CN110265544A - 压电传感器及制备方法、进行指纹识别的方法及电子设备 - Google Patents

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郭玉珍
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Abstract

本发明公开了压电传感器及制备方法、进行指纹识别的方法及电子设备。具体的，本发明提出了一种压电传感器，包括相对设置的衬底、接触层，和位于衬底和接触层之间的压电结构，压电结构包括：位于衬底朝向接触层一侧的第一电极层；位于第一电极层远离衬底一侧的压电层，压电层包括多个间隔设置的压电单元，和位于相邻的压电单元之间的绝缘层；和位于压电层远离衬底一侧的第二电极层，第一电极层和/或第二电极层包括至少一个与压电单元对应的子电极。由此，多个间隔设置的压电单元可以独立地发射/接收信号，有利于对压电结构发出的超声波信号进行聚焦和方向控制等，可以增大监测区域的面积，减小压电传感器的占用面积，并能提高信号强度和分辨率。

Description

压电传感器及制备方法、进行指纹识别的方法及电子设备
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体地，涉及压电传感器及制备方法、进行指纹识别的方法及电子设备。
背景技术
压电传感器的工作原理是利用压电材料(如充当发射器)的逆压电效应(在特定方向施加交变电压使压电材料振动)发射出特定频率的超声波，超声波在传播过程中由于接触待测物体而发生能量衰减或相位变化，到达充当接收器的压电材料时发生正压电效应(在超声波的压力作用下产生电荷)，从而确定超声波的能量或相位变化以实现传感检测。具体地，可以借助压电传感器对超声波传播路径中的物理环境做出判断，比如进行指纹识别、触摸开关、压力传感器、人体内脏器官成像、金属制品探伤等。在生物特征识别领域(例如指纹识别)，压电传感器相比其他技术手段(电容式、光学式等)具有抗干扰、多维成像、便于集成等优点。
然而，目前的压电式传感器及制备方法、进行指纹识别的方法及电子设备仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上缓解甚至解决上述问题的至少之一。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种压电传感器。根据本发明的实施例，该压电传感器包括相对设置的衬底、接触层，以及位于所述衬底和所述接触层之间的压电结构，所述压电结构包括：位于所述衬底朝向所述接触层一侧的第一电极层；位于所述第一电极层远离所述衬底一侧的压电层，所述压电层包括多个间隔设置的压电单元，以及位于相邻的所述压电单元之间的绝缘层；以及位于所述压电层远离所述衬底一侧的第二电极层，所述第一电极层和/或所述第二电极层包括至少一个与所述压电单元对应的子电极。由此，多个间隔设置的压电单元可以独立地发射/接收信号，通过独立地调节每个压电单元的信号发射情况等，可以对整个压电结构发出的超声波信号进行聚焦和方向控制等，可以增大监测区域的面积，减小压电传感器的占用面积，并且多个压电单元可通过诸如形成具有最大振幅的发射信号等方式，能提高信号强度和分辨率。
根据本发明的实施例，所述压电层包括多个阵列排布的所述压电单元，所述子电极与所述压电单元一一对应。由此，可进一步提高该压电传感器的性能。
根据本发明的实施例，构成所述绝缘层的材料的杨氏模量，小于构成所述压电单元的材料的杨氏模量。由此，可令作用于压电层以发生正压电效应的压力集中与压电单元上，并且可以减少相邻的压电单元之间的机械振动以及电信号串扰，提高传感和检测的灵敏度。
根据本发明的实施例，构成所述绝缘层的材料的杨氏模量不大于2GPa。由此，可进一步提高该压电传感器的性能。
根据本发明的实施例，该压电传感器进一步包括以下结构的至少之一：辅助层，所述辅助层位于所述第一电极层以及所述压电层之间；激励源，所述激励源与所述压电结构电连接，以激励多个所述压电单元产生超声波；相位控制器，所述相位控制器与所述压电结构电连接，且被配置为可单独调制用以激励每个所述压电单元产生超声波的信号的相位。由此，该辅助层可以增强第一电极层和压电层之间的粘附性，并且可以防止第一电极层中的金属原子扩散到压电单元，影响压电单元的性能；通过该相位控制器可以对每个压电单元发射的信号进行单独调控，有利于对整个压电结构发射的信号进行聚焦以及方向控制等，进一步提高了该压电传感器的使用性能。
根据本发明的实施例，所述接触层上具有压电传感电路，所述压电传感电路位于所述接触层朝向所述压电结构的一侧，且与所述压电结构电连接。由此，可进一步提高该压电传感器的性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种进行指纹识别的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：利用激励源激励压电传感器产生超声波，所述压电传感器包括相对设置的衬底、接触层，以及位于所述衬底和所述接触层之间的压电结构，所述压电结构具有多个间隔设置的压电单元，所述超声波可由所述接触层一侧传出并作用于手指，所述压电结构接收经所述手指反射的超声波并转换为压电信号，从而实现指纹识别。由此，该方法可利用多个间隔设置的压电单元独立地发射/接收信号，通过独立地调节每个压电单元的信号发射情况等，可以对整个压电结构发出的超声波信号进行聚焦和方向控制等，可以增大监测区域的面积，减小压电传感器的占用面积，并且多个压电单元可通过诸如形成具有最大振幅的发射信号等方式，能提高信号强度和分辨率。
根据本发明的实施例，多个所述压电单元之间设置有绝缘层，所述压电结构还包括分别位于所述压电单元两侧的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和/或所述第二电极层，包括至少一个与所述压电单元对应的子电极，所述压电传感器还包括相位控制器，所述相位控制器和所述压电结构电连接，所述利用激励源激励压电传感器产生超声波进一步包括：利用所述相位控制器单独调制用以激励每个所述压电单元产生超声波的信号的相位。由此，通过该相位控制器可以对每个压电单元发射的信号进行单独调控，有利于对整个压电结构发射的信号进行聚焦以及方向控制等，进一步提高了利用该方法进行指纹识别的分辨率。
根据本发明的实施例，所述单独调制用以激励每个所述压电单元产生超声波的信号的相位包括：调整施加在多个所述压电单元上的信号的相位，以令多个所述压电单元产生的所述超声波的信号可在传播途中叠加，合成的超声信号具有最大振幅。由此，可进一步提高该方法进行指纹识别的灵敏度以及分辨率。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：通过调整施加在多个所述压电单元上的信号的相位，改变形成的所述最大振幅的方向，以令所述最大振幅的方向可沿着预定的路线进行改变。由此，可以对该压电结构发射的声波按预定的路线进行聚焦，从而可以在较小的压电传感器面积下，实现较大面积区域的指纹监测，提高了人机交互效率。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：利用所述压电传感器中的压电传感电路，将多个所述压电单元转换的压电信号由交流信号转换为直流信号，分别存储在所述压电传感电路的存储电容中，并在信号读出阶段依次输出至***信号处理器。由此，可以简便地将压电结构的信号传递至***信号处理器，以便对压电结构反馈的信号进行处理，得到指纹识别信息。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种制备前面所述的压电传感器的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：在接触层上形成压电结构，形成所述压电结构包括：形成第二电极层，并在所述第二电极层远离所述接触层的一侧形成多个间隔设置的压电单元，以及位于相邻的所述压电单元之间的绝缘层，在所述压电单元远离所述第二电极层的一侧形成第一电极层，所述第一电极层和/或所述第二电极层，包括至少一个与所述压电单元对应的子电极；在所述压电结构远离所述接触层的一侧设置衬底。由此，该方法可以简便地制备压电传感器，且制备的压电传感器通过多个间隔设置的压电单元可以独立地发射/接收信号，可以提高信号强度以及分辨率。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：在玻璃基板的一侧形成压电传感电路以及所述第二电极层，所述第二电极层包括多个子电极，所述多个子电极之间具有绝缘结构；在所述多个子电极远离所述玻璃基板的一侧旋涂聚偏氟乙烯薄膜，并利用所述聚偏氟乙烯薄膜形成多个阵列排布的所述压电单元，在相邻的所述压电单元的间隙处形成所述绝缘层；在所述压电单元远离所述第二电极层的一侧形成所述第一电极层，并在所述第一电极层远离所述压电单元的一侧形成所述衬底。由此，可以进一步提高所制备的压电传感器的使用性能。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种电子设备。根据本发明的实施例，该电子设备包括：前面所述的压电传感器，以及与所述压电传感器相连的***信号处理器。由此，该电子设备具有前面所述的压电传感器所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电子设备可以利用较小的压电传感器面积，实现较大面积的监测(例如指纹监测等)，提高了人机交互效率，且传感监测时的灵敏度和分辨率较高。
根据本发明的实施例，该电子设备进一步包括：显示屏，所述压电传感器设于所述显示屏背离出光侧的一侧。由此，进一步提高了该电子设备的使用性能。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的压电传感器的剖面结构示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的压电层的俯视结构示意图；
图3显示了根据本发明另一个实施例的压电传感器的剖面结构示意图；
图4显示了根据本发明一个实施例的利用压电传感器进行指纹识别时的原理示意图；
图5显示了利用根据本发明一个实施例的压电传感器进行传感的原理示意图；
图6显示了利用根据本发明另一个实施例的压电传感器进行传感的原理示意图；
图7显示了根据本发明一个实施例的压电传感器的部分电路结构示意图；
图8显示了根据本发明又一个实施例的压电传感器的剖面结构示意图；
图9显示了根据本发明一个实施例的进行指纹识别的方法流程图；
图10显示了根据本发明另一个实施例的进行指纹识别的方法流程图；
图11显示了根据本发明一个实施例的制备压电传感器的方法流程图；
图12显示了根据本发明另一个实施例的制备压电传感器的方法流程图；
图13显示了根据本发明一个实施例的电子设备的结构示意图；以及
图14显示了根据本发明另一个实施例的电子设备的结构示意图。
附图标记说明：
100：衬底；110：保护亚层；120：声波反射亚层；200：压电结构；210：第一电极层；220：第二电极层；221：子电极；222：绝缘结构；230：压电层；231：子单元；240：辅助层；10：压电单元；20：绝缘层；300：接触层；400：激励源；500：压电传感电路；600：相位控制器；700：手指；800：光学粘合层；900：盖板；1000：压电传感器；1100：显示屏；1200：电子设备。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种压电传感器。根据本发明的实施例，参考图1以及图2(图1为沿图2中的AA’方向的压电传感器的剖面结构示意图)，该压电传感器1000包括相对设置的衬底100、接触层300，以及位于衬底100和接触层300之间的压电结构200。其中，压电结构200包括：位于衬底100朝向接触层300一侧的第一电极层210、位于第一电极层210远离衬底100一侧的压电层230，以及位于压电层200远离衬底100一侧的第二电极层220，压电层230包括多个间隔设置的压电单元10，以及位于相邻的压电单元10之间的绝缘层20。其中，第一电极层210和/或第二电极层220，即第一电极层210和第二电极层220中的至少一个，包括多个与压电单元10对应的子电极(例如参考图1，第二电极层220包括至少一个与压电单元10对应的子电极221)。由此，多个间隔设置的压电单元10可以独立地发射/接收信号，并且可以对整个压电结构200发出的超声波信号进行聚焦和方向控制等，提高信号强度和分辨率，并且能增大监测区域的面积，减小压电传感器的占用面积，提高人机交互效率。
需要说明的是，该压电传感器1000在进行工作时，前面所述的第一电极层210、第二电极层220以及压电层230可以同时作为发射器和接收器使用，即可以通过不同的工作时序，利用同一个压电层230实现超声波信号的发射，以及接收反射回的超声波信号并将其转化为电信号的过程。
为了便于理解，下面对根据本发明实施例的压电传感器能够实现上述有益效果的原理进行简单说明：
发明人发现，目前的压电传感器存在信号分辨率较低等问题。发明人通过深入研究发现，这是由目前的压电传感器中的信号容易串扰且信号强度不足等原因造成的。具体地，压电传感器在应用时(例如用于电子设备等的指纹识别时)，通常将构成压电传感器的压电材料以及电极等集成于电子设备的显示屏下方，进而可以在整个显示屏上实现较大面积的指纹识别。但是，由于目前的压电传感器中，压电材料以及电极等均为整层设置，而整层的压电材料在发射或是接收信号时，信号容易发生串扰，并且能量容易耗散，导致信号衰减，从而降低了信号分辨率，减弱了待识别目标(例如指纹)的区分度，降低了指纹识别的灵敏度和准确性等。
根据本发明实施例的压电传感器，通过将压电层(即压电材料层)图案化，即压电层包括多个间隔设置的压电单元，多个间隔设置的压电单元可以独立地发射/接收信号，即多个压电单元可以形成多个独立的压电传感器子单元。由此，可以通过独立地调节每个压电单元的信号发射情况等，对整个压电层发出的超声波信号进行聚焦和方向控制，例如可以使多个压电单元发射的信号产生干涉等，合成的超声信号可在特定位置获得最大振幅，进而可以提高信号强度，提高压电传感器的分辨率，获得类似令超声信号沿特定方向汇聚的效果，进而可以增大监测区域的面积，例如前面所述的压电传感器用于电子设备的指纹识别时，压电传感器可以仅设置在显示屏下方的部分区域，即可实现整个显示屏上的指纹识别，减小了压电传感器的占用面积，提高了人机交互效率。并且，通过单独对每一个压电单元发出的超声信号进行控制，还可以改变最大振幅的位置，即可实现扫描式的信号传感。
由于压电单元的两侧需要分别设置电极，因此，当压电层包括多个间隔设置的压电单元时，需要利用绝缘层填充压电单元之间的空隙，以保证压电单元两侧的电极结构可以获得足够的机械支撑。发明人发现，该绝缘层20还可以令相邻的压电单元在发射/接收信号时相互隔离，进而可以减小相邻的压电单元之间发射/接收信号时的电耦合，即减少了压电层在发射/接收信号时的信号串扰，提高了压电传感器的分辨率。本领域技术人员能够理解的是，为了保证压电单元可发生前述的正压电或是逆压电效应，需要选用杨氏模量小于压电单元材料的固体绝缘层或者粘弹性胶。
根据本发明的实施例，衬底100的具体种类不受特别限制，例如衬底100可以是由绝缘材料形成的，例如环氧树脂等。具体地，参考图3，衬底100可以包括相对设置的保护亚层110以及声波反射亚层120，其中，声波反射亚层120可以朝向压电结构200设置。具体地，保护亚层110可以是由绝缘材料，例如环氧树脂形成的。具体地，声波反射亚层120可以将传递至衬底100一侧的超声波信号反射至另一侧，减小了信号衰减，进一步提高了信号强度以及灵敏度。具体地，声波反射亚层120可以是由金属形成的，例如形成声波反射亚层120的材料可以包括铜；具体地，声波反射亚层120的厚度可以为10～100μm，例如可以为20μm，可以为50μm，可以为80μm等。由此，声波反射亚层120的厚度在该范围时，可以较好地反射传递至衬底100一侧的超声波信号。
根据本发明的实施例，压电结构200包括第一电极层210、第二电极层220以及压电层230。具体地，第一电极层210和压电层230之间、第二电极层220与压电层230之间可以形成良好的电气连接。具体地，在信号发射阶段，通过第一电极层210以及第二电极层220，可以向压电层230施加交流电压，例如施加10～20MHz的±50V的短时正弦或方波、锯齿波信号等，压电层230被该电压信号驱动，发射出超声波；在信号接收阶段，反射回的超声波可以传递至压电层230，并由压电层230将该声压转化为电信号，并传递至接收电极(例如第二电极层220上)。
根据本发明的实施例，第一电极层210以及第二电极层220中的至少之一包括多个和压电单元10对应的子电极，具体地，参考图1，第二电极层220可以包括多个子电极221，第一电极层210也可以包括多个和压电单元10对应的子电极(图中未示出)，或者如图1所示出的，第一电极层210可以为整层电极，形成第一电极层210的材料不受特别限制，例如可以包括银；具体地，第一电极层210的厚度可以为6-12μm，例如可以为8μm，可以为10μm等，由此，进一步提高了该压电传感器的使用性能。本领域技术人员能够理解的是，第一电极层210以及第二电极层220中的至少之一包括多个子电极，是为了实现对多个压电单元施加单独可控的电压信号。因此，只要第一电极层210以及第二电极层220中的一个具有多个独立的子电极即可。
根据本发明的实施例，参考图3，该压电传感器1000可以进一步包括辅助层240，辅助层240可以设置在第一电极层210和压电层230之间，由此，该辅助层240不仅可以增强第一电极层210和压电层230之间的粘附性，并且可以防止第一电极层210以及声波反射亚层120中的金属原子(例如Ag、Cu等)扩散到压电单元10，进而影响压电单元10的性能等，并且可以提高该压电结构200的击穿电压。具体的，形成辅助层240的材料可以包括钼、铬、铂等，辅助层240的厚度可以为50～100nm等，且辅助层240和第一电极层210的总厚度可以为10μm左右。根据本发明的实施例，当第一电极层210为整层结构时，该辅助层240也可以为整层结构；当第一电极层210包括多个子电极时(图中未示出)，即第一电极层210为图案化的结构时，该辅助层240也可以具有与第一电极层210相同的图案化结构。具体的，在制备该压电传感器的过程中，可以先形成层叠设置的整层结构的第一电极层210以及辅助层240，然后通过一次构图工艺，同时将该第一电极层210和辅助层240图案化，形成具有多个间隔设置的子电极的结构。
根据本发明的实施例，第二电极层220可以包括多个子电极221，多个子电极221可以和多个压电单元10一一对应设置，子电极221的个数与压电单元10的个数可以相等。具体地，形成子电极221的材料不受特别限制，例如可以包括氧化铟锡(ITO)等。具体地，多个子电极221之间具有间隙，该间隙处可以形成绝缘结构，参考图2中所示出的绝缘结构222，形成该绝缘结构222的材料包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂等。
根据本发明的实施例，参考图1以及图2，压电层230可以包括多个阵列排布的压电单元10。由此，可进一步提高该压电传感器的性能。具体地，压电单元10可以是由压电材料形成的，例如形成压电单元10的材料可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)、AlN等。具体地，压电单元10的厚度可以为5～50μm，例如可以为10μm，可以为20μm，可以为30μm，可以为40μm等，压电单元10的厚度在该范围时，可以较好地发射以及接收超声波信号。
根据本发明的实施例，构成绝缘层20的材料的杨氏模量，可以小于构成压电单元10的材料的杨氏模量。由此，绝缘层20相对于压电单元10较软，作用于压电层230上的用于发生正压电效应(即压电材料在压力作用下产生电荷)的压力，可以集中在压电单元10上，即可以提高单个压电单元10感测到的声压，进而提高了信号强度，并且不会影响压电单元10本身的压电特性，如压电系数D33、介电常数等；并且绝缘层20可以进一步将多个压电单元10分割开，减少相邻的压电单元10之间由于电耦合以及机械振动耦合等引起的信号串扰以及能量损耗，进一步提高了该压电传感器1000的分辨率以及灵敏度。
具体地，参考图1以及2，该压电层230可以包括M行、N列的压电单元10阵列，每个压电单元10的尺寸可以为a×a(和每个压电单元10一一对应设置的子电极221的尺寸也为a×a)，每一行中相邻两个压电单元10之间的间距可以为b，相邻两行压电单元10之间的间距可以为b。在该压电传感器1000进行传感时，压电层230可接收经过待检测物反射的超声波信号，由于与接触层300接触的待检测物(例如手指)的表面形貌存在差异，例如参考图7，手指700上的指纹为间隔排列的波峰和波谷，因此，压电层230的不同位置处接收到的超声波信号也存在差异。对于每一个压电单元10及其周边的绝缘层20形成的子单元231(参考图3中虚线方框限定出的子单元231，以及参考图4中的加粗实线框标出的子单元231)，该子单元231接收到的反射回的超声波信号产生的压力为F1，该子单元231的面积为S1＝(a+b)2，当该子单元231中的绝缘层20由杨氏模量较大的材料(较硬)形成时，该压力F1作用于整个子单元231上，该子单元231上产生的压强为P1＝F1/S1。而根据本发明实施例的压电传感器1000中，绝缘层20为较软的材料(绝缘层材料的杨氏模量小于压电单元材料的杨氏模量)形成的，因此，该子单元231接收到的反射回的超声波信号产生的压力为F1将几乎全部施加于面积为S2＝a2的压电单元10上，因此在压电单元10上产生的压强为P2＝F1/S2，P2大于P1，因此，压电单元10接收到的声压(即反射的超声波产生的压强)得到放大。因此，提高了信号强度和检测灵敏度。
根据本发明的实施例，构成绝缘层20的材料的杨氏模量可以不大于2GPa，例如，可以为1MPa-2GPa。由此，可进一步提高该压电传感器的性能。具体地，构成绝缘层20的材料可以包括经固化的环氧光敏胶、液态光学透明胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
根据本发明的实施例，接触层300的具体类型不受特别限制，例如可以为玻璃基板等。具体地，如前所述，形成接触层300的材料的杨氏模量可以大于形成压电单元10的材料的杨氏模量，即接触层300可以较硬。
根据本发明的实施例，参考图5以及图6，压电传感器1000可以进一步包括激励源400以及相位控制器500，激励源400与压电结构(图中未示出)电连接，以激励多个压电单元20产生超声波。具体地，激励源400可以和第一电极层210以及第二电极层220电连接，在信号发射阶段，激励源400可以通过第一电极层210以及第二电极层220(多个和压电单元10电连接的子电极)，向每个压电单元10施加交流电压，例如施加10～20MHz的±50V的短时正弦或方波、锯齿波信号等，压电单元10被该电压信号驱动，分别发射出超声波，并且，多个压电单元10发射出的超声波在传播一定距离之后，可以合成为近似平面波。如前所述，由于多个压电单元10之间的绝缘层20的杨氏模量较小，因此，多个压电单元10之间无机械耦合损失，因此，可以减少能量耗散，提高了最终由该压电结构发射出的合成平面波的强度，提高信号强度和监测灵敏度。
根据本发明的实施例，参考图6，压电传感器1000可以进一步包括相位控制器600，相位控制器600可以与压电结构(图中未示出)电连接，且可以单独调制用以激励每个压电单元10产生超声波的信号的相位。由此，通过该相位控制器600，可以对每个压电单元10发射的超声波信号进行单独调控(例如可以对不同的压电单元10施加不同时间延迟的激励信号)，多个压电单元发射的超声波信号的相位可以相同，也可以不同(参考图6所示出的)，从而可以对整个压电层230发射的信号进行聚焦以及方向控制等，由此，可以增大监测区域的面积，即可以在较小的压电传感器1000的面积的基础上，实现更大面积的传感和监测。例如前面所述的压电传感器用于电子设备的指纹识别时，压电传感器可以仅设置在显示屏下方的部分区域，即可实现整个显示屏上的指纹识别，减小了压电传感器的占用面积，提高了人机交互效率，进一步提高了该压电传感器的使用性能。
根据本发明的实施例，参考图5以及图6，压电传感器1000可以进一步包括压电传感电路500，压电传感电路500与压电结构(图中未示出)电连接，由此，在信号接收阶段，利用该压电传感电路500，可以将压电层230接收到反射波并转化产生的电信号输出至***的信号处理器，以便对该压电传感器1000的监测结果进行分析和判断。具体地，该压电传感电路500可以将多个压电单元10转换的压电信号由交流信号转换为直流信号，分别存储在压电传感电路500的存储电容中，并在信号读出阶段依次输出至***信号处理器。
根据本发明的实施例，参考图7以及图8，压电传感电路500可以设置在接触层300上，且位于接触层300朝向压电结构200的一侧。具体的，压电传感电路500可以包括控制与发射电路、检测电路(图中未示出)以及TFT电路等。前面所述的激励源以及相位传感器可以通过该控制与发射电路控制施加在第一电极层和第二电极层之间的交流电压等，进而可以控制每个压电单元发射的超声波信号的相位等，以便根据需要对整个压电结构发射的超声波信号进行调节。该检测电路以及TFT电路等可以将每个压电单元接收到反射波并转化产生的电信号按照一定的顺序，依次输出至***的信号处理器。
综上可知，根据本发明实施例的压电传感器，通过设置多个间隔分布的压电单元，多个间隔设置的压电单元可以独立地发射/接收信号，减少了压电结构在发射/接收信号时的电耦合，减少了信号串扰，并且可以对整个压电结构发出的超声波信号进行聚焦和方向控制等，可以进一步提高信号强度和分辨率，并且能增大监测区域的面积，减小压电传感器的占用面积，提高人机交互效率。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种进行指纹识别的方法。根据本发明的实施例，该方法可以是利用前面所述的压电传感器进行指纹识别的，由此，该方法具有前面所述的压电传感器所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，参考图9，该方法包括：
S100：利用激励源激励电压传感器产生超声波
在该步骤中，利用激励源激励压电传感器产生超声波。根据本发明的实施例，该电压传感器具有前面所述的电压传感器相同的结构，例如该压电传感器包括相对设置的衬底、接触层，以及位于衬底和接触层之间的压电结构，该压电结构具有多个间隔设置的压电单元，并且多个压电单元之间间隔有绝缘层，该压电结构还包括分别位于压电单元两侧的第一电极层和第二电极层，第一电极层和第二电极层中的至少一个，包括多个与压电单元对应的子电极。具体地，该步骤中，激励源可以和第一电极层以及第二电极层电连接，激励源可以通过第一电极层以及第二电极层(多个和压电单元电连接的子电极)，向每个压电单元施加交流电压，例如施加10～20MHz的±50V的短时正弦或方波、锯齿波信号等，压电单元被该电压信号驱动，分别发射出超声波，并且，多个压电单元发射出的超声波在传播一定距离之后，可以合成为近似平面波。
根据本发明的实施例，压电传感器还可以包括相位控制器，该相位控制器和压电结构电连接，可以利用相位控制器单独调制用以激励每个压电单元产生超声波的信号的相位。由此，通过该相位控制器可以对每个压电单元发射的信号进行单独调控，有利于对整个压电结构发射的信号进行聚焦以及方向控制等，进一步提高了利用该方法进行指纹识别的分辨率。
根据本发明的一些实施例，单独调制用以激励每个压电单元产生超声波的信号的相位可以包括：调整施加在多个压电单元上的信号的相位，使施加到压电单元的激励信号的相位发生偏移，以令多个压电单元产生的超声波的信号可在传播途中叠加，合成的超声信号具有最大振幅。由此，可以对多个压电单元产生的超声波信号进行“聚焦”，可以提高最终由压电结构发射出的超声波的信号强度，超声能量的集中能够获得更多的深度方向的指纹探测信息，可进一步提高该方法进行指纹识别的灵敏度以及分辨率。
根据本发明的另一些实施例，单独调制用以激励每个压电单元产生超声波的信号的相位还可以进一步包括：通过调整施加在多个压电单元上的信号的相位，改变前面形成的最大振幅的方向，即改变不同空间位置的压电单元的激励信号的相位的大小和时序，以令该最大振幅的方向可沿着预定的路线进行改变。由此，可以对该压电结构发射的声波按预定的路线进行聚焦，即可以改变最终产生的超声波信号的方向，从而可以在较小的压电传感器面积下，实现较大面积区域的指纹监测，提高了人机交互效率。改变不同空间位置的传感单元激励信号相移的大小和时序，可实现超声波的聚焦和方向扫描，超声能量的集中能够获得更多的深度方向的探测信息，并能够实现在较小传感器阵列面积下对更大面积的指纹检测。
S200：超声波由接触层传出并作用于手指
在该步骤中，前面步骤中产生的超声波由接触层传出，并作用于手指。根据本发明的实施例，该过程中，手指和接触层接触，进而前面步骤中产生的超声波可由接触层传递并作用于手指，手指可以将该接收到的超声波信号反射回接触层。由于手指的指纹具有间隔的波峰和波谷，手指的波峰和波谷处对超声波的反射存在差异，因此，经过手指作用后，反射回接触层的超声波信号也出现差异。
S300：压电结构接收手指反射的超声波信号，并转换为电压信号
在该步骤中，压电结构接收前面步骤中由手指反射回的超声波信号，并将其转换为电压信号，从而实现指纹识别。根据本发明的实施例，该压电传感器中，形成绝缘层的材料的杨氏模量小于形成压电单元的材料的杨氏模量，因此，如前所述，由于与接触层300接触的待检测物(例如手指)的表面形貌存在差异，手指上的指纹为间隔排列的波峰和波谷，因此，压电结构的不同位置处接收到的超声波信号也存在差异。对于每一个压电单元及其周边的绝缘层形成的子单元，该子单元接收到的反射回的超声波信号产生的压力为F1，该子单元231的面积为S1＝(a+b)2，当该子单元231中的绝缘层由杨氏模量较大的材料(较硬)形成时，该压力F1作用于整个子单元231上，该子单元231上产生的压强为P1＝F1/S1。而根据本发明实施例的压电传感器1000中，绝缘层20为较软的材料(绝缘层材料的杨氏模量小于压电单元材料的杨氏模量)形成的，因此，该子单元231接收到的反射回的超声波信号产生的压力为F1将几乎全部施加于面积为S2＝a2的压电单元上，因此在压电单元10上产生的压强为P2＝F1/S2，P2大于P1，因此，压电单元10接收到的声压(即反射的超声波产生的压强)得到放大。因此，提高了信号强度和检测灵敏度。
根据本发明的实施例，参考图10，该方法进一步包括：
S400：利用压电传感电路，将压电信号由交流信号转变为之流信号，存储在存储电容中
该步骤中，利用压电传感电路，将压电信号由交流信号转变为之流信号，存储在存储电容中。根据本发明的实施例，该电压传感器进一步包括和压电结构电连接的压电传感电路，并且可以利用该压电传感电路，将多个压电单元转换的压电信号由交流信号转换为直流信号，分别存储在压电传感电路的存储电容中。
S500：在信号输出阶段依次输出至***信号处理器
在该步骤中，在信号读出阶段，将前面步骤中存储在压电传感电路的存储电容，依次输出至***信号处理器。由此，可以简便地将压电结构的信号传递至***信号处理器，以便对压电结构反馈的信号进行处理，得到指纹识别信息。
综上可知，该方法可利用多个间隔设置的压电单元独立地发射/接收信号，通过独立地调节每个压电单元的信号发射情况等，可以对整个压电结构发出的超声波信号进行聚焦和方向控制等，可以增大监测区域的面积，减小压电传感器的占用面积，并且多个压电单元可通过诸如形成具有最大振幅的发射信号等方式，能提高信号强度和分辨率。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种制备前面所述的压电传感器的方法。由此，该方法所制备的压电传感器具有前面所述的压电传感器所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。根据本发明的实施例，参考图11，该方法包括：
S10：在接触层上形成压电结构
在该步骤中，在接触层上形成压电结构。根据本发明的实施例，接触层可以为玻璃基板等。根据本发明的实施例，参考图12，该方法进一步包括：
S11：形成第二电极层
在该步骤中，在接触层上形成第二电极层。根据本发明的实施例，接触层为玻璃基板时，可以在玻璃基板的一侧形成第二电极层，该第二电极层包括多个子电极，且多个子电极之间具有绝缘结构。具体地，如前所述，形成第二电极层的材料可以包括氧化铟锡(ITO)等，形成绝缘结构的材料可以包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂等。
根据本发明的实施例，该步骤中，可以在接触层上形成第二电极层以及压电传感电路，具体地，可以先在接触层上形成压电传感电路，然后再形成第二电极层。
S12：形成多个间隔设置的压电单元以及相邻压电单元之间的绝缘层
在该步骤中，在前面步骤中形成的第二电极层远离接触层的一侧，形成多个间隔设置的压电单元以及相邻压电单元之间的绝缘层。根据本发明的实施例，该步骤中，在前面步骤中形成的多个子电极远离玻璃基板(接触层)的一侧旋涂聚偏氟乙烯薄膜，并利用该聚偏氟乙烯薄膜形成多个阵列排布的压电单元，并在相邻的压电单元的间隙处形成所述绝缘层。具体地，可以将该旋涂的聚偏氟乙烯薄膜烘干后进行刻蚀处理，形成多个独立的压电单元，然后在相邻的压电单元之间填充绝缘层材料，例如环氧树脂或聚酰亚胺等，再使用极化工艺对压电单元进行极化，使其具备压电特性。具体地，形成压电单元的材料可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、PZT、AlN等。具体地，压电单元的厚度可以为5～50μm，例如可以为10μm，可以为20μm，可以为30μm，可以为40μm等，压电单元10的厚度在该范围时，可以较好地发射以及接收超声波信号。需要说明的是，由于前面步骤中，已经对形成的压电单元进行了极化处理，因此，在后续的制备工艺中，操作温度应不高于120℃，以免后续的制备工艺对该压电单元的使用新能造成影响。
具体地，如前所述，形成绝缘层的材料的杨氏模量可以小于形成压电单元的材料的杨氏模量，例如，构成绝缘层的材料的杨氏模量可以为不大于2GPa，例如，可以为1MPa-2GPa。由此，可进一步提高该压电传感器的性能。。具体地，构成绝缘层的材料可以包括经固化的环氧光敏胶、液态光学透明胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。由此，可以进一步提高所制备的该压电传感器的使用性能。
S13：在压电单元远离第二电极层的一侧形成第一电极层
在该步骤中，在前面步骤中形成的压电单元远离第二电极层的一侧形成第一电极层，形成了压电结构。根据本发明的实施例，如前所述，第一电极层可以为整层电极，形成第一电极层的材料不受特别限制，例如可以包括银；具体地，第一电极层210的厚度可以为6-12μm，例如可以为8μm，可以为10μm等，由此，进一步提高了制备的该压电传感器的使用性能。根据本发明的实施例，如前所述，为了避免形成的第一电极层中的金属扩散到压电层中，影响压电单元的性能，在第一电极层和压电层之间可以设置辅助层，具体的，可以在前面步骤中制备的压电单元远离第二电极层的一侧先形成辅助层，例如通过磁控溅射的方法形成金属钼层或铂层，然后在该辅助层远离第二电极层的一侧通过溅射或丝网印刷工艺等制作导电银电极。
S20：在压电结构远离接触层的一侧设置衬底
在该步骤中，在前面步骤中形成的压电结构远离所述接触层的一侧设置衬底。根据本发明的实施例，该衬底可以包括依次形成在第一电极层远离压电单元的一侧的声波反射亚层以及保护亚层。具体地，如前所述，保护亚层可以是由绝缘材料，例如环氧树脂形成的。声波反射亚层可以是由金属例如铜形成的，声波反射亚层的厚度可以为10～100μm。由此，可以进一步提高所制备的压电传感器的使用性能。具体地，可以在前面步骤中制备的第一电极层远离压电单元的一侧，通过电镀工艺等制作声波反射亚层，例如铜层；并在该声波反射亚层远离第一电极层的一侧涂覆一层环氧树脂等，形成保护亚层。综上可知，该方法可以简便地制备压电传感器，且制备的压电传感器通过多个间隔设置的压电单元可以独立地发射/接收信号，可以提高信号强度以及分辨率。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种电子设备。根据本发明的实施例，该电子设备包括：前面所述的压电传感器，以及与压电传感器相连的***信号处理器。由此，该电子设备具有前面所述的压电传感器所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电子设备可以利用较小的压电传感器面积，实现较大面积的监测(例如指纹监测等)，提高了人机交互效率，且传感监测时的灵敏度和分辨率较高。
根据本发明的实施例，参考图13，该电子设备1200可以包括前面所述的压电传感器1000以及显示屏1100，压电传感器1000可以设于显示屏1100背离出光侧的一侧，具体地，压电传感器1000可以通过光学粘合层800固设在显示屏1100背离出光侧的一侧。具体地，显示屏1100可以为有机发光显示屏(OLED)，OLED显示屏由于厚度较薄，可以减少超声波传输的能量损失和信号干扰，因此，利用前面所述的压电传感器进行指纹识别时的灵敏度较高。具体的，形成光学粘合层800的材料的硬度可以较大，例如可以为通过UV固化的OCA胶；光学粘合层800的厚度可以在100μm以下。由此，可以进一步减少超声波传输的能量损失和信号干扰，提高利用前面所述的压电传感器进行指纹识别时的灵敏度。根据本发明的实施例，参考图14，该电子设备可以进一步包括盖板900。具体的，盖板900可以为玻璃盖板，盖板900设置在显示屏1100的上方，且盖板900和显示屏1100之间也可以通过光学粘合层800粘合。具体的，盖板900的厚度可以尽可能薄，例如可以为50～200μm，由此，可以进一步减少超声波传输的能量损失和信号干扰，提高利用前面所述的压电传感器进行指纹识别时的灵敏度。
在本说明书的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种压电传感器，其特征在于，包括相对设置的衬底、接触层，以及位于所述衬底和所述接触层之间的压电结构，所述压电结构包括：
位于所述衬底朝向所述接触层一侧的第一电极层；
位于所述第一电极层远离所述衬底一侧的压电层，所述压电层包括多个间隔设置的压电单元，以及位于相邻的所述压电单元之间的绝缘层；以及
位于所述压电层远离所述衬底一侧的第二电极层，
所述第一电极层和/或所述第二电极层包括至少一个与所述压电单元对应的子电极。
2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述压电层包括多个阵列排布的所述压电单元，所述子电极与所述压电单元一一对应。
3.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，构成所述绝缘层的材料的杨氏模量，小于构成所述压电单元的材料的杨氏模量。
4.根据权利要求3所述的压电传感器，其特征在于，构成所述绝缘层的材料的杨氏模量不大于2GPa。
5.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，进一步包括以下结构的至少之一：
辅助层，所述辅助层位于所述第一电极层以及所述压电层之间；
激励源，所述激励源与所述压电结构电连接，以激励多个所述压电单元产生超声波；
相位控制器，所述相位控制器与所述压电结构电连接，且被配置为可单独调制用以激励每个所述压电单元产生超声波的信号的相位。
6.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述接触层上具有压电传感电路，所述压电传感电路位于所述接触层朝向所述压电结构的一侧，且与所述压电结构电连接。
7.一种进行指纹识别的方法，其特征在于，包括：利用激励源激励压电传感器产生超声波，所述压电传感器包括相对设置的衬底、接触层，以及位于所述衬底和所述接触层之间的压电结构，所述压电结构具有多个间隔设置的压电单元，所述超声波可由所述接触层一侧传出并作用于手指，所述压电结构接收经所述手指反射的超声波并转换为压电信号，从而实现指纹识别。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，多个所述压电单元之间设置有绝缘层，所述压电结构还包括分别位于所述压电单元两侧的第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和/或所述第二电极层，包括至少一个与所述压电单元对应的子电极，所述压电传感器还包括相位控制器，所述相位控制器和所述压电结构电连接，所述利用激励源激励压电传感器产生超声波进一步包括：
利用所述相位控制器单独调制用以激励每个所述压电单元产生超声波的信号的相位。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单独调制用以激励每个所述压电单元产生超声波的信号的相位包括：
调整施加在多个所述压电单元上的信号的相位，以令多个所述压电单元产生的所述超声波的信号可在传播途中叠加，合成的超声信号具有最大振幅。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过调整施加在多个所述压电单元上的信号的相位，改变形成的所述最大振幅的方向，以令所述最大振幅的方向可沿着预定的路线进行改变。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：利用所述压电传感器中的压电传感电路，将多个所述压电单元转换的压电信号由交流信号转换为直流信号，分别存储在所述压电传感电路的存储电容中，并在信号读出阶段依次输出至***信号处理器。
12.一种制备权利要求1-6任一项所述的压电传感器的方法，其特征在于，包括：
在接触层上形成压电结构，形成所述压电结构包括：形成第二电极层，并在所述第二电极层远离所述接触层的一侧形成多个间隔设置的压电单元，以及位于相邻的所述压电单元之间的绝缘层，在所述压电单元远离所述第二电极层的一侧形成第一电极层，所述第一电极层和/或所述第二电极层，包括至少一个与所述压电单元对应的子电极；
在所述压电结构远离所述接触层的一侧设置衬底。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在玻璃基板的一侧形成压电传感电路以及所述第二电极层，所述第二电极层包括多个子电极，所述多个子电极之间具有绝缘结构；
在所述多个子电极远离所述玻璃基板的一侧旋涂聚偏氟乙烯薄膜，并利用所述聚偏氟乙烯薄膜形成多个阵列排布的所述压电单元，在相邻的所述压电单元的间隙处形成所述绝缘层；
在所述压电单元远离所述第二电极层的一侧形成所述第一电极层，并在所述第一电极层远离所述压电单元的一侧形成所述衬底。
14.一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求1-6任一项所述的压电传感器，以及与所述压电传感器相连的***信号处理器。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其特征在于，进一步包括：
显示屏，所述压电传感器设于所述显示屏背离出光侧的一侧。
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