CN106895863B - 超声波传感器及使用该超声波传感器的电子装置 - Google Patents

Abstract

一种超声波传感器，包括一超声波收发器、一柔性电路板以及一压板，超声波收发器、柔性电路板设置于压板同侧，超声波收发器包括上下层叠设置的一超声波发射单元和一超声波接收单元，该柔性电路板同时与超声波发射单元和超声波接收单元电性相连。本发明还提供一种使用上述超声波传感器的电子装置。

Description

超声波传感器及使用该超声波传感器的电子装置

技术领域

本发明涉及一种超声波传感器，特别是一种使用柔性电路板输入和输出信号的超声波传感器及使用该超声波传感器的电子装置。

背景技术

超声波传感技术因其感测精度高，响应灵敏等优点被越来越多用于现代生活中。例如，用于手机、电脑等携带终端的指纹感测器以及用于检测心率、脉搏、血流等生命体征的生医检测装置，还例如用作手机，PDA，平板电脑等便携式电子装置的按键开关用于检测手指的触摸以唤醒该便携式电子装置。现有技术中的一种超声波传感器主要包括一用于发射超声波的超声波发射单元和一用于接收超声波的超声波接收单元，该超声波发射单元和该超声波接收单元通过焊线与驱动IC电性连接以接收信号及传递信号。在该超声波传感器中，由于采用了焊线进行电连接导致其制造过程浪费人力，且焊线在长期使用过程中有受损断裂的危险，容易导致超声波传感器故障，缩短使用寿命。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能节省制造人力、降低故障率且寿命较长的超声波传感器。

另，还有必要提供一种使用该超声波传感器的电子装置。

本发明提供一种超声波传感器，包括一超声波收发器、一柔性电路板以及一压板，超声波收发器、柔性电路板设置于压板同侧，该超声波收发器包括上下层叠设置的一超声波发射单元和一超声波接收单元，柔性电路板分别与超声波发射单元和超声波接收单元电性相连。

进一步地，超声波发射单元与超声波接收单元之间通过第一粘合层粘接。

进一步地，超声波发射单元包括一第一发射电极、一第二发射电极、以及设置于第一发射电极与第二发射电极之间的压电发射层，第二发射电极设置于压电发射层远离超声波接收单元一侧并与柔性电路板电性相连,第一发射电极设置于压电发射层靠近超声波接收单元一侧且弯折至压电发射层设置有第二发射电极的表面上与柔性电路板电性相连。

进一步地，超声波发射单元包括一第一发射电极、一第二发射电极、以及设置于第一发射电极与第二发射电极之间的压电发射层，第一发射电极设置于压电发射层靠近超声波接收单元一侧，第二发射电极设置于压电发射层远离超声波接收单元一侧，第二发射电极与柔性电路板电性相连,第一发射电极与第二发射电极分别设置于压电发射层两侧的不同表面上。

进一步地，超声波接收单元包括一第一接收电极和一第二接收电极、以及设置于第一接收电极与第二接收电极之间的压电接收层；第二接收电极设置于压电接收层远离超声波发射单元一侧且与柔性电路板电性相连,第一接收电极设置于压电接收层靠近超声波发射单元一侧且弯折至压电接收层设置有第二接收电极的表面上与柔性电路板电性相连。

进一步地，第一粘合层具有导电性。

进一步地，超声波接收单元包括一第一接收电极和一第二接收电极、以及设置于第一接收电极与第二接收电极之间的压电接收层,第一接收电极设置于压电接收层靠近超声波发射单元一侧，第二接收电极设置于压电接收层远离超声波发射单元一侧，第二接收电极与柔性电路板电性相连，第一接收电极与第二接收电极分别设置于压电接收层两侧的不同表面上。

进一步地，第一发射电极和第二发射电极通过第二粘合层与柔性电路板电性相连；第一接收电极和第二接收电极通过第二粘合层与柔性电路板电性相连，第二粘合层导电。

进一步地，所述压电发射层尺寸大于所述压电接收层。进一步地，柔性电路板一端设置于超声波收发器与压板之间，另一端沿超声波收发器绕设以使柔性电路板围绕超声波收发器的至少相邻三面。

本发明还提供一种电子装置，所述电子装置包括一超声波传感器，所述超声波传感器包括一超声波收发器、一柔性电路板以及一压板，超声波收发器、柔性电路板设置于压板同侧，柔性电路板一端设置于超声波收发器与压板之间，另一端沿超声波收发器绕设以使柔性电路板包围超声波收发器的至少相邻三面，超声波收发器包括上下层叠设置的一超声波发射单元和一超声波接收单元，柔性电路板分别与超声波发射单元和超声波接收单元电性相连。

相较于现有技术，本发明的超声波传感器通过仅使用同一柔性电路板绕行连接超声波传感器的超声波发射单元和超声波接收单元，节省了超声波传感器的制造人力，有利于降低故障率，增长使用寿命。

附图说明

图1为本发明第一实施例的超声波传感器的剖视图。

图2为本发明第二实施例的超声波传感器的剖视图。

图3为本发明第三实施例的超声波传感器的剖视图。

图4为本发明第四实施例的超声波传感器的剖视图。

图5为应用本发明声波式触控装置的较佳实施例的电子装置示意图。

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

本发明的超声波传感器既可以单独作为传感器使用，也可以整合至多种电子装置中或与多种电子装置相关联使用，所述电子装置例如(但不限于)：移动电话、具备多媒体因特网功能的蜂巢式电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、蓝牙装置、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持型或携带型计算机、迷你笔记型计算机、笔记型计算机、智能本、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传真机、全球定位系统(GPS)接收器/导航仪、摄影机、数字媒体播放器(例如，MP3播放器)、摄录像机、游戏控制面板、腕表、钟表、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读装置(例如，电子阅读器)、移动健康装置、计算机监视器、汽车显示器(包含里程计显示器及速度计显示器等)、驾驶舱控制件及/或显示器、摄影机景观显示器(例如，车辆中的后视摄影机的显示器)、电子照片、电子广告牌或标识、投影仪、建筑结构、微波装置、冰箱、立体声系统、卡式录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、收音机、携带型内存芯片、洗涤器、干燥器、洗涤器/干燥器、停车定时器、封装(例如，在包含微机电系统(MEMS)应用的机电系统(EMS)应用以及非EMS应用中的封装)、美观结构(例如，关于一件珠宝或衣服的影像显示)及多种EMS装置。本文的教示也可用于例如(但不限于)以下各者的应用中：电子开关装置、射频滤波器、传感器、加速度计、回转仪、运动感测装置、磁力计、用于消费型电子设备的惯性组件、消费型电子产品的零件、可变电抗器、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造过程及电子测试装备。

请参照附图1，本发明第一实施例所揭示的超声波传感器100包括一超声波收发器110、一柔性电路板120以及一压板130。超声波收发器110、柔性电路板120设置于压板130的同一侧，柔性电路板120的一端设置于超声波收发器110与压板130之间，另一端弯折包围超声波收发器110的至少三边。

超声波收发器110包括上下层叠设置的一超声波发射单元112和一超声波接收单元114。超声波发射单元112与超声波接收单元114之间通过第一粘合层116粘接。超声波接收单元114位于超声波发射单元112远离压板130的一侧。弯折包围超声波收发器110的柔性电路板120分别与超声波发射单元112和超声波接收单元114电性相连。

超声波发射单元112包括一第一发射电极1122、一第二发射电极1124、以及设置于第一发射电极1122与第二发射电极1124之间的压电发射层1126。第二发射电极1124设置于压电发射层1126远离超声波接收单元114一侧，第二发射电极1124与柔性电路板120位于超声波收发器110与压板130之间的部分电性相连。第一发射电极1122设置于压电发射层1126靠近超声波接收单元114一侧，且弯折延伸至压电发射层1126形成有该第二发射电极1124的表面上与柔性电路板120电性相连。第一发射电极1122的此种结构也常被称作“反转电极”。通过分别与柔性电路板120电性相连，第一发射电极1122和第二发射电极1124分别施加电压至压电发射层1126，第一发射电极1122与第二发射电极1124之间的电压差使压电发射层1126振动并发出超声波。为了控制第一发射电极1122与第二发射电极1124之间的电压差，可以控制第一发射电极1122与第二发射电极1124的其中一个电压为定电压，该定电压可以是0，即第一发射电极1122与第二发射电极1124的其中一个通过柔性电路板120接地。改变另外一个的电压即可调整第一发射电极1122与第二发射电极1124之间的电压差从而控制发出的超声波。在本实施例中，第一发射电极1122接地。在本发明其他实施例中，可以是第二发射电极1124接地。

超声波接收单元114包括一第一接收电极1142和一第二接收电极1144、以及设置于第一接收电极1142与第二接收电极1144之间的压电接收层1146。第二接收电极1144设置于压电接收层1146远离超声波发射单元112一侧，第二接收电极1144与柔性电路板120电性相连。第一接收电极1142设置于压电接收层1146靠近超声波发射单元112一侧，且弯折延伸至压电接收层1146形成有该第二接收电极1144的表面上与柔性电路板120电性相连。压电接收层1146接收由压电发射层1126发射后被手指反射回来的超声波产生振动，压电接收层1146的振动产生电信号,通过与第一接收电极1142和第二接收电极1144电性相连，柔性电路板120将该电信号输出至处理器(图未示)。为了读取并记录第一接收电极1142和第二接收电极1144之间的电信号，可以控制第一接收电极1142和第二接收电极1144的其中一个电压为定电压，该定电压可以是0，即第一接收电极1142和第二接收电极1144的其中一个通过柔性电路板120接地。在本实施例中，第一接收电极1142接地。在本发明其他实施例中，可以是第二接收电极1144接地。

该第一发射电极1122、第二发射电极1124、第一发射电极1122和第二发射电极1124可以为整片式的导电结构也可以是图案化的导电结构，可以由例如但不限于，银、铝、铜、镍、金等高导电率材料制成，还可以由如透明导电材料(如氧化铟锡、氧化铟锌)、银、碳纳米管或石墨烯等导电材料制成。

在本发明第一实施方式中，压电发射层1126和压电接收层1146的大小相等。在本发明的其他实施方式中，压电发射层1126和压电接收层1146的大小可以不相等。该压电发射层1126和压电接收层1146由压电材料制成，所述压电材料包含钛酸钡(BaiO₃)、钛酸铅(PbiO₃)和锆钛酸铅(Pb(Zri)O₃,PZT)、钽钪酸铅(PST)、石英、(Pb，Sm)iO₃、PMN(Pb(MgNb)O₃)-PT(PbiO₃)、聚偏二氟乙烯(PVDF)及聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物、铁氟能及其它PTFE聚合物、聚二氯亚乙烯(PVDC)均聚物及共聚物、聚四氟乙烯(PTFE)均聚物及共聚物及溴化二异丙胺(DIPAB)等。

第一粘合层116可以是导电，也可以不导电。当第一粘合层116导电时，第一发射电极1122与第一接收电极1142电性连接，其电压相等。此时，第一粘合层116可以全部为导电胶，例如，可以是异方向性导电胶，也可是一部分是导电胶，另一部分为非导电胶。例如，第一粘合层116的中间部分是导电胶，导电胶的外侧为不导电胶。

当第一粘合层116不导电时，第一发射电极1122与第一接收电极1142的电压分别由柔性电路板120控制。此时，第一粘合层116全部为非导电胶。由于第一发射电极1122与第一接收电极1142的表面均为粗糙表面，第一粘合层116可以填补第一发射电极1122与第一接收电极1142的表面粗糙处，从而减少超声波传输损耗。在本发明第一实施例中，第一粘合层116为非导电胶。

柔性电路板120具有一第一表面120a，或称内表面，以及一第二表面120b，或称外表面。其中，第一表面120a为与超声波收发器110电性相连的表面，第二表面120b为与第一表面22相背的表面。柔性电路板120包括至少三个部分：与超声波发射单元112电性相连的第一部分122、与超声波接收单元114电性相连的第二部分124以及连接第一部分122与第二部分124的第三部分126。柔性电路板120的第一部分122的第一表面120a和第二部分124的第一表面120a上还形成有多个接垫128，超声波发射单元112和超声波接收单元114分别通过第二粘合层140与一接垫128粘合。第二粘合层140为导电胶。第二粘合层140可以全部为导电胶，例如，异方向性导电胶，也可是一部分是导电胶，另一部分为非导电胶。例如，第二粘合层140的中间部分是导电胶，导电胶的外侧为不导电胶。由于第二发射电极1124与第二接收电极1144的表面均为粗糙表面，第二粘合层140可以填补第二发射电极1124与第二接收电极1144的表面粗糙处，从而减少超声波传输损耗。

接垫128由导电材料形成，例如，焊锡、铜等金属材料。在本实施例中接垫128为铜接垫。另外，在本实施例中，柔性电路板120的第二部分124的第一表面120a上还形成有用于连接驱动IC的端子部129。在本发明的其他实施例中，用于连接驱动IC的端子部129设置于柔性电路板120的第一部分122的第一表面120a上。在本发明的其他实施例中，驱动IC还可以直接结合在柔性电路板120上。

具体地，超声波发射单元112的第二发射电极1124通过第二粘合层140与一接垫128相连进而与柔性电路板120相连。第一发射电极1122弯折延伸至压电发射层1126设置有第二发射电极1124的表面上与另一接垫128相连进而与柔性电路板120相连。超声波接收单元114的第二接收电极1144通过第二粘合层140与一接垫128相连进而与柔性电路板120相连。第一接收电极1142弯折延伸至压电接收层1146设置有第二接收电极1144的表面上通过第二粘合层140与一接垫128相连进而与柔性电路板120相连。

压板130设置于柔性电路板120的第二表面120b对应于超声波收发器110的位置。压板130与柔性电路板120之间通过第三粘合层150粘合。在本实施例中，压板130设置于柔性电路板120的第一部分122的第二表面120b。在本发明其他实施例中，压板130可以设置于柔性电路板120第二部分124的第二表面120b。

压板130可为(但不限于)塑料、陶瓷、蓝宝石、复合材料、金属及金属合金、金属填充式聚合物、聚碳酸酯及玻璃。在一些实施方案中，压板130可为压板，例如用于显示器的防护玻璃罩或防护镜片。在一些实施例中，压板130可为例如铝、铝合金、铬-钼、不锈钢的金属或金属填充式聚合物。在需要时可经由(例如)1mm或1mm以上的相对较厚的压板执行检测及成像。在一些实施例中，用于电子装置的壳体或外壳可充当压板。在一些实施例中，移动装置罩壳的背部、侧面或前面可充当压板，这是由于本文中所描述的超声波传感器可直接经由罩壳壁成像指纹或采集生物计量信息。在一些实施例中，例如聚氨脂薄层、丙烯酸、聚对二甲苯的涂层或类金刚石涂层(DLC)可充当压板。

在本实施例中，第三粘合层150为非导电胶。在本发明其他实施例中，第三粘合层150也可以全部为导电胶或部分为导电胶。同理，第三粘合层150可以填补柔性电路板120和压板130表面不平整之处，从而减少超声波传输损耗。

请再参阅图1，本发明的超声波传感器100的工作原理如下：当没有手指触碰压板表面时，根据输入的控制信号，柔性电路板120通过第一部分122向第一发射电极1122和第二发射电极1124分别传输电信号，使第一发射电极1122和第二发射电极1124之间形成一电压差。压电发射层1126在该电压差作用下发生振动并产生超声波，超声波相朝压板130的方向行进，碰到压板130时，一部分超声波穿透压板130向外继续行进，另一部分超声波被压板130反射回来被压电接收层1146接收并转化成电信号，通过第一接收电极1142和第二接收电极1144传递给柔性电路板120的第二部分124并输出给控制器，并由控制器处理后作为参照信号。当有手指触碰压板表面时，根据输入的控制信号，柔性电路板120通过第一部分122向第一发射电极1122和第二发射电极1124分别传输电信号使第一发射电极1122和第二发射电极1124之间形成一电压差，压电发射层1126在该电压差作用下发生震动并产生超声波，超声波朝压板130的方向行进，碰到压板130上的手指时，一部分超声波被手指吸收，另一部分超声波被压板130反射回来被压电接收层1146接收并转化成电信号，通过第一接收电极1142和第二接收电极1144传递给柔性电路板120的第二部分124并输出给控制器，并由控制器处理后作为信号，将其与参考信号比较，判断是否有触控物体触控该超声波传感器100，并进一步判断是否对电子装置进行唤醒。

上述第一实施例中的超声波传感器100仅使用同一柔性电路板120绕行连接超声波传感器的超声波发射单元112和超声波接收单元114，节省了超声波传感器的制造人力，有利于降低故障率，增长使用寿命。另外，第一实施例中的超声波传感器100利用粘合层填补超声波传感器100内部元件表面不平整之处，可以减少超声波传输损耗。

请一并参阅图2，图2为第二实施例中的超声波传感器200，其与第一实施例中的超声波传感器100的结构大致相同，对于相同之处此处不再赘述，不同点在于：超声波发射单元212位于超声波接收单元214远离压板230的一侧，压板230设置于柔性电路板220的第二部分224的第二表面220b对应于超声波接收单元214的位置，且，用于连接驱动的端子部229设置于柔性电路板220的第一部分222的第一表面220a上。本发明第二实施例的超声波传感器200和第一实施例的超声波传感器100的工作原理相同，因此也不赘述。

请参阅图3，图3为本发明第三实施例的超声波传感器300，其与本发明第一实施例中的超声波传感器100的结构大致相同，对于相同之处此处不再赘述，不同点在于：压电发射层3126和压电接收层3146的大小不等，压电发射层3126的尺寸较压电接收层3146大，由于超声波发射单元312发出的超声波波到达压板330后一部分被手指吸收，反射回来被超声波接收单元314接收到的超声波的能量小。因此设置超声波发射单元312的压电发射层3126尺寸大于超声波接收单元314的压电接收层3146以提供更大的振动能量，增强超声波接收单元314接收到的信号强度，提高的超声波传感器300的灵敏度。本发明第一实施例的超声波传感器300和第一实施例的超声波传感器100的工作原理相同，因此也不赘述。

请一并参阅图4，图4为本发明第四实施例的超声波传感器400，其与本发明第三实施例中的超声波传感器400的结构大致相同，对于相同之处此处不再赘述，不同点在于：本发明第三实施例中，第一粘合层416导电，第一接收电极4142通过导电的第一粘合层416与第一发射电极4122电性连接，由于第一发射电极4122与柔性电路板420电性连接，第一接收电极4142与第一发射电极4122电压相等。从而，第一接收电极4142与第二接收电极4144可以设置于压电接收层4146两侧的不同表面上，而不需要弯折延伸至与第二接收电极4144相同的表面上。相较于第一实施例至第三实施例，第一接收电极4142不需要弯折延伸至与第二接收电极4144相同的表面上，因此，可以降低极化成本。本发明第四实施例的超声波传感器400和第一实施例的超声波传感器100的工作原理相同，因此也不赘述。可以理解，在本发明的其他实施例中，可以是第一接收电极通过导电的第一粘合层与第一发射电极电性连接，第一发射电极与柔性电路板电性相连。从而，第一发射电极与第二发射电极设置于压电发射层两侧的不同表面上，而不需要第一发射电极弯折延伸至与第二发射电极相同的表面上。同样，也可以降低极化成本。

请参阅图5，本发明还提供一种使用本发明第一实施例的超声波传感器100的电子装置500。如图5仅以电子装置500为一手机为例，在其它实施例中，该电子装置10也可为个人计算机、智能家电、工业控制器等。当电子装置500为手机时，其包括一显示区域510。以具有显示区域510的表面为正面500a，与正面500a相背的表面为背面500b，超声波传感器100设置于电子装置500的正面500a，位于显示区域510下方，此时该超声波传感器100可作为手机的home键，即主屏键。在本发明其他实施例中，超声波传感器100还可以设置于电子装置500的背面500b，甚至侧面。超声波传感器100可用作按键开关检测手指等触摸体的触摸，以判断是否唤醒该按键开关检测手指的触摸，以唤醒该便携式电子装置。虽然，在本实施例的电子装置500中采用了本发明第一实施例的超声波传感器100。可以理解，本发明第一实施例至第四实施例的任一均可以被用于电子装置500中。

Claims (5)

1.一种超声波传感器，包括一超声波收发器、一柔性电路板以及一压板，所述超声波收发器、所述柔性电路板设置于所述压板同侧，其特征在于：所述超声波收发器包括上下层叠设置的一超声波发射单元和一超声波接收单元，所述柔性电路板与所述超声波发射单元和所述超声波接收单元电性相连，所述柔性电路板一端设置于所述超声波收发器与所述压板之间，另一端沿所述超声波收发器绕设以使所述柔性电路板围绕所述超声波收发器的至少相邻三面，

所述超声波发射单元包括一第一发射电极、一第二发射电极、以及设置于所述第一发射电极与所述第二发射电极之间的压电发射层，所述第二发射电极设置于所述压电发射层远离所述超声波接收单元一侧并与所述柔性电路板电性相连，所述第一发射电极设置于压电发射层靠近超声波接收单元一侧且弯折至所述压电发射层设置有所述第二发射电极的表面上与所述柔性电路板电性相连，

所述超声波接收单元包括一第一接收电极和一第二接收电极、以及设置于所述第一接收电极与所述第二接收电极之间的压电接收层；所述第二接收电极设置于所述压电接收层远离所述超声波发射单元一侧且与所述柔性电路板电性相连，所述第一接收电极设置于压电接收层靠近超声波发射单元一侧且弯折至所述压电接收层设置有所述第二接收电极的表面上与所述柔性电路板电性相连，

所述压电发射层尺寸大于所述压电接收层。

2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于：所述超声波发射单元与所述超声波接收单元之间通过第一粘合层粘接。

3.如权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于：所述第一粘合层具有导电性。

4.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于：所述第一发射电极和所述第二发射电极通过第二粘合层与所述柔性电路板电性相连；所述第一接收电极和所述第二接收电极通过第二粘合层与所述柔性电路板电性相连，所述第二粘合层导电。

5.一种电子装置，包括如权利要求1-4任意一项所述的超声波传感器。

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