超声波指纹识别装置以及超声波指纹识别芯片的制作方法

1.本技术涉及指纹识别技术领域，尤其涉及一种超声波指纹识别装置以及超声波指纹识别芯片。


背景技术：

2.本部分的描述仅提供与本说明书公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
3.超声波指纹识别技术的信息载体为超声波，超声波可穿透多种介质，从而可以穿透表皮层，探测指纹的三维细节，这样的活体指纹识别增强了安全性。同时，由于超声波识别不受手指上可能存在的污物影响，大大提高了指纹识别的易用性。
4.超声波指纹识别模组在使用时，需放置于检测区域(通常为显示屏上的特定区域)的下方，手指脊处的声阻抗与手指谷处空气的声阻抗差异较大，故超声波在指脊与指谷的反射率不同，从而反射回去的声波会不同，由此经过电路信号处理后可得到包含指脊与指谷信息的指纹图像。
5.对于超声波指纹识别模组而言，目前包括检测部分和信号处理部分，检测部分和信号处理部分为分立的两颗芯片。随着用户追求更好的体验，检测部分目前采用tft大面阵的指纹识别芯片，tft大面阵的指纹识别芯片一般以玻璃基底为衬底层，在玻璃基底上制作tft像素电路，制作完成后与信号处理部分的芯片分别连接到线路板上。由此导致以下问题：
6.1)采用tft电路工艺有源层为多晶硅，晶粒尺寸小于tft像素电路的cd尺寸，故每个薄膜晶体管沟道处都可能存在晶界，晶界处为材料缺陷，会随机捕捉电子，从而产生电学噪声，导致超声波指纹识别模组的信噪比不高；
7.2)tft电路受限于cd尺寸(cd尺寸较大)，所需的像素单元尺寸较大，故模组成像的分辨率较低；同时，像素单元尺寸较大导致电路寄生电容较大，降低了获取的电荷信号量；
8.3)由于涉及到检测部分和信号处理部分的分别封装，故需要在检测部分和信号处理部分上的芯片均预留多个i/o接口，增加了封装的难度。
9.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本说明书的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本说明书的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

10.为了解决现有技术存在的至少一个技术问题，本技术的一个目的是提供一种超声波指纹识别装置以及超声波指纹识别芯片，能增强超声波信号的声波强度，提高指纹图像的信噪比。
11.达到上述至少一个目的，本技术采用如下技术方案：
12.一种超声波指纹识别装置，包括：
13.超声波传感器，用于发射和接收超声波信号，所述超声波传感器具有相背对的两
侧，一侧设置有第一介质层，另一侧设置有第二介质层，所述第二介质层在背离所述超声波传感器的上方设置有第三介质层；
14.所述超声波传感器在所述第一介质层和所述第二介质层之间形成供超声波谐振的结构，所述超声波传感器发出的超声波信号经过谐振后能从所述第二介质层传出、进入所述第三介质层，被所述第三介质层上方的目标体反射后进入所述超声波传感器。
15.作为一种优选的实施方式，所述第一介质层为空气。
16.作为一种优选的实施方式，所述超声波传感器具有相背对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第一介质层相接触，所述超声波传感器包括：沿所述第二表面至所述第二表面之间依次堆叠的保护层、电极层和压电层，所述保护层、所述电极层和所述压电层的声阻抗接近或者相等，所述超声波传感器在沿堆叠方向上的厚度为其波长的四分之一的奇数倍。
17.作为一种优选的实施方式，所述保护层、所述电极层和所述压电层由聚合物形成，所述超声波传感器的声阻抗为1～10mrayls。
18.作为一种优选的实施方式，所述电极层为金属材质，所述电极层的厚度小于1μm。
19.作为一种优选的实施方式，所述第二介质层为硅基衬底。
20.作为一种优选的实施方式，所述衬底为矩形，边长为3～40mm。
21.作为一种优选的实施方式，所述硅基衬底具有相背对的第三表面和第四表面，所述第三表面与所述超声波传感器相面对，所述第三表面包括识别区域和非识别区域，所述识别区域用于设置cmos像素单元阵列以及用于所述cmos像素单元阵列与所述超声波传感器电耦合的底电极，所述非识别区域用于形成与所述cmos像素单元阵列、所述超声波传感器电性连接的信号处理电路，所述信号处理电路用于为所述超声波传感器提供驱动电压以及对所述cmos像素单元阵列发出的电信号进行处理。
22.作为一种优选的实施方式，所述第三表面上设置有用于形成cmos像素单元阵列和所述信号处理电路的电路膜层，所述电路膜层的声阻抗与所述硅基衬底的声阻抗接近或者相等，所述硅基衬底的声阻抗为21-23mrayls。
23.作为一种优选的实施方式，所述非识别区域包括：所述非识别区域包括：i/0接口区域，所述i/o接口区域用于连接fpc线路板。
24.作为一种优选的实施方式，所述第三介质层为显示屏。
25.作为一种优选的实施方式，所述第三介质层的厚度大于300um。
26.作为一种优选的实施方式，所述第三介质层与所述第二介质层之间设置有胶，所述胶的声阻抗介于所述第三介质层与所述第二介质层之间。
27.作为一种优选的实施方式，所述胶为热固化环氧树脂或uv可固化环氧树脂，所述胶的厚度为其波长的四分之一。
28.作为一种优选的实施方式，所述胶为导电材料与有机物的复合膜层，所述胶的总厚度为5-50μm，其中，所述导电材料的厚度为1～15um。
29.作为一种优选的实施方式，所述第三介质层与所述第二介质层之间设置有胶，所述胶的声阻抗与所述第三介质层的声阻抗接近或者相等。
30.一种超声波指纹识别芯片，包括：
31.超声波传感器，用于发射和接收超声波信号，所述超声波传感器具有相背对的两
侧，一侧设置有第一介质层，另一侧设置有硅基衬底，所述硅基衬底在背离所述超声波传感器的上方用于设置显示屏；
32.所述硅基衬底上形成识别区域和非识别区域，所述识别区域用于形成cmos像素单元阵列，所述非识别区域用于形成信号处理电路；
33.所述超声波传感器在所述第一介质层和所述硅基衬底之间形成供超声波谐振的结构，所述超声波传感器发出的超声波信号经过谐振后能从所述硅基衬底传出、进入所述显示屏，被所述显示屏上方的目标体反射后进入所述超声波传感器。
34.有益效果：
35.本技术实施方式中的超声波指纹识别装置通过在超声波传感器的两侧形成第一介质层和第二介质层，以形成供超声波谐振的结构，超声波传感器发出的超声波信号经过谐振后能从第二介质层传出，再进入第三介质层。其中，超声波在每次谐振时幅值上会增强，表现为发射波与超声波传感器两侧界面反射回的反射波相位相同或相近，故可以叠加增强，因此每反射一次，声波会增强一次，从而幅值不断增强，使得声波强度提高。当发射波从第二介质层传出时，经过第二介质层的滤波作用可以将频率不匹配的声波过滤掉，由此减小了噪声。而声波在第三介质层的传播可以增加反射波传回时间，从而使回波信号与发射信号在时间上区分开，接收到的回波信号更纯粹。从而，超声波传感器发出的超声波信号依次经过谐振结构、第二介质层和第三介质层才到达目标体，在此过程中声波提高增强、过滤和延迟，可提高信噪比。
36.另外，本技术实施方式提供的超声波指纹识别芯片采用硅基底，并在硅基底上形成识别区域和非识别区域，识别区域用于制作cmos像素单元阵列，非识别区域用于制造信号处理电路，从而将现有的检测部分和信号处理部分集成于同一芯片上，集成化程度更高。
37.相较于常见的在玻璃基底上制作tft像素电路而言，采用硅基底有源层为单晶硅，晶界缺陷少，因此噪声更小。同时，采用硅基的cmos工艺尺寸(cd)更小，目前量产工艺最小可达5nm，cmos工艺制作的像素单元尺寸远远小于tft工艺制作的像素单元尺寸，因此cmos像素单元的尺寸更小，使得芯片的成像分辨率更高。
38.参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。
39.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
40.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1是本技术实施方式提供的一种超声波指纹识别装置的示意图；
43.图2是本技术实施方式提供的一种超声波指纹识别装置(未示出超声波传感器)的
电路布局俯视示意图；
44.图3是图2沿着a-a方向剖开的截面示意图；
45.图4是图2沿着b-b方向剖开的截面示意图；
46.图5是本技术实施方式提供的超声波信号的发射波曲线图；
47.图6是图1中点1和点2的位移随时间变化曲线图；
48.图7是图1中点3和点4的位移随时间变化曲线图；
49.图8是图1中传感单元1和传感单元2的电压信号变化曲线图；
50.图9是图1中第一叠层厚度与第一叠层中声波能量的关系对应图；
51.图10是本技术实施方式提供的一种cmos像素阵列电路示意图；
52.图11是本技术实施方式提供的一种超声波指纹识别芯片的模块示意图；
53.图12是本技术实施方式提供的一种超声波指纹识别芯片的封装结构示意图。
54.附图标记说明：
55.100、超声波指纹识别芯片；
56.1、第二介质层/硅基衬底；10、识别区域；101、cmos像素单元阵列；11、非识别区域；111、控制模块；112、rx模块；113、数据处理模块；114、模数转换模块；115、行选驱动模块；14、i/o接口区域；15、第三表面；16、第四表面；17、底电极；
57.2、超声波传感器；21、第一表面；22、第二表面；23、保护层；24、电极层；25、压电层；
58.3、第三介质层；
59.4、胶；
60.5、fpc线路板；6、各向异性导电胶；7、补强钢板
61.a、第一叠层；b、第二叠层；c、第三叠层。
具体实施方式
62.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
63.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
64.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
65.请参阅图1至图12，本技术说明书中提供一种超声波指纹识别装置以及超声波指纹识别芯片。本技术说明书提供的超声波指纹识别装置以及超声波指纹识别芯片可用于手机、智能手表、智能穿戴设备、智能耳机、笔记本电脑、平板及相机等电子设备。同时，也可以
应用于汽车、电子开关装置、门禁系统等其他设备。
66.需要说明的是，本技术提供的超声波指纹识别装置以及超声波指纹识别芯片并不局限于用于检测生物体指纹，在可以扩展的应用场景中，还可以用于掌纹识别、心率检测、血压检测及人体浅层组织3d成像(如眼睛、耳朵、鼻子等)等。其中，本技术说明书主要以指纹识别作为主要场景进行阐述，但应当理解的是，本技术的保护范围并不因此而受到限定。
67.如图1所示，本技术提供的超声波指纹识别装置主要包括超声波传感器2，超声波传感器2用于发射和接收超声波信号，超声波传感器2具有相背对的两侧，一侧设置第一介质层，另一侧设置第二介质层1。
68.所述第一介质层和所述第二介质层1为声波能够穿透的介质，可以具有实体结构，或者不具备实体结构。例如，声波能够穿透空气、水，并在空气、水中传播，空气和水并不具备实体结构，但空气和水也应当视为声波的介质层。
69.超声波传感器2具有相背对的第一表面21和第二表面22，所述第一介质层与第一表面21相接触，所述第二介质层1与第二表面22相接触，因此通过选择声阻抗满足预定要求的第一介质层和第二介质层1，可以使得超声波传感器2形成供超声波谐振的结构。
70.具体的，根据声波反射率的计算公式：r＝(z
1-z2)2/(z1+z2)2，z1表示为两种相接触的介质层中的其中一个的声阻抗，z2表示为两种相接触的介质层中的其中另一个的声阻抗，r表示为两种介质层界面处的反射率。由上述公式可以看出，界面处介质层的声阻抗(z1和z2)相差越大，界面处的声波反射率越大，界面处介质层的声阻抗(z1和z2)相差越小，界面处的声波反射率越小。为了使得超声波传感器2形成谐振的结构，需要保证超声波传感器2与第一介质层的声阻抗差尽可能的较大，从而使得超声波在传播至第一介质层与超声波传感器2之间界面处时，能够接近于全反射，同理，超声波传感器2与第二介质层1的声阻抗差也应当尽可能的较大，例如界面声波反射率大于0.4，如此声波在超声波传感器2内传播时，能够在第一介质层与超声波传感器2之间的界面、第二介质层1与超声波传感器2之间的界面发生来回反射，形成谐振，以增加超声波的幅值，提高信噪比。此外，超声波传感器2与第二介质层1的声阻抗差也不能设置过大，例如应界面声波反射率小于0.9，以便谐振后的声波能从超声波传感器2与第二介质层1的界面传播到第二介质层1。
71.在超声波传感器2形成谐振能够提高信噪比的原理为：声波在超声波传感器2内进行谐振后，发射波与相邻介质层界面处反射回的反射波相位相同或相近时，可以叠加增强，因此每反射一次，声波会增强一次，从而幅值不断增强。同时，也会只留下与超声波传感器2厚度频率相同的声波成分，因此信噪比snr中的n减小，当声波发射到目标体时，得到的回波信息的强度也变大，故信噪比snr中的s增加，n减小，信噪比snr增加。
72.进一步的，第一介质层为空气，空气的声阻抗最小，通常在411rayls。而固体介质的声阻抗往往较大，相对于空气而言，可达到mrayls单位，因此z1和z2的差以及z1和z2的和，约等于超声波传感器2本身的声阻抗，从而第一介质层与超声波传感器2界面处的声波反射率接近于1。在一些可行的实施例中，第一介质层可以为其他声阻抗低于mrayls单位的材料，可以为除空气之外的其他低阻抗材料。
73.如图2所示，所述第二介质层1为衬底层，用于制作超声波检测部分的电路，可以为玻璃基底或者为硅基，优选为硅基衬底。所述第二介质层1具有相背对的第三表面15和第四表面16，所述第三表面15与所述第二表面22相面对，第三表面15设置有识别区域10，识别区
域10用于设置检测超声波信号的像素电路，所述像素电路为像素单元阵列以及用于所述像素单元阵列与所述超声波传感器2电耦合的底电极17。
74.所述超声波传感器2发出的超声波信号经过谐振后能从所述第二介质层1传出。所述第二介质层1用于对谐振后的声波起到滤波作用，从而将频率不匹配的声波过滤掉，进一步减小噪声。
75.所述第二介质层1的声阻抗为21-23mrayls，被设置为远大于超声波传感器2的声阻抗。由于声波在硅基衬底与超声波传感器2之间的界面反射时会发生半波损，发射波(例如波形为sin(ωt))经过1/4波长的两倍路径和半波损回到发射波位置时，正好经历一个波长路径的相位变化，即反射波(波形为a*sin(ωt+2π)，a＜1)与发射波(波形为sin(ωt))可叠加增强，叠加后的谐振波波形为(1+a)sin(ωt)，即在第二介质层1与超声波传感器2之间的界面处反射一次可将幅值增加接近一倍。
76.在一个优选的实施方式中，第二介质层1为硅基衬底。硅基衬底为单晶硅，衬底材料相较于传统的玻璃衬底而言，更加均匀。第二介质层1与超声波传感器2之间的界面和第二介质层1与胶4之间的界面粗糙度小，厚度均匀性好，声波在穿透第二介质层1时可得到进一步过滤，频率不匹配的声波会被过滤掉，故信噪比snr中的n进一步减小，进一步提高信噪比。
77.在一些可能的实施方式中，也可以采用玻璃衬底起到滤波作用，能够减少装置成本。而采用玻璃衬底，玻璃衬底的厚度均匀性没有硅基衬底好，同时由于玻璃是非晶材料，材料均匀性较单晶硅差，故研磨工艺更复杂难度更大，从而导致减薄后的晶圆表面粗糙度比硅单晶差，故滤波效果会差一些。
78.如图1所示的声波传播路径，超声波指纹识别装置还包括：设置在第二介质层1背离超声波传感器2的上方的第三介质层3。超声波传感器2发出的超声波信号经过谐振后能从第二介质层1传出、进入第三介质层3，被第三介质层3上方的目标体反射后进入超声波传感器2。可见，超声波传感器2发出的超声波信号依次经过谐振结构、第二介质层1和第三介质层3才到达目标体，在此过程中超声波信号得到增强、滤波和延迟，提高了信噪比。
79.所述第三介质层3可以为显示屏，用于供用户手指按压或触摸。针对不同应用场景，第三介质层3可为塑料、玻璃、金属等一种材料，或几种介质组成的多种膜层叠构。特别的，针对常用的手机oled屏，该介质为有机物(pi、oca等)和玻璃盖板组成的复合膜层。
80.进一步的，第三介质层3与第二介质层1的第四表面16相面对，二者通常采用胶4进行连接。由此可见，本技术实施方式提供的超声波指纹识别装置中，衬底层设置于显示屏和超声波传感器2之间。在应用时，可以将由衬底层和超声波传感器2组成的指纹识别芯片反向贴于显示屏下方，从而能够形成本技术的声波传播路径。
81.常见的，超声波传感器2设置于显示屏与衬底层之间的方案，即指纹识别模组正向贴于显示屏下方。则超声波传感器2与相邻两侧的界面分别是超声波传感器2与胶4之间的界面、超声波传感器2与衬底层之间的界面。而这两个界面两侧的介质声阻抗(z1和z2)相差较小，两个界面的声波反射率较低，就不利于形成谐振结构。此外，指纹识别模组正向贴于显示屏下方，则衬底层将位于超声波传感器2的下方，超声波传感器2产生的发射波并不能从衬底层穿出，也就无法达到滤波的作用。
82.如图3和图4所示，超声波传感器包括堆叠设置的保护层23、电极层24和压电层25，
所述保护层23与所述第一介质层相接触，所述保护层23、所述电极层24和所述压电层25的声阻抗接近或者相等，所述超声波传感器2在沿堆叠方向上的厚度为其波长的四分之一的奇数倍。
83.其中，压电层25既用于超声波发射，也用于超声波接收，通过信号处理电路发出的时序信号控制其工作状态。压电层25具体为压电薄膜，材料可以为聚偏二氟乙烯(pvdf)，聚氯乙烯，聚－γ－甲基－l－谷氨酸酯，聚碳酸酯、聚偏氟乙烯共聚物中的一种或者几种的组合，至少覆盖于识别区域10，考虑到边缘效应，其边缘距离识别区域10的边缘应大于0.2mm，并覆盖部分非识别区域11。压电薄膜在识别区域10的部分被划分成了多个压电单元，每个压电单元对应一个底电极17、对应一个像素单元。
84.另外，以图1所示的方向为例，压电层25靠近衬底层设置，压电层25发出的超声波信号首先朝向保护层23的方向传播，并在超声波传感器2内形成谐振，待声波幅值增强后沿着所示的声学路径穿过第二介质层1、第三介质层3，到达第三介质层3上方的目标体。经目标体反射后形成回波信号，回波信号沿着所示的声学路径返回至超声波传感器2时，可直接到达压电层25。
85.所述电极层24用于为压电薄膜提供给定电平，在发射阶段通常为脉冲交流信号，电压峰峰值为30～300v,在接收阶段为低电平偏置(＜10v)或接地。电极层24通常为金属化电极，材料为ag、cu、ni、al等金属、金属与聚合物的混合物、导电橡胶等，覆盖于压电薄膜上方。
86.实际工作时，电极层24与交流电压连接，接收脉冲交流的tx驱动信号之后，压电层25被触发振动，产生相应频率的超声波信号，从而建立一相应脉冲的超声波场。当发射波目标体反射形成回波后，压电层25上的每个压电单元可以接收回波，通过压电效应将回波声信号转换为电信号，然后通过底电极17将相应的电信号耦合至像素电路单元中，最终将回波信号转化为带有指纹信息的电信号。
87.所述保护层23用于保护器件，材料通常为油墨、干膜等有机物，覆盖于电极层24的上方。由于保护层23与第一介质层相接触，为了超声波信号在该界面更好的反射，需要该表面平坦，表面粗糙度＜20nm，从而减小噪声。
88.本技术将保护层23、电极层24和压电层25叠置的超声波传感器2设置为谐振结构，在进行器件设计时，尽量使得这三层材料的声阻抗接近。在一个具体的实施例中，保护层23、电极层24和压电层25由聚合物形成，声阻抗为1～10mrayls，厚度在10～30μm。优选的，为pvdf、银浆和热塑性油墨，声阻抗约为5mrayls。或者，在一些可行的实施例中，电极层24也可设置为金属，一般而言金属声阻抗较大(＞10mrayls)，故将其厚度设置为远小于其波长(波长通常大于400um，远小于即至少小于其十分之一数值)，如小于1um，则该高声阻抗层对声波的阻断作用可忽略不计。
89.在本说明书中，所述“波长”表示为声波在对应的介质中传播时的波长,不同介质材料对应的“波长”不同，而相同介质下的不同厚度，声波能量表现不同。如图9所示，当超声波传感器2的厚度约为其波长的四分之一或其波长的四分之三时，穿透到介质中的声波能量有极大值，当超声波传感器2的厚度约为其波长的四分之二或一个波长时，穿透到介质中的声波能量有极小值。
90.考虑到压电层25越厚则需要越大的发射电压，同时考虑到压电材料的涂布工艺，
通常设置其不大于30um，具体的为7um、9um、11um、13um和15um等。另一方面，压电层25越厚，则占超声波传感器2的比例越大，最终输出的电压会越大，结合两方面考虑通常设置超声波传感器2的总厚度为其波长的四分之一，约为10～100um。其中，电极层24越厚，导电性越好，但其声阻抗相对较大，厚度不能设置太大，保护层23则用于补充厚度使超声波传感器2的总厚度达到四分之一波长。
91.工作时，通过电路产生如图5所示的发射信号，一般为1～8个周期，电压峰峰值一般为50～300v，具体与压电层25材料的耐压能力和电路的升压能力有关，此处示例发射信号频率为12mhz，共5个周期，vpp＝180v。电极层24接收交流信号，底电极17接地或接一固定低电平(＜10v)。压电单元受到交流电压后由于逆压电效应产生相应的形变，由于电场方向是纵向，压电层25材料的极化方向也是纵向(通过极化工艺实现)，故该压电效应为d33模式，压电层25会发生厚度方向的拉伸与压缩，从而产生向外传播的平面波。
92.由图1所示的传播路径，根据材料的声阻抗相近程度，将本技术实施方式提供的指纹识别装置分为第一叠层a、第二叠层b和第三叠层c。所述第一叠层a为超声波传感器2整体结构，第二叠层b主要由衬底层组成，第三叠层c为胶和第三介质层3的组成。
93.根据手指表面纹理不同，手指上分为表示指脊的点1、表示指谷的点2。根据超声波传感器2正上方所对应的手指不同的纹理，可分为两种声学路径，即正对指脊的声学路径1和正对指谷的声学路径2。在超声波发射阶段，超声波在第一叠层a中不断谐振形成驻波，然后透过第二叠层b，经第三叠层c后到达第三介质层3上方的手指。手指脊处皮肤的声阻抗(1.5～2mrayls)与手指谷处空气的声阻抗(411rayls)差异较大，故指脊和指谷处的声波反射率不同，因此反射回去的声波会不同，具体对应于点1和点2处的声波不同。如图6所示，点2的声波幅值更大。
94.超声波传感器2上具有与点1相对应的点3，与点2相对应的点4，衬底层上的像素单元阵列具有与点3相耦合的传感单元1、与点4相耦合的传感单元2。当具有幅值差异的声波再沿着声学路径1和声学路径2反射时，分别到达点3和点4，点3和点4因声波不同产生不同的变化，并通过传感单元1和传感单元2处理得到不同的电信号。
95.其中，如图7所示，当时间小于1.7us时，手指界面处的声波还未返回，点3和点4的位移大小相同；当时间大于1.7us后，手指界面处的声波返回到第一叠层a，点3和点4表现出位移大小不同。由于压电效应，使得传感单元1和传感单元2产生的电压产生差异，如图8所示的传感单元1和传感单元2产生的电压信号，可见在约1.9us时，谷脊电压差达到最大值，约为70mv，通过像素电路读出该电压值，再经过信号处理最终成像。
96.本技术实施方式通过第三介质层3，能够增加经目标体反射后反射回超声波传感器2的回波时间，从而与发射时间区分开，使得接收到的回波信号更纯粹。本技术通过将超声波传感器2设置为供超声波谐振的结构，故有一段拖尾时间，此时在声波谐振过程中，超声波传感器2不断的接收谐振后反射回的谐振回波信号(谐振回波信号并未到达目标体，实际仍为发射波信号)，若在衬底层上方未设置延迟层，则经目标体反射形成的回波信号与谐振回波信号(发射波信号)无法区分开来，因此通过设置延迟层使得接收到的回波信号更纯粹。
97.在一个具体的实施例中，所述第三介质层3的厚度大于300um，保证能够对将回波信号与发射波信号区分。当然，所述第三介质层3并不限于该厚度，可以在该厚度的基础上
进行调整。
98.在一个实施方式中，胶4的声阻抗介于第三介质层3与第二介质层1之间。具体的，胶4为热固化环氧树脂或uv可固化环氧树脂，所述胶4的厚度为其波长的四分之一，以保证声波穿过胶4时保持较大的能量。或者，胶4为导电材料与有机物的复合膜层，胶4的总厚度为5-50μm，其中，所述导电材料的厚度为1～15um。导电薄膜起导电和支撑作用，如铜箔胶、导电碳胶带等，导电材料声阻抗优选大于20mrayls。
99.在一个实施方式中，胶4的声阻抗与第三介质层3的声阻抗接近或者相等。胶4的厚度可与第三介质层3的厚度一起考虑，总厚度设置为第三叠层c四分之一波长的奇数倍(声阻抗介于第二介质层1和皮肤之间时)或偶数倍(声阻抗不介于第二介质层1和皮肤之间时)。特别的，需穿透介质为几种不同材料的膜层组成，此时，则需根据与胶接触的膜层材料进行胶的设置。
100.在一个具体的应用场景中，超声波传感器2的声阻抗为5mrayls，第一介质层为空气，第二介质层1的声阻抗为22mrayls，胶4的声阻抗为10mrayls。则，利用公式r＝(z
1-z2)2/(z1+z2)2可以计算出，第一叠层a与空气之间的反射率接近于1，第一叠层a与第二叠层b之间的反射率约为0.4，从而声波在第一叠层a与第二叠层b之间反射时存在半波损，发射波(例如波形为sin(ωt))经过1/4波长的两倍路径和半波损回到发射波位置时，正好经历一个波长路径的相位变化，即反射波(波形为0.4*sin(ωt+2π))与发射波(波形为sin(ωt))可叠加增强，得到的谐振波波形为1.4*sin(ωt)，即在第二介质层1与超声波传感器2之间的界面处反射一次可将幅值增加一倍。第二叠层b与第三叠层c之间的反射率约为0.14，可见，从第二介质层1传出的声波大多进入第三介质层3，以被第三介质层3上方的目标体所接收。
101.在本说明书中，第二介质层1作为制作超声波检测部分的电路的衬底层，通常为矩形结构或者为其他形状。在采用硅基衬底的实施例中，可以在硅基衬底的第三表面15形成识别区域10和非识别区域11，如图2和图11所示，所述识别区域10用于设置cmos像素单元阵列101以及用于所述cmos像素单元阵列101与所述超声波传感器2电耦合的底电极17，所述非识别区域11用于形成与所述cmos像素单元阵列101、所述超声波传感器2电性连接的信号处理电路，所述信号处理电路用于为所述超声波传感器2提供驱动电压以及对所述cmos像素单元阵列101发出的电信号进行处理。
102.从而，在硅基上可直接制作信号处理电路部分和cmos检测电路部分，信号处理电路部分和cmos检测电路部分可以集成于同一芯片上，集成化程度高。相较于常见的在玻璃基底上制作tft像素电路而言，采用硅基底有源层为单晶硅，晶界缺陷少，因此噪声更小。同时，采用硅基的cmos工艺尺寸(cd)更小，目前量产工艺最小可达5nm(tft工艺最小尺寸一般大于1μm)，cmos工艺制作的像素单元尺寸远远小于tft工艺制作的像素单元尺寸，因此cmos像素单元的尺寸更小，使得芯片的成像分辨率更高。
103.另外，由寄生电容计算公式c＝εs/d可知，cmos工艺尺寸小，硅基晶体管面积s更小。硅基和玻璃基的晶体管有源区材质都为硅，故介电常数ε接近，而厚度d与结深相关，两种工艺电路的d接近，故相较于玻璃衬底而言，硅基制作的cmos像素单元阵列的寄生电容更小，电路噪声更小，因此芯片的信噪比可以得到有效提高。
104.在第二介质层1的第三表面15上，超声波传感器2设置在识别区域10上，且识别区域10还用于设置检测超声波信号的cmos检测电路。cmos检测电路和信号处理电路可以通过
集成电路工艺中的金属互连层实现电耦合，cmos检测电路具体为cmos像素单元阵列101，用于检测超声波信号。信号处理电路制作于非识别区域11，被设置为控制指纹识别的各个方面。从而，可将信号处理部分与cmos检测电路集成于同一衬底上，从而形成单颗芯片，封装结构简单，集成化程度更高。
105.进一步的，非识别区域11上设置有i/o接口区域14，该i/o接口区域14用于与外部设备和信号处理电路连接，外部设备可以通过i/o接口区域14向该芯片输入信号或者接收该芯片反馈的信号。优选的，如图12所示，该i/o接口区域14用于连接fpc线路板5。
106.在一个优选的实施方式中，fpc线路板5位于非识别区域11的上方，沿着硅基衬底的厚度方向作投影，fpc线路板5落在硅基衬底上的投影与超声波传感器2落在硅基衬底上的投影不重叠。从而fpc线路板5与超声波传感器2之间互相不干涉，一方面节约了fpc线路板5的材料，另一方面便于fpc线路板5与i/o接口区域14电性连接，减小工艺难度。另外，由于fpc线路板5为软性材质，fpc线路板5的下方可以设置补强钢板7，以起到支撑作用。另外，采用该种封装结构，软性线路板可随意进行弯折，从而节省电子设备的内部空间。优选地，所述fpc线路板5与i/o接口区域14通过各向异性导电胶6连接。
107.在一个优选的实施方式中，所述识别区域10位于所述第三表面15的中心区域，所述非识别区域11位于所述识别区域10的外围区域。通常而言，用于指纹识别的超声波在穿透介质时具有一定的发散性，难以等效为平面波发射，从而衬底层的边缘区域和衬底层的中心区域得到的声学信息不等效，即产生了边缘效应。若衬底的表面全部用于形成识别区域10、制作检测电路，实际在识别图像时，通常会舍弃一些边缘区域得到的指纹图像，从而导致边缘区域没有得到合理利用。
108.在本实施例中，将硅基衬底的第三表面15的中心区域形成识别区域10，第三表面15的边缘区域形成非识别区域11，有效利用了芯片的边缘区域，使得芯片的有效使用面积更高。
109.在一个具体的实施例中，所述硅基衬底为矩形，外轮廓尺寸为3～40mm，识别区域10为矩形每条边距离芯片边缘0.2～10mm，识别区域10上的每个像素单元的边长通常为20～100um，具体数值与器件所需设置得分辨率和电路工艺有关，一般为50um、55um、60um、65um、70um、75um、80um、85um、90um。cmos检测电路的顶部为阵列排布的底电极17，材料为al、au、cu、pt、mo等金属，厚度可以为0.01～20um，电极单元间间距为1～20um，与其上方的超声波传感器2连接。
110.在本实施例中，所述硅基衬底上基于cmos工艺制作的像素单元尺寸远远小于tft工艺制作的像素单元尺寸，因此cmos像素单元的尺寸更小，使得芯片的成像分辨率更高，因此硅基衬底的整体尺寸可做的较小。由于cmos检测电路和信号处理电路均制作于硅基衬底上，从而硅基衬底的尺寸可以等效于超声波指纹识别芯片100的尺寸，芯片尺寸在3～40mm，远远小于采用tft大面阵的指纹识别芯片的尺寸，有利于降低制作成本。
111.为了在硅基衬底上制作电路，所述衬底的第三表面15上设置有用于形成cmos像素单元阵列101和所述信号处理电路的电路膜层。而所述电路膜层的声阻抗与所述硅基衬底的声阻抗接近或者相等，从而整个硅基衬底和电路膜层形成的叠层作为用于起滤波作用的过滤层。电路膜层通常较薄，优选＜10um，由硅、氧化硅、氮化硅等无机物组成，其声阻抗与单晶硅接近，故与硅基衬底等效为同一叠层。
112.一般而言，硅基衬底的声阻抗约为22mrayls，被设置为远大于超声波传感器1的声阻抗。硅基衬底应当尽量较薄，如50um、100um、150um或200um等。
113.如图10和图11所示，cmos检测电路为cmos像素单元阵列101，包括若干个cmos像素单元，若干个cmos像素单元可呈多排多列的规则形式排布，该电路进一步包括行选线和列选线，当行选线逐行或者隔行开启时，对应行的cmos像素单元开启，将cmos像素单元存储的电信号通过对应的列选线读出。
114.在一个具体的实施例中，如图10所示，每一像素单元包括：压电单元、峰值检测晶体管m1、锁定晶体管m2、源跟随器晶体管m3、电容c1和读出晶体管m4。通过控制模块111提供相互独立的控制信号：tx、bias、od_1和od_2等。在像素读出阶段，通过行选开关控制读出晶体管m4的开启，从out端输出传感单元的电荷信号，经电荷放大器放大、滤波、模数转换及数字处理后输出图像。
115.对应的，非识别区域11上的信号处理电路可以包括控制模块111(偏置驱动器、tx发射器驱动器、驱动器1和驱动器2)、rx模块112(电荷放大器、滤波器)、模数转换模块114和数据处理模块113。控制模块111被设置成可以控制超声波tx驱动器的时序和tx波形产生、传感单元和峰值检测晶体管的偏置、行选、检测电路所需驱动器时序控制、读出帧率、信号过滤与模数转换等。检测电路所需驱动器则包括od 1和od 2信号的驱动。数据处理模块113从rx模块112处接收数据，将数字化数据转换为指纹的图像数据，然后提供i/o接口区域14供进一步处理。
116.具体的，控制模块111产生规则时间间隔的tx信号，经tx驱动器传输至超声波传感器2，从而驱动超声波传感器2产生超声波。待携带指纹信息的超声波回到超声波传感器2时，控制模块111控制偏置驱动器、驱动器1和驱动器2，经上述超声波接收器的接收过程后锁定每一像素单元的电荷信息。控制模块111进一步控制rx模块112的行选开关和像素模块的读出晶体管m4，进行信号的逐行读取。在每一行像素信号的读取时，控制模块111可控制rx模块112的多路复用器实现信号的读取。进一步的，信号经过信号放大器、滤波、模数转换和数字处理，最终经i/o接口区域14发送出去。
117.当然，所述像素单元的具体结构可以不限于上述举例，对应的，非识别区域11上的信号处理电路也并不限于上述列举，所属领域技术人员在本技术技术精髓的启示下，还可以做出其他的变更，但只要其实现的功能和达到的效果与本技术相同或相似，均应涵盖于本技术保护范围内。但是，该信号处理电路至少应当包括控制超声波tx驱动器的时序、检测电路所需驱动器时序控制以及读出信号的处理。
118.在本说明书中，在硅基衬底上形成超声波传感器2时，首先在硅晶圆上通过传统集成电路工艺形成电路，包括cmos检测电路和信号处理电路，主要膜层包括掺杂层、绝缘层、金属互连层及钝化层等，同时电路的上方分别形成底电极17和i/o接口区域14，i/o接口区域14上可以设置一层金属导电层，以便于与外部线路板或者其他电子器件相连接。
119.进一步的，可以在cmos检测电路的上方涂布带有压电共聚物的溶液，或者通过旋涂、狭缝式涂布、丝网印刷、喷射、打印、层压或其他涂布方式实现。特别的，在涂布压电共聚物前，可预涂布种子层溶液改变晶圆的表面性能，从而获得压电性能更好的压电层25。然后，将硅晶圆进行高温烘烤，使得膜层中的助黏剂挥发，并使压电共聚物进行结晶，温度需高于共聚物居里温度并低于熔点。使压电共聚物进行结晶形成压电层25，结晶后将压电层
25置于强电场中进行极化，极化方向沿着压电层25的厚度方向。具体的，可通过原位极化的方式实现，将压电膜层的极化电极(图片未示出)接地，然后，将晶圆的i/o接口区域通过绝缘治具保护起来，置于极化设备的下方，在电场作用下，压电膜层与极化设备之间的环境气体被电离形成等离子体，这些气体聚集在压电层25的表面，使压电层25内形成厚度方向的膜内电场，从而实现压电层25的极化。此外，待极化完成后也可通过湿法刻蚀或干法刻蚀的方法实现压电膜层的图案化。
120.再制备电极层24，可通过旋涂、丝网印刷、化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体溅射等方式实现。此外，可通过湿法刻蚀或干法刻蚀的方法实现图案化。最后，可以以同样的方式制备保护层21，如此完成超声波传感器在识别区域10上的制作，以形成完整的晶圆，可用于后续与线路板4的封装。
121.封装前，需要将晶圆进行减薄、划切片、封装及测试等形成模组。具体的，首先将硅衬底通过机械研磨或化学腐蚀的方式减薄到50～200um，厚度均匀性控制到小于
±
5um，表面粗糙度＜100nm；再通过激光或机械划裂方式形成单颗的芯片；最后，如图12所示，将其与fpc线路板5通过各向异性导电胶6连接的方式进行邦定，封装形成模组。
122.本说明书还提供了一种超声波指纹识别芯片100，如图1至图4所示，包括：超声波传感器2，用于发射和接收超声波信号，所述超声波传感器2具有相背对的两侧，一侧设置有第一介质层，另一侧设置有硅基衬底1，所述硅基衬底1在背离所述超声波传感器的上方用于设置显示屏；所述硅基衬底1上形成识别区域10和非识别区域11，所述识别区域10用于形成cmos像素单元阵列101，所述非识别区域11用于形成信号处理电路；所述超声波传感器2在所述第一介质层和所述硅基衬底1之间形成供超声波谐振的结构，所述超声波传感器2发出的超声波信号经过谐振后能从所述硅基衬底1传出、进入所述显示屏，被所述显示屏上方的目标体反射后进入所述超声波传感器2。
123.该超声波指纹识别芯片100其能够实现上述超声波指纹识别装置中的实施例所解决的技术问题，并相应的达到上述实施方式的技术效果，具体的本技术在此不再赘述。
124.本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
125.除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
126.披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何
属性都是可选的。
127.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。