CN113920551B - 超声波图像传感器及相关电子装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超声波图像传感器及相关电子装置。所述超声波图像传感器耦接弦波脉冲信号产生电路，所述超声波图像传感器和所述弦波脉冲信号产生电路设置于盖板下方，所述超声波图像传感器用以传感从所述盖板上方接触所述盖板的待测物体的表面图案，所述超声波图像传感器包括：上电极，耦接所述弦波脉冲信号产生电路；下电极阵列，包含第一下电极；压电层，设置于所述上电极以及所述下电极阵列之间，其中所述压电层通过所述弦波脉冲信号产生电路产生的弦波脉冲信号激励以产生超声波，所述超声波沿所述盖板传输到达所述待测物体后产生反射回波，所述反射回波沿所述盖板传输回到所述压电层，使所述压电层产生接收信号；以及检波电路阵列。
Description
技术领域
本申请涉及一种传感器，尤其涉及一种超声波图像传感器及相关电子装置。
背景技术
屏下指纹识别是近几年兴起的一种指纹识别技术，但目前的屏下指纹识别方案往往具有诸多缺陷，在分辨率、灵敏度和信噪比上都有改进的空间。因此如何解决上述问题，已成为本领域亟需解决的问题之一。
发明内容
本申请的目的之一在于公开一种超声波图像传感器及相关电子装置，来解决上述问题。
本申请的一实施例公开了一种超声波图像传感器，所述超声波图像传感器耦接弦波脉冲信号产生电路，所述超声波图像传感器和所述弦波脉冲信号产生电路设置于盖板下方，所述超声波图像传感器用以传感从所述盖板上方接触所述盖板的待测物体的表面图案，所述超声波图像传感器包括：上电极，耦接所述弦波脉冲信号产生电路；下电极阵列，包含第一下电极；压电层，设置于所述上电极以及所述下电极阵列之间，其中所述压电层通过所述弦波脉冲信号产生电路产生的弦波脉冲信号激励以产生超声波，所述超声波沿所述盖板传输到达所述待测物体后产生反射回波，所述反射回波沿所述盖板传输回到所述压电层，使所述压电层产生接收信号；以及检波电路阵列，包含第一检波电路，耦接所述第一下电极，用来判断所述接收信号的幅度，所述第一检波电路包括：运算放大器，具有正端、负端与输出端，所述输出端用以输出所述超声波图像传感器的传感结果；电容单元，耦接于所述运算放大器的所述输出端与所述负端之间；重置开关，与所述电容单元并联设置；第一开关，耦接于参考电压及所述第一下电极之间；以及第二开关，耦接于所述第一下电极及所述运算放大器的所述负端之间。
本申请的一实施例公开了一种电子装置，包括上述的超声波图像传感器；所述弦波脉冲信号产生电路；以及所述盖板。
相较于现有技术，本申请的超声波图像传感器及相关电子装置具有高分辨率与高灵敏度的效果。
附图说明
图1为本申请的超声波图像传感器的第一实施例的立体示意图。
图2为图1的超声波图像传感器设置于电子装置的电路连接关系的示意图。
图3中绘示了图2的电子装置的部分细节。
图4为图2的电子装置的操作时序图。
图5为本申请的超声波图像传感器的第二实施例的示意图。
图6为本申请的超声波图像传感器的第三实施例的示意图
图7为本申请的超声波图像传感器的第二实施例的立体示意图。
图8为图7的超声波图像传感器设置于电子装置的电路连接关系的示意图。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10%、5%、1%或0.5%之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比（例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者）均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
图1为本申请的超声波图像传感器的第一实施例的立体示意图。超声波图像传感器100设置于盖板126之下，用以传感从盖板126上方接触所述盖板的待测物体（例如手指128）的表面图案。超声波图像传感器100和盖板126可另设置有显示屏124，这样的设置方式可用来实现屏下指纹识别，但本申请的超声波图像传感器100的应用不以此限。
超声波图像传感器100包含检波电路阵列102、下电极阵列122、压电层118以及上电极120。在本实施例中，检波电路阵列102以互补式金属氧化物半导体（CMOS）工艺实现，包含结构相同且设置于同一平面的多个检波电路102_1～102_16，下电极阵列122包含结构相同且设置于同一平面的多个下电极122_1～122_16，多个检波电路102_1～102_16和多个下电极122_1～122_16以一对一的关系彼此耦接。应注意的是，检波电路阵列102所包含的检波电路的数目和排列方式仅为示意；相同地，下电极阵列122所包含的下电极的数目和排列方式亦仅为示意。
压电层118由具有压电效应的材料构成，包括不限于聚偏二氟乙烯和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物等。压电层118的厚度会影响压电层118所产生超声波的频率，例如9um的厚度对应约12MHz的超声波发射频率。
图2为图1的超声波图像传感器设置于电子装置的电路连接关系的示意图。电子装置200中包含图1的超声波图像传感器100、显示屏124、盖板126、弦波脉冲信号产生电路110以及控制电路104。控制电路104用来控制弦波脉冲信号产生电路110以及检波电路阵列102中的多个检波电路102_1～102_16。图3中针对电子装置200中的部分元件绘示了较详细的细节，以下将利用图3的检波电路102_1来说明本申请的超声波图像传感器100及相关的电子装置200的运作原理。
控制电路104用来产生控制信号SW0，来控制弦波脉冲信号产生电路110产生弦波脉冲信号Vtx。如图4所示，弦波脉冲信号Vtx具有脉冲周期T，脉冲周期T中包含第一时段D1与第二时段D2，在第一时段D1中，弦波脉冲信号Vtx的电压不固定，且为弦波，在本实施例中，第一时段D1中包含连续的两个高压正弦波，所述两个高压正弦波的周期为t，且频率在1～30MHz之间，即每一脉冲周期T中，正弦波脉冲个数N为2，且幅度为Va，即峰-峰电压为2Va，在本实施例中，Va大于5V，某些实施例中甚至可大于80V，以尽可能地增大发射强度；在第二时段D2中，弦波脉冲信号的电压固定在直流偏置电压Vd。
请一并参阅图3与图4，弦波脉冲信号产生电路110耦接至上电极120，弦波脉冲信号Vtx的各脉冲周期T之中的两个高压正弦波会使压电层118两端受到高压正弦波激励，压电层118会将电能转换为机械能，即产生超声波穿过显示屏124沿着盖板126传输。超声波到达手指128后产生反射回波，回波沿着盖板126传输，穿过显示屏124后回压电层118，压电层118会将机械能转换为电能，即产生接收信号Vs。接收信号Vs是一串弦波脉冲，其幅度大小与指纹纹路谷脊有关，因此通过检波电路102_1传感接收信号Vs的幅度，可以用来得到指纹图案。应注意的是，针对手指以外的待测物，本申请的超声波图像传感器亦可以传感出其表面的深浅图案。
检波电路102_1包括运算放大器106、电容单元108、重置开关112、第一开关114及第二开关116。其中运算放大器106具有正端（+）、负端（-）与输出端。电容单元108的电容值为CI，耦接于运算放大器106的输出端与负端（-）之间。重置开关112与电容单元108并联设置。第一开关114耦接于参考电压Vx及下电极122_1之间。第二开关116耦接于下电极122_1及运算放大器106的负端（-）之间。运算放大器106的正端（+）耦接于参考电压Vx。其中重置开关112受信号rst控制，第一开关114受信号ck1控制，以及第二开关116受信号ck2控制。信号rst、信号ck1以及信号ck2由控制电路104产生。在本实施例中，重置开关112、第一开关114以及第二开关116可以使用N型晶体管来实现，但本申请不以此为限。
压电层118等效地包含信号产生器1182及寄生电容1184。信号产生器1182用来依据反射回波RX产生接收信号Vs。寄生电容1184耦接至信号产生器1182，用来接收接收信号Vs。其中压电层118的寄生电容1184的电容值为CS。
如图4所示，当SW0为低电压电平时，压电层118工作于超声波发射阶段，由超声波发射阶段经过时间Tf后，反射回波回到压电层118，使压电层118工作于超声波接收阶段，应确保连续的N个高压正弦波在时间Tf之内发射完毕，以免产生彼此干扰的情况。因此本实施例中N仅为2。但即使N仅为2，由于超声波传输过程中会产生复杂的反射叠加，导致使接收信号Vs会拓宽为一串弦波脉冲。在本实施例中，选择接收信号Vs中具有最大幅度的两个弦波来进行幅度的采样，以提高精度。在图4中，最大幅度的两个弦波的起始点距离超声波发射阶段的起始点的时间间隔为T1。
通过多个连续的脉冲周期T，可以重复地进行超声波发射阶段和超声波接收阶段，其中各脉冲周期T中，都会对具有最大幅度的两个弦波进行幅度采样，并持续地将采样结果累加起来。
具体来说，本申请的检波电路102_1在信号rst为高电压电平时进入重置阶段。在所述重置阶段，重置开关112导通，信号ck2为低电压电平使第二开关116不导通，由于运算放大器106形成负反馈，运算放大器106的输出端及负端（-）电压会被限制和正端（+）电压相同，即参考电压Vx。且电容单元108两端电压相同使其电容值被清零。此外，在所述重置阶段，信号ck1可以为高电压电平使第一开关114导通，以顺便对压电层118的寄生电容1184进行重置。
在信号rst为低电压电平时重置开关112不导通，检波电路102_1进入一般阶段。具体来说，在所述一般阶段若要对接收信号Vs进行幅度的采样，第一开关114和第二开关116需要依据接收信号Vs的频率进行开关。在图4所示的操作实施例中，针对最大幅度的两个弦波的波峰降至波谷的期间，信号ck1为低电压电平使第一开关114不导通，信号ck2为高电压电平使第二开关116导通，使检波电路102_1进入采样模式。
在所述一般阶段的其余时间，第一开关114导通且第二开关116不导通，使检波电路102_1进入非采样模式。因此，对时间点T1开始的连续两个周期t来说，各周期t中有一半的时间（t*0.5）中检波电路102_1在所述采样模式，以及另一半的时间（t*0.5）中检波电路102_1在所述非采样模式。
如图4所示，在每次采样模式中，接收信号Vs的电压改变量会依特定比例反应且累加在运算放大器106的输出端，并贡献ΔVout。若接收信号Vs的幅度为VA，接收信号Vs由波峰降至波谷，即接收信号Vs的电压改变量为-2*VA，则ΔVout=2*VA*CS/CI，使运算放大器106的输出端的电压Vout往上累积。由于ΔVout和接收信号Vs的幅度VA正比，因此可以实现检波作用。只要不进入重置阶段，每重复一次所述采样模式的过程，运算放大器106的输出端的电压Vout都会增加ΔVout，因此重复n个周期后，输出电压Vout=Vx+n*2*ΔVout。这样一来，可以提高检波电路102_1的灵敏度。
在每次非采样模式中，接收信号Vs的电压改变量不会反应且不会累加在运算放大器106的输出端，使运算放大器106的输出端的电压Vout在所述非采样模式维持不变。
在某些实施例中，采样模式也可以是在接收信号Vs由波谷升至波峰的时间进行。这种情况下，接收信号Vs的电压改变量为2*VA，则ΔVout=-2*VA*CS/CI。也就是使运算放大器106的输出端的电压Vout由参考电压Vx往下以负的方式累积。
在某些实施例中，由于非理想性因素，例如器件失调、寄生电容等原因，会使运算放大器106的输出端的电压Vout带有静态噪声，造成检波电路102_1的动态范围被占用。图5为本申请的超声波图像传感器的第二实施例的示意图，图5的检波电路502_1可用来取代图2的检波电路阵列102中的各检波电路102_1～102_16。图5的检波电路502_1和图3的检波电路102_1的差异在于，检波电路502_1的运算放大器106的正输入端（+）耦接至第三校正电压Vc，以抵销非理想性因素导致运算放大器106的输出端的电压Vout带有的静态噪声。
具体来说，在每次采样模式中，第三校正电压Vc和参考电压Vx的电压差会依特定比例反应且累加在运算放大器106的输出端，即贡献CS/CI*(Vc-Vx) 的电压并累加在运算放大器106的输出端。通过调整第三校正电压Vc，可以使CS/CI*(Vc-Vx)刚好抵销非理想性因素导致运算放大器106的输出端的电压Vout带有的静态噪声的值，使静态噪声不会在多次采样模式下不断地积累。
图6为本申请的超声波图像传感器的第三实施例的示意图，图6的检波电路602_1可用来取代图2的检波电路阵列102中的各检波电路102_1～102_16。检波电路602_1和图3的检波电路102_1的差异在于，图6中额外包含校正电极130、第一校正开关136以及第二校正开关138。校正电极130设置于下电极122_1下方且平行下电极122_1。第一校正开关136耦接于校正电极130以及第一校正电压V1之间，其中第一校正开关136受信号ck1控制，使第一校正开关136的导通状态同步于第一开关114。第二校正开关138耦接于校正电极130以及第二校正电压V2之间，其中第二校正开关138受信号ck2控制，使第二校正开关138的导通状态同步于第二开关116。其中校正电极130和下电极122_1之间具有等效寄生电容132，其电容值为CB。
图6的检波电路602_1在每次采样模式中，第一校正开关136以及第二校正开关138受到信号ck1和ck2的控制，会贡献CB/CI*(V1-V2)的电压并累加在运算放大器106的输出端。通过调整等效寄生电容132的电容值CB、第一校正电压V1及/或第二校正电压V2，可以使CB/CI*(V1-V2)刚好抵销非理想性因素导致运算放大器106的输出端的电压Vout带有的静态噪声的值，使静态噪声不会在多次采样模式下不断地积累。
图6中还包含屏蔽电极134设置于下电极122_1下方且平行下电极122_1，屏蔽电极134耦接至直流电压V3，屏蔽电极134用以屏蔽耦合到下电极122_1的噪声。屏蔽电极134和校正电极130可同时设置或择一设置，当屏蔽电极134和校正电极130同时设置时，可将屏蔽电极134和校正电极130设置于同一平面。
图7为本申请的超声波图像传感器的第二实施例的立体示意图。超声波图像传感器700和超声波图像传感器100的差别在于，超声波图像传感器700的检波电路阵列702以CMOS工艺实现，包含结构相同且设置于同一平面的多个检波电路702_1～702_8，多个检波电路702_1～702_8和多个下电极122_1～122_16以一对二的关系彼此耦接。也就是两个下电极共享一个检波电路。
图8为图7的超声波图像传感器设置于电子装置的电路连接关系的示意图。电子装置800中包含图7的超声波图像传感器700、显示屏124、盖板126、弦波脉冲信号产生电路110以及控制电路104。控制电路104用来控制弦波脉冲信号产生电路110以及检波电路阵列702中的多个检波电路702_1～702_8。具体来说，图8的实施例将图2的检波电路102_1和检波电路102_2合并为检波电路702_1；将图2的检波电路102_3和检波电路102_4合并为检波电路702_2，并依此类推。以检波电路102_1和检波电路102_2来说，使检波电路102_1的第一开关114及第二开关116和检波电路102_2的第一开关114及第二开关116共用一组运算放大器106、电容单元108、重置开关112，以得到检波电路702_1。
换句话说，检波电路702_1和检波电路102_1的结构差异在于检波电路702_1较检波电路102_1多了一组第一开关114及第二开关116（下称第三开关及第四开关），其中所述第三开关耦接于参考电压Vx及下电极122_2之间；所述第四开关耦接于下电极122_2及检波电路702_1的运算放大器106的所述负端之间。由于共用了部分元件，因此下电极122_1和下电极122_2处的检波是以分时的方式进行。
在某些实施例中，超声波图像传感器100/800还包括数字模拟转换器，通过开关耦接至检波电路阵列102/702中的各检波电路。
本申请的实施例的好处在于，使用CMOS工艺实现的检波电路阵列102/702，精度可以优于0.2um，可以轻松实现50um的像素尺寸（分辨率），可提升屏下指纹辨识的精度。此外，利用CMOS集成电路工艺实现的运算放大器具备优异的性能，可以提升信噪比。以图4的时序图为例，重复n个周期后，信噪比可以提高10倍。此外，使用CMOS工艺实现的检波电路阵列102/702很容易和读出电路和数字模拟转换器共同集成在同一颗芯片内，彼此之间的互联线很短，因此读出过程有很好的抗环境干扰的能力。
本申请的电子装置200/800包括但不限于移动通信设备、超移动个人计算机设备、便携式娱乐设备和其他具有数据交互功能的电子设备。移动通信设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。超移动个人计算机设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。便携式娱乐设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。
上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。
Claims (13)
1.一种超声波图像传感器，其特征在于，所述超声波图像传感器耦接弦波脉冲信号产生电路，所述超声波图像传感器和所述弦波脉冲信号产生电路设置于盖板下方，所述超声波图像传感器用以传感从所述盖板上方接触所述盖板的待测物体的表面图案，所述超声波图像传感器包括：
上电极，耦接所述弦波脉冲信号产生电路；
下电极阵列，包含第一下电极；
压电层，设置于所述上电极以及所述下电极阵列之间，其中所述压电层通过所述弦波脉冲信号产生电路产生的弦波脉冲信号激励以产生超声波，所述超声波沿所述盖板传输到达所述待测物体后产生反射回波，所述反射回波沿所述盖板传输回到所述压电层，使所述压电层产生接收信号；以及
检波电路阵列，包含第一检波电路，耦接所述第一下电极，用来判断所述接收信号的幅度，所述第一检波电路包括：
运算放大器，具有正端、负端与输出端，所述输出端用以输出所述超声波图像传感器的传感结果；
电容单元，耦接于所述运算放大器的所述输出端与所述负端之间；
重置开关，与所述电容单元并联设置；
第一开关，耦接于参考电压及所述第一下电极之间；以及
第二开关，耦接于所述第一下电极及所述运算放大器的所述负端之间；
所述弦波脉冲信号具有脉冲周期，所述脉冲周期包含第一时段与第二时段，在所述第一时段中，所述弦波脉冲信号包含N个周期为t的弦波，其中N为正整数，在所述第二时段中，所述弦波脉冲信号的电压固定；以及
所述第一检波电路依据所述脉冲周期对所述接收信号进行检波；
在重置阶段，所述重置开关导通及所述第二开关不导通，所述运算放大器的所述输出端输出所述参考电压；以及
在一般阶段，所述重置开关不导通，以及对应所述弦波脉冲信号的各所述脉冲周期，所述接收信号至少包含周期为t的N个波，且所述第一检波电路在对应所述N个波中的各周期t中，有t*R的时间被设置为采样模式，以及有t*(1-R)的时间被设置为非采样模式，其中R大于0且小于1，其中：
在所述采样模式，所述第一开关不导通且所述第二开关导通，使所述接收信号在所述采样模式期间的幅度改变依特定比例反应且累加在所述运算放大器的所述输出端；以及
在所述非采样模式，所述第一开关导通且所述第二开关不导通，使所述压电层产生的所述接收信号在所述非采样模式的幅度改变不反应且不累加在所述运算放大器的所述输出端，使所述运算放大器的所述输出端的电压在所述非采样模式维持不变。
2.如权利要求1所述的超声波图像传感器，其特征在于，还包括：
控制电路，用来控制所述弦波脉冲信号产生电路产生所述弦波脉冲信号，以及控制所述第一检波电路的所述重置开关、所述第一开关以及第二开关。
3.如权利要求1所述的超声波图像传感器，其特征在于，所述下电极阵列还包括第二下电极，以及所述检波电路阵列还包括第二检波电路，所述第二检波电路的结构和所述第一检波电路相同，且所述第二检波电路耦接所述第二下电极。
4.如权利要求1所述的超声波图像传感器，其特征在于，所述下电极阵列还包括第二下电极，以及所述第一检波电路还包括：
第三开关，耦接于参考电压及所述第二下电极之间；以及
第四开关，耦接于所述第二下电极及所述运算放大器的所述负端之间。
5.如权利要求1所述的超声波图像传感器，其特征在于，R为1/2，且：
所述第一检波电路在所述接收信号的所述N个波的波峰降至波谷的时间中，被设置为所述采样模式；以及
所述第一检波电路在所述接收信号的所述N个波的波谷升至波峰的时间中，被设置为所述非采样模式。
6.如权利要求5所述的超声波图像传感器，其特征在于，所述电容单元的电容值为CI，所述压电层的寄生电容的电容值为CS，所述N个波的波峰和波谷的电压差为2*VA，所述N个波的波峰降至波谷，使所述运算放大器的所述输出端的电压增加2*N*VA*CS/CI。
7.如权利要求1所述的超声波图像传感器，其特征在于，所述运算放大器的所述正端耦接至所述参考电压。
8.如权利要求7所述的超声波图像传感器，其特征在于，另包含：
校正电极，设置于所述第一下电极下方；
第一校正开关，耦接于所述校正电极以及第一校正电压之间，其中所述第一校正开关的导通状态同步于所述第一开关；以及
第二校正开关，耦接于所述校正电极以及第二校正电压之间，其中所述第二校正开关的导通状态同步于所述第二开关；
其中所述校正电极、所述第一校正开关以及所述第二校正开关用以抵销所述运算放大器的所述输出端带有的静态噪声。
9.如权利要求1所述的超声波图像传感器，其特征在于，所述运算放大器的所述正端耦接至第三校正电压。
10.如权利要求1所述的超声波图像传感器，其特征在于，另包含：
屏蔽电极，设置于所述第一下电极下方，所述屏蔽电极耦接至直流电压，所述屏蔽电极用以屏蔽耦合到所述第一下电极的噪声。
11.一种电子装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至10中任一项所述的超声波图像传感器；
所述弦波脉冲信号产生电路；以及
所述盖板。
12.如权利要求11所述的电子装置，其特征在于，另包含显示屏，其中所述盖板设置于所述显示屏的一侧，所述超声波图像传感器和所述弦波脉冲信号产生电路设置于所述显示屏的另一侧。
13.如权利要求12所述的电子装置，其特征在于，所述显示屏可允许声波穿过。
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