超声指纹芯片、电子设备、超声指纹识别方法及装置与流程

本发明涉及超声指纹识别，特别涉及一种超声指纹芯片、电子设备、超声指纹识别方法及装置。

背景技术：

1、超声指纹识别技术作为生物识别领域的重要分支，近年来在终端设备中得到了广泛应用。目前主流的超声指纹识别方案通常将超声指纹模组设置于电子设备的显示屏下方，以实现屏下超声指纹识别。然而，这种屏下应用方式不仅占用了手机等终端产品的内部堆叠空间，而且超声信号需要穿透显示屏的多层结构才能到达手指，该传输路径会导致超声信号发生显著衰减，同时背底回波较高，进而使得整体信噪比受到较大程度的劣化，最终影响指纹图像的成像质量。

2、为了解决屏下超声指纹的空间占用和信号衰减问题，业内开始尝试将超声指纹方案应用于设备的侧边，例如手机中框的侧边，以利用侧边的结构空间实现指纹识别。然而，在侧边应用场景下，由于侧边区域不具备像屏下方案那样大面积的触控屏幕可用于检测用户的手指按压动作，因此无法复用屏幕触控模组（tp）的低功耗手指检测功能。若直接使用高功耗的超声像素阵列进行周期性的手指按压检测来判断是否存在手指操作，会极大地增加设备在休眠状态下的待机功耗，导致终端设备的续航能力大幅下降，严重制约了超声指纹方案在侧边应用场景中的推广。

3、因此，亟需一种既能够利用超声波指纹识别技术的优越性能，又能解决在无大尺寸触控屏场景下（例如侧边应用）实现低功耗手指检测唤醒的超声指纹芯片方案。

4、针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本说明书实施例提供了一种超声指纹芯片、电子设备、超声指纹识别方法及装置，以解决现有技术中侧边超声指纹在休眠状态下缺乏低功耗手指检测手段导致待机功耗过高的问题。

2、本说明书实施例提供了一种超声指纹芯片，包括：

3、超声像素阵列，包括多个超声像素单元，用于发射超声波并接收超声波回波以生成指纹感测信号；

4、手指检测模块，设置于所述超声像素阵列的周边区域，所述手指检测模块包括电容检测电路；

5、所述手指检测模块的输入端与所述超声像素阵列的发射电极层电容耦合，以复用所述发射电极层作为电容检测的公共电极；

6、所述超声指纹芯片具有第一模式和第二模式；在所述第一模式下，所述手指检测模块启动，以基于所述电容检测电路检测到的电容变化量确定是否有手指触摸；在所述第二模式下，所述超声像素阵列启动；所述第一模式的功耗低于所述第二模式的功耗。

7、在一个实施例中，所述手指检测模块的输入端与所述发射电极层之间构成第一电容；当手指按压于所述超声指纹芯片的按压面上时，所述手指与所述发射电极层之间构成第二电容；所述第一电容与所述第二电容串联构成所述手指检测模块的等效检测电容，所述手指检测模块基于所述等效检测电容的电容变化量检测是否有手指触摸。

8、在一个实施例中，所述手指检测模块的输入端为所述超声指纹芯片的顶层金属的一部分，该部分的顶层金属作为所述手指检测模块的连接端金属，并与所述发射电极层构成所述第一电容；

9、所述顶层金属的另一部分用于制作所述超声像素阵列的接收电极层；所述连接端金属与所述接收电极层在空间上相互分隔且绝缘设置。

10、在一个实施例中，所述第一电容的电容值配置为大于所述发射电极层对地的总寄生电容。

11、在一个实施例中，所述手指检测模块的至少部分设置于所述超声像素阵列的顶部边缘、底部边缘、左侧边缘或右侧边缘区域，以利用所述超声像素阵列周边的空白区域容纳所述手指检测模块。

12、在一个实施例中，所述电容检测电路包括第一运算放大器、反馈电容和复位开关；

13、所述第一运算放大器的同相输入端用于接入激励信号，所述第一运算放大器的反相输入端与所述手指检测模块的输入端电性连接；所述反馈电容跨接在所述第一运算放大器的输出端与所述反相输入端之间；所述复位开关与所述反馈电容并联；所述第一运算放大器用于将所述电容变化量转换为对应的电压信号。

14、在一个实施例中，所述反馈电容的电容值配置为大于或等于预设电容值。

15、在一个实施例中，所述手指检测模块还包括第二运算放大器；

16、所述第二运算放大器配置为单位增益电压跟随器，所述第二运算放大器的同相输入端连接一激励信号，所述第二运算放大器的输出端连接至所述第一运算放大器的同相输入端，以提供相同的激励信号接入所述第一运算放大器。

17、在一个实施例中，所述手指检测模块还包括第二运算放大器；

18、所述第二运算放大器配置为单位增益电压跟随器，所述第二运算放大器的同相输入端连接一激励信号，所述第二运算放大器的输出端连接至所述超声像素阵列的接收电极层，以对所述接收电极层进行电压屏蔽。

19、在一个实施例中，在所述手指检测模块的工作周期内，当所述复位开关闭合时，所述反馈电容被短路，所述第一运算放大器被复位；当所述复位开关断开后，所述第一运算放大器对所述电容变化量进行积分运算并对应输出电压信号。

20、在一个实施例中，所述手指检测模块还包括相关双采样电路和比较器，所述相关双采样电路用于采集所述电容变化量引起的电压变化量；所述比较器用于将所述电压变化量与预设阈值进行比较，以判断是否有手指按压。

21、在一个实施例中，所述相关双采样电路包括第一采样开关、第二采样开关和处理单元；

22、在所述复位开关断开后且在对所述等效检测电容进行采样前，所述第一采样开关闭合，以采集第一时刻的所述第一运算放大器的输出电压作为参考信号；

23、在所述等效检测电容的采样完成后，所述第二采样开关闭合，以采集第二时刻的所述第一运算放大器的输出电压作为检测信号；

24、所述处理单元用于计算所述检测信号与所述参考信号的差值，以计算所述电压变化量。

25、在一个实施例中，在所述第一模式下，所述手指检测模块处于周期性运行状态；当所述手指检测模块检测到存在手指触摸时，生成通知信号，以触发所述超声像素阵列启动并进入所述第二模式。

26、本说明书实施例还提供了一种电子设备，包括上述任意实施例中所述的超声指纹芯片。

27、在一个实施例中，所述电子设备还包括壳体；所述超声指纹芯片设置于所述壳体的侧边，所述壳体的侧边表面作为所述超声指纹芯片的按压面。

28、本说明书实施例还提供了一种超声指纹识别方法，应用于上述任意实施例中所述的超声指纹芯片，所述方法包括：

29、在超声指纹芯片处于第一模式时，控制手指检测模块检测是否存在手指触摸；

30、在所述手指检测模块检测到存在手指触摸的情况下，生成通知信号；

31、响应于所述通知信号，控制所述超声像素阵列启动并进入第二模式，以进行指纹识别。

32、本说明书实施例还提供了一种超声指纹芯片的手指检测方法，应用于上述任意实施例中所述的超声指纹芯片，所述方法包括：

33、闭合复位开关；在复位开关处于闭合状态后，将激励信号拉高至第一电平，以对等效检测电容充电；

34、断开所述复位开关，并在所述激励信号仍维持于所述第一电平期间，进行第一采样，以获取第一运算放大器的输出电压作为参考信号；

35、在所述第一采样之后，将所述激励信号从所述第一电平拉低至第二电平；

36、在所述激励信号拉低至所述第二电平后，进行第二采样，以获取所述第一运算放大器的输出电压作为检测信号；

37、计算所述检测信号与所述参考信号的差值，并根据所述差值判断是否存在手指触摸。

38、本说明书实施例还提供了一种超声指纹识别装置，应用于上述任意实施例中所述的超声指纹芯片，所述装置包括：

39、检测模块，用于在超声指纹芯片处于第一模式时，控制手指检测模块检测是否存在手指触摸；

40、生成模块，用于在所述手指检测模块检测到存在手指触摸的情况下，生成通知信号；

41、识别模块，用于响应于所述通知信号，控制所述超声像素阵列启动并进入第二模式，以进行指纹识别。

42、本说明书实施例还提供了一种超声指纹芯片的手指检测装置，应用于上述任意实施例中所述的超声指纹芯片，所述装置包括：

43、充电模块，用于闭合复位开关；在复位开关处于闭合状态后，将激励信号拉高至第一电平，以对等效检测电容充电；

44、第一采样模块，用于断开所述复位开关，并在所述激励信号仍维持于所述第一电平期间，进行第一采样，以获取第一运算放大器的输出电压作为参考信号；

45、第二采样模块，用于在所述第一采样之后，将所述激励信号从所述第一电平拉低至第二电平；还用于在所述激励信号拉低至所述第二电平后，进行第二采样，以获取所述第一运算放大器的输出电压作为检测信号；

46、判断模块，用于计算所述检测信号与所述参考信号的差值，并根据所述差值判断是否存在手指触摸。

47、本说明书实施例还提供一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现上述任意实施例中所述的超声指纹识别方法的步骤或超声指纹芯片的手指检测方法的步骤。

48、本说明书实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现上述任意实施例中所述的超声指纹识别方法的步骤或超声指纹芯片的手指检测方法的步骤。

49、本说明书实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现上述任意实施例中所述的超声指纹识别方法的步骤或超声指纹芯片的手指检测方法的步骤。

50、在本说明书实施例中，提供了一种超声指纹芯片，通过将手指检测模块集成于超声像素阵列周边，并创造性地复用所述超声像素阵列原本用于超声发射的发射电极层作为电容检测的公共电极，同时构建第一模式和第二模式两种工作模式，从而带来了显著的有益技术效果。首先，在第一模式下，由手指检测模块通过复用所述发射电极层进行周期性电容检测。这从根本上克服了侧边应用场景因无触控屏可借用、而必须依赖高功耗主阵列进行按压检测的固有问题，使得待机功耗大幅降低。而且，由于本方案复用芯片内部原有的发射电极层来构成手指检测通路，不需要像现有技术那样额外增加独立的触控组件，简化了模组封装结构，降低了物料与工艺成本，并且使超声指纹芯片更易于在空间极为有限的设备侧边区域进行高效布局。此外，手指检测模块的电容耦合极板复用的是距离手指最近的发射电极层，手指按压带来的微弱电容变化能够通过该层直接、无损耗地耦合至检测电路。这有效避免了采用额外外部电极层时可能引入的额外介质衰减或寄生电容干扰，从而保证了手指触摸检测的高灵敏度与可靠性。在第二模式下，超声像素阵列启动进行指纹识别。由于第一模式下的功耗低于第二模式下的功耗，使得超声指纹芯片能够在低功耗的第一模式下检测侧边是否存在手指触摸，在检测到存在手指触摸时切换至高功耗的第二模式，开启指纹识别。上述方案使得超声指纹芯片在侧边应用场景下既具备较长的待机续航能力，又保证了高可靠性触摸检测，实现高信噪比、低功耗、低成本的指纹识别与唤醒功能。