用于超声成像装置的具有电容消除的像素接收器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年9月1日在美国专利商标局提交的非临时申请no.14/842,826的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

本公开的各方面总体上涉及超声成像装置，并且更具体地涉及用于在超声成像装置中使用的具有电容消除的像素接收器。

背景技术：

超声成像装置可以用于获取诸如指纹等某些物品的电子或数字图像。超声成像装置通常包括具有发射压电层(例如，诸如聚偏二氟乙烯(pvdf)层)的超声波发射器、接收压电层(例如，pvdf层)和包括二维像素传感器阵列的像素接收器。通常，超声波发射器位于像素接收器下方，并且像素接收器位于接收压电层下方。诸如用户的指纹等待成像物品位于接收压电层上方。

在操作中，超声波发射器的发射压电层被激发，以生成向上穿过像素接收器和接收压电层的超声波(例如，10mhz超声波)，直到该超声波遇到待成像物品，诸如用户的指纹。超声波反射离开指纹并且朝向像素接收器向下传播。接收压电层将反射波转换成像素接收器的像素传感器的相应输入处的电压。在像素传感器的输入处生成的电压取决于对应的波是遇到用户指纹的谷部还是脊部。

像素传感器处理相应的高频电压以生成dc输出像素电压。模数转换器被提供用于对dc输出像素电压进行数字化。数字化的信号然后可以由图像处理器处理以执行各种操作，诸如指纹识别、指纹数据库存储等。

过去，像素接收器已经使用薄膜晶体管(tft)技术来实现。然而，与使用诸如互补金属氧化物半导体(cmos)技术等其他技术实现的电路相比，使用tft技术实现的电路通常具有更低的电压转换效率和更多的噪声。

技术实现要素：

下文给出了一个或多个实施例的简化概述，以便提供对这样的实施例的基本理解。发明内容部分并非所有预期实施例的广泛综述，并且即无意标识所有实施例的关键或基本元素，也无意界定任何或所有实施例的范围。其唯一目的是以简化的形式给出一个或多个实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

本公开的一方面涉及一种装置，该装置包括耦合到压电层的第一金属化层，其中第一电压响应于超声波反射离开待成像物品并且传播穿过压电层而在第一金属化层处形成，并且其中第一金属化层位于衬底上方；位于第一金属化层与衬底之间的第二金属化层；以及被配置为向第二金属化层施加第二电压以减小第一金属化层与衬底之间的寄生电容的器件。

本公开的另一方面涉及一种方法，该方法包括：响应于超声波反射离开待成像物品并且传播穿过压电层，在第一金属化层处生成第一电压，其中第一金属化层位于衬底上方；以及向第二金属化层施加第二电压以减小第一金属化层与衬底之间的寄生电容，其中第二金属化层位于第一金属化层与衬底之间。

本公开的另一方面涉及一种装置，该装置包括用于响应于超声波反射离开待成像物品并且传播穿过压电层而在第一金属化层处生成第一电压的部件，其中第一金属化层位于衬底上方；以及用于向第二金属化层施加第二电压以减小第一金属化层与衬底之间的寄生电容的部件，其中第二金属化层位于第一金属化层与衬底之间。

为了实现上述和相关目的，一个或多个实施例包括在下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了一个或多个实施例的某些说明性方面。然而，这些方面指示可以采用各种实施例的原理的各种方式中的一些方式，并且描述实施例意在包括所有这样的方面及其等同物。

附图说明

图1示出了根据本公开的一个方面的示例性超声成像装置的侧视横截面图。

图2示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的示例性cmos接收器的俯视图。

图3示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的示例性cmos接收器的示意图。

图4a示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的示例性像素传感器的示意图。

图4b示出了根据本公开的另一方面的与图4a的像素传感器的示例性操作相关联的时序图。

图4c示出了根据本公开的另一方面的与图4a的像素传感器的另一示例性操作相关联的时序图。

图4d示出了根据本公开的另一方面的与图4a的像素传感器的又一示例性操作相关联的时序图。

图4e示出了根据本公开的另一方面的与图4a的像素传感器的再一示例性操作相关联的时序图。

图4f示出了根据本公开的另一方面的图4a的像素传感器的一部分的侧视横截面图。

图4g示出了根据本公开的另一方面的图4a的像素传感器的俯视图。

图5a示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的另一示例性像素传感器的示意图。

图5b示出了根据本公开的另一方面的图5a的示例性像素传感器的一部分的侧视横截面图。

图5c示出了根据本公开的另一方面的图5a的示例性像素传感器的俯视图。

图6a示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的另一示例性像素传感器的示意图。

图6b示出了根据本公开的另一方面的图6a的示例性像素传感器的一部分的侧视横截面图。

图6c示出了根据本公开的另一方面的与图6a的像素传感器的示例性操作相关联的时序图。

图6d示出了根据本公开的另一方面的与图6a的像素传感器的另一示例性操作相关联的时序图。

图6e示出了根据本公开的另一方面的与图6a的像素传感器的又一示例性操作相关联的时序图。

图6f示出了根据本公开的另一方面的与图6a的像素传感器的再一示例性操作相关联的时序图。

图7示出了根据本公开的另一方面的减小像素传感器的寄生电容的示例性方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述意在作为对各种配置的描述，而无意表示可以实践本文中描述的概念的唯一配置。具体实施方式部分包括具体细节以用于提供对各种概念的透彻理解的目的。然而，对于本领域技术人员清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，为了避免混淆这样的概念，以框图形式示出了众所周知的结构和部件。

图1示出了根据本公开的一方面的示例性超声成像装置100的侧视横截面图。超声成像装置100包括超声波发射器110，超声波发射器110被配置为生成超声波(例如，10mhz超声波)。如本文中进一步讨论的，超声波发射器110被配置为生成超声波，以使得该超声波向上传播穿过各个层。

更具体地，超声波发射器110可以包括发射压电层112、耦合到发射压电层112的一对电极114和116、以及激励源118。压电层112可以包括聚偏二氟乙烯(pvdf)层或其他类型的压电层。激励源118被配置为生成用于发射压电层112的激发电压，使得该层以期望的频率(例如，10mhz)发射超声波。

超声成像装置100还包括位于超声波发射器110上方的像素接收器120。间隔件(未示出)、诸如玻璃间隔件等可以夹在超声波发射器110与像素接收器120之间。如本文中进一步讨论的，像素接收器120包括二维像素传感器阵列，该二维像素传感器阵列被配置为接收和处理与诸如用户的指纹等待成像物品相关联的各个电压。像素接收器120包括多个输入金属化焊盘122，这些多个输入金属化焊盘122被布置成二维阵列以用于接收与待成像物品相关联的输入像素电压。

超声成像装置100还包括设置在像素接收器120上和/或定位在像素接收器120上方的接收压电层130。接收压电层130将被反射离开待成像物品(例如，用户的指纹)的超声波转换成像素接收器120的像素传感器的输入像素电压。类似地，接收压电层130可以包括聚偏二氟乙烯(pvdf)层或其他类型的压电层。如本文中进一步讨论的，可以在接收压电层130的顶上设置电极132(例如，金属化层)，以提供感测窗口操作。

超声成像装置100还包括设置在电极132上方的台板140。台板140用作超声成像装置100的位于台板下方的部件的保护涂层。另外，台板140用于提供可以在其放置诸如用户的指纹150等待成像物品的表面，如图1所示。

在操作中，超声波发射器110被操作以生成通过像素接收器120、接收压电层130和台板140朝向用户的手指150向上传播的超声波(例如，10mhz超声波)的脉冲串。到用户的手指150上的入射超声波产生反射超声波，反射超声波向下传播穿过接收压电层130。压电层130将反射波转换成接收器120的像素传感器的相应输入处的电压。每个电压的幅度取决于相应的反射超声波部分是遇到指纹的脊部还是谷部。像素传感器处理输入像素电压以生成输出像素电压，以用于与期望的成像应用有关的进一步数字化和处理。

图2示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的示例性cmos接收器200的俯视图。cmos接收器200可以是先前讨论的超声成像装置100的像素接收器120的示例性详细实现。

cmos接收器200包括cmos集成电路(ic)220，cmosic220包括像素传感器阵列。cmosic220的顶部部分包括布置成二维阵列的多个输入金属化焊盘222。尽管在图2中未示出，但是cmos接收器200可以包括设置在输入金属化焊盘222的阵列上方的电介质钝化层。可以使用例如粘合材料来将接收压电层130附接到cmosic220的顶表面。金属化焊盘222用作cmos接收器200的像素传感器的相应输入，在这些相应输入处，与相应的反射的超声波有关的输入像素电压被形成。

图3示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的示例性cmos接收器300的示意图。cmos接收器300可以是先前论述的接收器120和cmos接收器200中的任一者或两者的示例性详细实现。

特别地，cmos接收器300包括像素传感器310-11至310-mn的二维阵列。在这个示例中，像素传感器阵列的尺寸是m×n。也就是说，像素传感器阵列具有m行像素传感器和n列像素传感器。像素传感器310-11至310-1n位于阵列的第一行；像素传感器310-21至310-2n位于阵列的第二行；像素传感器310-31至310-3n位于阵列的第三行；像素传感器310-m1至310-mn位于阵列的第m行。类似地，像素传感器310-11至310-m1位于阵列的第一列；像素传感器310-12至310-m2位于阵列的第二列；像素传感器310-13至310-m3位于阵列的第三列；像素传感器310-1n至310-mn位于阵列的第n列。如图所示，所有像素传感器310-11至310-mn耦合到压电(pz)层以从其接收相应的输入像素电压。

cmos接收器300还包括行选择器320、列读出复用器330、模数转换器(adc)340、图像处理器350和控制器360。行选择器320在控制器360的控制下激活一行像素传感器，以用于生成相应的输出像素电压的目的。在这方面，行选择器320分别为行310-11/310-1n至310-1m1/310-mn生成三个信号cs1/db1/ss1至csm/dbm/ssm。

如本文中更详细地讨论的，cs1至csm信号从对应像素传感器中的场效应晶体管(fet)的栅极清除可能从先前激活或读取周期起就存在的电荷。db1至dbm信号用于使能对应像素传感器中的峰值检测器，以生成与从压电层接收到的峰值能量或电压有关的电压。ss1至ssm信号使得由对应像素传感器生成的输出像素电压被施加到对应的列读出线cr1至crn。而且，与特定实施例有关，ss1至ssm信号用于实现寄生电容消除，以便增加对应像素传感器中的灵敏度。

在控制器360的控制下，列读出复用器330从激活的行中的像素传感器读出输出像素电压。复用器330可以以串行方式向adc340输出这些输出像素电压。应当理解，复用器330可以被配置为分别并行地向多个adc输出这些输出像素电压的至少一部分。adc340对输出像素电压进行数字化，并且将它们提供给图像处理器350。图像处理器350可以基于接收到的数字化的像素电压来执行任何数目的操作。例如，图像处理器350可以基于先前存储的经认证的指纹图像来执行指纹识别。

此外，如图所示，控制器360可以生成rbias控制电压，以用于控制向位于接收压电层的顶表面上的电极(诸如电极132)施加的电压rbias。如本文中更详细地讨论的，rbias电压可以用于使能激活的像素传感器的峰值检测器，以检测从压电层接收的能量或电压的一个或多个峰值。

图4a示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的示例性像素传感器400的示意图。像素传感器400可以是先前讨论的像素传感器310-11至310-mn中的任何一个的示例性详细实现。如图所示，像素传感器400耦合到接收压电层440、对应的电极442和台板446，在该台板446上可放置诸如指纹等待成像物品。电极442被配置为接收rbias电压，该rbias电压由rbias电压源448基于由例如先前讨论的控制器360生成的rbias控制信号而生成。

特别地，像素传感器400包括峰值检测器420，该峰值检测器420包括晶体管n3和二极管d1。晶体管n3可以被配置为场效应晶体管(fet)，诸如n沟道金属氧化物半导体fet(mosfet)(下文中称为“nmos”)。nmosn3包括耦合到像素传感器400的输入金属化焊盘410的漏极、被配置为接收二极管偏置电压的源极和被配置为接收清除信号的栅极。二极管d1包括被配置为接收二极管偏置电压的阳极和也耦合到输入金属化焊盘410的阴极。

像素传感器400还包括源极跟随放大器，该源极跟随放大器包括晶体管n1。晶体管n1也可以被配置为fet、诸如nmos，其包括耦合到干线电压(例如，vdd)的漏极和耦合到像素传感器400的输入金属化焊盘410的栅极。像素传感器400还包括读出晶体管n2，读出晶体管n2也可以被配置为fet、诸如nmos，读出晶体管n2包括耦合到nmosn1的源极的漏极和被配置为接收选择信号的栅极。像素传感器400还包括耦合在nmosn2的源极与另一干线电压(例如，接地)之间的电流源i。

清除信号、二极管偏置和选择信号是先前讨论的一组cs1/db1/ss1至csm/dbm/ssm信号的示例。此外，像素传感器400的输入金属化焊盘410是先前讨论的输入金属化焊盘122和222之一的示例。以下参考几个示例性时序图来讨论像素传感器400的操作。

图4b示出了根据本公开的另一方面的与像素传感器400的示例性操作相关联的时序图。时序图的横轴或x轴表示时间，纵轴表示清除信号、超声波脉冲串、二极管偏置、选择信号和rbias的幅度。在示例性时序图中，为了说明的目的示出了两个连续的读取周期1和2。应当理解，读出周期不必是连续的，并且可以在用户请求的任何时候执行。

根据时序图，在时间t1，清除信号首先被置于有效状态(例如，相对较高的电压电平(例如，vdd))以便导通nmosn3。例如，nmosn3的导通可以从nmosn1的栅极清除可能例如自先前读出周期起就存在的任何电荷。在时间t2，清除信号然后被置于无效状态(例如，相对较低的电压电平(例如，接地))以便关断nmosn3。在时间间隔t1-t2期间，超声波发射器可以被禁用(例如，不生成超声波脉冲串)，二极管偏置和选择信号电压可以被设置为无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))，并且rbias可以被设置为任何dc电平(例如，vdd)。

然后，在时间t3，二极管偏置电压被置于有效电压电平(例如，3伏)将二极管d1进行偏置，用于峰值信号检测。二极管偏置电压可以被选择到针对nmosn1的栅极的期望操作点上。例如，电流源i可能需要跨该电流源的大约一(1)伏；nmosn2的漏极到源极电压可能需要大约0.2伏；并且nmosn1的栅极到源极电压可能需要0.5伏。因此，nmosn1的最小栅极电压可以是1.5伏。通过将二极管偏置电压设置为三(3)伏，并且允许二极管d1两端的电压降为0.7伏，nmosn1的栅极电压允许在1.5至2.3伏之间摆动。应当理解，nmosn1的栅极电压可以被设置为在其他范围内操作。

然后，在时间t4，超声波发射器被启用以生成穿过接收压电层440、电极442和台板446的超声波脉冲串。如前所述，超声波脉冲串反射离开用户的手指并且返回穿过压电层440，其中在像素传感器400的输入金属化焊盘410处产生输入像素电压(例如，10mhz输入电压)。输入像素电压的幅度取决于对应的反射超声波是遇到用户的指纹的脊部还是谷部。

当nmosn1的栅极处的输入像素电压使得二极管d1两端的电压超过二极管电压(例如，0.7v)时，电流流过二极管d1以对nmosn1的栅极充电。也就是说，考虑二极管偏置电压为三(3)伏的示例，当输入像素电压等于或低于2.3伏时，电流流过二极管d1以对nmosn1的栅极充电。因此，流过二极管d1的电流取决于输入像素电压的峰值。

参考回图4b的时序图，在用于在nmosn1的栅极处产生足够的或限定的电压vg的限定时间间隔(t4-t5)之后，在时间t5，超声波发射器被禁用，并且在时间t6，二极管偏置电压被再次置于其无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))。在时间间隔t3-t6期间，清除信号和选择信号处于它们的无效状态，并且rbias保持在先前的电压电平(例如，vdd)。

在二极管偏置电压已经被降低到其无效状态之后，在时间t7，选择信号被置于其有效状态(例如，相对较高的电压(例如，vdd))以导通nmosn2。这启用了包括nmosn1和电流源i的源极跟随放大器。也就是说，nmosn1的栅极电压vg(其与通过输入金属化焊盘410接收的输入像素电压的峰值有关)本质上被产生作为像素传感器400的输出像素电压vout。更具体地，由电流源i产生且穿过nmosn1的基本上恒定的电流i基本上与nmosn1的栅极到源极电压vgs成比例。因此，如果nmosn1的栅极电压vg由于输入像素电压和其峰值检测的原因而增加，则nmosn1的源极处的电压同样增加。这就是nmosn1被配置为增益大约为1的源极跟随放大器的原因。更确切地说，输出像素电压vout本质上是nmosn1的栅极电压vg减去nmosn1的栅极到源极电压vgs，因为nmosn2由选择信号完全导通。

如先前参考图3讨论的，像素传感器400的输出像素电压vout在对应的列读出线处产生。在足以使输出像素电压vout被列读出复用器330读出的限定时间间隔(t7-t8)之后，在时间t8，选择信号被降低到其无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))以关断nmosn2并且结束读出周期1。在时间间隔t7-t8期间，超声波发射器被禁用，并且清除信号和二极管偏置信号处于它们的无效状态，并且rbias保持在先前的电压电平(例如，vdd)。

随后的读出周期2可以被配置为与第一读出周期1基本上相同或相似。同样，如前所述，随后的读出周期2不需要在第一读出周期1之后立即执行，而是根据需要执行，诸如在用户请求时执行。

图4c示出了根据本公开的另一方面的与像素传感器400的示例性操作相关联的另一时序图。根据图4c的时序图的像素传感器400的操作可以类似于按照图4b的时序图的像素传感器的操作，除了rbias信号被配置为启用和禁用峰值检测电路420而不是二极管偏置电压。

更具体地，关于读出周期1，在时间t1，清除信号被有效(例如，被置于相对较高的电压(例如，vdd))以导通nmosn3并且从nmosn1的栅极清除自先前读出周期起剩余的任何电荷。在时间t2，清除信号被无效(例如，被置于相对较低的电压(例如，接地))以关断nmosn3。在时间间隔t1-t2期间，超声波发射器被禁用(例如，不生成超声波)，选择信号被无效(例如，在相对较低的电压(例如，接地))，并且二极管偏置和rbias处于相对较高的电压电平(例如，分别为3伏和vdd)。

在时间t3，rbias电压从相对较高的电压电平(例如，vdd)转变为相对较低的电压电平(例如，接地)。经由接收压电层440的传感器电容，rbias电压从相对较高到相对较低的转变使得nmosn1的栅极电压类似地从相对较高的电压转变为相对较低的电压。由于二极管偏置电压保持在相对较高的电压电平(例如，3伏)，所以nmosn1的栅极电压降低到相对较低的电压使峰值检测器420启用。

在时间t4，超声波发射器被启用以生成穿过接收压电层440、电极442和台板446的超声波脉冲串。如前所述，超声波脉冲串反射离开用户的手指并且返回穿过压电层440，其中在像素传感器400的输入金属化焊盘410处产生输入像素电压(例如，10mhz输入电压)。输入像素电压的幅度取决于对应的反射超声波是遇到用户的指纹的脊部还是谷部。

当nmosn1的栅极处的输入像素电压使得二极管d1两端的电压超过二极管电压(例如，0.7v)时，电流流过二极管d1以对nmosn1的栅极充电。在用于在nmosn1的栅极处产生足够的或限定的电压vg的限定时间间隔(t4-t5)之后，在时间t5，超声波发射器被禁用，并且在时间t6，rbias被再次置于先前的电压电平(例如，vdd)。在时间间隔t3-t6期间，清除信号和选择信号处于它们的无效状态，并且二极管偏置保持在相对较高的电压电平(例如，3伏)。

在时间t7，选择信号被置于其有效状态(例如，相对较高的电压(例如，vdd))以导通nmosn2。这启用了包括nmosn1和电流源i的源极跟随放大器。因此，nmosn1的栅极电压vg(其与通过输入金属化焊盘410接收的输入像素电压的峰值有关)本质上被产生作为像素传感器400的输出像素电压vout。

像素传感器400的输出像素电压vout在对应的列读出线处产生。在足以使输出像素电压vout被列读出复用器330读出的限定时间间隔(t7-t8)之后，在时间t8，选择信号被降低到其无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))以关断nmosn2并且结束读出周期1。在时间间隔t7-t8期间，超声波发射器被禁用，清除信号处于无效状态，并且二极管偏置和rbias保持在相对较高的电压电平(例如，vdd)。

随后的读出周期2可以被配置为与第一读出周期1基本上相同或相似。同样，如前所述，随后的读出周期2不需要在第一读出周期1之后立即执行，而是根据需要执行，诸如在用户请求时执行。

图4d示出了根据本公开的另一方面的与像素传感器400的示例性操作相关联的时序图。根据图4d的时序图的像素传感器400的操作可以类似于按照图4b的时序图的像素传感器的操作，除了二极管偏置信号在被配置为检测输入像素电压的单个负或正峰值的时间间隔内有效。

根据时序图，在时间t1，清除信号首先被置于有效状态(例如，相对较高的电压电平(例如，vdd))以导通nmosn3。例如，nmosn3的导通可以从nmosn1的栅极清除可能例如自先前读出周期起就存在的任何电荷。在时间t2，清除信号然后被置于无效状态(例如，相对较低的电压电平(例如，接地))以关断nmosn3。在时间间隔t1-t2期间，超声波发射器可以被禁用(例如，不生成超声波脉冲串)，二极管偏置和选择信号电压可以被设置为无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))，并且rbias可以被设置为任何dc电压电平(例如，vdd)。

然后，在时间t3，超声波发射器被启用以生成穿过接收压电层440、电极442和台板446的超声波脉冲串。如前所述，超声波脉冲串反射离开用户的手指并且返回穿过压电层440，其中在像素传感器400的输入金属化焊盘410处产生输入像素电压(例如，10mhz输入电压)。输入像素电压的幅度取决于对应的反射超声波是遇到用户的指纹的脊部还是谷部。

在可能与超声波脉冲串或输入像素电压的单个负或正峰值相一致的时间间隔t4-t5期间，二极管偏置被置于相对较高的电压电平(例如，3伏)以启用峰值检测器420。关于检测单个负峰值，当输入像素电压使得二极管d1两端的电压超过二极管电压(例如，0.7v)时，电流流过二极管d1以对nmosn1的栅极充电。关于检测单个正峰值，即使二极管d1两端的电压在输入像素电压的正峰值期间可以不超过二极管电压，二极管d1的非理想特性仍然基于单个正峰值来产生通过二极管的电流，以对nmosn1的栅极充电。

在时间间隔(t4-t5)之后，在时间t5，二极管偏置电压返回到其无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))，并且在时间t6，超声波发射器被禁用。在时间间隔t3-t6期间，清除信号和选择信号处于它们的无效状态，并且rbias保持在先前的电压电平(例如，vdd)。

在超声波发射器被禁用之后，在时间t7，选择信号被置于其有效状态(例如，相对较高的电压(例如，vdd))以导通nmosn2。这启用了包括nmosn1和电流源i的源极跟随放大器。也就是说，nmosn1的栅极电压vg(与检测到的输入像素电压的负或正峰值有关)本质上被产生作为像素传感器400的输出像素电压vout。像素传感器400的输出像素电压vout在对应的列读出线处产生。

在足以使输出像素电压vout被列读出复用器330读出的限定时间间隔(t7-t8)之后，在时间t8，选择信号被降低到其无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))以关断nmosn2并且结束读出周期1。在时间间隔t7-t8期间，超声波发射器被禁用，清除信号和二极管偏置信号处于它们的无效状态，并且rbias保持在先前的电压电平(例如，vdd)。

随后的读出周期2可以被配置为与第一读出周期1基本上相同或相似。同样，如前所述，随后的读出周期2不需要在第一读出周期1之后立即执行，但是根据需要执行，诸如在用户请求时执行。

图4e示出了根据本公开的另一方面的与像素传感器400的示例性操作相关联的另一时序图。根据图4e的时序图的像素传感器400的操作可以类似于按照图4d的时序图的像素传感器的操作，除了rbias信号被配置为在输入像素电压的单个负或正峰值的时间间隔内启用和禁用峰值检测电路420。

根据时序图，在时间t1，清除信号被有效(例如，被置于相对较高的电压(例如，vdd))以导通nmosn3并且从nmosn1的栅极清除自先前读出周期起剩余的任何电荷。在时间t2，清除信号被无效(例如，被置于相对较低的电压(例如，接地))以关断nmosn3。在时间间隔t1-t2期间，超声波发射器被禁用(例如，不生成超声波)，选择信号被无效(例如，在相对较低的电压(例如，接地))，并且二极管偏置和rbias处于相对较高的电压电平(例如，分别为3伏和vdd)。

在时间t3，超声波发射器被启用以生成穿过接收压电层440、电极442和台板446的超声波脉冲串。如前所述，超声波脉冲串反射离开用户的手指并且返回穿过压电层440，其中在像素传感器400的输入金属化焊盘410处产生输入像素电压(例如，10mhz输入电压)。输入像素电压的幅度取决于对应的反射超声波是遇到用户的指纹的脊部还是谷部。

在可能与超声波脉冲串或输入像素电压的单个负或正峰值相一致的时间间隔t4-t5期间，rbias电压在时间t4被转变为相对较低的电压(例如，接地)，并且然后在时间t5被转变为相对较高的电压(例如，vdd)，以启用峰值检测器420来检测超声波脉冲串或输入像素电压的单个负或正峰值。关于检测负峰值，当输入像素电压s使得二极管d1两端的电压超过二极管电压(例如，0.7v)时，电流流过二极管d1以对nmosn1的栅极充电。关于检测正峰值，即使二极管d1两端的电压在输入像素电压的正峰值期间可以不超过二极管电压，二极管d1的非理想特性仍然基于检测到的正峰值来产生通过二极管的电流，以对nmosn1的栅极充电。

在时间间隔(t4-t5)之后，在时间t6，超声波发射器被禁用。在时间间隔t3-t6期间，清除信号和选择信号处于它们的无效状态，并且二极管偏置保持在相对较高的电压电平(例如，3伏)。

在时间t7，选择信号被置于其有效状态(例如，相对较高的电压(例如，vdd))以导通nmosn2。这启用了包括nmosn1和电流源i的源极跟随放大器。因此，nmosn1的栅极电压vg(与通过输入金属化焊盘410接收的输入像素电压的峰值有关)本质上被产生作为像素传感器400的输出像素电压vout。

像素传感器400的输出像素电压vout在列读出线处产生。在足以使输出像素电压vout被列读出复用器330读出的限定时间间隔(t7-t8)之后，在时间t8，选择信号被降低到其无效状态(例如，相对较低的电压(例如，接地))以关断nmosn2并且结束读出周期1。在时间间隔t7-t8期间，超声波发射器被禁用，清除信号处于无效状态，并且二极管偏置和rbias保持在相对较高的电压电平(例如，分别为3v和vdd)。

随后的读出周期2可以被配置为与第一读出周期1基本上相同或相似。同样，如前所述，随后的读出周期2不需要在第一读出周期1之后立即执行，但是根据需要执行，诸如在用户请求时执行。

图4f示出了根据本公开的另一方面的像素传感器400的一部分的侧视横截面图。如图所示，接收压电层440被设置在包括示例性像素传感器400的像素接收器上，如所讨论的，示例性像素传感器400是形成在ic衬底(例如，硅(si)衬底)上的cmos接收器的像素传感器阵列的一部分。而且，如图所示，像素传感器400包括nmosn1，nmosn1包括漏极(d)、栅极(g)和源极(s)。通常，栅极形成在衬底上方，并且具体地在位于漏极(d)与源极(s)之间的沟道上方，由此漏极(d)、沟道和源极(s)形成在衬底内。

像素传感器400还包括位于衬底上方的多个金属化层。在这个示例中，存在三(3)个金属化层m1、m2和m3，其中仅示出了金属化层m1和m2的相关部分。应当理解，像素传感器400可以配置有任何数目的金属化层。最下面的金属化层m1(最靠近衬底)通过第一绝缘层i1(例如，氧化物)与衬底电隔离。类似地，第二金属化层m2(紧挨在第一金属化层m1上方)通过第二绝缘层i2(例如，氧化物)与第一金属化层m1电隔离。以类似的方式，第三金属化层m3(紧挨在第二金属化层m2上方)通过第三绝缘层i3(例如，氧化物)与第二金属化层m2电隔离。钝化层i4(例如，氧化物)可以被设置在顶部金属化层m3上方以保护m3层。

顶部金属化层m3用作像素传感器400的输入金属化焊盘410。如图4g(像素区域的俯视图)所示，顶部金属化层m3的面积被配置为相对较大(例如，像素传感器的整个像素区域的大约百分之80)。其原因是为了在本质上最大化压电层440的顶表面与顶部金属化层m3之间的传感器电容。传感器电容本质上被最大化，以增加响应于被反射离开用户的手指的超声波而在顶部金属化层m3处产生的输入像素电压。

然而，被制造得相对较大的顶部金属化层m3在顶部金属化层m3与通常接地的衬底之间产生相对较大的寄生电容cp。如图4a所示，寄生电容cp耦合在nmosn1的栅极与接地之间。这在图4f中进一步示出，其中顶部金属化层m3通过金属化通孔v2、第二金属化层m2的金属化焊盘、金属化通孔v1、第一金属化层m1的金属化焊盘、和栅极触点而耦合到n1的栅极。

寄生电容cp的电容与压电层440的传感器电容相比较大。例如，由于压电层440的相对较大的厚度，传感器电容的电容可以是大约5毫微微法拉(5ff)。然而，由于cmos像素传感器400的厚度相对较小，所以寄生电容cp的电容可以是大约50ff。传感器电容和寄生电容cp形成分压器，该分压器以传感器电容与寄生电容cp和传感器电容之和的比率减小在顶部金属化层m3处生成的输入像素电压(例如，减小5/(50+5)或1/11)。因此，为了增加像素传感器400的灵敏度，在以下示例性实施例中采用寄生电容消除技术。

图5a示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的另一示例性像素传感器500的示意图。如前所述，像素传感器500类似于像素传感器400，除了像素传感器500还包括用于减小顶部金属化层与衬底之间的寄生电容cp以增加像素传感器500的灵敏度的元件。

特别地，像素传感器500包括耦合到nmosfetn1的栅极的输入金属化焊盘510。接收压电层540可以被直接设置在输入金属化焊盘510上，或通过钝化层而设置在输入金属化焊盘510上。另外，如前所述，电极542(金属化层)可以被设置在压电层540上以提供加窗功能。此外，台板546可以被设置在电极542上，这为电极542和压电层540提供保护层。台板546还可以用作可以在其上放置诸如用户的指纹等待成像物品的表面。

像素传感器500还包括峰值检测器520，峰值检测器520包括nmosn3和二极管d1。nmosn3包括耦合到nmosn1的栅极的漏极、被配置为接收清除信号的栅极和被配置为接收二极管偏置电压的源极。二极管d1包括被配置为接收二极管偏置电压的阳极和耦合到nmosn1的栅极的阴极。nmosn1包括耦合到第一电压轨(例如，vdd)的漏极。

像素传感器500还包括nmosn2，nmosn2包括耦合到nmosn1的源极的漏极、被配置为接收选择信号的栅极和被配置为生成用于像素传感器500的输出像素电压vout的源极。另外，像素传感器500包括耦合在nmosn2的源极与第二电压轨(例如，接地)之间的电流源i。nmosn1、nmosn2和电流源i被配置为具有大约为一(1)的增益的源极跟随放大器，其中源极跟随放大器响应于选择信号被有效而被启用。像素传感器500可以以任何方式操作，诸如参考图4b至图4e的时序图所讨论的那些。

如前所述，像素传感器500还包括用于减小输入金属化焊盘510(例如，顶部金属化层m3)和与像素传感器相关联的接地衬底之间的寄生电容cp的电路。概括地说，这样的电路包括中间金属化层(例如，第二金属化层m2)，其被配置为用作输入金属化焊盘510与接地衬底之间的屏蔽层。像素传感器500还包括缓冲器530，缓冲器530包括耦合到输入金属化焊盘510的输入和耦合到中间金属化层的输出。

在这样的配置中，产生两个寄生电容cp1和cp2；第一寄生电容cp1耦合在输入金属化焊盘510与中间金属化层之间，并且第二寄生电容cp2耦合在中间金属化层与接地衬底之间。缓冲器530被配置为向中间金属化层施加与输入金属化焊盘510处的电压基本上相同的电压。因此，耦合在输入金属化焊盘与接地衬底之间的等效寄生电容大幅降低，因为输入金属化焊盘510和中间金属化层两者处于基本上相同的电位或电压。由于第二寄生电容cp2没有耦合到输入金属化焊盘510，所以第二寄生电容cp2不会显著影响像素传感器500的灵敏度。这个电容消除技术参考图5b至图5c进一步描述。

图5b示出了根据本公开的另一方面的示例性像素传感器500的一部分的侧视横截面图。如图所示，压电层540被设置在包括示例性像素传感器500的像素接收器上，如所讨论的，示例性像素传感器500是形成在ic衬底(例如，硅(si)衬底)上的cmos接收器的像素传感器阵列的一部分。而且，如图所示，像素传感器500包括nmosn1，nmosn1包括漏极(d)、栅极(g)和源极(s)。通常，栅极形成在衬底上方，并且具体地在位于漏极(d)与源极(s)之间的沟道上方，由此漏极(d)、沟道和源极(s)形成在衬底内。

像素传感器500还包括位于衬底上方的多个金属化层。在这个示例中，存在三(3)个金属化层m1、m2和m3，其中仅示出了金属化层m1的相关部分。应当理解，像素传感器500可以配置有任何数目的金属化层。最下面的金属化层m1(最靠近衬底)通过第一绝缘层i1(例如，氧化物)与衬底电隔离。类似地，第二金属化层m2(紧挨在第一金属化层m1上方)通过第二绝缘层i2(例如，氧化物)与第一金属化层m1电隔离。以类似的方式，第三金属化层m3(紧挨在第二金属化层m2上方)通过第三绝缘层i3(例如，氧化物)与第二金属化层m2电隔离。钝化层i4(例如，氧化物)可以被设置在顶部金属化层m3上方以保护m3层。

顶部金属化层m3用作像素传感器500的输入金属化焊盘510。如图5c(像素区域的俯视图)所示，顶部金属化层m3的面积被配置为相对较大(例如，像素传感器的整个像素区域的大约百分之80)。同样，其原因是为了在本质上最大化压电层540的顶表面与顶部金属化层m3之间的传感器电容。传感器电容本质上被最大化，以增加响应于被反射离开用户的手指的超声波而在顶部金属化层m3处产生的输入像素电压。

在这个示例性实施例中，第二金属化层m2被配置为屏蔽层以减小输入金属化焊盘510(例如，顶部金属化层m3)与接地衬底之间的寄生电容cp。如图5c中更好地示出的，第二金属化层m2的面积大于顶部金属化层m3的面积。例如，第二金属化层m2的面积可以是像素区域的百分之90，而顶部金属化层m3的面积可以是像素区域的百分之80。而且，如图所示，第二金属化层m2的位置使得顶部金属化层m3与衬底之间的所有竖直线性路径与第二金属化层m2相交。这最大化了第二金属化层m2的屏蔽属性。

而且，如图5c中更好地示出的，第二金属化层m2可以包括金属化焊盘和间隙，其中金属化焊盘通过金属化通孔v2而电耦合到顶部金属化层m3，并且通过另一金属化通孔v1、第一金属化层m1中的对应金属化焊盘和栅极触点而耦合到nmosn1的栅极。间隙被配置为将第二金属化层m2的金属化焊盘与第二金属化层m2的屏蔽部分电隔离。应当理解，第二金属化层m2可以包括一个或多个另外的焊盘/间隙，以支持通过第二金属化层m2的屏蔽部分的电连接，如可能由像素传感器500所需要的那样。

参考回图5b，如前所述，缓冲器530包括耦合到顶部金属化层m3的输入和耦合到第二金属化层m2的输出。因此，缓冲器530确保了第二金属化层m2的屏蔽部分处的电压与顶部金属化层m3处的电压基本上相同。这大幅降低了耦合在输入金属化焊盘与接地衬底之间的等效寄生电容。而且，如图5b所示，第二金属化层m2与接地衬底之间的第二寄生电容cp2没有耦合到顶部金属化层m3，并且因此不会显著降低顶部金属化层m3处的输入像素电压。因此，通过使用缓冲器530来将第二金属化层m2配置为屏蔽层，像素传感器500的灵敏度得以提高。

虽然缓冲器530被配置为向第二金属化层m2施加与顶部金属化层m3处的电压基本上相同的电压，但是应当理解，如果施加到第二金属化层m2的电压并不是与顶部金属化层m3处的电压基本上相同、而是基于顶部金属化层m3处的电压，则可能发生某种电容消除。例如，顶部金属化层m3与接地衬底之间的等效电容cp可以由以下等式给出：

cp＝cp1*(1-g)

其中g是缓冲器增益，并且cp1是金属化层m3与m2之间的电容。如果缓冲器增益为0.75，则电容cp为cp1的25％，这是75％的电容消除。如果缓冲器增益为1，则cp为零(0)，这是100％的电容消除。

图6a示出了根据本公开的另一方面的示例性超声成像装置的另一示例性像素传感器600的示意图。像素传感器600类似于像素传感器500的像素传感器，除了不需要缓冲器来在屏蔽金属化层处生成与像素传感器600的输入金属化焊盘处的电压基本上相同的电压。作为替代，nmosn1的源极耦合到屏蔽金属化层。如前所述，nmosn1被配置为在读出周期中具有基本上为一(1)的增益的源极跟随放大器。因此，nmosn1的源极处的电压与nmosn1的栅极处的电压基本上相同。通过将nmosn1的源极耦合到屏蔽金属化层，屏蔽金属化层处的电压与顶部金属化层处的电压基本上相同。结果，耦合在输入金属化焊盘与接地衬底之间的等效寄生电容大幅降低。

特别地，像素传感器600包括耦合到nmosfetn1的栅极的输入金属化焊盘610。接收压电层640可以被直接设置在输入金属化焊盘610上，或通过钝化层而设置在输入金属化焊盘610上。另外，如前所述，电极642(金属化层)可以被设置在压电层640上以提供加窗功能。此外，台板646可以被设置在电极642上，这为电极642和压电层640提供保护层。台板646还可以用作可以在其上放置诸如用户的指纹等待成像物品的表面。

像素传感器600还包括峰值检测器620，该峰值检测器620包括nmosn3和二极管d1。nmosn3包括耦合到nmosn1的栅极的漏极、被配置为接收清除信号的栅极和被配置为接收二极管偏置电压的源极。二极管d1包括被配置为接收二极管偏置电压的阳极和耦合到nmosn1的栅极的阴极。nmosn1包括耦合到第一电压轨(例如，vdd)的漏极。

像素传感器600还包括nmosn2，nmosn2包括耦合到nmosn1的源极的漏极、被配置为接收选择信号的栅极和被配置为生成用于像素传感器600的输出像素电压vout的源极。另外，像素传感器600包括耦合在nmosn2的源极与第二电压轨(例如，接地)之间的电流源i。nmosn1、nmosn2和电流源i被配置为具有基本上为一(1)的增益的源极跟随放大器，其中源极跟随放大器响应于选择信号被有效而被启用。

如前所述，像素传感器600还包括用于减小输入金属化焊盘610(例如，顶部金属化层m3)和与像素传感器相关联的接地衬底之间的寄生电容cp的电路。概括地说，这样的电路包括中间金属化层(例如，第二金属化层m2)，其被配置为用作输入金属化焊盘610与接地衬底之间的屏蔽层。像素传感器600还包括将nmosn1的源极耦合到中间金属化层的电连接。

在这样的配置中，产生两个寄生电容cp1和cp2；第一寄生电容cp1耦合在输入金属化焊盘610与中间金属化层之间，并且第二寄生电容cp2耦合在中间金属化层与接地衬底之间。耦合到中间金属化层的nmosn1的源极导致中间金属化层处的电压与输入金属化焊盘610处的电压基本上相同。因此，耦合在输入金属化焊盘与接地衬底之间的等效寄生电容大幅降低，因为输入金属化焊盘610和中间金属化层两者处于基本上相同的电位或电压。由于第二寄生电容cp2没有显著地耦合到输入金属化焊盘610，所以第二寄生电容cp2不会显著影响像素传感器600的灵敏度。这个电容消除技术参考图6b进一步描述。

图6b示出了根据本公开的另一方面的示例性像素传感器600的一部分的侧视横截面图。如图所示，接收压电层640被设置在包括示例性像素传感器600的像素接收器上，如所讨论的，示例性像素传感器600是形成在ic衬底(例如，硅(si)衬底)上的cmos接收器的像素传感器阵列的一部分。而且，如图所示，像素传感器600包括nmosn1，nmosn1包括漏极(d)、栅极(g)和源极(s)。通常，栅极形成在衬底上方，并且具体地在位于漏极(d)与源极之间的沟道上方，由此漏极(d)、沟道和源极(s)形成在衬底内。

像素传感器600还包括位于衬底上方的多个金属化层。在这个示例中，存在三(3)个金属化层m1、m2和m3，其中仅示出了金属化层m1的相关部分。应当理解，像素传感器600可以配置有任何数目的金属化层。最下面的金属化层m1(最靠近衬底)通过第一绝缘层i1(例如，氧化物)与衬底电隔离。类似地，第二金属化层m2(紧挨在第一金属化层m1上方)通过第二绝缘层i2(例如，氧化物)与第一金属化层m1电隔离。以类似的方式，第三金属化层m3(紧挨在第二金属化层m2上方)通过第三绝缘层i3(例如，氧化物)与第二金属化层m2电隔离。钝化层i4(例如，氧化物)可以被设置在顶部金属化层m3上方以保护m3层。

顶部金属化层m3用作像素传感器600的输入金属化焊盘610。类似于像素传感器500，顶部金属化层m3的面积被配置为相对较大(例如，像素传感器的整个像素区域的大约百分之80)。同样，其原因是为了在本质上最大化压电层640的顶表面与顶部金属化层m3之间的传感器电容。传感器电容本质上被最大化，以增加响应于被反射离开用户的手指的超声波而在顶部金属化层m3处产生的输入像素电压。

在这个示例性实施例中，第二金属化层m2被配置为屏蔽层以减小输入金属化焊盘610(例如，顶部金属化层m3)与接地衬底之间的寄生电容cp。类似于像素传感器600，第二金属化层m2的面积大于顶部金属化层m3的面积。例如，第二金属化层m2的面积可以是像素区域的百分之90，而顶部金属化层m3的面积可以是像素区域的百分之80。而且，类似于像素传感器500，第二金属化层m2的位置使得顶部金属化层m3与衬底之间的所有竖直线性路径与第二金属化层m2相交。这最大化了第二金属化层m2的屏蔽属性。

而且，类似于像素传感器，第二金属化层m2可以包括金属化焊盘和间隙，其中金属化焊盘通过金属化通孔v2而电耦合到顶部金属化层m3，并且通过另一金属化通孔v1a、第一金属化层m1中的对应金属化焊盘和栅极触点而耦合到nmosn1的栅极。间隙被配置为将第二金属化层m2的金属化焊盘与第二金属化层m2的屏蔽部分电隔离。应当理解，第二金属化层m2可以包括一个或多个另外的焊盘/间隙，以支持通过第二金属化层m2的屏蔽部分的电连接，如可能由像素传感器600所需要的那样。

参考回图6b，nmosn1的源极通过源极触点、第一金属化层m1和在第一金属化层m1与第二金属化层m2之间的金属化通孔v1b而耦合到第二金属化层m2。因此，nmosn1的源极与第二金属化层m2之间的这样的电连接确保了第二金属化层m2的屏蔽部分处的电压与顶部金属化层m3处的电压基本上相同。这大幅降低了输入金属化焊盘与接地衬底之间耦合的等效寄生电容。如在像素传感器500中，第二金属化层m2处的电压不需要与顶部金属化层m3处的电压基本上相同以便发生某种电容消除。在这种情况下，第二金属化层m2处的电压应当基于顶部金属化层m3处的电压。

而且，如图6b所示，第二金属化层m2与接地衬底之间的第二寄生电容cp2没有显著地耦合到顶部金属化层m3；并且因此不会显著降低顶部金属化层m3处的输入像素电压。因此，通过使用nmosn1的源极到第二金属化层m2的电连接来将第二金属化层m2配置为屏蔽层，像素传感器600的灵敏度得以提高。

图6c至图6f示出了根据本公开的另一方面的与像素传感器600的示例性操作相关联的时序图。与像素传感器600的操作相关联的时序图类似于如图4b至图4f所示的与像素传感器400相关联的时序图，除了选择信号在用于电容消除目的的第一时间间隔期间以及在用于输出电压读出目的的第二时间间隔期间被有效。

特别地，选择信号在时间间隔t3-t6期间被有效，使得nmosn1被配置为源极跟随放大器。如此，nmosn1的源极电压(其跟随nmosn1的栅极电压)被施加到屏蔽金属化层m2，以减小寄生电容cp，如前所述。这个时间间隔t3-t6与超声波脉冲串的生成相一致，使得像素接收器600的灵敏度在这个间隔期间增加，以更好地检测输入像素电压。在时间t6-t7之间，选择信号可以被无效。然后，在时间间隔t7-t8期间，选择信号被重新有效以允许读出输出像素电压vout。

图7示出了根据本公开的另一方面的减小像素传感器的寄生电容的示例性方法700的流程图。根据方法700，响应于超声波反射离开待成像物品并且传播穿过压电层而在第一金属化层处生成第一电压，其中第一金属化层位于衬底上方(框710)。此外，根据方法700，向第二金属化层施加第二电压以减小第一金属化层与衬底之间的寄生电容，其中第二金属化层位于第一金属化层与衬底之间(框720)。

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