CN110287901B - 超声波传感器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种超声波传感器和电子设备。其中，超声波传感器包括薄膜晶体管、像素电极、压电层、顶部电极和辅助电极。薄膜晶体管的漏与超声波传感器的读出线相连。像素电极设置在薄膜晶体管的上方，并与薄膜晶体管的源相连。压电层设置在像素电极的上方。顶部电极设置在压电层的上方。辅助电极设置在像素电极和读出线之间。在上述超声波传感器中，通过在像素电极和读出线之间设置辅助电极，可消除或降低像素电极与读出线之间的寄生电容，保证了读出线所读取到的像素值的准确性。在一种可选实施例中，超声波传感器还包括缓冲器，缓冲器连接辅助电极与读出线，将辅助电极与读出线保持在相同电位。在另一种可选实施例中，辅助电极接地。

Description

超声波传感器和电子设备

技术领域

本申请涉及指纹识别技术领域，尤其涉及一种超声波传感器和电子设备。

背景技术

现有超声波传感器的读出线与像素电极有基本完全的交叠，以达到像素开口率最大化和节省走线占用空间的目的。

但是，这会导致一行或一列的所有像素信号通过像素电极与读出线间的寄生电容直接耦合到读出线上，干扰目标像素的数据采集。

发明内容

本申请的第一方面提供了一种超声波传感器。所述超声波传感器包括：

薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括源、漏与栅，所述漏与超声波传感器的读出线相连；

像素电极，设置在所述薄膜晶体管的上方，所述像素电极与所述薄膜晶体管的源相连；

压电层，设置在所述像素电极的上方；

顶部电极，设置在所述压电层的上方；

辅助电极，设置在所述像素电极和所述读出线之间，并分别与所述像素电极和所述读出线相隔离。

在上述超声波传感器中，通过在像素电极和读出线之间设置辅助电极，可消除或降低像素电极与读出线之间的寄生电容，保证了读出线所读取到的像素值的准确性。

进一步的，所述超声波传感器还包括：

缓冲器，连接所述辅助电极与所述读出线，将所述辅助电极与所述读出线保持在相同电位。

在上述超声波传感器中，通过缓冲器，辅助电极与读出线之间形成非物理等电位连接。一方面，辅助电极与读出线不能将缓冲器作为桥梁，进行电荷传递，可避免辅助电极干扰到读出线的电信号；另一方面，辅助电极设置在像素电极和读出线之间，并且辅助电极与读出线被缓冲器保持在相同电位，因而，像素电极上的电信号已无法干扰到读出线或者对读出线的干扰已极为有限，保证了读出线所读取到的每一像素值的准确性。

进一步的，所述缓冲器包括源极跟随器；所述源极跟随器包括源、漏和栅，所述源极跟随器的栅与所述读出线相连，所述源极跟随器的源与所述辅助电极相连。

进一步的，所述源极跟随器与所述薄膜晶体管同层设置；所述超声波传感器还包括：

第一绝缘层，覆盖在所述源极跟随器与所述薄膜晶体管上，所述第一绝缘层内开设有多个连接孔；

多个连接片，设置在所述第一绝缘层上，所述读出线与所述多个连接片同层设置；

第二绝缘层，覆盖在所述多个连接片上，所述第二绝缘层内开设有多个接触孔，所述辅助电极设置在所述第二绝缘层上；

其中，所述辅助电极通过所述接触孔、所述连接片和所述连接孔连通所述源极跟随器的源，所述源极跟随器的栅通过所述连接孔连通所述读出线。

进一步的，所述超声波传感器的多条读出线和多条扫描线交叉设置，将所述超声波传感器划分为多个超声波感测单元；

每一超声波感测单元均设置有独立的所述像素电极、所述薄膜晶体管、所述辅助电极和所述缓冲器，所有超声波感测单元的顶部电极一体连接。

进一步的，所述辅助电极接地。

在上述超声波传感器中，通过将辅助电极接地，可以起到屏蔽像素电极对读出线干扰的作用。

进一步的，所述读出线与所述像素电极在横向上存在交叠区域，所述交叠区域在竖向上的投影完全落在所述辅助电极的内部；和/或者，

所述读出线在竖向上的投影完全落在所述像素电极的内部。

进一步的，所述超声波传感器还包括二极管，所述二极管的输出端与所述像素电极相连。

进一步的，所述二极管与所述所述薄膜晶体管的源、漏同层设置。

本申请的第二方面提供了一种电子设备。所述电子设备包括如前面所述的超声波传感器。

进一步的，所述超声波传感器设置在所述电子设备的显示区域或非显示区域。

附图说明

图1是本申请实施例超声波传感器的一个等效电路示意图；

图2是本申请实施例超声波传感器的一个截面示意图；

图3是图2所示超声波传感器中的一个超声波感测单元的电路原理图；

图4是本申请实施例超声波传感器的一个截面示意图；

图5是图4所示超声波传感器中的一个超声波感测单元的电路原理图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请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。本申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”包括两个，相当于至少两个。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并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，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是本申请实施例超声波传感器的一个等效电路示意图。

如图1，超声波传感器100具有相互平行的多条读出线72和相互平行的多条扫描线74。多条读出线72和多条扫描线74交叉设置，将超声波传感器100划分为多个超声波感测单元76。

每一超声波感测单元76作为一个指纹识别像素，用于感测放置在该超声波感测单元76上的指纹并形成指纹图像。每一超声波感测单元76包括感测层60和控制电路层40。

图2是本申请实施例超声波传感器的一个截面示意图。

如图2，超声波传感器100或者每一超声波感测单元76，包括：

薄膜晶体管41，所述薄膜晶体管41包括源412、漏414与栅416，所述漏414与超声波传感器100的读出线72相连；

像素电极61，设置在所述薄膜晶体管41的上方，所述像素电极61与所述薄膜晶体管41的源412相连；

压电层63，设置在所述像素电极61的上方；

顶部电极65，设置在所述压电层63的上方。

其中，像素电极61、压电层63和顶部电极65属于感测层60的组成部分。顶部电极65和像素电极61形成一个传感器电容Cp。薄膜晶体管41属于控制电路层40的组成部分。

压电层63用于发射超声波并在接收到指纹反射的超声波后产生电信号。压电层63产生感应电荷后，传感器电容Cp将感应电荷响应到像素电极61，最后由控制电路层40输出指纹的超声波影像。

具体而言，通过在顶部电极65与像素电极61上施加高频电压(例如：频率大于20KHZ的电压)，比如，可在顶部电极65上施加高频电压并使像素电极61接地，压电层63会在高频电压的作用下产生超声波并向外发射超声波。若手指放置在超声波传感器100上，则手指会反射压电层63发射的超声波并传递回给压电层63。由于手指上存在指纹，因而压电层63上各个位置接收到的手指反射超声波不完全相同，从而压电层63上各个位置在超声波作用下产生的电信号(或压电信号)也不完全相同，压电层63上各个位置产生的电信号能够共同形成手指的指纹图案。

多个像素电极61受控接收压电层63上各个位置产生的该电信号，多个像素电极61将该电信号传递到控制器上，控制器处理该电信号以形成待检测物的超声波影像(包括手指的指纹图案)。

为了增加超声波传感器100的响应性，像素电极61原则上应最大化，以保证产生较大的像素输入电压。对应的，读出线72与像素电极61具有较大的交叠区域(读出线72基本完全被像素电极61覆盖，即读出线72在竖向上的投影完全落在像素电极61的内部)，这有利于像素开口率最大化和节省走线占用空间。

但是，较大的像素电极61与读出线72会产生较严重的寄生电容Cx，该寄生电容可以使像素电极61上的电信号直接耦合到读出线72上，而不经过控制薄膜晶体管41。在这种情况下，即使未开启薄膜晶体管41的栅416，读出线72也能读取到每一行寄生电容Cx的感应电荷，从而对目标像素的输出数据造成干扰，即读出线72读取到的每一行的像素值大于实际的像素值。

以图1中所示的5×4像素阵列为例，第一行的扫描线74开启，第一行的所有像素(超声波感测单元76)被选中，每列的读出线72读出该行每一列的像素数据。与此同时，虽然其他三行的扫描线74关闭，但是因为寄生电容Cx的存在，每个未被选择开启的像素的像素电极61的电信号会直接耦合到薄膜晶体管41的输出端，也就是读出线72上，对目标像素的输出数据造成干扰，从而使输出值大于实际的像素值。

说明一点，这里所说的“像素”指的是“超声波感测单元76”，其并不用于图像显示；“像素电极61”同样跟图像显示无关。

如前面所述，读出线72与像素电极61交叠，会导致一行或一列的所有像素信号通过像素电极61与读出线72间的寄生电容Cx直接耦合到读出线72上，干扰目标像素的数据采集。一般而言，增加像素电极61与读出线72之间介电层(绝缘层)的厚度，可减小该寄生电容Cx。但由于工艺能力的限制，介电层的厚度可增加的程度有限，并不能完全消除寄生电容Cx或者使寄生电容Cx降低至不影响目标像素数据采集的程度。

图3是图2所示超声波传感器中的一个超声波感测单元的电路原理图。

通过在像素电极61和读出线72之间增设辅助电极43，请参照图2和图3，可消除或大幅降低上述寄生电容Cx的干扰，使得目标像素的数据更加纯净，达到降低噪声的目的，由此保证了读出线72所读取到的像素值的准确性。

进一步的，超声波传感器100还可包括缓冲器45，缓冲器45连接辅助电极43与读出线72，将辅助电极43与读出线72保持在相同电位。

辅助电极43和像素电极61之间可能产生寄生电容C_x1，辅助电极43和读出线72可能产生寄生电容C_x2。位于读出线72和辅助电极43之间的缓冲器45通过非物理连接形成辅助电极43与读出线72的等电位保持。这样，即使像素电极61与辅助电极43之间会形成寄生电容，但辅助电极43和读出线72之间因为添加了缓冲器45而具有了相等电位，辅助电极43的电位不会耦合到读出线72上，从而像素电极的电位不会耦合到读出线72上，形成了电容阻断的效果，可保证读出线72所读取到的每一行的像素值等于实际像素值。

通过缓冲器45，辅助电极43与读出线72之间形成非物理等电位连接。一方面，辅助电极43与读出线72不能将缓冲器45作为桥梁，进行电荷传递，可避免辅助电极43干扰到读出线72的电信号；另一方面，辅助电极43设置在像素电极61和读出线72之间，并且辅助电极43与读出线72被缓冲器45保持在相同电位，因而，像素电极61上的电信号已无法干扰到读出线72或者对读出线72的干扰已极为有限，实现将像素电极61与读出线72之间的电容阻断的效果，保证了读出线72所读取到的每一像素值的准确性。

所述读出线72与所述像素电极61在横向上存在交叠区域。为完全消除上述寄生电容Cx的干扰，所述交叠区域在竖向上的投影完全落在所述辅助电极43的内部。

图4是本申请实施例超声波传感器的一个截面示意图。图5是图4所示超声波传感器中的一个超声波感测单元的电路原理图。

如图4和图5，所述缓冲器45包括/可以是源极跟随器。所述源极跟随器包括源452、漏454和栅456，所述源极跟随器的栅456与所述读出线72相连，所述源极跟随器的源452与所述辅助电极43相连。通过上述连接方式，辅助电极43与读出线72之间形成非物理等电位连接。

所述源极跟随器的漏454可浮接。

为简化制作工艺，所述源极跟随器与所述薄膜晶体管41同层设置，同步制作而成。进一步地，所述超声波传感器100/控制电路层40还包括：

第一绝缘层421，覆盖在所述源极跟随器与所述薄膜晶体管41上，所述第一绝缘层421内开设有多个连接孔422；

多个连接片423，设置在所述第一绝缘层421上，多个连接片423位于同一层并间隔设置，所述读出线72与连接片423同层设置；

第二绝缘层425，覆盖在所述多个连接片423上，所述第二绝缘层425内开设有多个接触孔426，所述辅助电极43设置在所述第二绝缘层425上；

其中，所述辅助电极43通过一个接触孔426、一个连接片423和一个连接孔422连通所述源极跟随器的源452，所述源极跟随器的栅456通过一个连接孔422连通所述读出线72；所述薄膜晶体管41的漏414通过一个连接孔422连通所述读出线72，所述薄膜晶体管41的源412通过一个连接孔422、一个连接片423和一个接触孔426连通像素电极61。

进一步的，辅助电极43和像素电极61之间可设置第三绝缘层46。

超声波传感器100还可包括基底20，控制电路层40和感测层60可依次形成在基底20上。

进一步的，像素电极61和压电层63之间可设置第四绝缘层62。

每一超声波感测单元76均设置有独立的像素电极61、薄膜晶体管41、辅助电极43和缓冲器45。所有超声波感测单元76的顶部电极65一体连接，或者说，所有的超声波感测单元76共用一个顶部电极65。

多个像素电极61可呈矩阵式排列。像素电极61的材料可为氧化铟锡(ITO)、纳米银线(Agnanowire)、金属网格(metal mesh)、纳米碳管以及石墨烯(Graphene)中的任意一种，由上述材料制成的像素电极61具有较好的韧性及透光性，从而由该像素电极61制成的超声波传感器100具有较好的韧性及透光性。当超声波传感器100设置在显示面板的下方时，具有较好透光性的超声波传感器100不会遮挡显示面板的显示。

压电层63可包括多个压电柱(未图示)及填充在多个压电柱之间的绝缘材料(未图示)。多个压电柱呈阵列式排列，多个压电柱与多个像素电极61对应，每个压电柱覆盖对应的像素电极61。压电柱的材料可以为压电陶瓷或聚偏氟乙烯(PVDF)。当压电柱的材料为聚偏氟乙烯时，压电层63具有较好的柔韧性，此时超声波传感器100的柔韧性也较好。填充在压电柱之间的绝缘材料可以为环氧树脂。由于环氧树脂对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变形收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定等特点。因此，绝缘材料使用环氧树脂作为填充介质，便于封装压电柱并使得压电层63的结构更加稳定。

顶部电极65和/或辅助电极43的材料可为氧化铟锡(ITO)、纳米银线(Agnanowire)、金属网格(metal mesh)、纳米碳管以及石墨烯(Graphene)中的任意一种。

进一步的，所述超声波传感器100/控制电路层40还可包括二极管48，所述二极管48的输出端482与所述像素电极61相连。

所述二极管48可与所述所述薄膜晶体管41的源412、漏414同层设置。

作为一种变更实施例，超声波传感器100可不包括缓冲器45，而仅将辅助电极43。通过将辅助电极43接地，可以起到很好地屏蔽像素电极61对读出线72干扰的作用。因而，也可很好地消除像素电极61与读出线72之间的寄生电容，保证了读出线72所读取到的像素值的准确性。

辅助电极43的接地，可能增大对地电容、降低读出线72所读取像素值的信号强度，但不会影响该像素值的准确性。需要的话，后续可通过放大该信号来进一步优化该方案。

各像素(超声波感测单元)的辅助电极43可连接成一个整体，而后统一接地；各像素的辅助电极43也可分别接地。

以上实施例皆是以指纹识别为例，对超声波传感器100的功能和工作模式等作了说明。容易理解，超声波传感器100并不局限于此用途，还可用于识别指纹之外的其它物体/物品。

本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括如前面所描述的超声波传感器100。其中，所述电子设备可以是具有指纹识别功能的手机、平板电脑、笔记本电脑等。由于具有超声波传感器100，所述电子设备具有优秀的指纹识别功能。

超声波传感器100可设置在所述电子设备的显示区域，作为屏下指纹识别模块。超声波传感器100也可设置在所述电子设备的非显示区域，使指纹识别区域独立于显示区域。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器包括：

薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括源、漏与栅，所述漏与超声波传感器的读出线相连；

像素电极，设置在所述薄膜晶体管的上方，所述像素电极与所述薄膜晶体管的源相连；

压电层，设置在所述像素电极的上方；

顶部电极，设置在所述压电层的上方；

辅助电极，设置在所述像素电极和所述读出线之间，并分别与所述像素电极和所述读出线相隔离；

缓冲器，连接所述辅助电极与所述读出线，将所述辅助电极与所述读出线保持在相同电位。

2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述缓冲器包括源极跟随器；所述源极跟随器包括源、漏和栅，所述源极跟随器的栅与所述读出线相连，所述源极跟随器的源与所述辅助电极相连。

3.如权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，所述源极跟随器与所述薄膜晶体管同层设置；所述超声波传感器还包括：

第一绝缘层，覆盖在所述源极跟随器与所述薄膜晶体管上，所述第一绝缘层内开设有多个连接孔；

多个连接片，设置在所述第一绝缘层上，所述读出线与所述多个连接片同层设置；

第二绝缘层，覆盖在所述多个连接片上，所述第二绝缘层内开设有多个接触孔，所述辅助电极设置在所述第二绝缘层上；

其中，所述辅助电极通过所述接触孔、所述连接片和所述连接孔连通所述源极跟随器的源，所述源极跟随器的栅通过所述连接孔连通所述读出线。

4.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器的多条读出线和多条扫描线交叉设置，将所述超声波传感器划分为多个超声波感测单元；

每一超声波感测单元均设置有独立的所述像素电极、所述薄膜晶体管、所述辅助电极和所述缓冲器，所有超声波感测单元的顶部电极一体连接。

5.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述辅助电极接地。

6.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述读出线与所述像素电极在横向上存在交叠区域，所述交叠区域在竖向上的投影完全落在所述辅助电极的内部；和/或者，

所述读出线在竖向上的投影完全落在所述像素电极的内部。

7.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器还包括二极管，所述二极管的输出端与所述像素电极相连。

8.如权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，所述二极管与所述薄膜晶体管的源、漏同层设置。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至8任一项所述的超声波传感器。

10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述超声波传感器设置在所述电子设备的显示区域或非显示区域。

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