CN111738227B - 超声波指纹识别装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种超声波指纹识别装置和电子设备，可以有效提高指纹识别的准确率。所述超声波指纹识别装置适用于具有显示屏的电子设备，设置在所述显示屏下方，包括：像素单元阵列，包括第一类像素单元和第二类像素单元，所述第一类像素单元具有压电效应，用于向所述显示屏上方的手指发射超声波信号并接收返回的超声波信号以获取第一像素信号，所述第二类像素单元不具有压电效应，用于在所述第一类像素单元获取所述第一像素信号时获取第二像素信号，所述第一像素信号和所述第二像素信号的第一差值信号用于获取指纹图像。

Description

超声波指纹识别装置和电子设备

技术领域

本申请实施例涉及指纹识别技术领域，并且更具体地，涉及一种超声波指纹识别装置和电子设备。

背景技术

随着终端行业的高速发展，指纹识别技术在移动终端上的应用越来越普遍，例如可以用于解锁、支付等功能，主流的指纹识别一般可以包括电容式指纹识别、光学指纹识别和超声波指纹识别。超声波指纹识别以其穿透能力强、可识别脏手指和湿手指等优点，得到了广泛的应用。

目前，消费者对指纹识别的准确率要求较高。因此，如何提高指纹识别的准确率，是一项亟待解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种超声波指纹识别装置和电子设备，可以有效提高指纹识别的准确率。

第一方面，提供了一种超声波指纹识别装置，适用于具有显示屏的电子设备，设置在所述显示屏下方，包括：像素单元阵列，包括第一类像素单元和第二类像素单元，所述第一类像素单元具有压电效应，用于向所述显示屏上方的手指发射超声波信号并接收返回的超声波信号以获取第一像素信号，所述第二类像素单元不具有压电效应，用于在所述第一类像素单元获取所述第一像素信号时获取第二像素信号，所述第一像素信号和所述第二像素信号的第一差值信号用于获取指纹图像。

在一种可能的实现方式中，所述第一类像素单元还用于在未发送超声波信号时获取第三像素信号，所述第二类像素单元还用于在所述第一类像素单元获取所述第三像素信号时获取第四像素信号；其中，所述第一差值信号和第二差值信号之间的第三差值信号用于获取所述指纹图像，所述第二差值信号为所述第三像素信号和所述第四像素信号的差值信号。

在一种可能的实现方式中，所述第一类像素单元获取所述第三像素信号的时刻早于获取所述第一像素信号的时刻。

在一种可能的实现方式中，所述超声波指纹识别装置还包括：双相关采样电路，包括第一电容器和第二电容器，所述双相关采样电路用于对所述第一差值信号和所述第二差值信号进行采样，并将所述第一差值信号保存在所述第一电容器中，将所述第二差值信号保存在所述第二电容器中；缓冲电路，用于采集所述第一差值信号和所述第二差值信号的第三差值信号。

在一种可能的实现方式中，所述第一类像素单元包括压电层和用于所述压电层振动的腔体，所述第二类像素单元不包括所述压电层和/或所述腔体。

在一种可能的实现方式中，所述第二类像素单元不包括所述腔体，所述第二类像素单元包括从下至上依次设置的支撑结构、底电极层、所述压电层和顶电极层，所述支撑结构还设置于所述第二类像素单元的两侧，用于支撑所述压电层，所述底电极层和所述支撑结构之间没有所述腔体。

在一种可能的实现方式中，所述第二类像素单元不包括所述压电层，所述第二类像素单元包括从下至上依次设置的支撑结构、腔体、底电极层、与所述压电层的介电常数相同但不具有压电效应的第一层和顶电极层，所述支撑结构还设置于所述第二类像素单元的两侧，用于支撑所述第一层。

在一种可能的实现方式中，所述第二类像素单元不包括所述腔体和所述压电层，所述第二类像素单元包括从下至上依次设置的支撑结构、底电极层、与所述压电层的介电常数相同但不具有压电效应的第一层和顶电极层，所述支撑结构还设置于所述第二类像素单元的两侧，用于支撑所述第一层。

在一种可能的实现方式中，所述第二类像素单元设置于所述像素单元阵列的最外围一圈。

在一种可能的实现方式中，所述第二类像素单元和所述第一类像素单元的尺寸为25~75μm。

在一种可能的实现方式中，所述像素单元阵列中两个像素单元的中心之间的间距不超过70μm。

在一种可能的实现方式中，所述像素单元阵列中两个像素单元的中心之间的间距为50μm或70μm。

在一种可能的实现方式中，所述像素单元阵列包括超像素单元，所述超像素单元包括多个所述第一类像素单元和至少一个所述第二类像素单元，所述超像素单元用于形成指纹图像的一个像素值。

在一种可能的实现方式中，所述超像素单元包括三个所述第一类像素单元和一个所述第二类像素单元。

在一种可能的实现方式中，相邻两个所述超像素单元的中心之间的间距为50μm或70μm。

在一种可能的实现方式中，所述第二类像素单元和所述第一类像素单元的尺寸为25~35μm。

在一种可能的实现方式中，所述第一类像素单元用于接收正相激励信号，所述正相激励信号用于使所述第一类像素单元中的压电层振动，以向所述显示屏上方的手指发射正相超声波信号，所述正相超声波信号包括余震信号，所述余震信号为所述第一类像素单元停止接收所述正相激励信号后，所述压电层振动产生的信号；所述第一类像素单元还用于接收反相激励信号，所述反相激励信号用于抵消所述余震信号中的至少部分余震信号。

在一种可能的实现方式中，所述正相激励信号为正相脉冲信号，所述反相激励信号为反相脉冲信号，所述反相脉冲信号的数量少于所述正相脉冲信号的数量。

在一种可能的实现方式中，所述超声波指纹识别装置还包括：差分放大电路，所述差分放大电路的两个输入端分别接收所述第一像素信号和所述第二像素信号；滤波电路，用于接收所述差分放大电路的输出信号，并对所述差分放大电路的输出信号进行滤波处理；模数转换电路，所述模数转换电路的输入端与所述滤波电路的输出端相连，用于将所述滤波电路的输出信号转换为数字信号。

在一种可能的实现方式中，所述超声波指纹识别装置还包括：整流电路，与所述滤波电路连接，用于接收所述滤波电路的输出信号并将所述带滤波电路的输出信号转换为直流信号；积分电路，与所述整流电路的输出端相连，用于接收所述直流信号，并将所述直流信号中极性相同的半波信号进行其中累积；所述模数转换电路用于接收所述积分电路的输出信号，并将所述积分电路的输出信号转换为数字信号。

在一种可能的实现方式中，所述整流电路为全波整流电路。

第二方面，提供一种电子设备，包括：显示屏和第一方面及其任一种可能的实现方式中的超声波指纹识别装置。

上述技术方案，超声波指纹识别装置包括没有压电效应的第二类像素单元，则第二类像素单元获取的像素信号都为噪声信号。如此，在具有压电效应的第一类像素单元获取像素信号时第二类像素单元也获取像素信号，这样第一类像素信号和第二类像素信号中的噪声信号是相同的，则第一类像素单元的像素信号与第二类像素单元的像素信号的第一差值信号就为去除噪声干扰的像素信号，使得可以提高超声波指纹识别装置的信噪比，基于该去除噪声信号的像素信号进行的指纹识别的准确率较高。

附图说明

图1A和图1B是本申请实施例可以适用的电子设备的示意图。

图2是本申请实施例的超声波指纹识别装置的叠层结构的示意性图。

图3是本申请实施例的一种像素单元的结构示意性图。

图4是本申请实施例的超声波指纹识别装置的示意性结构图。

图5A-图5C是本申请实施例的第二类像素单元的结构示意性图。

图6-图8是本申请实施例的第二类像素单元的分布方式的示意性图。

图9是本申请实施例的超声波指纹识别装置采集像素信号的采集时序图。

图10是本申请实施例的模拟前端电路的框架示意性图。

图11是本申请实施例的模拟前端电路的一种具体实施例。

图12是本申请实施例的电子设备的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

应理解，本申请实施例可以应用于指纹系统，包括但不限于光学、超声波或其他指纹检测系统和基于光学、超声波或其他指纹成像的医疗诊断产品，本申请实施例仅以超声波指纹系统为例进行说明，但不应对本申请实施例构成任何限定，本申请实施例同样适用于其他采用光学、或其他成像技术的系统等。

作为一种常见的应用场景，本申请实施例提供的超声波指纹系统可以应用在智能手机、平板电脑以及其他具有显示屏的移动终端或者其他电子设备；更具体地，在上述电子设备中，超声波指纹识别装置可以设置在显示屏下方的局部区域或者全部区域，从而形成屏下（Under-display或Under-screen）超声波指纹系统。或者，所述超声波指纹识别装置也可以部分或者全部集成至所述电子设备的显示屏内部，从而形成屏内（In-display或In-screen）超声波指纹系统。

图1A和图1B示出了本申请实施例可以适用的电子设备100的示意图，其中，超声波指纹识别装置设置在显示屏120下方的局部区域。因此，用户在需要对电子设备100进行解锁或者其他指纹验证的时候，只需要将手指130按压在位于显示屏120的指纹识别区域103，便可以实现指纹输入。由于指纹识别可以在屏内实现，因此采用上述结构的电子设备100无需其正面专门预留空间来设置指纹按键（比如Home键），从而可以采用全面屏方案，即显示屏120的显示区域可以基本扩展到整个电子设备100的正面。

超声波指纹识别装置包括指纹传感器，指纹传感器包括多个像素单元（也称为像素、感应单元等）。该像素单元所在区域或者其感应区域为超声波指纹识别装置的指纹识别区域103。在某些实现方式中，如图1A所示，超声波指纹识别装置可以仅包括一个指纹传感器，此时超声波指纹识别装置的指纹识别区域103的面积较小且位置固定，因此用户在进行指纹输入时需要将手指130按压到指纹识别区域103的特定位置，否则超声波指纹识别装置可能无法采集到指纹图像而造成用户体验不佳。

在其他替代实施例中，如图1B所示，超声波指纹识别装置可以包括多个指纹传感器。该多个指纹传感器可以通过拼接的方式并排设置在显示屏120的下方，且多个光学指纹传感器的感应区域共同构成超声波指纹识别装置的指纹识别区域103，从而超声波指纹识别装置的指纹识别区域103可以扩展到显示屏120的下半部分的主要区域，即扩展到手指130惯常按压区域，从而实现盲按式指纹输入操作。进一步地，当指纹传感器数量足够时，指纹识别区域103还可以扩展到半个显示区域甚至整个显示区域，从而实现半屏或者全屏指纹识别。

图2为超声波指纹识别装置的叠层结构的示意性图。指纹传感器111可以通过超声耦合胶112与显示屏120贴合，显示屏120的边缘可以通过紫外光固化胶（UV胶）116固定。指纹传感器111放置在基板113上，可以通过焊线（Wire Bond）工艺实现和基板113的电气连接，即指纹传感器111可以通过金线115电连接至基板113。当然，指纹传感器111也可以通过硅通孔（Through Silicon Via，TSV）封装工艺实现与基板113的电气连接。基板113可以将指纹传感器111的信号连接至外界或者可以将外界的信号传输给指纹传感器111。例如，基板113通过异方性导电胶膜（Anisotropic Conductive Film，ACF）压合后，指纹传感器111可以通过基板113和电路板114实现与其他外围电路或者电子设备100中的其他元件的电性互连和信号传输。比如，指纹传感器111可以通过电路板114接收电子设备100的处理单元的控制信号，并且还可以通过电路板114将指纹识别信号（例如指纹图像）输出给电子设备100的处理单元或者控制单元等。可选地，电路板114可以是柔性电路板（Flexible PrintedCircuit，FPC），FPC可以连接到电子设备100上对应的PFC连接器端口（Host BTB）。

图3为本申请实施例提供的一种像素单元200的结构示意性图。如图3所示，像素单元200可以包括从下至上依次设置的支撑结构210、腔体（Cavity）220、底电极层230、压电层240以及顶电极层250。当然，支撑结构210还可以设置于像素单元200的两侧，用于支撑压电层240。腔体220可以用于压电层240产生振动。

其中，压电层240由压电材料构成，压电材料可以进行电信号和超声波之间的转换。压电材料可以为但不限于锆钛酸铅（PZT）、氮化铝（Aluminum Nitride，AIN）或聚偏氟乙烯（PVDF）等材料。

超声波指纹识别装置的工作原理可以为：

发射状态：通过在压电材料两端的电极（底电极层230和顶电极层250）提供激励信号，如高频率振荡信号，压电材料可以产生响应该频率的振动并发射超声波信号。向上传输的超声波信号在透过显示屏后，到达与屏幕表面接触的手指的指纹脊和指纹谷，超声波信号遇到指纹脊的表面，部分反射，部分透射，由于指纹谷中的空气的声阻特性远远高于指纹脊，所以超声波信号遇到指纹谷时几乎全反射，因此指纹脊和指纹谷对超声波信号的反射信号强度不同。

接收状态：当反射的超声波信号再次穿过显示屏到达顶电极层后，引起压电材料振动产生电信号，不同位置的指纹谷和指纹脊对应的顶电极层所在区域的压电材料振动强度大小不同，因此不同位置的顶电极层接收到的电势差也不相同。之后，像素单元可以将电势差转换为图像信号，从而得到指纹图像。

现有的屏下超声波指纹识别装置对噪声信号较为敏感，此外，超声波指纹识别装置接收到的反射的超声波信号（即回波信号）较为微弱，如AIN 压电微机电系统（Piezoelectric Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）压电超声传感器（PMUT）在有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）显示屏上的回波信号约为4mVpp，在这种情况下，噪声信号对超声波指纹识别装置的回波信号的影响更大，使得指纹识别的准确率大幅降低。

鉴于此，本申请实施例提出了一种超声波指纹识别装置，可以去除噪声信号的干扰，提升超声波指纹识别装置的信噪比，从而可以有效提升指纹识别的准确率。

需要说明的是，本申请实施例中的超声波指纹识别装置也可以称为超声波指纹识别模组、指纹识别模组、指纹模组、指纹采集装置、超声波指纹装置等，上述术语可相互替换。

以下，结合图4至图11，详细介绍本申请实施例的超声波指纹识别装置。

应理解，为便于理解，在以下示出的实施例中，对于不同实施例中示出的结构中，相同的结构采用相同的附图标记，并且为了简洁，省略对相同结构的详细说明。

还应理解，在以下示出的本申请实施例中的各种结构件的高度或厚度仅为示例性说明，而不应对本申请构成任何限定。

图4是本申请实施例的超声波指纹识别装置300的示意性结构图。该超声波指纹识别装置300设置在显示屏下方，以用于指纹识别。如图4所示，该超声波指纹识别装置可以包括像素单元阵列310，该像素单元阵列310包括第一类像素单元3101和第二类像素单元3102。

其中，显示屏可以是图1A和图1B所示的显示屏120。第一类像素单元3101具有压电效应，用于向显示屏上方的手指（如图1A和图1B中的手指130）发射超声波信号并接收返回的超声波信号以获取第一像素信号，第二类像素单元3102不具有压电效应，用于在第一类像素单元3101获取第一像素信号时获取第二像素信号，第一像素信号和第二像素信号的第一差值信号用于获取指纹图像。

本申请实施例，超声波指纹识别装置包括没有压电效应的第二类像素单元，则第二类像素单元获取的像素信号都为噪声信号。如此，在具有压电效应的第一类像素单元获取像素信号时第二类像素单元也获取像素信号，这样第一类像素信号和第二类像素信号中的噪声信号是相同的，则第一类像素单元的像素信号与第二类像素单元的像素信号的第一差值信号就为去除噪声干扰的像素信号，从而可以提高超声波指纹识别装置的信噪比，基于该去除噪声信号的像素信号进行的指纹识别的准确率较高。

应理解，在本申请实施例中，“第一”和“第二”仅仅为了区分不同的对象，但并不对本申请实施例的范围构成限制。

还应理解，本申请实施例对第一类像素单元和第二类像素单元的名称并不限定，也就是说，它们也可以表述为其他名称。例如，第一类像素单元也可以表述为有源像素单元（Active Pixel）或其他名称，第二类像素单元也可以表述为死像素单元（Dead Pixel）或其他名称。

压电效应可以包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电材料在力的作用下产生形变时，压电材料内部正负电荷中心发生相对位移，使压电材料两端产生符号相反的束缚电荷，电荷量与压力成正比，这是将机械能转换成电能的过程。超声波指纹识别装置300处于接收状态时，利用压电材料的正压电效应，返回的超声波信号到达顶电极层后，可以引起压电材料的振动，从而产生电信号。

逆压电效应是指当在压电材料两端施加电压时，压电材料内部会产生形变，形变量与电压成正比，这是将电能转换成机械能的过程。超声波指纹识别装置300处于发射状态时，利用压电材料的逆压电效应，在压电材料两端的电极提供激励信号，如振荡信号，压电材料就可以振动，从而产生超声波信号。

第一类像素单元3101的结构与图3所示的像素单元200的结构相同，具体内容可以参考图3的描述，为了内容的简洁，此处不再赘述。

由上面描述的内容可以知道，像素单元要具备压电效应，需要具备两个条件：第一个条件是具有压电材料（如图3中的压电层240），以产生电信号或超声波信号；第二个条件是具有用于压电材料振动的腔体（如图3中的腔体220）。因此，本申请实施例的第二类像素单元3102不包括压电层和/或腔体，其他结构与第一类像素单元的结构类似，如此可以保证第二类像素单元3102的自身噪声以及耦合到的噪声与第一类像素单元3101的噪声近似相等，从而可以实现较好的去噪效果。

可选地，像素单元耦合到的噪声可以包括两种：（1）像素单元从外界耦合到的噪声，如从电子设备的显示屏耦合到的噪声或从电子设备的天线耦合到的噪声等；（2）像素单元从超声波指纹识别装置内耦合到的噪声。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

图5A-图5C示出了第二类像素单元3102的结构示意性图。图5A中的第二类像素单元3102的实现方式为在第一类像素单元3101结构的基础上去掉腔体，即不包括腔体，则第二类像素单元3102包括从下至上依次设置的支撑结构321、底电极层322、压电层323和顶电极层324。可以看到，底电极层322和支撑结构321之间没有腔体。图5B中的第二类像素单元3102的实现方式为在第一类像素单元3101结构的基础上去掉压电层，且使用第一层代替压电层，其中，第一层的材料与压电材料的介电常数接近但不具备压电特性，则第二类像素单元3102可以包括从下至上依次设置的支撑结构321、腔体325、底电极322、第一层326和顶电极层324。可以看到，底电极层322和支撑结构321之间存在腔体325。图5C中的第二类像素单元3102的实现方式为在第一类像素单元3101结构的基础上去掉压电层和空腔，则第二类像素单元3102包括从下至上依次设置的支撑结构321、底电极层322、第一层326和顶电极层324。

本申请实施例对第二类像素单元3102在像素单元阵列310中的设置方式不作具体限定。

在一种可能的实施例中，第二类像素单元可以设置在像素单元阵列310的边缘区域。作为一种示例，如图6所示，第二类像素单元3102可以设置在像素单元阵列310的最外围一圈。如此，在进行行或列扫描时，第一类像素单元3101可以和与其处于同一行或同一列的第二类像素单元3102同时获取像素信号。例如，第一类像素单元3101包括像素单元3111，第二类像素单元3102包括像素单元3112，像素单元3111和像素单元3112位于同一列，则在进行列扫描时，像素单元3111向显示屏上方的手指发射超声波信号并接收返回的超声波信号以获取第一像素信号时，像素单元3112也获取第二像素信号，第一像素信号和第二像素信号的第一差值信号用于获取指纹图像。

从图6中可以看到，像素单元3112包括两个像素单元，则第二像素信号可以为该两个像素单元的像素信号的平均值，或者可以为该两个像素单元的像素信号中的较大值，或者，可以为该两个像素单元的像素信号中的任意值。

可选地，像素单元阵列310中每个像素单元的尺寸（即a和b的值）可以为25~75μm。

指纹谷和指纹脊的周期一般大于400μm，根据香农采样定理可知，像素单元阵列310中相邻两个像素单元中心之间的间距（Pitch）至少需要小于200μm，实际应用中Pitch一般可以小于100μm。

可选地，Pitch可以不超过70μm。示例性地，Pitch可以为50μm或70μm。若Pitch超过70μm，则超声波指纹识别装置300的指纹分辨率可能降低，从而导致超声波指纹装置的性能有所下降。

作为另一种示例，如图7所示，第二类像素单元3102可以设置在像素单元阵列310最外侧的半圈区域。也就是说，与第一类像素单元位于同一行或同一列的第二类像素单元只有一个。

在另一种可能的实施例中，第一类像素单元3101可以包围第二类像素单元3102。

在另一种可能的实施例中，多行或多列第一类像素单元3101可以共用一个第二类像素单元3102，且该多行或多列第一类像素单元3101中的每个第一类像素单元的像素信号为第一像素信号。

在另一种可能的实施例中，像素单元阵列310中的多个像素单元可以用于形成指纹图像的一个像素值，该多个像素单元（为了描述方便，本申请称为超像素单元）包括多个第一类像素单元3101和至少一个第二类像素单元3102。参考图8，超像素单元包括3个第一类像素单元3101和1个第二类像素单元3102。

可选地，第一像素信号可以为这3个第一类像素单元3101的像素信号的平均值，或者，第一像素信号可以为这3个第一类像素单元3101的像素信号的和。如此，可以进一步提高噪声的消除效果，从而进一步提高指纹识别的准确率。

可选地，a和b的值可以为25μm~35μm。

可选地，像素单元阵列310的面积可以大于或等于36mm²，尺寸可以为4mm*9mm或6mm*6mm。

可选地，相邻两个超像素单元中心之间的间距（Pitch）可以不超过70μm。

应理解，图6-图8所示的第二类像素单元3102的设置方式仅是示例，但本申请实施例并不限于此。例如，超像素单元中的第二类像素单元3102可以设置于超像素单元中的任何位置。再例如，超像素单元可以包括2个第一类像素单元3101和2个第二类像素单元3102。

可选地，在本申请实施例中，超声波指纹识别装置还可以包括模拟前端电路和模数转换电路（Analog-to-Digital Converter，ADC）。该模拟前端电路可以包括差分放大电路和滤波电路，差分放大电路的两个输入端可以分别接收第一像素信号和第二像素信号，并对第一像素信号和第二像素信号的差值信号（即第一差值信号）进行放大，滤波电路可以用于接收差分放大电路的输出信号，并对差分放大电路的输出信号进行滤波处理，ADC的输入端与滤波电路的输出端相连，用于两滤波电路的输出信号转换为数字信号。

可选地，差分放大电路可以为可编程增益放大器（Pmgrammable Gain Amplifier，PGA）电路。

可选地，滤波电路可以为带通滤波器（Band-Pass Filter，BPF）。例如，第一类像素单元3101采用PMUT，PMUT的谐振频率Fs为10MHz~50 MHz，带通滤波器的中心频率为谐振频率Fs，带宽为10%~20%Fs。假定PMUT的谐振频率Fs为20MHz，带通滤波器的带宽为10%Fs，即为2MHz，则带通滤波器可以允许频率为19MHz~21MHz的信号通过。

可选地，在本申请实施例中，模拟前端电路还可以包括整流电路和积分电路。整流电路与滤波电路连接，可以用于接收滤波电路的输出信号，并将滤波电路的输出信号转换为直流信号。积分电路的一个输入端与整流电路的输出端连接，用于接收整流电路输出的直流信号，并将直流信号中极性相同的半波信号进行累积，得到积分时间内的半波信号的能量总和。由于直流信号中的半波信号含有直流偏置信号，因此积分电路的另一个输入端可以接收与半波信号含有的直流偏置信号相同的直流偏置信号，以与半波信号中的直流偏置信号做差，这样的话积分电路就可以只对半波信号的能量进行累积。

可选地，整流电路可以为全波整流电路。

如此，超声波指纹识别装置采用整流+积分的方式，通过多次打码累积信号，可以进一步提升超声波指纹识别装置的信噪比。

为了进一步降低像素信号本身的背景噪声，可选地，第一类像素单元3101还可以用于在未发送超声波信号时获取第三像素信号，第二类像素单元3102还可以用于在第一类像素单元3101获取第三像素信号时获取第四像素信号。第三像素信号和第四像素信号之间的差值为第二差值信号，第一差值信号和第二差值信号之间的第三差值信号可以用于获取指纹图像。

上述技术方案可以进一步降低噪声信号，提升超声波指纹识别装置的信噪比，提高指纹识别的准确率。

在该技术方案中，模拟前端电路还可以包括双相关采样（Correlated DoubleSampling，CDS）电路和缓冲（Buffer）电路，CDS电路用于对第一差值信号和第二差值信号进行采样并保持，CDS电路可以包括第一电容器和第二电容器，CDS电路在采样第一差值信号后可以将第一差值信号保存在第一电容器中，采样第二差值信号后可以将第二差值信号保存在第二电容器中。Buffer电路可以用于对第一差值信号和第二差值信号的第三差值信号进行采样。

作为一种示例，第一类像素单元3101和第二类像素单元3102可以先分别获取第一像素信号和第二像素信号，之后，第一类像素单元3101和第二类像素单元3102再分别获取第三像素信号和第四像素信号。

作为另一种示例，第一类像素单元3101和第二类像素单元3102可以先分别获取第三像素信号和第四像素信号，之后，第一类像素单元3101和第二类像素单元3102再分别获取第一像素信号和第二像素信号。

图9为超声波指纹识别装置300采集像素信号的采集时序图，假定第一类像素单元为PMUT。首先超声波指纹识别装置300进行复位，以将CDS电路内的第一电容器和第二电容器初始化。然后PMUT获取第三像素信号，且该PMUT对应的第二类像素单元获取第四像素信号，CDS电路在

相位采集第三像素信号和第四像素信号之间的第二差值信号，采集完第二差值信号后将第二差值信号保存至

相位所对应的电容器中，即第二电容器。接下来，PMUT获取到打码（或激励）信号，PMUT开始振动，PMUT中的压电材料利用逆压电效应产生超声波信号，超声波信号传输至显示屏表面后遇到手指后进行反射，产生回波信号，PMUT获取第一像素信号，且PMUT对应的第二类像素单元获取第二像素单元，CDS电路在

相位对第一像素信号和第二像素信号之间的差值信号（第一差值信号）进行采样并存至

相位所对应的电容器，即第一电容器中。之后，Buffer电路采集第一电容器和第二电容器的差值，Buffer电路采集到的差值为PMUT的输出信号，该差值即为第三差值信号。

图10示出了一种模拟前端电路320的框架示意性图，图11示出了图10所对应的模拟前端电路320的一种具体实施例。

假定第一类像素单元3101和第二类像素单元3102先分别获取第三像素信号和第四像素信号，首先初始化积分电路3204和CDS电路3205中的电容器，PGA电路3201接收到第三像素信号和第四像素信号后，对第三像素信号和第四像素信号的第二差值信号进行差分放大。然后经过差分放大的第二差值信号通过BPF 3202进行滤波处理，由于滤波处理后的第二差值信号为交流信号，因此滤波处理后的第二差值信号输入到全波整流电路3203中，以将第二差值信号转换为直流信号。之后，转换为直流信号的第二差值信号输入到积分电路3204中，积分电路3204通过多次打码累积第二差值信号的能量，并将输出信号输入给CDS电路3205，CDS电路3205在

相位采集积分电路3204的输出信号，即经过一系列处理后的第二差值信号，并将第二差值信号存至

对应的电容器中。

接下来，第一类像素单元3101获取到激励信号，第一类像素单元3101中的压电材料开始振动并产生超声波信号，在第一类像素单元3101接收到回波信号时，第一类像素单元3101获取第一像素信号，且第二类像素单元3102获取第二像素信号。PGA电路3201接收到第一像素信号和第二像素信号后，对第一像素信号和第二像素信号的第一差值信号进行差分放大。之后经过差分放大的第二差值信号通过BPF 3202、全波整流电路3203以及积分电路3204后，CDS电路3205在

相位采集积分电路3204的输出信号，即经过一系列处理后的第一差值信号，并将第一差值信号存至

对应的电容器中。

接下来，Buffer电路3206接收第一差值信号和第二差值信号并采集第一差值信号和第二差值信号的差值信号。之后，Buffer电路3206将输出信号输入给ADC电路330，ADC电路330对第一差值信号和第二差值信号的第三差值信号进行模数转换，得到最终的第一类像素单元3101的输出信号。

超声波指纹识别装置除了对噪声信号较为敏感之外，也对发射的超声波信号的余震信号较为敏感，其中，余震信号可以为在第一类像素单元停止接收用于产生超声波信号的激励信号后，第一类像素单元的压电层继续振动产生的信号。若存在余震信号，则超声波指纹识别装置接收到回波信号时，余震信号可能会干扰回波信号，比如，回波信号和余震信号的叠加信号可能会用于指纹识别，这样的话，指纹识别的效果较差。

因此，可选地，在本申请实施例中，第一类像素单元3101接收到用于产生超声波信号的正相激励信号后，还可以接收反相激励信号，该反相激励信号可以用于抵消余震信号中的至少部分余震信号。反相激励信号可以抵消余震信号，如此，可以消除余震信号对回波信号的干扰。

可选地，正相激励信号可以为正相脉冲信号，反相激励信号可以为反相脉冲信号。示例性地，正相脉冲信号可以为4个，反相脉冲信号可以为1个。

本申请实施例还提供了一种电子设备，如图12所示，该电子设备400可以包括显示屏410以及超声波指纹识别装置420。该超声波指纹识别装置420可以为前述实施例中的超声波指纹识别装置300，并设置在显示屏410下方。

应理解，显示屏410可以为非折叠显示屏，也可以为可折叠显示屏，即柔性显示屏。

作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以为终端设备、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑、游戏设备、车载电子设备或穿戴式智能设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机（Automated Teller Machine，ATM）等其他电子设备。该穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分的功能，例如：智能手表或智能眼镜等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等设备。

需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。

应理解，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

1.一种超声波指纹识别装置，适用于具有显示屏的电子设备，其特征在于，所述超声波指纹识别装置设置在所述显示屏下方，包括：

像素单元阵列，包括第一类像素单元和第二类像素单元，所述第一类像素单元具有压电效应，用于向所述显示屏上方的手指发射超声波信号并接收返回的超声波信号以获取第一像素信号，所述第二类像素单元不具有压电效应，用于在所述第一类像素单元获取所述第一像素信号时获取第二像素信号；

所述第一类像素单元还用于在未发送超声波信号时获取第三像素信号，所述第二类像素单元还用于在所述第一类像素单元获取所述第三像素信号时获取第四像素信号；

其中，第一差值信号和第二差值信号之间的第三差值信号用于获取指纹图像，所述第一差值信号为所述第一像素信号和所述第二像素信号的差值信号，所述第二差值信号为所述第三像素信号和所述第四像素信号的差值信号；

其中，所述第一类像素单元包括第一压电层和用于所述第一压电层振动的腔体；

所述第二类像素单元包括从下至上依次设置的支撑结构、底电极层、第二压电层和顶电极层，所述支撑结构还设置于所述第二类像素单元的两侧，用于支撑所述第二压电层，所述底电极层和所述支撑结构之间没有腔体；或者

所述第二类像素单元包括从下至上依次设置的支撑结构、腔体、底电极层、与第二压电层的介电常数相同但不具有压电效应的第一层和顶电极层，所述支撑结构还设置于所述第二类像素单元的两侧，用于支撑所述第一层；或者

所述第二类像素单元包括从下至上依次设置的支撑结构、底电极层、与第二压电层的介电常数相同但不具有压电效应的第一层和顶电极层，所述支撑结构还设置于所述第二类像素单元的两侧，用于支撑所述第一层。

2.根据权利要求1所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述第一类像素单元获取所述第三像素信号的时刻早于获取所述第一像素信号的时刻。

3.根据权利要求1或2所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述超声波指纹识别装置还包括：

双相关采样电路，包括第一电容器和第二电容器，所述双相关采样电路用于对所述第一差值信号和所述第二差值信号进行采样，并将所述第一差值信号保存在所述第一电容器中，将所述第二差值信号保存在所述第二电容器中；

缓冲电路，用于采集所述第一差值信号和所述第二差值信号之间的第三差值信号。

4.根据权利要求1或2所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述第二类像素单元设置于所述像素单元阵列的最外围一圈。

5.根据权利要求4所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述第二类像素单元和所述第一类像素单元的尺寸为25~75μm。

6.根据权利要求4所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述像素单元阵列中相邻两个像素单元的中心之间的间距不超过70μm。

7.根据权利要求6所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述像素单元阵列中相邻两个像素单元的中心之间的间距为50μm或70μm。

8.根据权利要求1或2所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述像素单元阵列包括超像素单元，所述超像素单元包括多个所述第一类像素单元和至少一个所述第二类像素单元，所述超像素单元用于形成指纹图像的一个像素值。

9.根据权利要求8所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述超像素单元包括三个所述第一类像素单元和一个所述第二类像素单元。

10.根据权利要求8所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，相邻两个所述超像素单元的中心之间的间距为50μm或70μm。

11.根据权利要求8所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述第二类像素单元和所述第一类像素单元的尺寸为25~35μm。

12.根据权利要求1或2所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述第一类像素单元用于接收正相激励信号，所述正相激励信号用于使所述第一类像素单元中的压电层振动，以向所述显示屏上方的手指发射正相超声波信号，所述正相超声波信号包括余震信号，所述余震信号为所述第一类像素单元停止接收所述正相激励信号后，所述压电层振动产生的信号；

所述第一类像素单元还用于接收反相激励信号，所述反相激励信号用于抵消所述余震信号中的至少部分余震信号。

13.根据权利要求12所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述正相激励信号为正相脉冲信号，所述反相激励信号为反相脉冲信号，所述反相脉冲信号的数量少于所述正相脉冲信号的数量。

14.根据权利要求1或2所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述超声波指纹识别装置还包括：

差分放大电路，包括两个输入端，所述两个输入端中的一个输入端接收所述第一像素信号，所述两个输入端中的另一个输入端接收所述第二像素信号；

滤波电路，用于接收所述差分放大电路的输出信号，并对所述差分放大电路的输出信号进行滤波处理；

模数转换电路，所述模数转换电路的输入端与所述滤波电路的输出端相连，用于将所述滤波电路的输出信号转换为数字信号。

15.根据权利要求14所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述超声波指纹识别装置还包括：

整流电路，与所述滤波电路连接，用于接收所述滤波电路的输出信号并将所述滤波电路的输出信号转换为直流信号；

积分电路，所述积分电路的输入端与所述整流电路的输出端相连，用于接收所述直流信号，并将所述直流信号中极性相同的半波信号进行累积；

其中，所述模数转换电路用于接收所述积分电路的输出信号，并将所述积分电路的输出信号转换为数字信号。

16.根据权利要求15所述的超声波指纹识别装置，其特征在于，所述整流电路为全波整流电路。

17.一种电子设备，其特征在于，包括：

显示屏；

以及如权利要求1至16中任一项所述的超声波指纹识别装置，所述超声波指纹识别装置设置在所述显示屏的下方。

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