶体管的源极T11连接。所述输出开关T2可以是超声波检测电路阵列的的行选开关。所述超声波检测电路可以以阵列的形式形成用于检测物体表面图像的图像传感器，单个超声波检测电路作为图像传感器的像素，所述输出开关T2作为一行或一列所述超声波检测电路的行选开关。例如超声波指纹传感器，超声波的反射波信号强度与指纹表面的脊线或谷线相关，谷线反射的超声波信号强度大于脊线反射的超声波信号强度，因此谷线反射波对应产生的节点Rx的电荷量大于脊线对应节点Rx的电荷量。所述超声波检测电路100根据所述节点Rx的电荷量输出像素信号形成的对应的单个像素值，超声波检测电路阵列输出的像素值形成超声波图像。
参照图3，基于上述超声波检测电路本发明还提供一种超声波信号的接收方法，包括步骤：
压电单元11发射超声波信号；
压电元件接收超声波信号并转换为相应的电荷信号；
峰值检测电路12接收并累积所述电荷信号；
打开输出开关T2，放大电路13输出与所述电荷信号相关电流信号i。
压电单元11发射超声波信号时第二开关闭合S2，压电元件11接入驱动电平信号DRV。在t1时刻之前第一开关S1、第二开关S2、输出开关T2的控制信号均保持低电位状态即全部断开，DRV驱动电平保持初始状态。在t1时刻所述第二开关S2闭合节点Rx的电荷被复位，第一开关S1、输出开关T2控制信号保持低电平状态两开关断开。经过一定延时所述驱动电平DRV产生驱动信号ds，所述压电材料110受到驱动信号ds的激励发射超声波信号的频率与所述驱动信号ds的频率大致相同。
在t3至t4时段压电元件接收超声波信号并转换为相应的电荷信号。t2时刻前结束所述超声波信号的发射完成一束超声波脉冲信号，经过一定延时断开所述第二开关S2。在t3至t4时段第一开关S1闭合二极管D的第二极D2与第一参考电压Vref1连接，同时所述t1至t2时段发出的超声波脉冲信号的反射波被压电元件11接收到，压电元件11接收超声波信号并转换为相应的电荷信号其具有对应的电压信号Vin。在所述电压信号Vin为波谷时所述二极管D两侧的压差达到导通压差，电荷通过二极管D在节点Rx处累积。在t3至t4阶段所述第一、第二开关S1、S2输出开关T2保持关闭，驱动信号DRV为初始状态。
在t5至t6时段所述输出开关T2打开所述放大电路13向输出端口out输出与所述节点Rx电荷相关的电流信号i，所述输出端口i可与外围电路连接，所述外围电路可包括模数转换电路(ADC)以及与模数转换电路连接的图像处理器。
Claims (12)
1.超声波信号接收电路，其特征在于包括：
压电元件，被配置为接收超声波信号并将其转换成相应的电荷信号；
峰值检测电路，用于检测所述压电元件输出的电荷信号；
放大电路，与所述峰值检测电路连接，用于大所述电荷信号产生输出信号；
所述峰值检测电路包括在峰值检测时导通的第一参考电压。
2.如权要求1所述的超声波信号接收电路，其特征在于，所述峰值检测电路包括第一极与所述压电元件连接的二极管，所述二极管的第二极通过开关与所述第一参考电压连接；还包括连接所述二极管第一极和第二参考电压的第二开关。
3.如权要求2所述的超声波信号接收电路，其特征在于，所述放大电路的输入端与二极管的第一极连接，放大电路的输出端连接输出开关。
4.如权要求3所述的超声波信号接收电路，其特征在于，所述放大电路包括第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的栅极与所述二极管的第一极连接，源极与输出开关连接，漏极连接供电端。
5.如权要求4所述的超声波信号接收电路，其特征在于，所述输出开关为第二薄膜晶体管，第二薄膜晶体管的源极与所述第一薄膜晶体管的源极连接。
6.如权要求2所述的超声波信号接收电路，其特征在于，所述压电单元包括压电材料和设置在压电材料两端的电极和其中一侧为电荷输出电极，所述第二开关与电荷输出电极连接。
7.如权要求2所述的超声波信号接收电路，其特征在于，所述第一开关在峰值检测时闭合。
8.如权要求1所述的超声波信号接收电路，其特征在于，所述放大电路将所述电荷信号转换为电流信号。
9.超声波信号的检测方法，其特征在于包括步骤：
压电单元发射超声波信号；
压电元件接收超声波信号并转换为相应的电荷信号；
峰值检测电路接收并累积所述电荷信号；
打开输出开关，放大电路输出与所述电荷信号相关电流信号。
10.如权利要求8所述的超声波信号的检测方法，其特征在于，所述步骤“压电单元发射超声波信号”包括：闭合所述第二开关向；所述压电单元输入驱动信号。
11.如权利要求8所述的超声波信号的检测方法，其特征在于，所述步骤“峰值检测电路接收并累积所述电荷信号”包括：
闭合所述第一开关使得二极管的第二极与所述第一参考电压连接。
12.如权利要求8所述的超声波信号的检测方法，其特征在于，所述步骤“闭合第二开关重置峰值检测电路”包括：闭合所述第二开关使得二极管的第一极与第二参考电压连接。
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