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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf einen schallwellenbasierten Sensor zur Umfelddetektion, insbesondere auf einen Ultraschallsensor für Kfz-Anwendungen und auf die Verwendung desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Im Anwendungsbereich einer ultraschallbasierten Umfelddetektion wird beispielsweise von einem Schallwandler Schall oberhalb des Audiofrequenzbereiches in die Umgebung abgegeben, von entsprechenden Objekten in der Umgebung reflektiert und von geeigneten Schallempfängern registriert. Ziel dieser Umfelddetektion ist beispielsweise die Vermeidung von Kollisionen mit Umgebungsobjekten und das Ermitteln von Umgebungskarten, beispielsweise im Rahmen der Bahnplanung für Kraftfahrzeuge.
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Üblicherweise werden dazu Systeme eingesetzt, die einen oder mehrere Sensoren umfassen, die jeweils einen einzelnen Schallwandler als Ultraschallsender bzw. -empfänger aufweisen. Bekannt sind zu diesem Zweck Ultraschallwandler, die beispielsweise auf Basis von Piezoelementen ausgeführt sind, aber auch elektrostatische Wandler, die aus einer Anordnung von zwei mit kleinem Abstand sich gegenüberliegenden Kondensatorplatten bestehen und gegebenenfalls unter Anwendung geeigneter Halbleiterprozesse als MEMS-Wandler ausgeführt sind. Derartige Sensoren sind beispielsweise Gegenstand der
DE 10 2006 021 492 .
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Weiterhin ist aus dem Artikel V. Ovtun, J. Döring, J. Bartusch, U. Beck, A. Erhard und Y. Yakymenko „Ferroelektret non-contact ultrasonic transducers" Appl. Phys. A 88, 737–743 (2007) die Verwendung von Ferroelektret-Materialien in Ultraschallsensoren bekannt. Diese finden Anwendung im industriellen und medizinischen Bereich sowie im Bereich der Materialwissenschaften und im Bereich der nicht zerstörenden Prüfungsmethoden.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, schallwellenbasierte Sensorsysteme zur Umfelddetektion bereitzustellen, die hinsichtlich einer sicheren Erfassung von Umfeldobjekten optimiert sind. Dabei wird unter einem schallwellenbasierten Sensor ein Sensor verstanden, der Schallwellen zumindest detektiert und in einer in ein Messsignal überführbaren Form verarbeitet oder weiterleitet.
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Vorteile der Erfindung
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Ein schallwellenbasierter Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 löst in vorteilhafter Weise die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe. Dabei umfasst der schallwellenbasierte Sensor einen Schallwandler mit einer schallaussenden bzw. schalldetektierenden Membran, die mindestens eine Schutzschicht aus einem Polymer aufweist. Die Schutzschicht aus einem Polymer gewährleistet, dass insbesondere mechanisch empfindliche Kompartimente des schallwellenbasierten Sensors wie insbesondere die schallaussendende bzw. schalldetektierende Membran eines Schallwandlers desselben vor mechanischen Belastungen wie auch vor Witterungseinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub, Sprühnebel, Eis und Schnee geschützt sind.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist es von Vorteil, wenn die schallaussendende bzw. schalldetektierende Membran des Sensors mit mindestens zwei aufeinander angeordneten Schutzschichten versehen ist, da auf diese Weise ein besonders wirkungsvoller Schutz der Membran gewährleistet ist. Dabei führt der mehrlagige Aufbau zweier Schutzschichten insgesamt zu einer Erhöhung der Robustheit auch im Vergleich zu einer einlagigen Schutzschicht gleicher Gesamtstärke. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die schallwellenaussendende bzw. schallwellendetektierende Membran hinsichtlich einer möglichen Lackierbarkeit derselben zu optimieren, so dass der resultierende Sensor im verbauten Zustand ein insgesamt an die Umgebung angepasstes Erscheinungsbild zeigt.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn die schallerzeugende bzw. schalldetektierende Membran aus einem Ferroelektret-Material gefertigt ist oder dieses zumindest aufweist. Der besondere Vorteil der Verwendung von Ferroelektret-Materialien als Bestandteil der Membran ist in deren Robustheit und in deren kostengünstiger Herstellung zu sehen.
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Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn das Ferroelektret-Material als Folie ausgeführt ist, die mit Elektroden versehen ist, wobei mindestens eine der Elektroden in Form einer aufgedampften Metallisierung ausgeführt ist. Die Ausführung einer der Elektroden als aufgedampfte Metallisierung führt zu sehr dünnen und biegsamen Elektrodenstrukturen, die eine Vielzahl von Oberflächengestaltungen der schallerzeugenden bzw. schalldetektierenden Membran zulassen.
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Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn die Membran auf einer Leiterplatte aufgeklebt ist. Auf diese Weise kann beispielsweise über die Leiterbahnstrukturen der Leiterplatte einerseits eine elektrische Kontaktierung der Membran gewährleistet werden, andererseits bietet die Verwendung einer Leiterplatte die Möglichkeit, mehrere Membranen in engerer räumlicher Nähe zueinander aufzubringen und somit mehrere Schallwandler in Form eines Arrays anzuordnen.
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Die Robustheit des schallwellenbasierten Sensors kann weiter optimiert werden, wenn die Membran oder die Leiterplatte, auf der die Membran aufgebracht ist, auf eine ein- oder mehrlagige Trägerstruktur aufgebracht wird. Die Trägerstruktur ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass mechanische Einwirkungen auf den Schallwandler des Sensors nicht ausschließlich von der mit einer Schutzschicht versehenen schallaussendenden bzw. schalldetektierenden Membran aufgefangen werden, sondern zusätzlich über die Trägerstruktur kompensiert werden.
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Der erfindungsgemäße schallwellenbasierte Sensor lässt sich in vorteilhafter Weise in Kraftfahrzeugen zur Umfelddetektion, beispielsweise bei Einparkvorgängen oder bei sonstigen Manövriervorgängen mit langsamer Geschwindigkeit, beispielsweise in Parkhäusern, einsetzen. Weitere vorteilhafte Anwendungsfelder sind in der Umfelderfassung bei Robotern, bei Gebäude-Überwachungssystemen, insbesondere bei der Überwachung von Räumen, sowie bei der Überwachung von industriellen Fertigungsanlagen und im Rahmen von Vorrichtungen zur Unterstützung sehbehinderter Personen zu sehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. So zeigt
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Schallwandlers eines schallwellenbasierten Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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2 die schematische Schnittdarstellung eines Schallwandlers eines schallwellenbasierten Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Schallwandler 20 eines schallwellenbasierten Sensors dargestellt. Der Schallwandler 20 umfasst eine Membran 22 zur Schallerzeugung bzw. Schalldetektion. Dabei ist die Membran 22 vorzugsweise in Form einer Folie ausgeführt, die aus einem Ferroelektret-Material ausgeführt ist oder dieses zumindest enthält.
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Ferroelektret-Materialien, die auch als Elektret-Material oder als electromechanical film bezeichnet werden, sind gekennzeichnet durch eine Porenstruktur 24, an deren Grenzfläche elektrostatisch positive und negative Ladung lokalisiert und permanent gespeichert sind. Geeignete Ferroelektret-Materialien sind beispielsweise auf der Basis von Polymeren, wie Polytetrafluorethylen, Polytetrafluorethylenpropylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid bzw. aus Copolymeren dieser Polymerwerkstoffe hergestellt.
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Zur Anregung der schallerzeugenden bzw. -detektierenden Membran 22 ist beispielsweise auf einer ersten Großfläche der Membran 22 eine erste Sensorelektrode 26 vorgesehen, die zusammen mit einer auf der gegenüberliegenden Großfläche der Membran 22 angeordneten zweiten Sensorelektrode 28, die als Masseelektrode fungiert, im Betrieb eine Schwingungsanregung der Membran 22 bewirkt. Dabei können die erste und/oder die zweite Sensorelektrode 26, 28 auch in Form von Metallisierungsschichten auf der Membran 22 vorgesehen sein. Diese werden dabei vorzugsweise durch geeignete chemische oder auf CVD- bzw. PVD-basierenden Verfahren beruhende Metallisierungsvorgänge erzeugt.
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Zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen ist zumindest eine Großfläche der Membran 22 mit einer Schutzbeschichtung 30 versehen, die die schallerzeugenden Kompartimente des Schallwandlers 20 vor Umwelteinflüssen und mechanischen Einwirkungen schützt und somit die Beständigkeit beispielsweise bei der Montage bzw. während des Betriebs des schallwellenbasierten Sensors im Außenbereich eines Kraftfahrzeugs verbessert.
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Die die Schutzschicht 30 insgesamt einem durchaus anspruchsvollen Anforderungsprofil genügen muss, ist die Schutzbeschichtung 30 beispielsweise ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Sie umfasst bspw. eine erste Schutzschicht 30a, die ein Polymer enthält, welches vorzugsweise ein Polyester PET, ein Polyethylen PE, ein Polypropylen PP oder ein Polyamid PA oder Mischungen bzw. Copolymerisate derselben sein kann. Dabei weist die erste Schutzschicht 30a beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 80 und 220 μm auf.
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Weiterhin ist auf der der Membran 22 abgewandten Großfläche der ersten Schutzschicht 30a eine zweite Schutzschicht 30b vorgesehen, die aus einem verglichen mit der ersten Schutzschicht 30a abweichenden Material ausgeführt ist. Die zweite Schutzschicht 30b kann beispielsweise in Form einer Metallisierung insbesondere aus Aluminium ausgeführt sein oder als eine weitere polymerhaltige Schicht die beispielsweise PET oder PE enthält. Die zweite Schutzschicht 30b weist vorzugsweise eine geringere Schichtdicke auf wie die erste Schutzschicht 30a. So beträgt die Schichtdicke der zweiten Schutzschicht 30b beispielsweise zwischen 10 und 80 μm.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführung der zweiten Schutzschicht 30b als Aluminium-Metallisierung mit einer Schichtdicke von beispielsweise 15 μm oder als polymerhaltige Schicht mit einer Schichtdicke zwischen 60 und 80 μm.
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Optional kann auf der der ersten Schutzschicht 30a abgewandten Großfläche der zweiten Schutzschicht 30b eine weitere Schutzschicht 30c vorgesehen sein, die ihrerseits aus einem abweichenden Material bezogen auf die Materialien der ersten Schutzschicht 30a bzw. der zweiten Schutzschicht 30b ausgeführt ist. So kann die weitere Schutzschicht 30c beispielsweise als Metallisierung insbesondere aus Aluminium ausgebildet sein und dabei beispielsweise eine Schichtdicke von ca. 15 μm aufweisen. Alternativ kann die weitere Schutzschicht 30c auch als weitere Polymerschicht ausgebildet werden. Als Materialien der weiteren Polymerschicht kommt beispielsweise PE mit einer Schichtdicke von 50 bis 70 μm in Frage.
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In Tabelle 1 sind Ausführungsbeispiele für den möglichen Aufbau der Schutzbeschichtung
30 angegeben.
| | Erste Schutzschicht 30a (Material, Schichtdicke) | Zweite Schutzschicht 30b (Material, Schichtdicke) | Weitere Schutzschicht 30c (Material, Schichtdicke) |
| 1 | PET, 100 μm | Metallisierung Aluminium 15 μm | --- |
| 2 | PET, 100 μm | Metallisierung Aluminium 15 μm | PE 60 μm |
| 3 | PE, 100 μm | PET 60 μm | Metallisierung Aluminium 15 μm |
| 4 | PP, 200 μm | PET 80 μm | Metallisierung Aluminium 15 μm |
| 5 | PA, 100 μm | PE 70 μm | --- |
Tabelle 1
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Ein Schallwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Der aus der Membran 22, den ersten und zweiten Sensorelektroden 26, 28 und der Schutzbeschichtung 30 gebildete Verbund ist dabei vorzugsweise auf einer Leiterplatte 31 positioniert, die beispielsweise die elektronische Kontaktierung zumindest der ersten Sensorelektrode 26 gewährleistet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die erste Sensorelektrode 26 in die Strukturen der Leiterplatte 31 integriert ist und beispielsweise als Leiterbahn derselben ausgeführt ist.
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Darüber hinaus kann der in 2 dargestellte Schallwandler 20' eine flächig ausgeführte Masseelektrode 34 umfassen, die der elektrischen Schirmung des Schallwandlers 20' dient und beispielsweise als flächige Leiterbahn der Leiterplatte 31 ausgeführt ist.
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Die Robustheit des Schallwandlers 20' eines schallwellenbasierten Sensors kann weiter gesteigert werden, wenn dieser zusätzlich eine Trägerkonstruktion, die vorzugsweise mehrlagig ausgeführt ist, umfasst. Die Trägerkonstruktion 32 ist beispielsweise auf einer der Schutzbeschichtung 30 gegenüberliegenden Großfläche der Membran 22 angeordnet und steht beispielsweise in physischem Kontakt mit der ersten Sensorelektrode 26. Bei einem Schallwandler 20' gemäß einer alternativen Ausführungsform steht die Trägerkonstruktion 32 in physischem Kontakt mit der Schirmelektrode 34 bzw. der Leiterplatte 31.
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Die Trägerkonstruktion 32 ist beispielsweise zwei-, drei- oder vierlagig aufgebaut und umfasst bspw. eine erste Trägerschicht 32a, eine auf dieser angeordnete zweite Trägerschicht 32b, eine ggf. auf dieser angeordnete dritte Trägerschicht 32c und eine ggf. wiederum auf dieser angeordnete vierte Trägerschicht 32d. Die Trägerschichten 32a, 32b, 32c, 32d zeigen jeweils eine oder mehrere der nachfolgend genannten Eigenschaften wie eine hohe mechanische Festigkeit bzw. Nachgiebigkeit, eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und/oder eine ausreichende thermische Leitfähigkeit.
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Da die Trägerschichten 32a, 32b, 32c, 32d vorzugsweise aus jeweils unterschiedlichen Materialien ausgeführt sind, kombinieren sich die mechanischen, elektrischen bzw. thermischen Eigenschaften dieser Trägerschichten in geeigneter Weise und führen zu einer deutlich erhöhten Robustheit auch im Vergleich zu einer einlagigen Schicht gleicher Gesamtstärke. So kann beispielsweise eine der Trägerschichten 32a, 32b, 32c, 32d als thermisch isolierende Schicht ausgeführt sein und eine zweite der Trägerschichten 32a, 32b, 32c, 32d als eine Thermostrahlung reflektierende Schicht. Diese Kombination führt zu einer deutlich erhöhten Resistenz gegenüber Temperatureinwirkungen des Schallwandlers 20' verglichen mit einem Schallwandler, der nur eine dieser Schichten aufweist.
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Auch der Schutz gegenüber mechanischen Einwirkungen kann verbessert werden, wenn als Trägerschichten 32a, 32b, 32c, 32d eine Kombination einer mechanisch nachgiebigen mit einer mechanisch steifen Schicht vorgesehen wird. Dabei sind mechanisch nachgiebige Schichten beispielsweise aus einem bspw. geschäumten Ferroelektretmaterial ausgeführt, das bspw. nicht elektrisch aufgeladen ist, und so den Vorteil bietet, weich bzw. elastisch zu sein und eine gute Impedanzanpassung bzw. Ankopplung an das Schallfeld zu gewährleisten.
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Mechanische steife Schichten sind dagegen beispielsweise in Form einer Metallisierung aus Aluminium oder Kupfer ausgeführt.
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Auf diese Weise kann die Trägerkonstruktion 32 beispielsweise mechanische Einwirkungen stark absorbieren und somit die Membran 22 schützen. Weist der Schallwandler 20' sowohl eine mehrlagige Schutzbeschichtung 30 als auch eine mehrlagige Trägerkonstruktion 32 auf, so steigert dies nicht nur die Robustheit desselben, sondern führt auch zu einer Verbesserung der Wandlerempfangsempfindlichkeit bzw. der Wandlersendestärke des Schallwandlers 20' verglichen mit einem Schallwandler, der beispielsweise eine einlagige Schutzbeschichtunf bzw. einlagige Trägerkonstruktion gleicher Gesamtdicke aufweist.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn zumindest eine der Trägerschichten 32a, 32b, 32c, 32d als Kupferbeschichtung ausgeführt ist. Weiterhin ist bevorzugt, wenn diese Kupferbeschichtung beispielsweise in Form der Trägerschicht 32a vorgesehen ist, die der Membran 22 rein räumlich am nächsten kommt.
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Ausführungsbeispiele geeigneter Trägerkonstruktionen
32 sind der nachfolgend aufgeführten Tabelle 2 zu entnehmen.
| | Trägerschicht 32a (Material, Schichtdicke) | Trägerschicht 32b (Material, Schichtdicke) | Trägerschicht 32c (Material, Schichtdicke) | Trägerschicht 32d (Material, Schichtdicke) |
| 1 | Kupfer, 100 μm | Epoxydharz + Glasfaser-gewebe, 500 μm | --- | --- |
| 2 | Kupfer, 35 μm | Polyimid, 200 μm | Aluminiumoxid, 500 μm | --- |
| 3 | Kupfer, 35 μm | Polyimid, 200 μm | Weich-PVC, 500 μm | Hart-PVC, 1000 μm |
Tabelle 2
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Die Schutzbeschichtung 30 kombiniert aufgrund ihrer Mehrlagigkeit aus Schichten unterschiedlicher Materialien jeweils eine oder mehrere der nachfolgend genannten Eigenschaften, wie Dichtigkeit gegenüber einem Eindringen von Feuchte bzw. Flüssigkeiten, eine hohe mechanische Festigkeit bzw. Nachgiebigkeit, gute Reflexionseigenschaften gegenüber thermischer Strahlung, gute thermische Isolation bzw. gute thermische Leitfähigkeit, eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, ein gutes Lichtreflexionsverhalten und eine gute Resistenz gegenüber Schmutz und anderen Anhaftungen.
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Der Schallwandler 20, 20' erzeugt insbesondere Schallwellen im Ultraschallbereich zwischen 16 KHz und 300 KHz. Besonders geeignet hat sich dabei ein Frequenzbereich um 50 KHz gezeigt.
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Der erfindungsgemäße schallwellenbasierte Sensor kann beispielsweise eingesetzt werden zur Umfelddetektion bei Kraftfahrzeugen, insbesondere für Einparkvorgänge oder für eine semi- oder vollautomatisierte Manövrierung von Fahrzeugen bei langsamer Geschwindigkeit als auch für eine sogenannte Tote-Winkel-Überwachung.
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Weitere Anwendungsfelder sind in der Umfeldsensierung für Roboter beispielsweise in Form automatischer Rasenmäher, Staubsauger oder in Form von Transportrobotern beispielsweise in der industriellen Fertigung, Krankenhäusern oder in Pflegeheimen zu sehen.
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Weiterhin können mittels des erfindungsgemäßen schallwellenbasierten Sensors industrielle Fertigungsprozesse und -anlagen überwacht werden. Darüber hinaus ist eine Unterstützung sehbehinderter Personen denkbar, beispielsweise indem der erfindungsgemäße schallwellenbasierte Sensor in Hinderniswarnern, beispielsweise in Form eines Ultraschallstocks oder eines Ultraschall-Blindenhundes eingefügt werden. Darüber hinaus ist eine Anwendung in einer geeigneten Form der Ultraschallkommunikation denkbar, beispielsweise für Fernbedienungen, oder die Anwendung im Bereich der Sicherheitstechnik, wo eine Raumüberwachung oder die Ortung eines Eindringens von Personen oder Objekten in geschützte Räume detektiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- V. Ovtun, J. Döring, J. Bartusch, U. Beck, A. Erhard und Y. Yakymenko „Ferroelektret non-contact ultrasonic transducers” Appl. Phys. A 88, 737–743 (2007) [0004]
