超声波指纹传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术，特别涉及一种超声波指纹传感器。

背景技术：

超声波指纹传感器通过发射并检测反射回来的超声波识别指纹。超声波具有穿透性，可以穿透电子装置的外壳，因此，超声波指纹传感器即使设置在电子装置的外壳内也可以识别指纹，如此可以将超声波指纹传感器保护在电子装置的外壳内。另外，由于电子装置的外壳无需开口露出超声波指纹传感器，因此也可以增加电子装置外观的美观度。

超声波指纹传感器发射的超声波的频率越高，穿透性越好，越有利于生成清晰的指纹图像，从而提高指纹识别的准确度，然而，超声波指纹传感器的功耗也随之增加。因此，超声波指纹传感器的频率规格会限制超声波指纹传感器的应用，或者说，预定频率规格的超声波指纹传感器只能应用于具有预定厚度的外壳的电子装置，否则，要么无法获得清晰的指纹图像，要么超声波指纹传感器的功耗不必要增加，也即是说，超声波指纹传感器的通用性差。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型需要提供一种超声波指纹传感器。

本实用新型实施方式的超声波指纹传感器，包括：

压电层；

设置在所述压电层两侧的发射极及接收极；及

与所述发射极连接的激励电源，所述激励电源包括频率可调的谐振器，所述谐振器用于调整所述激励电源施加在所述发射极的激励电压的谐振频率，所述谐振频率根据所述超声波指纹传感器的即将应用的覆盖层而定以使所述超声波指纹传感器的指纹识别效果达到预定条件。

在某些实施方式中，所述覆盖层的材质包括塑料、玻璃或金属。

在某些实施方式中，所述超声波指纹传感器应用于指纹识别模组，所述指纹识别模组包括所述超声波指纹传感器及覆盖所述超声波指纹传感器的封装盖板，所述覆盖层包 括所述封装盖板。

在某些实施方式中，所述超声波指纹传感器应用于电子装置，所述电子装置包括外壳及设置于所述外壳内的所述超声波指纹传感器，所述覆盖层包括所述外壳。

在某些实施方式中，所述超声波指纹传感器应用于指纹识别模组，所述指纹识别模组包括所述超声波指纹传感器及覆盖所述超声波指纹传感器的封装盖板，

所述指纹识别模组应用于电子装置，所述电子装置包括外壳及设置于所述外壳内的所述指纹识别模组，所述覆盖层包括所述封装盖板及所述外壳。

在某些实施方式中，在所述覆盖层上施加检测源时，所述检测源包括手指。

在某些实施方式中，在所述覆盖层上施加检测源时，所述检测源包括检测模板。

在某些实施方式中，在所述覆盖层上施加检测源时，所述指纹识别效果包括所述检测源的图样的清晰度，所述预定条件为所述清晰度大于或等于第一预定值而小于或等于第二预定值。

本实用新型实施方式的超声波指纹传感器由于采用频率可调的谐振器，使得超声波指纹传感器发射的超声波的频率能够调节，因而能够在制造时，对于不同厚度的即将应用的覆盖层，都能够通过调节超声波的频率使得超声波能够穿透覆盖层反射而得到清晰的指纹图像而又不会增加不必要的功耗。

本实用新型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，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点可以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是本实用新型实施方式的制造方法的流程示意图。

图2是本实用新型实施方式的超声波指纹传感器的截面示意图。

图3是本实用新型实施方式的制造装置的功能模块示意图。

图4是本实用新型实施方式的压电柱立体示意图。

图5是本实用新型实施方式的压电层制造工艺示意图。

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是本实用新型实施方式的接收极线制造工艺示意图。

图9是本实用新型实施方式的发射极线制造工艺示意图。

图10是本实用新型实施方式的压电层的侧面示意图。

图11是本实用新型实施方式的超声波指纹传感器应用示意图。

图12是本实用新型另一个实施方式的超声波指纹传感器应用示意图。

图13是本实用新型又一个实施方式的超声波指纹传感器应用示意图。

图14是本实用新型再一个实施方式的超声波指纹传感器应用示意图。

图15是本实用新型实施方式的超声波指纹传感器的检测源的示意图。

图16是本实用新型另一个实施方式的超声波指纹传感器的检测源的示意图。

主要元件及符号说明：

制造装置10、设置模块11、施加模块12、调节模块13、检测模块14、判断模块15、固定模块16、超声波指纹传感器20、压电层21、压电柱212、填充物214、发射极22、发射极线222、接收极23、接收极线232、激励电源24、谐振器242、上保护层27、下保护层28、覆盖层30、指纹识别模组40、封装盖板42、电子装置50、外壳52、检测源70、手指72、检测模板74。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终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。

在本实用新型的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型的实施方式和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的实施方式的限制。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一个或者更多个所述特征。在本实用新型的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的实施方式的描述中，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讯；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的实施方式中的具体含义。

在本实用新型的实施方式中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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实施方式的不同结构。为了简化本实用新型的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。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，本实用新型的实施方式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/或设置之间的关系。此外，本实用新型的实施方式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及图2，本实用新型实施方式的制造方法用于制造超声波指纹传感器20。超声波指纹传感器20包括压电层21、发射极22、接收极23及激励电源24。发射极22及接收极23设置在压电层21两侧。激励电源24与发射极22连接并包括频率可调的谐振器242。谐振器242用于调整激励电源24施加在发射极22的激励电压的谐振频率。制造方法包括以下步骤：

步骤S10，将超声波指纹传感器20设置在即将应用的覆盖层30下；

步骤S20，在覆盖层30上施加检测源70；

步骤S30，调节谐振器242的谐振频率；

步骤S40，检测超声波指纹传感器20的指纹识别效果；

步骤S50，判断指纹识别效果是否达到预定条件；及

步骤S60，在指纹识别效果达到预定条件时固定谐振器242的谐振频率。

请参阅图3，本实用新型实施方式的制造装置10用于制造超声波指纹传感器20。超声波指纹传感器20包括压电层21、发射极22、接收极23及激励电源24。发射极22及接收极23设置在压电层21两侧。激励电源24与发射极22连接并包括频率可调的谐振器242。谐振器242用于调整激励电源24施加在发射极22的激励电压的谐振频率。制造装置10包括设置模块11、施加模块12、调节模块13、检测模块14、判断模块15及固定模块16。

本实用新型实施方式的制造方法可以由本实用新型实施方式的制造装置10实现，例如步骤S10可由设置模块11实现，步骤S20可由施加模块12实现，步骤S30可由调节模块13实现，步骤S40可由检测模块14实现，步骤S50可由判断模块15实现，步骤S60可由固定模块16实现。

也即是说，设置模块11可以用于将超声波指纹传感器20设置在即将应用的覆盖层30下。施加模块12可以用于在覆盖层30上施加检测源70。调节模块13可以用于调节谐振器242的谐振频率。检测模块14可以用于检测超声波指纹传感器20的指纹识别效果。判断模块15可以用于判断指纹识别效果是否达到预定条件。固定模块16可以用于在指纹识别效果达到预定条件时固定谐振器242的谐振频率。

本实用新型实施方式的超声波指纹传感器20可以由本实用新型实施方式的制造方法及制造装置10制造。超声波指纹传感器20包括压电层21、发射极22、接收极23及激励电源24。发射极22及接收极23设置在压电层21两侧。激励电源24与发射极22连接并包括频率可调的谐振器242。谐振器242用于调整激励电源24施加在发射极22的激励电压的谐振频率。谐振频率根据超声波指纹传感器20的即将应用的覆盖层30而定以使超声波指纹传感器20的指纹识别效果达到预定条件。

具体地，谐振频率可以根据覆盖层30的厚度而定。

本实用新型实施方式的制造方法、制造装置10及超声波指纹传感器20由于采用频率可调的谐振器242，使得超声波指纹传感器20发射的超声波的频率能够调节，因而能够在制造时，对于不同厚度的即将应用的覆盖层30，都能够通过调节超声波的频率使得超声波能够穿透覆盖层30反射而得到清晰的指纹图像而又不会增加不必要的功耗。

在某些实施方式中，覆盖层30的材质可以为塑料、玻璃或金属。

如此，提高了超声波指纹传感器20的通用性。

在某些实施方式中，压电层21采用压电材料。

具体地，压电材料可以为压电陶瓷。

请参阅图4及图5，在某些实施方式中，压电层21包括呈矩阵排列的多个压电柱212。

如此，多个压电柱212排列规律，容易制造，且便于在压电柱212的上端面或下端面设置电极线。

具体地，可以通过具有一定宽度的切割装置，以第一方向多次切割压电材料以预定深度，以第二方向多次切割压电材料以预定深度以形成多个压电柱212。

在本实用新型实施方式中，第一方向与第二方向垂直，预定深度即是压电柱212的高度，而切割装置的厚度即是压电柱212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212的高度及压电柱212之间的间隙宽度。

如此，可根据设计需求形成多个压电柱212。

较佳地，在某些实施方式中，为满足超声波指纹传感器20采样分辨率的需求例如大于508DPI(Dots per Inch，每英寸所打印的点数)，压电柱212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，发送或接收到的超声波将会变弱，从而无法精确地识别指纹。

在某些实施方式中，压电柱212的高度为70-80微米，压电柱212的横截面形状为正方形，宽度为30微米。

如此，可满足超声波指纹传感器20对于高采用分辨率，例如大于508DPI的需求，当然，在不同设计中，压电柱212的具体形状及尺寸也可以不同。

需要指出的是，压电柱212依据压电材料的正压电效应接收超声波，依据压电材料的逆压电效应发送超声波。

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212依据超声波对压电柱212的作用力使压电柱212产生形变，进而获取压电柱212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激励电源24用于给发射极22施加激励电压，压电柱212通过接收激励电压而发生机械振动，通过谐振器242调节激励电压的谐振频率以控制机械振动的频率，进而使压电柱212发送预定频率的超声波信号。

请参阅图8及图9，在某些实施方式中，接收极23包括设置在压电层21上方的多条接收极线232。每条接收极线232与对应一列压电柱212连接。发射极22包括设置在压电层21下方的多条发射极线222。每条发射极线222与对应一行压电柱212连接。

如此，发射极22可以单独对某一根压电柱212进行激发，避免行激发多个压电柱212而产生较大的侧向噪声，进而确保超声波指纹传感器20能够更准确地识别指纹。同时由于点激发的功率较小，因而超声波指纹传感器20的能耗较小。

具体地，当压电柱212呈m*n的矩阵排列时，每一列压电柱212上表面形成一条接收极线232，也即是说，在压电层21上方将形成n条接收极线232。而每一行压电柱212下表面形成一条发射极线222，也即是说，在压电层21下方形成m条发射极线222。

需要说明的是，发射极线222与接收极线232需要交叉设置，也即是说，发射极线 222与接收极线232不能平行设置，例如，可以垂直设置。

如此设置，发射极线222与接收极线232相互交叉，可用于手指72在接近压电层21或与压电层21接触来发射和接收信号。

具体地，当手指72接近或接触压电层21时，压电材料发生变化，当变化的频率大于声波频率，例如10-20兆赫兹，将产生超声波信号，超声波信号由发射极线222沿手指72方向发射，被手指72反射的超声波信号会被接收极线232接收。进而超声波指纹传感器20可以根据发射和接收的信号之间的差异识别指纹。

更具体地，当具有在超声波频带内的共振频率的电压从外部施加于设置在在压电层21的两个相对表面的发射极线222及接收极线232时，压电层21将会产生超声波信号。

如此，在发送超声波时，可通过将所有的接收极线232接地且在发射极线222施加交变电压，从而引起压电柱212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222接地，压电柱212在超声波的作用下发生形变而在压电柱212的不同位置产生电势差，接收极线232接收电势差信息。

在本实用新型实施方式中，所有的发射极线222的宽度处处相等且所有的接收极线232的宽度处处相等。

如此，发射极线222及接收极线232规格统一且方便制造，节约超声波指纹传感器20的制造成本。

请参阅图10，在某些实施方式中，压电层21还包括用于填充多个压电柱212之间的间隙的填充物214。

如此，采用填充物214填充压电柱212之间的空隙，一方面，可以使得压电层21的结构稳定，压电柱212的位置不会发生左右偏移；另一方面，可以防止压电柱212之间在超声波发射和接收过程互相产生影响，减少侧向噪声。

在某些实施方式中，填充物214包括黑胶材料。

例如，填充物214可以是黑胶EPOXY，黑胶EPOXY为绝缘材料，其具有良好的耐温耐溶性，并且固化后表面光亮，粘接能力强。

如此，通过黑胶材料可以使得多个压电柱212之间良好的粘连，并使得压电层21具有良好的机械性。

此外，填充物214还以是其他同时具有非导电性及非压电性的材料，在此不做限制。

在某些实施方式中，将超声波指纹传感器20设置在覆盖层30下是为了保护超声波指纹传感器20，防止灰尘或水汽等杂质进入超声波指纹传感器20。

在某些实施方式中，超声波指纹传感器20包括上保护层27及下保护层28。覆盖层30包括超声波指纹传感器20的上保护层27。

请参阅图11，在某些实施方式中，超声波指纹传感器20应用于指纹识别模组40。指纹识别模组40包括超声波指纹传感器20及覆盖超声波指纹传感器20的封装盖板42。覆盖层30包括封装盖板42。

也即是说，超声波指纹传感器20在应用到电子装置50前，还进行封装形成指纹识别模组40，而覆盖层30包括指纹识别模组40的封装盖板42。请参阅图12，在这些实施方式中，超声波指纹传感器20应用的电子装置50可以在外壳52上设置开口，将封装盖板42裸露出来以供超声波信号穿过。

请参阅图13，在某些实施方式中，超声波指纹传感器20应用于电子装置50。电子装置50包括外壳52及设置于外壳52内的超声波指纹传感器20。覆盖层30包括外壳52。

也即是说，在这些实施方式中，超声波指纹传感器20在应用到电子装置50前，并未用封装盖板42进行封装，覆盖层30包括电子装置50的外壳52。

请参阅图14，在某些实施方式中，超声波指纹传感器20应用于指纹识别模组40。指纹识别模组40包括超声波指纹传感器20及覆盖超声波指纹传感器20的封装盖板42。指纹识别模组40应用于电子装置50。电子装置50包括外壳52及设置于外壳52内的指纹识别模组40。覆盖层30包括封装盖板42及外壳52。

也即是说，超声波指纹传感器20在应用到电子装置50前，还进行封装形成指纹识别模组40，覆盖层30包括指纹识别模组40的封装盖板42及电子装置50的外壳52。

请参阅图15，在某些实施方式中，检测源70包括手指72。

超声波具有穿透材料的能力，其到达不同材质的表面时，被吸收、穿透与反射的程度不同，能随材料的不同产生大小不同的回波。因此利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹脊与谷所在的位置。

具体地，当手指72接近或接触覆盖层30时，从发射极22发射的超声波信号穿过手指72的皮肤和压电层21之间的界面传入手指72，返回的超声波信号的强度被降低，从而可通过测量超声波信号的强度或反射系数来检测指纹图案。

请参阅图16，检测源70包括检测模板74。

具体地，检测模板74的表面可制作类似人体手指72指纹的图案，如凹凸的纹路，以便超声波指纹传感器20进行指纹识别，进而判断指纹识别效果。在某些实施方式中，检测模板74可采用橡胶材料制作。

在某些实施方式中，步骤S30在谐振频率的范围内逐渐调高谐振频率。

步骤S30可由调节模块13实现，也即是说，调节模块13在谐振频率的范围内逐渐调高谐振频率。

当谐振频率逐渐升高至一个预定值如f1时，超声波开始能够穿透覆盖层30，随着谐振频率由f1继续升高，检测源70的图像的清晰度与谐振频率呈正相关。在谐振频率的范围内逐渐调高谐振频率，有利于获得能够穿透覆盖层30反射而得到清晰的指纹图像而又不会增加不必要的功耗的谐振频率。

在某些实施方式中，谐振频率的范围可以为几赫兹到几十兆赫兹。

如此，可通过谐振器242调整激励电源24施加在发射极22的激励电压的谐振频率，以产生预定频率的超声波信号，从而能够适应具有不同厚度覆盖层30的指纹识别模组40。

在某些实施方式中，指纹识别效果包括检测源70的图样的清晰度。预定条件为清晰度大于或等于第一预定值而小于或等于第二预定值。

具体地，超声波频率越高，则穿透性越好，检测源70的图像越清晰，但功耗也会相应地越大。当清晰度大于或等于第一预定值说明检测源70的图像的足够清晰，具有较好的指纹识别效果。而清晰度小于或等于第二预定值可以避免在调节谐振器242的谐振频率过程中，为了使得清晰度更高而使得功耗不断增大，造成能量的浪费。

如此，可以较好地平衡指纹识别效果与功耗之间的关系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“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。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本实用新型的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置 或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本实用新型的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本实用新型的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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实施进行变化、修改、替换和变型。