屏下指纹再添异彩! 上海思立微电子突破超声新技术

随着全面屏时代的到来，屏下指纹的技术应用成了业界追随的热点，因电容方案受限，光学与超声方案成为发展主流。

其中，超声波方案利用回波强度识别指纹，具备防油防水、穿透性强等优点：超声波方案利用指纹模组发出的特定频率的超声波扫描手指，由于超声波到达不同材质表面时被吸收、穿透和反射的程度不同，因而可以利用皮肤和空气或不同皮肤层对于声波阻抗的差异，对指纹的嵴与峪所在的位置进行识别。超声方案的优点在于其穿透性更强，能够进行深层的皮下指纹识别且能够辨别活体，因而方案的安全性更高；此外，超声波方案不易受到油渍和水渍以及强光的干扰，因而解锁更加稳定可靠，已成为指纹识别方案发展的一个重要方向。

日前，上海思立微电子在MEMS超声技术上历时两年的潜心研发，取得了突破性进展。其自主研发的超声换能器已通过系列性能测试，在10MHz频点转换效率可达1.5%，表现出优异的性能，并已应用到下一代超声指纹识别芯片的研发中。

思立微所采用的压电超声换能器（PMUT）利用氮化铝的压电效应进行电能和机械能之间的转换来侦测手指表皮和真皮层的谷脊信息，以做出精确的判断。

氮化铝是一种稳定性非常高的压电材料，具有两个重要的特性：逆压电效应和压电效应。逆压电效应是指当在压电材料两端施加电压时，压电材料内部会产生形变，形变量与电压成正比，这是将电能转换成机械能的过程；压电效应是指压电材料在力的作用下产生形变时，压电材料内部正负电荷中心发生相对位移，使压电材料两端产生符号相反的束缚电荷，电荷量与压力成正比，这是将机械能转换成电能的过程。


有别于其它SOI多硅片的工艺，思立微的压电超声换能器独创单硅片刻蚀结构和工艺，主要由悬空的换能薄膜组成，包括底电极，压电层，顶电极及弹性层。利用压电材料的逆压电效应，只要在压电材料薄膜上下两面的底电极和顶电极施加固定频率的电压，薄膜就会振动，产生声波。而反过来，当声波传到换能薄膜时，薄膜产生形变，压电层两端就会产生正负相反的附属电荷，外围电路就可以通过顶电极和底电极采集产生的电信号。



在进行指纹识别应用时，给超声换能器施加交流电压，超声换能器产生振动，振动向上传输，即超声波向上传输，穿过不同介质层（屏幕，玻璃等）到达手指的谷或者脊，声波遇到脊的表面，部分反射，部分透射，而因为谷中空气的声阻抗远高于脊，所以声波遇到谷时几乎为全反射。从谷和脊反射回来的不同声波能量传到对应的超声换能器表面时，对应的超声换能器会生成不同的电学信号（幅值，频率，相位等）。

与其它指纹识别技术方案相比，超声技术能实现3D指纹识别，安全性更高。通过声学聚焦的方法，将声波聚焦到手指表面，如果遇到手指的脊，部分声波反射回来，其余声波透射进入皮肤，这一部分声波遇到真皮层之后被再次反射回来；所以声波在遇到脊之后会在表皮和真皮层反射回来两个时间不同的信号；而在谷的地方，声波只有一次反射，而且是全反射信号。超声指纹识别方案就是通过这个方法来采集表皮和真皮的指纹信号，从而得到3D的指纹信息。

思立微所研发成功的PMUT换能器采用AIN材料，基于CMOS工艺，独创MEMS结构，结构简单、便于工艺实现。思立微目前业已基于此款PMUT换能器进行屏下超声指纹识别的研发，预计2019年初将达到量产水平。