CN108180980B - 超音波感测装置 - Google Patents

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Abstract

超音波感测装置包含读取电晶体、超音波传感器和输入电路。读取电晶体包含第一端、第二端和控制端，其中读取电晶体的第一端用于接收参考电压，读取电晶体的第二端用于耦接读取端，读取电晶体的控制端耦接于第一节点。超音波传感器耦接于第一节点和第一输入端之间，用于自第一输入端接收第一控制信号。输入电路耦接于第一节点和第二输入端之间，用于自第二输入端接收第二控制信号。其中，超音波传感器用于依据第一控制信号和第二控制信号产生超音波，并用于依据对应超音波的反射波输出感测信号至读取电晶体的控制端。上述的超音波感测装置具有架构简单和容易组装的优点。

Description

超音波感测装置
技术领域
本揭示文件有关一种感测装置，尤指一种超音波感测装置。
背景技术
超音波感测系统具有高分辨率的优点。例如，当用户将手指按压于超音波感测系统的材料接口上时，超音波感测系统可藉由不同强度的反射波获取用户的指纹图像。然而，传统的超音波感测系统往往需要分别设置位置互相对应的超音波发射层和接收层。例如，将超音波发射层设置于接收层上方，或是设置于接收层下方。因此，传统的超音波感测系统因为具有多层架构，而难以实现轻薄化。
发明内容
有鉴于此，如何提供架构简单的超音波感测装置，实为业界有待解决的问题。
本揭示文件的一实施例有关一种超音波感测装置。超音波感测装置包含读取电晶体、超音波传感器和输入电路。读取电晶体包含一第一端、一第二端和一控制端，其中该读取电晶体的该第一端用于接收一参考电压，该读取电晶体的该第二端用于耦接一读取端，该读取电晶体的该控制端耦接于一第一节点。超音波传感器耦接于该第一节点和一第一输入端之间，用于自该第一输入端接收一第一控制信号。输入电路耦接于该第一节点和一第二输入端之间，用于自该第二输入端接收一第二控制信号。其中，该超音波传感器用于依据该第一控制信号和该第二控制信号产生一超音波，并用于依据对应该超音波的一反射波输出一感测信号至该读取电晶体的该控制端。
在某些实施例中，该读取电晶体依据该感测信号调整一感测电流的大小，且该感测电流经由该读取电晶体传递至该读取端。
在某些实施例中，当该超音波传感器产生该超音波时，该第一控制信号呈现周期性的反复变化，该第二控制信号维持于一第一电压准位。
在某些实施例中，当该超音波传感器依据该反射波输出该感测信号时，该第一控制信号维持于一第二电压准位，该第二控制信号维持于一第三电压准位。
在某些实施例中，输入电路包含电阻和齐纳二极体。齐纳二极体包含一阳极端和一阴极端。其中该电阻耦接于该第一节点和该第二输入端之间，该齐纳二极体的该阴极端耦接于该第一节点，该齐纳二极体的该阳极端耦接于该第二输入端。
在某些实施例中，超音波传感器包含表面接触层、信号接收传送层和黏合层。信号接收传送层耦接于该第一节点和该第一输入端之间，用于依据该第一控制信号和该第二控制信号产生该超音波。黏合层位于该表面接触层和该信号接收传送层之间。
在某些实施例中，超音波传感器另包含第一导电层和第二导电层。第一导电层位于该黏合层和该信号接收传送层的一第一表面之间，且耦接于该第一节点。第二导电层位于该信号接收传送层的一第二表面，且耦接于该第一输入端。
在某些实施例中，第一导电层包含第一部分、第二部分和第三部分。第一部分位于该黏合层和该信号接收传送层的该第一表面之间。第二部分位于该信号接收传送层的该第二表面。第三部分耦接于该第一部分和该第二部分。
在某些实施例中，当该超音波于该信号接收传送层中传递时，该超音波的一传递速度维持于一第一声速。
在某些实施例中，该信号接收传送层具有一第一厚度，该表面接触层具有一第二厚度。其中，当该超音波于该表面接触层中传递时，该超音波的该传递速度为一第二声速，且该第一厚度和该第二厚度的比值，相同于该第一声速和该第二声速的比值。
上述的超音波感测装置具有架构简单和容易组装的优点。
附图说明
为让揭示文件之上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式之说明如下：
图1为根据本揭示文件一实施例的超音波感测装置简化后的功能方块图。
图2为根据图1的超音波感测装置的一运作实施例简化后的时序图。
图3为根据图1的超音波传感器的一实施例简化后的侧视图。
图4为根据图1的超音波传感器的另一实施例简化后的侧视图。
附图标记：
100：超音波感测装置
101：处理器
110：读取电晶体
120：超音波传感器
130：输入电路
132：电阻
134：齐纳二极体
140：放大器
310：表面接触层
320：黏合层
330：第一导电层
340：信号接收传送层
342：第一表面
344：第二表面
350：第二导电层
410：第一部分
420：第二部分
430：第三部分
N1：第一节点
Nrd：读取端
Tx1：第一输入端
Tx2：第二输入端
Vsen：感测信号
Vct1：第一控制信号
Vct2：第二控制信号
Vref：参考电压
Isen：感测电流
T1：发射阶段
T2：接收阶段
L1：第一电压准位
L2：第二电压准位
L3：第三电压准位
H1：第一高度
H2：第二高度
具体实施方式
以下将配合相关图式来说明本发明的实施例。在图式中，相同的标号表示相同或类似的组件或方法流程。
图1为根据本揭示文件一实施例的超音波感测装置100简化后的功能方块图。超音波感测装置100包含读取电晶体110、超音波传感器120(ultrasonic wave transducer)、输入电路130和放大器140。超音波感测装置100可产生超音波，并接收对应前述超音波的反射波，以依据接收到的反射波调整由超音波感测装置100输出至处理器101的感测电流Isen。处理器101则可依据感测电流Isen判断是否有物体接近超音波感测装置100。为使图面简洁而易于说明，超音波感测装置100中的其他组件与连接关系并未绘示于图1中。
读取电晶体110的第一端用于接收参考电压Vref，读取电晶体110的第二端用于耦接处理器101的读取端Nrd，读取电晶体的控制端耦接于第一节点N1。读取电晶体110用于依据读取电晶体110的控制端接收到的感测信号Vsen调整感测电流Isen的大小，其中感测电流Isen经由读取电晶体110流至处理器101的读取端Nrd。
超音波传感器120耦接于第一节点N1和第一输入端Tx1之间，用于自第一输入端Tx1接收第一控制信号Vct1，并用于依据第一控制信号Vct1产生超音波。而当超音波传感器120接收到对应于超音波传感器120产生的超音波的反射波时，超音波传感器120会依据接收到的反射波输出感测信号Vsen至第一节点N1。
输入电路130耦接于第一节点N1和第二输入端Tx2之间，用于自第二输入端Tx2接收第二控制信号Vct2。输入电路130还用于依据第二控制信号Vct2设置第一节点N1的电压准位，且用于维持第一节点N1的电压小于一默认电压以保护读取电晶体110。
在本实施例中，输入电路130包含一电阻132和一齐纳二极体(Zener diode)134。电阻132耦接于第一节点N1和第二输入端Tx2之间。齐纳二极体134的阴极端耦接于第一节点N1，阳极端则耦接于第二输入端Tx2。
放大器140串联于第一输入端Tx1和超音波传感器120之间，以放大第一控制信号Vct1。
实作上，处理器101可使用各种微处理器、特殊应用集成电路(ASIC)或现场可程序化门阵列(FPGA)来实现。读取电晶体110可使用各种合适的N型电晶体来实现。超音波传感器120可使用包含压电材料的多层结构来实现。
图2为依据图1的超音波感测装置100的一运作实施例简化后的时序图。以下将配合图1和图2近一步说明超音波感测装置100的运作，其中超音波感测装置100的运作了包含发射阶段T1以及接收阶段T2。
于发射阶段T1中，第一控制信号Vct1呈现周期性的反复变化(例如，呈现正弦波形)，第二控制信号Vct2维持于第一电压准位L1(例如，接地电压)，而使得第一节点N1具有对应于第一电压准位L1或是接地电压的固定电压准位。当第一控制信号Vct1传递至超音波传感器120时，超音波传感器120便会依据第一控制信号Vct1产生超音波。
在本实施例中，第二控制信号Vct2的第一电压准位L1低至足以关断读取电晶体110。然而，由于第一控制信号Vct1会经由超音波传感器120传递至第一节点N1，第一节点N1的电压准位可能会产生震荡而使得读取电晶体110由关断状态切换至导通状态。因此，在发射阶段T1中，处理器101会忽略由读取端Nrd接收到的电压或电流信号。
在某些无需考虑功率消耗的某些实施例中，若处理器101在发射阶段T1忽略由读取端Nrd接收到的电压或电流信号，则第二控制信号Vct2的大小没有特别限制。
于接收阶段T2中，第一控制信号Vct1维持于第二电压准位L2(例如，接地电压)，第二控制信号Vct2维持于第三电压准位L3，其中第三电压准位L3高于第一电压准位L1。因此，第一节点N1的电压准位会对应于第三电压准位L3，而使得读取电晶体110于接收阶段T2中维持于导通状态，以产生感测电流Isen。
此时，若超音波传感器120接收超音波被物体(例如，手指)反射而产生的反射波，超音波传感器120会依据反射波输出感测信号Vsen至第一节点N1。因此，第一节点N1的电压准位会对应于感测信号Vsen和第二控制信号Vct2的电压准位的迭加。
亦即，读取电晶体110的控制端的电压准位会对应于感测信号Vsen和第二控制信号Vct2的电压准位的迭加。因此，读取电晶体110会依据感测信号Vsen的大小，对应地调整感测电流Isen的大小。处理器101则会因为感测电流Isen的大小产生变化，而判断有物体接近超音波感测装置100。
另一方面，若超音波传感器120没有接收到反射波，第一节点N1的电压准位会维持于第三电压准位L3，使得感测电流Isen维持于固定大小。在此情况下，处理器101会判断没有物体接近超音波感测装置100。
在某些实施例中，读取电晶体110亦可以用P型电晶体来实现。在此情况下，第二控制信号Vct2于发射阶段T1中处于较高电压准位以关断读取电晶体110，并于接收阶段T2中处于较低电压准位以维持读取电晶体110导通。
在另外一些实施例中，超音波感测装置100包含多个放大器140，且多个放大器140串联于第一输入端Tx1和超音波传感器120之间。
图3为依据图1的超音波传感器120的一实施例简化后的侧视图。在图3的实施例中，超音波传感器120包含表面接触层310、黏合层320、第一导电层330、信号接收传送层340和第二导电层350。第一导电层330位于信号接收传送层340的第一表面342，第二导电层350位于信号接收传送层340的第二表面344。黏合层320位于表面接触层310和第一导电层330之间，亦即位于表面接触层310和信号接收传送层340之间。
请同时参照图1和图3，信号接收传送层340透过第一导电层330耦接于第一节点N1，并透过第二导电层350耦接于第一输入端Tx1。因此，于发射阶段T1，信号接收传送层340会依据第一控制信号Vct1和第二控制信号Vct2产生超音波。另外，于接收阶段T2，信号接收传送层340会依据接收到的反射波产生感测信号Vsen，并将感测信号Vsen传送至第一节点N1。
亦即，信号接收传送层340以单层结构即可实现超音波的发射和接收功能。另外，因为信号接收传送层340为单层结构，当声波于信号接收传送层340中传递时，传递速度会维持于固定的第一声速。此外，声波于表面接触层310中会以第二声速传递。
值得一提的是，信号接收传送层340具有第一厚度H1，表面接触层310具有第二厚度H2，而第一厚度H1和第二厚度H2的比值，相同或接近于于第一声速和第二声速的比值。
实作上，表面接触层310可由金属材料制成，黏合层320可以是超音波传导胶。第一导电层330和第二导电层350可以是导电银浆。信号接收传送层340可以由锆钛酸铅(leadzirconium titanate，PZT)或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)等各种合适的压电材料来实现。
图4为依据图1的超音波传感器120的另一实施例简化后的侧视图。在图4的超音波传感器120相似于图3的超音波传感器120，差异在于图4的超音波传感器120的第一导电层330包含第一部份410、第二部分420和第三部分430。第一部分410位于黏合层320和信号接收传送层340的第一表面342之间，第二部分420位于信号接收传送层340的第二表面344，而第三部分430耦接于第一部份410和第二部分420。
亦即，第一部份410和第三部分430大致上彼此垂直而形成L型结构，第二部分420和第三部分430大致上彼此垂直而形成L型结构。
于一实施例当中，第一导电层330的第一部份410、第三部分430以及第二部分420可以由连续涂布的导电银胶实现，或是由一体成形的其他导电材料实现。于另一实施例当中，第一导电层330的第一部份410、第三部分430以及第二部分420也可以分别由互相耦接的多个导电材料而实现。
由于第一导电层330延伸至信号接收传送层340的第二表面344，所以本实施例的超音波传感器120的信号输入端皆位于同一表面，进而降低了整体电路的组装难度。例如，在第一导电层330的第三部分430耦接于第一节点N1，且第二导电层350耦接于第一输入端Tx1的情况下，超音波传感器120的信号输入端皆位于信号接收传送层340的第二表面344。
综上所述，相较于传统的超音波感测装置，超音波感测装置100以信号接收传送层340同时实现了超音波的发射和接收功能，而无需分别设置超音波接收层和发射层。因此，超音波感测装置100具有架构简单和容易组装的优点。
在说明书及申请专利范围中使用了某些词汇来指称特定的组件。然而，所属技术领域中具有通常知识者应可理解，同样的组件可能会用不同的名词来称呼。说明书及申请专利范围并不以名称的差异做为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来做为区分的基准。在说明书及申请专利范围所提及的「包含」为开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一组件耦接于第二组件，则代表第一组件可通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式而直接地连接于第二组件，或者通过其他组件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二组件。
以上仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种超音波感测装置，其特征在于，该超音波感测装置包含：
一读取电晶体，包含一第一端、一第二端和一控制端，其中该读取电晶体的该第一端用于接收一参考电压，该读取电晶体的该第二端用于耦接一读取端，该读取电晶体的该控制端耦接于一第一节点；
一超音波传感器，耦接于该第一节点和一第一输入端之间，用于自该第一输入端接收一第一控制信号；以及
一输入电路，耦接于该第一节点和一第二输入端之间，用于自该第二输入端接收一第二控制信号；
其中，该超音波传感器用于依据该第一控制信号和该第二控制信号产生一超音波，并用于依据对应该超音波的一反射波输出一感测信号至该读取电晶体的该控制端。
2.如权利要求1的所述超音波感测装置，其特征在于，该读取电晶体依据该感测信号调整一感测电流的大小，且该感测电流经由该读取电晶体传递至该读取端。
3.如权利要求2的所述超音波感测装置，其特征在于，当该超音波传感器产生该超音波时，该第一控制信号呈现周期性的反复变化，该第二控制信号维持于一第一电压准位。
4.如权利要求3的所述超音波感测装置，其特征在于，当该超音波传感器依据该反射波输出该感测信号时，该第一控制信号维持于一第二电压准位，该第二控制信号维持于一第三电压准位。
5.如权利要求1的所述超音波感测装置，其特征在于，该输入电路包含：
一电阻；以及
一齐纳二极体，包含一阳极端和一阴极端；
其中该电阻耦接于该第一节点和该第二输入端之间，该齐纳二极体的该阴极端耦接于该第一节点，该齐纳二极体的该阳极端耦接于该第二输入端。
6.如权利要求1的所述超音波感测装置，其特征在于，该超音波传感器包含：
一表面接触层；
一信号接收传送层，耦接于该第一节点和该第一输入端之间，用于依据该第一控制信号和该第二控制信号产生该超音波；以及
一黏合层，位于该表面接触层和该信号接收传送层之间。
7.如权利要求6的所述超音波感测装置，其特征在于，该超音波传感器另包含：
一第一导电层，位于该黏合层和该信号接收传送层的一第一表面之间，且耦接于该第一节点；以及
一第二导电层，位于该信号接收传送层的一第二表面，且耦接于该第一输入端。
8.如权利要求6的所述超音波感测装置，其特征在于，该超音波传感器另包含：
一第一导电层，包含：
一第一部分，位于该黏合层和该信号接收传送层的一第一表面之间；
一第二部分，位于该信号接收传送层的一第二表面；以及
一第三部分，耦接于该第一部分和该第二部分；以及
一第二导电层，位于该信号接收传送层的该 第二表面，且耦接于该第一输入端。
9.如权利要求6的所述超音波感测装置，其特征在于，当该超音波于该信号接收传送层中传递时，该超音波的一传递速度维持于一第一声速。
10.如权利要求9的所述超音波感测装置，其特征在于，该信号接收传送层具有一第一厚度，该表面接触层具有一第二厚度，
其中，当该超音波于该表面接触层中传递时，该超音波的该传递速度为一第二声速，且该第一厚度和该第二厚度的比值，相同于该第一声速和该第二声速的比值。
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