具有低频振动源的超声指纹传感器的制作方法

具有低频振动源的超声指纹传感器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年9月5日提交的标题为“ultrasonic fingerprint sensor with low-frequency vibration source”的第62/896,520号美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用并入本文。本技术还要求于2020年1月24日提交的标题为“ultrasonic fingerprint sensor with low-frequency vibration source”的第16/751,820号美国专利申请和于2020年1月24日提交的标题为“ultrasonic fingerprint sensor with low-frequency vibration source”的第16/751,849号美国专利申请的优先权，这两个申请通过引用并入本文，用于所有目的。
技术领域
3.本公开总体上涉及超声传感器系统和使用这样的系统的方法。


背景技术：

4.超声指纹传感器已经被包括在智能手机、取款机和汽车等设备中，用于对用户进行认证。尽管一些现有的超声指纹传感器可以提供令人满意的性能，但还期望改进的超声指纹传感器。


技术实现要素：

5.本公开的系统、方法和设备各自都具有若干创新方面，其中一个方面不单独地对本文所公开的期望属性负责。
6.本公开中所描述的主题的一个创新方面可以在装置中实施。该装置可以包括超声传感器系统和被配置为与超声传感器系统通信的控制系统。在一些示例中，控制系统的至少一部分可以耦合到超声传感器系统。在一些实施方式中，移动设备可以是或可以包括该装置。例如，移动设备可以包括本文所公开的装置。在一些示例中，该装置可以包括压板。
7.根据一些示例，超声传感器系统包括超声接收器和超声发送器，超声接收器和超声发送器被配置为发送1mhz至30mhz范围内的超声波。在一些示例中，超声收发器层可以包括超声发送器和超声接收器。本文所公开的超声发送器可以被称为“发送部件”或“用于发送超声波的部件”。本文所公开的超声接收器可以被称为“接收部件”或“用于接收超声波的部件”。
8.在一些实施实施方式中，该装置包括低频振动源。根据一些示例，超声传感器系统可以被配置为用作低频振动源。单个设备可以包括低频振动源和超声发送器。然而，在一些实例中，低频振动源可以是单独的设备，诸如触觉设备或扬声器。在一些实施方式中，低频振动源可以被配置为产生5hz至2000hz范围内的低频振动。在一些示例中，低频振动源可以是或可以包括压电致动器、偏心旋转块和/或线性谐振致动器。本文所公开的低频振动源可以被称为“产生部件”或“用于产生低频振动的部件”。
9.控制系统可以包括一个或多个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、分立硬件组件或其组合。根据一些示例，控制系统可以被配置为控制超声发送器以供第一超声波的发送，并且控制低频振动源以用于第一低频振动的产生。本文所公开的控制系统或其部分可被称为“控制部件”。
10.在一些实施方式中，控制系统可以被配置为使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步。在一些实施方式中，使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步可以涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以供第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以供第一超声波的发送，第二时间间隔在第一时间间隔之后。然而，在一些实施方式中，使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步可以涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以供第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以供第一超声波的发送，第二时间间隔至少部分地与第一时间间隔重合。
11.根据一些示例，控制系统可以被配置为从超声接收器接收超声接收器信号。超声接收器信号可以包括对应于第一超声波从与装置的外表面接触的目标物体的反射的信号。在一些这样的示例中，控制系统可以被配置为至少部分地基于超声接收器信号来执行认证过程。根据特定的实施方式，外表面可以是压板、显示器盖板玻璃等。
12.在一些示例中，控制系统可以被配置为使低频振动源产生在外表面的平面中的第一低频振动。替代地或附加地，控制系统可以被配置为使低频振动源产生垂直于外表面的平面的第一低频振动。
13.在一些示例中，低频振动源可以被配置为引起装置的仅一部分的局部低频振动。在其他实施方式中，低频振动源可以被配置为引起整个装置或基本整个装置的全局低频振动。在一些示例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以产生单个频率。在其他示例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以产生多个频率。在一些实例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以例如在时间间隔期间连续地产生低频振动。在其他示例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以例如在时间间隔期间间歇地产生低频振动。
14.在一些实施方式中，控制系统可以被配置为从超声接收器信号中提取特征。认证过程可以至少部分地基于特征。在一些示例中，控制系统可以被配置为至少部分地基于第一低频振动来检测超声接收器信号中的背景噪声。在一些示例中，控制系统可以被配置为确定至少一个特征质量度量。根据一些这样的示例，控制系统可以被配置为使用特征质量度量作为低频振动源的反馈信号，并且至少部分地基于反馈信号来控制低频振动源。在一些实例中，控制系统可以被配置为确定至少一个特征质量度量是否低于特征质量度量阈值，并且如果确定至少一个特征质量度量低于特征质量度量阈值，则控制低频振动源以用于第二低频振动的产生，第二低频振动具有比第一低频振动的振幅大的振幅。
15.如上所述，在一些实施方式中，使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步可以涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的产生，以及第二时间间隔期间控制超声发送器以用于第一超声波的发送，第二时间间隔至少部分地与第一时间间隔重合。一些这样的实施方式可以涉及至少部分地基于第一低频振动来检测超声接收器信号中的背景噪声。
16.根据一些示例，控制系统可以被配置为在第一时间间隔期间控制用于超声波发送的多个实例来控制超声发送器。在一些这样的示例中，控制系统可以进一步被配置为在第
一时间间隔期间经由超声接收器捕获多个指纹图像数据的集合。每个指纹图像数据的集合可以对应于在超声波发送的不同实例期间发送的超声波从目标物体的反射。
17.在一些示例中，控制系统可以进一步被配置为从每个指纹图像数据的集合中提取指纹特征。在一些这样的示例中，控制系统可以被配置为从每个指纹图像数据的集合中提取背景特征，并且将背景特征与指纹特征区分开。
18.根据一些实施方式，控制系统可以进一步被配置为执行相干特征检测方法，该方法涉及使时间同步，在这些时间期间，每个指纹图像数据的集合由超声接收器以低频振动的周期和相位捕获。在一些这样的实施方式中，控制系统可以被配置为将每个指纹图像数据的集合乘以多个加权因子中的对应加权因子，以产生加权指纹图像数据值。例如，每个加权因子可以对应于低频振动的相位。
19.在一些这样的实施方式中，控制系统可以被配置为对加权指纹图像数据值求和，以获得与低频振动的多个逐像素相关性。根据一些示例，控制系统可以被配置为确定每个逐像素相关性的绝对值，以将每个绝对值与阈值进行比较，并且基于每个绝对值与阈值的比较来产生二值化掩模。例如，二值化掩模可以指示指纹特征中的一个或多个的边缘。在一些这样的示例中，控制系统可以被配置为使用二值化掩模来拒绝背景特征中的一个或多个。
20.根据一些实施方式，控制系统可以被配置为执行非相干特征检测方法，在该方法中，在此期间指纹图像被捕获的时间独立于低频振动的周期和相位。本文提供了各种示例。
21.在一些实施方式中，控制系统可以被配置为使低频振动源产生在外表面的平面中的第一低频振动、产生垂直于外表面的平面的第一低频振动，或产生在外表面的平面中的第一低频振动和垂直于外表面的平面的第一低频振动两者。在一些示例中，低频振动源的频率和/或频率的范围可以被调谐以响应于低频振动产生指纹图像特征的最大调制。在一些实例中，控制系统可以被配置为对超声接收器信号执行高通滤波或带通滤波。根据一些示例，控制系统可以被配置为确定对应于图像质量度量或特征质量度量中的至少一者的接触质量度量，并且至少部分地基于接触质量度量来确定是否致动低频振动源。
22.本公开中所描述的主题的其他创新方面可以经由一种或多种方法来实施。一些这样的方法可以是或者可以包括认证方法。一些方法可以涉及控制超声发送器以发送第一超声波，以及控制低频振动源以供第一低频振动的产生。这样的方法可以涉及使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步。这样的方法可以涉及从超声接收器接收超声接收器信号。超声接收器信号可以包括对应于第一超声波从与装置的外表面接触的目标物体的反射的信号。这样的方法可以涉及至少部分地基于超声接收器信号来执行认证过程。
23.根据一些示例，使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步可以包括在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以用于第一超声波的发送，第二时间间隔在第一时间间隔之后。
24.然而，在一些实施方式中，使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步可以涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以供第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以供第一超声波的发送，第二时间间隔至少部分地与第一时间间隔重合。一些这样的实施方式可以涉及至少部分地基于第一低频振动来检测超声接收器信号中的背景噪声。
25.在一些示例中，控制低频振动源可以涉及引起装置的仅一部分的局部低频振动或整个装置的全局低频振动中的至少一者。在一些实施方式中，控制低频振动源和控制超声发送器可以涉及控制单个设备，而在其他实施方式中，控制低频振动源和控制超声发送器可以涉及控制多于一个设备。在一些实施方式中，控制低频振动源可以涉及使低频振动源产生在外表面的平面中的第一低频振动和/或垂直于外表面的平面的第一低频振动。在一些实施方式中，控制低频振动源可以涉及使低频振动源产生单个频率或多个频率中的至少一者。在一些实施方式中，控制低频振动源可以涉及使低频振动源间歇地或连续地产生低频振动。
26.一些方法可以涉及确定至少一个特征质量度量。一些这样的方法可以涉及使用特征质量度量作为低频振动源的反馈信号，并且至少部分地基于反馈信号来控制低频振动源。一些这样的方法可以涉及确定至少一个特征质量度量是否低于特征质量度量阈值，并且如果确定至少一个特征质量度量低于特征质量度量阈值，则控制低频振动源以用于第二低频振动的产生，第二低频振动具有比第一低频振动的振幅大的振幅。
27.如上所述，一些方法涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以用于第一超声波的发送，第二时间间隔至少部分地与第一时间间隔重合。一些这样的方法可以涉及在第一时间间隔期间控制用于超声波发送的多个实例的超声发送器。
28.一些这样的实施方式可以涉及在第一时间间隔期间经由超声接收器捕获多个指纹图像数据的集合。在一些实例中，每个指纹图像数据的集合可以对应于在超声波发送的不同实例期间发送的超声波从目标物体的反射。一些这样的方法可以涉及从每个指纹图像数据的集合中提取背景特征，并且将背景特征与指纹特征区分开。
29.一些方法可以涉及执行相干特征检测方法，该方法涉及使时间同步，在这些时间期间，每个指纹图像数据的集合由超声接收器以低频振动的周期和相位捕获。一些这样的方法可以涉及将每个指纹图像数据的集合乘以多个加权因子中的对应加权因子，以产生加权指纹图像数据值。在一些示例中，多个加权因子中的每个加权因子可以对应于低频振动的相位。
30.一些这样的方法可以涉及对加权指纹图像数据值求和，以获得与低频振动的多个逐像素相关性。一些这样的方法可以涉及确定每个逐像素相关性的绝对值，将每个绝对值与阈值进行比较，并且基于每个绝对值与阈值的比较产生二值化掩模。例如，二值化掩模可以指示指纹特征中的一个或多个的边缘。
31.一些方法可以涉及执行非相干特征检测方法，在该方法中，在此期间指纹图像被捕获的时间独立于低频振动的周期和相位。本文公开了各种示例。
32.本文所描述的一些或所有操作、功能和/或方法可以由一个或多个设备根据存储在一个或多个非暂时性介质中的指令(例如，软件)来执行。这样的非暂时性介质可以包括诸如本文描述的存储设备，包括但不限于随机存取存储器(ram)设备、只读存储器(rom)设备等。因此，本公开中所描述的主题的一些创新方面可以在其上存储有软件的一个或多个非暂时性介质中实施。
33.例如，软件可以包括用于控制一个或多个设备以执行一种或多种方法的指令。根据一些示例，方法可以对应于本文所公开的控制系统功能。一些这样的方法可以是或者可
以包括认证方法。一些方法可以涉及控制超声发送器以发送第一超声波，以及控制低频振动源以用于第一低频振动的产生。这样的方法可以涉及使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步。这样的方法可以涉及从超声接收器接收超声接收器信号。超声接收器信号可以包括对应于第一超声波从与装置的外表面接触的目标物体的反射的信号。这样的方法可以涉及至少部分地基于超声接收器信号来执行认证过程。
34.根据一些示例，使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步可以包括在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以用于第一超声波的发送，第二时间间隔在第一时间间隔之后。
35.然而，在一些实施方式中，使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步可以涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以用于第一超声波的发送，第二时间间隔。一些这样的实施方式可以涉及至少部分地基于第一低频振动来检测超声接收器信号中的背景噪声。
36.在一些示例中，控制低频振动源可以涉及引起装置的仅一部分的局部低频振动或整个装置的全局低频振动中的至少一者。在一些实施方式中，控制低频振动源和控制超声发送器可以涉及控制单个设备，而在其他实施方式中，控制低频振动源和控制超声发送器可以涉及控制多于一个设备。在一些实施方式中，控制低频振动源可以涉及使低频振动源产生在外表面的平面中的第一低频振动和/或产生垂直于外表面的平面的第一低频振动。在一些实施方式中，控制低频振动源可以涉及使低频振动源产生单个频率或多个频率中的至少一者。在一些实施方式中，控制低频振动源可以涉及使低频振动源间歇地或连续地产生低频振动。
37.一些方法可以涉及确定至少一个特征质量度量。一些这样的方法可以涉及使用特征质量度量作为低频振动源的反馈信号，并且至少部分地基于反馈信号来控制低频振动源。一些这样的方法可以涉及确定至少一个特征质量度量是否低于特征质量度量阈值，并且如果确定至少一个特征质量度量低于特征质量度量阈值，则控制低频振动源以用于第二低频振动的产生，第二低频振动具有比第一低频振动的振幅大的振幅。
38.如上所述，一些方法涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间控制超声发送器以用于第一超声波的发送，第二时间间隔至少部分地与第一时间间隔重合。一些这样的方法可以涉及在第一时间间隔期间控制用于超声波发送的多个实例的超声发送器。
39.一些这样的实施方式可以涉及在第一时间间隔期间经由超声接收器捕获多个指纹图像数据的集合。在一些实例中，每个指纹图像数据的集合可以对应于在超声波发送的不同实例中发送的超声波从目标物体的反射。一些这样的方法可以涉及从每个指纹图像数据的集合中提取背景特征，并且将背景特征与指纹特征区分开。
40.一些方法可以涉及执行相干特征检测方法，该方法涉及使时间同步，在这些时间期间，每个指纹图像数据的集合由超声接收器以低频振动的周期和相位捕获。一些这样的方法可以涉及将每个指纹图像数据的集合乘以多个加权因子中的对应加权因子，以产生加权指纹图像数据值。在一些示例中，多个加权因子中的每个加权因子可以对应于低频振动的相位。
41.一些这样的方法可以涉及对加权指纹图像数据值求和，以获得与低频振动的多个
逐像素相关性。一些这样的方法可以涉及确定每个逐像素相关性的绝对值，将每个绝对值与阈值进行比较，并且基于每个绝对值与阈值的比较产生二值化掩模。例如，二值化掩模可以指示指纹特征中的一个或多个的边缘。
42.一些方法可以涉及执行非相干特征检测方法，在该方法中，在此期间指纹图像被捕获的时间独立于低频振动的周期和相位。本文公开了各种示例。
附图说明
43.本说明书中所描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐述。根据描述、附图和权利要求，其他特征、方面和优点将变得显而易见。需要说明的是，以下附图的相对尺寸可以不是按比例绘制的。不同附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。
44.图1是示出根据一些公开的实施方式的装置的示例组件的框图。
45.图2是提供本文所公开的一些方法的示例框的流程图。
46.图3示出了根据一些公开的实施方式的装置的示例组件。
47.图4示出了使低频振动的产生和超声波的发送同步的示例。
48.图5示出了相干检测方法的示例。
49.图6示出了在触觉扰动信号的一个周期内指纹特征的扰动的示例。
50.图7示出了用于检测指纹特征的边缘的方法的示例。
51.图8示出了使用二值化掩膜拒绝背景特征的示例。
52.图9示出了使用二值化掩膜拒绝背景特征的另一示例。
53.图10提供了产生增强的指纹图像数据的示例。
54.图11a和图11b提供了由低频振动引起的指纹特征的扰动的附加示例。
55.图12示出了在此期间指纹图像数据被捕获的时间独立于触觉扰动波形的周期和相位的示例。
56.图13示出了在此期间指纹图像数据被捕获的时间独立于触觉扰动波形的周期和相位的另一示例。
57.图14是提供本文所公开的一些非相干检测方法的示例框的流程图。
58.图15是提供在实施图14的框1417时可能涉及的过程的示例的流程图。
59.图16示出了根据一个实施方式的装置的示例组件。
60.图17示出了根据替代实施方式的装置的示例组件。
61.图18a是提供本文所公开的一些方法的示例框的流程图。
62.图18b是根据一个示例的扰动比触觉频率的曲线图。
63.图19是提供公开的另一方法的示例框的流程图。
64.图20代表性地描绘了用于超声传感器系统的传感器像素的4
×
4像素阵列的方面。
65.图21a和图21b示出了超声传感器系统中超声发送器和接收器的示例布置，其中，其他布置也是可能的。
66.图21c示出了超声传感器系统中的超声收发器阵列的示例。
具体实施方式
67.出于描述本公开的创新方面的目的，以下描述针对某些实施方式。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。所描述的实施方式可以在包括本文所公开的生物测定系统的任何设备、装置或系统中实施。此外，可以设想，所描述的实施方式可以被包括在各种电子设备中或者与各种电子设备相关联，这些电子设备诸如但不限于：移动电话、支持多媒体互联网的蜂窝电话、移动电视接收器、无线设备、智能手机、智能卡、可穿戴设备(诸如手镯、臂章、腕带、戒指、头带、贴片等)、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)、便携式相机、游戏控制台、手表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读设备(例如电子阅读器)、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)、驾驶舱控制器和/或显示器、相机视觉显示器(诸如车辆中后视相机的显示器)、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、便携式存储器芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/烘干机、自动柜员机(atm)、停车收费表、封装(诸如在机电系统(ems)应用中，包括微机电系统(mems)应用，以及非ems应用)、美学结构(诸如在一件珠宝或衣服上图像的显示)以及各种ems设备。本文的教导也可以用于多种应用，诸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、消费电子产品的惯性组件、消费电子产品的零件、汽车车门、方向盘或其他汽车零件、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装备。因此，本教导并不旨在局限于仅在附图中描绘的实施方式，而是具有广泛的适用性，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。
68.手指到超声指纹传感器的压板耦合不良是一个常见问题。(如本文所使用的术语“手指”可以指任何手指，包括拇指。)当手指干燥和/或施加低的手指压力时，会出现耦合不良。在一些实施方式中，装置可以包括超声传感器系统、低频振动源和控制系统。根据一些示例，超声传感器系统可以包括超声接收器和超声发送器，超声接收器和超声发送器被配置为发送1mhz至30mhz范围内的超声波。然而，其他实施实施方式可以被配置为发送诸如低于1mhz的频率和/或高于30mhz的频率的其他频率范围内发送的超声波。在一些实施方式中，低频振动源可以被配置为产生5hz至2000hz范围内的低频振动。然而，其他实施方式可以被配置为产生诸如低于5hz的频率和/或高于2000hz的频率的其他频率范围内的低频振动。在一些实施方式中，控制系统可以被配置为使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步。
69.本公开中所描述的主题的特定实施方式可以被实施来实现以下潜在优点中的一个或多个。低频振动可以以各种方式改善耦合。例如，低频振动可能使用户在压板上更用力按压，可以使毛孔渗出更多的汗水和/或油，可以散开油和/或汗以更好地将手指耦合到压板等。在一些实例中，低频振动可以“敲打(hammer down)”指纹脊。一些实施方式利用低频振动源(诸如触觉设备或扬声器，如现有手机中的触觉设备或扬声器)来改善手指与指纹感测系统压板之间的耦合。
70.图1是示出根据一些公开的实施方式的装置的示例组件的框图。在该示例中，装置101包括超声传感器系统102、控制系统106和低频振动源110。装置101的一些实施方式可以
包括接口系统104。
71.在一些实施方式中，低频振动源110可以被配置为产生5hz至2000hz范围内的低频振动。在一些示例中，低频振动源110可以是或可以包括压电致动器、偏心旋转块和/或线性谐振致动器。在一些实施方式中，低频振动源110可以是或可以包括触觉设备或扬声器，如现有手机中的触觉设备或扬声器。在一些实施方式中，扬声器可以是整个显示面板或手机的外壳。
72.在一些示例中，低频振动源可以被配置为引起装置的仅一部分的局部低频振动。例如，振动可以是由集成到指纹传感器中、同时与电话外壳物理隔离的蜂鸣器引起的。在其他实施方式中，低频振动源可以被配置为引起整个装置或基本整个装置的全局低频振动。例如，振动可以由物理地集成到电话外壳的蜂鸣器引入。
73.在一些示例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以产生单个频率。在其他示例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以产生多个频率，例如产生调频波形。在一个这样的示例中，调频波形可以是“线性调频”，它是频率随时间增加(上线性调频)或减少(下线性调频)的信号。在一些这样的示例中，线性调频的最高频率可以在khz范围内。在一些实例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以例如在时间间隔期间连续地产生低频振动。在其他示例中，控制系统可以被配置为控制低频振动源以例如在时间间隔期间间歇地产生低频振动。例如，该时间间隔可以是下面参考图4所描述的时间间隔404。
74.尽管超声传感器系统102和低频振动源110在图1中被示为单独的框，但是根据一些示例，超声传感器系统102可以被配置为用作低频振动源。在一些这样的示例中，单个设备可以包括低频振动源110和超声发送器105。
75.在一些示例中，如超声传感器系统102内的虚线所示，超声传感器系统102可以包括超声接收器103和单独的超声发送器105。在一些这样的示例中，超声发送器105可以包括超声平面波发生器，诸如下面描述的那些超声平面波发生器。
76.然而，本文公开了超声传感器系统102的各种示例，其中一些可以包括单独的超声发送器105，而其中一些可以不包括单独的超声发送器105。尽管在图1中示为单独的元件，但是在一些实施方式中，超声接收器103和超声发送器105可以组合在超声收发器系统中。例如，在一些实施方式中，超声传感器系统102可以包括压电接收器层，诸如聚偏二氟乙烯pvdf聚合物层或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(pvdf-trfe)共聚物层。在一些实施方式中，单独的压电层可以用作超声发送器。在一些实施方式中，单个压电层可以同时用作发送器和接收器。在包括压电层的一些实施方式中，压电层中可以使用其他压电材料，诸如氮化铝(aln)或锆钛酸铅(pzt)。在一些示例中，超声传感器系统102可以包括超声换能器元件阵列，诸如压电微电机超声换能器(pmut)阵列、电容微电机超声换能器(cmut)阵列等。在一些这样的示例中，单层pmut阵列中的pmut元件或单层cmut阵列中的cmut元件可以用作超声发送器以及超声接收器。
77.在一些实例中，超声传感器系统102和低频振动源110可以机械地耦合。在一些示例中，超声传感器系统102和低频振动源110可以间接耦合。例如，超声传感器系统102和低频振动源110可以各自耦合到装置101的一部分。在一些这样的示例中，超声传感器系统102和低频振动源110各自都可以耦合到控制系统的一部分。然而，在一些示例中，超声传感器系统102和低频振动源110可以彼此直接地耦合。
78.控制系统106可以包括一个或多个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、分立硬件组件或其组合。控制系统106还可以包括一个或多个存储设备(和/或被配置为与一个或多个存储设备通信)，诸如一个或多个随机存取存储器(ram)设备、只读存储器(rom)设备等。因此，尽管存储器系统没有在图1中示出，但是装置101可以具有包括一个或多个存储器设备的存储器系统。控制系统106可以被配置为接收和处理来自超声传感器系统102的数据，例如来自超声接收器103的数据。如果装置101包括单独的超声发送器105，则控制系统106可以被配置为控制超声发送器105，例如，如本文别处所公开的。在一些实施方式中，控制系统106的功能可以在一个或多个控制器或处理器之间被划分，诸如在专用传感器控制器与移动设备的应用处理器之间被划分。下面介绍一些示例。
79.装置101的一些实施方式可以包括接口系统104。在一些示例中，接口系统可以包括无线接口系统。在一些实施方式中，接口系统可以包括用户接口系统、一个或多个网络接口、控制系统106与存储器系统之间的一个或多个接口，和/或控制系统106与一个或多个外部设备接口(例如，端口或应用处理器)之间的一个或多个接口。
80.接口系统104可以被配置为在提供装置101的组件之间的通信(其可以包括有线或无线通信，诸如电通信、无线电通信等)。在一些这样的示例中，接口系统104可以被配置为提供控制系统106与超声传感器系统102之间的通信以及控制系统106与低频振动源110之间的通信。根据一些这样的示例，接口系统104可以将控制系统106的至少一部分耦合到超声传感器系统102和低频振动源110，例如，经由导电材料(例如，经由导电金属线或迹线，诸如印刷电路板(pcb)迹线)。例如，pcb可以是刚性或半刚性的，或是柔性印刷电路。如果装置101包括与超声接收器103分离的超声发送器105，则接口系统104可以被配置为提供控制系统106的至少一部分与超声发送器105之间的通信。根据一些示例，接口系统104可以被配置为提供装置101与其他设备和/或人类之间的通信。在一些这样的示例中，接口系统104可以包括一个或多个用户接口。在一些示例中，接口系统104可以包括一个或多个网络接口和/或一个或多个外部设备接口(诸如一个或多个通用串行总线(usb)接口或串行外围接口(spi))。在一些实施方式中，装置101可以包括存储器系统。在一些示例中，接口系统104可以包括控制系统106与存储器系统之间的至少一个接口。
81.装置101可以用于各种不同的环境中，本文公开了其中的一些示例。例如，在一些实施方式中，移动设备可以包括装置101的至少一部分。在一些实施方式中，可穿戴设备可以包括装置101的至少一部分。例如，可穿戴设备可以是手镯、智能手表、臂章、腕带、戒指、头带或贴片。在一些实施方式中，控制系统106可以位于多于一个设备中。例如，控制系统106的一部分可以位于可穿戴设备中，并且控制系统106的另一部分可以位于另一设备中，诸如移动设备(例如，智能手机)中。在一些这样的示例中，接口系统104也可以位于多于一个设备中。
82.图2是提供本文所公开的一些方法的示例框的流程图。例如，图2的框可以由图1的装置101或类似的装置来执行。如本文所公开的其他方法一样，图2中概述的方法200可以包括比所指示更多或更少的框。此外，本文所公开的方法的框不一定被以所指示的顺序执行。在一些示例中，本文所公开的方法的一些框可以被同时地执行。
83.在该示例中，框203涉及控制超声传感器系统，诸如图1的超声传感器系统102，以
发送第一超声波。在一些示例中，框205可以涉及控制超声传感器系统以发送1mhz至30mhz范围内的超声波。例如，超声发送器可以被控制以发送第一超声波。
84.根据该实施方式，框205涉及控制低频振动源以产生第一低频振动。在一些示例中，框205可以涉及控制超声传感器系统，诸如图1的超声传感器系统102，以产生第一低频振动。替代地或附加地，框205可以涉及控制单独的低频振动源以产生第一低频振动。在一些示例中，框205可以涉及使低频振动源产生在装置的外表面的平面中的第一低频振动，该装置包括低频振动源。替代地或附加地，框205可以涉及使低频振动源产生垂直于外表面的平面的第一低频振动。
85.方法200的一些实施方式可以涉及确定是否致动低频振动源。根据一些这样的实施方式，该确定可以至少部分地基于与装置表面(例如，压板、显示器的覆盖玻璃等)接触的手指或其他目标物体的接触质量的估计。根据一些这样的示例，方法200可以涉及确定接触质量度量。接触质量度量可以对应于一个或多个图像质量度量和/或特征质量度量。
86.图像质量度量的一个示例是脊谷信噪比(snr)。脊/谷snr是无单位的，并且，例如，可以定义为脊/谷增量除以谷噪声的平均值。图像质量度量的另一示例是对比度。例如，对比度可以以灰度为单位来测量，灰度可以被定义为在整个图像上平均的主lp/mm(每毫米线对)信号振幅。图像质量度量的另一示例是无单位的脊/谷灰度过渡。脊/谷灰度过渡可以被定义为跨脊/谷边界的灰度增量除以谷噪声。
87.全局脊流相干性是特征质量度量的一个示例。全局脊流相干性可以被定义为矢量场与行和列坐标的二次多项式拟合。方向相干性是特征质量度量的另一示例。方向相干性对应于平滑的脊流变化。方向相干性可以被定义为1减去平均列方向增量。在一些实施方式中可以使用的另一特征质量度量是指纹曲率系数，其可以被定义为场多项式系数除以2的总和。在一些示例中，方法200可以涉及如果接触质量度量等于或低于接触质量度量阈值，则确定致动低频振动源。基于特定实施方式，接触质量度量阈值可以预先确定，也可以不预先确定。
88.根据该示例，框207涉及使第一低频振动的产生与第一超声波的发送同步。在一些实例中，框207可以涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔期间，控制超声发送器以用于第一超声波的发送第二时间间隔在第一时间间隔之后。根据一些示例，框207可以涉及在第一时间间隔期间控制低频振动源以用于第一低频振动的产生，以及在第二时间间隔控制超声发送器以用于第一超声波的发送，第二时间间隔至少部分地与第一时间间隔重合。下面介绍一些示例。
89.在该示例中，框209涉及从超声接收器接收超声接收器信号。根据该示例，超声接收器信号包括对应于第一超声波从与发送超声接收器装置的外表面接触的目标物体的反射的信号，该装置包括超声发送器和超声接收器的。一些实施方式可以涉及例如在框211的操作之前处理接收到的超声接收器信号。根据一些这样的示例，控制系统可以被配置为将高通滤波器(例如，一阶、二阶或三阶高通滤波器)应用于超声接收器信号。在一个非限制性示例中，高通滤波器可以通过大于10khz的频率。在一些这样的示例中，控制系统可以被配置为将带通滤波器应用于超声接收器信号。根据一些这样的实施方式，带通滤波器可以通过10khz至20khz范围内的频率。
90.根据该示例，框211涉及至少部分地基于在框209中接收到的超声接收器信号来执
行认证过程。在一些实例中，框211可以涉及获得对应于信号的指纹图像数据。如本文所使用的，术语“指纹图像数据”通常可以指从超声接收器获得的数据或基于从超声接收器获得的信号的数据。在一些实例中，指纹图像数据可以至少部分地对应于目标物体，诸如可以包括指纹的手指。指纹图像数据可以或可以不以人类可识别为图像的形式呈现。例如，指纹图像数据可以是或可以包括其中布置和/或存储数值的数据结构。在一些示例中，数值可以对应于从超声传感器系统、光学传感器系统、电容传感器系统等接收到的信号。在一些示例中，指纹图像数据可以对应于在时间窗口期间从传感器系统接收到的信号。在一些实例中，指纹图像数据可以对应于从诸如指纹接触区域的特定区域接收到的信号。在一些实例中，指纹图像数据可以是或可以包括在已经从传感器系统被采集之后已经以一些方式聚集和/或处理的数据。本文公开了这样的处理的一些示例。
91.在一些示例中，框211可以涉及从超声接收器信号中提取特征。认证过程可以至少部分地基于特征。根据一些示例，特征可以是指纹特征，诸如指纹细节的位置、方向和/或类型。在一些这样的示例中，指纹图像数据可以包括在来自传感器系统(诸如超声传感器系统)的信号的至少一部分中检测到的一个或多个指纹特征的指示。指纹特征可以包括一个或多个指纹脊特征和一个或多个指纹谷特征。例如，指纹特征可以由诸如图1的控制系统106的控制系统来检测。
92.指示指纹脊特征的信号通常可以从超声传感器系统的传感器像素获得，这些传感器像素响应于已经从压板/指纹脊界面反射的超声波。指示指纹谷特征的信号通常可以从传感器像素获得，这些传感器像素响应于已经从压板/指纹谷界面反射的超声波。来自压板/指纹谷界面的反射通常是来自压板/空气界面的反射，而来自压板/指纹脊界面的反射通常是来自压板/皮肤界面的反射，对应于指纹脊与压板接触的区域。
93.根据一些实施方式，方法200可以涉及取决于框211的认证过程的结果的附加过程。例如，如果认证过程成功结束，控制系统可以允许访问设备和/或安全区域。在一些这样的实例中，控制系统可以解锁移动设备、膝上型计算机、门、汽车或另一设备。
94.在一些示例中，控制系统可以被配置为确定至少一个特征质量度量。根据一些这样的示例，控制系统可以被配置为使用特征质量度量作为低频振动源的反馈信号，并且至少部分地基于反馈信号来控制低频振动源。在一些实例中，控制系统可以被配置为确定至少一个特征质量度量是否低于特征质量度量阈值，并且如果确定至少一个特征质量度量低于特征质量度量阈值，则控制低频振动源以用于第二低频振动的产生，第二低频振动具有比第一低频振动的振幅大的振幅。
95.图3示出了根据一些公开的实施方式的装置的示例组件。在图3所示的示例中，低频振动源110是触觉设备。根据该示例，指纹(fp)传感器系统是超声传感器系统102。在一些实例中，低频振动源110可以包括偏心旋转块或线性谐振致动器。在其他实例中，低频振动源110可以包括压电致动器，诸如压电梁或压电盘。根据一些示例，超声传感器系统102可以包括低频振动源110。
96.在一些示例中，低频振动源110可以直接地连接到超声传感器系统102，或连接到被配置为控制超声传感器系统102的控制系统。在一些实例中，低频振动源110可以通过到超声传感器系统102的共享结构(诸如有机发光二极管(oled)面板)连接到超声传感器系统102(或连接到被配置为控制超声传感器系统102的控制系统)。在一些示例中，控制系统可
以被配置为使低频振动源产生在外表面305的平面中的第一低频振动，如箭头301所指示。替代地或附加地，控制系统可以被配置为使低频振动源产生垂直于外表面305的平面的第一低频振动，如箭头303所指示。
97.尽管低频振动源110在图3中被标记为“蜂鸣器”，但是在一些实例中，由低频振动源110发出的至少一些频率可以低于人类听觉的范围。然而，在其他示例中，低频振动源110可以被配置为产生某频率范围内(例如在400hz到1000hz的范围内)的振动，已知该频率范围容易被人类机械感受器检测到。
98.图4示出了使低频振动的产生与超声波的发送同步的示例。在该示例中，图402a示出了在时间间隔404期间控制低频振动源以用于低频振动的产生的示例。图402a提供了图2的框205的示例。在一些示例中，低频振动可以在时间间隔404期间连续地产生，而在其他示例中，低频振动可以在时间间隔404期间间歇地产生。
99.在该示例中，图402b提供了图2的框203的示例。根据该示例，图402b示出了在时间间隔406a期间控制超声发送器以用于超声波的发送的示例，时间间隔406至少部分地与时间间隔404重合。在一些这样的示例中，从目标物体反射的超声波可以在至少部分地与时间间隔404重合的后续时间间隔期间被接收。然而，在其他示例中，从目标物体反射的超声波可以在不与时间间隔404重叠的时间间隔期间被接收。
100.在该示例中，图402c提供了图2的框203的替代示例。根据该示例，图402c示出了在与时间间隔404不重合的时间间隔406b期间，而不是在时间间隔404之后，控制超声发送器以用于超声波的发送的示例。
101.一些公开的实施方式可以涉及附加的图像处理，用于在至少部分地与产生低频振动的时间间隔重合的时间间隔期间发送和/或接收超声波的实例。一些这样的实施方式可以涉及至少部分地基于低频振动来检测超声接收器信号中的背景噪声。例如，由低频振动调制的特征可以是实际指纹特征，而对低频振动不变的特征可以是背景特征。
102.在一些实例中，这样的背景特征可以来自指纹传感器的机械构造和/或来自将指纹传感器附接到设备的其他部分(例如附接到压板、附接到显示设备(诸如oled显示器))的相关联的过程。例如，附接过程可以涉及层压。这些背景特征可以随着传感器的温度和老化而变化。这样的背景特征的存在可能降低指纹图像的质量，从而降低认证过程的准确性。在一些实例中，背景特征的存在可能增加认证过程的错误拒绝率和/或错误接受率。消除至少一些背景特征可以改善指纹图像数据的信噪比。因此，尽管这样的背景特征可以是静态的和非随机的，但是背景特征在本文有时可以被称为“背景噪声”。
103.图5示出了相干检测方法的示例。在该示例中，在此期间超声接收器捕获指纹图像的时间(本文可以称为“采集时间”或“采样时间”)与低频振动的周期和相位同步。在该示例和随后的示例中，低频振动被称为“触觉扰动”、“触觉信号”或“触觉扰动信号”。在一些这样的示例中，低频振动实际上是由触觉设备产生的。然而，在其他示例中，被描述为触觉扰动、触觉扰动信号等的低频振动不是由触觉设备产生的。下面所讨论的相同原理适用于其中低频振动由另一类型的设备产生的实施方式。
104.在图5所示的示例中，出于说明目的，触觉扰动信号被示为正弦波形。然而，在替代示例中，触觉扰动信号可以是更复杂的信号，诸如调制信号。根据该示例，对于触觉扰动的每个周期，在相位0、45、90、135、180、225、270和315度捕获八个超声接收器信号的集合。
105.图6示出了在触觉扰动信号的一个周期内指纹特征的扰动的示例。为了简化说明，指纹传感器被表示为16像素乘16像素的正方形，并且指纹特征被表示为正方形图案。在该示例中，未扰动的指纹特征占据了6像素乘6像素的正方形。根据该示例，指纹特征由触觉扰动信号空间地调制。当触觉信号被施加时，指纹特征所占据的区域增大到10像素乘10像素的大小，以及缩小到2像素乘2像素的区域。在该示例中，大小的空间增加和减小与触觉信号的相位相关。
106.图7示出了用于检测指纹特征的边缘的方法的示例。在该示例中，八个指纹图像数据的集合(编号为0至7)是在图6所示的触觉信号的相同相位处采集的。在该示例中，指纹图像数据的每个样本乘以适当的加权因子。在该实施方式中，指纹图像数据的样本0中的每个像素值乘以加权因子w0，指纹图像数据的样本1中的每个像素值乘以加权因子w1，等等。根据一些示例，每个加权因子可以对应于触觉信号的相位。在一些这样的示例中，当触觉信号是正弦信号时，加权因子可以是相位索引的正弦或余弦。根据该示例，加权因子是对应于索引的相位的正弦。
107.在该实施方式中，加权指纹图像数据值然后被求和以获得与触觉信号的逐像素相关性。然后，将与触觉信号的每个像素相关性的绝对值与阈值进行比较。该比较的输出是二值化掩模，其指示实际指纹特征的边缘在原始指纹图像数据中的位置。执行绝对值操作，因为根据指纹传感器和压板的机械构造以及相关联的触觉信号，相关性可以是正的或负的。
108.图7所示的示例指示一个触觉波形周期中各个阶段的总和。然而，在一些实施实施方式中，可以在若干触觉波形周期上执行求和，以便增加边缘检测过程的准确性。
109.图8示出了使用二值化掩膜拒绝背景特征的示例。在许多实例中，当触觉信号被施加时，指纹背景特征不会变化。例如，图8中的指纹图像数据样本0至7包括背景特征803和805，它们不随触觉信号的不同相位而变化。因此，根据指纹图像数据样本0至7的加权总和计算的背景特征与触觉信号的逐像素相关性理想地为零，并且实际上非常低。在一些实例中，相关性可以处于系统的噪声水平。因此，在该示例中，当对逐像素相关性执行二值化阈值比较时，二值化掩模不指示任何边缘。因此，背景特征803和805被拒绝。
110.在图8的过程的一个示例中，假设一个没有噪声的理想情况。根据一个这样的示例，像素级是8比特有符号值，例如取-128与127之间的整数值，包括-128和127。例如，像素值-128可以表示白色，而像素值127可以表示黑色。在该示例中，假设背景特征803和805具有64的像素值，而剩余的像素具有等于0的值，这表示灰度范围的中间值。根据该示例，对于背景特征内的像素，在执行加权求和运算时，使用权重w0至w7，可以看到输出将是64*0 64*0.707 64*1 64*0.707 64*0 64*(-0.707) 64*(-1) 64*(-0.707)＝0。对于剩余的像素，在执行加权求和运算时，使用权重w0到w7，可以看到输出将是0*0 0*0.707 0*1 0*0.707 0*0 0*(-0.707) 0*(-1) 0*(-0.707)＝0。这清楚地表明加权求和拒绝了背景特征，因为整个图像中的所有像素都在0，这是该示例中灰度范围的中间值。
111.在图8的过程的另一示例中，假设系统具有累积的随机噪声，其取值为-1、0或1个最低有效位(lsb)。与前面的示例一样，该示例中的像素级别是8比特有符号值。因为该噪声与背景特征不相关，所以所有像素(背景和非背景两者)将具有相似的加权输出值。背景特征内的像素和不在背景特征内的像素两者将具有相同的噪声水平，这些噪声水平处于系统噪声本底。
112.例如，特定像素的随机噪声可以是序列[-1，0，0，-1，1，-1，-1，-1]。然后，该噪声序列应用于一个像素的加权平均值可以是-1*0 0*0.707 0*1 (-1)*0.707 1*0 (-1)*(-0.707) (-1)*(-0.707) (-1)*(-0.707)＝1.414，在8比特运算中被四舍五入为1。进一步假设第二个像素的随机噪声是序列[0，1，0，-1，1，1，0，-1]。然后，该噪声序列应用于第二像素的加权平均值可以是＝0*0 1*0.707 0*1 (-1)*0.707 1*0 1*(-0.707) 0*(-0.707) (-1)*(-0.707)＝2.121，在8比特运算中被四舍五入为2。
[0113]
图9示出了使用二值化掩膜拒绝背景特征的另一示例。在该示例中，指纹图像数据样本0至7包括背景特征903和905，它们不随触觉信号的不同相位而变化。根据该示例，指纹图像数据样本0至7还包括指纹特征907，其确实随着触觉信号的不同相位而变化。当实际指纹特征和背景特征两者都存在于指纹图像数据中时，如在该示例中，通过触觉信号的相位上的各个指纹图像数据样本的加权总和计算的逐像素相关性识别实际指纹特征907，但是拒绝背景特征903和905。如图9所示，所得的二值化掩模仅检测实际指纹特征907的边缘，但是拒绝背景特征903和905的边缘。
[0114]
图10提供了产生增强的指纹图像数据的示例。根据该示例，例如，如上面参考图7至图9所描述的，原始图像特征的边缘在框1005中被识别。边缘，包括实际的指纹图像特征边缘和背景特征边缘，可以通过用于识别图像像素值具有急剧变化的图像面积或区域的数学方法来检测。例如，这样的数学方法可以包括估计图像像素值的导数的梯度算子。具有高梯度的区域可以被指定为图像边缘。这些包括实际指纹特征1010和背景特征边缘1015。从而得到“初始边缘图像”1020。
[0115]
二值化掩模1025可以在初始边缘图像1020的创建之前、之后或同时确定。例如，二值化掩模1025可以如上面参考图7至图9所描述。根据该示例，在过程1030中，初始边缘图像1020与二值化掩模1025逐像素相乘。在过程1030中应用二值化掩模1025来检测实际指纹特征的边缘，并且拒绝背景特征的边缘。
[0116]
根据该示例，在框1035中，诸如通过a来填充实际指纹特征边缘的内部像素，以产生增强的指纹图像1040。例如，框1035可以包括应用4连接边界填充算法或8连接边界填充算法。与各个指纹图像样本的图像质量相比(例如，与上面所描述的指纹图像样本0至7的质量相比)，增强的指纹图像1040具有更高的图像质量。例如，图像质量可以根据一个或多个图像质量度量来量化，诸如本文别处所公开的那些图像质量度量。产生增强的指纹图像1040可以改善指纹传感器的性能，例如，可以降低指纹传感器的错误拒绝率和/或错误接受率。
[0117]
图6、图7、图9和图10示出了触觉信号导致实际指纹特征放大或压缩的实例。取决于指纹传感器的机械结构和相关联的压板，并且取决于由施加的低频振动引起的位移方向和/或旋转，指纹特征的其他空间调制可能发生。
[0118]
图11a和图11b提供了由低频振动引起的指纹特征的扰动的附加示例。图11a示出了由施加的低频振动引起的指纹特征的横向平移的示例。图11a所示的箭头示出了指纹特征fp1和fp2移动的方向。在图11a中，bg1和bg2表示背景特征。箭头还对应于一个轴，指纹传感器的一个或多个组件响应于所施加的低频振动而沿着该轴移动。在图11b所示的示例中，施加的低频振动导致指纹传感器的至少一部分的旋转和指纹特征的对应旋转。
[0119]
参考图6至图10所描述的实施方式涉及由超声传感器系统进行的指纹图像数据的
捕获与周期性触觉信号同步的实例。图12示出了指纹图像数据被捕获的时间独立于触觉扰动波形的周期和相位的示例。这样的实施方式在本文可以被称为“非相干检测”方法。根据一些这样的实施方式，触觉扰动波形可以不具有恒定的频率或相位。在一些实例中，触觉扰动波形可以是非周期性的。
[0120]
图13示出了指纹图像数据被捕获的时间独立于触觉扰动波形的周期和相位的另一示例。根据该示例，示出了实际指纹特征在8次指纹图像捕获时间上的扰动。为了简化说明，指纹传感器1305被示为16像素
×
16像素的正方形，并且指纹特征1310被简化为正方形图案。
[0121]
在该示例中，实际指纹特征由触觉信号进行空间调制：这里，触觉信号引起指纹特征大小的增加或减少。根据该实施实施方式，未受干扰的指纹特征是3像素乘3像素的正方形。在该示例中，当触觉信号被施加时，指纹特征增大到10像素乘10像素的正方形，以及缩小到2像素乘2像素的正方形。实际指纹特征的扩展和压缩程度与触觉信号的振幅和相位有关。在该示例中，当振幅等于或接近零时，指纹特征是6像素乘6像素的正方形。根据该示例，当振幅等于或接近 1时，指纹特征是8像素乘8像素的正方形。在该示例中，当振幅等于或接近-1时，指纹特征是2像素乘2像素的正方形。
[0122]
图14是提供本文所公开的一些非相干检测方法的示例框的流程图。例如，图14的框可以由图1的装置101或类似的装置来执行。如同本文所公开的其他方法一样，图14中概述的方法可以包括比所指示更多或更少的框。此外，本文公开的方法的框不一定被以所指示的顺序执行。在一些示例中，本文所公开的方法的一些框可以被同时执行。
[0123]
在该示例中，框1403涉及在低频振动没有被施加的时间采集基线图像(例如，本文可以称为“指纹图像数据”的集合)。例如，基线图像可以在没有触觉致动的情况下被捕获。在一些这样的示例中，框1403可以涉及控制超声发送器以发送第一超声波。框1403可以涉及从超声接收器接收第一超声接收器信号。第一超声接收器信号可以包括对应于超声波从与装置的外表面接触的目标物体(诸如手指)的第一反射的信号。
[0124]
框1403或框1405可以涉及从超声接收器信号中提取特征。这些特征可以包括指纹特征，诸如指纹细节的位置、方向和/或类型。然而，在一些实例中，特征可以包括实际指纹特征和背景特征两者。在该示例中，框1405涉及对基线图像中的特征数量进行计数。在一些示例中，框1405可以涉及对基线图像中的所有检测到的特征进行计数，而在其他示例中，框1405可以涉及对基线图像中的一些但不是所有特征进行计数，例如，每隔一个特征、每隔三个特征、每隔四个特征等。被计数的特征的数量在本文可以被称为m。
[0125]
在该示例中，框1407涉及检测基线图像中至少一些特征的边缘。根据一些实施方式，框1407可以涉及检测在框1405中被计数的基线图像中的m个特征中的每个的边缘。框1407可以涉及确定对应于检测到的特征边缘的边缘坐标，并且至少暂时地将边缘坐标存储在数据结构中。
[0126]
根据该示例，框1409涉及计算在框1407中检测到的每个特征的面积。在一些示例中，如这里，框1409还涉及确定在框1407中检测到的每个特征的周长。框1409可以涉及确定特征面积数据和特征周长数据，并且至少暂时地将特征面积数据和特征周长数据存储在数据结构中。
[0127]
在一些实施方式中，框1409可以涉及一个或多个迭代过程。在一个这样的示例中，
对于k＝1到k＝m，框1409可以涉及以1为增量计算基线图像中每个特征的面积和周长。这个过程可以表示如下：对于k＝1:1:m，计算基线图像中每个特征的面积[0，k]和周长[0，k]。在该示例中，符号“k＝1:1:m”指示(起点):(步长):(终点)。在一些替代示例中，在该过程中可以只包括特征总数的子集，例如，每隔一个特征(k＝1:2:m)、每隔三个特征(k＝1:3:m)、每隔四个特征(k＝1:4:m)、每隔五个特征(k＝1:5:m)等。
[0128]
在该实施方式中，框1411涉及控制低频振动源以产生低频振动。在图14中，产生低频振动被称为“触觉致动”，但是如本文别处所述，术语“触觉”并不将所公开的方法限制于致动触觉设备。相反，任何合适类型的用于产生低频振动的设备都可以被使用。
[0129]
在该示例中，框1413涉及在低频振动被施加的时候采集附加的l个指纹图像数据的集合，其中，l是整数。l个指纹图像数据的集合也可以被称为l个图像。在一些示例中，框1413可以涉及采集至少两个附加的指纹图像数据的集合。在一些实例中，框1413可以涉及采集指纹图像数据的3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20个或更多个附加的样本。在一些这样的示例中，框1413可以涉及控制超声发送器以发送l个超声波的实例。框1413可以涉及从超声接收器接收l个超声接收器信号的集合。l个超声接收器信号的集合可以包括对应于超声波从与装置的外表面接触的目标物体(诸如手指)的l个反射的集合的信号。在该示例中，在框1413的过程完成之后，在框1415中停止低频振动的产生。
[0130]
在该示例中，框1417涉及对在框1413中采集的l个指纹图像数据的集合运行图像后处理循环。根据该示例，框1417还涉及构建至少一个增强图像。
[0131]
图15是提供在实施图14的框1417时可以涉及的过程的示例的流程图。例如，图15的框可以由图1的装置101或类似的装置来执行。如同本文所公开的其他方法一样，图15中概述的方法1500可以包括比所指示更多或更少的框。此外，本文所公开的方法的框不一定被以所指示的顺序执行。在一些示例中，本文所公开的方法的一些框可以被同时执行。
[0132]
根据该示例，方法1500涉及两个嵌套循环，包括在基线图像中的m个特征上的外循环，以及在图14的框1413和框1417中引用的l个指纹图像数据的集合或l个图像上的内循环。换句话说，循环涉及图像和每个图像中的特征两者。在触觉致动被施加的同时l个图像被捕获(框1411)。根据该示例，方法1500涉及获得每个特征的统计数据，然后统计数据可以被评估以确定该特征是实际指纹特征还是背景特征。
[0133]
在图15所示的示例中，l个图像被索引为图像(j)，其中，j在1与l之间，包括1和l。根据该实施方式，每个图像(j)具有k个特征，这些特征被索引为特征(j，k)。在该示例中，每个特征(j，k)具有面积(j，k)和周长(j，k)，并且每个特征(j，k)的质心垂直和水平空间坐标位于质心(j，k)。
[0134]
在该示例中，框1503涉及在基线图像中的m个特征的每个上的迭代外循环，该迭代外循环以1为增量从k＝1到k＝m。在该示例中，框1505的迭代内循环包括子框1507和1509的过程。根据该示例，子框1507的过程涉及对于特征k中的特定一个，计算从j＝1到j＝l的所有图像的质心、面积和周长。这在框1507中表示为计算每个图像(j)的特征(j，k)的质心(j，k)、面积(j，k)和周长(j，k)。根据该示例，子框1509的过程涉及对于特征k中的特定一个，计算从j＝1到j＝l的所有图像的质心的标准偏差、面积的标准偏差和周长的标准偏差。这在框1507中表示为计算l个图像中的每个的标准质心(k)(std_centroid(k))、标准面积(k)(std_area(k))和标准周长(k)(std_perimeter(k))。
[0135]
在该示例中，框1511涉及将特定特征k的质心的标准偏差、面积的标准偏差和/或周长的标准偏差与对应的质心阈值、面积阈值和/或周长阈值进行比较，这些阈值分别在图15中表示为质心_阈值(centroid_threshold)、面积_阈值(area_threshold)和周长_阈值(perimeter_threshold)，以便确定是否与阈值中的一个或多个相等或超过阈值中的一个或多个。如本文别处所描述的，包括但不限于以上参考图11a和图11b的讨论，如果一个或多个这样的阈值被超过，则可以推测特征k是实际指纹特征(框1517)。因此，在该示例中，在框1519中，特征将针对增强的指纹图像被保留。如果一个或多个这样的阈值没有被超过，则在该示例中，将在框1513中确定该特征是背景特征。根据该示例，在框1515中，背景特征将从包括在增强的指纹图像中的特征中被省略或删除。
[0136]
在一些示例中，框1511可以涉及将特定特征k的质心的标准偏差、面积的标准偏差和周长的标准偏差与对应的质心阈值、面积阈值和周长阈值进行比较。根据一些这样的示例，只有当与所有三个阈值相等或超过所有三个阈值时，才确定该特征是实际指纹特征。在其他实施方式中，如果只与三个阈值中的两个相等或超过三个阈值中的两个，则将确定该特征是实际指纹特征。在其他实施方式中，如果只与三个阈值中的一个相等或超过三个阈值中的一个，则确定该特征是实际指纹特征。
[0137]
在其他示例中，框1511可以涉及将特定特征k的质心的标准偏差和周长的标准偏差与对应的质心阈值和周长阈值进行比较。在一些示例中，框1511可以涉及将特定特征k的面积的标准偏差和周长的标准偏差与对应的面积阈值和周长阈值进行比较。在其他示例中，框1511可以涉及将特定特征k的质心的标准偏差、面积的标准偏差或周长的标准偏差中的仅一个与对应的质心阈值、面积阈值或周长阈值中的仅一个进行比较。
[0138]
在图15所示的示例中，迭代外循环的过程一直持续到所有m个特征都被评估完。在一些这样的示例中，方法1500在所有m个特征都已经被评估之后结束。
[0139]
图16示出了根据一个实施方式的装置的示例组件。在该示例中，装置101包括主机应用处理器1605、指纹传感器1607和触觉子系统1609。主机应用处理器1605可以包括一个或多个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、分立硬件组件或其组合。
[0140]
触觉子系统1609包括某种类型的低频振动源，并且不一定是触觉设备。根据该示例，触觉子系统1609包括触觉控制器和触觉致动器。因此，触觉子系统1609可以包括上面参考图1所描述的低频振动源110和控制系统106的一部分两者。
[0141]
在一些示例中，指纹传感器1607可以包括类似于上面参考图1所描述的超声传感器系统。根据一些实施方式，指纹传感器1607可以包括上面参考图1所描述的控制系统106的一部分。
[0142]
根据一些实施方式，指纹传感器1607和触觉子系统1609的触觉致动器的定时和活动可以由主机应用处理器1605通过独立数字接口1611和1613发布的软件命令等独立地控制。例如，数字接口1611和1613可以是串行外围接口(spi)或集成电路间(i2c)接口。在该实施方式中，指纹传感器1607和触觉子系统1609的定时和活动可以由主机应用处理器经由指纹传感器中断信号fp_intr1和触觉中断信号hap_intr1独立地控制。在该示例中，指纹传感器1607和触觉子系统1609向主机应用处理器1605提供指纹传感器中断信号fp_intr2和触觉中断信号hap_intr2。
[0143]
在该示例中，在指纹传感器1607与触觉致动器之间提供了数字接口1615。因此，一个或多个中断信号，诸如intr5和intr6，可以经由数字接口1615在指纹传感器1607与触觉致动器之间交换。这样的中断信号可以允许指纹传感器1607和触觉致动器通过电子硬件级握手信号来使指纹图像数据的采集和触觉致动的定时(频率和相位)同步。
[0144]
一些实施方式可以不包括指纹传感器1607与触觉致动器之间的数字接口。如果该接口不存在，则指纹传感器和触觉活动可以根据在接口1611和1613上传送的命令而同步。
[0145]
图17示出了根据替代实施方式的装置的示例组件。在该示例中，装置101包括主机应用处理器1705、两用指纹传感器和触觉控制器1710、指纹传感器1715和触觉致动器1720。主机应用处理器1705和两用指纹传感器和触觉控制器1710可以包括上面参考图1所描述的控制系统106中。在该实施方式中，指纹传感器1715的定时和活动可以由主机应用处理器1705经由指纹传感器中断信号fp_intr1来控制。在该示例中，指纹传感器1715向主机应用处理器1705提供指纹传感器中断信号fp_intr2。主机应用处理器1705和两用指纹传感器和触觉控制器1710可以包括一个或多个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、分立硬件组件或其组合。
[0146]
在一些示例中，指纹传感器1715可以包括类似于上面参考图1所描述的超声传感器系统。如本文别处所述，触觉致动器1720是低频振动源，其不一定是触觉设备。例如，如参考图1的低频振动源110所描述，触觉致动器1720可以是压电设备、线性谐振致动器、偏心旋转块致动器等。
[0147]
在该实施方式中，两用指纹传感器和触觉控制器1710被配置为根据来自主机应用处理器1705的指令，例如通过在数字接口1716上发布的软件命令，控制指纹传感器1715(包括但不限于任何相关联的超声换能器)和触觉致动器1720。
[0148]
在该示例中，两用指纹传感器和触觉控制器1710与指纹传感器1715(在一些实例中可以根据tft(薄膜晶体管)技术构建)之间的接口可以包括一个或多个电源(pwr)供应接口1725、一个或多个接收(rx)信号接口1730、一个或多个数字(dig)接口1735(例如，用于扫描指纹传感器系统1715的指纹传感器像素)和接地(gnd)线1740。作为说明性示例，电源供应接口1725的数量可以是2个(模拟信号和数字信号各一个)，接收信号接口1730的数量可以在6与20之间，并且数字接口1735的数量可以在4与6之间。
[0149]
根据该示例，两用指纹传感器和触觉控制器1710与触觉致动器1720之间的接口可以包括一个或多个电源供应接口1745、一个或多个控制信号接口1750、一个或多个感测接口1755和接地线1760。例如，感测接口可以检测反电动势(emf)，实施短路保护或者跟踪触觉扰动的谐振频率。在该实施方式中，触觉致动器1720的操作与指纹传感器1715的操作之间的同步可以通过沿着内部总线和其他内部电路的通信和/或两用指纹传感器和触觉控制器1710中的嵌入式固件来实现。
[0150]
图18a是提供本文所公开的一些方法的示例框的流程图。例如，图18a的框可以由图1的装置101或类似的装置来执行。如同本文所公开的其他方法一样，图18a中概述的方法1800可以包括比所指示更多或更少的框。此外，本文所公开的方法的框不一定被以所指示的顺序执行。在一些示例中，本文所公开的方法的一些框可以被同时执行。
[0151]
在该示例中，方法1800涉及调谐触觉致动频率，以便响应于触觉扰动产生指纹图
像特征的最大调制。在一些实例中，最大化指纹图像特征的扰动可以最大化实际指纹特征相比于背景特征的选择性，从而在一种或多种所公开的基于触觉的增强技术被应用之后最大化增强图像质量。
[0152]
在该示例中，框1803涉及在多个频率p中的每个频率下测量指纹图像特征的扰动的迭代过程。在一些示例中，框1803可以涉及在预定数量的频率下测量指纹图像特征的扰动，预定数量的频率在适合于触觉致动的频率范围内，例如，在5hz到400hz的范围内的振动、在5hz到800hz的范围内的振动，在5hz到1200hz的范围内的振动，在5hz到2000hz的范围内的振动，等等。在触觉频率具有分布在频率范围内的频谱内容的情况下，调谐的频率可以是触觉致动频率范围的平均频率或中心频率。
[0153]
预定数量的频率可以取决于各种因素，并且可以涉及在期望的精度水平与实施方法1800所需的时间量之间的权衡。在一些示例中，预定数量的频率可以是10、20、30、40、50、60、70、80、90、100等。
[0154]
根据该示例，框1805涉及选择对应于指纹图像特征的最大扰动的频率p。图18b是根据一个示例的扰动相比于触觉频率的图。例如，图18b所示的图可以基于在图18a的框1803中确定的频率和扰动值。在图18b所示的示例中，对应于局部最大扰动值的频率被选择为最佳触觉致动频率。确定这个局部最大值是图18a的框1805的一个示例。
[0155]
图19是提供公开的另一方法的示例框的流程图。例如，图19的框可以由图1的装置101或类似的装置来执行。如同本文所公开的其他方法一样，图19中概述的方法1900可以包括比所指示更多或更少的框。此外，本文所公开的方法的框不一定被以所指示的顺序执行。在一些示例中，本文所公开的方法的一些框可以被同时执行。
[0156]
在该示例中，方法1900涉及用于细化本文所公开的基于触觉的图像增强过程的过程。在一些这样的实施方式中，方法1900涉及使用顺序更复杂的图像来微调算法相比于背景特征的敏感度以及背景特征相比于实际指纹图像特征的选择性。取决于特定的实施方式，方法1900可以涉及细化确定性算法或细化基于机器学习的自适应算法。
[0157]
根据该示例，框1903是背景特征拒绝过程。根据一些实施方式，框1903可以是迭代背景特征拒绝过程。在一些这样的示例中，框1903可以涉及控制超声指纹传感器来捕获“仅空气”图像，而在传感器上或传感器所在的设备上没有手指或其他目标物体。因此，在这样的示例中，框1903涉及仅捕获背景图像特征。在一些这样的示例中，框1903可以涉及应用所公开的背景特征检测和拒绝过程中的一者或多者。在一些示例中，框1903可以涉及使用具有加剧的背景像差的传感器仅捕获背景图像特征，背景像差诸如粘合标记、传感器的一层或多层的不正确的机械层压，或传感器所在的设备的不正确的机械层压等。
[0158]
根据一些实施方式，框1903可以涉及调整算法阈值和/或其他检测参数，直到所有或基本所有背景伪像被检测到并且被拒绝。例如，在具有五个背景特征的图像的情况下，如果1.0的初始阈值导致这五个背景特征中的三个的识别，则该阈值可以被降低到例如0.8的值，使得所有五个背景特征都被适当地识别。在一些这样的实施方式中，在框1903的过程之后，背景图像应是空间均匀的，或者基本均匀的。在一些这样的实施方式中，充分或基本均匀的背景图像可以具有传感器像素之间的小于某一阈值百分比(诸如0.5％、1％、1.5％、2％等)的变化。
[0159]
在该示例中，框1905是图案化目标特征检测过程。在一些这样的示例中，框1905可
以涉及应用所公开的方法中的一种或多种来捕获具有图案化目标的图像。在一些这样的示例中，具有图案化目标的图像可以使用没有背景像差的传感器来捕获，使得捕获的图像仅仅是实际图像。根据一些实施方式，在框1905中，算法阈值和/或其他检测参数可以被调整，直到图案化目标的所有实际图像特征被检测到。在一些这样的示例中，框1905可以涉及将增强图像与图案化目标的参考图像进行比较。在一个这样的示例中，图案化的目标和参考图像两者都可以包括相同系列的虚线，线之间具有已知的(例如，1mm)间距。在实施框1905之后，捕获的超声图像应包括目标的实际图案。
[0160]
根据该示例，框1907涉及重复框1905，同时使用上述具有加剧的背景像差的传感器。在一些实施方式中，框1907可以涉及调整算法阈值和/或其他检测参数，直到预定的指纹特征的集合的所有指纹特征被检测到并且预定的背景特征的集合的所有背景特征被拒绝。根据一些实施方式，框1907可以涉及调整算法阈值和/或其他检测参数，直到目标图案被检测到，即使目标图案的实际特征与背景特征重叠。在一些实施方式中，框1907可以涉及使用具有加剧的背景像差的传感器的初始过程，然后是使用具有不太严重像差的传感器的后续过程。在一些这样的示例中，后续过程可以涉及使用具有相对不太明显的目标特征的图案化目标。在一些这样的实施方式中，框1907可以涉及进一步细化算法，直到甚至这些不太明显的背景特征被拒绝并且微弱的实际图像特征被检测到。
[0161]
根据一些实施方式，框1909可以涉及从一个或多个实际人类手指捕获超声图像的过程。例如，框1909可以涉及对具有稀疏指纹特征的实际指纹(诸如具有低空间频率内容的实际指纹)进行成像。根据一些示例，框1909可以涉及后续过程，该后续过程涉及对具有与背景特征相对更多重叠的指纹特征的实际指纹进行成像，对具有比在框1909的早期阶段中使用的指纹更高的空间图像频率的实际指纹进行成像等。在一些实施方式中，框1909可以涉及调整算法阈值和/或其他检测参数，直到预定的指纹特征的集合的所有指纹特征被检测到并且预定的背景特征的集合的所有背景特征被拒绝。在一些示例中，在这些目标达到之后，方法1900结束。
[0162]
图20代表性地描绘了用于超声传感器系统的传感器像素的4
×
4像素阵列的方面。例如，每个传感器像素2034可以与压电传感器材料(psm)的局部区域、像素输入电极2037、峰值检测二极管(d1)和读出晶体管电路(m3)相关联；许多或所有这些元件可以形成在衬底上或衬底中，以形成像素电路2036。实际上，每个传感器像素2034的压电传感器材料的局部区域可以将接收到的超声波能量转换成电荷。峰值检测二极管d1可以寄存由压电传感器材料psm的局部区域检测到的最大电荷量。然后像素阵列2035的每一行可以通过行选择机制、栅极驱动器或移位寄存器等被扫描，并且每一列的读出晶体管电路m3可以被触发，以允许附加电路(例如多路复用器和模数转换器)读取每个传感器像素2034的峰值电荷的大小。像素电路2036可以包括一个或多个tft，以允许传感器像素2034的选通、寻址和复位。
[0163]
每个像素电路2036可以提供关于由超声传感器系统检测到的物体的一小部分的信息。虽然为了便于说明，图20所示的示例具有相对粗略的分辨率，但是具有大约每英寸500像素数量级或更高分辨率的超声传感器可以被配置有适当比例的结构。超声传感器系统的检测区域可以根据预期的检测物体来选择。例如，检测区域的范围可以从单个手指的大约8mm
×
3mm、5mm
×
5mm或9mm
×
4mm到四个手指的大约3英寸
×
3英寸。较小和较大的区域，包括正方形、矩形和非矩形的几何形状，可以适当地用于目标物体。
[0164]
图21a示出了超声传感器系统的分解图的示例。在该示例中，超声传感器系统2100a包括压板40下方的超声发送器20和超声接收器30。根据一些实施方式，超声接收器30可以是图1所示并且如在上面所描述的超声接收器103的示例。在一些实施方式中，超声发送器20可以是图1所示并且如在上面所描述的超声发送器105的示例。超声发送器20可以包括基本平面的压电发送器层22，并且可以被配置为用作平面波发生器。取决于所施加的信号，超声波可以通过向压电层施加电压来扩展或压缩该层来产生，从而产生平面波。在该示例中，控制系统106可以被配置为引起电压，该电压可以经由第一发送器电极24和第二发送器电极26施加到平面压电发送器层22。以这种方式，超声波可以经由压电效应改变层的厚度来产生。该产生的超声波可以穿过压板40朝向手指(或其他待检测的物体)行进。未被待检测物体吸收或透射的波的一部分可以被反射，从而穿过压板40返回并且被超声接收器30接收。第一发送器电极24和第二发送器电极26可以是金属化电极，例如，涂覆压电发送器层22的相对侧的金属层。
[0165]
超声接收器30可以包括设置在衬底34(也可以被称为背板)上的传感器像素电路32的阵列和压电接收器层36。在一些实施方式中，每个传感器像素电路32可以包括一个或多个tft或硅基元件、电互连迹线，并且在一些实施方式中，包括一个或多个附加电路元件，诸如二极管、电容器等。每个传感器像素电路32可以被配置为将由像素电路附近的压电接收器层36产生的表面电荷转换成电信号。每个传感器像素电路32可以包括将压电接收器层36电耦合到传感器像素电路32的像素输入电极38。
[0166]
在示出的实施方式中，接收器偏置电极39被设置在压电接收器层36靠近压板40的一侧。接收器偏置电极39可以是金属化电极，并且可以接地或偏置以控制哪些信号可以传递到传感器像素电路32的阵列。从压板40的暴露(顶部)表面反射的超声能量可以被压电接收器层36转换成表面电荷。产生的表面电荷可以耦合到像素输入电极38和下面的传感器像素电路32。电荷信号可以由传感器像素电路32放大或缓冲，并且被提供给控制系统106。
[0167]
控制系统106可以与第一发送器电极24和第二发送器电极26电连接(直接或间接)，以及与衬底34上的接收器偏置电极39和传感器像素电路32电连接。在一些实施方式中，控制系统106可以基本如上面所描述进行操作。例如，控制系统106可以被配置为处理从传感器像素电路32接收到的放大信号。
[0168]
控制系统106可以被配置为控制超声发送器20和/或超声接收器30以获得超声数据，该超声数据可以包括指纹数据。根据一些实施方式，控制系统106可以被配置为提供诸如本文所描述的功能。
[0169]
无论超声传感器系统2100a是否包括单独的超声发送器20，在一些实施方式中，控制系统106可以都被配置为从超声数据获得属性信息。在一些示例中，控制系统106可以被配置为至少部分地基于属性信息来控制对一个或多个设备的访问。超声传感器系统2100a(或相关联的设备)可以包括存储器系统，该存储器系统包括一个或多个存储器设备。在一些实施方式中，控制系统106可以包括存储器系统的至少一部分。控制系统106可以被配置为从超声数据获得属性信息，并且将属性信息存储在存储器系统中。在一些实施方式中，控制系统106可以被配置为捕获指纹图像，从指纹图像获得属性信息，并且将从指纹图像获得的属性信息(本文可以称为指纹图像信息)存储在存储器系统中。根据一些示例，控制系统106可以被配置为捕获指纹图像，从指纹图像获得属性信息，并且存储从指纹图像获得的属
性信息，甚至同时将超声发送器20保持在“关闭”状态。
[0170]
在一些实施方式中，控制系统106可以被配置为以超声成像模式或力感测模式操作超声传感器系统2100a。在一些实施方式中，控制系统可以被配置为当在力感测模式下操作超声传感器系统时，将超声发送器20保持在“关闭”状态。超声接收器30可以被配置为当超声传感器系统2100a在力感测模式下操作时用作力传感器。在一些实施方式中，控制系统106可以被配置为控制其他设备，诸如显示器系统、通信系统等。在一些实施方式中，控制系统106可以被配置为以电容成像模式操作超声传感器系统2100a。
[0171]
压板40可以是能够声学耦合到接收器的任何合适的材料，示例包括塑料、陶瓷、蓝宝石、金属和玻璃。在一些实施方式中，压板40可以是盖板，例如用于显示器的盖板玻璃或透镜玻璃。特别是当使用超声发送器20时，如果期望，指纹检测和成像可以通过相对较厚(例如3毫米或更厚)的压板进行。然而，对于其中超声接收器30被配置为以力检测模式或电容检测模式对指纹进行成像的实施方式，可能需要更薄且相对更柔顺的压板40。根据一些这样的实施方式，压板40可以包括一种或多种聚合物，诸如一种或多种类型的聚对二甲苯，并且可以基本更薄。在一些这样的实施方式中，压板40可以是几十微米厚或者甚至小于10微米厚。
[0172]
可以用于形成压电接收器层36的压电材料的示例包括具有适当声学特性(例如，大约2.5兆瑞利至5兆瑞利间的声阻抗)的压电聚合物。可以采用的压电材料的具体示例包括铁电聚合物，诸如聚偏氟乙烯(pvdf)和聚偏氟乙烯-三氟乙烯(pvdf-trfe)共聚物。pvdf共聚物的示例包括60:40(摩尔百分比)pvdf-trfe、70:30pvdf-trfe、80:20pvdf-trfe和90:10pvdr-trfe。可以采用的压电材料的其他示例包括聚偏二氯乙烯(pvdc)均聚物和共聚物、聚四氟乙烯(ptfe)均聚物和共聚物以及二异丙基溴化铵(dipab)。
[0173]
压电发送器层22和压电接收器层36中的每个的厚度可以被选择成适于产生和接收超声波。在一个示例中，pvdf平面压电发送器层22大约28μm厚，pvdf-trfe接收器层36大约12μm厚。超声波的示例频率可以在5mhz至30mhz的范围内，波长在毫米或更小的数量级。
[0174]
图21b示出了超声传感器系统的替代示例的分解图。在该示例中，压电接收器层36已经形成为分立元件37。在图21b所示的实施方式中，分立元件37中的每个与单个像素输入电极38和单个传感器像素电路32相对应。然而，在超声传感器系统2100b的替代实施方式中，在分立元件37中的每个、单个像素输入电极38和单个传感器像素电路32之间不一定存在一一对应关系。例如，在一些实施方式中，对于单个分立元件37，可以有多个像素输入电极38和传感器像素电路32。
[0175]
图21a和图21b示出了超声传感器系统中超声发送器和接收器的示例布置，其中，其他布置也是可能的。例如，在一些实施方式中，超声发送器20可以在超声接收器30上方，因此更靠近待检测的物体。在一些实施方式中，超声发送器可以包括在超声传感器阵列中(例如，单层发送器和接收器)。在一些实施方式中，超声传感器系统可以包括声学延迟层。例如，声学延迟层可以结合到超声发送器20与超声接收器30之间的超声传感器系统中。声学延迟层可以用于调节超声脉冲定时，并且同时将超声接收器30与超声发送器20电绝缘。声学延迟层可以具有基本均匀的厚度，用于延迟层的材料和/或延迟层的厚度被选择为反射的超声能量到达超声接收器30的时间提供期望的延迟。因此，在此期间可以使携带关于物体的信息(由于已经被物体反射)的能量脉冲到达超声接收器30的时间范围，在从超声传
感器系统的其他部分反射的能量不太可能到达超声接收器30的时间范围期间。在一些实施方式中，衬底34和/或压板40可以用作声学延迟层。
[0176]
图21c示出了超声传感器系统的示例的分解图。在该示例中，超声传感器系统2100c包括压板40下方的超声收发器阵列50。根据一些实施方式，如图1所示并且如在上面所描述的，超声收发器阵列50可以既用作超声接收器103，又用作超声发送器105。超声收发器阵列50可以包括被配置为用作平面波发生器的基本平面的压电收发器层56。超声波可以通过在收发器层56上施加电压来产生。控制系统106可以被配置为产生收发器激励电压，该收发器激励电压可以经由一个或多个下面的像素输入电极38或一个或多个上面的收发器偏置电极59被施加到压电收发器层56。产生的超声波可以穿过压板40朝向手指或其他待检测的物体行进。未被物体吸收或透射的波的一部分可以被反射，从而穿过压板40返回，并且被超声波收发器阵列50接收。
[0177]
超声收发器阵列50可以包括设置在衬底34上的传感器像素电路32的阵列。在一些实施方式中，每个传感器像素电路32可以包括一个或多个tft或硅基元件、电互连迹线，并且在一些实施方式中，包括一个或多个附加电路元件，诸如二极管、电容器等。每个传感器像素电路32可以包括将压电收发器层56电耦合到传感器像素电路32的像素输入电极38。
[0178]
在示出的实施方式中，收发器偏置电极59被设置在压电收发器层56靠近压板40的一侧。收发器偏置电极59可以是金属化电极，并且可以接地或偏置，以控制可以产生哪些信号以及哪些反射信号可以传递到传感器像素电路32的阵列。从压板40的暴露(顶部)表面反射的超声能量可以被压电收发器层56转换成表面电荷。产生的表面电荷可以耦合到像素输入电极38和下面的传感器像素电路32。电荷信号可以由传感器像素电路32放大或缓冲，并且被提供给控制系统106。
[0179]
控制系统106可以电连接(直接或间接)到传感器基板34上的收发器偏置电极59和传感器像素电路32。在一些实施方式中，控制系统106可以基本如上面所描述进行操作。例如，控制系统106可以被配置为处理从传感器像素电路32接收到的放大信号。
[0180]
控制系统106可以被配置为控制超声收发器阵列50以获得超声数据，该超声数据可以包括指纹数据。根据一些实施方式，控制系统106可以被配置为提供诸如本文所描述的功能，例如，诸如本文所描述。
[0181]
在具有超声收发器阵列的超声传感器系统的其他示例中，传感器衬底34的背面可以被直接或间接附接到上面的压板40。在操作中，由压电收发器层56产生的超声波可以穿过传感器衬底34和压板40，从压板40的表面反射，并且在被衬底传感器34上或衬底传感器34中的传感器像素电路32检测到之前穿过压板40和传感器衬底34返回。
[0182]
如本文所使用的，提到项目列表中“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，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。
[0183]
结合本文所公开的实施方式描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路和算法过程可以被实施为电子硬件、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，并且在上面所描述的各种说明性组件、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施取决于特定的应用和施加在整个系统的设计约束。
[0184]
用于实施结合本文所公开的方面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)或其他可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或设计成执行本文所描述的功能的其任意组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，或者任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实施为计算设备的组合，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，或任何其他这样的配置。在一些实施方式中，特定的过程和方法可以由特定于给定功能的电路来执行。
[0185]
在一个或多个方面，所描述的功能可以通过硬件、数字电子电路、计算机软件、固件(包括本说明书中所公开的结构及其结构等同物)或其任意组合来实施。本说明书中所描述的主题的实施方式也可以被实施为一个或多个计算机程序，即编码在计算机存储介质中的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。
[0186]
如果通过软件实施，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质(诸如非暂时性介质)中或通过计算机可读介质传输。本文所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施，该处理器可执行的软件模块可以位于计算机可读介质中。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，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。存储介质可以是可以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期望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。如本文使用的磁盘和光盘包括压缩光盘(cd)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(dvd)、磁盘和蓝光光盘，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机器可读介质和计算机可读介质中的代码和指令的一个或任意组合或集合，其可以被结合到计算机程序产品中。
[0187]
对本公开所描述的实施方式的各种修改对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施方式。因此，本公开并不旨在限于本文所示的实施方式，而是符合与本文所公开的权利要求、原理和新颖特征一致的最宽范围。词语“示例性的”在本文专门用于表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其他实施方式优选或有利。
[0188]
本说明书中在单独的实施方式的上下文中所描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。反过来将，在单个实施方式的上下文中所描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独实施或者在任何合适的子组合中实施。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针对子组合或子组合的变体。
[0189]
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求以所示的特定顺序或次序执行这些操作，或者要求执行所有示出的操作来实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。此外，上面所描述的实施方式中的各种系统组
件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这样的分离，并且应理解，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。附加地，其他实施方式也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，并且仍然可以实现期望的结果。
[0190]
应上理解，除非在任何特定描述的实施方式中的特征被明确地标识为彼此不兼容，或者周围的上下文暗示它们是互斥的并且不容易以互补和/或支持的意义组合，否则本公开的整体设想和预想了这些互补实施方式的特定特征可以被选择性地组合，以提供一个或多个全面的但是稍微不同的技术方案。因此，将进一步理解，以上描述仅作为示例给出，并且详细修改可以在本公开的范围内进行。