屏下指紋再添異彩! 上海思立微電子突破超聲新技術(shù)

隨著全面屏?xí)r代的到來(lái)，屏下指紋的技術(shù)應(yīng)用成了業(yè)界追隨的熱點(diǎn)，因電容方案受限，光學(xué)與超聲方案成為發(fā)展主流。

其中，超聲波方案利用回波強(qiáng)度識(shí)別指紋，具備防油防水、穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)：超聲波方案利用指紋模組發(fā)出的特定頻率的超聲波掃描手指，由于超聲波到達(dá)不同材質(zhì)表面時(shí)被吸收、穿透和反射的程度不同，因而可以利用皮膚和空氣或不同皮膚層對(duì)于聲波阻抗的差異，對(duì)指紋的嵴與峪所在的位置進(jìn)行識(shí)別。超聲方案的優(yōu)點(diǎn)在于其穿透性更強(qiáng)，能夠進(jìn)行深層的皮下指紋識(shí)別且能夠辨別活體，因而方案的安全性更高;此外，超聲波方案不易受到油漬和水漬以及強(qiáng)光的干擾，因而解鎖更加穩(wěn)定可靠，已成為指紋識(shí)別方案發(fā)展的一個(gè)重要方向。

日前，上海思立微電子在MEMS超聲技術(shù)上歷時(shí)兩年的潛心研發(fā)，取得了突破性進(jìn)展。其自主研發(fā)的超聲換能器已通過(guò)系列性能測(cè)試，在10MHz頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1.5%，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并已應(yīng)用到下一代超聲指紋識(shí)別芯片的研發(fā)中。

思立微所采用的壓電超聲換能器(PMUT)利用氮化鋁的壓電效應(yīng)進(jìn)行電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換來(lái)偵測(cè)手指表皮和真皮層的谷脊信息，以做出精確的判斷。

氮化鋁是一種穩(wěn)定性非常高的壓電材料，具有兩個(gè)重要的特性：逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)是指當(dāng)在壓電材料兩端施加電壓時(shí)，壓電材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生形變，形變量與電壓成正比，這是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程;壓電效應(yīng)是指壓電材料在力的作用下產(chǎn)生形變時(shí)，壓電材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，使壓電材料兩端產(chǎn)生符號(hào)相反的束縛電荷，電荷量與壓力成正比，這是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。

有別于其它SOI多硅片的工藝，思立微的壓電超聲換能器獨(dú)創(chuàng)單硅片刻蝕結(jié)構(gòu)和工藝，主要由懸空的換能薄膜組成，包括底電極，壓電層，頂電極及彈性層。利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，只要在壓電材料薄膜上下兩面的底電極和頂電極施加固定頻率的電壓，薄膜就會(huì)振動(dòng)，產(chǎn)生聲波。而反過(guò)來(lái)，當(dāng)聲波傳到換能薄膜時(shí)，薄膜產(chǎn)生形變，壓電層兩端就會(huì)產(chǎn)生正負(fù)相反的附屬電荷，外圍電路就可以通過(guò)頂電極和底電極采集產(chǎn)生的電信號(hào)。

在進(jìn)行指紋識(shí)別應(yīng)用時(shí)，給超聲換能器施加交流電壓，超聲換能器產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)向上傳輸，即超聲波向上傳輸，穿過(guò)不同介質(zhì)層(屏幕，玻璃等)到達(dá)手指的谷或者脊，聲波遇到脊的表面，部分反射，部分透射，而因?yàn)楣戎锌諝獾穆曌杩惯h(yuǎn)高于脊，所以聲波遇到谷時(shí)幾乎為全反射。從谷和脊反射回來(lái)的不同聲波能量傳到對(duì)應(yīng)的超聲換能器表面時(shí)，對(duì)應(yīng)的超聲換能器會(huì)生成不同的電學(xué)信號(hào)(幅值，頻率，相位等)。

與其它指紋識(shí)別技術(shù)方案相比，超聲技術(shù)能實(shí)現(xiàn)3D指紋識(shí)別，安全性更高。通過(guò)聲學(xué)聚焦的方法，將聲波聚焦到手指表面，如果遇到手指的脊，部分聲波反射回來(lái)，其余聲波透射進(jìn)入皮膚，這一部分聲波遇到真皮層之后被再次反射回來(lái);所以聲波在遇到脊之后會(huì)在表皮和真皮層反射回來(lái)兩個(gè)時(shí)間不同的信號(hào);而在谷的地方，聲波只有一次反射，而且是全反射信號(hào)。超聲指紋識(shí)別方案就是通過(guò)這個(gè)方法來(lái)采集表皮和真皮的指紋信號(hào)，從而得到3D的指紋信息。

思立微所研發(fā)成功的PMUT換能器采用AIN材料，基于CMOS工藝，獨(dú)創(chuàng)MEMS結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于工藝實(shí)現(xiàn)。思立微目前業(yè)已基于此款PMUT換能器進(jìn)行屏下超聲指紋識(shí)別的研發(fā)，預(yù)計(jì)2019年初將達(dá)到量產(chǎn)水平。