CN108955736A - 一种超声波传感器及其制作方法、显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种超声波传感器及其制作方法、显示装置，其中，超声波传感器包括：基底和至少一个设置在基底上的传感器组件；传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的压电层；其中，基底靠近传感器组件的一侧设置有凹槽，压电层在基底上的正投影与凹槽在基底的区域存在重叠部分。本发明实施例通过基底位于压电层下方的区域设置凹槽，能够减少基底对超声波传感器在交流电信号的激励下产生的机械振动信号的吸收，保证超声波信号的质量，从而提高了超声波传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及传感器技术领域，具体涉及一种超声波传感器及其制作方法、显示装置。
背景技术
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，是一种可逆传感器，它在交流电信号的激励下可以产生同频率的机械振动，从而作为超声波的发射器，还可以在一定频率的超声波振动下产生相应频率的电信号，从而作为超声波的接收器。
经发明人研究发现，现有的超声波传感器在交流电信号的激励下产生机械振动时，部分机械振动信号会被吸收，造成机械振动信号的损失，从而降低超声波传感器的灵敏度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超声波传感器及其制作方法、显示装置，能够减少机械振动信号的损失，提高超声波传感器的灵敏度。
第一方面，本发明实施例提供一种超声波传感器，包括：基底和至少一个设置在所述基底上的传感器组件；所述传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的压电层；
其中，所述基底靠近所述传感器组件的一侧设置有凹槽，所述压电层在所述基底上的正投影与所述凹槽在基底的区域存在重叠部分。
可选地，所述第一电极设置在所述压电层靠近所述基底的一侧；
所述第一电极沿第一方向的宽度大于所述凹槽沿第一方向的宽度，所述第一电极沿第二方向的宽度小于所述凹槽沿第二方向的宽度；
或者，所述第一电极沿第一方向的宽度小于所述凹槽沿第一方向的宽度，所述第一电极沿第二方向的宽度大于所述凹槽沿第二方向的宽度；
其中，所述第一方向与第一电极、压电层和第二电极的重叠方向垂直，所述第二方向与所述第一方向垂直。
可选地，所述压电层在基底上的正投影与所述第一电极在基底上的正投影重合。
可选地，所述凹槽在基底上的区域覆盖所述压电层在基底上的正投影。
可选地，所述多个传感器组件共用一第一电极，和/或共用一第二电极；
所述超声波传感器还包括：设置在所述压电层远离基底一侧的平坦层；
其中，所述第二电极通过平坦层过孔与压电层连接。
可选地，所述凹槽的深度为3～10微米，所述凹槽沿第一方向的宽度为20～50微米，所述凹槽沿第二方向的宽度为20～50微米。
第二方面，本发明实施例还一种超声波传感器的制作方法，包括：
提供一基底；
在基底上形成凹槽；
在所述基底形成凹槽的一侧形成传感器组件；其中，所述传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的压电层；所述压电层在所述基底上的正投影与所述凹槽在所述基底的区域存在重叠部分。
可选地，所述在基底上形成凹槽的一侧形成传感器组件包括：
利用填充材料填充所述基底上形成的凹槽；
在基底上形成第一电极；
通过刻蚀工艺刻蚀所述填充材料；
在所述第一电极上形成压电层；
在所述压电层上形成第二电极。
可选地，所述在压电层上形成第二电极包括：
在压电层上形成平坦层；
在平坦层上形成第二电极，其中，所述第二电极通过平坦层过孔与所述压电层连接。
第三方面，本发明实施例还提供一种显示装置，包括：上述超声波传感器。
本发明实施例提供一种超声波传感器及其制作方法、显示装置，其中，超声波传感器包括：基底和至少一个设置在基底上的传感器组件；传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的压电层；其中，基底靠近传感器组件的一侧设置有凹槽，压电层在基底上的正投影与凹槽在基底的区域存在重叠部分。本发明实施例通过基底位于压电层下方的区域设置凹槽，能够减少基底对超声波传感器在交流电信号的激励下产生的机械振动信号的吸收，保证超声波信号的质量，从而提高了超声波传感器的灵敏度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的超声波传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的超声波传感器的俯视图；
图3为本发明实施例提供的超声波传感器的侧视图一；
图4为本发明实施例提供的超声波传感器的侧视图二；
图5为本发明实施例提供的超声波传感器的侧视图三；
图6为本发明实施例提供的超声波传感器的侧视图四；
图7为本发明实施例提供的高频信号产生电路；
图8为本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法的流程图；
图9A为本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法的示意图一；
图9B为本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法的示意图二；
图9C为本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法的示意图三。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另外定义，本发明实施例公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语一直出该词前面的元件或误检涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述的对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
图1为本发明实施例提供的超声波传感器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的超声波传感器包括：基底10和至少一个设置在基底上的传感器组件20。
具体的，传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的压电层(图中未示出)，其中，基底10靠近传感器组件20的一侧设置有凹槽11，压电层在基底10上的正投影与凹槽11在基底10的区域存在重叠部分。
需要说明的是，本发明实施例中提供的传感器组件用于发送超声波，其工作原理为在第一电极和第二电极上加载高频信号，由于压电层的压电效应，姚丹层产生机械振动，从而生成超声波。
可选地，为了增加超声波传感器的弯折性能，基底为柔性基底，其制作材料可以为聚酰亚胺PI，需要说明的是，本发明实施例提供的基底还可以其他材料制成，本发明实施例对此不作任何限定。
优选地，当基底由聚酰亚胺制成时，基底上还包括：氧化硅，具体的，氧化硅可用于隔绝水汽。
可选地，第一电极和第二电极只要是具有导电性的便不被限制，例如能够使用铂、铱、金、铝、铜、钛、不锈钢等金属材料、氧化铟锡、掺氟氧化锡等氧化锡系导电材料，还可以为多层导电结构，包括：第一金属层、第二金属层和第三金属层，其中，第一金属层可以由钛制成，第二金属层可以由铝制成，第三金属层可以由钛制成，第一金属层在靠近基底的一侧，第三金属层设置在第一金属层和第二金属层之间，本发明实施例对第一电极和第二电极的材料和结构不作任何限定。
可选地，压电层可以包括：聚二氟亚乙烯、氮化铝AlN或者锆钛酸铅系的钙钛矿结构的复合氧化物等。
在本实施例中，通过在基底上设置凹槽，阻值超声波向下传递，实现超声波的单向传递性，能够减少对超声波传感器生成超声波时产生的机械振动的吸收。
本发明实施例提供的超声波传感器包括：基底和至少一个设置在基底上的传感器组件；传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的压电层；其中，基底靠近传感器组件的一侧设置有凹槽，压电层在基底上的正投影与凹槽在基底的区域存在重叠部分。本发明实施例通过基底位于压电层下方的区域设置凹槽，能够减少基底对超声波传感器在交流电信号的激励下产生的机械振动信号的吸收，保证超声波信号的质量，从而提高了超声波传感器的灵敏度。
在本实施例中，图2为本发明实施例提供的超声波传感器的俯视图，如图2所示，第一电极21设置在压电层靠近基底10的一侧；第一电极21沿第一方向的宽度w1大于凹槽11沿第一方向的宽度w2，第一电极21沿第二方向的宽度l1小于凹槽11沿第二方向的宽度l2。
需要说明的是，本发明实施例中，还可以为第一电极21沿第一方向的宽度w1小于凹槽11沿第一方向的宽度w2，第一电极21沿第二方向的宽度l1大于凹槽11沿第二方向的宽度l2。
其中，第一方向与第一电极、压电层和第二电极的重叠方向垂直，第二方向与所述第一方向垂直。需要说明的是，基底在第一方向和第二方向形成的平面上，图2中的X轴为第一方向，Y轴为第二方向，或者为X轴为第二方向，Y轴为第一方向，图2中是以X轴为第一方向，Y轴为第二方向为例进行说明的。
可选地，第一电极和第二电极的形状可以为矩形，还可以其他形状，本发明实施例对此不做任何限定。需要说明的是，图2是以第一电极的形状为矩形为例进行说明的。
可选地，凹槽的形状为矩形。
可选地，凹槽的深度为3～10微米，凹槽11沿第一方向的宽度w2为20～50微米，凹槽11沿第二方向的宽度l2为20～50微米。
作为本发明实施例的一种实施方式，可选地，图3为本发明实施例提供的超声波传感器的侧视图一，如图3所示，传感器组件包括：第一电极21、压电层22和第二电极23，其中，压电层22在基底10上的正投影与第一电极21在基底10上的正投影重合。
具体的，压电层在沿第一方向的宽度大于凹槽沿第一方向的宽度，压电层沿第二方向的宽度小于凹槽沿第二方向的宽度，或者压电层沿第一方向的宽度小于凹槽沿第一方向的宽度，压电层沿第二方向的宽度大于凹槽沿第二方向的宽度。
可选地，第二电极23在基底10上的正投影与第一电极21在基底上10的正投影重合，或者第一电极21在基底10上的正投影覆盖第二电极23在基底10上的正投影，本发明实施例对此不作任何限定。优选地，为了简化制作工艺，第二电极23在基底10上的正投影与第一电极21在基底上10的正投影重合。
具体的，本发明实施例提供的传感器组件能够应用在发射超声波和接收超声波在同一侧的超声波传感器中。
具体的，图4为本发明实施例提供的超声波传感器的俯视图二，如图4所示，本发明实施例提供的超声波传感器还包括：设置在传感器组件远离基底一侧的盖板30。
其中，盖板覆盖整个基底，且为柔性材料，例如聚酰亚胺制成，本发明实施例对此不作任何限定。
本发明实施例中通过设置盖板，能够在盖板上形成超声波传感器的接收组件和/或检测电路。
作为本发明实施例的一种实施方式，可选地，图5为本发明实施例提供的超声波传感器的侧视图三，如图5所示，本发明实施例提供的超声波传感器中的凹槽11在基底10上的区域覆盖压电层22在基底10上的正投影。
具体的，压电层在沿第一方向的宽度小于凹槽沿第一方向的宽度，压电层沿第二方向的宽度小于凹槽沿第二方向的宽度。
本发明实施例中，通过凹槽在基底上的区域覆盖压电层在基底上的正投影，能够便于压电层的弯折，增强超声波传感器的弯折性能，对超声波传感器起到很好的保护作用。
在本实施例中，为了简化制作工艺和实现多个传感器组件的同步产生超声波信号，图6为本发明实施例提供的超声波传感器的侧视图四，如图6所示，本发明实施例提供的超声波传感器中的多个传感器组件共用一第一电极21，和/或共用一第二电极23。
可选地，如图6所示，本发明实施例提供的超声波传感器还包括：设置在压电层22远离基底10一侧的平坦层24；其中，第二电极23通过平坦层过孔与压电层22连接。
具体的，设置平坦层为了保证多个传感器组件能够共用一第二电极23，如图6是以多个传感器组件共用一个第一电极和第二电极构成的。
可选地，平坦层24的制作材料可以为聚酰亚胺，还可以为氧化硅、氮化硅或者氧化硅和氮化硅的复合物，本发明实施例对此不作任何限定。
优选地，为了增强超声波传感器的弯折性能，平坦层的制作材料采用聚酰亚胺等柔性材料制成。
另外，图7为本发明实施例提供的高频信号产生电路，如图7所示，本发明实施例提供的电路图包括：第一电源S1、第二电源S2、第一电感L1、第二电感L1、第一电容C1和第二电容C2，其中，第一电源S1的负极接地，其正极与第一电感L1的第一端连接，第二电源S2的负极接地，其正极与第二电感L2的第一端连接，第一电感L1的第二端与第一电容C1的第一端连接，第二电感L2的第二端与第二电容C2的第二端连接，第一电容C1的第二端分别与第二电容C2的第一端和第一电源S1的负极连接，第一电容C1的第一端与第一输出端OUT1连接，第二电容C2的第二端与第二输出端OUT2连接。
具体的，第一输出端OUT1与第一电极连接，第二输出端OUT2与第二电极连接。
具体的，通过图7提供的电路能够产生高频电信号，对应第一输出端OUT1和第二输出端OUT2的高频电信号相位相差180゜。
实施例二
基于上述实施例的发明构思，图8为本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法的流程图，如图8所示，本发明实施例还提供一种超声波传感器的制作方法，其中，该方法具体包括以下步骤：
步骤100、提供一基底。
可选地，为了增加超声波传感器的弯折性能，基底为柔性基底，其制作材料可以为聚酰亚胺PI，需要说明的是，本发明实施例提供的基底还可以其他材料制成，本发明实施例对此不作任何限定。
优选地，当基底由聚酰亚胺制成时，基底上还包括：氧化硅，其中，氧化硅可用于隔绝水汽。
步骤200、在基底上形成凹槽。
具体的，在基底上通过刻蚀工艺形成凹槽，其中，刻蚀工艺具体为干刻工艺。
可选地，凹槽的深度为3～10微米，凹槽沿第一方向的宽度为20～50微米，凹槽沿第二方向的宽度为20～50微米。
步骤300、在基底形成凹槽的一侧形成传感器组件。
其中，传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在第一电极和所述第二电极之间的压电层；压电层在基底上的正投影与凹槽在基底的区域存在重叠部分。
可选地，第一电极和第二电极只要是具有导电性的便不被限制，例如能够使用铂、铱、金、铝、铜、钛、不锈钢等金属材料、氧化铟锡、掺氟氧化锡等氧化锡系导电材料，还可以为多层导电结构，包括：第一金属层、第二金属层和第三金属层，其中，第一金属层可以由钛制成，第二金属层可以由铝制成，第三金属层可以由钛制成，第一金属层在靠近基底的一侧，第二金属层设置在第一金属层和第二金属层之间，本发明实施例对第一电极和第二电极的材料和结构不作任何限定。
可选地，压电层可以包括：聚二氟亚乙烯、氮化铝AlN或者锆钛酸铅系的钙钛矿结构的复合氧化物等，只要能够具有压线效应的材料即可。
本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法包括：提供一基底；在基底上形成凹槽；在基底形成凹槽的一侧形成传感器组件；其中，传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在所第一电极和第二电极之间的压电层；压电层在基底上的正投影与凹槽在基底的区域存在重叠部分。本发明实施例通过基底位于压电层下方的区域设置凹槽，能够减少基底对超声波传感器在交流电信号的激励下产生的机械振动信号的吸收，保证超声波信号的质量，从而提高了超声波传感器的灵敏度。
可选地，本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法中的步骤300具体包括：利用填充材料填充基底上形成的凹槽；在基底上形成第一电极；通过刻蚀工艺刻蚀填充材料；在第一电极上形成压电层；在压电层上形成第二电极。
可选地，填充材料可以为钼，需要说明的是，为了保证基底的凹槽中为空腔，需要保证填充材料与第一电极的材料不同，具体的，刻蚀填充材料的刻蚀工艺为湿法刻蚀工艺。
可选地，在基底上形成第一电极具体包括：通过真空溅射、蒸镀或涂覆等工艺在基底上沉积导电材料，通过构图工艺形成第一电极。
需要说明的是，构图工艺包括：光刻胶涂覆、曝光、显影、刻蚀或剥离光刻胶等工艺。
可选地，第一电极上形成压电层具体包括：通过真空溅射、蒸镀或涂覆等工艺在基底上沉积压电材料，通过构图工艺形成压电层。
可选地，在压电层上形成第二电极具体包括：通过真空溅射、蒸镀或涂覆等工艺在压电层上沉积导电材料，通过构图工艺形成第二电极。
可选地，作为另一种实施方式，本发明实施例提供的在压电层上形成第二电极包括：在压电层上形成平坦层；在平坦层上形成第二电极。
具体的，所述第二电极通过平坦层过孔与所述压电层连接。
可选地，平坦层的制作材料可以为聚酰亚胺，还可以为氧化硅、氮化硅或者氧化硅和氮化硅的复合物，本发明实施例对此不作任何限定。
优选地，为了增强超声波传感器的弯折性能，平坦层的制作材料采用聚酰亚胺等柔性材料制成。
下面结合图9A-图9C，进一步地具体描述本发明实施例提供的超声波传感器的制作方法。
步骤401、提供一基底10，在基底10上通过刻蚀工艺形成凹槽11，具体如图9A所示。
可选地，基底为柔性基底，其制作材料可以为聚酰亚胺PI。
步骤402、利用填充材料填充基底10上形成的凹槽11；在基底10上形成第一电极21，具体如图9B所示。
具体的，通过真空溅射、蒸镀或涂覆等工艺在基底上沉积真空材料。
可选地，真空材料为钼，与第一电极的制作材料不同。
步骤403、通过刻蚀工艺刻蚀凹槽11中的填充材料，具体如图9C所示。
具体的，通过湿法刻蚀工艺，将刻蚀液通过第一电极和凹槽之间的缝隙，以刻蚀掉填充材料，由于填充材料和第一电极的制作材料不同，因此，第一电极不会刻蚀。
步骤404、在第一电极21上形成压电层22；在压电层22上形成第二电极23，具体如图3所示。
具体的，通过真空溅射、蒸镀或涂覆等工艺在基底10上沉积压电材料，通过构图工艺形成压电层22，通过真空溅射、蒸镀或涂覆等工艺在压电层22上沉积导电材料，通过构图工艺形成第二电极23。
步骤405、在第二电极23上形成盖板30，具体如图4所示。
具体的，通过真空溅射、蒸镀或涂覆等工艺在第二电极上沉积柔性材料，通过构图工艺形成盖板30。
作为本发明实施例提供的另外一种实施方式，通过步骤401-步骤403在基底10上形成凹槽11，在基底10上形成第一电极21，另外，还包括：在第一电极21上形成压电层22，在压电层22上沉积平坦材料，通过构图工艺想成平坦层24，在平坦层24上形成第二电极23，其中第二电极23通过平坦层过孔与压电层22连接，具体如图5所示。
另外，需要说明的是，本发明实施例还可以通过提供一基底，在基底上形成凹槽，在基底上贴附传感器组件制成。
具体的，传感器组件是在其他基底上形成的。
实施例三
基于上述实施例的发明构思，本发明实施例还提供一种显示装置，其中，该显示装置包括实施例一提供的超声波传感器。
其中，超声波传感器用于识别指纹，其实现原理和实现效果类似，在此不再赘述。
具体的，显示装置可以为手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件，本发明实施例对此并不做任何限定。
本发明实施例附图只涉及本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或微结构的厚度和尺寸被放大。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
在不冲突的情况下，本发明的实施例即实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种超声波传感器，其特征在于，包括：基底和至少一个设置在所述基底上的传感器组件；所述传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的压电层；
其中，所述基底靠近所述传感器组件的一侧设置有凹槽，所述压电层在所述基底上的正投影与所述凹槽在基底的区域存在重叠部分。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一电极设置在所述压电层靠近所述基底的一侧；
所述第一电极沿第一方向的宽度大于所述凹槽沿第一方向的宽度，所述第一电极沿第二方向的宽度小于所述凹槽沿第二方向的宽度；
或者，所述第一电极沿第一方向的宽度小于所述凹槽沿第一方向的宽度，所述第一电极沿第二方向的宽度大于所述凹槽沿第二方向的宽度；
其中，所述第一方向与第一电极、压电层和第二电极的重叠方向垂直，所述第二方向与所述第一方向垂直。
3.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电层在基底上的正投影与所述第一电极在基底上的正投影重合。
4.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，所述凹槽在基底上的区域覆盖所述压电层在基底上的正投影。
5.根据权利要求4所述的超声波传感器，其特征在于，所述多个传感器组件共用一第一电极，和/或共用一第二电极；
所述超声波传感器还包括：设置在所述压电层远离基底一侧的平坦层；
其中，所述第二电极通过平坦层过孔与压电层连接。
6.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，所述凹槽的深度为3～10微米，所述凹槽沿第一方向的宽度为20～50微米，所述凹槽沿第二方向的宽度为20～50微米。
7.一种超声波传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一基底；
在基底上形成凹槽；
在所述基底形成凹槽的一侧形成传感器组件；其中，所述传感器组件包括：第一电极、第二电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的压电层；所述压电层在所述基底上的正投影与所述凹槽在所述基底的区域存在重叠部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在基底上形成凹槽的一侧形成传感器组件包括：
利用填充材料填充所述基底上形成的凹槽；
在基底上形成第一电极；
通过刻蚀工艺刻蚀所述填充材料；
在所述第一电极上形成压电层；
在所述压电层上形成第二电极。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在压电层上形成第二电极包括：
在压电层上形成平坦层；
在平坦层上形成第二电极，其中，所述第二电极通过平坦层过孔与所述压电层连接。
10.一种显示装置，其特征在于，包括：如权利要求1～6任一项所述的超声波传感器。
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