屏下指紋再添異彩！上海思立微電子突破超聲新技術

隨著全面屏時代的到來，屏下指紋的技術應用成了業界追隨的熱點，因電容方案受限，光學與超聲方案成為發展主流。

其中，超聲波方案利用回波強度識別指紋，具備防油防水、穿透性強等優點：超聲波方案利用指紋模組發出的特定頻率的超聲波掃描手指，由於超聲波到達不同材質表面時被吸收、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於聲波阻抗的差異，對指紋的嵴與峪所在的位置進行識別。超聲方案的優點在於其穿透性更強，能夠進行深層的皮下指紋識別且能夠辨別活體，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光的干擾，因而解鎖更加穩定可靠，已成為指紋識別方案發展的一個重要方向。

日前，上海思立微電子在MEMS超聲技術上歷時兩年的潛心研發，取得了突破性進展。其自主研發的超聲換能器已通過系列性能測試，在10MHz頻點轉換效率可達1.5%，表現出優異的性能，並已應用到下一代超聲指紋識別晶元的研發中。

思立微所採用的壓電超聲換能器（PMUT）利用氮化鋁的壓電效應進行電能和機械能之間的轉換來偵測手指表皮和真皮層的谷脊信息，以做出精確的判斷。

氮化鋁是一種穩定性非常高的壓電材料，具有兩個重要的特性：逆壓電效應和壓電效應。逆壓電效應是指當在壓電材料兩端施加電壓時，壓電材料內部會產生形變，形變數與電壓成正比，這是將電能轉換成機械能的過程；壓電效應是指壓電材料在力的作用下產生形變時，壓電材料內部正負電荷中心發生相對位移，使壓電材料兩端產生符號相反的束縛電荷，電荷量與壓力成正比，這是將機械能轉換成電能的過程。

有別於其它SOI多矽片的工藝，思立微的壓電超聲換能器獨創單矽片刻蝕結構和工藝，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，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，薄膜就會振動，產生聲波。而反過來，當聲波傳到換能薄膜時，薄膜產生形變，壓電層兩端就會產生正負相反的附屬電荷，外圍電路就可以通過頂電極和底電極採集產生的電信號。

在進行指紋識別應用時，給超聲換能器施加交流電壓，超聲換能器產生振動，振動向上傳輸，即超聲波向上傳輸，穿過不同介質層（屏幕，玻璃等）到達手指的谷或者脊，聲波遇到脊的表面，部分反射，部分透射，而因為谷中空氣的聲阻抗遠高於脊，所以聲波遇到谷時幾乎為全反射。從谷和脊反射回來的不同聲波能量傳到對應的超聲換能器表面時，對應的超聲換能器會生成不同的電學信號（幅值，頻率，相位等）。

與其它指紋識別技術方案相比，超聲技術能實現3D指紋識別，安全性更高。通過聲學聚焦的方法，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，其餘聲波透射進入皮膚，這一部分聲波遇到真皮層之後被再次反射回來；所以聲波在遇到脊之後會在表皮和真皮層反射回來兩個時間不同的信號；而在谷的地方，聲波只有一次反射，而且是全反射信號。超聲指紋識別方案就是通過這個方法來採集表皮和真皮的指紋信號，從而得到3D的指紋信息。

思立微所研發成功的PMUT換能器採用AIN材料，基於CMOS工藝，獨創MEMS結構，結構簡單、便於工藝實現。思立微目前業已基於此款PMUT換能器進行屏下超聲指紋識別的研發，預計2019年初將達到量產水平。

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