CN111866680A - 超声换能器与电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种超声换能器与电子设备。超声换能器包括：第一电极层、压电层、第二电极层以及电路层；压电层设置在第一电极层上，压电层上设置有第二电极层以及电路层；压电层的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个所述第一凹槽具有一个凹面，每个凹面的朝向与超声换能器的声波发射方向相同，凹面与第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。采用本申请的实施例，能够增加超声换能器的发射灵敏度，即提升了超声换能器的回路灵敏度。

Description

超声换能器与电子设备

技术领域

本申请实施例涉及超声换能技术领域，特别涉及一种超声换能器与电子设备。

背景技术

超声换能器是将声能和电能互相转换的器件，超声换能器中的压电材料在发生形变时，可以在压电材料的两端产生电压差；在压电材料的两端有电压差时，压电材料发生形变振动产生超声波；利用压电材料的上述特性，可以实现机械振动和交流电的互相转换。其中，压电材料可以为压电陶瓷锆钛酸铅PZT或高分子压电材料聚偏二氟乙烯PVDF。

在相同厚度条件下，PVDF超声换能器的回路灵敏度大于PZT超声换能器的回路灵敏度，因此便携式移动终端一般采用PVDF超声换能器，但是PVDF超声换能器的发射性能较差，限制了PVDF超声换能器的回路灵敏度。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种超声换能器与电子设备，能够在相同厚度条件下，实现更高的回路灵敏度，更加适用于便携式移动终端。

本申请实施例提供了一种超声换能器，包括：第一电极层、压电层、第二电极层以及电路层；压电层设置在第一电极层上，压电层上设置有第二电极层以及电路层；压电层的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个第一凹槽具有一个凹面，每个凹面的朝向与超声换能器的声波发射方向相同，凹面与第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。

本申请实施例提供了一种电子设备，包括上述的超声换能器。

本申请实施例现对于现有技术而言，提供了一种超声换能器，其包括：第一电极层、压电层、第二电极层以及电路层，压电层设置在第一电极层上，压电层上设置有第二电极层以及电路层，压电层的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个第一凹槽具有一个凹面，每个凹面的朝向与超声换能器的声波发射方向相同，凹面与第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。在利用该超声换能器发射声波时，压电层中的凹面能够对声波起到汇聚作用，减小了声波发射的发散角度，并且凹面所形成的空腔形成了声学谐振腔，能够增加超声换能器的发射灵敏度，从而提升了超声换能器的回路灵敏度；即相较于现有技术，能够在相同厚度条件下，实现更高的回路灵敏度，更加适用于便携式移动终端。另外，由于能够增加发射灵敏度，从而在相同回路灵敏度条件下，降低了对发射带宽的要求。

例如，压电层的第一凹槽的凹面朝向电路层，第二电极层包括多个第一导电部，多个第一导电部分别设置在压电层的第一凹槽内。本实施例提供了第一凹槽的凹面朝向电路层时第二电极层的一种具体结构。

例如，第一表面上形成阵列设置且呈半球状的第一凹槽，第二电极层包括阵列设置的半球状的第一导电部，各第一导电部分别设置在各第一凹槽内。本实施例提供了压电层上的第一凹槽的一种设置方式。

例如，第一表面上形成多个半圆柱体状的第一凹槽，第二电极层包括并行设置的半圆柱体状的第一导电部，各第一导电部分别设置在各第一凹槽内。本实施例提供了压电层上的第一凹槽的另一种设置方式。

例如，多个第一导电部具有远离第一电极层的第一上表面，第一上表面与压电层的第一表面在同一平面上。本实施例中提供了第二电极层中的第一导电部的一种设置方式。

例如，压电层包括多个压电单元，每个压电单元包括一个与第一表面相对的第二表面，每个压电单元的第一表面上形成一个第一凹槽，第二表面包括凸面，第一电极层中具有多个收容空间，多个压电单元设置在第一电极层的收容空间内，多个第一导电部分别设置在压电单元的第一凹槽内。本实施例中提供了压电层的一种具体结构。

例如，第一电极层具有一个第二上表面，压电层的第一表面、第一电极层的第二上表面以及第一导电部的第一上表面在同一平面上。本实施例提供了将多个压电单元间隔设置的具体实现方式。

例如，多个压电单元间隔设置。本实施例中，提供了一种分离压电薄膜的压电层，将多个压电单元间隔设置，能够避免多个压电单元之间的振动干扰。

例如，第一电极层具有一个第二上表面，压电层的第一表面与第一导电部的第一上表面在同一个平面上，压电层的第一表面与第一电极层的第二上表面不在同一平面上。

例如，超声换能器还包括多个绝缘部，第一导电部上形成有第二凹槽，绝缘部设置在第一导电部的第二凹槽内，以使绝缘部与压电层间隔设置。本实施例中，在超声换能器增加了多个绝缘部，能够使各绝缘部与压电层间隔设置。

例如，多个绝缘部具有远离第一电极层的第三上表面，第三上表面与压电层的第一表面在同一平面上。本实施例提供了绝缘部的一种具体设置方式。

例如，压电层的第一凹槽的凹面朝向第一电极层，第一电极层包括第一电极本体与多个第二导电部，第一电极本体具有靠近压电层的第四上表面，多个第二导电部设置在第四上表面上，且多个第二导电部分别设置在压电层的第一凹槽中，第一电极本体的第四上表面、第二导电部的下表面以及压电层的第一表面在同一平面上。本实施例提供了第一凹槽的凹面朝向第一电极层时，第一电极层的一种具体结构。

例如，压电层的第一表面上形成阵列设置且呈半球状的第一凹槽，第一电极层包括阵列设置的半球状的第二导电部，各第二导电部分别设置在压电层的各第一凹槽内。

例如，压电层的第一表面上形成多个半圆柱体状的第一凹槽，第一电极层包括并行设置的半圆柱体状的第二导电部，各第二导电部分别设置在压电层的各第一凹槽内。

例如，超声换能器还包括设置在电路层上背衬层。本实施例中，能够减少超声波在朝向电路层的方向反向传播。

例如，压电层包括与第一表面相对的第二表面，第二表面为平面。本实施例提供了压电层的第二表面的一种设置方式，使得压电层易于制作，适用于压电薄膜刮涂技术。

例如，压电层包括与第一表面相对的第二表面，第二表面上形成有多个与第一凹槽相对应的凸出部。本实施例提供了压电层的第二表面的另一种设置方式，

例如，第二电极层还包括第二电极本体，多个第一导电部形成在第二电极本体的第一下表面上，第一下表面与压电层的第一表面在同一平面上；第一电极层包括分离设置的多个第一子电极，任意两个第一子电极之间相互绝缘，各第一子电极的分别覆盖在各凸出部上。本实施例提供了，在第二电极层为整面电极时，对各压电单元进行单独控制的方式。

例如，第二电极层包括多个第二子电极，任意两个第二子电极之间相互绝缘，各第二子电极的分别覆盖在各凸出部上，第二子电极位于凸出部与电路层之间，且电路层靠近压电层的下表面与压电层的第二表面在同一平面上。本实施例中，在压电层的第二表面上形成有凸出部时，通过第二电极层对各压电单元进行单独控制的方式。

例如，第二电极层包括多个第二子电极，任意两个第二子电极之间相互绝缘，各第二子电极的分别覆盖在各第一凹槽的背面，第二子电极位于凸出部与电路层之间，且电路层靠近压电层的下表面与压电层的第二表面在同一平面上。本实施例中，在压电层的第二表面为平面时，通过第二电极层对各压电单元进行单独控制的方式。

例如，第二电极层覆盖在压电层的第二表面上；第一电极本体包括多个第三子电极，任意两个第三子电极之间相互绝缘，各第二导电部分别形成在各第三子电极上。本实施例中，提供了第二电极层为正面电极时，通过第一电极层对各压电单元进行单独控制的方式。

例如，凹面朝向第一电极层，第一电极层包括多个第三导电部，多个第三导电部分别设置在压电层的第一凹槽中；多个第三导电部具有远离第二电极层的第二下表面，多个第三导电部的第二下表面与压电层的第一表面在同一平面上；多个第一凹槽分别设置在第二电极层中，任意两个第一凹槽之间不存在接触，第二电极层设置有第一凹槽的表面与压电层的第一表面在同一平面上。本实施例提供了凹面朝向第一电极层时，将多个第一凹槽形成压电单元分离设置的一中具体方式，其能够避免多个压电单元之间的振动干扰。

例如，绝缘部与压电层的声阻相匹配。本实施例中，能够避免声波在压电层与第二电极层之间、第二电极层与电路层之间产生过多的反射，以避免降低发射效率。

例如，超声换能器还包括功能层，第一电极层设置在功能层上，功能层包括衬底和/或背衬。

例如，接触角的范围为75度到90度。本实施例中，能够尽可能的增加超声换能器的发射灵敏度。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本申请第一实施例中的超声换能器的结构图；

图2是图1中的超声换能器的部分放大图；

图3是根据本申请第一实施例中的超声换能器的发射灵敏度的提升倍数与接触角的关系图；

图4与图5是根据本申请第一实施例中超声换能器中的压电层的结构图；

图6是根据本申请第一实施例中的超声换能器的声波发射与接收的示意图；

图7至图9是根据本申请第二实施例中的超声换能器的结构图；

图10与图11是根据本申请第二实施例中超声换能器中的压电层的结构图；

图12是根据本申请第三实施例中的超声换能器的结构图；

图13至图16是根据本申请第四实施例中的超声换能器的结构图；

图17是根据本申请第五实施例中的超声换能器的结构图。

具体实施例

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

超声换能器应用于便携式移动终端时，可以用于指纹识别，其工作频率与压电材料的厚度成反比。采用压电陶瓷锆钛酸铅PZT作为压电材料时，由于其压电系数较大，使得基于PZT材料的超声换能器具有较好的发射性能；而聚偏二氟乙烯PVDF的压电系数较小，因此PZT超声换能器的发射性能优于PVDF超声换能器；而PZT材料的介电常数是PVDF材料的100倍左右，因此PVDF超声换能器的接收性能优于PZT超声换能器。超声换能器的回路灵敏度等于发射灵敏度乘以接收灵敏度，用于指纹识别的超声换能器通常采用10MHz-20MHz的工作频率，在相同厚度条件下，PVDF超声换能器的回路灵敏度大于PZT超声换能器的回路灵敏度，因此PVDF超声换能器更适用于便携式移动终端，但是PVDF超声换能器的发射性能较差，限制了PVDF超声换能器的回路灵敏度。基于此，发明人提出了本申请的技术方案。

本申请第一实施例涉及一种超声换能器，应用于电子设备，电子设备可以为便携式的移动终端，例如手机、平板电脑等，电子设备可以利用该超声换能器实现指纹识别、振动反馈等功能，举例来说，超声换能器安装在电子设备的触摸屏的下方，则该超声换能器能够用于屏下指纹识别，并且可以在用户使用电子设备的过程中提供振动反馈。

本实施例中，超声换能器包括：第一电极层、压电层、第二电极层以及电路层；压电层设置在第一电极层上，压电层上设置有第二电极层以及电路层；压电层的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个第一凹槽具有一个凹面，每个凹面的朝向与超声换能器的声波发射方向相同，凹面与压电层的第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。

本实施例相对于现有技术而言，提供了一种超声换能器，其包括：第一电极层、压电层、第二电极层以及电路层，压电层设置在第一电极层上，压电层上设置有第二电极层以及电路层，压电层的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个第一凹槽具有一个凹面，每个凹面的朝向与超声换能器的声波发射方向相同，凹面与第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。在利用该超声换能器发射声波时，压电层中的凹面能够对声波起到汇聚作用，减小了声波发射的发散角度，并且凹面所形成的空腔形成了声学谐振腔，能够增加超声换能器的发射灵敏度，从而提升了超声换能器的回路灵敏度；即相较于现有技术，能够在相同厚度条件下，实现更高的回路灵敏度，更加适用于便携式移动终端。另外，由于能够增加发射灵敏度，从而在相同回路灵敏度条件下，降低了对发射带宽的要求。

下面对本实施例中超声换能器进行详细的说明，其中涉及到的细节仅为示例性说明，并非本申请的必须。超声换能器的压电层的凹面的朝向是基于超声换能器的声波发射方向来设定的，本实施例中，以超声换能器的声波发射方向为从第一电极层到电路层为例进行说明。

请参考图1与图2，超声换能器包括：第一电极层1、压电层2、第二电极层以及电路层4。其中，第一电极层1和第二电极层可以为铜、锡、铝等材料或者铜、锡、铝的化合物，有机导电材料，半导体材料等。

在一个例子中，超声换能器还包括功能层5，功能层5可以包括衬底和/或背衬；在超声换能器朝向电路层4发射超声波时，功能层5包括背衬，能够减少超声波的反向传播。

第一电极层1设置在功能层5上，压电层2设置在第一电极层1上，压电层2上设置有第二电极层以及电路层4。

压电层2的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个第一凹槽具有一个凹面21，每个凹面21的朝向与超声换能器的声波发射方向相同，且凹面21与压电层2的第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。其中，压电层2可以由电陶瓷锆钛酸铅PZT、聚偏二氟乙烯PVDF等压电材料制成的压电薄膜。

本实施例中，超声换能器的声波发射方向为从第一电极层1到电路层4，此时压电层2的各第一凹槽的凹面21是朝向电路层4的，因此压电层2的第一表面即为压电层2的上表面，压电层2的上表面与电路层4的下表面相接触，凹面21与压电层2的第一表面所在的平面之间的接触角即为凹面21与电路层4的下表面之间的接触角，压电层2包括与第一表面相对的第二表面，压电层2的第二表面即为压电层2的下表面，压电层2的第二表面为平面，其覆盖在第一电极层1上，这种压电层2易于制作，适用于压电薄膜刮涂技术。

请参考图2，凹面21与压电层2的第一表面所在的平面之间的接触角为凹面21与电路层4的下表面的交点处作与凹面21相切的线L与电路层4的下表面之间的夹角θ，该夹角θ在0度到90度之间，即0度＜θ＜90度，从而使凹面21能够对声波起到汇聚作用，以减小声波发射的发散角度，还能够使凹面21所形成的空腔形成声学谐振腔，以增加超声换能器的发射灵敏度。

在一个例子中，设定凹面21与压电层2的第一表面所在的平面之间的接触角在75度至90度之间，以使该凹面21尽可能的增加超声换能器的发射灵敏度。请参考图3，为图1中的超声换能器对发射灵敏度的提升倍数与夹角θ(即凹面21与第一表面所在的平面之间的接触角)的关系图，由图可见，夹角θ在0度至35度之间时，对发射灵敏度的提升倍数维持在0.5以下；夹角θ在35度至75度之间时，发射灵敏度的提升倍数呈线性增加；夹角θ在75度至90度之间时，发射灵敏度的提升倍数基本维持不变，处于发射灵敏度提升的饱和区，因此设置该夹角θ在75度至90度之间时，能够使得压电层2最大化的增加超声换能器的发射灵敏度。

需要说明的是，本实施例中以及之后的实施例中均以凹面21为标准球面为例进行说明，但并不会对凹面21的形状进行任何限定，凹面21可以为曲面、非标准球面等，此时压电层2仍然能够提升超声换能器的发射灵敏度。

本实施例中，第二电极层包括多个第一导电部31，多个第一导电部31分别设置在压电层2的第一凹槽内，第一导电部31具有远离第一电极层1的第一上表面，第一上表面与压电层2的第一表面在同一平面上。即第二电极层为图形化电极，其包括多个第一导电部31，第一导电部31与第一凹槽的形状匹配，从而可以设置在第一凹槽中，并且各第一导电部31的第一上表面(即第一导电部31的上表面)、压电层2的第一表面以及电路层4的下表面均位于同一平面上。

在一个例子中，请参考图4，压电层2的第一表面上形成阵列设置且呈半球状的第一凹槽，第二电极层包括阵列设置的半球状的第一导电部31，各第一导电部31分别设置在压电层2的各第一凹槽内。即，压电层2的第一表面上形成有呈阵列排布的多个半球状的第一凹槽，相当于在压电层2上挖了多个半球状孔，第一导电部31为与第一凹槽形状匹配的半球凸点，各第一导电部31设置在各第一凹槽中，第一凹槽的凹面21为半球面。

在一个例子中，请参考图5，压电层2的第一表面上形成多个半圆柱体状的第一凹槽，第二电极层包括并行设置的半圆柱体状的第一导电部31，各第一导电部31分别设置在压电层2的各第一凹槽内。即，压电层2的第一表面上平行设置有多个半圆柱体状的第一凹槽，第一导电部31为与第一凹槽形状匹配的半圆柱体，各第一导电部31设置在各第一凹槽中，第一凹槽的凹面21为半圆柱体的内圆柱面。

本实施例中，每个第一凹槽均能够在压电层2上形成一个压电单元，即压电层2包括多个压电单元，压电单元能够用于发射和接收声波信号，可以设置第一电极层1和第二电极层分别与电路层4电连接，压电层2分别与第一电极层1和第二电极层电连接，电路层4为电性连接层，例如为TFT、CMOS、包含导线的PCB板等，其可以用于传递、处理、发射、接收信号，举例来说，电路层4可以连接于电子设备的处理器，在接收到处理器发送的发射超声波信号的指令时，电路层4能够通过第一电极层1和第二电极层给压电层2提供交流电压信号，压电层2产生压电效应，将交流电压信号转换为压电层2的振动，从而能够沿着声波发射方向朝向电路层4发射超声波。

以超声换能器应用于屏下指纹识别为例，请参考图6，超声换能器设置在触摸屏7下方，电路层4可以连接于电子设备的处理器，在接收到处理器发送的发射超声波信号的指令时，电路层4能够通过第一电极层1和第二电极层给压电层2提供交流电压信号，压电层2产生压电效应，将交流电压信号转换为压电层2的振动，并通过由第一凹槽所形成的压电单元朝着触摸屏7发射超声波8，超声波8在空气、手指皮肤101表面发生反射，由于空气和皮肤的声阻抗不同，因此反射回来的超声信号9的强度不同，压电层2将通过压电单元接收到的超声信号9被发送到处理器后，处理器便能够根据超声信号9生成指纹图像。其中，超声换能器还包括声阻匹配层6，其设置在电路层4与触摸屏7之间，声阻匹配层6与压电层2的声阻相匹配，从而能够解决电路层4与触摸屏7之间的声阻不匹配的问题，尽可能的避免声波在触摸屏7上被反射，提高了有效声压。

本申请第二实施例涉及一种超声换能器，本实施例相对于第一实施例而言，主要区别之处在于：提供了压电层的另一种具体结构。

本实施例仍以超声换能器的声波发射方向为从第一电极层1到电路层4为例进行说明。

请参考图7，压电层2的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个第一凹槽具有一个凹面21，压电层2包括与第一表面相对的第二表面，压电层2的第二表面上形成有多个与第一凹槽相对应的凸出部22，凸出部22的形状可以与第一凹槽的形状相同或不同，且凸出部22与第一凹槽在垂直于压电层2的方向上位置相对应。其中，第一电极层1具有一个第二上表面，压电层2的第一表面与第一导电部31的第一上表面在同一个平面上，压电层2的第一表面与第一电极层1的第二上表面不在同一平面上。

本实施例中，以凸出部22的形状可以与第一凹槽的形状相同为例，此时凹面21与凸出部22的凸面曲率相等，可以设置压电层2各处的厚度相等。

在一个例子中，请参考图8，超声换能器还包括多个绝缘部8，第一导电部31上形成有第二凹槽，多个绝缘部8分别设置在第一导电部31的第二凹槽中，以使各绝缘部8与压电层2间隔设置。

本实施例中，多个绝缘部8具有远离第一电极层1的第三上表面，第三上表面与压电层2的第一表面在同一平面上。绝缘部8相当于设置在电路层4的下表面的绝缘凸点，各第一导电部31分别设置在压电层2的第一凹槽中，各第一导电部31上形成有第二凹槽，绝缘部8与第二凹槽的形状匹配，各绝缘部8分别设置在各第二凹槽中，电路层4的下表面对各第一凹槽进行封闭。

在一个例子中，在图8中，设置绝缘部8与压电层2的声阻相匹配，即绝缘部8的制作材料与压电层2的声阻相匹配，从而能够避免声波在压电层2与第二电极层之间、第二电极层与电路层4之间产生过多的反射，以避免降低发射效率。另外，还可以尽可能的将绝缘部8做薄，以进一步减小其对声波的反射。

在图7与图8中，第二电极层为图形化电极、第一电极层1为整面电极，第二电极层包括多个第一导电部31，各第一凹槽所形成的压电单元能够通过其中的第一导电部31与电路层4电性连接，此时能够通过各第一导电部31分别对各压电单元进行单独控制；然不限于此，还可以设置第二电极层为整面电极、第一电极层1为图形化电极，来实现对各压电单元的单独控制，请参考图9，具体如下。

第二电极层还包括第二电极本体32，多个第一导电部31形成在第二电极本体32的第一下表面上，第二电极本体32的第一下表面上与压电层2的第一表面在同一平面上，第一电极层1包括分离设置的多个第一子电极11，任意两个第一子电极11之间相互绝缘，各第一子电极11的分别覆盖在各凸出部22上。需要说明的是，图中以各第一子电极11之间不包含任何物质来实现绝缘，然不限于此，还可以在各第一子电极11之间填充绝缘物质来实现绝缘。

多个第一导电部31形成在第二电极本体32上，第二电极本体32上的各第一导电部31设置在各第一凹槽中，压电层2的第二表面上的多个凸出部22分别位于各第一子电极11中，即各第一子电极11的上表面设置有容置空间，各凸出部22分别设置在第一子电极11的容置空间中，每个子电极11的容置空间可以完全覆盖对应的凸出部22(图中以此为例)，也可以部分覆盖对应的第一子电极11，从而能够实现对各第一凹槽所形成的压电单元的单独控制。

示例性的，请参考图10，压电层2的第一表面上形成阵列设置且呈半球状的第一凹槽，第二电极层包括阵列设置的半球状的第一导电部31，各第一导电部31分别设置在压电层2的各第一凹槽内，压电层2的第二表面对应阵列设置有多个半球状的凸出部22。

示例性的，请参考图11，压电层2的第一表面上形成多个半圆柱体状的第一凹槽，第二电极层包括并行设置的半圆柱体状的第一导电部31，各第一导电部31分别设置在压电层2的各第一凹槽内，压电层2的第二表面对应并行设置有多个半圆柱体状的凸出部22。

本申请第三实施例涉及一种超声换能器，本实施例相对于第二实施例而言，主要不同之处在于：提供了一种分离压电薄膜的压电层。

请参考图12，压电层2包括多个压电单元，每个压电单元包括一个与第一表面相对的第二表面，每个压电单元的第一表面上形成一个第一凹槽，第二表面包括凸面23，第一电极层1中具有多个收容空间，多个压电单元设置在第一电极层1的收容空间内，多个第一导电部31分别设置在压电单元的第一凹槽内，第一电极层1具有一个第二上表面，压电层2的第一表面、第一电极层1的第二上表面以及第一导电部31的第一上表面在同一平面上。

本实施例中，压电层2包括了由多个第一凹槽所形成的压电单元，第一电极层1上形成有多个收容空间，各压电单元分别设置在各收容空间中，从而使得任意两个压电单元之间不存在接触，第一电极层1设置有第一凹槽的表面、第一导电部31的第一上表面以及电路层4的下表面在同一平面上，通过这种设置方式，使得任一压电单元在振动时，不会对相邻的压电单元造成干扰，避免了压电单元之间的干扰。

本实施例相对于第二实施例而言，提供了一种分离压电薄膜的压电层，其能够避免多个压电单元之间的振动干扰。

本申请第四实施例涉及一种超声换能器，本实施例相对于第一实施例而言，主要不同之处在于：第一实施例以超声换能器的声波发射方向为从第一电极层到电路层为例，本实施例中，以超声换能器的声波发射方向为从电路层到第一电极层为例进行说明。

本实施例中，请参考图13与图14，超声换能器包括：第一电极层1、压电层2、第二电极层以及电路层4。其中，第一电极层1和第二电极层可以为铜、锡、铝等材料或者铜、锡、铝的化合物，有机导电材料，半导体材料等。

示例性的，超声换能器还包括功能层5，功能层5为衬底，本实施例中可以设置功能层5由与压电层2的声阻匹配的材料制作，即该功能层5作为声阻匹配层，此时功能层5与压电层2的声阻相匹配，能够提升有效声压。

第一电极层1设置在功能层5上，压电层2设置在第一电极层1上，压电层2上设置有第二电极层以及电路层4。

压电层2的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个第一凹槽具有一个凹面21，每个凹面21的朝向与超声换能器的声波发射方向相同，且凹面21与压电层2的第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。其中，压电层2可以由电陶瓷锆钛酸铅PZT、聚偏二氟乙烯PVDF等压电材料制成的压电薄膜。

本实施例中，超声换能器的声波发射方向为从电路层4到第一电极层1，此时各凹面21是朝向第一电极层1的，因此压电层2的第一表面即为压电层2的下表面，凹面21与第一表面所在的平面之间的接触角即为凹面21与第一电极层1的上表面之间的接触角，压电层2的第二表面即为压电层2的上表面，其与第三电极层3以及电路层4相接触。

如图13所示，凹面21与第一电极层1的上表面之间的接触角为凹面21与第一电极层1的上表面的交点处作与凹面21相切的线L与第一电极层1的上表面之间的夹角θ，该夹角θ在0度到90度之间，即0度＜θ＜90度，从而使凹面21能够对声波起到汇聚作用，以减小声波发射的发散角度，还能够使凹面21所形成的空腔形成声学谐振腔，以增加超声换能器的发射灵敏度。

本实施例中，压电层2的凹面21朝向第一电极层，第一电极层1包括第一电极本体12与多个第二导电部13，第一电极本体12具有靠近压电层2的第四上表面，多个第二导电部13设置在第一电极本体12的第四上表面上，且多个第二导电部13分别设置在压电层2的第一凹槽中，第一电极本体12的第四上表面、第二导电部13的下表面以及压电层2的第一表面在同一平面上。

由上可知，第一电极层1包括第一电极本体12与设置在该第一电极本体12的第四上表面的多个第二导电部13，第二导电部13与第一凹槽的形状匹配，从而可以设置在第一凹槽中，第一电极本体12的第三上表面能够对第一凹槽进行封闭。

在图13中，压电层2的第二表面上形成有多个与第一凹槽相对应的凸出部22，凸出部22的形状可以与第一凹槽的形状相同或不同，且凸出部22与第一凹槽在垂直于压电层2的方向上位置相对应。第二电极层包括多个第二子电极33，任意两个第二子电极33之间相互绝缘，各第二子电极33的分别覆盖在各凸出部22上，第二子电极33位于凸出部22与电路层4之间，且电路层4靠近压电层2的下表面与压电层的第二表面在同一平面上。即第二子电极33与凸出部22的形状匹配，各第二子电极33分别覆盖对应的凸出部22，电路层4设置在压电层2上，覆盖了压电层2与第二子电极33，且电路层4的下表面与压电层的的第二表面在同一平面上。

在图14中，压电层2的第二表面为平面，第二电极层包括多个第二子电极33，任意两个第二子电极33之间相互绝缘，各第二子电极33覆盖在压电层2的第二表面上，且第二子电极33的位置与第一凹槽相对应，即各第二子电极33的分别覆盖在各第一凹槽的背面，第二子电极33位于压电层2的第二表面与电路层4的下表面之间，且电路层4靠近压电层2的下表面与压电层2的第二表面在同一平面上。

在图13与图14中，第二电极层为图形化电极、第一电极层1为整面电极，第二电极层包括多个第二子电极33，各第一凹槽所形成的压电单元能够通过对应的第二子电极33与电路层4电性连接，此时能够通过各第二子电极33分别对各压电单元进行单独控制；然不限于此，还可以设置第二电极层为整面电极、第一电极层1为图形化电极，来实现对各压电单元的单独控制，请参考图15，具体如下。

第二电极层3覆盖在压电层2的第二表面上，第一电极本体12包括多个第三子电极121，任意两个第三子电极121之间相互绝缘，各第二导电部13分别形成在各第三子电极121上。即将第一电极本体12分成了多个第三子电极121，在每个第三子电极121上设置第二导电部13，各第二导电部13分别位于各第一凹槽中，第三子电极121的上表面、第二导电部13的下表面以及压电层2的第一表面在同一平面上，从而各第一凹槽所形成的压电单元能够通过其中的第二导电部13与各第三子电极121电性连接，从而能够实现对各第一凹槽所形成的压电单元的单独控制。

示例性的，请参考图16(以图13的超声换能器为例)，超声换能器还包括设置在电路层4上背衬层10，能够减少超声波在朝向电路层4的方向反向传播。

本申请第五实施例涉及一种超声换能器，本实施例相对于第四实施例而言，主要不同之处在于：提供了一种分离压电薄膜的压电层。

请参考图17，压电层2的第一凹槽的凹面21朝向第一电极层，第一电极层1包括多个第三导电部14，多个第三导电部14分别设置在压电层2的第一凹槽中；多个第三导电部14具有远离第二电极层3的第二下表面，多个第三导电部14的第二下表面与压电层2的第一表面在同一平面上；多个第一凹槽分别设置在第二电极层3中，任意两个第一凹槽之间不存在接触，第二电极层设置有第一凹槽的表面与压电层2的第一表面在同一平面上。

压电层2包括分离设置的多个第一凹槽，多个第一凹槽形成了压电层2的多个压电单元，这多个压电单元间隔设置在第二电极层3中，即第二电极层3上包括多个收容空间，各压电单元分别设置在该收容空间中，使得任意两个压电单元之间均不存在连接，从而任一压电单元在振动时，不会对相邻的压电单元造成干扰，避免了压电单元之间的干扰。

本实施例相对于第四实施例而言，提供了一种分离压电薄膜的压电层，其能够避免由各凹面所形成的压电单元之间的振动干扰。

本申请第六实施例涉及一种电子设备，包括第一至第五实施例中任一项的超声换能器，电子设备可以为便携式的移动终端，例如手机、平板电脑等，电子设备可以利用该超声换能器实现指纹识别、振动反馈等功能，举例来说，超声换能器安装在电子设备的触摸屏的下方，则该超声换能器能够用于屏下指纹识别。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (26)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括：第一电极层、压电层、第二电极层以及电路层；

所述压电层设置在所述第一电极层上，所述压电层上设置有所述第二电极层以及所述电路层；

所述压电层的第一表面上形成有多个第一凹槽，每个所述第一凹槽具有一个凹面，每个所述凹面的朝向与所述超声换能器的声波发射方向相同，所述凹面与所述第一表面所在的平面之间的接触角大于0度且小于90度。

2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层的第一凹槽的凹面朝向所述电路层，所述第二电极层包括多个第一导电部，所述多个第一导电部分别设置在所述压电层的所述第一凹槽内。

3.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述第一表面上形成阵列设置且呈半球状的所述第一凹槽，所述第二电极层包括阵列设置的半球状的所述第一导电部，各所述第一导电部分别设置在各所述第一凹槽内。

4.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述第一表面上形成多个半圆柱体状的所述第一凹槽，所述第二电极层包括并行设置的半圆柱体状的所述第一导电部，各所述第一导电部分别设置在各所述第一凹槽内。

5.如权利要求2至4中任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述多个第一导电部具有远离所述第一电极层的第一上表面，所述第一上表面与所述压电层的所述第一表面在同一平面上。

6.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层包括多个压电单元，每个压电单元包括一个与所述第一表面相对的第二表面，每个压电单元的第一表面上形成一个所述第一凹槽，所述第二表面包括凸面，所述第一电极层中具有多个收容空间，所述多个压电单元设置在所述第一电极层的收容空间内，所述多个第一导电部分别设置在所述压电单元的所述第一凹槽内。

7.如权利要求6所述的超声换能器，其特征在于，所述第一电极层具有一个第二上表面，所述压电层的第一表面、所述第一电极层的第二上表面以及所述第一导电部的第一上表面在同一平面上。

8.如权利要求6所述的超声换能器，其特征在于，所述多个压电单元间隔设置。

9.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述第一电极层具有一个第二上表面，所述压电层的第一表面与所述第一导电部的第一上表面在同一个平面上，所述压电层的第一表面与所述第一电极层的第二上表面不在同一平面上。

10.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括多个绝缘部，所述第一导电部上形成有第二凹槽，所述绝缘部设置在所述第一导电部的所述第二凹槽内，以使所述绝缘部与所述压电层间隔设置。

11.如权利要求10所述的超声换能器，其特征在于，所述多个绝缘部具有远离所述第一电极层的第三上表面，所述第三上表面与所述压电层的所述第一表面在同一平面上。

12.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层的第一凹槽的凹面朝向所述第一电极层，所述第一电极层包括第一电极本体与多个第二导电部，所述第一电极本体具有靠近所述压电层的第四上表面，所述多个第二导电部设置在所述第四上表面上，且所述多个第二导电部分别设置在所述压电层的所述第一凹槽中，所述第一电极本体的第四上表面、所述第二导电部的下表面以及所述压电层的所述第一表面在同一平面上。

13.如权利要求12所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层的所述第一表面上形成阵列设置且呈半球状的所述第一凹槽，所述第一电极层包括阵列设置的半球状的所述第二导电部，各所述第二导电部分别设置在所述压电层的各所述第一凹槽内。

14.如权利要求12所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层的第一表面上形成多个半圆柱体状的所述第一凹槽，所述第一电极层包括并行设置的半圆柱体状的所述第二导电部，各所述第二导电部分别设置在所述压电层的各所述第一凹槽内。

15.如权利要求12所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括设置在电路层上背衬层。

16.如权利要求2或12所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层包括与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面为平面。

17.如权利要求2或12所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层包括与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面上形成有多个与所述第一凹槽相对应的凸出部。

18.如权利要求17所述的超声换能器，其特征在于，所述第二电极层还包括第二电极本体，所述多个第一导电部形成在所述第二电极本体的第一下表面上，所述第一下表面与所述压电层的所述第一表面在同一平面上；

所述第一电极层包括分离设置的多个第一子电极，任意两个所述第一子电极之间相互绝缘，各所述第一子电极的分别覆盖在各所述凸出部上。

19.如权利要求17所述的超声换能器，其特征在于，所述第二电极层包括多个第二子电极，任意两个所述第二子电极之间相互绝缘，各所述第二子电极的分别覆盖在各所述凸出部上，所述第二子电极位于所述凸出部与所述电路层之间，且所述电路层靠近所述压电层的下表面与所述压电层的第二表面在同一平面上。

20.如权利要求18所述的超声换能器，其特征在于，所述第二电极层包括多个第二子电极，任意两个所述第二子电极之间相互绝缘，各所述第二子电极的分别覆盖在各所述第一凹槽的背面，所述第二子电极位于所述凸出部与所述电路层之间，且所述电路层靠近所述压电层的下表面与所述压电层的第二表面在同一平面上。

21.如权利要求18所述的超声换能器，其特征在于，所述第二电极层覆盖在所述压电层的第二表面上；

所述第一电极本体包括多个第三子电极，任意两个所述第三子电极之间相互绝缘，各所述第二导电部分别形成在各所述第三子电极上。

22.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述凹面朝向所述第一电极层，所述第一电极层包括多个第三导电部，所述多个第三导电部分别设置在所述压电层的所述第一凹槽中；

所述多个第三导电部具有远离所述第二电极层的第二下表面，所述多个第三导电部的第二下表面与所述压电层的所述第一表面在同一平面上；

多个所述第一凹槽分别设置在所述第二电极层中，任意两个所述第一凹槽之间不存在接触，所述第二电极层设置有所述第一凹槽的表面与所述压电层的所述第一表面在同一平面上。

23.如权利要求10所述的超声换能器，其特征在于，所述绝缘部与所述压电层的声阻相匹配。

24.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括功能层，所述第一电极层设置在所述功能层上，所述功能层包括衬底和/或背衬。

25.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述接触角大于75度且小于90度。

26.一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求1至25中任一项所述的超声换能器。

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