DE102005040081B4

DE102005040081B4 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102005040081B4
Application number: DE102005040081A
Authority: DE
Inventors: Makiko Sugiura; Takahiko Yoshida; Masatoshi Tokunaga; Yasutoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: CN100568020C; KR100693401B1; US7525237B2; US7329975B2; JP4513596B2; JP2006094459A; US20060043843A1; FR2874780A1; US20070040477A1; CN1740814A; FR2874780B1; DE102005040081A1; US20080116765A1; KR20060050660A

Abstract

Ultraschallsensor mit: – einer Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) zur Umwandlung von entweder einer empfangenen Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal oder einem elektrischen Signal in eine Ultraschallwelle, um diese auszusenden, wobei die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) nebeneinander angeordnet sind; und – einem Schutzmittel (14, 41), um die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) zu schützen, wobei das Schutzmittel (14, 41) umfasst: – eine Schutzschicht (14), die über der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) angeordnet ist; und – einen ersten Spalt (S), der zwischen der Schutzschicht (14) und der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) angeordnet ist; – wobei der erste Spalt (S) mit einem Füller gefüllt ist, der entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel ist, dadurch gekennzeichnet, dass: – er ein Entlüftungsloch (71) umfasst, um den ersten Spalt (5) mit einem...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor und insbesondere einen Ultraschallsensor zur Umwandlung von entweder einer empfangenen Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal oder einem elektrischen Signal in eine Ultraschallwelle, um diese auszusenden.
Vor kurzem ist eine Technik zur Überwachung der Umgebung eines Fahrzeugs mit dem Ziel einer erhöhten Fahrsicherheit entwickelt worden. Gemäß dieser Technik ist ein Ultraschallsensor in dem Fahrzeug eingebaut, welches zum Beispiel ein Automobil sein kann. Der Ultraschallsensor empfängt eine reflektierte Welle (Reflexionswelle) einer für einen menschlichen Körper unschädlichen, von einem Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallwelle, um die Position eines sich in der Umgebung des Automobils befindlichen Objekts und/oder den Abstand zu diesem zu messen und/oder eine zweidimensionale oder dreidimensionale Form des Objekts oder dergleichen zu erfassen.
Zum Beispiel ist das folgende automatische Parksystem praktisch umgesetzt worden. Ein Ultraschallsensor ist in einem hinteren Teil eines Automobils eingebaut. Eine Vorrichtung, allgemein als Rückfahrwarner (englisch: ”back sonar”) bezeichnet, wird verwendet, wenn das Automobil rückwärts eingeparkt wird, um eine Kollision mit einem Objekt zu vermeiden. Der Rückfahrwarner dient der Erfassung des Objekts, was zum Beispiel ein Mensch oder ein anderes Hindernis sein kann, das sich hinter dem Automobil befindet.
Als ein Ultraschallsensor, der für den oben beschriebenen Zweck eingesetzt wird, ist ein piezoelektrischer oder kapazitiver (Kondensator-)Ultraschallsensor, hergestellt unter Verwendung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), bekannt.
Zum Beispiel ist eine Technik, bei der eine Mehrzahl von Ultraschallsensorelementen nebeneinander angeordnet sind, als piezoelektrischer Ultraschallsensor offenbart, der die MEMS-Technik verwendet. Die Ultraschallsensorelemente bestehen jeweils aus einem piezoelektrischen Sensor, der ein ferroelektrisches Element enthält, das zwischen einem Paar von Elektroden angeordnet ist. Der piezoelektrische Sensor besitzt eine vorbestimmte Resonanzfrequenz, um eine Ultraschallwelle zu erfassen. Eine solche Vorrichtung ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-284182 offenbart.
Der in der oben genannten Veröffentlichung offenbarte Ultraschallsensor umfasst ein piezoelektrisches Element, das als piezoelektrischer Sensor fungiert und auf einem Halbleiterchip mit einer SOI-(silicon an insulator)Struktur gebildet ist. Das piezoelektrische Element umfasst eine Dünnschicht aus einer PZT-(Bleizirkoniumtitanat)Keramik, die einem ferromagnetischen Material entspricht und zwischen einer oberen und einer unteren Elektrodenschicht angeordnet ist.
Daher weist jede der Elektrodenschichten und die PZT-Keramikdünnschicht eine geringe mechanische Festigkeit auf. Daraus entsteht dahingehend ein Problem, dass jede der Elektrodenschichten oder die PZT-Keramikdünnschicht leicht beschädigt werden kann, wenn eine äußere Kraft auf die obere Elektrodenschicht einwirkt, so dass das piezoelektrische Element leicht brechen kann.
Andererseits umfasst der kapazitive Ultraschallsensor, der die MEMS-Technik verwendet, eine feste Elektrodenschicht, die auf einem Halbleiterchip gebildet ist, und eine dünne, bewegliche Elektrodenschicht, die durch einen Spalt getrennt auf der festen Elektrodenschicht angeordnet ist. Die feste Elektrodenschicht und die bewegliche Elektrodenschicht bilden ein kapazitives Element.
Die bewegliche Elektrodenschicht mit der oben beschriebenen Struktur weist eine geringe mechanische Festigkeit auf. Daher tritt das Problem auf, dass die bewegliche Elektrodenschicht leicht beschädigt werden kann, wenn eine äußere Kraft auf sie einwirkt, so dass die kapazitive Elektrode leicht bricht.
Wie es oben beschrieben ist, werden der herkömmliche piezoelektrische oder kapazitive Sensor, der unter Verwendung der MEMS-Technik hergestellt ist, leicht beschädigt, wenn eine äußere Kraft einwirkt. Daher ist es kritisch, den herkömmlichen Ultraschallsensor außen an einem Automobil anzubringen.
Die DE 37 21 209 C2 offenbart einen Ultraschallsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung. Weitere Dokumente, die hilfreich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sein können, sind US 6,551,248 B2 (Titel ”system for attaching an acoustic element to an integrated circuit”), DE 43 20 549 C1 (Titel ”Ultraschallwandler”), EP 1 237 148 A2 (Titel ”ultrasonic transducer, method for manufacture, and use in a ultrasonic flowmeter”) und EP 0 589 396 A2 (Titel ”ultrasound transducer with improved rigid backing”).
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, das oben beschriebene Problem und weitere Probleme zu lösen und einen robusten Ultraschallsensor bereitzustellen, der einer äußeren Krafteinwirkung standhalten kann.
Ein Ultraschallsensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von Umwandlungsmitteln zur Umwandlung von entweder einer empfangenen Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal oder einem elektrischen Signal in eine Ultraschallwelle, um diese auszusenden, wobei die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln nebeneinander angeordnet sind, und ein Schutzmittel, um die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln zu schützen, wobei das Schutzmittel eine Schutzschicht, die über der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln angeordnet ist und einen Spalt, der zwischen der Schutzschicht und der Mehrzahl von Umwandlungselementen angeordnet ist, umfasst, wobei der erste Spalt mit einem Füller gefüllt ist, der entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel ist. Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er ein Entlüftungsloch umfasst, um den ersten Spalt mit einem Außenbereich zu verbinden, so dass in dem Füller enthaltene Luftblasen durch das Entlüftungsloch in den Außenbereich entweichen können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 2) ist eine Öffnung des Entlüftungslochs nach oben gerichtet, wenn ein Empfangs-Abschnitt, der das Umwandlungsmittel umfasst, an einem Sensorsubstrat befestigt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 3) ist eine Schallimpedanz des Füllers weitestgehend an die der Schutzschicht angeglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 4) umfasst der Ultraschallsensor ein Trennmittel, um einen Bereich des ersten Spalts und der Schutzschicht, der sich vor einem beliebigen der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln befindet und das beliebige Umwandlungsmittel von den weiteren der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln und den vor diesen liegenden Bereichen des ersten Spalts und der Schutzschicht abzutrennen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 5) umfasst der Ultraschallsensor ein Gehäuse, um jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln darin aufzunehmen, einen zweiten Spalt, der von dem Gehäuse und der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln umgeben ist, und ein Entlüftungsloch, um den zweiten Spalt mit dem Außenbereich zu verbinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 6) ist wenigstens eines der Umwandlungsmittel ein Sende-Element, um ein elektrisches Signal in eine Ultraschallwelle zur Aussendung umzuwandeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 7) umfasst der Ultraschallsensor ein Gehäuse, um jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln darin aufzunehmen, und einen zweiten Spalt, der einem dicht abgeschlossenen Raum entspricht, der von dem Gehäuse und der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln umgeben ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 8) ist der zweite Spalt mit einem Füller gefüllt, der entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 9) ist jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln ein Empfangs-Element zur Umwandlung einer empfangenen Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 10) umfasst der Ultraschallsensor ein Übertragungs-Element, um jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln unabhängig voneinander mit der Schutzschicht zu verbinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 11) ist vor jedem der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln ein Schalltrichter angeordnet, der an einem dem jeweiligen Umwandlungsmittel gegenüberliegenden Ende eine Engstelle und an einem weiteren Ende eine Öffnung aufweist, wobei sich eine Querschnittsfläche des Schalltrichters von der Engstelle in Richtung der Öffnung allmählich vergrößert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 12) ist jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet, wird die Oberflächenseite des Halbleitersubstrats als die Oberseite jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln betrachtet, um sowohl als eine Empfangsoberfläche als auch als eine Sendeoberfläche für eine Ultraschallwelle zu dienen, ist ein Bonddraht mit der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats verbunden und ist jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln auf einem Sensorsubstrat durch ein Drahtbondverfahren mittels des Bonddrahtes oberflächen-implementiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 13) ist jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet, wird eine Unterseite des Halbleitersubstrats als die Oberseite von jedem der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln betrachtet, um entweder als eine Empfangsoberfläche oder als eine Sendeoberfläche für eine Ultraschallwelle zu dienen, ist ein Kontakthöcker mit der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats verbunden und ist jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln auf einem Sensorsubstrat durch eine Flip-Chip-Verbindung über den Kontakthöcker verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 14) ist jedes der Umwandlungsmittel entweder vom piezoelektrischen Typ oder vom kapazitive Typ ist.
Im Folgenden sind allgemein Eigenschaften und Vorteile von Elementen des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors und dessen Ausgestaltungen und Modifikationen beschrieben.
Durch das Schutzmittel zum Schutz des Umwandlungsmittels ist es normalerweise möglich, zu verhindern, dass die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln so beschädigt wird, dass sie bricht, selbst wenn die Umwandlungsmittel jeweils eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen.
Insbesondere wird durch die Anordnung der Schutzschicht vor den Umwandlungsmitteln, selbst wenn eine äußere Kraft auf den Ultraschallsensor wirkt, diese äußere Kraft nur auf die Schutzschicht, nicht aber direkt auf die Umwandlungsmittel ausgeübt.
Somit ist es möglich, zu verhindern, dass die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln so beschädigt wird, dass sie bricht, selbst wenn jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln eine geringe mechanische Festigkeit besitzt, wodurch man einen robusten Ultraschallsensor erhält.
Daher kann der Ultraschallsensor ohne jegliche Modifikation als externe Vorrichtung in ein Automobil eingebaut bzw. an einem Auto angebaut werden. Wenn der Ultraschallsensor als externe Vorrichtung eines Automobils in ein Automobil eingebaut werden soll, ist es erforderlich, ein äußerst wetterfestes Material für die Schutzschicht zu verwenden. Beispiele solcher Materialien sind diverse Metalle (wie etwa eine Aluminiumlegierung), diverse synthetische Harze, Gläser und Gummis.
Durch die Schallimpedanz des Füllers kann die Fortpflanzung von Oszillationen der Schutzschicht zu der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln durch den Füller gewährleistet werden, so dass die Empfangsempfindlichkeit in dem Fall verbessert ist, in dem jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln als ein Empfangs-Element verwendet wird.
Die Schallimpedanz eines Materials ist das Produkt aus dessen Dichte und der Geschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle darin ausbreitet (Schallausbreitungsgeschwindigkeit oder einfach Schallgeschwindigkeit). Die Fortpflanzungscharakteristik einer Schallwelle über eine Grenzfläche zweier Materialien hinweg wird mit zunehmender Differenz zwischen den akustischen Impedanzen der Materialien schlechter, d.h. die transmittierte Schallenergie nimmt ab. Insbesondere wird ein durch die Schutzschicht reflektierter Anteil der auf sie auftreffenden Ultraschallwelle umso größer, je größer die Differenz der Schallimpedanzen zwischen dem Füller in dem ersten Spalt und der Schutzschicht ist, so dass sich ein immer geringerer Anteil zu dem Füller fortpflanzt.
Daher wird, wenn ein synthetisches Harz als die Schutzschicht verwendet wird, ein durch Dispersion von feinen Partikeln des synthetischen Harzes in einer Flüssigkeit gewonnenes Sol oder einem Polymer-Gel aus dem synthetischen Harz als der Füller verwendet. Ferner darf der Füller die Umwandlungsmittel nicht angreifen. Beispiele solcher Füller sind Silizium-Gel und Fluor-Gel.
Beispielsweise pflanzen sich die Oszillationen der Schutzschicht, wenn der erste Spalt mit einem Gas (Luft, ein Edelgas und dergleichen) gefüllt ist, nicht in ausreichendem Maße zu den einzelnen Umwandlungsmitteln fort, da das Gas eine sehr viel kleinere Schallimpedanz als die Schutzschicht besitzt. Es besteht daher die Möglichkeit, dass die Empfangsempfindlichkeit herabgesetzt ist, wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird.
Wenn Luft in dem ersten Spalt zurückbleibt, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sich Oszillationen der Schutzschicht zu den einzelnen Umwandlungsmitteln fortpflanzen, geringer. Daher ist es wünschenswert, Luft vollständig aus dem ersten Spalt zu entfernen, um den ersten Spalt ganz mit dem Füller zu ausfüllen.
Wenn jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln als ein Sende-Element verwendet wird, wird die Schallimpedanz des Füllers, der entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel ist und den ersten Spalt ausfüllt, möglichst an die der Schutzschicht angepasst. Als Folge davon kann die Fortpflanzung von Oszillationen des Sende-Elements durch den Füller zu der Schutzschicht gewährleistet werden, wodurch eine Sendeleistung des Sende-Elements erhöht wird.
Ferner, wenn der erste Spalt mit einem Gas gefüllt ist, pflanzen sich Oszillationen des Sende-Elements nicht in ausreichendem Maße zu der Schutzschicht fort, da die Schallimpedanz des Gases sehr viel niedriger als die der Schutzschicht ist. Als Folge davon ist es möglich, dass eine Sendeleistung des Sende-Elements niedrig wird.
Ferner, wenn der erste Spalt mit dem Füller wie zum Beispiel einer Flüssigkeit, einem Sol oder einem Gel gefüllt ist, ist es wünschenswert, die Luft vollständig aus dem ersten Spalt zu entfernen, um den ersten Spalt mit dem Füller auszufüllen, da es weniger wahrscheinlich ist, dass sich die Oszillationen des Sende-Elements zu der Schutzschicht fortpflanzen, wenn Luft in dem ersten Spalt verbleibt.
Wenn der erste Luftspalt Luftblasen enthält, erschweren diese Luftblasen die Fortpflanzung der Oszillationen der Schutzschicht zu den einzelnen Umwandlungsmitteln.
Andererseits ist es, wie oben ausgeführt ist, möglich, den ersten Spalt vollständig mit dem Füller zu füllen, da die Luftblasen durch das Entlüftungsloch entfernt sind. Daher kann, wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird, verhindert werden, dass die Empfangsempfindlichkeit durch das Vorhandensein von in dem Füller in dem ersten Spalt enthaltenen Luftblasen herabgesetzt wird.
Wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Sende-Element verwendet wird, ist es möglich, den ersten Spalt mit dem Füller vollständig auszufüllen, da die in dem Füller in dem ersten Spalt enthaltenen Luftblasen durch das Entlüftungsloch entfernt sind. Auf diese Weise kann die Fortpflanzung von Oszillationen des Sende-Elements durch den Füller zu der Schutzschicht gewährleistet werden, so dass verhindert ist, dass die Sendeleistung des Sende-Elements herabgesetzt ist.
Wenn sich die Oszillationen einer jeweiligen Schutzschicht, die durch das Trennmittel abgetrennt ist, durch den ersten Spalt nur zu dem unterhalb der Schutzschicht angeordneten Umwandlungsmittel, nicht jedoch zu den weiteren Umwandlungsmitteln fortpflanzen, kann die Fortpflanzung einer Ultraschallwelle zu den einzelnen Umwandlungsmitteln in einer voneinander vollständig unabhängigen Weise ausgeführt werden. Daher kann verhindert werden, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den einzelnen Umwandlungsmitteln verschlechtert. D. h. die bei einer der Schutzschichten von dem entsprechenden Empfangselement empfangene Ultraschallwelle beeinflusst nicht die weiteren Empfangselemente. Alternativ kann eine Mehrzahl von benachbarten Umwandlungsmitteln zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Das Trennmittel kann für jede Gruppe von Umwandlungsmitteln vorgesehen sein, um so gebildeten Gruppen voneinander zu trennen.
Das Trennmittel muss die Oszillationen von der Schutzschicht, dem ersten Spalt und dem Umwandlungsmittel, die vertikal angeordnet zu einer Gruppe zusammengefasst sind, sicher blockieren, so dass sich die Oszillationen nicht zu den Elementen den weiteren Gruppen fortpflanzen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, ein Material mit sehr guten Oszillationsblockiereigenschaften für das Trennmittel zu verwenden. Ein Beispiel eines solchen Materials ist Gummi.
Wenn die Oszillationen der einzelnen Umwandlungsmittel nicht unterdrückt werden, kann verhindert werden, dass die Empfangsempfindlichkeit herabgesetzt wird, wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird.
Insbesondere bildet der zweite Spalt einen abgedichteten bzw. abgeschlossenen Raum, wenn ein Entlüftungsloch für den zweiten Spalt nicht vorgesehen ist. Luft, die den abgeschlossenen Raum ausfüllt, wirkt als Feder und übt somit eine Dämpfungskraft auf die rückwärtige Seite des Umwandlungsmittels aus. Als Folge davon werden freie Oszillationen der einzelnen Umwandlungsmittel unterdrückt.
Wenn jedoch Luft durch das Entlüftungsloch hindurchtritt, wirkt keine Dämpfungskraft auf die rückwärtige Seite der einzelnen Umwandlungsmittel. Als Folge davon können die Umwandlungsmittel jeweils frei oszillieren.
Wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Sendemittel verwendet wird, kann Luft durch das Entlüftungsloch des zweiten Spalts treten. Daher wirkt keine Dämpfungskraft aufgrund von Luft auf die rückwärtige Seite einer Sendeoberfläche des Sende-Elements zur Aussendung einer Ultraschallwelle. Als Folge davon kann die Sendeoberfläche frei oszillieren, ohne dass die Oszillationen behindert werden würden. Daher kann die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden.
Um in zufriedenstellender Weise die Funktionen und Effekte zu erreichen, die oben beschrieben sind, kann die Anzahl, die Position, die Form und die Größe der Entlüftungslöcher experimentell ermittelt werden.
Wenn Luft durch das Entlüftungsloch des zweiten Spalts tritt, wirkt keine Dämpfungskraft durch die Luft auf die rückwärtige Seite des Sende-Elements, so dass die freie Oszillation der Sendeoberfläche nicht behindert ist. Demzufolge wird ein Resonanzwert Q des Sende-Elements (eine Membran des Umwandlungsmittels) erhöht.
Der Resonanzwert Q des Sende-Elements und die Sendeleistung korrelieren positiv miteinander. Somit wird die Sendeleistung mit zunehmendem Resonanzwert Q größer.
Das Sende-Element, das ein piezoelektrisches Element oder ein kapazitives Element enthält und das durch Verwenden der MEMS-Technik hergestellt ist, ist aufgrund seiner geringen Sendeleistung für Ultraschallwellen als das Sende-Element nicht geeignet. Daher ist ein solches Sende-Element erforderlich, das die Sendeleistung soweit wie möglich erhöht.
Wenn Luft, die den zweiten Spalt, der dem abgeschlossenen Raum entspricht, füllt, als Feder wirkt, die eine Dämpfungskraft auf die rückwärtige Seite jedes Umwandlungsmittels ausübt, ist der Resonanzwert Q der Membran des Umwandlungsmittels verringert, da die freie Oszillation der einzelnen Umwandlungsmittel behindert ist.
Die Empfangsempfindlichkeit wird herabgesetzt, wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird, da die Oszillationen von jedem der Umwandlungsmittel behindert sind.
Durch Füllen des zweiten Spalts mit einem Material zur Unterdrückung der Oszillationen der Membran des Umwandlungsmittels (zum Beispiel eine Flüssigkeit, ein Sol, ein Gel oder dergleichen) kann verhindert werden, dass die Membran des Umwandlungselements durch übermäßiges Oszillieren bricht.
Der Resonanzwert Q des Empfangs-Elements und die Empfangsempfindlichkeit korrelieren positiv miteinander. Somit wird die Empfangsempfindlichkeit mit zunehmendem Resonanzwert Q größer.
Eine Mehrzahl von Empfangs-Elementen weist bedingt durch den Herstellungsprozess Schwankungen in der ersten Resonanzfrequenz auf.
Wenn der Resonanzwert Q des Empfangs-Elements erhöht wird, erhöht sich die Empfangsempfindlichkeit. Da die Empfangsempfindlichkeit bei einer Änderung der Frequenz steil ansteigt, fällt jedoch die Empfangsempfindlichkeit bei einer Frequenz plötzlich ab, die von der ersten Resonanzfrequenz abweicht, selbst wenn diese Abweichung gering ist.
Im Gegensatz dazu wird, wenn der Resonanzwert Q des Empfangs-Elements klein eingestellt ist, die Empfangsempfindlichkeit entsprechend gering. Da die Empfangsempfindlichkeit bei einer Änderung der Frequenz hier jedoch nur moderat ansteigt, fällt die Empfangsempfindlichkeit selbst bei einer Frequenz, die von der ersten Resonanzfrequenz deutlich verschieden ist, nicht stark ab.
Das Empfangs-Element, das ein piezoelektrisches oder ein kapazitives Element enthält und mit Hilfe der MEMS-Technik hergestellt ist, ist als Empfangs-Element geeignet, da es für Ultraschallwellen sehr empfindlich ist. Daher ist es erforderlich, die Empfangsempfindlichkeit über einen breiten Frequenzbereich so weit wie möglich zu verbessern, anstatt die Empfangsempfindlichkeit bei der ersten Resonanzfrequenz zu erhöhen.
Durch Füllen des zweiten Spalts mit einem Material zur Unterdrückung der Oszillationen der Membran des Umwandlungselements kann der Resonanzwert Q der Membran des Umwandlungsmittels im Vergleich zu dem Fall, in dem der zweite Spalt mit Luft gefüllt ist, verringert werden.
Demzufolge kann, wenn der Füller in dem zweiten Spalt entsprechend ausgewählt ist, eine gewünschte Resonanzcharakteristik gewonnen werden, ohne dabei die Struktur bzw. den Aufbau des Empfangs-Elements zu ändern.
Wenn eine Ultraschallwelle die Schutzschicht in Schwingungen versetzt, pflanzen sich diese Oszillationen der Schutzschicht durch die Übertragungs-Elemente zu den Umwandlungsmitteln fort.
Wenn daher jedem Umwandlungsmittel ein separates Übertragungselement zugeordnet ist, pflanzen sich die Oszillationen eines jeweiligen Übertragungs-Elements nicht zu den weiteren Übertragungs-Elementen fort. Als Folge davon kann verhindert werden, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den einzelnen Umwandlungsmitteln verschlechtert, da der Empfang oder das Senden einer Ultraschallwelle getrennt ausgeführt werden kann.
Ferner wird dadurch erreicht, dass die Schallimpedanz der Übertragungs-Elemente jeweils an die der Schutzschicht weitestgehend angepasst ist. Als Folge davon kann die Fortpflanzung der Oszillationen der Schutzschicht zu den einzelnen Umwandlungsmitteln gewährleistet werden, wodurch die Empfangsempfindlichkeit in dem Fall, in dem jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird, erhöht wird.
Ferner ist dadurch erreicht, das die Schallimpedanz der einzelnen Übertragungs-Elemente weitestgehend an die des jeweiligen Umwandlungsmittels angepasst ist. Als Folge davon kann die Fortpflanzung von Oszillationen der einzelnen Übertragungs-Elemente zu dem jeweiligen Umwandlungsmittel gewährleistet werden, wodurch die Empfangsempfindlichkeit in dem Fall, in dem jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird, gewährleistet ist.
Daher ist es wünschenswert, dass das Übertragungs-Element aus dem gleichen Material wie die Schutzschicht bzw. das Umwandlungsmittel hergestellt ist.
Wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Sende-Element verwendet wird, kann die Fortpflanzung von Oszillationen der Übertragungs-Elemente zu der Schutzschicht dadurch gewährleistet werden, dass die Schallimpedanz des Übertragungs-Elements weitestgehend an die der Schutzschicht angepasst wird. Als Folge davon kann die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden.
Ferner, wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Sende-Element verwendet wird, kann die Fortpflanzung von Oszillationen der einzelnen Sende-Elemente zu dem jeweiligen Übertragungs-Element dadurch gewährleistet werden, dass die Schallimpedanz des Übertragungs-Elements weitestgehend and die des Sende-Elements angepasst wird. Als Folge davon kann die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden.
Wenn jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird, pflanzen sich die Oszillationen der Schutzschicht zu den einzelnen Empfangs-Elementen fort, wenn eine Ultraschallwelle das Schutzelement zu Schwingungen anregt, da die Schutzschicht vor den Empfangs-Elementen angebracht ist.
Wenn andererseits jedes der Umwandlungsmittel als ein Sende-Element verwendet wird, pflanzen sich die Oszillationen des Sende-Elements zu dem Schutzelement fort, wenn das Sende-Element oszilliert, da das Schutzelement vor dem Sende-Element angebracht ist. Als Folge davon oszilliert das Schutzelement und sendet eine Ultraschallwelle aus.
Da hier die einzelnen Umwandlungsmittel durch das Schutzelement verstärkt sind, kann normalerweise verhindert werden, dass ein Umwandlungsmittel so beschädigt wird, dass es bricht, selbst wenn eine äußere Kraft auf den Ultraschallsensor ausgeübt wird. Als Folge davon kann ein robuster Ultraschallsensor gewonnen werden.
Daher kann der Ultraschallsensor ohne jegliche Modifikation als externe Vorrichtung in einem Automobil eingebaut werden. Wenn der Ultraschallsensor als externe Vorrichtung in ein Automobil eingebaut wird, ist es erforderlich, ein äußerst wetterfestes Material für das Schutzelement zu verwenden. Beispiele solcher Materialien sind diverse Metalle (zum Beispiel eine Aluminiumlegierung), diverse synthetische Harze, Gläser oder Gummis.
Als ein Verfahren zum Befestigen des Schutzelements an den Umwandlungsmitteln kann jedes Verfahren (zum Beispiel Thermoschweißen, Ultraschallschweißen, Kleben und dergleichen) verwendet werden.
Wenn jedem Umwandlungsmittel ein separater Schalltrichter zugeordnet ist, kann jedes der Umwandlungsmittel mit einer Empfangs- bzw. einer Sendecharakteristik für eine Ultraschallwelle ausgestattet sein.
Insbesondere weist jeder der Schalltrichter eine schmale Charakteristik (schlanke Keule) in Richtung ihrer Längsachse auf. Dadurch, dass die Schalltrichter die gleiche Größe und Form besitzen, kann erreicht werden, dass die Empfangs- bzw. Sendecharakteristiken der einzelnen Umwandlungsmittel gleich sind, wenn die Achsen der Schalltrichter in dieselbe Richtung eingestellt sind. Ferner kann in dem Fall, in dem die Achsen der Schalltrichter durch Ändern ihrer Größe und Form in beliebige unterschiedliche Richtungen eingestellt sind, die Empfangs- bzw. Sendecharakteristik jedes der Umwandlungsmittel ebenfalls in einer beliebigen Richtung eingestellt werden.
Es ist erforderlich, dass ein Schalltrichter-Wandelement der einzelnen Schalltrichter aus einem Material gebildet ist, das eine ausreichende Festigkeit besitzt, um Oszillationen durch eine Ultraschallwelle weitestgehend zu vermeiden. Beispiele für ein solches Material sind diverse Metalle oder diverse synthetische Harze.
Es kann der Ultraschallsensor gewonnen werden, der durch Oberflächenimplementierung der Umwandlungsmittel auf einem Sensorsubstrat gebildet ist.
Wenn die einzelnen Umwandlungsmittel und das Sensorsubstrat durch Kontakthöcker miteinander verbunden sind, können die Zuverlässigkeit des Ultraschallsensors und gleichzeitig seine Lebensdauer erhöht werden, da es gewährleistet werden kann, dass die elektrische Verbindung zwischen jedem der Umwandlungselemente und dem Sensorsubstrat bestehen bleibt.
Ferner können durch Verwenden der Flip-Chip-Verbindung die Herstellungskosten für die Oberflächenimplementierung der einzelnen Umwandlungsmittel auf dem Sensorsubstrat im Vergleich zu einem Fall, in dem Drahtbonden verwendet wird, verringert werden.
In dem Fall, in dem jedes der Umwandlungsmittel als ein Empfangs-Element verwendet wird, befindet sich kein Bonddraht über der Empfangs-Oberfläche einer Ultraschallwelle nicht vorgesehen, so dass sich vor der Empfangsoberfläche keine Hindernisse befinden. Daher wird die Ultraschallwelle nicht daran gehindert, auf die Empfangsoberfläche zu gelangen, wodurch sich die Empfangsempfindlichkeit des Empfangs-Elements erhöht. Da sich kein Bonddraht über der Empfangsoberfläche des Empfangs-Elements befindet, wird ferner kein Bonddraht von einer durch das Empfangs-Element empfangenen Ultraschallwelle durchtrennt.
Ferner, in dem Fall, in dem jedes der Umwandlungsmittel als ein Sende-Element verwendet wird, befindet sich über der Sendeoberfläche des Sende-Elements kein Bonddraht, so das sich vor der Sendeoberfläche kein Hindernis befindet. Daher wird die Ultraschallwelle nicht daran gehindert, von der Sendeoberfläche ausgesendet zu werden, wodurch die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht ist. Ferner wird der Bonddraht nicht durch eine von dem Sende-Element ausgesendete Ultraschallwelle durchtrennt, da sich kein Bonddraht über der Sendeoberfläche des Empfangs-Elements befindet.
Ferner kann eine Transferrate eines elektrischen Signals eines jeweiligen Umwandlungsmittels erhöht werden, da eine Induktivität der Kontakthöcker im Vergleich zu der des Bonddrahts erhöht ist.
Ferner ist es nicht länger erforderlich, eine Elektrodenkontaktierungsstelle vorzusehen, mit dem der Bonddraht verbunden ist. Da das Sensorsubstrat um eine von der Elektrodenkontaktierungsstelle eingenommene Fläche verkleinert ist, kann sowohl das Gewicht als auch die Große des Ultraschallsensors verringert werden.
Ferner, da es nicht erforderlich ist, den Schalltrichter als ein unabhängiges Element bereitzustellen, können die Herstellungskosten reduziert werden. Gleichzeitig kann sowohl das Gewicht als auch die Größe des Ultraschallsensors verringert werden.
Der Ultraschallsensor kann ein piezoelektrischer oder ein kapazitiver Ultraschallsensor sein.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine Querschnittsansicht eines Empfangs-Abschnitts eines beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, jedoch grundsätzliche Elemente mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor gemäß 7 gemein hat;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Empfangs-Abschnitts von 1;
3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Querschnittsansicht eines Empfangs-Abschnitts eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Querschnittsansicht eines Empfangs-Abschnitts eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Querschnittsansicht eines Empfangs-Abschnitts eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Querschnittsansicht eines Empfangs-Abschnitts eines Ultraschallsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 eine Querschnittsansicht eines Empfangs-Abschnitts eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
9A und 9B Querschnittsansichten eines Empfangs-Abschnitts eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine Querschnittsansicht eines Empfangs-Abschnitts eines weiteren beisplelhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
11 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines kapazitiven Empfangs-Elements, das dazu geeignet ist, in einem der oben genannten Empfangs-Abschnitte verwendet zu werden;
12 eine perspektivische Ansicht eines weiteren beisplelhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
13 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts von 4 und eines Sende-Abschnitts des Ultraschallsensors von 12;
14 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts von 5 und eines Sende-Abschnitts des Ultraschallsensors von 12;
15 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts von 8 und eines Sende-Abschnitts des Ultraschallsensors von 12;
16A und 16B Querschnittsansichten des Empfangs-Abschnitts der 9A und 9B und eines Sende-Abschnitts des Ultraschallsensors von 12;
17 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts von 10 und eines Sende-Abschnitts des Ultraschallsensors von 12;
18 eine Querschnittsansicht eines Empfangsabschnitts eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
19 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Empfangs-Elements des Empfangs-Abschnitts von 18;
20 eine perspektivische Ansicht eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
21 eine Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Empfangs-Abschnitts der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, jedoch dazu geeignet ist, in dem Ultraschallsensor von 20 verwendet zu werden;
22 eine Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Empfangs-Elements, das dazu geeignet ist, in dem Ultraschallsensor von 20 verwendet zu werden;
23 eine perspektivische Ansicht eines weiteren beispielhaften Ultraschallsensors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
24A und 24B Kennlinien, die eine Resonanzcharakteristik zeigen, die der Beziehung zwischen einem Resonanzwert einer Membran und einer Frequenz entsprechen;
25 eine Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Empfangsabschnitts, der dazu geeignet ist, in dem Ultraschallsensor von 20 verwendet zu werden;
26 eine Querschnittsansicht eines ersten alternativen Empfangs-Abschnitts zu dem Empfangsabschnitt der 25;
27 eine Querschnittsansicht eines zweiten alternativen Empfangs-Abschnitts zu dem Empfangsabschnitt der 25 und eines Sende-Abschnitts;
28 eine Querschnittsansicht eines weiteren vorteilhaften Empfangsabschnitts, der dazu geeignet ist, in dem Ultraschallsensor von 20 verwendet zu werden;
29 eine Querschnittsansicht eines ersten alternativen Empfangs-Abschnitts zu dem Empfangsabschnitt der 28;
30 eine Querschnittsansicht eines zweiten alternativen Empfangs-Abschnitts zu dem Empfangsabschnitt der 28 und des Sende-Abschnitts, die dazu geeignet sind, in dem Ultraschallsensor von 23 verwendet zu werden;
31 eine Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Empfangs-Abschnitts, der dazu geeignet ist, in dem Ultraschallsensor von 20 verwendet zu werden;
32 eine Querschnittsansicht eines ersten alternativen Empfangs-Abschnitts zu dem Empfangsabschnitt der 28, der dazu geeignet ist, in dem Ultraschallsensor von 20 verwendet zu werden;
33 eine Querschnittsansicht eines zweiten alternativen Empfangs-Abschnitts zu dem Empfangsabschnitt der 28 und eines Sende-Abschnitts, die dazu geeignet sind, in dem Ultraschallsensor von 23 verwendet zu werden;
34 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines kapazitiven Empfangs-Elements, das dazu geeignet ist, in einem der Empfangs-Abschnitte der 18 bis 33 verwendet zu werden;
35 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts und des Sende-Abschnitts, die dazu geeignet sind, in dem Ultraschallsensor von 23 verwendet zu werden;
36 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts und des Sende-Abschnitts, die dazu geeignet sind, in dem Ultraschallsensor von 23 verwendet zu werden;
37 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts und des Sende-Abschnitts, die dazu geeignet sind, in dem Ultraschallsensor von 23 verwendet zu werden; und
38 eine Querschnittsansicht des Empfangs-Abschnitts und des Sende-Abschnitts, die dazu geeignet sind, in dem Ultraschallsensor von 23 verwendet zu werden.
Die im Folgenden beschriebenen „beispielhaften Aspekte” sind – ebenso wie die o. g. beispielhaften Ultraschallsensoren – nicht Teil der Erfindung, sie dienen lediglich als beschreibender und erläuternder Hintergrund zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindlung, deren Schutzbereich ledliglich durch die 7 und einigen prinzipiellen Konstruktionsprinzipien der 1, die auch in 7 enthalten, aber nur im Zusammenhang mit 1 beschrieben sind, beispielhaft widergegeben ist.
[Erster beispielhafter Aspekt]
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 10 in einem Ultraschallsensor M gemäß eines ersten beispielhaften Aspekts zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 10 umfasst eine Mehrzahl von piezoelektrischen Empfangs-Elementen 11, die als Feld (hier 3 × 3 = 9 Empfangs-Elemente 11) angeordnet sind. In der Querschnittsansicht in 1 ist ein Beispiel mit drei Empfangs-Elementen 11 gezeigt.
Die Empfangs-Elemente 11 sind jeweils auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat (einem einkristallinen Siliziumchip) 12 gebildet, das eine SOI-Struktur aufweist.
Das Substrat 12 ist in einem quaderförmigen Gehäuse 13 aufgenommen, dessen oberes Ende offen ist. Ferner ist ein äußeres Umfangsende des Substrats 12 mit einer Innenwand des Gehäuses 13 durch ein geeignetes Verfahren (zum Beispiel durch Thermoschweißen, Ultraschallschweißen oder Kleben) verbunden, um zwischen dem äußeren Umfangsende des Substrats 12 und dem Gehäuse 13 eine luftdichte Verbindung herzustellen.
Die Empfangs-Elemente 13 sind jeweils so angeordnet, dass eine Empfangsoberfläche 11a zum Empfangen einer Ultraschallwelle in Richtung einer Öffnung 13a des Gehäuses 13 weist.
Eine Schutzschicht 14 zum Verschließen der Öffnung 13a ist über der Öffnung 13a des Gehäuses 13 angeordnet. Insbesondere ist die Schutzschicht 14 vor den Empfangs-Elementen 11 angeordnet.
Ein äußeres Umfangsende der Schutzschicht 14 ist mit einem inneren Umfangsrand der Öffnung 13a des Gehäuses 13 durch das oben genannte geeignete Verfahren verbunden, um zwischen dem äußeren Umfangsende der Schutzschicht 14 und dem Gehäuse 13 eine luftdichte Verbindung herzustellen.
Die Schutzschicht 14 ist eine Dünnschicht aus einem Material, das von einer Ultraschallwelle in Schwingungen versetzt werden kann. Obwohl das Material der Schutzschicht 14 eine Ultraschallwelle ohne Brechung überträgt, überträgt sie nicht Luft, Staub, Wasser oder dergleichen.
Zwischen der Schutzschicht 14 und dem Substrat 12 befindet sich ein Spalt S. Der Spalt S ist zum Beispiel mit einem Gas, einer Flüssigkeit, einem Sol oder einem Gel gefüllt.
Ein Spalt R, der von der hinteren Seite (rückwärtige Seite) des Substrats 12 und dem Gehäuse 13 begrenzt wird, ist mit Luft gefüllt.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die ein piezoelektrisches Empfangs-Element 11 zeigt.
Ein Durchgangsloch 12a ist in dem Substrat 12 ausgebildet.
Auf einer Oberfläche des Substrats 12 sind eine Isolierungsschicht 21, eine aktive Siliziumschicht 22 und eines Isolierungsschicht 23 in dieser Reihenfolge ausgebildet. Jede der Schichten 22 und 23 ist ausgebildet, um die obere Öffnung des Durchgangslochs 12a zu verschließen.
Auf einer Oberfläche der Isolierungsschicht 23, die vor (in 2 über) dem Durchgangsloch 12a angeordnet ist, sind eine untere Elektrodenschicht 24, eine Dünnschicht 25 aus einem Ferroelektrikum (zum Beispiel PZT) und eine obere Elektrodenschicht 26 in dieser Reihenfolge ausgebildet.
Eine Isolierungsschicht 27 ist um die Schichten 24 bis 26 herum ausgebildet. Die oberen Oberflächen der Isolierungsschicht 27 und der oberen Elektrodenschicht 26 (eine Vorrichtungsoberfläche) liegen auf gleicher Höhe.
Ein Bonddraht (Zuleitungsdraht) 28 ist mit der unteren Elektrodenschicht 24 verbunden, während ein Bonddraht 29 mit der oberen Elektrodenschicht 26 verbunden ist.
Auf die oben beschriebenen Weise ist ein piezoelektrisches Element (ein piezoelektrischer Sensor) E ausgebildet, der eine Struktur aufweist, in der die ferroelektrische Dünnschicht 25 zwischen den zwei dünnen Elektrodenschichten 24 und 26 angeordnet ist. Das Empfangs-Element 11 enthält das durch Verwenden der MEMS-Technik hergestellte piezoelektrische Element E.
Ferner ist durch die Oberfläche der oberen Elektrodenschicht 26 eine Empfangsoberfläche 11a des Empfangs-Elements 11 gebildet.
Wenn die Dünnschicht 25 durch eine Ultraschallwelle in Schwingungen versetzt wird, wird durch den piezoelektrischen Effekt ein elektrisches Signal erzeugt. Das so erzeugte elektrische Signal wird von den Elektrodenschichten 24 und 26 über die Bonddrähte 28 und 29 ausgegeben.
Das Durchgangsloch 12a ist vorgesehen, um die Oszillationen des piezoelektrischen Elements E, das eine aus den Schichten 22 bis 26 bestehenden Membran bildet, zu ermöglichen.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die den Ultraschallsensor M zeigt.
Der Ultraschallsensor M umfasst einen Hybrid-IC (Integrated Circuit), der einen Empfangs-Abschnitt 10, einen Sende-Abschnitt 31, ein Sensorsubstrat 32 und Elektrodenkontaktierungsstellen 33 umfasst.
Das Sensorsubstrat 32 ist eine Leiterplatine. Eine Mehrzahl von Elektrodenkontaktierungsstellen 33 ist auf einer Oberfläche des Sensorsubstrats 32 ausgebildet, das aus einem isolierenden, plattenförmigen Material gebildet ist, und der Empfangs-Abschnitt 10 und der Sende-Abschnitt 31, die Chipteilen entsprechen, sind darauf befestigt.
Die Spitzen der Bonddrähte 28 und 29, die von den jeweiligen Empfangs-Elementen 11 in dem Empfangs-Abschnitt 10 herausgeführt sind, sind jeweils mit einem der Elektrodenkontaktierungsstellen 33 verbunden.
In dem in 3 gezeigten Beispiel ist der Empfangs-Abschnitt 10 aus neun Empfangs-Elementen 11 aufgebaut, die ein Feld aus 3 × 3 Elementen bilden.
Der Sende-Abschnitt 31 hat die grundsätzlich die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 10, umfasst jedoch nur ein einziges piezoelektrisches Sende-Element, welches die gleiche Struktur wie das Empfangs-Elememt 11 aufweist. Die aus einem Ferroelektrikum gebildete Dünnschicht 25 des Sende-Elements oszilliert durch den piezoelektrischen Effekt, um so in Übereinstimmung mit Eingangssignalen, die ihr über die Elektrodenschichten 24 und 26 zugeführten werden, eine Ultraschallwelle zu erzeugen und auszusenden. In diesem Fall wirkt die Oberfläche 11a, die in dem Empfangs-Element 11 als Empfangs-Oberfläche 11a fungiert, als Sendeoberfläche zum Aussenden der Ultraschallwelle.
Insbesondere wandelt das Sende-Element des Sende-Abschnitts 31 ein elektrisches Signal in eine Ultraschallwelle um und sendet diese aus.
Somit sendet der Sende-Abschnitt 31 in Übereinstimmung mit einem von außen zugeführten Eingangssignal eine Ultraschallwelle aus. Ein von einem zu erfassenden Objekt reflektierte Ultraschallwelle (Reflexionswelle) der ausgesendeten Ultraschallwelle wird von jedem der Empfangs-Elemente 11 des Empfangs-Abschnitts 10 erfasst.
Insbesondere wandeln die einzelnen Empfangs-Elemente 11 des Empfangs-Abschnitts 10 die empfangene Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal um.
Die von dem Sende-Abschnitt 31 ausgesendete Ultraschallwelle und die von jedem der Empfangs-Elemente 11 des Empfangs-Abschnitts 10 empfangene Ultraschallwelle (Reflexionswelle) werden miteinander verglichen, um so eine Schalldruckdifferenz, eine Zeitdifferenz und eine Phasendifferenz zwischen ihnen zu erhalten. Somit kann die Position des zu erfassenden Objekts, ein Abstand zwischen dem Ultraschallsensor M und dem zu erfassenden Objekt, eine zweidimensionale und eine dreidimensionale Form des zu erfassenden Objekts und dergleichen auf der Grundlage der gewonnenen Differenzen gemessen werden.
Funktionen und Effekte des ersten beispielhaften Aspekts
Gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt können die folgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[1-1]
Die Schutzschicht 14 ist vor dem Substrat 12 angeordnet, auf dem die Empfangs-Elemente 11 ausgebildet sind. Der Spalt S ist zwischen der Schutzschicht 14 und dem Substrat 12 angeordnet.
Daher wirkt, wenn eine äußere Kraft auf den Empfangs-Abschnitt 10 des Ultraschallsensors M ausgeübt wird, diese äußere Kraft nur auf die Schutzschicht 14, nicht jedoch direkt auf die Dünnschichten 22 bis 26, die auf dem Substrat 12 ausgebildet sind.
Daher kann gemäß des ersten beispielhaften Aspekts selbst dann, wenn die Dünnschichten 22 bis 26 jeweils eine geringe mechanische Festigkeit besitzen, normalerweise verhindert werden, dass die einzelnen Dünnschichten 22 bis 26 so beschädigt werden, dass der Empfangs-Abschnitt 10 bricht. Auf diese Weise kann ein robuster Empfangs-Abschnitt 10 gewonnen werden.
Ferner, da das Sende-Element des Sende-Abschnitts 31 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 11 besitzt, kann auch hier normalerweise verhindert werden, dass eine der Schichten 22 bis 26 so beschädigt wird, dass der Sende-Abschnitt 31 bricht. Auf diese Weise kann ein robuster Sende-Abschnitt 31 gewonnen werden.
Somit kann der Ultraschallsensor M, der den Empfangs-Abschnitt 10 und den Sende-Abschnitt 31 enthält, ohne Modifikation als externe bzw. außen angeordnete Einrichtung eines Automobils angebracht werden. Wenn der Ultraschallsensor M als externe Einrichtung eines Automobils angebracht werden soll, ist es erforderlich, ein äußerst wetterfestes Material für die Schutzschicht 14 zu verwenden. Beispiele solcher Materialien sind zum Beispiel diverse Metalle (zum Beispiel eine Aluminiumlegierung), diverse synthetische Harze, Gläser oder Gummis.
In dem Fall, in dem der Spalt S zwischen der Schutzschicht 14 und dem Substrat 12 mit einem Füller gefüllt ist, der entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel sein ist, ist die Schallimpedanz des Füllers weitestgehend an die der Schutzschicht 14 angeglichen, so dass es möglich ist, die Oszillationen der Schutzschicht 14 über den Füller auf die einzelnen Empfangs-Elemente 11 zu übertragen. Dies hat zur Folge, dass die Empfangsempfindlichkeit jedes der Empfangs-Elemente 11 erhöht ist.
Die Schallimpedanz eines Materials ist das Produkt aus der Dichte des Materials und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Schallwelle in ihm. Je größer der Unterschied zwischen den Schallimpedanzen aneinandergrenzender Materialien ist, desto schlechter breitet sich die Schallwelle über die Grenzfläche zwischen den Materialien aus, da mit zunehmendem Unterschied zwischen den Schallimpedanzen ein immer größerer Anteil der Schallenergie reflektiert wird. Umgekehrt dringt ein immer kleinerer Anteil der Schallenergie der Ultraschallwelle in den Füller ein, je größer der Unterschied zwischen den Schallimpedanzen des Füllers in dem Spalt S und der der Schutzschicht 14 ist.
Daher wird, wenn eine Schicht aus synthetischem Harz als die Schutzschicht 14 verwendet wird, ein Sol, das durch Dispersion feiner Partikel des synthetischen Harzes in einer Flüssigkeit oder einem Polymer-Gel gewonnen wird, als Füller verwendet. Außerdem darf der Füller die Empfangs-Elemente 11 nicht angreifen. Beispiele von Füllermaterialien, die diese Bedingungen erfüllen, sind Silizium-Gel und Fluor-Gel.
Um den Spalt S mit dem Füller zu füllen, nachdem die Schutzschicht 14 auf dem Gehäuse 13 befestigt ist, wird der Füller in den Spalt S eingespritzt, wobei gleichzeitig aus dem Spalt S Luft entnommen wird.
Alternativ kann die Schutzschicht 14 auf dem Gehäuse 13 befestigt werden, nachdem das Substrat 12 in dem Gehäuse 13 aufgenommen und der Füller anschließend durch die obere Öffnung 13a des Gehäuses 13 auf das Substrat 12 gegossen ist.
Ferner kann, als weitere Alternative, nachdem der Füller auf das Substrat 12 aufgebracht ist, das Substrat 12 gedreht werden, um eine dünne Schicht aus dem Füller auf der Oberfläche des Substrats 12 durch Rotationsbeschichtung (englisch: ”spin coating”) zu bilden. Anschließend kann das Substrat 12 in das Gehäuse 13 eingebaut werden.
Wenn der Spalt S zum Beispiel mit einem Gas (zum Beispiel Luft oder einem Edelgas) gefüllt ist, pflanzen sich die Oszillationen der Schutzschicht 14 nicht in ausreichendem Maße zu den Empfangs-Elementen 11 fort, da das Gas eine Schallimpedanz besitzt, die sehr viel niedriger als die der Schutzschicht 14 ist. Demzufolge ist die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 11 verringert.
In dem Fall, in dem der Spalt S mit dem Füller wie etwa einer Flüssigkeit, einem Sol oder einem Gel gefüllt ist, kann es nach wie vor sein, dass sich die Oszillationen der Schutzschicht 14 schlecht zu den Empfangs-Elementen 11 fortpflanzen, wenn sich noch Luft in dem Spalt S befindet. Daher ist es wünschenswert, die Luft vollständig aus dem Spalt S zu entfernen und den Spalt S vollständig mit dem Füller auszufüllen.
Wenn der Spalt S zwischen der Schutzschicht 14 und dem Substrat 12 mit dem Füller wie etwa einer Flüssigkeit, einem Soll oder einem Gel gefüllt ist, kann im umgekehrten Fall der Aussendung, da das Sende-Element des Sende-Abschnitts 31 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 11 besitzt, die Fortpflanzung der Oszillationen des Sende-Elements durch den Füller zu der Schutzschicht 14 gewährleistet werden, indem die Schallimpedanz des Füllers möglichst an die der Schutzschicht 14 angeglichen wird. Dadurch kann die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden.
Ferner pflanzen sich, wenn der Spalt mit einem Gas gefüllt ist, die Oszillationen des Sende-Elements nicht in ausreichendem Maße zu der Schutzschicht 14 fort, da die Schallimpedanz des Gases sehr viel kleiner als die der Schutzschicht ist. Dadurch kann die Sendeleistung des Sende-Elements herabgesetzt werden.
Ferner ist es in dem Fall, in dem der Spalt S mit dem Füller wie etwa einer Flüssigkeit, einem Sol oder einem Gel gefüllt ist, wünschenswert, dass die Luft vollständig aus dem Spalt S entfernt ist, so dass der Füller den Spalt S vollständig ausfüllt, da sich die Oszillationen des Sende-Elements sehr viel schlechter zu der Schutzschicht 14 fortpflanzen, wenn Luft in dem Spalt S verbleibt.
[1-3]
In dem in 3 gezeigten Beispiel umfasst der Ultraschallsensor M den Empfangs-Abschnitt 10, der neun Empfangs-Elemente 11 (piezoelektrische Elemente E) umfasst. Die Anzahl der Empfangs-Elemente 11, die den Empfangs-Abschnitt 10 bilden, beeinflussen die Genauigkeit der Messung (die Messung einer Position, eines Abstandes und einer Form) des zu erfassenden Objekts. Insbesondere kann die Genauigkeit mit zunehmender Anzahl von Erfassungs-Elementen 11 erhöht werden.
Auch der Abstand zwischen benachbarten Erfassungs-Elementen 11 zwischen benachbarten Empfangs-Elementen 11 beeinflusst auch die Genauigkeit. Er muss kürzer als die Wellenlänge einer von dem Sende-Abschnitt 11 ausgesendeten Ultraschallwelle sein.
Daher kann die Anzahl von und der Abstand zwischen den Empfangs-Elementen 11 eingestellt werden, indem experimentell ihre optimalen Werte in einem schrittweisen Approximationsprozess (englisch ”cut-and-try method”) in Übereinstimmung mit der geforderten Messgenauigkeit gefunden werden.
Wenn beispielsweise nur die Richtung, in der sich das zu erfassende Objekt bezüglich dem Ultraschallsensor M befindet, gemessen werden soll, sind nur wenige der Empfangs-Elemente 11 ausreichend. Wenn jedoch eine genaue zweidimensionale Form des zu erfassenden Objekts gemessen wird, ist es erforderlich, einige zehn bis einige hundert der Empfangs-Elemente 11 vorzusehen. Ferner, wenn eine genaue dreidimensionale Form des zu erfassenden Objekts gemessen werden soll, ist eine noch größere Anzahl von den Empfangs-Elementen 11 als die für eine zweidimensionale Messung erforderliche Anzahl nötig.
[1-4]
In dem in 3 gezeigten Beispiel wird, falls mehrere den Sende-Abschnitt 31 bildenden Sende-Elemente verwendet werden, deren Anordnung, in geeigneter Weise so bestimmt, dass dadurch die Sendecharakteristik einer Ultraschallwelle in geeigneter Weise definiert ist.
Daher kann die Anzahl und die Anordnung der Sende-Elemente, die den Sende-Abschnitt 31 bilden, eingestellt werden, indem experimentell ihre optimalen Werte in einem approximativen Prozess in Übereinstimmung mit der erforderlichen Sendeleistung und Richtcharakteristik gefunden werden.
[Zweiter beispielhafter Aspekt]
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 40 des Ultraschallsensors M gemäß eines zweiten beispielhaften Aspekts zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 40 gemäß des zweiten beispielhaften Aspekts unterscheidet sich von dem Empfangs-Abschnitt 10 des ersten beispielhaften Aspekts nur dadurch, dass die Schutzschicht 14 durch ein dünnes plattenartiges Schutzelement 41 ersetzt ist, das auf der Empfangsoberfläche 11a der Empfangs-Elemente 11 befestigt ist.
Insbesondere ist das Schutzelement 41 in dem Empfangs-Abschnitt 40 an den Vorderseiten der Empfangs-Elemente 11 befestigt. Ein Abstand bzw. Zwischenraum K ist zwischen benachbarten Schutzelementen 41 entsprechender (benachbarter) Empfangs-Elemente 11 vorgesehen. Der Zwischenraum K trennt die Schutzelemente 41 der jeweiligen Empfangs-Elemente 11.
Die Struktur des Ultraschallsensors M gemäß dem zweiten beispielhaften Aspekt wird durch Ersetzen des Empfangsabschnitts 10 in dem in 3 gezeigten Ultraschallsensor M gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt durch den Empfangs-Abschnitt 40 gewonnen.
Funktionen und Effekte des zweiten beispielhaften Aspekts
Gemäß des zweiten beispielhaften Aspekts können zusätzlich zu den in [1-3] und [1-4] beschriebenen Funktionen und Effekte des ersten beispielhaften Aspekts die nachfolgenden Funktionen und Effekte erreicht werden.
[2-1]
Das dünne, plattenartige Schutzelement 41 ist an den Empfangsoberflächen 11a der Empfangs-Elemente 11 befestigt. Daher pflanzen sich Oszillationen des Schutzelements 41, wenn das Schutzelement 41 durch eine Ultraschallwelle zu Schwingungen angeregt wird, zu der Empfangsoberfläche 11a und den Schichten 22 bis 26 (nicht in 4 gezeigt; siehe 2) fort. Daraus folgt, dass die Dünnschicht 25, die aus einem Ferroelektrikum hergestellt ist, oszilliert und so durch den piezoelektrischen Effekt ein elektrisches Signal erzeugt.
Da die Schichten 22 bis 26 durch das Schutzelement 41 verstärkt sind, kann normalerweise verhindert werden, dass die einzelnen Schichten 22 bis 26 so beschädigt werden, dass der Empfangs-Abschnitt 40 bricht, selbst wenn eine äußere Kraft auf den Empfangs-Abschnitt 40 des Ultraschallsensors M wirkt. Auf diese Weise kann ein robuster Empfangs-Abschnitt 40 gewonnen werden.
In dem Fall, in dem der Sende-Abschnitt 31 die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 40 aufweist, so dass das dünne plattenartige Schutzelement 41 auf der Sendeoberfläche des Sende-Elements befestigt ist, pflanzen sich ferner die Oszillationen der Dünnschicht 25 zu dem Schutzelement 41 fort, wenn die Dünnschicht 25 aufgrund des piezoelektrischen Effekts oszilliert. Auf diese Weise wird wiederum das Schutzelement 41 in Schwingungen versetzt, so dass die Ultraschallwelle ausgesendet wird.
Da in diesem Fall die Schichten 22 bis 26 des Sende-Elements durch das Schutzelement 41 verstärkt sind, kann normalerweise verhindert werden, dass die einzelnen Dünnschichten 22 bis 26 so beschädigt werden, dass der Sende-Abschnitt 31 bricht, selbst wenn eine äußere Kraft auf den Sende-Abschnitt 31 des Ultraschallsensors M ausgeübt wird. Auf diese Weise kann der robuste Sende-Abschnitt 31 gewonnen werden.
[2-2]
Da der Empfangs-Abschnitt 40 und der Sende-Abschnitt 31 robust sind, kann der Ultraschallsensor M, der den Empfangs-Abschnitt 40 und den Sende-Abschnitt 31 enthält, ohne eine Modifikation als externe Einrichtung an einem Automobil angebracht werden. Wenn der Ultraschallsensor M als externe Einrichtung an einem Automobil angebracht werden soll, ist es erforderlich, ein äußerst wetterfestes Material für das Schutzelement 41 zu verwenden. Beispiele solcher Materialen sind diverse Metalle (wie etwa eine Aluminiumlegierung), diverse synthetische Harze, Gläser und Gummis.
Als ein Verfahren zum Befestigen des Schutzelements 41 auf den Empfangsoberflächen 11a der Empfangs-Elemente 11 (die Sendeoberfläche des Sende-Elements) kann jedes Verfahren (zum Beispiel Thermoschweißen, Ultraschallschweißen und Kleben) verwendet werden.
Der Zwischenraum K ist zwischen benachbarten Schutzelementen 41 jeweiliger Empfangs-Elemente 11 vorgesehen. Der Zwischenraum K hat die Funktion, die Schutzelemente 41 jeweiliger Empfangs-Elemente 11 zu trennen. Daher pflanzen sich die Oszillationen eines Schutzelements 41 nur zu dem Empfangs-Element 11 fort, an dem es befestigt ist, nicht jedoch über die benachbarten Schutzelemente 41 zu den weiteren Empfangs-Elementen 11.
Somit kann gemäß dem zweiten beispielhaften Aspekt, da eine Ultraschallwelle von jedem der Empfangs-Elemente 11 vollständig getrennt empfangen werden kann, verhindert werden, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den einzelnen Empfangs-Elementen 11 verschlechtert. D. h. die bei einer der Schutzschichten von dem entsprechenden Empfangselement empfangene Ultraschallwelle beeinflusst nicht die weiteren Empfangselemente.
[Dritter beispielhafter Aspekt]
5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 50 in dem Ultraschallsensor M gemäß einem dritten beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 50 gemäß dem dritten beispielhaften Aspekt unterscheidet sich von dem Empfangs-Abschnitt 10 des ersten beispielhaften Aspekts nur dahingehend, dass Trennelemente 51 und Trennvertiefungen 52 vorgesehen sind.
Ein unteres Ende der einzelnen Trennelemente 51 ist in eine entsprechende der Trennvertiefungen 52 eingefügt, die in den übereinanderliegenden Schichten 21, 22, 23 und 27 oder sowohl in den übereinanderliegenden Schichten 21, 22, 23 und 27 als auch in dem Substrat 12 zwischen den Empfangs-Elementen 11 ausgebildet sind. Ferner teilen mittlere Abschnitte der Trennelemente 51 den Spalt S und die Schutzschicht 14 in Spalte SA, SB und SC und Schutzschichten 14A, 14B und 14C für jeweils ein Empfangs-Elemente auf.
Insbesondere ist in dem in 5 gezeigten Aspekt das untere Ende jedes Trennelements 51 in eine entsprechende der Trennvertiefungen 52 eingefügt, die in dem Substrat 12 zwischen jeweils zwei benachbarten der drei Empfangs-Elementen 11A bis 11C ausgebildet sind. Als Folge davon sind die Empfangs-Elemente 11A bis 11C durch die Trennelemente 51 und die Trennvertiefungen 52 voneinander getrennt.
Die Spalte SA bis SC und die Schutzschichten 14A bis 14C, die vor (in 5 über) den jeweiligen Empfangs-Elementen 11A bis 11C angeordnet sind, sind ebenfalls durch die Trennelemente 51 voneinander getrennt, so dass jedem der Empfangs-Elemente 11A bis 11C einer der Spalte SA bis SC und eine der Schutzschichten 14A bis 14C zugeordnet ist.
Die Struktur des Ultraschallsensors M gemäß dem dritten Aspekt erhält man dadurch, dass der in 3 gezeigte Empfangs-Abschnitt 10 des Ultraschallsensors M gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt durch den Empfangs-Abschnitt 50 ersetzt wird.
Funktionen und Effekte des dritten beispielhaften Aspekts
Gemäß dem dritten beispielhaften Aspekt können zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten des ersten beispielhaften Aspekts die nachfolgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[3-1]
Die Empfangs-Elemente 11, die Spalte SA bis SC und die Schutzschichten 14A bis 14C, die vor (in 5 über) den jeweiligen Empfangs-Elementen 11 angeordnet sind, sind durch die zwischen den Empfangs-Elementen 11 angeordneten Trennelemente 51 und Trennvertiefungen 52 voneinander getrennt. Daher pflanzen sich die Oszillationen zum Beispiel der Schutzschicht 14A, die durch die Trennung gewonnen wird, durch den Spalt SA, der unter ihr angeordnet ist, nur zu dem zugehörigen Empfangs-Element 11A, nicht jedoch zu den weiteren Empfangs-Elementen 11B und 11C fort.
Daher kann gemäß dem dritten beispielhaften Aspekt eine Ultraschallwelle von jedem der Empfangs-Elemente 11A bis 11C völlig unabhängig empfangen werden, d.h. ohne dass der Empfang der Ultraschallwelle durch eines der Empfangs-Elemente 11A durch den Empfang der Ultraschallwelle durch eines der anderen Empfangs-Elemente 11B und 11C beeinträchtigt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den Empfangs-Elementen 11A bis 11C verschlechtert. D. h. die bei einer der Schutzschichten von dem entsprechenden Empfangselement empfangene Ultraschallwelle beeinflusst nicht die weiteren Empfangselemente.
Alternativ kann eine Mehrzahl von Empfangs-Elementen 11, die zueinander benachbart sind, zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Trennelemente 51 und Trennvertiefungen 52 können jeweils für jede Gruppe vorgesehen sein, um so die Gruppen voneinander zu trennen bzw. zu isolieren.
[3-2]
Die Trennelemente 51 sind erforderlich, um zum Beispiel die Oszillationen der Schutzschicht 14A, des Spalts SA und des Empfangs-Elements 11A, die in vertikaler Richtung angeordnet und zu einer Gruppe zusammengefasst sind, sicher zu blockieren, so dass sich die dort auftretenden Oszillationen nicht zu den Elementen der weiteren, benachbarten Gruppen (die Schutzschichten 146 und 14C, die Spalte SB und SC und die Empfangs-Elemente 11B und 11C) fortpflanzen. Entsprechendes gilt natürlich für diese benachbarten Gruppen.
Aus diesem Grund ist die Verwendung eines Materials, das Oszillationen zuverlässig blockiert, für jedes der Trennelemente 51 erforderlich. Ein Beispiel eines solchen Materials ist Gummi.
[Vierter beispielhafter Aspekt]
6 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 60 in dem Ultraschallsensor M gemäß einem vierten beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 60 gemäß dem vierten beispielhaften Aspekt unterscheidet sich von dem Empfangs-Abschnitt 50 des dritten beispielhaften Aspekts nur dahingehend, dass in dem Boden des Gehäuses 13, unter jedem der Empfangs-Elemente 11, ein Entlüftungsloch 61 vorgesehen ist, um den Spalt R mit dem Außenbereich des Gehäuses 13 zu verbinden.
Die Struktur des Ultraschallsensors M gemäß dem vierten beispielhaften Aspekt erhält man, indem man den in 3 gezeigten Empfangs-Abschnitt 10 des Ultraschallsensors M durch den Empfangs-Abschnitt 60 ersetzt.
Es ist jedoch erforderlich, einen Abstand bzw. einen Zwischenraum zwischen dem Empfangs-Abschnitt 60 und dem Sensorsubstrat 32 vorzusehen, so dass keines der Entlüftungslöcher 61 verschlossen ist, wenn der Empfangs-Abschnitt 60 auf dem Sensorsubstrat 32 befestigt wird. Insbesondere kann zwischen dem Empfangs-Abschnitt 60 und dem Sensorsubstrat 32 ein Abstandshalter angeordnet sein, oder es kann eine Vertiefung oder ein Entlüftungsloch in dem Sensorsubstrat 32, an einer Position, die einem jeweiligen Entlüftungsloch 61 entspricht, vorgesehen sein.
Funktionen und Effekte des vierten beispielhaften Aspekts
Gemäß dem vierten beispielhaften Aspekt kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten gemäß des dritten beispielhaften Aspekts verhindert werden, dass die Empfangsempfindlichkeit eines der Empfangs-Elemente 11 herabgesetzt ist, da die Oszillationen der einzelnen Schichten 22 bis 26 (nicht in 6 gezeigt; siehe 2) unter der Empfangsoberfläche 11a eines jeweiligen Empfangs-Elements 11 nicht unterdrückt werden.
Insbesondere in dem Fall, in dem die Entlüftungslöcher 61 nicht in dem Gehäuse 13 vorgesehen sind, wird der Spalt R, der durch das Substrat 12 und das Gehäuse 13 begrenzt ist, ein dicht verschlossener Raum. Auf diese Weise wirkt eine Luft, die den verschlossenen Raum ausfüllt, als Feder und übt eine Dämpfungskraft auf die rückwärtige Seite (untere Oberfläche in 6) der Empfangsoberfläche 11a der einzelnen Empfangs-Elemente 11 aus. Daher ist es möglich, dass freie Oszillationen der Schichten 22 bis 26 unter der Empfangsoberfläche 11a unterdrückt werden, so dass die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 11 herabgesetzt ist.
Andererseits tritt gemäß des vierten beispielhaften Aspekts Luft durch die Entlüftungslöcher 61. Daher wird keine Dämpfungskraft durch Luft auf die der Empfangsoberfläche 11a der Empfangs-Elemente 11 gegenüberliegende Oberfläche, d.h. die in 6 untere Oberfläche des die Membran bildenden Schichtstapels aus den Schichten 22 bis 26 (im Folgenden kurz ”rückwärtige Seite der Empfangs- bzw. Sendeoberfläche”), ausgeübt. Daraus ergibt sich, dass die Schichten 22 bis 26 unter der Empfangsoberfläche 11a dazu geeignet ist, frei zu schwingen bzw. zu oszillieren.
Die Anzahl, die Anordnung, die Größe und Form der Entlüftungslöcher 61 kann bestimmt werden, indem experimentell ihre optimalen Werte in einem approximativen Prozess gefunden werden, um so die oben beschriebenen Funktionen und Effekte zu erhalten.
In dem Fall, in dem der Sende-Abschnitt 31 die gleiche Struktur aufweist wie der Empfangs-Abschnitt 60 und die Entlüftungslöcher 61 für das Gehäuse 13 des Sende-Abschnitts 31 vorgesehen sind, tritt Luft durch die Entlüftungslöcher 61. Daher wird auf die rückwärtige Seite der Sendeoberfläche des Sende-Elements keine Dämpfungskraft durch Luft ausgeübt. Daraus ergibt sich, dass die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden kann, da die Oszillationen nicht unterdrückt werden, so dass die Schichten 22 bis 26 unter der Sendeoberfläche 11a frei oszillieren können.
[Vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
7 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 70 in dem Ultraschallsensor M gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 70 gemäß der vorteilhaften Ausführungsform unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt 10 des ersten beispielhaften Aspekts, dass in einer Seitenwand des Gehäuses 13 ein Entlüftungsloch 71 vorgesehen ist, um den Spalt S und den Außenbereich des Gehäuses 13 miteinander zu verbinden.
Die Struktur des Ultraschallsensors M gemäß der vorteilhaften Ausführungsform wird gewonnen, indem man den in 3 gezeigten Empfangs-Abschnitt 10 des Ultraschallsensors M gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt durch den Empfangs-Abschnitt 70 ersetzt.
Es ist jedoch erforderlich, eine Seitenwand des Gehäuses 13, die der Seitenwand mit dem Entlüftungsloch 71 gegenüberliegt, auf dem Sensorsubstrat 32 zu befestigen, so dass eine Öffnung des Entlüftungslochs 71 nach oben gerichtet ist, wenn der Empfangs-Abschnitt 70 auf dem Sensorsubstrat 32 befestigt ist.
Funktionen und Effekte der vorteilhaften Ausführungsform
Gemäß der vorteilhaften Ausführungsform können, zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten des ersten beispielhaften Aspekts, wenn ein Füller wie etwa eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel Luftblasen enthält, diese Luftblasen durch das Entlüftungsloch 71 in den Außenbereich des Spalts S entweichen.
Insbesondere erschweren, wenn der Füller, der den Spalt S ausfüllt, Luftblasen enthält, diese Luftblasen die Fortpflanzung der Oszillationen der Schutzschicht 14 zu den Empfangs-Elementen 11.
Andererseits werden gemäß der vorteilhaften Ausführungsform die Luftblasen durch das Entlüftungsloch 71 entfernt. Daher kann der Spalt S vollständig mit dem Füller ausgefüllt werden, so dass verhindert wird, dass sich die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elements 11 durch die in dem Füller, der den Spalt S ausfüllt, enthaltenen Luftblasen verschlechtert ist.
In dem Fall, in dem der Empfangs-Abschnitt 31 die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 70 aufweist und das Entlüftungsloch 71 für das Gehäuse 13 des Sende-Abschnitts 31 vorgesehen ist, werden die in dem Füller des Spalts S enthaltenen Luftblasen durch das Entlüftungsloch 71 entfernt. Als Folge davon kann der Spalt S vollständig mit dem Füller ausgefüllt werden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich die Oszillationen des Sende-Elements durch den Füller zu der Schutzschicht 14 fortpflanzen, um so zu verhindern, so dass verhindert ist, dass die Sendeleistung des Sende-Elements herabgesetzt ist.
[Fünfter beispielhafter Aspekt]
8 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 80 in dem Ultraschallsensor M gemäß einem sechsten beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 80 gemäß dem sechsten beispielhaften Aspekt unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt 10 des ersten beispielhaften Aspekts, dass für jedes der Empfangs-Elemente 11 in dem Spalt S säulenartige Übertragungs-Elemente 81 vorgesehen sind, um voneinander unabhängige Verbindungen zwischen der jeweiligen Empfangsoberfläche 11a des jeweiligen Empfangs-Elements 11 und der Schutzschicht 14 herzustellen.
Die Struktur des Ultraschallsensors M gemäß dem fünften beispielhaften Aspekt wird gewonnen, indem der in 3 gezeigte Empfangs-Abschnitt 10 des Ultraschallsensors M des ersten beispielhaften Aspekts durch den Empfangs-Abschnitt 80 ersetzt wird.
Funktionen und Effekte des fünften beispielhaften Aspekts
Gemäß dem fünften beispielhaften Aspekt können zusätzlich zu den oben beschriebenen Effekten und Funktionen [1-1],[1-3] und [1-4] des beispielhaften Aspekts die folgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[6-1]
Wenn die Schutzschicht 14 durch eine Ultraschallwelle in Schwingungen versetzt wird, pflanzen sich diese Schwingungen bzw. Oszillationen der Schutzschicht 14 über die Übertragungs-Elemente 81 so zu den Empfangs-Elementen 11 fort, dass jedes der Übertragungs-Elemente 81 seine Schwingungen nur auf eines ihm zugeordneten Empfangs-Elements 11 überträgt und jedes der Empfangs-Elemente 11 Schwingungen eines Übertragungs-Elements 81 aufnimmt (Bijektivität).
Da in diesem Fall für jedes der Empfangs-Elemente 11 eines der Übertragungs-Elemente 81 vorgesehen ist, pflanzen sich die Oszillationen eines beliebigen der Übertragungs-Elemente 81 nicht zu den weiteren Übertragungs-Elementen 81 fort. Daher kann eine Ultraschallwelle durch die einzelnen Empfangs-Elemente 11 getrennt voneinander empfangen werden. Als Folge davon kann verhindert werden, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den Empfangs-Elementen 11 verschlechtert. D. h. die bei der Schutzschicht 14A von einem der Empfangselemente 11A empfangene Ultraschallwelle beeinflusst nicht die weiteren Empfangselemente 11B und 11C.
Ferner ist die Schallimpedanz der einzelnen Übertragungs-Elemente 81 weitestgehend an die der Schutzschicht 14 angepasst, so dass sich die Oszillationen der Schutzschicht 14 sicher, d.h. im Wesentlichen ohne Verluste durch Reflexionen an den Grenzflächen, zu jedem der Übertragungs-Elemente 81 fortpflanzen. Als Folge davon kann die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 11 erhöht werden.
Ferner wird es dadurch, dass die Schallimpedanz der einzelnen Übertragungs-Elemente 81 weitestgehend an die der oberen Elektrodenschicht 26 (in 8 nicht gezeigt; siehe 2) angepasst ist, möglich, die Oszillationen der einzelnen Übertragungs-Elemente 81 sicher, d.h. im Wesentlichen ohne Verluste durch Reflexionen an den Grenzflächen, zu der oberen Elektrodenschicht 26 zu übertragen, so dass die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 11 erhöht ist.
Es ist daher wünschenswert, die Übertragungs-Elemente 81 aus dem gleichen Material wie die Schutzschicht 14 bzw. die obere Elektrodenschicht 26 herzustellen.
In dem Fall, in dem der Sende-Abschnitt 31 die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 80 aufweist und das Übertragungs-Element 81 zur Verbindung der Sendeoberfläche des Sende-Elements mit der Schutzschicht 14 vorgesehen ist, ist es möglich, die Oszillationen des Übertragungs-Elements 81 sicher zu der Schutzschicht 14 zu übertragen, indem die Schallimpedanz des Übertragungs-Elements 81 weitestgehend an die der Schutzschicht 14 angepasst wird. Als Folge davon kann die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden.
Ferner wird es dadurch, dass die Schallimpedanz des Übertragungs-Elements 81 weitestgehend an die der oberen Elektrodenschicht 26 des Sende-Elements angepasst wird, möglich, die Oszillationen der oberen Elektrodenschicht 26 des Sende-Elements sicher, d.h. im Wesentlichen verlustfrei, zu dem Übertragungs-Element 81 zu übertragen. Daraus ergibt sich, dass die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden kann.
Um zu verhindern, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den einzelnen Empfangs-Elementen 11 verschlechtert, ist es erforderlich, zu verhindern, dass die Oszillationen eines jeweiligen der Übertragungs-Elemente 81 zu den weiteren Übertragungs-Elementen 81 über den Füller in dem Spalt S übertragen werden.
Daher ist es gemäß des fünften beispielhaften Aspekts wünschenswert, in dem Spalt S ein Vakuum zu erzeugen.
In dem Fall, in dem gemäß des fünften beispielhaften Aspekts der Spalt S mit dem Füller gefüllt ist, wird ein Gas mit einer kleinen Schallimpedanz oder ein Schwingungen sehr stark absorbierendes Material (zum Beispiel ein Gel mit einer hohen Viskosität) als der Füller verwendet.
[Sechster beispielhafter Aspekt]
Die 9A und 9B sind Querschnittsansichten, die jeweils einen Empfangs-Abschnitt 90 in dem Ultraschallsensor M gemäß sechster beispielhaften Aspekt zeigen.
Der Empfangs-Abschnitt 90 gemäß dem sechsten beispielhaften Aspekt unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt 50 des dritten beispielhaften Aspekts, dass Schalltrichter 91 auf der äußeren Oberfläche der Schutzschicht 14 angeordnet sind.
Jeder der Schalltrichter 91 weist an einem der Schutzschicht 14 zugewandten Ende eine Engstelle 91a und an einem diesem Ende gegenüberliegenden Ende eine Öffnung 91b auf, wobei eine Querschnittsfläche eines jeden Schalltrichters 91 parallel zur äußeren Oberfläche der Schutzschicht 14 von der Engstelle 91a in Richtung der Öffnung 91b allmählich zunimmt.
Jedem der Empfangs-Elemente 11 ist ein Schalltrichter 91 zugeordnet.
Jede Engstelle 91a ist auf der Schutzschicht 14 über (vor) dem entsprechenden Empfangs-Element 11 angeordnet.
Insbesondere sind in dem in den 9A und 9B gezeigten Beispiel die Schalltrichter 91A, 91B und 91C den Empfangs-Elementen 11A, 11B bzw. 11C zugeordnet. Die Engstellen 91a der Schalltrichter 91A, 91B und 91C sind auf den Schutzschichten 14A, 14B bzw. 14C angeordnet, die vor (in 9A über) den Empfangs-Elementen 11A, 11B bzw. 11C angeordnet sind.
Die Struktur des Ultraschallsensors M gemäß dem sechsten beispielhaften Aspekt wird gewonnen, indem der in 3 gezeigte Empfangs-Abschnitt 10 des Ultraschallsensors M des ersten beispielhaften Aspekts durch den Empfangs-Abschnitt 90 ersetzt wird.
Funktionen und Effekte des sechsten beispielhaften Aspekts
Gemäß dem sechsten beispielhaften Aspekt können zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten des dritten beispielhaften Aspekts die nachfolgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[7-1]
Dadurch, dass jedem der Empfangs-Elemente 11 genau einer der Schalltrichter 91 zugeordnet ist, weisen die Empfangs-Elementen 11 eine bestimmte Empfangscharakteristik zum Empfangen einer Ultraschallwelle auf.
Insbesondere weisen die Schalltrichter 91A bis 91C jeweils eine schmale Charakteristik (”schlanke Keule”) entlang ihrer jeweiligen Achsen α bis γ auf (siehe 9A).
Somit weisen die Schalltrichter 91A bis 91C, wie es in 9A gezeigt ist, die gleiche Größe und Form auf, so dass die Charakteristik der Empfangs-Elemente 11A bis 11C in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, wenn die jeweiligen Achsen α bis γ der Schalltrichter 91A bis 91C in der gleichen Richtung eingestellt sind.
Ferner kann, wie es in 9B gezeigt ist, wenn die jeweiligen Achsen α bis γ der Schalltrichter 91A bis 91C in unterschiedliche Richtungen eingestellt sind, indem die Größen und Formen der Schalltrichter 91A bis 91C unterschiedlich sind, die Charakteristik der einzelnen Empfangs-Elemente 11A bis 11C in eine beliebige Richtung eingestellt werden.
Wenn der Sende-Abschnitt 31 die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 90 aufweist und die Schalltrichter 91 auf der äußeren Oberfläche der Schutzschacht 14 vorgesehen sind, kann dem Sende-Element eine bestimmte Sendecharakteristik zum Aussenden einer Ultraschallwelle verliehen werden.
[7-2]
In jedem der Schalltrichter 91 ist das Schalltrichter-Wandelement 91c auf dem äußeren Umfang der Engstelle 91a, am oberen Ende eines jeweiligen Trennelements 51 befestigt.
Daher werden die Oszillationen der Schutzschichten 14A bis 14C nicht unterdrückt, selbst wenn die Schalltrichter 91 vorgesehen sind, so dass verhindert werden kann, dass sich die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 11 verschlechtert.
Das Schalltrichter-Wandelement 91c des Schalltrichters 91 muss aus einem Material mit einer ausreichenden Festigkeit hergestellt sein, so dass es nur unwesentlich von einer Ultraschallwelle zu Schwingungen angeregt wird. Beispiele solcher Materialien sind diverse Metalle und diverse Kunstharze.
Wenn der Sende-Abschnitt 31 die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 90 aufweist und die Schalltrichter 91 auf der Außenseite der Schutzschicht 14 angeordnet sind, werden die Oszillationen der Schutzschicht 14 nicht unterdrückt, selbst wenn die Schalltrichter 91 vorgesehen sind, da das Schalltrichter-Wandelement 91c auf dem äußeren Umfang der Engstelle 91a, an dem oberen Ende eines jeweiligen Trennelements 51 befestigt ist. Demzufolge kann verhindert werden, dass sich die Sendeleistung des Sende-Elements verschlechtert.
[Siebter beispielshafter Aspekt]
10 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 100 in dem Ultraschallsensor M gemäß siebten beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 100 gemäß dem siebten beispielhaften Aspekt unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt 80 des sechsten beispielhaften Aspekts, dass die Schalltrichter 91 auf der äußeren Oberfläche der Schutzschicht 14 wie in dem Empfangs-Abschnitt 90 gemäß dem sechsten beispielhaften Aspekt vorgesehen sind.
Gemäß dem siebten beispielhaften Aspekt ist jedoch das Schalltrichter-Wandelement 91c auf dem äußeren Umfang der Engstelle 91a des jeweiligen Schalltrichters 91 auf der Schutzschicht 14 befestigt.
Die Struktur des Ultraschallsensors M gemäß dem siebten beispielhaften Aspekt wird gewonnen, indem der in 3 gezeigte Empfangs-Abschnitt 10 des Ultraschallsensors M gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt durch den Empfangs-Abschnitt 100 ersetzt wird.
Daher können zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten fünften beispielhaften Aspekts die in [7-1] beschriebenen Funktionen und Effekte des sechsten beispielhaften Aspekts erzielt werden.
Beispielhafte Variationen des ersten bis siebten beispielhaften Aspekts und der vorteilhaften Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind
Der erste bis siebte beispielhafte Aspekt und die vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können wie folgt geändert bzw. modifiziert werden. Selbst in einem solchen Fall können die Funktionen und Effekte, die zu jenen der oben beschriebenen beispielhaften Aspekte und der oben beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform äquivalent oder besser sind, gewonnen werden.
[1]
Jeder der Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 in dem ersten bis siebten beispielhaften Aspekt und der vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Mehrzahl von piezoelektrischen Empfangs-Elementen 11.
Jedoch können die piezoelektrischen Empfangs-Elemente 11 durch kapazitive Empfangs-Elemente 111 ersetzt werden, so dass die Mehrzahl von kapazitiven Empfangs-Elementen 111 jeden der Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 bildet.
11 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die ein kapazitives Empfangs-Element 111 zeigt.
Eine Isolierungsschicht 112 ist auf der Oberfläche des Substrats 12 gebildet. Eine feste Elektrodenschicht 113 ist auf einer Oberfläche der Isolierungsschicht 112 gebildet. Eine bewegliche Elektrodenschicht 114 ist durch einen Abstand P getrennt auf einer Oberfläche der festen Elektrodenschicht 113 angeordnet.
Eine Isolierungsschicht 115 ist um die Elektrodenschichten 113 und 114 gebildet. Oberflächen der Isolierungsschicht 115 und der beweglichen Elektrodenschicht 114 (eine Vorrichtungsoberfläche) auf gleicher Höhe liegen.
Die Bonddrähte 28 und 29 sind mit den Elektrodenschichten 113 bzw. 114 verbunden.
Auf diese Weise ist ein kapazitives Element F so gebildet, dass es eine Struktur aufweist, in der die zwei Elektroden 113 und 114 so angeordnet sind, dass sie einander durch den Abstand P getrennt gegenüberliegen. Das Empfangs-Element 111 umfasst das kapazitive Element F, das mit Hilfe der MEMS-Technik hergestellt ist.
Die Oberfläche der beweglichen Elektrodenschicht 114 bildet die Empfangsoberfläche 111a des Empfangs-Elements 111.
Wenn die bewegliche Elektrodenschicht 114 durch eine Ultraschallwelle in Schwingungen versetzt wird, ändert sich der Abstand zwischen den Elektrodenschichten 113 und 114 und somit die Kapazität der Anordnung 113, P, 114. Eine (nicht gezeigte) Umwandlungsschaltung, die mit den Bonddrähten 28 und 29 verbunden ist, wird verwendet, um eine Änderung der Kapazität zwischen den Elektrodenschichten 113 und 114 in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Wie es oben beschrieben ist, kann selbst wenn jedes der Empfangs-Elements 10 bis 100 die Mehrzahl von kapazitiven Empfangs-Elementen 111 umfasst, normalerweise verhindert werden, dass die bewegliche Elektrodenschicht 114 so beschädigt wird, dass die entsprechenden Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 brechen, selbst wenn die bewegliche Elektrodenschicht 114 eine geringe mechanische Festigkeit aufweist, wie in dem Fall, in dem jeder der Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 mit dem piezoelektrischen Empfangs-Element 11 gebildet ist. Auf diese Weise können die robusten Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 gewonnen werden.
[2]
Der Empfangs-Abschnitt 31 in dem ersten bis siebten beispielhaften Aspekt und der vorteilhaften Ausführungsform umfasst das piezoelektrische Sende-Element, das die gleiche Struktur wie das piezoelektrische Empfangs-Element 11 aufweist.
Jedoch kann der Sende-Abschnitt 31 auch mit einem kapazitiven Sende-Element der gleichen Struktur wie die des in 10 gezeigten kapazitiven Empfangs-Elements 111 gebildet sein. In einem solchen Fall wird eine elektrostatische Anziehung zwischen den Elektrodenschichten 113 und 114 in Übereinstimmung mit den Elektrodenschichten 113 und 114 zugeführten Eingangssignalen erzeugt. Die elektrostatische Anziehung versetzt die bewegliche Elektrodenschicht 114 in Schwingungen und erzeugt somit eine Ultraschallwelle.
In diesem Fall wird die Empfangsoberfläche 111a des Empfangs-Elements 111 zur Sendeoberfläche des Sende-Elements, um eine Ultraschallwelle auszusenden.
[3]
In dem ersten bis siebten beispielhaften Aspekt und der vorteilhaften Ausführungsform ist die Lücke R, die von dem Substrat 12 und dem Gehäuse 13 begrenzt wird, mit Luft gefüllt.
Jedoch kann, wenn die Lücke R mit einem Material (zum Beispiel eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel) zur Unterdrückung übermäßiger Oszillationen der Schichten 22 bis 26 gefüllt ist, verhindert werden, dass die Schichten 22 bis 26 übermäßig schwingen, wodurch sie beschädigt werden könnten.
[4]
Der Ultraschallsensor M gemäß dem ersten bis siebten beispielhaften Aspekt und der vorteilhaften Ausführungsform umfasst einen Hybrid-IC, in dem der entsprechende Empfangs-Abschnitt der Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 und der entsprechende Sende-Abschnitt 31, die Chipteilen entsprechen, auf dem Sensorsubstrat 32 befestigt sind, das aus einem isolierenden Plattenmaterial hergestellt ist.
Alternativ kann der Ultraschallsensor M aus einem monolithischen IC aufgebaut sein, in dem der entsprechende Empfangs-Abschnitt der Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 und der entsprechende Sende-Abschnitt 31 auf dem einzigen Substrat 12 ausgebildet sind. Auf diese Weise kann der Ultraschallsensor M sowohl hinsichtlich seiner Größe als auch hinsichtlich seines Gewichts werter reduziert werden.
In diesem Fall können die einzelnen Empfangs-Elemente 11, die auf dem Substrat 12 angeordnet sind, so ausgelegt sein, dass es als ein Sende-Element des Sende-Abschnitts 31 wirkt.
12 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Ultraschallsensor T zeigt.
Der Ultraschallsensor T umfasst einen monolitischen IC, in einer der Empfangs-Abschnitte 10, 40, 50, 80, 90 oder 100 und ein Sende-Abschnitt U auf dem einzigen Substrat 12 ausgebildet sind (nicht in 12 gezeigt; siehe die 13 bis 17), die Bonddrähte 28 und 29, das Sensorsubstrat 32 und Elektrodenkontaktierungsstellen 33.
Durch diese Struktur ist sowohl die Größe als das Gewicht des Ultraschallsensors T im Vergleich zu dem Ultraschallsensor M weiter reduziert.
Der Sende-Abschnitt U umfasst ein einziges Sende-Element W. Das Sende-Element W weist die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 11 auf, das die Empfangs-Abschnitte 10, 40, 50, 80, 90 oder 100 bildet.
Die Spitzen der Bonddrähte 28 und 29, die von dem Sende-Element W weggeführt sind, sind, ebenso wie im Fall des Empfangs-Elements 11, jeweils mit einer entsprechenden der Elektrodenkontaktierungsstellen 33 verbunden.
Ferner sendet das Sende-Element W, das die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 11 aufweist, eine Ultraschallwelle von einer Sendeoberfläche Wa aus, die der Empfangsoberfläche 11a des Empfangs-Elements 11 entspricht (in 12 nicht gezeigt siehe die 13 bis 17).
In dem in 12 gezeigten Beispiel wirkt von neun Elementen, die die gleiche, 3 × 3 auf dem (nicht gezeigten) einzigen Substrat 12 angeordnete Struktur aufweisen, ein Element, das an der Ecke angeordnet ist, als das Sende-Element W, während die weiteren acht Elemente als die Empfangs-Elemente 11 wirken.
Jedoch kann eine Mehrzahl von beliebigen Elementen so ausgelegt sein, dass sie als die Sende-Elemente W von einer Mehrzahl von Elementen wirken, die die gleiche, auf – dem Substrat 12 angeordnete Struktur besitzen.
13 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der zweite beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor T angewendet wird, wobei der Empfangs-Abschnitt 40 und der Sende-Abschnitt U des Ultraschallsensors T gezeigt sind.
14 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der dritte beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor T angewendet wird, wobei der Empfangs-Abschnitt 50 und der Sende-Abschnitt U des Ultraschallsensors T gezeigt ist.
15 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der fünfte beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor T angewendet wird, wobei der Empfangs-Abschnitt 80 und der Sende-Abschnitt U des Ultraschallsensors T gezeigt ist.
Die 16A und 16B sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel zeigen, in dem der sechste beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor T angewendet wird, wobei der Empfangs-Abschnitt 90 und der Sende-Abschnitt U des Ultraschallsensors T gezeigt ist.
17 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der achte beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor T angewendet wird, wobei der Empfangs-Abschnitt 100 und der Sende-Abschnitt U des Ultraschallsensors T gezeigt ist.
18 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 200 in einem Ultraschallsensor N gemäß einem achten beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 200 umfasst eine Mehrzahl von piezoelektrischen Empfangs-Elementen 201, die in einem Feld (englisch ”array”) angeordnet sind. Das in 18 gezeigte Beispiel zeigt eine Querschnittsansicht von drei Empfangs-Elementen 201.
Die Empfangs-Elemente 201 sind auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat (einem einkristallinen Siliziumchip) 202 mit einer SOI-Struktur gebildet.
Das Substrat 202 ist auf dem Sensorsubstrat 32 angeordnet. Das Substrat 202 ist von einem rechteckigen Rahmenelement 203 umgeben. Ein äußerer Umfang des Substrats 202 ist an einer Innenwand des Rahmenelements 203 mit einem geeigneten Verfahren (zum Beispiel Thermoschweißen, Ultraschallschweißen oder Kleben) befestigt, so dass eine luftdichte Verbindung zwischen dem äußeren Umfang des Substrats 202 und dem Rahmenelement 203 hergestellt ist.
Ein unteres Ende des Rahmenelements 203 ist auf dem Sensorsubstrat 32 durch ein geeignetes Verfahren befestigt, so dass eine luftdichte Verbindung zwischen dem unteren Ende des Rahmenelements 203 und dem Sensorsubstrat 32 hergestellt ist.
Das Rahmenelement 203 und das Sensorsubstrat 32 bilden ein quaderförmiges Gehäuse 204, dessen oberes Ende offen ist.
Insbesondere ist das Substrat 202 in dem quaderförmigen Gehäuse 204, das ein offenes oberen Ende aufweist, aufgenommen.
Jedes der Empfangs-Elemente 201 ist so angeordnet, dass eine Empfangsoberfläche 201a zum Empfangen einer Ultraschallwelle in Richtung einer Öffnung 204a des Gehäuses 204 ausgerichtet ist. Ferner sind die Empfangsoberflächen 201a der jeweiligen Empfangs-Elemente 201 so angeordnet, dass sie auf gleicher Höhe liegen, wie es in 18 zu erkennen ist.
Die Schutzschicht 14 zum Verschließen der Öffnung 204a ist über der Öffnung 204a des Gehäuses 204 angebracht. insbesondere ist die Schutzschicht 14 vor (in 18 über) den Empfangs-Elementen 201 angeordnet.
Ein äußerer Umfang der Schutzschicht 14 ist an einem inneren Umfang des Rahmenelements 203 (ein innerer Umfang der Öffnung 204a des Gehäuses 204) befestigt, so dass eine luftdichte Verbindung zwischen dem äußeren Umfang der Schutzschicht 14 und dem Rahmenelement 203 hergestellt ist.
Der Spalt 8, der zwischen der Schutzschicht 14 und dem Substrat 202 vorgesehen ist, ist zum Beispiel mit einem Gas, einer Flüssigkeit, einem 801 oder einem Gel gefüllt.
Der Spalt R, der von der rückwärtige Seite (der unteren Oberfläche) des Substrats 202 und dem Gehäuse 204 (dem Rahmenelement 203 und dem Sensorsubstrat 32) begrenzt ist, ist mit Luft gefüllt.
19 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die ein piezoelektrisches Empfangs-Element 201 zeigt.
Ein Durchgangsloch 202a ist in dem Substrat 202 ausgebildet.
Eine rückwärtige Seite des Substrats 202 (auf der in 19 unteren Oberfläche des Substrats 202) sind die Isolierungsschicht 21, die aktive Siliziumschicht 22 und die Isolierungsschicht 23 in dieser Reihenfolge ausgebildet. Die Schichten 22 und 23 sind ausgebildet, um ein unteres Ende des Durchgangslochs 202a zu verschließen.
Auf der rückwärtige Seite sind die untere (in 19 obere) Elektrodenschicht 24, die Dünnschicht 25 aus einem Ferroelektrikum (zum Beispiel PZT) und die obere (in 19 untere) Elektrodenschicht 26 in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche der Isolierungsschicht 23 gebildet, die hinter (in 19 unter) dem Durchgangsloch 202a angeordnet ist.
Das Sensorsubstrat 32 ist eine Leiterplatine. Verdrahtungsschichten 205 und 206 sind auf der Oberfläche des Sensorsubstrats 32 gebildet.
Die untere Elektrodenschicht 24 und die Verdrahtungsschicht 205 sind über einen Kontakthöcker 207 miteinander verbunden, während die obere Elektrodenschicht 26 und die Verdrahtungsschicht 206 über einen Kontakthöcker 208 miteinander verbunden sind.
Die Kontakthöcker 207 und 208 können durch ein geeignetes Verfahren (Plating, einem Bolzen-Verfahren oder dergleichen) unter Verwendung diverser leitender Materialien (Metalle wie etwa ein Lot, Gold, Kupfer und Nickel oder ein leitendes Klebemittel) ausgebildet sein.
Auf diese Weise wird ein piezoelektrisches Element (der piezoelektrische Sensor) E so gebildet, dass er eine Struktur aufweist, in der die Dünnschicht 25 aus einem Ferroelektrikum zwischen zwei dünnen Elektrodenschichten 24 und 26 angeordnet ist. Das piezoelektrische Element E, das unter Verwendung der MEMS-Technik hergestellt ist, bildet das Empfangs-Element 201.
Eine Oberfläche der aktiven Siliziumschicht 22, die durch das Durchgangsloch 202a freilegt, bildet die Empfangsoberfläche 201a des Empfangs-Elements 201.
Wenn die Dünnschicht 25 durch eine Ultraschallwelle in Schwingungen bzw. Oszillationen versetzt wird, wird aufgrund des piezoelektrischen Effekts ein elektrisches Signal erzeugt. Das so erzeugte elektrische Signal wird von den Elektrodenschichten 24 und 26 über die Kontakthöcker 207 und 208 und die Verdrahtungsschichten 205 und 206 nach außen gegeben.
Das Durchgangsloch 202a ist so angeordnet, dass eine aus den Schichten 22 und 25 gebildete Membran eher oszilliert.
20 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die den Ultraschallsensor N zeigt.
Der Ultraschallsensor N ist aus einem Hybrid-IC aufgebaut, der den Empfangs-Abschnitt 200, einen Sende-Abschnitt 209 und das Sensorsubstrat 32 umfasst.
Der Empfangs-Abschnitt 200 und der Sende-Abschnitt 209, die den Chipteilen entsprechen, sind auf der Oberfläche des Sensorsubstrats 32 befestigt.
In dem in 20 gezeigten Beispiel umfasst der Empfangs-Abschnitt 200 neun Empfangs-Elemente 201, die 3 × 3 angeordnet sind.
Der Sende-Abschnitt 209 hat die gleiche Struktur wie die Empfangs-Abschnitte 10 bis 100 und 200. Der Sende-Abschnitt 209 umfasst ein piezoelektrisches Sende-Element mit der gleichen Struktur wie das Empfangs-Element 11 oder 201. Die aus einem Ferroelektrikum gebildete Dünnschicht 25 wird aufgrund des piezoelektrischen Effekts in Übereinstimmung mit einem ihr über die Elektrodenschichten 24 und 26 zugeführten Eingangssignal in Schwingungen versetzt, wodurch eine Ultraschallwelle erzeugt wird.
In dem Fall, in dem das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 201 besitzt, dient die Empfangsoberfläche 201a des Empfangs-Elements 201 als Sendeoberfläche zur Aussendung einer Ultraschallwelle.
Insbesondere wandelt das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 ein elektrisches Signal in eine Ultraschallwelle um, um diese auszusenden.
Der Sende-Abschnitt 209 sendet eine Ultraschallwelle in Übereinstimmung mit einem von außen kommenden Eingangssignal aus. Eine von einem zu erfassenden Objekt reflektierte Ultraschallwelle (Reflexionswelle) der ausgesendeten Ultraschallwelle wird von jedem der Empfangs-Elemente 201 des Empfangs-Abschnitts 200 empfangen.
Insbesondere wandelt jedes der Empfangs-Elemente 201 des Empfangs-Abschnitts 200 die empfangene Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal um.
Die von dem Sende-Abschnitt 209 ausgesendete Ultraschallwelle und die von jedem der Empfangs-Elemente 201 des Empfangs-Abschnitts 200 empfangene Ultraschallwelle (Reflexionswelle) werden miteinander verglichen, um eine Schalldruckdifferenz, eine Zeitdifferenz und eine Phasendifferenz zwischen ihnen zu erhalten. Daraus können die Position eines zu erfassenden Objekts, ein Abstand zwischen dem Ultraschallsensor N und dem zu erfassenden Objekt, eine zweidimensionale Form oder eine dreidimensionale Form des zu erfassenden Objekts und dergleichen auf der Grundlage der so gewonnenen Unterschiede gemessen werden.
Funktionen und Effekte des achten beispielhaften Aspekts
Gemäß dem achten beispielhaften Aspekt können zusätzlich zu den Funktionen und Effekten [1-1] bis [1-4] des ersten beispielhaften Aspekts die folgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[9-1]
In jedem der in den 1 bis 3 in dem ersten beispielhaften Aspekt gezeigten Empfangs-Elemente 11 dient die obere Oberfläche der oberen Elektrodenschicht 26 als die Empfangs-Oberfläche 11a.
Andererseits dient in jedem der Empfangs-Elemente 201 gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt die obere Oberfläche der aktiven Siliziumschicht 22, die durch die Bodenfläche des Durchgangslochs 202a freiliegt, als die Empfangsoberfläche 202a.
Insbesondere entspricht das Empfangs-Element 201 gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt einer umgedrehten Version des Empfangs-Elements 11 gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt.
Ferner ist gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt der als Modul ausgebildete Empfangs-Abschnitt 10, der das Substrat 12 enthält, das in dem Gehäuse 13 aufgenommen ist, auf dem Sensorsubstrat 32 befestigt. Ferner sind die Elektrodenschichten 24 und 26 jedes der Empfangs-Elemente 11, die den Empfangs-Abschnitt 10 bilden, und jede der Elektrodenkontaktierungsstellen 33 über die Bonddrähte 28 bzw. 29 miteinander verbunden.
Insbesondere besitzt der Ultraschallsensor gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt die nachfolgenden Probleme [A] bis [E], da der Empfangs-Abschnitt 19 (jedes der Empfangs-Elemente 11) gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt auf dem Sensorsubstrat 32 mit Hilfe einer Drahtbondtechnik oberflächenimplementiert ist.
[A] Es besteht die Möglichkeit, dass jeder der Bonddrähte 28 und 29 durch die Oszillationen durchtrennt wird. Insbesondere in dem Fall, in dem der Ultraschallsensor M an einem Automobil angebracht werden soll, ist die Wahrscheinlichkeit, dass einer der Bonddrähte 28 und 29 durchtrennt wird, größer, da die Oszillationen des Motors oder die Oszillationen, die von einer Straßenoberfläche ausgehen, auf den Ultraschallsensor M übertragen werden.
[B] Die Herstellungskosten für eine Oberflächenimplementierung des Empfangs-Abschnitts 10 auf dem Sensorsubstrat 32 ist hoch.
Wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 11 besitzt, sind die Herstellungskosten für die Oberflächenimplementierung des Sende-Abschnitts 209 auf dem Sensorsubstrat 32 hoch.
[C] Da die Banddrähte 28 und 29 über der Empfangsoberfläche 11a der einzelnen Empfangs-Elemente 11 angeordnet sind, besteht die Möglichkeit, dass die Bonddrähte 28 und 29 eine Ultraschallwelle, die auf die Empfangsoberfläche 11a auftrifft, behindern, was eine verringerte Empfangsempfindlichkeit der Empfangs-Elemente 11 zur Folge hat.
Da die Bonddrähte 28 und 29 über der Empfangsoberfläche 11a der einzelnen Empfangs-Elemente 11 angeordnet sind, werden die Banddrähte wahrscheinlich von einer von den Empfangs-Elementen 11 empfangenen Ultraschallwelle durchtrennt.
Ferner werden die Bonddrähte, wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 11 aufweist, zu Hindernissen, die eine von der Sendeoberfläche des Sende-Elements ausgesendete Ultraschallwelle an ihrer freien Ausbreitung behindern. Als Folge davon besteht die Möglichkeit, dass die Sendeleistung herabgesetzt ist.
Ferner werden die Bonddrähte 28 und 29, da sie über der Sendeoberfläche des Sende-Elements angeordnet sind, wahrscheinlich von einer Ultraschallwelle, die von dem Sende-Element ausgesendet wird, durchtrennt.
[D] Da die Induktivität einer Signalverdrahtung in dem Empfangs-Abschnitt 10 mit zunehmender Länge der Bonddrähte 28 und 29 erhöht wird, ist eine Übertragungsrate eines elektrischen Signals, das von dem Empfangs-Abschnitt 10 erzeugt wird, verringert.
Ferner wird eine Induktivität einer Signalverdrahtung in dem Sende-Abschnitt 209, wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 11 aufweist, durch die Länge der Bonddrähte 28 und 29 erhöht. Daher ist eine Übertragungsrate eines Eingangssignals zu dem Sende-Abschnitt 209 verringert, wodurch eine Betriebsgeschwindigkeit des Sende-Abschnitts 209 herabgesetzt ist.
[E] Da das Sensorsubstrat 32 um eine Fläche vergrößert ist, die von den Elektrodenkontaktierungsstellen 33 eingenommen wird (einer Layoutfläche), die auf dem Sensorsubstrat 32 gebildet sind, ist der Ultraschallsensor M nachteiligerweise vergrößert.
Andererseits wird in jedem der Empfangs-Elemente 201 gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt das nicht zu einem Modul ausgebildete Substrat 202, das einem nackten Chip (Roh-Chip) entspricht, direkt mit ”dem Gesicht nach unten” auf das Sensorsubstrat 32 montiert. Die Elektrodenschichten 24 und 26 jedes Empfangs-Elements 201, das auf dem Substrat 202 ausgebildet ist, und die Verdrahtungsschichten 205 und 206 auf dem Sensorsubstrat 32 sind über die Kontakthöcker 207 bzw. 208 verbunden.
Insbesondere können die oben beschriebenen Probleme [A] bis [E], da die Empfangs-Elemente 201 gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt durch eine Flip-Chip-Verbindung auf dem Sensorsubstrat 32 oberflächenimplementiert sind, gelöst werden, um die nachfolgenden Effekte [F] bis [J] zu erhalten.
[F] Da der Empfangs-Abschnitt 200 (die Empfangs-Elemente 201) und das Sensorsubstrat 32 über die Kontakthöcker 207 und 208 miteinander verbunden sind, kann gewährleistet werden, dass die elektrische Verbindung zwischen jedem der Empfangs-Elemente 201 und dem Substrat 32 aufrecht erhalten bleibt. Als Folge davon kann die Zuverlässigkeit des Ultraschallsensors N über eine längere Lebensdauer gewährleistet werden.
Ferner kann, wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 201 besitzt, gewährleistet werden, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Sende-Element und dem Sensorsubstrat 32 aufrecht erhalten bleibt.
[G] Die Herstellungskosten zur Oberflächenimplementierung des Empfangs-Abschnitts 200 auf dem Sensorsubstrat 32 können verringert werden.
Ferner können, wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts 200 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 201 aufweist, die Herstellungskosten zur Oberflächenimplementierung des Sende-Abschnitts 209 auf dem Sensorsubstrat 32 verringert werden.
[H] Da der Bonddraht nicht über der Empfangsoberfläche 201a der Empfangs-Elemente 201 angeordnet ist und sich daher kein Hindernis vor der Empfangsoberfläche 201a befindet, wird eine Ultraschallwelle nicht daran gehindert, zu der Empfangsoberfläche 201a zu gelangen. Daher kann die Empfangsempfindlichkeit der Empfangsoberflächen 11 erhöht werden.
Ferner wird der Bonddraht, da er nicht länger über der Empfangsoberfläche 11a der Empfangs-Elemente 11 angeordnet ist, nicht von der von den Empfangs-Elementen 11 empfangenen Ultraschallwelle durchtrennt.
Ferner wird, wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 201 aufweist, die Aussendung einer Ultraschallwelle von der Sendeoberfläche nicht behindert, da kein Banddraht über die Sendeoberfläche des Sende-Elements geführt ist, so dass sich kein Hindernis vor der Sendeoberfläche befindet. Als Folge davon kann die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden.
Ferner wird die von dem Sende-Element ausgesendete Ultraschallwelle nie von dem Bonddraht geschnitten, da sich über der Sendeoberfläche kein Banddraht befindet.
[I] Da die Induktivität von jedem der Kontakthöcker 207 und 208 kleiner als die der Bonddrähte 28 und 29 ist, wird eine Induktivität der Signalverdrahtung des Empfangs-Abschnitts 200 verringert, was eine erhöhte Übertragungsrate der von dem Empfangs-Abschnitt 200 erzeugten elektrischen Signale ermöglicht.
Ferner wird, wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 201 aufweist, die Induktivität der Signalverdrahtung des Sende-Abschnitts 209 kleiner. Demzufolge erhöht sich die Übertragungsrate eines dem Sende-Abschnitt 209 zugeführten Eingangssignals, so dass sich die Betriebsgeschwindigkeit des Sende-Abschnitts 209 erhöht.
[J] Es ist nicht länger erforderlich, die Elektrodenkontaktierungsstellen 33 auf dem Sensorsubstrat 32 vorzusehen. Dadurch kann sowohl die Größe als auch das Gewicht des Ultraschallsensors N verringert werden, da das Sensorsubstrat 32 um die Fläche verkleinert werden kann, die ansonsten die Elektrodenkontaktierungsstellen 33 einnehmen würden.
[9-2]
Wenn das Durchgangsloch 202a in dem Substrat 202 so ausgebildet ist, dass sich seine Querschnittsfläche vom Boden des Durchgangsloch 202a, der von der aktiven Siliziumschicht 22 verschlossen ist, in Richtung der Öffnung allmählich vergrößert, kann das Durchgangsloch 202a so ausgelegt werden, dass es ebenso wie der Schalltrichter 91 gemäß dem siebten beispielhaften Aspekt wirkt. In diesem Fall entspricht der Boden des Durchgangslochs 202a der Engstelle 91a des Schalltrichters 91.
Auf diese Weise kann der durch das Durchgangsloch 202a gebildete Schalltrichter für jedes der Empfangs-Elemente 201 bereitgestellt werden. Dadurch kann jedes der Empfangs-Elemente 201 mit der Empfangscharakteristik zum Aussenden einer Ultraschallwelle wie in [7-1] gemäß dem siebten beispielhaften Aspekt beschrieben versehen werden.
Ferner kann das Sende-Element mit der Sendecharakteristik zum Aussenden einer Ultraschallwelle versehen werden, wenn das Sende-Element des Sende-Abschnitts 209 die gleiche Struktur wie das Empfangs-Element 201 aufweist.
Ferner kann gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt das Durchgangsloch 202a so ausgelegt sein, dass es als Schalltrichter wirkt, einfach indem dem Durchgangsloch 202a eine entsprechende Form verliehen wird. Da es nicht länger erforderlich ist, der Schalltrichter 91 als ein unabhängiges Element wie gemäß dem siebten beispielhaften Aspekt bereitzustellen, können die Herstellungskosten des Empfangs-Abschnitts 200 und des Sende-Abschnitts 209 im Vergleich zu dem Empfangs-Abschnitt 90 und dem Sende-Abschnitt 31 gemäß dem siebten beispielhaften Aspekt verringert werden.
Gleichzeitig können die Größe und das Gewicht des Empfangs-Abschnitts 200 und des Sende-Abschnitts 209 verringert werden.
[Neunter beispielhafter Aspekt]
21 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 220 in dem Ultraschallsensor N gemäß einem neunten beispielhaften Aspekt zeigt. Der Empfangs-Abschnitt 220 gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt 200 des achten beispielhaften Aspekts, dass wenigstens ein (in dem dargestellten Beispiel drei) Entlüftungsloch 221 zur Verbindung des Spalts R mit den Außenbereich des Gehäuses 204 an einer Position des Sensorsubstrats 32 unterhalb jedes der Empfangs-Elemente 201 vorgesehen ist.
Die Struktur des Ultraschallsensors N gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt wird gewonnen, indem der in 20 gezeigte Empfangs-Abschnitt 200 des Ultraschallsensors N gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt durch den Empfangs-Abschnitt 220 ersetzt wird.
Funktionen und Effekte des neunten beispielhaften Aspekts
Gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten des achten beispielhaften Aspekts verhindert werden, dass sich die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 201 verringert, da die Oszillationen der Schichten 22 bis 26 unter der Empfangsoberfläche 201a eines jeweiligen Empfangs-Elements 201 nicht unterdrückt werden.
Insbesondere bildet in dem Fall, in dem die Entlüftungslöcher 221 in dem Sensorsubstrat 32 nicht vorhanden sind, der Spalt R, der durch das Substrat 202 und das Gehäuse 204 begrenzt ist (das Rahmenelement 203 und das Sensorsubstrat 32) einen dicht abgeschlossenen Raum. Luft, die den dicht abgeschlossenen Raum ausfüllt, wirkt als Feder, die auf die rückwärtige Seiten der Empfangsoberflächen 201a (die unteren Oberflächenseiten der Schichten 26) der Empfangs-Elemente 201 eine Dämpfungskraft ausübt. Dadurch werden die freien Oszillationen der Schichten 22 bis 26 unter der jeweiligen Empfangsoberfläche 201a behindert bzw. gedämpft, so dass die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 201 reduziert ist.
Da andererseits gemäß dem neunten beispielhaften Aspekt Luft durch die Entlüftungslöcher 221 strömen kann, wird keine Dämpfungskraft durch Luft auf die rückwärtige Seiten der Empfangsoberflächen 201a der Empfangs-Elemente 201 ausgeübt. Als Folge davon kann jede der Schichten 22 bis 26 unter der jeweiligen Empfangsoberfläche 201a frei schwingen.
Die Anzahl, die Anordnungsposition, die Größe und Form des Entlüftungslochs 221 kann bestimmt werden, indem experimentell deren optimale Werte durch einen approximativen Prozess gefunden werden, um so die oben beschriebenen Funktionen und Effekte zu erhalten.
Ferner kann ein Filtermaterial (zum Beispiel ein Maschenfilter), welches die Durchlässigkeit des Entlüftungsloches 221 für Luft nicht herabsetzt, angebracht werden.
Wenn der Sende-Abschnitt 209 die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 220 aufweist und das Entlüftungsloch 221 an einer Position des Sensorsubstrats 32 unterhalb eines jeden Sende-Elements in dem Sende-Abschnitt 209 angeordnet ist, wird keine Dämpfungskraft durch Luft auf die rückwärtige Seiten der Sendeoberflächen der Sende-Elemente ausgeübt, da Luft durch die Entlüftungslöcher 221 strömen kann. Demzufolge können die Schichten 22 bis 26 auf der Sendeoberfläche frei oszillieren bzw. schwingen, ohne die Oszillation zu dämpfen, wodurch die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht wird.
[Zehnter beispielhafter Aspekt]
22 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 230 und einen Sende-Abschnitt 231 in einem Ultraschallsensor L gemäß einem zehnten beispielhaften Aspekt zeigt.
23 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die den Ultraschallsensor L zeigt.
Der Ultraschallsensor L gemäß dem zehnten beispielhaften Aspekt unterscheidet sich nur durch die folgenden Punkte von dem Ultraschallsensor N des achten beispielhaften Aspekts.
[a]
Der Ultraschallsensor L ist aus einem monolithischen IC aufgebaut, der den Empfangs-Abschnitt 200 und den Sende-Abschnitt 231 enthält, die auf dem einzigen Substrat 202 gebildet sind, so dass die Größe und das Gewicht im Vergleich zu dem Ultraschallsensor N weiter reduziert sind.
Der Sende-Abschnitt 231 umfasst ein Sende-Element 232. Das Sende-Element 232 weist die gleiche Struktur wie die Empfangs-Elemente 201 auf, welche den Empfangs-Abschnitt 200 bilden.
Das Sende-Element 232, das die gleiche Struktur wie die Empfangs-Elemente 201 aufweist, sendet eine Ultraschallwelle von einer Sendeoberfläche 232a aus, die der Empfangsoberfläche 201a der einzelnen Empfangs-Elemente 201 entspricht.
In dem in 23 gezeigten Beispiel ist eines der neun Elemente, die die gleiche Struktur aufweisen und zu einem Feld aus 3 × 3 Elementen angeordnet sind, welches an der Ecke angeordnet ist, so ausgelegt, dass es als das Sende-Element 232 wirkt, während die weiteren acht Elemente so ausgelegt sind, dass sie als die Empfangs-Elemente 201 wirken.
Jedoch kann von einer Mehrzahl von Elementen, die die gleiche Struktur auf dem Substrat 12 aufweisen, eine beliebige Anzahl von Elementen so ausgelegt sein, dass sie als die Sende-Elemente 232 wirken.
[b]
Unterteilungselemente 233 sind in dem Spalt R angeordnet, der von dem Substrat 202 und dem Gehäuse 204 begrenzt wird (das Rahmenelement 203 und das Sensorsubstrat 32).
Untere Enden der Unterteilungselemente 233 sind jeweils auf einer oberen Oberfläche des Sensorsubstrats 32 durch ein geeignetes Verfahren (zum Beispiel Thermoschweißen, Ultraschallschweißen oder Kleben) so befestigt, dass zwischen dem unteren Ende des jeweiligen Unterteilungselements 233 und dem Sensorsubstrat 32 eine luftdichte Verbindung besteht. Obere Enden der Unterteilungselemente 233 sind jeweils auf einer unteren Oberfläche der Isolierungsschicht 23 unterhalb des Substrats 202 durch das oben genannte geeignete Verfahren so befestigt, dass zwischen dem oberen Ende des jeweiligen Unterteilungselements 233 und dem Substrat 202 eine luftdichte Verbindung besteht.
Die Unterteilungselemente 233 unterteilen den Spalt R für die Elemente 201 und 232 luftdicht.
[C]
Wenigstens ein (drei in dem dargestellten Beispiel) Entlüftungsloch 221, das dazu dient, den Spalt R mit dem Außenbereich des Gehäuses 204 zu verbinden, ist an einer Position des Sensorsubstrats 32, unterhalb der einzelnen Sende-Elemente 232 angeordnet.
Das Entlüftungsloch 221 ist nicht an Positionen unterhalb der Empfangs-Elemente 201 ausgebildet.
Funktionen und Effekte des zehnten beispielhaften Aspekts
Gemäß des zehnten beispielhaften Aspekts können zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten des achten beispielhaften Aspekts die nachfolgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[11-1]
Wenn der Spalt R, der von dem Substrat 202 und dem Gehäuse 204 (das Rahmenelement 203 und das Sensorsubstrat 32) umgeben ist, als ein dicht verschlossener Raum (engl. ”sealed space”) ausgefüllt ist, wirkt eine den abgedichteten Raum ausfüllende Luft als Feder und übt eine Dämpfungskraft auf die den Empfangs- und Sendeoberflächen 201a und 232a der jeweiligen Elemente 201 bzw. 232 gegenüberliegenden Oberflächen (die Unterseiten der Schichten 26) aus. Da die freien Oszillationen der Schichten 22 bis 26 unter der jeweiligen Oberfläche 201a bzw. 232a behindert ist, ist ein Resonanzwert Q der aus den Schichten 22 bis 26 bestehenden Membran verringert.
Andererseits kann in dem Fall, in dem die Entlüftungslöcher 221 in dem Sensorsubstrat 32 vorgesehen sind, Luft durch sie hindurchtreten. Daher wird keine Dämpfungskraft durch Luft auf die rückwärtige Seite der Oberflächen 201a und 232a der jeweiligen Elemente 201 bzw. 232 ausgeübt, so dass freie Oszillationen der Schichten 22 bis 26 unter den Oberflächen 201a und 232a möglich sind. Demzufolge ist der Resonanzwert Q der aus den Schichten 22 bis 26 aufgebauten Membran groß.
Die 24A und 24B sind typische Kennlinien, die jeweils die Abhängigkeit Resonanzwerts Q der Membran 22 bis 26 von der Frequenz f zeigen, wobei fa und fb Resonanzfrequenzen sind, die einen Spitzenwert Qa des Resonanzwerts Q ergeben.
Wie es in 24A gezeigt ist, zeigt der Resonanzwert Q, wenn ein Spitzenwert Qa des Resonanzwerts Q der Membran groß ist, eine steile Änderung in Abhängigkeit von der Frequenz f (große Steigung), was dem Spitzenwert Qa hauptsächlich bei ersten Resonanzfrequenzen fa und fb entspricht.
Wie es in 24B gezeigt ist, zeigt der Resonanzwert Q, wenn ein Spitzenwert Qb des Resonanzwerts Q der Membran klein ist, eine sanfte Änderung in Abhängigkeit von der Frequenz f (kleine Steigung), die dem Spitzenwert Qb hauptsächlich bei den ersten Resonanzfrequenzen fa und fb entspricht.
Der Resonanzwert Q der Membran und die Sendeleistung des Sende-Elements 232 korrelieren positiv, d.h. mit zunehmendem Resonanzwert Q wird die Sendeleistung größer.
Das piezoelektrische Element bzw. das kapazitive Element, die jeweils mittels der MEMS-Technik hergestellt sind, ist nicht als Sende-Element geeignet, da es für Ultraschallwellen eine geringe Sendeleistung besitzt.
Somit ist es erforderlich, dass das piezoelektrische Sende-Element 232, das mit Hilfe der MEMS-Technik hergestellt ist, seine Sendeleistung so weit wie möglich erhöht, um die in 24A gezeigte Resonanzcharakteristik zu haben.
Daher wird gemäß dem zehnten beispielhaften Aspekt, da Luft durch das Entlüftungsloch 221, das in dem Sensorsubstrat 32 ausgebildet ist, hindurchtreten kann, keine Dämpfungskraft auf die rückwärtige Seite der Sendeoberflächen 232a der Sende-Elemente 232 ausgeübt. Dies hat zur Folge, dass die einzelnen Sende-Elemente 232 die in 24A gezeigte Resonanzcharakteristik haben können, da die Schichten 22 bis 26 unter der Sendeoberfläche 232a ungehindert oszillieren können, so dass die Sendeleistung erhöht ist.
[11-2]
Der Resonanzwert Q der Membran und die Empfangsempfindlichkeit des Empfangs-Elements 201 korrelieren positiv, d.h. mit größer werdendem Resonanzwert Q wird die Empfangsempfindlichkeit ebenfalls größer.
Die einzelnen Empfangs-Elemente 201 zeigen bedingt durch den Herstellungsprozess eine Schwankung der ersten Resonanzfrequenz.
Beispielsweise wird die Empfangsempfindlichkeit bei den Frequenzen fa und fb sehr hoch, wenn zwei Empfangs-Elemente 201 die in 24A gezeigte Resonanzcharakteristik aufweisen, so dass eines der Empfangs-Elemente 201 die erste Resonanzfrequenz fa besitzt, während das weitere Empfangs-Element 201 die zweite Resonanzfrequenz fb besitzt. Jedoch wird die Empfangsempfindlichkeit bei einer Frequenz fc zwischen den Frequenzen fa und fb äußerst gering.
Andererseits wird die Empfangsempfindlichkeit bei den Frequenzen fa und fb niedriger als die in 24A, wenn zwei Empfangs-Elemente 201 die in 24B gezeigte Resonanzcharakteristik besitzen, so dass eines der Empfangs-Elemente 201 die erste Resonanzfrequenz fa besitzt, während das weitere Empfangs-Element 201 die zweite Resonanzfrequenz fb besitzt. Jedoch wird die Empfangsempfindlichkeit bei der Frequenz fc höher als die in 24A.
Insbesondere zeigt die Empfangsempfindlichkeit eine steile Kennlinie in Abhängigkeit von der Frequenz, obwohl die Empfangsempfindlichkeit hoch wird, wenn der Resonanzwert Q des Empfangs-Elements 201 erhöht wird. Daher fällt die Empfangsempfindlichkeit bei einer gegenüber der ersten Resonanzfrequenz abweichenden Frequenz plötzlich ab, selbst wenn diese Abweichung minimal ist.
Im Gegenteil dazu zeigt die Empfangsempfindlichkeit, wenn der Resonanzwert Q des Empfangs-Elements 201 reduziert wird, eine sanfte Steigung in Abhängigkeit von der Frequenz, obwohl die Empfangsempfindlichkeit herabgesetzt ist. Daher ist die Empfangsempfindlichkeit bei einer gegenüber der ersten Resonanzfrequenz abweichenden Frequenz nicht stark verringert.
Da das piezoelektrische Element bzw. das kapazitive Element, die mit Hilfe der MEMS-Technik hergestellt sind, eine hohe Empfangsempfindlichkeit gegenüber einer Ultraschallwelle besitzt, ist es als das Empfangs-Element geeignet.
Daher ist es erforderlich, dass das piezoelektrische Empfangs-Element 201, das mit Hilfe der MEMS-Technik hergestellt ist, eher eine hohe Empfangsempfindlichkeit über einen möglichst breiten Frequenzbereich als eine hohe Empfangsempfindlichkeit bei der ersten Resonanzfrequenz hat. Daher ist es erforderlich, dass das piezoelektrische Empfangs-Element 201 die in 24B gezeigte Resonanzcharakteristik hat.
Somit wird gemäß dem zehnten beispielhaften Aspekt, da unterhalb eines jeweiligen Empfangs-Elemente 201 kein Entlüftungsloch 221 in dem Sensorsubstrat 32 ausgebildet ist, eine Dämpfungskraft durch Luft auf die rückwärtige Seite der EmpfangsOberfläche 201a (also auf die untere Oberfläche der Schicht 26) der einzelnen Empfangs-Elemente 201 ausgeübt. Als Folge davon sind die Oszillationen der Schichten 22 bis 26 unter der Empfangsoberfläche 201a behindert. Demzufolge weisen die einzelnen Empfangs-Elemente 201 die in 24B gezeigte Resonanzcharakteristik auf, um die Empfangsempfindlichkeit über einen breiten Frequenzbereich so weit wie möglich zu erhöhen.
[11-3]
Wenn der unterhalb der Empfangs-Elemente 201 angeordneten Spalt R mit einem Material (zum Beispiel einer Flüssigkeit oder einem Sol) zur Unterdrückung der Oszillationen der Schichten 22 bis 26 gefüllt ist, kann der Resonanzwert Q der aus den Schichten 22 bis 26 aufgebauten Membran im Vergleich mit einem Fall, in dem der Spalt R mit Luft gefüllt ist, verringert werden.
Daher kann, wenn das Material zum Füllen des Spalts R, der unter jedem der Empfangs-Elemente 201 angeordnet ist, entsprechend ausgewählt wird, eine gewünschte Resonanzcharakteristik gewonnen werden, ohne die Struktur der einzelnen Empfangs-Elemente 201 zu ändern.
Ferner kann, wenn der Spalt R mit einem Material gefüllt ist, um zu verhindern, dass die Schichten 22 bis 26 übermäßig oszillieren, verhindert werden, dass die Schichten 22 bis 26 so stark in Schwingungen versetzt werden, dass sie brechen.
Als Füller in dem Spalt R, der unter den Empfangs-Elementen 201 angeordnet ist, kann ein optimales Material experimentell in einem approximativen Prozess gefunden werden, um so die oben in [11-2] genannten Funktionen und Effekte zu erhalten.
Selbst in den beispielhaften Aspekten 1 und 3 sowie 5 bis 7 sowie der vorteilhaften Ausführungsform kann eine gewünschte Resonanzcharakteristik erreicht werden, ohne die Struktur der einzelnen Empfangs-Elemente 11 zu ändern.
[Elfter beispielhafter Aspekt]
25 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 240 in dem Ultraschallsensor N gemäß einem elften beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 240 gemäß dem elften beispielhaften Aspekt unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt 200 dem achten beispielhaften Aspekt, dass Trennelemente 241 vorgesehen sind.
Die Trennelemente 241 weisen jeweils ein unteres Ende auf, das auf dem Substrat 202, zwischen zwei benachbarten Empfangs-Elementen 201, durch ein geeignetes Verfahren (zum Beispiel Thermoschweißen, Ultraschallschweißen oder Kleben) befestigt ist, so dass zwischen den unteren Enden der Trennelemente 241 und dem Substrat 202 jeweils eine luftdichte Verbindung hergestellt ist.
Die Trennelemente 241 trennen durch Unterteilen des Spalts S und der Schutzschicht 14 in Spalte SA, SB und SC bzw. Schutzschichten 14A, 14B und 14C zwei benachbarte Empfangs-Elemente voneinander.
Insbesondere sind in dem in 25 gezeigten Beispiel die unteren Enden der Trennelemente 241 auf dem Substrat 202, zwischen den Empfangs-Elementen 201A und 202B bzw. 202B und 202C befestigt.
Die Struktur des Ultraschallsensors N gemäß dem elften beispielhaften Aspekt wird gewonnen, indem der in 20 gezeigte Empfangs-Abschnitt 200 des Ultraschallsensors N gemäß dem achten beispielhaften Aspekt durch den Empfangs-Abschnitt 240 ersetzt wird.
Funktionen und Effekte dem elften beispielhaften Aspekt
Gemäß dem elften beispielhaften Aspekt können zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten dem achten beispielhaften Aspekt noch die folgenden Funktionen und Effekte.
[12-1]
Die Empfangs-Elemente 201A, 201E und 201C weisen somit jeweils einen eigenen Spalt SA, SB bzw. SC und eine eigene Schutzschicht 14A, 14B bzw. 14C auf, die vor (in 25 über) dem Empfangs-Element 201A, 201B bzw. 201C angeordnet sind. Daher pflanzen sich zum Beispiel die Oszillationen der Schutzschicht 14A über den unter ihr angeordneten Spalt SA nur zu dem Empfangs-Element 201A, nicht jedoch zu den weiteren Empfangs-Elementen 201B und 201C fort.
Daher kann gemäß dem elften beispielhaften Aspekt eine Ultraschallwelle von jedem der Empfangs-Elemente 201A bis 210C getrennt empfangen werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den einzelnen Empfangs-Elementen 201A bis 201C verschlechtert. D. h. die bei einer der Schutzschichten von dem entsprechenden Empfangselement empfangene Ultraschallwelle beeinflusst nicht die weiteren Empfangselemente.
Alternativ kann eine Mehrzahl von benachbarten Empfangs-Elementen 201 zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Das Trennelement 241 kann für jede Gruppe vorgesehen sein, um die Gruppe von den weiteren Gruppen zu trennen.
[12-2]
Die Trennelemente 241 müssen die Oszillationen der Schutzschicht 14A und des Spalts SA, die vertikal angeordnet zu einer Gruppe zusammengefasst sind, sicher blockieren, so dass sich diese Oszillationen nicht zu den Elementen der weiteren Gruppen (die Schutzschichten 14B und 14C und die Spalte SB und SC) fortpflanzen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass für die Trennelemente 241 ein Material verwendet wird, das die Oszillationen sehr gut blockieren kann. Ein Beispiel eines solchen Materials sind Gummis.
[12-3]
26 ist eine Querschnittsansicht, die den Empfangsabschnitt 240 in dem Ultraschallsensor N gemäß einer ersten Variation des elften beispielhaften Aspekts zeigt.
Die in 26 gezeigte erste Variation unterscheidet sich nur dahingehend von dem in 25 gezeigten elften beispielhaften Aspekt, dass unter jedem der Empfangs-Elemente 201 in dem Sensorsubstrat 32 die Entlüftungslöcher 221 ausgebildet sind, die dazu dienen, den Spalt R mit dem Außenbereich des Gehäuses 204 zu verbinden.
Insbesondere entspricht die erste Variation des elften beispielhaften Aspekts einer Kombination aus dem elften und dem neunten beispielhaften Aspekt. Demzufolge können zusätzlich zu den Funktionen und Effekten des elften beispielhaften Aspekts die Funktionen und Effekte des neunten beispielhaften Aspekts gewonnen werden.
[12-4]
27 ist eine Querschnittsansicht, die den Empfangsabschnitt 240 und den Sende-Abschnitt 231 in dem Ultraschallsensor L gemäß einer zweiten Variation des elften beispielhaften Aspekts zeigt.
Die in 27 gezeigte zweite Variation unterscheidet sich von dem in 25 gezeigten elften beispielhaften Aspekt nur in den bei dem elften beispielhaften Aspekt beschriebenen Punkten [a] bis [c].
Insbesondere entspricht die zweite Variation des elften beispielhaften Aspekts einer Kombination aus dem elften und dem zehnten beispielhaften Aspekt. Daher können zusätzlich zu den Funktionen und Effekten des elften beispielhaften Aspekts die Funktionen und Effekte des zehnten beispielhaften Aspekts gewonnen werden.
[Zwölfter beispielhafter Aspekt]
28 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 250 in dem Ultraschallsensor N gemäß einem zwölften beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 250 des zwölften beispielhaften Aspekts unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt 200 des achten beispielhaften Aspekts, dass Trennelemente 251 vorgesehen sind.
Ein unteres Ende jedes der Trennelemente 251 ist auf einer oberen Oberfläche des Sensorsubstrats 251 mit Hilfe eines geeignetes Verfahrens (zum Beispiel Thermoschweißen, Ultraschallschweißen oder Kleben) befestigt, so dass zwischen dem unteren Ende eines jeweiligen Trennelements 251 und dem Sensorsubstrat 32 eine luftdichte Verbindung besteht.
Die Trennelemente 251 trennen den Raum S und die Schutzschicht 14 in Räume SA, SB und SC bzw. Schutzschichten 14A, 14B und 14C.
Insbesondere sind in dem in 28 gezeigten Beispiel die unteren Enden der Trennelemente 251 auf der oberen Oberfläche des Sensorsubstrats 32, zwischen den Empfangs-Elementen 201A und 201B bzw. 201B und 201C befestigt, wodurch die Trennelemente 251 die Empfangs-Elemente 201A bis 201C voneinander trennen.
Insbesondere ist der Empfangs-Abschnitt 200 gemäß des achten beispielhaften Aspekts als ein monolithischer IC ausgeführt, der die Empfangs-Elemente 201 des Empfangs-Abschnitts 230 enthält, die auf dem einzigen Substrat 202 ausgebildet sind.
Andererseits ist der Empfangs-Abschnitt 250 des zwölften beispielhaften Aspekts aus einem Hybrid-IC gebildet, der die Empfangs-Elemente 201 enthält, die den Chipteilen entsprechen, die auf dem Sensorsubstrat 32 befestigt sind.
Die Struktur des Ultraschallsensors N gemäß des zwölften beispielhaften Aspekts gewinnt man, indem man den in 20 gezeigten Empfangs-Abschnitt 200 des Ultraschallsensors N gemäß des achten beispielhaften Aspekts durch den Empfangs-Abschnitt 250 ersetzt.
Funktionen und Effekte des zwölften beispielhaften Aspekts
Gemäß dem zwölften beispielhaften Aspekt können zusätzlich zu den Funktionen und Effekten des achten beispielhaften Aspekts die folgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[13-1]
Die Empfangs-Elemente 201A bis 201C, die Spalte SA bis SC und die Schutzschichten 14A bis 14C, die vor (in 28 über) den Empfangs-Elementen 201A bis 201C angeordnet sind, sind durch die Trennelemente 251 für jedes der Empfangs-Elemente 201 getrennt. Daher pflanzen sich die Oszillationen einer Schutzschicht 14A, die durch die Trennung gewonnen wird, über den unter der Schutzschicht 14A angeordneten Spalt SA nur zu dem Empfangs-Element 201A, nicht jedoch zu den weiteren Empfangs-Elementen 201B und 201C fort.
Somit kann gemäß dem zwölften beispielhaften Aspekt eine Ultraschallwelle durch jedes der Empfangs-Elemente 201A bis 201C völlig getrennt empfangen werden, so dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den Empfangs-Elementen 201A bis 201C nicht verschlechtert. D. h. die bei einer der Schutzschichten von dem entsprechenden Empfangselement empfangene Ultraschallwelle beeinflusst nicht die weiteren Empfangselemente.
Eine Mehrzahl von benachbarten Empfangs-Elementen 201 kann zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Das Trennelement 251 kann für jede der Gruppen vorgesehen sein, um die Gruppen voneinander zu trennen.
[13-2]
Die Trennelemente 251 müssen die Oszillationen der Schutzschicht 14A, des Spalts SA und des Empfangs-Elements 201A, die vertikal zu einer Gruppe angeordnet sind, sicher blockieren, so dass sich die Oszillationen nicht zu den Elementen der weiteren, benachbarten Gruppen (den Schutzschichten 14B und 14C, den Spalten SB und SC und den Empfangs-Elementen 201B und 201C) fortpflanzen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass die für das Trennelement 251 verwendeten Materialien die Oszillationen gut blockieren. Ein Beispiel solcher Materialien sind Gummis.
[13-3]
29 ist eine Querschnittsansicht, die den Empfangs-Abschnitt 250 in dem Ultraschallsensor N gemäß einer ersten Variation des zwölften beispielhaften Aspekts zeigt.
Der in 29 gezeigte zwölfte beispielhafte Aspekt unterscheidet sich nur dahingehend von dem zwölften beispielhaften Aspekt, dass unter den einzelnen Empfangs-Elementen 201 in dem Sensorsubstrat 32 die Entlüftungslöcher 221 ausgebildet sind, die dazu dienen, den Spalt R mit dem Außenbereich des Gehäuses 204 zu verbinden.
Insbesondere entspricht die erste Variation des zwölften beispielhaften Aspekts einer Kombination aus dem neunten und dem zwölften beispielhaften Aspekt. Daher können zusätzlich zu den Funktionen und Effekten des zwölften beispielhaften Aspekts die Funktionen und Effekte des neunten beispielhaften Aspekts gewonnen werden.
[13-4]
30 ist eine Querschnittsansicht, die den Empfangs-Abschnitt 250 und den Sende-Abschnitt 231 des Ultraschallsensors L gemäß einer zweiten Variation des zwölften beispielhaften Aspekts.
Die in 30 gezeigten zweite Variation unterscheidet sich nur dahingehend von dem in 28 gezeigten zwölften Aspekt, dass eines der Empfangs-Elemente 201 (das Empfangs-Element 201A), die den Empfangs-Abschnitt 250 bilden, ausgebildet ist, um als das Sende-Element 232 zu wirken, das den Sende-Abschnitt 231 wie in dem Ultraschallsensor L bildet, und in den Punkten [b] und [c], die bei dem zehnten beispielhaften Aspekt beschrieben sind. Die Trennelemente 251 fungieren als die Unterteilungselemente 233 des zehnten beispielhaften Aspekts.
Insbesondere entspricht die zweite Variation des zwölften beispielhaften Aspekts einer Kombination des zwölften mit dem zehnten beispielhaften Aspekt. Daher können zusätzlich zu den Funktionen und Effekten des zwölften beispielhaften Aspekts die Funktionen und Effekte des zehnten beispielhaften Aspekts gewonnen werden. Dreizehnter beispielhafter Aspekt]
31 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 260 in dem Ultraschallsensor N gemäß einem dreizehnten beispielhaften Aspekt zeigt.
Der Empfangs-Abschnitt 260 des dreizehnten beispielhaften Aspekts unterscheidet sich nur dahingehend von dem Empfangs-Abschnitt des achten beispielhaften Aspekts, dass jedem der Empfangs-Elemente 201 genau ein in dem Spalt S angeordnetes, säulenartiges Übertragungs-Element 261 zugeordnet ist und umgekehrt und jede Empfangsoberfläche 201a über das ihm zugeordnete säulenartige Übertragungs-Element 261 mit der Schutzschicht 14 verbunden ist.
Die Struktur des Ultraschallsensors N gemäß des dreizehnten beispielhaften Aspekts wird gewonnen, indem der in 20 gezeigten Empfangs-Abschnitt 200 des Ultraschallsensors N gemäß des achten beispielhaften Aspekts durch den Empfangs-Abschnitt 260 ersetzt wird.
Funktionen und Effekte des dreizehnten beispielhaften Aspekts
Gemäß des dreizehnten beispielhaften Aspekts können zusätzlich zu den oben unter [9-1] beschriebenen Funktionen und Effekten des achten beispielhaften Aspekts die nachfolgenden Funktionen und Effekte erzielt werden.
[14-1]
Wenn die Schutzschicht 14 von einer Ultraschallwelle zu Schwingungen angeregt wird, pflanzen sich die Oszillationen der Schutzschicht 14 über die Übertragungs-Elemente 261 zu den entsprechenden Empfangs-Elementen 201 fort.
Da hier jedem der Empfangs-Elemente 201 eines der Übertragungs-Element 261 zugeordnet ist, pflanzen sich die Oszillationen eines jeweiligen der Übertragungs-Elemente 261 nicht zu den weiteren Übertragungs-Elementen 261 fort. Daher kann eine Ultraschallwelle getrennt von jedem der Empfangs-Elemente 201 empfangen werden, so dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den einzelnen Empfangs-Elementen 201 nicht verschlechtert. D. h. die bei einer der Schutzschichten von dem entsprechenden Empfangselement empfangene Ultraschallwelle beeinflusst nicht die weiteren Empfangselemente.
Die Fortpflanzung von Oszillationen der Schutzschicht 14 zu den einzelnen Übertragungs-Elemente 261 kann dadurch gewährleistet werden, dass die Schallimpedanz der einzelnen Übertragungs-Elemente 261 möglichst gut an die der Schutzschicht 14 angepasst ist. Daraus ergibt sich, dass die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 201 erhöht ist.
Ferner kann die Fortpflanzung von Oszillationen der Übertragungs-Elemente 261 zu der aktiven Siliziumschicht 22 dadurch gewährleistet werden, dass die Schallimpedanz der Übertragungs-Elemente 261 möglichst gut an die der aktiven Siliziumschicht 22 der Empfangs-Elemente 201 angepasst ist. Daraus ergibt sich, dass die Empfangsempfindlichkeit der einzelnen Empfangs-Elemente 201 erhöht werden kann.
Daher ist es wünschenswert, die Übertragungs-Elemente 261 aus dem gleichen Material wie die Schutzschicht 14 oder die aktive Siliziumschicht 22 herzustellen.
Wenn der Sende-Abschnitt 209 die gleiche Struktur wie der Empfangs-Abschnitt 260 aufweist und das Übertragungs-Element 261, das dazu dient, die Sendeoberfläche des Sende-Elements mit der Schutzschicht 14 zu verbinden, vorgesehen ist, kann die Fortpflanzung von Oszillationen des Übertragungs-Elements 261 zu der Schutzschicht 14 gewährleistet werden, indem die Schallimpedanz des Übertragungs-Elements 261 möglichst gut an die der Schutzschicht 14 angepasst wird. Daraus ergibt sich, dass die Sendeleistung des Sende-Elements verbessert werden kann.
Ferner kann die Fortpflanzung von Oszillationen der aktiven Schutzschicht 22 des Sende-Elements zu dem Übertragungs-Element 261 dadurch gewährleistet werden, dass die Schallimpedanz des Übertragungs-Elements 261 möglichst gut an die der aktiven Siliziumschicht 22 angepasst wird. Dadurch kann die Sendeleistung des Sende-Elements erhöht werden.
Insbesondere können gemäß des dreizehnten beispielhaften Aspekts die gleichen Funktionen und Effekte gewonnen werden, die unter [6-1] dem fünften beispielhaften Aspekt beschrieben sind.
[14-2]
Um zu verhindern, dass sich die Übersprechcharakteristik zwischen den einzelnen Empfangs-Elementen 201 verschlechtert, ist es erforderlich, zu verhindern, dass sich die Oszillationen eines beliebigen der Übertragungs-Elemente 261 durch den Füller in dem Spalt S zu den weiteren Übertragungs-Elementen 261 fortpflanzen.
Daher ist es gemäß dem dreizehnten beispielhaften Aspekt wünschenswert, dass in dem Spalt S ein Vakuum herrscht.
Wenn gemäß dem dreizehnten beispielhaften Aspekt der Spalt S mit einem Füller gefüllt ist, besteht der Füller aus einem Gas mit einer geringen Schallimpedanz oder einem Material (zum Beispiel einem hoch viskosen Gel), das Oszillationen gut absorbiert.
insbesondere können gemäß dem dreizehnten beispielhaften Aspekt die gleichen Funktionen und Effekte gewonnen werden, wie sie unter [6-2] dem fünften beispielhaften Aspekt beschrieben sind.
[14-3]
32 ist eine Querschnittsansicht, die einen Empfangs-Abschnitt 260 in dem Ultraschallsensor N gemäß einer ersten Variation des dreizehnten beispielhaften Aspekts zeigt.
Die in 32 gezeigte erste Variation unterscheidet sich nur dahingehend von dem in 31 gezeigten dreizehnten beispielhaften Aspekt, dass unter jedem der Empfangs-Elemente 201 die Entlüftungslöcher 221 in dem Sensorsubstrat 32 angeordnet sind, die dazu dienen, den Spalt R mit dem Außenbereich des Gehäuses 204 zu verbinden.
Insbesondere entspricht die erste Variation des dreizehnten beispielhaften Aspekts 14 einer Kombination aus dem dreizehnten und dem neunten beispielhaften Aspekt. Daher können zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten des dreizehnten beispielhaften Aspekts die Funktionen und Effekte des neunten beispielhaften Aspekts gewonnen werden.
[14-4]
33 ist eine Querschnittsansicht, die den Empfangs-Abschnitt 260 und den Sende-Abschnitt 231 in dem Ultraschallsensor N gemäß einer zweiten Variation des dreizehnten beispielhaften Aspekts zeigt.
Die in 33 gezeigte zweite Variation unterscheidet sich von dem in 31 gezeigten dreizehnten beispielhaften Aspekt nur in den Punkten [a] bis [c] des oben beschriebenen zehnten beispielhaften Aspekts.
Insbesondere entspricht die zweite Variation des dreizehnten beispielhaften Aspekts einer Kombination aus dem dreizehnten beispielhaften Aspekt und dem zehnten beispielhaften Aspekt. Daher können zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen und Effekten des dreizehnten beispielhaften Aspekts die Funktionen und Effekte des zehnten beispielhaften Aspekts gewonnen werden.
Beispielhafte Variationen des achten und dreizehnten beispielhaften Aspekts
Jede der Empfangs-Abschnitte 200 bis 260 gemäß dem achten bis dreizehnten beispielhaften Aspekt ist aus der Mehrzahl von piezoelektrischen Empfangs-Elementen 201 aufgebaut.
Jedoch kann jedes der piezoelektrischen Elemente 201 durch ein kapazitives Empfangs-Element 271 ersetzt sein, so dass jeder der Empfangs-Abschnitte 200 bis 260 durch eine Mehrzahl von kapazitiven Empfangs-Elementen 271 aufgebaut ist.
34 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die ein kapazitives Empfangs-Element 271 zeigt.
Das Durchgangsloch 202a ist in dem Substrat 202 ausgebildet.
Auf der rückwärtige Seite des Substrats 202 (in 34 unten) ist auf der Oberfläche des Substrats 202 eine Isolierungsschicht 272 so ausgebildet, dass das untere Ende des Durchgangslochs 202a verschlossen ist.
Auf der rückwärtige Seite des Substrats 202 ist eine feste Elektrodenschicht 273 auf einer Oberfläche der Isolierungsschicht 272 ausgebildet, welche sich hinter (in 34 unter) dem Durchgangsloch 202a befindet. Auf einer Oberfläche der festen Elektrodenschicht 273 ist durch einen Abstand P getrennt eine bewegliche Elektrodenschicht 274 ausgebildet. Abstandshalter 275 sind zwischen den Elektrodenschichten 273 und 274 in ihrem Umfangsbereich angeordnet. Die Elektrodenschichten 273 und 274 sind über die Abstandshalter 275 fest miteinander verbunden.
Die Verdrahtungsschichten 205 und 206 sind auf der Oberfläche des Sensorsubstrats 32 ausgebildet.
Die feste Elektrodenschicht 273 und die Verdrahtungsschicht 205 sind über den Kontakthöcker 207 miteinander verbunden, während die bewegliche Elektrodenschicht 204 und die Verdrahtungsschicht 206 über den Kontakthöcker 208 miteinander verbunden sind.
Auf diese Weise ist ein kapazitives Element F gebildet, das eine Struktur aufweist, in der die Elektroden 273 und 274 durch den Abstand P getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Das Empfangs-Element 271 umfasst das kapazitive Element F, das mit Hilfe der MEMS-Technik hergestellt ist.
Die Oberfläche der Isolierungsschicht 272, die durch den Boden des Durchgangslochs 202a freiliegt, bildet eine Empfangsoberfläche 271a des Empfangs-Elements 271.
Wenn die bewegliche Elektrodenschicht 274 durch eine Ultraschallwelle in Schwingungen versetzt wird, ändert sich der Abstand zwischen den Elektrodenschichten 273 und 274 und damit die Kapazität der Anordnung. Ferner, eine (nicht gezeigte) Umwandlungsschaltung, die mit den Verdrahtungsschichten 273 und 274 verbunden ist, wird verwendet, um eine Änderung der Kapazität zwischen den Elektrodenschichten 273 und 274 in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Wie es oben beschrieben ist, wird selbst dann, wenn eine Mehrzahl der kapazitiven Empfangs-Elemente 271 einen der Empfangs-Abschnitte 200 bis 260 bildet, noramalerweise verhindert, dass die bewegliche Elektrodenschicht 274 so beschädigt wird, dass einer der Empfangs-Abschnitte 200 bis 260 bricht, selbst wenn die dünne bewegliche Elektrodenschicht 274 eine geringe Festigkeit besitzt, wie es der Fall ist, wenn ein entsprechender der Empfangs-Abschnitte 200 bis 260 die piezoelektrischen Elemente umfasst. Als eine Folge davon können die robusten Empfangs-Abschnitte 200 bis 260 gewonnen werden.
[2]
Jeder der Sende-Abschnitte 209 und 231 gemäß dem achten bis dreizehnten beisplelhaften Aspekt umfasst das piezoelektrische Sende-Elemente, das die gleiche Struktur wie das piezoelektrische Empfangs-Element 201 besitzt.
Jedoch kann jedes der Sende-Abschnitte 209 und 231 aus einem kapazitiven Sende-Element mit der gleichen Struktur wie das in 34 gezeigte kapazitive Empfangs-Element 271 bestehen. In einem solchen Fall wird eine elektrische Anziehung zwischen den Elektrodenschichten 273 und 274 in Übereinstimmung mit einem den Elektrodenschichten 273 und 274 zugeführten Eingangssignal erzeugt. Die elektrostatische Anziehung bewirkt, dass die Oszillationen der beweglichen Elektrodenschicht 274 eine Ultraschallwelle erzeugen.
In diesem Fall wirkt die Empfangsoberfläche 271a des Empfangs-Elements 271 als eine Sendeoberfläche des Sende-Elements zur Aussendung einer Ultraschallwelle.
[3]
Gemäß dem dreizehnten beispielhaften Aspekt kann die Schutzschicht 14 weggelassen werden, während das Übertragungs-Element 261 durch das gleiche Schutzelement wie das Schutzelement 41 des zweiten beispielhaften Aspekts ersetzt werden kann.
Auf diese Weise können die gleichen Funktionen und Effekte wie die des zweiten beispielhaften Aspekts gewonnen werden.
[4]
Der Ultraschallsensor N gemäß dem achten, neunten, elften und dreizehnten Aspekt sowie den ersten Variationen des elften und dreizehnten beispielhaften Aspekts ist aus einem Hybrid-IC aufgebaut, in dem der entsprechende Empfangs-Abschnitt 200, 220, 240 bzw. 260 und der Sende-Abschnitt 209, die den Chipteilen entsprechen, auf dem Sensorsubstrat 32 befestigt ist, der aus einem isolierenden plattenförmigen Material hergestellt ist.
Jedoch kann der Ultraschallsensor N gemäß dem achten, neunten, elften und dreizehnten Aspekt sowie den ersten Variationen des elften und dreizehnten beispielhaften Aspekts auch aus einem monolithischen IC gebildet sein, in dem der jeweilige Empfangs-Abschnitt 200, 220, 240 bzw. 260 und der Sende-Abschnitt 231 wie in dem Fall des in 23 gezeigten Ultraschallsensors L auf dem einzigen Substrat 202 ausgebildet sind.
Wie in dem Fall des Ultraschallsensors L gemäß der zweiten Variation des zwölften beispielhaften Aspekts kann wenigstens ein beliebiges der Empfangs-Elemente 201, das den Empfangs-Abschnitt 250 bildet, ausgelegt sein, um als das Sende-Element 232, das den Sende-Abschnitt 231 in dem Ultraschallsensor N gemäß dem zwölften beispielhaften Aspekt und der ersten Variation des zwölften beispielhaften Aspekts bildet, zu wirken.
35 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der achte beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor L angewendet ist, und zeigt den Empfangs-Abschnitt 200 und den Sende-Abschnitt 231 des Ultraschallsensors L.
Dieses Beispiel unterscheidet sich nur in dem oben beschriebenen Punkt [a] des zehnten beispielhaften Aspekts von dem achten beispielhaften Aspekt.
36 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der zwölfte beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor L angewendet ist und die den Empfangs-Abschnitt 240 und den Sende-Abschnitt 231 des Ultraschallsensors L zeigt.
Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem zwölften beispielhaften Aspekt nur in dem oben bei dem zehnten beispielhaften Aspekt beschriebenen Punkt [a].
37 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der zwölfte beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor L angewendet ist und die den Empfangs-Abschnitt 250 und den Sende-Abschnitt 231 des Ultraschallsensors L zeigt.
Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem zwölften beispielhaften Aspekt nur dahingehend, dass eines (das Empfangs-Element 201A) der Empfangs-Elemente 201, die den Empfangs-Abschnitt 250 bilden, ausgelegt ist, um als das Sende-Element 232 zu wirken, das den Sende-Abschnitt 231 bildet.
38 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der dreizehnte beispielhafte Aspekt auf den Ultraschallsensor L angewendet ist und die den Empfangs-Abschnitt 260 und den Sende-Abschnitt 231 des Ultraschallsensors L zeigt.
Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem dreizehnten beispielhaften Aspekts nur in dem oben genannten Punkte [a] des zehnten beispielhaften Aspekts.

Claims

Ultraschallsensor mit: – einer Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) zur Umwandlung von entweder einer empfangenen Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal oder einem elektrischen Signal in eine Ultraschallwelle, um diese auszusenden, wobei die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) nebeneinander angeordnet sind; und – einem Schutzmittel (14, 41), um die Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) zu schützen, wobei das Schutzmittel (14, 41) umfasst: – eine Schutzschicht (14), die über der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) angeordnet ist; und – einen ersten Spalt (S), der zwischen der Schutzschicht (14) und der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) angeordnet ist; – wobei der erste Spalt (S) mit einem Füller gefüllt ist, der entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel ist, dadurch gekennzeichnet, dass: – er ein Entlüftungsloch (71) umfasst, um den ersten Spalt (5) mit einem Außenbereich zu verbinden, so dass in dem Füller enthaltene Luftblasen durch das Entlüftungsloch (71) in den Außenbereich des ersten Spalts (S) entweichen können.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung des Entlüftungslochs (71) nach oben gerichtet ist, wenn ein Empfangs-Abschnitt (70), der die Mehrzahl von Umwandlungsmittels umfasst, an einem Sensorsubstrat (32) befestigt ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schallimpedanz des Füllers weitestgehend an die der Schutzschicht angeglichen ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner Trennmittel (51, 241, 251, 52) umfasst, um einen Bereich des ersten Spalts (S) und der Schutzschicht (14), der sich vor einem beliebigen der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) befindet und das beliebige Umwandlungsmittel (11, 111, 201, 271) von den weiteren der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) und den vor diesen liegenden Bereichen des ersten Spalts (S) und der Schutzschicht (14) abzutrennen.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: – ein Gehäuse (13, 204), um jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) darin aufzunehmen; – einen zweiten Spalt (R), der von dem Gehäuse (13, 204) und der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln umgeben ist; und – ein Entlüftungsloch (61, 221), um den zweiten Spalt (R) mit dem Außenbereich zu verbinden.
Ultraschallsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Mehrzahl von Umwandlungsmittel (11, 111, 201, 271) ein Sende-Element (232) ist, um ein elektrisches Signal in eine Ultraschallwelle zur Aussendung umzuwandeln.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: – ein Gehäuse (13, 204), um jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) darin aufzunehmen; und – einen zweiten Spalt (R), der einem dicht abgeschlossenen Raum entspricht, der von dem Gehäuse (13, 204) und der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) umgeben ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spalte (R) mit einem Füller gefüllt ist, der entweder eine Flüssigkeit, ein Sol oder ein Gel ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) ein Empfangs-Element (11) zur Umwandlung einer empfangenen Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass erferner ein Übertragungs-Element (81, 261) umfasst, um jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) unabhängig voneinander mit der Schutzschicht (14) zu verbinden.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) ein Schalltrichter (91) angeordnet ist, der an einem dem jeweiligen der Mehrzahl von Umwandlungsmittel (11, 111, 201, 271) gegenüberliegenden Ende eine Engstelle und an einem weiteren Ende eine Öffnung aufweist, wobei sich eine Querschnittsfläche des Schalltrichters (91) von der Engstelle in Richtung der Öffnung allmählich vergrößert.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass: – jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (12) ausgebildet ist; – eine Oberflächenseite des Halbleitersubstrats (12) als die Oberseite jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) betrachtet wird, um sowohl als eine Empfangsoberfläche als auch als eine Sendeaberfläche für eine Ultraschallwelle zu dienen; – ein Banddraht (28, 29) mit der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats (12) verbunden ist; und – jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) auf einem Sensorsubstrat (32) durch ein Drahtbondverfahren mittels des Banddrahtes (28, 29) oberflächen-implementiert ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass: – jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (12) ausgebildet ist; – eine Unterseite des Halbleitersubstrats (12) als die Oberseite von jedem der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) betrachtet wird, um entweder als eine Empfangsoberfläche oder als eine Sendeoberfläche für eine Ultraschallwelle zu dienen; – ein Kontakthöcker (207, 208) mit der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats verbunden ist; und – jedes der Mehrzahl von Umwandlungsmitteln (11, 111, 201, 271) auf einem Sensorsubstrat (32) durch eine Flip-Chip-Verbindung über den Kontakthöcker (207, 208) verbunden ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Umwandlungsmittel (11, 111, 201, 271) entweder vom piezoelektrischen Typ oder vom kapazitiven Typ ist.