CN117930244A - 超声波传感器和制备超声波传感器的方法 - Google Patents

超声波传感器和制备超声波传感器的方法 Download PDF

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CN117930244A CN202211252552.2A CN202211252552A CN117930244A CN 117930244 A CN117930244 A CN 117930244A CN 202211252552 A CN202211252552 A CN 202211252552A CN 117930244 A CN117930244 A CN 117930244A
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Abstract

本发明公开了超声波传感器和制备超声波传感器的方法,所述超声波传感器包括基板、以及位于所述基板一侧的功能层;所述功能层包括超声波发声单元和自发电模块;所述自发电模块包括多个阵列排布的子发电单元,相邻的所述子发电单元之间设有阻隔层;子发电单元输出的电压与子发电单元受到的压力相关,且子发电单元被配置为向超声波发声单元的传感层发射电信号。由此,本发明的超声波传感器能够自体供电,不需外围提供电源,本发明的方案增加了超声回波信号的拾取,提高了超声回波拾取的灵敏度和可探测性,可改善现有的超声拾取电信号过低的问题。此外,本发明的超声波传感器中不需要设置TFT结构,具有结构简单的优点。

Description

超声波传感器和制备超声波传感器的方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域,具体涉及超声波传感器和制备超声波传感器的方法。
背景技术
在超声探测技术中,一般是采用聚偏氟乙烯(PVDF)等压电材料接受电信号,产生震动发出超声波,超声波传播过程中遇到障碍物,被反射回来。反射回来的超声波传输到PVDF等压电材料后,受压产生电信号,根据电信号就可以拾取出障碍物的形貌。
由于PVDF压电系数D33的值较低,超声回波在PVDF压电层产生电荷低、电压低等原因,使回波拾取效率低,信号探测灵敏度低,且敏感元件的运作需要外围供电。而且,现有的超声波传感器中需要制作TFT结构,结构复杂。
因此,有必要对超声波传感器进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上改善上述技术问题的至少之一。
为改善上述技术问题,本发明提供一种超声波传感器,所述超声波传感器包括基板、以及位于所述基板一侧的功能层;所述功能层包括超声波发声单元和自发电模块;所述自发电模块包括多个阵列排布的子发电单元,相邻的所述子发电单元之间设有阻隔层;所述子发电单元输出的电压与所述子发电单元受到的压力相关,且所述子发电单元被配置为向所述超声波发声单元的传感层发射电信号。由此,本发明的超声波传感器能够自体供电,不需外围提供电源,本发明的方案增加了超声回波信号的拾取,提高了超声回波拾取的灵敏度和可探测性,可改善现有的超声拾取电信号过低的问题。此外,本发明的超声波传感器中不需要设置TFT结构,具有结构简单的优点。
根据本发明的实施例,形成所述阻隔层的材料为树脂。
根据本发明的实施例,所述子发电单元包括第一电极、压力敏感层、隔离层、第二电极和第一绝缘层,所述压力敏感层位于所述第一电极的一侧,形成压力敏感层的材料包括水合氧化石墨烯;所述隔离层位于所述压力敏感层远离所述第一电极的一侧;所述第二电极位于所述隔离层远离所述压力敏感层的一侧;所述第一绝缘层位于所述第二电极远离所述隔离层的一侧。由此,当受到压力时,子发电单元可以提供较高的电压和较高的电流,增加了超声回波信号的拾取,提高了超声回波拾取的灵敏度和可探测性。
根据本发明的实施例,所述子发电单元满足以下条件的至少之一:形成第一电极的材料包括氧化还原石墨烯、钛铝钛、银的至少一种;所述水合氧化石墨烯的含水量为14wt%~18wt%;形成所述隔离层的材料包括聚乙烯醇纳米纤维;形成所述第二电极的材料包括钛铝钛、金属碳化物、金属氮化物的至少一种;形成所述第一绝缘层的材料包括氮化硅。
根据本发明的实施例,所述超声发声单元的传感层包括压电膜层,所述第一绝缘层具有和所述第二电极连通的输出端,所述输出端与所述压电膜层相连,以将所述电信号发射至所述压电膜层。
根据本发明的实施例,形成所述压电膜层的材料包括聚偏氟乙烯。
根据本发明的实施例,所述超声波发声单元包括第三电极、所述压电膜层和第四电极,所述第四电极与所述输出端接触。
根据本发明的实施例,所述超声波发声单元包括第三电极和所述压电膜层,所述压电膜层与所述输出端接触。
根据本发明的实施例,所述第三电极为发射电极,所述第四电极或所述输出端为接收电极。
根据本发明的实施例,所述超声波发声单元在所述基板上的正投影与所述自发电单元在所述基板上的正投影至少部分重叠。
本发明还提供一种制备超声波传感器的方法,所述方法包括:提供基板;在所述基板的一侧形成功能层;其中,所述功能层包括:超声波发声单元和自发电模块;所述自发电模块包括多个阵列排布的子发电单元,相邻的所述子发电单元之间设有阻隔层;所述子发电单元输出的电压与所述子发电单元受到的压力相关,且所述子发电单元被配置为向所述超声波发声单元的传感层发射电信号。
在本发明的一些实施例中,由上述方法所制备得到的超声波传感器具有前文所述的超声波传感器所具有的全部特征和优点,在此不再赘述。
根据本发明的实施例,多个子发电单元通过以下方法制备:形成多个间隔设置的第一电极;在相邻的所述第一电极之间形成阻隔层;在所述第一电极的一侧形成压力敏感层;在所述压力敏感层远离所述第一电极的一侧形成隔离层;在所述隔离层远离所述压力敏感层的一侧形成第二电极;在所述第二电极远离所述隔离层的一侧形成第一绝缘层。
根据本发明的实施例,形成多个间隔设置的第一电极包括:形成均一厚度的导电层,所述导电层划分为刻蚀区和非刻蚀区;将所述非刻蚀区进行遮挡,对所述刻蚀区进行刻蚀,以去除所述刻蚀区的所述导电层,得到图案化的导电层;对所述图案化的导电层进行还原处理,得到第一电极。
附图说明
图1示出了现有超声波传感器的俯视图;
图2示出了现有超声波传感器中,一个传感结构的截面图;
图3是本发明一个实施例中,超声波传感器的结构示意图;
图4是本发明一个实施例中,超声波传感器的结构示意图;
图5是本发明一个实施例中,超声波传感器的电学原理图;
图6是本发明一个实施例中,超声波传感器的结构示意图;
图7是本发明另一个实施例中,超声波传感器的结构示意图;
图8是本发明另一个实施例中,超声波传感器的结构示意图;
图9是本发明另一个实施例中,超声波传感器的结构示意图;
图10是本发明另一个实施例中,超声波传感器的结构示意图;
图11是本发明一个实施例中,制备超声波传感器的方法流程图;
图12是本发明一个实施例中,制备子发电单元的方法流程图;
图13是本发明一个实施例中,制备多个间隔设置的第一电极的方法流程图;
图14是本发明一个实施例中,制备多个间隔设置的第一电极的流程图。
附图标记说明
10-TFT结构,20-发射电极,30-PVDF层,40-接收电极,100-基板,200-功能层,210-超声波发声单元,211-压电膜层,212-第三电极,213-第四电极,220-自发电模块,221-子发电单元,2211a-第一导电层,H-遮挡层,2211-第一电极,2212-压力敏感层,2213-隔离层,2214-第二电极,2215-第一绝缘层,300-阻隔层,400-缓冲层,500-第二绝缘层,600-平坦化层,700-封装层,800-输出端。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
参考图1,现有超声波传感器包括多个阵列排布的传感结构,图2示出了现有超声波传感器中一个传感结构的截面图,参考图2,现有的超声波传感器中,每个传感结构包括TFT结构10和位于TFT结构10一侧的发射电极20、PVDF层30和接收电极40。PVDF材料具有压电性能,当声波传输到PVDF层30时,由于压电效应,产生电荷,从电极输出,从而拾取声压等信号,完成拾波。在柔性拾波、指纹打印等装置中由于PVDF D33数值较小,由此压电感应产生的电荷较小,且输出频宽窄。即便提高其信号中放大元件的跨导能力,拾测效果也不明显。而且,现有超声波传感器需要外围供电,还需要设置TFT结构10,结构复杂。
为改善上述技术问题,本发明提供一种超声波传感器,参考图3,所述超声波传感器包括基板100、以及位于所述基板100一侧的功能层200;所述功能层200包括超声波发声单元210和自发电模块220;所述自发电模块220包括多个阵列排布的子发电单元221,相邻的所述子发电单元221之间设有阻隔层300;所述子发电单元221输出的电压与所述子发电单元221受到的压力相关,且所述子发电单元221被配置为向所述超声波发声单元210的传感层发射电信号。由此,本发明的超声波传感器能够自体供电,不需外围提供电源,灵敏度高,自发电模块可提供0.5伏电压,>3.0uAcm-2的短路电流密度,能感知1~1200Kpa的压力范围,能够检测静态和动态机械刺激,并且具有良好的响应性能,有益的可调性和电极选择通用性,本发明的方案增加了超声回波信号的拾取,提高了超声回波拾取的灵敏度和可探测性,可解决现有超声波传感器中超声波回波拾波测量信号偏低的问题。此外,本发明的超声波传感器中不需要设置TFT结构,也不需外围提供电源,具有结构简单的优点。
根据本发明的一些具体实施例,所述超声波发声单元210的传感层包括压电膜层211,形成所述压电膜层211的材料包括聚偏氟乙烯(PVDF)。
根据本发明的实施例,形成所述阻隔层300的材料为树脂。一方面,阻隔层300可以对子发电单元221起到保护作用;另一方面,通过阻隔层300可以形成多个间隔设置的子发电单元221,可以用于检测不同位置处的电信号变化,可以提高超声波传感器的测量精度。
根据本发明的实施例,参考图4,所述子发电单元221包括:第一电极2211、压力敏感层2212、隔离层2213、第二电极2214和第一绝缘层2215,所述压力敏感层2212位于所述第一电极2211的一侧,形成压力敏感层2212的材料包括水合氧化石墨烯;所述隔离层2213位于所述压力敏感层2212远离所述第一电极2211的一侧;所述第二电极2214位于所述隔离层2213远离所述压力敏感层2212的一侧;所述第一绝缘层2215位于所述第二电极2214远离所述隔离层2213的一侧。由此,当子发电单元221受到压力时,子发电单元221可以输出电信号,并且子发电单元221可以向超声波发声单元210的传感层发射电信号。也就是说,子发电单元221可以自供电,使用本发明的超声波传感器,不需外围供电,而且可以省略现有超声波传感器中的TFT结构,本发明超声波传感器的结构更简单。
为便于理解,此处对子发电单元221能够发电的原理进行简单说明。
参考图5,当超声波传感器受到压力时,会在压电膜层211表面呈现正负电荷;这些正负电荷会在第一电极2211感应出电子;同时传感器受压时水分子在氧化石墨烯表面滑动、串移,有部分正负离子出现,形成固体氧化石墨烯固溶导电胶,在导电胶中产生正负电荷流动。氧化石墨烯中的电子以光速1/300的速度运动,水分子中的离子电荷运动速度比它低几个数量级,水合氧化石墨烯就会产生稳定的电流和电压,即子发电单元221可以自供电。
根据本发明的实施例,形成第一电极2211的材料包括氧化还原石墨烯、钛铝钛、银的至少一种。
根据本发明的实施例,所述水合氧化石墨烯的含水量为14wt%~18wt%,例如14wt%、15wt%、16wt%、17wt%、18wt%。
根据本发明的实施例,形成所述隔离层2213的材料包括聚乙烯醇纳米纤维。
根据本发明的实施例,形成所述第二电极2214的材料包括钛铝钛、金属碳化物、金属氮化物的至少一种;其中,金属碳化物、金属氮化物是Mxene二维导电物质。
根据本发明的实施例,形成所述第一绝缘层2215的材料包括氮化硅。
根据本发明的实施例,参考图6,所述超声波传感器还包括层叠设置的缓冲层400和第二绝缘层500,所述缓冲层400位于所述基板100与所述功能层200之间;所述第二绝缘层500位于所述缓冲层400远离所述基板100的一侧。
根据本发明的实施例,所述超声波发声单元210的传感层包括压电膜层211,所述第一绝缘层2215具有和所述第二电极2214连通的输出端800,所述输出端800和所述压电膜层211相连,以将所述电信号发射至所述压电膜层211。
根据本发明的一些实施例,参考图7,所述功能层200远离所述基板100的一侧设有平坦化层600,所述平坦化层600远离所述功能层200的一侧设有封装层700。
根据本发明的实施例,参考图7,所述超声波发声单元210包括第三电极212、所述压电膜层211和第四电极213,所述第四电极213与所述输出端800接触。具体地,所述封装层700具有和第三电极212通过过孔连接的输出端800,所述第一绝缘层2215具有两个间隔设置的输出端800,位于第一绝缘层2215上其中一个输出端800与第四电极213接触,位于第一绝缘层2215上的另一个输出端800与第二电极2214接触,所述缓冲层400中具有与第一电极2211通过过孔连接的输出端800。位于封装层700中的输出端800与位于第一绝缘层2215中的一个输出端800连接,形成回路。位于第一绝缘层2215中的另一个输出端800与位于缓冲层400中的输出端800连接,形成回路,在压力的作用下,该回路可以向压电膜层211发射电信号。
在本发明的一些实施例中,阻隔层300至少覆盖子发电单元221的侧边。由此,阻隔层300可以对自发电模块220起到保护作用。具体地,参考图7,阻隔层300可以覆盖子发电单元221的侧边。参考图8,阻隔层300除了可以覆盖子发电单元221的侧边之外,阻隔层300还可以覆盖超声波发声单元210的侧边。
根据本发明的实施例,参考图9,所述超声波发声单元210包括第三电极212和所述压电膜层211,所述压电膜层211与所述输出端800接触。具体地,所述封装层700具有和第三电极212通过过孔连接的输出端800,所述第一绝缘层2215具有两个间隔设置的输出端800,位于第一绝缘层2215上的其中一个输出端800与压电膜层211接触,位于第一绝缘层2215上的另一个输出端800与第二电极2214接触,所述缓冲层400中具有与第一电极2211通过过孔连接的输出端800。位于封装层700中的输出端800与位于第一绝缘层2215中的一个输出端800连接,形成回路。位于第一绝缘层2215中的另一个输出端800与位于缓冲层400中的输出端800连接,形成回路,在压力的作用下,该回路可以向压电膜层211发射电信号。
图7-图9示出了自发电模块220位于超声波发声单元210靠近基板100一侧时,超声波传感器的结构,但是并不限于此,参考图10,所述自发电模块220还可以位于超声波发声单元210远离基板100的一侧。此时,自发电模块220依然可以向超声波发声单元210的传感层发射电信号。
根据本发明的实施例,所述第三电极212为发射电极20,所述第四电极213或所述输出端800为接收电极40。
根据本发明的实施例,所述超声波发声单元210在所述基板100上的正投影与所述自发电单元在所述基板100上的正投影至少部分重叠。
本发明还提供一种制备超声波传感器的方法,参考图11,所述方法包括:
S100、提供基板100;
S200、在所述基板100的一侧形成功能层200;其中,所述功能层200包括:超声波发声单元210和自发电模块220;所述自发电模块220包括多个阵列排布的子发电单元221,相邻的所述子发电单元221之间设有阻隔层300;所述子发电单元221输出的电压与所述子发电单元221受到的压力相关,且所述子发电单元221被配置为向所述超声波发声单元210的传感层发射电信号。
根据本发明的实施例,参考图12,多个子发电单元221通过以下方法制备:
S210、形成多个间隔设置的第一电极2211;
根据本发明的实施例,参考图13和图14,形成多个间隔设置的第一电极2211包括:
S211、形成均一厚度的导电层2211a,所述导电层2211a划分为刻蚀区和非刻蚀区;
根据本发明的一些实施例,所述方法还包括:在基板100的一侧形成缓冲层400,随后在所述缓冲层400远离所述基板100的一侧形成第二绝缘层500。具体地,参考图14中的(a)和(b),步骤S211包括:在第二绝缘层500远离缓冲层400的一侧形成均一厚度的导电层2211a。
在本发明的一些具体实施例中,形成导电层2211a的材料可以为氧化石墨烯。具体地,可以用超声法将氧化石墨烯均匀分布在水溶液或有机溶剂中,形成涂覆液,将涂覆液涂覆在第二绝缘层500远离缓冲层400的一侧,烘干,形成导电层2211a。
需要说明的是,在后续步骤中,导电层2211a的刻蚀区对应形成阻隔层300。
S212、将所述非刻蚀区进行遮挡,对所述刻蚀区进行刻蚀,以去除所述刻蚀区的所述导电层2211a,得到图案化的导电层2211a;
具体地,参考图14中的(c)、(d)和(e),可以得到图案化的导电层2211a。具体地,可以在导电层2211a远离第二绝缘层500的一侧形成遮挡层H,且遮挡层H仅覆盖非刻蚀区,随后对刻蚀区进行刻蚀,以去除刻蚀区的导电层2211a,随后去掉所述遮挡层H,得到图案化的导电层2211a。
S213、对所述图案化的导电层2211a进行还原处理,得到第一电极2211。
具体地,可以用阱联氨对图案化的导电层2211a进行还原处理,得到氧化还原石墨烯,即得到第一电极2211。
在形成多个间隔设置的第一电极2211之后,制备多个子发电单元221的方法还包括:
S220、在相邻的所述第一电极2211之间形成阻隔层300;
S230、在所述第一电极2211的一侧形成压力敏感层2212;
S240、在所述压力敏感层2212远离所述第一电极2211的一侧形成隔离层2213;
S250、在所述隔离层2213远离所述压力敏感层2212的一侧形成第二电极2214;
S260、在所述第二电极2214远离所述隔离层2213的一侧形成第一绝缘层2215。
需要说明的是,本说明书中,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种超声波传感器,其特征在于,所述超声波传感器包括基板、以及位于所述基板一侧的功能层;
所述功能层包括超声波发声单元和自发电模块;所述自发电模块包括多个阵列排布的子发电单元,相邻的所述子发电单元之间设有阻隔层;
所述子发电单元输出的电压与所述子发电单元受到的压力相关,且所述子发电单元被配置为向所述超声波发声单元的传感层发射电信号。
2.根据权利要求1的所述超声波传感器,其特征在于,形成所述阻隔层的材料为树脂。
3.根据权利要求1的所述超声波传感器,其特征在于,所述子发电单元包括:
第一电极;
压力敏感层,所述压力敏感层位于所述第一电极的一侧,形成压力敏感层的材料包括水合氧化石墨烯;
隔离层,所述隔离层位于所述压力敏感层远离所述第一电极的一侧;
第二电极,所述第二电极位于所述隔离层远离所述压力敏感层的一侧;
第一绝缘层,所述第一绝缘层位于所述第二电极远离所述隔离层的一侧。
4.根据权利要求3的所述超声波传感器,其特征在于,所述子发电单元满足以下条件的至少之一:
形成第一电极的材料包括氧化还原石墨烯、钛铝钛、银的至少一种;
所述水合氧化石墨烯的含水量为14wt%~18wt%;
形成所述隔离层的材料包括聚乙烯醇纳米纤维;
形成所述第二电极的材料包括钛铝钛、金属碳化物、金属氮化物的至少一种;
形成所述第一绝缘层的材料包括氮化硅。
5.根据权利要求3的所述超声波传感器,其特征在于,所述超声波发声单元的传感层包括压电膜层,所述第一绝缘层具有和所述第二电极连通的输出端,所述输出端与所述压电膜层相连,以将所述电信号发射至所述压电膜层。
6.根据权利要求5的所述超声波传感器,其特征在于,形成所述压电膜层的材料包括聚偏氟乙烯。
7.根据权利要求5的所述超声波传感器,其特征在于,所述超声波发声单元包括第三电极、所述压电膜层和第四电极,所述第四电极与所述输出端接触。
8.根据权利要求5的所述超声波传感器,其特征在于,所述超声波发声单元包括第三电极和所述压电膜层,所述压电膜层与所述输出端接触。
9.根据权利要求7或8所述的超声波传感器,其特征在于,所述第三电极为发射电极,所述第四电极或所述输出端为接收电极。
10.根据权利要求1所述的超声波传感器,其特征在于,所述超声波发声单元在所述基板上的正投影与所述自发电单元在所述基板上的正投影至少部分重叠。
11.一种制备超声波传感器的方法,其特征在于,所述方法包括:
提供基板;
在所述基板的一侧形成功能层;其中,所述功能层包括:超声波发声单元和自发电模块;所述自发电模块包括多个阵列排布的子发电单元,相邻的所述子发电单元之间设有阻隔层;所述子发电单元输出的电压与所述子发电单元受到的压力相关,且所述子发电单元被配置为向所述超声波发声单元的传感层发射电信号。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,多个子发电单元通过以下方法制备:
形成多个间隔设置的第一电极;
在相邻的所述第一电极之间形成阻隔层;
在所述第一电极的一侧形成压力敏感层;
在所述压力敏感层远离所述第一电极的一侧形成隔离层;
在所述隔离层远离所述压力敏感层的一侧形成第二电极;
在所述第二电极远离所述隔离层的一侧形成第一绝缘层。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,形成多个间隔设置的第一电极包括:
形成均一厚度的导电层,所述导电层划分为刻蚀区和非刻蚀区;
将所述非刻蚀区进行遮挡,对所述刻蚀区进行刻蚀,以去除所述刻蚀区的所述导电层,得到图案化的导电层;
对所述图案化的导电层进行还原处理,得到第一电极。
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