CN112154404A - 超声触摸和力输入检测 - Google Patents
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Abstract
一种系统，包括联接到具有外表面的材料层的超声输入装置和一个或多个数据处理器。所述超声输入装置可以通过所述材料层朝向所述外表面发射信号以及接收与对象与所述外表面之间的触摸事件相关联的一组反射的超声信号。所述系统可以确定与所述一组反射的超声信号相关联的能量信号并且随后提取与所述能量信号相关联的特征信息。随后，所述系统可以基于所提取的特征信息确定与对象相关联的推断并且生成输出信号。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是非临时性的并且要求2018年05月21日提交的美国临时申请序列号No.62/674,317题为“超声触摸和力输入检测(ULTRASONIC TOUCH AND FORCE INPUTDETECTION)”、2018年08月31日提交的美国临时申请序列号No.62/725,697题为“超声触摸和力输入检测(ULTRASONIC TOUCH AND FORCE INPUT DETECTION)”、2018年10月26日提交的美国临时申请序列号No.62/751,053题为“超声触摸特征提取(ULTRASONIC TOUCHFEATURE EXTRACTION)”、2018年12月24日提交的美国临时申请序列号62/784,615题为“超声触摸传感器和系统(ULTRASONIC TOUCH SENSOR AND SYSTEM)”、2019年02月26日提交的美国临时申请序列号62/810,786题为“超声触摸检测与决策(ULTRASONIC TOUCHDETECTION AND DECISION)”、2019年04月26日提交的美国专利申请序列号16/396,597题为“超声触摸和力输入检测(ULTRA SONIC TOUCH AND FORCE INPUT DETECTION)”和2019年05月20日提交的美国专利申请序列号16/417,184题为“超声触摸特征提取(ULTRASONICTOUCH FEATURE EXTRACTION)”的权益，其全部内容通过引用纳入在本文中。
背景技术
电容、电阻和电感感测用于工业、汽车、医疗和消费者应用中以检测触摸输入。在诸如轨迹板和触摸屏的人机接口装置(HID)中，使用电容技术来检测触摸输入已经快速增长。消费者和工业应用开始在诸如移动电话、TV控制件、汽车仪表板、远程控制件或工业控制件的装置中采用使用电容技术的触摸按钮和滑块。在外观和可靠性方面，电容感测已被证明比机械开关和旋转编码器更有吸引力。
然而，由于触摸输入布局和系统堆叠的挑战，使用电容、电阻或电感感测限制了创造性的工业设计。设计和鲁棒性之间的冲突优先级使设计进一步复杂化。还应该注意，当前的输入触摸感测方法不能在金属表面上实施。此外，当前的感测技术具有限制防水应用的固有属性。使用应变仪的压力感测技术已经作为用于金属表面触摸输入的替代感测技术出现。然而，对偏转和应变的测量通常是不可靠的，特别是在金属中。这种传感器非常容易受到导致表面偏转的不希望的干扰的影响，并且它们的灵敏度和性能非常依赖于它们所附接的表面的整体边界条件。此外，传感器所附接的表面必须足够保形(conformal)，以使其在人触摸时充分偏转，以便传感器能够检测到它。需要额外的感测层(例如，电容的)来检测使用应变仪检测到的输入触摸的x-y位置。增大的触摸输入接口材料的复杂性、工业设计上复杂接口的意义(implication)、防水和成本已经成为限制触摸输入在任何环境中和任何材料中使用的关键挑战。存在检测对人机接口(HMI)的触摸输入的改进的系统和方法的需要。
本发明的实施例单独地和共同地解决了这些和其它问题。
发明内容
本公开的一些实施例涉及与超声触摸和力输入检测有关的系统、方法和设备。
根据一些实施例，提供了一种方法。联接到材料层的第一表面的换能器可以发射指向第二表面的超声信号，该材料层在第一表面与第二表面之间具有距离。换能器随后可以检测反射的超声信号并且随后确定反射的超声信号的波幅。随后，换能器可以确定波幅超过与穿透第二表面的超声信号的一部分相关联的阈值。在波幅超过阈值的情况下，换能器可以生成指示第二表面上的触摸输入的信号。
根据其它实施例，提供了一种方法。联接到材料层的第一表面的换能器可以发射指向第二表面的超声信号，该材料层在第一表面与第二表面之间具有距离。随后，换能器可以检测反射的超声信号。该方法随后包括确定与反射的超声信号相关联的能量值。该方法还可包括确定能量值超过与超声信号的穿透第二表面的一部分相关联的阈值。在能量值超过阈值的情况下，该方法可包括生成指示第二表面上的触摸输入的信号。
本公开的一些实施例涉及与超声触摸特征提取有关的系统、方法和设备。系统可包括超声输入装置以及一个或多个数据处理器。
超声输入装置可以联接到可具有外表面的材料层。外表面可位于材料层的与超声输入装置相对的位置。超声输入装置可以联接到材料层，以通过材料层朝向外表面传输发射的信号以及接收与发射的信号相关联的一组反射的超声信号。所述一组反射的超声信号可包括至少一个反射的超声信号，并且可以与对象和材料层的外表面之间的触摸事件相关联。触摸事件可包括例如个体用他们的手指或其它对象(例如，触控笔等)触摸外表面。
一个或多个数据处理器可被配置为确定与所述一组反射的超声信号相关联的能量信号并且提取与能量信号相关联的特征信息。一个或多个数据处理器还可被配置为基于所提取的特征信息来确定与对象相关联的推断，并且随后生成与所确定的推断相关联的输出信号。
根据一些实施例，提供了一种计算机实施的方法。可使用联接到具有外表面的材料层的超声输入装置来传输发射的信号。可以接收一组反射的超声信号。所述一组反射的超声信号可以与发射的信号相关联并且可包括至少一个反射的超声信号。所述一组反射的超声信号可以与对象与材料层的外表面之间的触摸事件相关联。可以确定与所述一组反射的超声信号相关联的能量信号。随后，可以提取与能量信号相关联的特征信息。随后，可以确定推断。可以基于所提取的特征信息将该推断与对象相关联。随后，可以生成与所确定的推断相关联的输出信号。
本公开的一些实施例涉及与超声触摸传感器和系统有关的系统、方法和设备。触摸传感器可包括超声传感器层和集成电路层。
超声传感器层可包括超声换能器的阵列。超声换能器的阵列可包括一个或多个超声换能器。集成电路层可以联接到超声传感器层。集成电路层可包括被配置为用于驱动超声换能器的阵列以生成超声信号的电路。集成电路层还可包括被配置为用于使用超声换能器的阵列接收反射的超声信号以及生成与接收到的反射的超声信号相关联的能量信号的电路。
根据一些实施例，提供了一种可以由触摸传感器或其它合适的装置执行的方法。该方法包括在联接到传输超声换能器的集成电路中生成驱动信号，该传输超声换能器位于联接到集成电路的超声换能器的阵列中。传输超声换能器可以是压电式微机械超声换能器。随后，发射的超声信号可以由传输超声换能器响应于驱动信号而生成。生成发射的超声信号可包括沿正交于材料层的外表面的纵向方向，或者在一些实施例中在材料层的外表面的法线的20％范围内，将发射的超声信号传输通过材料层。随后，可以在超声换能器的阵列中在接收超声换能器处接收一组反射信号。所述一组反射信号可包括与发射的超声信号相关联的一个或多个超声信号。接收超声换能器可以是压电式微机械超声换能器。随后，可以测量能量信号。能量信号可以与接收到的一组反射信号相关联。该方法还可包括基于所测量的能量信号确定在材料层的外表面处已经发生触摸事件。
本公开的一些实施例涉及与超声触摸检测和决策有关的系统、方法和设备。
根据一些实施例，提供了一种可以由触摸传感器装置或其它合适的装置执行的方法。该方法包括接收与联接到材料层的超声输入装置相关联的能量数据。能量数据可包括与响应于超声输入装置通过材料层朝向材料层的外表面发射信号而在超声输入装置处接收到的反射的超声信号相关联的当前能量值和过去能量值。随后，可以将能量数据与阈值数据进行比较，以生成用于触发数据的当前触发值。在当前能量值超过阈值数据的当前阈值的情况下，触发数据可以指示触摸事件的发生。随后，可以基于能量数据、触发数据和阈值数据来更新阈值数据。更新阈值数据可包括生成后续阈值。
根据一些实施例，提供了可以由触摸传感器装置或其它合适的装置执行的另一种方法。该方法包括接收与联接到材料层的超声输入装置相关联的能量数据。能量数据可包括与响应于超声输入装置通过材料层朝向材料层的外表面发射信号而在超声输入装置处接收到的反射的超声信号相关联的当前能量值和过去能量值。随后，可以将能量数据提供给递归神经网络，以生成指示在材料层的外表面处发生触摸事件的输出数据。
在下面详细描述本发明的这些和其它实施例。例如，其它实施例涉及与本文描述的方法相关联的系统、装置和计算机可读介质。
参照以下详细描述和附图，可以获得对本发明的实施例的本质和优点的更好的理解。
附图说明
图1是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了在超声输入系统中触摸力对反射的超声信号的影响。
图2是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了非接触状态和接触状态下的超声输入系统。
图3是根据本公开的特定方面的描绘超声输入装置的示意图。
图4是根据本公开的特定方面结合到CMOS晶圆的两个压电式微机械超声换能器的剖视图。
图5是根据本公开的特定方面的一组示意图，其描绘了联接到各种表面的超声输入装置。
图6是根据本公开的特定方面的示意性侧视图，其描绘了具有共用板组件的超声输入系统。
图7是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了示例超声输入系统。
图8是根据本公开的特定方面的示意性侧视图，其描绘了具有超声传感器和ASIC的集成超声输入装置。
图9是根据本公开的特定方面的一组组合的示意图，其描绘了用于生成集成超声输入装置晶圆的两个处理路线。
图10是根据本公开的特定方面描绘从晶圆切割、PCB安装和堆叠安装的单个集成超声输入装置的一组示意图。
图11是根据本公开的特定方面包含集成超声输入装置的消费电子产品的示意性剖视图。
图12是根据本公开的特定方面的将非集成超声输入装置与集成超声输入装置进行比较的一组示意性剖视图。
图13A是根据本公开的特定方面的超声输入装置的传感器阵列的俯视图。
图13B是根据本公开的特定方面的超声输入装置的替代传感器阵列的俯视图。
图14A是根据本公开的特定方面的图13A的传感器阵列的示意图，其描绘了该阵列的各个换能器的功能。图14B是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的拐角区域的各个换能器的八个示例配置。图14C是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的各个换能器的八个示例配置。图14D是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的各个换能器的八个示例配置。图14E是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的各个换能器的两个示例配置。图14F是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了各种尺寸的传感器阵列的各个换能器的示例配置。图14G是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了尺寸为8x8换能器的传感器阵列的各个换能器的十二个示例配置。
图15是根据本公开的特定方面描绘来自在不同频率下运转的单个传感器阵列的换能器的能量测量的一组图表。
图16是根据本公开的特定方面的图表，其描绘了超声换能器关于运转频率的温度表现(behavior)。
图17是根据本公开的特定方面的图表，其描绘了关于堆叠结构(stack makeup)的频率响应。
图18是根据本公开的特定方面描绘用于通过超声换能器接收和传输信号的电路的示意图，其中该电路处于传输状态。
图19是根据本公开的特定方面描绘用于通过超声换能器接收和传输信号的电路的示意图，其中该电路处于接收状态。
图20是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了用于通过超声换能器接收和传输信号的隔离电路。
图21是根据本公开的特定方面的一组示意性侧视图，其描绘了通过使用超声换能器实现的波束成形。
图22是一组图表，其描绘了与标准体换能器相比的根据本公开的特定方面的微机械超声换能器的运转模式，该标准体换能器被描绘为针对不同频率的平均位移。
图23是一组示意性侧视图，其描绘了与标准体换能器相比的根据本公开的特定方面的微机械超声换能器的横向信号拒绝(signal rejection)。
图24是一组示意性侧视图，其描绘了根据本公开的特定方面的微机械超声换能器的横向信号拒绝。
图25是用于对由根据本公开的特定方面的超声输入装置发射和接收的超声信号进行数字处理的示意性流程图。
图26是根据本公开的特定方面用于对由使用能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号进行处理的示意性流程图。
图27是根据本公开的特定方面用于对由使用能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号进行处理的示意性示例流程图。
图28是根据本公开的特定方面用于对由使用通过绝对值累加的能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号进行处理的示意性流程图。
图29是根据本公开的特定方面对由使用通过自混频和积分的能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号进行处理的示意性流程图。
图30是描绘根据本公开的特定方面的具有负偏置电流电路的模拟积分器的示意性电路图。
图31是根据本公开的特定方面的用于处理超声信号的示意性流程图，其描绘了反射的超声信号飞行时间变化对能量测量窗口内的触摸输入检测的减小的影响。
图32是根据本公开的特定方面的用于处理超声信号的简化流程的示意图，其描绘了反射的超声信号飞行时间变化对能量测量窗口外部的触摸输入检测的增强的影响。
图33是根据本公开的特定方面的用于处理超声信号的流程的示意图，其描绘了在使用窗口整形(window shaping)的情况下反射的超声信号飞行时间变化对能量测量窗口外部的触摸输入检测的最小影响的超声信号。
图34是根据本公开的特定方面的描绘窗口整形电路的示意性电路图。
图35是根据本公开的特定方面描绘用于处理超声信号以使用反射的超声信号的波幅检测触摸输入的流程的示意图。
图36是描绘根据本公开的特定方面的简化的示例能量信号的曲线图。
图37是根据本公开的特定方面的图表，其描绘了使用超声输入装置进行的反射的超声信号测量并示出了用于改进触摸输入检测的技术。
图38是根据本公开的特定方面的图表，其描绘了使用超声输入装置进行的反射的超声信号测量并示出了用于改进触摸输入检测的额外技术。
图39是根据本公开的特定方面的一组图表，其描绘了反射的超声信号的温度依赖性。
图40是根据本公开的特定方面的一组图表，其描绘了检测触摸输入的两种频率方法的飞行时间温度依赖性。
图41是根据本公开的特定方面的图表，其描绘了使用超声输入装置跨数个频率进行的反射的超声信号测量并示出了用于改进触摸输入检测的技术。
图42是根据本公开的特定方面的示意性平面图，其描绘了具有同心圆设计的双频PMUT。
图43是根据本公开的特定方面的示意性平面图，其描绘了具有正方形设计的多频超声输入装置。
图44是根据本公开的特定方面的一组三个图表，其描绘了由超声输入系统接收的可归因于三个不同用户的示例信号。
图45是一组描绘与人类手指、水滴以及将装置放置在桌子上(例如，将对象放置在传感器上)相关联的能量测量信号的图表。
图46是描绘如何能利用温度来进一步识别人类手指是否正在发起触摸事件的组合示意图和一组图表。
图47是根据本公开的特定方面的组合示意图和图表，其描绘了手指触摸和相关联的温度信息。
图48是根据本公开的特定方面的示意性组合侧视图和信号图，其描绘了在超声输入系统上发起触摸事件的指纹的脊线和谷线。
图49是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了由超声输入系统接收的可归因于用手套发起触摸事件和不用手套发起触摸事件的同一用户的示例信号。
图50是根据本公开的特定方面的流程图，其描绘了用于从超声输入系统的信号中提取特征的过程。
图51是根据本公开的特定方面的图表，其描绘了用于改进触摸检测的机器学习决策算法。
图52是根据本公开的特定方面的流程图，其描绘了用于检测触摸事件的过程。
图53是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了用于识别触摸事件的自适应阈值方案。
图54是根据本公开的特定方面的示例曲线图，其描绘了与识别触摸事件相关联的能量信号和自适应阈值。
图55是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了通用递归神经网络。
图56是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了用于识别触发事件的示例递归神经网络。
图57是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了使用一组递归神经网络进行触摸检测和状态分类的示例环境。
图58是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了具有超声输入装置的电子装置。
图59是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了具有超声输入装置的汽车组件。
图60是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了使用超声输入装置的小键盘。
图61是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了使用超声输入装置的机器人臂。
图62是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了使用超声输入装置的一件家具。
图63是根据本公开的特定方面的一组图表，其描绘了展示材料检测的超声输入装置的能量测量信号。
图64是根据本公开的特定方面的压电式谐振器阵列的示意图，该压电式谐振器阵列包含可用于超声输入装置的压电悬臂。
图65是根据本公开的特定方面的压电式谐振器阵列的示意图，该压电式谐振器阵列包含可用于超声输入装置的压电柱。
具体实施方式
提供了一种用于改进对HMI中的触摸输入的检测的触摸输入解决方案。超声输入装置可以利用位于表面材料反面的传感器来检测对象在任何表面上的存在。超声输入装置实现了创造性设计，而不破坏产品表皮或设计材料(例如，材料堆叠)。这种超声输入装置可以在各种装置中实施，例如，输入触摸按钮、滑块、滚轮等。超声输入装置可以部署在包括各种材料的表面下，以简化工业设计和外观。此外，可以实施超声输入装置按钮的网格以在任何表面上的任何位置创建小键盘、鼠标板或触摸输入。超声输入装置允许HMI在包括木材、皮革、玻璃、塑料、金属(例如，铝或钢)、陶瓷、塑料、一种或多种材料的组合等的表面上进行触摸输入部署。
在一些情况中，超声输入装置可包括联接到诸如专用集成电路(ASIC)的处理器的超声传感器，以提供可通过超声检测接收触摸输入的完全集成的片上系统(SOC)。在一些情况中，超声传感器和处理器(例如，ASIC)可以在单个晶片中生产。完全集成的SOC可以提供许多益处，诸如由于经由晶圆级过程的大规模生产而导致的低成本、低轮廓形状因数、改进的信噪比以及改进的传感器阵列设计自由度。
在一些情况中，超声输入装置可包括超声传感器，该超声传感器包括微机械超声换能器(MUT)，诸如压电式微机械超声换能器(pMUT)或电容微机械超声换能器(cMUT)。通过在如本文所公开的超声输入装置中使用MUT，可选地作为完全集成的SOC的一部分，可以实现许多益处。由于MUT(由于其独特和可预测的弯曲模式形状)产生与横向传播的其它类型的波相比更主要地正交于换能器表面传播的信号(正交于表面的纵波)，因此MUT的使用可以提供改进的能量传输区域。由于MUT的可预测的弯曲模式形状在大的频率范围内与其它模式(例如，体模式(bulk mode))分离得很远，因此也更不容易生成或接收其它类型的声波，诸如可能横向或正交于传感器表面行进的剪波或表面波。因此，MUT可以在表面材料上实现更明显的传输和感测区域，诸如通过表面材料直接垂直于MUT的区域。此外，MUT的使用可以减小或最小化操作超声输入装置所需的功率量。例如，MUT可以与低寄生、低驱动电压一起使用，以及与比传统压电式陶瓷超声换能器的电容低大约三个数量级的小的装置电容一起使用。
超声输入装置可以检测与触摸输入相关联的图案并且在不同类型的触摸输入之间进行区分。不同类型的触摸输入可以在手指按压、手掌按压、轻击、触摸和保持或其它这样的输入之间变化。各种类型的触摸输入中的每一种可具有可识别和/或可区分的图案。在一些情况中，来自多个传感器(诸如布置成阵列的多个传感器)的反馈，可用于确定所发起的触摸输入的类型。例如，搁置在超声输入装置的阵列上的手掌可以跨多个超声输入装置注册可识别的图案，并且因此联接到多个超声输入装置的处理器可以确定触摸输入是手掌搁置并且采取适当的动作(例如，拒绝作为触摸输入的手掌搁置或者基于手掌搁置发起动作)。
超声输入装置可以检测与触摸输入相关联的模式(pattern)，并且在发起触摸输入的不同用户之间进行区分。已经发现，超声输入装置的不同用户在发起触摸输入时将经常产生可识别和可区分的信号。例如，从触摸输入测量的信号可以基于用户手指而改变，诸如手指的水分含量、指纹的脊线和谷线的尺寸以及个体手指的其它机械属性。此外，一些用户可以以可重复的方式发起触摸输入，其可用于识别用户。例如，第一用户通常可以快速轻击输入装置，而第二用户通常可以将他们的手指放置在输入装置上随后按压。作为另一示例，不同的用户可能产生不同的触摸压力，这也可以通过监测超声信号改变的量来检测。诸如触摸输入的速度和触摸输入的方式的这些因素可以用于便于识别用户。
在一些情况中，可以通过将来自超声换能器的能量信号与阈值进行比较来确定是否已经发生触摸事件。在一些情况中，为了改进对触摸事件的检测和对错误肯定(falsepositive)的拒绝，该阈值可以动态地或自动地更新。该自适应阈值可以基于输入的能量信号以及历史阈值数据和触发数据(例如，关于触摸事件是否已经发生的信息)的任何组合来更新。这些输入可以帮助更新阈值更新函数，该阈值更新函数可以用于将能量信号值滤波成新的阈值。因此，通常不指示触摸事件的能量信号的特定变化(例如，缓慢变化)可以由自适应阈值跟踪，而指示触摸事件的变化(例如，快速变化)可以不由自适应阈值跟踪，其允许能量信号下降到阈值以下并且因此指示触摸事件。
在一些情况中，可以通过将能量信号传递到已经基于训练数据被训练的递归神经网络中来确定是否已经发生触摸事件。递归神经网络可以将输入能量信号转换为指示是否已经发生触摸事件的输出。
在一些情况中，可以通过分析触发数据来确定传感器的状态(例如，触摸事件的类型的分类，诸如按压、轻击、双击、保持或其它这样的类型)。在一些情况中，触发数据可以作为输入被传递到已经基于特定状态的训练数据被训练的递归神经网络中。该递归神经网络可将输入的触发数据转换为指示传感器状态的输出。
在一些情况中，超声输入装置可以提供对电容和机械装置上的触摸输入检测的美学特征和可靠性的改进。通过在触摸表面上定义按钮区域，可以在表面上实施按钮。超声输入装置可以嵌入/放置在该表面的后面，并且因此限制环境暴露(包括灰尘和湿气)，以及降低与在表面上创建其它传感器所需的特殊开口相关联的制造成本。超声输入装置可以提高按钮可编程性选项的灵活性。例如，用户可以通过系统控制器来定义按钮的功能，该系统控制器可以与超声输入装置一起被嵌入在共享的印刷电路板(PCB)上。在一些实施例中，系统控制器可以监测用户行为以改进机器/系统偏好和性能。机械地联接到表面但远离视野定位(诸如不透明表面下方或后面)的超声输入装置可以用于提供隐藏的输入，该输入对于那些还不知道其位置的人来说是不可观察到或不易发现的。例如，超声输入装置可以被放置在标志下方(例如，在膝上型计算机或另一表面或装置上)、在墙壁后面或在一件家具的表面下方。
超声输入装置可以是低功率和/或电池供电的，以便在不需要直接连接到主电源的情况下在延长的时间段内进行运转。超声输入装置可以是物联网(IOT)装置或者可以被纳入到物联网装置中，该物联网装置能够向本地或远程网络上的其它装置提供传感器数据(例如，按钮按压)。在一些情况中，MUT的使用能够允许超声输入装置以特别低的功率要求进行运转。在一些情况中，作为完全集成的SOC的超声输入装置可以以低功率进行运转和/或可以提供IOT功能。
I.装置概述
本发明的实施例涉及用于检测触摸输入的超声输入装置。具体地说，实施例涉及超声输入装置，其包括联接到材料层的换能器，该材料层提供表面以接收对系统的触摸输入信号。超声输入装置可以使用各种材料层来实施，这些材料层包括木材、皮革、玻璃、塑料、金属(例如，铝、钢等)、石材、混凝土、石膏板、石膏、纸、聚合物、生物材料(例如，诸如皮肤的组织)、一种或多种材料的组合等。材料选择的灵活性使得能够在各种应用中使用超声输入装置，这些应用包括移动装置的前按钮和侧按钮；车辆的方向盘、信息娱乐单元、中控台控制件、镜子、座椅、门把手、窗户等；物联网装置；医疗装置，诸如床控制件、血压测量装置；用于机器人的输入检测，诸如用于机器人类手指的触摸感测；以及隐藏的输入装置，诸如隐藏在家具内或墙壁后面。
A.使用超声信号检测触摸输入
图1是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了在超声输入系统中触摸对反射的超声信号的影响。超声输入可包括联接到材料层102的换能器104。材料层102可称为堆叠，并且可以纳入一种或多种材料的一个或多个子层。例如，堆叠可以是单片玻璃、一块干墙、塑料和玻璃的层压组、或缠绕在皮革中的塑料方向盘等。材料层102具有第一(内)表面106和第二(外)表面108。材料层可以由第一表面106与第二表面108之间的距离110表征。材料层102可以是集成有超声输入装置的较大装置的覆盖材料。在一些实施例中，材料层102可形成装置的主体或主体的一部分。在这些实施例中，第一表面106可形成主体的内表面，并且第二表面108可形成主体的外表面。第二表面108可以被认为是外部的，由于它暴露于环境。第一表面106可以被认为是内部的，由于它不是要检测接触的表面，或者由于它是换能器104声学联接到材料层102的表面。图1示出了无触摸的超声输入装置120、具有轻触摸的超声输入装置122和具有重触摸的超声输入装置124。
该触摸传感器基于触摸表面(材料层102)和输入对象112的材料声学属性来触发。对光触摸122的检测取决于材料层102中反射的超声信号114相对于通过材料层102的第二表面108传输到输入对象112中的吸收的超声信号116的程度。如本文所使用的，反射的超声信号(例如，反射的超声信号114)可以指已反射离开材料层102的第二表面108的信号，并且吸收的超声信号(例如，吸收的超声信号116)可以指其至少一部分信号已被接触材料层102的第二表面108的输入对象112(例如，手指)吸收的信号。输入对象112在触摸表面上的接触(例如，基于压力)限定一个或多个接触面积118和反射量。材料层102可以是单层，或者可以由具有不同属性的多层材料组成。例如，在一些实施中，材料层102可以是均匀且各向同性的材料。在其它实施中，材料层102可为由不同材料的多个层组成的复合材料层。可以基于用于触发按钮的触摸的接触面积118和输入对象112与材料层102之间的阻抗差以及材料层102的整个材料堆叠的几何和声学属性来设定阈值。
接触面积118的尺寸和接触面积118之间的空间可以指示手指的脊线的尺寸和间隔以及手指指纹的谷线的尺寸和间隔。接触面积118之间的尺寸和/或间隔的特定变化可以指示接触材料层102的不同手指。例如，年轻个体可能比年长个体具有更小的谷线(例如，接触面积118之间的更小距离)。在一些情况中，检测到的尺寸和/或接触面积118之间的间隔可用于检测或推断用户接触材料层102。这种推断可以用于应用定制(例如，使触摸事件为不同用户引起不同动作或者使不同用户具有不同感测阈值)、测试许可(例如，仅在所识别的用户正在发起触摸事件或者用户以与“密码”相同的特定方式触摸表面时才允许动作)、或者使用推断来执行其它基于规则的动作。
通过确定由于吸收的超声信号126的数量增大而引起换能器104接收到较少的反射信号或较少的未衰减信号，可将重触摸124与轻触摸122进行区分。如果触摸压力增大，例如当接触表面变平坦时，超声输入装置100和输入对象113(例如，手指)将具有更大的接触面积128。如图1所示，更大的接触面积128增大了通过材料层102的第二表面108传递到输入对象113中的吸收的超声信号126的数量。在用户手指的情况下，较大的接触面积128可以指示用户手指的脊线相对于(against)材料层102的第二表面108变平坦。在一些情况中，在输入对象113不是手指或者由另一种材料覆盖手指的情况下，较大的接触面积128可以是输入对象113的纹理元素相对于材料层102的第二表面108变平坦的结果。
图2是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了非接触状态和接触状态下的超声输入系统。图2示出了无触摸的超声输入装置200(例如，非接触状态)和具有触摸(例如，接触状态)的超声输入装置250。超声输入装置包括联接到材料层204的换能器202。在该实施例中，材料层204被显示为铝，但可以是任何材料(例如，玻璃、木材、皮革、塑料等，或由材料的组合形成的复合材料)。换能器202联接到材料层204的第一(内)表面206。材料层204的第二(外)表面208与空气或类似于不同于人类手指的液体声阻抗的一些其它环境接触。
对于无接触的超声输入装置200，换能器202发射超声信号210A，其被引导到材料层204中并且朝向第二表面208引导。空气具有近似于零的声阻抗，并且引起第二表面208反射被反射的超声信号212A，其接近所发射的超声信号的100％(例如，等于或大于90％、91％、92％、93％，94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.1％、99.2％、99.3％、99.4％、99.5％，99.6％、99.7％、99.8％、99.81％、99.82％、99.83％、99.84％、99.85％、99.86％、99.87％，99.88％、99.89％、99.9％、99.91％、99.92％、99.93％、99.94％、99.95％、99.96％、99.97％、99.98％和/或99.99％)。反射的超声信号212A本身可反射离开第一表面206，以生成反射-发射信号210B，其可被反射离开第二表面208以引起第二反射的超声信号212B。在204的复合的材料堆叠的情况下，从208反射的信号可以在复合堆叠本身内反射多次，并且这种回声链可由换能器202感测。在复合材料的情况下，分析由206与208之间的反射和/或204的多层内的内部反射形成的接收的回声链，可以直接用于识别204的材料堆叠和/或环境(例如，空气)。这种信息可以仅用于识别堆叠的声学和/或几何属性或用作传感器校准和检测算法的阈值调谐的额外信息。如图2所描绘的，四个反射的超声信号212A、212B、212C、212D生成四个相应的反射-发射信号212B、212C、212D、210E。任何数量的反射的超声信号212A、212B、212C、212D、212E和反射-发射信号212B、212C、212D、210E可以从初始发射的超声信号210A获得，直到这些信号变得太弱而不能被反射和/或检测为止。曲线图214示出了与发射的超声信号210A相对应的第一波幅216和与反射的超声信号212A、212B、212C、212D、212E相对应的一组后续波幅218A、218B、218C、218D、218E。由于在材料层204中的损失，因此第一后续波幅218A小于第一波幅216。由于在材料层204中的损失，因此其余后续波幅218B、218C、218D、218E中的每个小于之前的后续波幅218A、218B、218C、218D的波幅。
在一些情况中，可以选择为了与超声输入装置一起使用而选择的一个或多个频率，以在非接触状态下实现小的或最小的衰减，从而实现大或最大数量的反射的超声信号。在一些情况中，源于单个发射的超声信号210A的一组反射的超声信号212A、212B、212C、212D、212E可以称为一串反射信号。出于说明目的，在图2中从左到右描绘了各种反射的超声信号212A、212B、212C、212D、212E和反射-发射信号210B、210C、210D、210E，然而，将理解的是，这些信号在时间上是分离的，并且可以不必在空间上分离。回声信号可以被单独地分析和/或与另一回声信号彼此组合或集成在一起作为检测度量分析。
对于具有触摸的超声输入装置250，输入对象220(在这种情况下为手指)与材料层204的第二表面208接触。来自对象(例如，手指脊线)所接触的区域的局部反射损失取决于触摸输入介质与输入对象在声阻抗方面相差多少。例如，反射损失(dB)可表示为
其中Z1是材料层204的阻抗并且Z2是输入对象220的阻抗。一旦输入对象220与材料层204接触，发射的超声信号210A被分成两部分。第一部分，回声，是反射的超声信号213A，并被反射回换能器。第二部分222是穿透到输入对象220中的传输信号。反射的超声信号213A本身可被反射离开第一表面206以生成反射-发射信号。反射-发射信号本身可以被分成两部分，其中一部分是第二反射的超声信号212B，另一部分是穿透到输入对象220中的第二部分222。如图2所描绘的，四个反射的超声信号213A、213B、213C、213D生成四个相应的反射-发射信号。从初始发射的超声信号210A可以产生任何数量的反射的超声信号212A、212B、212C、212D、212E和反射-发射信号，直到这些信号变得太弱而不能被反射和/或检测为止。
如曲线图224所示，第一波幅226与发射的超声信号210A相对应。与无触摸超声输入装置相比，由于第二部分222穿透输入对象220，与反射的超声信号213A相对应的第一后续波幅228A减小。由于材料层204中的损失和在复合材料堆叠204的情况下的内部多路径反射，剩余的后续波幅228B、228C、228D、228E中的每一个小于之前的后续波幅228A、228B、228C、228D的波幅。出于说明目的，曲线图224以实线描绘了后续波幅228A、228B、228C、228D、228E，其与以虚线描绘的相应的后续波幅218A、218B、218C、218D、218E重叠。接触状态下的超声输入装置的后续波幅228A、228B、228C、228D、228E的总衰减量可大于非接触状态下的超声装置的后续波幅218A、218B、218C、218D、218E的总衰减量。此外，接触状态下的超声输入装置的后续波幅228A、228B、228C、228D、228E中的每一个之间的衰减量可大于非接触状态下的超声装置的后续波幅218A、218B、218C、218D、218E的衰减量。
值得注意的是，来自曲线图224的与触摸事件相关联的后续波幅228A、228B、228C、228D、228E比来自曲线图214的与无触摸事件相关联的相应后续波幅218A、218B、218C、218D、218E衰减得更快。换句话说，触摸事件的后续波幅与无触摸事件的后续波幅之间的对比度随着每个后续反射数n而增大。在一些情况中，与无触摸事件相关联的第n个后续波幅和与触摸事件相关联的第n个后续波幅之比可以是Γn：(1-Γn)，其中Γ是从第二表面208反射回的信号的百分比。例如，后续波幅218A与后续波幅228A的比可以是100：90；后续波幅218B与后续波幅228B的比可以是100：81；后续波幅218C与后续波幅228C的比可以是100：72；后续波幅218D与后续波幅228D的比可以是100：63；并且后续波幅218E与后续波幅228E的比可以是100：54。
B.超声触摸输入装置
图3示出了根据本公开的特定方面的超声输入装置。超声输入装置300可附接到任何表面以检测触摸输入。超声输入装置300可包括传感器302，诸如压电式微机械超声换能器(PMUT)。PMUT换能器是压电式超声换能器，其包括联接到薄压电薄膜的薄膜以感应和/或感测超声信号。传感器302可以集成在专用集成电路(ASIC)上，诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)ASIC 304(一体化)，并形成在基底306上。ASIC 304可包括可用于执行本文所公开的各种过程的电路和/或模块，诸如至少参照图25-41所述的各种模拟和/或数字处理。例如，ASIC 304可用于驱动传感器302，使用传感器302检测反射的超声信号，并确定与反射的超声信号相关联的波幅(例如，使用诸如累加和积分的各种模拟技术)。在一些情况中，ASIC304可以可选地确定阈值，所确定的波幅可以与该阈值进行比较，以确定是否已经发生触摸事件，在这种情况下，ASIC 304可以输出与触摸事件的发生相关联的信号。
在一些情况中，ASIC 304的电路可以以模拟方式执行特定过程，诸如信号整流、积分、混频、修改、累加等。如本文所使用的，模拟电路可包括能够在不首先使模拟信号数字化的情况下对模拟信号执行动作(例如，整流、积分等)的任何电路。在一个示例中，ASIC 304可包括能够获取接收的超声信号、对该信号进行整流、以及对整流信号的至少一部分进行积分以提供积分信号的模拟电路，诸如参照图26所描述的，在另一示例中，ASIC 304可包括能够获取接收的超声信号、计算该信号的绝对值、以及累加该绝对值以提供累加信号的模拟电路，例如参照图28所描述的。在另一示例中，ASIC304可包括能够获取接收的超声信号、通过自混频对该信号求平方以及对求平方的信号进行积分以提供积分信号的模拟电路，诸如参照图29所描述的。
在一些情况中，不同形式的超声换能器可用于传感器302，而不是PMUT传感器。在一些情况中，超声传感器可以使用压电材料(例如，氮化铝、锆钛酸铅(PZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF))的沉积层来形成。在一些情况中，超声传感器可以是电容微机械超声换能器(CMUT)。在一些情况中，超声传感器可以是压电式装置(例如，压电悬臂或压电柱)的谐振器阵列。
基底306可以被结合310到诸如移动电话的较大集成装置的柔性印刷电路/印刷电路板308(FPC/PCB)。在一些实施例中，传感器302上的接触面积312可以结合到基底触点314。如图所示，超声输入装置300的尺寸可以等于或小于1.5mmx1.5mmx0.5mm，尽管也可以使用其它尺寸。在一些情况中，基底306所附接的FPC/PCB 308可以接收与检测到的反射的超声信号的波幅相关联的信息，并且执行本文所公开的一些功能，诸如确定阈值和/或确定何时已经发生触摸事件。然而，在一些情况中，FPC/PCB 308仅接收与触摸事件的发生相关联的信号，并且因此不需要基于触摸事件执行对检测到的反射的超声信号的波幅的进一步分析来执行动作。
ASIC 304和传感器302的集成实现了小的形状因数，这导致在许多空间受限的应用中按钮或其它功能的放置。例如，智能电话侧的机械按钮可以容易地被罩壳(casing)下面的超声输入装置300替换。为了实施系统的触摸接口或其它合适的功能，可以使用粘合剂318将超声输入装置300结合到表面316。
图4是根据本公开的特定方面集成到CMOS晶圆的两个压电式微机械超声换能器的剖视图。装置400示出了结合到CMOS晶圆402的两个PMUT的剖视图，该CMOS晶圆可用于超声输入装置中。每个PMUT可以形成在结合到CMOS晶圆402的MEMS晶圆401上。以这种方式，PMUT可以联接到CMOS晶圆402的必要的处理电子器件。应该理解的是，每个PMUT可具有有源压电层404以及第一电极403和第二电极405。第一电极403和第二电极405可以电联接到压电层404。
在一些实施例中，PMUT可包括电联接到第一电极403的第一触点422、电联接到第二电极405的第二触点424以及电联接到CMOS晶圆402的第三电极426。通过第一电极403和第二电极405施加交流电压可以引起压电层404的移动(例如，弯曲运动)，这可以导致生成的声波。同样，接收到的引起压电层404中的移动的声波可被感测为跨第一电极403和第二电极405的变化的电压。可以在PMUT中形成一个或多个过孔(竖直互连通道)410。每个触点可以导线结合到电子板。在一些实施例中，PMUT可包括形成在表面420和触点上的钝化层428。表面420或钝化层428的表面上的粘合剂联接表面430可联接到超声输入装置的材料层。
在一些实施例中，无源电层408可包括SiO2或任何其它合适的无源层。有源压电层404可以是大约1μm厚的氮化铝，并且无源弹性层可以是大约1μm厚的单晶硅，但是可以使用其它尺寸和材料。在一些实施例中，有源压电层404可以是掺杂钪的氮化铝。可替代地，有源压电层404可以是另一种合适的压电陶瓷，诸如PZT。顶部和底部电极406二者均可包括钼。为了将PMUT结合到CMOS晶圆402的顶部金属412，可以使用如在过孔410处示出的经由硅通孔(TSV)的熔融结合。这种方法导致显著的寄生减小，这又引起改善的信号完整性和较低的功耗。
在一些实施例中，腔室414可以用真空或近真空形成，以将换能器与CMOS晶圆402中的处理电子器件隔离。由PMUTS生成的声音将不会穿过腔室414的近真空传播，从而使可能由与CMOS晶圆402的材料界面引起的反射和干扰最小化。腔室414可以引起超声416远离PMUT行进。超声416可以行进穿过粘合剂联接表面430并且进入超声输入装置的材料层。材料层可以反射超声416，从而引起返回回声反射回PMUT。返回回声通过粘合剂联接界面行进并由PMUT接收。
在一些实施例中，CMOS晶圆402可以是包括驱动换能器所需的一个或多个装置的专用集成电路(ASIC)。用于PMUT阵列的驱动电压可以小于4伏特。在一些情况中，驱动电压可以小于1.8伏特。在一些情况中，驱动电压可以是或小于4、3.5、3、2.5、2、1.9、1.8、1.7、1.6或1.5伏特。ASIC可以被制造以满足与相关联PMUT的尺寸相关联的尺寸要求。在一些实施例中，ASIC可包括一个或多个模块以接收所测量的信号。ASIC可被配置为进一步处理信号。例如，ASIC可包括一个或多个整流器，以通过获取接收到的信号(可以是交流电)的绝对值来生成绝对值信号。ASIC还可包括积分器和模数转换器(ADC)，以将反射的超声信号转换成反射信号的数字表示。ASIC和PMUT的集成进一步允许在ASIC中嵌入增益放大器和ADC，并消除独立的ADC传感器控制器芯片。这在相关联的电路板上打开了空间，并降低了触摸输入传感器的实施成本。在一些实施例中，ASIC可将数字信号传输到存储器、处理器和远程装置中的至少一个或多个。在其它实施例中，ASIC可包括一个或多个信号处理模块。
PMUT阵列可以与CMOS半导体过程兼容。在一些实施例中，PMUT材料和尺寸可以符合半导体设备和材料国际(SEMI)标准规范。因为PMUT可以符合SEMI规范，所以换能器阵列可以与现有的CMOS半导体制造工具和方法一起使用。例如，可以使用光刻技术形成一个或多个PMUT。相反，当前的压电式超声换能器阵列是使用不能匹配光刻技术的精度的晶片锯形成的。结果是，PMUT可以更小，在更低的电压下运转，并且具有更低的寄生现象。
C.与电路板的集成
图5是根据本公开的特定方面的一组示意图502、504、506、508，其描绘了联接到各种表面的超声输入装置510、512、514、516。图502描绘了通过粘合剂联接到金属表面的超声输入装置510。图504描绘了通过粘合剂联接到玻璃表面的超声输入装置512。图506描述了通过粘合剂联接到塑料表面的超声输入装置514。图508描绘了通过粘合剂联接到木制表面的超声输入装置516。任何合适的材料可以用作感测表面，例如无孔材料或半多孔材料。多孔材料可用于感测表面，但可通过更小的孔、更高的密度和更加一致的密度来获得更好的结果。
此外，超声输入装置510、512、514、516可联接到柔性PCB，诸如在超声输入装置510、512、514、516联接到感测表面的相对侧上。超声输入装置510、512、514、516可以用作感测表面与PCB之间的机械联接器，其中PCB在别处未附接到感测表面，尽管不总是需要这样。在一些情况中，可以使用柔性PCB。
PCB的使用可以允许额外的组件与超声输入装置510、512、514、516集成在一起，以扩展超声输入装置510、512、514、516的功能，诸如参照图6所描述的。
图6是根据本公开的特定方面的示意性侧视图，其描绘了具有共用板组件的超声输入系统600。超声输入系统600可包括电联接到电路板610的超声输入装置602，以及任何数量的共用板组件612。每个共用板组件可以电联接到电路板610。在一些情况中，超声输入装置602可以机械地联接到电路板610，诸如使用电联接(例如，焊点)或其它机械支撑件。在一些情况中，一个、一些或所有共用板组件612可以机械地联接到电路板610。在一些情况中，电路板可以是印刷电路板，诸如柔性PCB，尽管不必总是这样。
整个超声输入系统600可以包含在单个共用的壳体内、多个壳体内，或者可以不包含在壳体内。在一些情况中，两个或更多个共用板组件612可以包含在单个壳体内，具有或不具有超声输入装置602。在一些情况中，所有的共用板组件612可以位于电路板610的与超声输入装置602相同的一侧上，尽管不必总是这样。当位于与超声输入装置602相同的一侧上时，共用板组件612可以被选择或设计成具有超过超声输入装置602的高度的高度。
在一些情况中，超声输入系统600可包括功率组件604。功率组件604可以向超声输入装置602和/或任何其它共用板组件612提供功率。功率组件604的示例包括电池、变压器(例如，联接到干线的变压器)、电容器(例如，超级电容器)、太阳能电池、燃料电池和/或任何其它合适的电源。
在一些情况中，超声输入系统600可包括处理器606。处理器606可以基于从超声输入装置602接收到的信号使各种处理功能能够在超声输入系统600内执行。合适的处理器606的示例包括微控制器、中心处理单元或其它合适的装置。处理器606还可以联接到存储器以访问处理例程、访问存储的数据和/或存储数据。
在一些情况中，超声输入系统600可包括通信组件608。通信组件608可与超声输入装置602和/或处理器606交互以向外部装置发送信号或从外部装置接收信号。合适的通信组件608的示例包括无线无线电(例如，Bluetooth、WiFi、Zigbee、Z-Wave等)、音频装置(例如，麦克风或扬声器)、视觉装置(例如，相机、灯或显示器)、触觉装置(例如，触觉反馈装置，诸如马达和振动器)或适于发送或接收信号的其它装置。
在一些情况中，超声输入系统600可包括共用板组件612，其包括功率组件604、处理器606和通信组件608。在一些情况中，超声输入系统600可包括更多或更少的共用板组件，这些共用板组件包括不同类型的组件。
D.示例系统设定
图7是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了示例超声输入系统700。超声输入系统700可包括超声传感器702和处理器722。超声传感器702可以与图1的换能器104相同，处理器722可以电联接到超声传感器702，并且可以可选地机械联接到超声传感器702。在一些情况中，处理器722和超声传感器702可以集成到同一封装中，尽管不必总是这样。处理器722可以执行如本文所公开的特定功能，诸如从超声传感器702获取信号和/或检测触摸事件。在一些情况中，可选的计算装置724可以联接到处理器722以交换信息，诸如与触摸事件相关的信息、与来自超声传感器702的信号相关的信息、或与处理器722如何解释信号信息相关的信息。数据存储726可以联接到处理器722，以用于存储信息，诸如与处理器722如何解释信号信息有关的信息。在一些情况中，可选的计算装置724可以联接到可以存储信息的数据存储728，诸如与如何解释来自超声传感器702的信号信息以确定触摸事件有关的信息。计算装置724可以是任何合适的计算装置，诸如台式计算机、膝上型计算机、服务器、智能电话、平板电脑或任何其它合适的计算装置。计算装置724可以通过有线或无线连接联接到处理器722。计算装置724可以通过本地或远程连接联接到处理器722。
在一些情况中，处理器722可以是专用集成电路(ASIC)。在一些情况中，超声传感器702可以是MUT。处理器722可以是设计成能够驱动和接收传感器502的一个或多个换能器的任何合适的电路。处理器722可驱动换能器以发送和接收超声信号，以实现本文所述的触摸感测能力。在一些情况中，处理器722可以输出与传感器502相关联的所测量的能量水平(例如，能量信号)，其稍后可用于确定是否已经发生触摸事件。在一些情况中，处理器722可以输出指示触摸事件的发生的触摸信号。在这种情况下，处理器722可以执行必要的处理以确定是否已经发生触摸事件。在一些情况中，处理器722可进一步执行必要的处理以确定与触摸事件相关联的额外信息，诸如触摸事件是由裸露的手指还是戴手套的手指发起的，触摸事件是由第一用户还是第二用户发起的，或者触摸事件的其它方面。这种额外信息可以采取推断的形式，并且可具有不同的置信度，尽管不必总是这样。在一些情况中，处理器722可具有处理信号并识别用户正在输入的图案的类型(例如，单击、双击、保持等)的能力。处理器722中的这种能力可以由硬件处理块实现，或者可以作为固件的一部分被写入芯片存储器中。在一些情况中，处理器722可具有自校准和调谐其参数以用于信号识别和图案辨识的能力。
在一些情况中，处理器722可将能量信号和/或触摸信号发送到计算装置724。计算装置724可以执行必要的处理以确定是否已经发生触摸事件和/或与触摸事件相关联的额外信息，诸如触摸事件是由裸露的手指还是戴手套的手指发起的，触摸事件是由第一用户还是第二用户发起的，或者触摸事件的其它方面。
在一些情况中，数据存储726可以存储与处理器722如何确定触摸事件是否已经发生有关的信息或者确定与触摸事件相关联的其它信息。在一些情况中，数据存储726可以存储由处理器722使用的模型信息，以处理能量信号并确定是否已经发生触摸事件。在一些情况中，存储在数据存储726中的模型信息可以由计算装置724提供和/或使用其进行更新。
II.用于超声触摸输入的完全集成的片上系统
本公开的实施例允许用于超声触摸输入的完全集成的片上系统。例如，集成的超声输入装置可包括超声传感器和专用集成电路(ASIC)。可以使用各种生产技术来创建集成超声输入装置晶圆，以允许低轮廓尺寸以及改进的噪声抗性和较低的功率。
A.集成的超声输入装置概览
图8是根据本公开的特定方面的示意性侧视图，其描绘了具有超声传感器802和专用集成电路(ASIC)822的集成的820。超声传感器802可以由一个或多个成阵列设置的超声换能器组成。在一些情况中，超声换能器是MUT。
ASIC 822可以是设计成能够驱动和接收超声传感器802的一个或多个换能器的任何合适的电路。ASIC 822可驱动换能器以发送和接收超声信号，以实现本文所述的触摸感测能力。在一些情况中，ASIC 822可以输出与超声传感器802相关联的所测量的能量水平，其稍后可用于确定是否已经发生触摸事件。在一些情况中，ASIC 822可以输出指示触摸事件的发生的触摸信号。在这种情况下，ASIC 822可以执行必要的处理以确定是否已经发生触摸事件。在一些情况中，ASIC 822可进一步执行必要的处理以确定与触摸事件相关联的额外信息，诸如触摸事件是由裸露的手指还是戴手套的手指发起的，触摸事件是由第一用户还是第二用户发起的，或者触摸事件的其它方面。这种额外信息可以采取推断的形式，并且可具有不同的置信度，尽管不必总是这样。在一些情况中，ASIC 822可具有处理信号并识别用户正在输入的图案的类型(例如，单击、双击、保持等)的能力。ASIC 822中的这种能力可以由硬件处理块实现，或者可以作为固件的一部分被写入芯片存储器中。在一些情况中，ASIC 822可具有自校准和调谐其参数以用于信号识别和图案辨识的能力。
集成超声输入装置820可以完全或部分地封装在壳体824内，以形成封装。壳体824可以采取任何合适的材料的形式，诸如固化树脂。在一些情况中，壳体824仅包含超声传感器802和ASIC 822，以及将ASIC 822联接到外部组件必需的任何电触点。在一些情况中，壳体824可包含额外的组件，诸如额外的传感器(例如，热传感器、振动传感器或陀螺仪)。在一些情况中，用于壳体824的材料可以被选择为作为超声输入系统的堆叠的一部分而良好地执行。例如，在与特定超声输入装置820相关联的频率范围中具有最大能量传输的材料可以用于使信号最大化。在一些情况中，额外的材料可以用在壳体824内或结合到壳体824本身中，以实现进入堆叠中的超声传播的期望响应。例如，窗口可被装配到邻近超声传感器802的壳体824中，以提供用于向超声传感器802传输超声信号和从其传输超声信号的路径。该窗口可以由光学透明、半透明或不透明的材料制成，并且可以被选择为使超声信号在很小衰减或没有衰减的情况下通过。而且，可以在堆叠中使用材料以增强层之间的声学匹配，以促进传输和/或接收信号。
在一些情况中，可在超声传感器802和ASIC 822已形成为晶圆并切割成单独芯片之后应用壳体824。然而，在一些情况中，可在超声传感器802和ASIC 822仍然是包含许多芯片的晶圆的一部分的同时应用壳体824。任何合适的芯片封装方法都可以用于封装超声传感器802和ASIC 822。
在一些情况中，可以使用其它类型的处理器或电路来代替ASIC 822。例如，可以使用通用可编程处理器来代替ASIC 822，同时仍然实现与集成的超声输入装置820相关联的许多益处。在一些情况中，ASIC 822可接收功率作为输入，其可用于为ASIC 822本身供电并驱动超声传感器802的换能器。在一些情况中，通用可编程处理器可用于在具有或不具有呈主和从形式的内部ASIC的多个芯片之间进行通信。
在一些情况中，集成的超声输入装置820的封装的高度可以是大约500微米或更小。在一些情况中，集成的超声输入装置820的超声传感器802和ASIC 822可具有大约150微米或更小的组合高度。
B.生产技术
图9是根据本公开的特定方面的一组组合的示意图，其描绘了用于生成集成的超声输入装置晶圆930的两个处理路线926、928。第一处理路线926描绘了使用单片技术生成晶圆930。第二处理路线928描绘了使用晶圆结合技术生成晶圆930。任何合适的过程可用于生成包含如本文所述的传感器和ASIC的晶圆930。
在第一处理路线926下面，提供ASIC晶圆932，并且随后在ASIC晶圆932上构建传感器层934，以产生包含传感器及ASIC二者的单片晶圆930。这种类型的晶圆级制造可以允许以经济的方式生成小的形状因数。
在第二处理路线928下面，提供传感器层934，并且提供ASIC晶圆932。随后，所提供的传感器层934可使用任何合适的晶圆结合技术结合到ASIC晶圆932，其中具有或不具有中间层。
由第一处理路线926、第二处理路线928或任何其它合适的处理路线产生的晶圆930可包括可用于创建集成的超声输入装置的传感器和ASIC的一个或多个实例。
图10是根据本公开的特定方面描绘从晶圆1030切割、PCB安装和堆叠安装的单个集成的超声输入装置1020的一组示意图。晶圆1030可以是图10的晶圆1030，晶圆1030可被切割或切成许多片(例如，晶片)。每个晶片1042可以包含用于单个集成超声输入装置1020的传感器1002和ASIC 1022。如果壳体之前没有被应用到晶圆1030，则每个晶片1042可以被封装在壳体中，以产生集成的超声输入装置1020。
超声输入装置1020可以安装在印刷电路板(PCB)1036上或者以其它方式电联接到任何其它必要的电子器件。例如，在一些情况中，超声输入装置1020可以电联接到电池或其它电源。在一些情况中，超声输入装置1020可以安装在包含其它电子组件1038(诸如处理器和电源)的PCB 1036上。
超声输入装置1020可以安装到基底1040上。基底1040可以是一种或多种材料的任意组合，超声信号可以通过该材料传递到传感器1002。超声输入装置1020的壳体可以联接到基底1040。超声信号从基底1040的外表面通过其传递到传感器1002的材料的组合可被称为堆叠，其可包括超声输入装置1020的壳体。超声输入装置1020可以使用任何适当的技术联接到基底1040，包括使用粘合剂、机械联接、主动压力或用于声学联接超声输入装置1020和基底1040的任何其它合适的技术。
C.低轮廓尺寸
图11是根据本公开的特定方面包含集成超声输入装置1120的消费电子产品1100的示意性剖视图。消费类电子产品1100可以是智能电话或任何其它合适的装置。集成的超声输入装置1120可以附接到由显示器1140的一层或多层组成的基底上，或者附接到消费电子装置的任何其它部分，例如可以由金属、塑料或其它材料制成的框架或背面(1144)。显示器1140可包括多个层，包括显示层、照明层、保护层、感测层和其它合适的层。通过其与显示器1140的联接，集成的超声输入装置1120可以用于注册与显示器1140相关联的触摸事件。然而，在一些情况中，集成的超声输入装置1120可以联接到消费电子产品的任何表面以检测在该表面的相对侧上的触摸事件，诸如消费电子产品的背侧或侧边缘。
如本文所述，集成的超声输入装置1120可以形成为具有非常小的高度，例如等于或小于500微米。由于集成的超声输入装置1120的低轮廓，一个或多个这种集成的超声输入装置可以容易地定位在消费电子产品1100内，为其它组件留下充足的空间。例如，集成的超声输入装置1120的低轮廓可以仅占据消费类电子产品1100的总高度的一小部分，从而允许更多空间用于其它组件，诸如具有更大容量的更大的电池1144，或用于气流的更开放的空间。此外，由于装置的设计和运转背后的物理性质，可以使集成的超声输入装置在小的局部区域中运转，以用于传输和接收超声信息。这种局部运转大大提高了装置对在运转区域外引起的干扰源(诸如触摸或保持)的性能鲁棒性。
D.改进的噪声抗性和较低的功率
图12是根据本公开的特定方面的将非集成超声输入装置1200与集成超声输入装置1220进行比较的一组示意性剖视图。非集成的超声输入装置1200至少部分由于联接ASIC和传感器所需的导线的相对较长的长度而更容易受噪声影响。例如，非集成的超声输入装置1200可具有暴露的电迹线(electrical trace)。不仅功率用于沿着该电迹线传输信号，而且电迹线还可能进一步易受干扰影响。因此，非集成的超声输入装置的整体信噪比相对较低。如果需要更高的信噪比，ASIC必须提供更多的功率来驱动传感器，在这种情况下，整个系统将具有相对更高的功耗。
相比之下，本公开的集成超声输入装置1220是封装在壳体中的集成芯片。集成的超声输入装置1220在传感器与ASIC之间不具有大的暴露迹线或导线。因此，至少部分地由于传感器与ASIC之间的最小导电迹线，在将信号从传感器传输到ASIC时存在很少或不存在干扰风险并且很少或最小的能量枯竭。因此，与类似的非集成的超声输入装置1200相比，集成的超声输入装置1220能够以改善的信噪比和/或以改善的功率效率运转。
III.超声传感器设计
超声输入装置可包括多个换能器，这些换能器可被配置为例如传感器阵列。在一些实施例中，多个换能器可以允许多个频率的测量。此外，在其它实施例中，多个换能器可以允许传输和接收能力的分离。例如，一些换能器可被配置为传输超声信号，而多个换能器中的其它换能器可被配置为接收超声信号。在另外的实施例中，多个换能器可以允许波束成形。
A.换能器阵列
图13A是根据本公开的特定方面的超声输入装置的传感器阵列1302的俯视图。传感器阵列1302可包括一个或多个换能器1350(例如，MUT)。通常，传感器阵列1302可具有多个换能器1350。图13A的传感器阵列1302被描述为具有144个不同的换能器1350，它们穿过大约1.2mm见方的传感器阵列1302，尽管可以使用其它数量的换能器1350和其它尺寸的阵列。传感器阵列1302中的各种电迹线可将不同的换能器1350与ASIC互连。每个换能器1350可以是可独立寻址的。在一些情况中，用于特定目的(例如，作为发射器或接收器，或具有某些特定频率)的换能器1350的使用可通过ASIC设定或改变，因此每个换能器1350可执行由传感器阵列1302的任何其它换能器1350执行的任何特定功能。然而，在一些情况中，一个或多个换能器1350可以被具体地选择或配置为更高效地或有效地执行特定功能。例如，一些换能器1350可以被设计成实现改进的传输，而其它换能器1350可以被设计成实现改进的接收。
图13B是根据本公开的特定方面的超声输入装置的替代传感器阵列1312的俯视图。传感器阵列1312可包括一个或多个换能器1360。传感器阵列1312描绘了包括36个超声换能器1360的传感器阵列。传感器阵列1312中的各种电迹线可将不同的换能器1360与集成电路层互连。传感器阵列1312的一个或多个换能器1360可以是传输超声换能器。传感器阵列1312的换能器1360的一个或多个换能器可以是接收超声换能器。如本文所述，传感器阵列1312的换能器1360可以在任何合适的频率下传输和接收。换能器1360的相对尺寸可以指示能够由换能器发射/接收的频率。
传感器阵列1312中的各种电迹线(未示出)可将不同的换能器1360与集成电路互连。各种电迹线可以以任何合适的方式互连不同的换能器1360。例如，电迹线可以在水平和竖直网格中连接换能器1360。作为另一示例，电迹线可以连接彼此对角定位的换能器1360。
图14A是根据本公开的特定方面的图13A的传感器阵列1302的示意图，其描绘了传感器阵列1302的各个换能器的一个示例配置。在该示例配置中，在传感器阵列1402中，在144个不同的换能器中，60个被设置为作为低频发射器运转，8个被设置为作为低频接收器运转，56个被设置为作为高频发射器运转，20个被设置为作为高频接收器运转。在图14A中描绘的配置对于使用多个超声频率感测触摸事件以例如相对于真实触摸事件更好地识别环境变化和/或改进装置的运转频率带宽以使该装置在更宽的频率范围上响应更灵敏可以是特别有用的。
图14A进一步示出了包括四个拐角区域的传感器阵列1402。传感器阵列1402的拐角区域可包括多个换能器。例如，传感器阵列1402包括四个旋转对称的拐角区域，其主要包括(例如，大多数)低频传输超声换能器，它们可以环绕低频接收超声换能器。传感器阵列1402的拐角区域包括4x4阵列中的16个超声换能器。然而，应该理解的是，传感器阵列1402的拐角区域可包括高达包括在传感器阵列1402中的超声换能器的总数的四分之一。例如，包括81个换能器的正方形传感器阵列可包括四个拐角区域。四个拐角区域的每一个可包括1x1、2x2、3x3或4x4的换能器网格。在一些情况中，传感器阵列1402可包括环绕低频传输超声换能器的高频传输超声换能器，例如，如图所示的。在一些实施中，高频传输超声换能器可以不在拐角区域的对角线上，而是可以存在高频接收超声换能器，例如，如图14A所示的。此外，中心区域可以主要包括低频传输超声换能器。中心区域可以由高频传输超声换能器环绕。在一些情况中，中心区域可包括传输超声换能器。在其它情况下，中心区域可包括接收超声换能器。传感器阵列的中心区域可具有任何合适的尺寸，例如，1x1、2x2、3x3、4x4、5x5、6x6、7x7等。
在一些情况中，传感器阵列1302可具有在任何数量的不同频率上运转的任何数量的换能器。虽然图13A的示例配置在一些情况下可能是有用的，但是可以使用其它配置。在一些情况中，单一类型的传感器阵列1302可以批量制造，并且与相同或不同类型的ASIC一起使用。例如，不同类型的ASIC可以被设置成在不同配置(例如，具有更多或更少的发射器或接收器、不同的频率、或更多或更少数量的不同频率)下运转相同的传感器阵列1302。在一些情况中，相同类型的ASIC也可以被编程为在不同的配置下运行。在一些情况中，换能器和/或ASIC的集成版本可以与非集成换能器和/或ASIC结合使用，以实现特定目的，诸如提高传输功率。
在图13A和图14A中描绘的传感器阵列可包括一个或多个压电式微机械超声换能器、一个或多个电容微机械超声换能器、一个或多个集成块压电式换能器或者一个或多个非集成块压电式换能器。在一些情况中，传感器阵列可包括上述换能器的任何合适的组合。此外，传感器阵列可具有任何合适的尺寸。例如，传感器阵列可包括2x2、3x3、5x5、9x9、16x16等的超声换能器的阵列。例如，传感器阵列1312描绘了6个超声换能器乘6个超声换能器的传感器阵列。
图14B是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的拐角区域的各个换能器的八个示例配置。在图14B中描绘的传感器阵列在尺寸上是12x12换能器，并且拐角区域在尺寸上是4x4换能器，然而，应该理解的是，实施例可包括任何合适尺寸的传感器阵列和拐角区域。
传感器阵列1410-1424的每个拐角区域可包括传输超声换能器1426和接收超声换能器1425。传输超声换能器和接收超声换能器可以如在传感器阵列1410-1424中那样布置。因此，在各种组合中，接收换能器可以彼此成对角，其中对角线可以在各种位置中并且具有各种长度。接收换能器可以是在各种位置的块(例如，2x2)中，并且可以是其它形状，其包括奇数数量的接收换能器。
例如，传感器阵列1410中的传输超声换能器可以分别以相同的频率传输。类似地，传感器阵列1410中的接收超声换能器可以分别接收相同的频率，该频率可以是从传输超声换能器传输的相同频率。拐角区域不必全部相同并且可以以各种组合出现，例如，组合可具有选自1410、1412、1414和1416的一种类型。内部区域可具有在图14C中示出的各种组合。
图14C是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的各个换能器的八个示例配置。在图14C中描绘的传感器阵列描绘了在传感器阵列的拐角区域内部的换能器。内部区域可包括在至少两个拐角区域之间的换能器。传感器阵列中示出的换能器可包括传输超声换能器1446和接收超声换能器1445。传输超声换能器和接收超声换能器可以如在传感器阵列1430-1444中那样布置。图14C中的任何布置可以与图14B中的任何拐角布置一起使用。
如所描绘的，多数可以是传输换能器，但它们可以是少数的。接收换能器可以彼此接触以形成环，例如，如在传感器阵列1430-1438中那样。作为一种替代方案，接收换能器可以形成不相接的组，如在传感器阵列1440-1444中那样。在这种不相接的组中，可以存在偶数或奇数数量的接收换能器。这些组可以全部相同或者可以变化。
图14D是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的各个换能器的八个示例配置。在图14D中描绘的传感器阵列描绘了包括不同数量的超声换能器的传感器阵列。例如，传感器阵列1450包括36个换能器，而传感器阵列1460包括64个换能器。传输超声换能器1448和接收超声换能器1447可以如在传感器阵列1450-1464中那样布置。
图14E是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了传感器阵列的各个换能器的两个示例配置。图14E示出了两个示例传感器阵列，它们在尺寸上是12x12超声换能器。例如，传感器阵列1465和传感器阵列1466二者均包括144个换能器。传输超声换能器1492和接收超声换能器1491可如在传感器阵列1465-1466中那样布置。在一些实施中，传感器阵列1465-1466的中心区域可以不包括超声换能器。传感器阵列1465于是可以例如包括138个超声换能器。然而，应该理解的是，中心区域可以大于或小于正方形中的16个换能器的尺寸。在一些实施中，超声换能器可围绕不包括超声换能器的中心区域形成环。不包括超声传感器的传感器阵列可以包括中心区域以用于路由空间。
在一些情况中，传感器阵列中的超声换能器可以成组。例如，传感器阵列1465可包括8组超声换能器，其中每组可包括包括在正方形形状中的16个超声换能器。传感器阵列1465的中心区域不包括一组超声换能器。每组超声换能器可以彼此不相接。例如，在两组或更多组超声换能器之间可以存在间隙。这些组可以水平地、竖直地、对角地不相接。
图14F是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了各种尺寸的传感器阵列的各个换能器的示例配置。图14F示出了尺寸变化的十个示例传感器阵列。例如，传感器阵列1467包括16个超声换能器，传感器阵列1468包括25个超声换能器，传感器阵列1469包括36个超声换能器，传感器阵列1470包括49个超声换能器，传感器阵列1471包括64个超声换能器，传感器阵列1472包括81个超声换能器，传感器阵列1473包括100个超声换能器，传感器阵列1474包括131个超声换能器，传感器阵列1475包括144个超声换能器，并且传感器阵列1476包括169个超声换能器。传输超声换能器1494和接收超声换能器1493可以如在传感器阵列1467-1476中那样布置。然而，应该理解的是，传输超声换能器1494和接收超声换能器1493的配置可以是如本文所述的任何合适的布置。
图14G是根据本公开的特定方面的传感器阵列的示意图，其描绘了尺寸为8x8的换能器的传感器阵列的各个换能器的十二个示例配置。例如，传感器阵列1477-1488包括81个换能器。传输超声换能器1496和接收超声换能器1495可以如在传感器阵列1477-1488中那样布置。
在一些实施中，传感器阵列可包括本文所述的并且参照图13A-13B和14A-14G描述的传感器阵列特性(例如，区域、组、布置等)的任何合适的组合。例如，传感阵列可包括如图14B的传感器阵列1420中所描绘的拐角区域以及如图14F的传感器阵列1472中所描绘的内部区域和中心区域。传感器阵列中的超声换能器的布置可以基于传感器阵列的应用、运转的频率、尺寸限制、功率约束等。
多个实施例提供了许多优点。例如，根据传感器面积(物理尺寸)限制和功率约束，可以实施不同的阵列尺寸。总阵列尺寸、传输和接收超声换能器(例如，pMUT)的配置以及超声换能器的尺寸可以用于确定传输和接收声孔和波束形状。传输和接收声孔和波束形状可以至少使用上述特性来更改，对于上述特性，可以选择不同的堆叠厚度和材料以及传感器阵列的使用，以在给定约束(例如，尺寸、功率、采样频率、电源电压、过程击穿电压等)的情况下产生最佳性能。
B.多频测量
图15是根据本公开的特定方面描绘在不同频率下运转的单个传感器阵列的来自换能器的能量测量的一组图表1502、1504、1506。图表1502、1504、1506示出了针对一对触摸事件的随时间的能量测量。图表1502描绘了在100kHz下运转的换能器的能量测量，图表1504描绘了在1MHz下运转的换能器的能量测量，并且图表1506描绘了在10MHz下运转的换能器的能量测量。显然，在这些不同频率下进行的测量具有不同的能量迹线，特别是相对于温度漂移。
由于与接收反射的超声信号的超声换能器相关联的能量测量的下降被用作识别触摸事件的因素，因此可能期望找到减小任何错误触摸事件的技术。如图15所描绘的，不同频率上的能量测量相对于温度变化(例如，当热量从手指传递到基底或从基底传递到空气时发生的温度变化，或者其它这样的温度变化)的反应不同。因此，超声触摸输入系统可以使用在多个频率上的能量测量或其它类型的运转过程，诸如不同的超声波束形状、脉冲数量等来确认或拒绝对触摸事件的推断，而不是简单地依赖于识别能量测量的下降来推断触摸事件。例如，图表1502中的感知能量下降可能未注册为触摸事件，这是由于在图表1504或1506中未识别出并发的能量下降。然而，一旦所有三个图表1502、1504、1506注册了并发的能量下降，则可以假设触摸事件已经发生。
图16是根据本公开的特定方面的图表1600，其描绘了超声换能器关于运转频率的温度行为。图表1600包含四条线，每一条线与第一或第二频率的空中信号(air signal)或目标信号相关联。空中信号可以指当不存在触摸事件时所测量的能量，而目标信号可以指当触摸事件正在发生时所测量的能量。第一和第二频率可以是任何合适的不同频率。图表1600示出。对于所有信号，随着温度升高，整体信号强度减小。图表1600还示出了每个频率关于温度的不同表现，这因此可以被利用来帮助识别触摸事件是否已经发生(例如，识别能量测量的改变是与触摸事件相关联还是仅与温度漂移相关联)。
在示例中，第一和第二测量可以由以第一频率运转的换能器进行，这引起在点1610和线1612处的测量。此时，可能不清楚在线1612处的测量是否与触摸事件(例如，从点1610移动到点1614)或温度变化(例如，从点1610移动到点1616)相关联。还可以对以第二频率运转的换能器进行第一和第二测量，这引起点1618以及线1620或线1622处的测量。如果在第二频率下的第二测量落在线1620上，则可以推断能量下降与从点1618到点1626的温度变化相关联，并且因此不太可能与触摸事件相关联。然而，如果在第二频率下的第二测量落在线1622上，则可以推断能量下降与触摸事件相关联，因为能量从点1618下降到点1624。在第一和第二频率下的测量可以同时、依次或以其它方式在时间上彼此接近(例如，彼此在几毫秒、几十毫秒或几百毫秒内)进行。因此，通过比较在多个频率上的一段时间上的能量测量的变化，可以确定是否已经发生触摸事件。
虽然已经参照由于温度变化而引起的频率相关的能量变化描述了图表1600，但是这种技术可以用于识别和利用由于诸如湿度的其它环境条件变化而引起的频率相关的能量变化。
图17是根据本公开的特定方面的图表1700，其描绘了关于堆叠结构的频率响应。图表1700示出了三条线，每一条线与不同的堆叠相关。每个不同的堆叠可以由不同的材料或不同材料组合构成。由于每个堆叠中的固有差异，每个堆叠可具有与由超声输入装置所使用的传输频率相关联的独特的响应曲线。响应曲线可以是能量、接收到的信号峰值或任何其它品质因数的度量。如图17所描绘的，为堆叠/覆盖件1提供最高响应的频率高于为堆叠/覆盖件2提供最高响应的频率，其本身也高于为堆叠/覆盖件3提供最高响应的频率。
因此，可以匹配特定的频率和堆叠材料，以提供最佳结果。例如，给定一组已知的频率，可以选择制造集成超声输入装置的壳体的材料，以保持来自超声输入装置的初始传输的反射的超声信号的最高可能的能量测量。作为另一示例，给定已知的堆叠或已知的材料(例如，来自消费产品制造商的特定显示器或特定类型的木材)，超声输入装置可被设置成在提供最高可能的能量测量的频率上运转。在一些情况中，超声输入装置可以基于测量彼此时间接近的多个频率来自动检测要使用的最佳频率。
C.分离式传输和接收
图18是描绘用于通过超声换能器接收和传输信号的电路1800的示意图，该电路处于传输状态。电路1800驱动超声换能器来传输和接收信号，并且因此需要高压开关电路来将高压发射器与低压接收器分离。在传输时，高压开关允许高压发射器电路驱动换能器，同时隔离低压接收器。为了移至接收状态，开关必须隔离高压发射器电路并将换能器联接到低压接收电路。
图19是描绘图18的用于通过超声换能器接收和传输信号的电路1800的示意图，该电路处于接收状态。当处于接收状态时，高压开关隔离高压发射器电路并将换能器联接到低压接收电路。然而，高压开关通常具有大电容，其固有地在换能器处接收的信号被传导到低压接收器时使该信号衰减。因此，例如，0.37毫伏(370微伏)的输入电压可以衰减到小于2微伏。这种寄生效应可急剧地减小可用信号，从而降低整体信噪比。
图20是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了用于通过超声换能器接收和传输信号的隔离电路2000、2002。与图18至图19的电路1800不同，图20的电路2000、2002消除了对高压开关的需要。因此，电路2000、2002可以提供被设置为传输换能器的有效驱动，同时还提供被设置为接收换能器的有效接收。电路2000包含高压发射器电路，其直接驱动被设置为传输换能器的换能器。电路2002包含直接从被设置为接收换能器的换能器接收信号的低压接收器电路。
通过分离传输和接收换能器，可以提高信号完整性，可以减小尺寸，并且可以降低整体成本。例如，通过减小或消除来自内嵌在换能器与它的低电压接收器电路之间的电组件(例如，高电压开关)的寄生效应，可以改善信号完整性，并且可以改善功耗。由于高压装置(例如，高压开关)在尺寸上趋向于更大，所以还可以减小整体芯片尺寸。因此，通过消除这些开关，以及可选地消除一些高压发射器电路，可以减小整体芯片尺寸和成本。
D.波束成形
图21是根据本公开的特定方面的一组示意性侧视图2100、2102、2104、2106，其描绘了通过使用超声换能器实现的波束成形。
图2100描绘了诸如标准压电式换能器的单个超声换能器的波束图案。该波束是宽的，并且由传感器尺寸和传感器拓扑结构固定。不存在调整用于图2100的换能器的波束的能力。
图2102描绘了通过激活特定换能器组实现的聚焦波束。使用波束成形技术，激活的换能器可以将波束聚焦到特定距离，这可以提高超声传感器的压力灵敏度和精度。例如，聚焦波束可用于提供触摸事件的精细的点精度，以及用于检测与触摸事件相关联的其它信息的精细的点精度，诸如用户指纹的脊线和谷线。
图2104描绘了通过激活特定换能器组实现的宽波束。使用波束成形技术，激活的换能器可以将波束聚焦到某一近距离，以允许波束在到达目标距离之前到达某一点并再次展开。这种宽波束可以改善传感器的整体覆盖，并且可以用于在较大面积上获得更多的平均测量。这种宽波束可用于降低目标位置灵敏度，这在预期或期望一定程度可变性的情况下是有利的，诸如在按钮上或按钮周围提供大的触敏面积和/或额外的触敏面积。
如图2104和2106所描绘的，可以根据需要调整波束，并且可以在目标上的更聚焦的传输压力与具有较低目标灵敏度的较大有效面积之间进行折衷。
图2106描绘了激活的换能器的多接收器配置。在该配置中，一组传输换能器可以发出超声信号，该超声信号可以在两组或更多组接收换能器处被反射和接收。例如，第一组接收换能器(例如，一个或多个换能器)可以被定位成接收已经在第一区内被反射的超声信号，并且第二组接收换能器可以被定位成接收已经在第二区内被反射的超声信号。如图2106所描绘的，第一区可以更小并且被包围在第二区内。
通过使用超声换能器的阵列执行波束成形，能量可以被限制到特定的感兴趣区域，并且因此超声换能器可以对感兴趣区域外部的区域较不灵敏。
IV.用于触摸输入的微机械超声换能器
在一些情况中，超声输入装置可包括超声传感器，该超声传感器包括微机械超声换能器(MUT)，诸如压电式微机械超声换能器(pMUT)或电容微机械超声换能器(cMUT)。除了pMUT和cMUT之外的其它类型的换能器可包括集成(即，直接制造在CMOS上)和非集成(即，单独制造并且随后与板上CMOS芯片组装在一起或者直接与微处理器/微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)或具有内部集成电路(I2C)或串行外围接口(SPI)通信能力的任何硬件通信)的体压电式换能器。如本文所述，用于触摸输入的微机械超声换能器可以允许改进的能量感测区域。此外，MUT还可以降低超声输入装置的整体功耗。
A.改进的能量感测区域
图22是一组图表2202、2204，其描绘了与标准体换能器相比的根据本公开的特定方面的微机械超声换能器的运转模式，该标准体换能器被描绘为针对不同频率的平均位移。图表2202、2204包含描绘了在0.5MHz到5MHz的频率范围上的平均位移的线，和换能器模式的轴对称横截面可视化插图。
图表2202描述了从0.5MHz到5MHz运转的标准体换能器(例如，标准压电式换能器)的运转模式。在该相对小的频率范围的过程中，平均位移中的峰值数量和这些峰值中的每一个的整体范围明显取决于体换能器所经历的体模式、剪切模式、弯曲模式、表面声学模式和其它模式的各种组合。其结果是，除了感兴趣的正常纵波之外，可以生成沿不同方向的剪波和表面声波。因此，利用这种体换能器的传感器可能具有不可控的波束图案、有害的串扰、来自不同模式的来自不同角度的更多多路径反射、频谱中的寄生模式和陷波、不太干净的接收信号、在不期望的模式上浪费的更多能量以及其它这样的问题。
相反，图表2204描绘了在相同频率跨度上存在于MUT(例如，pMUT)中的均匀且可预测的弯曲模式形状，并且该弯曲模式形状用于沿法线方向朝向堆叠的外表面发射纵向声波。其结果是，MUT能够实施比标准体换能器改进得多的性能。
由于超声输入装置的本质，期望基于纵向声波(例如，沿正交于传感器的方向传播)来检测超声反射。在MUT用作触摸输入的超声换能器的情况下，由于它们固有的执行弯曲模式位移以生成这种纵向声波而不会无意地生成许多(如果有的话)横向波或其它不期望的波的能力，MUT执行得特别好。因此，MUT可以用于波束成形运转，诸如本文所述的那些，可以紧密地封装到传感器阵列中，可以与较少的滤波设备一起使用，并且可以使用与使用标准体压电式换能器的情况相同或更少的功率来获得更高的信噪比。
图23是一组示意性侧视图2302、2304、2306，其描绘了用于超声触摸检测的标准体换能器的运转的模式。当标准的体换能器用于超声触摸检测时，驱动换能器来传输信号可能导致换能器在多个运转模式下位移，这可以引起错误的信号被传输到接收介质(例如，堆叠)中。
图2302描绘了纵向运转模式，其中换能器的驱动沿正交于传感器的方向发起纵向信号。然而，在图2302中换能器的相同或类似驱动可以引起如图2304中所描绘的横向位移。这种横向位移(例如，由于横向运转模式)可以发起横向信号，该横向信号沿不同于传感器的法线的方向被携带到接收介质中，或者可以导致不期望的正常行进的剪波。其结果是，驱动体换能器可以生成如图2306所描绘的信号，其中正常和非正常信号二者均从体换能器传播。由于感测区域(例如，期望感测的区域)通常直接位于堆叠上方，因此非正常信号可引起与从感测区域接收的信号的干涉。此外，体换能器可能易受靠近感测区域的堆叠的区域的物理拓扑的影响，因为不同的拓扑可能发起对非正常信号的不同反射，这可能导致错误肯定或错误否定。
图24是一组示意性侧视图2402、2404，其描绘了根据本公开的特定方面的微机械超声换能器的横向信号拒绝。图2402是MUT阵列的单个换能器的特写视图。换能器可以由多层组成，包括压电层，当被激励时，该压电层可以发起弯曲位移，以使纵波沿正交于传感器的方向(例如，正交于MUT表面的方向)发射。
图2404描绘了使用具有MUT的传感器的超声输入装置。超声输入装置被描绘为联接到铝层和玻璃层，但是可以使用任何其它堆叠配置。MUT的本质可以允许超声信号沿正交于传感器的方向发射，同时最小化或消除在使用体换能器的情况下原本将沿不正交于或基本上不正交于传感器的方向传播的任何信号。因此，在超声输入装置中使用MUT作为换能器可以帮助将能量聚焦到期望的感测区域中，并且降低由于错误的反射而对错误肯定或错误否定的敏感性。
B.驱动方便性
在与超声输入装置一起使用时，除了MUT的上述益处之外，MUT还可以降低超声输入装置的整体功耗。由于驱动换能器所需的功率与其电容乘以其电压的平方成比例，所以MUT阵列的低电容水平(例如，皮法拉量级)导致比等效的标准体换能器的相对较高的电容水平(例如，纳法拉量级，比皮法拉大三个数量级)低得多的功耗。
V.超声信号处理
可以处理反射的超声信号以产生图像并确定到对象的范围。本文描述的实施例可以处理反射的超声信号以确定对象是否与表面接触。
A.通过数字化反射信号检测触摸输入
图25是用于处理由根据本公开的特定方面的超声输入装置发射和接收的超声信号的示意性流程图2500。流程图2500包括发射和接收如第一曲线图2502中所示的超声信号。第一曲线图2502示出了用于与超声输入装置相关联的发射的超声信号的第一信号2503和与超声输入装置相关联的一组反射的超声信号的一组后续信号2504A、2504B、2504C、2504D、2504E的模拟测量。可以使用高速ADC 2506测量第一信号2503和后续信号2504，以使该信号数字化。
高速ADC 2506的输出在第二曲线图2508中示出。第二曲线图2508包括发射的超声信号的第一数字表示2510及与超声输入装置相关联的反射的超声信号的后续数字表示2512A、2512B、2512C、2512D、2512E。第一数字表示2510和随后的数字表示2512A、2512B、2512C、2512D、2512E可由嵌入超声输入装置和/或联接到超声输入装置的系统中的数字处理模块2514处理。数字处理模块2514可解调数据的数字表示以提取触摸输入信息。例如，数字处理模块可处理后续数字表示2512A、2512B、2512C、2512D、2512E中的一个或多个，以确定第二数字表示的波幅低于与接触超声输入装置表面的对象相关联的阈值。
B.使用能量积分检测触摸输入
图26是根据本公开的特定方面用于对由使用能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号进行处理的示意性流程图2600。流程图2600包括发射和接收超声信号，如第一曲线图2602所示。第一曲线图2602示出了用于与超声输入装置相关联的一组反射的超声信号的发射的超声信号2603和一组后续信号2604A、2604B、2604C、2604D、2604E的模拟测量。流程图2600可包括具有模拟电路的超声输入装置，该模拟电路包括整流器2606以整流后续信号2604A、2604B、2604C、2604D、2604E。
第二曲线图2608示出了第一信号2603和一组整流信号2610A、2610B、2610C、2610D、2610E，每个整流信号对应于所述一组反射的超声信号中的相应反射的超声信号。整流信号2610A、2610B、2610C、2610D、2610E可由模拟积分器2612处理以输出直流(DC)信号2613，如在第三曲线图2614中所示，其与反射的超声信号的波幅成正比。DC信号2613可以使用能量测量窗口2616来确定。DC信号2613可以表示与在能量测量窗口2616期间测量的接收信号的能量相关联的能量值。DC信号2613可由低速ADC2618处理。DC信号2613由整流器2606输出并且积分器2612去除对生成高频数字输出的需要，并且其结果是，低速ADC可以使用更低的功率并且可以在更小的芯片面积上制造。
图27是根据本公开的特定方面用于处理由使用能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号的示意性示例流程图2700。流程图2700包括发射和接收如在第一曲线图2702中所示的超声信号。第一曲线图2702示出了用于发射的超声信号的第一信号2703的模拟测量，以及用于与超声输入装置相关联的一组反射的超声信号的一组后续信号2704A、2704B、2704C、2704D、2704E的模拟测量。流程图2700可包括具有模拟的求和或积分电路2720以及求和的电压输出2722的超声输入装置。
第二曲线图2708示出了第一信号2703和一组能量信号2710A、2710B、2710C、2710D、2710E，它们分别与所述一组反射的超声信号中的相应反射的超声信号的能量相对应。出于说明目的，以实线描绘所述一组能量信号2710A、2710B、2710C、2710D、2710E，其与来自以虚线示出的第一曲线图2702的所述一组后续信号2704A、2704B、2704C、2704D、2704E重叠。
求和或积分电路2720可从能量测量窗口2716内接收所述一组能量信号2710A、2710B、2710C、2710D、2710E。求和或积分电路2720可生成电压输出2722，该电压输出是表示能量测量窗口2716内的求和/积分的能量的模拟值。
在一些情况中，可将可选的负DC充电电路2724应用于求和或积分电路2720，以抵消与触摸事件不相关联的信息。由于触摸事件是基于非接触状态期间接收到的信号与接触状态期间接收到的信号之间的差异来识别的，因此在所述一组后续信号2704A、2704B、2704C、2704D、2704E内存在不与这些差异相关联的一些信息(例如，基线信号)。移除这种基线信号可以引起在模数转换期间更有效的采样范围。由于在所述一组后续信号2704A、2704B、2704C、2704D、2704E中去除这种模拟基线信号将需要精确的相位对准，所以难以应用这种校正。然而，如图27所描绘的，施加到求和或积分电路2720的可选的负DC充电电路2724可以抵消与基线信号或它的一部分相关联的特定量的能量，从而提高可用于模数转换的有效范围的量。在这种情况下，电压输出2722可与信号的能量减去负DC充电电路2724的能量成比例。
电压输出2722可由低速ADC 2718处理。能量测量窗口2716内的求和/积分能量的电压输出2722可以消除对生成高频数字输出的需要，并且其结果是，低速ADC可以使用较少功率且可以在较小的芯片面积上制造。
图28是根据本公开的特定方面用于对由使用通过绝对值累加的能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号进行处理的示意性流程图2800。流程图2800可以是用于实施图27的流程图2700的一种技术。流程图2800包括发射和接收超声信号，如在第一曲线图2802中所示。第一曲线图2802示出了与超声输入装置相关联的发射超声信号的第一信号和一组反射的超声信号的后续信号的模拟测量。第一曲线图2802可以描绘作为时间的函数的电压(例如，V(t))。第一曲线图2802可以是图27的第一曲线图2702。流程图2800可包括具有模拟采样电路2806、绝对值电路2814、模拟累加器2824和求和的电压输出2828的超声输入装置。
来自第一曲线图2802的所述一组后续信号可以通过模拟采样电路2806，以产生采样的第一信号2810和如在第二曲线图2808中所描绘的一组采样的后续信号2812A、2812B、2812C、2812D、2812E。第一信号可以与初始发射的超声波相对应。第二曲线图2808可描绘作为样本(例如，V(n)，其中n为样本数量)的函数的电压。采样的后续信号2812A、2812B、2812C、2812D、2812E可以被传递到绝对值电路2814，其可以生成如在第三曲线图2816中所描绘的一组能量信号2820A、2820B、2820C、2820D、2820E。第三曲线图2816可描绘作为样本的函数的电压的绝对值(例如，|V(n)|)。绝对值电路2814可以传递所述一组采样的后续信号2812A、2812B、2812C、2812D、2812E的所有零值或正值，并且反转所有负值的极性。采样的第一信号2818也在第三曲线图2816中示出，采样的第一信号2818可以类似于采样的第一信号2810。
开关电容器模拟累加器2824可用于对来自能量测量窗口2822内的所述一组能量信号2820A、2820B、2820C、2820D、2820E求和。开关电容器模拟累加器可以生成电压输出2828，其是表示能量测量窗口2822内的能量之和的模拟值。在一些情况中，可以使用模拟积分器代替累加器。
在一些情况中，可将可选的负计时DC充电电路2826应用于开关电容器模拟累加器2824以抵消与触摸事件无关联的信息。由于根据采样速率对采样电路2806进行计时，因此可以以相同速率对可选的负计时DC充电电路2826计时，以确保以对应于采样的后续信号2812A、2812B、2812C、2812D、2812E的样本的适当间隔施加偏置电压。当使用可选的负计时DC充电电路2826时，电压输出2828可与信号的能量减去负计时DC充电电路2826的能量成比例。
电压输出2828可由低速ADC 2830处理。能量测量窗口2822内的求和能量的电压输出2828可以去除生成高频数字输出的需要，并且其结果是，低速ADC可使用较低的功率并且可以在更小的芯片面积上制造。
图29是根据本公开的特定方面对由使用通过自混频和积分的能量积分的超声输入装置发射和接收的超声信号进行处理的示意性流程图2900。流程图2900可以是用于实施图27的流程图2700的一种技术。流程图2900包括发射和接收超声信号，如第一曲线图2902所示。第一曲线图2902示出了与超声输入装置相关联的用于发射超声信号的第一信号和用于一组反射的超声信号的一组后续信号的模拟测量。第一曲线图2802可以描绘作为时间的函数的电压(例如，V(t))。第一曲线图2902可以是图27的第一曲线图2702。流程图2900可包括具有自混频电路2906、模拟积分器电路2920和积分的电压输出2922的超声输入装置。
来自第一曲线图2902的所述一组后续信号可以通过自混频电路2906以生成一组求平方的后续信号2910A、2910B、2910C、2910D、2910E，如在第二曲线图2908中所描绘的。自混频电路2906可以随着时间将每个模拟值有效地自相乘。其结果是，第二曲线图2908可描绘作为时间的函数的平方电压(例如，V2(t))。由于平方的本质以及因此自混频电路2906的本质，所述一组求平方的后续信号2910A、2910B、2910C、2910D、2910E将总是正的。
可将所述一组求平方的后续信号2910A、2910B、2910C、2910D、2910E传递到模拟积分器电路2920。模拟积分器电路2920可以对能量测量窗口2916内的所述一组求平方的后续信号2910A、2910B、2910C、2910D、2910E进行积分，以生成积分的电压输出2922。积分的电压输出2922可以是能量测量窗口2916内的总能量随时间的模拟表示。在一些情况中，可使用累加器来代替模拟积分器电路2920。
在一些情况中，可选的负偏置电流电路2924可以被应用于模拟积分器电路2920以抵消与触摸事件不相关联的信息。负偏置电流电路2924可在积分期间恒定地将电荷排出模拟积分器电路2920。当使用可选的负偏置电流电路2924时，电压输出2922可与信号的能量减去负偏置电流电路2924的能量成比例。
电压输出2922可以由低速ADC 2926处理。能量测量窗口2916内的积分能量的电压输出2922可以去除对生成高频数字输出的需要，并且其结果是，低速ADC可以使用较低的功率并且可以在更小的芯片面积上制造。
图30是描绘根据本公开的特定方面的具有负偏置电流的模拟积分器3000的示意性电路图。模拟积分器3000负偏置可以是图29的模拟积分器电路2920和可选的负偏置电流电路2924。
模拟积分器3000可通过电阻器(Rin)接收输入电压(Vin)以获得输入电流(Iin)。电容器(C)可由充电电流(If)充电以生成积分信号，该积分信号可以馈送电压输出(Vout)。物品(A)是运算放大器。可以在点X处施加负偏置电流(Ibias)以将电荷排出模拟积分器3000，从而引起减小的充电电流(If)。因此，充电电流可被计算为If＝Iin-Ibias。
C.能量测量开窗
图31是根据本公开的特定方面的用于处理超声信号的示意性流程图，其描绘了飞行时间变化对能量测量窗口内的触摸输入检测的减小的影响。在超声成像系统或接近检测系统中，精确的飞行时间对于确定视场中的对象与超声换能器的距离是关键的。与成像和接近系统相反，可以提供到超声输入装置中的材料层的第一和第二表面的距离，并且可以在不考虑飞行时间变化的情况下检测触摸输入。图31示出了第一曲线图3102，其中在第一时间3106开始接收第一组反射的超声信号3104，并且示出了第二曲线图3108，其中在第二时间3112接收第二组反射的超声信号3110。第一信号3103可以与发射的超声信号相关联，其分别在第一曲线图3102和第二曲线图3108的第一时间3106和第二时间3112之前发生。第一组反射的超声信号3104通过能量累加器或积分器电路3120以生成输出电压3122(例如，Vsum1)，该输出电压可被馈送到低速ADC 3124中并被处理以获得输出值3118(例如，3000LSB，其中LSB表示最低有效位)。第二组反射的超声信号3110通过能量累加器或积分器电路3120以生成输出电压3123(例如，Vsum2)，该输出电压可以被馈送到低速ADC 3124并被处理以获得输出值3119(例如，3000LSB，其中LSB表示最低有效位)。输出值3118、3119可以表示在曲线图3102、3108的能量测量窗口3116期间的脉冲反射能量。尽管第一组反射的超声信号3104和第二组反射的超声信号3110的开始时间不同(例如，第一时间3106和第二时间3112)，但是输出值3118、3119可以相同或基本上相同，因为整个第一组反射的超声信号3104和整个第二组反射的超声信号3110各自适配(fit)在能量测量窗口3116内。
因此，超声输入装置可以至少在一定程度上(例如，在能量测量窗口内)对飞行时间不灵敏。在一些情况中，诸如本文公开的那些先进的开窗技术可以进一步改善超声输入装置对飞行时间的不灵敏度。其结果是，超声输入装置的表面(例如，材料层)不需要完全平坦和/或超声输入装置相对于材料(例如，材料层)的对准不需要精确地为90°(例如，超声换能器的传播方向与材料层的表面之间的角度)。此外，对飞行时间的不灵敏度可以允许对超声信号所通过的变化的折射率(例如，具有整体上稍微不一致的折射率的材料层)的一定程度的不灵敏度。
例如，如图26至图29和图31所示，在能量测量窗口上对反射的超声信号(例如，反射的回声和驻波)的能量进行求和或积分。该能量与触摸输入的条件相关，因此可用于输入触摸检测。能量测量窗口3116的尺寸可以被确定为包括超声信号的脉冲时间，并且考虑到由于温度、堆叠变化(例如，构成超声输入装置的材料的变化)等引起的飞行时间的变化。能量测量窗口3116可以减小由于飞行时间的变化而引起的误差。超声触摸装置可基于特定阈值确定输入触摸接触。
图32是根据本公开的特定方面的用于处理超声信号的示意性简化流程图，其描绘了反射的超声信号飞行时间变化对能量测量窗口外部的触摸输入检测的增强的影响。图32示出了第一曲线图3202，其中在第一时间3206开始接收第一组反射的超声信号3204，并且示出了第二曲线图3208，其中在第二时间3212接收第二组反射的超声信号3210。第一信号3203可与发射的超声信号相关联，其分别在第一曲线图3202和第二曲线图3208的第一时间3206和第二时间3212之前发生。第一组反射的超声信号3204可如本文所公开的那样被处理以获得输出值3218(例如，3000LSB，其中LSB表示最低有效位)。第二组反射的超声信号3210可如本文所公开的那样被处理以获得输出值3219(例如，2500LSB，其中LSB表示最低有效位)。输出值3218、3219可以表示在曲线图3202、3208的能量测量窗口3216期间的脉冲反射能量。
如图32所示，因为几乎所有的第一组反射的超声信号3204都适配在能量测量窗口3216内，但是第二组反射的超声信号3210的较小部分适配在能量测量窗口3216内，所以输出值3218大于输出值3219。如在图32中所描绘的，输出值3218、3219相差500LSB。如果反射的超声信号落在能量测量窗口3216外部，则一些所测量的脉冲可能被切断而不能被测量，并且因此超声输入装置可能易受飞行时间变化(例如，将引起第一时间3206和第二时间3212的差异的变化)影响。
图33是根据本公开的特定方面的用于处理超声信号的示意性流程图，其描绘了在使用窗口整形的情况下反射的超声信号飞行时间变化对能量测量窗口外部的触摸输入检测的最小影响。图33示出了第一曲线图3302，其中在第一时间3306开始接收第一组反射的超声信号3304，并且示出了第二曲线图3308，其中在第二时间3312接收第二组反射的超声信号3310。第一信号3303可与发射的超声信号相关联，其分别在第一曲线图3302和第二曲线图3308的第一时间3306和第二时间3312之前发生。第一组反射的超声信号3304可如本文所公开的那样被处理以获得输出值3318(例如，2500LSB，其中LSB表示最低有效位)。第二组反射的超声信号3310可如本文所公开的那样被处理以获得输出值3319(例如，2450LSB，其中LSB表示最低有效位)。输出值3318、3319可以表示在曲线图3302、3308的能量测量窗口3316期间的脉冲反射能量。
与图32不同，能量测量窗口包络3320与能量测量窗口3316结合使用。能量测量窗口包络3320对能量测量窗口3316内的信号的多个部分进行缩放，使得能量测量窗口3316的边缘附近的部分比能量测量窗口3316中心附近的部分具有更小的权重。因此，尽管在能量测量窗口3316的端部附近有小的变化，但是所得到的输出值将主要基于在能量测量窗口3316的中心内测量的信号。能量测量窗口包络3320在图33中被描绘为具有特定的喇叭铃形状，尽管可以使用任何合适的形状，包括对称和非对称形状。如在图33中所描绘的能量测量窗口包络3320的垂直延伸可以表示任何适当的缩放，诸如0％到100％。在一些情况中，能量测量窗口包络3320可包括将能量测量窗口3316的中心附近的信号放大到诸如那时的原始信号的100％以上的值。
如在图33中所描绘的，由于使用能量测量窗口包络3320，信号(例如，第一组反射的超声信号3304和第二组反射的超声信号3310)被加权，因此最接近能量测量窗口3316的中心的信号的多个部分被给予比最接近能量测量窗口3316的边缘的部分更大的权重，从而削弱(de-emphasizing)由能量测量窗口3316的起点或终点切除的任何部分。其结果是，输出值3318和3319比图32的输出值3218和3219更接近。如在图33中所描绘的，输出值3318、3319仅相差50LSB。因此，作为能量测量窗口包络3320的结果，超声输入装置可以变得更不易受飞行时间变化的影响。
图34是根据本公开的特定方面的描绘窗口整形电路3400的示意性电路图。窗口整形电路3400可以生成具有能量测量窗口包络的能量测量窗口(例如，具有图33的能量测量窗口包络3320的能量测量窗口3316)。在添加了可调电容器3402的情况下，窗口整形电路3400可以作为传统的模拟累加器电路来运转。可调电容器3402可以采用任何合适的形式，诸如不同尺寸的电容器的开关梯。针对可调电容器3402的电容器尺寸的选择随着时间可以引起模拟累加器电路上的增益随着时间的调整。在一些情况中，可调电容器3402可由时钟3404或其它源驱动以确定何时改变电容。在一些情况中，可调电容器3402可与模拟采样电路(诸如图28的模拟采样电路2806)一起使用，并且可调电容器3402可随不同样本数量(例如，V(n)的n)而改变。
图35是根据本公开的特定方面描绘用于处理超声信号以使用反射的超声信号的波幅检测触摸输入的流程3500的示意图。图35示出了没有触摸输入3504和具有触摸输入3506的超声输入装置3502。与没有触摸输入3504的超声输入装置3502相关联的第一曲线图3508示出了传输信号3510和第一组反射信号3512。第一组反射信号3512可以被处理以生成与第一组反射信号3512相关联的输出电压3530(例如，Vsum1)，该输出电压可以被提供给低速ADC 3534并且被进一步处理以生成第一输出3536。第一输出3536可以表示能量测量窗口包络3516内的第一组反射信号3512的能量。第二曲线图3520示出了传输信号3522和第二组反射信号3524。如本文所公开的，第二组反射信号3524可以被处理以生成输出电压3532(例如，Vsum2)，该输出电压可以被提供给低速ADC 3534并且被进一步处理以生成第二输出3538。第二输出3538可表示能量测量窗口包络3516内的第二组反射信号3524的能量。
能量测量窗口包络3516(例如，类似于图33的能量测量窗口包络3320的包络)可以应用于第一组反射信号3512和第二组反射信号3524。在一些实施例中，能量测量窗口包络3516可以应用于第一组反射信号3512和第二组反射信号3524，以削弱能量测量窗口包络3516的边缘处的信号。
可以比较第一输出3536和第二输出3538以确定是否已经发生触摸输入(例如，触摸事件)。例如，如果第二输出3538比第一输出3536低预定量和/或如果第二输出3538低于阈值，则超声输入装置3502可以生成指示触摸输入存在于表面上的信号。由于输出电压3530、3532分别指示第一输出3536和第二输出3520，因此输出电压3530、3532可用于确定是否已经发生触摸输入。在一些实施例中，仅单个输出，诸如第一输出3518，可与参考值进行比较。参考值可以在制造时建立和/或基于由该装置测量或传输到该装置的背景特性(诸如温度)更新。
参照图35描述的技术可用于从超声输入装置3502生成输出信号，尽管也可使用其它技术。可以使用可将与第一组反射信号3512或第二组反射信号3524相关联的信号转换成对总能量的测量的任何技术。
图36是描绘根据本公开的特定方面的简化的示例能量信号3614的曲线图3600。当超声输入系统处理由超声换能器接收到的输入超声信号时，超声输入系统可以将超声信号转换成能量信号3614。能量信号3614可以表示与输入超声信号相关联的整体能量。例如，如在图35中所描绘的，在曲线图3508和3520中所描绘的信号可以被转换成输出3536和3538。这些输出可随时间被记录、绘图或输出为能量信号3614。与无触摸事件相关联的输出3536总体上可被看作能量信号整体上较高的区域，而与触摸事件相关联的输出3538总体上可被看作能量信号整体上较低的区域。应该理解的是，经处理的超声信号的持续输出可用于生成能量信号，该能量信号随后可用于确定在某一时间点是否发生触摸事件。图36的能量信号3614被简化，仅出于说明目的。
D.触摸输入误差预防
图37是根据本公开的特定方面的图表3700，其描绘了使用超声输入装置进行的反射的超声信号测量并示出了用于改进触摸输入检测的技术。由超声输入装置确定的传感器读出(例如，DC信号或其它传感器数据)可以被持续地或以根据本申请的特定频率测量。在一些实施例中，可以在100Hz的频率下测量传感器读出。单个测量3702可与能量测量窗口内的能量测量相对应。一个或多个单个测量可用于确定当前状态3706。当前状态可以由当前单独测量3702或由基于两个或更多个单个测量的最佳拟合线来限定。在一些实施例中，可以使用最小二乘法来计算最佳拟合线。可以使用多个单个测量来确定移动平均阈值3704。
当前状态3706和移动平均阈值3704可用于检测触摸事件。移动平均阈值3704可用于确定可触发触摸输入事件的突然信号下降。例如，只有当检测到从当前状态3706的“快速信号变化”3708时，该系统才可以检测“手触摸”效果。快速信号变化3708可以与所有或许多信道上的突然信号下降相关联，并且可以被认为是触摸输入事件。用于检测快速信号变化3708的阈值可以是当没有检测到手触摸事件时的移动平均阈值3704(动态阈值)。在一些实施例中，快速信号变化3708可以是预编程的静态阈值。快速信号变化3708事件可以触发触摸输入事件，并且引起超声输入装置生成指示装置的表面上的触摸输入的信号。对于快速信号变化3708事件，进行多次测量3710以确保信号确实实际下降并且不向上跳回，诸如跳回到其原始值。例如，用户的重按压可能导致下降的传感器读出，但是仍将提供连续信号。在多次测量3710期间，如果信号快速返回到较高值(诸如在疑似触摸事件之前先前看到的值)，则超声输入装置可将暂时信号下降辨识为假触摸事件而不将其分类为触摸事件。多次测量3710可以在非常短的时间帧(例如，大约几十或几百毫秒)内发生。在一些实施例中，“逐渐的信号变化”可被视为温度变化而不是手触摸事件，这是由于移动平均值将以基于用于确定移动平均值的测量数量的速率利用每个单独的测量3702进行调整。
在一些情况中，阈值3704可以基于除了移动平均计算之外的计算。在一些情况中，阈值3704仅仅是过去历史(例如，历史测量)的某个函数，诸如过去的x个测量的函数。在一些情况中，过去的测量可以被加权，诸如最近的测量比更久以前进行的测量具有更大的权重。在这种情况下，可以基于过去的x个测量的权重来调整超声输入装置的响应时间。例如，阈值可根据Threshold＝f(X[n-1],X[n-2],…,X[n-m])(其中X[n]是第n个传感器读出(或当前传感器读出))被计算为历史值的函数，。在另一示例中，阈值可根据Threshold＝w1X[n-1]+w2X[n-2]，…，wmX[n-m](其中wn是第n个传感器读出的权重参数)被计算为加权历史值的函数，。在一些情况中，权重参数可使用机器学习来训练，诸如在本文中更详细描述的。
在一些情况中，除了或代替基于测量本身确定快速信号变化3708，所述确定可以使用一组测量的斜率(诸如当前测量和某一数量的过去测量的斜率)来进行。
图38是根据本公开的特定方面的图表3800，其描绘了使用超声输入装置进行的反射的超声信号测量并示出了用于改进触摸输入检测的额外技术。图表3800的一部分被描绘为图37的图表3700。图表3800示出了由于各种因素(诸如温度变化)，信号可能随时间发生变化，然而超声输入装置可能能够辨别出这些变化不是触摸事件。然而，连续测量之间的突然信号下降可以指示触摸事件。当前状态3806可类似于图37的当前状态3706。移动平均阈值3804类似于图37的阈值3704。该阈值3804部分基于当前状态3806的先前测量的移动平均值，诸如偏移给定量的先前测量的移动平均值。这种类型的阈值3804可以被称为动态阈值，尽管可以使用其它阈值技术。
在区域3816处，发生触摸事件。当触摸事件发生时，当前状态3806快速下降。如在图表3800的标注部分所描绘的，示出了各种测量3802。可以基于测量频率在时间上分离每个测量3802。例如，每个测量3802可以相隔0.01秒(例如，以100Hz)，尽管可以使用其它频率。可以在两个或更多个连续测量3802之间检测突然下降。在当前状态3806中的突然下降降到阈值3804以下时，可认为已经发生触摸事件。区域3817描绘了另一触摸事件。
在区域3818和区域3820处，超声传感器的温度和传感器所联接到的表面的温度的逐渐变化可引起当前状态3806的逐渐变化。由于当前状态3806中的相对缓慢改变，因此基于当前状态3806的移动平均值的阈值3804也将发生改变。由于阈值3804能够补偿当前状态3806中的缓慢变化，诸如由于温度变化发生的变化，因此当前状态3806中的这些缓慢变化不会超过阈值3804，且因此不会触发触摸事件。此外，由于阈值3804是动态更新的，因此阈值3804能够在不同温度下适当地运转。在一些情况中，由于温度变化而引起的当前状态3806中的变化甚至可以大于由实际手触摸引起的对比度，但是由于这些温度变化比由于触摸事件而引起的当前状态3806中的改变慢得多，因此它们不被检测为触摸事件。
VI.多频触摸检测
图39是根据本公开的特定方面的图表，其描绘了反射的超声信号的温度依赖性。由超声输入装置接收的反射的超声信号可包括主信号3902和任何不期望的信号3904。主信号沿第一路径通过材料层行进并与第一飞行时间(TOF)相关联，并且任何不期望的信号3904沿第二路径通过材料层行进并与第二TOF相关联。在材料层中的声速取决于材料层的温度。由于作为温度变化的结果声速变化，主信号3902和不期望的信号3904行进通过不同的声学路径，并且相关联的第一TOF和第二TOF相应地改变不同的量。这在主信号3902与不期望的信号3904之间产生了净TOF差Δt(T)3906，其随着温度T而改变。其随后被转换成主信号3902与不期望的信号3904之间的相位延迟差Δφ(T)。并且因此产生不同的积分信号强度差Dout(T)，如线3910所描绘的。
图40是根据本公开的特定方面的一组图表，其描绘了检测触摸输入的两种频率方法的TOF温度依赖性。这些图表可以类似于图39的图表，在多频超声输入装置中，不同的频率将具有不同的温度效应，从而引起每个信号的不同TOF。当在阈值数量的频率信道中检测到信号下降时，多频超声输入装置可以处理“手指触摸”(例如，触摸事件)。例如，两种不同的方法可以检测手指是否触摸超声触摸输入装置，并且当两种方法均同意已检测到手指触摸时，该装置可以仅处理触摸事件。
在多频超声触摸输入装置中，第一频率下的第一信号4002和第二频率下的第二信号4004具有不同的背景和温度漂移特性。例如，当温度改变时，第一信号4002和第二信号4004经历相同的Δt(T)。由于不同的温度漂移特性，相同的Δt(T)将转化为对于每个频率的不同相位延迟。例如，第一信号4002将具有第一相位延迟Δφ↓1(T)4006，且第二信号4004将具有第二相位延迟Δφ↓2(T)4008。产生的相位延迟差异可造成两个不同的ADC输出值图案，其分别在温度Dout↓1(T)和Dout↓2(T)上，如线4010、4012所描绘。
因此，可以在多个频率中测量信号下降，以提高触摸检测可靠性并减小错误触发检测。如果所有的频率信道都检测到突然的信号下降，则可以处理触摸输入事件。多个测量可以非常快地(<1ms)发生，以确保突然信号下降不是由于温度效应。
多频超声触摸输入装置可以通过降低与环境条件相关联的噪声来避免错误触发。该触控输入装置可立即执行快速脉冲回声测试，以确保该触控事件真实，而非由于噪声造成的错误触发。在一些实施例中，多个测试可以在1ms内发生。
图41是根据本公开的特定方面的多部分图表4100，其描绘了使用超声输入装置跨数个频率进行的反射的超声信号测量并示出了用于改进触摸输入检测的技术。超声信号的不同频率可由于温度变化而呈现不同的变化。因此，通过使用多个超声频率进行感测，超声输入装置可将疑似触摸事件与来自一个或多个其它频率的数据进行比较，以确保疑似触摸事件被一个或多个其它频率确认。多个频率的使用可以减小误差率。
线4106可以表示与100kHz频率相关联的能量信号，线4105可以表示与1MHz频率相关联的能量信号，并且线4107可以表示与10MHz频率相关联的能量信号。线4104可以表示移动平均阈值，例如图37的阈值3704，出于说明目的，仅关于100kHz频率描绘移动平均阈值，但对于所使用的每个频率(例如，1MHz和10MHz)可存在相应的阈值。虽然关于图41使用了100kHz、1MHz和10MHz的频率，但是可以使用任何其它合适的频率。虽然关于图41使用了三个不同的频率，但是可以使用任何数量的不同频率，例如两个或多于三个。只有在用于检测的不同频率的全部、大部分或至少阈值百分比上检测到触摸事件时，才可以注册触摸事件。
在一些情况中，代替或除了以不同频率驱动超声输入装置之外，超声输入装置可以驱动具有不同相位延迟的超声阵列来生成不同的波束图案。由于不同的波束图案可具有不同的温度特性，所以可以类似于不同频率地使用不同的波束图案，以减少误差并确认疑似的触摸事件。
图42是根据本公开的特定方面的示意性平面图，其描绘了双频PMUT 4200。在一些实施例中，可以制造圆形的PMUT设计以实现多频换能器。圆形PMUT设计可以由用于每频率传输和接收的多个单独的信道组成。在一些情况中，多个信道或换能器可以同心地布置。例如，双频PMUT4200包括与低频相关联的第一传输/接收对4202。第一传输/接收对4202可包括低频传输环4204和低频接收环4206。双频PMUT 4200还包括与高频相关联的第二传输/接收对4208。第二传输/接收对4208可包括高频传输环4210和低频接收环4212。在各种实施例中，圆形PMUT设计可包括从2到10的多个频率的范围，频率范围可以从1MHz到10MHz。在一些实施例中，根据材料层和具体应用，可以使用小于1MHz的频率。可以添加第二PMUT阵列，以用于在1MHz-3 MHz范围的TOF测量。在一些情况中，用于任何阵列的频率范围可以是从30kHz到50MHz。
图43是根据本公开的特定方面的示意性平面图，其描绘了具有正方形设计的多频超声输入装置4300。正方形传感器设计可以由用于每频率传输和接收的多个单独信道的正方形网格组成。在一些情况中，一个或多个接收信道可以位于多个传输信道之间。在这种情况下，多个传输信道之间的接收信道的位置可以便于接收和检测反射信号。在示例中，多频超声输入装置4300可包括各种低频发射器4302、低频接收器4304、高频发射器4306和高频接收器4308。正方形设计可包括嵌套样式，例如在图43中所描绘的十字形嵌套样式，可以使用任何其它合适的样式。各种发射器和接收器可以是任何合适的频率，诸如在30kHz到50MHz之间、1MHz到10MHz之间或任何其它合适的范围。应该理解的是，参照图43描述的频率可以适用于任何合适的传感器阵列，例如，如参照图14A至14G描述的。
VII.特征提取
根据实施例的系统和方法可以允许从例如由超声输入装置接收到的信号中提取特征。超声输入装置能够提取诸如能量信号以及物理特性的特征。
A.可辨别的能量信号
图44是根据本公开的特定方面的一组三个图表4402、4404、4406，其描绘了由超声输入系统接收的可归因于三个不同用户的示例信号4412、4414、4416。图表4402、4404、4406中的每一个描绘了与由超声输入装置检测到的反射信号相关联的随时间的能量测量。
图表4402的信号4412是用相对较小的力快速按压的干燥手指的示例。手指的干燥度和相对较小的力示出了在触摸事件期间能量测量中的相对较小的下沉(dip)。在能量测量中的相对较短的下沉持续时间中看到了按压的速度。
图表4404的信号4414是用相对较重的力适度按压的湿手指的示例。手指的潮湿度和按压的强度二者均能导致对反射信号的更大的阻尼效应，并且因此导致能量测量中的更深的下沉。在能量测量中的适度宽的下沉中可以看到按压的速度。此外，当能量测量第一次下沉时，初始下降和随后下降的的出现更为明显，这表示在发起全部按压力之前，与表面接触所花费的时间很少。
图表4406的信号4416是触摸事件模式的示例，其中用户在按压和发起完全触摸事件之前轻触表面的触摸事件模式的示例。能量测量中的初始下沉和直到随后的完全下沉为止的相对较长的延迟指示用户将手指放置在表面上并且在按下手指之前等待较短的时间。
虽然信号4412、4414、4416可以分别用于指示由于能量测量中存在足够的下沉而引起的期望触摸事件，但是信号4412、4414、4416中的每一个包含可辨别的各种特征。可辨别特征的示例包括能量测量中的下沉的深度、能量测量中的下沉的宽度、在能量测量中的后续且更深的下沉之前初始下沉的存在、能量测量中的初始下沉与后续且更深的下沉之间的延迟、能量测量进入和离开下沉的减小和/或增大的速度(例如，下沉边缘处的能量信号的变化速度)或能量测量的任何其它特征。
通过从能量测量信号提取各种特征，可以区分甚至辨认不同的用户，以实现额外的基于用户的高级功能。例如，在训练会话之后，由于用户与超声输入装置交互的特定方式，诸如触摸的方式(例如，快速轻击或放置和按压)、触摸的持续时间、皮肤的特性(例如，手指的自然潮湿度或干燥度)、触摸的强度(例如，轻按或重按)或可从能量测量信号辨别的其它特性，超声输入系统能够区分第一用户和第二用户。虽然可以从能量测量信号中辨别出特性，但是由于可以以高速获取能量测量信号，所以它们可能不容易被用户感知。因此，快速轻击与放置和按压之间的差异可以容易从能量测量信号辨别，但是从触摸动作的视觉检查可能是不可辨别的或不容易辨别的。
图45是一组描绘与人类手指、水滴以及将装置放置在桌子上(例如，将对象放置在传感器上)相关联的能量测量信号的图表。对于人类手指，能量测量信号不可避免地具有轻微的移动或变化，即使在触摸事件的持续时间内，其可以被检测和识别以确认人类手指正在发起触摸事件。对于液滴或水滴，如果有的话，能量测量信号具有特定特性，诸如急剧下降，随后是没有很大变化的总体上稳定的信号。对这些特性的检测可用于区分实际的有意触摸事件和其它对象(诸如下落的水)的意外接触。将装置或其它对象放置在传感器(例如，安装在桌上的传感器)上可具有特定特性的能量测量信号，诸如相对较浅的下降，随后是没有太多变化的总体上稳定的信号，如果有的话。
因此，如本文所述的系统可以确定与一组反射的超声信号相关联的能量信号。该系统随后可以提取与能量信号相关联的特征信息，并且随后基于所提取的特征信息来确定与对象相关联的推断。确定推断可包括使用特征信息来确定触摸事件是与人类手指相关联还是与滴水相关联。例如，如图27所示，滴水(即，水滴)可以比人类手指(即，手指)引起由系统确定的能量信号的更大的下降。手指可具有峰和谷(即，指纹)，其减小放置在传感器上的表面面积的量并且因此减小由对象吸收的超声信号的量。
因此，能量信号的幅度的标准(例如，对应于急剧下降)可用于在手指触摸与水滴之间进行区分。此外，能量信号随着时间比人类手指更一致。因此，能量信号在指定时间量上处于指定范围内的标准可用于在水滴与人类手指之间进行区分。可以使用能量信号随时间的变化(例如，标准偏差)来执行这种测量。因此，特征信息可包括能量信号的大小和/或能量信号的变化。推断的确定可包括将大小和/或变化与相应阈值进行比较以确定触摸事件与人类手指还是滴水相关联。
图46是描绘如何能利用温度来进一步识别人类手指是否正在发起触摸事件的组合示意图和一组图表。由传感器(例如，传感器芯片和/或基底)输出的能量测量信号在某种程度上取决于传感器的温度。随着温度升高，能量测量信号趋于减小。
通常，芯片将处于室温(例如，处于或大约20或21℃)，而人类手指将处于体温(例如，处于或大约30℃)。当活体组织(例如，人类手指)发起触摸事件时，热量将在组织(例如，手指)与芯片之间传递。当手指更热时，它可引起芯片温度略微升高。由于能量测量信号作为整体部分地取决于芯片和/或基底的温度，因此芯片和/或基底的温度波动可以被检测为能量测量信号随时间的潜在稳定的增大或减小。如在图46左下部的图表中所描绘的，当温暖的手指放在较冷的传感器上时，热传递将引起能量测量信号呈现总体向下的斜率。如在图46的中下部的图表中所描绘的，当冷手指放置在较温柔的传感器上时，热传递将引起能量测量信号呈现总体向上的斜率(即，向上趋势)。然而，如在图46右下部的图表中所描绘的，当除了活体组织以外的某物(例如，手指)放置在传感器上并且该其它对象具有处于或接近传感器的相同温度的温度(例如，二者均处于室温)时，热传递的缺乏将引起能量测量信号呈现总体上平坦的斜率。总之，这种对能量测量信号的温度影响可用于识别接触传感器的某物何时处于或接近体温，或者处于或接近其它温度。在一些情况中，可以通过分析能量测量信号的一般斜率来辨别发起触摸事件的对象的近似温度。
在一些情况中，一个或多个温度传感器可用于测量芯片和/或基底的温度。对芯片和/或基底的温度的获知可以帮助通知发起触摸事件的对象是否是人类手指的确定。
图47是根据本公开的特定方面的组合示意图和图表，其描绘了手指触摸和相关联的温度信息。在一些情况中，超声输入系统可包括温度传感器，例如在芯片内、芯片上或芯片附近。温度传感器可以提供与超声输入系统的温度相关联的温度信号(例如，温度传感器读出)。通常，当没有触摸事件被发起时，温度信号将有最小的变化或没有变化，因为超声输入系统将保持在环境温度或接近环境温度的温度，诸如室温。然而，如果使用人类手指发起触摸事件，则可能发生朝向体温的预期温度变化(例如，从室温到体温的温度上升)。如在图47的左下部图表中所描绘的，可以通过识别温度信号朝向体温(例如，处于30℃或30℃附近)的改变来检测或确认人类手指触摸。如在图47的右下部图表中所描绘的，由除人类手指以外的对象(例如，室温对象)发起的触摸事件将不会引起超声输入系统的温度朝向体温的改变。
B.可辨别的物理特性
图48是根据本公开的特定方面的示意性组合侧视图4802和信号图4804，其描绘了在超声输入系统上发起触摸事件的指纹的脊线4806和谷线4808。当用户将手指放置在与超声输入装置4810相关联的表面上时，超声输入装置4810能够检测用户的指纹的一部分。通常，超声输入装置4810可以感测小于用户的整个指纹的区域，尽管不总是需要这样。
超声输入装置4810可以识别用户指纹(例如，用户指纹的部分)的脊线4806和谷线4808。在脊线4806处，超声输入装置4810将检测由于脊线4806的肉的阻尼效应而引起的反射信号的能量测量的减小。然而，在谷线4808处，不存在相同的阻尼效应。
因此，如示意性侧视图4802中所描绘的测量手指的超声输入装置4810可以生成示出脊线4806和谷线4808的信号图4804。如在信号图4804中可见，较暗的区域表示反射信号的能量测量中的下沉，而较亮的区域表示更接近基线能量测量的信号。虽然无法从超声输入装置4810的视场中辨别整个指纹，但是可以辨别许多脊线4806和谷线4808。通过测量脊线4806和谷线4808的宽度以及谷线间距离和脊线间距离(例如，脊线间距离4812)，超声输入装置4810能够辨别一个手指与另一手指。在示例情况下，成人的手指可以呈现出比年轻人的手指更宽的脊线4806和谷线4808。因此，在具有成人和儿童的家庭中，超声输入装置4810能够基于用户手指的可辨别的物理特性，诸如指纹特性，在两个用户之间进行辨别。在一些情况中，重复线图案(例如，脊线4806和谷线4808的图案)的存在可用于确认或确定发起触摸事件的对象是否是人类手指。
在一些情况中，可辨别的物理特性，如指纹，可以与可辨别的能量信号一起使用，以进一步识别用户。
图49是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了由超声输入系统4902接收的可归因于用手套4908和不用手套4906发起触摸事件的同一用户的示例反射信号4924、4925。与具有来自未戴着手套4906的用户的触摸输入的超声输入装置3502相关联的第一曲线4910示出了传输信号4922和第一组反射信号4924。第一组反射信号4924示出了与触摸事件相关联的反射信号的特性衰减。与具有来自正戴着手套4908的用户的触摸输入的超声输入装置3502相关联的第二曲线4920示出了传输信号4922和第二组反射信号4925。第二组反射信号4925示出了与触摸事件相关联的反射信号的特性衰减，其与第一组反射信号4925有些类似，但是由于手套4912的存在而可能具有额外的衰减。第一组反射信号4924可被处理以生成第一输出电压4932。类似地，第二组反射信号4925可被处理以生成第二输出电压4933。
因此，超声输入系统4902可以区分戴手套的手和未戴手套的手。在一些情况中，取决于用户是否正戴着手套，特定动作可能可用或不可用。例如，在医务室中，与超声输入系统相关联的特定功能可能不可用，除非用户正戴着手套以确保适当的保护就位。
C.提取和使用特征
图50是根据本公开的特定方面的流程图，其描绘了用于从超声输入系统的信号中提取特征的5000。图50中所示的方法将在包括超声输入装置和从触摸事件确定能量信号的一个或多个数据处理器的系统的上下文中描述。然而，应该理解的是，本发明可以应用于其它情况。
在可选的框5002处，基线信号可以由超声输入系统接收。基线信号可以是与无触摸事件(例如，当没有用户触摸联接到超声输入装置的表面时)相关联的能量测量。移除这种基线信号可导致在模数转换期间更有效的采样范围，例如，如本文至少参照图27所述。例如，超声输入系统可发射第一信号。随后，任何适当数量的反射的超声信号和反射-发射信号可由超声输入系统测量。基于接收到的信号的特性，可以确定该信号不与触摸事件(例如，手指触摸外表面)相关联。例如，接收到的信号可以指示与空中信号相关联的基线信号。本文描述了基线信号的进一步示例细节。
在框5004处，该系统可使用超声输入装置传输发射的信号。超声输入装置可以联接到材料层，该材料层具有与超声输入装置的材料层相对定位的外表面。发射的信号可以通过材料层朝向外表面。如在本文中详细描述的，从初始发射的超声信号可以产生任何数量的反射的超声信号和反射-发射信号，直到信号变得太弱而不能被反射和/或检测为止。
在框5006处，接收与触摸事件相关联的信号。例如，该系统可以接收与发射的信号相关联的一组反射的超声信号。接收到的信号可以是与反射的超声相关联的能量的测量。在框5004处接收到的信号可以取决于如何发起触摸事件(例如，触摸的定时、触摸的方式、触摸的力的量、发起触摸的对象的物理特性)。
在框5008处，系统的一个或多个数据处理器可以确定与一组反射的超声信号相关联的能量信号，所述一组反射的超声信号与对象和联接到超声输入装置的材料层的外表面之间的触摸事件相关联。
作为示例，参照图27，流程图2700包括发射和接收超声信号，如第一曲线图2702所示。第一曲线图2702示出了用于发射的超声信号的第一信号2703的模拟测量，以及与超声输入装置相关联的一组反射的超声信号的一组后续信号2704A、2704B、2704C、2704D、2704E的模拟测量。流程图2700可包括具有模拟的求和或积分电路2720和求和的电压输出2722的超声输入装置。
第二曲线图2708示出了第一信号2703和一组能量信号2710A、2710B、2710C、2710D、2710E，它们分别与所述一组反射的超声信号中的相应的一个信号的能量相对应。出于说明目的，以实线描绘所述一组能量信号2710A、2710B、2710C、2710D、2710E，其与来自以虚线示出的第一曲线图2702的一组后续信号2704A、2704B、2704C、2704D、2704E重叠。
在框5010处，在确定与所述一组反射的超声信号相关联的能量信号之后，可以从与触摸事件相关联的信号中提取特征。所提取的特征可以是信号的任何合适的特性，其可以是可辨别的和/或能够通知推断。一个或多个数据处理器可被配置为以任何合适的方式提取与能量信号相关联的特征信息。
在一些实施例中，提取特征信息可包括识别与能量测量的下沉(与触摸事件相关联)相关联的能量信号中的图案。例如，当个体将他们的手指放置在该系统上，特别是放置在外表面上时，个体手指可以吸收至少一部分发射的超声信号，从而引起能量测量的下沉。
可以以本文所述的任何合适方式来识别图案。例如，在一些实施例中，识别能量信号中的图案可包括识别下沉的深度、下沉的持续时间、下沉之后的后续下沉的存在、下沉与另一下沉之间的延迟和/或下沉边缘处(例如，在手指落下(finger land)或移除期间)的能量信号的变化率。在其它实施例中，识别图案可包括识别可归因于材料层中的温度漂移的能量信号的变化，如在本文中详细描述的。
在一些情况中，在框5010处提取特征(即，特征信息)可包括将信号与(一个或多个)存储的历史信号进行比较，诸如以确定在框5010处接收到的信号是否匹配与特定用户相关联的存储信号。在一些情况中，在框5010处提取特征可包括识别接收到的信号中的图案，诸如以识别接收到的信号可归因于鲜明敲击或者放置和按压动作。在一些情况中，在框5010处提取特征可包括测量接收到信号的特性。可以测量接收到信号的任何可辨别的特性，并将其用于做出关于触摸事件的源的确定或推断。
在框5012处，可以基于所提取的特征信息来确定推断。一个或多个数据处理器可被配置为基于所提取的特征信息以任何合适的方式确定与对象相关联的推断。
例如，在一些实施例中，确定所述推断可包括基于可归因于材料层中的温度漂移的能量信号中的识别出的变化来估计对象的相对温度。例如，接触材料层的外表面的个体可具有比环境温度和/或材料层的温度更高的体温。如本文所述，所确定的能量信号可受温度影响，并且因此允许一个或多个数据处理器确定温度测量和/或温度漂移(例如，如由如下所述的温度传感器测量的)的推断。
在其它实施例中，一个或多个数据处理器可以通过将识别出的图案与存储的数据进行比较来确定推断。存储的数据可以与外表面的先前触摸事件相关联。例如，外表面的先前触摸事件可能已经由个体执行。如本文所述，当前触摸事件可以与先前触摸事件进行比较，以确定当前触摸事件是否也由个体执行。
在其它实施例中，一个或多个数据处理器可以通过使用特征信息来确定推断，以确定触摸事件与人类手指、裸露的人类手指、潮湿的人类手指、干燥的人类手指和/或戴手套的人类手指相关联。例如，如本文所述，所确定的能量信号可受放置在材料层的外表面上的(多个)个体手指的一个或多于一个特性的影响。一个或多个数据处理器还可以通过使用特征信息来确定推断，以确定触摸事件的触摸的方式(例如，轻击、双击、放置和按压等)、与触摸事件相关联的触摸强度和/或对象的物理特性。
在一些实施例中，确定推断可包括基于将触摸事件与触摸事件的触摸方式、与触摸事件相关联的触摸强度和/或对象的物理特性关联来识别对象与多个用户中的一个相关联。对象的物理特性可包括与接触外表面的指纹的一部分相关联的测量。
在一些实施例中，一个或多个数据处理器可以确定与超声输入装置相关联的额外的传感器(例如，图29的温度传感器)相关联的额外信号。随后，一个或多个数据处理器可以进一步使用额外信号来确定推断。额外的传感器可包括与超声输入装置相关联的任何合适的额外的传感器。例如，额外的传感器可包括温度传感器、压力传感器、电荷耦合装置等。
例如，该系统可包括温度传感器。温度传感器可以记录例如系统的外表面随时间的温度。由于人类指尖具有特定的物理尺寸和温度范围，当人类触摸外表面时，一个或多个数据处理器可以确定触摸事件是由人类手指引起的。作为说明性示例，温度传感器可以以预定间隔(例如，1ms、0.1s、1s等)记录外表面的至少一部分的温度。温度传感器可以记录环境温度(例如，70°F)。当用户在触摸事件期间触摸外表面时，该系统可以记录能量信号，该能量信号可包括例如能量的下沉。在触摸事件期间，温度传感器可以继续测量外表面的温度。与外表面接触的人类手指可以提高外表面的温度，从而引起温度传感器记录温度的提高。例如，人类手指可以是大约98°F。温度传感器可以记录70°F的环境温度与98°F的人类手指温度之间的温度，因为手指将加热外表面和温度传感器。
由温度传感器测量的温度可以是与超声输入装置相关联的额外的传感器(例如，温度传感器)相关联的额外信号。一个或多个数据处理器可以使用额外信号连同能量信号来确定推断。例如，一个或多个数据处理器可以确定能量信号的下沉以及从环境温度到环境温度与平均人体温度之间的较高温度的温度上升表明触摸事件指示人类手指触摸外表面。在一些情况中，一个或多个数据处理器可以使用来自温度传感器的温度数据来确定信号变化是否是人类触摸的结果或来自与外表面接触的另一对象(例如，桌子、口袋织物、笔/触控笔等)。例如，当用桌子、口袋织物、笔/触控笔等接触时，温度传感器可能测量不到与人类手指接触时一样大的温度提高。
在一些情况中，温度传感器可以距离手指已知(即，预定)距离。例如，温度传感器可以位于外表面的与手指相对的一侧上。在这种情况下，在处理与额外的传感器(例如，温度传感器)相关联的额外信号期间，可以解决具有已知边界条件和初始值的热传递问题，以确定外表面处的温度是多少。
在一些实施例中，额外的传感器可包括压力传感器和/或应变仪。例如，来自人类手指的典型触摸可在外表面上施加可被传播到额外传感器的特定的力和应变。压力传感器和/或应变仪可以测量由手指施加到系统中的力和/或应变。一个或多个数据处理器可以确定由压力传感器和/或应变仪测量的力和/或应变指示手指的触摸的典型的力和/或应变。一个或多个数据处理器还可以确定能量信号是否指示手指的触摸。如果来自压力传感器和/或应变仪的额外信号以及能量信号都指示手指的触摸，则一个或多个数据处理器可以确定触摸事件是手指的触摸。
在一些情况中，额外的传感器可包括应变仪。应变仪可以检测与触摸事件相关联的表面的偏转并且可以输出电信号。触摸事件越强(例如，由诸如手指的对象施加在外表面上的力越大)，则施加到应变仪上的偏转就越大。因此，应变仪可以输出更大的电信号。
在框5014处，一个或多个数据处理器可以生成与所确定的推断相关联的输出信号。输出信号可包括基于所确定的推断而生成的任何合适的输出。在一些实施例中，输出信号可以指示可以由一个或多个数据处理器和/或外部装置执行的特定动作。
在一些实施例中，一个或多个数据处理器可以基于所提取的(一个或多个)特征来执行动作。该动作可包括可以基于输出信号发生的任何合适的过程。在示例中，如果所提取的特征被用于识别特定用途，则所执行的动作可以是对用户访问资源进行认证或授权。在另一示例中，如果多个用户已经针对特定超声输入系统预设了定制，则所提取的特征信息可用于确定哪个用户正在与超声输入系统交互并且因此针对该特定用户执行定制的动作。在一些情况中，执行动作可包括允许或拒绝对资源的访问，诸如当所提取的特征指示用户没有戴手套(当需要手套)时拒绝对房间或工具的访问。
VIII.机器学习决策算法
图51是根据本公开的特定方面的图表5100，其描绘了用于改进触摸检测的机器学习决策算法。如参照图37所述，权重参数可用于驱动关于何时检测到或未检测到触摸事件的各种决策。在一些情况中，机器学习方法可考虑传感器输出值以及传感器值与先前传感器值之间的斜率以生成触摸事件已经发生或未发生的推断。机器学习方法可以使用决策函数(f)，诸如：
f＝w0X[n]+w1X[n-1]+w2X[n-2]+…+wmX[n-m]+ws0S[n]+Ws1S[n-1]+…+wsmS[n-m]
其中wn和wsn是权重参数，X[n]是当前传感器输出，X[n-1]是先前传感器输出，X[n-m]是第m个先前传感器输出，S[n]是当前传感器输出的斜率(例如，与紧接的先前传感器输出相比)，S[n-1]是先前传感器输出的斜率，并且S[n-m]是第m个先前传感器输出的斜率。在一些情况中，在决策函数中可以使用其它参数。
可以在数据的语料库上训练决策函数的权重参数，以生成被认为是触摸事件的输入与不被认为是触摸事件的输入之间的决策边界，如在图表5100中所描绘的。因此，对于任何给定的传感器输出和传感器输出的斜率，可以识别图表5100上的点，并且如果该点落在判定边界上方，则可以认为那些传感器输出以及传感器输出的斜率指示触摸事件。
IX.智能触摸事件检测
根据实施例的系统和方法可以允许触摸事件检测框架。实施例允许用于触摸事件检测的自适应阈值。自适应阈值方案可以涉及使用持续自适应的阈值从传感器的能量信号中识别触摸事件。实施例还允许用于触摸事件检测的递归神经网络和/或用于状态分类的递归神经网络。
A.通用触摸事件检测框架
图52是根据本公开的特定方面的流程图，其描绘了用于检测触摸事件的过程5200。过程5200可以由任何合适的装置执行，包括图7的处理器722和/或计算装置724。在一些情况中，来自多个传感器的数据可以用于框5202、5204、5206中的任何一个。
在框5202处，访问能量信号数据。能量信号数据是来自超声传感器的信号数据，其指示在一时间段期间由超声传感器感测的能量的量，诸如参照图36描绘和描述的能量信号3614。可以使用任何合适的时间段。
在框5204处，可以基于能量信号来识别触摸事件。识别触摸事件可包括基于能量信号来确定触摸事件是否已经发生。在一些情况中，在框5204处识别触摸事件可包括输出触摸信号。触摸信号可以指示相关联的能量信号是否被推断为与触摸事件相关联。
在可选的框5206处，可以从触摸事件数据(例如，来自框5204的触摸信号)识别状态分类。在一些情况中，可以从触摸事件数据和相关联的能量信号数据识别状态分类。状态分类可以是与触摸事件相关联的分类。可以确定任何合适的分类，诸如已经发生的触摸事件的类型。与已经发生的触摸事件的类型相关的合适的状态分类的示例包括单击、双击、三击、n次敲击、保持(例如，触摸和保持)、轻击和保持(例如，轻击随后触摸和保持)、按压(例如，比轻击长)、双按压、按压和保持(例如，按压随后触摸和保持)、保持和按压(例如，触摸和保持一段持续时间随后按压)以及抓握(例如，保持具有更多的表面面积或其它特性)。可以确定状态分类，该状态分类可以基于触发值与触摸事件相关联。与关联于触摸事件的其它信息有关的合适状态分类的示例可包括用户是否正戴着手套、用户是否看起来更老或更年轻(例如，基于指纹脊线之间的距离)、用户是否看起来为预先识别的用户、或其它这样的分类。
作为示例，另一分类可包括用户手指和/或身体的水合作用和/或排汗。该系统可以例如通过确定比用户的典型超声信号吸收更低的超声信号吸收来检测用户的水合作用和/或排汗。当用户的手指较干燥时，手指将吸收较少的超声信号。因此，可以使用用于波幅和随时间的变化的阈值的不同水平。例如，潮湿的手指可比干燥的手指引起能量信号更均匀的下降。因此，能量信号的大小的标准(例如，对应于急剧下降)可用于在干燥手指与潮湿手指之间进行区分。此外，由于在潮湿手指中存在额外的水，因此随着时间推移，在潮湿手指的情况下能量信号会比在干燥手指的情况下更加一致。因此，能量信号在指定时间量上处于指定范围内的标准可以用于在潮湿手指与干燥手指之间进行区分。可以使用能量信号随时间的变化(例如，标准偏差)来执行这种测量。因此，特征信息可包括能量信号的大小和/或能量信号的变化。推断的确定可包括将大小和/或变化与相应阈值进行比较以确定触摸事件是与潮湿手指相关联还是与干燥手指相关联。
在一些情况中，取决于传感器的定向和放置，可以使用任何数量的分类。在一些情况中，状态分类可以被训练，使得在框5206处对状态分类的识别可以参照训练数据或使用训练数据生成的模型。
B.用于触摸事件检测的自适应阈值
图53是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了用于识别触摸事件的自适应阈值方案5300。自适应阈值方案5300可以部分或全部在联接到超声传感器的处理器上执行，诸如图7的处理器722。图53中所描述的方法可以由专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或本文描述的任何其它合适的装置和/或控制器来执行。该方案5300不需要机器训练，然而，针对传感器所联接的每个新的覆盖物材料的一次调谐可以改善检测。自适应阈值方案5300可以在离散的时间段或帧之外运转，使得在任何时间，方案5300可以分析来自当前观察的当前数据和来自任何数量的过去观察的历史数据。
自适应阈值方案5300涉及使用持续自适应阈值从传感器的能量信号中识别触摸事件。阈值是已经通过自适应阈值更新功能被滤波的能量信号的持续跟踪版本，自适应阈值更新功能的滤波器参数基于能量信号、历史阈值和可选的触发数据(例如，触摸事件是否正在发生或最近是否发生)而自适应地更新。每当能量信号超过自适应阈值(即，小于自适应阈值、大于自适应阈值、小于或等于自适应阈值，或者大于或等于自适应阈值)时，可以识别传感器触发(例如，触摸事件)。可选地，方案5300可以分析当前和过去的触发历史(例如，基于特定数量的最近观察的触摸事件信号)以识别当前状态分类，诸如确定触摸事件是否是轻击、按压、保持或其它动作。例如，分析触摸事件信号(例如，触发历史)可以示出能量信号在特定时间帧内下降到阈值以下多少次、能量信号下降多远、能量信号在阈值以下多长时间、以及可以由该方案使用以做出关于传感器的当前状态的确定的其它这种特性。
传感器数据5302可包括当前和历史传感器数据，其是来自诸如图7的超声传感器702的传感器的能量信号(例如，能量数据)或基于来自诸如图7的超声传感器702的传感器的能量信号(例如，能量数据)。传感器数据5302可以被提供给自适应阈值更新函数5304，其可以使用该数据来生成阈值数据5306。自适应阈值更新函数5304可以仅使用当前传感器数据或当前传感器数据和历史传感器数据二者，以及任何额外的参数，视情况而定。自适应阈值更新函数5304充当一种低通滤波器，其允许能量信号的缓慢变化对自适应阈值具有显著影响，而能量信号的较快变化对自适应阈值具有最小或可忽略影响。因此，引起能量信号的缓慢变化的因素，诸如房间中的温度变化，可以在自适应阈值中自动补偿，而引起能量信号的快速变化的因素，诸如手指按压，将被正确地检测为超过阈值。
阈值数据5306可表示这种阈值：超过该阈值(例如，低于该阈值)则能量信号应被认为已经触发触摸事件。条件分析器5308可以比较传感器数据5302(例如，能量数据)和阈值数据5306，以确定触发事件(例如，触摸事件)是否已经发生。例如，当来自传感器数据5302的当前能量信号下降到阈值数据5306中的当前阈值以下时，可以假定触摸事件已经发生。在一些情况中，条件分析器5308还可向自适应阈值更新函数5304提供反馈，以更新自适应阈值更新函数5304的参数。例如，能量信号降到阈值以下的速度、程度或次数可用于操纵自适应阈值更新函数5304如何从传感器数据5302生成阈值数据5306。如果检测到触发事件(例如，触摸事件)，则条件分析器5308可以输出触发数据5310中的一个或多个触发值。触发数据5310可包括指示触发事件(例如，触摸事件)是否已经发生的当前触发数据和历史触发数据。例如，可以基于能量数据、触发数据和阈值数据来更新阈值数据，其中，更新阈值数据包括生成后续阈值。
在一些情况中，触发数据5310可以由条件分析器5308使用以进一步通知关于是否已经发生触发事件的条件分析器5308的决策。例如，历史触发数据可由条件分析器5308用于确认或反驳可能的触发事件。然而，在一些情况中，触发数据5310可由条件分析器5308用于向自适应阈值更新函数5304提供更新的参数，使得自适应阈值更新函数5304基于当前和/或历史触发数据进一步更新。
在一些情况中，触发数据5310可被传递到触发分析器5312以确定传感器状态5314。触发分析器5312可以从触发数据5310取得信息，以确定最近的触发事件是触摸、轻击还是触发事件的其它这种分类。随后触发分析器5312可以输出其确定作为传感器状态5314。传感器状态5314不仅可以指示触发事件，而且可以指示与触发事件相关联的状态的分类。例如，虽然触发数据5310可以采取表示触发是否已经发生的形式(例如，二进制信号)，但是传感器状态5314还可以采取表示传感器处于什么状态的形式。示例传感器状态包括保持、轻击、按压、双击等。传感器状态的分类可以从预定列表中选择，每个列表具有不同的能量信号的图案。
如本文所使用的，各种信号可被认为包括多个数据点，这些数据点包括当前数据点(例如，最近的数据点)和任何数量的先前数据点。如本文所使用的，术语历史数据可包括当前数据点和过去数据点。数据点可以表示为模拟或数字信号。
图54是根据本公开的特定方面的示例曲线图5400，其描绘了与识别触摸事件相关联的能量信号5402和自适应阈值5404。如参照图53所述，能量信号5402可以是来自任何合适的传感器数据5302，诸如图7的超声传感器702。诸如参照图53所述，自适应阈值5404可以是从能量信号5402生成的阈值数据5306。
如在图54中所描绘的，在曲线图5400的整个过程中能量信号5402的强度的逐渐变化反映在自适应阈值5404中。具体地说，如在没有快速尖峰发生时的相对恒定的段中可见的，能量信号5402的平均强度随时间稳定地减小，这随后反映本身随时间稳定地减小的在自适应阈值5404中。然而，被描绘为能量信号5402中的快速负尖峰的与触摸事件相关联的快速变化没有完全反映在自适应阈值5404中，其允许能量信号5402下降到自适应阈值5404以下。每当能量信号5402下降到自适应阈值5404以下时，该系统可以注册触摸事件。根据检测到的触摸事件的各种属性(诸如频率、强度、持续时间和如本文所公开的其它这样的属性)，可以做出关于触摸事件的分类(例如，传感器的状态)的确定，诸如传感器是否正被轻击、按压、保持、双击或以其它方式操纵。
C.用于触摸事件检测的递归神经网络
图55是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了通用递归神经网络5500。递归神经网络5500是一种数据分析技术，其运转以将输入数据5502转换为输出数据5508。递归神经网络5500可用于从能量信号识别触摸事件(例如，如在图52的框5204中可见)和从触摸事件和/或能量信号识别状态分类(例如，如在图52的框5206中可见)中的一个或两个。例如，输入数据5502可以是能量信号或来自任何合适的传感器的能量数据，诸如图7的超声传感器702，并且输出数据可以是触发信号或状态分类信号。例如，超声传感器可以向递归神经网络提供能量数据，以生成指示触摸事件的发生的输出数据。
递归神经网络5500可以使输入数据5502通过任意数量的节点跨越任意数量的层，直到生成输出数据5508为止。在一些情况中，输出数据(例如，输出数据5508)可包括与触摸事件相关联的状态分类信息。一个或多个隐藏层5504、5506可以位于输入数据5502与输出数据5508之间。在每个隐藏层5504、5506内，节点5510可将输入数据处理成传出数据。在节点5510中，可以接收和处理(例如，求和并通过函数传递)任何数量的输入以生成输出。在示例节点5514中，接收三个输入(例如，其它层的加权版本，诸如wi k,1；wi k,2；wi k,m((i-1))并将它们求和，并且通过函数传递以生成单个输出(例如，ai k)。换句话说，在一些情况中，节点的输出可以是前一层的输出的线性组合的决策函数，可选地具有如下参照抽头延迟线所述的额外反馈。在其它情况下，到节点5514的输入可被线性组合，随后传递到另一函数f。该函数f可以是激活函数，其可以是线性或非线性的。例如，激活函数可包括sigmoid函数、双曲正切函数、整流线性单元(ReLU)函数、识别函数和/或任何合适的激活函数。激活函数可以将输出约束成任何合适的界限(例如，0到1、-1到1、-0.5到0.5等)之间的概率形式。随后，来自节点5510的输出可被传递到后续层中的一个、一些或所有节点，或者，在处于最终层的情况下，可被传递到输出并用于连同来自该同一层的其他输出生成输出数据5508(例如，通过求和或其它函数)。
如在图55中所描绘的，递归神经网络5500还可以利用抽头延迟线5512。每个抽头延迟线5512可用于为特定层(例如，层5504)的一个、一些或所有节点5510提供输入，该特定层可经由抽头延迟线5512从该层或后面的层(例如，层5506或输出5508)接收当前输出或延迟输出。在一些情况中，抽头延迟线5512还可提供输入数据5502的延迟版本作为特定层的每一节点5510的输入。示例抽头延迟线5516描绘了来自层j 5506的输入的向量(例如，a j)，其经过延迟并作为输入被输出到层i 5504的各个层(例如，wd i,j)。以这种方式，来自后续层的输出(例如，历史输出)可以通知递归神经网络5500中的较早层。抽头延迟线5512可包括来自任何适合长度时间的数据。例如，抽头延迟线5512可以提供来自过去的单个帧或来自多个帧的数据。
图55中的递归神经网络5500被描绘为具有单个输入(例如，输入数据5502)、包含m(i)个不同节点的隐藏层i 5504、包含m(j)个不同节点的隐藏层j 5506、单个输出(例如，输出数据5508)。在一些情况中，根据本公开的特定方面使用的递归神经网络5500可包括任何合适数量的输入、层、节点和输出。通过向系统提供标记的传感器数据，可以通过受监督的机器学习预先训练递归神经网络5500，以允许更新每个节点的函数(例如，每个节点的权重值)，直到递归神经网络5500如期望地那样执行为止。
在一些情况中，可以使用与多个历史触摸事件相关联的历史能量数据来训练递归神经网络。历史能量数据可包括记录和存储在适当的存储器和/或数据库中的先前能量数据。多个历史触摸事件可包括关于先前触摸事件的数据。例如，历史能量数据可包括可以与历史触摸事件相关联的能量的下沉(例如，“0”指示没有触摸，“1”指示触摸)。历史触摸事件可包括一组状态分类中的每一个的一个或多个。例如，触摸事件“1”可以与状态分类“轻击”相关联。
在一些实施例中，可以通过用户输入从多个可用的状态分类中选择所述一组状态分类。所述多个可用的状态分类可包括例如可供用户选择的状态分类的列表。例如，在一些情况中，多个可用的状态分类可包括轻击、双击、按压和保持。在其它情况下，多个可用状态类别可包括轻击、按压、双按压和抓握。多个可用的状态分类可包括状态分类的任何合适的组合。
在其它实施例中，多个历史触摸事件还可包括多个非触摸事件。非触摸事件可以便于训练额外的递归神经网络以拒绝错误肯定事件。非触摸事件可包括例如指示没有触摸的触摸事件。例如，非触摸事件可以与能量信号中的下沉相关联，但是可以与滴水触摸外表面而不是通过手指的事件相关联，如本文所述。在一些情况中，可以提示用户抵靠用户希望分类为非触摸事件的其它对象(例如，笔、织物等)触摸外表面。以这种方式，用户可以提供与用户不希望装置确定触摸事件的情况相关联的非触摸事件数据。在一些情况中，装置可以将来自递归神经网络的输出数据提供给额外的递归神经网络，以生成与触摸事件相关联的状态分类信息。
图56是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了用于识别触发事件的示例递归神经网络5600。递归神经网络5600对于从超声能量信号有效且精确地检测触发事件可以是特别有用的。
在输入5602处，传感器数据可以以来自诸如图7的超声传感器702的超声传感器的能量信号的形式被提供给递归神经网络5600。该能量信号在隐藏层1 5604的两个节点5610、5612上以及抽头延迟线5618上传递，该抽头延迟线基于来自输入5602的能量信号将一个或多个延迟信号提供给隐藏层1 5604的节点5610、5612。例如，抽头延迟线5618可被设定为向隐藏层1 5604提供最后三或四帧的能量信号。此外，隐藏层1 5604的节点5610、5612可以将抽头延迟线5620的输出作为额外输入，该抽头延迟线可被配置为输出递归神经网络5600的输出5608的设定数量的过去帧。例如，抽头延迟线5620可被配置为提供经由递归神经网络5600的输出5608输出的数据的紧接的前一帧作为到隐藏层15604的输入。来自隐藏层15604的节点5610、5612的输出随后可作为输入传递到隐藏层2 5606的节点5614、5616。随后，隐藏层2 5606的节点5614、5616的输出可以作为触发数据传递到输出5608(例如，被组合并输出)。
在一些情况中，用于从超声能量信号中识别触发数据的效率和精度的强组合可以是使用具有第一层和第二层的递归神经网络5600，其中所述第一层接收传感器数据、过去的传感器数据和过去的触发数据的某些组合，所述第二层接收第一层的输出。来自该第二层的输出可被用于生成触发数据输出。
递归神经网络5600可被提前训练和/或由用户训练。递归神经网络5600的训练可包括提供被适当标记为触摸事件或不是触摸事件的能量信号。该训练数据可由补充输入装置(例如，物理按钮或电触点)提供，该补充输入装置在超声传感器检测与触摸事件相关联的能量信号时，同时地记录所述触摸事件；或者通过将记录的能量信号与触摸事件相关联，诸如通过指示用户以在特定时间或以特定节奏发起触摸事件。一旦已经获得训练数据，递归神经网络可以通过受监督的机器学习进行编程或训练，其允许更新每个节点的函数(例如，每个节点的权重值)，直到递归神经网络5600如期望地执行(例如，精确地识别触发事件)为止。在一些情况中，每当超声传感器联接到新材料堆叠时，可以重新训练递归神经网络5600。
由于通常的递归神经网络的本质，输出5608可以采取数字的形式。从该数字推断适当的触发数据可包括将阈值应用于递归神经网络5600的实际输出5608。例如，如果递归神经网络5600输出在0与1.0之间的数字，则可以在这两个数字之间设定阈值，如果高于该阈值，输出可以被认为是触发事件(例如，触摸事件)，并且如果处于该阈值或低于该阈值，输出可以被认为不是触发事件(例如，没有触摸事件)，或者反之亦然。在该示例中，阈值可以被设定为0.5，因此0.55的输出可以被认为是触摸事件。在一些情况中，递归神经网络5600可以调整它的灵敏度，而不是简单地通过调整该阈值来重新训练整个神经网络。因此，为了降低错误触发的可能性(例如，降低灵敏度)，阈值可以从0.5移动到0.6。因此，相同的0.55的输出将不被认为不是触摸事件。
在一些情况中，无监督的机器学习模型可以分析尚未被标记的数据。无监督的机器学习模型可包括任何合适类型的无监督的机器学习模型，例如，群聚(例如，k均值、分级群聚等)、异常检测等。所述多个触发值可以由该装置在用户使用的同时进行测量。例如，用户可以执行可以被记录的任何适当数量的触摸事件。在这一点上，来自触摸事件的多个触发值可能尚未被标记为例如轻击、保持、按压等。所述多个触发值可至少包括0s和1s，其指示在特定时间检测到的触摸。包括连续触发值的数据项可用于确定状态。
无监督的机器学习模型可以对多个触发值或由其创建的数据项进行分组(例如，使用群聚方法)。作为说明性示例，无监督的机器学习模型可以将类似于(0，0，0，1，1，1，0，0，0)的数据项分组到第一集群。无监督的机器学习模型可以将类似于(0，0，1，1，0，0，1，1，0，0)的数据项分组到第二集群。无监督的机器学习模型可以基于多个触发数据来创建任何合适数量的集群。
可以提示用户提供受监督的数据(例如，提供期望的触摸事件)。在一些实施例中，递归神经网络5600可以基于受监督数据进一步确定从无监督的机器学习模型确定的集群的分类，作为训练递归神经网络5600的一部分。例如，具有类似于(0，0，0，1，1，1，0，0，0)的数据项的集群可以被标记为“轻击”，而具有类似于(0，0，1，1，0，0，1，1，0，0)的数据项的集群可以被标记为“双击”。
D.用于状态分类的递归神经网络
图57是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了使用一组递归神经网络5706、5708进行触摸检测和状态分类的示例环境5700。环境5700示出可呈现在计算装置(诸如图7的计算装置724)上的用户界面5702，用于生成与超声传感器(例如，图7的超声传感器702)如何能够解释能量信号有关的信息。用户界面5702允许用户选择要检测和标识的那些状态。随后，可以训练递归神经网络5706、5708来识别所选择的状态。然而，应该理解的是，递归神经网络5706、5708不限于识别所选择的状态。例如，递归神经网络5706、5708可被训练成基于触发数据来识别触发输出。
在一些情况中，单个递归神经网络可用于基于作为输入的接收能量信号来生成指示状态的输出。然而，如在图57中所描绘的，第一递归神经网络5706可以接收能量信号作为输入5704并输出触发信号，该触发信号随后可作为输入传递到第二递归神经网络5708，该第二递归神经网络随后可输出状态信号作为输出5710。在图57中，输出5710被描绘为假想特征空间的曲线图。在该假想特征空间中，不同的可能状态基于它们在该假想特征空间中的位置是可区分的。假想特征空间可以被描绘为二维的，尽管它实际上可以基于任何数量的维度，包括一维或多于二维。环境5700的输出5710可以指示超声传感器的特定状态，诸如被轻击、触摸、按压、双击或任何其它合适的状态。
如在图57中所描绘的环境5700示出了单个输入并且描绘可以被放到输入中的四个可能的能量模式。然而，在一些情况中，单个环境5700可以利用多个传感器向(一个或多个)递归神经网络提供多个能量信号。
当训练环境5700的(一个或多个)递归神经网络时，可以存储模型信息。在一些情况中，模型信息可以本地存储在传感器处(例如，存储在与驱动超声换能器的处理器相关联的数据存储上)，尽管不需要总是这种情况。在一些情况中，模型信息可以远程地存储(例如，在与传感器分离的计算装置上)或者可以被拆分，诸如将用于确定是否已经发生触发事件的模型信息本地地存储在传感器处，以及将用于基于触发信号来确定传感器的状态的模型信息远程地存储。模型信息可以是可用于生成，并且可选地解释，来自输入能量信号的输出的任何信息。例如，模型信息可包括关于在环境5700的任何(一个或多个)递归神经网络中发现的结构和权重的信息。
在示例训练会话期间，用户可以选择一组状态以训练到模型信息中。如在图57中所描绘的，所选择的状态包括单击、双击和保持。在被提示这样做时，用户可以参与与每个状态相关联的每个动作，从而生成能量信号作为输入数据。由于用户被提示参与特定动作，环境5700可以将检测到的能量信号关联为与特定状态(例如，单击或双击)相关联。如在图57中所描绘的，与单击相关联的信息以绿色示出，双击以蓝色示出，保持以黄色示出，并且错误事件以红色示出。例如，可以通过提示用户触摸传感器的周围而不是触摸传感器的正上方来生成错误事件，以使算法更不容易受这种不期望的错误输入的影响，并且因此使其对紧密位于传感器上方的本地输入更敏感。可以从一个或多个用户一次或重复地收集训练数据，直到(一个或多个)递归神经网络被充分训练为止。
在一些情况中，训练可以是离线的(例如，对一组测试传感器和针对用于该特定应用的所有传感器编写的最佳网络参数执行)，或者可以提示用户在系统初始化时由用户执行训练会话(例如，这可以类似于电话上的指纹登入)。该方法也可以是所述两种方法的组合。例如，该方法可包括离线训练和在用户使用期间的一些优化。在其它情况下，数据(例如，能量数据、状态数据、触发数据等)可以在云上或通过其它合适的通信信道共享，以加强训练数据数据库，以便改进网络模型、训练和优化。
在一些情况中，递归神经网络对于时间序列数据可以特别有用，并且对于不同的材料堆叠和不同的环境条件可更容易优化。在一些情况中，具有多个递归神经网络的环境可允许从传感器(例如，从驱动超声换能器的处理器)输出不同类型的有用信息。例如，传感器可以输出各自来自环境5700中的不同点的能量信号、触发信号和状态信息。因此，同一传感器可以批量生产并以各种不同的方式快速使用。虽然一些客户可能更喜欢利用触发信号，但是其它客户可能希望利用状态信息。因此，同一批量生产的传感器可以满足不同客户的需求。此外，如果在一个单元中安装有多个传感器，则主机/客户还可以决定如何在动作触发时和/或甚至在训练时将来自传感器网络的信息组合为捆绑事件，这样的示例可以是滑动条或鼠标板(mouse pad)。通常，在一个单元中安装有多个传感器的情况下，来自多个传感器的信息可以用于增强算法的性能并提高其鲁棒性。
X.应用
图58是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了具有超声输入装置的电子装置。电子装置5800可包括壳体5802、屏幕5804、一个或多个前置按钮5806、一对超声输入装置5808和单独的超声输入装置5810。电子装置5800可包括处理器、存储器和网络接口。在一些实施例中，超声输入装置可以联接到电子装置5800的处理器。
在一些实施例中，所述一对超声输入装置5808可以限定输入触摸区域5812以检测用户输入。例如，用户可以接触输入触摸区域5812以调整电子装置的音量、亮度等。在一些实施例中，超声输入装置的阵列可以被定位在屏幕下方或诸如电子装置的侧面或背面的其它位置，以检测触摸输入并代替或增强电子装置的电容触摸或力触摸能力或机械按钮。单个超声输入装置5810可以限定输入触摸区域5814以检测用户输入。输入触摸区域5814可被配置为控制装置电源、屏幕开/关等。
在一些实施例中，超声输入装置可以用于检测在一个或多个前置按钮5806中的每一个处的触摸输入。超声输入装置可以代替用于检测指纹传感器上的触摸输入的电容感测。超声输入装置提供低功率解决方案以检测指纹传感器上的触摸输入。在一些实施例中，一个或多个超声输入装置可以定位在壳体5802的背面5820上的标志5822下方以检测用户输入。它们也可以被放置在电子装置的侧面的下方，以代替通常使用的侧面机械按钮，例如用于电源或音量。
图59是根据本公开的特定方面的具有超声输入装置5904的方向盘5902的示意图。超声输入装置5904可以用于在方向盘5902上形成触摸输入区域以检测触摸输入。超声输入装置5904的柔性便于通过用于制造方向盘的多种材料(诸如塑料、皮革、木材等)来检测触摸输入。方向盘5902的横截面5906示出了联接到表面5908以形成触摸输入区域5910的超声输入装置。触摸输入区域可以与多个触摸输入区域组合，用于诸如巡航控制、信息娱乐输入控制、蜂窝通信控制、音量和驾驶员检测系统的应用。例如，超声输入装置5904可以用于驾驶员检测系统中以确定驾驶员的手是否与方向盘接触。
图60是根据本公开的特定方面的使用超声输入装置的小键盘6000的示意图。可用于设计超声输入装置位于下方的的触摸区域的形状和材料仅受限于设计者的创造力。例如，在图60中示出了12键标准电话小键盘。小键盘6000可包括12个超声输入装置6002以针对每个键形成触摸区6004。作为另一示例，小键盘6000可包括23个或更少的超声输入装置6002。
图61根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了使用超声输入装置的机器人臂。机器人臂6100可包括第一手指6102和第二手指6104。超声输入装置可以被实施为机器人手指输入装置。第一手指6102和第二手指6104可以分别包括第一超声输入装置6106和第二超声输入装置6108。第一超声输入装置6106可在第一手指6102的表面上形成接触区域6110，第二超声输入装置6108可在第二手指上形成第二接触区域6112。超声输入装置改进了机器人臂的检测能力，这是由于它们可以集成到包括任何材料的手指中。此外，超声输入装置可以检测触摸输入，而不需要切口和/或集成到手指中的不同材料。
在一些情况中，超声输入装置可以通过分析能量测量信号来识别被触摸的材料的类型。在一些情况中，超声输入装置可以识别正被抓握的对象的弹性。例如，弹性较小的对象总体上将比弹性较大的对象吸收更少的超声，因此引起总体上更高的能量测量信号。在一些情况中，关于对象的弹性的确定可用于调整机器人臂的行为，诸如调整机器人臂抓取对象的力。在一些情况中，超声输入装置能够基于分析与对象相关联的能量测量信号来检测对象的纹理或其它机械属性。在一些情况中，对来自超声输入装置的能量测量信号的分析可与其它输入(诸如机器视觉)组合，以确认或作出关于机器人臂将与其交互或正与其交互的对象的确定。
图62是根据本公开的特定方面的示意图，其描绘了使用超声输入装置6204的一件家具6202。超声输入装置6204可以以任何合适的方式联接到家具6202。用户在超声输入装置6204的位置处或附近触摸家具6202可由超声输入装置6204(例如，通过超声触摸传感器6212)检测。在检测到触摸时，超声输入装置6204可以执行任何预编程的功能。例如，超声输入装置6204的通信模块6214可将信号(例如，无线信号)发送到与超声输入装置6204和/或家具6202间隔开的控制模块6206。控制模块6206可以控制另一装置，诸如联接到灯泡6210的功率开关6208。因此，在按压家具6202上的位于或邻近超声输入装置6204的位置时，灯泡6210可被打开、关闭或以其它方式被控制。被控制的装置(例如，灯泡6210)可以与超声输入装置6204处于相同的环境中，尽管不需要总是这种情况。在一些情况中，被控制的装置可以位于邻近的环境中或者甚至在遥远的环境中。
在一些实施例中，一件家具或IoT可以配备有这些超声输入装置中的一个或多个，这些超声输入装置可以单独地运转或以彼此通信以执行多个任务的传感器网络的形式运转。传感器还可以通过IoT装置本身或通过传感器的通用可编程处理器与其它装置上的其它传感器进行通信，以交换信息。
根据本公开的特定方面的超声输入装置6204可以在非常低的功率下运转，诸如来自内部电池6216。这种电池供电的低功率运转可以允许在以其它方式难以接近或不方便的位置使用超声输入装置6204。例如，灯开关可以被纳入到桌子或书桌中，或者电视遥控器可以被纳入到椅子的扶手中。
在一些情况中，超声输入装置6204可以定位在隐藏表面6218上，以便在正常运转期间隐藏超声输入装置6204不被看见。隐藏表面6218可以是桌子(例如，家具6202)的下侧、一件家具的内侧、墙壁的内侧、或隐藏而不被看到的任何其它合适的位置。因此，隐藏的超声输入装置仅能由知道其位置的那些人致动，对于另外的人其将被隐藏而不被看到。
图63是根据本公开的特定方面的一组图表，其描绘了展示材料检测的超声输入装置的能量测量信号。能量测量信号的特性，诸如形状、持续时间、斜率或其它特性，可以被用来确定与超声输入装置交互的材料。例如，裸露的人类手指可以引起与戴着塑料手套的人类手指不同的能量测量信号。顶部的图表描绘了来自接触超声输入装置的裸露人类手指的能量测量信号的示例，其中当手指被移除时，特性快速下降并相对较快速的增大回基线信号。然而，底部的图表描绘了来自戴着塑料手套的人类手指的能量测量信号的示例。当戴上塑料手套时，能量测量信号具有与没有戴上塑料手套时不同的特性。例如，当戴上塑料手套时，在手指被移除后，能量测量信号可辨别的较慢地增大回到基线信号。这种相对较慢的增大部分是由于塑料手套与超声输入装置的基底的交互之间的轻微粘性。虽然人类手指可以更快地拉开，但是手指周围的塑料手套将倾向于在基底上保持短的持续时间，这在所得到的能量测量信号中是可辨别的。这种类型的比较可用于确定发起触摸事件的材料。
XI.额外的压电式阵列设计
图64是根据本公开的特定方面的压电式谐振器阵列6400的示意图，其包含可用于超声输入装置的压电悬臂6402。压电式谐振器阵列6400可包含基底6404上的一组压电悬臂6402。压电式谐振器阵列6400在被声学联接到材料层(例如，图1的材料层102)时可以以特定的声学谐振运转。当触摸事件正在发生时，触摸事件可引起压电式谐振器阵列6400不同地谐振。由触摸事件引起的声学谐振的这种变化可以被检测并且用作超声输入装置中的传感器信号，诸如代替PMUT。此外，压电悬臂6402可被驱动弯曲并因此引起发射的信号。
图65是根据本公开的特定方面的压电式谐振器阵列6500的示意图，其包含可用于超声输入装置的压电柱6502。压电式谐振器阵列6500可包含基底6504上的一组压电柱6502。当声学联接到材料层(例如，图1的材料层102)时，压电式谐振器阵列6500可以以特定的声学谐振运转。当触摸事件正在发生时，触摸事件可以引起压电式谐振器阵列6500不同地谐振。由于触摸事件引起的声学谐振的这种变化可以被检测并且用作超声输入装置中的传感器信号，诸如代替PMUT。此外，压电柱6502可被驱动以弯曲并因此引起发射的信号。压电柱6502可以以任何合适的图案布置，例如六边形网格。
实施例的多个方面可以以模块化或集成的方式使用硬件电路(例如，专用集成电路或现场可编程门阵列)和/或使用具有总体上可编程处理器的计算机软件以控制逻辑的形式来实施。如本文所使用的，处理器可包括单核处理器、在同一集成芯片上的多核处理器、或在单个电路板或联网的多个处理单元以及专用硬件。基于本文提供的公开和教导，本领域普通技术人员将知道并理解使用硬件以及硬件和软件的组合来实施本发明的实施例的其它方式和/或方法。
本申请中所述的任一种软件组件或函数可以作为软件代码实施，该软件代码可以通过使用任何适合计算机语言(例如，Java、C、C++、C#、Objective-C、Swift或脚本语言，诸如使用例如常规或面向对象技术的Perl或Python)的处理器执行。软件代码可以作为一系列指令或命令存储在计算机可读介质上以用于存储和/或传输。适合的非临时性计算机可读介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁性介质(诸如硬盘驱动器或软盘)或光学介质(诸如光盘(CD)或DVD(数字通用光盘))、闪存等。计算机可读介质可以是这种存储或传输装置的任何组合。
这种程序还可以使用载波信号来编码和传输，该载波信号适合于通过符合多种协议的有线、光学和/或无线网络(包括因特网)传输。因此，计算机可读介质可以使用利用这种程序编码的数据信号建立。利用程序代码编码的计算机可读介质可以与兼容装置一起封装或与其它装置分开提供(例如，通过因特网下载)。任何这种计算机可读介质可以存在于单个计算机产品(例如，硬盘驱动器、CD或整个计算机系统)上或内，并且可以存在于系统或网络内的不同计算机产品上或内。计算机系统可包括监测器、打印机或其它合适的显示器，以用于将本文提及的任何结果提供给用户。
本文所述的任何方法可以完全或部分地利用计算机系统执行，该计算机系统包括一个或多个可配置以执行多个步骤的处理器。因此，实施例可以涉及被配置以执行本文所述的任何方法的步骤的计算机系统，其潜在地利用不同组件执行相应的步骤或相应的步骤组。本文中的方法的步骤尽管作为编号的步骤呈现，但其可以同时或在不同时间或按不同顺序执行。此外，这些步骤的多个部分可以结合其它方法的其它步骤的多个部分使用。而且，步骤的全部或多个部分可以是可选的。此外，任何方法的任何步骤都可以利用执行这些步骤的模块、单元、电路或其它手段来执行。
特定实施例的具体细节可以以任何合适的方式组合而不脱离本发明实施例的精神和范围。然而，本发明的其它实施例可以涉及与每个单个方面或这些单个方面的特定组合有关的特定实施例。
本发明的示例实施例的以上描述已经为了说明和描述的目的而呈现。不希望其是穷尽性的或将本发明限制于所述的确切形式，并且根据以上教导，可以进行许多修改和变化。
除非特别相反地指示，否则“一(a)”、“一个(an)”或“所述(the)”的叙述意指“一或多个”。除非特别相反地指示，否则“或”的使用意指“兼或”，而非“异或”。提及“第一”组件不一定需要提供第二组件。此外，除非明确说明，否则提及“第一”或“第二”组件并不将所提及的组件限制于特定位置。术语“基于”旨在表示“至少部分基于”。
在此提及的所有专利、专利申请、公开和描述的全部内容通过引用纳入在本文中，以用于所有目的。不承认其是在先技术。
Claims (99)
1.一种方法，包括：
由联接到材料层的第一表面的换能器发射指向材料层的第二表面的超声信号，该材料层在所述第一表面与所述第二表面之间具有距离；
由所述换能器检测反射的超声信号；
确定反射的超声信号的波幅；
确定所述波幅超过与穿透所述第二表面的超声信号的一部分相关联的阈值；并且
在所述波幅超过所述阈值的情况下，生成指示所述第二表面上的触摸输入的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
由所述换能器检测额外的反射的超声信号，其中，所述额外的反射的超声信号与所述反射的超声信号的回声相关联；
确定所述额外的反射的超声信号的额外波幅；并且
通过在确定所述波幅超过所述阈值之前添加所述额外波幅来更新所述波幅。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超声信号包括第一频率和第二频率，并且所述方法还包括：
确定与第一频率相关联的第一波幅和与第二频率相关联的第二波幅；
确定第一波幅和第二波幅小于所述阈值；并且
在第一波幅和第二波幅小于所述阈值的情况下，生成指示第二表面上的输入触摸的信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料层包括玻璃、金属、皮革、木材、陶瓷、塑料和石材中的至少一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述反射的超声信号的波幅包括以下步骤中的一个：
对检测到的超声信号进行整流和积分；
累加检测到的超声信号的绝对值；以及
对检测到的超声信号求平方并积分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述反射的超声信号的波幅还包括将能量测量窗口包络应用于所述反射的超声信号。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述反射的超声信号的波幅包括对检测到的超声信号的绝对值进行累加，并且其中，对检测到的超声信号的绝对值进行累加包括将负计时直流电荷应用于开关电容器模拟累加器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述反射的超声信号的波幅是通过联接到所述换能器的专用集成电路的模拟电路执行的。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
计算所述反射的超声信号的波幅的移动平均值；并且
基于所述移动平均值计算所述阈值。
10.一种方法，包括：
由换能器发射指向材料层的第二表面的超声信号，所述换能器联接到材料层的第一表面，该材料层在第一表面与第二表面之间具有距离；
由所述换能器检测反射的超声信号；
确定与所述反射的超声信号相关联的能量值；
确定所述能量值超过与穿透所述第二表面的超声信号的部分相关联的阈值；并且
在所述能量值超过所述阈值的情况下，生成指示所述第二表面上的触摸输入的信号。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括由所述换能器检测额外的反射的超声信号，其中，所述额外的反射的超声信号与所述反射的超声信号的回声相关联，其中，所述能量值还与所述额外的反射的超声信号相关联。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述能量值是通过联接到所述换能器的专用集成电路的模拟电路执行的。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述能量值包括：
对所述反射的超声信号进行整流以提供整流信号；
对所述整流信号的部分进行积分以提供积分信号；并且
由模数转换器测量所述积分信号以确定所述能量值。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述能量值包括：
计算检测到的反射的超声信号的绝对值；
对与检测到的反射的超声信号相关联的绝对值进行累加，以提供累加信号；以及
由模数转换器测量所述累加信号以确定所述能量值。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述能量值包括：
通过将所述反射的超声信号通过自混频电路来对检测到的反射的超声信号求平方，以提供求平方的信号；
对所述求平方的信号进行积分，以提供积分信号；以及
由模数转换器测量所述积分信号以确定所述能量值。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括：
计算所述反射的超声信号的波幅的移动平均值；以及
基于所述移动平均值计算所述阈值。
17.一种装置，包括：
主体，包括内表面和外表面；
换能器，联接到所述内表面；
电路，与所述换能器联接并且被配置为：
发射指向所述外表面的超声信号；
使用所述换能器检测一组至少一个反射的超声信号；
确定所述一组至少一个反射的超声信号的波幅；
确定所述波幅超过阈值，其中，所述阈值与穿透所述外表面的至少一个超声信号的部分相关联；并且
在所述波幅超过所述阈值的情况下，生成指示所述外表面上的触摸输入的信号。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述一组至少一个反射的超声信号包括第一反射的超声信号和第二反射的超声信号，其中，第二反射的超声信号与第一反射的超声信号的回声相关联。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述装置包括移动电话。
20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述装置包括方向盘、信息娱乐输入、中控台控制件、小键盘中的至少一个或多个。
21.根据权利要求17所述的装置，其中，所述主体包括玻璃、金属、皮革、木材和石材中的至少一种或多种。
22.根据权利要求17所述的装置，其中，所述装置包括机器人手指输入装置。
23.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电路包括联接到所述换能器的一个或多个处理器和存储器，其中，所述存储器包括用于检测所述触摸输入的多个指令，所述多个指令在由一个或多个处理器执行的情况下，使得所述装置执行所述电路被配置为执行的步骤。
24.根据权利要求17所述的装置，还包括联接到所述内表面的额外换能器，其中，所述电路还联接到所述额外换能器并被配置为：
发射指向所述外表面的额外的超声信号；
使用所述额外换能器检测与所述额外的超声信号相关联的额外的反射的超声信号；
确定额外的反射的超声信号的额外波幅；
确定所述额外波幅超过额外阈值，其中，所述额外阈值与穿透所述外表面的额外的超声信号的部分相关联；并且
在所述额外波幅超过所述额外阈值的情况下并且在所述波幅超过所述阈值的情况下，生成指示所述外表面上的触摸输入的信号。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述额外的超声信号具有不同于所述超声信号的频率。
26.根据权利要求24所述的装置，其中，所述换能器和所述额外换能器是同心的。
27.根据权利要求24所述的装置，其中，所述换能器和所述额外换能器联接到单个电路板。
28.根据权利要求17所述的装置，其中，所述换能器是压电式微机械超声换能器。
29.根据权利要求17所述的装置，其中，所述换能器包括多个信道，这些信道包括一组传输信道和至少一个接收信道，其中，所述至少一个接收信道定位在所述一组传输信道的子集之间。
30.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电路包括专用集成电路，该专用集成电路包括模拟电路，并且其中，确定所述波幅使用专用集成电路的模拟电路执行。
31.一种系统，包括：
超声输入装置，联接到具有外表面的材料层，该外表面位于所述材料层的与所述超声输入装置相对的位置，其中，所述超声输入装置联接到所述材料层，以通过所述材料层朝向所述外表面传输发射的信号并接收与所述发射的信号相关联的一组反射的超声信号，其中，所述一组反射的超声信号包括至少一个反射的超声信号，并且其中，所述一组反射的超声信号与对象与材料层的外表面之间的触摸事件相关联；以及
一个或多个数据处理器，被配置为执行以下操作，包括：
确定与所述一组反射的超声信号相关联的能量信号；
提取与所述能量信号相关联的特征信息；
基于所提取的特征信息来确定与所述对象相关联的推断；以及
生成与所确定的推断相关联的输出信号。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，提取所述特征信息包括识别与能量测量中的下沉相关联的能量信号中的图案，该能量测量的下沉与所述触摸事件相关联。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，识别所述图案包括识别所述下沉的深度、所述下沉的持续时间、在所述下沉之后的后续下沉的存在、所述下沉与另一下沉之间的延迟、在所述下沉边缘处的能量信号的变化速度中的一个或多个。
34.根据权利要求32所述的系统，其中，识别所述图案包括识别可归因于所述材料层中的温度漂移的能量信号的变化，并且其中，确定所述推断包括基于识别出的、可归因于所述材料层中的温度漂移的能量信号的变化来估计所述对象的相对温度。
35.根据权利要求32所述的系统，其中，确定所述推断包括将所述图案与存储数据进行比较，其中，所述存储数据与所述外表面的先前触摸事件相关联。
36.根据权利要求31所述的系统，其中，确定所述推断包括使用所述特征信息来确定所述触摸事件与选自由人类手指、裸露的人类手指、潮湿的人类手指、干燥的人类手指和戴上手套的人类手指所组成的组中的一个相关联。
37.根据权利要求31所述的系统，其中，所述特征信息包括所述能量信号的大小和/或所述能量信号的变化，并且其中，确定所述推断包括：
将所述大小和/或所述变化与相应阈值进行比较以确定所述触摸事件是与人类手指相关联还是与水滴相关联。
38.根据权利要求31所述的系统，其中，确定所述推断包括使用所述特征信息来确定所述触摸事件的触摸方式、与所述触摸事件相关联的触摸强度和所述对象的物理特性中的一个或多个。
39.根据权利要求38所述的系统，其中，确定所述推断还包括：基于将所述触摸事件与所述触摸事件的触摸方式、与所述触摸事件相关联的触摸强度或所述对象的物理特性中的一个或多个相关联来识别所述对象与多个用户中的一个相关联。
40.根据权利要求38所述的系统，其中，所述对象的物理特性是与接触所述外表面的指纹的部分相关联的测量。
41.根据权利要求31所述的系统，其中，所述操作还包括确定与额外传感器相关联的额外信号，该额外传感器与所述超声输入装置相关联，其中，确定所述推断还包括使用所述额外信号。
42.一种计算机实施的方法，包括：
使用超声输入装置传输发射的信号，该超声输入装置联接到具有外表面的材料层，该外表面位于所述材料层的与所述超声输入装置相对的位置，其中，所述发射的信号通过所述材料层朝向所述外表面；
接收与所述发射的信号相关联的一组反射的超声信号，其中，所述一组反射的超声信号包括至少一个反射的超声信号，并且其中，所述一组反射的超声信号与对象与材料层的外表面之间的触摸事件相关联；
确定与所述一组反射的超声信号相关联的能量信号；
提取与所述能量信号相关联的特征信息；
基于所提取的特征信息来确定与所述对象相关联的推断；并且
生成与所确定的推断相关联的输出信号。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，提取所述特征信息包括识别与能量测量中的下沉相关联的能量信号中的图案，该能量测量中的下沉与所述触摸事件相关联。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，识别所述图案包括识别所述下沉的深度、所述下沉的持续时间、在所述下沉之后的后续下沉的存在、所述下沉与另一下沉之间的延迟、在所述下沉边缘处的能量信号的变化速度中的一个或多个。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，识别所述图案包括识别可归因于所述材料层中的温度漂移的能量信号的变化，并且其中，确定所述推断包括基于识别出的、可归因于所述材料层中的温度漂移的能量信号的变化来估计所述对象的相对温度。
46.根据权利要求43所述的方法，其中，确定所述推断包括将所述图案与存储数据进行比较，其中，所述存储数据与所述外表面的先前触摸事件相关联。
47.根据权利要求42所述的方法，其中，确定所述推断包括使用所述特征信息来确定所述触摸事件与选自由人类手指、裸露的人类手指、潮湿的人类手指、干燥的人类手指和戴上手套的人类手指所组成的组中的一个相关联。
48.根据权利要求42所述的方法，其中，确定所述推断包括使用所述特征信息来确定所述触摸事件的触摸方式、与所述触摸事件相关联的触摸强度和所述对象的物理特性中的一个或多个。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，确定所述推断还包括：基于将所述触摸事件与所述触摸事件的触摸方式、与所述触摸事件相关联的触摸强度或所述对象的物理特性中的一个或多个相关联来识别所述对象与多个用户中的一个相关联。
50.根据权利要求48所述的方法，其中，所述对象的物理特性是与接触所述外表面的指纹的部分相关联的测量。
51.根据权利要求42所述的方法，还包括确定与额外传感器相关联的额外信号，该额外传感器与所述超声输入装置相关联，其中，确定所述推断还包括使用所述额外信号。
52.一种触摸传感器芯片，包括：
超声传感器层，包括超声换能器的阵列，其中，所述超声换能器的阵列包括一个或多个超声换能器；以及
集成电路层，联接到所述超声传感器层，其中，所述集成电路层包括电路，其被配置为：
驱动所述超声换能器的阵列以生成超声信号；
使用所述超声换能器的阵列接收反射的超声信号；并且
生成与接收到的反射的超声信号相关联的能量信号。
53.根据权利要求52所述的芯片，其中，所述超声传感器层和集成电路层被封闭在壳体内，该壳体可联接到材料层，触摸事件可通过该材料层被所述超声传感器层感测到。
54.根据权利要求52所述的芯片，其中，在制造期间，所述传感器层被形成并晶圆结合到所述集成电路层。
55.根据权利要求52所述的芯片，其中，在制造期间，所述传感器层被直接制造到所述集成电路层上。
56.根据权利要求52所述的芯片，其中，所述超声换能器的阵列包括被配置为用于传输超声信号的超声换能器的传输组和被配置为用于接收与传输的超声信号相关联的超声反射的超声换能器的接收组。
57.根据权利要求56所述的芯片，其中，超声换能器的传输组包括超声换能器的高频传输子集和超声换能器的低频传输子集，并且其中，超声换能器的接收组包括超声换能器的高频接收子集和超声换能器的低频接收子集。
58.根据权利要求57所述的芯片，其中，超声换能器的低频传输子集被布置为环绕超声换能器的低频接收子集，并且超声换能器的高频传输子集被布置为环绕超声换能器的高频接收子集。
59.根据权利要求56所述的芯片，其中，所述集成电路层包括超声传输电路和超声接收电路，其中，所述超声传输电路电联接到超声换能器的传输组并且不电联接到超声换能器的接收组，并且其中，所述超声接收电路电联接到超声换能器的接收组并且不电联接到超声换能器的传输组。
60.根据权利要求52所述的芯片，其中，所述超声换能器的阵列被布置为促进通过材料层的波束成形，其中触摸事件可通过该材料层被所述超声传感器层感测到。
61.根据权利要求52所述的芯片，其中，所述一个或多个超声换能器是一个或多个压电式微机械超声换能器、一个或多个电容微机械超声换能器、一个或多个集成的体压电式换能器或者一个或多个非集成的体压电式换能器。
62.一种方法，包括：
在联接到传输超声换能器的集成电路中生成驱动信号，所述传输超声换能器位于联接到所述集成电路的超声换能器的阵列中；
响应于所述驱动信号，通过所述传输超声换能器生成发射的超声信号，其中，生成所述发射的超声信号包括沿正交于所述材料层的外表面的纵向方向将所述发射的超声信号传输通过材料层；
在所述超声换能器的阵列中在接收超声换能器处接收一组反射信号，其中，所述一组反射信号包括与所述发射的超声信号相关联的一个或多个超声信号；
测量与接收到的一组反射信号相关联的能量信号；并且
基于所测量的能量信号确定在所述材料层的外表面处已经发生触摸事件。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，测量所述能量信号包括：
使用所述集成电路的模拟电路生成与接收到的一组反射信号相关联的非负的模拟信号；并且
通过将所述模拟信号转换成数字信号生成所述能量信号。
64.根据权利要求62所述的方法，其中，所述超声换能器的阵列位于联接到集成电路层的传感器层内，该集成电路层包括所述集成电路，并且其中，所述传感器层和所述集成电路层被封闭在可联接到所述材料层的壳体内。
65.根据权利要求64所述的方法，其中，在制造期间，所述传感器层被形成并晶圆结合到所述集成电路层。
66.根据权利要求64所述的方法，其中，在制造期间，所述传感器层被直接制造到所述集成电路层上。
67.根据权利要求62所述的方法，其中，还包括：
在所述集成电路中生成额外的驱动信号；
使用所述额外的驱动信号驱动额外的传输超声换能器，以生成额外的发射的超声信号；
在额外的接收超声换能器处接收额外的一组反射信号，其中，所述额外的一组反射信号与所述额外的发射的超声信号相关联；
测量与所接收到的额外的一组反射信号相关联的额外的能量信号；并且
其中，还基于所测量的额外的能量信号确定所述触摸事件已经发生。
68.根据权利要求67所述的方法，其中，所述额外的发射的超声信号的频率与所述发射的超声信号的频率不同。
69.根据权利要求62所述的方法，其中，所述超声换能器的阵列包括多个传输超声换能器和多个接收超声换能器，并且其中，所述多个传输超声换能器被布置为环绕所述多个接收超声换能器。
70.根据权利要求62所述的方法，其中，所述集成电路包括超声传输电路和超声接收电路，其中，所述超声传输电路电联接到所述传输超声换能器并且不电联接到所述接收超声换能器，并且其中，所述超声接收电路电联接到所述接收超声换能器并且不电联接到所述传输超声换能器。
71.根据权利要求62所述的方法，还包括：
在所述集成电路中生成一个或多额外的驱动信号；以及
使用所述一个或多个额外的驱动信号驱动一个或多个额外的传输超声换能器，以生成一个或多个额外的发射的超声信号，其中，所述一个或多个额外的发射的超声信号和所述发射的超声信号被设计成交互以实现相长干涉的期望图案，以促进波束成形，其中，所述一组反射信号包括与所述发射的超声信号相关联的一个或多个超声信号和所述一个或多个额外的发射的超声信号。
72.根据权利要求71所述的方法，其中，所述接收超声换能器由所述传输超声换能器和所述至少一个额外的传输超声换能器环绕，并且其中，相长干涉的期望图案是可调整的，以改变所述材料层的外表面上响应于触摸的灵敏区域的表面积。
73.根据权利要求62所述的方法，其中，所述传输超声换能器是压电式微机械超声换能器，并且其中，所述接收超声换能器是压电式微机械超声换能器。
74.根据权利要求73所述的方法，其中，通过材料层传输所述发射的超声信号包括在所述材料层的外表面的法线的20％范围内传输所述发射的超声信号。
75.一种方法，包括：
接收与联接到材料层的超声输入装置相关联的能量数据，其中，所述能量数据包括与响应于所述超声输入装置通过所述材料层朝向所述材料层的外表面传输发射的信号而在所述超声输入装置处接收到的反射的超声信号相关联的当前能量值和过去能量值；
将所述能量数据与阈值数据进行比较，以生成用于触发数据的当前触发值，其中，在所述当前能量值超过所述阈值数据的当前阈值的情况下，所述触发数据指示触摸事件的发生；并且
基于所述能量数据、所述触发数据和所述阈值数据来更新所述阈值数据，其中，更新所述阈值数据包括生成后续阈值。
76.根据权利要求75所述的方法，还包括：
接收与所述能量数据相关联的后续值；以及
将与所述能量数据相关联的后续值与后续阈值信号进行比较，以生成与所述触发数据相关联的后续触发值。
77.根据权利要求75所述的方法，其中，更新所述阈值数据是基于所述当前能量值和预设数量的过去能量值的，并且其中，在所述能量数据具有向上趋势的情况下，所述后续阈值大于所述当前阈值。
78.根据权利要求75所述的方法，其中，所述触发数据包括所述当前触发值和过去触发值，其中，更新所述阈值数据是基于所述当前触发值和预设数量的过去能量值的。
79.根据权利要求75所述的方法，其中，更新所述阈值数据包括确定所述能量数据的值随持续时间的变化速度并且基于所确定的速度生成所述后续阈值。
80.根据权利要求75所述的方法，其中，更新所述阈值数据包括确定所述能量数据的值随持续时间的变化程度并且基于所确定的程度生成所述后续阈值。
81.根据权利要求75所述的方法，其中，更新所述阈值数据包括确定在某一持续时间内由所述触发数据所指示的触摸事件的数量并且基于在所述持续时间内由所述触发数据所指示的触摸事件的数量来生成所述后续阈值。
82.根据权利要求75所述的方法，其中，将所述能量数据与所述阈值数据进行比较以生成所述当前触发值还包括使用所述触发数据的过去触发值来确认所述触摸事件已经发生。
83.根据权利要求75所述的方法，其中，基于所述能量数据、所述触发数据和所述阈值数据更新所述阈值数据包括应用自适应阈值更新函数，其中，所述自适应阈值更新函数被配置为，允许所述能量数据的较慢变化比所述能量数据的较快变化对所述阈值数据具有更多的影响。
84.根据权利要求75所述的方法，还包括：
分析所述触发数据以确定传感器状态并且基于所述传感器状态生成输出。
85.一种方法，包括：
接收与联接到材料层的超声输入装置相关联的能量数据，其中，所述能量数据包括与响应于所述超声输入装置通过所述材料层朝向所述材料层的外表面传输发射的信号而在所述超声输入装置处接收到的反射的超声信号相关联的当前能量值和过去能量值；以及
将所述能量数据提供给递归神经网络，以生成指示在所述材料层的外表面处发生触摸事件的输出数据。
86.根据权利要求85所述的方法，还包括：
基于触发值确定与所述触摸事件相关联的状态分类。
87.根据权利要求85所述的方法，其中，使用与多个历史触摸事件相关联的历史能量数据来训练所述递归神经网络。
88.根据权利要求87所述的方法，其中，所述多个历史触摸事件包括一组状态分类中的每一个的一个或多个。
89.根据权利要求88所述的方法，其中，所述一组状态分类是通过用户输入从多个可用状态分类中选择的。
90.根据权利要求85所述的方法，其中，所述多个历史触摸事件还包括多个非触摸事件，以促进训练额外的递归神经网络来拒绝错误肯定事件。
91.根据权利要求85所述的方法，其中，所述输出数据包括与所述触摸事件相关联的状态分类信息。
92.根据权利要求85所述的方法，还包括将所述输出数据从所述递归神经网络提供给额外的递归神经网络，以生成与所述触摸事件相关联的状态分类信息。
93.根据权利要求92所述的方法，其中，使用与在所述外表面处的多个历史触摸事件相关联的历史能量数据来训练所述额外的递归神经网络，并且其中，所述多个历史触摸事件包括一组状态分类中的每一个的一个或多个。
94.根据权利要求93所述的方法，其中，所述一组状态分类是通过用户输入从多个可用状态分类中选择的。
95.根据权利要求93所述的方法，其中，所述多个历史触摸事件还包括多个非触摸事件，以促进训练所述额外的递归神经网络来拒绝错误肯定事件。
96.根据权利要求85所述的方法，其中，所述递归神经网络包括第一隐藏层和第二隐藏层，其中，提供所述输出数据的抽头延迟线作为到第一隐藏层的输入，并且其中，来自第一隐藏层的输出被提供作为到第二隐藏层的输入。
97.根据权利要求85所述的方法，其中，将所述能量数据提供给所述递归神经网络包括将当前能量数据和预设数量的过去能量值提供给所述递归神经网络。
98.一种控制器，被配置为执行权利要求42至51以及75至97所述的方法。
99.一种计算机可读介质，包括可由处理器执行的代码，以用于实施权利要求42至51以及75至97所述的方法。
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