TW202034217A - 超音波指紋偵測和相關設備及方法 - Google Patents

Abstract

本文中所描述之技術的態樣是關於經由超音波指紋感測器感測一個體之指紋。某些態樣關於傳輸及接收在多個不同頻率下之超音波資料以提供來自該個體之皮膚內之不同深度的感測資料。由於預期不同超音波頻率以不同程度穿透一個體之皮膚，因此在多個超音波頻率下感測手指可提供關於該手指之不同實體態樣的資訊。舉例而言，聲音超音波頻率可感測該皮膚之表面，而其他超音波頻率可穿透表皮層、真皮層或皮下層中之一或多者。超音波指紋設備可用於各種應用中，所述應用包括但不限於行動電子裝置，諸如行動電話或平板電腦、筆記型電腦或生物測定存取裝備。

Description

超音波指紋偵測和相關設備及方法

本申請案係關於使用超音波進行指紋偵測。 對相關申請案之交叉參考

本申請案依據35 U.S.C. § 119(e)主張2018年12月7日在代理人案號B1348.70113US00下申請且題為「超音波指紋偵測以及相關設備及方法（ULTRASOUND FINGERPRINT DETECTION AND RELATED APPARATUS AND METHODS）」之美國專利申請案第62/776,922號的權利，該案特此以全文引用的方式併入本文中。

一些微機械超音波換能器包括懸置於基板上方之可撓性隔膜。空腔位於基板之部分與隔膜之間，使得基板、空腔及隔膜之組合形成可變電容器。若經致動，則隔膜可產生超音波信號。回應於接收到超音波信號，隔膜可振動，從而導致輸出電信號。

本發明描述超音波指紋偵測設備及方法。在一些態樣中，指紋感測器包括超音波單晶片裝置(ultrasound-on-a-chip device)，該超音波單晶片裝置具有與電路整合之微製造超音波換能器。該電路可為一互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor；CMOS）基板之積體電路。該指紋感測器可為一智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦或需要偵測指紋之其他裝置的部分。

根據一些態樣，提供一種超音波指紋設備，其包含微機械超音波換能器，該微機械超音波換能器包含：基板，其具有空腔；隔膜，其耦接至該基板使得該空腔分開該隔膜與該基板之至少一部分；以及第一電極及第二電極，其在該基板上且與該隔膜相對，該第一電極及該第二電極經安置以使得該第一電極之至少部分安置於該第二電極之至少一部分的內部。

根據一些態樣，提供一種超音波指紋設備，其包含微機械超音波換能器，該微機械超音波換能器經配置以發射至少兩個不同頻率之超音波且基於該至少兩個不同頻率之所發射超音波的偵測而偵測指紋。

根據一些態樣，提供一種具有指紋偵測之行動電子裝置，其包含：外殼；超音波單晶片裝置，其放置於該外殼內；及顯示器，其耦接至該外殼，其中該超音波單晶片裝置放置於該外殼與該顯示器之間且經配置以經由該顯示器發射第一頻譜之超音波及不同於該第一頻譜之第二頻譜的超音波。

根據一些態樣，提供一種偵測指紋之方法，該方法包含：從微機械超音波換能器發射第一頻譜之超音波且接收從手指反射之第一超音波；從該微機械超音波換能器發射不同於該第一頻譜之第二頻譜的超音波且接收從該手指反射之第二超音波；及至少部分地基於所接收之第一超音波及所接收之第二超音波偵測該指紋。

本申請案之態樣提供用於超音波指紋偵測之技術。在一些具體實例中，超音波指紋感測器可在多個不同頻率下操作以對個體手指之不同態樣（諸如，不同深度）進行成像。如本文中所提及，超音波感測器在不同頻率下之操作係指產生具有兩個不同頻譜之超音波，其可包括但不限於具有第一峰值頻率之超音波及具有不同於第一峰值頻率之第二峰值頻率的超音波。本文中所描述之技術解析經由施加兩個或多於兩個不同超音波信號而掃描的指紋之不同深度。根據一些具體實例，可在兩個或多於兩個信號經由其各別頻譜之某一差異來探測手指中之不同深度的狀況下應用此等技術，其中可設想廣泛多種此類差異。

由於預期不同超音波頻率以不同程度的深度穿透個體手指，因此使用多個超音波峰值頻率或頻帶對手指進行探測或成像可提供關於手指之不同實體態樣的資訊。舉例而言，一些超音波頻率可自皮膚表面反射且接著用以感測皮膚表面，而其他超音波頻率可穿透表皮層、真皮層及/或皮下層中之一或多者且因此用以感測皮膚表面之下的特徵。在一些具體實例中，超音波指紋感測器使用雙電極配置以產生及偵測不同峰值超音波頻率。此配置之「雙電極」性質係指電容式換能器空腔之一側；應瞭解，超音波指紋偵測器可包括與換能器之「雙電極」側相對的一或多個電極。超音波指紋感測器可用於各種應用中，所述應用包括但不限於行動電子裝置，諸如行動電話或平板電腦、筆記型電腦或生物測定存取裝備（例如，指紋感測器終端機）。

雖然本文中所描述之具體實例安置為換能器之「雙電極」側在空腔下方，但應瞭解，換能器之雙電極側可替代地安置於空腔上方。可存在將空腔下方之雙電極側安置成更靠近其所耦接之其他電子組件的優點，但原則上，可使用任何安置。

本申請案之態樣提供一種超音波指紋感測器，其經配置以產生至少兩個不同頻率之超音波信號且感測超音波信號自個體手指之反射。應瞭解，本文中對偵測「指紋」之提及可指偵測使用者之與指尖有關的任何生理特徵，且可能不直接與表皮指紋之脊線有關。舉例而言，使用者手指之皮下特徵的量測可表示彼使用者且在一些狀況下可為唯一的，但此等特徵之量測可能不直接量測表皮脊線。此等類型之量測在本文中被視為皆與如經由所描述技術判定之使用者的指紋有關。

圖1描繪根據一些具體實例之自超音波指紋感測器延伸至個體手指之兩個不同深度D1及D2的超音波束之實例。超音波指紋感測器在一些狀況下可包含電容式微機械超音波換能器（micromachined ultrasonic transducer；CMUT），且在一些狀況下可包含一起執行目標感測之CMUT的陣列。在圖1之實例中，可藉由不同頻率之超音波信號111及112在兩個不同深度D1及D2處掃描個體之手指105。在圖1之實例中，深度D1在手指105之皮膚表面處且深度D2在皮膚表面下方。出於清楚起見，在圖中展示手指105與感測器110之間的小間隙，但應瞭解，在一些狀況下，此間隙可能不存在，且事實上，可能需要手指與感測器之間不存在間隙以減少超音波信號在其自超音波指紋感測器行進至手指105時之反射。超音波信號111及112係由超音波指紋感測器110同時或依序發射。在一些具體實例中，超音波指紋感測器110可為超音波單晶片裝置或可為超音波單晶片裝置之部分。根據一些具體實例，深度D1及D2可各自小於二分之一吋。舉例而言，自CMUT（或CMUT之陣列）之上表面至射束111及112中之任一者或兩者之焦點的距離可小於二分之一吋。

在一些具體實例中，為產生不同超音波頻率，CMUT可在不同偏壓電壓下操作以產生不同諧振頻率。作為非限制性實例，CMUT可在兩個頻帶中操作以藉由如上文所論述感測不同深度而提供兩個分開的成像模式。CMUT可在其崩潰電壓之95%的DC偏壓電壓下操作以用於表皮之下的低頻（2至5 MHz）成像；且在高於崩潰電壓之DC偏壓電壓下操作以用於指尖之高頻（12至17 MHz）成像。所列出的DC偏壓電壓操作點為非限制性的，此係因為可施加其他偏壓電壓以達成不同操作頻率。

本申請案之態樣提供一種超音波指紋感測器，其包括至少兩個電極，該至少兩個電極經配置以接收不同頻率之電信號，從而導致產生不同頻率之超音波信號，例如經由控制電容式超音波換能器之隔膜。多電極方案可針對多個頻率範圍在崩潰前後提供改善之傳輸及接收效率。作為非限制性實例，圖2A描繪經配置以使用兩個不同頻率感測個體之皮膚的電容式微機械超音波換能器之雙環電極設計的俯視圖。圖2A描繪 說明性超音波指紋感測器200之CMUT之隔膜相對的電極配置。所說明之電極可表示電容式微機械超音波換能器之底部電極。感測器200可包含在隔膜本身上之一或多個額外電極，但彼等電極未在此圖中未出。感測器200包括電極201及202，所述電極為經配置以經由對換能器之隔膜的合適控制來產生不同頻率之超音波的同心對準電極。舉例而言，電極201可經配置以產生頻率相對較低之超音波（例如，介於1 MHz與10 MHz之間），而電極202可經配置以產生頻率相對較高之超音波（例如，介於10 MHz與40 MHz之間）。在圖2A之非限制性實例中，區205及209包含介電質（例如，氧化物），且區208包含用於將包含所說明電極之下部基板與隔膜接合的旁路接合區域。

作為其他非限制性實例，圖2B至圖2D描繪額外的多電極設計210、220及230，其中向元件提供與圖2A之實例配置中相同的標籤。此等實例說明合適的多電極設計之其他形狀，包括圖2B中之同心正方形、圖2C中之柵格空間中之含有輔助電極的柵極及圖2D中之並排矩形電極。可替代地實施電極之其他形狀，此係因為本申請案之與用於產生多個超音波頻率之多電極結構有關的各種態樣不限於電極之特定形狀。

圖2E描繪圖2A之說明性雙環電極設計的橫截面圖之非限制性實例，且除厚度為T 之矽隔膜220以外，亦包括寬度為W 且深度為D 之空腔210。電極201及202以橫截面展示且由於其具有環形形狀，因此在圖2E中所展示之橫截面中呈現為兩個相異區。電極201及202（例如，Ti電極）各自經由通孔212（例如，鎢通孔）耦接至各別驅動組件207（例如，AlCu）及213（例如，Cu）。空腔210安置於電極201及202上方，其中原子層沉積（atomic-layer-deposited；ALD）之氧化鋁層214安置於電極與空腔之間。矽隔膜220安置於空腔上方且在一些具體實例中，可經配置以作為電極201及202之輔助電極操作。亦即，矽隔膜220可表示與電容式換能器相對（與電極201及202相對）之電極。MEMS鈍化層204（例如，SiO/SiN）沉積於矽隔膜220上方。氧化物層205安置於上述層之間，如圖2E中所展示。在操作期間，可將DC偏壓電壓施加至導電矽隔膜220。

應瞭解，儘管圖2A至圖2D之實例描繪安置於指紋感測器之相同平面內的多個電極，但在一些狀況下，指紋感測器之下部電極可安置於不同平面中。亦即，電極可安置於至少三個平面中，其中上部電極安置於一個平面中且下部電極安置於至少兩個不同平面中。舉例而言，超音波指紋感測器可包含：第一下部電極，其經配置以接收第一頻率電信號，從而導致產生頻率相對較低之超音波；及第二下部電極，其安置於第一電極之下，該第二下部電極可經配置以接收第二頻率電信號，從而導致產生頻率相對較高之超音波。由第二電極產生之超音波可在自第二電極傳輸至手指時及/或在自手指反射時穿過第一電極，且由第一電極及第二電極產生之超音波可穿過裝置之上部電極。

現提供用於產生不同頻率之超音波信號的操作參數之非限制性實例。對於具有大約52 V之崩潰電壓的CMUT，可使用50 V DC偏壓產生第一頻率之超音波信號，對於2循環、3 MHz、50 V峰值至峰值驅動脈衝，該超音波信號在CMUT表面上具有600 kPa峰值至峰值平均傳輸壓力。第二頻率之超音波信號可藉由施加60 V DC偏壓產生，因此在崩潰狀態中操作，其中隔膜之諧振頻率現為大約15 MHz。在此等情形下，可運用30 V峰值至峰值驅動脈衝來達成CMUT表面處之1 MPa峰值至峰值平均壓力。具有上文所描述之類型之雙電極設計的電容式超音波換能器可允許藉由使用一個電極以施加驅動脈衝中之一者（例如，50 V峰值至峰值驅動脈衝）及使用另一電極以施加另一驅動脈衝（例如，30 V峰值至峰值驅動脈衝）來達成剛剛描述之操作情境。其他實例為可能的。

根據本申請案之一些態樣，超音波指紋感測器可包含換能器陣列，包括但不限於圖2A至圖2D中所展示之任何數目個換能器及換能器組合。圖3描繪根據一些具體實例之此陣列的實例。

圖3展示換能器陣列300中之個別換能器元件304可如何相對於用於彼換能器元件304之互補金屬氧化物半導體（CMOS）電路312（包括傳輸（TX）控制電路306及/或接收（RX）控制電路308）進行安置的說明性實例。如所展示，在一些具體實例中，每一換能器元件304可使其與對應TX控制電路306及對應RX控制電路308相關聯。在圖3中所展示之具體實例中，換能器元件304中之每一者直接放置於其對應的TX控制電路306及/或RX控制電路308上方，以便例如促進互連，最小化組件之間的串擾，最小化寄生電容且節省半導體晶片上之空間連同提供其他可能的益處。關於換能器單元（例如，上文所描述之換能器單元200或210）、換能器元件304及換能器陣列300可如何以此方式與CMOS電路整合或以其他方式形成於CMOS電路上方的細節提供於題為「互補金屬氧化物半導體（CMOS）超音波換能器及其形成方法（COMPLEMENTARY METAL OXIDE SEMICONDUCTOR (CMOS) ULTRASONIC TRANSDUCERS AND METHODS FOR FORMING THE SAME）」、代理人案號為B1348.70007US01、在2014年3月13日申請且現頒佈為美國專利9,242,275之美國專利申請案第14/208,351號中，該案特此以全文引用之方式併入。其他實例可見於題為「微機械超音波換能器以及相關設備及方法（MICROFABRICATED ULTRASONIC TRANSDUCERS AND RELATED APPARATUS AND METHODS）」、代理人案號為B1348.70013US01、在2015年3月2日申請且現頒佈為美國專利9,067,779之美國專利申請案第14/635,197號中，該案特此以全文引用之方式併入。

然而，應瞭解，在其他具體實例中，換能器元件304中之一或多者可相對於一或多個TX控制電路306及/或一或多個RX控制電路308以其他方式安置，以便達成其他益處或優點。舉例而言，在某些實施方案中，TX控制電路306及/或RX控制電路308之功能性可由位於不同晶片或甚至不同於上面形成超音波換能器之裝置的裝置上之電路執行。

根據本申請案之一些態樣，超音波指紋感測器可包括具有任何合適之電極尺寸、隔膜厚度、空腔深度及寬度以及DC及AC操作點之至少一個微機械超音波換能器。現提供非限制性實例。

在一些具體實例中，諸如展示於圖2A至圖2E中之彼等說明性結構的電極結構之平面內直徑大於或等於10 μm、15 μm、20 μm、25 μm或30 μm。在一些具體實例中，直徑小於或等於150 μm、100 μm、75 μm或50 μm。上文所提及之範圍的任何合適組合亦為可能的（例如，大於或等於25 μm且小於或等於100 μm的直徑等）。

在一些具體實例中，諸如展示於圖2E中之隔膜220的矽隔膜之厚度T 大於或等於1 μm、2 μm、3 μm、4 μm或5 μm。在一些具體實例中，厚度小於或等於50 μm、10 μm、8 μm、5 μm或3 μm。上文所提及之範圍的任何合適組合亦為可能的（例如，大於或等於1μm且小於或等於5μm之隔膜厚度等）。

在一些具體實例中，超音波指紋感測器可經配置以將大於或等於5 V、10 V、15 V或20 V之DC偏壓電壓供應至矽隔膜（例如，展示於圖2E中之隔膜220）。在一些具體實例中，DC偏壓電壓小於或等於100 V、75 V、50 V或25 V。上文所提及之範圍的任何合適組合亦為可能的（例如，大於或等於10 V且小於或等於50 V之DC偏壓電壓等）。

在一些具體實例中，超音波指紋感測器可經配置以將具有大於或等於5 V、10 V、15 V或20 V之振幅的AC電壓供應至感測器之電極（例如，展示於圖2A至圖2E中之電極201及/或202）。在一些具體實例中，AC電壓之振幅小於或等於50 V、25 V、10 V或5 V。上文所提及之範圍的任何合適組合亦為可能的（例如，施加至電極之具有大於或等於5 V且小於或等於25 V之振幅的電壓等）。應瞭解，施加至感測器之電極的AC電壓可為正電壓或負電壓。

在一些具體實例中，超音波指紋感測器可經配置以產生具有大於或等於1 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz或30 MHz之頻率的超音波。在一些具體實例中，超音波指紋感測器可經配置以產生具有小於或等於50 MHz、40 MHz、30 MHz、20 MHz、15 MHz或10 MHz之頻率的超音波。上文所提及之範圍的任何合適組合亦為可能的（例如，大於或等於5 MHz且小於或等於15 MHz之頻率等）。

超音波指紋感測器之空腔（例如，空腔210）可具有經設計用於最終形成之超音波換能器之所要操作（例如，就操作頻率而言）的深度D 。在一些具體實例中，深度D 可為大約2微米、大約0.5微米、大約0.25微米、介於大約0.05微米與大約10微米之間、介於大約0.1微米與大約5微米之間、介於大約0.5微米與大約1.5微米之間、其間的任何深度或深度範圍，或任何其他合適的深度。

空腔210可具有亦在圖2E中所說明之寬度W 。在一些具體實例中，空腔210之寬度W 可為大約50微米、介於大約5微米與大約500微米之間、介於大約20微米與大約100微米之間、其間的任何寬度或寬度範圍，或任何其他合適的寬度。

在一些具體實例中，空腔具有大約50微米之寬度W 及大約0.2微米之深度D 。在一些具體實例中，寬度W 對深度D 之比率可大於50、大於100、大於150、介於30與300之間或任何其他合適的比率。該比率可經選擇以提供換能器隔膜之所要操作，例如在目標頻率下的操作。

作為非限制性實例，超音波指紋感測器可包含具有25 μm及100 μm之各別直徑的雙環電極結構、安置於電極結構上方之厚度為10 μm的隔膜，可經配置以將25 V DC偏壓電壓供應至隔膜且將15 V AC電壓供應至電極結構，可自兩個電極結構產生5 MHz及15 MHz之超音波，且包括具有1 μm之深度及50 μm之寬度的空腔。

如本文中所描述之超音波指紋感測器可放置於各種裝置中，所述裝置包括但不限於行動電子裝置，諸如行動電話或生物測定存取裝備。圖4A描繪根據一些具體實例之包含超音波指紋感測器401的行動電話400之實例。感測器401以虛線描繪以指示感測器安置於電話400之外表面之下且經由該表面不可見。雖然感測器401在圖4A中描繪為安置於行動電話400之螢幕403的特定區之下，但應瞭解，感測器401可安置於螢幕之下的任何合適位置中並具有任何合適大小，且在一些狀況下，除螢幕403以外或替代螢幕，可包括在電話之按鈕402的一些或部分之下。在一些具體實例中，感測器401可安置於行動電話400之背面下方。

圖4B描繪圖4A之行動電話的橫截面圖。在圖4B之實例中，行動電話400包含電路板440，該電路板電耦接至顯示層420及超音波換能器陣列430且經配置以控制顯示層及超音波換能器陣列。顯示層經配置以經由可例如包含玻璃或透明塑膠之表面410產生光，且可例如包含LED顯示器或OLED顯示器。超音波換能器陣列430經配置以藉由發射多個頻率451及452之超音波以藉此感測個體手指之不同深度來感測該手指，如上文結合圖1所描述。超音波換能器陣列430可包含安置於一層中之任何數目個CMUT，諸如包含展示於圖2E中之CMUT之數個例項的陣列。

如先前所描述，本申請案之態樣提供經配置以使用兩個不同超音波頻率對個體之指紋進行成像的超音波指紋感測器。圖5A至圖5B描繪根據一些具體實例之在兩個不同深度處掃描的同一手指之說明性影像。如上文所論述，由CMUT產生之不同頻率的超音波可以不同程度穿透手指。圖5A為可藉由用相對較高的頻率（例如，介於10 MHz與40 MHz之間）掃描手指以解析手指之表面特徵（例如，指紋之所說明脊線）而產生的手指之影像510的實例。圖5B為如圖5A中所展示之同一手指的影像520之實例，該影像可藉由用相對較低的頻率（例如，介於1 MHz與10 MHz之間）掃描手指以解析手指之真皮層及/或皮下層內的特徵而產生。

圖6為根據一些具體實例之偵測指紋的方法之流程圖。在方法600中，在可依序或至少部分同時執行之動作610及615中發射第一超音波信號及第二超音波信號。在動作610及615中發射之第一超音波信號及第二超音波信號兩者均入射於使用者之手指上，如上文進一步所論述。第一超音波信號及第二超音波信號可展現不同頻譜使得由兩個超音波信號探測手指之不同深度。如上文所論述，在一些狀況下，使用不同頻譜可意謂每一頻譜之峰值頻率不同，但除不同峰值頻率以外或作為不同峰值頻率之替代例，頻譜之間可展現其他差異。

在動作620及625中，接收經由在動作610及615中發射第一超音波信號及第二超音波信號而產生的所反射信號且根據所接收在信號產生手指之影像。應瞭解，可在與動作610及/或615之至少部分相同的時間期間執行動作620及/或625。舉例而言，可在繼續發射第一超音波的同時及/或在正發射第二超音波的同時產生手指之第一影像。無關於動作610、615、620及625之時間排序，在動作630中，基於所產生之第一影像及第二影像偵測指紋。根據一些具體實例，動作630可包含比較第一影像及/或第二影像與先前所獲得之手指影像以判定當前正掃描之手指是否與先前掃描之手指匹配。根據一些具體實例，動作630可包含第一影像與第二影像之間的比較。此比較可具有眾多益處，諸如但不限於防止冒名頂替者欺騙使用者之指紋。

本發明之各種態樣可單獨地、以組合或以未在前述內容中描述的具體實例中特定地描述的多種安置來使用，且因此在其應用上不限於在前述描述中闡述或在圖式中所說明的組件之細節及安置。舉例而言，一個具體實例中所描述之態樣可按任何方式與其他具體實例中所描述之態樣組合。

除非有明確相反指示，否則如本文中在說明書及申請專利範圍中所使用之數詞「一」應被理解為意謂「至少一個」。

如本文中在說明書及申請專利範圍中使用之片語「及/或」應理解為意謂如此結合之要素中的「任一者或兩者」，亦即，在一些狀況下結合地存在且在其他狀況下未結合地存在的要素。使用「及/或」列出的多個要素應以相同方式解釋，亦即，如此結合之「一或多個」要素。可視情況存在除了藉由「及/或」短語所特定地識別之要素以外的其他要素，無論與特定地識別之彼等要素相關抑或不相關。

如本文中在說明書及申請專利範圍中所使用，參考一或多個要素之清單的片語「至少一個」應理解為意謂選自要素清單中之任何一或多個要素的至少一個要素，但未必包括要素清單內特定地列出的每一個要素中之至少一者，且未必排除要素清單中之要素的任何組合。此定義亦允許可視情況存在除片語「至少一個」所指的要素清單內特定地識別之要素以外的要素，無論與特定地識別之彼等要素相關抑或不相關。

在申請專利範圍中使用諸如「第一」、「第二」、「第三」等序數術語修飾請求項要素本身不意味著一個請求項要素相對於另一請求項要素的任何優先權、優先性或次序或執行方法動作之時間次序，而是僅用作標籤以區分具有某一名稱之一個請求項要素與具有相同名稱（但使用序數術語）之另一要素，以區分所述請求項要素。

如本文中所使用，對介於兩個端點之間的數值之參考應理解為涵蓋數值可採用端點中之任一者的情形。舉例而言，陳述特性具有介於A與B之間或介於大約A與B之間的值應理解為意謂除非另外指出，否則所指示範圍包括端點A及B。

術語「大約」及「約」可用以意謂在一些具體實例中在目標值之±20%內、在一些具體實例中在目標值之±10%內、在一些具體實例中在目標值之±5%內，及又在一些具體實例中在目標值之±2%內。術語「大約」及「約」可包括目標值。

又，本文中所使用之片語及術語係出於描述之目的，且不應被視為限制性的。本文中對「包括」、「包含」或「具有」、「含有」、「涉及」及其變體的使用意謂涵蓋在其後所列出的項目及其等效物以及額外項目。

在上文已描述至少一個具體實例之若干態樣的情況下，應瞭解，所屬領域中具有通常知識者將易於想到各種更改、修改及改良。此類更改、修改及改良意欲為本發明之目標。因此，前文描述及圖式僅作為實例。

105:手指 110:超音波指紋感測器 111:超音波信號/射束 112:超音波信號/射束 200:超音波指紋感測器/超音波單元 201:電極 202:電極 204:MEMS鈍化層 205:區/氧化物層 207:驅動組件 208:區 209:區 210:多電極設計/空腔/超音波單元 212:通孔 213:驅動組件 214:原子層沉積（ALD）氧化鋁層 220:多電極設計/矽隔膜 230:多電極設計 300:換能器陣列 304:換能器元件 306:傳輸（TX）控制電路 308:接收（RX）控制電路 312:互補金屬氧化物半導體（CMOS）電路 400:行動電話 401:超音波指紋感測器 402:按鈕 403:螢幕 410:表面 420:顯示層 430:超音波換能器陣列 440:電路板 451:頻率 452:頻率 510:影像 520:影像 600:方法 610:動作 615:動作 620:動作 625:動作 630:動作 D:深度 D1:深度 D2:深度 T:厚度 W:寬度

本申請案之各種態樣及具體實例將參看以下圖式進行描述。應瞭解，所述圖式未必按比例繪製。藉由出現於所有圖式中之相同參考標號來指示出現於多個圖式中之項目。

[圖1]描繪根據非限制性具體實例之在多個深度處偵測個體之手指的超音波指紋感測器；

[圖2A至圖2D]描繪根據非限制性具體實例之雙電極電容式微機械超音波換能器；

[圖2E]描繪根據非限制性具體實例之圖2A的雙電極電容式微機械超音波換能器之橫截面圖；

[圖3]展示換能器陣列中之個別換能器元件可如何相對於用於彼元件之CMOS電路進行安置的說明性實例；

[圖4A至圖4B]分別描繪根據非限制性具體實例之包含超音波指紋感測器的行動電話之外視圖及橫截面圖；

[圖5A至圖5B]描繪根據一些具體實例之藉由在兩個不同深度處掃描手指而獲得的手指之影像；及

[圖6]為根據一些具體實例之基於在兩個不同深度處掃描的手指之影像偵測指紋的方法之流程圖。

105:手指

110:超音波指紋感測器

111:超音波信號/射束

112:超音波信號/射束

D1:深度

D2:深度

Claims (21)

1. 一種超音波指紋設備，其包含： 微機械超音波換能器，其包含： 基板，其具有空腔； 隔膜，其耦接至該基板使得該空腔分開該隔膜與該基板之至少一部分；及 第一電極及第二電極，其在該基板上且相對該隔膜而安置，使得該第一電極之至少部分安置於該第二電極之至少一部分的內部。
2. 如請求項1之超音波指紋設備，其中該第一電極及該第二電極為環形電極，且其中該第一電極同心地安置於該第二電極內。
3. 如請求項1之超音波指紋設備，其中該第二電極包含至少一個內部區且其中該第一電極安置於該第二電極之該內部區內。
4. 如請求項1之超音波指紋設備，其進一步包含積體電路，該積體電路放置於該基板中且經配置以將第一頻率之第一驅動信號提供至該第一電極並將第二頻率之第二驅動信號提供至該第二電極。
5. 如請求項4之超音波指紋設備，其中該第一驅動信號具有比該第二驅動信號高的頻率。
6. 如請求項5之超音波指紋設備，其中該第一驅動信號具有介於10 MHz與40 MHz之間的頻率且其中該第二驅動信號具有介於1 MHz與10 MHz之間的一頻率。
7. 如請求項4之超音波指紋設備，其中該積體電路放置於該基板中而處於微機械超音波換能器空腔之下。
8. 如請求項1之超音波指紋設備，其中該超音波指紋設備為超音波單晶片設備。
9. 如請求項1之超音波指紋設備，其包含與積體電路整合之所述微機械超音波換能器的陣列。
10. 如請求項9之超音波指紋設備，其中所述微機械超音波換能器為電容式微機械超音波換能器（CMUT）。
11. 如請求項10之超音波指紋設備，其中CMUT之該陣列經配置以將超音波束聚焦於所述CMUT的陣列之上表面的二分之一吋內。
12. 如請求項1之超音波指紋設備，其中該空腔具有介於5微米與500微米之間的寬度。
13. 如請求項1之超音波指紋設備，其中該隔膜包含矽。
14. 一種超音波指紋設備，其包含： 微機械超音波換能器，其經配置以發射至少兩個不同頻率之超音波且基於該至少兩個不同頻率之所發射超音波的偵測而偵測指紋。
15. 一種OLED顯示器，其包含如請求項14之超音波指紋設備。
16. 一種行動電子裝置，其包含如請求項14之超音波指紋設備。
17. 一種具有指紋偵測之行動電子裝置，其包含： 外殼； 超音波單晶片裝置，其放置於該外殼內；及 顯示器，其耦接至該外殼，其中該超音波單晶片裝置放置於該外殼與該顯示器之間且經配置以經由該顯示器發射第一頻譜之超音波及不同於該第一頻譜之第二頻譜的超音波。
18. 如請求項17之行動電子裝置，其中該超音波單晶片裝置包含： 微機械超音波換能器，其包含： 基板，其具有空腔； 隔膜，其耦接至該基板使得該空腔分開該隔膜與該基板之至少一部分；及 第一電極及第二電極，其在該基板上且相對該隔膜而安置，使得該第一電極之至少部分安置於該第二電極之至少一部分的內部， 其中將第一電信號提供至該第一電極使得該換能器產生該第一頻譜之該超音波，且 其中將一第二電信號提供至該第二電極致使該換能器產生該第二頻譜之該超音波。
19. 一種偵測指紋之方法，該方法包含： 從微機械超音波換能器發射第一頻譜之超音波且接收從手指反射之第一超音波； 從該微機械超音波換能器發射不同於該第一頻譜之第二頻譜的超音波且接收從該手指反射之第二超音波；及 至少部分地基於所接收之第一超音波及所接收之第二超音波偵測該指紋。
20. 如請求項19之方法，其中該第一頻譜及該第二頻譜展現不同峰值頻率。
21. 如請求項19之方法，其中該第一頻譜之該超音波及該第二頻譜之該超音波探測該手指之不同深度。

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