長，該半徑a較小。結果，聲音在很多方向 上傳播，g卩，單獨的MUT的指向性較弱。該特性限制了這些組件在廣泛范圍上提供指紋檢測 的應用。
[0049] MUT指紋ID系統(tǒng)由于MEM結構（其解決指向性問題）而具有獨特的工程設計策 略。如以下在示例中更詳細地描述，本發(fā)明人已經研發(fā)了兩種特定設計策略來提供指向性。 通過設計策略中的這項突破性進展，本領域技術人員將容易地理解額外的變型。
[0050] 在MUT指紋ID系統(tǒng)的一個實施例中，背面刻蝕形成用作波限制器的管。在這種方 法中，發(fā)出的波被限制在管內，而不是沿所有方向傳播。結果，幾乎限定在管內的所有聲波 直接傳播至用戶手指，而不管用于原始PMUT的波束寬多大。
[0051] 在MUT指紋ID系統(tǒng)的另一個實施例中，換能器的相控陣列用于實現高指向性的、 聚焦的聲束。通過適當地調節(jié)施加至每個通道的信號的相位（延遲），聲束可以被聚焦至期 望深度。對于同一焦點位置，具有更多通道的陣列將把聲束聚焦至更小的直徑，但是過多的 通道將使電子產品更復雜和更貴。
[0052] 對于具有給定數量通道的陣列，減小焦點直徑的可替代方式是增加陣列中的換能 器之間的節(jié)距，從而增加陣列的孔徑。對于指紋感測，期望具有大約50 μπι或更少的焦點直 徑，對于以40MHz來操作的換能器陣列，當換能器節(jié)距是150 μπι時，6通道陣列具有低于大 約50 μπι的焦點直徑。通過掃描穿過手指的聲束來收集指紋圖像。
[0053] 在MUT指紋ID系統(tǒng)的一些實施例中，圖像分辨率從大約50μm至130μm，具體是 從大約70μm至100μm，更具體是從大約75μm至90μm，以及最具體是大約80μm。
[0054]
[0055]如本領域技術人員將容易確定的，可以基于預期應用和特定設備配置來最優(yōu)地選 擇MUT指紋ID系統(tǒng)帶寬。范圍可以從大約10MHz至大約100MHz中選擇，具體從大約10MHz 至大約50MHz中選擇，以及更具體從大約10MHz至大約20MHz中選擇。
[0056] 對于當前可用的換能器，大約10MHz至大約50MHz的范圍是合適的設計范圍。然 而，對于某些應用，高于大約100MHz的范圍可以是感興趣的設計選擇。當考慮這種替代時， 必須考慮設計在該高范圍內的頻率處具有足夠的信噪比的換能器。雖然用更高頻率能夠改 善結果，但是即將來臨的換能器的工程設計改進對實現這些優(yōu)點來說將是重要的。
[0057] 在設計系統(tǒng)中，100MHz處的換能器將產生電荷輸出實質上較小的系統(tǒng)。通過精心 設計，具有好信噪比的換能器是可能的。隨著預期進步，在不久的將來，可以在這些高范圍 內操作設備。為達到該目的，醫(yī)療換能器的結構和功能是有啟發(fā)性的。
[0058] 能量&功耗
[0059]指紋傳感器的很多應用（例如，在電池供電設備中）需要超低功率損耗。幸運的 是，MUT指紋ID系統(tǒng)可以設計為滿足這種需要。具體地說，如果用10μJ至500μJ的更典 型范圍來適當地設計，則MUT指紋ID系統(tǒng)每次獲取指紋時消耗小于lmj的能量，該更典型 范圍根據系統(tǒng)參數（諸如，指紋分辨率（例如，500dpi對300dpi)、使用的方案（例如，是否 采用相控陣列波束形成）以及制造技術）而變化。
[0060]MUT指紋ID系統(tǒng)使用的頻率高度地取決于應用。例如，當用在智能電話中時，每次 用戶激活設備時，可以使用MUT指紋ID系統(tǒng)，通常每小時幾次或每天幾次。高安全應用可 能需要頻繁的再驗證，例如，每分鐘。裝備有控制（例如，訪問）住宅房屋的指紋傳感器的 門鎖每天可以僅使用幾次。
[0061] 在所有情況下，為了使能量消耗最小化，僅可以在使用時激活MUT指紋ID系統(tǒng)?？?以例如用軟件通過電容傳感器或MUT陣列自身來控制激活。在后者的情況下，僅單個或少 數MUT元件被周期性激活，例如，每秒10次。由于僅幾個元件被激活，因此該操作的功率損 耗非常低（典型地，根據設計而小于或遠小于1μW)。如果檢測到手指或其他物體，則整個 MUT陣列被激活以獲取指紋圖案。由于產生非常低的平均功率損耗，因此指紋傳感器可以代 替許多應用（諸如，智能電話）中的啟動開關：MUT指紋ID系統(tǒng)僅在識別到有效指紋時開 啟，而不需要其他步驟。該操作模式給予用戶最大的方便性和安全性。
[0062] 儲存在CR2032鋰紐扣電池中的能量是2000-3000焦，允許數百萬次的指紋識別。 例如，如果紐扣電池僅用于對設備的指紋ID組件供電，則如果每小時只使用一次MUT指紋 ID系統(tǒng)，那么該紐扣電池將夠用超過40年。由于智能電話電池具有更高數量級的能量容 量，因此將MUT指紋ID系統(tǒng)添加至這種設備將引起每次電池充電的運行時間的微不足道的 減少。
[0063] 為了證實這些數字，以下一些發(fā)明人已經研發(fā)了功率損耗的估算。特定實施方式 的實際功率損耗將由于設計上的變化而背離該估算。然而，該估算提供有用的引導并且本 領域技術人員可以容易地將該估算適應于其他情況。
[0064] 考慮具有1cm乘2cm的總面積的指紋傳感器。假設分辨率是500dpi，該傳感器將 包括200乘400個單獨MUT的陣列。
[0065] 在傳輸相位期間的能量消耗由對MUT的電容充電和放電以及電氣布線來支配。雖 然該電容取決于制造技術的細節(jié)，但是每個MUT的電容通常將小于并且常常遠小于lpF。
[0066] 利用10V來驅動所有MUT四個周期消耗16μJ的能量。根據應用的需要，所有發(fā) 射器可以被立刻激活或順序激活或在中間被任意激活。能量消耗獨立于所使用的策略。在 相控陣列模式中，由于若干（例如，21個）MUT被激活以感測單個點，因此能量消耗較高。
[0067] 接收所需要的能量包括放大信號所需要的能量以及信號的模數轉換所需要的能 量。由于在已經發(fā)射了聲脈沖之后接收器僅需要激活短時段，因此能量消耗可以通過功率 門控（powergating)而大幅減小。例如，聲信號以通常1500m/s的聲音速率從換能器至真 皮行進300μπι至750μπι并且返回經歷了 200ns至500ns的延遲，在大部分的該延遲期間， 接收放大器必須準備好接受和放大回波（echo)。
[0068] 假設具有大約1GHz帶寬的放大器的平均功率損耗是lmW，在所有200乘400個MUT 處處理回波所需要的能量是40 μJ。以100MHz工作以將回波振幅轉換為數字信號的8位模 數轉換器消耗掉類似量的能量。
[0069] 總之，如果不使用波束形成，則在1cm乘2cm的MUT陣列中發(fā)射、接收和數字化聲 信號所需的總能量是16μJ+2*40μJ或大約100μJ。利用波束形成，根據每個波束激活的 MUT的數量，能量是更大的一個數量級至兩個數量級。
[0070] 需要額外的能量來處理、識別和確認由MUT陣列獲取的指紋。所需能量的水平取 決于處理器和所用算法的復雜度，以及為了有效的實現，通常所需能量的水平小于lmj。
[0071] 廣義系統(tǒng)設計
[0072] 在最一般的情況下，MUT指紋ID傳感器產生高指向性聲脈沖，所述高指向性聲脈 沖傳輸并且在具有不同聲阻抗的兩種材料的界面處反射。具有與人體組織的聲阻抗類似的 聲阻抗的耦合材料填充在超聲換能器與傳感器的頂表面之間，所述傳感器的頂表面與用戶 手指接觸。
[0073] MUT指紋ID系統(tǒng)產生高指向性聲脈沖，所述高指向性聲脈沖傳輸并且在具有不同 聲阻抗的兩種材料的界面處反射。具有與人體組織的聲阻抗類似的聲阻抗的耦合材料填充 在超聲換能器與傳感器的頂表面之間，所述傳感器的頂表面與用戶手指接觸。
[0074] 人體指紋包括具有不同聲阻抗的脊圖案和谷圖案，引起反射超聲的強度的可測量 的差異。相同圖案呈現在真皮和表皮二者上：表皮反射比更深的真皮反射更早到達，以及時 間門控（time-gating)可以用于選擇傳感器是記錄真皮指紋還是記錄表皮指紋。
[0075] 現有的非超聲指紋傳感器僅感測表皮指紋并且易于由于皮膚干、濕、臟或油膩而 導致出錯。MUT指紋ID系統(tǒng)通過允許測量真皮指紋而避免這些錯誤和限制。與基于塊體壓 電換能器的當前可用的超聲指紋傳感器相比，MUT指紋ID系統(tǒng)由于電子掃描而非機械掃描 而具有尺寸小、容易制造、容易與電子產品集成和響應快速的優(yōu)點。
[0076]MUT指紋ID系統(tǒng)避免早期超聲指紋傳感器所需的機械掃描。以下描述基于PMUT 陣列的傳感器的一個實施例?？商娲?，可以使用CMUT。CMUT和PMUT二者都是使用半導 體批量生產而制造的微電子機械系統(tǒng)（MEMS)設備。
[0077] 每個MUT可以發(fā)射和接收聲波。產生聲波如下：當在底電極和頂電極兩端施加電 壓時，換能器膜振動，在周圍介質中產生聲波。相反地，到達的聲波在MUT中產生運動，生成 電信號。
[0078] 圖1示出MUT指紋ID系統(tǒng)的基本概念。MUT指紋ID系統(tǒng)被設計為檢測來自檢測 器表面2、表皮層23或真皮層24的回波。
[0079] 如果表皮層23具有與檢測器表面2接觸、提供表皮脊接觸點6的表皮脊 (epidermalridge)4,則在該點處不存在從檢測器表面2返回的來自發(fā)射波15的回波。因 此，在表皮脊4與檢測器表面2接觸的情況下，不存在來自該表面的回波或僅存在非常弱的 回波。
[0080]相比之下，如果在檢測器表面2之上存在表皮谷（epidermisvalley)8,那么該表 皮谷8含有空氣。在這種情況下，在空氣界面處10處，發(fā)射波15將從檢測器表面2 (其在 MEMS芯片的表面處）產生非常強的回波16。
[0081]在空氣耦合界面10處，由于空氣與耦合材料12之間的界面導致強的聲阻抗差，因 此從檢測器表面2產生回波16。此時，發(fā)射波14中的聲音不通過表皮谷8中的空氣來傳 輸。結果，發(fā)射波14將從檢測器表面2反彈并且作為回波16反射回來。這是發(fā)射波14在 MUT指紋ID系統(tǒng)中起作用的第一種方式。
[0082] 可以將來自照相機的圖像與通過以上的發(fā)射波14產生的信號作類比，所述發(fā)射 波14在檢測器表面2上選擇性地反射，引起各種強度的回波16。
[0083]在檢測器表面2之上存在空氣的情況下，存在非常強的回波，因此，由于非常高的 信號強度，在生成的圖像中該區(qū)域將看上去是"白色"。相比之下，在表皮脊4與檢測器表面 2接觸的情況下，將不存在來自該表面的回波，因此如由超聲換能器19檢測到的，該區(qū)域將 看上去是"黑色"。
[0084]在這些點（其是表皮脊接觸點6且處于表皮空氣耦合界面10的峰值處）之間的 中間空間中，信號將生成許多"灰色陰影"，所述灰色陰影定義了指紋的三維拓撲，包括許多 細微的結構上的區(qū)別特征。
[0085] 然后，由超聲換能器19檢測到的圖像受到信號處理以生成以上描述的三維圖像。 在該圖像中，顯得表皮空氣耦合界面10是高密度區(qū)域，因此其將是明亮的。相比之下，大部 分聲音通過表皮脊接觸點6來發(fā)射。由于大部分聲音通過表皮脊接觸點6來發(fā)射，因此其 將相當暗。
[0086] 由超聲換能器19檢測到的信號可以由來自相鄰換能器的集群信號（clustering signal)來采樣。通過示例，超聲換能器集群20可以對特定區(qū)域采樣，其中它們單獨不能接 收足夠的信號來提供檢測的情況下。類似地，超聲換能器集群18將提供直接返回至它們的 回波16的全部調查。
[0087]在MUT指紋ID系統(tǒng)的不同的實施例中，換能器將以不同的方式來接收聲音。然而， 該系統(tǒng)的重要特征是聲源，其是回波來自界面表面的方式。因此，為了檢測表皮，關鍵的不 是換能器位于哪里，而是反射發(fā)生在哪里。
[0088] 現在參照圖1的右半邊，提供指紋的三維成像的額外方法。在MUT指紋ID系統(tǒng)的 實際使用的某些情況下，在手指與檢測器表面2之間將存在污物22。通過示例，該污物22 可以包括油、污垢、水或除空氣以外的任何其他物。在將手指放置在檢測器表面2之前，該 污物22可能已經在檢測器表面2上，或者在將手指放置在檢測器表面2之前，該污物22可 能已經在手指上。
[0089] 在這種情況下，聲音將穿過含有污物22的表皮谷8至真皮層24處的反射界面27。 在相鄰點，聲音將穿過表皮脊接觸點6至真皮層24上的反射界面25。結果，在表皮層23的 第一界面處生成很少回波或無回波生成。反而，聲音傳播至真皮層24,并且在真皮點處將生 成強回波或弱回波。
[0090] 為了展示，表皮谷8的高度通常大約是75-150μπι，更具體地大約100-120μπι。然 而，由于這些尺寸（包括指尖皮膚表面中的谷的空氣深度）由解剖學給