本發(fā)明涉及一種超聲波傳感器，特別是一種使用柔性電路板輸入和輸出信號的超聲波傳感器及使用該超聲波傳感器的電子裝置。

背景技術：

超聲波傳感技術因其感測精度高，響應靈敏等優(yōu)點被越來越多用于現(xiàn)代生活中。例如，用于手機、電腦等攜帶終端的指紋感測器以及用于檢測心率、脈搏、血流等生命體征的生醫(yī)檢測裝置，還例如用作手機，PDA，平板電腦等便攜式電子裝置的按鍵開關用于檢測手指的觸摸以喚醒該便攜式電子裝置。現(xiàn)有技術中的一種超聲波傳感器主要包括一用于發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射單元和一用于接收超聲波的超聲波接收單元，該超聲波發(fā)射單元和該超聲波接收單元通過焊線與驅動IC電性連接以接收信號及傳遞信號。在該超聲波傳感器中，由于采用了焊線進行電連接導致其制造過程浪費人力，且焊線在長期使用過程中有受損斷裂的危險，容易導致超聲波傳感器故障，縮短使用壽命。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提供一種能節(jié)省制造人力、降低故障率且壽命較長的超聲波傳感器。

另，還有必要提供一種使用該超聲波傳感器的電子裝置。

本發(fā)明提供一種超聲波傳感器，包括一超聲波收發(fā)器、一柔性電路板以及一壓板，超聲波收發(fā)器、柔性電路板設置于壓板同側，該超聲波收發(fā)器包括上下層疊設置的一超聲波發(fā)射單元和一超聲波接收單元，柔性電路板分別與超聲波發(fā)射單元和超聲波接收單元電性相連。

進一步地，超聲波發(fā)射單元與超聲波接收單元之間通過第一粘合層粘接。

進一步地，超聲波發(fā)射單元包括一第一發(fā)射電極、一第二發(fā)射電極、以及設置于第一發(fā)射電極與第二發(fā)射電極之間的壓電發(fā)射層，第二發(fā)射電極設置于壓電發(fā)射層遠離超聲波接收單元一側并與柔性電路板電性相連,第一發(fā)射電極設置于壓電發(fā)射層靠近超聲波接收單元一側且彎折至壓電發(fā)射層設置有第二發(fā)射電極的表面上與柔性電路板電性相連。

進一步地，超聲波發(fā)射單元包括一第一發(fā)射電極、一第二發(fā)射電極、以及設置于第一發(fā)射電極與第二發(fā)射電極之間的壓電發(fā)射層，第一發(fā)射電極設置于壓電發(fā)射層靠近超聲波接收單元一側，第二發(fā)射電極設置于壓電發(fā)射層遠離超聲波接收單元一側，第二發(fā)射電極與柔性電路板電性相連,第一發(fā)射電極與第二發(fā)射電極分別設置于壓電發(fā)射層兩側的不同表面上。

進一步地，超聲波接收單元包括一第一接收電極和一第二接收電極、以及設置于第一接收電極與第二接收電極之間的壓電接收層；第二接收電極設置于壓電接收層遠離超聲波發(fā)射單元一側且與柔性電路板電性相連,第一接收電極設置于壓電接收層靠近超聲波發(fā)射單元一側且彎折至壓電接收層設置有第二接收電極的表面上與柔性電路板電性相連。

進一步地，第一粘合層具有導電性。

進一步地，超聲波接收單元包括一第一接收電極和一第二接收電極、以及設置于第一接收電極與第二接收電極之間的壓電接收層,第一接收電極設置于壓電接收層靠近超聲波發(fā)射單元一側，第二接收電極設置于壓電接收層遠離超聲波發(fā)射單元一側，第二接收電極與柔性電路板電性相連，第一接收電極與第二接收電極分別設置于壓電接收層兩側的不同表面上。

進一步地，第一發(fā)射電極和第二發(fā)射電極通過第二粘合層與柔性電路板電性相連；第一接收電極和第二接收電極通過第二粘合層與柔性電路板電性相連，第二粘合層導電。

進一步地，所述壓電發(fā)射層尺寸大于所述壓電接收層。進一步地，柔性電路板一端設置于超聲波收發(fā)器與壓板之間，另一端沿超聲波收發(fā)器繞設以使柔性電路板圍繞超聲波收發(fā)器的至少相鄰三面。

本發(fā)明還提供一種電子裝置，所述電子裝置包括一超聲波傳感器，所述超聲波傳感器包括一超聲波收發(fā)器、一柔性電路板以及一壓板，超聲波收發(fā)器、柔性電路板設置于壓板同側，柔性電路板一端設置于超聲波收發(fā)器與壓板之間，另一端沿超聲波收發(fā)器繞設以使柔性電路板包圍超聲波收發(fā)器的至少相鄰三面，超聲波收發(fā)器包括上下層疊設置的一超聲波發(fā)射單元和一超聲波接收單元，柔性電路板分別與超聲波發(fā)射單元和超聲波接收單元電性相連。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的超聲波傳感器通過僅使用同一柔性電路板繞行連接超聲波傳感器的超聲波發(fā)射單元和超聲波接收單元，節(jié)省了超聲波傳感器的制造人力，有利于降低故障率，增長使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實施例的超聲波傳感器的剖視圖。

圖2為本發(fā)明第二實施例的超聲波傳感器的剖視圖。

圖3為本發(fā)明第三實施例的超聲波傳感器的剖視圖。

圖4為本發(fā)明第四實施例的超聲波傳感器的剖視圖。

圖5為應用本發(fā)明聲波式觸控裝置的較佳實施例的電子裝置示意圖。

主要元件符號說明

如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發(fā)明。

具體實施方式

本發(fā)明的超聲波傳感器既可以單獨作為傳感器使用，也可以整合至多種電子裝置中或與多種電子裝置相關聯(lián)使用，所述電子裝置例如(但不限于)：移動電話、具備多媒體因特網(wǎng)功能的蜂巢式電話、移動電視接收器、無線裝置、智能電話、藍牙裝置、個人數(shù)據(jù)助理(PDA)、無線電子郵件接收器、手持型或攜帶型計算機、迷你筆記型計算機、筆記型計算機、智能本、平板計算機、打印機、復印機、掃描儀、傳真機、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器/導航儀、攝影機、數(shù)字媒體播放器(例如，MP3播放器)、攝錄像機、游戲控制面板、腕表、鐘表、計算器、電視監(jiān)視器、平板顯示器、電子閱讀裝置(例如，電子閱讀器)、移動健康裝置、計算機監(jiān)視器、汽車顯示器(包含里程計顯示器及速度計顯示器等)、駕駛艙控制件及/或顯示器、攝影機景觀顯示器(例如，車輛中的后視攝影機的顯示器)、電子照片、電子廣告牌或標識、投影儀、建筑結構、微波裝置、冰箱、立體聲系統(tǒng)、卡式錄音機或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、收音機、攜帶型內(nèi)存芯片、洗滌器、干燥器、洗滌器/干燥器、停車定時器、封裝(例如，在包含微機電系統(tǒng)(MEMS)應用的機電系統(tǒng)(EMS)應用以及非EMS應用中的封裝)、美觀結構(例如，關于一件珠寶或衣服的影像顯示)及多種EMS裝置。本文的教示也可用于例如(但不限于)以下各者的應用中：電子開關裝置、射頻濾波器、傳感器、加速度計、回轉儀、運動感測裝置、磁力計、用于消費型電子設備的慣性組件、消費型電子產(chǎn)品的零件、可變電抗器、液晶裝置、電泳裝置、驅動方案、制造過程及電子測試裝備。

請參照附圖1，本發(fā)明第一實施例所揭示的超聲波傳感器100包括一超聲波收發(fā)器110、一柔性電路板120以及一壓板130。超聲波收發(fā)器110、柔性電路板120設置于壓板130的同一側，柔性電路板120的一端設置于超聲波收發(fā)器110與壓板130之間，另一端彎折包圍超聲波收發(fā)器110的至少三邊。

超聲波收發(fā)器110包括上下層疊設置的一超聲波發(fā)射單元112和一超聲波接收單元114。超聲波發(fā)射單元112與超聲波接收單元114之間通過第一粘合層116粘接。超聲波接收單元114位于超聲波發(fā)射單元112遠離壓板130的一側。彎折包圍超聲波收發(fā)器110的柔性電路板120分別與超聲波發(fā)射單元112和超聲波接收單元114電性相連。

超聲波發(fā)射單元112包括一第一發(fā)射電極1122、一第二發(fā)射電極1124、以及設置于第一發(fā)射電極1122與第二發(fā)射電極1124之間的壓電發(fā)射層1126。第二發(fā)射電極1124設置于壓電發(fā)射層1126遠離超聲波接收單元114一側，第二發(fā)射電極1124與柔性電路板120位于超聲波收發(fā)器110與壓板130之間的部分電性相連。第一發(fā)射電極1122設置于壓電發(fā)射層1126靠近超聲波接收單元114一側，且彎折延伸至壓電發(fā)射層1126形成有該第二發(fā)射電極1124的表面上與柔性電路板120電性相連。第一發(fā)射電極1122的此種結構也常被稱作“反轉電極”。通過分別與柔性電路板120電性相連，第一發(fā)射電極1122和第二發(fā)射電極1124分別施加電壓至壓電發(fā)射層1126，第一發(fā)射電極1122與第二發(fā)射電極1124之間的電壓差使壓電發(fā)射層1126振動并發(fā)出超聲波。為了控制第一發(fā)射電極1122與第二發(fā)射電極1124之間的電壓差，可以控制第一發(fā)射電極1122與第二發(fā)射電極1124的其中一個電壓為定電壓，該定電壓可以是0，即第一發(fā)射電極1122與第二發(fā)射電極1124的其中一個通過柔性電路板120接地。改變另外一個的電壓即可調(diào)整第一發(fā)射電極1122與第二發(fā)射電極1124之間的電壓差從而控制發(fā)出的超聲波。在本實施例中，第一發(fā)射電極1122接地。在本發(fā)明其他實施例中，可以是第二發(fā)射電極1124接地。

超聲波接收單元114包括一第一接收電極1142和一第二接收電極1144、以及設置于第一接收電極1142與第二接收電極1144之間的壓電接收層1146。第二接收電極1144設置于壓電接收層1146遠離超聲波發(fā)射單元112一側，第二接收電極1144與柔性電路板120電性相連。第一接收電極1142設置于壓電接收層1146靠近超聲波發(fā)射單元112一側，且彎折延伸至壓電接收層1146形成有該第二接收電極1144的表面上與柔性電路板120電性相連。壓電接收層1146接收由壓電發(fā)射層1126發(fā)射后被手指反射回來的超聲波產(chǎn)生振動，壓電接收層1146的振動產(chǎn)生電信號,通過與第一接收電極1142和第二接收電極1144電性相連，柔性電路板120將該電信號輸出至處理器(圖未示)。為了讀取并記錄第一接收電極1142和第二接收電極1144之間的電信號，可以控制第一接收電極1142和第二接收電極1144的其中一個電壓為定電壓，該定電壓可以是0，即第一接收電極1142和第二接收電極1144的其中一個通過柔性電路板120接地。在本實施例中，第一接收電極1142接地。在本發(fā)明其他實施例中，可以是第二接收電極1144接地。

該第一發(fā)射電極1122、第二發(fā)射電極1124、第一發(fā)射電極1122和第二發(fā)射電極1124可以為整片式的導電結構也可以是圖案化的導電結構，可以由例如但不限于，銀、鋁、銅、鎳、金等高導電率材料制成，還可以由如透明導電材料(如氧化銦錫、氧化銦鋅)、銀、碳納米管或石墨烯等導電材料制成。

在本發(fā)明第一實施方式中，壓電發(fā)射層1126和壓電接收層1146的大小相等。在本發(fā)明的其他實施方式中，壓電發(fā)射層1126和壓電接收層1146的大小可以不相等。該壓電發(fā)射層1126和壓電接收層1146由壓電材料制成，所述壓電材料包含鈦酸鋇(BaiO₃)、鈦酸鉛(PbiO₃)和鋯鈦酸鉛(Pb(Zri)O₃,PZT)、鉭鈧酸鉛(PST)、石英、(Pb，Sm)iO₃、PMN(Pb(MgNb)O₃)-PT(PbiO₃)、聚偏二氟乙烯(PVDF)及聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物、鐵氟能及其它PTFE聚合物、聚二氯亞乙烯(PVDC)均聚物及共聚物、聚四氟乙烯(PTFE)均聚物及共聚物及溴化二異丙胺(DIPAB)等。

第一粘合層116可以是導電，也可以不導電。當?shù)谝徽澈蠈?16導電時，第一發(fā)射電極1122與第一接收電極1142電性連接，其電壓相等。此時，第一粘合層116可以全部為導電膠，例如，可以是異方向性導電膠，也可是一部分是導電膠，另一部分為非導電膠。例如，第一粘合層116的中間部分是導電膠，導電膠的外側為不導電膠。

當?shù)谝徽澈蠈?16不導電時，第一發(fā)射電極1122與第一接收電極1142的電壓分別由柔性電路板120控制。此時，第一粘合層116全部為非導電膠。由于第一發(fā)射電極1122與第一接收電極1142的表面均為粗糙表面，第一粘合層116可以填補第一發(fā)射電極1122與第一接收電極1142的表面粗糙處，從而減少超聲波傳輸損耗。在本發(fā)明第一實施例中，第一粘合層116為非導電膠。

柔性電路板120具有一第一表面120a，或稱內(nèi)表面，以及一第二表面120b，或稱外表面。其中，第一表面120a為與超聲波收發(fā)器110電性相連的表面，第二表面120b為與第一表面22相背的表面。柔性電路板120包括至少三個部分：與超聲波發(fā)射單元112電性相連的第一部分122、與超聲波接收單元114電性相連的第二部分124以及連接第一部分122與第二部分124的第三部分126。柔性電路板120的第一部分122的第一表面120a和第二部分124的第一表面120a上還形成有多個接墊128，超聲波發(fā)射單元112和超聲波接收單元114分別通過第二粘合層140與一接墊128粘合。第二粘合層140為導電膠。第二粘合層140可以全部為導電膠，例如，異方向性導電膠，也可是一部分是導電膠，另一部分為非導電膠。例如，第二粘合層140的中間部分是導電膠，導電膠的外側為不導電膠。由于第二發(fā)射電極1124與第二接收電極1144的表面均為粗糙表面，第二粘合層140可以填補第二發(fā)射電極1124與第二接收電極1144的表面粗糙處，從而減少超聲波傳輸損耗。

接墊128由導電材料形成，例如，焊錫、銅等金屬材料。在本實施例中接墊128為銅接墊。另外，在本實施例中，柔性電路板120的第二部分124的第一表面120a上還形成有用于連接驅動IC的端子部129。在本發(fā)明的其他實施例中，用于連接驅動IC的端子部129設置于柔性電路板120的第一部分122的第一表面120a上。在本發(fā)明的其他實施例中，驅動IC還可以直接結合在柔性電路板120上。

具體地，超聲波發(fā)射單元112的第二發(fā)射電極1124通過第二粘合層140與一接墊128相連進而與柔性電路板120相連。第一發(fā)射電極1122彎折延伸至壓電發(fā)射層1126設置有第二發(fā)射電極1124的表面上與另一接墊128相連進而與柔性電路板120相連。超聲波接收單元114的第二接收電極1144通過第二粘合層140與一接墊128相連進而與柔性電路板120相連。第一接收電極1142彎折延伸至壓電接收層1146設置有第二接收電極1144的表面上通過第二粘合層140與一接墊128相連進而與柔性電路板120相連。

壓板130設置于柔性電路板120的第二表面120b對應于超聲波收發(fā)器110的位置。壓板130與柔性電路板120之間通過第三粘合層150粘合。在本實施例中，壓板130設置于柔性電路板120的第一部分122的第二表面120b。在本發(fā)明其他實施例中，壓板130可以設置于柔性電路板120第二部分124的第二表面120b。

壓板130可為(但不限于)塑料、陶瓷、藍寶石、復合材料、金屬及金屬合金、金屬填充式聚合物、聚碳酸酯及玻璃。在一些實施方案中，壓板130可為壓板，例如用于顯示器的防護玻璃罩或防護鏡片。在一些實施例中，壓板130可為例如鋁、鋁合金、鉻-鉬、不銹鋼的金屬或金屬填充式聚合物。在需要時可經(jīng)由(例如)1mm或1mm以上的相對較厚的壓板執(zhí)行檢測及成像。在一些實施例中，用于電子裝置的殼體或外殼可充當壓板。在一些實施例中，移動裝置罩殼的背部、側面或前面可充當壓板，這是由于本文中所描述的超聲波傳感器可直接經(jīng)由罩殼壁成像指紋或采集生物計量信息。在一些實施例中，例如聚氨脂薄層、丙烯酸、聚對二甲苯的涂層或類金剛石涂層(DLC)可充當壓板。

在本實施例中，第三粘合層150為非導電膠。在本發(fā)明其他實施例中，第三粘合層150也可以全部為導電膠或部分為導電膠。同理，第三粘合層150可以填補柔性電路板120和壓板130表面不平整之處，從而減少超聲波傳輸損耗。

請再參閱圖1，本發(fā)明的超聲波傳感器100的工作原理如下：當沒有手指觸碰壓板表面時，根據(jù)輸入的控制信號，柔性電路板120通過第一部分122向第一發(fā)射電極1122和第二發(fā)射電極1124分別傳輸電信號，使第一發(fā)射電極1122和第二發(fā)射電極1124之間形成一電壓差。壓電發(fā)射層1126在該電壓差作用下發(fā)生振動并產(chǎn)生超聲波，超聲波相朝壓板130的方向行進，碰到壓板130時，一部分超聲波穿透壓板130向外繼續(xù)行進，另一部分超聲波被壓板130反射回來被壓電接收層1146接收并轉化成電信號，通過第一接收電極1142和第二接收電極1144傳遞給柔性電路板120的第二部分124并輸出給控制器，并由控制器處理后作為參照信號。當有手指觸碰壓板表面時，根據(jù)輸入的控制信號，柔性電路板120通過第一部分122向第一發(fā)射電極1122和第二發(fā)射電極1124分別傳輸電信號使第一發(fā)射電極1122和第二發(fā)射電極1124之間形成一電壓差，壓電發(fā)射層1126在該電壓差作用下發(fā)生震動并產(chǎn)生超聲波，超聲波朝壓板130的方向行進，碰到壓板130上的手指時，一部分超聲波被手指吸收，另一部分超聲波被壓板130反射回來被壓電接收層1146接收并轉化成電信號，通過第一接收電極1142和第二接收電極1144傳遞給柔性電路板120的第二部分124并輸出給控制器，并由控制器處理后作為信號，將其與參考信號比較，判斷是否有觸控物體觸控該超聲波傳感器100，并進一步判斷是否對電子裝置進行喚醒。

上述第一實施例中的超聲波傳感器100僅使用同一柔性電路板120繞行連接超聲波傳感器的超聲波發(fā)射單元112和超聲波接收單元114，節(jié)省了超聲波傳感器的制造人力，有利于降低故障率，增長使用壽命。另外，第一實施例中的超聲波傳感器100利用粘合層填補超聲波傳感器100內(nèi)部元件表面不平整之處，可以減少超聲波傳輸損耗。

請一并參閱圖2，圖2為第二實施例中的超聲波傳感器200，其與第一實施例中的超聲波傳感器100的結構大致相同，對于相同之處此處不再贅述，不同點在于：超聲波發(fā)射單元212位于超聲波接收單元214遠離壓板230的一側，壓板230設置于柔性電路板220的第二部分224的第二表面220b對應于超聲波接收單元214的位置，且，用于連接驅動的端子部229設置于柔性電路板220的第一部分222的第一表面220a上。本發(fā)明第二實施例的超聲波傳感器200和第一實施例的超聲波傳感器100的工作原理相同，因此也不贅述。

請參閱圖3，圖3為本發(fā)明第三實施例的超聲波傳感器300，其與本發(fā)明第一實施例中的超聲波傳感器100的結構大致相同，對于相同之處此處不再贅述，不同點在于：壓電發(fā)射層3126和壓電接收層3146的大小不等，壓電發(fā)射層3126的尺寸較壓電接收層3146大，由于超聲波發(fā)射單元312發(fā)出的超聲波波到達壓板330后一部分被手指吸收，反射回來被超聲波接收單元314接收到的超聲波的能量小。因此設置超聲波發(fā)射單元312的壓電發(fā)射層3126尺寸大于超聲波接收單元314的壓電接收層3146以提供更大的振動能量，增強超聲波接收單元314接收到的信號強度，提高的超聲波傳感器300的靈敏度。本發(fā)明第一實施例的超聲波傳感器300和第一實施例的超聲波傳感器100的工作原理相同，因此也不贅述。

請一并參閱圖4，圖4為本發(fā)明第四實施例的超聲波傳感器400，其與本發(fā)明第三實施例中的超聲波傳感器400的結構大致相同，對于相同之處此處不再贅述，不同點在于：本發(fā)明第三實施例中，第一粘合層416導電，第一接收電極4142通過導電的第一粘合層416與第一發(fā)射電極4122電性連接，由于第一發(fā)射電極4122與柔性電路板420電性連接，第一接收電極4142與第一發(fā)射電極4122電壓相等。從而，第一接收電極4142與第二接收電極4144可以設置于壓電接收層4146兩側的不同表面上，而不需要彎折延伸至與第二接收電極4144相同的表面上。相較于第一實施例至第三實施例，第一接收電極4142不需要彎折延伸至與第二接收電極4144相同的表面上，因此，可以降低極化成本。本發(fā)明第四實施例的超聲波傳感器400和第一實施例的超聲波傳感器100的工作原理相同，因此也不贅述?？梢岳斫猓诒景l(fā)明的其他實施例中，可以是第一接收電極通過導電的第一粘合層與第一發(fā)射電極電性連接，第一發(fā)射電極與柔性電路板電性相連。從而，第一發(fā)射電極與第二發(fā)射電極設置于壓電發(fā)射層兩側的不同表面上，而不需要第一發(fā)射電極彎折延伸至與第二發(fā)射電極相同的表面上。同樣，也可以降低極化成本。

請參閱圖5，本發(fā)明還提供一種使用本發(fā)明第一實施例的超聲波傳感器100的電子裝置500。如圖5僅以電子裝置500為一手機為例，在其它實施例中，該電子裝置10也可為個人計算機、智能家電、工業(yè)控制器等。當電子裝置500為手機時，其包括一顯示區(qū)域510。以具有顯示區(qū)域510的表面為正面500a，與正面500a相背的表面為背面500b，超聲波傳感器100設置于電子裝置500的正面500a，位于顯示區(qū)域510下方，此時該超聲波傳感器100可作為手機的home鍵，即主屏鍵。在本發(fā)明其他實施例中，超聲波傳感器100還可以設置于電子裝置500的背面500b，甚至側面。超聲波傳感器100可用作按鍵開關檢測手指等觸摸體的觸摸，以判斷是否喚醒該按鍵開關檢測手指的觸摸，以喚醒該便攜式電子裝置。雖然，在本實施例的電子裝置500中采用了本發(fā)明第一實施例的超聲波傳感器100?？梢岳斫猓景l(fā)明第一實施例至第四實施例的任一均可以被用于電子裝置500中。