Mut指紋id系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】MUT指紋ID系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 根據(jù)35U.S.C§ 119 (e)，本申請要求2013年7月16日提交的序列號為 61/846, 925的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 二維指紋分析已經(jīng)用于刑事司法案件中的個人識別達幾個世紀。最近，指紋識 別的應用已經(jīng)延伸在更廣的商業(yè)范圍中使用，并且已經(jīng)有效地擴展至利基應用（niche application)，諸如，安全關(guān)鍵應用（諸如，銀行業(yè)）。
[0004] 然而，自動光學指紋掃描技術(shù)具有阻止其在更廣應用中使用的若干限制。例如，自 動光學指紋掃描技術(shù)僅感測指紋的表皮層。結(jié)果，這易于因手指污染物而造成錯誤。
[0005] 市場已經(jīng)反映了針對廣泛市場需求（諸如，個人電子設備）的光學指紋識別特征 的限制。雖然最初設置在許多個人電子設備中作為用于識別的特征，但是光學指紋掃描器 已經(jīng)由于這些限制而從最新的模型中移除。它們?nèi)狈Ρ匾聂敯粜砸栽谶@樣的日常環(huán)境中 可預見地運行。
[0006] 已經(jīng)研發(fā)了超聲指紋掃描器試圖使當前可用的自動光學指紋掃描的限制最小 化，以及通過分析真皮指紋來避免一些產(chǎn)生的錯誤。例如，在1993年7月29日公布的 Schneider等人的第5, 224, 174號美國專利中描述了這種系統(tǒng)。然而，當前可用的超聲指紋 掃描設備由于尺寸大、物理移動掃描設備的需要以及成本而限制了其應用。
[0007] 近來，對微機械超聲換能器（MUT)的研發(fā)已經(jīng)進行了初步的實驗工作。該研究 包括電容式微機械超聲換能器（CMUT)，諸如，在通過將"http://"放在"publications, lib.chalmers.se/records/fulltext/166084" 前以及將 "·pdf" 放在其后而生成的網(wǎng)頁 中描述的電容式微機械超聲換能器（錢穆勒理工大學，哥登堡，瑞典，2012);以及薩勒諾大 學，意大利，2011，在通過將 "http: //www. " 放在 "sciencedirect.com/science/article/ pii/S0924424711005528"前而生成的網(wǎng)頁中進一步描述的電容式微機械超聲換能器。在 一項附加研究中，在加利福尼亞大學，Davis(如在通過將"http://"放在"gradworks. umi.com/15/30/1530021"前以及將".html"放在其后而生成的網(wǎng)頁中所進一步描述的論 文，ChristineDempster，2013年1月）已經(jīng)研究了壓電微機械超聲換能器（PMUT)。
[0008] 如果可以利用諸如電容式微機械超聲換能器（CMUT)和壓電微機械超聲換能器 (PMUT)的微機械超聲換能器（MUT)來實現(xiàn)三維指紋ID，則這將是指紋識別（指紋ID)的變 革性的進步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的微機械超聲換能器指紋識別系統(tǒng)（MUT指紋ID系統(tǒng)）在個人身份識別領(lǐng) 域中是革命性進步。通過對個人電子設備、許多其他消費品和進入啟動設備的變革性影響， 空前的小尺寸、堅固的固態(tài)結(jié)構(gòu)、以及比當前系統(tǒng)低幾個數(shù)量級的單價在個人識別功能中 開創(chuàng)了新紀元。
[0010] MUT指紋IN系統(tǒng)是基于超聲換能器陣列的新型指紋傳感器。與基于塊體壓電材料 的現(xiàn)有超聲指紋傳感器相比，MUT指紋ID系統(tǒng)具有尺寸小、容易制造、容易與電子產(chǎn)品集成 以及電子掃描快速的優(yōu)點。對于當前可用的笨重的、易于出故障的機械掃描器而言，這些特 點代表改變規(guī)則的進步。該新型超聲指紋傳感器避免了早期超聲指紋傳感器所需的機械掃 描。
[0011] 在消費性電子產(chǎn)品應用中所使用的傳統(tǒng)指紋傳感器是電容式傳感器并且由于手 指干、濕或油膩而非常易于出錯。光學傳感器對手指上的污垢敏感。與測量表皮（皮膚表 面）上的指紋的電容式傳感器和光學傳感器二者不同，處于MUT指紋ID系統(tǒng)的核心的超聲 傳感器可以在表皮層和真皮層（皮下）上檢測指紋。
[0012] 由于MUT指紋ID系統(tǒng)使用真皮檢測和表皮檢測二者來獲取準確的指紋圖案，因此 該傳感器對手指的污物和潮濕情況二者都不敏感。相比之下，光學傳感器和電容式傳感器 對污物敏感。MUT指紋ID系統(tǒng)能夠以小步長（~50μm)在大距離（從若干毫米至若干厘 米）上電掃描聚焦的聲束。
[0013] 超聲指紋傳感器具有高保真度并且用在諸如銀行業(yè)的安全關(guān)鍵應用中。然而，現(xiàn) 有的超聲傳感器使用機械掃描的單個塊體超聲換能器，使得這些傳感器對于消費性電子產(chǎn) 品（例如，膝上型電腦和智能電話）的使用而言太大、太慢且太貴。
[0014] 新型MUT指紋ID系統(tǒng)設置有微機械超聲換能器陣列和數(shù)字的新電子掃描方法，具 有快速響應，以及能夠在現(xiàn)場掃描模式中工作。
【附圖說明】
[0015] 圖1示出MUT指紋ID系統(tǒng)檢測表皮指紋圖案和真皮指紋圖案二者的常規(guī)視圖，
[0016] 圖2示出具有換能器子組掃描的MUT指紋ID系統(tǒng)相控陣列實施例，
[0017] 圖3示出采用聲波導來檢測表皮層和真皮層二者的非波束形成系統(tǒng)，
[0018] 圖4示出MUT指紋ID系統(tǒng)的剖面PMUT陣列實施例，
[0019] 圖5是示出MUT指紋ID系統(tǒng)的制造的流程圖，
[0020] 圖6是對于CMOS特別有用的系統(tǒng)架構(gòu)，
[0021] 圖7示出MUT指紋ID系統(tǒng)的基本ASIC結(jié)構(gòu)，
[0022] 圖8示出單個PMUT的模擬振動模式模型，
[0023] 圖9示出作為直徑的函數(shù)的PMUT的第一共振頻率，
[0024] 圖10示出具有不同節(jié)距（pitch)的PMUT陣列的模擬聲束圖案，
[0025] 圖11示出具有不同節(jié)距的PMUT陣列的實驗測量的聲束圖案，以及
[0026] 圖12示出具有140微米節(jié)距的15列PMUT陣列的實驗測量的聲束圖案。
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明的MUT指紋ID系統(tǒng)通過最小的設計變化而為現(xiàn)有的個人電子設備提供了 獨特的功能，為當前消費品提供了功能的新維度。此外，MUT指紋ID系統(tǒng)是整個新個人識 別廣品和功能的研發(fā)的基礎(chǔ)。
[0028] 與基于塊體壓電換能器的傳統(tǒng)超聲指紋傳感器相比，MUT指紋ID系統(tǒng)具有尺寸 小、容易制造以及容易與電子產(chǎn)品集成的優(yōu)點。此外，其由于其電掃描特征（代替現(xiàn)有 的機械掃描）而具有快速響應時間。因此，MUT指紋ID系統(tǒng)以獨特的工程學設計為特 征，所述工程學設計解決引起較差指向性的近各向同性聲傳播（nearisotropicsound propagation)，所述較差指向性已經(jīng)大幅限制了現(xiàn)有系統(tǒng)的廣泛應用。
[0029]MUT指紋ID系統(tǒng)設計方案的很多特征協(xié)同工作以提供針對特定需求的最佳優(yōu)點。 每個方案可以被選擇為以最大優(yōu)點來對作為整體的系統(tǒng)及其特定應用起作用。因此，雖然 以下通過一些示例性實施例而單獨地討論了這些特征，但是設計工程師將選擇或修改這些 特征以最好地適應完整系統(tǒng)以及MUT指紋ID系統(tǒng)將是其特征的設備的目標和需求。
[0030] 在更加詳細地描述本發(fā)明之前，要理解的是，本發(fā)明不局限于描述的特定實施例， 照此，當然可以變化。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，本發(fā)明包括各種改變、變型和等同物。還 要理解的是，由于本發(fā)明的范圍將僅由所附權(quán)利要求來限定，因此本文中所用的術(shù)語僅是 出于描述特定實施例的目的，而非意在進行限制。
[0031] 在提供值的范圍的情況下，理解的是：除非上下文明確另有指示，否則該范圍的上 限與下限之間的每個中間值（至下限單位的十分之一）或該規(guī)定范圍中的任何其他規(guī)定值 或中間值被包括在本發(fā)明之內(nèi)。服從在該規(guī)定范圍中的任何特別排除的限制，這些較小范 圍的上限和下限可以被獨立地包括在較小的范圍內(nèi)并且也包括在本發(fā)明內(nèi)。在該規(guī)定范圍 包括一種或兩種限制的情況下，排除那些包括的限制的其一或二者的范圍也被包括在本發(fā) 明中。
[0032] 在本文中提出了具有前面加上術(shù)語"大約"的數(shù)值的某些范圍。在本文中術(shù)語"大 約"被用于為其在前的精確數(shù)字提供字面支持以及為靠近或接近該術(shù)語在前的數(shù)字的數(shù)字 提供字面支持。在判斷數(shù)字是否靠近或接近特定列舉數(shù)字時，靠近或接近的未列舉數(shù)字可 以是在其被提出的上下文中提供特定列舉數(shù)字的實質(zhì)等同的數(shù)字。
[0033] 注意的是，如本文和所附權(quán)利要求中所用的，除非在上下文中明確地另外指示，否 則單數(shù)形式，一個（"a"和"an"）和所述（"the"）包括復數(shù)參照。還注意的是，權(quán)利要求 可以撰寫為排除任何可選元件。照此，該陳述意在用作使用與列舉的要求保護的元件相關(guān) 的這種排他性術(shù)語（如，"唯一"和"僅"等）或使用"否定"限制的引用基礎(chǔ)。
[0034] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本公開時將明顯的是，在本文中描述和說明的單獨的實 施例中的每一個具有分立組件和特征，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，所述分立 組件和特征可以與任何其他若干實施例的特征容易地分離或組合?？梢砸运惺录拇涡?或合乎邏輯可能的任何其他次序來執(zhí)行任何列舉的方法。
[0035] 在該說明書中引用的任何公共出版物和專利通過引用被包含在本文中，好像每個 單獨的公共出版物或?qū)＠惶貏e并且單獨地指出以通過引用被合并一樣，以及在該說明書 中引用的任何公共出版物和專利通過引用被包含在本文中，以公開或描述與所引用的公共 出版物有關(guān)的方法和/或材料。任何公共出版物的引用是針對在申請日之前的公開并且不 應當被解釋為承認本發(fā)明不具有憑借之前發(fā)明而先于這種公共出版物的權(quán)利。此外，所提 供的公共出版物的日期可以與實際公共出版物的日期不同，這可能需要獨立證實。
[0036] 除非另外定義，否則在本文中所使用的所有技術(shù)術(shù)語和科技術(shù)語具有與本發(fā)明所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的意義相同的意義。雖然與本文中所描述的方法和材料類似或 相同的任何方法和材料也可以用在本發(fā)明的實踐或測試中，但是現(xiàn)在描述代表性說明性方 法和材料。
[0037] 微機械軺聲換能器元件
[0038] MUT指紋ID系統(tǒng)與當前可用的超聲指紋傳感器區(qū)別在于MUT指紋ID系統(tǒng)在其設 計中采用微機械超聲換能器（MUT)。在MUT指紋ID系統(tǒng)出現(xiàn)之前，沒有MUT(包括CMUT和 PMUT)已經(jīng)用于初步研究工作之外的指紋感測。
[0039] 當前，一般來說兩種類型的MUT是可用的，電容式MUT(CMUT)和壓電MUT(PMUT)。 這些在以下提供MUT指紋ID系統(tǒng)的特定示例中進行描述。然而，根據(jù)預期應用和其他工程 設計考慮，也將考慮將其他MUT用在MUT指紋ID系統(tǒng)中。
[0040] PMUT和CMUT具有類似的外觀。CMUT和PMUT的基本結(jié)構(gòu)是彎曲的振動膜。通過 使該小膜振動，MUT發(fā)出聲音。
[0041] PMUT與CMUT的不同之處在于PMUT設置有壓電層。該壓電層響應于施加的電場而 產(chǎn)生機械運動。相比之下，CMUT設置有兩個傳導層。該膜和固定的反電極（或晶片）二者 都是傳導的。將電壓施加在該膜與反電極之間。這產(chǎn)生靜電力。
[0042] 因此，CMUT和PMUT的結(jié)構(gòu)是非常類似的。然而，在PMUT的情況下，設置有壓電層。 在CMUT的情況下，雖然缺少壓電層，但是利用重疊的傳導層來替代。
[0043] CMUT已經(jīng)用于各種醫(yī)療目的和其他成像目的。通常這些設備通過構(gòu)造CMUT的陣 列來設置，并且作為陣列來操作。在某些情況下，以相對低的頻率來實現(xiàn)檢測。
[0044] 出于MUT指紋ID系統(tǒng)的目的，以比傳統(tǒng)用于醫(yī)療目的高的頻率進行這種通用型超 聲成像。醫(yī)療超聲的區(qū)域為MUT指紋ID系統(tǒng)的最優(yōu)化提供一些提示。然而，MUT指紋ID系 統(tǒng)使用非常不同的方法，其使用非常高的頻率和非常短的范圍。
[0045] MUT指紋ID系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有的醫(yī)療設備應用之處在于其僅穿透組織的幾百微米， 而不是醫(yī)療設備所需的毫米或更多。這允許MUT指紋ID系統(tǒng)提供皮膚表面上以及皮膚下 面二者的各種結(jié)構(gòu)的圖像，包括指紋圖像，例如，在某些情況下，3D指紋的拓撲細節(jié)。
[0046] 指向件
[0047] CMUT和PMUT二者都是使用半導體批量生產(chǎn)制造的微電子機械系統(tǒng)（MEMS)設備。 每個MUT能夠發(fā)射和接收聲波。聲波如下產(chǎn)生：當在底電極和頂電極的兩端施加電壓時，換 能器膜振動，在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生聲波。相反地，到達的聲波在MUT中產(chǎn)生運動，生成電信號。
[0048] MUT具有半徑a，相對于執(zhí)行測量的聲波