TW201740262A - 電容性指紋感測裝置及用於使用感測裝置擷取指紋的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於感測一手指的一指紋型樣之電容性指紋感測裝置，該電容性指紋感測裝置包括：一保護性介電頂部層，其具有一外表面以形成一被該手指觸碰之感測表面；至少一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一讀取電路系統，其係耦合到該至少一導電感測結構以接收一感測信號，該感測信號指示該手指與該感測結構之間的距離；以及複數個可個別控制的電聲換能器，其係配置在該頂部層下方，並且係配置為產生一聚焦的超音波束，並穿過該保護性介電頂部層將該超音波束朝向該感測表面發送，以在手指脊部感應一超音波振動電位，該手指脊部係放置成與在該超音波束的位置處之感測表面進行接觸。

Description

電容性指紋感測裝置及用於使用感測裝置擷取指紋的方法

本發明關於一種指紋感測裝置。特別是，本發明關於一種電容性指紋感測裝置，其包括一個電聲換能器，並且本發明關於一種用於使用該感測裝置來擷取指紋的方法。

各種類型的生物識別系統已日益增加使用，為了是能提供增加安全性及/或增強使用者便利。

特別是，指紋感測系統由於其小尺寸、高性能、和使用者認可的關係，已經被應用在像是消費電子裝置當中。

在各式各樣的所有可用的指紋感測原理中(諸如電容性、光學式、感熱型…等)，電容性感測是最常使用的，特別是在此應用中，尺寸和功率消耗上是重要議題。

所有的電容性指紋感測器係提供一量測，其可代表在該指紋感測器的表面上橫跨滑動或是放置於該表面上的一個手指與多個感測結構中的每一者之間的電容值。

因為一電容性感測器係基於一手指和感測器之間的電容值而偵測一手指，該感測表面和該感測結構之間的距離係直接影響在該測量中所擷取到的指紋影像的對比以及解析度。這樣在過去並不構成問題，因為外蓋材料的厚度可以被選擇設計以具有小的壓力。然而，根據新的設計趨勢，希望將該感測器放置在厚的玻璃外蓋下，並且最終可將該指紋感測器整合於一個顯示配置內。

這裡出現一個具有挑戰性的問題。此問題的根源不僅關係到因為手指到感測器距離的增加而造成電容信號的弱化。市售的電容性觸控感測器可透過厚的玻璃外蓋依然良好運作。然而，問題是，隨著手指到感測器的距離增大時，解析度和影像對比的損失這是因為以下事實造成的：在手指與感測器之距離很大時，從大的背景“平均值”中區分因手指紋路造成微小的電容變化變成極度困難，其中大的背景“平均值”是來自對像素“可視的”所有的脊部和谷部之總和。

因此，希望能夠提供一種指紋感測器，以克服相關於透過厚的外蓋層而進行電容性感測之一些上述困難。

有鑑於現有技術的上述和其它缺點，因此本發明的一個目的是提供一種用於電容性指紋測量之改良的指紋感測裝置。

根據本發明的第一個方面，其提供了一種用於感測一手指的一指紋型樣之電容性指紋感測裝置，該電容性指紋感測裝置包括：一保護性介電頂部層，其具有一外表面以形成一被手指觸碰之感測表面；至少一 導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一讀取電路系統，其係耦合到該至少一導電感測結構以接收一感測信號，該感測信號指示該手指與該感測結構之間的距離；以及複數個可個別控制的電聲換能器，其係配置在該頂部層下方，並且係配置為產生一聚焦的超音波束，並穿過該保護性介電頂部層將該超音波束朝向該感測表面發送，以在手指脊部感應一超音波振動電位，該手指脊部係放置成與在該超音波束的位置處之感測表面進行接觸。

在本文中，該保護性介電頂部層可以是單一層，或者可以包括複數個堆疊的層。此外，在本文中，該層是介電性的意思是其係不導電的，並且其可代表一個平行板電容器中的介電質，其中兩個電容板係藉由放置在感測裝置的外表面上的手指以及該至少一導電感測結構的每一者所表示。據此，該導電感測結構配置在頂部層下方，其並不排除具有配置在感測結構和感測裝置的外表面之間的附加層這樣的可能性。此外，該電聲換能器配置在頂部層下方，其在本文是解釋成為意指，當自感測裝置的外偵測表面觀看時，該電聲換能器是被配置在該頂部層的下面(或底下)。因此，附加層可以被配置在電聲換能器和頂部層之間，這將在下方進行說明。該保護性介電頂部層可以例如包括一外蓋玻璃、顯示器玻璃、一觸控螢幕顯示器、以及一塑膜層、其他塗層…等。

一電聲換能器將電性信號轉換為聲學信號以提供聲波，其具有的頻率通常是在超音波範圍內，即高於可聽頻率的範圍。當該手指放置在該指紋感測裝置的表面上，該手指的脊部係與表面接觸，然而該手指的谷部沒有與表面接觸。聲波中到達該頂部層和該手指的脊部之間的分界面 的部分會穿透於手指中，而聲波中到達該頂部層和空氣之間的分界面的部分會被反射，這是因為該頂部層和空氣之間的聲學阻抗具有大的差值。接著，聲波中穿透手指之部分產生了一感應的超音波振動電位，其可以藉由電容性指紋感測裝置來偵測。在手指產生超音波振動電位背後的機制將在【實施方式】進行進一步的詳細討論。

聲波在本文中係被描述為聚焦的超音波束，其中超音波是指在聽不到區域中之聲波的頻率，亦即，高於大約20kHz。更通常地，由電聲換能器提供的超音波束的頻率在1MHz至100MHz的範圍內。

超音波束係聚焦的意味著該波束僅涵蓋該感測表面的總感測區域的一部分。總感測區域可以被描述為該感測裝置中可以在手指和至少一個電容性感測結構之間擷取電容性耦合之區域，其實際上對應於該至少一導電感測結構之區域。特別地，聚焦的波束在感測平面中具有之尺寸係由感測表面界定，其與待偵測的手指的特徵之尺寸相當，亦即與手指的脊部和谷部的尺寸相當之尺寸。

本發明基於這樣的實現，即通過提供能夠通過電聲換能器在手指中引起超音波震動電位的指紋感測裝置，可以改善電容性指紋感測，從而產生至少被偵測到的電位一個感測結構。在現有技術中，通過與手指的電流或電容性耦合可控地將電位引入手指，使得整個手指被放置在相同的電位位準。相比之下，上述感測裝置僅在手指與該感測表面直接接觸並且被聚焦的超音波束激發之區域(即手指脊部)感應出電位。因此，電容性感測信號僅由手指中在具有與感測表面處的聚焦的超音波束的尺寸相同的尺寸之區域提供，此消減了手指的其餘部分的貢獻，從而提供改善的信雜比， 因為整體背景雜訊的影響係降低了。

據此，該感測裝置的解析度至少部分係由在該偵測表面處的超音波束之尺寸確定，其中一導電感測結構係經設置以感測在特定位置處由超音波束所感應出的電位。因此，該電容性感測結構的解析度要求可以放寬。在本文中，用語“解析度”應被廣泛地解釋為每一個給定區域中的給定數量的元件，例如產生影像像素之感測結構，換能器…等。

根據本發明的一個實施例，在感測表面處之聚焦的超音波束的直徑可以有利的是小於200μm，較佳的是小於100μm，更佳的是小於50μm。因此，波束的直徑的尺寸係與指紋中的特徵的尺寸相當，使得可以擷取具有足夠解析度之指紋影像。在感測表面處之聚焦的超音波束的直徑例如可以被決定為全寬半峰值(FWHM)直徑或3dB直徑。

根據本發明的一個實施例，該複數個可個別控制的電聲換能器中的每一者具有的表面積可以小於該至少一感測結構的表面積，這意味著該指紋感測器的整體解析度係相關於電聲換能器的尺寸，特別是超音波束的尺寸。因此，在電容性指紋感測器中的電容性感測結構的解析度要求可以放寬，同時可以保持或甚至增加感測器的解析度。

根據本發明的一個實施例，該複數個可個別控制的電聲換能器可以有利的是以二維(2D)陣列的方式進行配置。

此外，可個別控制的電聲換能器的陣列可以是相位陣列。一相位陣列可以被描述為一換能器陣列，其中每一個個別的換能器的相對相位可以被控制來形成聚焦的超音波束並且允許波束轉向。因此，該相位陣列可以被配置為提供一聚焦的超音波束，其具有的焦點係在感測表面的平 面中。因此，可以通過控制該相位陣列來控制在該感測表面處之超音波束的位置和尺寸。對於超音波換能器的2D相位陣列，可以控制一聚焦的超音波束，使得該焦點可以在對應於2D陣列的區域之感測表面的所有位置處，亦即在2D陣列正上方，並且也可能在2D陣列的區域外的位置。關於超音波換能器的相控陣的更詳細的解釋可以在Qiu等人於2015年的感測器，第15卷，第8020-8041頁之文章中找到。

根據本發明的一個實施例，該相位陣列可以被配置為對於與至少一個導電感測結構的區域相對應的區域之上焦點的位置進行控制。在一感測裝置包括複數個導電感測結構之案例中，該相位陣列可以被配置為控制該聚焦的超音波束以涵蓋對應於感測結構中的至少一個的區域的感測表面的區域。此外，該感測裝置可以包括複數個這樣的相位陣列，使得一聚焦的超音波束可以被提供到該感測表面的所有位置。

根據本發明的一個實施例，該相位陣列可以被配置為使用一步進尺寸以在該感測區域上將該聚焦的超音波束進行掃描，該步進尺寸係對應於在焦點處之聚焦的超音波束的尺寸。因此，可以擷取指紋影像，其中有效的解析度係藉由在感測表面處之聚焦的超音波束的尺寸以及超音波束的步進尺寸來確定的。

根據本發明的一個實施例，感測裝置還可以包括聲學波導層，其係配置在複數個可個別控制的電聲換能器和感測裝置的感測表面之間，波導層包括複數個聲學波導，每一個聲學波導被配置為引導超音波束朝向感測表面。在介質中傳播的聲波通常在傳播時會分散。因此，可以使用聲學波導結構，以便在感測表面處實現具有希望的波束尺寸之聚焦的超 音波束，其係從距離感測表面一定距離之超音波換能器所發出的。

在本發明的一個實施例中，聲學波導層可以包括複數個波導，每一個波導包括一核心和一包覆層，該核心具有第一聲學阻抗，該包覆層具有不同於第一聲學阻抗之第二聲學阻抗，使得在波導中傳播的超音波被限制在波導核心上。在本文中，包覆層應被解釋為波導中包圍波導核心的部分。整個波導層可以例如形成為固體層，其包括被封入於包覆層材料中之波導核心陣列。波導核心較佳係對應於超音波換能器的尺寸，以避免超音波進入波導時的損耗或失真。波導結構也可以直接配置在超音波換能器附近，使得超音波直接傳輸到波導中。由於在感測表面處的超音波束的最終尺寸係受到波導核心的尺寸以及波導層和感測表面之間的距離的影響，波導可以經過調整以在感測表面處提供超音波束之所希望的性質。因此，藉由選擇哪個換能器是作用中的，可以控制超音波束在感測表面處的位置。

根據本發明的一個實施例，第一聲學阻抗和第二聲學阻抗之間的關係可有利地使得在波導核心中傳播的超音波經歷全內反射(TIR)。通常，如果第一和第二聲學阻抗之間的差異夠大，便可以實現TIR。因此，傳播損耗可以最小化，使得盡可能多的傳輸功率到達感測表面。波導核心可以例如包括聚合物，像是聚苯乙烯，並且包覆層可以包括PMMA。在一個實施例中，波導可以是中空的核心波導，其中波導核心包括空氣。

根據本發明的一個實施例，波導核心的尺寸可以對應於電聲換能器的尺寸，這意味著波導核心的尺寸基本上類似於電聲換能器的尺寸。

根據本發明的一個實施例，聲學波導層可以形成保護性介電 頂部層。因此，在感測裝置中不需要額外的層，因為聲學波導的功能整合在已存在的層中。

根據本發明的一個實施例，感測裝置可以有利地包括一導電感測結構的二維陣列，其具有的解析度小於或等於由電聲換能器的陣列提供之超音波束的解析度，使得整體感測裝置的解析度係由感測結構陣列的解析度與超音波束的解析度之組合決定。通過個別地控制感測結構和感測器，感測裝置的有效解析度可以因此受到控制以適應不同的使用情況和不同的應用。然而，也可能在一裝置中使用電聲換能器的陣列，在該裝置中，電容性感測元件的解析度高於超音波束的解析度，實務上意味著感測元件的尺寸小於超音波束的步進尺寸。例如，可以使用超音波束的波束轉向來改善高解析度電容性指紋感測裝置之性能。

根據本發明的一個實施例，感測裝置可以包括以單一導電板形式的導電感測結構，單一導電板具有的面積係界定感測裝置的總感測區域，在這種情況下，感測裝置的解析度係完全藉由電聲換能器決定，特別是藉由在感測表面處的超音波束的尺寸。因此，指紋成像原理係基於藉由聚焦的超音波束在指紋脊部中感應出的超音波震動電位，其可接著被感測結構偵測。由於超音波束在感測表面處的位置是已知的，所以可以在感測區域上藉由將超音波束的位置進行步進或掃掠來擷取完整的指紋影像。

根據本發明的一個實施例，導電感測結構可以形成觸控敏感顯示器中的像素板的一部分。因此，感測裝置可以容易地利用已有的導電感測結構陣列而整合在觸控敏感顯示器中。這也使得能夠在觸控敏感顯示器的整個表面上進行指紋偵測，其中電聲換能器可提供的指紋影像解析度 係高於顯示器中的像素解析度。替代性地或組合地，指紋感測可以被限制在觸控敏感顯示器的某些區域。

根據本發明的第二個方面，提供了一種用於控制一電容性指紋感測裝置的方法，該電容性指紋感測裝置包括：一保護性介電頂部層，其具有一外表面以形成一被手指觸碰之感測表面；至少一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一讀取電路系統，其係耦合到該至少一導電感測結構以接收一感測信號，該感測信號係指示該手指與該感測結構之間的距離；以及一可個別控制的電聲換能器的二維相位陣列，其係配置在該頂部層下方，並且被配置以產生一聚焦的超音波束，並且將該超音波束穿過該保護性介電頂部層朝向該感測表面發送，以在手指脊部感應一超音波震動電位，該手指脊部係放置成與在該超音波束的位置處之該感測表面進行接觸，該方法包括：控制該相位陣列以發送一聚焦的超音波束至該感測表面的所選擇位置，以及藉由該讀取電路系統來讀取信號，該信號係指示在該感測表面處在該手指以及該超音波束的位置下方的感測結構之間的距離。

根據本發明的一個實施例，方法還可以包括控制相位陣列以將聚焦的超音波束進行步進以涵蓋感測裝置的感測區域；並且對於每一個步進，讀取一信號，該信號係指示在該感測表面處在該手指以及該超音波束的位置下方的感測結構之間的距離，以形成一指紋影像。該感測區域可以對應於感測裝置的整個感測表面，或者該感測區域可以是整個感測區域的子區域。例如，可以確定該手指僅涵蓋感測裝置的一部分，在這種情況下，僅將超音波束進行掃描以涵蓋由手指涵蓋的區域就足夠了，從而降低 了能量消耗並且縮短了擷取指紋影像的所需時間。此外，如果感測裝置整合於觸控顯示器中，則總體顯示器可能比手指大許多倍，在這種情況下，希望的是僅提供手指所在之處的超音波束。

上述方法概述了使用一個電容性指紋感測裝置來擷取指紋，該電容性指紋感測裝置包括一電聲換能器，以產生一聲波，以在手指脊部感應一超音波震動電位，該手指脊部係放置成與該感測表面進行接觸。在感測裝置中沒有額外的電位參考連接到該手指，因此上述方法可以被看作是一個增強型的直接電容測量方法。

根據本發明的一個實施例，該方法可以進一步包括，在沒有啟用該電聲換能器的情況下，擷取一初始指紋影像；使用作用的電聲換能器擷取一主要指紋影像；將該主要指紋影像與該初始指紋影像進行比較；如果該初始指紋影像和該主要指紋影像之間的差值大於一預定臨界值時，確定該指紋影像係源自於一個真實的手指；以及如果該初始指紋影像和該主要指紋影像之間的差值小於一預定臨界值時，確定該指紋影像係源自於一個假的手指。

藉由擷取一初始指紋影像而沒有啟用該電聲換能器，一參考影像被擷取，其中該手指不受聲波的影響，並且其中手指不存在一超音波震動電位。由於感應超音波震動電位的機制，所需要的是，放置在指紋感測器上的物質是離子或膠體物質，在這種情況下是用於手指。因此，當該電聲換能器處於作用時，一無機材料(如橡膠或塑膠材料)放置在指紋感測器上不會產生一超音波震動電位。

據此，用橡膠或類似物製成的假指紋，該電聲換能器啟用之 前和之後所擷取的影像之間不會存在任何可偵測的差異。然而，包括例如離子的無機材料的性質也可能受到超音波的影響。藉此，在啟用和不啟用超音波換能器的情況下擷取的兩個影像可能仍然表現出差異。在這種情況下，必須確定初始影像和主影像之間的差異是否為現場手指之特徵。可以藉由將所擷取影像的幾個不同參數進行比較來達成這樣的比較，例如但不限於幅度和相位。藉此，可以偵測出假指紋以防止指紋欺騙。

因此，該參考影像係與該電聲換能器作用時並且該超音波震動電位在該指紋的脊部被感應出的所擷取的主要影像進行比較，此時兩個影像之間的差值可以例如被看作是在脊部和谷部之間的對比的差值。因此，該預定臨界值可以是例如在指紋的脊部和谷部之間的對比預定平均差值。

如果初始影像和主要影像之間的差值大於預定臨界值，例如，如果對比有顯著的差異，可以確定該指紋影像係源自於一個真實的手指。

類似地，如果該初始影像和該主要影像之間的差值小於預定臨界值，可以確定該指紋影像係源自於一個假的手指。本領域技術人員體認到，可以用許多不同的方式來界定該臨界值，並且還可以根據經驗針對不同類型的感測裝置和不同的應用來確定該臨界值。

因此，除了該指紋的脊部和谷部之間具有改良的對比，所描述的感測裝置和方法也提供了有效的欺騙之預防/現場偵測。

本發明的第二方面的額外效果和特徵相當類似於如上針對本發明的第一方面有關的額外效果和特徵。

根據本發明的第三方面，提供了一種用於控制電容性指紋感測裝置的方法，該電容性指紋感測裝置包括：一保護性介電頂部層，其具有一外表面以形成一被該手指觸碰之感測表面；至少一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一讀取電路系統，其係耦合到該至少一導電感測結構以接收一感測信號，該感測信號係指示該手指與該感測結構之間的距離；以及一可個別控制的電聲換能器的二維陣列，其係配置在該頂部層下方，並且被配置以產生一聚焦的超音波束，並且將該超音波束穿過該保護性介電頂部層朝向該感測表面發送，以在手指脊部感應一超音波震動電位，該手指脊部係放置成與在該超音波束的位置處之該感測表面進行接觸；以及一聲學波導層，其配置在複數個可個別控制的電聲換能器和感測裝置的感測表面之間，該波導層包括複數個波導，每一個波導被配置為將來自對應的電聲換能器之超音波束引導朝向感測表面，該方法包括：控制該電聲換能器以將一聚焦的超音波束發送到對應的聲學波導；以及藉由讀取電路系統來讀取信號，該信號係指示在該感測表面處在該手指以及該超音波束的位置下方的感測結構之間的距離。因此，可以將電聲換能器控制為僅發送一超音波至手指所在之處。

根據本發明的一個實施例，該方法還可以包括控制該電聲換能器的陣列以將一聚焦的超音波束發送到該複數個波導中的每一者；並且對於每一個所發送的聚焦的超音波束，讀取信號，該信號係該信號係指示在該感測表面處在該手指以及該超音波束的位置下方的感測結構之間的距離，以形成一指紋影像。

本發明的第三方面的額外效果和特徵相當類似於如上針對 本發明的第二方面有關的額外效果和特徵。

本發明的上述概念也可應用以作為現存的電容性指紋感測技術之增強部分，其中在現存的電容性指紋感測技術中，已經使用非聲學裝置以在手指產生電位。此外，本發明打開了相關該感測裝置結構的嶄新機會，因為這些用於在手指引入電位的非聲學裝置可能會減少。

本發明的進一步的特徵和優點在研讀隨附申請專利範圍和以下說明後將變得顯而易見。本領域技術人員體認到，本發明的不同特徵可進行組合以在不脫離本發明的範疇的情況產生不同於在以下描述的其它實施例。

100‧‧‧行動電話

102‧‧‧指紋感測裝置

104‧‧‧手指

105‧‧‧感測表面

106‧‧‧頂部層

108‧‧‧感測結構

110‧‧‧基板

112‧‧‧電聲換能器

114‧‧‧谷部

116‧‧‧脊部

118a‧‧‧電極/電極層

118b‧‧‧電極/電極層

402‧‧‧感測元件

404‧‧‧充電放大器

406‧‧‧運算放大器

408‧‧‧第一輸入

410‧‧‧第二輸入

412‧‧‧輸出

414‧‧‧反饋電容器

416‧‧‧開關

418‧‧‧讀取電路系統

500‧‧‧指紋感測裝置

600‧‧‧指紋感測裝置

602‧‧‧波導層

604‧‧‧波導

606‧‧‧核心

608‧‧‧包覆層

700‧‧‧感測裝置

702‧‧‧超音波束/波束

704‧‧‧超音波束

705‧‧‧電位

706‧‧‧感測結構

本發明的這些和其它方面現在將進行更詳細地描述，其係參照本發明的附圖中所示的實施例，其中：圖1示意性地顯示了一行動電話，其包括一指紋感測裝置；圖2示意性地顯示了根據本發明的一個實施例之指紋感測裝置；圖3A至圖3D示意性地顯示了因聲波所造成的電荷載體的位移；圖4是根據本發明的一個實施例之指紋感測裝置中的讀取電路系統的一部分的示意圖；圖5示意性地顯示了根據本發明的一個實施例之指紋感測裝置；圖6A至圖6B示意性地顯出了根據本發明的實施例的指紋感測裝置；圖7示意性地顯示了根據本發明的一個實施例之指紋感測裝置；以及圖8A至圖8B是流程圖，其大致描繪了根據本發明實施例的方法的一 般步驟。

在本詳細描述中，根據本發明的系統和方法的各種實施例主要參照一電容性指紋感測裝置來進行說明，該電容性指紋感測裝置適合配置在一電子裝置中，諸如一行動電話。然而，應該指出的是，該指紋感測裝置的各種實施例可適合使用在其它應用中。

圖1示意性地顯示了一個用於根據本發明的範例性實施例之一個指紋感測裝置102的應用，其形式為一個具有整合指紋感測裝置102的行動電話100。這裡所圖示的指紋感測裝置係設置在該行動電話100的玻璃外蓋下方。該指紋感測裝置102也可以被配置在一個按鈕中、在電話的側面、或者背面。

該指紋感測裝置102可以，例如，被用於解鎖該行動電話100及/或用於授權使用該行動電話進行交易…等等。根據本發明的各種實施例的指紋感測裝置102也可以在使用其他裝置中，如平板電腦、筆記型電腦、智慧卡、或其他類型的消費電子產品。

圖2是根據本發明的一個實施例的指紋感測裝置102的一部分的示意性橫截面，而一手指104係放置在該感測裝置102的外表面。該指紋感測裝置102包括一保護性介電頂部層106，其具有一外表面，用形成一感測表面105以讓一手指觸碰。

至少一導電感測結構108係配置在該頂部層106下方，並且一讀取電路系統係耦合到該導電感測結構108的每一者以接收一感測信 號，該感測信號指示該手指與該感測結構之間的距離。該感測結構108在此處圖示為配置在一基板110上，其中該基板可以包括該讀取電路系統的至少一部分上。該基板110可以例如是一矽基板，並且該指紋感測裝置102可以使用與矽相容的習知製造技術來製造。

此外，該感測裝置102包括複數個可個別控制的電聲換能器112，其係配置在該頂部層106下方。在圖2中，該電聲換能器112係被配置在該基板110下方。

該複數個電聲換能器112係被配置為產生一聚焦的超音波束，並透過該保護性介電頂部層106將該超音波束朝向感測表面105進行發送，以在手指104的脊部116感應一超音波震動電位，該手指104的脊部116係放置成與在該聚焦的超音波束的位置處之該感測表面105進行接觸。

在圖示的實施例中，該超音波束在到達該保護性介電頂部層106之前係先穿過該基板110。應指出的是，即使在該基板110和該頂部層106係顯示為個別的單一層，上述兩者都可以包括複數個層，亦即包含堆疊的層，以下將相關於本發明的各種實施例進行進一步細節討論。

圖2顯示的電聲換能器112包括一壓電材料薄片，其係夾設於一第一金屬電極層118a和一第二金屬電極層118b之間。壓電薄片可以由壓電陶瓷、壓電晶體、或者壓電聚合物製成。金屬電極層118a至118b可以用幾個本領域技術人員所熟知的不同方式沉積或安裝在該壓電薄片的任一側上。藉由將一電性信號施加到如上所述的換能器112的電極118a至118b，一聲波係被產生，其係從該換能器發射出。

該電聲換能器112可以是一個壓電聲換能器，其基於壓電微 機械超音波換能器、PMUT、或電容性微機械超音波換能器、CMUT。該電聲換能器112可在某些情況下也可以被稱為超音波發送器。舉一個例子來說，該聲波的頻率在1MHz到100MHz的範圍內。

本指紋感測裝置102是利用在手指中的感應超音波震動電位。在人體中產生一超音波震動電位的機制係在下面進行描述。

已知道，縱向超音波的穿過電解液的傳播係造成溶液內的交替電位差的產生。這些交替電位一開始係預測為簡單離子溶液。在縱向聲波的存在下，在陰離子和陽離子之間的有效質量或摩擦係數之任何差異將導致不同的位移幅度。結果是，這種位移的差異會造成在溶液內的多點之間的交替電位。這種現象有時被稱為“離子震動電位”，其係一種超音波震動電位。

離子震動電位的產生的機制係示意性地顯示在圖3A中，其在Y軸上顯示特定瞬間的位移，在X軸上係顯示傳播方向上的距離。這裡所表示的條件是，區域A將相對於區域B進行正的充電。如果惰性金屬探針被放置在位置A和B，將會觀察到一交替電位差，因為代表位移的曲線可以被認為是在行進聲場中以聲波的速度朝正向方向前進。交替電位的頻率係對應於該聲場的頻率。

已顯示，無論這些物質有多複雜，例如，多電解質的溶液中的蛋白質或多離子，該離子震動電位在每一瞬間都會產生，其中超音波係穿過含有離子物的溶液而進行傳播。

超音波震動電位也被證明在膠體懸浮液中出現。膠體是在液體中的帶電粒子的懸浮液，在液體中，每一個粒子周圍係有相反電荷分佈， 如圖3B所示。相反電荷通常在該些粒子周圍具有球狀分佈，因此其給出了整體電荷中性的解決方案，並且可穩定該懸浮液不會造成粒子聚集。當聲音穿過懸浮液進行傳播時，其中該粒子的密度無論是比周圍液體的密度高或低，該粒子運動的幅度和相位，由於粒子和液體其位移的體積之間的慣性具有差異的緣故，會與該液體的幅度和相位有所不同，使得液體相對於粒子的來回流動在聲學週期會有變化階段。因為該液體攜帶相反電荷，該液體之相對於粒子的振盪運動係使一般為球形的相反電荷分佈造成扭曲，因而在每一個粒子的位置之處產生振盪偶極子，此導致了大電壓。這種超音波震動電位係被稱為“膠體震動電位”。膠體震動電位的產生係示意性地顯示在圖3C至圖3D中。

圖3C顯示了聲波存在時的膠體粒子和相反電荷，其中兩個偶極子彼此以相反相位的方式進行振盪。在圖3C中所示的時間點，區域A相對於區域B係帶負電。

圖3D顯示該聲波的下半週期，其中該偶極子已經移動到相反相位，使得區域A相對於區域B係帶正電。因此，可以理解的是，週期性的超音波震動電位係被形成，該超音波震動電位具有頻率與該聲波的頻率相同。

人體是電的相對良好導體。這是由於在人體內的體液之電解質特性。例如，在水中的氯化鈉被分解成帶正電的鈉離子和帶負電的氯離子。

此外，在生物樣品中至今所偵測到的最強超音波震動電位信號係來自於血液。由於這樣的事實，即血液同時為膠體(因為存在紅血球細 胞的關係)，並具離子性(因為來自於溶解的電解質)，其係造成產生更大的震動電位。這可以被利用來發展更安全的指紋感測器，其中有機組織和血液的存在可以被用於感應在手指中的超音波震動電位。

在圖2中所示的感測裝置，藉由超音波換能器112所產生的縱向聲波係以該聚焦的超音波束的形式朝向該手指行進。當該聲波到達該頂部層106和該手指104之間的分界面時，會發生兩種可能的情況。如果該分界面是由該指紋的谷部114引起，那麼到達聲波的大部分能量會被反射，其係因為空氣的聲學阻抗和頂部層106之間的大不匹配造成的。另一方面，大部分的到達聲能會滲透到分界面的部分處的手指104，其中手指的脊部116係與頂部層106直接接觸。

超音波穿透在脊部116處的手指組織，此將在該組織內產生一週期性電位，即一超音波震動電位。因此，這使得一週期性電場出現於該指紋的脊部116和設置於該指紋的脊部116下方的該感測結構108之間，並且保持在一個固定的電位位準。這種隨時間變化的電場接著被該感測結構108感測到和藉由該讀取電路系統寄存，如在圖4所示意性顯示。

圖4是根據本發明的一個實施例之指紋感測裝置102的一部分的示意性截面圖和電路系統示意圖，而一指紋的脊部116係位於該感測結構108的上方。該指紋感測裝置包括複數個感測元件402，其每一者包括一保護性介電頂部層106、一導電感測結構108，在此係在該保護性介電頂部層106下方的金屬板108的形式、一充電放大器404。如圖4所示，該手指104的脊部116係位於該感測結構108的上方並且與該感測表面105接觸，因此指出該手指104和該感測結構108之間的最小距離係由介電頂部層 106界定。

在圖4中，該聚焦的超音波束到達一個特定指紋脊部，藉此僅在該指紋脊部感應出的超音波震動電位，使得造成的電位可以被感測結構108被偵測到。據此，即使複數個指紋脊部可以直接位於該感測結構上方，僅會偵測到接收超音波束之指紋脊部。因此，指紋感測器的有效解析度是藉由在手指處之聚焦的超音波束的尺寸來確定的。

充電放大器404包括至少一個放大器級，在此係示意性地顯示為一運算放大器406(op amp)，該運算放大器具有一第一輸入(負輸入)408，其係耦合到該感測結構108、一第二輸入(正輸入)410，其係耦合到接地(或另一參考電位)、以及一輸出412。另外，充電放大器404包括在該第一輸入408和該輸出412之間連接的一反饋電容器414以及一重置電路系統，在此功能顯示為一開關416，用於允許可控制對該反饋電容器414進行放電。該充電放大器404可以藉由操作重置電路系統416而進行重置，以對該反饋電容器414放電。

一個運算放大器406在負回饋配置的情況是很常見的，在該第一輸入408處的電位係依循施加到該第二輸入410的電位。根據特定的放大器結構，在該第一輸入408處的電位與在該第二輸入410處的電位可以是實質相同的，或者在該第一輸入408處的電位與在該第二輸入410處的電位之間可以有一個實質上固定的偏移。在圖4的配置中，該充電放大器的第一輸入408係虛擬接地。

當一手指放置在該感測表面上，一電位差係產生於該感測結構108和該指紋的脊部116之間。如上所述，該電位差係藉由該聲波在該手 指所感應出的超音波震動電位所造成的。在該指紋的脊部116和參考感測結構108之間所感應出的電位差係因而造成該充電放大器404的輸出412上的感測電壓信號Vs，其中該電壓的振幅係該指紋的脊部116和該感測結構之間的電容性耦合的函數，並且藉此指出存在一感應振動電位。該感測電壓信號Vs係因而提供至該讀取電路系統418，其中複數個感測電壓信號會一起形成一指紋影像。

圖5示意性示出了指紋感測裝置500，其中該複數個可個別控制的電聲轉換器112係配置成一二維陣列。該陣列是所謂的相位陣列，其意味著每一個換能器的相對相位是可控制的，使得波束能轉向並且聲波形成的波束能藉由換能器112予以發送。

藉由利用波束的轉向和波束的形成，來自於個別的聲電換能器112所發送之複數個聲波所產生之超音波束可以在方向和形狀方面來加以控制。特別地，波束可以被控制以在表面平面上具有焦點，並且在焦點處的波束之直徑也可予以控制。在相位陣列中主導波束轉向和波束形成之細節是已知的，例如從雷達理論，並且不會在本文中詳細地討論。

在感測表面上之聚焦的超音波束的直徑較佳為相當於指紋脊部的尺寸。超音波束的直徑可以例如被確定為FWHM直徑。

現有的指紋感測器已顯示出，要獲得足夠品質的指紋影像較佳的是要具有大約500dpi的解析度。在一個包括電容性感測元件陣列之像素陣列中，500dpi的解析度係對應於50微米的像素尺寸。因此，為了達到使用相位陣列的所希望解析度以及更大的電容性感測結構，在該感測表面處之聚焦的超音波束的直徑最好是大約50微米。對於超音波換能器的相位 陣列，在焦點處之波束的尺寸不必要與個別的換能器的尺寸相同。波束尺寸是聲音的頻率，聲音在介質中的傳播速度，換能器之間的間隔，以及參與波束形成之換能器的數量…等之函數。然而，為了避免在波束中形成光柵波瓣(grating lobe)，希望會將換能器進行配置，以在1-100MHz的給定頻率範圍內具有一個大約λ/2的間距(pitch)。

藉由控制啟用哪一個換能器，並藉由控制個別的聲波之相對相位，超音波束之形狀和方向可以受到控制，使得該感測表面的每一點可以暴露於超音波束中。假設僅存在一個界定感測區域之導電感測結構，超音波束的焦點的位置可以順序地進行步進，以涵蓋該感測區域。

相對地，如果有導電感測結構之陣列，其中每一個感測結構可以比超音波束顯著較大，可以實現並行的程度，其中數個超音波束同時形成但是形成在不同的導電感測結構上方，並且其中導電感測結構可並行讀取。

圖6A是一指紋感測裝置600的示意圖，該指紋感測裝置600係包括配置在該複數個可個別控制的電聲轉換器112以及感測裝置600的感測表面105之間的聲學波導層602。在圖6A中，波導層602係位於電聲轉換器112和基板110之間。波導層包括複數個波導604，每一個波導604被配置為引導超音波束朝向感測表面105。每一個波導604包括具有第一聲學阻抗之核心606，並且具有與第一聲學阻抗不同的第二聲學阻抗之包覆層608。較佳的是，核心606和包覆層608之間的聲學阻抗的差異係使得在波導604的核心606中傳撥的聲波係經歷了全內反射，其意味著聲波係以最小的折射率的損失在波導604中進行傳播。此外，該波導是通常為圓柱形， 儘管原則上其它形狀是可能的，諸如，正方形、矩形、或多邊形。

使用聲學波導層時，電聲轉換器的尺寸較佳係與波導核心的尺寸相同的等級，其因而對應於在該感測表面處之該波束之所希望尺寸。因此，換能器可具有尺寸大約為50μm。

在圖6B中，聲學波導層602也形成保護性介電頂部層。據此，聲學波導層602應具有除了上述聲學特性之適當的介電和機械特性。但是，也可以在該感測裝置包括額外層，例如一塗層，其形成該感測裝置的最外表面。在圖6B的感測裝置中，聲波到達波導層602之前是從聲學換能器發送而穿過基板110。假設基板的厚度夠薄，以便在波束從換能器傳播該波導同時，基板不會導致波束過度的分散。

根據感測裝置的一些實施例，波導核心的尺寸大約與換能器的尺寸相同，並且可以假設的是，在基板中的聲波的發散係使得所發射的聲波有足夠部分係到達預期的波導，亦即，該波導直接位於各自的換能器上方。

圖7是感測裝置700的示意圖，該感測裝置700包括被配置在導電感測結構108的陣列下方的聲電換能器112的陣列。在感測表面處之聚焦的超音波束702的位置也被顯示，如同在感測結構108的對應位置703。換句話說，該手指在聚焦的超音波束702的位置處所感應的電位係對應於在感測結構108之聚焦的波束702下方的位置703。因此，當超音波束在如圖所示的位置時，感測結構108被選擇用於進行讀取。

圖7還例示了第二超音波束704，其中電位705位於特定的感測結構706之邊緣，使得在感測表面處僅有部份的超音波束704係直接位 於該感測結構706之上方。因為超音波束的位置是可控制的，且相對於該感測結構的位置是已知的，所以當超音波束的位置對應於涵蓋幾個不同的感測結構之位置時，可以選擇要使用哪一個感測結構。此外，當超音波束704涵蓋幾個感測結構的位置時，如圖係以705標示，所有的相鄰感測結構可以被讀取，之後可以確定哪一個感測結構造成最強的感測信號。

實際上，經配置以提供聚焦的超音波束之感測裝置的有效解析度係由超音波束在感測表面的尺寸以及超音波束的步進尺寸之組合來決定。也應當指出的是，所例示的感測結構和換能器並未按照比例繪製，並且圖式旨在例示本發明的各種實施例的概念。

上述包括可個別控制的電聲轉換器的陣列之感測裝置可以有利地用整合在電子裝置中，其中換能器陣列被配置在顯示器面板下方，並且其中該觸控螢幕的導電電容板也作用為指紋感測裝置的導電感測結構。電容性觸控螢幕如在。因此，在觸控螢幕應用中，在該觸控螢幕中固有的電容元件的解析度不夠用於指紋偵測的情況下，該換能器陣列可以被配置以提供具有夠高解析度之波束尺寸以用於指紋偵測，使得指紋感測可以無縫地整合在電容性觸控顯示器。

圖8A是流程圖，其簡單描繪一種用於控制根據本發明的實施例之指紋感測裝置的方法中之一般步驟。在根據上述任一實施例的指紋感測裝置中，一或更多電聲換能器係藉由提供一電壓信號而被啟用802，該電壓信號被轉換成一聲波，使得一超音波束係被產生804。接著，該超音波束被發送806至該手指，使得在該感測表面在該超音波束的位置處之手指中感應出一超音波振動電位。一旦該超音波振動電位被感應出，藉由讀取 手指和感測結構之間的電容性耦合而擷取808一信號，該信號係指示在該感測表面處在該手指以及該超音波束的位置下方的感測結構之間的距離。接著，超音波束係進行步進810或移動，使得可以執行新的讀取。一旦超音波束已經步進或移動以涵蓋該感測表面的所有相關位置，可以形成812一指紋影像。

由於該超音波振動電位是一個週期性電位，且其具有的頻率係對應於聲波頻率，因此較佳的是，當該電位是在該手指最接近該感測表面之區域且在最大幅度或接近最大幅度時，對該指紋影像進行擷取。

圖8B是一個流程圖，其簡單描繪一種用於控制根據本發明的實施例之指紋感測裝置的方法中之一般步驟。首先，一初始指紋影像被擷取810而沒有起用該電聲換能器。因此，該指紋影像將是一電位手指影像而不具有任何感應出的超音波震動。接著812，如上所述，利用作用的電聲換能器來擷取814一第二、主要的指紋影像。初始影像係與主要影像進行比較814，並且如果該差值大於預定臨界值816的話，則確定818係所擷取的指紋係源自於一個真實的手指。如果初始影像和主要影像之間的差值小於預定臨界值，則確定820所擷取的指紋係源自於一個假的手指。也應指出的是，上述方法可以與其他構件進行結合，為的是要有效地針對進一步預防欺騙而進行現場偵測。

與包括電聲轉換器之指紋感測裝置的操作相關之進一步細節係由相同發明人於先前的專利申請中說明了，編號是SE1650342-7，其係藉由引用的方式併入本文。

此外，應該指出的是，儘管本發明是參照所描述的電容性感 測裝置，在本文所描述利用之電聲換能器的技術可以與能夠直接或間接地偵測一手指中的感應電位之任何類型的感測裝置進行整合。這種感測裝置包括電場感測裝置…等等。

儘管本發明已經參照本發明之具體範例性實施例，許多不同的改變例，修改例和相等例對本領域技術人員是顯而易見的。此外，應該指出的是，指紋感測裝置的部件和方法可以用各種方式予以省略、互換、或配置，但該指紋感測裝置依然能夠執行本發明的功能。

此外，本領域技術人員在研讀本揭示的圖式及隨附的申請專利範圍之後，也可理解並實踐本揭示的實施例的變化，以用於實現所要求保護的發明。在本申請專利範圍中，用語“包括”不排除其他元件或步驟，並且不定冠詞“一”或“一個”並不排除複數個。唯一的事實是，某些措施係以相互不同的附屬請求項來記載，此事實不表示這些措施的組合不能被有利地使用。

102‧‧‧指紋感測裝置

104‧‧‧手指

105‧‧‧感測表面

106‧‧‧頂部層

108‧‧‧感測結構

110‧‧‧基板

112‧‧‧電聲換能器

114‧‧‧谷部

116‧‧‧脊部

118a‧‧‧電極/電極層

118b‧‧‧電極/電極層

Claims (23)

1. 一種用於感測一手指的一指紋型樣之電容性指紋感測裝置，該電容性指紋感測裝置包括：一保護性介電頂部層，其具有一外表面以形成被該手指觸碰之一感測表面；至少一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一讀取電路系統，其係耦合到該至少一導電感測結構以接收一感測信號，該感測信號指示該手指與該感測結構之間的一距離；以及複數個可個別控制的電聲換能器，其係配置在該頂部層下方，並且係配置為產生一聚焦的超音波束，並穿過該保護性介電頂部層將該超音波束朝向該感測表面發送，以在一手指脊部感應一超音波振動電位，該手指脊部係放置成在該聚焦的超音波束的位置處與該感測表面進行接觸。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其中，在該感測表面處之該聚焦的超音波束的一直徑係小於200μm，較佳的係小於100μm，更佳的係小於50μm。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該複數個可個別控制的電聲換能器中的每一者具有的表面積係小於該至少一感測結構的表面積。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該複數個可個別控制的電聲換能器係配置成一二維陣列。
5. 根據申請專利範圍第4項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該可個別控制的電聲換能器的陣列係一相位陣列。
6. 根據申請專利範圍第5項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該相位陣列係被配置為提供一聚焦的超音波束，其具有的一焦點係在該感測表面的平面中。
7. 根據申請專利範圍第5項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該相位陣列係被配置為對於與該至少一個導電感測結構的區域相對應的一區域上方的該焦點的該位置進行控制。
8. 根據申請專利範圍第7項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該相位陣列係被配置為使用一步階尺寸以在一感測區域上將該聚焦的超音波束進行掃描，該步階尺寸係對應於在該焦點處之該聚焦的超音波束的該尺寸。
9. 根據申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其進一步包括一聲學波導層，其係配置在該複數個可個別控制的電聲換能器和該感測裝置的該感測表面之間，該波導層包括複數個聲學波導，每一個聲學波導係被配置為引導一超音波束朝向該感測表面。
10. 根據申請專利範圍第9項所述的電容性指紋感測裝置，其中，每一個波導包括一核心和一包覆層，該核心具有一第一聲學阻抗，該包覆層具有不同於該第一聲學阻抗之一第二聲學阻抗。
11. 根據申請專利範圍第10項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該第一聲學阻抗和該第二聲學阻抗之間的一關係使得在該波導之該核心中傳播的一超音波經歷全內反射。
12. 根據申請專利範圍第10項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該波導核心的尺寸對應於該電聲換能器的尺寸。
13. 根據申請專利範圍第9項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該聲 學波導層被配置為鄰近該複數個可個別控制的電聲換能器。
14. 根據申請專利範圍第9項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該聲學波導層係形成該保護性介電頂部層。
15. 根據申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其包括一導電感測結構的二維陣列，其具有的解析度小於或等於由一電聲換能器的陣列提供之一超音波束的解析度。
16. 根據申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其包括一單一導電板之形式的一導電感測結構，該單一導電板具有的面積係界定該感測裝置的一總感測區域。
17. 根據申請專利範圍第1項所述的電容性指紋感測裝置，其中，該導電感測結構係形成一觸控敏感顯示器中的一像素板的一部分。
18. 一種用於控制一電容性指紋感測裝置的方法，該電容性指紋感測裝置包括：一保護性介電頂部層，其具有一外表面以形成被手指觸碰之一感測表面；至少一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方；一讀取電路系統，其係耦合到該至少一導電感測結構以接收一感測信號，該感測信號係指示該手指與該感測結構之間的一距離；以及一可個別控制的電聲換能器的二維相位陣列，其係配置在該頂部層下方，並且被配置以產生一聚焦的超音波束，並且將該超音波束穿過該保護性介電頂部層朝向該感測表面進行發送，以在一手指脊部感應一超音波震動電位，該手指脊部係放置成在該超音波束的位置處與該感測表面進行接 觸，該方法包括：控制該相位陣列以發送一聚焦的超音波束至該感測表面的一所選擇位置，以及藉由該讀取電路系統來讀取一信號，該信號係指示該手指以及在該感測表面處之該超音波束的該位置下方的一感測結構之間的一距離。
19. 根據申請專利範圍第18項的方法，其進一步包括控制該相位陣列以將該聚焦的超音波束進行步進以涵蓋該感測裝置的一感測區域；以及對於每一個步進，讀取一信號，該信號係指示該手指以及該超音波束的該位置下方的一感測結構之間的一距離，以形成一指紋影像。
20. 根據申請專利範圍第18項所述的方法，其進一步包括：在沒有啟用該電聲換能器的情況下，擷取一初始指紋影像；使用作用中的電聲換能器擷取一主要指紋影像；將該主要指紋影像與該初始指紋影像進行比較；如果該初始指紋影像和該主要指紋影像之間的差值大於一預定臨界值時，確定該指紋影像係源自於一個真實的手指；以及如果該初始指紋影像和該主要指紋影像之間的差值小於一預定臨界值時，確定該指紋影像係源自於一個假的手指。
21. 一種用於控制電容性指紋感測裝置的方法，該電容性指紋感測裝置包括：一保護性介電頂部層，其具有一外表面以形成被手指觸碰之一感測表面；至少一導電感測結構，其係配置在該頂部層下方； 一讀取電路系統，其係耦合到該至少一導電感測結構以接收一感測信號，該感測信號係指示該手指與該感測結構之間的一距離；以及一可個別控制的電聲換能器的二維陣列，其係配置在該頂部層下方，並且被配置以產生一聚焦的超音波束，並且將該超音波束穿過該保護性介電頂部層朝向該感測表面進行發送，以在一手指脊部感應一超音波震動電位，該手指脊部係放置成在該超音波束的位置處與該感測表面進行接觸；以及一聲學波導層，其配置在該複數個可個別控制的電聲換能器和該感測裝置的該感測表面之間，該波導層包括複數個波導，每一個波導被配置為將來自一對應的電聲換能器之一超音波束引導朝向該感測表面，該方法包括：控制該電聲換能器以將一聚焦的超音波束發送到一對應的聲學波導；以及藉由該讀取電路系統來讀取信號，該信號係指示該手指以及在該感測表面處之該超音波束的該位置下方的一感測結構之間的一距離。
22. 根據申請專利範圍第21項的方法，其進一步包括：控制該電聲換能器的陣列以將一聚焦的超音波束發送到該複數個波導中的每一者；以及對於每一個所發送的聚焦的超音波束，讀取一信號，該信號係指示該手指以及在該感測表面處之該聚焦的超音波束的該位置下方的一感測結構之間的一距離，以形成一指紋影像。
23. 根據申請專利範圍第21項所述的方法，其進一步包括： 在沒有啟用該電聲換能器的情況下，擷取一初始指紋影像；使用作用中的電聲換能器擷取一主要指紋影像；將該主要指紋影像與該初始指紋影像進行比較；如果該初始指紋影像和該主要指紋影像之間的差值大於一預定臨界值時，確定該指紋影像係源自於一個真實的手指；以及如果該初始指紋影像和該主要指紋影像之間的差值小於一預定臨界值時，確定該指紋影像係源自於一個假的手指。