超声波探头及超声波指纹识别装置的制作方法

本实用新型涉及超声波指纹识别领域，更具体而言，涉及一种超声波探头及超声波指纹识别装置。

背景技术：

相关技术中，超声波探头包括压电层，压电层包括多个压电柱，压电柱充当超声波探头的一个像素，压电柱用于发送并检测超声波信号以得到对应的像素值。压电柱通常呈正矩阵排列，如此，导致空间利用率低，像素密度较低。

技术实现要素：

本实用新型实施方式旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型实施方式需要提供一种超声波探头及超声波指纹识别装置。

一种超声波探头，用于超声波指纹识别装置，所述超声波探头包括：

压电层，所述压电层包括多个压电柱，所述多个压电柱沿第一方向排成多行且沿第二方向排成多列，所述第一方向与所述第二方向的夹角为锐角，沿所述第一方向的相邻两个所述压电柱之间的距离大于相邻两行所述压电柱之间的距离。

在某些实施方式中，所述压电柱的横截面的形状为圆形或矩形。

在某些实施方式中，当所述压电柱的横截面的形状为矩形时，所述矩形的边与所述第二方向垂直或平行。

在某些实施方式中，所述压电柱的高度为70-80微米。

在某些实施方式中，所述压电柱包括锆钛酸铅压电材料。

在某些实施方式中，所述压电层包括设置在所述多个压电柱的侧面间隙的填充材料。

在某些实施方式中，所述填充材料包括环氧树脂。

在某些实施方式中，所述超声波探头包括：

设置在所述多个压电柱的下方的多条发射极线，每条所述发射极线沿所述第一方向与一行所述压电柱连接；及

设置在所述多个压电柱的上方的多条接收极线，每条所述接收极线沿所述第二方向与一列所述压电柱连接。

在某些实施方式中，所述超声波探头包括：

设置在所述多条发射极线的下方的下保护层；及

设置在所述多条接收极线的上方的上保护层。

一种超声波指纹识别装置，其特征在于，包括上述任一实施方式所述的超声波探头。

本实用新型实施方式的超声波探头及超声波指纹识别装置，通过将相邻两行压电柱错位设置并压缩行距，较好地利用了相邻两行的压电柱之间的空间，提高了压电柱的密度，即是提高了空间利用率，像素密度较高。

本实用新型实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型实施方式的实践了解到。

附图说明

本实用新型实施方式的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施方式的超声波探头的立体示意图；

图2是根据本实用新型实施方式的超声波指纹识别装置的平面示意图；

图3是根据现有的实施方式的超声波探头的压电柱的排列示意图；

图4是根据本实用新型实施方式的超声波探头的压电柱的排列示意图；

图5是根据本实用新型实施方式的超声波探头的另一立体示意图；

图6是根据本实用新型实施方式的压电柱接收超声波的原理示意图；

图7是根据本实用新型实施方式的压电柱发送超声波的原理示意图；

图8是根据本实用新型实施方式的超声波探头的又一立体示意图；

图9是根据本实用新型实施方式的超声波探头的平面示意图。

主要元件及符号说明：

超声波探头10、超声波指纹识别装置100、压电层12、压电柱122、填充材料124、发射极线14、接收极线16、下保护层17、上保护层18。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设定之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本实用新型实施方式的超声波探头10包括压电层12。压电层12包括多个压电柱122，多个压电柱122沿第一方向排成多行且沿第二方向排成多列。第一方向与第二方向的夹角为锐角。第一方向的相邻两个压电柱122之间的距离大于相邻两行压电柱122之间的距离。

请参阅图2，本实用新型实施方式的超声波指纹识别装置100包括超声波探头10，超声波探头10可内置于超声波指纹识别装置100，在某些实施方式中，超声波指纹识别装置100可以是手机、平板电脑等电子设备。

如此，上述超声波探头10通过将相邻两行压电柱122错位设置并压缩了行距，较好地利用了相邻两行的压电柱122之间的空间，提高了压电柱122的密度，即是提高了空间利用率，像素密度较高。

需要指出的是，本实用新型实施方式中第一方向与第二方向的夹角为锐角，指两个方向或两条线之间相交产生的较小的夹角为锐角，或者说第一方向与第二方向是不互相垂直的。

在某些实施方式中，压电层12填充材料124，填充材料124设置在多个压电柱122的侧面间隙中。

如此，填充材料124可用于固定多个压电柱122的位置，使压电柱122不会发生偏移，使压电层12的结构更稳定。

具体地，本实用新型实施方式的压电柱122的排列方法相比于正矩阵排列的方法而言，提高了空间利用率的原理将在下面给予说明。

可以理解，为了防止在检测过程中相邻的压电柱122发送或接收的超声波信号干扰过大，同时也为了避免连接相邻压电柱122的电极之间的距离过近而引起短路，在排列压电柱122时，需要在压电柱122之间设置一个安全距离。

请参阅图3，现有的压电柱122呈正矩阵排列，压电柱P1与压电柱P2的距离为D12，压电柱P1与压电柱P3的距离为D13，压电柱P1与压电柱P4的距离为D14。

如果通过调节压电柱122的行与列之间的距离使得D12等于D13且等于期望值，则此时D14大于D12及D13且大于期望值，D14过大，压电层12的空间利用率不高；如果将D14调节为期望值，则此时会造成D12及D13过小，可能会使D12及D13小于安全距离，影响超声波探头10的正常检测。

请参阅图4，本实用新型实施方式中，压电柱122沿第一方向排成多行且沿第二方向排成多列，第一方向与第二方向的夹角为锐角，且沿第一方向的相邻两个压电柱122之间的距离大于相邻两行压电柱122之间的距离。

具体地，压电柱P5与压电柱P6设置在同一行且距离为D56，压电柱P5与压电柱P7设置在相邻的两行且距离为D57，压电柱P6与压电柱P7设置在相邻的两行且距离为D67，压电柱P5及压电柱P6所在的行与压电柱P7所在的行的行距为D。

可以理解，可以将D56设置为期望值，且通过将压电柱P7在第一方向上移动可以使得D57等于D67。此时，如果设置D等于D56，则通过勾股定理可知D57大于D56，即是说D57大于期望值，也会使得压电层12的空间利用率不足；但本实用新型实施方式通过将沿第一方向的相邻的两个压电柱122之间的距离设置得大于相邻两行压电柱122之间的距离，即是将D设置得小于D56，随着D的减小，D57及D67也会减小，进而使得压电柱122之间排列地较紧凑，压电层12的空间利用率提高了。

较佳的，可设置D的值使得D57等于D67且等于D56，即是所有相邻的压电柱122的距离都为期望值，如此，压电柱122的排列美观且压电层12的空间利用率较高。

需要说明的是，上述讨论中，两个压电柱122的距离指的是两个压电柱122的中心之间的距离，如将两个压电柱122的边界的距离作为两个压电柱122的距离时，也能得出上述讨论结果，此处不再进行赘述。

较佳地，在某些示例中，为满足超声波探头10的采样分辨率的需求如大于508DPI(Dots per Inch，每英寸所打印的点数)，压电柱122之间的间隙可以是50微米。当间隙大于50微米时，采样分辨率将会降低，发射或接收到的超声波信号将会变弱，从而导致超声波指纹识别装置100无法精确地识别指纹。

在本实用新型实施方式中，所有压电柱122的形状完全相同。

如此，便于对压电柱122批量生产，节约制造超声波探头10的成本，也便于对压电柱122进行排列，压电柱122之间的距离容易控制。

在某些实施方式中，压电柱122的呈直柱体状。

如此，压电柱122容易保持直立状态，不易发生倾斜，且在压电柱122发出超声波信号时，方向容易确定。

请再参阅图1，在某些实施方式中，压电柱122的横截面的形状为圆形。

如此，压电柱122呈圆柱状，多个压电柱122容易布置且便于生产。

请参阅图5，在某些实施方式中，压电柱122的横截面的形状为矩形，矩形的边与第二方向垂直或平行。

如此，压电柱122呈长方体状，容易生产，且压电柱122容易排列。

在某些实施方式中，压电柱122的高度为70-80微米。

如此，使得压电柱122具有合适的电容量，容易控制压电柱122发送或接收超声波信号。

在某些实施方式中，压电柱122包括锆钛酸铅压电材料。

锆钛酸铅压电材料是将二氧化锆、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体，具有正压电效应及负压电效应。如此，压电柱122可利用正压电效应及负压电效应接收或发送超声波信号。

正压电效应指当压电材料受到一定方向外力的作用时，内部会产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，当外力撤去后，压电材料又恢复到不带电的状态。

请参阅图6，本实用新型实施方式的压电柱122依据超声波信号对压电柱122的作用力使压电柱122产生形变，进而获取压电柱122表面的电势差信息。可以再通过放大器和模数转换器将电势差信息以图像的形式体现出来。

逆压电效应指当对压电材料施加交变电场以引起压电材料机械变形的现象。

请参阅图7，本实用新型实施方式的压电柱122通过接收交变电压而发生机械振动，通过调节交变电压的振荡频率以控制机械振动的频率，进而使压电柱122发送超声波信号。

在某些实施方式中，填充材料124包括环氧树脂。

固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变形收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好。

如此，填充材料124能有效地固定多个压电柱122的位置，使得压电层12的结构更稳定。

在一个实施方式中，为了生产包括横截面为矩形的压电柱122的压电层12，可以是由切割块状的压电材料例如方块状的压电材料，压电材料可以选用锆钛酸铅压电陶瓷得到。具体地，可以是通过具有一定宽度的切割装置，以第三方向多次切割压电材料以预定深度，以第四方向多次切割压电材料以预定深度以形成多个压电柱122。

在本实用新型实施方式中，预定深度即是压电柱122的高度，而切割装置的厚度即是压电柱122之间的间隙宽度，可以依据实际设计需求及工艺需求选择压电柱122的高度及压电柱122之间的间隙宽度。另外，再以填充材料124，例如环氧树脂，填充压电柱122之间的间隙。

在另一个实施方式中，压电层12可以是在填充材料124例如环氧树脂上的预定位置通过蚀刻法形成多个柱状通孔，再用与柱状通孔的形状对应的压电材料例如锆钛酸铅填充柱状通孔，填充在柱状通孔内的压电材料即作为压电柱122。通过蚀刻不同的柱状通孔的形状，可以用于填充不同的横截面形状的压电柱122，例如横截面形状为矩形或圆形。

当然，在其他实施方式中，压电层12的具体制造方法可以有其他选择，不限于上述讨论。

请参阅图8，在某些实施方式中，超声波探头10包括多条发射极线14及多条接收极线16。

多条发射极线14设置在多个压电柱122的下方，每条发射极线14沿第一方向与一行压电柱122连接。

多条接收极线16设置在多个压电柱122的上方，每条接收极线16沿第二方向与一列压电柱122连接。

需要指出的是，上述发射极线14与接收极线16的连接均为电连接，即是说发射极线14与压电柱122在空间上可以不是直接接触的，但是发射极线14的电势会影响到压电柱122。接收极线16与压电柱122的连接同理。

如此，在发送超声波时，可通过将所有的接收极线16接地且在发射极线14施加交变电压，从而引起压电柱122发生机械形变并发出超声波。

在接收超声波时，可通过将所有的发射极线14接地，压电柱122在超声波的作用下发生形变而在压电柱122的不同位置产生电势差，接收极线16接收电势差信息。

另外，发射极线14沿第一方向布线及接收极线16沿第二方向布线也易于发射极线14与接收极线16的布置，使得发射极线14不会同时接触到两行压电柱122，接收极线16不会同时接触到两列压电柱122。

在本实用新型实施方式中，所有的发射极线14的宽度处处相等且所有的接收极线16的宽度处处相等。

如此，发射极线14及接收极线16规格统一且方便制造，节约超声波探头10的制造成本。

可以理解，每条发射极线14沿第一方向与每行压电柱122连接，即是多条发射极线14之间互相平行；而每条接收极线16沿第二方向与每列压电柱122连接，即是多条接收极线16之间互相平行。

如此，可以得出，发射极线14在多条接收极线16所在平面的正投影与接收极线16之间的夹角为锐角，或者说接收极线16在多条发射极线14所在平面的正投影与发射极线14之间的夹角为锐角。

请参阅图9，在某些实施方式中，超声波探头10包括下保护层17及上保护层18。

下保护层17设置在多条发射极线14的下方。上保护层18设置在多条接收极线16的上方。

如此，上保护层18及下保护层17可防止灰尘或水汽进入超声波探头10，另外，上保护层18及下保护层17使得超声波探头10的结构更稳定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。