CN108389958B - 超声波振动元件和超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种超声波振动元件及超声波传感器，用于接收外部驱动电压以发出超声波，超声波振动元件包括：压电层层叠组件；压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布；压电层层叠组件还包括层叠于压电材料层表面的导电层；导电层用于使至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。超声波传感器包括超声波振动元件。上述超声波振动元件及超声波传感器，通过设置层叠的，串并联的单层多极向的压电材料层叠组件，在不提高驱动电压且厚度较薄的前提下，增强超声波信号强度。从而使得超声波传感器的信噪比大幅提高。

Description

超声波振动元件和超声波传感器

技术领域

本发明涉及生物特征传感器，特别是涉及超声波振动元件及超声波传感器。

背景技术

生物特征识别是用于识别指纹、掌纹、脸部、声音等生物特征的识别技术。例如，在指纹识别技术中，目前已经发展至第三代指纹传感技术，即超声波传感技术。其利用压电材料的逆压电效应产生超声波，超声波到达指纹后，在指纹的嵴、峪中表现出不同的反射率和透射率。通过分析发射回来的超声波信号即可获取指纹信息。

超声波传感器包括接收端和发射端两个部分，提高发射端发出的超声波的信号能量可提高超声波识别技术的准确性。超声波信号强度与传感器驱动电压和传感器本身的结构特性相关。通常，基于触电危险和耗电的考虑，驱动电压一般被限制在200V左右。

图1a、1b分别为超声波振动元件的结构简图及发射端的输入电压示意图，通过将发射端与接收端分离开(通过基板隔开)，以使发射端(包括压电材料层)两端通过两个电极(导电层)分别连接相位为0°和相位为180°的125-200V驱动电压。其中，相位为180°的驱动电压可由相位为0°的驱动电压反转180°获得。当相位为0°的输入电压为200V时，相位为180°的输入电压为-200V，此时发射端的两电极间的电压差为400V，从而在不提高驱动电压的基础上，实现了输入电压的加倍。但是，将发射端单独分离出来导致了传感器厚度的增加。

图2a、2b分别为一种发射端与接收端共用的超声波传感器的超声波振动元件的结构简图及发射端的输入电压示意图。该传感器在某一时间段工作在发射模式，另一时间段工作在接收模式。虽然将发射端部分与接收端共用可以减少超声波传感器的厚度，但由于发射端与接收端共用，不能采用180°反相的电路连接方式。导致发射端产生的超声波信号强度的较弱。

上述两类传感器存在的问题是，无法实现传感器厚度与超声波信号能量强度之间的均衡。即，提高传感器发射出的超声波信号能量时，导致传感器厚度过厚，导致了材料的损耗且占用较大空间。

发明内容

基于此，有必要针对传感器厚度过厚的问题，提供一种可以提高超声波信号能量且较为轻薄的超声波振动元件及超声波传感器。

一种超声波振动元件，用于接收外部驱动电压以发出超声波，超声波振动元件包括：

压电层层叠组件；

压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布；

压电层层叠组件还包括层叠于压电材料层表面的导电层；导电层用于使至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。

在其中一个实施例中，压电材料层采用的材料为压电陶瓷、有机压电材料、压电复合材料中的一种。

在其中一个实施例中，压电材料层包括第一表面、第二表面，第一表面、第二表面均层叠导电层。

在其中一个实施例中，相邻的至少两层压电材料层构成压电材料层组，压电材料层组包括第一表面、第二表面，第一表面、第二表面均层叠导电层。

在其中一个实施例中，进一步包括基板，压电层层叠组件均位于基板的同一侧。

在其中一个实施例中，导电层层叠于压电材料层表面的层叠方式包括：涂覆和/或层压方式。

在其中一个实施例中，压电层层叠组件具有以使自身的共振频率与超声波频率间的差值低于设定阈值的厚度。

在其中一个实施例中，压电材料层的极化方向包括：

在厚度方向上依次分布的第一极化方向、第二极化方向；

其中，第一极化方向、第二极化方向彼此互为反转方向且均与电压施加方向平行。

在其中一个实施例中，压电材料层层叠于导电层表面或另一压电材料层表面的层叠方式包括：涂覆和/或层压方式。

在其中一个实施例中，一种超声波传感器，包括超声波振动元件。

上述超声波振动元件及超声波传感器，通过设置层叠的，串并联的单层多极向的压电材料层叠组件，在不提高驱动电压且厚度较薄的前提下，增强超声波信号强度。从而使得超声波传感器的信噪比大幅提高。

附图说明

图1a为超声波振动元件的结构简图；

图1b为超声波振动元件的发射端的输入电压示意图；

图2a为一种发射端与接收端共用的超声波传感器的超声波振动元件的结构简图；

图2b为发射端与接收端共用的超声波振动元件发射端的输入电压示意图；

图3为一实施例的改进的超声波振动元件的结构简图及发射端的输入电压示意图；

图4a为一实施例的以并联方式接收外部驱动电压的压电层层叠组件电路示意图；

图4b为一实施例的省略第二导电层后，以串联方式接收外部驱动电压的压电层层叠组件电路示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请的实施例提供的一种超声波振动元件，用于接收外部驱动电压以发出超声波，该超声波振动元件包括：

压电层层叠组件；

压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布；

压电层层叠组件还包括层叠于压电材料层表面的导电层；导电层用于使所述至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。

为了避免将超声波信号发射端与接收端分隔开，该超声波振动元件通过设置层叠的，串并联的单层多极向的压电材料层叠组件，在不提高驱动电压且厚度较薄的前提下，增强超声波信号强度。从而大幅提高超声波传感器的分辨率、信噪比，还有助于消除了超声波传感器内的噪声。

在一个实施例中，压电层层叠组件中的压电材料层可以依次层叠至两层、四层乃至六层以上，通过增加压电材料层的层数，使得多层压电材料层协同振动，可以进一步提高输出的超声波信号的强度。

以下以两层压电材料层的超声波振动元件为例说明各实施例的元件结构。

在一个实施例中，图3为改进的超声波振动元件的结构简图。压电层层叠组件100包括依次层叠的第一导电层110、第一压电材料层210(即发射端，仅在发射超声波时工作)、第二导电层130、第二压电材料层230(即发射接收端，在发射和接收超声波时都工作)和第三导电层150。其中，第一压电材料层210和第二压电材料层230的极化方向都以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布(后续例子中详述)。

在一个实施例中，超声波振动元件进一步包括基板300，压电层层叠组件100均位于所述基板300的同一侧。其中，压电层层叠组件100可以直接层叠在基板300上，也可以通过各种中间元器件实现与基板300的连接。基板300包括柔性电路板。通过将压电层层叠组件100置于基板300的同一侧，使压电层层叠组件100的层叠更紧密，进而使得压电层层叠组件100之间可共用导电层，从而减少了导电层的布置且简化了电路板的接线，减小了超声波振动元件的厚度。基板300的材料可以是PET聚酯绝缘树脂材料、PI聚酰亚胺材料等。基板300的双面或单面可覆有铜箔以实现布线。

具体地，压电层层叠组件100通过基板300上柔性电路板接收驱动电压，并且通过柔性电路板上的各类电路元件输出自身因压电效应产生的电信号，通过分析该电信号实现生物特征识别等功能。优选地，压电层层叠组件100均位于基板300同一侧，柔性电路板无需在基板300的两面均布线，可以避免柔性电路板的折叠以及节省电路板耗材。

在一个实施例中，第一导电层110、第二导电层130、第三导电层150用于使第一压电材料层210与第二压电材料层230之间以串联或并联等方式接收外部驱动电压。其中，第二导电层130可以省略，省略后，第一压电材料层210与第二压电材料层230之间无法以并联的方式连接，但可以以串联或其他连接方式连接(在后续例子中详解)。由此可见，相比于并联，串联的连接方式可以通过省略第二导电层130实现减小超声波振动元件厚度的目的。

在一个实施例中，各导电层的材质不限，只要具有导电、有弹性的特性即可。例如，材质可选择金属、金属氧化物，导电聚合物等。

在一个实施例中，压电材料层的极化方向包括：在厚度方向上依次分布的第一极化方向、第二极化方向；其中，第一极化方向、第二极化方向彼此互为反转方向且均与电压施加方向平行。将极化方向设置为与电压施加方向平行，可增强超声波振动元件的振动强度。根据第一压电材料层210与第二压电材料层230的极化方向分布情况，可判断适合何种采用连接方式。一般而言，在每层压电材料层的极化方向只反转一次的情况下(即每层压电材料层包括两个相反的极化方向，两层压电材料层可包括四个极化方向，四层压电材料层可包括六个极化方向，以此类推)。若第一压电材料层210与第二压电材料层230层叠后的极化方向依次为：第一极化方向、第二极化方向、第一极化方向、第二极化方向。此时，相比并联，采用串联方式更有利于增大超声波信号强度。若极化方向依次为：第一极化方向、第二极化方向、第二极化方向、第一极化方向，此时采用并联方式更有利于增大超声波信号强度(原因后续详解)。需要说明的是，选择串联或并联的连接方式是一种优选的选择，并不表明极化方向的分布情况会对串联或并联的选择造成限定。

在一个实施例中，压电材料层双面均层叠导电层，该种结构可使压电材料之间以并联的方式接收外部驱动电压。优选地，极化方向依次为：第一极化方向、第二极化方向、第二极化方向、第一极化方向，此时采用并联方式更有利于增大超声波信号强度。图4a为以并联方式接收外部驱动电压的压电层层叠组件100电路示意图。其中，驱动电压400为交流电AC，交流电源AC的一端接第一导电层110和第三导电层150，另一端接第二导电层130。使得在同一驱动电压400的条件下，第一压电材料层210的输入电压方向与第二压电材料层230的输入电压方向相反。假设第一极化方向为平行与电压施加方向向下，第二极化方向为平行于电压施加方向向上。则，第一压电材料层210与第二压电材料层230层叠后的极化方向依次为：平行于电压施加方向且向下、平行与电压施加方向且向上、平行与电压施加方向且向上、平行于电压施加方向且向下。在电压施加方向暂时不变的某一时段内，当第一压电材料层210上半层收缩(或扩张)时，压电材料层210下半层扩张(或收缩)，第二压电材料层230上半层收缩(或扩张)，第二压电材料层230下半层扩张(收缩)。通过两层压电材料层相互配合，在同方向上进行弯曲振动，增大了超声波信号的强度。

在一个实施例中，若省略第二导电层130，此时第一压电材料层210可与第二压电材料层230串联，也可以采用其他连接方式。优选地，第一压电材料层210与第二压电材料层230层叠后的极化方向依次为：第一极化方向、第二极化方向、第一极化方向、第二极化方向。此时，相比并联，采用串联方式更有利于增大超声波信号强度。图4b为省略第二导电层130后，以串联方式接收外部驱动电压400的压电层层叠组件100电路示意图。其中，驱动电压400包括交流电源AC，驱动电压400的一端接第一导电层110，另一端接第三导电层150。第一压电材料层210的输入电压方向与第二压电材料层230的输入电压方向相同。假设第一极化方向为平行与电压施加方向且向上、第二极化方向为平行于电压施加方向且向下。则，第一压电材料层210与第二压电材料层230层叠后的极化方向依次为：平行于电压施加方向且向上、平行与电压施加方向且向下、平行与电压施加方向且向上、平行于电压施加方向且向下。在电压施加方向暂时不变的某一时段内，当第一压电材料层210上半层收缩(或扩张)时，第一压电材料层210下半层扩张(或收缩)，第二压电材料层层230上半层收缩(或扩张)，第二压电材料层230下半层扩张(收缩)。通过两层压电材料层的相互配合，在同方向上进行弯曲振动，增大了超声波信号的强度。需要说明的是，第一压电材料层210与第二压电材料层230之间也可以层叠导电层，只是该导电层不与交流电源AC的任一端连接。

上述两层压电材料层可拓展为4层、6层乃至更多层。在一个实施例中，每层压电材料层包括第一表面、第二表面。该第一表面、第二表面均层叠导电层，通过调整导电层与外部驱动电源的接线方式，可实现压电材料层间的串联、并联或其他种连接方式。

在一个实施例中，相邻的至少两层压电材料层构成压电材料层组，压电材料层组包括第一表面、第二表面，第一、二表面可以是压电材料层组的上、下两个表面。第一表面、第二表面均层叠导电层。通过调整导电层与驱动电源两端之间的连接方式，可实现压电材料层组间的串联、并联或其他种连接方式。由于压电材料层组内的各相邻压电材料层间未层叠有导电层，此时，压电材料层组内的各相邻压电材料层间可以实现通过串联连接。相较于在每层压电材料层间都层叠导电层的结构，该结构可省略压电材料层组内的压电材料层间的导电层，减少超声波振动元件的厚度。

在一个实施例中，导电层上可设有连接件，该连接件的材质可与导电层相同，也可以是具有导电特性的其他材料。连接件可通过预设的通孔与柔性电路板连接，使得导电层通过柔性电路板上的电路元器件与外部驱动电源连接。

在一个实施例中，压电材料层可采用压电双晶材料，例如，压电陶瓷、有机压电材料、压电复合材料等。其中，压电陶瓷包括：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT、PbTiO3系压电陶瓷等；有机压电材料包括：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯共聚物(PVDF-copolymer)等；压电复合材料包括：PMMA/PZT复合材料、BaTiO_3/PMMA压电复合材料等。上述双压电晶材料可通过双面的电子束极化工艺形成极化方向交替的反转的单层压电材料层。

在一个实施例中，压电层层叠组件100中的压电材料层可以通过涂覆和/或层压的方式层叠于导电层表面或另一压电材料层表面。同理，导电层也可以通过涂覆和/或层压的方式层叠于压电材料层表面。涂覆方式可包括电镀，电沉积，磁控溅射，喷墨打印等。

在一个实施例中，重新参见图4a或4b，该超声波振动元件的工作模式包括发射模式和接收模式，当工作在发射模式时，超声波振动元件接收外部驱动电压400以发出超声波。此时，第一压电材料层210和第二压电材料层230均发生逆压电效应进而发射出超声波，由于压电材料层单层即具有交替地反转地极化方向，在施加驱动电压400时，单层压电材料层内，极化方向与电压方向相同的部分扩张(或收缩)，极化方向与电压方向相反的部分收缩(或扩张)，使得振动元件振动的强度增大从而增加超声波信号强度。并且，使用单层的极向反转交替的压电材料层代替多层的单极向的压电层交替反转叠加结构，使得振动元件厚度更薄，更薄的厚度也有利于增加超声波信号的强度。当工作在接收模式时，第一导电层110所代表的电极悬浮，此时仅第二压电材料层230根据接收到的超声波信号发生压电效应以将超声波信号转化为电信号输出。

采用层叠的单层多极向压电材料的结构，并基于该结构实现不同的工作模式，使得发射超声波时第一压电材料层210、第二压电材料层230均振动，从而增大发射的超声波信号强度；接收超声波时仅第二压电材料层230振动，避免了采用层叠多层压电材料层接收超声波振动，导致压电层层叠组件100反应不灵敏。并且两层压电材料层的形变方向一致，避免了压电材料层之间产生阻力应力。

在一个实施例中，压电层层叠组件100具有以使自身的共振频率与超声波频率间的差值低于设定阈值的厚度。其中，设定阈值的数值越小，表面压电层层叠组件100自身的共振频率与超声波频率更接近，压电层层叠组件100在接收超声波信号是振动更强烈，此时由于压电效应产生的电信号更强，所以可以提高超声波检测的灵敏度。设定阈值的数值大小不限，可根据生产或使用中的需求，通过改变压电层层叠组件100的厚度来调整设定阈值的大小。

在一个实施例中，一种超声波传感器，其包括上述任一实施例中的超声波振动元件，在此不再赘述。该超声波传感器可以是指纹传感器、测距传感器、超声波血流计等。其中，指纹超声波传感器包括超声波振动元件、压板、用于补强柔性电路板FPC的机械强度的补强板以及包括柔性电路板的基板等，各组件之间可通过粘合剂进行粘合，粘合剂包括但不限于压克力(Acrylic)、环氧树酯(Mo Epoxy)。还可通过涂覆或层压的方式连接。

指纹超声波传感器的工作原理为：超声波振动元件与柔性电路板连接，用于通过柔性电路板连接外部驱动电源以驱动超声波振动元件作为超声波换能器产生一定能量的超声波信号。压板用于提供手指触摸的表面以及保护超声波振动元件。需要说明的是，压板也可以省略，手指可以直接接触超声波振动元件的表面。

首先，超声波振动元件工作在发射模式，根据外部驱动电压发射超声波。超声波信号到达压板表面后进一步到达待测手指表面；手指表面吸收或反射部分超声波信号。然后，超声波振动元件工作在接收模式，接收反射的超声波信号，根据压电效应产生对应的电信号作为检测信号。对该检测信号进行分析处理从而获得手指表面的突出状态，实现指纹特征识别。

在一个实施例中，超声波振动元件可以在基板上以阵列的形式排列，从而可获得多个位置的指纹突出状态，形成相应区域的指纹图案。

其他类型的超声波传感器的工作原理与指纹传感器原理类似，在此不在赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超声波振动元件，用于接收外部驱动电压以发出超声波，所述超声波振动元件包括：

压电层层叠组件；

所述压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；所述压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在所述压电材料层的厚度方向上分层分布；

所述压电层层叠组件还包括层叠于所述压电材料层表面的导电层；所述导电层用于使所述至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压；

所述压电材料层的极化方向包括：

在厚度方向上依次分布的第一极化方向、第二极化方向；

其中，所述第一极化方向、第二极化方向彼此互为反转方向且均与电压施加方向平行；

其中，所述压电层层叠组件至少包括依次层叠的第一压电材料层和第二压电材料层，若所述超声波振动元件工作在发射模式，则所述第一压电材料层和所述第二压电材料层均发射出超声波，若所述超声波振动元件工作在接收模式，则所述第二压电材料层发射出超声波。

2.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，所述压电材料层采用的材料为压电陶瓷、有机压电材料、压电复合材料中的一种。

3.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，所述压电材料层包括第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面均层叠所述导电层。

4.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，相邻的至少两层所述压电材料层构成压电材料层组，所述压电材料层组包括第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面均层叠所述导电层。

5.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，进一步包括基板，所述压电层层叠组件均位于所述基板的同一侧。

6.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，所述导电层层叠于所述压电材料层表面的层叠方式包括：涂覆和/或层压方式。

7.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，所述压电层层叠组件具有以使自身的共振频率与超声波频率间的差值低于设定阈值的厚度。

8.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，所述压电材料层层叠于所述导电层表面或另一所述压电材料层表面的层叠方式包括：涂覆和/或层压方式。

9.一种超声波传感器，包括权利要求1至8中任一项所述的超声波振动元件。

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