DE102011084537B4

DE102011084537B4 - Ultrasonic sensor array

Info

Publication number: DE102011084537B4
Application number: DE102011084537.2A
Authority: DE
Inventors: David Bartylla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2031-10-15
Also published as: DE102011084537A1; WO2013053586A1

Abstract

Ultraschallsensorfeld (10) mit einer Anzahl von MEMS-Komponenten (14), die in einzelnen Sensorfeldzellen (12) angeordnet sind, deren Öffnungen von einer Deckschicht (20) überdeckt sind und ein Abstand (28) zwischen der Deckschicht (20) und der MEMS-Komponente (14) vorliegt, wobei zwischen der Deckschicht (20) und der MEMS-Komponente (14) ein Luftvolumen (24) zur Schallübertragung eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eigenfrequenz der Deckschicht (20) größer oder gleich der Frequenz ist, mit der der Ultraschallsensorfeld (10) betrieben wird, wobei der Abstand zur Resonanzfrequenz ≤ 10 kHz beträgt.An ultrasonic sensor array (10) comprising a plurality of MEMS components (14) arranged in individual sensor array cells (12), the openings of which are covered by a cover layer (20), and a gap (28) between the cover layer (20) and the MEMS Component (14) is present, wherein between the cover layer (20) and the MEMS component (14) an air volume (24) for sound transmission is included, characterized in that the first natural frequency of the cover layer (20) is greater than or equal to the frequency , with which the ultrasonic sensor array (10) is operated, wherein the distance to the resonance frequency ≤ 10 kHz.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallsensorarray insbesondere auf ein MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) und auf ein Herstellverfahren für dieses.The invention relates to an ultrasonic sensor array, in particular to a MEMS (micro-electro-mechanical system) and to a manufacturing method for this.

DE 10 2005 040 081 A1 offenbart einen Ultraschallsensor, der eine Mehrzahl von Umwandlungsmitteln so beispielsweise Empfangs- oder Sendeelemente aufweist und eine vor den Umwandlungsmitteln angeordnete Schutzschicht umfasst. Der Empfangsabschnitt eines Sensors umfasst eine Mehrzahl von piezoelektrischen Empfangselementen, die als Feld angeordnet sind. Dabei enthalten die Empfangs-/Sendelemente ein piezoelektrisches oder ein kapazitives Element, das mit Hilfe der MEMS-Technik dargestellt ist. Diese Empfangselemente sind so angeordnet, dass eine Empfangsoberfläche zum Empfangen einer Ultraschallwelle in Richtung einer Öffnung des Gehäuses weist, wobei die Öffnung mit einer Schutzschicht verschlossen ist. Die Schutzschicht ist eine Dünnschicht aus einem Material, das von einer Ultraschallwelle in Schwingungen versetzt werden kann. Um die Übertragung von Ultraschallwellen zu verbessern, ist ein Spalt zwischen der Schutzschicht und den Empfangselementen mit einem Füllmaterial wie etwa einer Flüssigkeit, einer Sole oder einem Gel gefüllt. DE 10 2005 040 081 A1 discloses an ultrasonic sensor having a plurality of conversion means, for example receiving or transmitting elements, and comprising a protective layer arranged in front of the conversion means. The receiving section of a sensor comprises a plurality of piezoelectric receiving elements, which are arranged as a field. In this case, the receiving / transmitting elements include a piezoelectric element or a capacitive element which is represented by means of the MEMS technique. These receiving elements are arranged so that a receiving surface for receiving an ultrasonic wave in the direction of an opening of the housing, wherein the opening is closed with a protective layer. The protective layer is a thin film of a material that can be vibrated by an ultrasonic wave. In order to improve the transmission of ultrasonic waves, a gap between the protective layer and the receiving elements is filled with a filling material such as a liquid, a brine or a gel.

DE 10 2006 061 182 A1 offenbart einen Ultraschallsensor für Fahrzeuge, der ein Sendeelement zum Aussenden einer Ultraschallwelle, einen Empfangsabschnitt zum Empfangen einer durch ein Objekt reflektierten Ultraschallwelle und einen Schwingabschnitt, der aufgrund der hierauf übertragenen Ultraschallwelle schwingt, umfasst. Der Schwingabschnitt kann mehrere piezoelektrische Schwingungserfassungselemente enthalten. Ein Empfangselement kann in MEMS-Technologie ausgebildet werden. Zum Schutz des Schwingabschnittes ist ein Empfangsabschnitt vorgesehen, wobei der Empfangsabschnitt und der Schwingabschnitt durch einen Stützabschnitt derart miteinander verbunden sind, dass die durch den Empfangsabschnitt empfangene Ultraschallwelle durch den Stützabschnitt auf den Schwingabschnitt übertragen wird. DE 10 2006 061 182 A1 discloses an ultrasonic sensor for vehicles comprising a transmitting element for emitting an ultrasonic wave, a receiving section for receiving an ultrasonic wave reflected by an object and a vibrating section vibrating due to the ultrasonic wave transmitted thereto. The vibrating section may include a plurality of piezoelectric vibration detecting elements. A receiving element can be formed in MEMS technology. For protecting the vibrating portion, a receiving portion is provided, wherein the receiving portion and the vibrating portion are connected to each other by a supporting portion such that the ultrasonic wave received by the receiving portion is transmitted to the vibrating portion through the supporting portion.

DE 10 2006 004 874 A1 bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung, die insbesondere für Kraftfahrzeuge zur Unterstützung des Fahrers beim Rangieren oder Einparken des Kraftfahrzeuges geeignet ist. Diese Vorrichtung umfasst einen Ultraschallsensor und eine Sensorabdeckung in Form einer Folie, wobei der Ultraschallsensor in eine Ausnehmung oder Bohrung eines Fahrzeugaußenteils aufgenommen ist. Ein schwingfähig ausgebildetes Sensorelement des Ultraschallsensors ist innerhalb des Gehäuses des Ultraschallsensors angeordnet, wobei das Sensorelement und die Gehäuse durch die Sensorabdeckung nach außen abgedeckt sind. Die Sensorabdeckung ist unmittelbar an dem Ultraschallsensor befestigt. DE 10 2006 004 874 A1 refers to a sensor device, which is particularly suitable for motor vehicles to assist the driver when maneuvering or parking the motor vehicle. This device comprises an ultrasonic sensor and a sensor cover in the form of a film, wherein the ultrasonic sensor is received in a recess or bore of a vehicle outer part. An oscillatable trained sensor element of the ultrasonic sensor is disposed within the housing of the ultrasonic sensor, wherein the sensor element and the housing are covered by the sensor cover to the outside. The sensor cover is attached directly to the ultrasonic sensor.

DE 10 2004 063 740 A1 beschreibt einen Ultaschalltransducer, der als mikrobearbeiteter Ultraschalltransducer in kapazitiver Bauart ausgestaltet ist (cMUT). Dabei weisen die cMUT-Zellen eine nachgiebige Stützstruktur auf, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und eine Membran über einer Ausnehmung hält. So entkoppelt die nachgiebige Stützstruktur die Membran von dem Grundsubstrat. Der Hohlraum zwischen der Membran und dem Substrat kann luft- oder gasgefüllt oder vollständig oder teilweise evakuiert sein. DE 10 2004 063 740 A1 describes an ultrasonic transducer which is designed as a micromachined ultrasonic transducer in capacitive design (cMUT). In this case, the cMUT cells have a resilient supporting structure which is formed on a substrate and holds a membrane over a recess. Thus, the compliant support structure decouples the membrane from the base substrate. The void between the membrane and the substrate may be air or gas filled or fully or partially evacuated.

DE 10 2009 029 201 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauelements. Es sind die einzelnen Herstellungsschritte dargestellt, wobei die mikro- oder nanostrukturierten Bauelemente in eine Umhüllungsmasse eingebettet sind. Dabei können die mikro- oder nanostrukturierten Bauelemente ein Sensorelement darstellen. DE 10 2009 029 201 A1 describes a method for producing a micro- or nanostructured device. The individual production steps are shown, wherein the microstructured or nanostructured components are embedded in an encapsulation compound. In this case, the micro- or nanostructured components can represent a sensor element.

Die MEMS-Technologie hat mittlerweile nicht nur bei Empfangs- sondern auch bei Sendeelementen Einzug gehalten.Meanwhile, MEMS technology has not only found its way into receiving but also to transmitting elements.

Ultraschallsensoren haben ein weites Anwendungsspektrum und können, so sie in MEMS-Technologie ausgebildet sind, eine hohe Sensitivität aufweisen im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren im Empfängerbetrieb. Die Anwendung in MEMS-Technologie hergestellter Ultraschallarrays wird allerdings stark durch deren Robustheit eingeschränkt. Die MEMS-Komponenten sind in der Regel nicht sehr robust gegenüber Feuchtigkeit, auftretenden Verschmutzungen und äußeren mechanischen Einwirkungen, so dass Abhilfe erforderlich ist. Der Erfindung liegt demnach das Problem zugrunde, dass bekannte in MEMS-Technik hergestellte Ultraschallsensorarrays eine geringe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit, auftretenden Verschmutzungen und äußeren mechanischen Einwirkungen aufweisen.Ultrasonic sensors have a wide range of applications and can, if they are formed in MEMS technology, have a high sensitivity compared to conventional sensors in receiver operation. However, the use of ultrasound arrays made in MEMS technology is severely limited by their robustness. The MEMS components are generally not very resistant to moisture, dirt and external mechanical effects, so that remedy is required. The invention is therefore based on the problem that known ultrasound sensor arrays produced in MEMS technology have a low resistance to moisture, contamination and external mechanical influences.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen einen Ultraschallsensorarray in MEMS-Technologie auszubilden, wobei ein Feld (Array) aus einzelnen Zellen gebildet ist, die wiederum durch eine Membran oder eine Deckschicht abgedeckt, d. h. gegen Umgebungseinflüsse geschützt sind. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die hohe Sensitivität von Ultraschallsensoren, die in MEMS-Technologie ausgebildet sind, beibehalten werden, wobei gleichzeitig eine sehr kostengünstige Herstellungsmöglichkeit gegeben ist. Je nach Konfiguration der Deckschicht, beziehungsweise der Membran kann die Robustheit, insbesondere die Robustheit gegen mechanische Einwirkungen eingestellt werden. Da ein derartiges Ultraschallsensorarray äußerst klein baut, kann ein Ultraschallsensorarray, so zum Beispiel ein Empfängerarray, mit geringen äußeren Abmaßen bereit gestellt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich zudem dadurch aus, dass die Komponenten nicht resonant ausgelegt werden müssen, aber so ausgelegt werden können, dass sich relativ wenig, im Idealfall keine, Probleme wie die bei der Fertigung unvermeidlicherweise auftretenden Fertigungstoleranzen einstellen. Die Auslegung der Teile für den resonanten Betrieb liefert Vorteile bei der Empfangssensitivität und bietet einen mechanischen Filter der einkommenden Signale. Eine resonant ausgebildete Deckschicht hat somit die Funktion eines Bandpasses.According to the invention, it is proposed to form an ultrasound sensor array in MEMS technology, wherein a field (array) is formed from individual cells, which in turn are covered by a membrane or a cover layer, ie protected against environmental influences. By the solution proposed by the invention, the high sensitivity of ultrasonic sensors, which are formed in MEMS technology, can be maintained, at the same time a very cost-effective Manufacturing possibility is given. Depending on the configuration of the cover layer, or the membrane, the robustness, in particular the robustness against mechanical effects can be set. Since such an ultrasonic sensor array is extremely small in size, an ultrasonic sensor array, such as a receiver array, can be provided with small outer dimensions. The proposed solution according to the invention is also characterized by the fact that the components need not be designed resonantly, but can be designed so that set relatively little, ideally no, problems such as the manufacturing tolerances inevitably occurring during manufacture. The design of the parts for resonant operation provides advantages in the reception sensitivity and provides a mechanical filter of the incoming signals. A resonantly formed cover layer thus has the function of a bandpass filter.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, kann die das Ultraschallsensorfeld beziehungsweise das Ultraschallsensorarray abdeckende Membran beziehungsweise Deckschicht durch auftreffende Schallwellen in Schwingung versetzt werden. Da unterhalb der Deckschicht beziehungsweise der das Ultraschallsensorarray abdeckenden Membran eine Vielzahl von Kammern ausgebildet ist, in den die einzelnen in MEMS-Technik hergestellten Ultraschallsensoren angeordnet sind, kann die Luft innerhalb einer jeden der Ultaschallsensorarray-Zellen in Schwingung versetzt werden. In vorteilhafter Weise beträgt die maximale Höhe einer Ultraschallsensorarray-Zelle die halbe Wellenlänge. So stellt sich beispielsweise bei einer Ultraschallfrequenz von 50 kHz eine maximale Höhe der die einzelnen Array-Zellen begrenzenden Wände von ca. 3,5 mm ein. Die minimale Höhe der die einzelnen Array-Zellen begrenzenden Wände im Ultraschallsensorarray wird durch die Auslenkung der Deckschicht bestimmt. Auftreffende Gegenstände, so zum Beispiel aufgewirbelte Partikel, Steine und dergleichen deformieren die Membran beziehungsweise Deckschicht, die Membran beziehungsweise Deckschicht wird ausgelenkt und eine durch eine derartige äußere Einwirkung ausgelenkte Membran darf die von ihr jeweils abgedeckte MEMS-Komponente gerade nicht berühren. Demzufolge dient die Membran beziehungsweise Deckschicht als Dämpfer oder als Rückhalteeinrichtung, welche durch Deformation aufgrund der ihr innewohnenden elastischen Eigenschaften abgedeckte Komponente in MEMS-Technologie schützt.Following the solution proposed according to the invention, the membrane or cover layer covering the ultrasonic sensor array or the ultrasonic sensor array can be set in vibration by impinging sound waves. Since a plurality of chambers is formed below the cover layer or the membrane covering the ultrasonic sensor array, in which the individual ultrasound sensors fabricated by MEMS technology are arranged, the air within each of the ultrasonic sensor array cells can be vibrated. Advantageously, the maximum height of an ultrasonic sensor array cell is half the wavelength. Thus, for example, at an ultrasonic frequency of 50 kHz, a maximum height of the walls bounding the individual array cells of about 3.5 mm. The minimum height of the walls bounding the individual array cells in the ultrasonic sensor array is determined by the deflection of the cover layer. Impacting objects, such as whirled particles, stones and the like deform the membrane or cover layer, the membrane or cover layer is deflected and a deflected by such an external action membrane must not just touch the each covered by her MEMS component. Consequently, the membrane or cover layer serves as a damper or as a retaining device, which protects by deformation due to the inherent elastic properties covered component in MEMS technology.

Die Deckschicht beziehungsweise die Membran, welche die einzelnen Ultraschallsensorarray-Zellen abdeckt, kann aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist die erste Eigenfrequenz der Membran beziehungsweise der Deckschicht größer oder gleich der Nutzfrequenz zu wählen, da andernfalls die Richtcharakteristik ungünstig beeinflusst würde. Ein in Frage kommendes Material ist beispielsweise ein Faser-Kunststoff-Gewebe, welches eine relativ hohe Festigkeit aufweist, wobei ein derartiges Material darüber hinaus ein besonders geringes Gewicht aufweist. Bei derartigen Faser-Kunststoff-Geweben kann in vorteilhafter Weise das mechanische Verhalten hinsichtlich der Dämpfung und der Eigenfrequenz in einem weiten Spektrum auf die unterschiedlichsten Einsatzzwecke angepasst werden, d. h. es handelt sich um ein Material, dessen Eigenschaften in einem weiten Spektrum gestaltbar sind.The cover layer or the membrane which covers the individual ultrasonic sensor array cells can be produced from different materials. According to the invention, the first natural frequency of the membrane or of the cover layer is to be chosen to be greater than or equal to the usable frequency, since otherwise the directional characteristic would be unfavorably influenced. A candidate material is, for example, a fiber-plastic fabric which has a relatively high strength, wherein such a material also has a particularly low weight. In such fiber-plastic fabrics, the mechanical behavior with regard to the damping and the natural frequency can advantageously be adapted in a wide range to the most varied purposes, ie. H. It is a material whose properties can be designed in a wide range.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die mit der Erfindung einhergehenden Vorteile sind vor allem darin zu erblicken, dass aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Deckschicht beziehungsweise Membran zur Abdeckung einzelner Ultraschallsensorarray-Zellen die hohe Sensitivität der in MEMS-Technologie ausgebildeten Komponenten weitestgehend erhalten bleibt, da ein wirksamer mechanischer Schutz gegen äußere Einwirkungen, Verschmutzungen, Feuchtigkeit und dergleichen mehr geschaffen ist. Wird ein Faser-Kunststoff-Gewebe als Deckschicht beziehungsweise Membran eingesetzt, so besteht die Möglichkeit, mechanische Eigenschaften, d. h. die Robustheit, in einem weiten Spektrum einzustellen. Aufgrund der geringen Baugröße der MEMS-Komponente und der damit einhergehenden relativ kompakten Bauweise kann beispielsweise ein Empfängerarray für Anwendungen im Sensorikbereich mit geringen äußeren Abmaßen bereitgestellt werden. Werden darüber hinaus die einzelnen Komponenten eines derartigen Ultraschallwandlersensorarrays nicht resonant ausgelegt, ergeben sich wenig Probleme aufgrund auftretender Fertigungstoleranzen, so dass die Ausschussrate positiv beeinflusst werden kann.The advantages associated with the invention are, above all, to be seen in the fact that, owing to the cover layer or membrane proposed according to the invention for covering individual ultrasonic sensor array cells, the high sensitivity of the MEMS-technology-based components is largely retained, since effective mechanical protection against external influences, Pollution, moisture and the like is created more. If a fiber-plastic fabric is used as a cover layer or membrane, it is possible, mechanical properties, d. H. the robustness of setting in a wide range. Due to the small size of the MEMS component and the associated relatively compact design, for example, a receiver array for applications in the sensor area with small external dimensions can be provided. Moreover, if the individual components of such an ultrasonic transducer sensor array are not designed resonantly, there are few problems due to manufacturing tolerances that occur, so that the reject rate can be positively influenced.

Da die MEMS-Komponenten gleichzeitig auf einem Träger hergestellt werden können, müssen nur noch das Gehäuse und die Deckschicht mit dem Träger stoffschlüssig verbunden werden, so zum Beispiel mit diesem verklebt oder verlötet werden. Somit gestaltet sich die Fertigung äußerst einfach und schnell. Durch Einsatz der MEMS-Technologie können insbesondere eine Verstärkerschaltung sowie die Auswerteelektronik schon integriert werden, so dass weitere separate Komponenten entfallen können.Since the MEMS components can be produced simultaneously on a carrier, only the housing and the cover layer have to be materially connected to the carrier, so for example glued or soldered with this. Thus, the production is extremely simple and fast. By using the MEMS technology, in particular an amplifier circuit and the evaluation electronics can already be integrated, so that additional separate components can be dispensed with.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawings, the invention will be described in more detail below.

Es zeigt:It shows:

1 den Aufbau eines Ultraschallsensors insbesondere eines Ultraschallsensorfeldes im Querschnitt, 1 the structure of an ultrasonic sensor, in particular an ultrasonic sensor field in cross section,

2 eine perspektive Draufsicht auf eine im quadratischen Feldmuster angeordnete Anzahl von Sensorfeldzellen mit gemeinsamer Deckschicht, 2 FIG. 2 a perspective plan view of a number of sensor field cells with a common cover layer arranged in a square field pattern, FIG.

3 ein erstes rundes Anordnungsmuster von Sensorfeldzellen, 3 a first round array pattern of sensor array cells,

4 ein zweites längliches Anordnungsmuster von Sensorfeldzellen und 4 a second elongated array pattern of sensor array cells and

5 ein beliebiges, drittes Anordnungsmuster von Sensorfeldzellen. 5 any third array pattern of sensor array cells.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der Darstellung gemäß 1 ist der Aufbau des Ultraschallsensorfeldes im Querschnitt in schematischer Wiedergabe zu entnehmen.In the illustration according to 1 the structure of the ultrasonic sensor field in cross-section can be seen in a schematic representation.

1 zeigt, dass ein Ultraschallsensorfeld 10, welches im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Ultraschallsensorarray bezeichnet wird, eine Vielzahl nebeneinander liegender Sensorfeldzellen 12 umfasst. In einer jeden der Sensorfeldzellen 12 befindet sich eine in MEMS-Technik hergestellte Komponente, in diesem Fall ein Ultraschallempfänger. Die einzelnen Sensorfeldzellen 12 sind voneinander durch Stege 18 getrennt. Die einzelnen, die Sensorfeldzellen 12 voneinander trennenden Stege 18 erstrecken sich ausgehend von einer den Boden einer jeweiligen Sensorfeldzelle 12 bildenden Platine 16 bis zu einer Deckschicht 20, mit welcher die einzelnen Sensorfeldzellen 12 des Ultraschallsensorfeldes 10 nach außen abgedeckt sind. Die Stege 18 können in einem regelmäßigen Abstand oder auch in unregelmäßigen Abständen voneinander zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 angeordnet sein. 1 shows that an ultrasonic sensor field 10 , which is also referred to in general parlance as Ultraschallallsensorarray, a plurality of adjacent sensor array cells 12 includes. In each of the sensor field cells 12 is a MEMS-made component, in this case an ultrasonic receiver. The individual sensor field cells 12 are separated from each other by webs 18 separated. The individual, the sensor field cells 12 separating webs 18 extend from a bottom of a respective sensor array cell 12 forming circuit board 16 up to a cover layer 20 , with which the individual sensor field cells 12 of the ultrasonic sensor field 10 are covered to the outside. The bridges 18 can be at a regular distance or even at irregular intervals from each other between the topcoat 20 and the board 16 be arranged.

Die auf der Platine 16 in einer jeden der Sensorfeldzellen 12 aufgenommene MEMS-Komponente kann beispielsweise – wie in der Querschnittsdarstellung gemäß 1 dargestellt – in einem identischen Seitenabstand 22 zwischen zwei die Sensorfeldzelle 12 jeweils begrenzenden Stege 18 angeordnet sein. In der Sensorfeldzelle 12, in der jeweils eine MEMS-Komponente 14 angeordnet ist, ist ein Luftvolumen 24 eingeschlossen. Das Luftvolumen 24 wird von einem freien Flächenabschnitt 26 zwischen zwei die Sensorfeldzelle 12 jeweils begrenzenden Stegen 18 überdeckt. Die in der Darstellung gemäß 1 gemeinsam alle Sensorfeldzellen 12 überdeckende Deckschicht 20 ist an einzelnen Abschnittsstellen 30 durch die Stege 18 abgestützt. Die Stege 18 definieren einen Abstand 28 zwischen der Unterseite der Deckschicht 20 und der Oberseite der Platine 16, die den Boden einer jeden Sensorfeldzelle 12 bildet.The on the board 16 in each of the sensor array cells 12 recorded MEMS component, for example - as in the cross-sectional view according to 1 shown - in an identical side distance 22 between two the sensor field cell 12 each limiting webs 18 be arranged. In the sensor field cell 12 , in each case a MEMS component 14 is arranged, is an air volume 24 locked in. The air volume 24 is from a free area section 26 between two the sensor field cell 12 each limiting webs 18 covered. The in the illustration according to 1 together all sensor field cells 12 covering cover layer 20 is at individual section locations 30 through the bridges 18 supported. The bridges 18 define a distance 28 between the underside of the cover layer 20 and the top of the board 16 that covers the bottom of each sensor field cell 12 forms.

Auf die Außenseite der Deckschicht 20, die als Membran bezeichnet werden kann, auftreffender Schall versetzt die Deckschicht 20 in Schwingung. Diese Schwingung wird aufgrund der Auslenkung der Deckschicht 20 in Richtung auf die abgeschlossene Sensorfeldzelle 12 an das in dieser eingeschlossene Luftvolumen 24 übertragen. In vorteilhafter Weise entspricht der Abstand 28, der die Höhe einer jeden Sensorfeldzelle 12 zwischen der Deckschicht 20 und der Platin 16 definiert, einer halben Wellenlänge der Ultraschallwellen. Hier ergibt sich beispielsweise bei einer Nutzfrequenz von 50 kHz eine maximale der Höhe der Stege 18 von etwa 3,5 mm. Eine minimale Höhe, d. h. eine minimaler Abstand 18 zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 ist dadurch definiert, dass bei einer Deformation des freien Flächenabschnittes 26 aufgrund auf dieser auftreffender Partikel beispielsweise eine hohe kinetische Energie aufweisende Steine oder dergleichen, der freie Flächenabschnitt 26 der Deckschicht 20 nur soweit ausgelenkt werden kann, dass ein derart deformierter freier Flächenabschnitt 26 die in der Sensorfeldzelle 12 jeweils aufgenommene MEMS-Komponente 14 gerade nicht kontaktiert.On the outside of the cover layer 20 , which can be called a membrane, incident sound displaces the top layer 20 in vibration. This vibration is due to the deflection of the cover layer 20 towards the completed sensor field cell 12 to the enclosed in this volume of air 24 transfer. Advantageously, the distance corresponds 28 that measures the height of each sensor field cell 12 between the cover layer 20 and the platinum 16 defined, half a wavelength of the ultrasonic waves. Here, for example, results in a maximum frequency of the webs at a useful frequency of 50 kHz 18 of about 3.5 mm. A minimum height, ie a minimum distance 18 between the cover layer 20 and the board 16 is defined by the fact that at a deformation of the free surface section 26 due to these impinging particles, for example, a high kinetic energy having stones or the like, the free surface portion 26 the topcoat 20 can only be deflected so far that such a deformed free surface section 26 in the sensor field cell 12 respectively recorded MEMS component 14 just not contacted.

Somit ergibt sich die Steghöhe 28, d. h. die Höhe der Sensorfeldzelle 12 einerseits aus der eingesetzten Ultraschallfrequenz im Hinblick auf deren halbe Wellenlänge und andererseits durch die Materialeigenschaften der Deckschicht 20 beziehungsweise die Länge des freien Flächenabschnitts 26, der sich zwischen zwei Abstützstellen 30 zweier benachbarter Stege 18 zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 ergibt. Wird die Steghöhe derart gewählt, dass diese ein Viertel der Wellenlänge der Ultraschallwellen beträgt, kann der Luftraum innerhalb einer jeden Sensorfeldzelle 12 in Resonanz versetzt werden, wodurch die Sensitivität der Sensorfeldzelle 12 erheblich gesteigert werden kann.This results in the web height 28 ie the height of the sensor field cell 12 on the one hand from the ultrasonic frequency used in terms of half their wavelength and on the other hand by the material properties of the cover layer 20 or the length of the free area section 26 that is between two support points 30 two adjacent bridges 18 between the cover layer 20 and the board 16 results. If the ridge height is selected to be one quarter of the wavelength of the ultrasound waves, the air space within each sensor array cell may 12 be resonated, increasing the sensitivity of the sensor field cell 12 can be significantly increased.

In vorteilhafter Weise kommen als Materialien, aus denen die Deckschicht 20 beziehungsweise die Membran gefertigt wird, Faser-Kunststoff-Gewebe in Betracht. Diese zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass diese eine hohe Festigkeit, bei einem ausreichend hohen Deformationsvermögen zum Abbau kinetischer Energie und ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweisen. Faser-Kunststoff-Gewebe, die als Material für die Deckschicht 20 beziehungsweise die Membran bevorzugt in Frage kommen, können mit unterschiedlichen Materialeigenschaften gestaltet werden. Dies ist insbesondere hinsichtlich des Dämpfungsvermögens und der Eigenfrequenz insbesondere dem Wert für die erste Eigenfrequenz von Bedeutung. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Eigenfrequenz der Deckschicht 20 größer oder gleich der Nutzfrequenz ist, mit der der erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschallsensor, insbesondere ausgestattet als Ultraschallsensorfeld 10 betrieben wird. Die erste Eigenfrequenz des Materials sollte größer oder nahe der Nutzfrequenz sein, da andernfalls die Richtcharakteristik des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschallsensors beeinträchtigt werden könnte.Advantageously come as materials that make up the cover layer 20 or the membrane is made, fiber-plastic fabric into consideration. These are characterized mainly by the fact that they have a high strength, with a sufficiently high deformation capacity to reduce kinetic energy and a comparatively low weight. Fiber-plastic fabric used as a material for the topcoat 20 or the membrane preferably come into question, can be designed with different material properties. This is of importance in particular with regard to the damping capacity and the natural frequency, in particular the value for the first natural frequency. It is inventively provided that the first natural frequency of the cover layer 20 greater than or equal to the useful frequency with which the inventively proposed ultrasonic sensor, in particular equipped as an ultrasonic sensor field 10 is operated. The first natural frequency of the Material should be greater or near the useful frequency, otherwise the directivity of the inventively proposed ultrasonic sensor could be affected.

Durch die Ausgestaltung des Faser-Kunststoff-Gewebes lässt sich unter Beibehaltung eines geringen Gewichtes unter Berücksichtigung der ersten Eigenfrequenz durch Materialwahl das Dämpfungsvermögen und die Deformationscharakteristik einstellen. Diese ist, wie obenstehend bereits erwähnt, hinsichtlich der maximalen Auslenkbarkeit des freien Flächenabschnittes 26 der Deckschicht 20 in das Innere der Sensorfeldzelle 12 von Bedeutung. Je nachdem, welches Deformationsvermögen die Deckschicht 20 aufweist, kann unter Berücksichtigung der Nutzfrequenz des Ultraschallfeldsensors die Steghöhe 28, d. h. der Abstand zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 so gewählt werden, dass unter Beachtung der maximal möglichen Deformation des freien Flächenabschnittes 26, die MEMS-Komponente 14 gerade nicht berührt wird.Due to the configuration of the fiber-plastic fabric can be adjusted while retaining a low weight taking into account the first natural frequency by material selection, the damping capacity and the deformation characteristic. This is, as already mentioned above, in terms of the maximum deflectability of the free surface portion 26 the topcoat 20 into the interior of the sensor field cell 12 significant. Depending on which deformation capacity the cover layer 20 may, taking into account the useful frequency of the ultrasonic field sensor, the web height 28 ie the distance between the cover layer 20 and the board 16 be chosen so that, taking into account the maximum possible deformation of the free surface section 26 , the MEMS component 14 is not touched.

Der Darstellung gemäß 2 ist ein Systemaufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschallsensorfeldes zu entnehmen.The representation according to 2 a system structure of the inventively proposed ultrasonic sensor array is shown.

Wie der Darstellung gemäß 2 zu entnehmen ist, sind in dieser Ausführungsvariante die einzelnen Sensorfeldzellen 12 quadratisch beschaffen. Andere geometrischen Formen sind selbstverständlich auch möglich. Die einzelnen Sensorfeldzellen 12 sind durch die Stege 18, die in dieser Ausführungsvariante rechtwinklig zueinander verlaufen, voneinander getrennt. Es ergibt sich gemäß der Darstellung in 2 ein Ultraschallsensorfeld 10, welches 12 einzelne Sensorfeldzellen 12 umfasst. Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht, werden alle hier im quadratischen Feldmuster 38 angeordneten Sensorfeldzellen 12 durch eine gemeinsame Deckschicht 20, deren Fläche mit Bezugszeichen 32 bezeichnet ist, überdeckt. Der perspektivischen Darstellung gemäß 2 ist entnehmen, dass das hier gezeigte Ultraschallsensorfeld 10 eine erste Außenwand 42 und eine zweite Außenwand 44 aufweist, wobei eine Länge des Ultraschallsensorfeldes 10 mit Bezugszeichen 34 und dessen Breite durch Bezugszeichen 36 identifiziert ist. Aufgrund der quadratischen Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels gemäß 2 ist die Ultraschallfeldlänge 34 identisch mit der Ultraschallsensorfeldbreite 36. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass Sensorfeldzellen 12 im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein Quadrat 40 beschreiben, welches entweder von aneinandergrenzenden Stegen 18 begrenzt wird, oder von Stegen 18 und entsprechenden Abschnitten der ersten und zweiten Außenwände 42 beziehungsweise 44.As shown in the illustration 2 can be seen, in this embodiment, the individual sensor array cells 12 obtain square. Other geometric shapes are of course possible. The individual sensor field cells 12 are through the bridges 18 , which run in this embodiment perpendicular to each other, separated from each other. It follows as shown in 2 an ultrasonic sensor field 10 which 12 individual sensor field cells 12 includes. As shown in the illustration 2 As can be seen, all are here in the square field pattern 38 arranged sensor field cells 12 through a common cover layer 20 whose area is indicated by reference numbers 32 is designated, covered. The perspective view according to 2 can be seen that the ultrasonic sensor field shown here 10 a first outer wall 42 and a second outer wall 44 having a length of the ultrasonic sensor array 10 with reference number 34 and its width by reference numerals 36 is identified. Due to the square configuration of the embodiment according to 2 is the ultrasound field length 34 identical to the ultrasonic sensor field width 36 , For the sake of completeness, it should be mentioned that sensor field cells 12 in the embodiment according to 2 a square 40 describe which either of adjoining webs 18 is limited, or from webs 18 and corresponding portions of the first and second outer walls 42 respectively 44 ,

In den Darstellungen gemäß der 3, 4 und 5 sind verschiedene Anordnungsmuster, in denen die Sensorfeldzellen innerhalb eines Ultraschallsensorfeldes angeordnet werden können, zu entnehmen.In the representations according to the 3 . 4 and 5 various arrangement patterns in which the sensor field cells can be arranged within an ultrasonic sensor array can be seen.

Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich beispielsweise, dass innerhalb eines ersten Anordnungsmusters 46 die einzelnen Sensorfeldzellen 12 als runde oder auch als ovale Anordnung angeordnet werden können.From the illustration according to 3 results, for example, that within a first arrangement pattern 46 the individual sensor field cells 12 can be arranged as a round or as an oval arrangement.

4 zeigt dem gegenüber, dass innerhalb eines zweiten, ein längliches Aussehen aufweisenden Anordnungsmuster 48, einzelne Sensorfeldzellen 12 eines Ultraschallsensorfeldes 10 nebeneinander liegend in Reihenform, sei es in vertikaler Richtung orientiert, sei es wie in 4 dargestellt in horizontaler Richtung orientiert, angeordnet werden können. 4 shows that, within a second, elongated appearance arrangement pattern 48 , single sensor field cells 12 an ultrasonic sensor field 10 lying side by side in a row, be it oriented in a vertical direction, be it as in 4 shown oriented in the horizontal direction, can be arranged.

5 schließlich ist zu entnehmen, dass die einzelnen Sensorfeldzellen 12 auch in einem beliebigen dritten Anordnungsmuster 50 verteilt angeordnet werden können. Hinsichtlich des Designs und der Anordnungsmöglichkeit bietet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung die Möglichkeit, neben geometrischen Mustern, wie in den 3 und 4, bei dem beliebigen dritten Anordnungsmuster gemäß 5 auch Designelemente ausbilden, beispielsweise Buchstaben oder auch Zahlen zu formen, die wiederum durch einzelne Sensorfeldzellen 12 in ihrer jeweiligen geometrischen Ausprägung gebildet werden können. 5 Finally, it can be seen that the individual sensor array cells 12 also in any third arrangement pattern 50 can be arranged distributed. With regard to the design and the arrangement possibility, the solution proposed according to the invention offers the possibility, in addition to geometric patterns, as in 3 and 4 in any third arrangement pattern according to 5 also form design elements, for example, letters or numbers to form, in turn, by individual sensor array cells 12 can be formed in their respective geometric expression.

Die einzelnen Sensorfeldzellen 12, gemäß 2 als Quadrate beschaffen, können auch quadratisch, rechteckig und rautenförmig oder oval ausgebildet sein, was eine große gestalterische Freiheit mit sich bringt.The individual sensor field cells 12 , according to 2 as squares, can also be square, rectangular and diamond-shaped or oval, which brings a great creative freedom with it.

In einer zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, die einzelnen Sensorfeldzellen 12 des Ultraschallsensorfeldes 10 so anzuordnen, dass diese lediglich aneinander angesetzt werden, ohne dass die einzelnen Sensorfeldzellen 12 durch eine gemeinsame Deckschicht 20 beziehungsweise deren Fläche 32 miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsvariante ist von Vorteil, dass das Übersprechen stark verringert werden kann. So verringert oder verschwindet der Anteil des Körperschalls, der sich durch die Deckschicht 20 ausbreitet. Dadurch lassen sich in erheblichem Maße Interferenzen reduzieren; ferner wird die Signalauswertung erleichtert und sicherer.In an embodiment not shown in the drawing, it is possible to use the individual sensor field cells 12 of the ultrasonic sensor field 10 to be arranged so that they are only attached to each other without the individual sensor array cells 12 through a common cover layer 20 or their area 32 connected to each other. In this embodiment, it is advantageous that the crosstalk can be greatly reduced. This reduces or eliminates the amount of structure-borne noise that passes through the surface layer 20 spreads. This can significantly reduce interference; Furthermore, the signal evaluation is facilitated and safer.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschallsensorfeld 10 lässt sich ein Empfänger mit geringen äußeren Ausmaßen gestalten, der hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen und seiner geometrischen Gestaltungsfreiheit äußerst vielseitig eingesetzt werden kann. Die Robustheit kann durch entsprechende Auswahl der die einzelnen Sensorfeldzellen 12 abdeckenden Deckschicht 20 je nach Anwendungsfall eingestellt werden, wobei die hohe Sensitivität der MEMS-Komponente 14, die in den jeweiligen Sensorfeldzellen 12 aufgenommen sind, unverändert genutzt werden kann. Idealerweise erfolgt eine nicht resonante Auslegung der Komponenten, so dass sich geringfügige, im Idealfall keine, Probleme hinsichtlich der Fertigungstoleranzen ergeben.By the inventively proposed ultrasonic sensor array 10 can be designed a receiver with small outer dimensions, which can be used extremely versatile in terms of its geometric dimensions and its geometric freedom. The robustness can be achieved by appropriate selection of the individual sensor field cells 12 covering cover layer 20 depending on the application, the high sensitivity of the MEMS component 14 in the respective sensor field cells 12 are included, can be used unchanged. Ideally, a non-resonant design of the components, so that there are minor, ideally no, problems in terms of manufacturing tolerances.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the appended claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims

Ultrasonic sensor field ( 10 ) with a number of MEMS components ( 14 ) in individual sensor field cells ( 12 ) are arranged, whose openings from a cover layer ( 20 ) are covered and a distance ( 28 ) between the cover layer ( 20 ) and the MEMS component ( 14 ), wherein between the cover layer ( 20 ) and the MEMS component ( 14 ) an air volume ( 24 ) is included for sound transmission, characterized in that the first natural frequency of the cover layer ( 20 ) is greater than or equal to the frequency at which the ultrasonic sensor array ( 10 ), wherein the distance to the resonant frequency is ≤ 10 kHz.

Ultrasonic sensor array according to claim 1, characterized in that the distance ( 28 ) a maximum height of a sensor field cell ( 12 ) and a maximum of half a wavelength of the ultrasonic waves.

Ultrasonic sensor array, according to claim 1, characterized in that a maximum possible deformation of a free surface portion ( 26 ) of the top layer ( 20 ) into the sensor field cell ( 12 ), in which the MEMS component ( 14 ) just not contacted, a minimum height of the sensor field cell ( 12 ).

Ultrasonic sensor array, according to claim 1, characterized in that the cover layer ( 20 ) as area ( 32 ) which is a field pattern ( 38 ) individual sensor field cells ( 12 ) covers.

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that the individual sensor field cells ( 12 ) are square, rectangular, round, diamond-shaped, oval or arbitrary.

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that the field pattern ( 38 ) in which the sensor field cells ( 12 ) are square or rectangular.

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that the field pattern ( 38 ) as a round, first arrangement pattern ( 46 ), or as a second, elongated arrangement pattern ( 48 ) or as any third arrangement pattern ( 50 ) is executed.

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that the cover layer ( 20 ) is designed as a fiber-plastic fabric, as a plastic or metal membrane.

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor field cells ( 12 ) are placed together while avoiding a continuous surface ( 32 ) of the top layer ( 20 ).

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that the cover layer ( 20 ) free surface sections ( 26 ) at supporting points ( 30 ) of Stegen ( 18 ) are supported.

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that the bottom of a respective sensor field cell ( 12 ) through a board ( 16 ) is formed.

Ultrasonic sensor array according to one of the preceding claims, characterized in that in the sensor field cell ( 12 ) the respective MEMS components ( 14 ) in lateral distances ( 22 ) to the sensor field cell ( 12 ) limiting webs ( 18 ) are arranged, which correspond to each other.