CN106895862A - 超声波元件 - Google Patents

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CN106895862A
CN106895862A CN201710026235.1A CN201710026235A CN106895862A CN 106895862 A CN106895862 A CN 106895862A CN 201710026235 A CN201710026235 A CN 201710026235A CN 106895862 A CN106895862 A CN 106895862A
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Abstract

一种超声波元件，其包括：层叠设置的表面接触层、信号接收层、信号发送层；所述表面接触层具有一接触表面，用于接触被感测体；所述信号发送层用于产生并发送感测信号；所述信号接收层用于接收所述感测信号；所述表面接触层的固有频率定义为F1，所述信号接收层的固有频率定义为F2，所述信号发送层的固有频率定义为F3，所述感测信号的频率定义为F0'；其中，F1、F2、F3中至少一者与F0'相等。本发明通过调整使外部频率与材料固有频率一致，使得感测装置输出的信号强度得到强化，提高感测精确度。

Description

超声波元件
技术领域
本发明涉及一种超声波元件。
背景技术
近年来，电子装置例如手机、电脑、游戏机等，通常采用声波式感测元件取代电容式感测元件，声波式感测元件具有寿命长、解析度高等优点。声波式感测元件通常包括信号接收单元和信号发送单元，工作时，信号发送单元发送感测信号，该感测信号到达界面的部分被触摸手指吸收，部分反射至信号接收单元，信号接收单元接收反射回来的感测信号并转换为电信号形成触控信息。目前发现，感测信号在声波式感测元件中传递的过程中，通常在会造成能量的损失，从而影响感测信号的强度及感测的精确度。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够提高感测信号强度的超声波元件。
一种超声波元件，其包括：层叠设置的表面接触层、信号接收层、信号发送层；
所述表面接触层具有一接触表面，用于接触被感测体；所述信号发送层用于产生并发送感测信号；所述信号接收层用于接收所述感测信号；
所述表面接触层的固有频率定义为F1，所述信号接收层的固有频率定义为F2，所述信号发送层的固有频率定义为F3，所述感测信号的频率定义为F0'；
其中，F1、F2、F3中至少一者与F0'相等。
优选地，所述F0'、F1、F2、F3至少满足以下条件之一：
F1、F2与F0'相等；
F2、F3与F0'相等；
F1、F3与F0'相等；
F1、F2、F3均与F0'相等。
优选地，所述表面接触层的波速定义为C1，所述信号接收层的波速定义为C2，所述信号发送层的波速定义为C3；
所述表面接触层的厚度定义为H1，所述信号接收层的厚度定义为H2，所述信号发送层的厚度定义为H3；
所述表面接触层、信号接收层、信号发送层中厚度与波速的比值至少两者相等。
优选地，所述H1、H2、H3、C1、C2、C3至少满足以下条件之一：
H1：H2＝C1:C2；
H2：H3＝C2:C3；
H1：H3＝C1:C3；
H1：H2：H3＝C1:C2:C3。
优选地，所述信号接收层包括第一压电层，所述信号发送层包括第二压电层；
所述表面接触层的厚度定义为H1，所述第一压电层的厚度定义为H2，所述第二压电层的厚度定义为H3；
所述表面接触层的波速定义为C1，所述第一压电层的波速定义为C2，所述第二压电层的波速定义为C3；
所述表面接触层、第一压电层、第二压电层中厚度与波速的比值至少两者相等。
优选地，所述H1、H2、H3、C1、C2、C3至少满足以下条件之一：
H1：H2＝C1:C2；
H2：H3＝C2:C3；
H1：H3＝C1:C3；
H1：H2：H3＝C1:C2:C3。
优选地，包括第一粘合层、第二粘合层，所述表面接触层和所述信号接收层/信号发送层之间通过所述第一粘合层连接并进行讯号耦合，所述信号发送层和所述信号接收层之间通过所述第二粘合层连接并进行讯号耦合。
优选地，所述第一粘合层的厚度定义为Hm1，所述第二粘合层的厚度定义为Hm2。所述表面接触层的厚度H1、信号接收层的厚度H2、信号发送层的厚度H3三者中的最小值定义为Hmin。所述Hm1<Hmin/10、Hm2<Hmin/10。
优选地，提供一驱动讯号F0，所述驱动信号用于驱动信号发送层以产生感测信号，所述驱动信号的频率F0与感测信号的频率F0'相等。
优选地，所述感测信号为超声波信号。
相较于现有技术，本发明利用同频共振原理，提供一种超声波元件，超声波元件的驱动信号/感测信号与超声波元件内部材的固有频率一致，来降低声波信号在所述超声波元件信号传输过程中的衰减，可以在一定程度上提高信号的强度及感测的精确度。
附图说明
图1是本发明第一实施例的电子装置立体结构示意图。
图2是图1沿III-III处剖面结构示意图。
图3是本发明第二实施例的超声波元件剖面结构示意图。
主要元件符号说明
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
请同时参考图1和图2所示，图1是是本发明第一实施例的电子装置100立体结构示意图。图2是图1沿III-III处剖面结构示意图。电子装置100可以是电脑、电视、手机等的电子装置，但不以此为限。
在本实施例中，所述电子装置100包括用于感测触摸操作的超声波元件10，超声波元件10包括表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3、粘合层4。表面接触层1具有一与被感测体接触的接触表面11。表面接触层1通过接触表面11与被测物体(如手指等)接触。超声波元件10并不限于感测触摸操作，比如，在其他实施例中，超声波元件10可以应用于生物领域感测血压等，但不限于此。
在本实施例中，信号接收层2设置于所述表面接触层1异于接触表面11的一侧，信号发送层3设置于所述信号接收层2远离表面接触层1的一侧。信号发送层3用于产生并发送感测信号，信号接收层2用于接收反射回来的感测信号。在其他实施例中，信号发送层3与信号接收层2的位置关系不受限制，如，信号发送层3可设置于所述表面接触层1异于接触表面11的一侧，信号接收层2可设置于信号发送层3远离表面接触层1的一侧。
所述粘合层4具有信号耦合的作用，在本实施例中，粘合层4包括第一粘合层41和第二粘合层42。所述表面接触层1和所述信号接收层2之间通过所述第一粘合层41连接，第一粘合层41在所述表面接触层1和所述信号接收层2之间进行信号耦合。所述信号发送层3和所述信号接收层2之间通过所述第二粘合层42连接，第二粘合层42在所述信号发送层3和所述信号接收层2之间进行信号耦合。
在本实施例中，所述超声波元件10为一种可感测触摸操作的触摸感应开关。所述信号接收层2包括第一电极21、第一压电层22。在其他实施例中，信号接收层2可包括上电极、下电极及夹设于上、下电极之间的压电层(图未示)。所述信号发送层3包括第二电极31、第二压电层32以及第三电极33，所述第二压电层32夹设于第二电极31与第三电极33之间。所述第一压电层22与第二压电层32为具有压电特性的材料。第二电极31与第三电极33对所述第二压电层32施加电压，所述第二压电层32在电压的作用下振动从而发出超声波式的感测信号。当被测物体放在表面接触层1上面时，超声波受到被测物体的影响，被发射的超声波发生相应的变化，所述超声波被手指等被感测物反射至所述信号接收层2转化为电信号并输出。
根据波的特性，满足以下关系式(1)：
C＝F×λ…式(1)，
其中，C为波速，F为频率，λ为波长。波速的大小是由物体的材料的性质决定的，在已知材质、厚度的情况下，根据固有频率的计算方式，在考虑声波在物体表面的全反射地情况下，波长与该物体的厚度可满足λ＝2H，可以通过关系式(1)：C＝F×λ计算出物体的频率F，即固有频率。
在本实施例中，表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3的材料依次为第一材料、第二材料、第三材料，表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3对应的波速分别为C1、C2、C3。已知表面接触层1的厚度H1、表面接触层1的波速C1，设表面接触层的波长为λ1，则下述(2)～(3)关系式成立：
2×H1＝λ1…式(2)
C1×λ1＝F1…式(3)
由此可得表面接触层1的固有频率F1。
提供一频率为F0的电信号作为驱动信号，驱动信号的频率F0与表面接触层1的频率F1相等，所述驱动信号用于驱动信号发送层3以产生超声波式的感测信号，根据压电材料的特性，所述信号发送层3将驱动信号转化为超声波式的感测信号后信号的频率不变，令感测信号的频率为F0'，则下述(4)关系式成立：
F0'＝F0＝F1…式(4)
因此，信号发送层3发出的感测信号的能与表面接触层1实现同频共振。
在本实施例中，所述信号接收层2包括第一电极21和第一压电层22，由于第一电极21的厚度远小于第一压电层22，故信号接收层2的厚度忽略第一电极21的厚度，信号接收层2的厚度仅为第一压电层22的厚度。设信号接收层2的厚度为H2，已知所述信号接收层2的波速为C2，令信号接收层2的固有频率F2＝F0'，以使感测信号与信号接收层2实现同频共振。设信号接收层2的波长为λ2。则下述(5)～(6)关系式成立：
C2×F2＝λ2…式(5)
λ2/2＝H2…式(6)
由此可得信号接收层2在F2＝F0'条件下的厚度H2。
信号发送层3包括第二电极31和第一压电层32和第三电极33，由于第二电极31与第三电极33的厚度远小于第二压电层32，故信号发送层3的厚度忽略第二电极31与第三电极33的厚度，信号发送层3的厚度仅为第二压电层32的厚度。设信号发送层3的厚度为H3，已知所述信号发送层3的波速为C3，信号发送层3用于接收驱动信号以产生感测信号。令信号发送层3的固有频率F3＝F0，以实现信号发送层与驱动信号的同频共振。设信号发送层3的波长为λ3。则下述(7)～(8)关系式成立：
C3×F3＝λ3…式(7)
λ3/2＝H3…式(8)
由此可得信号发送层3在F3＝F0条件下的厚度H3。
在本实施例中，所述第一粘合层41的厚度设定为Hm1，所述第二粘合层的厚度设定为Hm2；取表面接触层1的厚度H1、信号接收层的厚度H2、信号发送层的厚度H3三者中最小值为Hmin，Hm1与Hm2均小于Hmin/10，即Hm1<Hmin/10、Hm2<Hmin/10。由于Hm1、Hm2的厚度相对H1、H2、H3较小，在本实施例中的感测信号传递的过程中Hm1、Hm2的厚度忽略不计。
驱动信号的频率F0/感测信号的频率F0'与表面接触层1的频率F1、信号接收层的频率F2、信号发送层的频率F3相等，则下述(9)关系式成立：
F0'＝F0＝F1＝F2＝F3…式(9)
由此可得在超声波元件10中驱动信号/感测信号的频率F0/F0'与表面接触层1的频率F1、信号接收层的频率F2、信号发送层的频率F3均相等。驱动信号/感测信号与超声波元件10实现同频共振，能够降低驱动信号/感测信号在所述超声波元件10信号传输过程中的衰减，可以在一定程度上提高信号的强度及感测的精确度。
由式(1)～(9)可知，下述(10)关系式成立：
H1：H2：H3＝C1:C2:C3…式(10)
在本实施例中，为已知表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3的波速C1、C2、C3以及表面接触层1的厚度H1，进一步推算出其他实现共振的相关参数。在其他实施例中，已知的参数值可以有所改变，例如可以是已知表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3的波速C1、C2、C3以及信号接收层2/信号发送层3的厚度H2/H3，进一步推算出其他实现共振的相关参数。
可选地，可指定表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3的厚度H1、H2、H3以及表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3中其中一者的波速，进一步推算出其他实现共振的相关参数，再选择与参数值匹配的合适的材料作为其他两层，亦能实现同频共振。
上述实施例中，感测信号与表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3均实现同频共振。在其他实施例中，感测信号可仅与表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3中一者或者两者发送同频共振。即感测信号的频率F0'仅与表面接触层1、信号接收层2、信号发送层3的固有频率中的一者或者两者相等。
请参考图3，图3是本发明第二实施例的超声波元件20的剖面结构示意图。在本实施例中，与第一实施例中的相同元件的功能相同，在此不再赘述。所述超声波元件20包括表面接触层1'、信号接收层2'、信号发送层3'、粘合层4'。所述表面接触层1'具有一与被感测体接触的接触表面11'。表面接触层1'通过接触表面11'与被测物体(如手指等)接触。所述信号接收层2'设置于所述表面接触层1'异于接触表面11'的一侧，用所述信号发送层3'设置于所述信号接收层2'远离表面接触层1'的一侧。所述信号接收层2'包括第一电极21'、第一压电层22'。所述信号发送层3'包括第二电极31'、第二压电层32'以及第三电极33'，所述第二压电层32'夹设于第二电极31'与第三电极33'之间。
根据上述分析，有：C'＝F'×λ',λ＝2H，可以通过关系式C'＝F'×λ'计算出物体的频率F'，即固有频率。
在本实施例中，超声波元件20的感测信号仅与表面接触层1、信号接收层2发生同频共振。在本实施例中，可指定表面接触层1的材料及厚度，得到C1'、H1'，根据上述分析，则下述(11)～(12)关系式成立：
2×H1'＝λ1'…式(11)
C1×λ1'＝F1'…式(12)
由此可得表面接触层1的固有频率F1'。
提供一频率为F00的电信号作为驱动信号，驱动信号的频率F00与表面接触层1'的频率F1'相等，所述驱动信号用于驱动信号发送层3'以产生超声波式的感测信号，所述信号发送层3'将驱动信号转化为超声波式的感测信号后信号的频率不变，令感测信号的频率为F00'，则下述(13)关系式成立：
F00'＝F00＝F1'…式(13)
因此，信号发送层3'发出的感测信号的能与表面接触层1'实现同频共振。
在本实施例中，所述信号接收层2'包括第一电极21'和第一压电层22'，由于第一电极21'的厚度远小于第一压电层22'，故信号接收层2'的厚度忽略第一电极21'的厚度，信号接收层2'的厚度仅为第一压电层22'的厚度。设信号接收层2'的厚度为H2'，已知所述信号接收层2'的波速为C2'，令信号接收层2'的固有频率F2'＝F00'，以使感测信号与信号接收层2'实现同频共振。设信号接收层2'的波长为λ2'。则下述(14)～(15)关系式成立：
C2'×F2'＝λ2'…式(14)
λ2'/2＝H2'…式(15)
由此可得信号接收层2'在F2'＝F00'条件下的厚度H2。
在本实施例中，所述表面接触层1'和所述信号接收层2'之间通过所述第一粘合层41'连接，第一粘合层41'在所述表面接触层1'和所述信号接收层2'之间进行信号耦合。所述信号发送层3'和所述信号接收层2'之间通过所述第二粘合层42'连接，第二粘合层42'在所述信号发送层3'和所述信号接收层2'之间进行信号耦合。所述第一粘合层41'的厚度设定为Hm1'，所述第二粘合层的厚度设定为Hm2'；取表面接触层1的厚度H1'、信号接收层的厚度H2'、信号发送层的厚度H3三者中最小值为Hmin'，Hm1与Hm2均小于Hmin'/10，即Hm1'<Hmin'/10、Hm2'<Hmin'/10。由于Hm1'、Hm2'的厚度相对H1'、H2'较小，在本实施例中的感测信号传递的过程中Hm1、Hm2的厚度忽略不计。
在本实施例中，驱动信号的频率F00与感测信号的频率F00'与表面接触层1'的频率F1'、信号接收层的频率F2'相等，则下述(16)关系式成立：
F00'＝F00＝F1'＝F2'…式(16)
由此可得在超声波元件20中感测信号的频率F0'与表面接触层1的频率F1'、信号接收层的频率F2'相等。驱动信号/感测信号与触摸感测开关20实现部分同频共振，能够降低驱动信号/感测信号在所述超声波元件信号传输过程中的衰减，可以在一定程度上提高信号的强度及感测的精确度。
由式(11)～(16)可知，下述(17)关系式成立：
H1'：H2'＝C1':C2'…式(17)
在本实施例中，为已知表面接触层1'、信号接收层2'的波速C1'、C2'以及表面接触层1'的厚度H1'，进一步推算出其他实现驱动信号/感测信号与表面接触层1'、信号接收层2'共振的相关参数。在其他实施例中，已知的参数值可以有所改变，例如可以是已知表面接触层1'、信号接收层2'、信号发送层3'的波速C1'、C2'、C3'中的二者以及表面接触层1'、信号接收层2'、信号发送层3'的厚度H1'、H2'、H3'中与已知波速之一对应的一者，进一步推算出其他实现驱动信号/感测信号与表面接触层1'、信号接收层2'、信号发送层3'的中的二层实现共振的相关参数。
可选地，可指定表面接触层1'、信号接收层2'、信号发送层3'的厚度H1'、H2'、H3'中两者以及表面接触层1'、信号接收层2'、信号发送层3'的波速C1'、C2'、C3'中与已知厚度之一相对应的一者，进一步推算出其他实现驱动信号/感测信号与表面接触层1'、信号接收层2'、信号发送层3'的中的二层共振的相关参数，再选择与参数值匹配的合适的材料，亦能实现同频共振。
在本发明的第二实施例中，驱动信号/感测信号可选择性仅与表面接触层1'、信号接收层2'实现同频共振，在其他实施例中，驱动信号/感测信号亦可选择性地仅与信号接收层2'、信号发送层3'实现同频共振，或者驱动信号/感测信号亦可选择性地仅与表面接触层1'、信号发送层3'实现同频共振。此时，下述(18)～(21)关系式至少一者成立：
F2'、F3'＝F00'…式(18)
F1'、F3'＝F00'…式(19)
H2'：H3'＝C2':C3'…式(20)
H1'：H3'＝C1':C3'…式(21)
在本实施例中，第一电极21、第二电极31、第三电极33可以为但不限于铜、银、钼、钛、铝、钨、氧化铟锡。所述第一压电层21、第二压电层32可以为聚偏氟乙稀(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)、锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramictransducer，PZT)等压电材料。所述表面接触层1的材料可以为金属、塑胶、玻璃等材料，但不限于此。
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)

1.一种超声波元件，其包括：层叠设置的表面接触层、信号接收层、信号发送层；
所述表面接触层具有一接触表面，用于接触被感测体；所述信号发送层用于产生并发送感测信号；所述信号接收层用于接收所述感测信号；
其特征在于：
所述表面接触层的固有频率定义为F1，所述信号接收层的固有频率定义为F2，所述信号发送层的固有频率定义为F3，所述感测信号的频率定义为F0'；
其中，F1、F2、F3中至少一者与F0'相等。
2.如权利要求1所述的超声波元件，其特征在于：所述F0'、F1、F2、F3至少满足以下条件之一：
F1、F2与F0'相等；
F2、F3与F0'相等；
F1、F3与F0'相等；
F1、F2、F3均与F0'相等。
3.如权利要求1所述的超声波元件，其特征在于：所述表面接触层的波速定义为C1，所述信号接收层的波速定义为C2，所述信号发送层的波速定义为C3；
所述表面接触层的厚度定义为H1，所述信号接收层的厚度定义为H2，所述信号发送层的厚度定义为H3；
所述表面接触层、信号接收层、信号发送层中厚度与波速的比值至少两者相等。
4.如权利要求3所述的超声波元件，其特征在于：所述H1、H2、H3、C1、C2、C3至少满足以下条件之一：
H1：H2＝C1:C2；
H2：H3＝C2:C3；
H1：H3＝C1:C3；
H1：H2：H3＝C1:C2:C3。
5.如权利要求1所述的超声波元件，其特征在于：所述信号接收层包括第一压电层，所述信号发送层包括第二压电层；
所述表面接触层的厚度定义为H1，所述第一压电层的厚度定义为H2，所述第二压电层的厚度定义为H3；
所述表面接触层的波速定义为C1，所述第一压电层的波速定义为C2，所述第二压电层的波速定义为C3；
所述表面接触层、第一压电层、第二压电层中厚度与波速的比值至少两者相等。
6.如权利要求5所述的超声波元件，其特征在于：所述H1、H2、H3、C1、C2、C3至少满足以下条件之一：
H1：H2＝C1:C2；
H2：H3＝C2:C3；
H1：H3＝C1:C3；
H1：H2：H3＝C1:C2:C3。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的超声波元件，其特征在于：包括第一粘合层、第二粘合层，所述表面接触层和所述信号接收层/信号发送层之间通过所述第一粘合层连接并进行讯号耦合，所述信号发送层和所述信号接收层之间通过所述第二粘合层连接并进行讯号耦合。
8.如权利要求7所述的超声波元件，其特征在于：所述第一粘合层的厚度定义为Hm1，所述第二粘合层的厚度定义为Hm2，所述表面接触层的厚度H1、信号接收层的厚度H2、信号发送层的厚度H3三者中的最小值定义为Hmin，所述Hm1<Hmin/10、Hm2<Hmin/10。
9.如权利要求1-6中任意一项所述的超声波元件，其特征在于：提供一驱动讯号F0，所述驱动信号用于驱动信号发送层以产生感测信号，所述驱动信号的频率F0与感测信号的频率F0'相等。
10.如权利要求1所述的超声波元件，其特征在于：所述感测信号为超声波信号。
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