CN109219817B - 操作由超声换能器构成的指纹传感器 - Google Patents

Abstract

在用于操作包括多个超声换能器的指纹传感器的方法中，致动指纹传感器的第一超声换能器子集，第一超声换能器子集用于检测对象与指纹传感器之间的交互。在检测到对象与指纹传感器之间的交互之后，致动指纹传感器的第二超声换能器子集，第二超声换能器子集用于确定对象是否是人手指，其中，第二超声换能器子集与第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器。

Description

操作由超声换能器构成的指纹传感器

相关申请的交叉引用

本申请还要求共同未决的美国临时专利申请62/334,392的优先权和权益，所述共同未决的美国临时专利申请62/334,392由Salvia于2016年5月10日提交、题为“ALWAYS-ONSENSOR DEVICE FOR HUMAN TOUCH(用于人类触摸的始终开启传感器装置)”并且代理人案号为IVS-684.PR，并且被转让给本申请的受让人，其全部内容通过引用并入本文。

本申请还是共同未决的美国专利申请No.15/354,876的继续申请并且要求其优先权，所述共同未决的美国专利申请No.15/354,876由Salvia等人于2016年11月17日提交、题为“OPERATING A FINGERPRINT SENSOR COMPRISED OF ULTRASONIC TRANSDUCERS(操作由超声换能器构成的指纹传感器)”并且代理人案号为IVS-684，并且被转让给本申请的受让人，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

常规的指纹感测解决方案是可获得的且被部署在诸如智能手机和其他类型的移动设备之类的消费产品中。通用指纹传感器技术通常依赖于(1)传感器和(2)处理元件。当传感器被开启时，传感器可以采用或可以引导装置以拍摄图像——该图像被数字化(例如，亮度等级被编码成数字格式)——并且传感器可以将图像发送至处理元件。然而，指纹传感器通常消耗大量功率(例如，数百μWatt至若干mWatt)，因此，指纹传感器通过快速耗尽移动设备的电池而可能会对移动设备的电力资源造成相当大的损耗。

附图说明

结合在具体实施方式中并形成具体实施方式的一部分的附图示出了主题的各种实施方式，并且与具体实施方式一起用于说明下面所论述的主题的原理。除非明确指出，否则该附图说明中所涉及的附图不应当被理解为是按比例绘制的。在本文中，相同的部件用相同的附图标记标注。

图1是示出了根据一些实施方式的具有中心用销固定的膜的PMUT装置的图。

图2是示出了根据一些实施方式的在PMUT装置致动期间的膜移动的示例的图。

图3是根据一些实施方式的图1的PMUT装置的俯视图。

图4是示出了根据一些实施方式的图1至图3中示出的PMUT装置的膜的最大竖向移位的模拟图。

图5是根据一些实施方式的呈圆形形状的示例性PMUT装置的俯视图。

图6是根据一些实施方式的具有六边形形状的示例性PMUT装置的俯视图

图7示出了根据一些实施方式的圆形PMUT装置的示例性阵列。

图8示出了根据一些实施方式的方形PMUT装置的示例性阵列。

图9示出了根据一些实施方式的六边形PMUT装置的示例性阵列。

图10示出了根据一些实施方式的PMUT阵列中的一对示例性PMUT装置，其中，每个PMUT均具有不同的电极图案。

图11A、图11B、图11C和图11D示出了根据各种实施方式的内部支承结构的替代性示例。

图12示出了根据一些实施方式的在超声指纹感测系统中使用的PMUT阵列。

图13示出了根据一些实施方式的通过将用于限定PMUT装置的CMOS逻辑晶片与微机电(MEMS)晶片进行晶片键合而形成的集成指纹传感器。

图14示出了示出了根据一些实施方式的具有相位延迟发射的示例性超声换能器系统。

图15示出了根据一些实施方式的具有相位延迟发射的另一示例性超声换能器系统。

图16示出了根据一些实施方式的用于9×9超声换能器块的示例性相位延迟图案。

图17示出了根据一些实施方式的9×9超声换能器块的另一示例性相位延迟图案。

图18A示出了根据一些实施方式的用于感测人类触摸的操作环境的示例。

图18B示出了根据各种实施方式的示例性指纹传感器。

图19示出了根据一些实施方式的在与二维超声换能器阵列相关联的手指检测模式的第一阶段中的示例性操作。

图20示出了根据实施方式的针对手指检测模式的第一阶段的示例性占空比时间线2000。

图21示出了根据各种实施方式的针对手指检测模式的第一阶段的阈值处理的示例。

图22示出了根据一些实施方式的在与二维超声换能器阵列相关联的手指检测模式的第二阶段中的示例性操作。

图23示出了根据实施方式的针对手指检测模式的第二阶段的示例性占空比时间线2300。

图24示出了根据各种实施方式的针对手指检测模式的第二阶段的阈值处理的示例。

图25A至图25D示出了根据各种实施方式的针对手指检测模式的第二阶段的阈值处理的另一示例。

图26至图28示出了根据各种实施方式的用于对由超声换能器构成的指纹传感器进行操作的示例性方法的流程图。

具体实施方式

以下具体实施方式仅通过示例而非限制的方式提供。此外，无意受前面的背景技术中或以下的具体实施方式中提出的任何明确的或暗指的理论的约束。

现在将详细参照本主题的各种实施方式，其示例在附图中示出。虽然本文论述了各种实施方式，但是应当理解的是，并不旨在限于这些实施方式。相反，所呈现的实施方式旨在覆盖替代方案、改型和等同方案，这些替代方案、改型和等同方案可以包括在如由所附权利要求限定的各种实施方式的精神和范围内。此外，在该具体实施方式中，阐述了许多具体细节以提供对本主题的各实施方式的透彻理解。然而，也可以在没有这些具体细节的情况下实施各实施方式。在其他情况下，并未详细地描述公知的方法、公知的过程、公知的部件以及公知的电路，以免不必要地模糊所描述的实施方式的方面。

论述概述

接下来的详细描述的一些部分是根据对电气设备内的数据的操作的过程、逻辑块、处理和其他符号表示来呈现的。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将他们工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的手段。在本申请中，过程、逻辑块、处理等被设想为是促成期望结果的一个或更多个自洽过程或指令。过程是那些需要物理操纵物理量的过程。通常，尽管不是必须的，但是这些量采取能够由电子设备发射和接收的声学(例如，超声波)信号的形式和/或采取能够在电气设备中被存储、传送、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。

然而，应该记住的是，所有这些和类似术语都与适当的物理量相关联，并且所有这些和类似术语仅仅是应用于这些量的方便标签。除非从以下论述中明确地另外说明，否则应当理解的是，在整个实施方式的描述中，利用诸如“致动”、“检测”、“确定”、“捕获”、“感测”、“生成”“成像”、“执行”、“比较”、“更新”、“发射”、“进入”等术语的论述指电子设备比如电气设备或超声传感器的动作和过程。

可以在驻留在由一个或更多个计算机或其他设备执行的某种形式的非暂时性处理器可读介质比如程序模块上的处理器可执行指令的通常含义下对本文中所描述的实施方式进行论述。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。在各种实施方式中，可以根据需要组合或分发程序模块的功能。

在附图中，单个块可以被描述为执行一个或多个功能，然而，在实际实践中，由该块执行的一个功能或多个功能可以在单个部件中执行或跨多个部件执行，并且或者由该块执行的一个功能或多个功能可以使用硬件、使用软件、或者使用硬件和软件的组合来执行。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经在其功能方面一般性地描述了各种说明性的部件、块、模块、逻辑、电路和步骤。将此功能实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同的方式实现所描述的功能，但是这种实现决策不应被解释为导致脱离本公开的范围。此外，本文中所描述的示例性指纹感测系统和/或移动电子设备可以包括除了示出的那些部件之外的部件，包括公知的部件。

除非明确地描述为以特定方式实施，否则本文中所描述的各种技术可以用硬件、软件、固件或其任意组合来实现。描述为模块或部件的任何特征也可以在集成逻辑设备中一起实现，或者作为离散但可互操作的逻辑设备单独实现。如果以软件实施，则所述技术可以至少部分地由包含指令的非暂时性处理器可读存储介质来实现，所述指令在被执行时执行本文中所描述的方法中的一种或更多种方法。非暂时性处理器可读数据存储介质可以形成计算机程序产品的一部分，该计算机程序产品可以包括封装材料。

非暂时性处理器可读存储介质可以包括：随机存取存储器(RAM)比如同步动态随机存取存储器(SDRAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存，其他已知的存储介质等。附加地或替代性地，所述技术可以至少部分地由处理器可读通信介质来实现，该处理器可读通信介质以指令或数据结构的形式承载或传送代码并且可以由计算机或其他处理器访问、读取和/或执行。

本文中所描述的各种实施方式可以由一个或更多个处理器执行，所述一个或更多个处理器比如为一个或更多个运动处理单元(MPU)、传感器处理单元(SPU)、主处理器或其核、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器(PLC)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)、分立栅极或晶体管逻辑、分立硬件部件、或其设计成用于执行本文中所描述的功能的任意组合、或其他等效的集成或离散逻辑电路。本文中所使用的术语“处理器”可以指任何前述结构或适合于实现本文所述技术的任何其他结构。如在本说明书中所采用的，术语“处理器”可以指基本上任何计算处理单元或设备，计算处理单元或设备包括但不限于包括单核处理器；具有软件多线程执行能力的单处理器；多核处理器；具有软件多线程执行能力的多核处理器；具有硬件多线程技术的多核处理器；并行平台；以及具有分布式共享内存的并行平台。此外，处理器可以利用纳米级架构——比如但不限于基于分子和量子点的晶体管、开关和门——以优化空间使用或增强用户装备的性能。处理器也可以实现为计算处理单元的组合。

另外，在一些方面，可以在如本文所述配置的专用软件模块或硬件模块内提供本文中所描述的功能。此外，这些技术可以在一个或更多个电路或逻辑元件中完全实现。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如SPU/MPU和微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或更多个微处理器结合SPU核、MPU核或任何其他这样的配置。

讨论概述

论述始于根据各种实施方式的示例性压电微机械超声换能器(PMUT)的描述。然后对包括PMUT装置的示例性阵列进行描述。然后对示例性超声换能器阵列(例如，PMUT装置)的示例性操作进行进一步描述，所述示例性操作包括使用多个PMUT装置来形成用于捕获像素的光束。然后，对指纹传感器的示例以及与使用指纹传感器有关的操作进行描述。

本文中所描述的实施方式涉及操作二维超声换能器阵列的方法。当诸如PMUT装置的超声换能器发射超声信号时，超声信号通常不作为直线发射。相反，超声波信号将传输至更宽的区域。例如，当行进通过传输介质时，超声波信号将衍射，因而发射至广泛的区域。

本文中所描述的实施方式提供了指纹感测系统，该指纹感测系统包括用于感测指纹的超声换能器阵列。为了准确地感测指纹，期望的是感测指纹的高分辨率图像。通过使用多个超声换能器，所述多个超声换能器中的一些超声换能器相对于其他超声换能器是时间延迟的，本文中所描述的实施方式提供了将超声信号的发射波束(例如，形成波束)聚焦至期望点，从而实现了指纹或其他物体的高分辨率感测。例如，从多个PMUT发射超声信号——其中一些PMUT相对于其他PMUT以时间延迟发射——提供了将超声波束聚焦至指纹感测系统(例如，压板层的顶部)的接触点，以用于感测与发射PMUT相关联的像素的高分辨率图像。

本文中所描述的实施方式还提供了用于在电子设备内操作的指纹传感器的手指检测模式的实现。在一个实施方式中，指纹传感器包括PMUT装置阵列。手指检测模式可操作成识别手指是否与指纹传感器交互并且使得指纹传感器能够在始终开启状态下操作，同时降低了指纹传感器的功耗。在所描述的实施方式中，手指检测模式可以在一个或更多个阶段中操作，以检测手指是否已经与指纹传感器交互。如果确定出手指已经与指纹传感器交互，则指纹传感器可以完全通电以捕获指纹的完整图像进而供进一步处理。替代性地，如果确定出除了手指之外的某些东西已经与指纹传感器交互，则指纹传感器可以保持处于低功率手指检测模式(例如，始终开启状态)。

压电微机械超声换能器(PMUT)

在一个或更多个方面中，本文中所公开的系统和方法提供用于声换能器(例如，压电微机械致动换能器或PMUT)的有效结构。现在参照附图对一个或更多个实施方式进行描述，其中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，出于说明的目的，阐述了许多具体细节以便提供对各种实施方式的透彻理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种实施方式。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和装置，以便于更详细地描述各实施方式。

如在本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中能够清楚，否则“X采用A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X采用A、X采用B、或者X采用A和B两者，则在任何前述情况下均满足“X采用A或B”。另外，本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应理解为表示“一个或更多个”，除非另有说明或从上下文清楚地指向单数形式。另外，词语“耦接”在本文中用于表示直接或间接的电或机械耦接。另外，词语“示例”在本文中用于表示用作示例、实例或图示。

图1是示出了根据一些实施方式的具有中心用销固定的膜的PMUT装置100的图。PMUT装置100包括内部用销固定的膜120，该内部用销固定的膜120定位在基板140上方，以限定腔130。在一个实施方式中，膜120附接至周围边缘支承件102和内部支承件104。在一个实施方式中，边缘支承件102连接至电势。边缘支承件102和内部支承件104可以由导电材料制成，所述导电材料比如但不限于铝、钼或钛。边缘支承件102和内部支承件104也可以由介电材料——比如二氧化硅、氮化硅或氧化铝——制成，所述介电材料在通过边缘支承件102或内部支承件104的侧面或通孔中具有电连接，并且所述介电材料将下电极106电耦接至基板140中的电布线。

在一个实施方式中，边缘支承件102和内部支承件104两者都附接至基板140。在各种实施方式中，基板140可以包括硅或氮化硅中的至少一者，但不限于此。应当理解的是，基板140可以包括电布线和连接，比如铝或铜。在一个实施方式中，基板140包括键合至边缘支承件102和内部支承件104的CMOS逻辑晶片。在一个实施方式中，膜120包括多层。在示例性实施方式中，膜120包括下电极106、压电层110和上电极108，其中，下电极106和上电极108耦接至压电层110的相对侧。如示出的，下电极106耦接至压电层110的下表面，并且上电极108耦接至压电层110的上表面。应当理解的是，在各种实施方式中，PMUT装置100是微机电(MEMS)装置。

在一个实施方式中，膜120还包括用以对层进行机械地加强的机械支承层112(例如，加强层)。在各种实施方式中，机械支承层112可以包括硅、氧化硅、氮化硅、铝、钼、钛等中的至少一者，但不限于此。在一个实施方式中，PMUT装置100还包括声学耦接层114，该声学耦接层114位于膜120上方用于支持声学信号的传输。应当理解的是，声学耦接层可以包括空气、液体、凝胶状材料、环氧树脂或用于支持声学信号的传输的其他材料。在一个实施方式中，PMUT装置100还包括压板层116，该压板层116位于声学耦接层114上方，用于容纳声学耦接层114并且为PMUT装置100提供手指或其他感测对象的接触表面。应当理解的是，在各种实施方式中，声学耦接层114提供接触表面，使得压板层116是可选的。此外，应当理解的是，声学耦接层114和/或压板层116可以包括在多个PMUT装置中或与多个PMUT装置结合使用。例如，PMUT装置阵列可以与单个声学耦接层114和/或压板层116耦接。

图2是示出了根据一些实施方式的在PMUT装置100的启动期间膜移动的示例的图。如图2所示，在操作中，响应于靠近压板层116的对象，电极106和电极108将高频电荷传递至压电层110，从而使膜120的未用销固定至周围边缘支承件102或内部支承件104的那些部分向上移位到声学耦接层114中。这将产生可以用于对象的信号探测的压力波。返回回波可以被检测为引起膜运动的压力波，其中，压电材料在膜中的压缩引起与压力波的振幅成比例的电信号。

所描述的PMUT装置100可以与几乎任何将压力波转换成机械振动和/或电信号的电气设备一起使用。在一个方面，PMUT装置100可以包括产生和感测超声波的声学感测元件(例如，压电元件)。生成的声波的路径中的对象可以产生随后可以被感测的干扰(例如，频率或相位、反射信号、回声等的变化)。可以分析干扰以确定物理参数，比如(但不限于)对象的距离、密度和/或速度。作为示例，PMUT装置100可以用于各种应用中，所述各种应用比如但不限于适用于无线设备工业系统、汽车系统、机器人、通信设备、安全设施、医疗设备等的指纹传感器或者生理传感器。例如，PMUT装置100可以是传感器阵列的一部分，其包括各种逻辑电子设备、控制电子设备和通信电子设备以及沉积在晶片上的多个超声换能器。传感器阵列可以包括同质或相同的PMUT装置100、或许多不同或异构的装置结构。

在各种实施方式中，PMUT装置100采用压电层110，压电层110由比如但不限于氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、石英、聚偏二氟乙烯(PVDF)和/或氧化锌的材料构成，以促进声学信号的产生和感测。压电层110可以在机械应力下产生电荷，并且相反地在存在电场的情况下经历机械应变。例如，压电层110可以感测由超声信号引起的机械振动并且以振动的频率(例如，超声频率)产生电荷。附加地，压电层110可以通过以可以与由施加在压电层110上的交流(AC)电压产生的输入电流相同的频率(例如，超声频率)的振荡方式振动来产生超声波。应当理解的是，压电层110可以包括几乎任何具有压电特性的材料(或材料的组合)，使得材料的结构不具有对称中心，并且施加至材料的拉伸或压缩应力会改变电池中正电荷位置与负电荷位置之间的分离，从而导致材料表面的极化。极化与施加的应力成正比，并且极化取决于方向，使得压缩应力和拉伸应力导致相反极化的电场。

此外，PMUT装置100包括向压电层110供给电荷和/或从压电层110收集电荷的电极106和电极108。应当理解的是，电极106和电极108可以是连续电极和/或图案化电极(例如，在连续层和/或图案化层中)。例如，如示出的，电极106是图案化电极，并且电极108是连续电极。作为示例，电极106和电极108可以由几乎任何金属层——比如但不限于铝(Al)/钛(Ti)、钼(Mo)等——构成，电极106和电极108与压电层110的相对侧耦接并且位于压电层110的相对侧上。在一个实施方式中，PMUT装置还包括第三电极，如图10所示和如下所述。

根据实施方式，声学耦接层114的声阻抗被选择为类似于压板层116的声阻抗，使得声波通过声学耦接层114和压板层116有效地传播至膜120或从膜120有效地传播。作为示例，压板层116可以包括具有0.8MRayl至4MRayl范围内的声阻抗的各种材料，所述各种材料比如但不限于塑料、树脂、橡胶、特氟隆、环氧树脂等。在另一示例中，压板层116可以包括具有高声阻抗(例如，大于10MRayl的声阻抗)的各种材料，所述各种材料比如但不限于玻璃、铝基合金、蓝宝石等。通常，可以基于传感器的应用来选择压板层116。例如，在指纹识别应用中，压板层116可以具有与人体皮肤的声阻抗(例如，1.6×106Rayl)相匹配(例如，精确地或近似地)的声阻抗。此外，在一个方面，压板层116还可以包括薄的抗刮擦材料层。在各种实施方式中，压板层116的抗刮擦层小于待产生和/或感测的声波的波长，以在声波传播期间提供最小干扰。作为示例，抗刮擦层可以包括各种硬且耐刮擦的材料(例如，莫氏硬度超过7的莫氏硬度)，所述材料比如但不限于蓝宝石、玻璃、MN、氮化钛(TiN)、碳化硅(SiC)、金刚石等。作为示例，PMUT装置100可以以20MHz操作，并且因此通过声学耦接层114和压板层116传播的声波的波长可以是70微米至150微米。在该示例性场景中，通过利用厚度为1微米的抗刮擦层和整体厚度为1毫米至2毫米的压板层116，可以减少插入损耗并且可以提高声波传播效率。应当指出的是，本文中所使用的术语“抗刮擦材料”涉及耐刮擦和/或防刮擦的材料并且提供防刮擦标记的实质性保护。

根据各种实施方式，PMUT装置100可以包括图案化的金属层(例如，铝(Al)/钛(Ti)、钼(Mo)等)以形成特定形状(例如，环形、圆形、方形、八边形、六边形等)的电极106，金属层与膜120限定在平面中。电极可以放置在膜120的最大应变区域处，或者放置在靠近周围边缘支承件102和内部支承件104中的任一者或两者处。此外，在一个示例中，电极108可以形成为连续层，从而提供与机械支承层112相接触的接地平面，机械支承层112可以由硅或其他合适的机械加强材料形成。在其他实施方式中，电极106可以沿着内部支承件104布线，从而与沿着边缘支承件102布线相比有利地减小了寄生电容。

例如，当致动电压施加至电极时，膜120将变形并移出平面。然后，该运动推动与其相接触的声学耦接层114，并且产生了声学波(超声波)。通常，在腔130内存在真空，因此可以忽略由腔130内的介质产生的阻尼。然而，膜120的另一侧上的声学耦接层114可以基本上改变PMUT装置100的阻尼。例如，当PMUT装置100在具有大气压力的空气中操作时(例如，声学耦接层114是空气)，可以观察到大于20的品质因数，并且如果PMUT装置100在水中操作时(例如，声学耦接层114是水)，则可以观察到降低到低于2的品质因数。

图3是图1的PMUT装置100的俯视图，该PMUT装置100呈大致方形形状，其部分地对应于沿着图3中的虚线101的横截面。示出了周围边缘支承件102、内部支承件104和下电极106的布局，其中，未示出其他连续层。应当理解的是，术语“大致方形形状”中的“大致”旨在表达PMUT装置100呈大致方形，从而使得能够发生因制造工艺和公差引起的变化，并且与方形形状略有偏差(例如，圆角、略微摇摆的线、与完全正交的角或交叉点的偏差等)可以存在于制造的装置中。虽然示出了大致方形布置的PMUT装置，但是可以想到包括矩形、六边形、八边形、圆形或椭圆形的替代实施方式。在其他实施方式中，可以使用包括不规则和非对称布局的更复杂的电极或PMUT装置的形状，比如用于边缘支承件和电极的人字形或五边形。

图4是示出了图1至图3中示出的PMUT装置100的膜120的最大竖向移位的模拟地形图400。如所指出的，最大移位通常沿着下电极的中心轴线发生，其中，拐角区域具有最大移位。与其他图一样，出于说明的目的，图4未按比例绘制，其中，竖向移位被夸大，并且最大竖向移位是水平表面区域的包括PMUT装置100的一部分。在示例性PMUT装置100中，最大竖向移位可以以纳米为单位测量，而单个PMUT装置100的表面区域可以以平方微米测量。

图5是图1的PMUT装置100的另一示例的俯视图，该PMUT装置100呈大致圆形形状，其部分地对应于沿着图5中的虚线101的横截面。示出了周围边缘支承件102、内部支承件104和下部电极106的布局，其中，未示出其他连续层。应当理解的是，术语“大致圆形形状”中的“大致”旨在表达PMUT装置100呈大致圆形，从而使得能够发生因制造工艺和公差引起的变化，并且与圆形形状略有偏差(例如，与中心的径向距离的轻微偏差等)可以存在于制造的装置中。

图6是图1的PMUT装置100的另一示例的俯视图，该PMUT装置100具有大致六边形形状，其部分地对应于沿着图6中的虚线101的横截面。示出了周围边缘支承件102、内部支承件104和下电极106的布局，其中，未示出其他连续层。应当理解的是，术语“大致六边形形状”中的“大致”旨在表达PMUT装置100呈大致六边形，从而实现了因制造工艺和公差引起的变化，并且与六边形形状略有偏差(例如，圆角、略微摇摆的线、与完全正交的角或交叉点的偏差等)可以存在于制造的装置中。

图7示出了由PMUT装置形成的圆形PMUT装置701的示例性二维阵列700，PMUT装置具有与结合图1、图2和图5所论述的圆形形状类似的大致圆形形状。示出了圆形周围边缘支承件702、内部支承件704、和围绕内部支承件704的环状或环形下电极706的布局，而为清楚起见，未示出其他连续层。如示出的，阵列700包括偏移的圆形PMUT装置701的列。应当理解的是，圆形PMUT装置701可以更靠近在一起，使得圆形PMUT装置701的列的边缘重叠。此外，应当理解的是，圆形PMUT装置701可以彼此接触。在各种实施方式中，相邻的圆形PMUT装置701电隔离。在其他实施方式中，多组相邻的圆形PMUT装置701电连接，其中，多组相邻的圆形PMUT装置701电隔离。

图8示出了由PMUT装置形成的方形PMUT装置801的示例性二维阵列800，PMUT装置具有类似于结合图1、图2和图3所论述的方形形状类似的大致方形形状。示出了方形周围边缘支承件802、内部支承件804、和围绕内部支承804的方形下电极806的布局，而为清楚起见，未示出其他连续层。如示出的，阵列800包括成行和成列的方形PMUT装置801的列。应当理解的是，方形PMUT装置801的行或列可以偏移。此外，应当理解的是，方形PMUT装置801可以彼此接触或者间隔开。在各种实施方式中，相邻的方形PMUT装置801电隔离。在其他实施方式中，多组相邻的方形PMUT装置801电连接，其中，多组相邻的方形PMUT装置801电隔离。

图9示出了由PMUT装置形成的六边形PMUT装置901的示例性二维阵列900，PMUT装置具有与结合图1、图2和图6所论述的六边形形状类似的大致六边形形状。示出了六边形周围边缘支承件902、内部支承件904、和围绕内部支承件904的六边形下电极906的布局，而为清楚起见，未示出其他连续层。应当理解的是，六边形PMUT装置901的行或列可以偏移。此外，应当理解的是，六边形PMUT装置901可以彼此接触或者间隔开。在各种实施方式中，相邻的六边形PMUT装置901电隔离。在其他实施方式中，多组相邻的六边形PMUT装置901电连接，其中，多组相邻的六边形PMUT装置901电隔离。而图7、图8和图9示出了具有不同形状的PMUT装置的示例性布局，应当理解的是，可以使用许多不同的布局。此外，根据各种实施方式，PMUT装置阵列包括在MEMS层内。

在操作中，在传输期间，二维阵列中的选择的多组PMUT装置可以传输声学信号(例如，短超声脉冲)，并且在感测期间，二维阵列中的一组有源PMUT装置可以检测到声学信号与对象的干扰(在声波的路径中)。然后，可以分析所接收到的干扰信号(例如，基于来自对象的声学信号的反射、回声等而产生)。作为示例，可以基于干扰信号的频率和/或相位与声学信号的频率和/或相位的比较来确定对象的图像、对象与感测部件的距离、对象的密度、对象的运动等。此外，可以通过显示设备(未示出)进一步分析或呈现所产生的结果。

图10示出了PMUT阵列中的一对示例性PMUT装置1000，其中，每个PMUT均共用至少一个公共边缘支承件1002。如示出的，PMUT装置具有两组标记为1006和1026的独立下电极。这些不同的电极图案实现了PMUT装置1000的反相操作，并且增加了装置操作的灵活性。在一个实施方式中，所述一对PMUT可以是相同的，但是这两个电极可以驱动相同PMUT反相的不同部分(一个收缩，而一个膨胀)，使得PMUT移位变大。虽然为清楚起见，未示出其他连续层，但每个PMUT均还包括上电极(例如，图1的上电极108)。因此，在各种实施方式中，PMUT装置可以包括至少三个电极。

图11A、图11B、图11C和图11D示出了根据各种实施方式的内部支承结构的替代性示例。内部支承结构也可以称为“用销固定的结构”，这是因为内部支承结构操作成将膜用销固定至基板。应当理解的是，内部支承结构可以定位在PMUT装置的腔内的任何位置，并且可以具有任何类型的形状(或各种形状)，并且在PMUT装置内可以存在多于一个的内部支承结构。而图11A、图11B、图11C和图11D示出了内部支承结构的替代性示例，应当理解的是，出于说明的目的，这些示例并不旨在限制PMUT装置的内部支承结构的数量、位置或类型。

例如，内部支承结构不必在PMUT装置区域的中心定位，而是可以非中心地定位在腔内。如图11A所示，内部支承件1104a相对于边缘支承件1102定位在非中心的离轴位置。在其他实施方式中，比如图11B中所看到的，可以使用多个内部支承件1104b。在该实施方式中，一个内部支承件相对于边缘支承件1102居中定位，而多个不同形状和尺寸的内部支承件围绕中心定位的支承件。在其他实施方式中，比如参见图11C和图11D，内部支承件(分别为1104c和1104d)可以接触公共边缘支承件1102。在图11D中示出的实施方式中，内部支承件1104d可以有效地将PMUT装置分成子像素。这将使得能够例如启动较小区域来产生高频超声波，并且利用PMUT装置的较大区域来感测返回的超声回波。应当理解的是，各个用销固定的结构可以组合成阵列。

图12示出了在超声指纹感测系统1250中使用的PMUT阵列的实施方式。指纹感测系统1250可以包括压板1216，人手指1252可以在压板1216上接触。超声信号由PMUT装置阵列1200生成和接收，并且超声信号通过声学耦接层1214和压板1216来回传播。使用直接附接至PMUT装置1200的处理逻辑模块1240(例如，控制逻辑电路)进行信号分析(通过晶片键合或其他合适的技术)。可以理解的是，图12中示出的压板1216和其他元件的尺寸可以根据特定应用而比如图中所示的尺寸大得多(例如，手印的尺寸)或小得多(例如，仅是指尖)。

在用于指纹识别应用的该示例中，人手指1252和处理逻辑模块1240可以基于声学信号与手指上的皮肤的谷和/或脊的干涉的差异来确定描绘手指的表皮层和/或真皮层的图像。此外，处理逻辑模块1240可以将图像与一组已知指纹图像进行比较，以便于识别和/或认证。此外，在一个示例中，如果找到匹配(或实质匹配)，则可以验证用户的身份。在另一示例中，如果找到匹配(或实质匹配)，则可以基于分配给所标识的用户的授权权限来执行命令/操作。在又一示例中，可以授权所识别的用户访问物理位置和/或网络/计算机资源(例如，文档、文件、应用程序等)。

在另一示例中，对于基于手指的应用，手指的移动可以用于光标跟踪/移动应用。在这样的实施方式中，显示屏上的指针或光标可以响应于手指运动来移动。应当指出的是，处理逻辑模块1240可以包括一个或更多个处理器或连接至一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置成至少部分地赋予系统1250的功能。为此，一个或更多个处理器可以执行存储在存储器例如易失性存储器和/或非易失性存储器中的代码指令。

图13示出了根据一些实施方式的通过将限定PMUT装置的CMOS逻辑晶片与MEMS晶片进行晶片键合而形成的集成指纹传感器1300。图13以局部截面图示出了通过将限定PMUT装置的基板1340CMOS逻辑晶片与MEMS晶片进行晶片键合而形成的集成指纹传感器的一个实施方式，该PMUT装置具有公共边缘支承件1302和单独的内部支承件1304。例如，MEMS晶片可以使用铝和锗共晶合金键合至CMOS逻辑晶片，如美国专利No.7,442,570中所描述的那样。PMUT装置1300具有形成在腔1330上方的内部用销固定的膜1320。膜1320附接到周围边缘支承件1302和内部支承件1304两者。膜1320由多层形成。

二维超声换能器阵列的示例性操作

在一个或更多个方面，本文公开的系统和方法提供二维超声换能器阵列(例如，压电微机械致动换能器阵列或PMUT阵列)的操作。现在参考附图描述一个或更多个实施方式，在附图中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，出于说明的目的，阐述了许多具体细节以便提供对各种实施方式的透彻理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种实施方式。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和装置以便于更详细地描述实施方式。

图14示出了根据一些实施方式的具有相位延迟发射的示例性超声换能器系统1400。如所示出的，图14示出了使用具有相位延迟输入1410的一维五元件超声换能器系统1400的超声波束发射及接收。在各种实施方式中，超声换能器系统1400包括具有中心用销固定的膜的PMUT装置(例如，图1的PMUT装置100)。

如所示出的，超声换能器系统1400包括五个超声换能器1402，所述五个超声换能器1402包括压电材料以及用连续加强层1404(例如，机械支承层)覆盖的致动电极。加强层1404接触声学耦接层1406，并且声学耦接层1406又被压板层1408覆盖。在各种实施方式中，加强层1404可以是硅，并且压板层1408由金属、玻璃、蓝宝石或聚碳酸酯或类似的耐用塑料形成。中间定位的声学耦接层1406可以由塑料、环氧树脂或凝胶比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧树脂或其他材料形成。在一个实施方式中，声学耦接层1406的材料的声阻抗被选择成介于层1404和1408的声阻抗之间。在一个实施方式中，声学耦接层1406的材料的声阻抗被选择成接近压板层1408的声阻抗，以减少不需要的声反射并改善超声波束发射及感测。然而，可以使用代替图14所示的材料堆叠件的替代性材料堆叠件，并且可以省去某些层，只要供进行发射的介质以可预测的方式传递信号即可。

在操作中，并且如图14所示，标记有“x”的超声换能器1402被触发以在初始时间处发射超声波。在第二时间处(例如，1纳秒至100纳秒之后)，触发标记有“y”的超声换能器1402。在第三时间处(例如，第二时间之后的1纳秒至100纳秒)，触发标记有“z”的超声换能器1402。在不同时间处发射的超声波干扰导致彼此干扰，从而有效地导致单个高强度波束1420离开压板层1408、接触与压板层1408接触的物体比如手指(未示出)、并且部分地反射回到超声换能器。在一个实施方式中，超声换能器1402从发射模式切换到接收模式，从而使得能够由“z”超声换能器检测任何反射信号1422。换言之，超声换能器1402的相位延迟图案关于高强度波束1420离开压板层1408的焦点对称。

应当理解的是，超声换能器系统1400的超声换能器1402可以用于发射和/或接收超声信号，并且所示实施方式是非限制性示例。然后可以对接收到的信号1422(例如，基于来自接触或接近压板层1408的物体的声信号的反射、回波等而产生)进行分析。作为示例，对象的图像、对象与感测部件的距离、对象的声阻抗、对象的运动等全部可以基于将接收到的干扰信号的频率、振幅、和/或相位与发射的声信号的频率、振幅和/或相位进行比较来确定。此外，可以经由显示装置(未示出)为用户进一步分析或呈现所产生的结果。

图15示出了根据一些实施方式的具有相位延迟发射的另一示例性超声换能器系统1500。如所示出的，图15示出了使用虚拟的二维24元件超声换能器块的超声波束发射及接收，所述超声换能器形成具有相位延迟输入的40元件超声换能器系统1500的子集。在操作中，阵列位置1530(由虚线表示)——阵列位置1530在本文中也被称为虚拟块——包括超声换能器1502的列1520、1522和1524。在初始时间处，触发阵列位置1530的列1520和1524以在初始时间处发射超声波。在第二时间处(例如，几纳秒之后)，触发阵列位置1530的列1522。超声波彼此干涉，大体上导致发出以列1522为中心的高强度超声波。在一个实施方式中，列1520和1524中的超声换能器1502被关断，同时列1522从发射模式切换到接收模式，从而使得能够检测任何反射信号。

在一个实施方式中，在阵列位置1530的超声换能器1502致动之后，以类似于对阵列位置1530的前述描述中所描述的方式触发由超声换能器1502的列1524、1526和1528构成的另一阵列位置1532的超声换能器1202。在一个实施方式中，在阵列位置1530的列1522处检测到反射超声信号之后，另一阵列位置1532的超声换能器1502致动。应当理解的是，尽管示出的是阵列位置通过两列超声换能器进行移动，但是可以设想通过一列、三列或更多列向右或向左进行移动，如通过一行或更多行进行的移动，或者通过一些确定数量的行和一些确定数量的列进行移动。在各种实施方式中，连续阵列位置可以部分重叠，或者可以是不同的。在一些实施方式中，阵列位置的大小可以改变。在各种实施方式中，用于发出超声波的阵列位置的超声换能器1502的数目可以大于用于超声波接收的阵列位置的超声换能器1502的数目。在其他实施方式中，阵列位置可以呈正方形、矩形、椭圆形、圆形或更复杂的形状，例如十字形。

图16示出了根据一些实施方式的用于二维超声换能器阵列的9×9超声换能器块1600的超声信号发射的示例性相位延迟图案。如图16中所示，超声换能器阵列中的每个数字等于操作期间使用的纳秒延迟，并且超声换能器块1600中的空元素(例如，无数字)表示超声换能器在操作期间不被致动用于信号发射。在各种实施方式中，超声波振幅对于每个致动的超声换能器可以是相同或相似的，或者可以相对于其他超声换能器选择性地增加或减少。在所示的图案中，初始超声换能器致动局限在超声换能器块1600的角部，在10纳秒之后围绕超声换能器块1600的边缘的大致环(rough ring)被致动。在23纳秒之后，致动超声换能器的内环。二十四个致动的超声换能器一起产生以超声换能器块1600为中心的超声波束。换言之，超声换能器块1600的相位延迟图案关于高强度波束接触物体的焦点对称。

应当理解的是，可以致动超声换能器块1600的不同超声换能器以接收反射超声信号。例如，可以致动超声换能器块1600的中心的3×3超声换能器以接收反射超声信号。在另一示例中，用于发射超声信号的超声换能器也用于接收反射超声信号。在另一示例中，用于接收反射超声信号的超声换能器包括还用于发射超声信号的超声换能器中的至少一个超声换能器。

图17示出了根据一些实施方式的9×9超声换能器块1700的另一示例性相位延迟图案。如图17所示，示例性相位延迟图案利用发射超声换能器的等距间隔。如图16所示，超声换能器阵列中的每个数字等于操作期间使用的纳秒延迟，并且超声换能器块1700中的空元素(例如，无数字)表示超声换能器在操作期间未被致动用于信号发射。在所示实施方式中，初始超声换能器致动局限在超声换能器块1700的角部，11纳秒之后围绕超声换能器块1700的边缘的大致环被致动。在22纳秒之后，致动超声换能器的内环。所示实施方式利用发射超声换能器的等距间隔以减少串扰和发热的问题，其中，每个致动的超声换能器被未致动的超声换能器包围。二十四个致动的超声换能器一起产生以超声换能器块1700为中心的超声波束。

由超声换能器构成的指纹传感器的示例性操作

本文中所描述的各种实施方式提供了用于识别手指是否已被放置在指纹传感器上的手指检测模式。如果在指纹传感器上检测到手指的存在，则在一个实施方式中系统将退出手指检测模式以便捕获指纹图像。本文中所描述的实施方式提供了一种手指检测模式，该手指检测模式使误拒绝的次数最小化并使指纹传感器的功耗最小化。在手指检测模式中，误拒绝被定义为当手指实际上与指纹传感器交互时未能识别出手指存在于传感器上。误拒绝被视为手指检测模式中的灾难性故障，这是因为误拒绝可能会阻止用户打开装置。误接受(例如，指纹传感器在没有手指存在的情况下检测到手指)增加了系统的平均功耗，这是因为即使没有手指存在，指纹传感器和相关联的处理器仍被致动以进行全指纹扫描。因此，使误接受最小化与使功耗最小化有关。

在至少某些实施方式中，本公开认识到并解决了功耗的问题以及缺乏用以对装置处的人类触摸进行感测和分析的功率有效的始终开启方法的问题。为此，本文中所描述的实施方式允许或以其他方式促进对可以通过将低功率检测阶段与全功率分析阶段分离而连续或几乎连续地执行的人类触摸进行感测。检测阶段连续地或几乎连续地实施并且使系统电路能够在低功率检测阶段已确认人类触摸之后执行人类触摸的分析。

低功率检测阶段的实施允许在保持低功耗的同时移除物理致动装置(例如，按钮等)。缺少物理致动装置不会妨碍低功耗并且在感测人类触摸时确实简化了用户-设备交互。虽然参照移动电子设备示出了本公开的实施方式，但是实施方式不限于此方面，并且实施方式可以应用于具有对触摸敏感并允许或以其他方式促进任何设备(移动设备或其他)。这种触敏表面可以体现或可以构成例如指纹传感器。移动设备可以体现在或可以包括消费电子设备(例如，智能手机、便携式游戏设备)、车载设备(比如导航和/或娱乐系统设备)、医疗设备、钥匙(例如，用于锁定和进入建筑物、存储容器、汽车等)等等。

当与常规技术相比时，本文中所描述的实施方式可以提供许多改进。例如，将人类触摸的感测分成低功率、始终开启检测阶段和触发的全功率分析阶段允许连续或几乎连续地感测人类触摸，而不会导致电池耗尽或其他低效率。因此，本文中所描述的实施方式允许移除存在于典型消费电子产品中的物理致动触发器，因而在感测人类触摸的同时简化了用户-设备交互。更具体地，不是例如在开启指纹感测之前要求终端用户提供一些致动触发(比如按下按钮)，而是当检测到人类触摸时连续地实施和触发分析本公开的低功率检测阶段。针对另一示例，考虑到用于人体感测的物理致动装置的移除，本公开的实施方式提供了产品设计的更大灵活性。在一个实施方式中，触摸屏显示装置可以用统一(和固定)屏幕来实施而无需按钮按压部分。这样，触摸屏显示装置可以在为结合本公开的实施方式的产品提供更大的观看区域和更低的制造成本的同时提供对人类触摸的始终开启感测。相反，如果不需要物理触发器，则常规的传感器技术可能会百分之百时间地运行，这将会产生过高的功耗需求。

参照附图，图18A示出了根据本公开的一个或更多个实施方式的用于感测人类触摸的操作环境1800的示例。如示出的，装置1810包括指纹传感器1815或对触摸敏感的其他类型的表面。在一个实施方式中，在装置1810的触摸屏显示装置下面设置有指纹传感器1815。在另一实施方式中，邻近或靠近装置1810的触摸屏显示装置设置有指纹传感器1815。在另一实施方式中，在装置1810的触摸屏显示装置内包括有指纹传感器1815。应当理解的是，装置1810包括指纹传感器1815，以用于感测与装置1810交互的手指的指纹。

在一个实施方式中，人手指(由手1820表示)可以触摸装置1810的接近指纹传感器1815的特定区域或者与该特定区域交互。在各种实施方式中，指纹传感器1815可以是硬的并且不需要包括可移动部件——比如被配置成检测人类触摸或以其他方式使装置1810响应于人类触摸的传感器按钮。装置1810可以包括可以响应于触摸屏显示装置和/或指纹传感器1815(或者，在一些实施方式中，其他类型的触敏表面)的触摸(人或其他)而操作的电路。

根据所描述的实施方式，装置1810包括常开电路1830和系统电路1840。应当理解的是，常开电路1830的部件和系统电路1840的部件可以设置在相同的部件内，并且常开电路1830的部件和系统电路1840的部件在本文中在概念上区分使得常开电路1830包括始终开启或大部分始终开启的部件，系统电路1840包括下述部件：该部件例如响应于从常开电路1830接收到的致动信号而在该部件通电之前被断电。例如，这种电路可以通过总线架构1835(或总线1835)或导电导管操作性地耦接(例如，电耦接、通信耦接等)，该导电导管被配置成允许在常开电路1830与系统电路1840之间交换信号。在一些实施方式中，放置在触摸屏显示装置后面的印刷电路板(PCB)可以包括常开电路1830、系统电路1840和总线1835。在一个实施方式中，常开电路1830和系统电路1840可以配置成或以其他方式布置在单半导体管芯中。在另一实施方式中，常开电路1830可以配置成或以其他方式布置在第一半导体管芯中，并且系统电路1840可以配置或以其他方式布置在第二半导体管芯中。另外，在一些实施方式中，总线1835可以体现在或可以包括连接常开电路1830和系统电路1840的专用导线或专用数据线。

常开电路1830可以操作为用于人类触摸的传感器，并且系统电路1840或其一部分可以允许或以其他方式促进人类触摸的分析。如本文中所描述的，常开电路1830包括指纹传感器1815。例如，指纹传感器1815可以响应于捕获指纹的图像而将捕获的图像发送至系统电路以进行分析。

分析可以包括指纹识别或其他类型的生物识别评估。常开电路1830可以连续地或几乎连续地通电或以其他方式通电，并且可以被配置成监控指纹传感器1815的触摸。另外，响应于人类触摸(例如，由人手指或其他人体部位的触摸)，常开电路1830还可以被配置成触发对与其相关联的人类触摸或人体的元件进行检测和/或另一类型的分析。至少为此，常开电路1830可以被配置成实现手指检测模式的第一阶段(也称为FDMA)。

图18B示出了根据各种实施方式的示例性指纹传感器1815。在一个实施方式中，指纹传感器1815包括超声换能器的阵列1850(例如，PMUT装置)、处理器1860和存储器1870。在各种实施方式中，处理器1860根据存储在存储器1870内的指令执行某些操作。应当理解的是，指纹传感器1815的部件是示例，并且诸如处理器1860和/或存储器1870的某些部件可以不位于指纹传感器1815内。例如，常开电路1830或系统电路1840可以包括用于执行某些操作的处理器和/或存储器。

在一个实施方式中，指纹传感器1815包括用于执行像素捕获的处理器1860。在其他实施方式中，处理器1860可以执行阈值处理以确定出对象是否已经与指纹传感器1815交互。在其他实施方式中，处理器1860可以分析捕获的像素并确定出对象是否是手指。在其他实施方式中，处理器1860可以捕获指纹的图像并将其转发至系统电路1840的处理器以进行进一步分析。

而图18B的实施方式包括如上所述的处理器1860和存储器1870，应当理解的是，处理器1860和存储器1870的各种功能可以驻留在装置1810的其他部件中(例如，在常开电路1830或系统电路1840内)。此外，应当理解的是，处理器1860可以是用于执行所描述的功能的任何部分的任何类型的处理器(例如，定制数字逻辑电路)。

在各种实施方式中，电源可以根据由常开电路1830提供(例如，生成和发送)的触发信号(或其他类型的控制信号)来激励系统电路1840的至少一部分。例如，系统电路1840可以包括可以接收触发信号(例如，控制指令)的功率控制器，并且作为响应可以将系统电路1840的至少一个处理器从省电状态激励至全功率状态。从省电状态转换至全功率状态的至少一个处理器可以执行一个或更多个分析，以便对来自触发触发信号的指纹传感器1815的指纹图像的特征(例如，指纹)进行分析。在各种实施方式中，指纹图像的分析可以包括计算机可访问指令(例如，计算机可读指令和/或计算机可执行指令)，该计算机可访问指令响应于处理器的执行可以允许或以其他方式促进装置1810实现用于指纹识别或分析的定义算法(或过程)。

在各种实施方式中，指纹传感器1815可以包括能够产生和检测压力波的超声换能器(例如，PMUT或电容微机械超声换能器(CMUT))。根据上面的图1至图17描述了PMUT装置和PMUT装置阵列的示例。在实施方式中，装置1810包括指纹传感器1815，指纹传感器1815包括可以促进超声信号生成和感测的PMUT装置阵列(换能器)。例如，指纹传感器1815可以包括具有二维(或一维)超声换能器阵列的硅晶片。

在一个实施方式中，具有PMUT像素阵列的指纹传感器1815包括在常开电路1830内，用以通过读取PMUT像素阵列的始终开启的第一像素子集来检测超声指纹传感器的触摸。响应于使用始终开启的第一像素子集检测触摸，致动第二像素子集以确定触摸是否与人手指相关联。在一个实施方式中，响应于检测到与人手指一致的某事物的触摸，致动第二像素子集。常开电路1830包括响应于确定出触摸与人手指相关联并且触发从第一像素子集的移动以致动第二像素子集的电路，致动第二像素子集包括致动超声指纹传感器中的所有PMUT像素阵列以捕获检测到的手指的指纹图像。

例如，超声电路的使用实现了指纹传感器1815的低功率操作。例如，PMUT阵列可以在第一低功率模式下操作，以通过读取PUMT像素阵列的始终开启第一像素子集来检测超声指纹传感器上的触摸。响应于使用始终开启的第一像素子集检测到触摸，PMUT阵列被切换成通过使用被致动的第二像素子集来在第二低功率模式下操作，以确定触摸是否与人手指相关联。如果检测到指纹的特征比如脊或谷，则PMUT阵列切换到以全功率模式操作。应当理解的是，全功率模式下的致动可以由常开电路1830或系统电路1840实例化。在一个实施方式中，指纹传感器1815阵列的基本上所有PMUT装置用于分析与人手指相关的指纹图像。在完成指纹扫描之后，PMUT阵列可以切换回低功率操作。

图19示出了根据一些实施方式的在与二维超声换能器阵列1900相关联的手指检测模式的第一阶段中的示例性操作。在一个实施方式中，手指检测模式的第一阶段包括致动第一超声换能器子集，用于捕获二维阵列1900的块(例如，块1920)内的单个像素(例如，像素1910)。例如，二维阵列1900包括十二个24×24超声装置块。如示出的，第一阶段包括致动超声换能器的中间八个24×24块1920的超声装置，以用于捕获每个被致动的块内的单个像素。虽然示出的实施方式仅示出了十二个块中的八个被致动的块，并且仅示出了致动的用以捕获致动块内的单个像素的超声换能器，但应当理解的是，可以致动任何数量的块，该像素可以位于块内的任意位置处，并且可以致动任何数量的超声换能器用于捕获任何数量的像素，并且示出的实施方式是许多不同可能性的示例。此外，应当理解的是，二维阵列可以包括任何数量的超声换能器，并且二维阵列可以被分成任意数量的可独立操作的块。此外，如上所述，本文中所描述的实施方式提供了利用多个超声换能器，所述多个超声换能器中的一些超声换能器可以相对于彼此延时，以聚焦发射波束进而捕获图像的像素。

在示出的实施方式中，在手指检测模式的第一阶段中周期性地捕获像素1910。尽管示出了单个像素，但是应当理解的是，可以使用多个像素，这些像素或者组合在一起或者分布在整个阵列中。此外，可以通过致动像素周围的多个PMUT来对每个像素进行成像。当由于存在位于传感器压板(未示出)附近的对象而发生超声波接收强度的显著变化时，电路被致动以将像素阵列切换出第一低功率模式。在一个实施方式中，第一阶段包括以高度负载循环的方式致动阵列中的小像素子集。例如，如示出的，图19中示出的8像素图案被致动。在各种实施方式中，这些像素以50-100个样本/秒的速率操作。在每个发射/接收周期，来自每个像素的信号将与阈值(例如，单个值或偏移加/减范围)进行比较。例如，如果M个或更多个像素上的信号超过单个值，则系统将进入手指检测模式的第二阶段(也称为FDMB)。在另一示例中，如果M个或更多个像素上的信号落在偏移加/减范围之外(其中，“M”是可编程设置)，则系统将进入手指检测模式的第二阶段。否则，系统将保持在手指检测模式的第一阶段。应当理解的是，可以执行许多类型的阈值处理。例如，在另一实施方式中，可以将接收到的信号的总和与阈值进行比较，可以将接收到的信号分成组并与阈值进行比较等。

在各种实施方式中，在手指检测模式的第一阶段期间捕获的像素的位置在手指检测模式的第一阶段期间移动。例如，使用相同的像素可能增加错误读取的可能性，这是因为像素的特征或位置不能指示与阵列的接触或没有接触。此外，由于过度使用阵列的相同超声传感器而可能减少传感器寿命。对阵列的不同像素进行成像可以提高手指检测模式的第一阶段的准确度。

在一些实施方式中，像素选择序列在阵列或阵列块内是随机的。在其他实施方式中，像素选择序列在阵列或阵列块内是确定的。在一些实施方式中，选择连续像素(例如，从左到右并前进到紧邻的下一行像素)。在其他实施方式中，根据预定顺序执行选定像素的排序。在一些实施方式中，在完成像素选择序列之前选择所有像素(例如，在能够再次选择像素之前一次选择每个像素)。应当理解的是，可以使用像素选择序列的任何排序。

在一些实施方式中，像素选择被约束于阵列或块的像素子集。例如，像素选择可以被约束于块的特定区域内的像素。在特定示例中，考虑24×24块超声装置(例如，图19的块1920)。在一个实施方式中，像素选择被约束于块的中间16×16像素。在当前示例中，在重复像素选择序列之前，对16×16块(总共256个像素)的每个像素执行像素选择序列。

如本文所述，手指检测的第一阶段能够操作成确定对象是否已经与指纹传感器接触或与指纹传感器交互。以此方式，如果没有确定对象已经与指纹传感器交互(例如，超声波强度的变化确实超过阈值)，则指纹传感器保持处于手指检测模式的第一阶段。在各种实施方式中，手指检测模式的第一阶段仅致动用于捕获少量像素的超声换能器，因此相对于指纹传感器的完全操作需要低的电量。

图20示出了根据实施方式的用于手指检测模式的第一阶段的示例性占空比时间线2000。如所示出的，指纹传感器为用于捕获特定像素的超声换能器上电，发射(Tx)超声信号，接收(Rx)超声信号，对接收到的超声信号执行模数(ADC)转换，并且将数字信号与存储的阈值进行比较。例如，此过程可能需要1μs至100μs。如果未超过阈值范围，则指纹传感器进入睡眠状态一段时间(例如，10ms至20ms)。重复该循环，直到阈值比较结果为检测到与指纹传感器接触或与指纹传感器交互的对象，如超过阈值范围所指示的。

图21示出了根据各种实施方式的用于手指检测模式的第一阶段的阈值处理2100的示例。在各种实施方式中，阈值在本文中被描述为偏移加/减范围。在其他实施方式中，阈值包括从低阈值到高阈值的范围。如所示出的，示出了对四个示例性像素(像素0、像素1、像素2和像素3)进行的阈值处理。条代表在超声换能器处接收的反射信号。如所示出的，像素0、像素1和像素2的接收信号都落在偏移加/减范围内。例如，针对像素0接收的信号超过偏移0，但落在范围0的范围内。类似地，针对像素1和像素2接收的信号各自分别小于偏移1和偏移2，但仍分别落在范围1和范围2的范围内。然而，针对像素3接收的信号落在范围3的界限之外，表明指纹传感器的至少该部分已经与对象交互。

在各种实施方式中，如果确定针对一个像素接收的信号落在范围之外，则手指检测模式进行到第二阶段。在其他实施方式中，在针对特定数量的像素接收的信号落在阈值范围之外的情况下，手指检测模式进行到第二阶段。例如，在确定三个像素落在阈值范围之外的情况下，则指纹传感器可以被配置成进行到第二阶段。应当理解的是，具有落在阈值范围之外的接收信号的像素的数目是可配置的，并且可以设定任何值。还应当理解的是，其他类型的刺激可以使指纹传感器的信号落在阈值之外。例如，向指纹传感器施加应力(例如，将后袋中的容纳指纹传感器的话机弯折)或热冲击(例如，将容纳指纹传感器的话机掉落在雪中)可能导致信号超过阈值。即使在不同类型的刺激的这些示例中，手指检测模式至少出于更新阈值的目的也将进行到第二阶段。

在一些实施方式中，手指检测的第一阶段能够操作成检测人手指是否已经与指纹传感器交互。例如，诸如丙烯酸、金属、布、尼龙等之类的许多材料的声学特性与影响超声信号的反射强度的人手指明显不同。通过适当地确定阈值，可以确定接触指纹传感器的对象不是手指，从而拒绝由除人体皮肤之外的材料产生的虚假接触。

在参照图22描述的某些实施方式中，手指检测模式切换到第二低功率模式(例如，第二阶段)以确定对象是否是手指。在一个实施方式中，与第一阶段相比，第二阶段具有较大数量的捕获像素以及相关联的功率使用。在其他实施方式中，手指检测模式可以切换到全功率指纹传感器模式，以试图立即检测指纹图像。一旦获得指纹图像，或者如果确定不存在手指，则可以将像素阵列切换回始终开启的第一低功率模式。

图22示出了根据一些实施方式的与二维超声换能器阵列1900相关联的手指检测模式的第二阶段中的示例性操作。在一个实施方式中，手指检测模式的第二阶段包括致动第二超声换能器子集以用于捕获二维阵列1900的块(例如，块1920)内的多个像素(例如，像素2210)。在一个实施方式中，多个像素可以布置在正交矢量中。例如，二维阵列1900包括十二块24×24超声装置。如所示出的，第二阶段包括致动中间八个24×24块超声换能器的超声装置以用于捕获每个致动块内的多个像素。虽然所示实施方式仅示出了十二个块中的八个块被致动，并且仅致动超声换能器以捕获被致动的块内的特定像素，但应当理解的是，可以致动任意数目的块，像素可以位于块内的任何位置处，并且可以致动任意数目的超声换能器以捕获任意数目的像素，并且所示实施方式是许多不同可能性的示例。此外，应当理解的是，二维阵列可以包括任意数目的超声换能器，并且二维阵列可以被分成任意数目的可独立操作的块。此外，如上所述，本文描述的实施方式提供了利用多个超声换能器——所述多个超声换能器中的一些超声换能器可以相对于彼此是延时的——来使发射波束聚集以捕获图像的像素。

在各种实施方式中，在手指检测模式的第二阶段中，捕获二维阵列中的较大像素子集，以便检查指纹特征(例如，脊和谷)的存在。在一些实施方式中，由于指纹特征可能相对于指纹阵列处于任意角度，因而第二阶段中的有源像素将跨越二维阵列的多行和多列。应当理解的是，根据各种实施方式，手指检测模式的第二阶段可以包括多于一个的中间阶段。例如，第二阶段可以包括两个连续的较大像素子集，其中，第一像素子集用于识别一些手指状特征，并且第二像素子集用于识别脊/谷图案。

在所示实施方式中，捕获的像素以正交向量布置。如所示出的，示出了L形像素图案2210，L形像素图案2210包括两个正交取向的十二像素线。在另一实施方式中，正交矢量以十字形像素图案布置。在另一实施方式中，正交矢量可以适应手指检测模式的第二阶段期间的不同布置(例如，十字形像素图案围绕中心像素旋转、在十字形像素图案与L形像素图案之间交替)。应当理解的是，可以使用正交矢量的其他像素图案，包括交叉正交矢量和非交叉正交矢量。该图示实施方式具有足够的尺寸和取向来检测指纹的特征脊或谷，而不管手指或装置的取向如何。尽管示出了由23个总像素组成的L形像素图案，但是应当理解的是，可以使用替代性的像素图案和像素计数，并且多个像素图案可以组合在一起或分布在整个阵列中。在手指检测模式的第二阶段中，采用一个或更多个发射周期和接收周期以确定对象是否具有与手指一致的反射强度，特别是沿线的反射强度是否与指纹脊和谷中的特征间距一致。如果检测到与手指一致的反射图案，则可以切换模式以接通二维阵列的基本上所有的超声换能器，进而对与人手指相关联的生物识别数据——包括皮下层、静脉或动脉位置、以及指纹图像——进行分析。一旦获得指纹图像，或者如果确定不存在手指，则可以将像素阵列切换回始终开启的第一低功率模式。在一个实施方式中，如果未确定存在手指，则用针对该像素的最近接收信号值更新阈值的偏移。

根据各种实施方式，表示像素图案的位置的定位像素用于确定像素图案选择序列。像素图案的定位像素可以是像素图案的任何像素，只要选定定位像素在像素图案内保持恒定即可。在一些实施方式中，在像素图案包括正交矢量的情况下，矢量的交叉像素可以用作定位像素。例如，定位像素可以是十字形像素图案的中心像素或L形像素图案的交叉像素。在其他实施方式中，定位像素可以是由正交矢量限定的块的中心像素，并且可以不包括在正交矢量中(例如，定位像素不需要被成像)。

在一些实施方式中，在像素图案选择序列期间选择连续的定位像素(例如，从左到右并前进到紧邻的下一行像素)。在其他实施方式中，根据预定顺序执行选定定位像素的排序。在一些实施方式中，在完成像素图案选择序列之前，将块/阵列内的所有像素选择为定位像素(例如，在再次选择像素之前一次将每个像素选择为定位像素)。应当理解的是，可以使用像素图案选择序列的任何排序。

在一些实施方式中，执行像素图案选择，使得定位像素被约束于阵列或块的像素子集。例如，定位像素可以被约束于块的特定区域内的像素。在特定示例中，考虑24×24块超声装置(例如，图22的块1920)。在一个实施方式中，定位像素选择被约束于块的中间16×16像素。在当前示例中，在重复像素图案选择序列之前，对作为定位像素(总共256个像素)的16×16块的每个像素执行像素图案选择序列。

图23示出了用于手指检测模式的第二阶段的示例性占空比时间线2300。手指模式检测的第一阶段(例如，FDMA)过渡到手指模式检测的第二阶段(例如，FDMB)。如所示出的，捕获反射的超声波可能需要一系列成对的发射(Tx)周期和接收(Rx)周期。在每个信号对之间，发生模数转换(ADC)，并且发送结果以用于进一步的数字处理。该捕获循环可以重复多次(例如，10至40个捕获循环)。

在捕获第二阶段的像素之后，处理所接收的数据以识别指纹的特征。在一个实施方式中，对所接收的数据进行分析以识别扫描的行和列中是否存在脊-谷-脊或谷-脊-谷图案。如果不存在这些图案，则系统将返回到手指检测模式的第一阶段(例如，FDMA)。在这种情况下，系统可以更新第一阶段的手指检测模式阈值以避免相同刺激再次进入手指检测模式的第二阶段。这可以防止系统在没有手指的情况下在第一阶段与第二阶段之间来回切换。如果在手指检测模式的第二阶段中识别出脊/谷图案，则系统将退出手指检测模式并进行至全指纹捕获。

在各种实施方式中，手指检测模式的第二阶段的捕获数据被分成像素组。图24示出了根据各种实施方式的用于手指检测模式的第二阶段的阈值处理2400的示例。在图22的示例中有16组：8个行组和8个列组。每组包括12个像素。在一个示例中，检测给定像素组内的脊-谷图案如下进行：

1.减去像素组的平均值，

2.将结果与±范围值进行比较，

a.如果没有像素在±范围之外，则没有检测到脊/谷图案。结束对该组像素的处理，

b.否则，进行到步骤3，

3.将每个像素值的值截断为单个位(例如，如果高于平均值则为“1”，如果低于平均值则为“0”)，

4.检查包含x“00”x“11”x“00”x或x“11”x“00”x“11”x的图案，其中，‘x’对应于任意数目的0或1(包含无)，

a.如果两个图案都不匹配，则在该像素组中没有检测到脊/谷图案，

b.如果至少一个图案匹配，则检测到脊/谷图案。

在手指检测模式扫描的第二阶段中对每个像素组执行该过程，以确定有多少组包含脊/谷图案。如果包含脊/谷图案的像素组的数目等于或超过目标计数值“N”，则系统将进行至捕获模式。否则，系统可以将第一阶段的手指检测模式阈值偏移更新为等于第一阶段的手指检测模式扫描结果并返回到手指检测模式的第一阶段。

在另一实施方式中，对相邻像素值执行异或(XOR)运算以识别指纹的特征。在一个实施方式中，在手指检测模式的第二阶段中，对每个元素和其旁边的元素执行XOR运算以检测是否存在“脊-谷”或“谷-脊”转变(例如，XOR(1,0)＝1，XOR(0,1)＝1)。例如，值0表示信号低于阈值(脊)，并且值1表示信号高于阈值(谷)，以下图案表示两个转变：

0000011111100000

在一个实施方式中，执行“去尖峰”运算。当对比噪声比(CNR)较低时，去尖峰运算消除了由噪声引起的脊-谷尖峰的错误指示。例如，以下图案包括错误的转变指示：

0101000111011100010100

在该示例中，前七个值“0101000”和最后八个值“00010100”指示实际的脊，并且中间七个值“1110111”指示实际的谷。然而，由于噪声，在脊内存在随机的“1”并且在谷内存在随机的“0”。通过将包含“010”和“101”的任何图案变为包含“000”和“111”，去尖峰运算移除随机的“1”和随机的“0”。执行去尖峰运算之后，图案将变为：

0000000111111100000000

在各种实施方式中，在块内，设定阈值以确定有多少块通过测试。例如，8个块中的4个块可以具有多于2个的“XOR＝1”。将在所有块中确定所有“XOR＝1”的总和(例如，和值等于X)，将X与全局阈值Y进行比较以确定X是否大于Y。如果X大于Y，则确定识别出指纹的特征。

图25A至图25D示出了根据各种实施方式的手指检测模式的第二阶段的阈值处理的另一示例。在各种实施方式中，捕获像素的正交矢量以检测指示指纹图像的脊和谷。在一个实施方式中，正交矢量以十字形像素图案布置。在另一实施方式中，正交矢量以L形像素图案布置。应当理解的是，可以使用正交矢量的其他像素图案，包括交叉正交矢量和非交叉正交矢量。

如图25A所示，在阈值范围内的平均强度水平之外检测每个正交矢量的脊和谷。如图25B所示，手指的竖向轮廓可能由于超声换能器阵列上的高手指压力而变得扁平，其中，手指的脊被压缩。点2510a和2510b指示曲线(例如，像素值)超过指示上升沿转变的平均加阈值，并且点2510c和2510d指示曲线下降到低于平均值减阈值。在一个实施方式中，为了检测和测量脊到脊的尺寸，计算点2510a和2510b之间的周期。只有在点2510a和2510b之间检测到平均减阈值以下的点时才确定脊到脊的尺寸。如所示出的，点2510d满足该要求。图25C示出了图25A和图25B的重叠曲线。

图25D示出了手指用低压力推压指纹传感器的示例。点2520a和2520b指示曲线(例如，像素值)超过指示上升沿转变的平均加阈值，并且点2520c和2520d指示曲线降低到低于平均值减阈值。在一个实施方式中，为了检测和测量脊到脊的尺寸，计算点2520a和2520b之间的周期。只有在点2520a和2520b之间检测到平均减阈值以下的点时才确定脊到脊的尺寸。如所示出的，点2520c满足该要求。图25A至图25D描述了示例性阈值处理，其中，可以独立于手指压力检测指示指纹的图案。

图26至图28示出了根据各种实施方式的用于操作包括超声换能器的指纹传感器的示例性方法的流程图。将参考本文描述的各种图的元件和/或部件来描述该方法的过程。应当理解的是，在一些实施方式中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行步骤，可以不执行所描述的步骤中的一些步骤，以及/或者可以执行除所描述的步骤之外的一个或更多个另外的步骤。流程图包括一些步骤，在各种实施方式中，这些步骤由一个或更多个处理器在存储于非暂时性计算机可读存储介质上的计算机可读且计算机可执行的指令的控制下执行。还应理解的是，流程图中描述的一个或更多个步骤可以用硬件或硬件与固件和/或软件的组合来实现。

参照图26，在流程图2600的步骤2610处，致动指纹传感器(例如，指纹传感器1815)的第一超声换能器子集，其中，第一超声换能器子集用于检测对象与指纹传感器之间的交互。在一个实施方式中，超声换能器是PMUT装置。在一个实施方式中，周期性地执行步骤2610，直到检测到对象与指纹传感器之间的交互为止。

参照图27，示出了流程图2700，图27中描述了步骤2610的实施方式。在一个实施方式中，如步骤2710所示，使用第一超声换能器子集捕获像素(例如，像素1910)。在多个超声换能器被布置成多个块的一个实施方式中，捕获多个块中的至少两个块(例如，块1920)的像素。在步骤2720中，将像素的信号与阈值进行比较。在一个实施方式中，阈值包括偏移和范围。在步骤2730中，只要信号在阈值之外，则确定检测到对象与指纹传感器之间的交互。

参照图26，在步骤2615中，确定是否已经检测到对象与指纹传感器之间的交互。只要未检测到对象与指纹传感器之间的交互，则根据一个实施方式，流程图2600进行到步骤2620。在步骤2620中，指纹传感器进入休眠模式达预定时间(例如，10ms至20ms)。在预定时间之后，流程图2600进行到步骤2610。

参考步骤2615，检测到随后的对象与指纹传感器之间的交互，流程图2600进行到步骤2630。在步骤2630中，指纹传感器的第二超声换能器子集，其中第二超声换能器子集用于确定对象是否是人手指，其中，第二超声换能器子集与第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器。

参照图28，示出了流程图2800，图28中描述了步骤2630的实施方式。在一个实施方式中，如步骤2810所示，捕获被布置成检测对象上的指纹的特征的多个像素(例如，像素2210)。在一个实施方式中，多个像素以正交矢量布置。在一个实施方式中，正交矢量以L形像素图案布置。在另一实施方式中，正交矢量以十字形像素图案布置。在另一实施方式中，正交矢量可以适应手指检测模式的第二阶段期间的不同布置(例如，十字形像素图案围绕中心像素旋转、在十字形像素图案与L形像素图案之间交替)。应当理解的是，可以使用正交矢量的其他像素图案，包括交叉正交矢量和非交叉正交矢量。在多个超声换能器被布置成多个块的一个实施方式中，针对多个块中的一个块捕获像素的正交矢量。在步骤2820中，确定多个像素是否包括指纹的特征。在一个实施方式中，如步骤2830所示，确定多个像素是否指示脊/谷图案。在步骤2840中，只要多个像素包括指纹的特征，则确定对象是人手指。

参照图26，在步骤2635，确定对象是否是手指。只要对象不是手指，则根据一个实施方式，流程图2600进行到步骤2640。在步骤2640中，基于该信号更新阈值。在一个实施方式中，更新阈值的偏移。在一个实施方式中，流程图2600接着进行到步骤2620。在另一实施方式中，流程图2600接着进行到步骤2610。

在一个实施方式中，只要确定对象是手指，则流程图2600进行到步骤2645。在步骤2645中，捕获手指的指纹的图像。在一个实施方式中，如步骤2650所示，指纹的图像被发射到主处理器。在一个实施方式中，流程图2600接着进行到步骤2620。在另一实施方式中，流程图2600接着进行到步骤2610。

作为简短总结，本文公开了至少下列广泛的概念。

概念1.一种用于操作包括多个超声换能器的指纹传感器的方法，所述方法包括：

致动指纹传感器的第一超声换能器子集，所述第一超声换能器子集用于检测对象与所述指纹传感器之间的交互；以及

在检测对象与所述指纹传感器之间的交互之后，致动所述指纹传感器的第二超声换能器子集，所述第二超声换能器子集用于确定所述对象是否是人手指，其中，所述第二超声换能器子集与所述第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器。

概念2.根据概念1所述的方法，还包括：

响应于确定所述对象是人手指，捕获所述手指的指纹的图像。

概念3.根据概念2所述的方法，还包括：

将所述指纹的所述图像发送到主处理器。

概念4.根据概念3所述的方法，还包括：

响应于将所述指纹的所述图像发送到所述主处理器，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

概念5.根据概念1所述的方法，其中，所述超声换能器是压电微机械超声换能器(PMUT)装置。

概念6.根据概念1所述的方法，还包括：

响应于未检测到对象与所述指纹传感器之间的交互，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

概念7.根据概念6所述的方法，其中，周期性地执行对所述指纹传感器的第一超声换能器子集的致动，直到检测到对象与所述指纹传感器之间的交互为止。

概念8.根据概念1所述的方法，其中，对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动包括：

使用所述第一超声换能器子集捕获像素；

将所述像素的信号与阈值进行比较；以及

只要所述信号在所述阈值之外，则确定检测到对象与所述指纹传感器之间的交互。

概念9.根据概念8所述的方法，其中，所述多个超声换能器被布置成多个块，并且其中，使用所述第一超声换能器子集捕获像素包括：

捕获针对所述多个块中的至少两个块的像素。

概念10.根据概念8所述的方法，其中，所述阈值包括偏移和范围。

概念11.根据概念10所述的方法，还包括：

响应于确定所述对象不是人手指，用所述信号更新所述阈值的所述偏移。

概念12.根据概念1所述的方法，其中，对所述指纹传感器的所述第二超声换能器子集进行致动包括：

捕获多个像素，所述多个像素被布置成检测所述对象上的指纹的特征；

确定所述多个像素是否包括指纹的特征；以及

只要所述多个像素包括指纹的特征，则确定所述对象是人手指。

概念13.根据概念12所述的方法，其中，所述多个像素以正交矢量布置。

概念14.根据概念12所述的方法，其中，所述多个超声换能器被布置成多个块，并且其中，捕获被布置成检测所述对象上的指纹的特征的所述多个像素包括：

捕获针对所述多个块中的至少一个块的像素的正交矢量。

概念15.根据概念12所述的方法，其中，确定所述多个像素是否包括指纹的特征包括：

确定所述多个像素是否指示脊/谷图案。

概念16.一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在一个或更多个数据处理器上执行时使所述一个或更多个数据处理器执行用于操作包括多个超声换能器的指纹传感器的方法，所述方法包括：

致动所述指纹传感器的第一超声换能器子集，所述第一超声换能器子集用于检测对象与所述指纹传感器之间的交互；

在检测到对象与所述指纹传感器之间的交互之后，致动所述指纹传感器的第二超声换能器子集，所述第二超声换能器子集用于确定所述对象是否是人手指，其中，所述第二超声换能器子集与所述第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器。

概念17.根据概念16所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于确定所述对象是人手指，捕获所述手指的指纹的图像。

概念18.根据概念17所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于将所述指纹的所述图像发送到主处理器，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

概念19.根据概念16所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于未检测到对象与所述指纹传感器之间的交互，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

概念20.根据概念16所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，致动所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集包括：

使用所述第一超声换能器子集捕获像素；

将所述像素的信号与阈值进行比较；以及

只要所述信号在阈值之外，则确定检测到对象与所述指纹传感器之间的交互。

概念21.根据概念20所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于确定所述对象不是人手指，基于所述信号更新所述阈值。

概念22.根据概念16所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，对所述指纹传感器的所述第二超声换能器子集的致动包括：

捕获被布置成检测所述对象上的指纹的特征的多个像素，其中，所述多个像素以正交矢量布置；

确定所述多个像素是否包括指纹的特征；以及

只要所述多个像素包括指纹的特征，则确定所述对象是人手指。

概念23.一种指纹传感器，包括：

多个超声换能器；

存储器；以及

处理器，所述处理器耦接至所述存储器和所述多个超声换能器，所述处理器被配置成：

致动所述多个超声换能器的第一超声换能器子集，所述第一超声换能器子集用于检测对象与所述指纹传感器之间的交互；

在检测到对象与所述指纹传感器之间的交互之后，致动所述指纹传感器的所述多个超声换能器的第二超声换能器子集，所述第二超声换能器子集用于确定所述对象是否是人手指，其中，所述第二超声换能器子集与所述第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器；以及

响应于确定所述对象是人手指，捕获所述手指的指纹的图像。

以上描述的内容包括本主题公开的示例。当然，出于描述主题的目的，不可能描述部件或方法的每个可想到的组合，但是应当理解的是，本主题公开的许多另外的组合和置换是可能的。因此，所要求保护的主题旨在涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有这些改变、修改和变化。

特别地并且关于由上述部件、装置、电路、系统等执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术语(包括对“器件”的引用)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件(例如，功能等同物)，这些部件即使在结构上不等同于所公开的结构，但其在所要求保护的主题的本文中示出的示例性方面中执行功能。

已经关于若干部件之间的交互的方面对前述系统和部件进行了描述。可以理解的是，根据前述的各种排列和组合，这样的系统和部件可以包括那些部件或指定的子部件、一些指定的部件或子部件、和/或附加部件。子部件也可以实现为通信地耦接至其他部件而非被包括在父部件(分层)内的部件。另外，应该指出的是，一个或更多个部件可以组合成提供聚合功能的单个部件或者分成若干个单独的子部件。本文中所描述的任何部件还可以与本文未具体描述的一个或更多个其他部件交互。

另外，尽管可能仅关于若干实施方案中的一个实施方案而公开了本主题创新的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施方案的一个或更多个其他特征组合，如对于任何给定或特定的应用可能期望和有利的。此外，就在详细描述或权利要求中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、其变型以及其他类似词语而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”作为开放的过渡词的方式解释而不排除任何附加或其他元件。

因此，呈现本文中所阐述的实施方式和示例是为了最好地解释本发明的各种选定实施方式及其特定应用，从而使本领域技术人员能够制造和使用本发明的实施方式。然而，本领域技术人员将认识到的是，仅出于说明和示例的目的呈现了前述描述和示例。所阐述的描述并非旨在穷举或将本发明的实施方式限于所公开的精确形式。

Claims (23)

1.一种用于操作包括多个超声换能器的指纹传感器的方法，所述方法包括：

致动指纹传感器的第一超声换能器子集，所述第一超声换能器子集用于检测对象与所述指纹传感器之间的交互；以及

在检测对象与所述指纹传感器之间的交互之后，致动所述指纹传感器的第二超声换能器子集，所述第二超声换能器子集用于确定所述对象是否是人手指，其中，所述第二超声换能器子集与所述第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

响应于确定所述对象是人手指，捕获所述手指的指纹的图像。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

将所述指纹的所述图像发送到主处理器。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

响应于将所述指纹的所述图像发送到所述主处理器，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超声换能器是压电微机械超声换能器(PMUT)装置。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

响应于未检测到对象与所述指纹传感器之间的交互，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，周期性地执行对所述指纹传感器的第一超声换能器子集的致动，直到检测到对象与所述指纹传感器之间的交互为止。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动包括：

使用所述第一超声换能器子集捕获像素；

将所述像素的信号与阈值进行比较；以及

只要所述信号在所述阈值之外，则确定检测到对象与所述指纹传感器之间的交互。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个超声换能器被布置成多个块，并且其中，使用所述第一超声换能器子集捕获像素包括：

捕获针对所述多个块中的至少两个块的像素。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述阈值包括偏移和范围。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

响应于确定所述对象不是人手指，用所述信号更新所述阈值的所述偏移。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述指纹传感器的所述第二超声换能器子集进行致动包括：

捕获多个像素，所述多个像素被布置成检测所述对象上的指纹的特征；

确定所述多个像素是否包括指纹的特征；以及

只要所述多个像素包括指纹的特征，则确定所述对象是人手指。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个像素以正交矢量布置。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个超声换能器被布置成多个块，并且其中，捕获被布置成检测所述对象上的指纹的特征的所述多个像素包括：

捕获针对所述多个块中的至少一个块的像素的正交矢量。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，确定所述多个像素是否包括指纹的特征包括：

确定所述多个像素是否指示脊/谷图案。

16.一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在一个或更多个数据处理器上执行时使所述一个或更多个数据处理器执行用于操作包括多个超声换能器的指纹传感器的方法，所述方法包括：

致动所述指纹传感器的第一超声换能器子集，所述第一超声换能器子集用于检测对象与所述指纹传感器之间的交互；

在检测到对象与所述指纹传感器之间的交互之后，致动所述指纹传感器的第二超声换能器子集，所述第二超声换能器子集用于确定所述对象是否是人手指，其中，所述第二超声换能器子集与所述第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器。

17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于确定所述对象是人手指，捕获所述手指的指纹的图像。

18.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于将所述指纹的所述图像发送到主处理器，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

19.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于未检测到对象与所述指纹传感器之间的交互，进入休眠模式达预定时段；以及

在所述预定时段之后，执行对所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集的致动。

20.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，致动所述指纹传感器的所述第一超声换能器子集包括：

使用所述第一超声换能器子集捕获像素；

将所述像素的信号与阈值进行比较；以及

只要所述信号在阈值之外，则确定检测到对象与所述指纹传感器之间的交互。

21.根据权利要求20所述的非暂时性计算机可读存储介质，所述方法还包括：

响应于确定所述对象不是人手指，基于所述信号更新所述阈值。

22.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，对所述指纹传感器的所述第二超声换能器子集的致动包括：

捕获被布置成检测所述对象上的指纹的特征的多个像素，其中，所述多个像素以正交矢量布置；

确定所述多个像素是否包括指纹的特征；以及

只要所述多个像素包括指纹的特征，则确定所述对象是人手指。

23.一种指纹传感器，包括：

多个超声换能器；

存储器；以及

处理器，所述处理器耦接至所述存储器和所述多个超声换能器，所述处理器被配置成：

致动所述多个超声换能器的第一超声换能器子集，所述第一超声换能器子集用于检测对象与所述指纹传感器之间的交互；

在检测到对象与所述指纹传感器之间的交互之后，致动所述指纹传感器的所述多个超声换能器的第二超声换能器子集，所述第二超声换能器子集用于确定所述对象是否是人手指，其中，所述第二超声换能器子集与所述第一超声换能器子集相比包括更多的超声换能器；以及

响应于确定所述对象是人手指，捕获所述手指的指纹的图像。