超声波传感装置及其检测电路与检测方法与流程

本发明涉及一种超声波传感检测电路、具有超声波传感检测电路的超声波传感装置及其检测电路与检测方法。

背景技术：

随着电子技术的不断发展，手机、便携式计算机、个人数字助理(PDA)、平板计算机、媒体播放器等消费性电子产品大多都采用触控传感装置作为输入设备，以使产品具有更友好的人机交互方式。触控传感装置可用于作为取代机械开关的触控开关、感测触摸操作或指纹识别。根据其触控原理的不同，可分为电阻式触控传感模组、电容式触控传感模组、红外式触控传感模组以及超声波式触控传感模组等。其中，超声波式触控模组包括超声波发射模组、超声波接收模组、信号读取单元与信号检测电路。超声波发射模组用于产生超声波，超声波接收模组接收经反射后的超声波，并依据接收到的反射超声波的情况产生电信号，信号读取单元读取超声波接收模组产生的电信号，信号检测电路通过检测接收到的电信号的振幅变化以确定是否有触碰动作。由于水滴触碰超声波传感装置时会可导致接收信号的振幅变化，进而产生误触。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种提高触控准确度的超声波传感装置。

还有必要提供一种提高识别准确率的超声波传感检测电路。

还有必要提供一种提高识别准确率的超声波装置传感检测方法。

一种超声波传感装置，包括超声波发射模组、超声波接收模组、触控检测电路以及受控元件。超声波发射模组用于产生超声波。超声波接收模组用于接收被待测物反射回的超声波，并相应产生感测信号。触控检测电路同时与超声波发射模组和超声波接收模组电性连接。触控检测电路驱动超声波发射模组产生超声波，接收超声波接收模组输出的感测信号，根据感测信号和驱动信号的相位变化和振幅变化识别当前触摸操作是否有效，并在触摸操作有效时输出触摸感测信号以控制受控元件执行相应的操作。

一种超声波传感检测电路与超声波发射模组、超声波接收模组以及受控元件电性连接。超声波传感检测电路驱动超声波发射模组产生超声波，并接收由超声波接收模组输出的感测信号。触控检测电路包括驱动模组、相位检测模组、振幅检测模组以及信号处理模组。驱动模组与超声波发射模组和相位检测模组电性连接，用于输出驱动信号给超声波发射模组和相位检测模组。相位检测模组与驱动模组和超声波接收模组电性连接，用于根据驱动信号和感测信号的相位变化以产生感测相位差值。振幅检测模组与信号处理模组电性连接，用于检测感测信号的振幅并输出给信号处理模组。信号处理模组根据感测信号和驱动信号的振幅和感测相位差值判断当前触摸操作是否有效，并在触摸操作有效时输出触摸感测信号以控制受控元件执行相应的操作。

一种超声波传感装置检测方法用于超声波传感装置中。超声波传感装置包括超声波发射模组接收驱动信号以产生超声波、超声波接收模组接收被待测物反射回的超声波并相应产生感测信号、超声波传感检测电路以及受控元件。超声波传感检测电路包括相位检测模组和振幅检测模组。超声波传感检测方法包括如下步骤：

接收借由驱动信号和超声波接收模组接输出的感测信号；

检测驱动信号和感测信号的相位和振幅变化判断当前触摸操作是否有效；

若触摸操作有效，则输出触摸感测信号以控制受控元件执行相应的操作。

采用上述之超声波传感装置，在识别触摸操作时同时检测由超声波转换产生的感测信号的相位和振幅，并通过在预定时间内侦测驱动信号的相位和感测信号相位之间的变化进一步提高了超声波传感装置的触控准确度，减少了水滴、油脂以及金属等其他物质对超声波传感装置的误触。

附图说明

图1为第一实施方式之超声波传感装置的剖面示意图。

图2为图1所述触控检测电路的模块示意图。

图3为图2中所述相位检测模组的等效电路图。

图4为图3中第一实施例之驱动信号、感测信号、第一输出信号以及第二输出信号的波形示意图。

图5为图3中第二实施例之驱动信号、感测信号、第一输出信号以及第二输出信号的波形示意图。

图6为第二实施方式之超声波传感装置的剖面示意图。

图7为一种超声波传感检测方法的流程图。

主要元件符号说明

超声波传感装置 100，300

盖板 10

超声波发射模组 20

第一导电层 21

第二导电层 22

第一压电层 24

第一粘结层 12

超声波接收模组 30，45

第三导电层 31，451

第四导电层 32

第二压电层 34，454

第二粘结层 14

超声波传感装置检测电路 200

驱动模组 210

相位检测模组 230

第一触发器 231

第一控制端 D1

第一输入端 IN1

第一重置端 Reset1

第一输出端 Q1

第二触发器 232

第二控制端 D2

第二输入端 IN2

第二重置端 Reset2

第二输出端 Q2

振幅检测模组 250

信号处理模组 270

受控元件 500

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下本文所描述的实施例，涉及超声波传感器，所述超声波传感器可为能够感测单点式触碰的超声波传感装置，也可为能够感测多点式触碰的超声波传感装置。作为单点式的超声波传感装置包括能够用于取代机械开关的触控传感开关，所述传感装置用于输出表征发出触碰或有触碰接近的信号；而作为多点式的超声波传感装置，包括超声波触控感测装置或生物(如指纹)识别装置，所述传感装置不仅用于输出表征发出触碰或有触碰接近的信号，而且还能进一步透过对信号的分析获取触碰发生的位置或获取待测物的情况。而本文所涉及的超声波传感装置所包含的检测电路能够包括透过超声波传感装置模组输出的信号分析出待测物的性质以进一步判断是否有误触碰发生的功能。

下面分别以单点式超声波传感装置与多点式超声波传感装置为例分别进行说明。

请参阅图1，图1是本发明第一实施方式提供的超声波传感装置100的剖面示意图。所述超声波传感装置100为一单点式超声波传感装置。

所述超声波传感装置100包括盖板10、超声波发射模组20、超声波接收模组30、超声波传感装置检测电路200以及受控元件500。

所述盖板10为透明材料制成，用于防止灰尘等杂质进入超声波传感装置100内部。在本实施方式中，盖板10可以为玻璃基板、或其他具有高强度、高硬度的透明基板，如聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)，聚酯(Polythylene terephthalate,PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)、环烯烃共聚合物(Cyclic Olefin Copolymer,COC)或聚醚砜(Polyether sulfone,PES)等材料制成。

所述超声波发射模组20通过第一粘结层12粘结于所述盖板10的表面。所述超声波发射模组20用于产生超声波，可为产生超声波的压电发射器。所述超声波发射模组20包括第一导电层21、第二导电层22以及设置于所述第一导电层21和所述第二导电层22之间的第一压电层24。所述第一导电层21通过所述第一粘结层12与所述盖板10粘结，且设置于所述第一压电层24靠近所述盖板10的表面。所述第一导电层21接收所述产生的驱动信号。所述第二导电层22设置于所述第一压电层24远离所述盖板10的表面。所述第一导电层21与第二导电层22间形成电压差，从而向第一压电层24施加电压以扩展或收缩第一压电层24，从而产生超声波。此超声波可朝向待测物行进，穿过盖板10，进一步的未被待检测对象吸收或发射的部分可被反射以便穿过盖板10而传回且由超声波接收模组30接收。在本实施例中，所述第二导电层22通过引线或引脚接地。所述第一导电层21和所述第二导电层22由金属材料制成，例如银，铜等银(Ag)、铜(Cu)、钼(Mo)等，但不以此为限，亦可为其他导电材料。所述第一压电层24由为聚二氟亚乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)材料制成。

所述超声波接收模组30通过第二粘结层14粘结于所述超声波发射模组20与所述盖板10相背的表面上。

所述超声波接收模组30用于接收被待测物反射回的超声波并相应转化为局部电荷，并将所述局部电荷耦合转化为电信号输出给所述超声波传感装置检测电路200。所述电信号可经由一软性电路板或其他导电走线传输给所述超声波传感装置检测电路200。所述超声波接收模组30包括第三导电层31、第四导电层32以及第二压电层34。所述第三导电层通过所述第二粘结层14粘结于所述第二导电层22与所述盖板10相背的表面上，且设置于所述第二压电层34靠近所述盖板10的表面。所述第三导电层31通过引线或引脚接地。所述第二压电层34接收反射的超声波转化为局部电荷并转换为电信号。所述第四导电层32设置于所述第二压电层34与所述盖板10相背的表面。所述第四导电层32与所述超声波传感装置检测电路200电性连接，用于将电信号作为感测信号输出给所述超声波传感装置检测电路200。所述第四导电层32作为一偏置电极层用于接收一接地电压或一偏置电压。在本实施例中，所述第四导电层32接地。在本实施方式中，所述第三导电层31和所述第四导电层32由金属材料制成，例如银，铜等银(Ag)、铜(Cu)、钼(Mo)等，但不以此为限。所述第一压电层24由为聚二氟亚乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)材料制成。

可以理解，所述超声波发射模组20与超声波接收模组30的层叠位置关系可互换。

请一并参阅图2，所述超声波传感装置检测电路200与所述超声波发射模组20和所述超声波接收模组30电性连接。所述超声波传感装置检测电路200能够比较超声波传感装置100输出的感测信号及输入驱动信号的振幅与相位，分析出待测物的性质以进一步判断是否有误触碰发生的功能。这里的误触碰是指有因非被认可的操作物碰触而触发超声波传感装置100执行相应功能的情况。所述超声波传感装置检测电路200用于驱动所述超声波发射模组20产生超声波的驱动信号，并接收所述超声波接收模组30输出的感测信号，根据所述驱动信号和所述感测信号的振幅与相位，判断触摸操作是否有效，并在触摸操作有效时输出触摸感测信号以控制所述受控元件500执行相应的操作。

所述超声波传感装置检测电路200包括驱动模组210、相位检测模组230、振幅检测模组250以及信号处理模组270。

所述驱动模组210与所述超声波发射模组20和所述相位检测模组230电性连接。所述驱动模组210用于输出驱动信号给所述第一导电层21和所述相位检测模组230。在本实施方式中，所述驱动信号可以为正弦波、三角波或方波等，但并不局限于此。

所述相位检测模组230与所述驱动模组210和所述超声波接收模组30电性连接。所述相位检测模组230用于接收所述驱动模组210输出的驱动信号和所述超声波接收模组30输出的感测信号，处理上述信号后输出感测相位差值。其中，所述感测相位差值用于为所述感测信号与所述驱动信号的相位差值。所述相位检测模组230还可以进一步检测所述驱动信号和所述感测信号的相位变化行为。

请一并参阅图3，所述相位检测模组230包括第一电压源VDD1、第二电压源VDD2、第一触发器231、第二触发器232以及逻辑比较器235。所述第一触发器231包括第一控制端D1、第一输入端IN1、第一重置端Reset1以及第一输出端Q1。所述第一控制端D1与所述第一电压源VDD1电性连接，所述第一输入端IN1与所述驱动模组210电性连接，所述第一输出端Q1与所述信号处理模组270电性连接，所述第一重置端Reset1与所述逻辑比较器235的输出端电性连接。所述第二触发器232包括第二控制端D2、第二输入端IN2、第二重置端Reset2以及第二输出端Q2。第二控制端D2与所述第二电压源VDD2电性连接，所述第二输入端IN2与所述超声波接收模组30的所述第四导电层32电性连接，所述第二输出端Q2与所述信号处理模组270电性连接，所述第二重置端Reset2与所述逻辑比较器235的输出端电性连接。所述逻辑比较器235的第一输入端与所述第一输出端Q1电性连接，所述逻辑比较器235的第二输入端与所述第二输出端Q2电性连接。在本实施方式中，所述逻辑比较器235为与门(AND gate)。在其他实施方式中，所述第二触发器232的控制输入端可与所述第一电压源VDD1电性连接，进而省略所述第二电压源VDD2。

请参阅图4，当有触摸操作施加于所述超声波传感装置100上时，所述第一触发器231的第一输入端IN1接收由所述驱动模组210输出的驱动信号，所述第二触发器232的第二输入端IN2接收由所述超声波接收模组30输出的感测信号。当所述驱动信号的相位超前所述感测信号的相位时，所述第一输出端Q1输出感测相位差值。

请参阅图5，当有触摸操作施加与所述超声波传感装置100上时，所述第一触发器231的第一输入端IN1接收由所述驱动模组210输出的驱动信号，所述第二触发器232的第二输入端IN2接收由所述超声波接收模组30输出的感测信号。当所述驱动信号的相位落后所述感测信号的相位时，所述第二输出端Q2输出感测相位差值。

所述振幅检测模组250与所述超声波接收模组30的所述第四导电层32电性连接。所述振幅检测模组250用于检测所述感测信号的振幅并输出给所述信号处理模组270。

所述信号处理模组270与所述相位检测模组230和所述振幅检测模组250电性连接。所述信号处理模组270用于接收到所述感测信号的振幅和所述感测相位差值，检测所述感测信号和所述驱动信号的振幅，检测在所述预定时间内所述相位检测模组230的对应的输出端是否持续输出所述感测相位差值，并检测所述前相位差值以及所述感测相位差值和预定相位差值是否位于预定范围内而判断所述触摸操作是否有效。

若所述感测信号的振幅等于所述驱动信号的振幅时，所述信号处理模组270识别触摸无效。若所述感测信号的振幅不等于所述驱动信号的振幅时，所述信号处理模组270识别所述感测相位差值的输出端并进一步检测在预定时间内所述对应输出端是否持续输出所述感测相位差值。

若在所述预定时间内所述相位检测模组230的对应的输出端间断输出所述感测相位差值，则所述信号处理模组270识别触摸无效。

若在所述预定时间内所述相位检测模组230的对应的输出端持续的输出所述感测相位信号，所述信号处理模组270进一步比较所述感测相位差值与预定相位差值之间差值的绝对值是否位于预定范围内。

若所述感测相位差值的相位与所述预定相位差值之间差值的绝对值超过预定范围，则所述信号处理模组270识别触摸无效；若所述感测相位差值的相位与所述预定相位差值之间差值的绝对值位于预定范围内，则所述信号处理模组270识别触摸有效，并输出触控感应信号给受控元件500。在本实施方式中，当待测物为水时，超声波接收模组30输出的感测信号的相位和幅度都变化，但是在预定时间内感测信号的相位不稳定，时而超前驱动信号的相位，时而落后驱动信号的相位；当待测物为油时，超声波接收模组30输出的感测信号的相位和幅度都变化，但是感测信号的相位变化范围较大，且超过预定相位差值的70％；待测物为金属时，超声波接收模组30输出的感测信号的相位和幅度均未发生变化。

其中，预定相位差值为在没有触摸操作时所述驱动信号和所述感测信号的相位差值φ。所述预定范围为0-0.7φ。

受控元件500与信号处理模组270电性连接。所述受控元件500根据触控感应信号执行相应的操作。例如：所述受控元件500可以为所述超声波传感装置100显示屏内的LED，对应的操作可以为LED的点亮或熄灭。在其他实施方式中，所述受控元件500也可以是开关元件，对应的操作可以为开关的导通与关闭，并不以此为限。

表1为不同待测物施加于所述超声波传感装置100上感测信号的振幅变化、相位变化方式以及相位变化范围。

表一

其中，为在没有触控操作时驱动信号与感测信号的相位差值。

请参阅图6，其为本发明第二实施方式提供的超声波传感装置300的剖面示意图。所述超声波传感装置300为多点式超声波传感装置。所述超声波传感装置300与超声波传感装置300的区别在于：基板110和超声波接收模组45。

所述超声波接收模组45通过第二粘结层14粘结于所述超声波发射模组20与所述盖板10相背的表面上。

所述超声波接收模组45用于接收反射的超声波并相应转化为局部电荷，并将所述局部电荷耦合转化为电信号输出给所述超声波传感装置检测电路200。所述电信号可经由一软性电路板或其他导电走线传输给所述超声波传感装置检测电路200。所述超声波接收模组45包括第三导电层451与第二压电层454。所述第二压电层454接收反射的超声波能并转化为局部电荷。第三导电层451作为一偏置电极层用于接收一接地电压或一偏置电压。在本实施例中，所述第三导电层451接地。优选地，所述第三导电层451可经由导电胶与第二导电层22电性导通后一并经由软性电路板或其他导电走线接地。所述第三导电层451通过所述第二粘结层14粘结于所述第二导电层22与所述盖板10相背的表面上。在本实施方式中，所述第三导电层451由金属材料制成，例如银，铜等银(Ag)、铜(Cu)、钼(Mo)等，但不以此为限。所述第二压电层451由为聚二氟亚乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)材料制成。

可以理解，所述超声波发射模组20与超声波接收模组30的层叠位置关系可互换。

所述基板110设置于所述第二压电层454与所述盖板10相背的表面上。所述基板110为薄膜晶体管基板，其上设置有薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)阵列。所述基板110上的TFT与第二压电层454耦合，以将所述第二压电层454上产生的电荷转换为电信号，所述电信号作为感测信号并输出给所述超声波传感装置检测电路200。所述基板110由透明玻璃或塑料材料制成。在本实施方式中，所述基板110可以为玻璃基板、或其他具有高强度、高硬度的透明基板，如聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)，聚酯(Polythylene terephthalate,PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)、环烯烃共聚合物(Cyclic Olefin Copolymer,COC)或聚醚砜(Polyether sulfone,PES)等材料制成。在其他实施方式中，所述基板110也可以为柔性基板。

请参阅图7，其为一种触控传感检测方法。其应用于上述第一实施方式的超声波传感装置100或第二实施方式的超声波传感装置300中。触控传感检测方法包括如下步骤：

步骤S71，接收用于驱动所述超声波发射模组20的驱动信号并接收由所述超声波接收模组30根据被待测物反射回的超声波并相应产生感测信号。

步骤S72，所述振幅检测模组250检测所述驱动信号和所述感测信号的振幅是否相等。若所述感测信号的振幅等于所述驱动信号的振幅，则识别触摸无效，流程结束；若所述感测信号的振幅不等于所述驱动信号的振幅，则执行步骤S73。

步骤S73，所述相位检测模组230根据所述驱动信号和所述感测信号的相位变化而产生感测相位差值。其中，相位检测模组230包括第一输出端Q1和第二输出端Q2。自所述第一输出端Q1还是自所述第二输出端Q2输出所述感测相位差值分别表征了所述感测信号和驱动信号相位是落后还是超前的关系。其中，所述相位检测模组230的第一输出端Q1输出所述感测相位差值时，所述感测信号的相位落后所述驱动信号的相位，所述相位检测模组230的第二输出端Q2输出所述感测相位差值时，所述感测信号的相位超前所述驱动信号的相位。

步骤S74，所述信号处理模组270识别所述相位检测模组230中用于输出所述感测相位差值的输出端。

步骤S75，所述信号处理模组270检测在预定时间内所述相位检测模组230的对应输出端是否持续输出所述感测相位差值。若所述相位检测模组230的对应输出端间断输出所述感测相位差值，则识别触摸无效，流程结束；若所述相位检测模组230的对应输出端持续输出所述感测相位差值，则执行步骤S76。

步骤S76，所述信号处理模组270检测所述感测相位差值的相位与预定相位差值之间差值的绝对值是否位于预定范围内。若所述感测相位差值的相位与预定相位差值之间差值的绝对值超出预定范围，则识别触摸无效，流程结束；若所述感测相位差值的相位与预定相位差值之间差值的绝对值位于预定范围内，则执行步骤S77。其中，预定相位差值为在没有触摸操作时所述驱动信号和所述感测信号的相位差值所述预定范围为

在本实施方式中，当待测物为水时，超声波接收模组30输出的感测信号的相位和幅度都变化，但是在预定时间内感测信号的相位不稳定，时而超前驱动信号的相位，时而落后驱动信号的相位；当待测物为油时，超声波接收模组30输出的感测信号的相位和幅度都变化，但是感测信号的相位变化范围较大，且超过预定相位差值的70％；待测物为金属时，超声波接收模组30输出的感测信号的相位和幅度均未发生变化。

步骤S77，所述信号处理模组270输出触碰感应信号以控制受控元件500执行相应的操作。在本实施方式中，所述受控元件500可以为所述超声波传感装置100显示屏内的LED，对应的操作可以为LED的点亮或熄灭。在其他实施方式中，所述受控元件500也可以是开关元件，对应的操作可以为开关的导通与关闭。

上述超声波传感装置检测电路200同时检测感测信号的相位和振幅的变化，并根据检测到相位和振幅识别触摸操作是否有效，并通过在预定时间内侦测驱动信号的相位和感测信号相位之间的变化进一步提高了超声波传感装置的触控准确度，减少了水滴、油脂以及金属等其他物质对触控操作的影响。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。