CN1829395B - 具有超声波发射装置和接收装置的超声传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测物体(50)的超声传感器，包括：基片(10)；发射装置(S1，S2)，用于发射超声波；多个接收装置(R1-R8)，用于接收超声波；以及电路(K)，用于处理接收的超声波，所述接收的超声波是在由所述发射装置(S1，S2)发射的所述超声波被所述物体(50)反射之后被接收装置(R1-R8)接收的。发射装置(S1，S2)和接收装置(R1-R8)被集成到基片(10)中。传感器的尺寸得以最小化，并且提高了传感器的检测精度。

Description

具有超声波发射装置和接收装置的超声传感器

技术领域

本发明涉及超声传感器。

背景技术

超声传感器安装在例如机动车辆上。当司机停车或将车辆转弯时，该传感器检测传感器(即，车辆)与障碍物之间的距离。超声传感器例如在JP-A-2001-16694中有所披露。用于检测障碍物的传感器包括发射装置和接收装置，用于发射超声波和接收超声波。该传感器可包括发射/接收装置。当发射装置发射超声波时，超声波碰到障碍物。障碍物将超声波反射；然后，由接收装置接收反射的超声波。基于由接收装置接收的超声波，检测超声波的声压、时滞和/或相差，以便计算出到障碍物的方向和障碍物与车辆之间的距离。此外，能够检测障碍物的凹凸情况。

超声波的接收装置例如为具有振子的超声元件，振子由设置在作为基片薄片部分的薄膜上的压电薄膜组成。具有薄膜结构的超声元件例如在JP-A-2003-284182中有所披露。该元件通过微加工方法形成，从而，该元件被称为MEMS(即，micro electro mechanical system，微电子机械系统)型超声元件。JP-A-2003-284182还披露了包含MEMS型超声元件的超声阵列传感器。

MEMS型超声元件90R如图13A所示。在元件90R中，作为铁电物质的PZT陶瓷薄膜层2夹在一对电极3a、3b之间。元件90R还包括用于检测超声波的具有预定谐振频率的压电传感器。当元件90R工作时，在两个电极3a、3b之间施加预定偏压，以便改变(即，控制)元件90R的谐振频率。

图13B说明通过使用超声波的定位测量方法，该方法在JP-A-2003-284182中有所披露。超声传感器900包括作为超声波发射装置的超声波源40和作为超声波接收装置的超声阵列装置A90R。超声阵列装置A90R包括排成阵列的多个MEMS型超声元件90R。在传感器900中，源40与传感装置A90R相邻，并且发射超声波。超声波碰到作为障碍物的物体51，52；然后，由物体51，52反射超声波。从而，超声波返回到传感器900。返回的超声波由传感装置A90R中的每个传感元件90R接收。基于接收的超声波，确定出物体51，52的位置，包括到物体51，52的方向角。具体而言，基于在传感元件90R的各个入射方向的超声波传输时间，计算出在传感元件90R与物体51，52之间沿入射方向的距离。从而，确定出在不同入射方向的距离分布。因此，确定出物体51，52与传感元件90R之间在物体51，52景深方向上的距离。这里，超声波传输时间是从源40发射超声波时的发射时间到超声波返回到传感元件90R时的返回时间之间的时间。

这里，源40和传感装置A90R彼此分开。因此，源40和传感装置A90R中每个的制造成本都很必要。此外，当将源40和传感装置A90R安装在车辆的保险杠上时，源40和传感装置A90R各自的安装精度影响着对物体方向和距离的检测精度。此外，源40与传感装置A90R之间的安装距离可以增大。

此外，通常，当将超声传感装置直接安装到车辆的保险杠上时，由于附着在传感元件表面上的水滴或灰尘的缘故，传感装置不能精确地检测到物体的距离。此外，通过空气传输的超声波的衰减取决于空气的温度和湿度。这些温度和湿度会根据车辆周围的环境而改变。从而，物体的检测精度取决于温度变化和湿度变化。特别是，车辆周围的环境温度可以通过外部温度传感器等进行检测。然而，不存在安装在车辆外侧的适当的外部湿度传感器。从而，不能检测车辆周围的环境湿度。

发明内容

考虑到上述问题，本发明的一个目的在于提供一种具有超声波发射装置和接收装置的超声传感器。

用于检测物体的超声传感器包括：基片；发射装置，用于发射超声波；多个接收装置，用于接收超声波；以及用于处理接收的超声波的电路，所述接收的超声波是在由发射装置发射的超声波被物体反射之后由接收装置接收到的。发射装置和接收装置被集成到基片中。

与传统传感器相比，上述传感器的尺寸被最小化了。此外，降低了传感器的制造成本。此外，精确地确定了发射装置与接收装置之间的定位关系；并且因此，传感器的检测精度不受传感器的安装精度影响。

或者，接收装置的数量可等于或大于三，以便电路能够检测操作故障。此外，发射装置和三个接收装置中的每一个都具有用于发射或接收超声波的表面，该表面与地面垂直。这三个接收装置由第一至第三接收装置组成。第一接收装置设置在第三接收装置之上，并且设置在第二接收装置的左侧。所述电路能够基于由第一和第二接收装置接收到的所述接收的超声波，计算出在平行于地面的水平平面内物体与传感器之间的水平平面距离以及在该水平平面内从传感器到物体的水平平面方向角。该电路还能够基于由第一和第三接收装置接收到的所述接收的超声波，计算出在垂直于地面的垂直平面内物体与传感器之间的垂直平面距离以及在该垂直平面内从传感器到物体的垂直平面方向角。该电路能够基于由第二和第三接收装置接收到的所述接收的超声波，检查水平和垂直平面距离以及水平和垂直平面方向角，以便该电路能够检测操作故障。

或者，接收装置的数量可等于或大于四。此外，发射装置和四个接收装置中的每一个都具有用于发射或接收超声波的表面，该表面与地面垂直。这四个接收装置由第一至第四接收装置组成。第一接收装置设置在第三接收装置之上，并且设置在第二接收装置的左侧。第四接收装置设置在第二接收装置之下，并且设置在第三接收装置的右侧。所述电路能够基于由第一和第二接收装置接收到的所述接收的超声波，计算出在平行于地面的水平平面内物体与传感器之间的水平平面距离以及在该水平平面内从传感器到物体的水平平面方向角，还能够基于由第一和第三接收装置接收到的所述接收的超声波，计算出在垂直于地向的垂直平面内物体与传感器之间的垂直平面距离以及在该垂直平面内从传感器到物体的垂直平面方向角，从而获得物体的第一数据。所述电路能够基于由第三和第四接收装置接收到的所述接收的超声波，计算出水平平面距离和水平平面方向角，还能够基于由第二和第四接收装置接收到的所述接收的超声波，计算出垂直平面距离和垂直平面方向角，从而获得物体的第二数据。该电路能够检查第一数据和第二数据，以便电路能够检测操作故障。

或者，发射装置能够发射具有不同频率的多个超声波，以便电路能够补偿湿度。此外，发射装置能够发射具有第一频率的第一超声波和具有第二频率的第二超声波。接收装置的数量等于或大于三。发射装置和三个接收装置中的每一个都具有用于发射或接收超声波的表面，该表面与地面垂直。这三个接收装置由第一至第三接收装置组成。第一接收装置设置在第三接收装置之上，并且设置在第二接收装置的左侧。所述电路能够基于由第一和第二接收装置接收到的具有第一频率的接收的超声波，计算出在平行于地面的水平平面内物体与传感器之间的水平平面距离以及在该水平平面内从传感器到物体的水平平面方向角，并且还能够基于由第一和第三接收装置接收到的具有第一频率的接收的超声波，计算出在垂直于地面的垂直平面内物体与传感器之间的垂直平面距离以及在该垂直平面内从传感器到物体的垂直平面方向角。该电路能够计算出具有第一频率的发射的超声波与接收的超声波之间的第一衰减损耗。该电路能够计算出具有第二频率的发射的超声波与接收的超声波之间的第二衰减损耗。该电路能够基于第一和第二衰减损耗以及从外部温度传感器获得的温度计算出环境湿度。

或者，发射装置和接收装置中的每一个都可以由超声元件提供。该超声元件设置在基片的薄膜上。超声元件包括压电薄膜和一对金属电极，以提供压电振子。压电薄膜夹在金属电极之间。压电振子能够在预定超声频率与薄膜一起发生谐振。此外，发射装置的压电薄膜包括局部切割图案，该局部切割图案设置在薄膜的径向方向振动的应力集中区上。此外，薄膜被局部切割图案分隔成四片。薄膜具有方形平面(planar)形状，薄膜的每一片都具有方形平面形状。局部切割图案穿透金属电极和压电薄膜的其中之一。

附图说明

参照附图，通过后面给出的详细描述，本发明的以上及其他目的、特征和优点将会更加清楚。其中：

图1A是显示根据本发明的优选实施例的超声传感器的俯视图，图1B是显示安装在电路板上的传感器的示意性透视图；

图2A是显示传感器中的超声元件的平面图，图2B是显示沿图2A中的线IIB-IIB作出的该元件的横截面图；

图3是显示根据实施例的变形的另一超声传感器的平面图；

图4A是显示根据实施例的第二变形的超声元件的平面图，图4B是显示沿图4A中的线IVB-IVB作出的该元件的横截面图；

图5A是显示根据实施例的第三变形的超声元件的平面图，图5B是显示沿图5A中的线VB-VB作出的该元件的横截面图；

图6A是显示根据实施例的第四变形的超声元件的平面图，图6B是显示沿图6A中的线VIB-VIB作出的该元件的横截面图，图6C是显示图6B中的元件的部分VIC的局部放大横截面图；

图7A是显示根据实施例的第五变形的超声元件的平面图，图7B是显示沿图7A中的线VIIB-VIIB作出的该元件的横截面图；

图8A是显示根据实施例的第六变形的超声元件的平面图，图8B是显示沿图8A中的线VIIIB-VIIIB作出的该元件的横截面图，图8C是显示沿图8A中的线VIIIC-VIIIC作出的该元件的横截面图；

图9A是说明由接收装置接收到的在X-Y平面中的接收的超声波的示意图，图9B是说明由接收装置接收到的在Z平面中的接收的超声波的示意图，图9C是显示来自发射装置和四个接收装置的信号的时序图；

图10是显示根据实施例的第七变形的来自发射装置和四个接收装置的具有两个不同频率的信号的时序图；

图11A是显示根据实施例的第八变形的超声传感器的俯视图，

图11B是显示根据第八变形的来自两个发射装置和四个接收装置的具有两个不同频率的信号的时序图；

图12是显示根据实施例的第九变形的超声传感器的俯视图；以及

图13A是显示根据现有技术的超声元件的局部放大横截面图，图13B是说明根据现有技术的用于通过使用超声波来检测物体的方法的示意图。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例的超声传感器100如图1A和1B所示。图1B显示了安装在电路板K上的传感器100。传感器100包括一个发射装置S1和四个接收装置R1-R4，它们被集成在同一半导体基片10上。图2A显示了用于提供每个发射装置S1和接收装置R1-R4的超声元件90。

超声元件90类似于图13A所示的作为接收装置的MEMS型超声元件90R。超声元件90的发射装置S1具有与超声元件90的接收装置R1-R4相同的结构。

超声元件90由SOI(即，silicon-on-insulator，绝缘硅)半导体基片10形成。基片10包括作为支撑层的第一半导体层1a、嵌入氧化物层1b、第二半导体层1c和保护氧化物膜1d。作为基片10的薄片部分的薄膜M通过利用半导体微加工方法形成。压电振子20形成在薄膜M上以覆盖薄膜M。压电振子20包括压电薄膜2和一对金属电极3a、3b。具体而言，压电薄膜2夹在一对由金属膜形成的金属电极3a、3b之间。

当将超声元件90用作发射装置S1时，向压电振子20的金属电极3a、3b施加交变电压，以便薄膜M与压电振子20一起以预定超声频率谐振。从而，发射了超声波。当将超声元件90用作接收装置R1-R4时，所要测量的由物体反射的返回超声波使薄膜M与压电振子20一起谐振，以便压电振子20将返回超声波转换成电信号。从而，接收了超声波。

当将超声元件90用作发射装置S1时，优选地发射装置S1中的薄膜M的平面区相对较大。这是由于需要生成自发射装置S1输出的大的超声声压。从而，优选地发射装置S1中的薄膜M的平面区比接收装置R1-R4中的更大。从而，发射装置S1能够发射具有较大声压的超声波。然而，只要接收装置R1-R4具有足够的超声波灵敏度，接收装置R1-R4中的薄膜M的平面区就可相对较小。

图3显示根据本发明优选实施例的另一超声传感器100a。在这种情况下，发射装置S1a中的薄膜Ms的平面区大于接收装置R1-R4中的薄膜Mr的平面区。

图4A至8C显示用作发射装置S的其他超声元件91-95。

如图4A和4B所示的超声元件91包括具有SOI结构的半导体基片。压电振子21形成在薄膜M上，而薄膜M又构成基片10的薄片部分。压电振子21覆盖薄膜M。压电振子21还包括压电薄膜2和金属电极3a、3b。压电薄膜2夹在金属电极3a、3b之间。

在超声元件91的压电振子21中，压电薄膜2包括作为凹槽的局部切割图案2a，该局部切割图案2a将压电薄膜4分隔成四部分。该局部切割图案2a通过去除压电薄膜2的一部分来获得，薄膜M的径向振动所引起的应力在该部分处集中。因此，降低了作为应力集中区的该部分压电薄膜2的刚性，从而使薄膜M易于弯曲，即，提高了薄膜M的挠性。因此，压电振子21能够发射(即，输出)具有足够大声压的超声波。

在如图5A和5B所示的超声元件92的压电振子22中，压电薄膜2包括作为局部凹槽的局部凹形图案2b。减少了作为薄膜M径向振动的应力集中区的该部分压电薄膜2的厚度，从而形成了局部凹形图案2b。从而，提高了薄膜M的挠性，以使压电振子21能够输出具有足够大声压的超声波。

如图6A至6C所示的超声元件93的压电振子23由多个层形成，该多个层由多个压电薄膜2和多个金属电极3a-3c组成，该多个压电薄膜2和该多个金属电极3a-3c交替层叠。当将电压施加到压电振子23上时，压电振子23的变形增大。从而，薄膜M的振动幅度增大，以使振子23输出具有足够大声压的超声波。

在如图7A和7B所示的超声元件94的压电振子24中，压电振子24和薄膜Md在基片10上悬伸。从而，能够使薄膜Md充分变形，即，在薄膜Md中不存在阻止薄膜Md变形的部分。从而，当将电压施加到压电振子24上以使压电振子24变形时，薄膜Md也会大大变形。因此，压电振子24输出具有足够大声压的超声波。

在图8A至8C所示的超声元件95的压电振子25中，薄膜Me按照这样的方式形成：通过牺牲刻蚀法(sacrifice etching method)将基片10的嵌入氧化物层1b的一部分挖空即，从基片10的上表面侧切割。在薄膜Me和梁架Ha周围形成用于牺牲刻蚀法的孔H。因此，薄膜Me的外围部分通过梁架Ha被部分地支撑在基片10上。从而，防止薄膜Me变形的薄膜Me的干扰部分变小。当将电压施加到压电振子25上以使薄膜Me变形时，梁架Ha发生扭曲并且，梁架Ha大大变形；从而使薄膜Me大大变形。从而，振子25输出具有足够大声压的超声波。

由于每个超声元件91-95能够输出具有足够大声压的超声波，元件91-95能够提供具有高检测精度的超声传感器100的发射装置S1。这里，元件91-95还可提供超声传感器100的接收装置R1-R4。

接着，参照图9A至9C，描述通过使用超声传感器100检测物体的方法。在图9A至9C中，将超声传感器100的基片表面设置成与地面垂直。具体而言，发射装置S1的表面与地面垂直。这里，图9A中的X-Y平面与地面平行。图9B中的Z轴与地面垂直。图9A显示X-Y平面中的超声传感器100的接收装置R1，R2和接收超声波。具体而言，自发射装置S1发射的超声波被障碍物50反射，然后反射的超声波被接收装置R1，R2接收作为接收超声波。图9B显示Z-X，Y平面中的超声传感器100的接收装置R1，R3和接收超声波。这里，图9B中的Z-X，Y平面与地面垂直。ΔL表示接收超声波的行程差。图9C是显示由发射装置S1输出的超声波的交替脉冲信号和由四个接收装置R1-R4接收的超声波的四个交替脉冲信号的时序图。

图9A中，Dx表示在X-Y平面中超声传感器100的中心与障碍物50之间的距离。距离Dx是基于由发射装置S1输出的S信号No.1、由接收装置R1接收的R信号No.1和由接收装置R2接收的R信号No.2计算出的。接收装置R1，R2设置在图1中的传感器100的上侧。具体而言，从R信号No.1和No.2的接收时间(即，到达时间)与S信号No.1的发射时间(即，输出时间)之间的平均时间差ΔTx计算出距离Dx。

图9中，θx表示在X-Y平面中到障碍物50的方向角。方向角θx从作为参考轴的X轴测量出。方向角θx是基于来自接收装置R1和R2的R信号No.1和No.2获得的。具体而言，从R信号No.1与R信号No.2之间的相差ΔPx计算出方向角θx。

图9B中，Dz表示在垂直于地面的Z-X，Y平面中超声传感器100的中心与障碍物50之间的距离。距离Dz是基于来自发射装置S1的S信号No.1、来自接收装置R1的R信号No.1和由接收装置R3接收的R信号No.3计算出的。接收装置R1，R3设置在图1中的传感器100的左侧。具体而言，从R信号No.1和No.3的接收时间与S信号No.1的发射时间之间的平均时间差ΔTz计算出距离Dz。

图9B中，θz表示在Z-X，Y平面中到障碍物50的方向角。方向角θz从作为参考平面的X-Y平面测量出。基于来自接收装置R1和R3的R信号No.1和No.3获得方向角θz。具体而言，从R信号No.1与R信号No.3之间的相差ΔPz计算出方向角θz。

基于距离Dx、Dz和方向角θx、θz，确定出障碍物50与传感器100之间的距离以及到障碍物50的方向。从而，传感器100检测出障碍物50。

传感器100中，将发射装置S1和接收装置R1-R4集成到同一基片10中。因此，与图13B中所示的传感器900相比，传感器100的尺寸和制造成本降低了，其中在该传感器900中，发射装置S1和超声阵列装置A90R独立形成。此外，由于在基片10上精确设计了(即，确定了)发射装置S1和接收装置R1-R4之间的定位关系。从而，即使当将传感器100安装在机动车辆的保险杠上时，传感器100在保险杠上的安装精度也不会影响传感器100的检测精度。

即使当发射装置S1的数量和/或接收装置R1-R4的数量增加或减少时，和/或即使当发射装置S1的尺寸和/或接收装置R1-R4的尺寸改变时，也能够仅通过改变掩模来形成传感器100。从而，传感器100的制造成本几乎相同。

尽管传感器100包括四个接收装置R1-R4，但是也能够通过使用三个接收装置R1-R3检测出障碍物50。具体而言，通过使用设置在传感器100上侧的两个接收装置R1、R2获得在X-Y平面中的距离Dx和自X轴测量的方向角θx。通过使用设置在传感器100左侧的两个接收装置R1、R3获得在Z-X，Y平面中的距离Dz和自X-Y平面测量的方向角θz。

但是，还可以通过使用设置在传感器100下侧的两个接收装置R3、R4获得在X-Y平面中的距离Dx和自X轴测量的方向角θx。通过使用设置在传感器100右侧的两个接收装置R2、R4获得在Z-X，Y平面中的距离Dz和自X-Y平面测量的方向角θz。从而，通过三个接收装置R2-R4能够检测出障碍物50。

因此，在传感器100中，获得了到障碍物50的两个不同的距离和两个不同的方向角。通过比较关于障碍物50的这些两个数据，判断出了传感器100的操作故障。具体而言，当关于障碍物的两个数据不相符时，就出现了传感器100的操作故障。因此，传感器100具有操作故障检测功能。

如果传感器100确定只有一个接收装置R1-R4运作不正常引起了操作故障，传感器100能够通过使用其他三个接收装置R1-R4检测出障碍物50。因此，传感器100具有故障安全(fail safe)功能。

此外，即使当传感器100只包括三个接收装置R1-R3时，传感器100也能具有操作故障检测功能。具体而言，从两个接收装置R1、R2获得距离Dx和方向角θx，通过使用两个接收装置R1、R3获得距离Dz和方向角θz。因此，基于这样的两个组合数据检测出障碍物50，该两个组合数据其中一个从接收装置R1、R2获得，另一个从接收装置R1、R3获得。从接收装置R2、R3获得的另一组合数据可用于检查对于障碍物50的检测的计算。从而，即使当传感器100包括三个接收装置R1-R3时，传感器100也能具有操作故障检测功能。

从而，当传感器100包括三个或更多接收装置R1-R3时，传感器100具有操作故障检测功能。当传感器100包括四个或更多接收装置R1-R4时，传感器100具有故障保护功能。从而，如果由于附着于传感器100的水滴或灰尘导致出现传感器100的操作故障，那么传感器100能够避免操作故障。

传感器100能够输出两个或更多个具有不同频率的不同超声波，通过控制交变脉冲信号随时间的频率从一个发射装置S1发射这些不同的超声波，所述脉冲信号被施加到发射装置S1上。通过使用两个不同的超声波，传感器100能够利用湿度补偿功能检测障碍物50。这里，输入电压被控制为具有不同于薄膜M的谐振频率之外的频率范围，以便发射具有两个不同频率的超声波。

图10说明了用于补偿湿度的方法。图10中，发射装置S1输出具有两个不同频率f1，f2的两个不同超声波。发射装置S1发射具有第一频率f1的第一超声波，然后，装置S1发射具有第二频率f2的第二超声波。第一和第二超声波周期性(即，以预定时间间隔)地输出。在四个接收装置R1-R4中，检测与第一超声波对应的第一R信号No.1和与第二超声波对应的第二R信号No.1直至与第一超声波对应的第一R信号No.4和与第二超声波对应的第二R信号No.4。图10中与第一超声波对应的第一R信号No.1-4和第一S信号No.1之间的关系与图9C所示的相同。此外，图10中与第二超声波对应的第二R信号No.1-4和第二S信号No.1之间的关系与图9C所示的相同。

图10中，第一频率f1的第一S信号No.1的交变脉冲信号的高度等于第二频率f2的第二S信号No.1的交变脉冲信号的高度。但是，第一频率f1的第一R信号No.1的高度高于第二频率f2的第二R信号No.1的高度，即，与第一频率f1的第一R信号No.1相比，第二频率f2的第二R信号No.1大大衰减了。类似地，第二R信号No.2-4也大大衰减(即，缩小)了。

这里，超声波的衰减损耗P(即，吸收损耗)通过下式获得：

P∝e^-mr    (F1)

$m=(33+0.2T)f^2\×{10}^{-12}+\frac{\mathrm{Mf}}{k/2\mathrm{\πf}+2\mathrm{\πf}/k}---\left(F2\right)$

$k=1.92\×{(\frac{G_0}{G}\×h)}^{1.3}\×{10}^5$

这里，m表示吸收系数，r表示传输距离，M表示预定系数，f表示频率，T表示温度，G₀表示饱和蒸汽压力，G表示总气压，以及h表示湿度。

从上述公式F1看出，衰减损耗P取决于频率f。随着超声波频率f变大，衰减损耗也变大。此外，衰减损耗P不仅取决于频率，还取决于发射环境的温度T和湿度h。超声波的频率f是预先确定的。环境的温度T可通过外部温度传感器等检测。当传感器100安装在车辆上时，能够很容易地检测出温度T(即，外部温度)。然而，并不能很容易地通过湿度传感器检测出环境的湿度h(即，外部湿度h)。这是由于没有合适的用于检测车辆周围的外部湿度的湿度传感器。

然而，由于测量出了具有两个不同频率f1，f2的接收的超声波，能够基于从两个不同频率f1，f2获得的两个衰减损耗P的差计算出湿度h。这个计算出的湿度h用于补偿在传感器100中预先确定并存储的标准湿度。从而，传感器100具有湿度补偿功能。在这种情况下，传感器100针对湿度变化的检测精度大大改善。

尽管传感器100只包括一个发射装置S1，但优选地传感器100包括两个或更多个发射装置S1。当传感器100包括两个发射装置S1时，每个发射装置S1能够输出具有高Q值的不同频率的超声波，装置S1通过使用薄膜M的不同谐振频率输出波。

图11显示具有两个发射装置S1、S2的超声传感器101。传感器101能够通过使用用于输出两个不同超声波的两个发射装置S1、S2，同时输出具有不同频率f1、f2的两个超声波。从而，无需对车辆运动进行补偿。这里，由于具有不同频率f1、f2的超声波具有相同的传输速度，所以反射的超声波同时到达传感器100处。因此，需要进行频率分析，以将接收超声波分解成具有第一频率f1的分量和具有第二频率f2的分量。

图12显示具有发射装置S1和八个接收装置R1-R8的超声传感器102。发射装置S1周围围绕着八个接收装置R1-R8。在这种情况下，优选地将两个接收装置R1-R8排列成关于发射装置S1对称。具体而言，将一对接收装置R1、R8，一对接收装置R2、R7，一对接收装置R3、R6和一对接收装置R4、R5排列成关于发射装置S1对称，以便每对接收装置R1-R8围绕着发射装置S1。

在这种情况下，由于每对接收装置R1-R8对称设置，反射的自发射装置S1输出的超声波按照这样一种方式返回到该对接收装置R1-R8：接收装置R1-R8的一对中的一个接收到的接收超声波的声压与接收装置R1-R8的该对中的另一个所接收到的接收超声波的声压几乎相等。因此，改善了障碍物50的检测精度。

从而，每个传感器100、100a、101、102具有较小的尺寸和较低的制造成本，并且传感器100、100a、101、102的检测精度不受传感器在车辆上的安装精度的影响。此外，传感器100、100a、101、102具有较高检测精度，即使水滴或灰尘附着在传感器100、100a、101、102上以及即使传感器100、100a、101、102周围的湿度发生改变。

尽管传感器100、100a、101、102包括一个发射装置S1和四个或八个接收装置R1-R8，传感器也可以包括一个或更多个发射装置S1和两个或更多个接收装置。当传感器包括多个发射装置和多个接收装置时，来自传感器的信息增加。此外，当传感器包括两个或更多个发射装置时，超声波的声压会变得更大，并且超声波的方向性受到控制。

或者，由于发射信号可能引起传感器噪声，所以可对传感器中的接收装置进行排列，以使发射信号被多个接收装置接收，以消除发射信号。具体而言，当将发射装置和接收装置集成到一个基片上时，发射信号可输入到接收装置，以使发射信号引起传感器噪声。从而，通过消除输入的发射信号，传感器噪声降低了。因此，当障碍物位于接近传感器的位置时，信号的S/N比提高以检测出障碍物。

尽管接收装置包括压电薄膜以便接收装置提供压电型装置，但是接收装置也可为用于检测电极之间的电容改变的电容型装置。此外，接收装置可为用于检测由压力产生的量规(gauge)输出的压力型装置。此外，传感器还可包括这些不同类型接收装置的组合。

尽管已经参照其优选实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所述的优选实施例和结构。本发明意在涵盖各种变形及等效设置。此外，除优选的各种组合和结构外，包括更多，更少或仅单个元件的其他组合和配置也在本发明的精神和范围内。

Claims (17)

1.一种用于检测物体(50)的超声传感器，包括：

基片(10)；

发射装置(S1，S2)，用于发射超声波；

多个接收装置(R1-R8)，用于接收所述超声波；以及

电路(K)，用于处理接收的超声波，所述接收的超声波是在自所述发射装置(S1，S2)发射的所述超声波被所述物体(50)反射之后被所述接收装置(R1-R8)接收的，

其中，所述发射装置(S1，S2)和所述接收装置(R1-R8)被集成到所述基片(10)上，

其中，所述接收装置(R1-R8)的数量等于或大于三，以便所述电路(K)能够检测操作故障，并且

其中，所述发射装置(S1，S2)和三个接收装置(R1-R3)的每一个都具有用于发射或接收所述超声波的表面，所述表面与地面垂直，

所述三个接收装置(R1-R3)由第一至第三接收装置(R1-R3)组成，

所述第一接收装置(R1)设置在所述第三接收装置(R3)之上，并且设置在所述第二接收装置(R2)的左侧，

所述电路(K)能够基于由所述第一和第二接收装置(R1，R2)接收到的所述接收的超声波，计算出在平行于所述地面的水平平面内所述物体(50)与所述传感器之间的水平平面距离以及在所述水平平面内从所述传感器到所述物体(50)的水平平面方向角，

所述电路(K)还能够基于由所述第一和第三接收装置(R1，R3)接收到的所述接收的超声波，计算出在垂直于所述地面的垂直平面内所述物体(50)与所述传感器之间的垂直平面距离以及在所述垂直平面内从所述传感器到所述物体(50)的垂直平面方向角，以及

所述电路(K)能够基于由所述第二和第三接收装置(R2，R3)接收到的所述接收的超声波，检查所述水平和垂直平面距离以及所述水平和垂直平面方向角，以便所述电路(K)能够检测所述操作故障。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中

所述接收装置(R1-R8)的数量等于或大于四。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中

所述发射装置(S1，S2)和四个接收装置(R1-R4)的每一个都具有用于发射或接收所述超声波的表面，所述表面与地面垂直，

所述四个接收装置(R1-R4)由第一至第四接收装置(R1-R4)组成，

所述第一接收装置(R1)设置在所述第三接收装置(R3)之上，并且设置在所述第二接收装置(R2)的左侧，

所述第四接收装置(R4)设置在所述第二接收装置(R2)之下，并且设置在所述第三接收装置(R3)的右侧，

所述电路(K)能够基于由所述第一和第二接收装置(R1，R2)接收到的所述接收的超声波，计算出在平行于所述地面的水平平面内所述物体(50)与所述传感器之间的水平平面距离以及在所述水平平面内从所述传感器到所述物体(50)的水平平面方向角，还能够基于由所述第一和第三接收装置(R1，R3)接收到的所述接收的超声波，计算出在垂直于所述地面的垂直平面内所述物体(50)与所述传感器之间的垂直平面距离以及在所述垂直平面内从所述传感器到所述物体(50)的垂直平面方向角，从而获得所述物体(50)的第一数据，

所述电路(K)能够基于由所述第三和第四接收装置(R3，R4)接收到的所述接收的超声波，计算出所述水平平面距离和所述水平平面方向角，还能够基于由所述第二和第四接收装置(R2，R4)接收到的所述接收的超声波，计算出所述垂直平面距离和所述垂直平面方向角，从而获得所述物体(50)的第二数据，以及

所述电路(K)能够检查所述第一数据和所述第二数据，以便所述电路(K)能够检测所述操作故障。

4.一种用于检测物体(50)的超声传感器，包括：

基片(10)；

发射装置(S1，S2)，用于发射超声波；

多个接收装置(R1-R8)，用于接收所述超声波；以及

电路(K)，用于处理接收的超声波，所述接收的超声波是在自所述发射装置(S1，S2)发射的所述超声波被所述物体(50)反射之后被所述接收装置(R1-R8)接收的，

其中，所述发射装置(S1，S2)和所述接收装置(R1-R8)被集成到所述基片(10)上，

其中，所述发射装置(S1，S2)能够发射具有不同频率的多个超声波，以使所述电路(K)能够补偿湿度，

其中，所述发射装置(S1)能够发射具有第一频率的第一超声波和具有第二频率的第二超声波，

所述接收装置(R1-R3)的数量等于或大于三，

所述发射装置(S1)和三个接收装置(R1-R3)的每一个都具有用于发射或接收所述超声波的表面，所述表面与地面垂直，

所述三个接收装置(R1-R3)由第一至第三接收装置(R1-R3)组成，

所述第一接收装置(R1)设置在所述第三接收装置(R3)之上，并且设置在所述第二接收装置(R2)的左侧，

所述电路(K)能够基于由所述第一和第二接收装置(R1，R2)接收到的具有所述第一频率的所述接收的超声波，计算出在平行于所述地面的水平平面内所述物体(50)与所述传感器之间的水平平面距离以及在所述水平平面内从所述传感器到所述物体(50)的水平平面方向角，还能够基于由所述第一和第三接收装置(R1，R3)接收到的具有所述第一频率的所述接收的超声波，计算出在垂直于所述地面的垂直平面内所述物体(50)与所述传感器之间的垂直平面距离以及在所述垂直平面内从所述传感器到所述物体(50)的垂直平面方向角，

所述电路(K)能够计算出具有所述第一频率的所述发射的超声波与所述接收的超声波之间的第一衰减损耗，

所述电路(K)能够计算出具有所述第二频率的所述发射的超声波与所述接收的超声波之间的第二衰减损耗，以及

所述电路(K)能够基于所述第一和第二衰减损耗以及从外部温度传感器获得的温度计算出环境湿度。

5.根据权利要求4所述的传感器，还包括：

第二发射装置(S2)，用于发射具有第二频率的第二超声波，所述第二频率不同于自所述发射装置(S1)发射的所述超声波的频率。

6.根据权利要求1或4所述的传感器，其中

所述接收装置(R1-R8)按照这样的方式围绕着所述发射装置(S1)：所述接收装置(R1-R8)的一对被设置成关于所述发射装置(S1)对称。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中

所述接收装置(R1-R8)的数量等于八，

所述发射装置(S1)设置在所述传感器的中心，以及

每个接收装置按照这样的方式设置在所述发射装置(S1)的周围：四对接收装置(R1-R8)中的每一对都设置成关于所述发射装置(S1)对称。

8.根据权利要求6所述的传感器，其中

所述发射装置(S1，S2)和所述接收装置(R1-R8)的每一个都可由超声元件(90-95)提供，

所述超声元件(90-95)设置在所述基片(10)的薄膜(M)上，

所述超声元件(90-95)包括压电薄膜(2)和一对金属电极(3a-3c)，以提供压电振子(20-25)，

所述压电薄膜(2)夹在所述金属电极(3a-3c)之间，以及

所述压电振子(20-25)能够在预定超声频率与所述薄膜(M)一起谐振。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中

所述发射装置(S1)具有所述薄膜(M)的平面区，以及

每个接收装置(R1-R4)都具有所述薄膜(M)的平面区，所述接收装置的薄膜(M)的平面区小于所述发射装置(S1)的薄膜(M)的平面区。

10.根据权利要求8所述的传感器，其中

所述发射装置(S1)的所述压电薄膜(2)包括局部切割图案(2a)，所述局部切割图案(2a)设置在所述薄膜(M)的径向方向振动的应力集中区上。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中

所述薄膜(M)被所述局部切割图案(2a)分隔成四片，

所述薄膜(M)具有方形平面形状，并且所述薄膜(M)的每片都具有方形平面形状，以及

所述局部切割图案(2a)穿透所述金属电极(3b)和所述压电薄膜(2)的其中之一。

12.根据权利要求8所述的传感器，其中

所述发射装置(S1)的所述压电薄膜(2)包括局部凹形图案(2b)，所述局部凹形图案(2b)设置在所述薄膜(M)的径向方向振动的应力集中区上。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中

所述薄膜(M)被所述局部凹形图案(2b)分隔成四部分，

所述薄膜(M)具有方形平面形状，并且所述薄膜(M)的每部分都具有方形平面形状，以及

所述局部凹形图案(2b)穿透所述金属电极(3b)之一并到达所述压电薄膜(2)。

14.根据权利要求8所述的传感器，其中

所述压电振子(23)包括交替层叠的多个压电薄膜(3a-3c)和多个金属电极(2)。

15.根据权利要求8所述的传感器，其中

所述压电振子(24)和所述薄膜(M)在所述基片(10)上悬伸。

16.根据权利要求8所述的传感器，其中

通过牺牲刻蚀法从所述基片(10)的表面去除一部分基片(10)来提供所述薄膜(M)。

17.根据权利要求6所述的传感器，其中

所述传感器能够安装在机动车辆上。

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