CN112229916A

CN112229916A - 超声波传感器

Info

Publication number: CN112229916A
Application number: CN202011208677.6A
Authority: CN
Inventors: 王地宝; 范成至; 周正三
Original assignee: Egis Technology Inc
Current assignee: Egis Technology Inc
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-01-15
Also published as: TW202136984A; CN213337474U; WO2021189861A1; TWI758930B; TWM610272U

Abstract

本发明提供一种超声波传感器。超声波传感器包括感测阵列。感测阵列包括阵列排列的多个感测单元。所述多个感测单元的各别包括第一超声波换能器以及第二超声波换能器。第一超声波换能器用以发射感测超声波。第二超声波换能器用以接收对应于超声波的反射超声波。第一超声波换能器与第二超声波换能器平行设置于平面。第一超声波换能器与第二超声波换能器具有垂直于平面的相同中心轴。

Description

超声波传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种超声波传感器。

背景技术

目前已知的超声波指纹扫描原理中，大多单独采用压电式微加工超音波换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT)架构来发射与接收超声波。对此，传统的超声波感测技术由于具有超声波信号强度不足，因此存在较难穿透较硬、较厚或多层固体结构的问题，或者是由PMUT架构的多个PMUT所发射的超声波存在容易发散的缺点，而导致反射声波具有低信号噪声比(Signal Noise Ratio，SNR)以及图像对比度不佳的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种超声波传感器可具有良好的超声指纹回声信号质量。

根据本发明的实施例，本发明的超声波传感器包括感测阵列。感测阵列包括阵列排列的多个感测单元，其中该些感测单元的各别包括第一超声波换能器以及第二超声波换能器。第一超声波换能器用以发射感测超声波。第二超声波换能器用以接收对应于超声波的反射超声波。第一超声波换能器与第二超声波换能器平行设置于平面。第一超声波换能器与第二超声波换能器具有垂直于平面的相同中心轴。

基于上述，本发明的超声波传感器可通过在超声波传感器当中的阵列排列且设置于同一平面的多个感测单元来发射及接收超声波，以使超声波传感器可感测具有良好的超声指纹回声信号质量的反射超声波。

为让本揭露的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的一实施例的超声波传感器的示意图；

图2是本发明的一实施例的感测单元的俯视示意图；

图3是本发明的一实施例的感测单元的侧视剖面示意图；

图4是本发明的第一实施例的超声波传感器的操作示意图；

图5A是本发明的第一实施例的超声波传感器的发射电路图；

图5B是本发明的第一实施例的超声波传感器的接收电路图；

图6是本发明的第二实施例的超声波传感器的操作示意图；

图7A是本发明的第二实施例的超声波传感器的发射电路图；

图7B是本发明的第二实施例的超声波传感器的接收电路图；

图8是本发明的第三实施例的超声波传感器的操作示意图；

图9A是本发明的第三实施例的超声波传感器的发射电路图；

图9B是本发明的第三实施例的超声波传感器的接收电路图。

附图标记说明

100、400、600、800:超声波传感器；

110:感测阵列；

120:集成电路；

210、431～437、631～635、831～837:感测单元；

210C:中心轴；

211、212、431T～437T、431R～437R、631T～635T、631R～635R、831T～837T、831R～837R:超声波换能器；

2111、2112、2121、2122:金属层；

2113、2123:介电层；

2114、2124:腔体；

220、420、620、820:基板；

230、430、630、830:支撑层；

401、601、801:感测目标；

440、640、840:黏合层；

450、650、850:面板；

460、660、861～867:驱动电路；

470、670、870:图像合成电路；

481～487、681～685、881～887:感测电路；

661～665:延迟电路；

891～897:带通滤波器；

D1、D2、D3:方向。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1是本发明的一实施例的超声波传感器的示意图。参考图1，超声波传感器100包括感测阵列110以及集成电路120。感测阵列110包括阵列排列的多个感测单元，并且集成电路120耦接感测阵列110的所述多个感测单元。集成电路120可用于驱动所述多个感测单元，并接收所述多个感测单元的感测结果。在本实施例中，集成电路120可例如包括本发明各实施例所提到的驱动电路、感测电路、延迟电路及图像合成电路的至少其中之一，但本发明并不限于此。在一实施例中，集成电路120可包括可程序设计的一般用途或特殊用途的微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、可程序设计控制器、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、图形处理器(graphics processing unit，GPU)或其他类似组件或上述组件的组合且可用于实现本发明的相关功能电路。

图2是本发明的一实施例的感测单元的俯视示意图。参考图2，图1的感测阵列110中的每一个感测单元的俯视结构可如图2所示的感测单元210。在本实施例中，感测单元210包括超声波换能器211、212。在本实施例中，超声波换能器211、212可为电容式超音波微换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT)，但本发明并不限于此。在本实施例中，超声波换能器211、212平行设置于如沿着方向D1、D2延伸所形成的平面，其中方向D1、D2、D3彼此垂直。超声波换能器211、212具有垂直于所述平面的相同中心轴210C。在本实施例中，超声波换能器211为环形，并且超声波换能器211在所述平面上环绕超声波换能器212来设置。值得注意的是，在本实施例中，超声波换能器211可用以发射感测超声波，并且超声波换能器212可用以接收对应于超声波的反射超声波。然而，在一实施例中，超声波换能器212也可用以发射感测超声波，并且超声波换能器211也可用以接收对应于超声波的反射超声波。

图3是本发明的一实施例的感测单元的侧视剖面示意图。参考图2及图3，图3为图2的感测单元210的侧视剖面图。在本实施例中，基板220上形成支撑层230，并且感测单元210形成于支撑层230当中。在本实施例中，超声波换能器211包括金属层2111、2112，并且金属层2111、2112之间包括介电层2113以及腔体2114，其中腔体2114可包括介质材料，或为具有空气或为真空的空腔体结构。金属层2111、2112作为电极，并且可耦接驱动电路或感测电路。在本实施例中，超声波换能器212包括金属层2121、2122，并且金属层2121、2122之间包括介电层2123以及腔体2124，其中腔体2124可包括介质材料或为空腔。金属层2121、2122作为电极，并且可耦接驱动电路或感测电路。举例而言，在一实施例中，腔体2114、2124的至少其中之一可填充满所述介质材料，并且所述介质材料可为软性材料。在另一实施例中，上述的介质材料可为聚合物(Polymer)材料。

在本实施例中，金属层2111、2112、2121、2122可例如是铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)、铜(Cu)或银(Ag)等材料。介电层2113、2123可例如是二氧化硅(Silicon Dioxide)、氧化铝(Aluminum Oxide)或氮化硅(Silicon Nitride)等介电半导体材料。腔体2114、2124的间隙可例如介于0.03微米(um)至1.5微米之间。

图4是本发明的第一实施例的超声波传感器的操作示意图。图5A是本发明的第一实施例的超声波传感器的发射电路图。图5B是本发明的第一实施例的超声波传感器的接收电路图。参考图4，在本实施例中，超声波传感器400包括基板420、支撑层430、黏合层440以及面板450，其中面板450可为透光面板或非透光面板，例如玻璃、显示面板或一般板材等。在本实施例中，超声波传感器400例如包括感测单元431～437，其中感测单元431～437的每一个可如上述图2、图3的感测单元210。

参考图4及图5A，超声波传感器400还包括驱动电路460，其中驱动电路460例如设置于上述图1实施例所述的集成电路120当中，但本发明并不限于此。在本实施例中，驱动电路460是以并联的方式耦接至感测单元431～437的超声波换能器431T～437T，以输出驱动信号至超声波换能器431T～437T。感测单元431～437的超声波换能器431T～437T依据驱动信号同时发射多个感测超声波，其中所述多个感测超声波可为多个球面波。所述多个感测超声波形成平面波。所述平面波经由支撑层430、黏合层440以及面板450传递至感测目标401的表面，以使感测目标401的表面产生反射超声波。所述反射超声波经由面板450、黏合层440以及支撑层430回传至感测单元431～437。感测目标401可为手指，并且感测目标401的表面可具有指纹纹路。

在本实施例中，超声波换能器431T～437T可例如是图2的超声波换能器211及超声波换能器212的其中之一。值得注意的是，本实施例的感测单元431～437的超声波换能器431T～437T可发射具有第一频率的感测超声波(中低频机械弹性波)，其中第一频率可例如为5～50兆赫(MHz)。

参考图4及图5B超声波传感器400还包括感测电路481～487以及图像合成电路470，其中感测电路481～487以及图像合成电路470例如设置于上述图1实施例所述的集成电路120当中，但本发明并不限于此。在本实施例中，感测电路481～487一对一地耦接至感测单元431～437的超声波换能器431R～437R。超声波换能器431R～437R用于接收上述的反射超声波，并且感测电路481～487感测超声波换能器431R～437R，而输出多个感测信号至图像合成电路470。感测电路481～487分别耦接至图像合成电路470。图像合成电路470依据所述多个感测信号来产生感测图像(指纹图像)。在本实施例中，超声波换能器431R～437R可例如是图2的超声波换能器211及超声波换能器212的其中的另一。值得注意的是，本实施例的感测单元431～437的超声波换能器431R～437R可例如接收具有第一频率的一倍频或两倍频的反射超声波。

图6是本发明的第二实施例的超声波传感器的操作示意图。图7A是本发明的第二实施例的超声波传感器的发射电路图。图7B是本发明的第二实施例的超声波传感器的接收电路图。参考图6，在本实施例中，超声波传感器600包括基板620、支撑层630、黏合层640以及面板650，其中面板650可为透光面板或非透光面板，例如玻璃、显示面板或一般板材等。在本实施例中，超声波传感器600例如包括感测单元631～635，其中感测单元631～635的每一个可如上述图2、图3的感测单元210。

参考图6及图7A，超声波传感器600还包括延迟电路661～665、驱动电路660，其中延迟电路661～665及驱动电路660例如设置于上述图1实施例所述的集成电路120当中，但本发明并不限于此。在本实施例中，驱动电路660是以并联的方式耦接至感测单元631～635的超声波换能器631T～635T，并且延迟电路661～665一对一地分别与超声波换能器631T～635T串联耦接。因此，驱动电路660输出驱动信号至延迟电路661～665，以使延迟电路661～665提供具有不同相位延迟的多个驱动信号至超声波换能器631T～635T。感测单元631～635的超声波换能器631T～635T依据具有不同相位延迟的所述多个驱动信号发射具有不同相位延迟的多个感测超声波，其中所述多个感测超声波可为多个球面波。具有不同相位延迟的所述多个感测超声波可形成聚焦波。所述聚焦波经由支撑层630、黏合层640以及面板650传递至感测目标601的表面，以使感测目标601的表面产生反射超声波。所述反射超声波经由面板650、黏合层640以及支撑层630回传至感测单元631～635。感测目标601可为手指，并且感测目标601的表面可具有指纹纹路。

在本实施例中，超声波换能器631T～635T可例如是图2的超声波换能器211及超声波换能器212的其中之一。值得注意的是，本实施例的感测单元631～635的超声波换能器631T～635T可例如发射具有第一频率的感测超声波(中低频机械弹性波)，其中第一频率可例如为5～50兆赫。

参考图6及图7B超声波传感器600还包括感测电路681～685以及图像合成电路670，其中感测电路681～685以及图像合成电路670例如设置于上述图1实施例所述的集成电路120当中，但本发明并不限于此。在本实施例中，感测电路681～685一对一地耦接至感测单元631～635的超声波换能器631R～635R。超声波换能器631R～635R用于接收上述的反射超声波，并且感测电路681～685感测超声波换能器631R～635R，而输出多个感测信号至图像合成电路670。感测电路681～685分别耦接至图像合成电路670。图像合成电路670依据所述多个感测信号来产生感测图像(指纹图像)。在本实施例中，超声波换能器631R～635R可例如是图2的超声波换能器211及超声波换能器212的其中的另一。值得注意的是，本实施例的感测单元631～635的超声波换能器631R～635R可接收具有第一频率的一倍频或两倍频的反射超声波。

图8是本发明的第三实施例的超声波传感器的操作示意图。图9A是本发明的第三实施例的超声波传感器的发射电路图。图9B是本发明的第三实施例的超声波传感器的接收电路图。参考图8，在本实施例中，超声波传感器800包括基板820、支撑层830、黏合层840以及面板850，其中面板850可为透光面板或非透光面板，例如玻璃、显示面板或一般板材等。在本实施例中，超声波传感器800例如包括感测单元831～837，其中感测单元831～837的每一个可如上述图2、图3的感测单元210。

参考图8及图9A，超声波传感器800还包括驱动电路861～867，其中驱动电路861～867例如设置于上述图1实施例所述的集成电路120当中，但本发明并不限于此。在本实施例中，驱动电路861～867一对一地耦接至感测单元831～837的超声波换能器831T～837T，以在不同时间点分别输出多个驱动信号至超声波换能器831T～837T。感测单元831～837的超声波换能器831T～837T的至少一部分依据不同时间点所接收到的所述多个驱动信号来分时发射多个感测超声波，其中所述多个感测超声波可为多个球面波。举例而言，感测单元833、836先发射感测超声波，接着感测单元832、835发射感测超声波，再接着感测单元831、834、837发射感测超声波。因此，所述多个感测超声波可形成多个高指向性超声波。所述多个高指向性超声波经由支撑层830、黏合层840以及面板850传递至感测目标801的表面，以使感测目标801的表面产生反射超声波。感测目标801可为手指，并且感测目标801的表面可具有指纹纹路。所述反射超声波经由面板850、黏合层840以及支撑层830回传至感测单元831～837。

在本实施例中，超声波换能器831T～837T可例如是图2的超声波换能器211及超声波换能器212的其中之一。值得注意的是，本实施例的感测单元831～837的超声波换能器831T～837T可例如发射具有第二频率的感测超声波(中高频机械弹性波)，其中第二频率可例如大于50兆赫(MHz)。

参考8及图9B超声波传感器800还包括感测电路881～887、带通滤波器(band-passfilter)891～897以及图像合成电路870，其中感测电路881～887、带通滤波器891～897以及图像合成电路870例如设置于上述图1实施例所述的集成电路120当中，但本发明并不限于此。在本实施例中，感测电路881～887一对一地耦接至感测单元831～837的超声波换能器831R～837R，并且带通滤波器891～897一对一地耦接至感测电路881～887。超声波换能器831R～837R用于接收上述的反射超声波，并且感测电路881～887感测超声波换能器831R～837R，而输出多个感测信号至带通滤波器891～897。值得注意的是，本实施例的感测单元831～837的超声波换能器831R～837R可例如接收具有第二频率的一倍频或两倍频的反射超声波。对此，带通滤波器891～897可分离出具有第二频率的一倍频或两倍频的感测信号，并且将所述具有第二频率的一倍频或两倍频的感测信号输出至图像合成电路870。带通滤波器891～897分别耦接至图像合成电路870。图像合成电路870依据滤波后的所述多个感测信号来产生感测图像(指纹图像)。在本实施例中，超声波换能器831R～837R可例如是图2的超声波换能器211及超声波换能器212的其中的另一。

综上所述，本发明的超声波传感器可通过设计特殊结构的超声波换能器来有效地发射及接收超声波。并且，本发明的超声波传感器可通过同时发射多个感测超声波来形成平面波的方式，或可通过发射具有不同相位延迟的多个感测超声波来形成聚焦波的方式，或可通过分时发射多个高指向性超声波的方式，来使超声波传感器接收到的反射超声波可具有高信号噪声比的优点，进而可产生具有良好图像质量的感测图像。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种超声波传感器，其特征在于，包括：

感测阵列，包括阵列排列的多个感测单元，其中所述多个感测单元的各别包括：

第一超声波换能器，用以发射感测超声波；以及

第二超声波换能器，用以接收对应于所述超声波的反射超声波，

其中所述第一超声波换能器与所述第二超声波换能器平行设置于平面，并且所述第一超声波换能器与所述第二超声波换能器具有垂直于所述平面的相同中心轴。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一超声波换能器为环形，并且所述第一超声波换能器在所述平面上环绕所述第二超声波换能器来设置。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第二超声波换能器为环形，并且所述第二超声波换能器在所述平面上环绕所述第一超声波换能器来设置。

4.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

驱动电路，耦接所述多个感测单元的所述多个第一超声波换能器，并且用以输出多个驱动信号至所述多个第一超声波换能器，其中所述多个第一超声波换能器依据所述多个驱动信号发射所述多个感测超声波，并且所述多个感测超声波为多个球面波。

5.根据权利要求4所述的超声波传感器，其特征在于，所述多个第一超声波换能器同时发射所述多个感测超声波，以形成平面波传递至感测目标的表面。

6.根据权利要求4所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

多个延迟电路，分别耦接在所述多个第一超声波换能器与所述驱动电路之间，其中所述多个第一超声波换能器以相位延迟的方式发射所述多个感测超声波来形成聚焦波传递至感测目标的表面。

7.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

多个驱动电路，分别耦接所述多个感测单元的所述多个第一超声波换能器，并且用以输出多个驱动信号至所述多个第一超声波换能器，其中所述多个第一超声波换能器的至少一部分依据所述多个驱动信号异步地发射所述多个感测超声波。

8.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

多个感测电路，分别耦接所述多个感测单元的所述多个第二超声波换能器，并且用以感测所述多个第二超声波换能器，以输出多个感测信号；以及

图像合成电路，耦接所述多个感测电路，并且用以依据所述多个感测信号来产生感测图像。

9.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

多个带通滤波器，分别耦接在所述多个感测电路与所述图像合成电路之间，并且用以提供所述多个感测信号至所述图像合成电路。

10.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，所述图像合成电路依据所述多个感测信号当中对应于一倍频以及二倍频的至少其中之一的所述多个反射超声波的部分来产生所述感测图像。

11.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一超声波换能器以及所述第二超声波换能器的至少其中之一为电容式超音波微换能器，并且具有介质材料的腔体。

12.根据权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，所述介质材料为软性材料。

13.根据权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，所述介质材料为聚合物材料。