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声学生物特征触摸 扫描仪

阅读：538发布：2020-05-12

专利汇可以提供声学生物特征触摸扫描仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种声学生物测定触摸扫描仪装置和方法。在一个方案中，声学指纹感测装置包括被配置成发送具有从50兆赫(MHz)到500MHz范围内的频率的超声波信号的超声波传感器数组。声学指纹超声波传感器包括压电膜。声学指纹感测装置还包括被配置用来接收手指的接收表面。声学指纹感测装置还包括处理器，该处理器被配置为基于来自手指的超声波信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像。，下面是声学生物特征触摸扫描仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种声学指纹感测装置，包括：
超声波传感器数组，所述超声波传感器被配置成发送具有从50兆赫(MHz)到500MHz范围内的频率的超声波信号，所述超声波传感器包括压电膜；
第一金属线；
与所述第一金属线正交的第二金属线，并且所述第一金属线和所述第二金属线能够寻址所述数组的所述超声波传感器；
被配置来接收手指的表面；和
处理器，其被配置为基于来自手指的超声波信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像，其中声学指纹感测装置被配置为在表面的选定部分上执行发送聚焦。
2.如权利要求1所述的声学指纹感测装置，其中所述超声波信号的频率在从125MHz到
250MHz的范围内。
3.如权利要求1所述的声学指纹感测装置，其中所述超声波信号的频率在50MHz至
100MHz的范围内。
4.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述压电膜具有3微米(μm)至75μm范围内的厚度。
5.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述压电膜具有10微米(μm)至20μm范围内的厚度。
6.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其进一步包括接收电路，所述接收电路配置为处理所述超声波传感器数组响应反射而产生的电子接收信号，以向所述处理器提供经处理的信号。
7.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述图像具有至少每英寸
500个像素的分辨率。
8.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述第一金属线与包括所述表面的板物理接触。
9.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述压电膜包括氧化锌、氮化铝或钛酸铅锆中的至少一种。
10.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述表面是包括玻璃和匹配层的板的表面，并且其中所述匹配层的厚度对应于匹配层材料中超声波信号波长的四分之一。
11.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述处理器被配置为基于与所述表面接触的手指的面积来估计手指接触所述表面处的力。
12.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述处理器被配置为基于与反射相关联的声速来检测手指的温度。
13.根据权利要求1-10所述的声学指纹感测装置，其中所述处理器被配置为基于反射来检测与手指的活体相关联的参数，并且基于该活体参数提供所述手指是否是活人的一部分的指示。
14.根据上述任何权利要求所述的声学指纹感测装置，其中所述超声波传感器数组布置成行和列，并且其中所述声学指纹感测装置进一步包括发送电路，所述发送电路配置成激励超声波传感器数组中的所述列的子集以将超声波信号传输到表面的选定部分。
15.根据权利要求1-13中任何一项所述的声学指纹感测装置，其中所述处理器被配置为使用后处理合成孔径聚焦来执行发送聚焦。
16.一种生成生物特征图像的方法，所述方法包括：
使用一个或多个超声波传感器，发送在50兆赫(MHz)到500MHz的频率范围内的超声波信号，其中所述发送包括发送聚焦；
使用所述一个或多个超声波传感器，接收所述超声波信号的反射；和
基于超声波信号的反射来生成生物图像。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述生物统计学图像表示至少一部分指纹并且具有至少每英寸500像素的分辨率。
18.根据权利要求16-17中任何一项所述的方法，其中所述一个或多个超声波传感器包括厚度在3微米(μm)至75μm范围内的压电膜。
19.如权利要求16-18中任何一项所述的方法，还包括基于所述反射来检测与所述手指的活体相关联的参数，并且基于所述活体参数提供所述手指是否是活人的一部分的指示。
20.一种声学生物测定感测装置，包括：
超声波传感器，被配置为发送具有从50兆赫(MHz)到500MHz范围内的频率的超声波信号；
一表面；和
与所述超声波传感器通信的处理器，所述处理器被配置成基于来自与所述表面接触的物体的超声波信号的反射来生成生物特征图像，其中所述声生物特征感测装置被配置为在表面的选定部分上执行发送聚焦。
21.根据权利要求20所述的声学生物测定感测装置，其中所述超声波传感器包括厚度在3微米(μm)至75μm范围内的压电膜。
22.根据权利要求20-21中任何一项所述的声学生物测定感测装置，其中所述生物测量图像代表至少一部分指纹，并且所述生物测量图像具有至少每英寸500像素的分辨率。
23.一种具有超声波指纹感测的智能卡，所述智能卡包括：
一卡体；和
至少部分地嵌入在所述卡体内的超声波指纹感测装置，所述超声波指纹感测装置被配置为发送超声波信号并且基于来自手指的超声波信号的反射来生成至少一部分指纹的图像数据，其中图像数据具有至少每英寸500像素的分辨率。
24.根据权利要求23所述的智能卡，其中所述超声波指纹感测装置包括彼此堆栈的两个超声波传感器数组。
25.根据权利要求23-24中任何一项所述的智能卡，其中所述卡体包括材料，所述材料的超声波信号的声速在约每秒1000米和约每秒2500米之间，并且其中所述超声波指纹感测装置将所述超声波信号以在大约12.5兆赫(MHz)和大约100MHz之间的频率发送。
26.根据权利要求23-25中任何一项所述的智能卡，还包括被配置为将所述智能卡耦合到外部读卡器的触点，其中所述超声波指纹感测装置被配置为通过所述触点从所述外部读卡器汲取电力。
27.如权利要求23-26中任何一项所述的智能卡，其特征在于，所述卡体的尺寸适合装入钱包。
28.一种双层超声波指纹感测装置，包括：
第一压电层，被配置为发送超声波信号；
布置在第一压电层上的第一金属线；
第二压电层，被配置为接收超声波信号的反射，第二压电层与第一压电层堆栈；
设置在所述第二压电层上的第二金属线，其中所述第二金属线基本垂直于所述第一金属线；和
设置在第一压电层和第二压电层之间的金属导电层。
29.根据权利要求28所述的双层超声波指纹感测装置，还包括电路，该电路被配置为通过激励第一金属线中的至少一个来发送超声波信号并使用至少一个第二金属线接收所发送超声波信号的反射来生成至少一部分指纹的图像。
30.根据权利要求28-29中任何一项所述的双层超声波指纹感测装置，其中所述第一金属线设置在所述双层超声波指纹感测装置的第一侧上，并且其中所述第二金属线设置在所述双层超声波指纹感测装置的第二侧上，第二侧与第一侧相对。
31.根据权利要求28-30中任何一项所述的双层超声波指纹感测装置，还包括电路，该电路被配置为基于来自手指的超声波信号的反射来生成用户手指的至少一部分指纹的图像，其中所述图像具有至少每英寸500像素的分辨率。

说明书全文

声学生物特征触摸 扫描仪

对优先申请的交叉引用

[0001] 本申请要求于2017年4月28日提交的标题为“ACOUSTIC BIOMETRIC TOUCH SCANNER；”的美国临时专利申请No.62/491,984的优先权权益，该美国专利申请No.15/605,785于2017年5月25日提交，名为“ACOUSTIC BIOMETRIC TOUCH SCANNER”，作为美国专利号
9,953,205于2018年4月28日发布；以及于2018年4月16日提交的标题为“SMART CARD WITH ACOUSTIC BIOMETRIC TOUCH SCANNER”的美国临时专利申请No.62/658,370的优先权。每个上述申请的内容在此通过引用整体并入本文并用于所有目的。

背景技术

[0002] 所公开的技术涉及声学扫描，并且具体涉及用于声学生物特征触摸扫描的装置和方法，包括用于指纹识别、活体手指检测、温度检测和力感测的应用，并且包括智能卡中的实现。

[0003] 指纹已经广泛用于各种应用和用途，包括刑事识别、银行业务、个人设备的身份识别、官方表格等。自动光学指纹扫描仪已被用于获取指纹图像。其他指纹检测技术有基于超声波的指纹扫描仪和电容式指纹扫描仪。可靠和经济的指纹扫描系统是一种需求。发明内容

[0004] 权利要求中描述的创新每个都有几个方案，其中没有一个单独体现其理想属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简要描述本公开的一些突出特征。

[0005] 所公开的技术的一个方案是声学指纹感测装置。该装置包括超声波传感器数组，该超声波传感器被配置成发送具有从50兆赫(MHz)到500MHz范围内的频率的超声波信号。该装置还包括第一金属线。该器件还包括与第一金属线正交的第二金属线。第一金属线和第二金属线使得能够对数组的超声波传感器寻址。该装置还包括被配置为接收手指的接收表面。该装置还包括处理器，该处理器被配置成基于来自手指的超声波信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像。声学指纹感测装置可以在表面的选定部分上执行发送聚焦。

[0006] 超声波传感器数组可以按行和列排列，并且声学指纹感测装置可以进一步包括发送电路，该发送电路被配置为激励数组的子列中的超声波传感器以将超声波信号发送到表面的选定部分上。处理器可以配置为使用后处理合成孔径聚焦来执行发送聚焦。

[0007] 超声波信号的频率可以在从125MHz到250MHz的范围内。超声波信号的频率可以在50MHz至100MHz的范围内。

[0008] 压电膜可具有3微米(μm)至75μm范围内的厚度。压电膜可以具有10微米(μm)至20μm范围内的厚度。

[0009] 声学指纹感测装置可以包括接收电路，其被配置为响应于反射来处理由超声波传感器数组生成的电子接收信号，以向处理器提供经处理的信号。

[0010] 图像可以具有至少每英寸500 像素的分辨率。

[0011] 第一金属线可以与包括表面的板物理接触。

[0012] 表面可以是包括玻璃和匹配层的板的表面，并且匹配层可以具有与匹配层的材料中的超声波信号的波长的四分之一相对应的厚度。

[0013] 压电膜可以包括氧化锌、氮化铝或钛酸铅锆中的至少一种。

[0014] 处理器可以被配置为基于反射来检测与手指的活体相关联的参数，并且基于活体参数来提供手指是否是活人的一部分的指示。处理器可以被配置为基于与表面接触的手指的面积来估计手指接触表面的力。处理器可以被配置为基于与反射相关联的声速来检测手指的温度。

[0015] 所公开的技术的另一方案是声学生物测量传感装置。该装置包括超声波传感器，超声波传感器被配置为发送具有从50兆赫(MHz)到500MHz范围内的频率的超声波信号。该装置还包括处理器，该处理器被配置为基于超声波信号的反射来生成生物测量信息。声学生物测定感测装置可以被配置为在表面的选定部分上执行发送聚焦。

[0016] 超声波传感器可以包括具有在3微米(μm)至75μm范围内的厚度的压电膜。生物特征图像可以表示指纹的至少一部分，并且生物特征图像可以具有至少500像素/英寸的分辨率。

[0017] 所公开的技术的另一方案是声学生物测量感测装置。该装置包括被配置为传输超声波信号的超声波传感器，超声波传感器包括具有在从5微米(μm)到小于100μm的范围内的厚度的压电膜。该装置还包括处理器，该处理器被配置为基于超声波信号的反射来生成生物测量信息。

[0018] 所公开技术的另一方案是生成生物特征图像的方法。该方法包括使用一个或多个超声波传感器来发送在50兆赫(MHz)到500MHz的频率范围内的超声波信号。该方法还包括接收超声波信号的反射。该方法还包括基于反射生成生物特征图像。

[0019] 本公开的另一方案是一种生成生物特征图像的方法，该方法包括：使用一个或多个超声波传感器发送在50兆赫(MHz)到500MHz的频率范围内的超声波信号，其中发送包括传输聚焦；使用所述一个或多个超声波传感器接收所述超声波信号的反射；并且基于超声波信号的反射来生成生物图像。

[0020] 生物特征图像可以表示至少一部分指纹并且可以具有至少每英寸500个像素的分辨率。一个或多个超声波传感器可以包括具有在3微米(μm)至75μm范围内的厚度的压电膜。该方法可以包括基于反射来检测与手指的活体相关联的参数，并且基于活体参数提供手指是否是活人的一部分的指示。

[0021] 所公开技术的另一方案是使用50至500MHz频率范围内的薄膜压电器件的生物统计感测系统。即使在使用诸如玻璃的声速在其中较高(5760m/s)的声学耦合层时，该频率范围也提供了期望的分辨率(例如，50微米)。薄膜传感器数组可以使用溅射工艺来制造，并且材料可以由氧化锌组成。针对特定传感器参数的仿真显示极低的插入损耗约为3dB，导致在接收端接收到一半的电压信号。例如，在使用4V激励的仿真中，输出电压约为2V。该器件获取指纹图层的3D超声图像，并实施行-列寻址和波束成形，以提高图像质量。在一个实施例中，扫描分辨率(DPI)是从发送超声波时形成的波束的点扩散函数导出的。在一个实施例中，诸如负载有钨或碳化硅颗粒或任何此类材料的橡胶或环氧树脂的吸收层被放置在接收表面的边缘处以减少来自接收边缘的反射(振铃)，使得更高帧率。

[0022] 所公开的技术的另一方案是用于制造生物统计感测系统的方法。该方法包括在第一方向上在玻璃基板的顶部上成形底部金属电极，在底部平面上在第二方向上成形底部金属电极。该方法还包括通过磁控管溅射在底部金属电极的顶侧的除左侧和右侧边缘部分之外的所有区域上淀积薄膜，左侧和右侧边缘部分未被覆盖。这可以让在未覆盖的边缘部分上形成金属触点。该方法还包括在第二方向上淀积顶部金属电极，顶部金属电极符合薄膜的顶部，顶部金属电极符合薄膜的左侧和右侧边缘部分。

[0023] 该方法可以进一步包括在第一方向和第二方向上蚀刻淀积的薄膜中的沟槽或凹槽，其中第一方向与第二方向正交。这种蚀刻可以减少相邻传感器之间的串扰。蚀刻可以在传导器的有效区域之外以及薄膜相对侧上的板之间形成。在一个实施例中，蚀刻沟槽包括V形蚀刻。

[0024] 另一方案是具有温度检测的生物统计感测装置。该装置包括被配置为接收手指的接收表面。该装置还包括传感器，传感器被配置为通过接收表面向手指发送声信号。该装置还包括处理器，该处理器被配置为基于与声学信号相关联的声速来检测手指的温度，并且基于来自手指的声学信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像。

[0025] 另一方案是一种检测手指温度的方法。该方法包括通过中间介质将声音信号传输至手指。该方法还包括确定通过中间介质的声信号的声速。该方法还包括基于声速检测手指的温度。

[0026] 另一方案是一种感测装置。感测装置包括一个或多个传感器，其被配置为通过固体介质发送声信号。感测装置还包括处理器，该处理器被配置为确定与通过固体介质传播的声学信号相关联的声速并且基于所确定的声速来检测温度。

[0027] 在一个实施例中，该方法还包括生成手指的三维模型。在一个实施例中，该方法还包括检测环境温度。在一个实施例中，该方法还包括基于从手指的反射(reflection off of a finger)与用于检测环境温度的反射之间的差异来检测温度。在一个实施例中，声学信号是超声波信号。

[0028] 另一方案是具有力检测的生物测量感测装置。生物统计感测装置包括被配置为接收手指的接收表面。该装置还包括传感器，传感器被配置为通过接收表面向手指发送声信号。该装置还包括处理器，该处理器被配置为基于来自手指的声学信号的反射来生成手指的指纹的至少一部分的图像，基于反射来检测手指的脊与接收表面接触的表面面积；并且基于检测到的表面面积来估计手指接触接收表面的力。

[0029] 另一个方案是力检测的方法。该方法包括将声音信号发送到手指。该方法还包括基于来自手指的声学信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像。该方法还包括基于反射来检测与表面接触的手指的面积。该方法还包括基于检测到的与表面接触的面积来估计手指接触表面处的力。

[0030] 另一方案是具有力检测的生物测量传感装置。该装置包括一个或多个被配置为传输声学信号的传感器。该装置还包括处理器。处理器被配置为基于声学信号的反射来生成与对象相关联的生物特征图像。处理器还被配置为基于反射来检测与表面接触的对象的表面面积。处理器还被配置为基于检测到的与表面接触的物体的表面面积来估计物体接触表面的力。

[0031] 另一方案是用于检测触摸力和/或组织硬度的方法。在一个实施例中，通过测量例如指尖的脊宽度来检测和量化触摸力。在一个实施例中，通过测量指纹宽度和表面面积来检测和量化触摸力。在一个实施例中，通过将估计的接触力与直接力或压力测量的接触力进行比较来确定组织硬度。

[0032] 另一个方案是具有用于估计脉搏率的力检测的生物测定感测装置。生物统计感测装置包括被配置为接收手指的接收表面。该装置还包括传感器，传感器被配置为通过接收表面向手指发送声信号。该装置还包括处理器，该处理器被配置成估计以第一采样率采集的力的样本的时间序列；基于来自手指的声信号对每个样本的反射来生成手指的指纹的至少一部分的图像，基于每个样本的反射来检测与接收表面接触的手指的脊的表面面积；基于每个样品的检测表面面积估算手指接触接收表面的力；并估计力量估计的时间序列的周期，该周期对应于脉率估计。在一个实施例中，第一采样率超过最大脉搏率的两倍。例如，如果对于有氧运动期间所采取的脉搏，假定最大脉搏率为每分钟220次搏动，则第一采样率至少为每分钟440次。

[0033] 另一方案是具有超声波指纹感测的智能卡。智能卡包括卡体和嵌入卡体内的超声波指纹传感装置。超声波指纹感测装置被配置为发送超声波信号并基于来自手指的超声波信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像数据。图像数据的分辨率至少为每英寸500像素。

[0034] 卡体可以被设定尺寸以适合装入钱包。智能卡可以包括配置为验证智能卡的安全芯片。智能卡可以在卡体上含有磁条。

[0035] 卡体可主要由从由尼龙，PVC和聚酯薄膜中选择至少一种材料形成。卡体可以包括尼龙，并且超声波指纹传感装置可以以大约12.5MHz至大约50MHz之间的频率传输超声波信号。卡体可以包括尼龙，并且超声波指纹感测装置可以以大约25MHz的频率传输超声波信号。卡体可以包括PVC，并且超声波指纹感测装置可以以约25MHz和约100MHz之间的频率传送超声波信号。卡体可以包括PVC，并且超声波指纹感测装置可以以约50MHz的频率传送超声波信号。

[0036] 卡体可以包括具有介于约1,000米每秒和约2,500米每秒之间的超声波信号声速的材料，并且超声指纹感测装置可以以约12.5MHz和约100MHz之间的频率传播超声波信号。卡体可以包括具有介于大约每秒1000米和每秒大约2500米之间的超声波信号声速的材料，并且超声指纹感测装置可以以约25MHz和约50MHz之间的频率传播超声波信号。

[0037] 智能卡可以包括卡主体内的电路以及被配置为将电路耦合到外部读卡器的触点，其中卡主体内的电路可以被配置为通过触点将图像数据传输到外部读卡器。智能卡可以包括卡体内的电路，被配置为部分基于图像数据来验证用户是智能卡的授权用户；以及被配置为耦合到所述电路到外部读卡器的触点，其中所述电路可以被配置为通过所述触点向所述外部读卡器发送指示所述用户是所述智能卡的授权用户的验证结果。智能卡可以包括被配置为将智能卡耦合到外部读卡器的触点，其中超声波指纹感测装置可以被配置为通过触点从外部读卡器汲取电力。

[0038] 超声波指纹感测装置可以包括双层超声波指纹感测装置。双层超声波指纹感测装置可以包括：第一压电层，被配置为发送或接收超声波信号；布置在第一压电层上的第一金属线；第二压电层，其被配置为发送或接收超声波信号；设置在第二压电层上的第二金属线，其中第二金属线与第一金属线正交；以及设置在第一和第二压电层之间的金属导电层。

[0039] 超声波指纹感测装置可以被配置为在被配置为接收手指的卡体的选定部分上执行发送聚焦。

[0040] 另一方案是具有超声波指纹感测的智能卡。智能卡包括卡体和嵌入卡体内的超声波指纹传感装置。超声波指纹感测装置包括被配置为发送超声波信号的超声波传感器的第一数组和被配置为接收超声波信号的反射的超声波传感器的第二数组，超声波传感器的第二数组与超声波传感器的第一数组堆栈。

[0041] 第一数组可以包括第一金属线，第二数组可以包括第二金属线，并且第一金属线可以基本上与第二金属线正交。

[0042] 卡体可以被设定尺寸以适合装入钱包。智能卡可以包括安全芯片，该芯片被配置为将智能卡认证为外部读卡器。智能卡可以在卡体上含有磁条。

[0043] 超声波指纹感测装置可以以足够高的频率传送超声波信号以获得每英寸500像素的分辨率。

[0044] 体可主要由从由尼龙，PVC和聚酯薄膜中选择至少一种材料形成。卡体可以包括尼龙，并且超声波指纹感测装置可以以约12.5MHz至约50MHz之间的频率传送超声波信号。卡体可以包括尼龙，并且超声波指纹感测装置可以以大约25MHz的频率传送超声波信号。卡体可以包括PVC，并且超声波指纹感测装置可以以约25MHz和约100MHz之间的频率传送超声波信号。卡体可以包括PVC，并且超声波指纹感测装置可以以约50MHz的频率传送超声波信号。

[0045] 卡体可以包括具有介于约1,000米每秒和约2,500米每秒之间的超声波信号声速的材料，并且超声指纹感测装置可以以约12.5MHz和约100MHz之间的频率传播超声波信号。卡体可以包括具有介于大约每秒1000米和每秒大约2500米之间的超声波信号声速的材料，并且超声指纹感测装置可以以约25MHz和约50MHz之间的频率传播超声波信号。

[0046] 智能卡可以包括被配置为将智能卡耦合到外部读卡器的触点。智能卡可以包括天线和无线通信电路，该无线通信电路被配置为将来自超声波指纹感测装置的指纹图像数据传输到外部设备。

[0047] 超声波指纹感测装置可以被配置为生成手指的至少一部分指纹的图像数据，并且图像数据可以具有至少500像素/英寸的分辨率。

[0048] 另一方案是双层超声波指纹传感装置。该装置包括：第一压电层，被配置为传输超声波信号；布置在第一压电层上的第一金属线；第二压电层，被配置为接收超声波信号的反射，第二压电层与第一压电层堆栈；设置在所述第二压电层上的第二金属线，其中所述第二金属线基本垂直于所述第一金属线；以及设置在第一压电层和第二压电层之间的金属导电层。

[0049] 金属导电层可以包括接地平面。金属导电层可以被配置为在第一和第二压电层之间提供电屏蔽。

[0050] 双层超声波指纹感测装置还可以包括电路，其被配置为通过激励第一金属线中的一个来发送超声波信号并且使用第二金属线中的一个来接收所发送的超声波信号的反射以生成使用者的至少一部分指纹的图像。

[0051] 第一和第二压电层可以各自包括聚二氟乙烯(PVDF)。

[0052] 第一金属线可以设置在双层超声波指纹感测装置的第一侧上，第二金属线可以设置在双层超声波指纹感测装置的第一侧的相反的第二侧上。

[0053] 双层超声波指纹感测装置可以包括电路，其被配置成基于来自手指的超声波信号的反射来生成用户手指的至少一部分指纹的图像。

[0054] 图像可以具有至少500像素每英寸的分辨率。

[0055] 双层超声波指纹感测装置可以被配置为在被配置为在接收手指的表面的选定部分上执行发送聚焦。

[0056] 另一方案是具有超声波指纹感测的智能卡。智能卡装置包括包含材料的卡体和嵌入卡体内的超声波指纹感测装置。超声波指纹感测装置被配置成通过卡体将超声波信号发送到智能卡的表面并且基于超声波信号的反射来生成图像数据。超声波信号具有与卡体材料的声速一起为图像数据提供至少50微米分辨率的频率。

[0057] 超声波指纹感测装置可以至少部分地嵌入卡体内。超声波指纹感测装置可完全嵌入卡体内，使得卡体完全包围指纹感测装置。

[0058] 智能卡可以包括被配置为将智能卡耦合到外部读卡器的触点。智能卡可以包括天线和无线通信电路，该无线通信电路被配置为将来自超声波指纹感测装置的图像数据传输到外部设备。

[0059] 材料可以包括塑料。卡主体可以主要由从由尼龙、PVC、聚酯薄膜、玻璃、铝和蓝宝石中选择至少一种物质形成。

[0060] 卡体可以被设定尺寸以适合装入钱包。智能卡可以包括安全芯片，该芯片被配置为将智能卡认证为外部读卡器。智能卡可以在卡体上含有磁条。

[0061] 另一方案是一种使用超声波感测与智能卡进行认证的方法。该方法包括从智能卡发送超声波信号；基于所述超声波信号的反射来生成用户的指纹的至少一部分的图像数据，所述图像数据具有至少500像素/英寸的分辨率；以及基于图像数据认证用户的指纹。

[0062] 该方法可以包括提供用户已经被认证到外部设备的指示。认证用户的指纹可以包括使用智能卡中的电路来认证用户的指纹，该方法还可以包括向外部设备提供基于用户的指纹将用户已认证的指示。认证用户的指纹可以包括将图像数据发送到外部设备以认证用户的指纹。

[0063] 智能卡可以包括与外部设备耦合的触点。该方法可以包括通过触点从外部设备汲取电力，以用于传输超声波信号和生成图像数据。

[0064] 智能卡可以包括天线。该方法可以包括通过天线发送图像数据。

[0065] 本公开的另一方案是一种具有超声波指纹感测的智能卡，所述智能卡可以包括卡体；以及至少部分地嵌入卡体内的超声波指纹感测装置，超声波指纹感测装置可以包括被配置为接收手指的接收表面，超声波指纹感测装置可以被配置为发送超声波信号并且基于来自用户手指的超声波信号的反射生成用户手指的至少一部分指纹的图像数据，其中图像数据可具有至少500像素/英寸的分辨率。

[0066] 超声波指纹感测装置的接收表面可以基本与卡体平齐，使得由超声波指纹感测装置发送的超声波信号通过接收表面而不经过卡体而被传送到手指中。

[0067] 智能卡可以是刚性的。

[0068] 超声波指纹感测装置可以包括氧化锌压电层。超声波指纹感测装置可以包括由玻璃或熔融石英覆盖的氧化锌压电层，并且玻璃或熔融石英可以形成超声波指纹感测装置的接收表面。超声波指纹传感装置可以包括玻璃或熔融石英，并且玻璃或熔融石英可以形成超声波指纹传感装置的接收表面。

[0069] 超声波指纹感测装置可以包括从由以下组成的组中选择的至少一个压电层：铌酸锂压电层、氮化铝压电层、钽酸锂压电层、铋锗氧化物压电层、锆锆钛酸酯层压电体、聚二氟乙烯压电体层和聚合物压电体层。

[0070] 智能卡可以包括卡体内的电路；以及配置为将电路耦合到外部读卡器的触点。卡体内的电路可以配置为通过触点将图像数据传输到外部读卡器。智能卡可以包括配置为连接智能卡和外部读卡器的触点。超声波指纹感测装置可以被配置为通过触点从外部读卡器汲取用于操作的电力。

[0071] 超声波指纹感测装置可以包括双层超声波指纹感测装置。

[0072] 超声波指纹感测装置可以被配置为在接收表面的选定部分上执行发送聚焦。

[0073] 任何上述方案可以适当地彼此组合。本公开考虑将每个以上方案中的每一个的一个或多个特征组合在每个合适的组合中。

[0074] 为了总结本公开，本文已经描述了创新的某些方案、优点和新颖特征。应该理解的是，根据任何特定实施例不一定可以实现所有这些优点。因此，创新可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现本文中可能教导或提出的其他优点。附图说明

[0075] 图1示出了声学指纹扫描，其中超声波传感器发送超声波，如图所示，该超声波可以在表面与手指界面处及从手指内强反射以及弱传播。

[0076] 图2示出了利用行-列寻址的二维(2D)数组进行声波聚焦的装置。对于每个发送焦点和接收焦点，每次只能有一条聚焦线激活，其相互垂直，并且在焦点尺寸紧凑的测量点相交。

[0077] 图3示出了由行电极的垂直数组和列电极的水平数组所寻址的传感器组件的二维行列-寻址数组，垂直数组和水平数组彼此正交。

[0078] 图4示出了安装在基板上的示例超声波传感器数组的透视图。

[0079] 图5示出了安装在衬底上的超声波传感器数组的一部分的透视图。

[0080] 图6示出了通过在玻璃基板的顶部沈积底部电极来制造超声波传感器数组的中间步骤。

[0081] 图7示出了通过在底部电极上沈积压电膜来制造超声波传感器数组的中间步骤。

[0082] 图8示出了通过在膜的顶侧上在两个方向上蚀刻沟槽或沟槽来制造超声波传感器数组以减少组件之间串扰的中间步骤。

[0083] 图9示出了通过在相对于底部电极的垂直方向上沈积顶部电极来制造超声波传感器数组的中间步骤。

[0084] 图10示出了示例性声学生物特征触摸扫描仪，其包括超声波传感器数组、发送电子器件和接收电子器件。

[0085] 图11示出了具有单个激活行和单个激活列的交叉点的多路复用单通道行-列寻址变换器数组。

[0086] 图12示出了具有三行两列交叉的多路复用单通道行-列寻址传感器数组。

[0087] 图13示出了使用运算放大器来检测超声波信号中的峰值的峰值检测电路。

[0088] 图14示出了与超声波传感器数组通信的接收电路中的信号相关联的频域图。

[0089] 图15示出了用于与超声波传感器数组通信的接收电路中的直接同相和正交(IQ)采样的功能框图。

[0090] 图16说明欠采样时的原始高频信号及其频谱混迭，以及欠采样后的基带混迭。

[0091] 图17示出了随着手指推向接收表面的力增加，指纹脊变宽并且与接收器表面接触的总的手指面积增加。

[0092] 图18示出了通过介质的声波的速度可以随着介质中的温度变化而改变。

[0093] 图19示出从激励到记录反射波前的飞行时间可以随着温度而改变。

[0094] 图20是根据所公开技术的实施例的生成生物信息的方法的流程图。

[0095] 图21是根据所公开的技术的实施例的生成生物图像方法的流程图。

[0096] 图22是根据所公开的技术的实施例的制造声学生物特征的触摸扫描仪方法的流程图。

[0097] 图23是根据所公开的技术的实施例的检测手指的温度方法的流程图。

[0098] 图24是根据所公开的技术的实施例的估计手指接触表面的力的方法的流程图。

[0099] 图25是根据所公开技术的实施例的估计力测量的时间序列的时间段的周期的方法的流程图，所述周期对应于脉率估计。

[0100] 图26-34示出了用于超声指纹扫描的采样和包络检测方法的仿真的电路和结果。

[0101] 图26示出了单向插入损耗的模拟。

[0102] 图27图示了用于将RF信号IQ解调成I和Q信道的电路。

[0103] 图28示出了模拟解调的同相和正交信号的例子。

[0104] 图29示出了用于图27的过程的IQ解调所使用的低通滤波器的响应。

[0105] 图30示出了由图27的电路解调的信号的IQ解调包络。

[0106] 图31示出了从图30的IQ解调包络获得的100MHz样本。

[0107] 图32示出了用于IQ解调信号的IQ采样的电路。

[0108] 图33说明了IQ解调信号的采样同相和正交信号。

[0109] 图34示出了针对200MHz、150MHz、100MHz和50MHz的IQ采样率的IQ解调信号的包络图。

[0110] 图35示出了包括堆栈在一起的两个一维传感器数组的双层行-列寻址传感器数组。

[0111] 图36示出了具有安装在智能卡装置表面上的指纹扫描仪的智能卡装置。

[0112] 图37A和37B示出了具有嵌入在智能卡装置中的指纹扫描仪的智能卡装置。

[0113] 图38是表示信号的点扩展函数和半高全宽的反射超声波信号的曲线图。

[0114] 图39A示出了反射超声波信号的点扩展函数的宽度如何与两个仍然可分辨物体的相近程度相关。

[0115] 图39B示出了来自两个紧密间隔物体的反射超声波信号。

[0116] 图40示出了均匀介质内的消声或非反射区域的超声图像。

[0117] 图41是几乎或完全没有被强反射区域包围的信号的反射超声波信号的图表。

具体实施方式

[0118] 某些实施例的以下详细描述呈现了特定实施例的各种描述。然而，这里描述的创新可以以多种不同的方式来实施，例如，如权利要求所限定和涵盖的那样来实施。在本说明书中，参考了附图，其中相同的附图标记可以表示相同或功能相似的组件。应该理解的是，附图中示出的组件不一定按比例绘制。此外，可理解的是，某些实施例可以包括比图中所示的组件和/或附图中所示的组件的子集中所示的更多的组件。此外，一些实施例可以包含来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。

[0119] 基于超声波的指纹扫描仪不仅可以显现指纹的表皮(表面)层，而且还可以显现内层(真皮层)，这使得它们可靠地处理湿手、油、油脂或污垢。这提供了更高的安全级别，并且使得它们更难以欺骗，这对于各种应用来说是期望实现的。基于超声波的指纹扫描仪系统可以获取表皮层的2D图和/或手指真皮层的3D体积图像。扫描方法包括阻滞成像、声学显微镜、回波和多普勒成像。这里讨论的指纹感测系统可以实现500像素每英寸(PPI)的扫描分辨率以满足联邦调查局(FBI)和/或其他标准。这样的分辨率可以转化为在焦深处50微米的横向分辨率，其通常取决于中心频率、声孔径尺寸和焦距。

[0120] 其他指纹感测技术可能会遇到一些问题，而基于超声的指纹扫描仪可能不会发生这些问题。例如，光学指纹扫描仪在解决指纹污染时可能会遇到问题。另一个例子，电容式指纹扫描仪可被假指纹模具相对容易地骗过。

[0121] 另一种类型的传感器基于阻抗成像的概念，其中指纹表面接触传感器组件并根据表面是组织(脊)还是空气(谷)而改变它们的声阻抗。虽然因为不涉及生成和处理超声脉冲和回声，这种技术可能很方便，但它可能仅限于获取指纹表面的图像。此外，一些现有方法中的压电陶瓷超声波传感器的阻抗可能对频率相对高度敏感。例如，由指纹谷加载的组件的阻抗在19.8MHz的频率下可以是大约800奥姆，并且在20.2MHz的频率下可以是大约80,000奥姆。类似地，由指纹脊加载的组件的阻抗在19.8MHz的频率下可以是约2000奥姆，而在
20.2MHz的频率下可以是约20,000奥姆。这可能涉及不同频率下的多次阻抗测量，以获得可靠的测量结果，这可能会影响帧采集时间。另一个不便之处是这种方法是手指与传感器之间的接触，这可能会污染甚至永久损坏传感器表面而可能影响其性能。

[0122] 一些其他方法涉及具有由与人体组织相似的声学阻抗材料制成的声波导的超声波传感器，以将来自传感器数组的超声波耦合到手指，并且使用波束形成技术来实现所需的分辨率。虽然使用波导会放宽对频率的要求，但波导的制造通常会涉及额外的光刻步骤，从而增加传感器设计的复杂性和成本。在某些应用中这样的方法会得到不希望的结果。在一些情况下，这种方法遇到了相对较高的插入损耗，即使在实施波束成形时也会影响该设计的能力，并增加了电子设备的复杂性。在这种方法中也使用了不适用于消费电子产品的较高电压偏置和脉冲。

[0123] 所公开的技术包括声学生物测定触摸装置，其在被裸露的皮肤触摸时扫描外部皮肤层(表皮)和下面的组织(真皮和皮下组织)。这种传感器可以用来识别一个人。常用的扫描区域是手指，但可以扫描身体的任何其他区域，例如脚底、脚趾或手掌。为了简洁起见，以后将手指称为感兴趣的区域进行扫描。本文讨论的任何合适的原理和优点可以应用于扫描人类或其他动物的任何合适的感兴趣区域。

[0124] 本文讨论的生物统计感测系统包括被配置成传输具有在从50MHz到500MHz范围内的频率的声学信号的薄膜压电装置。利用该频率，即使在声速较高(例如5760m/s)的情况下使用诸如玻璃的声学耦合层，也可以生成具有期望分辨率的图像，例如50微米。可以使用溅射工艺来制造薄膜传感器数组。传感器的压电材料例如可以是氧化锌、氮化铝或锆钛酸铅。针对特定传感器参数的仿真显示出约3dB的相对低的插入损耗，导致在接收侧接收大约一半的电压信号。例如，在使用4伏激励的仿真中，输出电压约为2伏。生物特征感测装置可以获得指纹层的3D超声图像。生物统计感测装置可以实施行-列寻址和波束形成以增加图像质量和/或降低集成和电子设计的复杂性。

[0125] 结合成像指纹，本文讨论了几个其他特征，例如(1)通过测量脊扩宽和指纹表面面积的手指触摸力检测，以及(2)生成手指的温度并通过测量与温度相关的声音速度的变化来测量环境温度。本文讨论测量血流量、心跳/速率以及生物测定感测装置的其他结构特征。

[0126] 所公开的装置具有穿过手指和扫描仪之间中间介质扫描的能力。介质例如可以是玻璃、金属、塑料或允许在感兴趣的频率范围内超声波传播的任何合适的材料。利用这一点，比如说，可以将手机上的前玻璃的任何部分或整个部分制成指纹扫描仪。

[0127] 由于超声波也进入手指并穿过皮肤层，所以可以对手指表面以及内部手指组织进行三维(3D)扫描。除此之外，可以扫描血管和/或动脉并估计其血流量。血流量的测量可以是心率周期性的。因此，传感器也可以测量接触玻璃的个体的心率。

[0128] 这里讨论的指纹扫描仪可以检测与指纹扫描仪的表面接触的诸如手指的对象相关联的一个或多个活体参数。可以使用基于超声波的感测装置来完成检测一个或多个活体参数，该检测装置还生成至少一部分指纹的图像。该图像可以具有500PPI的准确度。基于活体参数，指纹扫描仪可以根据活体参数提供手指是否是活人的一部分的指示。这可以用于防止模具、假肢手指或其他物体被识别为与特定手指相关联的指纹相匹配。活体参数可以基于由指纹扫描仪的一个或多个传感器发送的声波的反射来确定。例如，活体参数可以是温度和/或组织硬度。

[0129] 如果手指处于体温并且传感器处于室温，则一旦被触摸，玻璃或其他中间层的温度通常应该变暖并且通常会降低玻璃中的声速。在一些情况下，装置可被加热至高于体温的温度(例如，通过日光)，并且热量可从装置传递至手指以冷却装置。因此，本公开的另一个目的是确定手指的温度。这可以确定它是一个活的手指，而不是一个接触玻璃的假肢手指。当手指未接触玻璃时，可以通过装置确定环境温度。

[0130] 当手指在玻璃上更用力地推动时，手指与诸如玻璃之类的表面之间的接触面积应该增加。这可以用来检测手指接触表面的力。因此，本申请的另一个目的是通过计算与表面的接触密度来测量施加的压力和/或力。

[0131] 当心脏肌肉收缩并且动脉压力增加时，手指在玻璃上的压力应随着每次心跳而增加。在收缩之间，心脏充满血液并且压力下降。指尖力测量的时间序列可以遵循周期性的、有节奏的模式，其频率与人的脉搏率相对应。因此，除了测量温度之外，所公开的声学扫描仪可以估计脉搏率并且使用它来确认指尖不是假体，并且是处于具有所测得脉搏率的活人身上。

[0132] 此外，所公开的装置允许通过将上述压力估计与直接力或压力测量值进行比较来进行组织硬度估计。这可以进一步确定接触传感器的物体是真实的手指而不是假体。

[0133] 所公开的装置可用于识别或认证人的应用，包括登录到通信或计算设备、登录到软件应用、解锁门或防盗设备、授权电子支付或解锁安全设备、以及其他应用程序。

[0134] 图1示出了声学指纹扫描装置100，其中超声波传感器130(XDC)发送超声波135，超声波135在表面-手指界面125处以及从手指105内反射。传感器130可以发送超声波信号，频率范围从50兆赫(MHz)到500兆赫。声学指纹扫描仪扫描手指105与其接触的介质120之间的界面。介质120可以是刚性的。在手指105的脊110接触表面125的情况下，部分声波140将进入手指105并且更少的能量将通过反射150反射。在手指105的谷115的位置处，相对更多(例如，实际上全部)声能作为反射155反射回到超声波传感器130。利用脊110和谷115相关联的反射系数的不同，该装置可以扫描手指105表面。例如，可以实施医学超声成像技术来扫描手指105的表面。

[0135] 由于超声波经由脊110进入手指105，所以扫描仪还可以对手指105的内部特征进行成像。这可以用于通过脉冲识别和/或其他生物特征，例如组织结构、韧带、静脉和动脉，来进行认证。作为示例，声学扫描装置可以检测手指和/或手掌中的血管的图案，并且基于血管的图案来识别人。手指105的这种三维扫描可以用于生成手指105的二维和/或三维图像。可以使用图像处理和模式识别技术来处理二维和/或三维图像。

[0136] 为了识别指纹，指纹识别装置可以以优于50μm的分辨率来分辨手指中的脊。超声波方法可以测量在板(例如，玻璃板)和可以代表脊的组织之间的阻抗失配以及在板和可以代表脊之间谷的空气之间的阻抗失配。

[0137] 一些在玻璃板中使用波导的超声波扫描仪可以以比来自传感器130的超声波信号的频率更低的频率(即，低于50MHz)来引导超声波信号，以允许测量手指和玻璃板之间的阻抗失配。一些超声波传感器可以包括窄于50μm的压电材料柱，并且这种扫描仪可以测量由于每个柱与手指之间的表面接触而导致的阻抗变化。在具有波导和/或压电材料窄柱的超声波扫描仪中，会涉及到相对复杂的构造，以便用具有远超过50μm波长的超声波信号进行对50μm的尺度进行测量。这种复杂的组件会导致相对昂贵且难以构建的超声波指纹扫描系统。这样一个例子的其他缺点可能还包括不透明，以及难以在某些金属和/或玻璃表面上设计包含波导的接收表面。

[0138] 一些超声波扫描仪可以产生具有超过1GHz的频率(例如，大约5GHz)的超声波信号以避免与衍射相关联的问题。但是，在这样的频率下，超声波信号可能不能穿透组织。而且，具有这种频率的超声波信号的扫描仪可以由允许具有这种频率的信号传播而没有显著衰减的材料构成。此外，50μm传感器组件的二维(2D)数组对于寻址可能不可接受的复杂，并且其在1GHz以上的频率工作时由于电串扰会更加复杂。

[0139] 所公开的技术，如图2中的装置所例示，可以克服以上提到的在较低和较高频率下操作的超声波扫描仪的缺陷。

[0140] 图2示出了用声波与超声波传感器的行-列寻址2D数组进行聚焦的装置200。装置200包括压电薄膜210、玻璃板220、x方向上的光栅230以及y方向上的光栅240。如图2中所示，可以操作装置200，使其具有在x方向250上的聚焦线，在y方向260上的聚焦线，和x方向
250上的聚焦线与y方向260上的聚焦线相交处的测量点270。在每次发送焦点和接收焦点时，只有一条聚焦线250和260能被激活。例如，聚焦线250和260可分别用于发送和接收焦点。或者，聚焦线250和260可分别用于接收和发送焦点。

[0141] 装置200以足够高的频率(例如，在从50MHz到500MHz的范围内，诸如大约150MHz)使用超声成像，以便使用波束成形来实现50μm的分辨率。因此，装置200可以在没有波导的情况下实现期望的50μm分辨率。因此，相对于包括波导的超声波扫描仪装置，装置200可以具有更简单的构造。另外，触摸材料的类型和/或这种材料的厚度可以有更少的限制。

[0142] 压电层210可以产生具有范围从50MHz到500MHz的频率的声学信号。可以有效地实现传输这种声信号的传感器数组并且实现期望的图像分辨率，而无需在传感器与装置200的接收表面之间的波导，其中接收表面被配置为接收手指并且与手指进行物理接触。在一些应用中，压电层210可以产生频率范围为125MHz至250MHz的声信号。根据某些实施方式，压电层210可以产生具有范围从50MHz到100MHz的频率的声学信号。例如，50MHz至100MHz范围内的声学信号可以用于在信用卡中应用的装置。

[0143] 压电层210可以包括任何合适的压电材料。例如，压电层210可以是氧化锌层、氮化铝层、铌酸锂层、钽酸锂层、氧化铋锗、钛酸铅锆、或者甚至聚合物压电体，例如聚二氟乙烯层。压电层210的厚度可以适合于产生频率在50MHz至500MHz范围内的声信号。压电层可以具有3微米至75微米范围内的厚度。在一些应用中，氧化锌压电层可具有约10至20微米的厚度。氧化锌压电层是可以溅射到诸如玻璃基板之类的基板上的压电层的例子。根据某些应用，铌酸锂压电层可具有约5至10微米的厚度。这种铌酸锂压电层可以通过环氧树脂结合到诸如玻璃基板的基板上。

[0144] 如图所示，装置200包括玻璃板220。玻璃板220是其上可以布置压电层的示例性基板。本文讨论的任何声学感测装置可以包括合适的其它基底。例如，金属层或塑料基板在某些应用中可以是合适的基板。

[0145] 在一个实施例中，玻璃板220可以是约500μm厚。基于所使用的压电材料、超声波频率和应用，该厚度可以是的任何合适的厚度。便携式通信和计算设备的这种厚度可以是标称的。在其他情况下，玻璃板220可以更薄并且连接到任何合适材料的较厚板上。因此，指纹装置可以位于电话的金属外壳或任何这样的系统上。该布置可以是任何合适的尺寸。因此，装置200可以覆盖整个板的大部分或全部，以同时做出触摸屏和指纹识别。

[0146] 在操作中，装置200可以测量焦点位置处的反射系数，即在x和y方向上聚焦线250和260的交点处的测量点270处的反射系数。测量点270的尺寸可以通过装置的衍射分辨率来确定。例如，对于在玻璃中提供150MHz声信号的超声波传感器，该光斑尺寸270可以是约40微米。取决于指纹装置中使用的玻璃的类型，玻璃指状物界面处的反射系数的变化将为1或约0.85。通过在玻璃上，在玻璃和手指之间增加匹配层，可以增强与组织的耦合，并最终形成大约1对0的反射系数的对比。匹配层的厚度可以选择为匹配层材料中超声波信号波长的四分之一。作为示例，匹配层可以包括厚度为大约5μm的环氧树脂，用于传输150MHz左右声信号的装置200。

[0147] 装置200可以包括用于线性数组成像的电子器件。这种线性成像可以类似于医学超声成像系统中的线性成像。在这种操作中，数组中的多个组件被组合在一起并且用不同的相位信号激励，使得板指接口的到达时间同时从所有数组组件发生。在数量上类似于发送数组组件的接收器数组组件，然后将接收反射信号，并且添加电子相位延迟到每个组件以使它们的到达时间对于组织的动态主动聚焦是相同的。一旦在一个点处完成测量，接收数组组件可以被移动一个组件以使得能够测量下一个相邻的分辨率点。可以重复该过程以通过扫描接收数组来对整条线进行成像。接下来，发送数组可以移动一个组件，并且可以重复该过程以在另一条在线接收。总体而言，可以重复该过程来对整个区域或手指的任何期望部分进行成像。

[0148] 在以上描述中，成像在板指状物界面125的平面处完成。然而，在手指与板接触的位置处，超声能量可以穿透进入手指，并且从手指内的组织产生反射。因此，可以从手指内收集信息，例如关于手指中毛细血管血流的信息。根据这样的信息，装置200可以导出诸如心率，指示受试者存活的信息，或甚至基于血管中的脉搏波速度导出毛细血管健康的一些测量。

[0149] 指纹扫描仪可以扫描手指的表面并可能扫描手指的体积。装置200可以利用超声波传感器的二维(2D)数组并且无需移动部件来进行这种成像。由于相对较多的互联机，快速寻址完整的2D传感器数组可能是一个挑战。

[0150] 全寻址的替代方案是行-列寻址，其中整行元素或整列元素一次被寻址。这可以通过使同一行中的组件共享顶部(或底部)电极并且同一列中的组件共享底部(或顶部)电极来实现。因此，发送和接收电极可以位于数组的不同侧(顶部或底部)，并且发送和接收孔可以在两个不同的方向(行或列)上。这可以减少从传感器数组扇出的互连数量。图3示出了由行电极310的水平数组和列电极320的垂直数组寻址的传感器组件340的二维N×N行-列寻址数组300，其中水平和垂直数组310和320分别彼此正交。虽然图3示出了正方形N×N数组，但是可以替代地实现具有M行和N列的任何合适的M×N矩形数组，其中N和M是不同的正整数。图3包括N×1行数组各水平数组310末端处的连接330以及1×N列数组的各垂直数组320。

[0151] 已经参照图2讨论了使用行-列寻址数组300的一种方式。每个发送-接收事件产生一个接收焦点。在发送和接收孔径中使用13个有源组件的512×512二维数组可以使用大约500×500＝250,000个发送-接收事件来进行一次扫描。完成一次扫描需要约43ms，当耦合介质为玻璃时，声速为5760m/s，厚度为0.5mm。如果扩展接收电路以并行记录所有接收组件，则可以在500个发送-接收事件中完成扫描。这对于全扫描大概需要87微秒。

[0152] 为了进一步提高扫描速度，还可以在发送级中引入并行化，使得一次发送多个发送波。为了并行化行-列寻址数组的发送波束，发送波束可以在频域中分离，然后由不同的滤波器接收以分离它们。然后不同的滤波器可以将数据传递给接收波束形成器。可以使用发送和接收并行的任何组合。超声波束也可以采用角度控制(angle steered),而不是平移(translating)有效孔径，或者可以两者结合使用。扫描也可以通过合成传输聚焦，合成接收聚焦或两者合成聚焦。

[0153] 这可以有效地将2D传感器数组用作两个彼此正交的1D传感器数组。当一个数组用于传输而另一个数组用于接收时，则可以实现全3D成像。每行和每列可以使用一个互连和波束形成器通道。

[0154] 作为示例，完全寻址的256×256组件数组可以涉及65536个互连，而如果是行-列寻址512，则可以实现互连330。

[0155] 在操作中，可以使用一组电极(例如，x轴电极)来传输线聚焦的超声波束。焦点可以位于表面指状物界面的位置。也如图2中示意性示出的那样，一旦脉冲由x轴对准的电极发送，则y轴对准的电极可用于检测x方向上的线焦点。系统的总响应是两条聚焦线的交叉点，并产生与衍射极限分辨率相当的分辨率光斑。

[0156] 发送波束形成可以用于完全寻址数组和行-列寻址数组，以将发送的超声波束聚焦在介质中选定的焦深处。这可以最大限度地提高感兴趣区域的声压，从而提高该焦点区域的SNR和图像质量。脉冲特性，如长度，振幅水平和中心频率也可以改变，以获得所需的成像性能。

[0157] 图4示出玻璃410上的示例超声波传感器数组400的示意图的透视图。超声波传感器数组400包括在玻璃基板410顶部上的底部电极430。底部电极430形成水平方向上的垂直数组线。诸如氧化锌的压电薄膜420位于底部电极430和玻璃基板410的顶部上。压电薄膜420的形状可以是正方形或矩形。压电薄膜420与底部电极数组重迭，但如图所示，每个底部电极430的末端部分不与压电薄膜420重迭以便生成金属接触。压电薄膜420在垂直和水平方向都用沟槽或凹槽(例如V形蚀刻物460)蚀刻，以减少传感器组件数组450中的接收和传输间的串扰。V形蚀刻物460是一个实例的沟槽或凹槽。其他实施例可以包括不是v形并且具有另一种合适形状的沟槽或凹槽。

[0158] 如图所示，每个传感器组件450的顶部基本上是方形的。在一些其他情况下，一个或多个传感器组件450的顶部可以具有不同的形状，诸如矩形形状。顶部电极440在垂直方向上形成水平线数组。顶部电极440与底部电极430正交。顶部电极440符合传感器组件450的形状，包括由V形刻蚀器460形成的传感器组件450的顶部和侧部。每个底部电极430和顶部电极440基本对应于传感器组件450的对应边缘的长度。例如，底部电极430各自具有与顶部电极440的宽度基本相同的宽度，所述宽度基本与二维超声波传感器数组400的每个传感器组件450的正方形顶部的每一侧的长度相等。

[0159] 超声波传感器数组400可由使用多种薄膜沈积技术中的一种来在表面上沈积压电薄膜420而制成，所述薄膜沈积技术例如但不限于：蒸发、DC或AC溅射、溶胶-凝胶沈积、化学气相沈积，等等。任何合适的沈积方法可以提供适当取向的薄膜，其将提供合理的机电耦合系数以实现超声波信号的激励和检测。为了达到中高频范围内的频率，可以使用溅射技术或使用相对薄的压电板(例如铌酸锂或者钽酸锂)。假定36°旋转Y切割铌酸锂压电层的声速，该板可具有约7.4微米至74微米范围内的厚度。使用铌酸锂或钽酸锂压电层，可以在压电体和衬底之间包含薄的粘合层。

[0160] 超声波传感器装置的操作频率可取决于传感器板或基板的材料以生成具有期望分辨率的图像。如果传感器板由蓝宝石制成，则蓝宝石中的声音速度相对较高，为11,100米/秒。所以50μm的波长(分辨率)涉及222MHz的操作频率。而且，由于蓝宝石比大多数压电材料具有更高的机械阻抗，所以压电将以所谓的四分之一波长模式操作，因此涉及更薄的压电膜。例如，如果使用氧化锌(ZnO)，则厚度可以是约7.1μm。一个类似的计算表明，对于石英中的声速为6,320米/秒的操作，通过在126.4MHz下操作获得50μm的波长，以及约25μm厚的ZnO膜。为了在具有2740米/秒声速的聚丙烯中运行，通过在55MHz下操作获得50μm的波长，以及约57μm的ZnO膜厚度。在特定压电膜的厚度对于简单沈积而言太大的情况下，可以使用其他替代制造方法，例如环氧树脂结合。

[0161] 板中的波长可以大致等于用于指纹识别的分辨率50μm。因此，一旦选择了材料，操作频率由f＝声速/50μm给出。对于板具有比压电材料更低阻抗的情况，压电体的厚度大约为波长的一半。因此，压电体的厚度由t＝声速/两倍的操作频率给出。

[0162] 在一个实施方式中，压电膜是厚度约16μm的ZnO薄膜，单个子组件的传感器尺寸为20μm×20μm至30μm×30μm，线间距(切口)为10-20μm，线宽为10-20μm，间距为40-50μm。当压电膜包括不同材料时，线宽、线间距、间距或其任何组合可在这些范围内。

[0163] 可以通过首先沿着玻璃基板在一个方向上沈积线图案来制造器件400。例如，线和间距可以约为25μm，然后可以沈积约15μm厚的压电薄膜。另一组线和空间可以沿着与线之间的先前线和间隔的正交方向形成。与其他超声指纹解决方案相比，制造这样的器件相对简单。线和空间的光刻完全在当前半导体制造能力的能力范围内，并且可以通过物理气相沈积(溅射)或溶胶-凝胶制造方法来完成压电薄膜(15μm)的沈积。无论哪种方式，都可以选择多种压电材料。这三个制造步骤可以用于制造该装置。接下来，x电极和y电极可以连接到用于指纹识别操作的电子电路。

[0164] 图5示出了衬底上的超声波传感器数组的一部分的透视图。图5示出了图4的声学生物测定触摸扫描仪的一部分，包括压电薄膜420、顶部电极440、传感器组件450和V形蚀刻460。图5示出了在传感器组件450之间沿水平和垂直方向的V形蚀刻460。顶部电极440在顶部电极440的方向上符合V形蚀刻460，但是不在垂直于顶部电极440的方向上覆盖或符合V形蚀刻460。如上所述，实施例可以包括蚀刻的沟槽或不是V形的凹槽。

[0165] 图6示出了通过在玻璃基板的顶部沈积底部电极制造诸如图4和图5的扫描部分的超声波传感器数组的中间步骤600。图6包括沈积在玻璃衬底410上的底部金属电极430的水平和垂直方向视图。底部电极430形成垂直数组的水平组件。

[0166] 图7示出通过在底部电极430上沈积诸如氧化锌的压电薄膜420制造诸如图4和图5的数组的超声波传感器数组的中间步骤700。压电薄膜420在底部电极430存在的区域中与底部电极430相邻，并且在底部电极430不存在的区域中邻近玻璃基板410，例如在底部电极430之间。可以通过磁控管溅射来沈积压电薄膜420。底部电极430的部分在两侧的边缘处未被覆盖，以便在后续步骤中生成接触。

[0167] 图8示出制造诸如图4和图5的数组的超声波传感器数组的中间步骤，通过在膜420的顶侧上在水平和垂直方向上蚀刻V形蚀刻460以减少组件450之间的串扰。虽然示出了V形蚀刻460，但可以实施任何其他适当形状的蚀刻。V形蚀刻物460在水平和垂直方向上形成传感器组件450的二维数组的顶部边界。传感器组件450的顶部在图8的示例中基本上是正方形的。V形蚀刻460可以减少数组的不同传感器组件450之间的串扰。

[0168] 图9示出了通过在相对于底部电极430的垂直方向上沈积顶部电极440制造诸如图4和图5中数组的超声波传感器数组的中间步骤。在边缘470处，顶部电极440从两侧落到与底部电极430相同的平面以便形成接触。

[0169] 在一个实施例中(未示出)，诸如附有钨或碳化硅颗粒或任何此类材料的橡胶或环氧树脂的吸收层被放置在板的边缘处，以减少来自板的边缘的反射，其可能会回来干扰感兴趣的信号。这种边缘反射也可能具有降低手指被询问的重复速率并因此降低图像帧速率的效果。

[0170] 图10示出了如上参照图2至9中所述包括超声波传感器数组400的示例性声学生物测定触摸扫描仪100。声学生物特征型触摸扫描仪1000包括用于接收人的触摸的接收表面125。图标的超声波传感器数组400与控制其操作的电子设备连接。这些电子器件包括发送和接收电路。

[0171] 发送电路激励超声波传感器数组400朝向感兴趣的成像区域发送超声波束。可以通过在传感器数组内的一组传感器组件的电极上施加电压脉冲来产生激励。当脉冲施加到顶部电极时，底部电极可以接地，而当脉冲施加到底部电极时，顶部电极可以接地。发送孔径的大小和形状可以根据感兴趣的成像区域而变化。所示的发送电子器件包括发送切换网络1005、电压脉冲发生器1010、发送波束形成电路1015和发送控制电路1020。

[0172] 超声波传感器数组包括多个发送通道，每个发送通道与至少一个电极和超声波传感器组件相关联。每个发送通道可以包括至少一个产生脉冲的电压脉冲发生器1010、以及发送控制电路1020，用于在触发脉冲时使用通道间相位延迟。每个发送电极可以连接到专用发送通道，或者多个电极可以被分组在一起并分配给一个发送通道。

[0173] 发送交换网络1005可以是复用器，其通过将脉冲引导到所需有源组件来减少发送信道的数量。在行-列寻址操作期间，当电极的一侧可以在发送或接收模式下工作时，另一侧接地。这可以通过使用将电极连接到接地/发送信道或接收信道/接地的开关来实现。

[0174] 发送波束成形电路1015可以实现波束成形以将发送的超声波束聚焦在介质中的选定的声焦点深度处。这可以产生最小光点尺寸(衍射极限分辨率)和聚焦线处的最大声压，从而在该焦点区域提供最佳性能。为了专注于特定焦点区域，波束形成电路1015可以包括延迟组件以相对于彼此延迟信道。例如，超声波传感器数组400可以一次在多个底部电极上传输，例如14个电极。超声波传感器数组400可以在例如20个电极的孔径上发送，然后通过一个或多个电极移位，并再次发送。例如，与一次在一个电极上传输所产生的结果相比，通过一次在20个电极上进行发送是一个更强的信号、具有更好的信噪比。波束形成电路1015可以调整电极之间的延迟。为获得期望的成像性能，电压脉冲发生器1010(脉冲发生器)可以产生具有适合形状、长度、电平、频率和带宽的脉冲。

[0175] 如上所述，发送孔径的大小和形状可以根据感兴趣的成像区域而变化。例如，图11示出了具有单个活动行和单个活动列的交叉点1150的复用单通道行-列寻址数组1100。数组1100包括传感器组件1180的行1110和列1120以及触点1190。开关网络1160选择有源列1140，并且开关网络1170选择有效行1130。有源列1140和有源行1130在交叉点1150处相交。
有效孔径是线元素的全长。如图11所示，有两个有效孔径，一个用于发送，另一个用于接收。
这个数组可以专注于一个点，即两个线焦点的交点。在图11中，可能根本没有焦点。作为替代，聚焦可以作为合成孔径聚焦的后处理步骤来执行。

[0176] 如图12所示，该装置可以包括硬件波束形成器而不实施合成孔径聚焦的后处理步骤。数组1105包括传感器组件1185的行1115和列1125以及触点1195。交换网络1165选择两个活动列1145，并且交换网络1175选择三个活动行1135。活动列1145和活动行1135在相交处相交1155。可以控制传感器数组的一个或多个行和一个或多个列的任何适当的组合以使它们同时激活。

[0177] 再参考图10，接收电路可以处理由传感器响应于从介质接收超声回波信号而产生的电射频(RF)信号。接收电路然后可以对信号进行采样，而数字数据可以提供给处理器1065，其被配置用来生成超声图像。

[0178] 所示的接收电路包括接收切换网络1025、低噪声放大器1030、模拟滤波器1035、时间增益补偿电路1040、模数转换器1045、接收波束形成电路1050、采样和包络检测电路1055和接收控制电路1060。

[0179] 接收交换网络1025可以是复用器，其通过切换到所需的接收电极来减少接收信道的数量。在行-列寻址操作期间，当电极的一侧可以在发送或接收模式下工作时，另一侧可以接地。这可以通过使用开关来实现，这些开关将电极连接到接地/发送信道或接收信道/接地。

[0180] 接收到的超声波信号可对噪声特别敏感并且功率很低。低噪声放大器1030可以放大接收的超声波信号。该第一级可以影响信号中的噪声水平，该噪声水平应该足够低以允许扫描达到所需的信噪水平。取决于实施，后几级的功能可能会有所不同。这些功能包括采样和接收波束形成。应该注意的是，后级是超声图像重建处理器，而接收电路可以向处理器提供代表所接收的超声回波的采样数据。

[0181] 模拟滤波器1035可以去除不想要的频率分量(例如，模拟滤波器1035可以是带通滤波器，以去除通带之外的不想要的频率分量)。在一些其他情况下，可以将模拟滤波器1035耦合在时间增益补偿电路1040和模数转换器1045之间和/或包括附加滤波器在时间增益补偿电路1040和模数转换器1045之间。时间增益补偿电路1040可以对在较长距离上传输的超声波信号所增加的衰减进行补偿。例如，来自手指内较远结构的反射将衰减得比来自手指的表面结构的反射更多。时间增益补偿电路1040可以通过相对于来自近结构(即行进更短时间)的反射的增益而增加来自更远结构的反射的增益来进行补偿。

[0182] 在时间增益补偿之后，所得到的信号可以由模数转换器(ADC)1045进行数字化，以用于信号的后续数字处理。在一个实施例中，模数转换可以发生在处理的不同阶段。例如，在模拟域中具有波束成形的实施例中，模数转换可以被推迟到接收波束成形之后。

[0183] 接收波束形成电路1050可以组合来自经低噪声放大器103，模拟滤波器1035和时间增益补偿电路1040分别进行放大，滤波和补偿的多个接收电极的接收信号。接收波束形成电路1050可以使用用于焦点的延迟而在组合有源接收电极接收的反射时实施延迟。

[0184] 接收控制电路1060可关闭ADC 1045或将其置于待机模式，使得接收侧电路不工作，以便在等待反射在连续测量之间平息时使ADC 1045空闲。从功耗角度来说，这可以使得声学生物特征触摸扫描仪1000来看更有效率。

[0185] 接收控制电路1060还可以控制接收波束形成电路1050的时序和操作。例如，接收控制电路1020可以在需要接收由不同电极接收的脉冲反射时提供信道间的相位延迟。在模拟域，波束形成可以通过使用模拟延迟线和仿真求和电路来实现。仿真延迟线可以在通道之间提供期望的相对相位延迟，而仿真求和电路将所有仿真信号求和以生成波束形成的信号。然后可以对单个波束形成的信号进行采样、数字化，并将其发送到处理单元以重建超声图像。

[0186] 在一些情况下，单个波束形成的信号可以在仿真域中进行包络检测以降低采样率要求。然后可以对检测到的包络，单波束形成的信号进行采样，数字化并发送到处理器1065以重建超声图像。

[0187] 可选地或另外地，可以在数字域中实现波束形成，即在数字域中在延迟和求和之前对接收信道的各个信号进行采样和数字化。数字数据可以使用数字延迟电路相对地进行延迟，并使用数字求和电路求和。另一种方法是仅在玻璃指接口处采集和存储样本，而不是沿轴向收集时间样本。这可以降低硬件的复杂性并且可以使用与实现模拟波束成形类似的电路来完成，但可使用峰值检测和单采样采样电路来仅在接口处检测信号电平，而不是使用采样电路来全速采样所有信号，然后使用来自不同有效孔径位置的数字数据来生成全扫描的图像。

[0188] 采样和包络检测电路1055可以检测波束形成信号的包络以降低所需采样率，然后对波束形成信号进行采样。

[0189] 如何实现信号采样和包络检测有多种选择，包括使用运算放大器的峰值检测。在图13中给出一种选择，其示出了使用运算放大器来检测超声波信号中峰值的峰值检测电路1300。与其他一些选项相比，这种模拟硬件峰值检测器可以降低硬件复杂性和成本。峰值检测器是包络检测器的相对便宜的版本，因此得到的信号与基带信号相似，其可以以较低的采样频率进行采样。

[0190] 在图14中给出了第二种选择，其中使用IQ解调器将RF信号向下混频至基带，从而可以以较低的采样频率对其进行采样。图14示出了用于信号的同相和正交解调的频域图和信号混频。图表1410示出了以150MHz为中心20MHz带宽的频域中的信号，采样频率为320MHz。方框图表1420显示了将图表1410的信号进行向下混频的混合器。图表1430说明频域中的向下混频信号，其中基带信号以0Hz为中心且图像处于较高(负)频率。在图表1440中，1430的向下混频信号经低通滤波而留下基带信号。图表1450说明现在可以以降低的频率对基带信号进行采样。

[0191] 图15中示出了第三种选择，其示出了用于直接同相和正交(IQ)子采样的功能框图1500。如果接收到的信号是窄带的，这种方法会很有用。IQ子采样电路包括了跟有采样电路的解调器功能。信号越窄，采样率越低，同时保持图像质量。正交信号对于单个频率只有90°相移，因此它对窄带信号的性能比对宽带信号的性能要好。

[0192] 降低数据速率但仍保持信号信息的第四种选择是对带限信号进行欠采样(under-sampling)。当对连续时间信号进行采样时，其频率内容由离散时间傅立叶变换确定，该变换具有原始信号在采样频率fs的倍数处的镜像。图16示出了在欠采样时的原始高频信号及其频谱混迭，以及欠采样之后的信号的基带混迭。

[0193] 第五种选择是以信号中最高频率内容的两倍频率对射频信号进行采样。该选项涉及相对较高的采样率。

[0194] 再参考图10，声学生物特征型触摸扫描仪1000包括处理器1065和存储器1070。如上所述，处理器1065根据经放大、滤波、补偿、数字化、波束形成、采样和包络检测的反射超声波信号来重建图像。由处理器1065重建的图像可以是三维图像或二维图像。图像可以在不同的时间或按照时间序列重建，以实现手指的二维或三维变化检测或视频处理。

[0195] 处理器1065可以将图像处理技术应用于重构图像，以例如减少斑点、突出血管、测量脉搏率、估计温度。存储器1070存储重建图像，处理结果，发送和接收控制指令，波束形成参数和软件指令。存储器1070还可以存储生物特征型触摸扫描仪1000用来确定扫描图像是否匹配的图像，例如指纹图像。

[0196] 因此，基于来自超声波传感器数组400超声波信号的反射，即从接收表面125处的手指反射，处理器1065可生成至少一部分指纹的图像。反射可以是由超声波传感器数组400接收并由接收电路处理。处理器1065还可以基于来自超声波传感器数组400的超声波信号的反射来生成附加信息。这种附加信息可以包括一个或多个活体参数，诸如与手指相关联的温度和/或手指接触装置的力。基于一个或多个活体参数，处理器1065可以指示检测到的图像是否与活的手指相关联。活体参数连同指纹图像可以用于任何合适的识别和/或认证应用。处理器1065可以使该指示以任何合适的视觉，听觉或其他方式输出。

[0197] 图17示出了当手指推向扫描仪的力增加时，指纹脊变宽并且与扫描仪接触的整个手指表面增大。在较低的力1700下，与接收表面接触的脊和谷的宽度分别是R1和V1。在较高的力下，与接收表面接触的脊和谷的宽度分别是R2和V2。脊的宽度可以取决于手指推向扫描仪的力。在较高的力量下，脊线变宽(R2>R1)，谷线变窄(V2变形。

[0198] 组织硬度本身也可以通过测量手指施加的力并将其与基于假定组织硬度所估的力进行比较来估计。估计的组织硬度α是使以下等式成立的值：Fmeas＝Fest(α)

[0199] 其中Fmeas是测量的力，Fest是估计的力。

[0200] 本文讨论的任何生物测定感测装置可以实施力检测。具有力检测的生物测定感测装置可以包括处理器和传感器，传感器被配置为经接收表面将声信号发送到手指。处理器可以基于来自手指的声信号的反射来生成手指指纹的至少一部分的图像，基于反射来检测与接收表面接触的手指的脊的表面区域，以及基于检测到的表面积估计手指接触接收表面的力。处理器可以基于估计的力来生成手指是否是活人的一部分的指示。至少一部分指纹的图像可以具有每英寸500像素或更大的分辨率。

[0201] 通过介质的声速可以随着温度而改变。在某些材料中，声音的速度会随着温度的升高而增加。对于各种材料(例如，诸如玻璃、蓝宝石、金属等的固体)，我们预期声音的速度随温度而降低。因此，可以利用材料中的声速与温度有关的特性来通过测量在材料中传播的声速来评估温度。

[0202] 图18说明了通过介质的声波速度可以随着温度的升高而降低。声音在材料中传播的速度通常取决于材料温度。固体中的声音速度通常随温度升高而降低。在生物识别传感装置的正常工作温度范围内，温度与声速之间存在近似的线性关系：c(T)∝T×φ，

[0203] 其中c(T)是通过材料的依赖于温度的声速，T是温度，而是基于材料的声速斜率。的符号可以是负值或正值，但在本文讨论的介质的各种材料(例如，玻璃、蓝宝石和金属)中为负值。

[0204] 超声波传感器与声学反射物体之间的距离，如智能手机上的相对玻璃空气界面，也可由于热膨胀而随温度增加。然而，导致声速降低的弹性常数变化通常大约比热膨胀系数大一个数量级，并应该成为增加脉冲延迟的主要因素。声速可以通过超声波信号从传感器传播到声学反射物体并再次返回所花费的时间来估计。所需时间越短，声速越快，材料应该越热。在图18的例子中，波前之间的间隔对应于波长。高温1800和低温1810下的反射超声波束的波长分别为λ1和λ2，其中λ2大于λ1。从声速来看，材料温度可以根据上面的公式，用解析和/或数值方法来确定。材料温度可以是与手指相关的温度，其可以用于生成手指是否是活人的一部分的指示。

[0205] 本文讨论的任何生物测定感测装置都可实施温度检测。具有温度检测的生物统计感测装置可以包括处理器和传感器，传感器被配置为通过接收表面将声信号发送到手指。处理器可以基于与声信号相关联的声速来检测手指的温度，并且基于来自手指的声信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像。处理器可以基于检测到的温度生成手指是否是活人的一部分的指示。当手指未与接收表面接触时，处理器可基于与声学信号相关联的第二声速检测环境温度。处理器可以基于手指与接收表面接触时和手指未接触接收表面时的与声学信号相关联的声速差来检测手指的温度。

[0206] 图19说明较高温度时，从激发直到反射波前沿的飞行时间较短。具体而言，由图19可知，从激励到记录反射波前沿的飞行时间在34℃时比在20℃时短，这是因为声波的速度随着温度的升高而升高。由于手指为体温，而传感器处于室温，当被触摸时，玻璃或其他中间层的温度就会变暖，并且通常会提高玻璃中的声音速度。因此，本文讨论的生物测定装置可以基于声速来确定手指的温度。这可以确定它不是接触玻璃的假肢手指。当手指没有接触玻璃时，环境温度可以由装置确定。

[0207] 图19比较了在34℃的较高温度下的超声波的行进时间与在20℃的较低温度下的超声波的行进时间。如图所示，在较低温度下声音的速度是4020m/s，并且4000m/s在更高的温度。时间间隔没有按比例绘制，以突出行进时间的差异。

[0208] 在时间t＝0时，在图形1910中，在较低温度下，传感器向空气/玻璃界面传输脉冲。在时间t＝1时，在图形1920中，脉冲接近空气/玻璃界面。在时间t＝2时，在图形1930中，脉冲的反射到达传感器。由于反射脉冲先前到达传感器，所以在图形1940中时间t＝4处没有活动。因此，如图形1950所示，在较高温度下，从激励到记录反射波前沿的飞行时间大约是两个时间间隔。

[0209] 在时间t＝0时，在图形1960中，在较高的温度下，脉冲由传感器朝空气/玻璃界面传输。在时间t＝1时，在图形1970中，脉冲接近空气/玻璃界面，但还没有接近它。在时间t＝2时，在图形1970中，脉冲的反射接近但尚未达到传感器。在时间t＝3时，在图形1970中，反射已经到达传感器。对于较高的温度，从激发到反射波前记录的飞行时间大约是三个时间间隔，如图形1950所示。因此，在较低温度下飞行时间较短。由于飞行时间随温度而变化，飞行时间可用于估算相对温度，而且经校准后，可用于估算绝对温度。

[0210] 图20是根据所公开技术的实施例生成生物特征信息的方法2000的流程图。在方框2010中，方法2000发送具有从50MHz到500MHz范围内频率的超声波信号。在方框2020中，方法2000基于超声系统的反射来生成生物测量信息。

[0211] 图21是生成生物图像的方法2100的流程图。在方框2110中，方法2000使用一个或多个超声波传感器发送具有在50MZ到500MHZ范围内频率的超声波信号。在方框2120中，方法2100接收超声波信号的反射。在方框2130中，方法2000基于反射生成生物测量图像。

[0212] 图22是根据所公开技术的实施例制造声学生物特征的触摸扫描仪方法2200的流程图。在方框2210中，方法2200在第一方向和底平面上成形玻璃衬底顶部上的底部金属电极。在方框2220中，方法2200将压电膜淀积在除了底部金属电极顶侧的左侧边缘部分和右侧边缘部分以外的所有部分上。在方框2230中，方法2200在第一方向和垂直于第一方向的第二方向上在淀积的压电膜中蚀刻沟槽或凹槽。在方框2240中，方法2200在第二方向上淀积顶部金属电极，其符合蚀刻压电膜的顶部，顶部金属电极符合膜的左侧和右侧边缘部分并接触底部金属电极。

[0213] 图23是根据所公开技术的实施例检测手指的温度的方法2300的流程图。在方框2310中，方法2300使用一个或多个超声波传感器将频率在50MHz至500MHz范围内的超声波信号通过介质传送至手指。在方框2320中，方法2300接收超声波信号的反射。在方框2330中，方法2300利用发送和反射信号的行进时间来检测手指的温度。

[0214] 图24是根据所公开技术的实施例估计手指接触表面的力的方法2400的流程图。在方框2410中，方法2400将声音信号发送到手指。在框2420中，方法2400基于来自手指的声学信号的反射来生成手指的至少一部分指纹的图像。在方框2430中，方法2400基于反射来检测与表面接触的手指的面积。在框2440中，方法2400基于检测到的与表面接触的面积来估算手指接触表面的力。

[0215] 图25是根据所公开技术的实施例估计力测量时间序列的周期的方法2500的流程图，该周期对应于一脉率估算。在方框2510中，方法2500通过接收表面将多个声学信号发送到手指。在方框2520中，方法2500基于来自手指的声学信号的反射，以第一采样率生成图像时间序列，每个图像包含手指的至少一部分指纹。在方框2520中，方法2500基于图像时间序列每个图像的反射来检测与接收表面接触的手指的脊的表面区域。在方框2530中，方法2500基于检测到的图像时间序列每个图像的表面面积来估计手指接触接收表面的力的时间序列。在方框2540中，方法2500估计力时间序列的周期，该周期对应于脉搏率的估算。

[0216] 图26-34示出了用于超声波指纹扫描的电路以及采样和包络检测方法的仿真结果。该仿真假定组件宽度为20μm，线间距(切口)为20μm，组件高度为10mm，并且超声带宽为43∶8％。激励是一个150MHz的5周期正弦曲线。使用了十四个有源部件，而有效的f#＝
0.893，其中f#是f值，定义为焦距除以有效孔径的直径。

[0217] 图26示出了单向插入损耗的仿真。

[0218] 图27示出了用于将RF信号IQ解调成I和Q信道的电路。

[0219] 图28示出了仿真所得的同相和正交解调的信号的例子。

[0220] 图29示出了用于图27的IQ解调过程的低通滤波器的响应。

[0221] 图30示出了由图27的电路解调的信号的IQ解调包络。

[0222] 图31示出了从图30的IQ解调包络获得的100MHz采样。

[0223] 图32示出了用于IQ解调信号的IQ采样的电路。

[0224] 图33示出了IQ解调信号的采样同相和正交信号。

[0225] 图34示出了针对200MHz、150MHz、100MHz和50MHz的IQ采样率的IQ解调信号的包络图。

[0226] 超声波指纹扫描仪可以被包括在智能卡中。智能卡中的超声波指纹扫描仪可以根据本文讨论的任何合适的原理和优点来实现。智能卡可以包括超声波指纹传感器和/或其他电路，诸如可被读取以授权支付的芯片。一些智能卡可以包括可以设置在卡体上的磁条。将超声波指纹扫描仪包含在智能卡中可以为验证提供加成。相应地，这种智能卡可以实现多方案认证。例如，智能卡可以基于与智能卡中的安全芯片进行认证来授权交易，而独立使用超声波指纹扫描仪来认证指纹。超声波指纹扫描仪可以生成分辨率至少为每英寸500像素的图像数据。智能卡可以是信用卡、借记卡、身份证、保险卡等。
公开了具有超声波生物识别感测和相关方法的智能卡。在一个方案中，具有卡体和超声波指纹感测装置的智能卡被配置为以一频率来传输超声波信号，其与卡体材料中的声速一起实现至少每英寸500像素的分辨率。超声波指纹感测装置被配置为基于来自手指的超声波信号的反射来生成用户手指的至少一部分指纹的图像。在某些实施例中，超声波指纹感测装置可以包括由金属层分开的一对压电层。

[0227] 图35示出了包括彼此堆栈的两个一维传感器数组3500、3510的双层行-列寻址传感器数组3520。双层行-列寻址的传感器数组3500、3510可以在智能卡中实现。双层行-列寻址的传感器数组3500、3510可以在任何其它合适的应用中实施。双层行-列寻址的传感器数组3500、3510可以用于生成指纹的图像数据。双层行-列寻址的传感器数组3500、3510可以用于针对诸如多个指纹，手掌或整个手的较大部分的手来生成图像数据。第一传感器数组3500可以包括压电层3502，列(或行)线3504，金属触点3506和接地层3508。类似地，第二传感器数组3510可以包括压电材料3512，行(或列)线3514，金属接触3516和接地层3518。可以在各种应用中用连接到固定电压的金属层或任何其他合适的金属层代替接地层3508和/或
3518。

[0228] 数组3500、3510中的压电层3502、3512可以包括任何合适的压电材料。例如，压电材料3502、3512可以是诸如聚二氟乙烯、聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯(有时被称为PVDF)的聚合物。作为其他例子，压电材料3502、3512可以包括其他合适的压电材料，例如氧化锌、氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、氧化铋铋或钛酸铅锆，并且可以包括薄膜压电材料。

[0229] 一维传感器数组3500、3510中的金属化线3504、3514可以形成堆栈数组3520中的行和列线。列线3504和行线3514可以被定向为基本上彼此正交。在某些实施例中，堆栈数组3520可以被配置用于行-列寻址，由此数组的整个行或整个列的数组一次被寻址。在一些其他实施例中，堆栈数组3502可以在发送超声波时对数组的一个或多个行或列进行寻址，并且可以在接收超声波时分别对一个或多个行或列进行寻址。

[0230] 金属化线3504，3514可以实现传感器数组3500，3510中的电极3506、3516，并且可以在从堆栈数组3520扇出(fan out)的互连之间提供连接。在一些实施例中，电极3506、3516可以交错(例如，延伸以交错方式从堆栈数组3520出来)以方便电极和互连之间的连接。

[0231] 在某些实施例中，第一传感器数组3500可以与第二传感器数组3510堆栈在一起，以从两个一维数组形成双层行-列寻址传感器数组3520。如图35所示，传感器数组3500和3510可以背靠背堆栈，使得接地平面3508和3518位于双层数组3520的中间，而金属化线
3504和3514位于双层数组3520的外侧面上。金属化线3504和3514可以在双层数组3520中大体上彼此垂直。在某些实施例中，接地平面3508和3518可以集成为单个接地平面3522。在一些其他实施例中，接地平面3508和3518可以被短接在一起以提供两个传感器数组3510、
3520之间的公共接地平面。尽管在本文中被称为接地平面3522，但平面3522不需要在所有实施例中接地。平面3522可以是设置在两个传感器数组3510、3520之间并且处于任何合适的固定或浮动电位的任何合适的金属平面。

[0232] 双层行-列寻址的传感器数组，诸如图35的堆栈数组3520，与诸如图4中传感器数组400的单层数组在多个方面有所不同。作为示例，单层数组中的接收电极可以接地，用于在传输期间穿过整个传输线组件(例如，金属化线3504或3514之一)激励压电层。类似地，在接收操作期间，单层数组中的传输电极可以接地以适当地读出返回信号。在一些实施例中，可以在多个金属化在线激励压电层和/或可以使用多个金属化线来接收返回信号。在接地与发送和接收电路之间切换发送和接收电极的开关方案可以在单层传感器数组中实现这种接地。

[0233] 相反，诸如图35中数组3520的双层传感器数组，可以具有诸如接地平面3522的接地平面中心层。因此，金属化线3504和3514中的一个上的任何电压都可以产生通向接地平面3522的电场，该电场经过一压电层(例如，层3502或3512中的一个，分别取决于电压是在线3504中的一个上还是线3514中的一个上)，并且激励该压电层。类似地，因为已经提供了接地平面3522，发送电极在接收操作期间不需要接地。通过在层迭数组3520的发送侧和接收侧之间提供屏蔽，接地平面3522还可以提供额外的益处，例如减少发送和接收电极之间的RF穿通。这可以有利于进行操作而不需在接地、传输和接收电路间切换。

[0234] 在操作中，图35的双层传感器数组3520可以使用一个或多个金属化线3504(或3514)发送超声波，然后使用更多的垂直金属化线3514(或3504)中的一个或多个来接收那些超声波的反射。另外，双层传感器数组3520可以聚焦声波并且使用本文所描述的技术来启用发送和/或接收聚焦，例如至少结合图2中的技术。

[0235] 如图36、37A和37B所示，智能卡3602可以配备有超声波指纹扫描仪3604或3608。超声波指纹扫描仪3604和/或3608可以根据参照图35讨论的任何合适的原理和优点来实现。智能卡3602可以是任何合适的卡，并且通常可以是用于支付目的和/或用于其他目的的卡。
作为示例，智能卡3602可以是信用卡、借记卡、会员卡、奖励卡、身份证、安全卡、通关卡、安全卡、访问卡、医疗卡、保险卡等。智能卡3602包括卡体3601。卡体3601可以具有适合装入钱包的尺寸。智能卡3602可具有400μm至1000μm范围内的厚度。例如，智能卡3602可以具有约
760μm的厚度。智能卡3602可以是大约85.60mm乘53.98mm。智能卡3602在某些情况下可以具有圆角。

[0236] 智能卡3602中的超声波指纹扫描仪可以用于认证提供智能卡3602进行认证的用户。指纹扫描仪3604或3608可以使卡不太可能被未授权的人使用。作为示例，用户可能希望使用智能卡3602购买商品，并且支付系统可以被配置为仅在同时使用指纹扫描仪3604检测到用户的指纹时才授权购买。

[0237] 在某些实施例中，智能卡3602可以包括电路3610，其帮助检测用户的指纹、存储用户的指纹(以安全的方式)、又或辅助智能卡3602和/或指纹扫描仪的操作，等等，或其任何合适的组合。在某些情况下，电路3610可以包括电源，例如光伏电池、电池、电容器、RF汲能电路等。

[0238] 在各种实施例中，智能卡3602可以包括一个或多个触点3612，其通过一个或多个电通路3614与外部设备3616连接。作为示例，当智能卡3602被插入到读卡器3616中时，触点3612可以与读卡器3616接合。在这样的实施例中，信号可以在读卡器3616和指纹扫描仪
3604或3608和/或电路3610之间传输。这些信号可以包括用于为指纹扫描仪3604或3608和/或电路3610供电的电力信号，并且可以包括指纹扫描(例如，远程存储用户的指纹的地方)，验证结果(例如，用户的指纹本地存储在智能卡3602上的地方)。在一些实施例中，用于指纹扫描仪3604或3608的传输和读出电路中的一些或全部可从卡3602中省略，而在外部电路
3616内提供。这可降低智能卡3602的成本和复杂性。

[0239] 在一些其他实施例中，智能卡3602可以在电路3610中包括无线通信电路(包括天线)，而可以将与用户指纹和/或指纹验证结果的扫描有关的数据无线地传送到诸如读卡器3616的外部电路。作为示例，电路3610可以使用近场频率或其他射频信号来发送信号。

[0240] 在图36所示的例子中，超声波指纹扫描仪3604可以设置在智能卡3602的表面上。图36示出了扫描仪3604，其设置在智能卡3602的与接收用户手指3600的一侧相反的一侧(并因此使超声波3606穿过卡3602)的，此处仅为示意性的。在一些其他实施例中，用户的手指3600可以由扫描仪3604直接接收。

[0241] 如图37A和37B所示，扫描仪3608可以嵌入智能卡3702的卡体3701内。如图37A所示，扫描仪3608可以与接收用户手指3600的表面相对的表面齐平，而超声波3706可以通过扫描仪3608经智能卡3702发送，并且超声波反射可以类似地通过智能卡3702的卡主体3701传输。在一些其他实施例中，如图37B所示，扫描仪3608可以齐平地嵌入接收用户手指3600的表面(这样当检测用户的指纹时，无需超声波穿过智能卡3702)。在各种实施例中，扫描仪3608可嵌入智能卡3702的体内(例如，不与智能卡3702的任何表面齐平)，并且可完全或几乎完全被形成卡主体3701的材料包围。扫描仪3608可以是与形成卡体3701的材料类似的材料制成，或者可以由与其不同的材料制成。

[0242] 如前所述，而在一些诸如图37B中所示那样的实施例中，扫描仪3608可以齐平地嵌入接收用户手指3600的表面。在这些和其他实施例中，扫描仪3608可以由诸如氧化锌(ZnO)薄膜的压电材料制成，可以由熔凝石英、玻璃、另一种类似玻璃的材料或其他所需材料制成。在这样的实施例中，扫描仪3608可以被玻璃或金属或与卡主体3701的顶侧齐平的另一合适材料覆盖。也就是说，在扫描仪3608上可制有玻璃或金属层，其与卡体3701齐平，而用户的手指可以用该玻璃或金属层来接收。在一些实施例中，卡体3701可以是柔性的，而在其他实施例中，卡体3701可以是刚性的。

[0243] 智能卡3602和3702以及特别是卡体3601和3701可以由具有适于超声波信号传播特性的一种或多种材料形成。作为例子，可能期望有指纹扫描仪3604或3608，配置成产生具有期望分辨率(例如，50微米)的图像数据。作为示例，卡体3601和3701可以由一种或多种塑料、一种或多种金属、尼龙、PVC、聚酯薄膜、玻璃、铝、其他材料，或这些材料和其他材料组合来制成。

[0244] 使用指纹传感器产生的图像的分辨率可以与形成卡体3601(或主体3701)的材料内的声速成正比，而与工作频率成反比。由于对于相对更高的频率，需要更复杂的采样电路和更多的传感器，所以也可能希望以相对较低的频率进行操作。对于相对较低的频率，超声波通过卡体3601、3701时的衰减也可能较小。举例来说，如果卡体3601厚度为700微米并且由尼龙制成，那么以25MHz达到指定分辨率可涉及22个接收组件，而在50MHz时，达到相同分辨率所需接收组件的数量可能翻倍至44个接收原件。在某些实施例中，本文讨论的智能卡指纹感测系统可以实现500像素每英寸(PPI)的扫描分辨率以满足联邦调查局(FBI)和/或其他标准。这样的分辨率可以转化为50微米的横向分辨率。

[0245] 下面的表1提供了对于可以制成卡体3601的不同材料，以及对于不同操作频率下，具有近似厚度760μm的卡的近似分辨率(以微米为单位)。这种厚度与信用卡和类似卡的典型厚度近似。

[0246] 表1.不同超声频率下不同材料的以μm为单位的近似扫描分辨率。

[0247] 如表1所示，智能卡超声波指纹系统的扫描分辨率可以取决于超声波指纹识别系统的卡体材料和操作频率的组合。例如，具有尼龙卡体和以约25MHz(或更高)工作的扫描仪的智能卡超声波指纹系统可以提供500像素/英寸(PPI)的分辨率。作为其他例子，具有PVC卡体和以约50MHz(或更高)工作的扫描仪，具有Mylar卡体和以约50MHz(或更高)工作的扫描仪，具有玻璃卡体和以约150MHz(或更高)工作的扫描仪，或者具有铝卡体和以约150MHz(或更高)工作的扫描仪的系统可以提供500PPI的分辨率。500PPI分辨率可能对应于约50μm的扫描分辨率。因此，对于表1中列出的各种材料，与500PPI分辨率相关的最低工作频率可能在表1的数据点之间。

[0248] 智能卡超声波指纹系统的扫描分辨率可以取决于主瓣大小和旁瓣的大小。主瓣可以测量为半高全宽(FWHM)，可以通过以下公式估算：

[0249] 在该等式中，w是有效孔径的宽度，d是智能卡的厚度，λ是工作频率处的波长(例如，超声波的波长)，并且F#是f-数。f值可以定义为焦距除以有效孔径的直径。可以使用囊性分辨率来估计旁瓣的影响。但是，扫描分辨率通常仅由FWHM就可很好地近似。有效孔径可以选择为相对较大以实现良好的聚焦，而f值大约为1或略低于1。为简单起见，可以合理地假设F#为1来简化前述方程，以使得分辨率近似地等于波长。

[0250] 然后可以通过以下公式来估计波长：

[0251] 在这个等式中，c是卡体材料中的声速，f是超声波的中心频率。上面的表1中示出了不同超声频率下不同材料的扫描分辨率的示例。如表1和前面的公式所示，具有较高声速的材料通常导致较高的扫描分辨率。

[0252] 智能卡超声波指纹系统的扫描分辨率可以基于点扩散函数(PSF)。该指标既考虑了由最大振幅一半时的PSF宽度测的细节分辨率，也考虑了由囊性分辨率(CR)测的对比分辨率。PSF和FWHM在图38、39A和39B中示出和解释。

[0253] 如图38所示，对反射点3800成像的超声系统可以接收在反射点3800处最高的反射超声波信号，但是该反射超声波信号随着增加的距离(在x轴和y轴上)逐渐减小。换句话说，点源不能产生无限尖锐的信号。反射信号的衰减被称为点扩散函数(PSF)。如图38所示，信号在区域3802内保持其最大强度的一半，并且在区域3804中可被测量。从点3800到区域3802边缘距离的两倍可被称为在最大幅度一半处的全宽度(FWHM)或最大幅度一半处的PSF宽度。换句话说，区域3802的直径可以是反射信号的FWHM。

[0254] 如图39A和39B所示，PSF(或FWHM)的宽度决定两个小物体3900和3902可以相互放置的有多接近(如距离3904所示)而仍能单独地被分辨出来。在图39B中，物件3900和3902相距的足够远使它们可单独地被分辨，但又开始合并而产生各种成像伪影。

[0255] 超声波指纹系统的囊性分辨率是用来衡量在均匀散射介质中检测无回波区域或非反射区域的能力。具体而言，囊性分辨率给出了相对于其周围均匀背散射介质的给定尺寸消声囊中心处的相对强度(RI)。囊中心处的强度越低，即对于给定的囊大小，其在图像中出现的越暗，系统的对比度越好。

[0256] 图40示出超声装置4000，其对包含了消声或非反射区域4004的均匀背散射介质4002进行成像。

[0257] 消声囊的相对强度(RI)可以由杂波能量与总能量比率来估计，由以下等式给出：

[0258] 在该等式中，Ein是具有以点扩展函数峰值为中心，半径为R的圆形区域内的信号能量，而其中Etot是点扩展函数中的总能量。

[0259] 如果周围介质的强度被归一化为具有值1，那么囊如果具有0.5的RI，则其可以是可检测的。使得RI为0.5的无回声区域的半径可以被称为‘R0.5’并且等效直径可以被称为D0.5。可分辨的最小消声区的半径和直径可以取决于PSF中的旁瓣。

[0260] 图41示出了由强烈反射区域围绕具有很少信号或没有信号的区域的反射超声波信号的图。对于指纹扫描仪来说，很重要的一点是分辨出被强信号区域包围着的具有很少信号或没有信号的区域(例如，由高反射区域包围的非反射区域)。这可以被称为指纹扫描仪的对比度宽度。对比度宽度可以是两个强反射区域之间的最小距离，其中有弱反射区域，该弱反射区在中心处具有不大于强反射区域幅度一半(例如0.5)的信号幅度。这个对比度宽度可以等效于之前讨论的D0.5。

[0261] 给定成像指纹扫描仪的分辨率可以是FWHM分辨率和对比度宽度分辨率的最低值(例如，最差值)。

[0262] 以上描述的一些实施例已经提供了与基于超声波的指纹传感器相关的示例。然而，这些实施例中的原理和优点可以用于任何可受益于这些原理和优点的其他合适的设备、系统、装置和/或方法。虽然指纹在上下文中进行描述，但是本文描述的一个或多个特征也可以用于检测人或动物的任何其他合适的部分。

[0263] 本文描述的各种特征和过程可以彼此独立地实现，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落入本公开的范围内。另外，在一些实现中可以省略某些方法或过程块。本文公开的方法和过程也不限于任何特定的次序，并且与其相关的块或状态可以以适当的任何其它次序执行。例如，所描述的块或状态可以以不同于具体公开的顺序执行，或者多个块或状态可以组合在单个块或状态中。示例块或状态可以串行，并行或以适当的某种其他方式执行。合适的话，块或状态可以被添加到公开的示例实施例或者从中移除。这里描述的示例系统和组件可以不同于所描述的来配置。例如，与公开的示例实施例相比，组件可以被添加，移除或重新排列。各种实施例可以应用不同的技术来制造不同类型的电子设备。

[0264] 本公开的各方案可以在各种设备中实现。例如，这里讨论的声学生物测定感测装置可以在诸如智能电话、平板计算机、方向盘、枪、门、门把手、墙壁、电梯或任何其他可以从本文讨论的任何原理和优点受益的合适应用。

[0265] 尽管已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅以示例的方式呈现，并且不旨在限制本公开的范围。事实上，本文描述的新颖装置、系统、设备、方法和系统可以以各种其他形式来体现；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对这里描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。例如，尽管块以给定排列呈现，但替代实施例可以利用不同组件和/或电路拓扑来执行类似的功能，并且一些块可以被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改。这些块中的每一个可以以各种不同的方式来实现。上述各种实施例的组件和动作的任何合适的组合可以用来组成更多的实施例。

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