三端口壓電超聲換能器的制作方法
相關(guān)申請案的交叉參考
本申請案主張以下專利申請案的優(yōu)先權(quán)：2014年10月15日申請的標題為“三端口壓電超聲換能器(three-portpiezoelectricultrasonictransducer)”的第62/064,416號美國臨時專利申請案、2014年10月15日申請的標題為“用于壓電超聲換能器陣列的主動波束成形技術(shù)(activebeam-formingtechniqueforpiezoelectricultrasonictransducerarray)”的第62/064,417號美國臨時專利申請案、2014年10月15日申請的標題為“用于2-d波束成形的壓電超聲換能器的超像素陣列(superpixelarrayofpiezoelectricultrasonictransducersfor2-dbeamforming)”的第62/064,418號美國臨時專利申請案、2015年10月14日申請的標題為“集成式壓電微機械超聲換能器像素和讀出(integratedpiezoelectricmicromechanicalultrasonictransducerpixelandreadout)”的第62/241,651號美國臨時專利申請案、2015年10月14日申請的標題為“三端口壓電超聲換能器(three-portpiezoelectricultrasonictransducer)”的第14/883,583號美國專利申請案、2015年10月14日申請的標題為“用于壓電超聲換能器陣列的主動波束成形技術(shù)(activebeam-formingtechniqueforpiezoelectricultrasonictransducerarray)”的第14/883,585號美國專利申請案、以及2015年10月14日申請的標題為“用于2-d波束成形的壓電超聲換能器的超像素陣列(superpixelarrayofpiezoelectricultrasonictransducersfor2-dbeamforming)”的第14/883,586號美國專利申請案，所述專利申請案的揭示內(nèi)容特此以全文引用的方式并入到本申請案中。
本發(fā)明涉及壓電換能器以及制造和操作壓電換能器的技術(shù)，且更確切地說，涉及適合用于電子傳感器陣列或交互式顯示器中以用于生物識別感測、成像和觸摸或手勢辨識的壓電超聲換能器。
背景技術(shù)：
薄膜壓電聲學換能器對于包含例如指紋傳感器的生物識別傳感器、手勢檢測、麥克風和揚聲器、超聲成像以及化學傳感器的眾多應用是有吸引力的候選對象。此類換能器可包含壓電微機械超聲換能器(pmut)，其被配置為包含壓電層堆疊和安置于腔上方的機械層的多層堆疊。所述壓電層堆疊可包含壓電材料層。在壓電層的上部表面和下部表面中的每一者上或附近，可安置相應的上部電極層和下部電極層。所述電極層可經(jīng)圖案化或未經(jīng)圖案化。
參考圖1a，壓電超聲換能器100可經(jīng)配置以使得其包含壓電層堆疊110和機械層130，所述機械層經(jīng)安置以便在腔120上方形成受錨定結(jié)構(gòu)170支撐的膜片。壓電層堆疊110包含壓電層115，其具有分別安置于壓電層115下方和上方的相關(guān)聯(lián)下部電極112和上部電極114。腔120可形成于半導體襯底160中，所述半導體襯底例如硅晶片、絕緣體上硅(soi)晶片，或具有薄膜晶體管(tft)電路的玻璃或聚合物襯底。
現(xiàn)參考圖1b，在操作期間，可響應于由收發(fā)器電路1010跨越下部電極112和上部電極114應用的時變激勵電壓而致使壓電層堆疊110和機械層130振動。因此，具有處于(例如)超聲頻段中的頻率的一或多個超聲壓力波122可傳播到傳播介質(zhì)124中。在一些實施方案中，傳播介質(zhì)124可包含空氣、臺板、蓋玻璃、裝置罩殼、或聲學耦合或匹配層。壓電層堆疊110可同樣地從傳播介質(zhì)中的對象接收反射的超聲壓力波，并將所接收的超聲壓力波轉(zhuǎn)換成可被收發(fā)器電路1010讀取的電信號。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和裝置各自具有若干創(chuàng)新方面，其中沒有單個方面單獨負責本文所揭示的合乎需要的屬性。
本發(fā)明中揭示的標的物的一個創(chuàng)新性方面涉及一種方法，其包含：在第一時間段期間，響應于來自收發(fā)器電路的信號，借助于壓電微機械超聲換能器(pmut)的第一電極發(fā)射第一超聲信號，所述pmut包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含壓電層堆疊，所述壓電層堆疊包含壓電層、所述第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極中的每一者與所述收發(fā)器電路電耦合；和在第二時間段期間，借助于所述第二電極接收第二超聲信號。所述第一時間段和所述第二時間段至少部分地重疊。
在一些實例中，所述pmut可經(jīng)配置以同時地借助于所述第一電極發(fā)射第一超聲信號并借助于所述第二電極接收第二超聲信號。
在一些實例中，所述第一電極和所述第二電極中的每一者安置于所述壓電層的第一表面上或附近，所述第一表面與所述腔對置。所述第一電極可安置于所述膜片的內(nèi)部部分中，且所述第二電極安置于所述膜片的外部部分中，所述外部部分接近于所述腔的壁且處在所述壁與所述第一電極之間。在一些實例中，所述第二電極的一部分延伸超出所述腔的所述壁。在一些實例中，所述膜片包含第三電極，所述第三電極安置于所述壓電層與所述腔之間。在一些實例中，所述第三電極可被配置為與所述第一電極和所述第二電極中的每一者一樣的參考電極。在一些實例中，所述參考電極的電壓可箝位到接地或其它參考電壓。
在一些實例中，所述膜片可受錨定結(jié)構(gòu)支撐并可在所述腔上方延伸，所述膜片經(jīng)配置以在所述pmut接收或發(fā)射超聲信號時，經(jīng)歷撓曲運動和振動中的一者或兩者并在第一撓曲模式中操作。在一些實例中，在所述第一撓曲模式中，所述第一電極和所述第二電極中的每一者可經(jīng)歷包含拉伸和壓縮應力的交替周期的相應的第一振蕩負載循環(huán)和第二振蕩負載循環(huán)。在一些實例中，所述第一振蕩負載循環(huán)和所述第二振蕩負載循環(huán)可大致同相。在一些實例中，所述第一振蕩負載循環(huán)和所述第二振蕩負載循環(huán)可異相。在一些實例中，所述第一振蕩負載循環(huán)和所述第二振蕩負載循環(huán)可異相180°。
在一些實例中，所述第二電極可經(jīng)配置以在所述第一時間段期間處于發(fā)射模式中且在所述第二時間段期間處于接收模式中。
根據(jù)一些實施方案，一種設備包含：壓電微機械超聲換能器(pmut)，所述pmut包含：膜片，其安置于腔上方，所述膜片包含壓電層堆疊，所述壓電層堆疊包含壓電層、與收發(fā)器電路電耦合的第一電極以及與所述收發(fā)器電路電耦合的第二電極。所述第一電極安置于所述膜片的第一部分中，且所述第二電極安置于所述膜片的第二部分中，所述第一部分與所述第一部分間隔開。所述第一電極和所述第二電極中的每一者安置于所述壓電層的第一表面上或附近，所述第一表面與所述腔對置。所述pmut經(jīng)配置以在第一時間段期間借助于所述第一電極發(fā)射第一超聲信號并在第二時間段期間借助于所述第二電極接收第二超聲信號，所述第一時間段與所述第二時間段至少部分地重疊。
在一些實例中，所述第二電極可安置在接近于所述腔的壁處且處在所述壁與所述第一電極之間。在一些實例中，所述第二電極的一部分可延伸超出所述腔的所述壁。
在一些實例中，所述pmut可經(jīng)配置以同時地借助于所述第一電極發(fā)射第一超聲信號并借助于所述第二電極接收第二超聲信號。
在一些實例中，所述膜片可包含第三電極，所述第三電極安置于所述壓電層與所述腔之間。在一些實例中，所述第一電極為發(fā)射電極，所述第二電極為接收電極，且所述第三電極被配置為與所述發(fā)射電極和所述接收電極中的每一者一樣的參考電極。
在一些實例中，所述膜片可包含機械層，所述機械層定位于所述壓電層堆疊與所述腔之間或定位于所述壓電層堆疊的與所述腔對置的側(cè)上。
在一些實例中，所述設備可進一步包含安置于襯底上方的錨定結(jié)構(gòu)，其中所述膜片受所述錨定結(jié)構(gòu)支撐并在所述腔上方延伸，所述膜片經(jīng)配置以在所述pmut接收或發(fā)射超聲信號時，經(jīng)歷撓曲運動和振動中的一者或兩者。在一些實例中，所述膜片可被配置為具有長度l的縱向尺寸和寬度w的細長矩形，l是w的至少兩倍。在一些實例中，所述錨定結(jié)構(gòu)可在所述膜片的接近于所述縱向尺寸的近端的第一離散位置處以及所述膜片的接近于所述縱向尺寸的遠端的第二離散位置處支撐所述膜片。在一些實例中，所述錨定結(jié)構(gòu)可在所述膜片的中心部分中支撐所述膜片。在一些實例中，所述錨定結(jié)構(gòu)可在所述膜片的外圍區(qū)中支撐所述膜片。在一些實例中，所述膜片可為基本上圓形的。在一些實例中，所述錨定結(jié)構(gòu)可在所述膜片的中心部分中支撐所述膜片。
在一些實例中，所述腔可通過穿過至少一個釋放孔移除犧牲材料而形成。在一些實例中，所述釋放孔可經(jīng)安置穿過所述膜片。
在一些實例中，所述第一電極與所述第二電極可大致共平面。
根據(jù)一些實施方案，一種設備包含壓電微機械超聲換能器(pmut)傳感器陣列和聲學耦合介質(zhì)。至少一個pmut包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含壓電層堆疊，所述壓電層堆疊包含壓電層、與收發(fā)器電路電耦合的第一電極以及與所述收發(fā)器電路電耦合的第二電極。所述第一電極安置于所述膜片的第一部分中，且所述第二電極安置于所述膜片的第二部分中，所述第一部分與所述第二部分間隔開。所述第一電極和所述第二電極中的每一者安置于所述壓電層的第一表面上或附近，所述第一表面與所述腔對置。所述pmut經(jīng)配置以在第一時間段期間借助于所述第一電極發(fā)射第一超聲信號并在第二時間段期間借助于所述第二電極接收第二超聲信號，所述第一時間段與所述第二時間段至少部分地重疊。所述聲學耦合介質(zhì)安置于所述壓電層堆疊上方。所述pmut經(jīng)配置以通過所述聲學耦合介質(zhì)接收或發(fā)射超聲信號。
在一些實例中，所述pmut感測器陣列可包含臺板，其中所述聲學耦合介質(zhì)安置于所述pmut感測器與所述臺板之間。
在一些實例中，所述pmut可經(jīng)配置以同時地借助于所述第一電極發(fā)射第一超聲信號并借助于所述第二電極接收第二超聲信號。
在一些實例中，所述膜片可包含第三電極，所述第三電極安置于所述壓電層與所述腔之間。在一些實例中，所述第一電極可為發(fā)射電極，所述第二電極可為接收電極，且所述第三電極可被配置為與所述發(fā)射電極和所述接收電極中的每一者一樣的參考電極。
在一些實例中，所述pmut傳感器陣列可被配置為超聲指紋傳感器陣列。
根據(jù)一些實施方案，一種上面存儲有軟件的非暫時性計算機可讀媒體，所述軟件包含用于致使設備執(zhí)行以下操作的指令：在第一時間段期間，響應于來自收發(fā)器電路的信號，借助于壓電微機械超聲換能器(pmut)的第一電極發(fā)射第一超聲信號，所述pmut包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含壓電層堆疊，所述壓電層堆疊包含壓電層、所述第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極中的每一者與所述收發(fā)器電路電耦合；和在第二時間段期間，借助于所述第二電極接收第二超聲信號。所述第一時間段和所述第二時間段至少部分地重疊。
附圖說明
在本發(fā)明和附圖中闡述本說明書中所描述的標的物的一或多個實施方案的細節(jié)。通過閱覽本發(fā)明，其它特征、方面和優(yōu)點將變得顯而易見。應注意，本發(fā)明的附圖和其它圖示的相對尺寸可不按比例繪制。在本發(fā)明中所示出和描述的大小、厚度、布置、材料等僅以實例方式作出并且不應理解為具有限制性。各個圖式中的相同參考標號和名稱指示相同元件。
圖1a到1b說明壓電超聲換能器的實例。
圖2a到2c說明pmut超聲傳感器陣列的各種配置的橫截面圖。
圖3描繪表示所發(fā)射的和所接收的超聲信號的隨時間而變的信號波形。
圖4a和4b分別說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的橫截面圖和平面視圖。
圖5說明與收發(fā)器電路耦合的三端口pmut的布置。
圖6說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的隨時間而變的發(fā)射和接收電壓信號的曲線圖。
圖7說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的另一布置。
圖8說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的長矩形膜片的實例配置。
圖9說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的長矩形膜片的另一實例配置。
圖10說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的長矩形膜片的又一實例配置。
圖11a到11c說明根據(jù)各種實施方案的三端口pmut的圓形膜片的實例配置。
圖12說明根據(jù)一些實施方案的用于操作pmut傳感器的方法的實例。
圖13a到13d說明根據(jù)一些實施方案的具有圓形膜片和各種電極配置的三端口pmut的平面視圖。
圖14a到14d說明根據(jù)一些實施方案的具有圓形膜片和中心釋放孔的三端口pmut的平面視圖，所述圓形膜片具有各種電極配置。
圖15說明根據(jù)一些實施方案的用于操作具有至少一個專用接收電極的pmut傳感器的方法的框圖。
圖16說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個專用接收電極的三端口pmut的收發(fā)器電路和各種配置的示意圖。
圖17說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個專用接收電極的三端口pmut的隨時間而變的推挽式發(fā)射信號和說明性接收信號的曲線圖。
圖18說明根據(jù)一些實施方案的用于操作具有至少一個可切換發(fā)射/接收電極的pmut傳感器的方法的框圖。
圖19說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個可切換發(fā)射/接收電極的三端口pmut的收發(fā)器電路和各種配置的示意圖。
圖20說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個可切換發(fā)射/接收電極的三端口pmut的隨時間而變的推挽式發(fā)射信號和說明性接收信號的曲線圖。
具體實施方式
以下描述針對出于描述本發(fā)明的創(chuàng)新方面的目的的某些實施方案。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易認識到，可以許多不同方式應用本文中的教示。所描述的實施方案可實施于包含超聲傳感器或發(fā)射極的任何裝置、設備或系統(tǒng)中。舉例來說，預期所描述的實施方案可包含在多種電子裝置中或與其相關(guān)聯(lián)，所述電子裝置例如(但不限于)：移動電話、具多媒體因特網(wǎng)功能的蜂巢式電話、移動電視接收器、無線裝置、智能手機、
本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和裝置各自具有若干創(chuàng)新方面，其中沒有單個方面單獨負責本文中所揭示的合乎需要的屬性。本發(fā)明中所描述的標的物可實施于壓電微機械超聲換能器(pmut)中，其某些方面已描述于2014年12月12日申請的標題為“微機械超聲換能器和顯示器(micromechanicalultrasonictransducersanddisplay)”的第14/569,280號美國專利申請案以及2014年12月12日申請的標題為“壓電超聲換能器和工藝(piezoelectricultrasonictransducerandprocess)”的第14/569,256號美國專利申請案中，所述專利申請案各自轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人且特此出于所有目的以全文引用的方式并入到本申請案中。本發(fā)明中所描述的標的物的一個新穎方面可實施于被配置為包含多層膜片結(jié)構(gòu)的多層堆疊的pmut中，所述多層膜片結(jié)構(gòu)包含壓電層堆疊和三個或大于三個電極。所述三個電極可包含用于發(fā)射信號到相關(guān)聯(lián)收發(fā)器電路以及從相關(guān)聯(lián)收發(fā)器電路接收信號中的每一者的單獨的電極，以及共同參考或接地電極。所述布置允許彼此獨立的發(fā)射和接收時序，進而實現(xiàn)例如同時發(fā)射和接收超聲波。在一些實施方案中，發(fā)射和接收電極可形成于同一電極層中。
在一些實施方案中，發(fā)射電極和接收電極中的每一者可在彎曲期間經(jīng)歷不同定向的機械應力或應變。舉例來說，在一個電極安置成接近于膜片的內(nèi)部區(qū)且另一電極安置成接近于膜片的外部區(qū)的情況下，壓電層的接近于第一電極的第一部分可處于拉伸下，同時壓電層的接近于第二電極的第二部分處于壓縮下。可被稱為“拐點區(qū)”的邊界或邊界區(qū)可位于壓電層的此類部分之間。在典型的雙端口pmut結(jié)構(gòu)中，為有效地操作，發(fā)射/接收電極可經(jīng)定位以覆蓋壓電層的拉伸應變區(qū)或壓電層的壓縮應變區(qū)中任一者，而非兩者。因此，pmut裝置膜片的一部分不用于典型的雙端口實施方案中。相反地，在下文中描述的三端口pmut結(jié)構(gòu)的實施方案中，在發(fā)射電極和單獨的接收電極定位于拐點區(qū)的對置側(cè)上的情況下，使用pmut裝置膜片的較大部分，進而改進裝置的效率。此外，所揭示的技術(shù)可實現(xiàn)兩個電極之間的電隔離，使得發(fā)射電路可連接到發(fā)射電極，且單獨的接收電路可連接到接收電極，從而去除對發(fā)射模式中的操作與接收模式中的操作之間的時間間隔的需要。
本發(fā)明中所描述的標的物的一個新穎方面可實施于包含定位于顯示器或超聲指紋傳感器陣列的背板下方、旁邊、上或上方或與所述背板一起定位的三端口壓電微機械超聲換能器(pmut)的一維或二維陣列的設備中。
在一些實施方案中，pmut陣列可配置以在對應于多個頻率范圍的模式中操作。舉例來說，在一些實施方案中，pmut陣列可配置以在對應于低頻率范圍(例如，50khz到200khz)的低頻率模式中或?qū)诟哳l率范圍(例如，1mhz到25mhz)的高頻率模式中操作。當在高頻率模式中操作時，設備可能能夠在相對較高分辨率下成像。因此，所述設備可能能夠從對象(例如，放置在顯示器或傳感器陣列的表面上的手指)檢測觸摸、指紋、觸筆和生物識別信息。此類高頻率模式可在本文中稱為指紋傳感器模式。
當在低頻率模式中操作時，所述設備可能能夠發(fā)出與所述設備在高頻率模式中操作時相比相對較大地滲透到空氣中的聲波。此類較低頻率聲波可發(fā)射穿過各種上覆層，包含蓋玻璃、觸摸屏、顯示陣列、背光源、殼體或罩殼，或定位于超聲發(fā)射器與顯示器或傳感器表面之間的其它層。在一些實施方案中，可開出穿過所述上覆層中的一或多者的端口，以優(yōu)化從pmut陣列到空氣中的聲學耦合。較低頻率聲波可發(fā)射穿過顯示器或傳感器表面上方的空氣，從所述表面附近的一或多個對象反射，發(fā)射穿過空氣且往回穿過上覆層，且被超聲接收器檢測。因此，當在低頻率模式中操作時，所述設備可能能夠在手勢檢測模式中操作，其中可檢測在顯示器附近但未必觸摸顯示器的自由空間手勢。
替代地或另外，在一些實施方案中，pmut陣列可配置以在對應于介于低頻率范圍與高頻率范圍之間的頻率范圍(例如，約200khz到約1mhz)的中頻率模式中操作。當在中頻率模式中操作時，所述設備可能能夠提供觸摸傳感器功能性，但與高頻率模式相比具有略微較低的分辨率。
pmut陣列對于波前波束成形、波束導引、接收側(cè)波束成形和/或返回信號的選擇性讀出是可尋址的。舉例來說，傳感器像素的個別列、行、傳感器像素和/或群組可為可單獨尋址的?？刂葡到y(tǒng)可控制發(fā)射器陣列產(chǎn)生特定形狀的波前，例如平面、圓形或圓柱形波前。控制系統(tǒng)可控制發(fā)射器陣列的幅值和/或相位以在所要位置產(chǎn)生相長或相消干擾。舉例來說，控制系統(tǒng)可控制發(fā)射器陣列的幅值和/或相位以在其中已檢測到或可能將檢測到觸摸或手勢的一或多個位置中產(chǎn)生相長干擾。
在一些實施方案中，pmut裝置可與同一襯底上的薄膜晶體管(tft)電路共同制造，所述襯底在一些實例中可為硅、玻璃或塑料襯底。tft襯底可包含尋址電子裝置、多路復用器、局部放大級和控制電路的行和列。在一些實施方案中，包含驅(qū)動器級和感測級的接口電路可用以激勵pmut裝置并檢測來自同一裝置的響應。在其它實施方案中，第一pmut裝置可充當聲學或超聲發(fā)射器，且第二pmut裝置可充當聲學或超聲接收器。在一些配置中，不同pmut裝置可能能夠低頻率和高頻率操作(例如，針對手勢檢測和針對指紋檢測)。在其它配置中，同一pmut裝置可用于低頻率和高頻率操作。在一些實施方案中，可使用硅晶片制造pmut，其中在硅晶片中制造主動硅電路。主動硅電路可包含用于pmut或pmut陣列運行的電子裝置。
在一些實施方案中，pmut陣列可被配置為超聲傳感器陣列。圖2a到2c說明pmut超聲傳感器陣列的各種配置的橫截面圖。圖2a描繪具有pmut作為可使用的發(fā)射和接收元件(例如，作為超聲指紋傳感器、超聲觸摸板或超聲成像器)的超聲傳感器陣列200a。pmut傳感器陣列襯底260上的pmut傳感器元件262可發(fā)出和檢測超聲波。如所說明，超聲波264可從至少一個pmut傳感器元件262發(fā)射。超聲波264可穿過聲學耦合介質(zhì)265和臺板290a朝向?qū)ο?02(例如，定位于臺板290a的外表面上的手指或觸筆)行進。超聲波264的一部分可穿過臺板290a發(fā)射到對象202中，而第二部分從臺板290a的表面往回朝向傳感器元件262反射。反射波的振幅可部分地取決于對象202的聲學性質(zhì)。反射波可由傳感器元件262檢測，可從所述傳感器元件獲取對象202的圖像。舉例來說，通過具有約50微米(每英寸約500像素)的間距的傳感器陣列，可檢測指紋的脊線和谷線。可提供聲學耦合介質(zhì)265(例如粘附劑、膠、兼容層或其它聲學耦合材料)以改進安置于傳感器陣列襯底260上的pmut傳感器元件262陣列與臺板290a之間的耦合。聲學耦合介質(zhì)265可輔助發(fā)射去往和來自傳感器元件262的超聲波。臺板290a可包含(例如)玻璃、塑料、藍寶石金屬、金屬合金或其它臺板材料層。聲學阻抗匹配層(未示出)可安置于臺板290a的外表面上。臺板290a可在外表面上包含涂層(未示出)。
圖2b描繪具有共同制造于傳感器和顯示器襯底260上的pmut傳感器元件262和顯示像素266的超聲傳感器和顯示陣列200b。傳感器元件262和顯示像素266可共置于單元陣列的每一單元中。在一些實施方案中，傳感器元件262和顯示像素266可并排制造于同一單元內(nèi)。在一些實施方案中，傳感器元件262中的部分或全部可制造于顯示像素266上方或下方。臺板290b可定位于傳感器元件262和顯示像素266上方且可充當或包含蓋透鏡或蓋玻璃。蓋玻璃可包含一或多個材料(例如玻璃、塑料或藍寶石)層，且可包含用于電容式觸摸屏的供應件。聲學阻抗匹配層或涂層(未示出)可安置于臺板290b的外表面上。可從一或多個傳感器元件262發(fā)射和接收超聲波264以提供針對對象202(例如，放置在蓋玻璃290b上的觸筆或手指)的成像能力。蓋玻璃290b基本上透明以允許用戶通過蓋玻璃290b觀察到來自顯示像素266陣列的可見光(opticallight)。用戶可選擇觸摸蓋玻璃290b的一部分，且超聲傳感器陣列可檢測到所述觸摸?？衫缭谟脩粲|摸蓋玻璃290b的表面時獲取生物識別信息(例如指紋信息)?？商峁┞晫W耦合介質(zhì)265(例如粘附劑、膠或其它聲學耦合材料)以改進傳感器陣列襯底260與蓋玻璃之間的聲學、光學和機械耦合。在一些實施方案中，耦合介質(zhì)265可為可充當液晶顯示器(lcd)的部分的液晶材料。在lcd實施方案中，背光源(未示出)可光學耦合到傳感器和顯示器襯底260。在一些實施方案中，顯示像素266可為具有發(fā)光顯示像素的非晶型發(fā)光二極管(amoled)顯示器的部分。在一些實施方案中，超聲傳感器和顯示陣列200b可用于顯示目的和用于觸摸、觸筆或指紋檢測。
圖2c描繪具有定位在顯示陣列襯底260b之后的傳感器陣列襯底260a的超聲傳感器和顯示陣列200c。聲學耦合介質(zhì)265a可用以將傳感器陣列襯底260a聲學耦合到顯示陣列襯底260b。光學和聲學耦合介質(zhì)265b可用以將傳感器陣列襯底260a和顯示陣列襯底260b光學和聲學耦合到蓋透鏡或蓋玻璃290c，所述蓋透鏡或蓋玻璃還可充當用于檢測指印的臺板。聲學阻抗匹配層(未示出)可安置于臺板290c的外表面上。從一或多個傳感器元件262發(fā)射的超聲波264可行進穿過顯示陣列襯底260b和蓋玻璃290c，從蓋玻璃290c的外表面反射，并且往回朝向傳感器陣列襯底260a行進，其中可檢測到反射的超聲波，并獲取圖像信息。在一些實施方案中，超聲傳感器和顯示陣列200c可用于提供視覺信息給用戶以及用于來自用戶的觸摸、觸筆或指紋檢測。替代地，pmut傳感器陣列可形成于顯示陣列襯底260b的背側(cè)上。替代地，具有pmut傳感器陣列的傳感器陣列襯底260a可附接到顯示陣列襯底260b的背側(cè)，其中傳感器陣列襯底260a的背側(cè)(例如)使用粘附層或粘附材料(未示出)直接附接到顯示陣列襯底260b的背側(cè)。
在pmut陣列中，需要具有單個膜片的每一pmut元件充當超聲信號的發(fā)射器和接收器以便改進效率、速度和分辨率以及達成集成和成本收益。
也需要將尤其用于移動裝置的指紋傳感器的堆疊高度降到最低。因此，pmut元件與正被成像的手指或其它對象之間的距離可為極小的。圖3描繪pmut陣列(具有定位于所述陣列的頂部上的約400微米厚臺板)的表示隨時間而變的所發(fā)射和所接收的超聲信號的信號波形的實例。圖3描繪應用于雙端口pmut的一系列五音調(diào)突發(fā)(tb)循環(huán)(參見頂部圖表)。第二圖表中所描繪的聲學發(fā)射功率展示在應用額外音調(diào)突發(fā)循環(huán)時，傳感器堆疊中的聲能的累積。當所應用的信號在發(fā)射(tx)模式結(jié)束時中斷時，所發(fā)射的聲功率下降。所發(fā)射的超聲波的一部分可從臺板表面往回朝向pmut陣列反射。在第三圖表中展示pmut陣列處針對第一回聲的聲功率。典型的超聲發(fā)射器信號可包含一系列的一或多個音調(diào)突發(fā)(tb)循環(huán)，且來自第一循環(huán)的回聲可在完成音調(diào)突發(fā)循環(huán)之前往回到達接收器。不合需要地，輸出的和返回的超聲信號可大致上重疊?？捎^察到，輸出的超聲信號與返回的超聲信號(對應的第1回聲)之間的時間間隔可為極小(小于約0.2微秒)，其很大程度上取決于穿過臺板的聲學路徑長度和聲學路徑中的材料的音速。由于傳感器堆疊內(nèi)部的聲學波可在堆疊內(nèi)混響，所以可發(fā)生額外回聲，如在第四圖表和第五圖表中所描繪。在第六(底部)圖表中，組合來自所有混響的聲功率，說明檢測用于對定位于臺板的表面上的對象成像的最適合峰值的困難。對于需要在發(fā)射(tx)模式與接收(rx)模式之間切換的系統(tǒng)，可需要小但有限的時間ts在模式之間切換，防止做出返回信號的測量直到接收模式可用為止。此可使對來自第一回聲的峰值信號的俘獲變得困難。來自第二回聲和后續(xù)回聲的峰值信號隨后在振幅上下降，從而降低可用的信號強度。
從pmut輸出到收發(fā)器電路1010的電壓可與pmut處的超聲信號的振幅有關(guān)。圖3的底部圖表中展示的接收信號包絡310描繪在音調(diào)突發(fā)循環(huán)已中斷之后聲學信號的累積和衰減。在不存在本發(fā)明教示的情況下，由于所輸出/發(fā)射的超聲信號與返回/接收的超聲信號之間的大致重疊，為檢測返回信號，收發(fā)器電路可需要從發(fā)射模式切換到接收模式。因為單對電極(例如，如圖1a到1b中所展示的下部電極112和上部電極114)可與收發(fā)器電路1010電耦合，所以必須在來自所述電極對的發(fā)射信號與接收信號之間提供由切換間隔時間ts指示的在時間上的間隔。此布置的第一可測量回聲可在完成切換間隔時間ts之后發(fā)生。應了解，ts與至少用于針對指紋傳感器設定大小的pmut陣列的多個音調(diào)突發(fā)循環(huán)的時間可基本上超過超聲信號的往返行進時間。
圖4a和4b說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的橫截面圖和平面視圖。pmut400包含安置于腔420上方的壓電層堆疊410和機械層430，所述壓電層堆疊和所述機械層經(jīng)配置以形成膜片440。膜片440由錨定結(jié)構(gòu)470支撐于腔420上方。pmut400可經(jīng)配置以使用膜片440操作以經(jīng)歷一或多個撓曲模式，其中當pmut發(fā)射或接收超聲信號時，膜片440可經(jīng)歷撓曲運動和振動中的一者或兩者。壓電層堆疊410包含壓電層415與具有安置于壓電層415下方的相關(guān)聯(lián)下部電極412。內(nèi)部電極413安置于壓電層415上方、膜片440的中心區(qū)中。在所說明的實施方案中，外部電極414也安置于壓電層415上方。安置于壓電層415的表面上的內(nèi)部電極和外部電極可為基本上共平面的。在一個實例中，可通過使外部電極414部分或完全地圍繞三端口pmut400的周邊延伸而將外部電極414電連接在一起。替代地，在另一實例(未示出)中，膜片440上的分段外部電極414可在內(nèi)部通過一或多個跨接線或在外部通過一或多個電互連件互連。觸點和通孔結(jié)構(gòu)可用以與下面的或外部的像素電路電接觸。腔420可連接到一或多個蝕刻通道422和釋放孔424，可穿過所述蝕刻通道和釋放孔通過適合蝕刻劑移除犧牲材料(未示出)以形成腔420。金屬或其它合適材料的一或多個插塞426可用以密封釋放孔424，并在pmut操作期間保持腔420內(nèi)部的受控制壓力(例如，真空度)。在圖4b中和其它處展示的pmut可為具有一或多個行和列(未示出)的pmut陣列的部分，平面視圖的外圍處的虛線指示形成于共同襯底上的額外pmut可定位于pmut400的一或多個側(cè)上作為pmut陣列的部分。
以電方式，三端口pmut可被配置為具有至少一個發(fā)射電極、至少一個接收電極和至少一個參考電極的pmut。下文描述這些變化形式中的多者。對三端口pmut的替代性且有時為優(yōu)選的解釋是具有電輸入(tx)端口、超聲輸出端口(也充當超聲輸入端口)和電輸出(rx)端口的pmut。在這類實施方案中，電輸入端口與電輸出端口可分別物理地和電性地分離，且還可安置于pmut微觀結(jié)構(gòu)的同一部分上(例如，腔上方的膜片上)。
圖5說明與收發(fā)器電路510耦合的三端口pmut的布置。在所說明的實施方案中，下部電極412、內(nèi)部電極413和外部電極414可與收發(fā)器電路510電耦合，且可充當單獨的電極，分別提供信號發(fā)射、信號接收和共同參考或接地。此布置允許彼此獨立的發(fā)射(tx)和接收(rx)信號的時序。更確切地說，所說明的布置實現(xiàn)在壓電超聲換能器400與收發(fā)器電路510之間的信號的基本上同時的發(fā)射和接收。
有利地，發(fā)射和接收電極可在(例如)沉積、遮蔽和蝕刻的共同制造工藝期間形成于同一電極層中。在一些實施方案中，一或多個壓電層和相關(guān)聯(lián)的電極層可包含在壓電堆疊(未示出)中。
仍參考圖5，收發(fā)器電路510可借助于與收發(fā)器電路510相關(guān)聯(lián)的三個輸入/輸出端子或端口以及與三端口pmut相關(guān)聯(lián)的三個電極412、413和414，與壓電超聲換能器400電耦合。在所說明的實施方案中，第一端子或端口與下部(參考)電極412電耦合；第二端子或端口與內(nèi)部(發(fā)射)電極413電耦合；且第三端子或端口與外部(接收)電極414電耦合。
應注意，在所說明的布置中，在pmut膜片振動期間，壓電層415的接近于外部電極414的部分處于與壓電層415的接近于內(nèi)部電極413的部分相比相反的機械應力狀態(tài)中。更確切地說，在圖5中所說明的瞬時力矩下，壓電層415的接近于外部電極414的部分處于壓縮中，而壓電層415的接近于內(nèi)部電極413的部分處于拉伸中。因此，所述布置可使用膜片的內(nèi)部區(qū)域與膜片的外部區(qū)域相比在機械應變方向上的差來改進發(fā)射器和接收器效率。舉例來說，自pmut腔420為圓形的情況下，對于膜片440的安置于pmut腔420上方的一部分(膜片440的“懸置部分”)，拐點區(qū)存在于腔半徑的約60％到70％處，即壓電層堆疊410的同一側(cè)(例如，頂部或底部)上的應力方向在拐點區(qū)的任一側(cè)上具有相反意義。由圖5中的虛線416指示拐點區(qū)的大致位置，其中內(nèi)部電極413和外部電極414展示于拐點區(qū)的對置側(cè)上。
為使發(fā)射器和接收器效率達到最大，需要覆蓋懸置部分上具有共同意義的應力(例如，拉伸或壓縮)的最大可能區(qū)域。因此，可通過將內(nèi)部電極413的外部周邊和外部電極414的內(nèi)部周邊定位于靠近于拐點區(qū)處，來改進發(fā)射器和接收器效率。對于其它形狀(例如矩形或方形)的膜片，可應用類似方法來優(yōu)化電極形狀。外部電極414的外邊緣可與腔420的周邊基本上對準或可(如所說明)延伸超出腔420的壁。
pmut膜片可受錨定結(jié)構(gòu)470支撐以允許膜片在腔420上方延伸。當pmut接收或發(fā)射超聲信號時，所述膜片可經(jīng)歷撓曲運動。pmut膜片可在接收或發(fā)射超聲信號時在第一撓曲模式中操作。在一些實施方案中，當在第一撓曲模式中操作時，內(nèi)部電極和外部電極可經(jīng)歷包含拉伸應力和壓縮應力的交替循環(huán)的相應的第一振蕩負載循環(huán)和第二振蕩負載循環(huán)。第一振蕩負載循環(huán)和第二振蕩負載循環(huán)可異相，也就是說，在拐點區(qū)的每一側(cè)上，其一者拉伸，而另一者壓縮，如圖5中所展示。第一振蕩負載循環(huán)和第二振蕩負載循環(huán)可異相約180°。在其它實施方案中，例如在下文圖8(細節(jié)a)、9(細節(jié)d)、10、11a到11c、13a到13d、以及14a到14c中所說明的實施方案中，第一振蕩負載循環(huán)和第二振蕩負載循環(huán)可大致同相。
因為本發(fā)明所揭示的技術(shù)實現(xiàn)tx電極與rx電極之間的物理隔離和電隔離，所以接收電極可操作以接收超聲信號，而發(fā)射電極發(fā)出超聲信號。圖6說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的隨時間而變的發(fā)射電壓信號和接收電壓信號的曲線圖。可通過比較圖6和圖3更好地了解本發(fā)明所揭示的技術(shù)的益處。不同于圖3中所說明的時間上間隔開的發(fā)射模式和接收模式，本發(fā)明允許基本上同時地接收和發(fā)射電壓信號。因此，可檢測到大回聲(例如，第1回聲)，而與第一回聲在時間上如何緊密地跟隨第一音調(diào)突發(fā)(tb)信號無關(guān)。在一些實施方案中，超聲波從正被成像的對象(手指)的反射可與音調(diào)突發(fā)信號顯著地重疊，從而允許隨pmut傳感器陣列的表面上的指紋脊線或指紋谷線的存在而變化的聲能的累積，如由接收信號包絡610所展示。使用pmut傳感器陣列俘獲rx信號并確定脊線與谷線之間的信號振幅的差允許獲取指紋的超聲圖像的圖像信息?？赏ㄟ^引動發(fā)射電極并用pmut傳感器陣列多次接收返回信號來獲取多組圖像信息，如圖6中所指示。
本發(fā)明所揭示的技術(shù)的另一優(yōu)點是，與雙端口pmut相比，三端口pmut收發(fā)器可具有定位于發(fā)射電極和接收電極下方的單個下部電極，其連接到參考電壓，例如接地電勢。使下部電極接地或以其它方式將下部電極連接到低阻抗電壓源可減少收發(fā)器電路的發(fā)射部分與接收部分之間的電串擾和/或減少相鄰pmut傳感器元件之間的串擾。對于雙端口pmut設計，在同一端口用于發(fā)射和接收功能兩者的情況下，來自發(fā)射器電子裝置的寄生電容可使所接收的信號強度減少到原來的十分之一或小于十分之一。本發(fā)明所揭示的三端口pmut固有地使發(fā)射器與接收器隔開，進而減少對信號隔離的需要且使由相關(guān)聯(lián)寄生電容引起的損失減到最小。這是可能的，因為三端口pmut配置允許在發(fā)射器連接到通常具有高寄生損失的較高電壓電路時，使用用于接收電極的低寄生電容像素讀出方案。因此，可使用三端口配置顯著地改進接收器效率。
此外，因為雙端口pmut中的端口可能不直接連接到地面，而是實際上可通過開關(guān)連接到地面，所以電串擾可影響性能。本發(fā)明所揭示的三端口pmut可部分地避免此問題，這是因為下部電極可很好地接地。因此，任何串擾信號可被吸收到地面，而不是在發(fā)射或接收時影響相鄰像素。
再次參看圖5，在所說明的實施方案中，機械層530安置于腔420與壓電層415之間。此類布置可被稱為“底部機械”布置。
圖7說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的另一布置。在所說明的實施方案中，三端口pmut700經(jīng)配置于“頂部機械”布置中，其中壓電層415安置于腔420與機械層730之間。
如上文所描述，本發(fā)明所揭示的技術(shù)可用基本上圓形的膜片實施。也預期到多個替代性配置。圖8說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的長矩形膜片的實例配置。在所說明的實施方案(可被稱為長矩形板或“帶配置”)中，膜片800的長尺寸l是寬度尺寸w的至少兩倍?！伴L”矩形板或膜片可被界定為其長度為寬度的至少兩倍的膜片。對于長矩形膜片，電極的形狀還可變成具有較長側(cè)邊的矩形，較少關(guān)注電極沿著膜片的較短側(cè)邊的放置和形狀。膜片800可受單獨的錨定結(jié)構(gòu)870支撐，所述錨定結(jié)構(gòu)例如如所展示安置于接近于長尺寸l的對置端處。因此，如視圖b-b和視圖c-c中所說明的膜片800的撓曲運動可在超聲波或信號的發(fā)射和接收期間發(fā)生。發(fā)射電極813(tx)和接收電極814(rx)可在各種布置中安置于膜片800上，所述各種布置中的數(shù)個布置借助于細節(jié)a、細節(jié)b和細節(jié)c中的實例說明。更確切地說，如可在細節(jié)a中觀察到，在一些實施方案中，發(fā)射電極813和接收電極814可在大小上大致相等且可相對于膜片800對稱地安置。如可在細節(jié)b中觀察到，在其它實施方案中，發(fā)射電極813和接收電極814可具有顯著不同的大小且可相對于膜片800對稱地安置。最后，如可在細節(jié)c中觀察到，可預期到發(fā)射電極813和接收電極814的不對稱布置。雖然在細節(jié)a、b和c中展示的配置具有具體標記為tx或rx的電極，但在不失圖8和貫穿本發(fā)明的一般性的情況下，標示為tx的電極可充當接收電極，且標示為rx的電極可充當發(fā)射電極。在不失一般性的情況下，所展示的膜片幾何形狀也可為方形或具有小于2:1的l:w比。為了清楚起見，在附圖中未示出到發(fā)射電極和接收電極的電連接(例如，電跡線)以及到其的電接觸。
圖9說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的矩形膜片的另一實例配置。在所說明的長矩形板配置中，膜片900可在全部四個側(cè)邊上由周邊錨定結(jié)構(gòu)970支撐，所述周邊錨定結(jié)構(gòu)例如如所展示安置于接近于膜片900的外圍邊緣處。因此，如視圖d-d和視圖e-e中所說明的膜片900的撓曲運動可在超聲波或信號的發(fā)射和接收期間發(fā)生。發(fā)射電極913(tx)和接收電極914(rx)可在各種布置中安置于膜片900上，所述各種布置中的數(shù)個布置借助于細節(jié)d、細節(jié)e和細節(jié)f中的實例說明。更確切地說，如可在細節(jié)d中觀察到，在一些實施方案中，發(fā)射電極913和接收電極914可在大小上大致相等且可相對于膜片900對稱地安置。如可在細節(jié)e中觀察到，在其它實施方案中，發(fā)射電極913和接收電極914可具有顯著不同的大小且可相對于膜片900對稱地安置。最后，如可在細節(jié)f中觀察到，可預期到發(fā)射電極913和接收電極914的不對稱布置。
圖10說明根據(jù)一些實施方案的三端口pmut的矩形膜片的又一實例配置。在所說明的實施方案(可被稱為“蘑菇形配置”)中，膜片1000可受居中安置的錨定結(jié)構(gòu)1070支撐。因此，如視圖f-f和視圖g-g中所說明的膜片1000的撓曲運動可在超聲波的發(fā)射和接收期間發(fā)生。發(fā)射電極1013(tx)和接收電極1014(rx)可在各種布置中安置于膜片1000上，所述各種布置中的數(shù)個布置借助于細節(jié)g、細節(jié)h和細節(jié)j中的實例說明。更確切地說，如可在細節(jié)g中觀察到，在一些實施方案中，發(fā)射電極1013和接收電極1014可在大小上大致相等且可相對于膜片1000對稱地安置。如可在細節(jié)h中觀察到，在其它實施方案中，發(fā)射電極1013和接收電極1014可具有顯著不同的大小且可相對于膜片1000對稱地安置。最后，如可在細節(jié)j中觀察到，可預期到發(fā)射電極1013和接收電極1014的不對稱布置。
圖11說明根據(jù)各種實施方案的三端口pmut的圓形膜片的另一實例配置。在細節(jié)k、細節(jié)l和細節(jié)m中所說明的蘑菇形配置的實例中的每一者中，圓形膜片1100受居中安置的錨定結(jié)構(gòu)1170支撐。因此，如視圖h-h中所說明的膜片1100的撓曲運動可在超聲波的發(fā)射和接收期間發(fā)生。發(fā)射電極1113(tx)和接收電極1114(rx)可在各種配置中安置于膜片1100上。更確切地說，如可在細節(jié)k和細節(jié)l中觀察到，在一些實施方案中，發(fā)射電極1113和接收電極1114可在大小上大致相等。如可在細節(jié)m中觀察到，在其它實施方案中，發(fā)射電極1113和接收電極1114可具有顯著不同的大小。
圖12說明根據(jù)一些實施方案的用于操作pmut傳感器的方法的實例。如上文所描述，pmut傳感器可包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含壓電層堆疊，所述壓電層堆疊包含壓電層、第一電極、第二電極和參考電極，第一電極、第二電極和參考電極中的每一者與收發(fā)器電路電耦合。在所說明的實施方案中，方法1200包含用于在第一時間段期間響應于來自收發(fā)器電路的信號借助于第一電極發(fā)射第一超聲信號的步驟1210。
所述方法可繼續(xù)在步驟1220處，在第二時間段期間借助于第二電極接收第二超聲信號。有利地，第一時間段和第二時間段至少部分地重疊。在一些實施方案中，pmut可經(jīng)配置以同時地借助于第一電極發(fā)射第一超聲信號并借助于第二電極接收第二超聲信號。
圖13a到13d說明根據(jù)一些實施方案的具有圓形膜片和各種電極配置的三端口pmut的平面視圖。圖13a中的三端口pmut1300a具有定位于pmut膜片的內(nèi)部區(qū)中的發(fā)射電極1313(tx)和接收電極1314(rx)。發(fā)射電極1313和接收電極1314兩者均位于拐點區(qū)內(nèi)部，因此兩者在膜片振動時經(jīng)歷同號的彎曲應力(拉伸或壓縮)，以發(fā)起超聲波或接收超聲波。下部參考電極1312展示為與上部發(fā)射電極1313和接收電極1314一起通過連接性電跡線和觸點連接到收發(fā)器電路。pmut膜片在腔1320上方延伸。三端口pmut1300a展示在pmut膜片的內(nèi)部區(qū)中(拐點區(qū)內(nèi)部)的對稱的發(fā)射電極和接收電極，而圖13b中的三端口pmut1300b展示拐點區(qū)內(nèi)部的不對稱的發(fā)射電極和接收電極，其中具有較大發(fā)射電極和較小接收電極。較小接收電極可用于允許較大區(qū)域用于較大發(fā)射電極(例如，用于同一大小膜片和致動電壓的較大聲學發(fā)射功率)，同時仍然保持接收側(cè)上的適當接收信號電平。
圖13c中的三端口pmut1300c具有定位于pmut膜片的外部區(qū)中的對稱的發(fā)射電極1313(tx)和接收電極1314(rx)，其中發(fā)射電極和接收電極定位于拐點區(qū)外部且因此在膜片振動時經(jīng)歷同號的彎曲應力(壓縮或拉伸)。已預期到pmut膜片的外部部分中的不對稱的發(fā)射電極和接收電極布置。圖13d中的三端口pmut1300d展示膜片的外部區(qū)中的發(fā)射電極1313b(tx-)和接收電極1314(rx-)的不對稱布置，以及定位于膜片的內(nèi)部區(qū)中的額外發(fā)射電極1313a(tx+)。雙發(fā)射電極(其中一個在pmut膜片的內(nèi)部區(qū)中且一個在pmut膜片的外部區(qū)中)允許在以差分方式驅(qū)動時產(chǎn)生較大聲功率，如下文更詳細地描述。一般來說，發(fā)射電極和接收電極的對稱或不對稱布置可應用于在拐點區(qū)內(nèi)部或外部的發(fā)射電極和/或接收電極。
圖14a到14d說明根據(jù)一些實施方案的具有圓形膜片和中心釋放孔1428的三端口pmut的平面視圖，所述圓形膜片具有各種電極配置。中心釋放孔1428可穿過pmut膜片形成以允許移除犧牲材料(未示出)從而形成腔1420，并且使pmut膜片懸置于腔區(qū)上方。三端口pmut1400a具有對稱的發(fā)射電極1413(tx+)與接收電極1414(rx+)以及參考電極1412，其中發(fā)射電極和接收電極兩者定位于膜片的內(nèi)部部分中，在拐點區(qū)內(nèi)部。三端口pmut1400b具有位于拐點區(qū)的同一側(cè)上的不對稱的發(fā)射電極1413(tx+)與接收電極1414(rx+)。三端口pmut1400c展示定位于pmut膜片的外部區(qū)域中在拐點區(qū)外部的對稱的發(fā)射電極1413(tx-)與接收電極1414(rx-)。三端口pmut1400d展示具有推挽式發(fā)射電極1413a(tx+)和1413b(tx-)以及單個接收電極1414(rx-)的布置。發(fā)射電極1413a在拐點區(qū)內(nèi)部，而發(fā)射電極1413b和接收電極1414在拐點區(qū)外部。具有發(fā)射電極和接收電極的對稱或不對稱布置的三端口pmut可應用于在拐點區(qū)內(nèi)部或外部的一或多個發(fā)射電極和/或接收電極，所述三端口pmut具有或不具有中心釋放孔，具有圓形、方形、矩形或長矩形膜片。
圖15說明根據(jù)一些實施方案的用于操作具有至少一個專用接收電極的pmut傳感器的方法1500的框圖。如框1510中所展示，可將差分推挽式發(fā)射電壓信號應用于定位于拐點區(qū)的對置側(cè)上的pmut發(fā)射電極。如框1520中所展示，pmut膜片的振動可發(fā)起一或多個超聲波。如框1530中所展示，可由一或多個專用pmut接收電極檢測從遠處或附近的對象反射的超聲波。如框1540中所展示，可處理所接收的信號(例如)以在用作生物識別傳感器(例如超聲指紋傳感器)時，產(chǎn)生超聲圖像、檢測手勢、確定觸筆尖端的位置或驗證用戶。
圖16說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個專用接收電極的三端口pmut的收發(fā)器電路1610和各種配置的示意圖。收發(fā)器電路1610可包含用于產(chǎn)生超聲波以及用于接收超聲信號的控制單元1620?？墒褂冒l(fā)射器驅(qū)動電路1622放大、緩沖或以其它方式調(diào)節(jié)來自控制單元1620的信號，以提供可在適當時應用于三端口pmut的正發(fā)射電極(tx+)和負發(fā)射電極(tx-)的推挽式發(fā)射信號。pmut的參考電極可經(jīng)由可從控制單元1620接收參考電平信號的參考電平驅(qū)動電路1628連接到參考電壓電平(例如地面)。可使用接收電路1632放大、緩沖或以其它方式調(diào)節(jié)來自pmut上的一或多個接收電極的接收信號，且在由信號處理單元1630處理之前經(jīng)由模/數(shù)(a/d)轉(zhuǎn)換器1634將所述接收信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。經(jīng)處理信號可提供于一或多個數(shù)字輸出線1640上以供例如使用移動裝置的應用程序處理器進行進一步處理。細節(jié)p展示具有中心發(fā)射電極(tx+)和外部接收電極(rx-)以及可連接到收發(fā)器電路1610的參考電極(ref)的三端口pmut的橫截面圖。細節(jié)q展示具有推挽式發(fā)射電極(tx+和tx-)和單個專用接收電極(rx-)的三端口pmut。細節(jié)r展示具有單個發(fā)射電極(tx+)和一對差分接收電極(rx+和rx-)的三端口pmut的橫截面圖。差分接收電極可定位于拐點區(qū)的對置側(cè)上，以增加可獲得的輸出信號的電平并且消除一些共模效應，例如兩個接收電極所共同的溫度變化或噪聲信號。細節(jié)s展示具有差分對發(fā)射電極(tx+和tx-)和差分對接收電極(rx+和rx-)的三端口pmut的橫截面圖。
圖17說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個專用接收電極的三端口pmut的隨時間而變的推挽式發(fā)射信號1720、1722和說明性接收信號1730的曲線圖。當在發(fā)射模式中操作時，一對差分發(fā)射信號1720和1722可應用于經(jīng)適合地配置的三端口pmut上的差分對發(fā)射電極。反射的信號可在發(fā)起超聲波之后不久發(fā)生，且可在接收模式期間檢測到接收信號包絡1732內(nèi)的說明性接收信號1730并對其進行處理。在一些實施方案中，波峰檢測器(未示出)可用以在發(fā)起超聲波之后以預定獲取時間延遲(例如，距離-門延遲或rgd)獲取超聲信號。波峰檢測器可通過使用相對較窄獲取時間窗(例如，范圍-門窗或rgw)在相對較短時間段(例如，小于超聲波的周期)內(nèi)獲取信號。可視需要針對pmut重復此過程。舉例來說，可針對圖像的每一幀，通過發(fā)起來自在發(fā)射模式中操作的pmut陣列的一或多個平面波，接著使用在接收模式中操作的pmut陣列俘獲反射的超聲信號來獲取指紋圖像。
圖18說明根據(jù)一些實施方案的用于操作具有至少一個可切換發(fā)射/接收電極的pmut傳感器的方法1800的框圖。如框1810中所展示，可將差分推挽式發(fā)射電壓信號應用于pmut發(fā)射電極。如框1820中所展示，pmut膜片的振動可發(fā)起一或多個超聲波。如框1830中所展示，可在繼續(xù)借助于至少一個發(fā)射電極發(fā)起超聲波的同時，將一或多個發(fā)射/接收電極從發(fā)射模式切換到接收模式。如框1840中所展示，可通過經(jīng)轉(zhuǎn)換的pmut發(fā)射/接收電極來檢測來自對象的經(jīng)反射的超聲波。如框1850中所展示，可處理所接收的信號。
圖19說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個可切換發(fā)射/接收電極的三端口pmut的收發(fā)器電路1910和各種配置的示意圖。收發(fā)器電路1910可包含用于產(chǎn)生超聲波以及用于接收超聲信號的控制單元1920?？墒褂冒l(fā)射器驅(qū)動電路1922放大、緩沖或以其它方式調(diào)節(jié)來自控制單元1920的信號，以提供可在適當時應用于三端口pmut的正發(fā)射電極(tx+)和負發(fā)射電極(tx-)的推挽式發(fā)射信號。替代地，可使用具有三態(tài)緩沖器1926或其它適合切換電路的發(fā)射器驅(qū)動電路1924放大、緩沖或以其它方式調(diào)節(jié)來自控制單元1920的信號，以在發(fā)射模式期間提供推挽式發(fā)射信號到一或多個發(fā)射/接收電極，以及在切換到接收模式時允許一或多個發(fā)射/接收電極充當接收電極。pmut的參考電極可經(jīng)由參考電平驅(qū)動電路1928連接到參考電壓電平(例如地面)。可使用接收電路1932放大、緩沖或以其它方式調(diào)節(jié)接收信號，并在由信號處理單元1930處理之前經(jīng)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(a/d)1934將所述接收信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。經(jīng)處理信號可提供于一或多個數(shù)字輸出線1940上以供(例如)使用移動裝置的應用程序處理器進行進一步處理。細節(jié)t展示具有中心發(fā)射電極(tx+)和可切換外部發(fā)射/接收電極(tx-/rx-)以及可連接到收發(fā)器電路1910的參考電極(ref)的三端口pmut的橫截面圖。應注意，內(nèi)部電極、外部電極中的任一者或兩者可從發(fā)射模式切換到接收模式。細節(jié)u展示具有差分對發(fā)射電極(tx+和tx-)和差分對接收電極(rx+和rx-)的三端口pmut的橫截面圖，其中所述發(fā)射電極或接收電極中的一或多者可在發(fā)射模式與接收模式之間切換。
圖20說明根據(jù)一些實施方案的具有至少一個可切換發(fā)射/接收電極的三端口pmut的隨時間而變的推挽式發(fā)射信號2020、2022和說明性接收信號2030的曲線圖。當在發(fā)射模式中操作時，一對差分發(fā)射信號2020和2022可應用于經(jīng)適合地配置的三端口pmut上的差分對發(fā)射電極。反射的信號可在發(fā)起超聲波之后不久發(fā)生，且可在接收模式期間檢測到接收信號包絡2032內(nèi)的說明性接收信號2030并對其進行處理。可視需要針對每一pmut、pmut陣列或pmut陣列的部分重復此過程。三端口pmut可經(jīng)配置有一或多個專用或切換的發(fā)射/接收電極，其具有發(fā)射電極和接收電極在拐點區(qū)內(nèi)部或外部的對稱或不對稱布置，具有或不具有中心釋放孔，具有圓形、方形、矩形或長矩形膜片，使用多種錨定結(jié)構(gòu)。
因此，已揭示具有接地(參考)電極且經(jīng)配置以同時地借助于第一電極發(fā)射第一超聲信號并借助于第二電極接收第二超聲信號的三端口pmut。應了解，可預期到多個替代性配置和制造技術(shù)。舉例來說，關(guān)于圖4b、8、9、10、11a到11c、13a到13d、14a到14d和本發(fā)明中其它處描述的電極布置可與在壓電層堆疊下方具有機械層(也就是說，在壓電層堆疊與腔之間具有機械層(例如，圖4a))的pmut配置或在壓電層堆疊上方具有機械層(也就是說，在機械層與腔之間具有壓電層堆疊(例如，圖7))的pmut配置一起使用。在一些實施方案中，壓電層堆疊可形成于錨定結(jié)構(gòu)上方。所述壓電層堆疊可包含壓電層，例如氮化鋁(aln)、氧化鋅(zno)、鋯鈦酸鉛(pzt)或其它適合壓電材料，其中一或多個電極層電耦合到所述壓電層。所述壓電層堆疊可經(jīng)圖案化和蝕刻以形成通孔、釋放孔和其它特征。機械層可包含sio2、sion、氮化硅(sin)、其它介電材料，或介電材料或?qū)拥慕M合。在一些實施方案中，單個aln或pzt層可用作用于耦合到發(fā)射電極和接收電極兩者的壓電層。在一些實施方案中，aln層可與發(fā)射電極一起使用，且pzt層可與同一膜片中的接收電極一起使用。在一些實施方案中，pzt層可與發(fā)射電極一起使用，且aln層可與同一膜片中的接收電極一起使用。在一些實施方案中，pzt的壓電層與aln的壓電層可基本上共平面，也就是說，形成于多層pmut膜片的同一表面上或下方。在一些實施方案中，具有相同或不同壓電材料的壓電層的雙層堆疊可用以形成上文所描述的三端口pmut。舉例來說，pzt的第一層可與一或多個發(fā)射電極一起使用，且aln的第二層可與一或多個接收電極一起使用。發(fā)射壓電層和接收壓電層在堆疊配置中可為一個置于另一個上方；在其它實施方案中，發(fā)射壓電層和接收壓電層可在同一膜片上或中彼此相鄰。參考電極可為一或多個相關(guān)聯(lián)發(fā)射或接收電極所共同的。一或多個機械層和/或電極層可定位于各種壓電層上方、下方或之間。
如本文中所使用，提到項目列表“中的至少一者”的短語是指那些項目的任何組合，包含單個成員。作為實例，“a、b或c中的至少一者”意在涵蓋：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
結(jié)合本文中揭示的實施方案所描述的各種說明性邏輯、邏輯塊、模塊、電路和算法過程可實施為電子硬件、計算機軟件或兩者的組合。硬件與軟件的互換性已大體在功能性方面加以描述，且在上文所描述的各種說明性組件、塊、模塊、電路和過程中加以說明。此類功能性是以硬件來實施還是以軟件來實施取決于特定應用以及強加于整個系統(tǒng)的設計約束。
結(jié)合本文中所揭示的方面描述的用以實現(xiàn)各種說明性邏輯、邏輯塊、模塊和電路的硬件和數(shù)據(jù)處理設備可通過以下各者來實現(xiàn)或執(zhí)行：通用單芯片或多芯片處理器、數(shù)字信號處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)或其它可編程邏輯裝置、分立門或晶體管邏輯、分立硬件組件，或經(jīng)設計以執(zhí)行本文中所描述的功能的任何組合。通用處理器可為微處理器或任何常規(guī)處理器、控制器、微控制器或狀態(tài)機。處理器還可實施為計算裝置的組合，例如，dsp與微處理器的組合、多個微處理器、一或多個微處理器結(jié)合dsp核心，或任何其它此類配置。在一些實施方案中，特定過程和方法可由特定針對給定功能的電路執(zhí)行。
在一或多個方面中，可以硬件、數(shù)字電子電路、計算機軟件、固件(包含本說明書中所揭示的結(jié)構(gòu)和其結(jié)構(gòu)等效物)或以其任何組合來實施所描述功能。本說明書中所描述的標的物的實施方案還可實施為在計算機存儲媒體上編碼以用于供數(shù)據(jù)處理設備執(zhí)行或控制數(shù)據(jù)處理設備的操作的一或多個計算機程序，即，計算機程序指令的一或多個模塊。
如果實施于軟體中，則所述功能可作為一或多個指令或代碼存儲于計算機可讀媒體(例如，非暫時性媒體)上或經(jīng)由所述計算機可讀媒體(例如，非暫時性媒體)發(fā)射。本文中所揭示的方法或算法的過程可以在可以駐存于計算機可讀媒體上的處理器可執(zhí)行軟件模塊中實現(xiàn)。計算機可讀媒體包含計算機存儲媒體和通信媒體兩者，通信媒體包含可經(jīng)啟用以將計算機程序從一處傳送到另一處的任何媒體。存儲媒體可以是可通過計算機存取的任何可供使用的媒體。以實例說明而非限制，非暫時性媒體可包含ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盤存儲裝置、磁盤存儲裝置或其它磁性存儲裝置，或可用于以指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式存儲所期望的程序代碼且可由計算機存取的任何其它媒體。而且，可將任何連接適當?shù)胤Q為計算機可讀媒體。如本文中所用，磁盤和光盤包含壓縮光盤(cd)、激光光盤、光學光盤、數(shù)字多功能光盤(dvd)、軟性磁盤以及藍光光盤，其中磁盤通常以磁性方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而光盤用激光以光學方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)。以上各項的組合也應包含在計算機可讀媒體的范圍內(nèi)。另外，方法或算法的操作可作為代碼及指令中的任一者或任何組合或集合駐留于可并入到計算機程序產(chǎn)品中的機器可讀媒體及計算機可讀媒體上。
對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明中所描述的實施方案的各種修改可以是顯而易見的，并且在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，本文中所定義的一般原理可適用于其它實施方案。因此，權(quán)力要求書并不意圖限于本文中所展示的實施方案，而應符合與本發(fā)明、本文中所揭示的原理和新穎特征相一致的最廣泛范圍。另外，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地理解，術(shù)語“上部”和“下部”、“頂部”和“底部”、“前部”和“后部”、以及“上方”、“上覆的”、“上”、“下方”和“下面的”有時用于易于描述圖和指示對應于正確地定向的頁上的圖的定向的相對位置，且可能并不反映所實施的裝置的正確定向。
在本說明書中在單獨實施方案的上下文中描述的某些特征也可在單個實施方案中組合地實施。相反地，在單個實施方案的上下文中描述的各種特征還可分別在多個實施方案中實施或以任何合適的子組合來實施。此外，盡管上文可將特征描述為以某些組合起作用或甚至最初如此主張，但在一些情況下，可將來自所主張的組合的一或多個特征從組合中刪除，并且所主張的組合可針對子組合或子組合的變化。
類似地，雖然在圖式中按特定次序描繪操作，但此情形不應被理解為要求按所展示的特定次序或按順序次序執(zhí)行此類操作，或執(zhí)行所有所說明的操作，以實現(xiàn)所要結(jié)果。另外，圖式可以流程圖形式示意性地描繪一個以上實例過程。然而，可將未描繪的其它操作并入于經(jīng)示意性說明的實例過程中。舉例來說，可在所說明的操作中的任一者之前、之后、同時地或之間執(zhí)行一或多個另外操作。在某些情況下，多重任務處理和并行處理可為有利的。此外，上文所描述的實施方案中的各種系統(tǒng)組件的分開不應被理解為在所有實施方案中要求此分開，且應理解，所描述的程序組件和系統(tǒng)一般可一起集成在單個軟件產(chǎn)品中或包裝到多個軟件產(chǎn)品中。另外，其它實施方案是在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。在一些情況下，權(quán)利要求書中所敘述的動作可以不同次序來執(zhí)行且仍實現(xiàn)合乎需要的結(jié)果。
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