CN108418463B - 一种分时复用压电电路及其控制方法、压电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种分时复用压电电路及其控制方法、压电装置，涉及压电控制领域；避免了现有技术中压电装置针对压力测试和超声波发生需要设置不同的驱动电路而导致的集成化程度低的问题。该分时复用压电电路，包括压电器件、输入模块、放大输出模块；输入模块与第一节点、信号输入端、第一控制端连接，用于将信号输入端的信号输出至第一节点；压电器件的一端与第一节点连接，另一端与固定电压端连接，用于在第一节点控制下产生超声波或者进行复位；或者，用于将受力产生的压电信号输出至第一节点；放大输出模块与第一节点、第二控制端、第一电压端、第二电压端、信号输出端连接，用于对第一节点的压电信号进行放大并输出至信号输出端。

Description

一种分时复用压电电路及其控制方法、压电装置
技术领域
本发明涉及压电控制领域，尤其涉及一种分时复用压电电路及其控制方法、压电装置。
背景技术
压电材料因其自身的压电效应(因机械变形产生电场)和逆压电效应(因电场作用产生机械变形)越来越多的受到电子领域的关注。
例如，现有技术中，根据压电器件的压电效应制成压力测试装置(压力不同，压电器件产生的电信号不同)，根据压电器件的逆压电效应制成超声波发生装置(施加的电信号不同，压电器件因形变发出不同频率的机械波)，当然，对于同一压电器件既可以作为压力测试装置，也可以作为超声波发生装置。
然而，现有技术中，对于同一压电器件既作压力测试，也作超声波发生时，需要针对压力测试和超声波发生设置不同的控制电路进行驱动，也即针对该压电装置需要设置两套驱动电路，导致整个装置的集成化程度较低。
发明内容
本发明的实施例提供一种分时复用压电电路及其控制方法、压电装置，避免了现有技术中压电装置针对压力测试和超声波发生需要设置不同的驱动电路而导致的集成化程度低的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明实施例一方面提供一种分时复用压电电路，包括压电器件、输入模块、放大输出模块；所述输入模块与第一节点、信号输入端、第一控制端连接，用于在所述第一控制端的控制下，将所述信号输入端的信号输出至所述第一节点；所述压电器件的一端与所述第一节点连接，另一端与固定电压端连接，用于在所述第一节点控制下产生超声波或者进行复位；或者，用于将受力产生的压电信号输出至所述第一节点；所述放大输出模块与所述第一节点、第二控制端、第一电压端、第二电压端、信号输出端连接，用于在所述第二控制端、所述第一电压端、所述第二电压端的控制下，对所述第一节点的压电信号进行放大并输出至所述信号输出端。
进一步的，所述输入模块包括第一晶体管，所述第一晶体管的栅极与所述第一控制端连接，第一极与所述信号输入端连接，第二极与所述第一节点连接。
进一步的，所述放大输出模块包括第二晶体管、第三晶体管、第一电阻；其中，所述第二晶体管的栅极与所述第二控制端连接，第一极与所述第一节点连接，第二极与所述第三晶体管的栅极连接；所述第一电阻的一端与所述第一电压端连接，另一端与所述第三晶体管的第一极连接；所述第三晶体管的第二极与所述第二电压端连接；所述信号输出端连接于所述第一电阻与所述第三晶体管的第一极之间。
本发明实施例另一方面还提供一种前述的分时复用压电电路的控制方法，所述控制方法包括：超声波发生阶段：向第一控制端输入超声控制信号，向信号输入端输入超声产生信号，在所述超声控制信号的控制下，将所述超声产生信号输出至第一节点，并控制压电器件产生超声波；压力检测阶段：向第一控制端输入复位控制信号，向信号输入端输入复位信号，在所述复位控制信号的控制下，将所述复位信号输出第一节点，以对压电器件进行周期性复位；向第二控制端输入第二控制信号，在该第二控制信号的控制下，将压电器件产生的压电信号进行放大并输出至信号输出端。
进一步的，所述超声产生信号为交流电压信号。
进一步的，所述复位控制信号为脉冲信号。
本发明实施例再一方面还提供一种压电装置，包括设置于基板上的如前述的分时复用压电电路；所述分时复用压电电路中的压电器件在背离所述基板一侧具有封装层，所述压电器件与所述封装层之间形成有腔室。
进一步的，所述压电装置还包括设置于所述基板上的多条横纵交叉的栅线和数据线，并界定出多个以矩阵形式排列的压电单元，每一所述压电单元均设置有所述分时复用压电电路；其中，位于同行的所述分时复用压电电路中，所有第一控制端连接同一第一栅线，所有第二控制端连接同一第二栅线；位于同列的所述分时复用压电电路中，所有信号输入端连接同一第一数据线，所有信号输出端连接同一第二数据线。
进一步的，所述压电器件包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的压电层；所述压电层主要由压电材料构成。
进一步的，所述压电材料为PZT。
本发明实施例提供一种分时复用压电电路及其控制方法、压电装置，该分时复用压电电路包括压电器件、输入模块、放大输出模块；输入模块与第一节点、信号输入端、第一控制端连接，用于在第一控制端的控制下，将信号输入端的信号输出至所述第一节点；压电器件的一端与第一节点连接，另一端与固定电压端连接，用于在第一节点控制下产生超声波或者进行复位；或者，用于将受力产生的压电信号输出至第一节点；放大输出模块与第一节点、第二控制端、第一电压端、第二电压端、信号输出端连接，用于在第二控制端、第一电压端、第二电压端的控制下，对第一节点的压电信号进行放大并输出至信号输出端。
综上所述，在本发明中的分时复用压电电路应用于压电装置时，能够在一时段中，通过信号输入端和第一控制端的控制，实现该压电装置的超声波发生，在另一时段中，通过第一控制端和第二控制端的控制，实现该压电装置的压力检测；也即本发明中采用同一分时复用压电电路通过各信号端的时序控制能够分时段实现超声发生和压力检测，从而避免了现有技术中压电装置针对压力测试和超声波发生需要设置不同的驱动电路而导致的集成化程度低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种分时复用压电电路的模块示意图；
图2为本发明实施例提供的一种分时复用压电电路的电路示意图；
图3a为本发明实施例提供的一种分时复用压电电路的一种时序控制图；
图3b为本发明实施例提供的一种分时复用压电电路的另一种时序控制图；
图4为本发明实施例提供的一种压电装置的结构示意图。
附图标记：
01-基板；011-封装层；012-盖板；10-输入模块；20-压电器件；200-腔室；201-上电极；202-压电层；203-下电极；30-放大输出模块；T1-第一晶体管；T2-第二晶体管；T3-第三晶体管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供关于压电装置中采用的一种分时复用压电电路，能够通过该分时复用压电电路能够分时段满足压电装置中压力测试以及超声波发生的控制；具体的，如图1所示，该分时复用压电电路包括输入模块10、压电器件20、放大输出模块30。
其中，输入模块10与第一节点A、信号输入端Vcc、第一控制端G1连接，用于在第一控制端G1的控制下，将信号输入端Vcc的信号输出至第一节点A。
压电器件20的一端与第一节点A连接，另一端与固定电压端V连接，用于在第一节点A控制下产生超声波或者进行复位；或者，用于将受力产生的压电信号输出至第一节点A。
放大输出模块30与第一节点A、第二控制端G2、第一电压端Vdd、第二电压端V2、信号输出端OUT连接，用于在第二控制端G2、第一电压端Vdd、第二电压端的控制下，对第一节点A的压电信号进行放大并输出至信号输出端OUT。
综上所述，在本发明中的分时复用压电电路应用于压电装置时，能够在一时段中，通过信号输入端和第一控制端的控制，实现该压电装置的超声波发生，在另一时段中，通过第一控制端和第二控制端的控制，实现该压电装置的压力检测；也即本发明中采用同一分时复用压电电路通过各信号端的时序控制能够分时段实现超声发生和压力检测，从而避免了现有技术中压电装置针对压力测试和超声波发生需要设置不同的驱动电路而导致的集成化程度低的问题。
具体的，参考图2，以下对该分时复用压电电路中输入模块10、压电器件20、放大输出模块30的具体设置结构做进一步的说明。
输入模块10可以包括第一晶体管T1，第一晶体管T1的栅极与第一控制端G1连接，第一极与信号输入端连接Vcc，第二极与第一节点A连接。
压电器件20一般包括上电极、下电极以及上电极和下电极之间的压电层，其中压电层主要由压电材料构成；压电器件20一般通过上、下电极分别与第一节点A、固定电压端V连接；其中，示意的如图2所示，该固定电压端V可以为接地端。
放大输出模块30可以包括第二晶体管T2、第三晶体管T3、第一电阻R。
具体的，第二晶体管T2的栅极与第二控制端G2连接，第一极与第一节点A连接，第二极与第三晶体管T3的栅极连接；第一电阻R的一端与第一电压端Vdd连接，另一端与第三晶体管T3的第一极连接；第三晶体管T3的第二极与第二电压端V2连接；信号输出端OUT连接于第一电阻R与第三晶体管T3的第一极之间。
此处需要说明的是，第一电压端Vdd的电压大于第二电压端V2的电压，以实现对第一节点A的压电信号进行放大并输出。其中，如图2所示，第二电压端V2可以为接地端。
另外，本发明实施例还提供一种对如上所述的分时复用压电电路的控制方法，并结合图2中示出的具体电路结构，以下对该控制方法做进一步的说明；参考图2，该控制方法包括：
超声波发生阶段：
向第一控制端G1输入超声控制信号，向信号输入端Vcc输入超声产生信号，在超声控制信号的控制下，将超声产生信号输出至第一节点，并控制压电器件产生超声波。
压力检测阶段：
向第一控制端G1输入复位控制信号，向信号输入端Vcc输入复位信号，在复位控制信号的控制下，将复位信号输出第一节点A，对压电器件20进行周期性复位。
并且，向第二控制端G2输入第二控制信号，在该第二控制信号的控制下，将压电器件20产生的压电信号进行放大并输出至信号输出端OUT。
该控制方法与前述的分时复用压电电路相对应的，具有与前述的分时复用压电电路相同的有益效果，此处不再赘述。
以下结合图2中晶体管的通断和图3a(针对超声波发生阶段的时序图)图3b(针对压力检测阶段的时序图)，对超声波发生阶段和压力检测阶段做进一步的说明。
需要说明的是，以下关于图2中的晶体管通、断过程均是以所有晶体管为N型晶体管为例进行的说明，但本发明并不限制于此，图2中的所有晶体管也可以为P型晶体管，当然，此时需要对图3a和图3b中各个控制信号进行翻转。以下实施例均是以各晶体管为N型晶体管，也即各晶体管在高电平控制下开启。
超声波发生阶段：(参考图3a)
向第一控制端G1输入高电平的超声控制信号，第一晶体管T1打开，信号输入端Vcc输入的超声产生信号通过第一节点A输出至压电器件，使得压电器件中压电材料出现逆压电效应，产生机械振动，通过腔室(参考图4中200)发出超声波(机械波)。
在此阶段，第二晶体管T2处于关闭状态，超声产生信号并不会被放大输出，也即保证该超声波发生阶段独立正常工作。
此处需要说明的是，一般优选的，上述信号输入端Vcc输入的超声产生信号为交流电压信号，并且可以通过调整该交流电压信号的频率，使得压电器件产生不同频率的超声波。
压力检测阶段：
向第一控制端G1输入复位控制信号，从而使得第一晶体管T1开启，以使得信号输入端Vcc输入的高电平的复位信号通过第一节点A输出至压电器件进行复位。
在此基础上，向第二控制端G2输入高电平的第二控制信号，第二晶体管T2打开，此时，当按压压电器件时，压电器件中压电材料出现压电效应产生压电信号，开启第三晶体管T3，使得信号输出端OUT输出与该压电信号对应的放大电信号。
此处需要说明的是，上述复位控制信号一般为脉冲信号，能够通过周期性开启第一晶体管T1，进而使得通过复位信号能够周期性的对压电器件进行复位；并且，一般优选的，该脉冲信号的一个周期内，脉宽尽可能的小(也即该脉冲信号的占空比较小)，例如可以设计至微妙级，以尽可能的增加实际的压力检测的时间，以便准确的采集压力信号。
另外，以下对信号输出端OUT输出与压电信号对应的放大电信号做进一步的说明。
具体的，在压电信号的控制下第三晶体管T3开启，此时串联的第三晶体管T3和第一电阻R流经的电流Id满足以下关系式：
其中，μn为载流子迁移率、Cox为栅极电容、为沟道宽长比、、VTH为阈值电压，均为已知参数；VGS为栅源电压(等于压电电压)，从而可知电流Id的大小仅与压电电压的大小相关。
基于此，参考图2，可知信号输出端OUT输出电压变化△VOUT与电流变化△Id满足关系式：△VOUT＝△Id*R。
这样一来，通过设置具有较大阻值的第一电阻R(例如阻值可以是10MΩ以上)能够将电流变化转为较大的电压变化，从而可以通过侦测该电压变化△VOUT进而精确地得到压电器件受压产生的压电信号的变化；具体的，当压电器件受压产生的压电信号引起第一节点A的电位变化，在第二晶体管T2开启的情况，使得VGS发生变化，进而使得电流Id变化，从而通过信号输出端OUT检测到输出电压变化△VOUT。
本发明实施例还提供一种压电装置，该压电装置包括设置于基板01上的如前述的分时复用压电电路；其中，如图4所示，该分时复用压电电路中的压电器件20在背离基板01一侧具有封装层011(可以是薄膜封装层TFE)，压电器件20与封装层011之间形成有腔室200(也即在压电器件在逆压电效应下，产生机械振动并通过该腔室发出超声波)，当然该压电装置还包括盖板(Cover)012等其他部件，此处不再一一赘述。
另外，需要说明的是，在实际的应用时，根据压电装置类型的不同，可以根据需要选择分时复用压电电路的设置方式。
例如，对于一些压电装置中可以仅设置一个分时复用压电电路；对于一些压电装置，可以设置多个(例如多个呈矩阵排布的)分时复用压电电路，本发明对此不作限定，可以根据实际的需要选择设置即可。
示意的，对于设置包括多个呈矩阵排布的分时复用压电电路的压电装置而言，一般的，该压电装置可以包括：设置于基板上的多条横纵交叉的栅线和数据线，并界定出多个以矩阵形式排列的压电单元，每一压电单元均设置有分时复用压电电路；其中，位于同行的分时复用压电电路中，所有第一控制端连接同一第一栅线，所有第二控制端连接同一第二栅线；位于同列的分时复用压电电路中，所有信号输入端连接同一第一数据线，所有信号输出端连接同一第二数据线，这样一来，在超声波发生阶段、压力检测阶段，分别通过控制栅线的逐行开启，结合数据线的信号输入以及信号输出，可以实现对上述分时复用压电电路的控制。
此外，该压电装置也可以与显示装置集成为一体结构，实现集成式的智能化屏幕，例如针对手机、平板电脑等显示装置；具体的，以自发光显示装置为例，可以采用显示器件与压电器件共用一个基板，通过在上述矩阵形式排列的每一压电单元中设置一有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)显示器件，以实现画面的显示，当然，此时该压电单元也可以称为亚像素单元。
另外，对于压电器件20而言，如图4所示，一般包括下电极201、上电极203以及位于上电极201和下电极203之间的压电层202；其中，压电层202主要由压电材料构成；具体的，该压电材料可以为锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)，也可以为聚偏氟乙烯(PVDF)；当然还可以为其他压电材料，本发明对此不作限定，实际中可以根据需要选择合适的压电材料。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种分时复用压电电路，其特征在于，包括压电器件、输入模块、放大输出模块；
所述输入模块与第一节点、信号输入端、第一控制端连接，用于在所述第一控制端的控制下，将所述信号输入端的信号输出至所述第一节点；
所述压电器件的一端与所述第一节点连接，另一端与固定电压端连接，用于在所述第一节点控制下产生超声波或者进行复位；或者，用于将受力产生的压电信号输出至所述第一节点；
所述放大输出模块与所述第一节点、第二控制端、第一电压端、第二电压端、信号输出端连接，用于在所述第二控制端、所述第一电压端、所述第二电压端的控制下，对所述第一节点的压电信号进行放大并输出至所述信号输出端。
2.根据权利要求1所述的分时复用压电电路，其特征在于，所述输入模块包括第一晶体管，所述第一晶体管的栅极与所述第一控制端连接，第一极与所述信号输入端连接，第二极与所述第一节点连接。
3.根据权利要求1或2所述的分时复用压电电路，其特征在于，所述放大输出模块包括第二晶体管、第三晶体管、第一电阻；
其中，所述第二晶体管的栅极与所述第二控制端连接，第一极与所述第一节点连接，第二极与所述第三晶体管的栅极连接；
所述第一电阻的一端与所述第一电压端连接，另一端与所述第三晶体管的第一极连接；
所述第三晶体管的第二极与所述第二电压端连接；
所述信号输出端连接于所述第一电阻与所述第三晶体管的第一极之间。
4.一种权利要求1-3任一项所述的分时复用压电电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
超声波发生阶段：
向第一控制端输入超声控制信号，向信号输入端输入超声产生信号，在所述超声控制信号的控制下，将所述超声产生信号输出至第一节点，并控制压电器件产生超声波；
压力检测阶段：
向第一控制端输入复位控制信号，向信号输入端输入复位信号，在所述复位控制信号的控制下，将所述复位信号输出第一节点，以对压电器件进行周期性复位；
向第二控制端输入第二控制信号，在该第二控制信号的控制下，将压电器件产生的压电信号进行放大并输出至信号输出端。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述超声产生信号为交流电压信号。
6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于，所述复位控制信号为脉冲信号。
7.一种压电装置，其特征在于，包括设置于基板上的如权利要求1-3任一项所述的分时复用压电电路；
所述分时复用压电电路中的压电器件在背离所述基板一侧具有封装层，所述压电器件与所述封装层之间形成有腔室。
8.根据权利要求7所述的压电装置，其特征在于，所述压电装置还包括设置于所述基板上的多条横纵交叉的栅线和数据线，并界定出多个以矩阵形式排列的压电单元，每一所述压电单元均设置有所述分时复用压电电路；
其中，位于同行的所述分时复用压电电路中，所有第一控制端连接同一第一栅线，所有第二控制端连接同一第二栅线；
位于同列的所述分时复用压电电路中，所有信号输入端连接同一第一数据线，所有信号输出端连接同一第二数据线。
9.根据权利要求7所述的压电装置，其特征在于，所述压电器件包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的压电层；
所述压电层主要由压电材料构成。
10.根据权利要求9所述的压电装置，其特征在于，所述压电材料为PZT。
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