CN209606996U - 超声波检测电路和图像传感器像素电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供超声波检测电路，超声波检测电路，其特征在于，压电元件用于接收超声波信号并将之转换成交流电信号；峰值信号检测电路，与所述压电元件连接用于检测所述交流电信号；峰值信号检测电路，同时检测所述交流电信号的正向输出和负向输出信号；放大电路，用于放大所述正向或负向的输出信号。

Description

超声波检测电路和图像传感器像素电路

技术领域

本实用新型属于传感器领域，特别涉及对超声波传感器电路的改进。

背景技术

指纹识别是应用最广泛的生物识别技术。近年来，基于热，电，声，光等方法的指纹采集技术被开发出来。自2013年，apple公司在其手机产品上使用了电容式指纹传感器，指纹识别传感器在手机上得到了广泛应用。但是，电容式指纹传感器对表面材质的穿透能力小于400um，无法支持屏幕下指纹识别的要求。而目前，手机的发展趋势是全面屏，正面的指纹识别传感器需要具有1mm 以上的穿透力以穿透屏幕。能达到1mm以上穿透力的指纹识别技术主要有光学采集技术和超声波采集技术两种。尤其是超声波技术，模组更薄，采集面积更大并且相比光学来说，不受外界环境的影响。超声波技术将成为后续移动设备的主流指纹采集技术。

美国高通公司在超声波指纹识别技术已经成功用于手机上。其第三代产品有望穿透1.5mm左右的屏幕，来配合全面屏手机的结构设计。但是，由于高通公司产品中TFT像素电路的接收效率低，抗干扰能力差，通过提供发射能量来达到所需的穿透能力，其发射超声波的驱动信号达到峰峰值200V。大的驱动信号会产生很大的EM干扰，对手机的设计带来困难。另外，大的驱动信号也意味着更大的功耗，对移动设备来说，会降低待机时间。

实用新型内容

为解决上述技术问题本实用新型提供一种超声波检测电路，包括：

压电元件，用于接收超声波信号并将之转换成交流电信号；

峰值信号检测电路，与所述压电元件连接用于检测所述交流电信号；峰值信号检测电路，同时检测所述交流电信号的正向输出和负向输出信号；

放大电路，用于放大所述正向或负向的输出信号；

其中，所述峰值信号检测电路包括正向峰值信号检测电路和负向峰值信号检测电路，所述正向峰值信号检测电路连接第一驱动电平，所述负向峰值信号检测信号连接第二驱动电平。

优选地，所述第一驱动电平在峰值检测时提供低电平驱动信号，所述第二驱动电平在峰值检测时提供高电平驱动信号。

优选地，所述正向峰值信号检测电路包括第一二极管，其正极连接所述压电元件的输出端，负极连接第一电平驱动；所述正向峰值信号检测电路包括复位开关，第一复位开关连接所述第一二极管的正极和第一驱动电平。

优选地，所述负向峰值信号检测电路包括第二二极管，其正极连接所述第二电驱动电平，负极连接所述压电元件的输出端；所述负向峰值信号检测电路包括第二复位开关，复位开关连接所述第二二极管的负极和第二驱动电平。

优选地，所述放大电路包括正向信号放大电路和负向信号放大电路；所述正向信号放大电路连接正向峰值信号检测电路，并输出正向峰值信号的放大信号；负向峰值信号放大电路连接负向峰值信号检测电路，并输出负向峰值信号的放大信号。

优选地，所述放大电路包括薄膜晶体管，放大电路的输出端连接输出开关。

优选地，所述压电元件包括第一输出电极和第二输出电极，第一输出电极连接所述正向峰值信号检测电路，第二输出电极连接所述负向峰值信号检测电路。

本申请还提供一种超声波图像检测传感器像素电路，包括：

压电元件，用于接收超声波信号并将之转换成交流电信号，包括用于输出信号的第一输出电极和第二输出电极；

所述第一输出电极连接正向峰值信号检测电路；

所述第二输出电极连接负向峰值信号检测电路；

所述正向峰值信号检测电路和负向峰值信号检测电路分别连接正向峰值信号放大电路和负向峰值信号放大电路。

优选地，正向峰值信号检测电路包括第一二极管和第一驱动电平，所述负向峰值信号检测电路包括第二二极管和第二驱动电平；

所述第一输出电极连接第一二极管的正极，第二输出电极连接第二二极管的负极；

所述第一二极管的负极连接第一驱动电平，所述第二二极管的正极连接第二驱动电平；

所述第一二极管的正极连接正向峰值信号放大电路，所述第二二极管的负极连接负向峰值信号放大电路。

优选地，所述负向峰值信号放大电路和正向峰值信号放大电路包括薄膜晶体管；正向峰值信号放大电路的薄膜晶体管的栅极与第一二极管的正极连接；负向峰值信号放大电路的薄膜晶体管的栅极与第二二极管的负极连接。

本申请还提供一种超声波图像传感器像素电路，

压电元件，用于接收超声波信号并将之转换成交流电信号，包括第一输出电极和第二输出电极；

所述第一输出电极连接第一二极管的正极；

所述第二输出电极连接第二二极管的负极。

优选地，所述第一二极管的正极通过第一复位开关与第一驱动电平连接，所述第二二极管的负极通过第二复位开关与第二驱动电平连接。

优选地，包括第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管，所述第一二极管的正极连接第一薄膜晶体管的栅极，所述第二二极管的负极连接第二薄膜晶体管的栅极，所述第一、第二薄膜晶体管的源极连接电源。

优选地，所述第一薄膜晶体管的和第二薄膜晶体管的漏极分别连接第一输出开关和第二输出开关。

本实用新型相对现有技术的有益技术效果是：提出新的TFT像素电路结构，以差分的电路来接收信号。压电元件有两个输出电极，这两个电极分别连接第一峰值信号检测电路和第二峰值信号检测电路电路有两个接收电极，分别接收超声波信号的波峰和波谷能量，提高像素电路的能量接收能力。由于是差分电路，本实用新型的TFT像素电路有更好的抗电源干扰能力和抗传输衰减能力，从而达到更好的穿透力。

附图说明

图1是本实用新型超声波图像传感器剖面结构示意图。

图2是本实用新型超声波像素压电单元结构示意图。

图3是超声波像素电路示意图。

图4是接收超声波信号时像素电路工作时序示意图。

具体实施方式

请参照图1所示的超声波传感器100剖面结构示意图，该超声波传感器通常被集成在电子设备上。覆盖在传感器100最上层直接与手指接触的盖板20起到隔离外部环境和传感器的作用。所述盖板20可以是玻璃、陶瓷、蓝宝石等材料，也可以是电子设备的显示器、屏幕等异或是金属材料。

在所述盖板20的下方为超声波传感器结构30，该超声波传感器结构30包括三层不同功能的层构成。其顶部为压电层驱动电极31，中间为压电材料层32(以下简称压电层)，底部为形成在衬底40上的超声波图像传感器像素。压电层驱动电极31覆盖在压电材料层32的上表面上，所述压电层32是涂布在图像传感器的像素33上，所述图像传感器的像素33形成在所述衬底40的图像传感器像素上。图像传感器像素形成在所述衬底40上并以阵列状排列，每个图像传感器的像素33的输出信号构成了图像的原始像素值。所述图像传感器的像素具有接收电极331、332，所有像素的接收电极331、332都与所述压电层连接32。

所述压电层32驱动电极31用于输入超声波电驱动信号ds，该电驱动信号 ds的频率与所述压电材料层32的谐振频率接近，使得压电材料层受到所述电驱动信号ds的激励产生震动，从而发出超声波信号。超声波信号t1穿过所述盖板20或可能存在与盖板20与压电层32之间的其他功能层，到达与所述盖板20 接触手指10。手指表面10产生回波信号R2被超声波图像传感器像素33接收到。

超声波传感器像素33将手指表面10产生的不同的超声波回波信号R1、R2 转换为与回波形信号相应的交流电信号es。由于手指表面皮肤不平整，在手指 10按压所述盖板20表面时手指表面指纹的脊线12与盖板表面20接触，手指表面的谷线11与盖板之间存在空气层13。超射波信号t1到达手指与盖板的接触面时，部分超声波信号通过脊线12到达手指内部被吸收，而谷线11的部分由于空气层13的存在其吸收损耗的超声信号小。因此谷线11的回波信号R1、R2 强度大于脊线12的信号强度。由此谷线位置11对应的超声波像素33产生的电信号强度es也大于脊线位置12对应的超声波像素产生的电信号强度es。

参照图2，包括超声波像素的该压电单元5包括驱动电极31压电层32与所述压电层连接的第一输出电极331和第二输出电极332。在图2中所述驱动电极 31相当于图1中的驱动电极31压电层相当于图1中的压电层。第一输出电极 331和第二输出电极332相当于图1中的接收电极。其中压电层32是图1中压电层的一部分其大小于像素的大小相当，驱动电极31也是图1中驱动电极31 的一部分，但在单个像素中其在逻辑上可以等效为像素之间相互独立的电极。

压电单元5的第一输出电极331连接第一二极管D1的正极，第二输出电极连接第二二极管D2的负极，第一二极管的负极和第二二极管的正极分别连接第一驱动电平DBIAS1和第二驱动电平DBIAS2。所述手指10产生的回波R1、R2到达压电层32在内部产生交流电信号es，电信号的频率与所述超声波R1、R2的频率大致相同。在第一驱动电平DBIAS1和DBIAS2的作用下，第一、第二二极管D1、D2两侧的压差达到达到导通电压，所述交流电信号es正向信号es+通过第一二极管D1，交流电信号es负向信号es-通过第二二极管D2实现同时接收正向和反向的波峰信号提高了像素的信号接收能力。

参照图3所示为本实用新型提供的超声波检测电路示意图，其中包括压电元件5，用于将接收到的超声波信号并将之转换成交流电信号es；

峰值信号检测电路60，与所述压电元件5连接，用于同时检测所述交流电信号的正向和负向半波信号es+、es-；

放大电路70，与所述峰值信号检测电路连接，用于放大所述峰值信号检测电路的输出信号。

上述峰值信号检测电路同时检测压电单5元产生的正向信号es+和负向信号es-并使用放大电路70放大所述正向或负向输出信号提高了传感器像素的超声波检测电路的检测能力。

所述压电单元51、52相当于图2中的压电单元5，其具有压电层32、驱动电极31、第一输出电极331和第二输出电极332。为了电路结构的清楚简洁，在图2中将压电单元等效为两个独立的压电元件51、52，其中第一压电元件51 通过第一输出电极331连接正向峰值信号检测电路61，第二压电元件52通过第二输出电极332连接负向峰值信号62检测电路。压电元件51、52产生的交流电信号es，该电信号同时包括电压信号和电流信号，该交流电信号es的波形包括正向信号es+和负向信号es-，交流电信号的频率与其接收到的超声波信号频率大致相同波幅与超声波信号的波幅正相关。

在本技术方案中峰值信号检测电路61、62用于检测所述正向信号es+的波峰信号或负向信号es-的波峰信号，检测过程中对至少一个波峰或波谷的信号量累积检测。峰值信号检测电路包括正向峰值信号检测电路61和负向峰值信号检测电路62，所述正向电荷峰值信号检测电路61连接第一驱动电平DBIAS1，所述负向峰值信号检测电路连接第二驱动电平DBIAS2连接第二驱动电平DBIAS2。所述第一驱动电平DBIAS1在峰值检测时提供低电平驱动信号s1，所述第二驱动电平DBIAS2在峰值检测时提供高电平驱动信号s2。

所述正向峰值信号检测电路61包括第一二极管D1，其正极连接所述压电元件的第一输出电极331，负极连接第一电平驱动DBIAS1。第一驱动电平DBIAS1 在峰值检测时提供低电平驱动信号sl，所述第一压电元件51产生的正向波峰信号es+与所述低电平驱动信号sl形成的电势差，大于第一二极管D1的导通电压，二极管导通节点Rx1处放电。经过至少一个波峰周期在第一二极管D1与压电元件的连接节点Rx1处的正电荷减少同时节点Rx1处的电压下降，当节第一二极管D1两侧的电压小于导通电压时二极管断开。

所述正向峰值信号检测电路61包括第一复位开关RST1，第一复位开关RST1 连接所述第一二极管D1的正极和第一驱动电平DBIAS1，所述第一开关RST1闭合时连接节点Rx1和第一驱动电平DBIAS1使得节点Rx1处的电荷和电压复位，以防止本周期测Rx1处的输出值受到上一周期残留电荷的影响，或的影响下一周期Rx1处的输出值(下文中详细描述)。

所述负向峰值信号检测电路62包括第二二极管D2，其正极连接所述第二电驱动电平DBIAS2，负极连接所述压电元件的第二输出电极332；第一驱动电平 DBIAS2在峰值检测时提供高电平驱动电压s2，所述压电元件51、52产生的负向波峰信号es-与所述高电平驱动电压sh形成的电势差，大于第二二极管D2的导通电压。经过至少一个波峰周期在二极管D2与压电元件51、52的连接节点 Rx2处的正电荷增加，同时节点Rx2处的电压上升。

所述负向峰值信号检测电路62包括第二复位开关RST2，第二复位开关RST2 连接所述第二二极管D2的负极和第二驱动电平DBIAS2，所述第二复位开关RST2 闭合时节点Rx2和第二电平使得节点Rx2处的电荷和电压复位以防止本周期测 Rx1处的输出值受到上一周期残留电荷的影响，或的影响下一周期Rx1处的输出值。

所述节点Rx1和节点Rx2同时作为峰值信号检测电路的输出节点，节点Rx1 和Rx2的电压值作为输出参数，同时分别与节点连接的正向峰值信号放大电路71的输出参数与节点Rx1的电压负相关，负向峰值信号放大电路72的输出参数与节点Rx2的电压正相关。

所述放大电路70包括正向信号放大电路71和负向信号放大电路72；所述正向信号放大电路71连接所述正向峰值信号检测电路61，并输出放大信号；负向电信号放大电路连接负向峰值信号检测电路62，并输出放大信号。

正向峰值信号放大电路包括薄膜晶体管73，薄膜晶体管73的源极731连接电源VCC漏极732作为正向放大电路71的输出端连接第一输出开关81。

负向峰值信号放大电路包括第二薄膜晶体管74，第二薄膜晶体管74的源极连接电源VCC漏极作为正向放大电路72的输出端连接第二输出开关82。在节点 Rx1和Rx2点电压为基准电平时(复位开关闭合时的电压)，第一输出端(OUT-) 相对于基准电平对应的电流减小，第二输出端(OUT+)相对于基准电平对应的电流增加。

参照图4所示的时序图，时序图表示传超声波感器像素的一个检测周期的步骤流程，在一个信号检测周期中包括对超声波信号的发射、接收、转换、放大、输出的动作。图3中所示的超声波像素超声波检测电路在一个检测周期中，其工作时按照如下步骤进行接收信号，包括步骤：

S1压电单元发射超声波信号51、52；

S2压电元件51、52接收超声波信号并转换为相应的电信号；

S3正向峰值信号检测电路检61测所述电信号中包含的正向峰值信号es+，负向峰值信号检测电路62检测所述电信信号中包含的负向es-峰值信号；

S4打开输出开关81、82，放大电路输71、72输出出与所述正向峰值信号或负向峰值信号相关电信号。

所述步骤“S1压电单元发射超声波信号”，其中的压电单元51、52在超声波发射步骤中作为电信号ds转换为超声波信号的超声波换能器。在t1时刻第一复位开关RST1闭合，第二复位开关RST2也闭合。在t1时刻经过一定延时后驱动电平产生驱动信号ds，所述压电单元输入驱动信号ds并产生频率与所述输入信号大致相同的超声波信号。在所述驱动信号ds结束延时一定时间t2时刻断开第一复位开关RST1和第二复位开关RST2。所述第一、第二复位开关RST1、 RST2闭合的目的是使得第一节点Rx1和第二节点Rx2处的电平保持在第一驱动电平DBIAS1和第二驱动电平DBIAS2，防止驱动信号ds对节点RX1和RX2处的电位产生影响从而进一步影响放大电路输出端OUT-和OUT+处的电流。在所述第一复位开关RST1和第二复位开关RST2闭合时所述第一驱动电平DBIAS1和第二驱动电平DBIAS2的大小相同。

压电元件51、52接收超声波信号并转换为相应的电信号。压电单元51、52 被驱动信号ds驱动后产生的超声波信号，经过一定的时间段到达手指10，并产生回波R1、R2。在所述回波到达压电单元51、52前，t3至t4时段第一驱动电平DBIAS1提供低电平驱动信号sl，第二驱动电平DBIAS2提供高电平驱动信号 sh。压电单元51、52受到所述超声波信号ds的激励产生交流信号es，其包括正向波峰信号es+和负向波峰信号es-。所述第一驱动电平DBIAS1的低电平驱动信号sl与所述正向波峰信号es+形成的压差大于所述第一二极管D1的导通电压，而负向波峰信号es-形成的压差小于第二极管D1的导通电压，使得只有正向信号es+时电流能够通过第一二极管D1，节点RX1处放电使得节点处的电压下降，当节点Rx处的电压下降至与第一驱动电平DBIAS1的驱动信号sl形成的压差小于所述第一二极管D1的导通电压时，则节点Rx1处放电结束。

所述压电单元51、52产生的交流信号es的频率与超声波信号的频率大致相同，交流信号es的波幅会随着所述第一二极管D1的导通发生衰减，所述节点 Rx1的放电过程会持续一个或多个波峰周期。

类似的在t3和t4时段所述第二驱动电平DBIAS2提供高电平驱动信号sh，电平驱动信号与所述压电单元产生51、52的负向波峰信号es-形成的压差大于所述第二二极管D2的导通电压，正向波峰信号形成es+的压差小于第二二极管 D2的导通电压，使得只有负向波峰信号es-时电流能够通过第二二极管D2。由于第一二极管和D1第二二极管D2的连接方向相反，因此其与第一二极管导通时的电流方向也相反节点RX2处被充电，节点RX2处电压提高。当节点Rx2处的电压上升至与所述第二驱动电压sh形成的压差小于所述第二二极管D2的导通电压时检点Rx2处充电结束。

在t5至t6时段第一输出开关81和第二输出开关82打开，所述第一输出开关81和第二输出开关82可使用同一电平控制信号COL_SEL。第一输出端OUT- 和第二输出端OUT+中的符号表示信号量相对基准信号减小或增加。在图3中输出端输出的为电流信号i，基准信号是指在第一复位开关RST1和第二复位开关 RST2闭合时即第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管的栅极的电平分别为DBIAS1和 DBIAS2的基准电平bh、bw，bh和bw的值在t3至t4时段外相同，因此第一输出端和第二输出端的输出的基准电流信号相同。

节点RX1在t3至t4时段放电，节点Rx2在t3至t4时段充电导致第一输出开81关打开时第一输出端out-输出的电流减小，第二输出端out+输出的电流增加,所述电流的减小或增加量与节点Rx1和Rx2处的电压正相关。

所述节点Rx1和Rx2放电或充电的量与回波的波幅正相关，手指表面脊线12 产生的回波R1能量小波幅也小，手指的谷线11回波R2能量大相应的波幅能量也大。脊线产生的回波R1,节点Rx1和Rx2处的充放电量小,谷线11产生的回波点Rx1和Rx2处的充放电量大。因此输出开关81、82打开时脊线对应像素的超声波检测电路第一输出端out-和第二输出端out+相对于基准信号变化量小于，谷线对应像素的第一输出端和第二输出端相应的信号变化量。

Claims (14)

1.超声波检测电路，其特征在于，包括：

压电元件，用于接收超声波信号并将之转换成交流电信号；

峰值信号检测电路，与所述压电元件连接用于检测所述交流电信号；峰值信号检测电路，同时检测所述交流电信号的正向输出和负向输出信号；

放大电路，用于放大所述正向或负向的输出信号；

其中，所述峰值信号检测电路包括正向峰值信号检测电路和负向峰值信号检测电路，所述正向峰值信号检测电路连接第一驱动电平，所述负向峰值信号检测电路连接第二驱动电平。

2.如权利要求1所述的超声波检测电路，其特征在于，所述第一驱动电平在峰值检测时提供低电平驱动信号，所述第二驱动电平在峰值检测时提供高电平驱动信号。

3.如权利要求2所述的超声波检测电路，其特征在于，所述正向峰值信号检测电路包括第一二极管，其正极连接所述压电元件的输出端，负极连接第一电平驱动；所述正向峰值信号检测电路包括复位开关，第一复位开关连接所述第一二极管的正极和第一驱动电平。

4.如权利要求2所述的超声波检测电路，其特征在于，所述负向峰值信号检测电路包括第二二极管，其正极连接所述第二驱动电平，负极连接所述压电元件的输出端；所述负向峰值信号检测电路包括第二复位开关，复位开关连接所述第二二极管的负极和第二驱动电平。

5.如权利要求1所述的超声波检测电路，其特征在于，所述放大电路包括正向信号放大电路和负向信号放大电路；所述正向信号放大电路连接正向峰值信号检测电路，并输出正向峰值信号的放大信号；负向峰值信号放大电路连接负向峰值信号检测电路，并输出负向峰值信号的放大信号。

6.如权利要求5所述的超声波检测电路，其特征在于，所述放大电路包括薄膜晶体管，放大电路的输出端连接输出开关。

7.如权利要求1所述的超声波检测电路，其特征在于，所述压电元件包括第一输出电极和第二输出电极，第一输出电极连接所述正向峰值信号检测电路，第二输出电极连接所述负向峰值信号检测电路。

8.超声波图像检测传感器像素电路，其特征在于，包括：

压电元件，用于接收超声波信号并将之转换成交流电信号，包括用于输出信号的第一输出电极和第二输出电极；

所述第一输出电极连接正向峰值信号检测电路；

所述第二输出电极连接负向峰值信号检测电路；

所述正向峰值信号检测电路和负向峰值信号检测电路分别连接正向峰值信号放大电路和负向峰值信号放大电路。

9.如权利要求8所述的超声波图像检测传感器像素电路，其特征在于，正向峰值信号检测电路包括第一二极管和第一驱动电平，所述负向峰值信号检测电路包括第二二极管和第二驱动电平；

所述第一输出电极连接第一二极管的正极，第二输出电极连接第二二极管的负极；

所述第一二极管的负极连接第一驱动电平，所述第二二极管的正极连接第二驱动电平；

所述第一二极管的正极连接正向峰值信号放大电路，所述第二二极管的负极连接负向峰值信号放大电路。

10.如权利要求8所述的超声波图像检测传感器像素电路，其特征在于，所述负向峰值信号放大电路和正向峰值信号放大电路包括薄膜晶体管；正向峰值信号放大电路的薄膜晶体管的栅极与第一二极管的正极连接；负向峰值信号放大电路的薄膜晶体管的栅极与第二二极管的负极连接。

11.超声波图像传感器像素电路，其特征在于：

压电元件，用于接收超声波信号并将之转换成交流电信号，包括第一输出电极和第二输出电极；

所述第一输出电极连接第一二极管的正极；

所述第二输出电极连接第二二极管的负极。

12.如权利要求11所述的超声波图像传感器像素电路，其特征在于，所述第一二极管的正极通过第一复位开关与第一驱动电平连接，所述第二二极管的负极通过第二复位开关与第二驱动电平连接。

13.如权利要求12所述的超声波图像传感器像素电路，其特征在于，包括第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管，所述第一二极管的正极连接第一薄膜晶体管的栅极，所述第二二极管的负极连接第二薄膜晶体管的栅极，所述第一薄膜晶体管、第二薄膜晶体管的源极连接电源。

14.如权利要求13所述的超声波图像传感器像素电路，其特征在于，所述的第一薄膜晶体管的和第二薄膜晶体管的漏极分别连接第一输出开关和第二输出开关。