本發(fā)明涉及一種超聲波元件。

背景技術(shù)：

近年來，電子裝置例如手機(jī)、電腦、游戲機(jī)等，通常采用聲波式感測元件取代電容式感測元件，聲波式感測元件具有壽命長、解析度高等優(yōu)點(diǎn)。聲波式感測元件通常包括信號接收單元和信號發(fā)送單元，工作時，信號發(fā)送單元發(fā)送感測信號，該感測信號到達(dá)界面的部分被觸摸手指吸收，部分反射至信號接收單元，信號接收單元接收反射回來的感測信號并轉(zhuǎn)換為電信號形成觸控信息。目前發(fā)現(xiàn)，感測信號在聲波式感測元件中傳遞的過程中，通常在會造成能量的損失，從而影響感測信號的強(qiáng)度及感測的精確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提供一種能夠提高感測信號強(qiáng)度的超聲波元件。

一種超聲波元件，其包括：層疊設(shè)置的表面接觸層、信號接收層、信號發(fā)送層；

所述表面接觸層具有一接觸表面，用于接觸被感測體；所述信號發(fā)送層用于產(chǎn)生并發(fā)送感測信號；所述信號接收層用于接收所述感測信號；

所述表面接觸層的固有頻率定義為F₁，所述信號接收層的固有頻率定義為F₂，所述信號發(fā)送層的固有頻率定義為F₃，所述感測信號的頻率定義為F₀'；

其中，F(xiàn)₁、F₂、F₃中至少一者與F₀'相等。

優(yōu)選地，所述F₀'、F₁、F₂、F₃至少滿足以下條件之一：

F₁、F₂與F₀'相等；

F₂、F₃與F₀'相等；

F₁、F₃與F₀'相等；

F₁、F₂、F₃均與F₀'相等。

優(yōu)選地，所述表面接觸層的波速定義為C₁，所述信號接收層的波速定義為C₂，所述信號發(fā)送層的波速定義為C₃；

所述表面接觸層的厚度定義為H₁，所述信號接收層的厚度定義為H₂，所述信號發(fā)送層的厚度定義為H₃；

所述表面接觸層、信號接收層、信號發(fā)送層中厚度與波速的比值至少兩者相等。

優(yōu)選地，所述H₁、H₂、H₃、C₁、C₂、C₃至少滿足以下條件之一：

H₁：H₂＝C₁:C₂；

H₂：H₃＝C₂:C₃；

H₁：H₃＝C₁:C₃；

H₁：H₂：H₃＝C₁:C₂:C₃。

優(yōu)選地，所述信號接收層包括第一壓電層，所述信號發(fā)送層包括第二壓電層；

所述表面接觸層的厚度定義為H₁，所述第一壓電層的厚度定義為H₂，所述第二壓電層的厚度定義為H₃；

所述表面接觸層的波速定義為C₁，所述第一壓電層的波速定義為C₂，所述第二壓電層的波速定義為C₃；

所述表面接觸層、第一壓電層、第二壓電層中厚度與波速的比值至少兩者相等。

優(yōu)選地，所述H₁、H₂、H₃、C₁、C₂、C₃至少滿足以下條件之一：

H₁：H₂＝C₁:C₂；

H₂：H₃＝C₂:C₃；

H₁：H₃＝C₁:C₃；

H₁：H₂：H₃＝C₁:C₂:C₃。

優(yōu)選地，包括第一粘合層、第二粘合層，所述表面接觸層和所述信號接收層/信號發(fā)送層之間通過所述第一粘合層連接并進(jìn)行訊號耦合，所述信號發(fā)送層和所述信號接收層之間通過所述第二粘合層連接并進(jìn)行訊號耦合。

優(yōu)選地，所述第一粘合層的厚度定義為H_m1，所述第二粘合層的厚度定義為H_m2。所述表面接觸層的厚度H₁、信號接收層的厚度H₂、信號發(fā)送層的厚度H₃三者中的最小值定義為H_min。所述H_m1<H_min/10、H_m2<H_min/10。

優(yōu)選地，提供一驅(qū)動訊號F₀，所述驅(qū)動信號用于驅(qū)動信號發(fā)送層以產(chǎn)生感測信號，所述驅(qū)動信號的頻率F₀與感測信號的頻率F₀'相等。

優(yōu)選地，所述感測信號為超聲波信號。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明利用同頻共振原理，提供一種超聲波元件，超聲波元件的驅(qū)動信號/感測信號與超聲波元件內(nèi)部材的固有頻率一致，來降低聲波信號在所述超聲波元件信號傳輸過程中的衰減，可以在一定程度上提高信號的強(qiáng)度及感測的精確度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的電子裝置立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1沿III-III處剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的超聲波元件剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

主要元件符號說明

如下具體實(shí)施方式將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

具體實(shí)施方式

請同時參考圖1和圖2所示，圖1是是本發(fā)明第一實(shí)施例的電子裝置100立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1沿III-III處剖面結(jié)構(gòu)示意圖。電子裝置100可以是電腦、電視、手機(jī)等的電子裝置，但不以此為限。

在本實(shí)施例中，所述電子裝置100包括用于感測觸摸操作的超聲波元件10，超聲波元件10包括表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3、粘合層4。表面接觸層1具有一與被感測體接觸的接觸表面11。表面接觸層1通過接觸表面11與被測物體(如手指等)接觸。超聲波元件10并不限于感測觸摸操作，比如，在其他實(shí)施例中，超聲波元件10可以應(yīng)用于生物領(lǐng)域感測血壓等，但不限于此。

在本實(shí)施例中，信號接收層2設(shè)置于所述表面接觸層1異于接觸表面11的一側(cè)，信號發(fā)送層3設(shè)置于所述信號接收層2遠(yuǎn)離表面接觸層1的一側(cè)。信號發(fā)送層3用于產(chǎn)生并發(fā)送感測信號，信號接收層2用于接收反射回來的感測信號。在其他實(shí)施例中，信號發(fā)送層3與信號接收層2的位置關(guān)系不受限制，如，信號發(fā)送層3可設(shè)置于所述表面接觸層1異于接觸表面11的一側(cè)，信號接收層2可設(shè)置于信號發(fā)送層3遠(yuǎn)離表面接觸層1的一側(cè)。

所述粘合層4具有信號耦合的作用，在本實(shí)施例中，粘合層4包括第一粘合層41和第二粘合層42。所述表面接觸層1和所述信號接收層2之間通過所述第一粘合層41連接，第一粘合層41在所述表面接觸層1和所述信號接收層2之間進(jìn)行信號耦合。所述信號發(fā)送層3和所述信號接收層2之間通過所述第二粘合層42連接，第二粘合層42在所述信號發(fā)送層3和所述信號接收層2之間進(jìn)行信號耦合。

在本實(shí)施例中，所述超聲波元件10為一種可感測觸摸操作的觸摸感應(yīng)開關(guān)。所述信號接收層2包括第一電極21、第一壓電層22。在其他實(shí)施例中，信號接收層2可包括上電極、下電極及夾設(shè)于上、下電極之間的壓電層(圖未示)。所述信號發(fā)送層3包括第二電極31、第二壓電層32以及第三電極33，所述第二壓電層32夾設(shè)于第二電極31與第三電極33之間。所述第一壓電層22與第二壓電層32為具有壓電特性的材料。第二電極31與第三電極33對所述第二壓電層32施加電壓，所述第二壓電層32在電壓的作用下振動從而發(fā)出超聲波式的感測信號。當(dāng)被測物體放在表面接觸層1上面時，超聲波受到被測物體的影響，被發(fā)射的超聲波發(fā)生相應(yīng)的變化，所述超聲波被手指等被感測物反射至所述信號接收層2轉(zhuǎn)化為電信號并輸出。

根據(jù)波的特性，滿足以下關(guān)系式(1)：

C＝F×λ…式(1)，

其中，C為波速，F(xiàn)為頻率，λ為波長。波速的大小是由物體的材料的性質(zhì)決定的，在已知材質(zhì)、厚度的情況下，根據(jù)固有頻率的計(jì)算方式，在考慮聲波在物體表面的全反射地情況下，波長與該物體的厚度可滿足λ＝2H，可以通過關(guān)系式(1)：C＝F×λ計(jì)算出物體的頻率F，即固有頻率。

在本實(shí)施例中，表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3的材料依次為第一材料、第二材料、第三材料，表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3對應(yīng)的波速分別為C₁、C₂、C₃。已知表面接觸層1的厚度H₁、表面接觸層1的波速C₁，設(shè)表面接觸層的波長為λ₁，則下述(2)～(3)關(guān)系式成立：

2×H₁＝λ₁…式(2)

C₁×λ₁＝F₁…式(3)

由此可得表面接觸層1的固有頻率F₁。

提供一頻率為F₀的電信號作為驅(qū)動信號，驅(qū)動信號的頻率F₀與表面接觸層1的頻率F₁相等，所述驅(qū)動信號用于驅(qū)動信號發(fā)送層3以產(chǎn)生超聲波式的感測信號，根據(jù)壓電材料的特性，所述信號發(fā)送層3將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為超聲波式的感測信號后信號的頻率不變，令感測信號的頻率為F₀'，則下述(4)關(guān)系式成立：

F₀'＝F₀＝F₁…式(4)

因此，信號發(fā)送層3發(fā)出的感測信號的能與表面接觸層1實(shí)現(xiàn)同頻共振。

在本實(shí)施例中，所述信號接收層2包括第一電極21和第一壓電層22，由于第一電極21的厚度遠(yuǎn)小于第一壓電層22，故信號接收層2的厚度忽略第一電極21的厚度，信號接收層2的厚度僅為第一壓電層22的厚度。設(shè)信號接收層2的厚度為H₂，已知所述信號接收層2的波速為C₂，令信號接收層2的固有頻率F₂＝F₀'，以使感測信號與信號接收層2實(shí)現(xiàn)同頻共振。設(shè)信號接收層2的波長為λ₂。則下述(5)～(6)關(guān)系式成立：

C₂×F₂＝λ₂…式(5)

λ₂/2＝H₂…式(6)

由此可得信號接收層2在F₂＝F₀'條件下的厚度H₂。

信號發(fā)送層3包括第二電極31和第一壓電層32和第三電極33，由于第二電極31與第三電極33的厚度遠(yuǎn)小于第二壓電層32，故信號發(fā)送層3的厚度忽略第二電極31與第三電極33的厚度，信號發(fā)送層3的厚度僅為第二壓電層32的厚度。設(shè)信號發(fā)送層3的厚度為H₃，已知所述信號發(fā)送層3的波速為C₃，信號發(fā)送層3用于接收驅(qū)動信號以產(chǎn)生感測信號。令信號發(fā)送層3的固有頻率F₃＝F₀，以實(shí)現(xiàn)信號發(fā)送層與驅(qū)動信號的同頻共振。設(shè)信號發(fā)送層3的波長為λ₃。則下述(7)～(8)關(guān)系式成立：

C₃×F₃＝λ₃…式(7)

λ₃/2＝H₃…式(8)

由此可得信號發(fā)送層3在F₃＝F₀條件下的厚度H₃。

在本實(shí)施例中，所述第一粘合層41的厚度設(shè)定為H_m1，所述第二粘合層的厚度設(shè)定為H_m2；取表面接觸層1的厚度H₁、信號接收層的厚度H₂、信號發(fā)送層的厚度H₃三者中最小值為H_min，H_m1與H_m2均小于H_min/10，即H_m1<H_min/10、H_m2<H_min/10。由于H_m1、H_m2的厚度相對H₁、H₂、H₃較小，在本實(shí)施例中的感測信號傳遞的過程中H_m1、H_m2的厚度忽略不計(jì)。

驅(qū)動信號的頻率F₀/感測信號的頻率F₀'與表面接觸層1的頻率F₁、信號接收層的頻率F₂、信號發(fā)送層的頻率F₃相等，則下述(9)關(guān)系式成立：

F₀'＝F₀＝F₁＝F₂＝F₃…式(9)

由此可得在超聲波元件10中驅(qū)動信號/感測信號的頻率F₀/F₀'與表面接觸層1的頻率F₁、信號接收層的頻率F₂、信號發(fā)送層的頻率F₃均相等。驅(qū)動信號/感測信號與超聲波元件10實(shí)現(xiàn)同頻共振，能夠降低驅(qū)動信號/感測信號在所述超聲波元件10信號傳輸過程中的衰減，可以在一定程度上提高信號的強(qiáng)度及感測的精確度。

由式(1)～(9)可知，下述(10)關(guān)系式成立：

H₁：H₂：H₃＝C₁:C₂:C₃…式(10)

在本實(shí)施例中，為已知表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3的波速C₁、C₂、C₃以及表面接觸層1的厚度H₁，進(jìn)一步推算出其他實(shí)現(xiàn)共振的相關(guān)參數(shù)。在其他實(shí)施例中，已知的參數(shù)值可以有所改變，例如可以是已知表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3的波速C₁、C₂、C₃以及信號接收層2/信號發(fā)送層3的厚度H₂/H₃，進(jìn)一步推算出其他實(shí)現(xiàn)共振的相關(guān)參數(shù)。

可選地，可指定表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3的厚度H₁、H₂、H₃以及表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3中其中一者的波速，進(jìn)一步推算出其他實(shí)現(xiàn)共振的相關(guān)參數(shù)，再選擇與參數(shù)值匹配的合適的材料作為其他兩層，亦能實(shí)現(xiàn)同頻共振。

上述實(shí)施例中，感測信號與表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3均實(shí)現(xiàn)同頻共振。在其他實(shí)施例中，感測信號可僅與表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3中一者或者兩者發(fā)送同頻共振。即感測信號的頻率F₀'僅與表面接觸層1、信號接收層2、信號發(fā)送層3的固有頻率中的一者或者兩者相等。

請參考圖3，圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的超聲波元件20的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)施例中，與第一實(shí)施例中的相同元件的功能相同，在此不再贅述。所述超聲波元件20包括表面接觸層1'、信號接收層2'、信號發(fā)送層3'、粘合層4'。所述表面接觸層1'具有一與被感測體接觸的接觸表面11'。表面接觸層1'通過接觸表面11'與被測物體(如手指等)接觸。所述信號接收層2'設(shè)置于所述表面接觸層1'異于接觸表面11'的一側(cè)，用所述信號發(fā)送層3'設(shè)置于所述信號接收層2'遠(yuǎn)離表面接觸層1'的一側(cè)。所述信號接收層2'包括第一電極21'、第一壓電層22'。所述信號發(fā)送層3'包括第二電極31'、第二壓電層32'以及第三電極33'，所述第二壓電層32'夾設(shè)于第二電極31'與第三電極33'之間。

根據(jù)上述分析，有：C'＝F'×λ',λ＝2H，可以通過關(guān)系式C'＝F'×λ'計(jì)算出物體的頻率F'，即固有頻率。

在本實(shí)施例中，超聲波元件20的感測信號僅與表面接觸層1、信號接收層2發(fā)生同頻共振。在本實(shí)施例中，可指定表面接觸層1的材料及厚度，得到C₁'、H₁'，根據(jù)上述分析，則下述(11)～(12)關(guān)系式成立：

2×H₁'＝λ₁'…式(11)

C₁×λ₁'＝F₁'…式(12)

由此可得表面接觸層1的固有頻率F₁'。

提供一頻率為F₀₀的電信號作為驅(qū)動信號，驅(qū)動信號的頻率F₀₀與表面接觸層1'的頻率F₁'相等，所述驅(qū)動信號用于驅(qū)動信號發(fā)送層3'以產(chǎn)生超聲波式的感測信號，所述信號發(fā)送層3'將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為超聲波式的感測信號后信號的頻率不變，令感測信號的頻率為F₀₀'，則下述(13)關(guān)系式成立：

F₀₀'＝F₀₀＝F₁'…式(13)

因此，信號發(fā)送層3'發(fā)出的感測信號的能與表面接觸層1'實(shí)現(xiàn)同頻共振。

在本實(shí)施例中，所述信號接收層2'包括第一電極21'和第一壓電層22'，由于第一電極21'的厚度遠(yuǎn)小于第一壓電層22'，故信號接收層2'的厚度忽略第一電極21'的厚度，信號接收層2'的厚度僅為第一壓電層22'的厚度。設(shè)信號接收層2'的厚度為H₂'，已知所述信號接收層2'的波速為C₂'，令信號接收層2'的固有頻率F₂'＝F₀₀'，以使感測信號與信號接收層2'實(shí)現(xiàn)同頻共振。設(shè)信號接收層2'的波長為λ₂'。則下述(14)～(15)關(guān)系式成立：

C₂'×F₂'＝λ₂'…式(14)

λ₂'/2＝H₂'…式(15)

由此可得信號接收層2'在F₂'＝F₀₀'條件下的厚度H₂。

在本實(shí)施例中，所述表面接觸層1'和所述信號接收層2'之間通過所述第一粘合層41'連接，第一粘合層41'在所述表面接觸層1'和所述信號接收層2'之間進(jìn)行信號耦合。所述信號發(fā)送層3'和所述信號接收層2'之間通過所述第二粘合層42'連接，第二粘合層42'在所述信號發(fā)送層3'和所述信號接收層2'之間進(jìn)行信號耦合。所述第一粘合層41'的厚度設(shè)定為H_m1'，所述第二粘合層的厚度設(shè)定為H_m2'；取表面接觸層1的厚度H₁'、信號接收層的厚度H₂'、信號發(fā)送層的厚度H₃三者中最小值為H_min'，H_m1與H_m2均小于H_min'/10，即H_m1'<H_min'/10、H_m2'<H_min'/10。由于H_m1'、H_m2'的厚度相對H₁'、H₂'較小，在本實(shí)施例中的感測信號傳遞的過程中H_m1、H_m2的厚度忽略不計(jì)。

在本實(shí)施例中，驅(qū)動信號的頻率F₀₀與感測信號的頻率F₀₀'與表面接觸層1'的頻率F₁'、信號接收層的頻率F₂'相等，則下述(16)關(guān)系式成立：

F₀₀'＝F₀₀＝F₁'＝F₂'…式(16)

由此可得在超聲波元件20中感測信號的頻率F₀'與表面接觸層1的頻率F₁'、信號接收層的頻率F₂'相等。驅(qū)動信號/感測信號與觸摸感測開關(guān)20實(shí)現(xiàn)部分同頻共振，能夠降低驅(qū)動信號/感測信號在所述超聲波元件信號傳輸過程中的衰減，可以在一定程度上提高信號的強(qiáng)度及感測的精確度。

由式(11)～(16)可知，下述(17)關(guān)系式成立：

H₁'：H₂'＝C₁':C₂'…式(17)

在本實(shí)施例中，為已知表面接觸層1'、信號接收層2'的波速C₁'、C₂'以及表面接觸層1'的厚度H₁'，進(jìn)一步推算出其他實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號/感測信號與表面接觸層1'、信號接收層2'共振的相關(guān)參數(shù)。在其他實(shí)施例中，已知的參數(shù)值可以有所改變，例如可以是已知表面接觸層1'、信號接收層2'、信號發(fā)送層3'的波速C₁'、C₂'、C₃'中的二者以及表面接觸層1'、信號接收層2'、信號發(fā)送層3'的厚度H₁'、H₂'、H₃'中與已知波速之一對應(yīng)的一者，進(jìn)一步推算出其他實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號/感測信號與表面接觸層1'、信號接收層2'、信號發(fā)送層3'的中的二層實(shí)現(xiàn)共振的相關(guān)參數(shù)。

可選地，可指定表面接觸層1'、信號接收層2'、信號發(fā)送層3'的厚度H₁'、H₂'、H₃'中兩者以及表面接觸層1'、信號接收層2'、信號發(fā)送層3'的波速C₁'、C₂'、C₃'中與已知厚度之一相對應(yīng)的一者，進(jìn)一步推算出其他實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號/感測信號與表面接觸層1'、信號接收層2'、信號發(fā)送層3'的中的二層共振的相關(guān)參數(shù)，再選擇與參數(shù)值匹配的合適的材料，亦能實(shí)現(xiàn)同頻共振。

在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，驅(qū)動信號/感測信號可選擇性僅與表面接觸層1'、信號接收層2'實(shí)現(xiàn)同頻共振，在其他實(shí)施例中，驅(qū)動信號/感測信號亦可選擇性地僅與信號接收層2'、信號發(fā)送層3'實(shí)現(xiàn)同頻共振，或者驅(qū)動信號/感測信號亦可選擇性地僅與表面接觸層1'、信號發(fā)送層3'實(shí)現(xiàn)同頻共振。此時，下述(18)～(21)關(guān)系式至少一者成立：

F₂'、F₃'＝F₀₀'…式(18)

F₁'、F₃'＝F₀₀'…式(19)

H₂'：H₃'＝C₂':C₃'…式(20)

H₁'：H₃'＝C₁':C₃'…式(21)

在本實(shí)施例中，第一電極21、第二電極31、第三電極33可以為但不限于銅、銀、鉬、鈦、鋁、鎢、氧化銦錫。所述第一壓電層21、第二壓電層32可以為聚偏氟乙稀(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)等壓電材料。所述表面接觸層1的材料可以為金屬、塑膠、玻璃等材料，但不限于此。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。