JP6615104B2

JP6615104B2 - 音響共振空洞による超音波撮像

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Publication number: JP6615104B2
Application number: JP2016546039A
Authority: JP
Inventors: ナイ−クエイ・クオ; コスタディン・ディミトロフ・ドヨルディエフ; ランジス・ランガナザン; 奈央菅原
Original assignee: クアルコム，インコーポレイテッド
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: BR112016016195A2; JP2017505481A; CA2932887C; US9817108B2; US20150198699A1; EP3095071A1; KR20160108390A; EP3095071B1; US20180031686A1; CA2932887A1; CN105900112B; CN105900112A; BR112016016195B1; KR102316515B1; WO2015105935A1; US10274590B2

Description

本開示は全般に、センシング技術に関し、より具体的には、超音波センシング技術に関する。

センサは、物理的な入力を検出し、いくつかの例では、物理的な入力を電気的または光学的な出力に変換する。デバイスは、電気的な出力を様々な方法で使用することができる。センサの適用例は広範であり、センサはモバイルデバイスのような日常的なデバイスにおいて使用される。具体的には、センサは、生体認証用の読取りのために、たとえば指紋を読み取ってユーザを認証するために、普及している。従来、超音波システムは、離れた物体から反射する音波からのエコーを解釈することによって動作している。たとえば、超音波センサは、高周波の音波を生成し、センサによって受信されるエコーを評価することができる。超音波センサは一般に、信号の送信とエコーの受信との間の時間間隔を計算して、離れた物体の入射面までの距離を求める。携帯電話、タブレットコンピュータ、ウェアラブル健康管理デバイス、および他のモバイルデバイスのようないくつかの実装形態では、超音波センサの全体の厚みは、1ミリメートル以下の厚みというオーダーで小さくなければならず、従来の手法では使用法が限られる。

本明細書で説明される態様は、より大きな出力信号を生成し、超音波センサユニットのセンサ積層体に音響空洞を含めることによって超音波センサの画像品質を改善することと、生成された超音波の振幅を、生成された波の振幅が単周期の励振により実現可能な変位によって制限されるような手法と比較して、複数の励振信号パルスによって増大させることとのための、構造および方法を提供する。いくつかの態様では、超音波センサユニットの厚みは、モバイルデバイスに対してしばしば望まれるロープロファイルに対応するために、大きく低減され得る。いくつかの実装形態では、超音波センサは、様々な基板材料、電極材料、接着剤、圧電材料、および望まれ得る他の材料(たとえば、カバーガラス、プラテン、カバー層、コーティングなど)についての望ましい動作周波数に対して効果的な音響空洞を形成するように設計され製造され得る。超音波センサは、異なる被包、厚み、および材料とともに機能するように、製造もしくは準備段階の間に調整され、または別様に較正され得る。

いくつかの実装形態では、超音波定在波信号が、センサの撮像面に置かれた物体の超音波画像を撮影するために、超音波センサ中の音響空洞を使用して生成され得る。いくつかの実装形態では、超音波センサは、圧電送信機層と圧電送信機層の両側に配設された1つまたは複数の送信機電極とを含む超音波送信機(Tx)と、圧電受信機層の片側に配設された受信機バイアス電極を有する圧電受信機層を含む受信機(Rx)と、送信機、受信機、および任意の関連する接着取付層、カバー層、またはコーティングの間に配置され得る薄膜トランジスタ(TFT)基板上に配設されたTFT層とを有し得る。いくつかの実装形態では、圧電送信機層および圧電受信機層ならびにTx電極およびRx電極の厚みとそれらの中での音の速さは、接着層、TFT基板、および他の層の厚みとそれらの中での音の速さとともに、望ましい音響空洞を形成するために選択され使用され得る。

いくつかの実装形態では、定在波信号は、複数の周期(たとえば、4〜8周期)の1桁メガヘルツまたは2桁メガヘルツの超音波を起こすことによって増大し得る。センサ積層体の中に設計される音響空洞は、画像を得る前の空洞内での超音波の振幅および音響エネルギーの増大を可能にする。この音響共振空洞の共振周波数は主に、個々の層の厚みおよび積層体の全体の厚み、積層体中の各材料の密度、積層体中の材料の弾性係数、各材料中での音の速さ、および境界条件の厳格さによって決定され得る。物体(指のような)がセンサ表面に置かれると、共振は減衰/増幅され、または変化し得る。その上、反射された信号の振幅および/または位相は、表面に配置された物体がある場合とない場合で異なり得る。結果として、定在波の振幅および/または位相の変化は、受信機における生成されるセンサ出力電圧を測定し、センサ出力電圧を、たとえばアナログデジタルコンバータ(ADC)によりデジタル情報に変換することによって検出され得る。

標的の物体の画像を生成するための例示的な方法は、複数の励振信号パルスを超音波センサユニットの超音波送信機に印加するステップであって、複数の励振信号パルスの周波数が超音波センサユニットの内部で超音波定在波信号を生成するために選択され、複数の励振信号パルスが超音波定在波信号のエネルギーの第1の閾値レベルを超える増大を可能にするためにある時間長印加される、ステップと、超音波定在波信号と標的の物体との間の相互作用と関連付けられる超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を、超音波センサユニットの超音波受信機を使用して検出するステップと、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の検出された変化に基づいて、標的の物体の画像を生成するステップとを含み得る。

いくつかの態様では、その時間長は、基準期間の経過または励振信号パルスの数に基づき得る。励振信号パルスの数は、4個以上のパルス、5個以上のパルス、または6個以上のパルスを含み得る。超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するステップは、超音波定在波信号の振幅の変化、超音波定在波信号の位相の変化、またはそれらの両方を検出するステップを含み得る。

方法のいくつかの態様では、超音波定在波信号は、選択された周波数における、超音波センサユニットの音響空洞の内部の1つまたは複数の反射された超音波信号との、生成された超音波信号の強め合う干渉に起因し得る。1つまたは複数の反射された超音波信号は、超音波センサユニットの1つまたは複数の境界からの超音波信号の反射により生成され得る。

方法のいくつかの実装形態では、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化は、励振信号パルスが超音波センサユニットの超音波送信機に印加されている間に検出され得る。方法の別の実装形態では、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化は、励振信号パルスが超音波センサユニットの超音波送信機に印加された後で検出され得る。

例示的な超音波センサシステムは、超音波送信機と、超音波受信機と、制御ユニットとを含み得る。超音波送信機は、複数の励振信号パルスを受信するように構成されてよく、受信される励振信号パルスの周波数は超音波センサシステムの超音波センサユニットの内部で超音波定在波信号を生成するために選択され、励振信号パルスは、超音波定在波信号のエネルギーの第1の閾値レベルを超える増大を可能にするようある時間長受信される。超音波受信機は、超音波定在波信号と標的の物体との間の相互作用と関連付けられる超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するように構成され得る。制御ユニットは、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の検出された変化に基づいて、標的の物体の画像を生成するように構成され得る。

超音波センサユニットのいくつかの実装形態では、少なくとも超音波送信機、超音波受信機、および薄膜トランジスタ(TFT)基板が、超音波センサユニットの内部の音響空洞を形成する。TFT基板は、送信機と受信機との間に配置され得る。加えて、いくつかの実装形態では、超音波センサユニットは、超音波受信機を覆って配置されるカバー層を含み得る。いくつかの実装形態では、励振信号パルスの選択される周波数は、音響空洞の厚み、音響空洞の密度、音響空洞中での音の速さ、またはこれらの任意の組合せに基づく。

超音波センサユニットのいくつかの実装形態では、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化は、励振信号パルスが超音波センサユニットの超音波送信機に印加されている間に検出され得る。超音波センサユニットの別の実装形態では、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化は、励振信号パルスが超音波センサユニットの超音波送信機に印加された後で検出され得る。

一実装形態では、超音波センサユニットは超音波指紋センサであり、標的の物体は指である。指紋の画像は、超音波センサユニットのセンサ表面への指の隆起の接触による、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出することによって生成され得る。

例示的な超音波センサシステムは、複数の励振信号パルスを超音波センサユニットの超音波送信機に印加するための手段であって、複数の励振信号パルスの周波数が超音波センサユニットの内部で超音波定在波信号を生成するために選択され、複数の励振信号パルスが超音波定在波信号のエネルギーの第1の閾値レベルを超える増大を可能にするためにある時間長印加される、手段と、超音波定在波信号と標的の物体との間の相互作用と関連付けられる超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を、超音波センサユニットの超音波受信機を使用して検出するための手段と、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の検出された変化に基づいて、標的の物体の画像を生成するための手段とを含み得る。

いくつかの態様では、その時間長は、基準期間の経過または励振信号パルスの数に基づき得る。励振信号パルスの数は、4個以上のパルス、5個以上のパルス、または6個以上のパルスを含み得る。超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するステップは、超音波定在波信号の振幅の変化、超音波定在波信号の位相の変化、またはそれらの両方を検出するための手段を含み得る。

例示的な非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、プロセッサによって実行可能な命令を含んでよく、この命令は、複数の励振信号パルスを超音波センサユニットの超音波送信機に印加し、複数の励振信号パルスの周波数が超音波センサユニットの内部で超音波定在波信号を生成するために選択され、複数の励振信号パルスが超音波定在波信号のエネルギーの第1の閾値レベルを超える増大を可能にするためにある時間長印加され、超音波定在波信号と標的の物体との間の相互作用と関連付けられる超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を、超音波センサユニットの超音波受信機を使用して検出し、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の検出された変化に基づいて、標的の物体の画像を生成するための命令を含み得る。

非一時的コンピュータ可読記憶媒体の一実装形態では、その時間長は、基準期間の経過または励振信号パルスの数に基づき得る。励振信号パルスの数は、4個以上のパルス、5個以上のパルス、または6個以上のパルスを含み得る。超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するステップは、超音波定在波信号の振幅および/または位相の変化を検出するステップを含み得る。いくつかの態様では、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化は、励振信号パルスが超音波センサユニットの超音波送信機に印加されている間に検出される。

上では、以下の詳細な説明がよりよく理解され得るように、例の特徴および技術的利点をかなり広範に概説している。以下で、さらなる特徴および利点が説明される。開示される概念および具体例は、本開示の同じ目的を遂行するための他の構造を修正または設計するための基礎として容易に利用され得る。そのような等価な構成は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱しない。構成と動作方法の両方に関する、本明細書で開示される概念の特徴であると考えられる特徴は、関連する利点と一緒に、添付の図面とともに検討されると以下の説明からよりよく理解されよう。図の各々は、特許請求の範囲の限界を定めるものとしてではなく、例示および説明のみの目的で与えられる。

本開示の態様は例として示される。以下の説明は図面を参照して提供され、全体を通して、同じ参照番号は同じ要素を指すために使用される。1つまたは複数の技法の様々な詳細が本明細書で説明されるが、他の技法も可能である。いくつかの例では、よく知られている構造およびデバイスは、様々な技法の説明を容易にするために、ブロック図の形態で示されている。

本開示によって与えられる例の性質および利点のさらなる理解は、明細書および図面の残りの部分を参照することで実現されることが可能であり、同様の参照番号が同様のコンポーネントを指すためにいくつかの図面の全体で使用される。いくつかの例では、複数の同様のコンポーネントの1つを示すために、サブラベルが参照番号と関連付けられる。存在するサブラベルへの特定を伴わずに参照番号への参照が行われるとき、参照番号はすべてのそのような同様のコンポーネントを指す。

本開示の1つまたは複数の態様による定在波信号の増大を示す図である。超音波センサユニットの例示的な構成の断面図である。本開示の1つまたは複数の態様による方法を実行するための流れ図である。超音波センサユニットの音響空洞における振幅の変化する定在波信号の形成を表すグラフである。超音波センサユニットの音響空洞における振幅の変化する定在波信号の形成を表すグラフである。例示的な超音波センサユニットの断面図である。超音波センサユニットの例示的な実装形態に対する、異なる数の励振信号パルス(または周期)についての例示的なセンサ出力の周波数応答を示すグラフである。音響空洞に対するより多数の励振信号パルス(または周期)による応答の増大と共振振幅の平準化とを示す図である。励振信号パルスの数が増大して得られる画像の飽和に近付くにつれて、指紋画像の画像品質が継続的に向上することを示す図である。超音波指紋センサのある実装形態の例示的な上面図である。超音波指紋センサアレイの例示的な側面図である。超音波センサユニットの別の例示的な構成の断面図である。薄膜トランジスタ(TFT)基板および受信機(Rx)の上のカバー層を伴う例示的な超音波センサを示す図である。 2つの異なる厚みのポリカーボネートカバー層の一方に対する様々な数の励振信号パルス(または周期)についての例示的な超音波センサの周波数応答を示すグラフである。 2つの異なる厚みのポリカーボネートカバー層の他方に対する様々な数の励振信号パルス(または周期)についての例示的な超音波センサの周波数応答を示すグラフである。様々な数の励振信号パルスに対する、図10Aおよび図10Bにおいて表されるセンサの共振周波数におけるセンサ出力電圧の差を示す図である。音響空洞共振器を伴う例示的な超音波センサユニットのための材料積層体の様々な層を表示する展開図である。音響空洞を伴う例示的な超音波センサユニットの組立図である。モバイルデバイスのディスプレイまたはカバーガラスとともに例示的な超音波センサユニットの例示的な構成および配置を示す図である。モバイルデバイスのディスプレイまたはカバーガラスとともに例示的な超音波センサユニットの例示的な構成および配置を示す図である。モバイルデバイスのディスプレイまたはカバーガラスとともに例示的な超音波センサユニットの例示的な構成および配置を示す図である。モバイルデバイスのディスプレイまたはカバーガラスとともに例示的な超音波センサユニットの例示的な構成および配置を示す図である。超音波センサユニットの例示的な表現のためのブロック図である。 1つまたは複数の実施形態が実装され得るコンピューティングシステムの例を示す図である。

ここで、本明細書の一部を形成する添付の図面に関連して、いくつかの例示的な実施形態が説明される。本開示の1つまたは複数の態様が実装され得る特定の実施形態が以下に説明されるが、本開示の範囲または添付の特許請求の範囲の趣旨から逸脱することなく、他の実施形態が使用されることがあり、様々な修正が行われることがある。

一般に、超音波信号が媒体を通過するにつれて(たとえば、進行波)、超音波信号は、ある期間にわたって、山とその後の谷を伴う波として観測され得る。しかしながら、音響的に整合していない境界に信号が入射すると、信号は部分的に隣接する媒体に伝達され、部分的に反対方向に反射され得る。超音波信号が実質的に固体の媒体を通過し、隣接する媒体が空気である場合、空気は高度に弾性のある境界条件を形成する傾向があり、高いレベルの音響的な不整合が原因で音響エネルギーが空気にほとんど伝達されないことがあるので、信号の大半が固体の媒体に反射されることがある。

超音波信号の反射された部分は、センサ積層体内の所与の媒体(または複数の媒体)の中の各々の連続的に生成された超音波信号と干渉し、複数の信号が経時的に互いに強め合うように干渉することによって、経時的に増幅し得る増強された波を生成し得る。本明細書で説明されるように、励振信号パルスは、超音波センサ内に超音波信号を生成するための、超音波送信機に印加される電気信号を指し得る。励振信号パルスは、センサ内で生成される超音波信号に対応し得る。超音波信号は、センサ積層体の各媒体または各層内で関連する波長および周波数を有してよく、たとえば、外部電源、または、トーンバースト生成器としても知られている送信機励振信号パルス生成器回路を使用して、1つまたは複数の送信機電極に送信機励振信号パルスを印加することによって生成され得る。1つまたは複数の電気励振信号パルスが、超音波送信機に連続して印加され得る。印加された励振信号パルスの周波数は、超音波センサ内で発生させられ、形成され、または別様に生成される超音波定在波のエネルギーと振幅の増大をもたらし得る。印加された超音波信号パルスの周波数は、第1の励振信号パルス(または周期)の始まりと第2の励振信号パルス(または周期)の対応する部分との間の時間間隔とは反比例の関係にあり得る。いくつかの実装形態では、印加された励振信号パルスの周波数は、各パルスの期間(たとえば、秒単位の全体の時間長)とは反比例の関係にあり得る。いくつかの実施形態では、励振信号パルスは、電気励振信号パルス、トーンバースト、周期、または単に信号と呼ばれることがあり、これらは本発明の範囲から逸脱することなく本開示では交換可能に使用され得る。

所与のセットの材料および厚みに対する励振周波数と波形の適切な選択により、入射信号(たとえば、生成される超音波信号)および反射される信号は、媒体の境界と境界の間で跳ね返り超音波が立っているように見えるようになるので互いに強め合って重畳するように組み合わさることが可能であり、これは、定在波、定在波信号、または超音波定在波信号と呼ばれ得る。さらに、励振信号パルスの継続的な生成および印加により、強め合う入射信号および反射された信号は、平衡値に近付くにつれて振幅が増大し続け得る。励振信号パルスの振幅が小さくなるまで、または完全になくなる(たとえば、停止される、またはもはや印加されなくなる)まで、媒体中の超音波信号は振幅が増大し続け得る。

センサ積層体中の様々な媒体または層の材料、厚み、および密度の適切な選択は、特定の周波数において定在波信号を形成するための共振または共振的挙動を呈する音響空洞の形成をもたらし得る。音響空洞は、本発明の範囲から逸脱することなく互いに交換可能に、音響共振空洞、共振音響空洞、共振空洞、音響共振器、または空洞共振器とも呼ばれることがある。

図1は、本開示の1つまたは複数の態様による、上で説明されたような定在波信号の増大を示す。図1は、音響空洞中の複数の印加された励振信号パルスにわたる、定在波信号の振幅およびエネルギーの漸次的な増大を示す。図1の破線は、定在波信号が経時的に増大するときの定在波信号の振幅に対応する包絡線を示す。いくつかの実装形態では、音響空洞はセンサ積層体内の様々な層によって形成され、定在波信号は超音波送信機を使用した適切な励振周波数の印加によって生成される。図1では、音響空洞中の超音波の振幅(たとえば、変位)およびエネルギーが、送信機に印加される励振信号パルスの数および生成される超音波信号の数が増大するにつれて(6つのパルスが示されている)、経時的に増大し、これは、平衡振幅に達するまで続き得る。図2は、超音波センサ200の例示的な構成の断面図を示す。図2は、上で説明されたような定在波信号を生成するように構成され得る超音波センサを示す。超音波センサは、超音波送信機(Tx)204、超音波受信機(Rx)206、および、送信機204と受信機206との間に配置される薄膜トランジスタ(TFT)基板とTFTピクセル回路とを含むTFT層210を有し得る。例示を目的に3つの層だけが図2に示されるが、本発明の範囲から逸脱することなく他の層も実装され得る。図2はさらに、指208の部分と受信機206との間に最小限の離隔があること、または離隔がないことによって特徴付けられる。いくつかの実装形態では、上面は、パリレン、ウレタンコーティング、アクリルコーティング、ダイヤモンド様コーティング(DLC)などのハードコート、または他の適切なコーティングのような、保護膜によって被覆され得る。図2では、送信機204、TFT層210、および受信機206によって音響空洞が形成される。図2は、超音波センサ200において生成される定在波信号212の代表的な波形を示す(定在波信号の1.5波長が示されている)。図5を参照して以下でさらに詳細に説明されるように、センサ積層体のセンサ表面への指208のような物体の接触は、受信機206における振幅または位相のような定在波信号の特性を変化させることがあり、十分な分解能を有するTFTセンサアレイによる、指紋の隆起および谷の検出と、指紋または他の生体情報のような画像の取得とを可能にする。音響共振空洞は2つ以上の共振周波数を有することがあり、低い共振周波数、または基本共振周波数における動作は、より高い共振周波数またはその近くにおける動作よりも望ましくないことがあることに留意されたい。たとえば、画像の分解能および品質の向上は、部分的には、より動作周波数の高いセンサユニットにおけるより短い音の波長によって、より高い周波数において動作するときに得られ得る。

いくつかの実装形態では、送信機(Tx)204は、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)のような圧電材料の層に接する銀およびポリウレタン(Ag-Ur)の導電性の層と、PVDF層の反対側の面に接する銀-ウレタン(Ag-Ur)の第2の層とを含んでよく、それぞれ例示的な厚みは9um、28um、および9umである。TFT層210のTFT基板は、ガラスまたは樹脂を使用して実装されてよく、約500umの厚みを有してよい。TFTピクセル回路は、たとえば、低温ポリシリコン、アモルファスシリコン、または他の絶縁ゲート薄膜トランジスタプロセスを使用して、TFT基板上に形成され得る。受信機(Tx)206は、銀-ウレタン層によって被覆されるPVDFの圧電層を含んでよく、圧電層および銀-ウレタン層はそれぞれ、約28umおよび9umの厚みを有する。音響空洞の全体の厚みは、超音波センサユニットの層の各々の厚みの総合計であり得る。

図3は、本開示の1つまたは複数の態様による方法を実行するための流れ図を示す。1つまたは複数の態様によれば、図3に示される流れ図300において説明される方法および/または方法ステップのいずれかおよび/またはすべてが、スタンドアロンセンサとして実装されるか、モバイルデバイスのようなコンピューティングデバイスに結合されるかのいずれかである、センサの電子的、機械的、および/または化学的コンポーネントによって実施され得る。コンピューティングデバイスのコンポーネントは、たとえば図14においてより詳細に説明される。いくつかの実装形態では、図3に関して以下で説明される方法ステップの1つまたは複数は、プロセッサ1410または別のプロセッサまたはセンサに直接結合される回路のような、モバイルデバイスのプロセッサまたは特定用途向け集積回路(ASIC)によって実施され得る。加えて、または代替的に、本明細書で説明される方法および/または方法ステップのいずれかおよび/またはすべては、メモリ1435、記憶デバイス1425、または別のコンピュータ可読媒体のような、コンピュータ可読媒体上に記憶されているコンピュータ可読命令のようなコンピュータ可読命令において実施され得る。

ブロック302において、超音波送信機および制御電子機器のような、超音波センサユニットのコンポーネントが、センサユニットにおいて1つまたは複数の電気励振信号パルスと対応する超音波信号とを生成するように提供され構成され得る。いくつかの実装形態では、送信機は圧電送信機であり得る。圧電送信機は、圧電送信機の送信機電極間に適切な電圧差を印加すると、機械的な動きおよび変位を引き起こし、生成し、または別様に伝達し得る。

1つまたは複数の電気励振信号パルスが、超音波送信機の1つまたは複数の電極に印加され得る。励振信号パルスの周波数は、超音波センサユニットの内部に超音波定在波信号を生成するように選択され得る。超音波定在波信号は、選択された周波数における、超音波センサユニットの音響空洞の内部の1つまたは複数の反射された超音波信号との、生成された超音波信号の強め合う干渉に起因し得る。反射された信号は、超音波センサユニットの様々な媒体または層の間の境界または接点での1つまたは複数の超音波信号の反射から生成され得る。製造または準備段階の間に、送信機は、超音波センサユニットの共振周波数と一致するように、または厳密に一致するように、適切な数および周波数の励振信号パルスを受信するように構成されてよく、超音波センサユニット内の音響空洞での定在波信号の発生を可能にする。

超音波センサユニットは、基準時間長の間、送信機のような超音波センサユニットのコンポーネントから励振信号パルスおよび超音波信号を生成し続けることができる。ブロック304において、超音波センサユニットのコンポーネントまたは超音波センサユニットに結合されるコンポーネントは、定在波信号の十分な増大のための基準時間長が経過したかどうかを決定することができる。いくつかの実装形態では、基準時間長は、印加されている励振信号パルスの数を数えることによって決定され得る。

いくつかの実装形態では、基準時間長は、所定の量の時間または基準期間の経過に基づき得る。いくつかの実装形態では、所定の時間長または基準期間は、超音波信号を生成するための励振信号パルスの数および周波数に基づき得る。いくつかの実装形態では、基準期間は、励振信号パルスの数と各パルスの時間長を乗じたもの(周期の回数と各周期の時間長または期間を乗じたもの)に等しくなり得る。図6A、図6B、および図6Cで論じられるように、いくつかの実装形態に対する励振信号パルスの最適な数は、4個以上のパルス、5個以上のパルス、または6個以上のパルスであり得る。いくつかの実装形態では、基準の数の励振信号パルスが印加された後で、定在波信号は飽和振幅の近くに達することがあり、ここで、いずれのさらなる励振信号パルスも、超音波センサユニットの定在波信号の振幅における比例するエネルギー増大および/または定在波信号の特性の変化を検出することからの得られる画像の分解能の向上をもたらさない。

図4Aおよび図4Bを一時的に参照すると、超音波センサに対する励振の時間長または印加される励振信号パルスの数は、少なくとも最初は、エネルギーおよび振幅の増大を伴う定在波信号をもたらし得る。図4Aおよび図4Bはそれぞれ、超音波センサユニットの音響空洞における振幅の変化する定在波信号の形成を表す2つのグラフを示す。図4Aは、超音波送信機(Tx)の端子に印加される送信機励振信号パルスの2つのトーンバーストまたは周期を示し、一方、図4Bは、印加される送信機励振信号パルスの4つのトーンバーストまたは周期を示す。送信機励振信号の各周期は、超音波センサの音響空洞内に超音波を生成し、または生成された超音波に加わり得る。図4Aにおいて、送信機は、より短い期間にわたって図4Bよりも少数の(2つの)励振信号パルスを受信し、より多数の(4つの)励振信号パルスを伴う図4B(図4Bのより高い出力)よりも振幅の小さい(図4Aのより低い出力)、超音波受信機におけるサンプリングされた波形をもたらす。図4Aでは、超音波センサ内での生成された超音波信号412aの時間変化する振幅の増大は、送信機に印加される2つだけの励振信号パルスに基づいて示される。生成される定在波信号(完全には形成されていない)は、示されるようにサンプル期間に受信機によってサンプリングされ得る。それと比較すると、図4Bに示されるような、Txに印加される4つの励振信号パルスに起因する、生成される超音波信号412bの時間変化する振幅は、超音波信号412aよりも大きな振幅を有し、より高いセンサ出力電圧をもたらす。示されるように、送信機に印加される電気励振信号パルスの各々が、正弦波の形状であり得る。代替的に、励振信号パルスは、方形波、短い高振幅パルス、部分周期もしくは半周期の波、または、超音波センサユニットの内部に定在波信号を生成するための適切な数および期間を有する他の適切な波形のような、他の波形を有し得る。図4Aおよび図4Bは概略的であり、本明細書の他の箇所で説明されるような、定在波信号の励振に起因する振幅の増大を示すことが意図されていることを理解されたい。生成される超音波信号412aは、振幅と位相のいずれかについて縮尺通りに描かれていない。

図3に戻って参照すると、ブロック306において、前に説明されたように、超音波センサユニットは、超音波センサユニットの材料または層によって形成される音響空洞において生成される超音波定在波信号を有し得る。定在波信号は、選択された周波数における超音波送信機への1つまたは複数の電気励振信号パルスの印加、センサ積層体内での超音波信号の生成、および、センサユニットの音響空洞の内部の1つまたは複数の反射された超音波信号との生成された超音波信号の強め合う干渉に起因し得る。

ブロック308において、超音波センサユニットのコンポーネント、または受信機のような超音波センサユニットに結合されるコンピューティングデバイスは、定在波信号と標的の物体との間の相互作用と関連付けられる定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出することができる。定在波信号の特性の変化は、受信機において測定されるような、定在波信号の振幅および/または位相を含み得る。いくつかの実装形態では、定在波信号の振幅は、TFTセンサアレイ中のピクセル回路によって圧電受信機層にわたって生成されるピーク信号電圧を取得し測定することによって検出され得る。いくつかの実装形態では、定在波信号の位相は、励振信号パルスの開始または停止の後の規定された時間における比較的狭いサンプル区間(たとえば、サンプリング期間)に、圧電受信機層にわたって生成される電圧を取得し測定することによって検出され得る。

再び図4Aおよび図4Bを参照すると、いくつかの実装形態では、送信期間および受信(または、検出)期間は、異なる時間間隔の間に、または異なる時間遅延を伴って存在し得る。本明細書で説明される実施形態は、受信機のようなコンポーネントが、励振信号パルスの生成および印加の後に定在波信号をサンプリングすることを可能にする。いくつかの実装形態では、受信機は、励振信号パルスの印加の直後に定在波信号をサンプリングすることができ、印加された信号パルスと検出されたセンサ出力信号との間の電気的干渉を低減させる可能性がある。いくつかの実装形態では、受信機は、たとえば、より高い画像コントラストまたはより高い画像品質を達成するために、励振信号パルスの印加から規定された時間遅れて、定在波信号をサンプリングすることができる。いくつかの実装形態では、受信機は、励振信号パルスの印加の間に定在波信号をサンプリングすることができ、超音波センサユニットがより応答的になることを可能にする。いくつかの実施形態では、本明細書で説明される超音波センサユニットは、生成された超音波信号との弱め合う干渉において生じ得る反射を検出するのではなく、(強め合うように)エネルギーおよび振幅を蓄積している定在波信号の変化を検出することができる。図4Aおよび図4Bに関して、信号は、たとえば、センサアレイのセンサピクセル回路の各々の中のピーク検出器によって、サンプルモードのサンプル区間の間にサンプリングされ得る。保持モードの間、サンプリングされる信号は、センサ画像情報の後続のクロックアウトのために保持され得る。阻止モードの間、ピクセル回路は信号を取得することを防止(阻止)され得る。いくつかの実装形態では、対応するサンプル、保持電圧レベル、または阻止電圧レベルが、これらの様々なモードに入るために受信機バイアス電極(Rx)に印加され得る。いくつかの実装形態では、サンプル区間の時間長はレンジゲート区間と呼ばれることがあり、励振信号パルスの始まりとサンプル区間の開始との間の時間遅延はレンジゲート遅延と呼ばれることがある。サンプル区間の幅およびタイミングを制御することによって、定在波信号の振幅および位相が検出され得る。

図3に戻って参照すると、定在波信号の強め合う干渉により、任意選択で、ブロック310において、超音波センサユニットのコンポーネントまたは超音波センサユニットに結合されるコンピューティングデバイスは、励振信号パルスを生成して送信機に印加し続けることができ、一方、受信機は、定在波信号と関連付けられる変化を受信し検出することができる。いくつかの実装形態は、送信機が定在波信号を送信し増大させ続けることを可能にしながら、受信機は、定在波信号の振幅および/または位相のような定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出する。このことは、超音波センサが、送信機と受信機のオンとオフを切り替えることなく定在波信号の特性の変化を継続的に受信および/または検出することを可能にでき、超音波センサユニットの応答性を向上させる。代替的に、受信機は、超音波定在波の増大が発生し、励振信号パルスの印加が停止した後で、定在波信号をサンプリングすることができる。いくつかの実装形態では、受信機は、励振信号パルスの印加の直後に、またはそれから規定された時間遅延の後で、定在波信号をサンプリングすることができる。

ブロック312において、超音波センサユニットのコンポーネントまたは超音波センサユニットに結合されるコンピューティングデバイスは、超音波受信機のセンサピクセル回路からセンサ出力信号を取得し、定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出したことに基づいて、標的の物体の画像を生成することができる。指のような標的の物体が、センサユニットのセンサ表面に配置され得る。受信機が定在波信号をサンプリングすると、センサユニットは、サンプルを取得し、サンプルをアナログのセンサ画像情報からデジタルのセンサ画像情報へと変換することができる。センサ画像情報はさらに、センサユニットに置かれた指の指紋画像のような、センサによって取得される超音波画像を識別するために、ASICまたはプロセッサ上で処理され得る。いくつかの実装形態では、画像を生成することは、生成された画像を適切な方式で表示することを可能にするために、コントラスト増強、グレースケール調整、サイズ変更、およびフォーマッティングのような、センサ画像情報への追加の操作を引き起こし得る。いくつかの実装形態では、画像を生成することは、最小限の信号処理を伴ってよく、画像を生成することは、ユーザの検証、認証、または識別のようなさらなる処理を可能にするために、検出された変化をピクセルごとにメモリへ配置または記憶することのみを含み得る。

図3に示される具体的なステップは、本開示の様々な態様による、動作のモードを切り替える特定の方法を提供することを理解されたい。代替的な実施形態では、他の順序のステップもしかるべく実行され得る。たとえば、本開示の代替的な実施形態は、異なる順序で、上で概説されたステップを実行することができる。その上、図3に示される個々のステップは、個々のステップに対して様々な順序で適宜実行され得る、複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、具体的な用途に応じて、追加または削除され得る。当業者は、プロセスの多くの変形形態、修正形態、および代替形態を認識し、理解するであろう。

図5は、例示的な超音波センサユニットの断面図を示す。図5に示されるように、一構成の超音波センサユニット502は、超音波送信機(Tx)504と、受信機(Rx)506と、送信機504と受信機506の間に配置されるTFT基板508と、受信機を覆って配設されるプラテンまたはディスプレイ/カバーガラス510とを有し得る。接着取付層および1つまたは複数のコーティング層が含まれ得る(明瞭にするために図示されない)。励振信号パルスを印加して超音波信号を生成するために、送信機504は、送信機を駆動するための電位差を印加するために、圧電送信機層の各側に1つまたは複数の電極を有し得る。同様に、受信機506は、圧電受信機層の一方の側に受信機バイアス(Rxバイアス)電極と、TFT基板508のピクセル回路に結合された複数のピクセル入力電極(ここではRx電極)とを有し得る。ピクセル回路は、超音波センサユニットの音響空洞における定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するように構成され得る。図13は、ピクセル回路の態様をより詳細に説明する。

図5はまた、超音波センサユニット502の音響空洞中の定在波信号と標的の物体との間の相互作用と関連付けられる、超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を示す。信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するステップは、信号の振幅および/または位相の変化を検出するステップを含み得る。図5は超音波指紋センサを示し、標的の物体は指であり得る。図5では、空気によって反射される音響エネルギーと指によって反射される音響エネルギーとの差は、定在波信号の特性に差をもたらし得る。たとえば、図5に示されるような指紋の谷518によって形成される空気の間隙は、定在波信号514の振幅および位相を最小限だけ変化させ得る。一方、センサユニット(たとえば、センサ表面)の露出した部分への指紋の隆起520の接触は、定在波信号のエネルギーを減衰させることがあり、図5に示されるように、定在波信号512の周波数、振幅、および/または位相の変化を引き起こすことがある。

図6Aは、図面においてトーンバースト(TB)または周期とここでは呼ばれる送信機励振信号パルスに基づく、例示的なセンサ出力の周波数応答を示すグラフを示す。図6Aのy軸に示される「TB_on - TB_off」は、x軸として示される様々な励振周波数に応答する、ミリボルト単位で示される定在波信号の強度を示す。センサ出力電圧「TB_on - TB_off」は、トーンバーストの印加を伴う場合のセンサ出力電圧(TB_on)と、トーンバーストの印加を伴わない場合のセンサ出力電圧(TB_off)との差を示す。この減算は、センサアレイ内の非活動出力信号またはバックグラウンド出力信号のあらゆる変動を除去し、または軽減する傾向がある。図6Aはさらに、図6Aの右上の角に表示されている凡例に示される、ある数の周期に対する周波数応答に各々対応する、8個の異なる波形を示す。グラフによれば、超音波センサユニットの周波数応答は11MHz付近で最大である。さらに、図6Aに示されるように、周期の数が増えるにつれて、11MHz付近の応答は、約4周期と6周期の間の印加により大きく増大し、そして、印加される周期の数のさらなる増加(約6〜8周期)とともに平準化する傾向にある。

図6Bは、応答の増大と、印加される周期の数に対する共振振幅の平準化とを示す。図6Aと同様に、y軸は「TB_on - TB_off」を表す。x軸は周期の数を表す。図6Bでは、周期の数が増えるにつれて共振は増大する。共振振幅の変化は、約4周期と6周期の間で明らかであり、その後で共振応答は徐々に平準化する。

図6Cは、図6Aおよび図6Bを参照して示される実装形態について、励振信号パルスの数または周期が増大し得られるデータの飽和に近付くにつれて、指紋画像の画像品質が継続的に向上することを視覚的に示す。言い換えると、入力周期の数が増えるにつれて、信号強度の増大によって示されるように、より多くのエネルギーが共振空洞の内部に蓄積する。この実装形態では、最も効率的な伝達および画像品質は、約6周期および11MHzにおいて見出され得る。指紋画像は、約4周期の後で明らかになり始める。少なくともこの例では、出力信号および画像品質は、約6周期と8周期の間で飽和する傾向にある。定在波信号のエネルギーおよび/または振幅の十分な増大を可能にする、閾値レベルが決定され得る。閾値レベルは、生成された画像の望まれる信号強度または明瞭度に基づき得る。いくつかの実装形態では、閾値レベルは、満足のいくセンサ出力信号レベル、画像品質、または画像コントラストを達成するための、印加される励振周期の閾値の数であり得る。いくつかの実装形態では、閾値レベルは、画像を生成するための、センサ出力信号(たとえば、TB_on - TB_off)の最小のミリボルト数であり得る。

図7Aは、超音波指紋センサのある実装形態の例示的な上面図を示す。図7Aは、超音波受信機(Rx)と超音波送信機(Tx)を接続するリード線を示す。図7Bは、超音波指紋センサアレイの例示的な側面図を示す。示される例示的な実装形態では、センサの厚みは約500umであり、センサのサイズは約1"×1"である。しかしながら、本開示の態様は、例示的な図面に示される厚みまたはサイズによって限定されることはない。たとえば、他の実装形態では、超音波センサは、約50umのピクセルピッチ、1インチに約500個のピクセル、ならびに、15mm×6mmから最大限のディスプレイサイズの、11mm×11mmから1"×1"の、および他のサイズのアクティブなセンサ領域を有するセンサピクセルを伴う、TFTセンサアレイを有し得る。さらに、超音波センサはロープロファイル(約1mm以下)を有し、高い動作周波数(約5〜25MHz)において動作し得る。

図8は、超音波センサユニットの別の例示的な構成の断面図を示す。図8は、底部の超音波送信機(Tx)802と、受信機(Rx)806と、送信機802と受信機806との間のTFT層804と、カバーガラス、カバーレンズ、またはプラテンとして機能し得るカバー層808(すなわち、ガラスまたは樹脂)とを有し得る、超音波センサユニット800を示す。例示を目的に4つの層だけが図8に示されるが、本発明の範囲から逸脱することなく他の層(図11Aを参照して示されるもののような)も実装され得る。保護コーティング(図示されず)は、環境から保護するためにカバー層808の表面に含まれてよく、インピーダンス整合層としても機能し得る。図5を参照して説明されるように、センサ表面への指810のような物体の接触は、定在波信号812の特性を変化させることがあり、指紋の隆起および谷の検出を可能にする。本開示の態様は、様々なカバー材料および様々な厚みのカバー層を伴う超音波センサに対する、最適な画像撮影を可能にする。たとえば、図2に示されるのと同じ超音波センサユニットが、追加のカバー層808および励振周波数の適切な修正とともに、図8ではセンサとして使用されてよく、これは、音響空洞がカバー層808を含み得るからである。いくつかの実装形態では、送信機802からの送信の周波数は、最適な共振周波数を決定し、画像取得の改善のためにその周波数で動作するために、製造時にまたは準備段階において設定または調整され得る。周波数を設定および/または調整することは、超音波センサ上のカバー層および/またはコーティングによって追加されるさらなる厚みを考慮し得る(定在波信号の2.5波長が図8では示されている)。

いくつかの実装形態では、送信機(Tx)802は、それぞれ9um、28um、および9umという例示的な厚みを有する、銀-ウレタン(Ag-Ur)層、PVDF層、およびAg-Urの第2の層を使用して形成され得る。TFT層804は、ガラスまたは樹脂の基板を使用して実装されてよく、厚みが約500umであってよい。受信機(Tx)806は、PVDF上でAg-Urの層を使用して実装されてよく、PVDFおよびAg-Urの層はそれぞれ約28umおよび9umの厚みを有する。指紋センサのプラテンまたはディスプレイのカバーガラスとして機能し得るカバー層808は、127um、254um、または他の適切な厚みのような、種々の異なる厚みであり得る。加えて、超音波センサユニット800は、約10um未満から約50um以上までのどこかの厚みを伴う、引っかきまたは擦過に耐える保護カバーまたはコーティングを有し得る。カバー層808には、カバー層808と指810のような標的の物体との間のインピーダンス整合層として機能する、コーティングが配設されていることがある。音響空洞の全体の厚みは、超音波センサユニットの層の各々の厚みの総合計であり得る。

図9は、TFT基板および受信機の上のカバー層を伴う例示的な超音波センサを示す。図9では、カバー層はボックス902によって強調されている。前に論じられたように、実施形態は、送信機励振周波数を調整することによって、追加のカバー層または表面のコーティングを考慮するように適合され得る。ポリカーボネートは、カバー層として使用され得る単なる1つの例示的な材料として示され言及されている。本発明から逸脱することなく、樹脂、セラミック、サファイア、複合材料、金属および合金、金属充填ポリマー、またはガラスのような他の材料が、カバー層のために使用され得る。

上で説明されたように、本開示の実施形態は、音響空洞の共振周波数を調整することによって、カバー層とコーティングの異なる厚みおよび材料を可能にする。この柔軟性により、デバイスの製造業者は、製造業者により使用される様々なカバー層またはコーティングに基づいて、製造業者のシステムへと組み込まれる超音波センサユニットの周波数を規定することが可能になる。

図10Aおよび図10Bは、2つの異なる厚みのポリカーボネートカバー層に対する様々な数の励振信号パルス(または周期)についての例示的な超音波センサの周波数応答を示すグラフを示す。図10Aでは、超音波センサは、127umの厚みのポリカーボネートカバーとともに実装される。図10Aは、約10MHzというピーク周波数またはその付近において画像取得に最適な周波数を有するグラフと、10MHzにおいて6回の励振周期とともに撮影された指紋画像とを示す。

図10Bは、図10Aとは異なるカバーの厚みを有する。図10Bでは、超音波センサは、254umの厚みのポリカーボネートカバー層とともに実装される。図10Bは、約9MHzというピーク周波数またはその付近において画像取得に最適な周波数を有するグラフと、9MHzにおいて6回の励振周期とともに撮影された指紋画像とを示す。図10Cは、様々な数の励振信号パルスまたは周期に対する、各センサの共振周波数におけるセンサ出力電圧の差を示す。図10A、図10B、および図10Cは、本明細書で説明される技法が、超音波センサユニットを覆う、可変の厚みを伴うカバー層およびコーティングを可能にすることを示す。

図11Aは、音響空洞共振器を伴う例示的な超音波センサユニットのための材料積層の様々な層を表示する展開図を示す。図11Aは、上から下に向かって、カバー層と、受信機層と、TFTセンサアレイと、送信機層とを示す。カバー層は、カバーガラスまたはコーティング(たとえば、ガラス、ポリカーボネート、アクリル、パリレン、またはカバーもしくはコーティングとして機能する任意の他の適切な材料)であり得る。受信機層は、圧電受信機層(たとえば、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)またはポリビニリデンフルオライド-トリフロロエチレンコポリマー(PVDF-TrFE))の上に配設された、受信機バイアス電極(たとえば、銀-ウレタン、ニッケル/銅(Ni/Cu)、またはインジウムスズ酸化物(ITO))を有し得る。TFTセンサアレイは、図13に示される回路と同様に、TFT基板(たとえば、ガラスまたは樹脂)上に形成されるピクセル回路を有し得る。送信機層は、圧電送信機層(たとえば、PVDFまたはPVDF-TrFE)上に配設された送信機電極(たとえば、銀-ウレタンまたはNi/Cu)と、圧電送信機層の反対側に配設された別の送信機電極とを有し得る。様々な接着層および任意選択のコーティング層は、明瞭にするために図11Aの図示からは省略されている。さらに、図11Aに示される層に加えて、本発明の範囲から逸脱することなく他の層も実装され得る。

図11Bは、音響空洞共振器を伴う例示的な超音波センサユニットの組立図を示す。図11Bは、カバー層、受信機層、TFTセンサアレイ、および送信機層の組立図を示す。他の構成(図示されず)では、音響空洞共振器は、関連する電極およびTFT基板とカバー層の間の接着剤とともに、送信機層と受信機層の両方を積層することによって形成され得る。送信機は、シングルエンドまたはダブルエンドの駆動方式と、送信機電極の1つまたは複数を接地することによる自己遮蔽とを可能にするために、1つまたは複数の圧電層および電極を含み得る。他の構成(図示されず)では、音響空洞は、積層体の一方の側では半固定的な境界条件としてTFT基板を使用し、自由な境界条件として機能する他方の側では空気を使用して、関連する電極、接着層、およびTFT基板の頂部へのコーティングとともに積層された送信機層と受信機層を置くことによって、形成され得る。他の構成(図示されず)では、単一層の送信機および受信機は、音響共振空洞を形成するために、TFT基板とカバー層との間に置かれ得る。他の構成(図示されず)では、単一層の送信機および受信機は、音響共振空洞を形成するために、TFT基板と空気との間に置かれ得る。

少なくとも一実施形態では、音響空洞のいくつかの重要なパラメータは、音響空洞を形成する様々な層の厚みおよびその中での音の速さを含み得る。また、音の速さは、組み込まれている材料の質量密度および弾性係数に一部依存する。音響空洞の厚みは、TFT基板、圧電層、電極、および接着剤(たとえば、エポキシまたは圧力感知接着剤(PSA))、ならびに任意のカバー層、バッキング層、またはコーティングの厚みに依存することがあり、または少なくとも相関することがある。音響空洞の実効密度は、基板材料、圧電材料、電極および接着剤の材料、ならびに任意のカバーまたはコーティングの材料の密度に依存することがあり、または少なくとも相関することがある。同様に、音響空洞中での音の実効速度は、基板、圧電材料、電極材料、接着剤、および任意のカバーまたはコーティングの材料の選択に依存し得る。

図12A、図12B、図12C、および図12Dは、モバイルデバイスのディスプレイまたはカバーガラスとともに例示的な超音波センサユニットの様々な例示的な構成および配置を示す。いくつか実装形態では、センサは、図14に示されるモバイルデバイスのようなモバイルデバイスの筐体のベゼルに、側面に、または背面に配置され得る。いくつかの例では、超音波センサユニットの配置は、音響空洞の実効的な厚み、密度、および音の速さのような特性を決定し得る。図12Aでは、超音波センサユニットは筐体の周縁部に示されており、センサの頂部にディスプレイのカバーガラスがある。図12Bでは、超音波センサユニットは、ディスプレイのカバーガラス、ディスプレイのカラーフィルタガラス、およびディスプレイのTFT基板の下部に示されている。図12Cでは、超音波センサユニットはTFT基板に組み込まれ、画面全体または画面の大部分が超音波感知能力を有することを可能にする。図12Dでは、超音波センサユニットは、表示領域の外側のスタンドアロンのセンサとして、または(機械的なまたは非機械的な)ボタンの一部として配置され得る。そのような場合、ボタンの囲いが、音響空洞の特性をさらに決定し得る。いくつかの実施形態では、超音波指紋センサでは、センサの感度およびピクセルの密度(たとえば、分解能)は、センサが認証目的で使用されるか非認証目的で使用されるかに基づいて選択され得る。モバイルデバイスのロック解除または指紋センサを使用したアカウントへのアクセスのような認証目的では、指の隆起と谷を明確に区別するより高い分解能を必要とし得る。超音波センサユニットの非認証使用法には、単なるボタンの押圧または表面への指の接触の検出があってよく、より低い分解能の画像の取得を許容し得る。いくつかの実装形態では、指紋センサは、モバイルデバイスの筐体の金属または樹脂のカバーに対向して置かれ、それに結合されてよい。

図13は、超音波センサユニットの例示的な表現のためのブロック図を示す。超音波センサユニットの例は、超音波指紋センサである。超音波センサユニットは、超音波送信機1304と超音波ピクセル回路アレイ1302に結合された受信機とを有する、TFT基板を有し得る。超音波ピクセル回路アレイ1302および受信機として動作する重畳する圧電受信機層は、TFT基板上に配設され得る。さらに、図13は、アナログデジタルコンバータ(ADC)1306を使用してアナログからデジタルへセンサ出力信号を変換し、1つまたは複数のマルチプレクサ1308および関連するゲートドライバを使用して適切なピクセル出力信号(たとえば、行または列)を選択するためのコンポーネントと、センサ情報を処理するための制御ユニット1310および/またはデータプロセッサ1312とを示す。図13はまた、超音波センサユニットのRx層およびTx層にバイアスを与えて励振するためのドライバを示す。いくつかの実装形態では、制御ユニット1310および/またはデータプロセッサ1312は、図14において説明されるプロセッサ1410を使用することができる。いくつかの実装形態では、制御ユニット1310およびデータプロセッサ1312は、情報を処理するために、特定用途向け集積回路(ASIC)またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を使用することができる。いくつかの実装形態では、制御ユニット1310および/またはデータプロセッサ1312は、ピクセル回路からセンサ出力信号を取得し、超音波センサピクセル回路アレイ1302から得られた情報から画像を形成または生成するために使用され得る。ガラスまたは樹脂のTFT基板上に形成される薄膜トランジスタが上で説明されているが、代替形態では、限定されることなく、その上または中にトランジスタが形成されているシリコン基板が、本開示全体のTFT基板を置き換え得る。

図14は、本発明の実施形態を実施する際に利用されるデバイスの部品を組み込んだ例示的なコンピュータデバイスを示す。図14に示されるコンピューティングデバイスは、本明細書では、任意のコンピュータ化されたシステムの一部として組み込まれ得る。たとえば、コンピューティングデバイス1400は、モバイルデバイスまたはコンピューティングデバイスのコンポーネントのいくつかを表し得る。コンピューティングデバイス1400の例には、限定はされないが、デスクトップ、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、スーパーコンピュータ、ビデオゲーム機、タブレット、スマートフォン、ラップトップ、ネットブック、ウェアラブルヘルスモニタ、または他のポータブルデバイスがある。図14は、本明細書で説明される様々な他の実施形態によって提供される方法を実行することができ、かつ/または、ホストコンピューティングデバイス、リモートキオスク/端末、販売時点管理(point-of-sale)デバイス、モバイル多機能デバイス、セットトップボックスおよび/もしくはコンピューティングデバイスとして機能することができる、コンピューティングデバイス1400の一実施形態の概略図を提供する。図14は、様々なコンポーネントの一般化された図を提供することのみが意図されており、必要に応じて、そのいずれか、またはすべてが利用され得る。したがって、図14は、個々のシステム要素がどのように、比較的別々に実装され得るか、または比較的統合して実装され得るかを広く示している。

バス1405を介して電気的に結合され得る(または適宜別様に通信し得る)ハードウェア要素を備える、コンピューティングデバイス1400が示されている。ハードウェア要素は、限定されることなく、1つもしくは複数の汎用プロセッサ、ならびに/または(デジタル信号処理チップ、グラフィックス加速プロセッサなどのような)1つもしくは複数の専用プロセッサを含む、1つまたは複数のプロセッサ1410と、限定されることなく、カメラ、センサ1450、マウス、キーボードなどを含み得る1つまたは複数の入力デバイス1415と、限定されることなく、ディスプレイユニット、プリンタなどを含み得る1つまたは複数の出力デバイス1420とを含み得る。センサ1450は、本明細書で説明されるような超音波センサおよび/または他の撮像センサを含み得る。具体的には、いくつかのデバイスは超音波指紋センサを含み得る。いくつかの例では、超音波センサのための処理は、1つまたは複数のプロセッサ1410によって実行され得る。別の実施形態では、ASIC、FPGA、または任意の他の適切な手段として実装される制御論理は、超音波センサユニットのための処理を実行するための超音波センサユニットに結合され得る。いくつかの実装形態では、コンピューティングデバイス1400はモバイルデバイスであり、センサ1450はモバイルデバイスに結合される超音波センサユニットを含む。

コンピューティングデバイス1400はさらに、1つまたは複数の非一時的記憶デバイス1425を含んでよく(ならびに/またはそれと通信してよく)、非一時的記憶デバイス1425は、限定はされないが、ローカル記憶装置および/もしくはネットワークアクセス可能な記憶装置を備えてよく、ならびに/または、限定はされないが、プログラム可能、フラッシュ更新可能などであり得る、ディスクドライブ、ドライブアレイ、光記憶デバイス、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)および/もしくは読取り専用メモリ(「ROM」)のようなソリッドステート記憶デバイスを含み得る。そのような記憶デバイスは、限定はされないが、様々なファイルシステム、データベース構造などを含む、任意の適切なデータ記憶装置を実装するように構成され得る。

コンピューティングデバイス1400はまた、通信サブシステム1430を含み得る。通信サブシステム1430は、データを受信し送信するための送受信機、または、有線媒体および/もしくはワイヤレス媒体を含み得る。通信サブシステム1430はまた、限定されることなく、モデム、ネットワークカード(ワイヤレスもしくは有線)、赤外線通信デバイス、ワイヤレス通信デバイス、および/またはチップセット(Bluetooth(登録商標)デバイス、802.11デバイス、WiFiデバイス、WiMaxデバイス、セルラー通信設備などのような)などを含み得る。通信サブシステム1430は、ネットワーク(一例を挙げると、以下で説明されるネットワークのような)、他のコンピューティングデバイス、および/または本明細書で説明される任意の他のデバイスとデータを交換することを可能にし得る。多くの実施形態では、コンピューティングデバイス1400はさらに、上で説明されたようにRAMまたはROMデバイスを含み得る非一時的作業メモリ1435を備える。

コンピューティングデバイス1400は、本明細書で説明されるように、オペレーティングシステム1440、デバイスドライバ、実行可能ライブラリ、および/または1つもしくは複数のアプリケーションプログラム1445のような他のコードを含む、作業メモリ1435内に現在配置されているものとして図示されている、ソフトウェア要素も備えてよく、1つまたは複数のアプリケーションプログラム1445は、様々な実施形態によって実現されるコンピュータプログラムを備えてよく、および/または、他の実施形態によって実現される方法を実施し、かつ/もしくはシステムを構成するように設計されてよい。単なる例として、上で論じられた方法に関連して説明される1つまたは複数の手順は、コンピュータ(および/またはコンピュータ内のプロセッサ)によって実行可能なコードおよび/または命令として実装されてよく、ある態様では、その後、そのようなコードおよび/または命令は、説明された方法に従って1つまたは複数の動作を実行するために、汎用コンピュータ(または他のデバイス)を構成および/または適合するために使用され得る。

これらの命令および/またはコードのセットは、上で説明された記憶デバイス1425のようなコンピュータ可読記憶媒体に記憶され得る。場合によっては、記憶媒体は、コンピューティングデバイス1400のようなコンピューティングデバイス内に組み込まれ得る。他の実施形態では、記憶媒体に記憶されている命令/コードによって汎用コンピュータをプログラムし、構成し、かつ/もしくは適合するために記憶媒体が使用され得るように、記憶媒体は、コンピューティングデバイスから分離され(たとえば、コンパクトディスクのような取外し可能な媒体)、ならびに/または、インストールパッケージにおいて提供されてよい。これらの命令は、コンピューティングデバイス1400によって実行可能である、実行可能コードの形態をとってよく、ならびに/または、(たとえば、様々な一般的に利用可能なコンパイラ、インストールプログラム、圧縮/展開ユーティリティなどのいずれかを使用した)コンピューティングデバイス1400上でのコンパイルおよび/もしくはインストールの後に実行可能コードの形態をとる、ソースコードおよび/もしくはインストール可能コードの形態をとってよい。

特定の要件に従って大幅な変形が行われ得る。たとえば、カスタマイズされたハードウェアも使用されてよく、かつ/または、特定の要素が、ハードウェア、ソフトウェア(アプレットなどのようなポータブルソフトウェアを含む)、またはその両方で実装されてよい。さらに、ネットワーク入力/出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイス1400への接続が利用されてよい。

いくつかの実施形態は、本開示による方法を実行するために、コンピューティングデバイス(コンピューティングデバイス1400のような)を利用することができる。たとえば、説明される方法の手順のいくつかまたはすべてが、作業メモリ1435に含まれる(オペレーティングシステム1440および/またはアプリケーションプログラム1445のような他のコードに組み込まれ得る)1つまたは複数の命令の1つまたは複数のシーケンスをプロセッサ1410が実行することに応答して、コンピューティングシステム1400によって実行され得る。そのような命令は、記憶デバイス1425のうちの1つまたは複数のような、別のコンピュータ可読媒体から作業メモリ1435に読み込まれ得る。単なる一例として、作業メモリ1435に含まれる命令のシーケンスの実行は、プロセッサ1410に、本明細書で説明される方法の1つまたは複数の手順を実行させ得る。

本明細書において使用されるときに、「機械可読媒体」および「コンピュータ可読媒体」という用語は、機械を特定の方式で動作させるデータを与えることに関与する任意の媒体を指す。コンピューティングデバイス1400を使用して実装されるある実施形態では、様々なコンピュータ可読媒体が、実行のためにプロセッサ1410に命令/コードを与えることに関与することがあり、ならびに/または、そのような命令/コード(たとえば、信号)を記憶および/もしくは搬送するために使用されることがある。多くの実装形態では、コンピュータ可読媒体は物理的な記憶媒体および/または有形の記憶媒体である。そのような媒体は、限定はされないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含む、多くの形態をとり得る。不揮発性媒体には、たとえば、記憶デバイス1425などの光ディスクおよび/または磁気ディスクがある。揮発性媒体には、限定はされないが、作業メモリ1435などのダイナミックメモリがある。伝送媒体は、限定はされないが、バス1405、ならびに通信サブシステム1430の様々なコンポーネント(および/または通信サブシステム1430がそれによって他のデバイスとの通信を提供する媒体)を備える線を含む、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバを含む。したがって、伝送媒体はまた、波(限定はされないが、無線波データ通信および赤外線データ通信の間に生成されるものなどの無線波、音波、および/または光波を含む)の形をとり得る。代替的な実施形態では、カメラなどのイベント駆動型コンポーネントおよびデバイスが使用されてよく、その場合、処理の一部がアナログ領域において実行されてよい。

物理的な、かつ/または有形のコンピュータ可読媒体の一般的な形態は、たとえば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、または任意の他の磁気媒体、CD-ROM、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンを有する任意の他の物理媒体、RAM、PROM、EPROM、フラッシュEPROM、任意の他のメモリチップまたはカートリッジ、以下で説明されるような搬送波、または、コンピュータがそこからの命令および/もしくはコードを読み取ることのできる任意の他の媒体を含む。

様々な形のコンピュータ可読媒体が、実行のためにプロセッサ1410に1つまたは複数の命令の1つまたは複数のシーケンスを搬送する際に関与し得る。単なる例として、命令は、最初に、リモートコンピュータの磁気ディスクおよび/または光ディスク上で搬送され得る。リモートコンピュータは、命令をそのダイナミックメモリにロードし、コンピューティングデバイス1400によって受信および/または実行される伝送媒体上の信号として、命令を送信することができる。電磁信号、音響信号、光信号などの形をとり得るこれらの信号はすべて、本発明の様々な実施形態による、命令が符号化され得る搬送波の例である。

通信サブシステム1430(および/またはそのコンポーネント)は、一般に信号を受信し、次いで、バス1405は、信号(および/または、信号によって搬送されるデータ、命令など)を作業メモリ1435に搬送することができ、プロセッサ1410は、作業メモリ1435から命令を取り出し、実行する。作業メモリ1435によって受信された命令は、任意選択で、プロセッサ1410による実行の前または後のいずれかに、非一時的記憶デバイス1425に記憶され得る。

上で論じられた方法、システム、およびデバイスは、例である。様々な実施形態は、適宜、様々な手順またはコンポーネントを省略し、置換し、または追加することができる。たとえば、代替構成では、説明される方法は、説明される順序とは異なる順序で実行されてよく、ならびに/または、様々な段階が追加され、省略され、および/もしくは組み合わされてよい。さらに、いくつかの実施形態に関して説明された特徴は、様々な他の実施形態では組み合わされてよい。実施形態の異なる態様および要素は、同様の方式で組み合わされてよい。また、技術は発展するものであり、したがって、要素の多くは、本開示の範囲をそれらの特定の例に限定しない例である。

実施形態の十分な理解をもたらすために、説明において具体的な詳細が与えられている。しかしながら、実施形態は、これらの具体的な詳細を伴わずに実践され得る。たとえば、実施形態を不明瞭することを避けるために、周知の回路、プロセス、アルゴリズム、構造、および技法は、不要な詳細を伴わずに示されている。この説明は例示的な実施形態を与えるだけであり、本発明の範囲、適用性、または構成を限定するものではない。むしろ、実施形態の上述の説明は、本発明の実施形態を実装することを可能にする説明を当業者に与える。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、要素の機能および構成に様々な変更が行われ得る。

また、いくつかの実施形態は、フロー図またはブロック図として図示されているプロセスとして説明される。各々が、順次プロセスとして動作を説明することがあるが、動作の多くは、並行にまたは同時に実行され得る。加えて、動作の順序は、並べ替えられ得る。プロセスは、図に含まれていない追加のステップを有し得る。さらに、本方法の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組合せによって実装され得る。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードで実装されるとき、関連するタスクを実行するプログラムコードまたはコードセグメントは、記憶媒体などのコンピュータ可読媒体に記憶され得る。プロセッサは関連するタスクを実行し得る。

いくつかの実施形態を説明してきたが、様々な変更、代替構造、および均等物が本開示の趣旨から逸脱することなく使用され得る。たとえば、上記の要素は、単により大きいシステムのコンポーネントであってよく、他の規則が本発明の適用例よりも優先されることがあり、または別様に本発明の適用例を修正することがある。また、上記の要素が考慮される前、考慮される間、または考慮された後に、いくつかのステップが実施されてよい。したがって、上記の説明は本開示の範囲を限定しない。

200 超音波センサ
204 超音波送信機
206 超音波受信機
208 指
210 薄膜トランジスタ層
212 定在波信号
300 流れ図
412a 超音波信号
412b 超音波信号
502 超音波センサユニット
504 送信機
506 受信機
508 TFT基板
510 ディスプレイ/カバーガラス
512 定在波信号
514 定在波信号
516 指
518 指紋の谷
520 指紋の隆起
800 超音波センサユニット
802 超音波送信機
804 TFT層
806 超音波受信機
808 カバー層
810 指
812 定在波信号
902 ボックス
1302 超音波センサピクセル回路アレイ
1304 超音波送信機
1306 アナログデジタルコンバータ
1308 マルチプレクサ
1310 制御ユニット
1312 データプロセッサ
1400 コンピューティングデバイス
1410 プロセッサ
1415 入力デバイス
1420 出力デバイス
1425 記憶デバイス
1430 通信サブシステム
1435 作業メモリ
1440 オペレーティングシステム
1445 アプリケーションプログラム
1450 センサ

Claims

標的の物体の画像を生成するための方法であって、
複数の励振信号パルスを超音波センサユニットの超音波送信機に印加するステップであって、前記複数の励振信号パルスの周波数が前記超音波センサユニットの内部で超音波定在波信号を生成するために選択される、ステップと、
前記複数の励振信号パルスがある基準時間長印加されるかどうかを判定するステップであって、前記基準時間長は前記超音波定在波信号のエネルギーの第1の閾値レベルを超える増大を可能にするのに十分であるように選択され、前記時間長が前記励振信号パルスの数に基づく、ステップと、
前記複数の励起信号パルスが前記基準時間長だけ印加されている場合、
前記超音波センサユニットの超音波受信機を使用して、前記超音波定在波信号と前記標的の物体との間の相互作用と関連付けられる前記超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するステップと、
前記超音波定在波信号の前記1つまたは複数の特性の前記検出された変化に基づいて、前記標的の物体の前記画像を生成するステップとを備える、
方法。
前記超音波定在波信号が、前記選択された周波数における、前記超音波センサユニットの音響空洞の内部の1つまたは複数の反射された超音波信号との、生成された超音波信号の強め合う干渉に起因する、請求項1に記載の方法。
前記1つまたは複数の反射された超音波信号が、前記超音波センサユニットの1つまたは複数の境界からの前記超音波信号の反射により生成される、請求項2に記載の方法。
前記超音波定在波信号の前記1つまたは複数の特性の前記変化を検出する間に、前記励振信号パルスを前記超音波センサユニットの前記超音波送信機に印加することを継続するステップをさらに含む、請求項1乃至3の何れか1項に記載の方法。
前記超音波定在波信号の前記1つまたは複数の特性の前記変化を検出するステップが、前記励振信号パルスが前記超音波センサユニットの前記超音波送信機に印加された後の変化を検出するステップを含む、請求項1乃至4の何れか1項に記載の方法。
前記時間長が基準期間の経過に基づく、請求項1乃至5の何れか1項に記載の方法。
前記励振信号パルスの前記数が、4個以上のパルス、5個以上のパルス、または6個以上のパルスである、請求項1乃至6の何れか1項に記載の方法。
前記超音波定在波信号の前記1つまたは複数の特性の前記変化を検出するステップが、前記超音波定在波信号の振幅の変化を検出するステップ、または、前記超音波定在波信号の位相の変化を検出するステップを含む、請求項1乃至7の何れか1項に記載の方法。
複数の励振信号パルスを超音波センサユニットの超音波送信機に印加するための手段であって、前記励振信号パルスの周波数が前記超音波センサユニットの内部で超音波定在波信号を生成するために選択される、手段と、
前記複数の励振信号パルスがある基準時間長印加されるかどうかを判定するための手段であって、前記基準時間長は前記超音波定在波信号のエネルギーの第1の閾値レベルを超える増大を可能にするのに十分であるように選択され、前記時間長が前記励振信号パルスの数に基づく、手段と、
前記複数の励起信号パルスが前記基準時間長だけ印加されている場合、前記超音波定在波信号と標的の物体との間の相互作用と関連付けられる前記超音波定在波信号の1つまたは複数の特性の変化を検出するための手段と、
前記超音波定在波信号の前記1つまたは複数の特性の前記検出された変化に基づいて、前記標的の物体の画像を生成するための手段と、
を備える、超音波センサシステム。
前記検出するための手段は超音波受信機を備え、前記生成するための手段は制御ユニットを備え、前記超音波センサシステムはさらに、複数の励起信号パルスを受信するように構成された超音波送信機を備え、少なくとも前記超音波送信機、前記超音波受信機、および薄膜トランジスタＴＦＴ基板が前記超音波センサユニット内部の音響空洞を形成する、請求項9に記載の超音波センサシステム。
前記TFT基板が前記送信機と前記受信機の間に配置される、請求項10に記載の超音波センサシステム。
前記超音波センサユニットが、前記超音波受信機を覆って配置されるカバー層を含む、請求項9乃至11の何れか1項に記載の超音波センサシステム。
前記励振信号パルスの前記選択される周波数が、音響空洞の厚み、前記音響空洞の密度、前記音響空洞中での音の速さ、またはこれらの任意の組合せに基づく、請求項9乃至12の何れか1項に記載の超音波センサシステム。
プロセッサによって実行可能な命令を備えるコンピュータ可読記憶媒体であって、前記命令が、請求項1乃至8の何れか1項に記載の方法を実装するための命令を含む、コンピュータ可読記憶媒体。