超声波振动元件和超声波传感器制造技术

本申请涉及一种超声波振动元件及超声波传感器，用于接收外部驱动电压以发出超声波，超声波振动元件包括：压电层层叠组件；压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布；压电层层叠组件还包括层叠于压电材料层表面的导电层；导电层用于使至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。超声波传感器包括超声波振动元件。上述超声波振动元件及超声波传感器，通过设置层叠的，串并联的单层多极向的压电材料层叠组件，在不提高驱动电压且厚度较薄的前提下，增强超声波信号强度。从而使得超声波传感器的信噪比大幅提高。

Ultrasonic vibration element and ultrasonic sensor

The present application relates to an ultrasonic vibration element and an ultrasonic sensor for receiving an external driving voltage to emit an ultrasonic wave. The ultrasonic vibration element comprises a piezoelectric laminated component, a piezoelectric laminated component comprising at least two layers of piezoelectric material laminated, and a polarization direction of the piezoelectric material layer reversed alternately in place. The thickness direction of the piezoelectric material layer is stratified; the piezoelectric laminate assembly also includes a conductive layer overlapped on the surface of the piezoelectric material layer; and the conductive layer is used to cause at least two layers of piezoelectric material layers to receive external driving voltage in series or in parallel with each other. Ultrasonic sensors include ultrasonic vibration elements. The ultrasonic vibration element and the ultrasonic sensor can enhance the ultrasonic signal intensity without increasing the driving voltage and the thickness of the thin piezoelectric material laminated component in series and parallel. Therefore, the signal-to-noise ratio of the ultrasonic sensor is greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
超声波振动元件和超声波传感器
本专利技术涉及生物特征传感器，特别是涉及超声波振动元件及超声波传感器。
技术介绍
生物特征识别是用于识别指纹、掌纹、脸部、声音等生物特征的识别技术。例如，在指纹识别技术中，目前已经发展至第三代指纹传感技术，即超声波传感技术。其利用压电材料的逆压电效应产生超声波，超声波到达指纹后，在指纹的嵴、峪中表现出不同的反射率和透射率。通过分析发射回来的超声波信号即可获取指纹信息。超声波传感器包括接收端和发射端两个部分，提高发射端发出的超声波的信号能量可提高超声波识别技术的准确性。超声波信号强度与传感器驱动电压和传感器本身的结构特性相关。通常，基于触电危险和耗电的考虑，驱动电压一般被限制在200V左右。图1a、1b分别为超声波振动元件的结构简图及发射端的输入电压示意图，通过将发射端与接收端分离开(通过基板隔开)，以使发射端(包括压电材料层)两端通过两个电极(导电层)分别连接相位为0°和相位为180°的125-200V驱动电压。其中，相位为180°的驱动电压可由相位为0°的驱动电压反转180°获得。当相位为0°的输入电压为200V时，相位为180°的输入电压为-200V，此时发射端的两电极间的电压差为400V，从而在不提高驱动电压的基础上，实现了输入电压的加倍。但是，将发射端单独分离出来导致了传感器厚度的增加。图2a、2b分别为一种发射端与接收端共用的超声波传感器的超声波振动元件的结构简图及发射端的输入电压示意图。该传感器在某一时间段工作在发射模式，另一时间段工作在接收模式。虽然将发射端部分与接收端共用可以减少超声波传感器的厚度，但由于发射端与接收端共用，不能采用180°反相的电路连接方式。导致发射端产生的超声波信号强度的较弱。上述两类传感器存在的问题是，无法实现传感器厚度与超声波信号能量强度之间的均衡。即，提高传感器发射出的超声波信号能量时，导致传感器厚度过厚，导致了材料的损耗且占用较大空间。
技术实现思路
基于此，有必要针对传感器厚度过厚的问题，提供一种可以提高超声波信号能量且较为轻薄的超声波振动元件及超声波传感器。一种超声波振动元件，用于接收外部驱动电压以发出超声波，超声波振动元件包括：压电层层叠组件；压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布；压电层层叠组件还包括层叠于压电材料层表面的导电层；导电层用于使至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。在其中一个实施例中，压电材料层采用的材料为压电陶瓷、有机压电材料、压电复合材料中的一种。在其中一个实施例中，压电材料层包括第一表面、第二表面，第一表面、第二表面均层叠导电层。在其中一个实施例中，相邻的至少两层压电材料层构成压电材料层组，压电材料层组包括第一表面、第二表面，第一表面、第二表面均层叠导电层。在其中一个实施例中，进一步包括基板，压电层层叠组件均位于基板的同一侧。在其中一个实施例中，导电层层叠于压电材料层表面的层叠方式包括：涂覆和/或层压方式。在其中一个实施例中，压电层层叠组件具有以使自身的共振频率与超声波频率间的差值低于设定阈值的厚度。在其中一个实施例中，压电材料层的极化方向包括：在厚度方向上依次分布的第一极化方向、第二极化方向；其中，第一极化方向、第二极化方向彼此互为反转方向且均与电压施加方向平行。在其中一个实施例中，压电材料层层叠于导电层表面或另一压电材料层表面的层叠方式包括：涂覆和/或层压方式。在其中一个实施例中，一种超声波传感器，包括超声波振动元件。上述超声波振动元件及超声波传感器，通过设置层叠的，串并联的单层多极向的压电材料层叠组件，在不提高驱动电压且厚度较薄的前提下，增强超声波信号强度。从而使得超声波传感器的信噪比大幅提高。附图说明图1a为超声波振动元件的结构简图；图1b为超声波振动元件的发射端的输入电压示意图；图2a为一种发射端与接收端共用的超声波传感器的超声波振动元件的结构简图；图2b为发射端与接收端共用的超声波振动元件发射端的输入电压示意图；图3为一实施例的改进的超声波振动元件的结构简图及发射端的输入电压示意图；图4a为一实施例的以并联方式接收外部驱动电压的压电层层叠组件电路示意图；图4b为一实施例的省略第二导电层后，以串联方式接收外部驱动电压的压电层层叠组件电路示意图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施方式。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本申请的实施例提供的一种超声波振动元件，用于接收外部驱动电压以发出超声波，该超声波振动元件包括：压电层层叠组件；压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布；压电层层叠组件还包括层叠于压电材料层表面的导电层；导电层用于使所述至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。为了避免将超声波信号发射端与接收端分隔开，该超声波振动元件通过设置层叠的，串并联的单层多极向的压电材料层叠组件，在不提高驱动电压且厚度较薄的前提下，增强超声波信号强度。从而大幅提高超声波传感器的分辨率、信噪比，还有助于消除了超声波传感器内的噪声。在一个实施例中，压电层层叠组件中的压电材料层可以依次层叠至两层、四层乃至六层以上，通过增加压电材料层的层数，使得多层压电材料层协同振动，可以进一步提高输出的超声波信号的强度。以下以两层压电材料层的超声波振动元件为例说明各实施例的元件结构。在一个实施例中，图3为改进的超声波振动元件的结构简图。压电层层叠组件100包括依次层叠的第一导电层110、第一压电材料层210(即发射端，仅在发射超声波时工作)、第二导电层130、第二压电材料层230(即发射接收端，在发射和接收超声波时都工作)和第三导电层150。其中，第一压电材料层210和第二压电材料层230的极化方向都以交替地反转地方式在压电材料层的厚度方向上分层分布(后续例子中详述)。在一个实施例中，超声波振动元件进一步包括基板300，压电层层叠组件100均位于所述基板300的同一侧。其中，压电层层叠组件100可以直接层叠在基板300上，也可以通过各种中间元器件实现与基板300的连接。基板300包括柔性电路板。通过将压电层层叠组件100置于基板300的同一侧，使压电层层叠组件100的层叠更紧密，进而使得压电层层叠组件100之间可共用导电层，从而减少了导电层的布置且简化了电路板的接线，减小了超声波振动元件的厚度。基板300的材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波振动元件，用于接收外部驱动电压以发出超声波，所述超声波振动元件包括：压电层层叠组件；所述压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；所述压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在所述压电材料层的厚度方向上分层分布；所述压电层层叠组件还包括层叠于所述压电材料层表面的导电层；所述导电层用于使所述至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。

【技术特征摘要】
1.一种超声波振动元件，用于接收外部驱动电压以发出超声波，所述超声波振动元件包括：压电层层叠组件；所述压电层层叠组件包括层叠的至少两层压电材料层；所述压电材料层的极化方向以交替地反转地方式在所述压电材料层的厚度方向上分层分布；所述压电层层叠组件还包括层叠于所述压电材料层表面的导电层；所述导电层用于使所述至少两层压电材料层以互相串联或并联的方式接收外部驱动电压。2.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，所述压电材料层采用的材料为压电陶瓷、有机压电材料、压电复合材料中的一种。3.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，所述压电材料层包括第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面均层叠所述导电层。4.根据权利要求1所述的超声波振动元件，其特征在于，相邻的至少两层所述压电材料层构成压电材料层组，所述压电材料层组包括第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面均层叠所述导电层。...

【专利技术属性】
技术研发人员：松纳，
申请(专利权)人：业成科技成都有限公司，业成光电深圳有限公司，英特盛科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51