[發明專利]超聲波振動元件和超聲波傳感器

有效

• 申請號: 201810068187.7
• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號: CN108389958B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 松納
• 申請（專利權）人: 業成科技（成都）有限公司;業成光電（深圳）有限公司;英特盛科技股份有限公司
• 主分類號: H01L41/083
• 分類號: H01L41/083
• 代理公司: 成都希盛知識產權代理有限公司 51226
• 代理人: 楊冬梅;張行知

本申請涉及一種超聲波振動元件及超聲波傳感器，用于接收外部驅動電壓以發出超聲波，超聲波振動元件包括：壓電層層疊組件；壓電層層疊組件包括層疊的至少兩層壓電材料層；壓電材料層的極化方向以交替地反轉地方式在壓電材料層的厚度方向上分層分布；壓電層層疊組件還包括層疊于壓電材料層表面的導電層；導電層用于使至少兩層壓電材料層以互相串聯或并聯的方式接收外部驅動電壓。超聲波傳感器包括超聲波振動元件。上述超聲波振動元件及超聲波傳感器，通過設置層疊的，串并聯的單層多極向的壓電材料層疊組件，在不提高驅動電壓且厚度較薄的前提下，增強超聲波信號強度。從而使得超聲波傳感器的信噪比大幅提高。

技術領域

本發明涉及生物特征傳感器，特別是涉及超聲波振動元件及超聲波傳感器。

背景技術

生物特征識別是用于識別指紋、掌紋、臉部、聲音等生物特征的識別技術。例如，在指紋識別技術中，目前已經發展至第三代指紋傳感技術，即超聲波傳感技術。其利用壓電材料的逆壓電效應產生超聲波，超聲波到達指紋后，在指紋的嵴、峪中表現出不同的反射率和透射率。通過分析發射回來的超聲波信號即可獲取指紋信息。

超聲波傳感器包括接收端和發射端兩個部分，提高發射端發出的超聲波的信號能量可提高超聲波識別技術的準確性。超聲波信號強度與傳感器驅動電壓和傳感器本身的結構特性相關。通常，基于觸電危險和耗電的考慮，驅動電壓一般被限制在200V左右。

圖1a、1b分別為超聲波振動元件的結構簡圖及發射端的輸入電壓示意圖，通過將發射端與接收端分離開(通過基板隔開)，以使發射端(包括壓電材料層)兩端通過兩個電極(導電層)分別連接相位為0°和相位為180°的125-200V驅動電壓。其中，相位為180°的驅動電壓可由相位為0°的驅動電壓反轉180°獲得。當相位為0°的輸入電壓為200V時，相位為180°的輸入電壓為-200V，此時發射端的兩電極間的電壓差為400V，從而在不提高驅動電壓的基礎上，實現了輸入電壓的加倍。但是，將發射端單獨分離出來導致了傳感器厚度的增加。

圖2a、2b分別為一種發射端與接收端共用的超聲波傳感器的超聲波振動元件的結構簡圖及發射端的輸入電壓示意圖。該傳感器在某一時間段工作在發射模式，另一時間段工作在接收模式。雖然將發射端部分與接收端共用可以減少超聲波傳感器的厚度，但由于發射端與接收端共用，不能采用180°反相的電路連接方式。導致發射端產生的超聲波信號強度的較弱。

上述兩類傳感器存在的問題是，無法實現傳感器厚度與超聲波信號能量強度之間的均衡。即，提高傳感器發射出的超聲波信號能量時，導致傳感器厚度過厚，導致了材料的損耗且占用較大空間。

發明內容

基于此，有必要針對傳感器厚度過厚的問題，提供一種可以提高超聲波信號能量且較為輕薄的超聲波振動元件及超聲波傳感器。

一種超聲波振動元件，用于接收外部驅動電壓以發出超聲波，超聲波振動元件包括：

壓電層層疊組件；

壓電層層疊組件包括層疊的至少兩層壓電材料層；壓電材料層的極化方向以交替地反轉地方式在壓電材料層的厚度方向上分層分布；

壓電層層疊組件還包括層疊于壓電材料層表面的導電層；導電層用于使至少兩層壓電材料層以互相串聯或并聯的方式接收外部驅動電壓。

在其中一個實施例中，壓電材料層采用的材料為壓電陶瓷、有機壓電材料、壓電復合材料中的一種。

在其中一個實施例中，壓電材料層包括第一表面、第二表面，第一表面、第二表面均層疊導電層。

在其中一個實施例中，相鄰的至少兩層壓電材料層構成壓電材料層組，壓電材料層組包括第一表面、第二表面，第一表面、第二表面均層疊導電層。

在其中一個實施例中，進一步包括基板，壓電層層疊組件均位于基板的同一側。