用于声阻抗匹配和改进的触摸感测和指纹成像的几何结构的制作方法

1.本公开整体涉及超声触摸感测和指纹成像系统，并且更具体地，涉及用于改进的超声触摸感测和指纹成像的声阻抗匹配。


背景技术：

2.目前可获得能够接收触摸输入以发起操作的许多类型的电子设备。此类设备的示例包括台式计算机、膝上型计算机和平板计算设备、智能电话、媒体播放器、可佩戴设备诸如手表和健康监测设备、智能家居控制和娱乐设备、耳机和耳塞，以及用于计算机生成的环境诸如增强现实、混合现实或虚拟现实环境的设备。这些设备中的许多设备可通过物理触摸按钮或按键、鼠标、轨迹球、操纵杆、触摸面板、触摸屏等来接收输入。具体地，可穿戴设备可向用户提供用于执行各种功能的可立即访问的机制，并且在一些情况下，可以单独地或通过配对设备来快速访问敏感的用户信息。然而，容易访问设备功能和/或敏感信息的可能性产生了对安全认证和访问的需要。
3.为了提供安全认证，可以在例如手表按钮之类的表面上实现指纹检测。因为表面可由金属制成并且/或者可具有一定厚度(例如，大于300微米)，这可以使其他感测技术不切实际，所以可采用超声触摸感测来执行指纹成像。在一些示例中，压电微机械加工超声换能器(pmut)阵列可用于通过各种材料和厚度的触摸表面传播超声波，其中指纹脊的存在或不存在可改变反射回pmut阵列的能量的量。反射能量的这些变化可用于确定用户的指纹的图像。然而，当pmut阵列和相关联的电子设备固定到触摸表面的背面时，所得到的材料(例如，pmut阵列、粘结材料、感测板等)的层叠可产生声阻抗失配，该声阻抗失配可能减少超声能量到/从pmut阵列和触摸表面的传输，并且还可产生寄生反射，这两者都可能不利地影响pmut阵列准确执行指纹成像的能力。


技术实现要素：

4.本公开的示例整体涉及提供超声触摸感测和指纹成像能力，并且具体地涉及用于改进的超声触摸感测和指纹成像的声阻抗匹配。在本公开的一些示例中，具有相对低的声阻抗的环氧树脂可与填料材料组合以增加所得复合环氧树脂的总声阻抗。复合环氧树脂可用于将超声换能器阵列粘附到被配置为接收触摸(例如，来自手指)的顶层(即，感测板或盖层)。复合环氧树脂(具有填料材料)可具有高于单独的环氧树脂的声阻抗的声阻抗，并且可更紧密地匹配换能器阵列的声阻抗。复合环氧树脂的声阻抗可减少换能器阵列和感测板之间的阻抗失配，这可导致减少的超声波衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
5.在本公开的一些示例中，一个或多个匹配层可形成在感测板上或固定到感测板，该匹配层的总声阻抗近似等于感测板的声阻抗和换能器阵列的声阻抗的几何平均值。在一些示例中，一个或多个匹配层中的每个匹配层可由一种或多种金属形成。然后可使用上述环氧树脂或复合环氧树脂将一个或多个匹配层(以及附接的感测板)粘附到换能器阵列。一
个或多个匹配层中的每个匹配层可具有近似等于通过匹配层传播的超声波的四分之一波长的厚度。一个或多个匹配层可在换能器阵列与感测板之间产生声阻抗梯度，以减少换能器阵列和感测板之间的声阻抗失配，这可导致减少的超声波衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
6.在本公开的一些示例中，感测板可被制造有沿着感测板的一个或多个表面的不均匀分布的孔(例如，洞)或穿孔，以在感测板内产生一个或多个声阻抗梯度。一个或多个声阻抗梯度可导致减少的超声波衰减、较少的反射、更高信噪比(snr)触摸信号(导致更高对比度的触摸和指纹图像)，以及最终更准确的触摸感测和指纹成像。
7.在本公开的一些示例中，几何结构(例如，锥体)可形成在感测板的背面上。几何结构可具有比通过感测板传播的超声波的波长小得多的峰到峰间距，并且可具有是超声波的波长的至少三倍的峰到谷高度。较低的声阻抗材料可填充几何结构之间的间隙，以在几何结构和填料材料的位置处产生声阻抗梯度。该声阻抗梯度可以导致减少的超声波衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
8.在本公开的一些示例中，因为换能器阵列也可在远离感测板的方向上并且通过任何下面的电子器件产生不期望的超声波，所以可以在超声感测电子器件的背侧上形成吸收剂层以吸收不期望的超声波并且减少那些波的反射。吸收剂层可以是由钨填料和环氧树脂形成的复合环氧树脂。该吸收剂层可具有高于常规环氧树脂的声阻抗，具有高超声波吸收。吸收剂层可减少来自不期望的超声波的反射的能量，这可导致不期望的/寄生的超声波的衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
附图说明
9.图1a至图1g示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的系统。
10.图2示出了根据本公开的示例的包括具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的电子设备的框图。
11.图3示出了根据本公开的示例的用于对与触敏表面接触的对象(例如，指纹脊)进行超声触摸感测的过程。
12.图4a示出了根据本公开的示例的使用pmut阵列的触摸感测层叠。
13.图4b示出了根据本公开的示例的当使用具有低声阻抗的环氧树脂时，来自声阻抗失配的寄生反射和从感测板的触摸表面反射回的手指签名。
14.图5a示出了根据本公开的示例的复合环氧树脂，其可包括环氧树脂和悬浮在环氧树脂中的填料颗粒。
15.图5b示出了根据本公开的示例的当使用复合环氧树脂时，来自声阻抗失配的寄生反射和从感测板的触摸表面反射回的手指签名。
16.图6a示出了根据本公开的示例的在与环氧树脂和pmut阵列分离时固定到感测板的匹配层。
17.图6b示出了根据本公开的示例的夹置在感测板与pmut阵列之间的匹配层(为清楚起见省略环氧树脂层)。
18.图6c示出了根据本公开的示例的在一定范围的频率和层厚度内，超声信号的能量
通过特定材料的单个匹配层的传输。
19.图7a示出了根据本公开的示例的可用于在感测板的背侧上形成匹配层的若干材料和技术。
20.图7b示出了根据本公开的示例的使用镀覆形成匹配层。
21.图7c示出了根据本公开的示例的用于用几何结构形成和镀覆不锈钢(sus)感测板的镀覆过程流程。
22.图7d示出了根据本公开的示例的使用包层形成匹配层。
23.图7e示出了根据本公开的示例的使用物理气相沉积(pvd)形成匹配层。
24.图8a示出了根据本公开的示例的具有由孔产生的内部声阻抗梯度的感测板。
25.图8b示出了根据本公开的示例的具有不均匀分布的孔的感测板。
26.图8c示出了根据本公开的示例的具有穿孔的感测板。
27.图8d示出了根据本公开的示例的具有密度变化的感测板。
28.图8e示出了根据本公开的示例的具有穿孔和密度变化的感测板。
29.图9a示出了根据本公开的示例的具有用于产生声阻抗梯度的几何结构的感测板。
30.图9b是根据本公开的示例的具有几何结构的感测板的透视图。
31.图9c示出了根据本公开的示例的具有填充有锡(sn)匹配层的几何结构的不锈钢(sus)感测板，该锡匹配层如图7c所示完成，并且然后使用环氧树脂粘附到pmut阵列。
32.图10a示出了根据本公开的示例的使用背衬有吸收剂的pmut阵列的触摸感测和指纹成像层叠。
33.图10b示出了根据本公开的示例的当使用复合环氧树脂和吸收剂时，来自声阻抗失配(例如，反射的组合效应)的寄生反射和从感测板的触摸表面反射回的手指签名。
34.图11示出了根据本公开的示例的用于声阻抗匹配和改进的触摸感测和指纹成像的流程图。
具体实施方式
35.相关申请的交叉引用
36.本技术要求2021年5月13日提交的美国临时申请第63/188108号以及2022年4月22日提交的美国临时申请第17/660308号的权益，这两个申请的内容全文以引用方式并入本文以用于所有目的。
37.在以下对各种示例的描述中，将参考形成以下描述的一部分的附图并且在附图中以说明的方式示出了可被实施的具体示例。应当理解，在不脱离各个示例的范围的情况下，可使用其他示例并且可作出结构性改变。
38.当超声波传播到触摸表面(诸如感测板)时，超声触摸感测和指纹成像系统可能受到声阻抗失配的不利影响。除了最终到达感测板并且根据对象(例如，指纹脊)是否触摸感测板而以不同振幅反射回的超声波的能量的减少之外，这些失配可能导致超声波的不期望的反射。
39.因此，本公开的示例整体涉及提供超声触摸感测和指纹成像能力，并且具体地涉及用于改进的超声触摸感测和指纹成像的声阻抗匹配。在本公开的一些示例中，具有相对低的声阻抗的环氧树脂可与填料材料组合以增加所得复合环氧树脂的总声阻抗。复合环氧
树脂可用于将超声换能器阵列粘附到被配置为接收触摸(例如，来自手指)的顶层(即，感测板或盖层)。复合环氧树脂(具有填料材料)可具有高于单独的环氧树脂的声阻抗的声阻抗，并且可更紧密地匹配换能器阵列的声阻抗。复合环氧树脂的声阻抗可减少换能器阵列和感测板之间的阻抗失配，这可导致减少的超声波衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
40.在本公开的一些示例中，一个或多个匹配层可形成在感测板上或固定到感测板，该匹配层的总声阻抗近似等于感测板的声阻抗和换能器阵列的声阻抗的几何平均值。在一些示例中，一个或多个匹配层中的每个匹配层可由一种或多种金属形成。然后可使用上述环氧树脂或复合环氧树脂将一个或多个匹配层(以及附接的感测板)粘附到换能器阵列。一个或多个匹配层中的每个匹配层可具有近似等于通过匹配层传播的超声波的四分之一波长的厚度。一个或多个匹配层可在换能器阵列与感测板之间产生声阻抗梯度，以减少换能器阵列和感测板之间的声阻抗失配，这可导致减少的超声波衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
41.在本公开的一些示例中，感测板可被制造有沿着感测板的一个或多个表面的不均匀分布的孔(例如，洞)或穿孔，以在感测板内产生一个或多个声阻抗梯度。一个或多个声阻抗梯度可导致减少的超声波衰减、较少的反射、更高信噪比(snr)触摸信号(导致更高对比度的触摸和指纹图像)，以及最终更准确的触摸感测和指纹成像。
42.在本公开的一些示例中，几何结构(例如，锥体)可形成在感测板的背面上。几何结构可具有比通过感测板传播的超声波的波长小得多的峰到峰间距，并且可具有是超声波的波长的至少三倍的峰到谷高度。较低的声阻抗材料可填充几何结构之间的间隙，以在几何结构和填料材料的位置处产生声阻抗梯度。该声阻抗梯度可以导致减少的超声波衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
43.在本公开的一些示例中，因为换能器阵列也可在远离感测板的方向上并且通过任何下面的电子器件产生不期望的超声波，所以可以在超声感测电子器件的背侧上形成吸收剂层以吸收不期望的超声波并且减少那些波的反射。吸收剂层可以是由钨填料和环氧树脂形成的复合环氧树脂。该吸收剂层可具有高于常规环氧树脂的声阻抗，具有高超声波吸收。吸收剂层可减少来自不期望的超声波的反射的能量，这可导致不期望的/寄生的超声波的衰减，较少的反射，以及更准确的触摸感测和指纹成像。
44.图1a至图1g示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的系统。图1a示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的示例性移动电话136。图1b示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的示例性数字媒体播放器140。图1c示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的示例性个人计算机144。图1d示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的示例性平板计算设备148。图1e示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的示例性可穿戴设备150(例如，手表)。图1f示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的另一示例性可穿戴设备(包耳式耳机160)。图1g示出了根据本公开的示例的可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的另一示例性可穿戴设备(入耳式耳机或耳塞170)。应当理解，图1a至图1g所示的示例性设
备是作为示例提供的，并且其他类型的设备可采用具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像。
45.具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像可以并入上述系统中以改善系统的触摸感测和指纹成像能力。在一些示例中，触摸屏(例如，电容式、电阻式等)可用超声触摸感测和声阻抗匹配来增强，以提供增强的感测能力(例如，除触摸感测之外的指纹成像)。在一些示例中，另外的非触敏显示器可用超声触摸感测和声阻抗匹配来增强，以提供触摸感测能力(例如，指纹成像)。在此类示例中，可在没有电容式触摸屏所需的层叠结构的情况下实现显示器。在一些示例中，具有声阻抗匹配的超声触摸感测可用于为非显示表面提供触摸感测能力(例如，指纹成像)。例如，具有声阻抗匹配的超声触摸感测可用于在手表的按钮、耳塞、触控板(例如，个人计算机144的触控板146)、滚轮、外壳的一部分或全部、或设备的任何其他表面(例如，在前面、后面或侧面上)上提供指纹成像能力。
46.如图1e至图1g的示例所示，本公开的一些示例特别涉及可穿戴设备，该可穿戴设备可为用户提供用于发起或执行各种功能的可立即访问的输入机制，以及通过指纹成像对可穿戴设备和/或配对设备的安全认证和访问。在一些示例中，超声指纹成像能力可集成在现有可穿戴设备结构内。在这些示例中，用户可用一根或多根手指触摸可穿戴设备结构上的触敏区域，并且具有声阻抗匹配的超声换能器可检测这些触摸并捕获指纹图像以发起或执行诸如用户验证之类的功能。例如，具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像可以集成到手表150的按钮中，或者集成到包耳式耳机160或入耳式耳机170的可接近区域中。
47.图2示出了根据本公开的示例的包括具有声阻抗匹配的超声触摸感测和指纹成像的电子设备的框图。在一些示例中，设备200的外壳202(例如，对应于上述设备136、140、144、148、150、160和170)可与一个或多个超声换能器204耦接(例如，机械地)。在一些示例中，换能器204可为压电换能器的阵列，其可在充当发射器时因电信号的施加而振动，并且在充当接收器时基于检测到的振动来产生电信号。在一些示例中，换能器204可由pmut阵列或压电陶瓷材料(例如，pzt或knn)或压电塑料材料(例如，pvdf或plla)形成。在各种示例中，换能器204可通过粘结剂(例如，复合环氧树脂)粘结到外壳202，通过诸如沉积、光刻等的过程沉积在一个或多个表面上，或者在外壳内一体形成。当将电能施加到换能器204并使它们振动时，也可以使与换能器接触的一个或多个表面振动，并且表面材料的分子的振动可作为超声波传播通过一个或多个表面/材料。在一些示例中，换能器204的振动可用于在电子设备的表面的介质中以选定频率产生超声波。
48.在一些示例中，换能器204可部分地或完全地设置在显示器208的一部分上(或耦接到显示器208的一部分)，该部分在一些示例中可与附加(非超声)触摸电路212集成以形成触摸屏，但是应当理解，一些示例性设备不包括显示器208或附加触摸电路212(其任选性质由虚线指示)。设备200还可包括超声触摸感测电路206，该超声触摸感测电路可执行触摸感测和指纹成像，并且可包括用于驱动电信号以刺激换能器204的振动的电路(发射电路)，以及用于在换能器由所接收的超声能刺激时感测由换能器204输出的电信号的电路(例如，接收电路)。在一些示例中，超声触摸感测电路206的定时操作可任选地由独立超声触摸感测控制器210提供，该独立超声触摸感测控制器可控制超声触摸感测电路206的操作定时，包括触摸和指纹感测以及成像。在一些示例中，超声触摸感测控制器210可耦接在超声触摸感测电路206与主机处理器214之间。在一些示例中，控制器功能可与超声触摸感测电路206
集成(例如，在单个集成电路上)。来自超声触摸感测电路206的输出数据可被输出到主机处理器214来进一步处理以确定接触设备的对象的位置(例如，指纹脊的位置)。在一些示例中，用于确定接触对象的位置的处理可由超声触摸感测电路206、超声触摸感测控制器210或设备200的单独子处理器(未示出)执行。
49.主机处理器214可接收超声输出以及任选其他触摸传感器输出(例如，电容式)和非触摸传感器输出，并且基于这些传感器输出来发起或执行动作。主机处理器214也可连接到程序存储装置216，并且任选地连接到显示器208。主机处理器214可例如与显示器208通信以在显示器上产生图像，诸如用户界面(ui)的图像，并且可使用超声触摸感测电路206(以及在一些示例中，其相应的控制器)，以及在一些示例中，使用触摸感测电路212来检测显示器208上或附近的触摸，诸如在所显示的ui处的触摸输入和/或力输入。触摸输入可由存储在程序存储装置216中的计算机程序用于执行动作，该动作可包括但不限于：安全认证和访问、移动对象诸如光标或指针、滚动或平移、调节控制设置、打开文件或文档、查看菜单、作出选择、执行指令、操作连接到主机设备的外围设备、应答电话呼叫、拨打电话呼叫、终止电话呼叫、改变音量或音频设置、存储与电话通信相关的信息(诸如地址、频繁拨打的号码、已接来电、未接来电)、登录到计算机或计算机网络上、允许经授权的个体访问计算机或计算机网络的受限区域、加载与用户优选的计算机桌面的布置相关联的用户配置文件、允许访问网页内容、启动特定程序、对消息进行加密或解密等。主机处理器214还可执行可能与触摸处理不相关的附加功能。
50.需注意，本文所述的功能中的一种或多种功能可由存储在存储器中并由超声感测触摸感测电路206(或其相应的控制器)以及在一些示例中由触摸电路212执行的，或存储在程序存储装置216中并由主机处理器214执行的固件来执行。该固件也可以存储和/或输送于任何非暂态计算机可读存储介质内，以供指令执行系统、装置或设备诸如基于计算机的系统、包括处理器的系统或可以从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统使用或与其结合。在本文档的上下文中，“非暂态计算机可读存储介质”可以是可包含或存储程序以供指令执行系统、装置和设备使用或与其结合的任何介质(不包括信号)。非暂态计算机可读介质存储器可包括但不限于，电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备、便携式计算机磁盘(磁性)、随机存取存储器(ram)(磁性)、只读存储器(rom)(磁性)、可擦除可编程只读存储器(eprom)(磁性)、便携式光盘(诸如cd、cd-r、cd-rw、dvd、dvd-r或dvd-rw)、或闪存存储器(诸如紧凑型闪存卡、安全数字卡)、usb存储设备、记忆棒等。
51.该固件也可传播于任何传输介质内以供指令执行系统、装置或设备诸如基于计算机的系统、包括处理器的系统或可从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统使用或与其结合。在本文的上下文中，“传输介质”可以是可传送、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合的任何介质。传输可读介质可包括但不限于电子、磁性、光学、电磁或红外有线或无线传播介质。
52.应当理解，设备200不限制于图2的部件和配置，但是根据各种示例可在多个配置中包括其他部件或附加部件。此外，设备200的部件可被包括在单个设备内，或者可分布在多个设备之间。此外，应当理解，在部件之间的连接是示例性的，并且根据实施方式，可在部件之间包括不同的单向连接或双向连接，不管图2的配置所示的箭头如何。
53.图3示出了根据本公开的示例的用于对与触敏表面接触的对象(例如，指纹脊)进行超声触摸感测的示例性过程300。在302处，超声能量可以以超声波的形式(例如，由换能器的阵列)传输通过材料的厚度。在一些示例中，波可作为体压缩波或体剪切波传播。基于表面材料的特性，几何形状以及从换能器到设备表面的能量传输的方式，也可以存在用于传输的超声能量的其他传播模式。在一些示例中，波传播中断可在材料层边界处和表面材料处发生(例如，当超声波传播到与换能器相对的触摸表面时)。传输能量可传播通过厚度，直到材料层边界处的波传播中断或者当到达表面时，这可能导致能量的一部分反射。当传输的能量到达上述波传播中断中的一者时，可以反射能量中的一些能量，并且可以将所反射的能量的一部分引导到一个或多个换能器。对象(诸如与表面接触的手指或指纹脊)可以对在表面传播中断处反射的能量的量具有影响。
54.在304处，可以接收返回的超声能量，并且可通过一个或多个换能器将超声能量转换成电信号。在306处，超声感测系统可确定一个或多个对象是否正在接触设备的表面，并且可进一步基于接收到的超声能量来检测一个或多个对象的位置。在一些示例中，可以将来自一个或多个有意包括的波传播中断(例如，边缘)的基线反射能量与对应于一个或多个波传播中断的反射能量的测量值进行比较。当对象(例如指纹脊)不与表面接触时，可以在测量期间确定基线反射能量。反射能量与基线的偏差可与触摸表面的对象的存在相关。
55.尽管如上所述，过程300通常是指由传输波的相同换能器接收的反射波，但在一些示例中，发射器和接收器功能可被分离，使得在302处传输超声能量和在304处接收超声能量可在不同的协同定位的换能器(例如，一个换能器处于传输配置，并且一个换能器处于接收配置)处发生。在一些示例中，超声能量可由一个或多个换能器沿着和/或通过表面传输，并且由一个或多个附加换能器(未示出)在沿着表面的不同位置处接收。接收到的超声能量的衰减可用于检测表面上一个或多个对象的存在和/或识别表面上一个或多个对象的位置。在一些示例中，传输的超声能量可在发射换能器处接收，并且还在位于不同位置(例如，在沿着表面的不同位置处)的一个或多个其他非发射换能器处接收。能量可以以多个角度从一个或多个对象反射，并且在所有接收换能器处接收到的能量可用于确定一个或多个对象的位置。
56.图4a示出了根据本公开的示例的使用pmut 402的阵列的触摸感测层叠400。在图4a的示例中，pmut阵列402可用于通过感测板404向触摸表面提供超声波416，其中指纹脊406的存在或不存在可改变作为手指签名418反射回到pmut阵列的能量的量。反射能量的这些变化可用于确定用户的指纹的图像。然而，当使用诸如环氧树脂410之类的粘合剂将pmut阵列402和相关联的电子器件408固定到感测板404的背面时，材料(例如，pmut阵列、环氧树脂和感测板)的所得层叠可在材料层边界412处产生声阻抗失配。特别地，环氧树脂410可具有相对低的声阻抗(例如，约3mrayl)，而感测板404可具有约46mrayl的高得多的声阻抗。这些声阻抗失配可减少超声能量到/从pmut阵列402的传输，并且可产生寄生反射414，这两者均可能不利地影响pmut阵列执行触摸感测或指纹成像的能力。
57.感测板404可由多种材料制成，诸如铝(al)、不锈钢(sus)、陶瓷诸如氧化锆(zro2)、钛(ti)等。尽管图4a示出了pmut阵列402，但是在其他示例中，也可利用不同类型、数量和布置的超声换能器。
58.图4b示出了根据本公开的示例的当使用具有低声阻抗的环氧树脂410时，来自声
阻抗失配的寄生反射414和从感测板404的触摸表面反射回的手指签名418。在图4b的示例中，声阻抗失配可在环氧树脂410与感测板404之间形成。由于这种失配，由pmut阵列402生成的声学信号可在环氧树脂410和感测板404之间的边界412处反射回来(无论手指是否存在于感测板的触摸表面处)，并且在pmut阵列处作为寄生反射414被接收。需注意，因为寄生反射414比手指签名418传播更短的距离，所以寄生反射可在手指签名之前返回到达pmut阵列402。因此，对于图4b中所示的寄生反射414的前几个循环，不存在手指签名418。如图4b的示例所示，由于显著的超声波能量可以以寄生反射414的形式反射，因此寄生反射的振幅(能量)可以较大，而手指签名418的振幅可被不利地减少。通常，超声指纹成像系统通常受多个参数限制，使得当使用高声阻抗感测板时，系统的信噪比(snr)可能不期望地低。本公开的示例减少了声阻抗失配以改善snr。
59.本公开的示例涉及通过以下方式来提高超声触摸感测和指纹成像的准确度：采用声阻抗匹配以减少寄生反射，并且在诸如以下的设备中增加手指签名能量：台式计算设备、膝上型计算设备和平板计算设备、智能电话、媒体播放器、可穿戴设备诸如手表和健康监测设备、智能家庭控制和娱乐设备、耳机和耳塞、以及用于计算机生成的环境(诸如增强现实、混合现实或虚拟现实环境)的设备。本公开的一些示例特别涉及可穿戴设备，该可穿戴设备可为用户提供用于发起或执行各种功能的可立即访问的输入机制，以及通过指纹成像对可穿戴设备和/或配对设备的安全认证和访问。
60.图5a示出了根据本公开的示例的复合环氧树脂520，其可包括环氧树脂522和悬浮在环氧树脂中的填料颗粒524。在一些示例中，复合环氧树脂520的组分的材料和尺寸可被选择为减少pmut阵列与感测板之间的声阻抗失配。因为与环氧树脂522的低得多的声阻抗(例如，3mrayl)相比，感测板的声阻抗可以非常高(例如，对于sus为46mrayl)，所以在一些示例中，可以将填料颗粒524添加到环氧树脂以产生与环氧树脂相比具有增加的声阻抗的复合环氧树脂520。在最佳示例中，复合环氧树脂520的声阻抗可增加以匹配下面的pmut阵列的声阻抗(例如，11mrayl)或电子器件的声阻抗(例如，22mrayl)。然而，在可能更容易实现的其他示例中，复合环氧树脂520可具有7mrayl的增加的声阻抗(与环氧树脂本身相比增加)。增加的声阻抗可减少pmut阵列与感测板之间的声阻抗失配，这可增加超声能量到/从pmut阵列的传输，并且可减少寄生反射，这两者均可改善pmut阵列执行指纹成像的能力。
61.在一些示例中，复合环氧树脂520可被配制成温度稳定的(即，低热漂移)，使得其特性不会随温度而变化。因此，环氧树脂522可被选择为具有远高于设备的预期操作温度(例如，高达60摄氏度)的“玻璃化转变”(环氧树脂开始从硬或脆性状态转变为较软、较粘性状态的温度)。在一些示例中，环氧树脂522可被选择为具有80摄氏度-100摄氏度的玻璃化转变，使得环氧树脂的特性在预期的操作温度范围内是稳定的。在该温度范围以上，环氧树脂可变得太软，并且模量可降低，这可导致声阻抗的不期望的偏移。
62.在一些示例中，填料颗粒524的直径d可被选择为远小于传播通过复合环氧树脂520的超声波的波长，使得超声能量反射/散射最小化。如果直径d过大，则填料颗粒524可反射/散射波。在一些示例中，传播通过复合环氧树脂520的超声波的平均波长可以是约100微米-150微米，因此粒度可被选择为在5微米-15微米之间，并且在一些情况下小于5微米。
63.环氧树脂522中的颗粒524的体积分数可被选择为实现期望的声阻抗。尽管复合环氧树脂520的声阻抗应理想地匹配pmut阵列的声阻抗(例如，具有约11mrayl的声阻抗)，但
是实际上这可能无法实现。因此，在一些示例中，颗粒524的体积分数可被选择为约60％-70％。较高体积的部分可导致较高的声阻抗，但是在大于约70％的体积分数下，复合环氧树脂520的完整性可能受到损害。例如，粘附能力可降低，并且粘度可变得如此高，以使得复合环氧树脂可能难以以期望的薄度(例如，15微米-45微米)分配和施加。
64.鉴于上述情况，在本公开的一些示例中，可以利用0-3复合环氧树脂，其包括氧化铝填料(40％体积分数，粒度《5um)和环氧树脂(例如，具有约3mrayl的声阻抗的301环氧树脂)。氧化铝填料可将复合环氧树脂的声阻抗增加到约7mrayl，并且在一些情况下，在8mrayl-11mrayl之间。尽管感测板可具有高得多的声阻抗(例如，对于不锈钢(sus)为约46mrayl、对于钛为30mrayl、并且对于铝为27mrayl)，但是复合环氧树脂的增加的声阻抗(与环氧树脂的3mrayl的较低声阻抗相比)可减少pmut阵列与感测板之间的阻抗失配，从而产生减少的超声波衰减、增加的手指签名能量以及改进的超声触摸感测和指纹成像。
65.图5b示出了根据本公开的示例的当使用复合环氧树脂520时，来自声阻抗失配的寄生反射514和从感测板504的触摸表面反射回的手指签名518。由于由复合环氧树脂520提供的减少的声阻抗失配，来自由pmut阵列生成的超声信号的较少能量可被反射(无论手指是否存在于感测板的触摸表面处)并且在pmut阵列处作为寄生反射被接收回来。需注意，因为寄生反射514可比手指签名518传播更短的距离，所以寄生反射可在手指签名之前返回到达pmut阵列。因此，对于图5b中所示的寄生反射514的前几个循环，不存在手指签名518。如图5b的示例所示，由于较少的超声波能量可以以寄生反射514的形式反射，因此寄生反射的振幅(能量)可减小，而手指签名518的振幅可有利地增加(与图4b相比)。
66.如上所述，复合环氧树脂的组分的材料和尺寸可被选择为减少pmut阵列与感测板之间的声阻抗失配。为了进一步改善声阻抗匹配，在本公开的其他示例中，匹配层可形成在感测板的背面上，以在较低声阻抗pmut阵列与高声阻抗感测板之间产生声阻抗梯度。
67.图6a示出了根据本公开的示例的在与环氧树脂610和pmut阵列602分离时固定到感测板604的匹配层626。匹配层626可在pmut阵列602与感测板604之间产生更渐进的声阻抗转变(即，桥接或梯度)。该声阻抗梯度可减少在pmut阵列602与感测板604之间的界面处产生的超声波反射的量，并且允许更多的能量通过到达感测板的表面以用于触摸检测和指纹成像。通过根据感测板604的特性选择匹配层626的厚度和组成，可以开发不同的匹配层以与不同的感测板材料一起使用。
68.图6b示出了根据本公开的示例的夹置在感测板604与pmut阵列602之间的匹配层626(为清楚起见省略环氧树脂层)。在一些示例中，匹配层626可具有在pmut阵列602的声阻抗zt与感测板604的声阻抗zp之间的声阻抗zm。在一个示例中，zm可以是zp(对于sus为46mrayl)和zt(11mrayl)的几何平均值，或22.5mrayl。将匹配层626选择为具有近似等于两种相邻材料的几何平均值的声阻抗可改进超声波在传播通过匹配层时的能量传递。在一些示例中，匹配层626的厚度d可以是传播通过匹配层的超声波的波长的四分之一。通过匹配层626的信号的最大能量传递可在该四分之一波长厚度处发生。
69.下表提供了根据本公开的一些示例的用于四种不同感测板材料和pmut阵列的示例性匹配层声阻抗。
[0070][0071][0072]
铝、锡和钛的声阻抗在13.7mrayl至23.2mrayl的范围内，因此这些材料可用作匹配层。使用不锈钢感测板作为一个示例，厚度为30微米的铝匹配层可具有约17mrayl的声阻抗和94％的最大传输，厚度为30微米的钛匹配层可具有约27mrayl的声阻抗和95％的最大传输，并且厚度为17微米的锡匹配层可具有约24mrayl的声阻抗和99％的最大传输。对于宽带脉冲，当频率远离最佳频率时，传输减少。
[0073]
在其他示例中，匹配层626可由多个匹配子层形成，子层的层叠中的每个子层具有从底部子层到与感测板相邻的顶部子层增加的超声阻抗。在一些示例中，所有匹配子层可具有近似等于传播通过匹配子层的频率的四分之一波长的总厚度。在其他示例中，每个匹配子层可具有近似等于传播通过该匹配子层的频率的四分之一波长的厚度。参考图6b，匹配层626可被替换为形成在感测板604的背面上的多个匹配子层，并随后粘附到下pmut层602上。在一个示例中，铝匹配子层可形成在感测板上，并且然后可在铝匹配子层上形成镁匹配子层(具有较低声阻抗)。在一些示例中，每个匹配子层可被调谐成具有声阻抗，该声阻抗近似为该匹配子层的任一侧上的材料的声阻抗的几何平均值。
[0074]
图6c示出了根据本公开的示例的在一定范围的频率和层厚度内，超声信号的能量通过特定材料的单个匹配层的传输。在图6c的示例中，在超声信号的中心频率fc下，穿过厚度d等于超声信号的四分之一波长的匹配层的能量传递被最大化，如位于高能量传输带630中的点644所指示。另一方面，远离中心频率的超声信号的频率分量fh可具有少得多的能量传递，如位于较低能量传输带634中的点646所指示。
[0075]
然而，如果如上所述采用多个匹配子层，则可以在较宽频带内改进声波能量传递。例如，多个匹配层的传输曲线图可具有比图6c的示例中所示更宽的高能量传输带630。这种较宽的高能量传输带630可使得来自超声波的更多能量能够以较少的反射传播通过到达感测板的触摸表面。
[0076]
图7a示出了根据本公开的示例的可用于在感测板704的背侧上形成匹配层726的若干材料和技术。在图7a的左层叠中，厚度小于5微米的薄镍(ni)层可使用物理气相沉积(pvd)沉积到由sus或氧化锆(zro2)形成的感测板704的背侧上，这两者均具有约50mrayl的声阻抗，之后是厚度为约17微米的锡(sn)层。当zro2用作感测板704时，需要ni层作为种子层，因为zro2是非导电陶瓷。在形成ni层之后，可以将sn层镀覆在ni层上。因为镍如此薄，所以锡层主要提供匹配层特性。在图7a的中心层叠中，约30微米厚的铝(al)可用由sus或钛(ti)形成的感测板704包层(扩散粘结)以形成匹配层726。在图7a的右层叠中，pvd可用于将al和ti材料沉积到由sus、zro2或ti形成的感测板704的背侧上以形成匹配层726。这三种方法中的任一种方法可用于形成匹配层726，但是实际上三种方法可导致可能影响声阻抗的不同类型的非均匀性。
[0077]
图7b示出了根据本公开的示例的使用镀覆形成匹配层。在图7b的示例中，可以首先使用pvd将镍薄膜(例如，小于2微米)沉积到sus(450微米)或zro2(800微米)感测板704上
(需注意图7b示出了底部处的感测板)。sn层可保护精细结构并提高可靠性。因为镍层是薄的，就期望的四分之一波长厚度而言，它可以忽略不计。sn层可具有约17微米的期望的四分之一波厚度，并且可以是声阻抗匹配的主要贡献者。需注意，匹配层726不需要具有精确的四分之一波长厚度，因为pmut阵列、匹配层、感测板等的声阻抗如此相互依赖以使得可通过整个层叠的模拟来确定实际优选匹配层厚度。图7b的左侧两个层叠示出镀覆在平坦sus和zro2感测板704上的ni和sn。图7b的右侧两个层叠示出了镀覆在sus和zro2感测板704上的ni和sn，该感测板形成有用于改进的声阻抗匹配的几何结构(例如，锥体)，如下文将描述的。
[0078]
图7c示出了根据本公开的示例的用于用几何结构形成和镀覆sus感测板的镀覆过程流程。在图7c的示例中(从左到右)，sus原材料可被激光纹理化以用几何结构734形成感测板704(需注意图7c示出了底部处的感测板)。然后可使用pvd，用薄的ni层(《5微米)，之后是较厚的sn层(其可以主要充当匹配层)来沉积感测板704。镍镀覆可用作种子层，使得sn层可具有在镀槽中镀覆于其上的材料。因为sn被镀覆在不规则表面上，所以镀覆的sn也可具有不规则表面。因此，图7c中的最后一步可以使sn层变平以具有期望的四分之一波长厚度d(例如，30微米)，并且提供用于环氧树脂粘结的光滑表面。
[0079]
图7d示出了根据本公开的示例的使用包层形成匹配层。在图7d的左侧三个层叠中，各自具有约30微米厚度的al和/或镁(mg)可用具有约450微米厚度的sus感测板704包层。包层涉及使用高压辊和高热将不同金属的辊熔合在一起。在材料边界处，一种材料的一些原子被扩散到另一种材料中，使得两种材料粘附在一起。当添加时，al或mg材料可用作匹配层726。图7d中最左侧的层叠示出了用铝(具有约30微米的厚度)对也具有约30微米的厚度的mg进行包层以形成如上所述的多个匹配层。在图7d的最右侧层叠中，具有约30微米的厚度的al可用具有约450微米厚度的ti感测板704包层。当添加时，al层可用作匹配层726。图7d中从右侧起的第二层叠示出了用具有60微米的厚度的薄的多的sus层对具有约390微米的厚度的al进行包层。在该层叠中，sus层可以是装饰层，其厚度等于传播通过sus层的声学信号的约一半波长，以产生自谐振层。
[0080]
图7e示出了根据本公开的示例的使用pvd形成匹配层。在图7e的左侧层叠中，具有约30微米的厚度的al可使用pvd逐渐构建在zro2感测板704上以形成匹配层726。在图7e的中间层叠中，具有约30微米的厚度的匹配层726可由ti、al或组合的ti/al(例如，比率为75％/25％或50％/50％)的多个层逐渐构建，其各自具有约6微米的厚度并且使用pvd施加在zro2感测板704上。在图7e的右侧层叠中，具有约30微米的厚度的匹配层726可由ti、al或组合的ti/al(例如，比率为75％/25％或50％/50％)的多个层逐渐构建，其各自具有约6微米的厚度并且使用pvd施加在sus感测板704上。在图7e的中间和右侧层叠中，形成匹配层726的材料层可被选择具为有不同的声阻抗，以在匹配层上产生声阻抗梯度，这可能导致较少的寄生反射。
[0081]
可由图7d的多个匹配层示例和图7e的多个材料匹配层示例实现的声阻抗梯度也可以以其他方式实现。例如，将微气泡或穿孔引入到感测板中可以减小感测板的有效声阻抗。术语“孔”和“孔隙度”的特性在本文中可用于共同指空气、气体、其他低声阻抗材料(与感测板的声阻抗相比)的封闭空隙(即，袋或气泡)，或填充有空气或其他低声阻抗材料的开放式穿孔(即，凹口或空腔)。由于空气、所选择的气体和其他低声阻抗材料的低声阻抗，孔的存在可能导致在孔的位置处感测板的平均声阻抗的减少。以不均匀(可变密度)分布用感
测板形成孔可产生穿过感测板的声阻抗梯度，这可导致较少的波反射、增加的波传递能量和更准确的触摸检测和指纹成像。
[0082]
图8a示出了根据本公开的示例的具有由孔产生的内部声阻抗梯度的感测板804。在图8a的示例中，pmt阵列802固定到感测板804(为清楚起见省略环氧树脂层)，并且超声波通过感测板传输到触摸表面/从触摸表面传输。在一些示例中，感测板804可包括在感测板内呈不均匀分布的多个闭合孔(例如，气隙、空隙或气泡)(在图8a中象征性地示出)，其中感测板的底部具有最高孔隙度(最高孔浓度)以降低感测板的该部分的声阻抗z1并且提供与pmut阵列802的声阻抗的更接近匹配。例如，感测板804的孔隙度可以在感测板内在增加的高度(从图8a的角度来看)处逐渐减小，使得感测板的顶部具有最低的孔隙度(最低孔浓度)，以增加感测板的该部分的声阻抗z2，并提供与触摸手指更接近的声阻抗匹配。换句话说，如从底部到顶部观察的，当较高阻抗材料与较低阻抗材料的体积分数比占主导时，感测板804的有效声阻抗可逐渐增加。
[0083]
图8b示出了根据本公开的示例的具有不均匀分布的孔828的感测板804。如图8b的示例所示，闭合孔828可填充有空气、气体或其他低声阻抗材料，并且可以具有直径d，该直径被选择为小于传播通过感测板804的声学信号的波长(并且在一些情况下小得多，诸如小于波长的十分之一)以使超声波反射最小化。在一些示例中，d可以是约3微米-10微米。在一些示例中，可使用金属注射成型过程将孔828添加到感测板804，其中随着感测板逐渐形成，将具有随时间推移而变化的体积分数的粘结剂材料添加到金属粉末。当感测板804完全构建时，可以对匹配层执行脱粘结和烧结以移除粘结剂并在整个匹配层上产生孔隙度。因为孔828的密度在感测板804的底部处最大并且在顶部处最低，所以声阻抗可在整个感测板中从底部处的z1到顶部处的z2逐渐增加。
[0084]
图8c示出了根据本公开的示例的具有呈穿孔、凹口或空腔形式的孔的感测板804。在图8c的示例性左侧感测板804中，具有25微米-30微米的深度和25微米的间距的激光微穿孔830可在感测板的顶表面(触摸表面)和底表面(面向pmut阵列的表面)中产生，该感测板可由sus或zro2制成。因为穿孔830不延伸穿过整个感测板804，所以产生了不均匀分布的孔。在一些示例中，由激光微穿孔产生的开放式凹口或空隙可被填充有低声阻抗材料。例如，感测板804的顶表面上的激光微穿孔830可以具有被选择为降低感测板顶部处的声阻抗以更紧密地匹配触摸手指的声阻抗的宽度和深度，而底表面上的激光微穿孔可具有被选择为降低感测板底部处的声阻抗以更紧密地匹配下面的环氧树脂层或pmut阵列的声阻抗的不同的宽度和深度。在图8c的示例性右侧感测板804中，具有约120微米的深度和50微米的间距的深激光微穿孔832可在感测板的底表面(面向pmut阵列的表面)中产生，该感测板可由sus或zro2制成。因为穿孔832不延伸穿过整个感测板804，所以产生了不均匀分布的孔。例如，底表面上的深激光微穿孔832可具有被选择为降低感测板底部处的声阻抗以更紧密地匹配下面的环氧树脂层或pmut阵列的声阻抗的宽度和深度。在其他示例中，图8c中的穿孔830和832可通过构建材料而不是通过使用激光移除材料来形成。
[0085]
图8d示出了根据本公开的示例的具有密度变化的感测板804。在图8d的示例性左侧感测板804中，可采用增材制造技术(即，3d打印)来在整个感测板上形成不均匀的材料密度梯度，该感测板可由sus或其他材料制成。顶表面和底表面处的材料密度可以被选择为较低的(即，较多的闭合孔或空隙)，以产生较低声阻抗z1，该较低声阻抗更紧密地匹配顶表面
处的触摸手指的声阻抗，并且更紧密地匹配底表面下方的环氧树脂或pmut阵列的声阻抗。朝向感测板804的中间的材料密度可被选择为较高的(即，较少的闭合孔或空隙)以在该区域中产生较高的声阻抗z2。在一些示例中，材料密度可在50％-96％之间变化。在图8d的示例性右侧感测板804中，可采用增材制造技术(即，3d打印)来在整个感测板上形成不均匀的材料密度梯度。底表面处的材料密度可被选择为较低的(即，较多的闭合孔或空隙)，以产生较低声阻抗z1，该较低声阻抗更紧密地匹配底表面下方的环氧树脂或pmut阵列的声阻抗。感测板804的顶表面处的材料密度可被选择为较高的(即，较少的闭合孔或空隙)以在该区域中产生较高的声阻抗z2。
[0086]
图8e示出了根据本公开的示例的具有穿孔和密度变化的感测板804。图8e的示例性左侧感测板804可以是图8c和图8d的右侧感测板的组合，其中深微穿孔(通过移除或构建材料而产生)在底表面上，并且材料密度变化从底表面处的低变成顶表面处的高。图8e的示例性右侧感测板804可以是图8c和图8d的左侧感测板的组合，其中微穿孔(通过移除或构建材料而产生)在顶表面和底表面上，并且材料密度变化从顶表面和底表面处的低变成朝向中间的高。
[0087]
尽管前述示例利用孔和/或穿孔来产生与感测板的一个或多个声阻抗转变(例如，梯度)，但是在本公开的其他示例中，几何结构可以替代地或另选地用于产生这些声阻抗转变。
[0088]
图9a示出了根据本公开的示例的具有用于产生声阻抗梯度的几何结构934的感测板904。在图9a的示例中，感测板904可具有用于接收一个或多个触摸的顶表面以及形成有几何结构934(例如，锥形结构)的下部以产生逐渐声阻抗转变。在一些示例中，几何结构934可形成在由sus或zro2制成的感测板中。几何结构可具有远侧端点964和谷966。几何结构934可通过激光烧蚀、微压痕、模制、增材制造等产生，并且可在正交的x-y阵列中对准，以对角阵列偏移或以其他规则或随机布置来布置。也可以使用除锥体之外的形状，诸如具有非线性表面的棱锥或大致锥形结构，但是在一些示例中，可以使用可用的微制造方法更容易地制造锥体形状。几何结构934之间的空间然后可填充有较低声阻抗材料936。材料936可以是粘合剂层，诸如上述环氧树脂或复合环氧树脂(如果几何结构直接接触环氧树脂层)，如上所述的匹配层(如果匹配层夹置在几何结构与环氧树脂层之间)或其他材料。实质上，感测板904中的较低声阻抗填料材料936与较高声阻抗几何结构934一起被“几何地混合”，以便以感兴趣的频率产生逐渐的声阻抗转变。
[0089]
每个几何结构934的宽度d(即，在两个峰之间，或在两个谷之间的距离；间距)可被选择为小于传播通过材料936和感测板904的超声波的平均波长(并且在一些情况下小得多，诸如小于波长的三分之一)以减少所述波的散射和反射。在一些示例中，d可以是约30微米-60微米。几何结构934从谷966到远侧端点964的高度h可被选择为足够大以提供平滑且逐渐的声阻抗转变。在一些示例中，h可以是超声波的波长的三倍。在一些示例中，高度可以是约100微米-300微米。在其他示例中，对于sus感测板，高度h可以是约120微米，并且对于zro2，高度h可以是约160微米。
[0090]
当宽度d被选择远小于超声波的波长时，感测板904的边界处(即，在几何结构934的位置处)的声阻抗可由感测板和填料材料936的平均特性来近似。平均声阻抗大致与在平行于感测板的顶表面的理论平面中沿着这些材料的横截面的任何点处的两种材料的面积
分数成比例。因此，当理论平面从远侧端点移动到几何结构934的谷时，声阻抗可从材料936的声阻抗转变为感测板904的声阻抗。几何结构934的几何形状(例如，斜率或渐缩)可以确定声阻抗的变化率。
[0091]
图9b是根据本公开的示例的具有几何结构934的感测板904的透视图。
[0092]
如上所述，在本公开的一些示例中，材料936可以是匹配层。上文讨论的图7c示出了用于产生具有几何结构和相关联的锡匹配层的sus感测板的示例性过程。
[0093]
图9c示出了根据本公开的示例的具有填充有sn匹配层926的几何结构934的sus感测板，该sn匹配层如图7c所示完成，并且然后使用环氧树脂910粘附到pmut阵列902。
[0094]
再次参见图4a，pmut阵列402可产生寄生超声波448，该寄生超声波可传播通过电子器件408，从电子器件的部件和后表面反射，并且作为寄生反射438返回到pmut阵列。像寄生反射414一样，寄生反射438可不利地影响pmut阵列402执行触摸感测和指纹成像的能力。因此，在本公开的一些示例中，可以在电子器件408的背表面上形成吸收剂以吸收超声波448并减少寄生反射438。
[0095]
图10a示出了根据本公开的示例的使用背衬有吸收剂1040的pmut阵列1002的触摸感测和指纹成像层叠1000。图10a类似于图4a，除了添加形成在电子器件1008的背表面上的吸收剂1040之外。因为pmut阵列1002还将在与感测板1004相反的方向上并且通过任何下面的电子器件1008产生不期望的(寄生的)超声波1048，所以来自这些波的反射1038可干扰触摸手指或指纹脊的正确检测。在一些示例中，电子器件1008可以是约190微米厚，其中大部分是硅晶片。因此，电子器件1008的声阻抗是均匀的并且基本上与单晶sio2晶片的声阻抗相同，该声阻抗为约22mrayl。
[0096]
在图10a的示例中，在电子器件1008的背侧上形成的吸收剂1040可吸收不期望的超声波1048并减小这些波的反射1038。在最佳示例中，吸收剂1040可被配制成具有与电子器件1008的声阻抗匹配的声阻抗(例如，22mrayl)。吸收剂1040可由0-3环氧树脂复合材料形成，该环氧树脂复合材料由钨填料(粒度》5um-15um)和环氧树脂(例如，具有约3mrayl的声阻抗的301环氧树脂)制成。基础环氧树脂可被选择为高度衰减的。像上述复合环氧树脂一样，吸收剂1040可具有比单独的环氧树脂的声阻抗高的声阻抗，具有高吸收率。钨可用作填料，因为其与环氧树脂具有高声阻抗失配，这可导致高散射和增加的能量吸收，但是在其他示例中也可使用与环氧树脂具有高声阻抗失配的不同填料材料。此外，钨的高声阻抗可导致环氧树脂复合材料的高的总声阻抗，这可以使其与电子器件1008更好地声阻抗匹配。填料颗粒的直径可以是传播通过吸收剂1040以使散射最大化的超声波的四分之一波长。
[0097]
图10b示出了根据本公开的示例的当使用复合环氧树脂1020和吸收剂1040时，来自声阻抗失配(例如，反射1014和1038的组合效应)的寄生反射1042和从感测板1004的触摸表面反射回的手指签名1018。在图10b的示例中，复合环氧树脂1020可减少环氧树脂和感测板1004之间的声阻抗失配，并且吸收剂1040可减少从电子器件1008接收回来的反射。因为来自寄生反射的较少能量在pmut阵列1002处接收回来，所以寄生反射1042的振幅(能量)可减小，而手指签名1018的振幅可有利地增加。
[0098]
图11示出了根据本公开的示例的用于声阻抗匹配和改进的触摸感测和指纹成像的流程图。在图11的示例性流程图中，虚线框指示这些框中的任一个框是任选的，并且这些
框中的任一个或多个框可单独地或组合地执行。应当理解，尽管框以序列出现，但是该布置仅是为了便于说明，并且这些框中的任何框可以以任何顺序实现。在框1150处，可以增加将换能器阵列粘附到感测板的环氧树脂的声阻抗以减少换能器阵列与感测板之间的声阻抗失配。在框1152处，可以在换能器阵列与感测板之间添加匹配层，其中匹配层的声阻抗是换能器阵列和感测板的声阻抗的几何平均值。在框1154处，可以将匹配层的厚度设置为超声信号的四分之一波长。在框1156处，可以将不均匀的孔隙度添加到感测板以产生声阻抗梯度。在框1158处，通过在感测板上形成几何结构，感测板和匹配层可被“几何地混合”。在框1160处，引导到换能器电子器件的超声波可被吸收以减少寄生反射。
[0099]
虽然为了清楚起见，以上主要在单独的附图和段落中说明和描述了各种示例，但是应当理解，根据本公开的另外示例，可以一起利用所描述的示例的各种组合。例如，根据本公开的示例，还可以采用复合环氧树脂层、匹配层、感测板中的孔隙度和/或穿孔、感测板上的几何结构以及吸收剂层中的任何两者或更多者的组合。
[0100]
因此，根据上文，本公开的一些示例涉及一种触摸感测设备，该触摸感测设备包括感测板，该感测板具有第一表面、第二表面和第一声阻抗，该第一表面被配置用于接收一个或多个触摸并且第二表面用形成有多个几何结构；以及一个或多个超声换能器，该一个或多个超声换能器被配置用于将超声波通过感测板传播到第一表面，其中多个几何结构从谷渐缩到朝向一个或多个超声换能器取向的远侧端点，多个几何结构被配置用于减少一个或多个超声换能器与感测板之间的声阻抗失配。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个几何结构的相邻远侧端点之间的间距小于当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过几何结构的超声波的波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，相邻远侧端点之间的间距在约3微米至10微米之间。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个几何结构从谷到远侧端点的高度大于当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过几何结构的超声波的波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个几何结构的高度在约100微米至300微米之间。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，触摸感测设备还包括设置在多个几何结构和一个或多个超声换能器之间的填料材料，该填料材料具有低于第一声阻抗的第二声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个几何结构和填料材料被配置为产生平均声阻抗，该平均声阻抗从多个几何结构的远侧端点处的填料材料的第二声阻抗转变为多个几何结构的谷处的感测板的第一声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，填料材料是粘合剂层。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，填料材料是夹置在几何结构与粘合剂层之间的匹配层，匹配层的第二声阻抗被配置为近似为感测板的第一声阻抗和粘合剂层的第三声阻抗的几何平均值。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，粘合剂层是由悬浮在具有第四声阻抗的环氧树脂中的颗粒形成的复合粘合剂层，复合环氧树脂具有大于第四声阻抗的第三声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，填料材料是夹置在多个几何结构与一个或多个超声换能器之间的匹配层，匹配层的第二声阻抗被配置为近似为感测板的声阻抗和一个或多个超声换能器的声阻抗的几何平均值。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一
些示例中，多个几何结构中的一个或多个几何结构包括锥形结构。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，锥形结构的渐缩被配置为产生从填料材料的第二声阻抗到感测板的第一声阻抗的预先确定的转变速率。
[0101]
本公开的一些示例涉及一种用于减少一个或多个超声换能器与具有第一声阻抗的触摸感测设备的感测板之间的声阻抗失配的方法，该方法包括在感测板的面向一个或多个超声换能器的第二表面上形成多个几何结构，将多个几何结构从谷渐缩到朝向一个或多个超声换能器取向的远侧端点，以及将由一个或多个超声换能器产生的声波所遇到的声阻抗从小于多个几何结构的远侧端点处的第一声阻抗的第二声阻抗转变为多个几何结构的谷处的第一声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括形成多个几何结构，其中相邻远侧端点之间的间距小于当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过几何结构的超声波的波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括形成多个几何结构，其中谷和远侧端点之间的高度大于当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过几何结构的超声波的波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括在多个几何结构和一个或多个超声换能器之间设置填料材料，该填料材料具有低于第一声阻抗的第二声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括产生从多个几何结构的远侧端点到谷的平均声阻抗，该平均声阻抗从填料材料的声阻抗转变为感测板的声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括使用填料材料作为粘合剂将感测板粘附到一个或多个超声换能器。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括将填料材料配制为具有声阻抗的匹配层，该声阻抗近似为感测板的第一声阻抗和粘合剂层的声阻抗的几何平均值。
[0102]
本公开的一些示例涉及一种触摸感测设备，该触摸感测设备包括感测板，该感测板具有第一表面、第二表面和第一声阻抗，该第一表面被配置用于接收一个或多个触摸；一个或多个超声换能器，该一个或多个超声换能器被配置用于将超声波通过感测板传播到第一表面；以及感测板内的不均匀分布的多个孔，该多个孔被配置用于在感测板内产生声阻抗梯度并且减少一个或多个超声换能器与感测板之间的声阻抗失配。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个孔包括多个封闭空隙，该多个封闭空隙具有低于第一声阻抗的第二声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个孔的直径小于当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过感测板的超声波的波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个孔的直径在约30微米至60微米之间。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，感测板的第二表面最靠近一个或多个超声换能器，并且与第一表面附近分布的孔相比，感测板在第二表面附近包括更多分布的孔，以在感测板上产生声阻抗梯度。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，多个孔包括部分地延伸到感测板中的多个开放式穿孔，该多个开放式穿孔在感测板处在多个开放式穿孔的位置处产生低于第一声阻抗的第二声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，感测板的第二表面最靠近一个或多个超声换能器，第二表面包括多个开放式穿孔。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选
地，在一些示例中，第二表面上的多个开放式穿孔具有一定宽度和深度，该宽度和深度被配置为使得感测板的靠近第二表面的第二声阻抗更紧密地匹配感测板下面的层的第三声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，第一表面还包括多个开放式穿孔。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，第一表面上的多个开放式穿孔具有一定宽度和深度，该宽度和深度被配置为使得感测板的靠近第一表面的声阻抗更紧密地匹配与第一表面接触的对象的声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，感测板的第二表面最靠近一个或多个超声换能器，与感测板的中心附近分布的孔相比，感测板在第一表面附近以及在第二表面附近包括更多分布的孔，以在感测板上产生声阻抗梯度。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，感测板被配置有不均匀材料密度梯度，使得最高材料密度在感测板的中心附近。
[0103]
本公开的一些示例涉及一种用于减少在触摸感测设备中的一个或多个超声换能器与感测板之间的声阻抗失配的方法，该感测板具有第一表面和第二表面以及第一声阻抗，该方法包括在感测板内形成多个孔，以及以不均匀分布布置多个孔以在感测板内产生声阻抗梯度，其中声阻抗梯度在感测板的最靠近一个或多个超声换能器的第二表面附近产生第二声阻抗，该第二声阻抗小于第一声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括将多个孔形成为多个封闭空隙，该多个封闭空隙具有低于第一声阻抗的第三声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括形成多个孔，该多个孔的直径小于当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过感测板的超声波的波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括以不均匀分布布置多个孔，其中与第一表面附近分布的孔相比，在第二表面附近有更多分布的孔以在感测板上产生声阻抗梯度。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括将多个孔形成为部分地延伸到感测板中的多个开放式穿孔。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括在感测板的第二表面上形成多个开放式穿孔。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括在感测板的第一表面上形成多个开放式穿孔。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括与感测板的中心附近分布的孔相比，在第一表面附近以及在第二表面附近形成更多分布的孔以在感测板上产生声阻抗梯度。
[0104]
本公开的一些示例涉及一种触摸感测设备，该触摸感测设备包括金属感测板，该金属感测板具有第一表面、第二表面和第一声阻抗，该第一表面被配置用于接收一个或多个触摸；一个或多个超声换能器，该一个或多个超声换能器具有第三声阻抗并且被配置用于将超声波通过感测板传播到第一表面；以及匹配层，该匹配层设置在一个或多个超声换能器与感测板之间，其中匹配层被配置为具有近似为第一声阻抗和第三声阻抗的几何平均值的第二声阻抗，以用于在一个或多个超声换能器与感测板之间产生声阻抗梯度并减少一个或多个超声换能器与感测板之间的声阻抗失配。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，匹配层的厚度约为当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过匹配层的超声波的四分之一波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，金属感测板由不锈钢制成，并且匹配层由锡制成。除上文所公
开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，触摸感测设备还包括在金属感测板与匹配层之间形成的厚度小于5微米的镍层。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，匹配层包括由多种材料形成的多个匹配子层，每个子层具有从底部子层到与金属感测板相邻的顶部子层增加的超声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，匹配层包括由多种材料形成的多个匹配子层，每个子层具有近似为子层的任一侧上的材料的声阻抗的几何平均值的声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，匹配层包括由多种材料形成的多个匹配子层，所有匹配子层的总厚度约为当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过匹配子层的超声波的四分之一波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，至少一个匹配子层由多种材料以特定比率的组合形成。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，匹配层包括多个匹配子层，每个子层的厚度约为当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过该子层的超声波的四分之一波长。
[0105]
本公开的一些示例涉及一种用于减少在触摸感测设备中具有第三声阻抗的一个或多个超声换能器与具有第一声阻抗的金属感测板之间的声阻抗失配的方法，该方法包括在一个或多个超声换能器与金属感测板之间设置匹配层，以及将匹配层选择为具有近似为第一声阻抗和第三声阻抗的几何平均值的第二声阻抗，以在一个或多个超声换能器与感测板之间产生声阻抗梯度并减少一个或多个超声换能器与感测板之间的声阻抗失配。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括将匹配层的厚度选择成约为当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过匹配层的超声波的四分之一波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括在金属感测板和匹配层之间设置种子层。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括由多个匹配子层产生匹配层，该多个匹配子层由多种材料形成，每个子层具有从底部子层到与金属感测板相邻的顶部子层增加的超声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括由多个匹配子层产生匹配层，该多个匹配子层由多种材料形成，每个子层具有近似为子层的任一侧上的材料的声阻抗的几何平均值的声阻抗。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括由多个匹配子层产生匹配层，该多个匹配子层由多种材料形成，所有匹配子层的总厚度约为当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过匹配子层的超声波的四分之一波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括由多种材料以特定比率的组合产生至少一个匹配子层。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括使用物理气相沉积以特定比率施加多种材料的组合。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括由多个匹配子层产生匹配层，每个子层的厚度约为当由一个或多个超声换能器产生时预期传播通过该子层的超声波的四分之一波长。除上文所公开的示例中的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括使用镀覆、包层和物理气相沉积(pvd)中的一者或多者形成匹配层。
[0106]
虽然参照附图对本公开的示例进行了全面的描述，但应注意，各种变化和修改对于本领域内的技术人员而言将变得显而易见。应当理解，此类变化和修改被认为被包括在
由所附权利要求所限定的本公开的示例的范围内。