CN117121005A - 具有超声传感器的系统 - Google Patents
具有超声传感器的系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117121005A CN117121005A CN202280023143.7A CN202280023143A CN117121005A CN 117121005 A CN117121005 A CN 117121005A CN 202280023143 A CN202280023143 A CN 202280023143A CN 117121005 A CN117121005 A CN 117121005A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sensor
- user
- platen
- signal
- baseline
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 326
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 231
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 169
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 79
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 claims description 76
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 57
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 40
- 238000002106 pulse oximetry Methods 0.000 claims description 31
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 claims description 27
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 22
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 claims description 21
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 21
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 claims description 17
- 230000036541 health Effects 0.000 claims description 16
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims description 15
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims description 15
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 14
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 14
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 13
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 13
- 230000001815 facial effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 7
- 230000005055 memory storage Effects 0.000 claims description 7
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 6
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 6
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 claims description 5
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000008062 neuronal firing Effects 0.000 claims description 5
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 5
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 claims description 4
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 claims description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 3
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 3
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 237
- 210000003811 finger Anatomy 0.000 description 186
- 230000006870 function Effects 0.000 description 51
- 230000008569 process Effects 0.000 description 49
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 44
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 36
- 239000010408 film Substances 0.000 description 31
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 25
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 24
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 20
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 19
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 17
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 14
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 11
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 10
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 10
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 8
- 238000003491 array Methods 0.000 description 8
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 8
- 238000000819 phase cycle Methods 0.000 description 8
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 8
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 7
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 7
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 6
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 6
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 6
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 5
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 5
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 4
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 208000011580 syndromic disease Diseases 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 3
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 3
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 3
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 3
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 3
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 2
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000013481 data capture Methods 0.000 description 2
- 238000013479 data entry Methods 0.000 description 2
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003862 health status Effects 0.000 description 2
- 238000001802 infusion Methods 0.000 description 2
- NOESYZHRGYRDHS-UHFFFAOYSA-N insulin Chemical compound N1C(=O)C(NC(=O)C(CCC(N)=O)NC(=O)C(CCC(O)=O)NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(NC(=O)CN)C(C)CC)CSSCC(C(NC(CO)C(=O)NC(CC(C)C)C(=O)NC(CC=2C=CC(O)=CC=2)C(=O)NC(CCC(N)=O)C(=O)NC(CC(C)C)C(=O)NC(CCC(O)=O)C(=O)NC(CC(N)=O)C(=O)NC(CC=2C=CC(O)=CC=2)C(=O)NC(CSSCC(NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(CC=2C=CC(O)=CC=2)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(C)NC(=O)C(CCC(O)=O)NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(CC=2NC=NC=2)NC(=O)C(CO)NC(=O)CNC2=O)C(=O)NCC(=O)NC(CCC(O)=O)C(=O)NC(CCCNC(N)=N)C(=O)NCC(=O)NC(CC=3C=CC=CC=3)C(=O)NC(CC=3C=CC=CC=3)C(=O)NC(CC=3C=CC(O)=CC=3)C(=O)NC(C(C)O)C(=O)N3C(CCC3)C(=O)NC(CCCCN)C(=O)NC(C)C(O)=O)C(=O)NC(CC(N)=O)C(O)=O)=O)NC(=O)C(C(C)CC)NC(=O)C(CO)NC(=O)C(C(C)O)NC(=O)C1CSSCC2NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(NC(=O)C(CCC(N)=O)NC(=O)C(CC(N)=O)NC(=O)C(NC(=O)C(N)CC=1C=CC=CC=1)C(C)C)CC1=CN=CN1 NOESYZHRGYRDHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 2
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- UKDIAJWKFXFVFG-UHFFFAOYSA-N potassium;oxido(dioxo)niobium Chemical compound [K+].[O-][Nb](=O)=O UKDIAJWKFXFVFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 description 2
- 210000003371 toe Anatomy 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000004877 Insulin Human genes 0.000 description 1
- 108090001061 Insulin Proteins 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000003542 behavioural effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 1
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 1
- 230000001149 cognitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 210000001513 elbow Anatomy 0.000 description 1
- 229920006335 epoxy glue Polymers 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000008921 facial expression Effects 0.000 description 1
- 238000005206 flow analysis Methods 0.000 description 1
- 230000009969 flowable effect Effects 0.000 description 1
- 210000004247 hand Anatomy 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229940088597 hormone Drugs 0.000 description 1
- 239000005556 hormone Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 229940125396 insulin Drugs 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000006996 mental state Effects 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 1
- 210000001331 nose Anatomy 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 244000052769 pathogen Species 0.000 description 1
- 230000001717 pathogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000037081 physical activity Effects 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 description 1
- 230000036387 respiratory rate Effects 0.000 description 1
- 239000006120 scratch resistant coating Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
提供了一种用户分类系统。该系统包括用于产生传感器信号的传感器以及用户设备。该系统基于传感器信号对系统的用户进行分类。
Description
相关申请
本申请要求以下申请的优先权：2021年1月22日提交的美国临时专利申请序列号63/140,647(案卷号ORC-003-PR1)，标题为“Ultrasound Signal-Processing System andAssociated Methods”；2021年4月13日提交的美国临时专利申请序列号63/174,516(案卷号ORC-004-PR1)，标题为“Multi-Platen Ultrasound Fingerprint Sensors andAssociated Methods”；2021年5月17日提交的美国临时专利申请序列号63/189,567(案卷号ORC-005-PR1)，标题为“System Including User Classification”；以及2021年9月10日提交的美国临时专利申请序列号63/242,657(案卷号ORC-005-PR2)，标题为“SystemIncluding User Classification”；在此通过引用将上述每个申请的内容全部并入，用于所有目的。
技术领域
本文公开的实施例概括而言涉及包括一个或多个超声传感器的系统，例如用来接收来自用户的命令或者识别或评估用户的状况。
背景技术
许多商业设备包括用于收集用户信息的传感器。这些系统可包括用户识别功能，例如经由指纹或脸部识别来识别用户的功能。需要改进的系统、设备和方法，用于对系统的用户进行分类。
发明内容
根据本发明构思的一方面，一种用户分类系统包括被配置为产生传感器信号的传感器以及用户设备。该系统可被配置为基于传感器信号对系统的用户进行分类。
在一些实施例中，用户包括单个用户。
在一些实施例中，用户包括多个用户。
在一些实施例中，对用户进行分类包括确定和/或确认用户的身份。该系统可经由以下各项中的至少一者来确定和/或确认用户的身份：用户指纹数据；用户的脸部的图像；用户的语音的记录，和/或记录的用户生理数据。
在一些实施例中，对用户进行分类包括识别和/或确认用户的健康状况。该系统可经由以下各项中的至少一者来表征用户的健康状况：指纹数据；面部图像数据；语音记录数据；和/或生理数据。该系统可经由由传感器收集并且从包括以下各项的群组中选择的生理数据来表征用户的健康状况：脉搏血氧饱和度数据；血糖数据；EEG；LFP；神经元放电模式和/或其他脑数据；心率数据；呼吸数据；汗液数据；血气数据；以及这些的组合。
在一些实施例中，该系统被配置为执行校准例程。校准例程可被配置为校准传感器。校准例程可以在系统的一部分已被损坏和/或以其他方式运作不正常之后被执行。校准例程可被执行以适应用户设备的破裂屏幕并且允许对用户的成功识别。校准例程可包括至少两个校准例程。校准例程可包括可被执行来修改用户设备的第一校准例程和可后续被执行的第二校准例程。校准例程可在用户设备的使用期间被多次执行。校准例程可被配置为确认用户没有变化。校准例程可被配置为确认用户的健康状况没有变化。校准例程可被配置为防止以下情况中的一个或多个：用户切换；单个用户长时间使用；和/或由健康状况变得不可接受的用户使用。
在一些实施例中，该系统被配置为执行确认例程。确认例程可被执行来确认用户的多个指纹。可以根据预先指派的收集顺序来收集多个指纹。系统可向用户提供关于接下来要收集哪个指纹的反馈。
在一些实施例中，传感器包括定位在系统的另一组件中和/或上的一个或多个传感器。传感器可包括定位在用户设备中和/或上的一个或多个传感器。
在一些实施例中，传感器包括从包括以下各项的群组中选择的一个、两个或更多个传感器：基于超声的传感器；电容式触摸传感器；光学传感器；电传感器；磁传感器；力传感器；压力传感器；应变仪；生理传感器；麦克风，例如用于记录用户的语音的麦克风；相机，例如用于记录用户的脸部的相机；以及这些的组合。
在一些实施例中，系统还包括接口，用于向传感器提供驱动信号和/或用于从传感器接收传感器信号。
在一些实施例中，传感器包括与系统的一个或多个其他组件成一体(integralto)的一个或多个传感器。至少一个传感器可以与用户设备成一体。系统还可包括便携终端(fob)，并且至少一个传感器可以与便携终端成一体。系统还可包括附件设备，并且至少一个传感器可以与附件设备成一体。
在一些实施例中，传感器包括两个或更多个传感器。多个传感器可包括相似的传感器。多个传感器可包括不相似的传感器。
在一些实施例中，传感器包括基于超声的传感器。传感器可包括阵列，该阵列包括一个、两个或更多个超声换能器，该超声换能器被配置为发送和/或接收超声能量。
在一些实施例中，传感器被配置为当在潮湿和/或浸没在流体中的条件下操作时可运作。传感器可被配置为当在潮湿和/或浸没条件下操作时具有改善的性能。传感器可包括质量加载的(mass-loaded)超声换能器，例如朗之万(Langevin)换能器。
在一些实施例中，传感器包括阵列，该阵列包括行电极和列电极的布置。行电极和列电极可包括两组导体。两组导体可以彼此正交地布置。两组导体可排列成小于90°的角度、不大于89°的角度、和/或至少45°的角度。行电极和/或列电极中的至少一者可包括非均匀的宽度。非均匀宽度可被配置为允许光穿过行电极和列电极的布置。行电极和列电极可包括两组导体，并且导体可包括被配置为实现与包括均匀宽度的电极相当的电阻的厚度。
在一些实施例中，传感器被配置为提供用户指纹的最小分辨率。最小分辨率可包括至少100像素每英寸、至少200像素每英寸、至少350像素每英寸、至少500像素每英寸、和/或至少1000像素每英寸。最小分辨率可包括至少200μm的分辨率，例如至少100μm、75μm、50μm、25μm和/或10μm的分辨率。传感器可被配置为捕捉指纹的最小数目的像素。最小数目的像素可包括至少15,000个像素、至少25,000个像素、至少35,000个像素、至少50,000个像素、和/或至少100,000个像素。
在一些实施例中，传感器包括触摸传感器，该触摸传感器配置为检测用户的叩击和/或其他触摸。
在一些实施例中，传感器包括光传感器，该光传感器被配置为评估用户的活力和/或评估用户的另一生理参数。
在一些实施例中，传感器被配置为向用户提供热反馈和/或机械反馈。该系统还可包括用户设备，该用户设备包括用户界面，并且该用户设备可被配置为在黑暗模式中操作，并且经由反馈向用户提供通信。该系统可包括电池和/或其他能量源，并且反馈的形式和/或级别可以基于电池和/或其他能量源中剩余的能量的量。该系统可被配置为通过将用户的组织(tissue)温度提高至少0.2℃、至少0.5℃和/或至少1.0℃来提供热反馈。用户组织温度的提高可以不超过4℃、不超过10℃、不超过20℃、和/或不超过30℃。该系统可被配置为在不看模式中操作，并且在不要求用户的视觉注意的情况下经由反馈向用户提供通信。反馈可包括热反馈、机械反馈、和/或其他触觉反馈。
在一些实施例中，用户设备包括外壳，并且传感器被集成到用户设备的外壳中。传感器可被配置为产生和/或接收声波，并且传感器产生和/或接收的声波穿过用户设备的外壳的至少一部分。
在一些实施例中，传感器包括指纹传感器和脉搏血氧饱和度传感器。传感器还可包括准直器，该准直器包括光吸收材料，该材料被配置为吸收处于脉搏血氧饱和度传感器的频率范围的光，并且准直器可被定位在指纹传感器和脉搏血氧饱和度传感器之间，以减少由脉搏血氧饱和度传感器产生的记录中的杂波信号。准直器可包括高度和宽度比率，该比率被配置为提供最优发送角和接收角。
在一些实施例中，传感器包括聚焦透镜。
在一些实施例中，传感器包括多个电子附接点。传感器可包括至少100个电子附接点，至少200个电子附接点，或者至少300个电子附接点。传感器还可包括输入和输出通道，电子附接点与这些通道连接。用户设备还可包括前端ASIC，该前端ASIC被配置为将多个传感器通道转换为较少的传感器通道。
在一些实施例中，传感器被配置为提供系统所使用的信号，以基于用户的手掌和/或指纹的图像来识别用户。
在一些实施例中，传感器包括基于超声的传感器和电容式触摸传感器。基于超声的传感器可被定位在电容式触摸传感器下方。用户与电容式触摸传感器的接触可被配置为改变系统的当前状态，这是从包括以下各项的群组中选择的：关闭至开启；待机模式至唤醒模式；低功率模式至非低功率模式；静音模式至非静音模式；以及这些的组合。用户沿着电容式触摸传感器的顶表面的接触可被配置为定义在后续事件中将被系统使用的操作区。
在一些实施例中，传感器包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器包括一层ZnO。
在一些实施例中，传感器包括基于朗之万换能器的传感器。
在一些实施例中，传感器包括近距离布置并且被配置为作为单个传感器操作的多个传感器。多个传感器中的至少两个可被配置为相对于彼此旋转。多个传感器可包括多个基于超声的传感器。
在一些实施例中，用户设备包括从包括以下各项的群组中选择的一个、两个或更多个设备：蜂窝电话；智能手表；计算机设备；用户保护设备；运输设备；建筑装备；卡设备；存储器存储设备；加密钱包设备；锁；存储容器；实验室装备；医疗设备；以及这些的组合。
在一些实施例中，用户设备包括智能卡，并且传感器包括由PVDF构造而成的基于超声的传感器，并且传感器被定位在距离智能卡的第一表面的选定深度处。
在一些实施例中，该系统还包括一个或多个接口，这些接口被配置为将系统的两个或更多个组件与彼此对接。一个或多个接口可包括与用户设备成一体的至少一个接口。每个接口可被配置为以电气地、机械地、声学地、流体地、光学地和/或其它方式可操作地连接两个或更多个系统组件。一个或多个接口可包括至少一个接口，该接口被配置为将传感器可操作地连接到系统的另一组件。传感器可以可操作地连接到用户设备。
在一些实施例中，该系统还包括便携终端，该便携终端包括一个、两个或更多个便携终端。便携终端可包括传感器。传感器可包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器被配置为提供用于识别用户的指纹的信号。便携终端可包括接口，该接口被配置为将传感器与便携终端的另一部分相对接。便携终端可包括用户界面。便携终端可被配置为经由有线和/或无线连接向用户设备传输信息。便携终端可包括传感器的至少一部分，并且可被配置为识别用户的一个或多个指纹。便携终端可被配置为识别用户并且将对用户身份的确认传送到用户设备。可以经由指纹来识别用户，该指纹是经由由便携终端的传感器的至少一部分提供的信号识别的。便携终端可包括传感器的第一部分，并且可被配置为收集用户的机密数据，并且用户设备可包括传感器的第二部分，该第二部分被配置为收集用户的非机密数据，并且该系统可被配置为使用机密数据和非机密数据两者来执行用户确认例程。
在一些实施例中，该系统还包括一个或多个算法。一个或多个算法可包括机器学习、神经网络、和/或其他人工智能算法。该系统可被配置为执行用户确认例程，并且一个或多个算法包括一种算法，该算法可被配置为检测对由系统执行的用户确认例程的欺骗尝试。该算法可被配置为分析用户的生理数据。该分析可被配置为识别和/或表征用户。该算法可被配置为分析指纹数据以识别用户。该算法可进一步分析从包括以下各项的群组中选择的其他数据：面部图像数据；语音记录数据；生理数据；以及这些的组合。
在一些实施例中，该系统还包括附件设备，该附件设备包括一个、两个或更多个附件设备，该附件设备被配置为与系统的另一组件协同运作。附件设备可包括传感器的全部或一部分。附件设备可包括被配置为将传感器与附件设备的另一部分相对接的接口的全部或一部分。附件设备可被定位在用户设备附近。附件设备可包括保护屏和/或保护壳。传感器可被配置为通过保护屏和/或保护壳发送和/或接收能量。传感器可被集成到配件设备中。传感器可被配置为经由有线和/或无线连接从用户设备接收电力。传感器可被配置为经由有线和/或无线连接与用户设备通信。
在一些实施例中，该系统还包括网络，该网络包括一个、两个或更多个计算机网络。该网络可以从包括以下各项的群组中选择：蜂窝和/或其他无线网络；LAN；WAN；VPN；互联网；以及这些的组合。由系统的组件收集和/或产生的用户信息和/或其他信息可经由网络被传送一个或多个中心位置。该系统可包括一种算法，该算法被配置为分析传送的信息，以例如改善系统的性能。该算法可包括人工智能算法。
根据本发明构思的另一方面，一种超声信号处理方法包括确定超声换能器感测到的信号回波的信号到达时间与超声换能器感测到的基线回波的基线到达时间之间的时间偏移。
在一些实施例中，信号回波是在有物体接触压板的压板表面的情况下由压板表面生成的。基线回波可以在没有物体的情况下由压板表面生成。超声换能器可以是超声换能器阵列的像素元件，并且超声信号处理方法还可包括：对超声换能器阵列的每个像素元件重复所述确定，以生成时间偏移的阵列，并且对于时间偏移的阵列生成时间偏移图像。该方法还可包括：输出时间偏移图像。超声换能器阵列可具有某个数目的行和某个数目的列，并且时间偏移图像可具有相同数目的行和相同数目的列。物体可以是手指，并且时间偏移图像可以是手指的指纹。该方法还可包括：基于时间偏移图像确定手指与压板表面之间的接触面积。接触面积可以是手指与压板表面接触的脊线的面积。该方法还可包括基于接触面积确定手指在压板表面上施加的力。该方法还可包括：重复所述确定时间偏移和所述确定接触面积的步骤，以生成接触面积的时间序列；确定接触面积的时间序列的振荡周期；并且基于振荡周期计算脉冲速率。该方法还可包括对时间偏移图像应用以下各项中的一个或多个：维纳滤波、可转向滤波、直方图均衡化、以及二值化。该方法还可包括：在物体接触压板表面的同时，从自超声换能器获得的信号波形中识别信号回波；并且在物体未接触压板表面的同时，从自超声换能器获得的基线波形中识别基线回波。信号回波可以是信号波形的初始回波，并且基线回波可以是基线波形的初始回波。确定可包括：处理信号波形以识别信号到达时间，处理基线波形以识别基线到达时间，并且从信号到达时间中减去基线到达时间。信号波形的处理可包括对信号波形滤波，并且处理基线波形可包括对基线波形滤波。处理信号波形可包括：识别信号波形的信号过零点，并且基于信号过零点的时间计算信号到达时间；并且处理基线波形可包括：识别基线波形的基线过零点，并且基于基线过零点的时间计算基线渡越时间(transit time)。该方法还可包括：从信号波形中减去信号波形的均值以获得经均值校正的信号波形，并且从基线波形中减去基线波形的均值以获得经均值校正的基线波形，以使得信号过零点是经均值校正的信号波形的过零点，并且基线过零点是经均值校正的基线波形的过零点。该方法还可包括计算信号波形的均值并且计算基线波形的均值。信号波形的处理还可包括：从信号波形中选择信号回波的信号子波形，并且从信号子波形中减去信号子波形的均值，以获得经均值校正的信号子波形，从而使得信号过零点是经均值校正的信号子波形的过零点。处理基线波形还可包括：从基线波形中选择基线回波的基线子波形，并且从基线子波形中减去基线子波形的均值，以获得经均值校正的基线子波形，从而使得基线过零点是经均值校正的基线子波形的过零点。该方法还可包括计算信号子波形的均值并且计算基线子波形的均值。处理信号波形还可包括对经均值校正的信号子波形进行内插以获得信号最佳拟合曲线，识别信号过零点可包括在信号最佳拟合曲线中识别信号过零点，处理基线波形还可包括对经均值校正的基线子波形进行内插以获得基线最佳拟合曲线，并且识别基线过零点可包括在基线最佳拟合曲线中识别基线过零点。信号过零点可以是信号过零点的序列中的一个，并且基线过零点可以是基线过零点的序列中的一个。基线过零点在基线过零点序列中的位置可以与信号过零点在信号过零点序列中的位置相同。处理信号波形可包括：识别信号波形的信号最大值，并且基于信号最大值的时间计算信号到达时间；并且处理基线波形可包括：识别基线波形的基线最大值，并且基于基线最大值的时间计算基线到达时间。处理信号波形还可包括：从信号波形中选择信号回波的信号子波形，以使得信号最大值是局部最大值；并且处理基线波形还可包括：从基线波形中选择基线回波的基线子波形，以使得基线最大值是局部最大值。处理信号波形还可包括对信号子波形进行内插以获得信号最佳拟合曲线；识别信号最大值可包括在信号最佳拟合曲线中识别信号最大值；处理基线波形还可包括对基线子波形进行内插以获得基线最佳拟合曲线；并且识别基线最大值可包括在基线最佳拟合曲线中识别基线最大值。信号最大值可以是信号局部最大值的序列中的一个，并且基线最大值可以是基线局部最大值的序列中的一个。基线最大值在基线局部最大值序列中的位置可以与信号最大值在信号局部最大值序列中的位置相同。处理信号波形可包括：用希尔伯特变换将信号波形的至少一部分变换为信号相位序列；识别信号相位序列的信号过零点；并且基于信号过零点的时间计算信号渡越时间。处理基线波形可包括：利用希尔伯特变换将基线波形的至少一部分变换为基线相位序列；识别基线相位序列的基线过零点；并且基于基线过零点的时间计算基线渡越时间。处理信号波形还可包括利用希尔伯特变换将信号波形的至少一部分变换为信号包络值的序列；并且计算信号渡越时间可进一步基于信号包络值的序列。处理基线波形还可包括利用希尔伯特变换将基线波形的至少一部分变换为基线包络值的序列；并且计算基线渡越时间可进一步基于基线包络值的序列。确定可包括：将基线波形和信号波形变换为互相关信号，并且基于互相关信号来计算时间偏移。该方法还可包括：利用超声换能器将信号超声脉冲发送到压板中，以使得信号超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成信号回波；并且利用超声换能器来感测信号回波。超声换能器可以是超声换能器阵列的像素元件；并且所述发送和感测使用超声换能器阵列的行列寻址。发送可以只使用超声换能器阵列的一行，并且所述感测可以只使用超声换能器阵列的一列。所述发送和所述感测中的一者或两者可以使用波束成形。该方法还可包括：利用超声换能器将基线超声脉冲发送到压板中，以使得基线超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成基线回波，并且利用超声换能器来感测基线回波。超声换能器可以是超声换能器阵列的像素元件；并且发送信号超声脉冲、接收信号回波、发送基线超声脉冲和接收基线回波可以使用超声换能器阵列的行列寻址。该方法还可包括基于时间偏移识别接触压板表面的物体的存在。识别可包括将时间偏移与阈值进行比较。该方法还可包括输出对物体的存在的指示。超声换能器可包括超声换能器阵列的像素元件。物体可包括人体组织。人体组织可包括手指。
根据本发明构思的另一方面，一种超声信号处理方法包括：对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间与基线到达时间之间的时间偏移。
在一些实施例中，基线到达时间是基于针对至少一个像素元件确定的到达时间的。基线到达时间可等于一个像素元件的到达时间。在一些实施例中，到达时间可以是到达时间的阵列中的一个，并且基线到达时间可以等于到达时间的阵列的平均。
在一些实施例中，回波是从物体接触压板的压板表面生成的。该方法还可包括：基于每个像素的时间偏移，生成时间偏移图像。该方法还可包括输出时间偏移图像。物体可以是手指，并且时间偏移图像可以是手指的指纹。该方法还可包括对于超声换能器阵列的每个像素元件：利用超声换能器阵列将超声脉冲发送到压板中，以使得超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成回波；并且利用超声换能器阵列来感测回波。
根据本发明构思的另一方面，一种物体检测方法包括：对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间；并且基于所述每个像素元件的到达时间，计算偏差；并且基于偏差，确定物体的存在。
在一些实施例中，偏差包括标准偏差。
在一些实施例中，确定物体的存在包括将偏差与阈值进行比较。
在一些实施例中，该方法还包括输出对物体的存在的指示。
在一些实施例中，从物体生成回波是与压板的压板表面接触的。该方法还可包括：利用超声换能器阵列将超声脉冲发送到压板中，以使得超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成回波；并且利用超声换能器阵列来感测回波。物体可包括人体组织。人体组织可包括手指。
根据本发明构思的另一方面，一种物体检测方法包括：对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定以下两项之间的时间偏移：由所述每个像素元件感测到的信号回波的信号到达时间；以及由所述每个像素元件感测到的基线回波的基线到达时间；基于所述每个像素元件的时间偏移，计算偏差；并且基于偏差，确定物体的存在。
在一些实施例中，偏差包括标准偏差。
在一些实施例中，确定物体的存在包括将偏差与阈值进行比较。
在一些实施例中，该方法还包括输出对物体的存在的指示。
在一些实施例中，从物体生成信号回波是与压板的压板表面接触的。该方法还可包括：利用超声换能器阵列将信号超声脉冲发送到压板中，以使得信号超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成信号回波；并且利用超声换能器阵列来感测信号回波。该方法还可包括：利用超声换能器阵列将基线超声脉冲发送到压板中，以使得基线超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成基线回波；并且利用超声换能器阵列来感测基线回波。
在一些实施例中，物体包括人体组织。人体组织可包括手指。
根据本发明构思的另一方面，一种超声信号处理系统，包括：处理器，以及存储机器可读指令的存储器，这些指令当被处理器执行时，控制超声信号处理系统来确定以下两项之间的时间偏移：由超声换能器感测到的信号回波的信号到达时间；以及由超声换能器感测到的基线回波的基线到达时间。
在一些实施例中，信号回波是在有物体接触压板的压板表面的情况下由压板表面生成的。基线回波可以在没有物体的情况下由压板表面生成。超声换能器可以是超声换能器阵列的像素元件；并且存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定所述每个像素的时间偏移以生成时间偏移的阵列，并且基于时间偏移的阵列生成时间偏移图像。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来输出时间偏移图像。超声换能器阵列可具有某个数目的行和某个数目的列；并且时间偏移图像可具有相同数目的行和相同数目的列。物体可以是手指，并且时间偏移图像可以是手指的指纹。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来基于时间偏移图像确定手指与压板表面之间的接触面积。接触面积可以是手指与压板表面接触的脊线的面积。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来基于接触面积确定手指在压板表面上施加的力。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：重复地确定时间偏移和确定接触面积，以生成接触面积的时间序列；确定接触面积的时间序列的振荡周期；并且基于振荡周期计算脉冲速率。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来对时间偏移图像应用以下各项中的一个或多个：维纳滤波、可转向滤波、直方图均衡化、以及二值化。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：在物体接触压板表面的同时，从自超声换能器获得的信号波形中识别信号回波，并且在物体未接触压板表面的同时，从自超声换能器获得的基线波形中识别基线回波。信号回波可以是信号波形的初始回波；并且基线回波可以是基线波形的初始回波。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：处理信号波形以识别信号到达时间，处理基线波形以识别基线到达时间，并且从信号到达时间中减去基线到达时间。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来对信号波形进行滤波；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来对基线波形进行滤波。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：识别信号波形的信号过零点，并且基于信号过零点的时间计算信号到达时间；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：识别基线波形的基线过零点，并且基于基线过零点的时间计算基线渡越时间。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：从信号波形中减去信号波形的均值以获得经均值校正的信号波形，并且从基线波形中减去基线波形的均值以获得经均值校正的基线波形，以使得信号过零点是经均值校正的信号波形的过零点，并且基线过零点是经均值校正的基线波形的过零点。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：计算信号波形的均值，并且计算基线波形的均值。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：从信号波形中选择信号回波的信号子波形，并且从信号子波形中减去信号子波形的均值，以获得经均值校正的信号子波形，从而使得信号过零点是经均值校正的信号子波形的过零点；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：从基线波形中选择基线回波的基线子波形，并且从基线子波形中减去基线子波形的均值，以获得经均值校正的基线子波形，从而使得基线过零点是经均值校正的基线子波形的过零点。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：计算信号子波形的均值，并且计算基线子波形的均值。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来对经均值校正的信号子波形进行内插以获得信号最佳拟合曲线；当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来识别信号过零点的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来在信号最佳拟合曲线中识别信号过零点；当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来对经均值校正的基线子波形进行内插以获得基线最佳拟合曲线；当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来识别基线过零点的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来在基线最佳拟合曲线中识别基线过零点。信号过零点可以是信号过零点的序列中的一个；并且基线过零点可以是基线过零点的序列中的一个。基线过零点在基线过零点序列中的位置可以与信号过零点在信号过零点序列中的位置相同。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：识别信号波形的信号最大值，并且基于信号最大值的时间计算信号到达时间；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：识别基线波形的基线最大值，并且基于基线最大值的时间计算基线到达时间。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来从信号波形中选择信号回波的信号子波形，以使得信号最大值是局部最大值；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来从基线波形中选择基线回波的基线子波形，以使得基线最大值是局部最大值。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来对经均值校正的信号子波形进行内插以获得信号最佳拟合曲线；当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来识别信号最大值的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来在信号最佳拟合曲线中识别信号最大值；当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来对经均值校正的基线子波形进行内插以获得基线最佳拟合曲线；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来识别基线最大值的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来在基线最佳拟合曲线中识别基线最大值。信号最大值可以是信号局部最大值的序列中的一个；并且基线最大值可以是基线局部最大值的序列中的一个。基线最大值在基线局部最大值序列中的位置可以与信号最大值在信号局部最大值序列中的位置相同。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：利用希尔伯特变换将信号波形的至少一部分变换为信号相位序列，识别信号相位序列的信号过零点，并且基于信号过零点的时间计算信号渡越时间；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：利用希尔伯特变换将基线波形的至少一部分变换为基线相位序列，识别基线相位序列的基线过零点，并且基于基线过零点的时间计算基线渡越时间。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理信号波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来利用希尔伯特变换将信号波形的至少一部分变换为信号包络值的序列；当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来计算信号渡越时间的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来基于信号包络值的序列计算信号渡越时间；当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来处理基线波形的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来利用希尔伯特变换将基线波形的至少一部分变换为基线包络值的序列；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来计算基线渡越时间的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来基于基线包络值的序列计算基线渡越时间。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：将基线波形和信号波形变换成互相关信号，并且基于互相关信号计算时间偏移。该系统还可包括超声换能器。超声换能器可以是超声换能器阵列。该系统还可包括压板。压板可具有大于100微米的厚度。压板可具有小于5毫米的厚度。压板可以由玻璃形成。超声换能器阵列可被贴附到(affix to)压板。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：利用超声换能器将信号超声脉冲发送到压板中，以使得信号超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成信号回波，并且利用超声换能器来感测信号回波。超声换能器可以是超声换能器阵列的像素元件；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来发送和感测的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来使用超声换能器阵列的行列寻址。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来发送的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来只使用超声换能器阵列的一行进行发送；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来感测的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来只使用超声换能器阵列的一列进行感测。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来发送的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来使用波束成形进行发送。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来感测的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来使用波束成形进行感测。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：利用超声换能器将基线超声脉冲发送到压板中，以使得基线超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成基线回波，并且利用超声换能器来感测基线回波。超声换能器可以是超声换能器阵列的像素元件；并且当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来发送信号超声脉冲、接收信号回波、发送基线超声脉冲和接收基线回波的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来使用行列寻址发送信号超声脉冲、接收信号回波、发送基线超声脉冲并且接收基线回波。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来基于时间偏移识别接触压板表面的物体的存在。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来识别的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来将时间偏移与阈值进行比较。当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来识别的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来输出对物体的存在的指示。该系统还可包括显示该指示的指示器。超声换能器可包括超声换能器阵列的像素元件。物体可包括人体组织。人体组织可包括手指。
根据本发明构思的另一方面，一种超声信号处理系统，包括：处理器，以及存储机器可读指令的存储器，这些指令当被处理器执行时，控制超声信号处理系统对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定以下两项之间的时间偏移：由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间；以及基线到达时间。
在一些实施例中，基线到达时间是基于针对至少一个像素元件确定的到达时间的。基线到达时间可等于一个像素元件的到达时间。到达时间可以是到达时间的阵列中的一个，并且基线到达时间可以等于到达时间的阵列的平均。
在一些实施例中，回波是从物体接触压板的压板表面生成的。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：基于每个像素的时间偏移，生成时间偏移图像。存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：输出时间偏移图像。物体可以是手指，并且时间偏移图像可以是手指的指纹。该系统还可包括超声换能器阵列和压板；并且存储器可存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时可以控制超声信号处理系统来：利用超声换能器阵列将超声脉冲发送到压板中，以使得超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成回波；并且利用超声换能器阵列来感测回波。超声换能器阵列可被贴附到压板。
根据本发明构思的另一方面，一种物体检测器包括：处理器，以及存储机器可读指令的存储器，这些指令当被处理器执行时，控制物体检测器来：对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间，基于所述每个像素元件的到达时间，计算偏差，并且基于偏差，识别物体的存在。
在一些实施例中，偏差包括标准偏差。
在一些实施例中，当被处理器执行时控制物体检测器来识别的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时，控制物体检测器来将偏差与阈值进行比较。
在一些实施例中，存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时，控制物体检测器来输出对物体的存在的指示。
在一些实施例中，回波是从物体接触压板的压板表面生成的。物体检测器还可包括超声换能器阵列和压板；并且存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时，可以控制物体检测器来：利用超声换能器阵列将超声脉冲发送到压板中，以使得超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成回波；并且利用超声换能器阵列来感测回波。超声换能器阵列可被贴附到压板。
在一些实施例中，物体包括人体组织。人体组织可包括手指。
根据本发明构思的另一方面，一种物体检测器包括：处理器，以及存储机器可读指令的存储器，这些指令当被处理器执行时，控制物体检测器来：对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定(i)由所述每个像素元件感测到的信号回波的信号到达时间和(ii)由所述每个像素元件感测到的基线回波的基线到达时间之间的时间偏移，基于所述每个像素元件的时间偏移，计算偏差，并且基于偏差，识别物体的存在。
在一些实施例中，偏差包括标准偏差。
在一些实施例中，当被处理器执行时控制物体检测器来识别的机器可读指令包括如下机器可读指令：这些指令当被处理器执行时，控制物体检测器来将偏差与阈值进行比较。
在一些实施例中，存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时，控制物体检测器来输出对物体的存在的指示。
在一些实施例中，回波是从物体接触压板的压板表面生成的。物体检测器还可包括超声换能器阵列和压板；并且存储器存储额外的机器可读指令，这些额外指令当被处理器执行时，可以控制物体检测器来：利用超声换能器阵列将超声脉冲发送到压板中，以使得超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成回波；并且利用超声换能器阵列来感测回波。超声换能器阵列可被贴附到压板。
在一些实施例中，物体包括人体组织。人体组织可包括手指。
根据本发明构思的另一方面，一种指纹传感器包括：具有多个像素元件的超声换能器阵列；贴附到超声换能器阵列的压板，该压板具有用于与手指接触的压板表面；可通信地耦合到超声换能器阵列的处理器；以及存储机器可读指令的存储器，这些指令当被处理器执行时，控制指纹传感器来：对于超声换能器阵列的每个像素元件：(i)利用超声换能器阵列将信号超声脉冲发送到压板中，以使得信号超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成信号回波，(ii)利用超声换能器阵列感测信号回波，(iii)利用超声换能器将基线超声脉冲发送到压板中，以使得基线超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成基线回波，(iv)利用超声换能器阵列感测基线回波，并且(v)确定信号回波的信号到达时间与基线回波的基线到达时间之间的时间偏移，基于为像素元件中的至少一者确定的时间偏移，确定在发送信号超声脉冲并且感测信号回波的同时手指是否与压板表面接触，并且基于每个像素元件的时间偏移，生成手指的指纹图像。
根据本发明构思的另一方面，一种多压板超声指纹传感器包括：具有第一往返传播时间的第一压板；与第一压板相邻的第一像素换能器的阵列；具有不同于第一往返传播时间的第二往返传播时间的第二压板；以及与第二压板相邻的第二像素换能器的阵列；第一像素换能器中的每一者与第二像素换能器中的相应一者电配对。
在一些实施例中，当被第一像素换能器中的一者发射到第一压板的第一后端面中时，第一超声脉冲从第一压板的第一前端面反射以生成第一回波，第一像素换能器中的所述一者将该第一回波转换为第一电子脉冲；当被第二像素换能器中的相应一者与第一超声脉冲同时地发射到第二压板的第二后端面中时，第二超声脉冲从第二压板的第二前端面反射以生成第二回波，第二像素换能器中的该相应一者将该第二回波转换为第二电子脉冲；并且第一和第二电子脉冲在时间上是可区分的。
在一些实施例中，第一像素换能器和第二像素换能器是可单独寻址的。
在一些实施例中，第一像素换能器和第二像素换能器是可行列寻址的。第一像素换能器中的每一者可包括位于多个第一发送电极中的一者和多个第一接收电极中的一者之间的压电材料；第二像素换能器中的每一者可包括位于多个第二发送电极中的一者和多个第二接收电极中的一者之间的压电材料；多个第一发送电极中的每一者可以电连接到多个第二发送电极中的相应一者；并且多个第一接收电极中的每一者可以电连接到多个第二接收电极中的相应一者。多个第一发送电极和多个第二发送电极中的每一者可以是行电极；并且多个第一接收电极和多个第二接收电极中的每一者可以是列电极。多个第一发送电极中的每一者和多个第二发送电极中的相应一者可以形成在第一和第二压板两者下方延伸的单个线性电极。多个第一接收电极中的每一者和多个第二接收电极中的相应一者可以形成在第一和第二压板两者下方延伸的单个线性电极。传感器还可包括具有多个输出的发送复用器，多个输出中的每一者可以电连接到多个第一发送电极中的一者和多个第二发送电极中的相应一者；以及具有多个输入的接收复用器，多个输入中的每一者可以电连接到多个第一接收电极中的一者和多个第二接收电极中的相应一者。
在一些实施例中，第一压板包括具有第一声速的第一材料；第一往返传播时间由第一声速和第一压板的第一厚度决定；第二压板包括具有第二声速的第二材料；并且第二往返传播时间由第二声速和第二压板的第二厚度决定。第一材料和第二材料可以相似。第一厚度和第二厚度可以不同。第一声速和第二声速可以不同。第一厚度和第二厚度可以相似。
在一些实施例中，第一压板形成与第一像素换能器中的每一者相邻的第一声波导，第一往返传播时间由第一声波导的第一声速决定；并且第二压板形成与第二像素换能器中的每一者相邻的第二声波导，第二往返传播时间由第二声波导的第二声速决定。
在一些实施例中，第一压板的第一后端面与第二压板的第二后端面是共面的。
在一些实施例中，第一压板的第一前端面与第二压板的第二前端面是共面的。
在一些实施例中，第一压板的第一后端面朝向第二压板的第二后端面。
根据本发明构思的另一方面，一种指纹感测方法，包括：驱动电配对的第一和第二像素换能器，以(i)从第一像素换能器将第一超声脉冲发射到第一压板的第一后端面中并且(ii)从第二像素换能器将第二超声脉冲发射到第二压板的第二后端面中；利用第一像素换能器将在第一超声脉冲从第一压板的第一前端面反射时生成的第一回波转换为第一电子脉冲；利用第二像素换能器将在第二超声脉冲从第二压板的第二前端面反射时生成的第二回波转换为第二电子脉冲；并且在单个电极上输出第一电脉冲和第二电脉冲，第一电脉冲和第二电脉冲在时间上是可区分的。
在一些实施例中，第一压板在第一后端面和第一前端面之间具有第一往返传播时间；第二压板在第二后端面和第二前端面之间具有第二往返传播时间；并且第一和第二往返传播时间不同。
根据本发明构思的另一方面，一种多压板超声指纹传感器，包括：第一压板；与第一压板相邻的第一像素换能器的阵列；第二压板；以及与第二压板相邻的第二像素换能器的阵列。第一像素换能器中的每一者具有第一频率响应，并且与具有不同于第一频率响应的第二频率响应的第二像素换能器中的相应一者电配对。
在一些实施例中，当被第一像素换能器中的一者发射到第一压板的第一后端面中时，第一超声脉冲从第一压板的第一前端面反射以生成第一回波，第一像素换能器中的所述一者将该第一回波转换为第一电子脉冲；当被第二像素换能器中的相应一者与第一超声脉冲同时地发射到第二压板的第二后端面中时，第二超声脉冲从第二压板的第二前端面反射以生成第二回波，第二像素换能器中的该相应一者将该第二回波转换为第二电子脉冲；并且第一电子脉冲具有第一中心频率；并且第二电子脉冲具有不同于第一中心频率的第二中心频率。
在一些实施例中，第一像素换能器和第二像素换能器是可单独寻址的。
在一些实施例中，第一像素换能器和第二像素换能器是可行列寻址的。第一像素换能器中的每一者可包括位于多个第一发送电极中的一者和多个第一接收电极中的一者之间的压电材料；第二像素换能器中的每一者可包括位于多个第二发送电极中的一者和多个第二接收电极中的一者之间的压电材料；多个第一发送电极中的每一者可以电连接到多个第二发送电极中的相应一者；并且多个第一接收电极中的每一者可以电连接到多个第二接收电极中的相应一者。多个第一发送电极和多个第二发送电极中的每一者可以是行电极；并且多个第一接收电极和多个第二接收电极中的每一者可以是列电极。多个第一发送电极中的每一者和多个第二发送电极中的相应一者可以形成在第一和第二压板两者下方延伸的单个线性电极。多个第一接收电极中的每一者和多个第二接收电极中的相应一者可以形成在第一和第二压板两者下方延伸的单个线性电极。第一像素换能器中的每一者可具有第一压电厚度；并且第二像素换能器中的相应一者可具有不同于第一压电厚度的第二压电厚度。第一压板的一侧可以与第二压板的一侧直接邻接。第一和第二压板可包括一块整体的共同压板材料。第一压板的第一后端面可朝向第二压板的第二后端面。
根据本发明构思的另一方面，一种指纹感测方法，包括：驱动电配对的第一和第二像素换能器，以(i)从第一像素换能器将具有第一频率的第一超声脉冲发射到第一压板的第一后端面中，并且(ii)从第二像素换能器将具有不同于第一频率的第二频率的第二超声脉冲发射到第二压板的第二后端面中；利用第一像素换能器将在第一超声脉冲从第一压板的第一前端面反射时生成的第一回波转换为第一电子脉冲；利用第二像素换能器将在第二超声脉冲从第二压板的第二前端面反射时生成的第二回波转换为第二电子脉冲；并且在单个电极上输出第一和第二电脉冲。
根据本发明构思的另一方面，一种多压板超声指纹传感器，包括：在第一前端面和第一后端面之间具有第一往返传播时间的第一压板；位于第一后端面下方的发送电极的阵列；在第二前端面和第二后端面之间具有不同于第一往返传播时间的第二往返传播时间的第二压板；位于第二后端面下方的接收电极的阵列；以及位于接收电极的阵列和发送电极的阵列之间的压电材料。
在一些实施例中，当被列电极中的一者发射到第一压板中时，第一超声脉冲从第一前端面反射以生成行电极中的一者感测到的第一回波，当被列电极中的所述一者发射到第二压板中时，第二超声脉冲从第二前端面反射以生成行电极中的所述一者感测到的第二回波；并且第一和第二超声脉冲在时间上是可区分的。
在一些实施例中，第一压板包括具有第一声速的第一材料；第一往返传播时间由第一声速和第一后端面与第一前端面之间的第一厚度决定；第二压板包括具有第二声速的第二材料；并且第二往返传播时间由第二声速和第二后端面与第二前端面之间的第二厚度决定。第一材料和第二材料可以相似。第一厚度和第二厚度可以不同。第一声速和第二声速可以不同。第一厚度和第二厚度可以相似。第一后端面和第二后端面可以是共面的。
第一前端面和第二前端面可以是共面的。
在一些实施例中，该方法包括：驱动多压板超声指纹传感器的单个列电极，以(i)将第一超声脉冲发射到第一压板的第一后端面中并且(ii)将第二超声脉冲发射到第二压板的第二后端面中；利用多压板超声指纹传感器的单个行电极感测当第一超声脉冲从第一压板的第一前端面反射时生成的第一回波，以及当第二超声脉冲从第二压板的第二前端面反射时生成的第二回波；并且在单个行电极上感测第一回波的第一电脉冲和第二回波的第二电脉冲。
在一些实施例中，第一压板在第一后端面和第一前端面之间具有第一往返传播时间；第二压板在第二后端面和第二前端面之间具有第二往返传播时间；并且第一和第二往返传播时间不同，从而第一电脉冲和第二电脉冲在时间上是可区分的。
通过以下结合附图来理解的详细描述，将最好地领会和理解本文描述的技术及其属性和附带优势，其中以举例方式描述了代表性实施例。
通过引用并入
在此通过引用并入本说明书中提及的所有公开文本、专利和专利申请，其程度就如同具体单独指出了通过引用并入每份个体公开文本、专利或专利申请一样。
附图说明
图1图示了根据本发明构思，用于执行功能并且对系统的用户分类的系统的框图。
图2是根据本发明构思，将超声换能器阵列与压板相结合的超声传感器的透视图。
图3是根据本发明构思，图2的超声传感器的剖面侧视图。
图4示出了根据本发明构思，向图2和图3的压板中发射超声脉冲的列电极。
图5示出了根据本发明构思，感测当图4的超声脉冲从图2和图3的压板的顶表面反射时生成的回波的行电极。
图6示出了根据本发明构思，在图2至图5的超声传感器的一个像素元件的发射和感测期间从行电极记录的波形。
图7图示了在根据本发明构思的实施例中，基线子波形和信号子波形之间的时间偏移。
图8是在根据本发明构思的实施例中，使用图2至图5的超声传感器阵列来基于时间偏移对手指成像的手指传感器系统的框图。
图9根据本发明构思，比较了指纹的时间偏移图像与同一指纹的传统幅度偏移图像。
图10示出了在根据本发明构思的实施例中，只使用信号波形的信号到达时间生成的指纹图像。
图11是在根据本发明构思的实施例中，使用基线时间补偿的超声信号处理方法的流程图。
图12是在根据本发明构思的实施例中，用于处理波形以识别回波的到达时间的方法的流程图。
图13是在根据本发明构思的实施例中，用于处理波形以识别回波的到达时间的方法的流程图。
图14图示了在根据本发明构思的实施例中，用于处理信号和基线波形以识别时间偏移的方法。
图15图示了在根据本发明构思的实施例中，用于处理波形以识别回波的到达时间的方法。
图16是在根据本发明构思的实施例中，在没有基线波形的情况下生成时间偏移图像的超声信号处理方法的流程图。
图17是在根据本发明构思的实施例中，不使用基线波形的物体检测方法的流程图。
图18是在根据本发明构思的实施例中，与该方法相似只不过其使用基线波形的物体检测方法的流程图。
图19是在根据本发明构思的实施例中，可利用来实现本文方法实施例的超声信号处理系统的框图。
图20是在根据本发明构思的实施例中，具有不同往返传播时间的第一压板和第二压板的多压板超声指纹传感器的透视图。
图21是根据本发明构思，图20的多压板超声指纹传感器的侧面截面视图。
图22示出了在根据本发明构思的实施例中，图20和图21的多压板超声指纹传感器被电驱动来同时将第一超声脉冲发射到第一压板中并且将第二超声脉冲发射到第二压板中。
图23示出了在根据本发明构思的实施例中，图22的多压板超声指纹传感器感测第一回波和第二回波。
图24是在根据本发明构思的实施例中，与图20至图23的多压板超声指纹传感器相似的多压板超声指纹传感器的侧面截面视图，只不过其具有共面的前端面。
图25是在根据本发明构思的实施例中，一种多压板超声指纹传感器的侧面截面图，其中对于第一和第二压板都只使用一个像素换能器阵列。
图25A-25D示了根据本发明构思的超声传感器的各种电气配置。
图26是在根据本发明构思的实施例中，使用多压板超声指纹传感器的指纹感测系统的框图。
图27是在根据本发明构思的实施例中，带有楔形压板的超声指纹传感器的侧面截面视图。
图28示出了在根据本发明构思的实施例中，带有防反射涂层的多压板超声指纹传感器的两个截面侧视图。
图29至图34G图示了根据本发明构思，包括用户分类的系统的各种示意图、截面视图、透视图、分解图、以及仿真信号的曲线图。
图35A至图45B图示了根据本发明构思，包括用户分类的系统的各种示意图、截面视图、透视图、分解图、以及仿真信号的曲线图。
具体实施方式
现在将详细述及本技术的实施例，这些实施例的示例在附图中图示。相似的标号可用于指代相似的组件。然而，本说明书并不打算将本公开限制到特定实施例，而其应当被解释为包括本文描述的实施例的各种修改、等同和/或替代。
要明白，为了清晰起见在分开的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征，也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征，也可以分开提供或者按任何适当的子组合来提供。例如，将会明白，在任何权利要求(无论是独立的还是从属的)中记载的所有特征都可以按任何给定的方式被组合。
要理解，本发明的至少一些附图和描述已被简化以聚焦于对清楚理解本发明而言相关的元素，同时为了清晰起见消除了本领域普通技术人员将会明白的也可构成本发明的一部分的其他元素。然而，因为这种元素是本领域中公知的，并且因为它们并不一定会促进更好地理解本发明，所以本文不提供对这种元素的描述。
本公开中定义的术语只是用于描述本公开的具体实施例，而并不打算限制本公开的范围。以单数形式提供的术语打算也包括复数形式，除非上下文明确地另有指示。本文使用的包括技术或科学术语在内的所有术语具有与相关领域普通技术人员的一般理解相同的含义，除非本文另有定义。常用字典中定义的术语应当被解释为具有与相关技术的上下文含义相同或相似的含义，而不应当被解释为具有理想的或夸张的含义，除非本文中明确地这样定义。在一些情况下，本公开中定义的术语不应当被解释为排除本公开的实施例。
要理解，术语“包括”(comprising)(以及任何形式的包括，例如“comprise”和“comprises”)、“具有”(having)(以及任何形式的具有，例如“have”和“has”)、“包括”(including)(以及任何形式的包括，例如“includes”和“include”)和/或“包含”(containing)(以及任何形式的包含、例如“contains”和“contain”)，当在本文中使用时，指明了所记述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其群组的存在或添加。
还要理解，虽然在本文中可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等等来描述各种限定、元素、组件、区域、层和/或区段，但这些限定、元素、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语所限。这些术语只是用于将一个限定、元素、组件、区域、层或区段与另一限定、元素、组件、区域、层或区段相区分。从而，以下论述的第一限定、元素、组件、区域、层或区段可被称为第二限定、元素、组件、区域、层或区段，而不脱离本申请的教导。
还要理解，当称一元素在另一元素“上”、“附接”、“连接”或“耦合”到另一元素时，它可以直接在另一元素上面或上方，或者直接连接或耦合到另一元素，或者可存在一个或多个居间的元素。与之不同，当称一元素“直接”在另一元素“上”、“直接附接”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元素时，则没有居间的元素存在。用于描述元素之间的关系的其他词语应当以类似的方式来解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”，等等)。
还要理解，当称第一元素在第二元素“中”、“上”和/或“内”时，第一元素可被定位为：在第二元素的内部空间内，在第二元素的一部分内(例如，在第二元素的壁内)；定位在第二元素的外表面和/或内表面上；以及这些情况中的两种或更多种的组合。
如本文所使用的，术语“邻近”，当用于描述第一组件或位置与第二组件或位置邻近时，应理解为包括靠近第二组件或位置的一个或多个位置，以及第二组件或位置中、第二组件或位置上和/或第二组件或位置内的位置。例如，邻近解剖部位(例如，目标组织位置)定位的组件应包括靠近解剖部位定位的组件，以及定位在解剖部位中、解剖部位上和/或解剖部位内的组件。
空间相关术语，例如“在……下面”、“在……下方”、“下部的”、“在……上方”、“上部的”等等，可用于描述例如附图中所示的一个元素和/或特征与另外(一个或多个)元素和/或(一个或多个)特征的关系。还要理解，除了附图中描绘的方位以外，空间相关术语还打算涵盖设备在使用和/或操作中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻过来，那么被描述为在其他元素或特征的“下方”和/或“下面”的元素的方位于是将在其他元素或特征的“上方”。设备可处在其他方位(例如，旋转90度或在其他方位)并且本文使用的空间相关描述可被相应地解释。
本文使用的术语“减少”要包括数量的减少，包括减少到零。减少发生的可能性应包括防止发生。相应地，本文使用的术语“防止”应包括“减少”的动作。
本文使用的术语“和/或”应理解为具体公开了两个指定特征或组件中的每一者，无论有无另一者。例如，“A和/或B”应理解为具体公开了(i)A、(ii)B和(iii)A和B中的每一者，就好像本文中单独列出了每一者一样。
本文使用的术语“一个或多个”可以指一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个，直至任何数字。
术语“以及其组合”和“以及这些的组合”在本文中可各自被用于要单独或集体包括的项目的列表之后。例如，从包括A、B、C、以及其组合的群组中选择的组件、过程和/或其它项目应包括一个或多个组件集合，其中包括：一个、两个、三个或更多个项目A；一个、两个、三个或更多个项目B；和/或一个、两个、三个或更多个项目C。
在本说明书中，除非另有明确声明，否则“和”可以指“或”，并且“或”可以指“和”。例如，如果一个特征被描述为具有A、B或C，则该特征可以具有A、B和C，或者A、B和C的任何组合。类似地，如果一个特征被描述为具有A、B和C，则该特征可以仅具有A、B或C中的一者或两者。
本公开中使用的表述“被配置(或设置)为”根据情形可与例如表述“适用于”、“具有……的能力”、“被设计为”、“适合于”、“被使得”和“能够”互换使用。表述“被配置(或设置)为”并不仅仅指在硬件上“被具体设计为”。或者，在一些情形中，表述“被配置为……的设备”可能意味着该设备“能够”与另一设备或组件一起操作。
如本文所使用的，术语“阈值”是指与期望或不期望的状态相关的最大水平、最小水平和/或值的范围。在一些实施例中，系统参数被维持在最小阈值之上、最大阈值之下、值的阈值范围之内和/或值的阈值范围之外，以例如引起期望的效果(例如，按预期成功执行功能)和/或防止或以其他方式减少(以下称为“防止”)不期望的事件(例如，由不期望或受损的用户执行功能)。在一些实施例中，系统参数被维持在第一阈值之上和第二阈值之下。在一些实施例中，阈值被确定为包括安全裕量，以例如考虑到用户可变性、系统可变性、容差，等等。如本文所使用的，“超过阈值”涉及参数高于最大阈值、低于最小阈值、在阈值范围内和/或在阈值范围外。
如本文所述，“室压”应指本发明构思的系统和设备周围的环境的压力。“正压”包括高于室压的压力或者就是大于另一压力的压力，例如流体通路组件(比如阀门)上的正压差。“负压”包括低于室压的压力或者就是小于另一压力的压力，例如流体通路组件(比如阀门)上的负压差。负压可包括真空，但并不意味着低于真空的压力。如本文所使用的，术语“真空”可用于指完全或部分真空，或者如上文所述的任何负压。
本文用于描述非圆形几何体的术语“直径”应理解为与所描述的几何体近似的假想圆的直径。例如，当描述截面(例如，组件的截面)时，术语“直径”应理解为表示与所描述的组件的截面具有相同截面面积的假想圆的直径。
本文使用的组件的术语“长轴”和“短轴”分别是能够完全环绕该组件的最小体积假想圆柱体的长度和直径。
如本文所使用的，术语“流体”可以指液体、气体、凝胶或任何可流动的材料，例如可通过管腔和/或开口推进的材料。
如本文所使用的，术语“材料”可以指单个材料，或者两种、三种、四种或更多种材料的组合。
如本文所使用的，术语“换能器”应理解为包括接收能量或任何输入并且产生输出的任何组件或组件组合。在一些配置中，换能器将电信号转换为任何输出，例如：光(例如，包括发光二极管或灯泡的换能器)，声音(例如，包括一个或多个压电换能器和/或被配置为输送和/或接收超声能量的电容式微机械超声换能器(capacitive micromachinedultrasound transducer，CMUT)的换能器)；压力(例如，施加的压力或力)；热能；低温能；化学能；机械能(例如，包括电机或螺线管的换能器)；磁能；和/或不同的电信号(例如，不同于换能器的输入信号)。替代地或者额外地，换能器可将物理量(例如，物理量的变化)转换为电信号。替代地或者额外地，换能器可包括一种机构，例如：阀门；抓取元件；锚定机构；电激活的机构；机械激活的机构；和/或热激活的机构。
如本文所使用的，术语“功能元件”应理解为包括被构造和布置为执行某种功能的一个或多个元件。功能元件可包括一个或多个传感器和/或一个或多个换能器。功能元件(例如，包括一个或多个传感器)可被配置为记录一个或多个参数。在一些实施例中，功能组件被配置为执行功能。“功能组装件”可包括被构造和布置为执行某种功能的组装件。替代地或者额外地，功能组装件可被配置为记录一个或多个参数，例如用户参数；用户环境参数；和/或系统参数。功能组装件可包括一个或多个功能元件。
如本文所使用的，术语“系统参数”包括本发明构思的系统的一个或多个参数。
如本文所使用的，术语“用户参数”或者“操作员参数”包括与本发明构思的系统的用户(也称为“操作员”)相关联的一个或多个参数。用户参数可包括用户生理参数，例如从包括以下各项的群组中选择的生理参数：温度(例如，组织温度)；压力，例如血压或其他体液压力；pH；血气参数；血糖水平；激素水平；心率；呼吸频率；以及这些的组合。替代地或者额外地，用户参数可包括用户环境参数，例如从包括以下各项的群组中选择的环境参数：用户地理位置；温度；压力；湿度水平；光亮水平；一天中的时间；以及这些的组合。
如本文所使用的，术语“传输信号”及其派生词应指在两个或更多个组件之间以任何方向传输功率和/或数据。
如本文所使用的，术语“导管”可以指包括一个或多个柔性和/或非柔性细丝的细长部件，这些细丝是从包括以下各项的群组中选择的：一个、两个或更多个导线或其他电导体(例如，包括外绝缘体)；一个、两个或更多个波导；一个、两个或更多个空心管，例如液压管、气动管和/或其他流体输送管；一个或多个光纤；一个、两个或更多个控制线缆和/或其他机械连杆机构；一个、两个或更多个柔性电路；以及这些的组合。导管可包括管子，该管子包括定位在该管子内的多个导管。导管可被配置为以电气、流体、声波、光学、机械和/或其它方式将一个组件与另一组件可操作地连接起来。
如本文所使用的，“超声换能器”(也称为“超声元件”)可以指被配置为发送超声能量(例如，基于输送的电信号)的一个或多个组件和/或被配置为接收超声能量(例如，并且将其转换为电信号)的一个或多个组件。超声换能器可包括一组一个或多个超声换能器，例如超声换能器的1D或2D阵列。超声换能器可以指：一组一个或多个压电换能器(也称为“压电”换能器或元件)；一组一个或多个电容式微机械超声换能器(CMUT)，或者一组两者中的一者或多者。
如本文所使用的，“光学换能器”(也称为“光学元件”)可以指被配置为发送光的一个或多个组件(例如，二极管，比如激光二极管)和/或被配置为接收光和/或促进光的传播的一个或多个组件(例如，透镜、棱镜、光纤，等等)。
本发明构思的系统、设备和方法包括一个、两个或更多个传感器(例如，基于超声的传感器、电容式传感器和/或基于光的传感器)，这些传感器被配置为收集用户的数据。收集到的数据(例如，指纹数据、脉搏血氧饱和度数据和/或其他生理和解剖数据)可用于验证是否有适当的用户存在来使用设备或系统。
现在参考图1，根据本发明构思，图示了用于针对用户执行功能的系统的示意图。系统10可被配置为执行功能，例如执行与以下所列项相关联的一个或多个功能：蜂窝电话、计算机(例如平板设备或膝上型计算机)、车辆、装备、存储设备(例如安全存储设备)、和/或其他用户可访问的设备或系统。系统10可被配置为执行识别例程(例如，以确定用户的身份)，和/或确认例程(例如，以确认用户的身份)。系统10可被配置为执行分类例程，例如对系统10的一个或多个用户进行分类，例如分类包括识别用户(例如，确定和/或确认用户的身份)，和/或表征用户的健康或其他状况(例如，确认和/或识别用户的健康或其他状况)。用户识别和/或确认例程(在本文中任一者或两者被称为“识别例程”或“确认例程”)可以按各种方式来执行，例如经由指纹、经由用户的脸部的图像、经由人的语音的记录和/或经由记录的用户生命体征(例如当前生理参数)。在一些实施例中，使用两种、三种或更多种形式的数据(例如，指纹、面部图像、声音记录和/或生理数据)来确定用户的身份和/或提供用户的其他状态信息(例如当前健康状态)。在一些实施例中，用户的生理数据(例如，诸如以下生理数据：脉搏血氧饱和度数据；血糖数据；EEG、LFP、神经元放电模式和/或其他脑数据；心率数据；呼吸数据；汗液数据；和/或血气数据)可在分类例程中被表征(例如，进行模式识别)，以例如识别、确认和/或以其他方式表征用户的健康状况。替代地或者额外地，系统10收集的生理数据也可用于识别和/或确认(本文为“识别”或“确认”)用户，其安排与使用指纹、面部图像和/或语音记录所执行的类似。
系统10包括一个、两个或更多个传感器，如图所示为传感器100。传感器100可包括一个或多个传感器，所述传感器被定位为邻近系统10的另一组件(例如，在其内和/或其上)。传感器100可包括基于超声的传感器，例如基于压电的、基于CMUT的和/或例如本文所述的其他基于超声的传感器。在一些实施例中，传感器100包括从包括以下各项的群组中选择的一个、两个或更多个传感器：基于超声的传感器；电容式触摸传感器；光学传感器；电传感器；磁传感器；力传感器；压力传感器；应变仪；生理传感器；麦克风(例如用于记录用户的语音)；相机(例如用于记录用户的脸部)；以及这些的组合。传感器100可包括“检测区域”，该区域包括一个或多个2D或3D表面，从该表面可记录用户输入，例如包括以下所列项的用户输入：用户的手指或其他身体部分的接触(例如，为了选择图标、在键盘上键入和/或以其他方式将数据输入到用户界面中)；用户的组织的图像，例如指纹或其他组织表面的图像；用户的组织的温度；用户的脉搏血氧饱和度和/或其他生理信息；以及这些的组合。在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器，如下文参考图2至图19、图20至图28、图29至图45中的任何一个或多个所述。
系统10可包括一个、两个或更多个用户设备，如图所示为用户设备500。在一些实施例中，传感器100与用户设备500是成一体的。每个用户设备500可包括用户界面，如图所示为用户界面550。用户界面550可包括一个或多个用户输入组件和/或用户输出组件，例如从包括以下各项的群组中选择的一个或多个组件：显示器；触摸屏显示器；灯，例如LED；开关；按钮；旋钮；键区，例如薄膜键区；键盘；控制杆；操纵杆；扬声器；麦克风；振动传感器和/或其他触觉传感器；电容式传感器或开关；基于超声的传感器或开关；以及这些的组合。每个用户设备500可包括通信器，如图所示为通信器570，它可被配置为在用户设备500和系统10的另一组件之间传送信息，例如在组件之间传送信息。通信器570可包括有线通信组装件，例如当通信器570包括线缆时，该线缆被配置为将用户设备500可操作地(例如，电气地)附接到系统10的另一组件。替代地或者额外地，通信器570可包括无线通信模块，例如被配置为在用户设备500和系统10的另一组件之间传送信息的NFC和/或蓝牙模块。每个用户设备500可包括一个或多个组装件，如图所示为功能组装件580，其可被配置为针对用户设备500提供输出和/或以其它方式执行功能。功能组装件580可包括一个或多个组件，所述组件提供从包括以下各项的群组中选择的功能：蜂窝电话功能，例如通信功能和/或智能电话功能；运输功能；存储功能；游戏功能；医疗设备功能(例如，治疗和/或诊断功能)；测试功能，例如实验室测试功能；操纵功能(例如，挖掘功能)；娱乐功能；存储功能，例如安全存储功能；数据处理功能；计算机功能；金融交易功能；以及这些的组合。
在一些实施例中，用户界面550包括传感器100，例如当用户界面550包括多层构造时，并且传感器100的全部或至少一部分被集成到界面550的一层或多层中，例如参考图35至图40以及本文其他部分所描述。在这些实施例中，用户界面550可包括触摸屏，并且集成的传感器100可包括基于超声的传感器(例如，例如参考图2至图19、图20至图28所述)。在一些实施例中，用户界面550包括这样的基于超声的传感器，但界面550没有基于电容的传感器和/或光学传感器中的一者或两者(例如，基于超声的传感器100被配置为向用户界面550和关联的设备500提供所有基于触摸的用户输入)。或者，用户界面550可包括传感器100，该传感器包括基于超声的传感器以及电容式传感器和光学传感器中的一者或两者。
用户界面550可包括集成传感器100，该传感器100可被构造和布置成从用户界面550的“表面”的大部分(例如，界面550的用户可访问表面部分)接收用户输入，例如当传感器100(例如，如本文所述的基于超声的传感器)的检测区域占用户界面550的可视部分的至少51％、至少70％、至少80％和/或至少90％时。在一些实施例中，传感器100(例如，如本文所述的基于超声的传感器)的检测区域具有至少10,000mm2、40,000mm2和/或1,000,000mm2的面积和/或至少20cm、40cm和/或80cm的长轴。
如本文所述，用户界面550和/或传感器100(例如，如本文所述与界面550成一体的传感器100)可包括被配置为以第一功率水平操作的第一传感器和以大于第一功率水平的第二功率水平操作的第二传感器。在这些实施例中，系统10(例如，本文描述的控制器200)可被配置为在较低功率模式中操作，在该模式中，向第一传感器提供功率，但不向第二传感器提供功率(例如，第二传感器关闭或处于待机状态)。用户接触和/或以其他方式激活第一传感器，会导致系统10向第二传感器提供功率(例如，开启或者以其他方式使得第二传感器处于活跃状态)。第二传感器可包括基于超声的传感器，该传感器包括如本文所述的多个像素元件，例如足够数目的像素元件，以经由用户的一个或多个指纹来识别一个或多个用户。第一传感器可包括机械开关、压力传感器、电容式传感器、低分辨率的基于超声的像素换能器阵列、和/或其他低功率传感器。在一些实施例中，第一传感器和第二传感器分别包括传感器100a和100b，它们被集成到设备500(例如，蜂窝电话、平板设备或其他电池操作设备)的用户界面550中。与传感器100a类似，第二传感器100b可被构造和布置成从用户界面550的“表面”的大部分(例如，界面550的用户可访问表面部分)接收用户输入，例如当传感器100b(例如，如本文所述的基于超声的传感器)的检测区域占用户界面550的可视部分的至少51％、至少70％、至少80％和/或至少90％时。在一些实施例中，传感器100b(例如，如本文所述的基于超声的传感器)的检测区域具有至少10,000mm2、40,000mm2和/或1,000,000mm2的面积和/或具有至少20cm、40cm和/或80cm的长轴。
系统10可包括一个或多个控制模块，如图所示为控制器200，其可被配置为向传感器100发送信号和/或从传感器100接收信号。替代地或者额外地，控制器200可被配置为将系统10的两个或更多个组件彼此对接。控制器200可包括一个或多个电子元件、电子组装件和/或其他电子组件，例如从包括以下各项的群组中选择的组件：存储器存储组件；模数转换器；整流电路；状态机；微处理器；微控制器；滤波器和其他信号调节器；传感器接口电路；换能器接口电路；以及这些的组合。在一些实施例中，控制器200包括存储器存储组件，该组件包括指令，例如被控制器200用于执行算法(例如本文描述的算法60)的指令。在一些实施例中，控制器200与用户设备500(例如，包括传感器100的用户设备500)是成一体的。控制器200可被配置为以电气、机械、声学、流体学、光学和/或其它方式将系统10的两个组件可操作地连接到彼此，例如将传感器100可操作地连接到系统10的另一组件，例如连接到如本文所述的用户设备500。控制器200可包括各种电子组件和电路，这些电子组件和电路被配置为与系统10的一个或多个组件可操作地对接，和/或促进系统10的任何组件与系统10的另一组件可操作地对接。在一些实施例中，控制器200包括一个或多个专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)，例如一个、两个或更多个ASIC，这些ASIC被配置为向如本文所述的基于超声的传感器100的一个或多个像素元件传送信号和/或从其接收信号。在一些实施例中，如本文所述，单个ASIC被配置为驱动至少250条发送线和至少250条接收线。在其他实施例中，多个ASIC被配置为驱动(例如，并行布置)至少500对、至少1000对和/或至少5000对发送线和接收线。
系统10可包括如图所示的FOB 600。FOB 600可包括一个、两个或更多个便携终端(fob)和/或其它手持设备(本文称为“便携终端”)，例如被配置为可放入用户的口袋、钱包、皮夹和/或其它用户位置中的设备，以使得用户在日常生活活动中可以容易地携带便携终端600。在一些实施例中，FOB 600包括传感器100(例如，也包括控制器200)。例如，FOB 600可包括至少一个基于超声的传感器，如本文所述，例如用来识别用户的指纹。FOB 600可包括如图所示的用户界面650。在一些实施例中，用户界面650的构造和布置与本文描述的用户界面550相似。FOB 600可包括一组装件，如图所示为通信器670，其可被配置为在FOB 600和系统10的另一组件之间传送信息，例如在FOB 600和用户设备500之间传送信息(例如，当FOB 600包括传感器100并且传感器100记录的用户信息经由通信器670被传送到用户设备500时)。通信器670可包括有线通信组装件，例如当通信器670包括线缆时，该线缆被配置为将FOB 600可操作地(例如，电气地)附接到设备500和/或系统10的另一组件。替代地或者额外地，通信器670可包括无线通信模块，例如NFC和/或蓝牙模块，该模块被配置为在FOB 600与用户设备500的通信器570和/或另一系统10组件的类似无线模块之间传送信息。
系统10可包括一个、两个或更多个附件设备，如图所示为附件设备700。附件设备可包括与另一系统10组件协同运作的一个或多个设备。在一些实施例中，附件设备700包括传感器100的全部或一部分和/或控制器200的全部或一部分。
系统10可包括一个或多个算法，如图所示为算法60。算法60可包括机器学习、神经网络和/或其他人工智能算法(本文称为“AI算法”)。
算法60可包括一种算法，该算法被配置为检测对系统10执行的用户确认例程的欺骗企图。
算法60可包括如下算法：该算法被配置为分析用户的生命体征(例如，脉搏血氧饱和度、血糖、心率、血压、呼吸、EKG、EEG、LFP和/或神经元放电)，以例如经由分析(例如，对单个生理参数的分析或者对多个生理参数的组合分析)来识别和/或表征用户。
算法60可包括分析指纹数据以识别用户的算法。在一些实施例中，算法60包括分析指纹数据和另一种形式的用户数据以识别用户的算法，例如其他数据，包括：面部图像(例如，由系统10的相机产生的图像)；语音记录(例如，由系统10的麦克风产生的记录)；生理数据(本文也称为生命体征数据)；以及这些的组合。
系统10可包括一个、两个或更多个计算机网络，如图所示为网络800，例如蜂窝和/或其他无线网络、LAN、WAN、VPN、互联网和/或其他计算机网络。在一些实施例中，用户信息和/或由系统10组件收集和/或产生的其他信息经由网络800被传送到一个或多个中心位置，例如当这些信息包括与多个用户(例如，系统10的多个用户)对系统10的使用有关的信息时，系统10会对这些信息进行分析，例如由如本文所述的系统10的算法60进行分析。对来自系统10的多个用户的信息的这种分析可用于改善系统10对于系统10的一个或多个用户的性能。在一些实施例中，算法60包括AI算法，该AI算法分析经由网络800收集的来自多个用户的信息。
系统10可包括一个、两个或更多个功能元件，例如传感器100的功能元件199、用户设备500的功能元件599、FOB 600的功能元件699、和/或功能元件999，每个功能元件如图所示。每个功能元件199、599、699和/或999可包括一个、两个或更多个功能元件，例如一个或多个传感器和/或一个或多个换能器，例如本文所述的。
传感器100可包括一个、两个或更多个传感器。传感器100可包括多个相似的传感器和/或多个不相似的传感器(例如，两个或更多个不同的指纹传感器)。传感器100可包括与系统10的另一组件成一体(例如，与用户设备500成一体)的一个或多个传感器(例如，定位在该另一组件上和/或内，并且可操作地附接到该另一组件)，以及与系统10的一不同组件成一体(例如，与FOB 600、附件设备700和/或不同的用户设备500成一体)的一个或多个传感器。
如本文所述，传感器100可至少包括基于超声的传感器，例如包括阵列150的传感器，该阵列150包括一个、两个或更多个超声换能器(例如，压电和/或CMUT元件)，该超声换能器被配置为发送、接收或者既发送也接收超声能量。在一些实施例中，控制器200被配置为以至少1MHz、5MHz、10MHz、25MHz或50MHz的频率驱动阵列150(例如，超声换能器的1D或2D阵列)，例如当控制器200以50MHz至500MHz之间或者12.5MHz至100MHz之间的频率驱动阵列150时。在一些实施例中，控制器200被配置为以不超过500MHz或不超过750MHz的频率驱动这个基于超声的阵列150。传感器100可被配置为相位和/或延迟测量布置(例如，并且在没有频率限制的情况下操作)。在一些实施例中，传感器100被配置为执行超声波传输的发送和接收波束成形。
在一些实施例中，传感器100被配置为当在潮湿和/或“水下”(例如，浸没在流体中)条件下操作时可运作，并且具有显著的可重复性、特异性或两者兼而有之。系统10和传感器100可被配置为在各种潮湿条件下操作。在一些实施例中，传感器100被配置为在潮湿条件期间具有改善的性能，例如，当传感器100包括指纹检测器时，该指纹检测器在手指潮湿时会将超声信号发送到手指的更深处(例如，当系统10被配置为执行低频率银行交易确认和/或其他高安全性扫描时)。对于这些潮湿条件和/或其他条件下的操作，传感器100可包括质量加载的超声换能器，例如朗之万换能器。传感器100可以以较低的水平驱动超声输送的中心频率，例如低到足以穿过患者组织的水平。
在一些实施例中，传感器100包括超声阵列(例如，压电超声阵列)，该阵列包括如本文所述的行电极和列电极的布置。行电极和列电极可包括彼此相对正交的两组导体(或者“导线”或“迹线”)，例如美国专利号9,953,205中所述。或者，两组导体可以排列成小于90°的角度，例如不大于89°的角度、介于1°和89°之间的角度和/或至少45°的角度。在一些实施例中，行电极和列电极沿着其长度方向具有均匀的宽度(例如，矩形几何形状)。替代地或者额外地，传感器100的这些电极中的一个或多个可包括非均匀宽度，例如，当导体在超声换能器的位置之间变窄时(例如，允许更多光线穿过形成该组行电极和列电极的导体布置的变窄)。在这些非均匀布置中，导体的厚度可以被增大，以获得与均匀布置中类似的电阻(例如，导体厚度的增大可以与压电换能器的衬背和/或换能器的驱动频率的变化相关)。
在一些实施例中，传感器100包括超声阵列(例如，压电超声阵列)，该阵列可提供用户的指纹(和/或用户的其他组织表面，例如手掌或其他组织表面)的最低分辨率，例如至少100像素每英寸、至少200像素每英寸(pixels per inch，PPI)、至少350PPI、至少500PPI和/或至少1000PPI的分辨率。在一些实施例中，系统10被配置为提供由传感器100捕捉的指纹或其他图像的的至少200μm的分辨率，例如至少为200μm、75μm、50μm、25μm和/或10μm的分辨率。在一些实施例中，系统10被配置为捕捉由传感器100捕捉的指纹或其他图像的最小数目的像素，例如至少15,000像素、至少25,000像素、至少35,000像素、至少50,000像素和/或至少100,000像素。
在一些实施例中，传感器100被配置为触摸传感器(例如，用于检测用户的叩击或其他触摸)。在这些实施例中，传感器100还可被配置为指纹传感器或者识别特定用户的其他传感器。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器100a和基于光的传感器100b，该传感器100b被定位在传感器100a的后面，这样传感器100b输送和/或接收的光会穿过传感器100a，例如美国专利号10,691,912中所述。
在一些实施例中，传感器100至少包括光传感器，该光传感器被配置为评估用户的活力和/或评估用户的另一生理参数。
在一些实施例中，传感器100被配置为向系统10的用户提供反馈，例如如本文所述的热反馈和/或机械反馈。例如，传感器100可包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器被配置为向用户提供热(例如，加热)和/或机械(例如，力)反馈。在这些实施例中，包括用户界面550(例如，触摸屏或其他显示屏)以及传感器100两者的用户设备500可被配置为在“黑暗模式”中操作，在该模式中，可以经由热、机械和/或其他触觉反馈提供与用户的通信，而无需用户查看用户界面550(例如，提供“保持黑暗”的能力，例如在军事或治安行动中，和/或当设备500位于用户的口袋或其他个人隐藏存储位置中时)。在一些实施例中，反馈的形式和/或水平会基于“电池寿命”的剩余量(例如，电池和/或系统10的其他能量源(例如，用户设备500的能量源)中剩余的能量)发生变化，例如当反馈的形式和/或水平的变化由算法60确定时。
如上所述，传感器100可被配置为向系统10的用户提供反馈、指令和/或信息(本文称为“反馈”)。例如，提供给用户的反馈可包括振动、热感觉、音频信号(例如，蜂鸣声)和/或其他非文本提供的反馈，所述反馈向用户(例如，经由训练)指出用户要采取行动(例如，将不同的手指施加到用户界面550，将当前接触的手指移动到新位置，和/或执行另一项物理活动)。提供的反馈至少可包括热感觉，例如当传感器100导致患者的手指或患者的其他组织的温度升高时。例如，传感器100可包括压板(例如，玻璃压板)，如本文所述，并且控制器200可被配置为向传感器100的阵列150提供与压板的谐振频率相匹配的驱动信号，从而向与传感器100接触的用户的组织(例如，手指)中传输功率，引起热触觉感觉。在一些实施例中，控制器200提供足够的功率，以引起与“热触摸”反馈相关联的组织温度升高，例如组织温度升高至少0.2℃，例如至少0.5℃、至少1.0℃、至少5.0℃、和/或至少10.0℃。在一些实施例中，控制器200被配置为使得组织温度升高不超过4℃、不超过10℃、不超过20℃、和/或不超过30℃。在这些实施例中，压板可包括均匀的厚度，从而使得压板产生谐振声腔。当控制器200提供的驱动信号的频率与该空腔的谐振相匹配时，压板内的多次反射可以以建设性的方式相加，同时传输到手指中。在这些实施例中，控制器200提供的驱动信号可包括连续波/音调突发信号(例如，非脉冲激励)。上述基于谐振的反馈可被配置为向用户提供机械感觉(例如，作为热反馈的替代或补充，例如通过调制驱动信号，例如频率为300Hz)。在一些实施例中，控制器200被配置为提供啁啾信号，该信号使得基于超声的阵列150以不同频率发送超声波(例如，作为调整频率以匹配压板谐振频率的一种方式)。在一些实施例中，传感器100向用户提供的机械、热和/或其他反馈是可调整和/或可校准的。
在一些实施例中，系统10被配置为“不看模式”，以例如在不要求用户看到或者用户视觉上注意到用户界面550、用户界面650和/或系统10的其他显示部分的情况下提供反馈和/或任何信息(例如，以盲文提供的文本)(例如，当用户是盲人，或者用户设备500位于口袋、钱包或相对于用户的其他非视线位置时)。在这些实施例中，系统10可被配置为向用户提供热的、机械的和/或其他触觉反馈，代表各种形式的信息。
在一些实施例中，系统10被配置为“增强反馈模式”，以例如提供触觉反馈(例如，如本文所述的热或机械反馈)以及视觉反馈。这种增强反馈模式可用于改善用户设备500的游戏和/或其他应用的使用体验。在一些实施例中，设备500能够接收(例如，下载)第三方应用，并且传感器100被配置为提供被这些应用使用的触觉反馈。在一些实施例中，系统10包括校准功能，该功能被配置为调整提供给第三方应用的反馈。
在一些实施例中，传感器100包括多个传感器(例如，多个相似的传感器)，这些传感器被布置为近距离布置(例如，每个传感器的外围与相邻传感器的外围邻接)，其中这些多个传感器可以被集体配置(例如，在接口布置中)以作为单个传感器运作(例如，通过经由控制器200进行的电子“缝合”)。例如，传感器100可包括：1乘3阵列中的3个传感器；1乘4阵列中的4个传感器，或者2乘2阵列中的4个传感器；1乘6阵列中的6个传感器，或者2乘3阵列中的6个传感器；等等。传感器100的这些多个传感器可以被构造和布置(例如，附接到柔性或带铰链基底)以相对于彼此旋转(例如，至少两个传感器相对于彼此旋转)，例如当被包括在被配置为挠曲(flex)的设备(例如，智能卡或其他设备，其中柔性或至少挠曲提供了优势)中时。传感器100的多个传感器中的每一者可包括一个、两个或更多个超声换能器的阵列(例如，多个压电和/或CMUT传感器)，这样多个超声换能器阵列可以相对于彼此转动，但或者也可以作为单个换能器阵列运作(例如，多个阵列共同提供比任何个体阵列更大的有效感测区域，但也可以相对于相邻阵列转动，以提供与相似面积的单个区域相比更大的灵活性)。在一些实施例中，传感器100和/或系统10的另一组件被配置为监视和/或以其他方式确定多个传感器(例如，多个个体的和/或多组两个或更多个像素换能器和/或如本文所述的其他压电传感器)之间的相对位置。传感器的相对位置可用于一个或多个目的，例如在传感器之间执行波束成形、将图像(例如，指纹图像或其他组织图像)拼接在一起、以及与多个传感器的相对位置相关联的其他功能。在一些实施例中，输送和/或接收超声能量(例如，由传感器100的多个传感器)被用于确定这些传感器和/或传感器100的其他传感器的位置。
在一些实施例中，用户设备500包括传感器100的全部或一部分，和/或控制器200的全部或一部分。
在一些实施例中，用户设备500包括一个、两个或更多个设备，在系统10执行确认例程(也称为“识别例程”)之后，为这些设备提供了对用户设备500和/或用户设备500的用户操作的访问。确认例程可包括从包括以下各项的群组中选择的一个、两个或更多个确认例程：识别用户，例如经由用户的一个或多个指纹(例如，如本文所述)；识别用户的脸部；确认用户的可接受“健康状况”(例如，用户还活着，和/或用户处于安全的身体和/或精神状态)；确认用户没有受到酒精和/或药物的严重影响(例如，按照适用标准，用户没有醉酒)；以及这些的组合。
用户设备500可包括蜂窝电话，例如智能电话。
用户设备500可包括用户佩戴的设备，例如智能手表或其他手表设备。
用户设备500可包括计算机设备，例如膝上型电脑或平板设备。
用户设备500可包括用户保护设备，例如枪或泰瑟枪。
用户设备500可包括运输设备，例如汽车、摩托车、公共汽车、船(例如，游艇)、飞机、直升机和/或其他交通工具。
用户设备500可包括装备(例如，建筑装备)，例如推土机、起重机和/或挖掘设备。用户设备500可以是一台实验室装备。
用户设备500可包括“卡设备”，例如信用卡、个人ID卡、护照和/或驾驶执照。
用户设备500可包括存储器存储设备，例如USB驱动器。
用户设备500可包括加密钱包设备。
用户设备500可包括从包括以下各项的群组中选择的用户设备：门锁；药箱锁；存储设备，例如枪支存储容器和/或存储设施；儿童锁；以及这些的组合。
用户设备500可包括医疗设备。例如，用户设备500可包括被配置为提供治疗的医疗设备，例如当系统10被配置为(例如，经由由传感器100提供的数据)确认医疗保健专业人员的身份时，一旦确认，该专业人员就设置和/或修改医疗设备提供的治疗。用户设备500可包括允许输入医疗信息的医疗设备，例如当系统10被配置为(例如，经由由传感器100提供的数据)确认医疗保健专业人员的身份时，一旦确认，该专业人员就可以输入和/或修改医疗信息。在一些实施例中，系统10可被配置为由多个医疗保健工作者(例如，医生、护士和/或其他医疗保健工作者)使用，其中不同用户具有不同级别的权限，其中不同级别的权限与改变或访问患者的医疗信息和/或改变用户设备500的设置(例如，改变包括医疗设备的用户设备500的治疗参数)的不同权限级别相关。
用户设备500可包括从包括以下各项的群组中选择的两个、三个或更多个设备：电话，例如智能电话或其他蜂窝电话(本文中称为“智能电话”或“蜂窝电话”)；计算机设备；用户保护设备；运输设备；装备；基于卡的设备；存储器存储设备；加密钱包设备；以及这些的组合。
如本文所述，系统10可包括便携终端600。在一些实施例中，便携终端600包括传感器100的全部或一部分，和/或控制器200的全部或一部分。便携终端600可被配置为向用户设备500发送信息，例如经由有线和/或无线连接。在一些实施例中，便携终端600包括传感器100的至少一部分(例如，以及控制器200的至少一部分)并且被配置为识别用户的一个或多个指纹和/或以其它方式对用户执行确认例程，如本文所述。在这些实施例中，一旦用户可以被便携终端600确认(例如，它是可接受的用户和/或用户处于可接受的健康状况)，该确认就可以被发送到用户设备500(例如，不然则没有被配置为执行指纹扫描和/或其他用户确认的用户设备)。在一些实施例中，便携终端600包括传感器100，该传感器100包括基于超声的指纹传感器100a和基于光的传感器100b(例如，被配置为脉搏血氧计(例如，反射式血氧计)的基于光的传感器)，例如当传感器100a透射由传感器100b发出的光时(例如，当传感器100b被定位在传感器100a后面时)。
FOB 600可包括传感器100，例如当传感器100至少包括如本文所述的基于超声的传感器时。替代地或者额外地，FOB 600可包括传感器100，传感器100包括生理传感器(例如，脉搏血氧计或其他基于光的生理传感器)。例如，FOB 600可包括传感器100，该传感器100包括第一传感器100a以及第二传感器100b，该第一传感器100a包括基于超声的传感器(例如，指纹传感器)，该第二传感器100b包括基于光的传感器，其光透射通过传感器100a(例如，当传感器100a被配置为让光通过时，例如美国专利号10,691,912中所述)。
FOB 600可被配置为识别用户的指纹，和/或执行如本文所述的另一种用户识别，并且将对用户的确认传送到用户设备500(例如，当用户设备500不包括指纹传感器或其他传感器来识别用户时)。
在一些实施例中，系统10被配置为使用从包括以下各项的群组中选择的两个、三个或更多个识别例程(例如，如本文所述)来识别用户：基于超声的指纹识别；基于电容式传感器的指纹识别；生命体征识别(例如，使用脉搏血氧计或其他基于光的生理传感器)；生命体征标识；以及这些例程的组合，例如本文所述的。
在一些实施例中，系统10被配置为执行校准例程，例如被配置为校准包括单个传感器的传感器100和/或包括多个传感器(例如，多个相似和/或不相似的传感器)的传感器100的校准例程。在一些实施例中，系统10被配置为在系统10的一部分损坏(例如，传感器100的一部分和/或邻近传感器100的用户设备500的一部分损坏)或以其它方式运作不正常之后执行校准例程，以例如在执行该校准之后允许使用系统10。例如，传感器100可包括元件(例如，超声元件)的阵列，并且在检测到一些元件损坏之后，可以执行校准例程，其中使用传感器100的未损坏部分，不再使用损坏部分，并且可以使用传感器100的未损坏部分成功执行本发明构思的识别例程。在另一示例中，用户设备500可包括蜂窝电话，该蜂窝电话的用户界面550的屏幕有破裂部分，传感器100通过该屏幕发送和/或接收传输，并且校准例程可以被执行来适应破裂的屏幕，并且允许成功完成用户识别例程。在一些实施例中，设备500可以在初始校准例程之后被修改，然后执行(例如，必须执行)第二校准例程。例如，用户设备500可包括蜂窝电话，在该蜂窝电话上添加了保护壳、屏幕保护器或其他覆盖物，并且系统10可被配置为执行校准例程(例如，第二校准例程)，以针对添加的覆盖物进行补偿。
系统10可被配置为认证金融交易(例如，银行转账)中的用户或多个用户的群组。在一些实施例中，每一者包括传感器100的多个设备500(例如，多个蜂窝电话)被用于认证单个用户和/或多个用户。
在一些实施例中，系统10被配置为在设备500的使用期间多次执行确认例程，以例如确认用户没有变化，和/或用户的健康状况没有变化。例如，系统10可以要求定期和/或随机成功完成确认例程，例如当用户设备500包括汽车、飞机和/或装备时，并且要求重复确认以防止以下情况中的一种或多种：用户切换；单个用户长时间使用；和/或由健康状况变得不可接受的用户使用。
在一些实施例中，系统10包括第一组件C1(例如，FOB 600)和第二组件C2(例如，设备500)，前者包括第一传感器100a，后者包括第二传感器100b。传感器100a可被配置为从用户收集两种不同形式的数据，例如被分类为“机密数据”的数据(例如，指纹数据、面部识别数据、语音记录数据和/或用户可能希望保密的其他数据)，即本文中的数据CD，以及被分类为“非机密数据”的数据(例如，面部识别数据、语音记录数据、生理数据，例如当前生理数据)，即本文中的数据NCD。传感器100b可被配置为至少收集非机密数据NCD。在认证程序中，C1可以从用户收集机密数据和非机密数据两者，分别是CD1和NCD1，并且C2可以从用户收集非机密数据(例如，类似的非机密数据)，NCD2。数据NCD1和NCD2可同时被收集(例如，用户同时或至少在短时间内(例如，几分钟内)与C1和C2对接)。数据NCD2可以被从C2发送到C1。C1可通过基于C1收集的机密信息CD1首先确认用户，来执行用户的确认例程。一旦成功完成确认，C1就可对NCD1和NCD2进行比较，以确认C2收集的非机密数据NCD2来自同一用户。如果比较结果表明与每个设备对接的是同一个用户，则代表对用户的确认的数据可被从C1发送到C2。在这些实施例中，可以向设备(例如，如上文所述的C2)提供对用户的确认，而不需要C2接收用户的机密信息(即，用户可以在对用户的确认例程中使用其指纹、面部图像、语音数据和/或用户希望保密的其他数据，而无需与与FOB 600分开的设备共享该机密数据)。在一些实施例中，C2可被配置为执行确认例程，包括接收来自C1的NCD1(例如，在C1确认CD1与正确用户相关联之后)，其中C2将接收的NCD1与C2收集的NCD2进行比较。在一些实施例中，C1包括FOB 600，并且C2包括用户设备500(例如，蜂窝电话、计算机、ATM或其他金融交易设备，等等)。在一些实施例中，NCD1和NCD2包括用户输入的数据(例如，关联的传感器100未记录的数据)。例如，NCD1可包括字母数字或其他代码，该代码(例如，经由C1)被呈现给用户并且由用户输入到C2中作为NCD2，例如在被配置为双因素认证例程时。在一些实施例中，数据CD和/或数据NCD是从系统10的多个用户收集的，例如当第一用户确认第二用户的身份时，或者要求来自多个用户的确认才能执行事件(例如，金融交易)时。在一些实施例中，上文描述的组件C1(例如，FOB 600)被配置为一次性使用(例如，对用户的单次确认)，并且FOB 600在其使用之后可被销毁或以其他方式处置。在一些实施例中，FOB 600被配置为由认可的机构(例如，公证人、政府机构或类似机构)使用(例如，以及由其提供)给用户。例如，该机构可以经由一种或多种手段(例如，驾照、护照、指纹、面部识别和/或语音识别)来识别用户，然后将FOB 600配置为指派给用户(例如，经由收集和在FOB 600中存储代表用户的指纹、脸部、声音的数据或者集成的传感器100可收集的其他数据)，以例如针对该用户执行未来的确认例程(例如，提供确认的电子数字签名，例如诸如DocuSign之类的服务提供商提供的电子数字签名，提供公证的替代方案，等等)。
在一些实施例中，系统10执行的确认例程可被配置为确认来自用户的多个指纹(例如，由用户和/或系统10预先指派的)，例如来自用户的每只手的至少一个指纹。在确认例程期间，多个指纹被收集(例如，由传感器100收集)和确认(例如，由算法60确认)。在一些实施例中，正确确认还要求特定的指纹收集顺序(例如，用户和/或系统10预先指派的顺序)。在一些实施例中，系统10(例如，经由用户界面550和/或650)向用户提供关于接下来要收集哪个指纹的反馈(例如，经由用户左手和/或右手的图形图像)。
在一些实施例中，用户设备500包括外壳，例如围绕用户界面550、通信器570、功能组装件580和/或功能元件599中的每一者的至少一部分的金属或塑料外壳。例如，用户设备500可包括智能电话，该智能电话包括用户界面550和围绕电话的背面和侧面的外壳，该用户界面550包括定义电话的正面的触摸屏。在一些实施例中，如本文所述，传感器100可以被集成到用户界面550中，这样由传感器100产生和接收的声音至少穿过用户界面550的一部分。替代地或者额外地，传感器100可以被集成到用户设备500的外壳中，这样，由传感器100产生和接收的声音至少穿过外壳的一部分(例如，当用户将手指放在外壳的一部分上时)。
在一些实施例中，附件设备700包括被配置为邻近用户设备500定位(例如，围绕其至少一部分)的设备，例如保护设备，例如屏幕保护器和/或电话壳。传感器100可以被集成到附件设备700中。在一些实施例中，传感器100(例如，定位在基于盖子的附件设备700内的传感器100和/或定位在用户设备500内的传感器100)被配置为从用户设备500接收电力，例如经由感应耦合提供的无线传输电力。替代地或者额外地，传感器100还可以从用户设备500的有线连接接收电力，例如当传感器100(例如，集成到附件设备700中的传感器100)经由USB连接来连接到用户设备500时。在一些实施例中，传感器100被配置为与用户设备500通信，例如经由有线或无线通信(例如，经由NFC、蓝牙或其他短程无线通信方法)。
在一些实施例中，用户界面550具有集成的基于超声的传感器100，例如包括正交和/或其他X-Y布置的导体(本文也称为“导线”、“线”和/或“电极”)的阵列的传感器。传感器100可以被构造和布置成具有相对较薄的轮廓，例如厚度小于或等于40μm和/或20μm的传感器100。用户界面550可包括“暴露表面区域”(例如，用户可查看、可接触和/或以其他方式访问的表面区域)，其面积至少为25mm2，例如至少10,000mm2和/或至少40,000mm2。在一些实施例中，传感器100被配置为记录用户手指的轻扫运动，并且集成有传感器100的用户界面550可包括至少5mm2和/或10mm2的面积。基于超声的传感器100可以被集成到用户界面550中，例如当传感器100被粘附到或直接淀积到(例如，不使用粘合剂)用户界面550的显示屏(例如，OLED、microLED、LCD和/或其他显示屏)上时。基于超声的传感器100可包括检测区域，该区域至少占界面550的暴露表面区域的50％(例如，至少占集成OLED或其他显示屏的可查看部分的50％)。在一些实施例中，基于超声的传感器100可具有至少占界面550暴露表面区域的75％、85％和/或95％的检测区域。在一些实施例中，基于超声的传感器100的检测区域具有至少10,000mm2、40,000mm2和/或1,000,000mm2的面积和/或至少20cm、40cm和/或80cm的长轴。基于超声的传感器100可被配置为检测用户的接触(例如，经由用户的一个或多个手指进行接触)、记录用户的指纹和/或其他生理信息，或者两者兼而有之。基于超声的传感器100可包括X-Y布置的导体(例如，如本文所述)，这些导体以不同的密度(例如，导体之间的不同分离距离)定位。例如，检测区域的至少一部分可以具有足以识别用户的指纹的密度，而至少另一部分可以具有较低的密度，例如足以检测用户的接触的密度。在一些实施例中，基于超声的传感器100是相对透明的，或者包括一个或多个相对透明的部分，从而使得光穿过传感器100，以例如允许用户可视化定位在传感器100下方的显示屏和/或允许诊断光(例如，用于脉搏血氧饱和度)穿过传感器100。如本文所述，包括集成传感器100的用户界面550可包括多层(例如，层压)构造。在这些实施例中，一层或多层的厚度可以基于用户界面550的传感器100所发送和/或接收的超声的声波波长。例如，用户界面550可包括粘合层，该层的厚度被配置为最大化通过该层的超声传输。
传感器100可包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器包括一个或多个部分(例如，层)，所述一个或多个部分被淀积(例如，溅射、旋压、印刷、烘烤、薄膜淀积、汽相淀积、光刻淀积和/或以其它方式直接淀积)到从包括以下各项的群组中选择的一种或多种材料的层上：压板或其它基底层(例如，如本文所述的玻璃或塑料压板)；显示屏(例如，OLED或其他显示屏)的表面；传感器100的先前淀积的层；任何材料层(例如，用户界面550的基底层)；以及这些的组合。在这些实施例中，传感器100可以相对固定到另一组件(例如，如本文所述的界面550的一层)，而不需要任何粘合剂。
在一些实施例中，用户界面550包括第一基于超声的传感器100和第二基于超声的传感器100。在这些实施例中，第一传感器100和第二传感器100可被定位在界面550的显示屏(例如，OLED或其他显示屏)的相对侧，例如参考图38A-38B所述。第一传感器100可以是相对透明的(例如，包括至少一个相对透明的部分)，从而使得第一传感器100可以被定位在显示屏上方(例如，不妨碍用户查看显示屏)。在这些实施例中，用户界面550可以被集成到设备500(例如，蜂窝电话、平板设备和/或其他手持电子设备)中，并且可以经由设备的任一侧或两侧的用户接触(例如，手指接触)来捕捉用户输入(例如，命令和/或图像，例如指纹)。
在一些实施例中，用户界面550包括两个显示屏，这两个显示屏被定位在基于超声的传感器100的任一传感器上，例如本文参考图38A-38B所述。
在一些实施例中，设备500(例如，包括集成有基于超声的传感器100的用户界面550)包括用于游戏设备(例如，游戏桌或其他游戏设备，包括具有包括至少20英寸、30英寸和/或40英寸的长轴或大径(major diameter)的检测区域的用户界面部分)的控制器。例如，用户界面550可包括足够大的检测区域，并且被配置为允许多个用户使用，例如多个用户坐在椅子上和/或站立成允许用户之间有舒适空间的布置。在一些实施例中，用户界面550被配置为区分不同用户之间的触摸(例如，经由指纹识别)，如本文所述。
在一些实施例中，传感器100是柔性的，例如当传感器100包括被直接淀积在压电材料层上的导线(例如，发送和/或接收导线)时。
在一些实施例中，传感器100包括一组导线(例如，发送和/或接收导线)，其中该组导线的至少一部分是以不同的密度定位的(例如，导线对之间不同的分离距离)。
系统10可以经由传感器100被构造和布置成同时或依次识别、表征和/或区分多个手指的接触，例如至少2、3、4、5、6和/或11个手指。在一些实施例中，多个手指是多个用户的手指，例如至少2、3、4、5、6和/或11个手指。在一些实施例中，传感器100包括定位在第一用户界面550a上的第一传感器100a和定位在第二用户界面550b上的第二传感器100b，并且系统10(例如，被多个用户用于玩视频游戏或其他多用户程序的系统)被配置为经由每个传感器100检测一个或多个用户中的每一者的一个或多个指纹。替代地或者额外地，系统10可被配置为经由单个传感器100(例如，集成到用户界面550的单个显示屏中的单个传感器100，例如由多个用户的手指访问的单个显示屏)识别(例如，经由算法60)多个用户的一个或多个指纹。例如，设备500或另一系统10组件可被配置为检测多个指纹，以将一个用户与另一用户区分开来(例如，以基于提供输入的特定用户来控制应用)，和/或将单个用户的一个手指与另一手指区分开来(例如，以基于特定用户的哪个特定手指在提供输入来控制应用)。在一些实施例中，传感器100包括至少一个高密度感测区域和至少一个低密度感测区域，例如当高密度感测区域与低密度感测区域相比包括更靠近的X和Y导体组时。在这些实施例中，高密度感测区可包括一个、两个或更多个区域，这些区域被配置为检测来自两个或更多个用户的指纹。在这些实施例中，执行任务可能要求多用户确认，例如为了启动医疗程序、武器攻击、大额金融交易和/或其他要求来自多个用户的启动共识的事件。在一些实施例中，设备500包括交通工具(例如，飞机)和/或装备，其中多个用户控制设备500，例如当设备500经由传感器100对两个用户的身份执行确认时(例如，由一个、两个或更多个传感器100检测到的指纹检测和/或如本文所述的其他确认)。在这些实施例中，在用户识别之后，设备的某些功能可能对一个用户(例如，两个飞行员中的一个，或者两个装备操作员中的一个)可用，而对另一用户则不可用，和/或反之。在一些实施例中，设备500包括大型用户界面设备，该用户界面设备可被定位在公共场所(例如，机场或城镇广场)中，并且由多个用户(例如，至少3、5或10个)同时访问。例如，设备500可包括具有较大的纵横比(aspect ratio)(例如，宽度与高度之比较大)的用户界面550，以例如由多个用户同时使用来：请求运送、订餐、进行预订，等等。在这种配置中，系统10可被配置为基于经由传感器100获得的指纹数据将一个用户与另一用户区分开来，例如，如果用户在访问设备500时改变了其位置的话。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器100，该基于超声的传感器100被配置为捕捉(例如，成像)用户手部(例如，手掌)的大部分，通过捕捉的数据可以识别特定用户。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器100，该基于超声的传感器100包括如本文所述的X和Y导体组。这些导体的厚度、宽度和/或长度可基于导体所在的层(例如，板)。在一些实施例中，压电层包括PVDF(例如，作为大片施加或者类似于光刻胶工艺的旋压)，并且传感器100可在25MHz至50MHz频率范围内操作。在一些实施例中，压电层包括厚度在9μm至10μm之间的层。对于1mm的分辨率，导体可以以1mm的周期定位(例如，0.5mm导体宽度，间距为0.5mm)。对于分辨率更高的传感器100，周期可被相应地增大。X和Y导体的长度可以基于传感器100的特定用途(例如，应用)，以例如适应用于游戏设备(例如，游戏桌)和/或公共显示应用的大型显示屏(例如，长轴或大径至少为20英寸、30英寸和/或40英寸的显示屏)，或者适用于蜂窝电话的相对较小的显示屏。较长的导体往往会具有增大的厚度，以例如降低导体的整体电阻。导体的厚度可以至少为0.1μm，例如至少0.2μm、0.5μm、1.0μm和/或2.0μm。在一些实施例中，导体厚度是基于系统的功率要求来选择的。
在一些实施例中，系统10被配置为以加速的速率捕捉用户的指纹。系统10可通过如下两个步骤识别用户的指纹：指纹“数据获取”步骤和指纹“数据处理”步骤。数据获取步骤包括：获取用户的指纹信息，并且将传感器100(例如，如本文所述的基于超声的传感器)产生的模拟数据转换为可由控制器200处理的数字数据。后续，可执行数据处理步骤，其中控制器200处理传感器100的数据，例如分几个步骤发生的处理，以确定是否经由指纹数据确认特定用户。
数据获取步骤的持续时间取决于传感器100执行的发送和接收事件(TR-RX事件)的数目，这取决于用于发送和接收的X和Y导体的数目(例如，存在的所有导体和/或这些导体的子集)，以及并行读出的数目(例如，所有X或Y导体的信号获取)。数据获取时间TDA可由以下公式确定：
TDA＝(TX-RX事件的数目)x(单个TX-RX事件的持续时间)x(平均次数)
在一些实施例中，传感器100包括250个发送导体(例如，250个X导体)和250个接收导体(例如，250个Y导体)，其中在每个TR-RX事件中，单个导体被用于发送，并且单个导体被用于接收。在这种配置中，TR-RX事件的总数等于：250乘以250再除以2，即31250次。
单个TX-RX事件的持续时间是连续TX-RX事件之间所需的最短等待时间。这个等待时间是基于在传感器100压板内部回响的超声回波消逝(以避免在连续TX-RX事件之前出现回波重叠)所需的时间，并且该等待时间由包括传感器100压板材料声速、厚度和关联衰减在内的参数决定。在一些实施例中，传感器100包括ZnO传感器，并且等待时间为1μs。
平均是如下过程：从同一个TX-RX位置获取一组重复测量值，然后求取所有这些测量值的平均值。平均通过过滤掉电子系统中通常存在的不相关噪声，从而降低噪声并且提高信噪比。平均次数越多，就产生越高的SNR值，并且系统10可被配置为执行最少次数的平均(例如，16次或更多)。在一些实施例中，系统10不执行平均。
在一些实施例中，传感器100包括250个发送导体和250个接收导体，如上所述，并且当前总数据获取时间在不进行平均的情况下等于31.25ms，而在进行平均的情况下等于500ms。在一些实施例中，系统10包括额外的(例如，多于两个)并行读出电路(例如，包括更多的电子电路及其关联的功率消耗和产品体积)。例如，系统10可包括16个读出电路，并且关联的数据获取时间将被缩短至3.9ms和62.5ms(分别是在不进行和进行平均的情况下)。在一些实施例中，传感器100被配置为缩短数据获取时间。
在一些实施例中，传感器100可包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器包括在压板(例如，玻璃压板)上淀积压电体，以及在压电层上方和下方的导体(例如，金属线)。压电体(例如，氧化锌ZnO)可直接被淀积在用户界面550的显示屏(例如，OLED或其他显示屏)上。传感器100可以具有相对较薄的构造，例如当包括不超过40μm、30μm和/或20μm的厚度时。如本文所述，传感器100可以被集成到用户界面550中，而不需要粘合剂粘结(例如，不需要环氧树脂层和/或其他粘合剂将传感器100附接到显示屏或界面550的其他层组件)。可以在单个工艺中制造传感器100和用户界面550。在一些实施例中，传感器100和用户界面550被作为单个组装件(例如，包括集成传感器100的用户界面550)进行测试(例如，制造质量测试)。在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器包括如本文所述的X和Y导体，并且在制造整个显示屏之前，至少一组导体被淀积到用户界面550的显示屏(例如，OLED或其他显示屏)的基底(例如，玻璃)部分上(即，在淀积X和/或Y导体之后，显示屏的一个或多个部分被组装到显示屏)。导体可经由溅射、光刻和/或其他淀积工艺(例如，如本文所述)被淀积到显示屏的一部分上。带有集成传感器100的界面550的制造可以在组装线(例如，一个接一个)制造工艺中执行，和/或在批量模式(例如，一次制造多个的模式，例如至少10个，例如当至少10个传感器100的导体被同时淀积到10个用户界面550的相应的至少10个显示屏上时)中执行。
在一些实施例中，传感器100包括“柔性传感器”，例如包括一个或多个柔性部分或者整体相对柔性的传感器。传感器100可包括基于超声的柔性传感器，其中包括聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)的柔性层。在这些实施例中，设备500可包括“柔性设备”，例如包括支持一定水平的弯曲的一个或多个柔性部分的设备，例如被配置为支持轻微弯曲(例如，当位于钱包中时)而不会损坏的信用卡。传感器100可包括柔性传感器，该柔性传感器被附接到(例如，直接淀积到或粘附到)显示屏(例如，OLED或其他显示屏)，例如用户界面550的显示屏。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器，如本文所述，该基于超声的传感器包括X和Y导体，并且传感器100还可以被配置为电容式触摸传感器(例如，基于测量到的电容变化检测用户的接触)。在这些实施例中，传感器100可被配置为在低功率电容式触摸感测模式和更高功率的超声发送和接收模式(例如，至少两组至少128个导体或至少256个导体主动发送和接收超声波的模式)之间转换。在这些实施例中，传感器100可包括检测区域，该检测区域占据了集成有传感器100的用户界面550的暴露表面区域的大部分(例如，至少50％、75％、85％和/或95％)。在一些实施例中，传感器100(例如，如本文所述的基于超声的传感器)的检测区域具有至少10,000mm2、40,000mm2和/或1,000,000mm2的面积，和/或至少20cm、40cm和/或80cm的长轴。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器(例如，包括如本文所述的X和Y导体)，该基于超声的传感器被配置为集成到用户界面550中，该用户界面550包括相对较厚的玻璃层，通过该玻璃层发送和接收超声波。相对较厚的玻璃层可被配置为减少破损，和/或避免对屏幕检测器(例如，通常被附着到蜂窝电话屏幕以用于保护的屏幕保护器)的需要。用户界面550(例如，其中集成有用户界面550和传感器100的设备500)可被配置为在恶劣环境中操作，例如当在军事应用、户外使用和/或水上活动中使用时。
包括基于超声的传感器100的用户界面550可被配置为在手指被织物或其他柔性材料(例如，手套或指套)覆盖时检测用户的一个或多个手指的触摸。在这些实施例中，用户可将一个或多个手指施加到传感器100可成像的表面(例如，在去除一个或多个手指的覆盖物之后)，以使得可以确认用户的身份(例如，经由用户的一个或多个指纹和/或其他生理确认信息)。在确认之后，用户的手指可以被覆盖(例如，恢复)，并且传感器100可以在所使用的一个或多个手指仍被覆盖的同时接收各种形式的用户输入(例如，图标选择，等等)。
包括基于超声的传感器100的用户界面550可以被集成到包括自动柜员机(automated teller machine，ATM)的设备500中。
如本文所述，包括基于超声的传感器100的用户界面550可以是柔性的(例如，包括一个或多个柔性部分)，例如当包括用户界面550的设备500包括含有柔性“智能屏幕”的可穿戴设备时。设备500可包括含有用户界面550的可穿戴计算机设备和/或衣物。设备500可包括含有传感器100的第一部分(例如，手表或衣物)，以及从第一部分接收信息(例如，经由无线通信)的第二部分(例如，蜂窝电话、膝上型电脑、平板设备和/或其他电子用户设备)。在一些实施例中，第一部分被配置为执行用户确认例程，以例如允许由第一部分提供的一个或多个功能(例如，“智能功能”)仅在配置了由允许的用户进行访问(例如，经由由第一部分和/或第二部分执行的指纹检测)之后才被启用。
用户设备500可包括医疗设备，如本文所述。在一些实施例中，包括集成传感器100(例如，基于超声的传感器100)的用户界面550被配置为在允许设置和/或改变医疗设备的任何参数(例如，开启、关闭和/或修改设备500的任何设置)之前，确认护士、医生和/或其他授权护理人员的身份(例如，经由指纹识别)。替代地或者额外地，设备500可以经由传感器100被配置为检测和/或测量(本文称为“检测”或“测量”)用户的生命体征和/或其他生理参数(例如，包括指纹)，以例如基于生理参数测量值来确认正确使用和/或调整设备500提供的治疗。
在一些实施例中，用户界面550包括字母数字键区和/或其他键盘。在这些实施例中，集成的基于超声的传感器100可以检测到一个、两个或更多个用户的一个或多个指纹，例如在关联的一个或多个用户在同用户界面550中键入(例如，经由键入来输入数据)的同时。在一些实施例中，系统10(例如，经由算法60)被配置为在数据输入期间重复确认用户的身份(例如，以避免许可用户启动数据输入后，第二个非许可用户继续输入数据)。重复的确认可以基于时间界面(例如，每XX秒)和/或基于输入的数据量(例如，输入YY个字符之后重复)连续重复。替代地或者额外地，系统10可被配置为经由对指纹(例如，一个或多个指纹)的捕捉来确认用户的身份，并且只要手指与系统10的用于捕捉指纹的部分(例如，用户界面550)保持接触(例如，以高于阈值的压力水平持续接触)，就可以认为特定用户正在向系统10(例如，设备500)提供输入。然而，如果手指“失去接触”，则系统10可被配置为要求重复用户确认例程(例如，再次经由其指纹或其他方法记录和识别用户)，以允许该用户继续控制设备500(例如，继续控制也取决于用户与关联设备的持续接触)。
在一些实施例中，传感器100包括组装件，该组装件包括以堆叠方式布置的第一基于超声的传感器100a和第二基于超声的传感器100b。在这些实施例中，第一传感器100a可被配置为检测第一组一种或多种形式的用户输入，并且第二传感器100b可被配置为检测第二组一种或多种形式的用户输入。在这些实施例中，第一组一种或多种形式的用户输入可包括在第二组一种或多种形式的用户输入中不包括的至少一种形式的用户输入形式，和/或反之。例如，第一传感器100a可被配置为检测一个或多个用户的指纹，而第二传感器100b可能不具有执行适当检测的分辨率。第一传感器100a可被配置为基于第二传感器100b对用户接触的检测而从休眠状态转变到唤醒状态。控制器200可包括单个电子模块，用于与传感器100a和100b两者相对接(例如，用于发送和/或接收信号)，或者其对于每一者可包括不同的单独电子模块。
在一些实施例中，传感器100的检测区域的至少一部分是沿着用户设备500的边缘(例如，沿着用户界面550的边缘)定位的。例如，沿着设备500的边缘定位的传感器100的第一部分(例如，一组X和Y导体、磁开关和/或其他基于触摸的传感器)可被配置为当被用户接触(例如，激活)时，会使得传感器100的第二部分(例如，高密度部分)从休眠状态转变到激活状态。在一些实施例中，传感器100的第一部分被配置为测量用户施加的力(例如，一个或多个用户的手指，例如当叩击和/或挤压力被施加到设备500的一个或多个边缘时)，例如当状态的转变只发生在施加的力超过阈值时。在一些实施例中，如本文所述，第一部分通过测量用户的皮肤与第一部分的接触量来确定施加的力的水平。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器包括如本文所述的X和Y导体组。在这些实施例中，传感器100可包括PV部分，该部分包括传感器100的一个或多个部分(例如，全部)，其中每个PV部分包括以高密度布局定位的X和Y导体组，这样这些部分可以以低密度、中密度和/或高密度的操作模式操作(例如，基于用于发送和/或接收的导体数量分别提供低、中和/或高分辨率)。例如，当PV部分被以低密度模式操作时，每隔一个、每三个或每“n”个导体(例如，每n个X导体)被用于发送超声波(例如，并且Y导体的相应子集被配置为接收反射的超声波)。中密度和高密度模式涉及的用于发送和接收的导体的数目增加。当PV部分被以低密度模式(例如，设备500的低功率模式)操作，并且用户(例如，用户的手指)接触到邻近PV部分的位置(例如，接触到传感器100的PV部分正上方的用户界面550的部分)时，则至少PV部分(例如，PV部分和传感器100的邻近PV部分的一个或多个部分)转变到中密度或高密度操作模式，其中至少更多个(或者全部)X和Y导体如本文所述被以发送和接收方式使用。在这些实施例中，设备500通常(例如，大部分时间)可以在低功率模式中操作(例如，由于PV部分的低密度发送和接收模式)，但可以转变到更高功率模式，其中PV部分在上文所述的中密度或高密度操作模式中操作。PV部分的这种配置允许了用户根据需要将传感器100(例如，作为用户界面550的集成部分)从低功率、低密度模式转变到更高功率、中等密度和/或高密度模式(例如，传感器100的至少PV部分在更高密度模式中操作)。PV部分的这种布置具有许多优点，例如：节省设备500的电池寿命，其中只在需要时才会遇到高密度模式的高功率使用(例如，由用户和/或系统10相对不频繁地启动)；和/或更快的图像(例如，指纹)获取时间和更低的数据存储需求(例如，与仅扫描减少的PV部分相关联)。在一些实施例中，对PV部分的第一次“接触”(例如，通过用户界面550的一层或多层)会使得PV部分从低密度操作模式转变到中等密度操作模式，而对PV部分的第二次接触会使得PV部分从中等密度操作模式转变到高密度操作模式。在一些实施例中，用户为了让其指纹被检测到(例如，让其身份得到确认)而使得转变到高密度模式。在一些实施例中，PV部分在经过一段时间(例如，没有用户接触和/或没有接收到其他用户输入的一段时间)之后自动转变到低分辨率模式。在一些实施例中，PV部分会在从包括以下各项的群组中选择的事件发生时从低密度模式转变到中密度模式和/或高密度模式：用户界面550被触摸(例如，被用户触摸)；到达一天中的特定时间；用户生理参数达到阈值；设备500被一种或多种方式操纵(例如，旋转或摇晃)，例如当被基于传感器的功能元件999检测到时；当在设备500上使用特定应用(例如，游戏应用或其他应用)时；以及这些的组合。在一些实施例中，PV部分被以高密度模式操作，并且经由其指纹确认用户，在此之后PV部分进入低密度模式。只要提供指纹的手指与设备500(例如，用户界面550)保持接触，PV部分就可以保持在低密度模式中。如果检测到接触(例如，经由接口550与传感器100的接触)丢失，则PV部分可以转变到高密度模式(例如，并且要求用户再一次确认其指纹)。
在一些实施例中，传感器100和/或系统10的其他组件被配置为创建生物材料(例如，血液)的图像，例如被定位(例如，直接定位和/或定位在载玻片上)在邻近包括集成传感器100的用户界面550之处的生物材料。在这些实施例中，系统10可(例如，经由算法60)被配置为对生物材料(例如，血液、血浆和/或细胞)执行分析，以例如确定血型、病原体的存在和/或生物材料内的物质的另一可检测参数。对血液的分析可以使用时间偏移图像、幅度偏移图像或者两者来执行，例如本文所述的那些。在一些实施例中，传感器100和/或系统10的其他组件被配置为创建无机物质的图像，以例如对无机物质执行分析。
统观图2至图19，图示了传感器100和系统10的各种配置，例如利用如本文所述的时间偏移图像的基于超声的系统和传感器。
许多安保系统和电子设备使用生物计量感测来进行用户认证。与其他认证方法(例如，基于文本的密码、认知密码、图形密码、口令、公钥密码学)相比，生物计量认证使用人的独特的生物、生理或行为特性来验证其身份。这些生物特性可以在人的指纹、面部表情、虹膜、语言模式和其他特征中找到。由于其独特性，生物特性通常比密码更难伪造，因此生物计量认证可以与其他认证方法有利地结合，从而改善整体安全性。
基于指纹的认证是生物计量认证的一种类型，它记录了构成人的指纹的脊和谷。与其他类型的生物计量认证相比，基于指纹的认证得益于体积小、坚固耐用并且可大批量低成本制造的传感器。因此，基于指纹的认证已变得广泛，应用于移动设备、自动柜员机(ATM)和门锁等等设备和应用中。
要实现基于指纹的认证，通常要使用超声、电容、光学或热扫描仪来记录候选者的指纹的数字图像。无论使用哪种扫描技术，记录的指纹都必须具有足够高的空间分辨率，以区分脊和谷。例如，美国联邦调查局(Federal Bureau of Investigation，FBI)和美国国家标准与技术研究院(National Institutes of Standards and Technology，NIST)规定，自动指纹识别系统(automatic fingerprint identification system，AFIS)的标准分辨率为500像素每英寸，对应于50微米的像素成像尺寸。然后，模式匹配算法可将数字图像与“允许的”个体的指纹数据库进行比较。如果发现匹配，则安保系统就会推断候选者是“允许的”个体之一。在这种情况下，安保系统于是可以准予候选者进入。
许多超声扫描仪使用既能发送超声也能感测超声的超声换能器阵列。例如，考虑一种二维换能器阵列，该阵列形成像素元件(本文称为“像素元件”或“像素换能器”)的行和列。换能器阵列可以被贴附到压板的底面，并且每个像素元件可被驱动以向压板中发射超声脉冲。超声脉冲的一部分从压板的顶面反射，并且作为回波传播回到换能器阵列。一个或多个像素元件感测回波，并且由此产生的波形可以被处理以获得相应图像的像素。当手指接触压板的顶面时，由此产生的图像将揭示手指的指纹。
现有技术的超声扫描仪测量由脊接触压板的顶面所引起的回波能量的变化。例如，考虑与顶面接触的手指的谷。在这种情况下，在顶面和皮肤之间会形成空气袋，因此没有皮肤直接接触顶面。由于压板(通常为玻璃或塑料)和空气的机械阻抗之间的差异相对较大，因此向压板的这个区域中发射的超声脉冲将以较大的反射系数从顶面反射。由此产生的谷回波将具有相对较高的能量。然而，在脊直接接触顶面的地方，压板和皮肤的机械阻抗之间的差异较小。在压板的这个区域中，超声脉冲将以更小的反射系数从顶面反射，从而产生能量相对较低的脊回波。因此，可以通过映射压板的二维顶面上的回波能量来获得指纹图像。关于基于回波能量的指纹成像的更多细节，可以在标题为“Interactive BiometricTouch Scanner”的国际公布WO 2019/032590号，以及Gerard Touma所著的“A row-columnaddressed acoustic biometric scanner integrated with pulse oximetry”(斯坦福大学博士论文，2020年)中找到；在此通过引用将这些参考文献的每一者全部并入，用于所有目的。
本发明构思可通过记录回波相位或时间延迟的空间变化，替代或补充回波能量的空间变化，从而来使用超声对指纹进行成像。具体而言，脊回波相对于谷回波是相位偏移的，因此换能器阵列对于脊回波将会检测到与谷回波不同的往返脉冲传播时间。通过映射压板的二维顶面上的回波相位和/或脉冲传播时间，可以获得指纹图像。
有利的是，利用本发明构思获得的指纹图像比利用现有技术的基于能量的技术获得的图像具有更高的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)(见图9)。如下文更详细描述的，更高的SNR可能是由于回波的相位噪声相对于其幅度噪声较小这一事实。因此，相位的测量精度可高于幅度。相位噪声相对较小的原因可能是：超声脉冲生成时的相位噪声与幅度噪声相比较小；和/或接收电子器件具有更小的电子相位噪声。
因此，本发明构思利用基于时间而非基于幅度的信号处理技术来处理感测到的回波的波形。例如，每个像素元件可用于在没有手指接触压板时记录基线波形，以及在有手指接触压板时记录信号波形。基线波形可以被处理以确定基线回波的基线到达时间，并且信号波形可以被处理以确定信号回波的信号到达时间。然后从信号到达时间中减去基线到达时间(或者反之)，以获得像素元件的时间偏移。对于靠近谷的像素元件，时间偏移将相对更接近零，而对于靠近脊的像素元件，时间偏移将相对更远离零。
如下文更详细描述的，有许多种方式来处理波形以确定回波到达时间，其中一些方式源自于超声时域反射计的领域。例如，许多超声换能器是使用音调突发(即，单频正弦波的整数个连续周期)来进行激励的。在这种情况下，回波也将具有音调突发的形式，并且到达时间可被定义为所记录的波形中的任何节点或反节点出现的时间。然后可以使用涉及希尔伯特变换或互相关的信号处理技术来确定时间偏移。然而，也可以使用其他信号处理技术，而不脱离本文的范围。此外，本发明构思可用于任何类型的脉冲激励，因此并不局限于音调突发。
本发明构思扩展到与压板接触的单个超声换能器的操作。例如，单个超声传感器可用于通过比较测量到的时间偏移和阈值来确定接触压板的顶面的手指的存在。然后可以输出对存在的指示，例如二进制指示(例如，“0”或“1”)，或者0到1之间的值，指示出手指存在的概率。单个超声换能器可以是换能器阵列的一个像素元件。或者，可以操作阵列的几个像素元件来获得几个时间偏移，然后将其汇总(例如，通过计算均值或方差)以确定该指示。在任何情况下，当所得到的指示表明存在手指时，可以控制换能器阵列以获得指纹的图像。这样，换能器阵列只有在知道压板上确实存在手指时才会被用于对手指成像。
虽然上面的论述描述的是指纹感测，但本发明构思可用于检测与压板接触的任何物体，前提是物体的存在会引起回波中的可测量的相位偏移。此外，虽然上面的论述描述的是像素元件按行和列线性布置的二维换能器阵列，但本发明实施例可以用任何类型的换能器阵列来实现，包括一维像素布置(例如，像素元件按线性或圆形布置)、二维像素布置(例如，像素元件按同心圆布置)和/或三维像素布置。
当用于指纹感测时，本发明构思可与其他物理、生理和生物测量相结合，例如当被包括作为多功能生物计量系统的一部分时。例如，上面引用的文档(即，国际公布WO 2019/032590号和Gerard Touma的博士论文)显示了当换能器阵列的至少一部分是至少部分光学透明的(例如，在近红外)时，脉搏血氧计可如何与超声换能器阵列结合在一起。作为另一示例，本发明构思可用于确定手指脊和压板之间的接触面积。可以随着时间的推移测量该接触面积，以识别指示脉冲的周期性变化。这样，生物计量系统就能区分活体组织和无生命物质。本发明构思可与其他传感器和/或生物计量功能相结合，而不脱离本文的范围。
图2是超声传感器3100的透视图，该传感器3100将超声换能器阵列3104与压板3102相结合。图3是超声传感器3100的剖面侧视图。超声换能器阵列3104被粘结到压板3102的底面3122，或者被制作在压板3102的底面3122上，这样换能器阵列3104发射的超声脉冲就会沿着+z方向(参见右手坐标系3120)穿过压板3102朝着压板3102的顶表面3112传播。顶表面3112是具有不同机械阻抗(例如，密度和/或刚度)的材料之间的边界。因此，超声脉冲将从顶表面3112反射，并且由此产生的反射将沿着-z方向穿过压板3102朝着底面3122传播，在底面处它被换能器阵列3104检测到。这种反射也被称为回波。
超声换能器阵列3104可以是行列可寻址的。具体而言，换能器阵列3104具有沿着y方向延伸的多个行电极3106和沿着x方向延伸的多个列电极3108。在z方向的行电极3106和列电极3108之间有压电层3114，该压电层可经由行电极3106和列电极3108被进行电驱动，使得其产生机械振荡，从而向压板3102中发射超声波。类似地，压电层3114在被超声波机械驱动时，会产生时变电信号，该电信号后续可被检测和处理。压电层3114可以由晶体(例如，铌酸锂、钽酸锂、石英，等等)、陶瓷(例如，氧化锌、锆钛酸铅、铌酸钾、钛酸钡，等等)、III-V或II-VI半导体(例如，氮化铝、砷化镓，等等)、聚合物和/或任何其他压电材料形成。
图2示出了第i个行电极3106(i)使得压电层3114向压板3102中发射超声脉冲3116(i)。由于行电极3106(i)延伸至超声传感器3100的整个长度(在y方向)，因此超声脉冲3116(i)类似地延伸至压板3102的整个长度。或者，第j个列电极3108(j)可以使得压电层3114向压板3102中发射超声脉冲3118(j)。由于列电极3108(j)延伸至超声传感器3100的整个宽度(在x方向)，因此超声脉冲3118(j)类似地延伸至压板3102的整个宽度。在操作中，行电极3106(i)或列电极3108(j)使得超声脉冲被发射(例如，经由施加到电极的信号)，而电极3106(i)或3108(j)中的另一个被配置为记录接收到的超声脉冲。行电极3106(i)和列电极3108(j)重叠的横向区域(即，在x-y平面上)在此称为像素元件(例如，参见图3中的像素元件3110)。虽然图2示出了具有19个行电极3106和17个列电极3108的换能器阵列3104(对应于19×17＝323个像素元件)，但换能器阵列3104或者也可以具有任意数目的行电极3106和列电极3108，而不脱离本文的范围。例如，换能器阵列3104可具有512个行电极3106和512个列电极3108，对应于512×512＝262,144个像素元件。应当理解，对于本发明构思的传感器不存在适用的最小和/或最大行电极3106和/或列电极3108数量。
如图3所示，压板3102在z方向上具有厚度dp。由于像素元件3110既用于发射也用于感测超声波，因此可以选择厚度dp，以使得发射的脉冲的持续时间小于在压板3102中的往返传播时间tp。这一要求确保了像素元件3110不会同时发射和感测，并且确保了电气泄漏(例如，参见图6中的泄漏3502)不会污染输出信号。例如，压板3102可以由声速vs为6000m/s的玻璃制成。带宽为45MHz的脉冲具有22ns的带宽限制持续时间，对应于声音在z方向上传播132μm(例如，在厚度为66μm的压板3102中前后传播)。然而，脉冲可具有更大的空间范围，这可以简化信号处理(例如，参见图6)。在一些实施例中，压板3102的厚度dp为0.5mm。然而，压板3102可以具有不同的厚度dp，而不脱离本文的范围。类似地，压板3102可以由玻璃以外的材料(例如，塑料、金属、晶体、半导体，等等)制成，而不脱离本文的范围。
当一个或多个用户的手指和/或其他组织(如图所示为手指3130)物理接触到压板3102的顶表面3112时，超声传感器3100可用于(i)检测手指3130的存在，(ii)对手指3130的指纹进行成像，(iii)测量手指3130推向顶表面3112的力，(iv)测量力的时间变化以确定手指3130来自活人(而不是假体)，和/或这些的任何组合。因此，超声传感器3100可用作生物计量触摸传感器(例如，参见图8中的手指传感器系统3700)。为了检测完整的指纹，超声传感器3100可具有至少0.1cm2、0.3cm2、0.5cm2、0.7cm2和/或1cm2的面积(即，在x和y方向上)。为清晰起见，图2和图3中未按比例绘出手指3130，并且手指3130可包括本发明构思的系统、设备和方法的一个、两个或更多个用户的手指、手掌、其他身体部位和/或任何其他组织。
图4和图5图示了手指3130接触压板3102时超声传感器3100的行列寻址。在图4中，列电极3108(j)向压板3102中发射超声脉冲3118(j)。在图5中，行电极3106(i)感测超声脉冲3118(j)从顶表面3112反射时生成的回波3406、3408。图4和图5都是通过行电极3106(i)的侧面剖面视图。为清晰起见，在图4和图5中，只示出了十个列电极3108。最好与下面的描述一起来查看图4和图5。
手指3130的底表面形成脊3316(也称为“摩擦脊(friction ridge)”或“表皮脊(epidermal ridge)”)和谷3318的交替序列。脊3316直接接触压板3102的顶表面3112，而谷3318并不直接接触顶表面3112。从而，在每个谷3318下方，空气都与顶表面3112接触。因此，顶表面3112处的反射系数在谷3318处较大，而在脊3316处较小，因此回波3408的幅度大于回波3406的幅度。
在发射期间，信号源3304将驱动信号3306应用于列电极3108(j)，同时所有其他列电极3108和所有行电极3106被接地，从而在压电层3114上建立电压差。为清晰起见，图4中仅示出了行电极3106(i)被接地。在感测期间，放大器3402将行电极3106(i)的电输出放大为放大输出3404，该放大输出后续被数字化和处理。利用列电极3108(j)发射和利用行电极3106(i)感测相当于利用单个像素元件110(i,j)对手指3130进行成像。因此，可以通过对行电极3106和列电极3108的所有组合重复发射和感测来捕捉手指3130的图像。或者，也可以利用行电极3106执行发射，并且利用列电极3108执行感测。
图6示出了在一个像素元件3110的发射和感测期间从行电极3106(i)记录的波形3500W。波形3500W是通过对放大输出3404进行数字化(例如，参见图8中的模数转换器3706)而获得的信号值的数字序列。信号值还带有时间标记。在发射开始时间t＝0处，驱动信号3306被应用到列电极3108(j)，以生成超声脉冲3118(j)。在图6的示例中，驱动信号3306是中心频率为150MHz并且持续时间为中心频率的八个周期(即，约53ns)的脉冲。发射开始时间t＝0作为波形3500W的所有时间测量的参考时间。
当驱动信号3306被应用于列电极3108(j)时，由于电极3106(i)和3108(j)之间的电容耦合，RF泄漏3502出现在波形3500W上。RF泄漏3502在150ns内消失，在此之后出现回波(例如，图5中的回波3406和3408之一)。带有回波的波形3500W的部分在此被称为“子波形”，并且在图6中被示为子波形3504。超声传感器阵列3100和驱动信号3306的设计使得脉冲3118(i)通过压板3102的传播时间大于RF泄漏3502消失所需的时间。这一要求允许了将子波形3504与RF泄漏3502区分开来，并且防止RF泄漏3502污染或影响子波形3504。注意，RF泄漏3502并不总是发生，这取决于超声传感器阵列3100的具体实现。如果不发生RF泄漏3502，或者发生了RF泄漏3502但比图6所示更快地消失，则可以将压板3102做得更薄。
图6显示了子波形3504出现在相对于发射参考时间t＝0测量的到达时间ta。到达时间ta可以相对于子波形3504的任何特征来定义，例如子波形3504的开始或结束点、从子波形3504计算出的包络的峰值(例如，经由应用于子波形3504的希尔伯特变换)、从子波形3504计算出的瞬时相位的过零点、和/或子波形3504的任何振荡的峰值或过零点。到达时间ta可以替代地或者额外地相对于子波形3504的任何振荡的任何相位来定义。可以使用到达时间ta的另一种定义，而不脱离本文的范围。处理波形3500W以确定到达时间ta的方法取决于所选择的定义，并且下文将对其更详细描述。
到达时间ta的一些定义是基于波形3500W的过零点的。为了便于在这些情况下确定ta，可以计算波形3500W的均值并且从波形3500W中减去。其结果在此被称为“均值校正波形”。波形3500W是均值校正波形的一个示例，这可以从波形3500W一般以0mV的信号为中心得到证明。此外，由于只需在子波形3504附近或内部检测到过零点，因此可以对波形3500W进行窗口处理，以提取子波形3504。可以计算子波形3504的均值，并且从子波形3504中减去该均值。其结果在此被称为“均值校正子波形”，子波形3504就是其一个示例。窗口处理消除了波形3500W的大部分，从而有利地加快了信号处理速度，并且减少了关联设备或系统所需的存储器。在一些实施例中，波形的记录开始于发射开始时间之后，在这种情况下，可以忽略子波形3504之前的部分或全部波形3500W。
在图6中，子波形3504表示的回波是超声脉冲3118(j)的初始回波。具体而言，脉冲发射的开始(即，t＝0)与感测到的回波的开始(即，子波形3504的开始)之间的时间延迟约为往返传播时间tp＝2dp/vs。回波从底面3122反射，以产生另一向上传播的脉冲，该脉冲进而从顶表面3112反射，以产生第二个向下传播的回波，该回波从2tp开始被感测。这一过程不断重复，产生了一序列的感测到的回波，这些回波的时间间距为tp，并且随着每次反射(即，序列中的位置)而幅度减小。初始回波的子波形3504具有最大幅度(即，最高SNR)。因此，本文假定子波形3504表示初始回波。然而，本发明实施例可以很容易被改编为记录和处理第二回波、第三回波，等等。
图7图示了基线子波形3602和信号子波形3604之间的时间偏移Δt。子波形3602和3604的每一者是均值校正子波形3504的示例。在图7中，为清晰起见，子波形3602和3604被归一化并且重叠在同一幅图上。为了增强时间偏移Δt的可见度，只绘制了子波形3602和3604中7ns宽的部分。
基线子波形3602由像素元件3110记录，在像素元件3110的正上方的区域(例如，手指3130的谷3318下方，或者手指3130完全脱离压板3102的情况下)，空气与压板3102的顶表面3112接触。相比之下，当手指3130的脊3316在像素元件3110的正上方区域中接触到顶表面3112时，记录了信号子波形3604。如图7所示，顶表面3112上存在脊3316不仅会使得基线子波形3604的归一化幅度减小ΔA，还会使得基线子波形3604偏移Δt。因此，可以从Δt确定脊3316的存在与否。
在一些实施例中，驱动信号3306具有音调脉冲的形式，即，单频正弦波的几个连续周期。子波形3504也具有音调脉冲的形式，因此可以使用相位而不是时间来描述。在这些情况下，到达时间ta等同于到达相位，因此时间偏移Δt等同于相位偏移Δφ。也就是说，顶表面3112的脊3316的存在将基线子波形3604的相位偏移了Δφ＝fΔt×3600，其中f是正弦波的频率，并且3600将结果转换为度。因此，在本公开内容中，当子波形3504具有明确定义的相位和频率时，任何对时间偏移Δt的引用都等同于相位偏移Δφ(反之亦然)。然而，驱动信号3306不需要是音调脉冲，而也可以改为是不同类型的脉冲和/或激励波形。
时间延迟Δt可以是正的或者负的。事实上，Δt的符号可用于识别与压板3102接触的材料是比压板3102的材料软还是比压板3102的材料硬。因此，Δt的符号也可用于确定接触压板3102的物体的类型。
图8是手指传感器系统3700的框图，该系统使用超声传感器阵列3100来基于时间偏移Δt对手指3130进行成像。手指传感器系统3700还可以确定压板3102上的手指3130的存在与否，并且确定手指3130推压压板3102的力。
手指传感器系统3700包括实时处理器3708，该处理器控制复用器(MUX)3702，以选择哪个列电极3108被信号源3304驱动。实时处理器3708还控制MUX 3702，以选择哪个行电极3106连接到放大器3402的输入。放大器3402的放大输出3404被利用模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)3706进行数字化，其输出为传感器数据3716，实时处理器3708然后对传感器数据3716进行时间戳处理，以创建波形3500W。实时处理器3708参考时基(time base)3728，该时基参考波形3500W的所有定时，从而确保所有波形3500的时间戳都准确且稳定。虽然图8中没有示出，但时基3728也可用作ADC 3706和信号源3304之一或两者的时间/频率参考。
处理器3708包括“实时”处理器，因为它完成一个操作所需的时间是确定的，因此是可预测的(即，不会基于外部因素或意外事件而改变)。对MUX 3702的实时控制和对放大输出3404的处理确保了对所有波形3500一致地实现时间戳处理。这种一致性很重要，因为每个时间偏移Δt是从在不同时间记录的两个波形3500确定的。信号处理、对MUX 3702的控制或者两者中的零星或不可预测的延迟，可能会导致时间偏移Δt的错误值，即，时间偏移Δt将被错误地归因于压板3102上手指3130的存在或不存在。实时处理器3708的示例包括现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)和片上系统(system-on-chip，SoC)。然而，实时处理器3708可以是其他类型的电路和/或芯片，只要它会确定性地操作。在生成波形3500W之后，可以对其进行非确定性处理，以确定时间偏移Δt。因此，处理器3720不需要是实时处理器(例如，它可以是中央处理单元)。
实时处理器3708将波形3500W发送到计算机3710，计算机3710处理波形3500W，以确定时间偏移Δt。计算机3710包括处理器3720和存储波形3500W的存储器3722。存储器3722还存储有机器可读指令，这些指令当被处理器3720执行时，会处理波形3500W，以从传感器数据3716确定时间偏移Δt。下文将更详细论述计算机3710用于确定时间偏移Δt的信号处理方法。关于计算机3710的其他细节将在下文中联系图19进行描述。
在一些实施例中，手指传感器系统3700从针对传感器阵列3100的每个像素元件3110确定的时间偏移Δt生成时间偏移图像(例如，参见图9中的时间偏移图像3804)。时间偏移图像的每个像素唯一对应于一个像素元件3110，并且时间偏移图像的像素与像素元件3110的布置方式相同。计算机3710可以经由显示屏3712向用户显示时间偏移图像，显示屏3712可以与计算机3710集成(例如，平板设备或膝上型计算机)，或者可以与计算机3710分离(例如，桌面型监视器或高清电视)。虽然在图8中没有示出，但计算机3710可以替代地或者额外地与使用时间偏移图像的另一计算机系统(例如，经由广域网、局域网、互联网、Wi-Fi，等等)进行通信，所述另一计算机系统例如可以是处理时间偏移图像以确定对房间、计算机系统、文件等等的访问权限的生物计量安保系统。在一些实施例中，实时处理器3708和计算机3710被组合为单个计算机系统。
当手指3130接触压板3102时由手指传感器系统3700记录的波形3500W在此称为“信号波形”。手指传感器系统3700可以为超声传感器阵列3100的每个像素元件3110依次记录一个信号波形3500W。在一些实施例中，手指传感器系统3700使用当手指3130未接触压板3102(即，空气完全接触压板3102的顶表面3112)时获得的波形3500W来为每个像素元件3110确定时间偏移Δt。这种波形3500W在此被称为“基线波形”。
手指传感器系统3700处理每个像素元件3110的信号和基线波形3500，以确定该像素元件3110的时间偏移Δt。例如，手指传感器系统3700可以处理信号波形3500W，以确定信号回波的信号到达时间并且处理基线波形3500W，以确定基线回波的基线到达时间然后，手指传感器系统3700可以从信号到达时间/>中减去基线到达时间/>以获得时间偏移/>在其他实施例中，手指传感器系统3700会将信号波形和基线波形3500变换为互相关波形。然后，手指传感器系统3700处理互相关波形(例如，通过识别峰值)以确定时间偏移Δt。
从超声传感器3100的每个像素元件3110的信号到达时间中减去基线到达时间被称为时间(或相位)补偿。有利的是，时间补偿通过确保检测到的时间偏移Δt的空间变化被正确归因于压板3102上手指3130的脊3316和谷3318，从而改善准确性。具体而言，基线时间补偿针对传感器3100上的往返传播时间/>的空间可变性进行校正，即，由于声速vs、厚度dp或两者的空间变化，对于不同的像素元件3110，tp可能会变化。dp的空间可变性可能是由制造限制造成的，例如当压板3102的顶和底表面3112、3122在制作时不平整或彼此不平行，或者当压电层3114的频率/相位响应在整个压板3102上有空间变化时。dp的空间可变性也可能由压板3102的差异热膨胀引起，这种差异热膨胀可能由压板3102上的横向温度梯度引起。这种温度梯度可能由从手指3130传导到压板3102中的热量引起。热梯度也可列电极引起压板3102的密度的空间变化，从而导致声速vs也发生空间变化。往返传播时间tp的空间可变性也可由电子器件导致，例如不同电路组件的不同延时、金属迹线的不同长度、通道阻抗的变化和/或电子器件内可能导致空间可变性的其他不一致性。
由于空间变化tp的许多来源是时间相关的，因此可以从时间上相互接近(例如，一秒内)记录的信号和基线波形3500确定Δt的最准确值。然而，空间可变性的许多来源随时间的变化足够缓慢，以至于基线到达时间在较长的时间段内(例如，几分钟或更长)是基本上恒定的。在这种情况下，可能没有必要为每个时间偏移图像记录一整组基线波形3500(即，每个像素元件3110一个)。例如，基线波形3500可以被记录一次，被保存在存储器3722中，然后根据需要被从存储器3722中取回。在这种情况下，手指传感器系统3700可以周期性地(例如，每分钟一次)记录新的基线波形3500，并且用新的基线波形3500覆写存储在存储器3722中的基线波形3500。或者，只有基线到达时间/>被存储在存储器3722中，并且根据需要从存储器3722中取回，以确定时间延迟Δt。与存储基线波形3500相比，只存储基线到达时间/>使用的存储器更少，从而减少了生成时间偏移图像所需要的计算资源。还可以针对自从记录基线波形3500以来发生的温度变化对存储的基线波形3500进行校正，从而延长在记录新的基线波形3500之前可经过的时间量。
图9比较了指纹的时间偏移图像3804与同一指纹的传统幅度偏移图像3802。为了改善信噪比(SNR)，每幅图像3802和3804都是在16次扫描中取平均的。超声传感器3100有250×250＝62,500个像素元件3110，覆盖面积为1×1cm2。图像3802和3804是从相同的信号和基线波形3500获得的。为生成幅度偏移图像3802，对每个像素单元3110的信号和基线波形3500进行处理，以确定其间的平均幅度偏移(例如，参见图7中的幅度偏移ΔA)。每个平均幅度偏移被映射到图像3802的相应像素的灰度值。对于时间偏移图像3804，为每个像素元件3110确定的平均时间偏移Δt被映射到图像3804的相应像素的灰度值。
从超声传感器3100的每个像素元件3110的信号幅度中减去基线幅度被称为基线幅度(或功率)补偿。与基线时间补偿类似，基线幅度补偿用于针对回波的感测幅度(或功率)的空间可变性进行校正，从而确保ΔA的空间变化被正确归因于手指3130。事实上，基线回波幅度的空间变化可能大于幅度偏移ΔA，在这种情况下，基线幅度补偿对于获得清晰的指纹图像至关重要。空间幅度可变性可由几个因素中的任何一个引起，包括压电层3114的压电属性的空间变化、电极3106和3108的电变化以及读出电子器件。
时间偏移图像3804的SNR明显高于幅度偏移图像3802，脊的对比度显著改善就是证明。SNR的这个改善可能表明，超声脉冲3116生成时的相位噪声小于幅度噪声，从而相位(或时间延迟)的测量灵敏度可好于幅度。如图9所示，利用本发明构思可实现的更高SNR可用于改善图像清晰度。然而，更高的SNR也可以通过减少达到目标SNR所需要的平均的数目来有利地缩短数据获取时间。例如，可以使用至少1μs的时间段来扫描每个像素元件3110，因此在至少62.5ms的时间段上将发生对所有62,500个像素元件3110的全面扫描。然而，对于幅度偏移成像，可以执行多达64次扫描并且取均值，以获得具有足够SNR的图像，因此总扫描时间至少为4s。相比之下，对于时间偏移成像，可以通过在少于64次扫描(例如，少于16次扫描、少于8次扫描，例如仅4次扫描)上取平均来获得足够的SNR。由此得到的四次扫描的总扫描时间0.25s，比幅度偏移成像所需要的时间少十六倍。在一些实施例中，时间偏移成像是利用被平均在一起的任何正整数次扫描来实现的。这些实施例包括一次扫描的时间偏移成像，在这种情况下不需要取平均。
时间偏移图像3804和幅度偏移图像3802可以被组合以获得混合时间幅度偏移图像，其SNR高于图像3802和3804中的任一者。具体而言，混合图像的每个像素可以通过处理相应的信号和基线波形3500以获得时间偏移Δt和幅度偏移Δt两者来获得。然后可将这些偏移变换为单个值(例如，加权和)，再映射到灰度值。也可以使用其他技术来将时间偏移Δt和幅度偏移ΔA相结合，而不脱离本文的范围。在一些实施例中，可以获得时间偏移图像3804和幅度偏移图像3802的任一者或两者，可以配置设备(例如，本文所述的用户设备500)来首先创建一个或多个时间偏移图像或幅度偏移图像，以识别手指的位置(例如，在传感器上)，然后分别创建一个或多个幅度偏移图像或时间偏移图像，由设备用于创建手指的指纹。替代地或者额外地，设备可被配置为基于用户输入的配置或由设备识别(例如，自动识别)的条件来创建时间偏移图像和/或幅度偏移图像中的任一者或两者。例如，如果一种类型的图像(例如，指纹)没有提供足够和/或适当的数据(例如，用于用户识别)，则设备可自动切换到获得另一种类型的图像。例如，对于一个或多个指纹脊和/或谷缺失的指示可导致从一种类型的图像捕捉(例如，时间偏移图像或幅度偏移图像)转变到另一种类型的图像捕捉(例如，分别为幅度偏移图像或时间偏移图像)，和/或从单种类型的图像捕捉(例如，时间偏移图像或幅度偏移图像)转变到多种类型的图像捕捉的组合(例如，时间偏移图像和幅度偏移图像的组合)。在另一示例中，一种类型的图像(例如，时间偏移图像或幅度偏移图像)用于识别邻近传感器3100放置的手指的外围，而另一种类型的图像(例如，分别为幅度偏移图像或时间偏移图像)用于捕捉手指的指纹(例如，为了改善指纹识别的响应时间)。
图10示出了仅使用信号波形3500的信号到达时间生成的指纹图像3902。从而，图10的指纹图像3902是在没有基线补偿(即，基线波形3500)的情况下生成的。具体而言，为超声传感器3100的每个像素元件3110确定的信号到达时间/>被映射到指纹图像3902的相应像素的灰度值。指纹图像3902是从用于生成图9的图像3802、3804的相同信号波形3500创建的。
图10还示出了通过对指纹图像3902应用二值化来获得的二值化图像3904。二值化图像3904示出了在时间偏移图像3804中出现的几乎所有相同特征。因此，往返传播时间tp的空间可变性可能小到足以不需要基线时间补偿。例如，压板3102的厚度dp可能具有足够的空间均匀性，以至于对于所有像素元件3110，基线到达时间基本上是相同的。在这种情况下，就不需要基线波形3500，从而有利地缩短了数据获取时间，加快了信号处理速度，并且降低了存储器存储要求。
图11是使用基线时间补偿的超声信号处理方法31000的流程图。可以使用本发明构思的系统和设备执行方法31000，并且使用本文描述的各种组件来对其进行描述。在块31012中，确定(i)超声换能器感测到的信号回波的信号到达时间和(ii)超声换能器感测到的基线回波的基线到达时间之间的时间偏移。在块31012的一个示例中，超声换能器是超声传感器3100的一个像素元件3110(i,j)，并且图8的计算机3710处理信号和基线波形3500以确定时间偏移Δt。信号回波可以是在有物体接触压板的压板表面的情况下由压板表面生成的。类似地，基线回波可以是在没有物体的情况下由压板表面生成的。例如，如图2至图5所示，信号和基线回波可以是由压板3102的压板顶表面3112生成的。
在一些实施例中，超声换能器是超声换能器阵列的像素元件。在这些实施例中，方法31000包括决策块31020，该决策块对于超声换能器阵列的每个像素元件重复块31012，以生成时间偏移的阵列。方法31000还包括块31022，其中为时间偏移的阵列生成时间偏移图像。在块31020和31022的一个示例中，计算机3710处理信号和基线波形3500以为超声传感器阵列3100的每个像素元件3110确定一个时间偏移Δt。一个时间偏移Δt是与二维像素元件阵列3110相对应的时间偏移的阵列之一。然后，计算机3710处理时间偏移的阵列以创建时间偏移图像(例如，图9的时间偏移图像3804)。虽然在图9中没有示出，但时间偏移图像后续可以被输出(例如，输出到显示屏3712或者输出到另一计算机系统以进行额外处理或存储)。
在一些实施例中，超声换能器阵列具有若干行(导体行)和若干列(导体列)，并且时间偏移图像具有相同的行数和列数。例如，时间偏移图像3804中的行数和列数可以等于超声传感器3100的行数和列数。在这种情况下，时间偏移图像的像素可以与传感器3100的像素元件3110具有一一对应关系。
在一些实施例中，方法31000还包括时间偏移图像的后处理(例如，时间偏移图像数据的后处理)。例如，后处理可包括对时间偏移图像应用以下各项中的一个或多个：维纳滤波、可转向滤波、直方图均衡化、和/或二值化。在一些实施例中，二值化被应用于指纹图像3902，以生成二值化图像3904。然而，可以实现任何类型的图像后处理，而不脱离本文的范围。关于各种后处理技术的细节，可以在Gerard Touma所著的“A row-column addressedacoustic biometric scanner integrated with pulse oximetry”(斯坦福大学博士论文，2020年)中找到。
在一些实施例中，方法31000包括块31008和31010中的一者或两者。在块31008中，在物体接触压板表面的同时，从自超声换能器获得的基线波形中识别基线回波。在块31010中，在物体未接触压板表面的同时，从自超声换能器获得的信号波形中识别信号回波。信号回波可以是信号波形的初始回波，并且基线回波可以是基线波形的初始回波。波形3500W是一种波形示例，该波形可以是信号波形或基线波形。子波形3504是初始回波的一个示例。
在一些实施例中，方法31000的块31012包括块31014、31016和31018。在块31014中，处理信号波形以识别信号到达时间。在块31016中，处理基线波形以识别基线到达时间。在块31018中，从信号到达时间中减去基线到达时间，以确定时间偏移。在识别信号到达时间之前，可以对信号波形进行滤波。类似地，在识别基线到达时间之前，可以对基线波形进行滤波。
方法31000的前述实施例可以在计算机系统上执行(例如，参见图19的超声信号处理系统31800)，例如接收由手指传感器系统3700记录的信号和基线波形3500的计算机系统。第三方可以操作手指传感器系统3700并且将记录的波形3500发送到计算机系统以进行处理。从而，执行方法31000不需要超声传感器。然而，下面的论述介绍了方法31000的其他实施例，其中包括超声传感器的操作来获得波形。
因此，方法31000的一些实施例包括块31002和31004。在块31002中，信号超声脉冲被超声换能器发送到压板中，以使得信号超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成信号回波。在块31004中，利用超声换能器感测信号回波。然后，超声传感器的输出可被处理成信号波形。例如，在图8中，放大器3402将传感器阵列3100的输出放大为放大输出3404，ADC 3706将放大输出3404数字化为传感器数据3716，并且实时处理器将传感器数据3716处理为波形3500W。虽然此示例中的超声换能器是多个像素元件的阵列，但超声换能器或者也可以是单个超声换能器。
在一些实施例中，超声换能器包括超声换能器阵列的一个或多个像素元件。在这些实施例中，方法31000可包括决策块31006，该块对于换能器阵列的每个像素元件重复块31002和31004。如果换能器阵列的像素元件是可行列寻址的，则可以通过经由行列寻址控制超声换能器阵列来发送信号超声脉冲并且感测信号回波。可以只使用传感器阵列的一行来发送信号超声脉冲，并且可以只使用传感器阵列的一列来感测回波脉冲。在这些实施例的一个示例中，超声传感器3100的列电极3108(j)被激励以将超声脉冲3118(j)发送到压板3102中。超声脉冲3118(j)从压板3102的顶表面3112反射，以生成回波3406、3408，这些回波然后被行电极3106(i)感测到。
在其他实施例中，超声换能器阵列具有可单独寻址的像素元件。在这些实施例中，通过对个体像素元件寻址，可以发送信号超声脉冲，并且可以感测信号回波。在一些实施例中，可以使用波束成形来发送信号超声脉冲，即，可以同时激励多个像素元件，并且适当选择复值权重，从而将信号超声脉冲聚焦到压板的顶表面上。类似地，也可以使用波束成形来感测信号回波，即，可以同时感测多个像素元件，并且对像素元件的电输出应用适当的复值权重。波束成形可利用可行列寻址的传感器阵列和可单独寻址的传感器阵列两者来实现。一旦检测到的数据被数字化并且存储在计算机中，就也可以用软件来对检测到的数据实现波束成形(例如，参见图19的超声信号处理系统31800)，以替代对于发送和接收操作的两者或任一者使用硬件进行波束成形。
在包括块31002和31004的方法31000的前述实施例中，基线波形可以被存储在存储器中，并且作为块31012的一部分被从存储器中取回。然而，在其他实施例中，方法31000对块31002和31004迭代两次。具体而言，方法31000对块31002和31004进行第一次迭代，以测量信号波形，如上所述。在对块31002和31004的第二次迭代中，基线超声脉冲被超声换能器发送到压板中，以使得基线超声脉冲的一部分从压板表面反射以形成基线回波。然后利用超声换能器来感测基线回波。超声传感器的输出后续可被处理成基线波形，与信号波形类似。基线波形可以在信号波形之前或之后生成。
在超声换能器是超声换能器阵列的像素元件的实施例中，方法31000包括块31006，以对于换能器阵列的每个像素元件重复块31002和31004。具体而言，方法31000执行块31002、31004和31006的第一次迭代，以针对每个像素元件测量信号波形。然后，方法31000执行模块31002、31004和31006的第二次迭代，以针对每个像素元件测量基线波形。换能器阵列可被控制以发送基线超声脉冲，类似于其被控制以发送信号超声脉冲的方式(例如，行列或个体像素寻址、波束成形或单行发送，等等)。类似地，换能器阵列可用于感测基线回波，与其被用于感测信号回波的方式类似(例如，行列或个体像素寻址、波束成形或单列感测，等等)。可以按任何时间顺序获得信号波形和基线波形。例如，可以在获得所有基线波形之前获得所有信号波形，或者反之。
确定时间偏移的信号处理
图12是处理波形以识别回波的到达时间的方法31100的流程图。当利用信号波形来执行方法31100以识别信号到达时间时，方法31100可替代方法31000的块31014。类似地，当利用基线波形来执行方法31100以识别基线到达时间时，方法31100可以替代方法31000的块31016。
在方法31100的块31108中，波形被处理以识别回波的过零点。在块31110中，基于过零点的时间来计算回波的到达时间。可以利用信号波形执行块31108和31110，以计算信号到达时间也可以利用基线波形来执行块31108和31110以计算基线到达时间/>可以在确定基线到达时间/>之前或之后确定信号到达时间/>
方法31100的一些实施例包括块31104，其中从波形中减去波形的均值，以获得均值校正波形。在这些实施例中，块31108和31110是利用均值校正波形执行的，即，识别的过零点是均值校正波形的过零点。在其中一些实施例中，方法31100包括计算波形的均值。
方法31100的一些实施例包括块31102，其中从波形中选择回波的子波形。图6的子波形3504就是子波形的一个示例。在这种情况下，利用子波形执行块31104(即，从子波形中减去子波形的均值)，以获得均值校正子波形。然后利用这个均值校正子波形执行块31108和31110(即，过零点是均值校正子波形的过零点)。图7的均值校正子波形3602和3604分别是均值校正基线子波形和均值校正信号子波形的示例。在这些实施例之一中，方法31100包括计算子波形的均值。
方法31100的一些实施例包括块31106，其中对均值校正子波形进行内插以获得最佳拟合曲线。在这些实施例中，块31108和31110是利用最佳拟合曲线执行的(即，过零点是最佳拟合曲线中的过零点)。可以对整个均值校正子波形进行内插，或者可以对其一部分进行内插。例如，可以选择均值校正子波形3602的靠近过零点3610的部分进行线性内插，而排除其他部分(例如，靠近邻近的反节点)。排除这些其他部分通过减少需要处理的数据量，有利地加快了内插速度。
如图6所示，子波形3504持续若干个周期，因此形成一序列的过零点。这些过零点中的任何一个或多个可用于确定回波的信号到达时间。过零点的序列可以只包括具有正斜率的过零点，只包括具有负斜率的过零点，或者两者都包括。在一些实施例中，对信号过零点的序列进行处理以确定信号到达时间，并且对基线过零点的序列进行类似处理以确定基线到达时间。对这两个序列进行类似处理确保了对于基线和信号回波，到达时间的定义是相同的。例如，在只有一个基线过零点被用于确定基线到达时间以及只有一个信号过零点被用于确定信号到达时间/>的实施例中，基线过零点序列中的基线过零点的位置可以与信号过零点序列中的信号过零点的位置相同。
在方法31000的一些实施例中，在块31014中，信号波形被处理，以通过对信号波形的至少一部分(例如，信号子波形的一部分或全部)应用希尔伯特变换来识别信号到达时间。希尔伯特变换的输出包括瞬时信号相位的时间序列，可对其进行处理以识别信号过零点。然后，可基于信号过零点发生的时间计算信号发送时间。同样的步骤也可以在块31016中实现，但用基线波形代替信号波形来计算基线到达时间。可以利用瞬时信号相位的序列和瞬时基线相位的序列来实现上文对方法31100描述的任何技术，例如选择子波形、内插、减去均值，等等。
希尔伯特变换还可以输出包络值的时间序列，该序列也可用于确定回波到达时间。例如，可以在包络值的序列中识别极值，并且选择极值出现的时间作为到达时间。可以对包络值的序列进行内插，以更精确地识别极值出现的时间。可以在有或没有由希尔伯特变换输出的瞬时相位值的相应序列的情况下使用包络值的序列。基于希尔伯特变换的相位和包络输出识别回波到达时间的技术的示例可以在Mario Kupnik、Edwin Krasser和Martin 的“Absolute Transit Time Detection for Ultrasonic GasFlowmeters Based on Time and Phase Domain Characteristics”(2007年IEEE超声研讨会论文集，纽约州纽约市，2007年，第142-145页)中找到。然而，本领域的技术人员将会认识到，使用希尔伯特变换确定回波的到达时间的技术有很多，在不脱离本文范围的情况下可以使用其中任何一种技术。
在方法31000的一些实施例中，通过将基线和信号波形变换为互相关信号并且基于互相关信号计算时间偏移来确定时间偏移。在这些实施例中，块31012可以排除块31014、31016和31018，因为互相关信号的峰值将直接指示时间偏移Δt，而无需分别确定信号和基线到达时间。本领域的技术人员将会认识到，使用互相关来确定时间偏移的技术有很多，在不脱离本文范围的情况下可以使用其中任何一种技术。
图13是处理波形以识别回波的到达时间的方法31200的流程图。与方法31100一样，可以利用信号波形来执行方法31200以识别信号到达时间，在这种情况下，方法31200可以替代方法31000的块31014。类似地，可以利用基线波形来执行方法31200以识别基线到达时间，在这种情况下，方法31200可以替代方法31000的块31016。除了从子波形的极值(即，最大值或最小值)确定到达时间以外，方法31200与方法31100相似。为使得下面的论述更加清晰，对于极值使用最大值。然而，可以改为使用最小值，而不脱离本文的范围。
在方法31200的块31202中，波形被处理以识别回波的最大值。在块31204中，基于最大值的时间计算回波的到达时间。可以利用信号波形来执行块31202和31204以计算信号到达时间类似地，可以利用基线波形来执行块31202和31204以计算基线到达时间可以在确定基线到达时间/>之前或之后确定信号到达时间/>
方法31200的一些实施例包括块31102，其中从波形中选择回波的子波形。在这些实施例中，利用此子波形执行块31202和31204。由此得到的幅度可以是子波形的局部最大值。方法31200的一些实施例包括块31106，其中对子波形进行内插以获得最佳拟合曲线。在这些实施例中，利用最佳拟合曲线执行块31202和31204。可以对整个子波形进行内插，或者可以对其一部分进行内插。
如图6所示，子波形3504持续若干个周期，因此形成一序列的极值。这些极值中的任何一个或多个可用于确定回波的信号到达时间。极值的序列可以只包括最大值、只包括最小值、或者包括这两者。在一些实施例中，对信号极值的序列进行处理以确定信号到达时间，并且对基线极值的序列进行类似处理以确定基线到达时间。对这两个序列进行类似处理确保了对于基线和信号回波，到达时间的定义是相同的。例如，在只有一个基线最大值被用于确定基线到达时间并且只有一个信号最大值被用于确定信号到达时间/>的实施例中，基线极值序列中的基线最大值的位置可以与信号极值序列中的信号最大值的位置相同。
图14图示了处理信号和基线波形以识别时间偏移Δt的方法31300。与互相关类似，方法31300结合信号波形和基线波形直接确定Δt，而不是分别处理信号波形和基线波形以确定和/>因此，方法31300可用于方法31000的块31012。方法31300基于利用单频波形(也称为“音调突发”)的几个连续周期来激励像素元件。例如，音调突发可以由频率为150MHz的正弦波的八个连续周期形成。音调突发可以是单极的，或者可以是双极的。此外，可以对音调突发进行低通滤波，以平滑其包络。可以假定，从音调突发产生的回波具有中心频率的相同固定数目的连续周期。具体而言，从物体产生的任何时间偏移Δt在整个回波中都是恒定的。在这种情况下，可以从基线子波形31302中减去信号子波形31304，以获得差分波形31306。差分波形31306的频率与子波形31302和31304的频率相同，并且差分波形31306的幅度取决于时间偏移Δt。因此，可以处理差分波形31306以确定时间偏移Δt。
对于时间偏移Δt的较小值，差分波形31306的幅度将小于子波形31302和31304的幅度。在这种情况下，差分波形31306的SNR将低于子波形31302和31304。这个降低的SNR可能限制能够多好地确定时间偏移Δt。保持SNR的一种方式是将子波形31302和31304的每一者拟合到相位和幅度可变(但频率固定)的正弦波，然后从最佳拟合正弦波计算差分波形31306。可以使用其他技术来保持SNR，而不脱离本文的范围。
图15图示了用于处理波形以识别回波的到达时间的两种采样方法31402和31404。在方法31402中，系统10以正弦波的每个周期10个样本的采样率(sampling rate)对包括正弦波形的回波进行采样。系统10可以分析收集到的每个周期10个样本，以创建回波的估计(例如，幅度和/或相位的估计)。在方法31404中，回波(例如，与方法31402中相同的回波)被以正弦波的每个周期2个样本的速率采样。系统10在知道回波所基于的发送信号的参数后，可以类似地提供回波的估计(例如，幅度和/或相位的估计)。方法31402的减少采样提供了许多优势，例如处理速度、数据存储和传送以及其他优势。与方法31100和31200类似，可以利用信号波形来执行方法31402和/或31404以计算信号到达时间在这种情况下，方法31402和/或31404可用于方法31000的块31014。类似地，可以利用基线波形来执行方法31402和/或31404以计算基线到达时间/>在这种情况下，方法31402和/或31404可以用于方法31000的块31016。可以在确定基线到达时间/>之前或之后确定信号到达时间/>
方法31402和/或31404可以对感测到的回波实现正交采样，与均匀采样相比，正交采样有利地减少了要记录和处理的数据量。例如，图7中的子波形3602、3604可以被以1.25Gbps的采样率(即，顺序采样的点之间为0.8ns)进行均匀采样(例如，由图8的ADC3706)。在此采样率下，对于中心频率f0为150MHz的波形的每个周期可采样约八个数据点。然而，由于中心频率f0已知，因此对于每个周期只需要采样两个数据点来确定相位。这两个数据点在时间上必须相隔四分之一个周期(即，正交)，但可以出现在单个周期内的任何位置。具体而言，考虑从基线波形的一个周期记录的第一和第二正交数据点(t1,a1)和(t2,a2)。这两个数据点将基线波形约束为数学形式为y(t)＝A cos cos(2πf0t+φb)的正弦波、其中 并且基线相位φb可以通过求解a1＝A cos cos(2πf0t1+φb)或a2＝Acos cos(2πf0t2+φb)来确定。对来自信号波形的两个正交数据点重复这一过程，以获得信号相位φs。由此得到的时间偏移于是为Δt＝(φs-φb)/(2πf0)，其中φs和φb单位为弧度，并且f0单位为赫兹。或者，相位偏移φs-φb可以直接用于创建时间偏移图像(例如，通过将相位偏移映射到时间偏移图像的像素的相应灰度值)。
示例性伪代码
以下伪代码是方法31000的示例性实现方式，其中方法31200被用于块31014和31016的每一者。注释前有符号“#”。
#定义常数
n_tx＝250#发送电极的数目
n_rx＝250#感测电极的数目
wfm_size＝100#每个波形内的数据点的数目
interp_factor＝25#内插因子
fc＝150MHz#发送的脉冲和感测的回波的中心频率
fs＝1.25GSPS#ADC采样率
Ts＝fs x interp_factor#内插之后的采样周期
#取回基线波形的三维(3D)阵列。该阵列的第一索引#从1到n_tx，并#且识别传感器的相应一行。该阵列的第二索引从1到n_rx，并且识别#传感器的相应一列。第三索引从1到wfm_size，并且识别每个波形#的一个数据点。
input_data_baseline＝echo_array_baseline(n_tx,n_rx,wfm_size)#取回信号波形的类似3D矩阵
input_data_signal＝echo_array_signal(n_tx,n_rx,wfm_size)#预处理每个波形以去除均值。参数“3”指示出#3D阵列的哪个维度对#应于波形的时间。
input_data_baseline＝mean_removal(input_data_baseline,3)
input_data_signal＝mean_removal(input_data_signal,3)
#对每个波形进行内插以实现采样周期<<预期时间延迟
input_data_baseline＝interpolation(input_data_baseline,interp_factor)
input_data_signal＝interpolation(input_data_signal,interp_factor)#对每个波形进行120至180MHz之间的带通滤波。参数BW是带宽，#并且参数N_order是滤波器阶数。
Input_data_baseline＝FIR_filter(input_data_baseline,
BW＝[120 180]MHz,N_order＝100)
Input_data_signal＝FIR_filter(input_data_signal,
BW＝[120 180]MHz,N_order＝100)
#处理每个波形峰值以识别波形达到峰值的时间
[max_val_baseline,max_idx_baseline]＝
max(input_data_baseline(sub_window),3)
[max_val_signal,max_idx_signal]＝
max(input_data_signal(sub_window),3)
#生成时间偏移的二维2D映射图谱。#将映射图谱的每个像素乘以1e12#来以皮秒表达结果
Raw_image＝(max_idx_signal-max_idx_baseline)x Ts x 1e12
带有单个超声换能器的实施例
如上所述，可以利用单个超声换能器(例如，不是多个换能器的阵列的一部分)来执行方法31000。在这种情况下，方法31000可用来检测与压板的压板表面接触的物体的存在。例如，物体可以是接触图2至图5的压板3102的顶表面3112的人体组织，例如手指3130。物体的存在可以通过时间偏移来确定，例如通过将时间偏移与阈值进行比较。如果时间偏移小于阈值，则可以认为时间偏移为零，因此信号和基线到达时间相同。在这种情况下，可以推断没有物体接触压板。另一方面，如果时间偏移大于阈值，则可以推断在记录信号波形时有物体接触压板。阈值可以足够大，以确保回波到达时间的统计波动不会导致错误地指示出物体的存在。然后就可以输出对物体的存在的指示。
带有生物计量感测的实施例
方法31000也可用于生物计量感测。例如，在一些实施例中，物体是手指，并且时间偏移图像是手指的指纹。时间偏移图像3804是指纹的时间偏移图像的一个示例。方法31000还可包括基于时间偏移图像来确定手指和压板表面之间的接触面积。接触面积可以是与压板表面接触的手指的脊的面积(例如，参见图4和图5中的手指3130的脊3316)。方法31000还可包括基于接触面积确定手指和/或其他人体组织在压板表面上施加的力。方法31000还可包括：(i)重复所述确定时间偏移(即，块31012)和所述确定接触面积，以生成接触面积的时间序列；(ii)确定接触面积的时间序列的振荡周期；并且(iii)基于振荡周期计算脉冲速率。关于使用二维超声换能器阵列来测量手指的接触面积并且由此确定脉冲速率的更多细节由Gerard Touma在“A row-column addressed acoustic biometric scannerintegrated with pulse oximetry”(斯坦福大学博士论文，2020年)中描述了。该参考文献还描述了如何将至少部分透明的超声换能器阵列与脉搏血氧仪相结合。
没有基线波形的实施例
图16是在没有基线波形的情况下生成时间偏移图像的超声信号处理方法31500的流程图。在块31502中，确定(i)由超声换能器阵列的像素元件感测到的回波的到达时间和(ii)基线到达时间之间的时间偏移。本文描述的确定回波到达时间的任何技术或方法均可用作块31502的一部分。例如，方法31100或方法31200可用于根据从像素元件记录的波形确定到达时间。在块31504中，方法31500对超声传感器阵列的每个像素元件重复块31502。回波可以由物体接触压板的压板表面(例如，图2至图5中的压板3102的顶表面3112)生成。物体可以是手指(例如，手指3130)和/或其他人体组织。
在块31510中，基于为像素元件确定的时间偏移生成时间偏移图像。与方法31000类似，时间偏移图像的像素可以与超声换能器阵列的像素元件具有一一对应关系。然后可以输出时间偏移图像。当接触压板的物体是手指时，时间偏移图像可以是手指的指纹。
在31000方法中，对于每个像素元件单独确定基线到达时间，与此不同，在31500方法中，基线到达时间对于所有像素元件都是相同的。可以基于一个或多个像素元件的到达时间计算基线到达时间。例如，基线到达时间可以被设置为等于像素元件之一的到达时间。或者，基线到达时间可以被设置为所有像素元件的到达时间的平均值。基线到达时间也可以被设置为零。
方法31500的前述实施例可以在计算机系统(例如，参见图19的超声信号处理系统31800)上执行，该计算机系统接收由传感器系统(例如，图8的手指传感器系统3700)记录的波形。第三方可以操作传感器系统，并且将记录的波形发送到计算机系统，该计算机系统处理波形以确定回波到达时间。从而，执行方法31500并不需要超声换能器阵列。然而，在一些实施例中，方法31500包括块31002、31004和31006，在这些块中，超声换能器阵列被操作以针对每个像素元件记录一个波形。然后这些波形可被块31502用于确定相应的回波到达时间。
物体检测方法
图17是不使用基线波形的物体检测方法31600的流程图。在块31602中，针对超声换能器阵列的像素元件感测到的回波确定到达时间。确定回波到达时间的任何技术或方法(例如，方法31100或方法31200)都可以用作块31602的一部分。在块31604中，方法31600对超声换能器阵列的每个像素元件重复块31602。回波可以从物体接触压板的压板表面生成。物体可以是人体组织，例如手指(例如，图2至图5中的接触压板3102的顶表面3112的手指3130)。
方法31600还包括块31606，其中基于针对一个或多个像素元件(例如，针对每个像素元件)确定的到达时间来计算偏差。该偏差也被称为“到达时间偏差”。方法31600还包括块31608，其中基于到达时间偏差来确定物体的存在。到达时间偏差可以是标准偏差、方差、中位数绝对偏差和/或离差(dispersion)的任何其他统计度量。在一些实施例中，方法31600包括块31610，其中将到达时间偏差与阈值进行比较。例如，如果到达时间偏差小于阈值，则可以推断出没有物体接触压板表面。然而，如果到达时间偏差大于阈值，则可以推断出有物体正在接触压板表面。具体而言，与没有手指接触压板表面的到达时间分布相比，手指(例如，手指和/或其他身体部位)的脊3316和谷3318可导致到达时间的分散(spread)明显增大。
在一些实施例中，方法31600包括块31612，其中输出对物体的存在的指示。该指示可以是二元的(即，指示物体存在或不存在)。或者，该指示可以是一个值，指示出物体接触压板表面的概率。该值可基于到达时间偏差来计算，这样，较高的到达时间偏差会导致较高的输出值，表明物体在压板上存在的可能性更高。
方法31600的前述实施例可以在计算机系统(例如，参见图19的超声信号处理系统31800)上执行，该计算机系统接收由传感器系统(例如，图8的手指传感器系统3700)记录的波形。第三方可以操作传感器系统，并且将记录的波形发送到计算机系统，该计算机系统处理波形以确定回波到达时间。从而，执行方法31600不需要超声换能器阵列。然而，在一些实施例中，方法31600包括块31002、31004和31006，在这些块中，超声换能器阵列被操作以针对每个像素元件记录一个波形。然后这些波形可被块31602用于确定相应的回波到达时间。
图18是物体检测方法31700的流程图，除了使用基线波形之外，该方法与方法31600相似。因此，方法31700通过使用针对每个像素元件的时间偏移而不是单个回波到达时间来实现基线时间补偿。因此，方法31700包括方法31000的块31012和31020。方法31700还包括：块31406，其中基于时间偏移计算偏差；以及块31408，其中基于偏差(例如，通过与阈值比较)确定物体的存在。这个偏差也被称为“时间偏移偏差”。与方法31600类似，在方法31700中，信号回波可以从物体接触压板的压板表面生成。物体可以是人体组织，例如手指(例如，图2至图5中的接触压板3102的顶表面3112的手指3130)。方法31700还可包括块31412，其中输出对物体的存在的指示。
与方法31600相比，方法31700可有利地改善确定物体的存在的准确度，特别是当压板上的往返传播时间的偏差与到达时间偏差相当或大于到达时间偏差时。当没有物体接触压板时，每个时间偏移接近零，并且由此得到的时间偏移偏差可能小于到达时间偏差。当有物体接触压板时，一些像素元件的时间偏移将不再接近于零。因此，时间偏移偏差可显著增大，特别是对于指纹而言，其脊和谷通常会产生时间偏移的广泛分散。时间偏移偏差的这个增大可能会显著大于到达时间偏差的增大，从而有利地帮助区分没有物体接触压板的情况和有物体接触压板的情况。
方法31700的前述实施例可以在计算机系统(例如，参见图19的超声信号处理系统31800)上执行，该计算机系统接收由传感器系统(例如，图8的手指传感器系统3700)记录的波形。第三方可以操作传感器系统，并且将记录的波形发送到计算机系统，该计算机系统处理波形以确定信号和基线到达时间。从而，执行方法31700并不需要超声换能器阵列。然而，在一些实施例中，方法31700包括块31002、31004和31006，在这些块中，超声换能器阵列被操作以为每个像素元件记录波形。在这些实施例的一些之中，方法31700会将块31002、31004和31006重复两次，第一次获得信号波形，第二次获得基线波形。然后，块31012可以使用这些信号波形和基线波形来确定时间延迟。
系统实施例
图19是超声信号处理系统31800的框图，本方法实施例可以利用该系统来实现。超声信号处理系统31800是一种计算机系统，它可以形成基于超声的传感器系统的至少一部分，如图8中的手指传感器系统3700。例如，超声信号处理系统31800可以作为计算机3710和实时处理器3708中的一者或两者。
超声信号处理系统31800包括处理器31802和存储器31806，它们通过系统总线31804与彼此通信。系统31800还可以包括至少一个I/O块31812，用于与至少一个外围设备通信。虽然图19示出的系统31800只有一个I/O块31812，但系统31800可以根据实现本文描述的功能的需要而包含任意数目的I/O块31812。例如，当系统31800用作计算机3710时，I/O块31812可用于接收来自实时处理器3708的波形3500。在这种情况下，I/O块31812可以是与实时处理器3708相对接的串行端口或并行端口。类似地，I/O块31812可以是用于将时间偏移图像输出到显示屏的图形卡，如图所示为显示屏31803(例如，类似于图8的显示屏3712的显示屏)，或者是将系统31800连接到存储设备(例如，硬盘驱动器、固态驱动器、存储卡、存储棒，等等)以存储和取回时间偏移图像和其他数据的主机适配器。I/O块31812也可以是主机适配器，该主机适配器将系统31800连接到网络，以与其他设备或计算机系统通信(例如，经由广域网、局域网、互联网、Wi-Fi、USB，等等)，例如生物计量安保系统，该系统处理时间偏移图像以确定对房间、计算机系统、文件等等的访问权限。在一些实施例中，系统31800实现了生物计量安保系统的至少一些功能。因此，系统31800并不局限于只实现手指传感器系统3700的功能。
处理器31802可以是任何类型的能够执行逻辑、控制和输入/输出操作的电路，例如，处理器31802可包括具有一个或多个中央处理器(central processing unit，CPU)核心的微处理器、图形处理单元(graphics processing unit，GPU)、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、FPGA、片上系统(system-on-chip，SoC)和微控制器单元(microcontroller unit，MCU)中的一个或多个。处理器31802还可包括存储器控制器、总线控制器、一个或多个协处理器和/或其他组件，它们管理处理器31802和可通信地耦合到系统总线31804的其他设备之间的数据流。在系统31800实现实时处理器3708的功能的实施例中，处理器31802包括如前所述确定性地操作的至少一个电路和/或芯片(例如，集成电路)。处理器31802可以是图8的处理器3720的一个示例。
存储器31806存储机器可读指令31820，这些指令当被处理器31802执行时，控制系统31800来实现本文描述的功能和方法(例如，31000至31700方法中的一种或多种)。存储器31806还存储处理器31802在执行机器可读指令31820时使用的数据31840。在图19的示例中，机器可读指令31820包括时间偏移确定器31822，它确定超声换能器感测到的信号回波的信号到达时间与超声换能器感测到的基线回波的基线到达时间之间的时间偏移31846。在这种情况下，时间偏移确定器31822实现方法31000的块31012。存储器31806可以存储比图19所示更多的机器可读指令31820，而不脱离本文的范围。类似地，存储器31806可以存储比图19所示更多的数据31840，而不脱离本文的范围。存储器31806可以是图8的存储器3722的一个示例。
在一些实施例中，时间偏移确定器31822从信号波形31842中识别信号回波，从而实现方法31000的块31010，信号波形31842是在物体正接触压板的压板表面时从超声换能器获得的。类似地，时间偏移确定器31822从在物体没有接触压板表面时从超声换能器获得的基线波形31844中识别基线回波，从而实现方法31000的块31008。时间偏移确定器31822还可以通过处理信号波形31842以识别信号回波的信号到达时间31850来实现方法31000的块31014，通过处理基线波形31844以识别基线回波的基线到达时间31852来实现方法31000的块31016，并且通过从信号到达时间31850中减去基线到达时间31852以获得时间偏移31846来实现方法31000的块31016。波形31842和31844的每一者是图6的波形3500W的示例，时间偏移31846是时间偏移Δt的示例(参见图7)，信号到达时间31850是信号到达时间的示例，并且基线到达时间31852是基线到达时间/>的示例。
机器可读指令31820还可包括图像生成器31824，该图像生成器针对超声换能器阵列的一个或多个像素元件(例如，所有像素元件)确定所述每个像素的时间偏移，以生成时间偏移的阵列。然后，图像生成器31824可以基于时间偏移阵列生成时间偏移图像31848。因此，图像生成器31824可以实现方法31000的块31020和31022。虽然在图9中没有示出，但存储器31806可以存储控制系统31800输出时间偏移图像31848的额外机器可读指令31820(例如，经由I/O块31812到外围设备或另一计算机系统)。机器可读指令31820可包括所示出的换能器控制器31828，其中换能器控制器31828包括针对每个像素元件的能量传输的定时和反射能量(回波)的记录提供指令的数据。
在一些实施例中，系统31800包括将放大输出3404数字化的ADC 31808。如图19所示，ADC 31808可以连接到总线31804，从而使得由ADC 31808输出的传感器数据3716被存储在存储器31806中。或者，传感器数据3716可以直接通过总线31804被传输到处理器31802以进行时间戳处理，从而将传感器数据3716转换成波形。ADC 31808是图8的ADC 3706的一个示例。
在一些实施例中，系统31800包括MUX控制器31810，该控制器输出一条或多条数字控制线31814以驱动MUX 3702。如图19所示，MUX控制器31810可以连接到总线31804，因此数字控制线31814可以由处理器31802控制。然而，MUX控制器31810也可以被嵌入在处理器31802内。在系统31800实现实时功能(例如，时间戳处理、MUX控制、ADC采样，等等)的实施例中，系统31800还可包括时基3728。
图19将系统31800显示为采用冯-诺依曼体系结构的计算设备，但在一些实施例中，系统31800使用哈佛体系结构或经修改的哈佛体系结构。在这些实施例中，机器可读指令31820可以作为固件被存储在与数据31840分开的存储器(例如，非易失性闪存)中。因此，系统31800可以形成嵌入式系统的一部分，该系统包括传感器阵列3100、MUX 3702、放大器3402和信号源3304中的一个或多个。
本发明构思的系统可以使用如本文所述的幅度偏移图像创建或时间偏移图像创建来产生图像(例如，指纹或其他组织表面的图像)。在一些实施例中，系统10被配置为使用幅度偏移图像创建以及时间偏移图像创建两者(例如，为了创建指纹或其他组织表面的增强图像)。在这些实施例中，系统10可被配置为利用波束成形(也如本文所述)，以进一步增强所实现的图像质量。
统观图20至图28，图示了传感器100和系统10的各种配置，例如利用多压板配置的基于超声的系统和传感器。
在一些实施例中，传感器100的构造和布置如本文参考图25A-25D所述。
本发明实施例可包括利用两个或更多个压板的多压板超声传感器(例如，指纹传感器)。这些传感器可用于感测一个或多个指纹。有利的是，本发明实施例可以同时驱动和感测多个像素换能器，从而减少扫描一组多个像素换能器和生成指纹图像所需要的时间。例如，操作具有两个压板的多压板传感器的一组多个像素换能器所需的时间可能约为单独操作该组的每个像素换能器所需的时间的一半。来自电配对的像素换能器(例如，两个、三个或更多个像素换能器的电连接组)的信号可利用时间辨别、频率辨别或其组合进行区分并且被指派给压板。此外，一些本发明实施例的特征还在于共享发送电极和接收电极的电配对像素换能器。在一些实施例中，本发明构思的多压板超声传感器包括三个、四个、五个或更多个压板。
有利的是，电配对像素换能器减少了与指纹和/或其他传感器(本文为“传感器”或“指纹传感器”)的电连接的数目，从而简化了与传感器相对接的复用电路。本发明实施例的另一优点是降低了每次扫描的能量。超声指纹传感器系统消耗的能量的一部分与扫描时间成正比。这种能量通常由放大器和在扫描期间被维持在“活跃”状态中的其他电子器件消耗。由于本发明实施例缩短了扫描时间，因此这些电子器件可以在低能量的“休眠”状态中花费更多时间。减少每次扫描的能量可延长电池寿命，例如当本发明实施例被用于便携式电子设备(例如，智能电话、膝上型电脑和平板设备)时，在这种设备中，延长电池寿命是一个显著的优势。
本发明实施例的另一个优点是，它们可以容忍通常在制作期间发生的压板形貌的变化。例如，当压板是用于智能电话、平板设备或类似产品的玻璃显示屏时，所产生的压板形貌通常可取决于用于制造显示屏的特定工艺、每个显示像素的尺寸、显示屏的整体尺寸和/或其他因素。在任何情况下，像素元件都可以被淀积在压板的后端面，同时仍然实现上述益处的全部或至少一部分。从而，虽然本发明实施例被示为具有表面完全平坦的压板，但应当理解的是，压板表面可具有一些曲率、表面变化、凹陷、缺陷和/或其他拓扑特征(例如，拓扑不均匀性)，并且这些拓扑特征的存在对本发明实施例的制造和/或操作(例如，性能)的影响将是微乎其微的(如果有影响的话)。
虽然本发明实施例被描述为指纹传感器，但本发明实施例可用于测量与两个、三个或更多个压板接触的任何物体，前提是该物体的存在会导致回波的幅度和/或相位发生可测量的偏移。这种物体的示例包括假肢、脚趾和其他人体组织，以及无生命物体。因此，本发明实施例可用于确定接触任何一个压板的单个物体的二元存在，或者接触压板的整数个物体(例如，来自一个或多个用户的多个手指)的二元存在。这种检测物体存在的能力可与指纹感测相结合。例如，本发明实施例可被编程为仅在检测到一个或多个物体接触压板(例如本文所述的压板4102和4103)之后才执行指纹感测。
当用于指纹感测时，本发明实施例可与其他物理、生理和生物测量相结合，作为多功能生物计量系统的一部分。例如，文献(i)国际公布号WO 2019/032590，标题为“Interactive Biometric Touch Scanner”，以及(ii)Gerard Touma，“A row-columnaddressed acoustic biometric scanner integrated with pulse oximetry”(斯坦福大学博士论文，2020年)显示了当换能器阵列的至少一部分是光学透明的(例如，在近红外中)时，脉搏血氧仪例可如何与超声换能器阵列相结合。在此通过引用将这些文献的每一者全部并入，用于所有目的。
作为生物计量测量的另一示例，本发明实施例可用于确定手指脊与压板之一之间的接触面积。可以随着时间的推移测量这个接触面积，以识别指示脉冲的周期性变化。这样，生物计量系统就能区分活体组织和无生命物质。本发明实施例可与其他传感器和/或生物计量功能相结合，而不脱离本文的范围。此外，利用一个指纹传感器的不同压板可以实现多种生物计量功能。例如，一个压板可用于一个手指的脉搏血氧饱和度，而另一压板被用于测量一个或多个用户(本文称为“用户”)的脉搏和/或其他生理参数。
图20是具有往返传播时间不同的第一压板4102和第二压板4103的多压板超声指纹传感器4100的透视图。图21是图20的多压板超声指纹传感器4100的侧面截面视图。指纹传感器4100还包括第一超声换能器阵列4104，该阵列可被粘结到第一压板4102的第一后端面4122和/或被制作在第一压板4102的第一后端面4122上。第一超声换能器阵列4104发出的超声脉冲沿着+z方向(参见右手坐标系4120)穿过第一压板4102朝着第一压板4102的第一前端面4112传播。第一前端面4112是具有不同机械阻抗(例如，不同密度和/或刚度)的材料之间的边界。因此，超声脉冲会从第一前端面4112反射，并且由此产生的反射将沿着-z方向穿过第一压板4102朝着第一后端面4122传播，在第一后端面4122处它被第一超声换能器阵列4104检测到。这种反射也被称为回波。
类似地，多压板超声指纹传感器4100还包括第二超声换能器阵列4105，该阵列可被粘结到第二压板4103的第二后端面4123和/或被制作在第二压板4102的第二后端面4122上。第二超声换能器阵列4105发出的超声脉冲沿着+z方向穿过第二压板4103朝着第二压板4103的第二前端4113传播。与第一前端面4112一样，第二前端面4113是具有不同机械阻抗的材料之间的边界，因此超声脉冲会从第二前端面4113反射。由此产生的反射或者说回波将沿着-z方向穿过第二压板4103朝着第二后端面4123传播，在第二后端面4123处它被第二超声换能器阵列4105检测到。在一些实施例中，可以由用户的手指来区分(例如，战术区分)表面4112和4113，这样用户就可以经由该区分将一个或多个手指放在特定表面上(例如，选择一个表面而不是另一个表面，以执行与一个表面而不是另一个表面相关联的特定功能)。
在图20和图21中，第一压板4102和第二压板4103由于厚度不同而具有不同的往返传播时间。具体而言，第一压板4102沿着z方向具有第一厚度d1，而第二压板4103具有与第一厚度d1不同的第二厚度d2。第一厚度d1是在第一后端面4122和第一前端面4112之间测量的。类似地，第二厚度d2是在第二后端面4123和第二前端面4113之间测量的。虽然图20和图21显示第一厚度d1大于第二厚度d2，但第一厚度d1也可以小于第二厚度d2。如下文更详细描述的，在一些本发明实施例中，第一厚度d1与第二厚度d2相同。
手指或其他身体组织(如图所示为手指4130)与前端面4112和4113物理地接触，以例如检测指纹。虽然图20和图21显示传感器4100仅用于感测一个手指4130的指纹，但传感器4100或者也可用于同时感测多于一个手指(例如，来自单个用户或来自多个用户)。例如，第一手指4130(1)可以与第一前端面4112物理接触，与此同时，第二手指4130(2)与第二前端面4113物理接触(例如，参见图22和图23)。为了检测完整的指纹，压板4102和4103的每一者可具有至少0.1cm2、0.3cm2、0.5cm2、0.7cm2和/或1cm2的面积(即，在x和y方向上)。为清晰起见，在图20和图21中未按比例绘出手指4130。
第一超声换能器阵列4104具有多个第一像素换能器4110，在图20和图21的示例中，这些第一像素换能器是按行和列的线性二维阵列布置的。类似地，第二超声换能器阵列4104具有多个第二像素换能器4111，这些第二像素换能器也被示为按线性二维阵列布置。在图20和图21中，第一像素换能器4110可经由多个接收电极4108和多个第一发送电极4106进行行列寻址。类似地，第二像素换能器4111可经由多个接收电极4108和多个第二发送电极4107进行行列寻址。从而，每个第一发送电极4106在y方向上仅延伸穿过第一压板4102，每个第二发送电极4107在y方向上仅延伸穿过第二压板4103，而每个接收电极4108在x方向上延伸穿过第一压板4102和第二压板4103两者。
第一超声换能器阵列4104还包括位于接收电极4108和第一发送电极4106之间的第一压电层4114。类似地，第二超声换能器阵列4105包括位于接收电极4108和第二发送电极4107之间的第二压电层4115。从而，每个第一像素换能器4110(j,i)在空间上是由第j个接收电极4108(j)和第i个第一发送电极4106(i)在x-y平面中的重叠来定义的，而每个第二像素换能器4111(j,i)在空间上是由第j个接收电极4108(j)和第i个第二发送电极4107(i)在x-y平面中的重叠来定义的。
为清晰起见，图20只示出了十九个第一发送电极4106、十九个第二发送电极4107和十七个接收电极4108。类似地，图21只示出了六个第一发送电极4106和六个第二发送电极4107。然而，传感器4100可具有任意数目的第一发送电极4106、任意数目的第二发送电极4107和任意数目的接收电极4108，而不脱离本文的范围。通常，指纹传感器4100将包含数百个第一发送电极4106、数百个第二发送电极4107和数百个接收电极4108。例如，第一超声换能器阵列4104可具有4512个第一发送电极4106和4512个接收电极4108，对应于512×512＝262,144个第一像素换能器4110。第二超声换能器阵列4105可被类似地配置，产生524,288个像素换能器4110、4111。
第一压电层4114可以被电驱动(例如，经由超声波进入第一压板4102中)。压电层4114在被超声波机械驱动时，会产生时变电信号，该电信号后续可被检测和处理。第一压电层4114可以由晶体(例如，铌酸锂、钽酸锂、石英，等等)、陶瓷(例如，氧化锌、锆钛酸铅、铌酸钾、钛酸钡，等等)、III-V或II-VI半导体(例如，氮化铝、砷化镓，等等)、聚合物和/或任何其他压电材料形成。类似的构造材料也适用于第二压电层4115。
图20示出第i个第一发送电极4106(i)向第一压板4102中“发射”超声脉冲4116(i)(即，电极-压电-电极换能器元件发射超声脉冲)。由于每个第一发送电极4106延伸至第一压板4102的整个长度(在y方向)，因此超声脉冲4116(i)类似地延伸至第一压板4102的整个长度。图20类似地示出了第i个第二发送电极4107(i)向第二压板4103中发射超声脉冲4117(i)。图20还示出了接收电极4108(j)向两个压板4102和4103中都发射超声脉冲4118(j)。接收电极4108(j)延伸至指纹传感器4100的整个宽度(在x方向)，因此超声脉冲4118(j)类似地延伸至两个压板4102和4103的整个宽度。虽然电极4106和4107被称为“发送”电极，但应当理解的是，这些电极也可以替代地或者额外地被用于感测回波。类似地，电极4108虽然在此被称为“接收”电极，但也可以替代地或者额外地被用于向压板4102和4103中发射超声脉冲。
图22示出了多压板超声指纹传感器4100被电驱动为同时向第一压板4102中发射第一超声脉冲4316和向第二压板4103中发射第二超声脉冲4317。图23示出了指纹传感器4100感测到当第一超声脉冲4316从第一前端面4112反射时生成的第一回波4416和当第二超声脉冲4317从第二前端面4113反射时生成的第二回波4417。图22和图23是与图21相同的截面视图，但第一手指4130(1)与第一前端面4112接触，并且第二手指4130(2)与第二前端面4113接触。图22和图23最好与下面的描述一起查看。
手指4130(1)和4130(2)的每一者的底表面形成脊4320(也称为“摩擦脊”或“表皮脊”)和谷4322的交替序列。第一指4130(1)的每个脊4320直接接触第一压板4102的第一前端面4112，而谷4322则不直接接触第一前端面4112。从而，在每个谷4322下方，空气与第一前端面4112接触。因此，第一前端面4112处的反射系数在谷4322处较大，而在脊4320处较小，因此当反射发生在脊4320处而不是谷4322处时，回波4416的幅度较大。类似的论点也适用于第二前端面4113。
在图22中，波形生成器4304向电连接的第一发送电极4106(i)和第二发送电极4107(i)两者输出驱动信号4306。所有其他发送电极4106和4107被接地，并且所有接收电极4108被接地。在这种配置中，超声脉冲4316和4317的发射时间相近(忽略到发送电极4106(i)和4107(i)的电传播时间的细微差别)。在图23中，接收电极4108(j)响应于感测到第一回波4416而输出第一电脉冲4418，并且响应于感测到第二回波4417而输出第二电脉冲4420。这两个电脉冲4418和4420都是在同一电导体上输出的，并且都被放大器4402处理为放大输出4404，该放大输出后续被进行数字化和处理。对于图23所示的感测，所有发送电极4106和4107都被接地。虽然图23中没有示出，但所有其他接收电极4108也都被接地。
由于压板4102和4103具有不同的往返传播时间，因此电脉冲4418和4420在时间上是可区分的，即，电脉冲4418和4420可以明确地被指派给回波4416和4417。具体而言，第一压板4102的第一往返传播时间为t1＝2d1/v1，其中v1是第一压板4102的声速。类似地，第二压板4103的第二往返传播时间为t2＝2d2/v2，其中v2是第二压板4103的声速。假设压板4102和4103是由同一块状(bulk)材料制成(即，v1＝v2)，则选择d2<d1意味着t2<t1。因此，第一电脉冲4418由于第二回波4417而产生，并且第二电脉冲4420由于第一回波4416而产生。
电脉冲4418和4420可以部分重叠(在时间上)，同时在时间上仍然是可区分的。例如，第一电脉冲4418的尾部可以与第二电脉冲4420的头部重叠，从而在不同的时间检测到电脉冲4418和4420的峰值。从而，电脉冲4418和4420的峰值之间的延迟|t2-t1|可以小于电脉冲4418和4420的时间宽度。
在其他实施例中，压板4102和4103由不同的材料制成，使得v1≠v2。在这些实施例中，压板4102和4103可以具有相同的厚度，即，d1＝d2，在这种情况下，压板4102和4103可以被放置在相应的侧面，以使得前端面4112和4113是共面的，并且使得后端面4122和4123是共面的。在其他实施例中，压板4102和4103由不同的材料制成，并且具有不同的厚度。
在其他实施例中，压板4102和4103形成超声波导的阵列，而不是块状材料。在这些实施例中，一个波导位于像素换能器4110和4111的每一者的正上方。超声脉冲(以及由此产生的回波)的速度由波导的色散方程决定，该方程通常取决于波导的几何形状(例如，横向尺寸)、频率、波导核心中的声速以及核心周围的材料中的声速。因此，第一压板4102可包含第一波导阵列，其大小被设置为实现第一速度，而第二压板4103则包含第二波导阵列，其大小被设置为实现不同于第一速度的第二速度。在这种情况下，压板4102和4103可具有相同的厚度，但往返传播时间不同。
第一像素换能器4110的每一者与第二像素换能器4111之一电配对。具体而言，第一像素换能器4110与第二像素换能器4111形成一一对应关系。在这里，“电配对”是指配对的像素换能器的发送电极彼此直接电连接，因此可以由单个波形生成器或振荡器驱动。类似地，“电配对”也意味着配对的像素换能器的接收电极彼此直接电连接，因此其电输出可由单个放大器处理，并且由单个模数(A/D)转换器或通道进行数字化。
图20示出了如何将单个导线4109分成两条“腿”，其中一条被路由到第一发送电极4106(i)，而第二条被路由到第二发送电极4107(i)。在这种情况下，两条腿在电气上是并联的。与之不同，接收电极4108(j)不需要分割，因为它可以作为单条线(直线、曲线或片状)延伸过两个压板4102和4103。虽然图20为了清晰起见只示出了单个导体4109，但应当理解的是，每个第一发送电极4106都类似地连接到相应的第二发送电极4107。此外，虽然图20示出了第i个第一发送电极4106(i)与第i个第二发送电极4107(i)配对，但并不要求像素换能器4110和4111按索引顺序配对(例如，第1列电极不必与第1行电极配对)。
在其他实施例中，指纹传感器4100具有可单独寻址的像素换能器4110和4111。在这种情况下，每个像素换能器4110和4111具有其自己的接收电极和发送电极(即，不与同一行或同一列中的其他像素换能器共享)，并且上述“电配对”的定义仍然适用。
图24是多压板超声指纹传感器4500的侧面截面视图，该传感器与图20至图23的多压板超声指纹传感器4100相似，只不过图24的前端面4112和4113是共面的。在图20至图23中，指纹传感器4100的后端面4122和4123是共面的，从而在前端面4112和4113之间产生了“台阶”(在z方向上)。对于图24的指纹传感器4500，这个台阶出现在后端面4122和4123之间。因此，每个接收电极4108会在该台阶处改变其z位置，以确保两个压板4102和4103之间的电气连续性。
压板4102和4103可以由一块块状材料(例如，玻璃或塑料)制成以形成单个整体组件。或者，压板4102和4103也可以被分开制作，并且沿着相应的侧面粘结(例如，经由接触粘结、环氧树脂、与中间的硅片阳极键合，等等)。在一些实施例中，可以使用旋涂玻璃(spinon glass，SOG)和/或蚀刻工艺来制作压板4102和4103。在其他实施例中，第一压板4102和第一换能器阵列4104与第二压板4103和第二换能器阵列4105在物理上是分离的。在这些实施例中，第一像素换能器4110与第二像素换能器4111(例如，经由电路板，换能器阵列4104和4105被焊接到该电路板)电配对。
上述实施例(例如，如参考图20至图23所述)可以使用电脉冲4418和4420的时间辨别来将这些电脉冲指派给第一像素换能器4110和第二像素换能器4111。在其他实施例中，电脉冲4418和4420具有不同的频率，在这种情况下，可以使用频率辨别将这些电脉冲指派给像素换能器4110和4111。例如，可以以不同的频率响应制作第一像素换能器4110和第二像素换能器4111。具体而言，第一像素换能器4110可以都具有第一谐振，带有第一中心频率和第一带宽。类似地，第二像素换能器4111可以都具有第二谐振，带有与第一中心频率不同的第二中心频率，以及第二带宽。第一和第二中心频率之间的差异可以被选择为大于第一和第二带宽。在其他实施例中，第一和第二中心频率被选择为使得在第一和第二带宽之间存在重叠，并且电脉冲4418和4420是利用如上所述的频率辨别功能来进行区分的。电配对的像素换能器4110和4111可以用双频率波形来驱动，该波形具有在第一中心频率的第一分量和在第二中心频率的第二分量。第一分量和第二分量的每一者可以是音调突发(即，单频正弦波形的整数个周期)。第一分量将在第一中心频率上谐振激励第一像素换能器4110(i)，但在第二中心频率上没有谐振激励。相反，第二分量将在第二中心频率上谐振激励第二像素换能器4111(j)，但在第一中心频率上没有谐振激励。在这种情况下，超声脉冲4316和4317将具有不同的频率，这可以使用本领域已知的信号处理技术进行电子分辨。
与时间辨别相比，频率辨别的一个优点是压板4102和4103可以具有均匀厚度(即，d1＝d2)的单块材料制成。然而，为了实现不同的频率响应，第一像素换能器4110可能需要与第二像素换能器4111分开制作。可以经由压电层的厚度来修改频率响应。例如，第一压电层4114可以被制作成具有与第二压电层4115不同的厚度(在z方向上)。替代地或者额外地，可以修改电极4106、4107和4108的形状和厚度，以更改频率响应。关于构造具有不同频率响应的像素换能器的更多细节，请参阅附录A。
本发明实施例可用于通过测量幅度偏移，例如通过测量回波的幅度的空间变化，来检测指纹或其他可成像组织或其他图案(本文中的“指纹”)。替代地，或者与幅度偏移测量相结合，本发明实施例可用于通过测量时间和/或相位偏移，例如通过测量延迟时间、相位偏移或两者的空间变化，来检测指纹。在一些实施例中，可以使用波束成形技术来构造图像，例如在使用幅度偏移测量、相位偏移测量或者这两者的同时。关于利用时间和/或相位偏移进行指纹检测的更多细节，在2021年1月22日提交的标题为“Ultrasound Signal-Processing System and Associated Methods”的美国临时专利申请第63/140,647号中有描述。在此通过引用将这个临时专利申请全部并入，用于所有目的。
图25是多压板超声指纹传感器4600的侧面截面视图，其中一个像素换能器阵列与第一压板4102和第二压板4103两者一起使用。指纹传感器4600也被称为“双面”指纹传感器，因为它可以同时检测来自第一手指4130(1)和第二手指4130(2)的指纹，其中压板以背靠背的几何结构布置(而不是图20至图24中所示的并排几何结构)。当压板4102和4103由相同的块状材料制成时，指纹传感器4600使用时间辨别来识别压板上的电脉冲，因此d1≠d2。鉴于背靠背的几何结构，当手指4130(1)和/或4130(2)之一是拇指时，指纹传感器4600尤其具有优势。或者，指纹传感器4600可用于检测来自一个人两只手中的每一只的指纹(例如，手指4130(1)来自该人的左手，而手指4130(2)来自该人的右手)，和/或当一个手指来自一个人，而另一手指来自另一人时。
虽然图20至图24示出的是具有两个压板4102和4103的多压板超声指纹传感器4100和4500，但时间辨别、频率辨别和电配对像素换能器的构思可以被扩展到两个以上的压板，而不脱离本文的范围。例如，与指纹传感器4100和4500类似的指纹传感器可以用三个不同厚度的三个压板来制作，因此可具有三个不同的往返传播时间。在此示例中，第一压板的每个像素换能器对于第二压板具有对应的像素换能器并且对于第三压板具有对应的像素换能器，这样三个像素换能器就形成了电连接的三元组，该三元组可以利用一个波形生成器来同时驱动。然后，接收电极将输出三个在时间上分开的电脉冲，每个脉冲都与压板之一唯一对应。这个构思可类似地被扩展到四个或更多个压板。
在其他实施例中，多压板超声指纹传感器结合了时间辨别和频率辨别。例如，指纹传感器可包括四个压板。第一和第二压板具有相同的第一往返传播时间，并且第三和第四压板具有相同的第二往返传播时间，该第二往返传播时间不同于第一往返传播时间。此外，第一和第三压板可以利用具有相同的第一频率响应的像素换能器来制作，而第二和第四压板可以利用具有相同的第二频率响应的像素换能器来制作，第二频率响应不同于第一频率响应。在这种情况下，像素换能器形成电连接的四元组，该四元组可利用用双频波形来同时驱动。感测到的回波于是会引起两个时间上可区分的脉冲，每个脉冲包含两个可解析的频率。
另外参考图25A-25D，根据本发明构造，图示了超声传感器的各种电气配置。图25的双面传感器实施例和本文描述的大面积传感器实施例均可使用“时分复用”(例如，在一次扫描中使用时间轴来捕捉来自传感器下方的不同位置的多个反射)来实现。替代地或者额外地，“频分复用”可用于相同的单个时域信号，该信号在传感器下的多个位置处提供询问。这些实施例依赖于接收在不同的时刻来自传感器下方的几个位置的反射。这些时间差可以通过多种方式来实现：不同传感器位置的压板厚度不同；不同传感器位置的压板材料不同；和/或多个不同传感器(例如，就像双面传感器一样)。在一些实施例中，可以通过改变压电体(例如，氧化锌压电体)的厚度和/或压电体下方和上方金属层的厚度和/或类型来实现频分复用(frequency division multiplexing，FDM)。然后可以对从不同位置接收的信号应用信号处理，以提取传感器下侧不同位置的信号的幅度和/或相位。
如图25所示，可以使用两个手指(例如，拇指和食指)对由两个背靠背超声传感器构成的传感器施加压缩力(例如，挤压)，这两个传感器具有不同厚度的压板，这些压板被附接以具有共同的X线(例如，发送电极)和Y线(接收电极)。从而，每单条X线(发送电极)可用于发送两个信号，在第一传感器中发送第一信号，并且在第二传感器中发送第二信号。两个传感器可被构造为具有厚度略有不同的压板，这样单条Y线(接收电极)上的信号将在不同的时间到达(例如，但是在相同的电气连接上)。对这两个信号的幅度和/或相位(到达时间)的测量将对应于同一X-Y位置处的两个传感器上的指纹。
两个传感器的耦合可以通过多种方式实现：例如将焊接凸点附接到柔性印刷电路板，从而形成到两个传感器中的X线和Y线的接触。
两个传感器可具有相同或不同的厚度，并且压电材料(例如，ZnO薄膜)可具有不同的厚度，这样反射信号的相位就会不同，因此在频域中对信号的处理就将允许提取与两个手指相关联的两个信号的幅度和相位(到达时间)，两个信号在相同的电通道上到达。
在图20-图24中，在不同的传感器位置具有各种厚度的压板被示为具有相同的X线和不同的Y线。Y线被逐一电连接，以具有相同的通道1至n，其中n为通道的数目。在一些实施例中，当激励一条Y线时，超声能量被从不同的Y线发送来询问不同位置的压板。由于不同位置处的压板的厚度不同，接收X线将会在不同时间在同一通道上接收信号。图20-图24图示了在一个方向上的两个台阶(即，两个不同的压板厚度)，但是对于台阶的数目没有限制，只要反射脉冲之间有足够的间隔，以允许测量不同到达时间的幅度和相位即可。在这种布置中，可以用相对较少的通道数实现非常大面积的传感器，从而使得数据获取和处理快速进行，以例如实现实时操作。或者，这种布置也可被应用于任何尺寸的传感器，以例如实现更快的数据获取。
图24B-24C图示了与单传感器方法相比可如何共享资源。图示的硬件可用于利用适当的连接和时分复用和/或频分复用从两个或更多个传感器生成图像(实质上倍增了传感器面积)。时分复用和/或频分复用可以在不增大硬件或数据获取时间的情况下增大信息密度。图25A图示了与成像硬件相连接的单个5x5传感器。虚线表示发送线，并且实线表示接收线。图25B图示了连接到与图25A相同的硬件的两个5x5传感器。虚线表示发送线。实线表示接收线，具有不同的飞行时间(例如，如上文所述可利用多个不同的压板厚度实现)和/或不同的频率响应(例如，可利用不同的ZnO或其他压电材料厚度实现)，它们可被组合在一起，并且可分别通过时域的窗口处理和/或数字域的滤波来进行分离。图25C图示了传感器之间的连通性的变化。
由于多个超声通道可以共享相同的电气通道，并且由于总的数据获取时间(例如，硬件需要被供电的时间)更短，因此这些布置允许了减少每次扫描的硬件能量要求(例如，对便携式应用非常重要)。可以使用这种布置的变体，其影响数据获取时间和硬件复杂性，并且通过避免时分或频分复用来降低数字处理要求。硬件共享仍然是共享发送电子器件和接收链，因为它们是主要的耗电之处。
图25D图示了连接到相同发送线的相同5x5传感器。在接收侧，除了用于在线路之间切换的复用器的数目增大以外，在两个传感器之间共享硬件资源。
用于实现多个脉冲的不同到达时间的另一种布置是使用由附接在一起(例如，在侧面)的不同材料制成的压板。例如，可以将多个玻璃方棒熔接在一起，然后水平切片，以制成具有不同材料属性(例如，声速)的平盘(例如，压板)，以例如允许以先前描述的方式实现大面积指纹传感器。对于频分复用，系统10可以确定在不同位置激励的信号的相位差异，同时在X和Y方向上维持图20-图24所示的电连接类型。在一些实施例中，相位的变化可以通过改变压电材料(例如，ZnO薄膜)的厚度来实现。
申请人对上述布置进行了仿真，其中，在熔融石英压板处测量输出压力，压电ZnO薄膜厚度以1μm为步长从16μm变化到19μm。在150MHz的操作频率下，ZnO薄膜厚度每变化一微米，相位变化约为10°。利用在ZnO薄膜上方和下方包括金属膜(例如，厚度为0.2μm的金)的布置执行了仿真。在形成传感器的电极的金属膜的不同位置，存在足够的相位偏移。实现相位偏移的另一种方式是通过改变压电薄膜上方和下方的金属。在ZnO和石英压板之间的界面处可以使用铝膜。在仿真中，当铝膜的厚度从0.2μm变化到1.0μm时，实现了较大的相位偏移。
图26是使用指纹传感器4100或4500的指纹感测系统4700的框图。指纹感测系统4700包括实时处理器4708，该处理器控制发送复用器(MUX)4703，以选择由波形生成器4304驱动哪个电配对的发送电极4106，4107。实时处理器4708还控制接收MUX 4702，以选择哪个接收电极4108连接到放大器4402的输入。放大器4402的放大输出4404被利用模数转换器(ADC)4706进行数字化，其输出为传感器数据4716，实时处理器4708然后对该传感器数据4716进行时间戳处理。实时处理器4708参考时基4728，时基4728参考所有定时。虽然图26中没有示出，但时基4728也可用作ADC 4706和波形生成器4304之一或两者的时间和/或频率参考。
处理器4708是“实时”的，因为它完成一个操作所需的时间是确定的，因此是可预测的(例如，不会基于外部因素或意外事件而改变)。实时处理器4708的示例包括现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和片上系统(SoC)。然而，实时处理器4708可以是其他类型的电路和/或芯片，只要它会确定性地操作。
实时处理器4708将波形4500W发送到计算机4710，该计算机4710包括处理器4720和存储波形4500W的存储器4722。存储器4722还存储机器可读指令，这些指令当被处理器4720执行时，会处理波形4500W，以确定感测的一对像素换能器4110、4111的幅度偏移和/或时间偏移。本文参考图2至图19描述了关于计算机4710使用的信号处理方法的更多细节。
指纹感测系统4700针对所有像素换能器4110、4111处理波形4500W，从中其生成指纹图像。计算机4710可以经由显示屏4712向用户显示指纹图像，显示屏3712可以与计算机4710集成(例如，平板设备或膝上型计算机)，或者可以与计算机4710分离(例如，桌面型监视器或高清电视)。虽然在图26中没有示出，但计算机4710可以替代地或者额外地与使用指纹图像的另一计算机系统(例如，经由广域网、局域网、互联网、Wi-Fi，等等)进行通信，例如处理指纹图像以确定对房间、计算机系统、文件等等的访问权限的生物计量安保系统。在一些实施例中，实时处理器4708和计算机4710被组合为一个计算机系统。
图27是带有楔形压板4802的超声指纹传感器4800的侧面截面视图。指纹传感器4800包括超声换能器阵列4804，它与图20的换能器阵列4104和4105相似，并且位于楔形压板4802的后端面4822上。楔形压板4802的前端面4812与后端面4822不平行，因此楔形压板4802的厚度(在z方向)从d1到d2呈线性变化(在x方向)。由于这个变化的厚度，换能器阵列4804发射的超声脉冲的往返传播时间在x方向上也将呈线性变化。
超声指纹传感器4800的操作可类似于多压板超声指纹传感器4100，因此将具有类似的优点。具体而言，如图27所示，一对发送电极4106可以与彼此直接电连接，并且利用单个波形生成器4304被同时驱动。这种布置将同时把两个超声脉冲发射到楔形压板4802中，与图22所示的多压板指纹传感器4100的操作类似。从而，图27中的像素换能器4110可以是电配对的，与上文描述的电配对像素换能器类似。从前端面4812的反射将产生两个回波，这些回波被单个接收电极4108(j)感测，类似于图23所示的指纹传感器4100的操作。由于往返传播时间不同，每个检测到的回波可以与其沿着x方向的空间位置相关。
有利的是，超声指纹传感器4800提供了与本文所述的多压板指纹传感器相同的益处，但由于楔形压板4802没有“台阶”，因此可能更容易制作。虽然图27示出楔形压板4802仅沿着x方向倾斜，但楔形压板4802也可以沿着x和y两个方向倾斜，而不会脱离本文的范围。
带防反射涂层的实施例
图28示出了防反射(anti-reflection，AR)涂层超声指纹传感器4900的两个截面侧视图。AR涂层超声指纹传感器4900具有直接淀积到压板4102的前端面4112上的第一AR涂层4902，图28中示出该压板4102由玻璃制成。AR涂层超声指纹传感器4900具有直接淀积到超声换能器阵列(例如，本文所述的换能器阵列4104)上的第二AR涂层4904。从而，第二AR涂层4904被直接淀积到两个电极(例如，图20和图21的电极4106)和电极之间的压电层4114的区域上。
图28中的上图图示了探测光4912向上(即，在+z方向)传播，穿过压板4102并且进入到与第一AR涂层4902物理接触的手指4130中。探测光4912可以由位于AR涂层超声指纹传感器4900下方平面4910处的LED或激光器(未示出)生成。第二AR涂层4904通过减小由空气和压电层4114(例如，ZnO)之间的折射率的阶跃函数变化所生成的反射的幅值，来增大探测光4912进入到压电层4114中的透射(与没有第二AR涂层4904时的透射相比)。第一AR涂层4902通过减小由压板4102和手指4130之间的折射率的阶跃函数变化所生成的反射的幅值，来增大探测光4912进入到手指4130中的透射(与没有第一AR涂层4902时的透射相比)。
图28中的下图图示了信号光4916从手指4130向下(即，在-z方向上)透射穿过压板4102。第一AR涂层4902增大了信号光4916从手指向外并且进入到压板4102中的透射，而第二AR涂层4904增大了信号光4916从压电层4114向外并且进入到底层空气中的透射。信号光4916在从压电层4114离开之后，可被位于平面4910上或其附近的光电二极管(未示出)检测到。
AR涂层超声指纹传感器4900可用于增大脉搏血氧计的信噪比(SNR)。例如，上文引用的文献(i)国际公布号WO 2019/032590以及(ii)Gerard Touma，“A row-columnaddressed acoustic biometric scanner integrated with pulse oximetry”(斯坦福大学博士论文，2020年)显示了当换能器阵列的至少一部分是光学透明的时，脉搏血氧仪例可如何与超声换能器阵列相结合。对于脉搏血氧饱和度，探测光4912的波长通常接近660nm，而信号光4916的波长通常接近940nm。在这种情况下，AR涂层4902和4904可被配置为增强这两种波长下的透射。
由于探测光4912和信号光4916可以同时传播，因此第二AR涂层4904减少了与信号光4916一起检测到的探测光4912的量，从而降低了在检测信号光4916时的噪声水平。第一AR涂层4902通过增大进入手指4130的探测光4912的量和从手指4130离开的信号光4916的量，增大了在检测信号光4916时的信号水平。
AR涂层4902和4904的每一者可被配置为增大以下波长下的透射：(i)电磁波谱的红外、光学或紫外区域中的任何波长，(ii)多个这种波长(例如，660nm和940nm)，和/或(iii)在某个波长范围上(例如，660-940nm)。AR涂层4902和4904的每一者可以是多层电介质叠层(例如，由SiO2和Ta2O5或其他用于电介质叠层的材料的交替层形成)或单层涂层(例如，MgO2)。
当电极由金属制成时，探测光4912和信号光4916无法穿过电极。然而，电极可以由光学透明导电材料(例如，氧化铟锡)制成。当压电层4114被电极覆盖的总面积大于未被覆盖的相应面积时，第二AR涂层4904可被设计为最大化空气与电极材料之间的界面处的光透射，而不是空气与压电材料之间的界面，因为这可能导致通过压板4102的光在两个方向上的透射的总体增大。或者，第二AR涂层4904可被设计成部分地(但不是最大限度地)增大空气与电极材料之间的界面处的光透射，并且部分地(但不是最大限度地)增大空气与压电材料之间的界面处的光透射。取决于压电层4114被电极覆盖的面积的比例、压电层4114和电极的折射率、探测光4912和信号光4916的波长和/或其他因素，这种替代设计可以实现最大光透射。
AR涂层4902和4904可用于具有单个压板的超声指纹传感器，例如(i)国际公布号WO 2019/032590和(ii)Gerard Touma，“A row-column addressed acoustic biometricscanner integrated with pulse oximetry”(斯坦福大学博士论文，2020年)中所描述的那些。AR涂层4902和4904也可用于本文所述的任何多压板超声指纹传感器的任何一个或多个压板(例如，图20和图21的多压板超声指纹传感器4100的第一压板4102和第二压板4103)。
在其他实施例中，用于具有触摸屏的移动设备(例如，智能电话或平板设备)的屏幕保护器包括薄塑料片(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯或热塑性聚氨酯)、玻璃和/或另一种光学透明材料。屏幕保护器的第一面直接接触触摸屏的朝外表面(即，用户将会查看的触摸屏的一面)，以对朝外表面进行物理保护。直接淀积到屏幕保护器的与第一面相对的第二面上的可以是与图28的第二AR涂层4904类似的AR涂层。用于脉搏血氧饱和度的光源和光电检测器可以位于触摸屏的朝内表面的后面，与朝外表面相对，并且指向触摸屏。在这种情况下，触摸屏的作用类似于压板4102，而第二面上的AR涂层增大了屏幕保护器和与AR涂层直接物理接触的手指之间的光透射。AR涂层可被设计为增大用于脉搏血氧饱和度的光的透射(例如，660nm和940nm)。
统观图29至图45B，使用图1的标号。
图29是本发明构思的系统的硬件和软件部分的框图。系统10包括传感器100和控制器200。传感器100和控制器200可包括各种组件，例如图29所示的那些。
在一些实施例中，系统10的构造和布置如图30所示。图30的传感器100包括指纹传感器100a和脉搏血氧饱和度传感器100b。图30的传感器100还包括准直器，该准直器包括脉搏血氧饱和度传感器100b的频率范围内的光吸收材料，并且被定位在传感器100b和传感器100a之间，以例如减少由传感器100b产生的记录中的杂波信号。准直器可用于代替防反射涂层，或者用作防反射涂层的补充。准直器的高度和宽度比率可被配置为提供最优发送和接收角。
在一些实施例中，传感器100包括聚焦透镜，例如图31所示。聚焦透镜可被包括来增大信噪比(SNR)、减小错位和减少杂波。在一些实施例中，透镜包括菲涅尔透镜。
在一些实施例中，系统10的构造和布置如图32所示。图30的传感器100包括指纹传感器100a和脉搏血氧饱和度传感器100b。图30的传感器100还包括透明、非导电的粘合层，以将传感器100b附接到传感器100a。粘合层在机械耦合传感器100a和100b的同时提供永久对准。
传感器100可包括相对较多的电子附接点，或者说“焊盘”，例如至少100个焊盘、至少200个焊盘或至少300个焊盘。这些焊盘附接到传感器的各种输入通道(例如，电力和控制通道)和输出通道。用户设备500可包括前端ASIC(例如，定位在靠近传感器100的位置)，该前端ASIC将传感器100的众多通道(例如，模拟通道)转换成较少的(例如，一个)的通道(例如，一个或几个数字通道)。
在一些实施例中，用户设备500包括智能卡，并且传感器100包括由PVDF构成的基于超声的传感器，其中传感器100被定位在距智能卡的第一表面的选定深度处，这样超声传输仅穿过智能卡的完全厚度的一部分。
在一些实施例中，用户设备500包括智能卡，并且传感器100包括定位在智能卡的小玻璃部分上的由氧化锌(ZnO)构成的基于超声的传感器。在一些实施例中，玻璃部分包括防刮涂层。
在一些实施例中，用户设备500包括蜂窝电话，并且传感器100包括基于超声的传感器，该传感器被定位在电话的外壳(例如，透声的金属外壳)内，并且与传感器100之间的超声传输被配置为穿过外壳。
在一些实施例中，传感器100(例如，基于超声的传感器)被配置为基于用户手掌的图像(例如，除了指纹以外或者作为指纹的替代)识别用户。
与电容式传感器相结合的超声传感器
在一些实施例中，传感器100包括传感器100a和传感器100b，传感器100a包括基于超声的传感器，传感器100b包括电容式触摸传感器(例如，在DC电平下操作)。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器(例如，上文所述的传感器100a)，该基于超声的传感器包括一层ZnO，该层ZnO被定位在显示屏(例如，蜂窝电话或其他用户设备500的显示屏)的后面(例如，被溅射到其上)。在这些实施例中，由传感器100产生和接收的声音会穿过显示屏。在一些实施例中，显示屏(例如，用户界面550)包括：LCD、OLED和/或microLED层(例如，包括基底、薄膜晶体管、液晶、滤色器、封装，等等)；电容式传感器矩阵(例如，如上所述的传感器100b，其包括电极、绝缘体、薄膜晶体管、钝化层，等等)；一个或多个薄的(例如，约1μm、2μm或3μm，例如可达50μm或75μm)光学透明粘合层(例如，在一个或多个其他层之间)；和/或玻璃盖层。显示层可以是统一构造和布置的，可以是导声的，并且可包括最小气隙或不包括气隙。
类似地，在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器100a，该传感器100a被定位在包括电容式触摸传感器的传感器100b的后面(例如，被溅射到其上)。在这些实施例中，由传感器100a产生和接收的声音会穿过传感器100b。
在一些实施例中，传感器100可包括基于超声的传感器100a，该传感器100a被定位在传感器100b的层内和/或显示屏(例如，设备500的用户界面550的显示屏)的层之间。在这些实施例中，由传感器100a产生和接收的声音穿过传感器100b的各种层和/或显示屏的各层(例如，如上所述)，这些层位于传感器100a和用户的组织(例如，用户的手指组织)之间。传感器100b和/或用户界面550可包括透明绝缘体薄膜，薄膜周围有两个线电极层(例如，正交线电极层，或者成1°至89°之间之间的角度布置的线电极层)，这两个线电极层相对透明，并且可以由氧化铟锡构成。这种构造允许了光通过(例如，具有约94％的光学透射率)。传感器100a可被定位在这些线电极层中的两个内，例如通过淀积压电薄膜来代替绝缘体薄膜(例如，以使得与将传感器100a定位在配接组件的后面相比，声音通过的层数减少)。基于超声的传感器100a与(例如，传感器100b和/或用户界面550的)电容式触摸传感器相结合的这种构造可以提供单个组装件，该组装件可以执行一个、两个、三个或更多个功能，这些功能是从包括以下各项的群组中选择的：超声指纹检测；电容式指纹检测；超声触摸感测(例如，位置感测)；电容式触摸感测；力感测(例如，经由电容式或基于超声的测量)；触觉反馈；声反馈；以及这些的组合。
图33A-33B图示了用户界面550的构造，其中包括电容式触摸传感器100b(例如，在DC电平下操作)，如上所述。未示出但包括压电薄膜并且在如本文所述的MHz范围内操作的基于超声的传感器100a可被定位在所示出的各种层中的两层或更多层之间。替代地或者额外地，传感器100a可替代图33A所示的层之一。
操作区
在一些实施例中，传感器100包括传感器100a和传感器100b，传感器100a包括基于超声的传感器，传感器100b包括电容式触摸传感器，如上所述。传感器100a可以被定位在传感器100b的下方(例如，从用户的视角看)。系统10可被配置成这样：用户与传感器100b的接触(例如，经由用户手指的接触)用于改变用户设备500的当前状态，例如作出从包括以下各项的群组中选择的状态改变：关闭至开启；待机模式至唤醒模式；低功率模式至非低功率模式；静音模式至非静音模式；以及这些的组合。在一些实施例中，传感器100被配置成这样：用户沿着传感器100的顶表面部分的接触(例如，连续的手指接触)可以经由传感器100b被配置成定义“操作区”，以使得系统10在后续的事件中使用(例如，用户可以动态地将一个或多个操作区设置为相对较大的传感器100表面区域的子集)。例如，这些用户定义的操作区中的一个或多个可以与传感器100a的一个或多个“活跃区”相关(例如，传感器100a将对用户的接触部分进行活跃成像的传感器100的整个区域的一个或多个子集)。这些有限区域的活动区可用于降低功率消耗，和/或减少传感器100a收集的数据量(例如，用于更快的数据收集、处理和/或匹配)。可以创建多个活跃区，并且每一者可以被指派给类似和/或不同的功能(例如，设备500的游戏应用或其他应用的不同功能)，这样传感器100a和/或100b的任一者或两者可以将功能与用户与特定活跃区的接触相关。
在一些实施例中，设备500被配置为供多个用户使用，其中每个用户控制用户界面550的特定光标。在这些实施例中，系统10可以通过其指纹将特定光标(例如，来自不同颜色、形状、表情符号和/或其他不同图形参数的一组光标)与特定用户相关联。一旦检测到，该用户利用其手指的持续接触就能继续与光标的该关联。如果失去了手指的接触，则用户可以执行重关联(例如，选择相同的光标)，和/或通过重复分析用户的指纹来执行对用户的检测(例如，自动检测)。
在一些实施例中，基于超声的传感器100(例如，上文所述的传感器100a)用于确定一个或多个操作区(例如，在使用或不使用甚至不存在电容式的基于触摸的传感器(例如，上文刚才描述的传感器100b)的情况下)。例如，基于超声的传感器100可以利用其所有超声换能器(本文也称为“通道”)上的脉冲回波来快速检测用户的接触位置(例如，用户的手指)，并且后续在该接触位置周围定义操作区(例如，包括检测到的接触位置周围的缓冲区)。替代地或者额外地，基于超声的传感器100可以向超声传感器的总数的一小部分(例如，传感器总数的20％以下的等同间距分布)提供驱动信号，并且传感器100可以使用这些信号的反射来定位用户的接触点，并且将此接触点用作操作区(例如，有或没有附带的缓冲区)。
基于朗之万换能器的传感器
在一些实施例中，传感器100包括基于朗之万换能器的传感器(或者其等同物)。在正常操作中，压电体的厚度为驱动信号的波长的二分之一时，压电体会谐振，而在压电体厚度为二分之一波长的奇数倍时，也会在更高频率下实现谐振。传感器100可包括朗之万换能器，该换能器包括组装件，该组装件包括压电元件和特定质量的附接元件。这些朗之万传感器在组装件的厚度(压电换能器厚度加上附接元件厚度)为驱动信号的波长的二分之一的频率下产生谐振，并且在组装件厚度为二分之一波长的奇数倍的高频下实现谐振。传感器100可包括朗之万换能器，该朗之万换能器包括比压电元件厚得多的附接元件，以例如创建如下组装件，该组装件的谐振频率远低于压电元件在没有与附接元件连接的情况下的谐振频率。
在一些实施例中，传感器100包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器包括一个或多个具有特定厚度(例如，16μm)的压电元件(例如，氧化锌压电元件)。传感器100包括特定区域(例如，1mm乘1mm、5mm乘5mm，等等)，所有行电极连接在一起，并且所有列电极连接在一起。控制器200可以统一驱动一组多个压电元件(例如，传感器100的压电元件总数的全部或一部分)，从而使得这组压电换能器发挥信号传感器(例如，低频传感器)的功能，以例如向组织(例如，用户的手指)发送和从组装接收超声能量，以执行多普勒超声测量(例如，对血流、心率等等的测量)。例如，系统10可包括一种系统，该系统包括多个压电元件，这些压电元件可以(例如，经由控制器200)被配置为朗之万换能器，其中系统10能够执行从包括以下各项的群组中选择的功能：多普勒超声；血流分析；毛细血管映射(例如，用户的手指和/或其他组织的)；以及这些的组合。
申请人对包括被配置为朗之万换能器的多个压电元件的传感器100执行了仿真建模。图34A表示换能器的各种参数。
注意，熔融二氧化硅导致了在输入阻抗中看到的多个谐振，并且显示出二氧化硅作为机械匹配层，该层允许了传感器100在远低于200MHz自然操作频率的多个频率下操作。
图34B中示出了来自50欧姆系统的插入损耗。
随着频率的降低，传感器100的效率恶化。然而，可以在二氧化硅和ZnO的厚度为驱动信号的二分之一波长的低频下操作(例如，图34C所示的5MHz)。
如图34D所示，阻抗的实部相当低，因此进入50欧姆系统中的插入损耗相当高。
在图34E中，示出了当利用6.1μHenry并且使用10欧姆系统(变压器5:1)调谐时的插入损耗。
图34F示出了较高频率的使用情况(例如，示出的峰值是可以提供足够能量的频率)。控制器200可以提供与穿透用户的组织(例如，手指组织)的深度相关的驱动频率，以例如为该用户提供多普勒测量。
图34G示出了在没有调谐的情况下，到50欧姆系统中的插入损耗。利用调谐和更好的匹配，控制器200可被配置为提供25MHz驱动信号，其中系统10提供具有高分辨率和特异性的多普勒测量。
现在参考图35A-35B、36A-36B、37A-37B和38A-38B，分别图示了根据本发明构思的各种用户界面的透视图和截面示意图的集合。图35至图38的用户界面550各自包括多层，这些层可被配置为充当显示屏(例如，提供字母数字文本、图像和/或视频的显示屏)以及记录用户信息，例如“用户输入信息”和/或“用户生理信息”。
用户输入信息(也称为“用户选择信息”)可包括从包括一个、两个或更多个用户的用户接收到的信息。用户输入信息可包括被输入到被配置为触摸屏显示屏的用户界面550中的信息。用户输入信息可包括从包括以下各项的群组中选择的信息：对图标的选择；对控件(例如，开、关、启动和/或停止控件)的激活；键盘输入(例如，屏上键盘输入)；对屏幕550的活跃区域的选择和/或大小设置(例如，选择一个区域来从休眠模式转变到活跃模式)；图形输入数据(例如，用户经由一个或多个手指绘制的图形)；“叩击信息”(例如，如下文所述)；压力信息(例如，与用户的一个或多个手指施加的力有关)；以及这些的组合。用户输入到用户界面550中的叩击信息可包括：表示用户的一个或多个手指与用户界面550(例如，与界面550的一个或多个暴露表面)的叩击或其他接触的信息。虽然本文是参考用户的一个或多个手指来描述叩击信息和其他用户接触的，但其他皮肤表面(例如，手掌、脚趾、鼻子、肘部、膝盖，等等)也应被认为在本申请的范围内。叩击信息可包括多个手指同时和/或顺序(例如，来自单个用户或多个用户)触碰界面550。叩击信息可包括用户的一个或多个手指沿着界面550拖动(例如，为了调整或设置控件的级别，选择界面550的一部分，和/或选择界面550上显示的图标、控件和/或其他图像的一部分)。
用户界面550记录的用户生理信息可包括一个、两个或更多个用户的生理信息，这些信息是从包括以下各项的群组中选择的：指纹信息、脉搏血氧饱和度信息；血气信息；血糖信息；血压信息；呼吸信息；心脏信息；神经元放电信息(例如，EEG、LFP和/或单神经元放电信息)；以及这些的组合。
图35至图38的用户界面550可被包括在各种设备中(例如，包括全部或部分，和/或包括多个)，例如当用户界面550被包括在本文所述的一个或多个用户设备500中时。用户设备500可包括从包括以下各项的群组选择的设备：消费型电子设备(例如，蜂窝电话、平板设备、膝上型或桌面型计算机、手表(例如智能手表)、锻炼和/或其他活动监视设备，等等)，医疗设备(例如，输液设备，比如胰岛素输液设备)；心率监视器；用于诸如起搏器、除颤器和/或其他植入式刺激器之类的植入式设备的控制器；交通工具(例如，汽车、船、直升机和/或飞机)；装备(例如，建筑装备和/或挖掘装置)；和/或其他可包括用户界面550的设备。
图35至图38的用户界面550可包括各种层(例如，包括一种或多种材料的层，和/或包括功能组装件的层)，例如下文所述的一层、两层或更多层。用户界面550可包括“外壳层”，例如包括其中集成了界面550的用户设备500的外壳的层。用户界面550可包括“x线层”，其中包括采取并行布置的一条、两条或更多条导线的集合，如本文所述。用户界面550可包括“y线层”，其中包括采取并行布置的一条、两条或更多条导线。y线层的导线可以与x线层的导线成角度偏移，例如10°到90°之间的角度偏移。用户界面550可包括“超声薄膜层”，例如压电材料和/或其他基底，如本文所述，该基底可被定位在x线层和y线层之间，例如从而使得超声波被发送和/或接收。用户界面550可包括“超声组装件”，该组装件包括x线层、y线层和定位在其间的超声薄膜层。用户界面550可包括“显示层”，该显示层可包括LCD、OLED、microLED和/或本领域技术人员已知的其他显示组件。用户界面550可包括“基底层”，该基底层可包括基底材料，显示层和/或超声组装件被安装到该基底材料上(例如，附接到基底材料、淀积在基底材料上和/或以其他方式制造到基底材料上)。用户界面550可包括“覆盖层”，例如玻璃或其他材料(例如，透明材料)，其被配置为保护和/或封装另一层的至少一个表面。用户界面550可包括“粘合层”，该粘合层被配置为将两层粘结在一起(例如，包括粘合剂的层)。用户界面550可包括“封装层”，例如包括玻璃或其他材料(例如，透明材料)的层，该层可被定位在用户与用户界面550的其他层之间。
x线层和y线层可包括带导线的层(例如，如本文所述)，其中导线相对于彼此以恒定的分隔距离和/或不同的分隔距离来定位。导线的不同分隔距离可用于改变由此产生的用户界面550的不同部分间的像素换能器密度。在一些实施例中，更高密度的换能器部分被配置为比更低密度的部分记录更多的信息(例如，更多的用户输入)，例如参考图43和本文其他部分所述。在一些实施例中，包括导线之间的恒定分隔距离的用户界面550可以通过选择性地将发送和接收信号应用到导线的子集来创建更高和更低分辨率的区域，例如下文参考图42所述。
下文描述的图35至图40图示了用户界面的构造的各种示例，例如本文所述的用户界面550和/或650。用户界面的一层或多层，和/或单层的组件，可以经由机械紧固件和/或粘合剂被附接到另一层或其他组件。或者，如本文所述，一层(例如，基于超声的传感器100)可被直接淀积到另一层(例如，显示屏)上。
现在参考图35A-35B，图示了根据本发明构思的用户界面的示例性构造。图35A-35B的用户界面550包括多个层(例如，如上文所述)，这些层的共同作用是向用户显示信息，以及记录用户信息，例如上文和本文其他部分所述的用户输入信息和用户生理信息。图35A-35B的用户界面550包括按以下顺序布置的多层构造(如图所示)：包括外壳层的层1；包括x线层的层2；包括超声薄膜层的层3；包括y线层的层4；包括基底层的层5；包括显示层的层6；包括覆盖层的层7；包括粘合层的层8；以及包括封装层的层9(例如，保护性玻璃或塑料层)。
如图35A-35B所示，用户界面550可包括集成的超声组装件(例如，被配置为触摸传感器)，该组装件(从用户的视角看)被定位在显示屏(例如，OLED显示屏)的后面。这种配置可以改善显示层和定位在显示层顶部的层(例如，定位在显示层和用户视角之间的层，例如图中所示的覆盖层、粘合层和封装层)之间的透明度。用户界面550的这种构造可促进设备500的模块化构造。由于超声组装件不会阻碍用户观看显示屏，因此用户界面550的这种构造可以不使用透明电极材料，例如氧化铟锡(ITO)，例如当导体(例如，本文所述的X和/或Y导体)包括金时(例如，提供低电阻率)。
现在参考图36A-36B，图示了根据本发明构思的用户界面的示例性构造。图35A-35B的用户界面550包括多个层(例如，如上文所述)，这些层的共同作用是向用户显示信息，以及记录用户信息，例如上文和本文其他部分所述的用户输入信息和用户生理信息。图36A-36B的用户界面550包括按以下顺序布置的多层构造(如图所示)：包括外壳层的层1；包括x线层的层2；包括超声薄膜层的层3；包括y线层的层4；包括基底层的层5；包括显示层的层6；以及包括封装层的层7。
用户界面550(例如，如图36A-36B所示)可以避免在超声组装件(例如，被配置为触摸屏)和最顶部覆盖层之间包括粘合层。避免粘合层可提供以下好处：避免与粘合层相关联的超声信号的不需要的衰减，以及避免与粘合层的应用相关联的制造要求。
现在参考图37A-37B，图示了根据本发明构思的用户界面的示例性构造。图37A-37B的用户界面550包括多个层(例如，如上文所述)，这些层的共同作用是向用户显示信息，以及记录用户信息，例如上文和本文其他部分所述的用户输入信息和用户生理信息。图37A-37B的用户界面550包括按以下顺序布置的多层构造(如图所示)：包括外壳层的层1；包括基底层的层2；包括显示层的层3；包括覆盖层的层4；包括粘合层的层5；包括x线层的层6；包括超声薄膜层的层7；包括y线层的层8；包括粘合层的层9；以及包括封装层的层10。
用户界面550可包括超声组装件(例如，如图37A-37B所示)，该超声组装件避免了在显示层(例如，OLED)和封装层之间包括电容式触摸屏。超声组装件被定位为靠近封装层，从而使得发送和接收超声信号通过的层数减少(例如，减少声衰减和/或衍射)。
现在参考图38A-38B，图示了根据本发明构思的用户界面的示例性构造。图38A-38B的用户界面550包括多个层(例如，如上文所述)，这些层的共同作用是向用户显示信息，以及记录用户信息，例如上文和本文其他部分所述的用户输入信息和用户生理信息。图38A-38B的用户界面550包括按以下顺序布置的多层构造(如图所示)：包括覆盖层的层1；包括第一显示层的层2；包括基底层的层3；包括x线层的层4；包括超声薄膜层的层5；包括y线层的层6；包括基底层的层7；包括第二显示层的层8；以及包括覆盖层的层9。
用户界面550可包括超声组装件(例如，如图38A-38B所示)，该组装件被定位在两个显示层(例如，两个背靠背的OLED和/或其他显示屏)之间，以例如利用单个超声组装件记录用户经由与任一显示屏的接触而进行的触摸。
现在参考图39，根据本发明构思，图示了图示出用户界面的制造过程的截面图像。在步骤1中，创建第一组装件，该第一组装件包括基底层、显示层和覆盖层，每个层的位置如图所示。在步骤2中，在基底层上(如图所示，与显示层相对)向第一组装件添加y线层。在步骤3中，如图所示，超声薄膜层被定位在y线层上。在步骤4中，x线层被定位在超声薄膜层上。在步骤5中，外壳可被定位在x线层上(例如，如本文所述的用户设备500的外壳的一部分)。
现在参考图40A-40B，根据本发明构思，图示了图示出用户界面的制造过程的截面图像。在图40A中，图示了两个组装件，即，第一组装件和第二组装件。第一组装件包括超声组装件(例如，x线层和y线层，其间有超声薄膜层)，以及后来附接到超声组装件的基底(例如，如图所示附接到y线层)。第一组装件还可包括附接到超声组装件的外壳层(例如，如图所示附接到x线层)。第二组装件包括显示层、位于显示层一侧的基底层和位于显示层另一侧的覆盖层。在图40B中，如图所示，第一组装件和第二组装件通过使用粘结层被附接到彼此。粘结层可包括粘合层，如上文和本文其他地方所述。
现在参考图41，根据本发明构思，图示了将设备从低分辨率和/或较低功率状态转变到较高分辨率和/或较高功率状态的方法的流程图。如图所示，方法5130包括步骤5131至5136，并且使用本发明构思的系统10对其进行描述。
在步骤5131中，系统10处于第一状态(例如，较低功率操作模式)，其中用户界面550的第一组换能器处于活跃状态(例如，被供电和/或监视，例如本文所述)，而第二组换能器处于休眠状态(例如，不被供电或者以其他方式低功率状态)。第一组换能器可包括一组超声换能器(例如，如本文所述的像素换能器)，和/或第二组换能器可包括一组超声换能器(例如，如本文所述的像素换能器)。在一些实施例中，第二组换能器包括第一组换能器的全部或一部分。在一些实施例中，第一组换能器包括非超声换能器(例如，机械开关、电容开关和/或磁开关)，并且第二组换能器包括超声换能器(例如，如本文所述的像素换能器)。第二组换能器可包括比第一组换能器数量更多的换能器，和/或第二组换能器可包括比第一组换能器分辨率更高的布置。与第一组换能器所监视的相比，第二组换能器可以从用户界面550的更大部分进行监视(例如，检测用户接触或其他用户输入)。
在步骤5132中，如果第一组换能器检测到用户在界面550上的叩击(例如，手指的叩击)和/或其他接触(本文的“叩击”、“触摸”和/或“接触”)，则执行步骤5133，否则重复步骤5131。在步骤5133中，用户界面550将第二组换能器从休眠状态转变到活跃状态，在此之后执行步骤5134。在一些实施例中，第一组换能器在步骤5133中被转变到休眠状态。在其他实施例中，第一组换能器保持活跃。在一些实施例中，与活跃状态相比，界面550在休眠状态中的功率消耗至少降低10％、20％、30％、40％、50％、75％和/或90％。在一些实施例中，第一组换能器包括的换能器的数量不超过第二组换能器的数量的30％、20％、10％、5％和/或2％。
在步骤5134中，系统10进入可从第二组换能器(例如，可从用户界面550的较大表面区域接收用户命令的一组换能器)接收命令的状态。在一些实施例中，也可以从第一组换能器接收命令(例如，在步骤5133中，第一组换能器没有被转变到休眠状态)。在监视关联的换能器期间，启动时间流逝计数器，其中对自从用户最后一次接触用户界面550以来流逝的时间进行计数，如图所示为ΔT。每次检测到用户与界面550的接触时，ΔT就被重置为零。
在步骤5135中，如果ΔT高于阈值，则执行步骤5136，否则重复步骤5134。在一些实施例中，ΔT包括至少1秒的时间，例如至少5秒、10秒、30秒和/或60秒。替代地或者额外地，ΔT可包括不超过10分钟的时间，例如不超过5分钟、3分钟和/或2分钟。
在步骤5136中，第二组换能器转变到休眠状态，并且方法5130返回到步骤5131。如果第一组换能器尚未处于活跃状态中，则这些换能器在返回到步骤5131时变得活跃。
现在参考图42，根据本发明构思，图示了包括同质的像素换能器阵列的用户界面的示意图。用户界面550包括用于记录用户输入信息的各种区域，例如被如本文所述的基于超声的像素换能器监视的区域。这些各种区域可包括用于数据捕捉的不同分辨率的区域，例如当选择x线和y线的特定子集进行发送和接收时，以例如创建整个阵列的子部分以接收“焦点”(例如，以比界面其他区域更高的分辨率进行感测)。
图42的用户界面550可包括x线层和y线层(例如，由超声薄膜层分隔)，它们被包括在一个组装件中，该组装件包括显示层(例如，包括OLED或其他显示技术的显示屏)。用户界面550可包括由诸如玻璃、金属和/或塑料之类的材料组成的层。
用户界面550可包括像素换能器的阵列，这些换能器分布在很大的区域上，例如大约75mm乘150mm或更大的矩形区域，例如面积至少为10,000mm2、20,000mm2和/或40,000mm2的表面。x线和y线的寻址可经由电子组件(例如，ASIC)完成，该电子组件可在各组线之间进行复用，例如当在250条发送线和250条接收线(即，x线和y线)之间进行复用时。在一些实施例中，用户界面550包括75mm乘150mm的传感器区域，并且系统10包括单个ASIC并且被配置为在一个方向上提供0.3mm的触摸分辨率(例如，75mm上250条线)，并且在另一方向上提供0.6mm的触摸分辨率(例如，150mm上250条线)。也可包括界面550的尺寸(例如，长度和宽度尺寸)以及x线和y线的数量的其他布置，以满足用户的特定需求。
在一些实施例中，图42的用户界面550包括含有PVDF作为压电层的超声薄膜层。在这些实施例中，操作频率可被选择为大约50MHz。对于超声组装件的预期带宽，可以实现40纳秒的脉冲持续时间，并且可将其与厚度为125μm的附着玻璃层或厚度小于125μm的塑料覆盖层一起使用。当与厚度大于125μm的显示屏(例如，OLED或其他显示屏)一起使用时，可以接收到多个分离的回波。
可以在整个关联表面区域上进行超声薄膜层(例如，包括PVDF)的环氧树脂胶合，例如当金属线在显示屏上时(例如，在一侧而不在PVDF上)，或者可以通过向导电片施加光刻胶来创建线路(例如，为了实现均匀性)。
在一些实施例中，超声薄膜层(例如，包括PVDF)可以被定位在显示层的后面(例如，OLED或其他显示屏的后面)。在这些实施例中，设备500(例如蜂窝电话或其他触摸屏设备)可以没有电容式触摸传感器，通过使用如本文所述的超声组装件来记录所有用户接触。
在一些实施例中，超声薄膜层(例如，包括PVDF)可被定位在氧化锌(ZnO)薄膜上，例如当需要至少300dpi、500dpi和/或更高的分辨率时。用户界面550(例如，传感器100)可以以各种布置方式来配置，以将每个X和Y导体电连接到接口电路(例如，一个或多个ASIC，如本文所述)的寻址控制线。可以利用环氧树脂或另外的粘合剂在ZnO薄膜上定位PVDF层，该粘合剂在ZnO薄膜的寻址线和PVDF层之间提供绝缘层。
现在参考图42A，图示了对如上文所述的超声传感器的分析的显示。
现在参考图43，根据本发明构思，图示了包括不同分辨率的多个区域的用户界面的示意图。用户界面550包括用于记录用户输入信息的各种区域，例如被如本文所述的基于超声的像素换能器监视的区域。这些各种区域可包括用于数据捕捉的不同分辨率的区域，例如，当这些区域包括不同密度的像素换能器时(例如，与如本文所述的导线的x线和y线密度相关的换能器密度)。在图43中，示出了一层x线和一层y线，其中x线和y线在用户界面550的一些区域中具有与其他区域中不同的(一个或多个)分隔距离。如图所示，利用这种不同的分隔距离，可以创建高分辨率(例如，约400dpi、500dpi或更高)、中等分辨率(例如，约100dpi至200dpi)和低分辨率(例如，约25dpi至40dpi)的区域。
现在参考图44A-44C，根据本发明构思，图示了三个用户界面的示意图，每个用户界面包括多个部分。图44A-44C的每个用户界面550可包括像素换能器阵列，如本文所述。图44A-44C示出了用户界面550分别包括4个、4个和3个部分。应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可包括2个部分或多于4个部分(例如，6个部分)的配置。每个部分可由特定用户使用，和/或任何单个部分可由多个用户使用。
在图44A中，用户界面550包括四个部分，如图所示采取1乘4布置。在一些实施例中，每个部分可以相对于相邻部分被旋转(即，折叠)。
在图44B中，用户界面550包括四个部分，如图所示采取2乘2布置。在一些实施例中，左侧的两个部分可以相对于右侧的两个部分被旋转(例如，一致旋转)，并且顶部的两个部分可以相对于底部的两个部分被旋转(例如，一致旋转)。
在图44C中，用户界面550包括三个部分，如图所示采取1乘3布置。在一些实施例中，每个部分可以相对于相邻部分被旋转。
图44A-44C中的任何一幅图的用户界面550可包括一个、两个或更多个蜂窝电话和/或一个、两个或更多个游戏设备的用户界面，以例如允许多个用户(例如，经由指纹信息识别、区分和/或跟踪的用户)使用设备。
图44A-44C中的任何一幅图的用户界面550可包括集成传感器100(例如，如本文所述的基于超声的传感器100)，例如当传感器100的检测区域至少占用户界面550的暴露表面区域的面积的50％、75％、85％和/或95％时。在一些实施例中，传感器100b(例如，如本文所述的基于超声的传感器)的检测区域具有至少10,000mm2、40,000mm2和/或1,000,000mm2的面积，和/或具有至少20cm、40cm和/或80cm的长轴。传感器100可包括X和Y导体的阵列(例如，两组至少128个导体和/或至少256个导体)，这些导体始终以均匀的密度定位，或者导体可以被定位为具有一个或多个密度高于其他部分的检测部分(例如，用于检测界面550的一个或多个用户的指纹的一个或多个高密度部分)。在一些实施例中，图44A-44C的任何传感器100可被配置为产生图像信息(例如，经由如图所示的两个或更多个用户显示屏产生指纹信息)，图像信息经由时间偏移测量产生，例如参考图2至图19所述。在一些实施例中，图44A-44C所示的每个折叠部分包括至少128个导体，或者至少256个导体(例如，等距和/或不同密度间距)。在一些实施例中，控制器200的单个ASIC与图44A-C所示的每个用户界面550的所有部分相对接。或者，可包括多个ASIC，例如对于每个屏幕部分有一个ASIC。在一些实施例中，图44A-44C的一个或多个用户界面550可以被包括在设备500中，该设备500包括计算机，例如用于游戏或其他单用户或多用户应用的计算机。
用户界面550可包括一个、两个或更多个部分，如本文所述，这些部分由控制器200的一个、两个或更多个ASIC控制。在一些实施例中，一个或多个ASIC以一种频率向用户界面550的一个部分提供驱动信号(例如，向X和/或Y导体)，并且以另一不同频率向用户界面550的另一部分提供驱动信号。替代地或者额外地，如本文所述，一个、两个或更多个ASIC可以利用偏移测量来区分一个屏幕与另一屏幕。
图44A-44C的用户界面550的不同部分被图示为沿着每个部分的一侧可旋转地连接。应当明白，各部分之间可以使用其他附接方式，例如分立显示屏之间的线缆。
现在参考图45A-45B，根据本发明构思，图示了行电极和列电极的各种配置的示意图。示出了传感器100的一部分，包括三个行电极106、三个列电极108和九个像素元件110(每个像素元件110被定位在电极106和108的交叉处)。应当理解，更多数量的行电极和列电极(例如，至少10个、至少100个、至少200个、至少500个和/或至少2000个)可以被类似地配置(例如，具有类似的尺寸、比例和几何形状)，而不会脱离本申请的精神和范围。在图45A中，行电极106和列电极108各自包括恒定的宽度，这些宽度大致等于每个像素元件110的高度和宽度。当从传感器100的顶部来看时，如图所示，在电极106和108之间存在“开口”(例如，穿过电极106和108之间的间隙的垂直开口)。这些开口可允许光穿过传感器100(例如，允许用户看到定位在传感器100后面的显示屏或其他物体)。在图45B中，行电极106和列电极108各自包括不同的几何形状，如图所示，其中每个电极在邻近每个像素110处较宽，而在成对像素110之间较窄。在图45B的几何配置中，电极和像素之间的开口较大(具有较大面积)，允许更多光通过传感器100，以例如允许用户增强或以其他方式改善定位在传感器100后面的显示屏或其他物体的可视化。例如，在图45A中，每个电极可包括25μm的宽度，并且形成每个像素的电极部分可包括25μm的高度和宽度，间距为40μm(例如，电极之间为15μm)。图45A的几何配置针对导体之间的每个开口提供了225μm2的面积。在图45B中，电极106和108的每个互连部分(像素之间的电极部分)可包括12.5μm的宽度，而形成每个像素的电极部分可包括25μm的宽度(例如，与图45A的电极106和108的宽度相同)，间距为40μm(例如，与图45A的传感器100的间距相同)。图45B的几何配置针对导体之间的每个开口提供了600μm2的面积(例如，比图45A的传感器100的开口面积增大了2.67倍)。
以上描述的实施例应当被理解为仅作为说明性示例；设想到了另外的实施例。联系任何一个实施例描述的任何特征可被单独使用，或者与描述的其他特征结合使用，并且也可与任何其他实施例的一个或多个特征或者任何其他实施例的任何组合结合使用。此外，上文没有描述的等同和修改也可被采用，而不脱离在所附权利要求中定义的本发明的范围。
Claims (132)
1.一种用户分类系统，包括：
传感器，被配置为产生传感器信号；以及
用户设备；
其中，所述系统被配置为基于所述传感器信号对所述系统的用户进行分类。
2.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述用户包括单个用户。
3.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述用户包括多个用户。
4.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，对用户进行分类包括：确定和/或确认所述用户的身份。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统经由以下各项中的至少一者来确定和/或确认所述用户的身份：用户指纹数据；用户的脸部的图像；用户的语音的记录，和/或记录的用户的生理数据。
6.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，对用户进行分类包括：识别和/或确认所述用户的健康状况。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统经由以下各项中的至少一者来表征所述用户的健康状况：指纹数据；面部图像数据；语音记录数据；和/或生理数据。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统经由生理数据来表征所述用户的健康状况，所述生理数据由所述传感器收集并且从包括以下各项的群组中选择：脉搏血氧饱和度数据；血糖数据；EEG；LFP；神经元放电模式和/或其他脑数据；心率数据；呼吸数据；汗液数据；血气数据；以及这些的组合。
9.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述系统被配置为执行校准例程。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述校准例程被配置为校准所述传感器。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述校准例程是在所述系统的一部分被损坏和/或以其他方式运作不正常之后被执行的。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述校准例程被执行以适应所述用户设备的破裂屏幕并且允许对所述用户的成功识别。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述校准例程包括至少两个校准例程。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述校准例程包括被执行来修改所述用户设备的第一校准例程和后续被执行的第二校准例程。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述校准例程在所述用户设备的使用期间被多次执行。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述校准例程被配置为确认所述用户没有改变。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述校准例程被配置为确认所述用户的健康状况没有改变。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述校准例程被配置为防止以下各项中的一个或多个：用户切换；单个用户长时间使用；和/或由健康状况变得不可接受的用户使用。
19.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述系统被配置为执行确认例程。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述确认例程被执行来确认用户的多个指纹。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述多个指纹是根据预指派的收集序列来收集的。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述系统向所述用户提供关于接下来要收集哪个指纹的反馈。
23.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括定位在所述系统的另一组件中和/或上的一个或多个传感器。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述传感器包括定位在所述用户设备中和/或上的一个或多个传感器。
25.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括从包括以下各项的群组中选择的一个、两个或更多个传感器：基于超声的传感器；电容式触摸传感器；光学传感器；电传感器；磁传感器；力传感器；压力传感器；应变仪；生理传感器；麦克风，例如用于记录用户的语音的麦克风；相机，例如用于记录用户的脸部的相机；以及这些的组合。
26.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述系统还包括接口，用于向所述传感器提供驱动信号和/或用于从所述传感器接收所述传感器信号。
27.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括与所述系统的一个或多个其他组件成一体的一个或多个传感器。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，至少一个传感器与所述用户设备成一体。
29.根据权利要求27所述的系统，还包括便携终端，其中，至少一个传感器与所述便携终端成一体。
30.根据权利要求27所述的系统，还包括附件设备，其中，至少一个传感器与所述附件设备成一体。
31.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括两个或更多个传感器。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，多个传感器包括相似的传感器。
33.根据权利要求31所述的系统，其中，多个传感器包括不相似的传感器。
34.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括基于超声的传感器。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述传感器包括阵列，该阵列包括一个、两个或更多个超声换能器，所述超声换能器被配置为发送和/或接收超声能量。
36.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器被配置为当在潮湿和/或浸没在流体中的条件下操作时可运作。
37.根据权利要求36所述的系统，其中，所述传感器被配置为当在潮湿和/或浸没条件下操作时具有改善的性能。
38.根据权利要求36所述的系统，其中，所述传感器包括质量加载的超声换能器，例如朗之万换能器。
39.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括阵列，该阵列包括行电极和列电极的布置。
40.根据权利要求39所述的系统，其中，所述行电极和列电极包括两组导体。
41.根据权利要求40所述的系统，其中，所述两组导体是彼此正交地布置的。
42.根据权利要求40所述的系统，其中，所述两组导体被排列成小于90°的角度、不大于89°的角度、和/或至少45°的角度。
43.根据权利要求39所述的系统，其中，所述行电极和/或列电极中的至少一者包括非均匀的宽度。
44.根据权利要求43所述的系统，其中，所述非均匀宽度被配置为允许光穿过行电极和列电极的布置。
45.根据权利要求43所述的系统，其中，所述行电极和列电极包括两组导体，并且其中，所述导体包括如下厚度，该厚度被配置为实现与包括均匀宽度的电极相当的电阻。
46.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器被配置为提供所述用户的指纹的最小分辨率。
47.根据权利要求46所述的系统，其中，所述最小分辨率包括至少100像素每英寸、至少200像素每英寸、至少350像素每英寸、至少500像素每英寸、和/或至少1000像素每英寸。
48.根据权利要求46所述的系统，其中，所述最小分辨率包括至少200μm的分辨率，例如至少100μm、75μm、50μm、20μm、和/或10μm的分辨率。
49.根据权利要求46所述的系统，其中，所述传感器被配置为捕捉所述指纹的最小数目的像素。
50.根据权利要求49所述的系统，其中，所述最小数目的像素包括至少15,000个像素、至少25,000个像素、至少35,000个像素、至少50,000个像素、和/或至少100,000个像素。
51.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括触摸传感器，该触摸传感器被配置为检测用户的叩击和/或其他触摸。
52.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括光传感器，该光传感器被配置为评估所述用户的活力和/或评估所述用户的另一生理参数。
53.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器被配置为向用户提供热反馈和/或机械反馈。
54.根据权利要求53所述的系统，其中，所述系统还包括用户设备，该用户设备包括用户界面，其中，所述用户设备被配置为在黑暗模式中操作，并且经由所述反馈向所述用户提供通信。
55.根据权利要求53所述的系统，其中，所述系统包括电池和/或其他能量源，并且其中，反馈的形式和/或级别是基于所述电池和/或其他能量源中剩余的能量的量的。
56.根据权利要求53所述的系统，其中，所述系统被配置为通过将所述用户的组织温度提高至少0.2℃、至少0.5℃和/或至少1.0℃来提供所述热反馈。
57.根据权利要求56所述的系统，其中，用户组织温度的提高不超过4℃、不超过10℃、不超过20℃、和/或不超过30℃。
58.根据权利要求53所述的系统，其中，所述系统被配置为在不看模式中操作，并且在不要求所述用户的视觉注意的情况下经由所述反馈向所述用户提供通信。
59.根据权利要求58所述的系统，其中，所述反馈包括热反馈、机械反馈、和/或其他触觉反馈。
60.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述用户设备包括外壳，并且其中，所述传感器被集成到所述用户设备的外壳中。
61.根据权利要求60所述的系统，其中，所述传感器被配置为产生和/或接收声波，并且其中，由所述传感器产生和/或接收的声波穿过所述用户设备的外壳的至少一部分。
62.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括指纹传感器和脉搏血氧饱和度传感器。
63.根据权利要求62所述的系统，其中，所述传感器还包括准直器，该准直器包括光吸收材料，该光吸收材料被配置为吸收处于所述脉搏血氧饱和度传感器的频率范围的光，并且其中，所述准直器被定位在所述指纹传感器和脉搏血氧饱和度传感器之间，以减少由所述脉搏血氧饱和度传感器产生的记录中的杂波信号。
64.根据权利要求63所述的系统，其中，所述准直器包括高度和宽度比率，该比率被配置为提供最优发送角和接收角。
65.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括聚焦透镜。
66.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括多个电子附接点。
67.根据权利要求66所述的系统，其中，所述传感器包括至少100个电子附接点，至少200个电子附接点，或者至少300个电子附接点。
68.根据权利要求66所述的系统，其中，所述传感器还包括输入和输出通道，所述电子附接点与所述通道连接。
69.根据权利要求68所述的系统，其中，所述用户设备还包括前端ASIC，该前端ASIC被配置为将多个传感器通道转换为较少的传感器通道。
70.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器被配置为提供被所述系统使用的信号，以基于用户的手掌和/或指纹的图像来识别用户。
71.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括基于超声的传感器和电容式触摸传感器。
72.根据权利要求71所述的系统，其中，所述基于超声的传感器被定位在所述电容式触摸传感器下方。
73.根据权利要求71所述的系统，其中，用户与所述电容式触摸传感器的接触被配置为改变所述系统的当前状态，该状态改变是从包括以下各项的群组中选择的：关闭至开启；待机模式至唤醒模式；低功率模式至非低功率模式；静音模式至非静音模式；以及这些的组合。
74.根据权利要求71所述的系统，其中，用户沿着所述电容式触摸传感器的顶表面的接触被配置为定义在后续事件中将被所述系统使用的操作区。
75.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器包括ZnO层。
76.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括基于朗之万换能器的传感器。
77.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述传感器包括近距离布置的多个传感器，所述多个传感器被配置为作为单个传感器操作。
78.根据权利要求77所述的系统，其中，所述多个传感器中的至少两个被配置为相对于彼此旋转。
79.根据权利要求77所述的系统，其中，所述多个传感器包括多个基于超声的传感器。
80.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述用户设备包括从包括以下各项的群组中选择的一个、两个或更多个设备：蜂窝电话；智能手表；计算机设备；用户保护设备；运输设备；建筑装备；卡设备；存储器存储设备；加密钱包设备；锁；存储容器；实验室装备；医疗设备；以及这些的组合。
81.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，其中，所述用户设备包括智能卡，并且所述传感器包括由PVDF构成的基于超声的传感器，并且其中，所述传感器被定位在距所述智能卡的第一表面的选定深度处。
82.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，还包括一个或多个接口，所述一个或多个接口被配置为将所述系统的两个或更多个组件与彼此对接。
83.根据权利要求82所述的系统，其中，所述一个或多个接口包括与所述用户设备成一体的至少一个接口。
84.根据权利要求82所述的系统，其中，每个接口被配置为以电气地、机械地、声学地、流体地、光学地和/或其它方式可操作地连接两个或更多个系统组件。
85.根据权利要求82所述的系统，其中，所述一个或多个接口包括至少一个接口，该至少一个接口被配置为将所述传感器可操作地连接到所述系统的另一组件。
86.根据权利要求85所述的系统，其中，所述传感器可操作地连接到所述用户设备。
87.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，还包括便携终端，该便携终端包括一个、两个或更多个便携终端。
88.根据权利要求87所述的系统，其中，所述便携终端包括所述传感器。
89.根据权利要求88所述的系统，其中，所述传感器包括基于超声的传感器，该基于超声的传感器被配置为提供用于识别所述用户的指纹的信号。
90.根据权利要求87所述的系统，其中，所述便携终端包括接口，该接口被配置为将所述传感器与所述便携终端的另一部分相对接。
91.根据权利要求87所述的系统，其中，所述便携终端包括用户界面。
92.根据权利要求87所述的系统，其中，所述便携终端被配置为经由有线和/或无线连接向所述用户设备传输信息。
93.根据权利要求87所述的系统，其中，所述便携终端包括所述传感器的至少一部分，并且被配置为识别所述用户的一个或多个指纹。
94.根据权利要求87所述的系统，其中，所述便携终端被配置为识别所述用户并且将对所述用户的身份的确认传送到所述用户设备。
95.根据权利要求94所述的系统，其中，经由指纹来识别所述用户，该指纹是经由由所述便携终端的传感器的至少一部分提供的信号来识别的。
96.根据权利要求87所述的系统，其中，所述便携终端包括所述传感器的第一部分，并且被配置为收集用户的机密数据，并且所述用户设备包括所述传感器的第二部分，该第二部分被配置为收集用户的非机密数据，并且其中，所述系统被配置为使用所述机密数据和所述非机密数据两者来执行用户确认例程。
97.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，还包括一个或多个算法。
98.根据权利要求97所述的系统，其中，所述一个或多个算法包括机器学习、神经网络、和/或其他人工智能算法。
99.根据权利要求97所述的系统，其中，所述系统被配置为执行用户确认例程，并且其中，所述一个或多个算法包括如下算法，该算法被配置为检测对由所述系统执行的用户确认例程的欺骗尝试。
100.根据权利要求97所述的系统，其中，所述算法被配置为分析所述用户的生理数据。
101.根据权利要求100所述的系统，其中，所述分析被配置为识别和/或表征所述用户。
102.根据权利要求97所述的系统，其中，所述算法被配置为分析指纹数据以识别所述用户。
103.根据权利要求103所述的系统，其中，所述算法进一步分析从包括以下各项的群组中选择的其他数据：面部图像数据；语音记录数据；生理数据；以及这些的组合。
104.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，还包括附件设备，该附件设备包括一个、两个或更多个附件设备，所述附件设备被配置为与所述系统的另一组件协同运作。
105.根据权利要求104所述的系统，其中，所述附件设备包括所述传感器的全部或一部分。
106.根据权利要求104所述的系统，其中，所述附件设备包括接口的全部或一部分，该接口被配置为将传感器与所述附件设备的另一部分相对接。
107.根据权利要求104所述的系统，其中，所述附件设备被定位在邻近所述用户设备之处。
108.根据权利要求107所述的系统，其中，所述附件设备包括保护屏和/或保护壳。
109.根据权利要求108所述的系统，其中，所述传感器被配置为通过所述保护屏和/或保护壳发送和/或接收能量。
110.根据权利要求104所述的系统，其中，所述传感器被集成到所述附件设备中。
111.根据权利要求110所述的系统，其中，所述传感器被配置为经由有线和/或无线连接从所述用户设备接收电力。
112.根据权利要求110所述的系统，其中，所述传感器被配置为经由有线和/或无线连接与所述用户设备通信。
113.如至少一项在前权利要求中要求保护的系统，还包括网络，该网络包括一个、两个或更多个计算机网络。
114.根据权利要求113所述的系统，其中，所述网络是从包括以下各项的群组中选择的：蜂窝和/或其他无线网络；LAN；WAN；VPN；互联网；以及这些的组合。
115.根据权利要求113所述的系统，其中，由所述系统的组件收集和/或产生的用户信息和/或其他信息经由所述网络被传送一个或多个中心位置。
116.根据权利要求115所述的系统，其中，所述系统包括如下算法，该算法被配置为分析传送的信息，以例如改善所述系统的性能。
117.根据权利要求116所述的系统，其中，所述算法包括人工智能算法。
118.一种超声信号处理方法，包括：
确定以下两项之间的时间偏移：
由超声换能器感测到的信号回波的信号到达时间；以及
由所述超声换能器感测到的基线回波的基线到达时间。
119.一种超声信号处理方法，包括：
对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定以下两项之间的时间偏移：
由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间；以及
基线到达时间。
120.一种物体检测方法，包括：
对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间；并且
基于所述每个像素元件的到达时间，计算偏差；并且
基于所述偏差，确定物体的存在。
121.一种物体检测方法，包括：
对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定以下两项之间的时间偏移：
由所述每个像素元件感测到的信号回波的信号到达时间；以及
由所述每个像素元件感测到的基线回波的基线到达时间；
基于所述每个像素元件的时间偏移，计算偏差；并且
基于所述偏差，确定物体的存在。
122.一种超声信号处理系统，包括：
处理器；以及
存储机器可读指令的存储器，所述机器可读指令当被所述处理器执行时，控制所述超声信号处理系统来确定以下两项之间的时间偏移：
由超声换能器感测到的信号回波的信号到达时间；以及
由所述超声换能器感测到的基线回波的基线到达时间。
123.一种超声信号处理系统，包括：
处理器；以及
存储机器可读指令的存储器，所述机器可读指令当被所述处理器执行时，控制所述超声信号处理系统来对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定以下两项之间的时间偏移：
由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间；以及
基线到达时间。
124.一种物体检测器，包括：
处理器；以及
存储机器可读指令的存储器，所述机器可读指令当被所述处理器执行时，控制所述物体检测器来：
对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定由所述每个像素元件感测到的回波的到达时间，
基于所述每个像素元件的到达时间，计算偏差，并且
基于所述偏差，识别物体的存在。
125.一种物体检测器，包括：
处理器；以及
存储机器可读指令的存储器，所述机器可读指令当被所述处理器执行时，控制所述物体检测器来：
对于超声换能器阵列的每个像素元件，确定(i)由所述每个像素元件感测到的信号回波的信号到达时间和(ii)由所述每个像素元件感测到的基线回波的基线到达时间之间的时间偏移，
基于所述每个像素元件的时间偏移，计算偏差，并且
基于所述偏差，识别物体的存在。
126.一种指纹传感器，包括：
具有多个像素元件的超声换能器阵列；
贴附到所述超声换能器阵列的压板，所述压板具有用于与手指接触的压板表面；
可通信地耦合到所述超声换能器阵列的处理器；以及
存储机器可读指令的存储器，所述机器可读指令当被所述处理器执行时，控制所述指纹传感器来：
对于所述超声换能器阵列的每个像素元件，
(i)利用所述超声换能器阵列将信号超声脉冲发送到所述压板中，以使得所述信号超声脉冲的一部分从所述压板表面反射以形成信号回波，
(ii)利用所述超声换能器阵列感测所述信号回波，
(iii)利用所述超声换能器将基线超声脉冲发送到所述压板中，以使得所述基线超声脉冲的一部分从所述压板表面反射以形成基线回波，
(iv)利用所述超声换能器阵列感测所述基线回波，并且
(v)确定所述信号回波的信号到达时间与所述基线回波的基线到达时间之间的时间偏移，
基于针对所述像素元件中的至少一者确定的时间偏移，确定在发送所述信号超声脉冲并且感测所述信号回波的同时手指是否与所述压板表面接触，并且
基于针对每个像素元件的时间偏移，生成所述手指的指纹图像。
127.一种多压板超声指纹传感器，包括：
具有第一往返传播时间的第一压板；
与所述第一压板相邻的第一像素换能器的阵列；
具有第二往返传播时间的第二压板，所述第二往返传播时间不同于所述第一往返传播时间；以及
与所述第二压板相邻的第二像素换能器的阵列。
所述第一像素换能器中的每一者与所述第二像素换能器中的相应一者是电配对的。
128.一种指纹感测方法，包括：
驱动电配对的第一像素换能器和第二像素换能器，以(i)从所述第一像素换能器将第一超声脉冲发射到第一压板的第一后端面中，并且(ii)从所述第二像素换能器将第二超声脉冲发射到第二压板的第二后端面中；
利用所述第一像素换能器将在所述第一超声脉冲从所述第一压板的第一前端面反射时生成的第一回波转换为第一电子脉冲；
利用所述第二像素换能器将在所述第二超声脉冲从所述第二压板的第二前端面反射时生成的第二回波转换为第二电子脉冲；并且
在单个电极上输出所述第一电子脉冲和所述第二电子脉冲，所述第一电子脉冲和所述第二电子脉冲在时间上是可区分的。
129.一种多压板超声指纹传感器，包括：
第一压板；
与所述第一压板相邻的第一像素换能器的阵列；
第二压板；以及
与所述第二压板相邻的第二像素换能器的阵列。
其中，所述第一像素换能器中的每一者具有第一频率响应，并且与具有第二频率响应的所述第二像素换能器中的相应一者是电配对的，所述第二频率响应不同于所述第一频率响应。
130.一种指纹感测方法，包括：
驱动电配对的第一像素换能器和第二像素换能器，以(i)从所述第一像素换能器将具有第一频率的第一超声脉冲发射到第一压板的第一后端面中，并且(ii)从所述第二像素换能器将具有第二频率的第二超声脉冲发射到第二压板的第二后端面中，所述第二频率不同于所述第一频率；
利用所述第一像素换能器将在所述第一超声脉冲从所述第一压板的第一前端面反射时生成的第一回波转换为第一电子脉冲；
利用所述第二像素换能器将在所述第二超声脉冲从所述第二压板的第二前端面反射时生成的第二回波转换为第二电子脉冲；并且
在单个电极上输出所述第一电子脉冲和所述第二电子脉冲。
131.一种多压板超声指纹传感器，包括：
第一压板，该第一压板在第一前端面和第一后端面之间具有第一往返传播时间；
位于所述第一后端面下方的发送电极的阵列；
第二压板，该第二压板在第二前端面和第二后端面之间具有不同于所述第一往返传播时间的第二往返传播时间；
位于所述第二后端面下方的接收电极的阵列；以及
位于所述接收电极的阵列和所述发送电极的阵列之间的压电材料。
132.一种指纹感测方法，包括：
驱动多压板超声指纹传感器的单个列电极，以(i)将第一超声脉冲发射到第一压板的第一后端面中，并且(ii)将第二超声脉冲发射到第二压板的第二后端面中；
利用所述多压板超声指纹传感器的单个行电极感测当所述第一超声脉冲从所述第一压板的第一前端面反射时生成的第一回波，以及当所述第二超声脉冲从所述第二压板的第二前端面反射时生成的第二回波；并且
在所述单个行电极上感测所述第一回波的第一电脉冲和所述第二回波的第二电脉冲。
Applications Claiming Priority (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US63/140,647 | 2021-01-22 | ||
| US63/174,516 | 2021-04-13 | ||
| US63/189,567 | 2021-05-17 | ||
| US202163242657P | 2021-09-10 | 2021-09-10 | |
| US63/242,657 | 2021-09-10 | ||
| PCT/US2022/013299 WO2022159692A1 (en) | 2021-01-22 | 2022-01-21 | System with ultrasound sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117121005A true CN117121005A (zh) | 2023-11-24 |
Family
ID=88798859
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280023143.7A Pending CN117121005A (zh) | 2021-01-22 | 2022-01-21 | 具有超声传感器的系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117121005A (zh) |
-
2022
- 2022-01-21 CN CN202280023143.7A patent/CN117121005A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI783022B (zh) | 交互式生物識別觸摸掃描儀 | |
| CN110574037B (zh) | 声学生物特征触摸扫描仪 | |
| US10552658B2 (en) | Biometric sensor with finger-force navigation | |
| US10438040B2 (en) | Multi-functional ultrasonic fingerprint sensor | |
| US10515255B2 (en) | Fingerprint sensor with bioimpedance indicator | |
| US10410034B2 (en) | Ultrasonic biometric system with harmonic detection | |
| US11580204B2 (en) | Dual-frequency ultrasonic sensor system with frequency splitter | |
| US20170323130A1 (en) | Bidirectional ultrasonic sensor system for biometric devices | |
| US20130136321A1 (en) | Fingerprint detection sensor and method of detecting fingerprint | |
| US20180055369A1 (en) | Layered sensing including rf-acoustic imaging | |
| US20220327856A1 (en) | Signal Processing for Segmented Thin-Film Acoustic Imaging Systems for Portable Electronic Devices | |
| US9946914B1 (en) | Liveness detection via ultrasonic ridge-valley tomography | |
| US11950512B2 (en) | Thin-film acoustic imaging system for imaging through an exterior surface of an electronic device housing | |
| CN117121005A (zh) | 具有超声传感器的系统 | |
| US10685204B2 (en) | Biometric age estimation via ultrasonic imaging | |
| WO2022159692A1 (en) | System with ultrasound sensor | |
| WO2022012313A1 (en) | Under-display ultrasound blood dynamic performance sensing | |
| US11800342B2 (en) | Emergency or stealth responses triggered by fingerprint sensor | |
| US20230099288A1 (en) | Embedded ultrasonic transducers | |
| US20230090998A1 (en) | Fingerprint sensor with force or pressure feedback | |
| US20220317271A1 (en) | Regional Gain Control for Segmented Thin-Film Acoustic Imaging Systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |