CN114303122A

CN114303122A - 超声波传感器阵列

Info

Publication number: CN114303122A
Application number: CN202080059596.6A
Authority: CN
Inventors: Y.库萨诺; Y.卢; J.L.斯特罗曼; H.V.潘查瓦
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2022-04-08
Also published as: EP3990197A1; TWI878304B; WO2020263579A1; EP3990197B1; EP3990197C0; US20200413202A1; TW202129234A; US11438703B2

Abstract

一种超声波传感器阵列包括多个超声波换能器，每个换能器包括压电构件。所述换能器中的每一个包括驻极体构件，接收(Rx)层被配置为呈现第一d33谐振模式系数以及发射(Tx)层被配置为呈现第二d33谐振模式系数，所述第一系数不同于所述第二系数。所述换能器设置在柔性衬底上。

Description

超声波传感器阵列

优先权声明

本申请要求于2019年6月27日提交的题为“ULTRASONIC SENSOR ARRAY”的序列号为16/455,472的美国非临时申请的优先权，该美国非临时申请被转让给了本申请的受让人并在此通过引用明确并入本文。

技术领域

本公开涉及用于生物感测、成像和/或触摸识别的超声波传感器阵列，更具体地，涉及具有超声波换能器的传感器阵列，所述超声波换能器配置有呈现不同机电滞后特性的驻极体材料层、柔性衬底和/或单独的发射和接收层。

背景技术

超声波传感器系统可以使用发射器来产生超声波，并将超声波发送穿过透射介质并且朝向要检测和/或成像的对象。超声波发射器可以可操作地与超声波传感器阵列耦合，该超声波传感器阵列被配置为检测从对象反射的超声波的部分。在遇到超声波脉冲的每个材料界面处，超声波脉冲的一部分可能被反射。在一些实现方式中，可以通过在短时间间隔(例如，小于1微秒)期间启动和停止发射器来产生超声波脉冲。超声波传感器系统可以包括生物传感器，例如指纹或手印传感器和/或其他超声波成像应用。

薄膜压电声学换能器是用于包括生物传感器的此类应用的有吸引力的候选者，该生物传感器例如是指纹传感器、触摸和手势检测设备以及超声波成像设备。压电层可以将由超声波反射引起的振动转换成电输出信号。在一些实现方式中，超声波传感器系统还包括薄膜晶体管(TFT)层，该薄膜晶体管层可以包括传感器像素电路的阵列，而该传感器像素电路可以例如放大由压电层产生的电输出信号。压电层可以包括锆钛酸铅(leadzirconate titanate，PZT)、单晶铌酸铅镁-钛酸铅(single crystal lead magnesiumniobate-lead titanate，PMN-PT)、PZT陶瓷、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共三氟乙烯)(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)，PVDF-TrFE)和/或另一种PVDF共聚物中的一种或多种。

在一些应用中，大量换能器元件的二维阵列可以与被配置为用户与之进行交互的显示屏的压板(“盖板”或“盖玻璃”)集成，并设置在该压板的后面或在该压板“下面”。例如，该显示屏可以提供用户触摸界面和/或结合在例如移动电话或平板电脑的个人电子设备中，并且可以包括玻璃、塑料和/或粘合剂层的多层堆叠。

至少对于生物感测以及触摸和手势检测，大面积(例如大于10平方英寸)的传感器阵列和/或柔性阵列是需要的。这种增大面积的传感器阵列可能是便携式设备(例如移动电话和平板电脑)所需要的，尤其是在需要避免物理按钮的应用中。在没有当前公开的技术的情况下，增大面积的传感器阵列表现出更高的电容，并且需要增大的Tx/Rx灵敏度，或者(不利地)需要在10兆赫兹(MHz)或更高频率下操作的高压(>100伏)发射器。因此，针对这种传感器阵列的超声波换能器的改进的布置是需要的。

发明内容

本公开的系统、方法和设备各自具有一些创新方面，其中没有单个方面单独对本文公开的期望属性负责。

本公开中描述的主题的一个创新方面涉及一种超声波传感器阵列包括：多个超声波换能器，每个换能器包括压电构件。所述换能器中的每一个包括驻极体构件，接收(Rx)层被配置为呈现第一d33谐振模式系数以及发射(Tx)层被配置为呈现第二d33谐振模式系数，所述第一系数不同于所述第二系数。所述换能器设置在柔性衬底上。

在一些示例中，所述驻极体构件由含氟聚合物构成。

在一些示例中，所述Tx层包括所述压电构件以及所述Rx层包括所述驻极体构件。

在一些示例中，所述第一d33谐振模式系数相对于所述第二d33谐振模式系数具有相反的符号。

在一些示例中，所述阵列还包括柔性电子层，所述驻极体构件被配置为柔性的。在一些示例中，所述柔性电子层是柔性有机发光二极管显示器。

在一些示例中，所述压电构件由铁电体形成。

在一些示例中，所述压电构件由共聚物形成。

在一些示例中，多个换能器中的至少一些被串联电连接。

在一些示例中，所述阵列具有10平方英寸或更大的表面积。

根据一些实现方式，一种形成超声波换能器的方法包括：形成接收(Rx)层；形成发射(Tx)层；以及将所述Rx层与所述Tx层耦合。所述超声波换能器设置在柔性衬底上并且包括驻极体构件。所述Rx层被配置为呈现第一d33谐振模式系数以及所述Tx层被配置为呈现第二d33谐振模式系数，所述第一系数不同于所述第二系数。

在一些示例中，所述驻极体构件由含氟聚合物构成。

在一些示例中，所述Tx层包括压电构件。在一些示例中，所述压电构件由铁电体形成。在一些示例中，所述压电构件由共聚物形成。

在一些示例中，所述第一d33系数相对于所述第二d33系数具有相反的符号。

根据一些实现方式，一种超声波传感器阵列包括多个超声波换能器，每个换能器包括驻极体构件，所述换能器中的每一个包括压电构件。所述换能器中的每一个包括被配置为呈现第一d33谐振模式系数的接收(Rx)层和被配置为呈现第二d33谐振模式系数的发射(Tx)层，所述第一系数不同于所述第二系数。所述换能器设置在柔性衬底上。

在一些示例中，所述驻极体构件被配置为声学换能器。

在一些示例中，所述压电构件由铁电体构成。

在一些示例中，所述压电构件由共聚物构成。

在一些示例中，多个换能器中的至少一些被串联电连接。

在一些示例中，所述阵列具有10平方英寸或更大的表面积。

附图说明

在本公开和附图中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个实现方式的细节。通过阅读本公开，其他特征、方面和优点将变得显而易见。注意，本公开的附图和其他图的相对尺寸可能不是按比例绘制的。在本公开中示出和描述的尺寸、厚度、布置、材料等仅作为示例，不应被解释为限制性的。各个附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。

图1A-1B示出了压电超声波换能器的示例。

图2A-2C示出了PMUT超声波传感器阵列的各种配置的横截面图。

图3示出了根据一些实现方式的超声波换能器的简化横截面。

图4示出了根据另一实现方式的触摸传感器的简化横截面。

图5示出了根据又一实现方式的超声波传感器的简化横截面。

图6示出了根据一些实现方式的混合超声波换能器堆叠的简化横截面。

图7示出了根据一些实现方式的用于提高Rx灵敏度的技术的示例。

图8示出了用于制造超声波换能器的工艺流程的示例。

图9示出了根据一些实现方式的包括超声波感测系统的电子设备的示例的图解表示的前视图。

图10A示出了根据一些实现方式的超声波感测系统的示例的组件的框图表示。

图10B示出了根据一些实现方式的电子设备的示例的组件的框图表示。

具体实现方式

出于描述本公开的创新方面的目的，以下描述针对了某些实现方式。然而，本领域普通技术人员将容易认识到，本文的教导可以以多种不同的方式应用。所描述的实现方式可以在包括毫米波段通信能力的任何设备、装置或系统中实现。此外，预期所描述的实现方式可以包括在各种电子设备中或者与各种电子设备相关联，这些电子设备例如但不限于:移动电话、支持多媒体因特网的蜂窝电话、移动电视接收器、无线设备、智能手机、智能卡、诸如手镯、臂带、腕带、戒指、头带和贴片等的可穿戴设备、蓝牙设备、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持或便携式计算机、上网本、笔记本、智能书、平板电脑、打印机、复印机、扫描仪、传真设备、全球定位系统(GPS)接收器/导航仪、相机、数字媒体播放器(诸如MP3播放器)、摄像机、游戏控制台、手表、钟表、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读设备(如电子阅读器)、移动健康设备、计算机监视器、自动显示器(包括里程表和速度计显示器等)、驾驶舱控件和/或显示器、方向盘、相机视图显示器(例如车辆中的后视相机的显示器)、电子照片、电子广告牌或标志、投影仪、建筑结构、微波炉、冰箱、立体声系统、盒式录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、收音机、便携式存储芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/烘干机、自动柜员机(ATM)、停车计时器、封装(例如在包括微机电系统(MEMS)应用的机电系统(EMS)应用以及非EMS应用中)、美学结构(例如在一件珠宝或衣服上显示图像)和各种EMS设备。本文的教导也可以用于应用中，这些应用例如但不限于电子开关设备、射频滤波器、传感器、加速度计、陀螺仪、运动感测设备、磁力计、用于消费电子产品的惯性组件、消费电子产品的部件、变容二极管、液晶设备、电泳设备、驱动方案、制造过程和电子测试设备。因此，本教导并不旨在局限于仅在附图中描述的实现方式，而是具有广泛的适用性，如本领域普通技术人员将易于显而易见。

参考图1A，常规的压电超声波换能器100可以被配置使得其包括压电层堆叠110和机械层130，该压电层堆叠110和机械层130被设置以便形成由腔120上的锚定结构170支撑的隔膜(其在下文中可以称为“PMUT隔膜”或“可变形隔膜”)。压电层堆叠110包括压电层115、下电极112和上电极114。在图示的实现方式中，下电极112设置在压电层115下方并靠近腔120，而上电极114设置在压电层115上方、靠近压电层115的与腔120相对的表面。腔120可以形成在衬底160中或衬底160上。衬底160可以是或包括例如硅晶片、绝缘体上硅(SOI)晶片、具有集成电路的硅或SOI晶片、半导体衬底或具有薄膜晶体管(TFT)电路的玻璃或聚合物衬底。在一些实现方式中，衬底可以是柔性衬底，例如聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的薄层，或者具有InGaZnO(IGZO)电路的柔性衬底。

现在参考图1B，在操作期间，响应于由收发器电路1010跨上电极114和下电极112施加的时变激励电压，可以使压电层堆叠110和机械层130弯曲和振动。因此，具有例如超声波频带中的频率的一个或多个超声压力波122可以传播到传播介质124中。在一些实现方式中，传播介质124可以包括空气、压板、盖玻璃(conver glass)、设备外壳或声学耦合或匹配层。压电层堆叠110同样可以从传播介质中的对象接收反射的超声压力波，并将接收的超声压力波转换成可以由收发器电路1010读取的电信号。腔120上的可变形隔膜可以响应于反射的超声压力波冲击在PMUT的表面上而弯曲和振动，从而在PMUT隔膜中产生机械应力和应变以及在压电层的表面上产生可以被下面的电路检测到的表面电荷。在一些实现方式中，下电极112(有时在本文中称为参考电极)可以接地、连接到恒定偏置电压(例如，参考电压)，或者连接到多电平偏置信号，例如可以由收发器电路1010提供的接收器偏置电压。

对于波前波束形成、波束控制、接收侧波束形成和/或返回信号的选择性读出，PMUT阵列可以是可寻址的。例如，单独的列、行、传感器像素和/或传感器像素组可以是可单独地寻址的。控制系统可以控制发射器的阵列以产生特定形状的波前，例如平面、圆形或圆柱形波前。控制系统可以控制发射器的阵列的幅度和/或相位，以在期望的位置产生相长或相消干涉。例如，控制系统可以控制发射器的阵列的幅度和/或相位，以在已经检测到或可能检测到触摸或手势的一个或多个位置中产生相长干涉。

在一些实现方式中，在一些示例中，PMUT设备可以在相同衬底上或衬底中与薄膜晶体管(TFT)电路或CMOS电路共同制造，该衬底可以是硅、SOI、玻璃或塑料衬底。TFT衬底可以包括行和列寻址电子器件、多路复用器、局部放大级和控制电路。在一些实现方式中，包括驱动器级和感测级的接口电路可以用于激励PMUT设备并检测来自相同设备的响应。在其他实现方式中，第一PMUT设备可以用作声学或超声波发射器，并且第二PMUT设备可以用作声学或超声波接收器。在一些配置中，不同的PMUT设备可以能够进行低频和高频操作(例如，用于手势和用于指纹检测)。在其他配置中，相同的PMUT设备可以用于低频和高频操作。在一些实现方式中，可使用具有制造于硅晶片中的有源硅电路的硅晶片来制造PMUT。有源硅电路可以包括用于使PMUT或PMUT阵列起作用的电子器件。

在一些实现方式中，PMUT阵列可以被配置为超声波传感器阵列。图2A-2C示出了常规PMUT超声波传感器阵列的各种配置的横截面图。图2A描绘了具有PMUT作为发射和接收元件的超声波传感器阵列200a，其可以用作例如超声波指纹传感器、超声波触摸板或超声波成像器。PMUT传感器阵列衬底260上的PMUT传感器元件262可以发射和检测超声波。如图所示，超声波264可以从至少一个PMUT传感器元件262发射。超声波264可以穿过例如声学耦合介质265的传播介质和压板290a，朝向位于压板290a的外表面上的诸如手指或触笔的对象202行进。超声波264的一部分可以发射穿过压板290a并发射到对象202中，而第二部分从压板290a的表面朝向传感器元件262发射回来。反射波的振幅可以部分取决于对象202的声学特性。反射波可以由传感器元件262检测，从传感器元件262可以获取对象202的图像。例如，利用具有大约50微米间距(大约每英寸500像素)的传感器阵列，可以检测指纹的脊和谷。可以提供例如粘合剂、凝胶、缓冲层(compliant layer)或其他声学耦合材料的声学耦合介质265，以改善设置在传感器阵列衬底260上的PMUT传感器元件262的阵列和压板290a之间的耦合。声学耦合介质265可以帮助超声波传输到传感器元件262和从传感器元件262处传输超声波。压板290a可包括例如玻璃、塑料、蓝宝石、金属、金属合金或其他压板材料的层。声学阻抗匹配层(未示出)可以设置在压板290a的外表面上。压板290a可以包括外表面上的涂层(未示出)。

图2B描绘了超声波传感器和显示器阵列200b，其具有在传感器和显示器衬底260上共同制造的PMUT传感器元件262和显示像素266。传感器元件262和显示像素266可以同位于单元阵列的每个单元中。在一些实现方式中，传感器元件262和显示像素266可以在相同单元内并排制造。在一些实现方式中，传感器元件262的一部分或全部可以制造在显示像素266的上方或下方。压板290b可以位于传感器元件262和显示像素266之上，并且可以用作或包括盖透镜或盖玻璃。盖玻璃可以包括一层或多层例如玻璃、塑料或蓝宝石的材料，并且可以包括用于电容触摸屏的设置。声学阻抗匹配层或涂层(未示出)可以设置在压板290b的外表面上。超声波264可以从一个或多个传感器元件262处发射和接收，以提供对放置在压板290b上的例如触笔或手指的对象202的成像能力。压板290b基本上是透明的，以允许用户通过压板290b看到来自显示像素266的阵列的光学光。用户可以选择触摸压板290b的一部分，并且该触摸可以被超声波传感器阵列检测到。例如，当用户触摸压板290b的表面时，可以获取诸如指纹信息的生物信息。可以提供例如粘合剂、凝胶或其他声学耦合材料的声学耦合介质265，以改善传感器阵列衬底260和盖玻璃之间的声、光和机械耦合。在一些实现方式中，耦合介质265可以是液晶材料，其可以用作液晶显示器(LCD)的一部分。在LCD实现方式中，背光(未示出)可以光学耦合到传感器和显示衬底260。在一些实现方式中，显示像素266可以是具有发光显示像素的有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)或OLED显示器的一部分。在一些实现方式中，超声波传感器和显示器阵列200b可以用于显示目的以及用于触摸、触笔或指纹检测。

图2C描绘了超声波传感器和显示器阵列200c，其中传感器阵列衬底260a位于显示器阵列衬底260b后面。声学耦合介质265a可用于将传感器阵列衬底260a声学耦合到显示器阵列衬底260b。光学和声学耦合介质265b可用于将传感器阵列衬底260a和显示器阵列衬底260b光学和声学耦合到盖透镜或盖玻璃290c，该盖透镜或盖玻璃290c也可用作检测指纹的压板。声学阻抗匹配层或其他涂层(未示出)可以设置在盖玻璃290c的外表面上。从一个或多个传感器元件262发射的超声波264可以行进穿过显示器阵列衬底260b和盖玻璃290c、从盖玻璃290c的外表面反射，并朝向传感器阵列衬底260a行进返回，在传感器阵列衬底260a处可以检测反射的超声波并获取图像信息。在一些实现方式中，超声波传感器和显示器阵列200c可以用于向用户提供视觉信息，以及用于检测来自用户的触摸、触笔或指纹。可替代地，可以在显示器阵列衬底260b的背侧形成PMUT传感器阵列。可替代地，具有PMUT传感器阵列的传感器阵列衬底260a可以附接到显示器阵列衬底260b的背侧，其中例如利用粘合层或粘合材料(未示出)，传感器阵列衬底260a的背侧直接附接到显示器阵列衬底260b的背侧。

本公开缓解了因使用大面积传感器阵列用于生物感测以及触摸和手势检测所产生的问题。这种增大面积的传感器阵列可能是便携式设备(例如移动电话和平板电脑)所需要的，例如尤其是在要避免物理按钮的应用中。在没有当前公开的技术的情况下，增大面积的传感器阵列表现出更高的电容，并且需要增大的Tx/Rx灵敏度，或者(不利地)需要在10兆赫兹(MHz)或更高频率下操作的高压(>100伏)发射器。因此，针对这种传感器阵列的超声波换能器的改进的布置是需要的。下文公开的一种这样的布置包括具有高灵敏度的混合压电-驻极体传感器。在一些实现方式中，驻极体层可以被图案化以形成驻极体构件的阵列。通过串联两个或更多个这种驻极体构件，可以获得接收灵敏度的进一步增强。在一些实现方式中，驻极体构件可由诸如聚四氟乙烯(PTFE)(例如TeflonTM)的含氟聚合物形成。

此外，对于一些应用，柔性和/或可穿戴设备对于更方便的人机交互是期望的。为了实现柔性和/或可穿戴设备，传感器阵列可以配置有柔性层(包括衬底)，并且同时至少保持机电耦合效率。因此，在一些实现方式中，可以预期柔性驻极体微传感器阵列以及柔性电子器件。

另外，在一些实现方式中，驻极体材料可以被配置为微机械的超声波换能器的阵列中的无源层。例如，预期了包括压电发射层和驻极体接收器的高灵敏度混合传感器结构。

最后，在一些实现方式中，每个换能器包括呈现第一d33谐振模式的接收层和呈现第二d33谐振模式的发射层，第一d33谐振模式不同于第二d33谐振模式。

图3示出了根据一些实现方式的超声波换能器的简化横截面。在所示的实现方式中，超声波换能器包括堆叠的层，该堆叠的层包括发射(Tx)层301、接收(Rx)层303、薄膜晶体管(TFT)电路衬底305以及可选的，一个或多个声学匹配层302。

首先参考细节A，超声波换能器300A包括靠近传感器阵列的外表面的、设置在TFT电路衬底305上方的Tx层301。Rx层303设置在Tx层301和TFT电路衬底305之间。可选地，一个或多个声学匹配层302可以设置在Tx层301和Rx层303之间。

现在参考细节B，超声波换能器300B包括靠近传感器阵列的外表面的、设置在TFT电路衬底305上方的Rx层303。TFT电路衬底305设置在Rx层303和Tx层301之间。可选地，一个或多个声学匹配层302可以设置在Tx层301和TFT电路衬底305之间。

细节A和细节B中示出了“d33”谐振模式。d33谐振模式指的是一种激励模式，其中在垂直(Z)方向(跨越厚度‘T’)施加的电信号导致在相同(即Z)方向的谐振振荡。相应地，d33系数是与谐振器的尺寸T相关的频率响应特性的量度。Tx层301和Rx层303可以各自呈现各自特性d33系数。有利地，Tx层301的相应特性d33系数可以不同于Rx层303的相应特性d33系数。

图4示出了根据另一实现方式的触摸传感器的简化横截面。在图示的实现方式中，触摸传感器400包括设置在腔420上方的柔性电子层405。柔性驻极体构件403设置在柔性电子层405和密封的腔420之间。

如细节C所示，在没有因触摸而产生的压力的情况下，驻极体构件403呈现标称表面电荷。施加的压力(例如，来自触摸)可产生表面电荷的变化(细节D)。因此，驻极体构件403可以被配置为触摸传感器。在一些实现方式中，例如，柔性电子层405可以是柔性有机发光二极管(OLED)显示器。有利地，在驻极体构件403和电子层405都被配置为柔性的情况下，触摸传感器400可以是可穿戴设备或者可以被包括在可穿戴设备中。在一些实现方式中，驻极体构件403或第二驻极体构件(未示出)也可以用作声学换能器。在这种实现方式中，可以省略压电Tx层。在一些实现方式中，腔420可以被抽空。在其他实现方式中，腔420可以填充有空气或惰性气体，或者填充有例如软泡沫。

本发明人已经意识到，相对于压电构件，驻极体构件可以被预期具有显著更高的d33系数和更低的Tx品质因数，特别是在驻极体构件由PTFE等构成并且压电构件是共聚物或者由诸如锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)的化合物形成的情况下。因此，其中Rx层包括驻极体构件且Tx层包括压电构件的“混合”超声波换能器可以是有利的。更具体地，再次参考图3，Tx层301可以有利地由压电材料形成，而Rx层303可以有利地由驻极体材料形成。

图5示出了根据又一实现方式的超声波传感器的简化横截面。在图示的实现方式中，超声波传感器500包括Tx层501，该Tx层501包括设置在腔520上的压电构件。包括驻极体构件的Rx层503设置在Tx层501和腔520之间。有利地，Rx层503还用作被配置为提高Tx层501的机电耦合效率的无源层。细节E描绘了在没有外部压力或电激励的情况下的超声波传感器500。细节F描绘了操作期间的超声波传感器500，使得Tx层501和Rx层503已经响应于外部压力或时变激励电压而弯曲和/或振动。

在一些实现方式中，在极化后，压电构件的第一系数d33具有与驻极体构件的第二系数d33相反的符号。图6示出了根据一些实现方式的混合超声波换能器堆叠的简化横截面。在图示的实现方式中，驻极体构件603设置在铁电体共聚物构件601上方。至少在极化之后，驻极体构件603可以具有与共聚物构件603的第二特性d33系数的符号相反的第一特性d33系数。更具体地，第一特性d33系数可以是正的(也就是说，至少对于像PZT、AlN、ZnO和多孔聚合物的普通驻极体材料，厚度的增加会增加偶极矩，并且因此增加电荷)，而第二特性d33可以是负的(也就是说，对于聚偏二氟乙烯(PVDF)等的共聚物，厚度的增加会减少偶极矩，并且因此减少电荷)。因此，可以实现差分Tx/Rx的改进。

图7示出了根据一些实现方式的用于提高Rx灵敏度的技术的示例。在图示的示例中，形成传感器阵列的一部分的各个像素簇(“超像素”)串联连接。更具体地，在一些实现方式中，如细节G所示，图案化Rx层和相关联的电极，以便在每个超像素中的各个像素之间形成串联连接。在这样的实现方式中，传感器阵列(细节H)可以被视为超像素阵列。对于所示的实现方式，发明人已经发现，由于对于给定量的电荷Q，电容减小，导致机电耦合的改善，所以提高了Rx灵敏度。

图8示出了用于制造超声波换能器的工艺流程的示例。如上所述，超声波换能器可以包括在超声波传感器阵列中。方法800包括，块810，形成超声波换能器的Rx层；在一些实现方式中，Rx层可以是或包括驻极体构件。方法800可以在块820继续，形成超声波换能器的Tx层；Tx层可以是或包括压电构件。在块830，可以将Rx层与Tx层耦合。有利地，Rx层呈现第一d33谐振模式系数，并且Tx层呈现第二d33谐振模式系数，第一系数不同于第二系数。

上述超声波感测阵列或系统可以包含在各种电子设备中。图9示出了根据一些实现方式的包括超声波感测系统的电子设备900的示例的图解表示的前视图。电子设备900可以表示例如各种便携式计算设备，诸如蜂窝电话、智能手机、多媒体设备、个人游戏设备、平板计算机和膝上型计算机以及其他类型的便携式计算设备。然而，本文描述的各种实现方式不限于便携式计算设备的应用。实际上，本文公开的各种技术和原理可以应用于传统上非便携式设备和系统，诸如计算机监视器、电视显示器、自助终端、车辆导航设备和音频系统以及其他应用中。

在图示的实现方式中，电子设备900包括外壳(或“壳体”)902，各种电路、传感器和其他电子组件可以设置在该外壳内。在图示的实现方式中，电子设备900还包括显示器(本文可以称为“触摸屏显示器”或“触敏显示器”)904。显示器904通常可以表示采用各种合适的显示技术中的任一个的各种合适的显示器类型中的任一个。例如，显示器904可以是基于数字微快门(DMS)的显示器、发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)显示器、液晶显示器(LCD)、使用LED作为背光的LCD显示器、等离子显示器、基于干涉式调制器(IMOD)的显示器、或者适合与触敏用户界面(UI)系统结合使用的另一种类型的显示器。

电子设备900可以包括用于与用户进行交互或者以其他方式向用户通信(communicate)信息或从用户处接收信息的各种其他设备或组件。例如，电子设备900可以包括一个或多个麦克风906、一个或多个扬声器908以及在一些情况下一个或多个至少部分地机械的按钮910。电子设备900可以包括能够实现附加特征的各种其他组件，例如，诸如一个或多个视频或静态图像相机912、一个或多个无线网络接口914(例如，蓝牙、WiFi或蜂窝)以及一个或多个非无线接口916(例如，通用串行总线(USB)接口或HDMI接口)。

电子设备900可以包括能够对诸如指纹、掌纹或手印的对象签名进行成像的超声波感测系统918。在一些实现方式中，超声波感测系统918可以用作触敏控制按钮。在一些实现方式中，触敏控制按钮可以用机械或电压敏系统来实现，该系统位于超声波感测系统918之下或者以其他方式与超声波感测系统918集成。换句话说，在一些实现方式中，由超声波感测系统918占据的区域可充当用以控制电子设备900的用户输入按钮以及用以基于例如指纹、掌纹或手印启用安全特征(诸如用户验证)的传感器两者。

图10A示出了根据一些实现方式的超声波感测系统的示例的组件的框图表示。在图示的实现方式中，超声波感测系统1000包括传感器系统1002和与传感器系统1002电耦合的控制系统1004。传感器系统1002能够扫描目标对象并提供原始测量图像数据，该原始测量图像数据可用于获得例如人类附肢(诸如一个或多个手指或脚趾、手掌、手或脚)的对象签名。控制系统1004能够控制传感器系统1002并处理从传感器系统1002接收的原始测量图像数据。在一些实现方式中，超声波感测系统1000可以包括接口系统1006，该接口系统1006能够向或从超声波感测系统1000内的各种组件或与超声波感测系统1000集成的各种组件发送或接收诸如原始或经处理的测量图像数据的数据，或者，在一些实现方式中，向或从超声波感测系统1000外部的各种组件、设备或其他系统发送或接收诸如原始或经处理的测量图像数据的数据。

图10B示出了根据一些实现方式的电子设备的示例的组件的框图表示。在图示的示例中，电子设备1010包括图2A的超声波感测系统1000。例如，电子设备1010可以是上文参考图9示出和描述的电子设备900的框图表示。电子设备1010的超声波感测系统1000的传感器系统1002可以用超声波传感器阵列1012来实现。超声波感测系统1000的控制系统1004可以用与超声波传感器阵列1012电耦合的控制器1014来实现。虽然控制器1014被示出和描述为单个组件，但是在一些实现方式中，控制器1014可以统称为彼此电通信的两个或多个不同的控制单元或处理单元。在一些实现方式中，控制器1014可以包括通用单芯片或多芯片处理器、中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、应用处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件(PLD)、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或被设计成执行本文描述的功能和操作的它们的任意组合中的一个或多个。

图2B的超声波感测系统1000可以包括图像处理模块1018。在一些实现方式中，由超声波传感器阵列1012提供的原始测量图像数据可以被发送、传输、通信或以其他方式提供给图像处理模块1018。图像处理模块1018可以包括被配置为、适配于或以其他方式可操作的处理由超声波传感器阵列1012提供的图像数据的硬件、固件和软件的任何合适的组合。在一些实现方式中，图像处理模块1018可以包括信号或图像处理电路或电路组件，包括例如放大器(诸如仪表放大器或缓冲放大器)、模拟或数字混频器或乘法器、开关、模数转换器(ADC)、无源或有源模拟滤波器等。在一些实现方式中，一个或多个这样的电路或电路组件可以集成在控制器1014内，例如，其中控制器1014被实现为片上系统(SoC)或系统级封装(SIP)。在一些实现方式中，一个或多个这样的电路或电路组件可以集成在包括在控制器1014内或与控制器1014耦合的DSP内。在一些实现方式中，图像处理模块1018可以至少部分地通过软件来实现。例如，刚刚描述的一个或多个电路或电路组件的一个或多个功能或由一个或多个电路或电路组件执行的操作可以替代地由例如在控制器1014(诸如在通用处理器或DSP中)的处理单元中执行的一个或多个软件模块来执行。

在一些实现方式中，除了超声波感测系统1000之外，电子设备1010可以包括单独的处理器1020、存储器1022、接口1016和电源1024。在一些实现方式中，超声波感测系统1000的控制器1014可以控制超声波传感器阵列1012和图像处理模块1018，并且电子设备1010的处理器1020可以控制电子设备1010的其他组件。在一些实现方式中，处理器1020向控制器1014通信数据，包括例如指令或命令。在一些这样的实现方式中，控制器1014可以向处理器1020通信数据，包括例如原始或经处理的图像数据。还应该理解，在一些其他实现方式中，控制器1014的功能可以完全地或至少部分地由处理器1020实现。在一些这样的实现方式中，可能不需要用于超声波感测系统1000的单独的控制器1014，因为控制器1014的功能可以由电子设备1010的处理器1020来执行。

根据实现方式，控制器1014和处理器1020中的一个或两个可以将数据存储在存储器1022中。例如，存储在存储器1022中的数据可以包括原始测量图像数据、过滤的或以其他方式处理的图像数据、估计的PSF或估计的图像数据以及最终改进的PSF或最终改进的图像数据。存储器1022可以存储处理器可执行的代码或能够由控制器1014和处理器1020中的一个或两个执行的其他可执行计算机可读指令，以执行各种操作(或使诸如超声波传感器阵列1012、图像处理模块1018的其他组件或其他模块执行操作)，包括本文描述的计算、运算、估计或其他确定中的任一个(包括下面等式中的任一个呈现的那些)。还应当理解，存储器1022可以统称为一个或多个存储设备(或“组件”)。例如，根据实现方式，控制器1014可以访问不同于处理器1020的存储设备并在其中存储数据。在一些实现方式中，一个或多个存储器组件可以被实现为基于NOR或NAND的闪存阵列。在一些其他实现方式中，一个或多个存储器组件可以被实现为不同类型的非易失性存储器。另外，在一些实现方式中，一个或多个存储器组件可以包括易失性存储器阵列，诸如，例如一种类型的RAM。

在一些实现方式中，控制器1014或处理器1020可以通过接口1016通信存储在存储器1022中的数据或直接从图像处理模块1018接收的数据。例如，这种通信的数据可以包括图像数据或者从图像数据导出或以其他方式确定的数据。接口1016可以统称为一种或多种各种类型的一个或多个接口。在一些实现方式中，接口1016可以包括用于从诸如可移动存储设备的外部存储器接收数据或将数据存储到外部存储器的存储器接口。附加地或替代地，接口1016可以包括一个或多个无线网络接口或一个或多个有线网络接口，使得能够向外部计算设备、系统或服务器传输原始或经处理的数据，以及从外部计算设备、系统或服务器接收数据。

电源1024可以向电子设备1010中的一些或所有组件供电。电源1024可以包括各种能量存储设备中的一个或多个。例如，电源1024可以包括可再充电电池，例如镍镉电池或锂离子电池。附加地或替代地，电源1024可以包括一个或多个超级电容器。在一些实现方式中，电源1024可以使用从例如墙壁插座(或“电源插座”)或与电子设备1010集成的光伏设备(或“太阳能电池”或“太阳能电池阵列”)接入的电力来充电(或“可再充电”)。附加地或替代地，电源1024可以是可无线充电的。

如下文所使用，术语“处理单元”是指超声波系统的控制器(例如，控制器1014)、图像处理模块(例如，图像处理模块1018)或包括超声波系统的设备的单独处理器(例如，处理器1020)中的一个或多个的任意组合。换句话说，以下描述为由处理单元执行或使用处理单元执行的操作可以由超声波系统的控制器、图像处理模块或包括超声波感测系统的设备的单独处理器中的一个或多个来执行。

因此，已经公开了一种改进的超声波传感器阵列。应当理解，可以预期许多替代的配置和制造技术。

如本文所用，提及条目列表中“至少一个”的短语是指这些条目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖:a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。

结合本文公开的实现方式所描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路和算法过程可以实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。硬件和软件的可互换性已经在功能方面进行了一般性描述，并且在上述各种说明性组件、块、模块、电路和过程中进行了说明。这种功能是以硬件还是软件实现取决于特定的应用和施加于整个系统的设计约束。

用于实现结合本文公开的方面所描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件和数据处理装置可以用通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或被设计成执行本文所描述的功能的其任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器或任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合、或者任何其他这样的配置。在一些实现方式中，特定的过程和方法可以由特定于给定功能的电路来执行。

在一个或多个方面，所描述的功能可以以硬件、数字电子电路、计算机软件、固件(包括本说明书中公开的结构及其结构等同物)或其任意组合来实现。本说明书中所描述的主题的实现方式也可以实现为一个或多个计算机程序，即计算机程序指令的一个或多个模块，该一个或多个计算机程序被编码在计算机存储介质上用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。

如果以软件实现，那么功能可以作为一个或多个指令或代码存储于计算机可读介质(诸如非暂时性介质)或经过计算机可读介质传输。本文公开的方法或算法的过程可以在处理器可执行的软件模块中实现，该软件模块可以驻留在计算机可读介质上。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，该通信介质包括能够将计算机程序从一个地方传送到另一个地方的任何介质。存储介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，非暂时性介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或者可以用于以指令或数据结构的形式存储所需的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。此外，任何连接都可以被恰当地称为计算机可读介质。本文使用的磁盘(Disk)和光盘(disc)包括高压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘用激光光学地再现数据。以上的组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。附加地，方法或算法的操作可以作为代码和指令的一个或任意组合或集合驻留在机器可读介质和计算机可读介质上，所述机器可读介质和计算机可读介质可以并入到计算机程序产品中。

对本公开中描述的实现方式的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实现方式。因此，本权利要求不旨在局限于本文所示的实现方式，而是符合与本公开、本文公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。附加地，如本领域普通技术人员将容易理解的，术语“上(upper)”和“下(lower)”、“顶”和“底”、“前”和“背”以及“上方”、“覆盖”、“上(on)”、“之下”和“下面的”有时用于便于描述附图，并且指示与在适当取向的页面上的附图的取向对应的相对位置，并且可能不反映所实现的设备的适当取向。

本说明书中在单独实现方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实现方式中以组合的方式实现。相反，在单个实现方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实现方式中单独实现或者在任何合适的子组合中实现。此外，尽管特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初被这样要求保护，但是在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变形。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或顺序执行这些操作，或者执行所有示出的操作以实现期望的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，未描绘的其他操作可以结合在示意性示出的示例过程中。例如，可以在任何示出的操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实现方式中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实现方式中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序组件和系统通常可以集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。此外，其他实现方式在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行，并且仍然实现期望的结果。

Claims

1.一种超声波传感器阵列，包括：

多个超声波换能器，每个换能器包括压电构件，其中：

所述换能器中的每一个包括驻极体构件；

所述换能器中的每一个包括被配置为呈现第一d33谐振模式系数的接收(Rx)层和被配置为呈现第二d33谐振模式系数的发射(Tx)层，所述第一系数不同于所述第二系数；以及

所述换能器设置在柔性衬底上。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述阵列包括特征(a)、特征(b)和特征(c)中的每一个。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述驻极体构件由含氟聚合物构成。

4.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述Tx层包括所述压电构件以及所述Rx层包括所述驻极体构件。

5.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述第一d33谐振模式系数相对于所述第二d33谐振模式系数具有相反的符号。

6.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述阵列还包括柔性电子层，所述驻极体构件被配置为柔性的。

7.根据权利要求6所述的超声波传感器阵列，其中所述柔性电子层是柔性有机发光二极管显示器。

8.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述压电构件由铁电体形成。

9.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述压电构件由共聚物形成。

10.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中多个换能器中的至少一些被串联电连接。

11.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列，其中所述阵列具有10平方英寸或更大的表面积。

12.一种形成超声波换能器的方法，所述方法包括：

形成接收(Rx)层；

形成发射(Tx)层；以及

将所述Rx层与所述Tx层耦合；其中：

所述超声波换能器设置在柔性衬底上并且包括驻极体构件；以及

所述Rx层被配置为呈现第一d33谐振模式系数以及所述Tx层被配置为呈现第二d33谐振模式系数，所述第一系数不同于所述第二系数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述驻极体构件由含氟聚合物构成。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述Tx层包括压电构件。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述压电构件由铁电体形成。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述压电构件由共聚物形成。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一d33系数相对于所述第二d33系数具有相反的符号。

18.一种超声波传感器阵列，包括：

多个超声波换能器，每个换能器包括驻极体构件，其中：

所述换能器中的每一个包括压电构件；

所述换能器设置在柔性衬底上。

19.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中所述驻极体构件被配置为声学换能器。

20.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中所述压电构件由铁电体构成。

21.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中所述压电构件由共聚物构成。

22.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中所述Tx层包括所述压电构件以及所述Rx层包括所述驻极体构件。

23.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中所述第一d33谐振模式系数相对于所述第二d33谐振模式系数具有相反的符号。

24.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中所述阵列还包括柔性电子层，所述驻极体构件被配置为柔性的。

25.根据权利要求24所述的超声波传感器阵列，其中所述柔性电子层是柔性有机发光二极管显示器。

26.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中多个换能器中的至少一些被串联电连接。

27.根据权利要求18所述的超声波传感器阵列，其中所述阵列具有10平方英寸或更大的表面积。