TWI580933B

TWI580933B - 超音波感測器

Info

Publication number: TWI580933B
Application number: TW103142566A
Authority: TW
Inventors: 王娟
Original assignee: 麥克思股份有限公司
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2017-05-01
Also published as: TW201629442A

Description

超音波感測器

本發明涉及一種超音波感測器。

使用壓電薄膜等材料作為壓電材料的物質波式感測元件已廣泛地應用於工業、國防、消防、電子等不同領域。一種典型的物質波式感測元件為超音波感測器。聚二氟亞乙烯(PVDF)即為一種壓電材料，其具有在壓力作用下產生電流以及在通電時產生形變的功能而被廣泛應用於超音波感測器中。超音波感測器一般由基板以及壓電材料表面形成的電極等構成。通常，超音波感測器使用薄膜電晶體(TFT)玻璃作為超音波感測器的基板。一種超音波感測器的典型應用為指紋識別。而這種用於指紋識別的超音波感測器需要在被按壓的情況下動作，對基板的強度具有一定的要求。現有超音波感測器使用的TFT玻璃基板在強度方面表現較弱，可能不符合超音波感測器在一些特殊條件的使用要求而不能長時間工作，使用壽命較短。

為解決以上問題，有必要提供一種具有較高強度基板的超音波感測器。

本發明提供的超音波感測器，包括第一電極、第一壓電層、基板、第二電極、第二壓電層、第三電極，該第一電極與第一壓電層層疊設置於基板的一表面，該第二電極、第二壓電層以及第三電極層疊設置於基板的另一表面。其中，該基板由化學強化玻璃基材製成。

優選地，所述化學強化玻璃基材的抗衝擊強度大於200兆帕。

優選地，所述化學強化玻璃基材的壓應力層大於5微米。

優選地，所述基板的側邊具有凹凸不平的微結構。

優選地，所述微結構透過邊緣蝕刻方法對所述基板的側邊進行蝕刻形成。

優選地，所述微結構的形狀為鋸齒形。

優選地，所述微結構的形狀為波浪形。

優選地，所述第一壓電層以及第二壓電層由聚二氟亞乙烯製成。

優選地，所述第一電極、第二電極以及第三電極中的至少一個由金屬材料材料製成。

優選地，所述第一電極、第二電極以及第三電極中的至少一個由透明導電材料製成。

優選地，所述第一壓電層的其中一面透過膠黏劑貼附於基板的一表面，所述第一電極貼附於該第一壓電層遠離基板的另一面。

優選地，所述第二電極以及第三電極分別貼附於所述第二壓電層相對的兩個表面，該第二電極透過膠黏劑貼附於所述基板遠離第一壓電層的另一表面。

優選地，所述超音波感測器的外表面塗覆一膠層對該超音波感測器進行封裝。

優選地，所述超音波感測器還包括一電連接件，該電連接件設置於所述基板上，用於與外部控制電路電性連接；所述第一電極、第二電極以及第三電極透過該電連接件與外部控制電路電性連接。

相較於習知技術，本發明的超音波感測器使用化學強化玻璃基材作為基板，可有效提升超音波感測器的耐壓強度，提高使用壽命。

1，2‧‧‧超音波感測器

10，20‧‧‧第一電極

11，21‧‧‧第一壓電層

12，22‧‧‧基板

13，23‧‧‧第二電極

14，24‧‧‧第二壓電層

15，25‧‧‧第三電極

16，26‧‧‧膠黏劑

17，27‧‧‧電連接件

18，28‧‧‧膠層

121，221‧‧‧薄膜電晶體

220‧‧‧微結構

圖1是本發明第一實施例提供的一超音波感測器的立體分解示意圖。

圖2是圖1所示的超音波感測器的平面示意圖。

圖3是所述超音波感測器沿圖2所示的II-II切線的剖面結構示意圖圖。

圖4是本發明第二實施例提供的一超音波感測器的立體分解示意圖。

圖5是圖4所示的超音波感測器的平面示意圖。

圖6是所述超音波感測器沿圖5所示的V-V切線的剖面結構示意圖。

圖7是另一實施例中圖6所示的基板的剖面圖。

請參閱圖1至圖3，圖1是本發明第一實施例提供的一超音波感測器1的立體分解示意圖，圖2是該超音波感測器1的平面示意圖，圖3是該超音波感測器1沿圖2所示的II-II切線的剖面結構示意圖。

在一優選實施例中，該超音波感測器1為超音波指紋識別感測器。該超音波感測器1包括第一電極10、第一壓電層11、基板12、第二電極13、第二壓電層14、第三電極15。該第一電極10、第一壓電層11、基板12、第二電極13、第二壓電層14以及第三電極15依次層疊設置。該基板12上設置有薄膜電晶體121。

該第一電極10貼附於第一壓電層11遠離基板12的一表面。一實施例中，該第一電極10可以由導電率較好的金屬材料製成。例如，該第一電極10的材料為銀、鋁、銅、鎳、金等高導電率材料。其它實施例中，該第一電極10也可以由透明導電材料製成。例如，該透明導電材料可以是氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(Zno)，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT)、奈米碳管(英文Carbon Nanotube，縮寫CNT)、銀奈米碳線(Ag nano wire)、石墨烯等。本實施例中，該第一壓電層11為一壓電薄膜，其材質優選為聚二氟亞乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)。

所述第一電極10可透過真空濺射、電鍍或塗覆等方式形成於第一壓電層11的表面。優選地，該第一電極10採用電鍍的方法形成於該第一壓電層11的表面。具體地，電鍍的方法是將該第一壓電層11遠離基板12的一表面進行大面積電鍍，形成電鍍層，該電鍍層即為該第一電極10。該第一電極10很輕薄，其厚度大約為400埃到1000埃，以提高聲壓靈敏度。

所述第一壓電層11透過膠黏劑16貼合於基板12的一表面。該膠黏劑可以是液態膠、雙面膠、光學膠等。優選地，該膠黏劑為光學透明膠黏劑(Optical Clear Adhesive，OCA)或光學透明樹脂(Optical Clear Resin，OCR)等具有高透光率的膠黏劑。

所述第二電極13以及第三電極15分別貼附於第二壓電層14相對的兩個表面。本實施例中，所述第二壓電層14為一壓電薄膜，其材質優選為聚二氟亞乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)。該第二電極13遠離第二壓電層14的另一表面透過膠黏劑16貼附於基板12遠離第一壓電層11的另一表面。

一實施例中，該第二電極13以及第三電極15可以由導電率較好的金屬材料製成。例如，該第二電極13以及第三電極15的材料可以為銀、鋁、銅、鎳、金等高導電率材料。其它實施例中，該第二電極13以及第三電極15也可以由透明導電材料製成。例如，該透明導電材料可以是氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(Zno)，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT)、奈米碳管(英文Carbon Nanotube，縮寫CNT)、銀奈米碳線(Ag nano wire)、石墨烯等。另外，該第二電極13以及第三電極15可以分別由不同材料製成。例如，該第二電極13採用金屬材料，而該第三電極15則採用透明導電材料。或者，該第三電極15採用金屬材料，而該第二電極13採用透明導電材料，並不以此為限。優選地，該第二電極13以及第三電極15的材料採用導電性能較好的銀。

所述第二電極13以及第三電極15可透過真空濺射、電鍍或塗覆等方式分別形成於第二壓電層14的相對二表面。優選地，該第二電極13以及第三電極15也可採用電鍍的方法形成於該第二壓電層14的相對二表面。具體地，該電鍍的方法是將該第二壓電層14的兩個表面均進行大面積電鍍，形成位於相對二表面的兩個電鍍層，該兩個電鍍層即分別為該第二電極13以及第三電極15。該第二電極13以及第三電極15與第一電極10大致相同，厚度大約在400埃到1000埃之間，具有較高的聲壓靈敏度。

本實施例中，所述第二電極13以及第三電極15用於同時為第二壓電層14施加電壓。該第二壓電層14作為信號發送層(Tx)，在第二電極13以及第三電極15同時施加電壓時，產生振動而發出聲波。本實施例中，該聲波優選為超音波。在外界物體按壓或接近超音波感測器1時，該超音波到達該外界物體並發生反射。所述第一壓電層11作為信號接收層(Rx)，用於接收從該外界物體反射回的聲波，並將該聲波轉化為電信號。該電信號透過所述第一電極10傳遞至所述基板12上的薄膜電晶體121進行處理，以輔助實現超音波指紋識別的功能。

本實施例中，所述基板12與傳統的薄膜電晶體(TFT)玻璃基板不同，其採用化學強化(Chemical Strengthen，CS)玻璃基材製成。例如，該基板12可以採用鈉玻璃以及鋁矽酸鹽玻璃等可進行離子交換的強化玻璃基材。該化學強化玻璃基材的形成方式可以是將玻璃放入高純度的硝酸鉀溶液及搭配的催化劑中，然後混合加熱至特定的高溫條件(例如420度左右)，使玻璃結構表面的鉀離子和鈉離子進行離子交換而形成強化層，進而製成該強化玻璃基材。優選地，本實施例中，該基板12的抗衝擊強度大於200兆帕(mPa)，且其壓應力層深度(DOL)大於5微米(um)。

該超音波感測器1還包括一電連接件17。該電連接件17設置於所述基板12上，用於與外部控制電路(例如柔性電路板，FPC)電性連接。所述第一電極10、第二電極13以及第三電極15可透過該電連接件17與外部控制電路電性連接。該外部控制電路可透過該電連接件17為第一電極10、第二電極13以及第三電極15供電，並透過該電連接件17與第一電極10、第二電極13以及第三電極15進行資料傳輸和交換。

此外，該超音波感測器1的外表面塗覆一膠層18對該超音波感測器1進行封裝，以對該超音波感測器1的各元件進行保護。該膠層18的材料可以是具有良好電絕緣性能的膠材，例如樹脂、光學膠、複合膠等。優選地，本實施例中，該膠層18的厚度大於10微米。

請參閱圖4圖6，圖4是本發明第二實施例提供的一超音波感測器2的立體分解示意圖，圖5是該一超音波感測器2的平面示意圖，圖6是該超音波感測器2沿圖5所示的V-V切線的剖面結構示意圖。

在一優選實施例中，該超音波感測器2為超音波指紋識別感測器。該超音波感測器2包括第一電極20、第一壓電層21、基板22、第二電極23、第二壓電層24、第三電極25。該第一電極20、第一壓電層21、基板22、第二電極23、第二壓電層24以及第三電極25依次層疊設置。該基板22上設置有薄膜電晶體221。

該第一電極20貼附於第一壓電層21遠離基板22的一表面。一實施例中，該第一電極20可以由導電率較好的金屬材料製成。例如，該第一電極20的材料為銀、鋁、銅、鎳、金等高導電率材料。其它實施例中，該第一電極20也可以由透明導電材料製成。例如，該透明導電材料可以是氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(Zno)，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT)、奈米碳管(英文Carbon Nanotube，縮寫CNT)、銀奈米碳線(Ag nano wire)、石墨烯等。本實施例中，該第一壓電層21為一壓電薄膜，其材質優選為聚二氟亞乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)。

所述第一電極20可透過真空濺射、電鍍或塗覆等方式形成於第一壓電層21的表面。優選地，該第一電極20採用電鍍的方法形成於該第一壓電層21的表面。具體地，電鍍的方法是將該第一壓電層21遠離基板22的一表面進行大面積電鍍，形成電鍍層，該電鍍層即為該第一電極20。該第一電極20很輕薄，其厚度大約為400埃到1000埃，以提高聲壓靈敏度。

所述第一壓電層21透過膠黏劑26貼合於基板22的一表面。該膠黏劑可以是液態膠、雙面膠、光學膠等。優選地，該膠黏劑為光學透明膠黏劑(Optical Clear Adhesive，OCA)或光學透明樹脂(Optical Clear Resin，OCR)等具有高透光率的膠黏劑。

所述第二電極23以及第三電極25分別貼附於第二壓電層24相對的兩個表面。本實施例中，所述第二壓電層24為一壓電薄膜，其材質優選為聚二氟亞乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)。該第二電極23遠離第二壓電層24的另一表面透過膠黏劑26貼附於基板22遠離第一壓電層21的另一表面。

一實施例中，該第二電極23以及第三電極25可以由導電率較好的金屬材料製成。例如，該第二電極23以及第三電極25的材料可以為銀、鋁、銅、鎳、金等高導電率材料。其它實施例中，該第二電極23以及第三電極25也可以由透明導電材料製成。例如，該透明導電材料可以是氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(Zno)，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT)、奈米碳管(英文Carbon Nanotube，縮寫CNT)、銀奈米碳線(Ag nano wire)、石墨烯等。另外，該第二電極23以及第三電極25可以分別由不同材料製成。例如，該第二電極23採用金屬材料，而該第三電極25則採用透明導電材料。或者，該第三電極25採用金屬材料，而該第二電極23採用透明導電材料，並不以此為限。優選地，該第二電極23以及第三電極25的材料採用導電性能較好的銀。

所述第二電極23以及第三電極25可透過真空濺射、電鍍或塗覆等方式分別形成於第二壓電層24的相對二表面。優選地，該第二電極23以及第三電極25也可採用電鍍的方法形成於該第二壓電層24的相對二表面。具體地，該電鍍的方法是將該第二壓電層24的兩個表面均進行大面積電鍍，形成位於相對二表面的兩個電鍍層，該兩個電鍍層即分別為該第二電極23以及第三電極25。該第二電極23以及第三電極25與第一電極20大致相同，厚度大約在400埃到1000埃之間，具有較高的聲壓靈敏度。

本實施例中，所述第二電極23以及第三電極25用於同時為第二壓電層24施加電壓。該第二壓電層24作為信號發送層(Tx)，在第二電極23以及第三電極25同時施加電壓時，產生振動而發出聲波。本實施例中，該聲波優選為超音波。在外界物體按壓或接近超音波感測器2時，該超音波到達該外界物體並發生反射。所述第一壓電層21作為信號接收層(Rx)，用於接收從該外界物體反射回的聲波，並將該聲波轉化為電信號。該電信號透過所述第一電極20傳遞至所述基板22上的薄膜電晶體221進行處理，以輔助實現超音波指紋識別的功能。

本實施例中，所述基板22與傳統的薄膜電晶體(TFT)玻璃基板不同，其採用化學強化(Chemical Strengthen，CS)玻璃基材製成。例如，該基板22可以採用鈉玻璃以及鋁矽酸鹽玻璃等可進行離子交換的強化玻璃基材。該化學強化玻璃基材的形成方式可以是將玻璃放入高純度的硝酸鉀溶液及搭配的催化劑中，然後混合加熱至特定的高溫條件(例如420度左右)，使玻璃結構表面的鉀離子和鈉離子進行離子交換而形成強化層，進而製成該強化玻璃基材。優選地，本實施例中，該基板22的抗衝擊強度大於200兆帕(mPa)，且其壓應力層深度(DOL)大於5微米(um)。

此外，該基板22相對兩側面具有凹凸不平的微結構220。該微結構可透過邊緣蝕刻技術對該基板22的相對兩側邊進行蝕刻而形成。該微結構220用於加強該基板22與其他元件的結合強度。該實施例中，基板22側面形成的該微結構220為鋸齒形。

請參閱圖7所示，是另一實施例中所基板22的剖視圖。該另一實施例中，基板22側面形成的微結構220為波浪形。然而，應當理解，該微結構220的形狀也可以是其它任何具有凹凸結構的形狀，而並不限於上述的鋸齒形和波浪形。

進一步地，該超音波感測器2還包括一電連接件27。該電連接件27設置於所述基板22上，用於與外部控制電路(例如柔性電路板，FPC)電性連接。所述第一電極20、第二電極23以及第三電極25可透過該電連接件27與外部控制電路電性連接。該外部控制電路可透過該電連接件27為第一電極20、第二電極23以及第三電極25供電，並透過該電連接件27與第一電極20、第二電極23以及第三電極25進行資料傳輸和交換。

此外，該超音波感測器2的外表面塗覆一膠層28對該超音波感測器2進行封裝，以對該超音波感測器2的各元件進行保護。該膠層28的材料可以是具有良好電絕緣性能的膠材，例如樹脂、光學膠、複合膠等。優選地，本實施例中，該膠層28的厚度大於10微米。

綜上所述，本發明的超音波感測器使用化學強化玻璃基材作為基板，可有效提升超音波感測器的耐壓強度，提高使用壽命。

綜上所述，本創作符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本創作之較佳實施例，本創作之範圍並不以上述實施例為限，舉凡熟習本案技藝之人士爰依本創作之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

20‧‧‧第一電極

21‧‧‧第一壓電層

22‧‧‧基板

23‧‧‧第二電極

24‧‧‧第二壓電層

25‧‧‧第三電極

26‧‧‧膠黏劑

28‧‧‧膠層

221‧‧‧薄膜電晶體

220‧‧‧微結構

Claims

一種超音波感測器，包括第一電極、第一壓電層、基板、第二電極、第二壓電層、第三電極，該第一電極與第一壓電層層疊設置於基板的一表面，該第二電極、第二壓電層以及第三電極層疊設置於基板的另一表面，其中，該基板由化學強化玻璃基材製成，所述基板的側邊具有凹凸不平的微結構，所述微結構通過邊緣蝕刻方法對所述基板的側邊進行蝕刻而成。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述化學強化玻璃基材的抗衝擊強度大於200兆帕。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述化學強化玻璃基材的壓應力層大於5微米。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述微結構的形狀為鋸齒形。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述微結構的形狀為波浪形。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述第一壓電層以及第二壓電層由聚二氟亞乙烯製成。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述第一電極、第二電極以及第三電極中的至少一個由金屬材料材料製成。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述第一電極、第二電極以及第三電極中的至少一個由透明導電材料製成。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，所述第一壓電層的其中一面通過膠黏劑貼附於基板的一表面，所述第一電極貼附於該第一壓電層遠離基板的另一面。
如請求項9所述的超音波感測器，其中，所述第二電極以及第三電極分別貼附於所述第二壓電層相對的兩個表面，該第二電極通過膠黏劑貼附於所述基板遠離第一壓電層的另一表面。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，該超音波感測器的外表面塗覆一膠層對該超音波感測器進行封裝。
如請求項1所述的超音波感測器，其中，該超音波感測器還包括一電連接件，該電連接件設置於所述基板上，用於與外部控制電路電性連接；所述第一電極、第二電極以及第三電極通過該電連接件與外部控制電路電性連接。