CN104677399B - 超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
一种超声波传感器，包括第一电极、第一压电层、基板、第二电极、第二压电层、第三电极，该第一电极与第一压电层层叠设置于基板的一表面，该第二电极、第二压电层以及第三电极层叠设置于基板的另一表面。其中，该基板由化学强化玻璃基材制成。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器。
背景技术
采用压电薄膜等材料作为压电材料的物质波式感测元件已广泛地应用于工业、国防、消防、电子等不同领域。一种典型的物质波式感测元件为超声波传感器。聚二氟亚乙烯（PVDF）即为一种压电材料，其具有在压力作用下产生电流以及在通电时产生形变的功能而被广泛应用于超声波传感器中。超声波传感器一般由基板以及压电材料表面形成的电极等构成。通常，超声波传感器使用薄膜晶体管（TFT）玻璃作为超声波传感器的基板。一种超声波传感器的典型应用为指纹识别。而这种用于指纹识别的超声波传感器需要在被按压的情况下动作，对基板的强度具有一定的要求。现有超声波传感器使用的TFT玻璃基板在强度方面表现较弱，可能不符合超声波传感器在一些特殊条件的使用要求而不能长时间工作，使用寿命较短。
发明内容
为解决以上问题，有必要提供一种具有较高强度基板的超声波传感器。
本发明提供的超声波传感器，包括第一电极、第一压电层、基板、第二电极、第二压电层、第三电极，该第一电极与第一压电层层叠设置于基板的一表面，该第二电极、第二压电层以及第三电极层叠设置于基板的另一表面。其中，该基板由化学强化玻璃基材制成。
优选地，所述化学强化玻璃基材的抗冲击强度大于200兆帕。
优选地，所述化学强化玻璃基材的压应力层大于5微米。
优选地，所述基板的侧边具有凹凸不平的微结构。
优选地，所述微结构通过边缘蚀刻方法对所述基板的侧边进行蚀刻形成。
优选地，所述微结构的形状为锯齿形。
优选地，所述微结构的形状为波浪形。
优选地，所述第一压电层以及第二压电层由聚二氟亚乙烯制成。
优选地，所述第一电极、第二电极以及第三电极中的至少一个由金属材料材料制成。
优选地，所述第一电极、第二电极以及第三电极中的至少一个由透明导电材料制成。
优选地，所述第一压电层的其中一面通过胶粘剂贴附于基板的一表面，所述第一电极贴附于该第一压电层远离基板的另一面。
优选地，所述第二电极以及第三电极分别贴附于所述第二压电层相对的两个表面，该第二电极通过胶粘剂贴附于所述基板远离第一压电层的另一表面。
优选地，所述超声波传感器的外表面涂覆一胶层对该超声波传感器进行封装。
优选地，所述超声波传感器还包括一电连接件，该电连接件设置于所述基板上，用于与外部控制电路电性连接；所述第一电极、第二电极以及第三电极通过该电连接件与外部控制电路电性连接。
相较于现有技术，本发明的超声波传感器使用化学强化玻璃基材作为基板，可有效提升超声波传感器的耐压强度，提高使用寿命。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一超声波传感器的立体分解示意图。
图2是图1所示的超声波传感器的平面示意图。
图3是所述超声波传感器沿图2所示的II-II切线的剖面结构示意图图。
图4是是本发明第二实施例提供的一超声波传感器的立体分解示意图。
图5是图4所示的超声波传感器的平面示意图。
图6是所述超声波传感器沿图5所示的V-V切线的剖面结构示意图。
图7是另一实施例中图6所示的基板的剖面图。
主要元件符号说明
| 超声波传感器 | 1，2 |
| 第一电极 | 10，20 |
| 第一压电层 | 11，21 |
| 基板 | 12，22 |
| 第二电极 | 13，23 |
| 第二压电层 | 14，24 |
| 第三电极 | 15，25 |
| 胶粘剂 | 16，26 |
| 电连接件 | 17，27 |
| 胶层 | 18，28 |
| 薄膜晶体管 | 121 |
| 微结构 | 120 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1至图3，图1是本发明第一实施例提供的一超声波传感器1的立体分解示意图，图2是该超声波传感器1的平面示意图，图3是该超声波传感器1沿图2所示的II-II切线的剖面结构示意图。
在一优选实施例中，该超声波传感器1为超声波指纹识别传感器。该超声波传感器1包括第一电极10、第一压电层11、基板12、第二电极13、第二压电层14、第三电极15。该第一电极10、第一压电层11、基板12、第二电极13、第二压电层14以及第三电极15依次层叠设置。该基板12上设置有薄膜晶体管阵列120。
该第一电极10贴附於第一压电层11远离基板12的一表面。一实施例中，该第一电极10可以由导电率较好的金属材料制成。例如，该第一电极10的材料为银、铝、铜、镍、金等高导电率材料。其它实施例中，该第一电极10也可以由透明导电材料制成。例如，该透明导电材料可以是氧化铟锡（ITO）、氧化锌（Zno），聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT）、碳纳米管（英文Carbon Nanotube，缩写CNT）、银纳米线(Ag nano wire）、石墨烯等。本实施例中，该第一压电层11为一压电薄膜，其材质优选为聚二氟亚乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)。
所述第一电极10可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式形成于第一压电层11的表面。优选地，该第一电极10采用电镀的方法形成于该第一压电层11的表面。具体地，电镀的方法是将该第一压电层11远离基板12的一表面进行大面积电镀，形成电镀层，该电镀层即为该第一电极10。该第一电极10很轻薄，其厚度大约为400埃到1000埃，以提高声压灵敏度。
所述第一压电层11通过胶粘剂16贴合于基板12的一表面。该胶粘剂可以是液态胶、双面胶、光学胶等。优选地，该胶粘剂为光学透明胶粘剂（Optical Clear Adhesive，OCA）或光学透明树脂（Optical Clear Resin，OCR）等具有高透光率的胶粘剂。
所述第二电极13以及第三电极15分别贴附於第二压电层14相对的两个表面。本实施例中，所述第二压电层14为一压电薄膜，其材质优选为聚二氟亚乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)。该第二电极13远离第二压电层14的另一表面通过胶粘剂16贴附于基板12远离第一压电层11的另一表面。
一实施例中，该第二电极13以及第三电极15可以由导电率较好的金属材料制成。例如，该第二电极13以及第三电极15的材料可以为银、铝、铜、镍、金等高导电率材料。其它实施例中，该第二电极13以及第三电极15也可以由透明导电材料制成。例如，该透明导电材料可以是氧化铟锡（ITO）、氧化锌（Zno），聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT）、碳纳米管（英文Carbon Nanotube，缩写CNT）、银纳米线(Ag nano wire）、石墨烯等。另外，该第二电极13以及第三电极15可以分别由不同材料制成。例如，该第二电极13采用金属材料，而该第三电极15则采用透明导电材料。或者，该第三电极15采用金属材料，而该第二电极13采用透明导电材料，并不以此为限。优选地，该第二电极13以及第三电极15的材料采用导电性能较好的银。
所述第二电极13以及第三电极15可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式分别形成于第二压电层14的相对二表面。优选地，该第二电极13以及第三电极15也可采用电镀的方法形成于该第二压电层14的相对二表面。具体地，该电镀的方法是将该第二压电层14的两个表面均进行大面积电镀，形成位于相对二表面的两个电镀层，该两个电镀层即分别为该第二电极13以及第三电极15。该第二电极13以及第三电极15与第一电极10大致相同，厚度大约在400埃到1000埃之间，具有较高的声压灵敏度。
本实施例中，所述第二电极13以及第三电极15用于同时为第二压电层14施加电压。该第二压电层14作为信号发送层（Tx），在第二电极13以及第三电极15同时施加电压时，产生振动而发出声波。本实施例中，该声波优选为超声波。在外界物体按压或接近超声波传感器1时，该超声波到达该外界物体并发生反射。所述第一压电层11作为信号接收层（Rx），用于接收从该外界物体反射回的声波，并将该声波转化为电信号。该电信号通过所述第一电极10传递至所述基板12上的薄膜晶体管阵列120进行处理，以辅助实现超声波指纹识别的功能。
本实施例中，所述基板12与传统的薄膜晶体管（TFT）玻璃基板不同，其采用化学强化（Chemical Strengthen，CS）玻璃基材制成。例如，该基板12可以采用钠玻璃以及铝硅酸盐玻璃等可进行离子交换的强化玻璃基材。该化学强化玻璃基材的形成方式可以是将玻璃放入高纯度的硝酸钾溶液及搭配的催化剂中，然后混合加热至特定的高温条件（例如420度左右），使玻璃结构表面的钾离子和钠离子进行离子交换而形成强化层，进而制成该强化玻璃基材。优选地，本实施例中，该基板12的抗冲击强度大于200兆帕（mPa），且其压应力层深度（DOL)大于5微米（um）。
该超声波传感器1还包括一电连接件17。该电连接件17设置于所述基板12上，用于与外部控制电路（例如柔性电路板，FPC）电性连接。所述第一电极10、第二电极13以及第三电极15可通过该电连接件17与外部控制电路电性连接。该外部控制电路可通过该电连接件17为第一电极10、第二电极13以及第三电极15供电，并通过该电连接件17与第一电极10、第二电极13以及第三电极15进行数据传输和交换。
此外，该超声波传感器1的外表面涂覆一胶层18对该超声波传感器1进行封装，以对该超声波传感器1的各元件进行保护。该胶层18的材料可以是具有良好电绝缘性能的胶材，例如树脂、光学胶、复合胶等。优选地，本实施例中，该胶层18的厚度大于10微米。
请参阅图4图6，图4是本发明第二实施例提供的一超声波传感器2的立体分解示意图，图5是该一超声波传感器2的平面示意图，图6是该超声波传感器2沿图5所示的V-V切线的剖面结构示意图。
在一优选实施例中，该超声波传感器2为超声波指纹识别传感器。该超声波传感器2包括第一电极20、第一压电层21、基板22、第二电极23、第二压电层24、第三电极25。该第一电极20、第一压电层21、基板22、第二电极23、第二压电层24以及第三电极25依次层叠设置。该基板22上设置有薄膜晶体管阵列220。
该第一电极20贴附於第一压电层21远离基板22的一表面。一实施例中，该第一电极20可以由导电率较好的金属材料制成。例如，该第一电极20的材料为银、铝、铜、镍、金等高导电率材料。其它实施例中，该第一电极20也可以由透明导电材料制成。例如，该透明导电材料可以是氧化铟锡（ITO）、氧化锌（Zno），聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT）、碳纳米管（英文Carbon Nanotube，缩写CNT）、银纳米线(Ag nano wire）、石墨烯等。本实施例中，该第一压电层21为一压电薄膜，其材质优选为聚二氟亚乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)。
所述第一电极20可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式形成于第一压电层21的表面。优选地，该第一电极20采用电镀的方法形成于该第一压电层21的表面。具体地，电镀的方法是将该第一压电层21远离基板22的一表面进行大面积电镀，形成电镀层，该电镀层即为该第一电极20。该第一电极20很轻薄，其厚度大约为400埃到1000埃，以提高声压灵敏度。
所述第一压电层21通过胶粘剂26贴合于基板22的一表面。该胶粘剂可以是液态胶、双面胶、光学胶等。优选地，该胶粘剂为光学透明胶粘剂（Optical Clear Adhesive，OCA）或光学透明树脂（Optical Clear Resin，OCR）等具有高透光率的胶粘剂。
所述第二电极23以及第三电极25分别贴附於第二压电层24相对的两个表面。本实施例中，所述第二压电层24为一压电薄膜，其材质优选为聚二氟亚乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)。该第二电极23远离第二压电层24的另一表面通过胶粘剂26贴附于基板22远离第一压电层21的另一表面。
一实施例中，该第二电极23以及第三电极25可以由导电率较好的金属材料制成。例如，该第二电极23以及第三电极25的材料可以为银、铝、铜、镍、金等高导电率材料。其它实施例中，该第二电极23以及第三电极25也可以由透明导电材料制成。例如，该透明导电材料可以是氧化铟锡（ITO）、氧化锌（Zno），聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT）、碳纳米管（英文Carbon Nanotube，缩写CNT）、银纳米线(Ag nano wire）、石墨烯等。另外，该第二电极23以及第三电极25可以分别由不同材料制成。例如，该第二电极23采用金属材料，而该第三电极25则采用透明导电材料。或者，该第三电极25采用金属材料，而该第二电极23采用透明导电材料，并不以此为限。优选地，该第二电极23以及第三电极25的材料采用导电性能较好的银。
所述第二电极23以及第三电极25可通过真空溅射、电镀或涂覆等方式分别形成于第二压电层24的相对二表面。优选地，该第二电极23以及第三电极25也可采用电镀的方法形成于该第二压电层24的相对二表面。具体地，该电镀的方法是将该第二压电层24的两个表面均进行大面积电镀，形成位于相对二表面的两个电镀层，该两个电镀层即分别为该第二电极23以及第三电极25。该第二电极23以及第三电极25与第一电极20大致相同，厚度大约在400埃到1000埃之间，具有较高的声压灵敏度。
本实施例中，所述第二电极23以及第三电极25用于同时为第二压电层24施加电压。该第二压电层24作为信号发送层（Tx），在第二电极23以及第三电极25同时施加电压时，产生振动而发出声波。本实施例中，该声波优选为超声波。在外界物体按压或接近超声波传感器2时，该超声波到达该外界物体并发生反射。所述第一压电层21作为信号接收层（Rx），用于接收从该外界物体反射回的声波，并将该声波转化为电信号。该电信号通过所述第一电极20传递至所述基板22上的薄膜晶体管阵列220进行处理，以辅助实现超声波指纹识别的功能。
本实施例中，所述基板22与传统的薄膜晶体管（TFT）玻璃基板不同，其采用化学强化（Chemical Strengthen，CS）玻璃基材制成。例如，该基板22可以采用钠玻璃以及铝硅酸盐玻璃等可进行离子交换的强化玻璃基材。该化学强化玻璃基材的形成方式可以是将玻璃放入高纯度的硝酸钾溶液及搭配的催化剂中，然后混合加热至特定的高温条件（例如420度左右），使玻璃结构表面的钾离子和钠离子进行离子交换而形成强化层，进而制成该强化玻璃基材。优选地，本实施例中，该基板22的抗冲击强度大于200兆帕（mPa），且其压应力层深度（DOL)大于5微米（um）。
此外，该基板22相对两侧面具有凹凸不平的微结构220。该微结构可通过边缘蚀刻技术对该基板22的相对两侧边进行蚀刻而形成。该微结构220用于加强该基板22与其他元件的结合强度。该实施例中，基板22侧面形成的该微结构220为锯齿形。
请参阅图7所示，是另一实施例中所基板22的剖视图。该另一实施例中，基板22侧面形成的微结构220为波浪形。然而，应当理解，该微结构220的形状也可以是其它任何具有凹凸结构的形状，而并不限于上述的锯齿形和波浪形。
进一步地，该超声波传感器2还包括一电连接件27。该电连接件27设置于所述基板22上，用于与外部控制电路（例如柔性电路板，FPC）电性连接。所述第一电极20、第二电极23以及第三电极25可通过该电连接件27与外部控制电路电性连接。该外部控制电路可通过该电连接件27为第一电极20、第二电极23以及第三电极25供电，并通过该电连接件27与第一电极20、第二电极23以及第三电极25进行数据传输和交换。
此外，该超声波传感器2的外表面涂覆一胶层28对该超声波传感器2进行封装，以对该超声波传感器2的各元件进行保护。该胶层28的材料可以是具有良好电绝缘性能的胶材，例如树脂、光学胶、复合胶等。优选地，本实施例中，该胶层28的厚度大于10微米。
综上所述，本发明的超声波传感器使用化学强化玻璃基材作为基板，可有效提升超声波传感器的耐压强度，提高使用寿命。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超声波传感器，包括第一电极、第一压电层、基板、第二电极、第二压电层、第三电极，该第一压电层通过胶粘剂直接贴合于该基板的一表面，该第一电极形成于该第一压电层远离该基板的另一表面，该第二电极和该第三电极形成于该第二压电层相对的两侧，该第二电极通过胶粘剂直接贴合于该基板远离该第一压电层的另一表面，其特征在于，该基板由化学强化玻璃基材制成，该基板为薄膜晶体管阵列基板，该基板上包括有薄膜晶体管阵列，所述基板的侧边具有通过蚀刻形成的凹凸不平的微结构。
2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述化学强化玻璃基材的抗冲击强度大于200兆帕。
3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述化学强化玻璃基材的压应力层大于5微米。
4.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述微结构的形状为锯齿形。
5.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述微结构的形状为波浪形。
6.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一压电层以及第二压电层由聚二氟亚乙烯制成。
7.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一电极、第二电极以及第三电极中的至少一个由金属材料制成。
8.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一电极、第二电极以及第三电极中的至少一个由透明导电材料制成。
9.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该超声波传感器的外表面涂覆一胶层对该超声波传感器进行封装。
10.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，该超声波传感器还包括一电连接件，该电连接件设置于所述基板上，用于与外部控制电路电性连接；所述第一电极、第二电极以及第三电极通过该 电连接件与外部控制电路电性连接。
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